CN115968452A - 具有圆柱体旋转控制的电活性透镜 - Google Patents

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Abstract

一种具有堆叠旋转圆柱形电活性透镜元件的电活性透镜可以沿着比圆柱形电活性透镜元件更多的轴提供圆柱体屈光力。例如，六个堆叠圆柱形电活性透镜元件(每个与不同透镜经线对准)在一次致动最多三个时可以沿着十五条独特的经线产生圆柱体屈光力。如果这十五条经线以12°增量间隔排列，则透镜堆叠体可以提供良好对准的圆柱体屈光力以校正沿着任何轴的散光。堆叠体中的每个圆柱形电活性透镜元件可以包括由彼此平行且正交于圆柱形电活性透镜元件的圆柱体轴和光轴两者的线性电极致动的液晶层。电活性透镜还可以包括球形透镜元件，所述球形透镜元件还提供除了由堆叠圆柱形电活性透镜元件产生的任何净球形屈光力之外的球形屈光力。

Description

具有圆柱体旋转控制的电活性透镜
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)要求2020年8月27日提交的美国申请第63/070,858号的优先权权益，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
患者的校正透镜处方通常由医疗保健从业者测量，所述医疗保健从业者记录并报告球体(SPH)、圆柱体(CYL)和轴方面的处方。球体指示矫正近视或远视所规定的透镜屈光力的量，通常以屈光度(D)为单位进行测量。圆柱体指示矫正散光所需的透镜屈光力的量，当眼睛(角膜)或透镜的前表面是卵形的而不是球形的时发生散光。散光可能导致所有距离的视力模糊。轴描述了不包含用于矫正散光的圆柱体屈光力的透镜经线。换句话说，轴指圆柱体误差的旋转取向。尽管球体可能随时间快速改变，但圆柱体和轴很少改变或改变非常缓慢(例如，经过数年)，有时在患者的一生中从不改变。提供球形和圆柱体校正两者的透镜称为复合透镜或复曲面透镜。
图1A–1E说明了光学十字或屈光力十字如何可用于展示具有圆柱体屈光力的透镜的处方。光学十字是图形装置，其可用于说明透镜的前表面和后表面的圆柱体屈光力。它展示了沿着透镜的表面的经线的圆柱体屈光力。(经线与透镜的光轴正交；主要经线或主经线是屈光力最大和最小的经线。)对于球形透镜，这些屈光力对于每个经线是相同的。圆柱形透镜具有沿着一条经线为零的光学屈光力，所述经线与圆柱形透镜的纵向轴线或屈光力轴线对准。复合透镜或复曲面透镜具有随经线角变化的光学屈光力。
图1A示出了具有平后表面和凸前表面的圆柱体透镜100a的光学十字。此圆柱体透镜100a沿着180°经线(等价于0°经线)提供+4.00屈光度(D)的光学屈光力，并且沿着90°经线(等价于270°经线)不提供光学屈光力。类似地，图1B示出了相对于图1A中的圆柱体透镜100a旋转90°的具有平后表面和凸前表面的圆柱体透镜100b的光学十字。此旋转使光学十字旋转90°：在图1B中，光学十字沿着90°经线展示+4.00屈光度(D)的光学屈光力并且沿着180°经线不展示光学屈光力。
通常，圆柱形透镜沿着与其纵向轴线和其光轴两者都正交的经线提供光学屈光力。该经线不必为90°或180°。在图1C中，例如，圆柱体透镜100c是以其纵轴沿着45°经线定向的平凸圆柱体。其主经线的屈光力为+4.00D(135°)和0D(0°)。其沿着90°经线和180°经线的光学屈光力为+2.00D。光学屈光力随经线角度的这种变化可以表示为
Figure BDA0004088482470000021
Figure BDA0004088482470000022
其中Fcy1是圆柱体屈光力，并且
Figure BDA0004088482470000023
是圆柱体轴线与新经线之间的角度。图1D示出了图1B的圆柱体透镜100b，在30°、45°、60°和90°经线处标注了光学屈光力(分别表示25％、50％、75％和100％的圆柱体屈光力)。
图1E示出了复曲面透镜的光学十字，其沿着45°经线提供–2.00D的球形屈光力和+4.00D的圆柱体屈光力。复曲面透镜沿着任何经线的光学屈光力是其沿着该经线的球形屈光力和圆柱体屈光力的总和。其主要经线为45°(+2.00D)和135°(–2.00D)。它沿着90°经线和180°经线(平的)不提供光学屈光力。
发明内容
电活性(EA)透镜(例如液晶透镜)可以产生许多不同的光学波前形状，从而使它们成为矫正人类视力屈光误差的理想候选者。尽管EA透镜可以产生圆柱形光学屈光力，但由于散光误差的旋转取向不同，它们并未广泛用于矫正人类的散光(其是圆柱体屈光力屈光不正)，并且在不使用移动机械部件的情况下改变圆柱体EA透镜的旋转取向还不现实。
本技术允许EA透镜在各种不同轴线处产生圆柱体屈光力，而不需要移动部件。这种类型的EA透镜包括光学串联布置的许多EA透镜元件。这些EA透镜元件中的一些被称为圆柱体EA透镜元件或圆柱体透镜元件，并且具有正交于EA透镜的光轴并且相对于EA透镜中的其它圆柱体EA透镜元件的线性电极围绕光轴旋转的线性电极。这些圆柱体EA透镜元件中的每一个中的线性电极的方向或取向限定由该圆柱体EA透镜元件产生的圆柱体的轴线。EA透镜中的一个或多个其它EA透镜元件提供球形校正。这允许EA透镜在几乎任何眼镜或隐形眼镜处方中充分校正球体、圆柱体和轴。
示例性电活性透镜可以包括彼此光学串联的三个电活性元件。第一电活性透镜元件在电活性透镜的第一经线中提供第一可变圆柱体屈光力。第二电活性透镜元件在电活性透镜的不同于第一经线的第二经线中提供第二可变圆柱体屈光力。并且第三电活性透镜元件在电活性透镜的不同于第一经线和第二经线的第三经线中提供第三可变圆柱体屈光力。第二经线可以相对于第一经线围绕电活性透镜的光轴旋转高达约24°的角度。类似地，第三经线可以相对于第一经线围绕电活性透镜的光轴旋转小于90°的角度。
第一电活性透镜元件可以包括第一液晶层和线性电极的第一阵列，所述线性电极垂直于第一经线和电活性透镜的光轴并且被配置成致动第一液晶层。同样，第二电活性透镜元件可以包括第二液晶层和线性电极的第二阵列，所述线性电极垂直于第二经线和电活性透镜的光轴并且被配置成致动第二液晶层。并且第三电活性透镜元件可以包括第三液晶层和线性电极的第三阵列，所述线性电极垂直于第三经线和电活性透镜的光轴并且被配置成致动第三液晶层。
电活性透镜还可以包括与第一电活性透镜元件、第二电活性透镜元件和第三电活性透镜元件光学串联的第四电活性透镜元件。在操作中，第四电活性透镜元件在电活性透镜的不同于第一经线、第二经线和第三经线的第四经线中提供第四可变圆柱体屈光力。
替代电活性透镜可以包括彼此且与至少一个其它电活性透镜元件光学串联布置的圆柱形电活性透镜元件。圆柱形电活性透镜元件可以在相对于电活性透镜的光轴的不同的相应轴处提供圆柱形光学屈光力。并且另一电活性元件可以提供可变球形光学屈光力，其可以被选择以偏移由两个或更多个圆柱形电活性透镜元件提供的球形屈光力。
圆柱形电活性透镜元件可以包括相应的双稳态电活性材料层。可以有三个、四个、五个或六个圆柱形电活性透镜元件。如果有六个圆柱形电活性透镜元件，则可以使这些圆柱形电活性透镜元件对准以分别在0、24、72、120、144和168度的经线处提供圆柱体屈光力。每个圆柱形电活性透镜元件可以被独立地致动。
每个圆柱形电活性透镜元件可以包括液晶材料层和线性电极的阵列。线性电极与液晶材料层电连通并且垂直于电活性透镜的光轴。它们可以将电场施加到液晶材料层，由此使液晶材料层提供正交于电活性透镜的光轴的可变圆柱形光学屈光力。
可以如下方式利用电活性透镜实现圆柱体旋转控制，所述电活性透镜包括圆柱形电活性透镜元件的堆叠体，其被配置成在相对于电活性透镜的光轴的不同的相应轴处提供圆柱形光学屈光力。所述过程包括：利用圆柱形电活性透镜元件的堆叠体中的第一圆柱形电活性透镜元件沿着第一经线提供圆柱体屈光力。在利用第一圆柱形电活性透镜元件沿着第一经线提供圆柱体屈光力的同时，圆柱形电活性透镜元件的堆叠体中的第二圆柱形电活性透镜元件沿着第一经线的60度内的第二经线提供圆柱体屈光力。
第一经线可以在第二经线的24度内。沿着第一经线和第二经线的圆柱体屈光力可以相加以产生沿着在第一经线与第二经线的中途的经线的圆柱体屈光力。对于通过电活性透镜观看的人而言，在第一经线与第二经线的中途的经线可以在圆柱体校正的6度内。
在分别利用第一圆柱形电活性透镜元件和第二圆柱形电活性透镜元件沿着第一经线和第二经线提供圆柱体屈光力的同时，圆柱形电活性透镜元件的堆叠体中的第三圆柱形电活性透镜元件沿着不同于第一经线和第二经线的第三经线提供圆柱体屈光力。类似地，与圆柱形电活性透镜元件的堆叠体光学串联的一个或多个透镜元件可以提供球形光学屈光力。可以基于由第一圆柱形电活性透镜元件和第二圆柱形电活性透镜元件组合产生的球形光学屈光力来选择此球形光学屈光力。
前述概念和下文更详细论述的附加概念的所有组合(前提是这些概念不相互矛盾)被设想为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。也可能在以引用的方式并入的任何公开内容中出现的本文中明确采用的术语应当被赋予最符合本文所公开的特定概念的含义。
附图说明
本领域的技术人员将理解附图主要是用于说明性目的且并非意图对本文所述的发明主题的范围进行限制。附图未必按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可在附图中夸大或放大地示出以助于理解不同特征。在附图中，类似的参考标号通常指类似的特征(例如，功能上和/或结构上类似的元件)。
图1A示出了叠加在对应光学十字上的垂直定向的圆柱体透镜。
图1B示出了叠加在对应光学十字上的水平定向的圆柱体透镜。
图1C示出了叠加在对应光学十字上的对角线定向的圆柱体透镜。
图1D示出了叠加在对应光学十字上的对角线定向的圆柱体透镜。
图1E示出了复曲面透镜的光学十字。
图2A示出了圆柱体电活性透镜元件(顶部)和平凹圆柱体透镜(底部)。
图2B示出了围绕光轴旋转约45°的图2B的圆柱体电活性透镜元件。
图3A示出了电活性透镜，其包括彼此并且与球形圆柱体电活性透镜元件光学串联布置的一组旋转圆柱体电活性透镜元件。
图3B示出了图3A的电活性透镜的第三圆柱体电活性元件(左)、第四圆柱体电活性元件(中)和两个圆柱体电活性元件一起(右)的光学十字。
图3C为光学屈光力随图3A的电活性透镜的第三圆柱体电活性元件、第四圆柱体电活性元件、两个圆柱体电活性元件一起，以及去除或偏移球形屈光力的两个圆柱体电活性元件一起的经线角度变化的图。
图4是在视力表上测量的最小分辨角的对数(LogMAR)与四种不同的圆柱体屈光力的圆柱体轴未对准的图。
图5示出了用于电活性透镜中的堆叠圆柱体电活性透镜元件(层)的不同可能的经线角度。
图6是利用来自六个圆柱体透镜的可用选择的三个圆柱体透镜的组合时的22种不同的圆柱体轴线可能性的图。
图7是以度为单位的圆柱体轴相对于具有散光的4000名美国人群组的图。
图8示出了具有用于圆柱体旋转控制的堆叠圆柱体电活性透镜元件的电活性眼镜片。
图9示出了具有用于圆柱体旋转控制的堆叠圆柱体电活性透镜元件的电活性隐形眼镜。
图10示出了具有用于圆柱体旋转控制的堆叠圆柱体电活性透镜元件的电活性隐形眼镜。
具体实施方式
图2A和2B示出了示例性电活性圆柱体透镜元件200，也称为圆柱形或圆柱体电活性透镜元件，其可以用于提供可变圆柱体光学屈光力。这种电活性圆柱体透镜元件200包括夹在一对透明基板(例如，由玻璃或聚合物制成)之间的单个电活性材料(例如双稳态液晶材料)层。一个基板涂有地平面电极，另一个基板涂有平行线性电极205a–205n阵列。当没有电压施加到电极205时，电极205层上的对准层(未示出)可以使液晶材料相对于基板和电极对准。在图1中标记了平行线性电极阵列中的最左侧电极205a和最右侧电极205n。
线性电极205耦合到电极控制电路207并且由该电极控制电路控制，该电极控制电路可以位于电活性圆柱体透镜元件200的一个边缘处。每个电极205可以有一个电极控制电路207，或者电极205可以共享电极控制电路207。在共享电路的情况下，应当有至少充足的控制电路207来产生圆柱体光学屈光力。
在操作中，电极控制电路207将电压施加到线性电极205中的一些或全部。这些电压致动电活性材料，从而沿着180°经线，即，在正交于电极205和透镜的光轴的方向上改变透镜的光学屈光力，所述方向与基板和电活性材料的平面正交。电极控制电路207可以向每个电极205施加不同的电压，以便产生模仿常规的平凹圆柱体透镜15的光学屈光力的圆柱形光学屈光力。绘制电压相对于电极数目的图产生抛物线弧或圆弧或相位缠绕弧，其模仿平凹圆柱体透镜15的凹侧的形状。例如，中心电极可以被施加零伏，中心电极的两侧上的紧邻电极可以被施加0.5伏，与它们相邻的下一个电极具有略微更高的电压，随着这些电极与中心电极的距离增加，这种增大施加到电极的电压的模式多次重复。
改变此电压分布曲线的形状和振幅改变了由透镜元件200沿着180°经线提供的圆柱体光学屈光力。通常，圆柱体透镜可调谐以递送可以在0至±6.00D或更多范围内的可变量的圆柱体屈光力。透镜元件200沿着90°经线不提供光学屈光力。如果需要，可以旋转透镜元件200以沿着另一经线提供圆柱体光学屈光力。在图2B中，例如，透镜元件200旋转45°以沿着135°经线提供可变光学屈光力，并且沿着45°经线不提供光学屈光力。
图3A示出了电活性透镜300，其具有与具有同心圆形电极315的单独的球形电活性透镜元件310光学串联布置的若干圆柱体电活性透镜元件200a–200d。在此示例中，存在四个圆柱体电活性透镜元件200，但其它电活性透镜300可以具有更多或更少个圆柱体电活性透镜元件200，如下文更详细论述的。类似地，电活性透镜300可以包括更多或更少(即，零)个球形电活性透镜元件，其中的每一个可以提供相同量的球形光学屈光力或不同量的球形光学屈光力。代替具有同心圆形电极的球形电活性透镜元件或作为该球形电活性透镜元件的补充，也可以使用两个正交定向的圆柱体电活性透镜元件来提供球形光学屈光力。
电活性透镜元件可以嵌入透明基板中或至少部分地被该透明基板包封。此基板可以是刚性的或柔性的，并且可以具有与透镜元件中的未致动电活性(例如，液晶材料)的折射率相同或基本上相同的折射率，以用于故障保护操作。基板可以具有不提供光学屈光力或弯曲或衍射外表面或折射率梯度的平面外表面，以在由电活性透镜元件提供的可变圆柱形和球形光学屈光力之外提供固定光学屈光力。
在图3A中，圆柱体电活性透镜元件200a–200d围绕光轴相对于彼此旋转。也就是说，圆柱体电活性透镜元件200a–200d具有不同的主经线。每个圆柱体电活性透镜元件200的线性电极205与最小光学屈光力的对应经线对准。在此示例中，透镜元件200a、200b、200c和200d围绕光轴旋转，使得它们的线性电极平行于135°、15°、105°和45°经线，并且沿着正交经线(即，分别为135°、15°、105°和45°经线)提供可变光学屈光力。
如上文所解释的，一个或多个控制电路207向不同圆柱体电活性透镜元件200中的每个电极施加电力。可以彼此独立地致动圆柱体电活性透镜元件，同时致动多于一个透镜元件。如果同时致动多个透镜元件，则它们的光学屈光力如上所述相加。
例如，致动球形电活性透镜元件310以及圆柱形电活性透镜元件200中的一个产生用于散光矫正的复曲面光学屈光力，例如，如针对图1E中的常规复曲面透镜所示的。然而，与常规透镜中不同，可以通过改变施加到电活性透镜元件的电压来调整光学屈光力的量。另外，可以通过改变致动哪个圆柱形电活性透镜元件200来使圆柱体屈光力围绕光轴旋转(即，旋转到不同的主经线)，而不需要任何移动部分。在图3A中的电活性透镜300中，圆柱形电活性透镜元件200沿着四个不同的轴线对准，使得可以通过致动对应的圆柱形电活性透镜元件200来校正沿着这些轴线中的每一个的散光。致动正交对准的圆柱形电活性透镜元件200(例如，圆柱形电活性透镜元件200b和200c)以提供相同圆柱形屈光力产生了净球形屈光力。
如果同时致动多于一个圆柱形电活性透镜元件200，则它们的圆柱体屈光力相加，从而使电活性透镜300用作复合透镜。因为圆柱形电活性透镜元件200具有不同的主经线(即，它们围绕光轴相对于彼此旋转)，所以电活性透镜的主经线可以在中间位置处。例如，同时致动两个圆柱形电活性透镜元件200沿着在对于被致动的两个圆柱形电活性透镜元件200的最大光学屈光力的经线的中途的经线产生最大光学屈光力。
更具体地，致动圆柱形电活性透镜元件200c和200d(最大光学屈光力经线分别为105°和45°)以提供相同大小的圆柱体屈光力沿着75°经线产生净最大或组合最大圆柱体屈光力。类似地，致动圆柱形电活性透镜元件200b和200c(最大光学屈光力经线分别为15°和105°)以提供相同大小的圆柱体屈光力沿着60°经线产生净最大或组合最大光学屈光力。并且致动正交圆柱形电活性透镜元件(例如，元件200a和200d)以提供相同大小的圆柱体屈光力产生净球形屈光力。
图3B和3C以及表1(下文)示出了通过致动圆柱形电活性透镜元件200c和200d以各自提供+4.00D的圆柱体屈光力而提供的各个和净光学屈光力。图3B示出了元件200c(左)、元件200d(中)和串联的两个元件(右)的光学十字。串联的两个元件的最大光学屈光力为75°经线处的+6.00D，该经线在元件200c和200d的105°和45°最大光学屈光力经线的中途处。串联的两个元件的最小光学屈光力为165°经线处的+2.00D。图3C和表1示出了在其它经线处提供的光学屈光力。
两个圆柱形电活性元件200c和200d一起致动，等效于提供+2.00D的光学屈光力的球形透镜元件，所述球形透镜元件与在75°轴线处提供+4.00D的圆柱体屈光力的圆柱体透镜元件串联。如果需要，可以通过致动球形电活性透镜元件310以提供–2.00D的球形屈光力来偏移球形光学屈光力。在致动两个圆柱形电活性元件200c和200d以各自提供+4.00D的最大圆柱体屈光力并致动球形电活性透镜元件310以提供–2.00D的球形屈光力的情况下，电活性透镜300在75°轴线处提供+4.00D的圆柱体屈光力的净光学屈光力。或者，可以致动球形电活性透镜元件310c以提供额外球形屈光力或者减小球形屈光力。
经线(°) 元件200c 元件200d 总和 球体较小
0 0.27 2.00 2.27 0.27
15 0.00 3.00 3.00 1.00
30 0.27 3.73 4.00 2.00
45 1.00 4.00 5.00 3.00
60 2.00 3.73 5.73 3.73
75 3.00 3.00 6.00 4.00
90 3.73 2.00 5.73 3.73
105 4.00 1.00 5.00 3.00
120 3.73 0.27 4.00 2.00
135 3.00 0.00 3.00 1.00
150 2.00 0.27 2.27 0.27
165 1.00 1.00 2.00 0.00
180 0.27 2.00 2.27 0.27
表1
因此，同时致动多于一个圆柱形电活性透镜元件200使得可以使由电活性透镜300提供的净圆柱体屈光力围绕电活性透镜300的光轴旋转。可以动态地致动圆柱形电活性透镜元件200以提供其量值和旋转角度随时间变化的净圆柱体屈光力。同时，可以根据需要动态地致动球形透镜元件310以提供额外球形屈光力。此球形屈光力可以加到由电活性透镜提供的净屈光力或者减少由被致动的圆柱形电活性透镜元件200产生的任何球形屈光力。
如果圆柱形电活性透镜元件200是双稳态的，那么它们也可以被致动或设定一次，然后保持在该设定中以提供静态或恒定的净圆柱体屈光力，而不消耗任何电力。例如，如果圆柱形电活性透镜元件200包括双稳态液晶材料，那么将合适的电压施加到液晶材料会使液晶材料重定向自身并保持在重定向的位置，直到施加后续电压。这种液晶重定向改变了折射率分布曲线，并且因此改变了由圆柱形电活性透镜元件200提供的圆柱体屈光力。替代地，圆柱形电活性透镜元件200可以包括电活性材料，例如可固化聚合物基质中的液晶，所述电活性材料可以通过利用热或紫外线辐射固化而永久地固定在适当位置。固定圆柱形屈光力对于眼科透镜可能是非常有用的，因为散光矫正对于近视矫正和远视矫正通常都是相同的，这可以通过打开和关闭球形电活性透镜元件310来动态地校正。
如果圆柱形电活性透镜元件200被设定成提供静态圆柱体屈光力，则它们还可以提供静态球形屈光力，如图3B和3C的示例中那样。这种静态球形屈光力可以被认为是偏置球形屈光力，而不是可以加到由玻璃或塑料制成的任选基础透镜元件(图3A中未示出)提供的静态光学屈光力。它还可以通过在非零值之间(例如，在正值与负值之间或在两个不同的正值或负值之间)切换球形电活性透镜元件310而被偏移。例如，假设一个人的处方对于近视和远视都是+0.50D的圆柱体屈光力，并且在针对远视的0.00D的球形屈光力与针对近视的+1.50D的球形屈光力之间切换。如果圆柱体电活性透镜元件提供+0.50D的圆柱体屈光力和+0.125D的球形屈光力，那么球形电活性透镜元件可以被设定成在关闭时提供–0.125D的球形屈光力并且在打开时提供+1.375D的球形屈光力，以在关闭和打开时分别提供0.00D和+1.50D的净球形屈光力。
圆柱形电活性透镜元件的数目和对准
具有圆柱体旋转控制的电活性透镜中的圆柱形电活性透镜元件的数目和对准取决于圆柱体旋转控制的所需程度。对于眼科应用而言，临床研究表明，如果将圆柱体轴线校正对准在所需圆柱体处方的实际轴线的±6°内，则视觉结果是令人满意的。例如，图4是在视力表上测量的最小分辨角对数(LogMAR)与四种不同的圆柱体屈光力(全圆柱体屈光力(实黑线)、校正不足0.25圆柱体屈光度(DC；实深灰线)、校正不足0.5DC(虚浅灰线)，和校正不足0.75DC(虚线))的圆柱体轴未对准的图。该图示出了，对于高达约±10°的圆柱体轴线未对准，LogMAR与最佳校正视力灵敏度(BCVA)相差小于0.1，即使对于完全校正也是如此。在高达约±5°的圆柱体轴线未对准处，LogMAR与BCVA相差小于0.05。这表明，对校正透镜的圆柱体的轴线的旋转控制不需要是连续可调整的，它可以以彼此在20°、12°、10°、6°或更少内的旋转步长递增地调整。
如上文参考图3A所述，在电活性透镜中提供多轴圆柱体旋转的一种方式是堆叠若干圆柱体电活性透镜元件，每个圆柱体电活性透镜元件具有不同的旋转轴(主经线)。然后，当需要特定的旋转轴时，打开具有该旋转轴的圆柱体电活性透镜元件，并且关闭其它圆柱体电活性透镜元件。例如，具有15层的透镜可以以6°增量或步长提供调整。
图4示出了用于将由圆柱形电活性透镜元件提供的圆柱体透镜校正对准到所需轴校正的6°之内的轴旋转的十五个增量。这些增量/经线是0、12、24、36、48、60、72、84、96、108、120、132、144、156、168和180度。对准具有十五个圆柱形电活性透镜元件的电活性透镜以在这些经线处提供圆柱体屈光力可以如下方式校正人的散光。眼中的散光轴在零至180°的范围内。如果如图4中那样，在均匀间隔的经线处排列有十五个圆柱形电活性透镜元件，则相邻圆柱形电活性透镜元件的经线之间的增量为12°。任何所需的轴旋转都应落在这些圆柱形电活性透镜元件中的一个的最大光学屈光力的经线的6°之内。例如，如果所需的轴校正为30°，则该轴值位于可以沿着24°经线和36°经线提供圆柱体屈光力的两个圆柱形电活性透镜元件提供的圆柱体屈光力的中途(并且距其6°)。因此，这些圆柱形电活性透镜元件中的任一个可以提供足够的校正。在另一示例中，在31°经线处的所需的轴校正距与36°经线对准的圆柱形电活性透镜元件5°。圆柱体的轴(经线)当在眼镜片中使用时可以由眼镜框保持固定，当在IOL中使用时由胶囊保持固定，并且由放置在隐形眼镜的底部的重物保持固定。
尽管在单个电活性透镜中堆叠十五个层(圆柱形电活性透镜元件)是可能的，但是具有如此多液晶材料层存在缺点。这些缺点中的一些是更大的复杂性、更大的厚度以及在透过电活性透镜看时更大的雾度。可能期望减少所使用的层数，同时仍提供大量可能的圆柱形校正轴。
幸运的是，电活性透镜可以通过一次致动多于一个层来使用少于十五个层(圆柱形电活性透镜元件)产生十五种不同的圆柱体旋转。例如，如果沿着48°经线产生圆柱体屈光力的层与在24°经线处产生圆柱体屈光力的层结合打开，则所得的旋转轴将在36°处在这些值之间(中途)。利用这种方法，层数可以从15减少到9，例如与0、24、48、72、96、120、144、168和180度的经线对准(此处，180度被分成九个24度的增量，包括起始值和结束值)。
表2(下文)示出了在接通相邻电极时产生的所得轴，从而仅利用八层圆柱形电活性透镜元件就产生了十五种轴组合。以“轴1”和“轴2”为标题的列表示第一和第二被致动的圆柱形电活性透镜元件的旋转取向(经线)。在该示例中，每个被致动的圆柱形电活性透镜元件提供相同量的圆柱体屈光力。“轴2”列中的空白表示只有一个圆柱形电活性透镜元件被致动。以“结果”为标题的列列出了被致动的圆柱形电活性透镜元件的具有最大净圆柱体屈光力的旋转轴(经线)。
Figure BDA0004088482470000101
Figure BDA0004088482470000111
表2
第一层和最后一层是冗余的(0°经线和180°经线重合)，因此其中一个可以消除，留下八个堆叠层(圆柱形电活性透镜元件)。即使只有八个堆叠层，电活性透镜仍可以提供对准在6°之内的散光校正。这是通过利用零度轴代替180度轴来实现的，所述两个轴在光学上是等效的。因此，例如，在174°经线处的校正在0°和168°经线(0°与180°重合)之间是等距的，每个校正在6度内。这将角增量的数目减少到14，这可以用8个层来实现，例如0、24、48、72、96、120、144和168度。
可以利用甚至较小数目的层通过激活两个不一定彼此相邻的不同层来实现14个增量。例如，表3示出了在0、24、72、120、144和168度经线处具有六个层(圆柱形电活性元件)的电活性透镜可以以12°增量产生15种不同的圆柱体旋转。
轴1 轴2 结果
0 无 0
0 24 12
24 无 24
0 72 36
24 72 48
0 120 60
72 无 72
24 144 84
24 168 96
72 144 108
120 无 120
120 144 132
168 120 144
168 144 156
168 无 168
表3
可以通过同时致动三个层而不是仅致动两个层来实现更精细的分辨率水平。例如，表4示出了通过堆叠与0、24、72、120、144和168度经线对准的六个圆柱形电活性透镜元件可实现的圆柱体旋转经线。一次致动这些透镜元件中的三个产生二十二种可能的独特的圆柱体轴旋转，其中中央分布具有更精细的分辨率。(独特的圆柱体轴旋转在表4中的右侧示出。)
图6是上文关于表3和4描述的从六种不同定向的透镜的产品组合中仅选择和打开三个透镜时的22种不同的圆柱体轴可能性的图。
Figure BDA0004088482470000131
表4
图7是具有散光的4,000人的美国人群群组中的圆柱体经线的分布的图。垂直轴显示圆柱体轴，水平轴显示人群计数。这表明圆柱体轴分布不均匀：相反，约一半人群(2000人)具有在约80°与100°之间的圆柱体轴。人群中的另外2000人左右具有落在0与80°之间或100°和与180°之间的圆柱体轴。这种分布表明，可以使用具有少于六个堆叠层(圆柱体电活性透镜元件)的电活性透镜为大部分散光人群提供圆柱体校正。或者，可以旋转电活性透镜的各层以在80°与100°之间提供更精细的分辨率(即，在所需的圆柱体轴的小于6°内的校正)。
例如，具有较少层的电活性透镜可以产生一些但并非全部的所需增量以满足每个患者的圆柱体轴可能性。例如，具有四个层的电活性透镜可以产生十四种独特的圆柱体轴组合，但这些组合可能不会以12度步长跨越180度。然而，这种透镜可以被配置为库存单元(SKU)#1，并且用于圆柱体轴落在0°到84°范围内的患者，而可以为圆柱体轴落在96°到180°范围内的患者配置在不同经线处具有四个层的第二SKU#2。这种方法的缺点是需要两个SKU，但优点是每个SKU只具有四个层而不是六个层，并且可以更简单、更薄、更轻且更透明(即，雾度更小)。可以进一步采取这种方法来增加SKU的数目以根据需要进一步减少每个SKU的层数。
表5和6(下文)示出了SKU#1和SKU#2的可能设计参数。每个SKU具有四个层(圆柱体电活性透镜元件)A-D，它们被定向为沿着不同的轴(经线)提供圆柱体屈光力。致动每个SKU中的一个、两个或三个层产生跨越期望范围的净圆柱体屈光力。这些参数可以根据需要进行调整。所述层可以根据如上所述的患者的处方被一次性设置或固定。SKU还可以包括静态或动态球形透镜元件，以提供额外球形屈光力或偏移由所述层提供的球形屈光力。
Figure BDA0004088482470000141
             
Figure BDA0004088482470000151
上述示例说明了该概念，并且并非旨在为相当多的所有可能的组合的综合列表。本领域的普通技术人员可以计算其它组合，所述其它组合可以包括更少或更多的层以及更精细或更粗糙的轴分离增量，或者甚至不涵盖整个180度而是聚集到较窄的组中以实现该组内的更精细的分辨率水平的一系列轴。
具有圆柱体旋转控制的眼镜、隐形眼镜和人工晶体
图8示出了具有带圆柱体旋转控制的电活性透镜810的眼镜或护目镜800。电活性透镜810通过框架前部820保持在适当位置，所述框架前部经由相应的(任选的)铰链连接到左和右镜腿830。框架前部820、镜腿830和任选的铰链一起形成眼镜800的框架。每个透镜810中嵌有至少三个且可能更多的堆叠圆柱体电活性透镜元件(层)812。这些层812由线性电极致动，类似于图3A中所示的电活性透镜300。每个透镜810还可以包括与层812堆叠的动态球形透镜元件。并且透镜810本身可以具有弯曲外表面以提供额外球体或圆柱体屈光力。
如上文所解释的，每个透镜810中的圆柱体电活性层812围绕透镜的光轴相对于彼此旋转，以提供对由透镜810提供的可调节/动态圆柱体校正的旋转控制。透镜810可以经由眼镜800上的开关或无线地耦合到电子器件814的遥控器(例如，具有合适app的智能电话)响应于传感器读数或用户输入提供此旋转控制。或者，旋转控制可以是固定的，例如，由确定患者的处方并将眼镜配合到患者身上的配镜师来固定。
在这种情况下，例如，使用3D打印或其它增材制造技术将每组电活性层812密封或形成在玻璃或塑料基底透镜元件内。基底透镜元件可以提供–30屈光度到+30屈光度的固定光学屈光力。对于某些应用，例如增强或虚拟现实应用，基底透镜元件可以不提供任何光学屈光力(即，其可以具有0屈光度的光学屈光力)。
电活性层812由电子器件814供电和控制，所述电子器件可以嵌入基底透镜元件的周边中，不在穿戴者的视线内，如图8中所示。这些电子器件中的一些或全部也可以嵌入或容纳在框架前部820或镜腿830中，其中在电子器件与电源之间具有有线或无线电连接。这些电连接可以采用延伸穿过或跨越(任选的)铰链和基底透镜元件的导电迹线或导线的形式。它们也可以采用导电环的形式，所述导电环将能量从电源无线地耦合到层812和/或电子器件814。
因为电活性层812提供圆柱体旋转控制，所以透镜810可以配合到框架前部820而不考虑其对准。这使得更容易利用镶边技术或3D打印技术使透镜810成形，并且将透镜810对准到框架前部820——除非基底透镜元件提供固定旋转屈光力或校正，否则不需要透镜810相对于框架前部820的旋转对准。相反，透镜810可以任何旋转取向插入框架前部820中，并且可以通过用控制电子器件814致动层812来调节圆柱形屈光力(如果需要，一次或反复调节)。
图9示出了提供圆柱体旋转控制的电活性隐形眼镜900。与图8中的眼镜片810一样，电活性隐形眼镜900包括嵌入或固定到基底光学元件910的堆叠电活性层912。每个电活性层912具有其自己的相对于隐形眼镜的光轴以不同角度旋转的平行线性电极，并且沿着不同的经线提供圆柱体屈光力(例如，像图3A中的堆叠电活性层200那样)。基底光学元件910可以提供从–30屈光度到+30屈光度(包括0屈光度)的固定光学屈光力，并且由生物相容性材料制成，例如软的可渗透丙烯酸或适合在隐形眼镜中使用的其它材料。基底光学元件910还包封电子器件914和例如电容器或电池的电源，其为电子器件914和层912供电。电子器件914和电源可以由透明或半透明材料制成和/或设置在用户视线之外。
电子器件914可以包括传感器，该传感器检测或测量隐形眼镜相对于所需的圆柱体旋转角度的旋转取向。电子器件914使用此信息来致动层914以提供所需的圆柱形屈光力。另外或替代地，电子器件914可以包括天线或其它无线接口，在此情况下，电子器件914可以响应于来自穿戴者或配镜师操作的遥控器的无线命令来致动层914。
图10示出了具有圆柱体旋转控制的电活性人工晶体(IOL)1000。类似于图9中的电活性隐形眼镜900，电活性IOL 1000包括从基底透镜元件1010延伸的触觉件1020，该基底透镜元件气密包封具有线性电极的堆叠旋转电活性层1012、电子器件1014和电源。基底透镜元件1010还可以提供–30屈光度到+30屈光度的固定光学屈光力。IOL 1000可以是柔性的，使得它可以卷曲或折叠，然后经由小切口插入眼睛中。一旦进入眼睛内部，IOL1000就展开，并且触觉件1020将IOL 1000锚定在适当位置。不幸的是，锚定的IOL 1000的旋转取向可能与所需的旋转轴不匹配。幸运的是，电子器件1014可以致动EA层1012以提供如上文所述的圆柱形校正范围中的任一个，以便补偿这种未对准。精确的圆柱形校正可以由患者或外科医生经由遥控器或使用测量患者的散光的IOL 800内部或耦合到该IOL的传感器来设定。
结语
尽管已经在本文中描述和示出了各种发明实施例，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的一个或多个优点的多种其它装置和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每个都被认为在本文所述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于发明示教用于的一个或多个特定应用。本领域的技术人员顶多使用常规实验即可认识到或能够确定本文所描述的特定发明性实施例的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例仅以举例的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等同物的范围内，发明实施例可以通过除具体描述和要求保护的方式之外的其它方式实践。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法(如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非互不一致)的任何组合包含在本公开的发明性范围内。
而且，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已经提供了其示例。作为方法的一部分执行的动作可以用任何合适的方式排序。因此，可以构造按不同于所说明的次序执行动作的实施例，其可以包含同时执行一些动作，即使在说明性实施例中展示为依序的动作也是如此。
应理解，如本文中定义和使用的所有定义都优先于字典定义、以引用的方式并入的文档中的定义和/或定义的术语的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”除非明确相反指示，否则应理解为意味着“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下结合存在并且在其它情况下分开存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除了由“和/或”子句具体指出的元件之外，还可以任选地存在其它元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性实例，当结合开放式语言(例如“包括”)使用时，提及“A和/或B”在一个实施例中可以仅指A(任选地包含除B之外的元素)；在另一个实施例中仅指B(任选地包含除A之外的元素)；在又一个实施例中，兼指A和B(任选地包含其它元素)；等等。
如本文在本说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中分隔多个项目时，“或”或“和/或”应解释为包含性的，即，包含至少一个，但也包含多个要素或要素列表中的一个以上要素和任选地额外未列出的项目。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书中使用时“由……组成”将指的是包含多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般地，本文所使用的术语“或”仅应解释为在排他性术语例如“任一个”、“一个”、“仅一个”或“恰好一个”之前指示排他的替代方式(即“一者或另一者，但并非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时，应具有如其在专利法领域中所用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应理解为指选自所述元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包含元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许除了元素列表内具体识别的短语“至少一个”所指的元素之外的元素可任选地存在，无论其是否与具体识别的那些元素相关。因此，作为非限制性实例，在一个实施例中，“A和B中的至少一个”(或，等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，而不存在B(并且任选地包含除了B之外的元件)；在另一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个B，而不存在A(并且任选地包含除了A之外的元件)；在又一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，和至少一个、任选地包含多于一个B(并且任选地包含其它元件)；等。
在权利要求书中以及在上述说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“由……组成”等所有连接词应理解为是开放的，即，意指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (22)

1.一种电活性透镜，包括：
第一电活性透镜元件，所述第一电活性透镜元件被配置成在所述电活性透镜的第一经线中提供第一可变圆柱体屈光力；
第二电活性透镜元件，所述第二电活性透镜元件与所述第一电活性透镜元件光学串联，并且被配置成在不同于所述第一经线的所述电活性透镜的第二经线中提供第二可变圆柱体屈光力；以及
第三电活性透镜元件，所述第三电活性透镜元件与所述第一电活性透镜元件和所述第二电活性透镜元件光学串联，并且被配置成在不同于所述第一经线和所述第二经线的所述电活性透镜的第三经线中提供第三可变圆柱体屈光力。
2.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述第二经线相对于所述第一经线围绕所述电活性透镜的光轴旋转高达约24°的角度。
3.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述第三经线相对于所述第一经线围绕所述电活性透镜的光轴旋转小于90°的角度。
4.根据权利要求1所述的电活性透镜，其中：
所述第一电活性透镜元件包括第一液晶层和线性电极的第一阵列，所述线性电极垂直于所述第一经线和所述电活性透镜的光轴并且被配置成致动所述第一液晶层，
所述第二电活性透镜元件包括第二液晶层和线性电极的第二阵列，所述线性电极垂直于所述第二经线和所述电活性透镜的光轴并且被配置成致动所述第二液晶层，并且
所述第三电活性透镜元件包括第三液晶层和线性电极的第三阵列，所述线性电极垂直于所述第三经线和所述电活性透镜的光轴并且被配置成致动所述第三液晶层。
5.根据权利要求1所述的电活性透镜，还包括：
第四电活性透镜元件，所述第四电活性透镜元件与所述第一电活性透镜元件、所述第二电活性透镜元件和所述第三电活性透镜元件光学串联，并且被配置成在不同于所述第一经线、所述第二经线和所述第三经线的所述电活性透镜的第四经线中提供第四可变圆柱体屈光力。
6.一种电活性透镜，包括：
圆柱形电活性透镜元件，所述圆柱形电活性透镜元件彼此光学串联布置并且被配置成在相对于所述电活性透镜的光轴的不同的相应轴处提供圆柱形光学屈光力；以及
至少一个电活性元件，所述至少一个电活性元件与所述圆柱形电活性透镜元件光学串联布置并且被配置成提供可变球形光学屈光力。
7.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述圆柱形电活性透镜元件包括相应的双稳态电活性材料层。
8.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述圆柱形电活性透镜元件包括三个圆柱形电活性透镜元件。
9.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述圆柱形电活性透镜元件包括四个圆柱形电活性透镜元件。
10.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述圆柱形电活性透镜元件包括五个圆柱形电活性透镜元件。
11.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述圆柱形电活性透镜元件包括六个圆柱形电活性透镜元件。
12.根据权利要求11所述的电活性透镜，其中，所述六个圆柱形电活性透镜元件对准以分别在0、24、72、120、144和168度经线处提供圆柱体屈光力。
13.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述圆柱形电活性透镜元件中的每一个被配置成被独立地致动。
14.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述圆柱形电活性透镜元件中的每一个包括：
液晶材料层；以及
线性电极的阵列，所述线性电极与所述液晶材料层电连通并且垂直于所述电活性透镜的光轴，所述线性电极被配置成向所述液晶材料层施加电场，由此使所述液晶材料层提供正交于所述电活性透镜的光轴的可变圆柱形光学屈光力。
15.根据权利要求6所述的电活性透镜，其中，所述至少一个电活性元件被配置成提供所述可变球形光学屈光力，所述可变球形光学屈光力偏移由所述圆柱形电活性透镜元件中的两个或更多个提供的球形屈光力。
16.一种操作电活性透镜的方法，所述电活性透镜包括圆柱形电活性透镜元件的堆叠体，并且被配置成在相对于所述电活性透镜的光轴的不同的相应轴处提供圆柱形光学屈光力，所述方法包括：
利用所述圆柱形电活性透镜元件的堆叠体中的第一圆柱形电活性透镜元件沿着第一经线提供圆柱体屈光力；
在利用所述第一圆柱形电活性透镜元件沿着所述第一经线提供圆柱体屈光力的同时，利用所述圆柱形电活性透镜元件的堆叠体中的第二圆柱形电活性透镜元件沿着在所述第一经线的60度内的第二经线提供圆柱体屈光力。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一经线在所述第二经线的24度内。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，沿着所述第一经线的圆柱体屈光力和沿着所述第二经线的圆柱体屈光力相加以产生沿着在所述第一经线与所述第二经线的中途的经线的圆柱体屈光力。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，对于通过所述电活性透镜观看的人而言，在所述第一经线与所述第二经线的中途的经线在圆柱体校正的6度内。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在利用所述第一圆柱形电活性透镜元件沿着所述第一经线提供圆柱体屈光力并且利用所述第二圆柱形电活性透镜元件沿着所述第二经线提供圆柱体屈光力的同时，利用所述圆柱形电活性透镜元件的堆叠体中的第三圆柱形电活性透镜元件沿着与所述第一经线和所述第二经线不同的第三经线提供圆柱体屈光力。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在利用所述第一圆柱形电活性透镜元件沿着所述第一经线提供圆柱体屈光力并且利用所述第二圆柱形电活性透镜元件沿着所述第二经线提供圆柱体屈光力的同时，利用与所述圆柱形电活性透镜元件的堆叠体光学串联的至少一个透镜元件提供球形光学屈光力。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
基于由所述第一圆柱形电活性透镜元件和所述第二圆柱形电活性透镜元件组合产生的球形光学屈光力来选择由所述至少一个元件提供的球形光学屈光力。
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