JP2849097B2 - 多焦点回折光学素子及び目のコンタクトレンズ - Google Patents

多焦点回折光学素子及び目のコンタクトレンズ

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、コンタクト・レンズ及び内部接眼レンズを
含む位相ゾーンプレート光学における改善に関する。
［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ ここで及び特許請求の範囲において用いられる“位相
ゾーンプレート”は、ゾーンプレートのゾーンにおける
ゾーンプレートと光学ファセット（例えばエシュレット
の形式で）の組合せを利用したレンズの単位光学領域で
あり、各ゾーンにおいて組み合わされたファセットは、
ゾーンプレートの種々のオーダー（例えば０次,1次な
ど）における特定の光強度分布をもたらす特定の波面を
生成するために光を屈折する。ここで、ファセットと
は、隣接するゾーン境界の間に形成された輪帯形状の小
面であって、別名、エシュレットとも呼ばれる。上記オ
ーダーは上記ゾーンプレートの焦点を構成する。制限的
な意味において、また最も実用的な意味において、位相
ゾーンプレートは有効的な強度における光の分布が黄色
光に対するゾーン間隔に依存する一般のレンズ・アプリ
ケーションのために設計される。ここで用いられる黄色
光は530ないし570ナノメーターにおける可視スペクトラ
ムの部分である。
本発明は特にコンタクト・レンズに関する。コンタク
ト・レンズは古典的な両眼連動型レンズである。このコ
ンタクト・レンズは目にぴったりとはめ込むことができ
る凹面形の角膜のボール（後面）を有し、外側の面（前
面）は、まぶたが目の上にわたって摺動し、目に対して
調節される焦点に対して（レンズ材料の屈折率を考慮に
入れて）光の適当な傾斜を提供するように平坦であって
かつ所定形状で形成される。多くの市販のコンタクト・
レンズは、レンズの光軸付近が最も薄くなり、またレン
ズの深さがレンズの周囲方向で延在する傾斜された放射
長さ方向に沿って徐々に増大するような形状で形成され
る。光軸から延在する深さが異なっているために、光軸
を通過する光はより少ないレンズ材料を通過する。光は
空気中においてより速く伝搬するために、より浅い深さ
を通過する光に比較してより深い深さを通過する光がシ
フトされ、従って所要時間が短縮されるであろう。これ
については、バターワースによって刊行されたフィンカ
ム（Fincham）ほか“光学（Optics）",ロンドン,9版,19
80年,1981年,72ないし75ページを参照せよ。従って、レ
ンズの形状は、後面から放射する光波が所望される焦点
に到達する際に同期状態となるように光の前進性の減速
度を調節するために選択される。
本発明は、例えば２焦点の位相ゾーンプレート及び同
心の環状ゾーンプレートを用いる“同調された”フレネ
ル・レンズのような、位相ゾーンプレートの光学素子を
利用したコンタクト・レンズに関する。そのようなレン
ズは一般に、例えば米国特許第4,210,391号、第4,338,0
05号及び第4,340,283号（“コーエン特許”）において
アレン・エル・コーエンによって記述された仕様に従っ
ている。コーエン・レンズの仕様は、環状かつ同心円の
ゾーンの半径“rn"が実質的に に比例すること、並びにゾーンが１焦点以上に光が向け
られるように切断されることを規定している。
位相ゾーンプレートの光学を用いるコーエン・レンズ
の仕様は、非常に薄い２焦点レンズ構造を形成すること
を可能にする。コンタクト・レンズは、２焦点又は他の
多焦点効果を達成するためには、位相ゾーンプレートの
光学を用いて設計されるであろう。位相ゾーンプレート
における特定色の特性は、多焦点特性を有するコンタク
ト・レンズを含むコンタクト・レンズの仕様において含
まれている。２焦点を示すすべての位相ゾーンプレート
の光学素子は本質的に、光を２焦点以上の焦点に合わせ
ることができる能力を有する。例えば０次及び１次の焦
点のような任意の２つの次数に対する光の強度レベルは
２焦点のアプリケーションに対して十分に大きいので、
位相ゾーンプレートの光学素子は２焦点素子と名づけら
れる。その意味において、すべての２焦点の素子は、光
を第３の焦点並びにそれ以上の焦点に分配する。レンズ
が２焦点であるか又は３焦点であるかの判断は厳密なル
ールに基づいていない。もしレンズの着用者が不愉快な
第３又はそれ以上の焦点の存在に気づかないならば、そ
のとき、そのレンズはおそらく２焦点素子として十分に
機能する。これについては、クライン（Klein）及びホ
ー（Ho），“エスピーアイイー（SPIE）",1986年８月に
おける第２表及び第２表についてのコメントを参照せ
よ。
コンタクト・レンズに関する位相ゾーンプレートの光
学について言及し又は提案している参照文献は、ジー・
フォースト（Ｇ・Forst）による“視覚に対する援助と
して用いる円形グリッドの有用性についての研究（Rese
arch into the Usability of Circular Grids a
s Aid to Vision）",デル・アウゲノプティカー（De
r Augenoptiker）,1966年（12）,9ないし19ページ、並
びにツィグラー（Ziegler），“光学レンズの構成又は
補正（Fabrication or Correction of Optical le
nses）”である。コーエンによって修正された文献とし
ては、コーエンの米国特許第4,339,005号のコラム4,27
−36行目、コーエンの米国特許第4,210,391号のコラム
6,68行目、フリーマン（Freeman）の米国特許第4,637,6
97号、フリーマンの米国特許第4,642,112号（位相ゾー
ンプレートの光学を含むホログラフィーという点の文献
として）を参照せよ。
位相ゾーンプレートの光学の上記原理を利用した２焦
点コンタクトレンズは商業上入手可能である。そのよう
なレンズは、各ゾーンがλ/2の光学的通路長の深さを有
しλ/2（η′−η）の物理的な深さを提供する全周期ゾ
ーンをそれぞれ備えた段階状に環状ファセットを利用す
ることが信じられてきた。η′及びηはそれぞれレンズ
及び媒質（例えば涙の層）の屈折率であり、ここで、レ
ンズは相互に作用し、λは設計波長であり、この場合に
おいて黄色光の波長である。この結果、０次及び１次に
おいて約40.1％における黄色光の強度の等しい分配を有
する２焦点コンタクト・レンズを得ることができる。
本発明の目的のための全周期ゾーンは、実質的に に比例して間隔が置かれる位相ゾーンプレート内におけ
るファセットの最小の反復シーケンスとして定義され
る。そのような間隔は次式によって特徴づけられる。
ここで、ｄは１次の焦点距離を表わす。本発明の目的
のための半周期ゾーンは次式によって特徴づけられる。
ここで、ｄは１次の焦点距離を表わす。
段差形状部であるステップの平坦域に対する非屈折性
のステップの壁又は立上りは、レンズの光軸の平面方向
に対して円柱形状又はほぼ円柱形状であり、それによっ
てレンズの位相ゾーンプレートの表面領域のほんのわず
かな部分を占有するが、これは多くの問題に寄与するの
に十分に大きいと考えられる。イメージ・シャドーイン
グ及び異物のトラッピングは、ステップの壁又は立上り
の深さを減少することによって重要性を低下することが
できるいくつかの問題点である。
しかしながら、もしファセットの深さがλ/2よりも小
さい値に減少するようにそのようなレンズが改造される
ならば、レンズの光学的特性はすぐに非常に悪化し、こ
こでλは設計波長である。ここで用いられる“ファセッ
トの深さ”、“ファセットのステップ深さ”、“ステッ
プの深さ”という用語並びにその効果に対することば
は、レンズの設計波長に関係する、ステップによって発
生される光学的通路長における不連続性の度合を意味す
る。λ/2において動作させるとき非常に小さな値を処理
するが、大きさにおける数ミリミクロンの変化はレンズ
特性に重大な影響を与える。例えばファセットの深さが
10％だけ減少すると、そのようなレンズにおける有効的
な２焦点特性に対してかなりの損失を与える。位相ゾー
ンプレートの大きさに関係する他のすべての値が比例し
て小さいことが認識すべきである。非屈折性のステップ
から隣接する非屈折性のステップの底部まで延在するフ
ァセットの平坦域は、隣接するステップの底部における
λ/2の深さからゼロ波長の深さまでの厚さを浪費してい
る。これらの事実は、λ/2未満のステップの深さを減少
させるとき２焦点における損失を避けるためになすべき
ことがほとんどないことを提案している。
の間隔の構成内のファセットの平坦域の傾きの形状にお
ける小さな変化（いくつかの実施例においては非常に小
さな変化）は、ステップの深さがλ/2未満である位相ゾ
ーンプレートの光学に基礎をおいている有効的な２焦点
レンズを形成することができることを提供することが発
見されてきた。コーエン特許及びコーエン・レンズの仕
様において実施されるファセットの交互の傾きによっ
て、ファセットが約λ/2未満の深さを有するコンタクト
・レンズにおいてすぐれた２焦点性を提供する。
λ/2未満の光学的通路長に不連続性を導入するrnゾー
ンの間隔とステップを有するファセットを利点を提供す
る新しい２焦点レンズの構造がここで特徴づけられる。
λ/2よりも長い又は等しい深さを有しステップを有す
るファセットを含む従来の２焦点レンズに伴ってイメー
ジ・シャドーイングを減少させる新しい２焦点レンズの
構造がここで特徴づけられる。
従来のλ/2放物線エシュレット形状を有する２焦点コ
ンタクト・レンズよりも涙の収集のために小さい体積を
有する位相ゾーンプレートを有する新しい２焦点コンタ
クト・レンズがここで特徴づけられる。このことは、本
発明のコンタクト・レンズが目の上並びに目とレンズの
間に異物をトラッピングするためにより小さい体積を有
することを意味する。
位相ゾーンプレートのファセット曲線の接線で角膜の
表面と接触する方法で、角膜と接触する表面を提供する
本発明によるレンズ構造が提供される。
位相ゾーンプレートの光学と設計された波長の1/2の
波長未満のファセットの深さを利用する２焦点コンタク
ト・レンズがここで記述され、ここで主要な焦点は、例
えば０次及び１次、０次及び２次、又は２つのオーダー
の任意の他の組み合わせである２つのオーダーを有す
る。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、ゾーンは実質的に に比例して間隔がおかれかつゾーンがλ/2未満の光学通
路長に不連続性を導入するステップを有するファセット
を有する環状同心のゾーンを含む位相ゾーンプレートを
備えた回折多焦点光学素子に関し、ここで、λは設計波
長である。
本発明は、ファセットのステップの深さがλ/2（η′
−η）未満であって、光学素子における の間隔に従って交互のステップを有する繰り返しパター
ンを提供するファセットを有する環状同心のゾーンを含
む位相ゾーンプレートを含み、ここでη′及びηはそれ
ぞれ、レンズが相互に作用するレンズと媒質の屈折率で
あり、λは設計波長である。
本発明の特別な実施例において、この光学素子は、交
互のステップを有する繰り返しパターンを提供する環状
同心のゾーン内のファセットを備え、ここで、 1.交互のゾーンの１つのファセットは、他の交互のゾー
ンの異なるように傾斜されたカーブを有するファセット
を提供するもう１つのカーブを有するファセットの輪
郭、外形線又はプロフィール（以下、プロフィールとい
う。）によってゾーンの境界において中断された傾斜カ
ーブを有するプロフィールを有し、 2.ゾーンは実質的に に比例して間隔がおかれ、 3.ファセットの深さはλ/2未満であり、 4.各主要な焦点において視覚の使用のために少なくとも
十分な強度で黄色光が少なくとも２つの主要な焦点に向
けられるように、ゾーンが切断され、 5.交互のパターンがなければ、上記素子はそのような強
度を有しない。
本発明は、コーエン・レンズの仕様による２焦点光学
素子を含み、こで位相ゾーンプレートの奇数の偶数のゾ
ーンは、 の間隔に従い、 b.少なくとも他のゾーン境界都に非屈折性のステップイ
ンターフェイスと隣接しかつ離れ、そのような隣接する
インターフェイスにおいてスロープを有するプロフィー
ルを残し、 c.各奇数ゾーンの断面は同一の一般とプロフィールを有
し、各偶数ゾーンの断面は同一の一般のプロフィールを
有し、 d.奇数ゾーンの一般のプロフィールは偶数ゾーンのそれ
と異なり、 e.ゾーンに対するステップの深さはλ/2未満である。
好ましくは、スロープのプロフィールはゾーンからゾ
ーンへのなめらかな変化を提供する。
もう１つの態様において、本発明は、交互のプロフィ
ールを含むファセットを有するステップの位相ゾーンプ
レートを備えたコーエン仕様の２焦点光学素子を含み、
ここで、 a.位相ゾーンプレートは に従い、 b.交互のプロフィールが全周期の間隔内で生じ、 c.ファセットは約λ/2未満の深さを有し、 d.各主要な焦点において視覚の使用のために少なくとも
十分な強度で黄色光が少なくとも２つの主要な焦点に向
けられるようにゾーンが切断され、 e.そのような交互のプロフィールがなければ、ゾーンは
視覚の使用のためのそのような強度を有しない。
好ましい実施例において、本発明の光学素子は、およ
そ半径rnに位置する過渡プロフィールを介して半径rnで
結合された２つの異なった曲線を有するプロフィールを
提供する光学的回折性のファセットを備え、上記過渡プ
ロフィールは上記２つの異なった曲線を有するプロフィ
ールと異なったプロフィールの曲率を有し、これによっ
てそのような過渡プロフィールにおいて環状同心のゾー
ンを形成するために、ゾーンは実質的に に比例して間隔がおかれ、各主要な焦点において視覚の
使用のために少なくとも十分な強度で黄色光が少なくと
も２つの主要な焦点に向けられるようにゾーンが切断さ
れ、曲線を有するプロフィールがなければ上記素子は視
覚の使用のためにそのような強度を有しないであろう。
本発明は、光学素子を含む例えばコンタクト・レンズ
及び内部接眼レンズのような目のレンズに関する。本発
明の好ましい実施例において、上記目のレンズは、光を
本質的に等しい強度で２つの焦点に分配する２焦点レン
ズである。本発明の最も好ましい実施例において、レン
ズの光学素子は、次式によって含まれるプロフィールを
有するゾーンの繰り返しパターンを備える。
ｄ＝Do×｛1/2＋1/2・cos（π×r2/b2）｝ ここで、ｄは繰り返しプロフィールの深さであり、ｒ
はゾーンの放射方向の位置であり、ｂは１次ゾーンの半
径であり、Doは設計波長に対するファセットの深さであ
る。
本発明の１つの実施例は視覚ゾーン内の少なくとも２
つの位相ゾーンプレートを含む目のコンタクト・レンズ
に注意が向けられ、上記２つの位相ゾーンプレートのう
ちの少なくとも１つは前述の光学素子の特徴を含む。
本発明のもう１つの実施例は視覚ゾーン内で、 （１）前述の光学素子の特徴を含む位相ゾーンプレート
と、 （２）好ましくは１個又はそれ以上のチャネルの形式で
表わされた純粋の屈折部分を有する目のコンタクト・レ
ンズに注意が向けられる。
［実施例］ 本発明は特に、多焦点特性を得るための回折手段を用
いる視覚ゾーン部を備えた２焦点光学レンズに関する。
上記回折手段は、浅いファセットの深さと新しいプロフ
ィールを有する繰り返しパターンを含む。浅いファセッ
トの深さを有するプロフィールの使用は、画像の影を減
少させるとともに、位相プレートと目（コンタクト・レ
ンズを用いた場合）との間の異物の収集を減少させ、コ
ンタクト・レンズを着用する着用者の快適性を高める。
本発明は、コンタクト・レンズにおいて最も好ましい
使用方法を見つける。本発明は、コンタクト・レンズの
前部又は後部もしくは両部分上に光学素子を備えること
を必要とする。上記光学素子をコンタクト・レンズに旋
盤法又は鋳型法を用いて提供するようにしてもよい。本
発明は好ましくは、多焦点（特に２焦点）内部接眼レン
ズにおいて用いられる。
本発明は、回折２焦点光学素子に関する。この素子
は、コーエンによって教授された多焦点特性を得るため
に円形でブレーズされた回折格子を利用する。このブレ
ーズされた格子は、ファセットの深さDoとブレーズされ
たファセット自身のプロフィールの両方を調整すること
によって、２焦点間の光の分配を調整することを可能に
している。本発明は、光学素子のファセットに対して新
しいプロフィールを利用している。
本発明は、多焦点特性を得るために円形でブレーズさ
れた回折格子を利用する回折２焦点光学素子に関し、こ
こで、ブレーズされた格子ファセットの深さDoとブレー
ズされたファセット自身のプロフィールの両方を調整す
ることによって２焦点間の光の分配を調整することを可
能にし、ブレーズされたファセットは、 のゾーン間隔に従って分割された交互の傾きを提供す
る。
本発明の新しいファセットの配置は、従来技術におい
てファセットの全周期（λ）の間隔であると考えられる
ものを、２つの交互の半周期ゾーン毎に対してただ１つ
の非屈折性の円柱形状（又は本質的に円柱形状）の表面
を含む交互の傾斜された半周期（λ/2）のファセットを
有するゾーンに分割し、そのような２つの交互の半周期
ゾーンは、半周期ゾーン間において設計波長光の位相シ
フトの効果を与えるなめらかな表面を有するファセット
によって相互に接続される。すべての非屈折性の本質的
に円柱形状又は円柱形状の表面はλ/2未満の深さを有す
る。本発明の交互のゾーンは、レンズの焦点間の光の分
配の制御を提供する。交互のゾーンの傾きを調整するこ
とによって焦点に対する光の強度を変化することが可能
になる。
本発明は、少なくとも２つ（好ましくは２つ）の主要
な焦点に光を独立して収れんさせる能力を有するレンズ
の表面層内に、重ね合わせられ、刻みつけられ、及び／
又は埋められた回折２焦点光学素子を含み、ここで、上
記素子は、２つの交互の半周期ゾーン毎に対してただ１
つの非屈折性の円柱形状（又は本質的に円柱形状）の表
面を含む交互の傾斜された半周期（λ/2）のファセット
を有するゾーンを備え、そのような２つの交互の半周期
のゾーンは、半周期ゾーン間における設計波長光に対し
て位相シフトの効果を与えるなめらかな表面を有するフ
ァセットによって交互に接続される。すべての非屈折性
の本質的に円柱形状又は円柱形状の表面はλ/2未満の深
さを有する。
本発明の注目すべき態様は、設計された焦点において
光のすぐれた強度の利益を得るとともに同時にグレア及
び／又はヘイローイングの減少を含む上述で引用された
改善を与えるために、交互のファセットにおいて必要と
される傾きに最小の差が生じることである。伝統的な放
物線形状から得られる傾きにおけるただ単に小さな差
が、本発明の利点を提供するレンズを形成するために半
周期のゾーンにおいて必要とされる。
そのような小さな差は、全周期のゾーン測定にわたっ
てでさえもファセットが小さいという理由によって生じ
る。例えば、本発明の一実施例はコンタクト・レンズに
用いることができる。
◇ここで、位相プレートは８個の全周期ゾーンを備える
ように特徴づけられるとともに、レンズの後表面に位置
し、 ◇上記レンズは目の形状に一致し、遠焦点に対する典型
的な屈折を提供し、 ◇設計波長は黄色光に対して約555ナノメーターであ
る。
大きさは次の通りである。
■光軸における第１のゾーンは約0.75ミリメーターの半
径を有し、 ■光軸から離れた最後のゾーンは、約0.14ミリメーター
の、ゾーンの外周に対する半径とゾーンの内周に対する
半径との差によって定義された幅を有し、 ■各ファセットの深さは約0.003ミリメーターである。
しかしながら、約 における点で生じるプロフィールの表面の屈曲によって
生じる16個の半周期ゾーンの間隔に関して測定されたこ
の同一の構造の大きさは次の通りである。
■光軸における第１のゾーンは0.053ミリメーターの半
径を有し、 ■光軸から離れた最後のゾーンは、約0.067ミリメータ
ーの、ゾーンの外周に対する半径とゾーンの内周に対す
る半径の差によって定義された幅を有する。
全周期のゾーン間隔にわたって従来の放物線形状を有
するファセットを備えた光学素子を、0.003ミリメータ
ーのステップの深さを利用する本発明の半周期のゾーン
間隔及びファセットのプロフィールを備える光学素子と
比較すると、半周期のゾーン間隔は、ファセットのプロ
フィールを反映する曲線のもとで少しより小さな面積を
有することがわかる。その差は約１％の面積の差から約
10％の面積の差までとほぼ同様の小さな差である。典型
的には上記差は約２ないし約５％の面積の差である。上
述の例において、面積の差は約３％である。面積の差が
小さいように思われるとき、レンズの性能に対する寄与
が極めて重要である。
従来技術の放物線形状のエシュレットと、全周期の間
隔を有し、0.8λ/2のエシュレットの深さを有するレン
ズは、次の光強度分布を提供する。
−１ ０ １ 0.05 0.57 0.25 それは、次の強度をアナログで示すクラインとホーの
記述と比較すべきである。
ｍ＝ 3.非交互 （ｂ＝0.5） −４ 0.0050 −３ 0.0083 −２ 0.0162 −１ 0.0450 ０ 0.4053 １ 0.4053 ２ 0.0450 ３ 0.0162 ４ 0.0083 0.8λ/2の深さを保持しているプロフィールにおける
少しの修正は、０次及び１次において0.405の光強度分
布を提供する本発明によって含まれる２焦点素子を与え
る。
位相ゾーンプレートの交互のゾーンの各ファセットは
λ/2未満の深さを有し、ここで、λは位相ゾーンプレー
トの設計波長である。１つのゾーンのファセットがもう
１つのゾーンのファセットに曲線を有するプレートによ
って結合される場合において、もしそれらのゾーンのフ
ァセットのただ１つが非屈折性表面を表わすステップの
立上りから形成されるならば、２つのゾーンのファセッ
トがλ/2未満の結合された深さを有するであろう。この
特別な場合、計算の便宜上、結合の深さが全周期のゾー
ンの間隔の概念から調べられる。しかしながら、そのよ
うな交互の傾斜されたゾーンのファセットは変数の深さ
を有するものとみなされる。このファセットの深さは、
λ/2の約0.01倍から約0.99倍まで、好ましくはλ/2の約
0.05倍から約0.95倍まで、最も好ましくはλ/2の約0.1
倍から約0.9倍までの範囲内にある。
この発明までファセットの深さを減少させたいことが
当業者にとって論理的であったと仮定とすれば、現れる
２つの球面波間のエネルギーの分割に逆に影響を及ぼさ
ない1/2波長より浅いファセット（エシュレット）の深
さを有する回折２焦点を形成するための道理に合う方法
は存在しなかった。
本発明は、０次及び１次となる２つの球面波の必要な
等分、又は実質的に等分であるエネルギーの分配を行
う、浅いファセット（エシュレット）の回折２焦点レン
ズを構成することを可能にしている。
本発明は、現われる２つの球面波間のエネルギーの分
配が 1.ファセット（エシュレット）の深さと 2.実際のファセット（エシュレット）のプロフィール によって決定されるという新しい概念を支持する。
適当にファセット（エシュレット）のプロフィールを
描くことによって、浅いファセット（エシュレット）の
深さを有する回折２焦点レンズを切断するときでさえ等
分のエネルギーの分配を得ることができるということが
決定されてきた。
第１図において、収れん性の屈折及び回折の効果を与
える曲率を有する回折２焦点レンズCLが図示されてい
る。この図において、（推定された全周期の間隔で仮定
された）光学素子Ｅは入射平面波を２つの球面波が支配
的である波頭に変換する。例えば、平面の位相フロント
Ｐを有する入射光波はレンズCLの前表面ASを通過し、強
度I1とI2をそれぞれ有する支配的な２つの球面位相フロ
ントS1とS2として後表面PSから現われる。後表面PSは、
回折性エシュレットＥとそれらに対応する非光学的エッ
ジＮを備える。回折性光学素子のファセット（エシュレ
ット）の間隔は、次の標準式によって与えられる。
ここで、rnは（全周期間隔を利用する）ｎ次のゾーン
の半径である。ηとη′はそれぞれ空気とレンズCLの屈
折率である。２つの球面波頭の焦点の位置は、１次ゾー
ンの半径r1とレンズCLの搬送波電力によって決定され
る。特に、ｍ次の焦点fmは次式によって与えられる。
fm＝（r1）2/（２・λ・ｍ） ここで、λは波長であり、ｍは0,±1,±２などであ
る。
望ましいエネルギーの分配は、現われる２つの球面波
が等しい量の全体のエネルギーを伝送するとき、すなわ
ち、I1＝I2であるとき生じることが提案されてきた。現
在の文献は、これはファセット（エシュレット）の深さ
Doが1/2の波長の深さで設定されるときの場合であるこ
とを述べている。（前述のクライン及びホーの文献を参
照せよ。） 第２図は、従来技術において用いられる標準の放物線
プロフィールを図示している。（前述のツィグラーの文
献を参照せよ。）繰り返しプロフィールの深さｄは次式
のように放射方向の位置ｒの関数として示される。
ｄ＝Do・（１−r2/b2） ここで、ｂは１次ゾーンの半径である。
このプロフィールは各ゾーンにおいて繰り返され、こ
こでスケールは各ゾーンの幅に比例して小さくされる。
０次及び１次における等分のエネルギー分配のためのフ
ァセット（エシュレット）の深さは次式によって示され
る。
Do＝0.500・λ／（ｎ−１） ここで、ｎは屈折率であり、強度の分配は次式によっ
て与えられる。
I1＝I2＝（2.0/π）２＝0.405 第３図は第４図に図示された仕様に従ってファセット
を含む回折２焦点光学レンズを図示している。ファセッ
トの深さは、従来技術のレンズによって必要とされる深
さの0.405/0.500＝80％である。
第４図は本発明の一実施例において用いられる新しい
余弦プロフィールを図示している。繰り返しプロフィー
ルは次式によって与えられる。
ｄ＝Do×｛1/2＋1/2・cos（π×r2/b2）｝ 等分のエシュレット分配のためにステップの非屈折性
エッジ間の全周期の間隔を利用するが半周期の間隔内で
交互に傾斜されたファセットを含むファセットの深さ
は、 Do＝0.405・λ／（ｎ−１） によって与えられ、強度の分配は次式によって与えられ
る。
I1＝I2＝J0 2（0.405・π）＝0.403 ここで、J0はベッセル関数である。
第３図は、全表面ASと周辺の後表面PSを有する光学レ
ンズCLを図示している。この実施例において、視覚ゾー
ンの後表面は、回折性ファセット（エシュレット）Ｅと
それらに対応する非光学的エッジＮを備える。ファセッ
ト（エシュレット）Ｅの物理的なプロフィールは次式に
よって与えられる。
ｄ＝Do×｛1/2＋1/2・cos（π×r2/b2）｝ ここで、ｄはファセット（エシュレット）の厚さであ
り、ｒはゾーンの内部エッジからの放射方向の距離であ
り、（そのようなプロフィールは各ゾーンにおいて繰り
返されるがスケールの各ゾーンの幅に比例して小さくさ
れ、）その範囲内においてファセット（エシュレット）
が形成され、そのようなプロフィールが交互に生じ、ｂ
は第１のゾーンの半径である。この特別なプロフィール
が第４図に図示される。
第５図は、従来技術（第２図を参照せよ。）の放物線
エシュレットの仕様ａ特性と、第４図の余弦プロフィー
ルｂと、２焦点レンズのためのもう１つの用いることが
できるプロフィールｃのオーバーレーである。このオー
バーレーの目的は、本発明と第２図に図示された従来技
術の構造間のプロフィールの違いを図示することにあ
る。特に、 の間隔における曲線ｂのプロフィールにおけるシフトに
注意しなさい。その小さな差は、曲線ｂのプロフィール
を、本発明のレンズ素子のためのファセットのプロフィ
ールとして適当に用いることができることを可能にして
いる。
ファセットｃの物理的なプロフィールは次式によって
与えられる。
そのような減少された深さにおけるプロフィールａと
ｃは０次と１次に対して光の等分の強度分配を行うこと
はできず、一方、次式が成立するときプロフィールａと
ｃは光の等分の強度分配を行うことができる。
Do＝0.500・λ／（ｎ−１） 第６図ないし第10図は、第２図のレンズ構造における
本発明に従って用いることができる種々の有用なファセ
ットのプロフィールを図示している。
第６図は、奇数及び偶数ゾーンによって表わされた交
互の半周期の傾斜されたゾーンの繰り返しシーケンスに
おける第４図のプロフィールのグラフをｘ−ｙ軸に沿っ
て図示している。この特別な実施例は次式によって特徴
づけられる。
ｙ＝0.405λ／(ｎ−１)・｛1/2＋1/2cos(πr2/2r0 2)｝ I0＝I1＝0.402 ここで、λは設計された波長であり、ｎはレンズ媒質
の屈折率である。
第７図は、ｘ−ｙ軸に沿って図示されたもう１つのプ
ロフィールのグラフであり、ここで、ステップの非屈折
性エッジの深さはさらに0.31λに減少され、偶数の半周
期ゾーンの深さが非屈折性エッジとの曲線の接続を有す
る。本発明のこの実施例は次式によって特徴づけられ
る。
ｙ＝0.314λ／（ｎ−１）・2.5｛1/2＋1/2cos（πr2/2r0 2）｝ −0.314λ／（ｎ−１）・1.5｛１−r2/2r0 2｝ I0＝I1＝0.390 第８図は、ステップのエッジが傾斜されたプロフィー
ルを図示し、そのエッジが位相ゾーンプレートの光学的
性質に寄与することを提案している。この実施例におけ
る半周期の交互のゾーンのプロフィールは前の仕様とは
異なり、これは主に非屈折性エッジが実質的に取り除か
れたからである。この実施例は、次式によって特徴づけ
られる。
ｙ＝λ／（ｎ−１）｛r2/2r0 2＋cos（πr2/2r0 2）−１｝ I0＝I1＝0.314 この実施例においては、奇数ゾーンに対するファセッ
トの深さがさらに0.231λに減少されたが、偶数ゾーン
はもう１つの0.21λだけの奇数ゾーンの底部未満の深さ
を有する。
第９図は、偶数ゾーンの傾きがステップの非屈折性エ
ッジと接続される前に２つの反対側に面する曲線を表わ
す底部の曲率を有する場合のファセットを有するプロフ
ィールを示している。本発明のこの実施例は次式によっ
て特徴づけられる。
ｙ＝0.394λ／（ｎ−１）｛0.287−0.731J0（4.20・r2/2r0 2）｝ I0＝I1＝0.402 ここで、J0はベッセル関数である。
第10図は、２つの位相ゾーンプレートの純粋の屈折部
を含むもう１つのファセットのプロフィールを示してい
る。この実施例においては、減少が視覚ゾーンを通して
存在することが必要ではないが、全周期ゾーンから全周
期ゾーンまでの深さにおいて減少が存在する。例えば、
視覚ゾーンの全周期ゾーンの第１の半分はただ１つの深
さであり、全周期ゾーンの第２の半分においては、深さ
が前進的に減少される。そのような実施例の好ましいモ
ードにおいて、同一又は異なった深さのいずれの深さを
有するにせよ、各ステップは視覚ゾーンの共通のプレー
ンに沿って等しく分配される。純粋の屈折部分は好まし
くは、視覚ゾーン内及び／又は視覚ゾーンの周囲を囲ん
で含まれる１個又はそれ以上のチャネルの形式で表わさ
れる。第10図の特別な実施例は次式によって特徴づけら
れる。
ｙ＝αλ／（ｎ−１）｛1/2＋1/2cosπ/2・r2/r0 2｝ ここで、αはゾーンからゾーンへ減少する。
第11図及び第12図のファセットを有するプロフィール
は、ステップがq1からr2などに進むことを可能にするq1
における全周期ゾーンに間隔の減少を導入している。交
互のゾーンにおけるこの間隔の減少によってゾーンの 間隔を変更することは考えられない。第11図は次式によ
って特徴づけられる。
ｙ＝0.40｛1/2＋1/2cos［（π/qn 2−rn 2）（r2−rn-1 2）］｝ ここで、rn-1＜ｒ＜qnである。
yn＝0.40｛1/2＋1/2sin［π/rn 2−qn 2・（r2−（rn 2＋qn 2）/2）］｝ ここで、qn＜ｒ＜rn-1である。
第12図は次式によって特徴づけられる。
yn＝0.39｛1/2＋1/2cos［π/qn 2−rn 2・（r2−rn-1 2）］｝ ここで、rn-1＜ｒ＜qnである。
yn＝0.39｛１−（ｒ−rn/rn−qn）２｝ ここで、qn＜ｒ＜rnである。
多くの明らかな変形例が当業者に考えられるので、本
発明はここで図示され記述された構成の正確な詳細に限
定されないことが確認される。特に、所望の等しいエネ
ルギーの分配を変更することなしに、ファセット（エシ
ュレット）の深さの減少を可能にする多くの異なったプ
ロフィールが決定される。しかしながら、ファセットの
プロフィールの選択は等しいエネルギーの分配の効果を
与えることに依存していない。エネルギーの分配を行う
ことは、それが等分配であろうとなかろうと、半周期ゾ
ーンの交互の傾きから直接に得られると信じられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来技術のコーエン・レンズ仕様の の間隔パターンを有し典型的な放物線形状のエシュレッ
トを備えた回折２焦点光学素子の縦断面図であり、 第２図は、例えばツィグラーによるレンズのような典型
的な従来技術の回折２焦点光学素子から切断されたエシ
ュレットのプロフィールを図示する曲線のグラフであ
り、 第３図は本発明による一実施例の光学素子の縦断面図で
あり、 第４図は第３図の光学素子のファセットのプロフィール
を図示する曲線のグラフであり、 第５図は、従来の放物線プロフィールを有する従来技術
の全周期の間隔を有するエシュレット・ゾーンのプロフ
ィール、並びに、多重プロフィールの中断された構造を
含む半周期の間隔を有するファセット・ゾーンのプロフ
ィールを図示するグラフであり、 第６図ないし第12図は、本発明の範囲内の光学素子のた
めの種々のファセットの配置の断面図を示すグラフであ
る。 CL……回折２焦点レンズ、 Ｅ……回折性エシュレット、 Ｐ……位相フロント、 AS……レンズの前表面、 PS……レンズの後表面、 Ｎ……非光学的エッジ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−103311（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−137815（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−28615（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−79815（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−19822（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−99914（ＪＰ，Ａ) 特許2768801（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平１−1772（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平２−16890（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4338005（ＵＳ，Ａ) 米国特許4210391（ＵＳ，Ａ) 米国特許4340283（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 5/18 G02C 7/04 - 7/06

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】実質的に に比例する間隔で間があけられた環状同心の複数のゾー
    ンを含む位相ゾーンプレートを備え、ｎは整数であり、
    上記各ゾーンはそれぞれ、隣接するゾーン境界の間に形
    成された輪帯形状の小面であるファセットを含み、上記
    ファセットは所定のファセット深さDoを有しかつ光学通
    路長において差を導入するための所定の輪郭を有する多
    焦点回折光学素子において、 上記輪郭は、所定の設計波長に対して、上記ファセット
    深さDoが素子材料とそれを取り巻く媒質の各屈折率の差
    で割られた設計波長の1/2よりも小さく、かつ、上記設
    計波長の光の強度がレンズの２つの回折焦点において実
    質的に等しく分布するような形状を有し、 上記輪郭は実質的に次式を満足し、 ｄ＝Do×｛（1/2）＋（1/2）cos［π×r2/b2］｝ ここで、ｄは位置ｒでの輪郭の深さであり、ｒは上記ゾ
    ーン内の放射方向の位置であり、ｂは１次ゾーンの半径
    であり、Doは上記設計波長におけるファセット深さであ
    ることを特徴とする多焦点回折光学素子。
  2. 【請求項２】上記設計波長の光を２つの光に分割し、上
    記２つの分割された各光を上記２つの回折焦点に方向づ
    け、上記２つの分割された各光が、上記光学素子に入射
    するときの上記設計波長の光の強度の実質的に0.40の強
    度を有するように、上記ファセット深さDoが設定される
    ごとく上記輪郭は形成されたことを特徴とする請求項１
    記載の多焦点回折光学素子。
  3. 【請求項３】上記輪郭は不連続性を有さずにスムーズに
    変化する請求項１又は２記載の多焦点回折光学素子。
  4. 【請求項４】段差形状部であるステップを有する各ファ
    セットはスムーズな曲線によって画成された外側の角隅
    部を有する請求項１乃至３のうちの１つに記載の多焦点
    回折光学素子。
  5. 【請求項５】段差形状部であるステップを有する各ファ
    セットはスムーズな曲線によって画成された内側の角隅
    部を有する請求項１乃至４のうちの１つに記載の多焦点
    回折光学素子。
  6. 【請求項６】上記設計波長の光は黄色の光である請求項
    １乃至５のうちの１つに記載の多焦点回折光学素子。
  7. 【請求項７】上記多焦点回折光学素子は、目のレンズの
    形式である請求項１乃至６のうちの１つに記載の多焦点
    回折光学素子。
  8. 【請求項８】上記多焦点光学素子は、コンタクト・レン
    ズ又は眼内のレンズの形式である請求項７記載の多焦点
    回折光学素子。
  9. 【請求項９】目のコンタクト・レンズの視覚ゾーン内に
    少なくとも２つの位相ゾーンプレートを含む目のコンタ
    クト・レンズであって、上記位相ゾーンプレートの少な
    くとも１つは、請求項１乃至６のうちの１つに記載の多
    焦点回折光学素子を含む目のコンタクト・レンズ。
  10. 【請求項１０】目のコンタクト・レンズの視覚ゾーン内
    に、請求項１乃至６のうちの１つに記載の多焦点回折光
    学素子を含む位相ゾーンプレートと、純粋の屈折部とを
    有する目のコンタクト・レンズ。
  11. 【請求項１１】段差形状部であるステップをそれぞれ有
    する複数のファセットを備え、上記ステップを有する各
    ファセットは、まるくされた外側の角隅部を有する請求
    項９又は10記載の目のコンタクト・レンズ。
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