CN104541186A - 用于调制棱镜和折射界面的曲率变化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种自适应透镜系统包括：i)透镜隔间，其具有透明罩；ii)可变形透明光学元件，其安装在所述透镜隔间中，所述光学元件在所述透镜隔间中在所述透明罩与所述光学元件的上表面之间形成密封上腔室，并且也在所述光学元件的下表面外部界定下区；iii)在所述上腔室中的第一透明流体介质和在所述下区中的第二透明流体介质，所述第一流体介质和所述第二流体介质具有不同的折射率；iv)结构元件，其位于所述上腔室中并且可在所述上腔室中相对于所述可变形光学元件移动以机械地啮合所述可变形光学元件以便进而更改所述可变形光学元件的曲率，进而更改所述自适应透镜系统的折射力或棱镜效应。

Description

用于调制棱镜和折射界面的曲率变化的方法和设备

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119(e)主张2012年2月29日提交的标题为“Method and Apparatus for Modulating Prism and Curvature Changeof Refractive Interfaces”的美国临时申请序列号61/604,608的权益，所述临时申请以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及自适应透镜的领域，并且明确地说，涉及通过更改形状来改变折射力的自适应透镜的领域。

背景技术

自适应透镜是通过更改曲率或折射率来改变折射力的透镜。自适应透镜呈现出优于常规固定焦距透镜系统的若干优点。也许，这些优点中最重要的是它们在不使其节点的位置偏移的情况下改变焦距的能力。另一个优点是自适应透镜可使焦距偏移的速度。通常，自适应透镜需要比固定焦距透镜系统少的能量来更改焦距。自适应透镜的另一个重要属性是它们能够在紧致空间内进行操作。这些特征是在例如人眼等生物系统内使用的基本要求，但其对某些相机和光学仪器应用也是重要的。自适应透镜可用来在人眼内修复完美的视觉功能；同样，它们可在光学装置中用来复制人类视觉体验。

已经设计出各种人造自适应透镜类型。以商标“Holochip”销售的一种类型涉及液压力来改变曲率，其通过挤压有限空间内的液体，从而致使弹性光学膜向前扩张或鼓起来增加其液体折射介质的曲率。参见美国专利号7,755,840和8,064,142。例如压电电子器件等各种机构用来移位驱使这种曲率变化的液体。弹性光学膜的弹性特性使得自适应透镜返回到其静止位置。此类透镜设计提供用于更改光学界面的曲率的解决方案，但具有许多实践限制，例如材料疲劳、温度不稳定性以及不良的光学质量。

自适应透镜技术的其它实例可在调节眼内晶状体的领域中找到。记录了在人眼的晶状体隔间的界限内调制曲率变化的许多尝试。如Holochip透镜等大多数设计通过用液压压力使低模量或弹性光学膜扩张来进行操作。实际上，眼内的精细结构无法产生足够的力来通过这种机制引发曲率变化。

本申请人已经在2011年8月3日提交的标题为“INFLATABLELENS”的美国临时专利申请号61/514,746中公开了一种可变焦距透镜，其中在密封的充以流体的透镜内形成负分压，所述临时专利申请以引用的方式并入本文中。负分压足以使可变形光学界面抵靠着内部支撑结构的表面塌陷。使可变形光学界面回复到其原始形状所需要的力是微不足道的并且以毫克来测量。这正在由眼内肌肉所产生的力的范围内。这种自适应透镜技术适用于相机和仪器应用，但其是由在温度受控的环境(例如人眼内的环境)下最佳起作用的精细结构组成的。本发明人也已经在2008年8月12日提交的标题为“INFLATABLEINTRA OCULAR LENS/LENS RETAINER”的专利合作条约专利申请号PCT/CA2008/001456、公布号WO2009/021327中公开了使用光学弹簧和雕刻光学界面来调制光学凝聚曲率变化用于在整个广阔曲率变化范围内的高分辨率光学器件，所述专利申请以引用的方式并入本文中。

针对自适应透镜，新的工业和消费应用正快速兴起。这些应用中的许多应用将光学部件暴露到例如温度变化、压力可变性、冲击和化学物接触等应力。需要在遭受这些和其它应力的同时仍很好操作的自适应透镜系统。因此，需要改进的自适应透镜系统。

相关技术的前述实例及其相关限制意欲为说明性的而非排他性的。本领域的技术人员在阅读本说明书并研究图式后将容易明白相关技术的其它限制。

发明内容

结合系统、工具和方法来描述和图示以下实施方案及其方面，所述系统、工具和方法打算为示范性和说明性的，而非限制范围。在各种实施方案中，已经减少或消除了一个或多个上述问题，同时其它实施方案针对于其它改进。

本发明提供一种自适应透镜系统，其具有可变形光学元件，所述可变形光学元件分离具有不同折射率的两种透明流体介质，其中所述可变形光学元件由移动结构元件啮合以机械地更改所述可变形光学元件的曲率或形状，进而更改所述自适应透镜的折射力或棱镜效应。

更明确地说，本发明提供一种自适应透镜系统，其包括：

i)透镜隔间，其包括透明罩；ii)可变形透明光学元件，其安装在所述透镜隔间中，所述光学元件包括上表面和下表面，并且进而在所述透镜隔间中在所述透明罩与所述上表面的至少一部分之间形成密封上腔室，并且也在所述下表面外部界定下区；iii)在所述上腔室中的第一透明流体介质和在所述下区中的第二透明流体介质，所述第一流体介质和所述第二流体介质具有不同的折射率；iv)结构元件，其位于所述上腔室中并且可在所述上腔室中相对于所述可变形光学元件移动以机械地啮合所述可变形光学元件以便进而更改所述可变形光学元件的曲率，进而更改所述自适应透镜系统的折射力或棱镜效应。

除了上文描述的示范性方面和实施方案之外，通过参看图式和通过研究以下详细描述将容易明白另外的方面和实施方案。

附图说明

在附图的参考图式中图示示范性实施方案。希望本文中所公开的实施方案和图式应视为说明性的而非限制性的。

图1是本发明的第一实施方案在其静止状态下的垂直横截面图。

图2是图1所示的实施方案在其压缩状态下的垂直横截面图。

图3是第二实施方案在其静止状态下的垂直横截面图。

图4是图3所示的实施方案在其压缩状态下的垂直横截面图。

图5是可变形光学元件的平面图。

图6是移动结构元件的平面图。

图7是具有自适应透镜的二级杠杆臂的正视图。

具体实施方式

贯穿以下描述内容，陈述特定细节以便向本领域的技术人员提供较透彻的理解。然而，可能未示出或详细描述众所周知的元件以免不必要地混淆本公开。因而，描述内容和图式将被认为是说明性的而非限制性意义。

本发明包括自适应透镜系统10(以垂直横截面示出并且关于中心轴A-A大体上对称)。它并入有可变形光学元件12，其光学表面14、16在一侧上与第一流体光学介质18接触并且在其另一侧20上与第二流体光学介质接触。图1示出本发明的第一实施方案，其中可变形光学元件12在其顶点22处牢固地附接到盖罩24。盖罩24是光学透明的圆盘，它围绕其圆周附接到圆形壁26以形成中空透镜隔间28。中空透镜隔间28的底部由可变形光学元件12界定。可变形光学元件12的横截面轮廓可为平坦的、凹陷的、凸起的或这些形状的任何组合。

图5示出可变形光学元件12的平面图，其中中心光学区围绕其周界由径向辐条32和柔性膜34悬挂。可变形光学元件的最外周界包括圆形密封件36，其附接到所得到的密封透镜隔间的圆形壁26。移动结构元件38在图1中示出为在密封透镜隔间28内并且浸入在第一流体介质18内。移动结构元件38是环状物，其具有同心地贯穿环形物的排放口40。移动结构元件38未附接到圆形壁26。它能够自由地在平行于折射系统10的光学轴A-A的方向上行进。图6示出移动结构元件结构38的平面图，所述结构具有中心开口42和排放口40，所述排放口允许第一流体介质18在移动结构元件38沿着光学轴A-A滑动时在整个密封透镜隔间内流动。当移动结构元件38压住可变形光学元件12时，使第二流体介质20移位。

在操作中，移动结构元件38朝向中空透镜隔间28的底部滑动，如图2所示。可变形光学元件12的中心区保持附接到盖罩24，而可变形光学元件12的外围区被压缩并且朝向中空透镜隔间28的底部偏移，从而导致可变形光学元件12的曲率增加，如图所示。可变形光学元件12的第一表面14的曲率在凸度上增加。第二表面16的曲率在凹度上增加。当两种流体介质18、20的折射率充分不同时，折射系统的折射特性改变。当第一流体介质18的折射率大于第二流体介质20时，进入折射系统10的光将变得较发散。当第一流体介质18的折射率小于第二流体介质20时，进入折射系统10的光将变得较收敛。真空可充当折射率为1.0的流体光学介质18。出于本公开的目的，“流体介质”因此包括真空。

图2示出当可变形光学元件12的外围区被压缩并偏移时柔性膜34响应于在中空透镜隔间28内形成的部分真空而朝向透镜罩24扩张。柔性膜34的扩张致使中空透镜隔间28内的流体循环。排放口40允许流体朝向盖罩24循环以填充由移动结构元件38的移动留下的空隙。

图3示出第二实施方案的横截面，除了添加对面的支撑结构44之外，第二实施方案包括与图1所示的相同设备。可变形光学元件12压住位于对面的支撑结构44的顶点46。在这种情形中，可变形光学元件12不必附接到盖罩24。

位于对面的支撑结构44优选地是圆盘形刚性透镜，其包括中心光学器件48和触觉器件50。第二流体隔间52由可变形光学元件12与位于中心的支撑结构44之间的空间形成。因此界定了并入有两种流体介质的封闭系统，其中可变形光学元件12的每一侧上各一种介质，每一种介质在密封隔间中。封闭环境内的流体动力学比例如图1所示的系统等开放系统要有效。它们对于在便携式光学系统内使用也要方便得多。

造成可变形光学元件12的曲率变化的移动可通过改变移动结构元件38或位于对面的支撑结构44或可变形光学元件12的位置来产生。这些结构的移动可产生对称的曲率变化或不对称的变化，例如产生棱镜连同曲率变化所需要的变化。这些结构的移动可由任何外部产生的力驱使，例如电磁场、压电换能器或机械杠杆力(见图7)。驱使形状变化所需要的元件可包含在中空透镜隔间内或在其外面。

可通过用铰链(图7)或扶壁(未图示)选择性地限制移动结构元件38的移动来导致产生棱镜。铰链防止移动结构元件38的一侧平行于光学轴A-A行进，但允许相对侧移动。结果是使可变形光学元件12倾斜的倾斜效果，进而导致流体介质的界面产生相同倾斜，从而引入棱镜。棱镜可均匀地分布在可变形光学元件12的光学区上，只要在可变形光学元件12的顶点与盖罩24之间没有粘合。

棱镜可用来有利于双目光学系统，例如三维相机，尤其是在其由控制调焦机构的相同系统调制的情况下。针对人类视觉系统恰当格式化的光学图像被准确地并且在没有解译并重新配置视觉图像的软件系统通常遇到的时间延迟的情况下转换为数字信息。对面的支撑结构44可并入有美国临时专利申请61/514,746的负压膨胀型透镜来以各种方式组合本发明的调制棱镜的能力与负压膨胀型透镜的改变焦距的能力，以在任何距离处模拟全场三维人类视觉体验。

在人眼内，通过使用铰链限制移动结构元件38的移动提供优于自适应眼内晶状体设计中通常出现的圆周均一设计的两个机械优点。在图7中，杠杆臂70在一端处由铰链72约束，因此形成二级杠杆臂，其中自适应透镜74充当“负荷”，并且自由端76充当力矢量的杠杆臂，如图所示。在眼睛中，由睫状肌对晶状体囊的牵引供应力，这将杠杆臂70与固定臂78按压在一起，进而压缩自适应透镜74。为了将图7所示的杠杆应用于移动结构元件38的移动，移动结构元件38形成杠杆臂70。归因于在移动结构元件38两侧上的折射介质的一致性，所产生的棱镜效应是微不足道的；然而，由睫状肌对自适应透镜74的作用所施加的机械力由因此形成的二级杠杆臂的效应放大。采用二级杠杆系统的另一个优点涉及减少在晶状体置换程序期间大部分可移动部分在眼睛的晶状体囊的小切口内的能力。

图7所示的二级杠杆布置70可用来在自适应透镜系统10的透镜隔间28内移动结构元件38，或者所述杠杆布置70可结合自适应透镜74独立地起作用以形成眼内自适应透镜系统，其中睫状肌作用所施加的机械力致使透镜74变形。

本发明在如图1所示的开放系统或如图3所示的自持式封闭系统内工作。移位的液体可排放到开放空间或可膨胀隔间(例如注射器和可变形容器)中，或者它可沿着光学轴A-A轴向移位以更改次级光学元件(未图示)的形状或位置。优选地，中心支撑结构44是凸起形状。或者，它可为任何形状，只要其浸入在折射率匹配的流体介质内并且可变形光学元件12的外围区自由地对机械力做出响应。这种设备可用来聚焦任何频率的电磁波，而且也可用来聚焦超声能量。

尽管上文已经论述了许多示范性方面和实施方案，但本领域的技术人员将认识到其某些修改、置换、添加和子组合。因此，希望将本发明解释为包括所有此类修改、置换、添加和子组合，这些属于其真实精神和范围内。

Claims (16)

1.一种自适应透镜系统，其包括：

i)透镜隔间，其包括透明罩；

ii)可变形透明光学元件，其安装在所述透镜隔间中，所述光学元件包括上表面和下表面，并且进而在所述透镜隔间中在所述透明罩与所述上表面的至少一部分之间形成密封上腔室，并且也在所述下表面外部界定下区；

iii)在所述上腔室中的第一透明流体介质和在所述下区中的第二透明流体介质，所述第一流体介质和所述第二流体介质具有不同的折射率；

iv)结构元件，其位于所述上腔室中并且可在所述上腔室中相对于所述可变形光学元件移动以机械地啮合所述可变形光学元件以便进而更改所述可变形光学元件的曲率，进而更改所述自适应透镜系统的折射力或棱镜效应。

2.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其中所述结构元件包括环形圆盘，所述环形圆盘在其内边缘的区域中包括可与所述可变形透明光学元件的所述上表面啮合的表面

3.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其中所述结构元件可由压电构件移动。

4.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其中所述结构元件可由电磁场移动。

5.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其中所述结构元件的一端相对于所述可变形光学元件铰链式固定，并且所述结构元件的另一端自由地移动，并且借此，施加到所述结构元件的所述自由端的力移动所述结构元件的所述自由端，进而压缩所述可变形透明光学元件。

6.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其中所述结构元件排放口40允许流体朝向盖罩24循环以填充由移动结构元件的移动留下的空隙

7.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其中所述可变形透明光学元件通过由柔性外边缘附接到所述透镜隔间来安装在所述透镜隔间中。

8.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其中所述可变形光学元件的所述上表面在其顶点处附接到所述透明罩。

9.如权利要求1所述的自适应透镜系统，其还包括相对的支撑元件，所述相对的支撑元件位于所述下区下方并且包括圆盘形刚性透明透镜，所述圆盘形刚性透明透镜与所述可变形光学元件在所述下区中形成第二密封腔室。

10.一种通过以下方式来控制透镜的焦距的方法：提供自适应透镜系统，所述自适应透镜系统包括可变形光学元件，所述可变形光学元件分离具有不同折射率的两种透明流体介质；并且通过移动结构元件与所述可变形光学元件接触来更改所述可变形光学元件的曲率，进而更改所述可变形光学元件的折射力或棱镜效应。

11.一种通过以下方式来为无晶状体眼睛提供调节的方法：在所述无晶状体眼睛的晶状体囊内提供自适应透镜系统，所述自适应透镜系统包括可变形光学元件，所述可变形光学元件分离具有不同折射率的两种透明流体介质；并且通过移动结构元件与所述可变形光学元件接触来更改所述可变形光学元件的曲率，进而更改所述可变形光学元件的折射力或棱镜效应。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中所述结构元件包括环形圆盘，所述环形圆盘在其内边缘的区域中包括可与所述可变形透明光学元件的所述上表面啮合的表面。

13.如权利要求10或11所述的方法，其中所述结构元件可由压电构件移动。

14.如权利要求10或11所述的方法，其中所述结构元件可由电磁场移动。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述结构元件的一端相对于所述可变形光学元件铰链式固定，借此，由睫状肌对所述晶状体囊的牵引所供应的力移动所述结构元件，进而压缩所述可变形透明光学元件。

16.一种用于定位在无晶状体眼睛的晶状体囊内的自适应透镜系统，其包括：

i)第一杠杆臂，其具有第一自由端和第二端；

ii)第二杠杆臂，其具有第一自由端和铰链式连接到所述第一杠杆臂的所述第二端的第二端；

iii)可变形透明光学元件，其位于所述第一杠杆臂与所述第二杠杆臂之间；

借此，由睫状肌对所述晶状体囊的牵引供应的力使所述第一杠杆臂和所述第二杠杆臂一起移动，进而压缩所述可变形透明光学元件。