Bifocal ophthalmic lens

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の焦点距離を備える眼科用レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】ここで使われる用語”眼科用レンズ”
（Opthalmic lens) は、コンタクトレンズ及び内部接眼レンズ（intraocular ）のような視力矯正レンズを示す。 他には、あまり一般的でないが、人工角膜（artifi
cial corneas）及び内部薄膜（intralameller ）も眼科用レンズの定義のなかに含まれる。

【０００３】２焦点メガネレンズは百年前から知られている。 このレンズにおいて、代表的には第１の領域が第１の焦点距離を備えられ、一方の第２の領域が第２の焦点距離を備えられる。 使用者は、近く又は遠くの物体を眺めるためにレンズの固有の部分を通して見る。

【０００４】更に最近では、他のタイプの複焦点眼科用レンズを発展させることに関心がもたれている。 メガネレンズに使用された手段と同様な手段を利用する複焦点コンタクトレンズが、”開業医及び学生向け教科書、コンタクトレンズ”第２版、Vol.2 の 571ページから 591
ページに記述されている。 しかしこのレンズは大きな欠点があり、レンズの異なる部分が、遠い視覚と近い視覚のために瞳孔をカバーするので、レンズが眼球上の位置を移動することを必要とする。 内部接眼レンズ又は他の移植されるレンズは位置を移動できないので、このレンズ設計はこのようなレンズには使用できない。 コンタクトレンズにあってもこの方法は欠点であり、レンズが所望の視覚範囲を向く眼球上を適当に移動しようとすることを保証することが難しい。

【０００５】上述の教科書に記述された２焦点コンタクトレンズの他のレンズ設計において、レンズの中央ゾーンが第１の焦点距離を備えられ、その中央ゾーンを囲む領域が第２の焦点距離を備えられる。 このレンズ設計は、同時に存在する視覚として識別される現象を利用して、レンズの移動の必要性を不要とする。 この同時に存在する領域は、中央ゾーンを通過する光がレンズから第１の距離において、与えられた物体の映像を形成し、且つ外側のゾーンを通過する光がレンズから第２の距離において、同じ物体の映像を形成する現象を利用する。 他の映像配置が網膜の前又は後ろのいずれかにあるとき、
これらの映像配置の１つだけが網膜に向けられ、正確に焦点が合った映像を作る。 不適当に集中された映像は、
焦点がずれているので、焦点が合った映像のコントラストを減らすだけであろう。 目の感光反応は対数的であるので、コントラストの５０％から６０％の減少は知覚されるほどのことはなく、このようなレンズの使用者は、
１つにうまく焦点の合った映像に対し個人的印象を受ける。

【０００６】このようなレンズの欠点は、照度に関連された低い明るさの状態の映像において、十分な照度を与えるために中央ゾーンが十分大きく作られたとき、即ち患者の瞳孔が広がったとき、中央ゾーンは、明るい光の状態において瞳孔が縮小する場合の瞳孔範囲の全て又はほとんどを占めるであろう。 従って、２焦点作用は明るい光において失われる。 反対に、明るい光の状態において２焦点作用を備えるために中央ゾーンが十分小さく作られたとき、低い照度環境において、不十分な光の量が中央ゾーンと関連される映像へ向けられるであろう。 故に中央ゾーンは一般的に、遠方の視覚を与えるために使われるので、このようなレンズの使用者が、低い照度状態において遠方の視覚を必要とするとき、たとえばこの使用者が夜間に自動車を運転するようなとき、危険な状況を作りだすに違いない。

【０００７】米国特許第 4,637,697号及び第 4,642,112
号（Freeman 特許）は、光が屈折手段と回折手段とによって、異なる２つの焦点へ向けられる他のタイプの２焦点レンズを開示している。 その基礎となる屈折力は、光を回折配置の多様体に分割する屈折構造によって補われる。

【０００８】回折ゾーンプレートが、特定の波長λの光に対して設計されるべきとされ、その波長の光に対して最も有効に働く。 通常の設計によれば、回折ゾーンプレートにおけるｎ番目のゾーンの半径ｒ _nは、 （ｎ） ^1/2
ｒ ₁ 、但しｒ ₁は中央ゾーンの半径、と等しくされなければならない。 理論的な近似値に対してはｒ ₁が（２λ
ｆ） ^1/2と等しくされ、但しこのλは設計上の波長であり、ｆは回折構造の焦点距離である。 従って、第ｎ番目のゾーンは（２ｎλｆ） ^1/2と等しい半径を持つ。

【０００９】回折ゾーンプレートを設計するとき、設計上の波長λが選択されなければならない。 所望の焦点距離及び波長が選択されると、各ゾーンの境界の位置が予め決められる。 このゾーンの精密な定義が欠点となる。
中央ゾーンの範囲が非常に大きいとき、つまり収縮した瞳孔となる明るい光のもとでは、１つ又は非常に少ないゾーンだけが使われる。 従って、複焦点作用の有効性が全く失われる。

【００１０】光学的能力を持ち、その光学的能力の少なくとも１つの部分が回折によって作られる他の複焦点眼科用レンズは、米国特許第5,076,684号、第5,116,111号
及び第5,129,718号 （Simpson 及び Futhey ）によって開示された。 更に他のレンズは、円形の中央ゾーンを含む複数の回折ゾーンと複数の同心円の環状ゾーンとを備える。 この設計に係るレンズは、ｒ ₁ ² _- ｒ ₀ ²がｒ ₀ ²と等しくないという条件を満足し、このｒ ₀は中央ゾーンの半径であり、ｒ ₁は第１の環状ゾーンの半径である。 更なる特徴として、ｒ _nが（ｒ ₀ ² ＋２ｎλ） ^1/2・ｆと等しい。

【００１１】 上記の米国特許第5,076,684号、第5,116,1
11号及び第5,129,718号の眼科用レンズは、隣接する環状ゾーンにおいて、光学路長が設計波長の１／２だけ異なるような設計を用いている。 これらのレンズは、有効な光エネルギを、第０番目の配列及び第１番目の配列の各々と対応する２つの焦点へ向ける。 第０番目の配列の焦点は、運転のような遠方視覚に適用するため使用され、第１番目の配列の焦点は、読書のような近接視覚に適用するため使用される。

【００１２】回折を利用する眼科用ゾーンプレートレンズの特性は、回折現象における固有の強い波長の依存性から生ずる。 第１番目の回折配列へ行く光は、屈折の色収差にだけ依存する。 屈折色収差及び回折色収差は正反対の符号で、それらの値が等しいとき各々を打ち消す。
人間の目の通常の屈折色収差は、約１ジオプトリである。 付加能力が３または４ジオプトリを持つ第１次回折レンズに対する回折色収差は約−１ジオプトリであり、
従って、このようなレンズに対し総色収差は、第１次焦点について本質的にゼロである。 第０次焦点に対して回折色収差は無いので、レンズの屈折色収差は打ち消されない。 このように、このレンズは１つの焦点で色収差に対して補正できるが、両方の焦点において色収差の補正ができない。

【００１３】従来のレンズおいて、回折の第０次は遠方の視覚を与え、一方回折の第１次は近くの視覚を与えるので、このようなレンズに対する色収差の補正は、近くの視覚にのみ有効である。 幾つかの状況、例えば、低い照度の状態において自動車を運転しなければならない患者にとって、遠方の視覚に対しての色収差補正はより好ましい。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレンズは、
中央ゾーン及び同心円上の環状ゾーンとを有する回折ゾーンを備え、その回折ゾーンは、光学的高さが３λ／
２、但しλは設計上の波長を示す、光学的段差だけ隣接するゾーンから分離される。

【００１５】また言い換えると、本発明は、回折能力と２つの焦点とを備えるレンズであり、その第１次の焦点が第１次の回折と関連され、第２次の焦点が第２次の回折と関連される。

【００１６】

【実施例】図１において１０で示される眼科用レンズは、ゾーン１２，１４，１６，１８，２０を含む回折ゾーンプレートを備えている。 図１の図面は５つのゾーンだけを示しているが、代表的には更に多くのゾーンが備えられる。 ゾーンの正確な数は、とりわけ、このレンズの基礎的光学能力、このレンズの大きさ、及び設計波長による変化量に依存する。 代表的なレンズは２０から４
０までの数のゾーンを有する。 以下に示されるように、
ゾーンの半径は設計波長の選択を含めて幾つかの要因によって影響される。 好ましい実施例において、設計波長は人間の目の最大明順応感度に関する分光領域において選ばれる。

【００１７】図１のレンズは、代表的には、屈折と回折とを組み合わせる効果によって与えられた２つの基本的な光学的能力を有する。 ２つの基本的な光学的能力のための回折効果は、光学的段差だけゾーンを分離することによって与えられる。 光学的段差はレンズの各面を直接に通過する光線に、特定の設計波長の光波長によって定義される異なった光路長を与える。 光学的段差を発生する１つの方法は、レンズ表面上に物理的構造を発生することである。 あるいは、基礎材料の屈折率を変えることによって平滑表面上に発生することもできる。 このような屈折率の変化は、例えば、レンズ材料の一部を取り除いて異なる屈折率を持つ材料で形成された構造物で満たすことによって、つまりドープされる領域の屈折率を変える不純物でレンズの一部をドーピングすることによって達成することもできる。

【００１８】光学的段差のサイズは光学的高さとして定義される。 ここで用いられる光学的高さという言葉は、
光学的段差面上を進む隣接した光線に対し、光の波長による光路長の違いと関係する。 従って、１段差の光学的高さは、レンズの屈折率と周囲の媒体の屈折率との差と物理的高さとの積に相当する。 回折ゾーンがレンズ材料の一部を変更することにより作られるレンズの場合、変更されたレンズ部分の屈折率は周囲の媒体の屈折率を適用する。 ２つの焦点間で光を分離するために、１段差の光学的高さは、設計波長として選択された光の波長の１
／２の奇数の整数倍とされる。 回折を利用する従来の眼科用複焦点レンズにおいて、隣接した環状ゾーン間の光学的高さは設計波長の１／２である。 しかし、本発明における眼科用レンズに対応する光学的高さは設計波長の３／２である。

【００１９】光学的高さを従来の技術のλ／２から３λ
／２とした段差の１つの効果は、本来の焦点を第０次及び第１次の回折に対応する位置から第１次及び第２次の回折に対応する位置へ変えることである。 これに関連して、本来の焦点は代表的に、レンズによって送られた光の４０％強を受ける。 このように２つの本来の焦点を用いると、その他の回折と結合された種々の焦点に囲まれて散乱される少量の光が残るであろう。 これら他の焦点の輝度が、代表的にこれらと結合された有効な視覚を可能とするために十分高くないので、この輝度はこれらを本来の焦点で視覚を大きく干渉することから防ぐ。

【００２０】光学的高さλ／２の段差を備えるレンズにおいて、近接視覚は第１の干渉配置に対応し、遠方視覚は第０の干渉配置に対応する。 しかし光学的高さ３λ／
２の段差を備えるレンズにおいては、遠方視覚が第１の干渉配置に対応し、近接視覚が第２の干渉配置に対応する。 しかし前述されたように、付加能力が３又は４ジオプトリの代表的なレンズに関し、第１次干渉の場合のみ２種類の色収差消滅が起こる。 離れた焦点に向かったより少ない光行差を持つことに長所があり、従って光学的段差高さ３λ／２を備えるレンズに有利性がある。 この一例としては、夜に運転して遠くの視界が基本的に重要なとき、このレンズを個人的に使用する場合である。

【００２１】図２は、レンズの１つのゾーンが図１のレンズの平らな表面上に形成されるとき、そのレンズの１
ゾーンの断面図を示す。 当業者は、この構造の特徴をより分かりやすくするために図２から図５の寸法が、光軸と平行に大きく誇張されていることに気づくであろう。
前面３０は平滑であり、また回折ゾーンがその後面に備えられる。 後面は回折ゾーン３４と段差３２，３６とを備える。 前述されたように、段差３６の光学的高さは、
設計波長であるλの３λ／２である。 領域３４及び段差３６により輪郭される回折ゾーンは、レンズの後面の切り欠いたセクション３８を残している。 前述されたように領域３８はオープンのままとすることができ、または、領域３８はレンズ本体の屈折率と異なる屈折率をもつある材料で満たすこともできる。 勿論領域３８がある材料で満たされるとき、段差３６の物理的高さは、所望の光学的高さを維持するために変更されるべく要求されえる。

【００２２】ゾーン表面の形状は、構造と回折配置間のエネルギ分布とによりエネルギが向けられる回折配置に影響を及ぼす。 好ましい実施例において、図示されたゾーンの領域３４の形状は双曲形であるが、通常は球表面的近似、及び線型的近似、また更に双曲線に合った段差形近似を使用することもできる。 しかし、ゾーンの正確な形状は、ゾーン境界位置よりもレンズの性能に対して重要でない。 重要な必要条件は、ゾーン境界が適切に位置されることである。 更に好ましくは、厳密な必要性でないが、ゾーンは滑らかに曲線を描くことである。 球表面ゾーン形状は、生成するためには最近の有効な技術を用いる双曲形状よりも概して容易であり、球体は小領域を越える双曲表面と理論的に接近する近似であるので、
球形ゾーン形状が、好ましい双曲的輪郭を近似することがされえる。 好ましい実施例にて使用される球表面は、
ゾーン間に適当な段差高さが与えられ、表面の湾曲の中心がレンズの光軸に位置するように設計される。 このような形状がゾーンのサイズに関して双曲線とうまく近似されれば、他の表面形状も用いられる。

【００２３】本発明に係るレンズの構成された表面には基本曲線が備えられることがわかる。 そして回折ゾーンの輪郭は、基本曲線及びゾーンが基本曲線を持たない輪郭との代数和である。

【００２４】図３は、基本曲線を利用するこのようなレンズ４０の断面図である。 平滑な前面側４２と、一連の回折ゾーン４６，４８，５０，５２，５４を有して構成される後面によって形成された回折ゾーンプレートとを備えるメニスカスレンズである。 これらのゾーンは、ゾーン５０，５２を分離する段差４４のような光学的段差によって分離される。 一方、ゾーンはレンズの前面側４
２上に形成されたり、またはレンズの両面上にも形成されえる。 本発明の眼科用レンズは、代表的にはゾーン間の物理的段差を有し、従来においてよく知られる複製技術により製造されようとするものである。 上述のように、光学的段差４４のような回折ゾーンを分離する光学的段差は、実際の物理的段差を必要としない他の方法でも形成される。

【００２５】レンズ４０の中央ゾーン４６は、レンズ４
０の光軸に沿って中心に集められる曲率半径（Ｒ ₄₆ ）によって定義された球面的反りを有する。 更に、各環状ゾーン４８，５０，５２，５４は、各々光軸上に集中される曲率半径Ｒ ₄₈ ，Ｒ ₅₀ ，Ｒ ₅₂ ，Ｒ ₅₄によって定義された球状表面のセグメントである。

【００２６】前に述べたように、通常の技術が本発明に係るレンズの製造に用いられる。 例えば、レンズは回折構成を作るであろうモールドを使用して射出成形しても差し支えない。 或いは、その原型はレンズプレフォーム（予備成形物）へ直接に旋盤カットしても差し支えない。

【００２７】図４は、光軸に沿って拡張される寸法を与えられたレンズ４０のような、レンズの抜粋された環状ゾーンの部分断面図である。 図４のレンズは、１本の光軸１４６とゾーン１３６，１３８，１４０，１４２を有する。 環状ゾーン１３８，１４０，１４２に相当する球状表面は、各々の点１４８，１５０，１５２で光軸１４
６と交差する点線に沿って拡張される。 各々の変位パラメータｄ ₁₃₈ ，ｄ ₁₄₀ ，ｄ ₁₄₂の設定は、各交差点１４
８，１５０，１５２と、中央ゾーン１３６の交差点１５
６との間の距離から定義されえる。 本発明に関して選ばれたレンズ設計である基本曲線として定義された球状表面は、点１５６及び環状ゾーンの内部の端の円周と交わ<br>り且つこれらを含む。 この基本曲線の曲率半径は、複焦点回折レンズの光学的能力を予め決定するパラメータである。

【００２８】本発明にかかる回折力を有するレンズの設計は、半径及び、図４の１３７，１３９，１４ １のような光学的段差の高さ、変位パラメータｄ ₁₃₈ ，ｄ ₁₄₀ ，
ｄ ₁₄₂ ，ｄ ₁₄₄ 、中央ゾーン１３６の曲率半径ｒ ₁₃₆によって、十分に明確とされよう。 あるいは変位、ゾーン半径、及びゾーン輪郭の曲率半径が指定されるであろう。 一例の眼科用レンズの設計は、まさに図３のレンズ３０がこれにあたるが、より代表的な３４のゾーンを含めて、表１の設計パラメータとともに以下に記述される。 このレンズは内部接眼レンズであり、レンズ材質は
1.492の屈折率をもつアクリルプラスチックである。 基本曲線の曲率半径は 22.00000mm である。 555 nm の設計波長及び人の目の水分に対する屈折率 1.336を想定して、物理的段差高さは、３λ／２の光学的段差高さとして計算する。 この段差高さは、レンズの全ての光学的段差に対し適用される。 表１において、ｒ _iはｉ番目のゾーンを囲む段差に属する半径、Ｒ _iはｉ番目のゾーンの表面の曲率半径、そしてｄ _iは、光軸と基本曲線の交差点と、光軸とｉ番目の環状ゾーンを含む曲面の交差点との距離である。 ０番目のゾーンは最も内側つまり中央ゾーンである。

【００２９】 表１ ｉ ｒ _i (mm) Ｒ _i (mm) ｄ _i (mm) 0 0.39821 84.10114 0.00000 1 0.68972 84.02358 0.00532 2 0.89043 83.92031 0.01064 3 1.05357 83.81721 0.01596 4 1.19463 83.71428 0.02127 5 1.32071 83.61150 0.02658 6 1.43577 83.50889 0.03189 7 1.54226 83.40645 0.03720 8 1.64186 83.30416 0.04251 9 1.73576 83.20204 0.04781 10 1.82483 83.10008 o.o5311 11 1.90975 82.99829 0.05841 12 1.99105 82.89665 0.06371 13 2.06916 82.79517 0.06900 14 2.14443 82.69386 0.07429 15 2.21714 82.59270 0.07958 16 2.28754 82.49170 0.08487 17 2.35584 82.39087 0.09015 18 2.42229 82.29019 0.09543 19 2.48682 82.18967 0.10071 20 2.54979 82.08931 0.10599 21 2.61124 81.98910 0.11126 22 2.67128 81.88906 0.11653 23 2.72999 81.78917 0.12180 24 2.78747 81.68944 0.12707 25 2.84379 81.58986 0.13234 26 2.89901 81.49044 0.13760 27 2.95321 81.39118 0.14286 28 3.00642 81.29207 0.14812 29 3.05871 81.19312 0.15337 30 3.11012 81.09432 0.15862 31 3.16070 80.99568 0.16387 32 3.21047 80.89719 0.16912 33 3.25949 80.79885 0.17437

【００３０】図５は、本発明の他の実施例である。 図５
において、レンズ１６０は、２つのレンズ部材１６２，
１６４を備える平滑表面の両凸レンズである。 レンズ部材１６２は、レンズ１６０の前面である平滑面１６６を有し、回折内部面１６８は、円形の中央ゾーン１７４と一連の環状ゾーン１７６，１７８，１８０，１８２とを有する。 回折ゾーン１７４，１７６，１７８，１８０，
１８２は、光軸に向かって全て集中された円形の円筒状段差１７５，１７７，１７９，１８ １によって各々分離される。 更に、レンズ部材１６４は内部に構成された面１７０、及びレンズ１６０の後表面である平滑な外部面１７２とを有する。 代表的に内部面１７０は、レンズ部材１６２の回折面１６８と接触して硬化性液体樹脂をキャスティングまたはコーティング、あるいは分離複製または機械加工プロセスによって形成された複製面である。 面１７０はレンズ部材１６２の面１６８と接着される、或いは他の方法のように面１７０はレンズ部材１６
２の面１６８と本質的接触状態に維持される。 レンズ部材１６２，１６４は、各々異なる屈折率ｉ ₆₂ ，ｉ ₆₄を有する。 上述されたように本発明のレンズに関し、隣接した環状ゾーン間の段差の光学的高さは３λ／２、但しλ
は設計波長、である。 従って、各段差の物理的段差高さは、 （３λ／２）／（ｉ ₆₂ −ｉ ₆₄ ） によって与えられる。

【００３１】図６は、本発明に係る両凸レンズを示す。
図５の両凸レンズ１６０と異なり、レンズ７０は平滑表面７２と非平滑表面７４とを有する。 非平滑表面７４
は、最も内部の中央ゾーン７６、及び環状ゾーン７８，
８０のような環状ゾーンとをそなえる。

【００３２】図７は、図５のレンズ１６０の表面のように平滑表面を備えるレンズ８１である。 レンズ１６０と異なり、レンズ８１はメニスカスレンズ（ meniscus le
ns）である。 レンズ８１は異なる屈折率を有する２つの領域８２，８４を備える。 構成された面８６は、露出された平滑表面８８，９０を残して領域８２，８４を分離する。

【００３３】図８は、本発明に係る平滑表面の両凸レンズを示す。 レンズ９２は、異なる屈折率をもち非平滑表面９８によって分離された材料の領域９４，９６を備える。 図５のレンズ１６０の表面１７０と異なり、レンズ９２は凸形の基本曲線を施した表面９８を備える。

【００３４】レンズ設計に対し、２つ以上のレンズ材料を備えること、あるいは真空または液体を収容するキャビティを囲む２つのレンズ要素を備えることは、本発明によって明確に意図される。 本発明の眼科用レンズの必要条件は、環状ゾーンが、回折表面の向かい合う面上で異なる屈折率を必要とする直近の隣接したゾーン間の光学的高さにおいて３λ／２の段差を持つことである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明により構成された平滑な表面を有するレンズ前面の平面図である。

【図２】図２は、図１のレンズのある１つのゾーンの縦断面図である。

【図３】図３は、本発明により構成されたメニスカスレンズの縦断面図である。

【図４】図４は、図３のレンズの回折ゾーンの縦断面図である。

【図５】図５は、本発明により構成された平滑な表面をもつ両凸レンズの縦断面図である。

【図６】図６は、本発明により構成された非平滑表面をもつ両凸レンズの縦断面図である。

【図７】図７は、本発明により構成された平滑な表面をもつメニスカスレンズの縦断面図である。

【図８】図８は、本発明により構成された平滑な表面をもつ他の両凸レンズの縦断面図である。

【符号の説明】

１０…眼科用レンズ １２，１４，１６，１８，２０…ゾーン ３０…前面 ３２，３６…段差 ３４…回折ゾーン ３８…切り欠いたセクション ４０…メニスカスレンズ ４２…前面 ４４…段差 １３６…中央ゾーン １３８，１４０，１４２…環状ゾーン １４６…光軸 １６０…両凸レンズ １６２，１６４…レンズ部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル ジョン シンプソン アメリカ合衆国，ミネソタ 55144− 1000，セント ポール，スリーエム セ ンター（番地なし) (56)参考文献 特開 平２−28615（ＪＰ，Ａ)