ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗЕРВУАР ПО ПЕРИМЕТРУ ЛИНЗЫ Российский патент 2016 года по МПК G02B3/14 G02C7/08 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Осуществление настоящего изобретения относится к линзам, заполненным жидкостью и, в частности, к изменяемым линзам, заполненным жидкостью.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основные жидкие линзы были известны по крайней мере с 1958 г., как описано в патенте США №2,836,101, целиком введенном здесь ссылкой. Более поздние примеры могут быть найдены в статье Tang'a et al. "Dynamically Reconfigurable Fluid Core Fluid Cladding Lens in a Microfluidic Channel" ("Плакированные жидкие линзы с динамически реконфигурируемым жидким ядром в микроструйном канале"). Lab Chip, 2008 г., т.8, стр.395, и в Международной публикации патентных заявок № WO 2008/063442, каждый из которых целиком введен здесь ссылкой. Применения этих жидких линз были ориентированы на фотонику, технологию цифровых телефонов и камер, а также на микроэлектронику.

Жидкие линзы были предложены также для офтальмологических применений (см., например, Патент США №7,085,065, который целиком введен здесь ссылкой). Во всех случаях преимущества жидких линз, такие как широкий динамический диапазон, способность предоставлять адаптивную коррекцию, робастность и низкая стоимость, должны быть сбалансированы с ограничениями по размеру апертуры, возможностями утечки и согласованности в характеристиках. Например, патент '065 раскрывает несколько улучшений и примеров осуществления, направленных на эффективную герметизацию жидкости в жидкой линзе, которая будет использоваться в офтальмологических применениях. Регулировка оптической силы жидких линз осуществлялась инжекцией дополнительной жидкости внутрь полости линзы электросмачиванием, использованием ультразвукового импульса и использованием сил разбухания в полимере с межмолекулярными связями при введении в него такого агента разбухания, как вода.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном примере осуществления система герметизированной линзы, заполненной жидкостью, содержит линзовый модуль, имеющий внешнюю линзу и внутреннюю линзу. По периметру линзового модуля расположен корпус. Внутри корпуса расположен трубчатый резервуар, при этом резервуар соединен с этим линзовым модулем с возможностью передачи жидкости. Система содержит также источник питания, который обеспечивает подачу сигнала срабатывания на резервуар. Резервуар представляет собой пьезоэлектрический материал, имеющий наплетенные на нем электроды, которые расположены по внешней поверхности и получают сигнал срабатывания.

Способ приведения в действие системы герметизированной линзы, заполненной жидкостью, которая имеет линзовый модуль, корпус, расположенный по периметру линзового модуля, резервуар, расположенный внутри корпуса, при этом резервуар сообщается с линзовым модулем, и источник питания. Способ включает генерирование сигнала срабатывания от источника питания, подсоединенного к резервуару, находящемуся внутри корпуса, расположенного по периметру линзового модуля, и передачу сигнала срабатывания от источника питания на электроды, расположенные по внешней поверхности резервуара. Способ включает также изгибание резервуара при получении сигнала срабатывания, при этом изгибание приводит к тому, что жидкость перемещается между резервуаром и линзовым модулем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые введены здесь и образуют часть спецификации, иллюстрируют примеры осуществления настоящего изобретения и, совместно с описанием, служат также для объяснения принципов изобретения и дают возможность специалисту в соответствующей области техники реализовывать и использовать изобретение.

Фиг.1 иллюстрирует перспективное изображение одного примера осуществления системы линзы, заполненной жидкостью.

Фиг.2 иллюстрирует перспективное изображение разреза примера исполнительного элемента резервуара по периметру линзового модуля.

Фиг.3a иллюстрирует изображение поперечного сечения исполнительного элемента с резервуаром по периметру по Фиг.2 в раздутом состоянии, в соответствии с одним примером осуществления.

Фиг.3b иллюстрирует изображение поперечного сечения исполнительного элемента с резервуаром по периметру по Фиг.2 в сжатом состоянии, в соответствии с одним примером осуществления.

Примеры осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Хотя здесь обсуждаются определенные конфигурации и компоновки, следует понимать, что это делается только в иллюстративных целях. Специалисты в соответствующей области техники поймут, что могут быть использованы и другие конфигурации и компоновки без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Специалистам в соответствующей области техники будет очевидно, что это изобретение может быть использовано также в различных других применениях.

Заметим, что ссылки в описании изобретения на "одно осуществление", "осуществление", "пример осуществления" и прочее указывают на то, что описанное осуществление может содержать определенную особенность, структуру или характеристику, но каждое осуществление может и не содержать с необходимостью определенную особенность, структуру или характеристику. Более того, такие фразы не относятся с необходимостью к одному и тому же осуществлению. Кроме того, когда описывается определенная особенность, структура или характеристика во взаимосвязи с одним примером осуществления, любому специалисту в этой области техники будет понятно влияние такой особенности, структуры или характеристики во взаимосвязи с другими примерами осуществления, явно или неявно описанными.

Жидкие линзы имеют важные преимущества перед традиционными средствами коррекции зрения, такими как жесткие линзы и контактные линзы. Во-первых, жидкие линзы могут легко настраиваться. Так, лицу, страдающему старческой дальнозоркостью, которому требуется дополнительная коррекция положительной оптической силы, чтобы видеть близкие объекты, может быть предоставлена жидкая линза базовой оптической силы, соответствующая предписанному расстоянию. Пользователь может затем настраивать эту жидкую линзу для получения дополнительной коррекции положительной оптической силы, как это необходимо, чтобы видеть объекты на промежуточных и других расстояниях.

Во-вторых, жидкие линзы могут настраиваться носителем очков непрерывно в пределах желаемого диапазона оптической силы. В результате, носитель очков может настраивать оптическую силу так, чтобы точно согласовывать ее с ошибкой преломления при определенном расстоянии до объекта в определенной среде освещения. Таким образом, жидкие линзы позволяют настраивать оптическую силу для компенсации изменения естественной глубины фокусировки глаза, которая зависит от размера зрачка носителя очков, что, в свою очередь, зависит от уровня окружающего освещения.

В-третьих, хотя зрение 20/20, которое соответствует разрешению изображения в 1 дуговую минуту (1/60 градуса), признается в общем случае как величина, представляющая допустимое качество зрения, сетчатка глаза человека позволяет получать более высокое разрешение изображения. Известно, что здоровая сетчатка глаза человека обеспечивает разрешение в 20 дуговых секунд (1/300 градуса). Корректирующие очки, разработанные для предоставления пациенту возможности достижения этого наивысшего уровня зрения, имеют разрешение около 0.10D или лучше. Это разрешение может быть достигнуто непрерывно настраиваемыми элементами жидкой линзы.

В одном примере осуществления жидкой линзы в сборе одна или более жидких линз может быть оснащена своей собственной исполнительной системой, так что линза каждого глаза может быть настроена независимо. Эта особенность дает возможность носителям очков, таким как анизометропическим пациентам, корректировать ошибку рефракции каждого глаза раздельно, с тем чтобы достичь надлежащей коррекции в обоих глазах, что может в результате привести к улучшенному бинокулярному зрению и бинокулярному объединению изображений.

На Фиг.1 иллюстрируется перспективное изображение системы линзы, заполненной жидкостью, 100 в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения. Система линзы, заполненной жидкостью, 100 состоит из перемычки 102, левого и правого линзового модуля 104, левого и правого шарнира 108, левой и правой части дужки очков 110 и левого и правого периферического конца 112 частей дужки очков 110. Следует принимать во внимание, что все описания каждого перечисленного компонента применяются как к левому, так и к правому варианту каждого компонента в системе. Шарнир 108 подсоединяет линзовый модуль 104 к части дужки очков 110. Периферический конец 112 части дужки очков 110 имеет форму, соответствующую форме уха носителя очков.

В одном примере осуществления линзовый модуль 104 содержит также корпус 106, который расположен вдоль периметра линзового модуля 104. Линзовый модуль 104 может также содержать гибкую заднюю поверхность, образованную, например, гибкой мембраной (не показана), которая плоско растянута по границе жесткой оптической линзы. В одном примере осуществления корпус 106 содержит трубчатый резервуар (не показан). Для изменения оптической силы линзового модуля 104 мембрана может быть раздута добавлением жидкости из резервуара. Резервуар может быть подсоединен к линзовому модулю 104 через соединительную трубку (не показана). Эта соединительная трубка выбирается такой, чтобы быть непроницаемой для находящейся в ней жидкости. В одном примере осуществления полностью скомпонованный узел, содержащий линзовый модуль 104, соединительную трубку и резервуар, сконструирован так, чтобы поддерживать сохранение герметичности жидкости и воздуха в течение всего периода использования в два года или более. В одном примере осуществления соединительная трубка является тонкой, что позволяет размещать ее внутри корпуса 106. В одном примере осуществления соединительная трубка имеет внешний диаметр менее 2 мм и толщину стенки менее 0.50 мм, что позволяет обеспечивать соответствующий поток жидкости.

Далее описывается конструкция линзового модуля 104 и способ приведения в действие резервуара, расположенного внутри корпуса 106, для изменения оптической силы линзового модуля 104.

На Фиг.2 иллюстрируется перспективное изображение разреза примера исполнительного элемента с резервуаром по периметру 200. Исполнительный элемент с резервуаром по периметру 200 содержит линзовый модуль 104, имеющий внешнюю линзу 212, внутреннюю линзу 210 и полость жидкости 206. По периметру линзового модуля 104 проходит корпус 106, а внутри корпуса 106 расположен резервуар 202, имеющий электроды 204. Между резервуаром 202 и полостью жидкости 206 находится соединительная трубка 208. Между электродами 204 и источником питания 201 существует соединение 214. В одном примере осуществления резервуар 202 является пьезоэлектрическим материалом, имеющим наплетенные электроды 204. В одном примере осуществления внешняя линза 212 является жесткой оптической линзой. В одном примере осуществления внутренняя линза 210 является гибкой мембраной.

Пьезоэлектрические материалы в ответ на приложенное механическое напряжение аккумулируют электрический заряд. Этот процесс является обратимым, так что приложение электрического поля индуцирует механическое напряжение на материале. Ориентация кристаллов пьезоэлектрического материала определяет оптимальное направление механического напряжения под действием электрического поля. Кристаллы, керамика и полимеры могут создавать пьезоэлектричество. Примерами кристаллов, которые создают пьезоэлектричество, являются кварц и топаз, в то время как примерами керамики являются PZT и ниобат калий-натрия. Наиболее распространенным полимерным пьезоэлектрическим материалом является поливинилиденфторид (PVDF). Было установлено, что пьезоэлектрический коэффициент PVDF является приблизительно в 10 раз больше, чем у любого другого полимера.

В одном примере осуществления резервуар 202 выполнен из PVDF. Полимерные цепи PVDF могут быть механически ориентированы и находиться под действием сильного электрического поля (>30 МВ/м), что позволяет проявлять их пьезоэлектрические свойства. Пленки PVDF могут быть отлиты или инжектированы. Например, пленка PVDF может быть отлита в трубчатой форме. Хотя примеры, описанные здесь, могут относиться к некоторому примеру осуществления, где электроды вплетены в материал резервуара, рядовой специалист в этой области техники согласится, что электроды могут быть также расположены по поверхности материала резервуара.

В одном примере осуществления электрический потенциал подается от источника питания 201 на электроды 204, наплетенные по толщине резервуара 202. Приложенный потенциал создает линейно пропорциональное электрическое поле, возникающее между электродами 204. Сгенерированное электрическое поле приводит к сжатию или к раздуванию резервуара 202, что зависит от полярности приложенного поля. Величина приложенного электрического потенциала может управляться носителем очков посредством управляющей схемы. В одном примере осуществления управляющая схема содержит регулятор напряжения, который позволяет носителю очков управлять величиной приложенного потенциала. Другой пример управляющей схемы может содержать переключатели. В другом примере осуществления полярность сгенерированного электрического поля может также управляться носителем очков посредством переключателя в управляющей схеме. Расчет упомянутых управляющих схем для изменения электрического потенциала будет, вероятно, очевиден рядовому специалисту в этой области техники.

В одном примере осуществления источником питания 201 является цинково-воздушный гальванический элемент. Цинково-воздушные гальванические элементы наиболее широко используются в качестве аккумуляторных батарей слуховых аппаратов. В типичном случае номинальное напряжение разряда цинково-воздушных гальванических элементов составляет 1.2 В. Другими примерами источников питания являются батареи штампованных литиевых, щелочных или оксидно-серебряных элементов с типичными номинальными напряжениями разряда в 3 В - для литиевых батарей и 1.5 В - для щелочных и оксидно-серебряных батарей. Другим примером источника питания 201 является конденсатор. Заряд может накапливаться на конденсаторе от вторичного источника, такого как устройство накопления энергии. В одном примере осуществления источник питания 201 располагается внутри части дужки очков 110.

В одном примере осуществления соединение 214 между электродами 204 и источником питания 201 обеспечивается физическими проводниками. Другим примером соединения 214 является связь через беспроводные сигналы, которые посылаются, например, РЧ передатчиком.

На Фиг.3 иллюстрируется пример поперечного сечения резервуара 202 в его раздутом состоянии 300 внутри корпуса 106. Также показаны электроды 204, наплетенные по толщине резервуара 202, и жидкость 302, заполняющая объем внутри резервуара 202. При генерации электрического поля с первой полярностью на электроды 204 резервуар 202 переходит в сжатое состояние 304, как представлено на Фиг.3b. Сжимающая сила 306 на все стороны резервуара 202 приводит к сжатию резервуара 202. При сжатии жидкость 302 выдавливается из резервуара 202 через соединительную трубку 208 и в полость жидкости 206, повышая тем самым кривизну линзового модуля 104. Может быть понято, что величина сжимающей силы 306 пропорциональна величине сгенерированного электрического поля. Рядовой специалист в этой области техники понимает, что различные значения электрических потенциалов, приложенных к электродам 204, приведут к различным сжатым состояниям 304, что обеспечивает настраиваемое изменение кривизны линзового модуля 104, используя изменяемый приложенный потенциал. В одном примере осуществления генерация электрического поля на электроды 204 со второй полярностью, противоположной первой полярности, будет приводить к изгибанию резервуара 202 и к раздутому состоянию 300. В одном примере осуществления изменение из сжатого состояния 304 в раздутое состояние 300 создает отрицательное давление внутри резервуара 202 и вытягивает жидкость 302 из полости жидкости 206 через соединительную трубку 208 внутрь резервуара 202, уменьшая таким образом кривизну линзового модуля 104.

Фрагменты различных описанных компонентов системы, например, но без ограничения, часть дужки очков, корпус, перемычка, шарнир и прочее, могут быть изготовлены любым подходящим процессом, таким как инжекционное формование металла (MIM), литье, механическая обработка, формовка пластика под давлением и тому подобное. Выбор материалов может быть также определен требованиями по механическим свойствам, температурной чувствительности, оптическим свойствам, таким как дисперсия, свойствами формуемости или любым другим фактором, очевидным рядовому специалисту, имеющему знания в этой области техники.

Жидкость, используемая в жидкой линзе, может быть бесцветной жидкостью, однако другие примеры осуществления содержат жидкость, которая является окрашенной, что зависит от применения, например, когда линзу предполагается использовать для солнцезащитных очков. Одним из примеров жидкости, которая может быть использована, является жидкость, производимая компанией Dow Coming, г.Мидленд, Мичиган, под торговым наименованием "масло диффузионных насосов", которое обычно называется как "кремнийорганическое масло".

Жидкая линза может содержать жесткую оптическую линзу, выполненную из стекла, пластмассы или любого другого подходящего материала. Другими подходящими материалами являются, например, но без ограничений, карбоната диэтилгликоль бисалил (DEG-BAC), поли(метилметакрилат) (РММА) и комплекс полимочевины, торговоенаименование TRIVEX (PPG).

Жидкая линза может содержать мембрану, выполненную из гибкого, прозрачного, водонепроницаемого материала, такого, например, но без ограничений, как один или более из прозрачных и упругих полиолефинов, полициклоалифатики, простые полиэфиры, сложные полиэфиры, полиимиды и полиуретаны, например, пленки поливинилиденхлорида, включая имеющиеся в продаже пленки, такие как пленки, выпускаемые под наименованием MYLAR и SARAN. Другими полимерами, подходящими для использования в качестве материалов мембран, являются, например, но без ограничений, полисульфоны, полиуретаны, политиоуретаны, полиэтилентерефталат, полимеры циклоолефинов и алифатических или алициклических простых эфиров.

Соединительная трубка может быть выполнена из одного или более материалов, таких как TYGON (поливинилхлорид), PVDF (поливинилиденфторид) и естественный каучук. Например, PVDF может быть подходящим материалом из-за его износостойкости, проницаемости и устойчивости к образованию складок.

Корпус может быть любой подходящей формы и может быть выполнен из пластмассы, металла или любого другого подходящего материала. В одном примере осуществления корпус выполнен из легкого материала, такого, например, но без ограничений, как алюминий, титан или подобный материал. В одном примере осуществления корпус может быть выполнен целиком или частично из прозрачного материала.

Необходимо принять во внимание, что для интерпретации формулы изобретения предполагается использовать раздел "Подробное описание изобретения", а не разделы "Краткое изложение" и "Реферат изобретения". Разделы "Краткое изложение" и "Реферат изобретения" могут излагать один или более, но не все примеры осуществлений настоящего изобретения, как оно задумано изобретателями, и тем самым ими никоим образом не намеревается ограничивать настоящее изобретение и прилагаемую формулу изобретения.

Настоящее изобретение было выше описано с помощью функциональных компоновочных блоков, иллюстрирующих реализацию заданных функций или отношений между ними. Границы этих функциональных компоновочных блоков были определены здесь произвольно для удобства описания. При условии, что надлежащим образом выполняются заданные функции и отношения между ними, могут быть определены альтернативные границы.

Вышеприведенное описание определенных примеров осуществления будет таким образом полностью раскрывать сущность изобретения, что позволяет другим специалистам использованием знаний в этой области техники легко модифицировать и/или адаптировать для различных приложений такие определенные примеры осуществления без чрезмерных экспериментов, без отклонения от общей концепции настоящего изобретения. Поэтому, базируясь на представленном здесь изучении и руководстве, предполагается, что такие адаптации и модификации будут находиться в пределах значения и диапазона эквивалентов раскрытых примеров осуществления. Следует понимать, что фразеология и терминология дана здесь с целью описания, а не ограничения, так что терминология или фразеология настоящей спецификации должна интерпретироваться квалифицированными специалистами в свете идей изобретения и руководства.

Объем и область применения настоящего изобретения не должны быть ограничены каким-либо из описанных выше примеров осуществления, но должны быть определены только в соответствии со следующими пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.

Система герметической линзы, заполненной жидкостью, содержит линзовый модуль, имеющий внешнюю линзу и внутреннюю линзу, корпус, расположенный по периметру линзового модуля, трубчатый резервуар, установленный внутри корпуса, и источник питания, который предоставляет исполнительный сигнал на резервуар, который обменивается жидкостью с линзовым модулем. Резервуар выполнен из пьезоэлектрического материала и имеет электроды, вплетенные по толщине резервуара. Приложенный потенциал приводит к изгибу резервуара с величиной и направлением, связанными с амплитудой и полярностью потенциала. Технический результат - улучшение регулировки оптической силы линзы. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система герметической линзы, заполненной жидкостью, содержащая:
линзовый модуль, имеющий внешнюю линзу и внутреннюю линзу;
корпус, расположенный по периметру линзового модуля;
трубчатый резервуар, установленный внутри корпуса, при этом резервуар обменивается жидкостью с линзовым модулем; и
источник питания, который предоставляет исполнительный сигнал на резервуар,
при этом резервуар является пьезоэлектрическим материалом, имеющим электроды, вплетенные по толщине резервуара.

2. Система по п. 1, содержащая также проводники между источником питания и электродами.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что исполнительный сигнал, предоставляемый источником питания, является электрическим потенциалом.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что амплитуда и/или полярность электрического потенциала может быть определена управляющей схемой.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что схема управления содержит регулятор напряжения.

6. Система по п. 4, отличающаяся тем, что схема управления содержит переключатель.

7. Система по п. 3, отличающаяся тем, что электрический потенциал с первой полярностью приводит к сжиманию резервуара.

8. Система по п. 3, отличающаяся тем, что электрический потенциал со второй полярностью, противоположной первой полярности, приводит к раздуванию резервуара.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что внешняя линза является жесткой оптической линзой.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя линза является гибкой мембраной.

11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит также соединительную трубку между линзовым модулем и резервуаром.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что источник питания является цинково-воздушным гальваническим элементом.

13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что источник питания является аккумуляторной батареей штампованных литиевых элементов.

14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что источник энергии является заряженным конденсатором.

15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что конденсатор заряжается другим источником.

16. Способ приведения в действие герметической линзы, заполненной жидкостью, которая имеет линзовый модуль, корпус, расположенный по периметру линзового модуля, резервуар, расположенный внутри корпуса, при этом резервуар обменивается жидкостью с линзовым модулем, и источник питания, способ, содержащий:
генерацию исполнительного сигнала от источника питания, подсоединенного к резервуару, расположенного внутри корпуса, который проходит по периметру линзового модуля;
передачу исполнительного сигнала от источника питания на электроды, вплетенные по толщине резервуара; и
изгибание резервуара при получении исполнительного сигнала, при этом изгибание приводит к тому, что жидкость перемещается между резервуаром и линзовым модулем.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что передача осуществляется беспроводно.

18. Способ по п. 16, отличающийся тем, что передача осуществляется по проводникам, которые подсоединяют источник питания к электродам.

19. Способ по п. 16, отличающийся тем, что исполнительный сигнал, предоставляемый источником питания, является электрическим потенциалом.

20. Способ по п. 16, содержащий также воздействие амплитуды и/или полярности электрического потенциала через управляющую схему.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что направление изгиба определяется полярностью электрического потенциала.

22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что положительный электрический потенциал приводит к сжатию резервуара.

23. Способ по п. 21, отличающийся тем, что отрицательный электрический потенциал приводит к раздуванию резервуара.