眼用镜片被限定为适合于在眼睛上或在眼睛内部承载的透镜。同样 包括较少的普通视力校正透镜，例如人工角膜和薄片状角膜植入物。对 于以折射或衍射型透镜的形式进行远视力校正的透镜的研发做了显著的 努力。
固定的单光焦度透镜提供好质量的视力，但仅在观察物体距离的小 范围内，该距离通常显著地窄于对于接近于远视力所需的范围。植入物 的改进型提供多个光焦度，通常称为双焦点或多焦点透镜。对于双焦点 或多焦点术语的参考在此可互换地使用。多焦点眼用镜片可以对于所需 的视力范围提供折射光焦度，衍射光焦度或它们的组合。
尽管折射透镜首先被研发，但是它们可以被解释为衍射光学系统的 特定状态，并且解决衍射光学系统定义是更适当地，以便描述折射和衍 射表面类型。衍射透镜通常由多个相等面积的环形表面带构成，通常称 为菲涅耳型带或凹槽。光学台阶提供在相邻的带之间，这些带遵循下面 描述的特定规则。如果台阶尺寸为零或是任意尺寸或者凹槽面积也是任 意尺寸，那么透镜变成折射型，即相应的图像位置由斯涅耳定律限定。
衍射透镜可以考虑为由零台阶尺寸形成的折射透镜的组合，通常称 为基线和相位光栅，见图1。相位光栅可以由带或凹槽形状的不同类型形 成，其中图1所示的闪耀形状是最通常的一种。从而，闪耀形状被切割 为基本的折射表面以引入相位光栅，即光学散射区域的周期阵列。
通过周期结构的沿所有方向的散射光产生以不同但特定角度的光的 相长干涉和相消干涉，其取决于光的波长并被称为衍射级。用于设计相 位光栅的相应波长称为设计波长.
级的方向和相应的图像位置由光栅公式而不是斯涅耳定律限定。零 级衍射光焦度与由基本曲率形成的折射表面的光焦度一致，因此，宽松 地将其称为衍射透镜的折射光焦度。对于光栅进行即形成不同的衍射级 的关键点在于具有菲涅耳带(凹槽)的相同面积和沿每个衍射级的方向 在相邻带的边缘处(OPDb)在相邻带之间的相等光路差。
根据光的波动性，如果光在相应的图像平面内同相，那么来自不同 光栅区域的光的相长干涉发生。如果来自区域之一的光移动了等于设计 波长的整数倍的全部相位，那么相长干涉将保持。例如，零级相应于由 折射基线产生的光的原始方向，即在来自每个相邻闪耀带的光之间的零 相移，第1级由每个相邻闪耀之间的一个波长相移产生，第2级由每个 相邻闪耀之间的两个波长相移产生等等。光栅周期或闪耀带间距确定给 定衍射级的角度，即给定衍射级的相应焦距或衍射光焦度。
通过衍射级的限定，光可以仅沿衍射透镜的衍射级即离散的通道引 导，但是对于给定的衍射级，实际上引导的总的可用光的百分比取决于 由每个闪耀带即闪耀材料厚度(h)引入的光相移，见图1。在给定级处 总光的百分比称为该级的衍射效率。一般地说，可以称为给定级的光透 射率。
根据光栅的“几何模型”，如果由闪耀处的折射限定的闪耀光线的方 向与m级衍射的方向一致，那么m级中100％效率(光透射率)可以实现， ( and Peter P.Clack，Modeling diffraction efficiency effects when designing hybrid diffractive lens systems， Appl.Opt.31，2248-2252(1992))。这简单地意味着选择闪耀材料厚 度以沿对于光的设计波长由闪耀带间距产生的m级衍射引导闪耀光线。
“几何模型”提供衍射透镜结构的简单解释，这在本发明的描述中 是重要的，用于替代依靠相位函数、传输函数及其傅里叶级数的数学来 计算衍射效率并解决强度分布的衍射积分。
例如，如果闪耀光线沿零级和(-1)级之间的中间方向折射，那么 衍射效率在零级和(-1)级之间平分，所得到的闪耀高度在(-1)级处 是100％效率所需的一半。尽管如此，还必须经过计算的正式处理以确定 (-1)级和零级的效率对于相应的衍射透镜结构的设计波长每个等于 40.5％，而余下的光沿更高级的衍射引导。根据术语，可以陈述对于零 级和(-1)衍射级的光透射率每个等于40.5％。
如下所述的选择适当的闪耀间距(rj)和闪耀材料厚度(hm)，可以 产生眼用镜片应用所需的具有适当焦距(fm)的衍射透镜。
在简单的近轴形式中，圆形光栅带，也称为小阶梯光栅或表面减少 轮廓或凹槽，可以表示为公式 $r_j^2=\mathrm{jm\lambda f}$ ，即对于设计波长(λ)的m级 衍射(m＝0，±1，±2，等)的焦距可以精密地近似于下述公式：
$f_m=\frac{r_j^2}{\mathrm{jm\lambda }}---\left(1\right)$
在近轴近似法中，在m级处产生100％效率的闪耀材料厚度是
$h_m=\frac{\mathrm{m\lambda }}{(n-n^{\prime })}---\left(2\right)$
其中n＝透镜材料的折射率，n’＝周围介质的折射率。
衍射表面可以通过不同形状的周期衍射结构，而不仅仅是通过特定 的闪耀形状形成，对于本发明的一般性，术语“凹槽”用作衍射结构的 多种形状的描述。
Silberman的美国专利US 5,096,285描述了一种具有100％效率的 衍射表面以提供单个衍射光焦度，该发明不利用衍射光学系统的主要优 点来使用多个衍射级(零和-1，或+1和-1等)，以减少双焦点眼用镜片 性能的光瞳依赖性。
Morris的美国申请No.20050057720也描述了利用多级衍射表面 (MOD)的衍射100％效率表面，即具有多个波长的相移的边界条件的带， 以提供对于代替仅对于设计波长的波长范围的类似的衍射效率。
Cohen和Freeman是眼用多焦点衍射光学系统的主要发明者，该光学 系统利用多个衍射级以从不同距离处的物体形成图像。Cohen的专利为： 美国专利US 4,210,391；4,338,005；4,340,283；4,881,805；4,995,714； 4,995,715；5,054,905；5,056,908；5,117,306；5,120,120；5,121,979； 5,121,980和5,144,483。Freeman的专利为：美国专利US 4,637,697； 4,641,934；4,642,112；4,655,565，5,296,881和5,748,28，其中US 4,637,697参考闪耀衍射表面以及台阶形状(二元)衍射表面。
其他关于衍射透镜的专利已经授权给Futhey：US 4,830,481， 4,936,666，5,129,718和5,229,797；Taboury：US 5,104,212；Isaacson： US 5,152,788；Simpson：US 5,076,684和5,116,111和Fiola：US 6,120,148和6,536,899。
Swanson在美国专利US 5,344,447中描述了利用二元型衍射表面轮 廓的三焦点透镜。Kosoburd在美国专利US 5,760,871中还描述了具有 闪耀和二元轮廓的三焦点透镜。
许多专利描述了衍射结构的相邻带之间的可变台阶尺寸，以在不同 的衍射级处利用光瞳尺寸控制光透射率：Cohen的美国专利US 4,881,805 和5,054,905描述了通常所说的渐变强度双焦点透镜，其中在相邻带处 的台阶尺寸向周边减少以向零级(远焦点)衍射图像移动光的较大部分， 即利用光瞳直径控制给定级的光透射率。Baude等人的美国专利US 5,114,220公开了一种眼用镜片，其特征在于包括至少两个具有不同相位 分布的衍射元件的同心区域，以便使用衍射的不同级。Lee等人的US 5,699,142通过建议小阶梯光栅高度的特定减少，将类似的概念结合至通 常所说的变迹透镜中，通常称为变迹衍射表面小阶梯光栅高度，以将光 在远和近焦点之间初始平分(每个40.5％的效率)，高度朝向透镜周边减 少以利用较大的光瞳尺寸使光的较大部分朝向远焦点移动，即利用光瞳 直径控制光透射率。Freeman的美国专利US 5,748,282还涉及了可变的 台阶尺寸以利用光瞳尺寸变化控制不同级之间的光强。
美国专利US 5,056,908公开了一种眼用隐形眼镜，其具有相位片和 在相位带区域的周边处设置的在其光学带内的纯折射部分。Swanson的 美国专利US 5,089,023还描述了具有单焦点折射和衍射部分的组合的透 镜，其可以具有双焦点设计。在这两个发明中，无论对于远视力或近视 力，折射部分都与衍射级之一重合。
从而，衍射光学系统提供的优点在于对于光瞳直径独立进行。对于 所引用专利的所有设计所共有的事实在于双焦点衍射透镜缺乏中间视 力。已经示出双焦点衍射透镜证明了在对于远视力和近视力的两个焦点 处的两个不同强度(Golub MA，et al，Computer generated diffractive multi-focal lens.J.Modern Opt.，39，1245-1251(1992)，Simpson MJ.Diffractive multifocal intraocular lens image quality.Appl. Optics，31，3621-3626(1992)和Fiala W and Pingitzer J.Ahalytical approach to diffractive mul tifocal lenses.Eur.Phys.J.AP 9, 227-234(2000))。一些临床报道的中间视力的存在可以归因于给定主体 的视力系统的像差而不是透镜设计本身。
Portney的美国专利US 5,864,374，6,024,447和6,126,286公开 了一种具有增强的焦深的折射单焦点眼用镜片，作为不同校正光焦度的 组合.Simpson的美国专利US 6,923,539还公开了一种显示扩展的景深 的单焦点折射眼用镜片。该专利提供了表面轮廓的例子。
Advanced Medical Optics中的Tecnis多焦点衍射透镜的设计在于 远焦点的非球面表面设置在透镜的前表面上，形成远和近焦点的多焦点 衍射结构设置在透镜的后表面上。Tecnis多焦点设计的目的在于通过减 少利用Tecnis多焦点衍射透镜植入的眼睛的光学像差，在大于4mm直径 的大光瞳处提高远视力的图像对比度。Simpson的美国专利申请号 2006/0116764描述了一种具有非球面表面的非球面多焦点衍射透镜，该 非球面表面用作多焦点衍射表面的基面。在光学上，对于远视力的折射 或衍射基面，哪一个表面被非球面化是没有关系的，因为衍射多焦点结 构与这两个表面的组合所得到的波前相互作用，因此哪一个被非球面化 以用于像差减小是没有关系的。因此，设计结果类似于Tecnis多焦点之 一以校正眼睛像差，结果，提高大光瞳处远视力的图像对比度。Simpson 的美国专利申请号2006/0116764还包括变迹衍射多焦点设计作为附加特 征以控制远焦点和近焦点之间的光分布。
无论Tecnis还是Simpson的设计都没有描述非球面多焦点表面，其 与多焦点衍射设计组合，以扩展远视力处的焦深或提供除了远和近焦点 以外还有的中间焦点。因此，相应的透镜缺乏多焦点眼用光学系统的重 要特征：
(a)中间焦点(例如计算机屏幕的观察)和
(b)对折射错误的低敏感度，因为透镜性能不应当在小透镜未对准 或光焦度计算错误时显著降低。Tecnis和Simpson的设计都由于与眼睛 像差的减少相关的对于远焦点的窄焦深，而对折射错误具有高敏感度。 像差的减少提高图像焦点处的视力质量(图像对比度)，但是与该理想焦 点位置的小偏离快速降低图像质量。这种性能可能适合于近视力，其中 主体可以控制观察物体的距离以对于最好的焦点位置进行调节，但是不 利于远视力，因为小折射错误通常发生，以及其中校正需要眼镜或隐形 眼镜。
在Portney的US 7,073,906中，非球面衍射透镜的多焦点性设置在 衍射带内部的折射带处。“多焦点性”限定为除了远焦点以外还有的中间 焦点的存在或具有包括远焦点以扩展远焦点附近的焦深(DOF)的焦点范 围。本发明对于多焦点性提供到衍射多焦点带的周边。
换句话说，多焦点性从衍射环形带的内部延伸到衍射带外部周边。 因此，根据本发明的方法包括表面衍射结构的计算，以便对于近焦点产 生(-1)级衍射，其与现有技术使用的定义不同。
本发明的目的是提供一种多焦点衍射透镜，其具有提供覆盖远、中 间和近焦点的视力的能力。焦点可以提供覆盖远、中间和近的连续视力。 后者的情况提供类似于通过小孔观察的自然发生的视力，其中一个人可 以从远至近距离连续观察物体但是没有必要具有小光瞳(小孔)，结果， 到达视网膜的光量非常受限。根据本发明的透镜性能的期望是在从远至 近的所有距离处的物体图像的特性自然发生(例如小孔)并利用本类型 的衍射和折射多焦点眼用镜片将通常观察到的虚反射和光晕抑制到最 小。
本发明的相关目的是提供一种在远图像处具有扩展的焦深(DOF)的 多焦点衍射透镜，以便增加对于小折射错误的远视力的容许偏差。这涉 及除了近和远焦点以外还有的中间焦点的引入，其中近和远焦点在现有 技术衍射多焦点光学设计中通常使用。

根据本发明的透镜由前和后表面构成。透镜包括用于产生对于近和 远焦点的多焦点光学系统的多焦点衍射带(衍射结构)和透镜的另一表 面上的多焦点表面，通常称为“相对面”，其包括除了远焦点或包括远焦 点的焦点范围以外还有的中间焦点。本发明的另一实施例包括多焦点衍 射带，其利用衍射结构的多焦点基面产生近焦点，该衍射结构的多焦点 基面产生除了远焦点或包括远焦点的焦点范围以外还有的中间焦点。该 多焦点相对面或多焦点基面包括焦点范围，其包括远焦点，以增加远视 力处的焦深或中间和多个远焦点以便提供光焦度范围或多个离散的折射 光焦度。多焦点相对面或多焦点基面的形式可以是非球面或离散球面， 其增强远视力附近的焦深(DOF)或引入除了远焦点以外还有的中间焦点。
相对面或基面可以覆盖折射表面带，即“相对面”或“基面”的定 义包括一直到直径等于衍射带的周边边缘直径的所有透镜表面。例如， 折射带可以占用透镜的中心部分，而衍射带是围绕它的环带。“相对面” 意味着在与具有衍射带的表面相对的透镜表面上的表面，具有等于衍射 带的周边直径的直径，即通过相对面的光也通过中心折射带和衍射环带。 “基面”意味着中心折射带和与衍射带的基线相关的表面的总表面，即 通过基面的光也通过中心折射带和衍射环带。在光学术语中，结果是多 焦点零级衍射。
通过包括视力的多个光焦度(除了远光焦度以外还有的中间光焦度) 或分散在最佳图像位置周围的焦点，以便增加该最佳图像位置附近的焦 深，根据本发明的非球面表面与相应的球面透镜相比增加像差。本发明 将该非球面表面添加到衍射结构上，以产生除了非球面多焦点光焦度以 外还有的近焦点。
上述两个实施例在结构上不同，但是它们实际上可以对于远视力提 供相同的光学输出，因为无论多焦点结构设置在衍射透镜的基面上或相 对于衍射表面的表面上，它们的多焦点效果是相同的。光学上，衍射结 构与这两个表面(相对面和基面)产生的波前接口以产生多级。从而， 光学上，可以可互换地参考相对面和基面，因为它们一起产生担负多焦 点零级衍射的多焦点波前，其与衍射结构相互作用以对于近焦点产生非 零级衍射(通常-1级)，即可以使用一个面或两个面的组合以产生除了远 焦点以外还有的中间焦点或增强远焦点附近的焦深。注意，这两个表面， 相对面或基面可以在结构上制成多焦点表面，但是这会增加制造透镜的 成本。
按照术语，我们可以将所得到的透镜称为非球面衍射透镜，不管多 焦点结构设置在基面或相对面或两个表面处。
适当设计的衍射结构是产生近焦点作为除了焦点分布以外还有的非 零衍射级(通常-1级)，该焦点通过相对于衍射带表面或衍射表面的基面 产生而作为零级衍射。由于衍射结构的光栅特性是引导光仅沿非零级的 通道，因此所得到的近焦点在光学上可以对于每个衍射级仅作为单焦点， 即衍射结构可以产生对于复杂形式(非球面或多焦点)的近视力的波前， 但是仅非常接近于近焦点聚焦的光形成近图像，余下的光在其它级中传 播，从而减小近图像的效率。它意味着适当设计的衍射结构应当产生中 心在近焦点处的球面波前，其中所有光聚焦到该近焦点以最大化近焦点 效率。本发明的未预期的结果是将适当的衍射结构计算到对于近视力的 最大效率的方法。
多焦点衍射带可以是中心带或环带，其优选在3至6mm的光瞳直径 的范围。
从而，所得到的非球面多焦点衍射带的特征在于衍射结构在非球面 多焦点基面的上方或衍射结构在具有非球面多焦点相对面的球面基面的 上方，或两者的组合。具有多焦点基面和球面相对面通常来说较便宜， 因为代替透镜的两个非常规表面，仅透镜的一个表面变成非常规特定面， 而另一个保持为常规表面，更易于制造。
一种非球面多焦点基面将在下面进行描述，尽管非球面多焦点衍射 透镜可以通过多焦点相对面或多焦点基面或两者的组合产生。利用与衍 射表面的多焦点基面一致的表面构造的相应折射透镜包括在远焦点附近 产生增强焦深的远焦点附近的焦点范围的中间和远焦点。多焦点基面上 方的衍射结构使得所得到的非零级衍射产生波前，其满足零级的多焦点 基面的垂度以沿相应于近焦点的相应的非零级衍射引导光。在优选实施 例中，非零级衍射是(-1)级。
多焦点基面可以使得曲率增加到一些中间光焦度水平，然后减小到 远光焦度水平或者甚至超过远焦点。中间和远光焦度水平之间的改变可 以连续重复许多次或以离散台阶形式，以最小化光瞳直径改变的影响。 结果，零级图像遍布在中间和远焦点。多焦点基面上方的衍射结构将光 引导到近焦点，即多焦点基面和衍射结构的组合产生中心在近焦点处的 球面波前。
引入除了远焦点以外还有的中间焦点或增强远视力的焦深的类似多 焦点面也可以设置在相对于基面的表面上，光顺序通过这两个表面，即 首先通过多焦点衍射表面，然后通过相对表面，或首先通过相对表面， 然后通过多焦点衍射表面。这种衍射结构的计算更加复杂，因为必须考 虑这些表面之间的波前传递。
重要的是说明近焦点球面波前必须是由整个眼睛光学系统产生的最 终波前，即设置在该系统的任何一个表面上的适当的衍射结构必须考虑 所有系统表面以在眼睛光学系统的出口处产生最终的近焦点球面波前。 一些例子如下：(a)衍射结构设置在替换自然晶状体的无晶状体IOL的 后部处，即它是眼睛光学系统的最后一个表面；(b)衍射结构可以设置 在定位在自然晶状体前方的晶状体后部处，即它是中间表面但是其设计 应当包括晶状体的光学贡献以导致对于近焦点的近球面波前；(c)衍射 结构可以位于隐形眼镜的后表面处，角膜和自然晶状体跟随其后，它们 的光学贡献应当考虑在设计适当的衍射结构中以产生对于近焦点的最终 近球面波前。
具有中间和远焦点或增强远视力处焦深的焦点范围的多焦点表面位 于基面的相对面处，所得到的多焦点波前变成通常所说的基本波前，其 干扰衍射结构以在多焦点零级衍射的顶端处产生近焦点。
沿表面的相位改变可以由于零级衍射的多焦点性而非常快速，结果， 根据凹槽宽度的衍射结构例如变得非常窄。透镜可以是其上具有交替的 衍射结构的带组合。例如，折射带可以是在衍射结构的内部或周边。如 果折射带是具有中间和远焦点或焦深增强设计的非球面构造，那么衍射 带可以具有为球面或非球面设计的基面以校正像差。与仅具有远和近焦 点以及远图像处窄焦深的现有技术衍射多焦点透镜相比，这些带一起产 生具有多焦点零级衍射和近焦点(-1)级衍射的透镜，以覆盖透镜的中 间、远和近焦点，并在远视力处具有增强的焦深性能。
根据本发明的一种产生衍射多焦点表面的方法包括：
a)选择多焦点表面的位置(中心或环形)和表面布局(相对或基面)；
b)选择增强远焦点附近的DOF或在中间和远焦点处的表面变化的多 焦点形式；
d)选择衍射多焦点结构的位置(中心或环形)和表面布局(前或后)；
d)计算衍射结构相位系数，其对于选定的增加光焦度产生对于近焦 点的近球面波前，以用作具有多焦点零级衍射的非球面衍射透镜的非零 级衍射。通常(-1)级衍射指定给近焦点。
${\Phi }_{-1}\left(r\right)=\frac{2\pi }{\lambda }[a_{1}r+a_2{r}^2+...+a_n{r}^n]---\left(3\right)$
公式3是在眼睛光学系统的贡献上以它们的垂度贡献的形式计算的 具有相位系数ai的(-1)级(近焦点)相位函数，该系统包括多焦点相 对或基面。所得到的波前应当接近于球面波前以最大化对于近图像的效 率。对于相位系数ai的相应最优化可以通过常规光学设计软件例如Zemax 进行。
e)数字计算产生限定的上述相位系数的第一凹槽形状，其引导100 ％的光到衍射近焦点。凹槽宽度由相位函数模数2π限定，即2π周期的相 位函数循环，其中凹槽高度对于每个相继凹槽降到零，公式4。
$h\left(r_i\right)=\left\{{\left[{\Phi }_{-1}\left(r_i\right)\right]}_{2\pi }\right\}\frac{\lambda }{2\pi (n-n^{\prime })}---\left(4\right)$
其中ri＝具有足够小台阶的径向数值取样，例如5微米台阶。
最大凹槽高度对于(-1)级衍射由公式2，即限定。
对于多级衍射设计，相位函数可以具有模数2πp，其中p＝2，3等。
凹槽的宽度现在不由简单的公式1限定，在该公式1中基本波前接 近于球面形状以产生对于远焦点的单焦点零级衍射。宽度变成由复杂的 波前形状导出，该形状由包括多焦点相对或基面的眼睛光学系统产生；
(f)对于衍射带的第一凹槽选择台阶高度以在多焦点零级衍射和对 于近焦点的(-1)级衍射之间产生所需的光平衡。可以使用凹槽高度计 算的不同方法。本发明描述了一种基于“几何模型”的方法，即由闪耀 光线的方向和相应的衍射效率限定，该衍射效率由严格的衍射理论限定： (1)如果闪耀光线方向精确地在这些级的方向之间的中间，那么对于零 级和(-1)级衍射具有相等的各40.5％的衍射效率；(2)如果闪耀光线 方向与零级或(-1)级衍射的方向一致，那么对于远或近的衍射效率是 100％。图2下面提供了几何模型的图形解释。根据该模型，闪耀光线的 相对方向可以通过公式5转换到凹槽形状：
$h^{\prime }\left(r_i\right)=\frac{S-[T_0\left(r_i\right)-T_{-1}\left(r_i\right)]}{2S}·h\left(r_i\right)=K\left(r_i\right)·h\left(r_i\right)---\left(5\right)$
其中h(ri)根据公式4进行计算；
T0(ri)＝零级衍射的透射率或衍射效率；
T-1(ri)＝近焦点，即(-1)级衍射的透射率或衍射效率；
T0(r)+T-1(r)＝S，其中S在0.81至1.0内。
系数K(ri)作为透射率的标准化系数，换句话说，衍射结构对近焦点 的(-1)级具有100％的透射率。
如果闪耀光线方向精确地在近和远焦点的方向之间的中间，那么S 是0.81，结果，对于近和远焦点具有40.5％的相等效率。如果闪耀光线 方向与零级衍射或(-1)级衍射一致，那么S是1.0，结果，对于远或近 的相应衍射效率是100％。可以将S设置为0.81和1.0之间的常数，如 果闪耀光线角度在近和远焦点的方向之间变化，那么S为0.9。更复杂的 选择是取决于对于给定凹槽位置ri的闪耀光线的实际方向，参考远和近 焦点的方向使S在0.81和1.0内变化：
S＝0.19.X+0.81，其中 $X={\left[\frac{T_0\left(r_i\right)-T_{-1}\left(r_i\right)}{T_0\left(r_i\right)+T_{-1}\left(r_i\right)}\right]}^2.$
(g)(e)和(f)计算的过程对于相继的凹槽重复，直到到达多 焦点衍射带的周边边缘。
附图说明
图1说明了具有形成不同衍射级的闪耀周期结构的现有技术衍射透 镜，光仅可以沿这些级被引导。附图还包括通过由闪耀处的折射限定的 闪耀光线和衍射级的方向之间的关系，对衍射透镜的“几何模型”的描 述。
图2说明了本发明的一部分非球面多焦点衍射透镜，其具有对于零 级和对于近焦点的(-1)级衍射形成多焦点基面的闪耀周期结构，沿这 些级光被引导。衍射结构设置在透镜的后表面处，但是作为不同的实施 例，它可以设置在前表面处。作为不同的实施例，多焦点非球面可以设 置在基面处。图2还包括了通过由闪耀处的折射限定的闪耀光线和衍射 级的方向之间的关系，对衍射透镜的“几何模型”的描述。
图3是根据本发明实现的透镜的优选实施例的平面图，该透镜具有 非球面多焦点衍射中心带；
图4是根据本发明实现的透镜的优选实施例的平面图，该透镜具有 非球面多焦点衍射带作为环带；
图5是图3中描述的透镜的光焦度分布。
图6是图4中描述的透镜的光焦度分布。
图7也是图4中描述的透镜的光焦度分布，但是具有不同的中心带。
图8A和8B是非球面多焦点衍射带的剖面图。
图9是根据本发明实现的透镜的优选实施例的平面图，该透镜具有 多焦点衍射中心带和在它外部的非球面折射带，其包括中间和远焦点。 非球面折射带可以包含增强的DOF形式。非球面多焦点折射带和衍射带 可以位于相同或相对的透镜表面上；
图10是根据本发明实现的透镜的优选实施例的平面图，该透镜具有 为环带的多焦点衍射带和在它外部的非球面多焦点折射带，其具有中间 和远焦点。非球面折射带可以包含增强的DOF形式。非球面折射带和衍 射带可以位于相同或相对的透镜表面上；
图11是其中IOL采用它本身的IOL光焦度分布的例子。光焦度分布 包括近光焦度分布和基本(远)光焦度分布。基面表明覆盖中间和远光 焦度以及被非球面化的多焦点表面。
图12是其中IOL是眼睛光学系统的一部分的眼睛光焦度分布的例 子。光焦度分布包括单光焦度的近光焦度分布和基本(远)光焦度分布。 基面表明覆盖中间和远光焦度以及被非球面化的多焦点表面。
图13说明了对于不同焦点位置的光学传递函数的模数，即通常所说 的通焦点响应(through focus response)(TFR)。TRF曲线表示利用非 球面衍射多焦点透镜的优选实施例的眼睛的图像质量。

图1描述了具有闪耀周期结构50的现有技术衍射透镜10的一部分， 该结构产生用方向20a，20b，20c等表示的不同的衍射级，光仅可以沿 这些方向被引导。附图包括由透镜10折射的输入光线20。它还示出了折 射基线40，其将沿零级衍射20b的方向折射相应于输入光线20的出射光 线。(+1)级衍射的方向由20a示出，(-1)级衍射的方向由20c示出。 理论上，存在无限的衍射级。
图1通过包括闪耀光线30作为相应于输入光线20并被闪耀折射的 光线，包含了对衍射透镜的“几何模型”的参考。由于在基线40和闪耀 结构50处的光线的不同折射角度，因此闪耀光线30的方向不同于0级 衍射20b的方向。角度差由闪耀材料厚度(h)产生。
如果闪耀材料厚度h是零，那么闪耀结构50与基线40一致，透镜 变成纯的折射类型。如果闪耀材料厚度(h)增加以沿衍射的(-1)级20b 折射闪耀光线30，那么透镜变成在(-1)级衍射处具有100％效率的相 衍照片(Kinoform)。图1处的闪耀光线30设置在0级和(-1)级衍射 之间的中间以相等地引导这两级之间的光。严格的衍射理论证明了对于 给定的设计波长，光的最大值40.5％可以沿这两级的每一个被引导，而 余下的光在衍射的更高级之间传播。在目前的多焦点衍射设计中，选择0 级衍射与对于远视力(远光焦度)的光焦度一致，选择(-1)级衍射与 近视力(近光焦度)所需的光焦度一致。
图2描述了根据本发明的具有闪耀周期结构130的一部分衍射透镜 100，该结构产生用方向200a(零级)和200b(更高级)等表示的不同 的衍射级，光仅可以沿这些方向被引导。附图包括由透镜100折射的输 入光线200。它还示出了非球面折射基线140，对于给定的透镜部分，其 将沿零级衍射200a的方向折射相应于输入光线200的出射光线。由于基 线的基本非球面性，因此存在方向的范围。基线的形状使得相应的折射 透镜提高了远焦点附近的焦深。(-1)级衍射的方向用200b示出。
相应的非球面形状可以应用于其他表面，多焦点衍射带的基线可以 是常规的球面形状。在任何一种情况下，如果增强的DOF非球面带设置 在其他表面上或用作衍射带的基线，那么透镜零级衍射形成波前，其增 强远视力附近的DOF或具有中间和远焦点的组合。由于增强的DOF非球 面带的基本非球面性，因此对于零级衍射200a的方向，存在一定范围。
图2包含了通过包括闪耀光线160作为相应于输入光线200并被闪 耀折射的光线，对衍射透镜的“几何模型”的参考。由于在基线140和 闪耀结构130处光线的不同折射角，因此闪耀光线160的方向不同于0 级衍射200a的方向。角度差由闪耀材料厚度(h’)产生。
如果闪耀材料厚度h’为零，那么闪耀结构130与基线140一致并且 透镜变成纯的非球面折射类型。如果闪耀材料厚度(h’)增加以折射闪 耀光线160，那么光在0级和(-1)级衍射之间被划分以在这两级之间引 导光。
闪耀宽度和高度现在不遵循简单的等式(1)和(2)，但是满足非球 面基线的垂度变化以便导致在近焦点附近通过非零衍射级的相长干涉。
图3是根据本发明实现的具有多焦点衍射中心带120的眼用镜片100 的优选实施例的平面图。图3说明了具有球面形状的中心带120，但是其 他适当的形状也可以利用。例如，多焦点衍射带120可以是球面形状或 分段或可变半径。增强的DOF非球面可以用作透镜的其他表面上的多焦 点衍射带的基线，但是利用通过增强的DOF非球面衍射带的光来形成衍 射的多级，即在具有中间和远焦点的非球面特性以及可以成形为在远视 力处增强DOF的两种情况下的零级衍射。
图4是根据本发明实现的具有多焦点衍射带180的眼用镜片150的 另一优选实施例的平面图，该多焦点衍射带180设置在中心折射或衍射 带170的外部。增强的DOF非球面可以用作透镜其他表面上的多焦点衍 射带的基线，但是利用通过增强的DOF非球面多焦点衍射带的光来形成 衍射的多级，即在具有中间和远焦点的非球面特性以及可以成形为在远 视力处增强DOF的两种情况下的零级衍射。
图4说明了中心带170具有球面形状，但是一般而言，它可以具有 对于多焦点衍射带180定位在中心的任何形状。
图5说明了图3中描述的透镜的光焦度曲线，其中基线的光焦度分 布包括远和中间焦点。该光焦度分布可以连续变化，如图5所示，或为 离散的中间和远光焦度的组合。图5示出了在中间和远光焦度范围中的 光焦度之间进行调节的基线光焦度分布。对于中间和远光焦度的光焦度 组合可以具有不同形式，但是具有在远焦点附近产生增强的焦深的结果。 凹槽宽度、高度和轮廓使得相应的波前移动与基线垂度的贡献一起在相 应于近焦点的(-1)级衍射处产生具有基本衍射效率的相长干涉，从而 产生除了通过非球面基线产生的远和中间视力以外还有的近视力。
图6是图4中描述的透镜的光焦度曲线，其中沿中心带的光焦度分 布表示为单光焦度的多种形式或可变的光焦度分布。
图7是图4中描述的透镜的光焦度曲线，其中在非球面衍射环带内 部沿中心带的光焦度分布是变化的光焦度分布的折射带和对于近焦点的 单焦点衍射环带(相衍照片)的组合。
图8A是具有宽度l1和后表面250的透镜150a的多焦点衍射部分的 剖面图。宽度l1是大约从0.4mm至2.5mm。附图说明了连续减少的凹槽 高度h’m，但更一般的，它们可以具有台阶式的高度减少。衍射光学系统 的“几何模型”解释了凹槽高度的减少以便在与远-中间零级和近焦点非 零级相关的衍射级之间引导闪耀光线，从而在非球面多焦点0级和单焦 点(-1)级之间划分光，尽管对于满足远、中间和近焦点的特定透射率 要求的凹槽宽度、轮廓和高度，需要严格的衍射理论来提供完全的定量 解决方案。
图8B是类似于图8A所述的透镜150b的多焦点衍射带的剖面图，其 中两个带都凹陷了深度295，其至少与凹槽高度(h’m)一样深。当衍射表 面可以施压于眼睛组织并变形该衍射表面的形状时，该构造在包含软材 料时特别有用。例如，对于设置在人工晶状体或隐形眼镜的后表面处时， 它们可以与眼睛组织连接并变形凹槽形状。
图9是根据本发明实现的眼用镜片300的优选实施例的平面图，该 眼用镜片具有多焦点衍射中心带320。图9说明了具有球面形状的中心带 320，但其他适当的形状也可以利用。例如，多焦点衍射带320可以是球 面形状或分段或可变半径。折射非球面带330设置在多焦点衍射带的外 部并且在与其相同或相对的透镜表面上。
图10是根据本发明实现的眼用镜片350的另一优选实施例的平面 图，该眼用镜片具有设置在单光焦度的中心折射或衍射带370的外部的 多焦点衍射带380。折射非球面带360设置在多焦点衍射带的外部并且在 与其相同或相对的透镜表面上。折射非球面带360设置在多焦点衍射带 的外部并且在与其相同或相对的透镜表面上。
图11是其中IOL采用它本身的IOL光焦度分布的例子.光焦度分布 包括近光焦度分布和基本(远)光焦度分布。零轴位于根据调制传递函 数限定为最佳图像质量的最佳远焦点的光焦度处。垂直轴以IOL屈光度 或通常所说的限定在IOL平面处的减小屈光度进行标度。
特定例子的镜片由PMMA构成，具有半径12.3mm的球面前表面，0.8mm 厚度和非球面多焦点后表面。该非球面多焦点后表面由三个非球面带构 成：(1)1.5mm直径的折射非球面中心带，(2)具有3.8mm周边直径的衍 射非球面环形带，和(3)6mm周边直径的折射非球面带。
每个带由标准的非球面格式描述：
$z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{(1-c^2{r}^2)}}+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8+A_{10}{r}^{10}$
其中z(r)＝表面垂度；r＝与透镜中心的距离；c＝1/R＝表面顶点曲率(R＝ 表面顶点半径)；Ai＝非球面系数。
表1：基面带参数

衍射结构设置在第二带内以产生除了基面的远和中间光焦度以外还 有的近光焦度。近光焦度分布通过增加光焦度在基本光焦度之上升高并 在3.1D和3.7D范围内扩展。衍射结构的凹槽宽度在内部带直径处为大 约0.17mm，在周边处为大约0.08mm。凹槽半径平方不遵循公式1的线性 函数。按照以弧度测量的衍射结构的公式3，衍射系数为：
α1＝0.191405；α2＝18.525067；α4＝1.783861和α6＝-0.290676
图12是其中IOL是眼睛光学系统的一部分的眼睛光焦度分布的例 子。IOL与图11描述的相同。零轴位于根据调制传递函数限定为最佳图 像质量的最佳远焦点的光焦度处.垂直轴以在角膜平面处的屈光度进行 标度。相应屈光度光焦度的倒数限定对于观察物体的距离，单位为米。 眼睛系统利用一般的角膜表面实现：顶点半径7.8mm、圆锥常数-0.21的 前表面，和半径6.5mm、圆锥常数-0.23的后表面。
利用上述IOL的光焦度分布的显著结果是近光焦度通过对于近观察 的2.78D的单光焦度表示，即在离眼睛0.36m～14”附近的近物体能够 焦点对准。近光焦度分布的单水平指出衍射结构产生球形波前，以引导 所有对于近焦点的通过结构指定的光，从而最大化近焦点效率。解释在 于衍射结构与总光学系统的波前的相互作用使得它产生对于近焦点的球 形波前。考虑远焦点时，基面的多焦点结构导致中间焦点和远焦点处的 宽的焦深。
图13说明了对于不同焦点位置的光学传递函数的模数，即通常所说 的通焦点响应(TFR)。TRF曲线表示按照图12和按照以下的表2中其变 迹衍射双焦点带的透射率函数，利用非球面衍射多焦点透镜的优选实施 例的眼睛的图像质量。
半径在0.75mm和1.0mm之间的环形带的衍射结构用于近视力，因为 100％的光透射到近焦点。衍射双焦点带占用1.0和1.9mm半径之间的宽 度。设计包括凹槽变迹法，其由远和近焦点的透射率限定：
T＝T0·(1-T1·r-T2·r2-T3·r3-T4·r4)。
表2
  效率/透射率   T0   T1   T2   T3   T4   远焦点   2.508375   3.010962   -2.98324   1.074313   -0.13188   近焦点   -16.4189   3.593128   -4.31017   2.167969   -0.3942
从而，在衍射双焦点带中的凹槽变迹法使得它以具有沿与近焦点相 关的衍射级引导所有光的高度开始，然后高度减小以产生表2描述的透 射率，直到到达接近于零以沿与远焦点相关的衍射级引导所有光。
优选非球面多焦点衍射透镜的TFR与其中光在远和近焦点之间平分 (对于设计波长的每个焦点处40.5％，而余下的光分布在更高的衍射级 之间)的多焦点衍射透镜的TFR对于3mm的透镜孔径相比。通过证明除 了提高的近和远视力能力以外还有的中间视力能力以及宽的焦深以减少 对小折射错误的灵敏度，曲线说明了优选非球面多焦点衍射透镜超越多 焦点衍射透镜的显著优点。
本申请要求于2006年5月8日提交的美国临时申请S.N.60/798,518 的优先权，该参考申请的整个内容在此包含作为参考。