CN1047925A - 小孔径多焦点透镜 - Google Patents

Abstract

一种适用于眼内透镜和隐形眼镜的光学装置，采用科恩透镜方案的位相波带片，依靠少量的环带来产生多焦点图象。

Description

本发明涉及一种适用于眼内透镜和隐形眼镜的光学装置，它采用科恩透镜方案的位相波带片，利用少量环带来产生多焦点图象。

折射和衍射是划分光学作用的两种机制。衍射理论本身所涉及的是光的传播。考虑通过小孔径的传播这种特殊情况是很有用的。小孔径既可以是简单地为其边界限定的空白区域，也可以是不同厚度和/或不同折射率的光学材料构成的区域，从而有选择性地迟滞入射波前的不同部分。在任何情况下，当光线通过这样一种小孔径时，就称它产生了“衍射”。

有时当光线通过孔径时会在空间发现存在一个光线聚集或聚焦的点。在一系列这种情况下，可以采用称之为斯涅耳折射定律的简单方程计算出焦点位置。当孔径中的光学材料平滑缓变且孔径较大时，会产生这种特殊情况。当这些条件被满足时，光线的特征为按照衍射的特殊情况（称之为“折射”）而传播。

但由于这种情况很常见，故折射常被认为是一个完整的理论。但是当透镜中存在尖锐的切口时，就不能满足平滑变化的要求，从而需要用“衍射”普遍理论来计算光线的传播。

术语“折射”应当只在孔径具有平滑变化的内部结构情况下采用。术语“衍射”应当只在孔径的内部结构具有尖锐的边界或在光路长度上有突变的情况下采用。

然而即使在简单的情况下，衍射理论也可用来求得精确解，而用折射理论则不能得到。

利用衍射定律和法则可以解释任何透镜的工作情况，而用折射定律和法则无法解释在载体透镜上的位相波带片的工作情况。这里和权利要求中采用的“位相波带片”是指将波带片与波带内的光学表面组合的一个透镜的整体光学区域，上述组合使光线衍射以致产生在波带片各级（例如0级、1级等）焦点上得到特殊光强分布的特殊波前。

科恩的专利（Allen    L.Cohen，U.S.4，210，391;4，338，005;4，340，283）介绍了在载体透镜的光学区域使用位相波带片以获得多焦点效果。在本说明书和权利要求中用“科恩透镜方案”来表示一种在载体透镜的光学区域中使用位相波带片以获得实用的多焦点效果的透镜。下面将用衍射定律和法则来解释科恩透镜方案的光学性质和实用性。

科恩透镜方案采用同心环带的位相波带片设计，其中同心环带的半径Υ_K基本上正比于 ，且环带被切削成使光线射向或者偏向一个以上的焦点。这种 间隔是衍射所独有的，而在折射透镜方案中没有类似的间隔类型。

产生多焦点图象的位相波带片是一片透镜，并可独立于用作放大或缩小的载体透镜来使用。当一个位相波带片置于载体透镜上并占据此载体透镜的光学区域时，它可以控制由该透镜件产生的多个图象的相对亮度。此外，这种占据载体透镜光学区域的位相波带片，将对给定焦点处图象的质量和性质产生影响。这种位相波带片的重要性在于，它能控制透射光使之聚焦在由不同焦点表示出的不同级上，控制在这些不同级上的色散作用和不同级上光强的衰减以及在多焦点位相波带片中固有的反射损耗。例如发散的、会聚的或者平的透镜将确定透射光的放大或缩小，而该透镜中的位相波带片则控制各焦点上的相对光强，而且这样就可产生更高级别的焦点。这可由采用位相波带片的透镜装置来作简单地说明，波带片为环带间隔为√K的菲涅尔波带片，具有抛物面形状的刻线（这意味着在Υ²空间刻线为线性轮廓），其深度与设计波长有关，例如若设计波长为555毫微米的黄光，则刻线的物理深度（或光程长度）由关系式λ/（η′-η）可得，应大约为0.00555毫米（式中η′≈1.43;η≈1.33，λ为黄光的设计波长）。不管载体透镜的光焦度是发散还是会聚，或是平光的，该位相波带片对于设计波长将是一个单焦点的透镜装置，并且将所有设计波长的光线射向光学环带中心轴上的第一焦点。这意味着使用该透镜装置的使用者只能看到近处的物体而不能看到远处的物体，尽管具有折射数学关系的平滑透镜装置中此载体透镜的光焦度能使远处物体的光透过。该位相波带片通过使光线偏向而使其射向了近处的焦点。在结构上透镜是该位相波带片的载体。在这种情况下，位相波带片确定了光透射的方向，并决定在不同级焦点上的视觉清晰度。此外，在光透射到0级的科恩透镜方案的双焦点透镜中，该位相波带片将会影响设计波长以外的其它波长在0级上的色散强度。尽管0级图象本身并无变化，它仍能受位相波带片影响。不管在光学区域中采用位相波带片的透镜的0级位置在何处，所有传到0级的光线均透过位相波带片，因而是衍射光线。

由上所述说明这样一个事实，即平滑的光学区域将使光线只射向一个焦点（focal    power），即0级焦点，而且利用了衍射作用的位相波带片的光学区域也只能使光线射向一个焦点（focal    power），即1级焦点。这种情况下衍射所具有的控制方向能力，是使光线偏向1级。而独特的科恩透镜方案则利用衍射现象使光线射向一个以上的焦点。它通过（1）依某种适当方式切削位相波带片以改变其厚度，或者（2）改变位相波带片波带内透镜的折射这两种方法之一来产生相移，以使光线射向一个以上的焦点。通过改变波带的倾斜可以改变透射光线，使之产生相移。

在一个实施例中，科恩透镜方案采用分别称为奇、偶环带的交替倾斜半周期环带来获得多焦点效果。每一环带由于按比例向内倾斜而使载体透镜的厚度减小。这种倾斜将以不同的比例关系使透过透镜的光线产生光学相移。相移变化越明显，光线越被射向或者偏向高级焦点。若倾斜较小，则相移变化较小，更多的透射光线将从透镜表面射向低级焦点。正是通过倾斜度的改变和斜面的轮廓，人们可以控制衍射光的方向使其朝向一个以上的焦点。

科恩透镜方案还介绍了与利用表面凹凸外形来控制相移不同的另一种机制，即利用透镜表面的嵌埋材料来改变折射率。

科恩透镜方案的倾斜环带遵循H.Ruhle在1961年10月17日批准的美国专利U.S.3，004，470中讨论过的菲涅尔环带原理，只是科恩透镜方案引入了 $\sqrt{K}$ 间隔。Ruhle指示，分级的菲涅尔抛物面环带只不过是平滑型的分级倾斜表面对。

在科恩透镜方案的多焦点位相波带片中，交替的奇、偶环带会使光程长度发生变化，从而使透射光产生相移。这些环带可以处于全周期环带中，或者通过采用多重的半周期环带而存在。一个全周期环带是由位相波带片内相距大致正比于 的最小重复表面序列所构成。这种间隔由下式表征：

Υ_K≈ $\sqrt{\mathrm{2kd\lambda }}$

式中d为1级焦距，λ为设计波长。与本发明有关的半周期环带由下式表征：

Υ_K≈ $\sqrt{\mathrm{2kd\lambda }}$

位相波带片中一个全周期环带可被认为是由一对具有半周期间隔的交替环带构成。全周期环带可以包含非连续闪耀或者连续闪耀。全周期非连续闪耀的环带由通常在其半周期点左右不连续的独立轮廓构成，而全周期连续闪耀的环带由分级的无断续点的独立轮廓构成，就是说在整个周期的宽度上是连续的。由于全周期环带的每个半周期环带的差异程度能使设计波长的入射光产生不同相移，所以每个环带都可以产生使光线射向或者偏向多个焦点的组份。

在对De    Carle的美国专利U.S.4，704，016（1987年11月3日批准）的审理过程中曾经指出：

“菲涅尔波带片或透镜依据相邻的环带透过位相相差半周期的光线这一原理而工作，从而如果将交替的环带涂黑，则透过波带片并到达相距波带片一定距离点处的光将比没有波带片时更亮，这是因为避免了有害的干涉。为了获得这一效果，环带边界的半径经数学计算取一级近似应为：

$\sqrt{\mathrm{nf\; \lambda }}和\sqrt{\mathrm{(n+1)f\; \lambda }}$

其中f为波带片焦距，n＝0，1，2，3，4，……，λ为光波波长。例如在波带片的光焦度为5屈光度时（这是普通的眼镜放大率），则第一环带的大小为0.3毫米数量级，而第八环带的宽度为几百分之一毫米的数量级。由波带片聚焦的图象的清晰度方面的效果，随环带的数目而增加，因此为了获得较理想的光学性质，波带片应具有大量的环带”。

Freeman和Stone利用6个左右全周期环带对应于一个屈光度的增加（见BCLA1987年年会会刊，第15页）。这可解释为12个半周期环带。

因此，本领域的某些专业人员认为科恩透镜方案的透镜需要有较多的环带才能获得清晰的图象。然而在双焦点透镜中需要有大量环带的这些透镜，会使相当多的人不能得益于科恩透镜方案的隐形眼镜和眼内透镜。

有许多眼球的情况都需要对科恩透镜方案的位相波带片进行设计上的特殊改变。例如白内障患者通常年纪较大，于是瞳孔较小。这种情况下对他们的治疗，可为植入眼内透镜（IOL）。在有些情况下需要使用带有双焦点位相波带片的IOL。由于这些患者的瞳孔变小，此位相波带片应能在很小的孔径中工作以适应瞳孔的尺寸。此外，由于位相波带片的IOL在眼内的放置，故孔阑会减小到约为透明瞳孔尺寸的85%。于是位相波带片应当能在小于仅为透明瞳孔尺寸85%的虹膜区域内工作。

这样就需要一种双焦点的隐形眼镜或IOL的光学装置来解决瞳孔缩小的问题，它在很小的光学区域内具有相当多的断续点，以适应于白内障患者常见的瞳孔尺寸较小的情况。

本发明涉及一种采用科恩透镜方案的透镜，提出一种与位相波带片结合制备可用作IOL或隐形眼镜的双焦点透镜的方案，它采用一个适用于白内障患者常有的较小瞳孔尺寸的位相波带片。

本发明包括一个具有位相波带片的光学元件，该位相波带片包括具有闪耀面的同心环带，它使光线分射到至少两个分开的焦点上，而且它可以利用位相波带片的单个全周期环带。

本发明包括一个具有位相波带片的双焦点衍射光学元件，该位相波带片具有其间隔大致上正比于 的同心环带，奇数环带具有其光程长度（深度）为偶数刻痕一半的闪耀面，且轮廓内间断的突变仅产生在奇数半径处。这种元件即使在被孔阑限制小到只有一个全周期环带时，也能将光线分射到两个焦点上。

本发明涉及一种具有多焦点轮廓的位相波带片的透镜装置，即使在采用小到一个全周期环带的孔阑时，它也能提供两个以上分开的焦点。此位相波带片具有一系列其间隔由下式给出的同心环带的闪耀面：

${{\rm Y}}_K=\sqrt{\mathrm{常数xK}}$

其中K是环带序数，为1，2，3，……，按照科恩透镜方案是从位相波带片的中心轴数到位相波带片的边缘。式中Υ_K是半周期环带的半径，当K从波带片的中心轴到其边缘依次为奇数和偶数时，按照K的数值，环带和环带半径依次也为奇数和偶数。在本发明中，奇数半周期环带的深度约为偶数半周期环带深度的一半，而且在K是偶数的情况下，在偶数环带半径Υ_K处奇数和偶数半周期环带之间的每个交接面，均具有连续的轮廓而没有间断点。

图1是一个可表示隐形眼镜或IOL的透镜装置的正视图，它表示科恩透镜方案所包括的闪耀面的 间隔。下面除了图5、6及8之外的所有截面图，均为具有图1位相波带片的透镜装置沿2-2线的四分之一截面图，而图5、6和8为沿平分位相波带片的虚线所取的半截面图。

图2为图1所示的位相波带片的四分之一截面图。该图显示了沿图1中2-2线所取的抛物线轮廓，画出了具有图1中 间隔的透镜的位相波带片，与科恩透镜方案不同的是，这种刻痕深度为λ的轮廓不产生多焦点效果。

图3是沿图1中2-2线所取的另一种抛物线轮廓的四分之一截面图，表示了采用图1中 间隔的透镜位相波带片。这种位相波带片的抛物线外形和刻痕尺寸的确适合于科恩透镜方案，因为这种刻痕深度为λ/2（η′-η）的轮廓可产生多焦点效果。

图4是想用截面图的形式表示图2中由全周期半径Υ₂限定的第一个刻痕的高、宽以及形状的实际比例尺寸关系。

图5表示从图2的位相波带片的截面发出的透射光，用来说明此位相波带片的单焦点特性。应当特别注意没有光线射到0级上。

图6表示从图3的科恩透镜方案的位相波带片截面发出的透射光，用来说明此位相波带片的双焦点特性。应当特别注意光线被透射到0级和1级。

图7将图3所示的具有多焦点透光特性的科恩透镜方案的一个透镜的截面轮廓以及具有科恩的美国专利U.S.4，210，391中图7特性的一个透镜例的截面轮廓，与图2产生单焦点特性的透镜截面轮廓进行比较。

图8是按照图1的轮廓构成的整个位相波带片的截面图。在这种情况下，此位相波带片与图6的情况一致。本图用来解释由位相波带片的衍射特性而得到的光波效果，以及位相波带片在两个焦点上产生光学图象的偏向能力。

图9是表示在0级和1级观察到的光强与图2和图3所示的具有抛物线轮廓的刻痕深度之间关系的示意图。

图10是具有本发明的小孔径位相波带片的截面图。

图11A用一般的填充图案表示组合这些半径以构成图10的小孔径位相波带片的全周期环带。

图11B用填充图案表示图10的小孔径位相波带片的奇数和偶数环带。

图12表征在孔阑为两个全周期环带时图6的位相波带片的光及光强分布。

图13表示在孔阑为一个全周期环带时图6的位相波带片的光及光强分布。

图14表示在孔阑为两个全周期环带时图10的位相波带片的光及光强分布。

图15表示在孔阑为一个全周期环带时图10的位相波带片的光及光强分布。

图16表示1988年7月20日提出的、申请号为222，000的一份申请中描述的位相波带片轮廓的截面图。

图17是本发明采用图16的位相波带片轮廓特征的小孔透镜的截面图。

本发明为一种采用位相波带片的多焦点光学装置，此位相波带片具有 环带间隔和在环带中的闪耀面。该环带彼此间呈环形放射状，环绕中心轴彼此呈园环形分布。在优选的实施例中，位相波带片具有彼此间很不相同的交替环带，以使透过位相波带片的入射光偏向处于位相波带片中心延长轴上的一系列焦点。最好是使至少两个焦点上的光强足够在这些焦点上观察到图象。

本发明采用特殊的环带结构，从而在沿位相波带片中心轴的一个以上焦点上产生实用的图象只需要最少的环带。本发明的贡献在于为获得有用的多焦点效果，仅仅需要少至一个包括两个不同的半周期环带的全周期环带就可以了。但是，本发明也包括采用适当的位相波带片方案中的多于一个全周期环带的情况。

本发明的最佳状况是采用科恩透镜方案以得到多焦点位相波带片，它能在用于眼睛入瞳孔径极小或很小时，在两个或者更多个图象上获得足够的光强。在最佳实施例中，本发明指向一个双焦点透镜，其中至少20%的透过透镜的入射光能射到1级。

为了更好地理解本发明，可以参考本申请的附图。图1是一个隐形眼镜的正视图，也可以表示一个IOL，它表示科恩透镜方案所具有的闪耀面的 间隔。图1画出了带有16个环带（Υ₁到Υ₁₆）的位相波带片。奇数环带为Υ₁，Υ₃，Υ₅，Υ₇，Υ₉，Υ₁₁，Υ₁₃，和Υ₁₅，其余为偶数环带。在本说明书中，若位相波带片中相距大致正比于 的最小重复表面序列为重复的奇数环带和偶数环带组合而成，则每个环带可以为一个半周期环带。

图1中，每一奇数环带由虚线划出，而每一偶数环带由实线划出。这一个特点是用来强调奇数环带是在连续的偶数环带为其一部分的全周期环带的连续轮廓中划出来的。

图2是沿图1中2-2线所取抛物线轮廓的截面图，它表示图1的具有 间隔的透镜的位相波带片。但是该位相波带片的抛物线轮廓和刻痕尺寸不适用于科恩透镜方案，因为这种刻痕光程长度（深度）为λ的轮廓不能提供多焦点效果。在这个并不包括在本发明中的实施例中，每个刻痕的光程长度（深度）为λ/（η′-η），其中λ为透镜的设计波长，最好为黄光波长，η′和η的意义如前所述。在这种轮廓的特殊组合中，奇数环带和偶数环带是一样的，因为透镜仅将入射光透射到一个焦点，即1级焦点上。在这种情况下，奇数环带和偶数环带在偏转入射光线方面的作用完全一样。这表明它们是相同的，而且都不使光线射到另外的焦点上。

图3是沿图1中2-2线取的另一种抛物线轮廓截面图，它表示图1的透镜中包括的位相波带片，即具有图1的 间隔的。该位相波带片的抛物线轮廓和刻痕尺寸适用于科恩透镜方案，因为这种具有λ/2（η′-η）刻痕深度的轮廓可以提供多焦点效果。在此特定的实施例中，各奇数环带和偶数环带的角度有很大的不同，于是就使每一奇数环带和偶数环带具有多焦点特性。在这种情况下，奇数环带能使光射到一个焦点上，而偶数环带能使光射到另一个焦点上，而且两者都能使光射到两个焦点上。这将在下面详细讨论。

为了显示出这些位相波带片的相对尺寸，图4中画出了图2透镜的单个全周期环带的相对尺寸。图4是包括了奇数环带Υ₁和偶数环带Υ₂的第一个全周期环带的截面图。从图中可以看出刻痕的深度很小，而且刻痕的轮廓是逐渐倾斜的。图4的图形是由计算机产生的，并且反映出计算机程度不能精确画出刻痕轮廓，而且在轮廓的倾斜中无间断。

图5表示具有图2刻痕的位相波带片16的截面图，其中每一刻痕的深度为λ/（η′-η），位相波带片位于一个平透镜体10内（仅画出等于位相波带片深度的透镜表面深度）。本图表示从位相波带片射出的透射光线12射到1级焦点（f₁），而没有光线（14）射到0级焦点（f₀）。这表示在闪耀面深度为λ/（η′-η）时采用了传统的抛物线轮廓的位相波带片所具有的单焦点特性。

图6表示在刻痕深度定为λ/2（η′-η）时的效果。图6中画出了在平透镜20中的位相波带片26，它具有相同于图5的抛物线轮廓，但是按照图3的说明来设计。本图说明了透过透镜的光线被分开，光线22射到1级焦点（f₁），而光线24射到0级焦点（f₀）。下面讨论这种分光效应。

图7为相互重叠的不同位相波带片的截面图，每种波带片都具有图1位相波带片的间隔。本图的基本作用是将图2的轮廓与图3的轮廓以及美国专利4，210，391的位相波带片轮廓进行比较。抛物线30表示图2的位相波带片轮廓，而抛物线32表示图3的位相波带片轮廓。但图中用抛物线34还画出了科恩的美国专利4，210，391中图7所示的轮廓。每一位相波带片都具有奇数环带和偶数环带，环带为半周期的。刻痕轮廓的变化分为两种光程长度（深度）：即λ/（η′-η）和λ/2（η′-η）。图7将图3所示的具有多焦点透光特性的科恩透镜方案的透镜截面轮廓以及具有科恩的美国专利U.S.4，210，391中图7特性的透镜截面轮廓，与图2的具有单焦点透光特性的透镜截面轮廓进行了比较。

图7中的刻痕表明在Υ奇数半径处，或在奇数环带的周界，刻痕深度为刻痕级差的二分之一。这样，轮廓线30在每一Υ奇数边界的刻痕深度为λ/2（η′-η），轮廓线32在每一Υ奇数边界的刻痕深度为λ/4（η′-η），而轮廓线34在每Υ奇数边界的刻痕深度在λ/2（η′-η）和λ/4（η′-η）之间。

由曲线34表示的轮廓是基于科恩的美国专利U.S.4，210，391的图7描述的透镜轮廓，采用该专利第三栏第20和21行给出的参数。该透镜将入射光线大约以36%等量分到1级和0级焦点。该透镜的轮廓与图3所示的轮廓之间的主要区别是在曲线34构成的轮廓中在奇数环带的边界存在清晰可见的分界线，而曲线32在奇数环带的边界是平滑的。

图2、3和7中对位相波带片中全周期环带的图示比例，难以示意在刻痕中实际存在的抛物线形状。用图4就可以容易地估出环带宽度相对于构成奇数环带的阶梯之间的关系。

由图8可以看出抛物线状刻痕从一个波长深到半个波长深的深度减少序列。图8给出按照图1轮廓构成的整个位相波带片的截面图。这里的位相波带片与图6的位相波带片是一致的，并且采用图3给出的轮廓。本图表示由位相波带片的衍射特性得到的波形效果以及位相波带片在两个焦点产生光学图象的偏向能力。透过位相波带片表面的光波被此位相波带片射向两个主焦点：近处的1级焦点和远处的0级焦点。

如图5所示，如果图8画出的刻痕深度为λ/（η′-η），即一个设计波长深，则该波长的所有入射光线都会被射向近处的1级焦点。通过改变奇数和偶环带的倾角，光线将产生相移并被位相波带片射向一个或者更多个其它焦点。在图8的情况下，其它的主要焦点是远处的0级焦点。

图9示意表明在远处的0级和近处的1级焦点观测的相关光强以及在前面附图中所示的具有抛物线轮廓的刻痕深度。它表示在刻痕深度减到一半设计波长以下时，即为λ/X（η′-η），其中X大于2，更多的入射光将被射向远处的0级焦点。在深度接近于零时，有越来越多的光强集中到0级焦点，而且多焦点特性最终消失，就是说没有足够的光强射到至少两个焦点上以在这些焦点上产生实用的图象，这样就不能得到实用的多焦点透镜。在增加刻痕深度时可以看到同样的现象。当深度增加时，大量的光强集中到近处的1级焦点。在深度接近于λ/（η′-η）时，越来越多的光线被射到近处的1级焦点，而且最终多焦点特性将消失，就是说没有足够的光强射到至少两个焦点上以在这些焦点产生实用的图象，这样就不能得到实用的多焦点透镜。

图10是具有独特轮廓关系的小孔径位相波带片的截面图，通过它可以进一步理解科恩透镜方案的多焦点透镜的功能。在图10中，奇数环带可以被看成是图3的轮廓的位相波带片的偶数环带。在本例中，奇数环带Υ₁深度为λ/4（η′-η），而偶数环带均由深度λ/2（η′-η）起始。每个奇数环带（从Υ₃起）与连续的偶数环带（从Υ₃起）形成连续的轮廓。在这种轮廓中，图3的位相波带片轮廓正好平移了一个半周期环带。

图3透镜的这种平移使图10的透镜可以满足患者所需的位相波带片能在很小的孔径中工作以适应白内障引起的瞳孔孔径减小这种情况。通过奇数和偶数环带的平移，可以得到一个双焦点隐形眼镜或IOL光学装置，它通过在小的光学区域中产生相当数量的间断点来解决瞳孔缩小的问题，以适应白内障患者常有的小瞳孔尺寸。

图3和图6的位相波带片被设计成在0级和1级焦点产生相同的光强。在这些焦点的光强由图12和图13的亮度曲线的矢量幅值的平方给出。加在任何矢量上的旋转（相移）对光强没有影响。然而这种矢量的旋转是通过平移位相波带片的轮廓而得到的。

在下面的附图中进一步解释这样做的好处。图11A用普通的填充图案表示组成图10的小孔径位相波带片全周期环带的半径。另一方面，图11B则用普通的填充图案画出图10的小孔径位相波带片的奇数和偶数环带。

图12表示带有将入射光线限在两个全周期环带内的孔阑的图3和图6所示的透镜，以及其随焦点（focal    power）改变的亮度曲线，其中在两个焦点的亮度相等。光振幅的标准矢量表示法在每一级焦点的亮度曲线中给出了。

当图12中的透镜孔阑直径很小而将入射光限制在一个全周期波带之内时，如图13所示，则产生大的景深，这是由于小孔径效应掩盖了位相波带片的双焦点效果。在掩住第二个全周期环带时，就消除了在二分之一级图象处的消光矢量。所得的光强包络（图13中虚线22）就是简单的小孔透镜的光强。

图14为按图10轮廓设计的透镜的截面图。图14表示带有一个将入射光线限在两个全周期环带以内的孔阑的透镜，以及其随焦点（focal    power）变化的亮度曲线，其中在两个焦点具有相同的亮度。在每一级焦点的亮度曲线中给出了光振幅的标准矢量表示法。图14的矢量图形相对于图12的矢量图形有一旋转。

图15表示图10的位相波带片的光和光强分布，此位相波带片采用一个全周期环带的孔阑。图15表示带有将入射光限制在一个全周期环带以内的孔径的图10的透镜，以及随焦点（focal    power）改变的亮度曲线，其中在两个焦点的亮度相同。本图表示在孔阑的直径减小以将入射光限制在仅仅一个全周期环带内时，此位相波带片的双焦点特性仍然很明显。即使在第二个全周期环带被掩住时，在1/2级图象处仍然存在完全的消光干涉。所得的光强包络仍为双焦点位相波带片透镜的情况。

图16表示申请日为1988年7月20日、申请号为222，000的专利申请中所述的位相波带片轮廓的截面图。该位相波带片的重复轮廓单元由下式给出：

d＝D₀｛1/2+1/2COS（πr²/b²）｝

等能量分光所需的刻痕深度由下式给出：

D₀＝0.405λ/（η-1）

而且分光强度为：I₁-I₂＝J² ₀（0.405π）＝0.403

图16表示通过切出闪耀面使光程长度（深度）为0.4个波长而构成的多焦点位相波带片的轮廓，其中闪耀面具有余弦阶梯形轮廓。图17是本发明的采用图16所示的位相波带片片结构特征的小孔径透镜的截面图。图17表示将图16的位相波带片轮廓平移正好一个半周期环带而得到的位相波带片部分轮廓。图16中的半径Υ_K按半周期环带标出。对于这种轮廓，当孔阑直径减小以将入射光限制在仅仅一个全周期环带内时，位相波带片的双焦点特性也不消失。

前面曾经指示，将位相波带片的轮廓平移一个半周期环带，就会在孔阑即使小到一个全周期环带时也保持双焦点特性。这并不是说在这种情况下的图象质量与孔阑为两个或者更多个全周期环带时一样好。提出本发明的透镜是由于普通的位相波带片不适用于小孔阑，因为这时采用普通位相波带片方案患者会失去双焦点特性。因此，本发明提供了在小孔阑时的双焦点特性，而不管带有位相波带片的载体透镜如何，这都是不能从普通的位相波带片获得的。

Claims (27)

1、一种采用科恩透镜方案、使用适合于小瞳孔尺寸的位相波带片的光学装置。

2、如权利要求1的光学装置，其中的装置包括带有位相波带片的光学元件，此位相波带片包括具有闪耀面的环形同心环带，以采用最小数量的间距为 $\sqrt{K}$ 的交替阶梯状重复外形将光分射到至少两个分开的焦点上。

3、如权利要求2的光学装置，其中的光学元件是双焦点的衍射光学元件，它包括一个具有环状同心环带的位相波带片，环带间距正比于 ;奇数环带所具有的闪耀面的光程长度（深度）为偶数闪耀面光程长度（深度）的一半，而且轮廓中的间断突变仅处于奇数半径上。

4、如权利要求3的光学装置，其中的光学元件即使在将孔阑限制在约为一个全周期环带时，也会将光分射到两个焦点上。

5、如权利要求4的光学装置，其中的光学元件包括一个多焦点轮廓的位相波带片，它即使在采用小到一个全周期环带的孔阑时也会产生两个或者更多个分开的焦点，此位相波带片具有由一系列环状的同心环带构成的闪耀面，环带间隔为下式：

${{\rm Y}}_K=\sqrt{\mathrm{常数xK}}$

其中K为环带序数，它等于1，2，3等等，根据科恩透镜方案由此位相波带片的中心轴向此位相波带片的边缘计算环带，Υ_K是半周期环带的半径，当K值由位相波带片中心到边缘依次变为奇数和偶数时，环带和环带半径根据K值也为奇数或偶数，奇数半周期环带的深度约为偶数半周期环带深度的一半;在K为偶数的情况下，偶数环带半径Υ_K处每一奇数和偶数半周期环带的交接面呈现连续的轮廓，没有断续点。

6、如权利要求1的光学装置，其中在位相波带片中包括重复的轮廓单元，此重复的轮廓单元由下式给出：

d＝D₀｛1/2+1/2COS（πr²/b²）｝

其中D₀＝0.405λ/（η-1）

7、如权利要求1的光学装置，其中在位相波带片中包括抛物线的重复轮廓单元。

8、如权利要求1的光学装置，其中该装置为眼内透镜或隐形眼镜。

9、如权利要求2的光学装置，其中该装置为眼内透镜或隐形眼镜。

10、如权利要求3的光学装置，其中该装置为眼内透镜或隐形眼镜。

11、如权利要求4的光学装置，其中该装置为眼内透镜或隐形眼镜。

12、如权利要求5的光学装置，其中该装置为眼内透镜或隐形眼镜。

13、如权利要求6的光学装置，其中该装置为眼内透镜或隐形眼镜。

14、如权利要求7的光学装置，其中该装置为眼内透镜或隐形眼镜。

15、如权利要求8的光学装置，其中该装置为眼内透镜。

16、如权利要求9的光学装置，其中该装置为眼内透镜。

17、如权利要求10的光学装置，其中该装置为眼内透镜。

18、如权利要求11的光学装置，其中该装置为眼内透镜。

19、如权利要求12的光学装置，其中该装置为眼内透镜。

20、如权利要求13的光学装置，其中该装置为眼内透镜。

21、如权利要求8的光学装置，其中该装置为隐形眼镜。

22、如权利要求9的光学装置，其中该装置为隐形眼镜。

23、如权利要求10的光学装置，其中该装置为隐形眼镜。

24、如权利要求11的光学装置，其中该装置为隐形眼镜。

25、如权利要求12的光学装置，其中该装置为隐形眼镜。

26、如权利要求13的光学装置，其中该装置为隐形眼镜。

27、如权利要求14的光学装置，其中该装置为隐表眼镜。

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