專利名稱：小孔徑多焦點透鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適用于眼內(nèi)透鏡和隱形眼鏡的光學裝置，它采用科恩透鏡方案的位相波帶片，利用少量環(huán)帶來產(chǎn)生多焦點圖象。
折射和衍射是劃分光學作用的兩種機制。衍射理論本身所涉及的是光的傳播?？紤]通過小孔徑的傳播這種特殊情況是很有用的。小孔徑既可以是簡單地為其邊界限定的空白區(qū)域，也可以是不同厚度和/或不同折射率的光學材料構成的區(qū)域，從而有選擇性地遲滯入射波前的不同部分。在任何情況下，當光線通過這樣一種小孔徑時，就稱它產(chǎn)生了“衍射”。
有時當光線通過孔徑時會在空間發(fā)現(xiàn)存在一個光線聚集或聚焦的點。在一系列這種情況下，可以采用稱之為斯涅耳折射定律的簡單方程計算出焦點位置。當孔徑中的光學材料平滑緩變且孔徑較大時，會產(chǎn)生這種特殊情況。當這些條件被滿足時，光線的特征為按照衍射的特殊情況(稱之為“折射”)而傳播。
但由于這種情況很常見，故折射常被認為是一個完整的理論。但是當透鏡中存在尖銳的切口時，就不能滿足平滑變化的要求，從而需要用“衍射”普遍理論來計算光線的傳播。
術語“折射”應當只在孔徑具有平滑變化的內(nèi)部結構情況下采用。術語“衍射”應當只在孔徑的內(nèi)部結構具有尖銳的邊界或在光路長度上有突變的情況下采用。
然而即使在簡單的情況下，衍射理論也可用來求得精確解，而用折射理論則不能得到。
利用衍射定律和法則可以解釋任何透鏡的工作情況，而用折射定律和法則無法解釋在載體透鏡上的位相波帶片的工作情況。這里和權利要求中采用的“位相波帶片”是指將波帶片與波帶內(nèi)的光學表面組合的一個透鏡的整體光學區(qū)域，上述組合使光線衍射以致產(chǎn)生在波帶片各級(例如0級、1級等)焦點上得到特殊光強分布的特殊波前。
科恩的專利(AllenL.Cohen，U.S.4，210，391;4，338，005;4，340，283)介紹了在載體透鏡的光學區(qū)域使用位相波帶片以獲得多焦點效果。在本說明書和權利要求中用“科恩透鏡方案”來表示一種在載體透鏡的光學區(qū)域中使用位相波帶片以獲得實用的多焦點效果的透鏡。下面將用衍射定律和法則來解釋科恩透鏡方案的光學性質(zhì)和實用性。
科恩透鏡方案采用同心環(huán)帶的位相波帶片設計，其中同心環(huán)帶的半徑ΥK基本上正比于
，且環(huán)帶被切削成使光線射向或者偏向一個以上的焦點。這種
間隔是衍射所獨有的，而在折射透鏡方案中沒有類似的間隔類型。
產(chǎn)生多焦點圖象的位相波帶片是一片透鏡，并可獨立于用作放大或縮小的載體透鏡來使用。當一個位相波帶片置于載體透鏡上并占據(jù)此載體透鏡的光學區(qū)域時，它可以控制由該透鏡件產(chǎn)生的多個圖象的相對亮度。此外，這種占據(jù)載體透鏡光學區(qū)域的位相波帶片，將對給定焦點處圖象的質(zhì)量和性質(zhì)產(chǎn)生影響。這種位相波帶片的重要性在于，它能控制透射光使之聚焦在由不同焦點表示出的不同級上，控制在這些不同級上的色散作用和不同級上光強的衰減以及在多焦點位相波帶片中固有的反射損耗。例如發(fā)散的、會聚的或者平的透鏡將確定透射光的放大或縮小，而該透鏡中的位相波帶片則控制各焦點上的相對光強，而且這樣就可產(chǎn)生更高級別的焦點。這可由采用位相波帶片的透鏡裝置來作簡單地說明，波帶片為環(huán)帶間隔為√K的菲涅爾波帶片，具有拋物面形狀的刻線(這意味著在Υ2空間刻線為線性輪廓)，其深度與設計波長有關，例如若設計波長為555毫微米的黃光，則刻線的物理深度(或光程長度)由關系式λ/(η′-η)可得，應大約為0.00555毫米(式中η′≈1.43;η≈1.33，λ為黃光的設計波長)。不管載體透鏡的光焦度是發(fā)散還是會聚，或是平光的，該位相波帶片對于設計波長將是一個單焦點的透鏡裝置，并且將所有設計波長的光線射向光學環(huán)帶中心軸上的第一焦點。這意味著使用該透鏡裝置的使用者只能看到近處的物體而不能看到遠處的物體，盡管具有折射數(shù)學關系的平滑透鏡裝置中此載體透鏡的光焦度能使遠處物體的光透過。該位相波帶片通過使光線偏向而使其射向了近處的焦點。在結構上透鏡是該位相波帶片的載體。在這種情況下，位相波帶片確定了光透射的方向，并決定在不同級焦點上的視覺清晰度。此外，在光透射到0級的科恩透鏡方案的雙焦點透鏡中，該位相波帶片將會影響設計波長以外的其它波長在0級上的色散強度。盡管0級圖象本身并無變化，它仍能受位相波帶片影響。不管在光學區(qū)域中采用位相波帶片的透鏡的0級位置在何處，所有傳到0級的光線均透過位相波帶片，因而是衍射光線。
由上所述說明這樣一個事實，即平滑的光學區(qū)域?qū)⑹构饩€只射向一個焦點(focalpower)，即0級焦點，而且利用了衍射作用的位相波帶片的光學區(qū)域也只能使光線射向一個焦點(focalpower)，即1級焦點。這種情況下衍射所具有的控制方向能力，是使光線偏向1級。而獨特的科恩透鏡方案則利用衍射現(xiàn)象使光線射向一個以上的焦點。它通過(1)依某種適當方式切削位相波帶片以改變其厚度，或者(2)改變位相波帶片波帶內(nèi)透鏡的折射這兩種方法之一來產(chǎn)生相移，以使光線射向一個以上的焦點。通過改變波帶的傾斜可以改變透射光線，使之產(chǎn)生相移。
在一個實施例中，科恩透鏡方案采用分別稱為奇、偶環(huán)帶的交替傾斜半周期環(huán)帶來獲得多焦點效果。每一環(huán)帶由于按比例向內(nèi)傾斜而使載體透鏡的厚度減小。這種傾斜將以不同的比例關系使透過透鏡的光線產(chǎn)生光學相移。相移變化越明顯，光線越被射向或者偏向高級焦點。若傾斜較小，則相移變化較小，更多的透射光線將從透鏡表面射向低級焦點。正是通過傾斜度的改變和斜面的輪廓，人們可以控制衍射光的方向使其朝向一個以上的焦點。
科恩透鏡方案還介紹了與利用表面凹凸外形來控制相移不同的另一種機制，即利用透鏡表面的嵌埋材料來改變折射率。
科恩透鏡方案的傾斜環(huán)帶遵循H.Ruhle在1961年10月17日批準的美國專利U.S.3，004，470中討論過的菲涅爾環(huán)帶原理，只是科恩透鏡方案引入了K]]>間隔。Ruhle指示，分級的菲涅爾拋物面環(huán)帶只不過是平滑型的分級傾斜表面對。
在科恩透鏡方案的多焦點位相波帶片中，交替的奇、偶環(huán)帶會使光程長度發(fā)生變化，從而使透射光產(chǎn)生相移。這些環(huán)帶可以處于全周期環(huán)帶中，或者通過采用多重的半周期環(huán)帶而存在。一個全周期環(huán)帶是由位相波帶片內(nèi)相距大致正比于
的最小重復表面序列所構成。這種間隔由下式表征
ΥK≈2kdλ]]>式中d為1級焦距，λ為設計波長。與本發(fā)明有關的半周期環(huán)帶由下式表征ΥK≈2kdλ]]>位相波帶片中一個全周期環(huán)帶可被認為是由一對具有半周期間隔的交替環(huán)帶構成。全周期環(huán)帶可以包含非連續(xù)閃耀或者連續(xù)閃耀。全周期非連續(xù)閃耀的環(huán)帶由通常在其半周期點左右不連續(xù)的獨立輪廓構成，而全周期連續(xù)閃耀的環(huán)帶由分級的無斷續(xù)點的獨立輪廓構成，就是說在整個周期的寬度上是連續(xù)的。由于全周期環(huán)帶的每個半周期環(huán)帶的差異程度能使設計波長的入射光產(chǎn)生不同相移，所以每個環(huán)帶都可以產(chǎn)生使光線射向或者偏向多個焦點的組份。
在對DeCarle的美國專利U.S.4，704，016(1987年11月3日批準)的審理過程中曾經(jīng)指出“菲涅爾波帶片或透鏡依據(jù)相鄰的環(huán)帶透過位相相差半周期的光線這一原理而工作，從而如果將交替的環(huán)帶涂黑，則透過波帶片并到達相距波帶片一定距離點處的光將比沒有波帶片時更亮，這是因為避免了有害的干涉。為了獲得這一效果，環(huán)帶邊界的半徑經(jīng)數(shù)學計算取一級近似應為nf λ和(n+1)f λ]]>其中f為波帶片焦距，n＝0，1，2，3，4，……，λ為光波波長。例如在波帶片的光焦度為5屈光度時(這是普通的眼鏡放大率)，則第一環(huán)帶的大小為0.3毫米數(shù)量級，而第八環(huán)帶的寬度為幾百分之一毫米的數(shù)量級。由波帶片聚焦的圖象的清晰度方面的效果，隨環(huán)帶的數(shù)目而增加，因此為了獲得較理想的光學性質(zhì)，波帶片應具有大量的環(huán)帶”。
Freeman和Stone利用6個左右全周期環(huán)帶對應于一個屈光度的增加(見BCLA1987年年會會刊，第15頁)。這可解釋為12個半周期環(huán)帶。
因此，本領域的某些專業(yè)人員認為科恩透鏡方案的透鏡需要有較多的環(huán)帶才能獲得清晰的圖象。然而在雙焦點透鏡中需要有大量環(huán)帶的這些透鏡，會使相當多的人不能得益于科恩透鏡方案的隱形眼鏡和眼內(nèi)透鏡。
有許多眼球的情況都需要對科恩透鏡方案的位相波帶片進行設計上的特殊改變。例如白內(nèi)障患者通常年紀較大，于是瞳孔較小。這種情況下對他們的治療，可為植入眼內(nèi)透鏡(IOL)。在有些情況下需要使用帶有雙焦點位相波帶片的IOL。由于這些患者的瞳孔變小，此位相波帶片應能在很小的孔徑中工作以適應瞳孔的尺寸。此外，由于位相波帶片的IOL在眼內(nèi)的放置，故孔闌會減小到約為透明瞳孔尺寸的85%。于是位相波帶片應當能在小于僅為透明瞳孔尺寸85%的虹膜區(qū)域內(nèi)工作。
這樣就需要一種雙焦點的隱形眼鏡或IOL的光學裝置來解決瞳孔縮小的問題，它在很小的光學區(qū)域內(nèi)具有相當多的斷續(xù)點，以適應于白內(nèi)障患者常見的瞳孔尺寸較小的情況。
本發(fā)明涉及一種采用科恩透鏡方案的透鏡，提出一種與位相波帶片結合制備可用作IOL或隱形眼鏡的雙焦點透鏡的方案，它采用一個適用于白內(nèi)障患者常有的較小瞳孔尺寸的位相波帶片。
本發(fā)明包括一個具有位相波帶片的光學元件，該位相波帶片包括具有閃耀面的同心環(huán)帶，它使光線分射到至少兩個分開的焦點上，而且它可以利用位相波帶片的單個全周期環(huán)帶。
本發(fā)明包括一個具有位相波帶片的雙焦點衍射光學元件，該位相波帶片具有其間隔大致上正比于 的同心環(huán)帶，奇數(shù)環(huán)帶具有其光程長度(深度)為偶數(shù)刻痕一半的閃耀面，且輪廓內(nèi)間斷的突變僅產(chǎn)生在奇數(shù)半徑處。這種元件即使在被孔闌限制小到只有一個全周期環(huán)帶時，也能將光線分射到兩個焦點上。
本發(fā)明涉及一種具有多焦點輪廓的位相波帶片的透鏡裝置，即使在采用小到一個全周期環(huán)帶的孔闌時，它也能提供兩個以上分開的焦點。此位相波帶片具有一系列其間隔由下式給出的同心環(huán)帶的閃耀面ΥK=常數(shù)xK]]>其中K是環(huán)帶序數(shù)，為1，2，3，……，按照科恩透鏡方案是從位相波帶片的中心軸數(shù)到位相波帶片的邊緣。式中ΥK是半周期環(huán)帶的半徑，當K從波帶片的中心軸到其邊緣依次為奇數(shù)和偶數(shù)時，按照K的數(shù)值，環(huán)帶和環(huán)帶半徑依次也為奇數(shù)和偶數(shù)。在本發(fā)明中，奇數(shù)半周期環(huán)帶的深度約為偶數(shù)半周期環(huán)帶深度的一半，而且在K是偶數(shù)的情況下，在偶數(shù)環(huán)帶半徑ΥK處奇數(shù)和偶數(shù)半周期環(huán)帶之間的每個交接面，均具有連續(xù)的輪廓而沒有間斷點。


圖1是一個可表示隱形眼鏡或IOL的透鏡裝置的正視圖，它表示科恩透鏡方案所包括的閃耀面的 間隔。下面除了圖5、6及8之外的所有截面圖，均為具有圖1位相波帶片的透鏡裝置沿2-2線的四分之一截面圖，而圖5、6和8為沿平分位相波帶片的虛線所取的半截面圖。
圖2為圖1所示的位相波帶片的四分之一截面圖。該圖顯示了沿圖1中2-2線所取的拋物線輪廓，畫出了具有圖1中
間隔的透鏡的位相波帶片，與科恩透鏡方案不同的是，這種刻痕深度為λ的輪廓不產(chǎn)生多焦點效果。
圖3是沿圖1中2-2線所取的另一種拋物線輪廓的四分之一截面圖，表示了采用圖1中
間隔的透鏡位相波帶片。這種位相波帶片的拋物線外形和刻痕尺寸的確適合于科恩透鏡方案，因為這種刻痕深度為λ/2(η′-η)的輪廓可產(chǎn)生多焦點效果。
圖4是想用截面圖的形式表示圖2中由全周期半徑Υ2限定的第一個刻痕的高、寬以及形狀的實際比例尺寸關系。
圖5表示從圖2的位相波帶片的截面發(fā)出的透射光，用來說明此位相波帶片的單焦點特性。應當特別注意沒有光線射到0級上。
圖6表示從圖3的科恩透鏡方案的位相波帶片截面發(fā)出的透射光，用來說明此位相波帶片的雙焦點特性。應當特別注意光線被透射到0級和1級。
圖7將圖3所示的具有多焦點透光特性的科恩透鏡方案的一個透鏡的截面輪廓以及具有科恩的美國專利U.S.4，210，391中圖7特性的一個透鏡例的截面輪廓，與圖2產(chǎn)生單焦點特性的透鏡截面輪廓進行比較。
圖8是按照圖1的輪廓構成的整個位相波帶片的截面圖。在這種情況下，此位相波帶片與圖6的情況一致。本圖用來解釋由位相波帶片的衍射特性而得到的光波效果，以及位相波帶片在兩個焦點上產(chǎn)生光學圖象的偏向能力。
圖9是表示在0級和1級觀察到的光強與圖2和圖3所示的具有拋物線輪廓的刻痕深度之間關系的示意圖。
圖10是具有本發(fā)明的小孔徑位相波帶片的截面圖。
圖11A用一般的填充圖案表示組合這些半徑以構成圖10的小孔徑位相波帶片的全周期環(huán)帶。
圖11B用填充圖案表示圖10的小孔徑位相波帶片的奇數(shù)和偶數(shù)環(huán)帶。
圖12表征在孔闌為兩個全周期環(huán)帶時圖6的位相波帶片的光及光強分布。
圖13表示在孔闌為一個全周期環(huán)帶時圖6的位相波帶片的光及光強分布。
圖14表示在孔闌為兩個全周期環(huán)帶時圖10的位相波帶片的光及光強分布。
圖15表示在孔闌為一個全周期環(huán)帶時圖10的位相波帶片的光及光強分布。
圖16表示1988年7月20日提出的、申請?zhí)枮?22，000的一份申請中描述的位相波帶片輪廓的截面圖。
圖17是本發(fā)明采用圖16的位相波帶片輪廓特征的小孔透鏡的截面圖。
本發(fā)明為一種采用位相波帶片的多焦點光學裝置，此位相波帶片具有
環(huán)帶間隔和在環(huán)帶中的閃耀面。該環(huán)帶彼此間呈環(huán)形放射狀，環(huán)繞中心軸彼此呈園環(huán)形分布。在優(yōu)選的實施例中，位相波帶片具有彼此間很不相同的交替環(huán)帶，以使透過位相波帶片的入射光偏向處于位相波帶片中心延長軸上的一系列焦點。最好是使至少兩個焦點上的光強足夠在這些焦點上觀察到圖象。
本發(fā)明采用特殊的環(huán)帶結構，從而在沿位相波帶片中心軸的一個以上焦點上產(chǎn)生實用的圖象只需要最少的環(huán)帶。本發(fā)明的貢獻在于為獲得有用的多焦點效果，僅僅需要少至一個包括兩個不同的半周期環(huán)帶的全周期環(huán)帶就可以了。但是，本發(fā)明也包括采用適當?shù)奈幌嗖◣桨钢械亩嘤谝粋€全周期環(huán)帶的情況。
本發(fā)明的最佳狀況是采用科恩透鏡方案以得到多焦點位相波帶片，它能在用于眼睛入瞳孔徑極小或很小時，在兩個或者更多個圖象上獲得足夠的光強。在最佳實施例中，本發(fā)明指向一個雙焦點透鏡，其中至少20%的透過透鏡的入射光能射到1級。
為了更好地理解本發(fā)明，可以參考本申請的附圖。圖1是一個隱形眼鏡的正視圖，也可以表示一個IOL，它表示科恩透鏡方案所具有的閃耀面的
間隔。圖1畫出了帶有16個環(huán)帶(Υ1到Υ16)的位相波帶片。奇數(shù)環(huán)帶為Υ1，Υ3，Υ5，Υ7，Υ9，Υ11，Υ13，和Υ15，其余為偶數(shù)環(huán)帶。在本說明書中，若位相波帶片中相距大致正比于
的最小重復表面序列為重復的奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶組合而成，則每個環(huán)帶可以為一個半周期環(huán)帶。
圖1中，每一奇數(shù)環(huán)帶由虛線劃出，而每一偶數(shù)環(huán)帶由實線劃出。這一個特點是用來強調(diào)奇數(shù)環(huán)帶是在連續(xù)的偶數(shù)環(huán)帶為其一部分的全周期環(huán)帶的連續(xù)輪廓中劃出來的。
圖2是沿圖1中2-2線所取拋物線輪廓的截面圖，它表示圖1的具有
間隔的透鏡的位相波帶片。但是該位相波帶片的拋物線輪廓和刻痕尺寸不適用于科恩透鏡方案，因為這種刻痕光程長度(深度)為λ的輪廓不能提供多焦點效果。在這個并不包括在本發(fā)明中的實施例中，每個刻痕的光程長度(深度)為λ/(η′-η)，其中λ為透鏡的設計波長，最好為黃光波長，η′和η的意義如前所述。在這種輪廓的特殊組合中，奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶是一樣的，因為透鏡僅將入射光透射到一個焦點，即1級焦點上。在這種情況下，奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶在偏轉(zhuǎn)入射光線方面的作用完全一樣。這表明它們是相同的，而且都不使光線射到另外的焦點上。
圖3是沿圖1中2-2線取的另一種拋物線輪廓截面圖，它表示圖1的透鏡中包括的位相波帶片，即具有圖1的
間隔的。該位相波帶片的拋物線輪廓和刻痕尺寸適用于科恩透鏡方案，因為這種具有λ/2(η′-η)刻痕深度的輪廓可以提供多焦點效果。在此特定的實施例中，各奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶的角度有很大的不同，于是就使每一奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶具有多焦點特性。在這種情況下，奇數(shù)環(huán)帶能使光射到一個焦點上，而偶數(shù)環(huán)帶能使光射到另一個焦點上，而且兩者都能使光射到兩個焦點上。這將在下面詳細討論。
為了顯示出這些位相波帶片的相對尺寸，圖4中畫出了圖2透鏡的單個全周期環(huán)帶的相對尺寸。圖4是包括了奇數(shù)環(huán)帶Υ1和偶數(shù)環(huán)帶Υ2的第一個全周期環(huán)帶的截面圖。從圖中可以看出刻痕的深度很小，而且刻痕的輪廓是逐漸傾斜的。圖4的圖形是由計算機產(chǎn)生的，并且反映出計算機程度不能精確畫出刻痕輪廓，而且在輪廓的傾斜中無間斷。
圖5表示具有圖2刻痕的位相波帶片16的截面圖，其中每一刻痕的深度為λ/(η′-η)，位相波帶片位于一個平透鏡體10內(nèi)(僅畫出等于位相波帶片深度的透鏡表面深度)。本圖表示從位相波帶片射出的透射光線12射到1級焦點(f1)，而沒有光線(14)射到0級焦點(f0)。這表示在閃耀面深度為λ/(η′-η)時采用了傳統(tǒng)的拋物線輪廓的位相波帶片所具有的單焦點特性。
圖6表示在刻痕深度定為λ/2(η′-η)時的效果。圖6中畫出了在平透鏡20中的位相波帶片26，它具有相同于圖5的拋物線輪廓，但是按照圖3的說明來設計。本圖說明了透過透鏡的光線被分開，光線22射到1級焦點(f1)，而光線24射到0級焦點(f0)。下面討論這種分光效應。
圖7為相互重疊的不同位相波帶片的截面圖，每種波帶片都具有圖1位相波帶片的間隔。本圖的基本作用是將圖2的輪廓與圖3的輪廓以及美國專利4，210，391的位相波帶片輪廓進行比較。拋物線30表示圖2的位相波帶片輪廓，而拋物線32表示圖3的位相波帶片輪廓。但圖中用拋物線34還畫出了科恩的美國專利4，210，391中圖7所示的輪廓。每一位相波帶片都具有奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶，環(huán)帶為半周期的?？毯圯喞淖兓譃閮煞N光程長度(深度)即λ/(η′-η)和λ/2(η′-η)。圖7將圖3所示的具有多焦點透光特性的科恩透鏡方案的透鏡截面輪廓以及具有科恩的美國專利U.S.4，210，391中圖7特性的透鏡截面輪廓，與圖2的具有單焦點透光特性的透鏡截面輪廓進行了比較。
圖7中的刻痕表明在Υ奇數(shù)半徑處，或在奇數(shù)環(huán)帶的周界，刻痕深度為刻痕級差的二分之一。這樣，輪廓線30在每一Υ奇數(shù)邊界的刻痕深度為λ/2(η′-η)，輪廓線32在每一Υ奇數(shù)邊界的刻痕深度為λ/4(η′-η)，而輪廓線34在每Υ奇數(shù)邊界的刻痕深度在λ/2(η′-η)和λ/4(η′-η)之間。
由曲線34表示的輪廓是基于科恩的美國專利U.S.4，210，391的圖7描述的透鏡輪廓，采用該專利第三欄第20和21行給出的參數(shù)。該透鏡將入射光線大約以36%等量分到1級和0級焦點。該透鏡的輪廓與圖3所示的輪廓之間的主要區(qū)別是在曲線34構成的輪廓中在奇數(shù)環(huán)帶的邊界存在清晰可見的分界線，而曲線32在奇數(shù)環(huán)帶的邊界是平滑的。
圖2、3和7中對位相波帶片中全周期環(huán)帶的圖示比例，難以示意在刻痕中實際存在的拋物線形狀。用圖4就可以容易地估出環(huán)帶寬度相對于構成奇數(shù)環(huán)帶的階梯之間的關系。
由圖8可以看出拋物線狀刻痕從一個波長深到半個波長深的深度減少序列。圖8給出按照圖1輪廓構成的整個位相波帶片的截面圖。這里的位相波帶片與圖6的位相波帶片是一致的，并且采用圖3給出的輪廓。本圖表示由位相波帶片的衍射特性得到的波形效果以及位相波帶片在兩個焦點產(chǎn)生光學圖象的偏向能力。透過位相波帶片表面的光波被此位相波帶片射向兩個主焦點近處的1級焦點和遠處的0級焦點。
如圖5所示，如果圖8畫出的刻痕深度為λ/(η′-η)，即一個設計波長深，則該波長的所有入射光線都會被射向近處的1級焦點。通過改變奇數(shù)和偶環(huán)帶的傾角，光線將產(chǎn)生相移并被位相波帶片射向一個或者更多個其它焦點。在圖8的情況下，其它的主要焦點是遠處的0級焦點。
圖9示意表明在遠處的0級和近處的1級焦點觀測的相關光強以及在前面附圖中所示的具有拋物線輪廓的刻痕深度。它表示在刻痕深度減到一半設計波長以下時，即為λ/X(η′-η)，其中X大于2，更多的入射光將被射向遠處的0級焦點。在深度接近于零時，有越來越多的光強集中到0級焦點，而且多焦點特性最終消失，就是說沒有足夠的光強射到至少兩個焦點上以在這些焦點上產(chǎn)生實用的圖象，這樣就不能得到實用的多焦點透鏡。在增加刻痕深度時可以看到同樣的現(xiàn)象。當深度增加時，大量的光強集中到近處的1級焦點。在深度接近于λ/(η′-η)時，越來越多的光線被射到近處的1級焦點，而且最終多焦點特性將消失，就是說沒有足夠的光強射到至少兩個焦點上以在這些焦點產(chǎn)生實用的圖象，這樣就不能得到實用的多焦點透鏡。
圖10是具有獨特輪廓關系的小孔徑位相波帶片的截面圖，通過它可以進一步理解科恩透鏡方案的多焦點透鏡的功能。在圖10中，奇數(shù)環(huán)帶可以被看成是圖3的輪廓的位相波帶片的偶數(shù)環(huán)帶。在本例中，奇數(shù)環(huán)帶Υ1深度為λ/4(η′-η)，而偶數(shù)環(huán)帶均由深度λ/2(η′-η)起始。每個奇數(shù)環(huán)帶(從Υ3起)與連續(xù)的偶數(shù)環(huán)帶(從Υ3起)形成連續(xù)的輪廓。在這種輪廓中，圖3的位相波帶片輪廓正好平移了一個半周期環(huán)帶。
圖3透鏡的這種平移使圖10的透鏡可以滿足患者所需的位相波帶片能在很小的孔徑中工作以適應白內(nèi)障引起的瞳孔孔徑減小這種情況。通過奇數(shù)和偶數(shù)環(huán)帶的平移，可以得到一個雙焦點隱形眼鏡或IOL光學裝置，它通過在小的光學區(qū)域中產(chǎn)生相當數(shù)量的間斷點來解決瞳孔縮小的問題，以適應白內(nèi)障患者常有的小瞳孔尺寸。
圖3和圖6的位相波帶片被設計成在0級和1級焦點產(chǎn)生相同的光強。在這些焦點的光強由圖12和圖13的亮度曲線的矢量幅值的平方給出。加在任何矢量上的旋轉(zhuǎn)(相移)對光強沒有影響。然而這種矢量的旋轉(zhuǎn)是通過平移位相波帶片的輪廓而得到的。
在下面的附圖中進一步解釋這樣做的好處。圖11A用普通的填充圖案表示組成圖10的小孔徑位相波帶片全周期環(huán)帶的半徑。另一方面，圖11B則用普通的填充圖案畫出圖10的小孔徑位相波帶片的奇數(shù)和偶數(shù)環(huán)帶。
圖12表示帶有將入射光線限在兩個全周期環(huán)帶內(nèi)的孔闌的圖3和圖6所示的透鏡，以及其隨焦點(focalpower)改變的亮度曲線，其中在兩個焦點的亮度相等。光振幅的標準矢量表示法在每一級焦點的亮度曲線中給出了。
當圖12中的透鏡孔闌直徑很小而將入射光限制在一個全周期波帶之內(nèi)時，如圖13所示，則產(chǎn)生大的景深，這是由于小孔徑效應掩蓋了位相波帶片的雙焦點效果。在掩住第二個全周期環(huán)帶時，就消除了在二分之一級圖象處的消光矢量。所得的光強包絡(圖13中虛線22)就是簡單的小孔透鏡的光強。
圖14為按圖10輪廓設計的透鏡的截面圖。圖14表示帶有一個將入射光線限在兩個全周期環(huán)帶以內(nèi)的孔闌的透鏡，以及其隨焦點(focalpower)變化的亮度曲線，其中在兩個焦點具有相同的亮度。在每一級焦點的亮度曲線中給出了光振幅的標準矢量表示法。圖14的矢量圖形相對于圖12的矢量圖形有一旋轉(zhuǎn)。
圖15表示圖10的位相波帶片的光和光強分布，此位相波帶片采用一個全周期環(huán)帶的孔闌。圖15表示帶有將入射光限制在一個全周期環(huán)帶以內(nèi)的孔徑的圖10的透鏡，以及隨焦點(focalpower)改變的亮度曲線，其中在兩個焦點的亮度相同。本圖表示在孔闌的直徑減小以將入射光限制在僅僅一個全周期環(huán)帶內(nèi)時，此位相波帶片的雙焦點特性仍然很明顯。即使在第二個全周期環(huán)帶被掩住時，在1/2級圖象處仍然存在完全的消光干涉。所得的光強包絡仍為雙焦點位相波帶片透鏡的情況。
圖16表示申請日為1988年7月20日、申請?zhí)枮?22，000的專利申請中所述的位相波帶片輪廓的截面圖。該位相波帶片的重復輪廓單元由下式給出d＝D0｛1/2+1/2COS(πr2/b2)｝等能量分光所需的刻痕深度由下式給出D0＝0.405λ/(η-1)而且分光強度為I1-I2＝J20(0.405π)＝0.403圖16表示通過切出閃耀面使光程長度(深度)為0.4個波長而構成的多焦點位相波帶片的輪廓，其中閃耀面具有余弦階梯形輪廓。圖17是本發(fā)明的采用圖16所示的位相波帶片片結構特征的小孔徑透鏡的截面圖。圖17表示將圖16的位相波帶片輪廓平移正好一個半周期環(huán)帶而得到的位相波帶片部分輪廓。圖16中的半徑ΥK按半周期環(huán)帶標出。對于這種輪廓，當孔闌直徑減小以將入射光限制在僅僅一個全周期環(huán)帶內(nèi)時，位相波帶片的雙焦點特性也不消失。
前面曾經(jīng)指示，將位相波帶片的輪廓平移一個半周期環(huán)帶，就會在孔闌即使小到一個全周期環(huán)帶時也保持雙焦點特性。這并不是說在這種情況下的圖象質(zhì)量與孔闌為兩個或者更多個全周期環(huán)帶時一樣好。提出本發(fā)明的透鏡是由于普通的位相波帶片不適用于小孔闌，因為這時采用普通位相波帶片方案患者會失去雙焦點特性。因此，本發(fā)明提供了在小孔闌時的雙焦點特性，而不管帶有位相波帶片的載體透鏡如何，這都是不能從普通的位相波帶片獲得的。
權利要求
1.一種采用科恩透鏡方案、使用適合于小瞳孔尺寸的位相波帶片的光學裝置。
2.如權利要求1的光學裝置，其中的裝置包括帶有位相波帶片的光學元件，此位相波帶片包括具有閃耀面的環(huán)形同心環(huán)帶，以采用最小數(shù)量的間距為K]]>的交替階梯狀重復外形將光分射到至少兩個分開的焦點上。
3.如權利要求2的光學裝置，其中的光學元件是雙焦點的衍射光學元件，它包括一個具有環(huán)狀同心環(huán)帶的位相波帶片，環(huán)帶間距正比于
;奇數(shù)環(huán)帶所具有的閃耀面的光程長度(深度)為偶數(shù)閃耀面光程長度(深度)的一半，而且輪廓中的間斷突變僅處于奇數(shù)半徑上。
4.如權利要求3的光學裝置，其中的光學元件即使在將孔闌限制在約為一個全周期環(huán)帶時，也會將光分射到兩個焦點上。
5.如權利要求4的光學裝置，其中的光學元件包括一個多焦點輪廓的位相波帶片，它即使在采用小到一個全周期環(huán)帶的孔闌時也會產(chǎn)生兩個或者更多個分開的焦點，此位相波帶片具有由一系列環(huán)狀的同心環(huán)帶構成的閃耀面，環(huán)帶間隔為下式ΥK=常數(shù)xK]]>其中K為環(huán)帶序數(shù)，它等于1，2，3等等，根據(jù)科恩透鏡方案由此位相波帶片的中心軸向此位相波帶片的邊緣計算環(huán)帶，ΥK是半周期環(huán)帶的半徑，當K值由位相波帶片中心到邊緣依次變?yōu)槠鏀?shù)和偶數(shù)時，環(huán)帶和環(huán)帶半徑根據(jù)K值也為奇數(shù)或偶數(shù)，奇數(shù)半周期環(huán)帶的深度約為偶數(shù)半周期環(huán)帶深度的一半;在K為偶數(shù)的情況下，偶數(shù)環(huán)帶半徑ΥK處每一奇數(shù)和偶數(shù)半周期環(huán)帶的交接面呈現(xiàn)連續(xù)的輪廓，沒有斷續(xù)點。
6.如權利要求1的光學裝置，其中在位相波帶片中包括重復的輪廓單元，此重復的輪廓單元由下式給出d＝D0｛1/2+1/2COS(πr2/b2)｝其中D0＝0.405λ/(η-1)
7.如權利要求1的光學裝置，其中在位相波帶片中包括拋物線的重復輪廓單元。
8.如權利要求1的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡或隱形眼鏡。
9.如權利要求2的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡或隱形眼鏡。
10.如權利要求3的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡或隱形眼鏡。
11.如權利要求4的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡或隱形眼鏡。
12.如權利要求5的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡或隱形眼鏡。
13.如權利要求6的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡或隱形眼鏡。
14.如權利要求7的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡或隱形眼鏡。
15.如權利要求8的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡。
16.如權利要求9的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡。
17.如權利要求10的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡。
18.如權利要求11的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡。
19.如權利要求12的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡。
20.如權利要求13的光學裝置，其中該裝置為眼內(nèi)透鏡。
21.如權利要求8的光學裝置，其中該裝置為隱形眼鏡。
22.如權利要求9的光學裝置，其中該裝置為隱形眼鏡。
23.如權利要求10的光學裝置，其中該裝置為隱形眼鏡。
24.如權利要求11的光學裝置，其中該裝置為隱形眼鏡。
25.如權利要求12的光學裝置，其中該裝置為隱形眼鏡。
26.如權利要求13的光學裝置，其中該裝置為隱形眼鏡。
27.如權利要求14的光學裝置，其中該裝置為隱表眼鏡。
全文摘要
一種適用于眼內(nèi)透鏡和隱形眼鏡的光學裝置，采用科恩透鏡方案的位相波帶片，依靠少量的環(huán)帶來產(chǎn)生多焦點圖象。
文檔編號G02C7/04GK1047925SQ9010393
公開日1990年12月19日 申請日期1990年4月19日 優(yōu)先權日1989年4月19日
發(fā)明者艾倫·L·科恩 申請人:艾倫·L·科恩