Разработка новой мультифокальной линзы с использованием плоской линзы с направленной поляризацией: возможный кандидат на мультифокальную интраокулярную линзу.
Поляризационно-направленная плоская линза (PDF) действует как собирающая линза с фокусным расстоянием (f) > 0 и рассеивающая линза с f <0, в зависимости от состояния поляризации падающего света. Для создания мультифокальной линзы с двумя фокусными расстояниями были объединены ФПВ и собирающая линза с более коротким фокусным расстоянием. В этом исследовании мы протестировали бифокальную PDF, чтобы определить ее потенциал в качестве новой мультифокальной интраокулярной линзы (ИОЛ).
Методы
Сконструировал мультифокальную линзу с линзой PDF (f = +/- 100 мм) и собирающей линзой (f = + 25 мм). В оптических стендовых испытаниях мы измерили кривую дефокусировки, чтобы проверить мультифокальную функцию. Проверялись мультифокальная функция и оптические качества хрусталика в различных ситуациях. Диаграмма раннего лечения диабетической ретинопатии (ETDRS) в качестве ближней цели и здание в качестве удаленной цели были сфотографированы с помощью цифровой однообъективной зеркальной камеры (DSLR). Обе линзы (мультифокальная и монофокальная) тестировались в одинаковых условиях
Результаты
Для фокусных точек 0 D и −20 D мультифокальная линза показала четкие изображения в оптических стендовых испытаниях. В тесте DSLR с мультифокальным объективом здание выглядело слегка размытым по сравнению с результатами с монофокальным объективом. С мультифокальным объективом изображения диаграммы ETDRS становились размытыми по мере уменьшения расстояния диаграммы ETDRS, но снова становились очень четкими в определенном положении.
Выводы
Мы подтвердили мультифокальную функцию мультифокальной линзы, используя линзу PDF. В будущем эта линза может быть использована в качестве мультифокальной ИОЛ.
Отчеты экспертной оценки
Использование мультифокальных интраокулярных линз (ИОЛ) в хирургии катаракты продолжает расти. Дифракционные мультифокальные ИОЛ и рефракционные мультифокальные ИОЛ преобладают среди применяемых в настоящее время мультифокальных линз [ 1 ]. Недавно мы разработали новую мультифокальную линзу, объединив поляризационно-направленную плоскую линзу (PDF) и собирающую линзу.
Линзы PDF (геометрические фазовые линзы) используют пространственно изменяющееся фазовое изменение, генерируемое через замкнутый путь в пространстве параметров поляризации, которое обычно реализуется с помощью полуволновой пластины жидкого кристалла (LC) с рисунком [ 2 ]. Ориентация молекул ЖК в каждой точке пространства на поверхности линзы определяет локальный фазовый переход. Благодаря непрерывному фазовому
профилю и плоской геометрии линзы PDF обеспечивают более высокое оптическое качество и меньше рассеянного света по сравнению с фазовыми линзами Френеля.
Линза PDF состоит из тонкой плоской пленки, на которой записаны фотоориентированные геометрические фазовые голограммы [ 3, 4, 5, 6 ]. Фазовые голограммы вызывают фазовые сдвиги, которые зависят от состояний поляризации падающего света, попадающего на линзы PDF [ 3, 4, 5, 6 ]. Когда падающий свет имеет правостороннюю круговую поляризацию (RHCP), фокусное расстояние линз PDF положительно. С другой стороны, левосторонняя круговая поляризация (LHCP) создает отрицательное фокусное расстояние [ 6]. То есть линза PDF действует как собирающая линза с фокусным расстоянием (f) > 0 и как рассеивающая линза с f < 0, в зависимости от состояния поляризации падающего света (рис. 1). Сочетание линзы PDF с собирающей линзой с меньшим фокусным расстоянием создает бифокальность f1 и f2 (рис. 2). Например, если линза PDF +/− 100 мм (+/− 10 D) комбинируется с собирающей линзой + 25 мм (+ 40 D), в результате получится бифокальная линза с + 30 D/+ 50 D., Согласно данным производителя используемой нами линзы PDF, линза служит собирающей линзой, когда f > 0, для 50% падающего света и рассеивающей линзой, когда f < 0, для 50% падающего света, а не только для света с круговой поляризацией. но и для неполяризованного света (https://www.edmundoptics.com/globalassets/documents/polarization-directed-flat-lens-overview.pdf).
Обсуждение
В этом исследовании четко подтвердили мультифокальную функцию новой мультифокальной линзы, созданной путем объединения линзы PDF и собирающей линзы. Как и ожидалось, мультифокальная линза обладает свойствами бифокальной линзы, фокусирующейся в 2 точках. Эта мультифокальная линза, которая сочетает в себе линзу PDF с фокусным расстоянием +/- 100 мм (+/- 10 дптр) и ахроматическую линзу с фокусным расстоянием + 25 мм (+ 40 дптр), дает четкое изображение при расфокусировке 0 и -20 дптр, поскольку добавочная сила мультифокальной линзы составляет 20 Д. Изображения в нежелательных фокальных плоскостях могут быть индикатором рассеянного света или эффектов утечки, аналогичных нежелательным порядкам дифракции, возможно, из-за дифракционной эффективности менее 100% или энергии менее 50%. переход к нужным плоскостям. В оптическом стендовом тесте изображение в дальнем фокусе мультифокальной линзы (коэффициент кросс-корреляции 0. 878) был немного размытым по сравнению с изображением в фокусе монофокальной линзы (коэффициент кросс-корреляции 1,0 по определению). Это было похоже на то, когда удаленное здание было сфотографировано камерой DSLR с использованием мультифокального объектива.
На близком расстоянии объект казался очень четким. В оптическом стендовом тесте изображение в ближнем фокусе мультифокальной линзы (коэффициент кросс-корреляции 0,863) было четким. В тесте камеры DSLR диаграмма ETDRS на расстоянии примерно 500 мм была очень четкой, когда второй фокус был расположен на датчике камеры. Это также было продемонстрировано, когда карта ETDRS на близком расстоянии была записана как видео сразу после записи удаленного здания. Это не потому, что фокусировка на дальних объектах, удаленных более чем на 6 м, была неполной. Мультифокальная функция хрусталика дает четкое изображение близких предметов.
Принцип комбинации ФПВ и собирающих линз полностью отличается от принципа дифракционных мультифокальных ИОЛ. Дифракционные мультифокальные ИОЛ обладают мультифокальной функцией благодаря дифракции света от концентрической дифракционной картины [ 1 ]. Подобно дифракционным ИОЛ, линза PDF имеет концентрические кольца (рис. 3), поэтому центрирование линзы важно для хорошего функционирования. Кроме того, когда линза PDF была объединена с собирающей линзой, результаты показали определенную мультифокальную функцию: удаленные объекты казались слегка размытыми по сравнению с монофокальной линзой. Эти результаты аналогичны результатам использования дифракционных мультифокальных ИОЛ [ 10, 11, 12, 13, 14,15, 16 ].
В оптических стендовых испытаниях мы использовали собирающую линзу f = 25 мм и линзу PDF с f = +/− 100 мм. Объектив PDF с f = +/− 100 мм был коммерчески доступен с самым большим фокусным расстоянием. В тесте DSLR мы использовали объектив PDF с фокусным расстоянием +/− 500 мм (+/− 2 D) (предоставлен профессором Сок Хо Сон). Сочетание этой линзы PDF с ахроматической линзой (фокусное расстояние 100 мм, + 10 дптр) дает трифокальную линзу (+ 8, 10, 12 дптр). Так как мультифокальная линза была расположена так, что вторая фокусная точка (+10 Д) мультифокальной линзы находилась на сенсоре камеры, то добавочная сила этой мультифокальной линзы составляет 2 Д. Следовательно, с мультифокальной линзой, как расстояние от таблицы ETDRS уменьшается, изображение становится очень четким на расстоянии 500 мм от мультифокальной линзы.
Первоначально линза PDF действует как собирающая линза с f > 0 для света с правой круговой поляризацией и рассеивающая линза с f <0 для света с левой круговой поляризацией. Если линза PDF действует только для света с круговой поляризацией, ее нельзя будет использовать в качестве мультифокальной ИОЛ. Однако, согласно данным производителя об используемой нами линзе PDF, она служит собирающей линзой f > 0 для 50 % падающего света и рассеивающей линзой f < 0 для 50 % падающего света не только для света с круговой поляризацией, но и для неполяризованного света. (https://www.edmundoptics.com/globalassets/documents/polarization-directed-flat-lens-overview.pdf), и наш эксперимент продемонстрировал это. Он также имеет ту же функцию, даже когда падающий свет линейно поляризован, как при ношении солнцезащитных очков с поляризационными линзами (https://www.edmundoptics.com/globalassets/documents/polarization-directed-flat-lens-overview.pdf).
Преимущества этой новой мультифокальной линзы заключаются, во-первых, в том, что близкие объекты выглядят очень четко. Это было подтверждено тестами на оптическом стенде и тестами цифровых зеркальных камер. Однако в этом исследовании мы не сравнивали наши результаты с результатами существующих дифракционных ИОЛ. Во-вторых, не было потери энергии, потому что световая энергия использовалась на 50% на ближнем расстоянии и на 50% на дальнем. С другой стороны, в случае существующих дифракционных ИОЛ потери световой энергии составляют от 15 до 20% [ 17 ]. Это большое преимущество недавно изобретенной мультифокальной линзы.
Недостатки нового мультифокального объектива заключаются, во-первых, в том, что в нем довольно много хроматических аберраций. В оптических стендовых испытаниях мы использовали ахроматическую линзу, такую как линза Бадала, и при использовании только 31,8-мм ахроматической линзы в качестве контроля хроматическая аберрация отсутствовала, поэтому считается, что хроматическая аберрация связана с PDF объектива, что подтвердилось при тестировании на оптическом стенде и при фотосъемке здания в дневное время. Эту хроматическую аберрацию можно уменьшить, преднамеренно отрегулировав хроматическую аберрацию собирающей линзы. Во-вторых, некоторые сотовые телефоны или планшетные компьютеры, которые часто используются на близком расстоянии, имеют дисплеи с круговой поляризацией. Если мы смотрим на дисплей с линейной поляризацией в солнцезащитных очках с линейной поляризацией, мы не можем видеть дисплей в зависимости от его направления. Однако, если дисплей имеет круговую поляризацию, он виден со всех сторон. Как упоминалось выше, когда падающий свет линейно поляризован, используемая нами линза PDF служит собирающей линзой f > 0 для 50 % падающего света и рассеивающей линзой f < 0 для 50 %. Поэтому нет проблем с просмотром дисплея на близком расстоянии (дополнительный рис. 2). Однако может возникнуть проблема, если дисплей имеет круговую поляризацию. Если это RHCP, линза PDF действует как собирающая линза f > 0, поэтому нет проблем с просмотром изображения на близком расстоянии. И наоборот, если дисплей LHCP, линза PDF будет действовать как рассеивающая линза f < 0, что затрудняет просмотр дисплея на близком расстоянии. Следовательно, если некоторые дисплеи являются RHCP, а некоторые - LHCP, мультифокальная интраокулярная линза, содержащая линзу PDF, не позволит пациентам четко видеть все дисплеи на близком расстоянии. В результате исследования 2 смартфонов дисплей Galaxy Z flip (Samsung, Suwon, Корея) оказался линейно поляризованным, а дисплей iPhone6 (Apple, Купертино, Калифорния) — RHCP. В-третьих, роговица человека является структурой глаза, которая с наибольшей вероятностью вызывает изменение состояния поляризации, потому что: как показано в многочисленных исследованиях, роговица двулучепреломляющая; при прохождении через роговицу линейно или циркулярно поляризованный свет обычно становится эллиптически поляризованным.18 ]. Разные люди имеют разное двойное лучепреломление роговицы, что может повлиять на разделение 50/50 ближних и дальних фокусных точек с PDF. Это может быть недостатком этого мультифокального объектива. В-четвертых, для имеющейся в продаже линзы PDF, используемой в исследовании, теоретически энергия на дальнем и ближнем расстоянии не может произвольно регулироваться, а световая энергия используется на 50% на ближнем расстоянии и на 50% на дальнем расстоянии. Если она изготовлена как мультифокальная ИОЛ, зрение вблизи будет удовлетворительным, но зрение вдаль может быть относительно неудовлетворительным для некоторых пациентов. Однако специалисты в этой области (профессор Сок Хо Сон) считают, что распределение энергии можно изменить, регулируя толщину пленки.
Пленка линз PDF может быть прикреплена к передней или задней поверхности монофокальной ИОЛ. Линза PDF, используемая в настоящем исследовании, была жесткой, но линза PDF представляет собой по существу тонкую плоскую пленку, в которой записаны фотоориентированные геометрические фазовые голограммы. Поэтому ИОЛ под пленкой можно сложить для введения. Биосовместимость линзы PDF с человеческим глазом, однако, не установлена, и поэтому она еще не может быть коммерциализирована. Его можно использовать, вставив в существующую монофокальную ИОЛ для биосовместимости. По-прежнему сложно применять эту линзу непосредственно в человеческом глазу, но мы представляем эту новую мультифокальную линзу как линзу, которая потенциально может функционировать как мультифокальная ИОЛ.
Выводы
В этом исследовании четко подтвердили мультифокальную функцию новой мультифокальной линзы, созданной путем объединения линзы PDF и собирающей линзы. По-прежнему сложно применять эту линзу непосредственно в человеческом глазу, но мы представляем эту новую мультифокальную линзу как линзу, которая потенциально может функционировать как мультифокальная ИОЛ.
Информация об авторе
Принадлежности
Кафедра офтальмологии, Медицинский колледж, Католический университет Кореи, Сеул, Республика Корея, 505, Banpo-dong, Seocho-gu, Seoul, 06591, Республика Корея
Кён-Сон На, Да Ран Ким, Су ЁнЧо, ЫнЧхоль Ким, Хён Сын Ким и Хо СикХван