CN108348325B - 多焦点透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有折射焦点(F_r)和衍射结构(5)的多焦点透镜(1)，所述衍射结构沿透镜(1)的径向(r)以随半径的平方(r²)变化的方式具有周期性轮廓(6，7，8，9)，其中每个周期的轮廓(6，7，8，9)具有四个相互邻接的区段(6，7，8，9)，这些区段无法在其连接点(10，11，12，13)上被微分，其中第一区段(9)单调下降且其他三个区段(6，7，8)单调上升，或者反之，且其中，不与第一区段(9)邻接的其他区段(7)的斜率大于除此之外的其他区段(6，8)。

Description

多焦点透镜

技术领域

本发明涉及一种具有折射焦点和衍射结构的多焦点透镜，其中所述结构沿透镜的径向以随半径的平方变化的方式具有周期性轮廓，且其中每个周期的轮廓具有四个相互邻接的区段，这些区段无法在其连接点上被微分。

背景技术

从数十年前起，例如可用于近视野和远视野(双焦点)或者用于近视野、中等视野和远视野(三焦点)的多焦点人工晶状体或者接触镜、即具有数个焦点的透镜已为人所知，且其使用位于折射式基本透镜上的各种衍射结构，从而除折射焦点以外还提供一或多个衍射焦点。

根据专利案DE 20 2009 018 881 U1和EP 2 503 962 B1，使用具有衍射结构的透镜来产生两个衍射焦点，这些衍射结构的轮廓的每个周期具有四个交替单调上升和交替单调下降的区段，即每个周期包含两个具有锐角的峰点。本案申请人发现，在透镜中增设这类结构一方面会造成大量难以制造的轮廓尖端，另一方面又导致所产生的焦点中的光强度的分布或光效率并非最优。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有所改进的透镜，其克服现有技术的缺点。

根据本发明，通过本文开篇所述类型的透镜来达成上述目的，其中所述轮廓的第一区段单调下降且其他三个区段单调上升，或者，第一区段单调上升且其他三个区段单调下降，且其中，不与所述第一区段邻接的其他区段的斜率大于另外两个其他区段。

借助本发明的结构提供一种透镜，所述透镜的可用于近视野、中等视野和远视野的焦点所具有的强度分量高于现有技术中已知的方案。为了更加准确地研究这个课题，下文将“正”阶的衍射焦点定义为位于透镜和其折射焦点之间的衍射焦点，并且将“负”阶的衍射焦点定义为位于折射焦点的背离透镜的一侧上的衍射焦点。

例如在将所述折射焦点用于远视野的情况下，所述衍射结构的第一正阶的焦点与针对中等视野的距离对应，且衍射结构的第二正阶的焦点与针对近视野的距离对应。在此情形下，所述衍射结构的负焦点被映射在透镜的使用者的视网膜后，故这些焦点不能被使用者利用，并且导致图像质量变差。

而在采用本发明的透镜的情况下，则将(原本的)负阶的强度分量映射至使用的正阶或零(折射)阶，故与现有技术相比产生色彩更强烈且对比更高的图像，因为可使用的焦点具有更高的强度分量。

例如在一个替代性实施方式中将折射焦点用于近视野，且衍射结构的第一负阶焦点与针对中等视野的距离对应，且衍射结构的第二负阶焦点与针对远视野的距离对应的情况下，同样能够实现上述优点。在这个实施方式中，衍射结构的正阶难以利用，因为其位于近视野焦点前，且第三负阶完全无法使用，因为其在视网膜后聚焦。根据本发明，在此将正阶的强度分量映射至零(折射)阶、第一负阶和第二负阶，从而与现有技术相比提高可用焦点中的光效率，进而产生色彩更强烈且对比更高的图像。

此外，在每个实施方式中，本发明的透镜还具有以下显著优点：所述透镜的衍射结构在每个周期内具有仅一个峰点，并且仍然产生两个衍射焦点。故能够以极简单且废品率低的方式在所述透镜上制造衍射结构，因为峰点的角度较大并且在每个周期内仅出现一次，即出现频率与现有技术中的产生两个衍射焦点的衍射结构相比仅为一半。特别是在所述透镜的周期长度非常小的外围处，能够凭借通过以上方案实现的更加精确的制造提升透镜的精度，这又有助于实现更加精确的且受控的光分布。

可以如上文所述将所述透镜的折射焦点或是用于近视野，或是用于远视野。若将折射焦点用于远视野，则根据优选实施方式，所述第一区段单调下降，且所述三个其他区段单调上升。作为替代方案，可以将所述折射焦点用于近视野，在此情形下，所述第一区段优选单调上升，且其他三个区段单调下降。

所述区段优选以随半径的平方变化的方式呈直线状，即在透镜上产生二次式上升或者下降的边沿。这样便能简单地计算透镜的强度特性曲线。作为替代方案，这些区段也可以具有个性化的特性曲线，从而与透镜的强度分布匹配。

在一个优选实施方式中，所述第一区段是大体垂直的。与此无关地，不与第一区段邻接的其他区段也可以是大体垂直的。这两个措施均实现极简单的轮廓样式，因为在此情形下只需要测定两个区段的斜率。这也使得透镜的制造简化，因为垂直区段也以随半径的平方变化的方式在透镜上产生垂直边沿。

为了简化轮廓的计算，并藉此简化透镜的制造，两个分别与所述第一区段邻接的其他区段可以以随半径的平方变化的方式大体具有相同的斜率。

在一个实用的实施方式中，两个分别与所述第一区段邻接的其他区段以随半径的平方变化的方式具有1μm/mm²至10μm/mm²的斜率。此外，在随半径的平方变化的情况下，所述轮廓的周期优选为0.5mm²至1mm²，且轮廓深度为2μm至10μm。这样一来，提供的透镜的用于近视野和中等视野的焦点便位于使用者所期望的距离上。

附图说明

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。其中：

图1为本发明的透镜的示意性俯视图；

图2为图1所示透镜的示意性侧视图；

图3为图1所示透镜的放大半剖图；

图4为图1-3所示透镜的衍射结构的轮廓，其随透镜的半径的平方变化；以及

图5为本发明的透镜的强度分布与现有技术中的透镜的强度分布的对比。

具体实施方式

图1和图2示出包含正面2、背面3和光轴4的透镜1。透镜1具有中央区域Z₁和环形区域Z₂，下文还将对这些区域进行详细说明。所述透镜1特别是用作人工晶状体或者接触镜，但也可以应用在光学设备中。

透镜1具有位于光轴4上的折射焦点F_r，其可如下文所述用于远视野或者近视野，并且在下文中也称作零阶焦点。如图3和图4所示，在透镜1的正面或背面2、3中增设有衍射结构5，从而既针对近视野，又针对中等视野和远视野对透镜1进行适配。

衍射结构5产生数个位于光轴4上的额外焦点F_i(i＝……，-2，-1，1，2，……)，其围绕折射焦点F_r对称分布，其中折射焦点F_r是由透镜1的形状决定的，而与绘示的衍射结构5无关。衍射焦点F₁、F₂被称作衍射结构5的正向一阶或二阶焦点，并且在光轴4上位于透镜1与折射焦点F_r之间。衍射焦点F_-1、F_-2被称作衍射结构5的负向一阶或二阶焦点，并且位于折射焦点F_r的背离透镜1的一侧上。

尽管焦点F_i的(位置)分布是围绕折射焦点F_r对称的，但是期望实现的与各焦点F_i对应的强度分布不是对称的。就三焦点透镜而言特别是应当形成三个最大的强度，即针对远视野、中等视野和近视野。实现此方案的具体方式为，构建如图4所示的衍射结构5。

如图4(横坐标：半径的平方r²[mm]；纵坐标：轮廓深度T[μm])所示，衍射结构5沿透镜1的径向r以随半径的平方r²变化的方式具有周期性轮廓，该轮廓在每个周期p具有四个相互邻接的区段6、7、8、9，这些区段无法在其连接点10、11、12、13上被微分。就周期性而言，表述“随半径的平方变化”表示周期间隔p在透镜1上减小。

就人工晶状体或者接触镜而言，周期p例如可以处于0.5mm²至1mm²的范围内，且轮廓深度T处于2μm至10μm的范围内。

在如图4所示的实施方式中，轮廓5的任意“第一”区段(在此为区段9)单调下降，且轮廓的其他三个区段6、7、8单调上升。表述“第一”在此并不涉及区段6-9的顺序，而是仅用于与“其他”三个区段区分开。故可自由选择或者定义区段6–9在周期p内的次序，从而例如将区段6、7、8、9中的任何一个选择作为“起始”区段，即“第一”区段9不必位于周期p的开始处。

在如图4所示的实施方式中，折射焦点F_r适用于远视野，并且借助所述三个单调上升的其他区段6、7、8与所述单调下降的第一区段9产生两个用于近视野和中等视野的正阶衍射焦点F₁、F₂(参阅图5)。作为替代方案，折射焦点F_r例如也可以适用于近视野，为此使用三个单调下降的其他区段6、7、8与一个单调上升的第一区段9产生两个用于中等视野和远视野的负阶衍射焦点F_-1、F_-2(未绘示)。

所述不与第一区段9邻接的其他区段，即在图4中位于中间的其他区段7的斜率大于另外两个其他区段6、8。概念“斜率”在此被定义为一个区段6、7、8、9的被总体越过时的斜率，即区段6、7、8或9的起点与同一区段6、7、8或9的终点之间的斜率。

区段6–9可以以随半径的平方r²变化的方式呈直线状，使得单调上升的区段6、7、8在透镜1上产生以r二次式提升的边沿。

如图4所示，第一区段9和不与该第一区段9邻接的其他区段(在此即位于中间的其他区段7)是大体垂直的，亦即，这些区段的斜率为+/-∞。作为替代方案，这两个区段7、9也可以相互独立地具有有限的斜率(未绘示)。

两个分别与第一区段9邻接的其他区段6、8以随半径的平方r²变化的方式大体具有相同的斜率。就人工晶状体或者接触镜而言，所述斜率例如可以处于1μm/mm²至10μm/mm²的范围内。这两个区段6、8也可以具有相互不同的斜率(未绘示)。

衍射结构5或是可以布设至透镜1的一侧2、3的整个表面上，或是如图1所示仅位于透镜1的中央区域Z₁或者环形区域Z₂内。作为替代或附加方案，也可以实施结构5的切趾。这表示，结构5的轮廓深度T随透镜半径r的增大而减小。

为了制造透镜1，例如可以直接在透镜坯件中添加衍射结构5，这例如通过在车床上进行车削来实现。但透镜坯件也可以仅是可供3D打印机加工的原材料，并且在此情形下通过将原材料3D打印成多焦点透镜1来在透镜坯件中添加所述结构。

作为替代方案，例如还是借助车床或者3D打印机，首先将衍射结构5作为阴模添加至成型坯件。随后使得透镜材料与所述成型坯件发生接触，藉此制造多焦点透镜1。透镜材料例如可以已预制成透镜坯件，其中借助充当“冲模”的成型坯件将结构5压入或印入所述透镜坯件。作为替代方案，透镜材料可以呈液态或粘性状态，并且被浇注至成型坯件上，例如在模具中实现。随后例如借助提供光或热使透镜材料固化。

图5为本案提出的透镜1的(以实线示出的)强度特性曲线14与现有技术中的透镜的(以虚线示出的)强度特性曲线15的对比(横坐标：与透镜的距离D[mm]；纵坐标：相对强度I[l])。

用于上述对比的、包含本案提出的衍射结构5的透镜1以随半径的平方r²变化的方式具有0.65mm²的周期p，其中轮廓深度T为4.4μm。两个分别与第一区段9邻接的其他区段6、8具有(随半径的平方r²变化的)4.3μm/mm²的斜率。

与此相比，根据现有技术的对比透镜则具有以下周期性轮廓：其在一个周期内具有四个依次单调上升、下降、上升和下降的区段。

如图5提供的图表所示，折射焦点F_r的区域内的强度分布特性曲线相似。但从图5可以清楚地看出，现有技术中的透镜1在衍射结构5的第二负焦点F_-2的区域内具有更大的强度值。而就本案提出的透镜1而言，不可用的强度从负阶移入可用的正阶，结合特性曲线14在焦点F₁和F₂处显著增大的强度以及特性曲线14在焦点F_-2处显著减小的强度能够清楚地看出这一点。藉此为所述透镜1的使用者提供与现有技术中的透镜相比色彩更强烈且对比更高的图像。

因此，本发明不局限于所示实施方式，而是涵盖落入权利要求书的范围的所有变体、修饰以及上述的组合。

Claims (8)

1.一种具有折射焦点(F_r)和衍射结构的多焦点透镜，其中所述结构(5)沿透镜(1)的径向(r)以随半径的平方(r²)变化的方式具有周期性轮廓，以及

其中每个周期的轮廓具有四个相互邻接的区段(6，7，8，9)，这些区段无法在其连接点(10，11，12，13)上被微分，

其特征在于，第一区段(9)单调下降且其他三个区段(6，7，8)单调上升，或者所述第一区段(9)单调上升且所述其他三个区段(6，7，8)单调下降，以及

其中不与所述第一区段(9)邻接的其他区段(7)的斜率大于另外两个其他区段(6、8)。

2.根据权利要求1所述的多焦点透镜，其特征在于，所述区段(6，7，8，9)以随半径的平方(r²)变化的方式呈直线状。

3.根据权利要求1所述的多焦点透镜，其特征在于，所述第一区段(9)是垂直的。

4.根据权利要求1所述的多焦点透镜，其特征在于，所述不与第一区段(9)邻接的其他区段(7)是垂直的。

5.根据权利要求1所述的多焦点透镜，其特征在于，所述两个分别与第一区段(9)邻接的其他区段(6、8)具有相同的斜率。

6.根据权利要求1所述的多焦点透镜，其特征在于，所述两个分别与第一区段(9)邻接的其他区段(6、8)以随半径的平方(r²)变化的方式具有1μm/mm²至10μm/mm²的斜率。

7.根据权利要求1所述的多焦点透镜，其特征在于，在随半径的平方变化的情况下，所述轮廓的周期(p)为0.5mm²至1mm²，且轮廓深度(T)为2μm至10μm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多焦点透镜，其特征在于，所述多焦点透镜为人工晶状体或者接触镜。