非球面镜片设计

作者：GREGORY L. STEPHENS and JOHN K. DAVIS      

译者： Lisa Huang                                                            

原文出处：http://www.eyecalcs.com/DWAN/pages/v1/v1c051b.html#ato

非球面镜片是眼镜生产技术中最新的改进之一。市场上现有各种材料做的非球面设计，包括单光的和多光的。

简单的说，非球面的截面形状不是圆的。截面形状可以是圆锥的一部分，例如椭圆，双曲线或抛物线，或可以用一些多项式公式表示的形状。非球面单光镜片的前表面是非球面的，但是后表面是球面的，或复曲面的。非球面单光镜片的前表面通常也被形容为对称旋流，因为截面形状在所有子午线上都是一样的。这与渐进多焦镜片的非对称旋流和非球面前表面形成了对比，这种镜片也十分常用。渐进多焦镜片的前表面非常复杂，镜片的顶部到底部的截面都会不同，不同子午线的截面也会不同。球柱镜片背后的复曲面不算是非球面，因为虽然截面形状会随子午线的变化而变化，在每条主子午线上的截面仍是圆形的。

非球面镜设计最早开始流行于高正值度数“无晶体”镜片中是在20世纪50年代，CR-39塑料镜片刚引入之后^[14],[21]。对于高度数镜片来说，CR-39在重量上比玻璃镜片有更大的优势。同时这些高度数镜片需要矫正离轴像差，而CR-39铸模成矫正所需的非球面会更廉价一些。随着人工晶体的发展，无晶体镜片的研究便停滞了，同时它的使用也大幅度地降了下来。

最近，镜片设计师为低度数或中等度数的镜片设计了非球面镜片系列。这种镜片使用量增加背后的驱动力是人们对镜片重量，厚度和外观的考虑，这些因素同样增加了高度数塑料镜片材料的使用。高度数塑料镜片材料也提供许多中等度数非球面设计，这样的结合可以进一步减轻重量，减小厚度。中等度数非球面镜片最开始是为了远视处方而引入的，虽然现在几乎任何度数都有非球面设计。表4中列出了一些人们更熟悉的非球面设计。

 

表4. 非球面镜片代表性设计

产品名称	生产商*	镜片材料
ASL	Sola	1.54 index 塑料
		1.586 index 聚碳酸酯塑料
Aspire	X-Cel	1.60 index 玻璃
Cosmolit	Rodenstock	CR-39 塑料, 1.60 塑料
Hyperindex 160	Optima	1.60 index 塑料
Hyperindex 166	Optima	1.66 index 塑料
Kodak Vision 3156	Signet Armorlite	1.56 index 塑料
Polythin AR	Pentax	1.586 index 聚碳酸酯塑料
Profile	Gentex	1.586 index 聚碳酸酯塑料
Super 16MX	Seiko	1.60 index 塑料
Ultrathin 1.6	Pentax	1.66 index 塑料

*Sola Optical USA, Inc, Petaluma, CA; X-Cel Optical Co, Sauk Rapids, MN; Rodenstock USA, Inc, Danbury, Ct; Optima, Inc, Stratford, CT; Signet Armorlite, Inc, San Marcos, CA; Pentax Vision, Inc, Hopkins, MN; Gentex Optics, Inc, Dudley, MA; Seiko Optical Products, Inc, Mahwah, NJ.

非球面与不是非球面的镜片之间最主要的区别在于非球面镜片的前表面更平坦一些。不是非球面的镜片前表面弧度必须足够陡才能保证好的离轴视线。这样大角度的弧度会显得镜片又厚又笨重，还会增加放大率。这种放大效果会让第一次戴新眼镜的患者有在“游泳”的错觉，同时还会使患者的眼睛看起来很不自然的大。在处方给定的情况下，更浅（平坦）的基弯可以使镜片更薄，也可以减小放大效果，但是弯度的减小会降低患者清晰视野的范围，因为离轴像差增加了。

这个问题的解决方法就是把镜片前表面（基弯）设计为非球面。度数相同时，相比于不是非球面镜片所要求达到的前表面，非球面前表面更平坦（度数更低）（图14）。举个例子，一块4.00D的聚碳酸酯镜片，正常情况下球面基弯为+8.50D，如果做成非球面的话基弯为+4.50D。一块-6.00D球面基弯为+3.25D的球面聚碳酸酯镜片，可以做成基弯为+0.50D的非球面形式。非球面镜片设计所选择的基弯取决于加工的生产商。有些设计的基弯比另一些更陡些，但所有非球面的基弯都比球面的基弯要更平坦。图14中的非球面聚碳酸酯镜片是现有最平的镜片之一。

图14为基弯用镜片度数的方程来表示的球面镜片和非球面镜。在所有度数下，非球面镜片的基弯要更平坦些。

图15体现了非球面设计在镜片截面形状和镜片厚度上的影响。图15A中，同样是正值度数镜片，非球面聚碳酸酯镜片，比不是非球面的CR-39塑料镜片，中心更薄，截面形状更平。同时，较平的基弯与降低的厚度相结合使患者的眼睛不会被放的那么大，也缓解了患者所看视野的放大效果。图15B中，同样是负值度数镜片，非球面聚碳酸酯镜片的边缘较CR-39塑料镜片更薄。与球面设计相比，非球面镜片设计的截面轮廓更平坦，同时放大效果也不一样，但是在负值度数中，这些并不是主要要考虑的地方。非球面设计为正值度数镜片提供了更多的优点，因此某些配镜师更愿意把正值度数镜片设计为非球面，而用高指数塑料来制作负值度数镜片。但是，高指数材料和非球面设计的结合才能得到最轻最薄的镜片。

图15中，相同度数下，与典型的不是非球面的CR-39塑料镜片相比较，聚碳酸酯非球面镜片的截面厚度更小，轮廓更平。镜片的直径为64mm（从光学中心到边缘32mm）。A. 镜片度数为+4.00D。 B. 镜片度数为-4.00D。

镜片设计者应挑选能够矫正镜片离轴像差的非球面外弧或形状。非球面设计的选择取决于生产商。一般来说，最薄的镜片是那种外弧最平坦的镜片。与球面镜片相比，非球面镜片更多地会使用基弯间隔较小的镜片来符合度数变化的要求。有一个常见的误解是，非球面镜片的离轴像比球面镜更好，这是错误的。设计良好的非球面镜片和设计良好的球面镜片所得到的离轴像都可以很好。生产商应当提供镜片离轴表现的数据。

在装配非球面镜片眼镜时需要十分小心。正值度数镜片要达到最好的效果，镜片需离眼睛越近越好，从而最大程度地降低眼睛被放大的效果。要使离轴表现达到最优，镜片的光轴需穿过眼球转动中心。这一点在非球面镜片中更为重要。镜片的光学中心应根据瞳孔计所测的瞳距水平定位。垂直方向上，镜片光学中心应位于瞳孔中心下方3-5mm处。一些生产商也会提供基弯选择表供不同的镜架配戴距离选择。

偶尔，之前戴球面镜片的患者会需要几天来适应非球面镜片，如出现问题，应仔细评估配戴是否合适。另外，非球面镜片的反射与球面的不同，因为它的弯度更浅。一些生产商建议在非球面镜片上镀上防反射膜。

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