СПИРАЛЬНОЕ ДИОПТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С МЕРИДИАНАМИ РАЗНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ Российский патент 2024 года по МПК G02C7/04 G02B3/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области оптических устройств, формирующих диоптрийные интерфейсы.

Хотя изобретение описано со ссылкой на заявку на офтальмологическую линзу, оно применимо к любому сферическому или торическому диоптрийному интерфейсу и к любому диоптрийному интерфейсу, поверхность которого имеет по меньшей мере два меридиана, которые могут использоваться для формирования изображения и/или распределения оптической силы и/или коррекция зрения.

Таким образом, оптическое устройство согласно изобретению может представлять собой оптическую линзу оптической системы, очковую линзу или жесткую или гибкую контактную линзу, одну часть фотографического объектива, одну часть детектора движения или устройство для концентрации энергии света.

Как правило, изобретение применимо к любому применению, в котором свет фокусируется в видимой или невидимой области.

Уровень техники

Линза, например офтальмологическая линза, содержит две противоположные оптические поверхности, называемые диоптрийными интерфейсами, соединенные торцевой поверхностью, которая обычно вписана в цилиндр с круглым основанием.

В настоящее время оптические поверхности обычно подразделяются на четыре отдельные категории, а именно:

- сферические диоптрийные интерфейсы, поверхность которых является частью внутренней или внешней поверхности сферы;

- асферические диоптрийные интерфейсы, полученные из сферических поверхностей, поверхность которых представляет собой часть поверхности вращения, кривизна которой непрерывно изменяется от вершины к периферии;

- торические диоптрийные интерфейсы, поверхность которых имеет два ортогональных главных меридиана неравной кривизны и сечение которых по этим двум меридианам номинально круглое;

- аторические диоптрийные интерфейсы, поверхность которых имеет два главных меридиана, взаимно перпендикулярных и неравной кривизны, и поперечное сечение хотя бы одного из главных меридианов которых не является круглым.

Фокус сферической линзы, образованной объединением двух сферических диоптрийных интерфейсов, имеет одно фокусное расстояние до точки, называемой фокальной точкой изображения. Этот точечный фокус характерен для так называемой «стигматической» оптической системы.

Со ссылкой на фиг. 1 будет напомнен известный принцип астигматизма (отсутствие одноточечного стигматизма, получаемого с помощью сферической линзы), создаваемого оптической линзой, имеющей торическую поверхность 1.

Торическая поверхность 1 имеет первый меридиан 2, искривленный с первой кривизной C1 вокруг оси вращения тора (не показана на чертеже), так что первый меридиан 2 образует дугу окружности первой окружности, образованной внешним радиусом тора.

Торическая поверхность 1 также имеет второй меридиан 3, перпендикулярный первому меридиану 1 и искривленный со второй кривизной С2, которая больше первой кривизны, вокруг центра кривизны, расположенного на радиусе тора, который проходит через середину первого меридиана 2 - обозначен ссылочной позицией А-А. Ось А-А является оптической осью торической поверхности.

Линза выполнена из оптического материала с показателем преломления n, так что свет, проходящий через указанную торическую поверхность 1, преломляется.

В частности, при параллельном освещении свет, проходящий через первый меридиан 2, сходится на первом фокусном расстоянии 4, тем самым образуя участок 5, параллельный первому меридиану 2, а свет, проходящий через второй меридиан 3, сходится на втором фокусном расстоянии 6, тем самым образуя участок 7, параллельный второму меридиану 3.

Торическая линза 1 имеет две оптические силы D1 и D2, которые определяются следующими соотношениями: D1=(n-1)C1 и D2=(n-1)C2.

Патент US-A-5198844 раскрывает мультифокальную линзу, разделенную на множество чередующихся участков, которые имеют по меньшей мере две разные силы преломления. В одном варианте осуществления границы между последовательными участками представляют собой дуги, начинающиеся от центра линзы. Эта линза состоит исключительно из сферических или асферических участков, причем эти участки, кроме того, имеют поверхностные соединения в виде ребер.

В основном возникает необходимость усовершенствования так называемых стигматических оптических устройств со сферической поверхностью, с целью удлинения их фокальной области.

Одна цель изобретения состоит в том, чтобы по меньшей мере частично удовлетворить эту потребность.

Раскрытие сущности изобретения

Для этого изобретение относится, согласно одному аспекту, к оптическому устройству, имеющему оптическую ось, содержащему по меньшей мере одну поверхность по меньшей мере с двумя меридианами, по меньшей мере одна часть которой образует, если смотреть спереди, по меньшей мере один спиральный сегмент, центральная точка которого находится на оптической оси, причем каждый спиральный сегмент определяет меридианы различной оптической силы, чтобы фокус больше не был просто одноточечным стигматическим, а распространялся по трубчатой области, вытянутой вдоль оптической оси.

Под «рассмотрением спереди» здесь и в контексте изобретения подразумевается вид устройства вдоль оптической оси. Другими словами, речь идет о виде в проекции на плоскость, ортогональную оптической оси.

Для ясности спиралевидный участок поверхности определен в проекции на плоскость, ортогональную оптической оси. Поскольку спиральный сегмент согласно изобретению развивается на трехмерной поверхности, речь идет о спирали.

Таким образом, изобретение по существу состоит в создании, из поверхности с двумя или более меридианами диоптрийного интерфейса, поверхности, содержащей по меньшей мере один сегмент спирали, т.е. спиралевидной поверхности в проекции на плоскость, ортогональную оптической оси.

Другими словами, изобретение по существу состоит в создании диоптрийного интерфейса, имеющего спирализацию поверхности с двумя меридианами.

В некотором смысле, если бы поверхность с двумя или более меридианами находилась в податливом состоянии, то ее можно было бы деформировать при кручении по одной или более спиралевидным кривым.

Эта спирализация может быть применена к любой несферической поверхности диоптрийного интерфейса, которая имеет более двух меридианов.

Спирализацию предпочтительно проводят на торической поверхности и более предпочтительно на оптическом устройстве, содержащем два концентрических тора с меридианами, расположенными в противоположных направлениях, т.е. под углом 90° друг к другу.

В случае торической поверхности это обеспечивает возможность распространения света по кривизне первого меридиана на первое фокусное расстояние, и распространения света по кривизне второго меридиана на второе фокусное расстояние, в то время как спирализация осей астигматизма приводит к созданию спиралевидной фокальной световой трубки и, таким образом, к увеличению фокусного расстояния диоптрийного интерфейса.

Спиральный сегмент согласно изобретению может иметь различную форму, например, согласно линейному закону, квадратичному закону или по существу логарифмическому закону. Эти различные законы также могут быть объединены на одной и той же поверхности оптического устройства, например, для получения линзы с логарифмическим законом в первом кольцевом сегменте линзы и квадратичным или линейным законом во втором кольцевом сегменте линзы, окружающем первый кольцевой сегмент.

Спиральный сегмент согласно изобретению может быть создан только в одной части диоптрийного интерфейса. Таким образом, он может быть создан только в центральной части, в части соединения двух отдельных поверхностей, например двух торических поверхностей, или в периферийной части.

Трубчатый фокус, полученный согласно изобретению, представляет собой фокус, остающийся неизменным в удлиненном диапазоне фокусных расстояний и вписанный в трубку.

Изобретение имеет множество преимуществ, среди которых можно отметить:

- возможность уменьшить необходимость настройки фокуса в любой оптической системе формирования изображения, такой как фотообъектив, камера, объектив проектора, гарнитура виртуальной реальности и т.д.;

- возможность уменьшить объем оптической системы формирования изображения, например, за счет отказа от применяемых в настоящее время моторизованных фокусирующих устройств;

- возможность его использования в системах концентрации оптической силы, таких как системы солнечного нагрева или устройства для лазерной резки. Например, в устройстве для лазерной резки трубчатый фокус позволяет увеличить длину фокальной области вдоль оптической оси и, таким образом, увеличить толщину, которую можно разрезать;

- возможность его использования в оптических системах обнаружения, таких как инфракрасные детекторы движения или системы физических измерений, длина области резкости за счет трубчатого фокуса выгодно снижает необходимость регулировки фокуса;

- в приложениях для коррекции зрения трубчатый фокус позволяет создавать область резкости в большом диапазоне фокусных расстояний, например, чтобы с помощью одной офтальмологической линзы обеспечить ближнее и дальнее зрение и обеспечить оптическую компенсацию пресбиопии и ряда аметропий. Таким образом, одна офтальмологическая линза может использоваться для более чем одного значения аметропии. Трубчатый фокус также позволяет улучшить фокусировку лучей вне оптической оси, чтобы улучшить поле зрения. Это может найти особенно хорошее применение в офтальмологических линзах. Оптическая линза, одна поверхность которой сформирована за счет спирализации согласно изобретению, позволяет, в частности, удлинить каустику фокусных расстояний.

Как правило, оптическое устройство, реализующее изобретение, может использоваться в любом приложении для формирования изображения, например в фотографии, видео, оптическом обнаружении, коррекции зрения и в любом другом приложении, требующем фокусировки.

Оптическое устройство, в частности линза, может быть изготовлено из любого оптического материала, такого как оптическое стекло или полимер.

Один или более спиральных сегментов согласно изобретению могут быть изготовлены с использованием механической обработки, технологии аддитивного производства или формования или с использованием комбинации нескольких этих технологий.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления один или более спиральных сегментов образованы из торической поверхности, имеющей первый меридиан, искривленный с первой ненулевой кривизной, и второй меридиан, искривленный со второй кривизной, которая строго больше первой кривизны, причем второй меридиан перпендикулярен первому меридиану.

Согласно этому варианту осуществления и одному предпочтительному варианту осуществления один или более спиральных сегментов образованы из первой и второй торических поверхностей, причем первая торическая поверхность имеет первый меридиан, искривленный с первой ненулевой кривизной вокруг оси вращения первого тора, и второй меридиан, искривленный со второй кривизной, которая строго больше первой кривизны, причем второй меридиан перпендикулярен первому меридиану, а вторая торическая поверхность имеет первый меридиан, искривленный с первой ненулевой кривизной вокруг оси вращения второго тора, и второй меридиан, искривленный со второй кривизной, которая строго больше первой кривизны, и перпендикулярный первому меридиану второй торической поверхности,

причем первая и вторая торические поверхности каждая содержит множество азимутальных угловых секторов, расположенных вокруг оптической оси,

первый меридиан первой торической поверхности и первый меридиан второй торической поверхности имеют азимутальные ориентации, разделенные ненулевым углом относительно оптической оси,

спиральные сегменты определяют первый и второй меридианы оптической силы, получаемые из первого меридиана первой торической поверхности и из первого меридиана второй торической поверхности.

Согласно одному варианту осуществления азимутальный угловой сектор первой торической поверхности и азимутальный угловой сектор второй торической поверхности являются смежными через спирально-сегментную границу.

Первая и вторая торическая поверхность может содержать каждая два диаметрально противоположных азимутальных угловых сектора.

Каждый угловой сектор первой торической поверхности может быть смежным с двумя угловыми секторами второй торической поверхности.

Согласно одному предпочтительному признаку угол между азимутальными ориентациями первого меридиана первой торической поверхности и первого меридиана второй торической поверхности составляет от 60° до 90°.

Предпочтительно первая кривизна первой торической поверхности равна первой кривизне второй торической поверхности.

Более предпочтительно вторая кривизна первой торической поверхности равна второй кривизне второй торической поверхности.

Согласно одному варианту осуществления радиус спирального сегмента связан в полярных координатах с углом спирали по линейному закону, квадратичному закону или логарифмическому закону.

Согласно другому варианту осуществления оптическое устройство дополнительно содержит сферическую поверхность, центрированную на оптической оси.

Оптическое устройство согласно изобретению может предпочтительно образовывать оптическую линзу, лицевой стороной которой является поверхность с по меньшей мере одним спиральным сегментом.

Другим объектом изобретения является применение только что описанного оптического устройства для коррекции зрения и/или концентрации световой мощности и/или для формирования изображения.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и признаки изобретения станут более очевидными при ознакомлении с подробным, но не ограничивающим описанием примеров осуществления изобретения, которое дано в качестве иллюстрации со ссылкой на следующие фигуры чертежей, на которых:

- фиг. 1 представляет собой схематическое изображение распределения параллельного пучка света, прошедшего через оптическую линзу торической поверхности;

- фиг. 2 представляет собой схематический вид спереди первого варианта осуществления оптической линзы трубчатого фокуса;

- фиг. 3 представляет собой схематический вид спереди мультифокальной оптической линзы с двумя торическими поверхностями, расположенными в осевом направлении друг против друга;

- фиг. 4 представляет собой схематический вид в перспективе мультифокальной оптической линзы с фиг. 3;

- фиг. 5 представляет собой схематический вид распределения параллельного пучка света, прошедшего через оптическую линзу с фиг. 3 и 4;

- фиг. 6 представляет собой схематический вид спереди мультифокальной оптической линзы с двумя торическими поверхностями, расположенными в осевом направлении друг против друга;

- фиг. 7 представляет собой схематический вид спереди варианта осуществления линзы трубчатого фокуса согласно изобретению, образованной из геометрии линзы с фиг. 6;

- фиг. 8 представляет собой схематический вид спереди другого варианта осуществления мультифокальной оптической линзы с двумя торическими поверхностями, расположенными в осевом направлении друг против друга;

- фиг. 9 представляет собой схематический вид спереди другого варианта осуществления линзы трубчатого фокуса согласно изобретению, образованной из геометрии линзы с фиг. 8;

- фиг. 10 представляет собой схематический вид сбоку распределения параллельного светового пучка света, прошедшего через оптическую линзу согласно изобретению и, в сравнении, сферическую оптическую линзу согласно известному уровню техники;

- фиг. 11 представляет собой схематический вид в перспективе пучка параллельных световых лучей, прошедших через оптическую линзу согласно изобретению с логарифмическими спиралями, причем на фиг. 11 показана трубчатая область фокусировки светового луча;

- фиг. 12 представляет собой увеличенный вид трубки фокуса пучка световых лучей с фиг. 11 и в сравнении фокальную область линзы с торическими поверхностями, расположенными в осевом направлении друг против друга, как показано на фиг. 6;

- фиг. 13 представляет собой вид спереди варианта осуществления линзы трубчатого фокуса согласно изобретению, содержащей сферическую центральную часть и спиральную периферийную часть;

- фиг. 14 представляет собой вид спереди другого варианта осуществления линзы трубчатого фокуса согласно изобретению, содержащей две торические поверхности и соединительную часть между ними, выполненную по спирали.

Осуществление изобретения

Фиг. 1, относящаяся к предшествующему уровню техники, уже была прокомментирована во вводной части. Поэтому она не описывается более подробно ниже.

На следующих фигурах показан ряд примеров оптических линз согласно изобретению, содержащих поверхности с более чем двумя меридианами по меньшей мере с одним спиральным сегментом, образующим фокус, проходящий по трубчатой области.

Как видно из различных фигур, сегмент спирализации может быть получен различными способами, например, по линейному закону, квадратичному закону или по существу логарифмическому закону. Эти различные законы также могут быть объединены в одной и той же линзе с логарифмическим законом в первом кольцевом сегменте линзы и квадратичным или линейным законом во втором кольцевом сегменте линзы, окружающем первый кольцевой сегмент.

Данное оптическое устройство может содержать множество спиральных сегментов.

На фиг. 2 показана оптическая линза 800 с трубчатым фокусом согласно первому варианту осуществления изобретения. Используемое представление с контрастом указывает на разделение перпендикулярно плоскости фигуры: более темное означает, что оно находится дальше от читателя, а более светлое означает, что оно ближе к читателю. Оптическая линза 800 образована путем спирализации торической поверхности линзы, как показано на фиг. 1. Центральная точка обозначена как 806. Таким образом, геометрия поверхности 801 представляет собой спираль, центральная точка 806 которой находится на оптической оси. В полярных координатах угол спирали увеличивается с радиальным расстоянием от оптической оси. В частности, первый меридиан 802, имеющий первую кривизну, дополнительно имеет форму спирали вокруг оптической оси. Кроме того, линии 803, которые имеют вторую кривизну и которые были бы параллельны второму меридиану в торической линзе с фиг. 1, здесь имеют разные азимутальные ориентации, при этом ориентация линий меняется по мере удаления от оптической оси из-за спирализации.

Фактически, чтобы осуществить изобретение, после анализа недостатков мультифокальных линз предшествующего уровня техники изобретатель стремился растянуть фокальную область вдоль оптической оси.

Начав с мультифокальных линз с двумя концентрическими торическими поверхностями, он затем подумал о том, чтобы расположить их в осевом направлении друг против друга.

На фиг. 3 и 4 показан вид спереди и в перспективе такой мультифокальной оптической линзы 100. Мультифокальная оптическая линза 100 содержит первую торическую поверхность 102 и вторую торическую поверхность 104, которая концентрически окружает первую поверхность 102.

Таким образом, если смотреть на линзу 100 в осевом направлении вдоль оптической оси A-A, первая поверхность 102 соответствует первой оптической области, а вторая поверхность 104 соответствует второй оптической области, концентричной с первой поверхностью 102.

Первая торическая поверхность 102 имеет первый меридиан 102₁, искривленный с первой кривизной, и второй меридиан 102₂, искривленный со второй кривизной и перпендикулярный первому меридиану 102₁. Аналогично, вторая поверхность 104 имеет первый меридиан 104₁, искривленный с первой кривизной, и второй меридиан 104₂, искривленный со второй кривизной и перпендикулярный первому меридиану 104₁. В частности, на каждой из первой и второй поверхностей 102, 104 вторая кривизна больше первой кривизны.

Периферия каждой из первой и второй поверхностей 102, 104 представляет собой круглое сечение.

Первый меридиан 102₁ первой поверхности 102 перпендикулярен первому меридиану 104₁ первой поверхности 104.

Первая кривизна первой поверхности 102 может отличаться от первой кривизны второй поверхности 104 или быть равна ей. Аналогично, вторая кривизна первой поверхности 102 может отличаться от второй кривизны второй поверхности 104 или быть равна ей.

Таким образом, линза 100 содержит два концентрических тора, имеющих разные оси меридианов, которые, в частности, расположены напротив друг друга или в противоосевом формате, то есть так, что угол между двумя торами составляет 90°.

На фиг. 5 показано распределение света, прошедшего через мультифокальную оптическую линзу 100 при параллельном освещении в примере, в котором первая кривизна первой поверхности равна первой кривизне второй поверхности и в котором вторая кривизна первой поверхности равна второй кривизне второй поверхности. Свет, проходящий через первый меридиан 102₁ первой поверхности 102, сходится на первом фокусном расстоянии 106, тем самым образуя первый участок 108₁, параллельный первому меридиану 102₁, и свет, проходящий через второй меридиан 102₂ первой поверхности 102, сходится на втором фокусном расстоянии 110, образуя второй участок 108₂, параллельный второму меридиану 102₂.

Кроме того, свет, проходящий через первый меридиан 104₁ второй поверхности 104, сходится на первом фокусном расстоянии 106, тем самым образуя первый участок 112₁, параллельный первому меридиану 104₁, и свет, проходящий через второй меридиан 104₂ второй поверхности 104, сходится на втором фокусном расстоянии 110, тем самым образуя второй участок 112₂, параллельный второму меридиану 104₂.

Таким образом, с такой линзой 100 полученная фокальная область длиннее, чем фокальные области мультифокальных линз предшествующего уровня техники. Эта удлиненная фокальная область зависит от торичности поверхностей 102, 104.

Заметив, что эта фокальная область недостаточно сконцентрирована, изобретатель затем подумал о проведении спирализации поверхностей, чтобы получить фокус, сосредоточенный в трубчатой области, и тем самым сделать возможным получение фокуса на более длинном расстоянии вдоль оптической оси.

Фиг. 6 и 7 иллюстрируют вариант осуществления оптической линзы 200 с трубчатым фокусом и с двойной торической поверхностью, напротив друг друга по оси и по оси по спирали, соответственно.

Оптическая линза 200 с фиг. 6 содержит первую торическую поверхность 202, имеющую первый меридиан 2021, искривленный с первой кривизной вокруг оси вращения первого тора, и второй меридиан (представленный дугой 202₂, параллельной второму меридиану), который искривлен со второй кривизной, которая больше первой кривизны, и перпендикулярен первому меридиану 202₁. Оптическая линза 200 также содержит вторую торическую поверхность 204, расположенную рядом с первой торической поверхностью 202 и имеющую первый меридиан 204₁, искривленный с первой кривизной вокруг оси вращения второго тора, и второй меридиан (представленный дугой 204₂, параллельной второму меридиану), искривленный со второй кривизной и перпендикулярный первому меридиану 204₁. Если смотреть спереди, то есть в проекции на плоскость проекции, перпендикулярную оптической оси линзы 200, проходящей через ее центр 206, первая торическая поверхность 202 соответствует двум азимутальным угловым секторам 208₂ и 208₄, диаметрально противоположным и пересекающимся в своих вершинах, которые обращены к центру 206 оптической линзы 200. Таким же образом вторая торическая поверхность 204 соответствует двум азимутальным угловым секторам 208₁ и 208₃, которые диаметрально противоположны и пересекаются в своих вершинах, которые обращены к центру 206. Каждый азимутальный угловой сектор 208₂ и 208₄ первой торической поверхности 202 примыкает к двум азимутальным угловым секторам 208₁ и 208₃ второй торической поверхности 204. Угловые секторы 208 ограничены точками пересечения первой торической поверхности 202 и второй торической поверхности 204, которые представляют собой линии пересечения в пространстве двух колец цилиндрического сечения, оси вращения которых перпендикулярны. Эти линии пересечения представлены границами 210₁, 210₂, 210₃ и 210₄ между азимутальными угловыми секторами 208₁, 208₂, 208₃ и 208₄. В пространстве каждая из границ 210₁, 210₂, 210₃ и 210₄ смещена назад в направлении оптической оси относительно первых меридианов 202₁ и 204₁.

На фиг. 7 показана оптическая линза 200, полученная за счет спирализации торических поверхностей линзы на фиг. 6. Таким образом, первый меридиан 202₁ первой торической поверхности 202 и первый меридиан 204₁ второй торической поверхности 204 представляют собой спиральный сегмент, центральная точка 206 которого находится на оптической оси оптической линзы 200. Аналогично, каждая из границ 210₁, 210₂, 210₃ и 210₄ представляет собой спиральный сегмент, центральная точка 206 которого находится на оптической оси оптической линзы 200.

Спирализация может производиться различными способами, например, по линейному закону, квадратичному закону или по существу логарифмическому закону. Для применения логарифмического закона необходимо сделать упрощение вблизи центра 206 линзы, где угол спирали будет математически расходиться.

В примере, показанном на фиг. 7, угол увеличения достигает 45° на периферии 25 оптической линзы 200. Этот угол может иметь другое значение, например, от 30° до 720° и, в частности, равняться 60°. Периферия 25 оптической линзы 200 здесь имеет круглую форму. Эта форма может быть отличной от круглой.

Фиг. 8 и 9 иллюстрируют вариант осуществления оптической линзы 400 с трубчатым фокусом и с двойной торической поверхностью, в осевом направлении друг против друга и в осевом направлении друг против друга по спирали, соответственно.

Оптическая линза 400 трубчатого фокуса с фиг. 8 выполнена аналогично оптической линзе 200 с фиг. 6, но с тремя отдельными азимутальными секторами 401, 402 и 403 вместо четырех азимутальных секторов. Каждый азимутальный сектор 401, 402, 403 имеет сегмент торической поверхности с соответствующими первыми меридианами 401₁, 402₁, 403₁, которые ориентированы в различных азимутальных направлениях под углом 120° друг к другу в симметричном случае, как показано. Вторые меридианы здесь не показаны, но в каждом случае они перпендикулярны соответствующим первым меридианам. Азимутальные секторы 401, 402, 403 ограничены границами 405.

На фиг. 9 показана линза 400 с трубчатым фокусом, образованным из поверхности линзы с фиг. 8. Здесь спиральные сегменты подчиняются квадратичному закону спирализации: угол спирали пропорционален квадрату радиального расстояния от центра 406 по оптической оси. Каждая из границ 405 и каждый из первичных меридианов 401₁, 402₁, 403₁ имеют одинаковую спиральную геометрию. В показанном примере угол спирали достигает 360° на периферии оптической линзы 400, т.е. одного полного оборота. Второй полный оборот можно было бы сделать для линзы большего размера, т.е. с углом 720° и более.

В качестве численного примера реализована оптическая линза 400 трубчатого фокуса с фиг. 9 с передней поверхностью с четырьмя одинаковыми торическими ветвями, параметры которых следующие:

- первая кривизна торической поверхности: фокусное расстояние равно 17,4 см

- вторая кривизна торической поверхности: фокусное расстояние равно 14 см

- фокусы разнесены на 1,4 диоптрии

- форма спирали: логарифмическая в золотом сечении

- угол спирали: 720°

- диаметр объектива: 10 мм

- остальные геометрические параметры: задняя поверхность сферическая с радиусом кривизны 7,8 мм. Толщина в центре линзы 400 равна 0,5 мм.

Как правило, оптическая линза с трубчатым фокусом согласно изобретению может быть сконструирована аналогично одной из проиллюстрированных оптических линз 200, 400, 800 с использованием любого количества торических поверхностей, каждая из которых занимает один азимутальный угловой сектор. Таким образом, количество торических ветвей, распределенных вокруг оптической оси в спиральной поверхности, может быть четным (например, 2 ветви в оптической линзе 800, 4 ветви в оптической линзе 200) или нечетным (например, 3 ветви в оптической линзе 400). Возможно другое количество ответвлений, например 5, 6, 7 или более.

Более того, границы между соседними торическими поверхностями могут быть резкими или плавными. Например, локальная кривизна может быть интерполирована вблизи границ, чтобы обеспечить пологие области перехода между соседними торическими поверхностями и, таким образом, ограничить экстремальные наклоны.

Трубчатый фокус, полученный согласно изобретению, показан на фиг. 10 в сравнении сферической оптической линзы 1301 согласно известному уровню техники и оптической линзы с трубчатым фокусом 1302 согласно изобретению, причем каждая из этих двух линз 1301, 1302 предназначена для коррекция зрения. Как показано на фиг. 10, параллельное освещение падает на линзы 1301 и 1302, где Z обозначает область резкости, воспринимаемую человеческим глазом, которая находится по обе стороны от фокальной точки линз. Как очень ясно видно из фиг. 10, линза 1302 со спиралями позволяет получить удлинение области резкости Z, ограниченной воображаемым прямым цилиндром. Таким образом, спирализация различных оптических сил позволяет получить трубчатый фокус световых лучей. Другими словами, если в сферической линзе 1301 предшествующего уровня техники один из двух диоптрийных интерфейсов заменяется спиралевидной торической поверхностью 1302 согласно настоящему изобретению, это приводит к удлинению фокальной области. Область стигматизма становится уже не точкой, а фокусной трубкой.

Изобретатель выполнил расчет оптической трассировки лучей для параллельного освещения. На фиг. 11 показана линза 400, подобная линзе с фиг. 9, со стороны фокальной точки объекта. Область фокусировки XV показана увеличенной в верхней части фиг. 12.

На фиг. 12 также показаны фокусные расстояния D1 и D2, соответствующие первой кривизне и второй кривизне исходной торической поверхности соответственно. Справа на фиг. 12 линия 1501 показывает размер фокального пятна в D1, а линия 1502 показывает размер фокального пятна в D2.

Для сравнения, в нижней части фиг. 12 показаны те же элементы для астигматической линзы, расположенные по оси напротив друг друга, как и на фиг. 6, имеющие ту же кривизну, что и исходные с фиг. 11: линия 1511 показывает размер фокального пятна на D1, а линия 1512 показывает размер фокального пятна на D2.

Из фиг. 12 ясно видно, что спирализация линзы согласно изобретению приводит к сжатию фокального пятна между D1 и D2 по существу в форме воображаемого прямого цилиндра.

Другие варианты и преимущества изобретения могут быть реализованы без выхода за пределы объема изобретения.

Если в проиллюстрированных примерах спиральные сегменты были выполнены так, чтобы проходить прямо через оптическую поверхность линзы, то можно предусмотреть выполнение спирализации только на одном участке.

Таким образом, на фиг. 13 показан вариант, согласно которому оптическая линза 300 содержит сферическую поверхность 302, расположенную в центре оптической поверхности линзы 300, причем спиральные сегменты выполнены только на периферии оптической поверхности.

На фиг. 14 показан вариант, согласно которому оптическая линза 100 с двумя концентрическими торическими поверхностями 102, 104 имеет соединительную часть 114, выполненную по спирали согласно изобретению.

Изобретение не ограничивается только что описанными примерами; в частности, возможно комбинировать признаки проиллюстрированных примеров в вариантах, которые не проиллюстрированы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается оптического устройства. Оптическое устройство имеет оптическую ось и содержит по меньшей мере одну поверхность по меньшей мере с двумя меридианами, по меньшей мере одна часть которой образует, если смотреть спереди, по меньшей мере один спиральный сегмент, центральная точка которого находится на оптической оси. Каждый спиральный сегмент определяет меридианы с различной оптической силой, чтобы полученный фокус распространялся по трубчатой области. Технический результат заключается в увеличении длины фокальной области. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Оптическое устройство (100, 200, 400, 800), имеющее оптическую ось, содержащее по меньшей мере одну поверхность по меньшей мере с двумя меридианами, по меньшей мере одна часть которой образует, если смотреть спереди, по меньшей мере один спиральный сегмент, центральная точка (206, 406, 806) которого находится на оптической оси, причем каждый спиральный сегмент определяет меридианы с различной оптической силой, чтобы полученный фокус распространялся по трубчатой области.

2. Оптическое устройство по п.1, в котором один или более спиральных сегментов образованы из торической поверхности, имеющей первый меридиан, искривленный с первой ненулевой кривизной, и второй меридиан (202₂, 803), искривленный со второй кривизной, которая строго больше первой кривизны, причем второй меридиан перпендикулярен первому меридиану.

3. Оптическое устройство по п.2, в котором один или более спиральных сегментов образованы из первой и второй торических поверхностей, причем первая торическая поверхность (208₂, 401) имеет первый меридиан (202₁, 401₁), искривленный с первой ненулевой кривизной вокруг оси вращения первого тора, и второй меридиан (202₂), искривленный со второй кривизной, которая строго больше первой кривизны, причем второй меридиан перпендикулярен первому меридиану, а вторая торическая поверхность (208₁, 402) имеет первый меридиан (204₁, 402₁), искривленный с первой ненулевой кривизной вокруг оси вращения второго тора, и второй меридиан (204₂), искривленный со второй кривизной, которая строго больше первой кривизны, и перпендикулярный первому меридиану (204₁) второй торической поверхности,

причем первая и вторая торические поверхности каждая содержит множество азимутальных угловых секторов, расположенных вокруг оптической оси,

первый меридиан (202₁, 401₁) первой торической поверхности (208₂, 401) и первый меридиан (204₁, 402₁) второй торической поверхности (208₁, 402) имеют азимутальные ориентации, разделенные ненулевым углом относительно оптической оси,

спиральные сегменты определяют первый и второй меридианы (202₁, 401₁; 204₁, 402₁) оптической силы, получаемые из первого меридиана (208₂, 401) первой торической поверхности и из первого меридиана (208₁, 402) второй торической поверхности.

4. Оптическое устройство (200, 400) по п.3, в котором азимутальный угловой сектор (208₂) первой торической поверхности и азимутальный угловой сектор второй торической поверхности (208₁) являются смежными через спирально-сегментную границу (210).

5. Оптическое устройство (200) по п.3 или 4, в котором первая торическая поверхность (208₂, 208₄) и вторая торическая поверхность (208₁, 208₃) содержат каждая два диаметрально противоположных азимутальных угловых сектора.

6. Оптическое устройство (200) по п.5, в котором каждый угловой сектор первой торической поверхности (208₂, 208₄) является смежным с двумя угловыми секторами второй торической поверхности (208₁, 208₃).

7. Оптическое устройство (200, 400) по любому из пп.3-6, в котором угол между азимутальными ориентациями первого меридиана первой торической поверхности (208₂, 401) и первого меридиана второй торической поверхности (208₁, 402) составляет от 60° до 90°.

8. Оптическое устройство (200, 400) по любому из пп.3-7, в котором первая кривизна первой торической поверхности (208₂, 401) равна первой кривизне второй торической поверхности (208₁, 402).

9. Оптическое устройство по любому из пп.3-8, в котором вторая кривизна первой торической поверхности (208₂, 401) равна второй кривизне второй торической поверхности (208₁, 402).

10. Оптическое устройство (200, 400, 800) по любому из предыдущих пунктов, в котором радиус спирального сегмента связан в полярных координатах с углом спирали по линейному закону, квадратичному закону или логарифмическому закону.

11. Оптическое устройство по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащее сферическую поверхность (302), центрированную на оптической оси.

12. Оптическое устройство (200, 400, 800) по любому из предыдущих пунктов, образующее оптическую линзу, лицевой стороной которой является поверхность с по меньшей мере одним спиральным сегментом.

13. Применение оптического устройства (200, 400, 800) по любому из предыдущих пунктов для коррекции зрения.

14. Применение оптического устройства (200, 400, 800) по любому из пп.1-12 для концентрации световой мощности.

15. Применение оптического устройства (200, 400, 800) по любому из пп.1-12 для формирования изображения.