CN1303452C - 宽视角球面透镜和保护眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有宽视角、低畸变、需要时可以改进的散光纠正和增强的眼睛保护特性的新型眼科透镜组件(402，404)和眼镜(400)。透镜组件系列具有陡峭弯曲的球形参考表面。切边的透镜系列在通常的处方范围内具有大致恒定的开口大小、形状和空心深度。新型太阳镜、激光保护眼镜和透镜边缘、镀膜以及框架都包括在本发明中。

Description

宽视角球面透镜和保护眼镜

技术领域

本发明涉及改进的眼科透镜组件和眼镜，其中包括处方透镜(prescription lenses)、眼镜、太阳镜、激光保护眼镜，所以也包括镜框、镀膜和切边。

背景技术

大多数传统处方透镜具有相对平坦的基线(base curve)。由于边缘畸变和/或物理尺寸的限制，这些透镜提供了有限的视角。它们相对平坦的形状限制了透镜所能提供的眼睛保护，尤其是靠近太阳穴的部分。

人们发展了环形的眼镜以提供更宽的视角和更多的眼睛保护。环形设计还允许实现不同的甚至鲜明的样式。然而，环形眼镜是典型非处方的(non-prescription)。这些产品的典型的平坦基线在6到10D之间。其环形形状(有时是耙形形状)是通过在佩戴方向旋转和/或平移透镜的光轴来实现的。例如参见属于Rayton的美国专利No.1,741,536；属于Houston等人的美国专利No.5,689,323。这导致了佩戴者的视线偏离光轴，光学性能则会大打折扣。边缘部分的视觉效果通常很差。

在眼科发展史的早期，陡峭弯曲的处方透镜已经被描述过，尽管在这种描述中它并不是为提供大视场或眼睛保护而出现的。曲率(curvature)和透过屈光度(through power)的关系用所谓的“Tscherning’s”椭圆来表示。第一例这样的描述出现在近100年前，它试图确定能够得到最小像差的透镜曲率和透镜屈光度之间的组合。图1显示了Tscherning椭圆的一般形状。图1是在假定透镜典型参数值的情况下得到的，这些典型参数有折射率、顶点距离、透镜厚度等。该Tscherning椭圆对于不同的透镜参数假定值而言，椭圆形状和倾斜方向是不变的，但椭圆上点的精确位置可能发生改变。图1中的椭圆是通过从修正的von Rohr方程(在Morgan之后)推导点聚焦(零像散)的距离而得到的。

椭圆的下半部分10是所谓的“Ostwalt部分”，该部分描述了一个相对平坦的前表面选择，所述前表面用于实现典型传统处方眼科透镜的屈光度(power)。曲线的上半部分12被称作“Wollaston部分”，它描述了曲率要大得多的透镜，该种透镜从来没有被接受为透镜类型，尽管在历史上曾经有过实现这一目标的尝试(Wollaston本人)。参见M.Jalie，The Principles of Ophthalmic Lenses p，464(4^th Ed.London，1994)。由于制造上的困难，早期的该种透镜只有可能是小开口的，所以它的不被接受可能就是因为美观的原因和有限的视场。

具有陡峭弯曲球形前表面的现代透镜已经被制造以用于对缺少晶状体(如在外科摘除手术的情况下缺少眼睛中的天然透镜)的治疗。图2表示了这种透镜的一般形状。参见M.Jalie p.151。这种透镜本质上是作为一个眼睛中透镜的替代物，该透镜特征在于大的厚度和高的正屈光度(高于+5D，典型值在+12D或更高)。这种透镜的开口A的尺寸很小，例如直径是26或28mm。典型的缺少晶状体时使用的该种透镜带有一个平面径向边缘14。

今天，绝大多数传统处方透镜是相对平坦的、单视场的，属于Ostwalt部分的，弯月形透镜，它就像被装在平坦的眼镜框外轮廓里的玻璃窗。

传统的Ostwalt部分的眼镜有时被覆盖、处理或镀膜以提供特殊的反射或抗反射特性。最为熟知的是太阳镜，它提供能够选择性地阻挡部分入射光谱的膜层。有些这种透镜被设计用来产生观察者所喜欢的颜色，这是通过选择性的选择或吸收入射光谱来实现的。这种膜层可以包括金属反射镜层和/或多层真空蒸发或溅射涂敷的金属氧化物。例如，属于Aüwrter的美国专利No.2758510所公开了太阳镜的镀膜。作为另一个例子，属于Geller的美国专利No.4070097公开了某种多层抗反射膜。还可参见美国专利No.5719705和No.5959518。传统的Ostwalt部分有时也被特别地镀膜用来保护佩戴者以防止强紫外线或红外辐射或激光束。

发明内容

申请者已经研究过陡峭弯曲透镜的特性，并且认为一个系列的透镜一般具有处方的正或负的透过屈光度。申请者观察到这种透镜在原理上能够提供宽视场和眼睛保护。然而，某些问题干扰了这种宽视角透镜的实现。一般来说，存在制造和变形的问题，并且，要求生产一定范围内的有共同正或负屈光度的带有或不带有共同散光纠正或“cyl”处方的透镜，也是一个问题。

一个更微妙的问题在于前表面屈光度的宽范围，需要其能够提供一个共同处方屈光度的范围。例如，对于图1中关于透镜的设定，Wallaston部分就被理解成：为了实现产品透过屈光度在+5D到-8D的范围，前表面的屈光度变化范围就是从大约15D到大约20D。这对应于前表面的曲率半径范围应该是从大约29到大约39mm，这表示透镜的总体尺寸和形状会有较大的变化以实现足够大的能够提供宽视角的透镜。这种透镜不能够像安装窗子一样安装于单个框架尺寸内，事实上，每个处方自身都会要求它自己专门的框架尺寸和样式。这样独特的样式是有其价值的，但它们与提供统一外形的大量眼镜商品是不相容的。

本发明的一个总的目标在于提供具有优良视觉特性的眼科透镜。

本发明的另一个目标在于提供一个易于制造和销售的陡峭弯曲透镜系列。

本发明的另一个目标在于提供一个由于宽视角而具有优良视觉特性的眼科透镜。

本发明的另一个目标在于提供一个在边缘区域减小了畸变的陡峭弯曲透镜。

本发明的另一个目标在于提供能够给出更多有效的眼镜保护的眼镜。

本发明的另一个目标在于提供具有共同屈光度和散光处方的陡峭弯曲透镜。

本发明的另一个目标在于提供对于一定范围的处方具有统一外形和框架结构的使用陡峭弯曲处方透镜的眼镜。

其它一些优点将通过对本发明的讲述而被理解。增大的视角可以使眼镜现实存在的边缘对佩戴者来说是不可见的(表观无边缘)。本发明还可以减小某些陡峭弯曲透镜中的放大效应以及相关的畸变。

其它优点包括向眼镜设计者提供在多种处方下具有优良边缘视觉特性的透镜的选择，这种选择是迄今为止所不能得到的。这包括使用小边框透镜的能力，从布局和美观角度都很吸引人的三维弯曲透镜边缘和眼睛边框，以及在视觉上更加容易隐藏的边缘厚度和表面。

其它优点包括提供新型的能够提供所需美观特性和一定的反射及抗反射特性的太阳镜和保护眼镜。

这些和其它的目标与优点将会从下文以及附图的说明中变得明了。

一般来说，本发明涉及眼镜，所以也就涉及眼科透镜组件。根据本文，眼科透镜组件可以包括完成的或切边的眼科透镜，半完成的透镜，所以也包括透镜模或模子。另外还包括用来形成层状透镜或透镜模的薄片。

图3是本发明的示例，它表示了本发明中陡峭弯曲共心透镜的一些几何特征。图3表示一个左眼和右眼(分别是20和22)的水平截面图。每个眼睛具有一个旋转中心，24和26。旋转中心可以被理解为眼球内的一部分体积，它具有大约为1-2mm的直径C_D，当注视方向改变时眼睛呈现出绕该旋转中心旋转的运动。如图3所示，左右陡峭弯曲透镜28和30被置于眼睛附近。在图中，每个透镜的光轴是和每个眼睛的视线共线的，这一点在每个眼睛中分别用线32和34表示。这些线也代表了下文为了描述透镜表面而采用的坐标系的z轴(x-y平面垂直于图所在平面)。

透镜28和30一般能够被描述成球形的或球基的。在优选实施例中，前表面是球形的，对于系列中所有处方值其具有小于35mm的固定半径。在另一个实施例中，透镜最好被描述成具有球形的后表面，这就像包括一个参考球或像置于一个固定的球壳之中。在每一种情况中，参考球或壳的半径以及透镜的佩戴时的位置都使得参考球或壳的球心落在眼睛旋转中心的附近区域或旋转中心的内部。图3中的左眼表示了前表面是半径为R的球形且球心位于左眼旋转中心的情况。

对于给定半径且球心位于眼睛旋转中心内或附近的球基的选择限制了顶点距离d_v，该距离表现在图3中的左眼就是瞳孔36所在平面与透镜后表面38之间的距离。下文将详细描述前表面半径和后表面的形状，以及与之相应的其它设计参数，诸如透镜厚度、决定透镜光学特性的透镜材料的折射率。

申请者已经发现本发明的透镜设计可以用图4所示类型的数据阵列来分析和描述。该图根据发明者中两位的名字而被称作”Morris-Spratt”图。

在图中，每点都位于理论光线轨迹图的中心，该理论光线轨迹图来自于在每点中心具有格点特性的透镜。右端“y”轴给出了以屈光度(diopter)为单位的透镜前表面的屈光度(折射率取n＝1.530的规范值)。底部“x”轴表示透镜中心的透过屈光度。这对应于透镜正或负的屈光度处方。对此图而言，每个透镜都假定是以聚碳酸酯为材料的(n＝1.586)，而且对于负屈光度透镜，其中心厚度为1.8mm，而对于正屈光度透镜，其中心厚度由每个处方单独决定，这样在直径为58mm的透镜模中边缘总体透镜厚度的最小值为1mm。每个透镜位于使其前表面距眼睛旋转中心33.1mm的位置，这里透镜是与旋转中心共心的并且具有16.0diopter的前表面屈光度。

在每个格点上表示有由于眼睛转至40度而产生的光线轨迹。每个格点上的暗区表示了每个相对处方具有小于0.125diopters的均方根屈光度误差的且允许至多0.375diopters的调节范围的透镜。均方根屈光度误差将在下文给于数学定义。该标准被确信是衡量透镜表现的一个很好的标志。

图4中完全填充的圆代表当眼睛在各方向转动40度时具有小于0.125diopters的均方根屈光度误差的透镜。对于那些用环包围的点而言，均方根屈光度误差在某些中间眼睛转动角度时升至0.125diopters以上，然后又在一些小角度区域落回阈值以下。

那些局部上最大的点的椭圆形外轮廓大体上对应于一个Tcherning’s椭圆，该椭圆是根据申请者所选择的特别的透镜参数而产生的。传统的观点断言球形透镜(具有球形前表面和后表面的透镜)的前表面必须遵循Tcherning’s椭圆以获得高质量透镜。然而，Morris-Spratt图表明，对于适当选择的透镜参数，图中存在一个几乎水平的区域可以用来制造高质量的透镜。人们知道可以在很宽的前表面曲率范围内制造具有高光学质量的平面球形透镜(零透过屈光度附近的大尺寸点组成的竖直线说明了这一点)。许多这样的透镜在现在的市场上都可以得到。Morris-Spratt图所展示的新思想在于，可以利用单个陡峭弯曲前表面或球形参考表面或球壳，通过适当选择透镜参数来制造一定处方范围内的高质量的球形透镜。值得注意的是对于使用了屈光度为16diopter(行号40的格点)的前表面的透镜，至少在-6到+4diopter的范围内，它的低均方根屈光度误差区域具有很宽的角度范围(几乎为全的或全周的)。所有处方中超过95％都落在这个范围内。所以，可以在一个宽范围的处方内，利用单个、适当选择的高屈光度前表面或弧线，制造出高质量的眼科球形透镜。此外，正如图4所明示的，会出现相对单个屈光度或精确同心度的一些微小偏差，但仍然能够提供优良的透镜质量和足够的透镜形状一致性从而能够使用同一个框架样式。

图5表示了本发明优选实施例的一系列具有高光学质量的透镜。再此实施例中，前表面被选择为大约16±大约1/2D。这一范围落在水平线50和52之间。特别地，优选实施例提供了一系列透镜，所述透镜处于-2D到+2D(区域54)，-6D到+4D(区域54和56)，或-8D到+5D(区域54、56和58)范围内的处方。

为了达到对比的目的，对于此特定情况的Tscherning椭圆60的Wollaston部分被叠加在图5上。该图表示了水平块所表示的前表面曲率和透过屈光度范围与Tscherning椭圆所说的是不吻合的，根据Tscherning椭圆，-8D到+5D的透过屈光度应该对应5D的前表面变化，而且在透过屈光度范围的中央应该有一个很陡的曲线。

本发明的优选实施例包括一系列透镜组件，这些透镜组件由和佩戴者眼镜的旋转中心共心的单个参考球定义，此处球的曲率半径在25到50mm的范围内，更建议在30到35mm的范围内，最佳推荐值为大约33mm±大约1mm。

有利的是这一系列的透镜组件提供了合适处方的屈光度和cyl纠正。在前表面为球形的实施例中，后表面被配置为提供合适的屈光度以及cyl纠正。在一个优选实施例中，一个系列的透镜组件会包括上述透过屈光度范围且增量为1/4D。可以提供带有每种通常散光处方的每个屈光度的透镜组件，例如以1/4为增量从0D到-2D。将会被理解的是，因为透镜组件的球对称性，cyl纠正的角度可以通过在磨边和装配时的适当旋转而得到选择。

传统的散光纠正是基于复曲面(toroid surfaces)的，该复曲面经常用主子午线(principle meridia)描述，也就是位于透镜光轴中央代表最大和最小曲率位置的正交子午线(orthogonal meridia)。桶形复曲面和环形复曲面都曾被用来提供cyl纠正。正如下面所要讲述的，申请者已经发展了新的用于陡峭弯曲透镜的散光纠正面，此纠正面可以被描述成位于拥有相同的主子午线以及沿主子午线相同屈光度的桶形复曲面和环形复曲面之间。这两种曲面是下面详细讲述的“完全圆形子午线”表面和“平均复曲面”表面。

现在将要描述本发明透镜的形状。本文中所用的名词“陡峭曲率”是用来描述透镜或参考球或壳的总体形状。在具体例子中，曲率可以被量化成位于透镜内或外的或包含透镜表面的曲面或球壳的平均曲率半径。

本发明透镜的一般形状的特征也在于它们的大视角，这通常表示成光轴和最靠近太阳穴的边缘或最靠近鼻子的边缘之间的角度。对应于本发明的优选实施例，透镜以前球形表面的中央为中心张开一个角度，该角度大于80°，在优选实施例中大于100°。因为透镜在这些边缘区域在光学上是可用的，当然就可以理解这些角度是透镜视角的一个表现。

本发明中透镜的独特布局形状的特征可以认为在于它的径向深度或“空心”深度，这一般是透镜和透镜边缘三维程度的一个量度。如下文所述，这些深度涉及额平行平面和最靠近太阳穴边缘点的距离。对应于本发明的优选实施例，具有不超过50mm的平均半径的、球心位于眼睛旋转中心的且空心深度至少有8mm的透镜是存在的。在一个特别优选实施例中，前表面的半径是大约33mm±大约1mm，空心深度至少有10mm。

本发明还包括提供处方眼镜(prescription eyewear)的方法。这些方法采用了具有陡峭曲率的透镜组件。优选实施例采用位于厚度不超过2mm且半径不超过50mm的球壳内的一个前表面。一个后表面形成于透镜中以使得透镜组件具有一个处方的透过屈光度和一个处方的散光纠正。透镜组件相对于佩戴者的位置使得球壳的球心落在或靠近眼睛的旋转中心，这是通过把透镜安装入一个具有和球壳半径相对应的标准窗口的框架内实现的，该球壳是具有不同透过屈光度、包括制定屈光度的透镜组件所共有的。该眼镜在佩戴者的整个固定视角内提供了处方的屈光度和散光纠正。

本发明还包括特殊设计的眼镜框架。在一个优选实施例中，眼镜框架适合用于一系列眼科透镜，每个透镜具有一个单一半径为25到35mm的球形表面，以及一个被选择来与球形表面配合提供多种通用处方的第二表面。在优选实施例中，框架被调整以在佩戴者身上支撑左和右透镜，使得球形表面的球心分别落在或接近左眼和右眼的旋转中心。眼镜框架可以包括太阳穴零件和联系左右透镜的边缘部分。联系每个透镜的边缘部分可以具有这样的形状：一个位于参考球上的具有和所述球形表面半径大致相等的半径的闭合弧线。在这样的眼镜框架中，闭合弧线上最靠近鼻子的点和最靠近太阳穴的点可以关于球形表面的中心定点张开一段大于90°的弧线。

该眼镜框架可能包括一个左太阳穴零件，一个右太阳穴零件和一个鼻桥。在一个优选实施例中，鼻桥的长度是可调节的，它允许了透镜距离的水平调节以使得球形表面的球心位于眼睛的旋转中心。在其他的实施例中，无边缘框架也随同附件和支撑太阳穴零件的铰接一起提供，铰接可以调整以实现对位于各个透镜的靠近太阳穴边缘的参考球形表面直接连接。

本发明也包括新型透镜边框，该边框可用于陡峭曲率透镜，尤其是那些具有至少一个曲率半径在31mm到33mm之间的球形表面的透镜。

在这种情况下，透镜的边缘可以几乎与透镜的球形表面垂直。用这种透镜制成的眼镜可以是无边缘的，而且边缘面对佩戴者来说本质上是看不见的，这是因为当佩戴者向一个方向注视时，边缘面近似位于佩戴者的视线上。此外，对外界观察者来讲边缘的可见性也被减小了。这种边缘可以用一个绕着和球形表面中心相接的轴旋转的磨机来产生。在优选实施例中，边缘面被切割以使得它关于球形表面的弧线中心张开一个小弧线，该弧线位于包括透镜光轴的任意平面内。

本发明还包括制造适于装配眼镜陡峭曲率透镜组件的方法。该方法可能包括制造一个具有一个曲率半径的透镜模，其曲率半径相应于在它的前表面的部分内主子午线小于35mm的情况。在磨具制作之后，后表面在透镜模上被切割出来，这些和前表面一起提供了一个非零的处方透过屈光度。最后，透镜模被切边以提供一个具有最大空心深度至少在8mm的切边的透镜。切割了的后表面和前表面一起可以被设计来向佩戴者提供一个非零的散光纠正。

在一个实施例中，透镜模的前部被加有渐进的附加表面屈光度。作为选择，渐进的附加表面屈光度也可以加在透镜模中的后表面切割上。

本发明的其它方面涉及陡峭弯曲的太阳镜，比如上述具有球形光学表面的半径小于35mm的透镜。该太阳镜制造是采用了将本发明的陡峭曲率透镜镀膜和/或染色的方法。在一个优选实施例中，一个光学表面(例如前表面)可以被镀上部分反射介质膜组，这在特别优选实施例中一般是蓝色。表面镀膜可能是由折射率高和折射率低的层交错出现而组成的利用溅射沉积的多层膜。尤其是由硅和氧化锆层组成的膜组可以形成表面镀膜，其中至少有一层氧化锆的厚度超过10nm。膜层的设计使得它的反射率在入射光波长超过大约480nm时开始下降并且一直保持相对低的值一直到近红外区。

本发明还涉及包括具有球形表面的左和右透镜的保护眼镜。每个球形表面建议具有在大约31mm和35mm之间的曲率半径。框架在佩戴者的脸部支持着透镜以使得左右透镜的球形表面的球心大致分别位于左右眼的旋转中心。

多层镀膜可以形成于每个透镜上，用以部分阻挡入射在透镜上的辐射到达眼睛。这些膜层具有经过选择的折射率和厚度用于至少阻挡至少一个选定的入射辐射光谱的部分。在太阳镜透镜的实施例中，紫外光可以至少被部分的阻挡。对激光辐射的保护也可以通过工业或军事装备中的眼镜来提供。在该情况下，镀膜和/或染色被用来阻挡一个选定光谱范围内的激光。特别的，红外激光辐射至少可以被部分阻挡。入射激光辐射被充分的阻挡以使它的功率水平降到一个安全值。偏轴的入射辐射被膜层组所阻挡，被染的颜色所吸收，并且/或具有一个不能到达视网膜的光路径。

在本发明的保护眼镜实施例中，有这样的优点：每个透镜从眼窝区域的鼻缘延伸至眼窝区域的太阳穴边缘，并且从眼窝区域的下边缘延伸到上边缘，这样就可以阻挡住来自各方向可能到达视网膜的辐射，同时又提供给佩戴者一个宽广的视角。

前面所述内容只是作为本发明的一个概述，本发明的范围将由权利要求书中以及关于它的等价内容的严格语言来决定。

附图说明

图1是一个Tscherning椭圆图；

图2是一个现有技术的截面图，高正屈光度“rotoid”透镜；

图3是一对人眼的顶视截面图，其中透镜是根据本发明的优选实施例来配置的；

图4是一个描述了对应于本发明所说的系列透镜特性的Morris-Spratt图；

图5是一个关于前表面曲率和根据本发明选择的透过屈光度的关系图，该图还在其上叠加有在此特定情况下的Tscherning椭圆的一部分；

图6(a)，(b)和(c)，7，8和9表示了本发明实施例中的透镜组件几何特征的多个方面；

图10(a)，10(b)，10(c)和10(d)对传统6D透镜例子和本发明的透镜和透镜组件的视角进行了比较；

图11(a)和(b)示出了当加在具有图11(c)所示主子午线的陡峭弯曲球形透镜上时，传统环形和桶形复曲面的表面散光；

图12(a)-(d)是切向和径向表面屈光度作为图11中环形和桶形复曲面的极角的函数时的图；

图13(a)，13(b)，14(a)和14(b)是切向和径向表面屈光度作为本发明中全圆形子午线和平均复曲面表面的极角的函数时的图；

图15和16利用了本发明的透镜组件表面的表面散光等值曲线图；

图17(a)，(b)和(c)表示了一个目标网格和它的像；

图18是一个可以被用来制造本发明实施例中透镜组件的一个模具的截面图；

图19(a)，19(b)，19(c)，19(d)，19(e)和19(f)包括了这些图：均方根屈光度误差、畸变、对三个传统低弯曲透镜以及三个根据本发明的陡峭弯曲透镜组件的的光线网格计算；

图20(a)和20(b)包括了这些图：均方根屈光度误差、畸变和对具有传统后复曲面的陡峭弯曲透镜以及对全圆形子午线后表面的光线网格计算；

图21和22是比较了传统6D渐进透镜和一个根据本发明的16D渐进透镜的等值曲线图；

图23，24，25和25(a)表示了本发明的透镜组件和所用的眼镜框架的外观、切边、装配方面；

图26时本发明眼镜实施例的一个平面图；

图26(a)是一个显示了一个附件、铰链和切边透镜结构的图26中实施例的详细示图；

图27(a)-(d)表示了应用于本发明优选实施例中的多个透镜边缘表面；

图28是一个表示了边缘厚度的本发明切边透镜的示意图；

图29(a)-(c)表示了多种透镜切边技术；并且

图30(a)，(b)和(c)是多个透镜在有入射光线射到它们前表面时的截面图；

图31和32是对于多种表示本发明特征的镀膜，其反射率对入射光波长关系图；并且

图33和34是本发明优选实施例中带阻滤波器例子的光学密度图的一个示例。

具体实施方式

概要

I.透镜基本几何结构。

II.散光纠正。

III.放大和畸变的减轻。

IV.透镜制造。

V.透镜设计示例的计算所得特性。

VI.装配完的透镜和眼镜框架。

VII.镀膜、太阳透镜和保护眼镜

I.透镜基本几何结构

首先将讨论根据于本发明而制作的透镜的基本几何结构。图6(a)，6(b)和6(c)分别表示了根据本发明切边后的透镜100的前视、侧视和顶视图。图6(a)中的原点102是透镜的光学中心所在，也是佩戴时瞳孔的设计中心所在。切边透镜的外轮廓104表示于图6(a)中的前视透视图。图6(b)中表示透镜的太阳穴边缘106和鼻边缘108。图6(c)表示透镜的上边缘110和下边缘112。在图6的透镜实施例中，透镜的前表面是一个陡峭球形弯曲，它的最右边用线114表示。

本发明实施例的陡峭球形弯曲可以通过很多途径来设计实现于透镜中。在上述优选实施例中，透镜组件的前表面是一个单半径球，其球心位于或靠近眼睛旋转中心。作为替换地，透镜组件系列的后表面可以是一个恒定陡峭球形表面，且其球心位于或靠近旋转中心。在这些实施例中，另一个表面具有可变的曲率，曲率的选择应能向佩戴者至少提供适当的透过屈光度。例如，如果透镜系列选择了16D的球形前表面，为了提供-4D的透过屈光度和-2D的cyl，后表面的主子午线就应该具有20D的曲率，而次级子午线应为18D。作为选择，如果透镜组件的恒定半径表面位于后边面，则相对应的选择来提供某个处方的表面就可以是前表面。

在其他替换实施例中，透镜组件或表面被限制在球壳之内。图7表示了这一几何特征。球心P和两个半径r₁和r₂定义了两个同心球154和156，其中r₂＞r₁。这些球一起定义了壳S。透镜158被表示具有最靠近鼻子边缘点Q和最靠近太阳穴边缘点O。透镜的一个前表面160位于壳S内。

根据本发明的光学透镜组件的前表面可以是一个球形的、复曲面的或旋转对称非球面的曲面。为了进一步提高视觉效果，根据本发明的透镜组件的前和/或后表面可以偏离球形以提供改进的光学表现和/或美观外观。上述前和/或后表面可以通过最优化问题的解来推导，该最优化问题旨在求得代表透镜佩戴者能看到的光学畸变的特征函数(merit function)的最小值。此外，作为选择，该修正可以提高透镜的美观外观。可替换地，壳内的表面可以是多焦点渐进透镜，这将在下文中详细讲述。

在一个优选实施例中，半径r₁和r₂的差别不大于2mm，而且在一个更加优选的实施例中，半径中的一个为33mm，而r₁和r₂的差别大约为0.1mm或更小。前表面张角OPQ大于75°，适宜大于90°，更适宜大于100°。该角度是透镜能提供的视角的量度。

可替换地，透镜可以被定义以类似图7的方式全位于壳内，其中r₁和r₂的差别小于6mm。

此外，并且是可替换地，透镜可以被定义成包括一段陡峭弯曲的球面，如图7中半径为r₁的球的OQ段。参考球可以是位于透镜组件前后表面之间的球。在本发明的实施例中，该陡峭弯曲的球可以定义两个透镜片的邻接面，而不是按美国专利No.5187505来定义，上述专利被包含进来作为参考。在该情况下，眼科透镜或透镜模是作为前后片的夹层来形成的。因为透镜片的邻接面是球形的，所以可以理解透镜片可以被旋转以实现所期望的加在其中一个表面的cyl纠正指向。这在提供渐近式透镜尤其有用。

图8表示了本发明透镜组件的新型几何形状的其它方面。一个具有陡峭球形弯曲的透镜170，大致和眼睛的旋转中心172共心。额平行平面P与透镜的球形前表面174相切。透镜的光轴176垂直于平面P并且通过眼睛的旋转中心。后表面用标号178来确定。透镜在向太阳穴的方向延伸至太阳穴边缘180。透镜的新型几何形状部分地由空心深度Z_H来定义，该深度指的是透镜后表面178在光轴处和边缘180之间的垂直距离。一个相关的尺寸Z_F是额平行平面P和边缘180之间的距离。

对本发明透镜的边缘光学特性诸如畸变的考虑是有益的。在此情况下，可以参考图9中的与光轴O成半角为φ的锥体内或外的透镜特性。在图9中，θ表示为一个30°的角。在本发明的优选实施例中，透镜组件系列具有一个小于0.125D的表面散光，这是通过一个至少为25°的θ定义的锥形得到的。

本发明的一个透镜组件对于视网膜中央凹视力的均方根屈光度误差(下文给出定义)在眼睛转动角度小于30°的情况下，可以小于3/8D。而且该透镜组件对于视网膜中央凹视力的均方根误差在眼睛转动角度大于30°且小于40°的情况下，可以小于1/2D。最后，该透镜组件对于视网膜中央凹视力的均方根误差在眼睛转动角度大于40°且小于50°的情况下，可以小于3/4D。

在优选实施例中，透镜组件可以这样配置：对于眼睛在转动和固定在30°角时的边缘视觉，均方根屈光度误差在对固定点的±5°时小于3/8D；均方根屈光度误差在对固定点的±10°小于0.65D；并且均方根屈光度误差在对固定点的±30°小于1.0D。

图10表示了本发明的特征以及与传统透镜的比较。图10(a)表示了一个传统透镜和根据本发明的一个陡峭弯曲透镜的平面视图轮廓。图10(b)表示了一个传统6D透镜200，而图10(c)表示了一个对应于本发明的16D透镜202，两者都具有图10(a)中所示的同样平面轮廓。表观视角是用以瞳孔平面内瞳孔中心C为中心的边缘光线之间的夹角来测量的。传统6D透镜200具有大约105°的视角而透镜202有大约130°的视角。如果采用一个更大的透镜模和设计轮廓，可以制造出一个图10(d)所示大小的16D的透镜204。该透镜可以从鼻边缘水平延伸至眼窝的太阳穴边缘208，这产生了一个大约170°的视角。该透镜在直接装配后不会带有一个可以被佩戴者看到的太阳穴边缘。此外，太阳穴处透镜边缘厚度210不容易被其它人观察到，这是因为它是向后弯曲的，这也就提高了透镜的美观效果。最后，透镜的后表面212对于一个宽范围的处方可以不妨碍正常长度的睫毛。

II.散光纠正

根据本发明的陡峭弯曲球形透镜在cyl纠正成为佩戴者的处方之一时提出了特别的问题。通常的复后曲面不可能提供可接受的表现。特别的是，通常的复后曲面在陡峭弯曲透镜的边缘不能很好的工作。

对于一个cyl Rx(忽略诸如光线倾斜的情况)，理想的后表面应具有一个恒定的适应于处方的表面散光。这样的表面是不存在的。复曲面是对这一理想情况的一个可制造的近似。存在两种复曲面的标准类型，通常他们被称为环形复曲面和桶形复曲面。每一个都是通过绕一个固定轴扫一个圆弧得到的。如果圆的半径小于它到固定轴的最大距离，它就是一个环形复曲面，否则就是一个桶形复曲面。两种复曲面类型沿两个主子午线处都具有圆形的截面。因为这一点(以及对称性)，切向屈光度在这些子午线上是处处正确的。此外，每种复曲面都具有一个使径向屈光度正确的“优选”子午线。对于环形复曲面来说就是低切向屈光度子午线，对桶形复曲面来说就是高切向屈光度子午线。零切向和径向误差意味着在优选子午线上表面散光是理想的零。

在陡峭弯曲透镜中的传统复曲面例子示于图11(a)和(b)。对于标称2cyl，两个例子都在赤道180度子午线处具有18diopter(@n＝1.530)的切向屈光度，而在90度处具有20diopter。图的直径为45mm，等值线为0.1diopter。图11(c)示意性的表示了圆形主子午线曲线C1和C2。其它“非主”子午线可以被定义为来自中心点的辐射线，这一点将会被理解。

图11中的优选轴是明显的。距中心半径大约0、10和20mm，角度0到90度处的切向和径向表面屈光度示于图12(a)-(d)。

从图中可以注意到，环形和桶形复全面在0和90度对于所有半径都具有正确的切向屈光度。环形复曲面在0度处具有正确的径向屈光度，但90度处有随半径增大而增大误差。桶形复曲面在90度处具有正确的径向屈光度，在0度处有随半径增大而增大误差。

关于这些复曲面有一些明显的不对称性；它们都有一个优选子午线。然而存在这样的函数，它能够沿主子午线保持正确的屈光度，但又能够更对称地处理径向屈光度。一个构成具有理想切向特性的函数的方法就是强迫沿每条子午线的截面都是圆的。该函数具有这样的形式

$z(r,\mathrm{\θ})=R\left(\mathrm{\θ}\right)-\sqrt{R{\left(\mathrm{\θ}\right)}^2-r^2}$

其中R(θ)是沿θ子午线的曲率半径，而 $r=\sqrt{x^2+y^2}.$ R(0)和R(90)的值由理想的切向屈光度确定，而中间角度的屈光度由这些端点值插值得到。插值的一个形式来自这样一个发现，即上述屈光度曲线是近似正弦的。所以一个很好的R(θ)的一阶近似是

P(θ)＝P(0)+(P(90)-P(0))(1+cos2θ)/2，以及R(θ)＝(n-1)/P(θ)

其中P是切向屈光度，而n是为了将屈光度转化为曲率的折射率。为了给径向特性加上更多的控制，可以在插值时加上更多的傅立叶项。为了进一步控制切向特性，屈光度可以表示成r的多项式。对于一个简单表面不需要更多的自由度。图13表示了作为上述复曲面中角度的函数的切向和径向屈光度。注意中间角度的切向误差小于环形而大于桶形复曲面。还要注意的是，径向屈光度对于0和90度在r＝0时是正确的，但当半径增加，在两个子午线都或多或少地对称地开始出现偏差。对于一个不是轴对称的表面，存在一个来自切向弧线角向特性的微弱贡献。这是因为法向量不和圆截面位于同一平面内。

制造一个“非偏向”的cyl纠正表面的方法是将传统的环形和桶形复曲面平均在一起。这一方法的结果是和用圆形子午线构建的表面相似的。图14表示了平均了的复曲面的角向图，其中z＝a_BZ_B+(1-a_B)Z_D，Z是透镜的表面高度，Z_B是传统桶形复曲面的表面高度；Z_D是传统环形复曲面的表面高度；而a_B是一个权重因子，且1＞a_B＞0。图14表示的是a_B＝0.5的特定情况。

虽然从图14种不易看出，但这些圆形子午线和平均的复曲面表面的切向和径向屈光度是有很大差别的。图15中的等值图比较了平均的复曲面和圆形子午线函数的表面散光。该图具有相同的0.1diopter的等值线以及和前文一样的45mm直径。

圆形子午线表面的散光行为比平均复曲面的要简单。为了表示向角向插值加入傅立叶项的效果，一个额外的因子可以被调整来“圆化”那些椭圆形的等值线。该结果示于图16。注意子午线仍然具有圆形的截面，只是角向插值被细微的改动了。

圆形子午线和平均的复曲面表面还具有其它著名的特性。在主子午线以外的任何一点的表面散光小于同一点处桶形复曲面或环形复曲面的表面散光中的较大者。此外，平均的复曲面或圆形子午线表面处于同一处方下的桶形复曲面和环形复曲面之间(具有一个中间Z值)。

尽管上述的复曲面最好用在本发明的优选实施例中透镜的后表面，但也可以在透镜中使用传统复曲面或广义复曲面。

作为选择，可以通过对应于下面的对称多项式的数学描述制造后表面来提供本发明透镜组件的表面纠正：

$z=\underset{k=\mathrm{0,2}...}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=\mathrm{0,2}...}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k-j,j}{x}^{k-j}{y}^j;$

一些透镜的光学象差的衡量定义如下：

$={({\left(\mathrm{mpe}\right)}^2+\frac{1}{4}{\left(\mathrm{cyl\; error}\right)}^2)}^{1/2}$

其中ε是聚焦误差矩阵，可以写作

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{11}& {\mathrm{\ϵ}}_{12}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{21}& {\mathrm{\ϵ}}_{22}\end{array}\right]$

其中通过选择正交归一化的基可使ε₁₂＝ε₂₁。

在特别考虑透镜的光学性质来计算这些项时，光学平均屈光度误差项、光学Cyl误差项和均方根光学屈光度项是适用的。

根据优化透镜的具体应用，可以选择下列特征函数：

$M_1=\underset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}{\left(\mathrm{rms\; blur}\right)}_{\mathrm{\θ}}^2$

$M_2=\underset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}{({\left(\mathrm{mpe}\right)}^2+{\left(\mathrm{cyl\; error}\right)}^2)}_{\mathrm{\θ}}$

$M_3=\underset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}{(\frac{1}{16}{\left(\mathrm{mpe}\right)}^2+{\left(\mathrm{cyl\; error}\right)}^2)}_{\mathrm{\θ}}$

$M_5=\underset{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Σ}}{({\left(\mathrm{mpe}\right)}^2+\frac{1}{16}{\left(\mathrm{cyl\; error}\right)}^2)}_{\mathrm{\θ}}$

其中求和是对眼睛转动θ做的。

在M₄情况中，根据样点θ是否表示对“直向前”位置水平、垂直或倾斜旋转，存在不同的模糊度量。这种模式可以提供一些非球面“最小切向误差”设计策略的推广。

模式M₃和M₅分别表示了“最小散光误差”和“最小平均屈光度误差”策略。

在一个进一步的实施例中，一个表示透镜美观的项可以包括在特征函数内。例如，不单独使用M，一个修正的特征函数可以定义为

$M^{*}=M+{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}^2{\left(\frac{V}{{\mathrm{\πr}}^2}\right)}^2$

其中η_θ代表M中考虑的眼睛转动角θ样本数，r是一个特定的透镜半径，而V是到半径r处的透镜体积。因子λ是用来给平均透镜厚度加权的。

III.放大和畸变的减轻

眼镜透镜要么缩小要么放大通过它们观察的物体。这一情况的发生是因为传统眼镜透镜的主平面很靠近透镜，而且与眼睛瞳孔的入口处不重合。一般来说，正屈光度透镜会使物体看起来大一些，而负屈光度透镜会使物体看起来小一些。放大还会改变边缘视场的物体接收方向，并且致使表观视角与通过透镜的真实视角不相同。

除了放大以外，眼镜透镜还会使通过它们看到的物体产生形状畸变。对于一个直视的眼睛，负透镜会产生一个所谓的“桶形畸变”，在这种情况下矩形的物体的边缘会表现出被压缩的样子，这就看起来像桶。相反，正透镜会产生“枕形畸变”，它会将方形的角向外托拽。

这两种效应和在一起会劣化所看见的物体大小、形状和位置。眼科光学方面的教科书认为纠正眼镜透镜的畸变是不可行的，并且从不谈及降低放大效应的希望。然而，接触透镜的一个优点在于透镜与眼睛的靠近减小了放大效应和畸变效应，这就允许了更加自然的视觉纠正。如果可能，就希望去减小眼镜透镜的放大和畸变。

对于一个远处的物体，放大效应用下面的方程来定义：

其中d(图3中的d_v)是透镜后表面到眼睛瞳孔入口处的距离，F_v是以diopter为单位的后顶点屈光度，t是以米为单位的厚度，n是折射率，而F₁是以diopter为单位的前表面屈光度。

方程中第一括号内的部分称作“屈光度因子”，因为它表示了由透镜屈光度带来多少放大效应。如果d可以为零，那么屈光度因子就等于1。换句话说，一个和眼睛接触的透镜的由屈光度带来的放大效应很小，这就是接触透镜的情况。眼镜透镜被置于与眼睛隔开的地方，以避免接触眼睛、眼皮或睫毛，所以这一项对正透镜大于1而对负透镜小于1。换句话说，正屈光度透镜会放大而负透镜会缩小。根据上下文，“放大效应”既描述放大也描述缩小。

方程中第二括号内的部分一般被称作“形状因子”，因为它表示了放大效应如何随透镜厚度和曲率而变化。如果透镜是没有厚度的，那么t就等于零，该项就为1。理想的三阶光学“薄透镜”不会因为形状而具有放大效应。接触透镜非常接近这一情况，这是因为它们可以做得极其薄。事实上眼镜透镜确实有着相当的厚度以防止破裂，而且总是有着正前表面弯曲，所以该项总是大于1。换句话说，正弯月形眼镜透镜会由于它们的形状而产生放大效应。

为了减小放大效应，方程必须被设定成等于1，所以屈光度因子和形状因子的乘积必须为1。既然正透镜的功率因子和形状因子都大于一，它们的乘积不可能等于1，所以没有正弯月形的正透镜可以避免放大效应。换句话说，负透镜具有小于1的屈光度因子，并且其形状因子大于1，所以有可能使这些因子相抵销。

为了达到这个目标，我们必须求解该方程满足单位放大的解。经过这一步骤，我们得到以下关系：

$t=-\frac{{\mathrm{ndF}}_v}{F_1(1-d{F}_v)}---\left(1\right)$

该方程确定了能够消除眼镜放大效应的透镜厚度。它是通过在眼睛瞳孔入口处放置第二主平面来实现的。要在一个可行的厚度上实现此目标需要两件事：一个负的透镜屈光度和非常陡峭的弧线。

畸变

根据三阶理论，畸变只有在非常陡峭弯曲以至于无法实现的透镜中才可能被消除。参见Jalie，M.的The Principles of OphthalmicLenses 4^th Edition p.461。

事实上，三阶理论要求后表面曲率超过35Diopters，即在眼睛瞳孔的入口处就几乎共心的；这样的曲面事实上是不可能的。一个真实的共心透镜设计，如果两个表面关于眼睛瞳孔的入口处是共心的，就不会有任何畸变，这是因为透镜的对称性会确保来自倾斜物体的所有光线会遇到和来自中心物体光线一样的表面斜率。然而关于瞳孔入口共心需要极其陡峭的弯曲，我们已经发现稍微平坦的弯曲在和具有位于瞳孔入口处的主平面的透镜组合时，也可以大大地减小畸变。这一情况发生于设计来减小放大的负屈光度透镜，并且导致透镜关于眼睛旋转中心更加共心。

事实上，非常希望能够制造出关于眼睛旋转中心共心的透镜，因为对于眼睛转向边缘视角时这会提高透镜的对称性，从而提高分辨能力。如果我们严格要求透镜的一个表面关于眼睛的旋转中心共心，我们可以推导出一个确实消除畸变的厚度。在这一情况下，就需要关于透镜厚度的一个特殊形式的方程。

例如，在一个前表面关于眼睛旋转中心共心的透镜中，我们可以解出t，t是用前表面半径、装配距离、折射率、后顶点屈光度和瞳孔入口处与眼睛旋转中心的距离来表示的。在这种情况下

$t=\frac{[F_v(r_1-K_e+k_1)-1]+\sqrt{{(F_v(r_1-K_e+k_1)-1)}^2-{4F}_v^2{d}_f{k}_1}}{{2F}_v}---\left(2\right)$

其中

$k_1=\left(\frac{{\mathrm{nr}}_1}{n-1}\right)$

是一个透镜形状因子，r₁＝前表面半径；d_f＝透镜前表面到瞳孔入口处平面的距离；而K_e是图3中所示的眼睛的旋转中心到眼睛瞳孔入口处的距离。

图17(a)-(c)表示了这种设计的优点。图17(a)是一个从很远距离观看的大网格的示意图，该网格对观察者左右张开45度角。图17(b)是一个佩戴传统-5.00D透镜的人能看到的计算出的图样：网格变小了而且形状发生了畸变。图17(c)表示了一个佩戴根据本发明消除畸变的透镜的人所能看到的计算出的图样。该图几乎和原物一样。

IV.透镜制造

根据本发明的眼科透镜组件可以用任何合适的材料来实现。可以使用聚合物材料。聚合物材料可以是任意合适的类型。聚合物材料可以包括诸如聚碳酸酯的热塑性材料或诸如二烯丙基乙二醇碳酸盐类型的热固材料，例如CR-39(PPG Industries)。

聚合物材料商品可以由可交叉连接的聚合物组建组成，例如在美国专利4912155或美国专利申请序列号07/781392中所描述的，上述文献被包括进来作为参考文献。

聚合物材料可能包括一染料，包括例如光致变色的染料，它可以被加在用于制造聚合物材料的单体配方中。

根据本发明的光学透镜组件可以进一步包括标准的前后表面附加镀膜，包括电致变色的和/或液晶膜层。透镜前表面可以包括一个抗反射(AR)膜，例如美国专利5704692中所描述的类型，该文献被包括进来作为参考。为了制作太阳镜或提供一个理想的美观效果，一个部分反射膜可以用于透镜上。前透镜表面可以作为替换的或附加的包括一个抗磨损膜，例如美国专利4954591中所描述的类型，该文献被包括进来作为参考。

前后表面还可进一步包括一个或多个传统处理方法，该方法用于诸如抑制物、包括热致变色和光致变色的染料，例如上文所述的偏振剂、紫外稳定剂以及能够调节折射率的材料。

图18表示了一个适合于制造本发明所述透镜的模具。该模具包括一个前模具部分300，一个后模具部分302和一个封闭边缘304。透镜组件可以通过向308口注入液体透镜材料形成于模具两半之间的腔306。空气从310口溢出。当透镜组件变硬，模具两半被分离。可以发现透镜组件离开模具时会带有一个径向边缘312，这可以在后期工艺中被去除。

用于铸造本发明中透镜组件的工艺和设备在属于Kingsbury等人的美国专利申请序列号09/658496中有描述，该专利申请提交于2000年9月8日，题为PROCESS FOR MOLDING THERMOPLASTICLENSES AND STEEPLY CURVED AND/OR THIN LENSESPRODUCED THEREBY”，该文献被包括进来作为参考。

V.透镜设计示例的计算所得特性。

例1

表1表示了根据本发明的聚碳酸酯透镜的计算性能和传统低弯曲透镜的比较

	共心形式	传统
			折射率	1.586	1.586
屈光度	-3.00	-3.00diopters
			厚度	2.0	2.0mm
前表面曲率(1.53)加工折射率	16.00	4.00diopters
			前表面半径	33.1	132.5mm
前表面光学屈光度	17.7	4.4diopters(由于1.586的折射率而变高)
			近轴放大	0.97	0.96
表观视角	130	对于图10(a)中的边缘轮廓105度
			在眼睛转动30度时的光学值：
畸变	-1.10％	-3.10％
			散光	0.02	0.17diopters
平均屈光度误差	0.07	0.025diopters
			均方根屈光度误差	0.07	0.09
颜色失调	0.11	0.16棱镜diopter

例2

图19表示了屈光度为-6D、-3D和+3D的陡峭弯曲球形透镜系列[分别为图19(a)，(c)和(e)]与相应的低弯曲Sola Perma-Poly^TM普通透镜[分别是图19(b)，(d)和(f)]之间的计算比较。

陡峭弯曲球形透镜组件本质上具有相同的、如透镜截面400所示的16D球形前表面。一般来说，陡峭弯曲球形透镜组件提供了优秀的边缘畸变。图19(a)和19(c)中的透镜也表现出在负处方下的减小的均方根误差。

例3

图20表示了两个具有16D前表面-3D透过屈光度和一个-2D后表面cyl纠正的陡峭弯曲透镜组件之间的计算比较。

图20(a)中的透镜具有一个传统的后环形复曲面(conventionaldonut torus back)；图20(b)中的透镜具有上述类型的后全圆子午线(all circular meridia back)。后者表现出优秀的均方根屈光度误差和多少有些改善的畸变。

例4

最后一组例子(图21和22)是一个传统渐进弯曲透镜和一个根据本发明的渐进透镜之间的计算比较。

图21比较了传统弯曲Sola XL渐进透镜和一个具有相似渐进形式而陡峭弯曲(16D)基线的透镜的远距离视觉特性。

图22比较了Sola XL渐进透镜和图21中的陡峭弯曲透镜的近距离视觉特性。

一般来说，根据本发明的渐进透镜特征在于，在佩戴位置一个陡峭弯曲的参考球或球壳大致与眼睛的旋转中心共心。该透镜具有一个对应于远距离的上视觉区；一个下视觉区，具有大于上视觉区的屈光度以对应近距离，和一个连接上下区的中间区，其屈光度在上视觉区和下视觉区之间包括一个相对低表面散光的走廊。

在一个实施例中，陡峭弯曲参考球对应于上视觉区中心部分的前表面。在另一个实施例中，渐进表面位于透镜的前表面并且处于一个厚度小于2mm的陡峭弯曲球壳内。在这两个实施例中，壳或参考球的曲率半径可以小于50mm，处于30和35mm之间更好，最好是大约33mm±大约2mm。对于渐进透镜的合适的前表面设计的说明可以参见例如专利申请08/782493，提交于1997年7月10日，现在美国专利号5861935。

VI.装配完的透镜和眼镜框架。

本发明中使用的眼镜框架被调整来以图3所示的大致位置来支持本发明中的透镜。眼镜框架可以是无边的、部分带边的或全边的。

在优选实施例中，透镜在装入眼镜框架时本质上不会表现出倾斜或包角。眼镜框架可以包括一个可调机构用以改变透镜光轴的位置来和佩戴者的直视轴相对应。

图23是一个包括透镜402和404和本发明的眼镜框架的眼镜400的透视图。透镜形状创造了一个在美观上很吸引人的物体。图23中所示的眼镜框架带有一个边缘部分406和太阳穴零件408和410。环绕每个透镜的眼镜框架的边缘被调整来对应一个位于或靠近透镜的陡峭参考球的闭合曲线。因为在一定处方范围内的曲率的一致性，一个框架或框架设计可以适用于该范围内的任意处方。

图24是图23中眼镜在佩戴着脸上的侧视图。该图表示了眼镜视觉效果的另一个方面，这是由于透镜的陡峭弯曲和透镜边缘复杂的三维形状。该图还表示了一个相对较小的透镜可以提供一个宽视角和很好的眼镜保护。

图25是一个根据本发明的眼镜实施例412的前向示意图，它表示了本发明的一些机械方面。图25中实施例的眼镜框架包括一个鼻桥414和铰链的太阳穴零件416和418。这些零件一起组成一个三部件的无边的眼镜框架。

太阳穴零件416和418包括铰链420和422，和装配补翼424和426。在优选实施例中，补翼424和426被表面装配在透镜的球面前表面上。不管透镜的处方透过屈光度和cyl纠正，这些装配表面会具有统一的位置和相对于框架的角度关系，这一点将会被理解。用相似的方式，鼻桥414的补翼428和430可以被分别表面装配于透镜的前表面边缘上。

鼻桥414示于图25(a)的截面图。有利的是，鼻桥可以被做成长度可调的以补偿常见于不同佩戴者中的不同的瞳距(图3中的PD)。这种可调节的特征允许透镜的光轴能够顺沿佩戴着双眼的视觉轴线。一个适合制造这种可调节特征的机械结构示于图25(a)，可以理解其它可移动或可变结构的组合也可以达到此目的。在图25(a)中的实施例中，补翼428和430都分别带有构件432和434，它们被插入管436的相反两端。螺丝组438和440将构件432和434定位。该螺丝组可以被松开以允许鼻桥长度的调整，这是通过在管内想不同方向滑动构件432和434来实现的。

图26是一个本发明的眼镜实施例500的平面图。该眼镜是无边类型的。一个左透镜502和一个右透镜504是陡峭弯曲的、切边的透镜。在优选实施例中，它们都有一个前光学表面506，该表面一般是具有小于50mm半径的球面，正如前面所述，半径小于35mm更好。在已佩戴的位置上，每个透镜的球形表面曲率半径的中心大致分别位于佩戴者眼睛的旋转中心，P_L，P_R。

透镜502和504通过鼻桥508连接在一起以在佩戴者的脸上支持着透镜。左右太阳穴零件510和512被提供并且分别连接在左右透镜的太阳穴边缘。通过联系图26(a)，现在将要讨论这种连接的一个优选方式。

图26(a)是图26实施例的具体细节，它表示了右透镜504与右太阳穴零件512通过一个右附件514和铰链516连接在一起。在优选实施例中，右附件是弓形的并且一般是沿着透镜504前表面的球形弧线延伸的。附件514的一个鼻形部分518位于透镜前表面的上面。诸如螺钉520和螺母522的一个带螺纹的固定系统可以被用来将附件固定在透镜上。在一个优选实施例中，一个透镜中的边缘缺口524可以用来接收附件的一个定位突出526，以进一步保护附件和阻止它关于螺丝520的主轴528的旋转。在优选实施例中，固定系统的主轴528位于和透镜球形表面中心相交的轴向线上。

本发明的透镜组件的一个优选切边方法也详细示于图26(a)。如图所示，透镜的一个边缘表面530大致沿着透镜球形表面的径向线532。在已佩戴的位置上，该径向线中心大致位于眼睛的旋转中心P_R。这种边缘构造使得透镜边缘对于佩戴者在本质上是不可见的，因为当眼睛旋转到视角对着透镜边缘时，边缘表面对佩戴者才是侧面可见的。此外，边缘表面尺寸被减少，外形对外界观察者来说被减小到最小程度。切边的细节示于图27和28。

图27(a)-(d)表示了不同的大致沿透镜球形表面534的半径R的边缘等值线。如图所示，边缘表面的截面大致垂直于球形表面在边缘处的切线T，也就是说视线大致与边缘表面共面。

在图27(a)-(d)中，每个边缘表面的截面处于关于眼睛旋转中心P成θ角的一个小范围内，所以对佩戴者来说是几乎不可见的。在图27(a)的示例中，边缘表面的截面是一直线536而θ接近零。在图27(b)的示例中，一个小的圆角被用来消除有可能带来安全问题的锋利边缘。在图27(c)的示例中，边缘刻有一个槽538以和眼镜边缘相应形状的部分540相互吻合。最后，在图27(d)的示例中，一个小珠542形成在边缘表面以和眼镜框架的带沟道边缘544相吻合。在后面的情况中，边缘表面在很大程度上仍然是对佩戴者不可见的。

在图27(b)，(c)和(d)的情况中，有利的是θ在透镜的整个边缘范围内都小于大约5°。这种情况示于图28，该图是一个根据本发明优选实施例的切边透镜546的一个示意图。透镜的边缘表面548是一个垂直于透镜球形表面50切线的环形面。该环形面是三维的意义在于它不是完全处于同一平面内。边缘表面位于两个一般锥形552和554之间，并张开角度θ，该角度可以在透镜边缘的不同位置改变，但典型地小于3°±1.5°。

图29(a)-(c)表示了多种透镜切边技术。图29(a)表示了使用关于轴564旋转的传统磨机562的传统Ostwalt部分透镜560的切边，轴保持对参考轴566(可以是透镜模的光轴)平行。磨机轴564沿箭头568所指绕透镜边缘运动以形成边缘表面。使用相似技术的陡峭弯曲透镜570的切边始于图29(b)。结果是一个带有锋利边缘的切边的透镜572，且边缘表面能够在佩戴者的边缘视角张开一个大角度。

如图29(c)所示，对应于本发明的一个优选实施例，陡峭弯曲透镜570的边缘表面574可以通过一个绕轴576旋转的磨机562来产生，轴576和透镜的球形表面的弧线C中心相交。以前，这样的装置只用来对非陡峭弯曲透镜切边。

VII.镀膜、太阳镜和保护眼镜

A.镀膜

正如本发明中的那些具有高曲率表面的透镜组件，对它们进行镀膜以控制反射/透射可以是特别困难的。这些困难至少部分是由于典型镀膜、蒸发和溅射系统的几何特征。这些系统能够对相对平坦的透镜组件从中心到边缘形成相对均匀的膜层。然而，当表面弯曲变得陡峭，就可以发现很大的变化。所观察到的透镜组件颜色会随着膜厚而变化。它也可以由于视角的变化而透过透镜发生改变。该效应在陡峭弯曲透镜的情况下更为显著。这些困难有时被称作“打滚”。

给透镜镀膜的技术，尤其是对高曲率透镜的镀膜技术被公开于上述国际申请No.PCT/AU99/01029，题为“Coated Lens ExhibitingSubstantially Balanced Reflactance”。各种由一“组”多氧化膜组成的多种类型也在其中有讨论。该膜组示于图30(a)。在此例子中，一个陡峭弯曲的透镜600具有一个带有多层膜604(图不代表真实尺度)的球形前表面602。

一个抗反射膜的例子，它提供了从中心到镀膜的边缘一个总体均匀的淡蓝色，该陡峭弯曲透镜组件包括一组厚度不同的五层硅和氧化锆层。该膜组被阐明于下表I。

      表I

材料	厚度(nm)
		空气
SiO2	98.96
		ZrO2	132.79
SiO2	36.96
		ZrO2	16.61
SiO2	17.90
		透镜

除了降低“打滚”，透镜还减小指纹印的显著程度，并且对其他系统和非系统的制造变化更不敏感。

对于前述氧化膜的溅射沉积技术公开于Burton等人提交于2000年6月28日的美国专利申请序列09/605,401，本文包括了它的全部内容以作为参考。

图31和32表示了本发明镀膜的各个方面。图31是一个以纳米波长为函数的反射率百分比图。它比较了表I中的膜组和一个带有绿色(虚线)的传统膜组。

3％或更多的沉积膜厚的变化通常会导致显著的和可以察觉的颜色变化。反射谱(图31)上的“隆起”650所代表的绿色在一个倾斜角度观察时会移向光谱的蓝色一端。当这件事发生时，光谱红色一端的反射率会变得非常强烈。这将最终导致粉红或紫色(而不是所期望的黄/绿)。

作为对比，表I中的膜组(蓝色)产生具有大量位于蓝色区域的可见光反射一个反射谱，这表示在中心位于480nm的光谱的峰或隆起652。蓝色镀膜一直到光谱的红外区域产生非常低的反射率，并且是小于.5％，更可以期望在720nm小于.25％。

陡峭透镜弯曲的效果示于图32。可以看出，对于光谱红色一端在每个透镜中间的反射率，绿色镀膜高于蓝色镀膜。然而，当反射率的测量是在透镜的边缘进行，可以清楚地看出绿色镀膜的光谱红色区域的反射率增大了很多，而蓝色镀膜保持了稳定的低红色反射率。

趋向透镜边缘时的红色反射率增大的结果是使得“绿色”镀膜变成了明亮的紫色(绿+红＝紫)。该效应在蓝色镀膜时在很大程度上不会发生。这种对颜色“打滚”的降低的敏感性的直接结果是，为了在抗反射镀膜时保持颜色一致性而对标准透镜弯曲分组的需求大大降低。很明显，陡峭弯曲透镜表面会保持它们的颜色，这种保持或者是通过整个表面的，或者是通过一个表面增大的部分(和更加传统的诸如绿色的镀膜相比)。

B.太阳透镜

传统一般是提供选择性同时阻止可见光和紫外光的太阳透镜或太阳镜。该透镜具有眼睛保护和时尚设计的应用。透过透镜的光的波长可以通过塑料体中的光吸收染料来实现选择。作为替换或附加，镜面反射镀膜可以应用于透镜。这些技术可以被用于本发明的陡峭弯曲透镜。此外，它们可以与上述抗反射膜配合使用。例如，上述抗反射膜可以被应用于透镜眼睛一侧的光学表面，该透镜包含了部分阻止太阳光的染料。作为选择，上述抗反射膜可以被应用于透镜眼睛一侧的光学表面，而前光学表面镀有镜面反射膜，例如一鲜艳的蓝色反射膜。

C.激光保护眼镜

上述的陡峭弯曲的、球形表面的透镜组件用于激光保护眼镜是很有利的。在优选实施例中，眼镜的设计使得每个透镜的曲线的中心分别位于眼睛的旋转中心。进一步，透镜的切边使得透镜大约从眼窝的鼻边缘延伸至太阳穴边缘，并且从下边缘延伸至上边缘。作为选择，透镜可以被装配于能够延伸到所述眼窝边缘的眼镜框架中。这些配置有许多优点。第一，透镜可以有效的包围眼睛并减少或防止边缘的杂散光泄漏。第二，本质上所有可以透过瞳孔的入射在透镜上的光都处于和球形表面切面法线成25°到30°的范围内。具有更大角度的入射光不会进入瞳孔。激光阻拦意味着在透镜上或透镜内可以被设计来阻拦位于球形表面切线的垂直线的所述大约30°范围内的激光。

人们都知道带阻光学滤波器对于被阻拦光的入射角度可以是敏感的。这种滤波器一般使用垂直入射光作为设计中心。该滤波器的有效性随着入射角从垂直方向的偏离一般是变化的而且通常是下降的。这一几何特性示于图30(a)，该图是关于两个任意光线R₁和R₂，它们分别具有入射角φ₁和φ₂。角φ₁和φ₂是关于光线R₁和R₂与透镜表面的交点处的法线来测量的。(法线分别垂直于所在点的切平面T₁和T₂)。一般来说，对于上述的滤波器，φ越大，滤波器的有效性越小。

本发明的陡峭弯曲透镜一般是提供了一个较小的相关入射角φ，这将会允许带有例如相对法线不超过30°的有效拒绝角度的滤波器。陡峭弯曲透镜的这一方面表现在图30(b)和30(c)中两个透镜例子的比较中。图30(b)中的透镜610是一个Ostwalt部分，-4D透镜。图30(c)中的透镜612是一个具有-4D透过屈光度的陡峭弯曲透镜，它的前球形表面614大约为15.5D。关于入射光线的分析都假设了透镜的折射率为1.5，且中心厚度大约为2mm。此外还假设了一个1cm直径的瞳孔P位于后表面与光轴O-O交点后2cm处。

图30(b)和30(c)画有很多入射光线。光线是从与平面P_T相交的光线族中选择出的，平面P_T在光轴O-O处与每个透镜相切。光线族位于光轴O-O上下0、5、10、15和20mm距离处。从每一个光线族中选择的光线(i)具有相对在透镜表面入射点处的法线的最大角φ，并且(ii)被透镜折射后，能够到达瞳孔的最低点L。这些被选择的光线用他们各自的在平面P_T上的光轴上下的距离(如5mm，10mm等)来区别。

下表表示了图30(b)和30(c)中透镜的每一个入射光线的计算得的φ角：

表II

光线(mm到光轴的距离)	φ以度为单位对应于图30(b)中透镜	φ以度为单位对应于图30(c)中透镜
			20	53.3	15.8
15	46.1	18.9
			10	37.9	22.0
5	27.2	20.2
			0	16.8	16.1
-5	3.0	10.9
			-10	-9.4	6.4
-15	-22.6	3.1
			-20	-33.3	2.8

(角φ表示为有正有负的角度。一个正角度意味着一个关于图示透镜法线的顺时针光线旋转，而一个负角度意味着一个关于图示透镜法线的逆时针光线旋转)

在例子中，对应于Ostwalt部分的φ在很多地方都大于30°，而且随着距离光轴的距离大幅增长，在+20mm处增至53.7°。相反，对于图30(c)中的陡峭弯曲透镜，角φ一直低于30°。

对激光的选择性阻拦可以通过一个或多个光学带阻滤波器来实现。一个制造选择性阻拦激光的优选方法是采用一个薄膜组以阻拦有致伤可能性的激光。下面就是一个能够有效阻拦两个通信中常用波长激光的带阻滤波器的例子，这两个波长是1310nm和1550nm。光学滤波器每层的组成和厚度描述于表III。

           表III

材料	厚度(nm)
		空气
SiO2	125.42
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	250.83
		TiO2	161.11
SiO2	125.42
		聚碳酸酯

在光学设计术语中，该膜组描述为下面的形式：

“1.12(0.5L H 0.5L)1.06(0.5L H 0.5L)1.03(0.5L H 0.5L)(LHL)^61.03(0.5L H 0.5L)1.06(0.5L H 0.5L)1.12(0.5L H 0.5L)”

其中H和L表示分别在高折射率和低折射率材料中的目标波长上的四分之一波长光学厚度。在表III中的例子中，低折射率材料是二氧化硅，而高折射率材料是二氧化钛。可以利用传统设计中的多种其它膜组来提供一个用以保护眼镜防止被激光伤害的带阻滤波器。

继续表III中的例子，光学密度(透过百分比的负对数)作为入射波长的函数表示于图33。从图中可以看出，被阻拦的频带是一个中心位于1400nm的宽带。大多数可见光波长可以通过(也就是说光学密度近似为零)。

图33假设了入射角φ为零，入射角是指和在入射点处和透镜表面相切的切线T的法线N所成的角(见图30(a))。可以期望膜组的光学密度在φ从零开始变化时会发生变动。对于S和P偏振和1310nm以及1550nm波长的入射光的预期偏离值表示于图34。

考虑更特殊的情况，图34中光学密度是入射角θ从0到60°的函数。可以理解当光的入射角增大，整个阻带回向左移动(向蓝色方向)。因为这一点，光学密度对1310nm波长的光是增大的。1550线的光学密度随着φ的增大是下降的。对于表III中的膜组，当角度低于30度时，不到0.7％的光能够透过，当角度低于20度时，不到0.2％的光能够透过，这些结论适用于所有偏振态。尽管军事上可能要求更加苛刻并且需要一个在特定频段具有更大光学密度的膜组设计，但这对于商业应用要求的安全性相信是足够了。

从图34中可以发现，在入射角一直到大约33°的范围内，对于两种波长和偏振，膜组的透过率都低于1％。在这里所述的陡峭弯曲透镜中，大于此角的入射角的光不会进入到视网膜，所述透镜的曲线中心大致位于所保护眼镜的旋转中心。然而，为了防止由于强反射、折射或光泄露而造成的不希望的透射，透镜体也可以用带有吸收染料的热塑性材料制造。

相应的，可以提供带有陡峭球形弯曲的新型高光学质量透镜组件，它具有处方的透过屈光度和cyl纠正，并被装配于随之使用的眼镜框架内。这些设计很容易用于高效的太阳镜和其它诸如激光保护眼镜的保护眼镜。

本发明已经通过和多个实施例以及示例的联系得到阐明。然而，所要保护的发明部分是由下文权利要求和法律所认同的等价描述所定义的。

Claims (9)

1.适合装配到眼镜上的透镜，该透镜具有至少一个曲率半径小于大约35mm的球形表面，该透镜被调节以使得透镜曲面的中心大致位于眼睛的旋转中心，其中透镜是足够大的，以提供大于55°的视角，该视角是从视线的前向到太阳穴方向，而且，其中该透镜具有一个抗反射膜，通过其前表面对观察者呈现出统一的颜色。

2.权利要求1中所述的透镜中，前表面就是所述至少一个球形表面并且具有33.25mm±1mm的曲率半径。

3.权利要求1中所述的透镜中，透镜在前表面和眼睛一侧的光学表面都具有一个抗反射膜。

4.权利要求1中所述的透镜中，透镜具有一个非零的处方透过屈光度。

5.权利要求4中所述的透镜中，透镜的眼睛一侧表面能够用于纠正佩戴者的散光。

6.权利要求1中所述的透镜中，抗反射膜是一个加在透镜至少一个光学表面上的介质膜组，它一般表现出蓝色。

7.权利要求1中所述的透镜中，膜层是由具有相对高和低的折射率的层组成的，所述膜层是在透镜的至少一个光学表面进行真空溅射来实现的。

8.权利要求7中所述的透镜中，表面镀膜是一组硅和氧化锆层，其中至少一层氧化锆厚度大于大约100nm。

9.权利要求7中所述的透镜中，膜层的反射率对于可见光在480nm处具有一个局部最大值。

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