JPH0279815A - 回折多焦点の目のレンズの設計方法及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、コンタクト・レンズ及び内部接眼レンズを含
む位相ゾーンプレート光学における改善に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］ここで
及び特許請求の範囲において用いられる“位相ゾーンプ
レート”は、ゾーンプレートのゾーンにおけるゾーンプ
レートと光学ファセット（例えばエシュレットの形式で
）の組合せを利用したレンズの単位光学領域であり、各
ゾーンにおいて組み合わされたファセットは、ゾーンプ
レートの種々のオーダー（例えば０次、１次など）にお
ける特定の光強度分布をもたらす特定の波面を生成する
ために光を反射する。上記オーダーは上記ゾーンプレー
トの焦点を構成する。制限的な意味において、また、最
も実用的な意味において、位相ゾーンプレートは、有効
的な強度における光の分布が黄色光に対するゾーン間隔
に依存する一般のレンズ・アプリケーションのために設
計される。ここで用いられる黄色光は、５３０ないし５
７０マノメーターにおける可視スペクトラムの部分であ
る。

本発明は特にコンタクト・レンズに関する。コンタクト
・レンズは古典的な両眼連動をレンズである。このコン
タクト・レンズは目にびっＩこりとはめ込むことができ
る凹面形の角膜のボール（後面）を有し、外側の面（前
面）は、まぶたが目の上にわたって摺動し、目に対して
調節される焦点に対して（レンズ材料の屈折率を考慮に
入れて）光の適当な傾斜を提供するように平坦であって
かつ所定形状で形成される。多くの市販のコンタクト・
レンズは、レンズの光軸付近が最も薄くなり、またレン
ズの深さがレンズの周囲方向で延在する傾斜された放射
長さ方向に沿って徐々に増大するような形状で形成され
る。光軸から延在する深さが異なっているために、光軸
を通過する光はより少ないレンズ材料を通過する。光は
空気中においてより速く伝搬するために、より浅い深さ
を通過する光に比較してより深い深さを通過する光がシ
フトされ、従って所要時間が短縮されるであろう。

これについては、バターワースによって刊行されたフィ
ンカム（Ｆ　ｉｎｃｈａｍ）ほか“光学（□ｐｔｉｃｓ
）″、ロンドン、９版、１９８０年、１９８１年、７２
ないし７５ページを参照せよ。従って、レンズの形状は
、後面から放射する光波が所望される焦点に到達する際
に同期状態となるように光の前進性の減速度を調節する
ために選択される。

本発明は、例えば２焦点の位相ゾーンプレート及び同心
の環状ゾーンを用いる“同調された”フレネル・レンズ
のような、位相ゾーンプレートの光学素子を利用したコ
ンタクト・レンズに関する。

そのようなレンズは一般に、例えば米国特許第４゜２１
０．３９１号、第４．３３８．００５号及び第４．３４
０，２８３号（“コーエン特許つにおいてアレン・エル
脅コーエンによって記述された仕様に従っている。コー
エン・レンズの仕様は、環状かつ同心円のゾーンの半径
“ｒ、”が実質的にｆｌに比例すること、並びに、ゾー
ンが１焦点以上に光が向けられるように、切断されるこ
とを規定していコーエンの研究の前に、フレネルとウッ
ドによって提供された解析は、位相ゾーンプレートの個
々の全周期ゾーンが１次の焦点において破壊的に干渉す
るように十分に位相のずれた状態にある２つの半周期ゾ
ーン（奇数ゾーンと偶数ゾーン）を備えることを証明し
た。彼らは、奇数又は偶数ゾーンを塞ぐか又は奇数ゾー
ンから偶数ゾーンへ光の位相をシフトさせることによっ
て、破壊的な干渉が最小化されることを指摘した。しか
しながら、このことによって結果的に有用な２焦点レン
ズを得ることはできなかった。コーエンは、奇数ゾーン
と偶数ゾーンを異ならせこれによって光の方向を異なら
せることによって、上記ゾーンを通過する入射平行光が
、光が異なった焦点に向けられこれによって有用な多焦
点レンズを提供する回折制限素子を形成すべく調整され
ることを発見した。奇数ゾーンと偶数ゾーンの差異は、
上記ゾーンにおいて並びに上記ゾーン間の厚さ又は屈折
率における変化によって実現される。

位相ゾーンプレートの光学を用いるコーエン・レンズの
仕様は、非常に薄い２焦点レンズ構造を形成することを
可能にする。コンタクト・レンズは、２焦点又は他の多
焦点効果を達成するためには、位相ゾーンプレートの光
学を用いて設計されるであろう。位相ゾーンプレートに
おける特定色の特性は、多焦点特性を有するコンタクト
・レンズを含むコンタクト・レンズの仕様において含ま
れている。２焦点を示すすべての位相ゾーンプレートの
光学素子は本質的に、光を２焦点以上の焦点に合わせる
ことができる能力を有する。例えば０次及び１次の焦点
のような任意の２つの次数に対する光の強度レベルは２
焦点のアプリケージ理ンに対して十分に大きいので、位
相ゾーンプレートの光学素子は２焦点素子と名づけられ
る。その意味において、すべての２焦点の素子は、光を
第３の焦点並びにそれ以上の焦点に分配する。レンズが
２焦点であるか又は３焦点であるかの判断は厳密なルー
ルに基づいていない。もしレンズの着用者が不愉快な第
３又はそれ以上の焦点の存在に気づかないならば、その
とき、そのレンズはおそらく２焦点素子として十分に機
能する。これについては、クライン（Ｋ　１ａｉｎ）及
びホー（Ｈｏ）、　”エスビーフイイ−（ＳＰＩＥ）”
、１９８６年８月における第２表及び第２表についての
コメントを参照せよ。

コンタクト・レンズに関する位相ゾーンプレートの光学
について言及し又は提案している参照文献は、ジー・７
オースト（Ｇ−Ｆｏｒｓｔ）による“視覚に対する援助
として用いる円形グリッドの有用性についての研究（Ｒ
ｅｓｅａｒｃｈ　　１ｎｔｏ　　ｔｈｅ　　Ｕｓａ−ｂ
ｉｌｉｔｙ　　ｏｆ　　Ｃ１ｒｃｕｌａｒ　　Ｇｒｉｄ
ｓ　　ａｓ　　Ａｉｄ　　ｔ。

Ｖｉｓｉｏｎ）”、デフレ・アウゲノプティカ−（Ｄｅ
ｒＡｕｇｅｎｏｐｔｉｋｅｒ）、　　１９６６年（１２
）、９ないし１９ページ、並びにライグラ−（Ｚ　ｉｅ
ｇｌｅｒ）、　”光学レンズの構成又は補正（Ｆａｂｒ
ｉｃａｔｉｏｎ　　ｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　　ｏｆ
　　０ｐｔｉｃａｌ　　１ｅｎｓｅｓ）”である。

コーエンによって修正された文献としては、コーエンの
米国特許第４．３３９，００５号のコラム４゜２７−３
６行目、コーエンの米国特許第４．２１０．３９１号の
コラム６．６８行目、フリーマン（Ｆ　ｒｅｅｍａｎ）
の米国特許第４，６３７，６９７号、フリーマンの米国
特許第４，６４２．１１２号（位相ゾーンプレートの光
学を含むホログラフィ−という点の文献として）を参照
せよ。

位相ゾーンプレートの光学の上記原理を利用した２焦点
コンタクトレンズは商業上入手可能である。そのような
レンズは、各ゾーンがλ／２の光学的通路長の深さを有
しλ／２（ｖ’−ｖ）の物理的な深さを提供する全周期
ゾーンをそれぞれ備え放物線状のプロフィールを有し段
階状の環状ファセットを利用することが信じられてきた
。り′及びＶはそれぞれレンズ及び媒質（例えば涙の層
）の屈折率であり、ここで、レンズは相互に作用し、λ
は設計波長であり、この場合において黄色光の波長であ
る。この結果、０次及び１次において約４０．１％にお
ける黄色光の強度の等しい分配を有する２焦点コンタク
ト・レンズを得ることができる。

本発明の目的のための全周期ゾーンは、実質的に一１’
Ｆｒに比例して間隔が置かれる位相ゾーンプレート内に
おけるファセットの最小の反復シーケンスとして定義さ
れる。そのような間隔は次式によって特徴づけられる。

ｒ　＊　”　Ｉ７而Ｔ ここで、ｄは１次の焦点距離を表わす。本発明の目的の
ための半周期ゾーンは次式によって特徴づけられる。

ｒ、崎ｆ晶Ｔ ここで、ｄは１次の焦点距離を表わす。

もしこのレンズの仕様のステップの深さを変更するなら
ば、焦点への入射光の強度の非常に異なった集中をもた
らす。例えば、位相ゾーンプレートが、各エシュレット
のステップの深さがλであるエシュレットの全周期間隔
を有し、エシュレットのプロフィールが、設計波長とし
て黄色光の波長を用いて放物線形状であるとき、その結
果得られるレンズは、キャリアレンズ全体の形状にかか
わらずユーザに対して本質的に１次の単焦点である。

このステップの深さが減少されるので、エシュレットを
平坦化することはこの間隔にわたって深さの異なった変
化をもたらし、その結果、コーエンの異なった形状の奇
数及び偶数ゾーンに影響を与える。深さがλ／２を越え
るとき、１次における光の強度は０次における光の強度
よりも著しく大きくなる。なぜなら、奇数と偶数ゾーン
間の厚さの違いが大きいからである。レンズが０次と１
次において均一な光強度を提供するのは、エシュレット
の深さがλ／２であるときのみである。ここで、奇数と
偶数ゾーン間の厚さの差異は平衡化されている。エシュ
レットの深さがλ／２未満に低下したとき、奇数ゾーン
と偶数ゾーン間の厚さの違いが最小化され、このことは
０次における光強度を増大させる。

当該技術において欠乏しているものは、ステップの深さ
を変化したとき０次と１次又は任意の他の複数の次数の
組み合わせに対して光強度の所望の分配を保持する柔軟
性である。エシュレットの深さがレンズ設計において変
数であるが、レンズの設計者が０次と１次又は次数の任
意の他の組み合わせに対して光の好ましい分配を有する
レンズを製造する能力を有する、多焦点、特に２焦点レ
ンズを形成するための能力を有することが所望される。

位相プレートの光学を用いるが、放物線形状のプロフィ
ールに対するファセットの構造の束縛から解放されるレ
ンズの仕様がここで記述される。

本発明のレンズの仕様は、エシュレット形状の広い選択
を利用するのがレンズの製造者に対して近焦点と遠焦点
で光の所望される分配を行うことを可能にさせるレンズ
、特にコンタクト・レンズをレンズの製造者が製造する
ことを可能にしている。

レンズ仕様におけるこの柔軟性は、レンズの製造者から
、エシュレットの深さ、従来の放物線又は平坦なプロフ
ィール並びに同様の考察のようなレンズ設計における束
縛を解放している。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、特定の波長で動作するように設計されかつｒ
２空間でまた曲げられた回転対称であって曲線を有する
繰り返しパターンを含むコーエン・レンズの仕様の位相
ゾーンプレートを備える回折多焦点光学素子に関する。

他の態様において、本発明は、 （ｉ）特定の波長で動作するように設計されかつ（ｉｉ
　）（ａ）−’Ｔの間隔に従って周期的であり、（ｂ）
ｒ２空間でまた曲げられた曲線を有するプロフィールを
有し、（放物線形状の曲線を有するプロフィールはｒ２
空間で線形であり曲げられないことが指摘される。） （ｃ）約λ／８又はそれ以上の光学通路に位相シフトを
導入するために十分なパターン内における調整を含み、
ここでλは設計波長であり、（ｄ）２つの焦点における
光強度が、各焦点に対してλにおいて入射光の少なくと
も２０パーセントを有し、かつ２つの焦点における強度
の比が約０゜５と２．００との間にあるように相互に関
連がある回転対称な繰り返しパターンを含む位相ゾーン
プレートを備えた回折多焦点光学素子に関する。

本発明はまた、特定の波長で動作するように設計され相
互に関連し回転対称であって曲線を有する繰り返しパタ
ーンを含むコーエン・レンズ仕様の位相ゾーンプレート
を備えた回折多焦点光学素子によって特徴づけられ、こ
こで上記曲線を有する繰り返しパターンはさらにｒ２空
間において曲げられ、上記繰り返しパターンの厚さ又は
屈折率における変化性は、２つの焦点における光強度が
各焦点に対してλにおいて入射光の少なくとも２０％を
有しかつ２つの焦点における強度の比が約０゜５と２．
００との間にあるように相互に関連がある。

本発明の一実施例は、視覚ゾーン内に少なくとも２つの
位相ゾーンプレートを含む目のコンタクト・レンズに注
意が向けられ、上記位相ゾーンプレートの少なくとも１
つは前述の光学素子の特徴を有する。

本発明のもう１つの実施例は、視覚ゾーン内で、（１）
前述の光学素子の特徴を含む位相ゾーンプレートと、（
２）好ましくは１個又はそれ以上のチャネルの形式であ
る純粋の屈折部とを有する目のコンタクト・レンズに注
意が向けられる。

［実施例］ 本発明は、コンタクト・レンズにおいて最も好ましい使
用方法を見つける。本発明は、コンタクト・レンズの前
部又は後部もしくは画部分上に光学素子を備えることを
必要とする。上記光学素子をコンタクト・レンズに旋盤
法又は鋳型法を用いて提供するようにしてもよい。本発
明は好ましくは、多焦点（特に２焦点）内部接眼レンズ
において用いられる。

本発明は、回折２焦点光学素子に関する。この素子は、
コーエンによって教授された多焦点特性を得るために円
形でブレーズされた回折格子を利用する。このブレーズ
された格子は、７７セツトの深さＤＯとブレーズされた
ファセット自身のプロフィールの両方を調整することに
よって、２焦点間の光の分配を調整することを可能にし
ている。

本発明は、光学素子のファセットに対して新しいプロフ
ィールを利用している。新しいプロフィールは非放物線
形状であって非線形である。プロフィールの形状はファ
セットの深さに調整され、これによってレンズ設計に最
大の柔軟性を提供している。

本発明は、特定の波長で動作するように設計されかつ「
２空間でまた曲げられる回転対称であって曲線を有する
繰り返しパターンを含むコーエン・レンズ仕様の位相ゾ
ーンプレートを備える回折多焦点光学素子を含む。この
ことは、上記プロフィールの曲率が線形及び放物線形状
のいずれでもなく、従来技術によって予期されてきた唯
一のプロフィールの曲率であることを意味する。

さらに詳しくは、本発明は、 （ｉ）特定の波長で動作するように設計されかつ（■）
（ａ）、／””ｉ’ｉの間隔に従って周期的であって、
これによってコーエン・レンズの仕様を繰り返し用いる
ことができ、 （ｂ）ｒ”空間でまた曲げられた曲線を有するプロフィ
ールを有し、これによってプロフィールが線形又は放物
線形状でないことを確立し、 （ｃ）約λ／８又はそれ以上の光学通路に位相シフトを
導入するために十分なパターン内において（しンズの厚
さ又は屈折率における変化性によって特徴づけられた）
調整を含み、ここでλは設計波長であり、 （ｄ）２つの焦点における光強度が各焦点に対してλに
おいて入射光の少なくとも２０パーセントを有しかつ２
つの焦点における強度の比が約０．５０と２．００との
間にあるように相互に関連し、好ましくは、２つの焦点
における光強度が各焦点に対してλにおいて入射光の少
なくとも３０パーセントを有しかつ２つの焦点における
強度の比が約０．７５と１．５０との間であるように上
記パターンが相互に関連し、最も好ましくは２つの焦点
が０次と１次で存在しかつ強度の比が約０．８から約１
．２までの間である。回転対称な繰り返しパターンを含
む位相ゾーンプレートを備える回折多焦点光学素子に注
意が向けられる。

本発明は、多焦点特性を得るために円形でブレーズされ
た回折格子を利用する回折２焦点光学素子に関し、ここ
で、ブレーズされた格子はファセットの深さＤｏとブレ
ーズされたファセット自身のプロフィールの両方を調整
することによって２焦点間の光の分配を調整することを
可能にし、ブレーズされたファセットは、Ｊ’Ｗのゾー
ン間隔に従って分割された交互の傾きを提供する。

本発明の７アセツトの配置は、従来技術においてファセ
ットの全周期（λ）間隔と考えられたものを、２つの交
互の半周期ゾーン毎に対して唯一の非屈折性円柱形状（
又は本質的に円柱形状）の表面を含む交互の傾斜された
半周期（λ／２）のファセットを有するゾーンに分割す
ることを含み、そのような２つの交互の半周期ゾーンは
、半周期ゾーン間の設計波長において位相ソフトの効果
を与えるなめらかな表面を有するファセットによって相
互に連結される。非屈折性の本質的に円柱形状又は円柱
形状の表面のすべては、例えば３倍の設計波長の深さ未
満、すなわちく３λの任意の深さにおいて存在する。本
発明の交互のゾーンは、レンズの焦点間の光の分配の制
御を行うことを提供する。

交互のゾーンのプロフィールの傾きを調整することによ
って、所望の焦点に対する光の強度を変更することを可
能にしている。

本発明は、少なくとも２つ（好ましくは２つ）の主要な
焦点に光を独立して収れんさせる能力を有するレンズの
表面層内に、重ね合わせられ、刻みつけられ、及び／又
は埋められた回折２焦点光学素子を含み、ここで、上記
素子は、２つの交互の半周期ゾーン毎に対してただ１つ
の非屈折性の円柱形状（又は本質的に円柱形状）の表面
を含む交互の傾斜された半周期（λ／２）のファセット
を有するゾーンを備え、そのような２つの交互の半周期
のゾーンは、半周期ゾーン間における設計波長光に対し
て位相シフトの効果を与えるなめらかな表面を有するフ
ァセットによって相互に接続される。

すべての非屈折性の本質的に円柱形状又は円柱形状の表
面は、例えば約３倍の設計波長の深さ未満、すなわちく
３λである。

本発明は、非放物線ゾーンのプロフィールが有効的な回
折２焦点素子のために選択されることが可能な方法を提
供する。この方法は次のように説明される。

１．０次と１次の両方の光強度の値を等しいように保持
し７アセツトの深さＤＯを変化させ、例えば０次と１次
の両方の光強度の値を約４０％で保持するか、又はＤａ
の値を保持し０次と１次の強度の値を変更するかの決定
がなされる。

２、一般に受容される放物線のプロフィールと異なるフ
ァセットのために透過プロフィールを選択する。

３、新しいプロフィールの方程式をキルヒホッフの回折
積分に適用し、その結果が、ファセットの深さの変化に
対して、すなわち４λ／ｖ−１などに対して１つの軸上
で０から１００％までのスケールで０次と１次における
強度に対してプロットされる。

４、結果として得られる曲線が互いに交差するところは
、交差点に対するファセットの深さで有用なプロフィー
ルを画成する。

キルヒホッフの回折積分方程式１ａとｌｂは、表面のレ
リーフの位相プレートの考察のために有用である。

（ｌａ）Ｉｎ＝Ｔｎ−Ｔｎ＊　　並びにここで△（ρ）
＝表面のレリーフ・プロフィールＰ＝「２ ｒ　＝　２焦点位相プレート・レンズの中心から外側へ
の放射方向の距離 ｉ＝、／”Ｔ ｋ＝２π／λ。

ｖ＝２焦点位相プレート・レンズの屈 折率 １ミー１／（２λｏｆｎ）＝　　ｎ／（２λＯａ）方程
式（１ｂ）の積分は、積分が２つの半周期ゾーンをカバ
ーするように奇数ゾーンと偶数ゾーンの両方を含むよう
に０から２λ、ｄまで積分される。

方程式（１ｂ）から、位相プレートの透過プロフィール
は次式によって特徴づけられる。

ｅｘｐ（ｉ　Ｉ）＝ｅｉ−透過プロフィール（２ａ）ｔ
ｄ＝ｋ（７７−１）へ（Ｐ）　　位相減速度　　（２ｂ
）変数のプロフィールを有するレンズを形成するプロセ
スにおいて、第１のステップは、０次と１次の両方の光
強度の値が等しいように保持し７アセツトの深さＤＯを
変化させ、例えば０次と１次の両方の光強度の値を約４
０％で保持させるか、又はＤｏの値を保持し０次と１次
の強度の値を変更するかの決定を行うことである。この
プロセスの次に、方程式に適用するための透過非放物線
プロフィールの選択が行われる。この−例が次式で表わ
される。

△（ρ）−△。・（ｌ／２＋ｌ／２・ｃｏｓ（πＰ／ｒ
ｌす１（３ａ）上記方程式において、Δ。はエシュレッ
トの最大の表面レリーフの深さを表わす。これをキルヒ
ホッフの回折積分に適用すると、その結果は次式％式％ ここでＪｏとＪ２はベッセル関数である。

ファセットの深さ△。の変化に対して１つの軸上でＯか
ら１００％までのスケールで０次と１次における強度に
対する結果をプロットすることによって、結果として生
じる曲線が互いに交差するところで、△。の■つの値が
０次と１次における光強度を等しくすることを証明でき
る。この値は次式のようになる。

△。−０，４０５λ。／（ｖ−１） これは次式の最大の位相減速度に対応する。

ｄｏ＝ｋ（ｖ　　１）△ｏ−０，８１ｒｒａｄここで０
次と１次の光強度は約４０％である。

本発明の注目すべき態様は、設計された焦点においてす
ぐれた光強度の利益を達成するための、交互のファセッ
トで必要とされる傾きにおける最小の差である。例えば
、従来の放物線形状からの傾斜におけるただ単に小さな
差が、本発明の利点を提供するレンズを形成するために
半周期ゾーンにおいて必要とされる。

そのような小さな差は、全周期のゾーン測定にわたって
でさえもファセットが小さいという理由によって生じる
。例えば、本発明の一実施例はコンタクト・レンズに用
いることができる。

◇ここで、位相プレートは８個の全周期ゾーンを備える
ように特徴づけられるとともに、レンズの後表面に位置
し、 ◇上記レンズは目の形状に一致し、遠焦点に対する典型
的な屈折を提供し、 ◇設計波長は黄色光に対して約５５５ナノメーターであ
る。

大きさは次の通りである。

■光軸における第１のゾーンは約０．７５ミリメーター
の半径を有し、 ■光軸から離れた最後のゾーンは、約０．１４ミリメー
ターの、ゾーンの外周に対する半径とゾーンの内周に対
する半径との差によって定義された幅を有し、 ■各ファセットの深さは約０．００３ミリメーターであ
る。

しかしながら、約ＩＦｒにおける点で生じるプロフィー
ルの表面の屈曲によって生じる１６個の半周期ゾーンの
間隔に関して測定されたこの同一の構造の大きさは次の
通りである。

■光軸における第１のゾーンは０．０５３ミリメーター
の半径を有し、 ■光軸から離れた最後のゾーンは、約０．０６７ミリメ
ーターの、ゾーンの外周に対する半径とゾーンの内周に
対する半径の差によって定義された幅を有する。

全周期のゾーン間隔にわたって従来の放物線形状を有す
るファセットを備えた光学素子を、０゜００３ミリメー
ターのステップの深さを利用する本発明の半周期のゾー
ン間隔及びファセットのプロフィールを備える光学素子
と比較すると、半周期のゾーン間隔は、７アセツトのプ
ロフィールを反映する曲線のもとで少しより小さな面積
を有することがわかる。その差は約１％の面積の差から
約１０％の面積の差までとほぼ同様の小さな差である。

典型的には上記差は約２ないし約５％の面積の差である
。上述の例において、面積の差は約３％である。面積の
差が小さいように思われるとき、レンズの性能に対する
寄与が極めて重要である。

従来技術の放物線形状のエシュレットと、全周期の間隔
を有し、０．８λ／２のエシュレットの深さを有するレ
ンズは、次の光強度分布を提供する。

−１Ｏｌ Ｏ，０５０，５７０，２５ それは、次の強度をアナログで示すクラインとホーの記
述と比較すべきである。

ｍ＝　　　　　　３．非交互 （ｂ−０，５） −４０，００５０ −３０，００８３ −２０，０１６２ −Ｉ　　　　　　Ｏ，０４５０ ００，４０５３ １０，４０５３ ２０，０４５０ ３０，０１６２ ４０，００８３ ０，８λ／２の深さを保持しているプロフィールにおけ
る少しの修正は、０次及び１次において０．４０５の光
強度分布を提供する本発明によって含まれる２焦点素子
を与える。

もう一つの態様において、本発明は、ゾーンは実質的に
ＪＷに比例して間隔がおかれかつゾーンがλ／２未満の
光学通路長に不連続性を導入するステップを有するファ
セットを有する環状同心のゾーンを含む位相ゾーンプレ
ートを備えた回折多焦点光学素子を含む。本発明はまた
、ファセットのステップの深さがλ／２（ｖ’−ｖ）未
満であって、光学素子における（ｉｒの間隔に従って交
互のステップを有する繰り返しパターンを提供する７ア
セツトを有する環状同心のゾーンを含む位相ゾーンプレ
ートを含み、ここで１′及びｌはそれぞれ、レンズが相
互に作用するレンズと媒質の屈折率であり、λは設計波
長である。

本発明の特別な実施例において、この光学素子は、交互
のステップを有する繰り返しパターンを提供する環状同
心のゾーン内のファセットを備え、ここで、 １、交互のゾーンの１つのファセットは、他の交互のゾ
ーンの異なるように傾斜されたカーブを有するファセッ
トを提供するもう１つのカーブを有するプロフィールに
よってゾーンの境界において中断された傾斜カーブを有
するプロフィールを有し、 ２、ゾーンは実質的にｆ正に比例して間隔がおかれ、 ３．７７セツトの深さはλ／２未満であり、４、各主要
な焦点において視覚の使用のために少なくとも十分な強
度で黄色光が少なくとも２つの主要な焦点に向けられる
ようにゾーンが切断され、５、交互のパターンがなけれ
ば、上記素子はそのような強度を有しない。

本発明は、コーエン・レンズの仕様による２焦点光学素
子を含み、ここで位相ゾーンプレートの奇数と偶数のゾ
ーンは、 ａ、　ｒ、＃Ｊ冊丁初間隔に従い、 ｂ、少なくとも他のゾーン境界毎に非屈折性のステップ
インターフェイスと隣接しかつ離れ、そのような隣接す
るインターフェイスにおいてスロープを有するプロフィ
ールを残し、 Ｃ１各奇数ゾーンの断面は同一の一般のプロフィールを
有し、各偶数ゾーンの断面は同一の一般のプロフィール
を有し、 ｄ、奇数ゾーンの一般のプロフィールは偶数ゾーンのそ
れと異なり、 ｅ、ゾーンに対するステップの深さはλ／２未満である
。

好ましくは、スロープのプロフィールはゾーンからゾー
ンへのなめらかな変化を提供する。

もう１つの態様において、本発明は、交互のプロフィー
ルを含むファセットを有するステップの位相ゾーンプレ
ートを備えたコーエン仕様の２焦点光学素子を含み、こ
こで、 ａ９位位相ゾーンプレートｒ　＊　＃（丁ヨ■に従い、
ｂ、交互のプロフィールが全周期の間隔内で生じ、０、
７アセツトは約λ／２未満の深さを有し、ｄ、各主要な
焦点において視覚の使用のために少なくとも十分な強度
で黄色光が少なくとも２つの主要な焦点に向けられるよ
うにゾーンが切断され、ｅ、そのような交互のプロフィ
ールがなければ、ゾーンは視覚の使用のためのそのよう
な強度を有しない。

好ましい実施例において、本発明の光学素子は、およそ
半径ｒ、に位置する過渡プロフィールを介して半径ｒ、
で結合された２つの異なった曲線を有するプロフィール
を提供する光学的回折性の７アセツトを備え、上記過渡
プロフィールは上記２つの異なった曲線を有するプロフ
ィールと異なったプロフィールの曲率を有し、これによ
ってそのような過渡プロフィールにおいて環状同心のゾ
ーンを形成するために、ゾーンは実質的にｌＴｒに比例
して間隔がおかれ、各主要な焦点において視覚の使用の
ために少なくとも十分な強度で黄色光が少なくとも２つ
の主要な焦点に向けられるようにゾーンが切断され、曲
線を有するプロフィールがなげれば上記素子は視覚の使
用のためにそのような強度を有しないであろう。

本発明は、光学素子を含む例えばコンタクト・レンズ及
び内部接眼レンズのような目のレンズに関する。本発明
の好ましい実施例において、上記口のレンズは、光を本
質的に等しい強度で２つの焦点に分配する２焦点レンズ
である。本発明の最も好ましい実施例において、レンズ
の光学素子は、次式によって含まれるプロフィールを有
するゾーンの繰り返しパターンを備える。

ｄ−Ｄｏ　・（１／２＋　１／２　・ｃｏｓ（ｙｒ　−
ｒ”／ｂ”））ここで、ｄは繰り返しプロフィールの深
さであり、ｒはゾーンの放射方向の位置であり、ｂは１
次ゾーンの半径であり、ＤＯは設計波長に対する７アセ
ツトの深さである。

本発明のもう１つの態様は、本発明のすぐれた２焦点レ
ンズの特性を与えるために本発明の交互の半周期ゾーン
間に存在する共働及び協同の働きである。例えば、もし
交互のゾーンのいずれかの組が他のゾーンに対して繰り
返されたならば、これによって交互の特性を除去し、そ
の結果得られるレンズは、それぞれ０．８５と０．７５
で１ある全体的に繰り返された奇数ゾーンと、それぞれ
０゜８８５と０．０７７である全体的に繰り返された偶
数ゾーンの、平行光と１次の強度分布を有する。

それらがともに動作するとき、それらは非常に異なった
強度分布を提供する。

本発明の一実施例において、位相ゾーンプレートの交互
のゾーンの各ファセットはλ／２未満の深さを有し、こ
こで、λは位相ゾーンプレートの設計波長である。１つ
のゾーンのファセットがもう１つのゾーンのファセット
に曲線を有するプロフィールによって結合される場合に
おいて、もし実施例に従ってそれらのゾーンの７アセツ
トのただ１つが非屈折性表面を表わすステップの立上り
から形成されるならば、２つのゾーンの７アセツトがλ
／２未満の結合された深さを有するであろう。この特別
な場合、計算の便宜上、結合の深さが全周期のゾーンの
間隔の概念から調べられる。

しかしながら、そのような交互の傾斜されたゾ−ンのフ
ァセットは変数の深さを有するものとみなされる。この
ファセットの深さは、λ／２の約０゜０１倍から約０．
９９倍ま５で、好ましくはλ／２の約０．０５倍から約
０．９５倍まで、最も好ましくはλ／２の約０．１倍か
ら約０．９倍までの範囲内にある。

本発明は、ファセットの深さが制限されることなしに０
次及び１次となる２つの球面波の必要な等分、又は実質
的に等分である、エネルギーの分配を行う種々の７７セ
ツト（エシュレット）の回折２焦点レンズを構成するこ
とを可能にしている。

本発明は、現われる２つの球面波間のエネルギーの分配
が １、ファセット（エシュレット）の深さと２、実際のフ
ァセット（エシュレット）のプロフィール の相互関係によって決定されるという新しい概念を支持
する。

適当にファセット（エシュレット）のプロフィールを描
くことによって、設計波長に基礎をおく約３倍の波長の
最大の深さの道理に合った制限を仮定すれば、任意の深
さの７アセツト（エシュレット）を有する回折２焦点レ
ンズを切断するときでさえ等分のエネルギーの分配を得
ることができるということが決定されてきた。

第１図において、収れん性の屈折及び回折の効果を与え
る曲率を有する回折２焦点レンズＣＬが図示されている
。この図において、（推定された全周期の間隔で予言さ
れた）光学素子Ｅは入射平面波を２つの球面波が支配的
である波頭に変換する。例えば、平面の位相フロンＩＰ
’を有する入射光波はレンズＣＬの前表面ＡＳを通過し
、強度■、と！、をそれぞれ有する支配的な２つの球面
位相フロントＳ１と５２として後表面ＰＳから現われる
。

後表面ＰＳは、回折性エシュレットＥとそれらに対応す
る非光学的エツジＮを備える。回折性光学素子のファセ
ット（エシュレット）の間隔は、次の標準式によって与
えられる。

ら鴨１・ｒｔ ここで、ｒ、は（全周期間隔を利用する）ｎ次のゾーン
の半径である。ｌと７′はそれぞれ空気とレンズＣＬの
屈折率である。２つの球面波頭の焦点の位置は、１次ゾ
ーンの半径ｒ□とレンズＣＬの搬送波電力によって決定
される。特に、ｍ次の焦点ｆｍは次式によって与えられ
る。

ｆｍ＝（ｒυ”／（２−λ・ｍ） ここで、λは波長であり、ｍは０．±１．±２などであ
る。

望ましいエネルギーの分配は、現われる２つの球面波が
等しい量の全体のエネルギーを伝送するとき、すなわち
、１ｌ−Ｉ！であるとき生じることが提案されてきた。

現在の文献は、これは７アセツト（エシュレット）の深
さＤＯが１／２の波長の深さで設定されるときの場合で
あることを述べている。（前述のクライン及びホーの文
献を参照せよ。）第２図は、従来技術において用いられ
る標準の放物線プロフィールを図示している。（前述の
ライグラ−の文献を参照せよ。）繰り返しプロフィール
の深さｄは次式のように放射方向の位置「の関数として
示される。

ｄ＝　Ｄｏ　・（１ｒ”／　ｂ”） ここで、ｂは１次ゾーンの半径である。

このプロフィールは各ゾーンにおいて繰り返され　ｒ２
空間において全く同一であるが、スケールは通常のｒ空
間における各ゾーンの幅に比例して小さくされる。０次
及び１次における等分のエネルギー分配のためのファセ
ット（エシュレット）の深さは次式によって示される。

Ｄｏｏ、５００・λ／（ｎ−１） ここで、ｎは屈折率であり、強度の分配は次式によって
与えられる。

１１−１！−（２，０／π）”−０，４０５第２ａ図は
、従来技術のプロフィールと本発明のプロフィール間の
差異を説明するｒ！室空間示された第２図の曲線のグラ
フであり、これについては第４ａ図を参照せよ。

第３図は、第４図に図示された仕様に従ってファセット
を含む回折２焦点光学レンズを図示している。ファセッ
トの深さは、従来技術のレンズによって必要とされる深
さの０．４０５１０．５００＝８０％である。

第４図は本発明の一実施例において用いられる新しい余
弦プロフィールを図示している。繰り返しプロフィール
は次式によって与えられる。

ｄ−Ｄｏ・（ｌ／２＋１／２・ｃｏｓ（π・ｒ２／ｂ２
））等分のエネルギー分配のためにステップの非屈折性
エツジ間の全周期の間隔を利用するが半周期の間隔内で
交互に傾斜されたファセットを含むファセットの深さは
、 Ｄｏ＝０．４０５・λ／（ｎ−１） によって与えられ、強度の分配は次式によって与えられ
る。

Ｉ　ｒ−１２＝　Ｊ　ｏ”（０，４０５・π）＝０．４
０３ここで、Ｊｏはベッセル関数である。

第４ａ図は、ｒ２空間のすべての曲率を失う従来技術の
位相プレートと対照して見ると、本発明の位相プレート
のプロフィールがｒ２空間でさえそれらの曲率のいくつ
かを保持することを説明するｒ２空間で図示された第４
図の曲線のグラフを図示しており、これについては第２
ａ図を参照せよ。

第３図は、前表面Ａｓと周辺の後表面ＰＳを有する光学
レンズＣＬを図示している。この実施例において、視覚
ゾーンの後表面は、回折性ファセット（エシュレット）
Ｅとそれらに対応する非光学的エツジＮを備える。７７
セツト（エシュレット）Ｈの物理的なプロフィールは次
式によって与えられる。

ｄ−Ｄｏ　・（１／２＋　１／２　・ｃｏｓ（ｙｒ　・
ｒ”／　ｂす）ここで、ｄはファセット（エシュレット
）の厚さであり、ｒはゾーンの内部エツジからの放射方
向の距離であり、（そのようなプロフィールは各ゾーン
において繰り返されるがスケールが各ゾーンの幅に比例
して小さくされ、）その範囲内においてファセット（エ
シュレット）が形成され、そのようなプロフィールが交
互に生じ、ｂは第１のゾーンの半径である。この特別な
プロフィールが第４図に図示される。

第５図は、従来技術（第２図を参照せよ。）の放物線エ
シュレットの仕様ａ特性と、第４図の余弦プロフィール
ｂと、２焦点レンズのためのもう１つの用いることがで
きるプロフィールＣのオーバーレーである。このオーバ
ーレーの目的は、本発明と従来技術の構造間のプロフィ
ールの違いを図示することにある。特に、Ｊπの間隔に
おける曲線すのプロフィールにおけるシフトに注意すべ
きである。その小さな差は、曲線すのプロフィールを、
本発明のレンズ素子のためのファセットのプロフィール
として適当に用いることができることを可能にしている
。

７アセツトＣの物理的なプロフィールは次式によって与
えられる。

ｙ−１−［（ｒ−１／ｆ〕）／（１−１／ｆｌ）１その
ような減少された深さにおけるプロフィールａとＣは０
次と１次に対して光の等分の強度分配を行うことはでき
ず、一方、次式が成立するときプロフィールａとＣは光
の等分の強度分配を行うことができる。

Ｄｏ−０，５０Ｃ１λ／（ｎ−１） 第６図ないし第１０図は、第２図のレンズ構造における
本発明に従って用いることができる種々の有用な７アセ
ツトのプロフィールを図示している。

第６図は、奇数及び偶数ゾーンによって表わされた交互
の半周期の傾斜されたゾーンの繰り返しシーケンスにお
ける第４図のプロフィールのグラフをｘ−ｙ軸に沿って
図示している。この特別な実施例は次式によって特徴づ
けられる。

ｙ”０．４０５λ／（ｎ−１）　・（１／２＋　１／２
ｃｏｓ（ｙｒ　ｒ２／２ｒａ２）１１、−　Ｉ　、−０
，４０２ ここで、λは設計された波長であり、ｎはレンズ媒質の
屈折率である。

第７図は、ｘ−ｙ軸に沿って図示されたもう１つのプロ
フィールのグラフであり、ここで、ステップの非屈折性
エツジの深さはさらに０．３１λに減少され、偶数の半
周期ゾーンの深さが非屈折性エツジとの曲線の接続を有
する。本発明のこの実施例は次式によって特徴づけられ
る。

ｙ＝ｏ、３１４λ／（ｎ−１）　・２．５（１／２＋１
／２ｃｏｓ（ｙｒ　Ｓ／２ｒｏす）−０，３１４λ／（
ｎ−１）　・１．５（１，−ｒ２／２ｒ、’）１、−１
１−０．３９０ 第８図は、ステップのエツジが傾斜されたプロフィール
を図示し、そのエツジが位相ゾーンプレートの光学的性
質に寄与することを提案している。

この実施例における半周期の交互のゾーンのプロフィー
ルは前の仕様とは異なり、これは主に非屈折性エツジが
実質的に取り除かれたからである。

この実施例は、次式によって特徴づけられる。

ｙ−λ／（ｎ−１）（ｒ’／ｒｏ”＋ｃｏｓ（ｒｒ”／
２ｒｏリー１）■。−Ｉ　、−０，３１４ この実施例においては、奇数ゾーンに対するファセット
の深さがさらに０．２１λに減少されたが、偶数ゾーン
はもう１つの０．２１λだけの奇数ゾーンの底部未満の
深さを有する。

第９図は、偶数ゾーンの傾きがステップの非屈折性エツ
ジと接続される前に２つの反対側に面する曲線を表わす
底部の曲率を有する場合のファセットを有するプロフィ
ールを示している。本発明のこの実施例は次式によって
特徴づけられる。

ｙ−０，３９４λ／（ｎ−１）（０，２８７＋〇、７３
１Ｊ−（４，２０−ｒ”／２ｒ、す）■。−■、　−０
，４０２ ここで、Ｊｏはベッセル関数である。

第１０図は、２つの位相ゾーンプレートと純粋の屈折部
を含むもう１つのファセットのプロフィールを示してい
る。この実施例においては、減少が・視覚ゾーンを通し
て存在することが必要ではないが、全周期ゾーンから全
周期ゾーンまでの深さにおいて減少が存在する。例えば
、視覚ゾーンの全周期ゾーンの第１の半分はただ１つの
深さであり、全周期ゾーンの第２の半分においては、深
さが前進的に減少される。そのような実施例の好ましい
モードにおいて、同−又は異なった深さのいずれの深さ
を有するにせよ、各ステップは視覚ゾーンの共通のプレ
ーンに沿って等しく分配される。

純粋の屈折部分は好ましくは、視覚ゾーン内及び／又は
視覚ゾーンの周囲を囲んで含まれる１個又はそれ以上の
チャネルの形式で表わされる。第１Ｏ図の特別な実施例
は次式によって特徴づけられる。

７ｍ５λ／（ｎ−１）　（１／２＋　１／２ｃｏｓ　ｒ
　／２　・ｒ”／ｒｏ”）ここで、ａはゾーンからゾー
ンへ減少する。

第１１図は、エシュレットの深さがλを超え、このとき
１．２λである位相ゾーンプレートの仕様を図示してい
る。プロフィールの形状は余弦波形状である。第１１図
の形状のこの実施例は次式によって特徴づけられる。

ｙ＝１．２λ／　（ｎ−１）　（１／２＋　１／２ｃｏ
ｓ　ｔ　／２　・ｒ”／ｒｏ”）■。＝　０．４０４　
Ｉ　、　＝　０．３５８第１２図及び第１３図のファセ
ットを有するプロフィールは、ステップが９１からｒ２
などに進むことを可能にするＱ＋における全周期ゾーン
Ｉこ間隔の減少を導入している。交互のゾーンにおける
この間隔の減少によってゾーンのＪＴ間隔を変更するこ
とは考えられない。第１２図は次式によって特徴づけら
れる。

ｙ、−０，４０（１／２＋１／２ｃｏｓ［（ｒ／ｒ”−
ｒ、−ｔつ（Ｑｓ”　　ｒ、す］）ここで、ｒ、、（ｒ
（ｑ、である。

ｙ、　＝０．４０（１／２＋１／２ｓｉｎ［ｒ　（ｒ’
−（ｒ、’＋ｑ、す／２）／（ｒ、”−ｑ、す］ここで
、ｑｓ＜ｒ＜ｒｓ−＋である。

ｒ、＃Ｖ７′Ｔｉ１ｉ′ａＴ ｑ、露ｒｅ−ＩＤｒｍ　　ｒｍ−１）／σσ−１，０８
６ 第１３図は次式によって特徴づけられる。

ｙ、＝０．３９（１／２＋１／２ｃｏｓ［ｒ／（ｒ”−
ｒ、−＋”）／（ｑ、”−ｒ、す］）ここで、ｒいｒ　
＜ｒ　＜ｑ、である。

ｙ、＝０．３９（１−（ｒ−ｒ、）／（ｒ、−ｑ、）”
）ここで、ｑｓ＜ｒ＜ｒｅである。

ｒ、＃ｖ’フ而Ｔ 面ｓ−ｒｅ−＋”（ｒｓ　　ｒｓ−１）／ａｔＩ−１，
０８６ 多くの明らかな変形例が当業者に考えられるので、本発
明はここで図示され記述された構成の正確な詳細に限定
されないことが認識される。ファセットの曲線を有する
プロフィールの形状の種類は、特に示されたものに限定
されない。多くの他の曲線を有するプロフィールは、有
用な２焦点光学素子として動作するために０次と１次に
対して光の強度の有効的な分配を行う光学素子を製造す
るために適当に用いることができることは明らかである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術のコーエン・レンズ仕様の一／ＦＶ
の間隔パターンを有し県警的な放物線形状のエシュレッ
トを備えた回折２焦点光学素子の縦断面図であり、 第２図は、例えばライグラ−によるレンズのような典型
的な従来技術の回折２焦点光学素子から切断されたエシ
ュレットのプロフィールを図示する曲線のグラフであり
、 第２ａ図は、ｒ２空間で図示された第２図の曲線のグラ
フであり、 第３図は本発明による一実施例の光学素子の縦断面図で
あり、 第４図は第３図の光学素子のファセットのプロフィール
を図示する曲線のグラフであり、第４ａ図は、ｒ２空間
で図示された第４図の曲線のグラフであり、 第５図は、従来の放物線プロフィールを有する従来技術
の全周期の間隔を有するエシュレット・ゾーンのプロフ
ィール、並びに、多重プロフィールの中断された構造を
含む半周期の間隔を有するファセット・ゾーンのプロフ
ィールを図示するグラフであり、 第６図ないし第１３図は、本発明の範囲内の光学素子の
ための種々のファセットの配置の断面図を示すグラフで
ある。 ＣＬ・・・回折２焦点レンズ、 Ｅ・・・回折性エシュレット、 Ｐ・・・位相フロント、 ＡＳ・・・レンズの前表面、 ＰＳ・・・レンズの後表面、 Ｎ・・・非光学的エツジ。 出願人　　アレン・エル・コーエン 代理人　弁理士　胃山　葆　ほかＩ名 Ｕ、υ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１
．Ｑ／４２　　　　　　　　１．ＵＦＩＧ、２ａ ＦＩＧ、４ａ ず「　ずΣ−ψ「供「

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）特定の波長で動作するように設計され回転対称な
   曲線繰り返しパターンであって、ｒ＾２空間においても
   曲げられているものを含むコーエン・レンズ仕様の位相
   ゾーンプレートを備えたことを特徴とする回折多焦点光
   学素子。
2. （２）（ｉ）特定の波長で動作するように設計されかつ （ｉｉ）（ａ）√ｎの間隔に従って周期的であり、 （ｂ）ｒ＾２空間でまた曲げられた曲線プロフィールを
   有し、 （ｃ）約λ／８又はそれ以上の光学通路に位相シフトを
   導入するために十分なパターン内における調整を含み、
   ここでλは設計波長であり、 （ｄ）２つの焦点における光強度が、各焦点に対して波
   長λの入射光の少なくとも２０パーセントを有しかつ２
   つの焦点における強度の比が約０．５と２．００との間
   にあるように相互に関連がある回転対称な繰り返しパタ
   ーンを含む位相ゾーンプレートを備えたことを特徴とす
   る回折多焦点光学素子。
3. （３）視覚ゾーン内に少なくとも２つの位相ゾーンプレ
   ートを含むことを特徴とする請求項第１項記載の素子。
4. （４）純粋な屈折部をさらに含むことを特徴とする請求
   項第１項記載の素子。
5. （５）目のレンズの形式であることを特徴とする請求項
   第１項記載の光学素子。
6. （６）コンタクト・レンズ及び内部接眼レンズのうちの
   １つの形式であることを特徴とする請求項第５項記載の
   レンズ。
7. （７）目のレンズの形式であることを特徴とする請求項
   第２項記載の光学素子。
8. （８）コンタクト・レンズ及び内部接眼レンズのうちの
   １つの形式であることを特徴とする請求項第７項記載の
   レンズ。
9. （９）目のレンズの形式であることを特徴とする請求項
   第３項記載の光学素子。
10. （１０）コンタクト・レンズ及び内部接眼レンズのうち
    の１つの形式であることを特徴とする請求項第９項記載
    の目のレンズ。
11. （１１）目のレンズの形式であることを特徴とする請求
    項第４項記載の光学素子。
12. （１２）コンタクト・レンズ及び内部接眼レンズのうち
    の１つの形式であることを特徴とする請求項第１１項記
    載の目のレンズ。
13. （１３）特定の波長で動作するように設計され相互に関
    連し回転対称であって曲線を有する繰り返しパターンを
    含むコーエン・レンズ仕様の位相ゾーンプレートを備え
    た回折多焦点光学素子であって、上記曲線を有する繰り
    返しパターンはさらにｒ＾２空間において曲げられ、上
    記繰り返しパターンの厚さ又は屈折率における変化性は
    、２つの焦点における光強度が各焦点に対してλにおい
    て入射光の少なくとも２０％を有しかつ２つの焦点にお
    ける強度の比が約０．５と２．００との間にあるように
    相互に関連があることを特徴とする回折多焦点光学素子
    。
14. （１４）回折２焦点素子を提供するために非放物線形状
    のゾーンのプロフィールを含む位相ゾーンプレートを製
    造するための方法であって、 （ａ）０次と１次に対する所望される光強度の値と、一
    般に受容される放物線形状のプロフィールと異なったフ
    ァセットに対する透過プロフィールを特徴づけることと
    、 （ｂ）新しいプロフィールの方程式をキルヒホッフの回
    折積分に適用し、ファセットの深さの変化に対して１つ
    の軸上で０から１００％のスケールで０次と１次におけ
    る強度に対する結果をプロットすることと、 （ｃ）交差点に対するファセットの深さにおいて有用な
    プロフィールを画成するために結果として生じる曲線が
    互いに交差する場所を決定することと、 （ｄ）そのように画成されたプロフィールに従って位相
    ゾーンプレートを有するレンズを成形することを備えた
    ことを特徴とする方法。