專利名稱：多焦點(diǎn)光學(xué)器件的制作方法
一種衍射多焦點(diǎn)光學(xué)元件，它由一個(gè)含有若干環(huán)形同心帶(zone)的相位帶片組成，在該相位帶片中，各帶大體上以正比于n]]>的間隔配置，這些帶具有階梯式的小刻面(facet)，而這些小刻面產(chǎn)生的光程長的不連續(xù)小于 (λ)/2 。本發(fā)明還包括一含有若干環(huán)形同心帶的相位帶片，這些同心帶具有小刻面，這些小刻面在光學(xué)元件中按
的間距形成交替階梯式重復(fù)圖形，而且其中各個(gè)小刻面的階梯(step)深度小于λ/2(η′-η)，這里，η′和η分別為鏡片的折射率和與鏡片相互作用的介質(zhì)的折射率，而λ是設(shè)計(jì)波長。
本發(fā)明涉及對(duì)包括接觸鏡片和眼內(nèi)鏡片在內(nèi)的相位帶片光學(xué)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。本說明書和權(quán)利要求書中所使用的“相位帶片”一詞是指鏡片的整體光學(xué)部位，它利用帶片和帶片中各帶內(nèi)的光學(xué)小刻面(例如呈小階梯光柵的形式)的組合，而這些帶中的組合小刻面對(duì)光進(jìn)行衍射以產(chǎn)生特定的波陣面，從而在帶片的各級(jí)上(例如0級(jí)、1級(jí)等)形成特定的光強(qiáng)分布。這些級(jí)構(gòu)成了帶片的各焦距。從特定意義和最實(shí)用的意義上講，該相位帶片是為普通鏡片的使用而設(shè)計(jì)的，即其有效光強(qiáng)的分布取決于黃光的帶間隔。本說明書所使用的“黃光”一詞是指波長在530～570毫微米的可見光。
本發(fā)明特別涉及到接觸式鏡片。接觸式鏡片是傳統(tǒng)的聚散式鏡片。這種鏡片有一個(gè)使其可鑲配到眼睛上的凹形的角膜罩(后表面)從而與眼睛吻合，而外表面(前表面)則是光滑的，且其形狀使眼瞼可在眼睛上滑動(dòng)并(在考慮到鏡片材料的折射率的情況下)提供適當(dāng)?shù)木凵⒍仁构饩€會(huì)聚到人眼所需要的焦點(diǎn)上。大多數(shù)市售的接觸式鏡片均取如下形狀，即鏡片在光軸周圍部分的厚度最薄，并沿鏡片向四周延伸的傾斜徑向方向逐步增加其厚度。由于從光軸向外延伸其厚度不同，因而通過光軸的光必定通過較少的鏡片介質(zhì)。因光在空氣中的傳播速度較快，因而與通過較小厚度的光線相比較，通過較大厚度的光線將被偏移，從而在時(shí)間上滯后(1)。因此鏡片的形狀要選擇得使其能適應(yīng)光的這種逐步滯后現(xiàn)象，從而使從后表面發(fā)出的光波同時(shí)到達(dá)所要求的焦點(diǎn)。
本發(fā)明涉及采用相位帶片光學(xué)結(jié)構(gòu)的接觸式鏡片，諸如相位帶片雙焦鏡片和利用同心環(huán)形帶的“調(diào)諧”菲涅耳鏡片等。這些鏡片通常采用例如阿倫L.科恩在美國專利4，210，391、4，338，005和4，340，283(“科恩專利”)中所介紹的設(shè)計(jì)?？贫鞯溺R片設(shè)計(jì)提出，環(huán)形同心帶的半徑“γn”大體上與n]]>成正比，且將各帶加以刻畫以便將光射到一個(gè)以上的焦點(diǎn)上。
具有相位帶片光學(xué)結(jié)構(gòu)的科恩鏡片設(shè)計(jì)可以將雙焦鏡片制造得特別薄。接觸式鏡片可以以相位帶片光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到雙焦點(diǎn)或其它多焦點(diǎn)的效果。相位帶片特有的顏色性能可以引入接觸式鏡片(包括具有多焦點(diǎn)性能的接觸鏡片)的設(shè)計(jì)中。雙焦點(diǎn)指定的所有的相位帶片光學(xué)元件本來就具有將光聚焦到兩個(gè)以上焦點(diǎn)的能力。它們之所以叫做雙焦點(diǎn)鏡片是因?yàn)閷?duì)雙焦點(diǎn)應(yīng)用來說，任何兩級(jí)焦點(diǎn)(例如0級(jí)和1級(jí)焦點(diǎn))的光強(qiáng)度已經(jīng)足夠用了。從這個(gè)意義上講，每個(gè)雙焦鏡片能將光線分配到第三個(gè)甚至可能更多的焦點(diǎn)上。判斷一個(gè)鏡片是雙焦點(diǎn)的還是三焦點(diǎn)的，并不是根據(jù)什么嚴(yán)格的法則，只要配戴鏡片的人對(duì)第三個(gè)或更多焦點(diǎn)的存在不感到不舒服，則該鏡片就注(1)見芬徹姆(Fincham)等人著的《“光學(xué)”》(Optics)，倫敦，巴特沃思出版社出版，第九版，1980，1981，第72～75頁可被視為雙焦鏡片(2)。
關(guān)于接觸式鏡片，所提出或建議采用相位帶片光學(xué)結(jié)構(gòu)的其它參考資料有G.福特斯(Forst)在“DerAugenoptiker”刊物中(1966年第12期第9～19頁)發(fā)表的題為“關(guān)于圓形柵格作為視覺輔助手段的有效性的研究”;齊格勒(Ziegler)著的“光學(xué)鏡片的制造或校正”，該文曾經(jīng)科恩(Cohen)修改，見科恩的美國專利4，339，005的第四段的第27～36行，和科恩的美國專利4，210，391第5段第63行至第6段第68行;弗雷曼(Freeman)的美國專利4，637，697和弗雷曼(Freeman)的美國專利4，642，112(這項(xiàng)專利說的是全息攝影中采用的相位帶片光學(xué)結(jié)構(gòu))。
目前利用上述相位波帶片光學(xué)結(jié)構(gòu)原理的雙焦點(diǎn)接觸式鏡片市場上已有出售。據(jù)信這類鏡片是應(yīng)用了階梯式環(huán)形小刻面，各個(gè)小刻面由一個(gè)全周期帶組成，而各個(gè)帶的深度為λ/2光程長度，物理深度為λ/2(η′-η)，式中η′和η分別為鏡片及與鏡片相互作用所在的介質(zhì)(例如淚層)的折射率，λ是設(shè)計(jì)波長，在此情況下即為黃光的設(shè)計(jì)波長。由此形成一種雙焦點(diǎn)接觸鏡片，其0級(jí)和1級(jí)具有對(duì)黃光強(qiáng)度的相等分光，分光為40.1%。
本發(fā)明所使用的“全周期帶”是指在相位帶片中，彼此的間距大體上與n]]>成正比的最小重復(fù)率的一組小刻面。上述間距可用下式表示rn=2ndλ]]>注(2)見克萊因(Klein)和豪Ho的文章，SPIE1986年8月，表二，以及有關(guān)對(duì)表二的評(píng)論。
其中d表示1級(jí)焦距。而本發(fā)明所用的“半周期帶”的表示式為rn=ndλ]]>其中d同樣表示1級(jí)焦距。
盡管與階梯平臺(tái)相接的非折射階梯壁或豎壁在鏡片光軸的平面方向上呈圓筒形或接近圓筒形，從而只占據(jù)鏡片相位帶片的表面面積的一小部分，但一般認(rèn)為它對(duì)許多問題的產(chǎn)生有相當(dāng)大的作用。成象陰影和碎物收集就是其中的一些問題，這類問題可以通過減少階梯壁或豎壁部分的深度而大大得到緩解。
但是，若將這類鏡片加以修改，使其小刻面的深度(3)減少到小于λ/2的值(λ為設(shè)計(jì)波長)，則鏡片的光學(xué)質(zhì)量就會(huì)很快變差。盡管工作于λ/2時(shí)，我們所涉及的只是一些很小小的數(shù)值，但幾個(gè)毫微米的尺寸變化也會(huì)嚴(yán)重影響鏡片的性能。例如，小刻面的深度減小10%時(shí)，這類鏡片的有效雙焦性能就會(huì)大受損失。應(yīng)該理解的是，與相位帶片的尺寸有關(guān)的其它值也都是同量級(jí)的小數(shù)值。從非折射階梯延伸到相鄰折射階梯的最低點(diǎn)而產(chǎn)生的小刻面的小平臺(tái)的厚度損失從λ/2深度到相鄰階梯的最低點(diǎn)處的零深度。這些事實(shí)表明，將階梯的深度減小到λ/2以下時(shí)，幾乎無法避免這個(gè)雙焦性的損失。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在n]]>間距范圍內(nèi)(在某些實(shí)施例中是極其微小地改變)小刻面的小平臺(tái)的傾斜形狀的結(jié)構(gòu)上的很小改變，就可以在階梯深度小于λ/2的情況下，以相位帶片為基礎(chǔ)產(chǎn)生有效的雙焦鏡片。通過rn≈ndλ]]>注(3)本說明書中所使用的“小平面深度”、“小平面階梯深度”、“階梯深度”和一些與其具有同等作用的詞，是說與鏡片的設(shè)計(jì)波長、與階梯所產(chǎn)生的光程長中的不連續(xù)性程度有關(guān)?？贫鞯囊恍＠涂贫麋R片設(shè)計(jì)中所實(shí)施的小刻面的交替傾斜，可以在小刻面的深度大約小于λ/2的情況下，使接觸式鏡片具有優(yōu)良的雙焦性能。
本發(fā)明的特征在于，提供了一種新型的雙焦鏡片結(jié)構(gòu)，該雙焦鏡片結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，具有γn帶間距和呈階梯狀的小刻面，它能在小于λ/2光程長度內(nèi)引入非連續(xù)性。
本發(fā)明的特征還在于，提供了一種新型的雙焦鏡片結(jié)構(gòu)，該雙焦鏡片結(jié)構(gòu)采用具有深度大于或等于λ/2的普通階梯狀小刻面的雙焦鏡片，減小了伴生的成象陰影現(xiàn)象。
本發(fā)明的特征還在于，提供了一種新型的雙焦接觸式鏡片，與具有普通λ/2拋物面小階梯光柵結(jié)構(gòu)的雙焦接觸式鏡片相比，該雙焦接觸式鏡片具有較小的淚液收集容積。這就是說，本發(fā)明的接觸式鏡片，其在眼睛上和在眼睛與鏡片之間的碎物收集容積較小。
按照本發(fā)明所提供的鏡片結(jié)構(gòu)，與角膜接觸的表面能使相位帶片的小刻面的彎曲與角膜表面相切接觸。這使本發(fā)明的新型鏡片能更舒適地座落在人眼上。
本說明書所介紹的是一種采用相位帶片且小刻面深度小于設(shè)計(jì)波長的二分之一的雙焦接觸式鏡片，其中主焦點(diǎn)位于兩級(jí)上，例如0級(jí)和1級(jí)上、0級(jí)和2級(jí)上、或任何其它的兩級(jí)組合。
本發(fā)明涉及一種由一個(gè)相位帶片組成的衍射多焦點(diǎn)光學(xué)元件，上述相位帶片含有若干環(huán)形同心帶，其中各帶之間的間距大體上與
成正比，且各帶具有若干階梯狀的小刻面，由此引入小于λ/2的光程長不連續(xù)性，其中λ是設(shè)計(jì)波長。
本發(fā)明包括一種含有若干環(huán)形同心波帶的相位帶片，這些環(huán)形同心帶具有在光學(xué)元件中按
的間距交替形成的呈階梯狀重復(fù)圖形的小刻面，而且其中各小刻面的階梯的深度小于λ/2(η′-η)，這里，η′和η分別為鏡片及與鏡片相互作用的介質(zhì)的折射率，λ為設(shè)計(jì)波長。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，光學(xué)元件由在各環(huán)形同心帶中的若干小刻面組成，并由此形成交替的呈階梯狀的重復(fù)圖形，其中1、某一個(gè)交替帶的小刻面具有傾斜的彎曲剖面，該傾斜的彎曲剖面在該帶邊界處為另一個(gè)彎曲剖面所中斷，而后一個(gè)彎曲剖面是另一個(gè)交替帶的具有不同傾斜的彎曲剖面。
2、各帶的間距大體上與n]]>成正比;
3、各小刻面的深度小于λ/2;
4、各帶經(jīng)刻畫，可以將黃光至少以充分的強(qiáng)度射到至少兩個(gè)主焦點(diǎn)上，供在各該主焦點(diǎn)上目視之用;且5、除該交替圖形之外，該元件不會(huì)有這樣的強(qiáng)度。
本發(fā)明包括一科恩鏡片設(shè)計(jì)式的雙焦光學(xué)元件，其中相位帶片的奇數(shù)和偶數(shù)波帶a、符合rn≈ndλ]]>間距的要求;
b、彼此鄰接并且在至少每隔一個(gè)帶的邊界上設(shè)有非折射性階梯界面，且在該鄰接界面上形成一個(gè)呈一定坡度的剖面;
c、各奇數(shù)帶的橫截面具有相同的通用剖面，而各偶數(shù)帶的橫截面也具有相同的通用剖面;
d、奇數(shù)帶的通用剖面與偶數(shù)帶的通用剖面不一樣;且e、各帶階梯的深度小于λ/2。
上述坡度剖面從一個(gè)帶至另一個(gè)帶的過渡最好是平滑的。
另一方面，本發(fā)明包括一科恩設(shè)計(jì)式的雙焦光學(xué)元件，該元件由一含有交替剖面的刻有階梯的相位帶片組成，其中a、相位帶片符合rn≈2ndλ]]>的要求;
b、交替剖面是在全周期間距內(nèi)產(chǎn)生的;
c、小刻面的深度大約小于λ/2;
d、各帶經(jīng)刻畫后，可以將黃光以至少足夠的強(qiáng)度引到至少兩個(gè)主焦點(diǎn)上，供在各該主焦點(diǎn)上的目視之用，且e、只有這種替剖面，各帶上才會(huì)有這種供目視用的強(qiáng)度。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的光學(xué)元件由若干光學(xué)衍射小刻面組成，這些小刻面形成兩種不同彎曲的剖面，它們?cè)诎霃溅胣處通過位于該半徑周圍的過渡剖面相連接，該過渡剖面的剖面曲率與上述兩種不同的彎曲剖面不同，從而在該過渡剖面處形成環(huán)形同心帶，這些同心帶彼此之間的間距大致上與
成正比，且各帶經(jīng)刻畫后，可以將黃光以至少足夠強(qiáng)度引到兩個(gè)主焦點(diǎn)上供在每個(gè)這種主焦點(diǎn)上目視之用，只有該元件的這種彎曲剖面才會(huì)有這種供目視用的強(qiáng)度。
本發(fā)明涉及一種眼用鏡片，諸如含有這類光學(xué)元件的接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片。在本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例中，眼用鏡片是一種雙焦鏡片，它將光以大體相等的光強(qiáng)分到兩個(gè)焦點(diǎn)上。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，鏡片的光學(xué)元件由其剖面可用下式表示的帶的重復(fù)圖形構(gòu)成d＝D0°｛1/2+1/2°cos(π°r2/b2)｝其中，d是重復(fù)剖面的深度，r是帶的徑向位置，b是第一條帶的半徑，Do則是對(duì)設(shè)計(jì)波長的小刻面深度。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是用于眼用接觸式鏡片，該鏡片在其光學(xué)鏡片帶中至少含有兩個(gè)相位帶片，而且其中至少一個(gè)相位帶片具有前述光學(xué)元件的特點(diǎn)。
本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例是用于一種眼用接觸式鏡片，該鏡片的光學(xué)鏡片帶中具有(1)一個(gè)具有上述光學(xué)元件特點(diǎn)的相位帶片，和(2)一個(gè)純折射部位，最好呈一個(gè)或多個(gè)通道的形式。


圖1例示了入射平面波照射到衍射雙焦點(diǎn)光學(xué)元件上的情況，這種光學(xué)元件表示一種典型的拋物面形元件，它具有科恩鏡片設(shè)計(jì)的
間隔形式，于是該入射平面波被轉(zhuǎn)化成兩(2)個(gè)射向不同焦點(diǎn)的出射球面波，從而描繪出多焦點(diǎn)衍射的一般原理。
圖2是從一般現(xiàn)有技術(shù)的衍射雙焦光學(xué)元件(例如上面談到的齊格勒鏡片)上切下的小階梯光柵剖面的曲線圖。d坐標(biāo)軸表示小階梯光柵的厚度，r坐標(biāo)軸表示沿小階梯光柵的徑向距離。
圖3是本發(fā)明光學(xué)元件一個(gè)實(shí)施例的橫截面，其小刻面形狀在圖4中以曲線形式給出。
圖4示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的小刻面剖面的曲線。d坐標(biāo)軸表示小刻面的厚度，r坐標(biāo)軸表示沿小刻面的徑向距離。
圖5對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中具有一般拋物線剖面的全周期間隔的小階梯光柵帶與含多剖面中斷結(jié)構(gòu)的半周期間隔的小刻面帶的曲線剖面進(jìn)行了比較。
圖6至12是對(duì)本發(fā)明范圍內(nèi)光學(xué)元件的各種小刻面配置方式的剖視圖的曲線說明。
本發(fā)明特別涉及一些由一個(gè)采用衍射裝置獲取多焦點(diǎn)性能的光學(xué)帶部分組成的雙焦光學(xué)鏡片。該衍射裝置采用的重復(fù)圖形帶有淺的小刻面深度及新的剖面。采用淺的小刻面深度的剖面可以減少象的陰影、相位片與眼睛之間的碎物堆積現(xiàn)象(指接觸式鏡片的情況)和提高配戴接觸式鏡片時(shí)配戴者的舒適感。
本發(fā)明特別適用于接觸式鏡片。本發(fā)明包括在接觸式鏡片的前部分或后部分，或兩者中裝設(shè)光學(xué)元件。該光學(xué)元件可以通過車削或模制的方法裝設(shè)在接觸式鏡片上。本發(fā)明最好用于多焦點(diǎn)(特別是雙焦)眼內(nèi)鏡片。
本發(fā)明涉及衍射雙焦點(diǎn)光學(xué)元件。該元件按科恩的作法利用了圓閃耀衍射光柵來獲取多焦點(diǎn)性能。有了閃耀光柵，通過調(diào)節(jié)小刻面的深度Do和閃耀小刻面本身的剖面可以調(diào)節(jié)在兩焦點(diǎn)之間的分光。本發(fā)明對(duì)光學(xué)元件的小刻面采用了新的剖面。
本發(fā)明涉及一種衍射雙焦點(diǎn)光學(xué)元件，它利用圓閃耀衍射光柵來獲取其多焦點(diǎn)性能，其中閃耀光柵能通過調(diào)節(jié)小刻面深度Do和閃耀小刻面本身的剖面來調(diào)節(jié)在兩焦點(diǎn)之間的分光，且閃耀小刻面形成按
帶間距劃分的交替傾斜。
本發(fā)明的新型小刻面配置方式將現(xiàn)有技術(shù)中的小刻面全周期(λ)間距劃分成交替傾斜的半周期( (λ)/2 )小刻面帶，而這種帶中每兩個(gè)交替半周期帶只含有一個(gè)非折射圓筒形(或基本上是圓筒形)表面，這兩個(gè)交替半周期帶由一表面光滑的小刻面連接，這個(gè)小刻面使設(shè)計(jì)波長的光線在半周期帶之間產(chǎn)生相移。所有圓筒形或基本上是圓筒形的非折射面其深度都小于λ/2。本發(fā)明的交替帶可以對(duì)鏡片各焦點(diǎn)之間的分光進(jìn)行控制。通過調(diào)節(jié)交替帶的傾斜度，有可能改變射到各焦點(diǎn)的光強(qiáng)度。
本發(fā)明包括一種疊加到、刻蝕入和/或埋置入鏡片表面層的衍射雙焦光學(xué)元件，它具有獨(dú)立地將光聚焦于至少兩個(gè)(最好是兩個(gè))主焦點(diǎn)上的能力。其中該光學(xué)元件由一些交替傾斜半周期( (λ)/2 )小刻面帶組成。這些帶中每兩個(gè)交替半周期帶中只含有一個(gè)非衍射圓筒形(或基本上是圓筒形)表面，且這兩個(gè)交替半周期帶用一個(gè)表面光滑的小刻面連接，這個(gè)小刻面能使設(shè)計(jì)波長的光在各個(gè)半周期帶之間產(chǎn)生相移。所有基本上圓筒形或圓筒形的非折射表面的深度都小于λ/2。
本發(fā)明令人注目的一點(diǎn)在于在交替小刻面中只要求很小的傾斜度差異，就能在所設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)上得到極好的光強(qiáng)度，同時(shí)取得上述的種種改進(jìn)(包括減少眩光和/或暈圈效應(yīng)在內(nèi))。要制造具有本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)的鏡片，只要求在半周期帶中的傾斜度與傳統(tǒng)的拋物線形式有小的差異即可。這種小的差異是由于各個(gè)小刻面甚至在整個(gè)全周期帶的尺寸都很小而產(chǎn)生的。舉例說，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可用于這樣的接觸式鏡片◇該接觸式鏡片的相位片的特征是由8個(gè)全周期帶組成并置于鏡片的后表面上;
◇鏡片與眼睛的形狀相符，并對(duì)遠(yuǎn)焦點(diǎn)提供典型的折射;而且◇設(shè)計(jì)波長是黃光的波長，約為555毫微米;
其尺寸如下□光軸處的第一條帶其半徑約為0.75毫米;
□偏離光軸最遠(yuǎn)的帶的寬度由該帶外周邊的半徑與該帶內(nèi)周邊的半徑差值所確定，約為0.14毫米;且□每個(gè)小刻面的深度約為0.003毫米。
但這同一結(jié)構(gòu)，利用在尺寸約為 的一點(diǎn)上出現(xiàn)的剖面表面彎折所引起的16個(gè)半周期帶間距進(jìn)行測量;
□在光軸處的第一條帶半徑為0.053毫米;
□偏離光軸最遠(yuǎn)的帶的寬度由該帶的外周邊的半徑與該帶的內(nèi)周邊的半徑的差值所確定，約為0.067毫米。
在將由在整個(gè)全周期帶間距里呈傳統(tǒng)拋物面形的若干小刻面組成的光學(xué)元件與由本發(fā)明的半周期帶間距和小刻面剖面組成的階梯深度取0.003毫米的光學(xué)元件進(jìn)行比較時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，半周期帶間距在反映各小刻面剖面的各曲線底下具有較小的面積。該差值約為面積的1%～10%。一般說來，差值為大約2%至大約5%的面積差。在上述說明中，面積差約為3%。盡管看來面積差值不大，但它對(duì)鏡片性能的影響卻是很大的。
具有外形呈現(xiàn)有技術(shù)的拋物面形的小階梯光柵和全周期間距，而且小階梯光柵深度為0.8λ/2的鏡片，其所產(chǎn)生的光的強(qiáng)度分布如下-101.05.57.25將此與克萊因(Klein)和豪(Ho)所述的 (λ)/2 比較，后者顯示出類似下列的光強(qiáng)分布m＝3.非交替(b＝.5)-4.0050-3.0083-2.0162-1.04500.40531.40532.04503.01624.0083將斷面稍微修改同時(shí)保持0.8λ/2的深度可以得出本發(fā)明在0級(jí)和1級(jí)光強(qiáng)度分布為。405的雙焦點(diǎn)元件。
相位帶片的交替帶的每個(gè)小刻面的深度小于λ/2，其中λ為相位帶片的設(shè)計(jì)波長。在一個(gè)帶的小刻面由一個(gè)彎曲剖面連接到另一帶的小刻面的那些情況下，若只有其中一個(gè)帶的小刻面是由代表非折射面的階梯豎壁部分形成的話，則這兩個(gè)帶的小刻面的組合深度小于λ/2。在此特殊情況下，且為便于計(jì)算起見，可以從全周期帶間距的概念來看待這個(gè)組合深度。但這種交替傾斜的帶的小刻面可看作是深度可變的帶的小刻面。各小刻面的深度可以處在大約 (λ)/2 的0.01至大約0.99倍的范圍內(nèi)，較好在 (λ)/2 的大約0.05至大約.95倍的范圍內(nèi)，最好是在 (λ)/2 的大約0.1至大約0.9倍的范圍內(nèi)。
如果說本領(lǐng)域的技術(shù)人員就想要減小小刻面的深度展開爭論，是合乎邏輯的，但在本發(fā)明出現(xiàn)之前沒有較好的方法來制造小刻面(小階梯光柵)深度小于1/2波長而又不會(huì)對(duì)光能在兩個(gè)出射球面波之間的分配產(chǎn)生不利影響的衍射雙焦鏡片。
本發(fā)明使得制造那種在兩個(gè)球面波之間的第零級(jí)和第一級(jí)上光能分配相等或基本相等的較淺小刻面(小階梯光柵)的衍射雙焦點(diǎn)鏡片，成為可能。
本發(fā)明支持這樣一個(gè)新概念，即光能在兩出射球面波之間的分配由下列因素確定1、小刻面(小階梯光柵)的深度;和2、小刻面(小階梯光柵)的實(shí)際剖面。
已經(jīng)確定，通過使小刻面(小階梯光柵)具有適當(dāng)?shù)钠拭?，即使將衍射雙焦鏡片刻畫得使其小刻面(小階梯光柵)的深度較淺，也能得到相等的光能分配。
參考圖1，該圖說明了一個(gè)其曲率足以達(dá)到會(huì)聚折射和衍射的衍射雙焦鏡片CL。圖中，光學(xué)元件E(以設(shè)想的全周期間距為基礎(chǔ))將入射的平面波變換成主要由兩個(gè)球面波組成的波陣面。舉例說，平面相陣面為P的入射光波通過鏡片CL的前表面AS，以主要由兩個(gè)強(qiáng)度分別為I1和I2的球面相陣面S1和S2組成的光波從后表面PS出射。后表面PS包含小階梯衍射光柵E及其相應(yīng)的非光學(xué)邊緣N。衍射光學(xué)元件中的小刻面(小階梯光柵)間距可由下列標(biāo)準(zhǔn)公式求出rn=n·r1]]>式中rn是第n個(gè)帶(采用全周期間距)的半徑。η和η′則分別為空氣和鏡片CL的折射率。兩個(gè)球面波陣面的焦點(diǎn)的位置由第一條帶的半徑r1和鏡片CL的光焦度確定。特別是，第n級(jí)焦點(diǎn)fm可由下式求出fm＝(r1)2/(2·λ·m)其中λ＝波長，m＝0，±1，±2等。
有人提出，理想的光能分配應(yīng)在兩出射球面波載有相等數(shù)量的總光能時(shí)，即當(dāng)I1＝I2時(shí)出現(xiàn)。目前的文獻(xiàn)指出，當(dāng)小刻面(小階梯光柵)的深度Do被置于1/2波長深時(shí)就是這種情況(參見克萊因(Klein)和豪(Ho)的上述文章)。
圖2畫出了現(xiàn)有技術(shù)(見上述齊格勒的文章)中所使用的標(biāo)準(zhǔn)拋物線形剖面。重復(fù)剖面的深度d作為徑向位置r的函數(shù)如下式所示
b為第一條帶的半徑該剖面在各帶中重復(fù)，但成比例地縮小每條帶的寬度。對(duì)于在零級(jí)和1級(jí)處的等光能分配，小刻面(小階梯光柵)的深度如下式所示D0＝0.500·λ/(n-1) n為折射率強(qiáng)度分配則可由下式求出I1＝I2＝(2.0/π)2＝0.405.
圖3顯示了含有按圖4所示設(shè)計(jì)的小刻面的衍射雙焦光學(xué)鏡片。小刻面的深度為現(xiàn)有技術(shù)鏡片所要求的深度的.405/.500＝80%。
圖4顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中所使用的一種新型的余弦剖面該重復(fù)性剖面可由下式求出d＝D0°｛1/2+1/2·cos(π·r2/b2)｝對(duì)于等光能分配，采用各階梯的非折射邊緣之間的全周期間距，但在半周期間距中含有交替傾斜的小刻面時(shí)，小刻面深度可由下式求出D0＝0.405·λ/(n-1)強(qiáng)度分配則可由下式求出I1＝I2＝J20(0.405·π)＝0.403其中，J0是貝塞耳函數(shù)。
圖3包括一個(gè)具有前表面AS和周邊后表面PS的光學(xué)鏡片CL。
在此實(shí)施例中，光學(xué)鏡片帶的后表面由衍射性小刻面(小階梯光柵)E和與之相應(yīng)的非光學(xué)邊緣N組成。小刻面(小階梯光柵)E的實(shí)際剖面可由下式求出d＝D0·｛1/2+1/2·cos(π·r2/b2)｝式中d是小刻面(小階梯光柵)的厚度，r是到該帶內(nèi)邊緣的徑向距離，(這種小刻面在每個(gè)帶里重復(fù)并按各該帶的寬度比例縮小)，在帶內(nèi)形成小刻面(小階梯光柵)并出現(xiàn)這種剖面交替，而b為第一條帶的半徑。圖4畫出了這個(gè)特定的剖面。
圖5把代表現(xiàn)有技術(shù)特征的拋物面小階梯光柵設(shè)計(jì)a(見圖2)、圖4的余弦剖面b和另一種雙焦鏡片的實(shí)用的剖面c畫在一起。這樣做的目的在于說明本發(fā)明和圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)在剖面上的差異。特別值得注意的是曲線b的剖面在
間距處的位移。這個(gè)小差異使曲線b的剖面可適用作本發(fā)明鏡片元件的小刻面剖面。
小刻面c的實(shí)際剖面可由下式求出y=1-{(r2-1/2)/(1-1/2)}]]>r ＞1/2]]>在深度如此減小的情況下，剖面a和c不能使光能等強(qiáng)度分配到0級(jí)和1級(jí)，而當(dāng)D0＝0.500·λ/(n-1)時(shí)就能做到這一點(diǎn)。
圖6至圖10畫出了各種可按本發(fā)明使用圖2的鏡片結(jié)構(gòu)的實(shí)用小刻面剖面。
圖6用圖解法畫出了沿X-Y軸的圖4的剖面情況，其重復(fù)順序?yàn)橛善鏀?shù)和偶數(shù)帶所代表的交替半周期傾斜帶的重復(fù)順序。此特定實(shí)施例的特征可用下式表示y＝0.405λ/(n-1)·｛1/2+1/2cos(πr2/2r20)}I0＝I1＝0.402其中λ為設(shè)計(jì)波長，n為鏡片介質(zhì)的折射率。
圖7是沿X-Y軸線用圖解法畫出的另一種剖面，其中階梯的非折射邊緣的深度進(jìn)一步減小到0.31λ，且偶數(shù)半周期帶的深度與非折射邊緣成彎曲連接。本發(fā)明這個(gè)實(shí)施例的特征可用下式表示y＝0.314λ/(n-1)·2.5{1/2+1/2cos(πr2/2r20｝-0.314λ/(n-1)·1.5｛1-r2/2r20｝I0＝I1＝0.390圖8顯示了一種階梯邊緣傾斜著的剖面，這表明它對(duì)相位帶片的光學(xué)質(zhì)量有貢獻(xiàn)。本實(shí)施例中半周期交替帶的剖面與前述的一些設(shè)計(jì)不同，這主要是因?yàn)榛旧铣チ朔钦凵溥吘壍木壒?。此?shí)施例的特征可用下式表示y＝λ/(n-1){r2/r20+cos(πr2/2r20)-1}I0＝I1＝0.314應(yīng)該指出的是，在本實(shí)施例中奇數(shù)帶小刻面的深度進(jìn)一步減小到0.21λ，但偶數(shù)帶的深度比奇數(shù)波帶的最低點(diǎn)還低0.21λ。
圖9顯示了一個(gè)小刻面剖面，其中偶數(shù)帶傾斜具有底部彎曲部分，在與小階梯的非折射邊緣連接之前形成兩個(gè)背對(duì)背的彎曲。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的特征可用下式表示y＝0.394λ/(n-1){0.287+0.731J0(4.20·r2/2r20)}I0＝I1＝0.402其中J0是貝塞爾函數(shù)。
圖10顯示了另一個(gè)采用兩個(gè)相位帶片和一個(gè)純折射部分的小刻面的剖面。在本實(shí)施例中，從一個(gè)全周期帶到另一全周期帶深度在減小，盡管在整個(gè)光學(xué)鏡片帶中不需要存在這種減小。舉例說，光學(xué)鏡片全周期帶的頭半個(gè)可以只有一個(gè)深度，而該全周期波帶的后半個(gè)可以在深度上逐步減小。在這些實(shí)施例的值得推薦的方式中，每個(gè)小階梯，不論其深度是否相同，都沿光學(xué)鏡片帶的一公共平面被等分。純折射部分最好呈一個(gè)或多個(gè)通道的形式，該通道可裝在光學(xué)鏡片帶內(nèi)和/或成為鏡片帶的外接圓。圖10所示特定實(shí)施例的特征可用下式表示y＝αλ/(n-1){1/2+1/2cosπ/2·r2/r20}其中α逐帶減小。
圖11和12所示小刻面剖面在全周期帶中的q1處引入一個(gè)間距減小，因而可使階梯從q進(jìn)到r等。這種在交替帶中的間距減小并不被認(rèn)為能改變各帶的
間距。圖11的特征可用下式表示
yn＝.40{1/2+1/2cos[(π/q2n-r2n)(r2-r2n-1)]}其中rn-1＜r＜qnyn＝.40{1/2+1/2sin[π/r2n-q2n·(r2-(r2n+q2n)/2)]}其中qn＜r＜rn-1rn≈2ndλ]]>qn＝rn-1+(rn-rn-1/α)α＝1.085圖12特征可用下式表示yn＝.39{1/2+1/2cos[π/q2n-r2n·(r2-r2n-1)]}其中rn-1＜r＜qnyn＝.39{1-(r-rn/rn-qn)2}其中qn＜r＜rnrn≈2ndλ]]>qn＝rn-1+(rn-rn-1/α)α＝1.085
應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不局限于本說明書中所示和所述的結(jié)構(gòu)的精確細(xì)節(jié)，因?yàn)槭煜け炯夹g(shù)領(lǐng)域的人是可以對(duì)它進(jìn)行多種修改的。特別是可以確定多種不同剖面，使小刻面(小階梯光柵)的深度減小而不改變所希望的等光能分配。但小刻面剖面的選擇并不取決于等光能分配的實(shí)施。我們認(rèn)為，光能的分配，無論是否等分，都是直接從半周期帶交替傾斜得出的。
權(quán)利要求
1.一種衍射多焦點(diǎn)光學(xué)元件，其特征在于，它由含有若干環(huán)形同心帶的相位帶片組成，在該同心帶中各帶大體上以正比于√n的間距配置，且各帶具有若干呈階梯式的小刻面，這些小刻面引起的光程長的不連續(xù)小于λ/2，其中λ是設(shè)計(jì)波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射多焦點(diǎn)光學(xué)元件，其特征在于，相位帶片含有在光學(xué)元件中按
間距形成的交替階梯重復(fù)圖形的小刻面，且其中小刻面的各階梯的深度小于λ/2(η′-η)，其中η′和η分別為鏡片的折射率和與鏡片相互作用的介質(zhì)的折射率，λ為設(shè)計(jì)波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的衍射多焦點(diǎn)光學(xué)元件，其特征在于a、其中某一交替帶的小刻面具有一個(gè)傾斜的彎曲剖面，該剖面在帶邊界上為另一個(gè)彎曲剖面所斷開，這后一個(gè)剖面具有另一交替帶的傾斜度不同的彎曲小刻面;b、所述諸帶的間距大體上與n]]>成正比;c、所述諸小刻面的深度小于λ/2;d、所述各帶經(jīng)刻畫后可以將黃光至少以充分的強(qiáng)度引到至少兩個(gè)主焦點(diǎn)上，供在各該主焦點(diǎn)上目視之用;e、只有所述交替圖形，這種元件才會(huì)有這樣的強(qiáng)度。
4.一種科恩鏡片設(shè)計(jì)的雙焦點(diǎn)光學(xué)元件，其特征在于，相位帶片的奇數(shù)和偶數(shù)波帶具有以下特點(diǎn)a、符合rn≈ndλ]]>間距的要求;b、彼此鄰接且在至少每隔一個(gè)帶邊界上沒有非折射階梯界面，而在該鄰接界面上形成一個(gè)呈一定坡度的剖面;c、各奇數(shù)帶的橫截面具有相同的通用剖面，而各偶數(shù)帶的橫截面也具有相同的通用剖面;d、奇數(shù)帶的通用剖面與偶數(shù)帶的通用剖面不一樣，且e、各帶階梯的深度小于λ/2。
5.一種科恩鏡片設(shè)計(jì)的雙焦點(diǎn)光學(xué)元件，它由一含有交替剖面的帶小刻面的階梯相位帶片組成，其特征在于a、相位帶片符合
的要求;b、交替剖面是在全周期間距內(nèi)產(chǎn)生的;c、小刻面的深度小于λ/2;d、各帶經(jīng)刻畫后可以將黃光至少以充分的強(qiáng)度引到至少兩個(gè)主焦點(diǎn)上，供在各該主焦點(diǎn)上目視之用;且e、只有該交替剖面，這些波帶才會(huì)有這種供目視用的強(qiáng)度。
6.一種光學(xué)元件，其特征在于，該光學(xué)元件包括若干在光學(xué)上衍射的小刻面，這些小刻面形成兩個(gè)不同的彎曲剖面，而這兩個(gè)剖面在半徑rn處通過位于該半徑周圍的過渡剖面進(jìn)行連接，該過渡剖面的剖面彎曲與上述兩個(gè)不同彎曲剖面不同，從而在該過渡剖面處形成環(huán)形和同心帶，這些帶彼此之間的間距大致上與n]]>成正比，且各帶經(jīng)刻畫后可以將黃光至少以足夠強(qiáng)度引到至少該兩個(gè)焦點(diǎn)上供在這兩個(gè)主焦點(diǎn)上目視之用，該元件不采用這種彎曲剖面則不會(huì)有這種供目視用的強(qiáng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述重復(fù)圖形含有可用下式表示的剖面的帶d＝D0°｛1/2+1/2°cos(π°r2/b2)｝其中d是重復(fù)剖面的深度，r是該帶的徑向位置，b是第一條帶的半徑，Do是設(shè)計(jì)波長的小刻面深度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于它呈眼用鏡片的形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其特征在于它呈眼用鏡片的形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件，其特征在于它呈眼用鏡片的形式。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其特征在于它呈眼用鏡片的形式。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)元件，其特征在于它呈眼用鏡片的形式。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其特征在于它呈眼用鏡片的形式。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)元件，其特征在于它呈眼用鏡片的形式。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的眼用鏡片，其特征在于它的形式為接觸式鏡片和眼內(nèi)鏡片的形式之一。
23.一種在其光學(xué)鏡片帶中至少含有兩個(gè)相位帶片的眼用接觸式鏡片，其中至少一個(gè)相位帶片含有權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件。
24.一種眼用接觸鏡片，其特征在于，在其光學(xué)鏡片帶中含有(1)一種含有權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件的相位帶片和(2)一個(gè)純折射部分。
全文摘要
一種衍射多焦點(diǎn)光學(xué)元件，它由含有若干環(huán)形同心帶的相位帶片組成，其中，各帶以大體上正比于的間距配置，各帶具有若干呈階梯式的小刻面，這些小刻面在光程長中引入的不連續(xù)性小于λ/2。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1039487SQ88107729
公開日1990年2月7日 申請(qǐng)日期1988年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月20日
發(fā)明者艾倫·L·科恩 申請(qǐng)人:艾倫·L·科恩