專利名稱：復合電活性透鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及透鏡。更具體地說，本發(fā)明涉及復合電活性透鏡。
背景一般來說，傳統(tǒng)的透鏡具有單一的焦距，以便提供特定的視覺敏銳度。透鏡可以是為特定的戴透鏡的人或應用而生產(chǎn)的，在這種場合，視覺敏銳度沒有改變或對于不同的觀看距離不需修改視覺敏銳度。因此，傳統(tǒng)的透鏡可提供有限的應用。
對于需要有不同視覺敏銳度的戴透鏡的人或應用，例如用于閱讀和遠視，已創(chuàng)造出雙焦透鏡來提供多個焦距。但這種雙焦透鏡具有固定的焦距范圍，也只能提供有限的應用。
在這些實例中，透鏡都是用單一的材料研磨而成的。
附圖簡要說明

圖1為按照本發(fā)明實施例的電活性透鏡的分解截面圖。
圖2為按照本發(fā)明另一實施例的電活性透鏡的側視截面圖。
圖3為按照本發(fā)明又一實施例的電活性透鏡的分解截面圖。
圖4為按照本發(fā)明又一實施例的電活性透鏡的分解截面圖。
圖5為按照本發(fā)明又一實施例的電活性透鏡的側視截面圖。
圖6為按照本發(fā)明又一實施例的用于激活電活性透鏡的電同心回路的正視圖。
圖7示出按照本發(fā)明又一實施例的電活性透鏡的示范的放大率分布圖。
圖8為按照本發(fā)明又一實施例提供近視視力和中間視力的電活性透鏡的側視截面圖。
圖9為按照本發(fā)明又一實施例提供近視視力和中間視力的電活性透鏡的側視截面圖。
圖10為按照本發(fā)明又一實施例的電活性透鏡的級聯(lián)系統(tǒng)。
圖11示出在傳統(tǒng)級聯(lián)系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差量化。
圖12示出利用按照本發(fā)明又一實施例由電活性透鏡的級聯(lián)系統(tǒng)消除的誤差量化。
圖13示出向本發(fā)明的電活性透鏡實施例提供驅動電壓波形的浮動電容電路。
詳細說明本發(fā)明電活性透鏡的實施例可以是由各種成分，包括具有可變折射率的透光材料(例如液晶)，構成的復合透鏡。可變焦距可以通過例如在透鏡上刻蝕或壓印的衍射圖來提供，或由設置在透鏡的透光材料上的電極來提供。衍射圖折射進入透光材料的光，產(chǎn)生不同程度的衍射，從而產(chǎn)生可變焦距。電極將電壓加到透光材料上，導致材料中的分子取向位移，從而產(chǎn)生折射率的改變，這種折射率的改變可以用來使液晶的折射率與用來產(chǎn)生衍射圖的材料的折射率匹配或失配。當液晶的折射率和衍射圖材料的折射率相匹配時，衍射圖沒有光放大率，所以透鏡具有固定透鏡的焦距。當液晶的折射率和用來產(chǎn)生衍射圖的材料的折射率失配時，衍射圖的放大率就加到透鏡的固定放大率上，使透鏡的焦距發(fā)生改變。可變折射率可以有利地允許透鏡用戶將透鏡改變到所需的焦點，用單一透鏡而有兩個、三個或多個等觀看焦距。電活性透鏡還可減少或消除雙折射，這是某些透鏡常見的問題。電活性透鏡的示范的應用包括眼鏡、顯微鏡、反射鏡、雙目鏡和用戶可以通過它來觀看的任何其它光學裝置。
圖1示出按照本發(fā)明實施例的電活性透鏡的實施例。所述實施例包括兩個折射單元，它們可以用來減小或消除透鏡中的雙折射。如果電活性材料是例如向列液晶，則折射單元可以排列成互相正交，以減小或消除在對準液晶中產(chǎn)生的雙折射。所述實施例可提供施加的電壓，以便在透鏡中產(chǎn)生可變折射率。所述實施例可用在眼鏡中，例如，使戴眼鏡的人能改變折射率以及焦點。電活性透鏡100的第一折射單元可包括電極110、125；對準層115、122；和液晶層120。電活性透鏡100的第二折射單元可包括電極135、150；對準層137、145；和液晶層140。分隔層130可分隔第一和第二單元。電活性透鏡100還可包括前后襯底元件105、155，其間可以設置所述兩個折射單元。電極110、125、135、150可將電壓加到液晶層120、140上，以產(chǎn)生可變折射率。
前元件105具有基本曲率，用以在電活性透鏡100中產(chǎn)生遠距離視力。前元件105可以用例如光學級玻璃、塑料或玻璃和塑料的組合制成。前元件105的背面可以涂覆上一種透明導體，例如ITO、氧化錫或其它導電和光學透明材料，來形成電極110。在透鏡的電活性面積小于整個透鏡組件100的實施例中，電極110可以全部設置在透鏡100的電活性面積上，以減小功耗。
電極110上可涂覆對準層115，以提供對液晶層120或任何其它可變折射率聚合材料層的取向。液晶層120中的分子在有施加電場時可改變取向，導致入射光經(jīng)受的折射率的改變。液晶層120可以是例如向列型、蝶狀結構型(層列型)或膽甾醇型。示范的向列相液晶包括4-戊基-4’-氰基聯(lián)苯(5CB)和4-(正辛氧基)-4’-氰基聯(lián)苯(80CB)。其它的示范液晶包括4-氰基-4’-(正烷基)聯(lián)苯，4-(正氧烷基)-4’-氰基聯(lián)苯，4-氰基-4”-(正烷基)-p-三聯(lián)苯的各種化合物，以及市售的混合物如E7，E36，E46以及BDH(British Drug House)-Merck制造的ZLI系列。
可以在液晶層120的另一側設置另一對準層122，通常在電極125之上方?？梢杂煤碗姌O110同樣的方式形成電極125，完成電活性透鏡100的一個單元?？梢园羊寗与妷翰ㄐ渭拥诫姌O110和125上。
在形成分隔層130之后，這樣設置下一個單元，使得其和第一單元正交對準。分隔層130可以在其一側支持電活性透鏡第一單元側的電極125并且在其另一側支持電活性透鏡第二單元的電極135。分隔層130可用光學級塑料，例如CR39TM、玻璃或其它聚合材料制成。第二單元中的電活性材料最好和加到電極135、150上的對準層137的取向對準。優(yōu)選的取向是使第一單元中的對準層115和122相對于第二單元的對準層137和145正交取向。如上所述，第二單元也可包括液晶層140。在后元件155上淀積電極150，就可完成第二單元。后元件155可以用和前元件105相同的材料構成，并且可以具有能完成電活性透鏡100遠視放大率的曲率。
如果電活性透鏡100的遠視放大率包括象散校正，那么，或者前元件105或者后元件155可以是復曲面的，并且將其相對于戴透鏡人所需的象散校正適當取向。
在另一種配置中，可在每個單元使用單一的對準層。在所述實施例中，從電活性透鏡100的第一單元中去掉對準層120或122，并從第二單元中去掉對準層137或145?；蛘?，如果電極110、125、135、150具有取向，則電極110、125、135、150就可對準液晶層120、140。這樣，所有的對準層120、122、137、145都可以去掉。
在本發(fā)明的實施例中，通過在前元件105的后表面、后元件155的前表面或二者上形成衍射圖來產(chǎn)生光放大率。也可以通過代之以(或附加地)在分隔層130的一側或兩側形成衍射圖來產(chǎn)生光放大率，衍射圖位于元件105和155上。事實上，上述任何一種衍射圖的設置組合都可以，并被認為是在本發(fā)明的范圍之內。
可以利用許多技術來形成衍射圖，包括機加工、印刷和刻蝕。當利用衍射圖來產(chǎn)生光放大率時，液晶層120和140可用來匹配所有層的折射率以便把衍射圖的附加放大率隱藏在一種折射率狀態(tài)中，并且用來使所有層的折射率失配，以便在另一種折射率狀態(tài)下展現(xiàn)衍射圖的放大率，其中，每種狀態(tài)由施加電壓(或電場)是接通還是斷開來定義。
圖2示出按照本發(fā)明的電活性透鏡的另一實施例。所述實施例包括電活性透鏡的雙液晶單元200的結構，包括用于產(chǎn)生可變光放大率的衍射圖。所述實施例可用于例如眼鏡，以便在整個透鏡上提供可變光放大率。所述實施例也可有利地緩解與使用電活性透鏡中的衍射圖相關聯(lián)的一些問題，例如傾斜的電力線、聚合物襯底雙折射以及透鏡元件折射率匹配的困難等。雙液晶電活性單元200可包括前后襯底元件105、155；電極110、125、135、150；對準層115、145；液晶層120、140；透明導體涂覆的襯底210；以及聚合物表面220、230。
前后襯底元件105、155，電極110、125、135、150，對準層115、145，以及液晶層120、140可以實現(xiàn)如圖1所示的類似功能并用類似材料構成。在所述實施例中，可在前元件105上涂覆透明導體，形成電極110。電極110上涂覆對準層115。液晶層120鄰近對準層115。如圖1所示，當存在施加的電場時液晶層120的分子可改變其取向。
聚合物表面220可包括在聚合物220表面上刻蝕或壓制的衍射透鏡圖案。聚合物表面220上的衍射圖與在液晶層120上刻蝕或壓制的衍射圖相符合。電極125可鄰近聚合物表面220并由例如ITO形成。電極125可淀積在由例如玻璃或眼科級塑料制成的薄襯底210的一側。襯底210可以是無雙折射的。電極135可以淀積在襯底210的另一側，由例如ITO形成。
聚合物表面230可鄰近電極135。聚合物表面230可包括在聚合物230表面上刻蝕或壓制的衍射透鏡圖案?？梢再N著液晶層140設置聚合物表面230的衍射圖。如圖1所示，當存在施加的電場時液晶層140的分子可改變其取向。對準層145設置在電極150上。電極150可鄰近對準層145并淀積在后元件155上，以完成雙液晶電活性單元200。
在電極125、135淀積到襯底210上之后，可將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(或其它適合的光學聚合物材料)旋涂到襯底210的兩側，厚度為2到10微米，最好在3-7微米范圍內。
此外，可將亞微米光柵形式的液晶對準表面浮雕(relief)(未示出)壓印或刻蝕到有衍射透鏡圖案的表面220、230上。
所述實施例有許多優(yōu)點。第一，PMMA層下面的電極125、135有助于維持相對于電極的垂直無傾斜的電力線。這可克服在透明導體直接設置在衍射圖上的設計中存在的傾斜電力線的散焦現(xiàn)象。當傾斜電力線在衍射透鏡表面附近產(chǎn)生斜電場而妨礙在施加電場時在這些表面上的完全的90°液晶傾角時，會發(fā)生散焦現(xiàn)象。這又可能導致在接通狀態(tài)出現(xiàn)第二”重象”焦點，從而降低了電活性透鏡的性能。本發(fā)明的實施例可以克服這種”重象”焦點。
第二，使用本發(fā)明的埋入電極結構可以解決液晶層120、140的折射率和接觸襯底(在此情況下為具有透鏡圖案的聚合物表面220、230)的折射率相匹配的問題。如果透明導體直接設置在衍射圖上并包括例如ITO復層(nITO≈2.0)，則透明導體的折射率可能與液晶的普通折射率(通常nLC≈1.5)不相匹配。這使肉眼可以看見電極125、135，因而產(chǎn)生電活性透鏡的裝飾質量問題。于是，在圖2的實施例中，液晶層120、140具有與PMMA層相匹配的折射率，(可能為nsub≈1.5)，從而”隱藏”了電極125、135，避免被看到。
第三，可以通過在無雙折射的襯底上例如玻璃或眼科級塑料上使用具有圖案的旋涂的PMMA來解決襯底雙折射問題。就是說，襯底本身沒有雙折射，并且薄的旋轉復層PMMA也具有可忽略不計的雙折射。
圖3示出按照本發(fā)明的電活性透鏡的另一個實施例。在所述實施例中，電活性透鏡300的電活性區(qū)域僅覆蓋了透鏡300的一部分。所述實施例可用在例如雙焦眼鏡中，僅在部分透鏡中提供可變折射率。圖3中，透鏡300包括雙單元和多層，如圖1所示。多層可以分別設置在前后元件105和155的凹槽305和310內。凹槽305和310可以容納多層，使多層能容易地密封到透鏡300中。元件105、155可以用例如玻璃或眼科級塑料制成。
實施例可包括失效保險模式，即，當不再施加電壓時電活性透鏡回復到平面的不放大狀態(tài)。這樣，在沒有電功率時，電活性透鏡不提供光放大率。這種模式，例如在電源失效的情況下，是一種安全特性。
在本發(fā)明的實施例中，通過將一個單元設計成透射波長稍長于綠色光(550nm)的光而另一個單元透射波長稍短于綠色光的光，可以減小單元中的色差。在所述實施例中，這兩個單元可以同時校正雙折射和色差。
在衍射圖表面和液晶層之間的折射率沒有顯著差別的情況下，就不存在衍射圖對透鏡提供的放大率。在這些實施例中，透鏡的電活性放大率都是由衍射圖產(chǎn)生的，但僅當液晶和衍射圖表面之間有顯著數(shù)量的折射率差時才是如此。
圖4示出按照本發(fā)明的電活性透鏡的另一實施例。在所述實施例中，電活性透鏡400的電活性區(qū)域被封裝在殼體405中，僅覆蓋了透鏡400的一部分。所述實施例也可用在例如雙焦眼鏡中，僅在部分透鏡中提供可變折射率。在所述實施例中，電活性透鏡400包括前后元件105、155；殼體405；以及電連接器410。前元件105包括凹槽305，后元件155包括凹槽310。電活性透鏡400的各層可包封在殼體405中。用透明導體制成的電連接器410可以設置在薄塑料帶上并連接到殼體405。塑料帶基本上與元件105、155折射率匹配。電壓可通過電連接器410加到殼體405上，以改變電活性區(qū)的折射率。殼體405可設置在凹槽305，310之間。封裝殼體405也可模制成半成品坯件，表面加工為所需的遠視放大率?；蛘?，封裝殼體405可設置在后元件155的凹槽310中，然后經(jīng)表面鑄造，將殼體405鎖定，完成所需的遠視放大率。殼體405可以用塑料、玻璃或其它適合的光學級材料制成，且與元件105、155的折射率相匹配。
圖5示出按照本發(fā)明的電活性透鏡的另一實施例。在所述實施例中，可將電活性透鏡艙505設置在電活性透鏡的前元件525上面的凹槽510中來形成電活性透鏡500。所述實施例也可用在例如雙焦眼鏡中，僅在部分透鏡500中提供可變折射率。在所述實施例中，電活性區(qū)可以設置在透鏡上面，然后密封到透鏡上，形成一個連續(xù)的表面?？梢詫⒈∧w520附著到透鏡艙505上并電連接到前元件525薄膜上的導電觸點515。后元件520可以附著到前元件525上，幫助提供所需的遠視放大率。將電活性艙505放入到前元件505的凹槽510中之后，可以用折射率匹配材料利用(例如)表面鑄造技術來密封前元件525的前表面，或者僅僅填充折射率匹配材料并拋光到光學光潔度。這種結構除了能減小或消除雙折射外，還可有利地提供機械穩(wěn)定性，易于邊緣加工和裝配到透鏡框中，以及易于電連接到電活性材料上。
圖6示出可用于按照本發(fā)明的電活性透鏡中的電活性材料的電同心回路的實施例。電同心回路600可以是在電活性透鏡中用來向透鏡加電壓的電極。例如，在圖1中，可以配置回路600來代替電極110、125、135、150。
在圖6中，回路模擬一種具有2π的整數(shù)倍的相位重疊的衍射圖。相位重疊是指光線相位在電活性透鏡直徑方向上的各個位置或區(qū)域重復(或”重疊”)的現(xiàn)象。具有圖案的電極結構600包括四個相位重疊區(qū)。較靠近中心的電極610比遠離中心的電極620要厚一些。從圖6可見，一組四個電極630構成每個相位重疊區(qū)。雖然在圖6中每個區(qū)用四個電極，也可在每個區(qū)域中使用更多的電極以提高裝置的光效率。
透鏡中的四個電極可以是四個具有圖案的電極。或者，電極可以是兩個具有圖案，兩個是實心電極。第二具有圖案的電極可用來使電活性透鏡的聚焦抖動，以對強色差進行補償。此外，所述實施例可提供連續(xù)的聚焦強度，而不需復雜的電互連。
可以通過透鏡邊緣的細導線或導電帶或者通過一組向下穿通透鏡的導電通孔把電觸點(未示出)制作到電極上?？梢栽谕哥R中兩個單元之一或二者中使電極600具有圖案。在雙單元設計中，只要放大率有足夠的匹配可解決雙折射問題的話，也可以使用一個具有衍射圖的單元，而另一個單元帶有具有圖案的電極。
當利用同心回路電極600形成衍射圖時，被電極600激活的折射材料可以將相位變換加到入射光波上。所述實施例利用具有從結構中心向外的可變相位延遲的平面結構來模擬傳統(tǒng)的透鏡?？勺兿辔谎舆t的實現(xiàn)是將可變電壓加到不同的電極600上，這樣就改變了電活性材料的折射率分布。自動失效保險模式可在沒有施加電壓時不在電活性材料中提供放大率，這樣，電活性透鏡在電源失效時自動回復到平面狀態(tài)。
透鏡的電活性部分可以很薄，例如總厚度小于1mm的幾分之一。為獲得這個厚度，本發(fā)明利用了這一事實，即，對于正弦波，2π倍數(shù)的相位移沒有物理意義。換句話說，入射光的相位可以在透鏡中沿方便的閉合曲線重疊。傳統(tǒng)的波域片的圓形區(qū)域邊界就是實例。這樣當電活性透鏡的可控偏移度僅為少數(shù)幾個波的延遲時，就可達到有用的相位變換以及顯著的光放大率。
電活性透鏡中相位延遲的空間變化可以根據(jù)具體應用來確定。這些變化可以根據(jù)電極600的間距來確定，電極600可以在電活性透鏡的內部用電子學方法來尋址、供電和建立。在示范的向列液晶配置中，其中晶體用作單軸介質，通過晶體傳輸?shù)墓庵痪窒抻谔厥獾钠?。否則，可以使用級聯(lián)的、從正常狀態(tài)旋轉90°相差的兩個液晶單元，以便交換它們的普通和特殊的偏振方向，從而消除雙折射。每種配置都提供特定的折射率。為避免液晶的長期分解、雙單元之間電極化以及電極之間間隙中的隨機瞬態(tài)電壓，電極可用頻率和相位同步的AC電壓來驅動。示范頻率包括10kHz，示范高壓從5到10V，最好最大在6到8V之間?；蛘?，為與較低的放大率兼容，最好用較低的電壓。可以使用CMOS驅動電路，以便使電活性材料在低于5或6V時能提供足夠的折射率改變。
在一個實施例中，相位重疊區(qū)包括很少電極，其區(qū)域相互靠近?；蛘?，可以用較高電阻材料制成的電極來平滑邊緣場(所謂”相位傾斜”)。在另一實施例中，將第二相位變換級聯(lián)到第一相位變換，方法是使同一單元中的另一電極形成圖案而不是僅僅利用它作為連續(xù)的地平面。
本發(fā)明電活性透鏡的示范制造方法包括制造一個進入透鏡電極圖案的窗口并將電極和電觸點焊盤互連?？蓪⒌诙€窗口連接到電接地線。然后，將液晶對準層淀積到兩個窗口上并加以處理。將兩個適當取向的窗口制作到液晶單元內，方法是例如用含有玻璃間隔片的環(huán)氧樹脂在窗口之間建立間隔，然后用液晶填入所建立的間隔，再用環(huán)氧樹脂密封窗口。窗口可以橫向移位，只要壓附到電觸點焊盤上，就可形成電連接?？梢越柚捎嬎銠C輔助設計(CAD)產(chǎn)生的掩模板利用光刻技術形成電極和互連圖案。顯影、刻蝕以及淀積等技術均可利用。在另一種設計中，利用具有導電的層間連接通孔的多層，以避免互連交叉。
設計電極600時，電極區(qū)邊界可以設置在2π的倍數(shù)處，和傳統(tǒng)的相位重疊一致。所以對于在每個2mπ處的邊界位置，第n次重疊的半徑用下式表示ρnm＝〔2nm(λf)〕1/2(1)每個區(qū)含有多個電極。如果每個區(qū)有p個電極，方程(1)可改寫為ρ1nm＝〔2km(λf)/p〕1/2(2)K＝[p(n-1)+1]＝1，2，3，4，… (3)式中1為區(qū)內電極的指標，從1到p，而k為依次向外計數(shù)的指標，按照計數(shù)k的平方根來維持所述電極邊界序列。為將鄰近電極提高到不同的電壓，可在電極之間插入絕緣間隔片。所述電極序列可以用半徑隨所述計數(shù)的平方根增加的圓來分隔。具有相同指標1的電極，由于它們都應產(chǎn)生同樣的相位延遲，故可以用它們之間共用的電連接線組合在一起，以減少電極的不同電連接線的數(shù)量。
另一實施例提出用厚度變化來設定本發(fā)明電活性透鏡的相位延遲。在所述實施例中，加到每個電極回路上的電壓可以調諧，直到透鏡的相位延遲達到所需數(shù)值。于是，各個回路可具有恒定施加的不同電壓來建立適當?shù)南辔谎舆t?；蛘?，可對一個區(qū)內的所有電極加同樣的電壓，而對不同區(qū)的電極加不同的電壓。
另一實施例提出因傾斜的光線而在本發(fā)明的透鏡邊緣設定不同的相位延遲。傾斜的光線是被透鏡折射的光線，總是通過透鏡邊緣向外傳播。于是，傾斜的光線會傳播較遠的距離，故它們是顯著相位延遲的。在所述實施例中，通過在透鏡邊緣的電極上加上預定的恒定電壓來補償這種相位延遲?；蛘?，透鏡邊緣的各電極可以形成電壓降，使得邊緣處的折射率得到適當?shù)男薷囊员阊a償所述相位延遲。例如，相應地定制電極的導電率或厚度，就可實現(xiàn)這種電壓降。
顯然，電極600不限于同心回路，根據(jù)具體應用可以是任何幾何形狀或布局，例如包括像素。布局可能僅受以下因素的局限制造限制、電連接和電極分隔的限制、以及有邊緣電場的液晶定向器在小尺寸時非局部彈性性能相互作用的復雜性。此外，電極600的布局可由電活性透鏡的形狀來限定。
圖7示出本發(fā)明電活性透鏡的實施例的放大率分布。這些放大率分布可以用作兩個目的幫助隱藏電活性單元，使觀看戴透鏡的人的其它人看不見，以及提供中間放大率。
在所述實例中，電活性透鏡700包括遠視部分705，它構成透鏡700的絕大部分；以及電活性單元710，它位于偏心位置，既具有垂直不共心性又具有水平不共心性。電活性單元710可包括中心放大率區(qū)711、中間放大率區(qū)712和外放大率區(qū)713。
放大率分布715示出電活性單元710的目標分布。由于單元710或用衍射元件或用分立像素生產(chǎn)，所以實際的放大率分布不會完全平整光滑，在鄰近元件或像素之間會稍有不連續(xù)。在一個實施例中，單元710的中心區(qū)711主要具有所需的附加放大率，可以有10到20mm寬，優(yōu)選寬度為10到15mm。從中心區(qū)向外移是中間區(qū)712，它是放大率的過渡區(qū)，2到10mm寬，優(yōu)選寬度為3到7mm。中間區(qū)712的中心大約是所需閱讀放大率的一半。外部區(qū)713可以有1到10mm寬，優(yōu)選寬度為2到7mm，可用來提供從中間區(qū)712(具有一半的附加放大率)到遠視部分705(此處放大率變?yōu)檫h視放大率)的過渡。
另一放大率分布720示出電活性單元710的另一實施例。在此實施例中，中心區(qū)711構成閱讀區(qū)，優(yōu)選寬度為10到20mm或更寬一些。在中心區(qū)711外面，放大率在中間區(qū)下降到閱讀放大率的一半。中間區(qū)為2到10mm寬，優(yōu)選寬度為3到7mm。同樣，外部區(qū)713可用作從中間到遠視放大率的混合，優(yōu)選寬度為2到7mm。
第三個放大率分布725示出電活性單元710的另一實施例。在此實施例中，中心區(qū)711同樣主要提供所需的附加放大率，但可以更寬，可能寬達30mm，優(yōu)選寬度在10到20mm之間。中間和外部區(qū)712、713可用作向遠視放大率的過渡，組合的優(yōu)選寬度為3到6mm。
顯然，可以有許多種放大率分布。例如，如果電活性區(qū)區(qū)域包括整個透鏡，如圖1所示，，則放大率的過渡和混合可在大得多的尺寸上發(fā)生。
電活性透鏡中各個單元的相同或稍有不同的放大率分布可用來優(yōu)化透鏡的有效放大率分布。例如，在校正雙折射時，可使用各單元中相同的放大率分布。
顯然，透鏡的電活性部分、透鏡本身或電活性部分和透鏡二者，可以是圓形、橢圓形、矩形、方形、有圓角的矩形、倒馬蹄形、垂直方向較長水平方向較短的矩形、各種幾何形狀的組合或具體應用需要的任何其它幾何形狀。
圖8示出按照本發(fā)明的實施例具有近視和中間視力的電活性透鏡的側視截面圖。在此實施例中，電活性透鏡805可以設置在戴透鏡人的眼睛810前面，例如用作眼鏡。這樣，透鏡805可以向戴透鏡的人提供近視、中間和遠視觀看。當電活性單元沒有被光學激活時，整個透鏡的放大率具有校正戴透鏡的人的遠視視力所需的折射放大率。當以這樣的方式激活電活性透鏡，即，所述電活性區(qū)域在光學上有效時，當戴電活性透鏡的人直視前方時，中間區(qū)815基本上以視線的法線為中心。中間區(qū)815的垂直寬度在6到15mm之間(兩半(每半3到7mm)之和)，優(yōu)選寬度為6到8mm。電活性區(qū)域的閱讀(近視)區(qū)820集中在能代表戴透鏡的人正常閱讀姿勢時通過透鏡觀看的高度，大約為以透鏡上這一點為中心的垂直寬度的一半。閱讀區(qū)820的垂直寬度在10到20mm之間，優(yōu)選寬度為12到16mm之間。對于圓形的閱讀區(qū)，閱讀區(qū)820的水平和垂直寬度可以相等。中間區(qū)815的水平寬度可根據(jù)閱讀區(qū)820的大小和中間區(qū)815的垂直寬度而有所不同。
圖9示出按照本發(fā)明的實施例具有近視和中間視力的電活性透鏡的側視截面圖。在此實施例中，電活性透鏡805可以設置在戴透鏡人的眼睛810前面，例如用作眼鏡。同樣，透鏡805可以向戴透鏡的人提供近視、中間和遠視觀看。所述實施例可以在中間和近視視力區(qū)815、820和電活性透鏡805的其余部分之間提供混合區(qū)905、910、915。這些混合區(qū)可有利地改善放大率區(qū)邊界的裝飾質量，并且任選地提供光學可用放大率過渡。
例如，可以在中間區(qū)815的頂部設置可能2到8mm寬的混合區(qū)905。可以在中間區(qū)815和閱讀(近視)區(qū)820之間設置可能2到6mm寬的混合區(qū)910。并且可以在閱讀區(qū)820的底部設置混合區(qū)915。如果透鏡805的電活性區(qū)是圓形并且放大率相對于透鏡805的中心對稱，則混合區(qū)915可以和混合區(qū)905、910完全相同。另一方面，如果透鏡805的電活性區(qū)對于電活性區(qū)的水平中心線不對稱，則混合區(qū)915只是在透鏡805的底部從閱讀放大率到遠視放大率的連續(xù)過渡。此時，混合區(qū)915可能小到1到2mm，或者其寬度達中間區(qū)815的寬度和中間區(qū)815每一側的混合區(qū)905、910的寬度之和。事實上，如果需要，混合區(qū)915可以一直延續(xù)到透鏡805的下緣。透鏡805的放大率分布可以是連續(xù)的放大率分布，例如圖7中線715所示。顯然，圖7所示的放大率分布可以用具有圖案的電極、物理機加工或刻蝕的衍射圖或任何其它類似機理實現(xiàn)。
具有近視和中間放大率的電活性透鏡當戴透鏡的人需要時可以有利地提供附加放大率和/或中間放大率。例如，當戴透鏡的人看遠處時，戴透鏡的人可以有最佳的遠視校正，并有最寬的視野(與單視力透鏡有同樣高質量的光學部件)。對比起來，漸進附加透鏡(PAL)就不是這樣。在PAL設計中，不希望有的失真和圖像突變問題不僅要犧牲閱讀和中間視力區(qū)的大小和質量，而且還會影響遠視區(qū)。這是因為許多PAL設計會允許一定量的失真漸漸進入到遠視區(qū)中或周圍以減少透鏡中不希望有的散光幅度。這種漸進在業(yè)界常稱為”軟”設計。本發(fā)明的實施例使近視和中間視力區(qū)成為電活性而可消除這種在PAL設計中所見到的影響。
在本發(fā)明的實施例中，可以通過用于自動控制電活性區(qū)的測距計控制電活性透鏡。在此實施例中，當戴透鏡的人看近的或中間物體時，其近視和中間視力均自動接通，當戴透鏡的人看遠處物體時，電活性區(qū)自動斷開，僅提供遠視光學鏡片。
在另一實施例中，電活性透鏡可包括手動人工代用裝置來代替測距計。在此實施例中，手動人工代用裝置可以用電活性透鏡控制器上的開關或按鈕啟動。按下按鈕或開關，戴透鏡的人就可進行手動控制，而測距計則不起作用。戴透鏡的人就可從遠視手動轉換到近視或中間視力。或者，當測距計檢測到戴透鏡的人在看近處或中間的物體，但戴透鏡的人想觀看遠處的某個物體，戴透鏡的人就可按下手動控制開關或按鈕而不用測距計控制，使電活性透鏡回到遠視放大率。手動控制可以有利地允許戴透鏡的人手動調節(jié)電活性透鏡，例如當戴透鏡的人要清潔玻璃窗而測距計沒有檢測到在近距或中間距離處玻璃窗的存在時。
圖10示出按照本發(fā)明實施例的電活性透鏡的級聯(lián)系統(tǒng)實例。本發(fā)明的實施例包括級聯(lián)的電活性透鏡，它利用順序的簡單的轉換和/或可編程元件提供能實現(xiàn)高轉換復雜度的策略。這些級聯(lián)的透鏡可以用在復雜的光學系統(tǒng)中(例如激光光學部件，顯微鏡等)，來有效地控制可變折射率。這樣，可以減少用于控制復雜的自適應電子透鏡的連接線數(shù)目和用于控制穿過透鏡的光束的控制線數(shù)目，同時提供級聯(lián)的簡單元件的更全面的復雜功能。此外，級聯(lián)運行為更好的衍射效率、編程靈活性和減少編程的復雜性作好準備。所以，R個透鏡的線性序列(其中每個透鏡能提出N個焦點)就可以提供多達RN個可分辨的焦點，假定有倍增的分辨率增強。
圖10中，兩級級聯(lián)系統(tǒng)1000包括一前一后的兩個電活性透鏡1010、1020。在一個實例中，電活性透鏡1010的分辨率為N1，電活性透鏡1020的分辨率為N2。故，級聯(lián)1000的總分辨率為NR＝N1*N2，這樣級聯(lián)1000為倍增級聯(lián)。這樣，入射光1006通過級聯(lián)1000的第一級，即電活性透鏡1010，并被分解為光線1016。光線1016通過級聯(lián)1000的第二級，即電活性透鏡1020，并進一步被分解為光線1026。
電活性透鏡1010、1020可包括能加以編程以提供電壓分布的同心透明電極，例如回路，它們又激勵透鏡1010、1020中的電活性材料，產(chǎn)生所需的相位分布。在實例中，透鏡可在徑向方向提供平方(二次)相位分布。平方相位函數(shù)可以看作是加到線性函數(shù)上的線性調頻脈沖(chirp)，此線性相位函數(shù)是簡單的徑向光柵。由于所述線性調頻脈沖(chirp)的緣故，線性相位函數(shù)在靠近透鏡邊緣時改變得更快。因此，平方相位函數(shù)可以簡化為徑向方向的一維函數(shù)，其光束的”偏轉強度”從光軸到透鏡邊緣呈線性增加。例如，同心回路電極在直徑為Dmm的電活性透鏡內可具有每毫米L個電極的密度。為獲得高衍射效率，可以對m個相位級編程，使得每單元有m個電極。由于透鏡的最大彎曲放大率可能用在透鏡的邊緣，所以對于給定的幾何形狀所能獲得的F#就會有限制。在m相位級的情況下，透鏡邊緣處的周期Λ＝m(1000μm/L)。所以，相應的F#＝λ/Λ，式中λ為設計波長。這樣，采用級聯(lián)電活性透鏡710，720就可獲得較小F#的透鏡。
在編程級聯(lián)的傳統(tǒng)途徑中，常會損失效率，因為級聯(lián)的各級是獨立編程的。為克服此問題，在本發(fā)明的實施例中，利用例如分立-偏置-偏壓編程算法可對各級進行聯(lián)合編程。這種聯(lián)合途徑可有利地消除級聯(lián)第二級中的量化誤差，從而產(chǎn)生高衍射效率。
圖11示出傳統(tǒng)級聯(lián)產(chǎn)生的量化誤差，其中級聯(lián)級是獨立編程的。在此情況下，級聯(lián)中的每個元件都有量化誤差，這種量化誤差由于級聯(lián)運行會嚴重影響在所需衍射等級的效率，并在較高衍射等級引入側瓣，產(chǎn)生噪聲或模糊。
圖12示出在按照本發(fā)明在級聯(lián)中誤差量化的消除，其中對級聯(lián)各級進行聯(lián)合編程。例如，可利用分立-偏置-偏壓算法對電活性透鏡編程并優(yōu)化透鏡性能。編程策略允許級聯(lián)中第一透鏡1010的元件上有不完善的閃光，并利用在第二級的第二透鏡1020所產(chǎn)生的恒定相位移來校正不同閃光之間的任何相位失配。用所述編程策略，第一透鏡1010可編程為使入射光對準透鏡的焦點，不管引入的誤差。這會使所得的光線1016中有不完善的閃光，這又會引起破壞性的干擾，并且錯過所需的焦點。然后將第二透鏡1020編程為對通過第一級的傾斜波前光線1016引入恒定的相位移，使從第二級輸出的光線1026，局部光束的全部傾斜波前，都校正到相對相位。用這種級聯(lián)編程，光線1026的中心衍射瓣的強度可達最大，且不會產(chǎn)生亂真噪聲瓣。
所述編程方法可用于上述所有電活性透鏡的設計中，包括具有可尋址電極的像素化電極圖案。
電活性透鏡中的液晶對準層可以制造成實現(xiàn)均勻的(平面的)或垂直(垂直的)排列。在具有均勻排列的液晶層的實施例中，可以用線性偏振紫外光照射紫外敏感材料，然后通過光物理過程產(chǎn)生各向異性的表面固定力。所得的材料具有均勻排列。這種材料的一個實例是聚乙烯肉桂酸鹽。在另一實施例中，可機械揉搓聚合物薄膜使材料均勻對準。這種材料的一個實例是聚乙烯醇。
在具有垂直排列的液晶層的實施例中，示范材料包括一種常用的生化化合物，稱為L-α-磷脂酰膽堿(Phosphatidylocholine)，通常稱為卵磷脂，以及十八烷基三乙氧基甲硅烷(octadecyltriethoxysilane)(ODSE)，一種長碳氫鏈材料，可將它自身以擇優(yōu)方式附著到襯底表面上。這些材料使活性透鏡襯底的表面疏水，襯底又吸引液晶分子的疏水端，導致它們垂直排列。
圖13示出可用來向本發(fā)明的電活性透鏡實施例提供驅動電壓波形的電子電路實施例。在所述實施例中，電子電路是一個”浮動電容器”電路1300。”浮動電容器”電路1300例如可以包括開關1301-1305；電容器1320、1322；以及放大器1330。開關1301-1305可以斷開和接通，以控制加到電容器1320、1322以及放大器1330上的電壓。這樣，就可以控制和延遲來自電路1300的輸出波形的相位。這種控制相位延遲可以用來向電活性透鏡提供可變電壓。使用浮動電容器電路1300及其結果波形就可提供輸出信號的可變峰值-峰值電壓和結果波形的非常小的DC分量。因而，浮動電容器電路1300可有利地利用相位延遲來創(chuàng)造多焦點的眼科透鏡。結果波形可以是例如方波或能夠驅動電活性透鏡的任何其它波形，可根據(jù)透鏡的應用而定。
雖然以上已經(jīng)給出了本發(fā)明的各種實施例，但符合本發(fā)明同樣精神和范圍的其它實施例也是可能的。
權利要求
1.一種電活性透鏡，它包括第一電活性單元；以及第二電活性單元；所述第一和第二電活性單元相互鄰近并且在未激發(fā)狀態(tài)下二者相互正交取向以減小雙折射。
2.如權利要求1所述的電活性透鏡，其特征在于所述第一電活性單元包括第一可變折射率材料，所述第二電活性單元包括第二可變折射率材料，所述第一可變折射率材料的分子取向與所述第二可變折射率材料的分子取向正交。
3.如權利要求1所述的電活性透鏡，其特征在于所述第一電活性單元堆疊在所述第二電活性單元之上。
4.如權利要求1所述的電活性透鏡，其特征在于還包括具有第一凹槽的第一透鏡元件；以及具有第二凹槽的第二透鏡元件；所述第一和第二電活性單元設置在所述第一和第二透鏡元件之間，在所述各自的第一和第二凹槽內。
5.如權利要求1所述的電活性透鏡，其特征在于還包括具有凹槽的透鏡元件；所述第一和第二電活性單元設置在所述凹槽內。
6.如權利要求1所述的電活性透鏡，其特征在于還包括具有第一凹槽的第一透鏡元件；具有第二凹槽的第二透鏡元件；以及封裝所述第一和第二電活性單元的殼體，所述殼體設置在所述第一和第二透鏡元件之間，在所述各自的第一和第二凹槽內。
7.一種電活性裝置，它包括第一電活性單元；以及第二電活性單元；所述第一和第二電活性單元相互鄰近并且在未激發(fā)狀態(tài)下二者相互正交取向以減小雙折射；以及一組電極，所述各電極電連接到所述電活性單元，以便向所述電活性透鏡施加電壓。
8.如權利要求7所述的電活性裝置，其特征在于所述電極向所述電活性透鏡的不同區(qū)域施加不同的電壓。
9.如權利要求7所述的電活性裝置，其特征在于所述電活性透鏡的所述折射率隨所述施加的電壓的幅度而改變。
10.如權利要求7所述的電活性裝置，其特征在于所述電極形成同心回路。
11.如權利要求7所述的電活性裝置，其特征在于所述電極形成像素化區(qū)域陣列。
12.如權利要求7所述的電活性裝置，其特征在于還包括電連接到所述電極以便提供所述施加的電壓的電源。
13.一種減小透鏡中雙折射的方法，所述方法包括提供所述透鏡的第一電活性單元；提供所述透鏡的第二電活性單元；以及使所述第一和第二電活性單元在未激發(fā)狀態(tài)下相互正交取向以便減小雙折射。
14.如權利要求13的方法，還包括向所述第一和第二電活性單元加電壓，改變所述透鏡的所述折射率。
15.如權利要求13所述的方法，其特征在于還包括向所述第一和第二電活性單元的不同區(qū)域施加不同的電壓以便在所述透鏡中產(chǎn)生不同的折射率。
16.一種電活性裝置，它包括電活性透鏡；一組電極，所述各電極電連接到所述電活性單元以便向所述電活性透鏡施加電壓；以及向所述一組電極提供電壓的電路，所述電路利用所述施加的電壓中的控制相位延遲在所述電活性透鏡中建立多個焦點。
17.如權利要求16所述的電活性裝置，其特征在于所述電路是浮動電容器電路。
18.如權利要求16所述的電活性裝置，其特征在于所述各電極向所述電活性透鏡的不同區(qū)域施加不同的電壓，產(chǎn)生所述多個焦點。
19.一種建立多焦點眼科透鏡的方法，所述方法包括提供電活性透鏡；通過連接到所述電活性透鏡的一組電極向所述電活性透鏡施加電壓；以及利用所述施加的電壓中的控制相位延遲，建立所述多焦點眼科透鏡。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于所述控制相位延遲是由浮動電容器電路來提供的。
全文摘要
一種電活性透鏡(100，200，300)，它包括第一(110，115，120，122，125)和第二(135，137，140，145，150)電活性單元，具有受控的雙折射(例如向列液晶)，所述各單元相互鄰近并相互堆疊，并且當處在靜態(tài)時，相互正交取向以減小雙折射。
文檔編號G02C7/06GK1599881SQ02824150
公開日2005年3月23日 申請日期2002年10月4日 優(yōu)先權日2001年10月5日
發(fā)明者R·D·布盧姆, D·P·杜斯頓, W·科康納斯基, Y·卡茨曼, D·卡茨曼, U·埃夫倫, I·格羅辛格, G·梅雷迪斯, B·基佩倫, D·馬蒂內 申請人:E-視覺有限公司