JP2991719B2 - 回折多焦点の目のレンズの設計方法及び製造方法 - Google Patents

回折多焦点の目のレンズの設計方法及び製造方法

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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回折する。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・レンズは眼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4,338,005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。
コーエンの研究の前に、フレネルとウッドによって提
供された解析は、位相ゾーンプレートの個々の全周期ゾ
ーンが１次の焦点において破壊的に干渉するように十分
に位相のずれた状態にある２つの半周期ゾーン（奇数ゾ
ーンと偶数ゾーン）を備えることを証明した。彼らは、
奇数又は偶数ゾーンを塞ぐか又は奇数ゾーンから偶数ゾ
ーンへ光の位相をシフトさせることによって、破壊的な
干渉が最小化されることを指摘した。しかしながら、こ
のことによって結果的に有用な２焦点レンズを得ること
はできなかった。コーエンは、奇数ゾーンと偶数ゾーン
を異ならせこれによって光の方向を異ならせることによ
って、上記ゾーンを通過する入射平行光が、光が異なっ
た焦点に向けられこれによって有用な多焦点レンズを提
供する回折制限素子を形成すべく調整されることを発見
した。奇数ゾーンと偶数ゾーンの差異は、上記ゾーンに
おいて並びに上記ゾーン間の厚さ又は屈折率における変
化によって実現される。
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（Resear
ch into the Usability of Circular Grids as
Aid to Vision）",デル・アウゲノプティカー（Der
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放物線状の輪郭、外形線又はプロフ
ィール（以下、プロフィールという。）を有し段階状の
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。
もしこのレンズの仕様の、段差形状部であるステップ
の深さを変更するならば、焦点への入射光の強度の非常
に異なった集中をもたらす。例えば、位相ゾーンプレー
トが、各エシュレットのステップの深さがλであるエシ
ュレットの全周期間隔を有し、エシュレットのプロフィ
ールが、設計波長として黄色光の波長を用いて放物線形
状であるとき、その結果得られるレンズは、キャリアレ
ンズ全体の形状にかかわらずユーザに対して本質的に１
次の単焦点である。このステップの深さが減少されるの
で、エシュレットを平坦化することはこの間隔にわたっ
て深さの異なった変化をもたらし、その結果、コーエン
の異なった形状の奇数及び偶数ゾーンに影響を与える。
深さがλ/2を越えるとき、１次における光の強度は０次
における光の強度よりも著しく大きくなる。なぜなら、
奇数と偶数ゾーン間の厚さの違いが大きいからである。
レンズが０次と１次において均一な光強度を提供するの
は、エシュレットの深さがλ/2であるときのみである。
ここで、奇数と偶数ゾーン間の厚さの差異は平衡化され
ている。エシュレットの深さがλ/2未満に低下したと
き、奇数ゾーンと偶数ゾーン間の厚さの違いが最小化さ
れ、このことは０次における光強度を増大させる。
当該技術において欠乏しているものは、ステップの深
さを変化したとき０次と１次又は任意の他の複数の次数
の組み合わせに対して光強度の所望の分配を保持する柔
軟性である。エシュレットの深さがレンズ設計において
変数であるが、レンズの設計者が０次と１次又は次数の
任意の他の組み合わせに対して光の好ましい分配を有す
るレンズを製造する能力を有する、多焦点、特に２焦点
レンズを形成するための能力を有することが所望され
る。
位相プレートの光学を用いるが、放物線形状のプロフ
ィールに対するファセットの構造の束縛から解放される
レンズの仕様がここで記述される。本発明のレンズの仕
様は、エシュレット形状の広い選択を利用するのがレン
ズの製造者に対して近焦点と遠焦点で光の所望される分
配を行うことを可能にさせるレンズ、特にコンタクト・
レンズをレンズの製造者が製造することを可能にしてい
る。レンズ仕様におけるこの柔軟性は、レンズの製造者
から、エシュレットの深さ、従来の放物線又は平坦なプ
ロフィール並びに同様の考察のようなレンズ設計におけ
る束縛を解放している。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、特定の波長で動作するように設計されかつ
r2空間でまた曲げられた回転対称であって曲線を有する
繰り返しパターンを含むコーエン・レンズの仕様の位相
ゾーンプレートを備える回折多焦点光学素子に関する。
他の態様において、本発明は、 （ｉ）特定の波長で動作するように設計されかつ （ii）（ａ） の間隔に従って周期的であり、 （ｂ）r2空間でまた曲げられた曲線を有するプロフィー
ルを有し、（放物線形状の曲線を有するプロフィールは
r2空間で線形であり曲げられないことが指摘される。） （ｃ）約λ/8又はそれ以上の光学通路に位相シフトを導
入するために十分なパターン内における調整を含み、こ
こでλは設計波長であり、 （ｄ）２つの焦点における光強度が、各焦点に対してλ
において入射光の少なくとも20パーセントを有し、かつ
２つの焦点における強度の比が約0.5と2.00との間にあ
るように相互に関連がある回転対称な繰り返しパターン
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
に関する。
本発明はまた、特定の波長で動作するように設計され
相互に関連し回転対称であって曲線を有する繰り返しパ
ターンを含むコーエン・レンズ仕様の位相ゾーンプレー
トを備えた回折多焦点光学素子によって特徴づけられ、
ここで上記曲線を有する繰り返しパターンはさらにr2空
間において曲げられ、上記繰り返しパターンの厚さ又は
屈折率における変化性は、２つの焦点における光強度が
各焦点に対してλにおいて入射光の少なくとも20％を有
しかつ２つの焦点における強度の比が約0.5と2.00との
間にあるように相互に関連がある。
本発明の一実施例は、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・レンズに
注意が向けられ、上記位相ゾーンプレートの少なくとも
１つは前述の光学素子の特徴を有する。
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
式である純粋の屈折部と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、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。新しいプロフィール
は非放物線形状であって非線形である。プロフィールの
形状はファセットの深さに調整され、これによってレン
ズ設計に最大の柔軟性を提供している。
本発明は、特定の波長で動作するように設計されかつ
r2空間でまた曲げられる回転対称であって曲線を有する
繰り返しパターンを含むコーエン・レンズ仕様の位相ゾ
ーンプレートを備える回折多焦点光学素子を含む。この
ことは、上記プロフィールの曲率が線形及び放物線形状
のいずれでもなく、従来技術によって予期されてきた唯
一のプロフィールの曲率であることを意味する。
さらに詳しくは、本発明は、 （ｉ）特定の波長で動作するように設計されかつ （ii）（ａ） の間隔に従って周期的であって、これによってコーエン
・レンズの仕様を繰り返し用いることができ、 （ｂ）r2空間でまた曲げられた曲線を有するプロフィー
ルを有し、これによってプロフィールが線形又は放物線
形状でないことを確立し、 （ｃ）約λ/8又はそれ以上の光学通路に位相シフトを導
入するために十分なパターン内において（レンズの厚さ
又は屈折率における変化性によって特徴づけられた）調
整を含み、ここでλは設計波長であり、 （ｄ）２つの焦点における光強度が各焦点に対してλに
おいて入射光の少なくとも20パーセントを有しかつ２つ
の焦点における強度の比が約0.50と2.00との間にあるよ
うに相互に関連し、好ましくは、２つの焦点における光
強度が各焦点に対してλにおいて入射光の少なくとも30
パーセントを有しかつ２つの焦点における強度の比が約
0.75と1.50との間であるように上記パターンが相互に関
連し、最も好ましくは２つの焦点が０次と１次で存在し
かつ強度の比が約0.8から約1.2までの間である。回転対
称な繰り返しパターンを含む位相ゾーンプレートを備え
る回折多焦点光学素子に注意が向けられる。
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、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）間隔と考えられたものを、２つの
交互の半周期ゾーン毎に対して唯一の非屈折性円柱形状
（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す
ることを含み、そのような２つの交互の半周期ゾーン
は、半周期ゾーン間の設計波長において位相ソフトの効
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
相互に連結される。非屈折性の本質的に円柱形状又は円
柱形状の表面のすべては、例えば３倍の設計波長の深さ
未満、すなわち＜３λの任意の深さにおいて存在する。
本発明の交互のゾーンは、レンズの焦点間の光の分配の
制御を行うことを提供する。交互のゾーンのプロフィー
ルの傾きを調整することによって、所望の焦点に対する
光の強度を変更することを可能にしている。
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、例えば約３
倍の設計波長の深さ未満、すなわち＜３λである。
本発明は、非放物線ゾーンのプロフィールが有効的な
回折２焦点素子のために選択されることが可能な方法を
提供する。この方法は次のように説明される。
1.0次と１次の両方の光強度の値を等しいように保持し
ファセットの深さDoを変化させ、例えば０次と１次の両
方の光強度の値を約40％で保持するか、又はDoの値を保
持し０次と１次の強度の値を変更するかの決定がなされ
る。
2.一般に受容される放物線のプロフィールと異なるファ
セットのために透過プロフィールを選択する。
3.新しいプロフィールの方程式をキルヒホッフの回折積
分に適用し、その結果が、ファセットの深さの変化に対
して、すなわち４λ／η−１などに対して１つの軸上で
０から100％までのスケールで０次と１次における強度
に対してプロットされる。
4.結果として得られる曲線が互いに交差するところは、
交差点に対するファセットの深さで有用なプロフィール
を画成する。
キルヒホッフの回折積分方程式1aと1bは、表面のレリ
ーフの位相プレートの考察のために有用である。
ここでΔ（ρ）≡表面のレリーフ・プロフィール 方程式（1b）の積分は、積分が２つの半周期ゾーンをカ
バーするように奇数ゾーンと偶数ゾーンの両方を含むよ
うに０から２λ0dまで積分される。方程式（1b）から、
位相プレートの透過プロフィールは次式によって特徴づ
けられる。
exp｛ｉφ｝≡e1φ 透過プロフィール （2a） φ≡ｋ（η−１）Δ（ρ） 位相減速度 （2b） 変数のプロフィールを有するレンズを形成するプロセ
スにおいて、第１のステップは、０次と１次の両方の光
強度の値が等しいように保持しファセットの深さDoを変
化させ、例えば０次と１次の両方の光強度の値を約40％
で保持させるか、又はDoの値を保持し０次と１次の強度
の値を変更するかの決定を行うことである。このプロセ
スの次に、方程式に適用するための透過非放物線プロフ
ィールの選択が行われる。この一例が次式で表わされ
る。
Δ（ρ）＝Δ０・｛1/2＋1/2・cos（πρ/r1 2）｝ （3a） 上記方程式において、Δ０はエシュレットの最大の表
面レリーフの深さを表わす。これをキルヒホッフの回折
積分に適用すると、その結果は次式のようになる。
I0＝J0 2（ζ） （3b） I1＝｛４［sin（ζ）− ζcos（ζ）］／ （πζ２）＋J2（ζ）｝２ （3c） I-1＝｛４［sin（ζ）− ζcos（ζ）］／ （πζ２）−J2（ζ）｝２ （3d） ζ＝0.5k（η−１）Δ0/λ０ ここでJ0とJ2はベッセル関数である。
ファセットの深さΔ０の変化に対して１つの軸上で０
から100％までのスケールで０次と１次における強度に
対する結果をプロットすることによって、結果として生
じる曲線が互いに交差するところで、Δ０の１つの値が
０次と１次における光強度を等しくすることを証明でき
る。この値は次式のようになる。
Δ０＝0.405λ0/（η−１） これは次式の最大の位相減速度に対応する。
φ０＝ｋ（η−１）Δ０＝0.81πrad ここで０次と１次の光強度は約40％である。
本発明の注目すべき態様は、設計された焦点において
すぐれた光強度の利益を達成するための、交互のファセ
ットで必要とされる傾きにおける最小の差である。例え
ば、従来の放物線形状からの傾斜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、 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法物線形状を有
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。
もう一つの態様において、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を含む。本発明はまた、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プロフィールによ
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、ここで位相ゾーンプレートの奇数と偶数の
ゾーンは、 a. の間隔に従い、 b.少なくとも他のゾーン境界毎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のプロフィールを有
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奇数ゾーンのそれ
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r0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。
本発明のもう１つの態様は、本発明のすぐれた２焦点
レンズの特性を与えるために本発明の交互の半周期ゾー
ン間に存在する共働及び協同の働きである。例えば、も
し交互のゾーンのいずれかの組が他のゾーンに対して繰
り返されたならば、これによって交互の特性を除去し、
その結果得られるレンズは、それぞれ0.85と0.75である
全体的に繰り返された奇数ゾーンと、それぞれ0.885と
0.077である全体的に繰り返された偶数ゾーンの、平行
光と１次の強度分布を有する。それらがともに動作する
とき、それらは非常に異なった強度分布を提供する。
本発明の一実施例において、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
に曲線を有するプロフィールによって結合される場合に
おいて、もし実施例に従って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。
本発明は、ファセットの深さが制限されることなしに
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種々のファ
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 の相互関係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、設計波長に基礎をおく約３倍の波長
の最大の深さの道理に合った制限を仮定すれば、任意の
深さのファセット（エシュレット）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、r2
空間において全く同一であるが、スケールは通常のｒ空
間における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2a図は、従来技術のプロフィールと本発明のプロフ
ィール間の差異を説明するr2空間で示された第２図の曲
線のグラフであり、これについては第4a図を参照せよ。
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）｝ 等分のエネルギー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4a図は、r2空間のすべての曲率を失う従来技術の位
相プレートと対照して見ると、本発明の位相プレートの
プロフィールがr2空間でさえそれらの曲率のいくつかを
保持することを説明するr2空間で図示された第４図の曲
線のグラフを図示しており、これについては第2a図を参
照せよ。
第３図は、前表面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が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
注意すべきである。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(ｘπ2/2r0 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＝0.31λ／（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/r0 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0.21λ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と純粋の屈折部
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＋1/2cos π/2・r2/r0 2｝ ここで、αはゾーンからゾーンへ減少する。
第11図は、エシュレットの深さがλを超え、このとき
1.2λである位相ゾーンプレートの仕様を図示してい
る。プロフィールの形状は余弦波形状である。第11図の
形状のこの実施例は次式によって特徴づけられる。
ｙ＝1.2λ／（ｎ−１）｛1/2＋ 1/2cos π／ ２・r2/r0 2｝ I0＝0.404I1＝0.358 第12図及び第13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12図は次式によ
って特徴づけられる。
yn＝0.40｛1/2＋1/2cos［（π/r2− rn-1 2） （qn 2−rn 2）］｝ ここで、rn-1＜ｒ＜qnである。
yn＝0.40｛1/2＋1/2sin［π（r2− （rn 2＋qn 2）/2）／（rn 2−qn 2）］｝ ここで、qn＜ｒ＜rn-1である。
第13図は次式によって特徴づけられる。
yn＝0.39｛1/2＋1/2cos［π／（r2− rn-1 2） ／（qn 2−rn 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
定されないことが認識される。ファセットの曲線を有す
るプロフィールの形状の種類は、特に示されたものに限
定されない。多くの他の曲線を有するプロフィールは、
有用な２焦点光学素子として動作するために０次と１次
に対して光の強度の有効的な分配を行う光学素子を製造
するために適当に用いることができることは明らかであ
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2a図は、r2空間で図示された第２図の曲線のグラフで
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4a図は、r2空間で図示された第４図の曲線のグラフで
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13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 平２−79815（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−99914（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−28615（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−19822（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−103311（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−137815（ＪＰ，Ａ) 特許2768801（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平２−16890（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平１−1772（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4340283（ＵＳ，Ａ) 米国特許4338005（ＵＳ，Ａ) 米国特許4210391（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02C 7/04 - 7/06 G02B 5/18

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の環状同心のゾーンを含む少なくとも
    １つの位相ゾーンプレートを備えた回折多焦点の目のレ
    ンズであって、上記複数のゾーンは実質的に に比例して間隔を置かれ、ｎは整数であり、上記複数の
    ゾーンの各々は１つのファセットを含み、上記ファセッ
    トは、隣接するゾーン境界の間に形成された輪帯形状の
    小さい面であり、曲げられた非放物線形状の所定の輪郭
    を有し、かつ、所定のファセット深さDoを有する回折多
    焦点の目のレンズの設計方法において、 上記ファセットは、 上記ファセット深さDoの関数として、強度が上記輪郭と
    所定の設計波長に対してキルヒホッフの回折積分を計算
    することによって決定された強度曲線を所定の０次及び
    １次の焦点でプロットした後、光強度が上記０次及び１
    次の焦点で等しくなる位置である強度曲線の交差点を、
    上記０次及び１次の焦点で求めることによって決定され
    たファセット深さDoを有するように形成されたことを特
    徴とする回折多焦点の目のレンズの設計方法。
  2. 【請求項２】コンタクト・レンズ及び内部接眼レンズの
    うちの１つの形式であることを特徴とする請求項１記載
    の回折多焦点の目のレンズの設計方法。
  3. 【請求項３】視覚ゾーン内に少なくとも２つの位相ゾー
    ンプレートを含むことを特徴とする請求項１又は２記載
    の回折多焦点の目のレンズの設計方法。
  4. 【請求項４】純粋な屈折部をさらに含むことを特徴とす
    る請求項１又は２記載の回折多焦点の目のレンズの設計
    方法。
  5. 【請求項５】複数の環状同心のゾーンを含む少なくとも
    １つの位相ゾーンプレートを備えた回折多焦点の目のレ
    ンズであって、上記複数のゾーンは実質的に に比例して間隔を置かれ、ｎは整数であり、上記複数の
    ゾーンの各々は１つのファセットを含み、上記ファセッ
    トは、隣接するゾーン境界の間に形成された輪郭形状の
    小さい面であり、曲げられた非放物線形状の所定の輪郭
    を有し、かつ、所定のファセット深さDoを有する回折多
    焦点の目のレンズの製造方法において、 （ａ）曲げられた非放物線形状の輪郭を選択する工程
    と、 （ｂ）設計波長と０次及び１次の焦点距離とを選択する
    工程と、 （ｃ）上記ファセット深さDoの関数として、強度が上記
    輪郭と所定の設計波長に対してキルヒホッフの回折積分
    を計算することによって決定された強度曲線を上記０次
    及び１次の焦点でプロットする工程と、 （ｄ）光強度が上記０次及び１次の焦点で等しくなる位
    置である強度曲線の交差点を、上記０次及び１次の焦点
    で求めることによって、ファセット深さDoを決定する工
    程と、 （ｅ）上記決定されたファセット深さDoを有しかつ上記
    決定された輪郭を有する回折多焦点の目のレンズを生成
    する工程とを含むことを特徴とする回折多焦点の目のレ
    ンズの製造方法。
JP63286599A 1988-08-26 1988-11-10 回折多焦点の目のレンズの設計方法及び製造方法 Expired - Fee Related JP2991719B2 (ja)

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