CN100595620C - 具有可变焦距的自适应电激活透镜 - Google Patents

Abstract

提供一种可调整焦距的、可电学控制的电激活透镜。该可调整焦距的、可电学控制的电激活透镜能够不连续地或连续地调整焦距。该透镜可以被结合到包括眼睛的各种光学设备中。

Description

具有可变焦距的自适应电激活透镜

相关申请的相互参照

本申请要求在2005年1月21日提交的第60/645839号美国临时申请的优先权，该美国临时申请在此整体引入作为参考。

背景技术

对眼睛的、与年龄有关的光学变化的矫正随着期望寿命继续增长而变得越来越重要。眼睛的、与年龄有关的一种光学变化是老花眼，其中由于晶状体屈曲性降低而很难将近距离的对象聚焦到视网膜上。老花眼通常在人们四十几岁时开始影响人们，因此非常需要对其进行视力矫正。具有固定的聚焦性质的镜片已经广泛地被用作矫正老花眼和其他状况的眼镜和隐形眼镜。

如果镜片具有可调整的聚焦倍率(focusing power)(即，聚焦倍率不是固定的)，那么这些镜片是最有用的。可调整的聚焦倍率给眼睛提供了外部调节，从而将不同距离处的所关注的对象聚焦在焦点上。可调整的聚焦倍率能够利用机械的变焦透镜来实现。但是，机械方法使眼镜体积大并且昂贵。

已经在双焦点透镜中利用了不同的光学技术来既允许近距视觉又允许远距视觉。例如，用户可以佩戴给每只眼睛提供不同聚焦倍率的透镜，一个透镜用于近距离对象，而另一个透镜用于远距离对象。可替换的是，通过利用透镜的区域划分、双焦点衍射透镜或其他划分技术，将近距离对象和远距离对象同时成像到视网膜上，并且大脑区分这些图像。除了双焦点衍射透镜之外，利用这些光学技术的视场很小。而且，由于虹膜阻挡穿过透镜环形部分的光束，所以当瞳孔小时这些光学技术并不能很好地发挥作用。用于矫正的另一种选择是使用单眼视透镜，其中为每只眼睛提供不同的聚焦倍率，一个用于近距离物体，另一个用于远距离物体。但是，当使用单眼视透镜时会影响双眼深度知觉。

已经描述了在光学系统中使周的可电切换的透镜(例如，具有夹在两个导电板之间的液晶层的透镜，其中在施加电场时液晶的定向发生变化)(例如，参见Kowel，Appl.Opt.23(16)，2774-2777(1984年)；Dance，Laser Focus World 28，34(1992年))。在可电切换的透镜中，已经研究了各种各样的构造，其包括菲涅耳区平板电极结构(Williams，SPIE Current Developments in Optical Engineeringand Commercial Optics，1168，352-357(1989年)；McOwan，OpticsCommunications 103，189-193(1993年))。已经描述了可变焦距的液晶透镜(Sato，Jap.J.Appl.Phys.24(8)，L626-L628(1985年))。但是，液晶透镜在眼镜片应用中的使用由于许多因素而受到限制，这些因素包括当焦距改变时衍射效率很低以及由液晶层的所需厚度而导致切换时间缓慢。需要一种具有可调整的聚焦倍率的改进的透镜。

发明内容

提供了一种新型的透镜设计以及相应的用于调整透镜焦距的设备和方法。这种新设计基于可单独寻址的电极图形。此处所描述的是这种新设计的两个应用。第一应用是允许焦距在不连续的值之间切换。在一个实施例中，焦距在初始焦距与该初始焦距的整数倍之间切换。第二应用允许更普通的用途，其中根据设计参数而将焦距从可能的最小值连续调整到无穷大。这种新设计克服了上面描述的困难。

更确切地说，提供一种可调整聚焦的、可电学控制的电激活透镜(electroactive lens)。还提供用于不连续地或连续地调整可电学控制的电激活透镜的多种方法。可电学控制的电激活透镜允许在没有笨重的和无效的机械运动的情况下调整焦距。与同时视(simultaneousvision)透镜和单眼视透镜相比，电激活调整聚焦倍率，并且在每种工作条件下，整个孔径都具有相同的聚焦倍率，所述同时视透镜诸如双焦点眼镜、三焦点眼镜或者渐进眼镜或隐形眼镜，其中每个视线的视场都被限制于狭窄的通道并且用户面对两个图像，在所述单眼视透镜中，双眼深度知觉受到影响。由可调整聚焦的、可电学控制的透镜制成的设备在不需要在不同物理透镜之间切换的情况下为可调整的聚焦提供了大视场和高图像质量。这种透镜的其他优点包括紧凑、重量较轻、成本低以及更容易在低电压和低功率损耗的情况下工作。

在一个实施例中，提供一种可调整聚焦的、可电学控制的电激活透镜，该电激活透镜包括：定位在一对透明衬底之间的液晶层；具有M个区域的菲涅耳区被构图电极(a Fresnel zone patternedelectrode)，每个区域都具有位于液晶层与第一透明衬底的面向内的表面之间的L个可单独寻址的子区域，其中M和L是正整数；以及液晶层与第二透明衬底的面向内的表面之间的导电层。该菲涅耳区被构图电极的可单独寻址的子区域可以位于同一个水平面上，其中这些子区域由绝缘体分隔开，以防止电短路，或者该菲涅耳区被构图电极的可单独寻址的子区域可以位于两个或多个水平面上，每个水平面都由绝缘层分隔开，或者可以使用如现有技术中已知的其他构造。

提供一种将透镜的焦距调整初始焦距F的整数倍的方法，该方法包括：提供一透镜，该透镜包括：密封在一对透明衬底之间的液晶层的透镜；位于液晶层与第一透明衬底的面向内的表面之间的菲涅耳区被构图电极，所述构图电极具有M个区域，每个区域都具有L个子区域，所述构图电极总共具有M·L个可单独寻址的电极；液晶层与第二透明衬底的面向内的表面之间的导电层；以及电连接到电极区域和导电层的电控制装置；给每k个可单独寻址的电极施加相同的电压，从而将焦距调整为kF，其中k是从1到ML的整数。可以不连续地将焦距从F调节为无穷大。

提供一种连续调整透镜的焦距的方法，该方法包括：(a)提供一透镜，该透镜包括密封在一对透明衬底之间的液晶层；菲涅耳区被构图电极，其具有位于该液晶层与第一透明衬底的面向内的表面之间的L个衍射级，所述构图电极是可单独寻址的多个环的圆形阵列；液晶层与第二透明衬底的面向内的表面之间的导电层；以及电连接到电极区域和导电层的电控制装置；(b)确定所希望的焦距(f′)；(c)利用方程式：来计算菲涅耳区被构图电极的第m个区域的面积，其中f′是设计焦距，λ是设计波长，而r_m是第m个子区域的半径；(d)用L或更大的整数去除计算得到的第m个区域的面积，以确定形成设计子区域的可单独寻址的电极的数量；(e)向设计子区域中的这些数量的可单独寻址的电极施加相同的电压。这种用于连续调整焦距的方法在步骤(a)之前还包括：确定一个或多个设计焦距；计算菲涅耳区被构图电极中的最大环尺寸，该最大环尺寸允许在设计子区域中形成所有的设计焦距。

在一个实施例中，电极区域由被构图的ITO(氧化铟锡)电极来形成。利用所施加的电场通过重定向液晶来调制每个区域中的相位延迟，如现有技术中已知的那样。

在此所描述的可调整聚焦的、可电学控制的电激活透镜提供了许多优于当前方法的优点。一个优点在于能够可调整地改变透镜的聚焦倍率。衍射透镜的焦距由电极区域间隔来确定。在此所述的透镜中，电极图形是固定的，并且通过改变到电极的电子驱动连接和所施加的电压能够直接改变焦距。在一个实施例中，可单独寻址的电极区域允许矫正不同距离的视力，包括近距离(例如，读取)、中间距离(例如，计算机屏幕)和远距离视力。聚焦倍率可以通过测距仪直接调整或者由用户手动调整。在一个实施例中，微型电子电路与透镜结合，因此该组件很紧凑。并且，电极结构是不可见的，这提供了优于平台液晶方案的在装饰方面的优点。电功率的损失不会影响远距离视力(当不提供电流时所提供的聚焦倍率)。在每种工作条件下，整个孔径具有相同的聚焦倍率。于此在一个实施例中所描述的菲涅耳区结构允许相对较大的孔径，该孔径是镜片应用所要求的。在此所描述的本发明的其他优点包括设计紧凑、重量较轻、成本低，更容易在低电压和低功率耗散的情况下工作。

如在本领域公知的那样，在此所描述的透镜的焦距以及相对应的屈光度的值根据所施加的电压可以是正的或负的。这些变型是本领域的普通技术人员在不进行不当实验的情况下就可以获知的，并且在此包括这些变型。

如在此所用的那样，“可调整的聚焦”意味着，透镜的焦距在如常规光学透镜中的一个距离处不是固定的。通过利用本领域公知的装置改变施加到电极的电压来调整可调整聚焦透镜的焦距。在一个实施例中，用户调整焦距从而看到在所希望的距离处的对象。“可单独寻址的”意味着能够向不同的电极独立地施加相同或不同的电压。“可电学控制的”意味着施加电压来控制或改变参数，诸如改变液晶的定向状态，如本领域中所公知的那样。“连续地调整”意味着可以将焦距调整为并非精确的是原始焦距的倍数的许多不同值，并且由于目前被构图的电极制造技术的物理限制，“连续地调整”并不一定意味着每个不同的焦距都是可得到的。

如在此所使用的那样，“层”并不要求是完全均匀的膜。可能存在一些厚度不均匀、破裂或者其他缺陷，只要该层实现其预期的目的，如在此所描述的那样。如在此所使用的那样，“垂直”意味着大致垂直于衬底的表面。注意，光轴一般是大致垂直于衬底的表面。如在此所使用的那样，电极之间的“无水平间隙”包括其中当沿垂直方向观看时电极之间没有间隔的情况，并且还包括其中当沿垂直方向观看时电极之间有间隔但其并不会使光学仪器的衍射效率从理论最大值降低大于25％的情况，以及其中所有的各个值和范围。

本发明的设备可被用在本领域中公知的各种应用中，包括用于人类或动物的视力矫正或修改的透镜。这些透镜能够被结合到眼镜中，如本领域所公知的那样。眼镜可包括一个透镜或多于一个透镜。这些设备也可以被用在显示应用中，如本领域普通技术人员在不进行不当实验就可以知道的那样。本发明的透镜也可以与常规透镜和光学系统一起使用。本发明的透镜可以用作常规透镜的一部分，例如插入到常规透镜中，或者可以堆叠方式来使用常规透镜与本发明的透镜的组合。

本发明在制备眼镜中是有用的，所述眼镜具有根据距所观察对象的距离而调整聚焦强度的透镜。在一个实施例中，测距机构、电池和控制电路被容纳在眼镜中或者是独立的控制系统的部分。这些部件及其用途在本领域是公知的。作为一个例子，测距机构用于确定眼镜与所希望的对象之间的距离。这一信息被供给微处理器，该微处理器调整施加到可单独寻址的电极的电压，这向透镜提供所希望的相位传输功能以观看该对象。

如本领域中所公知的那样，可以使用向电极施加电压的各种方法。可以使用电池来供给电压，或者使用其他方法，如本领域所公知的那样。本领域中已知，可以使用控制被施加到电极的电压的所有方面的各种方法，这些方法包括处理器、微处理器、集成电路和计算机芯片。所施加的电压由所希望的相位传输功能来确定，如本领域所公知的那样。

附图说明

图1示出衍射透镜的图解说明：图表(a)是常规的折射透镜；图表(b)是具有连续的二次刻痕(blaze)轮廓的衍射透镜；图表(c)是二元衍射透镜；图表(d)是衍射透镜的四级近似。

图2示出衍射透镜的结构。

图3示出液晶单元。

图4示出具有被构图的电极的电激活液晶透镜的一般结构。

图5A示出其中所有电极都位于同一平面上的结构(单层结构)，其中在邻近的子区域之间有小间隙。

图5B示出其中编号为奇数的电极和编号为偶数的电极交错成两个水平层并且在邻近的子区域之间没有间隙的结构(双层结构)。

图6示出利用可单独寻址的电极图形的数字可变焦距的例子。

图7示出利用具有适当分辨率的电极的可单独寻址的圆形阵列对焦距进行连续调整。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，此处简要地回顾一下液晶单元的基本概念，以及衍射透镜的一些基本概念和自适应透镜的原理。

衍射透镜

衍射透镜在本领域是公知的。衍射透镜的功能是基于菲涅耳区图案的近场衍射。从该结构发出的每个点都用作球面波的发射体。特定观测点处的光场是所发射的球面波对整个结构的贡献的总计。来自各个点的球面波的相长干涉在观测点产生高强度，该高强度对应于高衍射效率。

图1示出衍射透镜的图解说明：图表(a)是常规的折射透镜；图表(b)是具有连续的二次刻痕轮廓的衍射透镜；图表(c)是二元衍射透镜；图表(d)是衍射透镜的四级近似。

图1的图表(a)示出常规的折射透镜的一部分。通过移除折射透镜的2π的倍数的相位延迟，获得了如图1的图表(b)所示的衍射透镜。每个区域边界处的相位跃变对于设计波长λ₀来说都是2π，并且每个区域中的刻痕轮廓在焦点处形成完全的相长干涉。图1的图表(c)和图1的图表(d)示出了对图1(b)中所希望的相位轮廓的不同的近似，其中每个区域中的多个阶梯都用来近似所希望的相位轮廓。

图2示出衍射透镜的结构。显示出沿光轴的焦距(f)。显示出垂直于光轴的半径(r_m)。注意，光进入半径(r_m)的透镜而到达焦点F所行进的路径相当于焦距(f)加上整数个波长(mλ)，以便具有相长干涉。

换句话说，衍射透镜的焦距(f)由这些区域的周期来确定。光程长度差是波长的倍数。对于第m个区域来说，注意，f+mλ是图2中的直角三角形的斜边：

$r_m^2+f^2={(f+\mathrm{m\λ})}^2---\left(1\right)$

对于傍轴近似，f＞＞mλ，这些区域或区域边界的半径(r)由下式给出

$r_m^2=2\mathrm{m\λf}---\left(2a\right)$

其中r_m是第m(m＝1，2...M)个区域的外径，λ是波长，而f是焦距。对于L级衍射透镜来说，每个区域都由尺寸(面积)相等的L个子区域组成。注意，有L个子区域，并且每个子区域都具有不同的光学厚度，因此，具有L个相位等级。

第m个区域的第n个子区域(n＝1，2，3...L，L是每个区域中的相位等级的数量)的外径由下式给出

$r_m^n=\sqrt{2[(m-1)+n/L]\mathrm{\λf}}---\left(2b\right)$

这确定了菲涅耳区图案，其在r²时是周期性的。该周期等于r₁ ²。注意，r₁是第一区域的半径，并且每个区域都具有相同的面积。衍射透镜的焦距是

$f=\frac{r_1^2}{2\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

上面的方程式意味着能够通过选择区域周期来改变焦距。对于焦距为p·f的透镜，每个区域的尺寸(面积)是p·r₁ ²。

多级衍射透镜(或L相位等级衍射透镜)的衍射效率由下式给出

$\mathrm{\η}=\sin c^2(1/L)={\left[\frac{\sin (\mathrm{\π}/L)}{\mathrm{\π}/L}\right]}^2---\left(4\right)$

表1给出了1-屈光度衍射透镜的各个参数。如表1中所示，衍射效率随着相位等级的数量的增大而增大，而最后一个子区域的宽度随着透镜的孔径的增大而减小。

表1

液晶单元

液晶单元在本领域中是公知的。液晶单元的许多单元构造和操作在本领域也是公知的。

图3示出电激活液晶单元的图解实施例，其中液晶层被夹在具有导电内表面的两个玻璃板之间。这两个板的表面涂敷有诸如聚乙烯醇(PVA)或尼龙6，6的对准层，并且这些表面通过摩擦来处理，以给出均匀的分子定向。如本领域所公知的那样，沿着箭头所示的方向将对准层抛光。向板的导电内表面施加电压。在利用液晶作为电光介质的电激活单元中，每个区域都具有相同的厚度，但是，当向该介质施加电压时，由于液晶分子的重新定向而使异常光束的折射率发生变化。如图3中所示，抛光方向确定了液晶分子的初始定向。液晶分子的长轴(光轴)垂直地对准。当施加适当的电压时，分子旋转。有效折射率(n_e′)由下式给出

$n_e^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{(n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}+n_o^2{\cos }^2\mathrm{\θ})}}---\left(5\right)$

其中n_o和n_e分别是寻常光束和异常光束的折射率，θ是分子的光轴与垂直轴之间的角。异常光束最初具有最大折射率n_θ。随着所施加的电压的增大，有效折射率n_e′变得更小，并且当施加饱和电压时，分子的光轴水平地对准，而有效折射率n_a′达到最小，并且等于n_o。(水平偏振的)寻常光束的折射率总是相同。因此，电光效应调制异常光束的有效折射率。

在此所描述的液晶单元中，一个衬底上的导电材料并不形成均匀的层，而是形成电极图形，如在此进一步描述的那样。

图4示出具有被构图的电极的电激活液晶透镜的一般结构。从上到下，这些层包括：

410衬底，

420被构图的电极(可单独控制的电极)，

430对准层，

440液晶和450隔离物(或多个隔离物)，

430对准层，

460接地，以及

410衬底。

特别地，图4示出在此所用的电激活液晶透镜的一般结构。液晶层430夹在被构图的电极420与接地电极460之间。被构图的电极430可以通过沉积在玻璃衬底上的导电膜的光刻处理来制作，如本领域所公知的那样，并且接地电极460包含按照本领域所公知的任何方式而形成的均匀的导电层。这些被构图的电极包括许多环的圆形阵列，这些环的半径由所希望的焦距来确定，如在此所描述的那样。液晶440的电光效应导致可电学控制的双折射。通过向被构图的电极施加合适的电压来改变跨越透镜的相位轮廓，如在此进一步所描述的那样。

导电材料可以是任何适合的材料，这些材料包括在此特别描述的那些材料以及本领域所公知的其他材料。优选的是，该导电材料是透明的，诸如氧化铟、氧化锡或氧化铟锡(ITO)。衬底可以是能够提供所希望的光学透射并且能够在此所述的设备和方法中发挥作用的任何材料，诸如石英、玻璃或塑料，如本领域所公知的那样。导电层的厚度通常在30nm与200nm之间。该层必须足够厚得来提供足够的传导，但是不能厚得向整体透镜结构提供过大的厚度。被构图的电极420可以利用光刻技术来形成，诸如在此所描述的那样并且本领域的普通技术人员公知的那样。

图5A示出其中所有电极在同一平面上的结构(单层结构)，其中在邻近子区域之间具有小的间隙。通过导线520将控制器或驱动器510连接到通孔或接点530，这些通孔或接点530依次被连接到可单独控制的电极540。注意，通过绝缘层(未示出)可以使导线520与电极540电绝缘，然后通过通孔(所述绝缘层中的孔或通道)或接点530可以使导线选择性地接触到电极。这种类型的接触制造在制造光刻中以及在集成电路制造中是公知的。

更确切地说，图5A示出一层中的同心、可单独寻址(可单独控制)的成环形的电极布局。忽略导线520和通过绝缘的通孔，因为所有电极都在单层中，所以这种布局被限定为“单层”结构。

交替地，导线520可以紧密组合在相对于同心的环形电极径向地移动的总线(未示出)中。

注意，可以利用其他的被构图的电极形状。例如，六边形阵列可以包含六边形像素，或者栅格阵列可以包含正方形像素，或者不规则形状的集合可以校正不对称的折射误差。可以制作不规则的或复杂成形的电极来校正特有的不对称的或非常规的或高阶折射误差。另外，这些电极可以具有沿光轴方向可变的厚度，以便形成与液晶更复杂的相互作用。

交替地，特别是如果多于两个像素配合在一个环形电极的宽度内，可以控制具有高像素密度的阵列来近似图5A的同心环，以形成衍射透镜。这种高像素密度的阵列也可以近似更复杂的形状。

回到图5A，将最内部的环形电极定义为编号是1的电极，向外计数到第16个最外面的电极。注意，最内部的电极优选可以是全圆形而不是环形，但是图5A示出了对称的环，并且以便用最内部的环形电极更清楚地示出通孔或接点530。

为了形成4级或4相位衍射透镜，将最内部的四个环组合成一个区域。该第一区域包括电极1-4，从最内部的电极向外编号。这些电极1-4中的每一个都是第一区域的子区域。第二区域包括电极5-8。第三区域包括电极9-12。第四区域包括电极13-16。这种16个电极的组合产生具有4个区域的4级(或相位)衍射透镜。

如上面所讨论的那样，每个环形电极540都可由导线520独立地寻址。如果所有电极都分布在一个层中，那么在邻近电极之间必须有电绝缘间隙。电极之间的间隙可能导致相位畸变，并且这种设计的模拟显示出这种相位畸变可能大大地影响衍射效率和其他性能测量。

为了减轻由单层设计中的电极之间的绝缘间隙所引起的畸变，可以使用其他电极构造。例如，可以将环形电极分离成两个不同的层，以形成“双层”设计。

特别地，编号为奇数的环可以位于一个电极层中，而编号为偶数的环可以位于分开的第二电极层中。这两个不同的电极层可以由诸如SiO₂的绝缘层来隔离。

图5B示出其中编号为奇数的电极和编号为偶数的电极交错成两个水平层并且在邻近的子区域之间没有间隙的结构(双层结构)。

控制器或驱动器510通过导线520传递到这些电极，并且这些电极组合成具有偶数环的层542和具有奇数环的层544。这两个电极层由绝缘层SiO₂ 544隔离。为了光刻制造对准还示出了铬(Cr)对准标记560。还示出了区域m 580和区域m+1 590，其对应于图5A的邻接的区域。

在图5B中，显示出双层电极图形的横截面，其中当沿垂直方向观察(沿着光轴观察)时，编号为奇数和编号为偶数的环分布在两个分开的层中，并且在两个邻近电极之间没有间隙。特别地，要注意，区域m  580从r_m延伸到r_m+1，并包括总共4个电极。区域m 580中的4个电极中的2个是编号为偶数的电极并位于层542中，而区域m 580中的其余2个电极位于层544中。

在这种情况下，如在单层情况下那样，每个环形电极540可以通过通孔从额外的层(图5B中未示出)单独地寻址。导线520可以位于任何方便的位置或层中。

下面是形成双层结构的一个例子。对于要将被构图的电极施加于其上的衬底来说，将对准标记560沉积在导电层上。任何适合的材料都可被用于对准标记，诸如铬(Cr)。对准标记560允许各种光刻掩膜与衬底适当地对准，并且因此允许图案的对准，所述图案在与利用“掩膜集合”的每个掩膜相关联的加工步骤中形成，所述“掩膜集合”被制造，以便当电极被构图时具有电极的所希望的总光刻清晰度。利用本领域公知并且在此所描述的方法在导电层中构成被构图的电极的区域的一个部分。将诸如SiO₂ 550的一层绝缘体沉积到被构图的导体层上。第二层导体被沉积到SiO₂上并且在第二层导体中形成被构图的电极区域的第二部分。

对准层(未示出)置于第二层导体上并位于第二衬底的导体上方。通过本领域公知的方法来制备对准层，诸如通过单向摩擦来制备。目前所用的对准层是旋涂的聚乙烯醇或尼龙6，6。优选的是，将一个衬底上的对准层按照与另一个衬底上的对准层反向平行的方向进行摩擦。这提供了液晶的适当对准，如本领域所公知的那样。一层液晶被置于衬底之间，并且用玻璃隔离物将衬底分隔开所希望的距离(诸如分隔开3微米到20微米之间)，或者用本领域公知的其他方式将衬底分隔开。隔离物可以是任何所希望的材料，诸如是聚酯薄膜、玻璃或石英，或者对于提供所希望的间隔有用的其他材料。为了获得有效的衍射，液晶层必须足够厚以提供一个波长的被激活的延迟(d＞λ/δn～2.5μm，其中δn是液晶介质的双折射)，但是较厚的液晶层有助于避免饱和现象。较厚的单元的缺点包括转换时间长(正比于d²)和电激活特征清晰度的损失。透明衬底可以分隔开任何距离，这允许所希望数量的被构图的电极以及所希望厚度的液晶层。在特定实施例中，透明衬底分隔开3微米到20微米之间，以及其中的所有各个值和范围。目前优选的间隔是5微米。

在工作中，由控制器向电极施加将折射率改变为希望的程度所需的电压。“控制器”可以包括处理器、微处理器、集成电路、IC、计算机芯片和/或芯片，或者被包括在上述处理器、微处理器、集成电路、IC、计算机芯片和/或芯片中。通常，向电极施加高达大约2Vrms的电压。相位同步的、波形控制驱动器按照公共接地的配置形式被连接到每个电极组。针对最大的聚焦衍射效率而同时优化多个驱动器振幅。如本领域所公知的那样，通过所用的液晶或液晶混合物来确定将折射率变为希望的程度而所需的电压函数。

图6示出了利用可单独寻址的电极图形的数字可变焦距的例子。图表(a)对应于基本焦距F，该基本焦距F由初始的单个电极的面积来确定(即，初始结构的周期).该结构的周期是初始的单个电极的面积。通过在不影响衍射效率的情况下增大透镜的周期能够将焦距增大到F的倍数。图表(b)对应于焦距2F。图6B的每个区域(子区域)的面积都是图6A中对应区域的两倍。在两种情况下，衍射效率是相同的。

在一个特定实施例中，向特定的4相位等级透镜的四个电极施加的电压分别是1.1V、1.31V、1.49V和1.72V。在另一个例子中，向特殊的8相位等级透镜的八个电极施加的电压分别是0.71V、0.97V、1.05V、1.13V、1.21V、1.30V、1.37V和1.48V。本领域的普通技术人员在不进行不当实验的情况下能够很容易地确定施加到电极的电压，并且所述电压是所用的液晶、单元的布置以及其他因素的函数，如本领域所公知的那样。如上所述，根据所希望的焦距，这些电压可以是正的或负的，如本领域所公知的那样。在一个实施例中，施加到电极的电压是在0.5V到2V之间的正值或负值，以及其中的所有各个值和子范围。

绝缘材料可以是任何合适的材料，这些材料包括在此特别描述的那些材料以及本领域中公知的其他材料。在一个实施例中，导电材料和绝缘材料以交替的方式布置，例如以半径增大的多个圆的方式布置。该图案可以是任何所希望的图案，诸如是圆形、半圆形、正方形、角形，或者是提供所希望的效果的任何其他形状，如在此所描述的那样。术语“圆形、半圆形、正方形、角形”和其他形状不是用来表示所形成的精确的形状，相反，该形状是一般形成的形状并且可以包括如本领域所公知的总线线路或者通过衬底产生电流的其他方法。

任何液晶都可被用在本发明中。优选的是，切换时间足够快，使得用户意识不到从一个焦距切换到另一个焦距的延迟。在此所描述的特定实施例中，向列型液晶用作电光介质。在该实施例中，透镜对光的两个正交偏振分量之一作出响应。也可以使用对偏振不敏感的胆甾型液晶，在这种情况下，偏振器是不必要的。本发明中所用的液晶包括形成向列相、近晶相、或胆甾相的那些液晶，这些向列相、近晶相、或胆甾相拥有能够用电场控制的远程取向有序性。优选的是，液晶的向列温度范围宽、容易对准、阈值电压低、电激励响应大和切换速度快，以及具有被证实的稳定性和可靠的工业可用性。在一个优选实施例中，使用E7(由Merck销售的氰基二联苯和氰基三联苯(cyanoterphenyls)的向列型液晶混合物)。能够在本发明中使用的其他向列型液晶的例子是：戊基氰基二联苯(5CB)、(n-正辛氧基)-4-氰基二联苯(80CB)。能够在本发明中使用的液晶的其他例子是：n＝3，4，5，6，7，8，9的化合物4-氰基-4-n-烷基二联苯、4-n-戊氧基二联苯、4-氰基-4″-n-烷基-p-三联苯、以及商业混合物，诸如E36、E46和由BDH(British Drug House)-Merck公司制造的ZLI系列。

电激活聚合物也可以用在本发明中。电激活聚合物包括任何透明的光学聚合材料，诸如J.E.Mark在《Physical Properties ofPolymers Handbook(聚合物的物理属性手册)》(American Instituteof Physics，Woodburry，N.Y.，1996年)中所公开的那些材料，这些材料包含具有在供电子原子团和受电子基(称作发色团)之间的非对称偏振共轭的π个电子的分子，诸如Ch.Bosshard等人在《OrganicNonlinear Optical Materials(有机非线性光学材料)》(Gordon andBreach Publishers，Amsterdam，1995年)中所公开的那样。聚合物的例子如下：聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯咔唑、聚酰亚胺、聚硅烷。发色团的例子是：对硝基苯胺(PNA)、红色分散剂1(DR 1)、4-甲氧基-3-甲基-4′-硝基二苯乙烯、二乙胺基硝基二苯乙烯(DANS，diethylaminonitrostilbene)、二乙基硫代巴比妥酸。电激活聚合物可以由以下步骤产生：a)遵循客户机/主机方案，b)通过发色团共价结合到聚合物(吊链和主链)中，和/或c)通过诸如交联的晶格硬化方法，如本领域所公知的。

聚合物液晶(PLC)也可以用在本发明中。聚合物液晶有时也称作液晶聚合物、低分子量液晶、自增强聚合物、原位复合物、和/或分子复合物。PLC是同时包含相对固定和灵活的顺序的共聚物，诸如由W.Brostow撰写、由A.A.Collyer所编辑的《Liquid CrystallinePolymers：From Structures to Applications(液晶聚合物：从结构到应用)》(Elsevier，纽约-伦敦，1992年，第1章)中所公开的那样。PLC的例子是：包括4-苯腈苯甲酸酯侧基的聚甲基丙烯酸酯和其他类似的化合物。

聚合物分散的液晶(PDLC)也可以用在本发明中。PDLC由液晶液滴分散在聚合母体中来组成。这些材料能够以几种方式来制成：(i)通过向列的曲线对准相位(NCAP)，通过热引致的相位分离(TIPS)、溶剂引致的相位分离(SIPS)、以及聚合作用引致的相位分离(PIPS)，如本领域所公知的那样。PDLC的例子是：液晶E7(BDH-Merck)和NOA65(Norland products公司，NJ)的混合物；E44(BDH-Merck)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的混合物；E49(BDH-Merck)和PMMA的混合物；单体二(聚)季戊四醇羟基丙稀酸戊酯(dipentaerythrol-hydroxy-penta-acrylate)、液晶E7、N-乙烯吡咯烷酮、N-苯基甘氨酸和染料玫瑰红的混合物。

聚合物稳定的液晶(PSLC)也可以用在本发明中。PSLC是由聚合物网络中的液晶组成的材料，其中聚合物构成少于液晶重量的10％。光敏聚合的单体与液晶和UV聚合引发剂混合到一起。在使液晶对准之后，通常由UV曝光引发单体的聚合，并且最后得到的聚合物形成使液晶稳定的网络。对于PSLC的例子，例如参见C.M.Hudson等人的《Optical Studies of Anisotropic Networks in Polymer-Stabilized Liquid Crystals(在聚合物稳定的液晶中的各向异性网络的光学研究)》(Journal of the Society for Information Display，vol.5/3，1-5，(1997年))、G.P.Wiederrecht等人的《Photorefractivity in Polymer-Stabilized Nematic LiquidCrystals(在聚合物稳定的向列型液晶中的光折射率)》(J.of Am.Chem.Soc.，120，3231-3236(1998年))。

自组装的非线性超分子结构也可以用在本发明中。自组装的非线性超分子结构包括电激活的不对称有机薄膜，其能够利用下列方法来制作：Langmuir-Blodgett薄膜，从水溶液中交替聚合电解质沉积(聚阴离子/聚阳离子)，分子束外延附生方法，通过共价偶联反应连续合成(例如：基于有机三氯硅烷的自组装的多层沉积)。这些技术通常导致厚度小于大约1μm的薄膜。

尽管本文的非限制性描述提供了特定的示范性实施例的更多细节，但是不同的透镜和电极构造可用于各种应用。例如，透镜可以浸入液晶溶液中，或者可以将液晶夹在具有梯度折射率变化的平面电极板之间。后者使液晶对准更容易，并且使单元更薄，这能够更快地进行切换。另外，不同的电极区域构造可以用在本发明的方法和设备中。如本领域中所公知的这些不同的透镜和电极区域构造意图被包括在本公开内容中。

具有可单独寻址的被构图的电极的新设计

为了克服先前设计的限制，必须对被构图的电极的每个电极子区域单独地寻址。此处呈现两种不同的示范性应用。一种应用允许在基本焦距和基本焦距的倍数之间切换。另一种应用是更普遍的，并且允许将焦距从可能的最小值连续调整到无穷大。

1：焦距的不连续调整

考虑图3中所示的液晶透镜的一般结构，以及考虑图5A或图5B中所示的电极图形。通过向被构图的电极施加适当电压来调整透镜上的相位轮廓，并且该相位轮廓确定了衍射效率。

对被构图的电极的子区域单独寻址增大了区域周期，并因此增大了焦距，而不用损失衍射效率。假定是为具有L相位等级的相位调制设计电极图形的几何形状。根据方程式(2a)、(2b)和(3)，如果通过将每两个邻近的子区域组合成一个，即给两个邻近的电极施加相同的电压，将区域周期r₁ ²增大为2r₁ ²，那么焦距变为2F且不会改变衍射效率(图6)。类似的是，利用固定的电极图形，通过将区域周期分别增大到3r₁ ²、4r₁ ²、...，可以将焦距变为3F、4F，...。一般来说，通过将区域周期增大到kr₁ ²，可以将焦距变为kF(k是正整数)。

如果是为具有例如3屈光度(焦距F＝33.33cm)的基本聚焦倍率和8级相位阶跃的自适应透镜设计可单独寻址的电极图形，那么透镜具有95％的衍射效率。通过将周期增大两倍，焦距将增大为2F＝66.67cm(聚焦倍率＝1.5屈光度)，而效率仍然为95％。通过将周期增大三倍，焦距将增大为3F＝100cm，对应于1屈光度的聚焦倍率，而效率仍然相同。通过将周期增大四倍，焦距将增大为4F＝133.32cm，对应于0.75屈光度的聚焦倍率，而效率仍然相同。类似的是，能够以相同的效率实现更大的焦距(更小的聚焦倍率)。当断开透镜时，没有聚焦倍率。表2示出用于各种聚焦倍率的参数。在表3-5中分别示出了对于3屈光度、1.5屈光度和1屈光度透镜的每个子区域的半径。这些结构参数能够根据在此所介绍的方程式计算出来。可以很容易得出三个聚焦倍率的子区域边界之间的关系。

表2给出了能够利用可单独寻址的被构图的电极而获得的一些聚焦倍率的例子。假定基本的聚焦倍率是3屈光度(F＝33.3cm)，而透镜的孔径是10mm。表2示出了当改变焦距时衍射效率保持相同。

表2

聚焦倍率	相位等级	衍射效率	K值F′＝kF	每个子区域的面积	最后一个子区域的宽度
						3屈光度(F＝33.33cm)	8	95％	1	1.453×10<sup>5</sup>μm<sup>2</sup>	4.6μm
1.5屈光度(F＝66.67cm)	8	95％	2	2.906×10<sup>5</sup>μm<sup>2</sup>	9.2μm
						1屈光度(F＝100cm)	8	95％	3	4.359×105μm2	13.8μm
0.75屈光度(F＝133.32cm)	8	95％	4	5.812×10<sup>5</sup>μm<sup>2</sup>	18.5μm
						0屈光度(关闭透镜)	不适用	-	无穷大	-	-

可单独寻址的被构图的电极的重要优点在于，其向具有用于不同聚焦倍率的自适应能力的相同透镜确实提供了相同的衍射效率。

在该应用中，可调整的焦距是基本焦距F和基本焦距的倍数。因此，调整的分辨率也是F。例如，如果为10cm的基本焦距设计电极，那么可调整的焦距将是10cm、20cm、30cm等直到无穷大。如果其他的中间焦距是所希望的，那么可以使用较小的基本焦距。但是，当F很小时，电极的特征尺寸对于大孔径的透镜来说变得非常小，并且很难利用当前可用的技术使其成本低。

2：焦距的连续调整

所希望的是设计出自适应透镜，使得其能够被所有患者和应用所利用。这需要透镜具有在所希望的范围内连续改变焦距的能力。为此目的，开发了更一般的设计方法学，该设计方法学允许连续地调整焦距。如上所述，被构图的电极是特定尺寸的环的圆形阵列。每个环都是可单独寻址的。环的适当分辨率由要被调整的焦距范围来确定。对于每个预期的焦距，利用方程式(2a)和(2b)能够计算所有区域中的每个子区域的尺寸。可以选择某一数量的环来形成每个子区域，并且能够施加适当的电压。如果这些环的分辨率足够好，那么当焦距改变时，透镜能够总是具有高效率，并且并没有明显的效率变化。被构图的电极所需的分辨率是由所希望的透镜的最后几个区域中的子区域的尺寸来确定，如在此所描述的那样。

图7示出了利用具有适当分辩率的电极的可单独寻址的圆形阵列来连续地调整焦距。图7中的四个例子示出了以μm为单位的用于电极的子集的电极间隔。在例子A、B、C和D中分别描绘了3D、2.5D、2D和1D的聚焦倍率的几何参数。r是区域边界的半径。

这里说明了焦距从～30cm连续变化到无穷大的例子。假定透镜的直径是10mm，并且使用8级相位调制。为了说明原理，在图7中描绘了3D、2.5D、2D和1D的可调整的聚焦倍率的几何参数，其中清楚地示出了每个区域边界的半径和对于最后一个或两个区域的每个子区域的宽度。在表3-7中能够找到这些透镜的更详细的参数。可以看出，对于特定的聚焦倍率来说，在这些透镜的边缘处，每个子区域的宽度变化非常小，并且当透镜的孔径增大时，该变化甚至更小。对于较大的聚焦倍率来说，宽度以及每个子区域的面积较小。假定每个电极在该面积中是1μm宽。在该例子中，由于每个子区域的宽度大于1μm，那么可以将若干个电极组合在一起形成一个子区域，并且使每个子区域的边界靠拢最接近的电极边界。将这些电极的组合意味着向其施加相同的电压。

例如，对于2D的情况(例子C)，可以将7个电极组合以形成区域45的所有子区域。可以类似地形成所有其他子区域。舍入误差引起衍射效率发生非常小的变化。另一方面，在接近透镜中心的区域中，如果使用近似精细的电极，那么相位阶跃可以大于8，并且因此能够增大在该区域中的衍射效率。一般来说，当调整聚焦倍率时，衍射效率将几乎相同。当焦距从1m(聚焦倍率1D)增大到无穷大时，每个子区域的宽度增大，并且通过对所计算出数量的电极进行组合能够产生所有的子区域。因此，在该例子中，可以调整从～30cm到无穷大(聚焦倍率从0到3D)的所有焦距，并且该透镜能够用于需要在该范围内矫正不同距离视力的所有受检者。

如上面指出的，由于接近中心的区域具有较大的几何尺寸，所以在该区域中的电极密度与接近边缘的区域的电极密度相比可以更小(接近中心的电极尺寸可以比其他区域中的那些电极尺寸更大)。如果电极的密度在接近中心的区域中保持相同，那么能够获得较高的相位等级并且将增大衍射级。

实现这一目的的另一种方法是在利用小矩形像素的位置利用古怪的(pixilated)空间光调制器。这些像素能够成多层，从而在垂直观察衬底时减小或消除间隙，类似于在图5B中所示的2层盘状电极。

尽管在此的说明书包含许多特征，但是这些特征不应当解释为限制本发明的范围，而仅仅是提供本发明的一些目前优选实施例的例子。额外的实施例也在本发明的范围内。本发明并不限于用于眼镜。本发明还可以用于显微镜、反射镜、双目镜、以及用户通过其可以进行观看的任何其他光学设备。另外，如对于本领域普通技术人员将显而易见的那样，本发明在其他领域中也是有用的，诸如在电信、光学开关和医疗设备中。在所希望的波长处提供所希望的相位传输功能的任何液晶或液晶的混合物在本发明中都是有用的，如本领域的普通技术人员所公知的那样。确定合适的电压以及向液晶材料施加合适的电压以产生所希望的相位传输功能在本领域中是公知的。

除非另有说明，所描述或举例说明的每个设备或部件的组合都可以用于实施本发明。诸如施加所用的电压的驱动器、电压的控制器的额外部件以及任何附加的光学部件对于本领域的普通技术人员都是公知的，并且可以在没有不当实验的情况下结合。化合物的专用名意在是示范性的，如已知的是本领域的普通技术人员能够用不同名称来命名相同的化合物。当在此描述一种化合物以致没有例如以公式或以化学名称来指明化合物的特殊异构体或对映异构体时，该描述意在包括单独描述的或以任何组合方式描述的化合物的每种异构体和对映异构体。本领域的普通技术人员将理解，不采取不当的实验，可以在本发明的实践中采用除了特别举例说明之外的方法、设备元件、起始材料和制作方法。所有本领域公知的任何这种方法、设备元件、起始材料和制作方法的功能等价物都意图被包括在本发明中。当在说明书中给出了一个范围，例如厚度范围或电压范围，那么被包括在给定范围内的所有中间范围和子范围以及所有各个值都意图被包括在该公开内容中。

如在此所使用的那样，“包括”与“包括在内”、“包含”、或“特征在于”同义并且都是包括性的或开放式的，且并不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。如在此所使用的那样，“由......组成”排除了未在权利要求的元件中指明的任何元件、步骤或成分。如在此所用的那样，“基本由......组成”并不排除本质上并不影响该权利要求的基本的和新颖特征的材料或步骤。特别是在合成物的成分的描述中或者在设备的元件的描述中，任何在此列举的术语“包括”都被理解为包括基本上由所列举的部件或元件组成以及由所述部件或元件组成的那些合成物和方法。在此适当地图解说明描述的本发明可以在没有在此特别公开的任何元件或多个元件、限制或多个限制的情况下实现。

已经采用的术语和表达被用作说明而非限制的术语，并且使用这种术语和表达不意在排除所示出和描述的特征或其部分的任何等效方式，而可以认识到的是，在所要求保护和描述的本发明的范围内，各种修改都是可能的。因此，应该理解，尽管已经用优选实施例和可选特征特别公开了本发明，但是本领域的普通技术人员可以采取在此所公开的概念的修改和变化，并且这种修改和变化被认为在本发明的范围内。

一般来说，在此所使用的术语和用语有其在本领域公认的含意，可以参考本领域普通技术人员公知的标准文本、期刊的参考和上下文而得到该公认的含意。提供特定的定义来阐明其在本发明上下文中的特殊用法。说明书中提及的所有专利和公开文献都表示本发明所属领域的普通技术人员的程度。

本领域的普通技术人员将很容易地理解，本发明充分适合于实现这些目的并且获得所提及的以及其中固有的目标和优点。在此所描述的作为目前代表优选实施例的设备和方法以及附属的方法都是示范性的，而不是意图作为对本发明范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说可存在其中的改变和其他用途，这些改变和用途被包含在本发明的精神内并由权利要求的范围来限定。

在此所引用的所有参考在与本说明书的公开内容不矛盾的程度引入作为参考。在此所提供的一些参考在此引入作为参考，从而提供关于附加的设备部件、附加的液晶单元配置、附加的被构图的电极的图形、附加的分析方法以及附加的本发明的用途的细节。

G.Smith等人的《The eye and visual optical instruments(眼睛和视觉光学仪器)》，剑桥大学出版社，1997年。

G.Vdovin等人的《On the possibility of intraocular adaptiveoptics(关于眼内自适应光学系统的可能性)》，Opt.Express 11：810-817，2003年。

G.Williams等人的《Electrically controllable liquidcrystal Fresnel lens(可电学控制的液晶菲涅耳透镜)》，Proc.SPIE1168：352-357，1989年。

J.S.Patel等人的《Electrically controlled polarization-independent liquid-crystal Fresnel lens arrays(电控制的不依赖于偏振的液晶菲涅耳透镜阵列)》，Opt.Lett.16：532-534，1991年。

B.Dance的《Liquid crystal used in switchable Fresnel lens(在可切换的菲涅耳透镜中所用的液晶)》，Laser Focus World 28：34，1992年。

M.C.K.Wiltshire的《Non-display applications of liquidcrystal devices(液晶设备的非显示应用)》，GeoJ.Research 10：119-125，1993年。

H.Ren等人的《Tunable Fresnel lens using nanoscalepolymer-dispersed liquid crystals(利用纳米比例的聚合物分散的液晶的可调谐菲涅耳透镜)》，Appl.Phys.Lett.83：1515-1517，2003年。

C.W.Fowler等人的《Liquid crystal lens review(液晶透镜回顾)》，Ophthal.Physiol.Opt.10：186-194，1990年。

J.A.Futhey的《Diffractive bifocal intraocular lens(衍射的双焦点眼内透镜)》，Proc.SPIE 1052：142-149，1989年。

S.Sato等人的《Variable-focus liquid crystal Fresnel lens(可变焦点的液晶菲涅耳透镜)》，Jpn.J.Appl.Phys.24：L626-L628，1985年。

L.G.Commander等人的《Variable focal length microlenses(可变焦距的微透镜)》，Opt.Commun.177：157-170，2000年。

S.T.Kowel等人的《Focusing by electrical modulation ofrefraction in a liquid crystal cell(通过液晶单元中的折射的电调制的聚焦)》，Appl.Opt.23：278-289，1984年。

Nouhi等人的《Adaptive sphericallens(自适应球面透镜)》，Appl.Opt.23：2774-2777，1984年。

F.Naumov等人的《Liquid-crystal adaptive lenses with modalcontrol(具有模态控制的液晶自适应透镜)》，Opt.Lett.23：992-994，1998年。

M.Y.Loktev等人的《Wave front control systems based onmodal liquid crystal lenses(基于模态液晶透镜的波前控制系统)》，Rev.Sci.Instrum.71：3190-3297，2000年。

N.A.Riza等人的《Three-terminal adaptive nematicliquid-crystal lens device(三端自适应向列型液晶透镜设备)》，Opt.Lett.19：1013-1015，1994年。

P.W.McOwan等人的《A switchable liquid crystal binary Gaborlens(可切换的液晶二元伽柏透镜)》，Opt.Commun.103：189-193，1993年。

S.Masuda等人的《Liquid-crystal microlens with a beam-steering function(具有光束控制功能的液晶微透镜)》，Appl.Opt.36：4772-4778，1997年。

Kress等人的《Digital Diffractive Optics(数字衍射光学系统)》，John Wiley & Sons Ltd.，2000年。

表3.对于3D、15mm、8级衍射透镜的每个子区域的外径。

表4.对于1.5D、15mm、8级衍射透镜的每个子区域的外径。每个区域的面积是相对应的3D透镜(表3)的面积的两倍。

表5.对于1D、15mm、8级衍射透镜的每个子区域的外径。每个区域的面积是相对应的3D透镜(表3)的面积的三倍。每个区域的面积是相对应的2D透镜(表4)的面积的两倍。

区域#

 1     372.49   526.78   645.17   744.98   832.92   912.41   985.52  1053.57

 2    1117.47  1177.92  1235.41  1290.35  1343.04  1393.74  1442.65  1489.97

 3    1535.82  1580.35  1623.65  1665.83  1706.97  1747.14  1786.41  1824.83

 4    1862.46  1899.34  1935.52  1971.04  2005.93  2040.22  2073.95  2107.13

 5    2139.80  2171.98  2203.69  2234.95  2265.78  2296.19  2326.21  2355.84

 6    2385.11  2414.02  2442.59  2470.83  2498.75  2526.36  2553.67  2580.70

 7    2607.44  2633.91  2660.12  2686.08  2711.78  2737.24  2762.47  2787.47

 8    2812.25  2836.81  2861.16  2885.31  2909.25  2933.00  2956.56  2979.93

 9    3003.12  3026.14  3048.98  3071.64  3094.15  3116.49  3138.67  3160.70

10    3182.57  3204.29  3225.87  3247.31  3268.60  3289.76  3310.78  3331.67

11    3352.42  3373.05  3393.56  3413.94  3434.20  3454.35  3474.37  3494.28

12    3514.08  3533.77  3553.34  3572.81  3592.18  3611.44  3630.60  3649.66

13    3668.62  3687.48  3706.24  3724.92  3743.49  3761.98  3780.38  3798.68

14    3816.90  3835.04  3853.08  3871.05  3888.93  3906.72  3924.44  3942.08

15    3959.64  3977.12  3994.53  4011.86  4029.11  4046.29  4063.40  4080.44

16    4097.41  4114.30  4131.13  4147.89  4164.58  4181.21  4197.77  4214.26

17    4230.69  4247.06  4263.36  4279.60  4295.78  4311.90  4327.96  4343.96

18    4359.90  4375.79  4391.61  4407.38  4423.09  4438.75  4454.35  4469.90

19    4485.39  4500.83  4516.22  4531.56  4546.84  4562.07  4577.25  4592.39

20    4607.47  4622.50  4637.48  4652.42  4667.31  4682.15  4696.94  4711.69

21    4726.39  4741.04  4755.65  4770.22  4784.74  4799.22  4813.65  4828.04

22    4842.39  4856.70  4870.96  4885.18  4899.36  4913.50  4927.60  4941.66

23    4955.68  4969.66  4983.60  4997.50  5011.36  5025.19  5038.97  5052.72

24    5066.43  5080.11  5093.75  5107.35  5120.91  5134.44  5147.94  5161.40

25    5174.82  5188.21  5201.56  5214.88  5228.17  5241.42  5254.64  5267.83

26    5280.98  5294.10  5307.19  5320.24  5333.27  5346.26  5359.22  5372.15

27    5385.05  5397.92  5410.75  5423.56  5436.34  5449.08  5461.80  5474.49

28    5487.14  5499.77  5512.37  5524.94  5537.49  5550.00  5562.49  5574.94

29    5587.37  5599.78  5612.15  5624.50  5636.82  5649.11  5661.38  5673.62

30    5685.84  5698.03  5710.19  5722.32  5734.44  5746.52  5758.58  5770.62

31    5782.62  5794.61  5806.57  5818.50  5830.42  5842.30  5854.17  5866.00

32    5877.82  5889.61  5901.38  5913.12  5924.84  5936.54  5948.21  5959.87

33    5971.49  5983.10  5994.69  6006.25  6017.79  6029.30  6040.80  6052.27

34    6063.72  6075.15  6086.56  6097.95  6109.32  6120.66  6131.99  6143.29

35    6154.57  6165.83  6177.07  6188.30  6199.50  6210.68  6221.84  6232.98

36    6244.10  6255.20  6266.28  6277.34  6288.38  6299.40  6310.41  6321.39

37    6332.36  6343.30  6354.23  6365.14  6376.03  6386.90  6397.75  6408.59

38    6419.40  6430.20  6440.98  6451.74  6462.49  6473.21  6483.92  6494.61

39    6505.29  6515.94  6526.58  6537.20  6547.80  6558.39  6568.96  6579.51

40    6590.05  6600.57  6611.07  6621.56  6632.02  6642.48  6652.91  6663.33

41    6673.74  6684.12  6694.49  6704.85  6715.19  6725.51  6735.82  6746.11

42    6756.39  6766.65  6776.89  6787.12  6797.33  6807.53  6817.72  6827.88

43    6838.04  6848.17  6858.30  6868.41  6878.50  6888.58  6898.64  6908.69

44    6918.72  6928.74  6938.75  6948.74  6958.72  6968.68  6978.63  6988.56

45    6998.48  7008.39  7018.28  7028.16  7038.02  7047.87  7057.71  7067.53

46    7077.34  7087.14  7096.92  7106.69  7116.44  7126.18  7135.91  7145.63

47    7155.33  7165.02  7174.70  7184.36  7194.01  7203.64  7213.27  7222.88

48    7232.48  7242.06  7251.64  7261.20  7270.75  7280.28  7289.80  7299.32

49    7308.81  7318.30  7327.77  7337.23  7346.68  7356.12  7365.54  7374.96

50    7384.36  7393.75  7403.12  7412.49  7421.84  7431.18  7440.51  7449.83

51    7459.14  7468.43  7477.72  7486.99  7496.25  7505.50  7514.74  7523.96

表6.对于2D、15mm、8级衍射透镜的每个子区域的外径。

表7。对于2.5D、15mm、8级衍射透镜的每个子区域的外径。

Claims (25)

1.一种可调整聚焦的、可电学控制的电激活透镜，其包括：

位于一对透明衬底之间的液晶层；菲涅耳区被构图电极，其具有M个区域，每个区域都具有位于液晶层与第一透明衬底的面向内的表面之间的L个可单独寻址的子区域，其中M和L是正整数；其中在M个区域中的每一个内，L个可单独寻址的子区域中的每一个的径向宽度随着可单独寻址的子区域的径向位置的增加而减小；以及

液晶层与第二透明衬底的面向内的表面之间的导电层。

2.如权利要求1所述的透镜，其中，菲涅耳区被构图电极的可单独寻址的子区域在同一个水平面上。

3.如权利要求1所述的透镜，其中，液晶从由下面的材料组成的组中选择：向列型、胆甾型、电激活聚合物、聚合物液晶、聚合物分散的液晶、聚合物稳定的液晶、以及自组装的非线性的超分子结构。

4.如权利要求3所述的透镜，其中，液晶是向列型的。

5.如权利要求4所述的透镜，其中，液晶是氰基二联苯和氰基三联苯的混合物。

6.如权利要求1所述的透镜，其中，透明衬底是玻璃。

7.如权利要求1所述的透镜，其中，透明衬底是塑料。

8.如权利要求1所述的透镜，进一步包括电连接到可单独寻址的子区域和导电层的电控制装置。

9.如权利要求8所述的透镜，其中，电控制装置向可单独寻址的子区域施加正电压或负电压。

10.如权利要求9所述的透镜，其中，电压在负的3伏特到正的3伏特之间。

11.如权利要求8所述的透镜，进一步包括电连接到电控制装置的测距设备。

12.如权利要求1所述的透镜，其中，被构图的电极和导电层是透明的。

13.如权利要求12所述的透镜，其中，被构图的电极和导电层是氧化铟锡。

14.如权利要求1所述的透镜，进一步包括在液晶层周围的对准层。

15.如权利要求14所述的透镜，其中，对准层是聚乙烯醇。

16.如权利要求14所述的透镜，其中，对准层是聚酰胺6，6。

17.如权利要求1所述的透镜，其中，透明衬底分开3微米到20微米之间。

18.如权利要求1所述的透镜，其中，焦距是正的。

19.如权利要求1所述的透镜，其中，焦距是负的。

20.一种将透镜的焦距调整为初始焦距F的整数倍的方法，该方法包括：

提供一透镜，该透镜包括：密封在一对透明衬底之间的液晶层；位于液晶层与第一透明衬底的面向内的表面之间的菲涅耳区被构图电极，所述被构图的电极具有M个区域，每个区域都具有L个子区域，所述被构图的电极总共具有M·L个可单独寻址的电极；其中M和L是正整数，其中在M个区域中的每一个内，L个可单独寻址的子区域中的每一个的径向宽度随着可单独寻址的子区域的径向位置的增加而减小；液晶层与第二透明衬底的面向内的表面之间的导电层；以及电连接到电极区和导电层的电控制装置；向每k个可单独寻址的电极施加相同的电压，从而将焦距调整为k·F，其中k是从1到M·L的整数。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所施加的电压在负的3伏特到正的3伏特之间。

22.一和连续调整透镜的焦距的方法，该方法包括：

(a)提供一透镜，该透镜包括：密封在一对透明衬底之间的液晶层；菲涅耳区被构图电极，其具有位于该液晶层与第一透明衬底的面向内的表面之间的L个衍射级，所述被构图的电极是可单独寻址的环的圆形阵列；液晶层与第二透明衬底的面向内的表面之间的导电层；以及电连接到电极区和导电层的电控制装置；

(b)确定设计焦距；

(c)利用方程式： $r_m^2+f^{\′2}={(f^{\′}+\mathrm{m\λ})}^2$ 来计算菲涅耳区被构图电极的第m个区域的面积，其中f′是设计焦距，而λ是设计波长；

(d)用L或更大的整数去除所计算得到的第m个区域的面积，以确定形成设计子区域的可单独寻址的电极的数量；以及

(e)给设计子区域中的这些数量的可单独寻址的电极施加相同的电压。

23.如权利要求22所述的方法，在步骤(a)之前还包括：

确定一个或多个设计焦距；

计算菲涅耳区被构图电极中的最大的环尺寸，该最大的环尺寸允许在设计子区域中形成所有设计焦距。

24.如权利要求22所述的方法，进一步包括利用测距设备来确定设计焦距，以确定透镜与所希望的对象之间的距离。

25.如权利要求22所述的方法，其中，所施加的电压在负的3伏特到正的3伏特之间。

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