具有扩展的聚焦范围的透镜 |
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| 申请号 | CN201280047786.1 | 申请日 | 2012-09-26 | 公开(公告)号 | CN103858046A | 公开(公告)日 | 2014-06-11 |
| 申请人 | 卡尔蔡司股份公司; | 发明人 | H-J.多布谢尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种具有扩展的聚焦范围的透镜(5)，其中透镜(5)由透明材料构成且具有两个光学表面(2,4)，其中透镜(5)具有光焦度分布Ftot。根据本发明，透镜(5)的光焦度分布Ftot关于垂直于光轴(10)的平面，作为径向高度(r)和孔径的方位 角 (phi)的函数而在光焦度的非零计算基本值F透镜和最大值之间变化。因此，光焦度分布在计算上为F(r,phi)=F(r)+F(r,phi)，螺旋形光焦度成分F(r,phi)=F(r)*w(phi)，其中非线性地取决于半径且w(phi)为用于具有螺旋形分布的光焦度成分的因子。此外，光焦度的计算的基本值F透镜分为折射 基础 系统的光焦度F基础和结构形光焦度F结构，其中以下适用：F(r)=F+F。将螺旋形光焦度成分F螺旋形和结构形光焦度成分F结构相加并形成螺旋形和结构型附加光焦度F(r,phi)=F+F(r)*w(phi)，其被加到基础系统的光焦度F基础，使得透镜(5)的总光焦度为F(r,phi)=F+F(r,phi)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有扩展的聚焦范围的透镜(5)，其中，所述透镜(5)由透明材料构成且具有两个制造的光学表面(2,4)，其中，所述透镜(5)具有光焦度分布Ftot，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 具有扩展的聚焦范围的透镜技术领域[0001] 本发明涉及一种具有扩展的聚焦范围的透镜，其中，透镜由固体材料构成，透镜的光学表面是透明的且透镜具有光焦度分布。本发明还涉及一种制造透镜的方法，以及涉及使用该透镜影响图像成像至视网膜的用途，以及涉及将该透镜用于具有扩展的聚焦范围的透镜系统。 背景技术[0002] 多焦点透镜应同时满足多个要求。首先，应确保两个或更多的焦平面中的足够好的对比度传递函数。此外，对比度传递函数应该独立于光瞳的尺寸。最后，透镜应易于制造，其不应具有突出部或边角，并且因此具有尽可能光滑的曲线。 [0003] 这种透镜尤其用于通过眼镜透镜矫正视觉缺陷，或者作为眼内透镜(IOL)。与多年前已经提出的单焦点IOL相比，多焦点透镜先前仅被实施用于双焦点情况，因为在同时满足上述要求方面存在重大问题。这里，一种变型基于特定的旋转对称环系统，其中对于例如在0dpt处和在大约3dpt的矫正屈光度处的两个分离物侧焦平面而言，通过环半径、环宽度和环深度的精巧匹配，存在足够好的成像。 [0004] 这种双焦点透镜在US5982543A中得到描述且使用旋转对称的菲涅尔状环系统。 [0005] US6120148A描述了一种旋转对称衍射环系统。来自US6536899B1的双焦点透镜同样利用环系统，其中各个环由子环构成，其分别实现两个期望的焦距。在轻微变化的形式中，由此得出解决方案，其中单个透镜覆盖扩展的连续聚焦范围。这种透镜还被称为术语“扩展的焦深透镜”或“EDoF透镜”。在US2006176572A中，利用环的旋转对称系统，其中各环的单独焦距位于期望的连续焦距范围内。“扩展的焦深”效应通过混合多个焦距产生。 [0006] 根据WO2010083546A2的系统由具有在方位角方向上增加的光焦度的部分(“扇形片”)构成。这里，光焦度分布在各部分之间具有离散的台阶。 [0007] US2010002310A1描述了一种用于照相机的光学成像系统，其具有扩展的景深范围。扩展的景深通过具有非球面表面的多个透镜的组合实现。 [0008] 眼内透镜情况中的缺点尤其在于：由于眼睛的长度导致的相对短的焦距，当使用“正常”球面或非球面基础透镜形状时需要强半径曲率。这产生大的透镜厚度，相对大的透镜体积，以及相应大的重量。因为眼内透镜由有机聚合物制造，所以折射率通常相对较低，导致强半径曲率，并因此还导致相对厚的透镜形状。 发明内容[0009] 本发明的目的在于开发一种具有扩展的聚焦范围的新颖透镜。该新颖透镜应该单独地（尤其作为眼内透镜）或者与其他光学部件联合地提供一光学系统，该光学系统在具有足够好的成像质量的同时提供大的景深范围。可以成本高效的方式来制造该新颖透镜。特别地，该新颖透镜在用作眼内透镜时在指定光焦度处具有减小的厚度。 [0012] 根据本发明，在影响图像至眼睛的视网膜上的成像的方法的情况中，本发明的目的通过权利要求17的特征实现。根据本发明，在透镜系统的情况中，本发明的目的通过以下事实实现，具有权利要求18的特征的透镜布置在透镜系统的光束路径中。 [0013] 具有扩展的聚焦范围的透镜由固体的透明材料构成且具有两个制造的光学表面。根据本发明，该透镜具有光焦度分布Ftot，其关于垂直于光轴的平面为径向高度r和孔径的方位角phi的函数且在光焦度的非零基本值F透镜和最大值 之间变化。因此，光焦度分布呈现为： [0014] Ftot(r,phi)=F透镜+F螺旋形(r,phi) [0015] 其中， 为螺旋形光焦度成分，非线性地依赖于半径，w(phi)是用于具有螺旋形分布的光焦度成分的因子。 [0016] 本发明的另一本质方面在于：透镜的光焦度的值F透镜分为透镜的折射基础系统的光焦度成分F基础和结构形（structure-shaped）光焦度成分F结构，使得下式适用[0017] F透镜(r)=F基础+F结构。 [0018] 这里，F基础为透镜的基础光焦度，其由透镜半径或自由形式表面多项式、透镜厚度、以及透镜材料的折射率确定，F结构为不由透镜半径或自由形式表面多项式、透镜厚度、以及透镜材料的折射率描述的光焦度。因此，术语“结构”和符号“F结构”在本文中限定为结构的光焦度，其在第一情况中呈现为菲涅尔透镜的高度分布z菲涅尔，其在第二情况中呈现为衍射光学元件(DOE)的相位分布phase结构，或者在第三情况中呈现为梯度折射率透镜(GRIN透镜)的折射率梯度Δn结构。因此，根据本发明的透镜的光焦度分布在旋转对称情况中表现为： [0019] [0020] 然而，透镜的基础光焦度F基础和结构的光焦度F结构二者都可具有自由形式表面的光焦度分布，从而，可将相应多项式插入上式中。 [0021] 因此，本发明涉及特殊的新颖透镜形状，利用该形状，可以同时覆盖预定焦距范围，即，在扩展的聚焦范围上产生足够好的图像质量。将透镜的光焦度的基本值F透镜划分为待制造的透镜的基础光焦度F基础和结构光焦度F结构实现了可以较平的半径制造待制造的透镜。因此，透镜厚度显著减小，透镜体积显著减小，并因此透镜重量显著减小。这种具有扩展的聚焦范围的透镜可用于照相机、显微镜或光学测量设备的光学系统中。 [0022] 本申请的主要领域是具有可变焦距范围的眼内透镜。使用螺旋形光焦度成分，可以关于固定的基础光焦度实现从0至约3.5dpt的聚焦范围。这种眼内透镜通常在去除自然晶状体之后植入眼睛中。然而，其也可以被附加于自然晶状体使用。 [0023] 根据以下步骤制造该新颖透镜： [0024] 步骤1：计算初始的单焦点虚拟基础系统，其采用固定屈光度设定的聚焦(例如，在眼内透镜的情况中，用于健康人眼的60dpt)。这是光焦度的基本值F透镜，其由光学表面的表面形状、透镜厚度和材料类型设定。 [0025] 步骤2：将光焦度的基本值F透镜划分为基础光焦度F基础和结构光焦度F结构。 [0026] 在实际中发现，有利的是将光焦度的基本值F透镜的50%以上实现为折射基础光焦度F基础，将光焦度F透镜的基本值的50%以下实现为结构光焦度F结构。考虑到会出现缺陷，尤其有利的是将70%以上实现为折射基础光焦度F基础，将30%以下实现为结构光焦度F结构。待制造的具有基础光焦度F基础的透镜对应于具有两个光学表面的常规透镜，该两个光学表面可实施为球面的和/或非球面的和/或自由形式表面。这些光学表面中的至少一个用作实现附加光焦度分布的基础表面，这将在下面第二个步骤（步骤4）中描述。 [0027] 步骤3：通过将螺旋形光焦度分布F螺旋形加到结构光焦度F结构，确定附加螺旋形和结构形光焦度FSS的参数。 [0028] 步骤4：在基础系统的光学效应F基础中，加上或减去在步骤3中获得的螺旋形和结构形光焦度FSS(r,phi)=F结构+F螺旋形(r,phi)。因此，透镜的光焦度依赖于半径而随孔径的方位角非线性变化。 [0029] “加上”螺旋形和结构形光焦度分布可通过几个变型进行，该几个变型可各单独地使用或以任意组合一起使用： [0030] a)将具有螺旋形和结构形光焦度FSS的螺旋形和菲涅尔状高度分布zSF(r,phi)“加”到在步骤2中计算的具有基础光焦度F基础的透镜的光学表面之一。该确定的光学表面为仅计算的具有高度分布z基础的基础表面，螺旋形和菲涅尔状高度分布zSF(r,phi)被加到该确定的光学表面上，因此设定了该光学表面的待制造的轮廓。 [0031] b)将具有附加光焦度FSS衍射的螺旋形和结构形衍射结构“加”到具有根据步骤2的基础光焦度F基础的透镜的计算和制造的光学表面之一。 [0032] c)在透镜的材料中“加上”螺旋形和结构形折射率分布ΔnSS。在该情况中，根据步骤2计算的表面未改变并如此制造。 [0033] 步骤5：制造具有基础光焦度F基础的透镜的第一光学表面和第二光学表面，包括在透镜处和/或在透镜上和/或在透镜内应用或引入螺旋形和结构形光焦度分布。螺旋形和结构形光焦度分布的制造方法尤其是： [0035] ab)通过金刚石车削（diamond turning）制造光学表面； [0037] bb)通过光学表面上的金刚石车削制造； [0038] ca)通过从液态离心浇铸制造； [0039] cb)通过离子注入法制造。 [0040] 自然，变型a)和/或b)还可以划分效果的方式应用于透镜的一个光学表面或两个光学表面。衍射光学元件可附加地或与光焦度分布的产生一起用于颜色校正。本发明的范围还包括其他方法和措施，利用该其他方法和措施，可在透镜中获得根据本发明的螺旋形和结构形光焦度分布，例如通过引入纳米粒子。 [0041] 由于上述过程，对基础系统的在0和约3.5dpt之间的光焦度的附加螺旋形光焦度F螺旋形的连续变化被实现，例如在眼内透镜中实现，其在许多应用情况中具有足够好的成像质量。由于结构的光焦度成分F结构，实现了透镜厚度减少高达50%，导致体积和重量减少大约相同的数量级。 [0042] 取决于半径和取决于方位角的光焦度Ftot(r,phi)由基础系统的基本光焦度F基础、附加结构的光焦度F结构与取决于半径和角度的附加螺旋形光焦度F螺旋形(r,phi)的和形成。因此，在旋转对称的情况中，以下适用： [0043] [0044] 因为使用标准化的光学方法用于制造具有扩展的聚焦范围的透镜，所以可以成本高效的方式制造该透镜。 [0045] 在情况a)中，将螺旋形和菲涅尔形高度分布“加”到透镜光学表面中的一个，并因此实现整个系统的螺旋形和菲涅尔形光焦度分布，在该情况中以下意见成立： [0046] 通过将基础系统的基本光焦度F基础、菲涅尔透镜的光焦度F菲涅尔和附加螺旋形光焦度F螺旋形加起来构成总光焦度Ftot。 [0047] Ftot(r,phi)=F基础+F菲涅尔+F螺旋形(r,phi), [0048] 其中，为了制造的原因，存在成为透镜的基础光焦度成分F基础以及成为螺旋形以及菲涅尔形光焦度成分F菲涅尔的组合： [0049] FSF(r,phi)=F菲涅尔+F螺旋形(r,phi)。 [0050] 因为在该情况中附加光焦度的分布通过高度分布实现，所以以下适用： [0051] ztot(r,phi)=z基础+zSF(r,phi)。 [0052] 提供螺旋形和菲涅尔形附加光焦度的高度分布一般由以下描述： [0053] zSF(r,phi)=z菲涅尔+z螺旋形(r,phi)。 [0054] 对于球面透镜，基础系统的基本光焦度由以下公式得到： [0055] [0056] 这里，R3例如为实际制造的第一光学表面的半径，R4为计算的基础表面的半径，高度分布zSF形式的附加螺旋形和菲涅尔形光焦度FSF被“加”到该计算的基础表面的半径(提供附加光焦度的附加高度zSF还可被加至半径R3或可被分开用于半径R3和R4两者；然后必须相应修改公式)。 [0057] 用于球面透镜的具有半径R4的计算的基础表面的高度分布z基础呈现为其中， 基础表面在极坐标中的数据呈现为 [0058] 因此，对于球面基础表面和旋转对称菲涅尔结构的情况，以下适用： [0059] [0060] 将旋转对称的菲涅尔形附加光焦度计算为： [0061] [0062] 在非球面基础表面作为透镜的基础的方面，已知的用于描述非球面表面的多项式被用于确定光学表面和/或基础表面。 [0063] 通过附加项zSF(r,phi)，将螺旋形和菲涅尔形附加光焦度作为材料高度产生，该材料高度被加至具有半径R4的光学基础表面或被从该光学基础表面减去。类似考虑还适用于非球面及不能通过简单的半径规范描述的自由形式表面。 [0064] 螺旋形高度分布由以下呈现： [0065] [0066] 其中，用于最大螺旋形高度成分的径向多项式为半径的函数 其具体表达了待获得的最大屈光度数，为： [0067] [0068] 其中，r是径向高度，cj是径向多项式的系数集。 [0069] 在最简单的情况中， 是取决于角度的线性归一化成分，其中phi作为基础系统(承载透镜)的基础表面上的方位角。 [0070] 加至透镜的基础表面的附加项z螺旋形(r,phi)由以下呈现： [0071] [0072] 通常，得到如下的透镜整体系统的光焦度的高度成分： [0073] ztot(r,phi)=z基础(r)+[z菲涅尔(r)+z菲涅尔(r,phi)] [0074] [0075] 对 于 径 向 多 项 式 还 可 以 相 似 方 式 使 用 方 法同样可能的是： [0076] [0077] 在最简单的情况中，因此已足够实现附加径向光焦度分布，作为归一化方位角与待实现的最大屈光度数的乘积。 [0078] 对于径向多项式 (其中c1为二次项前面的系数)的最简单的情况，用于附加项的等式因此为： [0079] [0080] 上述过程表示线性“螺旋状增长”。在该形式中，成像质量良好，在整个屈光度范围上具有没有变化。 [0081] 然而，常常会期望优选特定屈光度区域，例如零屈光度位置。为此，必须偏离z高度对角度的线性依赖性。 [0082] 通常，取决于角度的成分可由以下公式描述： [0083] [0084] 其中，wi为峰位置(在0和2π之间)，Ii为峰强度，并且ai>0为用于各个峰位置的衰减系数。 [0085] 举例而言，对于M=1，I1=1且wi=2π，函数 [0086] [0087] 其中，ai=0.25允许实现对零屈光度区域的优选。在phi=0和phi=2之间的小增长导致该角度范围中的光焦度的小增加并因此导致用于零屈光度距离的更大表面成分。 [0088] 在优化具有扩展的聚焦范围的透镜的情况中，借助在设计期间可用的另外的自由度，可获得另外的优点。举例而言，这在径向函数 同样获得取决于方位的系数集时发生，并且因此径向多项式 被确定为： [0089] [0090] 由此，附加加项z螺旋形(r,phi)通常呈现为例如： [0091] [0092] 因 此 ， 可 从 用 于 角 度 项 w ( p h i ) 的 通 式指定其他变型，利用这些变型，可控制各个 单独方位范围的“有效周期”。 [0093] 上述说明都基于折射的且被加至基础系统的光学表面中的一个上的附加项。附加项自然还以衍射的形式获得，即，将具有螺旋形和结构形位相函数的衍射光学元件(DOE)应用于基础系统的球面载体表面(情况b))。以完全类似于折射方法的方式设计该位相函数。闪耀光栅、正弦型光栅和二元光栅特别适合。 [0094] 以取决于径向和角度的方式，光栅频率螺旋形地连续从初始值变化至对应于最大光焦度的最大值。 [0095] 螺旋形位相函数呈现为： [0096] [0097] 或 [0098] [0099] 衍射结构的螺旋形光焦度呈现为： [0100] [0101] 或为： [0102] [0103] 其中，wl是衍射光学元件的设计波长，λ为应用波长。 [0104] 项w(phi)可从上述说明中选出，并且在最简单的情况中为 其中k1为二次项的系数，最大光焦度呈现为 取决于角度的项F螺旋形衍射(phi)呈现为： [0105] [0106] 在衍射实施例中，产生附加光焦度的结构为位相函数。旋转对称结构的位相为： [0107] [0108] 或 [0109] [0110] 在衍射实施例中，旋转对称结构的光焦度为： [0111] [0112] 或 [0113] [0114] 其中，wl是衍射光学元件的设计波长，λ为应用波长。 [0115] 在最简单的情况中，对于N=1且L=1，透镜的总光焦度由单焦点基础系统的相对强的折射基础光焦度F基础以及衍射产生的螺旋形和旋转对称附加光焦度的相对小的光焦度成分FSS衍射形成： [0116] Ftot=F基础+[F结构衍射+F螺旋形衍射]=F基础+FSS衍射 [0117] [0118] 实际上，透镜的基础光焦度F基础首先产生，螺旋形和结构形附加光焦度FSS衍射应用于基础透镜的光学表面上。 [0119] 因此，由于衍射成分，仅产生相对小的色差，并且具有扩展的聚焦范围的透镜还适合白光。螺旋形和结构形附加光焦度FSS衍射还可被划分到透镜的两个光学表面上。 [0120] 然而，螺旋形和结构形附加项FSS还可通过制造螺旋形和结构形折射率梯度ΔnSS而实现(情况c))。举例而言，DE102009033984A1描述了如何在光学材料中产生异种（inhomogeneous）光学特性。在本文所述方法的发展中，还可实现螺旋形和结构形折射率分布。在该情况中的折射率梯度的特性和设计以完全类似于折射方法和衍射方法的方式实现。 [0121] 总光焦度Ftot由单焦点基础系统的基础光焦度F基础加上由螺旋形和结构形光焦度增量提供的附加光焦度FSS形成。 [0122] 螺旋形和结构形附加光焦度FSS(r,phi)根据下式与折射率差ΔnSS(r,phi)成比例： [0123] [0124] [0125] 折射率差ΔnSS(r,phi)从0(在r=0且phi=0处)连续增加至最大折射率增量(在r=D/2且phi=2π)，其中函数w(phi)可预定上述线性或常规分布。 [0126] 这里，类似于高度 或 计算并且关于透镜的基础折射率n2， 可为正的和负的。 [0127] 因此，本发明的主题还涉及螺旋形和/或菲涅尔形高度分布、螺旋形和/或旋转对称位相分布、和/或螺旋形和/或旋转对称折射率分布的任何混合形式，它们产生期望的附加光焦度分布。 [0129] 在下文中，将基于附图描述本发明。详细地： [0130] 图1根据DE102011101899A1中描述的方案，以侧视图示出具有扩展的聚焦范围的“厚”透镜，本发明从该方案出发； [0131] 图2以侧视图示出根据本发明的具有扩展的聚焦范围的“薄”透镜； [0132] 图3示出导致“薄”透镜的设计和制造的过程和计算步骤的示意描绘； [0133] 图4示出对螺旋形光焦度成分的描绘； [0134] 图5示出对制成菲涅尔型的旋转对称光焦度成分的描绘； [0135] 图6示出对制成菲涅尔型的增加的螺旋形和旋转对称光焦度成分的描绘； [0136] 图7至10示出对制成菲涅尔型的增加的螺旋形和旋转对称光焦度成分的描绘，其中螺旋形成分逐图增加； [0137] 图11示出对产生螺旋形光焦度成分的衍射螺旋形结构的描绘； [0138] 图12示出对衍射旋转对称环结构的描绘； [0139] 图13示出对增加的衍射螺旋形结构和衍射旋转对称环结构的描绘，其对应于按照图6的光焦度成分； [0140] 图14示出眼睛中的眼内透镜的示意图； [0141] 图15示出具有“厚”透镜的照相机的光学系统；以及 [0142] 图16示出包含具有扩展的聚焦范围的“薄”透镜的照相机的光学系统。具体实施方式 [0143] 图1示出按照DE102011101899A1的具有扩展的聚焦范围的“厚”透镜1，在此明确地引用DE102011101899A1的全部内容。所示的是侧视图，描绘了螺旋形高度分布z螺旋形(r,phi)，其产生螺旋形光焦度分布F螺旋形(r,phi)。该透镜1最初由其基础系统确定，还由透镜厚度d1和折射率n2确定，该基础系统具有第一光学表面2'的半径R1和用于计算的基础表面3'的半径R2。这些参数被确定用于设想的基本放大率。附加材料厚度z被“加”至具有半径R2的基础表面3'的计算的形状，其中附加材料厚度在phi=0处为z=0mm，然后连续增加，并在phi=2π处具有在毫米范围中的最大值。实际上，最大值将位于方位角phi=2π的稍前方，从而实现在phi=0处回到零值的连续但非常陡峭的转变，如由4a表示的虚曲线所示。 [0144] 作为示例详细说明用于透镜的参数： [0145] R1=-15.1411mm待制造的半径 [0146] R2=22.3164mm计算的半径 [0147] d=0.8mm [0148] n1=1(透镜外面的折射率) [0149] n2=1.56(透镜介质的折射率)。 [0150] 因此，从公式 [0151] [0152] “基础透镜”的焦距呈现为16.233mm。 [0153] 作 为 具 有 线 性 分 布 的 连 续 螺 旋 形 高 度 分 布 的、根 据 公 式的线性“螺旋状增量”被加至具有半径R2=22.3164mm的计算的基础表面，并导致光学表面4'。 [0154] 在c1=-0.013的情况下，获得将空气中的焦距增加至高达20.57mm的、对应于3.5dpt的螺旋形增量。 [0155] 图2示出根据本发明的“薄”透镜5，与图1中示出的透镜1相比，该“薄”透镜具有较平的半径R3和R4，并且其中心厚度d2较薄，其中所获得的成像参数与按照图1的透镜的情况几乎相同：在基础光焦度大约为61dpt的情况下实现了3.5dpt的附加光焦度。“薄”透镜5具有以下特性：螺旋形增量包含旋转对称菲涅尔成分。该菲涅尔成分实现光焦度的部分，根据图1的“厚”透镜1从半径R1和R2以及透镜厚度d1获得光焦度的该部分，因此新颖透镜5的半径R3和R4较平，其中心厚度d2相对较小。 [0156] 将基于图3说明用于设计根据本发明的新颖“薄”透镜5的过程。 [0157] 起始点是在图3的上面一行描绘的“厚”透镜1，其仅是计算的。该透镜由具有半径R1和R2以及中心厚度d1的折射基础系统(示于左侧)和理论上由半径R2上的高度分布z螺旋形(r,phi)实现的螺旋形光焦度成分(示于右侧)构成。此后在下面描绘的是折射基础系统的光焦度被分为具有半径R3和R4和中心厚度d2的新颖“薄”透镜5，以及旋转对称菲涅尔形光焦度成分z菲涅尔(r)。 [0158] 最下面一行描绘菲涅尔形光焦度成分z菲涅尔(r)和螺旋形成分z螺旋形(r,phi)被加起来形成螺旋形和菲涅尔形附加光焦度FSF。高度分布 [0159] zSF(r,phi)=z螺旋形(r,phi)+z菲涅尔(r) [0160] 被加至具有高度分布z基础的基础透镜的仅计算的半径R4。现在，透镜被制造具有半径R3、中心厚度d2以及在计算的半径R4上的高度分布zSF(r,phi)。待制造的光学表面4的相应高度分布呈现为： [0161] [0162] 图4仅示出透镜的螺旋形光焦度成分F螺旋形作为高度分布z螺旋形(r,phi)。图5仅示出透镜的制为菲涅尔型的旋转对称光焦度成分F菲涅尔作为高度分布z菲涅尔(r)。图6的描绘示出了将螺旋形光焦度成分和制为菲涅尔型的旋转对称光焦度成分加起来的结果，作为zSF(r,phi)，其表示螺旋形和菲涅尔形光焦度成分FSF。 [0163] 高度分布被加至具有半径R4的计算的基础表面3的高度分布z基础，并被制造在待加工的透镜上。 [0164] 图7至10各示出了对制为菲涅尔型的增加的螺旋形和旋转对称光焦度成分FSF的描绘，其中，螺旋形成分的光焦度逐图从1dpt增加至3.5dpt。 [0165] 随后，图11至13示出透镜的螺旋形和结构形附加光焦度FSS以完全类似方式从折射方法开始转换到衍射方法上(其中，结构形附加光焦度由菲涅尔结构实现)。 [0166] 图11示意性示出衍射螺旋形结构，其产生螺旋形光焦度成分F螺旋形衍射。图12示意性示出衍射旋转对称环结构，其产生结构形光焦度成分F结构衍射。图13示出将两个衍射结构相加的结果。衍射螺旋形结构和衍射旋转对称环结构的该叠加结果提供螺旋形和结构形光焦度成分FSS，其在效果方面对应于折射的螺旋形和菲涅尔形光焦度成分FSF，其由图6中的螺旋形和菲涅尔形高度分布zSF示意性地描绘。 [0167] 图14示出眼内透镜11的示意性图，该眼内透镜植入眼睛中，作为具有扩展的聚焦范围的“薄”透镜5。在该示例中，该透镜替代眼睛的自然晶状体且位于水状体13中的角膜12和视网膜14之间的光路中。 [0168] 眼内透镜11具有球面第一光学表面2和承载螺旋形和结构形式的第二光学表面4。 [0169] 在第一示例中，具有扩展的聚焦范围的眼内透镜11具有用于基础系统的以下参数： [0170] 承载透镜的基础半径为制造的透镜半径R3=-20mm和基础表面3的计算的透镜半径R4=+20mm。螺旋形和菲涅尔形高度分布zSF(r,phi)将被加至基础表面3上，并被相应地制造为表面4。 [0171] 透镜的基本光焦度的制为菲涅尔型的光焦度成分由菲涅尔结构的以下高度分布形成： [0172] [0173] 对于L=2，规定旋转对称菲涅尔多项式的系数e1=0.036且e2=-0.00018398。 [0174] 透镜的螺旋形附加光焦度的光焦度由以下高度分布形成： [0175] [0176] 对于N=1，规定螺旋形多项式的系数c1=0.025。 [0177] 因此，下式出现： [0178] [0179] 将制为菲涅尔型的元件的凹口深度p选择为0.1mm，因此，制为菲涅尔型的螺旋形附加光焦度通过模函数mod(zSF(r,phi),p)呈现。 [0180] 这里，假设角膜半径为R5=7.814mm，并假设圆锥常数为K=-0.26。角膜12和透镜的前侧R4之间的距离为4.12mm，眼内透镜的透镜厚度为d2=0.65mm，透镜的前侧R2与视网膜14之间的距离为18.1mm。具有透镜介质折射率n2=1.56的Benz25被用作材料。 [0181] 透镜之外的水状体13的折射率为n1=1.33。 [0182] 与此相比，DE102011101899中描述的眼内透镜(在该情况中为图4)具有以下参数： [0183] R1=-15.1411mm(制造的第一光学表面2) [0184] R2=22.3164mm(计算的基础表面3) [0185] 透镜厚度d1=0.8mm [0186] 因此，根据本发明的按照图14中的示例的新颖透镜由于比R1较平的半径R3而薄了0.15mm。 [0187] 在关于图14的第二示例中，具有扩展的聚焦范围的眼内透镜11具有用于基础透镜光学表面上的螺旋形和结构形附加光焦度FSS的衍射实施例的以下参数： [0188] 角膜：半径R5=7.814mm，非球 面圆锥 常数K=-0.26，透镜的 基础半 径R3=R4=+/-20.0mm(球面)；角膜R5与具有半径R4的制造的光学表面4之间的距离为4.12mm，[0189] 眼内透镜的厚度d2=0.65mm，具有半径R3的制造的光学表面2与视网膜之间的距离为18.5mm。 [0190] “Benz25”用作眼内透镜的材料。眼内透镜的直径为6mm。透镜的折射基础系统由这些参数描述，并且其光焦度F基础被设定。利用应用于具有半径R4的表面上的衍射光学元件，螺旋形附加光焦度F螺旋形和结构形附加光焦度F结构产生为螺旋形和结构形衍射光焦度FSS。因此，眼内透镜11的总光焦度呈现为： [0191] Ftot==F基础+FSS衍射 [0192] =F基础+[F结构衍射+F螺旋形衍射]。 [0193] 以位相函数来表示，螺旋形和结构形附加光焦度呈现为： [0194] phaseSS(r,phi)=phase结构+phase螺旋形， [0195] 其中， [0196] [0197] 且 [0198] [0199] 在L=2，N=1且 的情况下，下式形成： [0200] [0201] 减少的位相函数呈现为： [0202] [0203] 其中，phi=0…2π(方位角)，r=透镜上的径向高度，wl为衍射元件的设计波长(综合产品波长)。 [0204] 对于制为菲涅尔型的旋转对称成分(在该情况下呈现为衍射光学元件的对称成分)的系数，设定以下各项： [0205] g1=0.006109且g2=-4.92E-5。 [0206] 对于衍射光学元件的螺旋形成分的系数，以下适用：k1=-0.003。衍射光学元件的轮廓深度为h=0.0043mm。 [0207] 在第三示例中，具有扩展的聚焦范围的眼内透镜11具有以下用于附加光焦度FSS(在折射基础透镜3的两个光学表面2和4之间划分)的衍射实施例的参数： [0208] 角膜半径R5=7.814mm，非球面圆锥常数K=-0.26。 [0209] 眼内透镜的基础半径为R3=R4=+/-20.0mm(球面)。其他参数为：角膜半径R5与具有半径R4的光学表面4之间的距离为4.12mm；中心厚度d2=0.65mm，具有半径R3的光学表面2与视网膜之间的距离为18.5mm；透镜材料为“Benz25”，眼内透镜的直径为6mm。在该示例中，一个衍射光学元件已经分别应用于光学表面3和4。 [0210] 这里，光焦度被划分，使得螺旋形光焦度成分F螺旋形位于具有R4的光学表面上，结构形旋转对称光焦度成分F结构位于半径R3上。 [0211] 在L=2，N=1且 的情况下，下式形成： [0212] [0213] 减少的位相函数呈现为： [0214] [0215] 其中，phi=0…2π(方位角)，r=透镜上的径向高度，wl为衍射元件的设计波长(综合产品波长)。 [0216] 以下适用于应用在光学表面4上的衍射光学元件：g1=0且g2=0且k1=-0.003。衍射光学元件的轮廓深度h=0.0043mm。 [0217] 以下适用于应用在光学表面2上的衍射光学元件：g1=0.0065且g2=1.8975E-4且k1=0。衍射光学元件的轮廓深度h=0.0043mm。 [0218] 图15示出根据来自DE102011101899A1的图3的照相机的光学系统，其包括具有扩展的聚焦范围的“厚”透镜1。螺旋形光焦度成分形式的附加光焦度成分被加至由计算的透镜的半径R1、R2，折射率n2和中心厚度d1产生的基础光焦度。该螺旋形光焦度成分被加至计算的基础表面3'的高度分布上，作为高度分布z螺旋形，且其实际上被制造为第二光学表面4'。 [0219] 然而，螺旋形光焦度成分还可作为衍射光学元件以衍射形式制造在具有基础光焦度的透镜的一个或两个光学表面上。替代地，螺旋形光焦度成分还可制造为具有基础光焦度的透镜中的折射率梯度。同样提供任意的混合形式。 [0220] 图16示出具有根据本发明的、包含扩展的聚焦范围的“薄”透镜5的照相机的光学系统。在该示例中，螺旋形和菲涅尔形高度分布zSF形式的附加光焦度成分被加至计算的透镜的基础光焦度上。高度分布被加至具有半径R4的计算的基础表面3的高度分布上，并被制造作为第二光学表面4。此外，螺旋形和菲涅尔形光焦度成分可由基础透镜的光学表面上的衍射光学元件(或分布在两个光学表面上)或由透镜材料中的折射率梯度全部或部分地实现。 [0222] 在物侧，“薄”透镜5包含具有半径R3的第一光学表面2。制造在像侧上的是第二光学表面4，其高度分布由计算的半径R4的高度分布z基础以及螺旋形和菲涅尔形高度分布zSF(r,phi)形成。 [0223] 具有5.61mm的焦距的移动电话透镜系统被示出作为示例；该系统具有6.1mm的安装长度和1:2.8的孔径。 [0224] 透镜5和6的光学表面2、17和18具有旋转非球面基本形状。 [0225] 透镜5：透镜厚度d2=1.21mm，材料为Zeonex。 [0226] 光学表面2：R3=1.482mm，凸的。 [0227] 非球面系数： [0228] K=0.04649 [0229] A=-0.698748E-03 [0230] B=0.987484E-03 [0231] C=-0.119379E-03 [0232] D=-0.104254E-02 [0233] E=0.323245E-03 [0234] 不制造的凹球面基础表面3具有计算的半径R4=6.303mm。高度分布zSF形式的螺旋形和菲涅尔形光焦度分布被加至该基础表面3的高度分布z基础上。该高度分布然后被加工在待制造的透镜上。在该示例中，螺旋形多项式的系数c1=-0.00268，旋转对称菲涅尔成分的系数e1=0.03。 [0235] 附加螺旋形光焦度成分计算为： [0236] [0237] 附加旋转对称菲涅尔成分计算为： [0238] F菲涅尔=2e1*r2， [0239] 总光焦度呈现为： [0240] Ftot=F基础+FSF=F基础+F菲尼尔+F螺旋形 [0241] [0242] 加至基础表面3上的附加光焦度为： [0243] [0244] 或者，描述为高度分布： [0245] [0246] 菲涅尔凹槽的凹口深度为0.008mm。 [0248] 光学表面17具有半径R6=-3.075mm和以下非球面系数： [0249] K=11.058298 [0250] A=-0.623991E-01 [0251] B=-0.926325E-02 [0252] C=0.244030E-01 [0253] D=-0.125809E+00 [0254] E=0.345714E-01 [0255] F=-0.101087E-01 [0256] G=-0.221418E-15 [0257] H=-0.409672E-17 [0258] J=0.991703E-20 [0259] 光学表面18具有半径R7=44.1377mm(凸的)和以下非球面系数： [0260] K=-0.238656e57 [0261] A=-0.171783E-01 [0262] B=0.462293E-03 [0263] C=-0.823963E-03 [0264] D=0.227317E-03 [0265] E=-0.108925E-04 [0266] F=-0.474572E-05 [0267] G=0.385353E-06 [0268] H=0.475909E-07 [0269] J=-0.466662E-08 [0270] 透镜5与透镜6之间的距离为0.75mm，透镜6与滤波器15之间的距离为0.4mm，滤波器15与检测器的像平面之间的距离为0.4mm，其中滤波器厚度同样为0.4mm。 [0271] 透镜系统提供从330mm至无穷远的同时聚焦范围。 [0272] 透镜系统的安装长度仅为6.1mm，因此比DE102011101899A1中图3的示例中描述的小0.7mm。 [0273] 这里，特别地，对二次项前面的系数c和e的有利选择支持透镜系统的消色差。 [0274] 参考标记 [0275] 1 “厚”透镜 [0276] 2 “薄”透镜的制造的第一光学表面(球面的、非球面的、径向对称的、自由形式表面) [0277] 2' “厚”透镜的光学表面 [0278] 3 “薄”透镜的计算的基础表面(球面的、非球面的、径向对称的、自由形式表面)[0279] 3' “厚”透镜的计算的第二光学表面 [0280] 4 “薄”透镜的制造的第二光学表面(球面的、非球面的、径向对称的、自由形式表面、螺旋形和结构形表面) [0281] 4' “厚”透镜的制造的表面 [0282] 5 “薄”透镜 [0283] 6 非球面透镜 [0284] 7 传感器 [0285] 8 光束 [0286] 9 透镜边缘 [0287] 10 光轴 [0288] 11 眼内透镜 [0289] 12 角膜 [0290] 13 水状体 [0291] 14 视网膜 [0292] 15 滤波器 [0293] 16 螺旋形和结构形衍射光学元件(DOE) [0294] 17 光学表面 [0295] 18 光学表面 [0296] Ftot(r,phi) 透镜的总光焦度 [0297] F透镜 “厚”透镜的基础系统的光焦度的基本值 [0298] F基础 “薄”透镜的基础系统的光焦度 [0299] F结构 加到“薄”透镜的光焦度F基础的结构的光焦度 [0300] F螺旋形(r,phi) 加到“薄”透镜的光焦度F基础的螺旋形光焦度成分[0301] 光焦度的螺旋形成分的最大光焦度 [0302] FSF(r,phi) 螺旋形和菲涅尔形附加折射光焦度 [0303] FSS(r,phi) 螺旋形和结构形附加光焦度 [0304] Fss衍射(r,phi) 螺旋形和结构形附加衍射光焦度 [0305] F结构衍射 衍射形式的结构光焦度 [0306] F螺旋形衍射(r,phi) 衍射形式的螺旋形光焦度 [0307] f基础 基础系统的焦距 [0308] f螺旋形(r,phi) 螺旋形附加光焦度的焦距 [0309] f结构 结构的附加光焦度的焦距 [0310] L、M、N 最终值 [0311] i、j、l 计数 [0312] cj、c1、c2 用于折射情况的螺旋形的多项式系数 [0313] kj、k1、k2 用于衍射情况的螺旋形的多项式系数 [0314] el、e1、e2 用于衍射情况的，制为菲涅尔型的成分的多项式系数[0315] gl、g1、g2 用于衍射情况的结构形成分的多项式系数 [0316] 螺旋形的最大高度(取决于半径) [0317] 最大高度(取决于半径和方位角) [0318] z螺旋形(r,phi)基础表面的螺旋形附加高度 [0319] z基础 计算的基础表面3的高度分布 [0320] z菲尼尔 菲涅尔结构的高度分布 [0321] zSF 计算的基础表面3的螺旋形和菲涅尔形高度分布 [0322] ztot(r,phi) 制造的光学表面4的高度分布 [0323] w(phi) 光焦度分布的取决于角度的成分 [0324] wi、w1、w2 角度分布函数的峰位置 [0325] ai、a1、a2 各峰位置的衰减系数 [0326] Ii、I1、I2 单独峰的强度值 [0327] D 透镜直径 [0328] r 半径(径向高度) [0329] phi 方位角 [0330] R1 “厚”透镜的第一光学表面的半径 [0331] R2 “厚”透镜的光学基础表面的半径 [0332] R3 “薄”透镜的第一光学表面2的半径 [0333] R4 “薄”透镜的光学基础表面3的半径 [0334] R5 角膜半径 [0335] R6 非球面透镜的半径 [0336] R7 非球面透镜的半径 [0337] n1 周围介质的折射率 [0338] n2 透镜材料的折射率 [0339] d1 “厚”透镜的中心厚度 [0340] d2 “薄”透镜的中心厚度 [0341] d3 非球面透镜的中心厚度 [0342] h 衍射元件的轮廓深度 [0343] p 制为菲涅尔型的元件的凹口深度 [0344] λ 应用波长 [0345] wl 衍射元件的设计波长 [0346] 光栅频率的最大值，其对应于最大螺旋形光焦度分布 [0347] phase螺旋形(r,phi) 螺旋形光焦度分布的位相函数 [0348] phase结构 附加结构光焦度分布的位相函数 [0349] phaseSS(r, phi) 螺旋形和结构形光焦度分布的位相函数 [0350] t 计算变量 [0351] floor(t) 整数成分(floor函数) [0352] Profile(r, phi) 降低至高度h 的位相函数 [0353] K 非球面常数 [0354] x、y 笛卡尔坐标 [0355] Δn螺旋形 螺旋形折射率分布 [0356] 螺旋形的最大折射率 [0357] Δn结构 结构的折射率分布 [0358] ΔnSS 螺旋形和结构形折射率分布 |
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