镜片用于矫正屈光不正的用途是众所周知的。在制造眼镜镜片时，尤其是 高光焦度的镜片时，期望采用高折射率的材料，或折射率大于1.50的材料，以 提供令人满意的边缘和中心厚度。然而，采用传统材料例如聚碳酸脂或无机玻 璃增大折射率时，会导致色差或色散的增加。
纵向色差和横向色差是由不同波长的光形成的图像移位引起的。色差的大 小取决于镜片的光焦度以及镜片材料的物理属性。人们佩戴传统材料制成的眼 镜镜片改变度数时会感觉到色差，尤其是在其视场的边缘。
对于一单元件折射镜片，典型为眼镜镜片，镜片的横向色差(“TCA”)(以 屈光度为单位)，取决于阿贝数(V)、镜片的光焦度(Ф)(以屈光度为单位)、 以及从镜片中心的镜片的注视高度(y)(以毫米为单位)，如方程式I所示。
$\mathrm{TCA}=0.1·y·\frac{\Phi }{V}$ (I)
下表示出了在15mm的注视高度，对于不同镜片光焦度和阿贝数值的 TCA。
                                            表1                           横向色差(以屈光度为单位)                           镜片光焦度(以屈光度为单位) 阿 贝 数 - V 25  1  0.06  2  0.12  3  0.18  4  0.24  5  0.30  6  0.36  7  0.42  8  0.48  9  0.54  10  0.60 30  0.05  0.10  0.15  0.20  0.25  0.30  0.35  0.40  0.45  0.50 35  0.04  0.09  0.13  0.17  0.21  0.26  0.30  0.34  0.39  0.43 40  0.04  0.08  0.11  0.15  0.19  0.23  0.26  0.30  0.34  0.38 45  0.03  0.07  0.10  0.13  0.17  0.20  0.23  0.27  0.30  0.33 50  0.03  0.06  0.09  0.12  0.15  0.18  0.21  0.24  0.27  0.30 55  0.03  0.05  0.08  0.11  0.14  0.16  0.19  0.22  0.25  0.27 60  0.03  0.05  0.08  0.10  0.13  0.15  0.18  0.20  0.23  0.25
如果TCA大于0.25屈光度，则对于许多佩戴者来说变得成问题。
典型的传统高折射率材料具有30至45的阿贝数，这将给一些佩戴者带来 一些问题。一些被认为低色散的低折射率材料具有大于55的阿贝数，这给绝 大多数佩戴者以满意的颜色性能。然而，高折射率材料是合乎眼镜镜片需要的， 因为这有可能生产出更薄和更轻的镜片。因此，需要一种用于眼镜镜片的高折 射率材料，能提供等价于具有大的阿贝数的低折射率镜片的颜色性能。
附图说明
图1是最小色差的理想折射光焦度和衍射光焦度的图解表示。
图2是衍射光焦度范围的图解表示，对于-9至9屈光度的球面镜片光焦 度，该衍射光焦度将给出至少50％的色差减小率。
图3描绘出从眼睛视角分析传统折射单一视觉镜片产生的光点直径RMS 的镜片的截面图。
图4描绘出从眼睛视角分析本发明的镜片产生的光点直径RMS的镜片截 面图。
图5是传统镜片在光点直径RMS的各种垂直位置的截面图。
图6是本发明的镜片在光点直径RMS的各种垂直位置的截面图。
图7是传统镜片在表示干扰柱面的各种垂直位置的截面图。
图8是本发明的镜片在表示干扰柱面的各种水平位置的截面图。
发明描述和优选实施方式
本发明提供单一视觉和多焦点镜片及其生产方法，其中使用衍射和折射元 件。该合成镜片减小大约10到100％的横向色差，从而能够提供具有约50至 120的有效阿贝数的高折射率镜片。通过将折射光焦度和衍射光焦度组合在规 定平衡内，可能提供一种性能等同于具有高阿贝数的折射镜片的镜片。
在一实施方式中，本发明提供一种具有球面光焦度Φ的镜片，其主要包括 一衍射元件和一折射元件，该衍射元件包括第一球面光焦度ΦD，该折射元件 包括第二球面光焦度ФR，其中Ф＝ФD+ФR。“镜片”是指适合修正视觉灵敏 度的镜片，包括但不局限于眼镜镜片、隐形镜片、眼内镜片、高嵌镜片 (onlay-lenses)等等。
对于单一视觉镜片，Ф可能是整个镜片的球面光焦度的平均值、在光学中 心的局部球面光焦度、或在光学中心的局部球柱面光焦度。本领域普通技术人 员可以认识到ФD的值将取决于球面光焦度的选择以及所期望的TCA修正水 平。对于多焦点镜片，Ф可能是在光学中心或合适的位置的球面或球柱面光焦 度、镜片近视觉区域中心的光焦度、或者在整个镜片中改变的局部光焦度，其 中ФD在整个镜片中改变。
衍射元件可以是任何适合的元件包括但不局限于衍射光栅、全息图、相息 图等等。通过衍射元件提供的光焦度可以是正或负光焦度。
理想的TCA修正可以通过满足下式实现：
$|\frac{{\Phi }_R}{V_R}+\frac{{\Phi }_D}{V_D}|=0$ (II)
其中VR是镜片材料的阿贝数，VD是镜片的衍射元件的有效阿贝数。典型 地，镜片材料的阿贝数可以是约30至约60。
衍射元件的阿贝数可以定义为：
$V_D=\frac{{\lambda }_{\mathrm{mid}}}{{\lambda }_{\mathrm{short}}-{\lambda }_{\mathrm{long}}}$ (III)
其中λmid是感兴趣的范围的中点的波长。在可见系统内587nm的值被典型 地应用。感兴趣的范围的短波长是λshort，在可见系统内486nm的值被典型地应 用。感兴趣的范围的长波长为λlong，在可见系统内656nm被典型地应用。采用 这些波长值，VD为-3.45。
镜片需要的衍射光焦度通过求解方程式IV获得：
${\Phi }_D=\frac{\Phi }{1-\frac{V_R}{V_D}}$ (IV)
优选地，衍射元件增加约0.10至约1.50屈光度的球面光焦度。
衍射元件可基本覆盖镜片的后表面(或者说凹表面)、前表面(或者说凸 表面)或位于前表面、后表面中间的面的全部或部分。衍射元件可能是任何形 状，包括但不局限于环形、圆形、椭圆形等等。优选地，为了制造容易以及美 观耐用性，衍射元件覆盖后表面。在该实施方式中，衍射元件是前表面和后表 面中间的面，整个中间层上的折射率变化必须使得衍射元件能够起作用。典型 地，折射率的变化必须在0至0.25单位/微米之间。
图1是曲线图，描绘出折射和衍射球面光焦度优选组合，其中聚碳酸脂镜 片的总镜片光焦度为-9.00至+9.00屈光度，取VR为30。本领域普通技术人 员可以认识到对于较大VR的材料，需要较小的衍射光焦度。色差的减小可通过 使衍射光焦度符合以下条件式来实现：
$2\left|\frac{\Phi }{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\Phi }_D\right|>0$ (V)
在该方程式中，ФD定义为相对于折射光焦度ФR的衍射光焦度的最佳 值，其值可以是大约10至大约2ФD。如果该值为0，则没有色差校正。如果该 值为2ФD，则色差等于反向的镜片色差。
然而优选地，将衍射光焦度限制在：
$1.9\left|\frac{\Phi }{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\Phi }_D\right|>0.1\left|{\Phi }_D\right|$ (VI)
更优选地，将衍射光焦度限制在：
$1.5\left|\frac{\Phi }{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\Phi }_D\right|>.5\left|{\Phi }_D\right|$ (VII)
图2描绘出用方程式II表示的ФD并沿着方程式VII给出的正负容差限制 绘制。如果衍射光焦度在方程式VII规定的限度内，横向色差减少至少50％。 尽管要求衍射光焦度满足方程式II对于最佳TCA修正是合乎需要的，方程式 VII规定的不严格限制允许改善颜色性能，以等效于或比以低折射率、高阿贝 数眼镜提供的更好，而没有对每个球面光焦度要求特定的衍射元件。
方程式V可以变形成使衍射光焦度根据最大允许TCA来定义。在该形式 下，对于固有的具有小量横向色差的低镜片球面光焦度，解仅与折射光焦度有 关。在该形式下，对衍射光焦度的约束为：
$[V_D·\frac{(\frac{-\mathrm{TCA}}{0.1·y}·V_R-\Phi )}{V_R-V_D}]>{\Phi }_D>V_D·\frac{(\frac{\mathrm{TCA}}{0.1·y}·V_R-\Phi )}{V_R-V_D}$ (VIII)
本发明的镜片可通过任何方便的手段制造，并由任何适合于制成镜片的已 知的材料制成。适合的材料包括但不局限于聚碳酸脂，丙稀二甘醇，聚甲基丙 稀酸酯等等。这样的材料在市场上可以买到，或者其生产方法是已知的。进而， 镜片可以通过任何传统的镜片制造工艺制造，该镜片制造工艺包括但不局限于 研磨、整个镜片浇铸、模制、热成型、层压、表面浇铸或其组合。浇铸可通过 任何手段完成，但优选地通过表面浇铸完成，该表面浇铸包括但不局限于比如 在美国专利申请5147585，5178800，5219497，5316702，5358672，5480600， 5512371，5531940，5702819以及5793465中所公开的，这里将其全部内容作 为参考引入。
衍射元件使用光学工具结合必需的衍射元件通过模制工艺提供。该工具包 括但不局限于适合塑料光学部件的注模或压模的金属插入物、用于光学部件的 浇铸的玻璃或金属模型、以及金属或陶瓷冲压工具。可选择地，衍射元件通过 金刚石旋转形成。完成元件可涂敷适当的涂层，该涂层符合该元件并保持衍射 元件功能。可选择地，不符合的涂层可被用于有效地将衍射元件隐藏在该涂层 下。在该实施方式中，个体的光栅元件的宽度和深度必须考虑涂层和基板之间 的折射率的差异。适合的涂层在市场上可以买到，或者其制造方法是已知的。
因为衍射光焦度的大小取决于镜片的总球面光焦度，每个镜片的衍射光焦 度的计算取决于使用镜片的个人的处方。因此，衍射元件在定制的基础上提供。 提供这样的定制元件的一个方法中，确定个人的矫正处方，选择有适合的前表 面几何形的半成品毛坯。半成品毛坯的前表面上可提供有任何适合的涂层，例 如，硬涂层、抗反射涂层、有色涂层等等。然后，将毛坯以前表面依附在旋转 对称保持夹具上，从而以例如光学中心的光学参考点来将夹具调准。然后，分 块的毛坯在多轴上机器制造，通过计算机数控金刚石切割机器在包括衍射元件 的后表面上形成需要的表面，例如球面、复曲面、递增面。优选地，机器制造 通过安装在计算机控制双轴线驱动器上的单点金刚石工具来实现。机器制造的 表面可通过任何方便的方法描述，所述方法包括但不局限于通过采用x、y和z 坐标来描述该表面，或者通过分别带有一组系数和边界条件的一组多项式来描 述该表面。随后，机械加工面可用任何所需涂层涂敷。
尽管可发现本发明在眼镜镜片的设计中具有特别的好处，但折射和衍射元 件可应用于任何用于校正视觉敏锐度的镜片类型，例如眼镜镜片、隐形镜片或 眼内镜片等。本发明将通过下述非限定性实施例进一步变得清晰。
实施例
实施例1
具有-4.00屈光度的球面光焦度的单一视觉镜片由阿贝数为29的聚碳酸 酯制成。作为比较目的的基线，首先分析传统折射镜片，其镜片具有200mm 的前半径和79mm的后半径。该镜片通过计算在位于距镜片27mm处的眼睛旋 转点上的18mm焦距的镜片的焦面上的光点尺寸RMS来分析。光点尺寸RMS 以-40至+40度的入射角来计算，如图3所示。
具有-0.37屈光度的光焦度的衍射元件位于镜片的后表面(凹表面)。为 了保持球面光焦度，将后表面的半径变为89mm。该衍射/折射镜片的光点尺寸 RMS以图表形式表示，如图4所示。随着测得的光点尺寸从约0.004mm减小 到约0.001mm，在x＝0，y＝0处的图像质量被提高。这主要是由于轴向或纵向 的像差矫正。图像质量方面的改善对离轴入射角更明显。例如，在x＝0，y＝20 度，传统折射镜片的光点尺寸RMS为0.017mm，而具有衍射元件的镜片为 0.003mm。
实施例2
提供一种聚碳酸脂非复曲面渐变附加镜片，其具有-4.00屈光度的远光焦 度和1.30屈光度的附加光焦度。图5描绘出镜片的光点尺寸RMS。图4描绘 出镜片的干扰像散。在这两个图中示出了以各种角度沿着水平面切割镜片的截 面分析。10度截面是切割镜片远视区域的水平面。在该特定镜片中，近视区域 在-40度。一系列切割是从远视区域通过中间视觉区域到近视区域形成的。
将具有光焦度为-0.35屈光度的衍射光栅附加到镜片的凹面。总的球面光 焦度保持-4.00屈光度，而球面光焦度的折射部分减至-3.65屈光度。镜片的 衍射部分的阿贝数大约为-3.5，而折射部分的为29。如图6所示，图像质量 沿着镜片的中央子午线或通道中心显著改善。获得所述改善而镜片上并没有增 加干扰像散，如图8所示。
实施例3
对于一个设计方案组，衍射光焦度可被选择从而不会对每个球面光焦度要 求特定的衍射。镜片的总球面光焦度是前表面的折射光焦度加上后表面的折射 光焦度加上衍射元件的衍射光焦度的总和，无论将其施加到前表面、后表面还 是中间面。
表2示出了由聚碳酸脂制成的单一视觉镜片的方案组的前折射光焦度、后 折射光焦度以及衍射光焦度，其将提供改善的颜色性能，原因是5/6特定前弯 曲(9，8，6，4，2和1屈光度)上提供的衍射光焦度。对每个球面光焦度， 具有唯一的后弯曲。也示出了镜片上15mm高度处的横向色差。六个特定的前 弯曲的每一个选择衍射光焦度，以在那种情况下覆盖的球面光焦度的范围内给 出TCA最小值。在具有4屈光度的前表面折射光焦度的情况下，衍射光焦度 选择0屈光度，因为这仍然满足方程式VII的约束条件。
                        表2 总球面 光焦度   前折射   光焦度   衍射   光焦度   后折射   光焦度     TCA     8     9     0.80     -1.80     0.026     7     9     0.80     -2.80     -0.026     6     8     0.58     -2.58     0.026     5     8     0.58     -3.58     -0.026     4     6     0.32     -2.32     0.052     3     6     0.32     -3.32     0.000     2     6     0.32     -4.32     -0.052     1     4     0.00     -2.95     0.054     0     4     0.00     -3.95     0.003     -1     4     0.00     -4.95     -0.049     -2     4     0.00     -5.95     -0.101     -3     2     -0.43     -4.57     0.052     -4     2     -0.43     -5.57     0.000     -5     2     -0.43     -6.57     -0.052     -6     1     -0.74     -6.26     0.052     -7     1     -0.74     -7.26     0.000     -8     1     -0.74     -8.26     -0.052