CN111388146B - 一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于眼内晶体领域，具体涉及一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法，包括以下步骤：步骤一：通过金属模具进行注塑生产，形成塑料模具的基础光学面，步骤二：对塑料模具的光学面进行车削加工，加工成为衍射结构；步骤三：使用塑料模具模压软性透镜的衍射光学面，软性透镜的衍射光学面与塑料模具的衍射面互补。与传统的软性透镜的制作方法相比，本方案中塑料模具是一次性使用的，塑料模具的成本较低，一次性使用可以获得最佳的软性衍射光学面。本专利所述的单焦点的衍射结构；同时依靠“折射作用+衍射功能”实现光线的汇聚，实现了单焦点的制作，有效地降低了色散作用。

Description

一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法

技术领域

本发明属于眼内晶体领域，具体涉及一种生产制备软性衍射透镜的方法，特别是针对疏水性衍射晶状体的制备，优选的，所述疏水性衍射晶状体为依靠衍射矫正色差的单焦点透镜。

背景技术

亲水性衍射人工晶状体的加工是材料在水合之前对光学面进行加工，亲水材质水合前是硬质状态，利于加工。疏水性人工晶体材料不需要水合过程，其tg温度一般高于5℃，材料在室温下为软性状态，不能进行车削加工。如坚持在室温下对疏水性材料进行车削加工，表面粗糙撕裂，不能形成有效的光学功能，不能满足产品的需求。

现在行业多采用在超低温(如低于-20℃)条件下冷冻疏水材料，使材料变硬进行加工，这种加工条件有如下缺陷：超低温的实现比较困难，需要大量的能源消耗，以及冷却设备投入；超低温加工完成后，然后将产品恢复至室温，在这个过程中材料会有应力反应使光学面变形不均匀，从而影响光学质量；在加工完成恢复至室温的过程中，材料会有热胀冷缩的效应，使最终产品的光学面精度控制不佳；以上各种因素叠加，产品的成品率低，约60％左右，且光学质量不稳定。

同时，目前单焦点透镜依靠光的折射实现焦点。由于透镜材质对不同光线的折射率不同，则不同波长的平行入射光透过透镜后将会形成不同的焦点，这些焦点之间存在差异，从而导致色差的发生，进而降低患者的视力。

色差的图示如附图1所示：自然光通过透镜后，红光656nm、蓝光486nm、绿光546nm分别形成了三个焦点，这三个焦点并不重叠，则导致对视力的影响。

目前有依靠胶合透镜来降低色差的设计，但是胶合透镜的生产十分麻烦，其分别用两种不同的材料制造2个普通透镜，再将两个透镜胶合再一起。这样的透镜设计生产工序十分复杂且胶合过程两个透镜的同心度控制比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法，以减少透镜因为对不同波长光线汇聚能力不同而导致的色差。

同时，本方案提供一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：通过金属模具进行注塑生产，形成塑料模具的基础光学面，该基础光学面的口径设为

矢高设为h₁，对应的曲率半径设为R₁；

步骤二：通过车床对塑料模具的光学面进行车削加工，加工成为衍射结构，该衍射光学面的口径设为

矢高设为h₂，对应的曲率半径设为R₂；所述衍射结构的衍射台阶高度的高度差h能对目标波长产生1个波长的光程差；且衍射结构同时满足：D＝D1+D2；Δf₁+Δf₂＝0；

其中，D为透镜对目标波长的目标设计光焦度，D1为透镜依靠折射实现的光焦度，D2为透镜依靠衍射实现的光焦度；

Δf₁为目标波长光线和另一波长光线的焦距差异；

Δf₂为波长λ₀的光线通过衍射结构形成的+1阶次衍射焦点的焦距差异；

其中，

λ₀为目标波长光线的波长；

λ₁为欲降低色差而使其与目标波长焦点重叠的波长；

n′₀为波长为λ₀的光线在透镜中折光率；

n′₁为波长为λ₁的光线在透镜中的折光率，

n₀为波长为λ₀的光线在透镜周围介质中折光率；

n₁为波长为λ₁的光线在透镜周边介质的折光率；

f₂表示波长λ₀的光线通过衍射结构形成的+1阶次衍射焦点的焦距；

步骤三：使用塑料模具模压疏水衍射晶体的衍射光学面，疏水衍射晶体的衍射光学面与塑料模具的衍射面互补。

进一步，所述目标波长为光线是波长为546nm的绿光。在眼科透镜中，最重要的光线是546nm的绿光，其余光线的波长低于或高于546nm。因此，采用绿光为目标光线最为合适。

进一步，所述模具采用PP或者PC材料制成的模具。采用PP或者PC材料制成的模具具有以下效果：

1.价格低，满足一次性使用降低成本的目的；

2.模具的材质不能与晶体材料成型的原料发生化学反应(如发生化学反应，光学面将会不完整)；

3.模具的材质不能溶解于材料成型的原料；

4.塑料模具的材料脆性不能太强，否则细微的衍射结构的加工会出现崩裂现象，从而不能成型精密的衍射结构；

5.塑料缩水率较低，否则衍射结构将会发生形变从而影响光学效果；

6.塑料吸水性较少，低于1％(塑料模具车削加工后需要对光学面有一个清洗的过程)。

与传统的透镜的制作方法相比，本方案中塑料模具是一次性使用的，塑料模具的成本较低，一次性使用可以获得最佳的疏水衍射晶体光学面。同时依靠“折射作用+衍射功能”实现光线的汇聚，实现了单焦点透镜的制作，有效地降低了色散作用。

附图说明

图1为红光、蓝光和绿光通过透镜后的示意图。

图2为衍射结构中衍射台阶的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

具体实施过程如下：

本实施例提供一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法，首先用金属模具注塑生产出具有光学面初胚结构的塑料模具，塑料模具进行车削加工形成衍射光学面结构，然后该塑料模具通过模压成型晶状体的衍射光学面。

塑料模具的制备分为2个步骤：①首先通过金属模具进行注塑生产，形成塑料模具的基础光学面(该光学面为非球面或球面结构，不含衍射结构)，该基础光学面的口径设为

矢高设为h₁，对应的曲率半径设为R₁；②通过车床对塑料模具的光学面进行车削加工，加工成为衍射结构，该衍射光学面的口径设为

矢高设为h₂，对应的曲率半径设为R₂；其中

h₁＜h₂；R₁＞R₂；h₂-h₁≥5.0(μm)；该加工过程在常温下即可进行。

用塑料模具模压疏水衍射晶体的衍射光学面，疏水衍射晶体的衍射光学面与塑料模具的衍射面互补(同时可能存在一定的收缩率，该收缩率可以通过光焦度及面型轮廓的测试获得相应的规律，从而在设计的时候进行补偿)。

此生产工艺中塑料模具是一次性使用的，塑料模具的成本较低，一次性使用可以获得最佳的疏水衍射晶体光学面。塑料模具的材质选择需要注意以下几个方面：1.价格要低，满足一次性使用降低成本的目的；2.模具的材质不能与晶体材料成型的原料发生化学反应(如发生化学反应，光学面将会不完整)；3.模具的材质不能溶解于材料成型的原料；4.塑料模具的材料脆性不能太强，否则细微的衍射结构的加工会出现崩裂现象，从而不能成型精密的衍射结构；5.塑料缩水率较低，否则衍射结构将会发生形变从而影响光学效果；6.塑料吸水性较少，低于1％(塑料模具车削加工后需要对光学面有一个清洗的过程)。综上可以选择PP或者PC材料作为塑料模具的加工材料。

同时，本文提出一种依靠“折射作用+衍射功能”实现光线的汇聚从而降低色散作用的单焦点衍射透镜。

在眼科透镜中，最重要的光线是546nm的绿光，其余光线的波长低于或高于546nm。因此，以546nm波长为目标波长光线。将衍射结构的衍射台阶高度设定为：其高度差h(如附图2所示)可以导致1倍目标波长的相位差。从而使设计波长光线100％汇聚于1个焦点。

透镜对目标波长的目标设计光焦度为D，依靠折射实现的光焦度为D1，依靠衍射实现的光焦度为D2，满足D＝D1+D2

目标波长光线的波长为λ₀，欲降低色差而使其与目标波长焦点重叠的波长为λ₁；波长为λ₀的光线在透镜中折光率为n′₀，波长为λ₁的光线在透镜中的折光率为n′₁，波长为λ₀的光线在透镜周围介质中折光率为n₀，波长为λ₁的光线在透镜周边介质的折光率为n₁；

由于折射功能导致的色差，两个波长光线的光焦度差异近似为：

由于折射功能导致的色差，两个波长光线的焦距差异近似为(单位mm)：

由于衍射作用导致的两个波长光线的焦距差异为：

其中r_n为第n个衍射带的外沿位置，单位为mm，如附图2所示)。

上式中f₂表示波长λ₀的光线通过衍射结构形成的+1阶次衍射焦点的焦距。

则完全除消λ₁波长光线色差满足如下要求：

Δf₁+Δf₂＝0；

D₁+D₂＝D；

根据如上的要求可以确定D1与D2的数值，进而确定衍射结构的参数。

根据D1可以确定折射结构的光学参数。

衍射结构衍射台阶的位置设计如下步骤：

根据菲涅尔衍射设计原理，衍射台阶在光学面口径方向的位置计算公式如下式：

上式中r_n表示衍射第n个衍射带外沿的位置，如图2所示。当n＝0时，r₀＝0，表示透镜的光学中心位置。

例如：

目标波长光线的波长为546nm，欲降低色差而使其与目标波长焦点重叠的波长为560nm；波长为546nm的光线在透镜中折光率为1.520，波长为560nm的光线在透镜中的折光率为1.505，波长为546nm的光线在透镜周围介质中折光率为1.336，波长为560nm的光线在透镜周围介质的折光率为1.335；

设透镜的光焦度D为24.6度。

(1).依靠折射对546nm波长产生光焦度D1为20.0D

焦距为：

(2).依据公式可计算由于折射导致的两种波长光线的焦距差异

(3).可知衍射结构应产生的焦距差异为5.45mm；

推导可知f₂＝218mm；

则衍射对546nm波长的光焦度为4.60D；

依据上文所述的公式计算可得到：

D1＝20.0度；D2＝4.60度

则透过透镜的546nm及589nm光线汇聚于同一个焦点，无色差。

(4).衍射结构的衍射台阶高度

衍射台阶的高度hn对546nm波长产生1个波长的光程差，hn＝0.546/(1.520-1.336)＝2.967um

(5).衍射结构衍射台阶的位置/衍射带外沿位置

衍射台阶的位置，依据如下公司计算为：

计算得到r1＝0.487mm；r2＝0.689mm；r3＝0.844mm

r4＝0.974mm；r5＝1.089；r6＝1.193mm；r7＝1.289mm；r8＝1.378；r9＝1.462mm…..

rn即如图2所述的衍射带边缘的位置到光轴中心的距离。

(6).折射结构的设计

折射结构设计中采用的光线波长时546nm；

折射结构可以根据使用目的设计非球面结构或者球面结构。

(7).透镜的最终结构

将如上(4)、(5)设计的衍射结构附加于(6)

中的折射结构的一个光学面上则形成了透镜的最终结构。

透镜的光焦度D为24.6度。

需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (2)

1.一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：通过金属模具进行注塑生产，形成塑料模具的基础光学面，该基础光学面的口径设为

矢高设为h₁，对应的曲率半径设为R₁；

步骤二：通过车床对塑料模具的光学面进行车削加工，加工成为衍射结构，该衍射光学面的口径设为

矢高设为h₂，对应的曲率半径设为R₂；

步骤三：使用塑料模具模压软性透镜的衍射光学面，软性透镜的衍射光学面与塑料模具的衍射面互补；

目标波长为光线是波长为546nm的绿光；

所述衍射结构的衍射台阶高度的高度差h能对目标波长产生1个波长的光程差；且衍射结构同时满足：D＝D1+D2；Δf₁+Δf₂＝0；

其中，D为透镜对目标波长的目标设计光焦度，D1为透镜依靠折射实现的光焦度，D2为透镜依靠衍射实现的光焦度；

Δf₁为目标波长光线和另一波长光线的焦距差异；

Δf₂为波长λ₀的光线通过衍射结构形成的+1阶次衍射焦点的焦距差异；

其中，

λ₀为目标波长光线的波长；

λ₁为欲降低色差而使其与目标波长焦点重叠的波长；

n′₀为波长为λ₀的光线在透镜中折光率；

n′₁为波长为λ₁的光线在透镜中的折光率，

n₀为波长为λ₀的光线在透镜周围介质中折光率；

n₁为波长为λ₁的光线在透镜周边介质的折光率；

f₂表示波长λ₀的光线通过衍射结构形成的+1阶次衍射焦点的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种依靠衍射矫正色差的单焦点透镜的制作方法，其特征在于：所述模具采用PP或者PC材料制成的模具。

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