多焦點雙折射透鏡系統的制作方法

專利名稱：多焦點雙折射透鏡系統的制作方法
技術領域：
本發明申請屬于尚未結案的1987年9月24日提出的美國專利申請，申請號為100，773的接續部分。
本發明涉及一種非消色差的或者消色差的多組元件多焦點的光學透鏡系統，更確切地說是屬于系統中至少有一個透鏡組元是雙折射透鏡。
雙折射透鏡早已公知了一段時間。聯合王國專利231，848所描述的雙折射透鏡，是用作起偏振器的。由于雙折射透鏡能夠產生兩束不同聚散度的正交偏振光，所以為了提供一束僅為一種類型的偏振光，或者使用光欄，或者使用各向同性地透鏡，就能將兩束偏振光中的一束消除。美國專利2，317，809所描繪的特征是，一塊平凸的雙透射透鏡，以其凸面膠合在一塊平凹的各向同性透鏡上。這種組合件的作用，即象是對于一種線性偏振光具有正光焦度的透鏡，又象是對于另一種正交偏振光具有零光焦度的平行平板。此透鏡組合件，結合成整體用于為攝影目的所用的取景器中。在聯合王國專利865，361中，一種棱形的雙折射透鏡按一定方式與各向同性補償透鏡組合，使得組合后透鏡的兩種光焦度對目標的屈光度是等距離的。這種透鏡系統結合在光學儀器中，用以檢查人的眼睛。此儀器能將通常(o)光線和非尋常(e)光線形成的兩個象分開，以使具有不同銳度的兩個象能同時觀察到，而且在檢查眼時是并排在一起的。美國專利3，211，048提及一種由同一種雙折射材料制做的平凸/平凹雙合透鏡組件。在此組合件中，兩塊雙折射透鏡中的一塊，可以具有平表面的各向同性透鏡鏡來替代。這種組合件要同分光儀中的色散裝置(例如棱鏡)以及起偏器協調一致工作。美國專利3432238還公開了一種為使入射的偏振光產生相移用的平凹/平凸雙合的雙折射透鏡。最終得到的干涉圖、應用在分光儀中。
由于雙折射透鏡所具有的一種光焦度是同一個線性偏振平面相關的，而其所具有的另外一種光焦度則同另一個正交的偏振平面相關，因此，如果入射光是線性偏振的，那么，能使偏振平面轉動的裝置，就可用來選擇此兩種光焦度的一種。美國專利3，410，624使用了一種與雙折射透鏡和雙折射棱鏡一起工作的電光控制裝置(克爾盒)。在這份專利中所公開的由每一塊透鏡和電光盒組成的m個系統，能夠產生出2m個焦點。類似的具有n個電光盒及n個雙折射透鏡的組合件，已經在法國專利1，552，198、美國專利3，520，592以及“使用雙折射透鏡成多個象”(參見《應用光學》卷8，No10，2117-2120頁，1969年10月)等英文文獻中進行了公開，其中每份資料都公開了使用一塊或者多塊雙折射透鏡的光學聚焦系統，而且每一塊雙折射透鏡都同一個控制光的偏振平面的裝置相組合。美國專利3，563，632公開了一種數字式光學焦距調節器，其中每一個都擁有克爾盒及漸進曲率的雙折射透鏡的逐次排列成的組合體，是浸在共用的電解槽中的。雙折射透鏡的形狀，應能使與電解質折射率相關的溫度得到補償。美國專利3，565，510公開了兩種雙折射透鏡的應用，每個克爾盒在系統中都類似于前述美國專利3，563，632中指出的那樣。奧斯波夫(Osipov)在“雙偏振透鏡”一文中(參見《Optical Technology》，Vol40.No，5，pp，277-279，1973.5)描述了一種由平凸/平凹雙折射透鏡系統構成的雙偏振透鏡。這種透鏡系統可以與各向同性透鏡組合，以產生平行的參考光束和聚焦的信號光束，而光束是正交偏振的可用在激光系統中。美國專利3758201公開了一種與各向同性的可變光焦度透鏡系統組合的平凸/平凹雙折射雙合透鏡。此系統應用在眼睛檢查中。美國專利3，990，798公開了一種平凸/平凹雙折射雙合透鏡，可以用作或用在顯微鏡目鏡中，以便在單一象面上能夠產生不同物平面內目標的象。由雙折射材料制做的平凸/平凹雙合透鏡也已在美國專利4566762中作了公開，所描述的是一種雙焦點系統，其中不同距離目標的象呈現出相同的放大倍數。美國專利4，575，849公開的平凸/平凹雙折射透鏡，可以在光學濾波器-偏振器組合中用作相板。
由前所述可以看出，雙折射透鏡首先使用的是平凸/平凹透鏡組合件。這樣的組合件在一種情況下，即在奧斯波夫所述的情況下，與各向同性透鏡組合，以便產生一束平行的偏振光。在聯合王國專利865，361中，使用的棱形的雙折射透鏡與棱形的各向同性透鏡的組合，是為了產生同一目標的并排在一起的兩個象，以實現對人眼進行檢驗。而且，在各份專利中，提出了作為改變焦距系統的各種系統組合件，而每個系統是把雙折射透鏡與控制偏振面取向的裝置組合在一起的。
在前面提到的已有技術中所公開的是無機晶體，諸如石英和方解石，是作為雙折射透鏡的材料。雙折射也可以是某種有機聚合物所具有的性質。因此，譬如對于美國專利4，384，107，4，393，194、4，933，196、4，433，132、4，446，305、4，461，886、4，461，887、4，503，248、4，520，189、4，521，588、4，525，413、4，575，547、4，608，429以及4，628，125所描述的聚合物來說，就顯示出很高的雙折射，并能模擬出單軸晶體的光學性能。這樣的雙折射聚合物可以和各向同性的涂層一起，用在多層光傳輸及偏振裝置中。
事實上已經知道的例如施加應力，許多聚合物都可以是雙折射的。整個光測彈性學領域以及借助偏振光進行的應力分析，都是以此現象為基礎的。人們也還知道，通過將聚合物延展到超出其彈性范圍，施加給該聚合物的雙折射就是不可逆的。例如美國專利3，522，985中提到的就是這樣做的。具有多個焦點的檢眼透鏡，特別是具有此性能的接觸透鏡是公知的，例如美國專利3，794，414、4，162，122、4，210，391、4，340，283、4，338，005、4，637，697、4，641，934、4，642，112以及4，655，565。對于這些透鏡來說，其共同點在于，制做它們所使用的光學介質是各向同性的。同時具有的多種光焦度特性，是靠提供具有適當的幾何參量的透鏡來達到的。
本發明的目的是要提供一種多焦點的例如雙焦的、三焦的、四焦的等等非消色差或者消色差的雙折射透鏡系統，其中至少有兩個焦點是按照總體上彼此獨立選定的。
本發明的另一個目的是提供一種多焦點的非消色差或消色差的雙折射透鏡系統，表明不需要的焦點或光焦度能夠做到最少。
本發明的再一個目的是要提供一種多焦點的非消色差或消色差的雙折射透鏡系統，與其它已知類型的多焦點透鏡系統相比，這種系統的圖象亮度，色性能以及選擇光焦度的自由都是優越的。
本發明的特殊目的是提供一種非消色差或者消色差的雙折射透鏡系統，其整體或者局部是由光學等級的聚合物制做的。
本發明的另一個特殊目的是非消色差或者消色差的雙折射透鏡系統，與一個或者更多個光起偏的裝置以及隨意一個或多個偏振濾光片組合，使得有可能對光焦度或者從多種可得到的光焦度之中進行的光焦度組合作出選擇。
本發明還有另外一個目的，就是要提供一種多焦點的非消色差或者消色差的雙折射透鏡系統，其中至少一個透鏡表面的形狀不受制造該透鏡元件使用介質的物理參數的影響，而且也不受予選焦點的影響。
本發明進一步還有一個特殊的目的，就是要提供一種至少能在予選焦點中的一個焦點上，能夠顯示所要求的任何程度色差的雙折射透鏡系統。
本發明更還有另一個目的，就是要在此處的非消色差或者消色差的雙折射透鏡系統的基礎上，提供一種檢眼透鏡，特別是眼鏡片、接觸透鏡和眼內透鏡。
本發明的其它目的，包括將此處的雙折射透鏡系統以及其它一些光學裝置，同這樣一些透鏡系統結合在一起使用，例如眼科診斷儀，照相機，望遠鏡和輕便雙筒望遠鏡、顯微鏡、復印機、光具座、攝譜儀等。
按照本發明提供的多焦點非消色差雙折射透鏡系統，它包括 (a)第一個透鏡元件是一個雙折射透鏡元件; (b)第二個透鏡元件是鄰接在上述第一個透鏡元件上的，第一及第二個透鏡元件相對的表面曲率，實質上是一樣的或者是互補的，上述的第二個透鏡元件可以是 (1)一種雙折射透鏡元件，其所具有的光軸取向不同于雙折射透鏡元件(a)的光軸取向，或者是 (2)一種雙折射透鏡元件，其中的兩種折射率不同于雙折射透鏡元件(a)的兩種折射率，或者是; (3)一種雙折射透鏡元件，其中通常光波的折射率與雙折射透鏡元件(a)對通常光波的折射率相同，但其中對非尋常光波的折射率不同于雙折射透鏡元件(a)或者是; (4)一種雙折射透鏡元件，其中對非尋常光波的折射率與雙折射透鏡元件(a)對非尋常光波的折射率相同，但其中對通常光波的折射率則不同于雙折射透鏡元件(a)，或者是; (5)一種各向同性的透鏡元件，其所提供的是，對與透鏡的光軸平行入射的光來說，上述透鏡系統至少同時具有兩個焦點，其中的每個焦點位于此透鏡系統光軸上予先選定的正焦距處或負焦距處，而且進一步所提供的是，不是第一個就是第二個透鏡元件任意一個表面的曲率不受上述予選焦點的影響。
進一步說來，按照本發明還提供一種多焦點雙折射透鏡系統，它至少在一個焦點上是消色差的，或者至少在一個焦點上顯示予定量的色差，它包括 (a)第一個透鏡元件，這是一個光軸實質上與透鏡光軸垂直的雙折射透鏡元件; (b)與上述第一個透鏡元件鄰接的第二個透鏡元件，此第二個透鏡元件是 (1)一種光軸取向不同于雙折射透鏡元件(a)的光軸取向的雙折射透鏡元件，或者是; (2)一種雙折射透鏡元件，其中的兩種折射率不同于雙折射透鏡元件(a)的兩種折射率，或者是; (3)一種雙折射透鏡元件，其中通常光波的折射率與雙折射透鏡元件(a)對通常光波的折射率相同，但其中對非尋常光波的折射率不同于雙折射透鏡元件(a)，或者是; (4)一種雙折射透鏡元件，其中對非尋常光波的折射率與雙折射透鏡元件(a)對非尋常光波的折射率相同，但其中對尋常光波的折射率則不同于雙折射透鏡元件(a)，或者是; (5)一種各向同性的透鏡元件，其所提供的是，對于透鏡的光軸平行入射的光來說，上述透鏡系統至少同時具有兩個焦點，其中每個焦點位于此透鏡系統光軸上予先選定的正焦距處或負焦距處;而且其進一步所提供的是，至少兩個焦點之一的焦距，對于至少兩種不同波長的聚焦光所具有的焦距基本上是相等的。
“鄰接”一詞用在有關此雙折射透鏡系統的第一及第二個透鏡元件的相對位置上，此處所指包括這兩個元件實質上以其整個相對的表面，直接相互接觸的情況(即下文所稱之“復合透鏡”或“透鏡組合”)，以及這兩個相對的表面沿其共同光軸分開一段很短距離的情況，典型狀況下的距離只有幾毫米或者更小一些。
“實質上是一樣的或者是互補的”這一詞組，應用來說明此多焦點的非消色差雙折射透鏡系統的，第一及第二透鏡元件，相對的表面曲率，應當理解為這些表面相互接觸地放置，在沿其相互的分界面上的每一個點處，它們都是相接的。因此，例如，在實質上是一樣曲率的情況下，這些曲率將是平的或者是平面的，即這些表面具有無限大的曲率半徑，而且在曲率互補的情況下，這些表面將是相當的，例如通過凹凸表面的匹配。
“復合透鏡”或者“透鏡組合”一詞，這里理解為所指透鏡系統，至少是由兩個透鏡元件組成的，相鄰接的透鏡元件的兩個相對的透鏡表面，實質上是一樣的或者是互補的，以致于兩個透鏡元件能夠沿其相對的表面膠合在一起，例如在平凸/平凹透鏡系統中。這些詞也可應用于一種透鏡系統，其中相對的透鏡表面是分開一定距離的，為的是適應一種或多種不同于透鏡的光學裝置，例如偏振裝置。
“接觸透鏡”一詞，在這里理解為所指透鏡系統至少是由兩個透鏡元件組成的，此透鏡系統主要是滿足其光焦度等于所有透鏡元件光焦度之和的需要。
“非消色差”一詞，應當理解為所指的透鏡或透鏡系統，顯示一種或多種光焦度，而且這種光焦度還取決于，制造此透鏡或透鏡系統使用的，雙折射和/或各向同性的光學介質色散特性所確定的聚焦(即使用的)光波長。
“消色差”一詞，應理解為所指的透鏡系統，可顯示一種或多種光焦度，至少其中一種光焦度所顯現的屈光值，對于聚焦(即所使用的)光至少兩種不同的波長是固定的。
本發明所述的多焦點非消色差或者消色差雙折射透鏡元件，同至少一種不同的雙折射透鏡元件以及/或者至少上述一種各向同性的透鏡元件的排列組合。其所提供的條件是在此系統中，至少所產生的焦點中的兩個焦點(或者光焦度)是予先選定的;對于平行入射在透鏡光軸上的光來說，此焦點是沿著同一條透鏡光軸存在的;不是第一個就是第二個透鏡元件的任意一個曲率的選擇，可不受予先選定的焦點的影響。在這些要求限制之內，有可能提供任何具有廣泛種類的多焦點光學設計，以便滿足任何一些實際需要。舉例來說，在本發明所包括的透鏡系統中一塊單個的雙折射透鏡元件同一塊或者多塊各向同性透鏡元件組合，所提供的是復合透鏡或者透鏡系列;一塊雙折射透鏡元件同至少一塊不同的雙折射透鏡元件組合，不是復合透鏡就是這些透鏡的系列，隨意地與一個或多個各向同性透鏡元件組合，等等。此外正如以下闡明的那樣，本發明所述的任何一種多焦點雙折射透鏡系統，都可以應用在同其它的偏振介質，或者同位于一個或多個鄰接的雙折射透鏡元件對之間，和/或此透鏡系統之前或之后的偏振濾光片相結合，從而能夠由多種可以得到的光焦度中，選定一種或多種光焦度。
依靠本發明所述的多焦點雙折射透鏡系統，使得自由選擇光焦度成為可能。可以將此優點在一些應用中發揮，特別是在設計檢眼用的雙焦鏡時，甚至使用相對說來比較薄的透鏡，很容易就能得到相對說來比較大的光焦度差異。還可以運用在各種類型的光學儀器和設備中，其中包括望遠鏡，雙目鏡，視頻和攝影機透鏡，顯微鏡，復印機，光具座，攝譜儀等。
圖1是根據本發明顯示“理想幾何結構”的雙折射透鏡系統簡圖; 圖2為并入在本發明所述透鏡系統中的雙折射透鏡元件簡圖; 圖3A、3B、4、5為根據本發明所述雙折射透鏡系統各種不同實施例的簡圖; 圖6為與偏振裝置組合的本發明所述雙折射透鏡系圖簡圖; 圖7為顯示兩個以上同時存在的光焦度的，由兩塊雙折射透鏡元件制成的，雙折射透鏡超便移式系統簡圖; 圖8為圖7所述透鏡系統與偏振裝置組合簡圖; 圖9A，9B分別為根據本發明，眼鏡片結合在雙折射透鏡系統中的正視和側視圖。
本發明所提供的最佳實施例有兩個，分別介紹如下 A.多焦點的非消色差雙折射透鏡系統 所有已知的雙折射透鏡系統，都具有一個光軸(即晶體雙折射介質內部的軸)，它與透鏡的軸線垂直。因此，雙折射透鏡系統能夠顯現兩種特殊的折射率n。(對于通常光波或光線來說)和ne(對于非尋常光波或光線來說)，但這只是對于非尋常(e)光線在垂直(即相互垂直)于光軸的方向上通過雙折射透鏡的特殊情況而言。對于所有其他方向來說，e光線所具有的有效折射率ne，eff值處在no和ne之間。在這種情況下，對于e光線來說，就不可能予見雙折射透鏡系統任何準確的光學性能或特性。
由于這種原因，有希望使用雙焦點透鏡系統，來顯現具有附加特點的獨立選定的兩種光焦度(或者焦點)，以使e光線能在唯一與光軸垂直的方向上通過雙折射透鏡。所有的e光線在與光軸垂直的方向上通過雙折射透鏡的情況，在這里將稱為雙折射透鏡系統的“理想幾何結構”的實施例。
圖1表示具有理想幾何結構的雙折射透鏡系統的一種實施例。它裝有各向同性透鏡元件10和30以及雙折射透鏡元件20。各向同性透鏡元件10有兩個球面R1和R2，各向同性透鏡元件30有兩個球面R3和R4，它們分別位于雙折射透鏡元件20之前和之后。雙折射透鏡元件20有兩個互補的球面R2和R3，并以實心箭頭指示其光軸(正如在所有隨后的附圖中一樣)。令此透鏡系統予先選定光焦度(也可以確定相應的焦點)為Da和Db，則下述限制條件適用于理想幾何結構的雙焦點透鏡系統。
D34+Do+D12＝Da(1a) D34+De+D12＝Db(1b) 而“理想幾何結構”的限制條件為 (ne-1)× 1/(R2) =-D12 其中D12及D34分別為前一塊和后一塊各向同性透鏡元件的光焦度;Do和De為雙折射透鏡元件對o光線和e光線的光焦度。
對于這種理想幾何結構的實施例來說，下述關系式是適用的 (DO)/(nO-1) = (De)/(ne-1) (3) 或者寫作De＝m·Do(4) 其中m= (ne-1)/(no-1) (5) 由此，圖1所示理想幾何結構的雙焦點透鏡系統，可由下式進行描述 DO= (Da-Db)/(nO-ne) ×(nO-1)(6a) DO= (Da-Db)/(nO-ne) ×(ne-1)(6b) D34＝Da-Do-D12(7) 舉例來說，如果曲率半徑R3是予先選定的，那么R2就可根據等式(6a)或(6b)計算出來。隨后，根據計算出來的曲率半徑R2和等式(2)，就可以確定半徑R1;根據予先選定的半徑R3和等式(7)，就可以算出R4。從原則上講，四個曲率半徑中的任何一個都可以予先選定。
對于非理想幾何結構的雙折射透鏡系統，更為一般的實施例來說，e光波是不需要垂直于光軸的方向上，通過雙折射透鏡的。因此e光線所具有的單獨有效折射率值ne，eff處在ne與no之間。由于予先知道的即不是有效折射率ne，eff，又不是e光線在雙折射透鏡內的光路，而光路和有效折射率ne，eff又是互相關的，所以與雙折射透鏡結合在一起的，透鏡系統的實際性能，無法依據ne值和透鏡的幾何結構直接進行判定。
雙折射透鏡性能的合理計算，是建立在對經過該透鏡的光線，仔細進行光線追跡基礎上的。這種光線追跡，包括要在各向同性介質和雙折射介質之間的任意取向的界面之前和之后，確定光傳播矢量的空間分量。對于光軸或其方向選定的雙折射介質來說，上述確定，就要涉及惠更斯作圖法，即在橢園超環面上對切平面作圖的一般情況。例如可參見斯創格(J.strong)所著“經典光學定則”(p138，W.H.FreemanandCompany，1958)。當然，建立在這種光線追跡基礎上的計算，也可以應用在o光線上，實際上所有感興趣的透鏡性能方面的數據，如光焦度、象的銳度、色差和球差，都可以計算出來。其中包括計算穿過兩種光學介質之間界面光的，透射幅度的菲涅爾公式，也可供用來確定多焦點透鏡的透射強度。
按照本發明所述的非理想幾何結構的雙折射透鏡系統的實例，現在結合附圖2-5一起給出。在這些實例中，采用以下定義 圖2中雙折射透鏡元件20的設計結果，說明如下 前表面曲率半徑R2＝7.5毫米 后表面曲率半徑R3＝7.8毫米 中心厚度C23＝0.05毫米 透鏡系統的直徑d＝6毫米 光軸的取向γ＝90° 折射率no＝1.443;ne＝1.8 入射光方向ar＝0° 圖2所示雙折射透鏡元件對于o光線的計算結果，見表1A
圖2所示雙折射透鏡元件，對于e光線的計算結果，見表1B
上述數據表明，實際的后頂點屈光度DO和DE，要比相應的DVO和DVE值大。這是由于這束入射光線的孔徑不是零的緣故。實際上，它還可以表明，對于孔徑為零的入射光來說，DO和DVO完全相同，而且DE和DVE接近相同。對于軸上入射光的情況來說，兩個焦斑是準確地位于透鏡軸線上。應該注意的是，與o光線象的銳度相比，e光線象的銳度是極好的。對于e光線的傳輸損耗要比o光線高，這是由于e光線偏向程度比o光線大的原因。
在圖3A和3B所示的雙折射透鏡系統中，圖2所示的雙折射透鏡元件20，是和各向同性透鏡元件10和30組合在一起的。這兩個透鏡系統之間的差異，僅在于圖3A中雙折射透鏡元件20的光軸取向實質上是垂直于透鏡軸線的，而在圖3B中，相對透鏡軸線大約傾斜60°。對于這兩個透鏡系統來說，透鏡參數的選擇，應使該透鏡系統對尋常光線是無焦點的(即顯示為零光焦度)，而且對e光線則顯示正光焦度。這些參數如下 曲率半徑R1＝7.85毫米 R2＝7.5毫米 R3＝7.8毫米 R4＝7.8毫米 中心厚度C12＝0.04毫米 C23＝0.05毫米 C34＝0.03毫米 透鏡系統的直徑n12＝1.443 no＝1.443;ne＝1.8 n34＝1.443 入射光的取向γ＝90° 入射光的方向ar＝0° 對圖3A所示雙折射透鏡元件o光線的計算結果見表2A
對圖3A所示雙折射透鏡元件e光線的計算結果見表2B
而且對與透鏡平行的所有入射光線來說，其兩個焦斑都是準確地、位于透鏡軸線上的。與圖2所示單塊雙折射透鏡的情況相比，e光線的透鏡強度是增加的，但銳度略有降低。
還要提及圖3A所示的透鏡系統，對于離軸的入射光來說，提供了該系統的性能。以下，對于表3和表4中陳述的計算結果的討論，僅限制在e光線，因為o光線的工作方式，能從已知的各向同性透鏡中確定。
首先，對于入射平面與雙折射透鏡元件光軸之間夾角為零的入射光線的情況，其數據在下述表3中給出。
表3.入射光的方向ar＝30°;ap＝0°
＊對同軸入射光的計算結果。
從這些數據中可以看到，本發明所提供的雙折射透鏡系統，所顯現的有效光焦度DF，實際上是和同軸入射光的光焦度DVE一樣。從設計透鏡的觀點出發，這種特性可能是有利的，例如在檢眼透鏡的情況下，特別是在希望保持同樣的有效光焦度，而不考慮入射光相對透鏡軸線的角度，甚至可將象的銳度損失一些接觸透鏡的情況下。
其次，對于光軸與入射光平面垂直的離軸入射光線來說，代表該透鏡系統性能的數據，在下述表4中給出。
表4.入射光的方向ar＝30°;ap＝90°
＊對同軸入射光的計算結果 對這種類型的入射光所作的比較分析表明，本發明提供的雙折射透鏡系統，非常象具有相同光焦度DVE的各向同性透鏡系統一樣使用。對于設計接觸透鏡這種說法的實際結論是，標準化了的光學關系和光學性能，對這種類型入射光的本雙折射透鏡系統而言，基本上是正確的。
將表3及表4的數據結合后表明，在雙焦點接觸透鏡的情況下，閱讀的添加，最好是由e光線提供，距離的添加最好是由o光線提供。這些相同的數據進一步表明，雙焦點接觸透鏡的光軸，應該是沿著實質上為垂直的方向定向的，此處的視場被理解為水平的，例如從左到右。反過來說，這里的視場主要是在垂直方向上觀察，而圖3和圖4的數據表明，雙焦點接觸透鏡光軸的方向，實質上應是水平的。
正如上文所指出的那樣，為了提供兩種任意予選的光焦度，只需要有一個雙折射透鏡元件和一個各向同性透鏡元件。然而對于特殊應用來說，提供三個或更多個透鏡元件的系統是有利的。由本發明所予期并在圖3A中表示出來的透鏡系統，它包括一塊鞏膜接觸透鏡，其中雙折射透鏡元件20的直徑，相應于瞳孔的最大直徑，并被植入包在各向同性透鏡元件之內，而后者的直徑相應于鞏膜的直徑。分別處在雙折射透鏡元件之前和之后的各向同性透鏡元件10和30，可被看作總透鏡系統的兩塊各向同性透鏡元件。各個元件都可以由同一種或不同種光學介質來制作。舉例來說，象在上述已有專利中描述過的雙折射聚合物，或者定向聚合物(例如延展的聚甲基丙烯酸甲酯)，都可以同任何一種已知的各向同性接觸透鏡介質(如氫化甲基丙烯酸甲酯聚合，或者未延展的聚甲基丙烯酸甲酯)組合，以便提供本發明所述的雙焦點接觸透鏡。
圖4表示本發明提供的另一種雙折射透鏡系統，其所具有的雙折射透鏡元件20和各向同性透鏡元件30的設計參數如下 曲率半徑R2＝38毫米 R2＝50毫米 R4＝-50毫米 中心厚度C23＝0.2毫米 C34＝1.0毫米 透鏡系統的直徑d＝6毫米 透鏡介質折射率no＝1.443;ne＝1.8 n34＝1.443 光軸取向γ＝90° 入射光的方向ar＝0° 圖4所示雙折射透鏡元件，對o光線的計算結果見表5A
圖4所示雙折射透鏡元件對e光線的計算結果見表5B
上述計算結果表明，本發明提供的雙折射透鏡系統，可以用作雙焦點眼內透鏡。
如圖3B中表示的那樣，本發明提供的光軸取向不與透鏡軸線垂直的雙折射透鏡系統，是雙焦點的。
圖3B所示雙折射透鏡元件對o光線的計算結果見表6A
圖3B所示雙折射透鏡元件對e光線的計算結果見表6B
＊＊對于γ＝90°的計算結果 從上述計算結果可以看出，與e光線相聯系的光焦度是減小的。這是由于有效折射率ne.eff比ne小的事實決定的。對于e光線象的品質要比γ＝90°的情況差一些。為此，光軸與透鏡軸線之間的夾角γ不等于90°，只適用在少數場合。
然而，對于γ至多和90°僅有很小偏差的情況、透鏡的性能、可以令人滿意。為此在本發明的范圍之內，可將光軸位于聚合物薄板平面內的，雙折射聚合物薄板加以彎曲，以使其呈現圓柱形表面，園柱體的軸線則和這時的園形的光軸垂直。例如可以給出園柱體半徑的值，使其與雙折射透鏡的半徑之一相對應。對此種透鏡所作的分析表明，它差不多能和光軸垂直于透鏡軸線的透鏡一樣使用。很明顯，通過增加園柱體的半徑，近似得到閉合器。
在前面敘述的實施例中，雙折射透鏡元件是和一塊或者兩塊各向同性透鏡元件組合在一起的，是為了提供兩種不同的光焦度，其大小可以按彼此相互完全獨立的方式進行選擇，甚至對復合透鏡系統，是在保持其幾何參數獨立的條件下進行的。例如在接觸透鏡的情況下，這個獨立的參數能被用來設計此透鏡系統后表面曲率。一般說來，這種效果也可以通過將兩塊雙折射透鏡元件，進行組合達到。為了能夠只產生兩種光焦度，兩塊雙折射透鏡光軸之間的角度必需為90°，以使在一塊雙折射透鏡中的o光線，在第二塊雙折射透鏡中成了e光線，反過來也是一樣。這種結構可稱之為“交叉雙折射透鏡系統，表示在圖5中。
圖5所示由雙折射透鏡元件20和21組成的透鏡系統，其設計參數如下 前表面曲率半徑7.9毫米 中間表面的曲率半徑7.5毫米 后表面曲率半徑7.8毫米 第一透鏡的中心厚度0.06毫米 第二透鏡的中心厚度0.06毫米 透鏡系統的直徑6.0毫米 第一塊透鏡的光學介質no＝1.443;ne＝1.8 第二塊透鏡的光學介質no＝1.443;ne＝1.8 光軸的取向γ1＝γ2＝90° 光軸之間的夾角90° 入射光的方向ar＝0° 在給出表7的計算結果時，先定義下述各值 圖5所示雙折射透鏡系統的計算結果見表7
由圖5所示透鏡系統提供象的銳度，與各向同性一雙折射透鏡系統(例如圖3A)情況下的，同軸入射光具有同一個數量級。
交叉雙折射結構，對于兩束正交偏振出射的光波來說，能夠產生更大的屈光差，甚至對于非常薄的透鏡也一樣。很自然，這樣的結構可以用在接觸透鏡上。
上述實施例表明，本發明提供的雙折射透鏡系統，可以很方便地用于檢眼接觸透鏡或者用作至少具有兩種不同光焦度的眼內透鏡，至少對于一種遠距離視覺和至少一種閱讀是需要的。
本雙折射透鏡系統的實施例，也可以用作或者結合在檢眼用的眼鏡片中。這種透鏡的最佳實施例表示在圖9A和9B中，其中的40代表雙焦點雙折射透鏡部分，例如具有閱讀和遠距離視覺的雙折射一各向同性透鏡系統;50代表由傳統的各向同性介質制做的，對于遠距離視覺用的單焦距透鏡部分。在圖9A和9B所示的眼鏡片中，與透鏡部分40的o光線對應的光焦度，與透鏡部分50的光焦度是一樣的。比較有利的作法是，讓透鏡部分40和50中使用的各向同性介質是同樣完整的，例如聚丙烯酸脂，而構成部分40的雙折射透鏡元件，用的是雙折射介質，是延展的聚丙烯酸脂。為了進行閱讀，主要使用的是同軸入射光，也就是說，將眼的運動保持在閱讀的課本和瞳孔之間的直線上(具體說來是透鏡的軸線)。這種眼睛的運動，通常并不包括頭的運動。典型的閱讀距離是在眼之前大約40厘米處，而且印刷的課本典型化地、從左到右伸展20厘米。因而，在閱讀水平印刷的課本時，眼球晶狀體的軸線要環視約30°角。典型的眼鏡片透鏡，是在角膜之前12毫米處。因此，能夠提供閱讀光焦度的眼鏡片的區域，在水平方向大約不超過1厘米。在任何情況下閱讀的附加區域，也不需要寬于2厘米。在垂直方向上，可以測量的閱讀附加區只有1～1.5厘米。這種閱讀附加區最好位于眼睛片的底部，如在實施例圖9A和9B中表示的那樣。
在這樣的閱讀附加區域內，使用雙焦雙折射透鏡系統，較之傳統的雙區域雙焦眼鏡片呈現出明確的優點，在后一種情況下，雙區域的每一個區域都是單聚焦的。盡管以上對閱讀附加區域要求大小的考慮，也可應用在傳統的雙焦眼睛片上，然而這種鏡片通常顯示相當大的閱讀附加區。這主要是由于具有較高光焦度的，這種小區域的傳統眼睛片，從美容的角度無法打動人的事實決定的。通過比較可知，雙折射透鏡系統具有單焦鏡片的外觀，這就意味著閱讀附加區是無法同遠距離視場分清的，特別是在，雙折射透鏡如果象先前指出過的顯示的折射率no，和用在遠距視覺鏡片的折射率相同的情況下，更是如此。通過對比可以發現，稍微小一些的閱讀附加區，可以在鏡片厚度適中的情況下，提供相當大的閱讀光焦度，從而可以減輕此眼鏡片的整個重量。最后應當指出，雙折射透鏡系統，在這里能夠同時為閱讀及遠距離視力兩者提供所要求的光焦度。因此其視場能夠擴展到整個眼鏡片的面積上，這在需要遠距離視覺是在朝下的方向上，或者遠處目標是由躺著的人，進行觀察的情況是特別重要的。使用這種雙焦眼鏡，人們就能將頭顯著地朝前彎，以便能夠看到整個閱讀附加區。
正如上文所指出的，雙折射透鏡系統的兩種光焦度，是由兩個正交的偏振光波產生的。舉例來說，假如遠距離光焦度，是和垂直偏振面內的光波相關的，而且閱讀光焦度是和水平偏振面內的光波相關的，那么與偏振濾光片組合的太陽鏡，就能根據所注視的方向，有效地用來從兩種可得到的光焦度中，單獨地選擇每一種光焦度。這樣的太陽鏡，會按照比例同一個對遠距離視覺能在較大的區域內，產生垂直偏振光的偏振濾光片，和一個對于閱讀能在較小的區域內產生水平偏振光的，偏振濾光片進行組合。遠距離視覺和閱讀區域的分布，將如圖9A中看到的分布相對應。使用這樣的太陽鏡，在同傳統的偏光太陽鏡，能夠得到的光強相比沒有光強的損失時，起源于閱讀光焦度的離焦光，將在遠距離視覺光焦度中清除，反之也是一樣。也就是說，基本上是入射光強的50%能在兩個焦點中的每一個焦點上獲得。這樣設計的太陽鏡的實際外觀，在美容方面的優點，同傳統的偏光太陽鏡是沒有區別的。
假如兩塊雙折射透鏡的光軸不是成90°的，那么一般說來，將會有四種不同的光焦度，因為是由第一塊透鏡的o和e兩種光焦度同第二塊透鏡的o和e兩種光焦度組合而成的。在圖5所示的透鏡系統中，兩種額外的光焦度，會是-0.51和-0.47屈光度，即該透鏡實際上是三焦的。
圖7中表示的包括兩塊雙折射透鏡元件20和21的。雙折射透鏡系統，其光軸之間的夾角不是90°。一般說來，包括兩塊雙折射透鏡元件的透鏡系統的四種光焦度，可由下式給出 D1o+D2o＝Da (8a) D1o+D2e＝Db (8b) D1e+D2e＝Dc (8c) D1e+D2o＝Dd (8d) 其中D1o為第一塊透鏡對o光線的光焦度;D1e為第一塊透鏡對e光線的光焦度，如此等等。而且Da、Db、Dc和Dd為兩塊透鏡以接觸的形式組合后的最終光焦度。
透鏡的光焦度，可以非常近似地由下式給出(參見J.Strong，loc.cit.，p.319) D＝(n-1)×S 其中D為光焦度，n為折射率，S為透鏡的“形狀指數”。等式(9)也可以應用在非理想幾何結構的雙折射透鏡情況下(如圖3A、4和5)。根據等式(9)，第一塊透鏡對于o光線和e光線的光焦度D1o和D1e，可以由下式給出 D1o＝(n1o-1)×S1(10a) D1e＝(n1e-1)×S1(10b) 或寫作D1e＝m1×D1o (10c) 其中m1= (n1e-1)/(n1o-1) (5′) 其中n1e和n1o分別為第一塊透鏡對于e光線和o光線的折射率。類似的關系式，適用于第二塊透鏡。
作為一種具體實施例的透鏡，是由兩塊雙折射透鏡元件組成的，而且是由前面討論過的，同一種雙折射介質制做的。按照等式(5′)，(10)和(8)，屬于這種實施例的透鏡系統的四種光焦度，可以由下式給出 D10+D20＝Da (11a) D10+m×D20＝Db (11b) m×D10+D20＝Dc (11c) m×D10+m×D20＝Dd (11d) 這一組等式是重復的。因此它不可能獨立地、通過聯立而予選出四種光焦度。而它只能予選出合成出來的四種光焦度中的兩種。對于由不同雙折射介質制做的兩塊雙折射透鏡而言，這也是正確的。
假如圖7所示的透鏡系統是三焦點的，那么四種光焦度中的兩種必須是相等的。正如從等式(11)顯見的那樣，只有下述兩種可能性 Da＝Dd(12) 或者Db＝Dc(13) 在Da＝Dd的情況下，則D10＝-D20，而且隨之而來的是Da＝Dd＝0。那么該透鏡系統的三種光焦度就是 Db＝D10×(1-m) (14) Da＝Dd＝0(15) Dd＝-D20×(1-m) (16) 即它們是等間隔的，這三種光焦度之刻的固定間隔是可以隨意挑選的，即三種光焦度的兩種都可以予選。通過選擇間隔，就可以確定D10值。假如兩塊透鏡具有公共的，或者互補的相對表面，那么隨意選擇一個透鏡表面之后，D10就可用來確定另一個透鏡表面。
Db＝Dc的情況最終可導致D10＝D20，而且三種光焦度將由下式給出 Da＝2×D10(17) Db＝Dc＝(m+1)×D10(18) Dd＝2×m×D10(19) 正如從等式(17)-(19)可以看出的那樣，三種光焦度之一的值，也可以用來確定其它兩種光焦度。因此，作為這種特殊情況，彼此獨立地予選兩種光焦度是不現實的。
雖然由前面的討論可以看出，通過加進一塊各向同性透鏡，可以將一組光焦度變換為所需要的一組值，而不必改變單個光焦度之間的差額。
在包括兩塊雙折射透鏡的透鏡系統中，如果為這些雙折射透鏡，提供的轉動自由度是繞著透鏡軸線的，那么該透鏡系統的作用，在使用非偏振光時，不是作為四焦點透鏡就是作為雙焦透鏡。圖8就表示這樣一種透鏡系統，它是將起偏器60和兩塊雙折射透鏡元件20和21結合在一起的。正如上文所指出的，假如將兩塊雙折射透鏡元件和非各向同性透鏡元件結合在一個系統中，那么只有四種可以得到的光焦度中的兩種光焦度，是可以獨立地予先確定的。舉例來說，如果兩塊雙折射透鏡元件之一，是同另一塊各向同性的或者雙折射的透鏡元件進行組合，那么組合后的透鏡元件，就能獨立地顯現出兩種可供選擇的光焦度D1和D2。隨之而來的四種最后得到的光焦度，可由下式給出 D1+D20＝Da (20a) D1+m×D20＝Db (20b) D2+D20＝Dc (20c) D2+m×D20＝Dd (20d) 由這組等式(20)，可以得出結論，四種光焦度中的任意三種，都可以予選定其值，剩下的第四種光焦度，可作為予選定的三種光焦度的函數。
歸納以上討論的結果，可以得出如下結論 (1)給定介質的單塊雙折射透鏡，能夠同時顯示出兩種不同的光焦度，只有其中的一種光焦度是可以予定其值的，而另一種光焦度則作為此予定值的函數。
(2)由雙折射透鏡元件和一塊各向同性的或者另一塊雙折射的透鏡元件組成的透鏡系統，能夠顯示出兩種光焦度，其中每一種光焦度都可按照彼此完全獨立的方式予先選定。
(3)由兩塊雙折射透鏡組成的透鏡系統，一般說來能夠顯示出四種光焦度，其中的兩種光焦度可以獨立地予先選定，而剩下的兩種光焦度則作為前兩種光焦度的函數。
(4)假如將兩塊雙折射透鏡同一塊各向同性的或另一塊雙折射透鏡元件組合，那么四種可能得到的光焦度中的三種可以予選定，只有第四種可作為前三種予選定光焦度的函數。
(5)可以看出，在包括三塊雙折射透鏡的透鏡系統中，總共八種最后得到的光焦度中只有三種可以獨立地進行予選。
(6)假如將三種雙折射透鏡同一塊各向同性的或另一塊雙折射的透鏡元件組合，那么八種最后得出的光焦度中的四種可以隨意予選給定值。
一般說來，包括M個雙折射透鏡的透鏡系統，最后得出的光焦度個數N，可由下式給出(例如可參見上文的，Eng.etal.，loc，oit.) N＝2M(21) 可以完全獨立地選定的光焦度的個數Nfree為 Nfree＝M (22) 在由M個雙折射透鏡元件組成的系統中，如果至少有一個元件是同各向同性的或另一個雙折射的透鏡元件組合的話，那么最后得出的光焦度個數仍是N，只不過獨立選定光焦度的個數Nfree，由下式給出 Nfree＝M+1 (23) 以上關系式適用于M個予先確定的雙折射介質情況。如果選擇是在所選定的M個雙折射介質中進行，那么就可能給出比Nfree個光焦度更多的所要求值的光焦度。
雙折射透鏡和透鏡系統，提供一種可能性，認為不同的強度是由不同的光焦度引起的。在討論強度關系時，首先應當指出的是，入射的自然光的振幅是按矢量劃分的，即劃分為同o光波和e光波相關的振幅Ao和Ae，每一個都顯示一定的值。
AO=Ae= (A×20.5)/2 (24) 式中A為入射光的振幅。由此可見，能夠得到強度的50%是直射在兩個焦點中的每一個焦點上的。因此，兩個焦點中的每個焦點上的聚焦和離焦光強之間的關系是1∶1。這同其它已知同時觀察的上述雙焦透鏡設計相比極為有利。
假如入射在至少包括一塊雙折射透鏡的透鏡系統上的是線性偏振光，那么這個比值可以給定所需要的任何值。圖6表示一個雙折射透鏡系統，其中雙折射透鏡元件20的光軸，對入射的偏振光振動平面的相對取向，是用角度β來表征的。而偏振光是由偏振裝置80產生的。分別同o光線和e光線相聯系的光強Io和Ie，可由下式給出 Io＝IpSin2β (25a) Ie＝Ipcos2β (25b) 其中Ip為入射偏振光的光強。由等式(25)可以清楚地看出，Io與Ie之比可以通過對β角的適當選擇而給定任意值。假如用來產生偏振光的是共同的偏振光片，那么不難看出，要靠損失總光強來達到。但是在某些應用中，減小一種光焦度下的離焦光強度，并不比具有更高一些的，然而是相等的，與兩種光焦度相關的光強更重要。此外，在某些應用中有可能使用高透射率的偏振光，例如在美國專利3，552，985中所公開的那種，這種情況下，可能得到的總光強是不受影響的。
一般說來，上述考慮可以用到雙折射透鏡系統上，即用在例如包括兩塊交叉的雙折射透鏡元件的系統(圖5)，或者用在將一塊雙折射及一塊或者多塊各向同性透鏡元件相結合的透鏡系統中(圖3A、3B及4)。
與圖7所述雙折射透鏡系統的四種光焦度相聯系的光強，可由下式給出 I(OO)＝(I/2)×Cos2β12(26a) I(OE)＝(I/2)×Sin2β12(26b) I(EO)＝(I/2)×Sin2β12(26c) I(EE)＝(I/2)×Cos2β12(26d) 其中I(OO)為同前一塊及第二塊雙折射透鏡的o光線相聯系的光強，如此等等。I為入射的非偏振光的光強，β12為兩塊雙折射透鏡元件光軸之間的夾角。由等式(26)顯然可以看出，某些自由度存在于由不同的光焦度產生的光強之中。舉例來說，如果將透鏡系統，做成在所有三種光焦度上都是等強度的三焦的，那么對于上述的那么D10＝-D20的情況來說β12可由下式 I(OO)+I(EE)＝I(OE)+I(EO)(27) 或者Cos2β12＝(Sin2β12)/2 (27′) 來確定。最終得到 β12＝54.7° (28) 對于其他上文可能的情況來說，兩個光軸間的夾角必須是 β12＝35.3° (29) 如果偏振濾光片是象圖8中表示的那樣，是在包括兩塊雙折射透鏡元件，以及隨意一塊或多塊各向同性元件的之前使用的話，那么與四種最后得到的光焦度相聯系的光強，可由下式給出 I(OO)＝(I/2)×Sin2β×Cos2β12(30a) I(OE)＝(I/2)×Sin2β×Sin2β12(30b) I(EO)＝(I/2)×Cos2β×Sin2β12(30c) I(EE)＝(I/2)×Cos2β×Cos2β12(30d) 等式(30)表明，如果雙折射透鏡的轉動自由度是圍繞透鏡軸線提供的，則圖8所示的透鏡系統可以做成單焦的、雙焦的或者四焦的。
B.多焦點的消色差或者顯示予定量色差的雙折射透鏡系統 按照本發明將一個或多個雙折射透鏡，同一個或多個各向同性透鏡元件組成而構成的多焦點透鏡系統，在不同程度上也可以是消色差的。以下對消色差透鏡系統的考慮，是同諸如赫茲伯格(M.Herg-berger)在“物理手冊”(McGraw出版社，1967，p.6-42)中提出的形式相當的。赫茲伯格對消色差的論述，較之更通常應用的理論(例如由J.Strong在loc.cit.p.319或M.Born在“Optik”，Spriger-verlag，1972，p.82中提出的)略有不同。而且應當指出，下面對消色差雙折射透鏡系統的敘述，在此如前面所定義的要求單塊元件是相互的“鄰接”的，只不過不象圖1、3A、3B和圖4-9中所描述的，非消色差透鏡系統那樣，它們并不需要具備，同樣的或者互補曲率的相對透鏡表面。
假如下面一組方程式能夠有解(討論是在具有一塊雙折射透鏡和兩塊各向同性單透鏡更為普遍的情況下進行，這種情況包括理想幾何結構的實施例)，那么一塊雙折射透鏡元件和至少一塊各向同性的透鏡元件組成的透鏡系統，不是具有理想的幾何結構，就是具有非理想的幾何結構 Dl，bl+D20，bl+D3，bl＝Da，bl (31a) D1，r+D20，r+D3，r＝Da，r (31b) D1，bl+D2e，bl+D3，bl＝Db，bl (31c) D1，r+D2e，r+D3，r＝Db，r (31d) 附帶條件為 Da，bl＝Da，r＝Da(32) 以及 Db，bl＝Db，r＝Da(33) 在這組等式(31)-(33)中，D1，bl稱作各向同性透鏡“1”對蘭光(“bl”)的光焦度;D20，bl稱作雙折射透鏡“2”對o光線和蘭光(“bl”)的光焦度;D3r稱作各向同性透鏡“3”對紅光(“r”)的光焦度，如此等等。
應當指出，角標“bl”和“r”意指只是兩種不同的波長，而且下面的敘述并不限定為與蘭光和紅光相應的兩種特指波長。
目前以及隨后采用符合事實的是，上述透鏡形狀因子，以逼近近似由下式給出 S＝ (D)/(n-1) (9′) 其中D為透鏡的光焦度;n為此光焦度相關的折射率。為簡單起見，隨后將n-1值稱之為n′，即n′＝n-1 作為一個實例，光焦度D3，bl和D3，r可通過下式聯系在一起 如果等式(31)表示的透鏡系統，在兩種光焦度上是消色差的，則下述條件必須能滿足 D20，bl-D2e，bl＝D20，r-D2e，r (35) 由此而得出以下限制 n20，bl-n2e，bl＝n20，r-n2e，r (36) 對于e光波和對于o光波的折射率之差，視稱之為介質的“雙折射”。隨之而來的是，假如雙折射透鏡元件在兩種特指的波長(例如上面指出的蘭光和紅光)上的“雙折射”是相同的，那么將一塊雙折射透鏡元件，同至少一塊各向同性透鏡元件結合而成的透鏡系統，可以作到在對于非理想幾何結構及理想幾何結構兩種實施例的，兩種予選光焦度下的消色差。
能夠產生兩種予選光焦度，而且將一塊雙折射透鏡同兩塊各向同性透鏡結合而成的透鏡系統，一般說來，可以在兩種予選光焦度之一上做到消色差。作為一個實例，假定在所述的透鏡系統中與e光線相關的光焦度是消色差的，那么下面一組等式必須有解 D1，bl+D2e，bl+D3，bl＝Da，bl (37a) D1，r+D2e，r+D3，r＝Da，r (37b) D1，bl+D2o，bl+D3，bl＝Db，bl (37c) 考慮等式(9′)及(34)，這組等式可變換為
而且對于消色差透鏡來說，下述條件必須成立 Da，bl＝Da，r (39) 假如透鏡在此光焦度上能顯示一定的色差，那么Da，b和Da，r也要予選給定不同值。
一般說來，等式(38)可以有解，最終可得出D1，bl，D2e，bl，D3，bl并根據等式(34)可得出所有其它光焦度。
在透鏡光焦度給定時，對透鏡幾何結構的一個自由度就保留下來。隨之而來的是對透鏡系統的幾何結構來說，三塊相接觸的透鏡，能顯示出三個自由度;兩塊復合的透鏡(即形成了公共表面的)與第三塊透鏡接觸，能顯示兩個自由度;三塊復合透鏡，仍然顯示一個自由度。
假如希望等式(38)表示的透鏡系統，能夠在予選的光焦度之一上消色差，而且還具有理想的幾何結構，那么就可根據下列途徑來達到 (1)可將雙折射透鏡元件放在前面，以使光首先入射在它上面，而且雙折射透鏡的第一個表面要做成平面。
(2)透鏡系統的幾何結構，可根據下述條件設計 D1＝-D2e，fs (40) 式中D2e，fs為與第一塊各向同性透鏡鄰接的，雙折射透鏡的第一個表面的表面折光度;D1為第一塊透鏡的光焦度;D1及D2e，fs兩者都對應于，任何可見光波長 (3)假如兩塊各向同性透鏡元件，是放在雙折射透鏡組合前面，則下述條件必須滿足， D1+D3＝-D2e，fs (41) 其中D3為剩下的各向同性透鏡的光焦度。
嚴格說來，只有根據(1)產生的幾何結構，對“蘭”、“紅”兩種波長，具有理想幾何結構性質，而(2)和(3)僅對等式(40)和(41)中選擇的波長，產生理想的幾何結構。但是由于通常適中的波長，均與各向同性介質及雙折射介質的折射率有關，所以約束條件(2)和(3)得到的幾何結構基本上是理想的。
現在可以對在兩種予選光焦度下的，消色差雙折射透鏡系統進行描述。
在透鏡系統是由兩塊交叉的，雙折射透鏡元件組成，但無各向同性透鏡元件的情況下，下面一組方程式必須有解 D1o，bl+D2e，bl＝Da，bl (42a) D1o，r+D2e，r＝Da，r (42b) D1e，bl+D2o，bl＝Db，bl (42c) D1e，r+D2o，r＝Db，r (42d) 而且附加消色差條件 Da，bl-Da，v＝Db，bl-Db，r＝0 (43) 解方程(42)和(43)，所提供的下列條件成立 (n1o，r-n1l，r)-(n20，r-22e，r)＝(n1o，bl-n1e，bl)-(n2o，bl-n2e，bl) (44) 從而，兩塊透鏡的雙折射之差，對兩種所需要的波長必需是相等的。這也就成為對雙折射介質的限定。
最后介紹由兩塊定義的雙折射透鏡元件，同兩塊各向同性透鏡元件組合的透鏡系統。假如這種系統在兩種予選的光焦度下是消色差的，那么下面一組方程式必須有解 D1，bl+D2o，bl+D3e，bl+D4，bl＝Da，bl (45a) D1，r+D2o，r+D3e，r+D4，r＝Da，r (45b) D1，bl+D2e，bl+D3o，bl+D4，bl＝Db，bl (45c) D1，r+D2e，r+D3o，r+D4，r＝Da，r (45d) 此方程組可變換為
如果兩種予選的光焦度是消色差的，則公式(43)也必須成立。
一般來說，公式(46)是有解的，但只是對于兩種不同的雙折射介質的情況才行。
正如上文早已闡明的，對于一塊給定光焦度的透鏡，存在著一個幾何結構方面的自由度。如果公式(46)的四塊透鏡是接觸的，但不是復合的，那么為設計目的最多只能提供四個自由度。這些自由度可以用來產生理想幾何結構的透鏡系統。
舉例來說，如果希望保證讓所有的e光線，在第一塊雙折射透鏡元件中，基本上與光軸成直角，那么此透鏡元件必須位于各向同性透鏡元件的后面，該各向同性透鏡元件所具有的光焦度D1，滿足以下條件 D1＝-D2e，fs (47) 式中D2e，fs為第一塊雙折射透鏡元件，對可見光波長的前表面折光度。
如果在第一塊雙折射透鏡元件中的e光線，象在第二塊雙折射透鏡元件中的e光線一樣，都與光軸垂直，那么這兩塊雙折射透鏡元件的前表面，必須設計成，除滿足公式(47)之外，還必須滿足條件 D1+D2o＝-D3e，fs (48) D3e，fs為第二塊雙折射透鏡元件，對于e光線以及對可見光波長的前表面折光度。由于只有兩種自由度，能滿足公式(4)，和(48)的要求，而且由于四種自由度是可以得到的，因此根據本發明提供的透鏡系統，能夠獨立地顯示兩種予選的消色差光焦度，還能在兩塊雙折射透鏡元件中顯示理想的幾何結構。
需要指出的是，對于具有很高的雙折射透鏡元件來說，e光線的折射率，對e光線在雙折射透鏡中方向的依賴關系，可能比該折射率對波長的依賴關系更重要。因此，對于消色差變焦雙折射透鏡系統結構來說，理想幾何結構的實施例可能是基本的。
假如兩塊雙折射透鏡元件不是交叉的，也就是說，假如兩個光軸之間的夾角不是90°或0°，那么一般說來，此透鏡系統就會顯示四種光焦度。由于雙折射透鏡中的o光線，是同各向同性透鏡中的通常光線相當的，所以理想幾何結構的概念不能用于o光線。因此，與o光線有關的光焦度，在第一和第二兩塊雙折射透鏡中是消色差的，而與此透鏡系統對e光線能否滿足，理想幾何結構的限制無關。所以與o光線和e光線相關的光焦度，以及分別與第一塊和第二塊雙折射透鏡中的o光線和e光線，以及e光線和o光線相關的光焦度，能夠滿足嚴格的消色差，和/或理想幾何結構的限制;只有e光線在第一塊雙折射透鏡和e光線在第二塊雙折射透鏡中光焦度的組合，是與理想幾何結構的實施例無關的。由于四種最終得到的光焦度中的三種，是可以給出予選值的，比較有利的作法是予選出O-O-、O-e-和e-O-三種光的光焦度。
在所有上述考慮中，都是假設入射光是由平行光線組成的。如果任何一個討論的透鏡系統是用于非零聚散度的光，那么可以將一個能夠把非零聚散度的光，轉換成零聚散度的光，的準直透鏡放在該透鏡系統的前面。這種準直透鏡本身，可以是已知的或者是傳統的消色透鏡。對于將一個或多個附加的各向同性透鏡元件組合在一起的系統，這種能夠予選光焦度的計算，可以根據標準光學方法，基于對入射平行光所描述的結果進行。這樣做，就能從總體上用兩塊光焦度為Dx和Dy的各向同性透鏡元件，來代替j72的后續的各向同性透鏡元件，即 D1，bl+D2，bl×…+Dj，bl＝Dx，bl+Dy，bl (49a) D1，r+D2，r+…+Dj，r＝Dx，r+Dy，r (49b) 可以根據Dx和Dy求解。
由前所述顯然可以看出，增加偏振裝置并保證偏振透鏡元件，和這種偏振裝置繞透鏡軸線轉動的自由度，就能將本發明所述的透鏡系統，轉換為可變光焦度的消色差透鏡系統。
對上述非消色差透鏡，以及透鏡系統的所有考慮，也可以用于消色差透鏡和透鏡系統。
將本透鏡系統同消色差的或者非消色差的透鏡系統組合，就能提供高倍率的光學裝置或儀器。由于消色差透鏡之和也是消色差的，所以，如果消色差透鏡是同其他消色差透鏡系統結合在一起使用，那么這種可變光焦度的裝置就能夠提供消色差的單個或多種光焦度。不同的光焦度，可以通過適當地轉動偏振裝置和/或通過轉動雙折射透鏡元件，或透鏡系統來進行選擇。
此外，兩個或更多個消色差的或非消色差的透鏡系統，可以組合成一個系統，其中的一個或更多個透鏡系統，對沿該透鏡系統軸線的平移還有一個自由度。這樣的組合系統，正如從標準光學中知道的那樣，可以用作可變焦度裝置。對于雙折射透鏡元件和/或偏振裝置轉動增加的自由度，可以加在對所要選擇的光焦度的附加自由度上。
這些評論只是作為表示本發明所述透鏡系統可能應用的廣闊領域來理解的。譬如這些應用包括攝影機、望遠鏡、復印機、光具座、遙控用光學裝置等。
盡管表示本發明的實施例、在這里是參照


的，但是應當理解為本發明并不局限于這些明確的實施例，而且其它一些變化及變型，在此都可以由有技術的人實現，而不超出本發明的范圍和精神實質。
權利要求
1、一種非消色差的多焦點雙折射透鏡系統，其特征在于它包括
a，第一塊雙折射透鏡元件，以及
b，與上述第一塊透鏡元件鄰接的第二塊透鏡元件、第一及第二塊透鏡元件兩相對表面的曲率，實質上是相同的或者互補的，上述第二塊透鏡元件可以是
(1)一塊光軸取向，不同于雙折射透鏡元件(a)的光軸取向的，雙折射透鏡元件，或者是，
(2)一塊雙折射透鏡元件，其中的兩種折射率，不同于雙折射透鏡元件(a)的兩種折射率，或者是，
(3)一塊雙折射透鏡元件，其中對通常光波的折射率，與雙折射透鏡元件(a)對通常光波的折射率相同，但其中對非尋常光波的折射率則與雙折射透鏡元件(a)對非尋常光波的折射率不一樣，或者是，
(4)一塊雙折射透鏡元件，其中對非尋常光波的折射率與雙折射透鏡元件(a)，對非尋常光波的折射率相同，但其中對通常光波的折射率，則與雙折射透鏡元件(a)對通常光波的折射率不一樣，或者是，
(5)一塊各向同性透鏡元件，其所提供的是，對平行于透鏡軸線入射的光來說，上述透鏡系統至少同時具有兩個焦點，其中每個焦點位于此透鏡系統軸線上任意予選的正焦距或負焦距處，其更進一步提供的是，或者第一塊或者第二塊透鏡元件的任意一個表面可以給定其曲率，而不受上述予選焦點的影響。
2、如權利要求1所述的透鏡系統，其特征在于它具有理想的幾何結構。
3、如權利要求1所述的透鏡系統，其特征在于它具有非理想的幾何結構。
4、如權利要求1所述的透鏡系統，其特征在于它并不顯現多余的焦點。
5、如權利要求1所述的透鏡系統，其特征在于所利用的一塊或更多塊雙折射透鏡元件，是由聚合的雙折射材料制成的。
6、如權利要求4所述的透鏡系統，其特征在于它可以用作檢眼透鏡。
7、如權利要求6所述的透鏡系統，其特征在于此檢眼透鏡是一塊接觸透鏡。
8、如權利要求1所述的透鏡系統，其特征在于，雙折射透鏡元件(a)至少是同雙折射透鏡元件(b)、(1)、(2)、(3)和/或(4)相互組合的。
9、如權利要求1所述透鏡系統，其特征在于雙折射透鏡元件(a)至少是同一種各向同性透鏡元件(b)(5)組合在一起的。
10、如權利要求1所述的透鏡系統，其特征在于更包括至少一塊不同于雙折射透鏡的起振裝置，和/或至少一塊偏振濾光片。
11、一種與權利要求1所述透鏡系統結合的光學裝置、儀器或設備。
12、一種至少在一個焦點上消色差或顯示予定量色差的多焦點雙折射透鏡系統，其特征在于，它包括
a，一塊光軸與透鏡軸線實質上垂直的第一塊雙折射透鏡元件，以及
b，與上述第一塊雙折射透鏡元件鄰接的第二塊透鏡元件，上述第二塊透鏡元件可以是
(1)一塊光軸取向不同于雙折射透鏡元件(a)的光軸取向的雙折射透鏡元件，或者是
(2)一塊雙折射透鏡元件，其中的兩種折射率不同于雙折射透鏡元件(a)的兩種折射率，或者是
(3)一塊雙折射透鏡元件，其中對通常光波的折射率，與雙折射透鏡元件(a)對通常光波的折射率相同，但其中對非尋常光波的折射率，則與雙折射透鏡元件(a)，對非尋常光波的折射率不一樣，或者是
(4)一塊各雙折射透鏡元件，其中對非尋常光波的折射率，與雙折射透鏡元件(a)對非尋常光波的折射率相同，但其中對通常光波的折射率，則與雙折射透鏡元件(a)對通常光波的折射率不一樣，或者是
(5)一塊各向同性透鏡元件，其所提供的是，對平行于透鏡軸線入射的光來說，上述透鏡系統至少同時有兩個焦點，其中每個焦點位于此透鏡系統軸線上任意予選的正焦距或負焦距處，其更進一步提供的是，至少兩個焦點之一的焦距，對聚焦光至少兩種不同的波長是相等的。
13、如權利要求12所述的透鏡系統，其特征在于它具有理想的幾何結構。
14、如權利要求12所述的透鏡系統，其特征在于它具有非理想的幾何結構。
15、如權利要求12所述的透鏡系統，其特征在于制做雙折射透鏡元件(a)的雙折射介質的雙折射，對兩種不同的波長是一樣的。
16、如權利要求12所述的透鏡系統，其特征在于至少一塊雙折射透鏡元件是和至少兩塊各向同性透鏡元件組合的，而且該透鏡系統能夠滿足下列關系式
17、如權利要求12所述的透鏡系統，其特征在于，至少兩塊雙折射透鏡元件，同至少兩塊各向同性透鏡元件組合，而且該透鏡系統能夠滿足下列關系式
18、如權利要求12所述的透鏡系統，其特征在于，它更進一步至少是由一塊不同于雙折射透鏡的起偏振器裝置和/或至少一塊偏振濾光片組成的。
19、一種與權利要求12所述透鏡系統結合的光學裝置、儀器或設備。
全文摘要
本發明敘述了一種多焦點雙折射透鏡系統，并同該透鏡系統作為檢眼透鏡(包括眼內的、接觸型和眼鏡型)，以及作為光學儀器和光學裝置(其中包括攝影機，望遠鏡、顯微鏡、復印機、攝譜儀等)的應用結合在一起。
文檔編號G02B5/30GK1035564SQ8810727
公開日1989年9月13日 申請日期1988年9月24日 優先權日1987年9月24日
發明者沃納·J·菲阿拉 申請人:阿勒根公司