многофокусная двоякопреломляющая линзовая система

Формула изобретения

Многофокусная двоякопреломляющая линзовая система, содержащая первую линзовую компоненту, представляющую двоякопреломляющую линзу, имеющую две оптических силы Д2_о и Д2_е, и вторую линзовую компоненту, смежную с первой линзовой компонентой, причем вторая линзовая компонента представляет собой изотропную линзу, имеющую оптическую силу Д, при условии, что из результирующих оптических сил двоякопреломляющей линзовой системы результирующие оптические силы по существу представляют Д + Д2_о и Д + Д2_е, значения Д_а и Д_в задаются независимо от свойств материала линзовых компонент, отличающаяся тем, что многофокусная линзовая система представляет собой глазную линзовую систему, кривизны противолежащих поверхностей первой и второй линзовых компонент являются по-существу идентичными или дополнительными, и что любая одна поверхность первой и второй линзовых компонент может быть задана с кривизной независимо от независимых оптических сил (Д_а и Д_в).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к многофокусной неахроматизированной или ахроматизированной многокомпонентной оптической линзовой системе и, в частности, к такой системе, в которой по меньшей мере одним из компонентов является двоякопреломляющая линза.

В работе Осипова "Двойные поляризационные линзы", ж. Оптическая технология, том 40, N 5, страницы 277 279 (май 1979 г). /1/ описана двойная поляризационная линза, состоящая из плоско-выпуклой/плоско-вогнутой двоякопреломляющей линзовой системы. Эта линзовая система может комбинироваться с изотропной линзой с целью создания параллельного эталонного луча и сфокусированного сигнального луча, причем лучи поляризованы ортогонально, для использования в лазерной системе.

Наиболее близкой к заявленной является линзовая система, известная из патента США N 37558201, /2/ включающая плоско-выпуклую/плоско-вогнутую двоякопреломляющую дуплетную линзу в комбинации с изотропной линзовой системой переменной силы. Система применяется при проверке глаз. Из сказанного следует, что двоякопреломляющие линзы используются прежде всего в плоско-выпуклых/плоско-вогнутых линзовых конструкциях. Такая конструкция комбинируется в одном случае, например, в соответствии с работой Осипова, с изотропной линзой с целью создания параллельного луча поляризованного света. Комбинация призматической двоякопреломляющей или призматической изотропной линзой используется в патенте Великобритании N 865361, для создания соседних изображений предмета с целью проверки глаза. Кроме того, конструкция систем, где каждая система включает в себя двоякопреломляющую линзу и средство управления для ориентации поляризационной плоскости, предлагались в качестве систем с изменяемым фокусным расстоянием в различных патентах.

Однако в этой системе невозможно, по крайней мере, два фокуса выбрать полностью независимыми друг от друга.

В описанных аналогах неорганические кристаллы кварца и кальцита упомянуты в качестве материалов двоякопреломляющих линз. Двойное преломление также может быть свойственно для некоторых типов органических полимеров. Существуют полимеры, которые проявляют высокую двоякопреломляемость и имитируют оптические свойства одноосевых кристаллов. Такие двоякопреломляющие полимеры предложены для применения с изотропными слоями в многослойных светопроводящих и поляризационных устройствах.

Тот факт, что многие полимеры могут быть двоякопреломляющими, например, под действием напряжений, является известным. Вся область анализа фотоупругости и напряжений с помощью поляризованного света основана на этом явлении. Также известно, что при растягивании полимера за пределы его диапазона упругости, двоякопреломляемость может привести к необратимости полимера.

Технической задачей изобретения является создание многофокусной, например, бифокальной, трифокальной, квадрофокальной и т.д. неахроматизированной или ахроматизированной двоякопреломляющей линзовой системы, в которой по меньшей мере два фокуса выбираются полностью независимыми друг от друга.

Другой задачей изобретения является создание многофокусной неахроматизированной или ахроматизированной двоякопреломляющей линзовой системы, имеющей минимум нежелательных фокусов или сил.

Еще одной задачей изобретения является создание многофокусной неахроматизированной или ахроматизированной двоякопреломляющей линзовой системы, в которой по меньшей мере одной линзовой поверхности придается форма вне зависимости от физических параметров используемой среды при изготовлении компонент линзы и вне зависимости от заданных фокусов.

Также задачей изобретения является создание глазных линз, в частности, очковых линз, контактных линз и внутриокулярных линз, основанных на неахроматизированных или ахроматизированных двоякопреломляющих линзовых системах.

Технический результат достигается тем, что многофокусная двоякопреломляющая линзовая система, содержащая первую линзовую компоненту, представляющую двоякопреломляющую линзу, имеющую две оптические силы Д_2o и Д_2e, и вторую линзовую компоненту, смежную с первой линзовой компонентой, причем вторая линзовая компонента представляет собой изотропную линзу, имеющую оптическую силу Д, при условии, что из результирующих оптических сил двоякопреломляющей линзовой системы, результирующие оптические силы по существу представляют D + D_2о и D + D_2e, значения D_a и D_b задаются независимо от свойств материала линзовых компонент, представляет собой глазную линзовую систему, и кривизны противолежащих поверхностей первой и второй линзовых компонент являются по существу идентичными или дополняющими, и что любая одна поверхность первой и второй линзовых компонент может быть задана с кривизной независимо от независимых оптических сил (D_a и D_b).

Термин "смежный", используемый в отношении относительного расположения первой и второй линзовой компонент двоякопреломляющей линзовой системы в данном случае включает в себя случай, когда такие компоненты находятся в непосредственном взаимном контакте на значительной части противостоящих поверхностей, то есть, "составная линза" или "линзовое соединение" по определению, а также случай, когда такие противостоящие поверхности разделены коротким расстоянием вдоль их общей оси, обычно расстоянием в несколько миллиметров или меньше.

Выражение "по существу идентичные или дополняющие", относящееся к кривизне противостоящих поверхностей первой и второй линзовых компонент многофокусной неахроматической двоякопреломляющей линзовой системы, употребленное здесь, необходимо понимать так, что если бы такие поверхности располагались бы контактно друг с другом, они бы стыковались в каждой точке вдоль взаимной границы раздела. Таким образом, например, в случае по существу идентичных величин кривизны эти величины кривизны были присущи плоскости, то есть поверхности имели бы бесконечный радиус кривизны, а в случае дополняющей кривизны такие поверхности представляли бы собой, например, сопряжение выпуклых и вогнутых поверхностей.

Выражение "составная линза" или "линзы в комплекте" необходимо понимать в данном контексте как линзовую систему, содержащую по меньшей мере две линзовые составляющие, причем две противостоящие линзовые поверхности смежных линзовых компонент являются по существу идентичными или дополняющими так, что обе линзовые компоненты могут склеиваться вместе вдоль их противостоящих поверхностей, например, в плоско-выпуклой/плоско-вогнутой линзовой системе. Эти определения также приложимы для линзовой системы, в которой противостоящие линзовые поверхности разделены некоторыми расстоянием с целью подгонки одного или более оптических устройство, отличных от линзы, например, поляризационного средства.

Выражение "контактирующие линзы" необходимо понимать в данном контексте как относящиеся к линзовой системе, содержащей по меньшей мере две линзовые компоненты, причем эта линзовая удовлетворяет существенно требованию, что оптическая сила линзовой системы равна сумме оптических сил линзовых компонент.

Термин "неахроматизированный" необходимо понимать как относящийся к линзе или линзовой системе, которая проявляет одну или более сил, которые зависят от длины волны сфокусированного света (то есть, используемого) из-за дисперсности двоякопреломляющей и/или изотропной оптической среды, используемой при изготовлении линзы или линзовой системы.

Термин "ахроматизированный" должен пониматься как относящийся к линзовой системе, которая имеет одну или более сил, при одной из которых по меньшей мере проявляется диоптрийная величина, которая является постоянной по меньшей мере для двух различных волн сфокусированного (то есть использованного) света.

Изобретение поясняется чертежами, где представлено следующее:

на фиг.1 схематическое изображение двоякопреломляющей линзовой системы в соответствии с изобретением;

на фиг.2 схематическое изображение двуякопреломляющей линзовой компоненты, которая должна вставляться в линзовую систему по данному изобретению;

на фиг.3, 4 и 5 схематические изображения различных других примеров реализации двоякопреломляющей линзовой системы в соответствии с данным изобретением;

на фиг. 6 схематическое изобретение двоякопреломляющей линзовой системы по данному изобретению в комбинации с поляризационными средствами;

на фиг.7 схематические изображения соответственно видов спереди и сбоку очковых линз, содержащих двоякопреломляющую линзовую систему в соответствии с данным изобретением.

Все известные двоякопреломляющие линзовые системы обладают оптической осью (то есть, осью внутри кристаллической двоякопреломляющей среды), которая перпендикулярна оси линзы. Таким образом, двоякопреломляющая линзовая система имеет два частных коэффициента преломления, n_о (для обычных колебаний или лучей) и n_е (для необычных колебаний или лучей), но только для конкретного случая, когда e-лучи пересекают двоякопреломляющую линзу в направлении, которое является перпендикулярным, то есть ортогональным оптической оси. Для всех двух направлений e-лучи обладают эффективным коэффициентом преломления n_е эфф, который является величиной, находящейся между n_о и n_е. В этом случае невозможно предсказать с какой-либо точностью оптическое качество или поведение двоякопреломляющей линзовой системы для e-лучей.

С этой точки зрения может оказаться желательным использовать бифокальную линзовую систему, имеющую две независимо выбранные силы (или фокусы), с дополнительным отличием, заключающимся в том, что e-лучи пересекают двоякопреломляющую линзу в направлении, которое является исключительно перпендикулярным оптической оси. Случай, когда все e-лучи пересекают двоякопреломляющую линзу в ортогональном направлении к оптической оси будет называться "идеальной геометрией" двоякопреломляющей линзовой системы.

На фиг. 1 показан один пример двоякопреломляющей линзовой системы с идеальной геометрией, имеющей изотропную линзовую компоненту 1, обладающую сферическими поверхностями R1 и R2, и изотропную линзовую компоненту 2, имеющую сферические поверхности R3 и R4 впереди и позади двоякопрелопляющей линзовой компоненты 3, обладающей дополнительными сферическим поверхностями R2 и R3, причем жирная стрелка показывает ее оптическую ось (так же будет в случае всех последующих рисунков). Предположим, что заданы силы (определяющие и соответствующие фокусы) D_a и D_b линзовой системы, причем следующие ограничения относятся к бифокальной линзовой системе с идеальной геометрией:

D₃₄ + D_о + D₁₂ D_a (1а)

D₃₄ + D_e + D₁₂ D_b(1b)

и ограничение "идеальной геометрии":



где D₁₂ и D₃₄ являются силами передней и задней изотропных линзовых компонент соответственно, а D_o и D_e являются силами двоякопреломляющих линзовых компонент для o-лучей и е-лучей.

Для примера с идеальной геометрией годится отношение



или

D_e m D_o

где



При этом бифокальная линзовая система, показанная на фиг.1, с идеальной геометрией описывается следующим:





D₃₄ D_a D_o D₁₂

Если, например, радиус R3 является выбранным заранее, тогда R2 может быть вычислен из уравнений (6a) или (6b). Тогда на основании вычисленного радиуса R2 и равенства (2) можно определить радиус R1, а с помощью заданного радиуса R3 и уравнения (7) можно вычислить R4. В принципе может задаваться любой из четырех радиусов.

В более общем случае реализации неидеальной геометрии двоякопреломляющей линзовой системы e-колебания пересекают двоякопреломляющую линзу в направлении, которое необязательно является перпендикулярным оптической оси. Таким образом, e-лучи обладают своими эффективными коэффициентами преломления n_е, эфф в пределах между n_е и n_о. Поскольку на эффективные коэффициенты n_е эфф, ни траектории e-лучей в пределах двоякопреломляющей линзы заранее не известны, причем траектории и эффективные коэффициенты n_е эфф являются взаимно зависимыми, о действительном функционировании линзой системы, включающей двоякопреломляющую линзу, невозможно судить непосредственно по величинам n_е и геометрии линзы.

Разумное вычисление работы двоякопреломляющих линз должно основываться на подробной записи световых лучей через такую линзу. Такая запись световых лучей включает в себя определение пространственных составляющих векторов распространения света перед и после произвольной ориентации границы перехода между изотропной и двоякопреломляющей средой.

При данном выборе или ориентации оптической оси двоякопреломляющей среды это определение включает в себя построение Гюйгенса, то есть общий случай построения тангенциальной плоскости на эллиптическом тороиде, смотрите, например, Дж. Стронг: "Концепции классической оптики", страница 138, В.Х. Фримен и компания (1958 г.).

На основании этих вычислений построения лучей, которые также приложимы и для o-лучей, практически все интересующие данные о работе линзы силы линз, резкость изображения, хроматическая и сферическая аберрация могут выявить свои значения. За счет включений формул Френеля для переданной амплитуды света, пересекающего границу между двумя оптическими средами, можно также определить переданную интенсивность многослойной линзы.

Примеры двоякопреломляющей линзы неправильной геометрии в соответствии с данным изобретением далее приведены на фиг.2-5. В этих примерах использованы следующие определения:

Величина Определение

DVO Обратная сила у вершины для о-лучей из обычных вычислений обратной силы у вершины.

DVE Обратная сила у вершины для е-лучей из обычных вычислений обратной силы у вершины.

DO Обратная сила у вершины для о-лучей из вычислений траектории лучей.

DE Обратная сила у вершины для е-лучей из вычислений траектории лучей.

ACM "Мера остроты", то есть отношение между площадью минимальной фокусной точки и площадью (то есть сечением) линзы.

Величина определение

PTR Процент средней переданной интенсивности от падающей интенсивности, связанной с силой.

no Коэффициент преломления двоякопреломляющей линзы для о-лучей.

ne Коэффициент преломления двоякопреломляющей линзовой компоненты для е-лучей в случае, когда е-лучи является перпендикулярными оптической оси.

n₁₂ Коэффициент преломления изотропной линзовой компоненты, имеющей радиусы R1 и R2.

n₃₄ Коэффициент преломления изотропной линзовой компоненты, имеющей радиусы R3 и R4.

гамма Угол между оптической осью и осью линзы.

альфа Угол между лучами падающего света и осью линзы.

Величина Определение

альфа_р Угол между плоскостью, образованной лучами падающего света, и осью линзы и плоскостью, образованной оптической осью двоякопреломляющей линзовой компонент, и осью линзы.

R1, R2, R3 и R4 Радиусы поверхностей сферических линз линзовой системы, показанной на фиг. 2 5.

d Диаметр линзовой системы.

C12, C23 и C34 Толщина у центров линз линзовой системы, показанной на фиг. 2 5.

DF Обратное расстояние (в диоптриях) между фокальной точкой и центром обратной поверхности линзовой системы.

Dpr Призматическая сила в призматических диоптриях (1 призматическая диоптрия=1 см девиации на метр).

Конструктивные размеры двоякопреломляющей линзовой компоненты 3, показанной на фиг. 2, следующие:

Радиус передней поверхности R2=7,5 мм

Радиус задней поверхности R3=7,8 мм

Толщина в центре C23=0,05 мм

Диаметр линзовой системы d=6 мм

Ориентация оптической оси гамма=90^o

Коэффициенты преломления n_o=1,443, n_e=1,8

Направление падающего света альфа r=0^o

В табл. 1А приведены результаты вычислений величины для о-лучей двоякопреломляющей линзовой компоненты,показанной на фиг.2.

Приведенные данные показывают, что действительные обратные силы у вершины DO и DE оказываются больше, чем соответствующие величины DVO и DVE. Это происходит из-за того, что ненулевая апертура входящего светового пучка. Действительно, может быть показано, что падающий свет с нулевой апертурой DO и DVO полностью согласуется, а DE и DVE почти совпадают. Для случая падающего по оси света оба фокальных пятна располагаются точно на оси линзы. Необходимо отметить, что резкость изображения е-лучей является отличной по сравнению с резкостью о-лечей. Потери на передачу для е-лучей больше, чем для о-лучей, потому что е-лучи отклоняются с большей степенью, чем о-лучи.

В двоякопреломляющей линзовой системе, показанной на фиг. 3А и 3В, двоякопреломляющая линзовая компонента 3, показанная на фиг. 2, скомбинирована с изотропными линзовыми компонентами 1 и 2. Единственное различие между этими двумя линзовыми системами заключается в ориентации оптической оси двоякопреломляющей линзовой компоненты 2, которая является по существу перпендикулярной оси линзы на фиг. 3В. Параметры линзы для обеих линзовых систем выбирают такими, чтобы линзовые системы являлись практически афокальными для обычных лучей (то есть они обладают нулевой силой) и чтобы они проявляли положительную силу для е-лучей. Эти параметры являются следующими:

Радиусы R1 7,85мм R2 7,5мм R3 7,8мм R4 7,8мм

Толщина в центре C12 0,04мм C23 0,05мм C34 0,03мм

Диаметр линзовой системы ///7 d 6мм

Среда линзы n₁₂ 1,443 n_o 1,443, n_e 1,8 - n₃₄ 1,443

Ориентация падающего света гамма 90^o

Направление падающего света альфа_r o^o

В табл.2А приведены результаты вычислений для о-лучей двоякопреломляющей линзовой компатенты на фиг.3А.

В табл.2В приведены результаты вычислений величины для е-лучей двоякопреломляющей линзовой компаненты на фиг.3А.

И снова для всех падающих лучей, параллельных оси линзы, фокальные пятна оба располагаются точно на оси линзы. Переданная интенсивность е-лучей повысилась по сравнению со случаем с единственной двоякопреломляющей линзой (фиг. 2), но резкость немного ухудшилась.

На фиг. 3А показана работа линзовой системы для случая, когда имеется свет, падающий вне оси. Рассмотрение вычислений, перечисленных в приводимых ниже таблицах 4 и 5, ограничивается е-лучами, поскольку о-лучи ведут себя так же, как и известные изотропные линзы.

Во-первых данные для случая пучка падающих световых лучей, при которых угол между плоскостью падения и оптической осью двоякопреломляющей линзовой составляющей равен нулю, представлены ниже в табл.3.

Исходя из этих данных можно сделать вывод, что двоякопреломляющая линзовая системы по данному изобретению проявляет эффективную силу DF, которая практически идентична силе DVE для света, падающего по оси. С точки зрения конструкции линзы такая характеристика может оказаться выгодной, например в случае глазной линзы и, в частности, контактной линзы, когда может быть желательно поддерживать ту же самую эффективную силу независимо от угла падающего света относительно оси линзы даже, если произойдут некоторые потери разности изобретения.

Во-вторых, данные о работе этой линзовой системы для лучей света, падающие вне оси, когда оптическая ось является перпендикулярной плоскости падающего света, представлены в табл.4.

Сравнительный анализ для падающих лучей этого типа показывает, что двоякопреломляющая линзовая система по данному изобретению работает очень похоже с изотропной линзовой системой с идентичной силой DVE. Например, практическое следствие этого заключается в том, что конструкция контактной линзы базируется на стандартных оптических соотношениях и свойствах, остающихся по существу верным для данной двоякопреломляющей линзовой системы и данного типа падающего света.

Комбинированные данные, взятые из табл.4 и 3, указывают, что в случае бифокальной контактной линзы дополнение для чтения обеспечивается предпочтительно за счет е-лучей, а дополнение для дальнего рассмотрения обеспечивается предпочтительно о-лучами. Эти же данные также указывают на то, что оптическая ось бифокальной контактной линзы должна быть сориентирована в направлении, которое является по существу вертикальным, когда поле зрения понимается как горизонтальное, например, слева направо. И, наоборот, когда зрение рассматривается в основном в вертикальном направлении, данные фиг. 3 и 4 указывают, что направление оптической оси бифокальной контактной линзы должно быть по существу горизонтальным.

Как указывалось выше, только одна двоякопреломляющая линзовая компонента и одна изотропная линзовая компонента требуется с целью создания двух независимо заданных сил. Однако, может оказаться выгодным создать для конкретных случаев трех- или более линзовую систему. Однако такая линзовая система, предлагаемая по данному изобретению и схематически показанная на фиг. 3А, содержит склеральную контактную линзу, в которой двоякопреломляющая линзовая компонента 3, диаметр которой соответствует максимальному диаметру зрачка, вводится в заделанном виде в изотропной линзовой компоненте, диаметр которой соответствует диаметру склеры. Изотропная линзовая компонента впереди и позади двоякопреломляющей линзовой компоненты соответственно 1 и 2 могут рассматриваться как две изотропные линзовые компоненты всей линзовой системы.

Различные компоненты могут изготавливаться из одного и того же или различных оптических материалов. Например, двоякопреломляющий полимер типа одного из описанных в приведенных патентах или ориентированный полимер, например, полиметилметакрилат, который вытянут, может комбинироваться с любым известным изотропным материалом контактной линзы типа гидрометилметакрилата или (невытянутого) полиметилметакрилата для создания бифокальной контактной линзы в соответствии с данным изобретением.

На фиг.4 показана другая двоякопреломляющая линзовая система в соответствии с данным изобретением, обладающая следующими параметрами конструкции для двоякопреломляющей линзовой компоненты 3 и изотропной линзовой компоненты 2.

Радиусы R2 38 мм R3 50 мм R4 -50 мм

Толщина у центра C23 0,2 мм C34 1,0 мм

Диаметр линзовой системы d 6 мм

Среда линзы n_o 1,443, n_e 1,8 n₃₄ 1,443

Ориентация оптической оси гамма 90^o

Направление падающего света альфа_r 0^o.

Приведенные результаты в табл.5А и 5В указывают, что двоякопреломляющие линзовые системы по данному изобретению могут применяться в качестве бифокальных внутриглазных линз.

Как показа на фиг.3,B, двоякопреломляющие линзовые системы в соответствии с данным изобретением являются бифокальными для ориентации оптической оси, отличных от перпендикулярной также к оси линзы.

Как можно заметить из приведенных табл.6А, 6В и расчетов, сила, связанная с e-лучами, уменьшалась. Это происходило потому, что эффективные коэффициенты преломления n_e эфф меньше, чем в случае гамма 90^o. Поэтому только в немногих случаях можно использовать другие углы между осями оптической и линзы, отличные от гамма 90^o.

Однако, в лучшем случае только при малых отклонениях гамма от 90^o работа линзы может оказаться удовлетворительной. Поэтому изобретением предусмотрено сгибание листа двоякопреломляющего полимера, оптическая ось которого лежит в плоскости листа так, что образует цилиндрическую поверхность, причем ось цилиндра является перпендикулярной к получившейся кольцевой оптической оси. Радиус цилиндра, может, например, быть задан с величиной, которая соответствует одному из радиусов двоякопреломляющей линзы. Анализ такой линзы показывает, что она будет работать почти идентично линзе, у которой оптическая ось перпендикулярна оси линзы по всей линзе. Как это является очевидным, аппроксимация сближается с увеличивающимся радиусом цилиндра.

В описанных выше примерах было показано, что двоякопреломляющая линзовая компонента комбинируется с одной или более изотропными линзовыми компонентами с целью создания двух различных сил, величины которых могут выбираться независимо друг от друга даже при остающемся неизменным геометрическом параметре составной линзовой системы. В случае, например, контактной линзы этот свободный параметр подходит для конструкции кривизны задней поверхности линзовой системы. В общем случае этот эффект может также достигаться за счет сочетания двух двоякопреломляющих линзовых компонент. Для обеспечения только двух сил угол между оптической осью двоякопреломляющих линз должен быть 90^o, так, чтобы о-лучи в первой двоякопреломляющей линзе были бы e-лучами во второй и наоборот. Такая конструкция, которая может быть названа линзовой системой "с пересекающимся двоякопреломлением", показана на фиг.5.

Конструктивные параметры линзовой системы, показанной на фиг.5 состоящей из двоякопреломляющих линзовых компонентов 3 и 4, суть следующие:

Радиус передней поверхности 7,9 мм

Радиус промежуточной поверхности 7,5 мм

Радиус задней поверхности 7,8мм

Толщина в центре, первая линза 0,06 мм

Толщина в центре, вторая линза 0,06 мм

Диаметр линзовой системы 6,0 мм

Оптическая среда,

первая линза n_o=1,443, n_e=1,8,

вторая линза n_o 1,443, n_e 1,8.

Ориентация оптических осей гамма₁=гамма₂=90^o

Угол между оптическими осями 90^o

Направление падающего света альфа_r 0^o

В расчете, данном в табл.7, следующие величины имеют значения:

Величина Значение

DOE Сила, связанная с o-лучами в первой и с e-лучами во второй линзе

DEO Сила, связанная с o-лучами в первой и с o-лучами во второй линзе.

DVOE и DVEO Соответствующие силы, полученные на основании обычных вычислений у задней вершины

Резкость изображения, обеспечиваемая линзовой системой, показанной на фиг. 5, имеет тот же порядок величины для падающего на ось света, как и в случае изотропно-двоякопреломляющей линзовой системы, например, показанной на фиг.3А.

Конструкция с перекрестным двоякопреломлением могут создавать большие разности силы для обоих ортогонально поляризованных возникающих световых колебаний даже при очень тонких линзах. В соответствии с этим такие конструкции могут применяться для контактных линз.

В представленных вариантах показано, что двоякопреломляющая линзовая система в соответствии с данным изобретением может успешно применяться в качестве лечебной контактной линзы для или в качестве внутриглазной линзы, когда требуются по меньшей мере две различные силы: по меньшей мере одна при дальнем рассмотрении и по меньшей мере одна для чтения.

Примеры реализации данных двоякопреломляющих линзовых систем могут также служить в качестве лечебных очковых линз или встраиваться в них. Предпочтительный вариант реализации такой линзы показан на фиг.7,A и 7,B, где позицией 5 обозначена бифокальная часть двоякопреломляющей линзы, например, с двоякопреломляюще-изотропной линзовой системой для чтения и дальнего рассматривания, а позицией 6 обозначена однофокусная линзовая часть для дальнего рассматривания, изготовленная из обычной среды. В очковой линзе, показанной на фиг. 7, A и 7,B, сила, соответствующая o-лучам линзовой части 5, идентична силе линзовой части 6. Преимущественно изотропное вещество, используемое в частях 5 и 6, является везде однородным, например, полиакрилатом, а двоякопреломляющая линзовая компонента части 5, является растянутым полиакрилатом.

Для чтения используются падающие на ось лучи света, то есть движение глаза является таким, чтобы поддерживалась прямая линия (а именно, ось линзы) между считываемым текстом и зрачком. При таком движении глаза обычно не производится движение головы. Обычное расстояние при чтении от глаз до текста составляет около 40 см, и печатные тексты обычно в ширину составляют 20 см слева направо.

Следовательно, во время считывания горизонтально отпечатанных текстов ось глазной линзы не выходит за пределы угла примерно 30^o. Линза очков обычно располагается в 12 мм от роговой оболочки.

Поэтому зона очковой линзы, которая обеспечивает силу для чтения, не должна быть больше примерно 1 см в горизонтальном направлении. В любом случае дополнительная зона чтения может быть не шире 2 см. В вертикальном направлении дополнительная зона для чтения составляет всего около 1 1,5 см. Зона может преимущественно располагаться в нижней части очковой линзы, как показано на примере реакции фиг. 7,A и 7,B.

Применение двоякопреломляющей бифокальной линзовой системы в пределах такой дополнительной зоны для чтения позволяет получить решающее преимущество по сравнению с обычными двухзонными бифокальными очковыми линзами, в которых каждая из двух зон является однофокусной. Хотя изложенные соображения относительно необходимых размеров дополнительной зоны для чтения также подошли бы к обычным бифокальным очковым линзам, такие линзы обычно проявляют значительно большие дополнительные зоны для чтения. В основном это происходит из-за того, что обычные очковые линзы с такой небольшой зоной большей силы были бы косметически непривлекательными.

Двоякопреломляющие линзовые системы при сравнении имеют вид однофокусных линз, что означает, что дополнительная зона для чтения является неразличимой в зоне видимости, в частности, если, как было отмечено выше, двоякопреломляющая линза имеет коэффициент преломления n_о, который идентичен коэффициенту преломления, используемому в линзе для дальнейшего рассматривания. В противоположность этому гораздо меньшая дополнительная зона для чтения может обеспечиваться довольно большой силой для чтения в линзе скромной толщины, что может позволить снизить общий вес очковых линз. И, наконец, необходимо отметить, что двоякопреломляющая линзовая система обеспечивает получение заданных сил одновременно для ближнего и дальнего рассматривания.

Поэтому поле зрения проходит за пределы всей площади очковой линзы, что является важным в случае, когда дальнее видение необходимо в направлении вниз, или, например, когда удаленные объекты рассматриваются в лежачем положении. С помощью имеющихся в настоящее время бифокальных очков для того, чтобы посмотреть поверх дополнительной зоны чтения, необходимо значительно наклонить голову вперед.

Как отмечено выше, обе силы двоякопреломляющей линзы системы создаются за счет обоих ортогонально поляризованных колебаний света. Если, например, сила дальнего рассматривания связана со световым колебанием в вертикальной поляризационной плоскости, а сила чтения со световым колебанием с горизонтальной плоскостью поляризации, солнечные очки, содержащие поляризационные фильтры, могут с успехом применяться для выбора исключительно каждой из обеих имеющихся сил в зависимости от направления взгляда. Такие солнечные очки могли бы, например, содержать поляризационный фильтр, который создает вертикально поляризационный свет в большей зоне для дальнейшего рассмотрения и поляризационный фильтр, который создает горизонтально поляризованный свет в меньшей зоне для чтения.

Распределение зоны дальнего рассматривания и зоны чтения будет соответствовать распределению, очевидному из фиг. 7А. С помощью таких солнечных очков внефокусное задержание света из-за ближней силы устраняется при силе дальнего рассматривания и, наоборот, при этом не происходит потеря яркости по сравнению с яркостью света, получаемой в обычных солнечных поляризационных очках, то есть, по существу 50% яркости подающего света будет в каждом из обоих фокусов. Физический внешний вид солнечных очков такой конструкции не отличается от обычных поляризационных солнечных очков, будучи косметически удачным.

Если оптические оси двух двоякопреломляющих линз не находятся под углом 90^o, то в общем случае будет четыре различные силы, потому что и о-сила и е-сила первой линзы сочетаются с о-силой и е-силой второй линзы. В линзовой системе, показанной на фиг. 5, обе дополняющие силы должны быть -0,51 и -0,47 диоптрий, то есть линза практически является трифокальной.

При хорошей аппроксимации сила линзы задается (смотри Дж. Стронг, указанное выше, стр. 319):

D (n 1) S

где D есть сила,

n есть коэффициент преломления,

S есть так называемый "коэффициент формы" линзы. Уравнение (8) может также применяться для случая двоякопреломляющей линзы неправильной геометрии (например, фиг. 3, А, 4 и 5). С точки зрения уравнения (8) силы D_1о и D_1e первой линзы для о-лучей и е-лучей заданы в виде:

D_1o (n₁₀ 1) S₁(9а)

D_1e (n_1e 1) ^o S₂(9в)

D_1e m D_1o(9с)

где



и где n_1e и n_1o являются коэффициентами преломления первой линзы для е-лучей и о-лучей соответственно. Аналогичные соотношения применимы и для второй линзы.

Обобщая полученные результаты, можно прийти к выводу:

(1) Одиночная двоякопреломляющая линза данного вещества проявляет две различные одновременные силы; только одна из двух сил может быть данной заранее выбранной величиной, причем вторая сила является функцией этой заранее заданной величины.

(2) Линзовая система, состоящая из двоякопреломляющей линзовой компоненты и изотропной, проявляет две силы, каждая из которых может выбираться заранее в полной независимости одна от другой.

Двоякопреломляющие линзы и линзовые системы позволяют приписывать различные интенсивности различными силами. При обслуживании соотношений интенсивности необходимо, во-первых, отметить, что амплитуда естественного падающего света векторно разделена, то есть амплитуда A_o и A_e, связанные соответственно с о-лучами и е-лучами, имеют каждая величину:



где A есть амплитуда падающего света.

Отсюда следует, что 50% имеющейся интенсивности направлено к каждому из двух фокусов.

Поэтому отношение между интенсивностями сфокусированного находящегося вне фокусах света составляет 1:1 в каждом из двух фокусов. Это очень хорошо сравнивается с другими известными бифокальными линзовыми конструкциями одновременного рассматривания, о которых говорилось выше.

Это отношение может быть любой величиной, если линейно поляризованный свет падает на линзовую систему, содержащую по меньшей мере одну двоякопреломляющую линзу. На фиг. 6 схематически показана двоякопреломляющая линзовая система, в которой относительная ориентация оптической оси двоякопреломляющей линзовой компоненты 3 по отношению к плоскости вибрации падающего поляризованного света характеризуется углом бета. Поляризованный свет производится поляризующим средством 7. Интенсивности I_о и I_е, связанные с о- и с e-лучами соответственно, заданы в виде:

I_o I_p sin² бета(11а)

I_e I_p cos² бета(11в)

где I_p является интенсивностью падающего поляризованного света.

С точки зрения уравнения (II) ясно, что соотношение между I_o и I_e может задаваться в виде любой величины за счет точного выбора угла бета. Если для создания поляризованного света используется общий поляризационный фильтр, это может быть получено, как отмечается, с потерей общей интенсивности. Но в определенных случаях может оказаться более важным снизить в одной силе интенсивность находящегося вне фокуса света, чем иметь более высокие, но равные интенсивности, связанные с общими силами.

Приведенные соображения в общем случае приложимы для двоякопреломляющих линзовых систем, то есть для систем, включающих в себя, например, две пересекающиеся двоякопреломляющие линзовые компоненты (фиг. 5) или линзовых систем, включающих в себя одну двоякопреломляющую и одну или более изотропных линзовых компонентов (фиг. 3,A, 3, B и 4).

Интенсивности, связанные с четырьмя силами двоякопреломляющей линзовой системы в соответствии с фиг. 7, заданы в виде:

I (OO) (1/2) cos² бета₁₂(12а)

I (OE) (1/2) sin² бета₁₂(12в)

I (EO) (1/2) sin² бета₁₂(12с)

I (EE) (1/2) cos² бета₁₂(12о)

где I (OO) является интенсивностью, связанной с о-лучами в первой и е-лучами во второй двоякопреломляющей линзе и так далее. "I" есть интенсивность падающего неполяризованного света, а бета₁₂ есть угол между оптическими связями обеих двоякопреломляющих компонент.

Из уровня 12 следует, что определенная степень свободы существует при придании интенсивностей различным силам. Если, например, линзовая система изготовлена трифокальной с равными интенсивностями при всех трех силах, тогда для случая D₁₀ D₂₀, описанного выше, угол бета₁₂ определяют следующим образом:

I (OO) + I (EE) I (OE) I (EO)(13)

или

cos² бета₁₂ (sin² бета₁₂)/2(13")

что приводит к следующему

бета₁₂ 54,7^o(14)

Для другого возможного случая D₁₀ D₂₀, указанного выше, угол между обеими оптическими осями должен быть

бета₁₂ 35,3^o(15)

Многофокусные двоякопреломляющие линзовые системы, которые являются ахроматическими или которые проявляют заданную величину хроматической аберрации.

Многофокусные линзовые системы, выполненные в соответствии с данным изобретением, которые включают в себя одну или более двоякопреломляющих и одну или изотропную линзовую компоненту, могут быть также ахроматизированы до изменяющейся степени. Следующие по ахроматизирующим линзовым системам являются соразмерными с формализмом, как например, в книге М. Херцбергера "Учебник по физике", МакГроу-Хилл, 1967 г. стр. 6 42. Проверка Херцбергером ахроматизма немного отличается от более часто применяемой теории, например, представленной в указанной выше Дж. Стронга, стр. 319, или М. Борна "Оптика", Шпрингер-Ферлаг, 1972 г. стр. 82. Кроме того, необходимо отметить, что для последующего описания ахроматизированных двоякопреломляющих линзовых систем требуется, что отдельные компоненты были "близки" друг к другу в соответствии с определением этого термина, данным выше, но в отличие от описанных выше неахроматизированных линзовых систем, то есть фиг. 1, 3, B, и 4 в них не требуется наличие двух противостоящих линзовых поверхностей с идентичной или дополняющей кривизной.