(57)【要約】本発明は、コンタクトレンズ、眼間インプラント、または眼それ自体の表面を改変することによって、ヒトの眼に、拡張された焦点深度（ＥＤＦ）を提供する。これは、問題の光学素子に、選択された位相変化を適用することによって、（例えば表面の厚さを変えることによって）実現される。位相変化により、波面がＥＤＦをコード化され、焦点が合っている場所から離れたかなりの範囲内で、光学的伝達関数がほぼ一定になる。これにより、網膜にコード化された像がもたらされる。ヒトの脳は、コード化された像をデコードし、増大された焦点深度に対して焦点が合っている像が得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の被写界深度を増大するための装置であって、物体と眼の網膜との間に位置する光学マスクを含む装置において、
前記マスクが、光学系の光学的伝達関数を変更するように、構築および配置されることによって、変更された光学的伝達関数が、変更されていない光学的伝達関数によって提供される場合よりも大きい範囲の物体距離に対して、物体と光学系との間の距離の影響を実質上受けないようにされ、かつ、
前記マスクが、前記マスクによって透過される光の位相に実質上影響を与えることにより、光学的伝達関数に対する前記変更に影響を与える
装置。
【請求項２】
マスクがコンタクトレンズに組み込まれる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
マスクが眼間インプラントに組み込まれる請求項１に記載の装置。
【請求項４】
マスクが角膜の表面上の変異として提供される請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
１９９８年５月５日に発行された、「拡張された被写界深度の光学系（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」という題の米国特許第５，７４８，３７１号を、参照によって本明細書に組み込む。
【０００２】
発明の背景
発明の分野：
本発明は、被写界深度を増大し、非干渉性の光学系の波長感受性を低下させるための装置および方法に関する。詳細には、本発明は、ヒトの視覚のための、焦点深度拡張光学装置に関する。
【０００３】
従来技術の説明：
ヒトの眼については、水晶体の遠近調節は年齢に伴って低下し、多くの場合、最終的には二焦点または三焦点眼鏡が必要になることがよく知られている。ヒトの水晶体を交換しなければならない場合、眼間インプラントは通常、無限遠にある物体を見るために設計されるので、より近距離の映像のためには、様々な強度の読書用眼鏡や他の眼鏡が使用される。
【０００４】
眼間インプラントにおいて実験的に使用されている現在の技術は、例えば、読書用と遠景用視覚のために、２つ以上の焦点を提供する。これは、例えば、焦点距離がより長いレンズの中心に、焦点距離がより短いレンズを置いて、あるいは二焦点を提供する回折性の光学装置を使用することによってなされる。その結果、焦点が合っている像と焦点が合っていない像となる。ヒトの脳は、焦点が合っていない像を無視し、焦点が合っている像に集中する。この技術の主な欠点は、（コンタクトレンズでよくあることだが、レンズが中心にない場合に起こるように）これら２つの像が位置合わせされない場合、これらの像は整列されず焦点が合っていない像がはっきり見えることである。こうした二焦点のコンタクトレンズは動くので、これらの像も、互いに対して動く。もう１つの欠点は、コントラストの喪失である。すなわち、像が色あせるように見える。この状況は、物体が、読書距離と非常に長い距離との間に位置する場合にいっそう悪く、この例には、コンピュータ画面、テレビ、または譜面台までの距離がある。これらの場合、焦点の不完全な２つの像が重ね合わせられる。
【０００５】
一般に使用されるもう１つの手法は、単眼視と呼ばれるもので、一方の眼に読書用のレンズ、もう一方の眼に遠景を見るためのもう１つのレンズが装着される。すると、脳は、最も良く焦点が合う像を選択してそれに集中する。この場合も、中間距離の物体の像は、はっきりと見ることができない。あるいは、この手法は多くの人々の役に立っているが、どちらにも焦点が合わない像を融合できないことにより、この解決策は、他の多数の人々には使えない。こうした場合、使用者には、２つのずれた像が見える。
【０００６】
ヒトの脳は、これらが当面の視知覚に著しく影響を与える場合でも、不変の視覚状態に適応することができる。この例は、既に論じたことである（片方の像がピントが合っている場合、脳が、焦点が合っている像を集中し、もう片方の像を無視することによって、２つの像に適応できる）。
【０００７】
もう１つの例として、ヒトの脳は、レンズの上の部分を通して見られる物体のために遠景のくっきりした映像の提供から、レンズの下の内側の部分を通して見られる場合の、物体のくっきりした映像の提供まで徐々に変わる、可変焦点レンズに存在する非常に大きな歪みに適応することができる。中間距離の物体は、レンズの中心を通して見ることができる。
【０００８】
脳がどのようにして不変の状態に適応できるかという極端な例は、鏡を使用してある人が見る像を逆にする実験で示された。１日ほどで、脳は、その人が正常な像を見るように、像を逆転させた。
【０００９】
ぼやけの量は、ミスフォーカスに伴って、あるいは焦点が合っている平面からの距離に伴って変化するので、ヒトの脳は、もともと焦点が合っていない像に適応できない。さらに、ぼやけにより、見られた物体についての何らかの情報が失われる。
【００１０】
コンタクトレンズ、眼間インプラント、および（例えばレーザー手術で）眼それ自体の表面を改変することによって、ヒトの眼の焦点深度を拡張する必要がある。
【００１１】
発明の概要
本発明の一目的は、コンタクトレンズ、眼間インプラント、およびヒトの眼そのものを改変することによって、拡張された焦点深度（ＥＤＦ）を提供することである。これは、問題の光学素子に、選択された位相変化を適用することによって（例えば表面の厚さを変えることによって）実現される。こうした位相変化により、波面はＥＤＦをコード化され、焦点が合っている場所から離れた大きな範囲内で、光学的伝達関数がほぼ一定になる。ヒトの脳は、行ったＥＤＦコード化作用を解除し、増大された焦点深度に対して焦点が合っている像が得られる。ヒトの脳は、ぼやけの量が、焦点が合っている平面からの距離に伴って変化する場合、通常の焦点が合っていない像を補うことはできないのに対し、このプロセスでは、そのミスフォーカスは、距離に伴って変化せず、位相変化が情報が失われないように選択されるので、光学マスクによって追加された特定のＥＤＦコード化ミスフォーカスを補うことができる。
【００１２】
その人が、焦点を再調節する若干の能力をまだ持っている場合については、目に入った物体の像が、脳が像をデコードできる拡張された領域に結像するように、眼は、焦点を変えることができるであろう。損傷した水晶体と交換するための眼間インプラントの場合、点広がり関数に、必要とされる量の不変性を与えるように、波面コード化の量が調整される。焦点深度は、通常の眼の焦点深度の８００％以上まで増大できる。
【００１３】
（例えば表面の厚さを変えることによって）光学素子に適用される、選択された位相変化は、それほど大きい距離を変化させないように結像システムの点広がり関数を改変する非対称の位相分布である。三次元位相関数を含めて、使用することができる様々な波長コード化形状がある。
【００１４】
図面の簡単な説明
図１（従来の技術）は、コンタクトレンズを使用する従来の技術の標準の結像システムを示す。
【００１５】
図２は、従来の技術の標準の結像システムにおいてどのようにして２つの像が形成されるかを示す。
【００１６】
図３は、本発明による、被写界深度拡張（ＥＤＦ）コンタクトレンズの結像システムを示す。
【００１７】
図４は、本発明による、被写界深度拡張（ＥＤＦ）眼間インプラントの結像システムを示す。
【００１８】
図５は、本発明による、被写界深度（ＥＤＦ）が拡張された改変された眼そのものの結像システムを示す。
【００１９】
好ましい実施形態の詳細な説明
図１（従来の技術）は、眼にコンタクトレンズを使用する従来の眼の結像システムを示す。物体１５は、コンタクトレンズ２８を通過し、角膜２６、虹彩２７、水晶体２８、および硝子体液２９を通過し、網膜３０に結像する。こうしたシステムは、物体１５が、焦点が合っている物体平面に、または焦点が合っている物体平面の非常に近くに位置する場合にのみ、網膜３０で、鮮明な、焦点が合っている像を創り出す。水晶体２７によって若干の遠近調節がなされる。しかし、年齢と共にこの水晶体は硬化し、その焦点再調節能力は失われる。水晶体２５の裏側主平面から網膜３０までの距離がｄｉであり、コンタクトレンズ２５の焦点距離がｆである場合、水晶体２８の表側主平面から物体１５までの距離ｄ０は、網膜３０での像が十分に焦点が合っているために、次のように選択されるはずである。
【００２０】
１／ｄ０＋１／ｄｉ−１／ｆ＝０
光学系の被写界深度は、物体が、焦点が合っている距離から離れて移動可能であり、なおかつ像の焦点が合っているような距離である。図１のような簡単なシステムでは、光線が明るく、虹彩が絞られていない限り、焦点深度は非常に小さい。
【００２１】
この問題を解決する従来の試みは、複数の（通常２つの）焦点をもつコンタクトレンズおよび眼のインプラントを使用してきた。一方の焦点は、無限遠にある物体に合い、もう一方は、近距離の物体に合う。これは、これらの位置のうち一方で、ある物体の、ピントがあっている像とピントが合っていない像の２つの像が形成されることを意味する。
【００２２】
図２は、無限遠にある点を結像する場合のこの作用を示す。光線４１は、コンタクトレンズ、２５、角膜２６、および水晶体２８によって形成される、組み合わせられたシステムの焦点の一方で、点像５０を成す。このシステムの第２の焦点は、ぼやけた像５２を成す。点物体が読書距離の場合、先のぼやけた像５２は焦点が合い、像５０はぼやける。他の距離では、どちらの像も焦点が合わず、ミスフォーカスの程度は、物体の位置に伴って変化する。
【００２３】
ＥＤＦコード化位相変化の一ファミリーの一般形は、以下の通りである。
【００２４】
Ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊ（αｘ３＋βｙ３＋γｘ２ｙ＋σｘｙ２））、ｘ２＋ｙ２＜１
定数α、β、γ、およびσを選択して、直角に分離できる（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｌｙ  ｓｅｐａｒａｂｌｅ）（γ＝σ＝０である）位相関数を、その変調伝達関数（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）（ＭＴＦ）が円対称（ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ  ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）（α＝β＝α０、γ＝σ＝−３α０）であるシステムにする。簡単にするために、
Ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊα（ｘ３＋ｙ３））、ｘ２＋ｙ２＜１
（αは、被写界深度の増大を調節するために使用されるパラメータである）で与えられる、対称性の直角に分離できる形を使用する。この形は、直角に分離できるので、ほとんどの分析では、その一次元成分が考慮される：
ｐ（ｘ，ｙ）＝ｅｘｐ（ｊαｘ３）、ｘ２＜１
αの絶対値が増大すると、被写界深度が増大する。後処理の前の像のコントラストはまた、αが増大すると低下する。これは、αが増大すると、ＭＴＦが急落するからである。
【００２５】
図３は、眼を通過する光線に対するＥＤＦコード化位相素子の効果を示す。無限遠にある点から来る光線４１は、コンタクトレンズ６５、角膜２６、および水晶体２８を通過するが、どこにも焦点を形成しない。位相コード化は、レンズ６５の厚さの変化（ここでは、分かり易くするため誇張した）によって適用される。網膜３０付近の光線パターンの拡大図を、拡大図７０に示す（網膜は平面７２にある）。これは、普通のコンタクトレンズを装着した眼の光線パターンとは異なる。また、図２の二焦点レンズとも異なる。点物体が無限遠から移動すると、７０に拡大して示した網膜の領域における光線パターンは、左に移動するが、網膜に入射する光線パターンの断面は、それほど変化しない。これは、物体がどこにあっても同じパターンが網膜に入射するであろうことを意味する。物体が点でない場合、物体の分布は、変化しない光線分布（点広がり関数）を用いて、畳み込まれる（ｃｏｎｖｏｌｖｅ）。ＥＤＦコード化光学装置で改変された眼の点広がり関数はそれほど変化しないので、脳は、得られたコード化された像の畳み込みを解く（ｄｅｃｏｎｖｏｌｖｅ）ことができる。これは、ミスフォーカスがある場合の点広がり関数において通常起こる変化とは対照的である。
【００２６】
十分に大きなαについて、三次元ＰＭマスクを使用するシステムのＭＴＦは、
【００２７】
【数１】
2005513527.tif 000003
で近似できる。
【００２８】
上式で、ｕは、ｘ方向における空間周波数であり、Ψは、ミスフォーカスの程度である。したがって、三次元ＰＭマスクは、物体距離の範囲に亘ってＭＴＦがほぼ一定である、光学系を改変するマスクの例である。ＭＴＦがそれほど変化しない特定の範囲は、αによって決まる。この範囲（および被写界深度）は、αに伴って増大する。しかし、被写界深度が増大可能な量は、αが増大するとコントラストは低下するということによって、実質的に制限される。しかし、ヒトの眼にとっては、被写界深度の中程度の増大のみが必要である。
【００２９】
図４は、本発明による、拡張された被写界深度（ＥＤＦ）の眼間インプラント結像システムを示し、ＥＤＦコード化光学形状はインプラント水晶体７５にある。位相コード化は、図３の拡大図７０に示した通りのミスフォーカスをもたらす。
【００３０】
図５は、本発明による、被写界深度が拡張された（ＥＤＦ）改変された眼そのものの結像システムを示し、ＥＤＦコード化光学形状は角膜８５にある。角膜は、レーザー手術を使用して改変することができる。例えば、位相コード化は、角膜８５の厚さの変化（ここでは、分かり易くするため誇張した）によって適用される。位相コード化は、図３の拡大図７０に示した通りのミスフォーカスをもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】
コンタクトレンズを使用する従来の技術の標準の結像システムを示す図である。
【図２】
従来の技術の標準の結像システムにおいてどのようにして２つの像が形成されるかを示す図である。
【図３】
本発明による、被写界深度拡張（ＥＤＦ）コンタクトレンズの結像システムを示す図である。
【図４】
本発明による、被写界深度拡張（ＥＤＦ）眼間インプラントの結像システムを示す図である。
【図５】
本発明による、被写界深度（ＥＤＦ）が拡張された改変された眼そのものの結像システムを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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