渐进多焦点镜片的设计和评价

文 汪山献松 陈国贵

渐进多焦点镜片的设计和评价

文 汪山献松 陈国贵

渐进多焦点镜片自1959年投入市场，经过近半个世纪的不断完善和改进，其性能得到了非常大的改善，尤其是计算机技术的引入，更是开创了渐进镜片发展的新纪元。渐进多焦镜片在设计中出现了硬性设计和软性设计、前表面设计到后表面设计、双面设计和双面复合设计等。渐进多焦点镜片是非常复杂的光学设计，从理论上讲，其设计模式可以无限多；从现实角度而言，所有的设计方案都要将设计集中到眼睛合适的位置，同时还要考虑镜片的整体高度和配镜高度，在提供给佩戴者上光区和下光区度数的同时，还要注意到镜片散光的分布和大小。本文将着重介绍渐进多焦点镜片的通用设计及不同设计之间的差别。

1 渐进多焦点镜片的光学结构

渐进多焦点镜片不是单一、固定的球面，而是由若干个球面不间断地连续而成，镜片的光焦点是一个连续的变化过程，实现了一条由远及近的矫正光焦曲线。整个镜面屈光度可以分为4个区（远用光度区、近用光度区、渐进光度区、周边光度区），又可以简称为远用区、近用区、渐进区、周边区（如图1）。

图1 渐进多焦点镜片镜面屈光度分区示意图

镜片的上部为远用区，该区域等同单光镜片。远用的绝对清晰区视场角为80o～100o。对于大于视场角100o的区域，如果是中、高度屈光度的矫正者有一定的色散现象，远用区的正下方是渐进区，这一区域的屈光度是自上而下逐渐变化的。该区域保证佩戴者在由远到近的注视过程中，可以获得稳定的物像形态，使视觉达到生理和心理的一致。据研究显示，0.25D可以产生0.5%的像差，2.5D可以产生5%的像差，人的感觉阈限值在2%，也就是说当视像非同时出现而先后呈现的模式比较2%的像差时，人会明显感觉到像差的存在。而渐变区的度数是自上而下不断变化的，下加光的范围大致在+0.50D～+4.00D。如果将近区的长度设计得足够长，就可以消除像差。然而，镜片的宽度是有限的。对消除像差而言，镜片的通道长度越长越好，但是通道过长会给配镜带来麻烦，也会限制近用区。如果镜片的通道长度固定，下加光越高，屈光度的梯度就越高；反之，屈光度的梯度就越小。如果下加光固定，通道越长，屈光度的梯度就越小；反之，屈光度的梯度就越高。如何判断镜片的渐进区优劣，将在后文讨论。

渐进区的两边是周边区，又叫变性区或者散光区。变形散光是渐变多焦点镜片很难克服的一大问题,虽然验配得当的渐变区域能给予佩戴者清晰的视力,但在渐变槽两侧将产生一定程度的成像变形，其变形程度和变形方向取决于镜片设计的不同和附加度数的深浅。当眼球离可用渐变槽中心区域越远，像质变形就越明显。由于近用区为球性设计,所以视近区越宽，其周边诱发出来的散光就越大；相反，视近区域越窄，其诱发性变形散光的问题就越小。诱发性周边变形散光同样随附加度数的变化而改变，近阅读附加度数越大，周边变形问题就越明显。

渐变区和周边区的下方是近用区。近用区相对稳定，其扫描清晰图像的宽度较渐进区的视场角要大，但是视场内的目标宽度要小。如果宽度超过40cm，佩戴者通过头的左右转动以达到清晰的图像。近用区一般用来看书、写字等近距离工作，30～40cm的视距足够了。渐进多焦点镜片通过光学的连续结构设计，让佩戴者可以有稳定的远用屈光度、连续渐变的中距离屈光度和相对稳定的近用屈光度，获得满意的由远到近的校正视力，看到的是由远到近的连续立体空间。

2 渐进多焦点镜片的通用设计

2.1 非球面的渐进镜片设计

最初的渐变多焦点镜片其上半部分与传统的单光镜片一样均为球面前表面。1974 年，Varilux介绍了一种非球面设计方法，即在镜片上半部视远区的周边保留少量散光，这样可将周边散光扩散至外周较大的区域，使像散的量由集中的周边向相邻区扩散，减少变形散光密度，从而让像散趋向平缓。后来的研究发现，当远用区中央部分没有像散，而其周边区有小量的色散时，佩戴者在侧视和正视时的像稍有不同，有少量的边缘色分离现象。这种现象对于佩戴者来说是容易适应的，也可以清楚地看到物像。所以现在的多焦点镜片均采用上半部的非球面设计。

2.2 软性设计和硬性设计

所谓硬性设计和软性设计是一个新术语，表示屈光度变化的大小，是一个相对的概念。所谓“硬”指的是屈光度变化速率大，像散变化突然；所谓“软”指的是屈光度变化速率小，像散变化缓慢。软硬的区别在于两个因素：一是渐进区的长度，长通道屈光度变化速率慢趋于软，短通道屈光度变化速率快趋于硬。二是像散区集中而且比较小偏硬，像散区分布大而且广偏软。双光镜片的设计特征为视近区域与其他部分有明显界限，视近区域的位置一目了然，没有渐变区，也可以理解为通道长度是0的渐进片设计。从这一点而言，双光镜片是最硬的渐变多焦点设计。

同样，佩戴渐变多焦点镜片，渐变区散光柱镜屈光力的改变或增加很快，例如，散光柱镜有可能快速地从零增加至0.50D，又快速变化至1.00D，然后更快速变化至1.50D，而此时变化的距离可能仅相隔几毫米，这种设计特征就属于硬性设计。硬性设计的优点在于将变形散光集中在特定的区域，硬性设计镜片通常有较大且更稳定的视远区域和视近区域，使得视近区域变宽，特别适合于高度数的附加。硬性设计的镜片渐变区渐变速度快，即度数增加很快，这意味着当佩戴者朝下看时，眼球将很快到达完全附加度数区域，有很清晰和便捷的下光区视野。硬性设计的缺点是变形散光柱屈光度数增加太快、密度太集中，对于一个极端硬性设计的镜片，这种变形意味着需要更长和更困难的适应时间。

对于佩戴者而言，如果渐变区散光柱镜屈光力的改变或增加较慢，例如，散光柱镜缓和地从零增加至0.75D，渐变区的长度有15o以上，这种设计特征就属于软性设计。软性设计镜片的特点是从视近区至周边的变化比较缓慢，当佩戴者眼球水平转动离开视远区域时，多余的散光度数也增加，但增加的速度比较缓慢。佩戴者从视远区至视近区的度数过渡比较慢，即渐变区较长、较宽，这也意味着佩戴者需要将眼球下转至更下一些才能到达完全附加的区域。软性设计的优点是适应的时间较短，看周边物体时变形较少，头转动时，物体“游离”现象较少。软性设计的视近区域比较小，允许像差分布在较大的区域，甚至可以分布到镜片上半部分，这样变形散光就不那么致密，成像变形也不明显了。软性设计镜片的缺点是镜片上半部分视远区的视力清晰度稍差些，使用视近区时眼睛需要更往下些才能到达较小的视近区域。

2.3 多样化设计

渐变多焦点镜片初期所采用的设计方法都是单一化设计，无论下加光多少，都是统一的设计方法，即中间的渐变区的屈光度变化形式基本固定。这种设计比较适合老视初始者，当一个人刚刚步入老视年龄期时，所需的阅读附加度数是很低的，这就是说还有一些自身调节力可使用。例如，某人需要的屈光度为+1.00D，此时他看中间距离时基本使用自身的调节力就足够。然而，屈光度增加，自身可用的调节力也随之逐渐减少，中间渐变度数的变化也就需要调整变化，因此就产生了“多样设计”的概念。采用不同加光度使用不同的设计模式的方法，最大程度地满足不同屈光度对镜片设计的需求。

2.4 非对称设计

最早的渐进多焦点镜片是采用对称设计的，渐进区以垂直方向设置。镜片设计为对称性，镜片无左右之分。然而，在实际的阅读过程中，眼球会向下向内旋转。为了符合这个要求，对称设计的镜片在割边时需要朝鼻内侧倾斜旋转9o。现在的渐进多焦点镜片都采用非对称镜面屈光度的方法，从设计上将渐进区内转9o，并对左右侧镜片的对应点进行平衡设计，从而使其对应点的屈光度、像散和垂直棱镜基本相似。非对称设计是单只镜片上两侧屈光度分布的不对称，正是这种非对称设计，实现了双眼生理上视线和视像的对称，这也保证了在佩戴镜片时，可以获得均衡、敏锐的双眼视觉。

作者介绍

汪山献松，男，1978年11月出生于安徽。2008年1月毕业于东华大学材料学院，取得博士学位。同年进入上海伟星光学有限公司主持研发部工作。主要从事中、高折射率树脂材料的制备研究以及中、高折射率树脂镜片、抗疲劳树脂镜片和渐进片的工艺开发。

陈国贵，男，1959年6月生，浙江大学硕士学历，高级工程师。现任伟星集团总工程师，主要从事新产品研发与规划。