DE3854966T2

DE3854966T2 - Multifokale, diffraktive optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE3854966T2
Application number: DE3854966T
Authority: DE
Inventors: Allen L Cohen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2008-11-11
Also published as: CN1020134C; KR0141607B1; ES2081811T3; EP0681198A1; JPH0255314A; AU622420B2; IL88350A; IE73484B1; CA1316727C; EP0351471A2; IL88350A0; ZA888416B; US4995715A; DE3854966D1; IE883377L; CN1039487A; AU2500488A; ATE133796T1; IE960172L; EP0351471B1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem diffraktiven optischen Element.
Ein diffraktives, multifokales optisches Element mit einer Phasenzonenplatte, die ringförmige, konzentrische Zonen enthält, in der die Zonen im wesentlichen in Abständen proportional zu n angeordnet sind, wobei die Zonen abgestufte Facetten besitzen, die eine Diskontinuität der optischen Weglänge einführen, die kleiner als λ/2 ist. Die Erfindung umfaßt auch eine Phasenzonenplatte mit ringförmigen, konzentrischen Zonen die Facetten besitzen, die ein abwechselnd gestuftes, sich wiederholendes Muster gemäß dem Abstand n in dem optischen Element liefern und worin die Tiefen der Facettenstufen geringer als λ/2(η'-η) sind, wobei η' und η die Brechungsindizes der Linse und des Mediums, in dem die Linse wirkt, sind und λ die Musterwellenlänge ist.
Die Erfindung befaßt sich mit einer Verbesserung von Phasenzonenplattenoptiken, die Kontakt- und Intraokularlinsen umfassen. Eine "Phasenzonenplatte" wie sie hierin und in den Ansprüchen verwendet wird, ist ein einheitlicher, optischer Bereich einer Linse, die die Kombination einer Zonenplatte und optischer Facetten (wie in Form von Echeletten) in den Zonen der Zonenplatte verwendet, und die kombinierten Facetten in den Zonen beugen Licht, wobei eine spezielle Wellenfront erzeugt wird, die eine spezifische Lichtverteilung bei verschiedenen Ordnungen der Zonenplatte (z.B nullter, erster, usw.) bewirkt. Die Ordnungen bilden die Brennpunkte der Zonenplatte In eigeschränkter Hinsicht und auch in praktischster Hinsicht ist die Phasenzonenplatte für allgemeine Linsenanwendungen gestaltet, wo die Lichtverteilung bei wirksamen Intensitäten für Licht einer Musterwellenlänge vom Zonenabstand abhängt. Gelbes Licht, wie es hierin verwendet wird, ist der Bereich des sichtbaren Spektrums bei 530 - 570 Nanometern.
Die Erfindung befaßt sich unter anderem mit Kontaktlinsen. Kontaktlinsen sind klassische, nahe anliegende Linsen. Sie besitzen eine konkave, hornhautförmige Schale (die hintere Oberfläche), die es erlaubt, sich dem Auge anzupassen, und die äußere Oberfläche (die vordere Oberfläche) ist glatt und so geformt, daß es dem Augenlid möglich ist, über das Auge zu gleiten, und geeignete Lichtlenkung (wobei der Brechungsindex des Linsenmaterials berücksichtigt wird) auf einen Brennpunkt, der sich dem Auge anpaßt, zu liefern. Die Mehrzahl der handelsüblichen Kontaktlinsen ist so geformt, daß diese Linsen über der optischen Achse am dünnsten sind und die Dicke der Linsen nach und nach entlang einer geneigten radialen Länge, die sich in Richtung des Linsenumfanges erstreckt, ansteigt. Aufgrund des Unterschiedes in der Dicke, ausgehend von der optischen Achse, muß Licht, das durch die optische Achse hindurchtritt, weniger Linsenmaterial passieren. Da sich Licht in Luft schneller fortbewegt, wird Licht, das durch größere Dicken hindurchtritt, relativ zu Licht, das durch geringere Dicken hindurchtritt, verschoben und daher zeitlich verzögert. Siehe Fincham et al., Optics, herausgegeben von Butterworths, London, 9. Auflage, 1980, 1981 Seiten 72 - 75. Folglich wird die Form der Linse so gewählt, daß sie sich dieser fortschreitenden Verzögerung des Lichts anpaßt, so daß die Lichtwellen, die von der hinteren Oberfläche ausgehen, beim Erreichen eines gewünschten Brennpunktes synchronisiert sind.
Die Erfindung befaßt sich mit Kontaktlinsen, die Phasenzonenplattenoptiken verwenden, so wie Phasenzonenplattenbifokallinsen und "abgestimmte" Fresnel-Linsen, die konzentrische, ringförmige Zonen verwenden. Solche Linsen entsprechen im allgemeinen den Modellen, die zum Beispiel von Allen L. Cohen in den U.S. Patenten 4,210,391, 4,338,005 und 4,340,283 ("Cohen Patente") beschrieben sind. Ein Cohen-Linsenmodell sieht vor, daß die Radien "rn" der ringförmigen und konzentrischen Zonen im wesentlichen proportional zu n sind, und daß die Zonen so eingeschnitten sind, daß sie Licht auf mehr als einen Brennpunkt lenken.
Das Cohen-Linsenmodell mit Phasenzonenplattenoptiken ermöglicht bifokale Linsenaufbauten, die außergewöhnlich dünn sind. Kontaktlinsen können mit Phasenzonenplattenoptiken gestaltet werden, um einen bifokalen oder andere multifokale Effekte zu erzielen. Die speziellen chromatischen Eigenschaften einer Phasenzonenplatte können mit dem Modell einer Kontaktlinse vereinigt werden, einschließlich einer Kontaktlinse mit multifokalen Eigenschaften. Alle optischen Elemente von Phasenzonenplatten, die als bifokal bezeichnet werden, besitzen die Fähigkeit, Licht an mehr als zwei Brennpunkten zu fokussieren. Sie werden als bifokal bezeichnet, da die Intensitätsstufen des Lichts zweier Ordnungen, z. B. Brennpunkte nullter und erster Ordnung, für bifökale Anwendungen ausreichen. In diesem Sinne verteilt jedes Bifokal Licht zu einem dritten und möglicherweise mehr Brennpunkten. Die Einschätzung, ob eine Linse ein Bifokal oder ein Trifokal ist, basiert nicht auf einer strengen Regel. Wenn der Träger der Linse das Vorhandensein des dritten oder mehrerer Brennpunkte nicht als unangenehm empfindet, ist die Linse wahrscheinlich als Bifokal ausreichend. Siehe Klein and Ho, SPIE, August 1986, Tabelle 2 und die Anmerkungen zu Tabelle 2.
Andere Verweise, die Phasenzonenplattenoptiken in Hinblick auf Kontaktlinsen erwähnen oder vorschlagen, sind G. Forst, "Research into the Usability of Circular Grids as Aid to Vision", Der Augenoptiker, 1966 (12), Seiten 9 - 19; Ziegler, "Fabrication or Correction of Optical Lenses", wie von Cohen abgewandelt, siehe Spalte 4, Zeilen 27 - 36 des Cohen-U.S.-Patents Nr.4,339,005, und Spafte 5, Zeile 63, bis Spalte 6, Zeile 68 des Cohen- U.S.-Patents Nr. 4,210,391; Freeman, U.S.-Patent 4,637,697, und Freeman, U.S.-Patent 4,642,112 (in dem Maße, in dem Holographie Phasenzonenplattenoptiken umfaßt).
Bifokale Kontaklinsen, die die oben genannten Grundsätze von Phasenzonenplattenoptiken verwenden, sind im Handel erhältlich. Es wird angenommen, daß solche Linsen abgestufte, ringförmige Facetten verwenden, von denen jede eine vollperiodische Zone umfaßt, wobei jede Zone eine Tiefe einer optischen Weglänge von λ/2, versehen mit einer physikalischen Tiefe von λ/2(η'-η), besitzt. η' und η sind die Brechungsindizes der Linse und des Mediums (z. B. der Tränenschicht), in dem die Linse wirkt, und λ ist die Musterwellenlänge, in diesem Fall, die von gelbem Licht. Dies liefert eine bifokale Kontaktlinse, bei der die ersten und zweiten Ordnungen eine gleichmäßige Aufspaltung der Intensität von gelbem Licht von etwa 40,1% besitzen.
Eine vollperiodische Zone, die den Zweck dieser Erfindung erfüllt, ist definiert als die kleinste sich wiederholende Abfolge von Facetten in einer Phasenzonenplatte, die im wesentlichen in Abständen proportional zu n angeordnet sind. Solche Beabstandung ist gekennzeichnet durch die Formel:
rn= (2nfλ),
worin f für die Brennweite erster Ordnung steht. Eine halbperiodische Zone, die den Zweck dieser Erfindung erfüllt, ist gekennzeichnet durch die Formel:
rn= (nfλ),
worin f für die Brennweite erster Ordnung steht.
Obwohl die nicht-brechende Stufenwand oder die Erhöhung zum Plateau der Stufe zylindrisch oder annähernd zylindrisch in der ebenen Richtung der optischen Achse der Linse ist und dabei einen kleinen Bruchteil der Oberfläche der Phasenzonenplatte der Linse besetzt, hält man sie für ausreichend groß, um zu einer Anzahl von Problemen beizutragen. Abbildungsschatten und Partikeleinfang sind einige der Probleme, die man durch Verringerung der Tiefe der Stufenwand oder der -erhöhung vermindern könnte.
Wenn man jedoch solch eine Linse verändern und die Facettentiefe auf einen Wert geringer als λ/2, welches die Musterwellenlänge ist, reduzieren würde, würden die optischen Qualitäten der Linse schnell sehr schlecht werden. Die Ausdrücke "Facettentiefe", "Stufentiefe der Facette", "Stufentiefe" und Wörter, die sich auf diesen Effekt beziehen, wie hierin verwendet, bedeuten in Bezug auf die Musterwellenlänge der Linse den Grad an Diskontinuität der optischen Weglänge, der durch die Stufe erzeugt wird. Obwohl man sich mit sehr kleinen Werten beschäftigt, wenn man bei λ/2 arbeitet, wirkt sich eine Änderung der Abmessung um wenige Nanometer ernsthaft auf die Leistung der Linse aus. Zum Beispiel führt eine Verminderung der Facettentiefe um 10% zu einem bedeutenden Verlust an wirksamer Bifokalität in solch einer Linse. Man sollte bedenken, daß alle anderen Werte, die mit den Ausmaßen der Phasenzonenplatte in Verbindung stehen, vergleichsweise klein sind. Das Plateau der Facette erstreckt sich von der nicht-brechenden Stufe zum Tiefpunkt der angrenzenden Stufe. Diese Tatsachen deuten darauf hin, daß es wenig gibt, was man machen kaun, um den Verlußt an Bifokalität zu verhindern, wenn man die Tiefe der Stufe unter λ/2 vermindert.
Man hat herausgefunden, daß kleine Veränderungen (bei manchen Ausfürungsformen außergewöhnlich kleine Veränderungen) bei der Gestaltung der Form der Plateauneigung der Facetten im Rahmen des Abstands n bewirken, daß man eine wirksame bifokale Linse, basierend auf Phasenzonenplattenoptiken herstellen kann, bei der die Stufentiefe geringer als λ/2 ist. Durch die wechselnden Neigungen der Facetten, verwirklicht in den Cohen-Patenten und dem Cohen-Linsenmodell, kann man einer Kontaktlinse ausgezeichnete Bifokalität verleihen, wobei die Facetten eine Tiefe besitzen, die geringer als etwa λ/2 ist.
Gemäß der Erfindung wird ein multifokales, diffraktives optisches Element geliefert, das eine Zonenplatte mit ringförmigen, konzentrischen Zonen, die im wesentlichen in Abständen proportional zu n angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl ist, umfaßt, wobei die Zonen eine Facette mit einer Facettentiefe D&sub0; und mit einem Profil zur Einführung eines Unterschiedes in der optischen Weglänge umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil so geformt ist, daß die Facettentiefe D&sub0; für eine vorbestiminte Musterwellenlänge geringer ist als die Hälfte dieser Musterwellenlänge, dividiert durch die Differenz der Brechungsindizes des Elementmaterials und des umgebenden Mediums, und so geformt ist, daß die Lichtintensität von Licht der Musterwellenlänge im wesentlichen gleichmäßig auf zwei der Brennpunkte der Linse verteilt wird.
Daher liefert eine Ausführungsform der Erfindung einen neuen bifokalen Linsenaufbau, der die Vorteile des Zonenabstands rn und stufenförmiger Facetten, die eine Diskontinuität in der optischen Weglänge von weniger als λ/2 einführen, bietet.
Die Erfindung kann einen neuen bifokalen Linsenaufbau liefern, der Abbildungsschatten vermindert, die mit üblichen bifokalen Linsen einhergehen, die stufenförmige Facetten mit einer Tiefe, die größer oder gleich λ/2 ist, umfassen.
Die Erfindung kann eine neue bifokale Kontaktlinse liefern, die eine Phasenzonenplatte enthält, die ein geringeres Volumen zum Sammeln von Tränenflüssigkeit besitzt als eine bifokale Kontaktlinse mit einem konventionellen λ/2-parabolischen Echelettenaufbau. Dies bedeutet daß die Kontaktlinsen der Erfindung ein geringeres Volumen zum Einfangen von Partikeln auf dem Auge und zwischen dem Auge und der Linse besitzen.
Es gibt Linsenaufbauten gemäß dieser Erfindung, die einen Oberflächenkontakt mit der Hornhaut in der Art und Weise liefern, daß Facettenkurven der Phasenzonenplatte die Oberfläche der Hornhaut tangential berühren. Dies bewirkt, daß die neue Linse der Erfindung bequemer auf dem Auge ruht.
Hier wird eine bifokale Kontaktlinse beschrieben, die Phasenzonenplattenoptiken und eine Facettentiefe, die geringer als die Hälfte der Wellenlänge der Musterwellenlänge ist, verwendet, wobei die Hauptbrennpunkte von zwei Ordhungen sind, wie nullter und erster Ordnung, nullter und zweiter Ordnung oder jeder anderen Kombination zweier Ordnungen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt das optische Element Facetten in den ringförmigen, konzentrischen Zonen, die ein wechselndes, stufenförmiges, sich wiederholendes Muster liefern, bei dem:
1. die Facette einer der abwechselnden Zonen ein sich neigendes, kurvenförmiges Profil besitzt, das an der Zonengrenze durch ein anderes kurvenförmiges Profil unterbrochen wird, was die unterschiedlich geneigte, kurvenförmige Facette der anderen abwechselnden Zone liefert,
2. die Zonen in Abständen, im wesentlichen proportional zu n angeordnet sind,
3. die Tiefen der Facetten geringer als λ/2 sind,
4. die Zonen so eingeschnitten sind, daß sie gelbes Licht auf mindestens zwei Hauptbrennpunkte mit zumindest ausreichenden Intensitäten zum Gebrauch beim Sehen bei jedem dieser Hauptbrennpunkte lenken, und
5. das Element ohne das abwechselnde Muster nicht solche Intensität besäße.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein bifokales optisches Element des Cohen-Linsenmodells, bei dem die ungeraden und geraden Zonen der Phasenzonenplatte
a. der Beabstandung rn= (nfλ) entsprechen,
b. benachbart und frei von einer nicht-brechenden Stufenschnittstelle bei zumindest jeder anderen Zonengrenze sind und ein geneigtes Profil an solch einer benachbarten Schnittstelle hinterlassen,
c. der Quersclmitt jeder ungeraden Zone das gleiche allgemeine Profil besitzt und der Querschnitt jeder geraden Zone das gleiche allgemeine Profil besitzt,
d. sich das allgemeine Profil der ungeraden Zonen von dem der geraden Zonen unterscheidet,
e. die Stufentiefen der Zonen geringer als λ/2 sind.
Bevorzugt liefert das geneigte Profil einen weichen Übergang von Zone zu Zone.
Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt die Erfindung ein bifokales optisches Element des Cohen-Linsenmodels mit einer facettierten Stufenphasenzonenplatte, die ein abwechselndes Profil enthält, worin:
a. die Phasenzonenplatte rn= (2nfλ) entspricht,
b. das abwechselnde Profil in dem vollperiodischen Abstand auftritt,
c. die Factten eine Tiefe besitzen, die geringer als etwa λ/2 ist
d. die Zonen so eingeschnitten sind, daß sie gelbes Licht auf mindestens zwei Hauptbrennpunkte mit zumindest ausreichenden Intensitäten zum Gebrauch beim Sehen bei jedem dieser Hauptbrennpunkte lenken, und
e. die Zonen ohne solch ein abwechselndes Profil nicht solche Intensität zum Gebrauch beim Sehen besäßen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das optische Element der Erfindung optisch diffraktive Facetten, die zwei unterschiedliche, kurvenförmige Profile vorsehen, die bei Radien rn durch Übergangsprofile, die über solchen Radien plaziert sind, verbunden sind, wobei diese Übergangsprofile Profilkrümmungen besitzen, die sich von den besagten zwei unterschiedlichen, kurvenförmigen Profilen unterscheiden, und wobei kreisförmige, konzentrische Zonen bei diesen Übergangsprofilen gebildet werden, wobei diese Zonen in Abständen im wesentlichen proportional zu n angeordnet sind und die Zonen so eingeschnitten sind, daß sie gelbes Licht auf mindestens zwei Hauptbrennpunkte in zumindest ausreichender Intensität zum Gebrauch beim Sehen bei jedem dieser Hauptbrennpunkte lenken, wobei das Element ohne die kurvenförmigen Profile nicht solche Intensität zum Gebrauch beim Sehen besäße.
Ausführungsformen der Erfindung befassen sich mit Linsen für die Korrektur von Sehfehlern, wie Kontakt- und Intraokularlinsen, die solche optischen Elemente enthalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Linse für die Korrektur von Sehfehlern eine bifokale Linse, die das Licht mit im wesentlichen gleichen Intensitäten auf zwei Brennpunkte aufteilt. Bei einer sehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das optische Element ein sich wiederholendes Zonenmuster mit einem Profil, das durch die Gleichung
beschrieben wird, worin d die Tiefe des sich wiederholenden Profils, r die radiale Position der Zone, b der Radius der ersten Zone und D&sub0; die Facettentiefe für die Musterwellenlänge ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung richtet sich auf eine Kontaktlinse für die Korrektur von Sehfehlern, die mindestens zwei Phasenzonenplatten in ihrer optischen Zone enthält, wobei mindestens eine davon die Eigenschaften der zuvor erwähnten optischen Elemente umfaßt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung richtet sich auf eine Kontaktlinse für die Korrektur von Sehfehlern, die in ihrer optischen Zone (1) eine Phasenzonenplatte, die die Eigenschaften der zuvor erwähnten optischen Elemente umfaßt, und (2) einen rein refraktiven Bereich, bevorzugt in Form eines oder mehrerer Kanäle, besitzt.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine einfallende, ebene Welle zeigt, die auf ein diffraktives, bifokales Element trifft, das die typischen, parabolisch geformten Echeletten mit dem n-Abstandsmuster des Cohen-Linsenmodells veranschaulicht, woraufhin sie in zwei (2) austretende, Kugelwellen umgewandelt wird, die auf verschiedene Brennpunkte gelenkt werden, und so die allgemeinen Prinzipien multifokaler Diffraktion veranschaulicht.
Figur 2 ist eine Kurve, die den Echelettenprofilschnitt von einem typischen, diffraktiven, bifokalen optischen Element aus dem Stand der Technik zeigt, wie bei einer Linse gemäß Ziegler a. a. O. Die mit d gekennzeichnete Achse stellt die Echelettendicke dar, und die mit r gekennzeichnete Achse steht für den radialen Abstand entlang der Echelette.
Figur 3 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform eines optischen Elements gemäß der Erfindung, dessen Facetten in Figur 4 graphisch dargestellt sind.
Figur 4 ist eine Kurve, die ein Facettenprofil einer Ausführungsform der Erfindung erläutert, Die mit d gekennzeichnete Achse stellt die Facettendicke dar, und die mit r gekennzeichnete Achse steht für den radialen Abstand entlang der Facetten.
Figur 5 vergleicht die graphischen Profile der Echelettenzone mit vollperiodischen Abständen aus dem Stand der Technik, die das übliche parabolische Profil besitzt, mit den Facettenzonen mit halbperiodischen Abständen, die einen mehrprofiligen, unterbrochenen Aufbau haben.
Figuren 6 bis 12 liefern graphische Beschreibungen von Querschnittsansichten von Facettenanordnungen für optische Elemente im Rahmen dieser Erfindung.

Einzelheiten der Erfindung

Diese Erfindung betrifft unter anderem bifokale optische Linsen, die einen optischen Zonenabschnitt umfassen der Diffraktionseinrichtungen zum Erzielen multifokaler Eigenschaften verwendet. Die Diffraktionseinrichtung umfaßt ein sich wiederholendes Muster mit flacher Facettentiefe und einem neuen Profil. Die Verwendung eines Profils mit flacher Facettentiefe vermindert Bildschatten, Partikeleinsammlung zwischen der Phasenplatte und dem Auge (im Fahe von Kontaktlinsen) und erhöht im Falle von Kontaktlinsen den Tragekomfort.
Die Erfindung findet am bevorzugtesten Anwendung in Kontaktlinsen. Die Erfindung umfaßt den Einbau der optischen Elemente auf dem vorderen oder hinteren Bereich oder auf beiden Bereichen einer Kontaktlinse. Die optischen Elemente können durch Drehen oder Anformen an Kontaktlinsen angebracht werden. Die Erfindung wird bevorzugt in multifokalen (insbesondere bifokalen) Intraokularlinsen eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem bifokalen, optischen Diffraktionselement. Sie verwendet ein kreisförmig markiertes Diffraktionsgitter, um ihre multifokalen Eigenschaften zu erzielen, wie von Cohen gelehrt wird. Das markierte Gitter gestattet das Abstimmen der Lichtaufspaltung zwischen zwei Brennpunkten durch Einstellung von beidem, der Facettentiefe D&sub0; und des Profils der markierten Facette selbst. Die Erfindung verwendet für die Facetten der optischen Elemente neue Profile.
Eine Ausführungsform der Erfindung liefert ein bifokales, optisches Diffraktionselement unter Verwendung eines kreisförmig markierten Gitters, um ihre multifokalen Eigenschaften zu erzielen, wobei das markierte Gitter das Abstimmen der Lichtaufspaltung zwischen zwei Brennpunkten durch Einstellung von beidem, der Facettentiefe D&sub0; und des Profils der markierten Facette selbst, gestattet und die markierte Facette mit einer wechselnden Neigung versehen ist, die gemäß dem Zonen abstand n aufgeteilt ist.
Die neuen Facettenanordnungen der Erfindung tielen sich, was im Stand der Technik als ein vollperiodischer (λ) Abstand der Facetten angesehen wird, in abwechselnd geneigte, halbperiodische (λ/2), facettierte Zonen, die nur eine nicht-diffraktive, zylindrische (oder im wesentlichen zylindrische) Oberfläche für je zwei wechselnde, halbperiodische Zonen enthalten, und diese zwei abwechselnden, halbperiodischen Zonen sind über eine Facette mit glatter Oberfläche miteinander verbunden, was eine Phasenverschiebung von Licht der Musterwellenlänge zwischen den halbperiodischen Zonen bewirkt. Alle nicht-diffraktiven, im wesenthchen zylindrischen oder zylindrischen Oberflächen sind weniger als λ/2 tief. Die abwechselnden Zonen der Erfindung liefern Kontrolle über die Lichtaufspaltung zwischen den Brennpunkten der Linse. Durch Einstellung der Neigungen der abwechselnden Zone ist es möglich, die Intensität von Licht an den Brennpunkten zu variieren.
Die Erfindung kann ein bifokales, optisches Diffraktionselement liefern, das auf einer Oberflächenschicht einer Linse aufgebracht, eingeprägt und/oder eingebettet ist und das die Fähigkeit besitzt, Licht unabhängig an mindestens zwei (bevorzugt zwei) Hauptbrennpunkten konvergieren zu lassen, wobei das Element abwechselnd geneigte, halbperiodische (λ/2), facettierte Zonen umfaßt, die nur eine nicht-diffraktive, zylindrische (oder im wesentlichen zylindrische) Oberfläche für je zwei abwechselnde, halbperiodische Zonen umfaßt, und diese zwei abwechselnden, halbperiodischen Zonen sind über eine Facette mit glatter Oberfläche miteinander verbunden, was eine Phasenverschiebung von Licht der Musterwellenlänge zwischen den halbperiodischen Zonen bewirkt. Alle nicht-diffraktiven, im wesentlichen zylindrischen oder zylindrischen Oberflächen sind weniger als λ/2 tief.
Ein beachtlicher Vorteil der Erfindung ist der minimale Unterschied der Neigung, der bei den abwechselnden Facetten benötigt wird, um die Vorteile hervorragender Lichtintensität an den vorgesehenen Brennpunkten zu erzielen und gleichzeitig die oben genannten Verbesserungen, die die Verminderung von grellem Leuchten und/oder hellem Scheinen umfassen, zu erreichen. Man benötigt nur einen kleinen Unterschied der Steigungen in den halbperiodischen Zonen gegenüber einer gebräuchlichen, parabolischen Form, um eine Linse zu erzeugen, die die Vorteile der Erfindung liefert.
Solche geringen Unterschiede kommen durch die Kleinheit der Facetten sogar bei Messung über eine volle Periode zustande. Zum Beispiel könnte eine Ausführungsform der Erfindung in einer Kontaktlinse,
bei der die Phasenplatte dadurch gekennzeichnet ist, daß sie 8 vollperiodische Zonen umfaßt und auf der hinteren Oberfläche der Linse plaziert ist,
die Linse der Form des Auges entspricht und eine typische Refraktion auf den fernen Brennpunkt liefert, und
die Musterwellenlänge gelbes Licht von etwa 555 Nanometern ist,
die folgenden Ausmaße verwenden:
die erste Zone an der optischen Achse besitzt einen Radius von etwa 0,75 Millimetern;
die letzte Zone, entfernt von der optischen Achse, besitzt eine Weite, die durch die Differenz des Radius zum äußeren Rand der Zone und des Radius zum inneren Rand der Zone definiert ist, von etwa 0,14 Millimeter; und
die Tiefe jeder Facette beträgt etwa 0,003 Millimeter.
Dieser gleiche Aufbau, jedoch in Bezug auf dessen 16 halbperiodische Zonenabstände gemessen, verursacht durch eine Beugung des Oberflächenprofils, entsteht bei einem Punkt bei Ausmaßen von etwa n:
die erste Zone an der optischen Achse besitzt einen Radius von 0,053 Millimetern;
die letzte Zone, entfernt von der optischen Achse, besitzt eine Weite, die durch die Differenz des Radius zum äußeren Rand der Zone und des Radius zum inneren Rand der Zone bestimmt wird, von etwa 0,067 Millimeter.
Vergleicht man die optischen Elemente, die Facetten umfassen, die eine übliche parabolische Form über einen vollperiodischen Zonenabstand besitzen, mit optischen Elementen, die den halbperiodischen Zonenabstand und Facettenprofile gemäß der Erfindung mit der Stufentiefe von 0,003 Millimetern umfassen, findet man, daß der halbperiodische Zonenabstand einen etwas geringeren Bereich unter den Kurven, die das Profil der Facetten wiedergeben, besitzt. Der Unterschied kann so gering sein wie etwa 1% Flächenunterschied bis etwa 10% Flächenunterschied Typischerweise beträgt der Unterschied etwa 2 bis 5% Flächenunterschied. In der obigen Darstellung beträgt der Flächenunterschied etwa 3%. So gering der Flächenunterschied auch erscheinen mag, sein Beitrag zur Leistung der Linse ist sehr bedeutend.
Eine Linse mit nach dem Stand der Technik parabolisch geformten Echeletten, vollperiodischem Abstand und mit einer Echelettentiefe von 0.8 λ/2 liefert die folgende Lichtintensitätsverteilung:
Dies muß mit der Beschreibung von Klein und Ho über das λ/2-Analoge verglichen werden, die die folgenden Intensitäten zeigt: nicht-abwechselnd
Eine geringfügige Veränderung im Profil unter Beibehaltung der Tiefe von 0,8 λ/2 führt zu einem durch die Erfindung herbeigeführten, bifokalen Element, das eine Lichtintensitätsverteilung zur nullten und ersten Ordnung von 0,405 liefert.
Jede Facette der abwechselnden Zonen der Phasenzonenplatte besitzt eine Tiefe von weniger als λ/2, wobei λ die Musterwellenlänge der Phasenzonenplatte ist. In solchen Fällen, bei denen eine Facette einer Zone durch ein gekrümmtes Profil mit einer anderen Facette einer Zone verbunden ist und wenn nur eine von ihnen aus emer Stufe gebildet ist, die eine nichtrefraktive Oberfläche darstellt, werden die zwei Zonenfacetten eine gemeinsame Tiefe von weniger als λ/2 besitzen. In diesem speziellen Fall und zur Erleichterung von Berechnungen wird die Tiefe der Kombination aus der Sicht des vollperiodischen Zonenabstands betrachtet. Jedoch werden solche wechselnden, geneigten Zonenfacetten so betrachtet, als besäßen sie verschiedene Tiefen. Die Tiefen der Facetten können von etwa 0,01 bls 0,99 mal (x) λ/2 reichen, bevorzugt von etwa 0,05 bis 0,95 x λ/2 und am stärksten bevorzugt von etwa 0,1 bis 0,9 x λ/2.
Angenommen, es wäre für den Fachmann logisch, vor dieser Erfindung die Facettentiefe vermindern zu wollen, gäbe es keine vernünftige Möglichkeit ein diffractives Bifokal mit Facetten- (Echeletten-) Tiefen flacher als ½ Wellenlänge herzustellen, was die Energieaufteilung zwischen den zwei austretenden Kugelwellen nicht nachteilig beeinflussen würde.
Diese Erfindung ermöglicht es, diffraktive, bifokale Linsen mit flachen Facetten (Echeletten) mit der erforderlichen, gleichen oder im wesentlichen gleichen Energieaufspaltung zwischen den zwei Kugelwellen, die zu den nullten und ersten Ordnungen gehen, zu konstruieren.
Diese Erfindung stützt das neue Konzept, daß die Energieaufspaltung zwischen den zwei austretenden Kugelwellen bestimmt wird
1. durch die Facetten- (Echeletten-) Tiefe und
2. das tatsächliche Facetten- (Echeletten-) Profil.
Man hat festgestellt, daß man durch geeignete Profilierung des Facetten- (Echeletten-) Profils eine gleiche Energieaufspaltung erhalten kann, auch wenn man eine diffraktive, bifokale Linse mit flachen Facetten- (Echeletten-) Tiefen schneidet
Figur 1 betreffend, ist dort eine diffraktive, bifokale Linse CL mit einer Krümmung, die konvergente Refraktion und Diffraktion bewirken soll, beschrieben. In der Figur wandeln optische Elemente E (begründet auf einem angenommenen, vollperiodischen Abstand) eine eintreffende, ebene Welle in eine Wellenfront aus hauptsächlich zwei Kugelwellen um. Zum Beispiel tritt eine auftreffende Lichtwelle mit ebener Phasenfront P durch die vordere Oberfläche AS von Linse CL hindurch und tritt aus der hinteren Oberfläche PS als eine Lichtwelle aus hauptsächlich zwei sphärischen Phasenfronten S&sub1; und S&sub2; mit entsprechenden Intensitäten I&sub1; und I&sub2; heraus. Die hintere Oberfläche PS umfaßt diffraktive Echeletten E und deren entsprechende, nicht-optische Kanten N. Der Facetten- (Echeletten-) Abstand in einem diffraktiven optischen Element ist durch die Standardformel
rn = n r&sub1;
gegeben, in der rn der Radius der n-ten Zone (bei Verwendung von vollperiodischem Abstand) ist. Und η und η' sind die Brechungsindizes von Luft bzw. der Linse CL. Der Ort der Brennpunkte der zwei sphärischen Wellenfronten wird durch den Radius der ersten Zone r&sub1; und der Trägerleistung der Linse CL bestimmt. Insbesondere ist der Brennpunkt n-ter Ordnung fm, durch die Gleichung
fm = r&sub1;²/(2 λ m)
mit λ= Wellenlänge und m 0, ±1, ±2, usw gegeben.
Es wurde darauf hingewiesen, daß eine gewünschte Energieaufspaltung stattfindet, wenn die zwei austretenden Kugelwellen, gleiche Mengen von der gesamten Energie tragen, d. h. wenn I&sub1;=I&sub2;. Die gegenwärtige Literatur sagt aus, daß dies der Fall ist, wenn die Facetten(Echeletten-) Tiefen D&sub0; auf eine Tiefe von ½ Wellenlänge gesetzt werden (siehe Klein und Ho, supra).
Figur 2 zeigt ein durchschnittliches, parabolisches Profil, das im Stand der Technik verwendet wird (siehe Ziegler, supra). Die Tiefe d des sich wiederholenden Profils ist als eine Funktion der radialen Position r in der folgenden Gleichung dargestellt.
d = D&sub0; (1-(r²/b²))
b = Radius der ersten Zone.
Dieses Profil wiederholt sich in jeder Zone, verringert sich aber proportional zur Weite jeder dieser Zonen. Die Facetten- (Echeletten-) Tiefe für eine gleichmäßige Energieaufspaltung an den nullten und ersten Ordnungen ist durch die folgende Gleichung dargestellt:
D&sub0; = 0,500 λ/(n-1)
n = Brechungsindex
und die Intensitätsaufspaltung ist gegeben durch
I&sub1; = I&sub2; = (2.0/π)² = 0,405.
Figur 3 zeigt eine diffraktive, bifokale optische Linse, die Facetten gemäß dem Modell, das in Figur 4 dargestellt ist, enthält. Die Facettentiefen betragen 0,405/0,500 = 80% der Tiefen, die von Linsen nach den Stand der Technik benötigt werden.
Figur 4 zeigt ein neues Kosinusprofil, das bei einer Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird. Das sich wiederholende Profil ist gegeben durch
Die Facettentiefe, die einen vollperiodischen Abstand zwischen den nicht-refraktiven Kanten der Stufen verwendet, aber für eine gleichmäßige Energieaufspaltung wechselnd geneigte Facetten innerhalb halbperiodischer Abstände enthält, ist gegeben durch
D&sub0; = 0,405 λ/(n-1),
und die Intensitätsaufspaltung ist gegeben durch
I&sub1; =I&sub2; =J&sub0;²(0,405 π)=0,403,
worin J&sub0; eine Besseifluiktion ist.
Figur 3 umfaßt eine optische Linse CL, die eine vordere Oberfläche AS und eine periphere, hintere Oberfläche PS besitzt. In dieser Ausführungsform besteht die hintere Oberfläche der optischen Zone aus den diffraktiven Facetten (Echeletten) E und deren entsprechenden nicht-optischen Kanten N. Das physikalische Profil der Facetten (Echeletten) E ist gegeben durch
worin d die Dicke der Facette (Echelette) ist; r ist der radiale Abstand von der inneren Kante der Zone (und solch ein Profil wiederholt sich in jeder Zone, verringert sich aber proportional zur Weite jeder dieser Zonen), innerhalb derer die Facette (Echelette) gebildet wird, und dem Auftreten eines solchen Profilwechsels, und b ist der Radius der ersten Zone. Dieses spezielle Profil ist in Figur 4 dargestellt.
Figur 5 ist eine Überlagerung des parabolischen Echelettenmodells a, kennzeichnend für den Stand der Technik (siehe Figur 2), des kosinusförmigen Profils b aus Figur 4 und eines anderen, für eine bifokale Linse geeigneten Profils c. Zweck der Überlagerung ist es, die Profilunterschiede zwischen den Aufbauten der Erfindung und dem Stand der Technik, wie in Figur 2 dargestellt, zu zeigen. Man beachte besonders die Verschiebung des Profils von Kurve b beim Abstand n. Der geringe Unterschied ermöglicht es, daß das Profil von Kurve b als Facettenprofil für das Linsenelement der Erfindung geeignet verwendet werden kann.
Das physikalische Profil der Facette c ist gegeben durch
Profile a und c ergeben bei solch verminderter Tiefe keine gleichmäßige Intensitätsaufspaltung des Lichts zu den nullten und ersten Ordnungen, wogegen dies der Fall ist, wenn
D&sub0; = 0,500 λ/(n-1)
Figuren 6 bis 10 beschreiben eine Vielfalt geeigneter Facettenprofile, die gemäß der Erfindung im Linsenaufbau von Figur 2 verwendet werden können.
Figur 6 beschreibt entlang einer X-Y-Achse graphisch das Profil von Figur 4 in einer sich wiederholenden Abfolge von wechselnden, halbperiodischen, geneigten Zonen, dargestellt durch die ungeraden und geraden Zonen. Diese spezielle Ausführungsform ist gekennzeichnet durch
worin λ die Musterwellenlänge und n der Brechungsindex des Linsenmediums ist.
Figur 7 ist ein weiteres, graphisch entlang einer X-Y-Achse dargestelltes Profil, bei dem die Tiefe der nicht-refraktiven Kanten der Stufe weiter auf 0,31λ vermindert ist und die Tiefe der geraden, halbperiodischen Zonen eine gekrümmte Verbindung mit der nicht-refraktriven Kante besitzt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch
Figur 8 zeigt ein Profil, bei dem die Kante der Stufe geneigt ist, was darauf hindeutet, daß sie zur optischen Qualität der Phasenzonenplatte beiträgt. Die Profile der halbperiodischen abwechselnden Zonen dieser Ausführungsform unterscheiden sich von den vorangegangenen Modellen hauptsächlich, weil die nicht-refraktive Kante im wesentlichen entfernt wurde. Diese Ausführungsform ist gekennzeichnet durch
Man beachte bei dieser Ausführungsform, daß die Tiefen der Facetten für die ungeraden Zonen weiter auf 0,21λ vermindert wurden, aber die geraden Zonen haben eine Tiefe unterhalb des Tiefpunktes der ungeraden Zonen um weitere 0,21λ.
Figur 9 stellt ein facettiertes Profil dar, bei dem die Neigung der geraden Zonen eine Grundkrümmung besitzt und das zwei sich gegenüberliegende Kurven vor der Verbindung mit der nicht-refraktiven Kante der Stufe zeigt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch
worin J&sub0; eine Besselfunktion ist.
Figur 10 zeigt ein weiteres Facettenprofil, das zwei Phasenzonenplatten und einen rein refraktiven Bereich umfaßt. Bei dieser Ausführungsform gibt es eine Verminderung der Tiefe von vollperiodischer Zone zu vollperiodischer Zone, obwohl nicht erforderlich ist, daß die Verminderung überall in der optischen Zone besteht. Zum Beispiel kann die erste Hälfte der vollperiodischen Zonen der optischen Zone nur eine Tiefe besitzen, und die Tiefe in der zweiten Hälfte der vollperiodischen Zone kann fortschreitend vermindert sein. Bei den bevorzugten Arten solcher Ausführungsformen wird jede der Stufen, ob von gleicher oder unterschiedlicher Tiefe, gleichmäßig entlang einer gemeinsamen Ebene der optischen Zone geteilt. Der rein refraktive Bereich besitzt bevorzugt die Form eines oder mehrerer Kanäle, die in die optische Zone eingegliedert sein und/oder die optische Zone begrenzen können. Die spezielle Ausführungsform aus Figur 10 ist gekennzeichnet durch
worin α von Zone zu Zone abnimmt.
Die Facettenprofile der Figuren 11 und 12 führen bei q&sub1; in der vollperiodischen Zone eine Zwischenraumverminderung ein, die erlaubt, daß sich die Stufe von q&sub1; bis r&sub2;, etc. erstreckt. Diese Verminderung des Zwischenraums in der abwechselnden Zone wird nicht als verändernd für den Abstand n der Zonen angesehen. Figur 11 ist gekennzeichnet durch
Figur 12 ist gekennzeichnet durch
Es sollte klar werden, daß die Erfindung nicht auf die exakten Einzelheiten der hier gezeigten und beschriebenen Gestaltungen beschränkt ist, sondern daß Fachleuten viele offensichtliche Veränderungen einfallen werden. Insbesondere können viele verschiedene Profile ermittelt werden, die die Verminderung der Facetten- (Echeletten-) Tiefen zulassen, ohne die erwünschte, gleichmäßige Energieaufspaltung zu verändern. Jedoch ist die Erreichung einer gleichmäßigen Energieaufspaltung nicht von der Wahl des Facettenprofils abhängig. Es wird angenommen, daß das Erzielen der Energieaufspaltungen, ob gleichmäßig oder nicht, direkt durch die wechselnden Neigungen der halbperiodischen Zonen erreicht wird.

Claims

1. Multifokales, diffraktives optisches Element, das eine Zonenplatte mit ringförmigen, konzentrischen Zonen, die im wesentlichen in Abständen proportional zu n angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl ist, umfaßt, wobei die Zonen eine Facette mit einer Facettentiefe D&sub0; und mit einem Profil zur Einführung eines Unterschiedes in der optischen Weglänge umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil so geformt ist, daß die Facettentiefe D&sub0; für eine vorbestimmte Musterwellenlänge geringer ist als die Hälfte dieser Musterwellenlänge, dividiert durch die Differenz der Brechungsindizes des Elementmaterials und des umgebenden Mediums, und so geformt ist, daß die Intensität von Licht der Musterwellenlänge im wesentlichen gleichmäßig auf zwei der Brennpunkte der Linse verteilt wird.

2. Multifokales, diffraktives optisches Element nach Anspruch 1 bei dem das Profil so gestaltet ist, daß es Licht der Musterwellenlänge mit Intensitäten von etwa 0,40 der Intensität des Lichts der Musterwellenlänge, das auf das optische Element auftrifft, auf die zwei Brechungspunkte lenkt.

3. Multifokales, diffraktives optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Facettenprofil ohne Diskontinuitäten glatt variiert.

4. Multifokales, diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, 2, oder 3, bei dem das Profil die folgende Gleichung erfüllt:

worin d die Tiefe des sich wiederholenden Profils, r die radiale Position der Zone, b der Radius der ersten Zone und D&sub0; die Facettentiefe bei der Musterwellenlänge ist.

5. Multifokales, diffraktives optisches Element nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem jede gestufte Facette eine äußere Ecke, begrenzt durch eine flache Krümmung, besitzt.

6. Multifokales, diffraktives optisches Element nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem jede gestufte Facette eine innere Ecke, begrenzt durch eine flache Krümmung, besitzt.

7. Multifokales, diffraktives optisches Element nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem Licht der Musterwellenlänge gelbes Licht ist.

8. Multifokales, diffraktives optisches Element nach einem der vorangegangenen Ansprüche in der Form einer Linse für die Korrektur von Sehfehlern.

9. Multifokales, diffraktives optisches Element nach Anspruch 8 in der Form einer Kontaktlinse oder einer intraokularen Linse.

10. Kontaktlinse für die Korrektur von Sehfehlern, die mindestens zwei Phasenzonenplatten in ihrer optischen Zone enthält von denen mindestens eine ein multifokales, diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.

11. Kontaktlinse für die Korrektur von Sehfehlern, die in ihrer optische Zone eine Phasenzonenplatte, die ein multifokales, diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt, und einen rein refraktiven Bereich besitzt.

12. Multifokale, diftraktive Linse für die Korrektur von Sehfehlern nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit gestuften Facetten, wobei jede gestufte Facette eine abgerundete äußere Ecke besitzt.