棱镜增强的透镜和使用棱镜增强的透镜的方法技术

给出了一种利用表面起伏结构和电活性材料的电活性透镜，其中折射率的改变促进光学性质的改变。模制结构和液晶被用于形成衍射透镜。除了利用衍射光学器件和多个菲涅耳区形成透镜的经典方法之外，还在菲涅耳区之间放置另外的结构，以便提高跨可见光谱的衍射效率，并且减少色差。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】棱镜增强的透镜和使用棱镜增强的透镜的方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年4月13日提交的标题为“Prism-EnhancedLenses”的美国申请No.62/321,893和2016年2月1日提交的标题为“EnhancedSurfaceReliefLenses”的美国申请No.62/289,512的根据35U.S.C.119的优先权权益，这些申请中的每一个通过其整体引用并入本文。
技术介绍
基于衍射的透镜的基本限制是其固有的波长依赖性，这导致在透镜的指定的设计波长之外降低的衍射效率。这起因于在透镜的焦点处的相长干涉的要求，这一般仅可以对于可见区域中的单个波长的光进行优化。如本领域技术人员所理解的，传统的衍射透镜包括一个或多个相位卷绕(wrap)或相位复位(reset)。相位卷绕(相位复位)是透镜的相位延迟(retardation)轮廓的锯齿状调制，其中每个齿或“卷绕”具有近似等于整数个波长的光程长度。这允许设备更薄，其中光焦度经由通过衍射而不是跨整个透镜的折射在焦点处的相长干涉引起。与整数个波长对应的相位复位产生完美的相长干涉，并且被认为具有100％的衍射效率。然而，当相位复位不是整数个波长时，由于在焦点处缺乏完美的相长干涉，透镜的性能降低，这导致衍射效率的降低。衍射效率随着与相位复位相关联的光程差偏离整数个波长而降低。当相位复位与半数波长对应(其中相位复位与相消干涉对应)时，出现最小衍射效率。由于跨可见光谱的波长的变化，对于单个波长(该单个波长被定义为设计波长λ0)，传统衍射透镜中的相位复位仅与整数n个波长的相位延迟对应。对于光的其它波长，相位复位可能与非整数个波长对应；当波长变得大于或小于设计波长时，相位复位处的相位差偏离整数个波长。这使透镜的性能远离设计波长降级。基于相位的衍射透镜的衍射效率(η)可以使用以下等式来定量地描述：其中λ是光的波长，λ0是透镜的设计波长，并且k是衍射级数。(在衍射透镜的情况下，为了正确的操作，衍射级数是第一级，k＝1。)这个函数不包括与用于制作透镜的材料相关联的光学色散的影响。材料色散可以进一步在远离设计波长的波长处进一步降低衍射效率。下面对于具有550nm的设计波长(λ0)的衍射透镜示出了一些示例计算：表1波长(λ)衍射效率(η)450nm0.848500nm0.968550nm1600nm0.978650nm0.925对于这种透镜，衍射效率在可见光谱上变化超过15％。当利用多级衍射透镜工作(由此相位复位出现在多于一个的整数个波长处)时，衍射效率的这种降低可以具有更大的重要性。
技术实现思路
专利技术人已认识到，衍射透镜的色度依赖性在与折射光学器件相比较时是主要缺点。本技术通过在相位卷绕区域对衍射透镜提供另外的棱镜结构以减轻不想要的相消干涉来解决这个缺点。另外的棱镜结构在设计波长处和其它波长处的衍射效率之间提供折衷。这对于眼用透镜(包括眼镜透镜、接触透镜和眼内透镜)是特别有益的。本技术可以被实现为电活性透镜，其中电活性材料(诸如液晶材料)与包括另外的棱镜结构的表面起伏(relief)结构光学连通。表面起伏结构可以被模制，然后被结合到另一个基片(substrate)以形成保持液晶材料的腔体。本专利技术的实施例包括电活性透镜，其包括第一基片、第二基片、布置在第一基片和第二基片之间的液晶材料、以及对着第二基片形成在第一基片中的表面起伏结构。表面起伏结构定义菲涅耳透镜，其具有多个同心环和布置在多个同心环中的一对同心环之间的至少一个棱镜结构。在一些情况下，多个同心环中的第m个环具有大于的内半径，其中m是大于1的整数，f是菲涅耳透镜的焦距，并且λ0是电活性透镜的设计波长。如果存在例如具有总宽度(aggregatewidth)w的m-1个棱镜结构，那么多个同心环中的第m个环的内半径等于rm和w之和。棱镜结构可以包括与一对同心环同心的环状棱镜结构。在一些示例中，可以存在在多个同心环中的每对同心环之间的、并且与每对同心环同心的环状棱镜结构。并且，在一些情况下，棱镜结构中的一个或多个可以与相邻的同心环部分重叠。棱镜结构中的一个或多个可以定义多个峰、弯曲表面或两者。棱镜结构可以具有大约0.1微米至大约50微米的高度和大约5微米至大约200微米的宽度。多级棱镜增强的透镜(即，具有高度等于mλ的同心环的透镜，其中m是大于1的整数并且λ是设计波长)在大约550nm的波长处可以具有大于大约0.85的斯特列尔比(Strehlratio)，在大约450nm的波长处可以具有大于大约0.70的斯特列尔比，并且在大约450nm的波长处可以具有大于大约0.60的斯特列尔比。例如，电活性透镜的斯特列尔比在大约450nm至大约650nm的波长范围上可以大于大约0.65或甚至0.80。另一种示例电活性透镜包括第一基片、第二基片、布置在第一基片和第二基片之间的液晶材料、以及对着第二基片形成在第一基片中的表面起伏结构。这个表面起伏结构定义同心的菲涅耳透镜的叠加。同心的菲涅耳透镜的叠加可以包括具有第一高度的第一菲涅耳透镜和具有小于第一高度的第二高度的第二菲涅耳透镜。其它实施例包括聚焦光的方法。该方法包括利用电活性透镜聚焦光，该电活性透镜包括第一基片、第二基片、布置在第一基片和第二基片之间的液晶材料、以及对着第二基片形成在第一基片中的表面起伏结构。表面起伏结构定义菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜具有多个同心环和布置在多个同心环中的一对同心环之间的至少一个棱镜结构。向液晶材料施加电压改变电活性透镜的焦距。另一种示例电活性透镜包括第一基片、第二基片、布置在第一基片和第二基片之间的液晶材料、以及对着第二基片形成在第一基片中的表面起伏结构。这个表面起伏结构定义菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜具有多个同心环和布置在多个同心环中的一对同心环之间的至少一个间隙元件。这个间隙元件可以具有大约25微米的宽度。应当意识到，以下更详细讨论的前述概念和另外概念的所有组合(假如这些概念不相互不一致)被期待作为本文公开的专利技术主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有组合被期待作为本文公开的专利技术主题的一部分。还应当意识到，本文明确采用的、也可能出现在通过引用并入的任何公开中的术语应当被赋予与本文公开的特定概念最一致的含义。附图说明本领域技术人员将理解，附图主要是出于说明性目的，并且不旨在限制本文描述的专利技术主题的范围。附图不一定要按比例绘制；在一些情况下，可以在附图中夸大或放大地示出本文公开的专利技术主题的各个方面，以促进不同特征的理解。在附图中，同样的参考字符一般是指同样的特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的元素)。图1示出了电活性透镜的截面，该电活性透镜包括布置在平坦基片和定义菲涅耳透镜的基片之间的液晶层。图2A示出了电活性棱镜增强的眼用透镜的截面，该电活性棱镜增强的眼用透镜包括布置在平坦基片和定义菲涅耳透镜的基片之间的液晶层以及布置在菲涅耳透镜的两个环之间的棱镜结构。图2B示出了图2A中所示的截面的特写。图2C示出了图2A和2B中所示的棱镜增强的透镜的表面起伏结构的平面图。图2D示出了图2A-2C中所示的棱镜增强的透镜的表面起伏结构的透视图。图3示出了对于轴上光跨图2A-2D的设备的光程差(OPD)以及与被设计用于蓝、绿或红光的基于相位的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电活性透镜，包括：第一基片；第二基片；液晶材料，所述液晶材料被布置在所述第一基片和第二基片之间；以及表面起伏结构，所述表面起伏结构对着所述第二基片形成在所述第一基片中，所述表面起伏结构定义菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜具有多个同心环和布置在所述多个同心环中的一对同心环之间的至少一个棱镜结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.01 US 62/289,512;2016.04.13 US 62/321,8931.一种电活性透镜，包括：第一基片；第二基片；液晶材料，所述液晶材料被布置在所述第一基片和第二基片之间；以及表面起伏结构，所述表面起伏结构对着所述第二基片形成在所述第一基片中，所述表面起伏结构定义菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜具有多个同心环和布置在所述多个同心环中的一对同心环之间的至少一个棱镜结构。2.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述多个同心环中的第m个环具有大于的内半径，其中，m是大于1的整数，f是所述菲涅耳透镜的焦距，并且λ0是所述电活性透镜的设计波长。3.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述至少一个棱镜结构包括m-1个棱镜结构，所述m-1个棱镜结构具有总宽度w，并且所述多个同心环中的第m个环的内半径等于rm和w之和。4.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述至少一个棱镜结构包括与所述一对同心环同心的环状棱镜结构。5.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述至少一个棱镜结构包括在所述多个同心环中的每对同心环之间的、并且与所述每对同心环同心的环状棱镜结构。6.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述至少一个棱镜结构与所述一对同心环中的一个同心环部分重叠。7.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述至少一个棱镜结构定义多个峰。8.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述至少一个棱镜结构定义弯曲表面。9.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述至少一个棱镜结构具有大约0.1微米至大约50微米的高度和大约5微米至大约200微米的宽度。10.如权利要求1所述的电活性透镜，其中，所述电活性透镜在大约550nm的波长处具有大于大约0.85的斯特列尔比。11.如权利要求10所述的电活性透镜，其中，所述电活性...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·万胡格腾，H·米尔顿，
申请(专利权)人：E视觉智能光学公司，
类型：发明
国别省市：美国,US