具有增强的折射率值分布的亚表面光学结构的制作方法

具有增强的折射率值分布的亚表面光学结构
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年8月25日提交的美国临时专利申请序列号63/069,943的优先权，该美国临时专利申请出于所有目的通过引用以其整体并入本文。


背景技术：

1.降低视敏度的光学像差是常见的。光学像差是眼睛的缺陷，它会降低光线在视网膜上的聚焦。常见的光学像差包括较低阶像差(例如，散光、正散焦(近视)和负散焦(远视))和较高阶像差(例如，球面像差、慧差(coma)和三叶草像差(trefoil))。
2.现有的用于校正光学像差的治疗选项包括眼镜、隐形眼镜和通过激光眼科手术对角膜进行重整形。此外，通常植入人工晶状体以替代在白内障手术期间移除的天然晶状体。


技术实现要素：

3.以下呈现了本发明的一些实施例的简化概述以便提供对本发明的基本理解。本发明内容不是本发明的广泛概述。其不旨在标识本发明的关键/决定性要素，也不旨在描述本发明的范围。它的唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些实施例，作为稍后呈现的具体实施方式的序言。
4.本文所描述的实施例涉及一种眼科透镜，该眼科透镜包括具有增强的折射率值分布的至少一个亚表面(subsurface)光学结构(其可以包括衍射光学元件和/或折射光学元件)。在许多实施例中，通过将飞秒持续时间激光脉冲聚焦到眼科透镜的亚表面体积的目标序列上来形成亚表面折射率变化。光学结构的折射率可以在光学结构的第一边界(limit)折射率和光学结构的第二边界折射率之间空间地变化，以提供任何合适的相变。每个光学结构的第一子体积的折射率可以在光学结构的第一部分上等于第一边界折射率，其中光学结构的第一部分的内周和外周分开至少0.050mm的长度。折射率可以在光学结构的第二部分上等于第二边界折射率(例如，提供0.0个波的相变)，其中光学结构的第二部分的内周和外周分开至少0.050mm的长度。与通过相位缩放方法确定的相对应的折射率值分布相比，可以使用更少的激光脉冲和更低的激光能量形成增强的折射率值分布。附加地，与形成具有在第一边界折射率和第二边界折射率之间的范围之外的折射率值的相应的(多个)亚表面光学结构相比，将折射率值限制在第一边界折射率和第二边界折射率之间的范围内可以减少由激光脉冲序列引起的损伤。本文所描述的方法可以用于在任何合适的眼科透镜(例如，人工晶状体、隐形眼镜、角膜、眼镜和/或原生晶状体)中形成(多个)亚表面光学结构。
5.因此，在一个方面，一种眼科透镜包括透镜主体和至少第一光学结构。透镜主体由透明材料制成。第一光学结构设置在透镜主体的第一体积内。第一光学结构包括第一体积的子体积。第一光学结构的子体积中的每一个子体积具有各自的折射率空间相关性。第一光学结构的子体积的折射率在第一光学结构的第一边界折射率和第一光学结构的第二边界折射率之间空间地变化。第一光学结构的子体积的折射率在第一光学结构的第一部分上等于第一光学结构的第一边界折射率。第一光学结构的第一部分在第一光学结构的第一部
分的内边界和第一光学结构的第一部分的外边界之间跨越至少0.050mm的长度。第一光学结构的子体积的折射率在第一光学结构的第二部分上等于第一光学结构的第二边界折射率。第一光学结构的第二部分在第一光学结构的第二部分的内边界和第一光学结构的第二部分的外边界之间跨越至少0.050mm的长度。
6.在眼科透镜的一些实施例中，第一光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供小于1.0个波的正相变。例如，第一光学结构的第一边界折射率可以针对可见光谱范围内的波长(从400nm跨越至700nm)提供小于1.0个波且大于0.10个波的相变。第一光学结构的第二边界限折射率可以提供0.0个波的相变。
7.在眼科透镜的一些实施例中，第一光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供大于-1.0个波的负相变。例如，第一光学结构的第一边界折射率可以针对可见光谱范围内的波长(从400nm跨越至700nm)提供大于-1.0个波且小于-0.10个波的相变。第一光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
8.在眼科透镜的许多实施例中，第一光学结构的第三部分的子体积具有在空间上变化的折射率。例如，在许多实施例中，透镜主体具有光轴，并且第一光学结构的第三部分的子体积具有与第三部分的子体积内的每个点(相对于透镜主体的光轴)的空间坐标相关地变化的折射率。在许多实施例中，第一光学结构的第一部分设置在第一光学结构的第二部分和第一光学结构的第三部分之间并将第一光学结构的第二部分和第一光学结构的第三部分分开，并且第一光学结构的第三部分的子体积的折射率从第一光学结构的第一边界折射率变化到第一光学结构的第二边界折射率。
9.在许多实施例中，眼科透镜进一步包括第二光学结构，第二光学结构设置在透镜主体的第二体积内。第二光学结构包括第二体积的子体积。第二光学结构的子体积中的每一个子体积具有各自的折射率空间相关性。第二体积的子体积的折射率在第二光学结构的第一边界折射率和第二光学结构的第二边界折射率之间空间地变化。第二光学结构的子体积的折射率在第二体积的第一部分上等于第二光学结构的第一边界折射率。第二体积的第一部分在第二体积的第一部分的内边界和第二体积的第一部分的外边界之间跨越至少0.021mm的长度。第二体积的子体积的折射率在第二体积的第二部分上等于第二光学结构的第二不接诶折射率。第二体积的第二部分在第二体积的第二部分的内边界和第二体积的第二部分的外边界之间跨越至少0.021mm的长度。
10.在眼科透镜的一些实施例中，第二体积的子体积的折射率中的每一个折射率提供小于1.0个波的正相变。例如，第二光学结构的第一边界折射率可以针对可见光谱范围内的波长(从400nm跨越至700nm)提供小于1.0个波且大于0.10个波的相变。第二光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
11.在眼科透镜的一些实施例中，第二体积的子体积的折射率中的每一个折射率提供大于-1.0个波的负相变。例如，第二光学结构的第一边界折射率可以针对可见光谱范围内的波长(从400nm跨越至700nm)提供大于-1.0个波且小于-0.10个波的相变。第二光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
12.在眼科透镜的许多实施例中，第二光学结构的部分的子体积的折射率在空间上变化。例如，在一些实施例中，第二体积的第三部分的子体积具有与第二体积的第三部分的子体积内的每个点(相对于透镜主体的光轴)的空间坐标相关地变化的折射率。在一些实施例
中，第二体积的第一部分设置在第二体积的第二部分和第二体积的第三部分之间并将第二体积的第二部分和第二体积的第三部分分开，并且第二体积的第三部分的子体积的折射率从第二光学结构的第一边界折射率变化到第二光学结构的第二边界折射率。
13.在许多实施例中，眼科透镜进一步包括第三光学结构，第三光学结构设置在透镜主体的第三体积内。第三光学结构包括第三体积的子体积。第三光学结构的子体积中的每一个子体积具有各自的折射率空间相关性。第三光学结构的子体积的折射率在第三光学结构的第一边界折射率和第三光学结构的第二边界折射率之间空间地变化。第三光学结构的子体积的折射率在第三光学结构的第一部分上等于第三光学结构的第一边界折射率。第三光学结构的第一部分在第三光学结构的第一部分的内边界和第三光学结构的第一部分的外边界之间跨越至少0.016mm的长度。第三光学结构的子体积的折射率在第三光学结构的第二部分上等于第三光学结构的第二边界折射率。第三光学结构的第二部分在第三光学结构的第二部分的内边界和第三光学结构的第二部分的外边界之间跨越至少0.016mm的长度。
14.在眼科透镜的一些实施例中，第三光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供小于1.0个波的正相变。例如，第三光学结构的第一边界折射率可以针对可见光谱范围内的波长(从400nm跨越至700nm)提供小于1.0个波且大于0.10个波的相变。第三光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
15.在眼科透镜的一些实施例中，第三光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供大于-1.0个波的负相变。例如，第三光学结构的第一边界折射率可以针对可见光谱范围内的波长(从400nm跨越至700nm)提供大于-1.0个波且小于-0.10个波的相变。第三光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
16.在眼科透镜的许多实施例中，第三光学结构的部分的子体积的折射率在空间上变化。例如，在一些实施例中，第三光学结构的第三部分的子体积具有与第三光学结构的第三部分的子体积内的每个点(相对于透镜主体的光轴)的空间坐标相关地变化的折射率。在一些实施例中，第三光学结构的第一部分设置在第三光学结构的第二部分和第三光学结构的第三部分之间并将第三光学结构的第二部分和第三光学结构的第三部分分开，并且第三光学结构的第三部分的子体积的折射率从第三光学结构的第一边界折射率变化到第三光学结构的第二边界折射率。
17.眼科透镜可以是任何合适类型的眼科透镜。例如，在一些实施例中，透镜主体包括隐形眼镜。在一些实施例中，透镜主体包括人工晶状体。
18.在另一方面，一种形成亚表面光学结构的方法包括形成第一光学结构，第一光学结构设置在透镜主体的第一体积内。第一光学结构包括第一体积的子体积。第一光学结构的子体积中的每一个子体积具有各自的折射率空间相关性。第一光学结构的子体积的折射率在第一光学结构的第一边界折射率和第一光学结构的第二边界折射率之间空间地变化。第一光学结构的子体积的折射率在第一光学结构的第一部分上等于第一光学结构的第一边界折射率。第一光学结构的第一部分在第一光学结构的第一部分的内边界和第一光学结构的第一部分的外边界之间跨越至少0.050mm的长度。第一光学结构的子体积的折射率在第一光学结构的第二部分上等于第一光学结构的第二边界折射率。第一光学结构的第二部分在第一光学结构的第二部分的内边界和第一光学结构的第二部分的外边界之间跨越至
少0.050mm的长度。
19.在方法的一些实施例中，第一光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供小于1.0个波的正相变。例如，第一光学结构的第一边界折射率可以在400nm至700nm的可见光谱中提供小于1.0个波且大于0.10个波的相变。第一光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
20.在方法的一些实施例中，第一光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供大于-1.0个波的负相变。例如，第一光学结构的第一边界折射率可以在400nm至700nm的可见光谱中提供大于-1.0个波且小于-0.10个波的相变。第一光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
21.在方法的许多实施例中，第一光学结构的第三部分的子体积具有在空间上变化的折射率。例如，在方法的许多实施例中，透镜主体具有光轴，并且第一光学结构的第三部分的子体积具有与第一光学结构的第三部分的子体积相对于光轴的坐标相关地变化的折射率。在方法的许多实施例中，第一光学结构的第一部分设置在第一光学结构的第二部分和第一光学结构的第三部分之间并将第一光学结构的第二部分和第一光学结构的第三部分分开，并且第一光学结构的第三部分的子体积的折射率从第一光学结构的第一边界折射率变化到第一光学结构的第二边界折射率。
22.在许多实施例中，方法包括在透镜主体的第二体积内形成第二光学结构。第二光学结构包括第二体积的子体积。第二光学结构的子体积中的每一个子体积具有各自的折射率空间相关性。第二体积的子体积的折射率在第二光学结构的第一边界折射率和第二光学结构的第二边界折射率之间空间地变化。第二光学结构的子体积的折射率在第二体积的第一部分上等于第二光学结构的第一边界折射率。第二体积的第一部分在第二体积的第一部分的内边界和第二体积的第一部分的外边界之间跨越至少0.021mm的长度。第二体积的子体积的折射率在第二体积的第二部分上等于第二光学结构的第二边界折射率。第二体积的第二部分在第二体积的第二部分的内边界和第二体积的第二部分的外边界之间跨越至少0.021mm的长度。
23.在方法的一些实施例中，第二体积的子体积的折射率中的每一个折射率提供小于1.0个波的正相变。例如，第二光学结构的第一边界折射率可以在400nm至700nm的可见光谱中提供小于1.0个波且大于0.10个波的相变。第二光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
24.在方法的一些实施例中，第二体积的子体积的折射率中的每一个折射率提供大于-1.0个波的负相变。例如，第二光学结构的第一边界折射率可以在400nm至700nm的可见光谱中提供大于-1.0个波且小于-0.10个波的相变。第二光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
25.在方法的许多实施例中，第二光学结构的部分的子体积的折射率在空间上变化。例如，在方法的一些实施例中，第二体积的第三部分的子体积具有与着第二体积的第三部分的子体积相对于透镜主体的光轴的坐标相关地变化的折射率。在方法的一些实施例中，第二体积的第一部分设置在第二体积的第二部分和第二体积的第三部分之间并将第二体积的第二部分和第二体积的第三部分分开，并且第二体积的第三部分的子体积的折射率从第二光学结构的第一边界折射率变化到第二光学结构的第二边界折射率。
26.在许多实施例中，方法包括在透镜主体的第三体积内形成第三光学结构。第三光学结构包括第三体积的子体积。第三光学结构的子体积中的每一个子体积具有各自的折射率空间相关性。第三光学结构的子体积的折射率在第三光学结构的第一边界折射率和第三光学结构的第二边界折射率之间空间地变化。第三光学结构的子体积的折射率在第三光学结构的第一部分上等于第三光学结构的第一边界折射率。第三光学结构的第一部分在第三光学结构的第一部分的内边界和第三光学结构的第一部分的外边界之间跨越至少0.016mm的长度。第三光学结构的子体积的折射率在第三光学结构的第二部分上等于第三光学结构的第二边界折射率。第三光学结构的第二部分在第三光学结构的第三部分的内边界和第三光学结构的第二部分的外边界之间跨越至少0.016mm的长度。
27.在方法的一些实施例中，第三光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供小于1.0个波的正相变。例如，第三光学结构的第一边界折射率可以在400nm至700nm的可见光谱中提供小于1.0个波且大于0.10个波的相变。第三光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
28.在方法的一些实施例中，第三光学结构的子体积的折射率中的每一个折射率提供大于-1.0个波的负相变。例如，第三光学结构的第一边界折射率可以在400nm至700nm的可见光谱中提供大于-1.0个波且小于-0.10个波的相变。第三光学结构的第二边界折射率可以提供0.0个波的相变。
29.在方法的许多实施例中，第三光学结构的部分的子体积的折射率在空间上变化。例如，在方法的一些实施例中，第三光学结构的第三部分的子体积具有与第三光学结构的第三部分的子体积相对于透镜主体的光轴的坐标相关地变化的折射率。在方法的一些实施例中，第三光学结构的第一部分设置在第三光学结构的第二部分和第三光学结构的第三部分之间并将第三光学结构的第二部分和第三光学结构的第三部分分开，并且第三光学结构的第三部分的子体积的折射率从第三光学结构的第一边界折射率变化到第三光学结构的第二边界折射率。
30.眼科透镜可以是任何合适类型的眼科透镜。例如，在方法的一些实施例中，透镜主体包括隐形眼镜。在方法的一些实施例中，透镜主体包括人工晶状体。在方法的一些实施例中，第一光学结构形成在人工晶状体内，其中人工晶状体在患者的眼睛内处于植入状态。在方法的一些实施例中，透镜主体包括人眼的角膜。在方法的一些实施例中，第一光学结构在患者的角膜的组织内体内地形成。
31.为了更完全地理解本发明的本质和优点，应当参考后续具体实施方式和附图。
附图说明
32.图1是根据实施例的包括具有增强的折射率变化分布的亚表面光学结构的眼科透镜的平面图。
33.图2是图1的眼科透镜的亚表面光学结构中的一个的平面图。
34.图3是图1的亚表面光学结构的侧视图。
35.图4是根据实施例的用于在眼科透镜内形成一个或多个亚表面光学结构的系统的简化示意图。
36.图5是图4的系统中的一些部件的简化示意图。
37.图6a图形地示出了对于经缩放的相位轮廓，近焦和远焦的衍射效率相对于相变高度的关系。
38.图6b图形地示出了对于增强的相位轮廓，近焦和远焦的衍射效率相对于相变高度的关系。
39.图7图形地示出了所得的相变高度与激光脉冲序列光功率相关的示例校准曲线。
40.图8示出了根据实施例的对于2.0屈光度相位分布在562.5nm的波长处以光波为单位的径向变化。
41.图9示出了与图8的2.0屈光度相位分布相对应的1.0波相位包裹的相位分布。
42.图10示出了图9的1.0波相位包裹的相位分布，并且图10还示出了与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布。
43.图11示出了图9的1波相位包裹的相位分布，并且图11还示出了与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布。
44.图12示出了比较图10的1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布和图11的1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布的近焦的最佳聚焦处的单色调制传递函数的曲线图。
45.图13示出了比较图10的1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布和图11的1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布的30lp/
°
的空间频率下的离焦单色调制传递函数的曲线图。
46.图14示出了比较与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/4光波最大经缩放的相位包裹的相位分布和与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/4光波最大增强的相位包裹的相位分布的近焦的最佳聚焦处的单色调制传递函数的曲线图。
47.图15示出了比较与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/4光波最大经缩放的相位包裹的相位分布和与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/4光波最大增强的相位包裹的相位分布的30lp/
°
的空间频率下的离焦单色调制传递函数的曲线图。
48.图16示出了比较与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/6光波最大经缩放的相位包裹的相位分布和与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/6光波最大增强的相位包裹的相位分布的近焦的最佳聚焦处的单色调制传递函数的曲线图。
49.图17示出了比较与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/6光波最大经缩放的相位包裹的相位分布和与图9的1.0波相位包裹的相位分布相对应的1/6光波最大增强的相位包裹的相位分布的30lp/
°
的空间频率下的离焦单色调制传递函数的曲线图。
具体实施方式
50.在以下描述中，将描述本发明的各种实施例。出于解释的目的，阐述了具体配置和细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员也将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践本发明。此外，为了不混淆所描述的实施例，可以省略或简化公知特征。
51.现在转到附图，其中在各个附图中相同的参考编号指代相同的元素，图1是根据实施例的眼科透镜10的平面图，眼科透镜10包括具有折射率空间变化的一个或多个亚表面光学结构12。本文所描述的一个或多个亚表面结构12可以形成在任何合适类型的眼科透镜中，包括但不限于人工晶状体、隐形眼镜、角膜、眼镜镜片和原生晶状体(例如，人类原生晶状体)。具有折射率空间变化的一个或多个亚表面光学结构12可被配置成用于针对许多光
学像差(诸如散光、近视、远视、球面像差、彗差和三叶草像差(coma and trefoil))中的每一个、以及它们的任何适当组合提供适当的折射校正。
52.图2是眼科透镜10的亚表面光学结构12中的一个亚表面光学结构的平面图。所示的光学亚结构12占据透镜10的相应体积，该相应体积包括透镜10的相关联的子体积。在许多实施例中，由光学结构12中的一个占据的体积包括第一部分、第二部分和第三部分14。第一部分、第二部分和第三部分14中的每一个部分可以通过以下方式来形成：在相应部分14内聚焦适当的激光脉冲，以便在透镜10的构成相应部分14的子体积中引起折射率的变化，使得每个部分14具有如本文所描述的相应折射率分布。
53.在许多实施例中，针对形成亚表面光学结构12的每个部分14限定折射率分布，使得所得的亚表面光学结构12提供期望的光学校正。每个部分14的折射率分布可以用于确定被聚焦到相应部分14上以在该部分14中诱导期望的折射率分布的激光脉冲的参数(例如，激光脉冲功率(mw)、激光脉冲宽度(fs)、激光脉冲的扫描速度(mm/s))。
54.虽然在所示的实施例中，从平面图看，亚表面光学结构12的部分14具有圆形形状，但是部分14可以具有任何合适的形状和折射率变化分布。例如，可以采用当从平面图观察时具有重叠螺旋形状的单个部分14。一般来说，当从平面图观察时，具有任何合适形状的一个或多个部分14可以分布有中间(intervening)空间，以便为入射到亚表面光学结构12上的光提供期望的光学校正。
55.图3示出了其中亚表面光学结构12由数个堆叠层组成的实施例，该数个堆叠层由中间层空间分开。在所示的实施例中，亚表面光学结构12具有折射率变化的空间分布。图3是亚表面光学结构12中的折射率变化的示例分布的侧视图。在所示的实施例中，可以使用光栅扫描方法形成亚表面光学结构12，在光栅扫描方法中每一层从底层开始并向上顺序地形成。对于每一层，光栅扫描方法可以沿着恒定z维度的平面来顺序地扫描激光脉冲的焦点位置，同时改变y维度和x维度，使得所得层具有图3中所示的平坦横截面形状，图3示出了眼科透镜10的横截面视图。在光栅扫描方法中，可以控制激光脉冲的计时，以将每个激光脉冲聚焦到眼科透镜10的目标子体积上，而不将激光脉冲聚焦到眼科透镜10的非目标子体积上，非目标子体积包括眼科透镜10的不形成亚表面光学结构12中的任一个的子体积(诸如可以形成亚表面光学结构12的相邻堆叠层之间的中间空间)。
56.在所示的实施例中，存在具有折射率空间变化的分布的三个环形亚表面光学结构12。所示的亚表面光学结构12中的每一个具有平坦层配置，并且可以由一个或多个层组成。若亚表面光学结构由多于一个层组成，则各层可以通过中间层间距而彼此分离。然而，层中的每一层可以替代地具有任何其他合适的一般形状，包括但不限于任何合适的非平面表面或者平面表面。在所示的实施例中，从平面图看，亚表面光学结构12中的每一个具有圆形外边界。然而，亚表面光学结构12中的每一个可以替代地具有任何其他合适的外边界形状。如从平面图所见，亚表面光学结构12中的每一个可以包括两个或更多个单独的部分14，其中每个部分覆盖亚表面光学结构12的一部分面积。
57.图4是根据实施例的用于在眼科透镜10内形成一个或多个亚表面光学结构12的系统30的简化示意图。系统30包括激光束源32、激光束强度控制组件34、激光束脉冲控制组件36、扫描/接口组件38和控制单元40。
58.激光束源32生成并发射具有适当波长的激光束46，以用于在眼科透镜10的目标子
体积中诱导折射率变化。在本文中描述的示例中，激光束46具有1035nm的中心波长。然而，激光束46可以具有有效诱导眼科透镜10的目标子体积中的折射率变化的任何合适的波长(例如，在400到1100nm的范围内)。
59.激光束强度控制组件34可控制以选择性改变激光束46的强度，以产生输出到激光束脉冲控制组件36的所选择强度的激光束48。激光束强度控制组件34可以具有任何合适的配置(包括任何合适的现有配置)，以控制所得激光束48的强度。
60.激光束脉冲控制组件36可控制以生成具有适当持续时间、强度、大小和空间分布的经准直的激光束脉冲50，以用于在眼科透镜10的目标子体积中诱导折射率变化。激光束脉冲控制组件36可具有任何合适的配置(包括任何合适的现有配置)，以控制所得激光束脉冲50的持续时间。
61.扫描/接口组件38可控制以选择性地扫描激光束脉冲50，以产生xyz扫描的激光脉冲74。扫描/接口组件38可以具有任何合适的配置(包括任何合适的现有配置(例如，图5所示的配置))，以产生xyz扫描的激光脉冲74。扫描/接口组件38接收激光束脉冲50，并以最小化渐晕的方式输出xyz扫描的激光脉冲74。扫描/接口组件38被控制以选择性地扫描激光束脉冲50中的每一个，以生成xyz扫描的激光脉冲74，该xyz扫描的激光脉冲474聚焦在眼科透镜10的目标子体积上，以在目标子体积中诱导相应的折射率变化，以便在眼科透镜10内形成一个或多个亚表面光学结构12。在许多实施例中，扫描/接口组件38被配置为：将眼科透镜10的位置限制到适当的程度，以适当地控制眼科透镜10的目标子体积相对于扫描/接口组件38的位置。在许多实施例(诸如图5所示的实施例)中，扫描/接口组件38包括机动z台，该机动z台被控制以选择性地控制xyz扫描的激光脉冲74中的每一个被聚焦到的在眼科透镜10内的深度。
62.控制单元40与激光束源32、激光束强度控制组件34、激光束脉冲控制组件36和扫描/接口组件38中的每一个可操作地耦合。控制单元40提供对激光束源32、激光束强度控制组件34、激光束脉冲控制组件36和扫描/接口组件38中的每一个的协调控制，使得xyz扫描的激光脉冲74中的每一个具有所选择的强度和持续时间，并且被聚焦于眼科透镜10的相应的所选择的子体积上，以在眼科透镜10内形成一个或多个亚表面光学结构12。控制单元40可以具有任何合适的配置。例如，在一些实施例中，控制单元40包括一个或多个处理器和存储指令的有形存储器设备，该指令可由一个或多个处理器执行，以使控制单元40控制和协调激光束源32、激光束强度控制组件34、激光束脉冲控制组件36和扫描/接口组件38产生xyz扫描的激光脉冲74的操作，xyz扫描的激光脉冲474中的每个与子体积光学结构的空间位置同步。
63.图5示出了扫描/接口组件38的实施例的简化示意图。在所示的实施例中，扫描/接口组件38包括xy振镜(galvo)扫描单元42、中继光学组件44、z台66、xy台68、聚焦物镜70以及患者接口/眼科透镜保持器72。xy振镜扫描单元42包括xy振镜扫描镜54、56。中继光学组件44包括凹面镜60、61以及平面镜62、64。
64.xy振镜扫描单元42从激光束脉冲控制组件36接收激光脉冲50(例如，1035nm中心波长的经准直的激光脉冲)。在所示的实施例中，xy振镜扫描单元42包括机动x方向扫描镜54以及机动y方向扫描镜56。x方向扫描镜54被控制以选择性地改变x方向扫描镜54的取向，以在与xy扫描的激光脉冲58的传播方向横向的x方向上改变xy扫描的激光脉冲58的方向/
位置。y方向扫描镜56被控制以选择性地改变y方向扫描镜56的取向，以在与xy扫描的激光脉冲58的传播方向横向的y方向上改变xy扫描的激光脉冲58的方向/位置。在许多实施例中，y方向基本上垂直于x方向。
65.中继光学组件44从xy振镜扫描单元42接收xy扫描的激光脉冲58，并且以最小化渐晕的方式将xy扫描的激光脉冲58传输到z台66。凹面镜60反射xy扫描的激光脉冲58中的每个，以产生入射于平面镜62上的会聚激光脉冲。平面镜62向平面镜64反射会聚的xy扫描的激光脉冲58。在平面镜62和平面镜64之间，xy扫描的激光脉冲58从会聚转变为发散。发散激光脉冲58被平面镜64反射到凹面镜61上。凹面镜61反射激光脉冲58以产生被引导至z台66的经准直的激光脉冲。
66.z台66从中继光学组件44接收xy扫描的激光脉冲58。在所示的实施例中，z台66和xy台68耦合到聚焦物镜70，并被控制以针对xy扫描的激光脉冲70中的每一个，相对于眼科透镜10选择性地定位聚焦物镜74，以便将xyz扫描的激光脉冲74聚焦到眼科透镜10的相应目标子体积上。z台66被控制以选择性地控制激光脉冲聚焦到的眼科透镜10内的深度(即，眼科透镜10的亚表面体积的深度，激光脉冲被聚焦到该深度以诱导目标亚表面体积的折射率的变化)。结合xy振镜扫描单元42的控制来控制xy台68，使得针对z台70所接收的xy扫描的激光脉冲58中的每一个的相应横向位置，聚焦物镜66被适当地定位。聚焦物镜70将激光脉冲会聚到透镜10的目标亚表面体积上。患者接口/眼科透镜保持器72将眼科透镜10限制在固定位置，以支持扫描/接口组件38对激光脉冲74的扫描，以形成亚表面光学结构12。
67.图6a图形地示出了对于经缩放的相位包裹的相位分布，远焦76a和近焦77a的衍射效率相对于相变高度的关系，其中最大可用相位由相变高度给出。对于0.25个波的相变高度，对于近焦的衍射效率仅为约百分之10。对于具有基本上大于百分之10的近焦衍射效率的整体光学校正，可以使用更多数量的堆叠层来形成产生期望的近焦衍射效率的具有大于0.25个波的相变高度的亚表面光学结构12。然而，可能期望限制形成对于生成期望的近焦衍射效率所必需的亚表面光学结构12的堆叠层的数量。还可以通过在眼科透镜10的目标子体积中诱导更大的折射率变化来实现更大的相变高度。通过增加聚焦在眼科透镜10的目标子体积上的激光脉冲的能量，可以诱导眼科透镜10的目标子体积中的更大的折射率变化。然而，可能期望限制激光脉冲的能量，以避免形成透镜10的材料的与大量脉冲能量相关联的损伤。
68.通过使用如本文所描述的增强的相位包裹的相位分布，可以在给定相变高度的近焦处获得更大的衍射效率。例如，图6b图形地示出了对于如本文所描述的增强的相位包裹的相位分布，远焦76b和近焦77b的衍射效率相对于相变高度的关系。例如，对于0.25个波的相变高度，增强的相位包裹的相位分布导致近焦的衍射效率约为百分之20，这大约是在该相同的相变高度下图6a的经缩放的包裹的相位分布的值的两倍。
69.图7图形地示出了所得的相变高度与激光脉冲光功率相关地变化的示例校准曲线78。校准曲线78示出了针对相对应的激光脉冲持续时间、激光脉冲中心波长、激光脉冲重复率、数值孔径、眼科透镜10的材料、目标子体积的深度、层之间的间距、各扫描线之间的行距、以及扫描速度，所得的相变高度与激光平均功率之间的对应关系。校准曲线78示出增加的激光脉冲能量导致增加的相变高度。
70.然而，激光脉冲能量可以被限制，以避免由激光脉冲能量和/或眼科透镜10的热积
累引起的诱导损伤沿着部分14并穿过部分14或甚至在不同层之间的传播。在许多实例中，在前两层的形成过程中没有观察到损伤，并且在第三层的形成过程中开始发生损伤。为了避免这种损伤，光学结构12的形成可以通过使用远低于眼科透镜10的材料的脉冲能量阈值的激光脉冲能量来完成。然而，使用较低的脉冲能量增加了提供相同量的所得相变高度所需的亚表面光学结构12的层数，从而增加了形成所采用的亚表面光学结构12的总数所需的时间。对于体内应用(例如，将亚表面光学结构12写入植入的眼内透镜中)，需要额外的层来包括亚表面光学结构12可能潜在地增加沉积到视网膜中的能量总量。使用增强的相位包裹的相位分布需要更少数量的层来形成亚表面光学结构12，并且在近焦处实现期望的视觉结果，诸如更大的调制传递函数和更大的衍射效率值。
71.增强的相位包裹的相位分布
72.图8示出了根据实施例的2.0屈光度相位分布80的以光波为单位的径向变化。该曲线中的光波对应于562.5nm的设计波长。在所示的实施例中，2.0屈光度相位分布80从眼科透镜的光轴处的最大16.0个波降低到距光轴3.0mm处的0.0个波。
73.图9示出了与2.0屈光度相位分布80相对应的1.0个波的相位包裹的相位分布82。1.0个波的相位包裹的相位分布82的每个部分包括倾斜部分(82-a至82-p)。除了中心部分外，1.0个波的相位包裹的相位分布82的所有部分中的每一个部分都包括高度等于1.0个波的相位不连续性(84-b至84-p)。倾斜部分(82-a至82-p)中的每一个被形成以与2.0屈光度相位分布80的相对应的覆盖部分(80-a至80-p)匹配。例如，倾斜部分82p与覆盖部分80-p匹配；倾斜部分82-o等于覆盖部分80-o减去1.0个波；倾斜部分82-n等于覆盖部分80-n减去2.0个波；倾斜部分82-a等于覆盖部分80-a减去15.0个波。每一个倾斜部分对应于菲涅耳(fresnel)区。每个菲涅耳区占据的面积或区域与每个亚表面光学结构12占据的面积相对应。
74.82中的相位不连续性(84-b至84-p)中的每一个的1.0个波的高度导致在设计波长下的衍射，该衍射提供与2.0屈光度折射分布80相同的2.0屈光度校正，同时将最大相位限制为1.0个波。
75.与2.0屈光度相位分布80相比，1.0个波的相位包裹的相位分布82需要显著更低的总激光脉冲能量来诱导。1.0个波的相位包裹的相位分布82下的面积仅为2.0屈光度相位分布80下的面积的约百分之5.2。
76.图10示出了1.0个波的相位包裹的相位分布82和与1.0个波的相位包裹的相位分布82相对应的示例经缩放的相位包裹相的位分布(对于所选择的最大波值)。在所示的实施例中，示例经缩放的相位包裹的相位分布具有1/3个波的最大波值。对于小于1.0个波的其他合适的最大波值(例如，3/4个波、5/8个波、1/2个波、1/4个波、1/6个波)，可以生成类似的经缩放的相位包裹的相位分布。1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86等于1.0个波的相位包裹的相位分布82的1/3。1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86是1.0个波的相位包裹的相位分布82的一个替代，并且它利用1/3个波的光学校正的最大相位值。
77.与1.0个波的相位包裹的相位分布82相比，1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86需要更少的总激光脉冲能量来诱导。1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86下的面积是1.0个波的相位包裹的相位分布82下的面积的1/3。
78.图11示出了1.0个波的相位包裹的相位分布82和与1.0个波的相位包裹的相位分
布82相对应的示例增强的相位包裹的相位分布(对于所选择的最大波值)。在所示的实施例中，示例增强的相位包裹的相位分布具有1/3个波的最大波值。可以使用类似的方法对小于1.0个波的其他合适的最大波值(例如，3/4个波、5/8个波、1/2个波、1/4个波、1/6个波)生成类似的增强的相位包裹的相位分布。
79.1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88包括倾斜部分(88a-88p)、顶部部分(90a-90p)、相位不连续性(92a-92p)和底部部分(94a-94p)。倾斜部分(88a-88p)中的每一个与1.0个波的相位包裹的相位分布82的倾斜部分(82a-82p)中的对应一个相匹配。在1.0个波的相位包裹的相位分布82的波值大于适用的最大波值(适用的最大波值在1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88中为1/3个波)的区域中，1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88的值等于适用的最大波值(如顶部部分(90a-90p)指示的)或等于0.0(如底部部分(94a-94p)指示的)。顶部部分(90a-90p)在1.0个波的相位包裹的相位分布82中的相位是适用的最大波值(在此示例中为1/3个波)的径向位置和1.0个波的相位包裹的相位分布82中的相位是通过计算“(1.0-适用的最大波值)/2”给出的相位(对于1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88为2/3个波)的径向位置之间的环形区中径向延伸(具有表示半径为零的光轴)。底部部分(94a-94p)在1.0个波的相位包裹的相位分布82中的相位是通过计算“(1.0-适用的最大波值)/2”给出的相位(对于1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88为2/3个波)的径向位置和1.0个波的相位包裹的相位分布82中的相位为1.0个波的径向位置之间的环形区中径向延伸(具有表示半径为零的光轴)。写在由1.0个波的相位包裹的相位分布82中的倾斜部分(82-a至82-p)占据的各个区域中的每一个中的增强的相位包裹的相位分布88中的相位轮廓构成了形成增强的相位包裹的相位分布88的各个亚表面光学结构12。在所示的实施例中，倾斜部分(88a-88p)、顶部部分(90a-90p)和底部部分(94a-94p)是形成光学结构12的部分14，光学结构12形成增强的相位包裹的相位分布88(例如，增强的相位包裹的相位分布88中的光学结构12中的一个是光学结构c，并且该结构包括底部部分94-c、顶部部分90-c和倾斜部分88-c)。在所示的实施例中，激光诱导的折射率变化是正的，但是增强的相位包裹的相位分布的思想也可以应用于激光诱导的折射率变化是负的情况。在激光诱导的折射率变化为负的材料中，增强的相位包裹的相位分布的顶部部分将具有0.0个波的相位，而底部部分将具有负相位(例如，-0.60个波)。
80.与1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86相比，1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88需要更少的总激光脉冲能量来诱导。1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88下的面积是1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86的约百分之82。
81.图12示出了针对1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86计算的近焦的单色调制传递函数96的曲线图，以及针对1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88计算的近焦的单色调制传递函数98的曲线图。mtf是光学系统将各种对比度水平从对象传递到图像的能力的度量。如图所示，对于大约2lp/度和60lp/度之间的所有空间频率，1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88的mtf 98大约是1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86的mtf 96的两倍。
82.图13示出了针对1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86计算的离焦mtf 100(在30lp/度)的曲线图，以及针对1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88计算的离焦mtf 102的曲线图。离焦mtf显示光学系统的mtf如何随着图像在选定的空间频率下获得
散焦(例如，通过使观察到的对象离成像系统越来越远或越来越近)而变化。如图所示，在2.0屈光度和-2.0屈光度下，1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88的离焦mtf 102显著大于1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86的离焦mtf 100。虽然离焦mtf 102在0.0屈光度下低于离焦mtf 100，但是离焦mtf 102在0.0屈光度下确实达到了0.30的值。
83.图14示出了针对1/4光波最大经缩放的相位包裹的相位分布(类似于1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86，但是针对1/4个波的最大值)计算的近焦的单色调制传递函数104的曲线图，以及针对1/4光波最大增强的相位包裹的相位分布(类似于1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88，但是针对1/4个波的最大值)计算的近焦的单色调制传递函数106的曲线图。如图所示，对于大约2lp/度和60lp/度之间的所有空间频率，1/4光波最大增强的相位包裹的相位分布的mtf 106是1/4光波最大经缩放的相位包裹的相位分布的mtf 104的两倍以上。
84.图15示出了针对1/4光波最大经缩放的相位包裹的相位分布计算的离焦mtf 108(在30lp/度)的曲线图，以及针对1/4光波最大增强的相位包裹的相位分布计算的离焦mtf 110的曲线图。如图所示，在2.0屈光度和-2.0屈光度下，1/4光波最大增强的相位包裹的相位分布的离焦mtf 110显著大于1/4光波最大经缩放的相位包裹的相位分布的离焦mtf 108。虽然离焦mtf 110在0.0屈光度下低于离焦mtf 108，但是离焦mtf 110在0.0屈光度下确实达到了0.45的值。
85.图16示出了针对1/6光波最大经缩放的相位包裹的相位分布(类似于1/3光波最大经缩放的相位包裹的相位分布86，但是针对1/6个波的最大值)计算的近焦的单色调制传递函数112的曲线图，以及针对1/6光波最大增强的相位包裹的相位分布(类似于1/3光波最大增强的相位包裹的相位分布88，但是针对1/6个波的最大值)计算的近焦的单色调制传递函数114的曲线图。如图所示，对于大约2lp/度和60lp/度之间的所有空间频率，1/6光波最大增强的相位包裹的相位分布的mtf 114是1/6光波最大经缩放的相位包裹的相位分布的mtf 112的两倍以上。
86.图17示出了针对1/6光波最大经缩放的相位包裹的相位分布计算的离焦mtf 116(在30lp/度)的曲线图，以及针对1/6光波最大增强的相位包裹的相位分布计算的离焦mtf 118的曲线图。如图所示，在2.0屈光度和-2.0屈光度下，1/6光波最大增强的相位包裹的相位分布的离焦mtf 118显著大于1/6光波最大经缩放的相位包裹的相位分布的离焦mtf 116。虽然离焦mtf 118在0.0屈光度下低于离焦mtf 116，但是离焦mtf 118在0.0屈光度下确实达到了0.60的值。
87.其他变型在本发明的精神内。由此，尽管本发明易于作出各种修改和替换构造，但其某些示出的实施例在附图中被示出并且在上文中已被详细描述。然而应当理解，这不旨在将本发明限于所公开的一种或多种具体形式，而相反地，旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、替换构造和等效方案，如所附权利要求书限定的。
88.在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求书的上下文中)使用术语“一”、“一个”和“该”以及类似称谓旨在被解释为覆盖单数和复数两者，除非在本文中另外说明或明显与上下文矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”和“涵盖”应当被解释为开放式的术语(即，表示“包括，但不局限于”)，除非另外注明。术语“连接”应当被解释为部分或全部被包含在内、附连、或结合在一起，即使存在某些中介。本文中的值范围的记载仅旨在用作单独引用
落在该范围内的每一单独值的速记方法，除非在本文中另外说明，并且每一个单独值被结合到本说明书中，好比它在本文中单独记载的一样。本文中描述的所有方法可以任何合适的顺序执行，除非在本文中另有说明或明显与上下文矛盾。使用本文中所提供的任何和所有示例、或示例性语言(例如，“诸如”)仅旨在更好地说明本发明的实施例，而不构成对本发明的范围的限制，除非另有要求。本说明书中的语言不应当被解释为指示任何未被要求保护的要素对于实践本发明而言是必需的。
89.在本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实现本发明的最佳模式。这些优选实施例的变型对本领域普通技术人员而言在阅读在前描述之后变得显而易见。发明人预期本领域技术人员酌情采用这些变型，并且发明人打算本发明以本文具体描述以外的其他形式来实践。对应地，本发明包括本文所附的权利要求书中所记载的主题的所有修改和等效方案，如可适用法规所允许的。此外，上述要素在其所有可能变型中的任意组合均被本发明涵盖，除非在本文中另有说明或明显与上下文矛盾。
90.本文中所引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)通过引用结合于此，好比每一参考文献被单独和具体地指示为通过引用而被结合且以其整体在本文中被阐述。