Жидкая линза, снабженная ей контактная линза и интраокулярное устройство Российский патент 2024 года по МПК G02B3/14 G02C7/08 A61F2/16 

Группа изобретений относится к оптическим элементам с переменными характеристиками, а именно, к жидким линзам с переменной оптической силой и снабжённым такими жидкими линзами контактным линзам, которые могут быть использованы для создания увеличенного изображения объектов в поле зрения, для формирования дополненной, виртуальной или расширенной реальности (AR/VR/XR), для профилактики и лечения миопии, а также к интраокулярным линзам.

Как известно, человеческий глаз имеет угол обзора ~120° по вертикали и ~180° по горизонтали (верно для обоих глаз одновременно, для ахроматического зрения), а хрусталик глаза при фокусировке на объекты, находящиеся на различной дистанции (аккомодация глаза) может менять кривизну задней стенки и, соответственно, фокусное расстояние, тем самым изменяя дистанцию фокусировки. У здорового человека хрусталик может изменять свою кривизну с обеспечением возможности варьирования оптической силы примерно от 19 до 33 диоптрий. Однако, оптическая система человеческого глаза лишена самостоятельной возможности оптического увеличения (отношения линейных или угловых размеров изображения и предмета) поля зрения без дополнительных внешних устройств.

Реализовать оптическое увеличение или переменное угловое увеличение оптической системы, т.е. функцию зум (zoom), можно с помощью таких устройств как вариообъективы, трасфокаторы, зум-объективы или объективы переменного фокусного расстояния. Оптическое увеличение в таких традиционных системах достигается за счёт изменения фокусного расстояния путем перемещения отдельных линз внутри оправы объектива — чем меньше фокусное расстояние оптической системы, тем больше угол обзора (поле зрения), и наоборот. Изменение фокусного расстояния и, соответственно, поля зрения, может быть как ступенчатым, так и плавным (панкратическим). При этом, количество линз в таком объективе может быть более 10-20 шт., а значит, он не может быть компактным, что не позволяют вмонтировать его в носимое устройство без серьёзного дискомфорта для пользователя.

Из уровня техники известна жидкая линза, выполненная в виде капсулы, содержащей несмешивающиеся первую жидкую среду с показателем преломления n₁ и вторую жидкую среду с показателем преломления n₂ таким, что n₂>n₁, и управляющие электроды, причём одна из указанных жидких сред выполнена с возможностью управления электромагнитным полем посредством указанных электродов (см. публикацию WO2020132443A2, кл. G02B 26/00, опубл. 25.06.2020). В известном устройстве первая жидкость представляет собой водный раствор одного или нескольких электролитов, а вторая — силиконовое масло или алканы, что позволяет добиться максимальной разницы показателей преломления ∆n = n₂ - n₁ порядка 0.05. Оптическая сила такой линзы может изменяться в зависимости от кривизны свободного мениска указанных жидкостей, который в свою очередь управляется электромагнитным полем, и варьируется от 0 (для плоского мениска) до примерно 10 диоптрий. Такую жидкую линзу в качестве перестраиваемой оптической системы совместно с блоком питания и управления предлагается интегрировать внутрь контактной линзы, что позволяет использовать полученное устройство для коррекции зрения. Основным недостатком известных решений является их крайне ограниченная функциональность: небольшая разница показателей преломления простых жидкостей (не более 0.1) позволяет менять оптическую силу жидкой линзы в относительно небольшом диапазоне, что ограничивает её применение только использованием в качестве элемента, компенсирующего недостатки естественной аккомодации, но не функцию зум.

Другой актуальной на сегодняшний день задачей является создание компактных AR, VR, XR устройств на основе светодиодных микродисплеев.

Из уровня техники известна контактная линза для формирования дополненной или расширенной реальности, содержащая дисплей, экран которого направлен в сторону глаза пользователя, блок питания и управления и телескопическую коллимирующую оптическую систему, расположенную между дисплеем и глазом (см. патент US10353205B2, кл. G02C 7/04, опубл. 16.07.2019). Принцип действия коллимирующей оптической системы основан на многократном отражении лучей света: изображение от источника (дисплея) в виде расходящихся лучей проходит вдоль камеры устройства и отражается от «вторичного» выпуклого зеркала, проходит обратный путь и отражается от «первичного» вогнутого зеркала, фокус которого находится на «вторичном» зеркале. Таким образом, изображение, отражённое от «вторичного» зеркала, выходит из отверстия камеры коллимированным пучком света в сторону глаза пользователя, который в свою очередь фокусирует изображение на сетчатке.

Такая фемтопроекторная оптическая система может создавать на сетчатке глаза пользователя увеличенное изображение дисплея, а её размеры позволяют встроить устройство отображения в контактную линзу. Однако, основным недостатком известного устройства является относительно большая толщина (порядка 2 мм), что создаёт значительное неудобство использования. Кроме того, известное устройство сложно в изготовлении и юстировке оптических деталей, имеет ограниченное поле зрения и формирует неравномерное освещение изображения на сетчатке. В таком проекторе всегда есть «паразитные» периферийные лучи от источника, которые не попадают на «вторичное» зеркало и выходят из отверстия камеры расходящимся пучком. Такие лучи не фокусируются на сетчатке, а приходят расходящимися, что приводит к наличию оптических аберраций и размытых пятен на фоне сфокусированного изображения дисплея, а также уменьшению результирующей яркости изображения на сетчатке, т.к. часть лучей рассеялась.

Следующим направлением расширения функциональных возможностей носимых оптических устройств в виде контактных линз является область коррекции зрения. Человеческий глаз обладает естественной способностью к аккомодации, т.е. фокусировке зрения на объектах внешнего мира, расположенных на разном удалении от наблюдателя. Сокращение и расслабление цилиарной мышцы глаза обеспечивает изменение радиуса задней стенки хрусталика и фокусировку изображения на сетчатке.

Одной из самых распространенных проблем со зрением является миопия (близорукость). При таком нарушении зрения человек хорошо различает предметы вблизи, но на отдалённые объекты (в том числе, находящиеся на бесконечности) глаз не может чётко сфокусироваться, вследствие чего отдалённые объекты кажутся размытыми. Миопия как аномалия рефракции (преломления) может возникать из-за того, что глаз от природы имеет удлиненную форму, поэтому изображения удалённых объектов даже с полностью расслабленным хрусталиком фокусируется не на сетчатке глаза, а на некотором расстоянии перед ней. Также миопия может возникать из-за долгого нахождения перед экраном компьютера или постоянного использования электронных гаджетов (когда хрусталик большую часть дня находится в напряжённом состоянии) или быть следствием наследственной предрасположенности.

Известным способом замедления, предотвращения развития и даже частичного лечения миопии является метод, называемый миопическим дефокусом, заключающийся в формировании на периферии сетчатки глаза «стимула» — расфокусированного изображения. Такие стимулы тормозят рост глаза в длину и замедляют или останавливают развитие миопии. Из уровня техники известно устройство для профилактики и лечения миопии (близорукости), выполненное в виде контактной линзы, содержащей четыре светодиода, расположенных в периферической части контактной линзы и направленных в сторону глаза пользователя, блок питания и управления и оптическую систему, расположенную между светодиодами и глазом (см. публикацию WO2021056018A1, кл. G02C 11/04, опубл. 25.03.2021). В известном устройстве указанная оптическая система выполнена на основе рефрактивных элементов (микрозеркал), фокусирующих излучение от светодиодов вблизи сетчатки глаза пользователя так, чтобы вызвать у него непроизвольное (подсознательное) желание сфокусировать изображение получившейся точки (пятна), что тренирует глазные мышцы и позволяет проводить профилактику миопии, а также её лечение на ранних стадиях. Недостатком известного устройства является необходимость учёта индивидуальных особенностей зрения пользователя, сложность юстировки рефрактивных элементов, а также невозможность регулирования степени расфокусировки изображения светодиодов по ходу лечения.

Ещё одним распространенным дефектом зрения (более, чем у 8% населения в возрасте старше 50 лет) является катаракта – частичное или полное нарушение прозрачности хрусталика, которое приводит к значительному ослаблению зрения и обратимой слепоты. Для лечения слепоты вследствие повреждения хрусталика (например, из-за катаракты, глаукомы, физического повреждения или др.) рекомендовано хирургическое вмешательство с удалением поврежденного хрусталика и заменой его, например, на интраокулярную линзу. После удаления естественного хрусталика глаза, в заднюю камеру глаза можно поместить обычную монофокальную или многофокальную интраокулярную линзу. Проблемой таких устройств является отсутствие естественной возможности к аккомодации. Поэтому, для аккомодации на близкие объекты носители интраокулярных линз вынуждены пользоваться дополнительными оптическими устройствами, такими как очки или контактные линзы.

Из уровня техники известно интраокулярное устройство, содержащее интраокулярную линзу, выполненную с возможностью аккомодации в соответствии с управляющими сигналами пользователя, и элементы крепления указанной интраокулярной линзы внутри глаза пользователя (см. патент US8377125B2, кл. A61F2/16, опубл. 19.02.2013). В известном устройстве аккомодация осуществляется с помощью элементов крепления, выполненных в виде специальных гибких лепестков (так называемых гаптиков – haptics), которые с помощью напряжения цилиарной мышцы глаза меняют положение интраокулярной линзы вдоль оптической оси глаза и оптическую силу интраокулярной линзы. Недостатком данного метода является необходимость постоперационного периода, во время которого в глаз периодически вводится релаксант цилиарной мышцы – это период заживления (от двух до трех недель) для поддержания цилиарной мышцы в расслабленном состоянии до тех пор, пока фиброз будет полным. Медикаментозное расслабление цилиарной мышцы предотвращает её сокращение и иммобилизирует капсульный мешок. Другим недостатком является физическое перемещение вдоль оптической оси глаза в зависимости от напряжения цилиарной мышцы, которое может быть неидеальным и не обеспечивать полноценной аккомодации.

Таким образом, технической проблемой является устранение указанных недостатков известных технических решений и создание компактных носимых оптических устройств в виде контактных линз и интраокулярных устройств с расширенным функционалом.

В части конструкции жидкой линзы технический результат заключается в значительном расширении сфер её возможного применения за счёт увеличения диапазона достижимой оптической силы. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в жидкой линзе, выполненной в виде капсулы, содержащей несмешивающиеся первую жидкую среду с показателем преломления n₁ и вторую жидкую среду с показателем преломления n₂ таким, что n₂>n₁, и управляющие электроды, одна из указанных жидких сред выполнена с возможностью управления электромагнитным полем посредством указанных электродов, при этом вторая жидкая среда представляет собой коллоидную систему, образованную жидкостью и твёрдыми высокорефрактивными наночастицами, показатель преломления которых выше, чем показатель преломления указанной жидкости. Указанные первая жидкая среда и вторая жидкая среда предпочтительно выполнены таким образом, что разница их показателей преломления ∆n = n₂ - n₁ > 1.5. Высокорефрактивные наночастицы могут быть выполнены из ZnO, TiO₂, ZnS, MgO, BeO, PbF₂, CsI, HfO₂, Sc₂O₃, SiN, GaP, CsPbBr₃, CsPbCl₃, CsPbI₃, GaN, YVO₄, MgAlO, YAlO, LuAlO, AlSb, GaSb, InSb, AlAs, GaAs, InAs, BC, SiC, TiC, VC, CsCl, CuCl, BaF, CeF₃, LaF₃, LiF, SrF₂, LiI, KI, RbI, CaMoO₄, SrMoO₄, PbMoO₄, LiNbO₃, KNbO₃, VN, ZrO₂, GeO₂, TeO₂, WO₃, Fe₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Fe₃O₄, InP, CdSe, PbSe, ZnSe, AgGaS₂, CdGa₂S₄, CdS, CuGaS₂, CdTe, Te, ZnTe, BaTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂, PbTiO₃, SrTiO₃, алмаза или Ван-дер-Ваальсова материала, состоящего из двумерных слоев, связанных между собой Ван-дер-Ваальсовыми силами, например, графита, графена, оксида графена, MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, Cd₃As₂, Cd₃Sb₂, Cr₂AlC, Cr₂C, Mn₂AlC, Mo₂C, Mo₂Ga₂C, Mo₃AlC₂, Nb₂AlC, Nb₂C, Nb₄AlC₃, Nb₄C₃, Ta₂C, Ta₄AlC₃, Ti₂AlC, Ti₂AlN, Ti₂C, Ti₂N, Ti₃AlC₂, Ti₃C₂, Ti₃CN, Ti₃SiC₂, Ti₄N₃, V₂AlC, V₂C, V₄AlC₃, V₄C₃, SnS₂, SnSe₂, ReS₂, ReSe₂, hBN, GaSe, Sb₂Te₃, PdS₂, PdSe₂, PtS₂, PtSe₂, GaS, GaTe, Ca(OH)₂, K(FeMg)₃Si₃AlO₁₀(OH)₂, Mg(OH)₂, MnO₂, MoO₃, Sb₂O₃, Sb₂OS₂, Sb₂Se₃, Sb₂S₃, As₂S₃, As₂Te₃, Bi₂O₂Se, Bi₂Se₃, Bi₂TeO₂, BiSbTe₃, Bi₂S₃, Bi₂Te₃, AsP, CdI₂, CdPS₃, CuS, CoPS₃, Cr₂Ge₂Te₆, Cr₂S₃, CrBr₃, CrCl₃, CrGeTe₃, CrPS₄, CrSeBr, CuCrP₂S₆, CuIn₇Se₁₁, FeCl₂, FePS₃, FePSe₃, MoTe₂, GaGeTe, GaInS₃, GaSeTe, GaSSe, GaPS₄, GaSTe, GeAs, GeSe, GeS, GeS₂, GeTe, HfSe₂, HfS₂, HfTe₂, In₂S₃, In₂Se₃, InSe, InTe, InGaSe₂, InSeBr, InSnSe, MnPS₃, MnPSe₃, MoSSe, MoWSe₂, MoWS₂, MoWTe₂, MoNbSe₂, MoO_2.5Cl_0.5, MoReS₂, MoTaSe₂, MoVSe₂, Na₂Co₂TeO₆, Nb₂SiTe₄, NbReS₂, NbReSe₂, NbS₃, Ni₂SiTe₄, Ni₃TeO₆, NiCl₂, NiI₂, NiPS₃, PbI₂, PbTe, PtTe₂, ReMoS₂, ReNbS₂, ReNbSe₂, ReSSe, SbAsS₃, SbSe, SbSI, SiP, SnPSe₃, SnS, Ta₂NiS₅, TaS₂, TaS₃, TaSe₂, TaWSe₂, TlSe, TiBr₃, SnTe₂, TiS₃, TlGaS₂, TlGaSe₂, TlGaTe₂, TlInS₂, WTe₂, WSSe, WNbSe₂, WReSe₂, ZrS₂, ZnIn₂S₄, ZnPS₃, ZnPSe₃, ZrGeTe₄, ZrS₃, ZrSe₂, ZrSe₃, ZrTe₂, ZrTe₃, Cr₂Si₂Te₆, Cr₂Te₃, CrI₃, CrSBr, CrTe₂, Fe₃GeTe₂, Fe₄GeTe₂, TaCo₂Te₂, VS₂, VSe₂, VTe_2, BiSbTeSe, BiTe, CuFeTe, HfTe₅, FeSe, FeTeSe, FeTe, NbS₂, NbSe₂, NbTe₂, NbTe₄, NiTe₂, PdBi₂, PdTe₂, SnTaS₂, TaTe₂, TiTe₂, Tl₂Ba₂CaCu₂O₈, ZrSiS, CdAs₂, CuSi₂P₃, NbAs₂, PbTaSe₂, Ta₂NiSe₅, Ta₂NiTe₅, Ta₂Se₈I, TaNi₂Te₃, TiS₂, TiSe₂, WNbTe₂, ZnAs₂, ZrTe₅, LaTe₂, NbSe₃, Bi₂SeTe₂, Bi₂Te₂S, BiInTe₃, Bi₂Se_1.5Te_1.5, Bi₄Te_1.5S_1.5, GeBi₂Te₄, PbBi₂Te₄, SnBi₄Te₇, SnSb₂Te₄, NiTe, SbTe, SiTe₂, BiTeI, InSSe, PbSnS₂, TlGaS₃, C₃N₄, Cu₂Te, GeSeTe, MnTe, As₂Se₃, CrPS₃, SnSe, WReS₂, TiBr, BaTiS₃, Al₂O₃, BiFeO₃, Ag₃AsS₃, HgS, висмута стронций кальция оксид меди, черного мышьяка или черного фосфора.

В части конструкции контактной линзы по первому варианту технический результат заключается в расширении её функциональных возможностей за счёт реализации функции увеличения изображения предметов в поле зрения (функция зум). Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в этой части тем, что контактная линза содержит блок питания и управления и перестраиваемую оптическую систему, снабжённую предлагаемой выше жидкой линзы, занимающей, по меньшей мере, часть поля зрения глаза пользователя и выполненной с возможностью фокусировки изображений объектов, находящихся в указанной части поля зрения, на хрусталике глаза пользователя и обеспечения видимого увеличения этих объектов. Оптическая сила жидкой линзы при этом предпочтительно составляет не менее 300 диоптрий и обеспечивает возможность увеличения объектов в поле зрения, по меньшей мере, в два раза. Часть поля зрения, занимаемая жидкой линзой, может составлять от 30 до 60 %.

В части конструкции контактной линзы по второму варианту технический результат заключается в уменьшении габаритных размеров контактной линзы с функцией дополненной, виртуальной или смешанной реальности (AR, VR, XR). Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в этой части тем, что контактная линза содержит дисплей, экран которого направлен в сторону глаза пользователя, блок питания и управления и оптическую систему, которая снабжена предлагаемой выше жидкой линзой, выполненной с возможностью фокусировки излучения от экрана на хрусталике глаза пользователя. Оптическая сила жидкой линзы при этом предпочтительно составляет не менее 800 диоптрий. Жидкая линза может быть установлена с зазором относительно экрана, образованным полой камерой или слоем полимерного материала.

В части конструкции контактной линзы по третьему варианту технический результат заключается в расширении спектра возможного терапевтического воздействия за счёт обеспечения возможности варьирования степени расфокусировки формируемого на сетчатке глаза пользователя изображения. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в этой части тем, что контактная линза содержит, по меньшей мере, один светодиод, расположенный в периферической части контактной линзы и направленный в сторону глаза пользователя, блок питания и управления и оптическую систему, снабжённую предложенной выше жидкой линзой, выполненной с возможностью фокусировки излучения от светодиода перед сетчаткой пользователя. Оптическая сила жидкой линзы при этом составляет не менее 1000 диоптрий. Жидкая линза предпочтительно выполнена с возможностью изменения степени расфокусировки излучения от светодиода на сетчатке глаза пользователя от 0.5 до 10 диоптрий. Контактная линза при этом может иметь от 2 до 40 светодиодов, расположенных в её периферической части.

В части интраокулярного устройства технический результат заключается в расширении его функциональных возможностей, в частности, за счёт увеличения аккомодационной способности до уровня, превышающего физиологические возможности человеческого глаза. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в этой части тем, что в интраокулярном устройстве, содержащем интраокулярную линзу, выполненную с возможностью аккомодации в соответствии с управляющими сигналами пользователя, и элементы крепления указанной интраокулярной линзы внутри глаза пользователя, указанная интраокулярная линза снабжена вышеописанной жидкой линзой и блоком питания и управления, выполненным с возможностью преобразования управляющих сигналов пользователя в электромагнитное поле, формируемое управляющими электродами жидкой линзы. Блок питания и управления предпочтительно выполнен с возможностью варьирования оптической силы жидкой линзы, по меньшей мере, от 19 до 33 диоптрий, в другом варианте до 200 диоптрий. При этом блок питания и управления предпочтительно выполнен с возможностью передачи сигнала включения на светодиоды в контактной линзе при увеличении оптической силы жидкой линзы более 35 диоптрий. Капсула жидкой линзы предпочтительно выполнена из эластичного полимерного материала, при этом крепежные элементы могут быть выполнены за одно целое с капсулой жидкой линзы. Крепежные элементы могут быть выполнены в виде лепестков из эластичного полимерного материала.

На фиг.1 представлен поперечный разрез предлагаемой жидкой линзой с выключенным электромагнитным полем;

на фиг.2 — то же, что на фиг.1 с электромагнитным полем, включенным на максимум;

на фиг.3 — контактная линза по первому варианту со 100 % покрытием поля зрения с отключенной функцией зум;

на фиг.4 — то же, что на фиг.3 с включенной функцией зум;

на фиг.5 — схема формирования изображения через контактную линзу по первому варианту со 100 % покрытием поля зрения с отключенной функцией зум;

на фиг.6 — то же, что на фиг.5 с включенной функцией зум;

на фиг.7 — контактная линза по первому варианту с 50 % покрытием поля зрения с отключенной функцией зум;

на фиг.8 — то же, что на фиг.7 с включенной функцией зум;

на фиг.9 — схема формирования увеличенного изображения с помощью контактной линзы по первому варианту с 50 % покрытием поля зрения с включенной функцией зум;

на фиг.10 — видимое глазом изображение при реализации схемы по фиг.9;

на фиг.11 — проекционная система на основе жидкой линзы, установленной относительно дисплея с воздушным зазором, который образован полой камерой;

на фиг.12 — проекционная система на основе жидкой линзы, установленной относительно дисплея с зазором, который образован слоем полимерного материала;

на фиг.13 — схема формирования изображения с помощью контактной линзы по второму варианту с функцией AR/VR/XR, поперечный разрез;

на фиг.14 — контактная линза по второму варианту с функцией AR/VR/XR, вид спереди;

на фиг.15 — схема формирования изображения с помощью контактной линзы по третьему варианту с функцией коррекции миопии в случае установки одного светодиода;

на фиг.16 — схема формирования изображения с помощью контактной линзы по третьему варианту в случае установки нескольких светодиодов;

на фиг.17 — контактная линза по третьему варианту с 16 светодиодами, вид спереди;

на фиг.18-20 — общий вид предлагаемого интраокулярного устройства с различными крепежными элементами;

на фиг.21 — установка интраокулярного устройства в глазу пользователя перед радужкой;

на фиг.22 — схема формирования изображения с помощью предлагаемого интраокулярного устройства, установленного за радужкой, при аккомодации на бесконечность (оптическая сила жидкой линзы 19 диоптрий);

на фиг.23 — то же, что на фиг.22, при аккомодации на ближней физиологической точке (оптическая сила жидкой линзы 33 диоптрии);

на фиг.24 — то же, что на фиг.22-23, при реализации режима «макро»-видения (оптическая сила жидкой линзы 138 диоптрий, толщина 1 мм).

Предлагаемая группа изобретений основана на использовании конструкции жидкой линзы 1, состоящей из капсулы 2 и управляющих электродов 3, установленных на периферии (фиг.1-2). Входное и выходное окна капсулы 2 выполнены из материала, прозрачного в видимой части спектра, например, стекла, кристалла, стеклонанокерамики или оптически прозрачного полимера. В капсуле 2 расположены две несмешивающиеся (несмачиваемые, обладающие различной вязкостью) жидкие среды с разными показателями преломления, одна из которых (любая) выполнена с возможностью управления электромагнитным полем посредством электродов 3. Это обеспечивает возможность управления кривизной границы раздела между указанными жидкими средами — мениском 4. Для реализации возможности такого управления одна из сред может содержать магнитные наночастицы и/или обладать высокой электрической проводимостью.

Первая жидкая среда 5 представляет собой, например, воду или водный раствор с показателем преломления n₁, который в видимом диапазоне составляет от 1.2 до 1.4. Показатель преломления ниже, чем у воды (1.33), достигается введением пористых наночастиц, изготовленных из материала с низким показателем преломления и низким коэффициентом экстинкции в видимой спектральной области (например, SiO₂, TiN, HfN, ZrN, YN, VN, WN). Такие наночастицы могут быть синтезированы методом фемтосекундной лазерной абляции в деионизованной воде в условиях, вызывающих каталитическое разложение воды на водород и кислород. Чем ниже будет n₁, тем большую максимальную оптическую силу можно будет реализовать с помощью жидкой линзы 1.

Вторая жидкая среда 6 представляет собой коллоидную систему с показателем преломления n₂ таким, что n₂>n₁. Эта коллоидная система образована высокопреломляющей иммерсионной жидкостью, например, гидрофобным маслом с показателем преломления от 1.4 до 1.8 и твёрдыми высокорефрактивными наночастицами 7 размером от 2 до 250 нм с низким коэффициентом экстинкции. Показатель преломления наночастиц 7 в видимом диапазоне выше, чем показатель преломления указанной иммерсионной жидкости и составляет от 1.8 до 3, преимущественно 3. Значительного расширения оптической силы полученной жидкой линзы 1 можно достичь, если реализовать разницу показателей преломления ∆n = n₂ - n₁ > 1.5.

В качестве такого высокорефрактивного материала для наночастиц 7 могут быть использованы неслоистые материалы с высоким показателем преломления и высокой прозрачностью в видимом диапазоне, такие как ZnO, TiO₂, ZnS, MgO, BeO, PbF₂, CsI, HfO₂, Sc₂O₃, SiN, GaP, CsPbBr₃, CsPbCl₃, CsPbI₃, GaN, YVO₄, MgAlO, YAlO, LuAlO, AlSb, GaSb, InSb, AlAs, GaAs, InAs, BC, SiC, TiC, VC, CsCl, CuCl, BaF, CeF₃, LaF₃, LiF, SrF₂, LiI, KI, RbI, CaMoO₄, SrMoO₄, PbMoO₄, LiNbO₃, KNbO₃, VN, ZrO₂, GeO₂, TeO₂, WO₃, Fe₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Fe₃O₄, InP, CdSe, PbSe, ZnSe, AgGaS₂, CdGa₂S₄, CdS, CuGaS₂, CdTe, Te, ZnTe, BaTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂, PbTiO₃, SrTiO₃ или алмаз. Однако, наиболее перспективным представляется использование Ван-дер-Ваальсовых материалов, состоящих из двумерных слоев, связанных между собой Ван-дер-Ваальсовыми силами: графит, графен, оксид графена, MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, Cd₃As₂, Cd₃Sb₂, Cr₂AlC, Cr₂C, Mn₂AlC, Mo₂C, Mo₂Ga₂C, Mo₃AlC₂, Nb₂AlC, Nb₂C, Nb₄AlC₃, Nb₄C₃, Ta₂C, Ta₄AlC₃, Ti₂AlC, Ti₂AlN, Ti₂C, Ti₂N, Ti₃AlC₂, Ti₃C₂, Ti₃CN, Ti₃SiC₂, Ti₄N₃, V₂AlC, V₂C, V₄AlC₃, V₄C₃, SnS₂, SnSe₂, ReS₂, ReSe₂, hBN, GaSe, Sb₂Te₃, PdS₂, PdSe₂, PtS₂, PtSe₂, GaS, GaTe, Ca(OH)₂, K(FeMg)₃Si₃AlO₁₀(OH)₂, Mg(OH)₂, MnO₂, MoO₃, Sb₂O₃, Sb₂OS₂, Sb₂Se₃, Sb₂S₃, As₂S₃, As₂Te₃, Bi₂O₂Se, Bi₂Se₃, Bi₂TeO₂, BiSbTe₃, Bi₂S₃, Bi₂Te₃, AsP, CdI₂, CdPS₃, CuS, CoPS₃, Cr₂Ge₂Te₆, Cr₂S₃, CrBr₃, CrCl₃, CrGeTe₃, CrPS₄, CrSeBr, CuCrP₂S₆, CuIn₇Se₁₁, FeCl₂, FePS₃, FePSe₃, MoTe₂, GaGeTe, GaInS₃, GaSeTe, GaSSe, GaPS₄, GaSTe, GeAs, GeSe, GeS, GeS₂, GeTe, HfSe₂, HfS₂, HfTe₂, In₂S₃, In₂Se₃, InSe, InTe, InGaSe₂, InSeBr, InSnSe, MnPS₃, MnPSe₃, MoSSe, MoWSe₂, MoWS₂, MoWTe₂, MoNbSe₂, MoO_2.5Cl_0.5, MoReS₂, MoTaSe₂, MoVSe₂, Na₂Co₂TeO₆, Nb₂SiTe₄, NbReS₂, NbReSe₂, NbS₃, Ni₂SiTe₄, Ni₃TeO₆, NiCl₂, NiI₂, NiPS₃, PbI₂, PbTe, PtTe₂, ReMoS₂, ReNbS₂, ReNbSe₂, ReSSe, SbAsS₃, SbSe, SbSI, SiP, SnPSe₃, SnS, Ta₂NiS₅, TaS₂, TaS₃, TaSe₂, TaWSe₂, TlSe, TiBr₃, SnTe₂, TiS₃, TlGaS₂, TlGaSe₂, TlGaTe₂, TlInS₂, WTe₂, WSSe, WNbSe₂, WReSe₂, ZrS₂, ZnIn₂S₄, ZnPS₃, ZnPSe₃, ZrGeTe₄, ZrS₃, ZrSe₂, ZrSe₃, ZrTe₂, ZrTe₃, Cr₂Si₂Te₆, Cr₂Te₃, CrI₃, CrSBr, CrTe₂, Fe₃GeTe₂, Fe₄GeTe₂, TaCo₂Te₂, VS₂, VSe₂, VTe_2, BiSbTeSe, BiTe, CuFeTe, HfTe₅, FeSe, FeTeSe, FeTe, NbS₂, NbSe₂, NbTe₂, NbTe₄, NiTe₂, PdBi₂, PdTe₂, SnTaS₂, TaTe₂, TiTe₂, Tl₂Ba₂CaCu₂O₈, ZrSiS, CdAs₂, CuSi₂P₃, NbAs₂, PbTaSe₂, Ta₂NiSe₅, Ta₂NiTe₅, Ta₂Se₈I, TaNi₂Te₃, TiS₂, TiSe₂, WNbTe₂, ZnAs₂, ZrTe₅, LaTe₂, NbSe₃, Bi₂SeTe₂, Bi₂Te₂S, BiInTe₃, Bi₂Se_1.5Te_1.5, Bi₄Te_1.5S_1.5, GeBi₂Te₄, PbBi₂Te₄, SnBi₄Te₇, SnSb₂Te₄, NiTe, SbTe, SiTe₂, BiTeI, InSSe, PbSnS₂, TlGaS₃, C₃N₄, Cu₂Te, GeSeTe, MnTe, As₂Se₃, CrPS₃, SnSe, WReS₂, TiBr, BaTiS₃, Al₂O₃, BiFeO₃, Ag₃AsS₃, HgS, висмут стронций кальция оксид меди, черный мышьяк или черный фосфор.

Для нормального функционирования жидкой линзы 1 необходимо, чтобы жидкие среды 5 и 6 замерзали при максимально низкой достижимой (возможной) температуре. Температура кристаллизации такой жидкой линзы 1 должна быть в диапазоне от -20 до -50 градусов Цельсия, преимущественно -35 градусов Цельсия. Это обеспечивается путём использования сред с низкой температурой кристаллизации, например, силиконового масла с температурой замерзания ниже -60^о или смеси воды (33.3 %) и глицерина (66,7 %) с температурой замерзания до -46,5^о.

Предлагаемая жидкая линза 1 работает следующим образом.

Когда напряжения на электродах 3 отсутствует, и они не формируют электромагнитное поле (фиг.1), жидкая линза 1 находится в исходном состоянии (мениск 4 плоский) и имеет нулевую или около-нулевую оптическую силу, т.е. работает как плоско-параллельная пластина и не изменяет ход лучей. Когда к электродам 3 прикладывают напряжение (фиг.2) и формируют с их помощью электромагнитное поле, электропроводящая жидкая среда (или альтернативно среда с магнитными наночастицами) за счёт электрического поля (или альтернативно магнитного поля, формируемого переменным напряжением на электродах 3) устремляется к периферии жидкой линзы 1, меняя радиус кривизны мениска 4 до величины R, зависящей от линейных размеров капсулы 2, в том числе – толщины и светового диаметра (апертуры). Вслед за этим меняется оптическая сила жидкой линзы 1: чем большее напряжение приложено к электродам 3 и, соответственно, больше энергии формируемого ими электромагнитного поля, тем меньше (численно) будет радиус кривизны R и больше оптическая сила жидкой линзы 1.

Максимальный предел оптической силы жидкой линзы 1 обусловлен разницей показателей преломления жидких сред 5-6 и минимально достижимым радиусом кривизны R мениска 4. В воздухе для капсулы 2 диаметром d=2 мм и толщиной H=1 мм (т. е. для радиуса кривизны мениска 4 R=1 мм) при разнице показателей преломления ∆n=1.2 оптическая сила жидкой линзы 1 составит 1200 диоптрий. В рамках настоящей заявки здесь и далее под оптической силой жидкой линзы 1 понимается её наибольшее достижимое значение в воздухе при максимальном приложенном напряжении на электродах 3 и соответствующей максимальной энергии электромагнитного поля.

Такое расширение диапазона достижимой оптической силы (от 0 до 1000 диоптрий и более) обуславливает появление неожиданного технического результата — значительного расширения сфер возможного применения жидкой линзы, в частности, в случае интеграции предложенной высокосильной жидкой линзы 1 в носимое оптическое устройство типа контактной или интраокулярной линзы для создания увеличенного изображения объектов в поле зрения, для формирования дополненной, виртуальной или расширенной реальности (AR/VR/XR), для профилактики и лечения миопии.

По первому варианту исполнения (фиг.3-10), реализующему функцию зум, контактная линза 8 содержит только блок 9 питания и управления и, перестраиваемую оптическую систему в виде предлагаемой жидкой линзы 1, которая занимает, по меньшей мере, часть (предпочтительно от 30 до 60 %) поля зрения 10 глаза 11 пользователя. Электроды 3 жидкой линзы 1 подключены к блоку 9 питания и управления. Жидкая линза 1 выполнена с возможностью фокусировки изображений соответствующих объектов 12 не на сетчатке 13 глаза 11, а на хрусталике 14 для реализации так называемого максвеллиановского зрения — Maxwellian view (см. The maxwellian view, Gerald Westheimer, Vision Research, vol.6, issues 11-12, dec.1966, p.669-682, doi:10.1016/0042-6989(66)90078-2). При такой схеме на сетчатке 13 формируется резкое увеличенное изображение, т. е. происходит видимое увеличение объектов 12. Достоинством Maxwellian view является большое поле зрения (FOV) и возможность работы с глазом, имеющим недостатки в виде близорукости/дальнозоркости, т.к. нет необходимости в коррекции зрения. При оптической силе жидкой линзы 1 не менее 300 диоптрий можно получить увеличения объектов 12 в два и более раз.

На фиг.3-5 показана контактная линза 8 со встроенной жидкой линзой 1, занимающей все поле зрения 10 (100 % покрытие).

Когда напряжения на электродах 3 отсутствует, и они не формируют электромагнитное поле, т. е. жидкая линза 1 выключена, глаз 11 пользователя имеет стандартное поле зрения 10 по вертикали порядка 60° (двойной угол 120°). При этом лучи, падающие на роговицу 15 под углами, большими 60° по вертикали (например, 70°), после прохождения оптической системы глаза 11 не попадают на сетчатку 13 и, соответственно, не могут быть восприняты пользователем.

Когда электродам 3 прикладывают напряжение и формируют с их помощью электромагнитное поле, т.е. жидкую линзу 1 включают, она становится оптическим элементом с определенной оптической силой (250-500 диоптрий). При этом за счёт наличия жидкой линзы 1 лучи падающие на контактную линзу 8 от удалённых объектов «на бесконечности» (угол с оптической осью глаза 0°) фокусируются не на сетчатке 13, а на хрусталике 14 (хрусталик при этом находится в расслабленном состоянии). Эти лучи благодаря эффекту максвеллиановского зрения (Maxwellian view) будут формировать на сетчатке 13 резкое увеличенное изображение. При этом лучи от более близких объектов 12, падающие под определенными углами к оптической оси (например, до 25⁰ – половинный угол) также фокусируются на хрусталике 14, попадают на сетчатку 13 резкими и отображаются оптической системой глаза. Лучи, превышающие критической угол (например, более 25°) фокусируются перед хрусталиком 14 вследствие высокой оптической силы жидкой линзы 1 и либо попадают на самый край сетчатки 13 расфокусированными, либо вообще не попадают на сетчатку 13 и, соответственно, не видимы для пользователя.

Двух-трёхкратное (преимущественно 2.4х) оптическое увеличение во всей области поля зрения 10 (100 % покрытие) может быть достигнуто при следующих параметрах жидкой линзы 1:

диаметр d = 9-11 мм (преимущественно 10 мм); толщина H = 1-2 мм (преимущественно 1.6 мм); показатель преломления среды 5 n₁ = 1.2-1.33 (преимущественно 1.2); показатель преломления среды 6 n₂ = 1.7-3 (преимущественно 3); радиус кривизны капсулы 2 R₁ = 6.5-7.5 мм (преимущественно 7 мм, соответствует радиусу роговицы 15 конкретного глаза 11); радиус кривизны мениска 4 R = 5-R₁ мм (преимущественно R = 5.25-R₁ мм); оптическая сила 250-500 дптр (преимущественно 340 дптр).

Зум, основанный на работе жидкой линзы 1 в контактной линзе 8 является ступенчатым, а не панкратическим, т.е. фактически имеют смысл два крайних рабочих положения – жидкая линза 1 выключена (фокусировка поля зрения приходится на сетчатку 13) и жидкая линза 1 включена (фокусировка поля зрения приходится на хрусталик 14). Все промежуточные состояния, когда изменением оптической силы жидкой линзы 1 осуществляется фокусировка в область между хрусталиком 14 и сетчаткой 13, являются нерабочими, т.к. в этих случаях глаз 11 не может построить сфокусированное изображение на сетчатке 13.

Несмотря на это, управление оптической силой жидкой линзы 1 можно использовать в другом качестве. Например, в примере выше хрусталик 14 находился в расслабленном состоянии, т.е. был сфокусирован на бесконечность. При аккомодации глаза задняя стенка хрусталика 14 изменяет свой радиус кривизны и оптическую силу. Это также значит то, что лучи, которые до этого фокусировались жидкой линзой 1 на хрусталик 14, могут теперь приходить на сетчатку 13 немного расфокусированными, т.к. задняя стенка хрусталика 14 изменила своё положение. Уменьшив оптическую силу жидкой линзы 1 в соответствии с увеличенной оптической силой хрусталика 14, можно компенсировать изменение, внесённое в оптическую схему хрусталиком 14 и вновь добиться чёткого и резкого изображение на сетчатке при аккомодации глаза. Таким образом, если увеличенное с помощью функции зум изображение размывается при аккомодации глаза, то, управляя кривизной мениска 4, можно компенсировать это размытие и снова сделать увеличенное изображение чётким и резким.

Предлагаемая контактная линза 8 по первому варианту может реализовывать функцию зум не во всей области поля зрения 10, а только в части: например, 50 % центрального поля зрения глаза — такой вариант будет иметь более компактные размеры. На фиг.7 показана такая контактная линза 8 со встроенной жидкой линзой 1 при отсутствие напряжения на электродах 3, т. е. в случае когда жидкая линза 1 не имеет оптической силы и работает как плоскопараллельная пластина. При этом глаз 11 имеет стандартное поле зрения по вертикали ~60° (двойной угол 120°), а лучи, падающие на роговицу 15 под большими углами, после прохождения оптической системы глаза не попадают на сетчатку 13 и, соответственно, не могут быть изображены глазом пользователя.

На фиг.8 показана та же контактная линза 8 при включенном напряжении на электродах 3, т. е. в случае когда жидкая линза 1 имеет оптическую силу, определяемую радиусом кривизны мениска 4 (который формируется за счёт наличия электромагнитного поля) и показателями преломления n₁ и n₂. В этом случае лучи, падающие на ту часть контактной линзы 8, в которой есть жидкая линза 1 с бесконечности (угол 0°) фокусируются не на сетчатке 13, а на хрусталике 14, который находится при этом в расслабленном состоянии. Эти лучи будут формировать на сетчатке 13 резкое изображение благодаря эффекту Maxwellian view. Также, все лучи, падающие на жидкую линзу 1 под определенными углами (например, до 25° – половинный угол) также фокусируются на хрусталике 14 и попадают на сетчатку 13 резкими и отображаются оптической системой глаза 11. Лучи, которые падают на жидкую линзу 1 под большими углами (например, более 25°) фокусируются перед хрусталиком 14 вследствие высокой оптической силы жидкой линзы 1. Таким образом, они либо попадают на самый край сетчатки 13 расфокусированными, либо вообще не попадают на сетчатку 13, и, соответственно, не могут быть изображены глазом 11 пользователя.

Дополнительно, есть лучи, которые попадают на периферийную часть контактной линзы 8, не покрытую жидкой линзой 1. Эти лучи проходят сквозь контактную линзу 8 неизменными (если сама контактная линза 8 имеет 0 диоптрий) и фокусируются хрусталиком 14 на сетчатке 13 обычным способом. Таким образом, в поле зрения 10 формируется центральная часть с увеличенным изображением объектов 12 и уменьшенным углом обзора (например, со 120° до 50° – полный угол по вертикали), а также нормальная периферическая часть угла обзора с отображением объектов 12 обычного размера (фиг.10).

Для осуществления двух-трёхкратного оптического увеличения (преимущественно 2.4х) в области 50% центрального поля зрения жидкая линза 1 должна иметь следующие параметры:

диаметр d = 4-6 мм (преимущественно 5  мм); толщина H = 0.3-0.5 мм (преимущественно 0.35 мм); показатель преломления среды 5 n₁ = 1.2-1.33 (преимущественно 1.2); показатель преломления среды 6 n₂ = 1.7-3 (преимущественно 3); радиус кривизны капсулы 2 R₁ = 6.5-7.5 мм (преимущественно 7 мм, соответствует радиусу роговицы 15 конкретного глаза 11); радиус кривизны мениска 4 R = 4-R₁ мм (преимущественно R = 4.3-R₁ мм); оптическая сила 250-500 дптр (преимущественно 420 дптр)

По второму варианту исполнения (фиг.11-14), реализующему функцию AR/VR/XR, контактная линза 8 содержит дисплей 16, блок 9 питания и управления и оптическую систему в виде жидкой линзы 1, расположенной между дисплеем 16 и глазом 11. Электроды 3 жидкой линзы 1 подключены к блоку 9 питания и управления, а её оптическая сила составляет не менее 800 диоптрий. При этом жидкая линза 1 обеспечивает возможность фокусировки излучения от экрана дисплея 16 на хрусталике 14 глаза 11 пользователя для реализации Maxwellian view, поскольку расстояние от источника изображения (фокальной плоскости) до жидкой линзы 1 много меньше расстояния от жидкой линзы 1 до сетчатки 13 (плоскости изображения). Такая схема позволяет сформировать чёткое изображение дисплея 16 на сетчатке 13 без аберраций, с высоким коэффициентом пропускания и большим полем зрения, наложенное при этом на реальную сцену.

Источник изображения представляет собой дисплей 16 на основе матрицы светодиодов (LED, microLED, OLED и др.). Размер дисплея 16 может быть от 50х50 до 500х500 мкм, преимущественно — 100х100 мкм, при этом размер пикселя может достигать 1 мкм. В альтернативном варианте дисплей может иметь любую иную форму, например, прямоугольника или кругла с диаметром 50, 100, 500 мкм с расположением пикселей в виде "сот" (гексаэдров). При этом под размером дисплея 16 в рамках настоящей заявки понимается наибольший линейный размер: диагональ квадрата или прямоугольника, диаметр круга, расстояние между противоположными вершинами гексаэдра и т.п.

Дисплей 16 прикреплен к внешней поверхности контактной линзы 8 и направлен в сторону зрачка глаза 11 пользователя. Питание дисплея 16 реализуется с помощью блока 9 питания и управления, который может содержать встроенный в контактную линзу 8 аккумулятор и/или катушку индуктивности.

Для обеспечения нахождения дисплея 16 в фокальной плоскости или вблизи неё расстояние между ним и жидкой линзой 1 вдоль оптической оси должно составлять 50-250 мкм, преимущественно 100 мкм. Соответствующий зазор 17 может быть образован полой камерой 18, заполненной воздухом (n = 1), или слоем полимерного материала (PMMA или другого прозрачного в видимой части спектра вещества).

Вариант с воздушным зазором 17 представлен на фиг.11. В этом случае вся проекционная оптическая система представляет собой полую камеру 18, выполненную из пластика, полимера, стекла, кристалла, стеклонанокерамики или другого материала прозрачного в видимой области спектра, в который с одной стороны монтируется дисплей 16, а с другой – жидкая линза 1. При этом, зазор 17 между дисплеем 16 и жидкой линзой 1 заполнен воздухом или иным газом. Монтаж такой конструкции проектора в контактную линзу 8 осуществляют следующим образом: на первичный слой полимера контактной линзы 8 (который ближе к роговице 15) по центру устанавливают камеру 18 с дисплеем 16 и жидкой линзой 1, на её периферии устанавливают всю необходимую электронику (блок 9 питания и управления с катушкой индуктивности, аккумулятором, проводниками питания и управляющими электродами 3 жидкой линзой 1), периферию заливают полимером и полимеризуют, фиксируя камеру 18, а затем наносят финишный слой полимера (дальний от роговицы 15). Для жидкой линзы 1 со световым диаметром (апертурой) 160 мкм и толщиной 40 мкм зазор 17 должен составлять 100 мкм.

Альтернативный вариант выполнения проекционной системы с зазором 17 в виде слоя полимерного материала представлен на фиг.12. Монтаж такой конструкции проектора в контактную линзу 8 осуществляют следующим образом: на первичный слой полимера контактной линзы 8 (который ближе к роговице 15) по центру устанавливают жидкую линзу 1 (которая тоньше, чем вся проекционная система с камерой 18, описанная выше), на периферии устанавливают всю необходимую электронику (блок 9 питания и управления с катушкой индуктивности, аккумулятором, проводниками питания и управляющими электродами 3 жидкой линзой 1), периферию заливают полимером и полимеризуют, затем накладывают промежуточный полимерный слой зазора 17, устанавливают по центру дисплей 16, подключают его к блоку 9 питания и управления, а затем наносят финишный слой полимера (дальний от роговицы 15). Разница в данном случае в том, что между дисплеем 16 и жидкой линзой 1 будет не воздушный зазор 17 (n = 1), а зазор 17 из слоя полимера (n = 1.2-1.4), что может отрицательно сказаться на размере всей оптической системы вдоль оптической оси – она должна быть несколько толще, чем в предыдущем случае. При этом если в воздухе дисплей 16 будет иметь очень широкую расходимость лучей (телесный угол 140-180 градусов), то внутри слоя полимера, расходимость лучей можно существенно уменьшить в соответствии с законом Снеллиуса (чем больше показатель преломления полимера, тем меньше расходимость излучения от дисплея 16). Например, при использовании полимера с показателем преломления ~1.5 в видимой области спектра, расходимость лучей дисплея можно уменьшить с 140-180 градусов до 75-90 градусов. Уменьшение угла расходимости дисплея 16 необходимо, чтобы уменьшить входную апертуру (световой диаметр) жидкой линзы 1 и, тем самым, уменьшить её минимальные габаритные размеры поперёк оптической оси. Для жидкой линзы 1 со световым диаметром (апертурой) 500 мм и толщиной 200 мкм зазор 17 должен составлять 150 мкм.

Предлагаемая контактная линза 8 по второму варианту работает следующим образом.

При включении дисплея 16 его экран формирует расходящийся пучок лучей, которые собирает жидкая линза 2 и фокусирует их на хрусталик 14 пользователя. Фокусировка этого пучка осуществляется путем контроля кривизны мениска 4 жидкой линзы 1 посредством электромагнитного поля, формируемого электродами 3. Таким образом устраняются аберрации в изображении, учитываются дефекты зрения пользователя (близорукость или дальнозоркость) и формируется большое поле зрения – до 100^о (полный угол). При этом, на сетчатке 13 формируется увеличенное резкое и чёткое изображение дисплея 16.

По третьему варианту выполнения (фиг.15-17), реализующему функцию профилактики и лечения миопии, контактная линза 8 содержит один или несколько светодиодов 19 (например, LED), направленных в сторону глаза 11 пользователя, блок 9 питания и управления и оптическую систему в виде жидкой линзы 1, расположенной между каждым светодиодом 19 и глазом 11. Питание и управление светодиодов 19 и электродов 3 жидкой линзы 1 реализуется с помощью аналогичного блока 9 питания и управления, который может содержать встроенный в контактную линзу 8 аккумулятор и/или катушку индуктивности. Чтобы не перекрывать центральную часть зрачка и не мешать нормальному зрению, светодиоды 19 (предпочтительно от 2 до 40 штук) расположены в периферической части контактной линзы 8, например, на расстоянии 5-10 мм от её оптической оси.

Жидкая линза 1 в этом варианте выполения должна обеспечивать возможность фокусировки излучения от светодиода 19 перед сетчаткой 13 глаза 11 пользователя. Во время работы по сигналу управляющих электродов 3 жидкая линза 1 имеет возможность менять кривизну мениска 4, тем самым фокусируя стимулы от светодиодов 19 на разном расстоянии от сетчатки 13. Степень расфокусировки полученного на сетчатке 13 пятна излучения от светодиода 19 при этом может изменяться в режиме реального времени и должна составлять от 0.5 до 10 диоптрий, предпочтительно от 2 до 6 диоптрий. Для этого оптическая сила жидкой линзы 1 предпочтительно должна составлять не менее 1000 диоптрий.

Предлагаемая контактная линза 8 по третьему варианту работает следующим образом.

В соответствии с управляющим сигналом от блока 9 периодически подаётся питание на светодиод 19 и электроды 3 жидкой линзы 1. При использовании жидкой линзы 1 со световым диаметром (апертурой) 1 мм и толщиной 0.2 мм на сетчатке 13 формируется размытое изображение светодиода 19 размером 1х1 мкм, находящегося на расстоянии 0.7 мм от жидкой линзы. Для глаза 11 с продольным размером 24 мм (расстояние от роговицы 15 до сетчатки 13) радиус кривизны мениска 4 R = 1.34 мм будет соответствовать миопической расфокусировке D = 2 диоптрий, а радиус кривизны R = 1.33 мм будет соответствовать миопической расфокусировке D = 6 диоптрий. Так как глаз 11 пользователя может иметь различные продольные размеры, использование перестраиваемой жидкой линзы 1 делает такую контактную линзу 8 с функцией профилактики и лечения миопии универсальной, поскольку, управляя кривизной жидкой линзы 1, можно настраивать нужную степень расфокусировки стимулов. Кроме того, предлагаемая контактная линза 8 по третьему варианту позволяет значительно расширить спектр возможного терапевтического воздействия за счёт обеспечения возможности постепенного варьирования степени расфокусировки формируемого на сетчатке пользователя изображения светодиодов 19.

Предлагаемое интраокулярное устройство (фиг.18-24) состоит из интраокулярной линзы, содержащей жидкую линзу 1, элементы 20 её крепления внутри глаза 11 пользователя и блок 9 питания и управления. Блок 9 питания и управления выполнен с возможностью преобразования управляющих сигналов пользователя в энергию электромагнитного поля, формируемого управляющими электродами 3, и варьирования оптической силы жидкой линзы 1. Таким образом, предлагаемое интраокулярное устройство имеет возможность аккомодации в соответствии с управляющими сигналами пользователя по аналогии с работой естественного хрусталика глаза.

Входное и выходное окна (стенки) капсулы 2 жидкой линзы 1, как и в предыдущих вариантах, должно быть выполнено из материала, прозрачного в видимой области спектра. При использования в качестве интраокулярной линзы для более лёгкой имплантации внутрь глаза 11 лучше использовать капсулу 2 из биосовместимого эластичного полимерного материала.

Как один из вариантов имплантации, хирург через микроразрез на роговице 15 имплантирует в глаз 11 пользователя интраокулярную жидкую линзу 1, свернутую в трубочку. Внутри глаза жидкая линза 1 расправляется и фиксируется с помощью специальных элементов 20 крепления. Указанные элементы 20 крепления могут быть выполнены в виде в виде самостоятельно изготовленных двух или более лепестков из эластичного полимерного материала (фиг.18-19) или в виде отливов, выполненных за одно целое с капсулой 2 (фиг.20). Элементы 20 располагают под углом 3-10 градусов (преимущественно 4-7 градусов) к плоскости, перпендикулярной оптической оси.

Есть два варианта имплантации предлагаемого интракулярного устройства: в передней камере и в задней камере глаза пользователя. В случае имплантации в передней камере (фиг.21), элементы 20 расправляются и фиксируются между роговицей 15 и радужкой. В случае имплантации в задней камере (фиг.22-24), элементы 20 расправляются и фиксируются между радужкой и цилиарным телом — это более естественное положение, поскольку в данном месте располагался удалённый хрусталик.

Известно, что оптическая сила хрусталика человеческого глаза находится в диапазоне 19-33 диоптрий. Находясь в расслабленном состоянии, хрусталик имеет оптическую силу ~19 диоптрий, обеспечивающую фокусировку на сетчатке лучей от объектов, находящихся вдали (на условной бесконечности). Для аккомодации на бесконечность, жидкая линза 1 должна также иметь возможность формировать оптическую силу 19 диоптрий, что соответствует определенной кривизне мениска 4 (фиг.22). Для жидкой линзы 1 диаметром 10 мм, толщиной 1 мм, с показателем преломления первой жидкой среды n₁ = 1.33 (стандартное значение для воды) и показателем преломления второй жидкой среды n₂ = 3.0, оптическая сила в 19 диоптрий достигается при радиусе кривизны мениска 4 R = 88 мм. Для формирования электромагнитного поля, обеспечивающего такую кривизну, к электродам 3 должно быть приложено соответствующее напряжение по сигналу от блока 9 питания и управления. В таком состоянии интраокулярное устройство является аналогом естественного хрусталика глаза в расслабленном состоянии.

Находясь в максимально напряженном состоянии, хрусталик человека имеет оптическую силу ~33 диоптрий, обеспечивающую фокусировку на сетчатке 13 лучей от объектов, находящихся вблизи, в т.н. «ближней точке». Ближняя точка – это минимальная дистанция от рассматриваемого предмета до глаза 11 (точнее – его роговицы 15), на которой он способен сфокусироваться. Она зависит от человека, его возраста и здоровья, но не может быть меньше 70-80 мм. Для аккомодации на ближнюю точку, жидкая линза 1 в предлагаемом интраокулярном устройстве должна также иметь оптическую силу в 33 диоптрии, что соответствует другому радиусу кривизны мениска 4 (фиг.23). Для той же жидкой линзы с диаметром 10 мм, толщиной 1 мм, с n₁ = 1.33 и n₂ = 3.0, оптическая сила в 33 диоптрия достигается при радиусе кривизны мениска 4 R = 51 мм. Для обеспечения такой кривизны мениска 4 электроды 3 должны сформировать электромагнитное поле с большей энергией, чем то, что обеспечивало 19 диоптрий, т.е. напряжение на них должно быть выше.

Несмотря на то, что обычный хрусталик глаза человека физически не может сфокусироваться на точке, расположенной ближе, чем 70-80 мм от роговицы глаза, предлагаемое интраокулярное устройство имеет такую возможность, т.к. диапазон перестроения жидкой линзы 1 ещё не исчерпан. Так, жидкая линза 1 может варьировать свою оптическую силу до больших значений вплоть до 200 диоптрий, а значит, быть сфокусирована на более близкой точке. Например, та же жидкая линза с диаметром 10 мм, толщиной 1 мм, с n₁ = 1.33, n₂ = 3.0 и оптической силой в 128 диоптрий при радиусе кривизны мениска 4 R = 13 мм обеспечивает возможность фокусировки на объекте 12 на расстоянии 8.2 мм от роговицы 15 (фиг.24).

Таким образом, предлагаемое интраокулярное устройство расширяет возможности человеческого глаза и позволяет рассматривать предметы с очень близкого расстояния, фактически, являясь аналогом макрообъектива фотографии или объектива микроскопа с определенным увеличением. При этом угловое разрешение (которое у здорового человеческого глаза составляет 1-1.5 градуса в центральной части) будет зависеть от качества поверхностей жидкой линзы 1, кривизны поверхности капсулы 2 и других условий.

При рассматривании объектов 12 на таком сверх-близком расстоянии, особенно, если они непрозрачны, могут возникать проблемы с низкой яркостью таких объектов 12. Брови, надбровные дуги, ресницы, щеки, нос и другие части головы пользователя могут препятствовать падению естественного света от окружающей среды на объект 12, находящийся на сверх-близком расстоянии, и отражении рассеянного света от объекта 12 в глаз 11. Для решения этой проблемы можно использовать, например, контактную линзу 8 с одним или несколькими встроенными светодиодами 19, направленными в противоположную от глаза 11 сторону. Такие светодиоды 19 будут подсвечивать объекты 12 на сверх-близкой дистанции и могут быть подключен к аналогичному блоку 9 питания и управления, который может содержать встроенный в контактную линзу 8 аккумулятор и/или катушку индуктивности, солнечную батарею, asic-чип и т.д. Светодиоды 19 лучше располагать на периферии контактной линзы 8 вне зоны видимости глаза и вне диаметра зрачка, например, на радиусе 6-9 мм от её оптической оси. В этом варианте выполнения блок 9 питания и управления жидкой линзы 1 должен быть выполнен с возможностью передачи сигнала включения на светодиоды 19 (через блок 9 питания и управления контактной линзы 8) при увеличении оптической силы жидкой линзы 1 более 35 диоптрий.

Предлагаемое интраокулярное устройство работает следующим образом.

При аккомодации на внешние объекты 12 мозг человека подаёт сигнал в виде электрического сигнала, передающегося по нервным узлам на цилиарную мышцу глаза 11, заставляя её сокращаться и расслабляться (при удалении хрусталика, цилиарная мышца сохраняется). При попытке фокусировки цилиарная мышца сокращается и этот управляющий сигнал пользователя с помощью блока 9 питания и управления жидкой линзы 1 преобразуется в энергию электромагнитного поля, формируемого электродами 3 (например, путём преобразования давления цилиарной мышцы в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрического элемента, вмонтированного в лепесток 20, и амплитудного усилителя этого сигнала от пьезоэлектрического элемента). Изменение энергии электромагнитного поля приводит к изменению кривизны мениска 4 и, соответственно, оптической силы жидкой линзы 1. При увеличении оптической силы жидкой линзы 1 более 35 диоптрий автоматически включаются светодиоды 19 для подсветки объекта 12.

Таким образом, благодаря использованию предлагаемой жидкой линзы с коллоидным раствором наночастиц и увеличенной за счёт этого разницей показателей преломления жидких сред, а значит, увеличенного диапазона достижимой оптической силы, значительно расширяются сферы её возможного применения и обеспечивается возможность реализации предлагаемых вариантов контактных линз и интраокулярного устройства.

Группа изобретений относится к оптическим элементам с переменными характеристиками, а именно к жидким линзам с переменной оптической силой и контактным линзам с расширенными функциональными возможностями, которые снабжены такими жидкими линзами. Жидкая линза выполнена в виде капсулы, содержащей управляющие электроды, несмешивающиеся первую жидкую среду с показателем преломления n₁ и вторую жидкую среду с показателем преломления n₂ таким, что n₂>n₁. Одна из указанных жидких сред выполнена с возможностью управления электромагнитным полем посредством указанных электродов. Вторая жидкая среда представляет собой коллоидную систему, образованную жидкостью и твёрдыми высокорефрактивными наночастицами, показатель преломления которых выше, чем показатель преломления указанной жидкости. Изобретение позволяет расширить сферы возможного применения такой жидкой линзы за счёт увеличения диапазона достижимой оптической силы. Контактная линза, снабжённая описанной выше жидкой линзой, по первому варианту позволяет реализовать функцию зум (zoom), по второму варианту при совместном использовании с микродисплеем — режим AR/VR/XR, по третьему варианту при совместном использовании со светодиодами – функцию профилактики и лечения миопии. Интраокулярное устройство, снабжённое описанной выше жидкой линзой, позволяет заменить хрусталик глаза пользователя и при этом обладает расширенным функционалом. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 24 ил.

1. Жидкая линза, выполненная в виде капсулы, содержащей несмешивающиеся первую жидкую среду с показателем преломления n₁ и вторую жидкую среду с показателем преломления n₂ таким, что n₂>n₁, и управляющие электроды, причем одна из указанных жидких сред выполнена с возможностью управления электромагнитным полем посредством указанных электродов, отличающаяся тем, что вторая жидкая среда представляет собой коллоидную систему, образованную жидкостью и твердыми высокорефрактивными наночастицами, показатель преломления которых выше, чем показатель преломления указанной жидкости, причем указанные первая жидкая среда и вторая жидкая среда выполнены таким образом, что разница их показателей преломления

Δn=n₂-n₁>1.5.

2. Жидкая линза по п. 1, отличающаяся тем, что высокорефрактивные наночастицы выполнены из TiO₂, GaP, AlSb, GaSb, InSb, AlAs, GaAs, InAs, SiC, TiC, VC, Fe₂O₃, InP, PbSe, ZnSe, CdS, CuGaS₂, CdTe, Те, ZnTe, Bi₄Ti₃O₁₂, PbTiO₃.

3. Жидкая линза по п. 1, отличающаяся тем, что высокорефрактивные наночастицы выполнены из Ван-дер-Ваальсова материала, состоящего из двумерных слоев, связанных между собой Ван-дер-Ваальсовыми силами.

4. Жидкая линза по п. 3, отличающаяся тем, что указанный Ван-дер-Ваальсов материал представляет собой MoS₂, MoSe₂, WSe₂, Cd₃As₂, Mo₂Ga₂C, Nb₂AlC, Ti₂AlC, SnS₂, SnSe₂, ReS₂, ReSe₂, GaSe, PdS₂, PdSe₂, PtS₂, PtSe₂ или GaS.

5. Контактная линза, содержащая блок питания и управления и перестраиваемую оптическую систему, отличающаяся тем, что указанная оптическая система снабжена жидкой линзой по п. 1, занимающей по меньшей мере часть поля зрения глаза пользователя и выполненной с возможностью фокусировки изображений объектов, находящихся в указанной части поля зрения, на хрусталике глаза пользователя и обеспечения видимого увеличения этих объектов.

6. Контактная линза по п. 5, отличающаяся тем, что оптическая сила жидкой линзы составляет не менее 300 диоптрий и обеспечивает возможность увеличения объектов в поле зрения по меньшей мере в два раза.

7. Контактная линза по п. 5, отличающаяся тем, что часть поля зрения, занимаемая жидкой линзой, составляет от 30 до 60%.

8. Контактная линза, содержащая дисплей, экран которого направлен в сторону глаза пользователя, блок питания и управления и оптическую систему, расположенную между дисплеем и глазом, отличающаяся тем, что указанная оптическая система снабжена жидкой линзой по п. 1, выполненной с возможностью фокусировки излучения от экрана на хрусталике глаза пользователя.

9. Контактная линза по п. 8, отличающаяся тем, что оптическая сила жидкой линзы составляет не менее 800 диоптрий.

10. Контактная линза по п. 8, отличающаяся тем, что жидкая линза установлена с зазором относительно экрана.

11. Контактная линза по п. 10, отличающаяся тем, что указанный зазор образован полой камерой.

12. Контактная линза по п. 10, отличающаяся тем, что указанный зазор образован слоем полимерного материала.

13. Контактная линза, содержащая по меньшей мере один светодиод, расположенный в периферической части контактной линзы и направленный в сторону глаза пользователя, блок питания и управления и оптическую систему, расположенную между светодиодом и глазом, отличающаяся тем, что указанная оптическая система снабжена жидкой линзой по п. 1, выполненной с возможностью фокусировки излучения от светодиода перед сетчаткой пользователя.

14. Контактная линза по п. 13, отличающаяся тем, что оптическая сила жидкой линзы составляет не менее 1000 диоптрий.

15. Контактная линза по п. 13, отличающаяся тем, что жидкая линза выполнена с возможностью изменения степени расфокусировки излучения от светодиода на сетчатке глаза пользователя от 0.5 до 10 диоптрий.

16. Контактная линза по п. 13, отличающаяся тем, что имеет от 2 до 40 светодиодов, расположенных в периферической части контактной линзы.

17. Интраокулярное устройство, содержащее интраокулярную линзу, выполненную с возможностью аккомодации в соответствии с управляющими сигналами пользователя, и элементы крепления указанной интраокулярной линзы внутри глаза пользователя, отличающееся тем, что указанная интраокулярная линза снабжена жидкой линзой по п. 1 и блоком питания и управления, выполненным с возможностью преобразования управляющих сигналов пользователя в энергию электромагнитного поля, формируемого управляющими электродами жидкой линзы.

18. Интраокулярное устройство по п. 17, отличающееся тем, что блок питания и управления выполнен с возможностью варьирования оптической силы жидкой линзы по меньшей мере от 19 до 33 диоптрий.

19. Интраокулярное устройство по п. 18, отличающееся тем, что блок питания и управления выполнен с возможностью варьирования оптической силы жидкой линзы до 200 диоптрий.

20. Интраокулярное устройство по п. 19, отличающееся тем, что блок питания и управления выполнен с возможностью передачи сигнала включения на светодиоды в контактной линзе при увеличении оптической силы жидкой линзы более 35 диоптрий.

21. Интраокулярное устройство по п. 17, отличающееся тем, что капсула жидкой линзы выполнена из эластичного полимерного материала.

22. Интраокулярное устройство по п. 21, отличающееся тем, что крепежные элементы выполнены за одно целое с капсулой жидкой линзы.

23. Интраокулярное устройство по п. 17, отличающееся тем, что крепежные элементы выполнены в виде лепестков из эластичного полимерного материала.