使用CAXCAD 进行眼镜镜片设计是非常简单的,尽管渐进镜片的设计未在本文中涉及,但值得注意的是,渐进镜片通常遵循其他眼镜镜片的基曲线设计原则。

在过去,眼镜镜片设计主要集中于控制主要的斜视散光。人们普遍认为,球面像差和像散相对次要,因为瞳孔相对较小,而像散随着视场角的增加呈线性增加,而斜视散光则呈二次增加。同样,其他像差通常被忽略,因为它们不是特定系统类型的特征。随着自由曲面制造技术的发展,镜片制造商能够摆脱这些限制性假设。CAXCAD 模拟各种系统和光学参数的能力,眼镜镜片设计可以以不同的方式进行。

接下来我们主要针对普通的眼镜片,包括近视镜和远视镜来进行光学系统设计。首先我们来建立初始结构模型眼镜片设计的原理很简单。从本质上来说就是单透镜的设计。更高级的眼镜片会加入非球面来进行。优化和设计方法和原理都是等效的。

近视镜的设计

近视镜是用于矫正近视(即近视眼)的一种眼镜。它们通过适当的凹透镜设计,使得远处的物体能够清晰可见。近视镜将光线聚焦到眼睛的视网膜前,从而纠正了近视眼的视觉问题,使得患者能够看清远处的物体。

眼镜的结构数据浅,表面采用凸面来进行曲率半径在110左右。眼镜片的直径都是在磨边,之前是圆形,直径60mm。后续眼镜片的形状可以在眼镜店中根据配备不同的镜框来进行磨边。

对于近视300度的眼镜片,我们直接在第二个面的曲率半径上进行。光焦度求解。输入-0.003即可。

光学系统的最后一个面在距离可以采用近轴求解。这样可以知道,佩戴眼镜的人将无穷远处的光呈现在的虚像到达人眼的距离。

我们对这个镜片进行简单的数值图像分析,会发现眼睛中间区域的图像质量是非常好的。这是目视光学系统首先需要保证的,但是边缘一定会产生较大的色差。

对于此处虚像,相当于人眼观察的物体,我们要保证光学系统的中心分辨率能够看清物面上每毫米7-8线对以上。

远视镜 - 老花镜

远视镜通常用于矫正远视(即远视眼),使得远处的物体能够清晰可见。而老花镜则是用于矫正老视(即近视眼),使得近处的物体能够清晰可见,尤其是用于阅读和近距离工作。

远视镜相当于凸透镜,因此中心厚度需要进行调节来保证, 确保边缘厚度合理。

这里我们采用镜片边缘厚度的求解。

远视镜设计完成后的外观

眼镜材料的简单讨论

常见的眼镜镜片材料目录文件 OPHTHALMIC 已包含在 CAXCAD 软件中。

玻璃材料数据(如 Corning_1.523、Corning_1.6、Corning_1.7、Corning_1.8 和 Corning_1.9)来源于主要的眼镜玻璃制造商 Corning SAS 提供的数据表。玻璃目录中提供了数据表的来源信息。这些数据表提供了六个波长的折射率数据,精确到五位小数,因此我们使用了 Schott 公式。值得关注的是 Corning Unicrown(Corning_1.523)玻璃,因为它是真正的1.523折射率(Nd 1.52300、Vd 58.8)的眼镜玻璃。在没有它的情况下,眼镜镜片设计师通常使用 Schott 玻璃 B270(Nd 1.5231、Vd 58.571)作为近似值。此外,我们还提供了有关有色和光致变色的眼镜玻璃的数据表。所有数据表均包括材料密度,这使得可以计算高折射率玻璃镜片的相对重量。

目录中的其他材料是聚合物,包括 CR-39、聚碳酸酯以及一系列常见的眼镜硫醇。这些信息来自于主要材料或镜片制造商,但相对于眼镜玻璃,可靠性稍低。任何眼镜聚合物的折射率都可能因添加剂(如紫外吸收剂、增塑剂和模具释放剂)、单体和聚合物制造中的正常变化,以及镜片铸造或注射成型周期的变化而有所不同。因此,材料和镜片制造商通常不愿提供折射率数据超过第二位小数点(至少有一种情况不超过第一位小数点),除了单一波长的折射率和 V 值外,很少提供其他数据。有时,波长是 d 线(587.6 nm),但通常是 e 线(546.1 nm),因为它更接近相对亮度曲线的峰值。

为了创建这些文件,我们根据 Nd 和 Vd 或 Ne 和 Ve 值推断出了 NF 和 NC 折射率。Sultanova 等人2 发布了 15 种光学聚合物的八个波长的折射率数据,并为每种计算了 V 值。我们假设每种眼镜聚合物的色散曲线与 Sultanova 聚合物的色散曲线相似,然后使用 Conrady 公式创建材料文件。

玻璃目录中的波长范围已扩展到所有材料的 400-800 nm,以包括整个可见光谱,并使其能够与 CAXCAD 的光视波长或暗视波长一起使用。

CAXCAD 的标准材料目录 MISC 包含材料 CR39 和 POLYCARB。这些材料与 OPHTHALMIC 中的 CR-39 和 POLYCARBONATE 有些不同,因为 CR-39 数据来自于主要的单体制造商 PPG Industries,波长范围已扩展到包括整个可见光谱,而 POLYCARBONATE 数据则由 Essilor International S.A.(Gentex Corp.的母公司,一家主要的聚碳酸酯眼镜镜片制造商)提供,以考虑到眼镜镜片制造特定的材料特性。

MISC 目录还包括用于隐形眼镜和人工晶体光学的材料 ACRYLIC、PMMA 和 STYRENE。

如何使用 CAXCAD 建立人眼模型?

如何使用 CAXCAD 进行隐形眼镜的光学设计?