CN115524768A

CN115524768A - 一种基于超透镜的隐形眼镜及其加工方法

Info

Publication number: CN115524768A
Application number: CN202210103365.1A
Authority: CN
Inventors: 朱瑞; 朱健; 谭凤泽; 郝成龙
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-12-27

Abstract

本申请提供一种基于超透镜的隐形眼镜，包括基底，为柔性球面并能透过可见光，以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；镀膜层，设置于所述基底表面具有纳米结构的一侧，并填充于所述纳米结构之间。本申请还提供了上述隐形眼镜的加工方法，其主要包括制备柔性基底，并固定于加工平台、在所述柔性基底上加工超表面、在所述柔性基底的超表面侧镀膜及溶解粘接剂等步骤。本申请的技术方案使用超表面进行成像，在矫正视力方面厚度小，重量轻，度数准，视野范围大，佩戴舒适度高；同时，可以基于其上超表面的相位分布，实现色盲矫正、及偏光3D等复杂功能。

Description

一种基于超透镜的隐形眼镜及其加工方法

技术领域

本申请涉及一种基于超透镜的隐形眼镜，及其加工制造的方法。

背景技术

现有技术中，对于视力矫正基本上是采用框架眼镜或隐形眼镜的形式。其中，长期佩戴框架眼镜会引起眼角膜肥厚与水肿、受框架限制，视野范围受限、镜片有破裂风险，对运动人士不友好。而隐形眼镜难以实现矫正色盲、偏光等复杂功能。

发明内容

基于现有技术中的缺陷，本申请提供一种基于超透镜的隐形眼镜，及其加工方法，以实现矫正红绿色盲，视力矫正及偏光等功能。

本申请第一方面提供一种基于超透镜的隐形眼镜，这种隐形眼镜包括基底，为柔性球面并能透过可见光，以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；

镀膜层，设置于所述基底表面具有纳米结构的一侧，并填充于所述纳米结构之间。

优选地，基于所述纳米结构的排布，所述隐形眼镜的光相位满足：

其中，k是波数，(x，y)纳米结构的相对位置坐标，f₀是屈光度的倒数，f₁是散光度的倒数。

其中，k是波数，(x，y)是纳米结构的相对位置坐标，f为平面透镜的焦距。

优选地，所述隐形眼镜基于纳米结构的排布配置为：以响应函数F_META对入射光调制，形成入眼光线；

其中，所述F_META符合：

优选地，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述纳米结构为偏振相关结构；所述偏振相关结构具体包括纳米鳍和/或纳米椭圆柱。

优选地，所述纳米结构为偏振无关结构；所述偏振无关结构具体包括纳米圆柱和/或纳米方柱。

优选地，所述基底为柔性硅水凝胶。

优选地，所述镀膜层为SU8环氧树脂。

优选地，所述纳米结构的材料为如下一种或多种：

氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅。

本申请第二方面提供一种隐形眼镜的加工方法，用于加工如前述的隐形眼镜，该方法至少包括：

步骤S1，制备柔性基底；

步骤S2，通过粘接剂将所述柔性基底固定于加工平台，所述加工平台与眼球曲率相近；

步骤S3，在所述柔性基底上加工超表面；

步骤S4，在所述柔性基底的超表面侧镀膜；

步骤S5，溶解粘接剂，得到隐形眼镜。

优选地，所述步骤S3具体包括：

步骤S301，采用涂覆装置在所述柔性基底上均匀涂覆覆层，例如光刻胶/硬质掩膜；

步骤S302，采用光刻和/或电子束曝光工艺在已涂覆的柔性基底形成参考结构；其中，在曝光过程中保持已涂覆的柔性基底的待曝光区域的法线与曝光系统的光轴平行，且所述待曝光区域与所述曝光系统的距离为所述曝光系统的焦距；

步骤S303，在具有所述参考结构的柔性基底上沉积结构层，直至所述结构层表面与所述柔性基底的表面形状匹配，从而得到柔性基底的超表面。

优选地，所述加工平台包括外凸或内凹的作业面，以及

在所述步骤S3中，在基底的凹陷侧或突出侧加工超表面。

优选地，在所述步骤S3中，加工光相位满足如下式中任一的超表面：

其中，k是波数，(x，y)纳米结构的相对位置坐标，f₀是屈光度的倒数，f₁是散光度的倒数，f为平面透镜的焦距。

优选地，在所述步骤S3中，加工的超表面用于对入射光线施加相应系数F_META，其中，所述F_META满足下式：

以上式中：M^normal为正常的M型锥细胞敏感度，M^abnormal为色盲患者的M型锥细胞敏感度，I(λ)为入射光波长,k_c1为正常人眼M型锥细胞对光响应度的归一化系数,k_c2为红绿色盲M型锥细胞对光响应度的归一化系数。

本申请提供的隐形眼镜，使用超表面进行成像，在矫正视力方面厚度小，重量轻，度数准，视野范围大，佩戴舒适度高；同时，可以基于其上超表面的相位分布，实现色盲矫正、及偏光3D等复杂功能。

本申请提供的隐形眼镜加工方法，通过在柔性基底上涂覆覆层，实现了通过光刻或电子束曝光工艺在柔性基底上直接加工出参考结构，通过曝光过程中待曝光区域的法线保持与曝光系统的光轴垂直实现了参考结构垂直于柔性基底，从而实现了在柔性基底上直接加工出垂直于柔性基底的微纳结构，提高了柔性基底的超表面的光学性能和量产均一性，也降低了生产成本；该方法还实现了在自由曲面和大曲率柔性基底上加工微纳结构。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为隐形眼镜加工方法示意图；

图2为隐形眼镜另一种模具的加工方法示意图；

图3为正常人眼及绿色色弱患者佩戴色盲矫正隐形眼镜前后的测试图；

图4为加工方法流程图；

图5为超表面加工流程图；

图6为超表面结构单元排布图；

图7为纳米结构单元示意图(左：纳米柱，右：纳米鳍)。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合

本申请第一方面实施例涉及一种基于超透镜的隐形眼镜，如图1和图2中的e部分可以示出其结构特征。其包括基底-为柔性球面并能透过可见光，以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；镀膜层，为对人眼适配性高的膜，对超透镜中的纳米结构起保护作用，并设置于所述基底表面具有纳米结构的一侧，填充于所述纳米结构之间。其中，不同位置的纳米结构的光相位不同，以限定超透镜镜片的光相位分布，从而实现对光路的调制，实现眼镜所需的光学性能。相比于现有的光学隐形眼镜，本发明的超透镜镜片厚度小、重量轻且度数准，且成本较低。

应理解的是，所述基底的形状，应满足佩戴时与人眼舒适贴合，为曲率接近人眼的球形曲面，且应质地柔软。应使用要求，还可包括色素层，嵌夹设置于基底内部，可以使产品具有美容的效果，并且基底和色素层具备透氧、模拟水润环境、防紫外线等特性。

在优选实施例中，基于所述纳米结构的排布，所述隐形眼镜的光相位满足：

其中，k是波数，(x，y)纳米结构的相对位置坐标，f₀是屈光度的倒数，f₁是散光度的倒数。本实施例的作用是实现视力矫正，基于上式设计和加工超表面。

在优选实施例中，为一种可以实现偏光功能的隐形眼镜。考虑一束光入射到位于x-y平面的超表面上，光的入射平面设为x-z平面，偏振方向为y。假设超表面不同的结构单元给予入射光一个Φ(x,y)的空间相位分布，入射光束与超表面的相互作用满足广义菲涅尔定律:

Eq-1和Eq-2为广义反射定律，Eq-3和Eq-4为广义折射定律。入射角为θ_i，折射角为θ_t，反射角为θ_r。n_i和n_t分别是入射光和折射光所在介质的折射率，φ_r1和φ_t1分别是反射和折射光波矢在与入射平面相垂直的平面投影。

同理，对于光的入射平面为y-z平面，偏振方向为x。假设超表面不同的结构单元给予入射光一个Φ(x,y)的空间相位分布，入射光束与超表面的相互作用满足广义菲涅尔定律:

φ_r2和φ_t2分别是反射和折射光波矢在与入射平面相垂直的平面投影。

超透镜结构将在界面处引入相位Φ。

若左眼为仅使y方向偏振的光通过的超透镜结构单元，则其表面的相位φ分布应满足使y方向的偏振光可以全部透过，x方向的偏振光可以转化为y方向的偏振光(数学上，φ_r1＝0，φ_t2＝arg{exp(iφ_t1)}；若左眼为仅使x方向偏振的光通过的超透镜结构，则其表面的相位φ分布应满足使x方向的偏振光可以全部透过，y方向的偏振光可以转化为x方向的偏振光(数学上，φ_r2＝0，φ_t1＝arg{exp(iφ_t2)}。

在优选实施例中，本申请还提供了针对红绿色盲矫正的隐形眼镜，其中，通常所说的色盲实际上是指，眼睛和视觉系统识别不同波长的光的各种条件出现缺失。绝大多数色盲患者的确能看到颜色，但并不是全部颜色。在标准眼球的背面，由三种类型的感光锥细胞组成的屏吸收光波，并向大脑发送信息。不同种类的视锥细胞中的视色素有着不同的光谱吸收/响应曲线，当外界光谱传递到视网膜上的时候，三种细胞有着不同的频率响应，产生不同的刺激信号传递给视神经，从而形成色觉。而红绿色盲的锥细胞的光谱频率响应出现了异常，产生了一个光谱重叠区(spectral overlap)，这样例如有偏红光刺激的时候，原本负责绿色的视锥细胞也产生了响应，从而造成了感觉上的异常。

基于上述，进一步地对本优选实施例进行叙述，可知，标准眼球由三种类型的感光锥细胞组成的屏吸收光波后向大脑发送信息，这些细胞中的一些对相对短的波长最为兴奋(标记为S)，另两种对相对较长的波长做出响应，一种对光谱中绿色到黄色部分的光最为敏感(标记为M)，最后一种对黄色至红色的光谱敏感(标记为L)。三种锥细胞的感光敏感度C(λ)＝S(λ)，M(λ)，L(λ)。入射到人眼可被感受的光波主要为可见光波段，可以表示为：

I(λ)＝aR(λ)+bG(λ)+cB(λ) Eq-9

a，b，c对具体的某一入射光束波长值为常数，表示入射光束波长中红绿蓝三原色的比例。

假设超透镜隐形眼镜对入射到人眼的光束的响应函数为F，则佩戴隐形眼镜后视锥细胞变化后的响应度为

C_I＝k_c∫I(λ)·C(λ)·F(λ)dλ Eq-10

k_c是归一化系数。

对于红绿色盲，M型锥细胞的敏感度相对于正常人眼红移了10

nm，M^abnormal(λ)＝M^normal(λ+10) Eq-11

对于正常人眼，无需佩戴红绿色盲隐形眼镜，F(λ)＝1，

C_I ¹＝k_c1∫I(λ)·M^normal(λ)dλ Eq-12

对于红绿色盲，佩戴色盲隐形眼镜施加一个函数，假设超透镜施加的函数：

F＝F_META

C_I ²＝k_c2∫I(λ)·M^abnormal(λ)·F_META dλ Eq-13

矫正红绿色盲，即使红绿色盲视锥细胞的响应度与正常人眼的响应度相同，即C_I ²＝C_I ¹，Eq-13反推可以得到所需的超透镜的响应函数F_META，通过纳米结构的设计得到具有此响应函数的超表面。

在优选实施例中，对于红绿色盲矫正的隐形眼镜。超透镜衬底选择的是透氧量高的柔性硅水凝胶。纳米结构选取的是纳米柱，纳米柱的高度为500nm，直径为200nm，选用周期性正六边形排布。纳米柱的材料为氮化硅，保护膜层材料为SU8。纳米结构可以为靠近人眼的一侧，也可以在远离人眼的一侧。通过优化纳米结构的周期，得到当周期为400nm时对应的响应函数为：

图3提供了正常人眼观察到的红绿色盲图，绿色色弱引起的红绿色盲患者观察到的红绿色盲图，以及佩戴色盲矫正隐形眼镜后观察到的红绿色盲图。可以看出，通过佩戴色盲矫正隐形眼镜，红绿色盲患者观察到的与正常人眼大致相同。

在优选实施例中，如图6所示，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图6所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图6左侧中示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图6右侧中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

对上述实施例的补充说明是，超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。本例中，纳米结构是全介质结构单元，在目标波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。

在优选实施例中，如图7所示，纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏正无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

在优选实施例中，根据不同的功能，如对偏光3D眼镜，选用偏振相关的结构；对于视力矫正和色盲矫正，纳米结构可以是偏振相关也可以是偏振无关结构。

在优选实施例中，所述基底为柔性硅水凝胶。

在优选实施例中，所述镀膜层为SU8环氧树脂。

在优选实施例中，所述纳米结构的材料为如下一种或多种：

本申请第二方面的实施例提供了一种上述隐形眼镜的加工方法，如图1或图2所示，该方法至少包括：

步骤S1，制备柔性基底；

步骤S2，通过粘接剂将所述柔性基底固定于加工平台，所述加工平台与人眼球曲率相近；

步骤S3，在所述柔性基底上加工超表面；

步骤S4，在所述柔性基底的超表面侧镀膜；

步骤S5，溶解粘接剂，得到隐形眼镜。

对实施例的补充说明是：

现有的超表面隐形眼镜与超颖表面的奇异光学特性有关——微小的表面起伏改变光反射或进入材料的方式。使用基于纳米级金椭圆形的超表面，创建出紧凑和耐用的方式来解决缺陷。实施了一种将40纳米薄膜转移到曲面透镜上的方法。然而，发明人注意到，转移后柔性结构层产生少量变形，导致量产均一性和精度难以保证，同时柔性结构层和曲面基底结合可能不牢靠，用于人眼的安全性降低。

相比上述，本实施例无需转移，解决了柔性基底量产均一性不足和精度不足的问题。

在优选实施例中，所述步骤S3具体包括：

步骤S301，采用涂覆装置在所述柔性基底上均匀涂覆覆层，例如光刻胶/硬质掩膜；示例性地，采用超声喷头或气压喷头，在基底上喷涂光刻胶。

步骤S302，采用光刻和/或电子束曝光工艺在已涂覆的柔性基底形成参考结构；其中，在曝光过程中保持已涂覆的柔性基底的待曝光区域的法线与曝光系统的光轴平行，且所述待曝光区域与所述曝光系统的距离为所述曝光系统的焦距；示例性地，将加工平台放在六轴移动平台上，通过移动和旋转移动平台，使基底上待曝光区域的等效平面中心与曝光系统的焦点重合，且等效平面的与曝光系统的光轴垂直；重复移动和旋转基底，直至在基底上的曝光全部完成，形成参考结构。

示例性地，通过ALD方法在基底上沉积结构层，结构层的材料根据目标波段进行选择。作为隐形眼镜，其目标波段是可见光，结构层的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅中的一种或多种；

可以理解的是，曝光过程中，保持已涂覆的基底的待曝光区域的法线与曝光系统的光轴平行确保了在曝光工艺加工参考结构时，光线与基底的表面垂直。由此，使得加工出的参考结构与基底的表面垂直。

示例性地，步骤中的参考结构可以是纳米结构，也可以是纳米反结构。优选地，在光刻胶表面加工出垂直于基底表面的纳米反结构。在具有纳米反结构的基底上沉积结构层。结构层填充纳米反结构，形成纳米结构，该纳米结构即为对光相位进行调控的微纳结构。结构层的材质的折射率与光刻胶的折射率不同。由于中加工形成的反结构垂直于基底的表面，结构层填充纳米反结构形成的纳米结构垂直于基底的表面。至此，形成了有光刻胶填充的柔性曲面基底的超表面。进一步地，溶解粘接剂，得到隐形眼镜。

在优选实施例中，所述加工平台包括外凸或内凹的作业面，以及在所述步骤S3中，在基底的凹陷侧或突出侧加工超表面。

在优选实施例中，所述步骤S3中，加工光相位满足如下式中任一的超表面：

在优选实施例中，在所述步骤S3中，加工的超表面用于对入射光线施加相应系数F_META，其中，所述F_META满足下式：

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。