强度递增式相位片双焦点镜片

一种在其镜片带中含有一个以上相位片的眼用接触式镜片。

本发明涉及相位片光学结构的改进，它包括接触式镜片和眼内镜片。本说明书和权利要求书中所使用的“相位片”一词是指镜片的一个整体光学部位，它采用一个带片及各带中的光学小刻面的组合，该组合对光进行衍射，由此产生一个特定波阵面，该波阵面使光在带片的各级焦点（例如0级、1级等）上具有特定的强度分布。

本发明涉及接触式镜片，特别涉及到采用诸如相位片双焦点镜片和利用同心环形带的“调谐”菲涅耳镜片等相位片光学结构的接触式镜片，这类镜片通常采用诸如阿伦L。科恩在美国专利No.4，210，391、No.4，338，005和No.4，340，283中所介绍的设计，上述的科恩镜片设计产生的环形和同心带的半径“rn”大体上与 $\sqrt{n}$成正比，且将该带进行刻划，以便将光引到一个以上的焦点上（以下称“科恩镜片设计”）。

带有相位片光学结构的科恩镜片设计能使镜片的结构特别薄。接触式镜片可设计成带有相位片光学结构，以获取双焦点或多焦点效果。相位片特有的颜色性能可结合到具有多焦点性能的接触式镜片设计中。

对多焦镜片还要求其具有改变通过镜片的光的强度以适应瞳孔扩大的设计能力。众所周知，瞳孔能在3至6毫米范围内变化，这视其周围环境的照明情况而定。我们总希望能根据配戴者的需要改变光 能在远焦点和近焦点之间的分布。举例说，在暗淡的照明情况下，接触式镜片的配戴者在驾驶汽车时会进入典型的远距离观察状态。这时希望有一个能适应该情况的接触式镜片。与此相反，配戴者可能力图最大限度地将视线调到镜片的近焦点上，同时要求能有适当的光强供远距离观察之用。总之，希望能有一个能侧重于满足配戴者要求或光强的镜片。

现在参看图1和图2来说明光强问题的性质。图1中画出的镜片部分是半波双焦点相位片的一部分的横剖侧视图，它所带有的小阶梯光栅的深度h由下式确定：

h＝w/2（n′-n）

其中，w＝光的波长

n′＝接触式镜片的折射率

n＝眼睛泪层的折射率

图1中，光a0和a1的单个振幅是由单个小阶梯光栅E形成的。从图1中还可以看到光A0和A1在0级和1级衍射焦点处所形成的总的合成振幅。在比例中，矢量a0和a1的平行性质表明光的强度等分于两焦点之间。在0级和1级衍射焦点处的强度以下式表示：

I0＝sinc2（1/2）

〔0级衍射焦点处的强度〕

I1＝sinc2（1/2）

〔1级衍射焦点处的强度〕

当矢量a0平行于矢量a1时，不需要双焦相位片将入射光在两衍射焦点之间等分，如图2所示，其中双焦相位片部分所具有的小阶梯光栅深度d用下式表示：

d＝ah

其中，h＝w/2（n′-n）

0＜a＜2

在图2所示的情况下，光强没有在两焦点之间等分。本实例的0级和1级衍射焦点处的强度由下式求出：

I0＝sinc2（a/2）

〔0级衍射焦点处的强度〕

I1＝sinc2（1-a/2）

〔1级衍射焦点处的强度〕

在该情况下，光A0和A1的振幅产生相移，以平行于由半波双焦点相位片所产生的非垂直排列振幅。相移e由下式求出：

e＝（1-a）π/2

尽管这些当前的发展是对本技术领域的重大改进，但仍需要改善镜片适应瞳孔直径变化和偏心的能力。希望能使科恩设计的镜片的双焦性能具有这样的性质，即它能与人眼的瞳孔（在近视时通常是收缩的）相协调将聚焦光从远点转移到近点。

已经确定，带有相位片光学结构的接触式镜片会给配戴者带来一些问题。一个问题是眩光，眩光来自构成相位片的环形配置的小阶梯光栅之间各阶梯的非光学边缘，并且通过波的干涉作为恼人的强光出现在接触式镜片配戴者的眼前。

另一个潜在的问题是由以下原因引起的：（ⅰ）要求软接触式镜片贴附在角膜上时具有足够的活动性，以使泪液可以互液，从而将眼睛代谢所产生的废物从眼睛表面清洗掉;（ⅱ）软镜片在配戴过程中不能充分运动，所以不能以满足前面要求的活动性。

在软接触式镜片中科恩镜片设计的环形带片结构里设置多个焦点菲涅耳小阶梯光栅必然会限制镜片的活动性。然而又希望在这类镜片的设计中引入足够的活动性，以便使镜片在配戴过程中能够有大约0.5至1毫米的活动能力。这样可提高镜片处理在其底部形成的代谢废物的能力。

本发明的另一个特点是在上述科恩专利的环形结构中形成多焦接触式镜片设计，这种设计可以使非光学边缘引起的眩光效应减到最小程度，而且和/或具有上述的在使用过程中所要求的活动性。

本发明涉及一种（诸如接触式镜片和眼内镜片等）在其镜片带中含有一个以上相位片的眼用镜片。本发明值得推荐的情况是在其镜片带中至少含有两个相位片的眼用接触式镜片。本发明试图通过各相位片所发出的波阵面的干涉获取合成波阵面。

另一方面，本发明涉及一种在其镜片带中具有相位片光学结构的接触式镜片，通过在深度和高度变化的相位片中应用小阶梯光栅，该相位片光学结构能将双焦相位片所聚焦的光的强度逐步在各衍射光焦度之间转移，而这些小阶梯光栅则相对于它们所直对的镜片基准曲面配合对准。

在这方面的一个较佳实施例中，本发明涉及一种科恩设计式的镜片，其中双焦片所聚集的光强度的逐步转移是通过深度和高度变化的相位片中的小阶梯光栅在各衍射光焦度之间进行的，而这些小阶梯光栅则相对于与它们所直对的镜片基准曲面配合对准。

在本发明的另一个较佳实施例中，由覆盖式双焦相位片制成的至少一大部分小阶梯光栅（具有菲涅耳结构）其高度中值基本上落在镜片内同一设想的曲面或平面上，这些中值所在的位置在与角膜基本上 呈等距离排列。上述“覆盖”式双焦相位片镜片是在角膜上覆盖到这样一个程度的镜片，它使得镜片能在其预定的使用范围内起覆盖作用。在一个更为理想的实施例中，基本上所有的小阶梯光栅，最好是全部小阶梯光栅，大体上落在镜片内的同一个设想曲面或平面上，小阶梯光栅所在的位置在与角膜垂直的直线上基本上呈等距离排列。

图1示出了半波双焦点相位片的横剖侧视图，其小阶梯光栅E的深度为h。图中还画出了各小阶梯光栅E所产生的光a0和a1的单个振幅。矢量分析画出在0级和1级衍射焦点上形成的光A0和A1的总合成振幅。

图2示出了一个双焦相位片的横剖侧视图，其小阶梯光栅E的深度为ah。图中还画出了由单个小阶梯光栅E形成的光a0和a1的单个振幅。矢量分析画出了在0级和1级衍射焦点上所产生的光A0和A1的总合成振幅。

图3示出了由两个分立的相位片组成的双焦镜片的部分横剖侧视图，这两个分立的相位片的小阶梯光栅E和E′的深度分别为h和ah。它描述了在0级衍射焦点上所形成的光A0和A0′的单个振幅，在0级衍射焦点上所形成的光A1和A1′的总合成振幅以及在1级衍射焦点上所形成的光A1和A1′的总合成振幅的特征。

图4示出了由两个分立的相位片和一个深度为bh的相位通道组成的双焦点镜片的部分横剖侧视图。它描述了由两个分立的相位片的单个小阶梯光栅E和E′所产生的光a0和a0′的单个振幅。图中还显示了在0级衍射焦点上形成的总合成振幅A0和A0′，以及在1级衍射焦点上形成的总合成振幅A1和A1′。

图5示出了安置在泪层TL上的一个软接触式镜片CL的横剖侧 视图，如图所示的那样，显示了不带覆盖层的泪镜片和覆盖层现时由微凹表面D形成的空气镜片。

图6示出了一个由小阶梯光栅深度分别为h和ah的两个分立相位片和一个深度为ch的相位通道组成的双焦镜片的部分横剖侧视图。

图7示出了一个设计有基准曲面BC的接触式镜片CL的横剖侧视图。该镜片含有三个分立的相位片，每个相位片包含三个剖划成特定深度的小阶梯光栅。按照本发明，外面两个相位片从镜片的基准曲面往后缩形成相移通道，这些相移通道被加以补偿从而使镜片能覆盖基准曲面。

图8例示了一个设计有基准曲面BC的接触式镜片CL的横剖侧视图。该镜片含有三个分立的相位片，每个相位片包含三个刻划成特定深度的小阶梯光栅。按照本发明，外面的两个相位片从镜片的基准曲面往后缩，从而形成加以补偿后使镜片能覆盖基准曲面的相移通道。

图9示出了一个设计有基准曲面BC的接触式镜片CL的横剖侧视图。该镜片是一些带有连续可变深度的小阶梯光栅的相位片的组合体。按照本发明，外面的一些小阶梯光栅最浅，并且逐渐从镜片的基准曲面后缩从而形成相移通道。

图10示出了设计有基准曲面BC的接触式镜片CL的横剖侧视图。该镜片是一些带有连续可变深度的小阶梯光栅的相位片的组合体。按照本发明，外面的一些小阶梯光栅最深，而且逐渐从镜片的基准曲面往后缩，从而使镜片足以覆盖住基准曲面。

本发明的镜片之所以具有双焦性能应归因于这样一个特点，即它可以配合人眼的瞳孔（在近视的过程中通常是收缩的）将聚焦光从远 到近的转移。通过减小镜片周边的小阶梯光栅深度可以减轻眩光的程度，从而减小这些小阶梯光栅的非折射区域。

本发明由带有光学镜片带的科恩镜片设计的接触式镜片组成，上述光学镜片带呈一个以上的不同大小的相位组合体的形式，最好呈两个或两个以上不同大小的相位片的形式。除上述的科恩设计外，在本技术领域中并没有有关在多焦点接触式镜片带内加入多个相位片的指导原则。尽管看来很显然在如此加入多个相位片时必须考虑各个分立光的聚焦部分之间的相位关系，但本技术领域在如何制造复合镜片，以便使得各种相位片以功能上可以接受的方式相互作用以解决上述问题方面，还是一个空白点。

已经确定，为了使所有的相位片将光发射到同一个焦点上，各相位片应服从某一通用相位片公式的要求。相位片带的半径关系遵循科恩镜片设计的特性：

$r_m=\sqrt{\mathrm{2mwf}}$

w＝光的波长

f＝一级衍射的焦距

但对所有相位片来说，w和f完全一样。具体地说，组合镜片第m个带的位置与rm的单一公式有关，而与该带所属的相位片无关。

若科恩设计镜片的各分立相位片或一个分立相位片再加上另一相位片的一部分发出相位一致的光则大有好处。实现这一点的方法之一是使各相位片与产生恒定相移的相位片联系起来，以校正到图2中所示的相移e。

图3的双焦接触式镜片，其光学镜片带中含有两个分立的相位 片。其中，所有带都按上述要求的单相位片间距配置。但该特征描述难以计算在各相位片之间的转换区中所产生的相移。因此图3显示出，由两个相位片的小阶梯光栅E和E′所形成的光a0和a0′的单个振幅并不同相。于是，在0级衍射焦点处所形成的光A0的总合成振幅与其可能的最大值相比有所减小。在一级衍射焦点处也发生同样的情况。

图4也示出了由含有两个分立相位片的镜片带构成的双焦接触式镜片。但在此情况下，通道的深度取bh，它使光的相位一致。该深度由下式确定：

b＝（1-a）/2

b＝bh

a＝ah

由于这个通道，在0级和1级衍射焦点处形成的光A0和A1的总合成振幅达到它们可能的最大值。应该注意的是，如上所述那样将通道的深度设定为d，相当于要求通过所有形成的小阶梯光栅中心的线基本上与基准曲面平行，而且从基准曲面往后收缩的值为最深小阶梯光栅深度的二分之一。

软接触式镜片通常具有覆盖现象。一般都认为并要求软接触式镜片要覆盖住配戴者的眼睛的表面并取该眼睛表面的形状。图5A和5B示出了一种软接触式镜片，其中心厚度设计为T，泪层厚度为L。但由于覆盖的原因，因而必须重新设计，使其中心厚度为T′，以便考虑没有泪层的情况以及增设由接触式镜片表面的微凹表面D所形成的空气镜片的情况。因此，当将这些因素纳入标准覆盖接触式镜片公式时，得出下式：

T′＝T+L（n-1）/（n′-1）

作为不同的相位片的组合体设计出来的，具有有关通道的软接触式镜片，只要调节相位通道深度以补偿覆盖现象就可以使相位通道平稳地覆盖在眼睛上。图6所示的镜片在其镜片基准曲面之上有一个深度为ch的相位通道，其中c可由下式求出：

c＝b′h′（n′-n）/（n-1）

本发明在图7中所示的实施例包括一接触式镜片CL，该接触式镜片有一个与基准曲面BC相匹配的后表面。在中心处刻划入基准曲面的是一个带有三个小阶梯光栅环形带的深度为半个波长的半波相位片。在基准曲面的中间部分刻划入另一个具有三个环形带的相位片。按照本发明，这种相位片的小阶梯光栅具有稍小的深度，并且略微从镜片的基准曲面往后收缩一点。基准曲面的最外部分被刻划后形成另一个具有三个环带的相位片。这一最边缘的相位片的小阶梯光栅的深度是最浅的，且从基准曲面缩回的程度最大。根据本发明，通过所有小阶梯光栅中心的线平行于基准曲面，且从基准曲面缩回四分之一波长。

本发明在图8中所示的实施例画出了具有一与基准曲面BC相匹配的后表面的接触镜片CL。该镜片有三个分立的环形相位片。每个相位片均含有三个刻划成特定深度的环形小阶梯光栅。按照本发明，在该镜片中，靠外的两个相位片从镜片基准曲面缩回，以形成相移带，这些相移带经补偿使镜片覆盖在基准曲面上。因此在将该镜片放到眼睛上使其覆盖住眼睛之前，通过镜片的所有小阶梯光栅中心的线是不平行于基准曲面的，而是有点陡斜。覆盖之后，则各中心（连线）基本上平行于基准曲面。

本发明在图9中所示的实施例是设计有基准曲面BC的接触式镜片CL。该镜片含有相位片的组合体，其各小阶梯光栅的深度是连续变化的。按照本发明，其中每个外部小阶梯光栅是最浅的，且逐渐从镜片的基准曲面往后缩回，以便形成相移通道。该镜片的周边部分从基准曲面往后收缩，至少要达到其与最外的小阶梯光栅相切的点上，从而便于接触式镜片的完全覆盖。还有，根据本发明，通过所有小阶梯光栅中心线将平行于基准曲面。在此实施例中，小阶梯光栅的深度从镜片中心向外呈单调减小。

本发明在图10中所示的实施例是这样一个接触式镜片CL，它被设计成有基准曲面BC且含有深度连续变化的小阶梯光栅的相位片的组合体。在此情况下，按照本发明，各靠近外部的小阶梯光栅的深度最深，且各靠近外部的小阶梯光栅从镜片基准曲面往后缩的程度，要足以使镜片覆盖住基准曲面。在此实施例中，小阶梯光栅的深度从镜片中心向外单调地增加。在此情况下，在镜片覆盖在眼睛上之前，通过所有小阶梯光栅中心的线要比镜片的基准曲面更平直。

本发明所包括的一个理想镜片，其镜片带大约为6至8毫米，该带含有一个直径大约为4至5（即直径约为4.5）毫米的同心相位片和一宽度约0.5至2.0毫米的环形通道。

在镜片的活动性属于极端情况但又迫切希望通过实施本发明来达到减少眩光的那些情况下，可以通过增设龙骨结构等措施加以修改，从而减少活动性而仍然保留本发明的优点。

本发明的镜片可按本技术领域的传统工艺进行制造。例如，可以将软接触式镜片的基础相位的无水型式加以研磨来形成本发明的镜片结构。镜片可用复制本发明结构的模具铸造出来。镜片材料可以是制造接触式镜片用的玻璃和一般塑料。