梯度折射率透镜

本发明涉及光焦度从视远光焦度到视近光焦度连续递增的光学制品，如光学 透镜和半成品透镜毛坯，具体地说，本发明涉及降低不希望的边缘散光的折射率 梯度递增的多焦点透镜和没有限定正区域的宽的模糊混合区的梯度折射率双焦点 透镜。

商用多焦点透镜有多种材料制成，通常是由塑料或玻璃制成。这些透镜具有 不同的形式和尺寸，可以是有分界线的、混合的或递增的形式。在这些形式中， 需要近视力校正者多年来一直使用有分界线的双焦点透镜。在使用玻璃的情况 下，有分界线的双焦点透镜通过熔融制成，在使用塑料的情况下通过模塑制成。 在任一情况下，双焦点部分的分界线都是明显的，表示具有视远光焦度和视近光 焦度的透镜或半成品毛坯的视近和视远光学部分的连接。Bugbee(No.1,509,636 美国专利)、Meyrowitz(No.1,445,227美国专利)和Culver(No.2,053,551美国专 利)公开了熔融的有分界线双焦点或多焦点透镜。虽然有分界线双焦点透镜已经 成功地使用了多年，它们也具有几个不足之处。首先，分界线非常明显，因此从 美观角度上看不够吸引人；其次，当从远到近或从近到远看物体时，所述分界线 产生模糊；第三，当从远到近再回过去看物体时，存在焦距的突然变化。根本没 有提供中间光焦度(焦距)的光学区域，除非使用有分界线的三焦点透镜。

混合式双焦点透镜是这样的双焦点透镜，如WO82/03129中所公开的那样， 它在视近焦点和视远焦点的光学区域之间保持清楚的分界，但是使分界线十分不 明显。混合试双焦点透镜试图解决有分界线的双焦点透镜美观上的不足，但是在 解决这一不足的过程中产生了这样的问题，即当从远到近再回过来看物体时，产 生一个宽的混合的模糊区，除非提供一个中间视力。

递增式透镜是这样一类双焦点透镜，随着从远到近校正的光焦度变化的递 增，它产生从远到近再回过来的光焦度的递增视力过渡。递增式透镜代表了解决 上述问题的一种尝试。虽然递增式透镜解决了有分界线的双焦点透镜或混合式双 焦点透镜的几个不足之处，但是它们需要在光学设计中作出其化折衷处理，这些 折衷处理影响光学透镜的视觉功能，即如下面将讨论的那样。递增式透镜的分界 线是看不到的，而且提供从远到近光焦度的自然过渡。

制造递增式透镜的方法已经公开，例如Harsigny(美国专利No.5,448,442)、 Maitenaz(美国专利No.4,253,747)、Maitenaz(美国专利No.3,687,528)、Cretin et al.(美国专利No.3,785,725)、Maitenaz(美国专利No.3,910,691)、Winthrop(美 国专利No.4,055,379)、Winthrop(美国专利No.4,056,311)、Winthrop(美国专 利No.4,062,629)。然而，这些透镜的设计固有某些不足之处。第一个不足之处是 只有大约宽为3-8mm的相当窄的视力带作为子午方向上两个想象的分界线之间的 间隔，所述分界线的特征是散光度为+/-0.50屈光度或更大。该视力带代表焦距 从远到近的递增过渡区，使得人在一定程度上能自然地从看远到看近，而不经历 有分界线的双焦点透镜的光焦度突然变化。第二个不足之处是递增式透镜只能提 供宽为22mm或更窄的相当窄的视力带。第三个主要不足之处是由于递增光学设 计的本质产生的不希望的边缘散光。不希望的边缘散光使用户产生很大的视觉变 形。生产者对限制不希望的边缘散光以改善视力性能感兴趣，从而提高他们的不 同产品被接受的程度。实际上，所有的递增式透镜设计需要在使透镜具有最宽的 视力区、最少的不希望的边缘散光和最宽的正光焦度区域方面进行折衷。第四个 主要不足之处在于使患者适当地佩戴递增式透镜是困难的；第五个不足之处是这 些设计允许的佩戴误差小。

为解决上述的关于具有分界线的、混合式的、三焦点的和递增式多焦点透镜 的固有问题已经进行了许多尝试。然而还没有发现其他更经济可行的办法。Frieder (美国专利No.4,952,048)和Frieder(美国专利No.4,869,588)公开的眼用透镜设计 指出了这些不足之处中的几个，但是由于制作上的困难和从中等到更高光焦度区 域的外形不够美观，没有提出令人满意的解决方案。虽然这些专利公开了在从+ 1.75至+3.00屈光度的中等到更高光焦度区域有几个改进了特征的透镜，但是该 透镜使形成视近光焦度区域边缘的前(凸)表面向前凸出，这样在过渡区的两面 都产生明显的光学变形。这一特征将大大降低它的商业吸引力。而且，制作上的 困难也使得这一透镜在商业上是不可行的。

Maeda(美国专利No.4,944,584)公开了使用部分固化的第一基质层的梯度折 射率透镜。加入第二非固化的树脂层，并在固化过程中在第一层和第二层的折射 率之间产生具有连续变化之梯度折射率的第三扩散层过程中，在这两层之间产生 扩散。为了获得这一扩散层，把装有第二层的组件在特定的温度下加热20-26小 时。从商业角度看，固化形成扩散层所需要的时间使得这一方法不具有吸引力。 而且，众所周知Maeda所公开的方法包括去掉部分固化透镜或半成品毛坯的模 具，所以会产生合格低的问题。因此，虽然理论上可以达到Maeda三级连续变化 的梯度折射率扩散层，但实际的制作困难可能降低质量，使得Maeda不能获得商 业上成功。

除了上述的关于双焦点和多焦点透镜的缺点以外，这些透镜形式也比单个等 效视远光焦度的远视透镜厚，因为需要在正光焦度区域附加正光焦度。这一附加 在透镜前表面的厚度将影响它的美观和增加透镜的重量。已经提出了几个解决这 一问题的办法。

Blum(美国专利No.4,873,029)描述了使用其上形成有所需之多焦点部分的预 成形晶片并将不同折射率的树脂层加到预成形晶片的表面上。在这一方法中，模 压过程中耗用预成形晶片，使预成形晶片最终形成透镜的一部分。虽然这种方法 制成的透镜从美观上有所改进，但是处理过程需要许多衬垫以及后凸球面的和复 曲面的模具。这些模具最终形成完成透镜的凹面。而且，由于需要折射率明显地 不一致，又缺少不同材料折射率间的过渡，所以使用这一方法双焦点或多焦点区 域并非不可见的。

许多专利公开了梯度折射率的双焦点、多焦点或渐增透镜形式，例如Dasher (美国专利No.5,223,862)、Maeda(美国专利No.4,944,584)、Yean(美国专利 No.5,258,144)、Naujokas(美国专利No.3,485,556)、Okano(美国专利 No.5,305,028)、Young(美国专利No.3,878,866)、Hensler(美国专利No.3,542,535) 以及Blun(美国专利No.4,919,850)。然而，梯度折射率的多焦点眼用透镜作为 商业产品到目前为止还没有获得成功，这是因为化学上、技术上、制造上以及成 本的限制。

Soane在No.PCT/US93/02470欧洲专利申请中公开了在光学晶片预型件的后 凹面上制造具有双焦点和散光区域的多焦点透镜。Soane公开了使用具有正确曲率 的适宜的后凸面模具，把具有不同折射率的树脂材料从光学晶片预型件上固化到 光学晶片预型件的后面。然而这一方法需要光学预型件有许多预留量。

从上面可以看到，需要一种改进的多焦点透镜，这种透镜使得使用者在由远 有近观察时具有宽阔而且自然的视力增长，同时基本上免受不希望的边缘散光的 影响，具有宽的过渡区，需要的预留量it(元件保留部分)，而且要求相当的宽 松，患者便于佩戴。此外，需要具有与相同的视远要求的单一视力透镜大体相同 厚度的渐增的多焦点透镜，而且从美观上几乎看不出来。另外还需要一种减少处 理时间的制造这种光学制品方法。

本发明为解决现有技术的这些和其他不足，提供了一种光学制品，如合成梯 度递增折射率的多焦点预型件、透镜或半成品透镜毛坯，以及简单、快捷和经济 的生产复合梯度递增折射率的多焦点预型件、透镜或半成品的方法。所述光学制 品例如透镜，包括由至少三种不同膜层复合结构，所述三种不同膜层包括可以为 表面凹陷或隆起的厚度可变区域的基质层、过渡区和外层。这种复合结构的每一 层是分开加上的，并粘和在邻近层上。而且，每一层都有各不相同的折射率，当 由远及近观察时使得递增多焦点透镜具有宽的和自然的递增视力。介于基质层和 外层之间的是由至少一个过渡层构成的过渡区。过渡区的有效折射率介于基质层 和外层的折射率之间。最好，有效折射率大约为基质层和外层的折射率的几何平 均数。此外，本发明的透镜基本上免受不希望的边缘散光的影响，具有宽的过渡 区，对于患者佩戴误差要求宽松并容易佩戴，而且看不到分界线，外形美观。

此外，本发明大大降低了光学预型件必须的预留量。例如，假设正光焦度为 +1.00至+3.00屈光度，球面光焦度为+4.0至-4.0屈光度，柱面光焦度为从平 面至-2.0光焦度，右眼和左眼透镜的三级基本曲线；并且假设散光光焦度如Soane (PCT/US93/02470)所公开的一样，加在光学预型件的凹面上，那么对于每种材 料需要的预留量如下：

1.对于双焦点透镜，根据180不同的散光度、三级基本曲线、两眼的偏心、9个 双焦点正光焦度和一种材料，需要与预型件的差值为9,720，用于散光双焦点校 正；以及

2.对于单一视力透镜，根据180不同的散光度、三级基本曲线和一种材料，需要 与预型件的差值为-540，只用于散光校正。

这样，在Soane的例子中，除了每一sku所需要的预留量外，总共还需要与预 型件的差值为10,260。相反，根据180不同的散光度、三级基本曲线和一种材料， 本发明只需要540sku和三对模具。而且，Soane需要使用许多衬垫和模具，也不 能制造出与本发明美观上同样看不到分界线的双焦点或多焦点区域，因为需要折 射率明显不一致，又缺少不同材料折射率间的过渡。

图1是根据本发明的光学预型件的截面图；

图2是具有过渡层的光学预型件的截面图；

图3是位于模具上的光学预型件的截面图；

图4是贴着外层的模具的截面图；

图5是根据本发明的光学制品的截面图；

图6是本发明的另一实施例的截面图。

图1描述了一个基质层，它是光学预型件10，包括球面和散光的质量要求， 由折射率为1.49的材料制成，具有改形区域20的球形凸面，该区域20通过机械 方法改形，大体形成递增多焦点区域的边界的表面凹陷。改形区域20可以形成在 凹面和凸面中之一上。然而，在本实施例中，这一改形在凸面上进行。散光曲线 或复曲面30位于凹面一边。为此，选择适当的复曲面光学预型件，并转到所需的 特定要求的适当散光轴而且在前凸表面的相对于所需要的散光轴的正确方向上进 行光学改进。不仅改形区域20考虑所需要的散光轴，而且对于右眼和左眼中的每 一个的适当位置和不同的离心位置也需要考虑所需要的散光轴。

虽然，为了描述的目的公开了表面的机械改形，但是应该明白，任何对表面 几何形状产生所需改形的方法都是可行的。例如，仅仅作为举例，表面凹陷可以 通过许多方法完成，包括模压、焙烧、刻蚀、研磨、烧蚀及铸造。获得凹陷表面 的方法除了与预型件的成分有关外，一定程度上还与预型件的固化条件有关。例 如，为了研磨预型件，通常预型件应该处在整体固化或硬化条件下。

改形区域20形成在光学预型件10上，以便产生表面凹陷，该表面凹陷通常 形成递增多焦点区域的边界。所需凹陷的几何形状可以使用已知的与折射率有关 的光学公式计算。通常，nd＝n1d1+n2d2，其中n是透镜的整体折射率，d是透 镜的厚度，n1是光学预型件的折射率，d1是光学预型件的厚度，n2是附加层的折 射率，d是附加层的厚度。任意点的光焦度通过该点的整体或有效折射率确定， 该点的有效折射率进而由该点处自表面轮廓到凹陷或洞的深度(凹陷深度)和填 充该洞的固化树脂的折射率控制。

一旦完成改形并获得所希望的表面形状以后，除了根据光学预型件的材料， 还根据改进方法，通过剖光、表面铸造、或本领域其他的已知方法对新成形的 表面进行进一步的改形，以使粗糙的表面平滑。在最佳实施例中，机械成形的表 面通过机械研磨获得粗糙的表面。如图2和4所示，然后把树脂薄膜加到包括改 形区域20的光学预型件10的整个凸表面上，以便形成包含过渡区45的过渡层 40。在另一实施例中，过渡层可以只加到预型件10的至少包括改形区域20的一 部分上。

适合于光学预型件的材料通常可以包括烯丙基、丙烯酸酯、异丁烯酸酯、苯 乙烯酯和乙烯基的共聚物，使玻璃过渡区的温度大约在50℃和200℃之间而且折 射率大约在1.44和1.56之间。例如，这样的材料可以包括聚合二乙烯基双烯丙基 碳酸酯、聚合双酚A碳酸酯以及苯乙烯-羰基-二丙烯酸双酚A碳酸酯-羰基-二甲丙 烯酸双酚A碳酸酯的聚合物。

过渡区的材料通常可以包括烯丙基、丙烯酸酯、异于烯酸酯、苯乙烯酯和乙 烯基的共聚物，使玻璃过渡区的温度大约在50℃和100℃之间而且折射率大约在 1.52和1.65之间。例如，这样的材料可以包括聚二丙烯酸甲醛-羰基-二丙烯酸乙 氧基双酚A碳酸酯-羰基-糠基丙烯酸酯的聚合物。

过渡层40的折射率被故意制成与预型件10和随后加上的外层50的折射率不 一致，以便取得所得梯度折射率的过渡中点。使用这种技术是为了使得递增多焦 点区域尽可能看不出来。此外，当过渡层40加到预型件10上时，可使预型件10 的表面易于与下一个要加的树脂层粘和，而且能够大大消除表面的凸凹不平，这 些凸凹不平在加上另一树脂层后可能仍然存在而且是可见的。

虽然将过渡层40的折射率形成为使截面的内反射最小，可以使用利用不同的 表面改形技术的其他实施例，或由不同的材料制成的预型件；或者可使膜层的折 射率形成为更接近光学预型件的折射率或者要加上的下一个树脂层的折射率，或 者根本就不需要。如图6所示，本发明的另一个实施例可以具有一个以上的附加 过渡层40，在部分或完全固化完成每个膜层以后，这些过渡层彼此叠罗在一起。 每个过渡层40具有不同的折射率，以便这些膜层选择地形成过渡区45，该过渡 区45的折射率近似为光学预型件10和外层50的几何均值。具有折射率近似为 几何平均值的过渡区使得过渡区的折射率更平缓，这样所形成的多焦点区域更不 明显。虽然过渡区的折射率应该近似为几何平均值，但是+/-.03的偏差也可以得 到满意的结果。

适合于外层50的材料通常可以包括烯丙基、丙烯酸酯、异丁烯酸酯、苯乙烯 酯和乙烯基的共聚物，使玻璃过渡区的温度大约在60℃和225℃之间，折射率大 约在1.56和1.70之间。例如，这样的材料可以包括二丙烯酸乙氧基双酚A、二甲 丙烯酸乙氧基双酚A、二丙烯酸乙氧基14-二溴-双酚A、双(4-丙烯乙氧基羟苯基) 氧化膦、1，4-二乙烯基苯、二溴苯乙烯以及乙烯基咔唑。

在本发明的其他实施例中，可以在基质层和过渡区之间加一个或几个附加树 脂层。而且，附加树脂层可以加在过渡区的过渡层之间或者过渡区与一个或几个 外层之间。这一个或几个附加树脂层应具有足以与相邻层匹配的表面能，以便树 脂能够为下面的膜层提供所需程度的保护。

虽然最佳实施例中的过渡层40是刷上去的，但也可以采用本领域的其他公知 技术形成膜层。例如，可以使用旋转镀膜、浸渍镀膜、喷涂镀膜或其他技术。

一旦使过渡层40加在光学预型件10的凸表面上，最好使过渡层40部分固化。 可以在无氧或有氧的情况下利用适当的接触剂、大气环境及固化源，使用任何公 知的固化方法，包括热固化、UV固化、可见光固化、或者这些方法的结合完成 固化过程。在最佳实施例中，过渡层40在无氮的氧气环境中利用大致位于250- 400nm范围的紫外光进行部分固化。然而也可以在无氮的氧气环境中使用大致位 于400-450nm范围的可见光进行。当使用UV光源固化时，可以快速制成光学制 品，因为可使过渡层的固化时间短于5分钟，通常不会超过1小时。

如图3和4所示，一旦在光学预型件10上形成改形区域20，获得期望的表面 形状，并加上了期望的过渡区45，则具有过渡区45的光学预型件就为给它加外 层50作好了准备，最好通过把树脂浇铸在过渡区45内形成所述外层50。使外层 50形成为折射率与光学预型件10的材料差别很大。在最佳实施例中，凸面外层 50的树脂形成为折射率大致为1.66；光学预型件10材料的折射率大致为1.49；过 渡层40的折射率是大致为1.57的常数。这样，把折射率为1.66的凸面外层50以 树脂浇铸在折射率为1.574的凸面过渡层40上，所述过渡层40附加在折射率为 1.49的光学预型件10上。本例中最好使用单独一种视力的球面的模具60进行， 选择球面模具60是为了在具有过渡层40的光学预型件10上浇铸，形成期望的外 凸面曲率。如果将光学预型件10的凸面曲率设计成非球面，则为浇铸外凸表面而 选择的适当单独一种视力模具将是非球面而不是球面。该外凸面曲率将控制所期 望得到的视远光焦度。形成浇铸层的适当技术已经在下列专利中公开，Blum(美 国专利No.5,178,800)(“800”)、Blum(美国专利No.5,147,585)(“585”)、 Blum(美国专利No.5,219,,497)(“497”)和Blum(美国专利No.4,873,029) (“029”)，而且使用单独一种视力的模具。作为参考把这些专利的内容编入本 说明书。这些技术也可以从Innotech.Inc.买到，采用它的ExcaliburSurfaceCasting 系统。

用于浇铸外层50的模具60可以由任何可用的适合于正确固化的材料制成。 仅为举例而言，可以使用电铸成形的镍、玻璃、或者易处理的塑料模具。在固化 处理之前，用于浇铸外层50的树脂可以分散在模具60中、分散在模具60和预型 件10之间的空穴70中，或以包含在模具60上的部分固化聚合层的形式提供或者 附着在光学预型件10上。在由部分固化聚合层制成外层50然后固化的实施例中， 可将形成折射过渡区45的一个或者几个过渡层40附着在部分固化的聚合外层50 上。在这种情况下，部分固化的聚合层和附着的折射过渡层40经固化形成在光学 预型件10上。虽然最佳实施例在光学预型件上浇铸外凸面曲率时没有使用衬垫， 但是在某些实施例中可以使用衬垫。

当过渡区包括多个膜层时，选择每个膜层的折射率，使过渡区的折射率近似 为预型件和外层的几何平均值。仅为举例而言，如果预型件的折射率大约为1.50， 外层的折射率大约为1.70，过渡区中三个过渡层的折射率随着膜层从预型件到外 层可以依次大约为1.54、1.60和1.66。

过渡区45由不同的而且是分别加上去的一个或几个膜层构成，其中每个膜层 具有不同的折射率，并被选择成使过渡区45的折射率为中间值，大致为光学预型 件10和外层50的折射率的几何平均值。通常在整膜层中过渡区内每个过渡层的 折射率为常数。

在固化的过程中，除了表面浇铸(Surface Cast)的树脂外层50以外，部分固化 的过渡层40也固化到期望的程度，形成梯度折射率递增的多焦点光学透镜或者半 成品。在最佳实施例的情况下，折射率大约从1.40到1.66梯度变化，每种材料的 不同厚度通过下列因素确定，即改形光学预型件的凸表面几何形状、光学预型件 的凹球面及散光表面形状以及单独一种视力的球形凹面模具的表面，其中所述模 具在改形而且美观的光学预型件的凸面上形成期望的外凸面曲率以便获得期望的 光焦度。Innotech公司的SurfaceCasting商业产品通常以如下方式加以表面膜层， 即使得期望要求的视远光焦度基本不改变。然而，在本发明中，可以限制也可以 不限制外层使得视远光焦度基本不变。而且，与Innotech公司的商业表面浇铸 (SurfaceCasting)技术以及“800”、“585”、“029”和“497”专利公开的技 术不同，本发明的递增附加多焦点区域不是采用多焦点模具加上去，而是由于光 学预型件10的变化的表面形状以及梯度折射率形成的，这些是通过把球面或非球 面浇铸到变化的表面形状上，该表面形状变化是特别为引起梯度折射率的不同变 化厚度而改变的。

参考图5，一旦完成浇铸过程以后，就把合成的梯度折射率递增多焦点透镜 100从模具60上取下。新形成的合成透镜100可以采用本领域的现有技术在模具 内或模具外进行后续固化。

本发明的方法可以用于制造光学预型件、光学透镜以及光学半成品。如果需 要，用来形成任何一个以及所有膜层的树脂可为彩色的，只需具体的膜层具有适 当的折射率。此外，虽然在描述的最佳实施例中使用树脂形成膜层，但是应该理 解，合成的膜层也可以由玻璃或者树脂与玻璃组合形成。

新形成的合成透镜100的外层可以是使用光学工厂的任何方法处理的表面， 包括应用防反射膜层、防刮痕膜层、着色层、彩色照相膜层或者彩色照相浸渍技 术、防油污膜层等等。而且，也可以把不同膜层在模具中变化作为制造过程的一 部分，而不是在透镜或半成品造成以后进行。

本发明提供了双焦点正透镜和左右眼的期望偏心，并且建立了正确的光学复 曲面光轴。最好通过改形光学预型件的凸表面得到这些结果。在本发明的其他实 施例中，光学预型件几何形状的改形可以通过采用与改形凸表面相同或相近的方 法改进凹表面完成。在这种情况下，光学预型件的表面改形以及浇铸可以在光学 预型件的凹表面上进行，而不是在光学预型件的前表面上进行。

在某些其他实施例中，光学预型件表面形状的改形可以在某一深度和几何尺 寸内，并与具有期望的适当表面的模具的双焦点或多焦点区域对准进行。这样做 不仅形成适当的外表面曲率，而且完成的双焦点或多焦点区域范围内形成附加限 定的几何形状。通过使用这一方法，可以使用折射率差值小于最佳实施例中所用 材料的折射率更小的材料。