Wewnątrzgałkowe wieloogniskowe soczewki refrakcyjno-dyfrakcyjne o dużej głębokości reliefu dyfrakcyjnego

Cel rozprawy: Ważnym etapem chirurgicznego usunięcia zaćmy (katarakty) jest wszczepienie sztucznej soczewki wewnątrzgałkowej (IOL – ang. IntraOcular Lens) w miejsce usuniętej zmętniałej soczewki oka. Przedmiotem badań opisanych w rozprawie jest analiza możliwości zaprojektowania hybrydowych refrakcyjno-dyfrakcyjnych wieloogniskowych IOL, które dawałyby możliwość ostrego zobrazowania na siatkówce oka możliwie dużego obszaru przestrzeni przedmiotowej. Metody: W analizie będącej przedmiotem rozprawy wykorzystano przybliżenie Fresnela skalarnej teorii dyfrakcji światła i wybrane narzędzia optyki fourierowskiej. Ten aparat teoretyczny zastosowano do wyprowadzenia zależności analitycznych opisujących podłużne i poprzeczne funkcje rozmycia punktu charakteryzujące obrazy siatkówkowe, tworzone przez hybrydowe wieloogniskowe IOL. Obliczenia numeryczne przeprowadzono z wykorzystaniem komercyjnego pakietu MATLAB (MathWorks Inc.). Odległości ostrego widzenia obliczono stosując metodę wstecznej propagacji zbieżności dla teoretycznego modelu emmetropowego oka Gullstranda-Emsley’a, w którym cienka hybrydowa IOL znajdowała się w odległości 5,75 mm od wierzchołka rogówki. Wyniki: Dowiedziono, że profile dyfrakcyjne dotychczas wykorzystywane w wieloogniskowych soczewkach wewnątrzgałkowych pozwalają na uzyskanie wieloogniskowości co najwyżej trzeciego rzędu, co – po uwzględnieniu głębi ostrości oka ludzkiego – pozwala na ostre odwzorowanie na siatkówce tylko trzech rozłącznych obszarów przestrzeni przedmiotowej. Wykazano, że wykorzystanie symetrycznych fazowych profili dyfrakcyjnych o wybranych wartościach amplitudy modulacji fazy większych od 5,79 rad, pozwala na usunięcie powyższego ograniczenia. Zaproponowane zostały dwa nowe profile dyfrakcyjne: usymetryzowany profil paraboliczny i pełnookresowy profil sinusoidalny. W rozprawie skoncentrowano się na analizie soczewek hybrydowych, których sinusoidalny profil dyfrakcyjny zapewnia wystąpienie siedmiu rzędów dyfrakcyjnych (ognisk) o zbliżonych wydajnościach dyfrakcyjnych. Dla soczewek tych obliczono podłużną i poprzeczną wzrokową funkcję rozmycia punktu oraz wykazano, że dla typowej minimalnej wartości głębi ostrości oka ludzkiego zapewniają one subiektywnie ostre widzenie przedmiotów znajdujących się od obserwatora w dowolnej odległości większej od około 30 cm. Rozprawa stanowi przyczynek do poznania własności dyfrakcyjnych i obrazujących wieloogniskowych soczewek dyfrakcyjnych i hybrydowych oraz dostarcza nowych narzędzi teoretycznych do projektowania i optymalizacji takich soczewek.

Purpose: An important part of cataract surgery is the implantation of an intraocular lens (IOL). The purpose of this research was to design a hybrid diffractive-refractive multifocal IOL, which would provide patients with a sharp vision within possibly large area of the object space and to evaluate imaging properties of the proposed IOL. Methods: In the thesis the Fresnel approximation of scalar diffraction theory of light and the Fourier optics approach is used to describe formation of retinal images of an axial point object and to calculate axial and lateral visual point spread functions (VPSFs) of the multifocal hybrid IOL. Numerical calculations are performed using a commercial software package MATLAB (The MathWorks Inc.). To calculate distances of sharp vision the back propagation of the vergence method and the Gullstrand-Emsley schematic eye, implanted with a hybrid IOL fixed at 5.75 mm from the corneal vertex is used. Results: It has been proved that the diffraction profiles used so far in multifocal intraocular lenses can produce multifocality of at most the third order. Thus, after taking into account the depth of field of the human eye, they ensure a sharp vision of only three separate regions of this space. It has been shown that the use of symmetrical phase diffraction profiles of particular phase modulation amplitude values, greater than 5.79 rad, allows to remove this restriction. Two new diffraction profiles are proposed: the symmetrized parabolic profile and the full cycle sinusoidal profile. The thesis is focused on the analysis of hybrid lenses, whose sinusoidal diffraction profile assures appearance of the seven diffraction orders (foci) of similar diffraction efficiency. For heptafocal lenses axial and lateral visual point spread functions were computed. It was also shown that for a minimum depth of field of the human eye these lenses assure a sharp vision at any distance greater than 30 cm. The dissertation is a contribution to the research on diffraction and imaging properties of multifocal diffractive and hybrid lenses and provides new theoretical tools for the design and optimisation of such lenses.