ГЛАЗНАЯ МУЛЬТИФОКАЛЬНАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ ЛИНЗА
OCULAR MULTIFOCAL DIFFRACTION LENS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к глазным линзам, и более конкретно к глазным контактным и внутриглазным мультифокальным дифракционным линзам, обеспечивающим порядки дифракции с настраиваемым распределением света для различных размеров зрачка.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Офтальмология - это область медицины, изучающая анатомию, физиологию и болезни человеческого глаза.
Анатомия человеческого глаза является довольно сложной. Главные структуры глаза включают в себя роговицу, сферическую прозрачную ткань на внешней передней стороне глаза; радужку, которая является окрашенной частью глаза; зрачок, адаптируемое отверстие в радужке, которое регулирует количество света, получаемого глазом; хрусталик, небольшой прозрачный диск внутри глаза, который фокусирует световые лучи на сетчатку; сетчатку, которая является слоем, образующим заднюю часть или заднюю сторону глаза и преобразующим воспринимаемый свет в электрические импульсы, которые через зрительный нерв поступают в мозг. Задняя камера, то есть пространство между сетчаткой и хрусталиком, заполнена водянистой жидкостью, а передняя камера глаза, то есть пространство между хрусталиком и роговицей, заполнена стекловидным телом, прозрачным студенистым веществом.
Естественный хрусталик имеет гибкую, прозрачную, двояковыпуклую структуру, и вместе с роговицей преломляет свет, фокусируя его на сетчатке. Хрусталик является более плоским на своей передней стороне, чем на задней стороне, и его кривизной управляют ресничные мышцы, с которыми хрусталик соединяется поддерживающими связками, называемыми зонулами. При изменении кривизны хрусталика фокусное расстояние глаза изменяется так, чтобы сфокусироваться на объектах на различных расстояниях. Для того, чтобы рассмотреть объект на малом расстоянии от глаза, ресничные мышцы сжимаются, и хрусталик утолщается, приобретая более круглую форму, и таким образом высокую преломляющую способность. Изменение фокуса для рассматривания объекта на большем расстоянии требует релаксации хрусталика, и таким образом увеличения фокусного расстояния. Этот процесс изменения кривизны и фокусного расстояния глаза для формирования четкого изображения объекта на сетчатке называют аккомодацией.
У людей преломляющая способность хрусталика в его естественной среде составляет приблизительно 18-20 диоптрий, примерно одну треть от полной оптической силы глаза. Роговица обеспечивает оставшиеся 40 диоптрий полной оптической силы глаза.
При старении глаза непрозрачность хрусталика увеличивается, и возникает катаракта. Некоторые заболевания, такие как диабет, травма, а также некоторые лекарства и чрезмерная доза ультрафиолетового света также могут вызывать катаракту. Катаракта является безболезненной и приводит к мутному, размытому зрению. Способы лечения катаракты включают в себя хирургию, когда мутный хрусталик удаляется и замещается искусственным, обычно называемым внутриглазной линзой, IOL.
Другой возрастной эффект называют пресбиопией, которая проявляется в затруднении при чтении мелкого шрифта или четкого просмотра близкорасположенных изображений. Считается, что пресбиопия обычно вызывается утолщением и потерей гибкости естественного хрусталика в глазу. Возрастные изменения также происходят в ресничных мышцах, окружающих хрусталик. При уменьшении эластичности становится более трудно фокусироваться на объектах, находящихся близко к глазу.
Различные внутриглазные линзы также используются для коррекции других нарушений зрения, таких как близорукость или миопия, когда глаз неспособен видеть отдаленные объекты, вызываемые, например, роговицей, имеющей слишком большую кривизну. Эффект миопии состоит в том, что световые лучи от удаленных объектов фокусируются в точке перед сетчаткой, а не прямо на ее поверхности. Также известны гиперопия или дальнозоркость, вызываемая аномально плоской роговицей, так что световые лучи, попадающие в глаз, фокусируются за сетчаткой, не позволяя сфокусироваться на близких объектах, и астигматизм, который является еще одной распространенной причиной зрительных затруднений, при которых изображения становятся размытыми благодаря нерегулярной форме роговицы.
В большинстве случаев внутриглазные линзы имплантируются в глаз пациента во время операции по удалению катаракты, чтобы компенсировать потерю оптической силы удаленного хрусталика. Современная оптика IOL проектируется так, чтобы она имела мультифокальную оптику для обеспечения зрения на близком, среднем и дальнем расстояниях, и также называется мультифокальной IOL, MIOL, или более конкретно трифокальными линзами. Пресбиопия корректируется очками или контактными линзами, а также можно использовать мультифокальную оптику. Мультифокальные глазные линзы используют два оптических принципа, преломление (рефракцию) и дифракцию.
Для того, чтобы проиллюстрировать физическую разницу между этими принципами, в данном описании используется волновая модель света. В этой модели электромагнитная волна распространяется в конкретном направлении с конкретной скоростью, и имеет конкретные длину волны, амплитуду и фазу.
Рефракция - это отклонение, которое испытывает световая волна при прохождении из одной среды, такой как воздух или жидкость, в другую среду, такую как стекло или пластик, которая имеет другую скорость распространения световой волны.
Дифракция в своей основной форме основана на том физическом эффекте, что световые волны, падая на неровности объекта, становятся источником вторичных световых волн. Эти вторичные волны могут интерферировать друг с другом усиливающим и ослабляющим образом. Усиливающая интерференция возникает, когда разность оптических путей волн, приходящих в конкретную точку, кратна их длине волны, так что их амплитуды усиливаются. В таком случае также говорят, что волны являются синфазными. Ослабляющая интерференция возникает, когда разность в длине оптического пути, проходимого интерферирующими световыми волнами, нечетно кратна половине длины волны, так что гребень одной волны встречается с впадиной другой волны, и эти волны частично или полностью гасят друг друга. В таком случае также говорят, что волны являются несовпадающими по фазе.
Мультифокальная глазная линза обычно имеет двояковыпуклую или плоско-выпуклую форму или двояковогнутую или плоско-вогнутую форму, кривизна и толщина которой выполнены с возможностью обеспечения первой фокальной точки на ее оптической оси с помощью рефракции. На одной или на обеих из передней и задней поверхностей линзы может быть предусмотрен пропускающий поверхностный рельеф или дифракционная решетка, состоящая из регулярно или периодически расположенных ребер и/или канавок, предназначенных для рассеивания проходящего света и расположенных в концентрических кольцах или зонах на соответствующей поверхности линзы. Периодическое расстояние или шаг ребер и/или канавок по существу определяют точки ослабляющей и усиливающей интерференции на оптической оси линзы. Форма и высота ребер и/или канавок управляют количеством падающего света, которое обеспечивается в точке усиливающей интерференции посредством дифракции. Точки усиливающей интерференции обычно называют порядками дифракции или фокальными точками. Дифракционный рельеф может быть спроектирован, например, так, чтобы обеспечить вторую и третью фокальные точки трифокальной линзы, отличающиеся от рефракционной фокальной точки.
Современные мультифокальные глазные линзы, как правило, проектируются с использованием двух хорошо известных типов основных дифракционных решеток или рельефов - пилообразного типа и бинарного типа. В данном описании термин «пилообразный тип» или «зазубренный тип» означает класс пропускающих дифракционных решеток или рельефов, состоящих из множества периодически повторяющихся, смежно расположенных, имеющих форму призмы прозрачных дифракционных оптических элементов (DOE), имеющих монотонно наклонную принимающую свет поверхность, такую как линейная или искривленная монотонно наклонная принимающая свет поверхность. Термин «бинарный тип» в данном описании означает класс пропускающих дифракционных рельефов, состоящих из множества периодически повторяющихся, отстоящих друг от друга прозрачных DOE прямоугольной или призматической формы.
0,5
0,5
0,5
2
2
Для работы в качестве линзы период повторения или шаг зубчатой решетки должен монотонно уменьшаться в радиальном направлении r от центра или оптической оси линзы. Более конкретно, если первый период начинается в центре линзы, а второй период начинается при (1*k), где k является константой, тогда третий период начинается при (2*k), четвертый - при (3*k) и т.д. Соответственно, в дифракционной оптике выгодно представлять решетку в так называемом пространстве r. А именно, параметр вдоль горизонтальной оси меняется в зависимости от r, так что период проявляется при равноудаленном повторении.
Вычисление фокальных точек, то есть дифракционных порядков, таких основных рельефов является известным и простым для специалиста в области дифракционных оптических линз. В большинстве случаев для использования в качестве глазной линзы период или шаг основных рельефов или решеток выбирается так, чтобы иметь первый и/или второй порядки дифракции, чтобы обеспечить целевые фокальные точки. Причина этого заключается в том, что с этими основными рельефами большая часть света дифрагирует в низшие дифракционные порядки. В процессе проектирования рельеф строится с амплитудным профилем, чтобы получить желаемый профиль интенсивности света в рефракционной фокальной точке и дифрагирующего в первый и/или второй дифракционные порядки этих основных решеток или рельефов. Однако такой подход не приводит автоматически к оптимальному распределению света, падающего на линзу, потому что некоторое количество света также распределяется по более высоким дифракционным порядкам, которые не используются, что делает настройку или управление относительным распределением света между фокальными точками линзы затрудненными для различных размеров зрачка, что может значительно снизить общую эффективность мультифокальной линзы.
Европейские патенты №№ 2377493 и 2503962, например, пытаются устранить это снижение эффективности для трифокальных внутриглазных линз путем наложения дифракционных рельефов или решеток, каждая из которых предназначена для индивидуального обеспечения одной из целевых дифракционных фокальных точек линзы. Шаги рельефов или решеток должны выбираться таким образом, чтобы второй порядок дифракции одного профиля совпадал с первым порядком дифракции другого профиля. Помимо того, что свобода конструктивного решения такой внутриглазной линзы, таким образом, ограничена конкретными фокусными расстояниями, на которых совпадают первый и второй порядки дифракции различных рельефов, следует понимать, что свет, дифрагирующий в более высокие дифракционные порядки и не добавляющийся ни к одной из целевых фокальных точек, все еще теряется. Соответственно, эти конструктивные решения не обеспечивают эффективного средства против дифракционных потерь во внутриглазных линзах.
Международная патентная заявка WO2017/055503 раскрывает суперпозицию различных типов основных дифракционных рельефов или решеток, таких как пилообразного типа и бинарного типа, каждый из которых имеет одну и ту же фокальную точку первого порядка. Эта объединенная фокальная точка обеспечивает одну из целевых дифракционных фокальных точек линзы. Однако для целей проектирования мультифокальной линзы, такой как трифокальная линза, это конструктивное решение становится усложненным, поскольку другая целевая фокальная точка линзы возникает при суммировании наложенных профилей и, следовательно, не может быть рассчитана и нацелена индивидуально заранее.
В европейской патентной заявке EP 2375276 отмечается, что управление или настройка распределения света в фокальных точках дифракционных рельефов или решеток, например пилообразного типа и бинарного типа, обычно обозначаемых как ступенчатые DOE, путем изменения формы и высоты или амплитуды оптической передаточной функции дифракционной решетки может привести к дифракционным решеткам, имеющим острые края в их профиле высоты, которые будет трудно произвести.
С этой целью патентный документ EP 2375276 раскрывает сглаживание острых краев ступенчатого дифракционного рельефа или решетки любым из приближений кривой с использованием синусоидальных и косинусоидальных функций, полиномиальных выражений, фильтрации или свертки с использованием супергауссовой функции. Сглаживание приводит к тому, что острые края или ступеньки DOE пилообразного или бинарного типа растягиваются или расширяются в радиальном направлении линзы. Патентный документ EP 2375276, однако, ничего не говорит об обеспечении других распределений света для различных размеров зрачка для данного набора целевых фокальных точек.
Опубликованная патентная заявка US 2006/0116764 раскрывает дифракционные зоны, которые могут быть расположены внутри части поверхности линзы, называемой зоной аподизации, окруженной периферийной частью поверхности, которая по существу лишена дифракционных структур. Эти дифракционные зоны могут быть отделены друг от друга множеством ступенек, расположенных на границах зоны, которые имеют по существу однородные высоты. Альтернативно высоты ступенек могут быть неоднородными. Например, высоты ступенек могут прогрессивно уменьшаться как функция увеличивающегося расстояния от оптической оси хрусталика. С помощью этой аподизации подстраивается распределение света в рефракционной фокальной точке относительно дифракционных фокальных точек.
Ни одна из вышеупомянутых публикаций предшествующего уровня техники не позволяет настраивать распределение света в целевых фокальных точках индивидуально, и например по-разному для различных размеров зрачка. Соответственно, существует потребность в улучшенном конструктивном решении глазной линзы, которое обеспечивало бы свободу в определении порядков дифракции или фокальных точек, а также настройку или управление относительной интенсивностью света во всех целевых фокальных точках, в частности для различных размеров зрачка, избегая в максимально возможной степени дифракции света в дифракционных порядках, не вносящих вклад в целевые фокальные точки, обеспечивая тем самым улучшенное общее восприятие пользователем.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В первом аспекте настоящее изобретение предлагает глазную мультифокальную линзу, содержащую по меньшей мере фокальные точки для зрения на близком расстоянии, зрения на среднем расстоянии и зрения на большом расстоянии, имеющую светопропускающее тело линзы, содержащее оптическую ось, и обеспечивающую рефракционную фокальную точку, а также периодическую светопропускающую дифракционную решетку, проходящую концентрически в радиальном направлении по меньшей мере через часть по меньшей мере одной поверхности тела линзы, обеспечивающую набор дифракционных фокальных точек, причем дифракционная решетка предназначена для работы в качестве светоделителя для распределения света, падающего на тело линзы, в рефракционной и дифракционных фокальных точках, причем рефракционная фокальная точка обеспечивает фокальную точку для зрения на среднем расстоянии, а дифракционные фокальные точки обеспечивают фокальные точки для зрения на близком расстоянии и зрения на большом расстоянии, причем дифракционная решетка имеет оптическую передаточную функцию, содержащую непрерывную периодическую функцию фазового профиля, проходящую в радиальном направлении тела линзы. Эта непрерывная периодическая функция фазового профиля содержит аргумент, модулируемый в зависимости от радиального расстояния до оптической оси тела линзы, настраивая тем самым распределение света, падающего на тело линзы.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что глазная линза, имеющая непрерывную периодическую функцию фазового профиля, проходящую в радиальном направлении тела линзы, вызывает меньше дискомфорта и нарушения зрения по сравнению с линзой, имеющей функцию фазового профиля прерывистого или зубчатого типа. Функция называется непрерывной, когда в каждой точке или значении ее аргумента, то есть переменной, члена или выражения, которым оперирует функция, (i) функция определена в такой точке, (ii) пределы функции при приближении аргумента справа и слева существуют и равны, и (iii) предел функции при приближении аргумента к этой точке равен значению функции в этой точке.
В соответствии с настоящим изобретением проектирование функции фазового профиля оптической передаточной функции или функции пропускания света дифракционной решеткой как непрерывной периодической функции фазового профиля обеспечивает свободу выбора целевых фокальных точек, а также управление распределением света в целевых фокальных точках, причем относительное распределение света в дифракционных и/или рефракционной фокальных точках настраивается путем модулирования аргумента функции фазового профиля как функции радиуса или радиального расстояния до оптической оси тела линзы.
Линзы, имеющие непрерывную периодическую функцию фазового профиля, среди прочего, являются менее чувствительными к ошибке при вычислении диоптрий, то есть к ошибке при вычислении требуемой коррекции оптической силы для конкретного пользователя, например из-за менее точного используемого врачом измерительного оборудования в случае установки внутриглазной линзы или используемого окулистом оборудования в случае установки контактной линзы. Кроме того, сообщается, что чувствительность к смещению (децентрированию) линзы в случае внутриглазных линз, которое может возникнуть после установки линзы из-за ее наклона и смещения, является незначительной для линз, имеющих непрерывную периодическую функцию фазового профиля. Также было отмечено, что такие линзы с меньшей вероятностью могут создавать блики, то есть затруднение зрения в присутствии яркого света, такого как прямой или отраженный солнечный свет, или искусственного света, такого как автомобильные фары ночью, рассеивания благодаря неоднородностям на пути, по которому падающий свет проходит через линзу, а также создает меньше ореолов, то есть белых или цветных световых колец или пятен, видимых при слабом освещении, т.е. при мезопических условиях.
Линзы, имеющие непрерывную периодическую функцию фазового профиля, особенно в случае гладких кривых, имеют то преимущество, что их легче производить в соответствии с расчетным профилем. Профили, содержащие внезапные смещения и острые точки, будут всегда приводить к увеличению погрешностей производства.
Вышеуказанные преимущества обусловлены большей частью отсутствием имеющих острые края концентрических колец или зон в дифракционной решетке, имеющей непрерывную периодическую функцию фазового профиля. С помощью настоящего изобретения, в частности, теперь становится возможным путем модуляции аргумента непрерывной периодической функции фазового профиля эффективно адаптировать или настраивать относительное распределение света или распределение энергии в каждой из целевых фокальных точек периодической функции фазового профиля. Следовательно, настоящее изобретение предлагает мультифокальные глазные линзы, имеющие упомянутые выше преимущества и настраиваемые в отношении индивидуального распределения света во всех его соответствующих или пригодных для использования фокальных точках.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения аргумент модулируется периодическими сглаженными переходами на непрерывной периодической функции фазового профиля, то есть соответствующим профилем высоты или оптической передаточной функцией дифракционной решетки, реализуемыми непрерывной периодической функцией фазового профиля.
За счет введения периодических сглаженных переходов в непрерывную периодическую функцию фазового профиля, то есть соответствующего профиля высоты, реализация оптической передаточной функции, содержащей такую функцию фазового профиля, не составляет проблемы для механической обработки. За счет сглаживания переходов в дифракционную решетку не вводятся или вводятся лишь незначительные артефакты, так что поддерживаются свойства настроенной линзы, включающей непрерывную периодическую функцию фазового профиля в отношении менее нежелательных оптических эффектов, таких как рассеянный свет, хроматическая аберрация, гало, блики, рассеяние и т.п.
В одном дополнительном варианте осуществления глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением распределение света на каждом переходе распространяется на часть периода непрерывной периодической функции фазового профиля, настраивая тем самым распределение света в дифракционных фокальных точках, причем каждый переход содержит по меньшей мере одно из:
- перехода, обеспечивающего смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля в радиальном направлении тела линзы, и
- перехода, обеспечивающего смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности тела линзы.
Было обнаружено, что переход, обеспечивающий локальное смещение в периоде непрерывной периодической функции фазового профиля в радиальном направлении тела линзы и/или в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности тела линзы, вызывает изменение в относительном распределении света между дифракционными фокальными точками, то есть фокальными точками для зрения на близком расстоянии и зрения на большом расстоянии, по сравнению с непрерывной периодической функцией фазового профиля без такой модуляции аргумента. Перемещается ли относительное распределение света в фокальную точку для зрения на близком расстоянии или фокальную точку для зрения на большом расстоянии, зависит от направления локального смещения в периоде непрерывной периодической функции фазового профиля.
В другом варианте осуществления глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением переходы, обеспечивающие смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля в радиальном направлении тела линзы, располагаются в положении по меньшей мере одного из переднего и заднего фронтов или склона непрерывной периодической функции фазового профиля, и переходы, обеспечивающие смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности тела линзы, располагаются в положении по меньшей мере одного из гребня и впадины непрерывной периодической функции фазового профиля.
Было обнаружено, что уже небольшие смещения в радиальном направлении тела линзы, расположенные на одном или обоих из переднего и заднего фронтов, и относительно небольшие смещения, поперечные радиальному направлению на одном или обоих из гребня и впадины, очень эффективно влияют на соотношение света, распределяемого между дифракционными фокусами.
Аргумент может модулироваться таким образом, что переходы обеспечиваются во множестве периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, то есть во множестве смежных периодов или во множестве несмежных периодов в зависимости от требуемой настройки распределения света. Кроме того, возможны комбинации различных типов модуляции, то есть комбинации переходов на переднем и заднем фронтах или склонах непрерывной периодической функции фазового профиля и переходов на или близко к гребню или впадине непрерывной периодической функции фазового профиля.
В соответствии с одним дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения эти переходы в непрерывной периодической функции фазового профиля могут содержать:
- переходы, обеспечивающие идентичное смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля во множестве периодов непрерывной периодической функции фазового профиля,
- переходы, обеспечивающие смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля, которая увеличивается на множестве периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, и
- переходы, обеспечивающие смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля, которая уменьшается на множестве периодов непрерывной периодической функции фазового профиля.
Термин «идентичный» относится к переходам, которые периодически обеспечивают по существу идентичное смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля. Термины «увеличивается» или «уменьшается» относятся к переходам, посредством которых смещение в непрерывной периодической функции фазового профиля увеличивается или уменьшается, соответственно, на множестве периодов в радиальном направлении тела линзы.
В случае идентичного смещения во множестве периодов непрерывной периодической функции фазового профиля распределение света в фокальных точках остается по существу постоянным по площади тела линзы, то есть по количеству периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, в которых имеются эти переходы. За счет обеспечение нескольких, например смежных, областей на теле линзы со взаимно различными смещениями могут быть обеспечены различные распределения света для различных размеров зрачка.
При изменении модуляции аргумента непрерывной периодической функции фазового профиля по поверхности тела линзы, то есть в радиальном направлении от оптической оси, распределение света в фокальных точках будет изменяться в зависимости от площади поверхности тела линзы, которая подвергается воздействию падающего света. Таким образом относительное распределение света в фокальных точках делается зависимым от размера зрачка пользователя. В большинстве случаев зрачок имеет малый размер при чтении книги и т.п., поскольку это обычно происходит в условиях хорошего освещения. Однако более темные условия, в которых зрачок расширяется, часто встречаются во время критических ситуаций, таких как, например, управление автомобилем или велосипедом. В этих последних случаях желательно иметь больше света в фокальной точке для зрения на большом расстоянии по сравнению с ожидаемыми ситуациями с относительно малым размером зрачка.
При использовании переходов, обеспечивающих одно из увеличивающегося или уменьшающегося смещения во множестве периодов на площади тела линзы, то есть ряда периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, в которых имеются переходы, относительное распределение света в дифракционных фокальных точках будет постепенно изменяться с изменением размера зрачка.
Например, было замечено, что при модулировании аргумента, например трех-пяти смежных периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, достигается значительный вклад в настройку относительного распределения света в дифракционных фокальных точках для падающего света в той области линзы, на которой находятся эти периоды.
Таким образом, например, аргумент первого множества из трех-пяти смежных периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, начинающегося от оптической оси тела линзы, соответствующего относительно малому размеру зрачка, может периодически модулироваться таким образом, что свет, распределяемый в близкую фокальную точку, улучшается по сравнению с фокальными точками для зрения на среднем расстоянии и для зрения на большом расстоянии. При этом посредством модуляции аргумента дополнительного множества из трех-пяти смежных периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, смежных или отстоящих в радиальном направлении от первого множества, свет, распределяемый в фокальную точку для зрения на большом расстоянии, улучшается по сравнению с фокальными точками для близкого зрения и зрения на среднем расстоянии.
Соответственно, пространственно распределенная модуляция аргумента непрерывной периодической функции фазового профиля, то есть при наличии различных модуляций по площади или поверхности тела линзы, то есть изменяющаяся непрерывно, по частям или дискретно в зависимости от радиального расстояния до оптической оси тела линзы, обеспечивает эффективную настройку распределения света в фокальных точках для различных размеров зрачка.
В одном дополнительном варианте осуществления глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением аргумент непрерывной периодической функции фазового профиля различным образом модулируется по телу линзы, настраивая тем самым распределение падающего на тело линзы света по-разному для различных размеров зрачка. В частности, при этом аргумент модулируется в ряде смежных периодов непрерывной периодической функции фазового профиля, покрывающих по меньшей мере одну область тела линзы, причем число смежных периодов и сила и/или тип модуляции аргумента отличаются в различных областях на теле линзы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается глазная мультифокальная линза, в которой аргумент непрерывной периодической функции фазового профиля модулируется для обеспечения первых трифокальных свойств в первой области поверхности линзы, проходящей в радиальном направлении и включающей оптическую ось, причем эти первые трифокальные свойства отдают преимущество распределению света в фокальную точку для зрения на близком расстоянии, и обеспечения вторых трифокальных свойств во второй области поверхности линзы, проходящей за первую область в радиальном направлении линзы в направлении к круговому краю тела линзы, причем эти вторые трифокальные свойства отдают преимущество распределению света в фокальную точку для зрения на большом расстоянии.
В другом варианте осуществления глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением аргумент модулируется так, чтобы обеспечить при той же самой длине периода непрерывной периодической функции фазового профиля первый и второй переход, разнесенные в радиальном направлении корпуса линзы, причем второй переход по меньшей мере частично противодействует работе первого перехода.
При существенном противодействии первого и второго переходов в длине периода непрерывной периодической функции фазового профиля, отклонения в периоде непрерывной периодической функции фазового профиля, и тем самым в положении целевых фокальных точек эффективно предотвращаются. Кроме того, таким образом возможно модифицировать каждый период непрерывной периодической функции фазового профиля независимо и управляемым образом для того, чтобы получить желаемый локальный вклад в распределение интенсивности. Количество света, распределенного в рефракционной фокальной точке, по существу не зависит от таких переходов и остается по существу тем же самым по сравнению с непрерывной периодической функцией фазового профиля без переходов.
В еще одном дополнительном варианте осуществления глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением аргумент модулируется в соответствии с функцией модуляции аргумента, которая в частности является периодической функцией, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции фазового профиля, в частности периодической функции, симметричной вокруг оптической оси, содержащей одно из непрерывной функции, непрерывной тригонометрической функции, треугольной функции и трапециевидной функции. Такая периодическая модуляция аргумента может обеспечить, например, гладкие переходы на непрерывной периодической функции фазового профиля, как было обсуждено выше.
Поскольку дифракционная решетка имеет периодическую структуру, функция фазового профиля оптической передаточной функции является периодической функцией, и следовательно может быть разложена в ряд Фурье. Оптимизация общей эффективности распределения света в целевых рефракционной и дифракционных фокальных точках требует, чтобы сумма световых энергий порядков дифракции, связанных с целевыми фокальными точками, была максимальной. Световая энергия каждого порядка соответствует квадрату абсолютной величины коэффициента Фурье Tk соответствующего дифракционного порядка k.
-m
0
P
2
2
2
Например, в случае трифокальной глазной линзы с расщеплением волн, в которой рефракционная фокальная точка представляет фокальную точку зрения на среднем расстоянии, а дифракционные фокальные точки представляют фокальные точки для зрения на близком расстоянии и для зрения на большом расстоянии, соответственно, должно быть оптимизировано выражение |τ| + |τ| + |τ|, в котором индексы -m, 0 и p представляют дифракционный порядок, обеспечивающий фокальную точку для зрения на близком расстоянии, рефракционную фокальную точку, обеспечивающую зрение на среднем расстоянии, и дифракционный порядок, обеспечивающий фокальную точку для зрения на большом расстоянии, соответственно.
Значение дифракционных порядков -m и p не обязательно должно быть равным. В настоящем изобретении в том случае, когда значение m равно значению p, например m=p=1, делитель волны называется симметричным делителем волны, а если значения m и p различаются, делитель волны называют асимметричным.
Вышеупомянутое ограничение оптимизации общей эффективности распределения света в целевых рефракционной и дифракционных фокальных точках, чтобы сумма световых энергий порядков дифракции, связанных с целевыми фокальными точками, была максимальной, не подразумевает, что световые энергии в каждой целевой рефракционной и дифракционной фокальной точке должны быть равными. Соответственно, оптимальная фазовая функция может быть получена в зависимости как от целевых фокальных точек, так и от целевых интенсивностей света или световых энергий в целевых фокальных точках.
Термин «концентрически» в отношении повторяющихся DOE дифракционной решетки в соответствии с настоящим изобретением не должен ограничиваться концентрическими круглыми или кольцевыми зонами, но включает в себя, например, концентрические эллиптические или овальные зоны, или вообще любой тип зон концентрической вращательной формы.
В соответствии с публикацией «Analytical derivation of the optimum triplicator», by F. Gori et al., in Optics Communication 157 (1998), p. 13-16, которая включена в настоящий документ посредством ссылки, для плоского симметричного делителя волны, содержащего две дифракционные фокальные точки при порядках дифракции +1 и -1 и рефракционную фокальную точку при порядке 0, функция фазового профиля, обеспечивающая оптимальную общую эффективность, то есть расщепление пучка падающего света с самой высокой мыслимой эффективностью в фокальных точках при порядках дифракции +1 и -1 и при порядке 0, может быть выражена одним непрерывным выражением или функцией замкнутой формы.
В одном варианте осуществления мультифокальной глазной линзы в соответствии с настоящим изобретением дифракционная решетка выполнена с возможностью работы в качестве делителя волны и содержит две дифракционные фокальные точки в порядках дифракции +1 и -1, причем непрерывная периодическая функция фазового профиля выражается единственным непрерывным выражением или функцией замкнутой формы в соответствии с формулой:
где:
ϕ(r) - непрерывная периодическая фазовая функция дифракционной решетки,
r - радиальное расстояние или радиус, направленный наружу от оптической оси тела линзы, [мм],
Α(r) - функция амплитудной модуляции непрерывной периодической функции фазового профиля в радиальном направлении тела линзы,
F[α*G] - функция тела линзы в радиальном направлении, обеспечивающая операцию расщепления волны,
2
G(r) - непрерывная периодическая функция в пространстве r,
α(r) - функция модуляции величины аргумента G,
2
2
S(r) - функция угловой модуляции аргумента G в пространстве r, [мм],
2
2
T - период или шаг дифракционной решетки в пространстве r, [мм], и
B(r) - функция амплитудной модуляции непрерывной периодической функции фазового профиля,
причем по меньшей мере одна из функции модуляции величины аргумента α(r) и функции угловой модуляции аргумента S(r) содержит аргумент, модулируемый как функция радиального расстояния до оптической оси тела линзы.
Функции α(r) и S(r) могут независимо выбираться для модулирования аргумента непрерывной периодической функции фазового профиля для настройки распределения света в целевых фокальных точках для различных размеров зрачка.
В соответствии с настоящим изобретением распределение света в дифракционных и рефракционной фокальных точках может быть дополнительно настроено путем адаптации по меньшей мере одной из функции амплитудной модуляции Α(r) и функции амплитудной модуляции B(r) непрерывной периодической функции фазового профиля.
Функции амплитудной модуляции Α(r) и B(r) обеспечивают дополнительное управление количеством света, распределяемым между порядками дифракции ±1 и порядком 0 в зависимости от размера зрачка. В большинстве случаев, при условии, что самая большая потеря фазы в фазовом профиле ниже расчетной длины волны, увеличение любой или обеих функций амплитудной модуляции приведет к увеличению количества света, дифрагированного в дифракционных порядках ±1, то есть в дифракционных фокальных точках, по сравнению с порядком 0 или рефракционной фокальной точкой, в то время как уменьшение любой или обеих функций амплитудной модуляции приведет к увеличению количества света, обеспечиваемого в рефракционной фокальной точке, по сравнению с дифракционными фокальными точками.
Функции амплитудной модуляции могут изменяться в зависимости от радиального расстояния от центра или оптической оси линзы для целей аподизации. Изменение амплитуды является способом управления относительной интенсивностью света в промежуточной, то есть рефракционной фокальной точке. В практических вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением функции амплитудной модуляции Α(r) и B(r) могут быть постоянными на части тела линзы.
Можно доказать, что функция фазового профиля ϕ(r) в уравнении (1), где F[α*G] является обратной тангенциальной функцией, а G(r) представляет собой синусоидальную функцию, при S(r)=0, Α(r)=1 и B(r)=0 представляет собой непрерывную периодическую функцию фазового профиля плоской дифракционной решетки, делящей пучок падающего света с самой высокой мыслимой эффективностью в фокальных точках при дифракционном порядке ±1 и при порядке 0, как раскрыто в публикации Gori и др.
Функция модуляции величины аргумента или параметр распределения света α(r) согласно Gori и др. определяет количество света, распределяемое среди дифракционных порядков ±1 и 0. Общая эффективность такой функции фазового профиля ϕ(r) для плоских дифракционных решеток составляет более 0,925. В случае постоянной величины α(r)=2,65718 световая энергия в плоской дифракционной решетке равномерно распределяется среди целевых фокальных точек.
Следовательно, непрерывная периодическая функция фазового профиля, в дополнение к вышеупомянутым преимуществам, обеспечивает оптимизацию общей эффективности распределения света в целевых рефракционной и дифракционных фокальных точках, избегая в максимально возможной степени дифракции света в порядках дифракции, не способствующих целевым фокальным точкам, обеспечивая тем самым улучшенный общий пользовательский опыт.
Поскольку оптимальный утроитель по Gori и др. вычисляется для линейной или плоской фазовой решетки путем преобразования ее в линзу так, что расстояния между периодами функции фазового профиля имеют, например, зависимость от квадратного корня, равное распределение света в фокальных точках достигается с помощью настоящего изобретения модуляцией аргумента непрерывной периодической функции фазового профиля. Например, почти равномерное распределение света в фокальных точках по площади тела линзы обеспечивается тогда, когда значение угловой модуляции аргумента S(r)=0,33, значение функции модуляции величины аргумента или параметра распределения света α(r) на части тела линзы равно 2,65718, а функции амплитудной модуляции имеют постоянные значения Α(r)=0,96 и B(r)=0. Специалистам в данной области техники будет понятно, что другие значения упомянутых выше функций модуляции или параметров модуляции также могут привести к почти равномерному распределению света в фокальных точках линзы.
2
2
В большинстве случаев для настройки распределения света функция угловой модуляции аргумента S(r) может иметь постоянное значение на части или на всем теле линзы. На практике значения S(r) могут располагаться между -0,5*T и 0,5*T в пространстве r. В частности S(r) может иметь постоянное значение, располагающееся между 0,35*T и 0,5*T и/или между -0,05*T и -0,15*T, в частности S(r)=0,42*T в пространстве r. Область, располагающаяся между 0,35T и 0,50T, предлагает хорошее распределение интенсивности для этих трех фокусов с возможностью настраиваться в соответствии с тем, насколько желательно доминирование зрения на большом расстоянии.Значение S(r)=0,42*T обеспечивает хороший баланс фокусов для глазной линзы. Область, располагающаяся между -0,05T и -0,15T, дает относительно ровное распределение света. Эта область кроме того является очень подходящей для модуляций аргумента, которые (локально или по всей линзе) способствуют дальней фокальной точке, поскольку возмущения, создаваемые такой модуляцией, являются незначительными. В некоторых областях могут быть небольшие увеличения более высоких порядков, когда применяется модуляция аргумента.
Постоянное значение функции угловой модуляции аргумента S(r) представляет сдвиг фазы непрерывной периодической функции фазового профиля и определяет начало наклона функции фазового профиля, и, следовательно, будет ли больше света дифрагировать в дифракционный порядок +1 или в дифракционный порядок -1, зависит от знака и величины фазового сдвига соответственно. Выгодно выражать эти фазовые сдвиги в виде доли периода Т решетки, например S=±0,25*T. Специалистам в данной области техники будет понятно, что конкретный сдвиг фазы, включающий в себя целочисленные значения периода T дифракционной решетки, будет иметь тот же эффект, что и соответствующий сдвиг фазы внутри одного периода T.
С помощью правильного выбора функции модуляции величины аргумента или параметра α(r) распределения света можно настроить количество света, которое распределяется в 0-м порядке, то есть фокальную точку зрения на среднем расстоянии в настоящем изобретении. В соответствии с настоящим изобретением α(r) может иметь постоянное значение на части или на всем теле линзы. На практике значения α(r) могут варьироваться, например, от 2 до 3.
В практических вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением функции амплитудной модуляции Α(r) и B(r) также могут иметь постоянное значение на части или на всем теле линзы, то есть обеспечивая агрегированные параметры амплитудной модуляции, которые могут находиться, например, в диапазоне от 1,4 до 0,6.
Путем установки любой или всех из модуляционных переменных α(r), S(r), Α(r) и B(r) на соответствующие значения в части тела линзы в ее радиальном направлении, профиль интенсивности света трифокальной внутриглазной линзы, например, может быть эффективно настроен для различных размеров зрачка.
2
Поверхность тела линзы также может быть модифицирована путем применения фильтрации Фурье или свертки с ядром, или другие известные способы обработки сигнала могут применяться для сглаживания или незначительного изменения профиля линзы для изменения распределения энергии между порядками дифракции или для удаления нежелательного рассеянного света. Такие модификации часто легче применять в пространстве r.
В одном варианте осуществления глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением, основанном на функции фазового профиля ϕ(r), раскрытой в вышеприведенном уравнении (1), профиль высоты H(r) дифракционной решетки линзы может быть выражен единственной непрерывной функцией замкнутой формы, определяемой как:
где:
H(r) - профиль высоты дифракционной решетки линзы, [нм],
λ - конструктивная длина волны линзы, [нм],
n - показатель преломления тела линзы,
m
n - показатель преломления среды, окружающей тело линзы, и
Для функции фазового профиля ϕ(r) в уравнении (1), в котором F[α*G] является обратной тангенциальной функцией, а G(r) является синусоидальной функцией, Α(r)=1 и B(r)=0, например, профиль высоты H(r) дифракционной решетки линзы, раскрытый в вышеприведенном уравнении (2), является непрерывной геометрической функцией замкнутой формы, основанной на функциях синуса и косинуса, и соответственно не имеет никаких резких переходов, которые трудно произвести в теле линзы. Соответственно, этот профиль высоты или функция высоты H(r) обеспечивает не только оптимальную эффективность, но также позволяет точно изготавливать и, следовательно, точно подбирать линзы, обеспечивающие целевые фокальные точки и целевое распределение света среди целевых фокальных точек.
Трифокальные свойства глазной линзы в соответствии с настоящим изобретением могут быть ограничены первой областью в радиальном направлении поверхности тела линзы, включая оптическую ось. Кроме того, наружу в радиальном направлении линзы за первой областью и по направлению к ее периферийному краю линза может содержать, например, вторую область, имеющую бифокальные свойства, такую как обеспечивающую в этой второй области только фокальные точки для зрения на среднем и на большом расстоянии.
На практике могут потребоваться численные методы для расчета фазовой функции или функции фазового профиля, оптимизирующие общую эффективность распределения света в фокальных точках преломления и дифракции симметричного или асимметричного светоделителя, имеющего фокальные точки для зрения на близком и на большом расстоянии, отличающиеся от первого дифракционного порядка на ±1, как было объяснено выше.
Кроме того, следует отметить, что идеи настоящего изобретения в равной степени применимы для проектирования и настройки распределения света мультифокальной глазной линзы, имеющей четыре целевые фокальные точки, то есть так называемой четырехфокусной линзы, или даже мультифокальной глазной линзы, имеющей пять целевых фокальных точек, то есть так называемой пятифокусной линзы.
Во втором аспекте настоящее изобретение предлагает способ производства глазной мультифокальной линзы, имеющей по меньшей мере фокальные точки для зрения на близком расстоянии, зрения на среднем расстоянии и зрения на большом расстоянии, имеющей светопропускающее тело линзы, содержащее оптическую ось, обеспечивающее рефракционную фокальную точку, а также периодическую светопропускающую дифракционную решетку, проходящую концентрически в радиальном направлении по меньшей мере через часть поверхности тела линзы, обеспечивающую набор дифракционных фокальных точек, причем дифракционная решетка предназначена для работы в качестве светоделителя для распределения света, падающего на тело линзы, в рефракционной и дифракционных фокальных точках, причем рефракционная фокальная точка обеспечивает фокальную точку для зрения на среднем расстоянии, а дифракционные фокальные точки обеспечивают фокальные точки для зрения на близком расстоянии и зрения на большом расстоянии, причем этот способ содержит следующие стадии:
- определение целевых фокальных точек для зрения на близком расстоянии, зрения на среднем расстоянии и зрения на большом расстоянии;
- определение целевого распределения падающего света в целевых фокальных точках;
- обеспечение светопропускающего тела линзы, имеющего рефракционную фокальную точку, обеспечивающую целевую фокальную точку для зрения на среднем расстоянии;
- обеспечение дифракционной решетки, имеющей оптическую передаточную функцию, содержащую непрерывную периодическую функцию фазового профиля, проходящую в радиальном направлении тела линзы, обеспечивающей целевые фокальные точки для зрения на близком расстоянии и зрения на большом расстоянии, а также распределение света в целевых фокальных точках,
и отличается следующими стадиями:
- обеспечение непрерывной периодической функции фазового профиля, имеющей модульный аргумент как функцию радиального расстояния до оптической оси тела линзы,
- настройка распределения света в целевых фокальных точках для обеспечения целевого распределения света путем модулирования аргумента по телу линзы, обеспечивая модулированный аргумент,
- обеспечение профиля высоты дифракционной решетки в соответствии с периодической функцией фазового профиля, содержащей модулированный аргумент, и
- производство глазной мультифокальной линзы путем нанесения на тело линзы дифракционной решетки в соответствии с профилем высоты.
Профиль высоты дифракционной решетки линзы, определяющий высоту и положение DOE, которые проходят в виде колец, овалов или других зон вращательной формы на поверхности линзы концентрично к оптической оси или центру линзы, может быть нанесен на тело линзы, например, с помощью любого из лазерной микрообработки, алмазного точения, 3D-печати или любой другой механической или литографской обработки поверхности. Линза с тем же самым оптическим эффектом также может быть создана голографическими средствами, используя голографический оптический элемент для распределения света по желаемым фокусам.
Тело линзы может содержать любой материал из гидрофобного акрила, гидрофильного акрила, силикона или любого другого подходящего светопропускающего материала.
В способе в соответствии с настоящим изобретением аргумент непрерывной периодической функции фазового профиля может модулироваться для производства глазной мультифокальной линзы в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, в частности линзы, имеющей различные целевые распределения света в целевых фокальных точках для различных размеров зрачка.
Хотя непрерывная периодическая функция фазового профиля может быть математически вычислена аналитическим образом, в соответствии с настоящим изобретением функция фазового профиля дифракционной решетки линзы может быть получена с помощью компьютерных вычислений, в которых функция фазового профиля представлена рядом Фурье, и каждый порядок дифракции представлен соответствующим коэффициентом Фурье. Функция фазового профиля может быть вычислена таким образом, чтобы сумма квадратов абсолютных величин или взвешенных квадратов абсолютных значений коэффициентов Фурье дифракционных порядков, связанных с целевыми фокусными точками, была максимальной.
Функция профиля непрерывной фазы и профиль высоты линзы в способе в соответствии с настоящим изобретением могут получаться удаленно от оборудования для производства линзы. Особенности профиля высоты дифракционной решетки линзы могут быть направлены на производственную площадку или оборудованию с помощью передачи данных по практически доступной телекоммуникационной сети, такой как Интернет.
Настройка и сглаживание оптических свойств и распределения света в целевых рефракционной и дифракционных фокальных точках могут применяться таким образом, что количество света, дифрагируемого в одну конкретную фокальную точку или порядок, распределялось или размазывалось по части оптической оси для обеспечения глазной линзы, имеющей улучшенную глубину резкости (ED).
В третьем аспекте настоящее изобретение предлагает раскрытую выше глазную мультифокальную линзу, используемую в качестве одного из контактной линзы, внутриглазной линзы, афакической контактной линзы, афакической внутриглазной линзы и стекла для очков. Следует отметить, что в случае внутриглазной линзы ее тело обычно принимает форму двояковыпуклого или плоско-выпуклого оптически прозрачного диска. В случае контактной линзы или линзы для очков ее тело может принимать любую из двояковыпуклой или плоско-выпуклой и двояковогнутой или плоско-вогнутой форм или их комбинаций независимо от того, будут ли они улучшены дополнительными оптическими коррекциями на или в оптически прозрачном теле.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными и будут объяснены со ссылками на примеры, описанные далее в настоящем документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 схематическим образом иллюстрирует фокусировку лучей света с нескольких расстояний в человеческом глазу.
Фиг. 2a схематическим образом иллюстрирует вид сверху типичной мультифокальной афакической внутриглазной линзы предшествующего уровня техники.
Фиг. 2b схематическим образом иллюстрирует вид сбоку мультифокальной афакической внутриглазной линзы, показанной на Фиг. 2a.
Фиг. 3 схематическим образом иллюстрирует на поперечном сечении оптическую работу дифракционной линзы предшествующего уровня техники, содержащей двояковыпуклое светопропускающее тело и светопропускающую дифракционную решетку.
Фиг. 4 схематическим образом иллюстрирует относительное распределение энергии между целевыми дифракционными порядками для симметричного плоского светоделителя с оптимальной эффективностью в зависимости от постоянной функции модуляции амплитуды аргумента α(r).
Фиг. 5a - 25b схематично иллюстрируют примеры профилей высоты, параметров модуляции аргумента и функций модуляции аргумента дифракционных решеток на теле двояковыпуклой линзы в соответствии с настоящим изобретением, а также соответствующие смоделированные на компьютере распределения интенсивности света.
Фиг. 26 иллюстрирует с помощью упрощенной блок-схемы стадии способа в соответствии с настоящим изобретением для производства глазной мультифокальной линзы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1 упрощенно показывает анатомию человеческого глаза 10 для иллюстрации настоящего изобретения. Передняя часть глаза 10 формируется роговицей 11, сферической прозрачной тканью, которая покрывает зрачок 12. Зрачок 12 является адаптируемой принимающей свет частью глаза 10, которая управляет количеством света, получаемого глазом 10. Световые лучи, проходящие через зрачок 12, принимаются хрусталиком 13, небольшим прозрачным и гибким диском в глазу 10, который фокусирует световые лучи на сетчатке 14 в задней части глаза 10. Сетчатка 14 служит для формирования изображения глазом 10. Задняя камера 15, то есть пространство между сетчаткой 14 и хрусталиком 13, заполнена водянистой жидкостью, а передняя камера 16 глаза, то есть пространство между хрусталиком 13 и роговицей 11, заполнена стекловидным телом, прозрачным студенистым веществом. Ссылочная цифра 20 указывает оптическую ось глаза 10.
Для резкого и четкого зрения на дальнем расстоянии хрусталик 13 должен быть относительно плоским, в то время как для резкого и четкого зрения на ближнем расстоянии хрусталик 13 должен быть относительно искривленным. Кривизной хрусталика 13 управляют ресничные мышцы (не показаны), которыми в свою очередь управляет мозг человека. Здоровый глаз 10 способен приспосабливаться, т.е. управлять хрусталиком 13 таким образом, чтобы обеспечить резкое и четкое изображение на любом расстоянии перед роговицей 11 между дальней областью и ближней областью.
Глазные линзы или искусственные линзы применяются для того, чтобы скорректировать зрение глаза 10 в комбинации с хрусталиком 13, когда глазная линза помещается перед роговицей 11, или для замены хрусталика 13. В последнем случае линзы также упоминаются как афакические глазные линзы.
Мультифокальные глазные линзы используются для улучшения или коррекции зрения глаза 10 для различных расстояний. В случае трифокальных глазных линз, например, глазная линза предназначается для резкого и четкого зрения на трех более или менее дискретных расстояниях или фокальных точках, обычно называемых фокальными точками для зрения на дальнем расстоянии, промежуточном расстоянии и близком расстоянии, которые на Фиг. 1 обозначены ссылочными цифрами 17, 18 и 19, соответственно. Световые лучи от объектов, расположенных на или рядом с этими расстояниями или фокальными точками 17, 18 и 19, правильно фокусируются на сетчатке 14, то есть таким образом, что проецируют резкие и четкие изображения этих объектов. Фокальные точки 17, 18 и 19 на практике могут соответствовать фокусным расстояниям в пределах от нескольких метров до десятков сантиметров и до сантиметров, соответственно.
Величина коррекции, которую обеспечивает глазная линза, называется оптической силой (OP) и выражается в диоптриях, D. Оптическая сила OP вычисляется как величина, обратная фокусному расстоянию f в метрах. Таким образом, OP=1/f, где f является соответствующим фокусным расстоянием от линзы до соответствующей фокальной точки для дальнего 17, промежуточного 18 или близкого 19 зрения. Оптическая сила набора линз находится, например, путем сложения оптических сил составляющих линз. Оптическая сила здорового человеческого хрусталика 13 составляет приблизительно 20 D.
Фиг. 2a показывает вид сверху типичной глазной мультифокальной афакической внутриглазной линзы 30, а Фиг. 2b показывает вид сбоку линзы 30. Линза 30 содержит светопропускающее круглое дискообразное тело 31 линзы и пару гаптических элементов 32, которые проходят наружу от тела 31 линзы для поддержания линзы 30 в человеческом глазу. Тело 31 линзы имеет двояковыпуклую форму, содержащую центральную часть 33, переднюю поверхность 34 и заднюю поверхность 35. Тело 31 линзы дополнительно содержит оптическую ось 29 проходящую через переднюю и заднюю поверхности 34, 35 и через центр центральной части 33. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что оптическая ось 29 является виртуальной осью с целью ссылки на оптические свойства линзы 30. Тело 31 выпуклой линзы в одном практическом варианте осуществления обеспечивает рефракционную оптическую силу приблизительно 20D.
В показанном варианте осуществления на передней поверхности 34 тела 31 линзы располагается периодическая светопропускающая дифракционная решетка или рельеф 36, состоящий из колец или зон, проходящих концентрически относительно оптической оси 29 через центральную часть 33 по меньшей мере на части передней поверхности 34 тела 31 линзы. Дифракционная решетка или рельеф 36 обеспечивает набор дифракционных фокальных точек. Хотя это и не показано, дифракционная решетка или рельеф 36 может быть также расположен на задней поверхности 35 тела 31 линзы, или на обеих поверхностях 34, 35. На практике дифракционная решетка 36 не ограничивается концентрическими круглыми или кольцевидными зонами, и включает в себя, например, концентрические эллиптические или овальные зоны, или в более общем случае любой тип зон концентрической вращательной формы.
На практике оптический диаметр 37 тела 31 линзы составляет приблизительно 5-7 мм, в то время как полный внешний диаметр 38 линзы 30, включая гаптические элементы 31, составляет приблизительно 12-14 мм. Линза 30 может иметь центральную толщину 39 приблизительно 1 мм. В случае глазных мультифокальных контактных линз и очковых или глазных стеклянных линз гаптические элементы 32 в теле 31 линзы не предусматриваются, в то время как тело 31 линзы может иметь плоско-выпуклую, двояковогнутую или плоско-вогнутую форму, или комбинации выпуклых и вогнутых форм. Тело линзы может содержать любой материал из гидрофобного акрила, гидрофильного акрила, силикона или любого другого подходящего светопропускающего материала для использования в человеческом глазу в случае афакической глазной линзы.
Фиг. 3 схематично иллюстрирует оптическое действие известной периодической светопропускающей дифракционной решетки или рельефа 42 линзы 40, содержащей двояковыпуклое светопропускающее круглое дискообразное тело 41 линзы. Линза 40 показана в поперечном сечении в радиальном направлении тела линзы. Дифракционная решетка или рельеф 42 содержит множество повторяющихся, смежно расположенных призматических прозрачных дифракционных оптических элементов (DOE) 43. DOE 43 располагаются концентрическими зонами вокруг центральной части 45 тела 41 линзы, аналогично кольцам или зонам решетки или рельефа 36, показанным на Фиг. 2a. Для иллюстративных целей DOE 43 дифракционной решетки 42 показаны как известные элементы зубчатого или пилообразного типа, содержащие непрерывную наклонную принимающую свет поверхность 44, такую как линейная или искривленная наклонная принимающая свет поверхность 44. Решетки или рельефы, в которых DOE 43 разнесены в радиальном направлении тела 41 линзы, называются рельефами бинарного типа (не показаны). Период повторения или шаг DOE 43 монотонно уменьшается в радиальном направлении от центра или оптической оси линзы и зависит от квадрата радиального расстояния.
Падающий или первичный луч 46 света, который проходит через решетку 42 и тело 41 линзы, соответственно дифрагируется и преломляется, давая выходной или вторичный луч 47 света. Преломленные и дифрагировавшие световые волны 47 формируют множество фокальных точек на оптической оси 48 линзы 40 благодаря усиливающей интерференции световых волн 47. Усиливающая интерференция возникает, когда разность длин оптических путей между световыми волнами 47, приходящими из тела 41 линзы в одну конкретную фокальную точку, кратна их длине волны, то есть световые волны являются синфазными, так что их амплитуды суммируются и усиливаются. Когда разность в длине оптического пути световых волн 47, приходящих из тела 41 линзы, является нечетно кратной половине длины волны, так что гребень одной волны соответствует впадине другой волны, световые волны 47 частично или полностью гасят друг друга, то есть световые волны являются несовпадающими по фазе и не дают фокальных точек на оптической оси 48 тела 41 линзы.
Точки усиливающей интерференции на различных расстояниях от тела 41 линзы обычно обозначаются как дифракционные порядки. Фокальная точка, которая соответствует фокальной точке, которая возникает благодаря преломляющему действию кривизны линзы 40, обозначается как нулевой порядок, 0. Другие фокальные точки определяются порядками +1, +2, +3 и т.д., если соответствующая фокальная точка образуется слева от нулевого порядка на плоскости чертежа, то есть на некотором расстоянии в направлении к телу 41 линзы, и определяются порядками -1,-2,-3 и т.д., если соответствующая фокальная точка образуется справа от нулевого порядка на плоскости чертежа, то есть на некотором расстоянии в направлении от тела 41 линзы, как проиллюстрировано на Фиг. 3.
Дифракционный рельеф 42 может быть разработан так, чтобы он обеспечивал фокальные точки на различных расстояниях от тела 41 линзы. Периодический интервал или шаг DOE 43 по существу определяет, где на оптической оси 48 линзы возникают точки ослабляющей и усиливающей интерференции, то есть положение дифракционных порядков на оптической оси 48. Количеством падающего света, которое обеспечивается в точке усиливающей интерференции, то есть около или в одном конкретном дифракционном порядке, можно управлять с помощью формы и высоты DOE 43.
В случае дифракционной решетки или рельефа 42, обеспечивающего дифракционные порядки, которые регулярно располагаются по обе стороны от нулевого порядка, решетку или рельеф называют симметричным делителем волны, поскольку луч 45 падающего света симметрично дифрагируется или расщепляется относительно нулевого порядка. Решетку или рельеф, создающие нерегулярное расположение дифракционных порядков, такое как +1, +2, -3, -5, называют асимметричным делителем луча.
Энергия света в световых волнах 47, которые фокусируются или дифрагируют в фокальные точки или порядки, которые не способствуют формированию изображения на сетчатке 14 человеческого глаза 10, теряется и уменьшает общую эффективность линзы 40, а следовательно и качество изображений, воспринимаемых человеком, использующим такую линзу. На практике для оптимального проектирования линзы предпочтительно, чтобы фокусы для обеспечения или коррекции дальнего, промежуточного и ближнего зрения человеческого глаза, такие как, например, показанные на Фиг. 1, могли быть установлены заранее, и дифракционная решетка 42, которая максимизирует общую эффективность энергии света, получаемую от луча 46 падающего света в этих заданных фокальных точках, является оптимальной.
В научной литературе дифракционная решетка, оптимизирующая общую эффективность распределения света в заданных или целевых рефракционной и дифракционных фокальных точках или порядках, находится из определения функции только фазы или фазового профиля, который генерирует целевые дифракционные порядки с максимальной общей эффективностью r| или критерием, определяемым как сумма нормализованных световых энергий всех этих целевых порядков.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что тело 41 линзы может содержать плоско-выпуклую, двояковогнутую или плоско-вогнутую форму, а также комбинации выпуклых и вогнутых форм (не показано).
Предположим, что круглая дискообразная линза имеет дифракционную решетку, например как показано на Фиг. 2a, 2b и 3. Если функция фазового профиля дифракционной решетки обозначена как φ(r), оптическая передаточная функция определяемой решетки определяется как: T(r)=exp[iφ(r)], где exp представляет экспоненциальную функцию, i представляет мнимую единицу, а r представляет радиальное расстояние или радиус от центра или оптической оси тела линзы с повторяющимися DOE.
Поскольку дифракционная решетка является периодически повторяющейся структурой, T(r) может быть разложена в ряд Фурье:
n
где τ представляет коэффициент Фурье n-го порядка дифракции, P - период или шаг дифракционной решетки, и n - положительное целое число, включая ноль.
Максимизация общей эффективности требует, чтобы сумма нормализованных энергий целевых фокальных точек или порядков равнялась 1, то есть:
-m
0
2
2
P
2
Например, в случае трифокальной глазной линзы с расщеплением волн, в которой рефракционная фокальная точка представляет фокальную точку зрения на среднем расстоянии, а дифракционные фокальные точки представляют фокальные точки для зрения на близком расстоянии и для зрения на большом расстоянии, соответственно, должно быть оптимизировано выражение |τ| + |τ| + |τ|, в котором индексы -m, 0 и p представляют дифракционный порядок, обеспечивающий фокальную точку для зрения на близком расстоянии, рефракционную фокальную точку, обеспечивающую зрение на среднем расстоянии, и дифракционный порядок, обеспечивающий фокальную точку для зрения на большом расстоянии, соответственно. Оптимальная фазовая функция также может быть получена в зависимости от взвешенных интенсивностей или энергий света в целевых фокальных точках.
Значение дифракционных порядков -m и p не обязательно должно быть равным. В настоящем изобретении в том случае, когда значение m равно значению p, например m=p=1, делитель волны называется симметричным делителем волны, а если значения m и p различаются, делитель волны называют асимметричным.
В соответствии с настоящим изобретением общее выражение для непрерывной периодической функции фазового профиля выглядит следующим образом:
где:
ϕ(r) - непрерывная периодическая фазовая функция дифракционной решетки,
r - радиальное расстояние или радиус, направленный наружу от оптической оси тела линзы, [мм],
Α(r) - функция амплитудной модуляции непрерывной периодической функции фазового профиля в радиальном направлении тела линзы,
F[α*G] - функция тела линзы в радиальном направлении, обеспечивающая операцию расщепления волны,
2
G(r) - периодическая функция в пространстве r,
α(r) - функция модуляции величины аргумента G,
2
2
S(r) - функция угловой модуляции аргумента G в пространстве r, [мм],
2
2
T - период или шаг дифракционной решетки в пространстве r, [мм], и
B(r) - функция амплитудной модуляции непрерывной периодической функции фазового профиля.
В соответствии с настоящим изобретением для управления или настройки количества света, распределяемого в фокальных точках, модуляция аргумента непрерывной периодической функции F[α*G] как функции радиуса или радиального расстояния в теле линзы обеспечивается функцией модуляции величины аргумента α(r) функции G(r) и функцией угловой модуляции аргумента S(r) функции G(r). Функции амплитудной модуляции Α(r) и B(r) обеспечивают дополнительное управление или настройку количества света, распределяемым между фокальными точками дифракции и фокальной точкой рефракции.
1
0
Фиг. 4 графически иллюстрирует относительное распределение энергии между первыми порядками дифракции ±1, представленными пунктиром |τ|, и нулевым порядком, представленным сплошной линией |τ| в случае постоянного значения функции модуляции величины аргумента α(r) для линейной или плоской оптимальной дифракционной решетки утроителя, имеющей непрерывную периодическую функцию фазового профиля:
Уравнение (5) представлено F. Gori и др. в публикации «Analytical derivation of the optimum triplicator», Optics Communication 157 (1998), p.13-16.
Параметр распределения света α(r) определяет количество света, которое распределяется среди дифракционных порядков ±1 и 0. В соответствии с уравнением (5) для значения α=2,65718, обозначенного ссылочной цифрой 49 на Фиг. 4, энергия света равномерно распределяется между всеми целевыми фокальными точками, то есть среди дифракционных порядков ±1 и 0. Общая эффективность η, которая может быть достигнута с такой функцией фазового профиля ϕ(r), составляет более 0,925.
В одном варианте осуществления глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением, основанном на функции фазового профиля ϕ(r), раскрытой в вышеприведенных уравнениях (1) и (2), профиль высоты или функция высоты H(r) дифракционной решетки фактической линзы выражается единственной непрерывной функцией замкнутой формы, определяемой как:
где:
H(r) - профиль высоты линзы, [нм],
λ - конструктивная длина волны линзы, [нм],
n - показатель преломления тела линзы,
m
n - показатель преломления среды, окружающей тело линзы.
Фиг. 5a - 22f схематично иллюстрируют примеры профиля высоты или функции высоты H(r) уравнения (6) и смоделированные на компьютере распределения интенсивности света для тела 31 двояковыпуклой глазной линзы 30 показанного на Фиг. 2a, 2b типа, содержащей такие профили высоты. Линза 30 предназначена для нацеливания на фокусную точку нулевого порядка в 20 диоптрий (D) и фокусные точки первого порядка в 21,5D и 18,5D, симметрично расположенные относительно нулевого порядка. Таким образом, она обеспечивает фокальную точку для зрения на среднем расстоянии в 20D для нулевого порядка, фокальную точку для зрения на большом расстоянии в 18,5D для дифракционного порядка -1, и фокальную точку для зрения на близком расстоянии в 21,5D для дифракционного порядка +1. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что эти оптические силы или фокальные точки могут отличаться для фактических линз в зависимости от целевых фокальных точек. Примеры были вычислены с использованием программного обеспечения для моделирования на основе MATLAB™.
Профиль высоты H(r) изображен в мкм вдоль вертикальной оси. Предполагается, что оптическая ось, проходящая через центр тела линзы, находится в радиальном положении r=0, тогда как радиальное расстояние r, измеренное в направлении наружу от оптической оси, выражается в мм вдоль вертикальной оси. В профилях интенсивности интенсивность I дифрагированного света изображена в произвольных единицах вдоль вертикальной оси как функция оптической силы в диоптриях (D), изображенной вдоль горизонтальной оси.
m
2
2
В этих конструкциях расчетная длина волны λ линзы принимается равной 550 нм, показатель преломления n тела линзы принимается равным 1,4618, а показатель преломления n среды, окружающей тело линзы, принимается равным 1,336. Если явно не указано иное, функция амплитудной модуляции Α(r)=1, функция амплитудной модуляции B(r)=0, и функция модуляции величины аргумента α(r)=2,65718. Период T=0,733 мм в пространстве r.
2
2
Ссылочная цифра 50 на Фиг. 5a показывает профиль высоты или функцию высоты H(r) согласно уравнению (6) в пространстве r, выраженную в мм, а Фиг. 5b показывает ту же самую функцию высоты вдоль линейной шкалы как функцию радиального расстояния r. В этом примере функция угловой модуляции аргумента S(r)=0, то есть нет сдвига фазы или угловой модуляции аргумента.
Ссылочная цифра 51 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию дифракционного профиля 50 H(r). См. Фиг. 2a и 2b.
2
Как можно заметить на Фиг. 5a, в пространстве r каждый период T профиля 50 высоты H(r) показан с равной длиной. Профиль высоты или функция высоты H(r) представляет собой одиночную непрерывную геометрическую функцию замкнутой формы, определяющую концентрически расположенные DOE, не имеющие резких переходов, которые трудно создать в теле линзы. Соответственно, профиль 50 высоты H(r) дифракционной решетки не только обеспечивает оптимальную эффективность, но и позволяет точно изготавливать и, следовательно, точно подбирать линзы, обеспечивая целевые фокальные точки и целевое распределение света среди целевых фокальных точек.
Количество света, дифрагируемого линзой, имеющей профиль 50 высоты H(r), показано результатами моделирования интенсивности на Фиг. 5c. Ссылочная цифра 54 относится к порядку дифракции 0, обеспечивающему фокальную точку для зрения на среднем расстоянии, ссылочная цифра 52 относится к порядку дифракции -1, обеспечивающему фокальную точку для зрения на большом расстоянии, и ссылочная цифра 53 относится к порядку дифракции +1, обеспечивающему фокальную точку для зрения на близком расстоянии. Как видно на Фиг. 5c, в отличие от фазового профиля линзы, вычисленного для плоского оптимального утроителя Gori и др., для α(r)=2,65718 количество света, падающего на криволинейное тело линзы, распределяется неравномерно в целевых фокальных точках. Это происходит потому, что периодическая функция фазового профиля оптимального утроителя Gori и др. вычисляется для линзы с линейной или плоской фазовой решеткой, для которой расстояния между периодами показывают линейную зависимость, в то время как при ее преобразовании к линзе расстояния между периодами функции фазового профиля становятся зависимыми от квадратного корня.
Фиг. 6a показывает профиль высоты H(r) согласно вышеприведенному уравнению (6) как функцию радиального расстояния r, однако модулированную постоянной угловой модуляцией аргумента S=0,25*T, обозначенной ссылочной цифрой 60. Ссылочная цифра 61 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы.
Количество света, дифрагируемого линзой, показано результатами моделирования на Фиг. 6b. Ссылочная цифра 64 относится к порядку дифракции 0, ссылочная цифра 62 относится к порядку дифракции -1, и ссылочная цифра 63 относится к порядку дифракции +1. Как видно из Фиг. 6a, с помощью этой угловой модуляции аргумента S относительно больше света дифрагирует в порядок +1 по сравнению с профилем 50 высоты, не имеющим угловой модуляции аргумента S.
Угловая модуляция аргумента в другом направлении, то есть S=-0,25*T, проиллюстрированная профилем 70 высоты на Фиг. 7a, показывает, что относительно наибольшее количество света дифрагирует в порядок +1, соответствующий фокальной точке для зрения на близком расстоянии 73, как показано на профиле интенсивности на Фиг. 7b. На Фиг. 7b можно заметить, что относительно меньше света дифрагирует в порядок -1 (72), следовательно эта модуляция обеспечивает относительное большое усиление интенсивности света для зрения на близком расстоянии. Ссылочная цифра 71 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию дифракционного профиля 70 H(r).
Путем сдвига фазовой функции, то есть профиля высоты, относительным количеством света между дифракционными порядками можно управлять или настраивать его так, чтобы обеспечить целевое распределение света линзой и/или для корректировки допусков и других производственных отклонений, например при производстве линзы.
2
2
Как было указано выше, выгодно выражать угловую модуляцию аргумента S как долю периода T решетки в пространстве r. В практических вариантах осуществления угловая модуляция аргумента может варьироваться в диапазоне от приблизительно S=-0,5*T до приблизительно S=0,5*T в пространстве r, включая значения, кратные периоду T, в зависимости от требуемой коррекции света между фокальными точками для зрения на близком, промежуточном и дальнем расстоянии.
2
Фиг. 8a показывает профиль высоты или функцию высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном варианте осуществления трифокальной внутриглазной глазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, обозначенную ссылочной цифрой 80. Фиг. 8b показывает профиль 80 высоты в пространстве r. Угол аргумента профиля 80 высоты дифракционной решетки модулируется модуляционной функцией S(r), имеющей постоянное значение S=0,315*T, и функцией амплитудной модуляции Α(r)=1,013. Ссылочная цифра 81 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 80 дифракционного профиля H(r).
Распределение света, достигаемое дифракционной решеткой, имеющей профиль 80 высоты, показано на Фиг. 8c. Как видно из Фиг. 8c, в фокальные точки для зрения на большом расстоянии 82 и для зрения на близком расстоянии 83 дифрагирует равное количество света, тогда как в фокальную точку 84 для зрения на среднем расстоянии распределяется относительно меньше света.
Фиг. 9a показывает профиль высоты или функцию высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном варианте осуществления трифокальной внутриглазной глазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, обозначенную ссылочной цифрой 90. Угол аргумента профиля 90 высоты модулируется модуляционной функцией S(r), имеющей постоянное значение S=0,33*T, и функцией амплитудной модуляции Α(r)=0,96. Ссылочная цифра 91 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 90 дифракционного профиля H(r).
Распределение света, достигаемое дифракционной решеткой, имеющей профиль 90 высоты, показано на Фиг. 9b. Как видно из Фиг. 9b, при вышеупомянутых параметрах модуляции аргумента в фокальные точки для зрения на большом расстоянии 92, на близком расстоянии 93 и на среднем расстоянии 94 распределяется равное количество света.
Вместо постоянного значения функции угловой модуляции аргумента S(r) и/или функции модуляции величины аргумента или параметра распределения света α(r), а также любой или обеих из функций амплитудной модуляции Α(r) и B(r), как было проиллюстрировано выше, в соответствии с настоящим изобретением функции модуляции угла и величины аргумента S(r) и/или α(r), соответственно, а также функции амплитудной модуляции Α(r) и B(r) могут содержать модуляционные функции, изменяющиеся в зависимости от радиального расстояния до оптической оси тела линзы, для того, чтобы достичь соответствующего целевого распределения света или улучшения фокуса путем настройки распределения света в целевых фокальных точках или целевых фокусах, в частности для обеспечения распределения света в фокальных точках, зависящего от размера зрачка.
Фиг. 10a-13c иллюстрируют влияние на распределение света глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением, в которой аргумент непрерывной периодической функции профиля модулируется периодической функцией угловой модуляции аргумента или периодической функцией модуляции величины аргумента, обеспечивая периодические переходы в непрерывной периодической функции фазового профиля, то есть в профиле высоты линзы.
Фиг. 10a показывает профиль высоты или функцию 100 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 105 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 10b. Функция 105 угловой модуляции аргумента является периодической прямоугольной волновой функцией, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 100 высоты. Значение S(r) 105 варьируется в диапазоне S=±0,07*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 10b. Ссылочная цифра 101 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 100 дифракционного профиля H(r).
В показанном примере восходящий или передний фронт 106 функции 105 угловой модуляции аргумента создает переход 108, обеспечивающий смещение функции 100 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в радиальном направлении наружу r тела линзы, расположенный на восходящем или переднем фронте функции 100 профиля высоты. Убывающий или задний фронт 107 функции 105 угловой модуляции аргумента создает переход 109, обеспечивающий смещение функции 100 профиля высоты в радиальном направлении внутрь тела линзы, противодействующий смещению от перехода 108 и расположенный на заднем или убывающем фронте функции 100 профиля высоты.
Распределение света, достигаемое дифракционной решеткой, имеющей профиль 100 высоты, показано на Фиг. 10c. Как видно из Фиг. 10c, при использовании вышеупомянутой функции 105 угловой модуляции аргумента относительно больше света распределяется или сводится в фокальную точку для зрения на большом расстоянии 102 по сравнению с фокальной точкой для зрения на близком расстоянии 103. Количество света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 104, по существу равно количеству света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 54 профиля 50 высоты, показанного на Фиг. 5, не имеющего угловой модуляции аргумента.
Соответственно, при использовании функции 105 угловой модуляции аргумента достигается сильное увеличение относительного количества света в фокальной точке 102 для зрения на большом расстоянии.
Фиг. 11a показывает профиль высоты или функцию 110 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 115 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 11b. Функция 115 угловой модуляции аргумента является периодической прямоугольной волновой функцией, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 110 высоты. Значение S(r) 115 варьируется в диапазоне S=±0,07*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 11b. Ссылочная цифра 111 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 110 дифракционного профиля H(r).
В показанном примере восходящий или передний фронт 116 функции 115 угловой модуляции аргумента создает переход 118, обеспечивающий смещение функции 110 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в радиальном направлении наружу r тела линзы, расположенный на заднем или убывающем фронте функции 110 профиля высоты. Убывающий или задний фронт 117 функции 115 угловой модуляции аргумента создает переход 119, обеспечивающий смещение функции 110 профиля высоты в радиальном направлении внутрь тела линзы, противодействующий смещению от перехода 118 и расположенный на переднем или восходящем фронте функции 110 профиля высоты.
Распределение света, достигаемое дифракционной решеткой, имеющей профиль 110 высоты, показано на Фиг. 11c. Как видно из Фиг. 11c, при использовании вышеупомянутой функции 115 угловой модуляции аргумента относительно больше света распределяется или сводится в фокальную точку для зрения на близком расстоянии 113 по сравнению с фокальной точкой для зрения на большом расстоянии 112. Количество света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 114, по существу равно количеству света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 54 профиля 50 высоты, показанного на Фиг. 5, не имеющего угловой модуляции аргумента.
Соответственно, при использовании функции 115 угловой модуляции аргумента достигается сильное увеличение относительного количества света в фокальной точке 113 для зрения на близком расстоянии.
Фиг. 12a показывает профиль высоты или функцию 120 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 125 модуляции величины аргумента α(r), показанной на Фиг. 12b. Функция 125 модуляции величины аргумента является периодической прямоугольной волновой функцией, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 120 высоты. Значение α(r) 125 нормализуется относительно значения α=2,65718, отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 12b и находится в диапазоне 1,4≥α(r)/2,65718≥0,7. Функция угловой модуляции аргумента S(r)=0 для функции 120 профиля высоты. Ссылочная цифра 121 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 120 дифракционного профиля H(r).
В показанном примере восходящий или передний фронт 126 функции 125 модуляции величины аргумента создает переход 128, обеспечивающий смещение функции 120 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности 34 тела линзы 30 и вверх в направлении к внешней окружности 121. Переход 128 располагается на вершине или гребне функции 120 профиля высоты. Нисходящий или задний фронт 127 функции 125 модуляции величины аргумента создает переход 129, обеспечивающий смещение функции 120 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности 34 тела линзы 30 вниз, то есть от внешней окружности 121. Переход 129 располагается на дне или во впадине функции 120 профиля высоты и противодействует смещению переходом 128.
Распределение света, достигаемое дифракционной решеткой, имеющей профиль 120 высоты, показано на Фиг. 12c. Как видно из Фиг. 12c, при использовании вышеупомянутой функции 125 модуляции величины аргумента относительно больше света распределяется или сводится в фокальную точку для зрения на большом расстоянии 122 по сравнению с фокальной точкой для зрения на близком расстоянии 123. Количество света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 124, по существу равно количеству света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 54 профиля 50 высоты, показанного на Фиг. 5, не имеющего угловой модуляции аргумента и модуляции величины аргумента.
Соответственно, при использовании функции 125 угловой модуляции аргумента достигается сильное увеличение относительного количества света в фокальной точке 122 для зрения на большом расстоянии.
Фиг. 13a показывает профиль высоты или функцию 130 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 135 модуляции величины аргумента α(r), показанной на Фиг. 13b. Функция 135 модуляции величины аргумента является периодической прямоугольной волновой функцией, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 130 высоты. Значение α(r) 135 нормализуется относительно значения α=2,65718, отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 13b и находится в диапазоне 1,4≥α(r)/2,65718≥0,7. Функция угловой модуляции аргумента S(r)=0 для функции 130 профиля высоты. Ссылочная цифра 131 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 130 дифракционного профиля H(r).
В показанном примере нисходящий или задний фронт 136 функции 135 модуляции величины аргумента создает переход 138, обеспечивающий смещение функции 130 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности 34 тела линзы 30 и вниз, то есть от внешней окружности 131. Переход 138 располагается на вершине или гребне функции 130 профиля высоты. Восходящий или передний фронт 137 функции 135 модуляции величины аргумента создает переход 139, обеспечивающий смещение функции 130 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности 34 тела линзы 30 вверх, т.е. к внешней окружности 131. Переход 139 располагается на дне или во впадине функции 130 профиля высоты и противодействует смещению переходом 138.
Распределение света, достигаемое дифракционной решеткой, имеющей профиль 130 высоты, показано на Фиг. 13c. Как видно из Фиг. 13c, при использовании вышеупомянутой функции 135 модуляции величины аргумента относительно больше света распределяется или сводится в фокальную точку для зрения на близком расстоянии 133 по сравнению с фокальной точкой для зрения на большом расстоянии 132. Количество света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 134, по существу равно количеству света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 54 профиля 50 высоты, показанного на Фиг. 5, не имеющего угловой модуляции аргумента и модуляции величины аргумента.
Соответственно, при использовании функции 135 угловой модуляции аргумента достигается сильное увеличение относительного количества света в фокальной точке 133 для зрения на близком расстоянии. Специалисту в данной области техники будет понятно, что можно комбинировать периодические смещения функции профиля высоты в направлении, поперечном по меньшей мере к одной поверхности 34, как показано, например, на Фиг. 10 и 11, со смещениями функции профиля высоты, параллельного радиальному направлению тела линзы, как показано на Фиг. 12 и 13, чтобы усилить эффект настройки. Таким образом относительные интенсивности дифракционных фокальных точек могут быть очень сильно изменены.
На Фиг. 10a, 11a, 12a и 13a можно заметить, что переходы, обеспечиваемые соответствующими модуляционными функциями, показанными на Фиг. 10b, 11b, 12b и 13c, вызывают резкие смещения функций высоты или профиля фазы, которые на практике могут вызвать проблемы механической обработки при производстве линзы, имеющей такой профиль высоты.
В соответствии с настоящим изобретением целесообразно модулировать аргумент непрерывной периодической функции фазового профиля, создавая периодические сглаженные переходы или смещения на непрерывной периодической функции фазового профиля, то есть соответствующем профиле высоты или оптической передаточной функции дифракционной решетки, представленной непрерывной периодической функцией фазового профиля.
Фиг. 14a показывает профиль высоты или функцию 140 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 145 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 14b. Отличающаяся от прямоугольной функции 105 угловой модуляции аргумента, показанной на Фиг. 10b, периодическая функция 145 угловой модуляции аргумента S(r) является трапецеидальной функцией, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 140 высоты. Максимальное значение S(r) 145 варьируется в диапазоне S=±0,08*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 14b. Ссылочная цифра 141 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 140 дифракционного профиля H(r).
В показанном примере восходящий или передний фронт 146 функции 145 угловой модуляции аргумента создает гладкий переход 148, обеспечивающий линейное постепенное смещение функции 140 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в радиальном направлении наружу r тела линзы, расположенный на восходящем или переднем фронте функции 140 профиля высоты. Убывающий или задний фронт 147 функции 145 угловой модуляции аргумента создает переход 149, обеспечивающий линейное постепенное смещение функции 140 профиля высоты в радиальном направлении внутрь тела линзы, противодействующий смещению от перехода 148 и расположенный на заднем или убывающем фронте функции 140 профиля высоты. Переходы, создаваемые функцией S(r) 145, обеспечивают перераспределение света в фокальную точку для зрения на большом расстоянии.
Фиг. 15a показывает профиль высоты или функцию 150 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 155 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 15b. Отличающаяся от прямоугольной функции 115 угловой модуляции аргумента, показанной на Фиг. 11b, периодическая функция 155 угловой модуляции аргумента S(r) является трапецеидальной функцией, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 150 высоты. Максимальное значение S(r) 155 варьируется в диапазоне S=±0,08*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 15b. Ссылочная цифра 151 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 150 дифракционного профиля H(r).
В показанном примере восходящий или передний фронт 156 функции 155 угловой модуляции аргумента создает гладкий переход 158, обеспечивающий линейное постепенное смещение функции 150 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в радиальном направлении наружу r тела линзы, расположенный на заднем или убывающем фронте функции 150 профиля высоты. Убывающий или задний фронт 157 функции 155 угловой модуляции аргумента создает плавный переход 159, обеспечивающий линейное постепенное смещение функции 150 профиля высоты в радиальном направлении внутрь тела линзы, противодействующий смещению от перехода 118 и расположенный на переднем или восходящем фронте функции 110 профиля высоты. Переходы, создаваемые функцией S(r) 155, обеспечивают перераспределение света в фокальную точку для зрения на близком расстоянии.
За счет введения периодических сглаженных переходов 148, 149 и 158, 159 в непрерывные периодические функции фазового профиля, то есть соответствующие профили высоты 140, 150, соответственно, реализация оптической передаточной функции, содержащей такую функцию фазового профиля, не составляет проблемы для механической обработки. За счет сглаживания переходов в дифракционную решетку не вводятся или вводятся лишь незначительные артефакты, так что поддерживаются свойства настроенной линзы, включающей непрерывную периодическую функцию фазового профиля в отношении менее нежелательных оптических эффектов, таких как рассеянный свет, хроматическая аберрация, гало, блики, рассеяние и т.п.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что функции 125 и 135 модуляции величины аргумента, показанные на Фиг. 12b и 13b, соответственно, также могут быть заменены трапецеидальными функциями модуляции величины аргумента, чтобы тем самым обеспечить гладкие переходы, то есть постепенные смещения в направлении, поперечном к поверхности тела линзы, содержащей соответствующую дифракционную решетку (не показано). В соответствии с настоящим изобретением могут применяться другие периодические функции угла и/или величины аргумента, содержащие, например, одну из непрерывной функции, непрерывной тригонометрической функции, треугольной функции и т.д., обеспечивающих нелинейные постепенные смещения.
Фиг. 16a показывает в качестве примера профиль высоты или функцию 160 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 165 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 16b. В отличие от линейного сглаживания, показанного на Фиг. 15, в этом примере сглаживание обеспечивается интерполяцией кубическим сплайном. Модуляция величины аргумента обеспечивается при так называемом базовом значении фазы, выбираемом при S=0,33*T, в то время как максимальное значение S(r) находится в диапазоне 0,41*T≥S(r)≥0,25*T и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 16b. Ссылочная цифра 161 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 160 дифракционного профиля H(r). Следует иметь в виду, что могут быть выбраны другие базовые значения фазы.
В показанном примере нисходящий или задний фронт 166 функции 165 угловой модуляции аргумента создает гладкий переход 168, обеспечивающий линейное постепенное смещение функции 160 профиля высоты, то есть непрерывной периодической функции фазового профиля дифракционной решетки, в радиальном направлении наружу r тела линзы, расположенный на восходящем или переднем фронте функции 160 профиля высоты. Восходящий или передний фронт 167 функции 165 угловой модуляции аргумента создает плавный переход 169, обеспечивающий линейное постепенное смещение функции 160 профиля высоты в радиальном направлении внутрь тела линзы, противодействующий смещению от перехода 168 и расположенный на заднем или убывающем фронте функции 160 профиля высоты. Переходы, обеспечиваемые функцией S(r) 165, обеспечивают перераспределение света в фокальную точку для зрения на близком расстоянии 163 по сравнению с фокальной точкой зрения на большом расстоянии 162, что показано на диаграмме распределения интенсивности или энергии света на Фиг. 16c. Ссылочная цифра 164 относится к количеству света, распределяемому в фокальную точку для зрения на промежуточном расстоянии.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что функции угловой модуляции аргумента и функции модуляции величины аргумента, показанные на предыдущих чертежах, могут взаимно заменяться и объединяться для обеспечения, то есть настройки, первоначально спроектированной или выбранной непрерывной периодической фазовой функции или функции профиля высоты для того, чтобы достичь целевого или требуемого распределения света в целевых фокальных точках.
Настоящее изобретение является особенно подходящим для обеспечения распределения света в целевых фокальных точках в зависимости от размера зрачка. Это может быть достигнуто несколькими способами путем подходящей модуляции аргумента непрерывной периодической функции фазового профиля.
Фиг. 17a показывает в качестве примера профиль высоты или функцию 170 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 175 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 17b. В этом примере периодическая функция 175 угловой модуляции аргумента S(r) содержит первую часть, обозначенную ссылочной цифрой 176, проходящую на радиальное расстояние 1,7 мм от оптической оси, и вторую часть 177, проходящую от радиального расстояния 1,7 мм наружу к окружности тела линзы.
Первая часть 176 функции угловой модуляции аргумента состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 170 высоты, обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 170 профиля высоты. В этой первой части значение S(r) варьируется в диапазоне S=±0,02*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 17b.
Вторая часть 177 функции угловой модуляции аргумента состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 170 высоты, аналогичным образом обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 170 профиля высоты. В этой второй части значение S(r) варьируется в диапазоне S=±0,1*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 17b.
Фиг. 17c - 17f показывают профили интенсивности для света, частично падающего на тело линзы, для нескольких расстояний от оптической оси, имитируя тем самым несколько размеров зрачка. Фиг. 17c относится к диаметру зрачка 3 мм, Фиг. 17d относится к диаметру зрачка 3,75 мм, Фиг. 17e относится к диаметру зрачка 4,5 мм, и Фиг. 17f относится к диаметру зрачка 6 мм. Диаметр зрачка приблизительно 3 мм соответствует ситуации, в которой количество света в фокусе для зрения на близком расстоянии должно быть относительно улучшено, тогда как диаметр зрачка приблизительно 6 мм соответствует ситуации, в которой предпочтительным является относительно большее количество света в фокусе для зрения на большом расстоянии.
На Фиг. 17c - 17f значения интенсивности показаны нормализованными относительно интенсивности для зрения на среднем расстоянии, то есть при 20D, обозначенной как In. Фокальная точка для зрения на близком расстоянии устанавливается на 21,5D, а фокальная точка для зрения на большом расстоянии устанавливается на 18,5D. Для каждой диаграммы интенсивности показано отношение распределения R количества света в фокальных точках для зрения на большом расстоянии (In-far) и для зрения на близком расстоянии (In-near), то есть R=In-far/In-near. Если R равно 1, равное количество света объединяется в дифракционных фокальных точках. При R<1 относительно больше света распределяется в фокальную точку для зрения на близком расстоянии по сравнению с фокальной точкой для зрения на большом расстоянии. При R>1 относительно больше света распределяется в фокальную точку для зрения на большом расстоянии по сравнению с фокальной точкой для зрения на близком расстоянии.
Из смоделированных нормализованных интенсивностей света и вычисленных отношений распределения света видно, что первая часть 176 функции 175 угловой модуляции аргумента по сравнению с ее второй частью 177 способствует зрению на близком расстоянии для малых диаметров зрачка, то есть 3 мм и 3,75 мм, обеспечивая значения R 1,08 и 1,04, соответственно, тогда как зрение на большом расстоянии облегчается второй частью 177 для больших диаметров зрачка, то есть 4,5 мм и 6 мм, обеспечивающей значения R 1,18 и 1,46, соответственно.
Фиг. 18a показывает в качестве примера профиль высоты или функцию 180 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 185 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 18b. В этом примере периодическая функция 185 угловой модуляции аргумента S(r) состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 180 высоты, обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 180 профиля высоты. Значение S(r) 185 увеличивается по экспоненте в радиальном направлении наружу к окружности тела линзы, от S=0 до S=±0,1*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 18b.
Фиг. 18c - 18f показывают нормализованные профили интенсивности для света, частично падающего на тело линзы, для нескольких расстояний от оптической оси, в соответствии с Фиг. 17c-17f, соответственно. Из смоделированных нормированных интенсивностей света и рассчитанных отношений распределения света R видно, что угловая модуляция аргумента 185 умеренно усиливает или способствует зрению на близком расстоянии для малого диаметра зрачка 3 мм, обеспечивая значение R 1,74, по сравнению со значением R 1,90 для диаметра зрачка 6 мм, способствующим зрению на большом расстоянии.
Фиг. 19a показывает в качестве примера профиль высоты или функцию 190 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 195 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 19b. В этом примере периодическая функция 195 угловой модуляции аргумента S(r) состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 190 высоты, обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 190 профиля высоты. Значение S(r) 195 уменьшается по экспоненте в радиальном направлении наружу к окружности тела линзы относительно базового сдвига фазы S=0,33*T в пределах 0,38*T≥S(r)≥0,2*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 19b.
Фиг. 19c - 19f показывают нормализованные профили интенсивности для света, частично падающего на тело линзы, для нескольких расстояний от оптической оси, в соответствии с Фиг. 17c-17f, соответственно. Из смоделированных нормированных интенсивностей света и рассчитанных отношений распределения света R можно заметить, что угловая модуляция аргумента 195, в противоположность предыдущим примерам, усиливает или способствует зрению на большом расстоянии для меньших диаметров зрачка 3 мм и 3,75 мм, обеспечивающих значения R 1,6 и 1,67, соответственно. Зрение на близком расстоянии улучшается для больших диаметров зрачка по сравнению с меньшими размерами зрачка, обеспечивая соответствующие значения R 1,44 для диаметра зрачка 4,5 мм и 1,27 для диаметра зрачка 6 мм. Следует иметь в виду, что этот тип линзы представляет собой особый случай и может использоваться для обеспечения необычно сильных коррекций.
Варианты осуществления настоящего изобретения, описанные и показанные на Фиг. 18a-f и 19a-f, имеют преимущество обеспечения постепенно изменяющихся распределений интенсивности для различных размеров зрачка без резкого изменения между различными зонами, как показано например на Фиг. 17b, обеспечивая тем самым меньшее раздражения, и соответственно улучшенный опыт для пользователя.
Фиг. 20a показывает в качестве примера профиль высоты или функцию 200 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 205 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 20b. В этом примере периодическая функция 200 угловой модуляции аргумента S(r) содержит первую часть, обозначенную ссылочной цифрой 206, проходящую на радиальное расстояние 1,5 мм от оптической оси, и вторую часть 207, проходящую от радиального расстояния 1,5 мм наружу к окружности тела линзы.
Первая часть 206 функции 205 угловой модуляции аргумента состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 200 высоты, обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 200 профиля высоты. В этой первой части значение S(r) уменьшается по экспоненте в радиальном направлении наружу к окружности тела линзы относительно базового фазового сдвига S=0,33*T. Вторая часть 207 функции 205 угловой модуляции аргумента состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 200 высоты, аналогичным образом обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 170 профиля высоты. В этой второй части значение S(r) увеличивается по экспоненте в радиальном направлении наружу к окружности тела линзы относительно базового фазового сдвига S=0,33*T. В первой части максимальное значение S(r) 205 находится в диапазоне 0,44*T≥S(r)≥0,28*T, а во второй части 207 в диапазоне S=±0,20*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 20b.
Фиг. 20c - 20f показывают нормализованные профили интенсивности для света, частично падающего на тело линзы, для нескольких расстояний от оптической оси, в соответствии с Фиг. 17c-17f, соответственно. Из смоделированных нормированных интенсивностей света и рассчитанных отношений распределения света R можно заметить, что угловая модуляция аргумента 205 сильно способствует распределению света в фокальную точку для зрения на близком расстоянии для меньших диаметров зрачка 3 мм и 3,75 мм, а также для диаметра зрачка 4,5 мм, обеспечивая значения R 0,68, 0,89 и 0,93, соответственно. Зрение на большом расстоянии немного улучшается для большего диаметра зрачка 6 мм по сравнению с меньшими размерами зрачка, обеспечивая соответствующее значение R 1,08.
Фиг. 21a показывает профиль высоты или функцию 210 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 216 модуляции величины аргумента α(r), показанной на Фиг. 21b, и функцией 215 угловой модуляции аргумента S(r).
Функция 216 модуляции величины аргумента является ступенчатой или кусочно возрастающей функцией в радиальном направлении от центра тела линзы. Ширина этих участков или ступенек равна периоду непрерывной периодической функции 210 высоты. Значение α(r) 216 нормализуется относительно значения α=2,65718, отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 21b и находится в диапазоне 2≥α(r)/2,65718≥0,9. В показанном примере функция 216 модуляции величины аргумента вызывает периодическое увеличение профиля высоты или функции 210 высоты с увеличением расстояния от оптической оси, создавая эффект аподизации профиля 210 высоты.
Функция 215 угловой модуляции аргумента S(r) состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 180 высоты, обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 210 профиля высоты. Значение S(r) 215 увеличивается по экспоненте в радиальном направлении наружу к окружности тела линзы, от S=0 до S=±0,1*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 21c.
Фиг. 21h показывает распределение света или профиль интенсивности для линзы, содержащей дифракционную решетку, имеющую функцию 210 профиля высоты. Как видно из Фиг. 21h, благодаря функции 215 угловой модуляции аргумента S(r) количество падающего света, распределяемого в фокальную точку 212 для зрения на большом расстоянии, сильно превышает количество падающего света, распределяемого в фокальную точку 213 для зрения на близком расстоянии. Кроме того, по сравнению с профилем интенсивности, показанным на Фиг. 5b, например, количество света в фокальной точке 214 для зрения на среднем расстоянии уменьшается благодаря функции 216 модуляции величины угла α(r).
Фиг. 21d-21g показывают нормализованные профили интенсивности для света, частично падающего на тело линзы, для нескольких расстояний от оптической оси, в соответствии с Фиг. 17c-17f, соответственно. Из смоделированных нормированных интенсивностей света и рассчитанных отношений распределения света R можно заметить, что функция 216 модуляции величины аргумента усиливает или способствует зрению на большом расстоянии для всех диаметров зрачка 3 мм, 3,75 мм, 4,5 и 6 мм, обеспечивая относительно число высокие значения R 2,03, 2,07, 2,05 и 2,13, соответственно, по сравнению со значениями R предыдущих примеров. Из нормализованных профилей интенсивности, показанных на Фиг. 21f и 21g, можно заметить, что количество света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии, уменьшается с увеличением α(r) 216.
Фиг. 22a показывает профиль высоты или функцию 220 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (6) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 225 угловой модуляции аргумента α(r), показанной на Фиг. 22b, которая равна периодической функции 215 угловой модуляции аргумента S(r), показанной на Фиг. 21b. Кроме того, аподизация высоты применяется к функции 220 профиля высоты с помощью функции амплитудной модуляции Α(r), которая экспоненциально увеличивается с увеличением радиального расстояния до оптической оси линзы (не показано). Следует отметить, что функция 220 профиля высоты показана в увеличенном масштабе по сравнению с функциями профиля высоты предыдущих примеров.
Из нормализованных профилей интенсивности, показанных на Фиг. 22c-22f, можно, среди прочего, сделать вывод о том, что количество падающего света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии, уменьшается с увеличением амплитудной модуляции Α(r). Расчетные отношения распределения света R показывают, что зрение на близком расстоянии относительно улучшается для меньших диаметров зрачка 3 мм и 3,75 мм, соответственно R=1,97 и R=2,01, тогда как зрение на большом расстоянии улучшается для больших диаметров зрачка 4,5 и 6 мм, обеспечивая относительно высокие значения R 2,05 и 2,27, соответственно.
Следовательно, с помощью примерных профилей, показанных на Фиг. 21a и 22a, демонстрируется, что при аподизации за счет одной или обеих из модуляции величины аргумента и амплитудной модуляции количество света, распределяемого в фокальную точку для зрения на среднем расстоянии, то есть в рефракционную фокальную точку, может эффективно настраиваться. Настройка распределения света в дифракционных фокусных точках, включая зависимую от зрачка настройку, была продемонстрирована различными примерами угловой модуляции аргумента.
Кроме того, было замечено, что аподизация с использованием модуляции величины аргумента для достижения аналогичного эффекта с точки зрения настройки требует меньшего увеличения функции высоты H(r) в радиальном направлении тела линзы и меньшей абсолютной разности функции высоты по телу линзы от оптической оси до окружности тела линзы по сравнению с аподизацией за счет амплитудной модуляции. Меньшая абсолютная разность высоты является предпочтительной с производственной точки зрения. Кроме того, такой профиль является менее чувствительным к накоплению пыли, грязи, влаги и т.п. Соответственно, аподизация за счет модуляции величины аргумента является более предпочтительной, чем амплитудная модуляция функции высоты или профиля высоты.
Хотя в предыдущих примерах была показана настройка распределения света в фокальных точках линзы, содержащей дифракционную решетку, имеющую профиль высоты в соответствии с непрерывной периодической функцией фазового профиля, основанной на вышеприведенном уравнении (6), идеи настоящего изобретения не ограничиваются этим конкретным типом непрерывной периодической функции фазового профиля.
Фиг. 23a и 23b иллюстрируют в качестве примера профиль высоты или функцию H(r) высоты истинной синусоидальной непрерывной периодической функции фазового профиля в соответствии с нижеприведенным уравнением (7):
где:
H(r) - профиль высоты линзы, [нм],
Α(r) - функция амплитудной модуляции непрерывной периодической функции фазового профиля в радиальном направлении тела линзы,
λ - конструктивная длина волны линзы, [нм],
n - показатель преломления тела линзы,
m
n - показатель преломления среды, окружающей тело линзы,
2
2
S(r) - функция угловой модуляции аргумента G в пространстве r, [мм], и
2
2
T - период или шаг дифракционной решетки в пространстве r, [мм].
Фиг. 23a показывает профиль высоты или функцию высоты H(r) 230 в пространстве r2, выраженную в мм2, а Фиг. 23b показывает ту же самую функцию высоты 230 вдоль линейной шкалы как функцию радиального расстояния r. В этом примере функция угловой модуляции аргумента S(r)=0, то есть нет сдвига фазы или угловой модуляции аргумента.
Профиль высоты H(r) изображен в мкм вдоль вертикальной оси. Предполагается, что оптическая ось, проходящая через центр тела линзы, находится в радиальном положении r=0, тогда как радиальное расстояние r, измеренное в направлении наружу от оптической оси, выражается в мм вдоль вертикальной оси. Ссылочная цифра 231 относится к внешней окружности передней поверхности 34 тела 30 линзы, имеющей дифракционную решетку или рельеф 36, содержащий функцию 230 дифракционного профиля H(r). См. Фиг. 2a и 2b.
m
2
2
В этой конструкции расчетная длина волны λ линзы принимается равной 550 нм, показатель преломления n тела линзы принимается равным 1,4618, а показатель преломления n среды, окружающей тело линзы, принимается равным 1,336. Функция амплитудной модуляции Α(r)=0,225. В случае Α(r)=0,5 получается максимальная потеря фазы в 1 длину волны A. Период T=0,55 мм в пространстве r.
Фиг. 23c показывает смоделированное на компьютере распределение интенсивности света тела 31 двояковыпуклой глазной линзы 30 показанного на Фиг. 2a, 2b типа, содержащей дифракционную решетку, имеющую профиль высоты 230. В этом профиле интенсивности интенсивность I дифрагированного света изображена в произвольных единицах вдоль вертикальной оси как функция оптической силы в диоптриях (D), изображенной вдоль горизонтальной оси.
Для целей иллюстрации эта линза предназначена для нацеливания на фокусную точку нулевого порядка в 20 диоптрий (D) и фокусные точки первого порядка в 22D и 18D, симметрично расположенные относительно нулевого порядка. Таким образом, она обеспечивает фокальную точку для зрения на среднем расстоянии 234 в 20D для фокальной точки нулевого порядка, фокальную точку для зрения на большом расстоянии 232 в 18D для дифракционного порядка -1, и фокальную точку для зрения на близком расстоянии 233 в 22D для дифракционного порядка +1.
Фиг. 24a показывает в качестве примера профиль высоты или функцию 240 высоты H(r) в соответствии с вышеприведенным уравнением (7) как функцию радиального расстояния r дифракционной решетки в одном примере трифокальной внутриглазной линзы в соответствии с настоящим изобретением, модулируемую периодической функцией 245 угловой модуляции аргумента S(r) в соответствии с настоящим изобретением, показанной на Фиг. 24b. В этом примере периодическая функция 245 угловой модуляции аргумента S(r) содержит первую часть, обозначенную ссылочной цифрой 246, проходящую на радиальное расстояние 1,75 мм от оптической оси, и вторую часть 247, проходящую от радиального расстояния 1,75 мм наружу к окружности тела линзы.
Первая часть 246 функции угловой модуляции аргумента состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 240 высоты, обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 240 профиля высоты. В этой первой части значение S(r) варьируется в диапазоне S=±0,045*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 24b.
Вторая часть 247 функции угловой модуляции аргумента состоит из трапецеидальной функции, имеющей период, равный периоду непрерывной периодической функции 240 высоты, аналогичным образом обеспечивающей гладкие переходы на передних/задних фронтах функции 240 профиля высоты. В этой второй части значение S(r) варьируется в диапазоне S=±0,1*T, и отображается вдоль вертикальной оси на Фиг. 24b.
Фиг. 24c - 24f показывают нормализованные профили интенсивности для света, частично падающего на тело линзы, имеющее функцию 240 высоты, для нескольких расстояний от оптической оси, в соответствии с Фиг. 17c - 17f. Из смоделированных нормализованных интенсивностей света и вычисленных отношений распределения света видно, что первая часть 246 функции 245 угловой модуляции аргумента способствует зрению на близком расстоянии для малых диаметров зрачка, то есть 3 мм и 3,75 мм, обеспечивая значения R 0,92 и 0,90, соответственно, тогда как зрение на большом расстоянии облегчается второй частью 247 для больших диаметров зрачка, то есть 4,5 мм и 6 мм, обеспечивающей значения R 1,05 и 1,24, соответственно.
Оптическая передаточная функция или функция пропускания света в настоящем изобретении может иметь переменные свойства пропускания света в радиальном направлении r линзы. В частности, при этом на расстоянии приблизительно 2-3 мм в направлении наружу от центра линзы оптическая передаточная функция или функция пропускания света имеет фазовый профиль, обеспечивающий трифокальные свойства, и в то же время содержит бифокальные свойства от радиального расстояния приблизительно 2-3 мм до кругового края линзы с радиусом r=5-7 мм. См. Фиг. 2a.
Кроме того, следует отметить, что идеи, проиллюстрированные выше, в равной степени применимы для проектирования мультифокальной глазной линзы, имеющей, например, асимметричную дифракционную решетку и/или четыре целевые фокальные точки, то есть так называемой четырехфокусной линзы, или даже пять целевых фокальных точек, то есть так называемой пятифокусной линзы.
Фиг. 25 иллюстрирует в качестве примера непрерывную периодическую функцию профиля H(r) высоты пятифокусной линзы вдоль линейной шкалы как функцию радиального расстояния r, причем эта линза содержит дифракционную решетку, основанную на непрерывной периодической функции фазового профиля в соответствии с нижеприведенным уравнением (8):
где:
ϕ(r) - непрерывная периодическая фазовая функция дифракционной решетки,
r - радиальное расстояние или радиус, направленный наружу от оптической оси тела линзы, [мм],
atan2 относится к арктангенсу с 2 аргументами,
Α(r) - функция амплитудной модуляции непрерывной периодической функции фазового профиля в радиальном направлении тела линзы,
γ(r) и δ(r) являются функциями модуляции аргумента,
2
2
S(r) - функция угловой модуляции аргумента в пространстве r, [мм], и
2
2
T - период или шаг дифракционной решетки в пространстве r, [мм].
Непрерывная периодическая функция (8) фазового профиля основана на настоящем изобретении, а также публикации Romero, Louis A, and Fred M. Dickey, «Theory of optimal beam splitting by phase gratings. II. Square and hexagonal gratings». JOSA A 24,8 (2007): 2296-2312.
Количество света, дифрагируемого линзой, имеющей дифракционный профиль, содержащий профиль 250 высоты H(r), показано результатами моделирования интенсивности на Фиг. 25b. Ссылочная цифра 254 относится к порядку дифракции 0, обеспечивающему фокальную точку для зрения на среднем расстоянии, ссылочные цифры 252 и 255 относятся к порядкам дифракции -1 и -2, соответственно, обеспечивающим фокальные точки для зрения на большом расстоянии, и ссылочные цифры 253 и 256 относятся к порядкам дифракции +1 и +2, обеспечивающим фокальные точки для зрения на близком расстоянии. В данном решении фокальная точка для зрения на среднем расстоянии устанавливается на 20D, фокальные точки для зрения на большом расстоянии устанавливаются на 18,5D и 17D, и фокальные точки для зрения на близком расстоянии устанавливаются на 21,5D и 23D.
2
2
m
В соответствии с настоящим изобретением распределение падающего света в фокальных точках может быть настроено с помощью модуляции амплитуды и аргумента, реализуемых одной или более из функций Α(r), S(r), γ(r) и δ(r). Для примерной функции 250 высоты применимы следующие настройки: Α(r)=1, S(r)=0, γ(r)=0,459 и δ(r)=0,899, T=0,733 мм в пространстве r, расчетная длина волны линзы 550 нм, показатель преломления n тела линзы 1,4618, и нм показатель преломления n окружающей тело линзы среды 1,336.
Упрощенная блок-схема 260 на Фиг. 26 иллюстрирует стадии способа производства глазной мультифокальной линзы в соответствии с настоящим изобретением. Направлением последовательности стадий на чертеже является направление сверху вниз.
На первой стадии задаются по меньшей мере целевые фокальные точки линзы для зрения на близком, промежуточном и большом расстоянии, то есть выполняется блок 261 «Задать целевые фокальные точки». На второй стадии определяются целевое относительное распределение света между различными фокальными точками для различных размеров зрачка пользователя, то есть выполняется блок 262 «Задать относительные распределения света». Выбранные размеры зрачка могут, например, варьироваться в диапазонах 0-3 мм, 0-4,5 мм и 0-6 мм. Выше 6 мм линза может, например, проявлять бифокальные свойства, то есть относящиеся к зрению на промежуточном и большом расстоянии.
Затем выбирается светопропускающее тело линзы, имеющее рефракционную фокальную точку, обеспечивающую целевую фокальную точку для зрения на промежуточном расстоянии, то есть выполняется блок 263 «Выбрать тело линзы». Для обеспечения дифракционных фокальных точек вычисляется непрерывная периодическая функция фазового профиля дифракционной решетки, аналитически или численно с использованием подходящим образом запрограммированного процессора или компьютера. Непрерывная периодическая функция фазового профиля может, например, вычисляться для оптимизации общей эффективности распределения света в целевых рефракционной и дифракционных фокальных точках по всему телу линзы или для некоторого размера диаметра зрачка, например 6 мм, то есть выполняется стадия 264 «Вычислить фазовый профиль».
На следующей стадии вычисленная функция фазового профиля адаптируется для тонкой настройки и/или сглаживания желаемых или целевых оптических свойств линзы, таких как желаемое относительное распределение света между целевыми фокальными точками, то есть выполняется стадия 265 «Настройка интенсивности». Эта настройка интенсивности аналогичным образом может быть обработана подходящим образом запрограммированным процессором или компьютером, и может включать модуляцию, описанную выше и показанную, например, в примерах на Фиг. 6a - 25b. Это необходимо также для учета оптических отклонений в целевых фокальных точках и профиле в результате допусков и т.п., например при механической обработке или изготовлении линзы.
Наконец, вычисляется геометрический профиль высоты дифракционной решетки для производства линзы, то есть выполняется стадия 266 «Обработка профиля высоты», опять же с использованием подходящим образом запрограммированного процессора. Наконец, профиль высоты или функция высоты дифракционной решетки, определяющие высоту и положение DOE, которые располагаются на поверхности линзы концентрически вокруг ее оптической оси или центра, наносится на тело линзы, например с помощью лазерной микрообработки, алмазного точения, трехмерной печати или любой другой механической или литографской технологии обработки поверхности. Таким образом выполняется стадия 267 «Механическая обработка».
Вычисления на стадии 264 могут быть основаны на вычислениях спектра мощности из представления дифракционной решетки в виде ряда Фурье так, чтобы сумма квадратов абсолютных значений коэффициентов Фурье дифракционных порядков, связанных с целевыми фокусными точками, была максимальной. Как было отмечено выше, это вычисление может быть выполнено при ограничении равных или взвешенных целевых интенсивностей света в целевых фокальных точках.
Вычисления непрерывной периодической функции фазового профиля оптической передаточной функции или функции светопропускания линзы и профиля высоты дифракционной решетки в способе в соответствии с настоящим изобретением могут выполняться удаленно от оборудования для механической обработки линз. Особенности расчетной дифракционной решетки могут быть отправлены оборудованию механической обработки с помощью передачи данных по практически доступной телекоммуникационной сети, такой как Интернет (не показано).
Другие вариации раскрытых примеров и вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы при осуществлении заявленного изобретения специалистами в данной области техники на основе изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слова «включающий в себя» не исключают других элементов или этапов, а упоминание элемента в единственном числе не исключает его множественности. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие область ее охвата. Одинаковые ссылочные цифры относятся к одинаковым или эквивалентным элементам или операциям.