CN106457706A

CN106457706A - 制作柔性膜及其模具的方法、膜以及变焦透镜

Info

Publication number: CN106457706A
Application number: CN201580010227.7A
Authority: CN
Inventors: 乔舒亚·戴维·西尔弗
Original assignee: Cic Vision Center For Developing Countries
Current assignee: Cic Vision Center For Developing Countries
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2017-02-22
Also published as: GB201613973D0; GB2539822B; WO2015107362A1; GB2539822A

Abstract

制作用于变焦透镜(20)的柔性膜(10)的方法，方法包括：使用具有非光学质量的工艺使膜的第一侧(14)成形。还有制作模具(70、71)的方法，模具(70、71)模制用于变焦透镜的膜，方法包括：形成模具的一个表面，以具有光学质量；使用具有非光学质量的工艺使模具的相反表面成形。这种膜可以用在变焦流体填充透镜中，并且流体的折射率与膜的折射率匹配，并且流体与膜的非光学质量表面接触，使得膜的非光学质量不会不利地影响透镜的光学质量。非光学质量工艺的使用允许降低制造成本，以及允许减少使新透镜成原型并且制造新透镜的时间，并且允许有效生产不同形状的透镜时在时间和成本方面更大的灵活性。

Description

制作柔性膜及其模具的方法、膜以及变焦透镜

已知各种类型的变焦透镜。一种特别成功的类型是流体填充透镜，在这种流体填充透镜中流体填充腔包含能够变形的膜，使得通过调整透镜内流体的体积使膜变形能够改变透镜的形状。

流体填充透镜的一个问题在于难以制作非圆形状的透镜。如果使用非圆框构件，那么当透镜中流体的体积增大或减小时，附接到框构件的膜不会均匀伸展。这种不均匀的伸展向透镜引入了阻碍其有效校正视力的圆柱形部件和其它部件。换句话说，制作一种具有均匀厚度的膜的非圆流体填充变焦膜透镜是可行的，但是这种透镜是散光的，并且当焦强(power)变化时散光也变化。减小这种透镜中的散光的一种方式是使膜的厚度不均匀。

US 2011/0085243描述了一种使用非圆框与流体填充透镜的方法，其内容通过引用整体合并于此。非圆膜由谨慎开出处方的厚度剖面形成，例如由在中心的圆形盘或椭圆形盘形成，使得当流体的体积变化并且膜伸展时，中心盘能够关于非圆膜的其余部分孤立地伸展到某一程度。在眼镜的透镜中将这个中心盘置于瞳孔的前方，可以向使用者提供针对大多数入射光的实质球面的矫正。这种布置很大的优点在于其允许设计眼镜框(包含非圆框构件)时有很大的灵活性。这既有助于制造美观的框，又有助于允许制造更宽的框而不用非必要地增加重量(如果使用圆形透镜那么需要增加重量)。流体的量能够减少，这继而减小了透镜的重量。

然而，由于需要造出膜复杂的厚度剖面，因此增加了制造这些透镜的成本。目前，膜被模制，从而提供期望的剖面。为了在膜的模制表面上提供合适的光学质量，需要非常高质量的模具(例如，典型地需要花费数万欧元)。每次设计新的透镜形状时，都需要新的模具。因此，与膜的制造相关联的成本很高。

由于这种透镜的主要市场之一在仍然不能广泛获得视力矫正的发展中国家这样一个事实，所以成本是流体填充变焦透镜的一个重要因素。要想将视力矫正带到发展中国家，并且可以便宜地成批制作流体填充透镜，同时每一副能够依适当的处方进行调整，眼镜的成本是最大的障碍之一。传统磨制(ground)塑料透镜要订购必须被磨制或者必须以大量不同的预定焦强来提供，与提供传统磨制塑料透镜的成本相比这是一个主要优点。

根据本发明的一个方面，提供了一种制作用于变焦透镜的柔性膜的方法，方法包括：使用具有非光学质量的工艺使膜的第一表面成形。

通常，透镜的所有表面必须用合适的光学质量工艺成形，从而确保期望的透镜光学特性，例如，确保足够的透光性以及透镜产生的图像中足够低的畸变。这种工艺通常必须高度精确，并且比低质量的工艺更加昂贵。使用非光学质量工艺(例如具有较低空间分辨率的工艺)使膜的一个表面成形对于流体填充透镜来说是可行的，因为在装配的透镜中，非光学质量表面可以用在流体室的内部，并且可以选择流体使得其折射率与膜的折射率匹配。流体流动来匹配膜的非光学质量表面的不规则，并且因为界面两侧的折射率基本相等，所以流体与膜之间的界面不会由于折射引起的畸变而不利地影响透镜的光学特性。因此，根据本发明，流体填充透镜的膜可以通过较为便宜的工艺成形为期望的剖面，从而降低膜、使用膜的流体填充透镜、以及使用流体填充透镜的任何光学器件(例如一副眼镜状物)的制造成本。

为本发明预见的主要目的之一在于例如使用与US 2011/0085243中描述的工艺相似的工艺(即，通过使膜成形，从而形成能够在压力下按照与膜的其余部分不同的方式变形的截面)制造非圆流体填充透镜。然而，还可以存在技术的其它用途，例如，用于制作具有不同区域的透镜，这些区域在压力下以不同方式变形，从而造出不同的光学效果。本发明既可以用在圆透镜中，又可以用在非圆透镜中，从而矫正散光或其它屈光不正。

然而，在优选的实施例中，膜具有非圆形状。这种膜被设计为用在非圆透镜中，例如通常用在一副眼镜状物中。这种透镜通常在一个方向更宽，从而横跨一个人的面部延伸，同时限制竖直范围(水平的和竖直的在本文指的是当正常使用时直立站立的人的竖直方向)。这种形状给流体填充透镜带来了好处，因为当与具有相同水平维度的圆形透镜相比时减小了填充非圆透镜所需的流体体积。

膜的形状的灵活性允许随着流体填充透镜一起制作便宜的、但仍时尚的框。在一些优选的实施例中，框的整个前部可以制作成单件，膜结合到后表面。然后，可以附接鼻托和镜腿，从而制作便宜的、时尚的眼镜。特别地，使用便宜的制造工艺允许生产更多种类的框的形状，而不导致过多的花费。对于吸引人的/时尚的眼睛佩戴物来说相当重要的是，并非所有副眼镜佩戴物看起来相同，从而允许佩戴者选择恰当的风格或特色并且允许佩戴者具有某种个性。这可以有助于使眼睛佩戴物被广泛接受，结果促进视力矫正。

使成形的步骤可以包括：形成与膜的其余部分具有不同厚度的基本圆形的或椭圆形的子区域。这种厚度的不同允许膜的一个区域按照不同于一个其它区域或多个其它区域的方式变形。圆形的子区域可以用来限定以基本球面的方式变形的区域，与通常用于视力矫正的球面透镜相似。略为椭圆形的子区域可以用来抵消影响透镜的其它力(例如重力或在膜中引入的其它张力)，或者可以用来将圆柱形的部件和其它部件引入到变形的透镜中以(例如)矫正散光。

优选地，子区域与膜的其余部分相比具有减小的厚度。通过从膜的初步加工的成品剪去材料，或者通过将材料沉积以在减小厚度的区域的任一侧增加厚度，可以引入这种减小厚度的区域。

通过从初步加工的成品开始、并且进行蚀刻或以其它方式从初步加工的成品移除材料、从而形成期望的形状，可以形成膜。初步加工的成品可以是一片平的材料。这种片状物通常可以以低成本在市场上买到。一旦用来形成流体填充透镜，片状物优选地具有至少一个光学质量表面，光学质量表面可以用作膜的外表面。这个表面形成空气-膜界面，因此需要具有合适的光学质量，从而避免由于折射导致的不可忽略的畸变。通过标准低成本技术由合适光学质量的平的表面可以容易地形成大片塑料材料。

作为蚀刻的替换方案，通过递增式制造技术可以形成膜，在这种技术中材料例如以连续的层被沉积从而构建所需的剖面。这种技术包含各种类型的3D打印以及快速成原型技术，例如熔融沉积塑造或者选择性的激光烧结(作为非限制性示例)。递增式制造技术可以用来形成整个膜，或者其可以通过从膜的初步加工的成品开始而构建额外的材料来使用。对于后者，新增加的材料优选地与初步加工的成品的材料相同，或者至少具有相同的折射率。因此，优选地，方法包括将材料沉积以构建所需的形状。在其它优选的实施例中，方法包括：提供具有至少一个光学质量表面的膜的初步加工的成品，使成形的步骤包括：将额外的材料沉积到所述膜的相反表面上。优选地，额外的材料具有与膜相同的折射率。

根据又一方面，本发明提供了制作模具的方法，这种模具用于模制用于变焦透镜的膜，方法包括：形成模具的一个表面，以具有光学质量；以及使用具有非光学质量的工艺使模具的相反表面成形。

根据又一方面，本发明提供了制作变焦透镜的方法，包括：形成流体填充腔，其中，腔的一个壁是如上文描述的膜(具有或者不具有所描述的优选特征)；提供与腔流体连通的具有可变容积的流体容器，使得容器容积的调整来调整腔的容积；以及其中，流体的折射率与膜的折射率匹配。

本发明还提供了用于变焦透镜的膜，包括：光学质量的第一表面；具有至少一个非光学质量区的第二表面；其中，膜具有不同厚度的基本圆形的或椭圆形的子区域。

膜可以具有非圆形状。膜的子区域可以具有减小的厚度。

非光学质量区可以是不同厚度的子区域。作为示例，可以由膜的一整个表面具有非光学质量的模制工艺来形成这个结构，或者可以通过凭借非光学质量工艺横跨一整个表面进行沉积的工艺来形成这个结构，或者通过用非光学质量工艺蚀刻膜的原始表面来形成这个结构。

在其它实施例中，不同厚度的圆形的或椭圆形的子区域可以基本是平的。作为示例，通过将额外的材料沉积到子区域外侧起初平的膜表面上的非光学质量沉积工艺来形成这个结构。在这种工艺中，如果在子区域内没有执行沉积，那么原始的平的(以及光学质量)表面保留在子区域内。

本发明延伸到变焦透镜，包括：流体填充腔，其中，腔的一个壁是如上文描述的膜；与腔流体连通的具有可变容积的流体容器，使得容器容积的调整来调整腔的容积；其中，流体的折射率与膜的折射率匹配。

本发明还延伸到眼镜，包括如上文描述的两个变焦透镜，这两个变焦透镜由鼻部零件连接。鼻部零件可以是连接两个单独的透镜零件的单独零件。可替换地，鼻部零件可以与一个透镜或两个透镜集成地形成，例如两个透镜可以形成于单个框构件中。如果鼻托没有与框集成地形成，可选地，还可以增加鼻托。

与头戴式显示器结合，制造便宜的、但仍时尚的眼镜的能力还特别有益，例如谷歌眼镜(以及其它相似的产品)。将这种装置直接附接到现有的视力矫正眼睛佩戴物并非易事，特别是种类繁多的不同的框在使用。矫正的眼睛佩戴物在设计时通常考虑的是视力矫正，而头戴式显示单元被设计为通用型的，例如由不需要视力矫正的使用者设计。关于可调整的透镜，可以将附接机制设计到框中，例如将附接机制设计到镜腿附接点的区域中。在一些实施例中，这可以对应于在调整过程期间流体进入透镜并且离开透镜的区，因为这可以是框的稍微更厚点的区域。可调整的眼睛佩戴物适合于需要视力矫正以及不需要视力矫正的使用者使用(因为它们可以被简单地设置成平的、零屈光度设置)。而且，可调整的透镜允许使用者设置其自己的矫正，因此无需眼科医生准备单独的处方透镜。于是，可以制造并且销售单一的产品，这样的产品适应于具有大范围视力矫正需求的大量使用者。到目前为止，用简单的球面矫正可以充分地矫正大多数视力伤残，即也不需要散光矫正。而且，当使用者可以自己调整透镜时，可以设置矫正透镜的焦强，而不需要去看眼科医生。

因此，优选地，眼镜还可以包括头戴式显示单元。眼镜可以包括用于头戴式显示单元的安装点，眼镜还可以包括附接到安装点的头戴式显示单元。除了其它部件之外，头戴式显示单元可以包括显示器或投影器、处理器、存储器以及电池。

在本文件中，提到的光学质量表面的意思是要被用在普通视力矫正眼镜中不损害能达到的最大视觉敏锐度的足够光滑的表面。便宜的光学质量透镜具有的表面粗糙度(R_a)通常大约为1-2个波长，即对于可见光，通常大约为1微米或更小。已被用于变焦流体填充透镜的典型的光学质量膜是Mylar^TM(或者更普通的，双轴伸展的PET)，Mylar^TM报出具有38nm的表面粗糙度(R_a)。

可以用在本发明中的非光学质量(或低光学质量)表面可以具有大于10个波长的表面粗糙度，或者在一些实施例中具有大于20个波长、大于30个波长或大于50个波长的表面粗糙度。在一些实施例中，表面粗糙度甚至可以大得更多，例如大于100个波长。可见光谱的典型波长是大致550nm。

可以用在本发明中的非光学质量(或低光学质量)表面可以具有大于5微米、大于10微米、大于20微米或大于30微米的表面粗糙度。在一些实施例中，表面粗糙度甚至可以大得更多，例如大于50微米或大于100微米。

目前，可以用于打印膜或者制作用于膜的模具的高端3D打印机具有大致16微米的层厚度(z轴)，水平(x轴、y轴)分辨率差不多50-100微米。较为便宜的机器具有差不多100微米的层厚度(z轴)，并且同样适合于本发明。

根据本发明的膜优选地具有一个相对光滑的表面以及一个相对粗糙的表面。换句话说，粗糙表面与光滑表面相比是粗糙的。如上文所描述的，粗糙表面可以具有光滑区和粗糙区(粗糙区例如是通过低分辨率工艺的递增式沉积或者是通过低分辨率工艺蚀刻的区域)。光滑表面与粗糙表面相比具有更高的光学质量。光滑(或者相对光滑的)表面可以具有不大于5微米(优选地不大于大致2微米)的表面粗糙度(R_a)。

现在将参考所附附图仅通过示例描述本发明优选的实施例，图中：

图1a和图1b以平面和横截面示出用于非圆透镜的膜的示例；

图2示出非圆流体填充透镜的示例；

图3示出连接到可变流体容器的非圆流体填充透镜的示例；

图4、图5、图6和图7示出形成用于非圆流体填充透镜的膜的不同方法；以及

图8示出一副具有头戴式显示单元的变焦眼镜。

图1a和图1b示出膜10，膜10具有第一侧12和相反的第二侧14。图1a在平面视图中示出膜10。图1b以穿过线B-B截取的横截面示出膜10。第一侧12是平的，并且具有良好的光学质量。第二侧14具有剖面，从而造出更薄的区域16。这个更薄的区域16接近于圆形(如图1a所示)，且意在优先于膜10的其余部分变形，从而允许非圆膜10在区域16产生基本球面的透镜形状。

在一个示例中，第一侧12具有良好的光学质量(例如，具有小于2微米的表面粗糙度(Ra))，而通过3D打印或相似技术形成的第二侧14具有变薄的部分16并且具有差的光学质量。如果新的膜形成流体填充变焦透镜的一部分而光学质量差的一侧14与透镜中的流体接触，并且膜的材料的折射率和流体的折射率相同，那么流体填充透镜的光学性能将不会由于表面14的差的光学质量而降低。

这种膜可以以非常低的成本、使用可以很容易地制作许多不同形状和大小的膜的3D打印手段来制作，所以当与更传统的塑料模制方法相比时，这种方式将非常显著地降低制造成本和制造这种膜所需的总时间(即从开始使用工具到具有最终的部分)。因此，这种方式有望大大地降低具有非圆流体填充可变焦强透镜的眼镜的成本，并且还有望降低使这种眼镜的不同示例成为原型的成本、时间和难度。

图2示出膜10使用在变焦透镜20中。变焦透镜20具有刚性的非圆支撑环21，刚性的前板22附接到其前侧。膜10附接到环21的后侧。膜10成形的一侧14面向里，即其在环21、膜10、和前板22形成的流体填充腔23的内部。膜10光滑的一侧12背离流体填充腔23面向外。

流体23的折射率与膜10的折射率匹配。这确保了膜10与流体23之间的边界处不会发生折射。因此，穿过变焦透镜20的光不受膜的形状/膜10的薄区域16中的流体边界的影响。因此，表面14的粗糙性质变得不重要。

将理解的是，在其它实施例中，刚性的板22可以是背板，并且膜用作变焦透镜20的前部件。然而，通常优选的是，让刚性的板22在前面，以免受损害。于是，在使用时，膜面向使用者的眼睛。从这个方向损害的风险很小。在又一些其它实施例中，腔的前部件和后部件都可以是像图1a和图1b的膜10一样的柔性膜。可以使这种膜10的任一者或两者成形。如果仅使一个膜成形，那么另一个可以是简单的平的片状物。在又一些其它实施例中，可以将刚性的保护盖置于膜的上方，从而保护其免于受损，同时仍然允许膜进行充分的移动来变形，从而改变变焦透镜的焦强。当然，如果需要，可以使用两个膜和两个刚性的盖。

图3示出具有可变容积的流体容器30的变焦透镜20。在图3中，容器30被示为具有活塞32的注射体31。将理解的是，这仅仅是示例性的，可以使用任何其它形式的可变容积的容器。用于调整容器30的容积的可替换的控制包含手动操作的螺钉或转盘、或者马达致动的活塞。再一次地，这些仅仅是示例，不应被解释为对本发明范围的限制。可选地，一旦设定，可以使用密封件或阀来保持透镜的焦强，从而可以(暂时地或永久地)移除容器。

可变容积的容器30通过柔性管33或其它合适的流体携带导管连接到流体填充腔23。穿过刚性的支撑环21的钻孔34允许腔23与容器30之间的流体连通。

现在将参考图4、图5、图6和图7描述用于形成膜10的四种示例性工艺。

示例1-蚀刻

图4示出正被激光40进行激光蚀刻的膜的初步加工的成品10a。膜的初步加工的成品10a开始于具有两个平的(光学质量)表面12a、14a。合适的膜的初步加工的成品10a的一个示例为柔性PET片状物，例如双轴伸展的PET片状物。激光蚀刻工艺不必将表面蚀刻成光学质量，但是可以在薄的区域16蚀刻粗糙的剖面。因此，蚀刻工艺不需要很昂贵，也不需要是使用高空间分辨率的高质量工艺。

示例2-3D打印到初步加工的成品上

图5示出打印机(未示出)的喷嘴51将多层额外的材料50沉积到其上的膜的初步加工的成品10a(例如与示例1的初步加工的成品相同)。在一些优选的实施例中，沉积材料理想地与膜的初步加工的成品的材料相同，或者与膜的初步加工的成品的材料不同但是与初步加工的成品的材料具有相同的折射率。打印机的空间分辨率不必能够打印光学质量的表面。替代地，粗糙表面52可以依然作为形成变焦透镜的腔的内表面的表面。在沉积之后，通常不需要使这个表面光滑或对这个表面剖光。

示例3-3D打印整个膜

图6与图5相似，除了将额外的材料沉积到初步加工的成品上，替代地，整个膜都由喷嘴61进行沉积。如果被沉积到适当平的基底63上，多层的沉积材料60仍然在下部(外部)表面62上产生平的、光学质量的表面。

示例4-将膜模制

图7示出包括第一半模具70和第二半模具71的模具。第一半模具70是平的，具有低表面粗糙度的光学质量。平的这一半模具生产起来简单便宜。第二半模具71含有针对膜成形的复杂表面，但是这一半模具71由低分辨率工艺(即具有非光学质量并且产生相对高的表面粗糙度的工艺)形成。第二半模具71可以通过任何合适的工艺(例如通过蚀刻或3D打印)形成。因为第二半模具71可以通过更低质量的工艺形成，所以其可以便宜地形成，因此允许对膜的剖面进行更频繁的改变而不会导致过多的成本。

图8示出一副眼镜80，这副眼镜80具有通过梁状/鼻部零件83连接的第一自适应透镜(可调整的流体填充透镜)81和第二自适应透镜82、以及镜腿84和镜腿85。平视式显示单元86在可调整透镜82的前方安装到眼镜80的框，其在可调整透镜82的前方显示眼镜80的佩戴者能够看见的图像。微处理器87、存储器88以及电池89安装在镜腿85上，以向平视式显示单元86供电并且控制平视式显示单元86。还可以在眼镜80上提供诸如按钮、开关、触敏界面等的其它输入装置(未示出)，作为平视式显示系统的一部分。

Claims

1.一种制作用于变焦透镜的柔性膜的方法，所述方法包括：

使用具有非光学质量的工艺使膜的第一侧成形。

2.如权利要求1要求保护的方法，其中，膜具有非圆形状。

3.如权利要求1或2要求保护的方法，其中，使成形的步骤包括：形成不同厚度的基本圆形的或椭圆形的子区域。

4.如权利要求3要求保护的方法，其中，所述子区域具有减小的厚度。

5.如任一项前述权利要求要求保护的方法，其中，所述方法包括：将材料沉积来构建所需形状。

6.如权利要求5要求保护的方法，其中，所述方法包括：提供具有一个光学上平的表面的膜；使成形的步骤包括：将额外的材料沉积到所述膜的相反表面上。

7.如权利要求6要求保护的方法，其中，所述额外的材料具有与膜相同的折射率。

8.如权利要求1至4任一项要求保护的方法，其中，所述方法包括：提供具有一个光学上平的表面的膜，并且对膜的相反表面蚀刻以产生期望的形状。

9.如任一项前述权利要求要求保护的方法，其中，非光学质量的工艺是造成表面粗糙度大于5微米的工艺，表面粗糙度优选地大于10微米、20微米、30微米、50微米或100微米。

10.一种制作模具的方法，所述模具模制用于变焦透镜的膜，所述方法包括：

形成所述模具的一个表面，以具有光学质量；

使用具有非光学质量的工艺使所述模具的相反表面成形。

11.如权利要求10要求保护的方法，其中，光学质量的表面是平的表面。

12.如权利要求10或11要求保护的方法，其中，非光学质量的工艺是造成表面粗糙度大于5微米的工艺，表面粗糙度优选地大于10微米、20微米、30微米、50微米或100微米。

13.如权利要求10、11或12要求保护的方法，其中，光学质量的表面具有不大于2微米的表面粗糙度。

14.一种制作变焦透镜的方法，包括：

形成流体填充腔，其中，腔的一个壁是如权利要求1至13任一项要求保护的膜；

提供与腔流体连通的具有可变容积的流体容器，使得容器容积的调整来调整腔的容积；

其中，流体的折射率与所述膜的折射率匹配。

15.一种用于变焦透镜的膜，包括：

光学质量的第一表面；以及

具有至少一个非光学质量区的第二表面；

其中，所述膜具有不同厚度的基本圆形的或椭圆形的子区域。

16.如权利要求15要求保护的膜，其中，所述膜具有非圆形状。

17.如权利要求15或16要求保护的膜，其中，所述子区域具有减小的厚度。

18.如权利要求15、16或17要求保护的膜，其中，非光学质量区是不同厚度的子区域。

19.如权利要求15、16或17要求保护的膜，其中，不同厚度的圆形的或椭圆形的子区域基本是平的。

20.如权利要求15至19任一项要求保护的膜，其中，非光学质量的表面具有大于5微米的表面粗糙度，表面粗糙度优选地大于10微米、20微米、30微米、50微米或100微米。

21.如权利要求15至20任一项要求保护的膜，其中，光学质量的表面具有不大于2微米的表面粗糙度。

22.一种变焦透镜，包括：

流体填充腔，其中，腔的一个壁是如权利要求15至21任一项要求保护的膜；

与腔流体连通的具有可变容积的流体容器，使得容器容积的调整来调整腔的容积；

其中，流体的折射率与所述膜的折射率匹配。

23.一种眼镜，包括根据权利要求22的两个变焦透镜，这两个变焦透镜由鼻部零件连接。

24.如权利要求23要求保护的眼镜，还包括头戴式显示单元。

25.如权利要求23或24要求保护的眼镜，还包括用于头戴式显示单元的安装点。

26.如权利要求25要求保护的眼镜，还包括附接到所述安装点的头戴式显示单元。