АСФЕРИЧЕСКАЯ ЛИНЗОВАЯ ОПТИКА, ЗАПОЛНЕННАЯ ЖИДКОСТЬЮ Российский патент 2015 года по МПК G02B3/12 G02C7/02 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники

Примеры осуществления настоящего изобретения относятся к линзам, заполненным жидкостью, и, в частности, к изменяемым линзам, заполненным жидкостью.

Известный уровень техники

Основные жидкие линзы были известны уже с 1958 г., как описано в Патенте США №2,836,101, полностью введенного здесь ссылкой. Более поздние примеры могут быть найдены в «Dynamically Reconfigurable Fluid Core Fluid Cladding Kins in a MicroFluidic Channel» («Динамически реконфигурируемые плакированные жидкие линзы с жидким ядром в микроструйном канале»), Tang еt al., Lab Chip, 2008, т.8, стр.395, и в публикации WIPO WO/2008/063442, каждый из который полностью введен здесь ссылкой. Эти приложения жидких линз ориентированы на фотонику, технологию цифровых телефонов и камер и микроэлектронику.

Жидкие линзы были предложены также для офтальмологических применений (см., например, Патент США №7,085,065, который полностью введен здесь ссылкой). Во всех случаях преимущества жидких линз, включающие широкий динамический диапазон, способность к предоставлению адаптивной коррекции, робастность и низкая стоимость, должны быть сбалансированы с их ограничениями по размеру апертуры, тенденции к утечкам и устойчивости характеристик. Патент ′065, например, раскрыл несколько улучшений и примеров осуществления, направленных на эффективное удерживание жидкости в жидкой линзе, которая должна использоваться для офтальмологических применений, Регулировка оптической силы в жидких линзах достигалась инжекцией дополнительной жидкости в полость линзы электросмачиванием, применением ультразвукового импульса и использованием сил разбухания в разветвленном полимере при введении в него вещества, способствующего разбуханию, такого как вода.

Во всех этих случаях в имеющейся технологии жидкой линзы существует несколько ключевых ограничений, которые необходимо преодолеть для оптимизации коммерческих возможностей этой технологии. Например, толщина жидких линз является в общем случае больше, чем у традиционных линз с теми же самыми оптической силой и диаметром. Кроме того, в настоящее время отсутствует возможность обеспечить изменение сферической оптической силы, а также астигматизма линзовой оптики, используя технологию жидких линз. Также не были изготовлены жидкие линзы с какой-либо желаемой формой, отличной от круглой формы, из-за сложностей, создаваемых неоднородным расширением некруглых жидких линз.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В примере осуществления настоящего изобретения некруглая жидкая линза в сборе содержит некруглую жесткую линзу и гибкую мембрану, прикрепленную к некруглой жесткой линзе таким образом, что между некруглой жесткой линзой и гибкой мембраной образуется полость. Резервуар, сообщающийся с этой полостью, позволяет жидкости проходить в полость и выходить из полости, изменяя тем самым оптическую силу жидкой линзы в сборе. В примере осуществления передняя поверхность некруглой жесткой линзы является асферической. В дополнительном или альтернативном варианте толщина гибкой мембраны может иметь сложную форму такую, что мембрана изменяет форму сферическим образом, когда между резервуаром и полостью передается жидкость.

В дополнительном или в альтернативном варианте гибкая мембрана может иметь "вставленную" часть, которая является более гибкой, чем другие части гибкой мембраны, так что перенос жидкости между полостью и резервуаром приводит к изменению формы вставленной части сферическим образом без существенного изменения других частей гибкой мембраны, кроме вставленных частей. В примере осуществления вставленная часть является по форме эллипсом. Вставленная часть может иметь сложную форму такую, что вставленная часть изменяет форму сферическим образом, когда между резервуаром и полостью передается жидкость. Введение такой вставленной части в гибкую мембрану предоставляет возможность носить некруглую линзу (например, линзу овальной формы, прямоугольной формы или другой формы, которую может предпочитать носитель очков), сохраняя при этом все преимущества линзы, заполненной жидкостью.

Другие примеры осуществления, особенности и преимущества настоящего изобретения, а также структура и действие различных примеров осуществления настоящего изобретения, подробно описываются далее со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые фигуры чертежей, которые введены здесь и образуют описательную часть изобретения, иллюстрируют настоящее изобретение и совместно с описанием служат также для объяснения принципов изобретения и предоставления возможности специалистам в данной области техники изготовить и использовать изобретение.

Фиг.1 является схематичным изображением характерной линзы, заполненной жидкостью, в сборе, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 показывает изменение астигматизма, как функции эксцентриситета, в линзе, заполненной жидкостью, в сборе без коррекции передней поверхности линзы.

Фиг.3 показывает изменение астигматизма, как функции эксцентриситета, в линзе, заполненной жидкостью, в сборе, имеющей торическую коррекцию передней поверхности линзы, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 иллюстрирует деформацию гибкой мембраны в жидкой линзе, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5а,b и Фиг.6а,b иллюстрируют мембраны сложной формы, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7а,b иллюстрируют характерную эллиптическую вставку в жидкой линзе в сборе, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8а,b иллюстрируют деформацию гибкой мембраны в жидкой линзе, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Настоящее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей. Чертежи, в которых элемент появляется в первый раз, обычно указываются крайней слева цифрой в соответствующем номере ссылки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Хотя обсуждаются определенные конфигурации и компоновки, следует понимать, что это делается только в иллюстративных целях. Специалисту в этой области техники будет понятно, что могут использоваться и другие конфигурации и компоновки без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что это изобретение может также быть использовано в других, самых различных применениях.

Заметим, что ссылки в описании на "одно осуществление", "осуществление", "пример осуществления" и прочее показывает, что описанный пример осуществления может содержать специфическую особенность, структуру или характеристику, но каждый пример осуществления не может с необходимостью содержать специфическую особенность, структуру или характеристику. Более того, такие фразы не являются фразами, с необходимостью ссылающимися на определенный пример осуществления. Кроме того, когда описываются специфическая особенность, структура или характеристика во взаимосвязи с некоторым примером осуществления, специалист в данной области техники будет иметь представление о влиянии такой особенности, структуры или характеристики во взаимосвязи с другими примерами осуществления, описываемыми или не описываемыми в явном виде.

Ограничения имеющейся ранее технологии линзы, заполненной жидкостью, описанные выше в разделе Предпосылки создания изобретения, могут быть устранены построением асферической жидкой линзы. Существующие ранее жидкие линзы были всегда круглой формы, поскольку не существует способ построения асферической жидкой линзы. Фиг.1 иллюстрирует примерную асферическую жидкую линзу 100, в соответствии примером осуществления настоящего изобретения. Жидкая линза 100 содержит жесткую переднюю поверхность 102, гибкую заднюю поверхность 104 и жидкость, заполняющую полость 106, которая образована между передней поверхностью 102 и задней поверхностью 104. Жесткая передняя поверхность 102 может быть образована жесткой оптической линзой 108, выполненной, например, из стекла или пластмассы. Гибкая задняя поверхность 104 может быть образована, например, гибкой мембраной 119, плоско растянутой по границе жесткой оптической линзы 108. Жидкая линза, образованная таким образом, подсоединяется через канал 112 к резервуару 114, выполненному или в другом варианте сформированному из эластомерной деформируемой мембраны, которая содержит избыточную жидкость. Жидкая линза 100 и резервуар 114 совместно образуют герметический блок. Работой исполнительного элемента 116 обеспечивается сжатие или растяжение деформируемой мембраны внутри резервуара для переноса жидкости между резервуаром 114 и жидкой линзой 100 через канал 112. Исполнительным элементом 116 может быть, например, но без ограничений, балончатый исполнительный элемент, исполнительный элемент вроде шприца или лимбовый исполнительный элемент. В примерах осуществления оптическую силу могут иметь ни одна, одна или обе жесткая оптическая линза 108 и гибкая мембрана 110. Канал 112, соединяющий жидкую линзу 100 с резервуаром 114, может быть помещен, например, в окуляр оправы очков или в участки дужки оправы очков.

Во время всего раскрытия изобретения будет использоваться термин «жидкая линза в сборе» для описания скомпонованного блока из жесткой передней линзы, гибкой мембраны и находящейся между ними жидкости, в то время как термин «жидкая линза» будет использоваться для обозначения слоя жидкости и двух поверхностей, содержащих эту жидкость и образующих поверхности жидкой линзы.

В некруглых жидких линзах давление жидкости создает не одинаковые деформации гибкой мембраны вдоль ее короткой и длиной осей, и тем самым образует асферическую деформацию мембраны. Поэтому некруглые жидкие линзы примеров осуществления настоящего изобретения корректируют астигматизм, который создается этой деформацией. В одном примере осуществления передняя поверхность жесткой передней линзы корректирует астигматизм, создаваемый жидкостью. В дополнительном или альтернативном варианте толщина гибкой мембраны может иметь сложную форму, влияя тем самым на сферическую деформацию мембраны в ответ на давление жидкости. В примере осуществления гибкая мембрана содержит вставленную часть, которая является более гибкой, чем другие части этой гибкой мембраны, так что перенос жидкости между полостью и резервуаром приводит к изменению формы вставленной части сферическим образом без существенного изменения частей гибкой мембраны, не являющихся вставленными частями.

Образование асферичности передней линзы

Жидкая линза, такая как жидкая линза 100, может быть приведена в асферичное состояние созданием асферичной передней (жесткой) линзы. Поскольку передняя линза 108 контактирует с жидкостью на своей задней поверхности 102, то влияние добавления асферической коррекции на заднюю поверхность 102 передней линзы 108 будет ослабляться коэффициентом преломления жидкости относительно коэффициента преломления материала передней линзы. Действительно, изменение в толщине передней линзы 108, необходимое для создания асферической коррекции через заднюю поверхность 102, может быть выражено как:

в котором d является локальным изменением в толщине передней линзы, требуемым для создания определенного изменения оптической силы в этой точке, d₁ является изменением в толщине, которое было бы необходимо, если вместо жидкости был бы воздух, n₁ является коэффициентом преломления материала передней линзы, а n₂ является коэффициентом преломления жидкости. Например, если передняя линза 108 выполнена из поликарбоната бисфенола А, а жидкостью является кремниевое масло, тогда n₁ равно 1.59, а n₂ равно 1.54, что в результате дает d равное 11.8d₁. Иными словами, для создания асферической коррекции потребуется относительно большое изменение в толщине линзы, если эта коррекция добавляется к задней поверхности 102 передней линзы 108.

Толщина линзы может быть уменьшена добавлением асферической коррекции к передней поверхности 118 передней линзы 108, контактирующей с воздухом. Эта асферическая коррекция на передней поверхности 118 может быть в форме асферической коррекции с вращательной симметрией, делая поверхность жесткой линзы 108 эллипсоидальной или гипербоидальной. В этом случае поверхность может быть описана уравнением 2, в котором поверхность является эллипсоидальной, если значение р является положительным, и гипербоидальной, если значение р является отрицательным:

Асферические коррекции с вращательной симметрией, примененные к передней поверхности 118 жесткой линзы 108, предоставляют по меньшей мере два преимущества. Асферические коррекции могут быть рассчитаны так, чтобы минимизировать наличие сферической аберрации в жидкой линзе, которая может быть особенно заметна при большой сферической оптической силе. Кроме того, плюсовая оптическая сила жидкой линзы может быть снижена при высоких углах взгляда, что согласуется с визуальными потребностями носителя очков.

Торическая коррекция передней линзы

В дополнительном или альтернативном варианте к передней поверхности 118 жесткой линзы 108 могут быть применены другие асферические коррекции. Например, поверхность 118 может быть представлена тороидальной. Тем самым, астигматизм, добавленный к передней поверхности 118 жесткой линзы 108, предоставляет по меньшей мере два преимущества. Этот астигматизм может быть использован для нейтрализации естественного астигматизма глаза, которым обладают около 80% населения, требующего визуальной коррекции. Этот астигматизм может также быть использован для нейтрализации астигматизма, создаваемого поверхностью 104 гибкой мембраны ПО, когда форма жидкой линзы отклоняется от круга.

Лица, имеющие естественный астигматизм своих глаз, для получения наилучшего скорректированного зрения обычно носят очки с коррекцией астигматизма. Для того, чтобы такая коррекция была применима, направление астигматической оси линзы должно быть ортогонально к астигматической оси глаза носителя очков. Если эта астигматическая коррекция обеспечивается добавлением торической кривой к передней поверхности 118 жесткой линзы 108, тогда желательно выполнить передние торические жесткие линзы 108 с торической осью при всех возможных углах относительно линии 0-180° жесткой линзы 108. Это позволило бы образовать 180 различных конфигураций. Это определяется тем, что жидкая линза в сборе не обладает вращательной симметрией, поскольку она содержит канал 112, подсоединенный к жидкой линзе 100. Кроме того, желательно в значительной степени согласовывать величину астигматической коррекции, добавляемой к передней поверхности 118 жесткой линзы 108, с величиной астигматической коррекции, требуемой носителем очков. Хотя полный диапазон значений естественного астигматизма является очень большим (приблизительно от 0 до приблизительно 15 диоптрий или более), он составляет около 6 диоптрий (D) для 99% населения, требующего коррекции зрения. Поскольку требуется, чтобы согласование между естественным астигматизмом глаза и корректирующим астигматизмом линзы обеспечивалось с точностью до 0.25D, то потребуется около 25 различных конфигураций передней поверхности для покрытия упомянутого выше диапазона. Присоединение канала 114 к жесткой линзе 108 также приводит к дифференциации между левой и правой линзами, умножая тем самым полное число конфигураций на коэффициент два. Поэтому для обеспечения коррекции 99% населения, требующего коррекции зрения, будут необходимы 9,000 различных конфигураций на передней поверхности 118 жесткой линзы 108.

В примере осуществления настоящего изобретения имеется возможность существенно снизить число комбинацией на передней линзе образованием незаполненной линзы с вращательной симметрией, которая может быть отлита или изготовлена машинной обработкой в большом объеме. Желаемая форма линзы может быть затем вырезана в соответствии с желаемой формой жидкой линзы, а мембрана прикрепляется к внешней границе этой формы, которая была вырезана. Для обеспечения сообщения с жидкостью, проходящей внутри канала, на боковой стороне жесткой линзы, которая была вырезана, может быть просверлено отверстие. Подсоединять конец канала к отверстию может небольшой соединитель или патрубок.

Применение торической коррекции к передней поверхности 118 жесткой линзы 108 жидкой линзы в сборе также обеспечивает изготовление жидких линз, которые являются некруглыми по форме (например, овальными или прямоугольными). Некруглые жидкие линзы не были промышленно внедрены, поскольку некруглая жидкая линза создает астигматическую ошибку, когда жидкая линза вздувается для получения более значительной дополнительной оптической силы. Это происходит потому, что инжекция жидкости в жидкую линзу приводит к увеличению гидростатического давления, которое является одинаковым по всем направлениям. Эта сила заставляет гибкую мембрану (такую как мембрана ПО) жидкой линзы в сборе растягиваться или вздуваться во внешнюю сторону. Более того, эта сила делает мембрану более выпуклой и дает более значительную дополнительную оптическую силу жидкой линзы. В случае некруглой жидкой линзы длина меридиан мембраны не равны по всем направлениям. Тем самым, кривизна мембраны различна на различных меридианах, являясь при этом самой крутой на самом коротком меридиане и наименее крутой вдоль самого длинного меридиана. Это приводит к торической форме. В примере осуществления возможна нейтрализация этого вызванного вздутием астигматизма в жидкой линзе добавлением астигматической коррекции к передней поверхности жесткой линзы. При таком подходе, когда жидкая линза не вздута (то есть, когда она имеет самую низкую дополнительную оптическую силу), линза в сборе имеет астигматизм, соответствующий астигматизму, добавленному к передней поверхности жесткой линзы. То есть, когда жидкая линза не вздута, астигматизм, добавленный к передней поверхности жесткой линзы, не будет скомпенсирован каким-либо астигматизмом, созданным вздутием. Добавление астигматизма к передней поверхности 118 жесткой линзы 108 обеспечивает наилучшее соотношение между астигматизмом при самой низкой дополнительной оптической силе и астигматизмом при самой высокой дополнительной оптической силе. Это соотношение может быть вычислено и оптимизировано для полного расчетного диапазона оптических сил жидкой линзы. Такое соотношение может также быть приемлемо для носителя очков при условии, что астигматизм не превышает порог допустимости астигматизма для глаза человека на любой точке в диапазоне оптических сил жидкой линзы.

В одном характерном примере осуществления жидкая линза спроектирована в соответствии с параметрами, показанными в Таблице 1. В этом примере осуществления передняя поверхность жидкой линзы не имеет какой-либо астигматической коррекции.

Таблица 1 Спецификация примера осуществления жидкой линзы Радиус кривизны передней поверхности жесткой линзы, R_a 500 мм Радиус кривизны задней поверхности жесткой линзы, R_b 500 мм Длинный диаметр жидкой линзы, а 35.0 мм Короткий диаметр жидкой линзы, b 34.0 мм Эксцентриситет, а/b 0.972 Рабочий диапазон жидкой линзы от 1.25D до 3.25D Начальная оптическая сила вдоль длинной оси, Dl_a 1.25D Начальная оптическая сила вдоль короткой оси, Dl_b 1.26D Астигматизм в начальном состоянии жидкой линзы 0.01D Конечная оптическая сила вдоль длинной оси жидкой линзы, DF_a 3.25D Конечная оптическая сила вдоль короткой оси жидкой линзы DF_b 3.37D Астигматизм в конечном состоянии жидкой линзы 0.12D

В примере осуществления жидкой линзы, описанном в Таблице 1, жидкая линза выполнена из поликарбоната бисфенола А, мембраной является биаксиально ориентированный полиэтилентерефталат (торговое название MYLAR), а жидкостью является кремниевое масло с коэффициентом преломления 1.54. В этом случае степень отклонения от круглой формы выражается как эксцентриситет, а форма становится все более некруглой по мере того, как он все более отклоняется от 1.0. Данные в Таблице 1 показывают, что небольшое отклонение от круглой формы приводит к развитию относительно низкой величины астигматизма (0.12D) на самых высоких точках диапазона, то есть, 3.25D.

На Фиг.2 показана зависимость нарастания астигматизма, как функции эксцентриситета в примере осуществления жидкой линзы. По оси ординат представлен астигматизм в диоптриях (D), в то время как астигматизм (k_v) представлен по оси х. На Фиг.2 линия 202 представляет пример осуществления жидкой линзы, описанной в Таблице 1. Линия 204 показывает значения астигматизма на самой нижней точке диапазона (1.25D), в то время как линия 206 представляет самую высокую точку диапазона (3.25D).

Ясно, что для значимых (то есть, коммерчески полезных) некруглых геометрий жидкой линзы, например, с k_v<0.85, относительно небольшое вздутие, требуемое для достижения самой нижней точки диапазона оптической силы (1.25D), приводит к небольшой величине астигматизма. Этот астигматизм является по большей части ниже уровня восприятия человеческого глаза (обычно 0.10D-0.12D). Однако созданный астигматизм на более высоком конце диапазона оптической силы достигает величины 0.85D при k_v=0.85, что значительно превышает диапазон допустимости астигматизма для глаза человека, когда это относится к задачам ближнего зрения, которые обычно составляет около 0.50D при прямом взгляде (то есть, угол взгляда в 0° и не более чем 0.75D для любой части линзы за пределами угла взгляда в 15°). Фиг.2 демонстрирует значимость проблемы, связанной с некруглыми жидкими линзами.

На Фиг.3 показана скорость развития астигматизма в примере осуществления жидкой линзы со спецификацией на Таблице 1 с добавленной астигматической коррекцией (то есть, торической коррекцией) в 0.125D на передней поверхности жесткой линзы. Линия 304, которая представляет значения астигматизма на самой нижней точке диапазона, достигает величины 0.125D при эксцентриситете 1.0 в соответствии с концепцией конструкции. Линия 306, которая представляет значения астигматизма на самой высокой точке диапазона, достигает величины 0.50D при эксцентриситете 0.87. Интересно, что астигматизм жидкой линзы остается постоянным при величине около 0.12D по всему диапазону оптических сил при эксцентриситете 0.94. Возможно получение некруглых форм более низкого эксцентриситета увеличением астигматической коррекции передней поверхности жесткой линзы. Максимум такой коррекции не должен превышать 0.18D, что соответствует визуальному комфорту и качеству изображения, ожидаемому носителем очков на нижнем конце диапазона оптической силы жидкой линзы в сборе. Этот результат показывает, что имеется возможность построения жидких линз, которые при таком подходе являются умеренно некруглыми.

Модификация гибкой мембраны

Жидкая линза, такая как жидкая линза 100, может быть сделана асферической, если мембрана, такая как мембрана ПО, будет иметь возможность вздуваться и принимать асферическую (в противоположность сферической) форму. В примере осуществления в асферической жидкой линзе для формирования жидкой линзы используется мембрана с толщиной сложной формы. Однородная по толщине мембрана, используемая для образования круглой по форме жидкой линзы в сборе, вздувается однородно, приобретая тем самым сферическую форму. Локальная деформация мембраны управляется, главным образом, локальной жесткостью мембраны и может быть изменена приданием мембране жесткости или изменением ее толщины по поверхности. Мембрана с толщиной сложной формы может поэтому использоваться для образования асферической жидкой линзы.

Например, если требуется асферическая форма с вращательной симметрией, то мембрана должна вздуваться в эллипсоидную или в гиперболическую форму. Такой профиль вздувания может быть достигнут изменением толщины мембраны радиально симметричным образом. Надлежащим контуром толщины вдоль поверхности мембраны может быть образована любая форма поверхности, какую мог бы определить специалист в данной области техники.

Упругая деформация мембраны задается суперпозицией растяжения и изгиба. Жесткость, в общем случае, пропорциональна модулю упругости. Для растяжения, являющейся частью деформации, она пропорциональна также толщине мембраны; изгиб пропорционален кубу толщины. Один из методов регулировки жесткости состоит в регулировке толщины мембраны вдоль определенных ориентации. Толщина мембраны может быть изменена различными способами, например, процессом растяжения, который является специфичным для определенной ориентации. Другим способом является осаждение слоя покрытия переменной толщины, такой как процесс плазменного осаждения. Как показано на Фиг.5а,b и Фиг.6а,b, другим способом является клеевое подсоединение второй полоски мембраны надлежащей толщины вдоль определенной медианы мембраны. Такой подход ставит меньше ограничений на форму очков, содержащих аппаратуру жидких линз, поскольку методом конечных элементов может быть проанализирована любая форма, эффективно определены "длинная" и "короткая" оси, а затем - изменение толщины, проводимое вдоль этих осей. В альтернативном варианте может быть выведено решение для жесткости, как функции координат х,y мембраны, и эта матрица жесткости может быть реализована осаждением относительно жесткого покрытия, такого как окись кремния (SiOx).

Расчет гибкой мембраны с жесткостью, зависимой от положения, может потребовать вычисления механической характеристики мембраны в овальной жидкой линзе, геометрии поверхности, получаемой мембраной в результате такой деформации или растяжения, и оптической силы жидкой линзы, которая содержит мембрану получаемой в результате формы, при чем все эти данные - в функции объема жидкости, инжектированной в линзу. Кроме того, может быть проведен ряд итеративных вычислений для наилучшей насколько возможно аппроксимации реальной формы гибкой мембраны и состояния расфокусировки ретинального изображения, создаваемого такой оптикой. В одном примере эти сложные вычисления были проведены с использованием типичной системы программного обеспечения. Эта типичная система программного обеспечения комбинировала несколько различных программных пакетов, каждый с различной функцией, таким образом, что каждый программный пакет вводит полученные в нем результаты в следующий пакет.

В вычислениях, описанных здесь в характерных примерах осуществления, использовался (только в качестве примера) следующий набор программ. Деформация жидкой мембраны моделировалась на Мультифизическом программном обеспечении COMSOL, разработанном COMSOL, Inc. of Burlington, MA (Корпорация г.Берлингтон, штат Массачусетс). Выходные данные модели COMSOL были переданы на программное обеспечение MATLAB, разработанное MathWorks, Inc. of Natick, MA (Корпорация г.Натик, штат Массачусетс) для получения наилучшего сглаживающего полнома этой поверхности. Для вычисления наилучшей комбинации сферы и цилиндра, аппроксимирующей эту поверхность, использовался полином второго порядка (квадратичный). Этот полином затем был передан в программное обеспечение оптического моделирования ZEMAX, созданное ZEMAX Development Corporation of Bellevue, WA (Корпорация разработки ZEMAX, г.Беллвью, штат Вашингтон). Деформация жидкой мембраны была вычислена как функция ее координат х, y на COMSOL для эллиптической жидкой линзы, эксцентриситет в которой составлял 0.8. Длинный диаметр составлял 36 мм, в то время как короткий диаметр был равен 28 мм. Эта модель прогонялась для квадранта, в соответствии с его преимуществом в четырехкратной симметрии. Фиг.4 иллюстрирует характерный градиент деформации гибкой мембраны в жидкой линзе в проекции спереди, вычисленный на пакете программ COMSOL в соответствии с этими параметрами. Контуры, показанные на Фиг.4, демонстрируют, что деформация по всей мембране была неоднородной, достигая пикового значения в 0.7 мм (700 микрон) при давлении 2000 паскаль. Фиг.8а и Фиг.8b представляют одномерную развертку деформации, показанной на Фиг.4. Фиг.8а представляет деформацию по горизонтальной оси, а Фиг.8b представляет деформацию по вертикальной оси. Формирование сетки было проведено в режиме развертки (высокоточной) по трем слоям для введения режима изгибания, генерирующего в целом 5439 элемента. Эти данные были переданы на MATLAB для наилучшей аппроксимации полиномом второго порядка, подлежащего вводу в ZEMAX.

Во время первоначальной оценки этой вычислительной схемы было обнаружено, что более грубый размер сетки предоставлял адекватные точность и достоверность для поверхности, генерируемой сеткой с более мелким размером. Было также найдено, что можно было бы пренебречь перекрестными членами при наилучшей аппроксимации полиномом второго порядка, вычисленным на MATLAB, так что поверхность могла бы быть адекватно представлена как более простой двухконусник с квадратичными членами по х и у, как показано в уравнении 3 и уравнении 4. Уравнение 3 является уравнением Наилучшей аппроксимации, используемым MATLAB для аппроксимации данных деформации, выдаваемых из COMSOL. Биконический прогиб Цернике:

Уравнение 4 представляет собой уравнение 3 после удаления перекрестных членов х,y, которые давали удовлетворительную аппроксимацию данных деформации. Это уравнение использовалось для переноса данных деформации поверхности в ZEMAX.

Биконический прогиб:

Этот вычислительный и моделирующий подход был использован для оценки различных концепций построения некруглой жидкой линзы, оптическая сила которой могла бы быть настроена в диапазоне диоптрий 2.0D. Было принято, что самая низкая оптическая сила составляет 1.25D, а за самую высокую оптическую силу было принято 3.25D. Другим допущением было то, что при самой низкой оптической силе может быть допущен астигматизм максимум в 0.18D, в то время как при самой высокой оптической силе был допустим астигматизм максимум в 0.50D.

В примере осуществления предусматривается неоднородная толщина гибкой мембраны, с тем чтобы модулировать и изменять ее деформацию в ответ на инжекцию жидкости и последующее увеличение сферической оптической силы. Гибкая мембрана переменной толщины может быть получена несколькими путями, как было описано выше. В примере осуществления для изменения толщины над определенными частями поверхности мембраны использовалась лента или прокладка. Такие ленты или прокладки могут быть вырезаны из полимерной пленки, как это используется при изготовлении гибкой мембраны, а затем прикреплены к гибкой мембране. Например, ленты или прокладки могут быть прикреплены к внутренней поверхности гибкой мембраны, в контакте с жидкостью (например, маслом), для минимизации заметности лент или прокладок. Прикрепление этих лент или прокладок к мембране может быть выполнено с использованием клеевых средств. В примере осуществления этот клей имел коэффициент преломления приблизительно равный коэффициенту преломления жидкости. В альтернативном варианте ленты или прокладки могут быть присоединены к гибкой мембране лазерной сваркой или ультразвуковой сваркой, или же другими средствами, известными специалистам в данной области техники. Для этой цели могут использоваться одна или более таких лент или прокладок. В примере осуществления для увеличения толщины гибкой мембраны не использовались ленты или прокладки; предпочтительнее является создание различия по толщине в самой пластинке гибкой мембраны. Технологиями создания гибкой мембраны изменяющейся толщины являются, например, и без ограничений, штамповка, формование под давлением, термическая формовка и лазерная эрозия.

Фиг.5а,b и Фиг.6а,b иллюстрируют характерную конфигурацию лент и прокладок, моделируемых для вывода оптимальной формы и контуров так, чтобы модулировать жесткость мембраны. Фиг.5а и Фиг.5b иллюстрируют ленты 502, 504, расположенные соответственно вдоль оси х и оси y гибкой мембраны 506. Фиг.6а и Фиг.6b иллюстрирует прокладки 602, 604, расположенные соответственно вдоль оси х и оси y гибкой мембраны 606.

Таблица 2 показывает результаты анализа характерной конфигурации, представленной на Фиг.5а,b и Фиг.6а,b, сравнивающего применение ленты или прокладки (упоминаемые в Таблице 2 как упрочняющий элемент) вдоль оси х и оси y. В характерной модели, используемой в Таблице 2, толщина упрочняющего элемента (например, ленты или прокладки) была той же самой, что и толщина самой гибкой мембраны. То есть, толщина была удвоена там, где имеется упрочнение. Конечный анализ был выполнен на пакете программ ZEMAX, который использовался для вычисления астигматизма во всем целиком диапазоне сферических оптических сил, а также размера пятна изображения вдоль оси х и оси у. В этом анализе эксцентриситет был принят равным 0.864, оптика составляла 35 мм вдоль длинной оси (ось х) и 30.25 мм - вдоль короткой оси (ось у). Наименьшая оптическая сила составляет 1.25D, а наибольшая оптическая сила составляет 3.25D. Передняя поверхность жесткой линзы была снабжена торической коррекцией такой, что чистый астигматизм при самой низкой оптической силе (1.25D) составляет для всех случаев 0.18D. Размер пятна вдоль оси х является размером при фокусировке по х, размер пятна вдоль оси у является размером при фокусировке по y.

Таблица 2 Моделирование упрочняющего элемента на гибкой мембране в эллиптической жидкой линзе Упрочняющий элемент Астигматизм при 3.25D Размер пятна вдоль оси х, микроны Размер пятна вдоль оси y, микроны нет 0.73D 10.1 14.2 Прокладка вдоль оси х       (Фиг.5а) 0.61D 9.9 13.2 Прокладка вдоль оси y       (Фиг.5b) 1.02D 10.6 16.9 Лента вдоль оси х       (Фиг.4а) 0.51D 9.7 12.5 Лента вдоль оси y       (Фиг.4b) 1.04D 10.4 17.0

Далее, исследовался эффект повышения упрочнения, как функции эксцентриситета. Таблица 3 показывает скорость нарастания астигматизма по мере того, как в характерной модели увеличивалась толщина упрочняющего средства. В этом характерном анализе принималось, что эксцентриситет был равен 0.864, при этом длинный диаметр составляет 35.0 мм. Принималось, что самая низкая и самая высокая сферическая оптическая сила составляет соответственно 125D и 3.25D, при этом диапазон настройки составляет 2.0D. Принималось также, что передняя поверхность жесткой оптики содержала торическую коррекцию вдоль соответствующей оси, так что чистый астигматизм при самой низкой оптической силе поддерживался на величине 0.18D. Астигматизм при самой высокой сферической оптической силе вычислялся на ZEMAX, наряду с размером пятна изображения. Принималось, что базовая мембрана имеет единичную толщину, так что упрочняющий элемент толщины IX удваивает толщину мембраны там, где применялся этот элемент. Ожидается, что размер пятна изображения будет коррелировать с функцией рассеяния точки ретинального изображения, критической мерой четкости и чистоты ретинального изображения и мерой качества изображения, воспринимаемого носителем очков. В примере, показанном в Таблице 3, представлено улучшение качества изображения по мере того, как в жидкой линзе увеличивается толщина упрочнения.

Таблица 3 Изменение в астигматизме, как функции толщины упрочнения Упрочняющий элемент Макс. астигматизм при 3.25D Размер пятна вдоль оси х, микроны Размер пятна вдоль оси y, микроны Нет 0.73D 10.1 14.2 Прокладка 1X 0.61D 9.5 13.2 Прокладка 2Х 0.37D 7.5 9.4 Прокладка 3Х 0.14D 7.4 8.0 Лента 1X 0.51D 9.7 12.5 Лента 2Х 0.35D 9.5 11.4 Лента 3Х 0.17D 9.2 10.2

В этом примере было установлено, что упрочнение ЗХ, обеспечивающее использование некруглой оптики до эксцентриситетов 0.80, оставаясь при этом в пределах астигматизма, определенного для самой высокой и самой низкой сферической оптической силы (sph) (например, 0.18D при 1.25 sph и 0.50D при 3.25 sph). Этот уровень эксцентриситета адекватен для линз большого размера, поскольку обеспечивает диаметр длинной оси в 40 мм при диаметре короткой оси в 32 мм. Дальнейшие отклонения от круглой формы (например, при эксцентриситете 0.7) могут быть достигнуты дальнейшим увеличением упрочнений, например, использованием прокладки или ленты, которые имеют толщину 4Х-6Х.

Следует заметить, что анализ и результаты, представленные выше, относились к характерной параксиальной ситуации, когда размер зрачка принимается равным 4.0 мм. Иными словами, они были применимы к центру оптики с умеренным углом поля зрения, менее чем 10 градусов. Этот анализ может быть повторен при различных углах взгляда для всей оптики. Такой расчет обеспечил бы дальнейшую оптимизацию формы мембраны, поскольку было бы возможно установить упрочняющие элементы, которые обеспечивают наилучшую коррекцию для свей оптики, а не те, которые дают наилучшую коррекцию на оптическом центре. При проведении такой глобальной оптимизации можно было бы определить, что оптические сегменты, удаленные от центра, не являются такими уж важными для получения полного визуального удовлетворения, как центр оптики. Это следует из того, что в большинстве задач зрения для наиболее комфортного зрения в ближней зоне требуется прямой взгляд с управляемыми движениями глаза, которые дополняют движения головы.

Оптики другой сложной формы, такие как прямоугольные или квадратные оптики, также могут использоваться при таком подходе. Форма деформированной мембраны может быть описана, например, как совокупность точек, такая как облако точек или совокупность сплайнов, используемых для сглаживания точек. В этом случае вычисляется волновой фронт лучей, прошедших через жидкую линзу (содержащую деформированную мембрану), и к этому волновому фронту может быть применена адаптивная коррекция для максимизации качества ретинального изображения. Качество ретинального изображения может быть измерено одной из обычно используемых метрик качества изображения, таких как коэффициент Штреля или эквивалентная расфокусировка.

Вставка жидкой линзы

В примере реализации конструкции со вставкой некруглая форма жидкой линзы содержит круглую или эллиптическую секцию, расположенную по центру зрачка носителя очков. В таком примере осуществления при одевании очков центр зрачка располагается по одной оси с центром вставки. При круглой вставке активная область может быть небольшой, что зависит от формы оправы, поскольку вертикальный диаметр круглой формы должен согласовываться с вертикальным диаметром оправы. Если активная область гибкой мембраны тоже является небольшой, то это может быть неудобно для носителя очков, поскольку для движения глаз носителя очков может быть необходим больший диапазон взгляда из стороны в сторону, чем сверху вниз. Например, обычному носителю очков для комфортного движения глаз из стороны в сторону необходима ширина активной области около 30-35 мм. Эллиптическая вставляемая часть обеспечивает такую ширину активной области даже тогда, когда вертикальный размер вставки будет меньше, по сравнению с шириной активной области. Фиг.7а и Фиг.7b иллюстрируют характерную эллиптическую вставку 702 в жидкой линзе в сборе 704. Вставленная оптика 702 именуется здесь как активная оптическая область. Активная оптическая область рассчитывается так, чтобы при вздутии обеспечивался желаемый диапазон оптической силы. Спецификации астигматизма на низком и на высоком концах диапазона оптической силы применяются только к активной области. Активная область может быть образована формированием контура толщины мембраны так, чтобы она была существенно тоньше, чем в окружающей оптической области. Например, как показано на характерной эллиптической вставке 702 на Фиг.7b, было установлено, что для активной области размером 25 мм × 35 мм эксцентриситет 0.80 отвечал упомянутым выше оптическим спецификациям в диапазоне оптической силы 1.50D, от 1.25D до 2.75D. Коэффициент толщины мембраны 2Х/10Х может быть использован для проведения этой сегментации всей оптической области. В примере осуществления коэффициент толщины мембраны составляет ЗХ/7Х. Чем меньше коэффициент толщины, тем больше будет деформация, испытываемая внешней зоной. Это приводит к более высокому уровню астигматизма в активной зоне.

Чтобы такое исполнение было бы косметически приемлемым, граница активной оптической области может быть слегка блиндирована, тем самым будет предотвращаться скачок изображения или воспринимаемые искажения изображения. Установлено, что основными причинами визуального дискомфорта, связанного с этой границей, являются: (1) отсутствие непрерывности призмы; (2) отсутствие непрерывности увеличения; и (3) высокий локализованный астигматизм, созданный отсутствием непрерывности оптической силы. Существуют также основные факторы, которые вносят свой вклад в различимость этой границы, потенциально приводящие к косметически неприемлемому исходу. Эти проблемы могут быть сведены к минимуму созданием переходной зоны. В примере осуществления переходная зона составляет приблизительно 1 мм - 5 мм по ширине. В другом примере осуществления переходная зона составляет приблизительно 2 мм - 3 мм по ширине. Ширина переходной зоны может быть определена по градиенту оптической силы внутри зоны, поскольку визуальные характеристики этой зоны могут быть приемлемыми, например, только для градиента оптической силы 0.50D/мм или менее, приводящего к максимальной величине астигматизма в 0.50D в этой зоне. В таком примере диапазон оптической силы в 1.50D требует переходной зоны в 3.0 мм по ширине.

Заключение

Хотя выше были описаны различные примеры осуществления настоящего изображения, следует понимать, что они были представлены только посредством примеров, а не ограничений. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что здесь могут быть сделаны различные изменения в форме и деталях без отклонения от сущности и объема изобретения. Таким образом, широта и объем настоящего изобретения не должны быть ограничены любым из описанных выше примеров осуществления, но должны быть определены только в соответствии со следующими патентными требованиями и их эквивалентами.

Далее, целью вышеизложенного Реферата изобретения является предоставление Патентному ведомству США и общественности в общем, и, в частности, ученым, инженерам и специалистам - практикам в этой области техники, которые незнакомы с патентными или юридическими терминами или фразеологией, возможности быстро определить из беглого просмотра природу и сущность технического раскрытия заявки. Реферат изобретения не предназначен для какого-либо ограничения объема настоящего изобретения.

Жидкая линза в сборе содержит некруглую жесткую линзу, имеющую асферическую переднюю поверхность, гибкую мембрану, прикрепленную к задней поверхности некруглой жесткой линзы так, что между ее передней поверхностью и задней поверхностью жесткой линзы образована полость, и резервуар, сообщающийся с полостью так, что жидкость может передаваться между ними и изменять оптическую силу жидкой линзы. В первом варианте асферическая передняя поверхность, по меньшей мере, частично понижает оптическую ошибку, создаваемую жидкостью, помещенной в полость. Во втором варианте гибкая мембрана имеет эллиптическую часть, изменение формы которой отличается от изменения формы вне этой эллиптической части, когда жидкость передается между резервуаром и полостью. Технический результат - возможность компенсации астигматизма. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил., 3 табл.

1. Жидкая линза в сборе, содержащая:
некруглую жесткую линзу, имеющую заднюю поверхность и асферическую переднюю поверхность;
гибкую мембрану, прикрепленную к задней поверхности некруглой жесткой линзы так, что между передней поверхностью гибкой мембраны и задней поверхностью жесткой линзы образована полость; и
резервуар, сообщающийся с полостью между передней поверхностью гибкой мембраны и задней поверхностью некруглой жесткой линзы так, что жидкость может передаваться между резервуаром и полостью и изменять оптическую силу жидкой линзы в сборе,
при этом асферическая передняя поверхность, по меньшей мере, частично понижает оптическую ошибку, создаваемую жидкостью, помещенной в полость.

2. Жидкая линза в сборе по п. 1, отличающаяся тем, что задняя поверхность некруглой жесткой линзы является сферической.

3. Жидкая линза в сборе по п. 1, отличающаяся тем, что передача жидкости между резервуаром и полостью заставляет гибкую мембрану асферически изменять форму.

4. Жидкая линза в сборе по п. 3, отличающаяся тем, что асферическая передняя поверхность жесткой линзы в значительной степени уравновешивает астигматизм, вызванный деформацией гибкой мембраны.

5. Жидкая линза в сборе по п. 1, отличающаяся тем, что гибкая мембрана является по толщине однородной.

6. Жидкая линза в сборе по п. 1, отличающаяся тем, что гибкая мембрана является по толщине неоднородной.

7. Жидкая линза в сборе по п. 6, отличающаяся тем, что толщина гибкой мембраны имеет сложную форму, такую, что это заставляет гибкую мембрану изменять форму сферически, когда между резервуаром и полостью передается жидкость.

8. Жидкая линза в сборе по п. 1, отличающаяся тем, что астигматизм, введенный асферической передней поверхностью, когда пользователь смотрит на близлежащие предметы, составляет менее 0.5 диоптрий при прямом взгляде.

9. Жидкая линза в сборе по п. 1, отличающаяся тем, что передняя поверхность жесткой линзы является торической.

10. Жидкая линза в сборе, содержащая:
некруглую жесткую линзу, имеющую заднюю поверхность и переднюю поверхность;
гибкую мембрану, прикрепленную к задней поверхности некруглой жесткой линзы, которая образует полость между передней поверхностью гибкой мембраны и задней поверхностью жесткой линзы, при этом гибкая мембрана сконфигурирована для изменения формы на эллиптической части гибкой мембраны по-другому, чем часть гибкой мембраны вне этой эллиптической части, когда жидкость передается между резервуаром и полостью, при этом эллиптическая часть гибкой мембраны является меньше, чем вся целиком гибкая мембрана, и
резервуар, сообщающийся с полостью между передней поверхностью гибкой мембраны и задней поверхностью некруглой жесткой линзы так, что жидкость может передаваться между резервуаром и полостью.

11. Жидкая линза в сборе по п. 10, отличающаяся тем, что толщина эллиптической части гибкой мембраны является меньше, чем толщина гибкой мембраны вне эллиптической части.

12. Жидкая линза в сборе по п. 10, отличающаяся тем, что передняя поверхность некруглой жесткой линзы является асферической.