JP2006504137A - 色収差を軽減した眼用レンズ - Google Patents

Abstract

本発明は、回折要素によって屈折要素の横の色収差が軽減された単焦点眼用レンズ及び多焦点ハイブリッド眼用レンズ、並びにその製造方法を提供する。

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は眼用レンズに関する。詳細には、本発明は色収差を軽減した眼鏡レンズに関する。

発明の背景
屈折異常の矯正に眼用レンズを使用することは周知の通りである。眼鏡レンズの製造では、特に度数の強いレンズの場合、許容できる縁及び中心の厚みが得られるように屈折率の高い材料、すなわち屈折率が１．５０よりも大きい材料を使用するのが好ましい。しかしながら、ポリカーボネートや無機ガラスなどの従来の材料を用いて屈折率を大きくすると、色収差及び色分散が増大してしまう。

縦及び横の色収差は、異なる波長の光によって生成される像の変位によって起こる。色収差の程度は、レンズの度数とレンズ材料の物理特性によって決まる。従来の材料から形成された眼鏡レンズをかけている人は、特に視野の周辺で様々な度合いの色収差を経験している。

眼鏡レンズで一般的である屈折要素が１つのレンズの場合、レンズの横の色収差（「ＴＣＡ」）（ジオプトリ）は、以下の式Ｉに示されているように、アッベ数（Ｖ）、レンズの度数（Φ）（ジオプトリ）、及びレンズ中心からのレンズの注視高さ（ｙ）（ｍｍ）によって決まる。

以下に示す表には、１５ｍｍの注視高さ（gaze height）における様々なレンズの度数及びアッベ値に対してＴＣＡが示されている。

ＴＣＡが０．２５ジオプトリを超えると多くのレンズ使用者にとって問題となる。

一般的な従来の高屈折率材料は、一部のレンズ使用者に問題を起こすアッベ数３０〜４５を有する。分散が小さいと見なされる低屈折率材料は、アッベ数５５を超え、殆どのレンズ使用者にとって色収差性能が許容範囲である。しかしながら、高屈折材料は、薄くて軽量のレンズを製造できるため眼鏡レンズに適している。従って、アッベ数が大きい低屈折レンズに等しい色収差性能を提供する眼鏡レンズ用の高屈折率材料が要望されている。

発明及び好適な実施形態の説明
本発明は、回折要素及び及び屈折要素の両方を用いる単焦点レンズ及び多焦点レンズ、並びにそれらの製造方法を提供する。この複合レンズは、横の色収差を１０〜１００％軽減して、約５０〜１２０の有効アッベ数を有する高屈折率を可能にする。所定のバランスで屈折度数と回折度数（diffractive power）を組み合わせて、アッベ数が高い屈折レンズに等しい性能を備えたレンズを提供することができる。

一実施形態では、本発明は、球面度数Φ、第１の球面度数Φ_Dを含む回折要素、及び第２の球面度数Φ_Rを含む屈折要素を含む、これらから実質的になる、またはこれらからなる眼用レンズを提供する（Φ＝Φ_D＋Φ_R）。「眼用レンズ」は、限定するものではないが、眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、眼内レンズ、及びオンレーレンズ（onlay lenses）を含む視力を矯正するのに適したレンズを指す。

単焦点レンズの場合、Φは、レンズ全体の平均球面度数、光学中心における局所球面度数、または光学中心における局所球面円柱度数とすることができる。当業者であれば、Φ_Dの値が、選択された球面度数と所望のＴＣＡの補正レベルによって決まることを理解できよう。多焦点レンズの場合、Φは、光学中心またはフィッティングにおける球面度数または球面円柱度数、レンズの近見領域近傍の中心における度数、または光学全体で異なる局所度数（これによりレンズ全体でΦ_Dが異なる）とすることができる。

回折要素は、限定するものではないが、回折格子、ホログラム、及びキノフォームを含む任意の好適な要素とすることができる。回折要素による度数は、マイナスまたはプラスとすることができる。

理想的なＴＣＡ補正は、次の式ＩＩを満たす条件で達成できる。

この式において、Ｖ_Rはレンズ材料のアッベ数であり、Ｖ_Dはレンズの回折要素の有効アッベ数である。通常は、レンズ材料のアッベ数は約３０〜約６０である。

回折要素のアッベ数は次の式ＩＩＩで表すことができる。

この式のλ_midは、対象の範囲の中間点の波長である。可視系の場合、通常は５８７ｎｍの値が用いられる。対象の範囲の短い波長はλ_shortであり、可視系の場合、通常は４８６ｎｍが用いられる。対象の範囲の長い波長はλ_longであり、可視系の場合、通常は６５６ｎｍが用いられる。これらの波長の値を用いると、Ｖ_Dが−３．４５である。

レンズに要求される回折度数は次の式ＩＶから求めることができる。

回折要素は、約０．１０〜約１．５０ジオプトリの球面度数を付加するのが好ましい。

回折要素は、レンズの後面すなわち凹面、前面すなわち凸面、または前面と後面の中間面の実質的に全てまたは一部を覆うことができる。回折要素は、限定するものではないが、環状、円形、及び長円形などを含む様々な形状とすることができる。回折要素は、製造を容易にするため及び表面の耐久性のために後面を覆うのが好ましい。回折要素が前面と後面の中間にある実施形態では、中間層の前後の屈折率の変化は、回折要素が機能するような変化でなければならない。一般に、屈折率の変化は、約０〜０．２５単位／μｍの範囲でなければならない。

図１は、Ｖ_Rを３０とした時に−９．００〜＋９．００ジオプトリのポリカーボネートレンズの全レンズ度数の屈折球面度数と回折球面度数の好適な組合せを示すグラフである。当業者であれば、Ｖ_Rが大きい材料の場合は、必要な回折度数が小さいことを理解できよう。色収差の軽減は、次の式Ｖの条件を満たす回折度数で実現できる。

この式において、Φ_Dは、屈折度数Φ_Rに対する回折度数の最適値であり、その値は約０〜約２Φ_Dである。この値が０の場合、色収差の補正がない。この値が２Φ_Dの場合、色収差はレンズの色収差に等しいが反対方向である。

しかしながら、回折度数は次の式ＶＩに限定されるのが好ましい。

更に好ましくは、回折度数は次の式ＶＩＩに限定される。

図２に、式ＩＩを用いてΦ_Dが示され、式ＶＩＩによって決定されたプラス及びマイナスの許容範囲の限界に沿ってプロットされている。回折度数が式ＶＩＩによって決定された許容範囲内の場合、横の色収差は少なくとも５０％減少する。最適なＴＣＡ補正には回折度数が式ＩＩを満たすようにするのが望ましいが、式ＶＩＩによる緩い限定では、それぞれの球面度数に対して専用の回折要素を必要とすることなく、屈折率が低くアッベ数が高い場合の色収差と同等またはそれ以上に改善された色収差性能が可能となる。

式Ｖを、回折度数が最大可能ＴＣＡについて決めように別の形にすることができる。この形では、本質的に小さい横の色収差を有する低いレンズ球面度数の場合、屈折度数のみについて解が得られる。この形では、回折度数に対する限定は以下に示す式ＶＩＩＩの通りである。

本発明のレンズは、任意の従来の方法で、眼用レンズの製造に適した任意の既知の材料から製造することができる。好適な材料として、限定するものではないが、ポリカーボネート、アリルジグリコール、及びポリメタクリレートを挙げることができる。このような材料は、市販されているか或いは製造方法が周知である。更に、レンズは、限定するものではないが、研削、レンズ全体の鋳造、成形、熱成形、積層法、表面注型、またはこれらの組合せを含む任意の従来のレンズ製造法で製造することができる。鋳造は、任意の方法で行うことができるが、表面注型で行うのが好ましい。このような表面注型は、限定するものではないが、言及することを以って本明細書の一部とする米国特許第５，１４７，５８５号、同第５，１７８，８００号、同第５，２１９，４９７号、同第５，３１６，７０２号、同第５，３５８，６７２号、同第５，４８０，６００号、同第５，５１２，３７１号、同第５，５３１，９４０号、同第５，７０２，８１９号、及び同第５，７９３，４６５号に開示されている。

回折要素は、必要な回折要素を導入する光学器具を用いて成形工程で形成することができる。このような器具は、限定するものではないが、プラスチック光学部分の射出成形または圧縮成形に適した金属インサート、光学部分を注型するためのガラスまたは金属の型、及び金属またはセラミックのスタンピング器具が含まれる。別法では、回折要素はダイヤモンド旋盤で形成することができる。仕上がった要素は、その要素に一致し、かつ回折要素の機能を維持する好適なコーティング剤でコーティングすることができる。別法では、非一致コーティング剤を用いて、そのコーティングの下に回折要素を効果的に埋込むことができる。この実施形態では、個々の回折格子要素の幅及び深さは、コーティング剤と基材との屈折率の差を考慮しなければならない。好適なコーティング剤は、市販されている或いはその製造方法が周知である。

回折度数の程度はレンズの全球面度数によって決まるため、それぞれのレンズの回折度数の計算は、レンズを使用する個人の処方によって決まる。従って、回折要素は注文ベースで形成される。このような注文ベースで要素を形成するある方法では、個人の矯正処方が決定され、好適な前面形状を有する半仕上げブランクが選択される。この半仕上げブランクの前面に、例えば、ハードコーティング、反射防止コーティング、またはカラーコーティングなどの任意の好適なコーティングを形成することができる。次いで、このブランクの前面が、回転方向に対称な保持具が光学中心などの光学基準に整合するようにその保持具に取り付けられる。次いで、ブロックされたブランクが、多軸ＣＮＣダイヤモンド旋盤で加工され、回折要素を含む後面に、例えば球面、円環、累進屈折力などの所望の表面が形成される。機械加工は、計算機制御された２軸線形駆動装置に取り付けられた１点ダイヤモンド旋盤で行うのが好ましい。機械加工する表面は、限定するものではないが、ｘ−ｙ−ｚ座標でその表面を表す方法、それぞれが一連の係数及び境界条件を備えた一連の多項式による方法を含め、任意の従来の方法で表すことができる。機械加工された表面は、任意の所望のコーティング剤でコーティングすることができる。

本発明は眼鏡レンズのデザインに特に有用であるが、屈折要素及び回折要素は、眼鏡レンズ、コンタクトレンズ、または眼内レンズなどの視力矯正用のあらゆる種類のレンズに適用することができる。本発明は、以下に示す限定目的ではない例を読めばより良く理解できるであろう。

例
例１
球面度数が−４．００の単焦点レンズは、アッベ数２９のポリカーボネートから形成される。比較目的のための基準として、フロントカーブの曲率が２００ｍｍ、バックカーブの曲率が７９ｍｍの従来の屈折レンズをまず分析した。このレンズは、そのレンズから２７ｍｍの眼球回動点（eye rotation point）に配置された焦点距離１８ｍｍのレンズの焦点面におけるＲＭＳスポットサイズを計算して分析した。ＲＭＳスポットサイズは、−４０度〜＋４０度の入射角で計算し、図３に示されている。

度数が−０．３７ジオプトリの回折要素をレンズの凹状の後面に配置した。球面度数を維持するために、後面の曲率を８９ｍｍに変更した。この回折／屈折レンズのＲＭＳスポットサイズが図４のグラフに示されている。スポットサイズが約０．００４ｍｍ〜０．０００１ｍｍに縮小したのが観察され、ｘ＝０、ｙ＝０での像の質が改善された。これは、主に軸の収差及び縦の収差の改善によるものである。像の質の改善は、軸外入射角でより顕著である。例えば、ｘ＝０、ｙ＝−２０度でのＲＭＳスポットサイズは、従来の屈折レンズは０．０１７ｍｍであるが、回折要素を有するレンズでは０．００３ｍｍである。

例２
ポリカーボネート製の非円環累進屈折力レンズは、−４．００ジオプトリの近視度数及び１．３０ジオプトリの加入度数を有する。図５に、このレンズのＲＭＳスポットサイズが示されている。図４に、このレンズの不所望の非点収差が示されている。これらの図面では、様々な角度でレンズを通る水平カットによる断面解析が示されている。１０度の断面は、レンズの適正見領域（fair vision region）を通る水平カットである。この特定のレンズでは、近見領域（near vision region）は−４０度である。適正領域から中間見領域（intermediate vision region）、そして近見領域にかけて一連のカットを形成した。

度数が−０．３５ジオプトリの回折格子をレンズの凹面に付加した。全球面度数は−４．００ジオプトリに維持されるが、屈折部分の球面度数は−３．６５ジオプトリに減少している。レンズの回折部分のアッベ数は−３．５であり、屈折部分のアッベ数は２９である。図６に示されているように、像の質は、レンズの中心子午線すなわち光路の中心に沿って最も劇的に改善された。この改善は、図８に例示されているようにレンズの不所望の非点収差が増大することなく得られた。

例３
それぞれの球面度数に対して専用の回折が必要ないように一群のデザインの回折度数を選択することができる。レンズの全球面度数は、前面の屈折度数と後面の屈折度数と回折要素の回折度数の合計である。この回折要素は、前面、後面、または中間面に設けることができる。

表２に、６つの固有のフロントカーブ（９、８、６、４、２、及び１のジオプトリ）の５つで回折力を加えているため、色収差性能を改善するポリカーボネート製の単焦点レンズの一群のデザインにおける全面屈折度数、後面屈折度数、及び回折度数が示されている。それぞれの球面度数に対して固有のバックカーブがある。レンズの高さ１５ｍｍにおける横の色収差も示されている。回折度数は、６つの固有のフロントカーブのそれぞれに対して、それぞれの場合の球面度数の範囲に対して最適なＴＣＡが得られるように選択した。４ジオプトリの前面屈折度数を有する場合、この屈折度数が式ＶＩＩによる制限を満たしているため、選択する回折度数を０ジオプトリとした。

最小色収差のために理想的な屈折度数及び回折度数を表すグラフである。 −９〜＋９ジオプトリの球面レンズの色収差を少なくとも５０％軽減する回折度数の範囲を表すグラフである。 眼の遠近から分析した従来の屈折単焦点レンズによって生成されたＲＭＳスポットサイズのレンズを通る断面を示すグラフである。 眼の遠近から分析した本発明のレンズによって生成されたレンズのＲＭＳスポットサイズを通る断面を示すグラフである。 ＲＭＳスポットサイズの様々な垂直位置で従来のレンズを通る断面を示すグラフである。 ＲＭＳスポットサイズの様々な垂直位置で本発明のレンズを通る断面を示すグラフである。 不所望の円柱度数を示す様々な垂直位置で従来のレンズを通る断面を示すグラフである。 不所望の円柱度数を示す様々な水平位置で本発明のレンズを通る断面を示すグラフである。

Claims (17)

1. 眼用レンズであって、
   球面度数Φ、第１の球面度数Φ_Dを有する回折要素、及び第２の球面度数Φ_Rを有する屈折要素を含み、
   Φ＝Φ_D＋Φ_Rであることを特徴とする眼用レンズ。
2. 前記回折要素が、アッベ数が約３０〜約６０の材料を含み、
   

   

   であり、
   この式のＶ_Rが前記レンズ材料の前記アッベ数であり、Ｖ_Dが前記レンズの前記回折要素の有効アッベ数であることを特徴とする請求項１に記載の眼用レンズ。
3. 前記回折要素が回折度数を有し、その回折度数が、
   

   

   であることを特徴とする請求項１に記載の眼用レンズ。
4. 前記回折要素が回折度数を有し、その回折度数が、
   

   

   であることを特徴とする請求項１に記載の眼用レンズ。
5. 前記回折要素が回折度数を有し、その回折度数が、
   

   

   であることを特徴とする請求項１に記載の眼用レンズ。
6. 前記回折要素が、前記レンズの実質的に全ての後面を含むことを特徴とする請求項１、２、３、４、または５に記載の眼用レンズ。
7. 前記回折要素が、前記レンズの実質的に全ての前面を含むことを特徴とする請求項１、２、３、４、または５に記載の眼用レンズ。
8. 前記回折要素が、前記レンズの前面と後面の中間面を含むことを特徴とする請求項１、２、３、４、または５に記載の眼用レンズ。
9. 前記レンズが単焦点レンズを含むことを特徴とする請求項６に記載の眼用レンズ。
10. 前記レンズが単焦点レンズを含むことを特徴とする請求項７に記載の眼用レンズ。
11. 前記レンズが単焦点レンズを含むことを特徴とする請求項８に記載の眼用レンズ。
12. 前記レンズが多焦点レンズを含むことを特徴とする請求項６に記載の眼用レンズ。
13. 前記レンズが多焦点レンズを含むことを特徴とする請求項７に記載の眼用レンズ。
14. 前記レンズが多焦点レンズを含むことを特徴とする請求項８に記載の眼用レンズ。
15. 特注レンズを製造する方法であって、
    球面度数Φ、第１の球面度数Φ_Dを有する回折要素、及び第２の球面度数Φ_Rを有する屈折要素を含み、Φ＝Φ_D＋Φ_Rである眼用レンズを用意するステップを含むことを特徴とする方法。
16. 前記レンズが単焦点レンズであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記レンズが多焦点レンズであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
    

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