JP2018531435A - 多焦点レンズ - Google Patents

Abstract

本発明は、屈折焦点（Ｆｒ）と回折構造（５）とを有する多焦点レンズに関し、この構造はレンズ（１）の半径方向（ｒ）で、半径の２乗（ｒ２）についてプロットした場合に、周期的なプロファイル（６，７，８，９）を有し、プロファイル（６，７，８，９）は、それぞれの結合個所（１０，１１，１２，１３）で微分不可能な、互いに接する４つの区域（６，７，８，９）を周期ごとに有し、第１の区域（９）が単調減少するとともに他の３つの区域（６，７，８）が単調増加し、または第１の区域（９）が単調増加するとともに他の３つの区域（６，７，８）が単調減少し、他の区域のうち第１の区域（９）に接していない区域（７）はそれ以外の両方の他の区域（６，８）よりも大きい傾斜を有する。

Description

本発明は、屈折焦点と回折構造とを有する多焦点レンズに関し、この構造はレンズの半径方向で、半径の２乗についてプロットした場合に周期的なプロファイルを有し、このプロファイルは、それぞれの結合個所で微分不可能な、互いに接する４つの区域を周期ごとに有する。

多焦点のレンズまたはコンタクトレンズ、すなわち、たとえば近見視と遠見視のため（二焦点）あるいは近見視と中間見視と遠見視（三焦点）のために利用することができる複数の焦点を有するレンズは、数十年前から知られ、屈折焦点に追加して１つまたは複数の回折焦点を創出するために、屈折式のベースレンズ上のさまざまな回折構造を利用する。

特許文献１および特許文献２では、２つの回折焦点を生成するために回折構造を有するレンズが利用され、該回折構造のプロファイルは交互に単調増加と単調減少する４つの区域を周期ごとに有し、すなわち、鋭角を有する２つの最大値を周期ごとに有している。出願人が見出したところでは、このような構造のレンズへの刻設は、製作するのが困難な数多くのプロファイル先端をもたらすばかりでなく、生成される焦点における光強度分布や光収率の低下をもたらす。

ドイツ実用新案出願公開第２０２００９０１８８８１号明細書 欧州特許第２５０３９６２号明細書

本発明は、従来技術の欠点を克服する改良されたレンズを提供することを目的とする。

本発明によると、この目的は、プロファイルの第１の区域が単調減少するとともに他の３つの区域が単調増加し、または第１の区域が単調増加するとともに他の３つの区域が単調減少し、他の区域のうち第１の区域に接していない区域はそれ以外の両方の他の区域よりも大きい傾斜を有する、冒頭に述べた種類のレンズによって達成される。

本発明に基づく構造により、近見視、中間見視、および遠見視のために利用可能な焦点が、従来技術で知られているよりも高い強度割合を有するレンズが創出される。問題をいっそう厳密に考察するために、以下では、「正」の次数の回折焦点を、レンズとその屈折焦点との間に位置するもの、「負」の次数の回折焦点を、レンズに反して屈折焦点より離れて位置するものとして定義する。

たとえば遠見視のために屈折焦点が利用されるとき、回折構造の正の一次焦点は中間見視のための距離に相当し、回折構造の正の二次焦点は近見視のための距離に相当する。回折構造のそれぞれの負の焦点は、このケースでは、レンズの利用者の網膜よりも後方で初めて結像され、それによりこのレンズは利用者にとっては利用可能でなく、画像品質の悪化に寄与する。

それに対して本発明のレンズでは、（当初の）負の次数の強度割合が、利用される正の次数ないしゼロ番目の（屈折）次数へと結像され、それによって従来技術に比べていっそう色強度が高くコントラスト豊かな画像がもたらされる。利用可能な焦点がより高い強度割合を有しているからである。

これと同じ利点は、たとえば別案の実施形態において屈折焦点が近見視のために利用され、回折構造の負の一次焦点が中間見視のための距離に相当し、回折構造の負の二次焦点が遠見視のための距離に相当するときにももたらされる。この実施形態では、回折構造の正の次数は近見視焦点よりも前に位置しているので利用可能性が低く、また、負の３次の次数は網膜の後方で初めて焦点を結ぶのでまったく利用可能でない。このとき本発明によると、正の次数の強度割合がゼロ番目の（屈折の）負の第１および負の第２の次数に結像され、それによって従来技術に比べていっそう高い光収率が利用可能な焦点でもたらされ、それに伴って色強度が高くコントラスト豊かな画像がもたらされる。

さらに、いずれの実施形態でも本発明によるレンズは、レンズの回折構造が周期ごとに最大値を１つしか有さず、それにもかかわらず、２つの回折焦点を生成するという有意な利点を有する。したがって、レンズ上での回折構造の製作を大幅に簡単に、かつ少ない廃棄材料で行うことができる。最大値の角度が、２つの回折焦点を生成する従来技術の回折構造よりも大きく、そのうえ周期ごとに１回しか現れず、すなわち半分の頻度でしか現れないからである。特に、周期長が非常に小さくなるレンズの周縁部では、それによって可能となるいっそう正確な製造により、いっそう高いレンズの精度を実現することができ、このことは、ひいてはいっそう正確でコントロールされた光分布につながる。

レンズの屈折焦点は、上述したとおり、近見視または遠見視のいずれかのために利用することができる。屈折焦点が遠見視のために利用されるとき、第１の区域が単調減少し、他の３つの区域が単調増加する実施形態が好ましい実施形態である。別案として、屈折焦点を近見視のために利用することができ、その場合、第１の区域が単調増加し、他の３つの区域が単調減少するのが好ましい。

半径の２乗についてプロットした場合に、これらの区域は直線状であるのが好ましく、すなわち、これらの区域はレンズにおいて２乗で上昇または下降していく側面（フランク）をもたらす。このことは、レンズの強度推移の容易な計算を可能にする。別案として、これらの区域は、レンズの強度分布を適合化するために、個別的な推移を有することもできる。

好ましい実施形態では、上述した第１の区域は実質的に垂直である。これとは関わりなく、他の区域のうち第１の区域に接しない区域も、実質的に垂直であってよい。これら両方の方策は、きわめて容易なプロファイルパターンを可能にする。なぜなら、２つの区域の傾斜を判定しなくてよくなるからである。このことはレンズの製造も容易にする。垂直の区域は、半径の２乗についてプロットした場合に、レンズにおいて垂直の側面（フランク）ももたらすからである。

プロファイルの計算を、およびその帰結としてレンズの製造をも簡略化するために、２つの他の区域のうち第１の区域にそれぞれ接する区域は、半径の２乗についてプロットした場合に、実質的に等しい傾斜を有することができる。

１つの実際的な実施形態では、２つの他の区域のうちそれぞれ第１の区域に接する区域は、半径の２乗についてプロットした場合に、１μｍ／ｍｍ^２から１０μｍ／ｍｍ^２の傾斜を有する。さらにプロファイルの周期は、半径の２乗についてプロットした場合に、０．５ｍｍ^２から１ｍｍ^２であり、プロファイル深さは２μｍから１０μｍであるのが好ましい。このことは、近見視および中間見視のための焦点が、利用者により希望される距離に位置するレンズをもたらす。

次に、添付の図面に示されている実施例を参照しながら、本発明について詳しく説明する。図面には次のものが示されている：

本発明によるレンズを示す模式的な平面図である。 図１のレンズを示す模式的な側面図である。 図１のレンズを示す拡大した半断面図である。 レンズ半径の２乗についてプロットされた、図１−３のレンズの回折構造のプロファイルである。 本発明によるレンズの強度分布と、従来技術に基づくレンズの強度分布との比較を示す図である。

図１および２は、前面２と、裏面３と、光学軸４とを有するレンズ１を示している。レンズ１は、中央のゾーンＺ_１と、あとでさらに詳しく説明する２つの環状のゾーンＺ_２とを有している。説明しているレンズ１は、特に眼内レンズまたはコンタクトレンズとして利用されるが、光学器具で使用することもできる。

レンズ１は、下で説明するように、遠見視または近見視のために利用することができ、以下においてゼロ次焦点とも呼ぶ、光学軸４の上に位置する屈折焦点Ｆ_ｒを有している。レンズ１の裏面または前面２，３に、回折構造５が刻設されている。図３および４を参照。それは、レンズ１を近見視だけでなく、中間見視や遠見視のためにも適合させるためである。

回折構造５は、光学軸４の上に位置する多数の別の焦点Ｆ_ｉ，ｉ＝．．．，−２，−１，１，２，．．．を生成し、これらは屈折焦点Ｆ_ｒを中心として実質的に対称に分布しており、屈折焦点Ｆ_ｒは、設けられる回折構造５に関わりなく、レンズ１の形状によって与えられる。回折焦点Ｆ_１，Ｆ_２は、回折構造５の正の一次焦点ないし二次焦点と呼ばれ、レンズ１と屈折焦点Ｆ_ｒとの間で光学軸４の上に位置する。回折焦点Ｆ_−１，Ｆ_−２は、回折構造５の負の一次焦点ないし二次焦点と呼ばれ、レンズ１と反対を向くほうの屈折焦点Ｆ_ｒの側に位置する。

焦点Ｆ_ｉの（位置的）分布は屈折焦点Ｆ_ｒを中心として対称であるが、それぞれの焦点Ｆ_ｉに割り当てられる強度分布は対称ではないのがよい。たとえば三焦点レンズの場合、特に３つの最大の強度が構成されるのがよく、すなわちそれは遠見視、中間見視、および近見視のためである。このことは、回折構造５が図４に示すように構成されることによって実現される。

図４（横軸：半径の２乗ｒ^２［ｍｍ］；縦軸：プロファイル深さＴ［μｍ］）では、回折構造５はレンズ１の半径方向ｒで、半径の２乗ｒ^２についてプロットした場合に、それぞれの結合個所１０，１１，１２，１３で微分不可能な、互いに接する４つの区域６，７，８，９を周期ｐごとに有する周期的なプロファイルを有している。「半径の２乗についてプロットする」という表現は、周期性については、周期インターバルｐがレンズ１の上で減少していくことを意味する。

周期ｐは、たとえば眼内レンズやコンタクトレンズでは０．５ｍｍ^２から１ｍｍ^２の範囲内であってよく、プロファイル深さＴは２μｍから１０μｍの範囲内であってよい。

図４の実施形態では、プロファイル５の任意の「第１の」区域が、ここでは区域９が、単調減少するとともに、プロファイルの他の３つの区域６，７，８が単調増加する。「第１の」という表現は、ここでは区域６−９の順番を指すのではなく、３つの「他の」区域と区別をするためのものにすぎない。１つの周期ｐの内部での区域６−９の順序は自由に選択または定義することができ、それにより、たとえば各々の区域６，７，８，９を「スタート」区域として選択することができ、ないしは「第１の」区域９が必ずしも周期ｐの開始部に位置しなくてよい。

図４に示す実施形態では、屈折焦点Ｆ_ｒは遠見視用に設計されており、単調増加する他の３つの区域６，７，８と単調減少する第１の区域９によって、正の次数の２つの回折焦点Ｆ_１，Ｆ_２が近見視および中間見視のために生じる（図５参照）。別案として、屈折焦点Ｆ_ｒを、たとえば近見視用に設計することができ、そのために、負の次数の２つの回折焦点Ｆ_−１，Ｆ_−２を中間見視と遠見視のために生じさせるような、単調減少する３つの他の区域６，７，８と単調増加する第１の区域９とが利用される（図示せず）。

他の区域のうち第１の区域９に接していない区域は、すなわち図４では中間にある他の区域７は、それ以外の両方の他の区域６，８よりも大きい傾斜を有する。「傾斜」という概念は、ここでは区域６，７，８，９の全体として克服される傾斜として定義され、すなわち、区域６，７，８ないし９の開始点と、当該区域６，７，８ないし９の終了点との間の傾斜として定義される。

区域６−９は、半径の２乗ｒ^２についてプロットしたときに直線状であってよく、それにより、レンズ１の上で単調増加する区域６，７，８は、半径ｒについて２乗で増加していく面を生じさせる。

さらに図４では、第１の区域９と、他の区域のうち第１の区域９に接していない区域は、すなわちここでは中間にある他の区域７は、実質的に垂直であり、すなわち、これらの区域は＋／−∞の傾斜を有している。別案として、これら両方の区域７，９はそれぞれ互いに無関係に有限の傾斜を有することもできる（図示せず）。

それぞれ第１の区域９に接する２つの他の区域６，８は、半径の２乗ｒ^２についてプロットした場合に、実質的に等しい傾斜を有している。この傾斜は、たとえば眼内レンズまたはコンタクトレンズでは１μｍ／ｍｍ^２から１０μｍ／ｍｍ^２の範囲内にあってよい。両方の区域６，８が互いに相違する傾斜を有することもできる（図示せず）。

回折構造５は、レンズ１の側２，３の表面全体に設けることができ、または、図１に示すように、中央の領域Ｚ_１もしくはレンズ１の環状の領域Ｚ_２だけに設けることができる。その代替または追加として、構造５のアポダイゼーションを行うことができる。このことは、レンズ半径ｒが増すにつれて構造５のプロファイル深さＴが減少していくことを意味する。

レンズ１を製作するために、たとえば旋盤での施削によって、回折構造５をたとえばレンズブランクへ直接的に刻設することができる。あるいはレンズブランクが、単に３Ｄプリンタのための加工性のある出発材料であってもよく、その場合、レンズブランクへの構造の刻設は、出発材料を多焦点レンズ１へと３Ｄ印刷することによって行われる。

別案として、構造５をまず雌型として、たとえば同じく旋盤または３Ｄプリンタによって成形ブランクへ刻設することもできる。次いで、レンズ材料が成形ブランクと接触させられ、そのようにして多焦点レンズ１を製作する。レンズ材料は、たとえばすでにレンズブランクをなすように予備製作されていてよく、これに構造５が「スタンプ」としての成形ブランクによって押印もしくは刻印される。別案として、レンズ材料が液体ないしビスコースの状態で存在しており、たとえば鋳型の中で成形ブランクへ注ぎかけることができる。次いで、たとえば光供給または熱供給によってレンズ材料が硬化される。

図５は、ここで提案されるレンズ１の強度推移１４（実線によって図示）と、従来技術に基づくレンズの強度推移１５（破線によって図示）との比較を示している（横軸：レンズからの距離Ｄ［ｍｍ］；縦軸：相対強度Ｉ［１］）。

この比較のために用いた、ここで提案される回折構造５を有するレンズ１は、半径の２乗ｒ^２についてプロットした場合に、０．６５ｍｍ^２の周期ｐを有し、プロファイル深さＴは４．４μｍである。それぞれ第１の区域９に接する他の２つの区域６，８は−半径の２乗ｒ^２についてプロットしたときに−、４．３μｍ／ｍｍ^２の傾斜を有している。

これとは対照的に従来技術に基づく対照線は、連続して単調に増加し、減少し、増加し、減少する４つの区域を１つの周期の内部に有する周期的なプロファイルを有していた。

図５のグラフから明らかなように、屈折焦点Ｆ_ｒの領域では強度分布の類似する推移がもたらされる。しかし図５から良くわかるとおり、従来技術に基づくレンズ１は回折構造５の第２の負の焦点Ｆ_−２の領域で比較的大きい強度値を有している。これとは対照的に、ここで提案されるレンズ１では、利用可能でない強度が負の次数から利用可能な正の次数へとシフトしており、その様子は、焦点Ｆ_１およびＦ_２における推移１０の明らかに高い強度、ならびに焦点Ｆ_−２における推移１４の明らかに低い強度を参照すれば明瞭である。このように、説明しているレンズ１の利用者にとっては、従来技術に基づくレンズよりも色強度が高くコントラスト豊かな画像がもたらされる。

それに応じて本発明は、図示した実施形態だけに限定されるものではなく、下記の特許請求の範囲の枠内に収まる一切の変形、改変、およびこれらの組み合わせを含んでいる。

Claims (8)

1. 屈折焦点（Ｆ_ｒ）と回折構造とを有する多焦点レンズであって、
   前記回折構造（５）は、レンズ（１）の半径方向（ｒ）で、半径の２乗（ｒ^２）についてプロットした場合に周期的なプロファイル（６，７，８，９）を有し、
   前記プロファイル（６，７，８，９）は、それぞれの結合個所（１０，１１，１２，１３）で微分不可能に互いに接する４つの区域（６，７，８，９）を周期ごとに有するものにおいて、
   第１の区域（９）が単調減少するとともに他の３つの区域（６，７，８）が単調増加し、または第１の区域（９）が単調増加するとともに他の３つの区域（６，７，８）が単調減少し、
   前記他の区域のうち前記第１の区域（９）に接していない区域（７）はそれ以外の両方の他の区域（６，８）よりも大きい傾斜を有することを特徴とする多焦点レンズ。
2. 前記区域（６，７，８，９）は、半径の２乗（ｒ^２）についてプロットした場合に、直線状であることを特徴とする、請求項１に記載の多焦点レンズ。
3. 前記第１の区域（９）は実質的に垂直であることを特徴とする、請求項１または２に記載の多焦点レンズ。
4. 前記他の区域のうち前記第１の区域（９）に接していない区域（７）は実質的に垂直であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の多焦点レンズ。
5. 前記第１の区域（９）にそれぞれ接する２つの他の区域（６，８）は実質的に等しい傾斜を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の多焦点レンズ。
6. 前記第１の区域（９）にそれぞれ接している２つの他の区域（６，８）は、半径の２乗（ｒ^２）についてプロットした場合に１μｍ／ｍｍ^２から１０μｍ／ｍｍ^２の傾斜を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の多焦点レンズ。
7. 前記プロファイル（６，７，８，９）の周期（ｐ）は、半径の２乗についてプロットした場合に０．５ｍｍ^２から１ｍｍ^２であり、プロファイル深さ（Ｔ）は２μｍから１０μｍであることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の多焦点レンズ。
8. 前記多焦点レンズは眼内レンズまたはコンタクトレンズであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の多焦点レンズ。