BRPI0614019B1 - Eletroative and adaptive lens with variable focal length - Google Patents

Abstract

lente eletroativa e adaptativa com comprimento focal variavel a presente invenção refere-se a uma lente eletroativa, eletricamente controlável com foco ajustável. a lente eletroativa, eletricamente controlável com foco ajustável dode ajustar o comprimento focal discretamente ou .ontinuamente. a lente pode ser incorporada a uma variedade e dispositivos áticos incluindo óculos.

Description

LENTE ELETROATIVA E ADAPTATIVA COM COMPRIMENTO FOCAL

VARIÁVEL

Referencia cruzada a pedidos relacionados A presente invenção reivindica a prioridade do pedido de patente provisório dos Estados Unidos número 60/645.839 depositado em 21 de janeiro de 2005, o qual é incorporado como referência.

Antecedentes da invenção A correção de mudanças ópticas relacionadas a envelhecimento dos olhos se torna cada vez mais importante à medida que aumenta a expectativa de vida. Uma mudança óptica relacionada ao envelhecimento é denominada presbiopia, onde as pessoas têm dificuldade em focalizar objetos próximos dentro da retina em função decrescida flexibilidade das lentes. A presbiopia (vista cansada) normalmente surge nas pessoas por volta dos 40, e existe a significativa necessidade de correção visual. As lentes oftãlmicas com propriedades focais fixas têm sido amplamente utilizadas como óculos e lentes de contato para corrigir a presbiopia e outras condições.

As lentes oftãlmicas são mais úteis se proporcionarem uma potência focal ajustãvel (isto é, se a potência focal não for estática) . A potência focal ajustável proporciona ao olho uma acomodação externa para alcançar objetos de interesse em diferentes distâncias focais. A potência focal ajustãvel pode ser proporcionada utilizando lentes de zoom mecânicas. Entretanto a técnica mecânica torna os óculos pesado e caro.

Diferentes técnicas ópticas têm sido exploradas em lentes bifocais para permitir tanto a visão próxima quanto a distancia. Por exemplo, o usuário pode ter lentes que proporcionam diferentes potências focais para cada olho, uma para objetos próximos e uma para objetos distantes. Alternativamente o uso de divisão de área da lente, lentes bifocais de difração ou outra técnica de divisão, objetos tanto próximos quanto distantes são captados dentro da retina simultaneamente e cérebro distingue a imagem. Exceto pelas lentes bifocais de difração, o campo de visão utilizado pelas técnicas ópticas é pequeno. Além disso, essas técnicas ópticas não funcionam bem quando a pupila é pequena, tendo em vista que a íris bloqueia o feixe que passa através da porção anular das lentes. Uma outra opção para correção é o uso de lentes de monovisão, onde uma potência focal diferente é proporcionada para cada olho, uma para objetos próximos e outra para objetos distantes. Entretanto a percepção de profundidade binocular é afetada quando as lentes de monovisão são utilizadas.

Lentes eletricamente comutãveis {por exemplo lentes que possuem uma camada de cristal líquido posicionada entre duas camadas placas condutoras onde a orientação do cristal líquido muda de acordo com a aplicação do campo elétrico) têm sido descritas para uso em sistemas ópticos (por exemplo, Kowel, Appl. Opt. 23(16), 2774-2777 (1984); Dance, Laser Focus World 28,34 (1992)). Em lentes eletricamente comutãveis, várias configurações do eletrodo tem sido estudadas, incluindo estruturas de eletrodo de placa de zona Fresnel (Williams, SPIE Current Developments in Optical Engineering and Commercial Optics, 1168, 352-357 (1989); McOwan, Optics Communications 103, 189-193 (1193)). Lentes de cristal líquido com comprimento focal variável têm sido descritas (Sato, Jap. J. Appl. Phys. 24 (8) , L626-L628(1985) } . Entretanto o uso de lentes de cristal líquido em lentes de óculos é limitado devido a muitos fatores, incluindo a eficiência de baixa difração quando o comprimento focal é alterado e o baixo tempo de comutação, que é resultante da espessura da camada de cristal liquido requerida. Lentes melhoradas com potências focais ajustáveis são portanto uma necessidade da técnica.

SUMARIO DA INVENÇÃO São proporcionados uma nova configuração de lentes e dispositivo correspondente e um método para o ajuste do comprimento focal. O novo projeto é baseado em eletrodos padrões orientados individualmente, São descritas aqui duas aplicações para este novo projeto. A primeira aplicação permite a troca do comprimento focal entre valores discretos. Em uma modalidade, o comprimento focal é alterado de comprimento focal inicial para múltiplos de inteiros do comprimento focal inicial. A segunda aplicação permite um uso mais amplo, onde o comprimento focal é continuamente ajustãvel a partir de um mínimo valor possível baseado nos parâmetros do projeto até o infinito. O novo projeto contorna as dificuldades descritas acima.

Mais especificamente são proporcionadas lentes eletroativas controláveis eletricamente com foco ajustável. Também são proporcionados métodos para discretamente ou continuamente ajustar o comprimento focal de uma lente eletroativa eletricamente controlável. Lentes eletroativas eletricamente controláveis permitem que o comprimento focal seja ajustado sem movimentos mecânicos intensos e ineficientes. Em contraste com as lentes de visão simultânea tais como bifocal, trifocal ou lentes progressivas para óculos ou lentes de contato, em que o campo de visão é limitado a um corredor estreito e o usuário é confrontado com duas imagens e as lentes de monovisão em que a percepção da profundidade binocular é afetada, as eletroativas ajustam a potência de foco e em cada condição de trabalho a abertura completa possui a mesma potência focal. Dispositivos feitos a partir de lentes controláveis eletricamente com foco ajustãvel proporcionam uma focalização ajustãvel com um grande campo de visão e uma alta qualidade de imagem sem a necessidade de trocar entre lentes físicas diferentes. Outras vantagens dessa lente incluem uma operação compacta, de baixo peso, de baixo custo e de uma maior facilidade com baixa voltagem e baixa dissipação de potência.

Em uma modalidade, a lente eletroativa controlável eletricamente e com foco ajustãvel é proporcionada a compreendendo: uma camada de cristal líquido posicionada entre um par de substratos transparentes; um eletrodo padronizado de zona Fresnel possuindo zonas M, cada zona possuindo subzonas L individualmente orientadas posicionadas entre a camada de cristal líquido e a superfície voltada para dentro do primeiro substrato transparente, onde M e L são inteiros positivos; e uma camada condutora entre a camada de cristal liquido e a superfície voltada para dentro do segundo substrato transparente. As subzonas individualmente orientadas do eletrodo padronizado de zona Fresnel podem estar no mesmo plano horizontal, em que as subzonas são separadas por um isolador para evitar um curto elétrico, ou as subzonas individualmente orientadas do eletrodo padronizado de zona Fresnel podem ser posicionadas em dois ou mais planos horizontais, cada um separado por uma camada de isolamento, ou outras configurações podem ser utilizadas conforme conhecidas na técnica.

Um método de ajuste do comprimento focal das lentes com múltiplos inteiros e o comprimento focal original F é proporcionado compreendendo: proporcionar uma lente que compreende uma camada de cristal liquido colocada entre um par de substratos transparentes; um eletrodo padronizado de zona Fresnel posicionado entre a camada de cristal liquido e a superfície voltada para dentro do primeiro substrato transparente, o referido eletrodo padronizado possui M zonas, cada zona possuindo L subzonas, o eletrodo padronizado que possui um total de M.L eletrodos orientados individualmente; a camada condutora entre a camada de cristal líquido e a superfície voltada para dentro do segundo substrato transparente; e um controle elétrico conectado eletricamente ãs zonas de eletrodos e a camada condutora; aplicação da mesma voltagem em eletrodos k orientados individualmente para ajustar o comprimento focal em kF, onde k é um inteiro de 1 até ML. O comprimento focal pode ser discretamente ajustado a partir de F até o infinito.

Um método de continuamente ajustar o comprimento focal de uma lente é proporcionado compreendendo: (a) proporcionar uma lente compreende uma camada de cristal liquido colocada entre um par de substratos transparentes; eletrodo padronizado de zona Fresnel possuindo L níveis de difração posicionados entre a camada de cristal líquido e a a superfície voltada para dentro do primeiro substrato transparente, o eletrodo padronizado possui um arranjo circular em anéis orientados individualmente; uma camada condutora entre a camada de cristal liquido e a superfície voltada para dentro do segundo substrato transparente; e um controle elétrico conectado eletricamente a zona do eletrodo e a camada condutora; fb) determinar o comprimento focal desejado (fr); íc) calcular a área da zona mth do eletrodo de padrão de zona Fresnel utilizando a equação: rm2 + f'2=(f' + mA) 2, onde ffé o comprimento focal do projeto, e Λ é o comprimento de onda de projeto, e rm é o raio da subzona de mth; (d) dividir a área calculada da zona mth por L ou um inteiro maior para determinar o número de eletrodos individualmente orientados que formam a subzona de projeto; (e) aplicar a mesma voltagem ao número de eletrodos individualmente orientados em uma subzona de projeto. 0 método para continuamente ajustar o comprimento focal pode também compreender uma etapa anterior (a): determinar um ou mais comprimentos focais de projeto; calcular o tamanho máximo do anel do eletrodo padronizado de zona Fresnel que permite comprimentos focais de todo projeto ser formados em uma subzona de projeto.

Em uma modalidade, as zonas de eletrodo são formadas a partir de eletrodos padronizados ITO (Oxido de índio e Estanho). A retardação de fase em cada zona é modulada pela reorientação do cristal liquido utilizando campos elétricos aplicados, conforme conhecido na técnica.

As lentes eletroativas controláveis eletricamente e com foco ajustãvel descritas aqui proporcionam muitas vantagens em relação às técnicas atuais. Uma vantagem é a capacidade de mudança ajustãvel da potência de foco da lente. O comprimento focal de uma lente de difração é determinado pelo espaçamento da zona de eletrodo. Nas lentes descritas aqui, o padrão do eletrodo é fixado e o comprimento focal pode ser mudado diretamente através da mudança das conexões de acionamento eletrônico para os eletrodos e para voltagem aplicada. Em outra modalidade, as zonas de eletrodo individualmente orientadas permitem a correção para diferentes distâncias da visão, incluindo próximo (por exemplo, leitura), intermediária (por exemplo, tela de computador) e visão à distância, A potência focal pode ser ajustada tanto diretamente por um localizador de faixa ou manualmente pelo usuário. Em uma modalidade, circuitos microeletrônicos são integrados com as lentes, de modo que a montagem se torna compacta. Também, a estrutura do eletrodo é invisível o que proporciona uma vantagem cosmética em relação a abordagem de cristal liquido aterrado. Uma perda de potência elétrica não irá afetar a distancia da visão (a potência de focalização proporcionada quando não há corrente fornecida) . Em cada condição de trabalho a abertura inteira possui a mesma potência focal. A estrutura de zona Fresnel descrita aqui em uma modalidade permite aberturas relativamente largas, o que é requerido para aplicação em lentes oftálmicas. Outras vantagens desta invenção descritas aqui incluem um projeto compacto, um baixo peso, um baixo custo, uma operação mais fácil com baixa voltagem e baixa dissipação de potência.

Conforme conhecido na técnica, comprimento focal das lentes descritas aqui e o valor dioptico correspondente podem então ser positivo ou negativo, dependendo das voltagens aplicadas. Essas variações são conhecidas por uma pessoa versada na técnica sem exagero da experimentação e são incluídas aqui.

Conforme utilizado aqui, "focalização ajustãvel" significa que o comprimento focal da lente não estã fixado a uma distancia como uma lente óptica convencional. O comprimento focal de uma lente de uma focalização ajustãvel é ajustado pela mudança da voltagem aplicada ao eletrodo por meios conhecidos na técnica. Em uma modalidade, o comprimento focal é ajustado pelo usuário para proporcionar a visão do objeto a uma distancia desejada. "Individualmente orientada" significa a mesma ou diferente voltagem pode ser aplicada em diferentes eletrodos independentemente. "Eletricamente controlável" significa que a voltagem é aplicada para controlar ou alterar um parâmetro tal como estado de orientação de um cristal liquido, conforme conhecido na técnica. "Ajuste contínuo" significa o comprimento focal pode ser ajustado para muitos diferentes valores que não são restritamente múltiplos de um comprimento focal original e não necessariamente significa que todo comprimento focal é alcançável, devido a limitações físicas das técnicas de fabricação dos eletrodos padronizados atuais.

Conforme utilizado aqui, "camada" não requer um filme perfeitamente uniforme. Algumas espessuras irregulares , rachaduras ou outras imperfeições podem estar presentes, desde que a camada atinja seu propósito conforme descrito aqui. Conforme usado aqui, "perpendicular" significa aproximadamente perpendicular à superfície do substrato. Deve ser notado que o eixo óptico geralmente é aproximadamente perpendicular à superfície do substrato. Conforme usado aqui, "ausência de intervalo horizontal" entre os eletrodos inclui a situação onde os eletrodos não possuem espaço entre eles quando vistos em uma direção perpendicular, e também inclui a situação onde existe um espaço entre os eletrodos quando visto uma direção perpendicular que não faz com que a eficiência de difração do óptico seja reduzida em mais de 25% a partir do máximo teórico, bem como todos os valores individuais e faixas presentes.

Os dispositivos da invenção podem ser utilizados em uma variedade de aplicações conforme conhecidas na técnica, incluindo lentes utilizadas em homens ou em animais para correção da visão ou na sua modificação. As lentes podem ser incorporadas em óculos, conforme conhecida na técnica. Os óculos podem incluir uma lente ou mais de uma lente. O dispositivo também pode ser utilizado em aplicações de visores, conforme conhecido por uma pessoa versada na técnica sem prejuízo da experimentação. As lentes da invenção podem ser utilizadas como lentes convencionais e ópticas. As lentes da invenção podem ser utilizadas como uma porção de uma lente convencional, por exemplo, como uma inserção em uma lente convencional, ou uma combinação de lentes convencionais e lentes da presente invenção que podem ser utilizadas de maneira mais adequada. A presente invenção é útil na preparação de óculos que possuem lentes que ajustam a potência do comprimento focal com base na distancia do objeto visto. Em uma modalidade, o mecanismo de localização de faixa, a bateria e o circuito de controle são alojados nos óculos ou são partes separadas de um sistema de controle. Esses componentes e seus usos são conhecidos nas técnicas. Como exemplo, o mecanismo de localização de faixa é utilizado para determinar a distancia entre os óculos e o objeto desejado. Esta informação é alimentada em um microprocessador que ajusta a voltagem aplicada aos eletrodos individualmente orientados, que proporcionam a lente â função de transmissão de fase desejada para ver um objeto. Vários métodos de aplicação de voltagem dos eletrodos podem ser utilizados, conforme conhecidos na técnica. A batería pode ser utilizada para alimentar a voltagem, ou em outros métodos, conforme conhecido na técnica. É conhecido na técnica que vários métodos de controle de todos os aspectos da voltagem aplicados aos eletrodos podem ser usados, incluindo um processador, um microprocessador, um circuito integrado, e um chip de computador. A voltagem aplicada é determinada pela função de transmissão da fase desejada, conforme conhecido na técnica.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A figura 1 ilustra uma lente de difração: O gráfico (a) é uma lente de refração convencional; o gráfico (b) é um lente de difração com o perfil de chama quadrãtico continuo; o gráfico (c) é uma lente de difração binária: e o gráfico (d) é uma aproximação em quatro níveis de uma lente de difração. A figura 2 ilustra uma construção de lentes de difração. A figura 3 ilustra uma célula de cristal liquido. A figura 4 ilustra uma estrutura geral e lentes de cristal liquido eletroativas com eletrodos padronizados. A figura 5A ilustra uma estrutura onde todos os eletrodos estão no mesmo plano (estrutura em uma camada), em que existe um menor intervalo entre as subzonas próximas. A figura 5B ilustra uma estrutura onde um número ímpar de eletrodos e um número par de eletrodos são interrompidos em duas camadas horizontais, e não existe espaço entre as subzonas próximas (estrutura de duas camadas). A figura 6 ilustra um exemplo de comprimento focal variável digital utilizando um padrão de eletrodo individualmente orientado.

Figura 7 ilustra ajustamento continuo no comprimento focal utilizando um arranjo circular individualmente orientado de eletrodos com resolução própria.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Para melhor compreensão da presente invenção, os conceitos básicos de células de cristal liquido, bem como alguns conceitos básicos de lentes de difração e princípios de lentes adaptativas são brevemente revistos abaixo.

Lentes difração Lentes de difração são conhecidas na técnica. A função de uma lente de difração está baseada na difração de um campo próximo por um padrão de zona de Fresnel. Cada ponto que emerge a partir da estrutura serve como um emissor de uma onda esférica. 0 campo óptico de um ponto de observação particular é a soma uma das contribuições de ondas esféricas emitidas para uma estrutura inteira. A interferência construtiva de ondas esféricas vindas de vários pontos e cria uma alta intensidade no ponto de observação, correspondente a uma alta eficiência de difração. A figura 1 ilustra uma lente de difração: O grãfrco (a) é uma lente refração convencional; o gráfico (b) é um lente de difração com o perfil de chama quadrãtico contínuo; o gráfico (c) é uma lente de difração binária.· e o gráfico (d) é uma aproximação em quatro níveis de uma lente de difração. A figura 1 gráfico (a) mostra uma parte de uma lente de dif ração convencional. Com a remoção do retardo da fase 2n múltipla a partir da lente de refração, uma lente de difração é obtida conforme figura 1 gráfico (b). O salto de fase em cada limite da zona é 2n para um de comprimento de onda Λ de projeto, e o perfil em cada zona proporciona uma interferência construtiva perfeita no ponto focal. O gráfico (c) da figura 1 e o gráfico (d) da figura 1 mostram diferentes aproximações dos perfis de fase desejados na figura 1 (b) , em que múltiplas etapas em cada zona são utilizadas para aproximar o perfil desejado da fase. A figura 2 mostra uma construção de uma lente difração. O comprimento focal (f) é indicado ao longo do eixo ótico. O raio (rm) é de maneira perpendicular indicado ao eixo óptico. É notado que o caminho percorrido pela luz que entra na lente no raio (rm) para alcançar o ponto focal F é equivalente ao comprimento focal (f) mais um número inteiro de comprimento de onda (mA) a fim ter a interferência construtiva.

Em outras palavras, o comprimento focal (f) da lente difração é determinado pelo período das zonas. As diferenças do comprimento do trajeto óptico são múltiplos do comprimento de onda. Para a zona mth, notando que f+τηλ. é uma hipotenusa de um triângulo reto na figura 2: rm2 + f 2 = (f+mA)2 (1) Para a uma aproximação paraxial, f>>mA, os raios (r) das zonas ou os limites da zona são dados por rm2 = 2mAf . (2a) onde rm é o raio exterior na zona mth (m=l, 2, 3... Μ), λ é o comprimento de onda e f é um comprimento focal. Para a lente difração de nível L, cada zona consiste em L subzonas de igual tamanho (área) . É notado que há L subzonas e cada uma das subzonas têm uma espessura ótica diferente, assim há L níveis da fase. 0 raio exterior da subzona de nth (n=l, 2, 3... L, L é o número de níveis de fase em cada zona) da zona mth é dado por (2b) Isto determina o teste padrão da zona de Fresnel, que é periódico em r2. O período é igual a ri2'. É notado que é o raio da primeira zona, e que cada zona tem a mesma área. 0 comprimento focal da lente difração é f - Ti2 /2\ (3) As equações acima implicam que o comprimento focal pode ser mudado escolhendo o período da zona. Para uma lente com o comprimento focal p.f, o tamanho (área) de cada zona é p.rx2' A eficiência de difração de uma lente difração multi-nível (ou de uma lente difração do nível da fase L) é dada por η = sinc2(1/L) = [sin(π/L)/n/L]2 (4) A tabela 1 proporciona vários parâmetros para lente difração do dioptico 1. Como visto na tabela 1, a eficiência do difração aumenta enquanto o número de níveis da fase aumenta e a largura da última subzona diminui enquanto a abertura da lente aumenta.

Tabela 1 Célula de cristal liquido As células de cristal líquido são conhecidas na técnica. Muitas configurações e operações das células cristal líquido são conhecidas também na técnica. A figura 3 ilustra uma modalidade ilustrativa de uma célula de cristal líquido eletro-ativa, onde uma camada de cristal líquido seja imprensada entre duas placas de vidro que têm superfícies internas condutoras. As superfícies das placas são revestidas com uma camada de alinhamento tal como o polivinil álcool (PVA) ou o nylon 6.6 e são tratadas por fricção para gerar uma orientação molecular homogênea. As camadas do alinhamento são polidas no sentido mostrado nas setas, conforme conhecido na técnica. Uma voltagem é aplicada às superfícies condutoras internas das placas. Em uma célula eletroativa usando um cristal líquido como o meio eletro-optico, cada zona tem a mesma espessura, mas o índice de refração do feixe extraordinário é mudado devido à reorientação da molécula de cristal líquido quando uma voltagem é aplicada ao meio. Conforme mostrado na figura 3, a orientação original da molécula de cristal líquida é determinada pela direção de polimento. A eixo longo (eixo ótico) da molécula de cristal líquida é alinhado verticalmente. Quando uma voltagem apropriada é aplicada, a molécula é girada. 0 índice de refração efetivo (ne') é dado por onde nQ e ne são os índices refração para os feixes ordinários e extraordinários, respectivamente, Θ é o ângulo entre o eixo ótico da molécula e o eixo vertical. 0 feixe extraordinário inicialmente possui um índice de refração máximo ne. Com o aumento da voltagem aplicada, o índice de refração eficaz ne' torna-se menor, e quando uma voltagem de saturação é aplicada, o eixo ótico da molécula é alinhado horizontalmente e o índice de refração eficaz ne' alcança o mínimo e é igual à nD. O índice de refração para o feixe ordinário (polarizado horizontalmente) é sempre o mesmo. Assim o efeito eletro-optico modula o índice de refração eficaz do feixe extraordinário.

Nas células de cristal do líquido descritas aqui, o material condutor em um substrato não forma uma camada homogênea, mas sim um padrão dos elétrodos é formado, conforme será descrito mais adiante. A figura 4 ilustra a estrutura geral de uma lente de cristal líquido eletroativa com eletrodos padronizados. A partir do fundo, as camadas compreendem: 410 Substrato, 420 Eletrodos padronizados (eletrodos individualmente orientados), 430 Camadas de alinhamento, 440 Cristais líquidos e 450 Espaçador (ou espaçadores), 430 Camada de alinhamento, 460 Terra, e 410 Substrato.

Especificamente, a figura 4 ilustra a estrutura geral da lente de cristal líquido eletroativa usada aqui. Uma camada de cristal líquido 430 é prensada entre os eletrodos padrão 420 e um eletrodo à terra 460. O eletrodo padrão 430 pode ser fabricado por processo fotolitogrãfico de uma película condutora depositada em um substrato de vidro, conforme conhecido na técnica, e o eletrodo à terra 460 contem uma camada condutora uniforme, formada por qualquer maneira conforme conhecida na técnica. Os eletrodos padronizados compreendem uma disposição circular dos anéis cujos raios são determinados pelo comprimento focal desejado, como descrito aqui. O efeito eletro-optico dos cristais líquidos 440 resultam bi-refringência controlável eletricamente. 0 perfil da fase através da lente é construído se aplicando voltagens apropriadas aos eletrodos padronizados, conforme descrito mais adiante. O material condutor pode ser qualquer material apropriado, incluindo aqueles descritos especificamente na invenção, e outros materiais conhecidos na técnica. Prefere-se que o material condutor seja transparente, como o oxido do índio, o õxido de estanho ou o oxido de índio e estanho (ITO) . O substrato pode ser todo o material que puder fornecer a transmissão ótica desejada e pode funcionar nos dispositivos e nos métodos descritos na presente invenção, como o quartzo, o vidro ou o plástico, conforme conhecido na técnica. A espessura da camada condutora estã tipicamente entre 3 0 nm e 2 00 nm. A camada deve ser espessa o suficiente para proporcionar uma condução adequada, mas não espessa demais de modo a proporcionar uma espessura adicional à estrutura da lente como um todo. Os eletrodos padronizados 420 podem ser formados utilizando técnicas fotolitograficas, tais como aquelas descritas aqui e conhecidos por qualquer pessoa versada na técnica. A figura 5A ilustra uma estrutura onde todos os eletrodos estão no mesmo plano (estrutura de uma camada), em que há uma abertura pequena entre subzonas próximas. O controlador ou o acionador 510 está conectado por Fio 520 as vias ou Contatos 530, em que são conectados por sua vez aos eletrodos individualmente controláveis 540. É notado que os fios 52 0 podem ser eletricamente isolados dos eletrodos 540 por uma camada de isolamento (não mostrada), e então os fios podem ser conectados seletivamente aos eletrodos através das vias (furos ou caminhos na referida camada de isolamento) ou dos contatos 530. Este tipo de fabricação de contato é conhecido na litografia de fabricação, e na fabricação de circuitos integrados.

Mais especificamente, a figura 5A ilustra uma disposição do eletrodo em forma de anel (individualmente controláveis) individualmente orientados e concêntricos em uma camada. Negligenciando os fios 520 e as vias através do isolamento, esta apresentação é definida como uma estrutura da "uma camada" porque todos os eletrodos estão em uma única camada.

Alternativamente, os fios 520 podem ser colocados próximos a um barramento (não mostrado) que é disposto radialmente com relação aos eletrodos em anel concêntrico.

Nota-se que outras formas padronizadas do eletrodo podem ser usadas. Por exemplo, em arranjo hexagonal pode conter pixels hexagonais, ou um arranjo da grade pode conter pixels quadrados, ou um conjunto de formas irregulares pode corrigir erros de refração não simétricos. Os eletrodos de formas irregulares ou complexas podem ser fabricados para corrigir um erro de refração de ordem maior não simétrica ou não convencional. Adicionalmente, os eletrodos podem ter a espessura variável na direção do eixo ótico, a fim criar interações mais complexas com os cristais líquidos.

Alternativamente, os arranjos com densidades elevadas do pixel podem ser controlados para aproximar os anéis concêntricos da figura 5A para criar lentes difração, particularmente se mais de dois pixels se ajustam a largura de um eletrodo do anel. Tais arranjos de elevadas densidade do pixel podem também aproximar de formas mais complexas.

Retornando a figura 5A, é necessário definir o eletrodo de anel mais interno como eletrodo de número 1, e iniciar a contagem radialmente para fora até o 16° eletrodo mais externo. É notado que o eletrodo mais interno pode preferencialmente ser um circulo cheio ao invés de um anel, mas a figura 5A ilustra um anel por simetria, e para ilustrar claramente a via ou o contato 53 0 com a camada mais interna do eletrodo de anel.

Para criar os 4 níveis ou 4 fases de lentes difração, os quatro anéis mais internos são agrupados dentro de uma zona. A primeira zona é compreendida pelos eletrodos 1-4, numerados do mais interno para o eletrodo mais externo. Cada um desses eletrodos 1-4 é uma subzona da primeira zona. A segunda zona é compreendida por eletrodos 5-8. A terceira zona é compreendida por eletrodos 9-12. A quarta zona é compreendida por eletrodos 13-16. A organização de conjunto de 16 eletrodos formam lentes difração de 4 níveis (ou fases) com 4 zonas.

Cada eletrodo de anel 540 está independentemente orientado por fios 520 conforme descritos acima. Se todos os eletrodos forem distribuídos em uma única camada, deve haver intervalos eletricamente isolantes entre os eletrodos próximos. Os intervalos dos eletrodos podem causar distorção da fase e a simulação deste projeto mostra que a distorção de fase afetar grandemente a eficiência de difração e outras medidas de desempenho.

Para aliviar a distorção causada pelos intervalos de isolamento entre os eletrodos em um projeto de camada, outras configurações de eletrodo podem ser utilizadas. Por exemplo, os eletrodos de anel podem ser separados em duas camadas distintas para criar um projeto em duas camadas.

Especificamente, os anéis de número ímpar podem ser posicionados em uma camada de eletrodo, e os anéis de número par podem ser posicionados em uma segunda camada de eletrodo. Estas duas camadas distintas de eletrodo podem ser separadas por uma camada de isolamento tal como Si02. A figura 5B ilustra uma estrutura onde os eletrodos de número ímpar e os eletrodos de número par são intervalados dentro de duas camadas horizontais e não hã intervalo entre as subzonas vizinhas (estruturas de duas camadas). O controlador ou acionador 510 comunica através de fios 520 nos eletrodos, e os eletrodos são agrupados dentro de uma camada com os anéis de número par 54 2 e uma camada com os anéis de número ímpar 544. Estas duas camadas de eletrodos são separadas por uma camada de isolamento Si02 544. As marcas de alinhamento Cr 560 são também mostradas para o alinhamento de fabricação fotolitogrãfica. A Zona m 580 e a Zona m+1 590 são também mostradas e correspondem às zonas adjacentes da figura 5A.

Na figura 5B a seção transversal do padrão de eletrodo de duas camadas é mostrado, em que os anéis de número par e de número ímpar são distribuídos em duas camadas separadas e não existem intervalos entre dois eletrodos vizinhos quando vistos em uma direção perpendicular (visto ao longo do eixo óptico) . Especificamente é notado que a Zona m 58 0 se estende de rm até rm+1 e compreende um total de 4 eletrodos, 2 dos 4 eletrodos na Zona m 58 0 são numerados como pares e residem na camada 542, e os 2 eletrodos restantes na Zona m 580 residem na camada 544.

Neste caso, cada eletrodo de anel 54 0 pode ser individualmente orientado a partir de uma camada adicional (não mostrada na Figura 5B) através de vias como no caso de uma camada. Os fios 520 podem ser localizados em qualquer locação conveniente ou camada.

Um exemplo de formação de uma estrutura de duas camadas vem a seguir. Para substratos dentro dos quais eletrodos padronizados serão aplicados, as marcas de alinhamento 560 são depositadas na camada condutora.

Qualquer material adequado pode ser utilizado para marcas de alinhamento, tal como o Cr. As marcas de alinhamento 560 permitem o alinhamento próprio das várias máscaras fotolitográficas no substrato e, portanto, os padrões que são criados nas etapas de processamento associadas ao uso de cada máscara a partir de um "conjunto de máscaras" que foi feito de maneira a ter a definição fotolitográfica total desejada dos eletrodos quando os eletrodos são padronizados. Uma parte de uma zona de eletrodos padronizados é formada na camada condutora utilizando métodos conhecidos na técnica e aqui descritos. Uma camada de isolante, tal como Si02 550 é depositada na camada condutora padronizada. Uma segunda camada condutora é depositada no Si02 e a segunda parte da zona dos eletrodos padronizados é formada na segunda camada condutora.

Uma camada de alinhamento (não mostrada) é colocada na segunda camada do condutor sobre um segundo condutor do substrato. A camada de alinhamento é preparada por meios conhecidos na técnica tal como por fricção unidirecional. As camadas de alinhamento atualmente utilizadas são revestidas com álcool polivinílico ou nylon 6,6 em que o revestimento é aplicado circularmente. É preferido que a camada de alinhamento em um substrato seja friccionada em uma direção anti-paralela em relação à camada de alinhamento do substrato. A camada de cristal líquido é colocada entre os substratos, e os substratos são mantidos em uma distância de separação desejada (tal como etnre 3 e 20 mícrons de afastamento) com espaçadores de vidro, ou outro meio conhecido na técnica. Os espaçadores podem ser de qualquer material desejado, tal como Mylar, vidro, ou quartzo, ou outros materiais úteis para proporcionar o espaçamento desejado. Para conseguir uma difração eficiente a camada de cristal líquido deve ser espessa o suficiente para proporcionar uma onde de retardamento ativado (d> λ/δη~2,5μπι, onde Ôn é a birrefringência do meio de cristal líquido), mas as camadas de cristal mais espessas auxiliam a evitar o fenômero de saturação. As desvantagens das células mais espessas incluem tempos de comutação longos (variando com d2) e a perda da definição da característica eletroativa. Os substratos transparentes podem ser espaçados em qualquer distância que permita um número desejado de eletrodos padronizados e a espessura desejada da camada de cristal líquido. Em modalidades particulares, os substratos transparentes são espaçados entre três e 20 mícrons e todos os valores individuais e taxas compreendidas. Um espaçamento atualmente preferido é o de 5 mícrons.

Em operção, a voltagem requerida para alterar o índice de refração para um nível desejado é aplicada nos eletrodos por um controlador. Um "controlador" pode incluir ou estar incluído em um processador, um microprocessador, um circuito integrado, um IC, um chip de computador e/ou um chip. Normalmente as voltagem de cercade 2 Vrms são aplicados aos eletrodos. Os acionadores de controle em forma de de onda são conectados em cada grupo de eletrodos em uma configuração de base comum. Os acionadores de amplitude são simultaneamente otimizados para uma eficiência de difração de focalização maxima. A função de voltagem requerida para mudar o índice de refração a um nível de refração desejado é determianda pelo cristal líquido ou mistura de cristal líquido utilizado, conforme conhecido na técnica. A Figura 6 ilustra um exemplo de comprimento focal variável digital utilizando o padrão de eletrodo individualmente orientãvel. O gráfico (a) corresponde ao comprimento focal F básico, que é determinado pela área do eletrodo original único (i.e., o período da estrutura original) . O período da estrutura é a área do eletrodo original único. O comprimento focal pode ser aumentado em múltiplos de F pelo aumento do período das lentes sem afetar a eficiência de difração. 0 gráfico (b) corresponde ao comprimento focal 2F. A área de cada zona (subzona) da Figura 6B é duas vezes aquela da Figura 6A. A eficiência de difração é a mesma em ambos os casos.

Em um exemplo específico, as voltagens aplicadas para os quatro eletrodos de um lente de nível de 4 fases em particular são 1,1V; 1,31V; 1,4 9V e 1,72V, respectivamente. Em um outro exemplo, as voltagens aplicadas aos oito eletrodos de uma lente de 8 fases em particular são 0,71V; 0,97V; 1,05V; 1,13V, 1,21V; 1,30V; 1,37V e 1,48V, respectivamente. As voltagens aplicadas nos eletrodos são facilmente determinãveis por uma pessoa versada na técnica sem prejuízo da experimentação e são uma função do cristal líquido utilizado, arranjo de célula, e outros fatores conhecidos na técnica. Conforme descrito acima, as voltagens podem ser positivas ou negativas, dependendo do comprimento focal desejado, conforme conhecido na técnica. Em uma modalidade, as voltagens aplicadas nos eletrodos são valores positivos ou negativos entre 0,5 e 2V e todos os valores individuais e subfaixas destes. O material isolante pode ser qualquer material adequado, incluindo aqueles especificamente descritos na presente invenção e outros materiais conhecidos na técnica. Em uma modalidade, o material condutor e o material isolante são arranjados em padrões alternados, por exemplo, círculos com raios crescentes. Os padrões podem ser qualquer padrão desejado, tal como circular, semi-circular, quadrado, angular ou qualquer outra forma que proporcione o efeito desejado, conforme aqui descrito. Os termos "circular, semi-circular, quadrado, angular e outras formas não são pretendidas como sendo formas perfeitas, mas sim uma forma geral e que pode incluir, conforme conhecido na técnica, linhas de barramento ou outros métodos de portar corrente através do substrato.

Qualquer cristal líquido pode ser utilizado na invenção. É preferido que o tempo de comutação seja rápido o suficiente de modo que o usuário não se dê conta do atraso na comutação de um comprimento focal para outro. Em modalidades particulares descritas aqui, um cristal líquido nemãtico é utilizado como um meio eletro ótico. Nesta modalidade, a lente possui uma resposta óptica a um dos dois componentes de polarização ortogonal da luz. O cristal líquido colestérico de sensível à polarização pode também ser utilizado, no caso de não ser necessário um polarizador. O cristal líquido utilizado na invenção inclui aqueles que forma fases nemáticas, esméticas, ou colestéricas que possuem uma ordem de orientação de longa faixa que pode ser controlada com um campo elétrico. É preferido que o cristal líquido possua uma faixa ampla de temperatura nemática, que seja de fácil alinhamento, baixa voltagem limite, uma grande resposta eletroativa e rápidas velocidades de comutação, bem como estabilidade comprovada e disponibilidade comercial confiável. Em uma modalidade preferida, é utilizado ο E7 (mistura de cristal líquido nemático de cianobifenis e cianoterfenis vendidos pela Merck). Exemplos de outros cristais líquidos nemáticos que podem ser utilizados na invenção são: pentil-ciano-bifenila {5CB), (n-octiloxi)-4-cianobifenila (80CB). Outros exemplos de cristais líquidos que podem ser utilizados na invenção são n = 3,4,5,6,7,8,9, dos compostos 4-ciano-4-n-alquilbifenis, 4-n-pentiloxi-bifenil, 4-ciano-4"-n-alquil-p~terfenis, e misturas comerciais destes tais como E36, E46 e ZLI-series feitos pela BDG (British Drug House)-Merck.

Os polímeros eletroativos podem também ser utilizados na invenção. Os polímeros eletroativos incluem qualquer material polimérico tal como aqueles descritos em "Physical Properties of Polymers Handbook" de J.E.Mark, American Institute of Physics, Woodbury, N.Y., 1996, contendo moléculas que possuem elétros π conjugados polarizados assimétricos entre um grupo doador e um grupo receptor (referido como cromóforo) tal como aqueles descritos em "Organic Nonlinear Optical Materials" de Ch. Bosshard et al. , Gordon and Breach Publishers, Amsterdam, 1995. Exemplos de polímeros são os seguintes: poliestireno, policarbonato, polimetil metacrilato, polivinil carbazol, polimida, polissilano. Exemplos de cromóforos são: paranitroanilina (PNA), vermelho disperso 1 (DR 1) , 3-metil-4-metoxi~4'-nitrostilbeno, dietil-amino-nitroestilbeno (DANS), ácido dietil-tio-barbitúrico. Os polímeros eletroativos podem ser produzidos por: a) / seguindo uma técnica convidado/hospedeiro, b) por incorporação covalente do cromóforo dentro do poiimero (pingente e cadeia principal), e/ou c) por técnica de formação de redes tais como a reticulação, conforme conhecida na técnica.

Cristais líquidos de polímeros (PLCs) podem também ser utilizados na presente invenção. Os polímeros de cristais líquido são também referidos às vezes como polímeros cristalinos líquidos, cristais líquidos de baixa massa molecular, polímeros de auto reforço, compósitos in situ, e/ou compósitos moleculares. PCLs são copolímeros que contêm seqüências simultaneamente e relativamente rígidas e flexíveis, tais como aquelas descritas em "Liquido Crystalline Polymers: From Structures do Applications" de W, Borostow; editado em A.A.Collyer, Elsevier, New York-London, 1992, Capítulo 1. Exempls de PLCs são polimetacrilato contendo um grupo lateral 4-cianofenil benzoato e outros compostos similares.

Os cristais líquidos de polímero disperso (PDCLs) podem também ser utilizados na invenção. O PDCL consiste de dispersões em gotas de cristal líquido em uma matriz de polímero. Estes materiais podem ser feitos de várias formas: (i) por fases alinhadas curvilíneas nemãticas (NCAP), por separação de fase termicamente induzida (TIPS), por separação de fase solvente-induzida (SIPS) , e por separação de fase de polimerizaçao induzida (PIPS), conforme conhecido na técnica. Exemplos de PDCLs são: misturas de cristal líquido E7 (BDH-Merck) e NOA65 (Norland Products, Inc. NJ) ; misturas de E44 (BDH-Merck) e polimetilmetacrilato (PMMA); misturas de E49 (BDH-Merck) e PMMA; uma mistura de monômeros de dipentaeritrol hidroxi penta acrilato, cristal líquido E7 (BDH-Merck), N-vinil-pirrolidona, N-fenilglicina e corante Rose Bengal.

Os cristais líquidos estabilizados por polímeros (PSLCs) podem também ser utilizados na presente invenção. PSLCs são materiais que consistem de um cristal líquido em uma rede de polímeros em que o polímero constitui menos de 10% em peso de um cristal líquido. Um monômero fotopolimerizãvel é misturado junto com um cristal líquido e um iniciador de polimerização UV. Após o cristal líquido ser alinhado, a polimerização do monômero é iniciada tipicamente por exposição de UV e o polímero resultante cria uma rede que estabiliza o cristal líquido. Para exemplos de PSLCs, ver por exemplo: C. M. Hudson et al. Optical Studies of Anisotropic Networks in Polymer-Stabilized Liquid Crystals, Journal of the Society for Information Display, vol. 5/3,1-5, (1997), G. P. Wiederrecht et al, Photorefractivity in Polymer-Stabilized Nematic Liquid Crystals, J. of Am. Chem. Soc, 120,3231-3236 (1998) .

Estruturas supramoleculares, não lineares e autoestruturãveis podem também ser utilizadas na presente invenção. Estruturas supramoleculares, não lineares e autoestruturãveis incluem filmes orgânicos assimétricos eletroativos, que podem ser fabricados utilizando as seguintes técnicas: Filmes de Langmuir-Blodget, deposição alternada de polieletrólito (poliânion/policãtion) a partir de soluções aquosas, métodos de epitaxia de feixe molecular, síntese seqüencial por meio de reações de acoplamento covalente (por exemplo: deposição de multicamadas autoestruturáveis com base em organotriclorosslano) . Estas técnicas normalmente levam a filmes finos que possuem uma espessura de menos de 1μπ\.

Apesar da descrição não limitativa aqui proporcionar outros detalhes de modalidades exemplificativas específicas, diferentes configurações de lentes e eletrodos são úteis para várias aplicações. Por exemplo, uma lente pode ser imersa em uma solução de cristal líquido ou o cristal líquido pode ser posicionado entre duas placas de eletrodos planares com uma mudança de índice de refração gradiente. Esta última torna o alinhamento do cristal líquido mais fácil e a célula mais fina permite uma comutação rápida. Além disso, as diferentes configurações de zona de eletrodo podem ser utilizadas nos métodos e dispositivos da presente invenção. Estas lentes diferentes e as configurações de zona de eletrodo e outras configurações conforme conhecidas na técnica e que estão incluídas na presente invenção.

Novo projeto com eletrodos padronizados individualmente orientáveis Para contornar as limitações dos projetos anteriores, cada uma das subzonas de eletrodo do eletrodo padronizado deve ser individualmente orientado. São apresentadas duas aplicações exemplificativas. Isto permite o posicionamento entre o comprimento focal elementar e múltiplos do comprimento focal elementar. O outro é mais geral e e permite um ajuste contínuo do comprimento focal a partir do mímino valor possível até infinito. 1: Ajuste discreto do comprimento focal É considerada a estrura geral da lente de cristal / líquido mostrada na Figura 3 e o padrão de eletrodo mostrado na Figra 5A ou 5B. 0 perfil de fase através da lente é ajustado para aplicar voltagens próprias nos eletrodos padronizados e o perfil de fase determina uma eficiência de difração. A orientação individual das subzonas do eletrodos padronizados permite o aumento do período da zona e então aumenta o comprimento focal sem sacrifício da eficiência de difração. Assumindo que a geometria do padrão de eletrodo é projetada para um comprimento focal F com uma modulaçõa de fase de nível de L-fases. Com base nas equações (2a), (2b) e (3), se o período de zona r2i é aumentado para 2r2i por meio do agrupamento de todas os pares de zonas vizinhas em uma só, isto ê., aplicar a mesma voltagem para os dois eletrodos vizinhos, então o comprimento focal é alterado para 2F sem mudança da eficiência de difração (Fig. 6) . Similarmente, com o padrão fixo de eletrodo, o comprimento focal pode ser variado em 3F, 4F,.. . pelo aumento de 3r2i, 4r2i, ...respectivamente. Geralmente o comprimento focal pode ser variado em kF(k é um inteiro positivo) pelo aumento do período kr2!.

Se o padrão de eletrodo individualmente orientãvel for designado para uma lente adaptativa com um uma potência de foco elementar de, por exemplo, 3 dioptros (comprimento focal F=33,33cm) e etapas de fase de 8 níveis, a lente possui uma eficiêcia de difração de 95%. Ao aumentar o período em duas vezes, o comprimento focal será de 2F=66,67cm (potência de foco 1,5 dioptro) enquanto que a eficiência é ainda de 95%. Com o aumento do período em três vezes, o comprimento focal será aumentado em 3F=100cm, / correspondendo a uma potência focal de 1 dioptro, enquanto que a eficiência continuará a mesma. Com o aumento do período em 4 vezes, o comprimento focal passará a F=133,32cm, correspondendo a uma potência focal de 0,75 dioptro, enquanto que a eficiêcia permanecerá a mesma. Analogamente, podem ser conseguidos comprimentos focais maiores (menores potências de focalização) com a mesma eficiência. Quando as lentes são desativadas, não há potência focal. A Tabela 2 mostra os parâmetros para varias potências de focalização. 0 raio para cada subzona lentes de 3-dioptro, 1,5-dioptro e 1-dioptro são mostradas nas Tabelas 3-5, respectivamente. Estes parâmetros de construção podem ser calculados a partir das equações aqui introduzidas. As relações entre os limites de zona e subzona para as três potências de focalização podem ser facilmente vistas. A Tabela 2 proporciona exemplos de algumas potências de focalização que podem ser alcançadas utilizando eletrodos padronizados individualmente orientados. É assumindo que a potência de focalização elementar é de 3 dioptros (F=33,33cm) e a abertura da lente é de lOmm. A Tabela 2 mostra que a eficiência de difração permanece conforme o comprimento focal é variado.

Tabela 2 A vantagem significativa do eletrodo padronizado individualmente orientado é que proporciona verdadeiramente uma mesma lente com a capacidade adaptativa para diferentes potências de focalização com a mesma eficiência de difração.

Nesta aplicação, os comprimentos focais ajustáveis são o comprimento focal elementar F e múltiplos do comprimento focal elementar. Então, a resolução do ajuste é também F. Por exemplo, se os eletrodos são projetados para uma distância focal elementar lOcm, então o comprimento focal ajustãvel seria de lOcm, 20cm, 30cm, e assim em diante até infinito. Se outros comprimentos focais intermediários forem desejados, poderá ser utilizado um outro comprimento focal elementar menor. Entretanto, quando F for pequeno, o tamanho característico dos eletrodos se torna muito pequeno para lentes de grande abertura e é difícil reduzir o custo com as técnicas atuais disponíveis. 2: ajuste contínuo do comprimento focal É desejável projetar uma lente adaptativa de modo que possa ser utilizada por todos os pacientes e aplicações. Isto requer das lentes a capacidade de mudar continuamente o comprimento focal em uma faixa desejada. Para este fim, uma metodologia de projeto mais generalizada foi desenvolvida e que permite um aj uste contínuo do comprimento focal. Conforme descrito acima, os eletrodos padronizados são um arranjo circular de anéis de um tamanho particular. Cada anel é individualmente orientãvel. Uma resolução própria do anel é determinada pela faixa de comprimento focal a ser ajustada. Para comprimento focal desejado, o tamanho de cada subzona de todas as zonas pode ser calculado utilizando as equações (2a) e (2b) . Um certo número de anéis pode ser escolhido para formar cada subzona e uma voltagem apropriada pode ser aplicada. Se a resolução dos anéis for boa o suficiente, a lente pode sempre possuir uma alta eficiência sem alteração significativa na eficiência a medida que o comprimento focal alterar. A resolução necessária para os eletrodos padronizados é determinada pelo tamanho das subzonas nas pelo menos últimas zonas para as lentes desejadas, conforme descrito aqui . A Figura 7 ilustra um ajuste contínuo do comprimento focal utilizando um arranjo circular individualmente orientado de eletrodos com resolução própria. Os quatro exemplos da Figura 7 mostram o eletrodo com espaçamento em pm para um subconjunto de eletrodos. Os parâmetros geométricos para potências de focalização 3D, 2,5D e 1D são descritas nos exemplos A, B, C e D, respectivamente, "r" é o raio do limite de zona.

Um exemplo de mudança contínua de comprimento focal para ~30cm até infinito é mostrado aqui. É assumido que o diâmetro da lente é de lOmm e é utilizada uma modulação de fase de 8-níveis. Para ilustrar o princípio, os parâmetros geométricos para as potências de focalização ajustáveis de 3D, 2,5D, 2D e 1D são descritas na Figura 7, onde o raio de cada limite de zona e a largura de cada subzona para pelo menos uma ou duas zonas são claramente mostrados. Parâmetros mais detalhados para estas lentes podem ser encontrados nas Tabelas 3-7. É notado que para uma potência de focalização em particular, a variação da largura de cada subzona é muito pequena na extremidades das lentes, e a variação é ainda menor conforme a abertura das lentes é aumentada. Para uma potência focal maior, a largura, bem como a área de cada subzona é menor. É assumido que cada eletrodo possui Ιμτη de largura nesta área. Neste exemplo, tendo em vista que a largura de cada subzona é maior do que Ιμτη, vários eletrodos podem ser combinados juntamente para formar uma subzona e o limite de cada subzona pode ser arredondado nos eletrodos mais próximos do limite.A combinação dos eletrodos significa a aplicação da mesma voltagem a eles.

Por exemplo, para o caso 2D {Exemplo C) , 7 eletrodos pode ser combinado para formar todas as subzonas da zona 45. Todas as subzonas podem ser gerada similarmente. O erro de arredondamento causa variações muito pequenas na eficiência de difração. Por um outro lado, na área próxima ao centro da lente, se eletrodos finos similares forem utilizados, então as etapas de fase podem ser maiores que 8 e então a eficiência de difração pode ser aumentada nesta. Em geral, a eficiência de difração seria quase a mesma quando a potência de focalização é ajustada. A medida que o comprimento focal aumenta de Im {potência de focalização de 1D) para infinito, a largura de cada zona aumenta, e todas as subzonas podem ser geradas pela combinação de um número calculado de eletrodos. Portanto, neste exemplo, todos os comprimentos focais de ~30cm a infinito (potência focal de Q a 3D) podem ser ajustados, e a lente pode ser utilizada para todos os indivíduos que necessitam de correção nesta faixa para diferentes visões à distância.

Conforme descrito acima, tendo em vista que as zonas próximas do centro possuem tamanho geométrico maior, a densidade dos eletrodos pode ser menor nesta área (o tamanho dos eletrodos próximo ao centro pode ser maior do que aqueles em outras áreas) em comparação com a área próxima das extremidades. Se a mesma densidade de eletrodos for mantida na área próxima ao centro, podem ser obtidos níveis de fase maiores e a eficiência de difração será aumentada.

Uma outra técnica para atingir este objetivo é utilizar um modulador de luz espacial de enquadramento pixel onde são utilizados pixels retangulares pequenos. Estes pixels podem estar em múltiplas camadas para reduzir ou eliminar intervalos quando vistos perpendicularmente ao substrato, similar às duas camadas de eletrodos circulares ilustrados na Figura 5B.

Apesar da presente descrição conter muitas especificidades, estas não poderíam ser construídas como sendo limitativas do escopo da invenção, mas meramente são proporcionados exemplos de algumas das modalidades preferidas da presente invenção. Modalidades adicionais estão dentro do escopo da invenção. A invenção não é limitada ao uso em óculos. A presente invenção pode também ser utilizada em microscópios, espelhos, binóculos e qualquer outro dispositivo óptico que seja adequado a um usuário. Além disso, conforme se tornará aparente para um técnico no assunto, a invenção é útil em outros campos tais como telecomunicações, comutadores ópticos, e dispositivos médicos. Qualquer cristal líquido ou mistura de cristais líquidos que proporcione a função de transmissão de fase desejada no comprimento de onda desejado é útil para a presente invenção, conforme conhecido por alguém versado na técnica. A determinação da voltagem própria e a aplicação da voltagem própria em materiais de cristal líquido para produzir uma função de transmissão de fase desejada é conhecida na técnica.

Todo dispositivo ou combinação de componentes descritos ou exemplificados pode ser utilizado para a concretização da invenção, a menos que seja indicado de outra forma. Componentes adicionais tais como acionadores para aplicar voltagens são conhecidos por aqueles versados na técnica e incorporados sem prejuízo da experimentação. Nomes específicos de compostos são pretendidos como sendo exemplificativos, conforme é conhecido por aqueles versados na técnica, podem denominar diferentemente o mesmo composto. Quando um composto é descrito aqui tal como um isômero particular ou enantiômero do composto não for especificado, por exemplo em um fórmula ou em um nome químico, esta descrição irã incluir cada um dos isômeros e enantiômeros do composto descrito individualmente ou em qualquer combinação. Uma pessoa versada na técnica irã apreciar tais métodos, elementos dispositivos, materiais de partida e métodos de fabricação outros que não aqueles especificamente exemplificados podem ser empregados na prática da invenção sem prejuízo da experimentação. Todos os equivalentes funcionais conhecidos, de quaisquer métodos, elementos dispositivos, materiais de partida e métodos de fabricação estão incluídos na presente invenção. Entretanto, uma faixa é dada no relatório descritivo, por exemplo, uma faixa de espessura ou uma faixa de voltagem, todas as faixas intermediárias e subfaixas, bem como valores individuais incluídos nas faixas dadas são pretendidas como sendo incluídas na descrição.

Conforme utilizado aqui, "compreende" é sinônimo de "inclui", "contém" ou "é caracterizado por" e é inclusiva ou de extremidade aberta e não exclui etapas de métodos ou elementos não citados adicionais. Conforme utilizado aqui, "consistindo de" exclui qualquer elemento, etapa, ou ingrediente não especificado no elemento reivindicado. Conforme aqui utilizado, "consistindo essencialmente de" não exclui materiais ou etapas que não afetem materialmente as características novas e básicas da reivindicação. Qualquer citação aqui do termo "compreende", particularmente em uma descrição de componentes de uma composição ou em uma descrição de elementos de um dispositivo, é entendido que a invenção engloba essas composições e métodos consistindo essencialmente dos acima citados componentes ou elementos. A invenção descrita ilustrativamente pode ser realizada na ausência de qualquer elemento ou elementos, limitação ou limitações que não esteja especificamente descrito na invenção.

Os termos e as expressões que foram empregadas são utilizadas como termos da descrição e não como uma limitação e não hã intenção no uso de tais termos e expressões de serem excluídos quaisquer equivalentes das características mostradas e descritas ou porções destas, mas é reconhecido que várias modificações são possíveis dentro do escopo da invenção reivindicada e descrita. Então, deve ser entendido que apesar da presente invenção ter sido descrita especificamente pelas modalidades preferidas e características opicionais, modificações e variações dos conceitos aqui descritos podem ser restaurados por aqueles versados na técnica, e que tais modificações e variaões são consideradas com incluídas no escopo da presente invenção.

Em geral, os termos e frases utilizados aqui têm o respectivo sentido reconhecido na técnica, que pode ser encontrada por referência em textos padronizado, referências de jornal, contextos conhecidos na técnica. Definições específicas são proporcionadas para esclarecer o seu uso específico no contexto da invenção. Todas as patentes e publicações mencionadas no relatório são inidicativas do nível de habilidade das pessas versadas na técnica a que pertence a presente invenção.

Uma pessoa versada na técnica iria prontamente apreciar que a presente invenção é bem adaptada para a realização dos objetivos da invenção e para obter os fins e vantagens mencionadas, bem como aquelas inerentes. Os métodos, dispositivos e métodos de acessórios descritos aqui como sendo representativos das modalidades preferidas são exemplificativos e não significam uma limitação do escopo da invenção. As mudanças e outros usos irão ocorrer por aqueles versados na técnica, que são englobadas dentro do conceito inventivo, são definidas no escopo das reivindicações .

Todas as referências citadas aqui são aqui incorporadas por referência para enfatizar que não hã inconsistência com a descrição da presente invenção. Algumas referências citadas aqui são incorporadas por referência para proporcionar detalhes relativos a componentes adicionais do dispositivo, configurações adicionais de célula de cristal líquido, padrões adicionais para eletrodos padronizados, métodos adicionais de análise e usos adicionais da invenção. G. Smith et al., The eye and visual optical Instruments, Cambridge University Press, 1997. G. Vdovin et al. , On the possibility of intraocular adaptive optics, Opt. Express 11:810-817, 2003. G. Williams et al. , Electrically controllable liquid crystal Fresnel lens, Proc. SPIE 1168:352-357, 1989. J. S, Patel et al. , Electrically controlled polarization-independent liquid-crystal Fresnel lens arrays, Opt. Left. 16:532-534, 1991. B. Dance, Liquid crystal used in switchable Fresnel lens, Laser Focus World 28:34, 1992. M. C. K. Wiltshire, Non-display applications of liquid crystal devices, Geo J. Research 10:119-125, 1993. H. Ren et al. , Tunable Fresnel lens using nanoscale polymer-dispersed liquid crystals, Appl. Phys. Lett. 83:1515-1517 , 2003. C. W. Fowler et al. , Liquid crystal lens review, Ophthal. Physiol. Opt. 10:186-194, 1990. J. A. Futhey, Diffractive bifocal intraocular lens, Proc. SPIE 1052:142-149, 1989. S. Sato et al. , Variable-focus liquid crystal Fresnel lens, Jpn. J. Appl. Phys. 24:L626-L628, 1985. L. G. Commander et al. , Variable focal length microlenses, Opt. Commun. 177:157-170, 2000. S. T. Kowel et al. , Focusing by electrical modulation of refraction in a liquid crystal cell, Appl. Opt. 23:278-289, 1984.

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Kress et al., Digital Diffractive Optics, John Wiley & Sons Ltd., 2000.

Tabela 3 . 0 raio externo de cada subzona para uma lente 3D, 15mm e 8-níveis.

Tabela 4. O raio externo de cada subzona para lente de di fração de 1, 5 D, 15mm e 8 níveis. A área de cada zona é duas vezes o que corresponde à lente 3D (Tabela 3).

Tabela 5. O raio de zona externa de cada subzona para uma lente 1D, 15mm e 8-níveis. A área de cada zona é três vezes o que corresponde a uma lente 3D (Tabela 3) . A área de cada é duas vezes o aue corresoonde a das lentes 2D (Tabela 4).

Tabela 6. Raio externo de cada subzona para uma lente 2D, 15mm e 8-níveis.

Tabela 7. Raio externo de cada subzona para uma lente 2,5D, 15mm e 8 níveis.

REIVINDICAÇÕES

Claims (24)

1. Lente eletroativa eletricamente controlável e de focalização ajustável caracterizada por compreender: uma camada de cristal liquido (440) posicionada entre um par de substratos (410) transparentes; um eletrodo padronizado (420) em Zona de Fresnel, em que a voltagem aplicado ao referido eletrodo padronizado forma M zonas, cada zona possuindo L subzonas individualmente endereçáveis posicionadas entre a camada de cristal liquido (440) e a superfície de face de entrada do primeiro substrato (410) transparente, em que cada eletrodo padronizado (420) em Zona de Fresnel compreende um total de M.L eletrodos individualmente endereçáveis (540), onde ambos M e L são inteiros positivos maiores que ou iguais a dois, em que os eletrodos nos eletrodos padronizados em Zona de Fresnel opostos compreende eletrodos número ímpar e eletrodos número par, que são intervalados em duas camadas horizontais e não há intervalo entre as subzonas vizinhas; e um controle elétrico (510) eletricamente conectado aos eletrodos individualmente endereçáveis (540), em que o controle elétrico (510) é configurado para adaptar o perfil de fase da lente pela aplicação de voltagem aos eletrodos padronizados (420), incluindo aplicar a mesma voltagem a cada grupo de k eletrodos individualmente endereçáveis (540) vizinhos para ajustar a distância focal para k.F, em que k é um número inteiro a partir delaM.LeFéo ponto focal a ser alcançado.

2. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as subzonas individualmente endereçáveis do eletrodo padronizado (420) em Zona de Fresnel estão no mesmo plano horizontal.

3. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o cristal liquido (440) é selecionado a partir do grupo que consiste em: nemáticos, colestéricos, polímero eletroativo, cristal líquido de polímero, cristal líquido de polímero disperso, cristal líquido de polímero estabilizado e estruturas auto-montadas, supramoleculares e não lineares.

4. Lente, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o cristal líquido (440) é nemático.

5. Lente, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o cristal líquido (440) é o E7 .

6. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os substratos (410) transparentes são de vidro.

7. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os substratos (410) transparentes são de plástico.

8. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o controle elétrico (510) aplica uma voltagem positiva ou negativa nas subzonas individualmente endereçáveis.

9. Lente, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a voltagem está entre -3 volts e +3 volts.

10. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender ainda um dispositivo localizador de faixa eletricamente conectado ao controle elétrico (510).

11. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o eletrodo padronizado (420) e a camada condutora são transparentes.

12. Lente, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o eletrodo padronizado (420) e a camada condutora são de óxido de indio-estanho.

13. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreendem ainda uma camada de alinhamento (430) ao redor da camada de cristal liquido (440) .

14. Lente, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que a camada de alinhamento é de álcool polivinilico.

15. Lente, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que a camada de alinhamento é de nylon 6,6.

16. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os substratos (410) transparentes estão entre cerca de 3 e cerca de 20 microns de afastamento.

17. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o comprimento focal é positivo.

18. Lente, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o comprimento focal é negativo.

19. Método de ajuste do comprimento focal de uma lente por meio de múltiplos números inteiros de um comprimento focal F original, caracterizado por compreender: proporcionar uma lente, conforme definida na reivindicação 1, compreendendo uma camada de cristal liquido (440) posicionada entre um par de substratos (410) transparentes; um eletrodo padronizado (420) em zona de Fresnel posicionado entre a camada de cristal liquido (440) e a superfície de face de entrada do primeiro substrato (410) transparente, o referido eletrodo padronizado (420) possuindo M zonas, cada zona possuindo L subzonas, referido o eletrodo padronizado possuindo um total de M.L eletrodos individualmente endereçáveis (540) , em que ambos M e L são números inteiros positivos maiores que ou iguais a dois, em que, em cada uma das M zonas, as larguras radias de cada uma das L subzonas individualmente endereçáveis diminui à medida que a posição radial das subzonas individualmente endereçáveis aumentam; uma camada condutora entre a camada de cristal líquido (440) e a superfície de face de entrada do segundo substrato (410) transparente; e um controle elétrico (510) eletricamente conectado às zonas de eletrodos e a camada condutora; aplicar a mesma voltagem a cada um dos k eletrodos individualmente endereçáveis (540) para ajustar o comprimento focal a k.F, onde k é um número inteiro de 1 a M.L.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a voltagem aplicada está entre -3 volts e +3 volts.

21. Método para ajuste contínuo do comprimento focal de uma lente caracterizado por compreender: (a) proporcionar uma lente que compreende uma camada de cristal liquido (440) posicionada entre um par de substratos (410) transparentes; um eletrodo padronizado (420) em zona de Fresnel que possui L níveis de difração posicionados entre a camada de cristal líquido (440) e a superfície de face de entrada do primeiro substrato (410) transparente, os referidos eletrodos padronizados (420) possuem um arranjo circular de anéis individualmente endereçáveis; uma camada condutora entre a camada de cristal líquido (440) e a superfície de face de entrada do segundo substrato (410) transparente; e um controle elétrico (510) eletricamente conectado às zonas do eletrodo e a camada condutora; (b) determinar o comprimento focal projetado; (c) calcular a área da zona de ordem "m" do eletrodo padronizado em zona de Fresnel utilizando a equação: r2m + f'2 = (f' + τηλ)2 onde f' é o comprimento focal projetado e λ é o comprimento de onda projetado; (d) dividir a área calculada da zona de ordem "m" por L ou um número inteiro maior para determinar o número de eletrodos individualmente endereçáveis (540) que formam um projeto de subzona; e (e) aplicar a mesma voltagem ao número de eletrodos individualmente endereçáveis em um projeto de subzona.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que compreende ainda, antes da etapa (a): determinar um ou mais comprimentos focais de projeto; calcular o tamanho máximo de anel no eletrodo padronizado (420) em zona de Fresnel que permite todos os comprimentos focais de projeto serem formados em uma subzona de projeto.

23. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado fato de que compreende ainda determinar o comprimento focal de projeto utilizando um dispositivo localizador de faixa para determinar a distância entre a lente e um objeto desejado.

24. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a voltagem aplicada está entre -3 volts e +3 volts.