自由曲面光学镜面的设计摘要光学自由曲面具有非对称面形、灵活的空间布局、丰富的设计自由度等特性。
自由曲面是应用最广泛的曲面形状之一，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼用镜片，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。
本文通过设计渐进多焦点眼用镜片，并以之为例研究自由曲面光学镜片的性质及特点。
渐进镜片(英文progressive addition lenses 简称PAL）是针对老视症状的一种有效的解决手段，与各类传统老视镜片相比较具有许多优点，本文对这种镜片的设计和评价进行研究。
首先，介绍渐变镜片的渐变结构特征和矫正原理，比较分析软设计和硬设计之间的区别。
其次，介绍渐进多焦点眼用镜片的基本结构。
应用基于狄利克雷原则的软设计方法，阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理，构建子午线多项式，给出子午线设计需满足的条件。
在子午线设计的基础上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此基础上设计镜片矢高，确定镜片面形。
然后，根据曲面的微分几何理论，给出渐变镜片的性能评价方法，即计算镜片的球面度及柱面度。
关键词渐进镜片；老视；软设计；子午线Design of free-form surface optical lensesAbstractFree-form lens has asymmetric surface shape, flexible space layout, extensive design freedom and other characteristics. Free surface is one of the curved shapes which are most widely applied. For instance, the progressive addition lenses（PAL) which can improve the quality of human vision are a successful example that the free-form technology is applied to optical lenses. In this paper, the design of the progressive addition lenses is introduced, and the nature and characteristics of the optical lenses will be researched through it.The progressive addition lenses is a new kind of effective solution to presbyopia, it has many advantages over other lenses dealing with presbyopia. Investigation of its design and evaluation method is shown in this paper.Various kinds of presbyopia lens is reviewed and compared. The basic feature and principle of the PAL are introduced and the difference between the characteristics of hard design and soft design is described as well. The structure of progressive addition lenses is introduced, and the soft method based on Dirichlet principle is given in detail. The principle of designing meridional power laws for progressive addition lenses is expounded based on polynomial, and the criterion of designing meridional power laws is given out. On the basis of designing meridional power laws, the vector height and the isopower contours are designed in order to determine the surfaces of progressive addition lenses.According to the differential ge ometry theory of curving surfaces, PAL’s performances are evaluated, and the mean surface power and the constant surface astigmatism are calculated.Keywords progressive addition lenses, presbyopia, soft design,meridian line目录第1章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 渐进多焦点眼用镜片发展情况 (1)1.3 课题研究的意义 (3)1.4 论文主要研究内容 (4)第2章渐进多焦点眼用镜片基本原理和概念 (5)2.1 渐进多焦点眼用镜片原理 (5)2.2 镜片特征性设计 (6)2.2.1 渐进多焦点眼镜片的设计分类 (6)2.2.2 当前渐进多焦点眼用镜片的一些主要设计方法 (7)第3章渐进多焦点眼用镜片的设计 (10)3.1 子午线设计 (10)3.1.1 设计思路 (10)3.1.2 设计流程 (10)3.2 表面面形构造 (13)3.2.1 设计思路 (13)3.2.2 设计流程 (13)3.3 本章小结 (17)第4章渐进多焦点眼用镜片的评价方法 (18)4.1 评价方法 (18)4.2 设计举例 (19)4.3 本章小结 (22)结论 (23)参考文献 (24)致谢 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。
附录A 译文..................................................................................................... 错误!未定义书签。
渐变镜片.................................................................................................... 错误!未定义书签。
附录B 外文原文............................................................................................. 错误!未定义书签。
附件 ................................................................................................................. 错误!未定义书签。
第1章绪论1.1 引言本文通过设计渐进多焦点眼用镜片，并以之为例研究自由曲面光学镜片的性质及特点。
目前导致人眼屈光不正的原因很多，人们通常使用角膜接触镜、单光眼镜片、双光眼镜片和渐进多焦点眼用镜片（也称渐进镜片）等矫正视力。
人们随着年龄的增长，眼睛的调焦能力逐渐衰弱，即老视眼或老花眼，难以看清近处的物体。
理想的解决办法应配戴具有变焦能力的镜片，使得看近处时，镜片具有高的正光焦度；看远处时，具有低的、甚至负的光焦度。
渐进多焦点眼用镜片的镜度随着人眼范围由远及近、视线由上到下的移动逐渐增加，它能够提供一个连续的从远用到近用都清晰的视力。
渐进多焦点眼用镜片的镜度变化平滑，佩戴方便，更符合人们的生理和心理需求，所以越来越受到消费者的青睐。
1.2 渐进多焦点眼用镜片发展情况1785年，Benjamin Franklin将自己屈光矫正镜片的一半和老视视近镜片的一半粘合在一起，以克服视远和视近时不停地轮换戴镜和摘镜的麻烦(见图1-1)，虽然当时的Franklin镜片并没有成为产品，但此举却开始了老视矫正历史的新纪元，即双光镜发展的历史。
图1-1Benjamin Franklin 双光镜后人在Franklin镜的原理基础上，对双光镜进行了改进和发展，经过一百多年的努力，双光镜片从设计、工艺和材料都日趋成熟，为广大老视者带来了诸多方便。
但是，双光镜存在着较多缺点，主要有：在视远区和视近区之间对中间距离视物不清：在视远区和视近区之间有“跳跃”现象，会造成行动不便：视远区和视近区有明显的可见分界，影响自然外观。
由此，渐变多焦点镜片应运而生。
图1-2渐进多焦点镜片的第一代设计最早的渐进多焦点镜片设计构思由英国视光师Owen Aves提出并发表专利于1907年。
Henry Orford Gowlland于1910年在加拿大设计制作类似镜片，但由于当时技术限制，并没有获得实践上的成功。
法国光学师兼工程师Bernard Maiternaz于1951年获得突破性发展，研制出真正适合临床佩戴的第一副现代概念的渐进多焦点镜片。
1959年欧洲第一个渐变镜Varilux眼镜片投放市场；1961年渐变镜Omnifocal眼镜片在美国发行。
到了20世纪70年代中，随着视觉生理的研究与发展，第2代软式设计的渐变镜应运而生，渐变镜片越来越广泛地为市场所接受。
2000年现代软式设计的第5代渐变镜强调运动视觉的需要，渐变通道短而窄，像差得到有效控制，有效视野更大。
到2003年末，渐变镜的设计已经把个体眼球运动参数结合到镜片设计上，做到了“个体化设计”。
框架眼镜一般有：(1)单光焦度眼镜，即普通的近视眼镜或者远视眼镜。
这种眼镜片只能提供一种屈光力，适合近视，远视和轻度的老视患者；(2)双焦点眼镜，这种眼镜片上方用于看远处物体，下部用于视近书刊及近距离工作。
随着年龄增长，人眼的调节力逐渐减弱。