CN102395906B - 衍射三焦点透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衍射多焦点透镜，其包括具有至少一个衍射表面的光学元件，表面剖面包括多个同心环带。表面剖面的光学厚度在每个带内单调地变化，而在相邻的带之间的接合点处光学厚度中的不同步长限定步长高度。相应带的步长高度可从一个带到另一带周期性地不同，以便适应所述光学元件的衍射级效率。在三焦点透镜的一个例子中，步长高度在两个值之间交替，偶数编号的步长高度低于奇数编号的步长高度。通过绘制从这样的表面剖面产生的衍射效率的地形表示，步长高度可被优化以将期望水平的光功率射到相应于近、中间和远视力的衍射级中，从而优化多焦点透镜的性能。

Description

衍射三焦点透镜

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月12日提交的美国临时专利申请No.61207,409的利益，其特此通过引用被全部并入。

技术领域

本发明通常涉及衍射光学器件和眼科学的领域，且更具体地，涉及对治疗远视眼有用的矫正多焦点眼内或隐形透镜的设计和结构。

背景技术

双焦点和三焦点隐形透镜通常用于治疗远视眼——一种眼睛聚焦在近物体上的能力逐渐降低的疾病。人类由于变老而变得远视，且影响一般在大约40-45岁时开始变得明显，这时他们发现他们需要阅读眼镜。戴矫正透镜的远视个体可能接着发现他们需要优选地在相同的双焦点透镜内的两个单独的处方，一个用于阅读(近)，而另一个用于驾驶(远处)。三焦点透镜还提高了在中间距离处的视力，例如，当在计算机处工作时。眼内透镜(IOL)是可用作对隐形透镜或眼镜的备选方案的人工替代透镜。IOL在白内障手术期间常常被植入来代替自然眼透镜。角膜内透镜(ICL)是被植入角膜内的人工透镜。

常规矫正光学器件一般是折射透镜，意味着它们使从物体反射的光线弯曲并聚焦以在视网膜上形成物体的聚焦图像。光线的弯曲由斯涅耳定律指示，斯涅耳定律描述作为越过具有不同的折射率的两种材料的边界的光线出现的弯曲程度。

衍射透镜具有可通过制造方法在光学元件的表面中形成的重复的结构，该制造方法例如是：使用可配备有由硬材料例如金刚石或蓝宝石制成的切割头的车床来切割表面；使用高能束例如激光束或电子束直写图案化或使表面消融的类似方法；使用光刻图案化工艺来蚀刻表面；或模压表面。衍射结构一般是一系列同心圆环环带，这要求每个带从透镜的中心到边缘逐渐变得更窄。这些可以是例如在透镜的中心和边缘之间的20-30个带。在每个带内的表面剖面一般是平稳变化的函数，例如弧、抛物线或线。在每个带的外周界处有在垂直表面剖面中的离散步长，该步长高度一般测量为大约0.5-3微米。因而形成的表面结构充当使光分散到多个衍射级中的圆对称衍射光栅，每个衍射级具有连续的号码，零、一、二等。

“衍射效率”指透射到包括在焦平面处的衍射图样的不同衍射级的每个中的入射光功率的百分比。如果带具有相等的表面积并是径向对称的，那么它们将不同衍射级的光聚焦到透镜的光轴上，每个衍射级具有其自己的不同焦点。因此，衍射透镜充当具有很多离散焦点的多焦点透镜。例如，衍射双焦点透镜同时在两个不同的距离处提供物体的清晰视网膜图像，以及两个相应的离焦图像。人类视觉***具有从不同的视网膜图像中选择的能力，从而使用单个衍射透镜实现同时的多焦点视力。

衍射透镜可用作用于矫正远视眼的隐形透镜和IOL。在这样的应用中，透镜包括一个折射表面和一个衍射表面。实际上，穿过衍射透镜的光能一般聚集到一、二或三个衍射级中，同时将相当大数量的光能贡献给其它衍射级。相对于衍射矫正透镜，例如，零级的高衍射效率意味着在远距离处的可见性的较大提高。射到每个衍射级中的光能的数量由带状步长高度指示。透镜设计者可对双焦点透镜的衍射表面特征选择步长高度，以便例如引入相邻带之间的一半波长相变，这使大约40％的入射光射到相应于远视力的零衍射级中，而40％射到相应于近视力的正第一衍射级中。在常规双焦点透镜中剩余20％的入射光射到对视力没有用的其它衍射级中。

对多焦距眼内和隐形透镜的现有设计使用折射光学器件、组合的折射/衍射设计、或将光射到单个衍射级中的衍射透镜。例如，Swanson的美国专利No.5,344,447公开了三焦点IOL透镜设计，其使用具有折射表面和衍射表面的组合透镜增强远视力。在这种情况下，每个衍射带相应于二进制步长。该透镜将光大致相等地分布在正第一衍射级、零衍射级和负第一衍射级之间。然而，该配置的缺点是，多余的光射到其它较高衍射级中，降低了视觉质量。此外，该配置使下面的承载透镜的功率更难以预料，因为远视力由透镜的折射功率与负一衍射级的衍射功率的组合指示。现有备选方案中没有一个在将足够的光射到相应于中间焦距的衍射级方面成功，因此三焦点隐形透镜和IOL未能在整个全焦距范围内执行得同样好。例如，Zhang等人的美国专利No.7,441,894公开了具有变化的区域的衍射带的三焦点眼内透镜，其能够将25-28％的入射光射到近焦距和远焦距中，但只有大约10％的入射光被射到中间焦距中。

发明内容

公开了一种衍射多焦点透镜，其包括具有至少一个衍射表面的光学元件，所述衍射表面的表面剖面包括多个同心环带。径向表面剖面的光学厚度在每个带内单调地改变。在光学厚度中的不同步长出现在每个带的外周界处，带的高度称为“步长高度”。根据优选的实施方式，相邻带的步长高度从一个带到另一带周期性地不同，而不是相等的，以便适应光学元件的衍射级效率。在增加光学元件的第二级衍射效率方面有特别的利益，以解决对三焦点透镜的中间远视力。

在三焦点透镜的一个例子中，步长高度在两个值之间交替，偶数编号的步长高度低于奇数编号的步长高度。在可选的实施方式中，偶数编号的步长高度可高于奇数编号的步长高度，或连续的步长高度可在三个或多个值之间交替。在又一实施方式中，步长高度的图样从透镜的中心逐渐变化到边缘。根据一个这样的实施方式，透镜的中心是三焦点的，但它朝着透镜的边缘逐渐变成双焦点的。通过建模并绘制从这样的表面剖面产生的衍射效率的地形表示，可选择尺寸参数例如步长高度值，以便实现将期望比例的光功率射到指定的衍射级中，从而优化多焦点透镜的远、中间和近性能。

应理解，该概述被提供为用于通常确定在附图和详细描述中推断的内容的方式，而不是用来限制本发明的范围。当结合附图考虑下面的详细描述时，将容易理解本发明的目的、特征和优点。

附图说明

图1示出市售可得的现有技术衍射双焦点眼内透镜。

图2是图1所示的现有技术衍射双焦点眼内透镜的中心带的表面的放大视图，其中透镜的中心位于图像的下右角处。

图3是由常规现有技术双焦点衍射透镜引入的光学相变作为越过透镜的五个带的半径的函数的曲线，其示出通常相等的步长高度。

图4是根据新的三焦点衍射透镜的优选实施方式的衍射结构的径向表面剖面的横截面视图，其示出两个交替的步长高度。

图5是由图4所示的衍射结构引入的光学相变作为半径的函数的曲线，其示出五个代表性带的相应的交替步长高度。

图6是一系列计算机产生的二维地形图，其示出在图5的光学相位剖面中从交替的步长高度的值的不同选择产生的衍射效率。

图7是由渐变的三焦点/双焦点衍射结构引入的光学相变作为半径的函数的曲线，其示出相应的交替步长高度。

具体实施方式

结合附图通过下面的详细描述将容易理解本发明。为了便于这个描述，相似的参考数字表示相似的结构元件。在下面的描述中，阐述了很多细节以提供对本发明的所公开的实施方式的理解。然而，当审查本公开时，对本领域技术人员将变得明显，可能并不需要所有公开的细节来实践所主张的发明，以及可以在不偏离本发明的原理下构造备选实施方式。

参考图1，示出了现有的衍射双焦点眼内透镜100。透镜100在商业上称为透镜植入物，并可从德克萨斯州Fort Worth的AlconLaboratories公司买到。透镜植入物包括一对延伸部101，其连接到具有至少一个光学表面102的中央光学元件，其中衍射剖面图样在径向带内形成。图2示出光学表面102的放大视图，其中一系列同心环带104的通常径向对称的表面剖面图样在每个带的外周界处以具有步长高度108的离散步长106为特征。带104的宽度通常从透镜100的中心向着边缘降低，使得中央带宽度110可明显比边缘带宽度112宽。不同宽度的带优选地代表相等的表面积。通常，如果步长高度108引入2π的相位延迟，那么单功率透镜产生，即，透镜将具有单个焦点；如果步长高度108引入不等于2π的倍数的相位延迟，那么双焦点透镜产生。

图3示出当入射光波通过衍射透镜100时入射光波所经历的光学相变的径向剖面120。径向剖面120可由通常具有锯齿形元件的衍射结构或通过改变透镜材料的折射率来实现。相变Φ(r)的径向相关性由下式给出：

Φ(r)＝2παp[j-r²/(2pλ_oF_o)]          (1)

α＝λ/λ_o[n(λ)-n’(λ)]/[n(λ_o)-n’(λ_o)]，对于在第j个带内的半径r

(2)

其中λ_o是设计波长，即，2π的相变出现在每个带边界时的波长；n是透镜材料的折射率；F_o是当照明波长λ＝λ_o时的焦距；n’是围绕透镜的材料的折射率，而p是表示作为2π的倍数的最大相位调制的整数。相应于图2所示的同心区域104的实际光学表面的横截面与径向相变剖面有关。光学表面102的表面浮雕的相应最大高度由下式给出：

h_max(r)＝pλ_o/[n(λ_o)-n’(λ_o)]      (3)

并且一般为大约5微米。

参考图3，径向相位剖面120的元件具有锯齿形122，特征在于具有从被标准化为零的第一值125逐渐上升到峰值126的前沿124的尖峰，以及从峰值126突然落回到初始高度125的后沿128。在本例中，中心环宽度110相应于第一峰值的半径，而边缘环宽度112相应于在第四和第五峰值之间的距离，其中峰值126与实质上相等的步长高度相关。图3的径向相位剖面由表面剖面产生，其元件具有与锯齿122类似的形状，且具有也具有与锯齿122类似的形状的相关光学厚度剖面。在该配置中现有的双焦点眼内透镜100一般具有进入零衍射级和第一衍射级(分别是远和近距离)的每个中的40％的衍射效率，以及对较高衍射级的实质上较小的衍射效率。作为结果，距离和近视力增强了，但中间视力被限制。

图4示出在根据优选实施方式的透镜的上光学表面102中制造的衍射结构的物理表面剖面130的横截面视图。透镜的下表面134是衍射表面。每个衍射环带104的径向宽度从透镜的中心下降到透镜的边缘，以维持衍射带的相等区域。每个带之间的步长高度在两个值之间交替，从较大的步长高度136开始以用于中心带和第一环带之间的过渡。较小的步长高度138以第一和第二带之间的过渡为特征。这个交替的步长高度图样向外重复到在透镜的边缘。

图5示出当入射光波通过具有图4所示的表面剖面的增强的衍射三焦点透镜时入射光波所经历的光学相变Φ(r)的径向剖面140的图。径向剖面140的元件具有类似于锯齿形122的锯齿形141，其中每个同心带位于同一半径处，但步长高度实质上不都是相等的。相反，具有较大的步长高度144的第一组峰值142与具有较小的步长高度148的第二组峰值交替。相位剖面的这些特征分别相应于表面剖面步长高度136和138。通过使步长高度交替，入射光功率可被射到相应于远、中间和近视力的衍射级。根据下面例示的优选实施方式，奇数编号的步长高度大于偶数编号的步长高度，虽然在可选的实施方式中，可规定相反的情况，同时应用用于优化设计的相同方法。

图6示出被射到零衍射级、第一正和第二正衍射级中的光功率的衍射效率的九个计算机产生的地形图A-I。这些衍射级对具有与图3和5一致的一般化锯齿形相位剖面的衍射多焦点透镜分别代表远视力152、中间视力154和近视力156，对于该透镜，奇数编号的步长高度和偶数编号的步长高度可采用不同的值。

用于对图5的相位剖面计算衍射效率的表达式通过一般化在Faklis和Morris(Dean Faklis和G.Michael Morris，“Spectral Properties of MultiorderDiffractive Lenses”Applied Optics，Vol.34，No.14，1995年5月10日)的文章中公开的方案来得到，其中第一和第二章特此通过引用被并入。Faklis和Morris通过导出第m衍射级的衍射效率η_m的表达式、通过将衍射透镜的振幅透射函数扩展为傅立叶系列并提取傅立叶系数c_m来表示与图3的相位剖面有关的衍射效率。衍射效率η_m接着由|c_m|²给出。对于具有实质上相等的步长高度的相位剖面，Faklis和Morris证明衍射效率可被表示为：

η_m＝[sin[π(αp-m)]/π(αp-m)]²   (4)

通过一般化这个推导，可表明对于具有二维参数(例如，交替的步长高度)A1和A2的图5的相位剖面，第m衍射级的衍射效率由下式给出：

η_m(m，p，α，A1，A2)＝sqrt{¹/₄{sinc[π/2(m-2A1pα)]²   (5)

+2(-1)^mcos[π(A1-A2)pα]sinc[π/2(m-2A1pα)]sinc[π/2(m-2A2pα)]

+sinc[π/2(m-2A2pα)]²}}

本文公开的特定例子可对具有三个或更多不同的步长高度的透镜执行类似的推导，产生类似于(5)的不同表达式。

参考图6，m＝0的η_m的曲线在图A、D和G中示出；m＝+1的η_m的曲线在图B、E和H中示出；而m＝+2的η_m的曲线在图C、F和I中示出。在这九个图的每个中，水平轴158表示被标准化为2π的偶数编号的剖面峰值的步长高度，而垂直轴160表示被标准化为2π的奇数编号的剖面峰值的步长高度。这九个图因此每个提供地形“图”，标有“X”的相应于不同的衍射透镜设计的例子的、通过步长高度A1和A2的选择指示的所关注的点可聚焦在该地形“图”上。该地形“图”因此通过在所关注的点处的其相对阴影指示被射到每个焦区中以产生不同比例的远、中间和近视力的功率的量。例如，步长高度A1和A2可被选择成同等地增强对所有三个焦点的衍射效率，或它们可被选择成使得零级衍射效率两倍于正第一级和正第二级的衍射效率，其将以中间视力为代价产生更好的远视力。在每个图中最亮的阴影区相应于100％的衍射效率，而在每个图中最暗的阴影区相应于0％的衍射效率(可根据与上面的(5)类似的方式导出的相应表达式对具有三个或更多不同的步长高度A1、A2和A3的透镜设计产生类似的一组图)。

图6中的地形图A、B和C示出限制情况，其中由变量A1和A2表示的奇数和偶数相位步长高度126被设置为零，即，该情况表示衍射表面图样的缺乏，衍射表面图样本质上是折射透镜。在每个地形图A、B和C上绘制点(0，0)，以在地形场的左下角产生“X”。在图A中，X与亮斑重合，指示大约100％的光被射到零“衍射级”(远)中；在图B和C中，X与暗区域重合，指示实质上没有光被射到第一和第二“衍射级”(中间和近)中，符合在本例中多焦点衍射图样的缺乏。

图6中的地形图D、E和F示出相应于具有图3所示的剖面的常规双焦点衍射透镜的限制情况，其中由变量A1和A2的奇数和偶数步长高度126等于0.5*2π。绘制坐标(0.5，0.5)产生在每个图的中心附近的“X”。在图D和F中，X与灰色区域重合，指示实质上相等部分的光功率被射到相应于远和近视力的零和第二衍射级中。在图E中，X与暗区域重合，指示实质上0％的光功率被射到相应于中间视力的第一衍射级中。

图6中的地形图G、H和I示出图5所示的多步长衍射透镜的优选实施方式。在本例中，给奇数步长高度136指定值0.7*2π，而给偶数步长高度138指定值0.3*2π，以产生最佳结果。通过将点(0.3，0.7)绘制在每个地形图G、H和I上可认识到用于指定这些值的原因，这在每个图的左上象限产生“X”。在每个图中，X与浅灰阴影区重合，灰度值指示光功率被相等地射到零、第一和第二衍射级的每个中，使得远、中间和近视力都实质上被相等地增强。

在图7中示出逐渐降低相位剖面的更复杂的设计例子提供了在透镜的中心中的三焦点部分，其在透镜的边缘处发展成双焦点透镜。根据该实施方式，一对交替的步长高度从透镜的边缘处的第一规定值166和168单调地降低到在透镜的边缘处的第二规定值170和172。例如，步长高度值A1和A2可分别被选择为在透镜的中心处的0.3λ和0.7λ，以及在透镜的边缘处的0.1λ和0.45λ。根据这样的设计制造的三焦点透镜将为具有小瞳孔的人提供增强的远、中间和近视力，且它将对具有大瞳孔的人支持远和中间视力，逐渐减小大瞳孔的近视力。在视觉上，这将允许在亮照明条件下的人驾驶、看到计算机监视器、并阅读，而在不需要阅读的暗条件下，这将允许人驾驶并更清楚地看到仪表板。

虽然本文示出和描述了某些实施方式，但本领域普通技术人员将认识到，被计算来实现相同目的的各种备选或等效的实施方式或实现可代替所示和所描述的实施方式，而不偏离本发明的范围。本领域技术人员将容易认识到，根据本发明的实施方式可用各种方式实现。该应用旨在涵盖本文讨论的实施方式的任何改编或变形。

在前述说明书中使用的术语和表达式在本文用作描述而不是限制的术语，且在使用这样的术语和表达式中没有意图排除所示和所述的特征的等效形式及其部分，应认识到，本发明的范围仅由接下来的权利要求限定和限制。

Claims (24)

1.一种衍射多焦点透镜，包括具有第一光学表面的光学元件，所述第一光学表面具有包括多个同心环带的表面剖面，其中所述透镜的光学厚度在每个带内单调地变化，光学厚度中的不同步长出现在带之间的接合点处，所述步长的高度在至少一些相邻的带之间不同，

其特征在于，两个或多个相邻的带之间的步长高度差异的图案从所述透镜的中心到边缘周期性地重复，以便适应所述光学元件的衍射级效率。

2.根据权利要求1所述的透镜，其中偶数编号的带的步长高度大于奇数编号的带的步长高度。

3.根据权利要求2所述的透镜，其中在两个相邻的带之间的步长高度的差异从所述透镜的中心到边缘逐渐改变。

4.根据权利要求1所述的透镜，其中偶数编号的带的步长高度小于奇数编号的带的步长高度。

5.根据权利要求4所述的透镜，其中在两个相邻的带之间的步长高度的差异从所述透镜的中心到边缘逐渐改变。

6.根据权利要求1所述的透镜，其中至少三个径向连续的带的步长高度彼此不同。

7.根据权利要求6所述的透镜，其中所述三个或多个步长高度从所述透镜的中心到边缘逐渐改变。

8.根据权利要求1所述的透镜，其中所述步长高度被选择成使得至少零级、正第一级和正第二级的衍射效率实质上相同。

9.根据权利要求1所述的透镜，其中至少零级、正第一级和正第二级的衍射效率彼此具有选定的比例。

10.根据权利要求1所述的透镜，其中每个连续的带的投影区实质上是恒定的。

11.根据权利要求1所述的透镜，其中每个带的径向表面剖面高度形成弧。

12.根据权利要求1所述的透镜，其中每个带的径向表面剖面高度实质上线性地增加。

13.根据权利要求1所述的透镜，还包括与所述第一光学表面分离的第二光学表面区域。

14.根据权利要求1所述的透镜，其中在两个相邻的带之间的步长高度的差异从所述透镜的中心到边缘逐渐改变。

15.根据权利要求1所述的透镜，适合于作为隐形透镜佩戴。

16.根据权利要求1所述的透镜，适合于作为眼内透镜用外科手术植入。

17.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜包括角膜内植入物。

18.一种制造衍射多焦点透镜的方法，包括：

对具有周期性表面剖面图案的光学元件构建模型；

从该模型计算穿过图案化的光学元件传播的光的衍射效率分布；

根据所述衍射效率分布选择尺寸参数，以便获得所述透镜的至少三个相应的衍射级的期望衍射效率；以及

在光学基底的表面上形成包括所选的尺寸参数的周期性表面剖面图案。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述尺寸参数被选择成在所述表面剖面中产生多个不同的步长高度。

20.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述表面剖面包括使用车床使所述光学元件的表面成形。

21.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述表面剖面包括使用铸模使所述光学元件的表面成形。

22.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述表面剖面包括使用能量束使所述光学元件的表面成形。

23.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述表面剖面包括通过蚀刻使所述光学元件的表面成形。

24.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述表面剖面包括通过消融所述光学元件的表面而使所述表面成形。

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