CN116981982A - 自适应多焦点衍射目镜 - Google Patents

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阿明·塔巴塔拜穆赫辛尼
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Abstract

一种提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其具有透光体，所述透光体具有光轴和在透镜体的一部分上延伸的折射基线；还具有与所述透镜体的中心区域重合的第一部分和同心径向延伸的多焦点第二部分；所述第二部分还包括叠加在所述基线上的对称多焦点衍射光栅，覆盖透镜的一部分，其形状和产生的光强度分布随着到光轴的距离而变化，所述第一部分基本上是凹形的，连接到最靠近光轴的所述光栅的脊部，并提供预期远距焦度和中距焦度之间的主导光焦度；被配置为对于预定的孔径具有较低的远距视觉预期能量与近距视觉预期能量的能量比率。

Description

自适应多焦点衍射目镜
技术领域
本公开总体上涉及眼科透镜，并且更具体地，涉及眼科隐形眼镜和眼内多焦点透镜，通过衍射结构提供多焦点，所述衍射结构被布置成在不同瞳孔大小上最佳地服务于人的视觉。
背景技术
用于眼科应用的衍射透镜被构造为混合透镜，其具有添加到折射体上的衍射图案。通常，透镜的一个侧面是纯折射的，而另一个侧面具有叠加在折射基线上的衍射光栅。折射基线可以是球面的，或者替代地具有各种非球面形状。高级单焦点衍射图案也可以用作纯折射形状。衍射部分通常可以应用于透镜的两个侧面中的任何一个，因为当衍射图案要与具有某个特殊特征的折射表面组合时，如果它们被添加到同一侧面或者如果一个被添加到透镜的第一侧面而另一个被添加到透镜的第二侧面通常都没有关系。同时，两个衍射图案可以通过在一个侧面叠加或者以重叠的方式在分开的侧面上相加来组合。用于特定衍射级的透镜的光焦度可以通过将折射基础焦度和该衍射级的光焦度相加来计算。
在眼睛的解剖结构中，光在到达晶状体并聚焦到视网膜上之前，穿过虹膜内的开口，称为瞳孔。瞳孔的大小由虹膜的肌肉控制，因此当暴露在明亮的光线下时，它会迅速收缩瞳孔，而在昏暗的光线下，它会扩张(扩大)瞳孔。当聚焦于近处的物体时，瞳孔孔径也会变窄，而当看得更远时，瞳孔孔径会扩大。成人瞳孔在其最大收缩时直径可能小于1mm，并且它可能增加到其最大直径的10倍。由于年龄、疾病、创伤或视觉系统内的其他异常，包括控制瞳孔运动的路径的功能障碍，人类瞳孔的大小也可能变化。
基于瞳孔响应结合眼睛视网膜中视锥细胞和视杆细胞的特定响应，观察到在不同照度水平(cd/m2)下眼睛功能的三种主要模式：明视觉(强光)、暗视觉(弱光条件)和中间视觉(中间)。被观察物体的亮度水平、背景和周围环境通过视网膜照度水平(光强)决定视杆细胞和视锥细胞的活动。
此外，视觉系统对从瞳孔中心进入的光比对从瞳孔外围进入的光更敏感。这被称为第一类Stiles-Crawford效应(SCE-I)，也被称为“视网膜的方向敏感性”，描述了视网膜敏感性的角度依赖性。平行于视网膜感受器在瞳孔中心附近进入瞳孔的轴向光线比在瞳孔边缘附近进入瞳孔的离轴倾斜光线更有效。因此，穿过瞳孔外围的光在刺激视觉方面不如穿过瞳孔中心附近的光高效(即，轴向光比离轴光形成的图像更清晰)，因此增加了焦深(参见W.Fink和D.Micol的“computer-based simulation of visual perception undervarious eye defects using Zernike polynomials(使用Zernike多项式对各种眼睛缺陷下的视觉感知进行基于计算机的模拟)”J.Biomed.Opt.,vol.11,no.5,p.054011,2006)。SCE可以显著改善散焦图像质量和散焦视觉，特别是对于需要真实相位感知的任务(参见X.Zhang、M.Ye、A.Bradley和L.Thibos的“Apodization by the Stiles–Crawford effectmoderates the visual impact of retinal image defocus(斯蒂尔斯-克劳福德效应的变迹减轻了视网膜图像散焦的视觉影响)”J.Opt.Soc.Am.A,vol.16,no.4,p.812,1999)。
注意，起透镜作用的衍射光栅具有绝对值随半径变化的节距(pitch)。节距取决于折射率、设计波长和第一衍射级的光焦度。该节距被确定为使得通过透镜到第一衍射级的焦点的光程差(optical path difference，OPD)具有每个周期正好一个波长的差。为了显示衍射光栅的周期性，人们通常绘制衍射透镜轮廓与半径平方的关系。当像这样绘制时，周期(光栅节距)是等距的，更准确地说，r2空间中的周期节距是2λ/D，其中λ是设计波长，并且D是以屈光度为单位的第一级光学衍射焦度。这形成了结构良好、相位匹配的衍射透镜的基础。
衍射透镜这个术语有时用于众所周知的菲涅耳(Fresnel)透镜。菲涅耳透镜由在区接合处有垂直阶梯的同心区组成。菲涅耳透镜中的区通常具有相等的宽度，并且每个区的光学特性可以用折射理论来分析。然而，这里讨论的衍射透镜是需要衍射分析的透镜。
研究得最多的适当衍射透镜类型是Rossi等人在1995年题为“Refractive anddiffractive properties of planar micro-optical elements(平面微光学元件的折射和衍射特性)”的研究中教示的单焦点相位匹配菲涅耳透镜。这种类型的透镜利用锯齿衍射单元单体(unit cell)和对应于精确2π相位调制的阶梯高度。
通常希望提供不止一个焦点。对于眼科透镜，同时提供例如远距视觉和近距视觉可能是有利的。可能用于提供两个焦点的光效率最高的透镜使用类似于上述相位匹配菲涅尔的锯齿轮廓，但是高度减小。这种透镜的最高可能衍射效率接近81％。对于针对两个以上焦点优化的衍射透镜，锯齿图案不是最高效的，并且如下文将讨论的，更高的衍射效率是可能的。
近年来，提供三个不同焦点的透镜变得越来越普遍，这三个焦点通常是远距视觉、中距视觉和近距视觉。
PCT/EP2019/080758描述了一种构造多焦点透镜的方法，该多焦点透镜结合了仅提供远距视觉的单焦点中心区和对称的多焦点光栅。该文献非常详细地讨论了如何将单焦点中心区与对称衍射光栅结合，以实现尽可能高的光效率。它还提供了关于如何实现一个孔径的期望强度分布的描述。然而，与具有整个透镜表面的高效光栅的透镜相比，纯单焦点中心区的添加降低了总的光效率。
WO2020053864A1公开了一种利用在技术上具有五个焦点的对称衍射光栅的多焦点透镜。近距视觉在大约2mm和更小的孔径处占主导。此外，衍射光栅的峰到峰高度比期望的要高。在2mm孔径处测量，如所示，透镜表现为具有两个相当宽的峰的双焦点透镜，在3mm孔径处，其表现基本上为三焦点透镜。
绝大多数眼科衍射三焦点透镜利用锯齿轮廓。组合两个双焦点衍射透镜的锯齿轮廓以实现三焦性在本领域中是已知的。这导致衍射透镜的可用级相对于0级不对称地布置，例如，三焦点透镜可以利用0、+1和+2级或0、+2和+3级。在US 9320594中，公开了一种衍射三焦点透镜，其中表面轮廓的光学厚度在每个区内随半径单调变化，而在相邻区之间的接合处的光学厚度的明显阶梯限定了阶梯高度。各个区的阶梯高度可以周期性地从一个区到另一个区域不同，以便定制光学元件的衍射级效率，其中阶梯高度可以在两个值之间交替。在EP 2377493中，提出了一种制造无晶状体眼内透镜的方法，该方法能够更安全地确保每次多重聚焦效果，同时减少孔径变化和透镜偏心的影响。EP 2503962公开了一种人工晶状体，其包括前表面和后表面，并具有基本上前后的光轴，其中这些前表面和后表面之一包括在所述光轴上形成至少一个+1级第一衍射焦点的第一衍射轮廓，以及形成+1级第二衍射焦点的第二衍射轮廓，所述两个衍射焦点是不同的，并且所述第二衍射轮廓的至少一部分与第一衍射轮廓的至少一部分叠加。它还描述了如何使用所谓的锯齿衍射光栅的变迹(apodization)来随着孔径的增加而增加远距视觉的相对强度。当讨论关于衍射透镜的变迹时，应该理解为指的是随着孔径增大而减小的衍射图案深度。WO2019130030A1描述了基于锯齿的衍射透镜的变迹以及反向变迹，指的是轮廓高度随着孔径的增加而增加，以分别降低和增加远距视觉的相对强度。这两个概念的结合被称为交叉变迹。US 9223148提出了一种具有两种以上焦度的透镜，其中一种是折射的，另一种至少是衍射的。US5017000提出了一种多焦点轮廓相位板，其具有根据公式r(k)＝sqrt(常数x k)间隔开的多个环形同心区，其中r(k)是区半径，k是区；其中重复的阶梯被结合到轮廓中，并且具有大于或小于半个波长的光程长度。
在本发明的技术领域中的现有技术公开案之一可以称为EP 3435143，其教示了一种眼科多焦点衍射透镜，包括用于近距、中距和远距视觉的焦点。所述透镜包括提供折射焦点的透光透镜体和周期性透光衍射光栅，该光栅在透镜体表面的至少一部分上同心延伸并提供一组衍射焦点。衍射光栅被设计成作为光波分离器工作，折射焦点为中距视觉提供焦点，衍射焦点为近距视觉和远距视觉提供焦点。衍射光栅具有相位轮廓，所述相位轮廓被设置用于改变透镜体处的入射光的相位，优化折射和衍射焦点中的光分布的总效率。该透镜的级围绕0级被对称布置，并且至少在-1、0和+1级工作。
在衍射轮廓中具有急剧过渡的衍射透镜，包括例如具有锯齿轮廓或二元轮廓的透镜，会导致加工困难，并且对于成品透镜而言，会导致光散射，增加几种不希望的光学现象的发生率，例如杂散光和眩光，即在强光(例如直射或反射的太阳光)或人造光(例如夜间的汽车前灯)下难以看清，以及光晕效应，即在昏暗光线下(即在中间视觉条件下)看到的白色或彩色光环或光斑。没有急剧过渡的衍射透镜在这些问题上表现更好，并且还具有更高的潜在衍射效率，至少对于具有奇数个焦点的多焦点透镜是如此。还建议正弦或平滑衍射轮廓与锯齿轮廓相比更具生物相容性，因为碎片沉淀效应减少，如Osipov等人在2015年发表于Journal of biomedical optics(生物医学光学期刊)20,no.2(2015):025008中的研究“Application of nanoimprinting technique for fabrication of trifocaldiffractive lens with sine-like radial profile(纳米压印技术在正弦径向轮廓三焦点衍射透镜制备中的应用)”中所解释的。
根据WO2019020435的教示，已知通过根据半径或到透镜体的光轴的径向距离的函数调制相位轮廓函数的自变量和振幅中的一个或两个，在相对较大的强度范围内可调谐包括衍射光栅的眼科透镜的焦点中的光分布，该衍射光栅具有连续的周期性相位轮廓函数和围绕第0级对称布置的可用级。关于EP 20170183354和前述WO 2019020435的教示，过去几年提出本领域中已知的三焦点透镜，其包括以-1、0和+1级操作的三焦点透镜。从US5017000的教示中还知道构造透镜的一般方法。所得到的衍射透镜是以0、+1和+2级工作的衍射透镜。
根据WO 2019020435的教示，可以通过从针对衍射效率和可用衍射级之间的相等光分布而优化的线性相位光栅开始构造三焦点透镜。为了制造分束器，已经研究和开发了线性相位光栅。线性相位光栅优化的一般理论在Romero和Dickey 2007年在“Journal ofthe Optical Society of America(美国光学学会期刊)Vol.24,No.8(2007)p.2280-2295”发表的题为“Theory of optimal beam splitting by phase gratings.I.One-dimensional gratings(相位光栅优化分束理论I.一维光栅)”的研究中进行了教示。关于衍射相位光栅的现有文献集中于寻找最佳解决方案，即对于在一定数量的级之间的等强度分布的情况，最大化的衍射效率。
由于上面给出的原因，使用利用正和负衍射级的平滑衍射光栅的多焦点混合透镜通常是有利的。然而，现有技术中存在的这种透镜有几个局限性。
在提供远距、中距和近距视觉的多焦点透镜中经常讨论和期望的特征是为中间视觉条件提供相对均匀的强度分布，同时为暗视觉条件下可用的较大瞳孔的远距视觉提供强得多的相对强度。对于锯齿多焦点衍射透镜，这通常借助于变迹来提供，在这种情况下，变迹指的是高度随着半径增大而减小的衍射光栅，如Davison,J.A.,&Simpson,M.J.(2006).History and development of the apodized diffractive intraocular lens(变迹衍射人工晶状体的历史和发展)，Journal of Cataract&Refractive Surgery(白内障与屈光手术期刊),32(5),849-858中教示的。通常，在衍射多焦点透镜中，光栅的高度可以减小(增大)以增大(减小)折射焦点的强度，即0级。对于非对称透镜，例如，利用0、+1和+2级，如在上述论文中所述，变迹导致随着孔径的增加，远距视觉的能量分布增加。对于使用对称衍射光栅来提供远距、近距和中距视觉的透镜，这种简单的方法不能用于此目的，因为对称光栅中的折射焦点处于或接近中距视觉。前述WO2019130030A1描述了一种使用交叉变迹来改善基于锯齿的衍射透镜的强度分布的方法。
US 8486141 B2公开了一种多区、单焦点眼科透镜，包括内部区、中间区和外部区。内部区具有第一光焦度。中间区围绕内部区，并具有第二光焦度，该第二光焦度与第一光焦度相差小于至少约0.75屈光度的量级。外部区围绕中间区，并且具有不同于第二光焦度的第三光焦度。在某些实施例中，第三光焦度等于第一光焦度。US 9968440 B2公开了一种眼科透镜，其包括具有前表面、后表面和光轴的透镜。前表面和后表面中的至少一个包括从光轴延伸到第一径向边界的第一区和从第一径向边界延伸到光学器件边缘的第二区。第一区包括由相移特征分开的内部区域和外部区域，相移包括从内部区域和外部区域向外延伸的脊部。US7073906B1公开了一种中心非球面单焦点区，其与使用不对称衍射光栅的区同心布置。
对于为使用者提供足以不使用眼镜的视觉的透镜，它需要提供远距、中距和近距视觉。在明视觉条件下，当存在小瞳孔时，具有特别强的远距视觉的全多焦点视觉是期望的。但是提供非常窄的远距视觉的透镜的中心孔径增加了屈光度不匹配的风险。透镜的中心部分提供比远距视觉的预期焦度稍强的焦度将降低这种风险。这一点尤其重要，因为远距视觉的质量确实决定了白内障手术的临床成功。此外，当用衍射光栅分离光时，这种分布还能够提供更高的总光效率，如下所示。因为众所周知的针孔效应，使得小瞳孔提供更高的聚焦深度，所以小瞳孔的微小焦度变化对视力没有负面影响。因为不同的自动验光仪技术可能在不同的孔径处测量术后焦度，并且可能需要仅改变1mm的主导焦度以符合特定的自动验光仪技术，所以能够为非常小的透镜孔径精确地选择主导焦度也是重要的。
在具有稍大瞳孔的中间视觉条件下，针孔效应不再有效，使得对于旨在用于不使用眼镜的多焦点透镜来说，除了远距视觉之外，提供强的近距视觉是非常重要的。为了完全不使用眼镜，还需要中距视觉。
由于调节反射，当观察近处物体时，甚至在暗环境中，人的瞳孔也会收缩。因此，在大瞳孔下聚焦用于近距视觉的光在生理上是不可能使用的。中距视觉受这个问题的影响要小得多，总的来说，这证明了对于大孔径来说，减少导向近距视觉的光比减少导向中距视觉的光重要得多。根据该原理的设计除了技术光效率之外，还确保了光的生理效率。
因此，需要一种改进的眼科透镜，其利用对称衍射光栅的优点，包括非常高的光效率，以某种方式允许微小孔径的主导光焦度的精确放置，以及在孔径范围内适当调谐的能量分布，以同时确保入射光的生理效率。
发明内容
本发明的目的
本发明的主要目的是提供一种眼科多焦点透镜，包括折射基线、光轴并提供至少三个焦点，其中一个焦点为使用者提供远距视觉。
本发明的另一个目的是提供一种眼科多焦点透镜，其包括至少第一和第二部分，这些部分围绕光轴同心布置，第一部分是最里面的。
本发明的另一个目的是提供一种眼科多焦点透镜，其包括提供至少三个焦点的对称衍射光栅，所述衍射光栅与第二部分结合，所述衍射光栅的第0级增加了所述第二部分的光焦度，而第一部分对于设计波长具有在远距视觉和中距视觉的预期焦度之间的合成主导焦度。
本发明的又一个目的是提供一种眼科多焦点透镜，其中所述透镜提供了将增加的衍射效率与使用对称正弦衍射光栅的光学透镜的更加解剖学上正确的使用相结合的能力，能量分布针对每个孔径被合适地适配。
本发明的又一个目的是提供一种眼科多焦点透镜，其允许在透镜的具有与第二部分的折射基线不同的折射力焦度的部分进行体内测量，同时保持效率。
本公开的又一个目的是提供一种具有优化的多焦点性的眼科多焦点透镜，其中衍射效率大为改善。
本发明的简要描述
在第一方面，提供了一种眼科多焦点透镜，其至少包括用于远距视觉的焦点。所述透镜具有透光透镜体，该透光透镜体包括对称(即，光焦度围绕0级对称布置)的衍射光栅，所述衍射光栅从透镜体的光轴沿径向同心延伸，穿过透镜体表面的一部分。所述透镜包括至少一个折射基线以及至少第一和第二部分，这些部分围绕光轴同心布置，使得第一部分的中心的凹面形状叠加在折射基线上，并提供在远距视觉和中距视觉的预期焦度之间的光焦度，并且在第二部分中，对称衍射光栅叠加在折射基线上，布置成使得，对于设计波长，对称衍射光栅的0级基本上与折射基线的焦度以及透镜的预期中距焦度一致。
本公开基于这样的认识，即通过仔细控制具有对称衍射光栅的多焦点透镜的中心区域的主导焦度，并且进一步仔细控制所述对称衍射光栅的每个脊部的精确形状和高度，使得对于大约3mm的孔径，提供给近距(near)的相对能量高于对于2mm以及4.5mm的孔径，并且对于5mm及以上的相对近距能量被抑制在中距能量以下，可以制造出提供非常高的衍射效率以及更高的生理光效率的透镜。
如上所述，由于入射光穿过透镜的路径中的不均匀性，具有没有任何锐利边缘的连续且平滑轮廓的衍射透镜不容易受到眩光或散射的影响，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凸起(relief)相比，根据计算的轮廓更容易制造。在任何情况下，较高的衍射效率都会导致较少的杂散光。对于基于金刚石车削或类似形式的机械加工的制造技术来说，与具有锐利边缘的轮廓(例如锯齿或二元轮廓)相比，光滑轮廓制造起来更可靠、更快且更便宜。
例如，通过微加工或金刚石车削制造眼科透镜的一个重要步骤是机械抛光以去除切割痕迹。必须去除所有可见的切割痕迹，以符合人工晶状体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。如果透镜在切割后被抛光，可以允许机器工作得更快。衍射透镜高度轮廓中的锐利角度、拐角或边缘使机械抛光过程变得复杂。如果考虑到透镜的高度轮廓，机械抛光是不可能的，则需要利用化学抛光(这需要用到有害的化学物质)，或者制造不需要抛光的透镜。后一种情况由于合格率较低和机器较昂贵中的一种或两种原因导致制造成本大大增加。
根据本公开的平滑衍射几何形状允许抛光，因此与高度轮廓具有急剧过渡的透镜相比，合格率显著提高。
附图说明
附图仅仅是为了举例说明多焦点无晶状体衍射多焦点透镜的目的而给出的，其优于现有技术的优点已在上文中概述，并将在下文中简要说明。
附图并不打算限定权利要求中所确定的保护范围，也不应该在不求助于本发明描述中的技术公开的情况下，单独参考它们来解释所述权利要求中所确定的范围。
图1示出了人眼的简化解剖结构。
图2a和图2b分别示出了现有技术中已知的典型眼科多焦点无晶状体眼内透镜的正视图和侧视图。
图3示出了已知周期性透光圆盘形透镜体的光学操作的示意图。
图4a和图4b展示了现有技术中已知的具有对称多焦点光栅的单焦点中心区的透镜。
图5a和图5b分别示出了根据本发明的一个实施例的眼科多焦点无晶状体眼内透镜的前视图和侧视图。
图6a和图6b示出了根据本发明的一个实施例的具有衍射光栅和具有调整后的焦度的负焦度中心区的透镜轮廓。
图7a、图7b和图7c示出了根据本发明的一个实施例的具有衍射光栅和具有调整后的焦度的中心区的透镜轮廓。
图8示出了眼睛中的视杆细胞和视锥细胞各自的激活特性。
图9示出了不同眼睛和条件下的点扩散函数(SPF)。
图10a和图10b示出了根据本发明的一个实施例的使用基本上是凹形的并且非常强烈地促进了远距视觉的中心区的透镜。
图10c、图10d和图10e示出了根据本发明的一个实施例的底层线性光栅衍射单元单体的示例及其各自的衍射效率。
图11a和图11b示出了根据本发明的一个实施例的透镜。
图12a和图12b示出了根据本发明的一个实施例的透镜。
图13a示出了根据本发明的一个实施例制造的透镜的能量分布的可能设计目标。
图13b示出了根据本发明的一个实施例制造的透镜的模拟能量分布。
具体实施方式
10 眼睛
11 角膜
12 瞳孔
13 天然晶状体
14 视网膜
15 后腔
16 前房和后房
17 远距视觉
18 中距视觉
19 近距视觉
20 光轴
29 光轴
30 眼科透镜
31 透镜体
32 触觉
33 中心部分
34 前方表面
35 后方表面
36 衍射光栅
37 光学直径
38 外径
39 中心厚度
40 透镜
41 透镜体
42 衍射光栅
43 DOE
44 光接收表面
45 中心部分
46 初级光束
47 次级光束
48 光轴
50 多焦点无晶状体眼内透镜
51 中心透镜部分
52 对称多焦点光栅
53 外围透镜部分
54 前表面
55 后表面
56 透镜体
150 透镜体表面
151 对称多焦点衍射光栅
152 单焦点中心区
153 过渡点
154 中距视觉焦点
155 远距视觉焦点
156 近距视觉焦点
绝大多数眼科衍射三焦点透镜利用锯齿轮廓。组合两个双焦点衍射透镜的锯齿轮廓以实现三焦性在本领域中是已知的。这使得衍射透镜的可用级相对于0级不对称地布置，例如三焦点透镜可以利用0、+1和+2级或0、+2和+3级。这种衍射光栅在下文中被称为不对称光栅。
衍射光栅的一个重要特性是对称和不对称衍射光栅之间的区别。当将对称或不对称特性归因于多焦点眼科透镜时，所考虑的是它利用或使其有用的级。对称衍射透镜以围绕0级对称的方式利用级。注意，对称衍射光栅是由它们所利用的级来定义的，而不是由这些级中的光分布强度来定义的。一些对称衍射透镜可以被调谐，使得在例如+1和-1级之间存在显著的光强差异，即它们具有不相等的光分布。如此调谐的衍射光栅仍然被认为是对称的衍射光栅。本文件中讨论的大多数对称光栅将使用奇数个连续级和0级，例如用于三焦点透镜的光栅使用-1、0和+1级，或者用于五焦点透镜的光栅使用-2、-1、0、+1和+2级。然而，不利用0级的光栅也可以被认为是对称的。特别是，利用四级-2、-1、+1和+2的光栅的对称情况在某些情况下对于眼科透镜是有用的。
对于具有奇数个焦点的衍射多焦点透镜，包括三焦点透镜，最有用的强度分布的最高可能衍射效率由光滑的正弦表面提供，该正弦表面具有围绕0级对称布置的可用级。
当比较衍射表面时，一个重要的因素是衍射效率。衍射效率是对有多少光焦度被引导到期望的衍射级的度量，或者特别是当谈到衍射透镜时，有多少光焦度被引导到期望的焦点。对于双焦点透镜，其中透镜体的表面被优化以在两个不同的距离处提供尽可能好的视觉，通过使用相位匹配菲涅耳透镜的原理来达到最高可能的衍射效率，其利用锯齿或参差不平类型的衍射图案。参考M.Rossi等人在Applied Optics(应用光学)Vol.34,No.26(1995)p.5996-6007发表的文章“Refractive and diffractive properties of planarmicro-optical elements(平面微光学元件的折射和衍射特性)”，该文以引用的方式并入本文中。
首先考虑线性相位光栅通常是有利，因为该领域具有成熟的理论，并可用于衍射透镜。对于每一级具有相等强度分布的三焦点线性光栅的特殊情况，由F.Gori等人在Optics Communication(光学通信)157(1998),p.13-16发表的文章“Analyticalderivation of the optimum triplicator(最佳三联体的分析推导)”中特别显示了最佳解是没有锐利边缘的结构，该文以引用的方式并入本文中。
由L.A.Romero和F.M.Dickey在Journal of the Optical Society of America(美国光学学会期刊)Vol.24,No.8(2007)p.2280-2295发表的文章“Theory of optimalbeam splitting by phase gratings.I.One-dimensional gratings(相位光栅优化分束理论I.一维光栅)”(该文以引用的方式并入本文中)更一般地公开了这一点，证明了至少用于相等地分成奇数级的最佳光栅具有连续的轮廓。后一篇论文提供了数学工具来为任何给定的目标级集合和这些目标级之间的任何给定强度分布找到最佳线性相位光栅。最佳光栅被定义为对于指定的强度分布具有最高衍射效率的线性衍射光栅。应当注意的是，Gori等人和Romero等人的出版物讨论了仅用于制造分束器的线性相位光栅。通过将线性光栅的x轴视为衍射透镜的r2空间，任何这样的线性相位都可以变成透镜。使用来自Romero和Dickey的研究的理论，可以定义感兴趣的级和各个级的相对强度分布，并找到对于那些输入值的最佳(最高效)光栅的方程。它进一步表明，对于相对相等的强度分布，至少具有一组连续级的对称光栅具有没有间断的最佳光栅。一些具有不连续级集合的对称光栅也具有没有间断的光栅。在Romero和Dickey的研究中，仅示出了具有相等强度分布的光栅，然而使用所提供的具有不相等分布的理论光栅也被记录。应当注意，这是优化线性相位光栅的一种特定方式。此外，存在线性相位光栅的优化没有考虑的透镜特有的效应，当根据本发明设计透镜时，针对这些效应进行优化可能是有利的。
根据本发明的透镜设计的一个重要部分是找到一组没有间断的对称衍射单元单体，它们可以一起使用以提供期望的强度分布。在本领域中有不同的方法来计算和调谐对称衍射透镜。一种方法是使用转换成衍射透镜的优化线性光栅，如上文所述以及PCT/EP2019/080758中更详细的描述。基于对称衍射光栅的透镜的一个早期示例是Golub等人在Journal of modern optics(现代光学期刊)39,no.6(1992):1245-1251发表的论文“Computer generated diffractive multi-focal lens(计算机生成的衍射多焦点透镜)”中描述的7焦点透镜。作为这一点的延续，在已经提到的Osipov 2015研究以及Osipov等人在2012年在Applied Physics(应用物理学)A 107,no.3(2012):525-529发表的研究“Fabrication of three-focal diffractive lenses by two-photon polymerizationtechnique(双光子聚合技术制备三焦点衍射透镜)”中的附加实施例。在这些论文中，公开了通过修改正弦光栅制成的三焦点对称透镜。在Osipov等人的这些研究中，每个透镜仅使用一个单元单体，但是根据我们现在所知的，用于适当自适应透镜的衍射光栅可以由一组如上所述制造的修改后的正弦光栅构成。在US5760871A和IL104316中还公开了一种不同的方法，其中所谓的非对称超高斯公式用于设计具有不等强度分布的三焦点光栅。一组这样的衍射单元单体可以与适当的过渡区一起使用，以形成用于根据本专利的自适应透镜的适当的衍射光栅。又一种方法是在WO2020053864A1中描述的方法，其中使用Gerchberg-Saxton迭代算法来设计具有对称衍射光栅的五焦(具有五个焦点)透镜的表面轮廓。
根据本发明的透镜是一种眼科透镜，其包括至少一个折射基线以及至少第一和第二部分，所述部分围绕光轴同心布置，使得第一部分中心的凹面形状叠加在折射基线上，并提供在远距视觉和中距视觉的预期焦度之间的光焦度，并且在第二部分中，对称衍射光栅叠加在折射基线上，布置成使得对于设计波长，对称衍射光栅的0级基本上与折射基线的焦度以及透镜的预期中距焦度一致。
所提出的多焦点眼科透镜解决了本领域中已知的如下问题：在应用对称多焦点衍射光栅的情况下，倾向于出现几个问题，例如本领域中已知的单焦点中心区(仅提供远距视觉)和具有针对3mm孔径优化的固定衍射效率的多焦点光栅的组合，这导致不平衡的透镜，其中近距视觉对于大孔径特别过于强烈。另一个需要解决的技术难题是，当具有光焦度与负责远距视觉的衍射焦点完全一致的严格单焦点中心区时，会导致整体效率下降。
尽管存在上述困难，强远距视觉是确定白内障手术成功的典型标准。这是因为强远距视觉对所有孔径都很重要。
因此，本发明特别涉及包括对称多焦点衍射光栅的自适应多焦点透镜的形成。自适应性在这里被定义为人眼对功能性光利用的度量。由于针孔效应，瞳孔大小越小，眼睛的景深越大。瞳孔大小不仅依赖于瞳孔对光的反射，还依赖于调节反射，这导致瞳孔在聚焦于更近的物体时不能充分放大。本发明也解决了这个问题，从而调节所述多焦点透镜的中心部分的焦度，以提高效率，从而提高白内障手术的成功率，同时保持内部1mm孔径，以基本上提供远距视觉。这将在下文详细描述。
根据Kanellopoulos和Asimellis的标题为“Clear-cornea cataract surgery:pupil size and shape changes,along with anterior chamber volume and depthchanges.A Scheimpflug imaging study(透明角膜白内障手术：瞳孔大小和形状发生变化，前房体积和深度发生变化。舍姆弗鲁格影像学研究)”(Clinical Ophthalmology(临床眼科)(Auckland,NZ)8(2014):2141)的研究，白内障手术平均使明视瞳孔减小0.27mm。此外，医学文献中报道的瞳孔大小通常是表观瞳孔(apparent pupil)，因为它可以通过光学检查来测量。然而，更相关的瞳孔是解剖瞳孔，位置更靠近天然晶状体(在有晶状体眼中)。根据Kanellopoulos-Asimellis的研究，表观瞳孔可以被认为是眼睛光学系统的入瞳，而解剖瞳孔是孔径光阑。根据上述研究中的模型，表观瞳孔比解剖瞳孔大13.1％。这当然会因人而异，也因环境条件而异。本文中提到的孔径是眼睛的物理孔径，特别是无晶状体眼和人工晶状体眼的物理孔径。在医学文献中，自然出现的瞳孔大小通常被给定为2mm至8mm，但是对于IOL，相关的孔径大小在大多数情况下达到5mm直径，最多6mm。
除了瞳孔对光的反射，瞳孔也对调节反射作出反应。调节反射是对聚焦附近物体的反应，其效应之一是收缩瞳孔。由于后一种效应，即使在暗的条件下，当聚焦于附近的物体时，瞳孔也不会很大。因为这种由大瞳孔的人工晶状体提供的额外的近距视觉大部分被浪费掉了，并且理想情况下是不提供的。
对于小瞳孔大小，针孔效应是重要的考虑因素。瞳孔的收缩增加了透镜的焦深，对于小瞳孔，这种效应通常在所有距离上提供相对好的视觉，即使透镜仅提供单一焦点。许多现代的多焦点和增强焦深(enhanced depth-of-focus，EDOF)透镜通过允许透镜提供的光由中距或近距视觉主导来利用这种效应。争论在于，如果这被提供在透镜的中心，它将在明视觉条件下对使用者足够好地起作用，因为对于小孔径来说有大的景深，而为近距和/或中距视觉提供的这种强度可以特别用于具有稍大瞳孔大小的中间视觉条件。在US10028825中公开了一个在中心区域具有较高焦度的非衍射示例，随着半径的增加焦度减小，该示例具有所谓的连续焦度渐进人工晶状体，其引入了变化的焦度，而没有使用突变的阶梯。虽然这是可以接受的，但这不是理想的解决方案，因为良好的远距视觉被视为IOL最重要的参数，远距视觉的质量确实是决定白内障手术临床成功的因素。因此，对于IOL来说，为所有孔径提供强远距视觉是很重要的，可能非常小的瞳孔除外。此外，眼科医生通常期望自动验光仪测量术后眼睛的远距焦度，并且中心焦度与透镜的远距焦度相差太多会导致白内障手术成功评估的混乱。然而，对于非常小的孔径，朝向更强屈光度的小的焦度偏移可以用于增加所谓的着陆区或最佳点，以增加临床成功的机会，但是在理想情况下，该偏移不应该大到一直到中距附加(大约在1.5D到2.2D之间)，当然也不应该大到近距附加(大约在3D到4.4D之间)。中心1mm孔径的理想偏移应该低于1.2D，并且在任何情况下，1mm处的主导焦点应该低于预期中距焦度的主导焦点。这里应该注意的是，在1mm的孔径处，通常不会产生多焦点。测得的强度曲线或MTF曲线将有一个主导峰。
另一方面，增加近距焦度和中距焦度对于中间视觉条件是重要的，要使大多数距离的视觉可行。通常，希望保持近距视觉强于中距视觉，以在不使用眼镜的情况下提供良好的阅读能力。
由此可以总结出，所希望的是一种多焦点透镜，其中多焦点由多焦点对称光栅提供，并且对于微小的瞳孔(例如1mm)，主导焦点应该对应于远距视觉，其光焦度比预期的远距视觉稍强，或者至少比中距视觉的预期焦度弱。在2mm的孔径处，应该出现发展良好的多焦点(至少三个焦点)。对于大约3mm的瞳孔大小，理想的衍射多焦点透镜应该提供强远距视觉、强近距视觉和一些中间视觉。对于大于4.5mm的瞳孔，导向近距视觉的能量不能被眼睛很好地利用。由于这个原因，导向近距视觉的附加能量应该被最小化或变小，并且对于4.5mm的瞳孔，去往近距的能量应该小于中距和近距的能量。
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的前部由角膜11形成，角膜是覆盖瞳孔12的球形透明组织。瞳孔12是眼睛10的适应性光接收部分，其控制眼睛10中接收的光量。穿过瞳孔12的光线在天然晶状体13处被接收，天然晶状体13是眼睛10内的小而透明且柔性的圆盘，其将光线聚焦到眼睛10后部的视网膜14上。视网膜14提供眼睛10形成的图像。后腔15，即视网膜14和晶状体13之间的空间，充满玻璃体液，这是一种透明的胶状物质。前房和后房16，即晶状体13和角膜11之间的空间，充满了房水，这是一种清澈的水状液体。附图标记20表示眼睛10的光轴。
要实现眼睛10的清晰和锐利的远距视野，晶状体13应该相对平坦，而要实现清晰和锐利的近距视野，透镜13应该相对弯曲。晶状体13的曲率由睫状肌(未示出)控制，而睫状肌又由人脑控制。健康的眼睛10能够调节，即控制晶状体13，以在角膜11前面的任何距离处，在远场和近场之间，提供清晰和锐利的图像视图。
眼科或人工透镜与晶状体13结合用于矫正眼睛10的视力，在这种情况下，眼科透镜位于角膜11的前面，或者代替晶状体13。在后一种情况下，也称为无晶状体眼科透镜。
多焦点眼科透镜用于增强或矫正眼睛10对于各种距离的视觉。例如，在三焦点眼科透镜的情况下，该眼科透镜被设置成在三个或多或少的离散距离或焦点处具有锐利和清晰的视觉，通常包括远距、中距视觉和近距视觉，在图1中分别由附图标记17、18和19指示。在光学方面，远距视觉是当入射光线平行或接近平行时。从布置在这些距离或焦点17、18和19处或附近的物体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和锐利的图像被投影。实际上，焦点17、18和19可以分别对应于从几米到几十厘米到几厘米范围内的焦距。通常，眼科医生为患者选择透镜，使得远距焦点允许患者聚焦于平行光，用普通光学术语来说，远距焦点聚焦于无穷远。眼科医生在测试患者时，通常将近距视觉测量为距离眼睛40cm，中距视觉测量为距离66cm，但是也可以使用其他值。
眼科透镜提供的校正量称为光焦度OP，用屈光度D表示。光焦度OP的计算方法是以米为单位测量的焦距f的倒数。也就是说，OP＝1/f，其中f是从透镜到远距视觉17、中距视觉18或近距视觉19的相应焦点的相应焦距。例如，通过将组成透镜的光焦度相加，得到透镜级联的光焦度。健康人晶状体13的光焦度约为20D。
图2a示出了典型的眼科多焦点无晶状体眼内透镜30的俯视图，并且图2b示出了透镜30的侧视图。透镜30包括透光的圆盘形透镜体31和一对从透镜体31向外延伸的触点(haptics)32，用于在人眼中支撑透镜30。注意，这是触点的一个示例，并且有许多已知的触点设计。透镜体31具有双凸形状，包括中心部分33、前方表面或前表面34和后方表面或后表面35。透镜体31还包括光轴29，光轴29横向于前方表面34和后方表面35延伸并穿过中心部分33的中心。本领域的技术人员将会理解，为了参考透镜30的光学特性，光轴29是虚拟轴。在实际实施例中，凸透镜体31提供大约20D的折射光焦度。
在所示的实施例中，在透镜体31的前方表面34处，布置了周期性透光衍射光栅或凸起36，其包括相对于光轴29同心延伸穿过中心部分33的环或区，覆盖透镜体31的前方表面34的至少一部分。衍射光栅或凸起36提供了一组衍射焦点。尽管未示出，衍射光栅或凸起36也可以布置在透镜体31的后方表面35上，或者布置在两个表面34、35上。实际上，衍射光栅36不限于同心圆形或环形区，而是包括例如同心椭圆形或卵形区，或者更一般地任何类型的同心旋转区形状。
实际上，透镜体31的光学直径37约为5-7mm，而包括触点31的透镜30的总外径38约为12-14mm。透镜30可具有约1mm的中心厚度39。在眼科多焦点接触透镜和眼镜或眼科玻璃透镜的情况下，在透镜体31处不提供触点32，而透镜体31可具有平凸、双凹或平凹形状或者凸和凹形状的组合。在无晶状体眼科透镜的情况下，透镜体可以包括疏水性丙烯酸、亲水性丙烯酸、硅树脂材料或用于人眼的任何其他合适的透光材料。
图3示意性地示出了透镜40的已知周期性透光衍射光栅或凸起42的光学操作，透镜40包括双凸透光圆盘形透镜体41。这种结合了折射和衍射能力的透镜也被称为混合透镜。透镜40在透镜体的径向方向中的截面图中示出。衍射光栅或凸起42包括多个重复的、连续布置的棱镜形透明衍射光学元件DOE 43。DOE 43以类似于图2a所示的光栅或凸起36的环或区的方式在透镜体41的中心部分45周围的同心区中延伸。为了说明的目的，衍射光栅42的DOE 43显示为众所周知的参差不齐的或锯齿形的元件，包括连续的倾斜光接收表面44，例如线性或弯曲倾斜光接收表面44。DOE 43在透镜体41的径向方向中间隔开的两个高度之间交替的光栅或凸起被称为二元型凸起(未示出)。DOE 43的重复周期或节距从透镜的中心或光轴沿径向方向单调减小，并随着径向距离的平方而变化。
节距取决于折射率、设计波长和第一衍射级的光焦度。确定节距，使得通过透镜到第一级焦点的光程差(optical path difference，OPD)具有每个周期正好一个波长的差。为了使衍射光栅的周期性可视化，人们通常绘制衍射透镜轮廓与半径平方的关系。当如此绘制时，周期(光栅节距)是等距的，更确切地说，r2中的周期节距是|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。
在现有技术中，透镜的一侧是纯折射的，而另一侧具有叠加在折射基线上的衍射光栅。折射基线可以是例如球形的或具有某种非球形形状。添加到折射基线上的衍射图案通常可以应用于透镜两侧中的任何一侧。因此，如果衍射图案要与具有一些特殊特征的折射表面结合，如果它们被添加到同一侧，或者如果一个被添加到透镜的第一侧而另一个被添加到透镜的第二侧，则通常没有什么重要性。同时，两个衍射图案可以通过在一侧叠加或者在分开的两侧以重叠的方式相加来结合。在关于本发明的公开内容中，两个透镜结构的结合应该总是被理解为允许这两种可能性。用于特定衍射级的透镜的光焦度可通过将折射基础焦度和该衍射级的光焦度相加来计算。
穿过光栅42和透镜体41的入射或初级光束46分别被衍射和折射，并产生输出或次级光束47。由于光波47的相长干涉，折射和衍射的光波即次级光束47在透镜40的光轴48上形成多个焦点。当从透镜体41到达特定焦点的光波47之间的光程差是其波长的整数倍时，发生相长干涉，即光波是同相的，使得它们的振幅以增强的方式相加。当来自透镜体41的干涉光波47传播的光程长度差是波长的一半的奇数倍，使得一个波的波峰与另一个波的波谷相遇时，光波47部分或完全彼此消除，即光波异相，不会导致焦点在透镜体41的光轴48上。
离透镜体41不同距离处的相长干涉点通常被称为衍射级。对应于由于透镜40的曲率的折射操作而产生的焦点的焦点由零级0指示。其他焦点由+m和-m级指定，其中m是正整数值。也就是说，如果当在附图平面中观察时，相应的焦点出现在零级的左侧，即在朝向透镜体41的方向中一定距离处，则m＝+1，+2，+3等，并且如果当在附图平面中观察时，相应的焦点出现在零级的右侧，即在远离透镜体41的方向中一定距离处，则由级m＝-1、-2、-3等表示。这些如图3所示。
注意，在一些发表的文章和手册中，正衍射级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颠倒。例如，当Romero等人发表的文章中的理论像本文中一样被直接应用时，就变成了这种情况。如果没有另外指出，本描述遵循如图3所示的惯例。
衍射凸起42可以被设计成在离透镜体41不同的距离处提供焦点。DOE 43的周期性间隔或节距基本上决定了相消和相长干涉点出现在透镜光轴48上的位置，即光轴48上衍射级的位置。通过DOE 43的形状和高度，控制了在相长干涉点处，即在特定衍射级处或在特定衍射级中提供的入射光的量。
在衍射光栅或凸起42提供在零级两侧规则间隔的衍射级的情况下，该光栅或凸起被称为对称分波器或衍射光栅，因为入射光束46被衍射或分裂成相对于零级对称布置的级。产生不规则衍射级节距(例如+1、+2、-3、-5)的光栅或凸起被称为不对称衍射光栅。产生0级和+1级或0级、+1级和+2级可用级的衍射光栅的常见情况也是非对称衍射光栅。
聚焦或衍射在无助于在人眼10的视网膜14上成像的焦点或级上的光波(次级光束47)中的光能损失了，并且降低了透镜40的总效率，并且从而降低了使用这种透镜的人所感知的图像质量。实际上，为了最佳地设计透镜，如果可以预先设置用于向人眼提供或校正远距、中距和近距视觉的焦点(例如图1所示)，并且提供使得在这些预设的焦点中从入射光束46接收的光能的总效率最大化的衍射光栅42，则是有利的。
在科学文献中，通过确定产生具有最大总效率η或品质因数的目标衍射级的线性纯相位函数或相位轮廓，可以发现在预设或目标衍射级中优化光分布的总效率的衍射光栅，其中最大总效率η或品质因数被定义为所有这些目标级的归一化光能的总和。然后，可以通过调整自变量将这些衍射光栅成形为透镜，使得它们在r2空间中具有等距的周期。
本领域技术人员将理解，透镜体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和图4b示出了根据PCT/EP2019/080758的透镜和所述透镜通过将单焦点中心区与对称多焦点光栅相结合的功能。图4a以示例的方式示出了根据本公开的三焦点眼科透镜的另一个实施例的沿线性标度作为以mm为单位表示的径向距离r的函数的高度轮廓或振幅轮廓。图15a所示的眼科透镜的实施例的振幅轮廓或高度轮廓包括透镜体150的表面，该表面又包括由附图标记152表示的单焦点中心区和衍射光栅151。穿过透镜体中心的光轴被假设在径向位置r＝0，而从光轴在向外方向中测量的径向距离r沿垂直轴以mm为单位表示。如图2a和图2b所示，附图标记160指代透镜体30的前表面34的外圆周。中心区152是单焦点的，并且在该示例中被设置成具有与衍射光栅151的焦点的焦度一致的焦度。
在过渡点153处，在距光轴约0.5mm的透镜体的径向位置处，单焦点中心区的连续振幅轮廓h(r)152终止，并在衍射光栅的对称多焦点衍射光栅轮廓H(r)151中继续。在所示的实施例中，过渡点153位于透镜体的表面150。
在这个示例中，透镜的设计波长λ被假设为550nm，透镜体的折射率n被设置为1.492，并且透镜体周围介质的折射率n_m被假设为1.336。
图4b示出了图4a中透镜对于四种不同孔径大小(1mm、2mm、3mm和4.5mm)的强度模拟。假设孔径或瞳孔对应于透镜的两倍半径。能量沿垂直轴以相对比例示出，其中对于每个孔径，最大数量设置为1。计算机模拟的光强度分布假设图2a、图2b所示的类型的眼科透镜的双凸透镜体，其被设计用于瞄准20屈光度D处的零级焦点，以及分别在21.675D和18.325D处的相对于零级对称定位的用于近距和远距视觉的焦点。附图标记154指代衍射级0，提供了中间视觉的焦点，附图标记155指代18.325D处的远距视觉焦点，附图标记156指代21.675D处的近距视觉焦点。在图中可以看出，这些峰的确切位置随着孔径而略有变化，如在别处所讨论的，这种效应可以有目的地用于透镜设计中。
以这种方式构造的透镜即使对于非常小的瞳孔也能提供良好的远距。这样的设计有两个主要缺点。首先，将单焦点中心区插入衍射光栅会降低衍射效率。第二，当使用这种架构来提供全视觉(包括远距视觉、中间视觉和近距视觉)时，有必要平衡强度分布，以便为明视觉条件提供期望的强度分布，例如3mm的孔径直径。对于三焦点透镜，这通常涉及提供与其他距离相比更强的远距视觉，然而具有相对强的近距视觉和一些中间视觉。因为在衍射光栅中需要向近距视觉倾斜以补偿中心的强远距视觉，所以这种设计得到在较大的孔径处的过强的相对近距能量。
图5a示出了根据本公开工作的眼科多焦点无晶状体眼内透镜50的俯视图，并且图5b示出了透镜50的侧视图。如图2所示，与现有技术的区别在于透镜的光学器件。透镜体56具有双凸形状，包括前方表面或前表面54和后方表面或后表面55。技术人员将知道，对于一些实施例，前表面54和后表面55中的一个或两个可以是凹面或平面的，这取决于特定应用所需的折射基线。在本发明的这个应用中，根据本公开，透镜体包括外围透镜部分53和与对称多焦点衍射光栅52结合的中心透镜部分51。透镜被构造成使得对于设计波长，对称多焦点衍射光栅52的衍射级之一有助于透镜的远距视觉，对称多焦点衍射光栅的0级有助于透镜的中距视觉，而另一衍射级有助于近距视觉。在一些实施例中，对称多焦点光栅具有三个焦点，在其他实施例中，焦点的数量是更高的奇数，例如5、7或9。中心透镜部分51具有主导的主光焦度，该光焦度在中距视觉和远距视觉焦度之间。图5a和图5b示出了一种透镜，其中透镜的一侧是纯折射的，而另一侧具有叠加在折射基线上的衍射光栅。如上面关于图3所解释的，这只是一种可能的配置。例如，可以将衍射光栅分布在两侧，或者将衍射光栅叠加到平凸或平凹透镜的任一侧。当衍射图案被称为与折射表面结合时，它可以具有这两种含义中的任何一种。
用于透镜的任何部分的折射基线的形状或高度轮廓可以从单焦点透镜已知的多个连续折射轮廓中选择，例如球面的，或者基于单焦点衍射表面，或非球面的，它们是本领域中已知的单焦点透镜的最普通的已知形状。单焦点衍射表面是指前面讨论的相位匹配菲涅耳透镜。通过调整相位匹配数，可以通过衍射光学器件制造任意宽的完整单焦点区。可以在一个透镜中组合不同类型的折射表面，使得中心部分和外围部分由不同类型的折射表面组成。例如，折射或衍射表面的制造可以通过激光微加工、金刚石车削、3D打印或任何其他加工或光刻表面处理技术中的任何一种来进行。
本发明描述了一种制造透镜的方法，该方法保持了图4a中现有技术透镜的优点，并且提高了衍射效率，显著增加了人眼可用的光量。
这包括改变透镜的两个部分，透镜的中心部分，大约在1mm孔径内，和对称的多焦点衍射光栅。通过同时改变这两种结构，我们可以得到想要的特征。图6描述了透镜轮廓中心部分的一种可能的变化。
多焦点透镜的一个非常重要的特性是对于非常小的孔径，例如在1mm孔径处测量的，主导光焦度的精确位置。虽然图4a示出了透镜轮廓，其中，中心区的光焦度与对称多焦点衍射光栅的非零级之一完美地对准，但是图6a中的中心区示出了透镜的轮廓，其中单焦点中心区稍微向0级调整，用于中间视觉。与图4a以及PCT/EP2019/080758中完全一样，所谓的过渡点，如图中垂直虚线所示，围绕最靠近光轴的峰(光轴在该图像中垂直穿过所绘制的透镜轮廓的中心)。
相对于折射基线，单焦点中心区将局部负光焦度添加到透镜的中心。在现有技术中，规定该焦度应该与负责远距视觉的衍射级的绝对焦度相同。然而，单焦点中心区中的焦度的轻微偏移可以用于实现更有利的光分布。已经发现，中心区域的焦度的小幅度降低可以具有几个积极的效果。(1)当选择正确时，它提高了总衍射效率，并且在可用于眼睛的光的所有部分上提高，(2)它降低了不可用光的强度，该不可用光具有的焦度低于远距视觉的预期焦度，(3)通过加宽视觉峰，它加宽了着陆区，并且是在例如1mm孔径处选择焦度的一种方式。在某些配置中，它可以为提供远距视觉的焦点产生不对称的峰。特别是对于非常小的孔径，通过焦度向更强屈光度的轻微移动来加宽着陆区(最佳点)对于增加临床成功的机会可能是重要的。
根据这里给出的具体示例，图6b示出了四个不同孔径的模拟相对强度峰。焦度偏移减少了不需要的峰，这里出现在大约17D，并且将一些光重定向到0级(中间视觉)。负责远距视觉的峰可以在大约18.35D找到。这些特征可以与图4b进行比较，其中最有影响的变化是图6中大约17D的不需要的峰的减弱，这意味着使得更多的光对眼睛有用。
图6a中的透镜轮廓利用了与图4a中的透镜相同的衍射光栅，但是在图6a中，中心区具有绝对值小0.275D的负焦度。对称衍射光栅被构造成提供1.675D的级节距，而单焦点中心区具有被设置成向透镜的折射基线增加1.4D的负焦度的曲率。如图6b中模拟的，1mm小孔径的主导峰比预期的中距峰低1.2D，而不是与远距视觉一致的衍射级的标称焦度的1.675D。这提高了整体效率，并略微拓宽了远距视觉峰。这是一个非常重要的工具，如果使用得当，非常有用。
为这些透镜的中心部分选择了纯单焦点形状，因为对于小孔径具有非常主导的远距视觉以及对于所有较大孔径具有至少比另一个更强的远距视觉是有利的。然而，没有必要使用纯单焦点区来实现这一点。图7a、图7b和图7c举例说明了中心区的不同选择。使用中心部分和衍射光栅之间的过渡区是有利的，该过渡区位于衍射光栅的第一峰的峰附近。图7a示出了这样的透镜轮廓。图7a中的垂直虚线指出了对应于过渡区中心的过渡点。为了避免轮廓的突然变化，在非常适合远距视觉的中心部分和对称衍射光栅的第一脊部之间有平滑的过渡，对称衍射光栅的第一脊部是完全三焦点的，并被设置成稍微有利于近距视觉。这个具体的示例是以这样一种方式进行的，即在参数空间中实现两个区之间的平滑过渡，而不仅仅是在两个高度之间增加过渡。
这种不是纯单焦点的中心部分可以被构造成非球面透镜部分、修改后的球面部分或缝合在一起的几个球面部分。此外，它可以通过用于计算多焦点对称衍射光栅的衍射单元单体的相同方法来计算。本文前面讨论了制造这种单元单体的几种不同方法。如果使用后一种方法，通常有利的是制造一个强烈促进负责远距视觉的衍射焦点的单元单体，并且然后仅使用该单元单体的一部分。它越偏向远距视觉，它就可以越像纯单焦点透镜部分。在最接近透镜中心的波峰的正确位置附近，它然后被转换到具有显著不同的光分布的衍射光栅。可以注意到，对于像这样的具有1.675D的标称级间距的透镜，如在本示例中，从透镜中心开始计数的第一光栅周期将在1.62mm的孔径处结束(距中心0.81mm的距离)。这是透镜的很大一部分，并且说明了这样一个事实，即它需要仔细地构造，并且它需要不止一个特征来实现期望的光分布。在当前情况下，过渡点在1.25mm的孔径处，并且类似于图7c所示的单元单体用于中心区。这种形状非常强烈地倾向于远距视觉(这里设置成与单元单体的+1级一致)，正如在所讨论的单元单体的效率分布图中可以看到的那样。然而，没有使用两条垂直虚线之间的部分。相反，透镜的光轴大致与单元单体图像中右侧的虚线重合。透镜的中心部分大致由未在两条垂直虚线之间示出的单元单体部分组成。围绕左边的垂直线(靠近单元单体的左肩)，通过参数空间中的过渡来制造透镜数据。当然，也可以在中心区和多焦点衍射光栅之间进行突然过渡。例如图7a中示例说明的中心区基本上是单焦点的，但是具有更类似于衍射光栅的形状，这提高了透镜的总效率。这进一步提供了在1mm孔径处调谐总效率和峰的精确焦度的机会。
图7b示出了四种不同孔径的模拟相对强度峰。对称衍射光栅被构造成提供1.675D的级间距。然而，如图7b中模拟的，1mm小孔径的主导峰仅比预期中距峰低0.65D。这里，在17D处的不期望的峰明显小于图4b和图6b中的相应峰，表明图7a中的透镜具有更高的效率。这种更高的效率在模拟以及实际透镜的测量中也清楚地得到证实。然而，该图也非常清楚地说明了图7a的透镜的主要缺点：对于大孔径，高能量指向近距视觉。在4.5mm的孔径处，近距能量比中距能量高得多，并且甚至与远距能量的强度相似。来自大孔径的大部分该近距光不能被眼睛使用。所以即使衍射效率很高，大孔径的生理光效率也远低于理想值。为了解决这个问题，我们需要完全自适应的透镜。
图8示出了眼睛中的视杆细胞和视锥细胞的各自激活。由于辉度水平和瞳孔直径，视锥细胞在明视觉条件下占主导，而视杆细胞在中间视觉和暗视觉条件下占主导。
基于眼睛视网膜中视锥细胞和视杆细胞的特定响应，观察了不同照度水平(cd/m2)、明视觉(强光)、暗视觉(弱光条件)和中间视觉(中间)下眼睛功能的主要三种模式。被观察物体、背景和周围环境的亮度水平通过视网膜照度水平(光强)决定视杆细胞和视锥细胞的活动。因此，眼睛的光谱响应与其暴露的照度水平直接相关并受其影响，如图8所示。瞳孔大小是对大视场计算的等效辉度的对数(log cd/m2)的线性函数，用于从明视觉条件到中间视觉条件调适辉度(关于进一步的信息，可以参考：W.Adrian的“Spectralsensitivity of the pupillary system(瞳孔系统的光谱灵敏度)”Clin.Exp.Optom.,vol.86,no.4,pp.235–238,2003)。
瞳孔大小在获得人工晶状体眼中的功能性视觉水平方面起着重要的作用，因为眼睛不能响应于物体的接近而产生折射变化。瞳孔直径是通过确定视网膜模糊区域和景深来增加伪调节和近距视觉敏度以及阅读性能的主要预测因素(参见：E.Fonseca,P.Fiadeiro,R.Gomes,A.S.Trancon,A.Baptista和P.Serra,“Pupil function in pseudophakia:Proximal miosis behavior and optical influence(假晶状体的瞳孔功能：近端瞳孔缩小行为和光学影响)”Photonics(光子学),vol.6,no.4,2019)。
在小瞳孔直径时，衍射是主导的限制因素，而在大瞳孔大小时，像差对视网膜模糊的影响更大(参见：A.Roorda和D.R.Williams,“The arrangement of the three coneclasses in the living human eye(活人眼中三个视锥类的排列)”Nature(自然),vol.397,no.6719,pp.520–522,1999)。图9示出了作为瞳孔大小的函数的眼睛的典型点扩散函数(point spread function，PSF)。研究表明，衍射(对于小瞳孔使图像模糊)和像差(影响横向分辨率)之间的平衡在2mm和4mm瞳孔之间，这取决于个人(见A.Roorda等人“Whatcan adaptive optics do for a scanning laser ophthalmoscope ？(自适应光学对扫描激光检眼镜有什么作用？)”,Bull.Soc.Belge Ophtalmol.,no.302,pp.231–244,2006)。用于大瞳孔的像差较大是不能生理上利用导向近距视觉的光的另一个原因。
图9示出了不同眼睛和条件下的点扩散函数(point spread function，SPF)。顶行显示了没有像差的眼睛的点扩散函数。随着瞳孔大小的增加，PSF的大小减小，提供了更高分辨率的可能性。下面一行显示了具有典型像差的眼睛的点扩散函数。在这种情况下，像差，特别是对于较大的瞳孔大小，模糊了PSF。
此外，瞳孔大小是不同年龄的调节刺激位置的函数(J.F.Zapata-Díaz,H.Radhakrishnan,W.N.Charman和N.López-Gil,“Accommodation and age-dependent eyemodel based on in vivo measurements(基于体内测量的适应和年龄依赖性眼睛模型)”J.Optom.,vol.12,no.1,pp.3–13,2019)。最大瞳孔大小和年龄之间的相关性表示每10年距离瞳孔直径减少-0.23mm，因此50多岁的人表现出5.0mm的平均瞳孔，80多岁的人表现出4.1mm的平均瞳孔(E.Fonseca,P.Fiadeiro,R.Gomes,A.S.Trancon,A.Baptista和P.Serra,“Pupil function in pseudophakia:Proximal miosis behavior and opticalinfluence(假晶状体的瞳孔功能：近端瞳孔缩小行为和光学影响)”Photonics(光子学),vol.6,no.4,2019)。
瞳孔系统的扩张能力会因为眼睛的外伤情况(例如白内障手术)而降低。因此，在暗视觉、中间视觉和明视觉静态照度条件下，假晶状体眼的稀释程度低于正常眼(参见：H.K.Bhatia,S.Sharma和P.Laxminarayana,“Ophthalmology and Clinical ResearchReport ClinMed International Library(眼科和临床研究报告ClinMed国际图书馆)”pp.2–5,2015，以及A.J.Kanellopoulos,G.Asimellis和S.Georgiadou,“Digitalpupillometry and centroid shift changes after cataract surgery(白内障手术后的数字瞳孔测量和质心移位变化)”J.Cataract Refract.Surg.,vol.41,no.2,pp.408–414,2015)。与术前测量值相比，术后瞳孔直径减小了大约-0.3mm(A.J.Kanellopoulos和G.Asimellis,“Clear-cornea cataract surgery:Pupil size and shape changes,Alongwith anterior chamber volume and depth changes.A Scheimpflug imaging study(透明角膜白内障手术：瞳孔大小和形状发生变化，前房体积和深度也随之变化，舍姆弗鲁格影像学研究)”Clin.Ophthalmol.,vol.8,pp.2141–2151,2014.)
此外，测量条件会影响视网膜照度水平。大多数科学研究都是基于单眼瞳孔测量，而实际上应该针对双眼视觉来评估IOL的性能。双目动态瞳孔计是在双目条件下精确确定瞳孔大小所必需的。众所周知，光刺激比单眼视觉带来更多的瞳孔收缩，因为双眼条件下瞳孔系统的间接反射被添加到用于单眼刺激的直接反射中。
如果外科医生能够准确且可重复地确定术前瞳孔大小，他们可以预测术后瞳孔大小，从而影响白内障手术后的折射结果和随后的患者满意度。这是瞳孔定制白内障手术(pupil-customized cataract surgery，PCCS)的基础，PCCS是指通过术前评估白内障患者的瞳孔大小来预测和最大化术后视觉表现和随后的患者满意度(有关更多信息，请参见Cataract surgery:Maximizing outcomes through research(白内障手术：通过研究实现成果最大化)，H.Bissen-Miyajima,M.P.Weikert和D.D.Koch，2014年出版)。
如上所述，由于SCE，视觉系统对从瞳孔中心进入的光比对从瞳孔外围进入的光更敏感。SCE可以显著改善散焦图像质量和散焦视觉，特别是对于需要真实相位感知的任务。
这些发现可能在临床上用于评估白内障手术后的视觉性能，并且可能在IOL设计方面具有重要意义。衍射多焦点人工晶状体提供远距、中距和近距视觉。对于不同的瞳孔大小，它们之间的理想能量分布是不同的。对于小瞳孔来说，主导焦点应该是在远距视觉，其光焦度比远距视觉稍强。对于大约3mm的瞳孔大小，理想的衍射多焦点透镜应该提供强远距视觉、强近距视觉和一些中间视觉。对于大于4.5mm的瞳孔，导向近距视觉的能量不能被眼睛很好地利用。因此，应该尽可能少的额外能量被导向近距，并且对于4.5mm瞳孔，去往近距的能量应该小于中距和近距的能量。
因此，多焦点人工晶状体应该理想地在焦点之间分配光能，使得在中间视觉照度水平下，近80％的光能被导向远距视觉和近距视觉，而在暗视觉照度水平下，这近80％的光能应该理想地被分布到远距视觉和中距视觉。
图10a示出了根据本发明的透镜的示例。为了获得完全自适应的透镜，衍射光栅的强度分布应该作为距光学中心的距离的函数而变化。图10a示出了减去折射基线的透镜轮廓，其使用基本上为凹形的中心区，并且非常强烈地促进远距视觉，但是被调谐为与透镜的多焦点光栅更好地协调。在1.25mm孔径处，围绕第一峰的过渡点得到由一组不同调谐的衍射单元单体组成的对称多焦点光栅。中心部分之外的第一周期构成相对平衡的衍射光栅，其促进近距视觉多于中距和远距视觉，然后随着距光学中心的距离增加，经过几个步骤过渡到强烈促进远距视觉并且相对于远距和中距视觉特别不利于近距视觉的衍射光栅。当然是这样的情况：即使近距视觉在中心部分和大约3mm孔径之间的透镜区域中稍微有利，远距视觉对于该范围内的所有瞳孔大小都具有主导强度份额，因为远距促进中心部分。
当然，制造具有完全单焦点中心区的自适应透镜是可能的，并且通常是有用的，如图6a所示。在这样的配置中，对于所有小于过渡点的直径，自适应透镜具有严格定义的焦点。与图10中描述的透镜类型相比，使用严格单焦点中心区的自适应透镜具有稍低的总光效率，然而，具有严格单焦点中心区的透镜设计实际上已经显示出对制造和材料扰动的响应更加稳健。材料扰动可能是材料批次之间折射率的微小差异。单焦点中心区对于术后自动验光仪测量也有一些优势。由于这些原因，中心区的选择将不得不在具体问题具体分析的基础上进行。
图10b示出了四种不同孔径的模拟相对强度峰。对称衍射光栅标称地构造成提供1.675D的级间距。然而，如模拟数据所示，1mm小孔径的主导峰仅比预期中距峰低0.6D。总结图10b中的数据，我们在这里看到(1)1mm孔径处的主导焦点位于远距焦度和中距焦度(分别为18.32D和20D)之间，(2)导向近距视觉(约21.7D)的能量部分在3mm处高于任何其他所示孔径处，中距能量在(3)2mm孔径处弱于远距和近距，而(4)在4.5mm处近距强度弱于远距和中距。在2mm以上的所有孔径中，远距是最强的视觉类型。
为了制造根据本发明的自适应衍射透镜，有必要使用作为孔径的函数而变化的衍射效率。图10c、图10d和图10e示出了下面的线性光栅衍射单元单体的示例以及它们各自的衍射效率。利用标准方法从线性光栅轮廓数据计算效率。这种衍射效率的计算当然可以在任何形状的任意单元单体上进行。在这个特定的透镜中，按照所使用的惯例，它被设置成使得-1级对应于为近距视觉设置的光，0级对应于为中距视觉设置的光，而+1级对应于为远距视觉设置的光。对于这三个图中的每一个给出的总衍射效率是三个期望衍射级的衍射效率的总和。图10c示出了在图10a中标记为G1的透镜部分中使用的轮廓形状的衍射效率。近距视觉得到促进以有利于其他深度，而远距视觉和中距视觉保持相似。图10d示出了在图10a中标记为G2的透镜部分中使用的轮廓形状的衍射效率。远距视觉在这里得到促进以有利于其他深度，但是特别是分配给近距视觉的光被保持得非常低。图10e示出了在图10a中标记为G3的透镜部分中使用的轮廓形状的衍射效率。这里，分配给远距视觉和中距视觉的能量保持相对相似，而额外的近光保持非常低。对于大孔径，基本上大于4.5mm的孔径，对近距视觉提供的强度益处很小甚至没有。这里使用的光栅和/或折射形状的限制归结于不期望的效应。如下面进一步讨论的，可以构造根据本发明的自适应透镜，其具有例如外围双焦点锯齿光栅或外围部分，该外围部分具有对应于远距视觉的折射能力。这是将近距视觉的附加强度降低到基本为零的方法的两个示例。当然，它们会带来负面的光学特性，如眩光和光晕效应。
理解这些单元单体是特定的示例是很重要的。在图10a所示的透镜中，存在几个不同的单元单体。作为孔径的函数缓慢推进相对强度分布通常是有利的。可以使用衍射效率和所得能量分布与本例所示非常不同的单元单体。
图11a示出了根据本发明的另一个透镜衍射轮廓，并展示了一种改变透镜中心部分的主导焦度的额外方式。在图6a中，展示了一个透镜轮廓，其中通过改变中心区的曲率来调谐小孔径处的主导焦度。通过水平移动中心部分的中心轮廓(即，在垂直于光轴的方向中)，也可以非常仔细地调谐小孔径(例如1mm)处的主导光焦度的放置。除了这种水平移动之外，图11a中的透镜轮廓与图10a中所示的轮廓相同，直到大约2.4mm的孔径。图11b示出了四个不同孔径的模拟相对强度峰。将该模型数据与图10b中的数据进行比较是有意义的。由于图11a的轮廓中的这种相对较小的变化，1mm处的主导峰移动得离远距视觉所预期的焦度更近大约0.8D。这种布置稍微降低了整体效率，如在整个视野范围内计算的，但是它提供了更强的远距视觉。它还为非常小的孔径提供了接近预期远距焦度的主导焦度，这在某些情况下是有利的，例如对于术后测量眼睛焦度的某些方法。
图10a和图11a中的透镜轮廓之间的一个额外变化分别是，后者在大约2.4mm的孔径之外呈现出较高的衍射透镜轮廓。透镜的这一部分在这里适合于增加强度，对于非常大的孔径，该强度更强地指向远距视觉。如果希望对大孔径的近光进行更强的减弱，一种可能的设计选择是例如对于大于4.5mm的孔径利用双焦点锯齿光栅。这种双焦点锯齿光栅可以被设置为仅提供用于远距视觉和中距视觉的额外光。另一种选择是对大孔径使用单焦点锯齿结构。这样的结构将需要比多焦点光栅高得多。
还应该注意到，直到最接近透镜中心的波峰附近的中心部分和衍射光栅是可分离的，并且中心部分的小的水平移动不需要与衍射光栅的相等移动相结合。同样，衍射光栅的移动不一定与中心区的相等移动相结合。相反，相对于彼此移动中心部分和衍射光栅通常可能是有利的。具体而言，进行移动使得最靠近透镜中心的脊部比由用于良好成形透镜的公式通常预期的更薄通常可能是有利的。表述这一点的不同方式是说，通常发现将衍射光栅的中心区和第一波谷移动得比菲涅耳波带板的标准公式所预期的彼此更靠近是有利的。这种配置可以增加整体光效率，并且是构造根据本发明的透镜的可行方式。
图12a示出了根据本发明的自适应多焦点透镜的又一透镜轮廓。重要的是要理解，这里所示的轮廓小于折射基线，理解为在整个光学器件上是相同的。这种透镜轮廓的一个重要特征是，它包含纯折射部分，该纯折射部分被设置成仅提供用于远距视觉的光。在这个示例中，这个折射部分大致覆盖了5mm孔径之外的所有孔径。当计算衍射轮廓的峰间高度时，不应考虑这种折射部分。在多焦点透镜的外围具有折射部分可以是制造强自适应透镜的好方法。在这种情况下，对于大于5mm的孔径，所有光都将导向远距视觉。这可能会增加光晕效应的风险。
图12a中衍射透镜轮廓的第二个重要特征是纯单焦点中心。在这个示例中，中心区被形成为具有负焦度，该负焦度比负责远距焦度和中距焦度的级之间的标称绝对差低0.125D。中心区和对称多焦点衍射光栅之间的过渡点由1.14mm的孔径处的垂直虚线标出。对称衍射光栅以与图10a所示相对相似的方式构造。衍射光栅是面向近距视觉的，直到孔径约为2.8mm，然后随着孔径的增加，它对远距视觉的调谐越来越强，在某种程度上对中距视觉的调谐也越来越强。
图12b示出了用于四种不同孔径的模拟相对强度峰。对称衍射光栅标称地构造成提供1.675D的级间距。如模拟数据所示，用于1mm小孔径的主导峰比预期中距峰低1.4D。总结图12b中的数据，我们看到(1)1mm孔径处的主导焦点位于预期的远距焦度和中距焦度(分别为18.32D和20D)之间，(2)相对于远距强度，近距强度在3mm处比任何其他所示孔径处更强，中距强度(3)在2mm孔径处比远距和近距都弱，而(4)在4.5mm处，近距强度比远距强度和中距强度都弱。在2mm以及以上的所有孔径中，远距是最强的视觉类型。17D附近的不期望的峰大于例如图10b中所示的峰，这是由于中心区的选择。
图13a是根据该专利的透镜设计的可能目标能量分布的示意图。用于自适应衍射多焦点透镜的这种理想分布是基于本文前面对人眼工作原理的论证。该图显示对于近距、中距和远距视觉中的每个，在直到6mm的孔径处的期望能量分布。可以假设，±5个百分点内的值都在理想范围内。通常，根据本发明制造的透镜不会落入用于所有视觉类型或用于所有孔径的理想区。此外，应该注意的是，仅考虑能量分布，这展示了理想的结果。尤其是当从中间视觉瞳孔到暗视觉瞳孔时，很难完全实现近距能量与中距能量的剧烈交换。当设计根据本发明的透镜时，经常需要考虑该特定设计的外围部分的主要优先次序是否应该是正确的能量分布，或者是否应该优先考虑像差和不希望的光现象的最小化。改变大孔径能量分布的非常有效的方法包括双焦点锯齿光栅和纯单焦点区。例如，双焦点锯齿光栅可以被布置成对于大孔径仅提供用于远距视觉和中距视觉的光。如图12a所示，外围单焦点区可以被设置为仅提供用于远距视觉的光。然而，这两种结构都可能增加不希望的光现象的风险，尤其是光晕效应。
图13b示出了作为孔径函数的图10a中的混合透镜的远距、中距和近距视觉之间的模拟能量分布。这里的孔径仅仅是透镜半径的两倍。在该模拟中，远距视觉在所有孔径处都占主导，在2mm的孔径处，近距和中距视觉的能量相对相似。对于2.5mm至3mm的孔径，近距能量具有最大平台，而对于大致相同的孔径范围，中距能量具有最小平台。对于大于3.1mm的孔径，近距能量随着孔径的增大而减小，而中距能量随着孔径的增大而增大。交叉点估计接近4.5mm孔径。图表中的数据是通过首先计算衍射光栅每个周期8个孔径处的光谱构成的，总共105个不同的孔径。对于每个孔径，每个视觉的强度近似为相应视觉类型的位置中的局部最大峰。然后，使用整个周期内图表数据中的每个点使用每种视觉类型的滑动平均值绘制图表。如果仅在例如波谷或波峰处进行计算，将得到起伏较小的线。
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本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”不排除其他元件或步骤，不定冠词“a”或“an”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。相同的附图标记表示相同或等效的元件或操作。
根据本发明，提出了一种眼科多焦点透镜，其被设置成提供远距、中距和近距视觉，所述透镜具有透光透镜体，所述透光透镜体具有光轴和在透镜体的至少一部分上延伸的折射基线，所述透镜还具有与所述透光透镜体的中心区域重合、在径向方向中同心延伸的第一部分和在径向方向中同心延伸的多焦点第二部分。
根据本发明的实施例，眼科多焦点透镜的所述第二部分还包括叠加在所述折射基线上的对称多焦点衍射光栅，覆盖透镜的一部分，其形状和所产生的光强度分布相对于其到光轴的距离而变化。
根据本发明的实施例，所述眼科透镜的所述第一部分被配置为使得叠加在围绕光轴的所述折射基线上的是基本上凹形的形状，其连接到最靠近光轴的所述对称多焦点衍射光栅的脊部。
根据本发明的实施例，所述折射基线提供了与中距焦度基本重合的焦点。
根据本发明的实施例，所述眼科透镜的所述第一部分被配置为提供在远距视觉和中距视觉的预期焦度之间的主导光焦度，使得单焦点中心区具有被设置成将负焦度添加到透镜的折射基线的曲率。
根据本发明的实施例，迄今所公开的所述实施例在中心部分和衍射光栅之间提供了过渡区，所述过渡区位于衍射光栅的第一峰的峰附近。
根据本发明的实施例，所述眼科多焦点透镜被配置为对于3mm的孔径具有对于远距视觉预期的能量与对于近距视觉预期的能量的比率，所述比率低于2mm和4.5mm的孔径的该比率。
根据本发明的实施例，所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于5mm的孔径，对于近距视觉预期的能量分别弱于对于中距和远距视觉预期的能量，并且所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于3mm的孔径，中距能量弱于近距和远距能量。
根据本发明的实施例，所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于3mm孔径，远距视觉与近距视觉的调制传递函数比低于2mm和4.5mm孔径的调制传递函数比，以每毫米50线测量。
根据本发明的实施例，所述对称多焦点衍射光栅还包括波型衍射图案，所述波型衍射图案包括交替的波峰和波谷振幅值，由此所述第一部分如沿着垂直于光轴的方向测量的从与透镜的光轴重合的点直到被配置为与波峰振幅值比波谷振幅值更接近的点是凹形的。
根据本发明的实施例，中距和远距视觉的焦度差被配置为在1.5D和2.2D之间，而远距和近距视觉的焦度差被配置为在3D和4.4D之间。
根据本发明的实施例，所述第一部分包括为单焦点设置的形状。
根据本发明的实施例，所述对称多焦点衍射光栅提供多个焦点，这些焦点选自包括但不限于三个、五个、七个、九个焦点的组。
根据本发明的实施例，所述第一部分、所述第二部分或两个所述部分中的至少一个与对于设计波长基本上是单焦点的锯齿衍射光栅相结合。
根据本发明的实施例，对于大于3.5mm的孔径，透镜包括至少一个光学活性特征，所述光学活性特征来自包括但不限于不对称衍射光栅、提供除所述折射基线之外的折射能力的形状、具有奇数个焦点的对称衍射光栅，所述奇数个焦点不同于所述对称多焦点衍射光栅的焦点。
根据本发明的实施例，所述对称多焦点衍射光栅在4.5mm孔径内包括所述对称多焦点光栅的至少两个周期，其具有的关系是，对于相应的线性光栅单元单体，与远离光轴的周期相比，针对两个周期中最靠近光轴的周期的负责近距视觉的级的衍射效率至少高10％。
根据本发明的实施例，最靠近所述多焦点光栅的光轴的波峰的最高点位于离光轴0.45mm至0.73mm范围内的正常距离处。
根据本发明的实施例，与所述多焦点透镜的光轴重合的所述第一部分的点被配置为比所述多焦点透镜的中心3mm内的任何其他波谷与所述折射基线相比更低。
根据本发明的实施例，对于设计波长，所述对称多焦点衍射光栅的最大峰间高度小于全相位调制的50％，其计算为使得所述第一部分的波谷被省略。
根据本发明的实施例，当用同心1mm孔径测量时，所述透镜具有在预期远距焦度和中距焦度之间的主导焦度。
根据本发明的实施例，当用同心1mm孔径测量时，所述透镜具有比远距视觉的预期焦度强不超过1.2D的主导焦度。
根据本发明的至少一个实施例，提出了一种眼科多焦点透镜，其包括至少三个焦点，为近距、中距和远距视觉提供光。
根据本发明的至少一个实施例，通过叠加在折射基线顶部的多焦点对称光栅来提供透镜的多焦点性。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点对称光栅覆盖透镜的邻接部分，所述邻接部分可以覆盖整个光学部分，或者比所述光学部分小的部分。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点对称光栅在作为到光轴的距离的函数的形状和强度分布方面不同。
根据本发明的至少一个实施例，所述透镜具有中心区，所述中心区提供比所述透镜的预期远距焦度强不到1.2D的焦度的主导峰。
根据本发明的至少一个实施例，所述中心区域是小于基线曲率的凹形，其在过渡点处被连接到多焦点衍射光栅。
根据本发明的至少一个实施例，对于3mm孔径，远距能量与近距能量的比率低于2mm孔径以及4.5mm孔径。
根据本发明的至少一个实施例，对于3mm孔径，中距能量比远距和近距视觉的能量都弱。
根据本发明的至少一个实施例，对于1.5mm至6mm之间的孔径，远距视觉的调制传递函数(MTF)比近距视觉的调制传递函数(MTF)高至少35％，并且比在每毫米50和100个线处测量的中距视觉的调制传递函数(MTF)高至少20％。
根据本发明的至少一个实施例，3mm孔径的远距-近距MTF比低于2mm以及4.5mm的孔径。
根据本发明的至少一个实施例，所述衍射光栅包括具有交替的波峰和波谷振幅值的波型衍射图案，所述过渡点位于比所述衍射光栅的波谷振幅值更接近波峰振幅值的位置。
根据本发明的至少一个实施例，用于中距的附加焦度值为1.5D至2.2D，并且用于近距焦点的附加焦度值在3D至4.4D之间。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点对称衍射光栅的每个周期的波谷与折射基线对齐。
根据本发明的至少一个实施例，所述中心区域包括单焦点区。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点透镜是三焦点透镜，并因此所述多焦点对称光栅提供三个焦点。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点对称光栅提供从包括但不限于四个、五个、七个、九个焦点的组中选择的多个焦点。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点对称光栅包括至少两个衍射单元，这两个衍射单元单体具有彼此显著不同的形状。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点对称光栅包括至少第一和第二部分，其中用于负责近距视觉的级的衍射效率在第一部分中比在第二部分中高至少30％。
根据本发明的至少一个实施例，所述中心区具有的直径在0.9mm至1.4mm之间。
根据本发明的至少一个实施例，所述多焦点对称光栅的最大峰间高度小于全相位调制的80％，并且优选小于全相位调制的50％。
根据本发明的至少一个实施例，所述中心区之外的衍射光栅被放置得比衍射透镜更靠近中心区，所述衍射透镜遵循良好成形的菲涅耳透镜的节距。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，特别是接触透镜或人工晶状体，所述透镜具有透光透镜体，所述透光透镜体具有光轴和在所述透镜体的至少一部分上延伸的折射基线，所述透镜还具有与所述透光透镜体的中心区域重合、在径向方向中同心延伸的第一部分和在径向方向中同心延伸的多焦点第二部分，其特征在于
所述眼科多焦点透镜的所述第二部分还包括叠加位于所述折射基线上的对称多焦点衍射光栅，覆盖所述透镜的一部分，其形状和所产生的光强度分布随其相对于所述光轴的距离而变化，所述对称多焦点光栅至少包括有助于远距视觉的一个衍射级和有助于近距视觉的一个衍射级，
叠加在所述折射基线上的所述对称多焦点衍射光栅的0级基本上与所述折射基线的焦度以及所述透镜的预期中距焦度重合，
所述眼科透镜的所述第一部分被配置为使得围绕所述光轴叠加位于所述折射基线上的基本上为凹形，连接到最靠近所述光轴的所述对称多焦点衍射光栅的脊部，
所述折射基线提供了与所述中距焦度基本上重合的焦点，以及；
所述眼科透镜的所述第一部分被配置为提供在远距视觉的预期焦度和中距视觉的预期焦度之间的主导光焦度。
2.根据权利要求1所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于5毫米的孔径，预期用于近距视觉的能量分别比用于中距视觉和远距视觉的能量弱，以及所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于3毫米的孔径，中距能量分别比所述近距能量和远距能量弱；以及所述眼科多焦点透镜被配置为使得具有预期用于远距视觉的能量与预期用于近距视觉的能量的比率，所述比率对于3mm的孔径低于对于2mm和4.5mm的孔径的该比率。
3.根据权利要求1和2所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于3mm孔径，远距视觉与近距视觉的调制传递函数比低于2mm和4.5mm孔径的调制传递函数比，这是以每毫米50线测量的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述对称多焦点衍射光栅还包括波型衍射图案，所述波型衍射图案包括交替的波峰和波谷振幅值，由此所述第一部分从与所述透镜的光轴重合的点凹入，并且直到被配置为沿垂直于所述光轴的方向测量时比波谷振幅值更接近波峰振幅值的点。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，中距视觉和远距视觉的焦度差被配置为在1.5D和2.2D之间，而远距视觉和近距视觉的焦度差被配置为在3D和4.4D之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设置为提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述第一部分包括被设置为单焦点的形状。
7.根据权利要求1至6所述的设置为提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述对称多焦点衍射光栅提供多个焦点，所述多个焦点选自包括但不限于三个、五个、七个、九个焦点的组。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述第一部分、所述第二部分或两个所述部分中的至少一个与锯齿衍射光栅相结合，所述锯齿衍射光栅对于设计波长基本上是单焦点的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，对于大于3.5mm的孔径，所述透镜包括至少一个光学活性特征，所述光学活性特征来自包括但不限于以下的组：不对称衍射光栅、提供不同于所述折射基线的焦度的形状、具有与所述对称多焦点衍射光栅不同的奇数个焦点的对称衍射光栅。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述对称多焦点衍射光栅在所述4.5mm孔径内包括所述对称多焦点光栅的至少两个周期，所述对称多焦点光栅具有这样的关系，即对于相应的线性光栅单元单体，与离所述光轴更远的周期相比，针对所述两个周期中最靠近所述光轴的周期的负责近距视觉的级的衍射效率至少高10％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，相对于所述折射基线，最靠近所述多焦点光栅的所述光轴的波峰的最高点位于离所述光轴在0.47mm至0.75mm的范围内的正常距离处。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，与所述多焦点透镜的所述光轴重合的所述第一部分的点被配置为与所述折射基线相比低于所述多焦点透镜的中心3mm内的任何其他波谷。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，对于设计波长，所述对称多焦点衍射光栅的最大峰间高度小于全相位调制的50％，被计算成使得所述第一部分的波谷被省略。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，当用同心1mm孔径测量时，所述透镜具有在预期远距焦度和中距焦度之间的主导焦度。
15.根据权利要求14所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，当用同心1mm孔径测量时，所述透镜具有的主导焦度比用于远距视觉的预期焦度强至少0.2D，但不超过1.2D。

Claims (15)

1.一种设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，所述透镜具有透光透镜体，所述透光透镜体具有光轴和在所述透镜体的至少一部分上延伸的折射基线，所述透镜还具有与所述透光透镜体的中心区域重合、在径向方向中同心延伸的第一部分和在径向方向中同心延伸的多焦点第二部分，其特征在于
所述眼科多焦点透镜的所述第二部分还包括叠加位于所述折射基线上的对称多焦点衍射光栅，覆盖所述透镜的一部分，其形状和所产生的光强度分布随其相对于所述光轴的距离而变化，
所述眼科透镜的所述第一部分被配置为使得围绕所述光轴叠加位于所述折射基线上的基本上为凹形，连接到最靠近所述光轴的所述对称多焦点衍射光栅的脊部，
所述折射基线提供了与所述中距焦度基本上重合的焦点，以及；
所述眼科透镜的所述第一部分被配置为提供在远距视觉的预期焦度和中距视觉的预期焦度之间的主导光焦度。
2.根据权利要求1所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于5毫米的孔径，预期用于近距视觉的能量分别比用于中距视觉和远距视觉的能量弱，以及所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于3毫米的孔径，中距能量分别比所述近距能量和远距能量弱；以及所述眼科多焦点透镜被配置为使得具有预期用于远距视觉的能量与预期用于近距视觉的能量的比率，所述比率对于3mm的孔径低于对于2mm和4.5mm的孔径的该比率。
3.根据权利要求1和2所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述眼科多焦点透镜被配置为使得对于3mm孔径，远距视觉与近距视觉的调制传递函数比低于2mm和4.5mm孔径的调制传递函数比，这是以每毫米50线测量的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述对称多焦点衍射光栅还包括波型衍射图案，所述波型衍射图案包括交替的波峰和波谷振幅值，由此所述第一部分从与所述透镜的光轴重合的点凹入，并且直到被配置为沿垂直于所述光轴的方向测量时比波谷振幅值更接近波峰振幅值的点。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，中距视觉和远距视觉的焦度差被配置为在1.5D和2.2D之间，而远距视觉和近距视觉的焦度差被配置为在3D和4.4D之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设置为提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述第一部分包括被设置为单焦点的形状。
7.根据权利要求1至6所述的设置为提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述对称多焦点衍射光栅提供多个焦点，所述多个焦点选自包括但不限于三个、五个、七个、九个焦点的组。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述第一部分、所述第二部分或两个所述部分中的至少一个与锯齿衍射光栅相结合，所述锯齿衍射光栅对于设计波长基本上是单焦点的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，对于大于3.5mm的孔径，所述透镜包括至少一个光学活性特征，所述光学活性特征来自包括但不限于以下的组：不对称衍射光栅、提供不同于所述折射基线的焦度的形状、具有与所述对称多焦点衍射光栅不同的奇数个焦点的对称衍射光栅。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，所述对称多焦点衍射光栅在所述4.5mm孔径内包括所述对称多焦点光栅的至少两个周期，所述对称多焦点光栅具有这样的关系，即对于相应的线性光栅单元单体，与离所述光轴更远的周期相比，针对所述两个周期中最靠近所述光轴的周期的负责近距视觉的级的衍射效率至少高10％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，相对于所述折射基线，最靠近所述多焦点光栅的所述光轴的波峰的最高点位于离所述光轴在0.47mm至0.75mm的范围内的正常距离处。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，与所述多焦点透镜的所述光轴重合的所述第一部分的点被配置为与所述折射基线相比低于所述多焦点透镜的中心3mm内的任何其他波谷。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，对于设计波长，所述对称多焦点衍射光栅的最大峰间高度小于全相位调制的50％，被计算成使得所述第一部分的波谷被省略。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，当用同心1mm孔径测量时，所述透镜具有在预期远距焦度和中距焦度之间的主导焦度。
15.根据权利要求14所述的设置成提供远距视觉、中距视觉和近距视觉的眼科多焦点透镜，其特征在于，当用同心1mm孔径测量时，所述透镜具有的主导焦度比用于远距视觉的预期焦度强至少0.2D，但不超过1.2D。
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