JP2022175775A

JP2022175775A - 回折型多焦点レンズ

Info

Publication number: JP2022175775A
Application number: JP2021082462A
Authority: JP
Inventors: ツンデウオラウ; Tjundewo Lawu; 元虎甲斐; Genko Kai
Original assignee: Shanghai Chartwell Medical Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Chartwell Medical Technology Co Ltd
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2022-11-25

Abstract

【課題】各回折次数の回折効率が制御された回折位相構造を有する５焦点の回折型多焦点レンズを提供する。【解決手段】回折型多焦点レンズのレンズ表面に、回折作用をなす環状の回折パターンが同心的に繰り返し設けられている。回折パターンの回折位相構造が、基準面を通過した光の位相に対する、回折パターンの１周期におけるレンズの半径方向の位置ξ（０≦ξ＜１）を通過する光の位相のずれ量の値φ（ξ）により表わされる。０≦ξ＜１／４の場合はφ（ξ）＝ｇ1（ξ－１／８）＋Ｈ1、１／４≦ξ＜１／２の場合はφ（ξ）＝ｇ2（ξ－３／８）＋Ｈ2、１／２≦ξ＜３／４の場合はφ（ξ）＝ｇ3（ξ－５／８）＋Ｈ3、３／４≦ξ＜１の場合はφ（ξ）＝ｇ4（ξ－７／８）＋Ｈ4、である。ｇ1～ｇ4は、４等分の直線φ（ξ）の勾配を規定する値である。Ｈ1～Ｈ4は、直線φ（ξ）の基準面に対する平行移動量を規定する値である。【選択図】図１

Description

本発明は、回折型多焦点レンズに関する。

複数の焦点を有する回折型多焦点レンズは、眼科用の遠用及び近用視力補正用の眼用レンズ（眼鏡、コンタクトレンズ、眼内レンズ等の移殖用レンズ）等のさまざまの分野に応用されている（例えば、特許文献１参照）。

1620883684867_0特許第５２０３１６０号公報

1620883684867_1Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎ，"ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＦｏｕｒｉｅｒＯｐｔｉｃｓ，"ＭｃＧｒａｗ－ｈｉｌｌ，Ｉｎｔｌ．３ｒｄｅｄ．，Ｒｏｂｅｒｔｓ＆ＣｏｍｐａｎｙＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ（２００５）Ｊ．Ｃ．Ｌａｇａｒｉａｓ，ｅｔ．ａｌ．"ＣｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＮｅｌｄｅｒ－ＭｅａｄＳｉｍｐｌｅｘｍｅｔｈｏｄｉｎＬｏｗＤｉｍｅｎｓｉｏｎｓ，"ＳＩＡＭＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，９（１），ｐｐ．１１２－１４７（１９９８）ＧｅｔｔｉｎｇＳｔａｒｔｅｄｗｉｔｈＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ１６．５ＳＰ５，Ｚｅｍａｘ，ＬＬＣ（２０１７）ＬｉｏｕＨ－Ｌ，ＢｒｅｎｎａｎＮＡ，"Ａｎａｔｏｍｉｃａｌｌｙａｃｃｕｒａｔｅ，ｆｉｎｉｔｅｍｏｄｅｌｅｙｅｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ，"ＪＯｐｔＳｏｃＡｍＡ，１４：１６８７－１６９５（１９９７）

バイナリ光学要素は、理想的な連続位相分布に対するステップ近似を有する。図１５には、π［ｒａｄ］ごとにピークを示す完璧な位相変化態様を有する、２つの分離されたレベルの理想的なバイナリ位相パターンが示されている。特定の回折次数ｍおよびπ［ｒａｄ］におけるピーク間の位相差Ｈを用いて、入射光が回折次数に回折された際の回折効率η_mが関係式（０１）にしたがって計算される（非特許文献１参照）。

η_m＝ｓｉｎｃ²（πｍ／２）×
｛ｓｉｎｃ²（π（ｍ－Ｈ））／ｓｉｎｃ²（π（ｍ－Ｈ）／２）｝ ‥（０１）。

Ｈ＝１の場合、－１次、０次および＋１次のそれぞれの回折効率の計算結果は、η_-1＝０．４０５３、η₀＝０およびη₊₁＝０．４０５３のそれぞれであった。この回折位相パターンによれば、回折次数－１および＋１の２つの主要な焦点が得られる。

ピーク間（ピークトゥーピーク）の回折位相差が変化した場合、例えばＨ＝０．６に変化した場合、－１、０および＋１次のそれぞれの回折効率の計算結果はη_-1＝０．２６５３、η₀＝０．３４５５およびη₊₁＝０．２６５３のそれぞれになる（図１６参照）。この場合、回折位相パターンによれば、回折次数－１次、０次および＋１の３つの主要な焦点が得られる。

前記例は、ピーク間位相差パラメータを変化させることのみによる２焦点および３焦点のシンプルな設計である。これにより、－１次および＋１次の効率は常に同じ値になる。白内障手術におけるＩＯＬ移植の際に、各焦点について選択された効率を有する多焦点ＩＯＬが必要になる。この目標に到達するための１つの方法は、バイナリ位相パターンに勾配（傾斜）を導入することである。図１７には、Ｈ＝０．６であり、かつ、勾配が－０．２であるバイナリ位相パターンの一例が示されている。

バイナリ位相パターンに勾配が導入された場合、位相パターンが矩形状ではないため、回折効率に関する関係式（０１）は適当ではない。そこで、回折効率η_mを計算するため、フーリエ光学において記述される関係式（０２）で表わされる基本的な光分布が用いられてもよい。

ｔ_A（ξ）＝Ａ（ξ）ｅｘｐ｛ｊφ（ξ）｝ ‥（０２）。

ここで「ｔ_A」はξ（１周期において）の関数における空間（［１］参照）を伝搬する光の複素振幅を用いて記述される回折位相パターンφの透過率関数を表わしている。「Ａ（ξ）」は当該ゾーンにおいて１である光の振幅である。「ｊ」は虚数単位である。回折位相パターンの周期性により、透過率は関係式（０３）にしたがって複素フーリエ級数により表わされる。

ｔ_A（ξ）＝Σ_mａ_mｅｘｐ｛ｊ２πｍξ｝ ‥（０３）。

フーリエ級数の関係式（０４）により表わされる。

ａ_m＝Ｉｄξ・ｔ_A（ξ）ｅｘｐ｛－ｊ２πｍξ｝（Ｉｄξはξ区間［０，１］の積分を表わす。）‥（０４）。

各回折次数に対する既知の回折位相パターンによる一般的な回折効率は関係式（０５）にしたがって簡易に計算可能である。

η_m＝｜ａ_m｜² ‥（０５）。

関係式（０５）が図１７に示されている回折位相パターンに適用された場合、－１次、０次および＋１次のそれぞれの回折効率はη_-1＝０．３７４９、η₀＝０．３３４３およびη₊₁＝０．１６６６のそれぞれになる。

しかし、回折型多焦点レンズの実用性の向上の観点から焦点数の増大が望ましい。

そこで、本発明は、各回折次数の回折効率が制御された回折位相構造を有する５焦点の回折型多焦点レンズを提供することを目的とする。

本発明の回折型多焦点レンズは、
レンズ表面に、回折作用をなす環状の回折パターンが同心的に繰り返し設けられてなる回折型多焦点レンズにおいて、
前記回折パターンの回折位相構造が、
基準面を通過した光の位相に対する、回折パターンの１周期におけるレンズの半径方向の位置ξ（０≦ξ＜１）を通過する光の位相のずれ量の値φ（ξ）が、
４等分の直線φ（ξ）の勾配を規定する値ｇ₁～ｇ₄および直線φ（ξ）の基準面に対する平行移動量を規定する値Ｈ₁～Ｈ₄を用いて、０≦ξ＜１／４の場合はφ（ξ）＝ｇ₁（ξ－１／８）＋Ｈ₁、１／４≦ξ＜１／２の場合はφ（ξ）＝ｇ₂（ξ－３／８）＋Ｈ₂、１／２≦ξ＜３／４の場合はφ（ξ）＝ｇ₃（ξ－５／８）＋Ｈ₃、３／４≦ξ＜１の場合はφ（ξ）＝ｇ₄（ξ－７／８）＋Ｈ₄、により表わされる構造である。

（発明の効果）
当該構成の回折型多焦点レンズによれば、回折位相構造を定義するｇ₁～ｇ₄およびＨ₁～Ｈ_４の大きさを変化させることにより各次数の効率が制御され、焦点を－２次、－１次、０次、＋１次および＋２次の５焦点にすることができる。また、設計は５焦点であっても、回折次数のいずれか１つの目標効率が０に設定されることにより、４焦点の回折型多焦点レンズを構成することができる。

５焦点に光を分けるＨ₁＝０、Ｈ₂＝１、Ｈ₃＝０、かつＨ₄＝０．３である場合のＤＯＥ構造を示す図。勾配ｇ₁～ｇ₄＝－０．２が勘案された図１のＤＯＥ構造を示す図。最適化において用いられるパラメータである回折位相高さＨ_iおよび周期内における各特定領域における回折位相勾配ｇ_iを示す図。４焦点のＤＯＥ構造の回折位相パターンを示す図。４焦点のＤＯＥ構造のレンズの径方向距離に対する回折位相パターンを示す図。５焦点のＤＯＥ構造の回折位相パターンを示す図。５焦点のＤＯＥ構造のレンズの径方向距離に対する回折位相パターンを示す図。４焦点設計の場合のＳｔｒｅｈｌ比マップを示す図。４焦点設計の場合の３ｍｍの瞳孔径におけるＳｔｒｅｈｌ比反応を示す図。４焦点設計の場合のＵＳＡＦ１９５１ターゲットの３ｍｍの瞳孔径における網膜像を示す図。５焦点設計の場合のＳｔｒｅｈｌ比マップを示す図。５焦点設計の場合の３ｍｍの瞳孔径におけるＳｔｒｅｈｌ比反応を示す図。５焦点設計の場合のＵＳＡＦ１９５１ターゲットの３ｍｍの瞳孔径における網膜像を示す図。２２．０Ｄの非球面レンズ（ＤＯＥ構造を有していない）について、ＵＳＡＦ１９５１ターゲットの３ｍｍの瞳孔径における網膜像を示す図。 π［ｒａｄ］ごとにピークを示す完璧な位相変化態様を有する、２つの分離されたレベルの理想的なバイナリ位相パターンに関する説明図。ピーク間（ピークトゥーピーク）の回折位相差がＨ＝０．６である場合のバイナリ位相パターンに関する説明図。Ｈ＝０．６であり、かつ、勾配が－０．２であるバイナリ位相パターンに関する説明図。

本発明によれば、５焦点に光を分けるＤＯＥ構造を構築するための複数のバイナリ位相パターンを有するレンズが実現される。図１には、Ｈ₁＝０、Ｈ₂＝１、Ｈ₃＝０、かつＨ₄＝０．３である場合のＤＯＥ構造が示されている。通常の回折効率方程式を用いて回折次数－２から＋２までのそれぞれの回折指数が計算された結果、η_-2＝０．１６４０、η_-1＝０．１６０９、η₀＝０．１９８５、η₊₁＝０．１６０９およびη₊₂＝０．１６４０のそれぞれになる。このＤＯＥ構造においては、回折次数－２および＋２の回折効率η_-2およびη₊₂が同じ値であり、回折次数－１および＋１の回折効率η_-1およびη₊₁が同じ値である。

前記のように、ＤＯＥ構造に勾配が導入された場合、各回折次数の回折効率が差異化される。図２には、勾配ｇ₁～ｇ₄＝－０．２が勘案された図１のＤＯＥ構造が示されている。回折次数－２から＋２までのそれぞれの回折指数が計算された結果、η_-2＝０．１９７５、η_-1＝０．１７３７、η₀＝０．１９６８、η₊₁＝０．１４６２およびη₊₂＝０．１３２２のそれぞれになる。各回折次数ｍの回折効率η_mの値は相互に相違している。

５焦点の加入度数０Ｄ、＋１Ｄ、＋２Ｄ、＋３Ｄおよび＋４Ｄを有する遠用度数２０ＤのＩＯＬについて考察する。回折次数－２、－１、０、＋１および＋２を有する回折構造は、－２Ｄ、－１Ｄ、０Ｄ、＋１Ｄおよび＋２Ｄを有する。２０Ｄの基本度数を実現するため、レンズの屈折力は２２Ｄを有している必要があるので、屈折力および回折力の組み合わせは、ＩＯＬ度数を２０Ｄ、２１Ｄ、２２Ｄ、２３Ｄおよび２４Ｄにする。

このような回折力を実現するため、回折位相パターンの各周期の直径は、回折効率の計算のための回折位相パターンの全レンジを満足するため、最小付加的パワーにより決定される。本実施形態では、最小加入度数Ｐは１Ｄである。近軸パワーを有する回転対称レンズの位相パターンは、加入度数Ｐの焦点距離ｆ＝（１／Ｐ）、レンズ中心からの径方向距離ｒおよび波長λを用いて関係式（０６）により解析的に表わされる。

φ（ｒ）＝（２π／λ）｛（ｒ²＋ｆ²）^1/2－ｆ｝ ‥（０６）。

一般的に加入度数の焦点距離ｆはレンズ中心からの径方向距離ｒよりも著しく大きいので（ｒ／ｆ＜＜１）、関係式（０６）は関係式（０７）により近似される。

φ（ｒ）≒πｒ²／（λｆ） ‥（０７）。

各周期の半径は、２πまたはｍｏｄ_2π｛φ（ｒ）｝ごとに、周期ナンバーｐを用いて関係式（０８）にしたがって計算される。

ｒ_p＝（２ｐλｆ）^1/2 ‥（０８）。

目標回折効率を実現し、かつ、不要な回折次元を最小化するため、単純化方法のような最適化処理が適用される（非特許文献２参照）。ゼーマックス・オプティックスタジオ（非特許文献３参照）において用いられている、目標回折効率に基づくメリット関数による数値最適化が、回折次数ｍの重み係数Ｗ_mおよび回折次数ｍの目標回折効率η_τmを用いて関係式（０９）により表わされている。

ＭＦ²＝Σ_mＷ_m（η_m－η_τm）²／Σ_mＷ_m ‥（０９）。

メリット関数において最適化が必要な対象回折次数ｍのすべてについて和（Σ_m）がとられている。効率計算値が目標値に近づくにつれてメリット関数の値は０に近づく。その他の実施例では、下限境界条件および上限境界条件を満たす、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）プログラミングにおける改良されたｆmin探索関数を用いて最適化が実行される。本発明における最適化において用いられるパラメータは、図３において定められており、「Ｈ_i」は回折位相高さであり、「ｇ_i」は周期内における各特定領域における回折位相勾配である。Ｈ₁は０に設定されているので、最適化は不要である。

（第１実施形態（４焦点））
表１には、４焦点設計（５焦点設計における一の回折次数の目標効率が０に設定された結果として４焦点設計になっている。）の場合の回折次数－２～＋２についての目標効率および対応する重み係数が示されている。

表２および表３には、最適化後のパラメータの値および回折効率が示されている。

表２および表３から、対象回折次数である回折次数－２、０、＋１および＋２の４つの焦点のみが得られることがわかる。図４には、４焦点のＤＯＥ構造の回折位相パターンが示されている。図５には、４焦点のＤＯＥ構造のレンズの径方向距離に対する回折位相パターンが示されている。

（第２実施形態（５焦点））
表４には、５焦点設計の場合の回折次数－２～＋２についての目標効率および対応する重み係数が示されている。

表５および表６には、最適化後のパラメータの値および回折効率が示されている。

表５および表６から、対象回折次数である回折次数－２、－１、０、＋１および＋２の５つの焦点が得られることがわかる。図６には、５焦点のＤＯＥ構造の回折位相パターンが示されている。図７には、５焦点のＤＯＥ構造のレンズの径方向距離に対する回折位相パターンが示されている。
イメージングの質は、ＤＯＥ構造および非球面構造の組み合わせを有する模型眼の光学システムにおいて分析される。

図８には、４焦点設計の場合のＳｔｒｅｈｌ比マップが示されている。図９には、４焦点設計の場合の３ｍｍの瞳孔径におけるＳｔｒｅｈｌ比反応が示されている。図１０には、４焦点設計の場合のＵＳＡＦ１９５１ターゲットの３ｍｍの瞳孔径における網膜像が示されている。

図１１には、５焦点設計の場合のＳｔｒｅｈｌ比マップが示されている。図１２には、５焦点設計の場合の３ｍｍの瞳孔径におけるＳｔｒｅｈｌ比反応が示されている。図１３には、５焦点設計の場合のＵＳＡＦ１９５１ターゲットの３ｍｍの瞳孔径における網膜像が示されている。

図１４には、２２．０Ｄの非球面レンズ（ＤＯＥ構造を有していない）について、ＵＳＡＦ１９５１ターゲットの３ｍｍの瞳孔径における網膜像が比較のために示されている。

前記実施例は、物体側面に回折パターンを設け屈折型レンズと組み合わせた例を掲げたが、回折パターンは、像側面に設けてもよい。また、回折パターンを設ける面は平面とし、所望の光学性能を得るようにしてもよい。

Claims

レンズ表面に、回折作用をなす環状の回折パターンが同心的に繰り返し設けられてなる回折型多焦点レンズにおいて、
前記回折パターンの回折位相構造が、基準面を通過した光の位相に対する、回折パターンの１周期におけるレンズの半径方向の位置ξ（０≦ξ＜１）を通過する光の位相のずれ量の値φ（ξ）が、０≦ξ＜１／４の場合はφ（ξ）＝ｇ₁（ξ－１／８）＋Ｈ₁、１／４≦ξ＜１／２の場合はφ（ξ）＝ｇ₂（ξ－３／８）＋Ｈ₂、１／２≦ξ＜３／４の場合はφ（ξ）＝ｇ₃（ξ－５／８）＋Ｈ₃、３／４≦ξ＜１の場合はφ（ξ）＝ｇ₄（ξ－７／８）＋Ｈ₄、により表わされる構造である
回折型多焦点レンズ。
請求項１に記載の回折型多焦点レンズにおいて、
前記回折型多焦点レンズがコンタクトレンズ、眼内レンズ等の眼用レンズである
回折型多焦点レンズ。