CN1447150A - 微光学眼镜片设计与制造工艺及其镜片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微光学眼镜片设计与制造工艺及其镜片。其工序为1)光刻掩模：按屈光度确定焦距，按光学口径确定计算出(x、y)参数将I(x，y)光刻成对应的若干块掩模。2)离子蚀刻：依次用掩模对样板进行若干次离子蚀刻，得到有相应台阶深度的三维微光学镜面结构。所述的掩模可以是按子午面的一个焦距设计微结构，按弧矢面的另一焦距设计微结构而形成的。其特征在于所述的样板是压模。所述的离子蚀刻，可以在样板的两面进行。本发明的工艺可以制造出具有单焦、双焦、多焦以及在超薄条件下获得高屈光度并成像清晰的镜片，能广泛适应高度远视、高度近视、老花近视、近视老花或散光的矫正，该镜片还具有轻巧、美观且价格低廉等优点。

Description

微光学眼镜片设计与制造工艺及其镜片

技术领域

本发明涉及一种眼镜及其制造工艺，具体是一种微光学眼镜片设计与制造工艺及其镜片。它利用微光学的衍射与常规镜片折射光学的结合，形成新一代的眼镜——微光学眼镜。

背景技术

目前市场上的眼镜是利用光学镜片的折射即曲率和折射率来成像，以满足不同人眼的屈光不正现象。它有几点不足：一是为矫正高度远视或近视眼，镜片往往过厚过重；因此目前市场上供应的远视镜及近视镜的屈光度数最大为D＝+4.0m^-1(远视400度)及D＝-4.0m^-1(近视400度)。二是某些人(如老花近视、近视老花者)看不同远近物体时必须戴上拿下或更换另一付眼镜，使用不便。虽然市场上也出现过各种特种眼镜，但由于性能、价格、美观等原因，始终未能有效推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术的不足，提供一种可以适应高度远视、高度近视、老花近视、近视老花或散光的微光学眼镜片及其设计与制造工艺，其产品具有轻巧、美观且价格低廉等优点。

微光学眼镜是最新发展的衍射光学与传统的折射光学结合而形成的新一代眼镜——双焦、多焦以及超屈光度的远视镜或近视镜。这是填补眼镜市场空白和推动眼镜市场走向现代化的发展方向。一个常规的光学透镜，其面形由I(x，y)表达(见图1a)，然后由专用软件按式(A)设计成菲涅尔透镜(见图1b，俗称罗纹透镜)。由于菲涅尔透镜微加工困难，因此再设计压缩成衍射光学元件(见图1c)，再考虑透光效率要高，最后设计成二元光学元件(见图1d)。

由于微光学镜片的I(x，y)是由微结构的衍射波阵面合成产生，因此在镜片上设计和加工不同的微结构状态就能形成双焦，多焦和实现超屈光度眼镜。由于光学微结构产生的衍射光学其提供的屈光度是不需要光学厚度的，因此微光学眼镜不增加镜片曲率就可实现超屈光度。从而实现高屈光度下的超薄型眼镜。

本发明的微光学眼镜片制造工艺是用光刻及离子蚀刻方法将光学微结构直接做在样板上。它包括如下工序：

1)光刻掩模：按屈光度确定焦距，按光学口径确定计算出(x、y)参数通过以下多项式来形成任意光波阵面I(x，y)： $\mathrm{\φ}(x,y)=\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right){\∑}_{\mathrm{nm}}{a}_{\mathrm{nm}}{x}^n{y}^m-----\left(A\right)$

式中λ-入射光波长，a_nm-象差优化系数，n、m-多项式级数。n、m取值越大，拟合的波阵面就越精确，一般n、m取10级左右。上述光学微结构的原理是用计算机设计一个三维微光学结构，以衍射光学的方式成像，光刻成对应的若干块掩模。理论上，掩模越多，在样板上形成的台阶越多，也就越逼近I(x，y)曲面，而且光效率越高。用两块掩模，衍射效率可以到达90％，三块掩模可以到达95％，四块掩模可以到达99％。所以在制造中一般采用3块即可。

2)离子蚀刻：依次用掩模对样板进行若干次离子蚀刻，得到有相应台阶深度的三维微光学镜面结构。

所述的样板如果是光学材料，就直接得到微光学眼镜片，但成本过高；因此一般直接在光学样板上加工，即采用光刻及离子蚀刻工艺在曲面上完成微加工，得到制造微光学眼镜片的压模，再由压模转换成复制模，然后批量地在光学树脂镜片上复制微光学眼镜片，实现大批量、低成本生产。

所述的离子蚀刻，可以在样板的两面进行。

根据不同的需要有相应的软件，可以设计掩模，光刻出焦距不同的微光学结构；如掩模是按子午面的一个焦距设计微结构，按弧矢面设计另一焦距的微结构，以适应散光的矫正，和双焦镜片。所述的软件可依据(A)式编制出来。

用本发明工艺制造的微光学眼镜片，其特征在于在透明的镜片的一个面上有微光学结构，这些微光学结构，可以是单个焦距的，也可以是有两个或以上焦距的微光学结构区，以适应远视、近视或散光。

所述的镜片另一面叠加有普通镜面或微光学镜面，以充分利用远视镜或近视镜的成熟技术，以最低成本获得高屈光度眼镜片。

本发明的工艺可以制造出具有单焦、双焦、多焦以及在超薄条件下获得高屈光度并成像清晰的镜片，能广泛适应高度远视、高度近视、老花近视、近视老花或散光的矫正，该镜片还具有轻巧、美观且价格低廉等优点，属于更新换代的新产品，预计有近亿元的国内市场。

附图说明

图1a-d是设计原理图，其中：

图1a是凸透镜示意图；

图1b是菲涅尔透镜(即罗纹透镜)示意图；

图1c是衍射光学元件示意图；

图1d是二元光学元件示意图；

图2a-c是微加工工艺过程示意图，其中：

图2a是将I(x，y)光刻成掩模的第一块掩模的加工示意图；

图2b是第二块掩模的加工示意图；

图2c是第三块掩模的加工示意图；

图3是实施例1镜片示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明做进一步详细描述。

实施例1。本例为+7.0m^-1远视镜片的设计与制造工艺，使用一副模具，其中+3.0m^-1由普通远视镜模具面形成，+4.0m^-1由微光学复制模具面形成，微光学复制模设计与制作方法如下：

1)光刻掩模：按视光学原理，屈光度为+4.0m^-1远视镜片的焦距是f＝200mm，光学口径参数为30mm。采用光刻胶(^#1350)的光刻铬板，用电子束光刻机或激光直写设备按照对应(A)式设计的软件做出三块掩模，边缘最小线宽控制到1μm，其环直径依次递增为r_k＝(2kλf)^1/2，式中环带数K＝1、2、3…λ-入射光波长，f-焦距。

2)离子蚀刻：使用离子蚀刻机，见图1a用第一块掩模对压模进行离子蚀刻，蚀刻深度为t₁＝λ/4(n-1)，式中λ-入射光波长，n-镜片材料折射率；见图1b用第二块掩模对衍射光学元件进行离子蚀刻，蚀刻深度为t₂＝λ/8(n-1)；见图1c用第三块掩模对二元光学元件进行离子蚀刻，蚀刻深度为t₃＝λ/16(n-1)。这就完成了+4.0m^-1的三维形貌微光学压模。

3)制造镜片：复制模的一面是对应+4.0m^-1的微光学复制模，另一面是+3.0m^-1的远视眼镜模。即可以批量生产以光学树脂为材料的+7.0m^-1的微光学远视眼镜。其镜片的一个面上有用微光学眼镜片设计制造工艺形成的+4.0m^-1的微光学镜面结构1，另一面是+3.0m^-1的远视眼镜面结构2，见图3。

本发明工艺可以制造+5.0m^-1以上的微光学远视镜，和-5.0m^-1以上的微光学近视镜。

实施例2。本例为+6.0m^-1远视兼+200度散光镜片的设计与制造工艺。比照实施例1，在所设计的软件中代入相应参数，按子午面+6.0m^-1焦距设计微结构，按弧矢面+2.0m^-1焦距设计微结构，并制作在掩模上，制成一付制造模。

Claims (7)

1、一种微光学眼镜片的设计与制造工艺，其特征在于：

1)光刻掩模：按屈光度确定焦距，按光学口径确定计算出(x、y)参数通过以下多项式来形成任意光波阵面I(x，y)： $\mathrm{\φ}(x,y)=\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right){\∑}_{\mathrm{nm}}{a}_{\mathrm{nm}}{x}^n{y}^m-----\left(A\right)$

式中λ-入射光波长，a_nm-象差优化系数，n、m-多项式级数，将I(x，y)光刻成对应的若干块掩模；

2)离子蚀刻：依次用掩模对样板进行若干次离子蚀刻，得到有相应台阶深度的三维微光学镜面结构。

2、根据权利要求1所述的微光学镜片的设计与制造工艺，其特征在于所述的掩模是按子午面的一个焦距设计微结构，按弧矢面的另一焦距设计微结构而形成的。

3、根据权利要求1或2所述的微光学镜片的设计与制造工艺，其特征在于所述的样板是压模。

4、根据权利要求1或2所述的微光学镜片的设计与制造工艺，其特征在于所述的离子蚀刻，可以在样板的两面进行。

5、根据权利要求3所述的微光学镜片的设计与制造工艺，其特征在于所述的离子蚀刻，可以在样板的两面进行。

6、一种根据权利要求1所述工艺制造的微光学眼镜片，其特征在于在镜片的一个面上有微光学镜面结构(1)。

7、根据权利要求6所述的微光学眼镜片，其特征在于镜片的另一面是普通镜面(2)或微光学镜面结构。

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