CN114651203A - 新一代眼用多焦点镜片 - Google Patents

Abstract

新一代眼用多焦点镜片及其制造方法。镜片至少提供用于近视、中视和远视的焦点。镜片主体提供用于中视的折射焦点。镜片主体包括衍射光栅(91)，其作为光波分束器操作，提供用于近视的衍射焦点和用于远视的衍射焦点。镜片主体包括单焦点中心区域(92)，其在距镜片主体的光轴的距离上延伸并且提供与衍射焦点中的一个重合的焦点。衍射光栅(91)从过渡点(93)布置在镜片主体的单焦点中心区域(92)结束的径向位置处。在过渡点(93)，衍射光栅(91)和单焦点中心区域(92)具有重合的振幅值。

Description

新一代眼用多焦点镜片

技术领域

本公开总体上涉及眼用镜片，并且更具体地，涉及为不同瞳孔尺寸提供具有经调整的光分布的衍射级的眼用眼镜、眼用接触和眼内多焦点衍射镜片。

背景技术

眼科是针对人眼的解剖、生理和疾病的医学领域。

人眼的解剖结构是复杂的。眼睛的主要结构包括：角膜，即位于眼睛外前部的球形透明组织；虹膜，其是眼睛的有色部分；瞳孔，即在虹膜上的可调节孔，其调节眼睛中接收的光量；晶状体，即眼睛内部的小透明圆盘，其可将光线聚焦到视网膜上；视网膜是形成眼睛的后部或背面，并将感应到的光转换为电脉冲的层，该电脉冲通过视神经到达大脑。后腔(即视网膜和晶状体之间的空间)充满玻璃体液、透明的果冻状物质。前房和后房，即晶状体和角膜之间的空间，充满房水、透明的水样液体。

天然晶状体具有柔韧的透明的双凸结构，并且与角膜一起操作以使折射光聚焦在视网膜上。晶状体的前侧比后侧更平坦，并且其曲率由睫状肌控制，晶状体通过悬臂韧带(称为小带)与睫状肌相连。通过改变晶状体的曲率，改变了眼睛的焦距，以便聚焦在各种距离处的对象上。为了在眼睛的短距离内观看对象，睫状肌会收缩，并且晶状体会变厚，从而产生更圆的形状，以及从而产生高屈光力。将焦点更改为更大距离的对象需要放松镜头，以及从而增加焦距。这种改变曲率并调整眼睛的焦距以在视网膜上形成对象的清晰图像的过程称为适应。

在人类中，晶状体在其自然环境中的屈光力约为18到20屈光度，大约是眼睛总光焦度的三分之一。角膜提供了眼睛总光焦度的其余40屈光度。

随着眼睛的老化，由于被称为白内障的眼睛的浑浊，晶状体的不透明性增加。某些疾病，如糖尿病、外伤，还有一些药物，以及过度的紫外线照射也可能导致白内障。白内障无痛，导致浑浊模糊的视觉。白内障的治疗包括外科手术，通过该手术，可以去除浑浊的晶状体并用人工晶状体代替，该人工晶状体通常称为眼内镜片IOL。

另一个与年龄有关的效应称为老花眼，其表现为难以阅读小字或清晰看到附近的图片。老花眼通常被认为是由于眼睛内部天然晶状体的增厚和柔韧性的丧失引起的。与年龄有关的变化也发生在晶状体周围的睫状肌中。弹性较小时，将变得很难聚焦在眼睛附近的对象上。

例如，当由具有太大弯曲度的角膜而引起的眼睛不能看见远处对象时，还可以使用多种眼内镜片来矫正诸如近视(myopia)或近视眼(nearsightedness)的其他视觉障碍。近视的作用是，远距离的光线聚焦在视网膜前面的点上，而不是直接聚焦在视网膜的表面上。由异常平坦的角膜引起的远视(hyperopia)或远视眼(farsightedness)，使得进入眼睛的光线聚焦在视网膜后面，不允许聚焦在接近的对象上，并且是散光是造成视觉困难的另一个常见原因，其中，图像由于不规则形状的角膜而模糊不清。

在大多数情况下，在白内障手术期间将眼内镜片植入患者的眼睛中，以补偿去除的晶状体的光焦度损失。传统IOL是单焦点的，通常仅提供远(长距离)焦点，例如要求用户使用附加眼用镜片(例如眼镜或隐形镜片)来阅读。一些现代IOL透镜通过多焦光学设计解决了这个问题，除了远焦点之外还提供近距和/或中视。目前市场上存在的多焦点人工晶状体MIOL是双焦点或三焦点的。实际上，提出了具有四个目标焦点的多焦点眼用镜片，即所谓的四焦点镜片，或者甚至具有五个目标焦点的多焦点眼用镜片，即所谓的五焦点镜片。

多焦点眼用镜片利用两种光学原理，折射和衍射。还存在利用这些原理的多焦点隐形眼镜。老花眼由眼镜或隐形眼镜矫正，并且也可以选择多焦点光学器件。

为了说明这些原理之间的物理差异，在本说明书中，采用光的波模型。在该模型中，电磁波以特定的速度沿特定的方向传播，并具有特定的波长、振幅和相位。

折射是光波从一种介质(诸如空气或液体)传播到另一种具有不同光波传播速度的介质(诸如玻璃或塑料)时经历的偏转。

衍射的最基本形式是基于物理效应，即当光波撞击到对象的不规则处时，它会成为次级光波的来源。这些次级波可能以相长和相消的方式相互干扰。当到达特定点的波之间的光程差是其波长的整数倍时，会发生相长干涉，从而使得它们的振幅以增强的方式相加。也称为波同相。当被干扰的光波传播的光程长度之差是波长的一半的奇数倍时，就会发生相消干涉，从而使得一个波的波峰会与另一波的波谷相遇，并且波会部分或完全彼此熄灭。这也称为波异相。

多焦点眼用镜片通常具有双凸或平凸形状的或双凹或平凹形状的镜片主体，其曲率和厚度适于通过折射在其光轴上提供第一焦点。在镜片主体的前表面和后表面之一或二者上，可以提供透射表面起伏(transmissive surface relief)或衍射光栅，其由规则或周期间隔的脊和/或凹槽构成，被设计成衍射透射光，并被布置在镜片主体的相应表面处的同心圆环或区域中。脊和/或凹槽的周期间隔或间距基本上确定了在镜片光轴处的相消和相长干涉点。脊和/或凹槽的形状和高度控制通过衍射在相长干涉点处提供的入射光的量。相长干涉点通常称为衍射级或焦点。衍射起伏可被设计成使得例如提供三焦点镜片的第二和第三焦点，其不同于折射焦点。

一类常见的多焦点眼用镜片包括锯齿型或二元型光栅或起伏。在本说明书中，术语锯齿形或交错形表示一类透射衍射光栅或起伏，其由多个具有单调倾斜光接收表面(诸如线性或弯曲的单调倾斜光接收表面)的重复、连续排列的棱镜形状的透明衍射光学元件DOE构成。为了本说明书的目的，术语二元型起伏表示一类透射衍射起伏，其由多个重复的、间隔开的矩形或棱柱形的透明DOE构成。

为了作为镜片操作，锯齿状光栅的重复周期或间距必须在从镜片的中心或光轴起的径向r上单调减小。或者更具体地说，如果第一周期在镜片的中心开始，第二周期在(1*k)^0.5开始，其中，k是正常数，则第三个周期在(2*k)^0.5开始，第四个周期在(3*k)^0.5开始，依此类推。因此，在衍射光学中，在所谓的r²空间中表示光栅是有利的。也就是说，沿水平轴的参数随r²变化，从而使周期以等距重复出现。

r²空间中的周期可以写成|2λf|，其中λ是设计波长，并且f是第一衍射级的光焦度的倒数。虽然衍射镜片的周期不是等距的，但在物理空间它们是周期性的。看到它的一种方法是查看r²空间。查看它的不同方法是，在每个周期内，到焦点的光路长度的差随着恰好一个波长λ而增加。周期性的源是在每个周期内光路长度的相同增加。

这种基本起伏的焦点(即衍射级)的计算对于衍射光学镜片领域的技术人员而言是众所周知的并且是直接的。通常，为了作为眼用镜片操作，选择基本起伏或光栅的周期或间距以使其具有第一和/或第二衍射级以提供目标焦点。这里，因为利用这些基本的起伏，大部分光以较低的衍射级被衍射。在设计过程中，起伏被构造成具有振幅轮廓，以达到在这些基本光栅或起伏上耦合在折射焦点上并以第一和/或第二衍射级衍射的光的期望强度轮廓。然而，这种方法不会自动导致入射到镜片的光的最佳分布，因为光量也被分配为未使用的较高衍射级，这使得可以调整或控制难以适应不同的瞳孔尺寸的镜片的焦点之间的相对光分布，并且其可以显著降低多焦点镜片的整体效率。

衍射起伏或光栅中的急剧转变导致加工困难，并且对于成品镜片，导致光的散射和其它相关的不期望的光学现象，诸如杂散光、色差、眩光(即在存在诸如直射或反射的阳光的亮光或诸如夜间汽车前灯的人造光的情况下难以看见)以及光晕效应(即在暗光下，即在中视条件下看见的白色或彩色光环或光点)。为了减轻这种不期望的光学效应，提出了通过使用正弦函数和余弦函数的分布逼近、多项式表达式、使用超高斯函数的滤波或卷积积分中的任一种来平滑阶梯式衍射起伏或光栅的尖锐边缘。平滑具有锯齿型或二元型DOE的尖锐边缘或阶梯例如在镜片的径向上伸展或扩展的效果。

当比较衍射表面时，一重要因素是衍射效率。衍射效率是多少光焦度被引导到期望衍射级中的测量，或者当特别地谈到衍射镜片时，多少光焦度被引导到期望焦点中的测量。对于双焦点镜片，其中镜片主体的表面被优化以在两个不同的距离提供尽可能好的视觉，通过使用相位匹配的菲涅耳透镜的原理达到最高可能的衍射效率，该菲涅耳透镜利用锯齿或交错类型的衍射图案。参考M.Rossi等人在应用光学第34卷第26期(1995年)的第5996-6007页上的公开“平面微光学元件的折射和衍射特性(Refractive and diffractiveproperties of planar micro-optical elements)”，该公开通过引用并入本文中。

由于锯齿或交错类型衍射图案的尖锐边缘，作为衍射轮廓中的不连续性的结果，菲涅耳透镜具有上述所有缺点，特别是关于眩光和晕圈，同时还难以精确地制造菲涅耳透镜。然而，对于三焦点镜片，即设计成向三个不同焦点提供尽可能好的视觉的镜片，最佳光栅是没有任何尖锐边缘的光栅。

对于每级具有相等强度分布的三焦点线性光栅的情况，这由F.Gori等在下面的出版物中提出：标题为“最佳三倍镜器的分析推导("Analytical derivation of theoptimum triplicator")”，在Optics Communication157(1998)，第13-16页中具体地由示出，该公开通过引用并入本文中。

通过引用并入本文中的由L.A.Romero和Dickey在美国光学学会杂志第24卷第8期(2007年)第2280-2295页上的公开“相位光栅最佳分束理论一、一维光栅(Theory ofoptimal beam splitting by phase gratings.I.One-dimensional gratings)”更一般地公开了这一点，证明用于等分成奇数阶的最佳光栅至少具有连续轮廓。该后者文章提供了找到任意给定目标阶集和这些目标阶间的任意给定强度分布的最佳线性相位光栅的数学工具。最佳光栅被定义为对特定强度分布具有最高衍射效率的线性衍射光栅。

注意，Gori等人和Romero等人的公开讨论了仅用于创建分束器的线性相位光栅。

如申请人的国际专利申请WO2019/020435所公开的，来自Gori等人的三焦点光栅可以用于设计多焦点眼用镜片。

如下面将解释的在WO2019/020435中公开的方式通常可应用于线性光栅。如果线性光栅的形状与r²空间中的镜片轮廓的形状相同，则线性光栅可以被转换到镜片。通过将自变量改变为要构造的镜片的半径的平方，可以以这种方式转换线性光栅。

WO2019/020435A公开了一种用于设计包括衍射起伏或光栅的多焦点眼用镜片的通用方法，该多焦点眼用镜片的衍射轮廓由沿镜片主体的径向的单个连续闭合形式的表达式或函数在数学上规定。

这种数学表达式可以表示衍射光栅的相位轮廓和/或高度轮廓或振幅轮廓，该衍射光栅能够对以(-m，+m)衍射级分布在目标焦点中的光量的给定强度分布以最高可想到的效率分裂入射光束，其中，m是正整数。这种光栅包括第0级(创建折射焦点)作为中心级。如果m＝1，则创建三焦点镜片，如果m＝2，则提供五焦点镜片等。

设计这种光栅的一种有利方式是首先确定期望目标级和这些级之间的期望光分布，然后设计提供这些特性的最佳光栅。

与具有不连续或交错类型的相位轮廓函数的镜片相比，具有在镜片主体的径向上延伸的连续周期性相位轮廓函数的眼用镜片引起较少的视觉不适和障碍。当在下述情况下，函数被称为连续的：当在每个点或其自变量(即函数在其上操作的变量、项或表达式)的值处，(i)在该点处定义函数，(ii)当自变量从右手和左手逼近该点时的函数的极限存在且相等，并且(iii)当自变量接近该点时的函数的极限等于函数在该点上的值。

具有连续周期性相位轮廓函数的镜片尤其对屈光度的误算不太敏感。即，例如，由于在安装眼内镜片的情况下医生或医师的测量设备精度较差，或者在安装隐形眼镜的情况下验光师的测量设备精度较差，因此导致的特定用户所需的所需光焦度校正的误算。此外，据报道，对于具有连续的周期性相位轮廓函数的镜片，在眼内镜片的情况下在安装镜片后可能由于镜片的倾斜和错位而出现的镜片位移(偏心)的灵敏度可忽略不计。还已经观察到，这样的镜片不太可能产生眩光，由于不均匀引起的在入射光穿过镜片的路径上的散射，并且也产生较少的光晕。

例如，与锯齿型或二元型光栅或起伏相比，具有连续周期性相位轮廓函数的镜片，特别是在由平滑曲线构成的情况下，具有易于根据计算出的轮廓制造的优点。

上述优点在很大程度上是由于在具有连续周期性相位轮廓函数的衍射光栅中不存在同心环或具有锋利边缘的区域。

具有由连续周期性相位轮廓函数指定的衍射光栅的光学传递函数或光透射函数的镜片不仅提供了选择目标焦点的自由度，而且提供了对每个所选择的目标焦点中的光分布的控制。通过调制作为半径或到镜片主体的光轴的径向距离的函数的相位轮廓函数的自变量，可调整在这种镜片的衍射和/或折射焦点中的相对光分布，从而允许单独地调整目标焦点中的光分布，并且例如对于不同的光瞳尺寸不同地调整目标焦点中的光分布。也就是说，镜片表面作为整体可以朝向多焦点性优化。

实际上，在将IOL植入人眼之后，必须测量作为整体的眼睛的新聚焦特性。也就是说，由新晶状体和用户眼睛的其余部分组成的完整视觉系统被整体测量，作为IOL植入结果的第一客观指示。实际上，大多数医生依赖于例如自动验光仪的简单测量。自动折射计或自动折射计是一种在眼睛检查期间使用的计算机控制的设备，以提供人的折射误差的客观测量和例如眼镜或隐形眼镜的处方。这是通过测量光在进入人眼时如何改变来实现的。自动折射计可以确定患者眼睛何时正确地聚焦图像。

在植入多焦点人工晶状体之后，在用户完全明白晶状体的优点之前总是存在适应时间。这是由于用户的眼睛以及大脑中的适应过程。临床观察示出在植入之后用户首先采用远焦点，并且对于多焦点镜片，最终在几天或几周内采用两个附加焦点，即近焦点和中间焦点。然而，对于所有瞳孔尺寸，利用针对多焦性完全优化的镜片，也将增加远焦点的适应时间。这对于用户是不愉快和不舒服的。

尽管存在用于正确测量IOL的所有焦点的协议，但是完全应用这样的协议通常被认为太耗时，使得测量仅返回多焦点IOL的一个光学强度。由于测量通常甚至不是由例如医学医生、眼用医生或验光师执行的，因此医疗专业人员通常认为该测量返回衍射远焦点，这可能导致错误地判断操作是否成功。

例如，对于锯齿型IOS，测量实际上通常返回远焦点。然而，对于根据WO2019020435的教导生产的镜片，当其朝向多焦点被优化时，为用户的不同瞳孔尺寸提供三个或更多个焦点，因此这些类型的IOL的测量的单个焦点通常是中间焦点，因为这是透镜的折射强度。已经证明很难使参与测量的人确信，用自动折射仪实际测量的焦点不是衍射焦点之一，而最经常是中间或折射焦点。

从WO2019020435中已知，眼用镜片的多焦点特性可以被限制在邻近光轴的镜片主体的表面的径向上的第一区域，而在超出第一区域的镜片的径向上进一步向外并且朝向镜片主体的周围边缘，镜片可以包括例如具有双焦点特性的第二区域。诸如在该第二区域为中视和远视提供焦点。然而，当测量这种类型的镜片时，自动折射计也将经常仅返回中间点，即折射焦点。

因此，需要一种改进的眼用镜片设计，其提供瞄准三个或更多个衍射级或焦点、调整或控制所有目标焦点中的相对光强度的自由度，特别是对于不同的瞳孔尺寸，改进用户或患者的适应时间，并且提供容易地测量衍射焦点(或远焦点或近焦点)的可能性。

发明内容

在第一方面，提供了一种眼用多焦点镜片，其至少包括用于近视、中视和远视的焦点。该镜片具有透光镜片主体，该透光镜片主体包括跨镜片主体的表面的部分从镜片主体的光轴在径向r上同心地延伸的衍射光栅。镜片主体被设计成提供用于中视的折射焦点，周期衍射光栅具有表示为被布置用于改变镜片主体处的入射光的相位的单个连续周期性函数的相位分布φ(r)并且作为光波分束器操作，至少提供衍射级+m处的用于近视的衍射焦点和衍射级-m处的用于远视的衍射焦点，其中m是正整数值。

根据本公开的镜片主体包括单焦点中心区域，单焦点中心区域跨镜片主体的表面的部分从镜片主体的光轴在径向r上延伸距离并且具有连续相位轮廓函数

连续相位轮廓函数

被布置用于改变镜片主体处的入射光的相位，镜片主体提供与衍射焦点之一重合的焦点，其中，衍射光栅从镜片主体的单焦点中心区域结束的径向位置处的过渡点提供。在过渡点处，衍射光栅和单焦点中心区域具有重合的振幅值。

本发明基于这样的认识，即通过在眼用镜片的中心处提供单焦点部分(具有与衍射光栅提供的衍射焦点之一重合的焦点)，在植入IOL之后，对于相对小的瞳孔尺寸，如果单焦点部分的焦点与目标衍射焦点之一重合，则可以精确地测量患者的整个视觉系统(即镜片和眼睛的组合)的目标衍射焦点之一。

假设镜片被设计为提供衍射级+1的近视的目标焦点、衍射级-1的远视的目标焦点以及也指示为0(零)级的目标中间折射焦点。例如，当单焦点中心区域的焦点与用于远视的目标焦点重合时，可以测量患者的视觉系统的适应性(即，用于目标远视的镜片和眼睛的组合)，以用于在单焦点中心区域的尺寸范围内的瞳孔尺寸。类似地，对于单焦点中心区域，提供与用于近视的衍射焦点重合的焦点。

典型的自动折射仪将在患者瞳孔的周边测量。然而，医生经常在光线条件下测量，这使得瞳孔的直径为大约3mm或更小。当测量根据本公开制造的镜片时的瞳孔的典型尺寸具有约1-2mm的直径。因此，利用这样的尺寸，执行测量的人知道测量返回基于单焦点中心区域的焦点的结果。

此外，通过本公开，单焦点中心区域提供的强远或近焦点可用于大范围的瞳孔尺寸。在外界环境和/或白天条件下，远焦点或近焦点将占优势。与诸如WO2019020435所公开的现有技术的多焦点镜片相比，这导致单焦点中心区域提供的焦点的更快的适应时间和直到所有焦点被用户的视觉系统接受为止的更舒适的体验。

如上所述，由于不存在具有尖锐边缘的同心环或区域，具有连续周期性相位轮廓函数的镜片提供了这样的优点，即，由于入射光穿过镜片的路径中的不均匀性而不太可能产生眩光或散射，并且还产生较少的光晕，同时与例如锯齿型或二元型光栅或起伏相比，根据计算的轮廓更容易制造。

这些优点由本公开保持，因为在单焦点中心区域结束并且衍射光栅开始的镜片主体的径向位置处的过渡点、单焦点中心区域的高度轮廓或振幅轮廓以及衍射光栅的高度轮廓或振幅轮廓具有重合的振幅值。也就是说，在过渡点处，有效地避免了镜片主体的整个光学轮廓的横向于镜片主体的表面的振幅或高度的跳跃，从而避免了入射光行进通过镜片的路径中的不均匀性。

例如，通过微加工或金刚石车削制造眼用镜片的重要步骤是机械抛光以去除切削痕迹。必须去除所有可见的切割痕迹以符合眼内镜片的质量要求和医疗规定。然而，获得极低水平的切割痕迹需要昂贵的机器以及缓慢的切割。如果在切割之后抛光镜片，则可以允许机器更快地工作。

衍射镜片的高度轮廓中的锐角使机械抛光变得复杂。如果考虑到镜片的高度轮廓，机械抛光是不可能的，则需要利用需要危险化学品的化学抛光，或者在不需要抛光的情况下制造镜片。后者导致制造成本大大增加，因为产量较低和机器更昂贵中的一种或两种。

根据本发明的平滑衍射几何形状允许抛光，并且因此与在其高度轮廓中具有尖锐过渡的镜片相比，导致产率的显著增加。

在根据本公开的眼用多焦点镜片的实施例中，其中，衍射光栅包括波型衍射图案，即，周期性衍射光栅的相位轮廓φ(r)包括具有交替的波峰振幅值和波谷振幅值的波型衍射图案，过渡点被定位成距衍射光栅的波峰振幅值比距波谷振幅值更近。

已经观察到，当过渡点出现在距衍射光栅的峰值比距谷值更近时，镜片的衍射效率增加。即当过渡点接近镜片主体的表面附近的衍射光栅的峰值时。

在根据本发明的眼用多焦点镜片的另一实施例中，当在r²空间中观察时，在镜片主体的径向r上所测量的这样波峰振幅值和过渡点之间的距离小于在r²空间中的衍射光栅的周期或间距的0.25倍，优选地小于在r²空间中的衍射光栅的周期或间距的0.2倍。

衍射光栅的周期可以最容易地通过测量衍射光栅的衍射轮廓并且通过用平方r轴显示测量结果来确定。

因此，通过将过渡点定位在波峰振幅值旁边的衍射光栅的振幅轮廓的上升或下降边缘处，获得了从单焦点中心区域的振幅轮廓到衍射光栅的振幅轮廓的相对平滑过渡和改善的衍射效率。

即，单焦点中心区域和衍射光栅在衍射光栅的特定波峰振幅值的前沿或上升沿以及下降沿或后沿中的一个处合并，即，波型周期性衍射轮廓的这种沿，其到镜片主体的表面的距离随着在朝向该波峰振幅值的任一方向上的径向距离减小而减小。

在本公开的实施例中，通过以下中的至少一个来设置过渡点：基于衍射光栅的相位轮廓函数φ(r)来适配单焦点中心区域的半径、衍射光栅的振幅轮廓H(r)的自变量和振幅，以及基于单焦点中心区域的相位轮廓函数

来适配单焦点中心区域的振幅轮廓h(r)的自变量和振幅。

根据本公开的眼用多焦点镜片的衍射光栅和单焦点中心区域可以跨相对于镜片主体的光轴对称地和非对称地的镜片主体的表面的部分在径向r上延伸。在非对称实施例中，光轴可以包括从镜片主体的中心在径向r上移位的镜片主体的表面的点。对称实施例在实践中被最多地应用。

在根据本公开的眼用多焦点镜片的实施例中，衍射光栅的周期性相位轮廓φ(r)的自变量和振幅中的一个或两个作为在径向r上距镜片主体的光轴的距离的函数是可变的。

从W02019020435中已知，通过将相位轮廓函数的自变量和振幅中的一个或两个调制为半径或到镜片主体的光轴的径向距离的函数，包括具有连续周期性相位轮廓函数的衍射光栅的眼用镜片的焦点中的光分布在相对大的强度范围内可极好地调整。

以这种方式，对于各种瞳孔尺寸，尽管或由于单焦点中心区域对根据本公开的衍射焦点之一中的光量的贡献，仍可以有效地建立镜片的每个焦点中的期望相对光分布，并且通过由上述任何措施设置过渡点来校正镜片的焦点中的目标光分布上的任何影响，上述措施诸如适配中心区域的半径和/或适配中心区域的振幅轮廓h(r)的振幅和/或适配衍射光栅的振幅轮廓H(r)的自变量和/或振幅。

在根据本公开的眼用多焦点镜片的实施例中，该镜片主体、该衍射光栅和该单焦点中心区域被布置成用于：

在包括光轴的镜片主体的第一区域处提供单焦点性质，第一区域的焦点与由衍射光栅提供的衍射焦点之一重合，

在镜片的径向延伸超出第一区域的镜片主体的第二区域处提供多焦点性质，并且

在镜片的径向朝向镜片主体的周围边缘延伸超出第二区域的镜片主体的第三区域处提供双焦点性质。

利用该实施例，眼用镜片的多焦点性质被限制在镜片主体的表面的径向上的第二区域，其被定位在单焦点中心区域(即镜片的第一区域)与镜片主体的周围边缘之间。进一步地，在镜片主体的径向上向外超出第二区域并且朝向镜片主体的周围边缘，镜片包括具有双焦点性质的第三区域。

这种类型的镜片提供了最佳地调整到用户的瞳孔尺寸的优化的衍射效率。第一、第二和第三区域的规模被布置成使得对于强的或相对强的环境光条件，例如当读书时，人眼的瞳孔尺寸主要覆盖镜片的第一和第二区域，使得大部分光焦度应当被引导到用于近距和中视的焦点。在弱光条件下，例如，诸如当在夜间驾驶车辆时，瞳孔尺寸相对较大，几乎覆盖镜片的整个表面区域，使得大部分光焦度应当被引导到用于中视和远视的焦点。本领域技术人员将理解，在实际实施例中，在相应表面区域处的焦点之间的光焦度的比率取决于镜片的单焦点第一区域是否对用于近视或远视的焦点中的任一个有贡献。

在根据本公开的眼用多焦点镜片的实施例中，单焦点中心区域产生与用于远视的衍射焦点重合的焦点。

已经观察到，在植入IOL之后，例如，患者可以使对远视的适应比近视和中视中的一个或两个更快。上述实施例将为患者提供一个明确定义的单一焦点(即用于远视的焦点)，患者快速适应该焦点并且该焦点将使患者能够在植入后的早期阶段非常好地执行大部分日常活动。此外，该实施例使得医生更容易评估镜片，因为他们知道特定单焦中心区域仅提供远焦点。当使用(自动)折射器测量视觉系统而患者瞳孔的尺寸小于单焦点中心区域的尺寸时，确保测量远焦点。

根据本公开的眼用镜片在径向位置处具有过渡点使得单焦点中心区域或第一区域具有在0.8-1.3mm范围内的直径，并且具有被设计成使得分布在用于远视和近视的目标焦点中的入射光的强度的比率在0.8-2.0的远/近比率范围内的单焦点中心区域的相位轮廓函数

和衍射光栅的相位轮廓函数φ(r)，眼用镜片实际上覆盖待植入的镜片中的大多数。

单焦点区域的形状或高度轮廓可以从单焦点镜片中已知的多个连续折射轮廓中选择。非球面是实践中已知的单焦点镜片的最普遍的已知形状之一。

在根据本公开的多焦点眼用镜片的实施例中，单焦点中心区域包括连续相位轮廓函数

连续相位轮廓函数

由以下定义：

其中：r是在径向上距镜片主体的光轴的距离，[mm]，

f是单焦点中心区域的焦距，[mm]，以及

λ设计波长，[mm]。

在近轴近似中，使用几何或光线光学器件，其中，这些光线与镜片的光轴之间的角度θ保持较小，即＜＜1 rad，使得可以假设tan θ≈sin θ≈θ，单焦点中心区域的上述相位轮廓函数(1)减小到：

单焦点中心区域的替代折射轮廓由以下定义：

其中：z(r)是在距光轴的距离r处的垂度(sag)，

r是在径向上距镜片主体的光轴的距离，[mm]，

R是曲率的半径，[mm]，

k是定义镜片的形状的二次曲线常数，

h是(距光轴的)径向坐标，以及

A_2n是校正多项式的系数(允许更高阶的非球面光学元件)。

术语“垂度”可以被认为是当从圆柱体开始时，然后从末端z(r)之一切割非球面透镜提供了到距中心光轴的每个距离h处的切割深度，其中R是圆柱体的曲率半径。

如前所述，提供为线性相位光栅计算的期望的多焦点光栅，然后将该光栅转换为衍射镜片或衍射镜片的一部分通常是有利的。例如，Gori等人证明了产生光学三倍频器(即将入射光分成三级其中每级强度相等的分束器)的最佳方式由以下提供：

φ_lin(x)＝tan^-1[2.65718...*sin2πx] (4)

其中：φ_lin(x)是线性相位光栅的相位轮廓，

x是光栅延伸的轴或距离，[mm]。利用这种定义，一个周期正好是1个单位长。

在根据本公开的多焦点眼用镜片的一个实施例中，衍射光栅被布置成用于作为波分束器进行操作并且包括在衍射级+1和-1处的两个衍射焦点，并且其中，该相位轮廓函数由如由WO2019020435所公开的单一连续周期性闭合形式表达或函数表达，即：

其中：r是从镜片主体的光轴向外的径向距离或者半径，[mm]，

A(r)是相位轮廓函数在镜片主体的径向的振幅调制函数，

F[a*G]是提供波分束器的镜片主体的径向的函数，

G(r)是r²空间中的连续周期性函数，

α(r)是G(r)的自变量幅值调制函数，

S(r)是G(r)在r²空间中的自变量角调制函数，[mm²]，

T是衍射光栅在r²空间中的周期或间距，[mm²]，并且

B(r)是连续周期性相位轮廓函数的振幅调制函数，

其中，自变量幅值调制函数A(r)和自变量角调制函数S(r)中的至少一个包括被调制为到镜片主体的光轴的径向距离的函数的自变量。

在等式(4)中，定义了对于具有相等强度分布的三焦点分束器具有最高衍射效率的线性相位光栅。如果自变量从x变为x²，则提供了具有用于镜片的正确区域距离的相位分布。如果这在等式(5)F[α*G]中应用于相位轮廓函数φ(r)，则是反正切函数，并且G(r)是正弦函数。在S(r)＝0、A(r)＝1和B(r)＝0的情况下，得到了一种衍射光栅，当在r²空间中观察时，该衍射光栅看起来与线性相位光栅相同。作为镜片，它是在±1衍射级和0衍射级的焦点中以最高效率分离入射光束的平面衍射光栅的连续周期性相位轮廓函数。

可以独立地选择α(r)和S(r)两者来调制上述连续周期性相位轮廓函数(4)的自变量，以针对不同的光瞳尺寸调整目标焦点中的光分布。

自变量角调制函数S(r)的常数值代表连续周期性相位轮廓函数的相移，并且分别取决于相移的符号和值，确定相位轮廓函数的斜率的起点，从而确定是否有更多的光以+1衍射级衍射，或者是否有更多的光以-1衍射级衍射。

将相移S(r)表示为光栅的周期T的分数是有利的，例如S＝±0.25*T。本领域技术人员将理解，包括衍射光栅的周期T的整数值的特定相移将取得与单个周期T内的对应相移相同的效果。

根据本公开，衍射焦点和折射焦点中的光分布可以通过连续周期性相位轮廓函数(5)的振幅调制函数A(r)和振幅调制函数B(r)中的至少一个的自适应来进一步调整。

振幅调制函数A(r)和B(r)提供取决于瞳孔尺寸在±1衍射级和0级之间分布的光量的进一步控制。一般而言，如果相位轮廓中的最大相位延迟低于设计波长，则与0级或折射焦点相比，振幅调制函数的任何或两者的增加将增加以±1衍射级(即，衍射焦点)所衍射的光量，而与衍射焦点相比，振幅调制函数的任何或两者的减少将增加在折射焦点中提供的光量。

为了变迹目的，振幅调制函数可以作为距镜片的中心或光轴的径向距离的函数而变化。改变振幅是控制中间(即折射)焦点中的相对光强度的方式。在实际实施例中，根据本公开，振幅调制函数A(r)和B(r)可以在镜片主体的一部分上恒定。

通过自变量幅值调制函数或光分布参数α(r)，可以调整以0级分布的光量，即本公开中的中视的焦点。根据本公开，α(r)可以在镜片主体的一部分上具有恒定值。实际上，α(r)的值可以在例如2和3之间的范围内。

因此，在根据本公开的眼用镜片的实施例中，所述衍射光栅的所述相位轮廓函数(4)被简化为：

其中：S(r)在r²空间中具有在-0.5*T与0.5*T之间的范围内的恒定值，A(r)具有恒定值，和

α(r)具有在2.5与3之间的范围内的恒定值。

振幅调制函数A(r)的值在镜片表面上可以是恒定的，例如在1.05-1.15之间，以便考虑到通过镜片的精加工操作(例如通过抛光)而减小衍射光栅的高度。对于不需要这种精加工操作的镜片主体，A(r)的值可以是1。

尽管单焦点中心区域的相位轮廓函数和/或衍射光栅的相位轮廓函数可以用数学分析法计算，但根据本公开，相位轮廓函数中的任一个或两者都可以通过计算机计算来提供，其中，相位轮廓函数由傅立叶级数表示，并且每个衍射级由相应傅立叶系数表示。可以计算相位轮廓函数，使得与目标焦点相关联的衍射级的傅立叶系数的平方绝对值的总和或加权平方绝对值最大。

在等式(4)中，示出了具有相等强度分布的三焦点光栅的最佳线性相位光栅。设计具有所需特性的特定光栅通常是有利的。在Romero等人已经提到的论文中，公开了一种找到用于一组期望目标焦点的最佳线性相位光栅和在这些焦点中的特定强度分布的方法。对于三焦点光栅的情况，基于Romero等人的线性相位光栅φ_lin(x)的完整非简化公式为：

其中：γ₁，γ₂，γ₃分别表示相应衍射级-1、0、1的相对强度，

α₁，α₂，α₃表示相位轮廓函数的相应傅立叶系数的相位，

μ₁，μ₂，μ₃是待优化的常数，并且

|a_k|/γ_k＝N，其中N是正常数，并且对于k＝1，2，3，|a_k|表示衍射光栅的傅里叶系数a_k的振幅，并且

x是光栅在其上延伸的轴。

利用这种定义，一个周期正好是1个单位长。

通过用镜片半径r的平方代替x，可以将等式(7)中的光栅用于镜片的三焦点部分。更准确地说，为了达到等式(5)的等效，x应该用1/T{r²-S(r)}代替。

现在可以从等式(7)中的线性光栅形成等效于以上等式(5)的镜片等式。

使用如在(7)中定义的相位轮廓φ_lin(x)到达：

其中：

φ(r)是镜片衍射光栅的连续周期性相位轮廓函数，

r是从镜片主体的光轴向外的径向距离或者半径，[mm]，

A(r)是连续周期性相位轮廓函数的振幅调制函数，

B(r)是所述连续周期性相位轮廓函数的振幅调制函数，

S(r)在r²空间中的自变量角调制函数，[mm²]，并且

T是衍射光栅在r²空间中的周期或间距，[mm²]。

注意，由于Romero等人的理论在这里应用的方式，用于远和近视的焦点分别对应于正和负衍射级。这与本申请的描述中所使用的相反。从理论的观点来看，这种顺序和焦点的颠倒是不相关的。

从Romero等人的数学方法中，为了找到在级(-1，0，+1)上具有相等分裂的最佳三焦点光栅，得到以下等式：

φ_lin(x)＝tan^-1(2.65718...*cos2πx) (9)

该定义除了90度(0.25*T)偏移以外，与上述等式(4)相同。当制造镜片时，需要通过适当地改变S(r)来考虑这种偏移。

如果不是提供相等强度分布，而是提供具有(1.2，1，1)的(近、中、远)分割的衍射光栅，则例如，表示满足这些要求的最佳衍射光栅的方法是通过应用Romero等人的关于等式(7)的教导，具有如下设置的常数：

在根据本公开的多焦点眼用镜片的另一个实施例中，该衍射光栅被布置成用于作为包括在衍射级+1、0和-1处的衍射焦点的对称光学分波器来操作，并且其中该镜片衍射光栅的单个连续周期性相位轮廓函数φ(r)是由以上等式(8)和(7)定义的。在一个特定实施例中，根据等式(10)的常数应用于等式(7)和(8)中。

镜片主体的表面也可以通过应用傅立叶滤波或与核的卷积来修改，或者可以应用其它已知的信号处理方法来平滑或稍微地重新整形镜片轮廓，以改变衍射级之间的能量分布或去除不想要的杂散光。这种修改通常更容易应用于r²空间。

还应注意，根据本公开的教导同样适用于设计和调整具有四个目标焦点的多焦点眼用镜片(即，所谓的四焦点镜片)或甚至具有五个目标焦点的多焦点眼用镜片(即，所谓的五焦点镜片)的光分布。

可能需要数值方法来计算相位函数或相位轮廓函数，以便在对称或不对称分束器的折射和衍射焦点中提供期望光分布，分束器至少具有不同于如上所述的第一衍射级±1的用于近视和远视的焦点。

在第二方面，本公开提供了一种制造眼用多焦点镜片的方法，眼用多焦点镜片至少包括用于近视、中视和远视的焦点，镜片具有透光镜片主体，透光镜片主体包括跨镜片主体的表面的部分从镜片主体的光轴在径向r上同心地延伸的衍射光栅，镜片主体被设计成提供用于中视的折射焦点，衍射光栅具有表示为被布置用于改变镜片主体处的入射光的相位的单个连续周期性函数的相位轮廓φ(r)并且作为光波分束器操作，其至少提供衍射级+m处的用于近视的衍射焦点和衍射级-m处的用于远视的衍射焦点，其中m是正整数值，方法包括以下步骤：

-确定用于多焦点镜片的近视、中视和远视的目标焦点，

-提供具有用于中视的目标焦点的透光镜片主体，以及

-提供具有用于近视和远视的目标焦点的衍射光栅，

其特征在于，以下的进一步的步骤：

-提供单焦点中心区域，单焦点中心区域跨镜片主体的表面的部分从镜片主体的光轴在径向r上延伸距离并且具有连续相位轮廓函数

连续相位轮廓函数

被布置用于改变镜片主体处的入射光的相位，提供与用于远视和近视的目标焦点之一重合的焦点，

-基于衍射光栅的相位轮廓函数φ(r)来确定衍射光栅的振幅轮廓H(r)，以及基于单焦点中心区域的相位轮廓函数

来确定单焦点中心区域的振幅轮廓h(r)，

-在镜片主体的单焦点中心区域结束的径向位置处确定过渡点，在过渡点处，衍射光栅和单焦点中心区域具有重合的振幅值，以及

-根据确定的过渡点应用单焦点中心区域和衍射光栅。

镜片的单焦点中心区域和衍射光栅的振幅轮廓或高度轮廓(其指定了在镜片表面上延伸为与镜片的光轴或中心同心的环形、椭圆形或其它旋转形状区域的变化DOE的高度和位置)，可以通过例如激光微加工、金刚石车削、3D打印或任何其它加工或平版表面处理技术中的任何一种被施加到镜片主体中。具有相同光学效果的镜片也可以通过全息装置产生，使用全息光学元件将光传播到期望焦点。

在根据本公开的制造眼用多焦点镜片的方法的一个实施例中，其中，衍射光栅包括具有交替的波峰振幅值和波谷振幅值的波型衍射图案，过渡点被确定为距衍射光栅的波峰振幅值比距波谷振幅值更近。

特别地，其中，过渡点被定位成使得当在r²空间中观察时，在镜片主体的径向r上所测量的波峰振幅值和过渡点之间的距离小于在r²空间中的衍射光栅的周期或间距的0.25倍，优选地小于在r²空间中的衍射光栅的周期或间距的0.2倍。

在根据本公开的制造眼用多焦点镜片的方法的另一实施例中，单焦点中心区域的振幅轮廓h(r)和衍射光栅的振幅轮廓H(r)中的至少一个被适配提供单焦点中心区域和衍射光栅在过渡点处的重合的振幅值。

在根据本公开的制造眼用多焦点透镜的方法的另一实施例中，基于入射在镜片上的光在目标焦点中的分布来确定过渡点和衍射光栅的径向上的移位，使得对于给定孔径大小：

-分布在目标焦点中的每个的光的强度在每个单独目标焦点的预定强度范围内，以及

-分布在目标焦点中的光的总强度在预定的总和范围内，以及

-针对远视和近视分布在目标焦点中的光的强度的比率在预定比率范围内。

镜片本体可以包括疏水性丙烯酸、亲水性丙烯酸、硅酮材料或任何其他合适的透光材料中的任何一种。

可以远离用于制造镜片的设备来提供根据本公开的方法中的镜片的连续相位轮廓函数和高度轮廓。镜片的衍射光栅的高度轮廓的特殊性可以通过在实践中可用的电信网络(诸如因特网)上的数据传输而转发到制造现场或设备。

可以应用目标折射和衍射焦点中的光学特性和光分布的调整和平滑化，以使在特定焦点或聚焦级上衍射的光量在光轴的一部分上散布或涂抹出去，以提供一种具有增强的焦深ED特性的眼用镜片。

在第三方面，本公开提供一种如上所述的眼用多焦点镜片，其被布置为隐形眼镜、眼内镜片、无晶状体隐形眼镜、无晶状体眼内镜片和眼镜镜片中的一种。要注意的是，在眼内镜片的情况下，镜片主体通常采取双凸或平凸光学透明盘的形式。在隐形眼镜或眼镜或玻璃眼镜片的情况下，镜片主体可以采用双凸或平凸和双凹或平凹形状或它们的组合中的任何一种，无论是否通过设置在光学透明的主体之处或之中的进一步的光学校正来增强。

通过下文描述的示例，本公开的这些和其他方面将变得显而易见，并且将参考下文描述的示例对其进行阐述。

附图说明

图1以示意性方式图示了在人眼处聚焦来自若干距离的光束。

图2a以示意性方式图示了一般的现有技术多焦点无晶状体眼内镜片的顶视图。

图2b以示意性的方式图示了图2a所示的多焦点无晶状体眼内镜片的侧视图。

图3以示意性方式以截面图示出了包括双凸透光主体和交错或锯齿型透光衍射光栅的现有技术衍射镜片的光学操作。

图4a-4c示意性地图形地图示了如由WO2019020435所公开的现有技术多焦点无晶状体镜片的实施例的双凸透镜主体上的连续周期性衍射光栅的高度轮廓和计算机模拟光分布的示例。

图5a-5d示意性地图形地图示了如由WO2019020435所公开的现有技术多焦点无晶状体镜片的实施例的双凸透镜主体上的连续周期性衍射光栅的针对各种瞳孔尺寸的高度轮廓和计算机模拟光分布的示例。

图6a-16示意性地图形地图示了用于图示本公开的双凸透镜主体上的单焦点中心区域和衍射光栅的高度轮廓、自变量调制参数和自变量调制函数的示例以及相应的计算机模拟光强度分布。

图17以简化的流程图示出了根据本公开的用于制造眼用多焦点镜片的方法的步骤。

具体实施方式

为了说明本公开，图1以简化的方式示出了人眼10的解剖结构。眼睛10的前部由覆盖瞳孔12的球形透明组织角膜11形成。瞳孔12是眼睛10的适应性光接收部分，其控制在眼睛10中接收的光量。在天然晶状体13处接收穿过瞳孔12的光线，天然晶状体13是眼睛10内的一个小的透明的盘，它将光线聚焦到眼睛10后部的视网膜14上。视网膜14服务于眼睛10形成的图像。后腔15，即视网膜14与晶状体13之间的空间，充满玻璃体液、透明的果冻状物质。前房和后房16，即晶状体13和角膜11之间的空间，充满房水、透明的水样液体。附图标记20表示眼睛10的光轴。

对于眼睛10的清晰锐利的远视场，晶状体13应相对平坦，而对于锐利清晰的近视场，晶状体13应相对弯曲。晶状体13的曲率由睫状肌(未示出)控制，而睫状肌又由人脑来控制。健康的眼睛10能够在远视场与近视场之间以角膜11前方任意距离提供清晰锐利图像的方式容纳(即控制)晶状体13。

眼用或眼内镜片与晶状体13结合地被应用以矫正眼睛10的视力，在这种情况下，眼用晶状体位于角膜11的前面，或替换晶状体13。在后一种情况下，也表示为无晶状体眼内镜片。

多焦点眼用镜片用于增强或矫正眼睛10的用于各种距离的视力。例如，在三焦点眼用镜片的情况下，该眼用镜片被布置为用于在三个更多或更少的离散距离或焦点(通常称为远视、中视和近视)上的锐利清晰的视觉，在图1中用参考数字17、18和19分别表示。从布置在这些距离或焦点17、18和19处或附近的对象发出的光线被正确地聚焦在视网膜14上，即，使得这些物体的清晰锐利的图像被投影。实际上，焦点17、18和19可以分别对应于范围从几米到几十厘米到几厘米的焦距。通常医生为患者选择镜片，以便远焦点允许患者聚焦在平行光上，在常见的光学术语中，远焦点是聚焦在无穷远上。

眼用镜片提供的校正量称为光焦度OP，以屈光度D表示。光焦度OP计算为以米为单位测量的焦距f的倒数。即，OP＝1/f，其中，f是从镜片到远视17、中视18或近视19的相应焦点的相应焦距。级联镜片的光焦度是通过将例如构成镜片的光焦度相加而得出的。健康的人晶状体13的光焦度约为20D。

图2a示出了一般的眼用多焦点无晶状体眼内镜片30的俯视图，图2b示出了镜片30的侧视图。镜片30包括透光的圆盘形的镜片主体31和一对触觉件32，一对触觉件32从镜片主体31向外延伸，以将镜片30支撑在人眼中。镜片主体31具有双凸形状，其包括中心部分33、前表面34以及后表面35。镜片主体31还包括横向延伸到前表面34和后表面35以及穿过中心部分33的中心延伸的光轴29。本领域技术人员将理解，光轴29是虚拟轴，目的是参考镜片30的光学特性。在实际实施例中，凸镜片主体31提供约20D的光焦度。

在所示的实施例中，在镜片主体31的前表面34上布置有周期性透光衍射光栅或起伏36，其包括在镜片主体31的前表面34的至少一部分上相对于光轴29同心地延伸通过中心部分33的环或区域。衍射光栅或起伏36提供一组衍射焦点。尽管未示出，但是衍射光栅或起伏36也可以布置在镜片主体31的后表面35处，或者布置在两个表面34、35处。实际上，衍射光栅36不限于同心圆或圆环形状的区域，但包括同心的椭圆或卵形区域，例如，或更一般地包括任何类型的同心旋转区域形状。

实际上，镜片主体31的光学直径37为约5-7mm，而包括触觉件31的镜片30的总外径38为约12-14mm。镜片30可具有约1mm的中心厚度39。在眼用多焦点隐形眼镜和眼镜或眼镜玻璃镜片的情况下，未在镜片主体31处设置触觉件32，而镜片主体31可具有平凸、双凹或平凹形状或凹凸形状的组合。在无晶状体眼内镜片的情况下，镜片主体可以包括疏水性丙烯酸、亲水性丙烯酸、硅树脂材料中的任何一种，或用于人眼的任何其他合适的透光材料。

图3示意性地示出了镜片40的已知的周期性透光衍射光栅或起伏42的光学操作，其包括双凸透光圆盘形镜片主体41。镜片40在镜片主体径向上以截面图示出。衍射光栅或起伏42包括多个重复的、连续布置的棱镜形状的透明衍射光学元件DOE 43。DOE 43以类似于图2a所示的光栅或起伏36的环或区域的方式在镜片主体41的中心部分45周围的同心区域中延伸。为了说明的目的，衍射光栅42的DOE 43被示为众所周知的交错形或锯齿形元件，其包括连续的倾斜的光接收表面44，诸如线性或弯曲的倾斜的光接收表面44。其中DOE 43在镜片主体41的径向上间隔开的光栅或起伏被称为二元型起伏(未示出)。DOE 43的重复周期或间距从镜片的中心或光轴沿径向单调减小，并且随径向距离的平方而变化。

穿过光栅42和镜片主体41的入射光束或初级光束46分别被衍射和折射，并产生输出光束或次级光束47。折射和衍射的光波47在镜片40的光轴48处形成多个焦点，由于光波47的相长干涉。当在特定焦点处从镜片主体41到达的光波47之间的光程差是其波长的整数倍，即，光波是同相的，使得它们的振幅以增强的方式相加时，就会发生相长干涉。当来自镜片主体41的干涉光波47传播的光程长度的差是波长的一半的奇数倍，使得一个波的波峰遇到另一波的波谷时，光波47部分或全部彼此熄灭，即光波异相，不会在镜片主体41的光轴48上产生焦点。

在距镜片主体41各种距离处的相长干涉的点通常被指定衍射级。与由于镜片40的曲率的折射操作而产生的焦点对应的焦点由0级指示。其他焦点由+m和-m级指定，其中，m是正整数。即m＝+1、+2、+3等。如果当在图的平面中观察时，相应的焦点出现在0级的左侧，即在朝向镜片主体41的方向上的某个距离处，则其他焦点由m＝-1、-2、-3级等指定。如果在图的平面中观察时相应的焦点出现在0级的右侧，即在远离镜片主体41的方向上的某个距离处。诸如图3所示。

注意，在一些出版物和手册中，正和负衍射级的上述分配可以相对于它们相对于零级的位置相反。例如，当由Romero等人的出版物中的理论如这里所做的那样直接应用时，这就变成该情况。如果未另外说明，则本说明书遵循如图3所示的惯例。

衍射起伏42可以被设计为提供在距镜片主体41不同距离处的焦点。DOE 43的周期间隔或间距基本上确定在镜片的光轴48上发生相消和相长干涉的点的位置，即衍射级在光轴48上的位置。通过DOE 43的形状和高度，控制在相长干涉点(即在特定衍射级处或以特定衍射级)提供的入射光的量。

在衍射光栅或起伏42提供在0级的两侧规则间隔的衍射级的情况下，该光栅或起伏称为对称光波分束器，因为入射光束45相对于0级对称地衍射或分裂。产生衍射级的不规则间距(诸如+1、+2、-3、-5)的光栅或起伏称为不对称分束器。

在无贡献于人眼10的视网膜14处的图像形成的焦点或级处聚焦或衍射的光波47中的光能被损失并且降低了镜片40的整体效率，并且因此降低了使用此类镜头的人所感知的图像的质量。实际上，为了最佳地设计镜片，如果例如可以预先设置用于向人眼提供或校正远、中和近视的焦点，诸如图1所示，并且提供最大化在这些预设焦点处从入射光束46接收的光能的整体效率为最佳的衍射光栅42，这是有利的。

在科学文献中，通过确定仅线性相位函数或相位轮廓，可以得到优化预设或目标衍射级中的光分布的整体效率的衍射光栅，线性相位函数或相位轮廓产生具有最大整体效率η或定义为所有这些目标级的归一化光能之和的品质因数的目标衍射级。然后，通过调整自变量，这些衍射光栅可以成形为镜片，使得它们在r²空间中具有等距周期。

本领域技术人员将理解，镜片主体41可以包括平凸、双凹或平凹形状以及凸和凹形状或曲率的组合(未示出)。

图4a中的附图标记50示出了如WO2019020435所公开的以mm²表示的r²空间中的连续周期性衍射轮廓的高度轮廓或振幅轮廓H(r)的示例，并且图4b示出了根据等式(5)基于相位轮廓函数φ(r)的作为径向距离r的函数的沿着线性标度的相同高度函数，即：

其中：H(r)是镜片的高度轮廓，[nm]，

Α(r)是相位轮廓函数在镜片主体的径向上的振幅调制函数，

λ是镜片的设计波长，[nm]，

n是镜片主体的折射率，

n_m是围绕镜片主体的介质的折射率。

高度轮廓H(r)的振幅沿着纵轴以μm标度描绘。假设穿过镜片主体的中心的光轴在径向位置r＝0处，而沿纵轴以mm表示从光轴沿着向外方向测量的径向距离r。

在本实施例中，假设镜片的设计波长λ为550nm，将镜片主体的折射率n设置为1.4618，并且假设围绕镜片主体的介质的折射率n_m为1.336。振幅调制函数A(r)是1.07处的常数，自变量幅值调制函数α(r)是α＝2.65718处的常数，在r²空间中的周期T＝0.733mm²，并且自变量角调制函数S(r)＝0，即，没有相移或自变量角调制。

附图标记50指的是具有衍射光栅或起伏36的镜片主体30的前表面34的外周或基线曲率，该衍射光栅或起伏包括衍射轮廓函数H(r)51，参见图2a和2b。

如从图4a可以观察到，在r²空间中，以相等或等距的长度描绘高度轮廓H(r)51的每个周期T。高度轮廓或高度函数H(r)51是单一的闭合形式的连续几何函数，其定义从光轴开始即r＝0并且在镜片主体上从光轴沿向外方向延伸的同心排列的DOE。衍射轮廓没有难以在镜片主体中制造的急剧过渡。因此，衍射光栅的高度轮廓H(r)51允许镜片的精确制造。

由具有高度轮廓H(r)51的镜片衍射的光量由图4c中的计算机模拟光强度分布示出。附图标记54指的是衍射级0，提供用于中视的焦点，附图标记52指的是衍射级-1，提供用于远视的焦点，附图标记53指的是+1衍射级，提供用于近视的焦点。在强度分布中，作为沿水平轴描绘的以屈光度D的光焦度的函数，沿纵轴以任意单位描绘衍射光的强度I。

计算机模拟的光强度分布假设图2a、2b中所示的类型的眼用镜片30的双凸镜片主体31，其被设计用于将零级焦点瞄准在20屈光度D，并且将一级焦点瞄准在相对于零级对称地定位的21.5D和18.5D。即，对于零级焦点，在20D处提供用于中视的焦点，对于衍射级-1，在18.5D处提供用于远视的焦点，以及对于衍射级+1，在21.5D处提供用于近视的焦点。本领域技术人员将理解，这些光焦度或焦点可以取决于目标焦点对于实际镜片而不同。示例使用基于MATLAB^TM的模拟软件来计算，并且假设瞳孔尺寸为6mm直径。

从图4c可以看出，与Gori等人针对线性最佳三倍镜计算的镜片相位轮廓不同，对于a(r)＝2.65718，入射在曲面镜片主体上的光量在目标焦点不是均匀分布的。这是因为对于线性或平面的相位光栅计算Gori等人最佳的三倍镜周期性相位分布函数，在周期之间的距离表现出线性相关性，而通过将其转换为镜片，相位轮廓函数的周期之间的距离包括平方根相关性。

图5a示出了根据以上等式(11)的高度轮廓或高度函数H(r)56，作为三焦眼内镜片的实施例中的衍射光栅的径向距离r的函数径。对于该实施例，设计波长λ、镜片主体的折射率n、围绕镜片主体的介质的折射率n_m、振幅调制函数A(r)、自变量幅值调制函数α(r)和r²空间中的周期T与图4a-4c所示的实施例的参数相同。与图4a至图4c的实施例不同，图5a所示的衍射光栅的高度轮廓H(r)56的自变量角由具有固定值S＝0.42*T的调制函数S(r)调制。附图标记55指的是具有从光轴延伸的衍射光栅或起伏36的镜片主体30的前表面34的外周或基线曲率，包括衍射轮廓函数H(r)56。

高度轮廓或高度函数H(r)56是单一的闭合形式的连续几何函数，其限定从光轴开始即r＝0并且在镜片主体上从光轴沿向外方向延伸的同心排列的DOE。

图5b、5c和5d示出了对于不同瞳孔尺寸的图5a的镜片的计算机模拟的光强度分布。沿着图5b、5c和5d中的曲线图的纵轴，折射和衍射光在一个焦点上相对于最大强度的相对强度rel.I被描述为沿水平轴描绘的屈光度D的光焦度的函数。示例再次使用基于MATLAB^TM的模拟软件来计算。

计算机模拟的光强度分布假设双凸镜片主体，其被设计用于将零级焦点瞄准在20屈光度D，并且将一级焦点瞄准在相对于零级对称地定位的21.5D和18.5D。即，对于零级焦点，在20D处提供用于中视的焦点，对于衍射级-1，在18.5D处提供用于远视的焦点，以及对于衍射级+1，在21.5D处提供用于近视的焦点。

图5b示出了对于具有1mm直径的瞳孔尺寸的光强度分布57。如从图5b可以看到，几乎所有入射到镜片上的光都集中在20D处的中视的焦点上。即，当使用自动折射仪和光强度来测量包括根据图5a的实施例的眼内镜片的用户的光学系统使得用户的瞳孔尺寸的直径约为1mm时，利用自动折射仪实际测量的焦点不是衍射焦点之一，而是中间或折射焦点。

图5c示出了对于具有3mm直径的瞳孔尺寸的光强度分布。这种尺寸的瞳孔覆盖了如对于图5b所示的1mm瞳孔尺寸的衍射轮廓和镜片的凸表面的更大部分。附图标记57再次指的是衍射级0，提供用于中视的焦点。附图标记58指的是-1衍射级，提供用于远视的焦点，附图标记59指的是+1衍射级，提供用于近视的焦点。如从图5b的强度轮廓可以看到，与在中视57和远视64的焦点中分布的光量相比，更大部分的入射光分布在近视59的焦点中。

图5d示出了直径为6mm的瞳孔尺寸的光强度分布。这种尺寸的瞳孔一般覆盖眼用镜片的整个光学系统。附图标记57再次指的是衍射级0，提供用于中视的焦点，附图标记58指的是衍射级-1，提供用于远视的焦点，附图标记59指的是+1衍射级，提供用于近视的焦点。

图6a示出根据本公开的三焦眼用镜片的实施例的振幅轮廓或高度轮廓，包括由附图标记62指示的具有连续振幅轮廓h(r)的中心区域(即图2a中所示的镜片31的中心部分33)以及具有跨镜片主体的表面60在镜片主体的径向距离上延伸的振幅函数H(r)的衍射轮廓61，从而提供用于远视和近视的衍射焦点。

高度轮廓h(r)和H(r)的振幅沿着图6a的纵轴以μm标度描绘。穿过镜片主体的中心的光轴被假设为处于径向位置r＝0，而沿纵轴以mm表示从光轴沿向外方向测量的径向距离r。

中心区域从光轴在径向r上延伸了距离，跨越镜片主体的表面60的一部分，并且其连续振幅轮廓h(r)62被设计成提供与衍射轮廓61的衍射焦点之一重合的单个焦点，因此提供单焦点中心区域。

在图6a中，附图标记60指的是镜片主体30的前表面34的外周或基线曲率，如图2a和2b所示。在过渡点63处，在距光轴距离处的镜片主体的径向位置处，单焦点中心区域的连续振幅轮廓h(r)结束，并且在振幅轮廓H(r)61中是连续的。

在图6a的实施例中，单焦点中心区域62包括根据上述等式(2)的相位轮廓函数

即：

f是中心区域的焦点。其整体上与镜片的焦点不同。在典型示例中，IOL的中间焦点可以是20D，远焦点和近焦点分别位于18.5D和21.5D。则f的绝对值是(1/1.5)m＝0.67m。

为了得到镜片上的实际物理形状或振幅轮廓，应用以下步骤。

假设单焦点中心区域62应当对远视的焦点有贡献，即单焦点中心区域62的焦点应当与衍射光栅61提供的远视的焦点重合。镜片的基本焦度(即折射光焦度)对由凸透镜片主体诸如图2b中所示的凸透镜片主体31提供的中视有贡献。

在镜片上增加远视区域需要提供负镜片部件。为了实现这一点，改变等式(2)的符号，即：

然后，为了将该表达式转换成距离，单焦点区域的形状用波长表示，即

接下来，必须建立镜片和周围介质的折射率，以找到对应于完全相移即2π相移的距离。这可以写为λ/(n-n_m)，其中λ是镜片的设计波长，[nm]，n是镜片主体的折射率，并且n_m是围绕镜片主体的介质的折射率。与以波长表示的镜片轮廓相乘，得到单焦点中心区域62的振幅轮廓或高度轮廓h(r)，即：

注意，设计波长λ从等式(13)中消失。

如果选择球形单焦点中心区域，则可以使用公知的Lensmaker公式获得曲率半径。假设可以应用薄透镜近似，这导致：

其中：R表示单焦点中心区域的曲率半径[m]。

利用要提供凹中心区域的知识，根据等式(13)和(14)，单焦点中心区域的振幅轮廓可以计算为：

在图6a的实施例中，衍射光栅61的振幅轮廓对应于上面参照图4a公开的衍射光栅(11)的振幅轮廓，即：

根据本发明，在过渡点63处，衍射光栅61和单焦点中心区域62的振幅轮廓具有重合振幅值。即，在过渡点63处，两个振幅轮廓的振幅值相等或基本相等，使得在过渡点处，有效地避免了横向于镜片主体的表面60的镜片的总体光学轮廓的振幅或高度的跳跃，该跳跃导致入射光行进通过镜片的路径的不均匀性。

在本实施例中，假设镜片的设计波长λ为550nm，镜片主体的折射率n被设置为1.492，并且假设围绕镜片主体的介质的折射率n_m为1.336。振幅调制函数A(r)为1.06的常数，自变量幅值调制函数α(r)为常数，α＝2.65718，r²空间中的周期T＝0.66mm²，自变量角调制函数S(r)表示恒定相移S＝0.31*T。

图6b、6c和6d分别示出了对于如图5b、5c和5d中的变化的瞳孔尺寸的图6a的镜片的计算机模拟的光强度分布。沿着图6b、6c和6d中的曲线图的纵轴，折射和衍射光在一个焦点上相对于最大强度的相对强度rel.I被描述为沿水平轴描绘的屈光度D的光焦度的函数。示例再次使用基于MATLAB^TM的模拟软件来计算。

计算机模拟的光强度分布假设双凸镜片主体，其被设计用于将零级焦点瞄准在20屈光度D，并且将一级焦点瞄准在相对于零级对称地定位的21.5D和18.5D。即，对于零级焦点，在20D处提供用于中视的焦点，对于衍射级-1，在18.325D处提供用于远视的焦点，以及对于衍射级+1，在21.675D处提供用于近视的焦点。

图6b示出了对于具有1mm直径的瞳孔尺寸的光强度64。如从图6b可以看到，几乎所有入射到镜片上的光都集中在18.5D的远视的焦点上。这符合根据本发明的本实施例的镜片的设计目标，即，提供与衍射光栅的远视的目标焦点重合的单焦点中心区域。如从图6a的振幅轮廓可以看到，单焦点中心区域62的半径终止于约0.5mm的距离处，使得1mm直径的瞳孔尺寸几乎完全覆盖单焦点中心区域。

图6c示出了对于具有3mm直径的瞳孔尺寸的光强度。这种尺寸的瞳孔覆盖了单焦点中心区域和镜片的衍射分布和凸表面的一部分。附图标记66指的是衍射级0，提供用于中视的焦点。附图标记65指的是+1衍射级，提供用于近距视觉的焦点。如从图6c的强度轮廓可以看到，大部分入射光分布在远视的焦点64。

图6d示出了对于具有6mm直径的瞳孔尺寸的光强度。这种尺寸的瞳孔一般覆盖眼用镜片的整个光学系统。附图标记66指的是衍射级0，提供用于中视的焦点，附图标记64指的是衍射级-1，提供用于远视的焦点，附图标记65指的是+1衍射级，提供用于近视的焦点。如从图6d的强度轮廓可以看到，分布在每个焦点64、65、66中的光量几乎相等。因此，由于根据本公开的单焦点中心区域分布在用于远视的焦点中的光的附加贡献可以通过衍射轮廓的适当设计来补偿，以便为大于单焦点中心区域的瞳孔尺寸提供多焦点特性。

图7示出了跨透镜表面70延伸的根据上述等式(11)和(15)的相位轮廓的单焦点中心区域的连续高度或振幅轮廓h(r)72以及衍射光栅的连续周期性高度或振幅轮廓H(r)71的示例。

在本实施例中，假设透镜的设计波长λ为550nm，将镜片主体的折射率n设置为1.492，并且假设围绕镜片主体的介质的折射率n_m为1.336。振幅调制函数A(r)为1.06处的常数，自变量幅值调制函数α(r)是常数，α＝2.65718，在r²空间中的周期T＝0.67mm²，并且自变量角调制函数S(r)表示恒定相移S＝0.34*T。计算机模拟的光强度分布假设双凸镜片主体，其设计为将零级焦点瞄准在20屈光度D，并且将一级焦点瞄准在相对于零级对称地定位的21.675D和18.325D。

根据本公开，在单焦点中心区域结束的过渡点73处，即在距光轴约0.3mm的径向距离处，振幅轮廓71和72的振幅不相等或基本上相等，使得在过渡点72处，在镜片的光学系统中出现相对尖锐边缘。

图8图示了图7所示的实施例的镜片的光学系统的高度或振幅轮廓的尖锐边缘可以通过增加单焦点中心区域的规模并且使单焦点中心区域终止于过渡点83而被平滑，在该过渡点处单焦点中心区域的振幅值h(r)82等于衍射光栅的振幅值H(r)81。在该示例中，单焦点中心区域终止于距光轴约0.5mm的径向距离处。

单焦点中心区域的连续高度或振幅轮廓H(r)82和衍射光栅的连续周期性高度或振幅轮廓H(r)81也与跨透镜表面80延伸的根据上述等式(15)和(11)的相位轮廓一致。

已经观察到，通过将过渡点83定位成距衍射光栅81的波谷85比距波峰84更近，镜片的衍射效率不是最佳的。

在本实施例中，假设镜片的设计波长λ为550nm，将镜片主体的折射率n设置为1.492，并且假设透围绕镜片主体的介质的折射率n_m为1.336。振幅调制函数A(r)为1.06处的常数，自变量幅值调制函数α(r)是常数，α＝2.65718，在r²空间中的周期T＝0.67mm²，并且自变量角调制函数S(r)表示恒定相移S＝0.50*T。计算机模拟的光强度分布假设双凸镜片主体，其设计为将零级焦点瞄准在20屈光度D，并且将一级焦点瞄准在相对于零级对称地定位的21.675D和18.325D。

图9a示出了对于根据本公开的眼用镜片，具有等式(15)和(11)的相位轮廓或具有类似形状的相位轮廓，即具有交替的波峰98和波谷99振幅值的周期正弦或连续波型衍射光栅91和连续弯曲的单焦点中心区域92，当单焦点中心区域结束和衍射光栅开始的过渡点93位于距衍射光栅91的波峰98比距波谷99更近时实现改善的衍射效率和从中心区域92到衍射光栅91的高度轮廓的相对平滑过渡。

在图9a中，过渡点93被示出在r＝0时与镜片的光轴相邻的波峰100的一侧。然而，过渡点也可以位于波峰100的另一侧，即，与镜片的外周相邻，如点划线94所示。注意，在后一种情况下，过渡点94的位置仍然与波峰振幅值100的位置相关。

图9b示出了r²空间中的图9a的高度轮廓。特别是，当过渡点93发生时，获得从单焦点中心区域的振幅轮廓到周期性衍射光栅的振幅轮廓的相对平滑过渡，使得在r²空间中测量的最近波峰振幅值100与过渡点93或过渡点94之间的距离95小于0.25*T，即小于r²空间中的衍射光栅的周期或间距T的0.25倍，优选小于0.2*T，诸如图9b所示。再次注意到，在过渡点94的情况下，该距离仍然与波峰振幅值100的位置相关，尽管该振幅值在最终镜片轮廓中不是直接可见的，但是可以容易地根据透镜轮廓处的测量结果来重构。

即，过渡点93或94接近镜片主体的表面90附近的周期性衍射光栅的振幅轮廓91的波峰100，其中单焦点中心区域92的振幅轮廓h(r)和周期性衍射光栅的振幅轮廓H(r)在衍射光栅的振幅轮廓H(r)的前沿或上升沿处合并，如图9中的虚线圆97所示。

还可选地表达为，当过渡点93或94被定位在周期性衍射轮廓91的上升或下降沿处的环绕区域97中时，获得振幅轮廓h(r)和H(r)的平滑过渡和改善的衍射效率，因此周期性衍射轮廓91的边缘从轮廓的波谷99到波峰98或者从波峰99到波谷98。

环绕区域97可以覆盖横向于和从镜片主体的表面90测量的范围，该范围为周期性衍射光栅的振幅轮廓91的最大振幅96的大约10％至30％，即，顶部-顶部振幅的一半。

图9a和9b是针对中心区域的直径为1.04mm、镜片的设计波长I假设为550nm、镜片主体的折射率n设置为1.492、围绕镜片主体的介质的折射率n_m假设为1.336、振幅调制函数A(r)为1.02的常数、自变量幅值调制函数α(r)为常数、α＝2.65718、r²空间中的周期T＝0.67mm²、以及自变量角调制函数S(r)表示恒定相移S＝0.32*T。提供20D+/-1.625D的焦点，即18.375D、20.0D和21.625D以及单焦点中心区域的调整高度而计算的。

在过渡点，单焦点中心区域的振幅轮廓h(r)的切线与振幅轮廓H(r)的振幅轮廓的切线之间的沿着从其波谷到波峰的周期性衍射轮廓的边缘从朝向镜片主体的表面的方向观察的夹角β小于约1度，该夹角β也提供了到单焦点中心区域的振幅轮廓到周期性衍射光栅的振幅轮廓的相对平滑过渡的指向。如果使用这里所示的平滑轮廓，则对于大约1mm的中心区域，在过渡点处的角度β将很少超过1度，但是对于不同轮廓，该角可以更高。对于较大的中心区域，该角也将较高。注意，在轮廓图中，由于水平轴和纵轴的非对称缩放，在过渡点处的角通常显得很大。

代替或除了如上参照图7所述的单焦点中心区域的尺寸即到光轴的半径或距离的适配之外，单焦点中心区域结束和衍射光栅开始的过渡点的位置也可以通过适配衍射光栅的相位轮廓函数的自变量角和相位轮廓函数的振幅调制函数中的任一个或两者来设置。

假设衍射光栅的相位轮廓函数φ(r)符合等式(5)，其中F[α*G]是反正切函数，并且G(r)是正弦函数：

产生振幅或高度轮廓H(r)：

通过适配或设置自变量角调制函数S(r)和/或光分布参数α(r)中的任何一个，周期性衍射轮廓在其相位或位置上沿径向在镜片表面上偏移，以便建立根据本公开的在过渡点处的单焦点区域的重合振幅轮廓h(r)和衍射光栅重合振幅轮廓H(r)的平滑过渡。

根据本公开的在过渡点处的单焦点区域的重合振幅轮廓h(r)和衍射光栅重合振幅轮廓H(r)的平滑过渡与上述措施分开或除了上述措施之外，还可能需要根据上述等式(17)来适配相位轮廓函数的振幅调制函数A(r)和B(r)中的任一个或两者。

如W02019020435所公开的，其教导在此通过引用并入，衍射效率，即，被引导到目标衍射级或目标焦点的光焦度的量，可以通过取决于到镜片的光轴的径向距离对衍射光栅的相位分布进行移位和振幅调制而被有效地调整，以用于实现相应的目标光分布或焦点增强，特别是在焦点中提供瞳孔相关光分布。这样，通过适配衍射光栅以获得单焦点中心区域和衍射光栅的振幅轮廓的平滑过渡而对目标焦点中的期望光分布的影响可以被有效地减小或补偿若干瞳孔尺寸。

图10以图形方式图示了根据本公开设计的眼用镜片的计算机模拟，其基于衍射光栅的相位轮廓和根据上述等式(11)和(15)的远视单焦点中心区域，分别作为自变量调制函数或参数S(r)的函数。图10中模拟的镜片都具有直径为1.1mm的远视单焦点中心区域。在3mm孔径处对焦点的强度值进行采样，模拟具有直径为3mm的瞳孔的眼睛。对于每个透镜中的三焦光栅S(r)在所有直径上都是静态的，具有由水平轴指示的值。

每个镜片在计算机程序中以如下方式自动构建：1)单焦点中心区域用所需的光焦度构成，2)衍射光栅根据任何数量的技术创建，包括应用S(r)，和3)计算中心区域和衍射光栅之间在所需过渡点处的高度差，然后对其进行补偿，使得没有垂直跳跃。

图10的顶部沿着纵轴并且以任意单位图示了作为参数S的函数的耦合到中间焦点的光的计算绝对强度103、耦合到远焦点的光的计算绝对强度101和耦合到近焦点的光的计算绝对强度102，其中，该参数S以沿着水平轴的周期表示。即，S(r)是由S*T提供的恒定相移。图10的中间部分图示了作为S的函数的绝对强度101、102和103的和104，并且图10的下部图示了也作为S的函数的耦合到远焦点中的光量与在近焦点中的光量的比率，即远/近比率105。计算直径为1.1mm的远视单焦点中心区域的强度。

图11以与图10类似的方式图示了基于3mm直径的瞳孔尺寸或孔径尺寸的根据本公开设计的眼用镜片的参数S的不同值的计算机模拟的强度轮廓。

图11的上部图示了耦合到中间焦点的光的计算出的绝对强度110、耦合到远焦点的光的计算出的绝对强度111和耦合到近焦点的光的计算出的绝对强度112，其作为S的函数，以沿水平轴的周期表示。图11的中间部分图示了作为S的函数的绝对强度110、111和112的和113。图11的下部图示了也作为S的函数的远/近比率114。计算直径为0.98mm的远视单焦点中心区域的强度。

从图10和11中，如分别由垂直点划线106、107和115、116所示，可以看到，对于直径分别为1.1mm和0.98mm的单焦点中心区域，对于S值在约0.1和0.3之间，提供了单独的和相加的相对高的总强度值，以及在约2-3的可接受水平之间的相对稳定的，即较不挥发的远/近强度比率。

图12在三维图形视图120中示出了基于根据图6a、10和11的眼用镜片设计的三个焦点中的光的总强度，其在图中沿着纵轴或z轴以任意单位描绘，作为沿着y轴以μm描绘的中心区域的半径和沿着x轴描绘的S参数两者的函数。xy平面中的每个光栅点121表示一个镜片设计，在3mm的孔径处，在模型中对三个焦点的强度进行采样。

为了从该绘图评估设计，要从其判断的两个主要概念是理论性能和可制造性。高和强度表示高性能。对于图12中使用的中心区域和光栅的参数的具体选择，可以发现对于约0.550mm的中心区域半径和约0.1至0.35的S值的最高可能的总体性能。在图12中可见到平台，即圆圈区域122，由此，求和的强度在S值的指示范围内相当相似。

即使在总和相同时，不同焦点之间的潜在分布也将不同。然而，在制造中总是存在一定程度的误差。如图中可见，0.550mm的中心区域半径和0.1或0.35的S值的组合使设计的镜片非常接近效率下降。S的小偏差可能使制造的镜片表现得像具有较小或较大S值的镜片。因此，通常有利的是从高性能的平台的中心区域选择设计，这对制造产量具有积极的影响。

图13在三维图形视图130中示出了基于根据图10和11的眼镜片设计的、在图中沿纵轴或z轴描绘的远焦点和近焦点中的光强度的远/近比率，作为沿y轴以μm描绘的中心区域的半径和沿z轴描绘的S参数两者的函数。

该图可以用于以类似于图12的方式选择设计。远比率将确定光的分布，并且因此确定在相应距离处的视觉敏锐度。因此绝对值是重要的。然而，可制造性在这里也是重要因素。从图中可以看出，存在几个非常尖锐脊。制造接近这些脊中的一个的镜片通常将降低制造产量，因为小偏差可以具有非常大的负面影响。

图14在三维图形视图140中示出了基于根据图10和11的眼用镜片设计的、沿无量纲z轴的、过渡点到波峰振幅的水平距离，其以在r²空间中观察的过渡点和最高点之间的衍射光栅的周期，即波峰振幅或波峰表示。±符号指的是在波峰振幅值的一侧或另一侧的距离。也参见图9a和9b。对于一些镜片，该波峰振幅或最高峰可能不存在于所得到的镜片中，在用单焦点中心区域代替原始衍射光栅的一部分之前，应当假设原始衍射光栅中的波峰来计算距离。

图14示出了该距离作为沿y轴以μm描绘的中心区域的半径和沿z轴描绘的S参数二者的函数。z轴上的零值表示过渡点在当前周期的最高点(即，波峰)处的镜片。在图14中容易定位表示在当前周期的峰值处精确地利用中心区域创建的镜片的线。

通过比较图14和图12，可以看到，图14中用于划分具有在本周期的峰值或峰值振幅值处的过渡区的镜片的线还划分了图12中发现的高性能平台122的纵向中心。这示出可以预期具有高产率的良好性能的镜片具有比最接近的通孔更接近最接近的峰值的过渡区。尤其有利的是，当在r²空间中观察时，过渡区至周期的最高峰之间的绝对距离小于约0.25*T且优选小于0.2*T的镜片。

从图10-14中的曲线图可以看出，当过渡点处于径向位置使得单焦点中心区域具有在0.8-1.3mm范围内的直径，并且分布在用于远视和近视的目标焦点中的入射光的强度的比率在0.8-2.0的远/近比率范围内时，出现根据本公开的镜片的最佳设计空间。

图15a通过示例图示根据本公开的三焦点眼用镜片的另一实施例的沿着线性标度的作为以mm表示的径向距离r的函数的高度轮廓或振幅轮廓。

图15a中所示的眼用镜片的实施例的振幅轮廓或高度轮廓包括具有根据以上公开的等式(11)的由附图标记152表示的连续振幅轮廓h(r)的中心区域(即，图2a中所示的镜片31的中心部分33)和基于根据以上在发明内容部分中提供的等式(6)的连续周期性相位轮廓函数的衍射光栅151。

高度轮廓h(r)162和H(r)161的振幅沿图16a的纵轴以μm的标度描绘。穿过镜片主体的中心的光轴被假设为处于径向位置r＝0，而从光轴沿向外方向测量的径向距离r沿纵轴以mm表示。如图2a和2b所示，附图标记160指的是镜片主体30的前表面34的外周。

中心区域从光轴在径向r上延伸距离，跨镜片主体的表面150的一部分，并且其连续振幅轮廓h(r)152被设计成提供与衍射轮廓151的远视的衍射焦点重合的单个焦点，因此提供单焦点中心区域。

在过渡点153处，在距光轴大约0.5mm的距离处的镜片主体的径向位置处，单焦点中心区的连续振幅轮廓h(r)152结束，并且在衍射光栅的振幅轮廓H(r)151中是连续的。在所示的实施例中，过渡点153位于镜片主体的表面150处。

在本实施例中，假设镜片的设计波长λ为550nm，镜片主体的折射率n被设置为1.492，并且假设围绕镜片主体的介质的折射率n_m为1.336。使用等式(7)和(8)优化衍射光栅151，以分别提供(1.2，1，1)的相应衍射级-1，0，1的相对强度(γ₁，γ₂，γ₃)。光栅被优化以向近视焦点提供更多的光，从而在一定程度上补偿由单焦点中心区向远视焦点提供的光强度。

基于3mm直径的瞳孔尺寸，在图15b的强度模拟图中示出了由具有中心区域轮廓152和衍射轮廓151的镜片所衍射的光量。强度沿纵轴以任意单位描绘。计算机模拟的光强度分布假设图2a、2b中所示类型的眼用镜片的双凸镜片主体，其被设计用于将零级焦点瞄准在20屈光度D，并且将一级焦点分别瞄准在相对于零级对称地定位的21.675D和18.325D。附图标记154指的是衍射级0，提供用于中视的焦点，附图标记155指的是18.325D处用于远视的焦点，附图标记156指的是21.675D处的近视焦点。

图16a通过示例图示了在r²空间中以mm²表示的根据本公开的五焦点镜片的高度轮廓或振幅轮廓，并且图16b示出了沿着线性标度的作为径向距离r的函数的以mm表示的相同高度轮廓或振幅轮廓。

图16a中所示的五焦点眼用镜片的实施例的振幅轮廓或高度轮廓包括具有根据上面公开的等式(11)的由附图标记162表示的连续振幅轮廓h(r)的中心区域(即图2a中所示的镜片31的中心部分33)，以及产生五个不同焦点的衍射光栅161。

镜片的衍射部分所基于的线性相位光栅的φ_lin(x)可以由以下方程组(18)描述：

Q＝μ₁γ₁sin(-2x*2π+α₁)+μ₂γ₂sin(-x*2π+α₂)+μ₃γ₃sin(α₃)+μ₄γ₄sin(x*2π+α₄)+μ₅γ₅sin(2x*2πα₅)

P＝μ₁γ₁cos(-2x*2π+α₁)

+μ₂γ₂cos(-x*2π+α₂)

+μ₃γ₃cos(α₃)+μ₄γ₄cos(x*2π+α₄)+μ₅γ₅cos(2x*2πα₅)

φ_lin(x)＝atan2(Q，P) (18)

其中：atan2指的是指2自变量的反正切，

γ₁，γ₂，γ₃，γ₄，γ₅分别表示相应衍射级-1、0、1的相对强度，

α₁，α₂，α₃，α₄，α₅表示相位轮廓函数的相应傅立叶系数的相位，

μ₁，μ₂，μ₃，μ₄，μ₅是待优化的常数，以及

|a_k|/γ_k＝N，其中N是正常数，并且对于k＝1，2，3，|a_k|表示衍射光栅的傅里叶系数a_k的振幅，

x是光栅在其上延伸的轴。

根据这种定义，一个周期正好是1个单位长。

具有五个焦点的多焦点镜片可以利用方程组(18)通过应用上面的等式(8)来实现，类似于如何创建三焦点镜片。

线性相位光栅(14)基于本公开的教导以及由Romero，Louis A和Fred M.Dickey的出版物，“通过相位光栅进行最佳光束分离的理论。II.正方形形和六角形光栅。(Theory ofoptimal beam splitting by phase gratings.II.Square and hexagonal gratings.)”JOSA A 24.8(2007)：2296-2312。例如，针对具有强度分布(γ₁，γ₂，γ₃，γ₄，γ₅)＝(1.1，0.9，0.8，0.9，1.1)的五个衍射级来优化线性相位光栅。

高度轮廓h(r)162和H(r)161的振幅沿图16a的纵轴以μm的标度描绘。穿过镜片主体的中心的光轴被假设为处于径向位置r＝0，而从光轴沿向外方向测量的径向距离r沿纵轴以mm表示。如图2a和2b所示，附图标记160指的是镜片主体30的前表面34的外周。

中心区域从光轴在径向r上延伸距离，跨镜片主体的表面160的一部分，并且其连续振幅轮廓h(r)162被设计成提供与衍射轮廓161的远视的衍射焦点重合的单个焦点，因此提供单焦点中心区域。

在过渡点163处，在距光轴大约0.6mm的距离处的镜片主体的径向位置处，单焦点中心区的连续振幅轮廓h(r)162结束，并且在衍射光栅的振幅轮廓H(r)161中是连续的。在所示的实施例中，过渡点163位于镜片主体的表面160处。

在本实施例中，假设镜片的设计波长λ为550nm，镜片主体的折射率n被设置为1.4618，并且假设围绕镜片主体的介质的折射率n_m为1.336。在r²空间中，该周期T＝0.733mm²，自变量角调制函数S(r)表示恒定相移S＝0.80*T。A(r)＝γ(r)＝δ(r)＝1。

基于3mm的瞳孔尺寸，在图16c的强度模拟图中示出了由具有中心区域轮廓162和衍射轮廓161的镜片所衍射的光量。强度沿纵轴以任意单位描绘。计算机模拟的光强度分布假设图2a、2b中所示类型的眼用镜片的双凸镜片主体，其被设计用于将零级焦点瞄准在20屈光度D，并且将一级焦点分别瞄准在相对于零级对称地定位的21.675D和18.325D。附图标记164指的是衍射级0，提供用于中视的焦点，附图标记165指的是18.325D处用于远视的焦点，附图标记166指的是21.675D处的近视焦点。

在本设计中，提供了两个附加焦点，即，在用于中视和远视的焦点之间的19D处的第一附加焦点，以及在用于中视和近视的焦点之间的21D处的第二附加焦点。

为了本申请的目的，除了根据等式(14)的上述连续周期性相位轮廓函数之外，可以应用用于提供五焦点镜片的其它连续周期性相位轮廓函数。如所指出的，也可以提供四焦点镜片，其具有根据本公开的单焦点中心区域。

图17中的简化流程图170图示了根据本公开的第二方面制造眼用多焦点镜片的方法的步骤。流程的方向是从图的顶部到底部。

在第一步中，至少设置用于镜片的近、中和远视的目标焦点，即框171“设置目标焦点”。

在第二步中，确定针对用户的不同瞳孔大小的不同焦点之间的目标相对光分布，即框172“设置相对光分布”。所选择的瞳孔尺寸可以例如在0-3mm、0-4.5mm和0-6mm的直径值的范围内。大于6mm，镜片可以例如表现出双焦点性质，即与中视和远视有关。

接下来，选择透光的镜片主体，具有提供用于中视的目标焦点的折射焦点，即框173“选择镜片主体”。

在另一步中，即框174“提供单焦点中心区域”，提供了跨镜片主体的表面的一部分从镜片主体的光轴在径向r上上延伸距离的单焦点中心区域。这个单焦点中心区域具有连续相位轮廓函数

用于提供与在上述第一步中设置的用于远视和近视的目标焦点之一重合的折射焦点。

为了提供衍射焦点，使用合适的编程处理器或计算机以数学或数字方式计算衍射光栅的连续周期性相位轮廓函数

即步骤175“计算衍射相位轮廓”。计算连续周期性相位分布函数，以用于对于不同瞳孔尺寸在整个镜片上的目标折射和衍射焦点中建立期望光分布，包括单焦点中心区的贡献。

在步骤176中，“确定过渡点”，确定在距光轴的径向距离处的过渡点，在该过渡点处单焦点中心区结束并且衍射轮廓开始，在该过渡点处，衍射光栅和单焦点中心区域具有重合的振幅值，如以上在本公开的第一方面中所教导的。为此，可以调节单焦点中心区域的高度轮廓的振幅和/或衍射光栅的高度轮廓的振幅。

在步骤176中，可以例如基于入射在镜片上的光的目标焦点中的光分布，如在本公开的第一方面中教导的那样，确定过渡点，使得对于给定孔径尺寸：

-分布在目标焦点中的每个的光的强度在每个单独目标焦点的预定强度范围内，以及

-分布在目标焦点中的光的总强度在预定的总和范围内，以及

-针对远视和近视分布在目标焦点中的光的强度的比率在预定比率范围内。

在下一步中，计算出的相位轮廓函数和过渡点适于微调和/或平滑镜片的期望或目标光学特性，诸如目标焦点之间的期望相对光分布，即步骤177“强度调整”。该强度调整类似地可以由适当编程的处理器或计算机来处理，并且可以包括如在上述示例中教导和示出的调制。例如，这还用于考虑由于镜片的机械加工或制造中的公差等导致的目标焦点和轮廓的光学偏差。

最后，计算出用于制造镜片的单焦点中心区域和衍射光栅的几何高度轮廓或振幅轮廓，即步骤178“处理高度轮廓”。再次使用适当编程的处理器。

最后，例如，通过激光微加工、金刚石车削、3D打印或任何其他机加工或光刻表面处理技术中的任何一种加工和抛光在镜片主体处应用的高度轮廓或高度函数。那就是步骤179“加工”。

步骤175中的计算可以基于来自衍射光栅的傅立叶级数表示的功率谱计算，使得与目标焦点相关联的衍射级的傅立叶系数的平方绝对值的总和最大。如上所述，可以在目标焦点中相等或加权的目标光强度的约束下执行该计算。

可以远离用于加工镜片的设备来提供根据本公开的计算。可以通过在实践中可用的电信网络(诸如因特网(未示出))上的数据传输，将计算出的衍射光栅的特殊性转发给加工设备。

本领域技术人员将理解，单焦点中心区域和衍射光栅可以应用于镜片的前表面和后表面中的一个或两个处，这适用于所附权利要求公开和要求保护的所有实施例。

还应注意，根据本发明的教导同样适用于设计和调整具有变迹高度或振幅分布的多焦点眼用镜片的光分布。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的示例和实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一(a/an)”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。相同的附图标记指代相同或等同的元件或操作。

Claims (18)

1.一种眼用多焦点镜片，至少包括用于近视、中视和远视的焦点，所述镜片具有透光镜片主体，所述透光镜片主体包括跨所述镜片主体的表面的部分从所述镜片主体的光轴在径向r上同心地延伸的衍射光栅，所述镜片主体被设计成提供用于中视的折射焦点，所述衍射光栅具有被表示为被布置成用于改变所述镜片主体处的入射光的相位的单个连续周期性函数的相位轮廓φ(r)并且作为光波分束器操作，至少提供衍射级+m处的用于近视的衍射焦点和衍射级-m处的用于远视的衍射焦点，其中，m是正整数值，其特征在于，所述镜片主体包括单焦点中心区域，所述单焦点中心区域跨所述镜片主体的所述表面的部分从所述镜片主体的所述光轴在径向r上延伸距离并且具有被布置成用于改变所述镜片主体处的入射光的相位的连续相位轮廓函数

提供与所述衍射焦点中的一个重合的焦点，其中，所述衍射光栅从所述镜片主体的所述单焦点中心区域结束的径向位置处的过渡点提供，在所述过渡点处，所述衍射光栅和所述单焦点中心区域具有重合的振幅值。

2.根据权利要求1所述的眼用多焦点镜片，其中，所述衍射光栅包括具有交替的波峰振幅值和波谷振幅值的波型衍射图案，所述过渡点被定位成距所述衍射光栅的波峰振幅值比距波谷振幅值更近。

3.根据权利要求2所述的眼用多焦点镜片，其中，当在r²空间中观察时，在所述镜片主体的径向r上测量的所述波峰振幅值和所述过渡点之间的距离小于在r²空间中的所述衍射光栅的周期的0.25倍，优选地小于在r²空间中的所述衍射光栅的周期的0.2倍。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用多焦点镜片，其中，通过以下中的至少一个来设置所述过渡点：基于所述衍射光栅的所述相位轮廓函数φ(r)来适配所述单焦点中心区域的半径、所述衍射光栅的振幅轮廓H(r)的自变量和振幅，以及基于所述单焦点中心区域的所述相位轮廓函数

来适配所述单焦点中心区域的振幅轮廓h(r)的自变量和振幅。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用多焦点镜片，其中，所述衍射光栅和所述单焦点中心区域相对于所述镜片主体的所述光轴对称地跨所述镜片主体的所述表面的部分在径向r上延伸。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用多焦点镜片，其中，所述镜片主体、所述衍射光栅和所述单焦点中心区域被布置成在包括所述光轴的所述镜片主体的第一区域处提供单焦点性质，所述第一区域的焦点与由所述衍射光栅提供的衍射焦点中的一个重合，在所述镜片的径向上延伸超出所述第一区域的所述镜片主体的第二区域处提供多焦点性质，并且在所述镜片的径向上朝向所述镜片主体的周围边缘延伸超出所述第二区域的所述镜片主体的第三区域处提供双焦点性质。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用多焦点镜片，其中，所述单焦点中心区域包括与用于远视的衍射焦点重合的焦点。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用镜片，其中，所述过渡点处于径向位置使得所述单焦点中心区域具有在0.8mm至1.3mm的范围内的直径，并且分布在用于远视和近视的所述目标焦点中的入射光的强度的比率在0.8至2.0的远/近比率范围内。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用镜片，其中，所述单焦点中心区域的所述相位轮廓函数

由以下定义：

其中：

r是在径向上距所述镜片主体的所述光轴的距离，[mm]，

f是所述单焦点中心区域的焦距，[mm]，

特别地，其中，所述单焦点中心区域的所述相位轮廓函数

由以下定义：

10.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用镜片，其中，所述衍射光栅的所述相位轮廓函数φ(r)由以下定义：

其中：

r是在径向上距所述镜片主体的所述光轴的距离，[mm]，

A(r)是在所述镜片主体的径向上的所述相位轮廓函数φ(r)的振幅调制函数，

F[α(r)*G(r)]是提供所述波分束器操作的所述镜片主体的径向上的函数，

G(r)是在r²空间中的连续周期性函数，

α(r)是G(r)的自变量幅值调制函数，

S(r)是在r²空间中的G(r)的自变量角调制函数，[mm²]，

T是在r²空间中的所述衍射光栅的周期或间距，[mm²]，并且

B(r)是所述连续周期性相位轮廓函数的振幅调制函数。

11.根据权利要求10所述的眼用镜片，其中，所述衍射光栅的所述相位轮廓函数φ(r)由以下定义：

其中：

S(r)在r²空间中具有在-0.5*T与0.5*T之间的范围内的恒定值，

A(r)具有在1.05与1.15之间的范围内的恒定值，并且

α(r)具有在2.5与3之间的范围内的恒定值。

12.根据权利要求1-9中的任一项所述的眼用镜片，其中，所述衍射光栅被设计成作为包括在衍射级+1、0和-1处的衍射焦点的对称光波分束器来操作，并且所述衍射光栅的所述相位轮廓函数φ(r)由以下定义：

其中：

r是在径向上距所述镜片主体的所述光轴的距离，[mm]，

A(r)是在所述镜片主体的径向上的所述相位轮廓函数φ(r)的振幅调制函数，

S(r)是在r²空间中的自变量角调制函数，[mm²]，

T是在r²空间中的所述衍射光栅的周期或间距，[mm²]，

B(r)是所述连续周期性相位轮廓函数的振幅调制函数，以及

其中：

γ₁，γ₂，γ₃分别表示相应衍射级-1、0、1的相对强度，

α₁，α₂，α₃表示所述相位轮廓函数的相应傅立叶系数的相位，

μ₁，μ₂，μ₃是待优化的常数，并且

|a_k|/γ_k＝N，其中，N是正常数，并且对于k＝1，2，3，|a_k|表示所述衍射光栅的傅里叶系数a_k的振幅，并且

x是φ_lin(x)在其上延伸的轴。

13.一种制造眼用多焦点镜片的方法，所述眼用多焦点镜片至少包括用于近视、中视和远视的焦点，所述镜片具有透光镜片主体，所述透光镜片主体包括跨所述镜片主体的表面的部分从所述镜片主体的光轴在径向r上同心地延伸的衍射光栅，所述镜片主体被设计成提供用于中视的折射焦点，所述衍射光栅具有被表示为被布置成用于改变所述镜片主体处的入射光的相位的单个连续周期性函数的相位轮廓φ(r)并且作为光波分束器操作，至少提供衍射级+m处的用于近视的衍射焦点和衍射级-m处的用于远视的衍射焦点，其中，m是正整数值，所述方法包括以下步骤：

-确定所述多焦点镜片的用于近视、中视和远视的目标焦点，

-提供具有用于中视的所述目标焦点的所述透光镜片主体，以及

-提供具有用于近视和远视的所述目标焦点的所述衍射光栅，

其特征在于，以下的进一步的步骤：

-提供单焦点中心区域，所述单焦点中心区域跨所述镜片主体的所述表面的部分从所述镜片主体的所述光轴在径向r上延伸距离并且具有被布置成用于改变所述镜片主体处的入射光的相位的连续相位轮廓函数

提供与用于远视和近视的所述目标焦点中的一个重合的焦点，

-基于所述衍射光栅的所述相位轮廓函数φ(r)来确定所述衍射光栅的振幅轮廓H(r)，以及基于所述单焦点中心区域的所述相位轮廓函数

来确定所述单焦点中心区域的振幅轮廓h(r)，

-在所述单焦点中心区域结束的所述镜片主体的径向位置处确定过渡点，在所述过渡点处，所述衍射光栅和所述单焦点中心区域具有重合的振幅值，以及

-根据确定的所述过渡点应用所述单焦点中心区域和所述衍射光栅。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述衍射光栅包括具有交替的波峰振幅值和波谷振幅值的波型衍射图案，其中，所述过渡点被定位成距所述衍射光栅的波峰振幅值比距波谷振幅值更近。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述过渡点被定位成使得当在r²空间中观察时，在所述镜片主体的径向r上测量的所述波峰振幅值与所述过渡点之间的距离小于在r²空间中的所述衍射光栅的周期的0.25倍，优选地小于在r²空间中的所述衍射光栅的周期的0.2倍。

16.根据权利要求13、14或15所述的方法，其中，所述单焦点中心区域的所述振幅轮廓h(r)和所述衍射光栅的所述振幅轮廓H(r)中的至少一个被适配成在所述过渡点处提供所述单焦点中心区域和所述衍射光栅的重合的振幅值。

17.根据权利要求13、14、15或16所述的方法，还包括基于入射在所述镜片上的光在所述目标焦点中的分布来确定所述过渡点和所述衍射光栅的径向上的移位，使得对于给定孔径大小：

-分布在所述目标焦点的每个中的光的强度对于每个单独目标焦点在预定的强度范围内，以及

-分布在所述目标焦点中的光的总强度在预定的总和范围内，以及

-针对远视和近视分布在所述目标焦点中的光的强度的比率在预定的比率范围内。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的眼用多焦点镜片，被布置为以下中的一个：隐形镜片、眼内镜片、无晶状体隐形镜片、无晶状体眼内镜片和眼镜镜片。

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