具有由單元拼接組成的多個層的透明光學(xué)元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種透明光學(xué)元件(100)，包括多個堆疊的層(1，2)，這些層各自由多個設(shè)有光學(xué)相移值的單元組成。這些層被安排為使得這些層的其中一個層的某些連續(xù)單元之間的邊界切入另一個層的單元中。以這種方式，可以減小明顯的有用單元尺寸以再現(xiàn)一個更精確的目標(biāo)光學(xué)相移分布。此外，該元件產(chǎn)生的光學(xué)相移變化的最大幅值隨著堆疊的層數(shù)而增大。還可以減少該元件的屈光度功能的色差。
【專利說明】具有由單元拼接組成的多個層的透明光學(xué)元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種透明光學(xué)元件，該光學(xué)元件包括由對應(yīng)單元拼接組成的多個層?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在本說明書的上下文中，“透明光學(xué)元件”的表達(dá)被理解為意指一個旨在通過源自一個景象并穿過該元件的光形成此景象的圖像的部件。例如，該元件可以是一個光學(xué)透鏡、一個鏡片比如眼鏡片或隱形眼鏡，或一個目鏡嵌入片等?？蛇x地，為了相對于涉及該元件的生產(chǎn)過程、其厚度、使用材料等的限制提高可獲得的光學(xué)功率，這種元件可以具有一個菲涅爾結(jié)構(gòu)以提聞。
[0003]盡管這種透明光學(xué)元件可以具有如提供吸收能力、旋光度、或增加的對比度等的多種附加光學(xué)功能，在一個定義的區(qū)域中對于一個給定的穿過該元件的單色光波，其圖像形成功能的特征可以在于該元件產(chǎn)生的光學(xué)相移分布?？傮w上，該透明光學(xué)元件具有一個相對于一個光軸橫向地延伸的有用區(qū)域。然后可以選擇該光波的一個平均傳播方向在此軸上疊加，而該光學(xué)相移的分布可以在該元件的該有用區(qū)域內(nèi)確定。
[0004]已知的是，這類透明光學(xué)元件在本質(zhì)上可能是數(shù)字的，或像素化的。在這種情況下，該光學(xué)相移具有多個離散值，這些離散值在多個代表該透明光學(xué)元件的有用區(qū)域的采樣的點處產(chǎn)生。簡單化地，該光學(xué)相移可以在一個有限區(qū)(通常叫做單元)在各采樣點周圍是固定的。在各單元中的每個點處該元件的光學(xué)相移的值會因此與位于此單元內(nèi)的采樣點的值相等。更實際地，該相移在各單元內(nèi)不是恒定的，而是介于由此單元的一個目標(biāo)相移函數(shù)確定的最小值和最大值之間。這些單元在該光學(xué)元件的該有用區(qū)域是連續(xù)的，并在這個區(qū)域形成一個拼接。然后此拼接與所有單元中所獲取的這些光學(xué)相移值的組合會產(chǎn)生該數(shù)字透明光學(xué)元件的實際折射函數(shù)。
[0005]同樣已知的是，單色光波的光學(xué)相移Λ Φ等于數(shù)字pi的兩倍、和行進(jìn)穿過各單元的距離H、和填充此單元的透明材料的折射率的值η與空氣的折射率值之間的差值的乘積。換言之，Λ Φ =2π.Η.(η-1)/λ，其中λ代表該光的波長。因此生產(chǎn)該透明光學(xué)元件的一個可能的方法在于改變在該元件的不同單元之間填充這些單元的材料的折射率的值。在這種情況下，所有單元的深度可以相同，該深度是沿著該元件的光軸測量的。另一種生產(chǎn)該透明光學(xué)元件的可能的方法在于使用相同的透明同質(zhì)材料填充所有單元以產(chǎn)生多個具有可變深度的單元。例如，該光學(xué)元件可以由一個透明的、可選地彎曲的、同質(zhì)的薄片組成，該薄片具有可變的分級厚度。為此，該薄片的至少一個面可以具有多個弧矢高度值，這些弧矢高度值在這個面的拼接的不同單元之間變化。
[0006]然而，一個數(shù)字透明光學(xué)元件一般具有如下缺點:
[0007]-其中光學(xué)相移能夠采取多個不同值的單獨(dú)的單元具有最小尺寸，該光學(xué)相移通常是由用來制造該元件的技術(shù)設(shè)置的。這個最小尺寸空間地限制了該光學(xué)相移的分布函數(shù)的采樣，該函數(shù)被用作目標(biāo)來產(chǎn)生想要的折射函數(shù)。換言之，該數(shù)字化元件的光學(xué)相移的實際分布函數(shù)僅大約再現(xiàn)該目標(biāo)分布函數(shù)。這兩個分布函數(shù)之間的差別在該光學(xué)元件實際產(chǎn)生的折射函數(shù)中是一個缺點。當(dāng)該目標(biāo)分布函數(shù)是連續(xù)的或在該元件的有用區(qū)域的多個部分內(nèi)部連續(xù)時，情況尤其如此；
[0008]-對于各單元中的光學(xué)相移可獲取的不同離散值的數(shù)量也有限的。例如，只能獲得16到128個不同值。由于可能值的數(shù)目有限，為該數(shù)字光學(xué)元件的各采樣點產(chǎn)生的光學(xué)相移值與為該相同的點的目標(biāo)分布函數(shù)值之間可能會存在差別。對各單元內(nèi)的光學(xué)相移可以獲得的不同值的數(shù)量的此種限制與這些單元的最小尺寸所產(chǎn)生的限制不同。然而，這也導(dǎo)致該數(shù)字化元件的光學(xué)相移的實際分布函數(shù)與該目標(biāo)分布函數(shù)之間的差別；
[0009]-對該元件的各單元中的光學(xué)相移可能的值的范圍自身也有限制。換言之，可以在該元件的這些單元里產(chǎn)生的光學(xué)相移被一個最小值和一個最大值所限制。這些最大值和最小值也是用來制造該元件的技術(shù)造成的。然而，該光學(xué)相移的值的明顯范圍通常通過采用多個相位躍變而增加，這些相位躍變對于一給定波長(稱為標(biāo)稱波長)是pi的兩倍。此標(biāo)稱波長可以例如為約550nm(納米)。然而，首先當(dāng)各相位躍變的幅值等于pi的小的甚至整數(shù)倍時，該元件實際產(chǎn)生的折射函數(shù)會導(dǎo)致色散。此類色散則在許多應(yīng)用中是不利的；以及
[0010]-光學(xué)相移在將該入射光波的數(shù)字光學(xué)元件散射部分的表面上分開該拼接的連續(xù)單元的邊界處的不連續(xù)性。換言之，此光波的能量的一小部分并不是簡單地由該元件根據(jù)其光學(xué)相移分布函數(shù)傳輸?shù)?，但傳播方向被額外地側(cè)向偏斜。然后該光波的這個散射的部分形成一個發(fā)光的背景，該背景降低由該光學(xué)元件形成的圖片的對比度。這種對比度的降低可以被認(rèn)為是該元件的透明度的降低。當(dāng)這些將該拼接的多個單元分開的邊界的網(wǎng)絡(luò)是周期性的時，該入射光波的散射的部分可能會形成多個雜像或被聚集在多個特許的衍射方向，這也容易對該光學(xué)元件的使用產(chǎn)生不利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]在這些條件下，本發(fā)明旨在改善或避免至少以上某些缺點。
[0012]更具體地，本發(fā)明的第一個目的在于提供一個單元透明光學(xué)元件，該光學(xué)元件能夠減小其光學(xué)相移分布函數(shù)和一個目標(biāo)分布函數(shù)之間的差別，后一種分布可能是連續(xù)的或部分連續(xù)的。
[0013]本發(fā)明的第二個目的在于提供一種色散更小的(尤其是軸向色散更小的)單元透明光學(xué)兀件。
[0014]為達(dá)到這些和其他目的，本發(fā)明提供了一種透明光學(xué)元件，該元件包括沿著該元件的一個光軸疊加的多個層。每個層垂直地延伸至該光軸并由多個連續(xù)單元的一個拼接組成。對于每個層，一個光學(xué)相移的分布函數(shù)在這個層的每個單元內(nèi)具有一個固定值。因此，這些層的對應(yīng)光學(xué)相移分布函數(shù)的組合產(chǎn)生該元件的折射函數(shù)。
[0015]因此，本發(fā)明的透明光學(xué)元件可以是數(shù)字化元件。
[0016]該元件的特征在于，這些層中的至少兩個層的這些拼接在這些層到垂直于該光軸的一個表面上的投影中不重合，使得這兩個層中的一個層的這些連續(xù)單元中的某些單元之間的邊界在所述投影中分割這兩個層中的另一個層的那些單元。
[0017]因此，在該投影表面上，這些層之一的這些單元自身由另一個層的單元間邊界分開。然后這兩層的疊加呈現(xiàn)出被分割成多個有用的單元，這些單元的大小小于或等于每個層的這些單元的大小。換言之，根據(jù)本發(fā)明的多個層的疊加可以降低一個明顯有用單元的尺寸以產(chǎn)生一給定的折射函數(shù)。為此，可以減小本發(fā)明的元件的光學(xué)相移分布函數(shù)與一個目標(biāo)分布函數(shù)之間的差別，尤其是連續(xù)的或部分連續(xù)的目標(biāo)分布函數(shù)。這具有降低衍射的雜光的強(qiáng)度、以及更好地將其有角度地分布的效果。然后這種雜光就沒那么容易感覺到。
[0018]此外，該元件的總光學(xué)相移的可能值的數(shù)目由為這些層中的每一個都可以產(chǎn)生的這些值的組合造成。因此，這個數(shù)目會比每個層的可能值的數(shù)目大。因此，同樣為此，可以用一個根據(jù)本發(fā)明的透明光學(xué)元件更精確地再現(xiàn)目標(biāo)光學(xué)相移分布函數(shù)。
[0019]同時，對于本發(fā)明的透明光學(xué)元件可能的總光學(xué)相移值的范圍是由所有層的對應(yīng)范圍的并列產(chǎn)生的。因此這個范圍會比后者寬，并可以避免對于標(biāo)稱波長必須使用幅值是pi的兩倍的小整數(shù)的相位躍變。由此可以減少本發(fā)明的透明光學(xué)元件的折射函數(shù)的色散。
[0020]在本發(fā)明的各種實施例中，可以應(yīng)用以下改進(jìn)的一種或多種，無論單獨(dú)地或組合地:
[0021]-在該投影表面上不重合的這些層的對應(yīng)拼接可以是完全相同的但通過轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換與旋轉(zhuǎn)的組合相對于彼此抵消；
[0022]-在投影表面上不重合的這些層的對應(yīng)拼接中的至少一個可以是隨機(jī)的或偽隨機(jī)的。可選地，該元件的這些拼接中的一個可以是隨機(jī)的或偽隨機(jī)的，而該相同元件的另一個拼接可以是周期性的或規(guī)則的；
[0023]當(dāng)在該投影表面上不重合的這些拼接通過轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換與旋轉(zhuǎn)的組合相對于彼此抵消時，以及當(dāng)這些拼接各自在與每個層相關(guān)聯(lián)的至少一個周期方向上以一個共同周期是周期性的時，這些層的其中之一的周期方向上的轉(zhuǎn)換的長度除了該共同周期的整數(shù)倍之外可以在該共同周期的25%和75%之間。優(yōu)選地，該轉(zhuǎn)換長度可以在該共同周期的25%和75%之間；
[0024]-更普遍地，該透明光學(xué)元件可以包括N個層(其拼接完全相同)，但這些拼接各自通過轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)換與旋轉(zhuǎn)的組合相對于這N個拼接中的一個拼接(作為參考，N是大于或等于二的整數(shù))抵消。這N個拼接可以各自以一個共同周期a在與每個層相關(guān)聯(lián)的周期方向上是周期性的。在這種情況下，這N個層中的每一個層的拼接相對于參考拼接的轉(zhuǎn)換的長度在該參考拼接的周期方向上除該共同周期的整數(shù)倍之外可以在i a/N的25%和75%之間，其中i是一個為這些具有完全相同拼接的N個層進(jìn)行編號的自然整數(shù)，i在0到N-1之間的范圍內(nèi)且i對于該參考拼接的層為零；
[0025]-這些具有完全相同拼接的層共同的拼接周期在3μ m(微米)和1mm(毫米)之間；
[0026]-這些具有完全相同拼接的層的對應(yīng)光學(xué)相移分布函數(shù)自身可以完全相同，除了對這些層的對應(yīng)轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換與旋轉(zhuǎn)的組合之外；以及
[0027]-該元件的折射函數(shù)可以在圍繞其光軸旋轉(zhuǎn)時是不變的，除了對這些光學(xué)相移函數(shù)的這些值的離散化導(dǎo)致的殘余變化之外。
[0028]本發(fā)明的透明光學(xué)元件可以形成一個光學(xué)透鏡，具體地，一個鏡片，并且尤其是眼鏡片。
[0029]而且，各層產(chǎn)生的光學(xué)相移值可能是由形成這個層的透明材料的折射率在不同單元之間的變化導(dǎo)致的?？商娲兀鲗赢a(chǎn)生的這些光學(xué)偏移值可能是這個層的不同單元之間的深度或高度的變化導(dǎo)致的。這還可能是由于一給定層內(nèi)的不同單元之間的折射率和深度二者的變化的組合。
[0030]可選地，一給定層中的多個連續(xù)單元可以由多個單元間墻彼此分開。這種墻可以防止這些不同單元中最初包含的化合物混合。另外，這些單元間墻可以充當(dāng)一個基底薄膜與一個將正在討論的層封閉的薄膜之間的隔離物，這些薄膜位于這些單元兩側(cè)中的任一側(cè)上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將從以下參考附圖做出的非限制示例實施例的說明變得明顯，其中:
[0032]-圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個光學(xué)元件的橫截面視圖；
[0033]-圖2a和圖2b是可以被用在圖1的光學(xué)元件中的多個層的橫截面視圖；
[0034]-圖3a和圖3b是可以被用在圖1的光學(xué)元件中的其他層的橫截面視圖；
[0035]-圖4a和圖4b示出了圖1的光學(xué)元件中使用的多個層的可能拼接；
[0036]-圖5a展示了本發(fā)明的一個第一實施例，圖5b和圖5c展示了通過比較的方式提到的現(xiàn)有技術(shù)中已知的兩個透明光學(xué)元件；以及
[0037]-圖6和圖7展示了本發(fā)明的另外兩個實施例。
[0038]為了清晰，這些圖中所示的這些元件的大小不對應(yīng)其實際大小，并且這些大小比例不是實際比例。此外，在不同圖中的完全相同參考表示完全相同的元件或有完全相同功能的元件。
【具體實施方式】
[0039]如圖1所示，一個透明光學(xué)元件100可以是一個眼鏡片，包括一個基片10和疊加在基片10的一面上的至少兩個層1和2。該基片10自身可以是一個眼鏡片，這些層1和2被施加并永久緊固在基片10上，其方法在現(xiàn)有技術(shù)中已知，在此不加以描述。例如，可以用多個粘合劑材料的中間薄膜來一方面將層1緊固至層2，另一方面將層1和2的陣列緊固到基片10。
[0040]該基片10有一個折射函數(shù)，其特征可以在于光學(xué)功率的分布及在其有用光學(xué)區(qū)域中的各個點處產(chǎn)生的多個像散值。然后這些層1和2分別意在通過為一個穿過該元件100的光波局部地產(chǎn)生一個額外光學(xué)相移以修改這些值。由層1、2各自產(chǎn)生的這個光學(xué)相移取決于各光線穿過該元件100的有用區(qū)域的點而變化。
[0041]該基片10還可以自身沒有折射功能，而只有支撐層1和2的功能。在這種情況下，后者單獨(dú)為該元件100提供其最終折射功能。
[0042]最后，當(dāng)這些層1和2的剛性足夠或確實被充分地固持時，該基片10是可選的，例如，通過外圍邊緣被固定到一個框架中。
[0043]這些層1和2在D表示的堆疊方向上疊加。它們彼此平行，并可以可選地具有一個共同的彎曲形狀。
[0044]在任何情況下，層1和2或可選地多于兩層的層數(shù)的堆疊被設(shè)計來產(chǎn)生一個在方向D上穿過這些層的單色光波的折射函數(shù)。然后D可以對應(yīng)于該元件100的一個光軸。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的一個元件的每個層的結(jié)構(gòu)可以與同一元件中的另一層的結(jié)構(gòu)完全相同或不同。
[0046]圖2a和圖2b示出了一個第一可能的層結(jié)構(gòu)，為此通過改變該層的一個局部厚度來獲得該可變光學(xué)相移。例如，在圖2a中，該層1或2由一個透明薄膜11組成，其厚度e在定義在該薄膜的一個面上的不同區(qū)之間變化?？梢酝ㄟ^激光燒蝕，即通過一個激光束來局部燒蝕該薄膜的材料的一個給定部分來得到這種厚度變化。可替代地，還可以通過光刻法得到這些厚度變化。對于一個例如在本發(fā)明中考慮的層，所述層產(chǎn)生的光學(xué)相移在多個并列區(qū)內(nèi)是恒定的，這些區(qū)稱為單元，并在圖中由字母C表示。這些單元C共同覆蓋該層，或后者的有用部分，并形成一個拼接。然后通過在此單元中的該層11的殘余厚度固定在一給定單元C中的光學(xué)相移值。很多時候，這個值是從有限個可能值中選擇出來，這有限個可能值是通過用來產(chǎn)生該薄膜11厚度的局部變化的過程設(shè)置的。例如，用來燒蝕該薄膜表面的激光束可以是脈沖式的，每個脈沖具有同等的能量，然后通過調(diào)整指向一個單元位置的激光脈沖的數(shù)量來控制該薄膜的厚度。
[0047]圖2b示出了與圖2a中的等價的層結(jié)構(gòu)，其中多個相鄰單元C被一個垂直地延伸至該層的一個墻12分開。通過改變這些單元C的深度得到該薄膜11的可變厚度，該深度是在方向D上測得的。平行于該層測得的這些分離墻12的厚度在本發(fā)明的一個第一途徑中可以忽略。優(yōu)選地，這些墻12的頂部位于與方向D相同的共同水平。然后，它們可以支撐一個閉合薄膜13，由此防止灰塵填充這些單元C并修改相對于最初制造的層修改深度分布。
[0048]圖3a和圖3b示出了其他多個可能的層結(jié)構(gòu)，其中，通過局部修改該層的成分材料的光折射率值得到可變光學(xué)相移。所有單元C可以具有完全相同的深度。例如，在圖3a中，層1、2是用厚度為eO的薄膜14制造，該厚度eO在此薄膜上的任何位置之間都是恒定的。此薄膜14包含一種光敏材料，這樣使得可以通過局部輻射(例如通過一個激光束)對其光學(xué)折射率值進(jìn)行修改。用一個激光點掃描該薄膜14的表面的同時改變在不同點之間傳送的這些激光脈沖的強(qiáng)度和數(shù)目，允許調(diào)整這些單元C中的折射率值。通常，以這種方法可以得到的折射率值的最大差值為約0.1或0.15。
[0049]最后，圖3b示出了一個與圖3a中的等價的層結(jié)構(gòu)，但是其中多個相鄰單元被多個墻12分開。因此，這種光敏材料的多個獨(dú)立部分分別包含在多個分區(qū)的單元C中，并且可以對這些單元的每一個單獨(dú)輻射以調(diào)整其光折射率值。這樣做，可以初始地在一個基底薄片15的表面上形成這些單元C，然后用這種光敏材料將其填充，逐個輻射，然后由一個薄膜13在與該基底薄膜15相對的一側(cè)上將其集體封閉。當(dāng)這些單元C因此被這些墻12彼此孤立時，一種可替代地用于改變各個單元中包含的材料的折射率值的方法在于將多種化合物的混合物用于這種材料。這些各種化合物具有不同的對應(yīng)折射率值，并通過改變這種混合物的比例得到多個中間值。在這種情況下，可獲得的值的數(shù)量受限于可以被控制地引入各單元中的每一種化合物的最小量。通常，可以通過這種方法為這些單元C中的折射率獲得十六到一百二十八個不同的值。
[0050]可替代地，可以使用不同于上面這些描述的層結(jié)構(gòu)。具體地，可以實現(xiàn)多種混合結(jié)構(gòu)，其中，可以通過厚度變化和這些單元中包含的部分透明材料的折射率的變化來獲得光學(xué)相移變化。
[0051 ] 此外，在根據(jù)本發(fā)明的給定光學(xué)元件內(nèi)，這些層可以具有各自不同的結(jié)構(gòu)。[0052]圖4a和圖4b示出了可以用于在各層內(nèi)形成這些單元C的兩個不同拼接。這類拼接可以是規(guī)則的，并且尤其在與該表面平行的至少一個方向上是周期性的。例如，該拼接可以有一個邊長為a的正方形圖案(圖4a)、一個三角形圖案、一個六角形圖案等?？商娲?，該拼接可以是隨機(jī)的或偽隨機(jī)的(圖4b)。在本說明書的上下文中，“偽隨機(jī)拼接”的表達(dá)被理解為指使用一種被設(shè)計成用于產(chǎn)生一個明顯隨機(jī)的拼接的構(gòu)造算法所定義的一種單元分布。具體地，可以通過在一個層中設(shè)定多個單元中心的一種初始分布然后通過使用被稱為Voronoi’的方法在相鄰單元之間構(gòu)造這些邊界來獲得這種偽隨機(jī)拼接。可選地，可以通過移動這些單元中心的至少某些單元中心來重新開始此類構(gòu)造以增加最終獲得的單元拼接的混亂。在根據(jù)本發(fā)明的給定光學(xué)元件內(nèi)，這些層有不同的對應(yīng)拼接。
[0053]通過圖解的方式，這些單元C可以具有大約是幾微米到幾百微米尺寸的大小，與正在討論的層平行。其深度與方向D平行，可以在1到50 μ m之間，并且比如等于約20 μ m。
[0054]當(dāng)所述層產(chǎn)生的光學(xué)相移分別具有專用于這種拼接的單元的值時(這些值在一個單元到下一個單元之間可能發(fā)生變化)以及當(dāng)這些值被限定為一套預(yù)先確定的離散值時，認(rèn)為每個層為數(shù)字的。當(dāng)使用一個自身是數(shù)字化的過程來調(diào)整該光學(xué)相移時，情況尤其如此。這樣一個數(shù)字化層僅僅能夠逼近該光學(xué)相移的目標(biāo)連續(xù)分布函數(shù)。使用根據(jù)本發(fā)明的至少兩個有多個不重合的拼接的層允許降低這些層的疊加產(chǎn)生的光學(xué)相移的實際分布與該目標(biāo)分布之間的差別。這樣一種目標(biāo)連續(xù)分布可以對應(yīng)于一個單焦的眼鏡片的折射函數(shù)，例如，或?qū)?yīng)于漸進(jìn)式眼鏡片的折射函數(shù)?？蛇x擇地，該光學(xué)相移的目標(biāo)分布函數(shù)可以在該光學(xué)元件100的有用區(qū)域的單獨(dú)部分內(nèi)是連續(xù)的，而在兩個區(qū)域部分之間的邊界處不連續(xù)。當(dāng)該目標(biāo)分布函數(shù)對應(yīng)于一個菲涅爾透鏡的折射效果，情況尤其如此?？傮w上，該目標(biāo)分布函數(shù)可以是任意函數(shù)。具體地，該函數(shù)圍繞該元件的光軸的旋轉(zhuǎn)沒有對稱性。
[0055]可以通過多種方式估算出根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的一個元件的光學(xué)相移的實際分布函數(shù)與其目標(biāo)分布函數(shù)之間的差別。
[0056]一種第一方法適合用于示范該光學(xué)元件可以產(chǎn)生的且易于降低圖像對比度的發(fā)光干涉效果。該第一方法在于在該光學(xué)元件的下游的一個選定平面內(nèi)，將通過本發(fā)明的光學(xué)元件并且通過一個參考光學(xué)元件針對一個入射單色光波產(chǎn)生的照度分別進(jìn)行對比。該積分平面將明顯地被選為出射光波的焦面。可以通過該第一方法建立多個方向，該光學(xué)兀件可以在這些方向上衍射具有大強(qiáng)度的光。取決于情況，將這些衍射方向及一個散射光圈相對于圖像方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，并因此降低衍射和散射強(qiáng)度會是有利的。
[0057]獲得該差別的一種第二方法(被稱為Mar6chal準(zhǔn)則)在于在一個位于該光學(xué)兀件的下游的參考平面上，對一個穿過所述元件的入射單色光波，分別對該光學(xué)相移的實際分布函數(shù)與目標(biāo)分布函數(shù)的出射波的相位之差的平方求積分。具體地，該積分平面可以位于該光學(xué)元件的出口面。此第二種方法具體適合于示范在一個數(shù)字鏡片的設(shè)計過程中與一個實際平面相移相關(guān)聯(lián)的錯誤數(shù)量。
[0058]現(xiàn)在參照圖5a描述了本發(fā)明的一個第一示例實施例，其中該光學(xué)元件100包括兩個具有由a表示并等于200 μ m的間距的完全相同的正方形拼接的層1和2。這些層1和2的拼接分別通過沿著這些正方形單元的對角線的一半的長度相對于彼此轉(zhuǎn)換而進(jìn)行抵消。換言之，該層2的拼接同時相對于該層1的拼接被a/2沿著這些正方形單元C的這些側(cè)的兩個方向轉(zhuǎn)換。[0059]這兩個層1和2是使用相同數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)字化層以調(diào)整各單元C內(nèi)的光學(xué)相移。對這些層1和2中的每一個的光學(xué)相移分布進(jìn)行優(yōu)化以再現(xiàn)焦距為2m(米)的聚光單焦透鏡的目標(biāo)連續(xù)分布。在這些條件下，該透明光學(xué)元件100是一個焦距等于lm的聚光單焦透鏡的數(shù)字化版本。
[0060]通過對比，為了展示本發(fā)明的益處，圖5b和圖5c分別示出了兩個參考光學(xué)元件102和102，各自包括一個由多個正方形拼接組成的單層，該單層再現(xiàn)焦距為lm的聚光單焦透鏡的光學(xué)相移分布。這兩個參考光學(xué)元件101和102的生產(chǎn)(不采用本發(fā)明)也使用與圖5a中用于該元件100的相同的數(shù)字化技術(shù)來調(diào)整各單元C中的光學(xué)相移。
[0061]圖5b中的元件101的正方形拼接的間距等于a，即與圖5a的該元件100的各層1、2的間距完全相同。圖5c中的元件102的正方形拼接的間距等于a/2。這三個元件100、101和102的直徑是完全相同的。
[0062]在這些條件下，該參考元件101的各單元C產(chǎn)生的光學(xué)相移可以是根據(jù)本發(fā)明的該元件100的單個層的相同單元所產(chǎn)生的光學(xué)相移的兩倍。此外，該參考元件102的多個單元C所產(chǎn)生的離散光學(xué)相移值再現(xiàn)(比該參考元件101的離散化誤差小)用作這三個元件的一個目標(biāo)的焦距為lm的聚光透鏡的連續(xù)光學(xué)相移分布。
[0063]然后可以將這三個元件100、101和102以同等的方式(或者通過實施多個實際的光學(xué)實驗，或通過此類實驗的數(shù)值模擬)進(jìn)行對比。這種在本實例中執(zhí)行的模擬是基于光學(xué)傅里葉計算。假定這類計算背后的原則為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，并且因此沒有必要在此加以說明。
[0064]首先，對這三個元件100、101和102的光學(xué)函數(shù)進(jìn)行比較，用上面提出的該第一種方法，通過用與其對應(yīng)的光軸平行的一束波長為633nm(納米)的平行單色光的光束對這些元件進(jìn)行照明。然后記錄各元件的圖像焦平面中產(chǎn)生的光照照度(位于各元件下游lm)。第二衍射峰的最大強(qiáng)度對這些元件100和102而言是-24.3dB (分貝)，而對該元件101而言是-18.ldB，這些強(qiáng)度是相對于幾何圖像點(位于該光軸與該圖像焦平面交叉處)的強(qiáng)度測得的。因此，雖然根據(jù)本發(fā)明的該元件100的各層的間距是該參考元件102的間距的兩倍，但是這兩個光學(xué)元件產(chǎn)生的寄生衍射的強(qiáng)度相當(dāng)(均比該參考元件101的低)。此夕卜，該第一級衍射方向與該光軸之間的夾角相對于元件100與102比相對于該元件101大兩倍。
[0065]這兩個光學(xué)元件100 (圖5a)和101 (圖5b)的光學(xué)函數(shù)也通過將其中的每一個粘性地粘結(jié)到一個焦距等于-lm的單焦發(fā)散透鏡上來進(jìn)行比較。通過連續(xù)地改變其厚度的常規(guī)方法產(chǎn)生了該發(fā)散透鏡，以觀察與這些數(shù)字化元件100和101相關(guān)聯(lián)的效果。對于以此方法獲得的雙峰觀察的折射效果對應(yīng)于這些數(shù)字化元件100和101的缺陷。因此，一個置于無窮處的發(fā)光圖案(例如一個外角直徑等于2.96° (度)而角振幅(angular stroke)厚度等于0.74°的藍(lán)式示標(biāo)C)通過雙峰中的每一個觀察到。通過包含該元件100的雙峰觀察該圖案導(dǎo)致了與這些拼接的方向平行對齊的雜像的出現(xiàn)，但是這些雜像之間的空間相對于根據(jù)本發(fā)明的該元件100比相對于該參考元件101的大兩倍。
[0066]以跟根據(jù)本發(fā)明的一個第二元件的相同的方式觀察該圖案，該元件由再次包括多個正方形拼接的四個層(間距等于a)組成，然而以這些單元的對角線的長度的四分之一的倍數(shù)對這些拼接進(jìn)行漸進(jìn)地抵消。此第二元件的各層中的光學(xué)相移分布再現(xiàn)一個焦距等于4m的聚光透鏡的光學(xué)相移。根據(jù)本發(fā)明的該第二元件因此也形成了一個焦距等于lm的聚光透鏡的數(shù)字化版本。通過將該第二個四層元件粘合性地粘結(jié)到該焦距為-lm的發(fā)散透鏡形成的新雙峰來對藍(lán)式示標(biāo)C觀察表明這些雜像之間的空間也是相對于該元件100的兩倍大。因此，在根據(jù)本發(fā)明的一個透明光學(xué)元件中增加層數(shù)可以改善其光學(xué)函數(shù)。
[0067]此外，如果該兩個層1和2在該元件100內(nèi)以長度a/4而不是以a/2在該正方形單元C的這些側(cè)面的兩個方向上抵消，這些次級衍射峰的最大強(qiáng)度變?yōu)?23.ldB。因此，雖然當(dāng)轉(zhuǎn)換長度等于間距a的一半時對該元件100而言本發(fā)明的好處已經(jīng)最大化，在間距a的25%和75%之間其他轉(zhuǎn)換長度的值也獲得了重大改進(jìn)。
[0068]如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明，一個第三透明光學(xué)元件103包括兩個層3和4，這兩個層再次包括間距a例如等于200 μ m的多個正方形拼接。這兩層3和4對于該元件100的層1而言是完全相同的。它們各自因此具有一個對應(yīng)于一個焦距等于2m的聚光透鏡的光學(xué)相移分布。這兩個層3和4在元件103中疊加，但沿著它們的共同光軸D相對于彼此旋轉(zhuǎn)了 30°。該元件103因此也具有一個焦距為lm的聚光透鏡函數(shù)。
[0069]當(dāng)被波長為633nm的平行單色光束照射時，在該元件103的下游lm處該元件的圖像焦平面中獲得的照度包含多個次級衍射峰，這些次級衍射峰具有等于-24.2dB的最大幅值。賦予根據(jù)本發(fā)明的元件103的優(yōu)勢因此與賦予元件100的優(yōu)勢類似。換言之，該元件100會因這兩個層1和2的角度對齊中的錯誤稍微降級。
[0070]通過粘合性地粘結(jié)到焦距為-lm的發(fā)散透鏡的元件103觀察藍(lán)式示標(biāo)C導(dǎo)致了雜像的出現(xiàn)，這些雜像在相同的照明和觀察條件下沒有通過元件102可見的那些雜像那么売。
[0071]如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的一個第四光學(xué)元件104由兩個層5和6組成，這兩個層包括完全相同的拼接，這些拼接沿著該元件的光軸D相對于彼此旋轉(zhuǎn)90°。這兩個層5和6的公共拼接是偽隨機(jī)的。通過隨機(jī)地移動這些單元C的中心然后通過使用Voronoi_方法構(gòu)造多個單元間邊界從上面描述的層1中的拼接中獲得該公共拼接。在如此定義的這些單元C中獲得的光學(xué)相移再次被選擇來再現(xiàn)一個焦距等于2m的聚光透鏡。
[0072]—個不采用本發(fā)明的參考光學(xué)元件是用一個具有與這些層5和6中的每一個相同的偽隨機(jī)拼接形成的，但各單元C中的光學(xué)相移相對于這些層的其中一個層中的等價單元的值的兩倍。
[0073]該光學(xué)元件104和后者參考元件的折射函數(shù)因此可以再次與焦距等于lm的聚光透鏡的折射函數(shù)相似。當(dāng)這兩個元件被一束平行光照亮?xí)r，該元件104會在該圖像焦平面中產(chǎn)生比該參考元件的情況衰減更厲害的散射光光環(huán)。因此，即使對于隨機(jī)拼接的情況，本發(fā)明也允許減小由于該元件的數(shù)字化性質(zhì)所導(dǎo)致的缺點。
[0074]另外,在根據(jù)本發(fā)明的一個光學(xué)兀件中，屬于不同層的多個疊加單兀的光學(xué)相移值彼此疊加。其結(jié)果是，總相移可達(dá)的值的范圍的寬度等于各層可達(dá)的相移值的范圍的對應(yīng)寬度的總和。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個光學(xué)元件可以具有明顯的多個光學(xué)相移變化，這些變化比現(xiàn)有技術(shù)已知的單層元件的那些變化大。因此使用本發(fā)明可以產(chǎn)生之前不可能的折射函數(shù)。
[0075]具體地，在根據(jù)本發(fā)明的一個光學(xué)元件中可獲得的光學(xué)相移的較大變化可以避免實現(xiàn)低幅(盡管事實上它們都是Pi的兩倍)相位躍變的需要。因此可以僅使用例如幅度大于pi的十倍的相位躍變。這種大幅度相位躍變在該元件的折射函數(shù)中僅產(chǎn)生少量的色散，這種色散與許多應(yīng)用兼容，尤其是眼科應(yīng)用。
[0076]將被理解為，當(dāng)相對于上面詳細(xì)描述的實施例對本發(fā)明的一些次要方面進(jìn)行修改時，本發(fā)明可以被再現(xiàn)。具體地，可以應(yīng)用以下修改，或者單獨(dú)地或者將其中一些組合:
[0077]-這些疊加層的數(shù)目可以是在數(shù)字上大于或等于二的任意數(shù)字；
[0078]-在一個給定光學(xué)元件中的各個層可以有不同的拼接。例如，某些層可以具有周期性的拼接而其他的層可以有隨機(jī)的或偽隨機(jī)的拼接；
[0079]-根據(jù)本發(fā)明的一個光學(xué)元件中疊加的這些層可以粘合性地彼此粘結(jié)或由安排在兩個連續(xù)層之間的中間空間或中間薄膜分開；以及
[0080]-一個給定光學(xué)元件的兩層所產(chǎn)生的多個相移的目標(biāo)值可以是不同的。因此，這些層的各相移分布函數(shù)也可以不同。
【權(quán)利要求】
1.一種透明光學(xué)元件(100;103;104)，該光學(xué)元件旨在通過源于一個景象并穿過所述元件的光形成所述景象的一個圖像，所述元件包括多個沿著該元件的一個光軸疊加的層(1，2 ;3，4 ;5，6)，每個層垂直地延伸至該光軸并由多個連續(xù)單元(C)的一個拼接組成，每個層中的一個光學(xué)相移的一個分布函數(shù)在所述層的每個單元內(nèi)部具有一個常數(shù)值，這些層的對應(yīng)光學(xué)相移分布函數(shù)的一個組合產(chǎn)生該元件的一個折射函數(shù)，該元件的特征在于，這些層中的至少兩個層的那些拼接在所述層到垂直于該光軸的一個表面上的投影中不重合，使得這兩個層中的一個層的這些連續(xù)單元中的一些單元之間的邊界在所述投影中切割這兩個層中的另一個層的一些單元。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其中在該投影表面上不重合的所述至少兩個層(1，2;3，4 ;5，6)的這些對應(yīng)拼接完全相同但通過轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換與旋轉(zhuǎn)的組合相對于彼此抵消。
3.如權(quán)利要求2所述的元件，其中在該投影表面上不重合的所述至少兩個層(5，6)中的這些對應(yīng)拼接中的至少一個拼接是隨機(jī)的或偽隨機(jī)的。
4.如權(quán)利要求2所述的元件，其中在該投影表面上不重合的這些層中的兩個層(1，2)的這些對應(yīng)拼接通過轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換與旋轉(zhuǎn)的組合相對于彼此抵消，并且其中，所述兩個層的每一個拼接在與每個層相關(guān)聯(lián)的至少一個周期方向上以一個共同周期(a)是周期性的，并且其中，這兩個層中的一個層的周期方向上的轉(zhuǎn)換的長度除了所述共同周期的整數(shù)倍之外在該共同周期的25%和75%之間。
5.如權(quán)利要求4所述的元件，其中這兩個層(1，2)中的一個層的周期方向上的轉(zhuǎn)換的長度在該共同周期(a)的25%和75%之間。
6.如權(quán)利要求2所述的元件，其中該`元件的這些層中的N個層具有對應(yīng)的拼接，這些拼接完全相同但通過轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)的組合各自都相對于作為參考的這N個拼接中的一個拼接抵消，N是大于等于二的整數(shù)，并且其中，所述N個層的這些對應(yīng)拼接各自在與每個層相關(guān)聯(lián)的至少一個周期方向上以一個共同周期a是周期性的，并且其中，所述N個層中的每一個層的拼接相對于該參考拼接的轉(zhuǎn)換的長度在所述參考拼接的周期方向上除所述共同周期的整數(shù)倍之外在i a/N的25%和75%之間，其中i是一個為這些具有完全相同拼接的N個層進(jìn)行編號的自然整數(shù)，i在0到N-1之間的范圍內(nèi)且i對于該參考拼接的層而言為零。
7.如權(quán)利要求4-6中任一項所述的元件，其中這些具有完全相同拼接的層(1，2)的共同的拼接周期(a)在3μηι和1mm之間。
8.如權(quán)利要求2-7中任一項所述的元件，其中這些具有完全相同拼接的層(1，2;3，4 ；5,6)的這些對應(yīng)的光學(xué)相移分布函數(shù)自身是完全相同的，除了所述層的對應(yīng)轉(zhuǎn)換或旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)的組合之外。
9.如前述權(quán)利要求的任意一項所述的元件，其中該元件的折射函數(shù)在圍繞所述元件的光軸旋轉(zhuǎn)時是不變的，除了這些光學(xué)相移分布函數(shù)的這些值的離散化導(dǎo)致的殘余變化之外。
10.前述權(quán)利要求中任一項所述的元件，形成一個光學(xué)透鏡。
11.如權(quán)利要求1 0所述的元件，形成一個鏡片。
【文檔編號】G02B26/06GK103635836SQ201280013942
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月16日
【發(fā)明者】馬里尤斯·佩勞克斯, 皮埃爾·查維爾 申請人:依視路國際集團(tuán)（光學(xué)總公司）, 國家科學(xué)研究中心