带有新型相位带片的多焦点光学器件制造技术

一种衍射多焦点光学元件，具有科恩镜片设计式的相位带片，该相位带片含有若干在特定波长工作且在ｒ＋［２］空间弯曲的轴对称弯曲重复图形。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
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，本专利技术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 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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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 成正比，且将各带加以刻画，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明，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，通过使奇注①见芬彻姆(Fincham)等人著的《光学》(Optics)，伦敦巴特沃思出版社出版，第九版，1980，1981第72-75页。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。就接触镜片来说，所介绍或建议采用相位带片光学元件的其它参考资料有G.福斯特(Forst)在“DerAugenoptiker”刊物中(1966年第12期第9～19页)发表的题为“关于圆形格栅作为视觉辅助手段的有效性研究”;齐格勒(Ziegler)著的“光学镜片的制造或校正”，该文经科恩修改，见科恩的美国专利4，339，005的第四段第27～36行，和科恩的美国专利4，210，391第五段第63行至第六段第68行;弗雷曼(Freeman)注②见克莱因(Klein)和Ho的文章，SPIE1986年8月，表二，以及有关对表二的说明。的美国专利4，637，697和弗雷曼(Freeman)的美国专利4，642，112(这项专利描述了在全息摄影中采用了相位带片光学结构)。目前利用上述相位带片光学结构原理的双焦点接触式镜片市面上已出售。据信这类镜片是采用了抛物剖面阶梯式环形小刻面，各小刻面有一个全周期带，各带的深度为λ/2光程长，实际深度为λ/2(η′-η)。η′和η分别为镜片及与镜片相互配合的介质的折射率，λ是设计波长，在此情况下为黄光的波长。这样就得出在第0级和第1级具有大约为40.1%的同等分光的黄光强度的双焦点接触式镜片。本专利技术所使用的“全周期带”的定义是指在相位带片中，彼此间距大体上与 成正比的最小重复率的一组小刻面。上述间距可用下式表示rn≈2ndλ]]>式中，d表示一级焦距。本专利技术所用的“半周期带”由下式表示rn≈ndλ]]>式中，d表示第一级焦距。若改变此镜片设计的各阶梯深度，则可能会导致入射到各焦点的光强的很大差别。举例说，若相位带片各小阶梯光栅的间距取全周期间距，每个小阶梯光栅的阶梯深度为λ，小阶梯光栅的剖面为抛物面，且采用黄光波长作为设计波长，则不论载体镜片总的形状如何，所得出的镜片对配戴镜片的人来说基本上为第一级的单焦点镜片。随着阶梯深度的减小，小阶梯光栅的逐渐变薄，导致在该整个间距上深度的不同变化，从而影响具有不同形状的科恩奇数带和偶数带。随着深度大于λ/2，奇数带和偶数带之间的厚度差变大，因而光在第一级的强度比在第0级的强度大得多。只有当小阶梯光栅的深度为λ/2时，镜片才在第0级和第一级上形成相同的光强。这时奇数带和偶数带之间的厚度差被平衡。当小阶梯光栅的深度降到λ/2以下时，奇偶数带间的厚度差变得最小，这导致光在第0级强度较强。现有技术所欠缺的是，如何既灵活改变阶梯的深度，又在第0级和第1级，或任何其它多级组合上保持要求的光强分配。我们希望能够制造多焦点，特别是双焦点镜片，而其中小阶梯光栅的深度可以成为镜片设计的可变因素，另外，镜片设计人又能够制造出一种在其第0级和第1级，或任何其它级组合上具有有利的光强度分配的镜片。本说明书介绍一种采用相位带片光学结构但小刻面结构并不局限于抛物剖面的镜片设计。本专利技术的镜片设计能使镜片制造者广泛选用各种形状的小阶梯光栅来制造镜片，特别是接触式镜片，还可使制造者实现光在近焦点和远焦点上的分配要求。这种镜片设计的灵活性，使镜片制造者在镜片设计中不受下列约束，即不受小阶梯光栅的深度、传统的抛物或扁平剖面以及类似的一些考虑的约束。本专利技术涉及具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种衍射多焦点光学元件，具有科恩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ｒ↑［２］空间弯曲的轴对称重复图形。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦L科恩，
申请(专利权)人：艾伦L科恩，
类型：发明
国别省市：US[美国]