ES2208077B2

ES2208077B2 - MULTIFOCAL DIFRACTIVE ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD.

Info

Publication number: ES2208077B2
Application number: ES200201088A
Authority: ES
Inventors: Manuel Perez Cagigal; Pedro Jose Valle Herrero
Original assignee: Universidad de Cantabria
Current assignee: Universidad de Cantabria
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2005-05-16
Anticipated expiration: 2022-05-13
Also published as: ES2208077A1

Abstract

Elemento difractivo multifocal y método de fabricación, esta invención concierne al diseño de dispositivos ópticos multifocales, como son lentes y espejos multifocales, y específicamente a lentes de contacto y lentes intraoculares multifocales. El elemento difractivo multifocal propuesto se caracteriza por la utilización de un perfil de fase descrito por una función coseno cuyo argumento determina la distancia entre focos. El reparto de energía entre focos depende de la amplitud del perfil.Multifocal diffractive element and manufacturing method, this invention concerns the design of multifocal optical devices, such as multifocal lenses and mirrors, and specifically contact lenses and multifocal intraocular lenses. The proposed multifocal diffractive element is characterized by the use of a phase profile described by a cosine function whose argument determines the distance between foci. The distribution of energy between foci depends on the breadth of the profile.

Description

Elemento difractivo multifocal y método de fabricación.Multifocal diffractive element and method of manufacturing.

Object of the invention

La invención concierne al diseño de dispositivos ópticos multifocales, más concretamente, a lentes y espejos difractivos multifocales y específicamente a lentes de contacto y lentes intraoculares multifocales.The invention concerns the design of devices multifocal optics, more specifically, to lenses and mirrors multifocal diffractives and specifically contact lenses and multifocal intraocular lenses.

Background

Las primeras lentes multifocales conocidas en las que la propiedad multifocal se distribuye por toda la lente son las lentes de Fresnel en la forma descrita, por ejemplo, por H. Rühle en U.S. Pat. No. 3.004.470. Estas lentes consisten en un conjunto de zonas anulares concéntricas cuyas superficies son parte de dos o más lentes refractivas convencionales cuyas potencias se desean combinar. Las zonas se disponen en una secuencia alterna de una y otra lente y las anchuras de las zonas individuales no se especifican en general. El problema principal de este diseño aparece cuando las zonas deben construirse de anchuras muy pequeñas como ocurre por ejemplo en las lentes de contacto o lentes intraoculares. En este caso los efectos de difracción impiden la formación óptima de los focos múltiples.The first multifocal lenses known in the that the multifocal property is distributed throughout the lens are the Fresnel lenses as described, for example, by H. Rühle in U.S. Pat. No. 3,004,470. These lenses consist of a set of concentric annular zones whose surfaces are part of two or more conventional refractive lenses whose powers are desired to combine. The zones are arranged in an alternating sequence of one and another lens and the widths of the individual zones are not They specify in general. The main problem of this design appears when areas must be constructed of very small widths as happens for example in contact lenses or lenses intraocular In this case the diffraction effects prevent optimal formation of multiple foci.

Otro tipo de lentes multifocales son las lentes difractivas. El origen de los múltiples focos en las lentes difractivas se explica dentro de la Teoría Difraccional de la propagación de la luz. La Teoría de la Difracción es especialmente útil en el caso de la propagación a través de aberturas. La abertura puede ser una región vacía definida simplemente por su contorno o puede ser una región de material óptico de grosor variable y/o índice de refracción variable, que producirá cambios de fase diferentes en diferentes zonas del frente de onda incidente. En cualquier caso, la luz que pasa por la abertura se dice que sufre difracción.Another type of multifocal lenses are the lenses diffractive The origin of the multiple focus on the lenses diffractive is explained within the diffractional theory of light propagation The Theory of Diffraction is especially useful in the case of propagation through openings. The opening can be an empty region defined simply by its contour or it can be a region of thick optical material variable and / or variable refractive index, which will produce changes different phase in different areas of the wavefront incident. In any case, the light passing through the opening will be He says he suffers diffraction.

Un dispositivo óptico difraccional bien conocido es la placa zonal. Este consiste en una abertura circular dividida en anillos concéntricos cuyos radios vienen determinados según la relación r_{n}=\sqrt{nf\lambda}, donde \lambda es la longitud de onda de la luz, f es la distancia focal y n=1,2,3,... Las zonas anulares así producidas se llaman zonas semiperiódicas, y la diferencia de camino óptico entre dos zonas consecutivas desde la placa zonal al punto en el eje perpendicular a distancia f es de \lambda/2. Si las zonas anulares se numeran consecutivamente 1, 2, 3, ... de dentro a fuera, la característica esencial de la placa zonal reside en que parte de la luz incidente (perpendicularmente a la abertura) que pasa por las zonas impares focaliza en fase en el punto del eje a distancia f de la placa zonal. De forma similar la luz que atraviesa las zonas pares focaliza en fase a la misma distancia f. Por supuesto, la luz que pasa por las zonas impares está en oposición de fase con la de las zonas pares, con lo que no se produce una focalización efectiva en ese punto. Se han construido placas zonales haciendo las zonas pares (o impares) opacas al paso de la luz, consiguiendo de esta manera la focalización efectiva de parte de la luz incidente. Mejor aún, las placas zonales de fase se pueden construir de manera que se produzca un salto de fase (de \pi) en las zonas pares (o impares) consiguiendo que toda la luz esté en fase en el punto a distancia f.A well known diffractional optical device It is the zonal plate. This consists of a split circular opening in concentric rings whose radii are determined according to the relation r_ {n} = \ sqrt {nf \ lambda}, where \ lambda is the length of light wave, f is the focal length and n = 1,2,3, ... The zones annular so produced are called semi-periodic areas, and the optical path difference between two consecutive zones from the zonal plate to the point on the axis perpendicular to distance f is from λ / 2. If the annular zones are numbered consecutively 1, 2, 3, ... from inside to outside, the essential characteristic of the plate zonal resides in which part of the incident light (perpendicular to the opening) that passes through the odd areas focuses in phase on the remote axis point f of the zone plate. Similarly the light that crosses the even areas focuses in phase to it distance f. Of course, the light that passes through the odd areas It is in phase opposition with that of the even areas, so there is an effective focus on that point. They have built zonal plates making even (or odd) zones opaque to the passage of light, thus achieving the effective targeting of part of the incident light. Better yet, the zonal phase plates can be constructed to produce a phase jump (of \ pi) in the even (or odd) zones getting all the light in phase at the remote point F.

El salto de fase entre zonas puede realizarse bien por cambios en el perfil de la superficie, del índice de refracción o de ambos. Una propiedad importante de las placas zonales es que existen múltiples puntos del eje donde se produce concentración de luz (focos). Los dos focos principales concentran cada uno aproximadamente el 40% de la energía incidente. Estos son el foco situado a distancia f y el foco situado a distancia –f (foco virtual). La placa zonal se comporta por tanto como una lente bifocal o de doble potencia, negativa y positiva.The phase jump between zones can be performed either due to changes in the surface profile of the index of refraction or both. An important property of the plates zonal is that there are multiple points of the axis where it occurs light concentration (spotlights). The two main focuses concentrate each approximately 40% of the incident energy. These are the focus at distance f and the focus at distance –f (virtual focus). The zonal plate behaves as much as a lens bifocal or double power, negative and positive.

En una lente refractiva usual la potencia viene determinada por los radios de curvatura de las dos superficies, el espesor y el índice de refracción del material. Cuando una placa zonal se coloca sobre una lente refractiva (lente soporte o lente de base), las potencias de la placa zonal se suma a la potencia refractiva, pudiéndose obtener dos focales positivas. Este es el caso de las lentes de contacto diseñadas por A. L. Cohen (U.S. Pat. No. 4.210.391, 4.338.005, 4.881.804, 5.121.979, 5.121.980 y 5.114.483). Las lentes tipo Cohen utilizan el diseño de las placas de fase zonales de zonas anulares concéntricas cuyos radios son proporcionales a \sqrt{n} y cuyos perfiles se tallan de manera que dirijan la luz a más de un punto focal. Un inconveniente importante en este tipo de lentes son los escalones o aristas que se producen entre dos zonas contiguas. Cuando se trata de lentes de contacto, las aristas pueden dificultar la libre circulación y renovación de la lágrima, atrapar la suciedad en las esquinas e impedir una limpieza eficaz.In a usual refractive lens the power comes determined by the radii of curvature of the two surfaces, the thickness and refractive index of the material. When a plate zonal is placed on a refractive lens (support lens or lens of base), the powers of the zonal plate adds to the power refractive, being able to obtain two positive focal points. This is the case of contact lenses designed by A. L. Cohen (U.S. Pat. No. 4,210,391, 4,338,005, 4,881,804, 5,121,979, 5,121,980 and 5,114,483). Cohen lenses use the design of the plates zonal phase of concentric annular zones whose radii are proportional to \ sqrt {n} and whose profiles are carved so that direct the light to more than one focal point. An inconvenience important in this type of lens are the steps or edges that They occur between two contiguous areas. When it comes to lenses contact, edges can hinder free movement and tear renewal, trap dirt in the corners and prevent effective cleaning.

Description of the invention

El propósito de una lente multifocal es aumentar el número de focos a los que convergerá un haz de luz incidente. Este propósito ya ha sido conseguido de formas diferentes aunque los resultados obtenidos han presentado limitaciones como las siguientes: la cantidad de energía no concentrada en los focos (luz difusa) era elevada, el número de focos posible reducido y el reparto de energía entre focos era desigual. La presente invención proporciona la posibilidad de seleccionar el número de focos disponibles, presenta un reparto equilibrado de energía entre ellos y proporciona una elevada energía en cada foco. La invención consiste en dotar a una superficie dióptrica de un perfil que produzca, por difracción, la concentración de luz en más de un foco como muestra la figura 1. El perfil propuesto tiene simetría de revolución entorno a un eje que, en el caso de que la superficie dióptrica pertenezca a una lente, coincidirá con el eje óptico de la lente. La forma del perfil es una función coseno cuyo argumento es múltiplo del cuadrado de la distancia del punto al eje de simetría como se observa en la figura 2. Este perfil presenta la ventaja adicional de poder ser implementado sobre un substrato plano o sobre uno curvo. En caso de utilizar dos superficies dióptricas para formar una lente, el perfil puede afectar a la superficie anterior o a la posterior como muestra la figura 3. En la figura 3 se observa que el perfil de fase requerido se obtiene mediante la modulación del espesor del substrato o de la lente. Sin embargo, es posible mantener la forma inicial de la lente con sólo utilizar dos materiales con índices diferentes de forma que la superficie de separación entre ellos presente la función coseno anteriormente mencionada, como muestra la figura 4. Un resultado equivalente se obtiene cuando se produce una variación radial del índice de refracción de la lente o substrato según una función coseno.The purpose of a multifocal lens is to increase the number of foci to which an incident beam of light will converge. This purpose has already been achieved in different ways although The results obtained have presented limitations such as following: the amount of energy not concentrated in the foci (light diffuse) was high, the number of foci possible reduced and the Energy distribution between outbreaks was uneven. The present invention provides the possibility to select the number of spotlights available, presents a balanced distribution of energy between them and provides high energy in each focus. The invention it consists of providing a dioptric surface with a profile that produce, by diffraction, the concentration of light in more than one focus as shown in figure 1. The proposed profile has symmetry of revolution around an axis that, in the event that the surface dioptric belong to a lens, will match the optical axis of the lens The shape of the profile is a cosine function whose argument is a multiple of the square of the distance from the point to the axis of symmetry as seen in figure 2. This profile presents the additional advantage of being able to be implemented on a flat substrate or about a curved one. In case of using two dioptric surfaces to form a lens, the profile can affect the surface before or after as shown in figure 3. In figure 3 it is observed that the required phase profile is obtained through the modulation of the thickness of the substrate or lens. However it is possible to maintain the initial shape of the lens just by using two materials with different indexes so that the surface of separation between them present the cosine function above mentioned, as shown in figure 4. An equivalent result is obtained when there is a radial variation of the index of refraction of the lens or substrate according to a cosine function.

La separación entre focos se modifica con solo variar el periodo (a) de la función cosenoidal que determina el perfil, mientras que el número de focos y el reparto de energía entre focos se consigue modulando la amplitud del coseno mediante el factor b. Por ejemplo, un perfil del tipo cos(2 \piar^{2})/b proporciona un conjunto de tres focos de forma que cada foco contiene el 30% de la energía total incidente cuando a=1 y b=8 para una longitud de onda de 0.55 \mum.The separation between foci is modified by simply varying the period ( a ) of the cosenoidal function that determines the profile, while the number of foci and the distribution of energy between foci is achieved by modulating the amplitude of the cosine by factor b . For example, a profile of the type cos (2 \ p2) / b provides a set of three foci so that each focus contains 30% of the total incident energy when a = 1 and b = 8 for a length 0.55 µm wave.

Otro aspecto importante es que el haz incidente puede cubrir por completo, o no, la superficie del perfil de fase sin que los resultados de posición y número de focos se vean modificados (figura 5). Este resultado es particularmente interesante en sistemas en los que el diafragmado evoluciona sin control externo como, por ejemplo, en el ojo humano.Another important aspect is that the incident beam it can completely cover, or not, the surface of the phase profile without the results of position and number of lights being seen modified (figure 5). This result is particularly interesting in systems in which the diaphragm evolves without external control, such as in the human eye.

Al contrario de lo que ocurre con las lentes zonales este perfil cosenoidal es continuo, evitando los saltos de fase que aparecen en las lentes zonales. Esto hace que su construcción sea más sencilla al tiempo que, cuando se utilizan como lentillas, permite una renovación de la lágrima de forma más completa. Por último, este perfil cosenoidal, como no presenta aristas, es más seguro cuando se coloca en la superficie posterior de una lentilla ya que no daña la cornea.Contrary to what happens with the lenses zonal this cosenoidal profile is continuous, avoiding the jumps of phase that appear in the zonal lenses. This makes your construction is easier while, when used as contact lenses, allows a tear renewal more complete. Finally, this cosenoidal profile, as it does not present edges, it is safer when placed on the back surface of a lens as it does not damage the cornea.

Description of the figures

Figura 1.- Sección vertical de un perfil cosenoidal correspondiente a la cara posterior de la lente. Se observa la multiplicidad de focos (f_{1}, f_{2}, f_{3}). Existe una simetría de revolución respecto de un eje, que en caso de que el perfil sea soportado por una lente o lentilla, coincidirá con el eje óptico de la misma.Figure 1.- Vertical section of a profile cosenoidal corresponding to the rear face of the lens. Be look at the multiplicity of foci (f 1, f 2, f 3). There is a symmetry of revolution with respect to an axis, which in case of that the profile is supported by a lens or lens, will match with the optical axis of it.

Figura 2.- El perfil sigue una función de tipo coseno cuyo argumento es múltiplo de r^{2}. En la figura se observa la distribución del perfil en función de r y de r2. También se muestra la distribución del perfil sobre la superficie de revolución. La altura del perfil dependerá del número de focos y la distribución de energía entre ellos que se desee.Figure 2.- The profile follows a type function cosine whose argument is a multiple of r 2. The figure shows look at the distribution of the profile as a function of r and r2. Too the distribution of the profile on the surface of revolution. The height of the profile will depend on the number of lights and the Energy distribution among them as desired.

Figura 3.- El perfil cosenoidal puede afectar a la cara anterior o a la posterior de la lentilla produciendo en ambos casos el efecto de multiplicidad de focos.Figure 3.- The cosenoidal profile can affect the front or back of the lens producing in both cases the effect of multiplicity of foci.

Figura 4.- El perfil cosenoidal puede afectar a la superficie interior de la lentilla con tal que esa superficie separe dos partes con índices de refracción diferentes.Figure 4.- The cosenoidal profile can affect the inside surface of the lens as long as that surface separate two parts with different refractive indices.

Figura 5.- El número y posición de los focos no depende de la superficie iluminada por el haz incidente. En la figura se muestra como para dos haces incidentes de tamaño diferente se obtiene el mismo número de máximos y en las mismas posiciones.Figure 5.- The number and position of the foci not It depends on the surface illuminated by the incident beam. In the Figure is shown as for two size incident beams different you get the same maximum number and in the same positions.

Preferred Embodiment of the Invention

En la figura 3 se muestra una posible realización de la invención. La figura 3A muestra cómo el perfil de fase se ha dispuesto sobre la superficie anterior Aa de la lente portadora LP. La figura 3B muestra cómo el perfil de fase se ha dispuesto sobre la superficie posterior Pb de la lente portadora LP. El comportamiento de la lente portadora está determinado por los radios de curvatura de la superficie anterior y posterior, el índice de refracción y la distancia entre ambas superficies. La lente portadora puede ser convergente, divergente, tórica o plana, puede estar realizada en cualquier material que permita el paso de la luz y puede tener cualquier radio y tamaño de acuerdo con la aplicación final para la que se diseñe el sistema.A possible embodiment is shown in figure 3 of the invention. Figure 3A shows how the phase profile has been arranged on the anterior surface Aa of the LP carrier lens. Figure 3B shows how the phase profile has been arranged on the rear surface Pb of the LP carrier lens. He Bearer lens behavior is determined by the radii of curvature of the anterior and posterior surface, the index of refraction and distance between both surfaces. The lens carrier can be convergent, divergent, toric or flat, can be made of any material that allows the passage of light and can have any radius and size according to the application final for which the system is designed.

El procedimiento seguido para producir un perfil de fase en una superficie de la lente portadora puede ser de diferente naturaleza. El más sencillo es producir una variación adicional del espesor de la lente utilizando un procedimiento de grabado del perfil en una de las caras. En algunos casos, se puede reproducir el perfil mediante una modificación del índice de refracción mediante implantación de iones.The procedure followed to produce a profile phase on a surface of the carrier lens can be of different nature The simplest is to produce a variation additional lens thickness using a procedure of Profile engraving on one side. In some cases, you can reproduce the profile by modifying the index of refraction by ion implantation.

Aunque perfiles de fase descritos por productos y/o sumas de cosenos, de senos y cosenos, potencias de senos o cosenos, etc., producen buenos resultados, en la realización preferente se propone el perfil de fase tipo coseno por ser el más sencillo.Although phase profiles described by products and / or sums of cosines, breasts and cosines, powers of breasts or cosines, etc., produce good results, in the realization Preference is given to the cosine type phase profile because it is the most simple.

La amplitud de la modulación de fase depende del número de focos y del reparto de energía entre focos que se persiga. Depende pues de la aplicación. En el caso de sistema trifocal con tres focos de igual energía se tendría que utilizar una amplitud de modulación equivalente a aproximadamente un cuarto de longitud de onda, lo que supone una diferencia de fase entre máximo y mínimo de \pi radianes.The amplitude of the phase modulation depends on the number of bulbs and the distribution of energy between bulbs that are chase It depends on the application. In the case of system trifocal with three foci of equal energy would have to use a modulation amplitude equivalent to about a quarter of wavelength, which means a phase difference between maximum and minimum of \ pi radians.

Claims

1. Multifocal diffractive element and manufacturing method characterized by the use of a phase profile described by a cosine function whose argument is proportional to the square radius, the distance between foci is determined by the proportionality constant, and the distribution of energy between foci by the breadth of the profile.

2. Multifocal diffractive element and method of manufacturing which, according to claim 1, is used to build a multifocal ophthalmic lens.

3. Multifocal diffractive element and method of manufacturing which, according to claim 1, is used to build a multifocal contact lens.

4. Multifocal diffractive element and method of manufacturing which, according to claim 1, is used to build a multifocal intraocular lens.

5. Multifocal diffractive element and manufacturing method which, according to claim 1, is characterized by the use of a phase profile described by a combination of sine and / or cosine functions.

6. Multifocal diffractive element and manufacturing method which, according to claim 1, is characterized by obtaining a cosenoidal profile using a catopic system.