KR0141607B1 - 회절성 다초점 광학부재 - Google Patents

Abstract

요약없음

Description

회절성 다초점 광학 부재

제1도는 코헨(Cohen) 렌즈 디자인의

간격 패턴을 갖는 전형적인 포물선 모양의 에쉘리트(echelette)를 나타내는 회절성 복초점 광학 부재에 부딪치는 입사면파를 나타내며, 이 입사면파는 복초점 광학 부재상에서 상이한 초점에 집중되는 2가지로 발생하는 구면파로 변형되어 다초점 회절의 일반원리를 나타낸다.

제2도는 지글러(Ziegler)렌즈에서와 같은, 전형적인 선행기술의 회절성 복초점 광학 부재로부터 절단된 에쉘리트 단면을 나타낸 곡선이며, 여기에서 축 d는 에쉘리트 두께를 나타내고 축 r은 에쉘리트를 따르는 반경 거리를 나타낸다.

제3도는 본 발명에 따른 한 태양의 광학 부재에 대한 횡단면도로서, 이의 마면(facet)는 제4도에 그래프로 도시되어 있다.

제4도는 본 발명에 따른 한 태양의 마면 단면을 나타낸 곡선이며, 여기에서 축 d는 마면두께를 나타내고 축 r은 마면을 따르는 반경거리를 나타낸다.

제5도는 통상적인 포물선 단면을 갖는 선행기술의 전체-주기(full-period)간격의 에쉘리트 대(Zone) 및 다단면 차단구조를 포함하는 반-주기(half-period)간격의 마면 대의 단면을 비교한 그래프이다.

제6도 내지 제12도는 본 발명에 속하는 광학 부재의 다양한 마면 배열의 횡단면도를 그래프로 나타낸 것이다.

본 발명은 회절성 다초점 광학 부재(diffractive multifocal optical element)에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명의 다수의 대(Zone)가

(이하, n은 대의 번호이다)에 거의 비례하여 서로 일정한 간격을 두고 있으며 λ/2미만의 광로 길이에 불연속을 도입시키는 계단모양의 마면을 갖고 있는 환상 동심대(annular concentric zones)를 포함하는 위상대 플레이트(phase zone plate)를 갖는 회절성 다초점 광학 부재에 관한 것이다. 본 발명은 또한 광학 부재중에

간격에 따라 교대용 계단모양의 반복 패턴을 제공하는 마면을 갖고 있는 환상 동심대를 포함하는 위상대 플레이트에 관한 것이며, 여기에서 마면의 계단의 깊이는 λ/2(η'-η)미만이고, η' 및 η는 렌즈 및 렌즈가 상호작용하는 매체의 굴절률이며 λ는 디자인 파장이다.

콘택트렌즈 및 접암(intraocular)렌즈를 포함하는 위상대 플레이트 광학렌즈는 계속 개선될 필요가 있다. 본원에 사용된 용어 위상대 플레이트는 대 플레이트와 이 대 플레이트내의 여러 대들에서의 광학 마면(예: 에쉘리트의 형태와 같은)의 조합을 이용한 렌즈의 단일 광학 영역(unitary optical region)이며, 여러 대에서의 조합된 마면들은 광을 회절시켜 대 플레이트의 다양한 치수(예: 0차수, 1차수, 등)에서 특정한 광도의 광을 분포시키는 특정한 파두면(wavefront)을 생성시킨다. 차수는 대 플레이트의 초점을 구성한다. 한정적인 의미 및 또한 가장 실리적인 의미에서, 위상대 플레이트는 유효한 광도에서의 광의 분포가 황색광의 경우 대 간격에 의존하는 일반렌즈용으로 고안된다. 본 발명에서 사용된 황색광은 530 내지 570 나노미터에서의 가시 스펙트럼의 영역이다.

본 발명은 특히 콘택트렌즈에 관한 것인데 콘택트렌즈는 종래의 수렴(vergence)형 렌즈이다. 이들 콘택트렌즈는 눈에 들어맞도록 된 오목한 각막 보울(bowl) (후면)을 보유하며 외부표면(전면)은 부드러우며 눈꺼풀이 눈위를 활주(slide)하고 광(렌즈 재료의 굴절률을 고려)을 눈에 적절한 초점으로 알맞게 수렴하여 주도록 성형되어 있다. 시판용 콘택트렌즈의 대부분은 렌즈가 광축 주위에서 가장 얇고 렌즈의 깊이가 렌즈 주변방향으로 연장되는 경사진 반경길이(soloped radial length)에 따라 점점 증가되도록 성형된다. 광축으로부터 연장되는 깊이의 차이 때문에, 광축을 통과하는 광은 이 보다 적은 양의 광이 렌즈 재료를 통과해야한다. 광이 공기 중을 보다 빨리 이동하기 때문에, 보다 적은 깊이를 통과하는 광에 비하여 보다 큰 깊이를 통과하는 광은 변속되어 시간이 지체될 수 있다. 그러므로 후면으로부터 방출되는 광파가 목적하는 초점에 동시에 도달되도록 광을 점직적으로 지체시키기 위하여 렌즈의 모양을 선택한다.

본 발명은 위상대 플레이트 복초점 부재와 같은 위상대 플레이트 광학부재를 이용한 콘택트렌즈 및 동심 환상 대를 이용한 조정된 프레스넬(Fresnel)렌즈에 관한 것이다. 이들 렌즈는 일반적으로 예를들면 알렌 엘. 코헨(Allen L. Cohen)의 미합중국 특허 제4,210,391호, 제4,338005호 및 제4,340,283호에 기술된 디자인에 따른다. 코헨 렌즈 디자인에 의하면 환상 및 동심 대의 반경 r_n이

에 거의 비례하며 하나이상의 초점에 광이 집중되도록 대가 절단되어 있다.

위상대 플레이트 광학부재를 갖는 코헨 렌즈 디자인은 현저히 얇은 복초점렌즈의 제조를 가능케 한다. 콘택트렌즈는 복초점 또는 다른 다초점 효과를 얻기 위하여 위상대 플레이트 광학부재를 갖도록 디자인될 수 있다. 위상대 플레이트의 특정한 색체 특성은 다초점 특성을 갖는 콘택트렌즈를 포함한 여러 콘택트렌즈의 디자인에 적용될 수 있다. 복초점이 지정된 모든 위상대 플레이트 광학부재는 2개 이상의 초점으로 광을 모으는 고유 능력을 가지고 있다. 이러한 광학부재는 모든 2개의 차수(예를들면, 0차수 및 1차수)의 초점에 대한 광의 광도 수준이 복초점 응용물에 적합하기 때문에 복초점이 지정된다. 이러한 의미에서, 모든 복초점은 광을 제3 및 가능하게는 그 이상의 초점에 분배한다. 렌즈가 복초점인지 3중초점인지를 판단하는 것은 어떤 엄격한 룰에 근거하지 않는다. 렌즈의 착용자가 제3 또는 그 이상의 초점이 존재한다는 것에 불쾌감을 느끼지 않는다면, 렌즈는 아마 복초점이 적당할 것이다.

콘택트렌즈와 관련하여 위상대 플레이트 광학부재를 언급하거나 제안하는 기타 문헌으로는 다음과 같은 것이 있다: G. Forst, Research into Usability of Circular Grids as Aid to Vision, Der Augenoptiker, 1966 (12), 9 내지 19페이지; Ziegler, Fabrication or Correction of Optical Lenses (코헨에의해 변형됨, 참조: 미합중국 특허 제4,339,005호의 칼럼 4,27 내지 36행 및 미합중국 특허 제4,210,391호의 칼럼 5, 63행 내지 칼럼 6, 68행); 및 Freeman의 미합중국 특허 제4,637,697; 및 Freeman의 특허 제4,642,112(홀로그래프에 위상대 플레이트 광학부재가 포함되는 정도).

위상대 플레이트 광학부재의 상기 원리를 이용하는 복초점 콘택트렌즈는 시판되고 있다. 이들 렌즈는 각각의 대가 λ/2의 광로 길이의 깊이를 갖고 실제 깊이 λ/2(η-η')을 제공하는 전체-주기 대를 각 마면이 포함하는 계단모양의 여러 환상 마면을 이용하는 것으로 알려져 있다. 여기에서 η' 및 η는 렌즈 및 렌즈가 상호작용하는 매체(예: 눈물샘층)의 굴절률이고, λ는 황색광의 디자인 파장이다. 이는 0차수 및 1차수의 초점이 약 40.1%에서 황색광 광도의 동일한 분할을 갖는 복초점 콘택트렌즈를 생성한다.

전체-주기 대는 본 발명의 목적상 위상대 플레이트내에서

에 거의 비례하여 일정한 간격을 두고 있는 마면들의 가장 작은 반복 서열로서 정의된다. 이러한 간격은 다음식으로 표시된다:

상기식에서, d는 1차수의 초점길이이다.

반-주기 대는 본 발명의 목적상 다음식으로 표시된다:

상기식에서, d는 1차수의 초점 길이이다.

비록 각 계단(step)의 수평면에 대한 비굴절성 계단벽 또는 수직면은 렌즈의 광축에 대해 수평방향으로 원통형 또는 거의 원통형이고 그럼으로써 렌즈 위상대 플레이트 표면적중의 작은 영역을 점유하지만, 이 비굴절성 계단벽 또는 수직면은 많은 문제점에 기여할 만큼 충분히 큰 것으로 간주된다. 상 그늘점(image shadowing) 및 입자부착(debris trapping)은 계단벽 또는 수직면의 깊이를 감소시킴으로써 정밀성을 떨어 뜨리는 문제점이 된다.

그러나, 이러한 렌즈를 변형시켜 마면의 깊이를 λ/2미만(λ는 디자인 파장이다)의 값으로 감소시킨다면, 렌즈의 광학적 품질은 신속히 매우 불량해진다. 비록 렌즈가 λ/2에서 작용할 때 매우 작은 값을 처리하지만, 수 밀리미크론의 크기변화는 렌즈성능에 크게 영향을 미친다. 예를 들어, 마면 깊이가 10% 감소하면 이러한 렌즈에 있어서 효과적인 복초점 특성이 현저히 상실된다. 위상대 플레이트의 크기에 관한 모든 기타 값들은 비례하여 작아짐을 인식해야 한다. 비굴절성 계단으로부터 인접한 비굴절성 계단의 밑바닥까지 연장되는 마면의 수평면은 인접 계단의 밑바닥에서 λ/2 깊이 내지 0깊이까지의 두께를 상실한다. 이러한 사실은 계단의 깊이가 λ/2이하로 감소될 경우 복초점 특성의 상실을 피할 수 있는 가능성이 적음을 암시한다.

마면의 수편면의 기울기 형태가

간격의 골격내에서 작게 변화되면(일부 태양에서는 매우 작은 변화), 계단의 깊이가 λ/2미만인 위상대 플레이트 광학부재를 기본으로 하여 효과적인 복초점 렌즈를 생성할 수 있음이 본 발명자들에 의해 밝혀졌다. 상기한 코헨 특허 및 코헨렌즈 디자인에서 구현된 마면의 또 다른 기울기를 통해, 마면이 약 λ/2미만의 깊이를 갖는 콘택트렌즈에 탁월한 복초점 특성을 제공할 수 있다.

본 발명의 λ/2미만의 광로 길이에 불연속을 도입시키는, r대 간격 및 계단모양 마면의 이점을 제공하는 신규한 복초점 렌즈 구조를 특징으로 한다.

본 발명은 λ/2또는 그 이상의 깊이를 갖는 계단 모양의 마면을 함유하는 통상적인 복초점 렌즈에 형성되는 상 그늘을 감소시키는 신규한 복초점 렌즈 구조를 특징으로 한다.

본 발명은 통상적인 λ/2 포물선 에쉘리트 형태를 갖는 복초점 콘택트렌즈보다 눈물회수 용적이 보다 적은 위상대 플레이트을 갖는 신규한 복초점 콘택트렌즈를 특징으로 한다. 이는 본 발명의 콘택트렌즈가 눈위 및 눈과 렌즈와의 사이에 있는 입자를 포착하기 위한 용적이 보다 작음을 의미한다.

본 발명은 위상대 플레이트의 마면 곡선이 각막 표면과 부드럽게 접촉하는 양상으로 각막과 표면 접촉하는 렌즈 구조를 제공한다. 이는 신규한 본 발명의 렌즈로 하여금 눈위에 더욱 안락하게 자리잡도록 해준다.

본 발명은 위상대 플레이트 광학부재 및 디자인된 파장의 1/2미만의 파장인 마면 깊이를 이용하는 복초점 콘택트렌즈(여기에서 제1초점은 0차수 및 1차수, 0차수 및 2차수, 또는 2개의 차수의 모든 다른 배합과 같은 2개의 차수로 존재한다)를 제공한다.

본 발명은 다수의 환상 동심 대를 갖는 위상대 플레이트를 포함하고, 상기된 대는

(여기에서 n은 대의 번호이다)에 거의 비례하여 서로 일정한 간격을 두고 있으면서 λ/2(여기에서 λ는 디자인 파장이다)미만의 광로 길이에 불연속을 도입시키는 계단 모양의 마면을 갖고 있는 회절성 다초점 광학 부재를 제공한다.

본 발명은 상기된 본 발명의 다초점 광학 부재중에

(여기에서 n은 대의 번호이다)간격에 따른 계단모양의 반복 패턴을 제공하는 다수의 마면을 가지며 이들 마면의 계단 깊이는 λ/2(η'-η)(여기에서 η' 및 η는 렌즈 및 렌즈가 상호작용하는 매체의 굴절률이며, λ는 디자인 파장이다) 미만인 환상 동심 대를 포함하는 위상대 플레이트를 제공한다.

본 발명의 특정한 태양에 있어서, 본 발명의 다초점 광학 부재는 계단모양의 교대용 반복패턴을 제공하는 다수의 마면을 환상 동심 대내에 포함하며, 여기서

(a) 상기된 교대용 대중 한 대의 마면이 다른 한 대의 상이하게 경사진 만곡 마면을 제공하는 또 하나의 만곡 단면에 의해 대 경계에서 차단되는 경사진 만곡 단면을 가지며;

(b) 대는

에 거의 비례하여 서로 간격을 두고 있고;

(c) 마면의 깊이는 λ/2(여기에서 λ는 디자인 과정이다)미만이며;

(d) 대의 경사진 만곡 단면이 디자인 파장의 광선을 2개 이상의 제1초점에, 각각의 제1초점에서 적어도 시각용으로 적합한 광도로, 집중시키고;

(e) 상기된 교대용 패턴을 제외하고 광학부재가 이러한 광도를 갖지 않는다.

본 발명은 위상대 플레이트의 홀수 대 및 짝수 대가

(a)

간격에 따르며;

(b) 인접해 있고 적어도 모든 다른 대 경계에서 비굴절성 계단경계면을 포함하지 않고 이러한 인접한 경계면에 경사 단면을 두고 있으며;

(c) 각 홀수 대의 횡단면은 동일한 일반적 단면을 가지며 각 짝수 대의 횡단면은 동일한 일반적 단면을 가지고;

(d) 홀수 대의 일반적 단면은 짝수대의 일반적 단면과 상이하며;

(e) 대에 대한 계단의 깊이가 λ/2미만인

코헨 렌즈 디자인의 복초점 광학 부재를 제공한다.

경사 단면은 대로부터 대로의 유연한 전이(transition)를 제공하는 것이 바람직하다.

또 하나의 관점에서, 본 발명은

(a) 위상대 플레이트가

에 따르며;

(b) 교재용 단면이 전체-주기 간격내에서 형성되며;

(c) 마면의 깊이가 약 λ/2미만이고;

(d) 대가 황색광을 적어도 2개의 제1초점에, 각각의 제1초점에서 시각용으로 적어도 적절한 광도로, 집중시킬 수 있도록 절단되어 있으며;

(e) 교대용 단면을 제외하고 대가 시각용으로 적절한 그러한 광도를 갖지 않는 교대용 단면을 갖는 마면된 계단 위상 대 플레이트를 포함하는 코헨 디자인의 복초점 광학 부재에 관한 것이다.

바람직한 태양에 있어서, 본 발명의 다초점 광학 부재는 반경 r_n(이하, n은 대의 번호이다) 주위에 위치하는 전이 단면을 통해 이들 반경 r_n결합하는 2개의 상이한 만곡 단면을 제공하는 광학 회절성 마면에 관한 것이며, 이때 전이 단면은 상기 2개의 상이한 만곡 단면과 다른 단면 곡률을 가지므로, 대가 n에 거의 비례하여 간격을 두며, 2개 이상의 제1초점에 각각의 제1초점에서 시각용으로 적어도 적절한 광도의 황색광을 집중시킬수 있도록 대를 절단시킨 환상 및 동심 대들을 이들 전이단면에서 형성하며, 상기 광학 부재는 만곡 단면을 제외하고는 시각용으로 적절한 광도를 가지지 않는다.

본 발명은 이들 광학부재를 포함하는 콘택트렌즈 및 접안렌즈와 같은 안과용렌즈에 관한 것이다.

바람직한 본발명의 태양에 있어서, 안과용렌즈는 광을 2개의 초점에 필수적으로 동일한 광도로 분할시키는 복초점렌즈이다.

가장 바람직한 본 발명의 태양에 있어서, 다초점 광학부재는 다음 방정식으로 표시되는 단면을 갖는 반복 패턴의 대를 포함한다:

d=Do·{1/2+1/2·cos(πㆍr²/b²)}

상기식에서,

d는 반복단면의 깊이이고,

r은 대의 반경위치이며,

b는 제1대의 반경이고,

Do는 디자인 파장의 마면 깊이이다.

본 발명은, 한 태양으로, 2개 이상의 위상대 플레이트를 자신의 광학 대내에 포함하며, 이들 위상대 플레이트중 하나 이상이 전술한 광학 부재의 특성을 갖는 안과용 콘택트렌즈를 제공한다.

본 발명은, 또 다른 태양으로, (1) 전술한 광학 부재의 특성을 갖는 위상대 플레이트 및 (2) 순수한 굴절성 부분을, 바람직하게는 하나 이상의 채널 형태로, 광학 대내 포함하는 안과용 콘택트렌즈를 제공한다.

본 발명은 특히 다초점 특성을 획득하기 위해 회절장치를 사용하는 광대 부분을 포함하는 복초점 광학렌즈에 관한 것이다. 회절장치는 얕은 마면깊이 및 새로운 단면을 갖는 반복 패턴을 혼입시킨다. 얕은 마면 깊이를 갖는 단면을 사용하면 상의 그늘짐 및 위상 플레이트와 눈 사이의 부스러기 회수량(콘택트렌즈의 경우)이 감소되며, 콘택트렌즈의 경우 착용자의 안락함이 증진된다.

본 발명의 회절성 다초점 광학 부재는 콘택트렌즈 또는 접안렌즈와 같은 안과용 렌즈에 사용하여 특히 콘택트렌즈에 사용하는 것이 가장 바람직하다. 본 발명은 콘택트렌즈의 전면 또는 후면 부분에 다초점 광학부재를 혼입시키는 것을 포함한다. 다초점 광학부재는 선반으로 깍거나 주조시킴으로써 콘택트렌즈상에 부여될 수 있다. 본 발명의 회절성 다초점 광학 부재는 또한 다초점(특히 복초점) 접안렌즈에 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 회절성 복초점의 광학부재에 관한 것이다. 이는 코헨이 제시한 다초점 특성을 수득하기 위하여 순환성 블레이즈의 회절 그래프팅을 이용한다. 블레이즈 그래프팅(blazed grafting)은 마면의 깊이 Do 및 블레이즈 마면의 단면 자체를 조정함으로써 두초점 사이에 광이 분할되도록 한다. 본 발명은 광학부재의 마면 대신에 새로운 단면을 이용한다.

본 발명은 다초점 특성을 수득하기 위하여 순환성 블레이즈 회절 그래프팅을 이용하며, 블레이즈 그래프팅이 마면깊이 Do 및 블레이즈 마면의 단면자체를 조정하므로써 두 초점간에 광이 분할되도록 조정하며, 블레이즈 마면이

대 간격에 따라 나뉘어진 교대용 기울기를 제공하는 회절 복초점 광학 부재에 관한 것이다.

본 발명의 신규한 마면 배열은 선행기술에서 마면의 전체전용(λ) 간격이라고 생각되는 것을 교대용 기울기의 반-주기(λ/2) 마면의 대로 분할하며, 이들 반-주기 마면의 대는 2개의 교대용 반-주기 대 각각에 대하여 오직 하나의 비굴절성 원기둥(또는 필수적으로 원기둥) 표면을 포함하며, 이들 2개의 교대용 반-주기 대는 반-주기 대 사이에 디자인 파장광의 위상전이를 초래하는 부드러운 표면의 마면에 의해 서로 연결된다. 비굴절성의 필수적으로 원기둥의 면 또는 원기둥의 면 또는 원기둥의 면은 모두 λ/2미만의 깊이이다. 본 발명의 교대용 대는 렌즈의 초점들 사이에 광이 분할되도록 조정한다. 교대용 대의 기울기를 조정함으로써, 초점에 대한 광의 광도를 변동시킬 수 있다.

본 발명의 회절성 다초점 광학 부재는 2개 이상의(바람직하게는 2개의) 제1초점에 독립적으로 광을 수렴실킬 수 있는 능력을 가진 렌즈의 표면층상에 겹쳐(super impose) 놓이고/이거나, 그 표면층에 에취(etched)되고/되거나 그 표면층내에 삽입되며, 여기에서 이 광학부재는 2개의 교대용 반-주기 대 각각에 대하여, 오직 하나의 비굴절성 원기둥(또는 필수적으로 원기둥)표면을 가지며, 이들 2개의 교대용 반-주기 대가 반-주기 대 사이에 디자인 파장광의 위상전이를 초래하는 부드러운 표면의 마면에 의해 상호 연결되는 교대용 경사진 반-주기(λ/2)마면 대를 포함한다. 비굴절성의 필수적으로 원기둥인 표면은 모두 λ/2미만의 깊이이다.

본 발명의 현저한 관점은 디자인 초점에서 현저한 광도의 광이라는 이점을 획득하기 위하여, 동시에 눈부신 빛 및 후광(Haloing)의 감소를 포함하는 전술한 개선점을 수득하기 위하여 교대용 마면에서 필요한 기울기의 차이가 최소라는 점이다. 전통적인 포물선 모양과의 기울기에 있어서의 약간의 차이만이 본 발명의 이점을 제공하는 렌즈를 생성시키기 위해 반-주기 대에서 필요하다. 이들 작은 차이는 전체-주기 대 측정치에 비하여 조차도 마면이 작기 때문에 발생된다. 예를 들면, 본 발명의 한 태양은 위상 플레이트가 8개의 전체 주기대를 포함함을 특징으로 하며, 위상 플레이트가 렌즈의 후면에 위치하고, 렌즈가 눈의 모양에 상응하며 원초점에 전형적인 굴절을 제공하며, 디자인 파장이 황색광의 경우 약 555 나노미터인 콘택트렌즈에서 사용할 수 있으며, 그 렌즈의 치수는 광축에서 제1대의 반경이 약 0.75mm이고, 광축으로부터 멀리 떨어진 마지막 대는 대의 외면에 대한 반경 및 대의 내면에 대한 반경의 차 약 0.14밀리미터에 의해 정의되는 폭을 가지며, 각 마면의 깊이는 약 0.003밀리미터이다.

그러나, 16개의 반-주기 대 공간에 의하여 측정된 동일한 구조는 하나의 단면에 의해, 광축에서의 제1대가 0.053밀리미터의 반경을 가지며, 광축으로부터 떨어진 마지막 대가 대의 외면에 대한 반경과 대의 내면에 대한 반경과의 차인 약 0.067밀리미터에 의해 정의되는 폭을 갖는 약

이수의 점에서 발생하는 표면굴절의 원인이 된다.

0.003밀리미터의 계단의 깊이를 이용하여, 통상적인 포물선 모양을 갖는 마면을 포함하는 광학 부재를, 본 발명의 반-주기 대 간격 및 마면 단면을 포함하는 광학 부재들에 대한 전체-주기 대 간격에 대하여 비교하며, 반-주기 대 간격은 마면의 단면을 나타내는 곡선하부에 약간 더 적은 비교하면, 반-주기 대 간격은 마면의 단면을 나타내는 곡선하부에 약간 더 적은 면적을 갖는 것으로 보인다. 이 차이는 약 1% 면적차 내지 약 10% 면적차 만큼 적을 수 있다. 전형적으로 이 차이는 약 2내지 약 5% 면적차이다. 상기 실례에 있어서 면적차는 약 3%이다. 면적차가 작은 것처럼 보이는 한, 렌즈의 작용에 대한 면적차의 공헌은 아주 중요하다.

전용공간을 가지며 에쉘리트 깊이가 0.8λ/2인 선행기술의 포물선 모양의 에쉘리트를 포함하는 렌즈는 다음과 같은 광도분포를 제공한다:

이 렌즈는 다음과 같은 광도를 나타내는 λ/2 유사물에 대한 클라인(Klein) 및 호(HO) 기재내용과 비교하여야 한다:

0.8λ/2의 깊이를 유지하는 동안 단면을 약간 변경시키면 0차수 및 1차수에서 0.405의 광도분포를 제공하는 본 발명에 포함되는 복초점렌즈 부재가 생성된다.

위상대 플레이트의 교대용 대의 각 마면의 깊이는 λ/2미만이며, 이때 λ는 위상대 플레이트의 디자인 파장이다. 하나의 대 마면이 만곡 단면에의해 또 하나의 대 마면에 결합되는 이들 경우에, 마면중 하나만이 비굴절성 표면을 나타내는 계단 수직면으로부터 형성된다면, 2개의 대 마면의 결합깊이는 λ/2미만이 될 것이다. 이러한 특별한 경우에, 계산의 편의를 위하여 결합물의 깊이는 전체-주기 대 간격의 개념으로부터 관찰한다.

그러나, 이들 교대용의 기울어진 대 마면은 여러 가지의 깊이를 갖는 것으로 판단된다. 마면의 깊이는 약 0.01 내지 약 0.99배 λ/2, 바람직하게는 약 0.05 내지 약 0.95배 λ/2, 가장 바람직하게는 약 0.1 내지 약 0.9배 λ/2의 범위일 수 있다.

본 발명의 하기까지는, 마면깊이를 감소시키기를 원하는 것이 본 분야의 전문가에게 논리적이었던 것을 가정하면, 2개의 발생 구면파 사이에 에너지를 분할시키는 데에 거의 영향을 미치지 않는 1/2파장보다 더 얕은 마면깊이를 갖는 회절성 복초점렌즈를 성형시킬 합리적인 방법이 전혀 없었다.

본 발명은 0차수 및 1차수의 초점을 향하는 2개의 구면파 사이에 필수적으로 동일하거나 거의 동일하게 에너지를 분할시키는 얕은 마면(에쉘리트) 회절성 복초점렌즈를 제로할 수 있도록 한다.

본 발명은 2개의 발생 구면파 사이의 에너지 분할을 1. 마면(에쉘리트) 깊이 및 2. 실질적인 마면(에쉘리트) 단면에 의하여 결정하는 신규한 개념을 지지한다.

마면(에쉘리트) 단면의 윤곽을 적절히 그림으로써 얕은 마면(에쉘리트)깊이를 갖는 회절성 복초점렌즈를 절단할 때까지도 동등한 에너지 분할을 수득할 수 있음이 측정되었다.

제1도에 관하여는, 수렴성 굴절 및 회절을 초래하는 곡률을 갖는 회절성 복초점렌즈(CL)가 기재되어 있다. 제1도에서 광학부재(E)(추정 전체전용간격에 대하여 예측됨)는 입사 평면파동을 주로 구면파의 파면으로 변형시킨다. 예를 들면, 평면위상면(P)을 갖는 입사광파동은 렌즈(CL)의 전면(AS)을 통과하고, 후면(PS)으로부터 강도 I₁및 I₂를 각각 갖는 주로 2개의 구면 위상면(S₁) 및 (S₂)광파로서 방출된다. 후면(PS)은 회절성 에쉘리트(E) 및 이에 상응하는 비-광학 에쥐(non-optical edges)(N)를 포함한다. 회절성 광학 부재에 있어서 마면(에쉘리트)공간은 표준공식

[여기에서 r_n은 n번째 대(전체 전용간격을 이용함)의 반경이다]로 표시된다. η 및 η' 는 각각 공기 및 렌즈(CL)의 굴절률이다. 2개의 구면 파면의 초점의 위치는 제1대의 반경 r₁및 렌즈(CL)의 담체 도수에 의해 결정된다. 특히, m차수의 초점 fm은 방정식 fm=(r₁)²/ (2ㆍλㆍm)(여기에서 λ는 파장이고, m은 0, ±1, ±2, 등이다)으로 표시된다.

바람직한 에너지 분할은 2개의 발생 구면파가 동등양의 총 에너지를 운반할때, 즉 I₁=I₂일 때 일어난다고 암시되어 왔다, 현행 문헌은 이것은 마면(에쉘리트)깊이 Do가 1/2파장 깊이인 경우라고 언급하고 있다(참조: 상기 인용한 Klein 및 HO의 문헌).

제2도는 선행기술(참조: 상기 인용한 Ziegler의 문헌)에서 사용된 표준포물선 모양의 단면을 도시한다. 반경위치 r의 함수로서의 반복단면의 깊이 d는 다음 방정식으로 표시된다:

d=Do(1-r²/b²) b는 1대의 반경임.

본 단면은 각각의 대에서 반복되며, 이러한 각각의 대의 폭의 비례하여 줄어든다. 0차수 및 1차수에서 동등한 에너지 분할시 마면(에쉘리트) 깊이는 식 Do=0.500·λ/ (n-1) (여기에서 n은 굴절률이다)로 표시되며, 분할광도(intensity split)는 식 I_I=I_I=(2.0/π)²=0.405로 표시된다.

제3도는 제4도에 도시한 디자인에 따르는 마면을 갖는 회절성 복초점 광학렌즈를 도시한다. 마면 깊이는 선행기술렌즈가 필요로하는 깊이의 0.405/0.500=80%이다.

제4도는 본 발명의 한태양에서 사용되는 신규한 코사인 단면을 도시한다. 반복단면은 d=Do{1/2+1/2ㆍcos(π·r²/b²)으로 표시된다.

동등한 에너지 분할시 단(steps)의 비굴절성 에쥐들 사이의 전체-주기 간격을 이용하며, 반-주기 간격내에 교대로 경사진 마면을 포함하는 마면 깊이는 식 Do=0.045·λ/ (n-1)로 표시되며, 분할광도는 식 I₁=I₂=Jo²(0.405π)=0.403[여기에서 Jo는 베셀(bessel)함수이다]로 표시된다.

제3도는 전면(AS) 및 외면 후면(PS)을 갖는 광학렌즈(CL)을 포함한다. 본 태양에 있어서 후면의 광대(Optic zone)는 회절성 마면(에쉘리트)(E) 및 이들의 상응하는 비-광학 에쥐(non-optical edges)(N)로 구성되어 있다. 마면(에쉘리트)(E)의 실질적 단면은 식 d=D0{1/2+1/2·cos(π·r²b/²)}[여기에서 d는 마면(에쉘리트)의 두께이고, r은 대의 내부 에쥐로부터의 반경이며, 이러한 단면은 각대에서 반복되고, 각각의 대의 폭에 비례하여 감소되며, 대내에서 마면(에쉘리트)이 형성되고 이러한 단면변화가 일어나며, b는 제1대의 반경이다]로 표시된다. 이 특정한 단면은 제4도에 도시되어 있다.

제5도는 선행기술(제2도 참조)의 포물선 모양의 에쉘리트 디자인(a)특성, 제4도의 코사인 단면(b) 및 복초점렌즈용으로 사용할 수 있는 또 하나의 단면(c)에 대한 오우버레이(overlay)이다. 오우버레이의 목적은 본발명 제2도에 예시된 선행기술의 구조사이의 단면차이를 설명하기 위한 것이다.

간격에서 만곡단면(b)의 변화를 특히 주의해야한다. 작은 단면 차이는 만곡단면(b)가 본 발명의 렌즈부재용 마면단면으로서 적절히 사용될 수 있도록 해준다.

마면의 실질적 단면(C)는 식 y=1-{(r²-1/√2)/(1-1√2)}(여기에서 r1/√2)으로 표시된다.

깊이가 감소될 경수 단면(a) 및 (c)는 0차수 및 1차수에 광을 동등한 광도로 분할시키지 못하는 반면, 이들 단면은 Do=0.500·λ/ (n-1)일 때 광을 동등한 광도로 분할시킨다.

제6도 내지 제10도는 제2도의 렌즈구조에 있어서 본 발명에 따라 사용될 수 있는 여러 가지의 유용한 마면 단면을 도시한다.

제6도는 홀수 및 짝수대로 표시된 반복서열의 교대용 반-주기 경사대의 제4도의 단면을 x-y축에 따라 그래프로서 도시한다. 이 특정한 태양은 식 y=0.405λ/ (n-1)·{1/2+1/2cos(πr²/2r² _oπ)}, I₀=I₁=0.402(여기에서 λ는 디자인 파장이고, n은 렌즈 매체의 굴절률이다)으로 표시됨을 특징으로 한다.

제7도는 단의 비굴절성 에쥐의 깊이가 0.31λ로 추가로 감소되고, 짝수의 반-주기 대의 깊이가 비굴절성 에쥐와 만곡 연결된, x-y축을 따라 그래프로 도시한 또다른 단면이다. 발명의 본 태양의 다음식으로 표시됨을 특징으로 한다.:

Y=0.314λ/ (n-1 2.5 {1/2+1/2 cos (πr²/2r²)}-0.314λ/ (n-1) 1.5{1-R²/2 R² _o}

I_o=I₁=0.390

제8도는 위상대 플레이트의 광학적 특질에 기여하며, 단의 에쥐가 경사진 단면을 나타낸다. 본 태양에 있어서, 반-주기 교대용 대의 단면은, 주로 비굴절성 에쥐가 현저히 제거되었기 때문에 선행 디장인과는 상이하다. 본 태양은 다음식으로 표시됨을 특징으로 한다:

y=λ/ (n-1){r²/r² _o+cos(πr²/2r² _o)-1}

Io=I₁=0.314

본 태양에 있어서는 홀수대의 경우 마면의 깊이가 0.21λ로 추가 감소되지만, 짝수대는 또하나의 0.21λ에 의해 홀수대의 최저넘 이하의 깊이를 갖는다.

제9도는 짝수대의 기울기 단의 비굴절성 에쥐와 연결되기 전에 2개의 마주보는 커브를 나타내는 하부곡률을 갖는 마면 단면을 나타낸다. 본 발명의 이 태양은 다음식으로 표시됨을 특징으로 한다:

y=0.394λ/ (n-1){0.287+0.731Jo (4.20r²/ 2r² _o)}

Io=I₁=0.402

상기식에서 Jo는 베셀함수이다.

제10도는 2개의 위상대 플레이트 및 순수한 굴절성 부분을 혼입시킨 또 하나의 마면 단면을 나타낸다. 본 태양에 있어서, 광대 전체를 통해 감소될 필요가 있는 것은 아니지만 전체-주기 대로부터 전체-주기 대까지 깊이가 감소된다. 예를 들면 광대의 전체-주기 대의 처음반은 단지 1깊이일 수 있으며, 전체-주기 대의 다음 반은 점차 깊이가 감소될 수 있다. 바람직한 형태의 이들 태양에 있어서, 각각의 단은, 깊이가 같거나 다르든지, 통상적인 평면의 광대를 따라 동등하게 나누어 진다. 순수한 굴절성 부분은 광대 내에 혼입되고/되거나 광대를 제한 할 수 있는 하나 또는 그이상의 채널(channel)의 형태인 것이 바람직하다. 제10도의 특정한 태양은 다음식으로 표시됨을 특징으로 한다:

y=α λ/ (n-1){1/2+1/2cos (π/2)·(r²/r² _o)}

상기식에서 α는 대로부터 대까지 감소된다.

제11도 및 제12도의 마면 단면은 q에서 전체-주기 대중에 감소를 도입시키며, 이로 인하여 단이 q으로부터 r²등까지 나아간다. 교대용 대에 있어서의 이 간격감소는 대의 √n 간격을 변경시키지 않는 것으로 생각된다.

제11도는 다음식으로 표시됨을 특징으로 한다:

y_n=0.40{1/2+1/2 cos [(π/q² _n-r² _n))·(r²-r² _n-1)]}

(여기에서 r_n-1rq_n)

제 12도는 다음식으로 표시됨을 특징으로 한다:

본 발명은 본 분야의 전문가에게는 많은 명백한 수식이 일어날 수 있으므로, 본 명세서에 기재된 정확한 상세한 내용의 구성으로 제한되지 않음을 인식해야 한다. 특히, 바람직한 동등한 에너지 분할을 변화시키지 않으면서도 마면(에쉘리트)깊이를 감소시키는 많은 상이한 단면을 결정할 수 있다. 그러나, 마면 단면의 선택은 동등한 에너지 분할을 초래하는 것에 의존하지 않는다. 에너지 분할은 그것이 동등하건 그렇지 않든간에 반-주기 대의 교대용 기울기부터 직접 유도된다고 믿는다.

Claims (19)

1. 다수의 환상 동심 대를 갖는 위상대 플레이트를포함하고, 상기된 대는

   

   (여기에서 n은 대의 번호이다)에 거의 비례하여 서로 일정한 간격을 두고 있으면서 λ/2( 여기에서 λ는 디자인 파장이다) 미만의 광로 길이에 불연속을 도입시키는 계단 모양의 마면을 갖고 있는 회절성 다초점 광학 부재.
2. 제1항에 있어서, 위상대 플레이트가 광학 부재중에

   

   (여기에서 n은 대의 번호이다) 간격에 따른 계단모양의 교대용 반복 대 패턴을 제공하는 다수의 마면을 가지며, 이들 마면의 계단 깊이는 λ/2(η'-η) (여기에서 η' 및 η는 렌즈 및 렌즈가 상호작용하는 매체의 굴절률이며, λ는 디자인 파장이다) 미만인 회절성 다초점 광학 부재.
3. 제2항에 있어서, (a) 교대중 대중 한 대의 마면이 다른 교대용 대의 상이하게 경사진 만곡 마면을 제공하는 또 하나의 만곡 단면에 의해 대 경계에서 차단되는 경사진 만곡 단면을 가지며; (b) 대는

   

   에 거의 비례하여 서로 간격을 두고 있고; (c) 마면의 깊이는 λ/2 (여기에서 λ는 디자인 파장이다) 미만이며; (d)대의 경사진 만곡 단면이 디자인 파장의 광선을 2개 이상의 제1초점에, 각각의 제1 초점에서 적어도 시각용으로 적합한 광도로, 집중시키는 회절성 다초점 광학 부재.
4. 제2항에 있어서, 언급된 반복패턴이 다음 방정식으로 표시되는 단면을 갖는 대를 포함하는 광학 부재:

   d=Do·{1/2+1/2·cos(π·r²/b²)}

   상기식에서, d는 반복단면의 깊이이고, r은 대의 반경위치이며, b는 제1대의 반경이고, Do는 디자인 파장의 마면 깊이이다.
5. 제1항에 있어서, 안과용 렌즈상에 겹쳐지는(super impose) 광학 부재.
6. 제2에 있어서, 안과용 렌즈상에 겹쳐지는 광학 부재.
7. 제3항에 있어서, 안과용 렌즈상에 겹쳐지는 광학 부재.
8. 제4항에 있어서, 안과용 렌즈상에 겹쳐지는 광학 부재.
9. 제5항에 있어서, 안과용 렌즈가 콘텍트렌즈 또는 접안렌즈인 광학 부재.
10. 제6항에 있어서, 안과용 렌즈가 콘텍트렌즈 또는 접안렌즈인 광학 부재.
11. 제7항에 있어서, 안과용 렌즈가 콘텍트렌즈 또는 접안렌즈인 광학 부재.
12. 제8항에 있어서, 안과용 렌즈가 콘텍트렌즈 또는 접안렌즈인 광학 부재.
13. 광대(optic zone) 내에 2개 이상의 위상대 플레이트를 포함하고, 상기 위상대 플레이트 중 하나 이상이 제1항의 다초점 광학 부재를 포함하는 안과용 콘텍트렌즈.
14. 광대 내에 (1) 제1항의 광학 부재를 포함하는 위상대 플레이트 및 (2) 순수한 굴절성 부분을 갖는 안과용 콘텍트렌즈.
15. 제3항에 있어서, 디자인 파장의 광선이 황색광인 회절성인 회절성 다초점 광학 부재.
16. 다수의 동심 대를 포함하며, 각각의 대는 반경 r_n(이하, n은 대의 번호이다) 주위에 위치하는 전이 단면을 통해 상기 반경 r_n에서 결합되는 2개의 상이한 만곡 단면을 제공하는 광학회절성 마면을 가지며, 이들 전이 단면이 상기 2개의 상이한 만곡단면과 상이한 단면 곡률을 가지므로 대가 √n에 거의 비례하여 서로 간격을 두고 환상 동심 대를 형성하며 대가 디자인 파장의 광선을 2개 이상의 제1초점에, 이들 각 제1초점에서 적어도 시각용으로 적합한 광도로, 집중시키는 광학 부재.
17. 제16항에 있어서, 안과용렌즈상에 겹쳐지는 광학 부재.
18. 제17항에 있어서, 안과용렌즈가 콘텍트렌즈 또는 접안렌즈인 광학 부재.
19. 제16항에 있어서, 디자인 파장의 광선이 황색광인 광학 부재.

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