DE60123472T2

DE60123472T2 - Holographische multifokallinse

Info

Publication number: DE60123472T2
Application number: DE60123472T
Authority: DE
Inventors: Xiaoxiao Fort Worth ZHANG; Ming Fort Worth YE; Ruolin Woodbury LI
Original assignee: Novartis AG
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2021-12-29
Also published as: EP1348145B1; US20020093701A1; WO2002054137A2; ATE341016T1; DE60123472D1; AU2002219227A1; JP2004522992A; EP1348145A2; WO2002054137A3

Description

Die Erfindung betrifft eine ophthalmische Linse, wie eine Kontaktlinse. Insbesondere betrifft die Erfindung eine optische Multifokallinse (Linse mit mehreren Brennpunkten), die holographische optische Elemente umfasst.
Historische Aufzeichnungen dokumentieren, dass seit mindestens dem frühen 13. Jahrhundert Menschen die lichtbrechenden Eigenschaften von verschiedenen transparenten Materialien verwendet haben, um das Sehen zu verbessern. Die frühesten Brillengläser waren einfache Konvexlinsen, die aus Quarz hergestellt wurden, um Weitsichtigkeit zu unterstützen. Aus diesen frühen Vergrößerungsgläsern entwickelten sich die spezialisierten Glas- und Kunststoffbrillengläser und Kontaktlinsen, die üblicherweise von Millionen verwendet werden.
Die jüngsten Fortschritte in der Polymerchemie haben die Qualität und den Komfort für sowohl Brillengläser als auch Kontaktlinsen stark verbessert. Jedoch haben diese Verbesserungen primär jenen Patienten Vorteile gebracht, die nur korrigierende Linsen mit einem einzigen Fokus benötigen. Personen, die Multifokalsehkorrektur benötigen, haben wenig Verbesserung in den einzigartigen Problemen erfahren, unter denen sie leiden.
Beispielsweise erfahren viele Personen, die bi- oder trifokale Brillen tragen, Geisterbilder, die sich aus der nahen Annäherung von zwei Linsen mit verschiedenen Fokuspunkten ergeben. Die fortlebenden Probleme, die mit gegenwärtiger Multifokalsehkorrektur verbunden sind, können sehr deutlich auf dem Gebiet der Kontaktlinsen beobachtet werden.
Verschiedene Bifokallinsenaufbaukonzepte für ophthalmische Linsen, beispielsweise Kontaktlinsen oder Intraokularlinsen, sind verfügbar. Eine Art von Bifokallinse ist der Beugungs-gleichzeitige (simultane) Sehtyp. Eine Beugungs-gleichzeitige Sehtyplinse umfasst ein optisches Beugungselement und ein optisches Brechungselement. Die Beugung ist die Veränderung in der Richtung und Intensität des Lichtes nach Gelangen durch ein Hindernis oder durch eine Öffnung. Die Brechung ist das Umlenken oder Brechen von Licht, wenn es von einem Medium zu einem anderen, wie von Luft zu Wasser, gelangt. Eine Beugungslinse vom gleichzeitigen Typ spaltet das in das Auge eintretende Licht in nahe und ferne Bilder und projiziert die Bilder gleichzeitig auf die Netzhaut. Das Vorliegen von Dualbildern auf der Netzhaut macht kein Bild vollständig deutlich. Weiterhin erzeugen diese Linsen für den Anwender unter lichtarmen Bedingungen Kontrast- und Intensitätsprobleme.
Ein weiterer Typ von bifokaler Kontaktlinse ist der konzentrische gleichzeitige (simultane) Sehtyp. Diese Typen von Linsen besitzen konzentrische Flächen von unterscheidender Brechkraft. Beispielsweise stellt eine konzentrische Fläche eine Brechkraft für nahe Bilder bereit, während eine zweite konzentrische Fläche eine andere Brechkraft für ferne Bilder bereitstellt. Die konzentrischen Fokalgebiete fokussieren sowohl die nahen als auch fernen Bilder auf einen üblichen fokalen Bereich der Netzhaut, wodurch eine Überlappung von Bildern erfolgt, wobei die beiden Bilder unscharf werden. Wenn beispielsweise ein verschiedener Gegenstand durch eine konzentrische, gleichzeitige bifokale Linse betrachtet wird, liegen gleichzeitig Bilder von nahen Gegenständen vor, unter Verschleiern oder Vernebeln des Bildes von dem beabstandeten Gegenstand. Weil zwei optische Zonen das Licht, das in die konzentrische Bifokallinse gelangt, teilen, werden der Kontrast und die Intensität von den fokussierten Bildern Einbußen erleiden, insbesondere unter ungünstigen Lichtbedingungen.
Ein weiterer Typ von Bifokalkontaktlinse ist der translatierende bzw. verschiebende Typ. Der translatierende Typ folgt im Allgemeinen dem Aufbau einer herkömmlichen bifo kalen Brillenglaslinse, in der es zwei verschieden lokalisierte Abschnitte mit verschiedenen Brechkräften gibt. Um ferne oder nahe Gegenstände zu betrachten, muss der Träger die Linse auf dem Auge bewegen, bis die geeignete Brechkraft erreicht ist. Die Bewegung der Linse auf dem Auge kann ein Problem für einen Träger wiedergeben, weil die Linse über eine relativ große Strecke auf dem Auge bewegt werden muss, um von einer Brechkraft zu einer anderen zu wechseln. Weiterhin muss die Bewegung der Linse vollständig sein, bevor klare Sicht realisiert werden kann.
Andere Aufbauten von optischen Linsen folgen einem aktiven Ansatz, um Multifokalfunktion zu erreichen. Beispielsweise baut man einer Bifokallinse vom gleichzeitigen Typ thermochromatische Beschichtungen ein, um das Überlappen von nahen und fernen Bildern zu lindern. Bei diesem Aufbau wird ein thermochromatisches Material auf die entfernte optische Fläche der Linse aufgetragen. Wenn der Träger herunterschaut, um einen nahen Gegenstand zu fokussieren, wird das thermochromatische Material aktiviert, wodurch das Licht vor dem Eintreten in die voneinander entfernte optische Ebene blockiert und an der Bildung eines überlappenden, voneinander entfernten Bildes gehindert wird. Leider aktivieren und desaktivieren gegenwärtig verfügbare thermochromatische Materialien nicht schnell genug für diesen Aufbau, um praktisch verwendet zu werden.
Ein weiterer aktiver Versuch umfasst das physikalische Verändern der Brennwerte einer Linse unter Anwendung von Mikroschaltungen, die durch eine schaltbare Batterie oder Photozelle gespeist werden. Dieser Ansatz ist gegenwärtig nicht praktisch, weil die Schaltung und Stromquelle, die zum Ausführen dieser Aufgabe notwendig sind, klein genug sein müssen, um in einer Kontaktlinse untergebracht zu werden, dennoch dauerhaft genug und verlässlich genug ist, um den physikalischen Kräften zu widerstehen, die regelmäßig auf Kontaktlinsen angewendet werden, wie zum Aufnehmen oder Herausnehmen derselben oder zum Reinigen derselben.
Vor kurzem wurde gefunden, dass holographische Prinzipien angewendet werden könnten, um eine aktive Multifokallinse mit einem hohen Klarheitsgrad herzustellen. US-Patent 5 997 140, eingereicht am 29. Dezember 1997, erörtert eine optische Linse und ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Linse, umfassend ein Kombinations- (d.h. zweischichtiges) -Transmissionsvolumen-holographisches optisches Element („HOE"). Diese Linse nutzt ein Kombinationshologramm, um eine zweite optische Stärke bereitzustellen, venn das in die Linse gelangende Licht innerhalb eines vorprogrammierten Winkelbereichs liegt (d.h. der Aktivierungswinkel von „HOE"). Der Träger kann zwischen den optischen Stärken durch Verändern des Einfallswinkels des ankommenden Lichtes wählen. Beispielsweise kann der Träger den Einfallswinkel des Lichtes durch Herunterschauen unter Halten der Position des Kopfes verändern.
Die Kombinations-Transmissionsvolumen-holographische Linse stellt eine große Verbesserung gegenüber vorherigen Multifokallinsen dahingehend wieder, indem diese Linse deutlich wahrnehmbare Bilder erzeugt, die durch eine optische Stärke auf einmal fokussiert werden. Jedoch kann das Bilden einer optischen Linse, die ein holographisches Mehrschichtelement umfasst, wobei das Element eine spezifische optische Stärke einschließt, eine komplizierte Aufgabe für die Herstellung sein.
Folglich gibt es einen Bedarf für eine optische Multifokallinse, die einem Anwender erlaubt, aktiv zwischen mindestens 2 Fokussierungsstärken auszuwählen, was dennoch keine Mehrfachschichten von Hologrammen erfordert.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine aktive Multifokallinse bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Multifokallinse bereitzustellen, die keine dual-axial ausgerichteten Bilder erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Multifokallinse bereitzustellen, die leicht von einer Brechkraft zu einer weiteren vom Träger geschaltet werden kann.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine optische Linse nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Die vorangehenden und anderen Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung und die Art, in der dieselben ausgeführt werden, werden nach Betrachtung der nachstehenden Beschreibung der Erfindung im Einzelnen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, welche bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen erläutern, deutlicher, und worin:
1 eine schematische Wiedergabe des Aufzeichnens eines Transmissionsinterferenzstreifenmusters in einem Aufzeichnungsmedium darstellt.
1(b) eine schematische Wiedergabe des Vorgangs des Transmissionsvolumen-holographischen optischen Elements gemäß der Erfindung darstellt.
2 eine schematische Wiedergabe der Aufzeichnung eines Reflexionsinterferenzstreifenmusters in einem Aufzeichnungsmedium darstellt.
2(a) eine schematische Wiedergabe des Vorgangs von einem Reflexions-holographischen optischen Element gemäß der Erfindung darstellt.
3 eine Seitenansicht einer bifokalen Linse darstellt, die in der Praxis der Erfindung angewendet werden kann.
3(a) eine Vorderansicht einer bifokalen Linse darstellt, die in der Praxis der Erfindung angewendet werden kann.
4 eine schematische Wiedergabe des Vorgangs einer bifokalen Linse, wie in 3 gezeigt, darstellt.
4(a) eine schematische Wiedergabe des Vorgangs einer wie in 3 gezeigten, bifokalen Linse darstellt.
5 eine schematische Wiedergabe des Vorgangs einer multifokalen Linse gemäß der Erfindung darstellt.
5(a) eine schematische Wiedergabe des Vorgangs einer multifokalen Linse gemäß der Erfindung darstellt.
6 eine schematische Wiedergabe des Vorgangs einer multifokalen Linse gemäß der Erfindung darstellt.
6(a) eine schematische Wiedergabe des Vorgangs einer multifokalen Linse gemäß der Erfindung darstellt.
7 eine Zeichnung von einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen multifokalen Linse darstellt.
8 eine schematische Wiedergabe eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen multifokalen Linse darstellt.
8(b) eine schematische Wiedergabe eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen multifokalen Linse darstellt.
8(c) eine schematische Wiedergabe eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen multifokalen Linse darstellt.
Die Erfindung stellt aktive multifokale ophthalmische Linsen bereit. Die Erfindung stellt zusätzlich aktive multifokale Linsen für Brillen bereit. Die Erfindung kann auch in intraokularen Vorrichtungen verwendet werden. Anschließend wird der Begriff „optische Linsen" verwendet, um sowohl ophthalmische Linsen (extra- und intraokulare Vorrichtungen) und Brillenlinsen anzuzeigen, sofern nicht anders ausgewiesen.
Im Gegensatz zu den früheren, auf Holographie basierenden multifokalen Linsen ist jedoch das holographische optische Linsenelement der erfindungsgemäßen Linse nicht vorgesehen, Fokalkorrektur bereitzustellen. Anstatt dessen ist das holographische optische Linsenelement gemäß der Erfindung aufgebaut, um entweder Lichtstrahlen zu blockieren oder neu auszurichten, die innerhalb ihres Aktivierungswinkels liegen, wodurch verhindert wird, dass diese Lichtstrahlen an den Primärbildrezeptoren der Netzhaut fokussieren.
Allgemein gesprochen, ist Holographie ein photographieartiges Verfahren zum Krümmen und Fokussieren von Licht und ist am üblichsten bekannt zum Bilden von Lichtwellen in ein dreidimensionales Bild. Die Bildung von dreidimensionalen Gegenständen ist jedoch eine spezielle Anwendung der Prinzipien der Holographie. Es gibt Hologramme, die keine dreidimensionalen Gegenstände bilden. Das erfindungsgemäße Hologramm ist ein solches Hologramm.
Holographie basiert auf der Wellentheorie von Licht. Licht ist eine Art von elektromagnetischer Strahlung, ebenso wie Radiowellen. Wie Radiowellen breitet sich das Licht in Transversalwellen aus, die Kämme und Täler aufweisen. Eine Anschwellung oder Welle in einem Ozean ist ein gutes Beispiel für Transversalwellenbewegung. Die Kämme und Täler definieren die Wellenlänge (der Abstand zwischen den Kämmen) der Welle.
Laserlicht, der Typ des Lichtes, das Holographie möglich macht, ist eine spezielle Lichtart. Vorzugsweise ist das in der Holographie verwendete Laserlicht „kohärent"; das bedeutet, dass das von dem Laser emittierte Licht von der gleichen Wellenlänge ist und in Phase vorliegt. In anderen Worten, haben die Lichtwellen, die den Laserstrahl ausmachen, alle den gleichen Abstand zwischen ihren Kämmen und alle Wellen wachsen und fallen gemeinsam.
Wenn sich zwei identische Laserstrahlen kreuzen, werden die Wellen der Strahlen einander stören. Beispielsweise kann ein Kamm einer Welle von einem Strahl einen Kamm einer Welle von einem anderen Strahl treffen. Diese Interferenz hat die Wirkung des Bildens eines spezifischen Interferenzstreifenmusters, das die besondere Art identifiziert, in der die Laserstrahlen gekreuzt werden (d.h. die Winkel der Strahlen).
Interferenzstreifenmuster können aufgezeichnet werden. Beispielsweise kann ein Interferenzstreifenmuster durch ein photopolymerisierbares Material aufgezeichnet werden oder darin programmiert werden. Strukturen, die ein aufgezeichnetes Interferenzmuster enthalten, werden hierin als holographische Elemente oder spezifischer als holographische optische Elemente („HOE") bezeichnet. Die HOEs, die für die aktive optische Linse der beanspruchten Erfindung geeignet sind, sind Transmissionsvolumen- und Reflexionsvolumen-HOEs. Die Art des Erzeugens von Transmissionsvolumen- und Reflexionsvolumen-HOEs ist dem Fachmann gut bekannt und wird hierin nicht wiederholt. Jedoch folgt als eine Hilfe für den Leser eine kurze Erörterung von Transmissions- und Reflexions-HOEs.
1 ist eine schematische Wiedergabe des Aufzeichnens eines Interferenzstreifenmusters in einem Aufzeichnungsmedium (UV-photopolymerisierbares optisches Material) 1, um ein Transmissionsvolumen-HOE zu erzeugen. Der Laserstrahl, der rechtwinklig zu dem UV-photopolymerisierbaren optischen Material ist, wird als der Referenzstrahl 2 bezeichnet. Der Laserstrahl, der den Referenzstrahl an einem Winkel kreuzt, wird der Zielstrahl 4 genannt. Inneralb dieser genaueren Beschreibung werden Elemente, wie Lichtstrahlen, die sowohl strukturell als auch funktionell in den verschiedenen Ausführungsformen gleich sind, durch eine einzige Bezugsziffer angegeben. In diesem Beispiel sind sowohl der Referenzstrahl als auch der Zielstrahl UV-Laserstrahlen. Die Wechselwirkung der Lichtwellen von dem Referenzstrahl 2 und dem Zielstrahl 4 erzeugt Ebenen der Interferenz, die als ein Interferenzstreifenmuster bekannt sind. Das durch UV-Referenz- und Zielstrahlen erzeugte Interferenzstreifenmuster wird in dem photopolymerisierbaren optischen Material aufgezeichnet und erweist sich als eine periodische Variation in dem Brechungsindex des optischen Materials. Diese periodische Variation in dem Brechungsindex ist als eine Volumen-Gitter-Struktur 6 bekannt. Da die Volumen-Gitter-Struktur 6 eine Variation in dem Brehungsindex des optischen Materials ist, beeinflusst die Volumen-Gitter-Struktur 6 den Lichtweg, der durch das HOE 7 gelangt.
In Abhängigkeit von den Winkeln des Referenzstrahls und Zielstrahls und anderen Variablen, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Holographie bekannt sind, kann die Volumen-Gitter-Struktur 6 in dem HOE 7 programmiert werden, um nur jene Lichtwellen zu brechen, die in das optische Material innerhalb eines ausgewiesenen Winkels gelangen. Dieser Winkel wird üblicherweise als der „Aktivierungswinkel" der Volumen- Gitter-Struktur bezeichnet und wird in 1(b) als Winkel α wiedergegeben. Der Begriff Aktivierungswinkel, wie hierin verwendet, weist einen Einfallswinkel von ankommendem Licht aus, definiert durch den Winkel, der durch die weiterführende Richtung des ankommenden Lichtes und die Achse senkrecht zu der HOE-Oberfläche gebildet wird, der Bragg-Bedingung genügend, sodass das ankommende Licht durch die Interferenzstreifenmuster-Gitter-Struktur von dem HOE gebrochen wird. Der Aktivierungswinkel muss kein einzelner Wert sein und kann ein Bereich von Winkeln sein. Die Bragg-Bedingung ist auf dem Gebiet der Optik gut bekannt und ist beispielsweise in Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings, von H. Kogelnik, The Bell System Technical Journal, Band 48, Nr. 9, Seiten 2909–2947 (Nov. 1969) definiert. Die Bragg-Bedingung kann ausgedrückt werden als cos(ϕ – Θ) = K/2B,worin K = 2π/Λ, Λ = die Gitterperiode der Interferenzstreifenmuster, Θ ist der Einfallswinkel des ankommenden Lichtes, ϕ ist der Neigungswinkel des Gitters und B ist die mittlere Übertragungskonstante, welche ausgedrückt werden kann als B = 2πn/λ, worin n der mittlere Brechungsindex ist und λ die Wellenlänge des Lichtes ist. Wenn die Bragg-Bedingung erfüllt ist, können bis zu 100% des ankommenden Lichtes kohärent gebrochen sein.
1(b) beschreibt schematisch den Vorgang des Transmissionsvolumen-HOE 7 von 1 während „Playback" (d.h., wenn Licht durch das HOE gerichtet bzw. gedeutet wird). Die z-Achse, die senkrecht zu der planaren Oberfläche des HOE 7 ist, und die weiterführende Richtung der ankommenden Lichtwelle 8 bilden den Einfallswinkel Θ. Einfallswinkel Θ ist innerhalb des Aktivierungswinkels α. Folglich wird die Lichtwelle 8 durch die vorprogrammierte Volumen-Gitter-Struktur 6 von dem HOE 7 gebeugt und verlässt das HOE 7 bei einem Austrittswinkel ρ, der von dem Einfallswinkel Θ ver schieden ist. Die andere Lichtquelle 10 gelangt in das HOE 7 bei einem Winkel, der vom Aktivierungswinkel verschieden ist. Weil diese Lichtwelle außerhalb des Aktivierungswinkels liegt, gelangt sie unverändert durch das HOE 7, wie in 1(b) gezeigt. Auf diese Weise verändert das HOE 7 selektiv den Weg des Lichts, der durch dieses führt.
Reflexions-HOEs sind ähnlich zu Transmissions-HOEs. Der erkennbarste Unterschied zwischen den zwei ist, dass Reflexions-HOEs Lichtwellen reflektieren, anstatt dieselben hindurch zu lassen. Der Unterschied im Vorgang ist aufgrund eines Unterschiedes in der Art, in der die zwei HOEs gebildet werden.
2 ist eine schematische Wiedergabe der Aufzeichnung eines Reflexions-HOE. In dieser Ausführungsform wird der Zielstrahl bzw. Objektstrahl 4 180° von der Orientierung des Zielstrahls in 1 eingestellt. In diesem Beispiel ist die erhaltene Volumen-Gitter-Struktur 12 ähnlich zu jener des Transmissionsvolumens-HOE, indem sie einen Aktivierungswinkel α aufweist, der mit dem Transmissionsvolumen-HOE vergleichbar ist. Bezugnehmend nun auf 2(a) wird, wenn eine Lichtwelle 8 mit einem Einfallswinkel Θ innerhalb des Aktivierungswinkels α auf das HOE trifft, die Lichtwelle 8 durch das HOE reflektiert. Wie in 2(a) gezeigt, gelangen Lichtwellen außerhalb des Aktivierungswinkels 10 ungestört durch das HOE.
3 und 3(a) sind Seiten- bzw. Vorderansichten von einer beispielhaften bifokalen Kontaktlinse 14, die durch die vorliegende Erfindung verwendet wird. Die Erfindung wird mit Bezug auf eine bifokale Kontaktlinse nur für Erläuterungszwecke offenbart. Die erfindungsgemäße optische Linse kann mehr als zwei optische Stärken aufweisen und umfasst ebenfalls Brillen- und Intraokularlinsen. Die Linse 14 ist eine Kontaktlinse mit einem ersten optischen Element 16 mit einer ersten Fokussierungsstärke und einem zweiten optischen Element 18 mit einer zweiten Fokussierungsstärke. Typischerweise sind die optischen Elemente derart angeordnet, dass das erste optische Element (oder oberes optisches Element) 16 zur Korrektur von Fernsicht aufgebaut ist, während das zweite optische Element (oder unteres optisches Element) 18 zur Korrektur der Nahsicht aufgebaut ist. Diese geometrische Orientierung wird typischerweise verwendet, weil die Cornea, auf der die Linse ruht, grundsätzlich eine kugelförmige Oberfläche aufweist. Wenn folglich der Träger herunterschaut (wie wenn er ein Buch liest), wird die Linse etwas aufwärts verschoben, sodass der Träger vorwiegend durch die untere Hälfte der Linse schaut.
4 und 4(a) veranschaulichen die korrigierende Beschaffenheit der bifokalen Linse von 3 und 3(a). In 4 wird Licht aus einem beabstandeten Gegenstand 20 durch das erste optische Element 16 zu einem Fokalpunkt 24 der Netzhaut fokussiert, und insbesondere an der Fovea, dem Gebiet der Netzhaut mit der größten Schärfe. Gleichzeitig fokussiert das zweite optische Element 18 das Licht aus dem beabstandeten Gegenstand bei einer Fläche 25 vor der Netzhaut. Die Erzeugung von axial ausgerichteten, dualen Bildern ergibt kein klares Bild für den Träger.
In ähnlicher Weise veranschaulicht 4(a), wie die bifokale Linse von 3 aus einem nahen Gegenstand 22 empfangenes Licht fokussiert. In diesem Fall fokussiert das erste optische Element 16 (zur Abstandskorrektur) das Licht eines Fokalpunkts 26 hinter der Netzhaut unkorrekt, während das zweite optische Element 18 korrekt ein Bild auf die Netzhaut fokussiert. Wiederum werden axial ausgerichtete Bilder erzeugt und unscharfes Sehen ist das Ergebnis.
In einem Aspekt umfasst die Erfindung eine optische Linse, die mindestens ein Transmissions- oder Reflexions-HOE des in 1(a) oder 2(a) gezeigten Typs und mindestens ein Fokussierungselement, wie jenes, das in 3 gezeigt wird, umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das HOE durch ein Interferenzstreifenmuster mit einem endlichen Strahlöffnungswinkelbereich gekennzeichnet, der bis zu 100% von ankommendem Licht bricht, wenn die Bragg-Bedingung erfüllt ist. Das HOE wird weiterhin als eine Planolinse charakterisiert, die eine im Wesentlichen neutrale Fokussierungsstärke besitzt. In Wirklichkeit wird das HOE einen gewissen Grad an inhärenter optischer Stärke aufgrund seiner Dicke und geometrischen Form aufweisen. Jedoch für Zwecke dieser Erörterung wird die optische Stärke der HOE-Linse ignoriert, um die erfindungsgemäße Erläuterung zu vereinfachen, da die inhärente optische Stärke leicht in die Lehren der vorliegenden Erfindung einbezogen werden kann.
5 und 5(a) erläutern eine Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung eines Transmissions-HOE. In 5 wird Licht von einem beabstandeten Gegenstand 20 auf eine bifokale Linse 28 gerichtet, die ein erstes Fokussierungselement 16 und ein zweites Fokussierungselement 18 umfasst. Das erste Fokussierungselement 16 und das zweite Fokussierungselement wirken wie in Bezug auf 3 beschrieben. Die bifokale Linse 28 umfasst auch ein erstes Transmissions-HOE 30 und ein zweites Transmissions-HOE 32. In 5 wird das erste Transmissions-HOE 30 benachbart zu der äußeren Oberfläche von dem ersten Fokussierungselement 16 angeordnet, während das zweite Transmissions-HOE 32 benachbart zu der äußeren Oberfläche des zweiten Fokussierungselements 18 angeordnet ist. Die Position der Elemente könnte umgekehrt sein, jedoch mit den HOE-Elementen, benachbart zu den inneren Oberflächen der Fokussierungselemente.
Das erste Transmissions-HOE 30 wird mit einem Volumengitter mit einem Aktivierungswinkel oder einem Bereich von Aktivierungswinkeln programmiert, welche ankommendes Licht mit dem geforderten Einfallswinkel beugen. Gleichfalls wird das zweite Transmissions-HOE 32 mit einem Volumen-Gitter mit einem Aktivierungswinkel und einem endlichen Bereich von Aktivierungswinkeln, die ankommendes Licht mit dem geforderten Einfallswinkel brechen, programmiert. Vorzugsweise werden die ersten und zweiten HOEs mit nicht überlappenden aktivierenden Winkeln oder Bereichen von aktivierenden Winkeln programmiert.
5 erläutert auch die Situation, wobei ein Träger der bifokalen Linse 28 einen fernen Gegenstand betrachtet. Licht von einem beabstandeten Gegenstand 20 trifft das erste Transmissions-HOE 30 bei einem Winkel, der nicht das erste Transmissions-HOE 30 aktiviert. In anderen Worten, das Licht von dem beabstandeten Gegenstand 20 bildet einen Einfallswinkel, der außerhalb des Aktivierungswinkels von dem ersten Transmissions-HOE 30 ist. Das Licht aus dem beabstandeten Gegenstand 20 gelangt durch das erste Transmissions-HOE 30 und wird gemäß dem ersten Fokussierungselement 16, in Kombination mit der optischen Stärke der kristallinen Linse des Auges (was nicht gezeigt wird), zu einem fokalen Punkt 24 auf der Netzhaut des Auges, spezieller auf der Fovea, fokussiert. Jedoch das zweite Transmissions-HOE 32 wird mit einer Volumen-Gitter-Struktur programmiert, die einen Aktivierungswinkel aufweist, der Licht mit dem Einfallswinkel, gezeigt durch das Licht von dem beabstandeten Gegenstand 20, beugt. Deshalb beugt das zweite Transmissions-HOE 32 das ankommende Licht, sendet es zu einem Gebiet der Netzhaut, das mit der fernen Peripherie verbunden ist.
5(a) erläutert die Situation, wo ein Träger einen nahen Gegenstand betrachtet. Das zweite Transmissions-HOE 32 wird derart programmiert, dass es nicht durch Licht von dem nahen Gegenstand 22 aktiviert wird. In anderen Worten, bildet das Licht von dem nahen Gegenstand 22 einen Einfallswinkel, der außerhalb des Aktivierungswinkels von dem zweiten Transmissions-HOE 32 liegt. Das Licht von dem nahen Gegenstand 22 gelangt durch das zweite Transmissions-HOE 32 und wird gemäß dem zweiten Fokussierungselement 18, in Kombination mit der optischen Stärke der kristallinen Linse des Auges (was nicht gezeigt wird), zu einem Fokussierungspunkt 24 auf der Netzhaut des Auges, spezieller auf der Fovea, fokussiert. Jedoch wird die erste Transmissions-HOE 30 mit einer Volumen- Gitter-Struktur mit einem Aktivierungswinkel, der Licht mit dem Einfallswinkel, gezeigt durch das Licht von dem nahen Gegenstand 22, beugt, programmiert. Deshalb beugt das erste Transmissions-HOE 30 das ankommende Licht 22, das es zu einer Fläche der Netzhaut, die mit der fernen Peripherie verbunden ist, sendet.
Der Einfallswinkel des ankommenden Lichtes bezüglich der aktiven Bifokallinse, insbesondere des HOE-Teils der aktiven Linse, kann durch verschiedene Mittel verändert werden. Beispielsweise kann die aktive Linse geneigt werden, um den Einfallswinkel des ankommenden Lichtes zu verändern (d.h. der Träger der Linse kann den Einfallswinkel des Lichtes durch Heruntersehen unter Halten der Position des Kopfes verändern). Die Neigung der Linse, wie in 5(a) in Beziehung zu der Z-Achse gezeigt wird, erläutert dieses Verfahren des aktiven Umschaltens zwischen den Brechkräfte der Linse. Alternativ kann die Linse einen Positionssteuerungsmechanismus aufweisen, der aktiv durch den Träger der Linse mit einem oder mehreren Muskeln des Auges gesteuert werden kann. Beispielsweise kann die Linse so gestaltet sein, dass sie einen Prismenballast aufweist, sodass die Bewegung der Linse durch mit dem unteren Augenlid gesteuert werden kann. Der Aktivierungswinkel der Linse, die in 5(a) erläutert wird, ist übertrieben dargestellt, um die vorliegende Erfindung leichter zu erläutern, und daher muss der Aktivierungswinkel der aktiven Linse nicht so groß wie für die geneigte, in 5(a) erläuterte Linse sein. Tatsächlich können HOEs, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, so programmiert werden, dass sie einen breiten Bereich von verschiedenen Aktivierungswinkeln gemäß den HOE-Programmierungsverfahren, die auf dem holographischen Fachgebiet bekannt sind, aufweisen. Folglich kann der Bewegungsgrad, der für den Anwender erforderlich ist, um die HOEs an- und auszuschalten (oder anders ausgedrückt, den Bewegungsgrad, der erforderlich ist, um von einer optischen Stärke zu einer weiteren zu schalten), leicht in Abhängigkeit von den Aufbaukriterien und den Bedürfnissen von jedem Linsenträger verändert werden.
Obwohl die erfindungsgemäße Linse mehr als eine optische Stärke bereitstellt, erzeugt die Linse keine dual-axial angeordneten Bilder. Folglich erzeugt die aktive Linse keine verschwommenen oder nebligen Bilder, im Gegensatz zu herkömmlichen Bifokallinsen, wie konzentrische gleichzeitige Bifokallinsen. Anstatt dessen verwendet die erfindungsgemäße Linse nur eine optische Stärke gleichzeitig, um ein deutlich wahrnehmbares Bild entlang der Sichtlinie des Trägers, spezieller an der Fovea, zu bilden.
Der nicht unscharfe Vorteil der vorliegenden Linse ist ein Ergebnis des Aufbaus der Linse, der die innewohnende Anatomie des Auges nutzt. Es ist bekannt, dass die Konzentration von Netzhautrezeptoren außerhalb der Fovea wesentlich niedriger ist als in der Fovea. Folglich wird jedes Bild, das im Wesentlichen außerhalb der Fovea fokussiert wird (d.h. zu der fernen Peripherie), nicht deutlich wahrgenommen, da das Bild durch die Retina untermustert ist und leicht durch das Gehirn des Linsenträgers als periphere Sicht oder Bilder ignoriert wird. Es wurde gefunden, dass die visuelle Schärfe eines menschlichen Auges auf etwa 20:100 für Gegenstände, die nur 8° von der Sichtlinie entfernt sind, abfällt. In der vorstehend beschriebenen, aktiv gesteuerten Art stellt die vorliegende Linse deutliche Bilder von einer optischen Stärke auf einmal durch Anwenden der innewohnenden Anatomie des Auges bereit. Unter Anwenden der innewohnenden Netzhautrezeptoranatomie des Auges und der Fähigkeit, verschiedene Bereiche von Aktivierungswinkeln in der HOE-Linse zu programmieren, stellt die vorliegende aktive Linse einzigartige und selektiv deutliche Bilder von Gegenständen bereit, die bei verschiedenen Abständen angeordnet sind. Im Gegensatz zu translatierenden bifokalen Linsen kann die aktive Linse leicht so aufgebaut sein, dass nur eine kleine Bewegung der Linse zum selektiven Bereitstellen von Bildern von verschiedenen Abständen erforderlich ist.
In einer weiteren Ausführungsform wendet die Erfindung ein Reflexions-HOE an. In 6 wird Licht von einem entfernten Gegenstand 20 zu einer bifokalen Linse 34 gerichtet, die ein erstes Fokussierungselement 16 und ein zweites Fokussierungselement 18 umfasst. Das erste Fokussierungselement und das zweite Fokussierungselement stellen die gleiche Funktion, wie in Bezug auf die Transmissions-HOE-Ausführungsform der Erfindung, bereit. Die bifokale Linse 34 umfasst auch ein erstes Reflexions-HOE 36 und ein zweites Reflexions-HOE 38. In 6 wird das erste Reflexions-HOE 36 benachbart zu der äußeren Oberfläche des ersten Fokussierungselements 16 angeordnet, während das zweite Reflexions-HOE 38 benachbart zu der äußeren Oberfläche des zweiten Fokussierungselements 18 angeordnet ist. Die Position der Elemente könnte jedoch umgekehrt sein, wobei die HOE-Elemente benachbart zu der inneren Oberfläche der Fokussierungselemente sind.
Das erste Reflexions-HOE 36 wird mit einem Volumen-Gitter mit einem Aktivierungswinkel oder einem Bereich von Aktivierungswinkeln programmiert, welche ankommendes Licht mit dem erforderlichen Einfallswinkel reflektieren. Gleichfalls wird das zweite Reflexions-HOE 38 mit einem Volumen-Gitter mit einem Aktivierungswinkel oder einem endlichen Bereich von Aktivierungswinkeln programmiert, die ankommendes Licht mit dem erforderlichen Einfallswinkel reflektieren. Vorzugsweise werden die ersten und zweiten HOE mit nicht überlappenden Aktivierungswinkeln oder Bereichen von Aktivierungswinkeln programmiert.
6 erläutert auch die Situation, bei der ein Träger der bifokalen Linse 34 einen beabstandeten Gegenstand betrachtet. Licht von einem beabstandeten Gegenstand 20 kreuzt das erste Reflexions-HOE 36 bei einem Winkel, der das erste Reflexions-HOE 36 nicht aktiviert. In anderen Worten, das Licht von dem beabstandeten Gegenstand 20 bildet einen Einfallswinkel, der außerhalb des Aktivierungswinkeln des ersten Reflexions-HOE 36 liegt. Das Licht von dem fernen Gegenstand 20 gelangt durch das erste Reflexions-HOE 36 und wird gemäß dem ersten Fokussierungselement 16, in Kombination mit der optischen Stärke der kristallinen Linse des Auges (die nicht gezeigt wird) zu einem Fokalpunkt 24 auf der Netzhaut des Auges, insbesondere auf der Fovea, fokussiert. Jedoch das zweite Reflexions-HOE 38 wird mit einer Volumen-Gitter-Struktur programmiert, die einen Aktivierungswinkel aufweist, der Licht mit einem Einfallswinkel, der durch das Licht von dem fernen Gegenstand 20 gezeigt wird, reflektiert. Deshalb reflektiert das zweite Reflexions-HOEs 38 das ankommende Licht, wobei es dieses am Eintreten in das Auge desselben hindert.
6(a) erläutert die Situation, bei der ein Träger einen nahen Gegenstand betrachtet. Licht aus dem nahen Gegenstand 22 kreuzt das zweite Reflexions-HOE 38 bei einem Winkel, der das zweite Reflexions-HOE 38 nicht aktiviert. In anderen Worten, das Licht aus dem nahen Gegenstand 22 bildet einen Einfallswinkel, der außerhalb des Aktivierungswinkels des zweiten Reflexions-HOEs 38 ist. Das Licht aus dem nahen Gegenstand 22 gelangt durch das zweite Reflexions-HOE 38 und wird gemäß dem zweiten Fokussierungselement 18 in Kombination mit der optischen Stärke der kristallinen Linse des Auges (die nicht gezeigt wird) zu einem Fokalpunkt 24 auf der Netzhaut des Auges, spezieller auf der Fovea, fokussiert. Jedoch wird das erste Reflexions-HOE 36 mit einer Volumen-Gitter-Struktur mit einem Aktivierungswinkel programmiert, der Licht mit dem Einfallswinkel, der durch das Licht von dem nahen Gegenstand 22 gezeigt wird, reflektiert. Deshalb reflektiert das erste Reflexions-HOE 36 das ankommende Licht, wobei es dieses am Eintreten in das Auge hindert.
In sowohl den Transmissions- als auch Reflexions-Ausführungsformen wird ein Teil des verfügbaren Lichts aus der Fovea bewegt. Jedoch hat dieser Verlust an Licht einen vernachlässigbaren Effekt, falls überhaupt, auf das Sehen des Anwenders, weil die Pupille rasch vergrößert wird, um den Lichtverlust für die Fovea zu kompensieren. Folglich wird die die Fovea erreichende Lichtintensität in der Praxis konstant sein.
Für die vorliegende Erfindung geeignete HOEs können beispielsweise aus einem polymerisierbaren oder vernetzbaren optischen Material, insbesondere einem fluiden optischen Material, hergestellt werden. Der Begriff „Fluid", wie hierin verwendet, weist aus, dass ein Material in der Lage ist, wie eine Flüssigkeit zu fließen. Anschließend und für Erläuterungszwecke wird der Begriff polymerisierbares Material verwendet, um sowohl polymerisierbare als auch vernetzbare Materialien anzuzeigen, sofern nicht anders ausgewiesen.
Vorzugsweise ist das polymerisierbare Material, das als das Aufzeichnungsmedium verwendet wird, um das HOE zu erzeugen, ein biokompatibles Material. Der Begriff biokompatibles Material, wie hierin verwendet, bezieht sich auf ein Polymermaterial, das sich nicht nennenswert verschlechtert und keine wesentliche Immunreaktion oder verschlechterte Gewebsreaktion (beispielsweise toxische Reaktion oder wesentliche Reizung) während es implantiert in dem biologischen Gewebe eines Patienten oder benachbart dazu angeordnet ist, induziert. Beispielhafte biokompatible Materialien, die verwendet werden können, um ein HOE herzustellen, das für die vorliegende Erfindung geeignet ist, werden in US-Patent Nr. 5 508 317, Beat Müller („Müller '317") und der Internationalen Patent-Anmeldung Nr. PCT/EP96/00246 von Mühlebach, wobei das Patent und die Patentanmeldung und nachstehend weiter erläutert werden, erörtert. Geeignete biokompatible optische Materialien sind stark photovernetzbare oder photopolymerisierbare optische Materialien, die Derivate und Copolymere von einem Polyvinylalkohol, Polyethylenimin oder Polyvinylamin einschließen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind geeignete HOE-Aufzeichnungsmedien polymerisierbare und vernetzbare optische Materialien, die relativ schnell photopolymerisiert oder photovernetzt werden können. Periodische Variationen im Bre chungsindex können innerhalb eines schnell polymerisierbaren optischen Materials erzeugt werden. Auf diese Weise kann eine Volumen-Gitter-Struktur gebildet werden, während das optische Material polymerisiert wird, um ein festes optisches Element zu bilden. Eine beispielhafte Gruppe von schnell polymerisierenden optischen Materialien, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, wird in Müller '317 offenbart. Eine bevorzugte Gruppe von schnell polymerisierenden optischen Materialien, wie in Müller '317 beschrieben, sind jene, die eine 1,3-Diol-Grundstruktur aufweisen, worin ein bestimmter Prozentsatz der 1,3-Dioleinheiten zu einem 1,3-Dioxan modifiziert wurde, das in der 2-Position einen Rest aufweist, der polymerisierbar, jedoch nicht polymerisiert ist. Das polymerisierbare optische Material ist vorzugsweise ein Derivat von einem Polyvinylalkohol mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht, M_W, von mindestens etwa 2 000, das, bezogen auf die Anzahl an Hydroxygruppen des Polyvinylalkohols, etwa 0,5% bis etwa 80% Einheiten der Formel I umfasst:
worin:
R Niederalkylen mit bis zu 8 Kohlenstoffatomen darstellt,
R¹ Wasserstoff oder Niederalkyl darstellt und
R² einen olefinisch ungesättigten, Elektronenanziehenden, copolymerisierbaren Rest, vorzugsweise mit bis zu 25 Kohlenstoffatomen, darstellt. R² beispielsweise einen olefinisch ungesättigten Acylrest der Formel R³ -CO- darstellt, worin
R³ einen olefinisch ungesättigten, copolymerisierbaren Rest mit 2 bis 24 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, darstellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Rest R² ein Rest der Formel II -CO-NH-(R⁴-NH-CO-O)_q-R⁵-O-CO-R³ (II)worin
q null oder eins ist;
R⁴ und R⁵, jeweils unabhängig, Niederalkylen mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, Arylen mit 6 bis 12 Kohlenstoffatomen, eine gesättigte zweiwertige, cycloaliphatische Gruppe mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen, Arylenalkylen oder Alkylenarylen mit 7 bis 14 Kohlenstoffatomen oder Arylenalkylenarylen mit 13 bis 16 Kohlenstoffatomen darstellen; und
R³ wie vorstehend definiert ist.
Niederalkylen R hat vorzugsweise bis zu 8 Kohlenstoffatome und kann geradkettig oder verzweigt sein. Geeignete Beispiele schließen Octylen, Hexylen, Pentylen, Butylen, Propylen, Ethylen, Methylen, 2-Propylen, 2-Butylen und 3-Pentylen ein. Vorzugsweise hat Niederalkylen R bis zu 6 und bevorzugter bis zu 4 Kohlenstoffatome. Methylen und Butylen sind besonders bevorzugt. R¹ ist vorzugsweise Wasserstoff oder Niederalkyl mit bis zu sieben, insbesondere bis zu vier, Kohlenstoffatomen. Wasserstoff ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform von R¹.
Hinsichtlich R⁴ und R⁵ hat Niederalkylen R⁴ oder R⁵ vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatome und ist vorzugsweise geradkettig. Geeignete Beispiele schließen Propylen, Butylen, Hexylen, Dimethylethylen und besonders bevorzugt Ethylen ein. Arylen R⁴ und R⁵ ist vorzugsweise Phenylen, das unsubstituiert ist oder ist mit Niederalkyl oder Niederalkoxy, insbesondere 1,3-Phenylen oder 1,4-Phenylen oder Methyl-1,4-phenylen substituiert. Eine gesättigte zweiwertige cycloaliphatische Gruppe R⁴ oder R⁵ ist vorzugsweise Cyclohexylen oder Cyclohexylenniederalkylen, beispielsweise Cyclohexylenmethylen, die unsubstituiert ist oder mit einer oder zwei Methylgruppen substituiert ist, wie beispielsweise Trimethylcyclo hexylenmethylen oder der zweiwertige Isophoronrest. Die Aryleneinheit von Alkylenarylen oder Arylenalkylen R⁴ oder R⁵ ist vorzugsweise Phenylen, unsubstituiert oder substituiert mit Niederalkyl oder mit Niederalkoxy, und die Alkyleneinheit davon ist vorzugsweise Niederalkylen, wie Methylen oder Ethylen, insbesondere Methylen. Solche Reste R⁴ oder R⁵ sind deshalb vorzugsweise Phenylenmethylen oder Methylenphenylen. Arylenalkylenarylen R⁴ oder R⁵ ist vorzugsweise Phenylenniederalkylenphenylen mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen in der Alkyleneinheit, beispielsweise Phenylenethylenphenylen. Die Reste R⁴ und R⁵ sind jeweils unabhängig vorzugsweise Niederalkylen mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, Phenylen, unsubstituiert oder substituiert mit Niederalkylen mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, Phenylen, unsubstituiert oder substituiert mit Niederalkyl, Cyclohexylen oder Cyclohexylenniederalkylen, unsubstituiert oder substituiert mit Niederalkyl, Phenylenniederalkylen, Niederalkylenphenylen oder Phenylenniederalkylenphenylen.
Eine weitere Gruppe von beispielhaft polymerisierbaren optischen Materialien, die für die vorliegende Erfindung geeignet ist, wird in der Internationalen Patent-Anmeldung Nr. PCT/EP96/00246 von Mühlebach offenbart. Geeignete, darin offenbarte optische Materialien schließen Derivate eines Polyvinylalkohols, Polyethylenimin oder Polyvinylamin ein, die etwa 0,5 bis etwa 80%, bezogen auf die Anzahl an Hydroxygruppen in dem Polyvinylalkohol, oder die Anzahl an Imin- oder Amingruppen in dem Polyethylenimin oder Polyvinylamin, von Einheiten der Formel IV und V enthalten:
worin R₁ und R₂ unabhängig voneinander Wasserstoff, eine C₁-C₈-Alkylgruppe und Arylgruppe oder eine Cyclohexylgruppe darstellen, worin diese Gruppen unsubstituiert oder substituiert sind; R₇ Wasserstoff oder eine C₁-C₈-Alkylgruppe darstellt, vorzugsweise Methyl darstellt; und R₄ eine Brücke -O- oder -NH-, vorzugsweise -O-, darstellt. Polyvinylalkohole, Polyethylenimine und Polyvinylamine, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, haben ein zahlenmittleres Molekulargewicht zwischen etwa 2000 und 1 000 000, vorzugsweise zwischen 10 000 und 300 000, bevorzugter zwischen 10 000 und 100 000 und besonders bevorzugt 10 000 und 50 000. Ein besonders geeignetes polymerisierbares optisches Material ist ein in Wasser lösliches Derivat von einem Polyvinylalkohol mit zwischen etwa 0,5 bis etwa 80%, vorzugsweise zwischen etwa 1 und 25%, bevorzugter zwischen etwa 1,5 und etwa 12%, bezogen auf die Anzahl an Hydroxylgruppen in dem Polyvinylalkohol der Formel IV, das Methylgruppen für R₁ und R₂ aufweist, Wasserstoff für R₃, -O- (d.h. eine Esterbindung) für R₄.
Eine weitere Gruppe von HOEs, die für die vorliegende Erfindung geeignet ist, kann aus herkömmlichen Volumenholographischen optischen Element-Aufzeichnungsmedien hergestellt werden. Wie mit den vorstehend beschriebenen polymerisierbaren Materialien für HOEs werden Gegenstandslicht und kollimatiertes Bezugslicht gleichzeitig auf ein HOE-Aufzeichnungsmedium projiziert, sodass die elektromagnetischen Wellen des Gegenstands und Bezugslichts Interferenzstreifenmuster bilden. Die Interferenzstreifenmuster; d.h. Volumen-Gitter-Struktur, werden in dem HOE-Medium aufgezeichnet. Wenn das HOE-Aufzeichnungsmedium vollständig belichtet ist, wird das aufgezeichnete HOE-Medium gemäß einem bekannten HOE-entwickelnden Verfahren entwickelt. Geeignete Volumenholographische, optische Element-Aufzeichnungsmedien schließen kommerziell erhältliche holographische Photographie-Aufzeichnungsmaterialien oder -platten, wie dichromatische Gelatinen, ein. Holographische Photographie-Aufzeichnungsmaterialien sind von verschiedenen Herstellern, einschließlich Polaroid Corp., er hältlich. Wenn photographische Aufzeichnungsmaterialien als das HOE verwendet werden, müssen jedoch toxikologische Effekte der Materialien auf die Okularumgebung beachtet werden. Wenn folglich ein herkömmliches photographisches HOE-Material verwendet wird, ist es bevorzugt, dass das HOE in einem biokompatiblen optischen Material eingekapselt ist (siehe 7). Verwendbare biokompatible optische Materialien für das Einkapseln des HOE schließen optische Materialien ein, die für das erste Fokussierungselement der vorliegenden Linse geeignet sind.
Die erfindungsgemäße Multifokallinse kann aus getrennt hergestellten HOEs und Fokussierungselementen hergestellt werden. Die HOEs werden hergestellt und dann dauerhaft verbunden, geklebt oder thermisch, zu dem Fokussierungselement, um eine kohärente Kontaktlinse zu bilden. Die Fokussierungselemente können unter Anwendung von auf dem Fachgebiet gut bekannten Techniken zur Herstellung von Kontaktlinsen hergestellt werden. Die HOEs können unter Anwendung der vorher beschriebenen und nachstehend weiter erörterten Techniken hergestellt werden.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Transmissions-HOEs wird in 8 erläutert. Eine Lichtquelle 40, vorzugsweise eine Laserlichtquelle und besonders bevorzugt eine UV-Laserlichtquelle, wird bereitgestellt, die einen Lichtstrahl 41 erzeugt. Obwohl die geeignete Wellenlänge der Lichtquelle von der Art des angewendeten HOE abhängt, liegen bevorzugte Wellenlängenbereiche zwischen 300 nm und 600 nm.
Der Lichtquellenlichtstrahl 41 wird auf einen Strahlenteiler 42 gerichtet. Der Strahlenteiler 42 spaltet den Lichtquellenlichtstrahl 41 in zwei Teile, vorzugsweise zwei gleiche Teile. Zwei Spiegel 46 und 48 werden an entgegen gesetzten Seiten des Strahlenteilers 42 so angeordnet, dass ein abgetrenntes Teil 2 des Lichtquellenlichtstrahls 41 seinen ursprünglichen Weg fortsetzt und auf den ersten Spiegel 46 gerichtet wird und der zweite Teil 4 auf den zweiten Spiegel 48 gerichtet wird. Der erste Teil 2 des Lichtstrahls ist der Bezugsstrahl und der zweite Teil 4 ist ein Zielstrahl. Typische Stärkegrade für in der Praxis der Erfindung angewendete Strahlen liegen in der Größenordnung von 1 bis 10 mW/cm² pro Strahl. Der Fachmann wird erkennen, dass die Funktion und der Aufbau der Lichtteile umgekehrt sein könnte. In ähnlicher Weise können die Stärke der Strahlen und des Winkels, der die Strahlen trennt, falls erforderlich, in Abhängigkeit von der speziellen Situation eingestellt werden.
Ein holographisches Aufzeichnungsmedium der vorher erörterten Art wird in Aufzeichnungsmediumhalter 44 bereitgestellt. Für Erläuterungszwecke wird das Aufzeichnungsmedium als vom fluiden Typ angenommen und bildet nichtfluides optisches Material, wenn Licht ausgesetzt. Der Aufzeichnungsmediumhalter 44 ist vorzugsweise für Licht im Wesentlichen transparent und bevorzugter für UV-Licht transparent. Im Zusammenhang mit Kontaktlinsen wird der Aufzeichnungsmediumhalter 44 eine typische Kontaktlinsenform sein. Eine typische Linsenform wird aus einem transparenten oder UV-durchlässigen Kunststoff hergestellt und hat zwei Formhälften; d.h. eine Formhälfte mit der ersten Oberfläche der Linse und die andere Formhälfte mit der zweiten Oberfläche der Linse. Die Form kann das holographische Aufzeichnungsmedium zu einer ebenen, konkaven oder konvexen Struktur formen.
Die zwei Spiegel, 46 und 48, richten den Referenzlichtstrahl 2 und den Ziellichtstrahl 4, um in das holographische Aufzeichnungsmedium in geeigneter Phase zu gelangen, um eine Volumen-Gitter-Struktur von einer Oberfläche des holographischen Aufzeichnungsmediums aufzuzeichnen. Gegebenenfalls wird, nachdem die Volumen-Gitter-Struktur aufgezeichnet ist und das HOE gebildet ist, die Lichteinstellung, die für das Aufzeichnen verwendet wird, abgestellt und das HOE wird einem Nachhärtungsschritt unterzogen, um zu sichern, dass das gesamte fluide optische Material in der Form vollständig polymerisiert ist. Beispielsweise kann eine UV- Lichtquelle zum Nachhärten des HOEs verwendet werden. Falls benötigt, kann die UV-Lichtquelle auch angewendet werden, um das optische Material teilweise vor dem Aufzeichnen der Volumen-Gitter-Struktur zu härten. Ein weiteres Mal wird die besondere Situation die exakten Parameter (beispielsweise Lichtstärke) für jeden Schritt diktieren. Nachdem das HOE gebildet ist, kann es an einem geeigneten Fokussierungselement befestigt werden. Das Verändern der Positionen und Winkel der Spiegel und Strahlenteiler in der Anordnung kann eine große Vielzahl von HOEs mit verschiedenen Aktivierungswinkeln erzeugen.
In ähnlicher Weise können Strahlenteiler und Spiegel verwendet werden, um ein Reflexions-HOE zu erzeugen. Bezug erfolgt nun auf 8(b). Eine Lichtquelle 40 richtet einen Lichtquellenstrahl 41 auf einen Strahlenteiler 42. Der Strahlenteiler 42 spaltet den Lichtquellenlichtstrahl 41 in zwei Teile, vorzugsweise zwei gleiche Teile. Ein Strahl, der Referenzstrahl 2 wird auf eine Seite des Aufzeichnungsmediumhalters 44 gerichtet. Zwei Spiegel 48 und 46 richten den Zielstrahl bzw. Gegenstandsstrahl 4 auf die andere Seite des Aufzeichnungsmediumhalters 44. Das Aufzeichnungsmedium wird dann in der gleichen Weise wie das Transmissions-HOE polymerisiert. Zusätzlich wird der Fachmann erkennen, dass die vorher erörterten Verfahren zur Herstellung mit geringer Modifizierung für die Bildung von Brillenlinsen verwendet werden könnten.
Die Kombination von Lichtstrahlen, Strahlenteilern und Spiegeln kann in beliebiger Anzahl von Wegen zum Erzeugen einer beliebigen Anzahl von HOEs kombiniert werden. Ein Beispiel für eine solche angewendete Kombination zum gleichzeitigen Erzeugen von zwei HOEs wird schematisch in 8(c) erläutert.
Eine Lichtquelle 40, vorzugsweise eine Laserlichtquelle und besonders bevorzugt eine UV-Laserlichtquelle, wird bereitgestellt, die einen Lichtstrahl 41 erzeugt. Der Licht quellenlichtstrahl 41 wird auf einen Strahlenteiler 42 gerichtet. Der Strahlenteiler 42 spaltet den Lichtquellenlichtstrahl 41 in zwei Teile, vorzugsweise zwei gleiche Teile, 50 und 52. Der erste Teil 50 ist auf einen zweiten Strahlenteiler 56 gerichtet, und der zweite Teil ist auf einen dritten Strahlenteiler 54 gerichtet. Die zweiten und dritten Strahlenteiler wiederum spalten die ersten und zweiten Teile des Anfangslichtstrahls in erste und zweite Teile, um 4 Lichtstrahlen – zwei Reihen von Referenz- und Ziel(Gegenstands)-strahlen: 2 und 4 und 2a und 4a zu erzeugen.
Zwei Reihen von Spiegeln richten zwei Reihen von Referenz- und Zielstrahlen auf einen Aufzeichnungsmediumhalter 44. Die erste Reihe von Referenz-2- und Ziel(Gegenstands)-4-strahlen ist auf einen ersten Teil des Aufzeichnungsmediumhalters 44 mit zwei Spiegeln 58 und 60 gerichtet. Die zweite Reihe von Referenz-2a- und Ziel(Gegenstands)-4a-strahlen ist auf einen zweiten Teil eines Aufzeichnungsmediumhalters 44 durch zwei Spiegel 62 und 64 gerichtet. Das Aufzeichnungsmedium wird dann polymerisiert und eine Volumen-Gitter-Struktur innerhalb des Mediums in der gleichen, wie vorstehend erörterten, Weise erzeugt.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Linse durch Aufzeichnen eines HOE oder multiplen HOEs in einer Multifokallinse hergestellt werden. In dieser Ausführungsform wird die Volumen-Gitter-Struktur direkt in die Multifokallinse aufgezeichnet. Das Aufzeichnungsverfahren ist im Wesentlichen das Gleiche wie jenes, vorstehend beschrieben. Jedoch beim Bestimmen der Fokussierungsstärke der Linse muss das Volumen des von der Linse an das Hologramm abgegebenen Volumens beachtet werden. In ähnlicher Weise kann eine wirksame Menge einer Licht absorbierenden Verbindung (beispielsweise ein UV-Absorptionsmittel, wenn UV-Laserlicht verwendet wird) zu dem Aufzeichnungsmedium in die Form gegeben werden, sodass die Lichtstrahlen, die eine Seite betreten, keinen stark polymerisierenden Einfluss auf das optische Material ausüben, das näher zu der zweiten Seite der Form lokalisiert ist. Die Zugabe von Lichtabsorptionsmittel sichert, dass eine unterscheidbare Schicht eines HOEs gebildet wird. Die wirksame Menge an Lichtabsorptionsmittel variiert in Abhängigkeit von der Wirksamkeit des Lichtabsorptionsmittels, und die Menge des Lichtabsorptionsmittels sollte nicht so hoch sein, um wesentlich bei der geeigneten Polymerisation des optischen Materials zu stören. Obwohl bevorzugte Lichtabsorptionsmittel biokompatible Lichtabsorptionsmittel sind, insbesondere, wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird, um ophthalmische Linsen herzustellen, können nicht-biokompatible Lichtabsorptionsmittel verwendet werden. Wenn ein nicht-biokompatibles Lichtabsorptionsmittel verwendet wird, kann das sich ergebende HOE extrahiert werden, um das Lichtabsorptionsmittel zu entfernen, nachdem das HOE vollständig gebildet ist.
Beispielhafte UV-Absorptionsmittel, die für die optischen Materialien geeignet sind, schließen Derivate von o-Hydroxybenzophenon, o-Hydroxyphenylsalicylaten und 2-(o-Hydroxyphenyl)benzotriazolen, Benzolsulfonsäure und gehindertem Amin ein. Besonders geeignete UV-Absorptionsmittel schließen örtlich verträgliche UV-Absorptionsmittel, beispielsweise 2,4-Dihydroxybenzophenon, 2,2'-Dihydroxy-4,4-dimethoxybenzophenon, 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon und dergleichen ein. Eine beispielhafte Ausführungsform wendet zwischen 0,05 und 0,2 Gewichtsprozent eines UV-Absorptionsmittels, vorzugsweise ein Benzolsulfonsäurederivat, beispielsweise Benzolsulfonsäure, 2,2-([1,1'-Biphenyl]-4,4-diyldi-2,1-ethendiyl)bis-dinatriumsalz, an.
Das Kombinations-HOE kann durch ein aufeinander folgendes Aufzeichnungsverfahren hergestellt werden. Eine geschlossene Formanordnung, die ein Paar von zwei Formhälften aufweist, welche ein Fluid-polymerisierbares oder vernetzbares optisches Material enthalten, wird einem Volumen-Gitter-Struktur-Aufzeichnungsverfahren unterzogen, und dann wird die Formanordnung geöffnet, unter Hinterlassen der gebildeten HOE-Schicht, die an der optischen Oberfläche von einer Form hälfte anhaftet. Eine weitere Menge des polymerisierbaren optischen Materials oder ein chemisch verträgliches zweites polymerisierbares optisches Material wird über der ersten HOE-Schicht angeordnet. Dann wird ein neues Paar Formhälften, das ein größeres Hohlraumvolumen als die vorangehend entfernte Formhälfte aufweist, mit der Formhälfte eingepasst, die die erste HOE-Schicht aufweist. Die neue Formanordnung wird einem zweiten Polymerisationsverfahren unterzogen, um eine Fokussierungselementschicht über dem HOE-Element zu bilden. Die erhaltene Linse ist eine Kombinationslinse mit zwei aufeinander folgend gebildeten und benachbarten fokussierenden und HOE-Schichten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung haben die erfindungsgemäßen HOEs vorzugsweise eine Beugungswirksamkeit von mindestens etwa 70%, bevorzugter mindestens etwa 80%, besonders bevorzugt mindestens 95%, über alle oder im Wesentlichen alle Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums des Lichts. Besonders geeignete HOEs für die vorliegende Erfindung haben eine Beugungswirksamkeit von 100% über alle Wellenlängen des Spektrums des sichtbaren Lichts. Jedoch können HOEs mit einer niedrigeren Beugungswirksamkeit als vorstehend ausgewiesen auch für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Zusätzlich haben bevorzugte HOEs für die vorliegende Erfindung einen scharfen Übergangswinkel zwischen den aktivierten und nicht aktivierten Stufen und nicht schrittweise Übergangswinkel, sodass Aktivierung und Desaktivierung des HOE durch eine kleine Bewegung der aktiven Linse erreicht werden können und dass keine oder minimale Übergangsbilder durch das HOE während der Bewegung zwischen den Fokussierungsstärken gebildet werden.
Hinsichtlich des ersten optischen Materials der aktiven Linse kann ein optisches Material, das für eine harte Linse, gaspermeable Linse oder Hydrogellinse geeignet ist, verwendet werden. Geeignete Polymermaterialien für das erste optische Element der aktiven ophthalmischen Linse schließen Hydrogelmaterialien, steife gaspermeable Materialien und steife Materialien, die bekannt sind, um zum Herstellen von ophthalmischen Linsen, beispielsweise Kontaktlinsen, verwendbar zu sein, ein. Geeignete Hydrogelmaterialien haben typischerweise ein vernetztes hydrophiles Netzwerk und halten zwischen etwa 35% und etwa 75%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hydrogelmaterials, Wasser. Beispiele für geeignete Hydrogelmaterialien schließen Copolymere mit Methacrylsäure-2-hydroxyethylester und einem oder mehreren Comonomeren, wie Acrylsäure-2-hydroxyester, Acrylsäureethylester, Methacrylsäuremethylester, Vinylpyrrolidon, N-Vinylacrylamid, Methacrylsäurehydroxypropylester, Methacrylsäureisobutylester, Styrol, Methacrylsäureethoxyethylester, Methoxytriethylenglycolmethacrylat, Methacrylsäureglycidylester, Diacetonacrylamid, Vinylacetat, Acrylamid, Hydroxytrimethylenacrylat, Methacrylsäuremethoxymethylester, Acrylsäure, Methacrylsäure, Ethacrylsäureglycerylester und Acrylsäuredimethylaminoethylester, ein. Andere geeignete Hydrogelmaterialien schließen Copolymere mit Methylvinylcarbazol oder Methacrylsäuredimethylaminoethylester ein. Eine andere Gruppe von geeigneten Hydrogelmaterialien schließt polymerisierbare Materialien, wie modifizierte Polyvinylalkohole, Polyethylenimine und Polyvinylamine, beispielsweise offenbart in US-Patent Nr. 5 508 317, eingereicht von Beat Müller, und Internationale Patentanmeldung Nr. PCT/EP96/01265, ein. Eine noch weitere Gruppe von sehr geeigneten Hydrogelmaterialien schließt Silikon-Copolymere, offenbart in der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/EP96/01265, ein. Geeignete steife, gaspermeable Materialien für die vorliegende Erfindung schließen vernetzte Siloxanpolymere ein. Das Netzwerk von solchen Polymeren baut geeignete Vernetzungsmittel, wie N,N''-Dimethylbisacrylamid, Ethylenglycoldiacrylat, Trihydroxypropantriacrylat, Pentaerythrittetraacrylat, und andere ähnliche polyfunktionelle Acrylate oder Methacrylate, oder Vinylverbindungen, beispielsweise N-Methylaminodivinylcarbazol, ein. Geeignete steife Materialien schließen Acrylate, beispielsweise Methacrylate, Diacrylate und Dimethacrylate, Pyrrolidone, Styrole, Amide, Ac rylamide, Carbonate, Vinyle, Acrylnitrile, Nitrile, Sulfone und dergleichen, ein. Von den geeigneten Materialien sind Hydrogelmaterialien für die vorliegende Erfindung besonders geeignet.
Die vorliegende optische Multifokallinse kann aktiv und selektiv gesteuert werden, um auf einmal eine gewünschte optische Stärke ohne oder im Wesentlichen ohne optische Interferenz von den anderen optischen Stärken der Linse im Gegensatz zu herkömmlichen Bifokallinsen bereitzustellen. Zusätzlich macht die programmierbare Beschaffenheit von dem HOE der aktiven Linse die Linse für das Korrigieren von ametropen Zuständen, die nicht leicht durch herkömmliche korrigierende optische Linsen erreicht werden können, sehr geeignet. Beispielsweise kann die aktive Linse so programmiert werden, dass man Korrekturmaßnahmen für die ungleichmäßige und verzerrte Korneakrümmung eines unregelmäßigen astigmatischen Zustands durch spezifisches Auflegen der Ziel- und Referenzlichtkonfigurationen vornehmen kann.
Wie vorher erwähnt, kann die Erfindung in der Ausführungsform einer Intraokularlinse verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird das HOE der Linse gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren gebildet. Der primäre Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und den vorher erörterten Ausführungsformen ist, dass diese Linse so aufgebaut wird, damit sie in das Auge eingesetzt wird. Solche Linsen, Herstellungsverfahren für solche Linsen und Verfahren zum Einsetzen solcher Linsen sind im Allgemeinen dem Fachmann bekannt. Diese Linsen und Verfahren zur Herstellung werden in verschiedenen Veröffentlichungen, wie US-Patent 5 776 192, von McDonald; US-Patent 5 044 743, von Ting; US-Patent 4 595 070, von McDonald; und US-Patent 4 769 035, von Kelman, beschrieben.

Claims

Optische Multifokallinse (14), umfassend zwei holographische optische Elemente (30, 32) und mindestens zwei fokussierende Elemente (16, 18), wobei die holographischen optischen Elemente (30, 32) Interferenzstreifenmuster, jeweils mit einem endlichen Strahlöffnungswinkel oder Bereich von Winkeln, aufweisen und bis zu 100% des ankommenden Lichtes beugen, wenn der Einfallswinkel (Θ) des ankommenden Lichtes innerhalb des jeweiligen endlichen Strahlenöffnungswinkels (α) oder Bereichs von Winkeln liegt, sodass die Bragg-Bedingung erfüllt ist, und wobei die holographischen optischen Elemente (30, 32) eine im Wesentlichen neutrale Fokussierungsstärke aufweisen, und seitlich benachbart zueinander und benachbart vor der Außenfläche oder hinter der Innenfläche der jeweiligen Fokussierelemente (16, 18) angeordnet sind, oder innerhalb der jeweiligen Fokussierelemente eingekapselt sind, wenn in der fortschreitenden Richtung des ankommenden Lichtes gesehen, wobei die holographischen Elemente schaltbar sind, sodass, wenn ein holographisches optisches Element (32) aktiv ist, das andere (30) inaktiv ist.
Optische Linse nach Anspruch 1, wobei die optische Linse biokompatibel ist.
Optische Linse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die optische Linse eine Kontaktlinse ist.
Optische Linse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die optische Linse eine Intraokularlinse ist.
Optische Linse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die optische Linse eine Brillenlinse ist.
Optische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das holographische optische Element ein optisches Transmissionsvolumen-holographisches Element ist.
Optische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das holographische optische Element ein reflektierendes holographisches optisches Element ist, das ankommendes Licht, wenn der Einfallswinkel (Θ) des ankommenden Lichtes innerhalb des endlichen Strahlenöffnungswinkels (α) von dem holographischen optischen Element ist, neu ausrichtet.