衍射光学设计已经成为人工晶状体设计领域的新兴技术。本文首先分析了衍射多焦点人工晶状体的具体设计流程，提出了联合非球面衍射基底矫正像质的衍射多焦点人工晶状体设计；其次针对多焦点衍射光学元件相位结构提出并分析了基底参数对衍射效率的影响的数学模型；最后通过实例对人工晶状体设计中非球面衍射基底的影响作出了优化。结果表明，设计流程可用于设计高成像质量多焦点人工晶状体，基底影响模型可用于分析并优化衍射基底参数对衍射效率的影响。

提出了一种多焦点人工晶体的设计方法，即将达曼波带片作为光学部刻入单焦点人工晶体表面。达曼波带片由一系列的同心圆环构成，是将达曼光栅的位相调制思想引入传统波带片而形成的一种实用光学元件。经过对衍射级次的调制，它能在聚焦透镜后方光场处产生一系列的轴向焦斑分布。通过结合不同数值孔径的聚焦透镜，焦斑的强度分布也会有一定比例的变化。通过理论模拟和实验验证，为多焦点人工晶体的制作提供了一种有效的设计方法。该多焦点人工晶体拥有五个焦点，能够同时提升白内障患者在不同距离视物时的视力，并为他们提供更加清晰细致的成像效果。

针对人眼个性化差异,建立符合我国人眼数据的晶体光学模型,并实现相应的数字化加工工艺,具有十分重要的价值与意义。三维打印技术可根据晶状体的三维数字模型进行加工制造,步骤简单,成本低廉。依据实测角膜参数、眼内间距、各介质折射率以及人眼像差,重构晶体光学模型,建立以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)为材料,1 mm厚的渐变折射率晶体模型,和以光敏树脂为材料,1 mm厚的单一折射率晶体模型。利用光固化成型(SLA)工艺打印单一折射率晶体模型,熔融沉积成型(FDM)工艺打印渐变折射率晶体模型。结果表明:FDM工艺打印的渐变折射率晶体模型台阶效应严重;SLA工艺打印的单一折射率晶体模型,应力大小为87.9 nm/mm,焦距与理论值偏差4.98%,表面粗糙度达120 nm量级。

为了使白内障患者在术后获得良好的视觉效果,提出一种扩展焦深的双区域非球面衍射人工晶状体(IOL)设计。在Zemax软件中基于无晶状体眼模型对其进行了优化和分析。分析结果表明,在±4°的视场内,从0.75 m到无穷远的物距,佩戴此人工晶体的人眼模型在550 nm波长、2.5 mm瞳孔直径的条件下调制传递函数(MTF)值在空间频率为50 cycles·mm -1时保持在0.30以上。对角膜非球面系数的变化进行了蒙特卡罗分析,结果表明,当角膜非球面系数在-0.70~0.60的范围内变化时,从0.75 m到无穷远的物距,空间频率为50 cycles·mm -1处约有90%的MTF大于0.29。此外,理论分析表明,所设计的人工晶体在不同瞳孔和白光照明的情况下,其成像性能基本保持稳定。

为了实现人工晶状体植入人眼后在远、中、近三个视距范围内均清晰成像，帮助白内障患者获得更好的视觉体验，设计了多焦点菲涅耳透镜，其环带面采用自由曲面的形式。通过每个环带交替控制焦距的方法，避免了随着瞳孔收缩而出现的焦点丢失的问题。基于折射定律的矢量形式，采取迭代计算的方法，设计了自由曲面形式的菲涅耳透镜，并模拟了不同焦点处的能量分布。基于ISO 11979-2标准眼模型模拟了自由曲面菲涅耳三焦点人工晶状体植入眼成像系统，附加光焦度分别为+1.66 D和+3.32 D。通过光线追迹计算了不同光焦度下的调制传递函数；计算结果表明：在空间频率为50 lp/mm时，远焦点、中焦点及近焦点处调制传递函数均在0.2以上，满足患者的使用需求。

随着人口老龄化,年龄相关性白内障患者日益增多,通过植入人工晶状体可以使白内障患者的视力基本得到恢复。由于白内障患者对术后的视觉质量要求越来越高,个性化设计的人工晶状体已逐渐在临床上推广使用,而多焦点人工晶状体的出现,则成功解决了单焦点人工晶状体术后难以解决的近视力问题。对人工晶状体的发展历史做了简要的阐述,详细地说明了单焦点和多焦点人工晶状体的设计思想及特点,介绍了多焦点人工晶状体的发展现状,最后对人工晶状体未来的发展进行了展望。

在个性化人眼光学结构的基础上，运用ZEMAX软件的优化功能，设计了符合实际人眼光学特性的个性化人工晶体。该人工晶体不仅可以矫正离焦和像散，还引入了非球面可以矫正人眼的球差。文中将个性化人工晶体优化后得到的屈光度与经验公式计算得到的屈光度作了比较，在经验公式0.25Ｄ精确度的基础上有了提高，并直观地描述了个性化人工晶体植入前后人眼调制度和分辨率的变化情况。对样本人眼矫正后人眼分辨率最大变化由28 L/mm提高到118 L/mm，调制度由0.02提高至0.51。分析结果表明，个性化植入人工晶体的方法可以提高人眼矫正的精确度，不同人眼的波前特性不同，矫正效果也有相应的差异。

为了提高白光下人眼的视觉质量,设计了一款折射/衍射球柱有晶体眼人工晶体 (PIOL)。根据实际人眼的角膜地形图、眼内各组分的轴向间距和波前像差,运用Zemax光学设计软件,构建了个性化眼模型;然后,运用该模型,设计了球柱PIOL和折射/衍射球柱PIOL。研究表明:与球柱PIOL相比,折射/衍射球柱PIOL能够全面提高人眼的白光调制传递函数(MTF)和非中心波长下的MTF,有利于获得良好的视觉质量。研究还表明:折射/衍射球柱PIOL只需要在4 mm区域设计二元面就能够满足要求。最后,分析了加工工艺问题。折射/衍射球柱PIOL在先进视觉矫正方面具有潜在的应用价值。

引入了由非球面角膜和晶状体组成的模型眼, 采用ZEMAX软件进行光线追迹, 为无晶状体眼的人工晶状体的设计提供理论依据。计算表明, 球差是影响人眼像质的关键因素。一般对于正常眼来说, 晶状体的负球差可以部分补偿角膜的正球差, 从而降低整个人眼光学系统的球差, 以保证较好的视觉功能。随着年龄的增长, 晶状体的球差逐渐由负球差转变为正球差, 这样晶状体对人眼整体像差的补偿作用就会减小甚至消失。为了减小球差的影响, 人工晶状体的表面结构需采用非球面设计。当其非球面系数Q值固定时, 人工晶状体的球差主要受到其本身的屈光度的影响。要想优化整个人眼光学系统的球差, 人工晶状体必须要引入一个负的Q值。

目前常见的衍射型或折射型多焦人工晶体能够为患者提供一定范围内不同距离的视力, 但也造成了视网膜图像质量的下降。提出了一种新型的非球面人工晶体设计方法, 使双眼中的主导眼在瞳孔较大时保持良好的远视力, 同时通过球差优化使该眼在瞳孔较小时获得一定范围的近视力; 非主导眼在瞳孔较大时保持良好的近视力, 同时通过球差优化使该眼在瞳孔较小时获得一定范围的远视力。当双眼注视不同距离物体时, 都将获得良好的双眼视力, 同时由于双眼视网膜像比较接近, 双眼视功能不会受到影响。报道了基于由非球面角膜和晶状体组成的模型眼, 采用ZEMAX软件进行光线追迹, 通过球差优化获得基于双眼平衡单眼视的非球面多焦人工晶体的设计结果。