KR100215166B1 - 소구경 다촛점 광학장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

소구경 다촛점 광학 장치

제 1도는 코헨(Cohen)렌즈 디자인이 포함하는 블레이즈된 마면(blazed facets)의 √k간격을 나타내는, 콘택트렌즈 또는 IOL을 나타낼 수 있는 렌즈장치의 정면도이다. 제 5도, 제 6도 및 제 8도를 제외한, 본원에 도시되는 모든 단면도는 선 2-2를 따라 절단한 제 1도의 위상 대판을 갖는 렌즈장치의 4분의 1 부분의 단면도이다. 제 5도, 제 6도 및 제 8도는 파선을 따라 상대판을 둘로 절단하는 2분의 1부분의 단면도를 나타낸다.

제 2도는 제 1도에 도시된 것을 포함하는 위상대판(phase zone plate)의 4분의 1부분에 대한 단면도이다. 본 도면은 제 1도의 √k 간격을 갖는 렌즈의 위상대판을 도시하는 제 1도의 선 2-2를 따라 절단한 포물선 프로필(profile)을 나타내지만, λ의 에쉘리트(echelette) 깊이를 갖는 프로필이 다촛점 효과를 생성시킬 수 없는 점에서 코헨렌즈 디자인과는 다르다.

제 3도는 제 1도의 √k 간격을 적용시킨 렌즈의 위상대판을 나타내는, 제 1도의 선 2-2를 따라 취한 포물선 프로필의 4분의 1부분에 대한 단면도이다. 본 도면의 위상대판의 포물선 프로필과 에쉘리트 크기는 λ/2(η'-η)의 에쉘리트 깊이의 프로필이 다초점 효과를 생성시킬 수 있기 때문에 코헨렌즈 디자인과 조화된다.

제 4도는 전주기(full period)반경 r₂에 의해 정의되는 제 2도의 제 1에쉘리트의 높이 대 넓이에 대한 비율적인 치수관계를 단면도로 나타내는 것이다.

제 5도는 위상대판의 단일촛점 특징을 입증하는 제 2도의 위상대판 디자인의 단면으로부터 방사되는 광의 전달을 나타낸다. 빛은 0차로 투과되지 않는다는 것을 주지하는 것이 중요하다.

제 6도는 위상대판의 2촛점 특성을 나타내는, 코헨렌즈디자인인 제 3도의 위상대판 디자인의 단면으로부터 방사하는 광의 전달을 나타낸다. 빛은 1차 0차로 투과하는 것을 주지하는 것이 중요하다.

제 7도는 제 3도에 예시된 바와 같은 다촛점 광전달 특성을 갖는 코헨렌즈 디자인의 렌즈의 단면 프로필 및 코헨의 미합중국 특허 제 4,210,391호의 제 7도의 특성을 갖는 렌즈의 예에 대한 단면 프로필을 1촛점 전달특성을 제공하는 제 2도의 렌즈의 단면 프로필과 비교한 것이다.

제 8도는 제 1도의 프로필에 따라 작도된 전체적인 위상대판의 단면도이다. 본 도면에 있어서, 위상대판은 제 6도의 위상대판과 일치한다. 본 도면은 위상대판의 회절특성으로부터 유도되는 파효과 및 두촛점에서 영상을 생성시키는 위상대판의 방향가능성(directional capability)을 예시한다.

제 9도는 제 0차 및 제 1차에서 관찰되는 광도와 상기 제 2도 및 제 3도에 도시된 포물선 프로필을 갖는 에쉘리트의 에쉘리트 깊이와의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 10도는 본 발명의 소구경 위상대판의 단면도이다.

제 11a도는 결합하여 제 10도의 소구경 위상대판의 전-주기대를 형성하는 반경을 통상적인 필패턴(fill pattern)에 의해 나타낸 것이다.

제 11b는 제 10도의 소구경 위상대판의 홀수 및 짝수대를 통상적인 필패턴에 의해 나타낸 것이다.

제 12도는 2개의 전-주기대의 소구경 조리개와 함께 제 6도의 상대판의 광의 분포 및 광도를 나타낸 것이다.

제 13도는 하나의 전-주기대의 구경경조리개와 함께 제 6도의 위상대판의 광의 분포 및 광도를 나타낸 것이다.

제 14도는 2개의 전-주기대의 소구경 조리개와 함께 제 10도의 위상대판의 광의 분포 및 광도를 나타낸 것이다.

제 15도는 하나의 전-주기대의 소구경 조리개와 함께 제 10도의 위상대판의 광의 분포 및 광도를 나타낸 것이다.

제 16도는 1988년 7월 20일자 출원된 계류중인 미합중국 특허 제 222,000호에 기재된 위상대판의 프로필에 대한 단면도를 나타낸 것이다.

제 17도는 제 16도에 도시된 위상대판 디자인의 프로필 특성을 이용하는 본 발명 소구경 렌즈의 단면도이다.

본 발명은 소수의 대에 의존하는 코헨 렌즈디자인의 상대판을 사용하여 다촛점 영상을 제공하는 안내렌즈 및 콘택트렌즈에 적절히 사용할 수 있는 광학장치에 관한 것이다.

굴절 및 회절은 2가지의 매키니즘으로 광학적 효과에 의해 특징지어진다. 회절이론은 그 자체가 빛의 전파와 관련된다. 구경을 통한 특수한 경우의 전파를 고찰하는 것이 일반적으로 유용하다. 그 구경은 그것의 경계선에 의해서 단순하게 제한된 빈 영역일 수 있다. 또는 그것은 입사 파두의 다양한 부분을 선택적으로 저지시키기 위해서는 다양한 두께와/또는 다양한 굴절율의 광학물질의 영역일 수 있다. 어떤 경우에서든, 빛이 그 구경을 통하여 모이게 되므로 회절된다고 말한다.

때로는, 빛이 구경을 통과하게 되면, 빛이 농축되어서 촛점에 모이는 것 같은 한점이 공간에 존재하는 것이 알려져 있다. 이 촛점을 스넬의 법칙(Snell's Law)으로 알려진 간단한 공식을 사용해서 계산할 수 있는 위치들의 부분집합들이 존재한다. 이들 특수한 경우는 그 구경내에 포함된 광학물질이 부드럽고 아주 서서히 변해가고 그 구경의 디멘젼이 클때 일어난다. 이것들 모두가 사실일 경우, 빛은 소위 굴절이라고 부르는 특수한 경우의 회절에 의해서 전파되는 것으로 특징지을 수 있다.

그러나, 이런 상태가 아주 빈번하기 때문에 굴절이 가끔 완전한 이론인 것으로 보인다. 그러나 렌즈에 날카로운 절단부분이 있는 경우에는 유연한 변화의 요건이 위배되는 것이고 빛의 전파에 관한 계산은 보다 일반적인 회절 이론을 필요로 한다.

굴절이란 용어는 환경이 유연하게 변화하는 내부구조로 된 구경만을 포함하는 경우에 사용된다. 회절이란 용어는 환경이 내부구조가 예리한 경계와 광학궤로의 길이의 돌연한 변화로 이루어져 있는 구경을 포함한 경우에 사용된다.

그러나 간단한 경우에서 까지도, 회절이론이 굴절이론을 사용하여 얻을 수 없는 정확한 분석에 대하여 사용된다.

어떤 렌즈의 작용이 회절에 관한 법칙에 의해서 설명될 수 있는 반면, 굴절에 관한 법칙은 반송렌즈(Carrier lens)에서의 위상대판의 작용을 설명할 수 없다. 위상대판(본원 및 청구범위에서 사용됨)은 그 구역들내에 있는 대판과 광학적 마면을 혼합하여 렌즈의 단일 광학구역이며, 상기 대판과 광학적 마면의 혼합은 빛을 회절시켜 대판의 여러가지 순서(예, 0차, 1차 등) 초점으로 빛의 특수한 명암분포를 발생시키는 특수 물마루(파두선)를 생성시킨다.

코헨 특허[알렌 엘. 코헨의 미국특허 제 4,210,391호; 제 4,388,005호; 및 제 4,340,283호(코헨 특허)]는 다촛점 효과를 달성하기 위한 반송렌즈의 광학대 내에서 위상대판의 용도에 관한 것이다.

유용한 다촛점 효과를 달성하기 위해 반송렌즈의 광학대내에 위상대판을 이용하는 렌즈가 본원 및 본원의 청구범위에서 코헨렌즈 디자인인 것으로 특징지어 진다. 코헨렌즈 디자인의 광학적 성질과 이용성은 회절에 관한 법칙의 용어에서 설명된다.

코헨 렌즈 디자인은 동심대의 반경 r_k가 실질적으로 √k 에 비례하고 그 대들이 한개 이상의 촛점으로 빛을 유도하거나 분기하도록 하기 위해서 절단되는 동심대의 위상대판을 사용한다. 이 √k 간격은 회절에 대해서는 독특한 것이고 굴절렌즈 디자인에서 생기는 유사한 간격 패턴은 없다.

다촛점상을 생성시키는 위상대판은 렌즈이며 확대 및 축소를 목적으로 독립된 반송렌즈에 사용될 수 있다. 위상대판이 반송렌즈에 있고, 그것이 반송렌즈의 광학대 영역을 좌우할 경우, 그것은 렌즈 장치에 의해 생성된 다중 상의 상대적인 광도를 조절하게 된다. 또한, 반송렌즈 장치의 광학대 영역을 좌우하는 위상대판은 주어진 촛점에서 그 상의 성질과 특성에 도움을 주게 된다. 그 위상대판의 중요성은 여러가지 촛점, 각종 순서로서 색체 분산효과 및 다촛점 위상대판에서 고유한 효능상실을 반영하는 여러가지 순서로 빛의 강도의 감소에 의해 증명되는 바와 같이 여러가지 순서로 투과되는 빛을 조절하는 그 위상대판의 능력에 있다. 예를 들면, 발산 또는 수렴 또는 평면 렌즈들은 광투과의 확대나 축소를 조절하게 되고 그 렌즈들 내의 위상대판은 여러가지 촛점에서 빛의 상대강도를 조절하게 되며, 이와 관련하여 더 높은 순서로 촛점을 만들게 된다. 이러한 것은 디자인 파장과 일치하는 길이를 갖는 포물선 모양된 에쉘리트(그것들이 r²공간에서 선형 프로필을 나타냄을 의미)와 더불어 k에 따른 대간격을 가지고 있는 프레스넬(Fresnel) 대판인 위상대판을 이용하는 렌즈 장치로서 간단히 예시된다: 예, 디자인파장이 555 나노미터인 황색빛인 경우, 에쉘리트의 물리적 깊이(혹은 광로 길이)는 λ/(η'-η)(여기에서, η'

1.43, η

1.33이고, λ은 디자인파장이다)의 관계에 따라 약 0.0055밀리미터가 될 것이다. 그 렌즈 본체의 반송력이 발산이나 수렴 또는 평면인가에 무관하게, 이 위상대판은 디자인파장에 대하여 단일 촛점 렌즈장치가 되고 광학대의 축의 축선에 따라 제일 첫번째 순서의 촛점으로 모든 디자인 파장의 빛을 유도할 수 있다.

이것은 렌즈장치의 사용자가 목표물에 가까운 것만 보게 되고, 렌즈의 반송력이 굴절에 이용된 수학적 관계에 의존되는 부드러운 렌즈 장치에서, 떨어진 목적물을 눈으로 볼 수 있게 이송하더라도 떨어져 있는 목적물을 볼 수는 없게 된다는 것을 의미한다. 그 위상대판은 가까운 촛점에 빛을 발산시켜 그 빛을 유도한다. 그 렌즈는 구조적으로 위상대판용 반송체이다. 이 경우에, 위상대판은 빛이 이송되는 방향을 결정하고 있는 여러가지 촛점순서로 가시 정밀도를 결정한다.

더구나, 빛이 0차로 투과되는 코헨렌즈 디자인의 이중촛점렌즈에서, 위상대판은 디자인파장이 아닌 0차의 파장에서 색채강도에 도움이 된다. 0차에서의 상이 본질적으로 변하지 않더라도, 그것은 위상대판에 영향을 받는다. 광학대내에서 위상대판을 이용하는 렌즈에 의한 0차의 위치에 무관하게 0차로 가는 모든 빛은 위상대판을 통해서 투과되며, 따라서 빛은 회절된다.

상기된 설명에 의해서, 부드러운 광학대는 한가지 만의 촛점 배율로, 즉 0차 순서에 만으로 빛을 유도할 수 있고, 회절을 이용하는 위상대판 광학대가 1촛점배율로만, 즉 1차로만 빛을 유도할 수 있다는 사실이 입증되고 있다. 그것이 1차에 빛을 발산시키는 경우에서의 회절의 우수한 방향배율이다. 코헨렌즈 디자인은, 그것의 특징으로, 한가지 이상의 촛점배율로 직접 빛을 유도하는 회절을 이용한다.

그것은 (i) 적절한 설계에 따라 그것의 두께를 바꾸기 위해서 위상대판 내로 절단하거나 (ii) 위상대판 내에 있는 대에서 렌즈 본체의 굴절율을 변경시킴으로써 이동하는 상을 이용하여 한개 이상의 촛점 배율로 빛을 유도한다. 그 대의 기울기를 변경시킴으로써 상의 이동하게 되어 투과된 빛을 다양하게 하는 것이 가능하다.

코헨렌즈 디자인은, 한가지 양태로서, 다촛점 효과를 얻기 위해서 짝 및 홀수대라 일컬어지는 교대되며 기울어진 반-주기대를 이용한다. 그건 각 대는 안쪽으로 향한 기울기의 정도에 의해서 반송렌즈 본체의 두께를 감소시킨다. 이런 종류의 기울기는 다양한 관계로 렌즈에 의해 투과되는 빛을 광학적으로 위상 이동시킬 수 있다.

그 위상 이동의 변화를 더 상세히 설명하면, 더 많은 빛이 더 높은 순서로 유도되거나 전환된다. 기울기가 비교적 적으면, 위상 이동의 변화는 더 적고 더 많은 투과된 빛이 렌즈 표면으로부터 더 낮은 차수의 촛점으로 유도될 수 있다. 그것은 회절된 빛을 하나 이상의 촛점 배율로 유도할 수 있는 이들 기울기의 변화와 기울기의 프로필에 의한 것이다.

코헨렌즈 디자인은 또한 위상 이동을 조절하기 위하여 표면기복 프로필이 아닌 다른 메카니즘으로서 렌즈의 표면에 매립된 물질을 사용하여 굴절율을 변화시키는 것을 교시하고 있다.

코헨렌즈 디자인의 기울어진 구역(대:zones)은, 코헨렌즈 디자인이 √k 간격을 통합하고 있다는 것 외에, 1961. 10.7.자 특허된 에이취, 루홀(H. Ruhle)의 미국특허 3,004,470에서 논의된 바와같은 프레스넬대의 원리에 따른다. 루홀은 단계적인 프레스넬 포물선 렌즈대은 단계적으로 된 기울어진 한쌍의 표면을 부드럽게 변형시키는 이상 더 좋은 것은 아무것도 없다는 것을 알려주고 있다.

코헨렌즈 디자인의 다촛점 위상대판에 있어서, 교대되는 짝수 및 홀수 대들은 광로 길이를 다양하게 하여 투과된 빛을 위상이동시킨다. 이들 대들은 전-주기대 이내에 있거나 다수의 반주기대의 사용을 통하여 존재할 수도 있다. 전-주기대는 실질적으로 √k 에 비례하여 간격을 두고 있는 위상대판내에서 마면의 가장 작은 반복배열로 정의된다. 이러한 간격은 다음식에 의해서 특징지워진다 :

(여기서, d는 1차 촛점길이를 나타낸 것이고, λ는 디자인파장이다. 본 발명의 목적인, 반-주기대는 다음식으로 특징지워진다:

위상대판에서 전-주기대는 반-주기 간격을 갖는 한쌍의 교대되는 대들로 이루어지는 것으로 인식된다. 전-주기대는 불연속의 발광이나 연속적인 블레이징(blazing)을 포함할 수 있다. 전-주기대의 불연속 블레이징은 그것의 약 반-주기에서 보통 불연속을 내포하고 있는 독립적인 프로필로 구성되어 있고, 전-주기의 연속적 블레이징은, 단계적 형태로, 즉, 전-주기의 폭 이상으로 연속적인 불연속성이 없는 독립적 프로파일로 구성되어 있다. 전-주기대 중의 각각의 반-주기대는 디자인 파장의 입사광이 상이하게 위상 이동되는 범위까지 서로 다르기 때문에, 각대는 빛을 다촛점들로 유도하거나 전환시키기에 필요한 성분들에 도움이 될 수 있다.

다음과 같은 내용이 1987년 11월 3일자 특허된 데 카를(De Carle)의 미국특허 제 4,704,016호의 설명에 지적되어 있다. 프레스넬 대판 또는 렌즈는 인접한 대들이 이 반주기에 의해서 상호 위상 밖에 있는 빛을 통과하는 원리에 따라 조작되어, 교대되는 대들이 어두워지게 되면, 파괴 간섭을 피하게 되어 있기 때문에 판을 통과하여 그 대판에서 떨어진 지점에 도달하는 빛은 대판이 없을때 보다 더 밝게 될 수 있다. 이런 효과를 달성하기 위해서는, 그 대의 경계가 되는 반경은 제 1근사값으로

및

(여기에서, f는 대판 촛점길이이고, n=0,1,2,3,4...이며, λ=빛의 파장이다)과 동일하다는 것을 수학적으로 나타낼 수 있다.

예를 들어, 안과렌즈의 전형적 배율인 5디옵터의 배율을 갖는 대판의 경우, 첫번째 대의 크기는 차수 0.3mm가 되는 반면 여덟번째 대의 폭은 수백 차수의 mm가 될 것이다. 그 대판에 의해 촛점이 맞춰진 상의 민검도에 의한 효능은 대의 수에 따라 증가하게 되므로 알맞는 광학적 특성을 위해 다수의 대를 가진 판이 바람직하다.

프리멘과 스톤(Freceman and Stone)의 문헌[Transaction BCLA Conference 1987, page 15]은 +1 디옵터를 추가하기 위해서 약 6-전-주기대를 이용한다. 그것은 12 반-주기의 결과가 된다.

그래서, 코헨렌즈 디자인의 렌즈가 뚜렷한 상을 달성하기 위해서는 실질적인 수의 대들을 필요로 한다는 것을 본 기술에 숙련된 자들은 잘 인식되고 있다. 그러나, 이중촛점렌즈에서 그런 다수의 대를 필요로 하는 렌즈는 코헨렌즈 디자인의 콘택트렌즈의 안내렌즈의 잇점을 상당히 많은 수의 사람들에게 주지 못한다.

코헨렌즈 디자인중의 위상대판의 디자인에서 특수한 변형을 필요로 하는 많은 눈의 상태가 있다. 예를 들면, 백내장 환자들은 일반적으로 나이들이 많고 그래서 작은 동공을 갖고 있다. 그런 경우에, 그것들의 치료 안내렌즈의 삽입을 포함할 수 있다. 이중촛점 위상대판을 포함하는 안내렌즈(IOL)을 사용하는 것이 바람직한 상태도 있다. 그 환자들에게서 동공축소 때문에, 위상대판은 동공의 크기를 조절하기 위해서는 매우 작은 구경내에서 조작될 수 있어야 한다.

그외에도, 그 눈내에서 위상대판 IOL의 배치 때문에 구경조리개는 약 85%의 외관 동공크기로 줄어들 수 있다. 그러므로, 위상 대판은 85%의 외관 동공크기뿐인 홍체크기보다 더 작은 영역에서 조작되어야 한다.

백내장 환자의 경우에 존재하는 것과 같은 작은 동공크기를 조절하기 위해서 작은 광학적 대내에서 적합한 수의 불연속성을 제공하여 동공 축소문제를 해결하는 이중촛점 콘택트 또는 IOL 광학 장치가 요구되어 오고 있다.

본 발명은 코헨렌즈 디자인을 가지는 렌즈에 관한 것이며, 백내장 환자의 경우에 존재하는 것과 같은 소동공 사이즈를 조정하는 위상대판을 혼입시킴으로써 IOL 또는 콘택트렌즈로서 사용할 수 있는 2촛점 렌즈를 제공하는 문제를 해결한다.

본 발명은 블레이즈된 마면을 갖는 환상동 심대를 포함하는 위상대판을 가지며, 광을 적어도 2개의 명백한 촛점으로 분해시키고, 위상대판의 단일 전-주기를 이용할 수 있는 광학성분에 관한 것이다.

본 발명은 환상동심대를 포함하는 위상대판(여기에서, 환상동심대는 √k에 거의 비례하는 간격을 두고 있다), 광로길이(깊이)가 짝수 마면의 광로길이(깊이)의 2분의 1인 블레이즈된 마면을 갖는 홀수대 및 홀수 반경만의 프로필내의 불연속 점프(jump)를 포함하는 회절성 2촛점 광학성분에 관한 것이다.

본 발명은 하나의 전-주기대 만큼 작은 구경조리개를 사용할 때에도 2개 또는 그 이상의 명확한 촛점을 제공하는 다촛점 프로필의 위상대판을 포함하는 렌즈장치에 관한 것이다. 위상대판은 다음 공식에 따라 간격을 두고 위치하는 다수의 환상 동심대를 포함하는 블레이즈된 마면을 갖는다:

여기에서, K는 하나의 대이며, 대가 위상대판의 중심축으로부터 위상대판의 주변으로 코헨렌즈 디자인에 따라 진행할때 1,2,3등과 같다. 이 공식에 있어서, r_k는 반-주기대 반경이고, 대 및 대반경은 K가 위상대판의 중심축으로부터 주변까지 점진적으로 홀수 및 짝수로 변동할 때 K의 값에 따라 홀수 또는 짝수이다. 본 발명에 있어서, 홀수의 반-주기대의 깊이는 짝수의 반-주기대의 약 2분의 1이고, 짝수대 반경 r_k(K는 짝수이다)에서 홀수 및 짝수 반-주기대 사이의 각각의 계면은 불연속 스텝(step)이 전혀 없는 연속 프로필을 나타낸다.

본 발명은 대내에 √k 대 간격 및 블레이즈된 마면을 갖는 위상대판을 이용하는 다촛점 광학장치를 사용한다. 대는 서로에 대한 것으로서 환상으로 빛을 방사하여, 중심축에 대하여 서로로부터 원통형으로 변위된다. 바람직한 양태에서, 위상대판을 통과하는 입사광이 위상대판의 중심축으로 부터 연장되는 중심축상에 배열된 다수의 촛점으로 변위될 수 있도록, 서로에 대하여 충분히 상이한 교대 대들이 있다. 2개 이상의 촛점에서의 광도는 이들 촛점에 있는 영상을 관찰하는데 충분한 것이 바람직하다.

본 발명은 위상대판의 중심축을 따라 취한 하나 이상의 촛점에서 유용한 영상을 얻는데 최소의 대가 필요하도록 특별한 대 관계를 이용한다. 의미있는 다촛점 효과를 수득하는데 필요한 모든것이 상이한 2개의 반-주기대를 포함하는 하나의 전-주기대만큼 작다는 것은 본 발명의 유효성을 입증하는 것이다. 그러나, 본 발명은 본 발명의 바람직한 위상대판 디자인의 하나 이상의 전-주기대를 사용함을 포함한다.

본 발명은 바람직한 관점에서 눈이 입구동공(entrance pupil)의 최소 또는 작은 개구(구경)과 함께 사용될 때 2개 이상의 영상에서 의미있는 광강도를 얻도록 작용하는 다촛점의 위상대판을 달성하기 위해서 코헨렌즈 디자인을 이용한다. 바람직한 양태에서, 본 발명은 렌즈를 투과하는 입사광의 20% 이상이 제 0차에 집중되고 렌즈를 투과하는 입사광의 20% 이상이 제 1차에 집중되는 2촛점 렌즈에 관한 것이다.

본 발명을 더욱 잘 이해하기 위하여 도면에 대해 언급한다.

제 1도는 콘택트렌즈의 정면도이고 코헨렌즈 디자인에 포함되는 블레이즈된 마면의 √k 간격을 나타내는, IOL을 나타낼 수 있다. 제 1도는 16개의 대 즉, r₁내지 r₁₆을 포함하는 상대판을 나타낸다. 홀수의 대는 r₁, r₃, r₅, r₇, r₉, r₁₁, r₁₃및 r₁₅이다. 나머지 대는 짝수의 대이다.

이와 관련하여, 각각의 대는, √k에 실질적으로 비례하여 간격을 두고 있는 상대판내의 최소 반복서열의 마면이 반복적인 홀수대와 짝수대의 결합일 경우 반-주기대일 수 있다.

제 1도에 있어서, 각각의 홀수대는 평행선 점선에 의해 구분되고, 각각의 짝수대는 실선에 의해 구분된다. 이러한 특성화는 인접한 짝수대가 일부분인 전-주기대의 연속적인 프로필내에서 홀수대를 구분하려는 것을 뜻한다.

제 2도는 제 1도의 √k 간격을 갖는 렌즈의 위상대판을 도시하는 제 1도의 2-2선을 따라 취한 포물선 프로필의 단면도이다. 그러나, 이러한 위상대판의 포물선 프로필 및 에쉘리트 사이즈는 코헨렌즈 디자인에 적합하지 않다. 왜냐하면 λ의 에쉘리트 광로 길이(깊이)를 갖는 이러한 프로필은 다촛점 효과를 제공할 수 없기 때문이다. 본 발명에 포함되지 않는 이러한 양태에서, 각각의 에쉘리트의 광로길이(깊이)는 λ/(η'-η)에 동일하며, 여기에서 λ는 렌즈의 디자인 파장, 바람직하게는 황색광의 디자인 과장이고, η' 및 η는 전술한 바와같다. 이러한 특정 프로필의 결합에 있어서, 홀수대 및 짝수대는, 렌즈가 하나의 촛점, 제 1차에만 입사광을 전달하기 때문에 동일하다. 이러한 경우에, 홀수 및 짝수대는 입사광을 전환시키는 그들의 능력이 정확히 같게 작용한다. 이것은 이들 홀수 및 짝수대가 동일하며 다른 것과 상이한 어떠한 촛점에도 광을 집중시키지 않는다는 것을 나타낸다.

제 3도는 제 1도 렌즈 디자인의 렌즈에 포함되는 위상대판을 나타내는, 즉 제 1도의 √k 간격을 갖는, 제 1도의 2-2선을 따라 취한 또 다른 포물선 프로필의 단면도이다. 포물선 프로필 및 이러한 위상대판의 에쉘리트 사이즈는 코헨렌즈 디자인에 적합하다. 왜내하면, 에쉘리트 깊이가 λ/2(η'-η)인 이러한 프로필이 다촛점 효과를 제공할 수 있기 때문이다. 이러한 특정 양태에서, 홀수 및 짝수대 각각의 각은 충분히 상이하므로 홀수 및 짝수대가 각각 다촛점 특성을 갖는다. 이러한 경우에, 홀수대는 광을 하나의 촛점으로 유도하는 능력을 가지며 짝수대는 광을 또다른 촛점으로 유도하는 능력을 갖고; 두개의 대는 두개의 촛점에 광을 보내는 능력을 갖는다. 이에 대하여는 다음에 더욱 상세히 기술한다.

이들 위상대판의 상대적인 치수를 가시적으로 나타내기 위해서, 제 2도의 렌즈에 대한 전주기대의 상대적인 치수를 제 4도에 예시한다. 제 4도는 홀수대 r₁및 짝수대 r₂를 포함하는 제 1의 전-주기대의 단면도이다. 본 예시로부터 에쉘리트의 깊이가 매우 작고 에쉘리트의 프로필이 점진적으로 경사를 이루는 것을 알 수 있다. 제 4도는 컴퓨터로 도시된 것이며, 프로필의 기울기에서 정확하게 중단하지 않고 에쉘리트의 프로필을 도시하는 것이 컴퓨터 프로그램으로 불가능하다는 것을 반영한다.

제 5도에는 제 2도에 따르는 에쉘리트를 갖는 위상대판(16)의 단면도가 도시되어 있으며, 여기서 각각의 에쉘리트의 깊이는 λ/(η'-η)이고, 에쉘리트는 평면렌즈몸체(10)에 위치한다(위상대판의 깊이와 동일한 렌즈의 표면깊이만의 도시되어 있다). 본 도면은 위상대판으로부터 제 1차(f₁)로 방사되는 광(12)의 투과를 예시하며, 어떠한 광(14)도 제 0차(f₀)에 투과되지 않는다. 본 도면은 블레이징(blazing)의 깊이가 λ/(η'-η)일 경우 통상적인 포물선 프로필을 이용하는 위상대판의 1촛점 특징을 입증한다.

제 6도는 에쉘리트의 깊이를 λ/2(η'-η)으로 디자인하는 효과을 나타낸다. 제 6도에는 제 5도에서 사용되면서 제 3도의 설명에 따라 디자인되는 동일한 포물선 프로필을 나타내는 평면렌즈(20)내의 위상대판(26)이 예시되어 있다. 본 도면은 렌즈를 통과하는 광이 분해되어, 광(22)이 제 1차(f₁) 촛점으로 유도되고 광(24)이 제 0차(f₀)촛점으로 유도된다는 것을 입증한다. 이러한 분해의 특성은 후술한다.

제 7도는 각각 제 1도의 위상대판의 간격을 갖는 여러개의 중첩된 위상대판에 대한 단면도이다. 본 도면의 주요 목적은 제 2도의 프로필을 제 3도의 프로필 및 미합중국 특허 제 4,210,391호의 위상대판 프로필과 비교하는 것이다. 포물선(30)에 의해 표시되는 프로필은 제 2도의 위상대판 프로필인 반면, 포물선(32)로 표시되는 프로필은 제 3도의 위상대판 프로필이다. 그러나, 또한, 코헨의 미합중국 특허 제 4,210,391호의 제 7도를 기본으로 하는 프로필의 포물선(34)도 도시되어 있다. 각각의 위상대판은 홀수 및 짝수의 대를 가지며, 이들 대는 반-주기대이다. 다양한 에쉘리트 프로필은 2종류의 광로길이(깊이)즉, λ(η'-η) 및 λ/2(η'-η)변화시킨다. 본 제 7도는 제 3도에 예시한 바와 같은 다촛점 광투과 특성을 갖는 코헨렌즈 디자인의 렌즈의 단면 프로필 및 코헨의 미합중국 특허 제 4,210,391호의 제 7도의 특성을 갖는 렌즈의 한 예의 단면 프로필을 1촛점 투과특성을 제공하는 제 2도 렌즈의 단면 프로필에 대하여 비교하는 것이다.

제 7도의 에쉘리트의 프로필이 에쉘리트의 스텝의 2분의 1에 해당하는 깊이에서 홀수대의 r_홀수의 반경 또는 경계를 통해 절단되었음을 나타낸다. 그러므로, 프로필 곡선(30)은 λ/2(η'-η)의 깊이 각각의 r_홀수경계에서 절단되고, 프로필곡선(32)는 λ/4(η'-η)의 깊이의 r_홀수경계의 반경을 통해 절단되며, 프로필 곡선(34)는 λ/2(η'-η) 및 λ/4(η'-η)의 깊이 중간의 r_홀수경계의 반경을 통해 절단된다.

곡선(34)을 특징으로 하는 프로필은 코헨의 미합중국 특허 제 4,210,391호의 칼럼 3,20 및 21행에 언급된 디자인 파라미터를 제 7도에 대하여 사용하는 상기 미합중국 특허의 제 7도에 기재되어 있는 렌즈 프로필을 기본으로 한다. 이들 렌즈는 입사광을 제 1차 및 제 0차에 약 36%로 동등하게 분해한다. 렌즈프로필과 제 3도에 예시된 프로필간의 주요한 차이점은 곡선(34)에 의해 형성된 프로필의 경우 홀수대의 경계에서 뚜렷한 구분이 존재하는 반면, 홀수대 경계의 곡선(32)이 완만하다는 점이다.

위상대판에 있어서 그후의 전주기대에 대하여 제 2도, 제 3도 및 제 7도에서의 그래프 묘사의 눈금은 에쉘리트에 실질적으로 존재하는 포물선 모양을 가시화하기 어렵게 한다. 제 4도는 홀수대를 형성하는 스텝의 고도에 대한 대의 나비의 관계를 용이하게 인식할 수 있게 된다.

포물선형으로 프로필된 에쉘리트의 깊이를 하나의 파장깊이로 부터 2분의 1파장깊이로 감소시킨 결과는 제 8도에 알 수 있다. 제 8도는 제 1도의 프로필에 따라 제작된 전체적인 위상대판의 단면도를 나타낸다. 이 경우에, 위상대판은 제 6도의 위상대판과 일치하며, 제 3도에 기재되어 있는 프로필을 이용한다. 본 도면은 위상대판의 회절 특성 및 2개의 촛점에 광학적 영상을 나타내는 위상대판의 방향변환능력으로부터 유도된 파효과를 나타낸다. 위상대판의 표면으로 부터 투과되는 광파는 위상대판에 의해 2개의 주요촛점, 제 2차 근촛점 및 제 0차 원촛점으로 유도된다.

제 5도에서 지적한 바와 같이, 제 8도에서 에쉘리트의 깊이가 λ/(η'-η), 즉 단일파장(디자인) 깊이일 경우, 이러한 파장의 모든 입사광은 제 1차 근촛점으로 유도된다. 홀수 및 짝수대의 입사각을 변동시킴으로써, 광은 위상이동되고 위상대판에 의해 하나 또는 그 이상의 다른 촛점으로 유도된다. 제 8도의 경우에, 다른 제 1촛점은 제 0차 원촛점이다.

제 9도는 제 0차 원촛점 및 제 1차 근촛점에서 관찰되는 광의 세기와 전술한 도면들에서 예시된 바와 같은 포물선 프로필을 갖는 에쉘리트의 깊이의 상호관계를 그래프에 의해 입증한다. 제 9도는 에쉘리트의 깊이가 파장(디자인)의 2분의 1이하로 감소될때, 즉 λ/x(η'-η)(여기에서 x는 2이상이다)로 감소될때 입사광중 보다 많은 양이 제 0차에 유도됨을 나타낸다. 깊이가 0에 가까와질때 광강도의 보다 많은 양이 제 0차로 집중되고, 마침내 다촛점특성이 상실된다.

즉, 충분치 않은 광강도가 적어도 2개의 촛점에 유도되어 이들 촛점에 유용한 영상을 제공하며 실질적인 다촛점 렌즈는 불가능하다. 동일한 현상을 에쉘리트 깊이를 증가시켜 관찰할 수 있다. 깊이가 증가할때 비율적으로 보다 큰 양의 광강도가 제 1차 근촛점에 집중된다. 깊이가 λ/(η'-η)에 접근할 때 점점 더 많은 양의 광이 가까운 제 1차에 집중하게 되고, 결국 다촛점 특성을 상실하게 된다. 즉, 광강도가 2개 이상의 촛점에 충분히 집중되지 않게 되어 이들 촛점에 유용한 영상을 제공하지 않으며 실질적인 다촛점 렌즈는 불가능하게 된다.

제 10도는 독특한 프로필 관계 갖는 구경 위상대판의 단면도이며, 코헨렌즈 디자인의 다촛점 렌즈의 작용성에 추가의 통찰력을 제공한다. 제 10도에서 홀수대의 제 3도의 위상대판 프로필의 짝수대로서 간주할 수 있는 것이다. 본 도면에서 홀수대 r₁은 λ/4(η'-η)의 깊이를 가지며, 짝수대는 모두 λ/2(η'-η)의 깊이로 출발한다. 홀수대 r₃이상은 각각 인접 짝수대 r₂이상의 프로필로 연속적인 프로필을 형성한다. 이러한 프로필에서, 제 3도의 위상대판의 프로필이 정확히 하나의 반-주기대에 의해 변형된다.

제 3도의 렌즈에 대한 이러한 변형은 제 10도의 렌즈가 매우 작은 구경내에서 작동하여 백내장으로부터 발생하는 축소된 동공의 감소된 구경사이즈를 조정하는 상대판에 대한 환자의 요구를 만족시키도록 한다. 백내장 환자의 경우에 나타나는 것과 같은 소동공사이즈를 조정할 수 있도록 작은 시각대내에 합리적인 수의 불연속부를 부여함으로써 동공 축소문제점을 해결하는 두촛점 콘택트 또는 IOL 광학장치를 제공하는 것이 가능한 것은 홀수 및 짝수대의 변형을 통해서이다.

제 3도 및 제 6도의 상대판은 제 0차 및 제 1차의 촛점 모두에서 동등한 강도를 나타내도록 디자인되었다. 이들 촛점에서의 광도는 제 12도 및 제 13도의 광도 그래프에 표시된 벡터진폭(vector amplitudes)의 제곱으로서 주어진다. 벡터중 어느것에 적용된 회전(상전이)는 광도에 전혀 영향을 미칠 수 없다. 그러나, 이들 벡터회전은 위상대판 프로필을 이동(변형)에 의해 알 수 있다.

이러한 이점은 후속하는 도면에서 추가로 설명된다. 제 11a도에서 제 10도의 구경 위상대판의 전-주기대를 형성하도록 결합하는 반경이 통상적인 필패턴(fill patterns)에 의해 도시되어 있다. 또한, 제 11b도에서는 제 10도의 구경 위상대판의 홀수 및 짝수대를 통상적인 필패턴에 의해 예시하고 있다.

제 12도는 입사광을 2개의 전-주기대로 제한시키는 구경조리개 및 동등한 광도의 2개의 촛점을 나타내는 촛점 배율에 대한 광도의 상응하는 그래프와 함께 제 3도 및 제 6도의 렌즈를 나타낸다. 이 점에서 광 진폭에 대한 표준벡터표시는 광도그래프에서 각각의 촛점 차수보다 높게 주어진다.

제 13도에 도표화된 바와같이 하나의 전-주기대으로 입사광을 제한되도록 하기 위해 제 12도의 렌즈에 대한 구경조리개의 직경을 감소시킬때, 핀홀 효과 때문에 발생하는 큰 깊이의 시야는 위상대판의 두촛점 특성을 차단시킨다. 제 2의 전-주기대를 제거하는데 있어서, 2분의 1 차수의 영상에서 광 제거 벡터가 제거된다. 생성되는 강도의 엔빌로우프(제 13도의 점선 22)은 간단한 핀홀 렌즈의 엔빌로우프이다.

제 14도는 제 10도의 프로필에 따라 디자인된 렌즈의 단면도를 나타낸다. 제 14도는 입사광을 2개의 전-주기대로 제한시키는 구경조리개 및 동일한 광도의 2개의촛점을 나타내는, 촛점 배율에 대한 광도의 상응하는 그래프와 함께 렌즈를 나타낸다. 그점에서 광진폭에 대한 표준벡터 표시는 광도그래프에서 각 촛점 차수보다 높게 주어진다. 제 14도의 벡터도표는 제 12도의 벡터도표에 대하여 회전된다.

제 15도는 하나의 전-주기대의 구경조리개를 이용하는 제 10도의 위상대판의 광의 분포 및 광도를 나타낸다. 제 15도는 입사광을 하나의 전-주기대로 제한하는 구경 및 동등한 광도의 2개의 촛점을 나타내는 촛점 배율에 대한 광도의 상응하는 그래프와 함께 제 10도의 렌즈를 나타낸다. 제 15도는 구경조리개의 직경이 입사광을 하나의 전전용대만으로 제한하도록 감소될때, 위상대판의 이촛점 특성이 매우 맹백하다는 것을 나타낸다. 제 2의 전-주기대가 제거될지라도, 2분의 1차수의 영상에서 완전히 파괴적인 광의 간섭이 나타난다. 생성되는 강도의 엔빌로우프는 2촛점 위상대판 렌즈의 엔빌로우프를 유지한다.

제 16도는 1988년 7월 20일자 출원된 계류중인 미합중국 특허 제 222,000호에 기재되어 있는 위상대판의 프로필에 대한 단면도를 나타낸다. 이 위상대판의 반복 프로필은 다음식으로 주어진다:

d=D₀·{1/2+½·cos(π·r²/b²)}

동일한 에너지 분해에 대한 마면깊이가 D₀=0.405·λ/(η-1)로서 주어지고, 분해강도는 I₁-I₂=J² ₀(0.405·π)=0.403으로 주어진다.

제 16도는 광로길이(깊이) 0.4 파장 깊이의 블레이즈된 마면을 절단함으로써 배치되는 다촛점 위상대판의 프로필을 나타내며, 여기에서 블레이즈된 마면은 코사인 스텝 프로필을 갖는다. 제 17도는 제 16도에 도시된 위상대판 디자인의 프로필 특성을 이용하는 본 발명의 구경렌즈의 단면도이다. 제 17도는 제 16도의 상대판 프로필을 정확히 반-주기대에 의해 변형시켜 제조한 상대판의 프로필의 일부를 나타낸다. 제 16도에서의 반경 r_K는 반-주기대로 구분된다. 이러한 프로필의 경우 구경조리개의 직경이 감소되어 입사광이 하나의 전-주기대만으로 제한될때 위상대판의 2촛점 특성은 손상되지 않는다.

위상대판 프로필을 하나의 반-주기대로 변형시킴으로서, 2촛점 특성이 전-주기대 만큼 작은 구경조리개에 의해서 조차도 유지된다는 것이 상기에서 밝혀졌다. 이는 이들 환경하에서 나타나는 영상의 질은 구경조리개가 2개 이상의 전-주기대인 경우만큼 우수할 것이라고 말하는 것은 아니다. 본 발명의 렌즈가 개발되기를 요구하는 상태는 통상적인 위상대판 디자인에 의해 조정되지 않는다. 왜냐하면 낮은 구경스톱에서 환자는 통상적인 위상대판 디자인에 의해 모든 2촛점 특성을 상실할 것이기 때문이다. 그러므로, 본 발명은 위상대판이 혼입되는 반송렌즈와 관계없이 통상적인 위상대판 디자인으로부터 얻을 수 없는 낮은 구경조리개에서의 2촛점의 성능수준을 제공한다.

Claims (7)

1. √k 간격에 따라 최소의 교대 스텝된 반복 패턴을 사용하여 빛을 2개 이상의 뚜렷한 초점으로 분해하는 블레이즈된 마면을 갖는 환상동심대, 환상동심대를 포함한 위상대판, 작은 동공 사이즈를 조정하는 위상대판을 포함한 광학성분을 포함하는 광학 장치.
2. 제 1항에 있어서, 성분이 √k에 실질적으로 비례하는 간격을 두고 있는 환상동심대를 포함하는 위상대판, 짝수마면의 광로길이(깊이)의 2분의 1의 광로 길이(깊이)의 블레이즈된 마면을 갖는 홀수대, 및 홀수반경만의 프로필에서의 불연속 점프를 포함한 회절성 2촛점 광학성분을 포함하는 광학 장치.
3. 제 2항에 있어서, 성분이 약 하나의 전-주기대의 구경조리개에 의하여 제한될 때에도 광을 2개의 촛점으로 분해시키는 광학장치.
4. 제 3항에 있어서, 성분이 하나의 전-주기대만큼 작은 구경조리개를 사용할 때에도 2개 이상의 뚜렷한 촛점을 제공하는 다촛점 프로필된 위상대판을 포함하며, 위상 대판이 공식

   

   에 따라 간격을 두고 있는 다수의 환상 동심대를 포함하는 블레이즈된 마면을 가지며, 여기에서 k는 하나의 대이고, 대가 위상대판의 중심축으로부터 위상대판의 주변으로 진행할때 k는 1, 2, 3등과 동일하며, r_k는 반전용 대 반경이고, 대 및 대 반경은 k가 상대판의 중심축으로부터 주변으로 점진적으로 홀수 및 짝수로 변해갈 때 k의 값에 따라 홀수 또는 짝수가 되며, 홀수의 반-주기대의 깊이가 짝수의 반-주기대의 깊이의 약 2분의 1이고, 짝수대 반경 r_k(이 경우 k는 짝수이다)에서의 홀수와 짝수 반-주기대 사이의 각각의 계면이 불연속 스텝을 갖지 않는 연속적인 프로필을 나타내는 광학장치.
5. 제 1항에 있어서, 위상대판 내에 다음과 같은 공식으로 표시되는 반복 프로필을 포함하는 광학장치.

   d=D₀·{½+½·cos(π·r²/b²)}

   (여기에서 D₀=0.405·λ/(η-1)이다.)
6. 제 1항에 있어서, 위상대판내에 포물선의 반복프로필을 포함하는 광학장치.
7. 제 1 항에 있어서, 콘택트렌즈로 사용되는 광학장치.

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