CN104049382A - 用于结合超颖表面元件的眼科装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了具有介质插件的眼科装置，所述介质插件在上或其内具有纳米结构化的超颖表面元件。在一些实施例中，可形成各种无源眼科装置。还可形成用于基于超颖表面结构的有源眼科装置的方法和装置。

Description

用于结合超颖表面元件的眼科装置的方法

技术领域

本发明描述了具有介质插件和镜片的眼科装置，这些介质插件和镜片在其上或其内具有超颖表面元件。

背景技术

传统上，诸如接触镜片、眼内镜片或泪点塞的眼科装置包括具有矫正、美容或治疗性质的生物相容性装置。接触镜片例如可提供以下一种或多种功能：视力矫正功能性、美容增强作用以及治疗效果。每种功能由透镜的物理特性提供。将折射性质结合到透镜中的设计可提供视力矫正功能。结合到透镜中的颜料可提供美容增强作用。结合到透镜中的活性剂可提供治疗功能性。无需使镜片处于通电状态即可实现此类物理特性。泪点塞传统上为无源装置。

最近已描述了基于通电和非通电眼科插件的新型眼科装置。这些装置可利用通电功能来对有源光学元件供电。

最近，已证实可通过制造表面上排列纳米级金属特征的特定表面结构来形成独特的平坦镜片。可通过控制纳米级特征单位晶胞结构设计来进行各种设计。

可用于限定结合纳米级结构所形成的眼科装置。

发明内容

因此，本发明包括具有并入的纳米级金属特征的介质插件，这些纳米级金属特征具有超颖表面。超颖表面可为亚波长尺寸的特征针对特定波长的光的重复图案。亚波长尺寸的特征的相互作用可与光进行相互作用并改变来自特征的再发射光的相位特性。在这个意义上还可将特征视为纳米级天线。存在许多在插件上形成纳米级金属特征的方法，并且这些插件可封装在眼科材料的镜片裙边中以形成眼科装置。

在一些实施例中，通过将纳米级金属特征形成为横跨插件装置表面的至少一部分的周期性模式来限定插件装置。该周期性模式的周期性长度系数大约等于或小于各种可见光波长。在一些实施例中，可基于对纳米级特征的期望相位特性建模来确定金属特征的形状和尺寸系数的设计。入射到超颖表面元件上的光可以交替的相位特性射出并且可对其进行建模。设计可为从头建模过程，在该建模过程中，将结构的性质、布局、特征位置和其他因素以及对光的效应用于自洽模型中。作为另外一种选择，可使用基于试验设计的迭代建模，该试验设计根据先前结果进行了调整。在一些实施例中，纳米级金属表面的期望镜片特性可具有径向对称的聚焦镜片特性。模型可生成具有径向对称性和元件集合效应的聚焦特性的期望相位特性。当将插件形成为具有与平坦表面相对的三维和弯曲表面时，存在评估方案，该评估方案可用于将具有超颖表面元件的眼科装置的所得镜片特性转化成三维空间和作为等效平坦空间的超颖表面中的眼科装置模型。可存在对超颖表面有效聚焦特性的评估，其可产生设计参数。该过程可与如上所监测的迭代建模过程一起使用。

在一些实施例中，建模过程可通过使用基于软件的算法而发生，基于软件的算法的参数可由使用者提供并且可在计算系统上运行。使用者提供的参数可基于理论要求。在其他情况下，眼科从业者可测量患者的眼科特性和矫正需求并将这些需求列成用于建模系统的一组参数。计算机系统可在一些实施例中提供数字输出或提供呈设计数据点阵列形式的空间设计元素。

在一些实施例中，优选地在光的波长处于可见光谱的情况下，金属特征可具有小的表面积尺寸。例如，超颖表面特征可具有10,000nm²或更小的表面积尺寸。在超颖表面元件放置的周期性中可存在许多多样性。它们可以直线、极化或径向图案或其他周期性模式进行部署。最近的邻近图案的间距可与将要通过元件进行相互作用的期望的光波长有关。在一些实施例中，此间距可小于或大约等于可在可见光谱中出现的早期红色光谱。在一些实施例中，间距或周期性可小于或大约等于700nm。

插件可包封在镜片裙边中。镜片裙边可由通常用于制备接触镜片的材料（例如水凝胶）的材料制成。模制成的眼科裙边可为可用于将镜片定向在眼睛内的稳定特征。这些特征可尤其用于对本身具有高阶矫正方面的超颖表面镜片元件，其中矫正方面并非径向对称。可使用具有各种设计的插件，这些插件可嵌入所得的眼科装置中。上面具有超颖表面元件的插件表面的整体形状可为实质上凸的或者为实质上凹的。可成型为眼科装置插件的其他形状还可包含本公开范围内的技术。

还可制备超颖表面元件的有源或非静态实施例。在一些实施例中，金属层可成型为可在电能的影响下使用以形成或提高超颖表面元件的活性的特征。主动形成的结构的周期性和形状方面与前述部分的论述相似。电介质上电润湿(EWOD)原理可用于一些实施例中。EWOD装置中的不混溶流体之一可含有金属纳米球或金属纳米棒。在一些实施例中，纳米球或纳米棒可具有表面改性以提高其对EWOD流体中其中一种或另一种的偏向性。在一些实施例中，可通过将配体分子化学连接至纳米级金属元件来进行表面改性。其中超颖表面元件将主动形成的插件的表面可具有如下区域，这些区域具有优选的表面自由能量以与EWOD流体进行不同的相互作用。在一些实施例中，EWOD区域的所得状态可限定其中纳米球、纳米棒或其他形状的金属成分可在空间中漫射的条件。通过在EWOD装置中施加电场，可转换区域偏向性，从而导致含有纳米级金属成分的流体积聚成包含超颖表面元件的形状。

可形成包含本身具有三维形状的插件的接触镜片，其中插件表面的至少部分上面可具有静态或有源超颖表面元件，超颖表面元件在这些静态或有源超颖表面元件中具有镜片效应。具有有源超颖表面元件的一些实施例可包含与电介质上电润湿现象作用的元件。EWOD晶胞的流体内可为在一些情况下包含纳米球或纳米棒的纳米级元件。流体中纳米级元件的表面改性可以各种方式执行并且可包括将分子化学连接至纳米级元件的表面以改变其对电介质上电润湿流体中的一者或多者的偏向性。在其上面具有有源超颖表面元件的实施例可响应于电场，该电场可通过位于插件中或眼科装置内的其他元件来控制。在一些实施例中，可变焦接触镜片可通过电控形成有源表面超颖表面元件来形成。

附图说明

图1示出了用于通电眼科装置的介质插件的示例性实施例和通电眼科装置的示例性实施例。

图2示出了具有各种特征的示例性接触镜片，这些特征包括可用于实施本文技术的各方面的结合的单片式插件。

图3示出了图2中所示接触镜片的可供选择的示例性实施例。

图4示出了具有各种特征的示例性接触镜片，这些特征包括可用于实施本文技术的各方面的结合的多片式插件。

图5示出了与基于平坦超颖表面元件的镜片和设计将双曲面相位分布用作镜片的超颖表面元件有关的现有技术的方面。

图6示出了对基于三维镜片基片而非平坦基片的纳米结构建模的改变。

图7示出了可用于对镜片建模的相位特性评估。

图8示出了包含有源元件和超颖表面元件的示例性介质插件。

图9示出了具有在激活时引入超颖表面元件的结构的示例性有源眼科装置。

图10示出了具有在激活时引入超颖表面元件的结构的可供选择的示例性有源眼科装置。

图11示出了用于设计和形成结合有静态超颖表面元件的眼科装置的示例性方法。

图12示出了用于设计和形成结合有动态超颖表面元件的眼科装置的示例性方法。

图13示出了用于利用结合有动态超颖表面元件的眼科装置的示例性方法。

具体实施方式

本发明涉及一种具有超颖表面元件的眼科装置，这些超颖表面元件可影响眼睛环境中电磁辐射的变化。以下部分将详细说明本发明的实施例。对优选实施例和可供选择的实施例的描述均仅为示例性实施例，并且应当理解，对于本领域的技术人员而言其变型、修改形式和更改均可能是显而易见的。因此，应当理解，所述示例性实施例不对本发明的范围构成限制。

术语

在涉及本发明的该说明书和权利要求中，所使用的各个术语定义如下：

通电的：如本文所用，是指能够提供电流或能够在其内储存电能的状态。

能量：如本文所用，是指使物理系统做功的能力。本发明中的多种用途可能涉及在做功的过程中能够执行电动作的所述能力。

能量源：如本文所用，是指能够提供能量或使逻辑或电装置处于通电状态的装置或层。

能量采集器：如本文所用，是指能够从环境中提取能量并将提取的能量转换成电能的装置。

功能化的：如本文所用，是指使层或装置能够执行包括例如通电、激活或控制的功能。

渗漏：如本文所用，是指不利的能量损耗。

镜片或眼科装置：如本文所用，是指位于眼睛内或眼睛上的任何装置。这些装置可提供光学矫正，可具有美容作用或可提供与眼睛无关的一些功能性。例如，术语镜片可指用于矫正或改进视力或提升眼部机体美观效果（例如虹膜颜色）而不会影响视力的接触镜片、眼内透镜、覆盖镜片、眼部插件、光学插件或其他类似的装置。作为另外一种选择，镜片可提供非光学功能，例如监测糖或服用药物。在一些实施例中，本发明的优选镜片是由有机硅弹性体或水凝胶制成的软性接触镜片，其中水凝胶包括例如硅水凝胶和含氟水凝胶。

镜片形成混合物或反应性混合物或反应性单体混合物(RMM)：如本文所用，是指可固化并交联、或可交联以形成眼科镜片的单体或预聚物材料。各种实施例可包括镜片形成混合物，其中镜片形成混合物具有一种或多种添加剂，例如紫外线隔离剂、着色剂、光引发剂或催化剂以及眼科镜片（例如角膜接触镜片或眼内镜片）可能需要的其他添加剂。

镜片形成表面：如本文所用，是指用于模塑镜片的表面。在一些实施例中，任何此类表面均可以具有光学质量表面光洁度，这表示它足够光滑，并且成型为使得镜片表面具有可接受的光学特性，该镜片表面通过与模具表面接触的镜片形成材料的聚合作用而成型。此外，在一些实施例中，镜片形成表面可具有赋予镜片表面期望的光学特性所必需的几何形状，包括但不限于球面、非球面以及柱面度数、波前像差矫正、角膜形貌校正等，以及它们的任何组合。

锂离子电池：如本文所用，是指锂离子在其中移动穿过电池以产生电能的电化学电池。这种通常称之为电池组(battery)的电化学电池可以其典型形式再通电或再充电。

介质插件：如本文所用，是指将并入通电眼科装置中的封装插件。通电元件和电路可结合到介质插件中。介质插件限定了通电眼科装置的主要用途。例如，在通电眼科装置允许使用者调整光功率的实施例中，介质插件可包括控制光学区中的液体弯月面部分的通电元件。作为另外一种选择，介质插件可为环形的以使得光学区不含材料。在此类实施例中，镜片的通电功能可能不为光学性质，但可能为例如监测糖或服用药物。

超颖表面：如本文所用，是指周期性排列的纳米级特征的人工组合。这些组合产生与天然结构不同的有用特性。在本文中的实施例，特征与特别是处于可见光谱中的光的相互作用可允许构造镜片装置。

模具：如本文所用，是指是指可以用于利用未固化的制剂来形成镜片的刚性或半刚性物体。一些优选的模具包括形成前曲面模具部件和后曲面模具部件的两个模具部件。

纳米级：如本文所用，是指具有或至少具有一个尺寸小于大约1微米的一个或多个特征的元件；因此，其针对至少一个尺寸的维数可以纳米表示。

操作模式：如本文所用，是指其中流经电路的电流允许装置进行其主要通电功能的高电流汲取状态。

光学区：如本文所用，是指眼科镜片的佩戴者通过其进行观看的眼科镜片的区域。

功率：如本文所用，是指每单位时间内所做的功或所传递的能量。

可再充电或可再增能：如本文所用，是指恢复到具有更大做功能力的状态的性能。本发明范围内的多种用途可涉及能够在特定的恢复时间周期内使电流以特定速率流动的恢复能力。

再通电或再充电：如本文所用，是指恢复到具有更大做功能力的状态。本发明范围内的许多用途可涉及使装置恢复至使电流在特定的恢复时间周期内使电流以特定速率流动的能力。

基准：如本文所用，是指产生适用于其他电路的理想、固定和稳定的电压或电流输出的电路。基准可源于能带隙，可补偿温度、供给和工艺变化，并且可针对特定的专用集成电路(ASIC)进行专门设计。

从模具脱离：如本文所用，是指镜片与模具完全分离或只是松散地附接使得其可通过轻轻晃动移除或用药签推离。

复位功能：如本文所用，是指将电路设定至特定的预定状态（包括例如逻辑状态或通电状态）的自触发算法机制。复位功能可包括例如功率打开复位电路，其可与开关机构共同工作以确保芯片在初始连接至电源和从存储模式唤醒时的正确启动(bring-up)。

休眠模式或待机模式：如本文所用，是指通电装置在开关机构已关闭后的低电流汲取状态，该状态允许在不需要操作模式时的能量保存。

堆叠的：如本文所用，是指将至少两个部件层紧邻彼此放置，使得其中一层的一个表面的至少一部分接触第二层的第一表面。在一些实施例中，不论是用于粘附还是用于其他功能的膜均可驻留在通过所述膜彼此接触的这两层之间。

堆叠的集成元器件或SIC器件：如本文所用，是指包装技术的产品，其通过在彼此上堆叠每层的至少一部分而将基片的薄层组装到有效集成器件中的，该基片的薄层可含有电子装置和机电装置。层可包括各种类型、材料、形状和尺寸的元器件。此外，层可由各种装置生产技术制成以匹配和呈现各种轮廓。

存储模式：如本文所用，是指包括电子部件的系统的状态，其中电源供给或被要求提供最小的设计负载电流。此术语与待机模式不可互换。

基片插件：如本文所用，是指能够支撑眼科镜片内能量源的可成形的基片或刚性的基片。在一些例子中，基片插件也支撑一个或多个组件。

开关机构：如本文所用，是指与电路集成的元件，其提供响应于外界刺激的各种水平的电阻，而与眼科装置无关。

三维：如本文所用，是指实质上不是平面的形状或表面。

通电眼科装置

参见图1，示出用于通电眼科装置的介质插件100的示例性实施例以及对应的通电眼科装置150。介质插件100可包括可具有或可能不具有提供视力矫正功能的光学区120。在眼科装置的通电功能与视力无关的情况下，介质插件100的光学区120可不含材料。在一些实施例中，介质插件100可包括未处于光学区120中的部分，光学区120包括结合通电元件110和电子部件105的基片115。可存在将超颖表面元件并入眼科装置中的许多实施例；然而许多可将表面部分限定在上面部署有超颖表面元件的光学区120内。

在一些实施例中，电源110（可为例如电池）和负载105（可为例如半导体芯）可附接到基片115。导电迹线125和130可将电子部件105和通电元件110电互连。介质插件100可被完全封装以保护和容纳通电元件、迹线和电子部件。在一些实施例中，封装材料可为半渗透性的以例如防止特定物质（例如水）进入介质插件100，并且允许特定物质（例如环境气体或通电元件内的反应副产物）渗透或逸出介质插件100。

在一些实施例中，介质插件100可并入眼科装置150中，其可包含聚合物型生物相容性材料。眼科装置150可包括刚性中心、柔性裙边设计，在该设计中，中心刚性光学元件包括介质插件100。在一些特定的实施例中，介质插件100可与大气环境直接接触，并且相应前表面和后表面上的角膜表面或介质插件100可封装在眼科装置150中。眼科镜片150的周边155可为柔性裙边材料，包括例如水凝胶材料。

介质插件100和眼科装置150的基础结构可为包括纳米结构化元件的许多实施例提供环境以形成超颖表面。这些实施例中的一些可仅涉及眼科装置的无源功能，其中例如超颖表面元件发挥与例如视力矫正有关的光学效应。其他实施例可涉及具有有源功能的眼科装置，其中超颖表面元件本身同样发挥有源功能。另外，在另外的实施例中，超颖表面元件本身可为眼科装置的有源功能的部件。

参见图2，项目200，可以横截面示出对示例性单片式插件的图示。在图2中，眼科装置220可具有横截面图230，其通过线条210所表示的位置来示出横截面。在示例性实施例中，眼科装置220的光学区可包括偏振元件，其可在横截面中表示为项目235。纳米结构化元件可位于项目235的表面上以形成超颖表面。在其他实施例中，项目235可单独表示上面具有超颖表面元件的表面。项目235可表示三维形成的基片，该基片附接到其他插件形成件以形成插件。

另外，在装置的光学区外部可存在置于单片式插件上的印刷图案，其以项目221示出并且在横截面中示出为项目231。在一些实施例中，插件可仅包括235处的超颖表面元件和231处的任选印刷区域

如在横截面中所示出，单片式插件235可具有三维形状。例如，通过对开始呈平面形式的薄片材料进行热成形，该件可呈三维弯曲形状。可在进行此热成形之前或之后将超颖表面元件可添加至片材。

在一些实施例中，对眼部环境内眼科镜片的定向存在要求。项目250和260可表示有助于对使用者的眼睛的成型眼科镜片进行定向的稳定区特征。另外，在一些实施例中，在单片式插件上使用稳定特征可允许其相对于模制稳定特征定向。定向能力可能对于实质上径向对称的超颖表面特征的放置尤其重要，正如可矫正二阶以及高阶视力偏差的图案的情形。

参见图3，项目300，可以横截面示出图2中所示的示例性单片式插件的变型。在图3中，眼科装置320可具有横截面图330，其通过线条310所表示的位置来示出横截面。在示例性实施例中，眼科装置320的光学区可包括这样的部分（在图中未必按比例示出），其中表面形状对于入射辐射是凹的，这与凸取向相反。这允许这样的实施例，其中并非调整眼科镜片的聚焦方面，而是超颖表面元件可调整镜片表面的发散方面。纳米结构化元件可位于项目335的此凹表面上以形成超颖表面。另外，在装置的光学区外部可存在置于单片式插件上的印刷图案，其以项目321示出并且在横截面中示出为项目331。在一些实施例中，插件可仅包括335处的超颖表面元件和331处的任选印刷区域就与图2中的实施例相同的动机而言，可存在结合到眼科装置中的对准特征或稳定区（如以项目350和360示出），并且可存在印刷于插件上的作为特征331的图案。

参见图4，项目400，可观察到其中多片式插件可用于形成眼科装置的附加实施例。在项目405中，多片式插件422可包括光学区中的有源元件。该图示出横跨线条410的横截面图430。就示例性目的而言，眼科镜片还包括作为项目431的印刷特征，该印刷特征和可在横截面中以项目431表示。另外，示例性镜片可包括稳定特征450和460。

多片式插件还可用于具有环形形状的实施例，其中光学区中无插件材料。由于具有超颖表面，可对环形插件的做出以下修改，其中双片式环形形状存在于以项目436示出的区域中，而插件的单片可位于光学区中并支撑超颖表面元件。

多片式插件的示例性实施例可包括介于两个插件之间的项目435处的弯月面型有源镜片元件。当电池供电电路在整个弯月形镜片部分施加电势时，弯月形镜片可主动改变聚焦特性。超颖表面元件可并入多片式表面中的一者上。在一个非限制性实例中，在有源弯月形镜片的表面上并入无源超颖表面聚焦元件可允许对镜片高阶矫正方面的光学特性进行调整。

多片式插件还可包括有源纳米级超颖表面实施例。在后续章节中，讨论的是关于在项目435处的两个插件之间的区域内主动形成超颖表面元件的实施例。在一些此类实施例中，光学区可具有相对于使用者的眼睛的优选定向。用于形成包括超颖表面的眼科装置的方法可允许镜片的各个元件与稳定元件450和460的被检测到的对准。这些元件然后将保持镜片相对于眼睛的确立定向。

超颖表面镜片元件

参见图5的，项目500，示出基于光与纳米级金属元件的相位改变相互作用的平坦表面型镜片装置的现有技术实施方式的方面。在平坦表面镜片的一些实施方式中，小金属特征可限定在平坦表面上，具有与平坦镜片表面上的光进行相互作用的设计。在项目520至527中，示出功能镜片的一组设计。510的特征包括超颖表面元件的单位晶胞，其以形成镜片的方式横跨平坦表面部署。

在示例性实施例中，将镜片优化为针对1.5微米左右的波长，该波长是可见光谱范围之外的常见通信电磁波长。在其他实施例中，可对可见光谱内的波长进行优化。单位晶胞从项目520变化至523。元件的长度范围可为180至85纳米的长度，这可从长度范围在大约90埃至零的线性元件之间存在一定的角度而观察到。包含超颖表面装置的金属的厚度可为大约50纳米，并且装置彼此可相隔范围从750纳米低至200纳米的间距。当较接近200纳米时，超颖表面元件往往会彼此“通信”并改变相邻装置的性质。在功能装置的展示中，可以四个分立步骤确定单位晶胞元件的数量，但在实践中不同元件设计的数量可能明显更多。各种参数与展示的针对某些波长范围的操作有关。510中超颖表面元件的设计方面（包括其厚度和长度）的变型可用于将超颖表面元件调整至不同的波长范围。

示出的元件和上述参数与用于形成平坦镜片的方面有关，其中超颖表面天线元件的相位改变用于对形成镜片的双曲面径向相位分布590建模。在550中，可存在与对置于平坦镜片560上的元件的期望相位特性进行评估有关的重要元件。镜片560可具有如项目561所示的半径。模制镜片可具有如项目581所示的焦距特性。可表示为位置(x,y)的位置570处的超颖表面元件例如524的模制相位特性使得由项目590所表示的相移特性与球形模型表面580上的位置矢量的投影成正比。这将产生具有所需聚焦特性581的期望镜片功能。可证实对于此类参数关系而言，相移PS(x,y)的此类投影将遵循以下关系式

$\mathrm{PS}(x,y)\≅\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{(x^2+y^2)+f^2}-f)---\left(1\right)$

其中PS(xy)表示平坦镜片上的点xy的期望相移，并且λ表示光的波长，f表示期望镜片的聚焦特性。在极坐标系中，相移PS(r,Θ)为

$\mathrm{PS}(r,\mathrm{\Θ})\≅\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{r^2+f^2}-f)---\left(2\right)$

可显而易见的是，并入此类型的平坦镜片可形成新型眼科装置。在眼内装置中，可能存在平坦聚焦平面。在眼内装置中采用此类设计对于调整静态感测中的聚焦特性而言可能是实际的。作为另外一种选择，在下面章节中的三维形成装置中所讨论的有源元件实施例可同样具有对于平坦镜片型眼内实施例的关联性。

参见图6，项目600，可示出其中针对表面并非平坦的镜片条件的所得模型。对610中以项目620-627示出的超颖表面纳米级元件使用类似的单位晶胞设计可能是实际的。其中元件的设计方面例如其厚度、特征的角度和长度可与期望的焦点中心波长有关并且与期望的相移特性计算值有关。

可显而易见的是，从平坦镜片切换至弯曲镜片可在装置模制过程中带来额外的复杂性。基于弯曲表面的入射平面波的物理相位特性可引入装置相位方面的第一分量。另外，现在超颖表面元件可驻留在全面弯曲的表面上，该表面将改变天线特征在空间中的角取向。此外，就表面弯曲而言，纳米形状的超颖表面元件与彼此之间的直线距离不同于沿着元件之间的表面本身的距离。

可存在可允许评估的镜片设计参数的一些合理评估。例如，对于第一阶，可处理弯曲表面的相位特性，从而引入与表面的平面波相互作用的相位改变，以及独立的超颖表面天线元件的相位改变特性。因此，要对超颖表面天线的设计参数进行建模，可充分考虑归因于与其他相移无关的超颖表面天线的所需相位变化，方式为从三维形成的镜片装置的整体相移中扣除所述相移。

在评估中，由于纳米级超颖表面天线很小，因此将其以点的形式建模可为良好的评估方式。虽然，平面波与倾斜的纳米级超颖表面元件之间相互作用的方式存在差别，但仍可接受的是忽略由评估呈点形式的装置所产生的影响，该点不受弯曲镜片表面可引入的畸变的影响。

另外，在其他评估中，设计中元件之间的间距可基于非弯曲空间中元件之间的距离来评估。在实践中，纳米级元件的密度可影响聚焦装置的效率，并且弯曲实施方式可降低纳米级元件可放置的密度。然而，在弯曲空间不限制纳米级元件的设计密度的评估范围内，装置可形成为具有第一阶效应。

可在图6的图示（项目690）中观察到弯曲空间的效应。球形模型表面可以项目671示出。弯曲表面可以项目691示出，其中诸如项目624的纳米级超颖表面元件可位于点680的表面(x’,y’,z’)上的点处。对相位长度特性所产生的影响可以缩短的相位长度691的形式观察到。评估相移的公式可为相依性为三维的并且由PS(x,y,z)表示或在圆柱坐标系中以PS(r,Θ,h)表示的公式。

施加所提及的各种评估，将期望的整体镜片特性施加至具有超颖表面元件的弯曲镜片表面的方法可关于图7（项目700）进行讨论。在项目710中，可发现具有超颖表面元件的弯曲表面的图形图示。可示出作为项目730的镜片形状的组合相位特性，然后示出作为项目740的超颖表面元件。在其中超颖表面和物理弯曲表面为径向对称和聚焦的示例性情况下，可将组合相移的焦距的差异理解为项目750，其中项目760可表示作为项目760的所得镜片聚焦特性。对两种不同的独立聚焦特性的构造角度的关注可为合理的评估方式，其中770可表示物理弯曲镜片表面聚焦特性顶部上的超颖表面影响的聚焦特性的角度。

继续就评估而言，在720中，可示出在将弯曲眼科镜片装置的相移特性从超颖表面装置分离时的情形。如果评估具有超颖表面元件的弯曲镜片的总体相位影响的三维影响完全来自弯曲装置相位特性，则可评估，通过扣除整个镜片表面上的PS镜片(x,y,z)相位特性，可转化期望需超颖表面模制条件以再次匹配参考图6所述的平坦镜片的条件。这可为具有其中高度参数–h设定为零的表示的圆柱坐标系的等同形式。如果评估通过保持焦距贡献（该贡献可通过保持项目771所示的焦距特性的相对角度来建模）可发生所导致的转化，则可将转化相空间平坦镜片模型的新评估聚焦特性表示为项目750。然后可以关于图6所述的相同方式以及公式1、2计算此类超颖表面元件的设计方面，在这些公式中，“f”现在为来自项目750的评估的有效焦距。在实践中，更先进的波前建模系统可用于严格计算任意三维弯曲表面的期望相位特性和部署在其上的纳米级超颖表面元件的期望相位特性。为了制备符合本领域技术并且具有评估的光学特性的装置，可施加全面评估。

在评估的情形中，如果可通过扣除物理镜片基片的三维特性将圆柱坐标压缩为极坐标关系，则极坐标相位表示可再次为

$\mathrm{PS}(r,\mathrm{\Θ})\≅\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{r^2+f^{\′2}}-f^{\′})---\left(3\right)$

此外，可通过先进的建模方案例如有限差分时间依赖性(FTDT)电磁仿真对各个超颖表面元件的设计参数进行建模。如果在完全三维部署的纳米表面元件进行，则这些仿真可为计算密集型的，但也是可能的。作为另外一种选择，此前讨论的评估可提供一种生成可通过生成式、测量和精细评估循环迭代校正的结果的替代方式。

参见图8，项目800，可发现一些理念的示例性实施例。项目800可表示眼科插件装置，其可在一些实施例中并入眼科镜片中，或本身表示眼科装置。该实例包括使包括集成电路的控制电路840通电的通电元件830。集成电路以及其他元件可控制装置内的其他有源元件。在非限制性实例中，有源区可为能够在光行进通过装置时调整光焦度的弯月面型镜片。在820，超颖表面元件可位于光学区中的装置上面。在810的放大的插图中，可观察到超颖表面元件。这些元件可设计为提供静态光学校正，该静态光学校正与基础镜片元件的光焦度的有源变化结合可提供新型功能。

在一些实施例中，如图9中所示，超颖表面元件可同样以有源方式限定。项目800中所讨论的示例性弯月形镜片可通常采用电介质上电润湿(EWOD)技术。该技术可通过改变液体附近表面的表面自由能量而作用于液体组合。不混溶液体的组合物（其中一种液体例如为极性液体如水溶液，而另一种液体为非极性液体如油）对于EWOD装置而言可为有效的。该技术可用于创建超颖表面元件的有源形成。在项目910中，在整个有源表面上未施加电场的情况下的EWOD型液体组合物可在无规则限定的超颖表面元件情况下导致漫射镜片效应。910的突出部分示出了元件的漫射位置。这些元件可存在于标示为915的流体层中。在该插图中，流体层915可由溶剂化元件构成。在一些实施例中，这些元件可为诸如项目930所示的金属纳米球或诸如项目935所示的金属纳米棒。金属元件可由金、银、铂或可形成纳米尺寸元件的其他元素构成。

纳米元件的表面可涂覆有向纳米尺寸元件赋予表面能的化学物质。这些涂覆的化学物质可确立对某些流体类型的偏向性或远离某些流体类型。示出附接到纳米球930的配体分子931在一些实施例中可使得纳米球在性质上为亲水的或疏水的。如果纳米球为亲水的，则其可优先位于EWOD液体混合物的水性元件中。当第一流体包含纳米尺寸元件如图示中的915时，其他元件913可不含这些元件。然后，流体可以被容纳在由顶部912、侧结构911和电介质917上的表面层916环绕的微型结构中。表面层可以是使得例如水相优选在整个表面润湿，如通过在整个表面的示例性含水流体层915的接触所示。电介质917的下面可以是电极918。流体层可以被另一个电极914接触。当横跨电极918和914施加电势时，电极918附近的表面层916的表面处的表面自由能可通过油型层（其被认为是油型润湿特性）变为有利于润湿。这种情况可在920处示出。

如果将电极限定为使得当定位到较小的区域中时纳米结构含有液体，如针对920情形中液体914的情形，则纳米球聚集到可呈现在920的插图中所示的纳米表面型设计的特征中。这些形状可伴随由纳米球930或纳米棒935构成的聚集的纳米金属特征出现，其可针对前述超颖表面元件以类似的方式与光进行相互作用。具有附接表面分子的纳米球或纳米棒可配制成在尺寸范围2nm–250nm市售的球体尺寸的混合物（商购自DiscoveryScientific Inc.）内的单一尺寸元件。作为另外一种选择，还可使用不同尺寸的组合。可根据球体尺寸或各种尺寸的组合改变流体的光学性质。通过确定液体的纳米球之间的最近间距，配体也可在与光学性质相互作用方面发挥作用。

在一些实施例中，侧面结构911可设计为围绕各个超颖表面元件。在其他实施例中，多个元件可位于每个分离的表面结构内。电极位置918的设计（或缺失电极位置）可为使得各个元件间隔大致250nm或更大的间隔。这些各个分离的晶胞中的设计特征918的相对表面积可确定两种不混溶流体的相对量，这两种不混溶流体用于在EWOD效应导致超颖表面元件的限定时容纳一个流体区域的设计元件。

参见图10，可发现图9中的可供选择的实施例。以与作为限定有源超颖表面元件的方式的电润湿类似的方式操作，图10的实施例组成其中纳米结构化装置沿着电极侧壁的层。在项目1010，示出其中包含纳米结构的液体层沿着小晶胞的底部设置的状况。晶胞具有与实施例900中类似的结构特征。项目1011可为包含微流体晶胞的侧壁。晶胞的顶部可为项目1012。项目1014可为在纳米表面元件的所需形状中形成的电极。项目1013可为形成于电极侧壁上的电介质膜，该电极在其侧面具有期望润湿性质。项目1015可为渗透通过晶胞顶部的电极。项目1016可为包含溶剂化纳米球的流体层，并且项目1018可为其他流体层。层1016可具有类似的金属纳米球930和纳米棒935，并且金属纳米球930和纳米棒935可具有附接的配体分子931以限定纳米结构的表面自由能量，并从而限定优选在内部溶剂化的流体类型。

当在整个电极1015和电极1016上施加电场时，该外加电势可改变项目1016的侧壁区域的表面自由能，从而导致流体层1016沿着如关于1020的图示所示出的侧壁区域移动。区域中流体的积聚可形成项目1020中所示的超颖表面结构。同样，在整个晶胞上施加电压可产生具有模制光学效应的有源纳米结构图案。在一些实施例中，电压的施加可通过容纳在插件结构内的电子器件进行控制，该插件结构也容纳有通电元件。

在项目1020的其中项目位于金属电极附近的实施例中形成的所得超颖表面结构由于具有电介质的金属纳米结构的结构而具有改变的光相互作用，并且第二金属结构可形成与电磁辐射磁场具有更强耦合作用的纳米结构。这可根据诸如电介质膜的厚度的参数形成额外的基于波长的共振。这可形成用于对结合到此类实施例中的纳米表面结构进行建模的其他尺寸。

方法

参考图11，项目1100，可发现设计和形成包括超颖表面(Metasurface)元件的眼科装置的示例性方法。在1101处，可形成用于眼科装置的模型。该模型可包括三维基底形式，该三维基底形式可具有至少两个重要方面。首先，该基底形式将通常限定常规眼科装置的形状，该常规眼科装置的形状可理解光学特性，也可被描绘成赋予入射光的基于点的相位特性。其次，在形状上或形状内，可布置以三维方式部署的纳米级金属元件的网络或阵列。该系统可由复杂的建模系统使用，该建模系统对光学元件的波前特性和与纳米级超颖表面元件电磁相互作用的本质进行建模。在其他简化的评估中，该模型可分解成标准装置镜片特性和叠加式超颖表面镜片，可评估该叠加式超颖表面镜片以用作平坦的超颖表面镜片。不管建模方法如何，可将所需眼科参数与适用于产生基底形状和整个形状的个别纳米表面元件设计的设计方面的实证结果一起反馈给建模系统。

参考1102，模型信息可用于在基底上制造纳米级超颖表面天线元件。在一个非限制性实例中，该过程可首先涉及将超颖表面元件放置在平坦的基底上，然后使基底形成为期望的三维形状。例如，可以通过热成形进行平坦的基底的形成。为了放置超颖表面元件，有许多可产生期望结果的方法。如可用于半导体工业，可热成形的基底可涂覆有化学抗蚀剂的薄膜。然后，例如可使用纳米压印光刻基底将超颖表面元件期望的图案印入到光致抗蚀剂中。纳米压印基底可与期望的眼科基底一样大，或者作为另外一种选择，其可含有期望的眼科基底图案的多种型式。在一些实施例中，可能横跨眼科基底而多次踏纳米压印基底以转印合适的图案。

此外，作为非限制性实例，可通过化学蚀刻或反应离子蚀刻技术对可热成形的基底蚀刻凹槽。可将金属（通常包括金、银、铂或铜或其他金属组分或合金）的膜沉积在具有蚀刻特征和光致抗蚀剂的基底上。然后，剥离工艺(lift-off process)可移除金属和光致抗蚀剂，从而留下纳米结构化结构的图案。化学清除和物理抛光步骤可用于移除光致抗蚀剂或金属层的材料剩余物。

在1103处，可将所得的基底转换为三维成型的结构。在一些实施例中，这可通过使基底热成形来执行。所得的三维形状可变成插件的一部分或可独立成为插件。接下来在1104处，可将具有纳米级金属特征的插件放置到模具形式中。然后在1105处，插件可被眼科材料围绕，该眼科材料可称为反应性混合物并封装，因为眼科材料可聚合并利用插件周围的模具成形。当从模具移除时，可获得眼科装置的形式。在1106处，例如可通过波前象差计测量所得的眼科装置的光学特性。来自测量的结果可用于确定如此形成的装置是否为可接受的。作为另外一种选择，在1107处，可通过基于测量的结果调整建模系统中的参数来形成可供选择的模型。在1108处，可反馈这些经调整的参数和建模特性以用于镜片设计的精化。

参考图12，项目1200，可发现设计和形成包括有源超颖表面元件的眼科装置的示例性方法。流程与参考图11所讨论的类似。在1201处，可形成眼科装置的模型。该模型可包括三维基底形式，该三维基底形式可具有至少两个重要方面。首先，该基底形式将通常限定常规眼科装置的形状，该常规眼科装置的形状可理解光学特性，也可被描绘成对入射光赋予的基于点的相位特性。其次，在该形状上或形状内，可布置以三维方式部署的纳米级形成特征的网络或阵列。如前述章节所讨论，这些形成特征可使得超颖表面元件在电势的作用下形成。所得的设计系统可由复杂的建模系统使用，建模系统对光学元件的波前特性和与纳米级超颖表面元件电磁相互作用的本质进行建模，该纳米级超颖表面元件将以有源形式形成。在其他简化的评估中，该模型可分解成标准装置镜片特性和叠加式超颖表面镜片，可评估叠加式超颖表面镜片用作平坦的超颖表面镜片，并且可评估可能是流体内悬浮液中纳米粒子的集合的复杂有源元件用作固体金属特征。不管建模方法如何，可将所需眼科参数与适用于产生基底形状和整个形状的个别纳米表面元件设计的设计方面的实证结果一起反馈给建模系统。

参考1202，模型信息可用于在基底上制造纳米级超颖表面天线形成元件。在一个非限制性实例中，该过程可首先涉及将超颖表面控制元件放置在平坦的基底上，并且然后使基底形成为期望的三维形状。例如，可以通过热成形进行平坦的基底的形成。为了放置超颖表面控制元件，有许多可产生期望结果的方法。如可用于半导体工业，可热成形的基底可涂覆有化学抗蚀剂的薄膜。然后，例如可使用纳米压印光刻基底将超颖表面元件期望的图案印入到光致抗蚀剂中。纳米压印基底可与期望的眼科基底一样大，或者作为另外一种选择，其可含有期望的眼科基底图案的多种形式。在一些实施例中，可能横跨眼科基底多次踏纳米压印基底以转印合适的图案。

作为一个非限制性的实例，可将金属（通常包括金、银、铂或铜或其他金属组分或合金）的膜沉积在具有压印光致抗蚀剂的基底上。然后剥离工艺可移除金属和光致抗蚀剂，从而留下纳米结构化的特征图案。化学清除和物理抛光步骤可用于移除材料剩余物。可在基底上沉积电介质膜，从而覆盖金属特征和无金属特征的区域。金属特征中的一些可用作用于待构建的EWOD单元的电极，在其他情况中，它们可用于创建围绕每个EWOD单元的壁。可处理沉积的电介质膜以调节其表面自由能。在下一步中，可将EWOD流体添加到横跨基底形成的多个单元。接下来，包括EWOD单元的顶部的层可以放置在生长基底结构上。电互连器可能已放置在顶层结构上以用于电连接。

在1203处，可将所得的基底结构转变为三维成型的结构。在一些实施例中，这可通过使基底热成形来执行。所得的三维形状可变成插件的一部分或可独立成为插件。其也可电连接至插件内的其他组件。接下来，在1204处，可将具有纳米级金属控制特征的插件放置到模具形式中。然后在1205处，插件可被眼科材料包围，该眼科材料可称为反应性混合物并封装，因为眼科材料可聚合并用插件周围的模具成形。当从模具移除时，可获得眼科装置的形式。在1206处，例如可通过波前象差计测量所得眼科装置的光学特性。眼科装置内通电插件中的控制电子器件可允许眼科装置的测试模式激活，并且可测试具有超颖表面元件和没有超颖表面元件的两种状态。来自测量的结果可用于确定如此形成的装置是否为可接受的。作为另外一种选择，在1207处，可通过基于测量的结果调整建模系统中的参数来形成可供选择的模型。在1208处，可反馈这些调整的参数和建模特性以用于镜片设计的精化。

也存在用于使用眼科装置的方法，该眼科装置具有包括超颖表面形成元件的通电插件。在一些实施例中，眼科装置可具有两种与超颖表面形成元件相关的可操作状态。在第一种状态中，当超颖表面元件被激活时，镜片可以具有第一有效焦点特性，并且在另一种状态中，当超颖表面元件失活时，其可具有第二焦点特性。因此，参考图13，项目1300，可发现一种利用这种有源眼科装置的方法。在1301处，可获得具有有源超颖表面元件的眼科装置。当装置是接触镜片实施例时，其可被放置在1302处的使用者的眼睛区域中。当固定到位时，使用者将通过眼睛观察镜片，以获取一定的光学性能和特性。接下来在1303处，使用者可以提供一些激活信号。这可能需要使用者可直接控制的信号，例如以某些方式故意眨眼睑。作为另外一种选择，无线通信装置可由使用者来控制以提供信号。当信号被眼科装置接收时，可使其转换状态。在1304处，使用者然后可通过眼科装置观察状态转换的结果并且识别改变的光学性能和特性。在一些实施例中，使用者可在1305处提供第二激活信号，该第二激活信号可使有源眼科装置恢复到其在步骤1303之前所占据的先前状态。在步骤1306处，装置可从眼睛移除。

Claims (20)

1.一种用于形成眼科装置插件的方法，包括：

在基底上沉积纳米级金属特征，其中所述纳米级金属特征具有小于或大约等于10,000nm²的表面积；

使具有纳米级金属特征的所述基底形成为三维形式；以及

将所述三维形成的基底附接在插件内。

2.一种用于形成眼科装置的方法，所述方法利用根据权利要求1所述的方法并且还包括：

将所述插件放置在模具内；

用所述模具中的反应性混合物围绕所述插件；以及

使所述反应性混合物聚合。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在包括建模软件的计算机化系统上，设计待放置在所述基底上的纳米级金属特征的形状和尺寸。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

将所述插件放置在模具内；

用所述模具中的反应性混合物围绕所述插件；以及

使所述反应性混合物聚合以形成眼科装置。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

测量所述眼科装置的光学特性。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

利用由测量获得的所述结果来调整所述设计过程。

7.根据权利要求6所述的方法，其中输入到所述建模系统中的参数来自对患者执行的眼科测量。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述金属特征以周期性模式布置；并且

所述周期性模式的周期率具有小于或大约等于700nm的尺度。

9.一种用于形成眼科插件装置的方法，包括：

在三维形成的基底上沉积纳米级金属特征，其中所述纳米级金属特征具有小于或大约等于10,000nm²的表面积；

将所述三维形成的基底附接在插件内。

10.一种用于形成眼科插件装置的方法，包括：

在基底上沉积纳米级特征，其中所述特征的一部分包括导电电极；

在包括导电电极的所述特征的至少所述部分上沉积电介质涂层；

处理所述电介质涂层以建立第一流体的偏好；

将具有纳米级特征的所述基底形成为三维形式；以及

将所述三维形成的基底附接在插件内。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

用至少两种不混溶的流体的混合物填充所述基底的区域，其中所述不混溶的流体中的一种是第一流体，并且任何其他流体具有与所述经处理的电介质涂层相反的润湿特性。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一流体包含金属纳米级组分。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述金属纳米级组分含有纳米球和纳米棒中的一种或两种。

14.根据权利要求13所述的方法，其中用表面粘合化学物质处理所述金属纳米级组分的所述表面以建立第一流体的溶剂化偏好。

15.根据权利要求13所述的方法，其中用表面粘合化学物质处理所述金属纳米级组分的所述表面以建立远离第一流体的溶剂化偏好。

16.利用根据权利要求10所述的方法制造的眼科装置的方法，包括：

将所述眼科装置定位在眼睛表面与眼睑之间。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

用激活信号激活所述插件装置中的功能，其中所述功能对应于通过光与纳米级超颖表面特征的相互作用而调整所述插件装置上的入射光的相位特性。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

通过横跨插件内的电极施加电势，所述纳米级超颖表面特征有源地形成在所述插件内，由此

使所述第一流体产生对应的润湿特性。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

基于所述眼科装置的激活，使对由使用者观察的图像的作用可视化。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

通过将电介质上电润湿电极连接至通电元件的电路进行电势的施加，其中所述通电元件被包括在所述眼科装置内。