CN1705904A - 减小色差的镜片 - Google Patents

Abstract

本发明提供单一视觉和多焦点混合的镜片及其生产方法，其折射元件的横向色差通过衍射元件减小。

Description

减小色差的镜片

发明领域

本发明涉及镜片。特别地，本发明涉及减小色差的眼镜镜片。

发明背景

镜片用于矫正屈光不正的用途是众所周知的。在制造眼镜镜片时，尤其是高光焦度的镜片时，期望采用高折射率的材料，或折射率大于1.50的材料，以提供令人满意的边缘和中心厚度。然而，采用传统材料例如聚碳酸脂或无机玻璃增大折射率时，会导致色差或色散的增加。

纵向色差和横向色差是由不同波长的光形成的图像移位引起的。色差的大小取决于镜片的光焦度以及镜片材料的物理属性。人们佩戴传统材料制成的眼镜镜片改变度数时会感觉到色差，尤其是在其视场的边缘。

对于一单元件折射镜片，典型为眼镜镜片，镜片的横向色差(“TCA”)(以屈光度为单位)，取决于阿贝数(V)、镜片的光焦度(Ф)(以屈光度为单位)、以及从镜片中心的镜片的注视高度(y)(以毫米为单位)，如方程式I所示。

$\mathrm{TCA}=0.1\·y\·\frac{\mathrm{\Φ}}{V}$ (I)

下表示出了在15mm的注视高度，对于不同镜片光焦度和阿贝数值的TCA。

                                            表1

	横向色差(以屈光度为单位)
													镜片光焦度(以屈光度为单位)
阿贝数-V	25	10.06	20.12	30.18	40.24	50.30	60.36	70.42	80.48	90.54	100.60
												30	0.05	0.10	0.15	0.20	0.25	0.30	0.35	0.40	0.45	0.50
	35	0.04	0.09	0.13	0.17	0.21	0.26	0.30	0.34	0.39	0.43
												40	0.04	0.08	0.11	0.15	0.19	0.23	0.26	0.30	0.34	0.38
	45	0.03	0.07	0.10	0.13	0.17	0.20	0.23	0.27	0.30	0.33
												50	0.03	0.06	0.09	0.12	0.15	0.18	0.21	0.24	0.27	0.30
	55	0.03	0.05	0.08	0.11	0.14	0.16	0.19	0.22	0.25	0.27
												60	0.03	0.05	0.08	0.10	0.13	0.15	0.18	0.20	0.23	0.25

如果TCA大于0.25屈光度，则对于许多佩戴者来说变得成问题。

典型的传统高折射率材料具有30至45的阿贝数，这将给一些佩戴者带来一些问题。一些被认为低色散的低折射率材料具有大于55的阿贝数，这给绝大多数佩戴者以满意的颜色性能。然而，高折射率材料是合乎眼镜镜片需要的，因为这有可能生产出更薄和更轻的镜片。因此，需要一种用于眼镜镜片的高折射率材料，能提供等价于具有大的阿贝数的低折射率镜片的颜色性能。

附图说明

图1是最小色差的理想折射光焦度和衍射光焦度的图解表示。

图2是衍射光焦度范围的图解表示，对于-9至9屈光度的球面镜片光焦度，该衍射光焦度将给出至少50％的色差减小率。

图3描绘出从眼睛视角分析传统折射单一视觉镜片产生的光点直径RMS的镜片的截面图。

图4描绘出从眼睛视角分析本发明的镜片产生的光点直径RMS的镜片截面图。

图5是传统镜片在光点直径RMS的各种垂直位置的截面图。

图6是本发明的镜片在光点直径RMS的各种垂直位置的截面图。

图7是传统镜片在表示干扰柱面的各种垂直位置的截面图。

图8是本发明的镜片在表示干扰柱面的各种水平位置的截面图。

发明描述和优选实施方式

本发明提供单一视觉和多焦点镜片及其生产方法，其中使用衍射和折射元件。该合成镜片减小大约10到100％的横向色差，从而能够提供具有约50至120的有效阿贝数的高折射率镜片。通过将折射光焦度和衍射光焦度组合在规定平衡内，可能提供一种性能等同于具有高阿贝数的折射镜片的镜片。

在一实施方式中，本发明提供一种具有球面光焦度Φ的镜片，其主要包括一衍射元件和一折射元件，该衍射元件包括第一球面光焦度Φ_D，该折射元件包括第二球面光焦度Ф_R，其中Ф＝Ф_D+Ф_R。“镜片”是指适合修正视觉灵敏度的镜片，包括但不局限于眼镜镜片、隐形镜片、眼内镜片、高嵌镜片(onlay-lenses)等等。

对于单一视觉镜片，Ф可能是整个镜片的球面光焦度的平均值、在光学中心的局部球面光焦度、或在光学中心的局部球柱面光焦度。本领域普通技术人员可以认识到Ф_D的值将取决于球面光焦度的选择以及所期望的TCA修正水平。对于多焦点镜片，Ф可能是在光学中心或合适的位置的球面或球柱面光焦度、镜片近视觉区域中心的光焦度、或者在整个镜片中改变的局部光焦度，其中Ф_D在整个镜片中改变。

衍射元件可以是任何适合的元件包括但不局限于衍射光栅、全息图、相息图等等。通过衍射元件提供的光焦度可以是正或负光焦度。

理想的TCA修正可以通过满足下式实现：

$|\frac{{\mathrm{\Φ}}_R}{V_R}+\frac{{\mathrm{\Φ}}_D}{V_D}|=0$ (II)

其中V_R是镜片材料的阿贝数，V_D是镜片的衍射元件的有效阿贝数。典型地，镜片材料的阿贝数可以是约30至约60。

衍射元件的阿贝数可以定义为：

$V_D=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mid}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{short}}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{long}}}$ (III)

其中λ_mid是感兴趣的范围的中点的波长。在可见系统内587nm的值被典型地应用。感兴趣的范围的短波长是λ_short，在可见系统内486nm的值被典型地应用。感兴趣的范围的长波长为λ_long，在可见系统内656nm被典型地应用。采用这些波长值，V_D为-3.45。

镜片需要的衍射光焦度通过求解方程式IV获得：

${\mathrm{\Φ}}_D=\frac{\mathrm{\Φ}}{1-\frac{V_R}{V_D}}$ (IV)

优选地，衍射元件增加约0.10至约1.50屈光度的球面光焦度。

衍射元件可基本覆盖镜片的后表面(或者说凹表面)、前表面(或者说凸表面)或位于前表面、后表面中间的面的全部或部分。衍射元件可能是任何形状，包括但不局限于环形、圆形、椭圆形等等。优选地，为了制造容易以及美观耐用性，衍射元件覆盖后表面。在该实施方式中，衍射元件是前表面和后表面中间的面，整个中间层上的折射率变化必须使得衍射元件能够起作用。典型地，折射率的变化必须在0至0.25单位/微米之间。

图1是曲线图，描绘出折射和衍射球面光焦度优选组合，其中聚碳酸脂镜片的总镜片光焦度为-9.00至+9.00屈光度，取V_R为30。本领域普通技术人员可以认识到对于较大V_R的材料，需要较小的衍射光焦度。色差的减小可通过使衍射光焦度符合以下条件式来实现：

$2\left|\frac{\mathrm{\Φ}}{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|>0$ (V)

在该方程式中，Ф_D定义为相对于折射光焦度Ф_R的衍射光焦度的最佳值，其值可以是大约10至大约2Ф_D。如果该值为0，则没有色差校正。如果该值为2Ф_D，则色差等于反向的镜片色差。

然而优选地，将衍射光焦度限制在：

$1.9\left|\frac{\mathrm{\Φ}}{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|>0.1\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|$ (VI)

更优选地，将衍射光焦度限制在：

$1.5\left|\frac{\mathrm{\Φ}}{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|>.5\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|$ (VII)

图2描绘出用方程式II表示的Ф_D并沿着方程式VII给出的正负容差限制绘制。如果衍射光焦度在方程式VII规定的限度内，横向色差减少至少50％。尽管要求衍射光焦度满足方程式II对于最佳TCA修正是合乎需要的，方程式VII规定的不严格限制允许改善颜色性能，以等效于或比以低折射率、高阿贝数眼镜提供的更好，而没有对每个球面光焦度要求特定的衍射元件。

方程式V可以变形成使衍射光焦度根据最大允许TCA来定义。在该形式下，对于固有的具有小量横向色差的低镜片球面光焦度，解仅与折射光焦度有关。在该形式下，对衍射光焦度的约束为：

$[V_D\·\frac{(\frac{-\mathrm{TCA}}{0.1\·y}\·V_R-\mathrm{\Φ})}{V_R-V_D}]>{\mathrm{\Φ}}_D>V_D\·\frac{(\frac{\mathrm{TCA}}{0.1\·y}\·V_R-\mathrm{\Φ})}{V_R-V_D}$ (VIII)

本发明的镜片可通过任何方便的手段制造，并由任何适合于制成镜片的已知的材料制成。适合的材料包括但不局限于聚碳酸脂，丙稀二甘醇，聚甲基丙稀酸酯等等。这样的材料在市场上可以买到，或者其生产方法是已知的。进而，镜片可以通过任何传统的镜片制造工艺制造，该镜片制造工艺包括但不局限于研磨、整个镜片浇铸、模制、热成型、层压、表面浇铸或其组合。浇铸可通过任何手段完成，但优选地通过表面浇铸完成，该表面浇铸包括但不局限于比如在美国专利申请5147585，5178800，5219497，5316702，5358672，5480600，5512371，5531940，5702819以及5793465中所公开的，这里将其全部内容作为参考引入。

衍射元件使用光学工具结合必需的衍射元件通过模制工艺提供。该工具包括但不局限于适合塑料光学部件的注模或压模的金属插入物、用于光学部件的浇铸的玻璃或金属模型、以及金属或陶瓷冲压工具。可选择地，衍射元件通过金刚石旋转形成。完成元件可涂敷适当的涂层，该涂层符合该元件并保持衍射元件功能。可选择地，不符合的涂层可被用于有效地将衍射元件隐藏在该涂层下。在该实施方式中，个体的光栅元件的宽度和深度必须考虑涂层和基板之间的折射率的差异。适合的涂层在市场上可以买到，或者其制造方法是已知的。

因为衍射光焦度的大小取决于镜片的总球面光焦度，每个镜片的衍射光焦度的计算取决于使用镜片的个人的处方。因此，衍射元件在定制的基础上提供。提供这样的定制元件的一个方法中，确定个人的矫正处方，选择有适合的前表面几何形的半成品毛坯。半成品毛坯的前表面上可提供有任何适合的涂层，例如，硬涂层、抗反射涂层、有色涂层等等。然后，将毛坯以前表面依附在旋转对称保持夹具上，从而以例如光学中心的光学参考点来将夹具调准。然后，分块的毛坯在多轴上机器制造，通过计算机数控金刚石切割机器在包括衍射元件的后表面上形成需要的表面，例如球面、复曲面、递增面。优选地，机器制造通过安装在计算机控制双轴线驱动器上的单点金刚石工具来实现。机器制造的表面可通过任何方便的方法描述，所述方法包括但不局限于通过采用x、y和z坐标来描述该表面，或者通过分别带有一组系数和边界条件的一组多项式来描述该表面。随后，机械加工面可用任何所需涂层涂敷。

尽管可发现本发明在眼镜镜片的设计中具有特别的好处，但折射和衍射元件可应用于任何用于校正视觉敏锐度的镜片类型，例如眼镜镜片、隐形镜片或眼内镜片等。本发明将通过下述非限定性实施例进一步变得清晰。

实施例

实施例1

具有-4.00屈光度的球面光焦度的单一视觉镜片由阿贝数为29的聚碳酸酯制成。作为比较目的的基线，首先分析传统折射镜片，其镜片具有200mm的前半径和79mm的后半径。该镜片通过计算在位于距镜片27mm处的眼睛旋转点上的18mm焦距的镜片的焦面上的光点尺寸RMS来分析。光点尺寸RMS以-40至+40度的入射角来计算，如图3所示。

具有-0.37屈光度的光焦度的衍射元件位于镜片的后表面(凹表面)。为了保持球面光焦度，将后表面的半径变为89mm。该衍射/折射镜片的光点尺寸RMS以图表形式表示，如图4所示。随着测得的光点尺寸从约0.004mm减小到约0.001mm，在x＝0，y＝0处的图像质量被提高。这主要是由于轴向或纵向的像差矫正。图像质量方面的改善对离轴入射角更明显。例如，在x＝0，y＝20度，传统折射镜片的光点尺寸RMS为0.017mm，而具有衍射元件的镜片为0.003mm。

实施例2

提供一种聚碳酸脂非复曲面渐变附加镜片，其具有-4.00屈光度的远光焦度和1.30屈光度的附加光焦度。图5描绘出镜片的光点尺寸RMS。图4描绘出镜片的干扰像散。在这两个图中示出了以各种角度沿着水平面切割镜片的截面分析。10度截面是切割镜片远视区域的水平面。在该特定镜片中，近视区域在-40度。一系列切割是从远视区域通过中间视觉区域到近视区域形成的。

将具有光焦度为-0.35屈光度的衍射光栅附加到镜片的凹面。总的球面光焦度保持-4.00屈光度，而球面光焦度的折射部分减至-3.65屈光度。镜片的衍射部分的阿贝数大约为-3.5，而折射部分的为29。如图6所示，图像质量沿着镜片的中央子午线或通道中心显著改善。获得所述改善而镜片上并没有增加干扰像散，如图8所示。

实施例3

对于一个设计方案组，衍射光焦度可被选择从而不会对每个球面光焦度要求特定的衍射。镜片的总球面光焦度是前表面的折射光焦度加上后表面的折射光焦度加上衍射元件的衍射光焦度的总和，无论将其施加到前表面、后表面还是中间面。

表2示出了由聚碳酸脂制成的单一视觉镜片的方案组的前折射光焦度、后折射光焦度以及衍射光焦度，其将提供改善的颜色性能，原因是5/6特定前弯曲(9，8，6，4，2和1屈光度)上提供的衍射光焦度。对每个球面光焦度，具有唯一的后弯曲。也示出了镜片上15mm高度处的横向色差。六个特定的前弯曲的每一个选择衍射光焦度，以在那种情况下覆盖的球面光焦度的范围内给出TCA最小值。在具有4屈光度的前表面折射光焦度的情况下，衍射光焦度选择0屈光度，因为这仍然满足方程式VII的约束条件。

                        表2

总球面光焦度	前折射光焦度	衍射光焦度	后折射光焦度	TCA
					8	9	0.80	-1.80	0.026
7	9	0.80	-2.80	-0.026
					6	8	0.58	-2.58	0.026
5	8	0.58	-3.58	-0.026
					4	6	0.32	-2.32	0.052
3	6	0.32	-3.32	0.000
					2	6	0.32	-4.32	-0.052
1	4	0.00	-2.95	0.054
					0	4	0.00	-3.95	0.003
-1	4	0.00	-4.95	-0.049
					-2	4	0.00	-5.95	-0.101
-3	2	-0.43	-4.57	0.052
					-4	2	-0.43	-5.57	0.000
-5	2	-0.43	-6.57	-0.052
					-6	1	-0.74	-6.26	0.052
-7	1	-0.74	-7.26	0.000
					-8	1	-0.74	-8.26	-0.052

Claims (17)

1、一种具有球面光焦度Φ的镜片，其包括具有第一球面光焦度Φ_D的衍射元件和具有第二球面光焦度Φ_R的折射元件，其中Φ＝Φ_D+Φ_R。

2、根据权利要求1的镜片，其中所述衍射元件包括具有大约30至大约60的阿贝数的材料，其中：

$|\frac{{\mathrm{\Φ}}_R}{V_R}+\frac{{\mathrm{\Φ}}_D}{V_D}|=0$

其中V_R是镜片材料的阿贝数，V_D是镜片的衍射元件的有效阿贝数。

3、根据权利要求1的镜片，其中所述衍射元件包括衍射光焦度，满足：

$2\left|\frac{\mathrm{\Φ}}{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|>0$

4、根据权利要求1的镜片，其中所述衍射元件包括衍射光焦度，满足：

$1.5\left|\frac{\mathrm{\Φ}}{1-\frac{V_R}{V_D}}\right|>\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|>.5\left|{\mathrm{\Φ}}_D\right|$

5、根据权利要求1的镜片，其中所述衍射元件的所述衍射光焦度满足：

$[V_D\·\frac{(\frac{-\mathrm{TCA}}{0.1\·y}\·V_R-\mathrm{\Φ})}{V_R-V_D}]>{\mathrm{\Φ}}_D>V_D\·\frac{(\frac{\mathrm{TCA}}{0.1\·y}\·V_R-\mathrm{\Φ})}{V_R-V_D}$

6、根据权利要求1，2，3，4或5的镜片，其中所述衍射元件包括镜片的基本上整个后表面。

7、根据权利要求1，2，3，4或5的镜片，其中所述衍射元件包括镜片的基本上整个前表面。

8、根据权利要求1，2，3，4或5的镜片，其中所述衍射元件包括位于镜片前表面和后表面中间的面。

9、根据权利要求6的镜片，其中所述镜片包括单一视觉镜片。

10、根据权利要求7的镜片，其中所述镜片包括单一视觉镜片。

11、根据权利要求8的镜片，其中所述镜片包括单一视觉镜片。

12、根据权利要求6的镜片，其中所述镜片包括多焦镜片。

13、根据权利要求7的镜片，其中听述镜片包括多焦镜片。

14、根据权利要求8的镜片，其中所述镜片包括多焦镜片。

15、一种生产定制镜片的方法，包括步骤：提供具有球面光焦度Φ的镜片，其包括具有第一球面光焦度Φ_D的衍射元件以及具有第二球面光焦度Φ_R的折射元件，其中Φ＝Φ_D+Φ_R。

16、根据权利要求15的方法，其中所述镜片为单一视觉镜片。

17、根据权利要求15的方法，其中所述镜片为多焦镜片。

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