CN100485421C - 变焦透镜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供通过在透镜基材上沉积高折射率材料制造薄变焦透镜的方法。

Description

变焦透镜及其制造方法
发明领域
本发明涉及变焦眼科透镜的制造方法.特别是本发明提供了用高折射率材料制造薄变焦透镜的方法.
发明背景
用眼科透镜校正屈光不正是公知的.例如，用诸如渐进透镜(progressive addition lenses)(“PAL’s”)的变焦透镜治疗老花眼.PAL的渐进表面以从透镜的远焦点到近焦点，或从顶部到底部，以渐变、连续地垂直递增屈光度的方式提供远、中和近的视觉.
PAL’s引起了佩戴者的兴趣，因为PAL’s在屈光度变化区之间没有在诸如双焦点和三焦点的其他变焦透镜中出现的可见边缘.然而，PAL’s的固有缺点是，由于加入了近视觉区的功能，使该透镜中心的厚度比单一视觉透镜厚。对于透镜佩戴者而言，从化妆的角度看这一点使PAL不太理想。
减小PAL’s中心厚度的一种方法是用高折射率材料制成透镜，以减小透镜的径向高度.有用的高折射率材料包括某些塑料。此外，掺杂某些稀土金属的铝硅酸盐或硼硅酸盐玻璃提供了高折射率材料。然而，为减小变焦透镜的中心厚度，仍存在替代这些方法的需要。
本发明及其优选实施方案的描述
在本发明中，提供了一种方法和用该方法制造的透镜，其中透镜的中心厚度比普通变焦透镜小.除了透镜更薄以外，本发明的方法还提供了具有良好抗冲击性的透镜。
在一个实施方案中，本发明提供了变焦透镜的制造方法，包括、由下述组成或基本由下述组成：在透镜基材的至少部分表面上沉积至少一层能形成表面量的高折射率材料，其中该材料在适合于在透镜基材表面上形成近视觉区、中间视觉区或它们的结合区的条件下沉积。在另一个实施方案中，本发明提供了用这种方法制造的变焦透镜。对本发明而言，“高折射率材料”是折射率为约1.7或更高的材料.
本发明的方法可在渐进透镜的制造中找到最好的应用.对本发明而言，“渐进透镜”指具有至少一个渐进表面的透镜.“渐进表面”或“递增表面”指具有远视觉和近视觉区，以及连接远视觉区和近视觉区的屈光度增加或减小的中间视觉区的连续非球形表面.
在又一个实施方案中，本发明提供了渐进透镜的制造方法，包括、由下述组成或基本由下述组成：在透镜基材的至少部分表面上沉积至少一层能形成表面量的高折射率材料，其中该材料在适于在透镜基材表面上形成近视觉区和中间视觉区的条件下沉积.在另一个实施方案中，本发明提供了用该方法制造的透镜.
本发明的方法中所用的透镜基材可以是透镜或光学压片.“光学压片”指能折射光并适于制造柔性焦距透镜的成型的、光学透明的制品.透镜基材包括下述的全部或部分：校正远视需要的球面率；圆柱率；和制造透镜要求的三棱形。优选地，透镜基材包括所有的球面率、圆柱率和棱柱率.该基材可通过诸如成型、机加工、铸造等，或它们的结合的任何公知方法形成.优选地，基材通过注塑成型.
透镜基材可由适合用作柔性焦距透镜材料的任何材料制成.例举的材料包括但不限于玻璃；诸如双酚A聚碳酸酯的聚碳酸酯；诸如二甘醇双烯丙基碳酸酯(CR-39TM)的烯丙基二甘醇碳酸酯；诸如异氰脲酸三烯丙酯、磷酸三烯丙酯和柠檬酸三烯丙酯的烯丙基酯；诸如甲基丙烯酸和丙烯酸的甲酯、乙酯和丁酯的丙烯酸的酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯；苯乙烯类(styrenics)，聚酯等，以及它们的组合.此外，该压片可用此处全文参考引用的美国专利6008299中公开的一种或多种氧膦形成.优选地，基材材料具有约1.50或更高的折射率。
选择合适的高折射率材料并沉积在基材上，使该材料：1)在其所用厚度处的可见光吸收率小于约10％，优选小于约5％；并且2)能形成表面粗糙度小于约15nm rms，且当其在一般环境条件下使用2个月或数月后，其光学透明度、折射性能、光学清晰度和与透镜基材的粘合力的变化均不大于约5％的耐擦刮和耐冲击的连续膜。合适的高折射率材料的实例示于下表，这些材料可结合使用.所列折射率是可见光范围的典型值，精确值取决于膜的处理、化学计量和微观结构。x的值可为约0到约2，y为约0到约1.33.
 
材料 折射率
Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> 2.03
SiO<sub>x</sub>N<sub>y</sub> 1.5-2.0
ZrO<sub>2</sub> 1.88
Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 2.07
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1.77
TiO<sub>2</sub> 1.9-2.3
Cr<sub>2</sub>O 2.24
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 2.39
MgO 1.74
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SnO<sub>2</sub> 1.90
HfO<sub>2</sub> 2.07
Y<sub>2</sub>O 1.94
钻石 2.42
钻石状碳 1.6-2.2
氮化碳 1.6-2.2
高折射率材料的沉积可通过任何方便的方法进行。优选地，这种沉积能形成折射率调制或折射率梯度.折射率调制是折射率作为空间坐标之一，一般是例如x-y平面的正交平面上的z轴的函数的振荡变量。折射率梯度是类似测量的折射率的连续变化.调制或梯度可通过任何方便的方法获得。例如，调制可通过诸如相同金属的氮化物和氧化物的两种不同组分的交替沉积形成.梯度可通过沉积时使沉积层的组分连续变化形成，例如通过使氧与氮的比例从纯氧化物到纯氮化物连续变化，或通过连续增加沉积层厚度来形成.
沉积的高折射率材料必须是在约400-约750nm波长范围内的折射率与基材的折射率之差至少为0.1的材料.如果沉积一层以上，层与层之间在约400-约750nm波长范围内的折射率差至少为0.1单位。本领域普通技术人员应该承认，由沉积的高折射率材料提供的光学校正将是增加的垂度高度或沿z轴测量的层厚度与沉积层材料的折射率的乘积的函数.
高折射率材料的用量必须是基于所选材料的形成表面的用量或在透镜基材上形成所需表面的合适用量.高折射率材料的用量必须能形成约0-约200μm，优选2-约100μm厚的表面.一般用量为约10-约100μg。沉积层优选其最薄处在透镜基材的几何中心。优选基材中心处沉积层的厚度为约0μm.
所沉积的高折射率材料不必沉积在整个透镜基材表面上。相反地，它可沉积在理想的提供中间视觉区、近视觉区或它们的结合区的基材表面区域.
高折射率材料可沉积在透镜基材的背面(眼睛一侧)表面或前面(物体一侧)表面上或这两个面上.可通过包括但不限于溅射、蒸发、化学气相沉积、原子层沉积、阳极电弧沉积、离子束沉积等许多方法，以及它们的结合方法中的任何一种方法进行沉积.
在一个有益的方法中，高折射率材料用视线沉积方法，例如溅射或蒸发，使用近接触掩模沉积.在真空条件下，其中沉积物质的平均自由程，或与另一种物质或沉积室壁碰撞前通过的平均距离，大于沉积系统的尺寸，沉积沿着从沉积源到待涂覆基材的直线过程进行.尽量接近但不接触表面的固体金属掩模防止沉积材料沉积在沉积源的直线视野阻挡的区域。掩模可具有赋予基材表面的几何形状并固定，或掩模可沿透镜表面移动.精确的处理参数将取决于待沉积的材料.
在作为选择的方法中，用激光诱导的化学气相沉积进行选择性沉积。用玻璃或金属真空室装透镜基材，该真空室具有直径至少为约75mm的激光窗，使激光束能聚焦到基材表面的所有位置上.真空室中装有有机金属化学前体.合适的前体是能通过可用商购激光器获得的特定波长光进行分解的前体。前体与激光的相互作用导致高折射率材料的化学分解和沉积。所用的沉积率大于约10nm/s.例举的前体包括但不限于CH3I、SiH4、N2O、TiCl4等及其组合。激光束沿基材表面按一定图案并以提供所要求的几何图形和厚度的速度连续移动。
在又一种沉积方法中，材料被选择性去除，以制造所要求的表面几何形状和厚度。用诸如但不限于溅射、蒸发、化学气相、等离子体等或它们的组合的真空沉积方法，在基材表面上沉积近似均匀厚度的高折射率材料层.然后用离子束、激光、或能通过烧蚀、蒸发等去除高折射率材料的另一种能源照射沉积层。可使用近接触掩模。
在所有上述沉积方法中，可通过反馈作用控制沉积，这种作用能使复杂表面几何形状的沉积符合各描述一段表面的多项式或多项式之和，并借助于样条函数或其他拟合路径对边界进行平滑.合适的反馈作用包括但不限于使用纤维光学光源和探测器的反射率测量.用焦斑尺寸小于约1mm，优选约100μm的聚焦光源，可在沉积时精确测量沉积层厚度。信息反馈到使用比例积分微分方法的控制器的沉积系统.作为选择，整个透镜在给定位置的精确焦距可用聚焦光源和探测器测量，光源焦斑小于约1mm。可测量透镜的焦距，并与透镜不同位置处所要求的焦距比较.
作为本发明可供选择的实施方案，沉积层可延伸到整个基材表面上，并提供对包括但不限于球面像差、斜散光和彗形像差的高次、平均三次或以上的光学像差的校正.这些光学校正可通过调节单层的附加垂度高度来提供.作为选择，可沉积一层以上，并调节两层之间界面的表面形貌，以获得提供期望的光学像差校正所要求的表面几何形状。作为又一种选择，某沉积层或数层的折射率可不同，以提供期望的光学像差校正.因此，在另一个实施方案中，本发明提供了能校正至少一种高次视觉像差的透镜的制造方法，该方法包括、由下述组成或基本由下述组成：在透镜基材的至少部分表面上沉积至少一层形成表面用量的高折射率材料，其中该材料在适合于形成能校正至少一种高次光学像差的表面的条件下沉积。
在实施本发明的该实施方案时，采用具有期望位置的远视觉、中间视觉和近视觉区的渐进表面的压片，该压片具有需去除的高次光学像差.对该压片表面绘图，确定相对于x、y平面中参考表面的表面垂度值或x、y、z坐标，按照约每0.1至约1.0mm进行垂度测量来选点。将垂度表分解成覆盖该表面的网格，该网格可以是任何包括但不限于三角形、长方形或正方形等的各种几何图形，每个片段的尺寸不小于1mm且不大于8mm。
对于每一片段而言，来自目标物距的理想物距在近视觉区为约45cm，中间视觉区为约60cm.每个片段的垂度值由该段中所有的点确定，并将提供在该片段对理想物距最佳的球柱面校正，以及由透镜佩戴者的处方所要求的球柱面和棱柱形校正。确定每个片段中每个点的测量和计算垂度值之差，并通过考虑所沉积的高折射率材料的折射率重新计算.毗邻每个片段的点的垂度值与相邻片段的点比较，以确定垂度值的不连续性和每个片段边界处的斜率.
改变每个片段中所有点的垂度值，直到垂度值的不连续性减小到小于人眼能感觉到的约0.1μm或更小的值，而斜率的不连续性减小到人眼能以图形跳越形式感觉到的约0.1度或更小的值.每个片段中新表面的最佳拟合相对于球柱面表面确定，根据需要重复该过程的步骤，并根据需要迭代多次，直到垂度值不再变化.一旦知道了每个片段中所有点的垂度值，就将高折射率材料层沉积到要求的厚度.

Claims (6)

1.能校正至少一种高次光学像差的透镜的制造方法，包括在透镜基材的至少部分表面上沉积至少一层形成表面用量的高折射率材料，其中该至少一层适于形成能校正至少一种高次光学像差的表面，且所述的高折射率材料是折射率为1.7或更高的材料。
2.权利要求1的方法，其中高折射率材料沉积在透镜基材的整个表面上。
3.权利要求1或2的方法，其中高折射率材料选自Si3N4、SiOxNy、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、TiO2、Cr2O、Nb2O5、MgO、In2O3-SnO2、HfO2、Y2O、钻石、仿钻结晶碳、氮化碳或上述材料的组合，其中x为0到2，y为0到1.33。
4.由权利要求1到3中任一方法制造的透镜，其为渐进透镜，包括基材，且在基材的至少部分表面上沉积至少一层形成表面用量的高折射率材料，其中该至少一层适于形成能校正至少一种高次光学像差的表面，且所述的高折射率材料是折射率为1.7或更高的材料。
5.变焦透镜，包括基材，且在基材的至少部分表面上沉积至少一层形成表面用量的至少两种高折射率材料，其中所述的至少两种高折射率材料形成近视觉区、中间视觉区或上述区的组合，且所述的至少两种高折射率材料为Si3N4、SiOxNy、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、TiO2、Cr2O、Nb2O5、MgO、In2O3-SnO2、HfO2、Y2O、钻石、仿钻结晶碳或氮化碳的组合，其中x为0到2，y为0到1.33。
6.权利要求5的透镜，其为渐进透镜。
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