JPH07198909A - 多焦点回折レンズ - Google Patents

多焦点回折レンズ

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JPH07198909A
JPH07198909A JP5335586A JP33558693A JPH07198909A JP H07198909 A JPH07198909 A JP H07198909A JP 5335586 A JP5335586 A JP 5335586A JP 33558693 A JP33558693 A JP 33558693A JP H07198909 A JPH07198909 A JP H07198909A
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diffractive
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diffractive lens
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コソバード タティアナ
Kedmi Joseph
ケドミ ジョウゼフ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】３焦点回折レンズの各焦点への光、すなわち各
回折順位への光強度を均等に、または不均等に任意的に
制御可能とした多焦点レンズを得る。 【構成】代表的波長λを有する入射光を受けて３焦点を
限定する３焦点回折レンズにして、回折表面には多数の
光学的高所と光学的低所とが設けられ、最高の光学的高
所と最低の光学的低所との差がλ／２とは実質的に相違
し、各焦点には少なくともレンズの入射光の２０％が到
達するようにした３焦点回折レンズ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多焦点レンズに関し、
特に詳細には多焦点、回折、眼科用レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】２つ以上の焦点長を有するレンズは各種
のものがある。多焦点レンズは顕微鏡その他の光学的装
置に重要な応用例があるが、多焦点レンズの開発の努力
は視覚的矯正に指向され、特に有効な多焦点眼科用およ
びコンタクトレンズ（以下において集合的に眼用レンズ
という）の開発に指向された。入射光の一部のみが多焦
点レンズによって利用され異なる焦点長に分割されるか
ら、レンズは高い光伝達効率を有するものとする必要が
ある。人の視力は光のレベルが低いときに弱いから、こ
の効率改善要求は眼科用多焦点レンズにおいて特に重要
である。
【０００３】多焦点レンズの設計と構造については２つ
の基本的方向、すなわち空間的分割の問題と多焦点の問
題とがある。
【０００４】図８は従来技術による空間的に分割された
多焦点レンズ１０の外観図である。レンズ１０は個々の
隣接する回折セクション１２に区画され、各回折部は通
常は同心的である。隣接しないセクションが複数（通常
２つ）の群に分けられ、それぞれの群が単焦点回折レン
ズを構成し、その各セクションは対応するレンズの部分
と光学的に同等である。従って、それぞれの群は空間的
に不連続な単焦点回折レンズとなる。
【０００５】各回折群を通る入射光はそれぞれの一つの
焦点長に従って集光せしめられるから、各頂点長に従っ
て集光せしめられる全入射エネルギの割合はそれぞれの
回折群が占める入射面積の割合に等しい。
【０００６】眼用レンズとして良好な結果を得るために
は、通常レンズ１０を多数のセクション１２に分割する
必要がある。レンズを少数のセクションに分割するとそ
れぞれの群による相対的強度が瞳孔の拡大と縮小によっ
て変化するという結果が生じてしまう。
【０００７】米国特許第４１６２１２２号明細書および
同第４２１０３９１号明細書には、多数の同心的な環状
セクションに分割された回折コンタクトレンズが記載さ
れており、隣接する任意２つのセクションは異なる焦点
群に属している。米国特許第４７０４０１６号明細書に
はコンタクトレンズを非同心的なセクションに空間的に
分割する技術が開示されている。
【０００８】図８に示す回折レンズ１４は或る回折パタ
ン、すなわち入射光の位相または振幅に影響を及ぼす局
部的、周期的な構造を有して構成されている。この結
果、出射光前線は対応的に横方向、局部的、周期的、相
対的位相構造となり、多段の回折像が形成される。可変
周期回折パタンを適切に定めることにより、所定の回折
順位がそれぞれの回折像平面に集光され、該平面上で建
設的に干渉するようになる。
【０００９】回折レンズのそれぞれの焦点は回折レンズ
１４のそれぞれの区域に対応するものでないことが注目
される。レンズ１４の各点は入射光をそれぞれの焦点に
対応する異なる回折順位で回折する。
【００１０】異なる回折パタンを形成する周知の方法と
してフレネルレンズがあり、これは異なる回折順位に対
応する異なる曲率半径を有する多数の球面波面を形成す
るものである。これについてはマイヤース（Ora E. Mey
ers）著のコロラド大学出版の（The Studies of Transm
ission Zone Plates）およびサスマン（Milton Sussma
n）著の（Elementary Diffraction Theory of Zone Pla
tes）には、詳細が記載されている。
【００１１】従来技術のフレネルレンズの代表的な構造
を図９に示すが、回折構造として一連の一方向光学的ス
テップ１６を含む。光学的ステップ１６はレンズ厚さ方
向の鋭い切込みとして限定され、ステップ１６の両側を
通る隣接する光線間に比例的な位相差を生ずる。典型的
には二焦点回折レンズの場合、ステップ１６の高さにお
ける切込みによって生ずる位相遅れは設計波長λの１／
２に等しく、これはこのレンズにおける代表的な波長で
ある。通常は、多数のステップを設け切込みを充分に鋭
くすることによって入射エネルギの一部が焦点にいずれ
にも集光されないということが防止され、最良の成果が
得られると信じられている。
【００１２】米国特許第４８３０４８１号明細書および
同第５０７６６８４号明細書には、これらのレンズが開
示され、米国特許第４８３０４８１号明細書には鋭い切
込みの鋭角部を限定された曲率半径（切込みの深さの１
ないし２倍以下）によって丸めてもよく、これにより入
射エネルギの小部分のみが犠牲となると示している。該
明細書には丸めることにより効率がいくらか低下するこ
とを示す。
【００１３】二焦点回折ラレイウッド（Raleigh Wood）
レンズがコロンケビッチ外３名（V.P. Koronkevitc
h）、（V. N. Nagori）、（I. G. Palchikova）、（A.
G. Polenshchuk）著の二焦点顕微鏡（Ｏptik誌１９８８
年第２号６４〜６６頁）に詳細に記載されている。図１
０に示すようにラレイウッドレンズ１１は一連の矩形の
突起部１３と一連の矩形の凹所１５とを含み、突起部１
３の幅は凹所１５の幅と等しく、すなわち反復係数（du
ty cycle）が０．５であり、突起部と凹所との間の位相
差、すなわちステップ高さは次式で示され、 ステップ高さ＝（λ／２）（ｎ2−ｎ1） ここにλは代表的な波長 ｎ1、ｎ2はレンズおよびレンズ外部の材料の回折係数 レンズは光伝達効率８１％を有し、これは回折順位（−
１）と（＋１）との間に均等に分割され、その他の順位
は無視可能であると記載されている。このレンズは地形
学的構造を有し、周期は次式で示される。 （ｒ2） 前述空間的分割と回折順位研究との両者の利点を組み合
わせるコンタクトレンズの製作も研究されている。レン
ズは狭い同心円状の屈折部に空間的に分割され、これら
が回折的位相偏位板として予め定めた間隔にあって、い
くつかの回折順位焦点が屈折焦点に一致するようになさ
れる。なお、米国特許第４３３８００５号明細書、同第
４３４０２８３号明細書、同第４８８１８０５号明細書
にこの例が記載されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】二焦点レンズにおいて
異なる順位の相対的強度を制御する研究も多くなされて
おり、回折構造を適切に定めることにより入射エネルギ
の大部分が所望の焦点に指向されるようにする。しか
し、２つ以上の焦点を有しまたは焦点間に明確に不均等
な光分布を与えるようにした実際の回折レンズは高い光
伝達効率を与えるものではない。
【００１５】さらに、現在利用可能な二焦点眼科用レン
ズ（屈折、回折、または複合）の場合、複数の鋭角部を
限定する一連の鋭角の段部を含んでいる。鋭い縁部およ
び隅角部はレンズの使用者には不便である。第１に隅角
部には塵埃が容易に集積し、通常の洗浄用器具、材料に
よって除去することが著しく困難である。第２に光学的
段部の縁部は輝きとして公知の望ましくない光の干渉を
生じやすく、使用者の視力を妨げる強い光として作用す
る。第３にレンズをコンタクトレンズとして使用すると
き鋭角部は使用者の眼に不快な刺激を与える。
【００１６】現在、２つの焦点間に実質的に均等な光分
布を与える二焦点眼科用レンズのみが利用可能である。
眼自身が焦点能力を有しない眼内用レンズとしてはこの
制限は致命的である。２つの焦点長を有するレンズの場
合、使用者は中間距離で明確な映像を得ることができる
場合が多い。従って３つ以上の焦点長を有するレンズが
特に要望される。また、予め定めた距離範囲での視力が
特に必要な場合、焦点間での異なる強度分布も要望され
ている。例えば読書の場合は風景を視る場合よりも高い
伝達効率が必要である。
【００１７】米国特許第５１１７３０６号、同第５１２
１９８０号、同第５１２０１２０号の各明細書には種々
の二焦点レンズが記載されている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明は上述課題を解決
する眼科用多焦点回折レンズを与えるものである。本発
明の望ましい実施例によって構成され作動するレンズは
入射光を２つ以上の異なる焦点長に同時に効果的に集光
せしめ、光伝達全効率を二焦点回折レンズに対比して同
等、または実質的に大とする。本発明の望ましい実施例
によれば入射光が各焦点間に均等に分布されている場合
も不均等に分布されている場合も、高い光伝達全効率が
実質的に維持されている。
【００１９】さらに、本発明は著しく効率的な眼科用多
焦点回折レンズを与えるものであって、予め定めた数の
主焦点を有し、それぞれの焦点間に入射光の予め定めた
分布を与えるものである。予め定めた分布は均等であっ
てもよい。
【００２０】
【作用】多くの従来の眼科用レンズの問題点、すなわち
鋭い段つき表面に関連する問題点は本発明により解決さ
れる。本発明の望ましい実施例によるレンズの表面は、
従来の公知の回折用および屈折用多焦点眼科用レンズの
大部分に対比して著しく滑らかである。
【００２１】本発明の望ましい実施例によれば、回折表
面を含むレンズが提供される。回折表面は半径方向断面
が入射光エネルギの大部分を３つの主要な回折順位すな
わち（−１）、（０）および（＋１）に回折する回折パ
タンに従って形状づけられている。この回折順位（−
１）、（０）、（＋１）は通常、収斂回折光、非収斂回
折光、発散回折光をそれぞれ代表する。望ましい実施例
によれば、入射エネルギは３つの順位間に実質的に均等
に分布せしめられ、３つの順位はそれぞれ伝達されたエ
ネルギの約１／３を有する。
【００２２】本発明の別の望ましい実施例によれば、各
順位の光の量は均等でなく、異なる距離範囲における対
象物の正常照明状態を考慮するようになされる。
【００２３】光を均等または不均等に分割するレンズの
場合、光の実質的な比率は回折順位によって定まり、各
焦点のコントラストは高くなる。本発明の望ましい実施
例によれば、優位の回折順位は予め選択され、各順位の
光分布は設定される。
【００２４】本発明の望ましい実施例によるレンズは屈
折力を有するものとなされる。レンズの表面は屈折しな
い入射光が予め定めた距離からレンズに入射するように
適切に定められ、該距離は望ましくは中間距離範囲（読
書距離より長く無限遠より短くする）とし、屈折的に
（自然レンズまたは人の角膜の助けを得て）所定の映像
平面（代表的には網膜）に焦点を結ぶ。
【００２５】本発明の望ましい実施例によれば、屈折表
面により限定される予め設定された距離からの光はゼロ
（０）順位の仮想平面に到達するが、この順位は回折表
面によって影響を受けなかった光を示す。回折表面によ
って発散せしめられる光を表わす（−１）順位は長い距
離（代表的には無限遠）からの光を同一の仮想平面に集
中させる。回折表面によって収斂せしめられる光を示す
（＋１）順位は短い距離（代表的には読書距離）からの
光を同一の仮想平面に集中させる。
【００２６】本発明の望ましい実施例において回折表面
の任意の点における地形学的高さ、すなわち回折表面の
任意の点と基準ベース表面との距離であって回折表面の
一般的曲率に対応する値は、ほぼ滑らかであり、本質的
に半径方向座標ｒの周期的関数ｈ＝ｕ（ｒ）をなす。さ
らに、この周期的関数ｕ（ｒ）の各周期は該関数に関し
て本質的に対称である。この周期的関数はほぼ平滑なピ
ーク部間に滑らかに、ほぼ対称的に上下する傾斜面をな
す。
【００２７】この周期的地形学的高さ関数（ｈ）から表
５が導かれる。
【００２８】
【表５】
【００２９】本発明の特に望ましい実施例において光学
的高さ関数は（λ／２）とは実質的に異なり、ここに
（λ）はモデュールである。
【００３０】本発明の別の望ましい実施例において光学
的高さ関数は半径方向座標ｒの関数ｕ（ｒ）の周期的関
数であり、この関数は対称的ではない。すなわち、該半
径方向座標の関数の周期の第１の部分と第２の部分とは
相違する。望ましくは該第１の部分の空間的周期を第２
の部分の空間的周期より大とする。
【００３１】本発明の一つの望ましい実施例において、
表面地形学的関数（ｈ）は本質的に矩形の凹所によって
分離される。突起部の段付き高さは各順位の絶対的強度
を限定すると共に３つの屈折順位の相対的強度を限定す
る。高さを適切に選択すると共に凹所の作業サイクル
（空間的サイクルのうち突出部のある部分の割合）を任
意的に調節することによって、回折されたエネルギを３
つの順位に均等に分配することができ、各順位について
合理的映像効率（映像と背景との光強度の比）を約２９
％に維持する（全体が約８６％）ことができる。さら
に、不均等な分布についても高い効率を維持することが
できる。一般的に段部の光学的高さはλ／２より実質的
に小である。
【００３２】本発明の別の望ましい実施例において、回
折表面は台形波地形学的模様をなしている。この実施例
の映像効率は（９２．１％）と計算される。
【００３３】本発明の特に望ましい実施例において、地
形学的光学的高さはレンズの回折表面の任意の点につい
て表６を満足する。
【００３４】
【表６】
【００３５】なお、この実施例はサイン波形状の滑らか
さと台形の実施例と同等な効率とを有するから台形の実
施例より望ましい。この実施例の映像効率は約９０％で
ある。
【００３６】前述した式の数字的分析によれば、表７の
場合に最適の効率が得られる。
【００３７】
【表７】
【００３８】３つの順位間の所望の不均等分布に対して
は矩形形状に所望の付加的な小さい段を加えることが望
ましく、サイン波関数について梯形の傾斜は上昇部分と
下降部分とでは相違せしめることが望ましく、サイン波
状の周波数はこの周期の２つの部分について相違せしめ
る。
【００３９】本発明の別の特に望ましい実施例におい
て、表面の地形学的光学的高さは半径方向座標のほぼ周
期的関数であり、該周期的関数の各周期は表８の多項関
数で示される。
【００４０】
【表８】
【００４１】望ましくは周期的関数の所定期間の半径方
向幅は（ｒ）の２乗に逆比例し、（ｒ）は所定期間の中
心とレンズの中心との距離である。数学的最適化方法を
適切に適用することにより、各優位回折順位の伝達効率
は予め定めた目標値になる。得られた地形学的関数は、
代表的には目標値が各順位間に均等な効率分布を与える
ものであるとき局部的に対称であり、目標値が不均等で
ある場合は局部的に非対称である。
【００４２】本発明のさらに別の特に望ましい実施例に
おいて、表面の地形学的光学的高さ関数は表９に示すス
ーパーガウシャン（Gaussian）関数である。
【００４３】
【表９】
【００４４】別法として、伝達効率の非対称分布の場合
は表１０に示され、優れた２焦点または３焦点レンズが
得られる。
【００４５】
【表１０】
【００４６】本発明の望ましい実施例において、レンズ
は非球面表面を有する。非球面表面は球面光学において
代表的な光学的収差を補償する。望ましい実施例におい
て、レンズの後部表面は非球面表面、さらに望ましくは
眼球の非球面表面に適合する非球面表面となされる。望
ましい実施例において非球面表面の非球面光学的特性は
回折力および屈折力の一方または双方により与えられ
る。
【００４７】本発明の望ましい実施例による多焦点レン
ズは滑らかな回折表面を有し、角膜に接触しても使用者
の眼に不快な刺激を与えない。従ってこのコンタクトレ
ンズの後部表面すなわち角膜に対面する表面に回折特性
を与えることができる。別法としてレンズの前部表面に
回折特性を与えることもできる。
【００４８】本発明の別の望ましい実施例によればレン
ズをサンドイッチ構造として、内部表面に回折特性を与
えることができる。サンドイッチ構造のレンズは、少な
くとも一方は回折特性を有する対面する表面を有する２
部分から形成される。さらに望ましくはサンドイッチ構
造のレンズの２部分を異なる回折特性を有するものとし
て、２つの部分の外部表面（対面しない表面）は回折特
性を有しないものとなされる。この実施例の特に望まし
い形態は、コンタクトレンズに好適で外側部分を比較的
硬質の材料とし、内部部分（角膜に接触する部分）を比
較的に軟質の材料製とする。
【００４９】眼科的使用例以外に本発明の望ましい実施
例による多焦点レンズは各種のこれ以外の多焦点光学的
装置に使用可能である。多焦点光学的装置としては、例
えば多焦点顕微鏡がある。
【００５０】一般的には本発明は、少くとも３つの優性
回折順位間に或る分布特性を有する３焦点レンズを与え
るもので、各優性順位の効率は２０％以上であって、全
優性順位の効率の和は少くとも６０％、望ましくは８０
％以上とする。
【００５１】別の態様において本発明は多焦点回折レン
ズを与え、その回折表面は局部的な極小部と極大部とを
含む地形学的表面であって、それぞれの焦点を限定する
複数の優性回折順位に従って光をそれぞれの焦点に集中
せしめるように作用し、各順位の映像効率は２０％以上
であり、回折表面上の任意の点においての曲率半径は該
点に最も近い局部的極小部と該点に最も近い局部的極大
部との地形学的高さの差の少くとも２倍に等しい。本発
明の望ましい実施例にによれば、表面上の任意の点にお
ける曲率半径は最も近い局部的極小部と最も近い局部的
極大部との地形学的高さの差の少くとも５０〜１００倍
とする。
【００５２】
【実施例】図１Ａは本発明による眼球内レンズ２０を示
しており、これは眼のレンズに代えて装着される。レン
ズ２０は取付手段２３によって眼２１の内部に取付けら
れる。取付手段２３は縫合または他の公知の取付け材料
を含むものでよい。レンズ２０は望ましくは３焦点レン
ズであって、無限遠４２、中間距離４４および読書距離
４６から像を映像表面、代表的には眼の網膜表面４８に
つくる。図１Ｂおよび図１Ｃは後面図および半径方向断
面図を示す。図１Ｃに示すようにレンズ２０は望ましく
は、ほぼ滑らかな曲面の前面２２と望ましくは波形の回
折性能を有する後面２４とを含む。表面２４はベース基
準面２６に対して曲がっており、面２６は前面２２と共
に中間距離４４の像に対して回折焦点性能を網膜表面４
８に焦点を与える。
【００５３】表面２４の高さは、該表面２４の曲率の平
均に対応する基準表面２６に対して変動する。本発明の
望ましい実施例によれば、この変動高さによって多焦点
回折レンズが形成され、この回折焦点力は遠距離４２、
中距離４４および近距離４６の物体の像を網膜表面４８
に合焦せしめる３焦点レンズを形成する。
【００５４】本発明の望ましい実施例によれば、回折パ
タンは局部的に周期的（距離ｒに関するものでなく、ｒ
の２乗に関して）構造を有し、これが入射光の位相に影
響を与え、出射光の対応する横方向、局部的に周期的
な、相対的な位相構造を与える。従来技術の非矩形の回
折パタンに対比すると、従来技術のものは典型的には図
９に示すように一連の一方方向の光学的段（ステップ）
からなるが、本発明の回折構造の各区域は一連の対称円
２８に関して実質的にｒの２乗の対称的関数である。対
称円２８の間隔も代表的にはｒの２乗の関数であり、代
表的にはレンズの半径ｒに沿う地形学的高さ関数の一連
の極小値と極大値により限定される。地形学的高さ関数
は対称円２８に沿って実質的に一定である。実質的に２
つの辺３０、３２を有する周期的（ｒの２乗に関して）
形状を有し、極小値と極大値との間の光学的高さの差が
実質的に（λ／２）と相違することにより、２つの往復
的優位回折順位、すなわち（＋１）回折順位および（−
１）回折順位が生じ、さらに、（０）回折順位が生ず
る。これら３つの優位回折順位はレンズ２０の表面２４
によって生じ、入射光を異なる３つの焦点に集中せしめ
る。入射光エネルギはこれら３つに実質的に均等に分配
される。この望ましい地形学的関数の局部的に対称的な
特性により、順位（＋１）と（−１）との間に対称的強
度分布が与えられ、これら順位の（０）順位に相対的な
強度は関数の振幅によって制御することができる。
【００５５】本発明の別の望ましい実施例によれば、地
形学的関数の２つの辺３０、３２を非対称とすることに
よって順位（＋１）と（−１）との間に不均等分布を与
えることができる。この構造は読書と遠距離観察とが、
異なる光強度とコントラスト状態で行われる場合に適し
ている。
【００５６】図２を参照すると本発明の望ましい実施例
によるコンタクトレンズ２５と人の眼球レンズ４０との
組合せ光学的効果が示される。レンズの所望の回折焦点
長を決定するとき、３焦点レンズの通常の使用者は殆ど
焦点合わせ能力を有しないからレンズ４０は休止位置に
あり付加的能力はないと仮定され、従って多焦点能力は
主としてレンズ２５によるものである。入射光（Ｉ）は
物体４２、４４、４６から来るもので、これらはそれぞ
れ、遠距離（代表的には無限遠）、中距離および短距離
（代表的には読書距離）だけ使用者から隔てられてい
る。入射光はレンズ２５の回折力と表面２４の光学的回
折力と眼球レンズ４０の回折力との組み合わせによって
網膜表面４８上に焦点合わせされ、像５２、５４および
５６を物体４２、４４および４６にそれぞれ対応して形
成する。
【００５７】本発明の望ましい実施例において、入射エ
ネルギの大部分は回折表面２４により生ずる３つの回折
順位に含まれ、他の回折順位には光エネルギは殆ど到達
しない。本発明の望ましい実施例によって形成された回
折表面は高い光伝達効率を有し、３つの回折順位のいず
れによって伝達される光強度も通常の目視に充分に堪え
るものであることは実験的および理論的に明らかであ
る。前述した（＋１）、（−１）および（０）順位は、
それぞれ主収斂順位、主発散順位および非回折光をそれ
ぞれ示している。
【００５８】表面２２、２６の曲率によって決定される
レンズ２０またはレンズ２５の回折力は回折表面２４の
基本的光学力として作用し、レンズ４０がコンタクトレ
ンズの場合は修正光学的素子として作用す。
【００５９】レンズ２０（図１Ａ、図１Ｃ参照）の光学
的回折力は収斂型であり、一般的に云えば中距離物体を
網膜上に合焦せしめているときの眼球レンズと同等な収
斂度を有する。本発明の望ましい実施例によれば、無限
遠の物体からの光は（−１）順位によって搬送され、
（−１）順位の発散性によって無限遠の物体の虚像が中
距離に形成され、レンズ２０の回折力によってこの虚像
の像が網膜上に形成される。中間距離からの光は（０）
順位（焦点能力がない）により搬送されてレンズ２０の
回折力によって網膜上に像をつくる。
【００６０】コンタクトレンズとしてレンズ２５の光学
的回折力は一般的に収斂型であり、表面２４によって生
ずる発散型の（−１）順位を補償する。本発明の望まし
い実施例によれば近距離（通常は読書距離）範囲の物体
４６からの光は（＋１）順位によって虚像を中距離に形
成する。中距離からの光は（０）順位によって変化を受
けず、長距離範囲からの光は（−１）順位によって虚像
を中距離に形成する。この結果として、レンズ４０は３
つの中距離の像を同一の像平面すなわち網膜につくれば
よいことになる。使用者が平行光を合焦できない（例え
ば近視眼）場合には、表面２２をレンズ２５として形成
し、特定の使用者に必要なディオプトル数の補正を行っ
た回折力を与え、レンズ２５およびレンズ４０の組合わ
せ回折力によって中距離の像を網膜につくる。なお、図
示コンタクトレンズは回折表面が角膜に面するものであ
り、使用者の角膜の曲率に適合するように構成されてい
るが、回折表面を外面としてもよい。
【００６１】図３〜図５Ｃには本発明の望ましい実施例
によるコンタクトレンズ、すなわち眼内用レンズが示さ
れる。図示実施例は例示の目的であり、本発明を限定す
るものではない。図４Ａ〜図５Ａは簡略化のための回折
表面のみを示している。図５Ｂおよび図５Ｃは回折表面
の断面の拡大部分図である。
【００６２】図３を参照するとレンズ６０の半径方向断
面図であって、その回折表面６４は実質的に矩形波地形
学的高さ関数で、ほぼ滑らかな曲がった基準表面６５に
対している。矩形波関数は矩形の突起６６と矩形の凹所
６８とを含み、これらは降下部（立下り部）７０と上昇
部（立上り部）７２とによって隔てられている。コンタ
クトレンズにおいて基準表面６５は使用者の角膜の曲率
に適合するようにする。（＋１）順位、（−１）順位お
よび（０）順位の相対的光強度は段部７０、７２の高さ
（ｈ）によって制御され、これが段部７０、７２に近接
して突起部６６を通る光と凹所６８を通る光との間の位
相差を決定する。本発明の別の実施例によれば、該地形
学的関数の反復係数を変更する、すなわち全サイクルに
ついて突出部６６の幅（Ｗ）とピッチ（Ｖ）との比が変
更される。
【００６３】本発明のこの実施例によれば、２焦点矩形
突出部レンズとして従来信じられたものと異なり、光学
的高さｈが実質的に（λ／２）より小の場合に最適の光
伝達効率が得られ、ここに（λ）はレンズで見られる最
適の、または代表的の光学的波長である。
【００６４】本発明の望ましい実施例によれば、段部の
光学的高さが約（０．３２λ）で、仕事サイクルが
（０．５）であれば、３つの回折順位について同量の光
エネルギが伝達され、全効率は約（８６％）となる。段
つき型の２焦点レンズの場合には全効率は約（８１％）
であることが注目される。なおサイクルの幅は望ましく
は（λｆ／２ｒ）とする。
【００６５】本発明の別の実施例によれば、段部７０、
７２によって決定される光学的の段は（λ／２）に等し
く、反復係数は（０．２６）であって、３つの回折順位
について実質的に均等な光強度分布が得られる。しか
し、このレンズの全伝達効率は約６６％に過ぎない。
【００６６】図４Ａを参照すると、これはレンズの半径
方向断面上の回折表面９５を示している。本発明の別の
望ましい実施例により、表面９５はベース基準表面に対
して梯形波地形学的関数をなしている。図４Ａは（ｒ）
の２乗の関数としての断面を示す。関数を実際の半径方
向距離（ｒ）の関数として表わすと図４Ｂに示すように
なる。関数の上昇および下降部分は（ｒ）に関してパラ
ボラ状に変化する。梯形波関数は梯形状の突出部９６と
梯形状の凹所９８とを限定する。この実施例において光
強度を制御する変数は：突出部９６と凹所９８との間の
位相遅れ（光学的段部）と、突出部から凹所へおよび凹
所から突出部へ表面地形が変化する半径方向距離（ｓ）
とである。さらに、本発明によれば、最適の結果は光学
的段部の高さが（λ／２）より小の場合に得られる。光
学的高さを（０．３６９λ）として、上昇（および下
降）傾斜を周期の０．２とし、上方および下方平坦部を
周期の各０．３としたとき、効率は約９２％であり、各
回折順位を通る全入射エネルギは約３０．７％となる。
この表面地形は図３の矩形構造に対比して滑らか（すべ
ての隅角部が９０度以上の角度）であるが、著しく効率
的である。サイクルの幅は望ましくは（λｆ／２ｒ）と
する。
【００６７】図４Ｃは光学的表面高さ関数が（ｒ）の２
乗に関して三角形の変形である場合を示している。同一
関数を真の（ｒ）の間隔で示したものは図４Ｄの形状を
有しており、上昇および下降部分は共に放物線形状を有
している。この場合、最適の光学的高さは（０．５７９
λ）と計算される。全効率は約８５％であり、３つの順
位はそれぞれ約２８％である。
【００６８】図５Ａは本発明の望ましい実施例によるレ
ンズの半径方向断面図を示す。前述実施例と異なり、表
面地形学的回折表面１０４は滑らかな表面で関数の一次
または高次導関数にも不連続がない。この実施例におい
てレンズの中心Ｃからの半径方向距離ｒにおける基準平
面に相対的な地形学的高さは表１１によって示される。
【００６９】
【表１１】
【００７０】通常の数学的手法を使用すると表１１の式
（１）において振幅Ａは式（３）により限定され、最適
の光伝達効率と３つの回折順位間の実質的に均等なエネ
ルギ分布とを与える。この場合の全伝達効率は９０％以
上である。この効率は梯形の場合に対比していくらか低
いが、図５Ａに示すように著しく滑らかな形状を有する
ので望ましい。
【００７１】本発明によるレンズの回折表面の地形学的
光学的高さ関数は前述した関数のみに限定されるもので
はない。数学的手法によって限定される上述以外の地形
学的関数によっても良好な結果が得られる。例えば表１
１の式（１）において右辺をＡ・cos（ｒ＋φ）として
もよい。Ａの値は同様にして決定される。
【００７２】関数ｚ（ｒ）＝Ａ・cos〔Ｆ（ｒ）〕は入
力波を空間的に変形せしめて出力波を表１２に示す式
（４）、（５）および（６）により求める。
【００７３】
【表１２】
【００７４】振幅Ａの値を選択することにより、０順位
を殆ど完全にゼロとすることが可能で、入射エネルギを
＋１順位と−１順位とに分配することができ、２焦点レ
ンズが効率的に得られる。Ａの値を選択することによ
り、任意所望のエネルギ分布が０順位と＋１順位および
−１順位との間に得られる。また、関数の局部的対称性
を変化せしめて＋１順位と−１順位との間の相対的強度
を変更できる。
【００７５】前述したように３つの順位間に入射光の不
均等高能率分布を与えるために表面地形学的関数の対称
性を変更すると、下記代表的な変形例が得られる。
【００７６】本発明の望ましい実施例によれば、図４
Ａ、図４Ｂにおいて梯形関数の上昇および下降傾斜Ｓは
不均等を達成するため変化せしめられるが、高能率３焦
点回折を与える。特定の実施例において上昇傾斜は周期
の０．１３２倍で、下降傾斜は周期の０．２６４倍（ｒ
の２乗に関連する）である。上方および下方平坦部はそ
れぞれ周期の０．３０２倍である。梯形の高さは０．３
９８λである。この実施例の計算エネルギ分布は、０順
位が０．２４０、＋１順位が０．２７１、−１順位が
０．３９０であり、全効率は約９０％である。この分布
は各種作業に通常利用可能の光レベルに対して均等分布
の場合よりも適合することが判った。これ以外の分布も
勿論可能である。
【００７７】サイン波状の形状の場合、２部分の各周期
は表１の式（１）で概略的に示されるが、本発明の望ま
しい実施例によれば下降の半サイクルにおいて空間的周
期は増大せしめられ、この部分の半径方向距離は周期の
４５％となされる。上昇の半サイクルで空間的周期は減
少せしめられて、関数は周期の５５％を必要とする。こ
の実施例において３つの順位のエネルギ分布は０順位
０．２３４、＋１順位が０．２８８、−１順位が０．３
５０であり、全効率８７．２％である。
【００７８】矩形波の場合、非対称性は望ましくは付加
的なステップを一部に加える、望ましくは地形学的関数
（図６にｒの２乗の関数として示す）の上方および下方
部分の双方に加えることにより達成される。本発明の特
に望ましい実施例によれば、大きい段部は光学的高さ
０．３４５λとし、各小さい段部は０．０５λとなされ
る。この実施例において３つの順位のエネルギ分布は０
順位０．２１７、＋１順位が０．２６７、−１順位が
０．３６６であり、全効率８５％である。
【００７９】望ましい三角形形状において上昇部分は周
期の０．４２５以上に延長し、下降部分は周期の０．５
７５以上に延長する。光学的高さは望ましくは０．６２
５λとする。この場合の３つの順位のエネルギ分布は、
０順位０．２１５、＋１順位が０．２３８、−１順位が
０．３５３であり、全効率８０．６％である。
【００８０】半径方向距離はｒではなく、ｒの２乗であ
ることに注意する。
【００８１】図５Ｂおよび図５Ｃを参照すると、本発明
の特に望ましい付加的な実施例が示される。図５Ｂは本
発明の特に望ましい実施例として示す多項式地形学的レ
ンズの回折表面１２４の部分断面図である。図５Ｃは本
発明の別の特に望ましい実施例による超ガウス（super
Gaussian）レンズの回折表面１３４の部分断面図であ
る。図５Ａの場合と同様に、図５Ｂおよび図５Ｃは共に
滑らかで一次および高次の導関数に不連続部を有しな
い。
【００８２】図５Ｂの実施例の場合、レンズの中心Ｃか
らの半径方向距離ｒに関する地形学的光学的高さ関数は
ｒの２乗の周期的関数である。この関数の各周期内で標
準化された周期的変数ｕ（ここに、ｕはｒの２乗と定数
δとの和）に関する光学的高さ関数は表１３に示され
る。
【００８３】
【表１３】
【００８４】図５Ｂの地形学的表面は多項式表面形状と
して参照される。
【００８５】図５Ａのサイン波状の実施例と異なり、図
５Ｂの多項式表面形状の出射波面は式（４）〜（６）に
示す手法によって解析的に決定することができない。従
って出射波面の機能的特性は数値的に、望ましくは公知
の線追跡手法により決定する必要がある。本発明の望ま
しい実施例において、下記の手法が使用される。
【００８６】はじめに、多項式のうち第ｎ項を選択す
る。任意的なｎの初期値がそれぞれの項ａｓに与えられ
る。優位回折順位の伝達効率が数値的に、前述したよう
にして計算される。つぎに、各優位回折順位の計算され
た伝達効率が対応する予め選択された目標値から減算さ
れ、各優位回折順位について誤差を求める。誤差最適化
関数、例えば誤差の２乗の和その他適当な誤差関数が求
められる。最終的に所望の関数は標準サーチ手法、例え
ば最大勾配法（steepest slope）などによって調整さ
れ、誤差最適化関数が得られる。
【００８７】前項の手順は望ましくは繰り返され、効率
誤差最適化関数の値が予め選択された最大値以下となる
ようにする。得られた多項式表面関数は、目標値が各順
位間で等しい効率分布である場合には局部的に対称であ
り、目標値が不均等の場合には局部的に非対称である。
【００８８】例えば６項（ｎ＝６）の場合の例として、 ａ（第１項）＝０．０３１７ ａ（第２項）＝０．１
７ ａ（第３項）＝−０．０３ ａ（第４項）＝−０．
０１５３ ａ（第５項）＝０．００４２９ ａ（第６項）＝−０．
０００２８６ としたとき、（０）、（＋１）および（−１）回折順位
の効率は、それぞれ３０．５％、３０％、３０％とな
る。この場合、全効率は９０．５％であるが、さらに高
い効率も適切な計算を行うことによって実現可能であ
る。
【００８９】各項の値を適切に選択することによって、
不均等分布を与えることもできる。例えば前項の場合、 ａ（第１項）＝０．００８４３ ａ（第２項）＝０．
０８４６ ａ（第３項）＝０．１３ ａ（第４項）＝−
０．０３８５ ａ（第５項）＝−０．００４１３ ａ（第６項）＝−
０．０００１３２ としたとき、（０）、（＋１）および（−１）回折順位
の効率は、それぞれ２２％、３０％、３５％となる。こ
の場合、全効率は８７％であるが、さらに高い効率も適
切な計算を行うことによって実現可能である。
【００９０】図５Ｃの実施例の場合、レンズの中心Ｃか
らの半径方向距離ｒに関する地形学的光学的高さ関数は
ｒの２乗の周期的関数である。この関数の各周期内で標
準化された周期的変数に関する光学的高さ関数は表１４
および式（８）に示される。
【００９１】
【表１４】
【００９２】図５Ｃ示す表面地形は超ガウス表面地形と
して参照する。この場合も、多項式実施例と同様に、ｎ
の値を任意的に選択する。変数ＨおよびＷを数値法によ
って適切に選択して、優位順位間に予め選択した目標効
率分布を与え得る。超ガウス表面地形は３つの変数のみ
によって完全に決定できるから、数値最適化法の適用は
比較的簡単である。
【００９３】例えば、Ｈ＝０．３８、Ｗ＝０．５５π、
ｎ＝４としたとき、回折順位０、＋１および−１の伝達
効率は３０．９％、３０．８％、３９．８％であり、合
計は９２．５％である。
【００９４】別法として、伝達効率を非対称とするため
非対称超ガウス表面地形が使用される。これは表１５の
式（９）に示す。
【００９５】
【表１５】
【００９６】例えば、表１５に示す数値例を使用すると
０、＋１および−１の各回折順位の伝達効率は２６％、
２９％および３６％となり、全伝達効率は９２％とな
る。
【００９７】超ガウス方式は比較的少ない変数を使用
し、この変数を変化させたときの応答が確実であるの
で、各回折順位の相対的効率を正確に制御することがで
きる。
【００９８】本発明の実施例において、コンタクトレン
ズの回折表面は後面すなわち角膜に対面する側に配置さ
れる。これは本発明による表面が前述のように比較的滑
らかであることによる。しかし、本発明の別の実施例に
よれば、回折表面は後面のみでなく、前面または前面と
後面との双方に設けてもよい。
【００９９】本発明の各種望ましい実施例、特に図５Ａ
〜図５Ｃに示す実施例において回折表面地形は従来技術
に対比して著しく滑らかである。詳細は、回折表面の曲
率半径は表面上の任意の点において、従来技術の表面地
形の段付き高さ（すなわち局部的最大高さと最も近い局
部的最小高さとの差）の少なくとも２倍であり、望まし
い実施例において１０〜１００倍である。
【０１００】本発明のさらに望ましい実施例を図７Ａお
よび図７Ｂに示すが、図において、コンタクトレンズ１
１０はレンズ２５と同様な構造の第１の部分１１２と、
滑らかな前面および後面を有する第２の部分１１４とか
ら成る。内側間隔部１１６は部分１１２および１１４の
縁部を封止することによって外部から封止することが望
ましく、内部に回折係数が部分１１２、１１４とは実質
的に相違する空気または液体を収容する。このレンズの
回折力は部分１１２、１１４の一方または双方により与
えられる。望ましくは回折表面の頂部は対面する部分の
滑らかな表面に接触し、これによって両部分を隔て、良
好な光学的構造を形成する。
【０１０１】本発明の望ましい実施例によれば、部分１
１２、１１４は異なる材料製となされる。さらに望まし
くは、角膜に対面する内側部分１１２は眼にやさしい比
較的軟質の材料製とし、部分１１４は比較的硬質な材料
製とする。この望ましい実施例によれば回折表面は望ま
しくは部分１１４の内側表面とするが、部分１１４は一
般的にはより安定な部分である。部分１１２の外側表面
は使用者の眼の角膜に接触するに適している。
【０１０２】本発明の望ましい実施例によれば、上述し
た多焦点レンズのいずれも少なくとも１つの非球面表面
を含むものとしてよい。非球面表面は球面表面に一般的
に特にレンズの縁部付近に存在する光学的収差を補償す
るように作動する。本発明の望ましい実施例によれば非
球面表面はレンズの後面となされ、特に望ましくは角膜
の非球面表面に適合する形状のものとなされる。非球面
表面の非球面光学的特性は回折力、屈折力の一方または
双方によって与えられる。非球面光学的特性は、レンズ
の表面の光学的段の半径方向位置を（正常の、すなわち
球状の回折パタンに対比して）移動せしめることにより
予め算出された量だけレンズの回折表面に付加される。
【０１０３】本発明の望ましい実施例によれば、レンズ
の中心からの距離ｒにおけるレンズの曲率ｚ（ｒ）は表
１６に示される。
【０１０４】
【表１６】
【０１０５】
【発明の効果】本発明によるレンズの応用例によれば、
前述したようにレンズの直径は非常に小である。従っ
て、回折表面は前述のように一般的に局部的周期関数に
より限定されるから、直径を横切る周期の数は非常に
（代表的には１０以下）少ない。この場合、レンズの性
能は表面地形を限定する局部的周期関数の位相によって
限定される。例えば、式（１）に限定される位相φは周
期の数が少ない場合は任意的ではなく、この値を実験的
に調節して最適の映像効率を得るようにする。このよう
な最適効率は場合によるが、入射光の大部分を１つまた
は２つの回折順位に与え、他のものを犠牲とするように
することができる。また、表１３における値δを適当に
定めることによって、小さい開口での光の分割を制御す
ることも可能である。直径を通る周期の数が充分に大の
場合でも、実際に使用される周期の数は小である。これ
は例えば、瞳孔が非常に小さいコンタクトレンズの場合
に適用される。
【０１０６】前述した実施例は単なる例示であって、本
発明は特許請求の範囲の記載により限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施例による眼内レンズの光
学的作用を示す概略図。
【図２】本発明の望ましい実施例によるコンタクトレン
ズの光学的作用を示す概略図。
【図３】矩形波回折表面を有するレンズの半径方向概略
断面図。
【図４】レンズの半径方向概略断面図。
【図５】本発明による回折表面が特定の式によるレンズ
の半径方向概略断面図。
【図６】本発明による矩形波型回折レンズの１サイクル
の詳細図で、３つの回折順位間に光の不均等分割を行う
形式の詳細図。
【図７】本発明によるサンドイッチ型コンタクトレンズ
の概略図。
【図８】従来技術の多焦点回折レンズの平面図。
【図９】従来技術の２焦点回折レンズの半径方向断面
図。
【図１０】従来技術のラレイウッド回折レンズの半径方
向断面図。
【符号の説明】
２０ 眼内レンズ ２３ 取付け装置 ２４ レンズ表面 ２６ 基準表面 ４２ 遠距離（物体） ４４ 中距離（物体） ４６ 読書距離（物体） ４８ 網膜 ５２、５４、５６ 像
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イスラエル グロスィンガー イスラエル リホウボウト 76 262 ヤ コヴ ストリート 19

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも３つのそれぞれの焦点を限定す
    る少なくとも３つの優位の回折順位に従って光を集中せ
    しめる回折表面を有する多焦点回折レンズにして、各順
    位の映像効率は２０％以上であって、ベース基準面に相
    対的な回折表面の光学的高さは変数ｕの周期的関数であ
    って、変数ｕはレンズの半径方向座標ｒの関数ｕ（ｒ）
    であり、該関数の最大値と最小値との間の光学的高さの
    差はモデュール（λ）であり、これは（λ／２）とは実
    質的に異なる、ことを特徴とする多焦点回折レンズ。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の多焦点回折レンズにし
    て、前記周期的関数は周期の中央付近において対称的で
    あることを特徴とする多焦点回折レンズ。
  3. 【請求項３】請求項１または請求項２のいずれか１項に
    記載の多焦点回折レンズにして、周期的関数の２次導関
    数が連続的であることを特徴とする多焦点回折レンズ。
  4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
    記載の多焦点回折レンズにして、前記周期的関数が式Ａ
    ・cos（ｕ＋φ）により示され、ここにＡおよびφが定
    数であることを特徴とする多焦点回折レンズ。
  5. 【請求項５】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
    記載の多焦点回折レンズにして、前記周期的関数の各周
    期が表１で示される、ことを特徴とする多焦点回折レン
    ズ。 【表１】
  6. 【請求項６】回折表面と複数の回折順位とを有する多焦
    点回折レンズにして、該回折表面はベース基準表面が表
    ２に示す光学的高さをベース基準表面に対して有し、各
    回折順位の映像効率は２０％以上であることを特徴とす
    る多焦点回折レンズ。 【表２】
  7. 【請求項７】回折表面と複数の回折順位とを有する多焦
    点回折レンズにして、該表面はベース基準表面に相対的
    に表３に示す光学的高さと周期とを有し、各回折順位の
    映像効率はそれぞれ２０％以上である、ことを特徴とす
    る多焦点回折レンズ。 【表３】
  8. 【請求項８】請求項１ないし請求項７のいずれか１項に
    記載の多焦点回折レンズにして、周期的関数の位相は入
    射光の異なる割合が異なるレンズ開口において少なくと
    も１つの焦点に与えられるように予め選択されている、
    ことを特徴とする多焦点回折レンズ。
  9. 【請求項９】請求項１ないし請求項８のいずれか１項に
    記載の多焦点回折レンズにして、３つの優位順位におい
    て搬送される全入射エネルギのそれぞれの割合が実質的
    に同一である、ことを特徴とする多焦点回折レンズ。
  10. 【請求項１０】請求項１または請求項２のいずれかに記
    載の多焦点回折レンズにして、前記周期的関数は周期の
    第１の部分および第２の部分において表４に示す関係を
    満足し、周期の第１の部分は関数の谷部からピーク部ま
    で延長し、第２の部分はピーク部から次の谷部まで延長
    する、ことを特徴とする多焦点回折レンズ。 【表４】
  11. 【請求項１１】多焦点回折レンズにして、複数のそれぞ
    れの焦点を限定する複数の優位回折順位に従って光を集
    光せしめる複数の局部的極小部と複数の局部的極大部と
    を含む表面形状を有する回折表面を含んでおり、各順位
    の映像効率は２０％以上であり、回折表面の曲率半径は
    表面の任意の点において、該点から最も近い局部的極小
    部との地形的高さの差と該点から最も近い局部的極大部
    との地形的高さの差との少なくとも１０倍となされてい
    る、ことを特徴とする多焦点回折レンズ。
  12. 【請求項１２】請求項１ないし請求項１１のいずれか１
    項に記載の多焦点回折レンズにして、レンズが角膜上に
    配置するに適したコンタクトレンズであることを特徴と
    する多焦点回折レンズ。
  13. 【請求項１３】請求項１ないし請求項１２のいずれか１
    項に記載の多焦点回折レンズにして、それぞれ縁部と２
    つの表面とを有する第１の部分と第２の部分とを含み、
    回折表面が第２の部分の表面に面する第１の部分の表面
    である、ことを特徴とする多焦点回折レンズ。
  14. 【請求項１４】請求項１ないし請求項１３のいずれか１
    項に記載の多焦点回折レンズにして、３つの回折順位の
    効率の和が少なくとも８５％である、ことを特徴とする
    多焦点回折レンズ。
  15. 【請求項１５】請求項１ないし請求項１４のいずれか１
    項に記載の多焦点回折レンズにして、さらに、屈折表面
    が設けられていることを特徴とする多焦点回折レンズ。
  16. 【請求項１６】コンタクトレンズにして、 それぞれ縁部と２つの表面とを有する第１の部分と第２
    の部分にして、一方の部分の少なくとも一つの表面が回
    折レンズを含み回折表面が第２の部分の表面に面して、
    ２つの部分は封止されて内部に回折表面を有するサンド
    イッチ構造を形成し、該サンドイッチ構造の一方の外側
    表面は使用者の角膜に接触するに適した、第１の部分と
    第２の部分とを含むコンタクトレンズ。
  17. 【請求項１７】請求項１６に記載のコンタクトレンズに
    して、回折表面が第２の部分の表面平面に接触すること
    を特徴とするコンタクトレンズ。
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