谈谈眼镜片的光学设计

宿命958 · 发表于 2023-3-18 17:44:18

非权威调查显示，消费大众选择眼镜的时候，可能和选择袜子一样随便 。然而，袜子的好坏，摸摸就能知道，而眼镜存在明显的信息不对称。消费者进眼镜店，或者眼科机构，基本全凭从业人员的推荐，随便整出几个专业术语和词汇就能弄得你一愣一愣。这些名词或术语可以是品牌或价格优势，又或是材料特性，光学设计，还可能是UV防护，防蓝光，数码镜片等等。本篇就来讲一讲被说得比较多的词之一：光学设计。
严肃地说，光学设计是眼镜比较关键的考量标准之一，优秀的设计加上完善的实现，决定了是否能达到预期的视力矫正效果。然而，具体怎么个设计可能大家都不太懂，所以光学设计也容易成为推（忽）荐（悠）的重点。
屈光不正

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屈光不正表现形式：近视（左），远视（中），散光（右）

屈光不正是指当人的眼球发生永久或暂时的眼轴改变，导致物体影像不能正确落在视网膜上，落在视网膜之前俗称近视（Myopia），之后称远视（Hyperopia）。使用标准凹镜或凸镜进行矫正后，一部分影像仍然不能落到视网膜上，这种现象称为散光（Astigmatism）。从上图还可以看出，光学凹镜可以用来矫正近视，光学凸镜可以用来矫正远视，而后表面的非对称曲面设计可以用来矫正散光。屈光不正患者可以通过光学眼镜片矫正后重新获得清晰视力，除此之外还有接触镜，激光手术等方法。
镜片基本类型

按光学设计大类区分，镜片可分为单光（单焦点）和渐进片（包括多焦点），市场上会有各类商业名称，但总体仍离不开这两种类型。按加工方式分，镜片可分为成镜和车房镜，成镜一般都为确定度数的单光镜片，度数间隔为25度，成镜在眼镜店直接车边装上镜框后就可以佩戴了。而车房镜在加工前表现为光学毛坯，需要采用表面自由成型技术（Free Form）根据患者处方，将毛坯加工成特定的光学设计和度数。单光和渐进片均可通过车房镜加工而成。
最优弯度设计和扁平设计

镜片因具备凸透镜或凹透镜的特征从而具备了正（负）屈光度，薄透镜的屈光度常被近似的描述为前后表面单独屈光度的差值，前后屈光度之差也就是俗称的眼镜度数。

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球面设计示意图

早期的镜片均为球面，通俗的讲可以看成是前后表面都是将不同大小的球的曲面截取一部分而成，为了实现较好光学性能，弯度设定都较高，这种设计称为最优弯度设计。球面弯度设计不符合人脸面型曲线，镜片厚重，佩戴起来不美观。后来为了解决这一问题，产生了扁平球面设计。
从下图可以看到，同一个度数的镜片，其实可以有不同的设计形式，而镜片厚度（CT=中心厚度，ET=边缘厚度）也随之不同，镜片越扁平的同时也越轻薄，这种设计成为扁平球面设计，得到了广泛采用。然而，还可以看到，扁平设计在使得镜片尽可能轻薄的同时，也牺牲了光学性能，造成了像差。

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同一个度数的镜片，可以用不同的形状（设计）来实现

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扁平设计在轻薄的同时，边缘成像会产生像差

非球设计（Asperical）

为了解决扁平球面设计所导致的像差问题，非球设计应运而生，这是一种镜片表面旋转对称但曲率逐渐变化的设计，这样在把镜片周边区域作得更轻薄的同时，具有良好像差矫正光学性能。非球设计一般应用在前表面，因为后表面通常需要进行散光设计。

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非球（Aspherical）和球面（Spherical）设计对比

以下表格列出了三种不同设计方法（最佳弯度，扁平和非球设计）各项参数和性能的对比，可以看到非球设计光学偏差很优秀，而镜片相较扁平设计却更加轻薄。

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同一度数镜片，不同设计方式的对比

如果将以上表格的光学性能在镜片上形象表现出来，白色代表光学性能比较完美的部分，灰色代表光学性能欠缺部分（像差），大概就是以下的样子：

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自左起：最弯球面设计，扁平球面设计和非球设计

多焦点设计

通常镜片都只有一个焦点，称之为单光镜片。多焦点镜片则存在两个或以上的焦点，那么为什么需要设计多焦点镜片呢？
近视或者远视的朋友应该都有这个体会，看近和看远对镜片度数的要求是不一样的。父母辈通常看近阅读时需要戴上老花镜，而看远时则完全不需要佩戴。而现在的年轻人近视后，随着年龄增长，眼镜调节能力减弱，以后看近看远更是需要不同的度数。
所以多焦点主要用来适应远用和进用的不同屈光度要求，是渐进片的前身。多焦点设计的镜片，最大的问题是按照大众审美来说，并不好看。其次是各区域之间为硬切换，存在光学成像跳变的问题，视觉感受不会太好。

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多焦点设计

渐进设计

为了解决不好看的问题，也为了实现平滑的远-中-近用过渡，随着自由表面成型技术的应用和普及，渐进设计开始进入大众视野。由于度数实现了梯度变化，光学完美（可用）的区域不得已进行了一定的牺牲，针对不同的应用场合，例如用于驾驶的，室内室外的，办公的，年轻人的，长辈的。。。可用区域的设计也有不同，有硬设计，软设计，长通道，短通道。。。等等。正因为渐进设计的多样性，渐进镜片在市场上才有了各类不同的名字，让人眼花缭乱。不过万变不离其宗，在挑选渐进片的时候，适用自己的应用场合+佩戴舒服就好。

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左：渐进设计图示；右：蔡司安全驾驶渐进设计

总结

单光镜片是最普遍和最容易适应的镜片类型，在光学设计上应选择非球设计，单纯的扁平设计损失光学性能，不可取。
多焦点镜片，适用于年龄较长，眼睛调节能力下降的人群，在接受外观的前提下，价格相对较低，但同时存在近用和远用区切换时产生的光学成像跳变的问题。
渐进镜片各用眼区域之间为平滑过渡，
无跳像问题, 需要通过多种设计方法来平衡远近用可用区大小以及佩戴舒适度，在选择上应基于自己的真实佩戴体验感受。

@本文首发于SMZDM@

韶景于璃 · 发表于 2023-3-18 17:44:47

妈呀，写的太好了，手动赞~

麦田 · 发表于 2023-3-18 17:45:22

这些知识点，超级扎实，[赞同]

见贤思齐380 · 发表于 2023-3-18 17:45:50

专业知识培训[赞同]

无问西东 · 发表于 2023-3-18 17:45:55

很好用的知识点，浅显易懂，收藏了！

梨波儿 · 发表于 2023-3-18 17:46:30

我有一个问题，自由球面设计可以扩大镜片的光学性能完美区域吗（文章一张图中提到的白色区域），还是单纯为渐近焦点设计的？800度的我现在带着单光片总觉得视野范围好小啊，边缘都有很明显的形变和色散

小太阳823 · 发表于 2023-3-18 17:47:14

更正：应该是自由表面成型技术

pcng417912 · 发表于 2023-3-18 17:48:08

感谢科普，写得太好了[赞同][赞同][赞同]

音乐之家1 · 发表于 2023-3-18 17:49:08

写的太好了，赞一个！

蓝色妖姬2017 · 发表于 2023-3-18 17:49:41

赞👍🏻

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