Изобретение относится к медицине, а именно, к офтальмологии, и может использоваться для интраокулярной коррекции зрения и для изготовления мультифокальных интраокулярных линз.
Для обеспечения зрения человеческий глаз пропускает свет через естественный объектив, состоящий из двух линз - роговицы и хрусталика, с помощью которых формируются изображение предмета на светочувствительном элементе глаза - сетчатке. Качество фокусируемого изображения в значительной степени зависит от прозрачности роговицы и хрусталика. Когда возрастные изменения, травма или болезнь вызывают снижение прозрачности хрусталика глаза - помутнение хрусталика, зрение портится, так как, во-первых, изображение предмета на сетчатке становится нерезким, и, во-вторых, уменьшается общее количество света, попадающего на сетчатку. Этот порок хрусталика известен в медицине как катаракта. Хирургическое лечение катаракты осуществляется путем удаления помутневшего хрусталика и имплантацией на его место искусственного хрусталика, называемого также интраокулярной линзой (ИОЛ).
Искусственный хрусталик глаза, как правило, состоит из двух частей - оптической и опорной. Основной частью хрусталика, обеспечивающей глазу возможность видеть, является оптическая часть хрусталика, которая представляет собой линзу, выполненную из прозрачного материала и имеющую специальную форму, благодаря которой изображение попадает на сетчатку глаза. Опорная часть искусственного хрусталика служит средством, позволяющим надежно закрепить ее на мягких тканях глаза.
От формы оптической части ИОЛ зависит, насколько полноценным будет зрение человека после операции. Так, при имплантации традиционных монофокальных ИОЛ, имеющих фиксированное фокусное расстояние, почти полностью теряется естественная аккомодация глаза, поэтому после операции восстанавливается либо дальнее зрение, либо ближнее в зависимости от фокуса линзы. В этом случае та часть зрения, которая осталась не восстановленной ИОЛ, корректируется с помощью очков. В большинстве случаев фокусное расстояние имплантируемых ИОЛ выбирается из условия оптимизации зрения на фиксированное расстояние, поэтому большинство прооперированных пациентов дополнительно нуждаются в очках для ближнего зрения или в очках для дальнего зрения.
Для более точной коррекции зрения ИОЛ линзы выполняют бифокальными и мультифокальными. При удачном подборе таких линз можно обеспечить приемлемое зрение как дальнее, так и ближнее и снизить зависимость пациента от коррекции зрения с помощью очков.
Известны бифокальные интраокулярные линзы рефракционного типа, оптическая сила которых определяется преломляющей способностью материала, из которого линза выполнена, кривизной ее преломляющих поверхностей и ее толщиной. В простейшей конструкции рефракционных бифокальных ИОЛ либо центральная часть линзы, обеспечивающая ближнее зрение, имеет большую оптическую силу и толщину, чем периферическая часть, ответственная за дальнее зрение, либо наоборот. Недостатком таких бифокальных ИОЛ является то, что эффективность работы линзы зависит от диаметра зрачка глаза, например, при сокращении зрачка из-за сильной освещенности есть вероятность частичного или полного перекрытия периферической зоны линзы и потери в результате этого дальнего зрения. Для преодоления этого недостатка бифокальность создается путем выполнения на линзе кольцевых зон, отличающихся между собой оптической силой, что обеспечивается радиусами кривизны поверхностей или коэффициентами преломления материала. Серьезный недостаток всех типов рефракционных бифокальных ИОЛ состоит в том, что в них не предусмотрена компенсация аберраций роговицы и стекловидного тела, которые в здоровом глазе компенсируются аберрациями хрусталика. Кроме того, рефракционная ИОЛ имеет собственные аберрации, которые суммируются с аберрациями роговицы и стекловидного тела, поскольку они имеют тот же знак, и в результате общие аберрации глаза увеличиваются.
Известны также мультифокальные интраокулярные линзы гибридного типа, которые наряду с рефракционной частью имеют дифракционную часть. По сути гибридная ИОЛ представляет собой плосковыпуклую или двояковыпуклую рефракционную линзу, на одну из поверхностей которой нанесена дифракционная микроструктура в виде зон Френеля - центральной дифракционной зоны в форме круга и кольцевых зон, расположенных вокруг центральной. Внешние радиусы упомянутых зон rk пропорциональны корням квадратным из целых чисел:
где k - номер дифракционной зоны, rk - расстояние дифракционной зоны от центра линзы (внешний радиус зоны), ƒ - фокусное расстояние. λ - конструктивная длина волны.
Под конструктивной длиной волны понимается расчетная длина волны, выбираемая, как правило, близкой к максимуму кривой фоточувствительности глаза в диапазоне 0.546±0.010 мкм.
Из приведенного уравнения следует, что площади центральной и кольцевых дифракционных зон линзы равны между собой, поскольку для всех значений k≥1
rk+1 2-rk 2=rk 2-rk-1 2=2ƒλ
Форма профиля дифракционной структуры может быть при этом прямоугольной или пилообразной, а ее высота определяется из условия равенства интенсивностей нулевого и первого порядков дифракции, ответственных за дальнее и ближнее зрение соответственно. В нулевом порядке дифракции дифракционная структура не работает, и ИОЛ формирует на сетчатке изображение объектов, расположенных на дальних расстояниях от глаза подобно обычному рефракционному хрусталику, аккомодированному на бесконечность. В +1-ом порядке дифракционная структура создает положительную дополнительную оптическую силу, и ИОЛ проецирует на сетчатку ближние объекты. Эта дополнительная оптическая сила обычно выбирается в диапазоне 3-4 диоптрий, равном объему аккомодации нормального глаза. Таким образом, ИОЛ гибридного типа обеспечивает бифокальность без разделения линзы на зоны для ближнего и дальнего зрения, она формирует фокусы разного порядка одновременно всей своей поверхностью.
Известна, например, гибридная бифокальная офтальмологическая линза, у которой, по крайней мере, часть ее оптической силы обусловлена дифракцией, причем она имеет множество дифракционных зон, состоящих из центральной зоны и множества концентрических кольцевых зон, при этом центральная зона имеет радиус r0, а самая близкая к центральной кольцевая зона имеет радиус r1, причем r0 2 не равно r1 2-r0 2. [Патент США №5116111]. Таким образом, площадь центральной дифракционной зоны этой линзы в отличие от традиционных гибридных линз отлична от площади первой кольцевой дифракционной зоны. При этом площади упомянутых кольцевых зон равны между собой, так как rk 2-rk-1 2 равно rk-1 2-rk-2 2 для значений k, равных или больше 2, где k - номер дифракционной зоны. Дифракционная структура с уменьшенной площадью центральной дифракционной зоны позволяет улучшить условия бифокального функционирования при ярком освещении за счет того, что у такой линзы малому зрачку соответствует, по меньшей мере, на одну дифракционную зону больше, чем у обычной гибридной линзы.
Эта линза является ближайшим аналогом предлагаемой линзы и принята за прототип изобретения.
Прототип имеет следующие недостатки:
1. Описанная интраокулярная линза не обеспечивает высокой остроты зрения, так как структура ее профиля и закон следования радиусов дифракционных зон выбраны исходя только из дополнительной оптической силы и кривизны базовой поверхности без учета асферичности роговицы глаза и аберраций самой линзы.
2. Имеется зависимость бифокального функционирования интраокулярной линзы от диаметра зрачка глаза.
3. Поверхность интраокулярной линзы накапливает биологические отложения на острых углах и неровностях микрорельефа дифракционной структуры, которые снижают ее прозрачность и в итоге также снижают зрение.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания интраокулярной линзы, позволяющей повысить остроту зрения, снизить зависимость ее бифокального функционирования от диаметра зрачка глаза и предотвратить накопления биологических отложений на поверхности линзы. Дополнительно изобретение решает задачу послеоперационной идентификации интраокулярной линзы.
Поставленная задача решается тем, что предлагается бифокальная интраокулярная линза, включающая две преломляющие поверхности, по крайней мере, на одной из которых имеется дифракционная структура в форме микрорельефа, выполненного таким образом, что на ней образуются центральная дифракционная зона и концентрические дифракционные зоны, расположенные вокруг центральной зоны и следующие от центра линзы к ее периферии, причем площадь каждой последующей дифракционной зоны больше площади предыдущей дифракционной зоны в (1+М) раз, где
М - коэффициент увеличения площади дифракционных зон,
причем М имеет величину не менее сλ/f, где
с - безразмерный аберрационный коэффициент,
λ - конструктивная длина волны,
ƒ - фокусное расстояние дифракционной структуры.
Как правило, линза имеет пилообразный микрорельеф дифракционной структуры.
Центральная дифракционная зона может иметь имеет форму круга, или эллипса, а кольцеобразные дифракционные зоны в зависимости от этого имеют форму либо концентрических колец, либо эллиптических концентрических колец.
Глубина микрорельефа дифракционной структуры может уменьшаться при увеличении ширины кольцеобразных концентрических дифракционных зон.
Пилообразный профиль микрорельефа дифракционной структуры может быть выполнен с пологими скатами на границах дифракционных зон, а глубина микрорельефа h в каждой дифракционной зоне на расстоянии r от центра концентрических дифракционных зон вне области обратного ската соответствует соотношению
h(r)=F(r)·ψ(r)·λ/[4π(n0-n)]+A0,
где h(r) - высота микрорельефа, F(r) - функция коррекции глубины микрорельефа, ψ(r) - фазовая функция дифракционной структуры, n0 и n - показатели преломления материала линзы и глазной жидкости соответственно, А0 - константа, причем имеется, по крайней мере, одна зона, где F(r)=0.
Функция коррекции глубины микрорельефа в центральной дифракционной зоне F(r, ψ)=0.
Фазовая функция дифракционной структуры может определяться из соотношения: ψ(r)=(2π/λ)(а0+а2r2+а4r4)-2πk,
где a0 - фазовый сдвиг, характеризующий уменьшение радиуса центральной зоны;
а2 - коэффициент, определяющий дополнительную оптическую силу линзы,
а4 - аберрационный коэффициент,
k - номер дифракционной зоны.
Причем
а2=n/(2ƒ)
a4=cn(8ƒ3),
где с=с1+с2+c3 - сумма безразмерных коэффициентов, характеризующих аберрации системы глаза - c1, собственно аберрации рефракционного компонента интраокулярной линзы - с2 и аберрации, вызванные расположением дифракционной структуры в сходящемся пучке - c3.
Для маркировки линзы на ее поверхность у внешнего края может быть нанесена идентификационная маркировка в форме фрагментов фазовых дифракционных решеток с периодом 1-5 мкм.
Вариант предлагаемой интраокулярной линзы, имеющей плосковыпуклую форму, центральную дифракционной зону в форме круга и кольцевые концентрические дифракционные зоны вокруг нее, изображен на фиг.1, где: 1 - преломляющая рефракционная поверхность линзы, 2 - преломляющая поверхность с дифракционной структурой, 3 - микрорельеф дифракционной структуры, 4 - центральная дифракционная зона, 5 - кольцеобразные концентрические дифракционные зоны.
Как изображено на фиг.1, микрорельеф 3 нанесен на плоскую поверхность линзы 2 таким образом, что на ее поверхности образуются дифракционные зоны: центральная зона 4, имеющая внешний радиус r0 и кольцевые концентрические зоны 5 с внешними радиусами r1, r2, ... rk. Число дифракционных зон и их расположение зависит от величины необходимой дополнительной оптической силы, которую должна обеспечивать линза, диаметра линзы, конструктивной длины волны и ряда дополнительных факторов, связанных с аберрациями оптической системы глаза. Как правило, число дифракционных зон для разных конструкций интраокулярной линзы не превышает 30.
Линза, представленная на фиг.1, создает основную оптическую силу за счет явлений рефракции. Дополнительная оптическая сила обеспечивается дифракцией на микрорельефе дифракционной структуры.
На фиг.2 показана зависимость разницы между квадратами радиусов соседних дифракционных зон в зависимости от номера зоны.
Как упоминалось выше, в традиционной дифракционной линзе квадрат радиусов границ зон не зависит от номера зоны, как это показано, например, на фиг.2 - кривая 1, следовательно, площади дифракционных зон равны между собой.
Если же на линзу, кроме требования выполнения основной рабочей функции по созданию дополнительной оптической силы, накладываются требования обеспечения коррекции аберраций глаза (в основном роговицы), то площадь дифракционных зон, пропорциональная (rk+1 2-rk 2), становится переменной и монотонно возрастает к периферии линзы. Пример такого поведения показан на фиг.2 - кривая 2.
В предлагаемом техническом решении степень роста площади дифракционных зон характеризуется уравнением:
Sk+1=(1+M)Sk,
где Sk - площадь предыдущей дифракционной зоны, a Sk+1 - площадь последующей дифракционной зоны при следовании зон от центра к периферии, коэффициент М - коэффициент увеличения площади, величина которого не менее величины сλ/f, где λ - конструктивная длина волны, f - фокусное расстояние дифракционной структуры. Величина коэффициента с для типовых параметров ИОЛ лежит в диапазоне 103-104, а величина коэффициента cλ/f, соответственно, - в диапазоне 10-3-10-2. На фиг.3 показан пример графика расчетной зависимости коэффициента М от номера дифракционной зоны линзы.
Фазовая функция дифракционной структуры предлагаемой интраокулярной линзы, характеризующая геометрические параметры ее микрорельефа - радиусы и форму дифракционных зон с учетом коррекции осесимметричных аберраций глаза, имеет следующий вид:
ψ(r)=(2π/λ)(а0+а2r2+а4r4)-2πk,
где r - текущий радиус внутри дифракционной зоны с номером k от центра линзы; λ - конструктивная длина волны (в данном случае - длина волны в вакууме); а0 - фазовый сдвиг, характеризующий уменьшение радиуса центральной зоны; а2 - коэффициент, определяющий дополнительную оптическую силу линзы, а4 - аберрационный коэффициент.
Причем
а2=n/(2f)
a4=cn(8f3),
где n - показатель преломления глазной жидкости, f - фокусное расстояние дифракционной структуры; с=с1+с2+с4 - сумма безразмерных коэффициентов, характеризующих аберрации системы глаза - с1, собственно аберрации рефракционного компонента интраокулярной линзы - с2 и аберрации, вызванные расположением дифракционной структуры в сходящемся пучке - с3.
Значение коэффициента с3 зависит от выбора модели глаза, положенной в основу расчета, и в первую очередь от параметров роговицы. Параметры глаза могут быть индивидуальными, т.е. заданными для конкретного пациента. Известно, что до диаметра зрачка 2 мм можно считать роговицу сферической. При большем размере зрачка значения необходимо учитывать асферичность роговицы.
Коэффициент с2 определяется из значений геометрических параметров рефракционного компонента (радиусов кривизны поверхностей линзы и показателей преломления материала). Коэффициент с3 может быть представлен в следующем аналитическом виде:
c3=3f2/s2+3f/s+1,
где f - фокусное расстояние дифракционной структуры, s - расстояние от дифракционной структуры до изображения объекта роговицей и рефракционным компонентом, которое является предметом для нее внутри глаза. В целом коэффициенты а2 и а4 могут быть определены на основе компьютерного расчета качества изображения на сетчатке глаза с минимизацией волновых аберраций.
Следует отметить, что компенсация аберраций осуществляется только для области зрения, в которой участвует дифракционная структура. В связи с этим интраокулярная линза может выполняться в двух модификациях.
В первой основной модификации дифракционная структура создает положительную дополнительную оптическую силу. Рефракционный компонент в этом случае обеспечивает дальнее зрение, а дифракционный компонент в сочетании с рефракционным компонентом формирует предметы на сетчатке и компенсирует аберрации для области ближнего зрения.
Во второй модификации дифракционная структура создает отрицательную дополнительную силу. Рефракционный компонент в этом случае обеспечивает ближнее зрение, а дифракционный компонент в сочетании с рефракционным компонентом формирует удаленные предметы на сетчатке и компенсирует аберрации для области дальнего зрения.
Глубина микрорельефа, определяющая соотношение между интенсивностями нулевого и первого порядков и соответственно соотношение яркостей изображений для ближнего и дальнего зрения, может быть выбрана различной для каждой модификации.
Пара линз, выполненных в соответствии с первой и второй модификациями, будет пригодна для выполнения билатеральной асимметричной имплантации, когда в один глаз имплантируется линза первой модификации, а в другой - второй. В этом случае аберрации глаза будут устранены как для ближнего, так и дальнего зрения.
Форма микрорельефа оказывает влияние на распределение световой энергии в фокусах дифракционной линзы. Для равенства интенсивностей в фокусах для дальнего и ближнего зрения максимальная глубина идеального (пилообразного с монотонно изменяющейся глубиной внутри зоны и вертикальным скачком на границе между зонами) дифракционного рельефа должна быть равна:
где λ - конструктивная длина волны, n0 и n - показатель преломления материала интраокулярной линзы и глазной жидкости. Для указанного выше диапазона выбора конструктивной длины волны и n0=1.505, n=1.34 максимальная глубина микрорельефа hmax≈1,65 мкм.
Наблюдение за пациентами через 0.5-2 года после имплантации интраокулярных линз с дифракционными структурами показало, что на границах дифракционных зон и неровностях микрорельефа накапливаются биологические отложения. Эти отложения существенно ухудшают качество оптического изображения, формируемого на сетчатке глаза. Для устранения причин накопления биологических отложений целесообразно осуществлять сглаживание микрорельефа путем выполнения пологих обратных скатов на границах дифракционных зон вместо резких ступенек микрорельефа. Однако необходимо учитывать, что пологие обратные скаты уменьшают интенсивность света в первом порядке дифракции, так как уменьшается полезная площадь дифракционных зон. Это сопровождается ростом интенсивности в нулевом порядке. В результате баланс энергии между фокусами может существенно измениться.
В предлагаемой ИОЛ в отличие от прототипа принята концепция независимости качества зрения при наблюдении дальних и ближних объектов от диаметра зрачка (т.е. освещенности объекта). Для реализации этой концепции дифракционная структура должна покрывать область практически до внешнего края линзы. Кроме этого, требуется корректировать глубину рельефа дифракционных зон для выполнения выбранного соотношения интенсивностей нулевого и первого порядков дифракции с учетом влияния пологих обратных скатов между зонами. Ширина обратных скатов определяется параметрами технологического процесса изготовления интраокулярной линзы.
Предлагаемая мультифокальная интраокулярная линза, вариант которой изображен на фиг.4, при имплантации устанавливается гладкой рефракционной поверхностью наружу, а поверхностью с дифракционной структурой - внутрь глаза. Основную оптическую силу создает гладкая рефракционная поверхность, а дифракционная структура - дополнительную оптическую силу. При попадании света на рефракционную поверхность происходит его преломление в сторону оптической оси линзы, далее свет проходит через поверхность с дифракционной структурой. Часть света преломляется на этой поверхности таким образом, как если бы на ней не было дифракционной структуры. Эта часть света называется нулевым порядком дифракции, и если рассматриваемый световой поток пришел от удаленного объекта и фокус линзы в нулевом порядке дифракции выбран для дальнего зрения, то эта часть света фокусируется на сетчатке глаза, формируя изображение, как это происходит в естественном хрусталике. Но другая часть света вследствие дифракции на дифракционной структуре распространяется за линзой в нескольких других направлениях, зависящих от порядка дифракции. Глубина и форма рельефа дифракционной структуры подбирается так, чтобы дифрагировавший свет в основном проходил в первый порядок дифракции. Если свет от удаленного объекта в нулевом порядке дифракции фокусируется на сетчатку глаза, то все остальные порядки дифракции формируют изображения ближе или дальше сетчатки. Мозг воспринимает только более интенсивное сфокусированное на сетчатке изображение удаленного объекта. Если в глаз приходит свет от ближнего объекта, то в нулевом порядке дифракции он будет формировать на сетчатке расфокусированное изображение. Но в этом случае свет, дифрагировавший в первый порядок, сформирует на сетчатке сфокусированное изображение. И снова мозг будет воспринимать только более интенсивное сфокусированное на сетчатке изображение ближнего объекта. При наличии на оптической оси глаза одновременно и удаленного и ближнего объекта человек будет видеть их оба сфокусированными без усилия глазной мышцы. В рассмотренном случае дифракционная структура обладает положительной оптической силой. Но если дифракционная структура обладает отрицательной оптической силой, то фокус рефракционной части подбирается таким образом, чтобы она фокусировала свет от ближних объектов в нулевом порядке дифракции. А свет от дальних объектов фокусируется на сетчатке за счет дифракционной структуры. Знак оптической силы определяется направлением наклона дифракционных зон.
В случае расширения зрачка при низкой освещенности (а он расширяется до диаметра 3-5 мм и более) существенный вклад в прохождение световых лучей через оптическую систему глаза вносит асферическая формы роговицы и собственные продольные сферические аберрации ИОЛ. Для компенсации этих эффектов площадь дифракционных зон увеличивается к периферии линзы, что приводит уменьшению оптической силы от центра ИОЛ к ее периферии за счет более слабого по сравнению с прототипом уменьшения ширины дифракционных зон в зависимости от расстояния от центра ИОЛ, которое при определенных сочетаниях оптических параметров глаза может сменять у внешнего края дифракционной структуры ростом ширины дифракционных зон. Таким образом, острота зрения сохраняется и в условиях слабой освещенности несмотря на аберрации глаза.
При наблюдении очень ярких объектов диаметр зрачка может уменьшаться до 0.7-1.5 мм, что приводит к тому, что остаются открытыми только центральная зона и 1-2 концентрические кольцевые дифракционные зоны вокруг нее. При малом количестве зон дифракционная структура приближается по своим свойствам к рефракционной структуре. То есть свет в основном фокусируется в один фокус, определяемый первой рефракционной поверхностью ИОЛ и формой микрорельефа центральных зон. Однако, если центральная зона достаточно широка (200-500 мкм) и в ней отсутствует дифракционный микрорельеф, то свет, прошедший через нее, будет формировать изображение в фокусе, соответствующем нулевому порядку дифракции при широко открытом зрачке. Кроме этого, интенсивность света в этом фокусе будет увеличена за счет пологих сглаженных скатов на границах зон, увеличивающих долю света в нулевом порядке дифракции. Таким образом, достигается сохранение мультифокальности в условиях слабой освещенности.
Для того чтобы наличие пологих обратных скатов (существенно уменьшающих вероятность образования биологических отложений на дифракционном микрорельефе ИОЛ) не приводило к изменению заданного соотношения интенсивностей в ближнем и дальнем фокусах при широко открытом зрачке, открывающем узкие дифракционные зоны на периферии ИОЛ, глубина этих зон увеличивается с уменьшением их ширины, что приводит к росту интенсивности в первом порядке дифракции. Поддержание выбранного соотношения интенсивностей в фокусах для ближнего и дальнего зрения за счет увеличения глубины дифракционного микрорельефа - есть еще одна дополнительная функция, которую выполняет дифракционная структура в предлагаемом техническом решении наряду с созданием мультифокальности и коррекцией аберраций глаза.
Таким образом, предлагаемая интраокулярная линза позволяет повысить остроту зрения и снизить зависимость ее мультифокального функционирования от диаметра зрачка глаза.
Предлагаемая линза имеет сложную форму из-за поверхности, содержащей дифракционную структуру. Для изготовления таких линз, как правило, используется пара матриц, имеющих вогнутые поверхности, если линза двояковыпуклая или одна из них имеет плоскую поверхность, если линза плосковыпуклая, которые при расположении их напротив друг друга образуют общую полость. Эта полость заполняется прозрачным жидким веществом линзы, например фотополимером. После отвердения вещества в названной полости матрицы отделяются от сформированной линзы.
Естественно, что выполнение матриц должно быть максимально точным, так как от этого зависит степень восстановления зрения. Известно, например, изготовление матрицы для дифракционной части линзы алмазным точением, которое формирует в полости матрицы микрорельеф, зеркальный требуемому [Патент США №6511178]. Однако при таком способе на рабочей поверхности матрицы остаются следы резца, которые далее и воспроизводятся на поверхности готовой линзы. Кроме того, этот способ не позволяет изготавливать линзы с коррекцией асимметричных аберраций (например, астигматизма).
Предлагаемый способ изготовления интраокулярных линз с дифракционной структурой позволяет решить задачу точного воспроизведения необходимого микрорельефа дифракционной структуры без побочных рисок или иных следов механической обработки, а также и задачу изготовления линз с коррекцией асимметричных аберраций.
Предлагается способ изготовления мультифокальной интраокулярной линзы, включающий изготовление пары матриц, которые при расположении их напротив друг друга образуют полость, повторяющую заданную форму линзы, и заполнение названной полости жидким прозрачным веществом линзы с последующим его отвердением, в котором для изготовления матрицы, формирующей микрорельеф дифракционной структуры на поверхности линзы, на твердую поверхность подложки равномерно наносят жидкий фоторезист с образованием пленки, сушат названную пленку фоторезиста до достижения твердого состояния, затем воздействуют на поверхность названной пленки фоторезиста импульсным лазерным излучением, перемещая лазерный пучок по поверхности названной пленки по кольцевой или спиральной траектории, причем частота импульсов лазерного излучения пропорциональна расстоянию нахождения лазерного пучка от центра дифракционной структуры, затем обработанную пленку проявляют с получением на ее поверхности микрорельефа, после чего полученный микрорельеф или его зеркальное отражение переносят на внутреннюю поверхность названной матрицы.
Фоторезист - это фоточувствительное органическое вещество, растворимость которого в водных щелочных растворах (проявителях) меняется в зависимости от дозы экспозиции. В результате в процессе жидкостного проявления формируется рельеф, соответствующий распределению энергии экспозиции.
Для улучшения качества поверхности пленки целесообразно отвержденную пленку фоторезиста перед лазерной обработкой предварительно обработать световым потоком с равномерной интенсивностью, достаточной для уменьшения толщины этой пленки после проявления на участках, не подвергшихся воздействию импульсного лазерного излучения, по крайней мере, на 0.1 мкм. Данное условие позволяет работать на линейном участке зависимости глубины микрорельефа в пленке фоторезиста от дозы экспозиции. На фиг.5 показан пример такой зависимости, измеренной для прямой лазерной записи на фоторезисте марки SC1827 без предварительного экспонирования при скорости сканирования лазерного пучка 630 мм/сек и его диаметре 0.7 мкм. Проявление производилось в 0.8% водном растворе КОН в течение 15 сек. В данном случае линейная зависимость начинается при глубине рельефа больше 0.2 мкм.
Полная переменная доза экспозиции формируется за счет совместно последовательного действия предварительного экспонирования и импульсного экспонирования лазерным пучком, перемещаемого сканирующей системой по поверхности пленки фоторезиста. Лазерное экспонирование производится с помощью записывающих систем, в которых сфокусированный лазерный пучок может сканироваться по поверхности пленки фоторезиста по траекториям различного типа, преимущественно кольцам или спиралям, так как для осесимметричных дифракционных структур в этом случае ошибки дискретизации минимальны. Все упомянутые типы записывающих систем позволяют формировать дифракционные структуры с произвольной асимметричной топологией дифракционных зон.
Сканирование лазерного пучка по кольцевым или спиральным траекториям производится в круговых записывающих системах, в которых он перемещается вдоль радиуса вращающейся с постоянной скоростью подложки. В этом случае линейная скорость луча увеличивается пропорционально его радиальной координате. Иными словами, локальное время экспозиции уменьшается обратно пропорционально радиальной координате.
Для устранения необходимости соответствующей коррекции интенсивности лазерного пучка в широком динамическом диапазоне при изменении радиальной координаты предлагается использовать импульсную модуляцию лазерного излучения с частотой импульсов, пропорциональной радиальной координате лазерного луча от центра формируемой дифракционной структуры. Такая модуляция обеспечивает неизменное линейное расстояние между точками включения импульсов вдоль траектории движения луча, что обеспечивает при достаточно коротких импульсах условия экспонирования, не зависящие от радиальной координаты. Таким образом, амплитуда Р импульсов лазерного излучения будет зависеть только от требуемой глубины микрорельефа. Однако несмотря на применение импульсного экспонирования в реальном процессе изготовления матрицы практически невозможно сформировать точно профиль вблизи центра вращения подложки с пленкой фоторезиста, так как реальная глубина модуляции с помощью оптических модуляторов лежит в диапазоне от 1:200 до 1:400. В результате вблизи центра вращения доза фоновой экспозиции, получаемой фоторезистом между импульсами, сравнима с дозой экспозиции, получаемой во время действия импульсов лазерного излучения. Для решения этой проблемы и улучшения мультифокального функционирования при малом диаметре зрачка в центре предлагаемой ИОЛ введена центральная зона без дифракционного микрорельефа, то есть область, в которой не производится лазерное экспонирование.
Вне центральной мини-зоны зависимость амплитуды Р импульсов лазерного излучения определяется требуемой глубиной микрорельефа h в данной точке траектории лазерного луча в соответствии с соотношением P=FUNC-1(h), где FUNC1 - функция, обратная характеристической кривой h1,=FUNC(Pt). Характеристическая кривая определяется по результатам измерения глубины микрорельефа на тестовом образце пленки фоторезиста, проявленной после предварительного экспонирования с такой же дозой, что и при записи микрорельефа для матрицы ИОЛ, и импульсного лазерного экспонирования с амплитудой импульсов Pt, изменяющейся в широком диапазоне, достаточном для получения максимальной требуемой глубины микрорельефа.
Точное управление дозой экспозиции и выбор подходящего радиуса записывающего лазерного луча позволяют синтезировать дифракционную структуру матрицы интраокулярной линзы в фоторезисте с высокой чистотой поверхности. На фиг.6 показаны результат моделирования микрорельефа при прямой лазерной записи на фоторезисте, причем (а) показывает форму микрорельефа центральной и трех первых концентрических дифракционных зон, а (б) - всех дифракционных зон линзы. По оси х показана координата от центра линзы в микрометрах. Моделирование проводилось для записывающего пучка с Гауссовым распределением интенсивности и диаметром 6 мкм по уровню половинной интенсивности. От идеального профиля (показанного пунктирной линией) расчетный микрорельеф отличает наклонный обратный скат между зонами. Обратные скаты определяются размером записывающего луча и шагом сканирования. Пологий обратный скат создается расширением диаметра записывающего пучка, определяемого на уровне половинной интенсивности, до величины не менее максимальной глубины формируемого микрорельефа. Это позволяет не только получить пологий обратный скат с углом наклона не более 45 градусов, но и существенно уменьшает неровность рельефа, вызванную ошибками позиционирования луча. Вклад ошибок позиционирования определяется отношением диаметра записывающего лазерного пучка к абсолютной величине этих ошибок. Для формирования обратных скатов и уменьшения неровности пилообразного микрорельефа целесообразно, чтобы шаг между соседними кольцевыми траекториями или спиральной траектории лазерного пучка не превышал половины диаметра распределения интенсивности. В этом случае неровность микрорельефа, вызванная периодическим расположением траекторий сканирования пучка, не превышает нескольких нанометров. Таким образом, качество поверхности матрицы с дифракционной структурой соответствует качеству поверхности матрицы с чисто рефракционной структурой, изготавливаемой методом классической механической полировки.
Для примера на фиг.7а представлена микроинтерферограмма одной из зон дифракционной структуры изготовленной матрицы. Рельеф матрицы был сформирован методом прямой лазерной записи на пленке фоторезиста пучком, диаметр которого на поверхности пленки фоторезиста составлял 6 мкм (на уровне интенсивности 0,5 относительно максимума) при шаге кольцевых траекторий 0,5 мкм. Микроинтерферограмма получена с помощью модифицированного прибора МИИ-4 с увеличением 1000х. Из нее видно, что профиль микрорельефа интраокулярной линзы имеет треугольную форму с пологим обратным скатом. На профиле отсутствуют микронеровности, присущие микрорельефу, полученному при лазерной записи с малым диаметром пучка и большим по сравнению с ним шагом сканирования. На фиг.7б показан пример интерферограммы в белом свете такого микрорельефа.
Как уже упоминалось ранее, наклонный обратный скат микрорельефа приводит к уменьшению биологических отложений на границах дифракционных зон. Но при этом сглаживание микрорельефа уменьшает область каждой зоны, направляющую свет в первый порядок дифракции. В результате растет дифракционная эффективность в нулевом порядке. Теоретический расчет показывает, что при наличии пологого обратного ската соотношение интенсивностей в нулевом и первом порядках зависит от ширины дифракционных зон. График такой зависимости приведен на фиг.8. Непрерывная кривая показывает эффективность для 0-го порядка, пунктирная - первого порядка. По оси абсцисс отложена величина, равная диаметру записывающего пятна лазерного луча - w, деленному на ширину дифракционных зон (разность радиусов границ k-ой дифракционной зоны Δrk.
Для поддержания равенства интенсивностей в нулевом и первом порядках дифракции необходимо с уменьшением ширины зон увеличивать глубину их рельефа. Концепция изменения глубины микрорельефа предлагаемой интраокулярной линзы существенно отличается от прототипа, где максимальная глубина дифракционных зон одинакова по все поверхности линзы. На фиг.9 показана расчетная зависимость коэффициента увеличения глубины зоны F от безразмерной величины w/Δrk, обеспечивающая равенство интенсивностей в нулевом и первом порядках дифракции по все поверхности дифракционной структуры ИОЛ. Эта зависимость с высокой точностью аппроксимируется квадратичной функцией, приведенной на фиг.9. На фиг.10 показан результат моделирования дифракционного микрорельефа ИОЛ при использовании лазерного пятна с диаметром 10 мкм и коррекции глубины микрорельефа в соответствии с графиком на фиг.9. Изменение глубины микрорельефа от центра к периферии линзы производилось ступенчато (график на фиг.11) для каждой дифракционной зоны, лежащей между радиусами rk>r>rk-1 в соответствии с формулой, приведенной на фиг.9. Поскольку коэффициенты в этой формуле зависят от шага записи, то выражение для функции коррекции глубины микрорельефа может быть представлено в общем виде:
где ϕ - угол в полярной системе координат, под которым направлен радиус-вектор r, а и b - постоянные коэффициенты, определяемые из результатов моделирования с параметрами, используемыми при прямой лазерной записи, а rk+1-rk - ширина дифракционной зоны.
Глубина микрорельефа h в каждой дифракционной зоне на расстоянии r от центра концентрических дифракционных зон вне области обратного ската и с учетом функции коррекции глубины микрорельефа должна соответствовать соотношению:
h(r)=F(r)·ψ(r)·λ/[4π(n0-n)]+А0,
где: ψ(r) - фазовая функция дифракционной структуры;, A0 - константа. В центральной зоне {0<r≤r0)F(r, ϕ)=0 и, следовательно, форма рельефа совпадает с базовой поверхностью.
Перенос микрорельефа, сформированного на поверхности пленки фоторезиста на внутреннюю поверхность матрицы, может осуществляться, например, путем гальванопластики. При этом на поверхность пленки фоторезиста с сформированным микрорельефом напыляют тонкую токопроводящую пленку и осаждают на ней слоя никеля или меди (толщиной 100-1000 мкм) в гальванической ванне. Осажденный слой металла отделяется от исходного оригинала и фиксируется на прочной подложке, образуя вместе с ней матрицу с микрорельефом дифракционной структуры.
Также перенос микрорельефа с пленки фоторезиста на рабочую поверхность матрицы может быть осуществлен путем непосредственного переноса микрорельефа в подложку, на которой нанесена пленка фоторезиста. Этот перенос может быть произведен методом ионно-плазменного травления с газовой смесью, образующей в высокочастотном разряде ионы, осуществляющие «сухое» травление фоторезиста и подложки с близкими скоростями травления. Травление ведется до полного удаления фоторезиста с поверхности подложки. Глубина рельефа в фоторезисте подбирается с учетом коэффициента переноса микрорельефа в материал подложки, равный отношению скоростей травления материала подложки и фоторезиста.
При таком нанесении микрорельефа на рабочую поверхность матрицы не возникает механических повреждений, поверхность полученных при использовании таких матриц линз имеет высокое качество. Кроме того, этот способ позволяет изготавливать линзы с микрорельефом любой формы, что в итоге позволяет осуществлять коррекцию асимметричных аберраций, например астигматизма.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ДИФРАКЦИОННАЯ ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА | 2000 |
|
RU2186417C2 |
| ТРИФОКАЛЬНАЯ ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ЗРЕНИЯ И КОРРЕКЦИЕЙ ПРОДОЛЬНОЙ ХРОМАТИЧЕСКОЙ АБЕРРАЦИИ | 2016 |
|
RU2745666C2 |
| ЭЛАСТИЧНАЯ ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА | 2011 |
|
RU2485916C2 |
| МУЛЬТИФОКАЛЬНАЯ КОРРЕКЦИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ УЛУЧШЕННОЕ КАЧЕСТВО ЗРЕНИЯ | 2010 |
|
RU2689287C2 |
| ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА | 2011 |
|
RU2549994C2 |
| ЭЛАСТИЧНАЯ ДИАФРАГМИРУЮЩАЯ ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА | 2015 |
|
RU2586248C1 |
| МУЛЬТИФОКАЛЬНАЯ ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА С УВЕЛИЧЕННОЙ ГЛУБИНОЙ РЕЗКОСТИ | 2015 |
|
RU2673953C2 |
| МУЛЬТИФОКАЛЬНАЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С КОРРЕКТИРОВКОЙ ХРОМАТИЧЕСКОЙ АБЕРРАЦИИ | 2018 |
|
RU2770314C2 |
| ДИФРАКЦИОННАЯ ТРИФОКАЛЬНАЯ ЛИНЗА | 2010 |
|
RU2516035C2 |
| МУЛЬТИФОКАЛЬНАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНЗА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ПОДАВЛЕННЫЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ ПОРЯДОК | 2015 |
|
RU2783151C2 |
Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, и может использоваться для интраокулярной коррекции зрения и для изготовления мультифокальных интраокулярных линз. Данная линза включает две преломляющие поверхности, по крайней мере, на одной из которых имеется дифракционная структура в форме микрорельефа. Дифракционная структура выполнена таким образом, что на ней образуются центральная дифракционная зона и концентрические дифракционные зоны, расположенные вокруг названной центральной зоны. При этом при следовании названных дифракционных зон от центра линзы к ее периферии площадь каждой последующей дифракционной зоны больше площади предыдущей дифракционной зоны в (1+М) раз, где М - коэффициент увеличения площади, величина которого не менее сλ/f, где с - безразмерный аберрационный коэффициент, λ - конструктивная длина волны, f - фокусное расстояние дифракционной структуры. Способ изготовления мультифокальной интраокулярной линзы включает изготовление пары матриц, которые при расположении их напротив друг друга образуют полость, повторяющую заданную форму линзы, и заполнение названной полости жидким прозрачным веществом линзы с последующим его отвердением. При этом для изготовления матрицы, формирующей микрорельеф дифракционной структуры на линзы, на твердую поверхность подложки равномерно наносят жидкий фоторезист с образованием пленки. Сушат названную пленку фоторезиста до достижения твердого состояния. Затем воздействуют на поверхность названной пленки фоторезиста импульсным лазерным излучением, перемещая лазерный пучок по поверхности названной пленки по кольцевой или спиральной траектории, изменяя частоту импульсов лазерного излучения пропорционально расстоянию нахождения лазерного пучка от центра формируемых дифракционных зон. Затем названную пленку проявляют с получением микрорельефа на ее поверхности. После чего названный микрорельеф или его зеркальное отражение переносят на внутреннюю поверхность названной матрицы. Применение данной группы изобретений позволит точно воспроизвести микрорельеф дифракционной структуры без побочных рисок или иных следов механической обработки, а также позволит изготавливать линзы с коррекцией асимметричных аберраций. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.
h(r)=F(r)·ψ(r)λ/[4π(n0-n)]+A0,
где F(r) - функция коррекции глубины микрорельефа, ψ(r) - фазовая функция дифракционной структуры, n0 и n - показатели преломления материала линзы и глазной жидкости соответственно, A0 - константа, причем имеется, по крайней мере одна зона, где F(r)=0.
Ψ(r)=(2π/λ)(а0+a2r2+a4r4)-2πk,
где а0 - фазовый сдвиг, характеризующий уменьшение радиуса центральной зоны;
а2 - коэффициент, определяющий дополнительную оптическую силу линзы,
а4 - аберрационный коэффициент,
k - номер дифракционной зоны,
причем
a2=n/(2f)
a4=cn/(8f3),
где с=с1+с2+с3 - сумма безразмерных коэффициентов, характеризующих аберрации системы глаза - с1, собственно аберрации рефракционного компонента интраокулярной линзы - с2 и аберрации, вызванные расположением дифракционной структуры в сходящемся пучке - с3.
| US 5116111 А, 26.05.1992 | |||
| US 6511178 В1, 28.01.2003 | |||
| ДИФРАКЦИОННАЯ ИНТРАОКУЛЯРНАЯ ЛИНЗА | 2000 |
|
RU2186417C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ | 2002 |
|
RU2231812C2 |
| MXPA 03002012 A, 13.12.2004 | |||
| Способ радиационно-конвективной сушки лакокрасочных покрытий | 1974 |
|
SU556286A1 |
