МУЛЬТИФОКАЛЬНАЯ ЛИНЗА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MULTIFOCAL LENS AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к мультифокальной линзе, в частности интраокулярной или контактной линзе, с рефракционной фокальной точкой и первой и второй дифракционными структурами, которые по меньшей мере частично наложены друг на друга. В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к способу изготовления такой мультифокальной линзы.
Уровень техники
Мультифокальные интраокулярные или контактные линзы, т.е. линзы с несколькими фокальными точками, которые могут быть использованы, например, для зрения в ближней и дальней области (бифокальные) или для зрения в ближней, средней и дальней области (трифокальные), известны много десятилетий, и в них используются самые различные дифракционные структуры на одной рефракционной базовой линзе для того, чтобы дополнительно к рефракционной фокальной точке создать одну или несколько дифракционных фокальных точек.
Для этого согласно патентным документам DE 202009018881 U1 и ЕР 2503962 В1 наложены две дифракционные структуры с профилем киноформа. Одна из двух дифракционных структур в данном случае имеет одну фокальную точку первого порядка, которая совпадает с фокальной точкой второго порядка другой структуры. Заявителем было выявлено, что вычисление таких структур является исключительно сложным. Кроме того, выполнение таких структур в линзе приводит к большому числу выступов профиля, которые сложно изготовить, что, в свою очередь, приводит к субоптимальному распределению или субоптимальной световой отдаче интенсивностей светового излучения в полученной фокальной точке.
Раскрытие сущности изобретения
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованной линзы, которая бы преодолела указанные недостатки уровня техники.
Согласно первому аспекту изобретения данная цель достигнута линзой упомянутого вначале типа, в которой две дифракционные структуры являются различными, причем фокальная точка первого порядка первой дифракционной структуры совпадает с фокальной точкой первого порядка второй дифракционной структуры.
За счет наложения двух дифракционных структур, чьи фокальные точки первого порядка совпадают, вычисление наложенных дифракционных структур может быть значительно упрощено, поскольку подлежащие наложению структуры имеют один профиль с одинаковыми длинами периодов. Таким образом, калибровка указанных структур для выявления оптимального распределения интенсивности во время вычисления может быть выполнена особенно легко.
Предпочтительно, данные две дифракционные структуры имеют различные распределения интенсивности, вследствие чего возможно индивидуальное смешение соотношений интенсивностей.
Особенно предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что первая дифракционная структура имеет асимметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки, а вторая дифракционная структура имеет симметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки.
Посредством наложения указанных двух дифракционных структур получают линзу, в которой фокальные точки, используемые для зрения в ближней, средней и дальней области, обладают увеличенным значением интенсивности по сравнению с уровнем техники. Для более точного рассмотрения проблемы ниже дифракционные фокальные точки "положительного" порядка определены как точки, расположенные между линзой и ее рефракционной фокальной точкой, а дифракционные фокальные точки "отрицательного" порядка определены как точки, расположенные на стороне рефракционной фокальной точки, направленной от указанной линзы.
Когда, например, рефракционная фокальная точка используется для зрения в дальней области, фокальная точка первого положительного порядка дифракционных структур соответствует расстоянию для зрения в средней области, а фокальная точка второго положительного порядка дифракционных структур соответствует расстоянию для зрения в ближней области. Соответствующие отрицательные фокальные точки дифракционных структур в этом случае проецируются за сетчаткой пользователя линзы, вследствие чего они не используются пользователем и лишь ухудшают качество изображения.
За счет соответствующего изобретению наложения на дифракционную структуру с симметричным распределением интенсивности дифракционной структуры с асимметричным распределением интенсивности значения интенсивностей (исходно) отрицательных порядков преобразуются в значения интенсивностей используемых положительных порядков или нулевого (рефракционного) порядка, вследствие чего получают изображение, более цветонасыщенное и контрастное по сравнению с уровнем техники, поскольку используемые фокальные точки обладают большими значениями интенсивностей.
Такие же преимущества получаются, если, например, в альтернативном варианте осуществления рефракционная фокальная точка используется для зрения в ближней области, фокальная точка первого отрицательного порядка структуры наложения соответствует расстоянию для зрения в средней области, а фокальная точка второго отрицательного порядка структуры наложения соответствует расстоянию для зрения в дальней области. В этом варианте осуществления положительные порядки дифракционных структур малоиспользуемы, поскольку они расположены перед фокальной точкой для зрения в ближней области, а порядки третьего отрицательного порядка совсем не используются, поскольку они фокусируются за сетчаткой. Согласно изобретению значения интенсивностей положительных порядков преобразуются в значения интенсивностей нулевого (рефракционного), отрицательного первого и отрицательного второго порядка, вследствие чего, по сравнению с уровнем техники, также получается повышенная светоотдача в используемых фокальных точках и, таким образом, более цветонасыщенное и контрастное изображение.
Профили обеих дифракционных структур предпочтительно имеют одинаковые длины периодов, причем профиль первой дифракционной структуры внутри периода монотонно возрастает, при этом профиль второй дифракционный структуры в первой половине периода имеет минимум, а во второй половине периода имеет максимум. Вследствие этого достигают того, что результирующий профиль линзы имеет малое количество выступов профиля. Такие выступы сложно изготовить, что при неточном изготовлении приводит к ошибкам в области изображения, вследствие чего смотрящий видит нечеткое или мутное изображение. Например, первая дифракционная структура, т.е. структура с асимметричным распределением интенсивности, имеет профиль пилообразной формы, формы эшелетт или киноформа, а вторая дифракционная структура, т.е. структура, по существу, с симметричным распределением интенсивности, имеет профиль прямоугольной, трапециевидной или синусоидальной формы. Таким образом могут быть нанесены контуры профилей, соотношение которых хорошо известно, и которые, кроме того, обеспечивают возможность простого изготовления.
Согласно предпочтительному признаку изобретения по меньшей мере один из профилей может иметь закругленные или скошенные края. За счет этого могут быть выбраны процессы изготовления с меньшими допусками, что минимизирует как затраты на производство, так и время производства.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения обе дифракционные структуры наложены только в центральной области линзы. Например, за пределами центральной области линза может вообще не иметь никаких дифракционных структур. Если зрачок увеличивается, например при малом уровне освещения, то влияние нецентральной области или рефракционной доли для зрения в дальней области также увеличивается, так что при таких размерах зрачка распределение интенсивности охватывает исключительно зрение в дальней области. В качестве альтернативы, за пределами центральной области линза может также иметь только одну из двух дифракционных структур, вследствие чего при расширенных зрачках максимально сформированными могут быть, например, зрение в ближней и дальней области или зрение в средней и дальней области.
Предпочтительно, обе дифракционные структуры в радиальном направлении линзы аподизированы, предпочтительно с различной силой. За счет этого достигают того, что при малом зрачке получается распределение интенсивности, отличное от распределения интенсивности при большом зрачке. Кроме того, при увеличивающемся или уменьшающемся зрачке получается непрерывный переход изменения распределения интенсивности. Если выбрана аподизация различной силы, распределения интенсивности могут быть по усмотрению адаптированы к требуемому размеру зрачка.
Линза согласно изобретению может быть встроена, по существу, в любые оптические приборы и, в частности, подходит в качестве мультифокальной контактной или интраокулярной линзы.
Согласно второму аспекту изобретения предложен способ изготовления представленной здесь линзы. В первом варианте осуществления способ содержит следующие шаги:
a) обеспечивают линзовую заготовку с рефракционной фокальной точкой;
b) вычисляют структуру наложения из первой дифракционной структуры и второй дифракционной структуры, причем обе дифракционные структуры различны, при этом фокальная точка первого порядка первой дифракционной структуры совпадает с фокальной точкой первого порядка второй дифракционной структуры;
c) выполняют структуру наложения в линзовой заготовке для изготовления мультифокальной линзы.
Шаг выполнения структуры наложения в линзовой заготовке предпочтительно осуществляют посредством токарной обработки, что обеспечивает возможность особенно точного изготовления мультифокальной линзы.
Во втором варианте осуществления способ содержит следующие шаги:
a) обеспечивают формовую заготовку;
b) вычисляют структуру наложения из первой дифракционной структуры и второй дифракционной структуры, причем обе дифракционные структуры различны, при этом фокальная точка первого порядка первой дифракционной структуры совпадает с фокальной точкой первого порядка второй дифракционной структуры;
c) выполняют структуру наложения в формовой заготовке в качестве негатива; и
d) изготавливают мультифокальную линзу посредством приведения линзового материала в контакт с формовой заготовкой, причем линзовый материал перенимает также рефракционную фокальную точку.
В этом варианте осуществления сначала изготавливают формовую заготовку со структурой наложения, т.е. "негативную форму", например посредством токарной обработки или фрезерования. Затем посредством негативной формы линза может быть отлита, отпрессована, испытана или каким-либо образом отформована.
Приведение в контакт предпочтительно осуществляют посредством литья линзового материала на формовую заготовку и отверждения указанного линзового материала. При этом линзовый материал может затвердеть самостоятельно или может быть отвержден посредством света или тепловой обработки.
Оба варианта осуществления соответствующего изобретению способа отличаются простым вычислением структуры наложения, в то время как две структуры накладываются друг на друга, например, посредством простого сложения, что требует небольшой вычислительной мощности.
В частности, предпочтительно, в обоих вариантах осуществления первая дифракционная структура имеет асимметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки, а вторая дифракционная структура имеет, по существу, симметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки.
Прочие признаки и преимущества соответствующего изобретению способа изготовления мультифокальной линзы соответствуют вышеупомянутым признакам и преимуществам соответствующей изобретению линзы.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение подробно разъяснено на примере вариантов осуществления, показанных на приложенных чертежах.
На фиг. 1 показана линза согласно изобретению на схематичном виде сверху;
На фиг. 2 показана линза с фиг. 1 на схематичном виде сбоку;
На фиг. 3 показаны профили первой и второй дифракционной структуры, а также профиль структуры наложения, полученной в результате наложения первой и второй структур, для линзы с фиг. 1;
На фиг. 4 показаны линза с фиг. 1 со структурой наложения с фиг. 3 на увеличенном виде половины сечения;
На фиг. 5 показано распределение интенсивности в линзе, оснащенной первой дифракционной структурой с фиг. 3;
На фиг. 6 показано распределение интенсивности в линзе, оснащенной второй дифракционной структурой с фиг. 3;
На фиг. 7 показано распределение интенсивности в линзе с фиг. 1 согласно изобретению;
На фиг. 8 показан первый вариант осуществления соответствующего изобретению способа изготовления линзы с фиг. 1 на схематичной блок-схеме;
На фиг. 9 показан второй вариант осуществления соответствующего изобретению способа изготовления линзы с фиг. 1 на схематичной блок-схеме;
На фиг. 10 показано сравнение распределений интенсивности соответствующей изобретению линзы и линзы из уровня техники.
Осуществление изобретения
1
2
3
На фиг. 1 и 2 показана линза 1 с передней стороной 2, задней стороной 3 и оптической осью 4. Линза 1 имеет центральную зону Z и две кольцевые зоны Z, Z, которые ниже будут раскрыты подробнее. Описываемая линза 1 используется в качестве интраокулярной линзы или контактной линзы, однако также может использоваться в оптических приборах.
r
Линза 1 имеет лежащую на оптической оси 4 рефракционную фокальную точку F, которая может быть использована, как описано ниже, для зрения в дальней области или ближней области, и ниже также описывается как фокальная точка нулевого порядка. В переднюю сторону 2 или заднюю сторону 3 линзы 1 встроена дифракционная структура 5 (см. фиг. 4), для того чтобы адаптировать линзу 1 для зрения как в ближней области, так в средней и дальней области.
g,i
r
r
g,1
g,2
r
g,-1
g,-2
r
Дифракционная структура 5 генерирует множество расположенных на оптической оси 4 прочих фокальных точек F, i= …, -2, -1, 1, 2, …, которые распределены относительно рефракционной фокальной точки F, по существу, симметрично, причем рефракционная фокальная точка F задана посредством формы линзы 1 независимо от нанесенной дифракционной структуры 5. Дифракционные фокальные точки F, F обозначены как фокальные точки положительного первого или второго порядка дифракционной структуры 5 и расположены на оптической оси 4 между линзой 1 и рефракционной фокальной точкой F. Дифракционные фокальные точки F, F обозначены как фокальные точки отрицательного первого или второго порядка дифракционной структуры 5 и расположены на стороне рефракционной фокальной точки F, направленной от линзы 1.
g,i
r
g,i
1
2
3
Несмотря на то, что (пространственное) распределение фокальных точек F, по существу, симметрично относительно рефракционной фокальной точки F, распределение интенсивности, соответствующее фокальным точкам F, должно быть несимметричным. Так, в трифокальной линзе образуются, в частности, три наибольшие интенсивности, а именно для зрения в дальней, средней и ближней области. Этого достигают за счет образования дифракционной структуры 5, полученной из первой и второй дифракционных структур 6, 7, которые накладываются друг на друга в зонах Z, Z, Z.
2
2
2
2
1
1
На фиг. 3 на верхней диаграмме показан профиль 11 первой дифракционной структуры 6 (ось абсцисс: радиус r [мм]; ось ординат: глубина профиля Т [мм]). Первая дифракционная структура 6 имеет период p(r) решетки, зависящий от радиуса r, а точнее от r. Если структура 6 нанесена на диаграмму, на которой по оси абсцисс отложен r, период p повторяется вдоль оси абсцисс через равные промежутки.
1,i
r
2
Первая дифракционная структура 6 в ее дифракционной фокальной точке F имеет асимметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки F, см. ниже фиг. 5, и для этого имеет профиль 8 с асимметричными поднимающимися и спадающими краями 9, 10, нанесенными вдоль оси квадратичного радиуса r, причем один из краев 9, 10 может быть вертикальным.
1
1,i
r
На фиг. 3 показана первая дифракционная структура 6 с пилообразной формой, однако альтернативно она может иметь форму эшелетт или киноформа. Период p(r) решетки определяет расстояние от фокальной точки F первой дифракционной структуры 6 до рефракционной фокальной точки F.
2
2
2
2
2
2
На фиг. 3 на средней диаграмме показан профиль второй дифракционной структуры 7 (ось абсцисс: радиус r [мм]; ось ординат: глубина профиля Т [мм]). Вторая дифракционная структура 7 имеет период р решетки, зависящий от радиуса r, а точнее от r. Если структура 7 нанесена на диаграмму, на которой по оси абсцисс отложен r, период р повторяется вдоль оси абсцисс через равные промежутки.
2,i
r
2
Вторая дифракционная структура 7 в ее дифракционной фокальной точке F имеет, по существу, симметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки F, как ниже разъяснено подробней со ссылкой на фиг. 5. При этом структура 7 имеет профиль, по существу, с симметричными поднимающимися и спадающими краями 12, 13, нанесенными вдоль оси квадратичного радиуса r, которые предпочтительно вертикальны. При этом термин "по существу, симметричный" подразумевает возможность незначительных отклонений от симметрии.
2
2,i
r
На фиг. 3 показана вторая дифракционная структура 7 в виде бинарной структуры, т.е. прямоугольной формы. Однако в качестве альтернативы она может иметь также, например, трапециевидную или синусоидальную форму. Период р(r) решетки определяет расстояние от фокальной точки F второй дифракционной структуры 7 до рефракционной фокальной точки F.
1,i
На фиг. 5 показано распределение интенсивности линзы, на которую нанесена только первая дифракционная структура 6 согласно верхней диаграмме с фиг. 3 (ось абсцисс: расстояние D до линзы [мм]; ось ординат: относительная интенсивность I [1]). Как показано, распределение интенсивности дифракционных фокальных точек F асимметрично относительно рефракционной фокальной точки.
2,1
2,2
2,-1
2,-2
На фиг. 6 показано распределение интенсивности линзы 1, на которую нанесена только вторая дифракционная структура 7 согласно средней диаграмме с фиг. 3 (ось абсцисс: расстояние D до линзы [мм]; ось ординат: относительная интенсивность I [1]). Как показано, фокальным точкам F, F, … положительного порядка соответствует значение интенсивности, по существу, равное значению интенсивности фокальных точек F, F, … отрицательного порядка.
1
2
1,1
r
2,1
Как показано на фиг. 3, периоды решеток p(r) и p(r) достаточно большие, так что согласно фиг. 5 и 6 первая положительная фокальная точка F первой дифракционной структуры 6 находится на расстоянии от рефракционной фокальной точки F, соответствующем расстоянию до первой положительной фокальной точки F второй дифракционный структуры 7.
2
2
Согласно нижней диаграмме на фиг. 3 объединенная, "наложенная" дифракционная структура 5 получена посредством аддитивного наложения двух структур 6, 7 (ось абсцисс: радиус r [мм]; ось ординат: глубина профиля Т [мм]). Наложенная дифракционная структура 5 имеет профиль 14 с поднимающимися и спадающими краями 15, 16, так что профиль 14 дифракционной структуры 5 внутри периода, по существу, монотонно возрастает. Дифракционная структура 5 с профилем 14 нанесена на одну из сторон 2, 3 линзы 1, см. фиг. 4. Для облегчения изготовления профили 8, 11, 14 могут иметь закругленные или скошенные края 9, 10, 12, 13, 15, 16.
1
2
1
2
2
Как показано на трех диаграммах фиг. 3, профиль 8 первой дифракционной структуры 6 внутри периода p(r) монотонно возрастает, и профиль 11 второй дифракционной структуры 7 в первой половине периода p(r) имеет минимум, а во второй половине периода имеет максимум. Это приводит к тому, что профиль 14 наложенной дифракционной структуры 5 внутри периода p(r), p(r) монотонно возрастает и, таким образом, имеет только один максимум внутри данного периода. В альтернативном варианте осуществления (не показан) вторая дифракционная структура 7 могла бы иметь максимум также в первой половине периода p(r), а минимум - во второй половине периода, что приводит к наложенной дифракционной структуре 5 с двумя максимумами на период. С производственной точки зрения первый упомянутый вариант с одним максимумом за период более предпочтителен.
r
g,1
1,1
2,1
g,2
1,2
2,2
r
1,1
2,1
1,2
2,2
На фиг. 7 показано распределение интенсивности линзы 1, в которую встроена дифракционная структура 5, полученная сложением или наложением структур 6, 7 (ось абсцисс: расстояние D до линзы [мм]; ось ординат: относительная интенсивность I [1]). Рефракционная фокальная точка F в данном случае используется для зрения в дальней области, причем первая положительная дифракционная фокальная точка F в своем положении соответствует фокальным точкам F, F первого (положительного) порядка дифракционных структур 6, 7 и используется для зрения в средней области, а вторая положительная дифракционная фокальная точка F в своем положении соответствует фокальным точкам F, F второго (положительного) порядка дифракционных структур 6, 7 и используется для зрения в ближней области. В качестве альтернативы, подъемы краев 9, 10, 12, 13 могут быть обращены, в результате чего, например, рефракционная фокальная точка F для зрения в ближней области и дифракционные фокальные точки первого порядка F, F или второго порядка F, F могут быть использованы для зрения в средней или дальней области.
1
2
3
r
Обе структуры 6, 7 могут быть нанесены или на всю поверхность стороны 2, 3 линзы 1, или только в некоторых зонах, как показано на фиг. 1. Так, например, комбинированная структура 5 может быть нанесена только во внутренней зоне Z линзы 1, т.е. в центральной области. В окружающей кольцевой зоне Z может быть нанесена только одна из двух структур 6, 7, а во внешней кольцевой зоне Z может не быть ни одной из структур 5, 6, 7. Таким образом достигают распределения интенсивности, зависящего от размера зрачка, причем значение интенсивности на рефракционной фокальной точке F возрастает с увеличением размера зрачка.
В качестве альтернативы или дополнения, данный эффект может быть достигнут посредством аподизации структур 5, 6, 7. Это означает, что глубина Т профилей 8, 11, 14 структура 5, 6, 7 уменьшается с увеличением радиуса r линзы (не показано на фиг. 3).
r
r
На фиг. 8 и 9 показаны два варианта способа изготовления мультифокальной линзы 1. Для вычисления дифракционной структуры 5, которую также называют "структура 5 наложения", в вычислительном блоке 17 производят наложение, например сложение, первой дифракционной структуры 6, имеющей асимметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки F, и второй дифракционный структуры 7, имеющей, по существу, симметричное распределение интенсивности относительно рефракционной фокальной точки F. Структуры 6, 7 могут быть получены вычислительным блоком 17 из запоминающего устройства 18, 19 или могут быть вычислены или найдены вычислительным блоком 17 самостоятельно.
На фиг. 8 показан первый вариант способа изготовления, в котором структуру 5 наложения, вычисленную в вычислительном блоке 17, выполняют в линзовой заготовке 20, например посредством механической обработки со снятием стружки, такой как обработка на токарном станке 21, для изготовления мультифокальной линзы 1. При этом, например, линзовую заготовку 20 вращают вокруг ее оптической оси, а токарный инструмент токарного станка 21 во время вращения линзовой заготовки 20 выполняет (наносит) структуру 5 наложения в линзовой заготовке 20. После механической обработки со снятием стружки линза 1 может быть опционально отполирована.
Однако линзовая заготовка 20 может также представлять собой пригодный к обработке исходный материал для 3D-принтера, причем выполнение структуры 5 наложения в линзовой заготовке 5 тогда осуществляют посредством 3D-печати исходного материала 20 для мультифокальной линзы 1.
На фиг. 9 показан второй вариант способа изготовления, в котором вычисленную в вычислительном блоке структуру 5 наложения сначала выполняют в виде негатива в формовой заготовке 22, например, снова посредством токарного станка 21 или 3D-принтера. Затем линзовый материал 20 приводят в контакт с формовой заготовкой 22, для того чтобы изготовить мультифокальную линзу 1. Линзовый материал 20 может быть уже, например, подготовлен в виде линзовой заготовки, на которой структуру 5 наложения выштамповывают или чеканят посредством заготовки 22 в качестве штампа. В качестве альтернативы, линзовый материал 20 находится в жидком или вязком состоянии, причем его выливают на формовую заготовку, например в форму. Затем линзовый материал 20 затвердевает, например, вследствие подведения света или тепла.
На фиг. 10 показано сравнение контура 23 интенсивности предложенной здесь линзы 1 с контуром 24 интенсивности линзы из уровня техники (ось абсцисс: расстояние D до линзы [мм]; ось ординат: относительная интенсивность I [1]). Сравниваемая линза из уровня техники снабжена структурой, в которой наложены две дифракционные структуры с асимметричными распределениями интенсивности (например, структуры с пилообразной формой), причем фокальная точка первого порядка первой дифракционной структуры совпадает с фокальной точкой второго порядка второй дифракционной структуры.
r
g,-2
2,-1
g,1
g,2
g,-2
Таким образом, получается схожий контур распределений интенсивности в области рефракционной фокальной точки F. Однако на фиг. 10 хорошо различимо, что линза 1 из уровня техники в области второй отрицательной фокальной точки F объединенной дифракционной структуры 5 (или первой отрицательной фокальной точки F второй дифракционной структуры 7) имеет  значение интенсивности. В противоположность этому в предложенной здесь линзе 1 неиспользуемые интенсивности отрицательных порядков сдвинуты в область используемых положительных порядков, как видно из явно увеличенных интенсивностей контура 17 в фокальных точках F и F, а также явно уменьшенной интенсивности контура 23 в фокальной точке F. Для пользователя раскрытой линзы 1 изображение получается более цветонасыщенным и контрастным по сравнению с линзами из уровня техники.
Настоящее изобретение с учетом вышесказанного не ограничено представленными вариантами осуществления, а включает в себя все варианты, модификации и комбинации, возможные в рамках прилагаемой формулы изобретения.