Hongliang Yaoa, Chunmei Zeng*A, B, Haomo Yuc
Aschool của khoa học và kỹ thuật quang điện tử, Đại học Soochow, số 1 Shizi Street, Tô Châu 215006, Trung Quốc; Phòng thí nghiệm BKEY của các công nghệ sản xuất quang học tiên tiến của tỉnh Giang Tô &
Phòng thí nghiệm chính về công nghệ quang học hiện đại của Bộ Giáo dục Trung Quốc, Đại học Soochow, Tô Châu 215006, Trung Quốc; Csuzhou Mason Quang Co., Ltd., Tô Châu 215007, Trung Quốc
* Tác giả tương ứng: Chunmei _ zeng@suda.edu.cn
Tóm tắt
Kính khung được thiết kế đặc biệt đã cho thấy hiệu suất ngày càng đáng kể trong phòng ngừa và kiểm soát cận thị trong các thử nghiệm lâm sàng. Tuy nhiên, các nghiên cứu công khai về việc điều chế các quang sai bậc cao liên quan đến khung kính mắt vẫn còn khan hiếm. Bài viết này thiết kế ống kính kính mắt với quang sai bậc cao và sự khử lấy nét cận thị bằng cách liên kết mô hình mắt và kính khung, và mô phỏng mô hình quang học của mắt kính đối với bệnh nhân cận thị 300 độ. Khi đơn vị điều chế quang sai thứ tự không được đặt cho kính, giá trị độ lệch của hướng trục y ở trường -14 độ nhìn tương ứng với sự thay đổi của công suất bề mặt bên ngoài của bộ phận chỉnh hình của bộ lọc. -28. 5 độ ~ 28,5 độ (ở mức tăng 1 độ). Bài viết này đã thảo luận về mối tương quan giữa bán kính cong vòng cung cơ sở của cấu trúc điều chế quang sai theo thứ tự cao và quang sai thứ tự cao trong kính mắt được thiết kế theo quan sát tĩnh trong hướng Y. Các công thức thực nghiệm tương ứng đã được thiết lập. Nghiên cứu này sẽ có lợi cho sự phát triển của kính điều chế quang sai bậc cao.Từ khóa:Điều chế quang sai bậc cao, phòng ngừa và kiểm soát cận thị, mô hình mắt, thiết kế kính
1. Giới thiệu
Một nghiên cứu theo dõi có hệ thống [1] cho thấy trong 15 năm qua, tỷ lệ mắc bệnh cận thị ở Đông Á đã tăng nhanh, một xu hướng hiện đang lan rộng trên toàn cầu. Tỷ lệ tiến triển của cận thị khác nhau giữa các nhóm tuổi khác nhau, như trong Hình 1: Tỷ lệ tiến triển của cận thị ở trẻ em từ 6 đến 9 là -0. 50 đến -1. 00 Sự tiến triển trung bình hàng năm của cận thị ở hầu hết bệnh nhân cận thị sẽ chậm lại theo thời gian, với hầu hết các cá nhân ổn định trước năm 20 tuổi. Viện cận thị quốc tế (IMI) đã báo cáo vào năm 2019 rằng khoảng 87% trẻ em bị cận thị cao ở tuổi 11 phát triển ở tuổi 7 hoặc trẻ hơn. Do đó, việc phòng ngừa cận thị sớm ở trẻ em và thanh thiếu niên ở độ tuổi đi học là rất quan trọng để giảm suy giảm thị lực trong tương lai.
Hình 1. Sự thay đổi khúc xạ ở trẻ em cận thị theo độ tuổi [2].
Hội nghị quốc tế lần thứ tư về quang học và xử lý hình ảnh (ICOIP 2024), được chỉnh sửa bởi Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. của spie vol. 13254, 132541C © 2024 SPIE · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156
Proc. của spie vol. 13254 132541 C -1
Nghiên cứu trước đây về quang sai bậc cao (HOAS) của mắt người chủ yếu tập trung vào cách điều chỉnh chúng (như thiết kế kính áp tròng mềm của Suliman và cộng sự vào năm 2019 [3]), mối quan hệ giữa HOAs và các yếu tố liên quan đến mắt [4,5], phẫu thuật định hình lại. Bằng chứng cho thấy HOAs có liên quan đáng kể đến tiến triển cận thị và kéo dài dọc trục ở trẻ em cận thị được điều chỉnh bằng kính monofocal [7]. Xem xét những lợi thế của mức độ phổ biến cao, chi phí thấp, bản chất không xâm lấn và dễ dàng thay thế kính khung, khám phá tiềm năng của chúng để làm chậm tiến triển cận thị ở trẻ em và thanh thiếu niên thể hiện một lợi thế duy nhất. Và kính được thiết kế nhiều điểm do mất Focus: Với một khu vực trung tâm có thể điều chỉnh tầm nhìn rõ ràng, các microlenses được sắp xếp xung quanh ống kính để tạo ra sự mất tập trung cận thị, do đó trì hoãn sự tiến triển của cận thị, công nghệ này đã được thương mại hóa thành công. Cho đến nay, nghiên cứu này cố gắng thiết kế ống kính kính mắt có thể điều chỉnh quang sai bậc cao dựa trên sự mất tập trung cận thị.
2. Phương pháp luận
2.1 Mô hình mắt
Nền tảng nghiên cứu liên quan đến việc mô phỏng mắt cơ bản bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế quang học Zemax. Mắt cơ bản được sửa đổi dựa trên mô hình mắt LiOU [8], với các thông số cấu trúc được chi tiết trong Bảng 1. Mô hình mắt được thiết kế với chiều dài trục 23,97 mm và đường kính đồng tử là 4 mm. Để hợp lý hóa phân tích, chúng tôi giả định không có thiên hướng hoặc lệch tâm tại học sinh.
Bảng 1. Các thông số cấu trúc mô hình mắt.
Bề mặt trước của mặt trước và bề mặt ảo dựa trên bề mặt tiêu chuẩn và chỉ số khúc xạ n của môi trường có thể được xác định tự do, như thể hiện trong công thức (1).
Trong Bảng 1, lớp A trên bề mặt trước của ống kính tương ứng với N 0=1. 368, NR 2=-1. NZ 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Grad B trên bề mặt ảo tương ứng với n 0=1. 407, nr 2=-1. New Zealand 3=0.
2.2 quang sai mắt của mắt người
Trong đo thị lực, 6 đơn đặt hàng đầu tiên của đa thức zernike chủ yếu được sử dụng để đại diện cho quang sai sóng của mắt người. Các quang sai mặt sóng được chỉ định bởi Hiệp hội quang học Hoa Kỳ (OSA) [9] tương ứng với các hệ số tiêu chuẩn Zernike trong phần mềm Zemax, như được nêu trong Bảng 2. Cách tiếp cận này cho phép biểu diễn chính xác và tiêu chuẩn hóa của quang sai mắt, tạo điều kiện cho việc mô phỏng và phân tích chính xác hơn.
Bảng 2. Ý nghĩa của quang sai hệ số tiêu chuẩn Zernike trong Zemax.
3. Mô hình và dữ liệu
(Khu vực hiệu chỉnh thị lực) Có thể điều chỉnh các lỗi khúc xạ hình cầu và hình trụ điển hình ở bệnh nhân cận thị. Nó được thiết kế theo đơn thuốc kính mắt của bệnh nhân; 2, đơn vị khử Focus cận thị (được phân phối với một số microlenses hình cầu lồi được sắp xếp theo một mảng tròn), tạo ra một mức độ nhất định của sự mất tập trung cận thị; 3, đơn vị điều chế quang sai bậc cao bao gồm một số cấu trúc vòng liên quan đến việc điều chỉnh HOA của mắt người. Sơ đồ của bề mặt ngoài của ống kính kính mắt được hiển thị trong Hình 2 (a), với số lần quay và thứ tự của dải tăng từ trung tâm của ống kính đến cạnh; Mối quan hệ sắp xếp của ba đơn vị quang học được thể hiện trong Hình 2 (b), trong đó r đại diện cho khoảng cách xuyên tâm, nằm trong mặt phẳng XOY; Các đơn vị khử Focus cận thị được phân phối đồng đều trên chu vi và các khoảng phân phối ở cùng một khoảng cách xuyên tâm được biểu thị bằng chiều dài cung đơn vị. Cài đặt của chiều dài vòng cung đơn vị có thể điều khiển số lượng đơn vị trên mỗi vòng của microlens đơn vị. Chiều dài vòng cung đơn vị, khoảng cách vòng D, đường kính D2 của các microlens đơn vị khử lấy nét và chiều rộng xuyên tâm D3 của dải vòng cùng xác định mật độ của cấu trúc vi mô trên ống kính kính mắt.
Hình 2. (A: trái) Sơ đồ sơ đồ của ống kính mắt; (B: Phải) Sơ đồ sơ đồ của ba bố cục đơn vị trong mặt phẳng XOY.
Bước 1: Giả sử rằng đơn thuốc của một bệnh nhân cận thị là diopter hình cầu (3 d) và diopter hình trụ (0 d), sự phát triển cận thị của bệnh nhân chỉ được biểu hiện dưới dạng cận thị trục. Dựa trên điều này, một mô hình mắt cận thị đã được thiết kế, có thể sử dụng lý tưởng những thay đổi về chiều dài của khoang thủy tinh thể để phản ánh những thay đổi về mức độ cận thị trong mô hình mắt. Theo đơn thuốc, một ống kính tiêu cực lưỡi liềm còn lại được thiết kế như là đơn vị gương chính, với các bề mặt bên trong và bên ngoài hình cầu. Đường kính của gương mẹ là 60 mm, với độ dày trung bình 1,3 mm được chọn; Vật liệu gương mẹ là polycarbonate (PC), với chỉ số khúc xạ là 1,56, số Abbe là 37 và trọng lượng cụ thể là 1,23 g/cm3. Các tham số cấu trúc toàn diện được tóm tắt trong Bảng 3.
Bảng 3. Các thông số cấu trúc của đơn vị gương mẹ.
Trong Zemax, loại khẩu độ được đặt thành kích thước khẩu độ nổi với đường kính đồng tử là 4 mm và loại ngón chân được đặt thành đồng đều; Đặt ba trường quan sát (FOV) và điều chỉnh các trọng số của chúng cho phù hợp: 0 độ FOV trong hướng y được cho trọng lượng 1, 1 0 độ FOV trọng lượng 0. 2. Dưới tầm nhìn sáng, bước sóng áp dụng một bước sóng duy nhất là 0,555 μm. Dữ liệu khác dựa trên dữ liệu mô hình mắt cơ bản trong Bảng 1. Độ dày thủy tinh thể của mô hình mắt được coi là một biến và ống kính mẹ được đặt trước đỉnh giác mạc để tối ưu hóa mô hình quang học của mắt kính. Cấu hình này dẫn đến chiều dài cơ thể thủy tinh khoảng 17.306 mm và tổng chiều dài trục của mắt 25.036 mm.
Bước 2: Chọn một FOV của D-Direction 14 độ làm hướng tia chính cho thiết kế đơn vị quang tiếp theo, với cùng một vật liệu với đơn vị gương mẹ. Ban đầu, cần phải xác định tọa độ hướng y khi ánh sáng chính bên ngoài trường quay trục giao nhau với bề mặt bên ngoài của gương chính, để xác định khoảng cách xuyên tâm khi bình thường của đỉnh cấu trúc vi mô đầu tiên trong vòng tròn của vòng tròn đầu tiên của hình tròn; Sau đó xác định khẩu độ của trường nhìn trên bề mặt bên ngoài của gương mẹ, như được mô tả trong hình ảnh được mở rộng cục bộ trong Hình 3. Theo định lý Pythagore, khẩu độ của tia được truyền qua hướng y bên ngoài trục ở -14 độ FOV trên bề mặt bên ngoài của gương mẹ là khoảng 4,3186 mm.
Hình 3. Sơ đồ một phần của trường trục ngoài của gương mẹ để truyền ánh sáng.
Mối quan hệ vị trí giữa các microlens của vòng tròn đầu tiên của đơn vị khử Focus cận thị và bề mặt bên ngoài của gương mẹ trong mặt phẳng yoz theo hướng y có thể được minh họa trong Hình 4. Bán kính độ cong của bề mặt ngoài của gương của mẹ được biểu thị là R1. Chiều cao vector từ đỉnh của ống kính micro đến bề mặt ngoài của gương mẹ được ký hiệu là G2. Vị trí trung tâm của microlens có thể được xác định bằng chiều dài F2 và góc quay, có thể được tính bằng công thức sau:
Hình 4. Sơ đồ một phần của trường trục ngoài của gương người mẹ để truyền ánh sáng.
Đặt hình dạng bề mặt của microlens đơn vị khử Focus thành hình cầu (công suất opical là 6 ngày và đường kính 2 mm) và khoảng cách xuyên tâm của vòng tròn đầu tiên của cấu trúc vi mô là 3,802 mm; Hình dạng bề mặt ban đầu của bề mặt bên ngoài của cấu trúc dải vòng điều chế quang sai bậc cao được đặt làm hình ảnh với công suất cung cơ sở là 4 ngày và một Proc xuyên tâm. của spie vol. 13254 132541 C -5 chiều rộng của 1,5 mm (d3). Nguyên tắc tính toán của vị trí trung tâm của cung cơ bắp của mặt phẳng yoz giống như công thức (2) đến (4). Vị trí trung tâm của cung cơ sở có thể được xác định bởi chiều dài F3 và góc quay. với bán kính độ cong (R3) và chiều cao vectơ (G3) từ đỉnh của cung cơ sở trên bề mặt bên ngoài đến bề mặt ngoài của gương mẹ. G 2=3. 572 μM, G 3=1. Dữ liệu tham chiếu cho vị trí cấu trúc vi mô được chi tiết trong Bảng 4.
Bước 3: Sử dụng phần mềm CAD 3D Solidworks, đã hoàn thành mô hình của ống kính kính mắt ban đầu. Các quan điểm chính và bên trái được mô tả trong Hình 5 và đường kính của khu vực hiệu chỉnh tầm nhìn trung tâm của ống kính mẹ cấu trúc ban đầu là khoảng 5,604 mm.
Bảng 4. Dữ liệu vị trí của cấu trúc ống kính mặt cắt ngang yoz.
Hình 5. Cấu trúc ban đầu của ống kính kính mắt - khung nhìn phía trước và bên trái.
4. Kết quả và phân tích
Cuộc điều tra về hiệu suất quang học của ống kính kính mắt, ban đầu chỉ có ống kính mẹ, tiết lộ rằng giá trị khử Focus theo hướng trục y ở mức -14 FOV trong trường tĩnh của mô hình mắt kính là {{3}. Cho rằng sức mạnh của bề mặt bên ngoài của gương mẹ là 2 ngày, chúng tôi đã chọn khám phá một loạt các công suất quang cho bề mặt bên ngoài của đơn vị khử Focus cận thị trong khoảng từ 4 đến 10 ngày, tăng tăng 1 ngày, mà không kết hợp đơn vị điều chế quang sai bậc cao. Tình huống khử Focus được quan sát được tóm tắt trong Bảng 5. Dữ liệu liên quan đến Z4 Def Focus thể hiện mối quan hệ tuyến tính, cho phép chúng tôi sử dụng công thức (5) để ước tính độ lệch của sóng dưới các sức mạnh khác nhau của bề mặt bên ngoài của đơn vị khử Focus cận thị trong quá trình quan sát tĩnh {{14} trường. Ở đây, giá trị công suất quang X của bề mặt bên ngoài của đơn vị khử Focus cận thị đóng vai trò là biến độc lập, trong khi giá trị độ lệch Z4 tương ứng được đóng vai trò là biến phụ thuộc.
Bảng 5. Trường tĩnh của trục xem -14 Trường độ xem dữ liệu độ lệch với các thay đổi về công suất quang.
Đặt công suất bề mặt bên ngoài của microlens đơn vị khử Focus thành 6 ngày, mà không cần đặt một đơn vị điều chế quang sai bậc cao. Sự biến đổi độ lệch của trường nhìn thẳng đứng tĩnh từ -28. 5 độ đến 28,5 độ, với kích thước bước 1 độ, như được mô tả trong Hình 6. Trục dọc của tọa độ là lượng độ lệch ở dạng quang sai sóng. Trong bài viết này, giá trị dương của Z4 chỉ ra rằng lượng độ lệch nằm ở phía trước võng mạc, trong khi giá trị âm của Z4 chỉ ra rằng lượng độ lệch được đặt phía sau võng mạc. Do sự đối xứng của sự sắp xếp ống kính, sự phân bố khử Focus trong trường nhìn thẳng đứng là xấp xỉ đối xứng, trong khi tình huống khử Focus trong trường nhìn ngang là tương tự nhau.
Hình 6. Trường dọc tĩnh của chế độ xem thay đổi bản đồ.
Cấu trúc ban đầu của gương mẹ và đơn vị khử Focus trên cận thị vẫn không thay đổi, trong khi vẫn duy trì chiều rộng xuyên tâm của cấu trúc bề mặt hình xuyến của đơn vị điều chế quang sai bậc cao và bán kính cong cung cơ cơ của hình ảnh đã được thay đổi. Điều này nhằm phân tích mối quan hệ giữa bán kính cong vòng cung cơ sở R3 và lượng quang sai bậc cao hơn khi quan sát trường theo hướng y -14 ở tĩnh.
Nghiên cứu đã chọn tổng cộng 9 điểm dữ liệu, bao gồm công suất đường cong cơ sở là 3,7 d, 4 d, 4,5 d, 5 d, 5,5 d, 6 d, 7 d, 8 d và 9 d, để đảm bảo giảm trơn tru trong bán kính cong tính toán. Khi công suất đường cong cơ sở là 10 ngày, điểm cao nhất trên bề mặt bên ngoài của các microlens đơn vị khử lấy nét thấp hơn so với cấu trúc đơn vị điều chế quang sai bậc cao, không phù hợp với mô hình hóa.
Đã ghi lại các giá trị hệ số tiêu chuẩn Zernike của ống kính chỉ với gương của mẹ và bộ lọc độ lệch trong hướng y tại một -14 độ FOV. RMS của các giá trị quang sai mặt sóng đối với tâm khối lượng trong Zemax loại bỏ ảnh hưởng của sự dịch chuyển và nghiêng. Bằng cách loại bỏ chúng, rms (bình phương trung bình gốc) của hoas của mắt trong trường này có thể được xác định là 0. 932937 (0. Được ghi lại một số thành phần quang sai bậc cao có thể liên quan đến việc trì hoãn cận thị, với giá trị ban đầu được ký hiệu là Zi 0, trong đó tôi đại diện cho thứ tự xếp hạng của các hệ số thuật ngữ tiêu chuẩn Zernike trong Zemax. Côn trùng dọc Z7 0 là -0. Z100 là 0, quang sai hình cầu Z110 là -0. -0. 000001, hôn mê dọc theo thứ hai Z170 là -0.
Mô hình ống kính kính mắt với bán kính cong vòng cung cơ bản khác nhau cho các đơn vị điều chế quang sai theo thứ tự cao hơn và ghi lại dữ liệu quang sai bậc cao hơn trong hướng y ở -14 độ FOV trong quá trình quan sát tĩnh trong hệ thống điều chỉnh bằng kính. (Zi-zi 0). Phân tích hồi quy của dữ liệu cho thấy bán kính cong vòng cung cơ sở R3 của bề mặt hình xuyến có liên quan đến hôn mê thẳng đứng, trefoil nghiêng, quang sai hình cầu, độ loạn thị thứ phát ngang, hôn mê dọc bậc hai, quang học hình cầu thứ cấp và quang sai theo thứ tự cao. Hình 7 cho thấy sự phân bố phân tán và các đường hồi quy của sáu gia tăng quang sai theo thứ tự cao và R3, trong đó sự gia tăng trefoil nghiêng và tăng quang sai hình cầu có mối quan hệ tuyến tính với bán kính cong vòng cung cơ sở và sự gia tăng khi tăng của bán kính cong vòng cung cơ sở. Sự gia tăng hôn mê theo chiều dọc, tăng loạn thị theo chiều ngang, tăng hôn mê dọc bậc hai, tăng quang sai hình cầu thứ cấp và tăng tổng số quang sai bậc cao tương quan với R3. Công thức thực nghiệm có thể được nhìn thấy từ các phương trình (6) ~ (12). Không có mối tương quan đáng kể giữa hôn mê ngang, trefoil ngang, độ loạn thị thứ phát nghiêng, hôn mê ngang bậc hai và bán kính của độ cong R3. Có thể tưởng tượng rằng khả năng điều chỉnh các quang sai cụ thể bằng cách điều chỉnh chính xác độ cong của cấu trúc vi mô nhấn mạnh tiềm năng tạo ra ống kính kính mắt hiệu quả và tùy chỉnh hơn cho quản lý cận thị.
Bảng 6. Quan sát tĩnh tại Y-Direction -14 Trường độ của dữ liệu mặt sóng tiêu chuẩn quang sai theo thứ tự cao.
Hình 7. Các sơ đồ phân tán và các đường hồi quy của quang sai bậc cao một phần như là một hàm của bán kính độ cong của cung cơ bản.
Thiết lập mối tương quan giữa bán kính của độ cong R3 của cung cơ sở và quang sai mặt sóng được biểu thị bằng đa thức tiêu chuẩn Zernike (tham khảo Hình 7). Phạm vi của R3 nằm trong khoảng 62.222222 mm đến 151.351351 mm, công thức thực nghiệm như sau:
Trong phương trình, đại diện cho hệ số đánh giá của phương trình hồi quy và giá trị của nó càng gần với 1, mức độ phù hợp của phương trình càng cao.
5. Kết luận
Bài viết này nhằm mục đích điều tra việc điều chế quang sai bậc cao trong kính thiết kế và tác động của chúng đối với sự mất tập trung cận thị. Nó đề xuất một thiết kế liên kết mô hình mắt và kính khung để mô phỏng mô hình quang học cho 300- bệnh nhân cận thị bằng cấp. Nghiên cứu khám phá mối tương quan giữa bán kính cong vòng cung cơ sở của cấu trúc điều chế quang sai bậc cao và quang sai bậc cao theo quan sát tĩnh. Nghiên cứu này góp phần phát triển kính điều chế quang sai bậc cao, cung cấp những hiểu biết có giá trị về phòng ngừa và kiểm soát cận thị.
Tài liệu tham khảo
[1] RAR, VVK, Kaw, et al. Biến thể toàn cầu và xu hướng thời gian trong tỷ lệ mắc bệnh cận thị ở trẻ em, một tổng quan hệ thống và phân tích tổng hợp định lượng: Ý nghĩa của bệnh viện và phòng ngừa sớm. Tạp chí nhãn khoa Anh. 2016, 100 (7): 882-890.
[2] Wolffsohn JS, Flitcroft DI, Gifford KL, et al. IMI - Tổng quan và giới thiệu báo cáo kiểm soát cận thị. Đầu tư Ophthalmol Vis Sci. 2019 ngày 28 tháng 2; 60 (3): M 1- M19.
[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: Đánh giá về quang sai bậc cao của mắt người. Tầm nhìn châu Phi và sức khỏe mắt. 2019, 78 (1).
[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, et al. Tính chất cơ học của giác mạc và quang sai mắt ở mắt cận thị. Tạp chí nhãn khoa Ấn Độ. 2023 ngày 15 tháng 12.
[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, et al. Mối liên quan giữa các thành phần sinh trắc học và quang sai giác mạc. Chuyên gia thử nghiệm lâm sàng. 2023 ngày 16 tháng 10, 1-7.
[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, et al. Ảnh hưởng của yếu tố nén chỉnh hình đối với quang sai bậc cao ở mắt. Chuyên gia thử nghiệm lâm sàng. 2020,103 (1), 123-128.
. Mối quan hệ giữa quang sai mặt sóng bậc cao và tiến triển tự nhiên của cận thị ở học sinh. Báo cáo khoa học. 2017, 7 (1).
[8] Liou HL, Brennan N A. Chính xác về mặt giải phẫu. Mắt mô hình hữu hạn cho mô hình quang học. OPT SOC là một hình ảnh chọn ảnh sci vis. 1997 tháng 8, 14 (8), 1684-95.
[9] Phương pháp nhãn khoa để báo cáo quang sai quang học của mắt. ANSI. Z80. 28-2017, 2017-08-21.