Niezależnie od rozwoju nowych materiałów, nowych metod obróbki powierzchni czy nowych koncepcji interakcji z powierzchnią oka, warto przypomnieć i wskazać, jak bardzo wyrafinowane są również ich konstrukcje optyczne, nierzadko oparte na osiągnięciach… optyki fourierowskiej.
Za najprostsze konstrukcje optyczne można uznać najstarsze soczewki o powierzchniach sferycznych. Ich zaletą, wykorzystywaną w XX w., gdy jeszcze nie istniały komputerowo sterowane frezarki, była możliwość łatwego wykonania za pomocą dostępnych narzędzi, głównie tokarskich. Wprawdzie dość szybko pojawiła się możliwość tworzenia asferycznych powierzchni, opisanych paraboloidą obrotową, opartych o tzw. odlewanie wirowe (odśrodkowe), jednak zyskała ona popularność dopiero w latach 80. XX w., częściowo z uwagi na patenty. W soczewkach sferycznych tylna powierzchnia ma promień krzywizny, który umożliwia dopasowanie soczewki do kształtu rogówki, zaś przednia powierzchnia wyznacza zadaną moc refrakcyjną. Soczewki sferyczne korygują przede wszystkim krótko- i nadwzroczność, ale niektóre rodzaje (np. soczewki stabilnokształtne) mogą korygować w pewnym stopniu astygmatyzm rogówkowy. Jedną z oczywistych wad tych soczewek jest to, że w przypadku wysokich mocy i dużych krzywizn indukują one sporą aberrację sferyczną, która na szczęście w pewnym stopniu jest zwykle redukowana przez naturalną aberrację sferyczną soczewki oka, o przeciwnym znaku.
Soczewki asferyczne
Kolejnym typem są soczewki asferyczne (zastępujące soczewki sferyczne), przy czym należy zauważyć, że pod pojęciem asferyczności rozumiemy każde odstępstwo od kształtu sferycznego (może być to odstępstwo dowolnego rodzaju). Konstrukcje asferyczne mają za zadanie przeciwdziałać niekorzystnym aberracjom, które w starych modelach bardzo szybko narastały wraz ze wzrostem mocy optycznej. Współczesne asferyczne soczewki kontaktowe są w stanie nie tylko wykazywać zadaną wielkość aberracji sferycznej, ale również np. uwzględniać wielkość źrenicy w celu mitygacji miopii zmierzchowej. Mimo to wciąż jest wiele obszarów, w których można poprawić działanie soczewek asferycznych, np. nadal nie w pełni rozwiązano problem pojawiania się aberracji pozaosiowych (np. komy) w momencie decentracji.
Możliwość korekcji wad sferocylindrycznych relatywnie późno pojawiła się w soczewkach kontaktowych i w początkowym okresie zakres tej korekcji był dość ograniczony. Soczewki korygujące astygmatyzm zwane są soczewkami torycznymi z uwagi na to, że owa bryła (torus) może mieć dwa różne promienie krzywizny w kierunkach do siebie prostopadłych; współcześnie kształt powierzchni jest wyliczany w inny sposób, na bazie skomplikowanych algorytmów optymalizacyjnych, i wcale nie musi być wycinkiem torusa. Dodatkowo – w części peryferyjnej – soczewki toryczne zawierają rozmaite systemy stabilizacji położenia, tak by główne osie astygmatyzmu były pod zadanym kątem. Wyliczony komputerowo kształt powierzchni soczewki jest zaś uzyskiwany dzięki nowoczesnym frezarkom.
Soczewki wieloogniskowe
Kolejną szeroką klasę konstrukcji optycznych soczewek kontaktowych stanowią soczewki wieloogniskowe, zwane z angielska multifokalnymi, przy czym oznacza to, że soczewka posiada więcej niż jedno ognisko punktowe. Te soczewki zostały opracowane pierwotnie do korekcji prezbiopii, ale w ostatnich latach zyskały także nowe zastosowanie – spowalnianie rozwoju krótkowzroczności u dzieci. Pierwsze na rynku pojawiły się soczewki dwuogniskowe, zwane – podobnie jak w przypadku soczewek okularowych – bifokalnymi.
Dwuogniskowość może być realizowana na wiele sposobów, także zależnie od tego, czy soczewki ma nosić dziecko, czy prezbiop (albo prezbiopka – o ile istnieje taki feminatyw). Jeden z nich to podział soczewki na strefy o różnej mocy. Rozkład tych stref, a także strategia dopasowania, są na ogół autorskim rozwiązaniem każdego producenta. Czasami rozróżnia się trzy podstawowe typy konstrukcji:
- naprzemienne (ang. alternating, zwane także strefowymi lub koncentrycznymi, ang. zonal, concentric) – powierzchnia optyczna składa się z pierścieni o wzrastającym promieniu i naprzemiennie zmiennych dwóch mocach optycznych,
- asferyczne (ang. aspheric), w których krzywizna zmienia się radialnie, łagodnie przechodząc między dwiema mocami,
- segmentowe (ang. segmented, zwane także soczewkami z przesunięciem, ang. translating) – powierzchnia zawiera „wtopkę” o innej mocy, która ujawnia się przy zmianie kierunku patrzenia i decentracji soczewki w pionie.
Możliwe są także rozmaite kombinacje powyższych typów, np. strefowe asferyczne lub zdecentrowane. Strategia dopasowania polega na odpowiednim wyborze typu, zależnym od cech środowiska wzrokowego i cech fizjologicznych (np. wielkości wady, maksymalnej średnicy źrenicy, tolerancji monowizji itp.).
Moc optyczna soczewki dwu- czy wieloogniskowej może być także uzyskiwana jednocześnie na całej powierzchni dzięki wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji. To elementarne zjawisko optyczne – ugięcie fali elektromagnetycznej na krawędzi przedmiotu lub otworu – jest znane optykom od bardzo dawna. Ludzie także je obserwowali od tysięcy lat, choć nie zdawali sobie sprawy z jego przyczyny. Myślę tu o obserwacji, że gwiazdy mają sześć ramion, co wiąże się właśnie z dyfrakcją światła na „szwach” będących pozostałością z rozwoju soczewki w okresie płodowym. Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu powierzchni soczewki można uzyskać efektywne skupianie światła jednocześnie w dwóch punktach na osi (lub gdziekolwiek). Powierzchnia przypomina wtedy gęstą siatkę linii, a czasem bardzo cienkich schodków, wyglądającą lokalnie jak fizyczna tzw. siatka dyfrakcyjna.
W tym miejscu warto przytoczyć, na zasadach anegdoty, że kiedy na przełomie lat 80. i 90. XX w. powstawały bardzo nowoczesne (jak na owe czasy) pierwsze dwuogniskowe dyfrakcyjne soczewki kontaktowe, możliwość uzyskania dwóch różnych mocy jednocześnie na całej powierzchni soczewki była zaskakująca dla wielu specjalistów od wzroku, w tym optometrystów. Aby przybliżyć to zagadnienie, w 1991 r. dr Stanley A. Klein ze School of Optometry na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley (USA) wygłosił na sympozjum Amerykańskiej Akademii Optometrii wykład pt. Simultaneous bifocal and multifocal vision: from theory to practice. Dwa lata później to wystąpienie zostało opublikowane w uznanym czasopiśmie naukowym „Optometry and Vision Science” [tom 70 (6), s. 439–460]. Zajmuje ono 22 strony, a zaczyna się od słów „How a diffractive bifocal lens works is not intuitively obvious” oraz przywołania pojęcia fazora z formalizmu mechaniki kwantowej, a dalej – jak u Alfreda Hitchcocka – napięcie wzrasta i całość kończy się fourierowską całką opisującą rozkład natężenia światła na siatkówce. Poza aspektem humorystycznym istotne jest, że uznawano wtedy wiedzę z zakresu optyki fizycznej (w tym fourierowskiej) za ważną dla optometrii. Współcześnie także Europejska Rada Optometrii i Optyki zaleca umieszczenie podstaw optyki fourierowskiej w procesie kształcenia optometrystów.
Soczewki o więcej niż dwóch ogniskach co do zasady są podobne do soczewek dwuogniskowych, z większą liczbą stref lub inną strukturą dyfrakcyjną. Liczba ognisk nie musi być nieskończona. W pracy M. Kowalczyka-Hernandeza z Uniwersytetu Warszawskiego udało się na przykład wykazać, że w przypadku wszczepialnej soczewki wewnątrzgałkowej wystarczy siedem ognisk, by w ramach głębi ostrości oka pokryć całą przestrzeń. Analogicznie będzie w przypadku soczewek kontaktowych.
Soczewki o tzw. przedłużonym ognisku
Niedawno zaproponowano także soczewki o tzw. przedłużonym ognisku, które zamiast punktu ma cały odcinek ogniskowy na osi. Wywodzą się one z elementów optycznych zwanych mieczami świetlnymi (ang. lightsword) i mogą być realizowane np. jako powierzchnie o azymutalnie zmiennej fazie. Duże osiągnięcia w tej dziedzinie ma zespół pod kierunkiem K. Petelczyca i A. Kołodziejczyka z Politechniki Warszawskiej.
Soczewki wieloogniskowe
Soczewki wieloogniskowe z optycznej natury rzeczy oferują mniejszy kontrast obrazu niż soczewki jednoogniskowe. Wynika to z faktu, że jedna wiązka światła jest „dzielona” na dwie lub więcej. Można optymalizować ten efekt z dużym sukcesem, choć raczej dla warunków widzenia fotopowego. Przy słabym świetle efekty są gorsze, co nie znaczy, że soczewki takie należy porzucić. Należy raczej przetestować inną konstrukcję, jeśli adaptacja się nie udaje.
Z powyższego, bardzo skrótowego zestawienia widać, że optyka soczewek kontaktowych jest nie mniej skomplikowana niż w przypadku progresywnych soczewek okularowych. Optometryści, ale także okuliści specjalizujący się w kontaktologii powinni mieć wgląd w podstawy ich działania, by lepiej je dopasowywać.
Wiele skarg pacjentów, związanych z efektami towarzyszącymi noszeniu soczewek multifokalnych, można wyjaśnić na gruncie optyki falowej. Widać też wyraźnie, że soczewki tego typu powinny być bezwzględnie dopasowywane przez specjalistów – zarówno w przypadku prezbiopii, gdzie ryzyko uszkodzenia wzroku jest względnie nieduże, jak i w przypadku soczewek do mitygacji postępu krótkowzroczności, gdzie prawidłowe prowadzenie pacjenta i dobór soczewki są
