【畢業(yè)學(xué)位論文】預(yù)防近視鏡片的設(shè)計(jì)-光電工程

逢 甲 大 學(xué) 資訊電機(jī)工程 碩士 在職專 班 碩 士 論 文 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 導(dǎo)教授 ：陳德請(qǐng) 博士 研 究 生 ： 林世章 中華民國 一 百零一 年 六 月 誌 謝 能有本篇論文完成，首先要特別感謝我的指導(dǎo)教授 陳德請(qǐng) 老師。在本人從事研究的期間提供理論和實(shí)務(wù)方面的經(jīng)驗(yàn)分享與協(xié)助。不僅從中得到許多專業(yè)上的知識(shí)和寶貴的意見，也學(xué)習(xí)到許多做研究的方法。 也要 感謝口試委員 張榮森 教授 及 黃光榮 教授， 對(duì)本論文給 予多寶貴建議及指導(dǎo)， 有了教授們給予的意 見 與指正，使得 本 論 文能 加完善、充實(shí) ，在此致上由衷的感謝。 另外，感謝實(shí)驗(yàn)室中的同學(xué) 暉凱 、 宗樺 還有 靖元 學(xué)弟，在你們熱心的協(xié)助下，才能讓本文順利 的 完成。在此也要感謝 李企桓 老師所開的光學(xué)課程，讓我在課堂上所學(xué)的都能應(yīng)用的上。最後要感謝我的父母，在我 家庭、事業(yè)與學(xué)業(yè)三頭燒的情況下給予我最大的支持與鼓勵(lì) ，謹(jǐn)以此篇論文獻(xiàn)給我摯愛的家人。 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) i 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 摘 要 本研究目的係使用非球面設(shè)計(jì)一符合近視眼視網(wǎng)膜中心與邊緣度數(shù)的預(yù)防與控制近視眼鏡鏡片。設(shè)計(jì)時(shí)著重客製化眼鏡設(shè)計(jì)以適合近 視眼睛病患的配戴，增加配戴患者視網(wǎng)膜周邊影像清晰，降低近視度數(shù)的增加。設(shè)計(jì)方法首先建立近視人眼模型，並由四種角度 0， 10， 15，20對(duì)人眼入射光線，使各角度入射之光線聚焦在視網(wǎng)膜上，在設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)各角度進(jìn)行優(yōu)化，使近視眼鏡鏡片能將 20範(fàn)圍內(nèi)之影像清晰化， 從 20對(duì)人眼入射光線的場(chǎng)曲分析數(shù)據(jù)來看，所設(shè)計(jì)的非球面鏡片對(duì)視網(wǎng)膜遠(yuǎn)視性離焦來得比球面鏡片短，即可使視網(wǎng)膜周邊視野影像清晰，讓眼球軸長不再增加，達(dá)到預(yù)防近視的目的。 最後 選用近視眼 為 4 組， 將每組 鏡片分別對(duì)不同眼睛軸長 做多重組態(tài)設(shè)計(jì) ，在 優(yōu)化後 都能有完美表現(xiàn)，使得原本須用 15 片光學(xué)鏡片矯正近視， 做多重組態(tài)設(shè)計(jì)後 ，用 4 片光學(xué)鏡片便能解決，達(dá)到經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效果。 關(guān)鍵字： 近視、非球面、視網(wǎng)膜、周邊遠(yuǎn)視、 多重組態(tài) 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) he of is to by to of of is on of to of of of , 10, 15, 20. of on we to 0. of is as of is is as of to 防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 目 錄 摘 要 . i . 錄 . 目錄 . 目錄 .一章 緒 論 . 1 究背景與動(dòng)機(jī) . 1 究目的 . 2 獻(xiàn)回顧 . 2 文架構(gòu) . 5 第二章 光學(xué)基本理論 . 6 階光學(xué) . 6 球面透鏡 . 10 軸光線追跡原理 . 11 射過程 . 12 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 遞過程 . 13 差理論 . 14 色像差 . 15 像差 . 19 球構(gòu)造 . 20 膜 . 21 水 . 23 晶體 . 23 璃狀液 . 23 網(wǎng)膜 (. 24 球屈折狀況 . 30 防近視眼鏡鏡片原理 . 32 第三章 設(shè)計(jì)範(fàn)例與結(jié)果分析 . 34 統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)格 . 34 片設(shè)計(jì)流程 . 37 化 . 86 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) v 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 別對(duì)不同眼睛軸長多重組態(tài)鏡片設(shè)計(jì) . 87 1 不同眼睛軸長多重組態(tài)設(shè)計(jì) . 87 2 不同眼睛軸長多重組態(tài)設(shè)計(jì) . 91 1 不同眼睛軸長多重組態(tài)設(shè)計(jì) . 94 1 不同眼睛軸長多重組態(tài)設(shè)計(jì) . 97 第四章 結(jié)論與未來展望 . 101 論 . 101 來展望 . 102 參考文獻(xiàn) . 104 作者簡介 . 106 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 圖目錄 圖 號(hào)定義圖 . 7 圖 線球面折射圖 . 7 圖 透鏡成像圖 . 9 圖 軸光線追跡參數(shù)描述 . 11 圖 射過程 . 13 圖 遞過程 . 14 圖 面像差 . 16 圖 星像差 . 16 圖 散 . 17 圖 曲 . 18 圖 變 . 19 圖 上色像差與倍率色像差 . 20 圖 球結(jié)構(gòu)圖 . 21 圖 鏡鏡片設(shè)計(jì)流程 . 37 圖 常人眼模型圖 (3D . 39 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 圖 常人眼模型圖 (. 39 圖 視 睛模型 (. 41 圖 視 面鏡片 (. 41 圖 視 球面鏡片 (. 42 圖 視 睛模型 (. 43 圖 視 面鏡片 (. 44 圖 視 球面鏡片 (. 44 圖 視 睛模型 (. 46 圖 視 面鏡片 (. 46 圖 視 球面鏡片 (. 47 圖 視 睛模型 (. 48 圖 視 面鏡片 (. 49 圖 視 球面鏡片 (. 49 圖 視 睛模型 (. 51 圖 視 面鏡片 (. 51 圖 視 球面鏡片 (. 52 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 圖 視 睛模型 (. 53 圖 視 面鏡片 (. 54 圖 視 球面鏡片 (. 54 圖 視 睛模型 (. 56 圖 視 面鏡片 (. 56 圖 視 球面鏡片 (. 57 圖 視 睛模型 (. 58 圖 視 面鏡片 (. 59 圖 視 球面鏡片 (. 59 圖 視 睛模型 (. 61 圖 視 面鏡片 (. 61 圖 視 球面鏡片 (. 62 圖 視 睛模型 (. 63 圖 視 面鏡片 (. 64 圖 視 球面鏡片 (. 64 圖 視 睛模型 (. 66 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 圖 視 面鏡片 (. 66 圖 視 球面鏡片 (. 67 圖 視 睛模型 (. 68 圖 視 面鏡片 (. 69 圖 視 球面鏡片 (. 69 圖 視 睛模型 (. 71 圖 視 面鏡片 (. 71 圖 視 球面鏡片 (. 72 圖 視 睛模型 (. 73 圖 視 面鏡片 (. 74 圖 視 球面鏡片 (. 74 圖 視 睛模型 (. 76 圖 視 面鏡片 (. 76 圖 視 球面鏡片 (. 77 圖 視 睛模型 (. 78 圖 視 面鏡片 (. 79 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) x 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 圖 視 球面鏡片 (. 79 圖 視 睛模型 (. 81 圖 視 面鏡片 (. 81 圖 視 球面鏡片 (. 82 圖 視 睛模型 (. 83 圖 視 面鏡片 (. 84 圖 視 球面鏡片 (. 84 圖 視 優(yōu)化前 . 88 圖 視 優(yōu)化後 (a) b) . 90 圖 視 優(yōu)化前 . 92 圖 視 優(yōu)化後 . 93 圖 視 優(yōu)化前 (a) b) . 95 圖 視 優(yōu)化後 (a) b) . 97 圖 視 優(yōu)化前 (a) b) . 99 圖 視 優(yōu)化後 . 100 圖 性擴(kuò)散函數(shù)量測(cè)裝置 . 103 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 圖 射光點(diǎn)影像追蹤分析裝置 . 103 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 表目錄 表 德像差分類表 . 15 表 片設(shè)計(jì)規(guī)格表 . 35 表 視度數(shù)與前後曲率之關(guān)係 . 36 表 常人眼模型參數(shù)設(shè)定 . 38 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 40 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 43 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 45 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 48 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 50 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 53 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 55 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 58 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 60 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 63 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 65 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 68 表 視 眼模 型參數(shù)設(shè)定 . 70 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 73 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 75 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 78 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 80 表 視 眼模型參數(shù)設(shè)定 . 83 表 化前後數(shù)據(jù) . 85 表 視 不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 87 表 視 優(yōu)化後不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 88 表 視 不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 91 表 視 優(yōu)化後不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 92 表 視 不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 94 表 視 優(yōu)化後不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 96 表 視 不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 98 表 視 優(yōu)化後不同眼睛軸長的近視模型多重組態(tài) . 99 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 1 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 第一章 緒 論 究 背景與 動(dòng)機(jī) 現(xiàn)代小孩係因基因遺傳、環(huán)境社會(huì)因素 (人口密度高、太早學(xué)習(xí)、學(xué)業(yè)競(jìng)爭(zhēng) )、個(gè)人因素 (過度使用、不當(dāng)使用 )而造成近視年齡層明顯下降。 近視的成因在於眼軸過長遠(yuǎn)方焦成像在視網(wǎng)膜前面，平均近視增加一百度，眼軸長增加 類眼軸會(huì)隨著年 齡慢慢增長，至成人之後才停止 (嬰孩眼軸為 16 歲時(shí)為 23 春期為 24 1。在小時(shí)候使用眼睛過度，?？唇氖挛锒豢催h(yuǎn)方事物，導(dǎo)致眼軸增長的速度過快，而發(fā)生病理性近視。 比率高外，近視度數(shù)深是需要重視的問題。模糊、不美觀、不方便，日後較易有視網(wǎng)膜剝離、視神經(jīng)病變、青光眼、白內(nèi)障、失明等併發(fā)癥的可能 2。 最近研究報(bào)告發(fā)現(xiàn)，外圍視網(wǎng)膜圖像對(duì)刺激眼睛發(fā)育和近視有著重要影響因素 3。 數(shù)百年來，眼睛的聚焦缺陷都是簡單地靠眼鏡鏡片來後移或前移網(wǎng)膜影像進(jìn)行矯正。如果我們將中心 影像移到視網(wǎng)膜上，但將邊緣影像留在視網(wǎng)膜之後，則邊緣影像可能會(huì)促使眼軸伸長，導(dǎo)致近視加深 4。 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 2 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 究目的 本研究目的在 設(shè)計(jì)一 預(yù)防近視眼鏡鏡片 以 符合 近視 眼 睛視網(wǎng)膜 中心與 周邊邊緣的度數(shù)，降低近視度數(shù)的增加 。 研究特色 加入人眼光學(xué)參數(shù) 模型 做為 近視眼鏡鏡片 設(shè)計(jì)與 分析 ，達(dá)到客製化目的 。研究方法利用學(xué)設(shè)計(jì)程式進(jìn)行 非球面近視 眼鏡鏡片的設(shè)計(jì)，並以人類眼睛近視 設(shè)計(jì)考量範(fàn)圍。 當(dāng)眼睛觀看正前方時(shí)，光線所進(jìn)入到視網(wǎng)膜中心凹及周邊 10、 15、 20四個(gè) 不同視場(chǎng)角， 做為 預(yù)防近視眼鏡鏡片的 像差 分析對(duì)像 。 獻(xiàn)回顧 回顧眼鏡的發(fā)展歷史， 在中 國春秋末年，齊國就有用凹球面鏡取火的記載，當(dāng)時(shí)記載的 就 是鏡片的概念。 在 中國南宋時(shí)已經(jīng)發(fā)明了眼鏡，馬可 於 1270 年 來 到北京時(shí)，看到元朝官吏 們 戴凸透鏡閱讀文件， 便 將其帶 回 仿製，眼鏡因而傳入歐洲。 最初眼鏡為手持式的單眼正透鏡，一個(gè)鏡片連接一個(gè)手柄，類似像 現(xiàn)在的放大鏡，後來製作成 為 雙眼排鏡式，再後來用兩根繩子繫掛到耳上，然後逐步出現(xiàn)與現(xiàn)代接近的鏡腳。 鏡片材料 最初 是 用 天然水晶 石 ，隨著玻璃工業(yè)的發(fā)展， 漸漸被 取而 代 之 。 在 光學(xué) 上的 知識(shí)逐 漸有了之 後，不同類型 及 不同折射率的鏡預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 3 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 片材料相繼出現(xiàn)，其中最具代表性的 就 是冕玻璃 ， 折射率為 之後也 出現(xiàn) 了 高折射率的玻璃鏡片 ， 減輕 了 鏡片 的 重量 及 厚度。 隨著航空業(yè)的發(fā)展，原本 在 航空領(lǐng)域 所 研發(fā)的材料 也 逐漸被 一般所 使 用，其中典型的就是樹脂材料 9 及 聚碳酸酯 ，這些材料在眼鏡領(lǐng)域 中 的應(yīng)用 達(dá)到了 安全、健康 、 舒適的效果 。 鏡片的 鍍膜 方面， 從最初的耐磨損膜又稱硬 化 膜到單層減反射膜，發(fā)展到由耐磨損膜、多層減反射膜、防水膜又稱抗污膜等組成的複合膜 層 ， 不但 減少 了反光和 眩 光 等作用 ， 同時(shí) 也 能加了 過濾紫外線 的設(shè)計(jì) ， 除了 美觀 以外也多了功能性及 耐用性。 鏡片的設(shè)計(jì) 部份， 從球面鏡片發(fā)展到現(xiàn)在消像差功能 性 的非球面鏡片。眼鏡片設(shè)計(jì)方面的另一個(gè)突 破 就是矯正老花 眼 的鏡片， 從最初單純看近的單光 鏡片 、到 雙光鏡片，隨之出現(xiàn)能看遠(yuǎn)、中 、 近 距離 的三光鏡片， 在 20 世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)了漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片，即一片鏡片 就 能滿足不同距離 的 注視要求， 不過在配戴者有 周邊變形 、 晃動(dòng)感及視覺範(fàn)圍限制 等許多問題，但隨者電腦 科 技 的 發(fā)展、臨床經(jīng)驗(yàn)累積和對(duì)調(diào)節(jié)和聚合 、眼球運(yùn)動(dòng)等 各 方面的深入認(rèn)識(shí)，一代比一代 設(shè)計(jì)出來的 鏡片， 能 符合眼睛視覺 需求 的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片應(yīng)運(yùn)而生。 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 4 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 關(guān)於近視控制發(fā)展 的 文獻(xiàn)回顧，在 “A 5這篇文章中提出了 幾個(gè) 重要的因素與 實(shí)驗(yàn)證明 ，如下幾點(diǎn)： 讓眼睛 無法正常產(chǎn)生正視化過程，減少了視覺的回饋，使眼球產(chǎn)生 了 不規(guī)律的生長。 眼球和屈光發(fā)育。 角膜，水晶體 )並不影響到屈光差的改變 ，主要是在 玻璃體 的軸長 度變化才影響到 屈光差。 定區(qū)域所做視覺剝奪實(shí)驗(yàn) 中 ，發(fā)現(xiàn)調(diào)控眼球成長和屈光發(fā)育的機(jī)制 主要 是存在眼球內(nèi)部，周邊視覺 反應(yīng)會(huì) 對(duì)眼球 的 生長有所影響。 斑 部的 中心凹並不會(huì)傳遞有關(guān)視覺剝奪相關(guān)的信號(hào)， 但 周邊的信號(hào)會(huì)覆蓋 視網(wǎng)膜 黃斑 部的 中心凹的信號(hào)而決定屈光和眼球發(fā)育的走向。 邊的視覺才是 眼睛 檢測(cè)正視化信號(hào)最重要的細(xì)胞。 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 5 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 文架構(gòu) 本論文的內(nèi)容安 排，第一章為介紹研究動(dòng)機(jī)、研究目的與文獻(xiàn)回顧。第二章光學(xué) 基本理論。第三章 設(shè)計(jì) 範(fàn)例與結(jié)果分析 ，第四章結(jié)論與未來展望。 預(yù)防近視鏡片之設(shè)計(jì) 6 逢甲大學(xué) 00 學(xué)年度 ) 第二章 光學(xué)基本理論 階光學(xué) 6 在近軸光學(xué)的情況下針對(duì)文章中使用到的符