CN1021990C - 采用相移阶梯的多焦镜片 - Google Patents

Abstract

本发明是涉及一种依靠同时观测现象从而使眼睛能同时看到两个清晰的象的多焦点光学镜片结构。特点是，本发明所制造的镜片使其所形成的多个象之间具有任意的相对亮度。

Description

本发明涉及多焦光学镜片结构，该结构建立在同时观察现象的基础之上，从而使人眼能同时看到两个清晰的图象。特别是，本发明允许这样制造镜片，使镜片所成的多个图象之间具有任意的相对亮度。

双焦点眼镜的设计是利用交替观测的原理。这就是说，眼睛交替地通过两个不同焦度的相邻镜片进行观测。由于接触式镜片具有随眼睛一齐运动的倾向，因而上述方法对接触式镜片来说并不成功。为解决这个问题，目前使用的双焦点接触式镜片都依靠同时观测现象，从而使眼睛能同时看到两个清晰的图象。例如，象德卡勒（DeCarle）在其美国专利No.3，037，425中所介绍的那样，即采用直径小于眼瞳孔的中心镜片、且中心镜片周围环绕着焦度不同的环形镜片来实现这一点。但只有当两个图象的相对亮度保持恒定时这种设计才能成功。遗憾的是，在现有的镜片设计中，由于眼瞳孔的直径通常是变化着的，因而两同心镜片所形成的图象的相对亮度彼此相对有改变。

新近的双焦点镜片结构，如美国专利No.4，210，391、No.4，338，005和No.4，340，283所介绍的那样，采用了带片设计。这些设计是通过衍射效应来实现两个不同的光焦度的。但由于这些镜片设计采用了多个同心环，这些同心环的直径要比眼瞳孔开闭时的瞳孔直径小，因而所使用的环的数量较少，而这些环能使两图象的相对亮度保持一样。

尽管这些镜片无论入瞳的大小如何都能在各不同焦点之间使图象的相对亮度保持恒定比值，然而这种恒定程度还不是总是令人满意的。

举例说，从图1中我们可以看到，按照本发明人的美国专利No.4，340，283所设计的闪耀带片双焦镜片，带的半径r（k）可由 $\mathrm{r\; (k)\; =}\sqrt{\mathrm{k\; *\; \lambda \; *d}}$ 求出，其中λ为设计波长，d为设计焦距。在这种情况下，两个象的亮度相等（即比值为1∶1），因为奇数带闪耀曾选择得按等于二分之一波长（λ/2）的深度成线性变化，所以奇数带的光焦度F_o等于1/d，而偶数带无闪耀，以便使偶数带的光焦度F_e等于零。这是根据本发明人的美国专利做的，其中规定1/d＝F_o-F_e。但如果我们考虑图2，这是一个闪耀深度只有四分之一波长的闪耀带片，这种镜片可能比图1的镜片更易于制造，我们看到图象的亮度是不相等的，因而限制了这种镜片作为眼用双焦镜片的使用。

本发明涉及具有给定剖面的多焦点的相位片，该相位片有多条环形同心带其间距符合公式：

$\mathrm{r\; (k)\; =}\sqrt{\mathrm{常数xk}}$

其中，r（K）是第K条带的半径，K代表一条带的标号，在带内重复的小阶梯并入剖面，且其光程长度大于或小于二分之一波长。

在多焦点镜片中，我们希望能将入射光平均分配到不同焦点上。这样做时重要的作用是以基本相等的光强增加（深）每个焦点处的图象亮度。本发明是利用了这样一个事实，即在采用衍射镜片设计的多焦点镜片中，使各个带的半径大体上遵循

$\mathrm{r\; (k)\; =}\sqrt{\mathrm{常数\; *\; k}}$

这个公式。这就是说，各环形带所取的间距可以产生半波长的整数倍的相移。在这些情况下，我们只要检查形成整个镜片的重复性图形的少量带即可全面分析这个镜片。举例说，在图1和图2中，我们只需要检查头两个带（即带1和2）即可。

我们首先考虑对单焦镜片相位片的分析。让我们从划分成图3所示若干同心半波带的光焦度为零的平面镜片着手。现在通过在奇数带 内切一个半波阶梯，将通过这些奇数带的光精确相移半个波长，于是形成图4的双焦点镜片。这首先是由R.W.伍德（R.W.Wood）在其所著的“物理光学”（Physical    Optics，麦克密伦公司，纽约1914年版，第37～40，217和218页）一书中提出的。他应用这项技术使传统的瑞利带片变亮，而且只考虑了半个波长的相移。

我们通过参看图5继续分析单焦点相位片，图5中有一个按常用方法通过将闪耀区切成深度为一个波长深的方法形成的屈光度为+1.0的单焦镜片，其中有一个闪耀区被切与平阶梯切口不同的成一定角度的切口。还有，采用R.W.伍德的方法，我们可以从各奇数带切出一个半波阶梯切口（图5的虚线部位），以便使通过这些奇数带的光产生相移。结果得出图6的双焦点相位片。尽管若不考虑半波长，只考虑相移阶梯会对半波带片有什么价值或用途这一点并不明显，然而这种分析将表明，正是通过考虑这类相移阶梯即可获得某些独特及出乎意料的结果。

首先让我们再回头看图2的镜片，在该镜片中，在0.0屈光度处的象的亮度大于在1.0屈光度处的象的亮度。在0.0屈光度处，通过各带的光在相位上的变化只是由闪耀引起的。在1.0屈光度处，通过各波带的光在相位上的变化，是半个波长相移加上闪耀所引起的相移。首先，考虑在0.0屈光度处的焦点和带1有四分之一波长闪耀深度这样一个事实，通过该带的光的振幅矢量Z1（O）往回转90度（负四分之一波长）。由于带2没有闪耀区，因而通过带2的光的振幅矢量Z2（O）完全没有移动。最后，两个合成振幅矢量之间的相角a（0）为135度，于是得到在0.0屈光度焦点处的象亮度B² ₀。在1.0屈光度焦点处，通过带1的光的振幅矢量Z1（1）向前转90度，而通过带2的光的振幅矢量Z2（1）向 前转180度。两个合成振幅矢量之间的相角a（1）为45度，产生在1.0屈光度焦点处的象亮度B² ₁。这一切都表示在图7a中，其中象的亮度是作为合成振幅Z1和Z2的矢量和计算出来的。由于我们是在考虑两个带，因而，指定通过两个带的各个小微分振幅矢量的总弧长值为1/2是很方便的。这样，在0.0屈光度的焦点处，我们得出，通过带1的光的合成振幅矢量 $\mathrm{Z\; 1\; (0)\; =}\sqrt{2}\mathrm{/\; \pi }$ 。同样，我们得出Z2（0）＝1/2，而矢量Z1（0）与Z2（0）之间的相角a（0）则为135度。合成亮度则给出为B² ₀＝0.77。基于同样的推理，在1.0屈光度焦点处，我们得出 $\mathrm{Z\; 1\; (1)\; =}\sqrt{2}\mathrm{/\; \pi }$ ，Z2（1）＝1/π，而a（1）＝45°，B² ₁＝0.10。

现在，在偶数带内切一个阶梯，我们能将通过偶数带的光进行相移，该相移量取决于阶梯的深度。本发明利用了任意相移的效应，不一定必须等于二分之一波长。图7b表示由附加b度相移所隔开的每个焦点的光振幅矢量Z1和Z2，Z1和Z2分别代表从带1和带2发出的光。图中还示出了在1.0屈光度焦点处的合成亮度B² ₀。在图7b中我们看到，当我们（通过增大阶梯深度）增大相角b时，暗淡的象B₁变亮，而较亮的象B₀变得暗淡。显然存在一个使两象的亮度正好相等的准确相移点。在此特定情况下，0.157波长的相移可以满足这个要求，图7c表示的正是这种结果的镜片。还应该指出的是，该镜片中小刻面的最大深度只有0.407个波长。其典型情况是，衍射镜片要求0.5个波长或更大一些的相移。能够减少所要求的最大相移是一个优点，因为许多制造技术（即离子掺杂技术）受限制于它们所能达到的最大相移。当然必须指出的是，这仅仅是应用相移阶梯的一个特殊例子，一般说来，我们可以选择0.157波长以外 的相移阶梯。

考虑将本发明应用到在0.0屈光度周围对称配置焦点的镜片上（如本发明人的美国专利No.4，338，005所介绍的那样）也是挺有意义的。图8表示了这种镜片的一个例子。这个特定的镜片是焦点亮度不等的三焦点镜片的一个例子。在此特定的情况下，采用0.212波长的相移阶梯，我们能够制造图9所示的等亮度三焦点结构。

参照三焦点镜片，我们将图3所示的零光焦度平面镜片作为焦点亮度不等的简并三焦点镜片来加以考虑。的确，在此情况下，其中两个焦点表现出亮度为零。但我们仍然可以应用本发明的原理。图10表示出所得到的三焦点镜片。这种三焦点镜片的一个重要优点是其阶梯的设计简单，因而容易制造，因为在许多制造技术（即离子反应蚀刻）中，蚀刻一个阶梯是要比刻画一个闪耀区容易得多。如果说R.W.伍德的双焦镜片是一个简单阶梯设计，则这个镜片就是简单设计的第一个三焦点镜片。从前面的分析可以清楚看出，每当X波长的相移产生一个令人满意的镜片时，通过采用（1.0-x）波长的相移，我们总还会得到一个互补镜片。图11表示出与图10所示镜片的互补的三焦点镜片。

到此为止，我们只考虑了单色光，若图10和11的镜片是为特定波长的光（例如黄光）而设计的，则衍射镜片中固有的色差会产生红（R）、黄（Y）和蓝（B）光的亮度分布，如图10和11所示。

除了在焦点的色差外，我们还看到亮度上的色差。但亮度的色差通常与互补镜片是相反的，这就允许我们设计组合镜片，正象图12所示那样，在这种场合下，我们能够大大减小亮度色差。

利用衍射能力的镜片，其亮度色差是固有的，所以对于给定的亮度色差，我们也能够设计一种镜片使之优先透射我们所选定的特定波长。举例说，参看图13的镜片，我们有一个三焦点镜片，该镜片在其0.0屈光度焦点处有利于透射蓝光，在其+1.0屈光度和-1.0屈光度的焦点处有利于透射红光。现在我们能利用0.5波长的相移阶梯束消除在0.0屈光度处的焦点，于是我们得出图14中所示的双焦镜片，该双焦镜片使蓝光衰减，同时有利于对红光聚焦。这当然对那些不得不尽量不用蓝光的无晶状体病人和其它病人是有利的。

鉴于上述情况，本发明的首要目的是调节在衍射多焦点镜片中的不同焦点处的象的亮度比。

本发明的另一个目的是使那些具有不相等固有亮度的衍射多焦点镜片的不同焦点处的亮度相等。

本发明的另一个目的是减小制造衍射多焦点镜片所需要的最大相移。

本发明的还有一个目的和优点是通过用阶梯代替闪耀区来简化某些衍射多焦点镜片的结构。

本发明的另一个目的和优点是可以控制亮度的色差，从而制造有利于透射某一波长光线的镜片。

结合参看附图阅读下面有关诸实施例的介绍，将能更清楚了解本发明的其它目的和优点。

图1表示典型的相位片双焦镜片的部分剖面及其相应的亮度与光焦度的关系曲线图，从图中可以看到在每个焦点处的亮度相等（即B₀＝B₁）。

图2表示出另一相位片双焦镜片的部分剖面及其相应的亮度与光焦度的关系曲线图，从图中可以看到在每个焦点处的亮度不等（即B₀≠B₁）。

图3表示出光焦度为零的平面镜片的部分剖面及其相应的亮度与光焦度的关系曲线图，从图中可以看到单焦点位于无穷远处（即0.0屈光度）。

图4示出了按R.W.伍德所述修改过的光焦度为零的平面镜片的部分剖面及其相应的亮度与光焦度的关系曲线图，从图中可以看到亮度相等的两个焦点。

图5表示一种单光焦度闪耀镜片的部分剖面及其相应的亮度与光焦度的关系曲线图，从图中可以看到单焦点。

图6表示图5所示按R.W.伍德所述修改过的镜片的部分剖面及其相应的亮度与光焦度的关系曲线图，从图中可以看到亮度相等的两个焦点。

图7a画出了从图2镜片的环形带通过的光的振幅矢量的几何表示图。

图7b用图解法表示出在带1和带2之间引入b度相移时亮度B² ₀和B² ₁如何改变。

图7c表示图2镜片的剖面，该剖面按本发明进行了改变，使其在两焦点的每一焦点处的象的亮度相等（具体地说B² ₀＝B² ₁＝0.36）。

图8-14表示出带闪耀区和阶梯的三焦点镜片的部分剖面，同时示出与它们相应的亮度与光焦度的关系曲线图。

图15是通过阶梯离子反应蚀刻制成的三焦点镜片的横向剖视图。

图16是通过离子掺杂制成闪耀阶梯的三焦点镜片的横向剖视图。

图17是通过将阶梯敷到镜面上制成的双焦反射镜的横向剖面图。

在如图15中所示本发明的实施例中，我们以图示方式说明，载体镜片或镜体CL的前表面I被分成六个同心环形带，并由半径r1～r6所限定，并以这种方式构成三焦点相位片。在任何实际镜片中，带的数目可多可少，这里选用六个带仅仅是作为一个示意例子。当然，载体镜片或镜体是按支配光学镜片设计的通用原则进行制造的，其表面I和B可以设计成球面的、球-柱面的、或任何其它适当的镜片设计。按照标准镜片诸公式，载体镜片的球面、球-柱面或非球面的光焦度P分别取决于前表面I和后表面B的曲率、中心厚度CT和载体镜片的折射率n。这些参数又由该三焦点相位片的用途和所使用的材料来确定。举例说，若想用这种三焦点镜片作为眼镜镜片，则后表面B所取形状，应使轴外光学象差减到最小。标准的光学材料，象玻璃，塑料，或任何其它光学材料，包括那些用于制造眼镜、接触式镜片等的光学材料，都可用于本实施例和以下所有实施例的制造中。

在目前的这种结构中，交替配置的环形带均匀地蚀刻成大致等于0.319/（n-1）光波长的深度，其中n是载体镜片的折射率。当然，这会在相邻的环形带之间引起0.319个光波长的相移。环形带的间距当然由r（k）的带片公式给出。具体地说，划定各环形带之间的界线的半径r（k）由 $\mathrm{r\; (k)\; =}\sqrt{\mathrm{k\; *\; \lambda \; /F}}$ 确定，其中k＝1，2，3，……，λ等于所考虑的光波长，F表示光焦度。在此情况下的最终的三焦点镜片会显示出位于P-F屈光度、P屈光度和P+F屈光度处象的亮度相等的三个焦度。

本实施例和以下所有实施例的新的重要特点是，象的亮度比值由蚀刻入镜片表面的各阶梯的具体深度所确定。在此情况下，深度可由（b/360）^＊λ/（n-1）给出，其中b是以度为单位的相移。 这时b＝114.84度，如前文所示，它由下式确定：

z1²（0）+z2²（0）-2^＊z1（0）^＊z2（0）^＊cos[a（0）+b]＝z1²（1）+z2²（1）-2^＊z1（1）^＊z2（1）^＊cos[a（1）+b].

当然b值不同就会导致本发明不同的实施例。

本发明的另一个采用离子掺杂的实施例如图16所示，其中各带是由离子掺入载体镜片CL的表面形成的，从而将载体镜片的折射率从n改变到n¹。掺入深度也由式（b/360^＊）λ/（n-n¹）给出。在这种情况下，闪耀区为0.5/（n-1）个波长深，而阶梯深度为319/（n-1）个波长深，其中n是载体镜片CL的折射率。载体镜片被设计成具有前表面I、后表面B和焦度P。环形带r（k）的半径由公式 $\sqrt{\mathrm{k\; *\; \lambda \; F}}$ 确定，其中λ为设计波长。此镜片的三个焦度为P、P+F/2和P+F。

本发明采用蒸发喷镀技术的另一个实施例如图17所示，其中各带是将附加材料D喷镀到载体镜片的表面下形成的，从而增加了通过载体镜片的光程。在此情况下，我们看到的是一个镜片-反射镜的组合***，镜片CL粘接到反射镜M上，喷镀厚度可由（b/720）^＊λ/（n¹-1）求出，其中n¹是喷镀材料的折射率。

当然，应该理解，前面所公开的内容仅仅涉及本发明的一些较佳实施例，在不脱离本说明书所附权利要求书中所规定的本发明的精神实质和范围的前提下是可以做出多种修改或变更。

Claims (16)

1、一种具有给定剖面的多焦点相位片，它具有多条环形同心带，其间距符合公式：

$\mathrm{r\; (k)\; =}\sqrt{\mathrm{常数\; \times \; k}}$

其中K是一条整带的标号，r(K)是第K条带的半径；其特征在于，重复的小阶梯形式的相移装置至少并入一些环形带，所述同心环形带的光程长度大于或小于二分之一设计波长，相移装置的位置使通过相移装置的光程长度产生一常数相移。

2、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，相位片是一种光学器件的一部分，该光学器件由一种光学折射材料组成。

3、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，相移装置的位置使穿过整个并入带后产生基本恒定的光程长度的移动。

4、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，相移装置是相位片的被开凿部分。

5、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点分布相位片，其特征在于，相移装置存在于每个交替带中。

6、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点分布相位片，其特征在于，相移装置的位置使在所述相位片的每个焦点上形成相等的象亮度。

7、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点分布相位片，其特征在于，相移装置位置使在所述相位片的每个焦点上产生具有相等亮度的三焦点。

8、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，相移装置的位置使镜片择优聚焦某些波长的光。

9、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，相移装置的位置减少带的最大深度。

10、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，所述相位片被并入接触镜片。

11、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，所述相位片被并入眼镜镜片。

12、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，所述相位片被并入嵌入眼内镜片。

13、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，所述相位片并入反射镜。

14、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，相移装置包括掺入相位片的杂质以达到所要求的相移。

15、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，相位片被并入在可见光范围内工作的多焦点镜片。

16、根据权利要求1所述的具有给定剖面的多焦点相位片，其特征在于，所述相位片并入照相机透镜。

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