CN110361874A - 视力矫正装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，公开一种视力矫正装置，以解决传统视力矫正装置厚重、存在像差的固有缺陷。本发明装置包括：共光轴的线性偏振片、几何相位透镜、以及位于该线性偏振片与该几何相位透镜之间的1/4波片；该几何相位透镜，通过分别控制以光轴为圆心的各环所对应的双折射材料长轴方向变化实现光束衍射和偏转，实现：等同于凸透镜以实焦点对非零的同一级衍射光束进行会聚，和/或等同于凹透镜以虚焦点对非零的同一级衍射光束进行发散。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种视力矫正装置。
背景技术
视力矫正装置的核心原理是，通过光学系统对外界入射到人眼的环境光进行一定程度的发散、或者聚焦，使得成像光束最终能够聚焦到人眼视网膜上。现有的视力矫正技术方案，普遍采用传统的曲面凹/凸透镜来实现光束的发散/聚焦，其缺陷在于：1、镜片厚度大、笨重，尤其对1000度以上的高度近视，镜片边缘厚度往往能达到10mm左右；2、曲面透镜不是理想光学系统，无法成完善像，必然会存在像差，使得人眼感知到的景象与实际存在一定偏差。
发明内容
本发明目的在于公开一种视力矫正装置，以解决传统视力矫正装置厚重、存在像差的固有缺陷。
为达上述目的，本发明公开一种视力矫正装置，包括：
共光轴的线性偏振片、几何相位透镜、以及位于所述线性偏振片与所述几何相位透镜之间的1/4波片；
所述几何相位透镜，通过分别控制以光轴为圆心的各环所对应的双折射材料长轴方向变化，以对入射光进行基于偏振态变化的几何相位调制，实现光束衍射和偏转：
等同于凸透镜以实焦点对非零的同一级衍射光束进行会聚，和/或
等同于凹透镜以虚焦点对非零的同一级衍射光束进行发散。
可选的，当+1衍射级光束基于虚焦点发散时，-1衍射级光束基于实焦点会聚；或者：当-1衍射级光束基于虚焦点发散时，+1衍射级光束基于实焦点会聚。
优选地，所述几何相位透镜还用于：将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光，和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光。
可选的，当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为+45°，以使得：波片出射光束偏振态为左旋圆偏振光。
又或者：当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：波片出射光束偏振态为右旋圆偏振光。
又或者：当光束从几何相位透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为+45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角+45°的线偏振光。
又或者：当光束从几何相位透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角-45°的线偏振光。
本发明具有以下有益效果：
通过控制几何相位透镜中双折射材料长轴取向变化来实现对入射光的发散或者会聚，实现了等同于凹透镜或凸透镜的视力矫正功能；而且：对屈光度的调节通过几何相位进行调制，实现无像差成像的同时还有效避免了对镜片厚度的依赖，从而也使得本发明产品具有很广的视力调节范围。而且基于本发明方案的产品还具有超薄的美观效果。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的以几何相位透镜实现凸透镜的功能示意图；
图2是本发明实施例公开的以几何相位透镜实现凹透镜的功能示意图；
图3是本发明实施例公开的几何相位透镜基于长轴方向变化的一种模型示意图；
图4是本发明实施例公开的几何相位透镜基于半径方向的长轴方向周期性变化示意图；
图5是本发明实施例公开的一种组件排列及矫正近视的应用场景示意图；
图6是本发明实施例公开的一种组件排列及矫正远视的应用场景示意图；
图7是本发明实施例公开的矫正近视的又一种组件排列及应用场景示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
本实施例公开一种视力矫正装置，包括：共光轴的线性偏振片、几何相位透镜、以及位于所述线性偏振片与所述几何相位透镜之间的1/4波片。
本实施例的几何相位透镜用于实现：
如图1所示，等同于凸透镜以实焦点对非零的同一级衍射光束进行会聚，和/或
如图2所示，等同于凹透镜以虚焦点对非零的同一级衍射光束进行发散。
其中，当对光束实现会聚即作为远视眼镜使用。当对光束实现发散即作为近视眼镜使用。
本实施例中，几何相位透镜，通过分别控制以光轴为圆心的各环所对应的双折射材料长轴方向变化，以对入射光进行基于偏振态变化的几何相位调制，实现光束衍射和偏转。值得说明的是：该描述中的“环”不表征实际产品中的几何相位透镜就必然是对称的环状结构，而仅为描述沿半径方向，该几何相位透镜内部结构的演变规律。在实际的产品出厂或为适配镜架所进行的磨削或其他加工处理等操作过程中，外部形状的改变是可灵活变更为方形、椭圆形等其他结构形式。同理，该几何相位透镜为便于组装还可能会配套有对应的基片，其组合体的形状优选平板结构，也可以是其他不改变光路但符合美学的其他特殊结构；此等变形，皆属于本领域技术人员的所能轻易想见的变形，不能用于限制本发明的最终保护范围。
参照图3，本实施例的几何相位透镜，以透镜光轴为中心呈环状对称结构，同一环上的双折射材料快轴方向一致，通过分别控制各环所对应的双折射材料长轴方向从0到180度的周期性变化，以对入射光进行基于偏振态变化的几何相位调制，实现光束衍射和偏转。其中，长轴方向变化可参照图4，中心对称位置为平板透镜的圆心，沿半径方向，相邻环之间的双折射材料长轴方向连续周期性变化，以长轴方向由0变化到180度为一个变化周期，且变化速率与半径大小成正相关，以使得各环同一衍射级所对应的衍射角度随环半径增大而增大，进而实现：
等同于凸透镜以实焦点对非零的同一级衍射光束进行会聚，和/或
等同于凹透镜以虚焦点对非零的同一级衍射光束进行发散。
本实施例中，假设长轴方向角度是a，半径是r，快轴方向变化速率为：da/dr。可选的，本实施例的双折射材料可以是由液晶或液晶聚合物制成。
在本实施例中，可选的，当各环+1衍射级光束基于虚焦点发散时，各环-1衍射级光束基于实焦点会聚；或者：当各环-1衍射级光束基于虚焦点发散时，各环+1衍射级光束基于实焦点会聚。
优选地，本实施例中，几何相位透镜根据所部署的情况不同分别实现不同的功能，具体功能可包括下述A、B、C中的任意一种或任意组合：
A、将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光。
B、将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光。
C、将入射的非偏振态自然光衍射成衍射角相反的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
在实际的产品部署过程中，邻近用户眼睛的可以是几何相位透镜，也可以是线性偏振片。其不同之处在于：若入射光首先经过线性偏振片，就相当于由线性偏振片先过滤掉部分光，变成了线性偏振光，然后由1/4波片将线性偏转光转换为(左旋或右旋)圆偏振光，最终从几何相位透镜出射的也为(右旋或左旋)圆偏振光。若入射光首先是从几何相位透镜入射之后再经过线性偏振片出射，则外部自然光经几何相位透镜所出射的光既包括左旋的圆偏振光，又包括右旋的圆偏振光，且两者的衍射角相反。
本实施例适用场景之一为近视视力缺陷矫正。如图5所示，近视矫正装置沿z方向依次由线性偏振片、1/4波片和几何相位透镜构成，三者贴合在一起，组成共轴光学系统，其中，线性偏振片的偏振方向与x轴方向为+45゜，1/4波片的快轴在x轴上。则外界自然光经过线性偏振片后变成线偏振光，且偏振方向与1/4波片快轴(x轴)的夹角为+45゜，以琼斯矩阵A1表示它的线偏振状态，则：
1/4波片的琼斯矩阵记为A2，则：
经过1/4波片后，出射光的琼斯矢量矩阵记为：
藉此，从1/4波片出射的光为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光入射到几何相位透镜上，将几何相位透镜分解成多个环状偏振光栅，每个环状偏振光栅都将入射的左旋圆偏振光变成右旋圆偏振光并衍射到向外发散的+1级上，发散后的光束经过近视人眼，即可成像在人眼视网膜上，具体如图5中的实线所示(虚线代表无本发明中视力矫正装置时，外界入射光线在近视人眼中成像于视网膜前)，从而矫正近视缺陷。
本实施例可通过设置几何相位透镜上各环状偏振光栅的双折射材料分子长轴取向，即可调整各环+1级光的衍射角度，从而获得不同的透镜焦距f。根据几何相位透镜的特性，其F数可以从区间[1,100]变化，厚度小于1mm，重量小于1g，且F数变化与厚度不相关。设几何相位透镜的通光孔径为则本发明中视力矫正装置的屈光度D:
近视调节度数为：
藉此，本实施例中的视力矫正装置具有很广的视力调节范围，不管是对1000度以上的高度近视，还是100度以下的低度近视，都可以实现同样超薄的美观效果和无像差清晰成像。
本实施例适用场景之二为远视视力缺陷矫正，如图6。与近视矫正不同的是，线性偏振片的偏振方向与x轴方向为-45゜。外界入射自然光经过线性偏振片后，变成线性偏振光，再经过1/4波片，变成右旋圆偏振光。几何相位透镜将入射的右旋圆偏振光变成左旋圆偏振光并衍射到-1级上，实现对光的会聚，从而矫正远视。
本实施例中线性偏振片、1/4波片及几何相位透镜不仅限于上述两场景中给出的组合方式，还可以采用图7所示的组合方式，沿z方向依次为：几何相位透镜、1/4波片和线性偏振片。如图7，几何相位透镜在前，外界自然光首先入射到几何相位透镜上，变成会聚的-1级衍射光和发散的+1级衍射光出射。其中会聚的-1级衍射光为左旋圆偏振光，偏振态琼斯矩阵记为B1，发散的+1级衍射光为右旋圆偏振光，偏振态琼斯矩阵记为B2，1/4波片的快轴沿x轴方向设置，琼斯矩阵记为B3，则有：
左旋/右旋圆偏振光再经过1/4波片，变成振动方向相互垂直的会聚/发散线偏振光。会聚线偏振光的偏振态琼斯矩阵记为Bc,发散线偏振光的偏振态琼斯矩阵记为Bd,则：
从线偏振光的琼斯矩阵可知，会聚线偏振光的偏振方向与x轴夹角为-45゜，发散线偏振光的偏振方向与x轴的夹角为+45゜。那么将线性偏振片的偏振方向设置为与x轴夹角为+45゜时，最终只有发散的线偏振光透过，实现了对入射光的发散，同样可以矫正近视视力缺陷；如图7所示。反之，当线性偏振片的偏振方向设置为与x轴夹角为-45゜时，出射为会聚的线偏振光，矫正远视视力缺陷。
值得说明的是：上述实施例只是定义会聚的为-1级衍射，发散的为+1级衍射，但到底是让出射的左旋圆偏振光会聚到-1级，还是让出射的右旋圆偏振光会聚到-1级是可以通过不同的几何相位透镜设计来实现的。换言之：当各环+1衍射级光束基于虚焦点发散时，各环-1衍射级光束基于实焦点会聚；或者：当各环-1衍射级光束基于虚焦点发散时，各环+1衍射级光束基于实焦点会聚。
可选的，当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为45°，以使得：波片出射光束偏振态为左旋圆偏振光。
又或者：当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：波片出射光束偏振态为右旋圆偏振光。
综上，本实施例公开的视力矫正装置，具有以下有益效果：
采用双折射材料长轴取向逐环连续变化的几何相位透镜来实现对入射光的发散或者会聚，实现了等同于凹透镜或凸透镜的视力矫正功能；而且：对屈光度的调节通过几何相位进行调制，实现无像差成像的同时还有效避免了对镜片厚度的依赖，从而也使得本发明产品具有很广的视力调节范围。而且基于本发明方案的产品还具有超薄的美观效果。
值得说明的是：本发明基于线性偏振片对光的过滤作用，会部分削弱视网膜成像的光强，从而更适合于在强光下使用，并使其天然集成了墨镜的功能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种视力矫正装置，其特征在于，包括：
共光轴的线性偏振片、几何相位透镜、以及位于所述线性偏振片与所述几何相位透镜之间的1/4波片；
所述几何相位透镜，通过分别控制以光轴为圆心的各环所对应的双折射材料长轴方向变化，以对入射光进行基于偏振态变化的几何相位调制，实现光束衍射和偏转：
等同于凸透镜以实焦点对非零的同一级衍射光束进行会聚，和/或
等同于凹透镜以虚焦点对非零的同一级衍射光束进行发散。
2.根据权利要求1所述的视力矫正装置，其特征在于，当+1衍射级光束基于虚焦点发散时，-1衍射级光束基于实焦点会聚；或者
当-1衍射级光束基于虚焦点发散时，+1衍射级光束基于实焦点会聚。
3.根据权利要求2所述的视力矫正装置，其特征在于，所述几何相位透镜还用于：将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光，和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光，和/或将入射的非偏振态自然光衍射成衍射角相反的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
4.根据权利要求1、2、或3所述的视力矫正装置，其特征在于，当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为+45°，以使得：波片出射光束偏振态为左旋圆偏振光。
5.根据权利要求1、2、或3所述的视力矫正装置，其特征在于，当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：波片出射光束偏振态为右旋圆偏振光。
6.根据权利要求1、2、或3所述的视力矫正装置，其特征在于，当光束从几何相位透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为+45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角+45°的线偏振光。
7.根据权利要求1、2、或3所述的视力矫正装置，其特征在于，当光束从几何相位透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角-45°的线偏振光。
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