复合型全息多焦透镜

本发明涉及一种含有全息元件并提供至少两个光焦度的多焦透镜。

现有技术中已有关于放在眼睛上或置于眼睛内以矫正视觉缺陷的眼 科透镜如接触透镜和眼内透镜的各种双焦透镜设计方案。一种传统的 双焦眼科透镜设计是同轴同时视线型；另一种传统的双焦眼科透镜设 计是衍射同时视线型。另外还有一种传统的双焦眼科透镜设计是转换 型。转换型透镜有两个位置不同的观察区，具有不同的光焦度。当配 戴者想看那些与当前被聚焦物体距离不同的物体时，必须将该双焦透 镜在眼睛上的位置从一个区移至另一个区。

最近，已经建议使用可主动控制的方法在眼科透镜中提供双焦功 能。一种局部涂有热致变色涂料的同时视线型双焦透镜就是一个例子。 但仍需要一种能够可靠地提供多焦功能而又没有现有多焦透镜缺点的 眼科透镜，也同样需要一种适宜的生产这种多焦透镜的工艺。

根据本发明提供了一种具有提供光焦度的体积全息光学元件的光学 透镜，该体积全息光学元件是组合型或复合型全息元件。这种光学透 镜具有一个程序设计的激活角，在该角内该全息光学元件提供衍射光 焦度。本发明还提供一种生产适用于该光学透镜的多层全息元件的方 法。该方法具有如下步骤：提供第一源光束；将该第一源光束分为第 一和第二光束；提供具有相对设置的第一和第二表面的可记录全息元 件，其中该表面为平面、凸面或凹面；将第一和第二光束分别射向该 可记录全息元件的第一和第二表面；提供第二源光束；将第二源光束 分为第三和第四光束；将第三和第四光束分别射向可记录全息元件的 第一和第二表面，其中第一与第三光束和第二与第四光束具有适合的 相位关系以将光栅结构，理想的是体积光栅结构记录于该可记录全息 元件中。本发明还提供生产复合型全息元件的顺次方法。该顺次方法 具有如下步骤：在第一模具中提供第一可聚合或可交联的流体光学材 料；在该光学材料中记录第一体积光栅结构，从而形成第一非流体HOE 层；提供第二模具，其中该第二模具有大于第一HOE层的腔室体积且 将第一HOE层固定于其一个表面上；在第二模具中提供第二可聚合或 可交联的流体光学材料于第一HOE层上；在该第二光学材料中记录第 二体积光栅结构，从而形成第二非流体HOE层，其中第一和第二HOE 层相互粘接。

本发明提供一种具有组合型体积全息光学元件的可激活多焦光学透 镜。这种组合型体积全息光学元件使得光学元件在激活与失活状态之 间具有小的角度变化，而且也减少色散和色差。

图1说明本发明的活性眼科透镜。

图2说明本发明活性透镜的全息光学元件的衍射功能。

图3说明本发明的活性眼科透镜。

图4说明该全息光学元件的透射功能。

图5说明该全息光学元件被激活时的衍射功能。

图6说明生产该全息光学元件的示例方法。

图7说明该全息光学元件的光焦度。

图8-8B说明本发明的组合型全息光学元件。

图9说明本发明的眼镜复合透镜(spectacle composite lens)。

图10说明一种生产组合型HOE的示例方法。

图11说明另一种生产组合型HOE的示例方法。

本发明提供一种活性多焦眼科透镜。本发明还提供眼镜用活性多焦 透镜。下文中除非另有说明，术语“光学透镜”用来同时代表眼科透 镜和眼镜片。本发明的活性光学透镜具有多个光焦度。尤其是，该透 镜具有至少一个光焦度和至少一个可以被激活的附加光焦度。与传统 的双焦透镜不同，本发明的活性多焦透镜可以被主动和选择性地控制， 以在没有或基本没有来自该透镜其它光焦度的光干涉时提供一个所需 的光焦度。

该活性光学透镜含有一全息光学元件(HOE)，适合于该活性光学 透镜的HOE是透射型体积HOE。体积HOE含有干涉条纹图案，该图案 随着该光学材料折射率的周期性改变而被程序设计或记录。该折射率 的周期性改变在该光学材料内部产生峰值折射率的平面，即体积光栅 结构。以下将进一步讨论该HOE内的干涉条纹图案的平面。

图1说明本发明的示例活性双焦透镜10。应该注意，尽管本发明 的活性光学透镜可以有多于两个光焦度，但是为了便于说明，此处公 开的本发明参考双焦光学透镜。该透镜10是一个具有第一光学元件12 和一个HOE 14的接触透镜。该HOE 14被嵌入或包封在该第一光学元 件12中以形成复合透镜10，使得该HOE 14与该透镜10一同移动。 该第一光学元件12提供第一光焦度以矫正屈光不正，例如近视。或者 是，该第一光学元件12可以是平光透镜，用作HOE 14的载体。至于 HOE 14，该光学元件设计成只有在光线以预先程序设计的角度，或以 在预先程序设计的角度范围之内激活该光学元件的角度即激活角进入 HOE 14时，才改变光路。因此，当光线以激活角之外的角度进入时， 该HOE 14完全或基本完全透射入射光线，而不显著改变或不改变光路。 或者说，除非当入射光线的入射角在该预先程序设计的激活角之内，HOE 14可以作为平光透镜。当HOE 14被激活时，HOE 14中程序设计的条 纹图案或体积光栅结构改变光路以提供一个与透镜10的第一光焦度不 同的光焦度。除了该可激活的光焦度之外，该HOE 14也可以提供一个 由HOE 14的形状和HOE 14的组分折射率产生的光焦度。在进入透镜 10的入射光线的角度不能激活HOE 14时，这种附加的光焦度补偿第 一光学材料以提供活性透镜10的第一光焦度。此处使用的术语“激活 角”表示入射光线的入射角，该角为由入射光线的前进方向与垂直于 HOE表面的轴形成的角，满足布拉格条件，使得入射光线被HOE的干 涉条纹光栅结构衍射，这些将在后面进一步讨论。应当注意该激活角 不是一个单一值且可以是一个角度范围。当满足布拉格条件时，高达 100％的入射光线可以被相干衍射。

图2进一步说明图1中双焦活性透镜10的HOE 14的功能。垂直 于HOE 14平面表面的z轴和入射光线R的前进方向形成入射角σ。当 入射光线R以HOE 14的激活角之内的入射角进入HOE 14时，光线R 被HOE 14的预先程序设计的干涉条纹图案，即体积光栅结构衍射，并 从HOE 14射出光线S，出射角ρ与入射角σ不同。

图3说明本发明另一实施方案的活性双焦透镜。该活性双焦透镜16 是一个复合透镜，具有第一光学透镜17和完全覆盖第一光学透镜17 的HOE透镜18。或者，HOE透镜18的尺寸仅覆盖眼睛的瞳孔。第一 光学透镜17和HOE透镜18可以分别制造，再通过例如粘合或热方法 结合在一起。或者，第一光学透镜17和HOE透镜18可以一个在另一 个上面依次或同时制造，以制造复合透镜。当第一光学透镜和HOE透 镜由一种基本材料或两种具有化学相容性的材料制成时，这种依次或 同时的方法特别适合。尽管活性透镜16表示为其内半部是第一光学透 镜而外半部是HOE透镜的透镜，但可以根据本发明制造各种光学元件 的其他组合。

活性双焦透镜的又一实施方案是非复合活性HOE双焦透镜。在这 个实施方案中，该活性HOE双焦活性透镜由制造HOE的光学材料制造。 该活性透镜的形状和HOE材料折射率相结合提供了第一光焦度，HOE 透镜中程序设计的体积光栅结构提供了第二光焦度。当所用的HOE材 料是生物相容的材料并且因此不和眼睛组织发生不利相互作用时，这 种非复合活性HOE透镜实施方案特别适合。此处所用的术语“生物相 容性材料”是指当植入试验对象的生物组织中或放置在其附近一段时 间后，不会明显劣化并且不会引起显著免疫反应或有害的组织反应， 例如有毒反应或明显刺激的聚合材料。适合于制造本发明的HOE的示 例性生物相容性材料已经在Beat Müller的美国专利No.5，508，317 和Mühlebach的国际专利申请No.PCT/EP96/00246中披露，此处引入 该专利和专利申请作为参考，并在后面进一步讨论。合适的生物相容 性材料是高度可光交联或可光聚合的光学材料，包括聚乙烯醇、聚乙 烯亚胺或聚乙烯基胺的衍生物和共聚物。

该HOE被设计或程序设计成为具有一个激活角或一个在其内该HOE 能够被激活的激活角范围，并且HOE衍射入射光线，使其聚焦在所希 望的位置。图4和5说明复合活性透镜20的HOE 21的功能，该复合 透镜含有一被程序设计以聚焦近距离入射光线的HOE透镜元件。当远 处物体的光线22以不能激活HOE21的角度进入透镜时，光线20按照 透镜10的第一光学元件23的光焦度和眼睛晶状体(未显示)的光焦 度的结合聚焦在眼睛视网膜上，具体而言是凹处的焦点24。例如，第 一光学元件23可以有一个+10屈光度至-20屈光度之间的矫正光焦度。 应该注意HOE透镜21可以具有一个由HOE透镜21的形状和HOE组分 折射率形成的固有光焦度。因此，HOE透镜21可能有助于活性透镜20 的折射光焦度。尽管如此，因为该固有光焦度可以容易地化为本发明 教导中的因素，因此下文中HOE透镜21的固有光焦度将被忽略，以简 化该HOE透镜衍射功能的说明。当HOE透镜21没有被激活时，HOE透 镜21不会干涉光线22从由第一光学透镜元件23导致的垂直折射光路 中穿过。但是，当光以能激活HOE透镜21的角度进入HOE透镜21时 (即在激活角之内进入)，该光线被HOE透镜21衍射。如图5所示， 当入射光线以能激活HOE透镜26的角度进入活性透镜25时，该透镜 与第一光学透镜27和眼睛晶状体一起将光线聚焦在视网膜上，特别是 凹处。例如当光线以在程序设计的激活角之内的角度进入HOE透镜26 时，从近处物体29发出的光线28在凹处形成影象30。

相对于活性双焦透镜，特别是活性透镜的HOE部分，入射光线的入 射角可以通过各种方法来改变。例如，活性透镜可以被倾斜以改变入 射光线的入射角，即该透镜的配戴者可以通过在保持头的位置不变的 同时向下看来改变入射光线的入射角。或者，该活性透镜可以具有一 个位置控制机构，通过该透镜的配戴者眼睛的一条或多条肌肉来进行 主动控制。例如该活性透镜可成型为具有一个棱镜平稳器(prim ballast)，使得该透镜的移动可以通过下眼睑控制。应该注意图5所 示活性透镜25的激活角被夸大了，以更容易解释本发明，因此，活性 透镜的激活角不必如图5所示的倾斜角一样大。实际上，适合于本发 明的HOE可以按照全息领域中已知的HOE程序设计方法进行程序设计， 以具有一个宽范围的不同激活角。因此，活性透镜从一个光焦度转换 至另一个所需的移动程度，取决于设计标准和每一个透镜配戴者的需 要，可以容易地改变。

尽管本发明的活性透镜提供多个光焦度，但该活性透镜每次通过一 个光焦度聚焦形成清晰可见的影象。因此该活性透镜不会象传统的双 焦透镜例如同心同时双焦透镜那样形成雾化的或模糊的影象。再回到 图5，当活性透镜25设置在观察近处物体29的位置时(即从物体29 发出的光线的入射角在HOE透镜26的激活角之内)，HOE透镜26与 第一光学透镜27和眼睛晶状体一起将从物体29发出的光线聚焦在凹 处30。同时，从远处物体发出的光线的入射角不在活性透镜25的激 活角之内。因此，从远处物体发出的入射光线的光路不会被HOE透镜 26改变，但是从远处物体发出的入射光线的光路会被第一光学透镜27 和眼睛晶状体改变，即折射。因此从远处物体发出的入射光线在凹处 之外的区域31聚焦形成影象。所以近处和远处物体的聚焦影象不会同 心或轴向对准。已经发现，在凹处31之外形成的影象对于活性透镜25 的配戴者不会被清晰地觉察，因而易于作为周边视线予以忽略。因此 活性透镜25的配戴者可以清楚地看见近处物体29，而不受远处物体 发出光线的模糊干扰。

同样地，例如如图4所示，当活性透镜设置在观察远处物体的位置 时，从远处物体发出的光线22以在HOE21的激活角之外的角度进入透 镜。因此，该光线的光路不受HOE21的影响，而只受第一光学元件23 和眼睛晶状体的影响，因此在凹处24上或其附近形成远处物体的影 象。同时，从近处物体发出的光线被HOE21衍射和聚焦，并投射在凹 处之外的区域。因此活性透镜的配戴者可以清楚地看见远处物体而没 有显著的干扰。

该活性透镜的不模糊优点是利用了眼睛固有构造设计活性透镜的结 果。已经知道凹处之外的视网膜受体的浓度明显比凹处中的低。因此 对于任何基本聚焦在凹处之外的影象来讲，由于视网膜对该影象抽样 不足，并且很容易被透镜配戴者的大脑认为是周边视线或影象而忽略 不计，因此该影象不是清晰可见的。实际上，已经发现人眼对于只偏 离视线8°的物体的视觉分辨力降至约20/100。以上面描述的主动控 制方式，本发明的活性透镜每次能利用眼睛固有构造由一个光焦度提 供清晰的影象。利用眼睛的固有视网膜受体构造和程序设计HOE透镜 中激活角的不同范围的能力，该活性透镜唯一地和选择性地提供位于 不同距离的物体的清晰影象。与各种同时双焦透镜相反，该活性透镜 提供不受阻碍的清晰影象，且与转换型双焦透镜相反，该活性透镜容 易设计成只需该透镜作很小的移动就可以选择性地提供不同距离的影 象。

适合于本发明的HOE可以由例如可聚合或可交联的光学材料，特别 是流体光学材料制造。合适的可聚合或可交联的HOE材料将在后面进 一步讨论。下文为了便于说明，术语可聚合的材料被用来同时表示可 聚合和可交联的材料，除非另有说明。一种制造本发明HOE的示例方 法如图6所示。点光源物体的光线32被投射至可光聚合的光学材料33 (即可光聚合的HOE)上，同时准直参考光34被投射在可光聚合的HOE 33上，使得物体光32和参考光34的电磁波形成干涉条纹图案，该图 案在可聚合的材料聚合时被记录在其中，因此在透镜33中形成体积光 栅结构。可光聚合的HOE 33是一种可光聚合的材料，能被物体光和参 考光聚合。优选物体光和参考光是从一个光源利用分光镜得到的。该 光的两个分开的部分被投射至HOE 33，其中分开光的物体光部分的光 路被改变，以形成点光源光32。可以通过例如在离可光聚合HOE 33 有一定距离的位置上设置一个常用的凸形光学透镜，使得光聚焦在离 HOE 33所需距离的位置上，即在点光源光位置32上，来提供点光源 物体的光32。优选的光源是激光光源，更优选的是UV激光光源。尽 管合适的光源波长取决于所用的HOE类型，但优选的波长范围在 300nm-600nm之间。当可光聚合的HOE 33被充分曝光和聚合时，所得 到的HOE含有一折射率调制图案，即体积光栅结构35。另外，当使用 流体可聚合光学材料来制造HOE时，在形成体积光栅结构的同时，光 源将流体光学材料转换成非流体的或固体的HOE。此处使用的术语“流 体”表示一种能向液体一样流动的材料。

图7中，聚合的HOE 36具有一个焦点38，当光39从该焦点的对 侧进入HOE 36并与图6中准直参考光34的反向光路相匹配或基本匹 配时，该焦点与图6中点光源物体光32的位置相一致。图6和7提供 了一种制造具有正矫正光焦度的HOE的示例方法。可以理解，在上述 的HOE制造方法中加以小的改动，就可以制造具有负矫正光焦度的 HOE。例如，可以使用一个能够在HOE远离光源的另一侧形成焦点的会 聚物体光源代替点光源物体光，以制造具有负矫正光焦度的HOE。根 据本发明，可以很容易和简便地制造具有各种矫正光焦度的活性多焦 透镜，以矫正各种屈光不正状况，例如近视，远视，老视，规则散光， 不规则散光，和其组合。例如，通过改变物体光的距离，位置和/或光 路可以改变HOE的矫正光焦度，并且通过改变物体光和参考光的位置 可以改变HOE的激活角。

根据本发明，合适的HOE可以由能够较快地光聚合或光交联的可 聚合和可交联光学材料制成。可快速聚合的光学材料能够在该光学材 料中产生折射率的周期性改变，因此在该光学材料聚合形成固体光学 材料的同时形成体积光栅结构。适于本发明的示例性可聚合光学材料 公开于Beat Müller的美国专利No.5，508，317中。如美国专利No.5， 508，317所述，优选的一类可聚合光学材料是包含1，3-二醇基本结 构的那些，其中一定比例的1，3-二醇单元已被改性成在2位具有可聚 合但未聚合的基团的1，3-二噁烷。该可聚合光学材料优选为重均分子 量Mw至少为约2，000的聚乙烯醇的衍生物，基于聚乙烯醇的羟基数 目，该衍生物包含约0．5％-约80％的式Ⅰ单元： 其中R为具有至多8个碳原子的低级亚烷基， R1为氢或低级烷基，和 R2为烯属不饱和的吸电子可共聚基团，优选具有至多25个碳原子。R2 例如为式R3-CO-的烯属不饱和酰基，其中R3为具有2-24个碳原子， 优选2-8个碳原子，尤其优选2-4个碳原子的烯属不饱和可共聚基团。

在另一个实施方案中，基团R2为式Ⅱ的基团：

-CO-NH-(R4-NH-CO-O)q-R5-O-CO-R3    (Ⅱ) 其中q为0或1，R4和R5各自独立地为具有2-8个碳原子的低级亚烷 基，具有6-12个碳原子的亚芳基，具有6-10个碳原子的饱和二价环 脂族基团，具有7-14个碳原子的亚芳基亚烷基或亚烷基亚芳基或具有 13-16个碳原子的亚芳基亚烷基亚芳基，以及R3如上定义。

低级亚烷基R优选具有至多8个碳原子且可以是直链或支链的。 合适的实例包括亚辛基、亚己基、亚戊基、亚丁基、亚丙基、亚乙基、 亚甲基、2-亚丙基、2-亚丁基和3-亚戊基。优选低级亚烷基R具有至 多6个，尤其是至多4个碳原子。亚甲基和亚丁基是尤其优选的。R1 优选为氢或具有至多7个，尤其至多4个碳原子的低级烷基，尤其是 氢。

对于R4和R5，低级亚烷基R4或R5优选具有2-6个碳原子且尤其 是直链的。合适的实例包括亚丙基、亚丁基、亚己基、二甲基亚乙基， 尤其优选亚乙基。亚芳基R4或R5优选为亚苯基，其未被取代或被低 级烷基或低级烷氧基取代，尤其是1，3-亚苯基或1，4-亚苯基或甲基- 1，4-亚苯基。饱和二价环脂族基团R4或R5优选为亚环己基或亚环己 基-低级亚烷基，例如亚环己基亚甲基，其未被取代或被一个或多个甲 基取代，例如三甲基亚环己基亚甲基，例如二价异佛尔酮基团。亚烷 基亚芳基或亚芳基亚烷基R4或R5的亚芳基单元优选为亚苯基，其未 被取代或被低级烷基或低级烷氧基取代，且其亚烷基单元优选为低级 亚烷基，如亚甲基或亚乙基，尤其是亚甲基。因此，此类基团R4或R5 优选为亚苯基亚甲基或亚甲基亚苯基。亚芳基亚烷基亚芳基R4或R5 优选为亚烷基单元中具有至多4个碳原子的亚苯基-低级亚烷基-亚苯 基，例如亚苯基亚乙基亚苯基。基团R4和R5各自独立地优选为具有 2-6个碳原子的低级亚烷基，未被取代或被低级烷基取代的亚苯基，未 被取代或被低级烷基取代的亚环己基或亚环己基-低级亚烷基，亚苯基 -低级亚烷基，低级亚烷基-亚苯基或亚苯基-低级亚烷基-亚苯基。

式Ⅰ的可聚合光学材料可以通过例如使聚乙烯醇与化合物Ⅲ反 应而生产： 其中R、R1和R2如上所定义，且R’和R”各自独立地为氢、低级烷 基或低级链烷酰基，如乙酰基或丙酰基。理想的是，所得可聚合光学 材料的羟基中有约0.5-80％被化合物Ⅲ替代。

另一组适用于本发明的示例性可聚合光学材料公开于Mühlebach 的国际专利申请PCT/EP96/00246中。其中公开的合适光学材料包括 聚乙烯醇、聚乙烯亚胺或聚乙烯基胺的衍生物，其分别基于聚乙烯醇 中的羟基数目或聚乙烯亚胺或聚乙烯基胺中的亚胺或胺基团数目含有 约0.5-80％的式Ⅳ和Ⅴ的单元： 其中R1和R2各自独立地为氢、C1-C8烷基、芳基或环己基，其中这些 基团是未取代的或取代的；R3为氢或C1-C8烷基，优选甲基；以及R4 为-O-或-NH-桥，优选为-O-。适于本发明的聚乙烯醇、聚乙烯亚胺或 聚乙烯基胺的数均分子量为约2000-1，000，000，优选10，000-300， 000，更优选10，000-100，000，最优选10，000-50，000。特别合适 的可聚合光学材料为聚乙烯醇的水溶性衍生物，基于聚乙烯醇中的羟 基数目具有约0.5-80％，优选约1-25％，更优选约1.5-12％的式Ⅳ， 后者的R1和R2为甲基，R3为氢，R4为-O-(即酯键)。

式Ⅳ和Ⅴ的可聚合光学材料可以通过例如式Ⅵ的氮杂内酯 其中R1、R2和R3如上所定义，与聚乙烯醇、聚乙烯亚胺或聚乙烯基 胺在约55-75℃的高温下在合适的有机溶剂中任选在合适的催化剂存 在下反应而生产。合适的溶剂为溶解聚合物骨架的那些并包括非质子 极性溶剂，例如甲酰胺、二甲基甲酰胺、六甲基磷酰三胺，二甲亚砜、 吡啶、硝基甲烷、乙腈、硝基苯、氯苯、三氯甲烷和二噁烷。合适的 催化剂包括叔胺，例如三乙胺，以及有机锡盐，例如二丁基二月桂酸 锡。

适合于本发明的另一组HOE可以由常用的其它体积透射型全息光学 元件记录介质制成。同使用上述制造HOE的可聚合材料一样，物体光 和准直参考光同时投射在HOE记录介质上，使得物体光和参考光的电 磁波形成干涉条纹图案。该干涉条纹图案，即体积光栅结构，被记录 在该HOE介质中。当该HOE记录介质被充分曝光后，使用已知的HOE 显影方法对已经记录的HOE介质进行显影。合适的体积透射型全息光 学元件记录介质包括市售的全息照相记录材料或底版，例如二色性明 胶。全息照相记录材料可以从各制造商处买到，包括Polaroid公司。 但是当照相记录材料用作HOE时，必须考虑该材料对于眼睛环境的毒 性影响。因此，当使用常用的照相HOE材料时，优选将该HOE包封在 生物相容性光学材料中。用于包封HOE的有用生物相容性光学材料包 括适合于本发明活性透镜第一光学元件的光学材料，以下将进一步讨 论这些适合的材料。

正如在眼科领域所知道的那样，眼科透镜应当具有薄的空间厚度， 以提高透镜配戴者的舒适程度。因此，本发明中优选使用空间厚度薄 的HOE。但是，为了提供具有高衍射效率的HOE，该HOE在光学上必 须是厚的，即光被该干涉条纹图案的多个平面衍射。提供光学意义上 较厚而空间上较薄的HOE的一种途径是将干涉条纹图案沿着向HOE长 度倾斜的方向程序设计。这种倾斜的体积光栅结构使得该HOE在入射 光线的入射角和出射光线的出射角之间具有一个大的角偏移。但是具 有大角偏移的HOE可能不特别适合用于光学透镜。例如，当这种HOE 被用于眼科透镜并被激活时，视线的工作线明显弯曲偏离视线的正常 直线。在本发明的优选实施方案中，通过采用多层组合HOE，特别是 双层HOE，解决了设计HOE透镜中的这种角度限制。图8说明本发明 的示例性多层HOE40。具有大角偏移的二个空间上薄的HOE被制成组 合HOE，以提供具有小角偏移的空间上薄的HOE。组合HOE 40具有空 间上薄的第一HOE 42和薄的第二HOE 44。该第一HOE 42被程序设计 以衍射入射光，使得在光线以激活角α进入该HOE时，该光线以出射 角β从HOE 42射出，如图8A所示，出射角β大于入射角α。优选该 第一HOE厚度在约10μm-约100μm之间，更优选在约20μm-约90 μm之间，最优选在约30μm-约50μm之间。该第二HOE44被程序 设计为具有与第一HOE42的出射角β相匹配的激活入射角β。另外， 当光线在激活角β之内进入时，第二HOE44被程序设计将入射光聚焦 在焦点46上。图8B说明该第二HOE44。优选第二HOE厚度在约10μ m-约100μm之间，更优选在约20μm-约90μm之间，最优选在约30 μm-约50μm之间。

当第一HOE42紧挨着第二HOE44设置且入射光的角度与第一HOE42 的激活角α相一致时，从该多层HOE射出的光聚焦在焦点46。通过采 用多层组合HOE，可以制造具有高衍射效率和小偏移角的空间上薄的 HOE。除了高衍射效率和小偏移角的优点以外，采用多层HOE还有其它 额外优点，包括矫正分散象差和色差。由于可见光是由不同波长的电 磁波谱组成，并且波长的不同导致HOE对其衍射不同，因此单个HOE 会产生具有分散象差和色差的影象。已经发现，多层特别是双层HOE 可以抵消并矫正由单层HOE产生的这些象差。因此，多层组合HOE被 优选作为活性透镜的HOE组元。

该多层组合HOE可以由单独生产的HOE层生产。制造组合HOE的 各层，然后以粘合或热方式将其永久结合，以具有相干接触。另外， 组合型HOE也可通过在光学材料上记录多层HOE而生产。优选同时记 录HOE的多层。作为一个优选的实施方案，图10说明一种生产组合HOE 的同时记录方法。这种同时记录装置60具有第一光区和第二光区。第 一光区具有第一光源62，分光镜64，第一反射镜66，第二反射镜68 和一个用于支撑可聚合光学材料的光学材料支架70。优选用激光光源 作为光源62给分光镜64提供光束63，分光镜64将光束63分为两部 分，优选相等的两部分。两个反射镜66和68被放在分光镜64的两个 对侧，以将继续光束63的原光路的一部分分出光束射向第一反射镜 66，而被反射的部分射向第二反射镜68。两个反射镜将这两路光束以 适当的相位射向光学材料以从光学材料支架70的一侧(即第一平表 面)记录体积光栅结构。

第二光区和第一光区一样具有相同的组成，即光源72，分光镜74， 第三反射镜76，第四反射镜78和与第一光区共享的光学材料支架70。 第二光区的各组成部件的放置使得分开的光束从第一光区的对侧(即 支架的第二表面)进入被光学材料支架70支撑的光学材料，并以适当 的记录相位从第二表面记录体积光栅结构。所得聚合的光学元件具有 两个HOE层。

作为另一个优选的实施方案，图11说明生产组合型HOE的第二 种同时记录方法。第二种同时记录装置80也具有第一光区和第二光 区。双向发射光源71向两个光区提供相干光束。在第一光区，从光源 81来的光束83被反射镜82反射到分光镜84上。光束83被分为两束 光，优选相等的两部分，85和87。第一光束85沿着原光束83行进的 光路前进，第二光束87射向第一光束85的反方向。两束光85和87分 别被反射镜86和88反射而射向光学材料支架90。光学材料支架90 是一个模具，用来盛装可聚合光学材料且具有两个平的或相对平的表 面，该支架安放的位置使得两束光85和87可从光学材料支架90的两 个相对的平表面入射。根据图11所示，第一光束85从右平表面进入 光学材料支架90，而第二光束87从左平表面进入光学材料支架90。

第二光区与第一光区具有同样的组成一反射镜92，分光镜94， 一对反射镜96和98以及两个光区共享的光学材料支架90。第二光区 的分光镜94提供两条光束，即第三光束95和第四光束97，分光镜96 和98将光束从两个平表面导向光学材料支架90。第一光束85和第三 光束95是相干光，在适当的相位进入光学材料支架90，在支架90所 支承的光学材料中从靠近入射平表面开始记录体积光栅结构。第二光 束87和第四光束98也是相干光，它们从另一个平表面进入光学材料 支架90。两束光在适当的相位从靠近入射的平表面的光学材料开始在 光学材料中记录体积光栅结构。优选记录装置80中还设有偏光镜，它 们使得第一和第三光束被偏振后成为一组相干光且方向也被偏振，而 第三和第四光束被偏振后成为另一组相干光且方向也被偏振，这样使 这两对光束不会相互干扰。另外，对于以上的两种同时记录方法，优 选各对光束仅对更靠近入射平表面放置的光学材料支架中的一半光学 材料具有足够的聚合效应，从而有效地形成两层不同的HOE层。应当 注意，尽管以上所示的本发明中用于接收记录光束的是具有两个平表 面的光学支架和模具，但这两个表面可为其他形状，包括凹面和凸面 及其组合。

同时记录方法特别适用于从上述披露的可聚合或可交联的光学材 料中生产HOE。可聚合或可交联的光学材料被放在光可透射的密封光 学材料支架即模具中。适用于同时记录方法的模具包括传统的生产接 触透镜的透镜模具。典型的透镜模具可从透明的或可透射紫外光的热 塑性材料制得，而且具有两个半模，即一个具有透镜的第一表面的半 模，另一个具有透镜的第二表面的半模。

当光学材料被放在模具中时，记录装置就被启动以聚合光学材料 和同时在光学材料中从由两个半模确定的两个相对表面记录两个体积 光栅结构。任选地，在光学元件形成了体积光栅结构以后，将记录光 装置关掉，而光学元件进行一个后固化步骤以确保模具中所有的流体 光学材料完全聚合。例如可仅将参考光光源打开以完成光学材料的后 固化。

用同时记录法生产组合型HOE比较简单，而且通过改变反射镜和 分光镜在装置中的位置和角度就可以生产具有不同激活角的多种 HOE。优选在模具中的可聚合光学材料中添加有效量的光吸收化合物(例 如使用紫外激光时的紫外光吸收剂)，以使从模具的一侧(即模具限 定的第一表面)入射的光束不会对更靠近模具第二侧的光学材料具有 强烈的聚合作用。光吸收剂的加入保证了HOE的不同层的形成，而且 从模具的一侧入射的聚合光不会与从另一侧入射的聚合光相互干扰。 光吸收剂的有效量随着光吸收剂的效力而改变，但它的用量不应高到 显著影响光学材料的适当聚合。尽管优选的光吸收剂是生物相容性光 学吸收剂，尤其是当本发明被用于生产眼科透镜时，但非生物相容性 光学吸收剂也可以用。当采用非生物相容性光学吸收剂时，HOE完全 形成之后，抽提得到的HOE以去除光学吸收剂。

适于光学材料的示例性UV吸收剂包括以下各化合物的衍生物： 邻羟基二苯甲酮，水杨酸邻羟基苯基酯和2-(邻羟基苯基)苯并三唑， 苯磺酸和位阻胺。特别适合的UV吸收剂包括目前可接受的UV吸收剂， 例如2，4-二羟基二苯甲酮，2，2’-二羟基-4，4-二甲氧基二苯甲酮，2- 羟基-4-甲氧基二苯甲酮等。示例性实施方案使用0.05-0.2wt％的UV吸 收剂，优选使用苯磺酸的衍生物，如2，2-‘([1，1’-联苯基]-4，4’ -二基二-2，1，-乙烯二基)双苯磺酸二钠盐(benzenesulfonic acid，2，2-‘([1，1’-biphenyl]-4，4’-diyldi-2，1-ethenediyl) bis-，disodium salt)。

作为本发明的另一个实施方案，组合型HOE可由顺次记录方法生 产。一个具有一对半模的密封模具组件装有流体状可聚合或可交联的 光学材料，用于体积光栅结构记录过程，然后在形成的HOE层被粘在 一个半模的光学表面时打开该模具组件。将额外量的可聚合光学材料 或化学相容的第二种可聚合光学材料置于第一HOE层上。然后，一对 新的半模与已经具有第一HOE层的半模相匹配，但前者具有比先前移 走的半模大的腔室体积。新的模具组件用于第二体积光栅结构记录过 程以在第一HOE层之上形成第二HOE层。所得HOE为具有两层顺次形 成并结合的HOE层的组合型HOE。

根据本发明，本发明的HOE对可见光谱内的所有或基本上所有波 长具有的衍射效率优选为至少约70％，更优选至少约80％，最优选至少 约95％。特别适合于本发明的HOE对可见光谱的所有波长具有的衍射 效率为100％。但是其衍射效率比上述较低的HOE也可以用于本发明。 另外，本发明优选的HOE在激活和非激活状态之间具有尖锐的过渡角， 而不是平缓的过渡角，以使通过该活性透镜小的移动就可以实现HOE 的激活与失活，并且在激活与失活状态之间移动时，该HOE不会产生 或只产生最小的过渡影象。

至于该活性透镜的第一光学材料，可以使用适合于硬透镜，透气透 镜或水凝胶透镜的光学材料。适合于活性眼科透镜第一光学元件的聚 合材料包括水凝胶材料，刚性的透气材料和已知可用于制造眼科透镜 例如接触眼镜的刚性材料。合适的水凝胶材料一般具有交联的亲水网 络，并且基于水凝胶材料的总重量含有约35％-约75％的水。合适的水 凝胶材料例子包括由甲基丙烯酸2-羟乙酯和一种或多种共聚单体形成 的共聚物，所述共聚单体如2-羟基丙烯酸酯，丙烯酸乙酯，甲基丙烯 酸甲酯，乙烯基吡咯烷酮，N-乙烯基丙烯酰胺，甲基丙烯酸羟丙酯， 甲基丙烯酸异丁酯，苯乙烯，甲基丙烯酸乙氧基乙酯，甲基丙烯酸甲 氧基三甘醇酯，甲基丙烯酸缩水甘油酯，双丙酮丙烯酰胺，醋酸乙烯 酯，丙烯酰胺，丙烯酸羟基三亚甲基酯，甲基丙烯酸甲氧基甲酯，丙 烯酸，甲基丙烯酸，乙基丙烯酸甘油酯和丙烯酸二甲氨基乙酯。其它 合适的水凝胶材料包括含有甲基乙烯基咔唑或甲基丙烯酸二甲氨基乙 酯的共聚物。另一类适合的水凝胶材料包括可聚合的材料，例如改性 的聚乙烯醇，聚乙烯亚胺和聚乙烯基胺，例如在Beat Müller的美国 专利No.5，508，317和国际专利申请No.PCT/EP96/01265中所披露的。 另一类非常适合的水凝胶材料包括在国际专利申请 No.PCT/EP96/01265中所披露的硅氧烷共聚物。适合于本发明的刚性 透气材料包括交联的硅氧烷聚合物。这种聚合物的网络中含有适当的 交联剂，例如N，N’-二甲基双丙烯酰胺，二丙烯酸乙二醇酯，三丙烯 酸三羟基丙烷酯，季戊四醇四丙烯酸酯和其它类似的多官能丙烯酸酯 或甲基丙烯酸酯，或乙烯基化合物，例如N-甲基，乙基氨基二乙烯基 咔唑。适合的刚性材料包括丙烯酸酯，例如甲基丙烯酸酯，二丙烯酸 酯和二甲基丙烯酸酯，吡咯烷酮，苯乙烯，酰胺，丙烯酰胺，碳酸酯， 乙烯基树脂，丙烯腈，腈，砜等。在这些适合的材料中，水凝胶材料 特别适合本发明。

根据本发明，当实施复合活性透镜的实施方案之一时，第一光学元 件和HOE可被层压，或者HOE可以被包封在该第一光学元件中以形成 活性透镜。另外，当使用非生物相容性HOE制造眼科活性透镜时，由 于该HOE对角膜长期健康具有不利影响，该HOE优选被包封在第一光 学元件中，使得该HOE不直接与眼睛环境接触。或者，如上面所讨论 的，该活性透镜可以由生物相容性HOE制造，使得HOE能同时提供活 性透镜的衍射和折射功能，如第一和第二光焦度。

图9说明本发明的另一个实施方案。一个双焦眼镜片50由提供一 个光焦度且具有第一光焦度52的第一光学材料层和提供第二光焦度的 HOE54层层压形成。这两个层分别制造，然后联接在一起，例如采用 加热或粘合的方式。随后该复合透镜可以被加工来配合眼镜框，以提 供一副双焦眼镜。第一光学材料52是已经用于制造眼镜的常用光学材 料，例如玻璃，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯等，而HOE是任何如前 面所述能够程序设计聚焦入射光的全息光学材料。或者，该双焦眼镜 片可以由成型的HOE制造，使得在该HOE没有被激活时，其光学形状 提供折射光焦度，而在该HOE被激活时，其体积光栅结构提供衍射光 焦度。

本发明的多焦光学透镜不象传统的双焦透镜，可以主动和选择性地 控制，以在没有或基本没有来自透镜其它光焦度的光学干涉的同时提 供一个所希望的光焦度。另外，该活性透镜的HOE具有可程序设计的 性质，使得该透镜非常适合于矫正不容易被传统的矫正性光学透镜调 节的屈光不正状况。例如，该活性透镜可以通过具体设计物体光和参 考光的相互位置被程序设计，从而对不规则散光状况的角膜曲率的不 均匀和变形提供矫正办法。

本发明通过下面的实施例作进一步的说明。但是这些实施例不应视 为对本发明的限制。

实施例

实施例1

将约0.06ml的Nelfilcon A透镜单体组合物放置在阴半模的中心 部分，一个与之匹配的阳半模放置在该阴半模上方，形成透镜模具组 件。阳半模与阴半模之间不接触，分开约0.1mm。该透镜半模由石英 制成，除直径约为15mm的中心圆形透镜部分以外的区域用铬掩蔽。简 单地说，Nelfilcon A由含有约0.48mmol/g丙烯酰胺交联剂的可交联 改性聚乙烯醇制成。该聚乙烯醇含有约7.5mol％的醋酸酯单元。 Nelfilcon A的固体含量为约31％，并含有约0.1％的光引发剂， Durocure1173。该闭合的透镜模具组件放置在激光装置之下。该激 光装置提供波长为351nm的两束相干准直UV激光，其中一束光穿过光 学凸透镜，以在距离透镜模具组件500mm处形成焦点。该聚焦的光用 作点光源物体光。在物体光和参考光的光路之间形成约为7°的角。 该装置为HOE提供了一个附加的2屈光度的矫正光焦度。用约为0.2 瓦的激光束对透镜单体组合物曝光约2分钟，以使该组合物完全聚合， 并形成干涉条纹图案。由于该透镜模具中心部分以外的区域被掩蔽， 在该模具圆形中心部分中曝光的透镜单体受到物体光和参考光的照 射，并发生聚合。打开该模具组件，将透镜留在阳半模中。再次将约 0.06ml的Nelfilcon A透镜单体组合物放置在阴半模的中心部分，将 阳半模连同已形成的透镜放置在阴半模的上方。该阳半模与阴半模之 间分开约0.2mm。除了将光学凸透镜从物体光装置处移开以外，使用 激光装置对闭合的模具组件再次曝光。用激光束对单体组合物再次曝 光约2分钟，以使该组合物完全聚合，并形成第二层干涉条纹图案。 所得的复合透镜具有基于透镜且形状和透镜材料的折射率的光焦度以 及可激活的+2屈光度的附加矫正光焦度。

实施例2

除了对第二层的激光装置作出改动以外重复实施例1。对于第二 层，重复第一层的光栅结构记录装置。所得HOE是组合型HOE且具有 两层体积光栅结构。当在电子显微镜下观察HOE的横截面时，两层不 同的体积光栅结构可清楚地看见。

实施例3

使用在上面结合图11讨论的HOE程序设计装置生产组合型HOE。 该程序设计装置具有相同结构的物体光和参考光区。光源提供一束波 长为351nm的准直紫外激光束，且当每束光进入光学材料支架时光源 提供足够的传输能量1-2mW/cm2。两块相距约50im的平石英板用作光 学材料支架，并将足量的可交联光学材料放在光学材料中形成14mm直 径的圆柱。所用的可交联光学材料是紫外吸收剂改性的Nelfilcon A。 通过加入0.1wt％的StilbeneTM 420来改性Nelfilcon A，StilbeneTM 420购自Exitron且为2，2’-([1，1’-联苯基]-4，4’-二基二-2，1- 乙烯二基)双苯磺酸二钠盐。模具中的光学材料被物体光和参考光从 两侧照射4分钟以从模具的两个平表面记录两层体积光栅结构。

所得组合型HOE为具有两层不同的HOE层的柔性水凝胶HOE。两 层HOE层中的每一层大约各占水凝胶HOE厚度的一半。