Reka bentuk gelas dengan penyimpangan pesanan tinggi dan miopia defokus yang wujud bersama berdasarkan model mata

Hongliang Yaoa, Chunmei Zeng*A, B, Haomo Yuc

Aschool Sains dan Kejuruteraan Optoelektronik, Universiti Soochow, No.1 Shizi Street, Suzhou 215006, China; Makmal Bkey Teknologi Pembuatan Optik Lanjutan di wilayah Jiangsu &

Makmal Utama Teknologi Optik Moden Kementerian Pendidikan China, Soochow University, Suzhou 215006, China; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, China

* Pengarang yang sepadan: Chunmei _ zeng@suda.edu.cn

Abstrak

Gelas bingkai yang direka khas telah menunjukkan prestasi yang semakin ketara dalam pencegahan dan kawalan miopia dalam ujian klinikal. Walau bagaimanapun, kajian awam mengenai modulasi penyimpangan pesanan tinggi yang berkaitan dengan bingkai kacamata tetap terhad. Artikel ini merekabentuk kanta mata dengan penyimpangan pesanan tinggi dan defokusasi myopic dengan menghubungkan model mata dan gelas bingkai, dan meniru model optik mata gelas untuk pesakit miopik 300 darjah. Apabila unit modulasi penyimpangan pesanan tinggi tidak ditetapkan untuk gelas, nilai defokus arah y-paksi pada medan -14 medan pandangan yang sepadan dengan perubahan dalam kuasa permukaan luaran lensa memfokuskan unit mikrolen di bawah medan statik, dan perubahan yang memfokuskan pada kuasa luaran -28. 5 darjah ~ 28.5 darjah (pada 1 darjah kenaikan). Artikel ini membincangkan korelasi antara radius kelengkungan arka asas bagi mikrostruktur torik modulasi perintis tinggi dan penyimpangan pesanan tinggi dalam kacamata yang direka di bawah pemerhatian statik dalam arah Y. Formula empirikal yang sepadan telah ditubuhkan. Penyelidikan ini akan menjadi kondusif kepada pembangunan cermin mata modulasi penyimpangan tinggi.Kata kunci:Modulasi penyimpangan pesanan tinggi, pencegahan dan kawalan miopia, model mata, reka bentuk cermin mata

1. Pengenalan

Kajian susulan yang sistematik [1] menunjukkan bahawa dalam tempoh 15 tahun yang lalu, kadar insiden miopia di Asia Timur telah meningkat dengan pesat, trend yang kini menyebar di seluruh dunia. Kadar perkembangan miopia berbeza -beza di antara kumpulan umur yang berbeza, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1: Kadar perkembangan miopia pada kanak -kanak berumur 6 hingga 9 adalah -0. 50 hingga {8}}. Kemajuan tahunan miopia di kebanyakan pesakit miopik akan melambatkan dari masa ke masa, dengan kebanyakan individu menstabilkan sebelum umur 20 tahun. Institut Myopia Antarabangsa (IMI) melaporkan pada tahun 2019 bahawa kira -kira 87% kanak -kanak yang mengalami miopia yang tinggi pada usia 11 tahun mengembangkan miopia pada usia 7 atau lebih muda, atau mempamerkan perkembangan myopia selama empat tahun atau lebih. Oleh itu, pencegahan awal miopia pada kanak-kanak dan remaja sekolah adalah penting untuk mengurangkan kemerosotan visual pada masa akan datang.

Rajah 1. Peralihan refraktif di kalangan kanak -kanak miopik pada usia [2].

Persidangan Antarabangsa Keempat mengenai Optik dan Pemprosesan Imej (ICOIP 2024), disunting oleh Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. daripada SPIE VOL. 13254, 132541c © 2024 SPIE · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156

Proc. daripada SPIE VOL. 13254 132541 c -1

Penyelidikan sebelumnya mengenai penyimpangan pesanan tinggi (HOAs) mata manusia terutamanya memberi tumpuan kepada bagaimana untuk membetulkannya (seperti reka bentuk kanta sentuh lembut Suliman et al. Bukti mencadangkan bahawa HOAs dikaitkan dengan perkembangan miopia dan pemanjangan paksi pada kanak -kanak miopik yang diperbetulkan dengan gelas monofocal [7]. Memandangkan kelebihan populariti yang tinggi, kos rendah, sifat tidak invasif, dan penggantian gelas bingkai yang mudah, meneroka potensi mereka untuk memperlahankan perkembangan miopia pada kanak-kanak dan remaja memberikan kelebihan yang unik. Dan myopia defocus yang direka bentuk semula: Dengan kawasan pusat yang dapat membetulkan penglihatan yang jelas, microlenses disusun di sekitar lensa untuk menghasilkan defocus miopia periretinal, dengan itu melambatkan perkembangan miopia, teknologi ini telah berjaya dikomersialkan. Jauh, kajian ini cuba untuk merekabentuk kanta kacamata yang boleh memodulasi penyimpangan pesanan tinggi berdasarkan defokus myopic.

2. Metodologi

2.1 Model Mata
Asas pengajian melibatkan mensimulasikan mata asas menggunakan Zemax perisian reka bentuk optik. Mata asas diubahsuai berdasarkan model mata Liou [8], dengan parameter struktur terperinci dalam Jadual 1. Model mata direka dengan panjang paksi 23.97 mm dan diameter murid 4 mm. Untuk menyelaraskan analisis, kami tidak menganggap kecenderungan atau eksentrik pada murid.

Jadual 1. Parameter Struktur Model Mata.

Permukaan anterior lensa depan dan permukaan maya adalah berdasarkan permukaan standard, dan indeks biasan n medium boleh ditakrifkan secara bebas, seperti yang ditunjukkan dalam formula (1).

Dalam Jadual 1, grad A pada permukaan anterior lensa sepadan dengan n 0=1. 368, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0 nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Grad B pada permukaan maya sepadan dengan n 0=1. 407, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nz 3=0.

2.2 Penyimpangan Wavefront Mata Manusia
Dalam optometri, 6 pesanan pertama polinomial Zernike digunakan untuk mewakili penyimpangan gelombang mata manusia. Penyimpangan gelombang yang ditentukan oleh Persatuan Optik Amerika (OSA) [9] sesuai dengan koefisien standard Zernike dalam perisian Zemax, seperti yang digariskan dalam Jadual 2. Pendekatan ini membolehkan perwakilan yang tepat dan standard penyimpangan okular, memudahkan simulasi dan analisis yang lebih tepat.

Jadual 2. Maksud penyimpangan pekali standard Zernike dalam zemax.

3. Model dan data
(Kawasan pembetulan penglihatan) boleh membetulkan kesilapan refraktif sfera dan silinder yang tipikal dalam pesakit miopia. Ia direka mengikut preskripsi kacamata pesakit; 2, unit myopia defocus (diedarkan dengan beberapa microlenses sfera cembung yang diatur dalam array bulat), yang menghasilkan tahap tertentu miopia defocus; 3, unit modulasi penyimpangan pesanan tinggi terdiri daripada beberapa struktur cincin yang terlibat dalam mengawal selia mata manusia. Gambarajah skematik permukaan luar lensa kacamata ditunjukkan dalam Rajah 2 (a), dengan bilangan giliran dan susunan band yang meningkat dari pusat lensa ke tepi; Hubungan susunan tiga unit optik ditunjukkan dalam Rajah 2 (b), di mana r mewakili jarak radial, yang terletak di dalam pesawat XOY; Unit defokus myopic disebarkan secara seragam pada lilitan, dan selang pengedaran pada jarak radial yang sama diwakili oleh panjang arka unit. Penetapan panjang arka unit dapat mengawal bilangan unit pada setiap cincin unit microlens. Panjang arka unit, jarak cincin D, diameter D2 dari microlens unit yang defokus, dan lebar radial D3 dari band cincin bersama -sama menentukan ketumpatan mikrostruktur pada lensa kacamata.

Rajah 2. (A: kiri) gambarajah skematik kanta kacamata; (B: kanan) Rajah skematik tiga susun atur unit dalam pesawat XOY.

Langkah1: Dengan mengandaikan bahawa preskripsi pesakit miopik adalah diopter sfera (3 d) dan diopter silinder (0 d), pertumbuhan miopia pesakit hanya ditunjukkan sebagai miopia paksi. Berdasarkan ini, model mata myopic direka, yang boleh digunakan dengan idealnya perubahan dalam panjang rongga vitreous untuk mencerminkan perubahan dalam tahap miopia dalam model mata. Menurut preskripsi, satu fokus meninggalkan lensa negatif bulan sabit direka sebagai unit cermin utama, dengan permukaan dalaman dan luaran sfera. Diameter cermin ibu adalah 60 mm, dengan ketebalan sederhana 1.3 mm dipilih; Bahan cermin ibu adalah polikarbonat (PC), dengan indeks biasan 1.56, ABBE bilangan 37, dan graviti tertentu 1.23 g/cm3. Parameter struktur komprehensif diringkaskan dalam Jadual 3.

Jadual 3. Parameter struktur unit cermin ibu.

Di Zemax, jenis aperture ditetapkan ke saiz apertur terapung dengan diameter murid 4 mm, dan jenis kaki ditetapkan untuk seragam; Tetapkan tiga bidang pandangan (FOV) dan menyesuaikan beratnya dengan sewajarnya: 0 darjah FOV dalam arah y diberikan berat 1, 1 0 darjah FOV A berat 0. Di bawah penglihatan yang cerah, panjang gelombang mengadopsi panjang gelombang tunggal 0.555 μm. Data lain didasarkan pada data model mata asas dalam Jadual 1. Ketebalan vitreous model mata dianggap sebagai pembolehubah, dan lensa ibu diletakkan 12 mm di hadapan puncak kornea untuk mengoptimumkan model optik mata cermin mata. Konfigurasi ini menghasilkan panjang badan vitreous kira -kira 17.306 mm dan panjang paksi jumlah mata 25.036 mm.

Langkah 2: Memilih FOV Y-arah 14 darjah sebagai arahan sinar utama untuk reka bentuk unit optik berikutnya, dengan bahan yang sama dengan unit cermin ibu. Pada mulanya, adalah perlu untuk menentukan koordinat arah y apabila cahaya utama di luar medan paparan paparan bersilang dengan permukaan luar cermin utama, untuk menentukan jarak radial apabila normal titik mikrostruktur pertama dalam arah y-lingkaran pertama lingkaran mikrolen dalam unit defokus miopik bersilang dengan permukaan luar ibu; Kemudian menentukan aperture medan pandangan pada permukaan luar cermin ibu, seperti yang digambarkan dalam imej yang diperbesarkan secara tempatan dalam Rajah 3. Menggunakan pengendali reaz dan reaz dalam zemax, digabungkan dengan fov yang dinormalisasi dan tetapan murid yang normal, Menurut teorem Pythagorean, aperture sinar melewati arah Y di luar paksi pada -14 darjah FOV pada permukaan luar cermin ibu adalah kira-kira 4.3186 mm.

Rajah 3. Rajah skematik separa dari medan paksi pandangan cermin ibu untuk penghantaran cahaya.

Hubungan kedudukan antara microlens bulatan pertama unit miopia defocus dan permukaan luar cermin ibu dalam satah yoz dalam arah y boleh digambarkan dalam Rajah 4. Ketinggian vektor dari puncak kanta mikro ke permukaan luar cermin ibu dilambangkan sebagai G2. Kedudukan pusat microlens dapat ditentukan oleh panjang F2 dan sudut putaran 𝜃, yang dapat dikira menggunakan formula berikut:

Rajah 4. Rajah skematik separa medan paksi pandangan Mirror Mother untuk penghantaran cahaya.

Tetapkan bentuk permukaan microlens unit defocus sebagai sfera (kuasa opikal 6 d dan diameter 2 mm), dan jarak radial dari lingkaran pertama mikrostruktur ialah 3.802 mm; Bentuk permukaan awal permukaan luar mikrostruktur ring modulasi penyimpangan pesanan tinggi ditetapkan sebagai toric dengan kuasa arka asas 4 d dan proc radial. daripada SPIE VOL. 13254 132541 C -5 Lebar 1.5 mm (d3). Prinsip pengiraan kedudukan pusat arka asas toric pesawat Yoz adalah sama dengan formula (2) hingga (4). Kedudukan pusat arka asas dapat ditentukan oleh panjang F3 dan sudut putaran 𝜃. Dengan jejari kelengkungan (R3) dan ketinggian vektor (G3) dari puncak arka asas pada permukaan luar ke permukaan luar cermin ibu. G 2=3. 572 μm, G 3=1. 004 μm, selang antara jalur cincin bersebelahan ditetapkan sebagai 3.8 mm, kanta mata kacamata ditetapkan dengan 6 cincin dan panjang arka unit 4 mm. Data rujukan untuk kedudukan mikrostruktur terperinci dalam Jadual 4.

Langkah3: Menggunakan SolidWorks perisian CAD 3D, menyelesaikan pemodelan kanta mata awal. Pandangan utama dan kiri digambarkan dalam Rajah 5, dan diameter kawasan pembetulan penglihatan pusat kanta ibu struktur awal adalah kira -kira 5.604 mm.

Jadual 4. Data kedudukan mikrostruktur kanta rentas Yoz.

Rajah 5. Struktur awal kanta kacamata - pandangan depan dan kiri.

4. Hasil dan analisis

Penyiasatan ke atas prestasi optik lensa kacamata, pada mulanya hanya memaparkan kanta ibu, mendedahkan bahawa nilai defocus dalam arah paksi y pada -14 darjah FOV dalam medan statik pandangan retin. Memandangkan kuasa permukaan luar cermin ibu adalah 2 d, kami memilih untuk meneroka pelbagai kuasa optik untuk permukaan luar unit defocus myopic antara 4 hingga 10 d, meningkat dalam 1 d kenaikan, tanpa memasukkan unit modulasi penyimpangan tinggi. Keadaan defocus yang diperhatikan telah diringkaskan dalam Jadual 5. Data yang berkaitan dengan Z4 defocus mempamerkan hubungan linear, yang membolehkan kita menggunakan formula (5) untuk menganggarkan defocus gelombang di bawah kuasa-kuasa yang berbeza-beza dari permukaan luar unit defocus miopik dalam bidang pemerhatian statik -14 darjah. Di sini, nilai kuasa optik x permukaan luar unit defocus myopic berfungsi sebagai pemboleh ubah bebas, manakala nilai Z4 yang sama bertindak sebagai pemboleh ubah bergantung.

Jadual 5. Bidang statik paparan paksi -14 medan DEAD OF VIEW Defocus Data dengan perubahan dalam kuasa optik.

Tetapkan kuasa permukaan luaran microlens unit defocus hingga 6 d, tanpa menetapkan unit modulasi penyimpangan pesanan tinggi. Variasi defocus medan menegak statik dari -28. Dalam artikel ini, nilai positif Z4 menunjukkan bahawa jumlah defocus terletak di hadapan retina, manakala nilai negatif Z4 menunjukkan bahawa jumlah defocus diletakkan di belakang retina. Oleh kerana simetri susunan kanta, pengedaran defocus dalam bidang pandangan menegak adalah kira -kira simetri, manakala keadaan defocus dalam bidang pandangan mendatar adalah serupa.

Rajah 6. Bidang menegak statik paparan defocus perubahan peta.

Struktur awal cermin ibu dan myopia defocus tetap tidak berubah, sambil mengekalkan lebar radial mikrostruktur permukaan toroidal unit modulasi penyimpangan yang lebih tinggi, dan radius kelengkungan arka asas torik telah berubah. Ini bertujuan untuk menganalisis hubungan antara radius kelengkungan arka asas R3 dan jumlah penyimpangan pesanan yang lebih tinggi apabila memerhatikan medan ijazah Y-arah -14 pada statik.

Kajian ini memilih sejumlah 9 titik data, termasuk kuasa lengkung asas 3.7 d, 4 d, 4.5 d, 5 d, 5.5 d, 6 d, 7 d, 8 d, dan 9 d, untuk memastikan penurunan lancar dalam radius kelengkungan yang dikira. Apabila kuasa lengkung asas adalah 10 d, titik tertinggi pada permukaan luar unit microlens yang defokus adalah lebih rendah daripada mikrostruktur unit modulasi penyimpangan pesanan tinggi, yang tidak selaras dengan pemodelan.

Mencatatkan nilai pekali istilah standard zernike lensa dengan hanya cermin ibu dan microlens unit defocus dalam arah y pada fov -14. RMS nilai penyimpangan gelombang untuk pusat jisim dalam zemax menghapuskan kesan anjakan dan kecondongan. Dengan menghapuskannya, RMS (akar min persegi) dari hoas mata dalam bidang ini boleh ditentukan untuk menjadi 0. 932937 λ (0 555 μm), dikekalkan kepada enam tempat perpuluhan. Mencatatkan beberapa komponen penyimpangan pesanan tinggi yang mungkin terlibat dalam melambatkan miopia, dengan nilai awal yang dilambangkan sebagai Zi 0, di mana saya mewakili perintah ranking pekali istilah standard Zernike dalam zemax. The vertikal koma z7 0 adalah -0. 141717 λ, coma mendatar z8 0 adalah 0. adalah 0 λ, penyimpangan sfera Z110 adalah -0. λ, koma menegak kedua Z170 adalah -0. 008084 λ, penyimpangan sfera sekunder Z220 adalah 0.362791 λ.

Pemodelan lensa kacamata dengan radius kelengkungan arka asas yang berlainan untuk unit modulasi penyimpangan pesanan yang lebih tinggi, dan merakam data penyimpangan yang lebih tinggi dalam arah y di -14 darjah FOV semasa pemerhatian statik dalam sistem optik mata, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 6. (Zi-zi 0). Analisis regresi data mendedahkan bahawa radius kelengkungan arka asas R3 permukaan toroidal berkaitan dengan koma menegak, trefoil yang miring, penyimpangan sfera, astigmatisme sekunder mendatar, koma menegak kedua, penyimpangan sfera sekunder dan penyimpangan pesanan tinggi. Rajah 7 menunjukkan pengagihan dan regresi penyebaran enam kenaikan penyimpangan pesanan tinggi dan R3, di mana kenaikan trefoil yang condong dan kenaikan penyimpangan sfera mempunyai hubungan linear dengan radius kelengkungan arka asas, dan kenaikan berkurangan dengan peningkatan radius kelengkungan arka asas. Peningkatan koma menegak, kenaikan astigmatisme sekunder mendatar, kenaikan koma menegak kedua, kenaikan penyimpangan sfera sekunder, dan jumlah kenaikan penyimpangan pesanan tinggi tidak berkaitan dengan R3. Formula empirikal dapat dilihat dari persamaan (6) ~ (12). Tiada korelasi yang signifikan antara koma mendatar, trefoil mendatar, astigmatisme sekunder yang condong, koma mendatar pesanan kedua dan radius kelengkungan R3. Ia boleh dibayangkan bahawa keupayaan untuk memodulasi penyimpangan tertentu dengan tepat menyesuaikan kelengkungan mikrostruktur menggariskan potensi untuk mewujudkan kanta kacamata yang lebih berkesan dan disesuaikan untuk pengurusan miopia.

Jadual 6. Pemerhatian statik di Y-Direction -14 medan ijazah pandangan data Wavefront standard penyimpangan pesanan tinggi.

Rajah 7.

Menubuhkan korelasi antara jejari kelengkungan R3 dari arka asas dan penyimpangan gelombang yang dinyatakan oleh polinomial standard Zernike (rujuk Rajah 7). Julat R3 adalah antara 62.222222 mm dan 151.351351 mm, formula empirikal adalah seperti berikut:

Dalam persamaan, mewakili pekali penghakiman persamaan regresi, dan semakin dekat nilainya adalah 1, semakin tinggi tahap pemasangan persamaan.

5. Kesimpulan

Makalah ini bertujuan untuk menyiasat modulasi penyimpangan pesanan tinggi dalam gelas yang direka dan kesannya terhadap defokusasi myopic. Ia mencadangkan reka bentuk yang menghubungkan model mata dan gelas bingkai untuk mensimulasikan model optik untuk pesakit miopik 300-. Kajian ini meneroka korelasi antara radius kelengkungan arka asas bagi mikrostruktur torik modulasi perintah tinggi dan penyimpangan pesanan tinggi di bawah pemerhatian statik. Penyelidikan ini menyumbang kepada pembangunan gelas modulasi penyimpangan tinggi, memberikan pandangan yang berharga kepada pencegahan dan kawalan miopia.

Rujukan

[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: Kajian semula penyimpangan perintah yang lebih tinggi dari mata manusia. Penglihatan Afrika dan kesihatan mata. 2019, 78 (1).

[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, et al. Ciri -ciri biomekanik kornea dan penyimpangan okular di mata miopik. Jurnal India Ophthalmology. 2023 Dis 15.

[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, et al. Persatuan antara komponen biometrik okular dan penyimpangan kornea. Optometri eksperimen klinikal. 2023 Okt 16, 1-7.

[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, et al. Pengaruh faktor pemampatan orthokeratologi pada penyimpangan pesanan tinggi okular. Optometri eksperimen klinikal. 2020,103 (1), 123-128.

[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. Hubungan antara penyimpangan gelombang depan yang lebih tinggi dan perkembangan miopia semulajadi di sekolah. Laporan Saintifik. 2017, 7 (1).

[8] Liou HL, Brennan N A. Anatomik tepat. Mata model terhingga untuk pemodelan optik. Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 1997 Ogos 14 (8), 1684-95.

[9] Ophthalmics-Methods untuk melaporkan penyimpangan mata optik. Ansi. Z80. 28-2017, 2017-08-21.