CN108604021A - 眼科光学元件和用于构建眼科光学元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种眼科光学元件(1)，尤其是眼镜镜片，其包括：第一折射光学基片(10)，所述第一折射光学基片具有正或负的第一光焦度；第一衍射光学元件(21)，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度；第二衍射光学元件(22)，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度；其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)具有相反的光焦度，并且其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)以至少部分地消色差的方式相互作用。本发明还涉及一种用于设计这样的眼科光学元件、包括这样的眼科光学元件的眼镜镜片和头戴式显示设备的方法。
Description
发明领域
本申请涉及一种包括第一折射光学基片以及第一和第二衍射光学元件的眼科光学元件，尤其是眼镜镜片。此外，本申请尤其是涉及一种用于设计眼科光学元件的计算机实施的方法，一副眼镜和具有这样的眼科光学元件的头戴式显示设备(头戴式显示器)。
背景技术
传统上，处方眼镜已经根据几十年试验和测试的方法生产。这里，通过选择眼镜镜片的前物侧和后眼侧曲率半径来设定相应必要的视觉校正。出于美学和生产技术的原因，物侧外半径通常被生产成球形，其中其假定某一预定值，所述值可以从相应的屈光度范围的所谓的优选半径表中收集。然后借助于眼侧内半径产生相应的精确视觉校正。在最简单的情况下，这也可以是球形半径。例如，包含像散的轴角度或外视角的成像特性的特定视觉特性可以通过内半径来实现。为了这个目的，有利地选择外半径，使得校正可能性不受内半径的负面影响。以示例方式，在强正屈光度值的情况下应选择相对短的外半径。
取决于所需的屈光度的数量，这可能导致下降到或多或少的程度的眼镜镜片，这在大屈光度值的情况下有时仅提供减少的美学外观和差的佩戴舒适性。尤其是在具有其所需紧密配合形式的运动眼镜的情况下，负屈光度值的产生仅可能在非常有限的程度上进行。
此外，已知借助于衍射光学元件(DOE)可以产生屈光力。由于衍射光学元件与折射光学器件相比具有非常强的色散，因此它们在其屈光度方面只能非常审慎地使用。不再可容许的强烈的色差，尤其是场边缘处的横向色差，至少在+/-2dpt的焦度下产生。
色差首先包含纵向色差，其产生针对不同波长的不同焦点。纵向色差也被称为轴向色差。除了纵向色差之外，横向色差可以作为进一步的色差发生，在视觉辅助的情况下所述横向色差借助于图像平面中的彩色条纹或彩色边缘而在眼睛的视网膜上表示，用户感知并且认为的所述横向色差在某种强度之上是令人烦恼的。横向色差也被称为色彩倍率误差或侧向色差。
文献US 2006/0050234 A1公开了一种用于校正视觉缺陷的衍射镜片。镜片具有第一衍射光学元件(WSD)和第二衍射光学元件(MOD)的组合。这里，第二衍射元件提供镜片的基本焦度或主要聚焦效应。第一衍射元件仅提供附加的近区域校正。
在文献US 2006/0050234 A1中，第二折射元件是所谓的多级衍射(MOD)镜片，其将来自不同衍射级的多个不同波长的光提供到共同焦距。以示例方式，来自第五衍射级的绿色光(λg＝550nm)和来自第七衍射级的蓝色光(λb＝471nm)被提供给相同的焦距。这样的MOD结构也被称为多色衍射镜片。
除了第二衍射元件(MOD)的基本焦度之外，第一衍射元件(WSD)为近区域校正提供附加聚焦效应。为了这个目的，来自不同衍射级的光同时被提供给两个或更多个不同的焦距。这里，第一光学元件也被称为“波前***衍射结构”(WSD)。这里也是如此，可以仅添加受限的衍射能力，以便将色差保持在限制范围内。
文献US 2006/0050234 A1的第一衍射元件和第二衍射元件结合在提供基本焦度的MOD和产生多焦点效应的WSD作用下协作。由于WSD具有比MOD低得多的光焦度(opticalpower)，因此由第一衍射元件(WSD)引起的色差保持在限制范围内。相反，尚未公开色差的相互补偿。
然而，这种方法的缺点在于继续存在色差，尤其是横向色差。此外，与渐变多焦镜片相反，借助于WSD，多个焦距同时并且不以空间上分离的方式提供在眼镜片上；这只是在有限的程度上需要。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的眼科光学元件、一副包括这样的眼科光学元件的改进的眼镜和头戴式显示设备、一种改进的设计眼科光学元件的计算机实施的方法、一种改进的生产眼科光学元件的方法以及一种对应的计算机程序产品，这些都至少部分地克服了传统处方眼镜和现有技术的上述缺点。
因此，根据本发明的一个方面，建议提供一种眼科光学元件，所述眼科光学元件包括：
第一折射光学基片，所述第一折射光学基片具有正或负的第一光焦度；
第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度；
第二衍射光学元件，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度；
其中所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件具有相反的光焦度。尤其是，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件以至少部分地消色差的方式相互作用。尤其是，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件可以与所述第一折射光学元件一起以消色差的方式相互作用。
尤其是，所述眼科光学元件的屈光能力从所述第一光焦度、第二光焦度和第三光焦度的总和显现。由于所述第一衍射光学元件(DOE)和所述第二衍射光学元件具有相反的光焦度或具有不同符号的光焦度，因此所述第二光焦度和所述第三光焦度的贡献至少部分地彼此抵消。发明人已经认识到，令人惊讶的是，横向色差的减小，尤其是甚至可以比以传统方式优化的传统折射眼镜镜片的情况更小，可以通过组合两个正相反的DOE或具有相反光焦度的DOE来实现。因此，可以满足相应的屈光度要求，同时，通过对应使用具有相反光焦度的两个DOE，也可以在图像场边缘实现良好的光学性能。
优选地，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件具有在绝对值方面近似相同的光焦度。所述第一衍射光学元件的所述第二光焦度和所述第二衍射光学元件的所述第三光焦度之和的绝对值除以所述第二光焦度和所述第三光焦度之差的绝对值可以小于1/10，尤其是小于1/15，尤其是小于1/20，
(1)其中尤其是尤其是
其中D2指示所述第二光焦度，并且D3指示所述第三光焦度。由于D2和D3具有相反的符号，因此和的绝对值|D2+D3|小于差的绝对值|D2-D3|。等式(1)中指定的商也可以被称为对比度或对比度值K。
根据本发明的第一方面的开发，建议提出一种眼科光学元件，所述眼科光学元件包括：
第一折射光学基片，所述第一折射光学基片具有正或负的第一光焦度；
第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度；
第二衍射光学元件，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度；
其中所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件具有相反的光焦度，其中所述第一衍射光学元件的所述第二光焦度和所述第二衍射光学元件的所述第三光焦度之和的绝对值除以所述第二光焦度和所述第三光焦度之差的绝对值小于1/10，尤其是小于1/15，尤其是小于1/20。
因此，与本领域技术人员由于DOE的通常强色差而通常努力选择尽可能小的DOE的光焦度相反，因此提出了提供具有相对高的光焦度和相反符号的两个DOE。尤其是，所得光焦度从所述第二光焦度和所述第三光焦度之和显现。发明人已经认识到，色差的有利的相互补偿，包括横向色差，可以通过所述第一DOE和所述第二DOE来实现，所述第一DOE和所述第二DOE在绝对值方面具有近似相同的光焦度，如上面提供的说明所定义的。因此，所述第一DOE、所述第二DOE可以至少部分消色差的方式相互作用。从两个DOE的和中显现的附加光焦度可以呈现总体光焦度的非常大的分量。通常，例如，+/-3dpt可以通过所述两个DOE添加。相比之下，如果使用单个DOE，则通常仅添加大约0.1dpt到0.3dpt的光焦度，因为色差否则会增加得太强。
所提出的解决方案的另一优点可以包括仅有必要存储几个第一光学基片。优选地，在每种情况下仅需要具有正折射焦度和负折射焦度的一个或两个光学基片。所述第一DOE和所述第二DOE可以对用户的视敏度进行更深入的适应。
所提出的解决方案的另一优点可以包括，即使在高正或负屈光度值的情况下，也有可能获得美学眼镜镜片形式。超出所述第一折射光学基片的光焦度的校正可以借助于所述DOE实现。优选地，因此不需要具有高中心厚度或边缘厚度的镜片，因此还有可能获得材料和重量的减少。
所提出的解决方案的另一优点可以包括可获得的几乎任意的光焦度，因为DOE效应可以基于数学上通用的xy-DOE。
所提出的解决方案的另一优点还可以包括能够实现渐变多焦镜片或多区域功能，像在双焦眼镜的情况下那样，没有很大的花费。
所提出的解决方案的另一优点还可以包括能够提供运动眼镜或具有预定的强前曲率并具有色差校正的眼镜。
在没有其它说明的范围内，本申请范围内使用的术语对应于DIN德国标准化研究所(Deutschen Institut für Normung e.V)的DIN EN ISO 13666：1998-11标准的定义。
在本公开的范围内，“眼科光学元件”可以理解为意指用于校正折射误差的光学元件，即，尤其是一副眼镜或眼镜镜片、隐形眼镜或者眼内植入物等。就材料而言，眼镜镜片例如不仅包括无机或矿物玻璃，还包括有机材料或塑料。
光焦度被理解为焦距f的倒数。光焦度的单位是屈光度：1dpt＝1m-1。换句话说，光焦度可以指定折射镜片或衍射光学元件的屈光能力，尤其是聚焦效应。所需的焦度应当在设计参考点处发生，所述设计参考点尤其是可以位于相应元件的后表面上。棱镜焦度可以出现在棱镜参考点处，这可能与设计参考点不同。
在本发明的含义内，“以至少部分地消色差的方式相互作用”或“以消色差的方式相互作用”被理解为意指色差或若干色差被或者不一定被完全消除，但是被或至少被衰减。
术语“光学轴线”被理解为意指垂直于眼镜镜片的两个光学表面的直线，并且光沿着所述直线通过未被遮挡的眼镜镜片；参见DIN EN ISO 13666标准的编号4.8。
在本申请的范围内，“横截面”被理解为意指穿过所述眼科光学元件的横截面，所述横截面平行于提供的用户通过光学元件进行的主要观察方向。如果所述光学元件具有光学轴线，则所述横截面可以是子午面。以示例方式，如果眼镜镜片没有光学轴线，则所述横截面可以含有根据DIN EN ISO 13666标准的编号5.5的几何中心，即，矩形盒的水平和垂直中心线的交点，与未切割的眼镜镜片的形状有关。然后，“几何中心轴线”延伸穿过所述几何中心，平行于提供的穿过所述光学元件的主要观察方向。因此，所述横截面可以含有根据DIN EN ISO 13666标准的编号5.11的视点，即，固定线与所述光学元件的后表面的交叉点。
根据本发明的第二方面，进一步提出了一种用于为用户设计眼科光学元件，尤其是眼镜镜片的计算机实施的方法，其中所述眼科光学元件具有
第一光学基片，所述第一光学基片具有正或负的第一光焦度；
第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度；和
第二衍射光学元件，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度，
其中所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件具有相反的光焦度；
其中，所述方法包含以下步骤：
-根据待校正的屈光度范围，选择具有正或负的第一光焦度的所述第一光学基片；
-提供具有所述第二光焦度的所述第一衍射光学元件和具有所述第三光焦度的所述第二衍射光学元件。尤其是，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件以至少部分地消色差的方式相互作用。
以这种方式，有可能设计具有上述优点的眼科光学元件。具有第一正或负光焦度的所述第一光学基片的选择可以优选地根据待校正的屈光度范围来实现。换句话说，所述第一光学基片可以为待校正的用户的屈光度值范围提供基础光焦度。以示例方式，第一光学基片可以用作例如0dpt到+4dpt范围的基础，并且可以选择替代的第一光学基片用于例如+4dpt到+8dpt的范围。然后，可以借助于所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件实现所述眼科光学元件的所得效应对在相应范围内待校正的用户的屈光度值的适应。
优选地，选择所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件，使得它们具有在绝对值方面近似相同的光焦度。优选地，选择所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件，使得所述第一衍射光学元件的所述第二光焦度和所述第二衍射光学元件的所述第三光焦度之和的绝对值除以所述第二光焦度和第三光焦度之差的绝对值小于1/10，尤其是小于1/15，尤其是小于1/20。
根据本发明的第三方面，进一步提出了一种用于生产眼科光学元件的方法，所述方法包括设计根据本发明的第二方面的眼科光学元件的步骤，和此外，生产所述眼科光学元件的步骤。
以这种方式，有可能生产具有上述优点的眼科光学元件。
根据本发明的第四方面，进一步提供了一种包括程序代码的计算机程序产品，所述计算机程序产品被设计成当在数据处理***上执行所述计算机程序产品时，实施根据本发明的第二方面或其实施例中的一个的方法。
因此，所述计算机程序产品促进眼科光学元件的上述设计，并且因此具有相同的优点。
根据本发明的第五方面，进一步提出了一种包括框架以及第一眼镜镜片和第二眼镜镜片的眼镜，其中所述第一眼镜镜片和/或所述第二眼镜镜片是根据本发明的第一方面或其开发中的一个的眼科光学元件。
因此，所述眼镜可以具有上述优点。尤其是，所述眼镜可以具有预定的强前曲率，并且仍然设置有折射误差校正。尤其是在例如运动眼镜的紧密配合眼镜的情况下，这是有利的。
在根据本发明的第一方面的眼科光学元件的一个实施例中，可以规定所述第一光学基片具有前表面和后表面，其中所述第一衍射光学元件被布置在所述前表面所在的侧上和/或所述第二衍射光学元件被布置在所述后表面所在的侧上。
前表面或物体侧表面应被理解为意指所述第一光学折射基片的当所述眼科光学元件按预期使用时其背向用户的眼睛的表面。后表面或眼睛侧表面应被理解为意指第一光学折射基片的当所述眼科光学元件按预期使用时面向用户的眼睛的表面。替代术语前表面和后表面，还有可能使用术语第一光学有效表面和第二光学有效表面。
在根据本发明的第一方面的眼科光学元件的一个实施例中，可以规定所述眼科光学元件具有所述第二光学基片，所述第二光学基片具有所述第一衍射光学元件和/或所述第二衍射光学元件。
以这种方式，对于多个用户，可以优选地在不需要改变的情况下使用所述第一折射光学基片。结果，可以简化和标准化制造。
在本实施例的开发中，所述第一光学基片可以具有前表面和后表面，其中所述第二光学基片布置在所述第一光学基片的所述前表面或所述后表面所在的侧上。
优选地，所述第二光学基片布置在所述第一光学基片的所述后表面上。此外，所述第二光学基片优选地具有所述第一DOE和所述第二DOE。以这种方式，可以使用一个或多个标准化第一折射光学基片，然后通过选择在所述第二光学基片上的所述DOE使其适应或个体化。
尤其是，所述第二光学基片可以具有或者包括薄膜、玻璃或塑料壳。以示例方式，所述第二光学基片可以是具有所述第一DOE和所述第二DOE的膜。这样的膜可以优选地施加到所述第一折射光学基片的所述后表面上。这里，所述第一光学基片可以赋予该布置必要的机械稳定性。尤其是，可以成本有效的方式生产薄膜或塑料壳。借助于所述第二光学基片布置在所述第一光学基片的所述后表面上，可以保护所述第二光学基片免受例如刮擦的损坏。
在所述眼科光学元件的实施例中，可以在所述第一光学基片与所述第二光学基片之间提供粘接层或气隙。通常，具有不同折射率的介质可以位于所述第一光学基片与所述第二光学基片之间。
优选地，所述第一光学基片和所述第二光学基片可以彼此粘接。在粘接的范围内，毗邻的表面(例如，在本例中，所述第一光学基片的后表面和所述第二光学基片的前表面)借助于薄的透明粘接层粘合地粘结。以示例方式，为了这个目的可以使用人造树脂。此外，原则上可以规定，所述第一光学基片和所述第二光学基片通过接触粘结连接。这种生产方式也被称为分子粘合。这里，所述表面通过分子粘合力彼此连接。
在实施例中，所述第一衍射光学元件和/或所述第二衍射光学元件可以通过激光束写入、冲压、全息曝光和/或光刻来生产。
以这种方式，根据要求，有可能例如通过冲压提供成本有效的第一和/或第二DOE。可替选地或另外，也可以例如通过全息曝光和/或光刻工艺实现复杂的DOE。
在所述眼科光学元件的实施例中，所述第一衍射光学元件和/或所述第二衍射光学元件可以相对于所述光学轴线旋转对称。
本实施例的优点包括成本有效的生产。所述第一DOE和/或所述第二DOE可以设置有旋转对称的相位函数和可选地相同的坐标原点。同样地，在全息曝光的情况下，所述DOE可以实施为全息光学元件(HOE)，所述全息光学元件可选地以轴对称方式曝光并且具有相同的原点。从生产技术的观点来看，HOE可以优选地在对应薄的塑料壳上独立地并且连续地曝光，然后粘合地粘结到所述第一衍射光学元件上。例如，如果使用气隙替代粘接层，则也有可能借助于间隔元件进行附接。
在实施例中，可以通过二阶或更高阶多项式在横截面中描述所述第一DOE和/或所述第二DOE。尤其是，例如，可以提供三阶或四阶多项式。以示例方式，可以以P(y)＝A|y|3+B|y|2+C|y|+D的形式形成三阶多项式，其中A、B、C和D是常数。
多项式的系数可以借助于射线追踪方法来优化。原则上，这样的射线追踪方法对于本领域普通技术人员来说是已知的。以示例方式，在“罗伯特R香农，《光学设计的艺术和科学》，剑桥大学出版社，1997年(Robert R.Shannon，The Art and Science of OpticalDesign，Cambridge University Press，1997)”中描述了所述射线追踪方法。以这种方式，有可能至少近似地初始设计根据本公开的第二方面的眼科光学元件，并且进一步优化所述设计。这里，优化步骤可以明显更快地实施，尤其是考虑到在开始时至少近似找到的解决方案。此外，这允许节省这个目的所采用的数据处理***的资源。
优选地，所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)可以各自由横截面中的二阶或更高阶的相位多项式描述，其中，在±20％、尤其是±10％、尤其是±5％的公差范围的情况下，以下关系适用于所述第一衍射光学元件的所述相位多项式的第一系数a1,DOE1与所述第二衍射光学元件的所述相位多项式的第一系数a1,DOE2之间：
(2)
其中D指定所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件的所得附加光焦度，d指定所述第一衍射光学元件与所述第二衍射光学元件之间的距离。根据第一衍射光学元件的第二光焦度和第二衍射光学元件的第三光焦度的相反符号，第一衍射光学元件的系数a1,DOE1和第二衍射光学元件的系数a1,DOE2可具有不同的符号。此外，同样具有上述公差，以下关系可适用：
(3)
其中，例如，λ0指示的546nm的设计波长。
在实施例中，眼科光学元件进一步可以在近部分和远部分中具有像散效应和/或不同聚焦效应。
通常，可以提供额外的校正效应，尤其是像散校正和/或渐变多焦镜片或近区域校正。这个效应可以通过第一折射光学元件和/或通过第一DOE和/或第二DOE或其任何组合来获得。尤其是，例如，当借助于具有变形波前的全息曝光产生DOE时，可以有利地实现附加的校正效应。此外，可以例如通过引入圆柱形光学单元而提供包含必要的轴角度的像散校正。
在实施例中，根据本发明的第二方面的方法的特征进一步在于，所述第一光学基片选自一组预定的第一光学基片。这里，预定光学基片中的每个可以作为待校正的屈光度范围的基础。以示例方式，所述一组预定的第一光学基片具有以下屈光度范围中的至少一个：0...+5dpt、0...-5dpt、+5...+8dpt和-5...-8dpt。
这种配置的优点包括仅有必要存储有限数量的第一光学基片。这在如将在下面更详细地解释的根据第六方面的头戴式显示设备的情况下是特别有利的。
为确保必要的光学功能而必须实现的光栅频率越高，用户所期望的屈光度数越远离所述第一折射光学元件在开始时选择的屈光度数。为了避免太大的扩散，因此可以建议提供一组预定光学基片，每个光学基片覆盖较大范围的一部分。
在实施例的开发中，所述一组预定的第一光学基片的基片可以例如用作至少2个、尤其是至少3个、尤其是至少4个屈光度的屈光度范围的基础。所述屈光度范围可以彼此重叠。
根据本发明的第六方面，提出了一种具有根据本发明的第一方面的眼科光学元件的头戴式显示设备(头戴式显示器或HMD)，其中所述眼科光学元件进一步具有输入耦合光学单元，所述输入耦合光学单元借助于所述眼科光学元件的所述第一光学基片被实施为输入耦合待显示的图像。
头戴式显示设备或头戴式显示器(缩写为HMD)应被理解为意指在头部佩戴或可在头部佩戴的视觉输出器械。尤其是，这可以是所谓的OHMD，其允许用户透过显示器观看。这样的设备对于“增强现实”中的应用是特别有利的。尤其是，HMD可以在靠近眼睛的屏幕上呈现图像，或者其将所述图像直接投射到视网膜上。
优选地，所述第一光学基片被实施为在所述第一光学基片中通过全内反射引导待显示图像的光，并且其进一步具有组合器光学单元作为输入耦合单元，在预期用途的情况下，所述组合器光学单元停留在眼睛前面。
在HMD的情况下通常存在的问题是在每种情况下不同的屈光度要求需要计算新的HMD输入耦合光学单元或使用与处方眼镜的普通眼镜镜片的组合。因此，或需要很多费用，或使用夹层式结构，这会使整个眼镜非常厚。
根据所提出的解决方案，具有HMD输入耦合或输出耦合光学单元的标准化第一折射光学元件可以被用于整个屈光度范围或其一部分。如上所述，可以通过在所述第一光学元件的所述后表面上提供所述第一DOE和所述第二DOE来实现个体化。因此，所述DOE对所透射光和镜像通道起作用，使得相同的HMD或相同的第一光学元件可以被用于多个视敏度。因此，可以简化生产并且可以降低成本。
在一个实施例中，所述眼科光学元件可具有用于HMD的输入耦合光学单元和/或输出耦合光学单元，其借助于所述眼科光学元件的所述第一光学基片被实施为输入耦合和/或输出耦合待显示的图像。
不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，前述特征和下面还要解释的特征不仅可以在每种情况下以指定的组合使用，而且可以以其它组合或单独使用。
附图说明
附图中示出了本发明的实施例，并且在以下描述中更详细地解释了本发明的实施例。在图中：
图1示出了根据第一实施例的眼科光学元件的截面图示；
图2示出了根据第二实施例的眼科光学元件的截面图示；
图3示出了根据其它实施例的眼科光学元件的平面图；
图4示出了包括类似于图1的第一实施例的眼科光学元件的头戴式显示设备(HMD)的示意性图示；
图5示出了用于设计眼科光学元件的方法的流程图。
图6示出了用于设计眼科光学元件的方法的另一流程图；
图7示出了根据本发明的一个方面的眼科光学元件中的横向色差的图示；
图8示出了传统眼镜镜片的横向色差的图示；
图9示出了根据本发明的方面的眼科光学元件中的横向色差的另一图示。
图10示出了传统球形眼镜镜片的情况下的横向色差的另一图示；
图11示出了根据本发明的方面的眼科光学元件中的MTF的图示；
图12示出了具有球形内半径的传统眼镜镜片中的MTF的图示；和
图13示出了具有自由形式内表面的传统眼镜镜片中的MTF的图示。
具体实施方式
图1示出了根据第一实施例的眼科光学元件1(例如眼镜镜片)的截面图示。眼科光学元件1具有：第一折射光学基片10，所述第一折射光学基片具有正或负的第一光焦度；第一衍射光学元件(DOE)21，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度；和第二衍射光学元件22，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度，其中第一衍射光学元件21和第二衍射光学元件22具有相反的光焦度，并且其中第一衍射光学元件21和第二衍射光学元件22以至少部分地消色差的方式相互作用。第一衍射光学元件21和第二衍射光学元件22在绝对值方面可具有近似相同的光焦度，但具有相反的符号，并且因此第一衍射光学元件21和第二衍射光学元件22以至少部分地消色差的方式相互作用。
图1示出了优选实施例，其中出于美观的原因，第一光学基片10的物侧前表面11具有凸状实施例。优选地并且同样出于美观的原因，第一光学基片10的眼侧后表面12具有凹状实施例。第一折射光学基片10的光焦度尤其是从前表面11和后表面12的半径以及基片10的厚度显现。
在图1中所示的实施例中，第二光学基片30布置在第一光学基片10的后表面12处。这里，第二光学基片30在物侧前表面31处具有第一衍射光学元件21，并且在眼侧后表面32处具有第二衍射光学元件22。可替选地，第二衍射光学元件22也可布置在第一光学基片10的后表面12处。
以示例方式，第二光学基片30可以是塑料壳或薄膜，例如是具有用于第一衍射光学元件21的前侧第一衍射光栅和用于第二衍射光学元件22的后侧第二衍射光栅的光栅膜。
第二光学基片30可粘合地粘结或粘接到第一光学基片10。例如，如果使用气隙替代粘接层，则也有可能借助于间隔元件进行附接。为了这个目的，在图1中所示的示例中，气隙或粘接层13位于第一光学基片10的后表面12与第二光学基片30的前表面31之间。气隙或粘接层13可以具有与第一光学基片10和/或第二光学基片30不同的折射率。
可选地，保护层40可设置在第二光学基片30的后表面32上，所述保护层保护第二DOE 22尤其是例如免受机械损坏。保护层40具有与第二光学基片30不同的折射率。可选地，保护层可以设置在第一光学基片10的前表面11处。
此外，图1以示例性方式图示了从无限远入射的光束40a、40b，所述光束穿过眼科光学元件1被提供给用户眼睛的入射瞳孔41。
在特定示例性实施例中，第一光学元件1可以被设计用于0到-4dpt的屈光度范围、3mm的瞳孔直径和+/-25度的视野。前表面和/或后表面中的一个或多个可以出于成本有效的制造而具有球形实施例。在这个示例中，R1指示保护层40的后表面42的半径，R2指示第二光学元件30的后表面32的半径，R3指示第二光学元件的前表面31的半径，R4指示第一光学元件10的后表面12的半径，并且R5指示第一光学元件10的前表面11的半径。在这个示例中，D1指示保护层40的厚度，D2指示第二光学元件30的厚度，D3指示粘接层13的厚度，并且D4指示第一光学元件10的厚度。可以如下选择根据这个示例性实施例的第一光学元件1的值：
这里，说明“cc”指的是在每种情况下这可以是凹状表面的事实。因此可以实现吸引人的美学。
第一衍射光学元件21和/或第二衍射光学元件22可以设置有旋转对称的相位函数和可选地相同的坐标原点。在图3中的平面图中以示例性方式示出了这样的结构。截面I-I指示在这种情况下根据图1的横截面平面。
在这个示例性实施例中，可为第一DOE 21和第二DOE 22选择六阶相位多项式。在本示例中，优选地仅考虑偶数项，其中：
(4)其中i＝1...N并且N＝3，
其中，y指示在DOE上的径向高度，即，距中心的径向距离(在图3中参见0)，并且λH指示设计波长，例如，在这种情况下λH＝546nm。可以根据期望的屈光度值来选择系数ai。可选地，设计波长λH可以已经包含在系数ai内。在下面以示例性方式指定的若干组系数中，设计波长λH中已经包含在系数ai内。
因此，这个解决方案的优点尤其是包括相同的第一折射光学元件10能够用作针对不同用户的多个所期望屈光度值的基础。因此，可以标准化第一光学元件的生产，因此可降低生产成本。可以通过选择第一DOE 21和第二DOE 22的相位多项式的系数ai来实现拟合到用户的所期望屈光度值。在本示例中可以选择以下若干组系数：
在-1dpt时的一组系数
在-2dpt时的一组系数
在-3dpt时的一组系数
在-4dpt时的一组系数
在本示例中，第一光学基片10和第二光学基片30由第一透明材料(在这种情况下，聚碳酸酯)生产而成。粘接层13和保护层40由具有不同的折射率的第二透明材料(在这种情况下，PMMA)生产而成。聚碳酸酯可以具有折射率n1＝1.49，并且PMMA可以具有折射率n2＝1.6。
应当理解，相应数值，即相应表面的半径和/或第一DOE 21和第二DOE 22的系数，可以以计算机辅助的方式通过针对相应的所期望的屈光度值和所期望的几何形状的光学模拟或优化来获得。
根据本公开的方面，第一DOE 21和第二DOE 22被设计在以下边界条件下：第一衍射光学元件21的第二光焦度和第二衍射光学元件22的第三光焦度之和的绝对值除以第二光焦度和第三光焦度之差的绝对值小于1/10，尤其是小于1/15，尤其是小于1/20。通过以这种方式将第二和第三光焦度选择为在绝对值方面近似相同并且这些光焦度具有不同的符号，尤其是，有可能获得较低的横向色差。也在等式(1)中指出的这个商可以被称为对比度或对比度值K。
下面针对屈光度数D指定示例性对比度值K，屈光度数D另外通过第一DOE 21和第二DOE 22的组合以及第一DOE和第二DOE之间的距离d来校正：
在相同屈光度数的情况下，DOE之间的不同距离处的对比度值优选地与成比例地表现，其中d1和d2指定DOE彼此之间的距离。DOE之间的距离可以定义为DOE之间沿着光学轴线的距离。
如开头所描述，由衍射光学元件必须达到以确保光学效应(例如，所期望的光焦度)的光栅频率越高，所期望的附加效应是第一DOE 21和第二DOE 22的组合在量值方面越大。然而，高光栅频率和与其相连的小结构尺寸会增加对生产的要求。因此，建议将要覆盖的例如从-8dpt到+8dpt的屈光度范围细分为多个屈光度范围。以示例方式，细分为-8dpt...-4dpt、-4dpt...0dpt、0dpt...+4dpt、4dpt...8dpt的范围。然后，可以借助于第一DOE和第二DOE实现对用户的值的最终配合。
图2示意性地示出了眼科光学元件1的另一可能实施例的截面图示。相同的元件再次通过相同的附图标记识别，并且将不再次描述。下面将仅讨论差异。
在图2中所示的实施例中，第一DOE 21布置在第一折射光学基片10的物侧前表面11处。第二DOE 22可以布置在第一折射光学基片10的眼睛侧后表面12处。优选地，可以提供保护层40，保护层40保护第一DOE 21和第二DOE 22。
图4示出了头戴式显示设备(HMD)60的简化示意性图示，头戴式显示设备(HMD)60具有根据本发明的方面的眼科光学元件1的开发，如参考图1所述。
眼科光学元件1进一步具有输入耦合光学单元61，输入耦合光学单元61借助于眼科光学元件1的第一光学基片10被实施为输入耦合待显示的图像。
此外，HMD 60具有提供待显示的图像的图像源62。待显示的图像可以可选地经由另一元件63输入耦合到第一光学基片10中。
在图4中所示的示例中，以非常简化的方式图示了HMD的部件。以示例方式，待显示的图像经由第一镜子63从图像源62输入耦合到第一光学基片10中，并且从光学基片输出耦合，或者经由第二镜子61输入耦合到眼睛的光束路径中。优选地，镜子61可以是半透明镜子，使得用户还可以继续从其周围环境感知光40a。这对于增强现实中的应用是特别有利的。
衍射输入耦合或输出耦合结构也可用在HMD中，如例如左拉(Levola)的“用于虚拟现实显示的衍射光学器件(Diffractive optics for virtual reality displays)”(信息显示协会杂志，第14卷，第5期，第467-475页，2006年5月)中所述。
这个实施例的优点包括有可能针对多个不同的屈光度值使用相同的第一光学基片10。最终的屈光度配合可以通过第一DOE 21和第二DOE 22来实现，第一DOE 21和第二DOE22布置在第一光学基片10的后表面12所在的侧上。为了这个目的，可以提供第二光学基片30，如参考图1所述。
图5示出了用于为用户设计眼科光学元件1，尤其是眼镜镜片的计算机实施的方法的流程图，其中眼科光学元件具有：第一光学基片，所述第一光学基片具有正或负的第一光焦度；第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度；和第二衍射光学元件，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度；其中第一衍射光学元件和第二衍射光学元件具有相反的光焦度，并且其中第一衍射光学元件和第二衍射光学元件优选地以至少部分地消色差的方式相互作用。
在第一步骤S101中，根据待校正的屈光度范围选择具有正或负的第一光焦度的第一光学基片。第一光学基片的选择可以由一组预定的第一光学基片制成，其中预定的光学基片种的每个用作待校正的屈光度范围的基础。以示例方式，用户需要-3dpt的校正效应。因此，有可能选择被设计用于待校正的-4dpt到0dpt的屈光度范围的第一光学基片。
在第二步骤S102中，选择具有第二光焦度的第一衍射光学元件和具有第三光焦度的第三衍射光学元件。
优选地选择第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，使得第一衍射光学元件的第二光焦度和第二衍射光学元件的第三光焦度之和的绝对值除以第二光焦度和第三光焦度之差的绝对值小于1/10，尤其是小于1/15，尤其是小于1/20。
图6示出了用于设计眼科光学元件的方法的另一流程图。使用这样的方法，有可能从第一光学基片的优选地几个易于生产并且光学上吸引人的基本形式促进相应必要的屈光度数，或者可选地，特别优化的折射误差校正。
在第一步骤S201中，例如从-4dpt到0dpt或从+4dpt到+7dpt选择将由相同的第一折射光学基片(这里也被称为载体玻璃)校正的屈光度范围。
在第二步骤S202中，例如，有可能使用用于来自这个屈光度范围的中等屈光度数的传统方法来优化第一折射光学基片10的前表面11的半径和后表面12的半径。因此，第一折射光学基片10的第一光焦度被设定。优选地，前表面11和后表面12是球形的。优点在于简单、成本有效和高质量的生产。
在第三步骤S203中，提供具有第二折射焦度的第一衍射光学元件(DOE)21和具有第三折射焦度的第二衍射光学元件22，其中，尤其是，存在以下选项：(a)DOE施加在第一光学基片10的前表面上，并且另一DOE施加在第一光学基片10的后表面上，例如，如图2中所示。(b)提供第二光学基片，其中，DOE施加在第二光学基片的前表面上，并且另一DOE施加在第二光学基片的后表面上，例如，如图1中所示。(c)有可能选择混合形式，其中，DOE施加在第一光学基片的前表面或后表面上，并且另一DOE施加在第二光学基片的前表面或后表面上。
这里，选择第一DOE 21和第二DOE 22，使得它们针对对应的屈光度要求在绝对量值方面具有近似相同的光焦度，但具有不同的符号。如开头所描述，眼科光学元件1的所得光焦度尤其是从第一、第二和第三光焦度之和显现。
在第四步骤S204中，可以实施来自待校正的例如-4dpt到0dpt屈光度范围的多个节点(即，多个所期望的屈光度值)的同时优化，其中DOE 21、DOE 22的系数从步骤S202开始与预定的第一光学基片一起被优化。
优选地，在这个优化期间，第一折射光学基片10的前表面11的半径可以保持恒定，而尤其是，第一光学基片10的后表面12的半径以及在适用的情况下可选的第二光学基片30的半径和DOE的距离在允许的边界内被优化。结果，可以获得吸引人的美学设计。
原则上，包含射线追踪方法的计算机辅助优化方法对于本领域普通技术人员来说是已知的。以示例方式，例如，在这种情况下有可能求助于商业上可获得的产品，例如CodeV或Zemax。然而，当使用这样的解决方案以便获得有利的结果时，边界条件的选择是决定性的。
尤其是，在这个方面，发明人已经认识到，如果选择第一衍射光学元件和第二衍射光学元件使得第一衍射光学元件的第二光焦度和第二衍射光学元件的第三光焦度之和的绝对值除以第二光焦度和第三光焦度之差的绝对值小于1/10，尤其是小于1/15，尤其是小于1/20，则可以实现小的横向色差。
图7到图13示出了与传统眼镜镜片相比较的根据本发明的方面的眼科光学元件的示例性模拟结果。
图7到图10示出了横向色差的图示。水平轴以毫米为单位指定横向色差μ。垂直轴指定从0°到25°的视野的视角θ。为了提高可比性，轴的缩放比例在图7到图10中是相同的。这里，在每种情况下，例如在643nm的波长的长波长光的色差由虚线71表示。例如在480nm的短波长光的色差由实线72表示。在每种情况下，由双头箭头73指定在0°到25°的角度范围上的最大色差。
图7和图8示出了在+3dpt的屈光能力的情况下的横向色差。图9和图10示出了在+4dpt的屈光能力的情况下的横向色差。
图7和图9示出了根据本发明的方面的眼科光学元件(例如，如图1中所示)中的横向色差的图示。图8和图10示出了传统球形眼镜镜片的横向色差的对应图示。
从图7与图8的比较以及图9与图10的比较可清楚地看出，使用根据本发明的方面的眼科光学元件1可以有利地减少色差。尤其是，因此使用所提出的解决方案也有可能在像场边缘处实现更好的光学性能。
图11到图13示出了在4dpt的屈光度值的情况下的调制传递函数(MTF)的图像。水平轴指定每毫米周期的空间频率ω。垂直轴指定可实现的调制M的幅度。
图11示出了根据本发明的方面的眼科光学元件1(例如，如图1中所示)的MTF。图12示出了用于传统球形眼镜镜片的MTF。图13示出了用于具有自由形式表面的传统眼镜镜片的MTF。
在图示中，虚线曲线81在每种情况下指定MTF的衍射限制的最大值。另一曲线82指定在不同视角处可实现的调制。
通过比较图11与图12和图13，可清楚地看出，通过使用根据本发明的方面的眼科光学元件1，可以在很大的视野上实现优于传统眼镜镜片的改进的传递函数。
Claims (20)
1.一种眼科光学元件(1)，尤其是眼镜镜片，包括：
第一折射光学基片(10)，所述第一折射光学基片具有正或负的第一光焦度(D1)；
第一衍射光学元件(21)，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度(D2)；
第二衍射光学元件(22)，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度(D3)；
其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)具有相反的光焦度，并且其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)以至少部分地消色差的方式相互作用。
2.根据权利要求1所述的眼科光学元件，
其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)与所述第一折射光学基片(10)一起以消色差的方式相互作用。
3.根据权利要求1或2所述的眼科光学元件，其特征在于，所述第一衍射光学元件(21)的所述第二光焦度(D2)和所述第二衍射光学元件(22)的所述第三光焦度(D3)之和的绝对值除以所述第二光焦度(D2)和所述第三光焦度(D3)之差的绝对值小于1/10，尤其是小于1/15，特别是小于1/20。
4.根据前述权利要求中任一项所述的眼科光学元件，其特征在于，所述第一光学基片(10)具有前表面(11)和后表面(12)，并且其中所述第一衍射光学元件(21)布置在所述前表面(11)所在的侧上，和/或所述第二衍射光学元件(22)布置在所述后表面(12)所在的侧上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的眼科光学元件，包括第二光学基片(30)，所述第二光学基片具有所述第一衍射光学元件(21)和/或所述第二衍射光学元件(22)。
6.根据权利要求5所述的眼科光学元件，
其中所述第一光学基片具有前表面(11)和后表面(12)，并且其中所述第二光学基片(30)布置在所述第一光学基片(10)的所述前表面(11)或所述后表面(12)所在的侧上。
7.根据权利要求5或6所述的眼科光学元件，
其中所述第二光学基片包括薄膜、玻璃或塑料壳。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的眼科光学元件，
其中粘接层(13)或气隙布置在所述第一光学基片(10)与所述第二光学基片(30)之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的眼科光学元件，
其中所述第一衍射光学元件和/或所述第二衍射光学元件(21、22)通过激光束写入、冲压、全息曝光和/或光刻来生产。
10.根据前述权利要求中任一项所述的眼科光学元件，
其中所述第一衍射光学元件(21)和/或所述第二衍射光学元件(22)相对于光学轴线旋转地对称。
11.根据前述权利要求中任一项所述的眼科光学元件，
其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)每一个均由横截面中的二阶或更高阶的相位多项式描述，其中，在±20％、尤其是±10％、尤其是±5％的公差范围的情况下，以下关系适用于所述第一衍射光学元件(21)的所述相位多项式的第一系数a1,DOE1与所述第二衍射光学元件(22)的所述相位多项式的第一系数a1,DOE2之间：
其中D表示由所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件的所得附加光焦度，d表示所述第一衍射光学元件与所述第二衍射光学元件之间的距离，并且λ0表示设计波长。
12.根据前述权利要求中任一项所述的眼科光学元件，进一步包括在近部分和远部分中的像散效应和/或不同聚焦效应。
13.一副眼镜，包括框架以及第一眼镜镜片和第二眼镜镜片，其特征在于，所述第一眼镜镜片和/或第二眼镜镜片是根据权利要求1至12中任一项所述的眼科光学元件(1)。
14.一种头戴式显示设备(60)，包括根据权利要求1至12中任一项所述的眼科光学元件(1)，
其中所述眼科光学元件(1)进一步包括输入耦合光学单元(61)，所述输入耦合光学单元借助于所述眼科光学元件(1)的所述第一光学基片(10)被实施为输入耦合待显示的图像。
15.一种计算机实施的方法，用于为用户设计眼科光学元件(1)，尤其是眼镜镜片，其中所述眼科光学元件(1)具有：
第一光学基片(10)，所述第一光学基片具有正或负的第一光焦度(D1)；
第一衍射光学元件(21)，所述第一衍射光学元件具有第二光焦度(D2)；和
第二衍射光学元件(22)，所述第二衍射光学元件具有第三光焦度(D3)，
其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)具有相反的光焦度，并且其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)以至少部分地消色差的方式相互作用；
其中，所述方法包含以下步骤：
-根据待校正的屈光度范围，选择(S101)具有正或负的第一光焦度(D1)的所述第一光学基片(10)；
-提供(S102)具有所述第二光焦度(D2)的所述第一衍射光学元件(21)和具有所述第三光焦度(D3)的所述第二衍射光学元件(22)。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中所述第一衍射光学元件(21)和所述第二衍射光学元件(22)以如下方式被选择：
所述第一衍射光学元件(21)的所述第二光焦度(D2)和所述第二衍射光学元件(22)的所述第三光焦度(D3)之和的绝对值除以所述第二光焦度(D2)和所述第三光焦度(D3)之差的绝对值小于1/10，尤其是小于1/15，特别是小于1/20。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述第一光学基片(10)选自一组预定的第一光学基片，其中所述预定光学基片(10)中的每一个用作待校正的屈光度范围的基础，所述一组预定的第一光学基片尤其是具有以下屈光度范围中的至少一个：0dpt...+5dpt、0dpt...-5dpt、+5dpt...+8dpt和-5dpt…-8dpt。
18.根据权利要求17所述的方法，
其中所述一组预定的第一光学基片(10)中的基片用作至少2屈光度、尤其是至少3屈光度、特别是至少4屈光度的屈光度范围的基础。
19.一种用于生产眼科光学元件(1)的方法，尤其是用于生产眼镜镜片的方法，包含以下步骤：
-根据权利要求13至16中任一项所述的方法来设计所述眼科光学元件，和
-生产所述眼科光学元件(1)。
20.一种计算机程序产品，包括用于当在数据处理***上执行所述计算机程序产品时实施根据权利要求15至18中任一项所述的方法的程序代码。
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