JP2000511299A - 改良された回折多焦点眼用レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回折多焦点眼用レンズ。該回折多焦点眼用レンズはエシェレットを備えたアポダイゼーション帯域を含んでいる。該エシェレットは滑らかに低減されるステップ高さを有していて近い焦点から遠い焦点にエネルギーバランスを移しており、かくて、とびとびの遠い光源を目視する際に知覚するまぶしさを低減させている。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された回折多焦点眼用レンズ 発明の背景 この発明は、概ね眼用レンズの分野に係わり、より具体的には、回折多焦点眼 球内レンズ（ＩＯＬ）に係わる。 最も簡単な言葉で人間の目は、角膜と呼ばれる明瞭な外方部分を通して光を伝 達することにより、またレンズを介して網膜上に画像を焦点合わせすることによ り視覚を与えるよう機能している。焦点合わせされた画像の品質は、目の寸法及 び形状、そして、角膜及びレンズの透明性を含む多くのファクターに左右される 。年齢により、あるいは病気により、レンズの透明性が低くなると、視覚は低下 する。何故なら、網膜に伝達され得る光が減少するからである。この目のレンズ の欠陥は白内障として医療的に知られている。この状態に対する認められた処置 は、レンズを外科的に取り除き、そして、レンズの機能をＩＯＬと交換すること である。 現在用いられているＩＯＬを含む眼用レンズの大多数は、単一焦点設計体（言 い換えれば、固定焦点距離を有しているもの）である。移植されたＩＯＬの焦点 距離は、概ね、患者から１メートル（−１Ｄスペクタクルパワー）のところで視 覚を最適化するよう選定されている。かくて、ＩＯＬを受領する多くの患者は、 距離を明瞭にするため、また、視覚が近いために、尚、眼鏡を必要としており、 −１Ｄのターゲットは外科的誤差及び測定誤差によるバラツキを与えている。 現在、様々な多焦点眼用レンズ設計体が調査、研究中であり、また、これらの 設計体は、一般に、２つのカテゴリー、即ち、屈折レンズ及び回折レンズのうち の１つに該当している。回折レンズは、レンズにほぼ周期的で顕微鏡的な構造体 を用いていて光をいくつかの方向に同時に回折している。これは回折格子に似て おり、また、多数回折次数はレンズの異なる焦点距離に対応して様々な画像に光 を焦点合わせしている。回折多焦点コンタクトレンズ及びＩＯＬは、米国特許第 ４，１６２，１２２号、第４，２１０，３９１号、第４，３３８，００５号、第 ４，３４０，２８３号、第４，９９５，７１４号、第４，９９５，７１５号、第 ４，８８１，８０４号、第４，８８１，８０５号、第５，０１７，０００号、第 ５，０５４，９０５号、第５，０５６，９０８号、第５，１２０，１２０号、第 ５，１２１，９７９号、第５，１２１，９８０号、第５，１４４，４８３号、第 ５，１１７，３０６号（コーヘン）、米国特許第５，０７６，６８４号、第５， １１６，１１１号（シンプソンその他）、米国特許第５，１２９，７１８号（フ ァゼイその他）及び米国特許第４，６３７，６９７号、第４，６４１，９３４号 及び第４，６５５，５６５号（フリーマン）に完全に記載されており、それらの 全体の内容物が、ここに、参考として組み込まれている。 回折ＩＯＬは多数の焦点距離を有することができるが、一般に、たった２つの 焦点距離（遠い及び近い）を備えたＩＯＬが最も普通である。任意の同時視覚多 焦点レンズでもってしたごとく、焦点の外された画像は、第２のレンズ倍率の故 に、焦点の合わされた成分に重畳されるが、焦点の外された画像は、関心事の詳 細に集中している使用者により希に見られる。或る状況（例えば、夜に）の下で は、使用者の瞳の直径は５ミリメータ（ｍｍ）あるいはそれ以上に拡張すること ができ、距離がとびとびの光源（例えば、自動車のヘッドライトあるいは街灯） は「かさ」あるいは「リング」により囲繞されるように見ることができる。かさ の重要な成分は、網膜で焦点が外された状態になる近くの画像に向けられた光に より生ぜしめられる。かさの視感度は光を近くの画像に向けているレンズ域の直 径、近くの画像に向けられている全エネルギーの割合、及び、目の全体的な像化 収差により影響される。 米国特許第４，８８１，８０５号では、コーヘン（Cohen）は、回折レンズを 通って移動している光の強さが、レンズ周囲でのエシェレット深度を低減させる ことにより変化し、もって、まぶしさを低減させることができる（コラム４、第 ６３−６８行）ことを示唆している。更に、コーヘンは、回折帯域の帯域境界部 半径が以下の式に従う必要があることを述べており、即ち、 ここで、 ｗ＝光の波長 ｍ＝第ｍ番目の帯域を示す整数 ｆ＝第１次数回折の焦点距離 コラム５、第１７−３１行 コーヘンの理論は、回折帯域境界部でのステップの深さからのまぶしさの結果 を眼球内のレンズよりもコンタクトレンズにより当てはめることができることを 述べている。コンタクトレンズは、一般に目の上で移動し、また溝はゴミで満た された状態になることができる。加えて、コンタクトレンズの付加的な倍率は、 一般に、焦点の外された画像をより焦点の合った状態にする眼球内レンズのもの よりも小さく、また、患者の自然残留調節作用はまぶしさあるいはかさの視感度 を変えることができる。 従って、まぶしさあるいはかさを最小化する回折多焦点ＩＯＬに対する必要性 は存在し続けている。 発明の簡単な要約 本発明は、近距離の焦点から遠距離の焦点までレンズのかなりの部分にわたっ てエネルギーバランスを徐々に移すアポダイゼーション（apodization）帯域を 有する回折多焦点眼用レンズを提供し、それにより該レンズの外方域がそれのエ ネルギーの全てを遠距離の焦点に向けることにより、従来技術を改良している。 従って、本発明の目的は、近距離の焦点から遠距離の焦点までレンズのかなり の部分にわたってエネルギーバランスを徐々に移すアポダイゼーション領域を有 する回折多焦点眼用レンズを提供することである。 本発明の別の目的は、まぶしさあるいはかさを低減する回折多焦点眼用レンズ を提供することである。 本発明のこれら及び他の利点及び目的は、以下に続く詳細な説明及び請求の範 囲から明らかとなろう。 図面の簡単な説明 図１Ａは、眼用レンズのベースカーブに置かれた一組をなす直角座標である。 図１Ｂは、眼用レンズのベースカーブ上の帯域境界部位置の配置状態を図示し ている。 図１Ｃは、各帯域境界部位置でのステップ高さの配置状態を図示している。 図１Ｄは、アポダイゼーションファクターを各ステップ高さに適用することに より生ぜしめられるステップ高さの低減を示している。 図２Ａは、本発明の第１の実施例の場合のレンズの光軸から半径方向位置に対 してプロットされた、レンズのエシェレット面上の各点のｚ軸線位置あるいは垂 直高さとベースカーブ上の対応する点のｚ軸線位置あるいは垂直高さとの間の差 である回折レリーフプロフィールのグラフである。 図２Ｂは、本発明の第２の実施例の場合のレンズの光軸から半径方向位置に対 してプロットされた回折レリーフプロフィールのグラフである。 図３Ａは、図２Ａに示されたエシェレットステップ高さプロフィールにより作 られた眼用レンズの代表的な断面図である。 図３Ｂは、図２Ｂに示されたエシェレットステップ高さプロフィールにより作 られた眼用レンズの代表的な断面図である。 発明の詳細な説明 発明者は、回折多焦点眼用レンズの近い画像に向けられたエネルギーの比率を スムーズに減少させることにより、欲せられない視覚効果（言い換えれば、まぶ しさまたはかさ）を低減させることができることを発見した。このエネルギーの スムーズな減少は、光軸からの半径方向距離が増加するにつれて回折構造体のス テップ高さをゼロ（０）に徐々に減少させ、もって、レンズの外周囲で該レンズ を単一焦点にすることによりなされる。その結果、レンズの外域を通るエネルギ ーの全ては遠い焦点に向けられ、近い焦点と遠い焦点との間にエネルギーバラン スの徐々なる移動が存在する。この形式の設計体、即ち「アポダイゼーション」 は、欲せられない回折効果を生じさせることができる波面の鋭い不連続を回避す る。 図面を参照することにより、また眼用レンズの構造体に関連せしめられた幾何 学的配置形態を参照することにより、本発明をよりよく理解することができる。 眼用レンズのベースカーブＢＣは図１Ａに示されている。用語「ベースカーブ 」は、球状３−Ｄ面の半径を、一般に、言及している。好適実施例においては、 ほぼ２８．２２ｍｍの半径を有するベースカーブが用いられた。本発明の眼用レ ン ズ上の各点の位置がどのようにして決定され、且つ符号が付されているのかを説 明するために、一組の直角座標を置き、それの原点をレンズの光軸とベースカー ブとの交点のところに置いてある。光軸からの水平方向距離がＸ軸線に沿って示 されており、また垂直方向距離がｚ軸線上に示されていることに注意されたい。 かくて、ベースカーブＢＣ上の各点の座標は一組をなす２つの座標で記載するこ とができ、該一組をなす２つの座標は正の、または、負のＸ座標のいずれかを含 んでいるが、負のｚ座標のみを含んでいる。 回折多焦点眼用レンズは複数個の環状帯域を特徴とするものであるので、次の 工程は、光軸に対する各帯域の境界部を計算することである。様々な個々のエシ ェレット間に工程が置かれるのは半径方向帯域境界部のところである。光軸から の各半径方向帯域境界部の距離r，は以下の式で与えられる。即ち、 ｒ_i ²＝（２ｉ＋l）λｆ （１） ここで、 ｉ＝帯域数 λ＝設計波長 ｆ＝焦点距離あるいは１０００／Ｄ_addであり、Ｄ_addはジオプトリの加算ベキ である。 式（１）はより一般的な式の特殊な場合である。 ｒ_i ²＝ｒ_o ²＋２ｉλｆ （２） ここで、眼用レンズの中央帯域の半径はｒ_o ²＝λｆに設定されている。好適実 施例においては、設計波長λは目視レスポンスの中心のところで５５０ｎｍの緑 の光のところに設定され、また加算ベキは４ジオプトリのところに設定されてい る。各ｒ_iの計算により、図１Ｂに示されているごとく、ベースカーブに沿った 一連の帯域境界部半径を作り出されている。 ベースカーブ上の各帯域境界点で各個々のエシェレットのステップ高さ即ち垂 直高さを確立するために、以下の式が用いられている。即ち、 ここで、 ｐ＝位相高さ λ＝設計波長 ｎ₂＝レンズの屈折率 ｎ₁＝水の屈折率 好適実施例においては、位相高さには０．５の値が与えられており、ｎ₂には 値１．５５４２が与えられており、ｎ₁には値１．３３６が与えられている。図 １Ｃに示されているごとく、計算された一定ステップ高さは各帯域境界部上に中 心決めされていて、ステップ高さの半分がベースカーブよりも上に位置し、また ステップ高さの他の半分がベースカーブよりも下に位置している。 本発明においては、選定された群をなす個々のエシェレット５０のステップ高 さを所定の量だけ徐々に低減させることにより、遠いとびとびの光源のまわりの かさあるいはリングとして受けたまぶしさの欲せられない効果はかなり低減され ることが判った。ステップ高さで低減されるべき選定された群をなす個々のエシ ェレットはアポダイゼーション帯域と言われるものに全て収容される。ステップ 高さの徐々なる系統的な個々の低減は図ＩＤに示されている。 ベースカーブＢＣ上に中心決めされるべき低減されたステップ高さを決定する ために、上記式（３）で計算されたステップ高さは各個々のエシェレットに計算 されたアポダイゼーションファクターｆ_{アホ゜タ゛イス゛}により乗じられる。これらのア ポダイゼーションファクターは以下の式により決定される。即ち ここで、 ｒ_i ＝ 各ステップ高さ位置のＸ座標あるいは光軸からの各半径方向帯域境 界部の距離 ｒ_in ＝ アポダイゼーション帯域の内方境界部でのｒ_i ｒ_out＝ アポダイゼーションｋｂ帯域の外方境界部でのｒ_i ｅｘｐ＝光軸からのアポダイゼーション帯域の相対位置及びエシェレットステ ップ高さの所望とされる低減に基づいて選定された値 それ故、ｒ_iの値が式（４）において増加すると、分数の分子は増加し、それ により、１から引かれた量が生ぜしめられてそれの数値が１に近付くところまで 増加する。かくて、ｆ_{アホ゜タ゛イス゛}の値はゼロ（０）に近付く。それ故、ｆ_{アホ゜タ゛イス゛} にステップ高さが乗じられると、該ステップ高さは同様にゼロ（０）に近付く。 本発明の一実施例において、光軸を囲繞している第１の九つの帯域即ちエシェ レットは、全て、同じステップ高さを有しており、また、第９帯域と第１９帯域 との間のアポダイゼーションに対しては、ｅｘｐ＝２となる（図２Ａ）。本発明 の別の実施例では、ステップ高さのアポダイゼーション減少が光軸のところで始 まるほぼ６．２とほぼ３との間の範囲内に「ｅｘｐ」の値があってもよいという ことが示された（図２Ｂ）。 さて、ベースカーブＢＣに沿った帯域境界点が既知であり、またこれらの点の 各々に置かれるべき低減されたステップ高さが既知であるとすれば、次の段階は 、光軸から更に遠く離れた次の帯域境界部で修正された次のエシェレットステッ プ高さの底部に該修正されたエシェレットステップ高さの頂部を接続する球形エ シェレット面５２上に位置している点の位置を決定することである（図１Ｄ）。 各球形面５２は異なる中心と異なる半径とを有している。ｚ軸線上の原点（図１ Ａ）からの各球形面５２の中心の距離Ｚ_radは次式に従って与えられる。即ち、 ここで、 ｚ_in＝ｒ_inでのｚ座標 ｚ_out＝ｒ_outでのｚ座標 式（５）に従って計算された各中心で始まる各球形面の半径Ｒ_radは以下の式 により与えられる。即ち、 さて、各帯域境界部の位置、各帯域境界部での低減されたステップ高さ、帯域 境界部間の各球面に対する半径及び中心を計算すれば、図１Ａに示されている直 角座標案に従ったそれのｘ座標及びｚ座標によって眼用レンズの回折面上の各点 を在来の技術を用いて表し、且つ、プロットすることは可能である。 各個々のエシェレットの高さに式（４）で決められたｆ_{アホ゜タ゛イス゛}の適用の影響 を、またどのようにしてｆ_{アホ゜タ゛イス゛}を回折面の選定された域即ち帯域に適用する ことができるのかを最も良く図示するために、対応するＸ座標に対するベースカ ーブのｚ座標と回折面のｚ座標との間の差をプロットすることは教訓的なことで ある。回折面のｚ座標とベースカーブのｚ座標との間に差がない場合、即ち、そ れらの間に一定の差が存在する場合、結果としての差のカーブは平坦であり、か くて、一定の値に影響を及ぼす。回折面上のｚ座標とベースカーブのｚ座標との 間の最大差の点では、差のカーブはそれの最大スパイクを示す。回折面上のｚ座 標とベースカーブのｚ座標との間の差が最小になり始めるところでは、スパイク は、エシェレットのステップ高さの減少のパターンに従って寸法の減少を示す。 かくて、ステップ高さが、所定の公式に従って寸法が減少するところでは、減少 された寸法のスパイクが現れることを期待することができる。 図２Ａを参照することにより、一実施例においては、最初の９つの帯域即ちエ シェレットにわたっては、回折面のｚ座標とベースカーブのｚ座標との間に差の 減少のないことが理解される。９回目のエシェレットの後、アポダイゼーション 帯域が始まり、即ち、ｆ_{アホ゜タ゛イス゛}が適用され、また回折面のｚ座標とベースカー ブのｚ座標との間の差は、プロットの最も右手端部のところに図示されているご とく、一定値まで徐々に減少する。低減されたステップの付された高さを有して いる選定された群のエシェレットは、アポダイゼーション帯域と呼ばれる眼用レ ンズの域に収容される。 第２の実施例は図２Ｂにプロットされており、回折面のｚ座標とベースカーブ のｚ座標との間の差の減少は光軸のところで始まり、レンズの周囲に向かって前 進し、その結果、プロットの最も右手端部のところで平坦な線となる。 図２Ａに示されているものと同様の一連のエシェレットを有しているレンズ１ ００の断面代表図は図３Ａに示されている。光軸ＯＡを囲繞しているエシェレッ ト１２のステップ高さが、そのエシェレット１２の寸法が減少し始める前に、い くつかのそれらエシェレット１２にわたって一定に保たれていることに注意され たい。次いで、光軸ＯＡからの各個々のエシェレットの距離が増大すると、各エ シェレット１４のステップ高さは、式（４）を説明している記載に上記されてい るごとく、ゼロ（０）に近付く。 図２Ｂに示されているものと同様の一連のエシェレット１１４を有しているレ ンズ１５０の断面図は図３Ｂに示されている。光軸ＯＡを囲繞しているエシェレ ット１１４の高さが、該光軸ＯＡからエシェレット１１４の距離の増大とともに 減少し始めていることに注意されたい。 代数的に、図２Ａに示された眼用レンズをモデル化するのに以下の一組の式を 用いることができる。 もし、０≦ｒ_i≦ｒ_inならば、ｆ_{アホ゜タ゛イス゛}＝１ （７） もし、ｒ_in＜ｒ_i≦ｒ_outならば、 式（７）及び（８）から、光軸及びｒ_in間のエシェレットステップ高さに減少 のないことを理解することができる。ｒ_inとｒ_outとの間では、各エシェレット ステップ高さは、徐々に小さくなるアポダイゼーションファクターにより低減さ れる。 同様に、図２Ｂに示されている眼用レンズをモデル化するのに、以下の一組の 式を用いることができる。 もし、０≦ｒ_i≦ｒ_outならば、 もし、ｒ_out＜ｒ_iならば、ｆ_{アホ゜タ゛イス゛}＝１ （１０） 式（９）及び（１０）から、エシェレットステップ高さの減少が光軸のところ で始まり、ｒ_outに進むことを理解することができる。先に示したごとく、ｆ_{アホ゜ タ゛イス゛} に対する式の指数はほぼ６．２ほどに高くてもよい。 前述した例は例示のみである。本発明は何等特殊な変調機能即ち調整機能によ って限定されるものでない。ステップ高さの減少及びアポダイゼーション帯域境 界部の位置の双方を、選定された光学システムに固有の光学収差に従って選定す ることができる。また、本発明は特定の表面レリーフ構造に限定されるものでな い。他の回折レンズ方法も、本発明の眼用レンズを作るのに用いることができる 。かような構造及び方法は添付請求の範囲及び意味に含まれるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．遠い画像及び近い画像を作り出す回折多焦点眼用レンズに関連せしめられ たまぶしさを低減する方法であって、前記回折多焦点眼用レンズは、該レンズの 光軸から半径ｒ_iのところに置かれた複数個のエシェレットを有しており、前記 エシェレットの各々がステップ高さを有している前記方法は： ａ）ベースカーブを選定する工程と、 ｂ）前記ベースカーブに対する各エシェレットの位置ｒ_iを計算する工程と、 ｃ）各エシェレットに対するステップ高さを選ぶ工程と、 ｄ）選定されたアポダイゼーション帯域におけるアポダイゼーションファクタ ーｆ_{アホ゜タ゛イス゛}により各エシェレットのステップ高さを徐々に低減させ、前記ステ ップ高さの減少は、前記光軸からの各エシェレットの距離が増大するにつれて前 記アポダイゼーション帯域における各エシェレットに対して増大する工程と、 を有しており、 それにより前記アポダイゼーション帯域における各エシェレットの前記ステップ 高さを滑らかに低減させることで前記遠い画像と前記近い画像との間のエネルギ ーバランスを移すことにより回折多焦点眼用レンズに関連せしめられた前記まぶ しさを低減させる方法。 ２．請求項１記載の方法において、前記アポダイゼーション帯域は、実質的に 均一なステップ高さのエシェレットの帯域と、前記回折多焦点眼用レンズの周辺 との間にある方法。 ３．請求項２記載の方法において、前記アポダイゼーションファクターｆ_{アホ゜タ ゛イス゛} による前記アポダイゼーションの各エシェレットの前記ステップ高さの徐々 なる減少は以下の式により決定され、即ち、 ここで、 ｒ_in＝前記アポダイゼーション帯域の内方境界部でのｒ_i ｒ_out＝前記アポダイゼーション帯域の外方境界部でのｒ_i、 である方法。 ４．請求項１記載の方法において、前記アポダイゼーション帯域は前記光軸の ところで始まっているとともに、前記回折多焦点眼用レンズの周辺部に向かって 外方に前進しており、また各エシェレットの前記ステップ高さを徐々に減少させ るために用いられている前記アポダイゼーションファクターｆ_{アホ゜タ゛イス゛}は次式に より決定され、 ここで、ｒ_out＝前記アポダイゼーション帯域の外方境界部でのｒ_i、 である方法。 ５．複数個のエシェレットを有する光学素子を有しており、各エシェレットは 光軸から半径r_iのところに位置しており、また、アポダイゼーションファクター ｆ_{アホ゜タ゛イス゛}により徐々に低減されるステップ高さを有しており、前記アポダイゼ ーションファクターは次式により決定され、即ち、 ここで、ｒ_out＝前記アポダイゼーション帯域の外方境界部でのｒ_i、 ている眼用レンズ。 ６．複数個のエシェレットを備えた光学素子を有しており、各エシェレットは アポダイゼーション帯域に置かれており、該アポダイゼーション帯域は光軸から 半径ｒ_iのところで始まっているとともに、アポダイゼーションファクターf_{アホ゜タ ゛イス゛} により徐々に低減されるステップ高さを有しており、該アポダイゼーション ファクターは次式により決定され、即ち、 ここで、 ｒ_in＝前記アポダイゼーション帯域の内方境界部でのｒ_i ｒ_out＝前記アポダイゼーション帯域の外方境界部でのｒ_i、 である眼用レンズ。 ７．遠い焦点及び近い焦点を有している回折多焦点眼用レンズに関連せしめら れたまぶしさを低減する方法であって、前記回折多焦点眼用レンズは光軸から半 径ｒ_iのところに置かれた複数個のエシェレットを有しており、該エシェレット の各々はステップ高さを有している前記方法にして、該方法は、下記の式、即ち 、 ここで、 ｒ_in＝アポダイゼーション帯域の内方境界部でのｒ_i ｒ_out＝アポダイゼーション帯域の外方境界部でのｒ_i ほぼ３≦ｅｘｐ≦ほぼ６．２ に従い、前記光軸からの前記半径ｒ_iが増大するにつれてアポダイゼーションフ ァクターｆ_{アホ タ イス} により各エシェレットのステップ高さにおける減少を徐々に 高めることによって前記近い焦点と前記遠い焦点との間のエネルギーバランスを 徐徐に移すアポダイゼーション帯域を提供する工程を有している方法。