專利名稱：用于視力校正的衍射透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于視力校正的衍射透鏡，具體涉及用于適合于供各種 視力校正應用(如眼內植入物(IOLs)、接觸透鏡、或鏡片(眼鏡片)) 使用的至少遠距離和近距離校正的治療視力校正的衍射透鏡。本發明還 涉及用于提供這樣的衍射透鏡的方法。
背景技術：
多級衍射(MOD)透鏡對于將不同波長的多個光鐠分量引至公共焦 點是有用的，并且其在美國專利No. 5,589,982中進行了描述。MOD透鏡 具有多個環狀區域的結構，所述多個環狀區域的結構具有定義區域邊界 的階]f夭高度，其將不同波長下的光衍射成對公共焦點不同衍射級。相反 地，因為不同波長的光在不同的距離處對焦，透過非MOD衍射多焦點透 鏡的多個不同波長的觀察光可能顯得模糊。MOD透鏡針對這個問題進行 校正，但是不提供對于提供治療的雙焦點校正驗眼透鏡是有用的兩個不 同的焦距，如近距離或遠距離。
不同級的光的衍射輪廓。這樣的非MOD多焦點衍射透鏡可以設置在單個 透鏡表面上或具有在透鏡的不同表面上被分割的區域。非MOD多焦點透 鏡的實例在美國專利Nos. 5,017,000、 5,144,483、 3,004,470、 4,340,283和 4,210,391中進行了描述。如在美國專利No. 5,117,306中，其他非MOD 多焦點透鏡具有校正色差的附加非MOD個;f射表面。
為了提供利用非MOD多焦點衍射透鏡的實際的眼部雙焦點應用，可 以將屈光力添加至透鏡用于遠距離視力校正。比如在美國專利Nos.5,229,797、 5,104,212、 6,120,148、 5,760,871和5,116,111中描述了混合式 折射-衍射透鏡。由于增加透鏡主體的曲率所需要的附加透鏡材料導致這 些混合式折射-衍射透鏡比非折射衍射透鏡更厚。然而，在眼部應用(如 接觸透鏡或IOLs)中，常常期望厚度減少。因此，將期望為雙焦點應用 提供衍射驗眼透鏡，所述雙焦點應用在不需要依賴用于遠距離視力校正 的屈光力的情況下可利用衍射結構。
發明內容
因此，本發明的特征是提供利用多級衍射結構(MOD)和非MOD 衍射結構的衍射透鏡，其中兩種衍射結構的組合提供了具有用于遠距離 視力校正的基本光焦度和用于近距離視力校正的增加的光焦度的雙焦點透鏡。
本發明的另 一個特征是為至少近距離和遠距離視力校正提供衍射透 鏡，其可能適用于各種視力校正應用，包括接觸透鏡、眼內植入物(IOL) 和眼鏡片。
本發明的又一個特征是為視力校正提供衍射透鏡，其具有MOD結構 和非MOD衍射結構，其中非MOD衍射結構可以是諧波的并且沒有銳邊 的結構。
簡要地說，本發明包含具有第一衍射結構和第二衍射結構的透鏡， 在這里被稱為波陣面分裂衍射結構(WSD)的第一衍射結構用于使光分 裂成對不同的焦距或焦深的兩個或多個衍射級，在這里被稱為多級衍射 結構(MOD)的第二衍射結構用于在多個對公共焦距或焦深不同的衍射 級上衍射不同波長的光。第 一和第二衍射結構的組合為透鏡提供了至少 遠距離和近距離視力校正。第 一和第二衍射結構可以在透鏡的相同表面 上進行組合或者位于透鏡的不同表面上。因此，射入透鏡的光被第一衍 射結構以及接著被第二衍射結構衍射，或反之亦然，這取決于透鏡中這 樣的結構的順序，或者被具有組合了第 一和第二衍射結構的輪廓的透鏡 的單個衍射結構衍射。
WSD結構可以是在對不同焦距或焦深的兩級或多級上具有高衍射效率的任何衍射表面。例如，WSD結構可具有炫耀的(即鋸齒)、正弦的、 正弦諧波的、方波、或其他形狀輪廓。
對于雙焦點應用來說，針對其衍射級的每一級，WSD結構具有兩個 不同光焦度，并且MOD結構具有一個光焦度。透鏡的基本光焦度由MOD 結構的光焦度和其中一級上的WSD結構的光焦度的組合來提供，并且透 鏡的增加的光焦度由MOD結構的光焦度和另外一級上的WSD結構的光 焦度的組合來提供。
對于三焦點應用來說，在與用于近距離和遠距離視力校正之間的中 間距離視力校正的MOD結構的光焦度組合時WSD結構具有三個衍射級 以此添加了中間光焦度。三個以上的不同級可類似地一皮供給具有三個以 上視力校正距離的多焦點應用中的WSD結構。
可選地，光學元件(如基底或涂層)可以設置在具有MOD結構的表 面上以此提供光滑的外表面。
透鏡的MOD結構的特征在于定義區域邊界的多個區域，在此處入射 到該結構的光經歷了光學相移，并且該結構在對相同焦點不同的衍射級 m上衍射每個波長的光以使m的量值大于或等于1。若干區域以。在徑 向上被間隔并且通過解方程cp(rj)-2邵j來獲得所述半徑，其中(p(r』)代表自 衍射透鏡出現的波陣面的相位函數，p代表針對多個波長的每一個的區域 邊界處2兀相位突變次數，其中p是大于的整數。美國專利No. 5,589,982 對MOD結構進行了詳細地描述。
正弦諧波WSD結構被定義為一種結構，所述結構具有多個區域并且 在每個區域內以及區域之間的邊界處都是連續的，從而提供了不具有典 型地為炫耀(如鋸齒)的銳邊的這種結構或方波衍射結構。正弦諧波WSD 結構的若干區域的每一個可具有由下面的方程表征的徑向位置
其中a」和(ft分別是從1到Jmax的有限項數j的幅度和相位，纟是區域內在 0和1處或0和1之間的分段位置。
本發明還提供了一種方法，所述方法依照所需要的透鏡的基本光焦度通過為透鏡選擇MOD結構并且接著為透鏡選擇正弦諧波WSD結構來 提供雙焦點驗眼透鏡，其中用于遠距離視力校正的基本光焦度和用于近 距離視力校正的增加的光焦度是與MOD和WSD結構的組合一致的。同 樣可以為介于近距離和遠距離視力校正之間的 一個或多個中間視力校正 距離提供三焦點或其他多焦點透鏡。
另外，可選地可以增加透鏡的屈光力以此補充或增加已經由透鏡的 MOD結構的益處提供的基本光焦度。
另一方面，屈光力可以代替MOD結構提供透鏡的基本光焦度。這樣 的多焦點透鏡具有正弦諧波WSD結構、透鏡主體一皮成形以此提供折射的 基本光焦度并且無MOD結構。
還可以通過一種或多種衍射結構中的透#:和/或通過為具有這種衍射
結構的 一個或多個表面增加折射曲率來校正散光。
本發明的透鏡可以用于各種眼部應用，如接觸透鏡、眼鏡片、或眼 內植入物(IOLs)的透鏡、或對眼睛的視力校正有用的其他光學部件。 在接觸透鏡應用中，使用屬于正弦諧波的WSD結構是有利的，因為結構 的邊緣是光滑的以使該結構可以直接位于將要接觸眼部(或內眼瞼)的 透鏡表面上，并且因此用戶可以舒適地佩戴接觸透鏡而不會有另外由銳 邊的存在導致的不良刺激。另外，具有這種正弦諧波WSD結構的透鏡可 能更容易制造并且其應用成本更低，因為其表面不需要通過添加涂層或 基底來平滑。
本發明還可包含眼部或非眼部應用中的具有至少 一個正弦諧波衍射 結構的衍射光學元件。
通過對下面說明的閱讀以及附圖，本發明前述的特征和優點將變得 顯而易見，其中
圖IA和IB分別是本發明第一實施例的多級衍射透鏡的前、后表面 的平面圖，其具有透鏡前表面上的波陣面分裂衍射(WSD)結構以及透 鏡后表面上的多級衍射(MOD)結構，其中圖1A示出的是透鏡前表面上的WSD結構的環形區域，并且圖IB示出的是透鏡后表面上的MOD 結構的環形區域；
圖1C是穿過圖IA和IB的透鏡的剖面圖，其分別示出了前、后表 面上的WSD和MOD結構的側面4^廓；
圖ID是第一實施例的備選透鏡的剖面圖，其中WSD和MOD結構 分別是后表面和前表面上的輪廓，其中圖IA和IB表示這個備選透鏡的 后表面和前表面視圖2A是圖1C的透鏡的剖視圖，其中外加了與透鏡后表面結合在一 起的光學元件以此提供光滑的后表面；
圖2B是圖1D的透鏡的剖視圖，其中外加了與透鏡后表面結合在一 起的光學元件以此提供光滑的后表面
圖3A是圖1C的透鏡的剖視圖，其中外加了與透鏡前表面結合在一 起的光學元件以此提供光滑的前表面；
圖3B是圖1D的透鏡的剖視圖，其中外加了與透鏡前表面結合在一 起的光學元件以此提供光滑的前表面；
圖4A是圖1C的透鏡的剖視圖，其中外加了與透鏡前、后表面結合 在一起的光學元件以此提供光滑的前、后表面；
圖4B是圖1D的透鏡的剖視圖，其中外加了與透鏡前、后表面結合 在一起的光學元件以此提供光滑的前、后表面；
圖5A、 5B、 5C、 5D、 5E和5F是用于雙焦點應用的本發明不同透
鏡的實例的光射線示意圖6A和6B是用于三焦點應用的本發明不同透鏡的實例的光射線示 意圖7是本發明第二實施例的多級衍射透鏡的截面圖，其包含具有 WSD結構的第一表面和具有MOD結構的第二表面，并且透鏡主體具有 為透鏡提供屈光力的曲率；
圖8A是本發明第三實施例的多級衍射透鏡的截面圖，其中WSD和 MOD結構沿著透鏡的前表面被結合進單個輪廓中并且后表面不具有衍射結構；
圖8B是本發明備選的第三實施例的多級衍射透鏡的截面圖，其中
WSD和MOD結構沿著透鏡的后表面被結合進單個輪廓中并且前表面不 具有衍射結構；
圖8C是圖8B的透鏡的剖視圖，其中外加了與透鏡后表面結合在一 起的光學元件以此提供光滑的后表面；
圖9是本發明的第四實施例的多級衍射透鏡的截面圖，其具有沿著 透4免后表面纟皮結合進單個AT射結構的WSD和MOD結構，其中透鏡主體 具有為透鏡提供屈光力的曲率并且光學元件被結合進透鏡的前表面以此 提供光滑的前表面；
圖10A和10B分別是與圖1A和IB類似的多級衍射透鏡的前、后表 面的平面圖，其中在透鏡的前表面設置了具有連續平滑變化輪廓的正弦 諧波WSD結構并且在透鏡的后表面設置了 MOD結構；
圖IOC是穿過圖IOA和10B的透#:的截面圖11是用于本發明透鏡的WSD結構的正弦諧波衍射表面的第一實 例的周期0和1之間的波中光程差(OPD)的曲線圖12是正弦諧波衍射表面的第一實例的表面曲率(sag)與徑向位置 的關系曲線的實例，所述正弦諧波衍射表面示出為非銳邊(即基本上平 滑)以及表面上輪廓的周期性；
圖13和14分別是與圖11和12類似的曲線圖，其為用于本發明透 鏡的WSD結構的正弦諧波衍射表面的第二實例；
圖15和16分別是與圖11和12類似的曲線圖，其為用于本發明透 鏡的WSD結構的正弦諧波衍射表面的第二實例；
圖17是在曲面情況下具有正弦諧波衍射表面的實例的透鏡的截面 圖；以及
圖18是沿著圖16的曲面的正弦諧波衍射表面的第四實例的表面曲 率(sag)與徑向位置關系的曲線圖。
具體實施方式
參見圖1A、 IB和1C，所示出的透鏡10具有在單個元件透鏡主體 14兩側上的前表面12和后表面13。前表面12具有波陣面分裂衍射 (WSD)結構16，并且后表面13具有多級衍射(MOD)結構17。 WSD 結構16和MOD結構17的環形帶或區域分別在圖1A和1B中示出。透 鏡主體14的曲率提供了零或接近零的屈光力，并且因此IOL應用中的接 觸透鏡可以制作得非常薄，如0.2-0.8mm的厚度。透鏡10的直徑與其特 定的眼部應用(如接觸透鏡、IOL、目艮鏡片)是一致的。IOL中的透鏡可 具有附加的觸覺或支#"結構，典型的比如在美國專利Nos. 6,406,494、 6， 176,878 、 5,096,285或美國專利申請Nos. 2002/0120329 Al 、 2002/0016630 Al、 2002/0193876 Al、 2003/0014107 Al 、或2003/0018385 Al中描述 的IOLs，或者如美國專利No. 4,769,033中示出的那樣不具有典型的觸覺 結構。另一方面，如圖1D所示，WSD結構16還可以位于后表面13上 并且MOD結構17可以位于前表面12上。
在美國專利No. 5,589,982中描述了 MOD結構17，該專利通過引用 而被結合在此。MOD結構包含具有階躍高度的區域，其依照透鏡用戶的 眼睛主要或完全提供用于遠距離視力校正的基本光焦度。
WSD結構16是非MOD透鏡，其與MOD結構17結合依照透鏡用 戶的眼部為近距離視力校正提供透鏡10的增加的光焦度。可以使用能夠 提供在兩級或多級上(在主要設計波長下)具有較高衍射效率的WSD結 構的任何衍射表面。例如，WSD結構可具有炫耀(即鋸齒)、正弦、正 弦諧波、方波或其他形狀輪廓。在后面連同圖10A-18 —起對正弦諧波 WSD結構進行了詳細的描述。
透鏡10可以由比如通常在接觸透鏡、IOLs的光學部分或眼鏡的制造 中使用的透光材料組成(如塑料、硅樹脂、玻璃或者通常用于特定透鏡、 IOL或眼鏡應用的聚合體)。提供衍射光學表面的典型過程，如蝕刻、模 制或直接金剛石車削，可以在透鏡各自的表面上形成MOD和WSD結構 的區域。例如，美國新罕布什爾州Keene的Precitech公司的單點金剛石 車削機可用來在基底透鏡材料上加工這里所描述的任何衍射結構以此沿著透鏡表面產生所期望的輪廓，或者產生能夠在生產透鏡的過程中復制 (例如通過模制)這種衍射結構的母版制作工具。
取決于眼部應用，沿著透鏡10 —側具有衍射表面的外表面可能需要
是平滑的。因此，如分別針對圖1C和1D的透鏡的圖2A和2B所示，具 有光滑外表面19的光學元件18被結合進透鏡10的后表面13,或者如分 別針對圖1C和1D的透鏡的圖3A和3B所示，具有光滑外表面9的光 學元件18被結合進透鏡10的前表面12。光學元件18可以是具有與透鏡 10材料的折射率不同的折射率的透光材料(如塑料、硅樹脂、玻璃或聚 合體)的基底或涂層(被涂敷并被固化)，以使通過透鏡的衍射結構可以 使光被適當地衍射。光學元件18具有利用衍射結構的相反輪廓成形的表 面20以此在附于透《竟10上時面向該表面。因此，當光學元件18代表基 底時，其表面20在被粘合于此(如液體粘合劑)、熔合或以其他的方式 密封在 一 起時與這種衍射結構化的結構相匹配。
在其他眼部應用中，透鏡10兩側的外表面可能需要是光滑的。在這 種情況下，如圖4A和4B所示，圖1C和1D的透鏡的前表面12和后表 面13可以分別與光學元件18a和18b結合。每個光學元件18a和18b分 別具有光滑的外表面19a和19b以及分別具有面向其各自的衍射結構化 表面的表面20a和20b。如果需要，圖2A、 2B、 3A或3B的光學元件18 的外表面19、或者圖4A和4B的光學元件18a和18b表面19a和19b可 能需要被處理(如切割和/或打底)以此獲得適用于眼部應用的光滑表面。 光學元件18或18a和18b的結合以此為衍射表面輪廓提供光滑表面可能 在比如美國專利Nos. 5,129,718、 5,760,871、 5,104,212或美國公布的申請 No. 2001/0018012中進行了描述。
在下面的兩個實例中說明了具有進行組合以此提供雙焦點視力校正 的MOD結構和WSD結構的透鏡10。
實例1
在這個實例中，驗眼透鏡方案要求利用近視的+2屈光度(D)的增 加的光焦度校正遠視的-7屈光度(D)。因此，透鏡的這兩個光焦度(用(f)表示)為
^離=-5D(= -7D + 2D = l離+ & ) 透鏡將由在設置透鏡主體14的較薄基底的一側(沿著表面12或13 )具 有所需要的遠光焦度的MOD結構17和在另外一側(或表面)具有炫耀 表面、主要在0和+1級上搡作的WSD結構16組成。
MOD結構的衍射區域的徑向位置(rj)通過下式給出
2夙中是有用的。另外， 一個或多個正弦諧波衍射結構可以設置在具有或不
具有MOD結構以及具有或不具有沿著主體的折射曲率的光學元件主體 上。
根據上面的描述，很顯然已經提供了用于視力校正的衍射透鏡并提 供這種透鏡的方法。依照本發明對這里描述的透鏡的變更和修改毋庸置 疑地將其自身推薦給了本領域的技術人員。因此，前面的描述應當被認 為是說明性的而不是限制意義的。
權利要求
1.一種驗眼光學元件，包含至少一個具有多個區域的衍射結構，其中依照下面的方程，每個區域具有若干位置<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>z</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ξ</mi> <mo>)</mo></mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>j</mi><mi>max</mi> </msub></munderover><msub> <mi>a</mi> <mi>j</mi></msub><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>πjξ</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>φ</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中aj和φj分別是從1到jmax的有限項數j的幅度和相位，ξ是區域內在0和1處或0和1之間的分段位置，而所述衍射結構使光衍射成對不同焦距或焦深的至少兩個衍射級。
2. 如權利要求1所述的驗眼光學元件，其中所述結構是光滑變 化的。
3. 如權利要求1所述的驗眼光學元件，其中所述結構在每個區 域內以及區域之間的邊界處都是連續的，從而提供無銳邊的所述結 構。
4. 如權利要求1所述的驗眼光學元件，其中所述衍射結構代表 用于使光衍射成對不同焦距或焦深的至少兩個衍射級的第 一衍射結 構，并且所述衍射光學元件還包含用于使光衍射成對^^共焦距或焦深 的多個不同衍射級的第二衍射結構。
5. 如權利要求1所述的驗眼光學元件，還包含具有所述衍射結 構的透鏡主體，并且使所述透鏡主體成形以此為所述光學元件提供折 射的光焦度。
6. —種具有半徑r的衍射光學元件，包含旋轉對稱的衍射透鏡， 所述旋轉對稱的衍射透鏡DOE通常用半徑坐標r中光焦度序列構成的 相位函數來表示，
全文摘要
用于視力校正的衍射透鏡(10、10a、10b)在透鏡主體(14)上具有用于使光分裂成對不同焦距或焦深的兩個或多個衍射級的第一衍射結構(16)和被稱為多級衍射(MOD)結構、用于使不同波長下的光衍射成多個對公共焦距或焦深不同的衍射級的第二衍射結構(17)。在雙焦點應用中，第一和第二衍射結構(16、17)結合定義了透鏡的用于遠距離視力校正的基本光焦度和用于近距離視力校正的增加的光焦度。第一衍射結構(16)可具有炫耀(即鋸齒)、正弦、正弦諧波(16a)、方波或其它形狀的輪廓。具有正弦諧波結構(16a)的多焦點透鏡(10)可以位于成形的透鏡主體(25)上以此提供具有或不具有MOD結構(17)的折射的基本光焦度。
文檔編號A61F2/16GK101676751SQ200910163550
公開日2010年3月24日 申請日期2005年8月15日 優先權日2004年8月20日
發明者D·A·布拉利, M·G·莫里斯, R·J·費德里科 申請人:阿波羅光學系統公司