[发明专利]带有新型相位带片的多焦点光学器件

说明书

一种衍射多焦点光学元件，它具有科恩（Cohen）镜片设计式的相位带片，该相位带片含有工作于特定波长且在r²空间弯曲的轴对称重复图形。特别是，本发明包括一种具有科恩镜片设计式相位带片的衍射多焦点光学元件，即该相位带片含有工作于在特定波长且按n]]>间隔周期配置的轴对称重复图形，这些图形具有下列特征：

（a）具有也在r²空间弯曲的弯曲剖面;

（b）在图形之中含有调制，足以产生大约λ/8或更长光程的相移的，其中，λ为设计波长;

（c）这些图形彼此相关，使得在两个焦点处光强至少有20%的波长为λ的入射光，而且在两个焦点处的光强比大约在0.5和2.00之间。

本发明涉及对包括接触式镜片和眼内镜片在内的相位带片光学元件的改进。本说明书和权利要求书中所使用的“相位带片”一词，是指镜片的一个整体光学部位，它采用带片与带片中各带内的光学小刻面（例如呈小阶梯光栅的形式）的组合，而且，这种带中的组合小刻面对光起衍射作用，产生特定的波阵面，从而在带片的一系列级（例如第0级、第1级等）上产生特定的光强分布。这些级构成带片的多个焦点。从特定意义和实用意义上讲，这种相位带片是为镜片的一般应用而设计的，其中有效光强分布与黄光的带间距有关。本说明书所使用的“黄光”一词，是指波长在500～570毫微米间的这一段可见光。

本发明特别涉及接触式镜片。接触式镜片是传统的聚散式镜片。这种镜片含有：一个使其可适配于眼睛的凹形角膜罩（后表面）;一个光滑的外表面（前表面），其形状使眼睑可在眼上滑动，并（在考虑到镜片材料的折射率的情况下）使光正确会聚到适应于眼睛的焦点上。大多数市售的接触式镜片一般是取这样的形状，即镜片在光轴周围的部分最薄，且镜片的厚度沿镜片向四周延伸的斜径向长度方向上逐渐增加。由于从光轴向外延伸，镜片厚度有所不同，因而过光轴的光所必须穿过的镜片材料较少。又因光在空气中的传播速度较快，因而通过较大厚度部分的光相对通过厚度较薄部分的光会有偏移，从而在时间上滞后^①。因此镜片形状的选择要使其能适应光的这种逐步滞后现象，以便使后表面发出的光波同步到达所要求的焦点。

本发明涉及采用相位带片这种光学结构的接触式镜片，例如，相位带片双焦镜片和采用同心环形带的“调谐”菲涅耳镜片。这些镜片通常是采用阿伦L.科恩在美国专利No4，210，391No4，338，005和No4，340，283（“科恩专利”）中所介绍的设计。科恩镜片设计提出，环形同心带的半径“rn”大体上与n]]>成正比，且将各带加以刻面，以便将光引到一个以上的焦点上。

在科恩的工作之前，菲涅耳和伍德的分析表面，相位带片的每一个全周期带包括两个半周期带（奇数带和偶数带），其不同相的程度足以在第一级焦点处产生破坏性干涉。他们提出，通过遮掉一个奇数带或偶数带，或将光从奇数带相移到偶数带，可以使破坏性干涉减到最小。但这并不能导致一种实用的双焦点镜片。科恩发现，通过使奇数带和偶数带变得不一样，从而按不同方式引导光，这样通过各带的入射平行光会相互协调，形成衍射限制元件，它能将光引到不同焦点上，从而构成实用的多焦点镜片。要使奇数带和偶数带变得不一样，可通过改变各带中和各带之间的厚度或折射率来实现。

带有相位带片光学结构的科恩镜片设计，可以将双焦点镜片制得特别薄。接触式镜片可以设计成带有相位带片的光学结构，以达到双焦点或其它多焦点的效果。相位带片特有的颜色性能可以用到包括具有多焦点性能的接触式镜片在内的接触镜片的设计中去。所有称为双焦点镜片的相位带片光学元件，具有将光聚焦到两个以上焦点的固有能力。它们之所以被称为双焦镜片，是因为到达任何两级，例如0级和1级，焦点的光强度已经足以满足双焦点应用的要求。从这个意义上讲，每个双焦镜片都能将光分配到第三个甚至更多的焦点上。判断一个镜片是双焦点的还是三焦点的，并不是根据什么明确的法则。只要配戴镜片的人对第三个或更多焦点的出现不感到不舒服，就可以将该镜片视为双焦镜片^②。