具有平滑接合光学表面的隐形眼镜 【技术领域】
本发明通常涉及镜片表面的光学设计和光学镜片制造领域，尤其涉及对光学镜片中完全不同的光学表面进行平滑和连续地接合。
背景技术
隐形眼镜已经存在了许多年。曾经限于简单的球形轮廓的镜片表面已经被现在仅由物理方式通过各种复杂数学表达式所表述的表面拓扑结构的能力限定的表面轮廓所代替。在过去的十年左右，复曲面(toric surfaces)已经用在隐形眼镜上，用于校正散光。多焦镜具有带适于近、中和远距离观看的各种有效区(power zones)的表面，而一些隐形眼镜依赖于用于引导光通过镜片的菲涅尔区或衍射效果。
波前传感器通常允许医生测量眼睛的高次像差，以通过镜片(隐形、IOLs、镶嵌、覆盖等等)或屈光手术提供定制的视觉校正，理论上获得超出过去能获得的视力。然而，为校正这些高次像差，隐形眼镜的镜片表面例如是非旋转对称(non-rotationallysymmetric)的。每个测量的子午线可能具有唯一的截面轮廓。
具有多个光学特性各不相同区域的镜片必须包含将一个区域与另一区域连接地部分。在非旋转对称区域必须接合到其他旋转或非旋转对称区域时，需要算法来计算平滑和连续接合区。
制造镜片表面的当前方法中，有一种涉及用一系列二维横截面描述表面。如果是旋转对称光学器件，一个横截面就满足这种描述。在非旋转对称光学器件的情况下，需要多个横截面来描述所需三维表面。另外，对复杂的表面轮廓，诸如例如定制的隐形眼镜的表面轮廓，需要复杂的数学技巧和相关计算机能力。
图1A表示包括两个组成部分102和106的典型镜片表面的子午线横截面100，其中两个组成部分必须被接合在一起以便允许加工镜片表面。在该情况下，能使用简单的弧104接合第一段和第二段，如图1B所示(传统方法)。图2A表示通常在非旋转对称表面中出现的横截面200。图2B示例说明不能使用简单的弧来使这种横截面平滑和连续。在这种情况下，就需要更复杂、更高阶的算法。
Ducharme的U.S.专利No.5,452,031描述了使用样条形式的分段多项式来连接点(或节点)以形成平滑的横截面表面轮廓。尽管Ducharme专利未清楚地限定于旋转对称表面，但实际应用会受此限制。此外，Ducharme的样条表面未描述镜片的光学系统。Roffman等人(U.S.专利No.5,650,838)描述了一种用于对具有不同厚度或曲率半径的镜片相邻区间进行平滑接合的设计方法。Roffman等人依赖于分段线性函数或球面和非球面二次曲线方程的组合，并要求接合部通过这两个完全不同的部分区域的中点，如该专利的图2所示。Roffman等人的方法并没有清楚地说明如何能应用于复曲镜片表面。Barsky(U.S.专利No.6,241,355)描述了一种使用基于样条的数学表面的计算机辅助镜片设计和制造方法。其中描述了Barsky的高阶数学技术可应用于设计镜片拓扑结构和光学系统。
鉴于上述内容，本发明人意识到需要一种灵活的算法，其实际上能应用于任何两种不同表面，特别是非旋转对称表面，以产生平滑和连续的接合部，以及需要一种比由当前和过去技术更简单的方法，要求最小计算时间来确定平滑和连续接合表面，以及能在数控机或其他镜片表面处理装置中实现。
【发明内容】
本发明的总体目的在于对非旋转对称镜片表面的完全不同的表面部分进行平滑和连续接合，在例如用于校正眼睛的低次和高次像差的隐形眼镜的表面会遇到这种情况。这种镜片在此称为定制隐形眼镜。然而，本发明不限于定制隐形镜片表面，相反，其能应用于任何两个完全不同表面，包括例如球面、非球面、散光、复杂Zernike表面等的连接。如在此所述的连接部或接合区包括表示所述表面的每个所选子午线的一元三次多项式。
在一个实施例中，隐形眼镜具有非旋转对称表面。表面的每个子午线横截面具有至少两个完全不同的径向相邻区，以及平滑和连续接合所述至少两个相邻区的接合区，其中接合区轮廓由一元三次多项式定义。镜片的整个表面能用在0至360度间选定的水平方位处的多个分开的、子午线横截面轮廓来表示。
根据本发明的另一实施例涉及包含可执行指令的设备可读介质，用于指示适当的设备来在旋转非对称表面的第一横截面表面轮廓和旋转非对称表面的径向相邻、完全不同的第二横截面表面轮廓间产生平滑和连续接合区表面轮廓，其中由一元三次多项式定义接合区表面轮廓。指令能指示设备通过在整个360度范围上生成多个水平方位相邻横截面轮廓的分开的接合区轮廓来形成整个表面。
在相关实施例中，描述了一种利用介质和如上所述的指令在光学器件中产生接合、非旋转对称表面的系统。
本发明另一实施例的目的在于非旋转对称镜片表面的设计方法，其中连接表面上两个径向相邻不同区的接合区由一元三次多项式定义。
因此，本发明的一个有利方面是，可用多个简单的二维横截面轮廓表示复杂三维表面。通过采取较多或较少的水平方位轮廓，能控制表面精度。因此，在将非旋转对称表面接合到旋转对称表面中，例如，可以独立地定位每个横截面。这种方法消除了其它方法所需的困难的三维计算。因此，通过应用在每个子午线横截面中的多个接合部可以得到实际的接合表面，它不以明确的几何结构实体或其本身存在。此外，本发明可应用于多种表面的平滑和连续接合。根据本发明，需要最小计算时间来获得用于每个接合表面的唯一解，不必使用迭代和数学技术。
从下述详细描述，本发明的这些和其他优点和方面将变得更显而易见。然而，应理解到详细的描述和具体例子，尽管表示本发明的优选实施例，但仅是通过举例给出，因为基于在此的说明书和附图及附加权利要求书，对本领域的技术人员来说，在本发明的精神和范围内的各种改变和改进将变得显而易见。
【附图说明】
图1A是表示一包括两个组成部分的典型的旋转对称镜片表面的横截面的线条图，其中两个组成部分必须被接合在一起以便允许加工镜片表面；
图1B是表示用来平滑地连接图1A中所示的两个组成部分的简单弧的线条图；
图2A是表示可能出现在非旋转对称镜片表面中的两个组成部分的横截面轮廓的线条图；
图2B是表示不能用简单弧平滑地连接图2A中所示的两个组成部分的线条图；
图3是根据本发明实施例的隐形镜片表面的透视线条图；
图4是本发明的系统实施例的框图；以及
图5是示例说明根据本发明的实施例的设计方法的流程图。
【具体实施方式】
参考图2A、图2B和图3，本发明的实施例涉及光学镜片，以及最好是用于视觉校正的治疗眼睛的定制隐形眼镜300，其中镜片的前后表面基本上是非旋转对称表面301。图2A示例说明必须包含在镜片表面301中的两个完全不同形状的径向相邻区202、206的子午线横截面轮廓200。如图2B所示，虚线204表示平滑和连续接合完全不同区202和206的接合区204的横截面轮廓。根据本发明，接合面轮廓204由用公式(1)表示的一元三次多项式定义：
z(x)＝a1+a2·x+a3·x2+a4·x3 (1)
其中z(x)是接合轮廓的垂度(sag)。预期各所述区轮廓202、206中的几何量是已知的，这样区202的终点x1、垂度值z1和斜率m1(x1，z1)以及区206的起点x2、垂度值z2以及斜率m2(x2，z2)是已知的或者容易确定的量。然后，方程式(1)能易于求解a1、a2、a3和a4以便z(x)定义第一段(x1，z1)的终点207和第二段(x2，z2)的起点208间的平滑和连续路径204。能使用各种数学技术来近似求解，或最好，可以利用商业上可获得的软件包，诸如MathCAD。未知系数an的显式解如下：
a1=z1·x23-x1·x23·m1-x22·m2·x12-3·z1·x22·x1+x12·x22·m1+3·z2·x2·x12+x2·m2·x13-z2·x13x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13]]>
a2=x23·m1+x22·x1·m1+2·x22·m2·x1-m2·x2·x12-2·x12·x2·m1-6·z2·x2·x1+6·x2·z2·x1-m2·x13x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13]]>
a3=-2·x22·m1-x22·m2+3·z2·x2-3·z1·x2+x1·x2·m1-x2·m2·x1+2·x12·m2+3·z2·x1-3·z1·x1+x12·m1(x2-x1)·(x22-2·x1·x2+x12)]]>
a4=x2·m1+x2·m2+2·z1-x1·m2-x1·m1-2·z2x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13.]]>
尽管公式(1)提供平滑和连续子午线接合区的横截面轮廓，可以理解，总的接合表面由应用在每个横截面中的大量水平方位相邻的接合区轮廓形成，以产生如图3所示的表面301。优选的，镜片表面具有24个彼此隔开15度的相邻的接合区。显然，可能需要不只两个完全不同的径向区来描述整个表面部分。在该情况下，如上所述，将多个区接合起来。
本发明的另一实施例涉及一种可读介质430(图4)，其形式为例如载波的形式或其他数据/指令传输电磁形式、计算机可读介质，诸如例如磁盘、CD、DVD，或其他形式，或能放入适当设备或系统的、具有能由设备或系统执行的编码或解码指令440的任何其他适当的介质。当执行指令时，其向设备提供信息，用于在光学镜片的第一区表面和径向相邻、完全不同的第二区表面间产生平滑和连续接合区表面，以便产生平滑、非旋转对称的光学表面。该指令由多个分开的、水平方位相邻的接合区形成接合区表面，其中每个接合区具有由下述形式的一元三次多项式定义的子午线横截面轮廓
z(x)＝a1+a2·x+a3·x2+a4·x3
其中z(x)是接合区轮廓的垂度值。指令直接或间接基于三次多项式的解，其可以很容易通过由下述公式求解系数an而得到：
a1=z1·x23-x1·x23·m1-x22·m2·x12-3·z1·x22·x1+x12·x22·m1+3·z2·x2·x12+x2·m2·x13-z2·x13x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13]]>
a2=x23·m1+x22·x1·m1+2·x22·m2·x1-m2·x2·x12-2·x12·x2·m1-6·z2·x2·x1+6·x2·z2·x1-m2·x13x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13]]>
a3=-2·x22·m1-x22·m2+3·z2·x2-3·z1·x2+x1·x2·m1-x2·m2·x1+2·x12·m2+3·z2·x1-3·z1·x1+x12·m1(x2-x1)·(x22-2·x1·x2+x12)]]>
a4=x2·m1+x2·m2+2·z1-x1·m2-x1·m1-2·z2x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13.]]>
其中，(x1，z1)和(x2，z2)分别是第一子午线横截面表面轮廓的终点坐标和第二子午线横截面表面轮廓的起点坐标，第一子午线横截面表面轮廓表示第一区表面，第二子午线横截面表面轮廓表示径向相邻的完全不同的第二区表面，以及m1和m2是(x1，z1)和(x2，z2)处的斜率数据。
在一相关实施例中，在图4中示例说明系统400，用于在定制隐形眼镜300上产生非旋转对称表面301，用来提供视差校正。系统400包括设备410，例如车床或激光器，其能操作镜片以可控方式改变其表面。在优选实施例中，设备是数控车床，诸如具有Variform的Optoform型往复式刀具多轴车床(Precitech，Keene，NH，USA)或适合于烧蚀(ablating)镜片表面的激光器，例如具有193nm输出波长的ArF受激准分子激光器。如图示，控制系统420(例如P.C.)可操作地与设备410相联，并能接收如上所述的介质430，介质430包括驱动该设备的指令440。指令440指示设备410在非旋转对称表面301的第一横截面表面轮廓202和该非旋转对称表面的径向相邻、完全不同的第二横截面表面轮廓206间生成平滑和连续接合区表面轮廓204，其中，接合区表面轮廓204由公式z(x)＝a1+a2·x+a3·x2+a4·x3定义。Z(x)是接合区的垂度值。如上所述，通过求解未知系数an，易于得到方程式的精确解。
本发明的另一实施例是用于接合至少两个径向相邻、完全不同区来形成平滑和连续表面的视差校正镜片的非旋转对称表面的设计方法。图5示例说明根据本发明的一系列方法步骤500。为简单起见，本发明描述只接合两个完全不同的径向区的方法，接合多个区时采用相同的方法。由于两个完全不同区轮廓的几何量可从视差测量或其他手段已知，在步骤510，易获得第一区的终点x1、垂度值z1和斜率m1(x1，z1)以及邻接区的起点x2、垂度值z2和斜率m2(x2，z2)。在步骤520，使用由z(x)＝a1+a2·x+a3·x2+a4·x3表示的三次多项式来描述所选择的子午线接合区的轮廓。在步骤530，方程式能求解系数a1、a2、a3和a4，以及在步骤540，z(x)将定义第一段的终点和第二段的起点间的平滑和连续轮廓。能使用各种数学技术来近似解，或最好，能利用商业上可获得的软件包，诸如MathCAD来通过下式获得精确解：
a1=z1·x23-x1·x23·m1-x22·m2·x12-3·z1·x22·x1+x12·x22·m1+3·z2·x2·x12+x2·m2·x13-z2·x13x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13]]>
a2=x23·m1+x22·x1·m1+2·x22·m2·x1-m2·x2·x12-2·x12·x2·m1-6·z2·x2·x1+6·x2·z2·x1-m2·x13x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13]]>
a3=-2·x22·m1-x22·m2+3·z2·x2-3·z1·x2+x1·x2·m1-x2·m2·x1+2·x12·m2+3·z2·x1-3·z1·x1+x12·m1(x2-x1)·(x22-2·x1·x2+x12)]]>
a4=x2·m1+x2·m2+2·z1-x1·m2-x1·m1-2·z2x23-3·x1·x22+3·x2·x12-x13.]]>
在步骤550，通过重复上述过程，能获得水平方位相邻位置的总的接合表面，直到得到全360度表面为止。优选的，镜片表面具有24个分别相隔15度的相邻的接合区。
尽管选择不同有利实施例来示例说明本发明，本领域的技术人员将理解到在不背离如在附加权利要求中定义的本发明的范围的情况下，可以做出各种改变和改进。