CN101223470A - 非球面衍射眼镜片 - Google Patents

Abstract

一种多焦眼镜片包括：镜片元件，其具有前表面和后表面；中心非球面折射带，其被布置在所述前、后表面的其中之一上；以及衍射双焦带，其被布置在该非球面折射带的外部。该中心非球面折射带可以被布置在前表面上，并且该衍射双焦带可以被布置在后表面上。

Description

非球面衍射眼镜片

技术领域

本发明总体涉及多焦眼镜片，更特别地涉及以改进的中间视觉提供同时的折射和衍射本领(power)的多焦镜片。

背景技术

眼镜片被定义为适于戴在眼睛上或眼睛内部的镜片。此外还包括不大常见的视觉校正镜片，比如人工角膜和板层角膜移植物。正在大力开发具有折射或衍射类型镜片的形式的用于远视校正的镜片。

固定的单一本领镜片提供良好的视觉质量，但仅仅是在小的视物距离的范围内，这与从近视觉到远视觉所需的范围相比通常要窄得多。一种改进类型的移植物提供多个本领，即所谓的双焦或多焦镜片。术语“双焦”或“多焦”在这里可以互换使用。对于所需的视觉范围，多焦眼镜片可以提供折射本领、衍射本领或者二者的组合。

虽然首先开发了折射镜片，但是它们可以被解释为特定状态的衍射光学器件，并且更为恰当的做法可以是提出衍射光学定义，以便描述折射和衍射表面类型。衍射镜片通常包括多个等面积的环形表面带，即所谓的菲涅耳类型带或槽。在相邻的带之间提供光学步，其遵循下文描述的特定规则。如果步长是零或者被随机确定尺寸或者槽面积也被随机确定尺寸，则镜片变为折射类型，即相应的像位置由斯涅耳定律定义。

参见图1，衍射镜片可以被视为由零步长形成的折射镜片与相位光栅的组合。相位光栅可以由不同类型的带或槽形状形成，在图1中示出的闪耀(blaze)形状是最为常见的一种。因此，在基折射表面上切割出闪耀形状以便引入相位光栅，即光学散射区域的周期性阵列。

通过周期性结构在所有方向上散射光在不同但特定的角度处产生光的相长和相消干涉，所述角度取决于光的波长，其被称作衍射级。被用来设计所述相位光栅的相应的光波长被称作设计波长。

各级的方向和相应的像位置由光栅公式定义，而不是由斯涅耳定律定义。零级衍射本领与由基曲率所形成的折射表面的本领重合，因此被宽松地称作衍射镜片的折射本领。所述光栅发挥作用(即形成不同的衍射级)的关键点是具有等面积的菲涅耳带(槽)，并且在每个衍射级的方向上在其边界处的相邻带之间具有相等的光程差(OPD_b)。

根据光的波性质，如果光在相应的像平面处同相，则来自不同光栅区域的光发生相长干涉。如果来自其中一个所述区域的光被偏移等于整数个设计波长的全相位，则相长干涉将得到保持。例如，零级对应于由折射基曲线产生的光的原始方向，即来自每个相邻闪耀带的光之间的零相移，1级由每个相邻闪耀之间的一个波长偏移的相位产生，2级由每个相邻闪耀之间的两个波长偏移的相位产生，后面依此类推。光栅周期或闪耀带间距确定给定衍射级的角度，即给定衍射级的相应的焦距或衍射本领。

根据衍射级的定义，只能够沿着衍射镜片的各衍射级(即离散的通道)引导光，但是对于给定衍射级被实际引导的总的可用光的百分比取决于由每个闪耀带引入的光相移，即闪耀材料厚度(h)，参见图1。在给定级下的总的光的百分比被称作该级的衍射效率。一般而言，可以将其称作该给定级的透光率。

根据所述光栅的“几何模型”，如果由闪耀处的折射所限定的闪耀射线的方向与m级衍射的方向重合，则可以实现m级中的100％效率(透光率)，(

和Peter P.Clack的“Modeling diffractionefficiency effects when designing hybrid diffractive lens systems”，Appl.Opt.31，2248-2252(1992))。这简单地意味着闪耀材料厚度被选择成沿着m级衍射引导所述闪耀射线，所述m级衍射由用于设计光波长的闪耀带间距产生。

所述“几何模型”提供了对衍射镜片结构的简单解释，其在本发明的描述中是重要的，而不依赖于相位函数、透射函数及其傅里叶级数的数学运算来计算衍射效率以及对于强度分布求解衍射积分。

例如，如果沿着零级与-1级之间的中间方向折射所述闪耀射线，则衍射效率在零级与-1级之间均分，并且所得到的闪耀高度是对于-1级处的100％效率所需的闪耀高度的一半。仍然必须经过正式的计算过程以便确定-1级和零级的效率对于相应的衍射镜片结构的设计波长分别等于40.5％，其余的光沿着更高衍射级被引导。在术语方面，可以说零级和-1级的透光率分别等于40.5％。

如下所述，通过选择适当的闪耀间距(r_j)和闪耀材料厚度(h_m)，可以产生具有眼镜片应用所需的适当焦距(f_m)的衍射镜片。

在简单的近轴形式中，圆形光栅带(也被称作小阶梯光栅或表面起伏轮廓或槽)可以通过公式 $r_j^2=\mathrm{jm\λf}$ 来表示，即可以用下面的公式来紧密地近似用于设计波长(λ)的m级衍射(m＝0、±1、±2等等)的焦距：

$f_m=\frac{r_j^2}{\mathrm{jm\λ}}---\left(1\right)$

在所述近轴近似中，在m级下产生100％效率的闪耀材料厚度是：

$h_m=\frac{\mathrm{m\λ}}{(n-n^{\′})}---\left(2\right)$

其中，n＝镜片材料的折射率，n’＝是周围介质的折射率。

具有100％效率(即所有光都被沿着所选衍射级引导)的衍射镜片被称作相息图(Kinoform)镜片。(JA Jordan等人的“Kinoform lenses”，Appl.Opt.9，1883-1887(1970))。

可以通过不同形状的周期性衍射结构来形成衍射表面，而不仅仅是特定的闪耀形状，并且出于本发明的一般性，术语“槽”被用作对所述衍射结构的多种形状的描述。

Silberman的美国专利No.5,096,285描述了利用100％效率提供单一衍射本领的衍射表面，本发明不利用所述衍射光学器件使用几个衍射级(零级和-1级或者+1级和-1级等等)来降低双焦眼镜片性能的瞳孔依赖性的主要优点。

Morris的美国申请No.20050057720也描述了衍射100％效率表面，其利用了多级衍射表面(MOD)，即具有多个波长的相移的边界条件，以便为波长范围(而不仅仅为设计波长)提供类似的衍射效率。

Cohen和Freeman是利用几个衍射级在不同距离处形成来自对象的像的眼睛多焦衍射光学器件的主要发明人。Cohen的专利有：美国专利No.4,210,391；No.4,338,005；No.4,340,283；No.4,881,805；No.4,995,714；No.4,995,715；No.5,054,905；No.5,056,908；No.5,117,306；No.5,120,120；No.5,121,979；No.5,121,980和No.5,144,483。Freeman的专利有：美国专利No.4,637,697；No.4,641,934；No.4,642,112；No.4,655,565；No.5,296,881和No.5,748,28，其中，美国专利No.4,637,697提到了闪耀以及阶梯形状(二元)衍射表面。

关于衍射镜片的其他专利已被授予：Futhey的美国专利No.4,830,418、No.4,936,666、No.5,129,718和No.5,229,797；Taboury的美国专利No.5,104,212；Isaacson的美国专利No.5,152,788；Simpson的美国专利No.5,076,684和No.5,116,111；以及Fiola的美国专利No.6,120,148和No.6,536,899。

Swanson在美国专利No.5,344,447中描述了使用二元类型的衍射表面轮廓的三焦镜片。Kosoburd在美国专利No.5,760,871中也描述了具有闪耀和二元轮廓的三焦镜片。

几个专利描述了所述衍射结构的相邻带之间的可变步长，以便随着瞳孔尺寸来控制不同衍射级下的透光率：Cohen的美国专利No.4,881,805和No.5,054,905描述了所谓的渐进强度双焦镜片，其中在相邻带处的步长朝向外围减小，以便把更大部分的光偏向零级(远焦)衍射像，即随着瞳孔直径来控制给定级的透光率。Baude等人在美国专利No.5,114,220中公开了这样一种眼镜片，其特征是包括至少两个同心区域，所述同心区域具有不同相位分布的衍射部件，以便使用不同的衍射级。Lee等人在美国专利No.5,699,142在所谓的变迹镜片中结合了类似的概念，这是通过建议对小阶梯光栅高度进行特定减小(即对衍射表面小阶梯光栅高度进行所谓的变迹)，以便初始地在远、近焦之间均分光(分别是40.5％的效率)，并且随后所述高度朝向镜片外围减小，以便随着更大的瞳孔尺寸而把更大部分的光偏向远焦，即随着瞳孔直径来控制透光率。Freeman在美国专利No.5,748,282中也提到了可变步长，以便随着瞳孔尺寸变化来控制不同级之间的光强度。

美国专利No.5,056,908公开了一种眼睛接触镜片，其在位于相位带区域的外围处的其光学带内具有相位片和纯折射部分。Swanson的美国专利No.5,089,023也描述了具有单焦折射和衍射段的组合的镜片，其可以是双焦设计。在所述两个发明中，对于远视觉或近视觉，所述折射部分都与其中一个衍射级重合。

因此，所述衍射光学器件提供了独立于瞳孔直径起作用的优点。上面引用的专利的所有设计的共同之处在于这样的事实，即双焦衍射镜片缺少中间视觉。已经表明，双焦衍射镜片在用于远、近视觉的两个焦距下表现出两个不同的强度(Golub MA等人的“Computer generateddiffractive multi-focal lens”，J.Modern Opt.，39，1245-1251(1992)；Simpson MJ.的“Diffractive multifocal intraocular lens image quality”，Appl.Optics，31，3621-3626(1992)；以及Fiala W和Pingitzer J.的“Analytical approach to diffractive multifocal lenses”，Eur.Phys.J.AP 9，227-234(2000))。临床报告的某种中间视觉的存在可以归因于给定对象的视觉系统的像差，而不能归因于镜片设计本身。

本发明的目的是使得多焦衍射镜片具有提供覆盖远、中、近视觉的连续聚焦的能力。这样将提供与穿过针孔的视觉类似的自然发生的视觉，其中一个人可以从远距离到近距离连续地观看对象，而不必具有小的瞳孔(针孔)，其结果是非常有限的光量到达视网膜。对于根据本发明的镜片性能的预期是处在从远到近的所有距离处的对象的像的特征都自然地发生(例如针孔)，并且将抑制通常在当前类型的衍射和折射多焦眼镜片下所观察到的最少的重像和晕环。

发明内容

根据本发明的镜片包括可变本领的中心非球面带，以便提供本领范围或者几个离散的折射本领。该中心折射带优选地远小于正常的瞳孔直径，并且其直径可以是大约1.25到2.5mm。

该中心带被一个环形带围绕，该环形带具有双焦衍射本领以便提供远、近焦点。该衍射环由具有不同结构的多个环形带表征，以便利用0和-1级或者+1和-1级等等。

例如，可以通过随着与镜片中心的距离增大而逐渐地或步进式地减小去往近焦点的光能的比例来设计所述衍射环。这可以如下实现：从该环的内部到其外围逐渐地减小所述衍射结构的步高。例如，对于近对远焦点的初始分光比可以是1.5∶1.0，而在所述衍射环外围处的近对远焦点的分光比减小到0.1∶1.0。跨越所述衍射环的分光改变的特定速率可以发生变化，以便满足特定的设计要求。一种典型的衍射环处在大约1.25-2.5mm的内直径到大约3-5mm的外直径之间。

所述中心非球面带可以被放置在与衍射双焦环相同的表面上，或者被放置在与镜片不同的表面上。一种具有处在前表面上的非球面带以及处在后表面上的衍射双焦带的布置可能特别适用于接触镜片。在这种实例中，该衍射双焦表面面对角膜，以便将其保持沉浸在眼泪镜片后膜中。

所述衍射双焦环形带可以不邻接所述中心非球面带。例如，对应于单一本领的单焦衍射或折射带可以被放置在所述非球面中心带与所述衍射双焦环形带的中间。该衍射单本领带可以是多级衍射表面(MOD)构造或者通常使用的单级构造。该带的所述单一本领可以是任何本领，但是优选地是近本领，以便补充中心非球面带的主导远本领。

根据本发明的一种产生具有衍射多焦环形带的非球面衍射多焦表面的方法包括：

a)选择定义远(远距离)焦点的基曲线；

b)对于该基曲线计算处在半径r_i处的槽的位置，以便产生近焦点；

c)确定中心非球面带的尺寸以及相应的非球面化，以便产生远焦点周围的焦点范围；并且

d)选择所述衍射环形带内的槽的步高，以便产生远、近焦点之间的光平衡，其补充中心非球面带的贡献。所述选择可以包括一个具有单一近本领的带以及一个具有槽高度变化的函数的带，以便提供在远、近本领之间的特定分光改变，即随着与镜片中心的距离的每种本领的不同“透射率”。

根据本发明的另一种利用两个表面产生具有衍射多焦环形带的非球面衍射多焦镜片的方法包括：

a)选择定义远(远距离)焦点的基曲线；

b)对于该基曲线计算处在半径r_i处的槽的位置，以便在其中一个镜片表面上产生近焦点；

c)在另一个镜片表面上确定所述中心非球面带的尺寸及其相应的非球面化，以便产生远焦点周围的焦点范围；

d)把所述衍射环形带的内直径限制到所述中心非球面带的外直径；并且

e)选择所述衍射环形带内的槽的步高，以便产生远、近焦点之间的光平衡，其补充中心非球面带的贡献。所述选择可以包括一个具有单一近本领的带以及一个具有槽高度变化的函数的带，以便提供在远、近本领之间的特定分光改变。

在衍射双焦环外部的外围带主要用于远视觉，但是其可以是非球面的，以便补偿在眼外围处出现的像差或者提供附加的中间性能，以便补充中心非球面区域和衍射环区域。所述外围带可以位于与所述衍射环形带相同的表面上，或者可以位于与镜片不同的表面上。可能有利的是把所述外围非球面带放置在镜片的前表面上，而把衍射双焦表面放置在镜片的后表面上，这在接触镜片的情况下是特别有用的。

所述衍射双焦表面的另一个选项在所述衍射环形带内提供了朝向所选带直径增大的槽高度，以便把更多光导向远焦点并且把更少光导向近焦点，直到把更多光导向近焦点。随后，槽高度减小，从而再次把更多光导向远焦点，直到到达所述衍射环形带的外围。于是，在任何区域处总是有一些近光和远光，但是远、近之间的划分发生变化，即初始地很小的百分比朝向近焦点，随后较大的百分比朝向近焦点，随后再次是较小的百分比朝向近焦点。所述带可以被设计成反向行进，即初始地较大部分光用于远焦点，随后较小部分光用于远焦点，随后朝向带外围再次是较大部分光用于远焦点。

所述衍射环形带的优选设计是将其构造成两个子带：内部带是具有近本领的衍射单一焦点带，即所述槽高度被选择成沿着例如-1级把光导向近焦点。相应的子带(带2)对于近焦点充当产生100％效率的相息图。外部衍射子带(带3)被构造为双焦设计，即槽高度从用于把更大分数的光导向近焦点的带2处的槽高度减小，直到所述高度在带3的外围处达到接近零，以便把大多数光导向远焦点。该设计还可以被如下构造：用于近本领的内部带2具有与镜片的近本领对应的表面曲率的折射本领。

槽轮廓可以是线性的、球面的、三角学的(例如余弦形状)或非球面的。例如，带2和3的槽轮廓可以遵循带4的非球面性。

附图说明

图1说明现有技术的衍射镜片，其具有形成不同衍射级的闪耀周期性结构，光只能沿着所述衍射级被引导。该图还通过由所述闪耀处的衍射定义的闪耀射线与衍射级的方向之间的关系包括了对所述衍射镜片的“几何模型”的描述；

图2是根据本发明制作的镜片的一个优选实施例的平面图，其具有邻接所述中心非球面折射带的衍射双焦带；

图3是根据本发明制作的镜片的一个优选实施例的平面图，其具有与所述中心非球面折射带间隔开的衍射双焦带；

图4是在图2中描述的镜片的本领图；

图5是在图3中描述的镜片的本领图；

图6示出表示沿着与远本领相关联的衍射级以及与近本领相关联的衍射级的透光率的曲线图，其中结合了槽的衍射双焦表面变迹；

图7展示了被分成两个带的非球面衍射镜片透射率的一个优选实施例：仅仅用于近本领的内部带，以及用于远、近本领的衍射双焦外部带；

图8A是与图3中示出的镜片类似的镜片的一个优选实施例的轮廓视图，其具有放置在前表面上的衍射带；

图8B是与图3中示出的镜片类似的镜片的一个优选实施例的轮廓视图，其具有放置在后表面上的衍射带；

图9A和9B是与图8A中示出的带类似的带2和带3的轮廓视图，其中两个带都是衍射表面类型；

图9C和9D是与图8A中示出的带类似的带2和带3的轮廓视图，其中内部带是折射类型，外部带是衍射双焦表面；

图10是根据本发明制作的镜片的一个优选实施例的轮廓视图，其具有为近本领设计的衍射带的基曲线；

图11是描述在眼睛的瞳孔上的射线的本领的本领曲线图，其对应于根据本发明的非球面衍射多焦镜片的一个优选实施例；以及

图12是表示依照图11中示出的本领曲线图利用所述非球面衍射多焦镜片的优选实施例获得的眼睛的像质量的曲线图。

具体实施方式

图1描述了衍射镜片10的一部分，其具有闪耀周期性结构50，该结构产生由方向20a、20b、20c等等表示的不同衍射级，光只能沿着所述衍射级被引导。该图包括由镜片10折射的输入光射线20。它示出了折射基曲线40，其将沿着零级衍射的方向20b折射对应于输入射线20的出射射线。1级衍射的方向由20a示出，-1级衍射的方向由20c示出。理论上，存在无限的衍射级。

图1通过包括了闪耀射线30作为对应于输入射线20并且被所述闪耀折射的射线而提到了衍射镜片的“几何模型”。所述闪耀射线30的方向不同于0级衍射的方向20b，这是由于所述射线在基曲线40和闪耀结构50处的不同折射角而造成的。所述角度差由闪耀材料厚度(h)产生。

如果所述闪耀材料厚度h是零，则闪耀结构50与基曲线40重合，并且所述镜片变为纯折射类型。如果闪耀材料厚度(h)增大以便沿着-1级衍射20b折射所述闪耀射线30，则所述镜片变为在-1级衍射下具有100％效率的相息图。在图1中，所述闪耀射线30位于0级与-1级衍射的中间，以便在这两级之间均等地引导光。严格衍射理论表明，对于给定的设计波长，沿着所述各级当中的每一个可以引导最大40.5％的光，剩余的光被扩展到各更高衍射级之间。在当前的多焦衍射设计中，0级衍射被选择成与用于远视觉的本领(远本领)重合，-1级与近视觉所需的本领(近本领)重合。

图2是根据本发明制作的眼镜片100的一个优选实施例的平面图，其具有邻接中心非球面折射带110的衍射双焦带120。两个带都可以被放置在相同的镜片表面上，或者其中一个带放置在镜片后表面上，另一个带放置在前表面上，以便产生图中示出的互带布置。图2展示了具有球面形状的中心带110，但是也可以利用其他合适的形状。例如，环形形状可以位于所述衍射双焦带120的中心。另一方面，如果被放置在与带110所在的表面不同的表面上但是仍然具有大于非球面带110的直径，则该衍射双焦带120可以是球面形状而不是环形类型，以便产生图2所示的布置。

图3是根据本发明制作的眼镜片150的另一个优选实施例的平面图，其具有衍射双焦带180，该衍射双焦带被放置在中心非球面折射带160的外部并且不必与其邻接。所述两个带都可以被放置在相同的镜片表面上，或者一个放置在后表面上，另一个放置在前表面上，以便产生所示出的相互布置。

衍射双焦带180与中心非球面折射带160之间的带170可以是衍射或折射单一本领带。如果被放置在与所述非球面折射带所在表面不同的表面上，则该带170可以是环形类型或球面类型。图中展示的中心带160是球面形状，但是一般来说，它可以是位于衍射双焦带180的中心处的环形形状。

图4展示了图2中所述的镜片的本领曲线图，其中沿着中心非球面带的本领分布表示了多种形式。例如，所述本领在中心处可以与远本领相关联，并且随后上升到中间水平，并且随后在该带的外围处被减小到或者低于远本领水平，或者该带的本领在中心处可以是中间水平，并且随后在该带的外围处被减小到低于远本领的水平。所述衍射环由两个本领水平表示，其中一个用于远视觉，另一个用于近视觉。所示出的外围带具有朝向镜片外围减小的可变本领。在具有负球面像差的眼睛中通常就是这种情况。如果镜片被设计成用于具有正球面像差的眼睛，则本领曲线可以实际朝向外围增大。

图5是图3中所描述的镜片的本领曲线图，其中沿着所述中心非球面带的本领分布也表示了多种形式。与图4的差别在于，在中心非球面折射带与衍射双焦带之间存在第二单一本领带。该单一本领带可以是从远到近的任何单一本领，但是优选地是近本领，以便补充该中心非球面折射带的占主导地位的远本领，并且可以由折射或衍射类型的表面产生。在上面的图4中描述了衍射双焦环形带和非球面外围带，其具有类似的性质。

图6描述了表示根据槽的衍射双焦表面变迹的沿着与远本领相关联的衍射级以及与近本领相关联的衍射级的透光率的透射率曲线图。通过适当地改变槽高度(即闪耀类型的衍射表面的闪耀材料厚度)，可以控制不同衍射级之间的分光。

如上所述，所述槽轮廓可以是线性的、球面的、三角学的(例如余弦形状)或者非球面的。例如，带2和3的槽轮廓可以遵循带4的非球面性。

所述曲线图覆盖所述双焦衍射镜片的宽度。假设所述基曲线与远本领相关联，该透射率曲线图展示出，在该环形带的内侧，槽高度非常小，以便主要沿着与远本领相关联的衍射级引导光，随后槽高度增大，以便沿着与距离镜片中心大约1mm处的近本领相关联的衍射级引导更多的光，并且随后槽高度再次减小，以便沿着与远本领相关联的衍射本领引导更多的光。一般来说，不能应用变迹，并且在所述衍射双焦带内在与远、近本领相关联的衍射级之间恒定地分光。在远、近本领之间的分光控制可以按步进行，即所述带的每个小部分具有恒定的槽高度以便控制从一个部分到另一个部分的划分，也就是离散变迹。一般来说，变迹可以具有可变形式，以便满足所期望的性能目标。

图7提供非球面衍射眼内镜片的其中一种优选设计的一个例子。该设计可以应用于接触镜片，这是通过把所述带尺寸增大约15％，这对应于由于其位置差异所造成的接触镜片对眼内镜片的相对缩放。半径在0.75mm与1.0mm之间的环形带用于近视觉，因为100％的光被透射到近焦点。衍射双焦带占据1.0与1.9mm半径之间的宽度。为了设计适当的槽变迹，必须对远、近焦点定义所期望的透射率。

可以如下通过一般形式来定义透射率：

T＝T₀·(1-T₁·r-T₂·r²-T₃·r³-T₄·r⁴)    (3)

用于该特定设计的系数由表1提供。

表1

效率/透射率	T0	T1	T2	T3	T4
						远焦点	2.508375	3.010962	-2.98324	1.074313	-0.13188
近焦点	-16.4189	3.593128	-4.31017	2.167969	-0.3942

因此，在所述衍射双焦带内的槽的变迹使得其起始高度是沿着与近焦点相关联的衍射级引导所有光，随后高度降低，以便产生由表1描述的透射率，直到达到接近零，以便沿着与远焦点相关联的衍射级引导所有光。

图8A是类似于图3中所示的镜片150a的优选实施例的轮廓视图，其具有放置在前表面上的衍射带。光轴由190a示出。母体常规单焦镜片是充当所述衍射表面的基曲线的前表面200与后表面250的组合。一般来说，后表面250可以是衍射或折射类型。前表面包括4个带：被称为带1的中心非球面带210，被称为带2的单一本领的下一个环形带220a，被称为带3的下一个环形衍射双焦带230b，以及被称为带4的非球面外围带240。为了提供设计细节，可以利用以下特性设计折射率为1.494的20D镜片。

用于远本领的基半径是12.3mm，后表面半径是25.66mm，近本领的4DAdd对应于9.32mm半径。

带1一直到1.5mm直径，其顶点半径等于与中间本领相对应的11.2mm，并且该带的至少一部分表现出由以下非球面形式定义的表面形状：

Z＝Sphere(r＝11.2mm)+A₄·r⁴                (4)

其中，非球面系数A₄＝-0.005387616。它例如处在0.5到1.5mm直径的范围内。

顶点半径为12.3mm的带4处在3.8-6.0mm直径范围内，并且表面形状由以下非球面形式定义：

Z＝Sphere(r＝12.3mm)+B₂·r²+B₄·r⁴+B₆·r⁶+B₈·r⁸    (5)

其中，非球面系数B₂＝0.000227，B₄＝-0.0001876，B₆＝0.0000217668，B₈＝-0.0000030947。

镜片150a的双凸形状仅仅作为一个例子被显示，并且设计概念完全适用于其他镜片形状，比如凹凸形状或双凹形状。相应的双凸或双凹镜片对于前、后表面可以具有相等或不相等的曲率。

图8B展示了在图8A中示出的实施例的修改，其中镜片155在后镜片表面处具有被标记为220b和230b的环形带2和3，或者仅仅具有被标记为230b的带3。

图9A是镜片150a的一部分的轮廓视图，其具有宽度为s₁的带2、宽度为l₁的带3以及后表面250。宽度s₁大约是从0.2mm到0.5mm，宽度l₁大约是从0.4mm到1.5mm。基曲线260与远焦点相关联。带2被构造为相息图，以便利用由等式2近似定义的槽高度把光导向近单一焦点或中间单一焦点。带3被构造成产生双焦衍射表面，以便在远、近焦点之间分光。在这种特定情况下，带2由槽300描述，其具有高度h_m以便把光导向近焦点。带2被如下构造：槽高度使得把光导向近焦点，槽高度310被降低，以便在远、近焦点之间分光，直到在该带的外围处把所有光导向远焦点，在该处槽高度接近零。该图展示了连续降低的槽高度，但是一般来说，可以按步降低所述槽高度，即在一个小子带宽度内是恒定高度，接着在另一个小子带宽度内是另一个恒定高度，后面依此类推。所述衍射光学器件的“几何模型”解释了降低槽高度以便在与远、近焦点相关联的衍射级之间引导闪耀射线，从而在这两级之间分光，但是需要严格衍射理论以便为槽高度提供满足远、近焦点的特定透射率要求的完全定量的解。

图9B是类似于图9A所描述的镜片150b的带2和带3的轮廓视图，其中两个带都凹陷了深度295，该深度至少与槽高度(h_m)一样深。当涉及到软材料并且可以对着眼睛组织按压衍射表面并改变其形状时，上述构造是特别有用的。例如，可以放置在眼内镜片或接触镜片的后表面上，该后表面可以与眼睛组织相互作用，并且可以改变槽形状。

图9C是类似于图9A所描述的镜片150c的带2和带3的轮廓视图，但是其中带2是单焦折射类型表面265a以提供近焦点或中间焦点，并且带3类似于图9A中的该带。

图9D是类似于图9B所描述的镜片150d的带2和带3的轮廓视图，但是其中带2是单焦折射表面265a以提供近焦点或中间焦点，并且带3类似于图9B中的该带，其被凹陷到镜片材料中以便在对着眼睛组织按压该表面时保护槽免于变形。

图10提供镜片150d的另一个变型以便形成镜片150e，其中衍射双焦带具有与镜片150e的近焦点相关联的基曲线，即零级衍射的方向是朝向近焦点。在本例中，衍射多焦镜片的远本领由第一级衍射产生。为了保持类似于镜片150d的性能，槽高度初始地接近零，以便把大部分光导向近焦点，随后槽高度增大，直到达到高度h_m，以便把所有光导向远焦点。

图11是描述在眼睛模型的瞳孔上的射线本领的本领曲线图，其对应于所述非球面衍射多焦镜片的优选实施例。

为了定义独立于镜片放置(接触镜片、角膜内移植物或眼内镜片)或镜片材料的非球面衍射镜片设计，可以根据像性质来表征镜片设计。例如，图11根据穿过该非球面衍射多焦镜片的所有射线的焦点位置来表征设计，其中每条射线在从相应的母体单焦镜片的预定远焦点测量的特定位置处与光轴相交。为了一致起见，瞳孔尺度在眼内镜片平面处取得，并且所使用眼睛模型是所谓的Lotmar模型，见表2。

表2

眼睛单元	厚度(mm)	λ＝0.546μ折射率	半径(mm)  二次曲线  r4的系数  r6的系数
				角膜后表面	0.55	1.377	7.8       -1        0.0001881 -1.4e-0066.5(球面表面)
眼房水	4.05	1.3375
				虹膜瞳孔	0.0
IOL后表面	0.8	1.494	非球面衍射表面-25.66(球面表面)
				玻璃体	18.85	1.336
视网膜像			-12.0(球面表面)

对于上面指定的条件，所述非球面衍射镜片的中心非球面带的优选设计在每个射线位置和与远本领的本领偏差之间产生一定关系，正如下面的3次多项式所定义的那样：

y＝a₁+b₁·x+c₁·x²+d₁x³，    (6)

其中，y＝到瞳孔中心的距离：从零到0.75mm；

x＝与远本领的本领偏差；

并且多项式系数为：

a₁＝0.5279，b₁＝0.2512，c₁＝0.0730，d₁＝0.1141。

上面的描述对应于依照图8A的镜片所产生的描述，其在1.5mm的直径范围内具有依照等式4的非球面性。

对于处在1.50-2.0mm直径范围内的带2，所有射线都聚焦在近焦点处。

对于处在2.0-3.8mm直径范围内的带3，射线被划分在远、近焦点之间，该带3具有依照图7所定义的变迹的透射率。

通过下面的6次多项式来定义非球面衍射多焦镜片的外围非球面带4的优选性能：

y＝a₄+b₄·x+c₄·x²+d₄x³+e₄+x⁴+f₄x⁵+g₄x⁶，    (7)

其中，y＝到瞳孔中心的距离：从1.9到3.0mm；

x＝与远本领的本领偏差；

并且多项式系数为：

a₄＝2.092，b₄＝2.692，c₄＝-7.9043，d₄＝14.645，

e₄＝-14.2524，f₄＝6.7944，g₄＝-1.25137。

上面的描述对应于依照图8A的镜片所产生的描述，其在3.8-6.0mm的直径范围内具有依照等式5的非球面性。

图12展示了表示利用依照图11的非球面衍射多焦镜片的优选实施例和依照图7的其变迹衍射双焦带的透射率函数所得到的眼睛的像质量的TFR曲线图。所得到的像质量通常由用于不同焦点位置的光学转移函数的模数定义，即所谓的过焦响应(TFR)。

对于3mm镜片孔径，把优选的非球面衍射镜片的TFR与其中在远、近焦点之间均分光(对于设计波长，在每个焦点处分别是40.5％，剩下的光则分布在各更高衍射级之间)的衍射多焦镜片的TFR相比较。通过表现出除了可比的远、近视觉能力之外的中间视觉能力，该曲线图展示了优选的非球面衍射多焦镜片优于所述衍射多焦镜片的显著优点。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

根据条约第19条修改时的声明

作为对2006年8月16日邮寄的国际检索报告的答复，本申请人已经修改了本发明的装置的权利要求。该修改没有增加新的内容，因为新的权利要求对应于原始提交的权利要求，正如在附有替换页的信中所指示的那样。当前的替换权利要求的修改没有影响原始说明书或原始附图。

1、一种多焦眼镜片，包括：

镜片元件，其具有前表面和后表面；

中心非球面折射带，其提供包括远焦点的焦点范围，并且被布置在所述前、后表面的其中之一上；以及

衍射双焦带，其被布置在该非球面折射带的外部。

2、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述衍射双焦带是环形。

3、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述折射带和衍射带彼此邻接。

4、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述折射带和衍射带彼此间隔开。

5、根据权利要求4所述的镜片，还包括被布置在所述中心非球面折射带与所述衍射双焦带之间的单一本领带，该单一本领带是单一本领衍射带和单一本领折射带的其中之一。

6、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有恒定的半径。

7、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有变化的半径。

8、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述衍射双焦带包括多个槽，所述槽从沿着与近焦点相关联的衍射级引导光的高度到沿着与远焦点相关联的衍射级引导光的高度进行变迹。

9、根据权利要求8所述的镜片，其中，从包括以下各项的一组中选择槽轮廓：线性轮廓，球面轮廓，三角学轮廓，非球面轮廓。

10、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述衍射双焦带被凹陷到所述前、后表面的其中之一内。

11、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片元件是眼内镜片。

12、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片元件是接触镜片。

13、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片元件是人工角膜。

14、根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片是板层移植物。

15、一种多焦眼镜片，包括：

镜片元件，其具有前表面和后表面；

提供包括远距视觉的本领范围的中心非球面折射带，其被布置在所述前表面上并且被居中在横轴上；以及

衍射双焦带，其被布置在所述后表面上并且被居中在该横轴上。

16、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述衍射双焦带是环形。

17、根据权利要求16所述的镜片，其中，在沿着所述横轴观看时，所述折射带与所述衍射带彼此邻接。

18、根据权利要求16所述的镜片，其中，在沿着所述横轴观看时，所述折射带与所述衍射带彼此间隔开。

19、根据权利要求18所述的镜片，还包括被布置在所述后表面上的单一本领带，并且在沿着所述横轴观看时，该单一本领带处在所述中心折射带与所述衍射双焦带之间。

20、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有恒定的半径。

21、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有变化的半径。

22、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述衍射双焦带包括多个槽，所述槽从沿着与近焦点相关联的衍射级引导光的高度到沿着与远焦点相关联的衍射级引导光的高度进行变迹。

23、根据权利要求22所述的镜片，其中，从包括以下各项的一组中选择槽轮廓：线性轮廓，球面轮廓，三角学轮廓，以及非球面轮廓。

24、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述镜片元件是眼内镜片。

25、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述镜片元件是接触镜片。

26、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述镜片元件是人工角膜。

27、根据权利要求15所述的镜片，其中，所述镜片是板层移植物。

28、一种设计具有衍射多焦环形带的非球面衍射多焦表面的方法，包括：

a)选择定义远(远距离)焦点的基曲线；

b)对于该基曲线计算处在半径r_i处的槽的位置，以便产生近焦点；

c)确定中心非球面带的尺寸以及相应的非球面化，以便产生远焦点周围的焦点范围；并且

d)选择所述衍射环形带内的槽的步高，以便产生远、近焦点之间的光平衡，其补充中心非球面带的贡献。

29、一种利用前、后表面设计具有衍射多焦环形带的非球面衍射多焦镜片的方法，包括：

a)选择定义远(远距离)焦点的基曲线；

b)对于该基曲线计算处在半径r_i处的槽的位置，以便在其中一个镜片表面上产生近焦点；

c)在另一个镜片表面上确定所述中心非球面带的尺寸及其相应的非球面化，以便产生远焦点周围的焦点范围；

d)把所述衍射环形带的内直径限制到所述中心非球面带的外直径；并且

e)选择所述衍射环形带内的槽的步高，以便产生远、近焦点之间的光平衡，其补充中心非球面带的贡献。

30、一种多焦眼镜片，包括：

镜片元件，其具有前表面和后表面；

中心非球面折射带，其提供几个离散折射本领，并且被布置在所述前、后表面的其中之一上；以及

衍射双焦带，其被布置在该非球面折射带的外部。

31、一种多焦眼镜片，包括：

镜片元件，其具有前表面和后表面；

中心非球面折射带，其提供本领范围，并且被布置在所述前、后表面的其中之一上；以及

衍射双焦带，其被布置在该非球面折射带的外部。

Claims (29)

1.一种多焦眼镜片，包括：

镜片元件，其具有前表面和后表面；

中心非球面折射带，其被布置在所述前、后表面的其中之一上；以及

衍射双焦带，其被布置在该非球面折射带的外部。

2.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述衍射双焦带是环形。

3.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述折射带和衍射带彼此邻接。

4.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述折射带和衍射带彼此间隔开。

5.根据权利要求4所述的镜片，还包括被布置在所述中心非球面折射带与所述衍射双焦带之间的单一本领带，该单一本领带是单一本领衍射带和单一本领折射带的其中之一。

6.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有一致的半径。

7.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有变化的半径。

8.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述衍射双焦带包括多个槽，所述槽从沿着与近焦点相关联的衍射级引导光的高度到沿着与远焦点相关联的衍射级引导光的高度进行变迹。

9.根据权利要求8所述的镜片，其中，从包括以下各项的一组中选择槽轮廓：线性轮廓，球面轮廓，三角学轮廓，非球面轮廓。

10.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述衍射双焦带被凹陷到所述前、后表面的其中之一内。

11.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片元件是眼内镜片。

12.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片元件是接触镜片。

13.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片元件是人工角膜。

14.根据权利要求1所述的镜片，其中，所述镜片是板层移植物。

15.一种多焦眼镜片，包括：

镜片元件，其具有前表面和后表面；

中心非球面折射带，其被布置在所述前表面上并且被居中在横轴上；以及

衍射双焦带，其被布置在所述后表面上并且被居中在该横轴上。

16.根据权利要求15所述的镜片，其中，所述衍射双焦带是环形。

17.根据权利要求16所述的镜片，其中，在沿着所述横轴观看时，所述折射带与所述衍射带彼此邻接。

18.根据权利要求16所述的镜片，其中，在沿着所述横轴观看时，所述折射带与所述衍射带彼此间隔开。

19.根据权利要求18所述的镜片，还包括被布置在所述后表面上的单一本领带，并且在沿着所述横轴观看时，该单一本领带处在所述中心折射带与所述衍射双焦带之间。

20.根据权利要求15所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有恒定的半径。

21.根据权利要求15所述的镜片，其中，所述中心折射带和所述衍射双焦带当中的每一个具有变化的半径。

22.根据权利要求15所述的镜片，其中，所述衍射双焦带包括多个槽，所述槽从沿着与近焦点相关联的衍射级引导光的高度到沿着与远焦点相关联的衍射级引导光的高度进行变迹。

23.根据权利要求22所述的镜片，其中，从包括以下各项的一组中选择槽轮廓：线性轮廓，球面轮廓，三角学轮廓，以及非球面轮廓。

24.根据权利要求15所述的镜片，其中，所述镜片元件是眼内镜片。

25.根据权利要求15所述的镜片，其中，所述镜片元件是接触镜片。

26.根据权利要求15所述的镜片，其中，所述镜片元件是人工角膜。

27.根据权利要求14所述的镜片，其中，所述镜片是板层移植物。

28.一种产生具有衍射多焦环形带的非球面衍射多焦表面的方法，包括：

a)选择定义远(远距离)焦点的基曲线；

b)对于该基曲线计算处在半径ri处的槽的位置，以便产生近焦点；

c)确定中心非球面带的尺寸以及相应的非球面化，以便产生远焦点周围的焦点范围；并且

d)选择所述衍射环形带内的槽的步高，以便产生远、近焦点之间的光平衡，其补充中心非球面带的贡献。

29.一种利用前、后表面产生具有衍射多焦环形带的非球面衍射多焦镜片的方法，包括：

a)选择定义远(远距离)焦点的基曲线；

b)对于该基曲线计算处在半径ri处的槽的位置，以便在其中一个镜片表面上产生近焦点；

c)在另一个镜片表面上确定所述中心非球面带的尺寸及其相应的非球面化，以便产生远焦点周围的焦点范围；

d)把所述衍射环形带的内直径限制到所述中心非球面带的外直径；并且

e)选择所述衍射环形带内的槽的步高，以便产生远、近焦点之间的光平衡，其补充中心非球面带的贡献。

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