JP2913191B2 - 非球面レンズ設計法及び加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、眼内レンズやコンタクトレンズ等など眼の
屈折矯正手段としての非球面レンズの製造方法及びその
製造装置に関する。

（従来の技術） 従来、例えば、眼内レンズの非球面性を球面からのず
れの偶数次の多項式で表現し、該多項式の係数を変化さ
せながら光線追跡を行い、収差を計算して設計したり、
あるいは、多項式の代わりに特殊な代数関数で非球面を
表現し、設計する手段が一般的であった。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来の手段では、非球面の表現が代数関数で表現
可能なものに限定されてしまい、設計の自由度が限定さ
れてしまうという欠点があった。

例えば、光軸に回転対象な屈折曲面の場合、光軸から
の距離でその点の曲率半径が定まる。この曲率半径を光
軸からの距離の曲率半径で表現した場合、代数関数の形
によって異なる２点の曲率半径が一定の関係を持ってし
まい、それらの点での曲率半径を独立に変化させること
はできなかった。

このため、一般に、非球面の表現に代数関数を用いる
方法では、設計の自由度が限定されてしまい、例えば、
球面収差を完全に取り除いた眼内レンズ等の設計が不可
能であった。

一般に、眼球光学系では、黄斑部の中心窩での画質が
視力に影響を与えることから、眼内レンズやコンタクト
レンズの製造において、球面収差をいかにコントロール
するかが重要な課題の一つとなる。

本発明は、球面収差を任意にコントロールすることに
より、球面収差を完全に取り除いたり、あるいは任意の
焦点深度や解像力を有する眼内レンズ等の非球面レンズ
及びその製造方法並びにその製造装置を提供することを
課題とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために、設計するレンズ
の屈折面の形状設定するに際し、従来のように代数関数
を用いて設定するのではなく、光軸から任意の高さを通
過する光線が、レンズを通過した後に予め設定された所
望の最終通過点を通過するように、光線の通過する点で
の曲面の傾きを決定し、任意の光線の高さにおける曲面
の傾きから曲面全体の形状を設計するようにしたもので
ある。

即ち、本発明は、非球面レンズの製造方法及びレンズ
の製造装置としてなされたもので、レンズの製造方法と
しての特徴は、光線追跡法を用いた非球面レンズの製造
方法において、ある入射光線Ｒに対して光線追跡を行
い、その光線Ｒと特定の屈折曲面との交点PTの位置を求
めるステップと、その交点PTを通る光線Ｒが最終屈折面
を屈折した後に通る所望最終通過点P0を設定するステッ
プと、交点PTでの曲面の傾きＴを適当に決定し、該曲面
の傾きＴに対応した光線Ｒの最終通過点Ｐを求めるステ
ップと、該最終通過点Ｐと前記予め設定された前記所望
最終通過点P0の位置を比較し、最終通過点Ｐと所望最終
通過点P0との位置が一致するように、曲面の傾きＴを順
次変化させるためのステップと、最終通過点Ｐと所望最
終通過点P0との一致時に、その曲面の傾きＴを交点PTで
の所望屈折曲面の傾きと決定するステップと、入射光線
Ｒの光軸Ｌに対する高さｈあるいは角度を順次変化させ
て前記傾きが決定された設定曲面に連続する曲面の交点
PT′を求め、該曲面の傾きＴ′を変化させるステップ
と、最終通過点Ｐ′と所望最終通過点P0′との一致時
に、その曲面の傾きＴ′を交点PT′での所望屈折曲面の
傾きと決定するステップと、こうして繰り返して求めら
れたそれぞれの交点PTでの屈折曲面の傾きＴから曲面の
形状を計算するステップと、個々に求められた前記曲面
の形状に基づいてレンズを製造するステップとを備えた
ことにある。

また、非球面レンズの製造装置としての特徴は、光線
追跡法を用いた非球面レンズの製造装置において、ある
入射光線Ｒに対して光線追跡を行い、その光線Ｒと屈折
曲面との交点PTの位置を求める交点位置決定手段15と、
その交点PTを通る光線Ｒが最終屈折面を屈折した後に通
る所望最終通過点P0を設定する目的値設定手段13と、交
点PTでの曲面の傾きＴを適当に決定する傾き決定手段14
と、該傾き決定手段により決定された曲面の傾きＴに対
応した光線Ｒの最終通過点Ｐを求める最終通過点計算手
段16と、該最終通過点Ｐと前記予め設定された所望最終
通過点P0の位置を比較し、最終通過点Ｐと所望最終通過
点P0との位置が一致するように、傾き決定手段の曲面の
傾きＴを順次変化させ、最終通過点Ｐと所望最終通過点
P0との一致時に、その曲面の傾きＴを交点PTでの所望屈
折曲面の傾きと決定する判定手段17と、入射光線Ｒの光
軸Ｌに対する高さｈまたは角度を順次変化させるための
初期値設定手段11と、前記傾きが決定された設定曲面に
連続する曲面の交点PT′が求められ、該交点PT′及び曲
面の傾きＴ′を変化させることにより、最終通過点Ｐ′
と所望最終通過点P0′とを一致させることにより、屈折
曲面の傾きが決定され、各交点PTの位置での曲面の傾き
Ｔとから曲面の形状を計算する曲面形状計算手段18と、
該曲面形状計算手段18により求められた曲面形状を記憶
しておく記憶装置５とを備え、該記憶装置５の情報に基
づいて数値制御装置６を用いてレンズが製造可能に構成
されてなることにある。

（作 用） 上記ように構成された本発明において、特定の屈折面
の光軸Ｌからの所定の高さｈでの曲面の傾きＴは、その
高さｈを通る入射光線Ｒが最終屈折面を通過した後に、
予め指定された所定の最終通過点P0を通過するように決
定される。

そして、入射光線Ｒの高さｈあるいは角度が順次変化
され、曲面のそれぞれの高さｈでの傾きの値から全体の
曲面の形状が計算され設計されるのである。

即ち、光学系のある特定の線分を有する屈折曲面が設
計曲面として選ばれ、その曲面に対して本発明による手
段が適応される。

光線追跡により入射光線Ｒが屈折曲面を通る交点PTの
位置（光軸からの高さと光軸方向の距離）が求められ、
この交点PTでの曲面の傾きＴが次々と変化させられる。

具体的には、最初の２つ屈折曲面の傾きT1,T2は任意
に決定され、３番目以降の傾きは先行する２つの傾き
と、それぞれの屈折曲面の傾きに対応する２つの最終通
過点Ｐと前記所望の最終通過点P0とから、内挿法あるい
は外挿法により、次の曲面の傾きＴが決定できる。

このようにして、交点PTでの曲面の傾きＴが決定さ
れ、その傾きＴにおける最終通過点が前記所望の最終通
過点P0と一致した場合に、該屈折曲面の傾きＴが所望の
曲面の傾きと設定される。

更に、入射光線Ｒの高さｈを順次変更し、それぞれ異
なる高さｈにおける曲面の傾きが同様に決定され、それ
ぞれの交点PTにおける曲面の形状が逐次的に設定され
る。

また、入射光線Ｒを光軸Ｌの近傍側から入射させ、そ
の角度を次第に大きくしていく場合にも同様に曲面の光
軸に近い部分から曲面の傾きを決定することができる。

上記のように決定された任意の屈折曲面に入射した光
線は、必ず所望の最終通過点P0を通過することとなる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を眼球光学系の球面収差を取り
除く眼内レンズに採用した場合について説明する。

第１図は本発明に係る実施例のフローチャート図、第
２図は眼内レンズが装着された眼球の模式図、第３図は
装置のブロック図をそれぞれ示す。

第３図において、１は計算装置、２は記憶装置、３は
ディスプレイ装置、４はキーボード、５は記憶装置、６
は数値制御旋盤である。

前記計算装置１はCPUよりなり、図示しないメモリに
書き込まれている制御プログラムに従いレンズの設計を
行うものである。

前記記憶装置２には、眼内レンズの設計に必要な角膜
の前面及びその後面及び眼内レンズの前面及びその後面
のそれぞれの曲率半径、角膜及び眼内レンズの各屈折面
間の距離、媒質の屈折率、どの屈折面が設計の対象とな
るのかの情報、追跡光線の初期値及び追跡光線の初期値
を変化させる場合に、光軸からの高さが変化するのか、
あるいは、角度が変化するのか、変化のピッチ、あるい
は、目的値設定のための情報がそれぞれ記憶されてい
る。

11は入射光線Ｒの光軸Ｌに対する高さｈまたは角度を
順次変化させるための初期値設定手段11で、前記計算装
置１内に内蔵されている。

13は前記計算装置１に内蔵された目的値設定手段で、
読出手段10により前記記憶装置２から適宜読み込まれた
情報に基づいて設計される曲面と光線Ｒとの各交点PTに
対する光線の所望最終通過点P0を求めるものである。
尚、本実施例では、球面収差を除いた眼内レンズを設計
するため、該所望最終通過点P0は共通のある一点とな
る。

14は傾き設定手段で、該傾き設定手段14は設計すべき
曲面の傾きＴを任意に決定可能である。

15は光線追跡手段12により追跡される光線Ｒと設計さ
れる曲面との交点PTの位置（光軸からの高さｈと光軸方
向の位置）を求めるための交点PT位置決定手段である。

16は最終通過点計算手段で、前記傾き設定手段14によ
り適宜決定された曲面の傾きＴにおける光線Ｒを追跡手
段12により追跡し、その最終通過点Ｐを求めるものであ
る。

17は前記最終通過点計算手段16により求められた最終
通過点Ｐと前記所望最終通過点P0とを比較し、該最終通
過点Ｐと前記所望最終通過点P0とが一致しているか否か
を比較確認するための第１判定手段で、これら最終通過
点と前記所望最終通過点P0とが一致するまで、内挿法あ
るいは外挿法に基づき前記傾き設定手段14が繰り返して
適用されるように構成されている。

18は曲面形状計算手段で、入射光線Ｒの高さｈあるい
は角度を順次変化させることにより、個々に求められた
交点PTの位置とその交点PTでの屈折曲面の傾きとから曲
面の形状を計算するものである。

19は曲線の形状が完全に定まったか否かを確認するた
めの第２判定手段で、曲線の形状が完全に定まった場合
には、その情報がデーター書込み手段20を介して前記記
憶装置５に書き込まれ、そのデーターに基づいて数値制
御旋盤６が稼働されるようになっている。

本発明の装置は以上の構成からなり、該装置を使用し
てレンズを製造する場合について第１図に基づいて説明
する。

先ず、前記キーボード４の選択により、記憶装置２の
特定のファイルが選択され、前記所定の情報が読出手段
10により読み出され、該情報に基づいて初期値設定手段
11により最初の追跡光線Ｒの初期値が設定される。この
光線の初期値に対して前記光線追跡手段12を用いて光線
追跡が行われ、設計曲面での通過点（光軸からの高さｈ
と光軸方向の位置）が、交点位置決定手段15により求め
られると共に、前記目的値設定手段13により設計曲面の
各交点PTに対する一点の所望最終通過点P0が求められ
る。

次に、前記交点PTにおける任意の曲面の傾きT1が傾き
設定手段14により決定され、この曲面の傾きT1において
光線追跡が行われ、最終通過点計算手段16により光線の
最終通過点P1が求められる。該最終通過点P1と前記所望
最終通過点P0とを第１判定手段17が一致している否かを
比較確認する。

最終通過点P1と前記所望最終通過点P0とが一致してい
る場合には、その曲面の傾きT1が所望の曲面の傾きとし
て決定される。

仮に、前記最終通過点P1と前記所望最終通過点P0とが
不一致の場合には、更に、前記交点PTにおいて前記屈折
曲面の傾きT1と異なる屈折曲面の傾きT2が決定され、該
屈折曲面の傾きT2での最終通過点P2が前記と同様に求め
られる。

そして、該最終通過点P2と前記所望最終通過点P0とが
一致している否かを比較確認され、両者P0,P2が一致し
ている場合には、屈折曲面の傾きT2が所望の傾きとして
決定され、また、不一致の場合には、更に、新しい曲面
の傾きが決定される。

即ち、この３番目以降の曲面の傾きＴは、前記先行す
る２つのその傾きと、光線追跡により求められたそれぞ
れの対応する最終通過点Ｐと、前記所望最終通過点P0と
から、内挿法あるいは外挿法により決定される。そし
て、決定された曲面の傾きに対応する最終通過点Ｐが求
められ、該最終通過点と所望最終通過点P0とが再び前記
第１判定手段17により、比較、確認され、最終通過点Ｐ
と所望最終通過点P0とが一致するまで、次々と同じ交点
PTでの曲面の傾きが、傾き設定手段14により繰り返して
変更、決定され、両最終通過点が一致したときに、その
ときの傾きＴが所望の曲面の傾きと設定される。

尚、曲面の傾きＴが次々に変化し、最終通過点Ｐが求
められる際に、前記交点PTの光軸Ｌ方向の距離が変化さ
れる場合は、その変化を交点PT位置決定手段15により決
定する。

更に、初期値設定手段11により初期値が順次変更さ
れ、異なる入射光線Ｒでの曲面の傾きＴが次々に求めら
れ、前記曲面形状計算手段18により曲面の形状が逐次決
定されていく。即ち、入射光線Ｒの光軸Ｌに対する高さ
ｈあるいは角度を順次変化させて前記とは異なる交点P
T′を求め、該交点PT′を通過する光線の最終通過点
Ｐ′が所望最終通過点P0′と一致するように、該交点P
T′での屈折曲面の傾きＴ′を求める。こうして繰り返
して求められたそれぞれの交点PTとその交点PTでの屈折
曲面の傾きＴから曲面の形状を計算する。

尚、曲面の形状が逐次決定されていく際に、この曲面
形状は次の高さでの計算の規準となる。即ち、光線Ｒと
設計曲面との交点PTの光軸Ｌ方向の位置が設計にしたが
って変化するが、この変化はすでに決定されている曲面
（設定曲面）形状と、該曲面に連続する次の曲面の傾き
Ｔとを用いて計算される。

そして、前記第２判定手段19が、曲面の形状が完全に
設定さてたか否かを確認し、その形状が定まっている場
合には、曲面形状のデーターが前記書込手段20により、
記憶装置５に書き込まれ、そのデーターに基づいて数値
制御装置６が稼働し、該数値制御装置６にてレンズが加
工される。

以上のようにして形成されたレンズにおいて、屈折曲
面はその交点PTでの入射光線Ｒが所望最終通過点P0を必
ず通るように設計されていることから、種々の性質を有
するレンズの製造が可能である。

例えば、前記所望最終通過点P0を各高さに対して共通
の一点に設定すれば、球面収差を完全に取り除いたレン
ズの製造が可能となり、また、所望最終通過点P0を２つ
の点に設定すれば、２重焦点を持つレンズを製造できる
ことになる。

尚、複数の焦点を有するレンズを製造する際には、各
交点に対応する最終通過点の位置が予め目的値設定手段
に記憶される。

また、本発明は、所定面積を有する連続した屈折曲面
を複数個別個にそれぞれ設計し、それぞれの屈折曲面を
つなぎ合わせることも可能である。

（発明の効果） 本発明は、上記のように構成されているので、幾何光
学の範囲内で、ある特定の共役点に対して球面収差を完
全に取り除いたレンズを容易に製造できる。

また、該レンズの光軸に対する所望高さでの所望最終
通過点を従来に比し、容易に変化させることができ、例
えば、所望最終通過点を２つ設ければ、２重焦点を有す
るレンズの製造が可能となる。

従って、特に、球面収差のないはっきりと見ることの
できる眼内レンズやコンタクトレンズの製造に最適で、
しかも、球面収差を任意に設定でき、２重焦点や多焦点
レンズの精密な加工が可能となることから、その実用的
価値は著大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例を示すフローチャート図、
第２図は眼内レンズ挿入眼の光学系を示す模式図、第３
図はレンズ加工用装置のブロック図。 PT,PT′……交点、ｈ……光軸からの高さ、P0,P0′……
所望最終通過点、Ｐ（P1,P2）,P′……最終通過点、Ｔ
（T1,T2）,T′……曲面の傾き、11……初期設定手段、1
2……光線追跡手段、13……目的値設定手段、14……傾
き設定手段、15……交点位置決定手段、16……最終通過
点計算手段、17……第１判定手段（判定手段）、18……
曲面形状計算手段、19……第２判定手段。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光線追跡法を用いた非球面レンズの製造方
   法において、ある入射光線Ｒに対して光線追跡を行い、
   その光線Ｒと特定の屈折曲面との交点PTの位置を求める
   ステップと、その交点PTを通る光線Ｒが最終屈折面を屈
   折した後に通る所望最終通過点P0を設定するステップ
   と、交点PTでの曲面の傾きＴを適当に決定し、該曲面の
   傾きＴに対応した光線Ｒの最終通過点Ｐを求めるステッ
   プと、該最終通過点Ｐと前記予め設定された前記所望最
   終通過点P0の位置を比較し、最終通過点Ｐと所望最終通
   過点P0との位置が一致するように、曲面の傾きＴを順次
   変化させるためのステップと、最終通過点Ｐと所望最終
   通過点P0との一致時に、その曲面の傾きＴを交点PTでの
   所望屈折曲面の傾きと決定するステップと、入射光線Ｒ
   の光軸Ｌに対する高さｈあるいは角度を順次変化させて
   前記傾きが決定された設定曲面に連続する曲面の交点P
   T′を求め、該曲面の傾きＴ′を変化させるステップ
   と、最終通過点Ｐ′と所望最終通過点P0′との一致時
   に、その曲面の傾きＴ′を交点PT′での所望屈折曲面の
   傾きと決定するステップと、こうして繰り返して求めら
   れたそれぞれの交点PTでの屈折曲面の傾きＴから曲面の
   形状を計算するステップと、個々に求められた前記曲面
   の形状に基づいてレンズを製造するステップとを備えた
   ことを特徴とする非球面レンズの製造方法。
2. 【請求項２】光線追跡法を用いた非球面レンズの製造装
   置において、ある入射光線Ｒに対して光線追跡を行い、
   その光線Ｒと屈折曲面との交点PTの位置を求める交点位
   置決定手段15と、その交点PTを通る光線Ｒが最終屈折面
   を屈折した後に通る所望最終通過点P0を設定する目的値
   設定手段13と、交点PTでの曲面の傾きＴを適当に決定す
   る傾き決定手段14と、該傾き決定手段により決定された
   曲面の傾きＴに対応した光線Ｒの最終通過点Ｐを求める
   最終通過点計算手段16と、該最終通過点Ｐと前記予め設
   定された所望最終通過点P0の位置を比較し、最終通過点
   Ｐと所望最終通過点P0との位置が一致するように、傾き
   決定手段の曲面の傾きＴを順次変化させ、最終通過点Ｐ
   と所望最終通過点P0との一致時に、その曲面の傾きＴを
   交点PTでの所望屈折曲面の傾きと決定する判定手段17
   と、入射光線Ｒの光軸Ｌに対する高さｈまたは角度を順
   次変化させるための初期値設定手段11と、前記傾きが決
   定された設定曲面に連続する曲面の交点PT′が求めら
   れ、該交点PT′及び曲面の傾きＴ′を変化させることに
   より、最終通過点Ｐ′と所望最終通過点P0′とを一致さ
   せることにより、屈折曲面の傾きが決定され、各交点PT
   の位置での曲面の傾きＴとから曲面の形状を計算する曲
   面形状計算手段18と、該曲面形状計算手段18により求め
   られた曲面形状を記憶しておく記憶装置５とを備え、該
   記憶装置５の情報に基づいて数値制御装置６を用いてレ
   ンズが製造可能に構成されてなることを特徴とする非球
   面レンズの製造装置。