用于多液晶單元透鏡的改進(jìn)聚焦的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于多液晶單元透鏡的改進(jìn)聚焦的方法和裝置本申請要求的優(yōu)先權(quán)為美國臨時申請61/800，620，提交日為2013年3月15日。
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及液晶透鏡，尤其涉及多單元可調(diào)諧液晶透鏡。本發(fā)明還涉及視力矯正，并且尤其涉及用于輔助視力的多液晶單元活性眼內(nèi)植入裝置和其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]液晶(LC)透鏡和其他液晶光學(xué)裝置是本領(lǐng)域已知的技術(shù)。在玻璃或塑料板之間的單元內(nèi)設(shè)置一個平面結(jié)構(gòu)的液晶。一種電可變梯度折射率(稱為GRIN)透鏡，可以通過控制液晶分子間的相對方向，在裝置的孔內(nèi)，創(chuàng)建一個折射率隨空間變化的液晶層。圖1示出了一個覆蓋液晶透鏡的光學(xué)裝置的光學(xué)孔徑的空間調(diào)制的取向變化。Z是LC透鏡光學(xué)裝置的光軸，入射光沿著該光軸傳播。這種透鏡已被于2011年10月11日授予Galstian等人的美國專利8033054公開，其在此引入作為參考。因?yàn)橛行虻年嚵幸壕沟霉獗环殖蓛蓚€偏振，單層液晶僅可以聚焦一個單一偏振方向。兩個彼此相鄰的液晶層可以將中性或非偏振光成像到圖像傳感器上。根據(jù)美國專利8033054的原理制成的電控制的液晶透鏡可在市場上購自LensVector公司，其提供良好的光學(xué)倍率的可調(diào)性和透鏡的質(zhì)量，特別是對于大約3_直徑的小孔徑透鏡。
[0003]各種醫(yī)療情況要求由嵌合人工晶狀體的假眼替換眼睛的天然晶狀體的方法。這樣的醫(yī)療情況包括老化效應(yīng)，或可能起因于事故或暴露于非典型環(huán)境條件。
[0004]例如，白內(nèi)障的發(fā)展是老化的一種常見情況。在白內(nèi)障手術(shù)中，眼睛通常配備眼內(nèi)透鏡假體。白內(nèi)障手術(shù)的目標(biāo)是提供，術(shù)后肉眼(不戴眼鏡)高品質(zhì)的遠(yuǎn)，中和近距離的視力。因此需要提出一種使用可調(diào)諧液晶透鏡的眼內(nèi)假體。
[0005]多年來，基本的恢復(fù)視力的嘗試包括:手術(shù)清空眼睛的天然晶狀體所在的囊袋，再填充囊袋以聚合物，以實(shí)現(xiàn)年輕的眼睛的透鏡功能。雖然這樣的嘗試已經(jīng)得到相當(dāng)?shù)闹匾?，有效的現(xiàn)實(shí)化仍然遙遙無期，部分是因?yàn)橥|(zhì)聚合物的性能不足以模仿不均勻的天然晶狀體的性質(zhì)。清空囊袋可能會誘發(fā)晶狀體以外的一些組織損害。同時，所有晶狀體的功能必須由侵入性的醫(yī)療去除手術(shù)提供的一個不完美的透鏡來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到一個完美的人工假體手術(shù)的愿望。即使實(shí)現(xiàn)了較年輕的晶狀體的性能，周圍組織也會隨年齡變化，而出現(xiàn)不完美的性能。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)嘗試植入固定焦距(單焦距)的透鏡，實(shí)現(xiàn)了有限的成功。術(shù)后剩余的相鄰組織和固定焦距透鏡的組合提供了相對于年輕的天然晶狀體的有限的功能(控制的變焦范圍)。這樣的單焦距假體組合，術(shù)后可能只提供假體的屈光度在0.5-1.5之間。相比之下，在米切爾沙伊曼和布魯斯.威克的研究表明(雙目視覺的臨床管理，利平科特，紐約，1994年)，平均一個年輕的晶狀體提供18屈光度的平均幅度變化。給定年齡的平均變化幅度可由H0FSTETTER公式估計(jì):18.5減去患者的年齡的三分之一。
[0007]同時被考慮的不足是單個光學(xué)可調(diào)節(jié)的假體，其填充了整個囊袋，并保持不動，同時根據(jù)睫狀體提供的力量來改變了前/后維度來改變光學(xué)倍率。一些嘗試受到材料的不兼容性的影響，而其他還停留在理論上。
[0008]雙視神經(jīng)假體被植入，但是受限于低光學(xué)倍率，僅在2.5屈光度的范圍內(nèi)。
[0009]雖然這些現(xiàn)有技術(shù)的眼內(nèi)植入物手術(shù)后可提供更清晰的視力，手術(shù)后眼調(diào)節(jié)能力有限，需要額外的視覺輔助，如眼鏡或隱形眼鏡。
[0010]最近可調(diào)液晶鏡片已經(jīng)被提出了用于眼調(diào)節(jié)活動。設(shè)置適當(dāng)?shù)膸缀涡螤睿鞣N采用液晶光學(xué)器件的光學(xué)部件可以被制造，例如:一個透鏡，校正光學(xué)元件，光學(xué)快門，光圈等。LC透鏡顯著的優(yōu)點(diǎn)是輕薄和緊湊。一個液晶透鏡的光學(xué)倍率是指該液晶透鏡施加到穿過的入射光的彎曲量(并且更具體地是，場景所代表的圖像場的入射光)。
[0011]例如，在同樣待審的，共同轉(zhuǎn)讓的專利申請US 13/369，806，其題為“可調(diào)諧液晶透鏡的眼內(nèi)植入物及其制造方法”，其優(yōu)先權(quán)為:2011年2月11日提出的US61/441，863，全部內(nèi)容在此引入作為參考，其中說明了眼內(nèi)自適應(yīng)透鏡假體裝置?？烧{(diào)諧液晶透鏡響應(yīng)刺激信號被驅(qū)動，而提供眼調(diào)節(jié)。在一些實(shí)現(xiàn)中，裝置包括一個可調(diào)諧液晶透鏡封裝在具有控制電子裝置和電源的眼內(nèi)假體內(nèi)。在其它實(shí)現(xiàn)中，裝置包括一個可調(diào)諧液晶透鏡封裝在具有控制信號接收器的眼內(nèi)假體內(nèi)，而外部控制電子器件包發(fā)送控制信號。在一些實(shí)施方案中可調(diào)諧液晶裝置校正該天然眼睛的視覺缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有兩層液晶的LC可調(diào)透鏡，由于每個LC層的雙折射引起的圖像偏移，可導(dǎo)致具有不期望的復(fù)視的圖像，當(dāng)這樣的可調(diào)諧液晶透鏡(TLCL)被用在包括眼內(nèi)假體的整體光學(xué)系統(tǒng)的會聚空間。用于會聚空間意味著該TLCL朝向末端，或作為相對于入射光束的傳播方向的最后一個光學(xué)元件。這個雙折射引起的偏移僅發(fā)生在與每個液晶單元的液晶分子對齊的偏振方向上，并且是依賴于LC層的厚度和的取向的角度。當(dāng)在眼內(nèi)假體內(nèi)使用時，大部分折射發(fā)生在TLCL之前，在空氣-角膜表面，因此雙折射引起的圖像偏移量是一個問題。相機(jī)應(yīng)用中，當(dāng)所述圖像傳感器的分辨率足夠高時，所述偏移可對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。
[0013]申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)雙折射引起的圖像偏移可以通過設(shè)置作用在每個光偏振方向上的每個液晶半透鏡的適當(dāng)?shù)奈灰破苼磉M(jìn)行修正，它調(diào)整每個半透鏡圖像的位置，以便更好地與傳感器表面上的另一圖像上的偏移重合。為不同的TLCL幾何形狀提出了一些解決方案。
[0014]圖2示意性示出了 LC層相對于取向方向的微觀雙折射性質(zhì)，該取向方向是取向一致長LC分子的區(qū)域內(nèi)的本地平均取向方向。取向方向涉及到光的本地波矢量，沿該矢量的折射率是光偏振無關(guān)的。它經(jīng)常被稱為單軸雙折射材料的“光學(xué)軸”。來自太陽或來自燈的自然光是非偏振光，并且可以從理論上和實(shí)踐中，考慮其為兩個正交偏振的組合。投射到本地LC區(qū)域的入射光傳播到本地LC區(qū)域外，形成兩個正交偏振的光，例如用于向列液晶的兩個基本上垂直的線性偏振光分量X和Y。前者分量沿著光線的路徑，穿過一個均勻透明介質(zhì)和產(chǎn)生橫向均勻的相位延遲，如圖中示出了的，被稱為正常光線。后者分量沿著由雙折射依賴的從光軸偏移的路徑，產(chǎn)生一個LC分子取向依賴的相位延遲，如圖中不出了的，被稱為異常光線。在一般情況下，后者分量沿著由雙折射依賴的從光軸偏移的路徑，產(chǎn)生一個LC分子取向空間分布依賴的相位延遲，如圖4-5中示出了。值得注意的是，如圖3中示出了的LC分子取向空間分布為定值，只有一個簡單的雙折射產(chǎn)生的偏移被表不。
[0015]這里為了描述的目的，“正常光線/場”和“異常光線/場”的用語對應(yīng)于該入射光通過的第一 LC光學(xué)裝置。也就是說，第二 LC光學(xué)裝置的正常光線/場，具有相對于第一 LC光學(xué)裝置的主要取向正交的主要取向方向，是第一 LC光學(xué)裝置的異常光線/場。同樣對比適用于第二 LC光學(xué)裝置的異常光線/場。
[0016]根據(jù)所提出的方案的一個方面，一種用于發(fā)送圖像到圖像傳感器的液晶透鏡，該裝置包括:兩個LC單元層，各自具有至少一個取向?qū)樱糜谔峁┲饕娜∠蝾A(yù)傾斜方向，所述單元層的所述取向方向是相互正交的，作用在相應(yīng)的正交線性偏振的入射光；其中，每個所述LC單元層被配置成使光的一個偏振產(chǎn)生橫向不均勻的相位延遲調(diào)制，作為所述單元層的LC角取向函數(shù)，用于將一個圖像投射到圖像傳感器上和實(shí)現(xiàn)光的正交偏振的橫向均勻相位延遲的調(diào)制；其中所述非均勻調(diào)制包括所述圖像的雙折射依賴性偏移；且其中所述LC單元層各自被配置以使所述非均勻調(diào)制產(chǎn)生空間偏移，以補(bǔ)償所述圖像的所述雙折射依賴性偏移和將圖像以兩個線性偏振的形式至少部分投射到圖像傳感器上。
[0017]根據(jù)所提出的方案的另一個方面，一種用于在圖像表面的一個距離上將入射圖像投影到所述圖像表面的液晶透鏡，所述LC雙折射分裂入射光成正交的兩個光偏振，所述LC透鏡的光軸正交于所述兩個光偏振，所述液晶透鏡包括:一對液晶單元，用于調(diào)制從中穿過的所述入射光，每個液晶單元具有至少一個向列液晶層，用于對一個相應(yīng)的光偏振提供橫向非均勻的相位延遲調(diào)制，而對穿過的相應(yīng)的正交光偏振進(jìn)行橫向均勻的相位延遲調(diào)制，所述LC層使所述非均勻的調(diào)制光產(chǎn)生一個距離的偏移；每個LC層與至少一個取向?qū)咏佑|，所述取向?qū)訉ο鄳?yīng)的LC層的非均勻調(diào)制的入射光進(jìn)行主要的取向預(yù)傾斜，LC單元之間的所述取向?qū)邮窍嗷フ坏?，其中，每個LC單元被配置為重定向相應(yīng)的偏移中心光線到所述圖像面的所述光軸。
[0018]根據(jù)所提出的方案的另一個方面，一種用于在圖像表面的一個距離上將入射圖像投影到所述圖像表面的液晶透鏡，所述LC雙折射分裂入射光成正交的兩個光偏振，所述LC透鏡的光軸正交于所述兩個光偏振，所述液晶透鏡包括:一對液晶單元，用于調(diào)制從中穿過的所述入射光，每個液晶單元具有至少一個向列液晶層，用于對一個相應(yīng)的光偏振提供橫向非均勻的相位延遲調(diào)制，而對穿過的相應(yīng)的正交光偏振進(jìn)行橫向均勻的相位延遲調(diào)制，所述LC層使所述非均勻的調(diào)制光產(chǎn)生一個距離的偏移；每個LC層與至少一個取向?qū)咏佑|，所述取向?qū)訉ο鄳?yīng)的LC層的調(diào)制的入射光進(jìn)行主要的取向預(yù)傾斜，LC單元之間的所述取向?qū)邮窍嗷フ坏?，每個LC層具有空間調(diào)制LC取向分布，以聚焦相應(yīng)的入射光偏振到所述圖像表面上；設(shè)置電場控制系統(tǒng)在所述取向?qū)优?，所述電場控制系統(tǒng)為所述LC層施加調(diào)制的電場，以提供主要電壓的振幅和頻率的至少一個可調(diào)的LC透鏡的控制，所述電場控制系統(tǒng)包括一對夾持所述LC層的透明平板電極，和所述LC層之間的至少一個環(huán)形電極，以限定液晶透鏡的光圈，其中每一個環(huán)形電極相對于所述光軸被偏置一個相應(yīng)的距離，以使中心異常光線和中心正常光線中對應(yīng)的一個投射到所述光軸上。
[0019]根據(jù)所提出的方案的另一個方面，一種用于在圖像表面的一個距離上將入射圖像投影到所述圖像表面的液晶透鏡，所述LC雙折射分裂入射光成正交的兩個光偏振，所述LC透鏡的光軸正交于所述兩個光偏振，所述液晶透鏡包括:一對液晶單元，用于調(diào)制從中穿過的所述入射光，每個液晶單元具有至少一個向列液晶層，用于對一個相應(yīng)的光偏振提供橫向非均勻的相位延遲調(diào)制，而對穿過的相應(yīng)的正交光偏振進(jìn)行橫向均勻的相位延遲調(diào)制，所述LC層使所述非均勻的調(diào)制光產(chǎn)生一個距離的偏移；每個LC層與至少一個取向?qū)咏佑|，所述取向?qū)訉ο鄳?yīng)的LC層的調(diào)制的入射光進(jìn)行主要的取向預(yù)傾斜，LC單元之間的所述取向?qū)邮窍嗷フ坏模總€LC層具有空間調(diào)制LC取向分布，以聚焦相應(yīng)的入射光偏振到所述圖像表面上；設(shè)置電場控制系統(tǒng)在所述取向?qū)优?，所述電場控制系統(tǒng)為所述LC層施加調(diào)制的電場，以提供主要電壓的振幅和頻率的至少一個可調(diào)的LC透鏡的控制，所述電場控制系統(tǒng)包括一對夾持所述LC層的透明平板電極，和所述LC層之間的至少一個環(huán)形電極，以限定液晶透鏡的光圈，其中每一個環(huán)形電極是分段的，為入射光施加不對稱相位分布，相應(yīng)的LC單元的所述分段的環(huán)形電極的至少一段被電偏置，以使中心異常光線和中心正常光線中對應(yīng)的一個投射到所述光軸上。
[0020]根據(jù)所提出的方案的另一個方面，一種可調(diào)諧的眼睛視力矯正液晶(LC)光學(xué)裝置，用作眼晶狀體替換或增強(qiáng)裝置，以提高聚焦非偏振光入射光場到眼睛上的視網(wǎng)膜，所述LC雙折射分裂入射光成正交的兩個光偏振，所述可調(diào)LC光學(xué)裝置具有與眼睛光軸基本上同軸延伸的光軸正交于所述兩個光偏振，所述液晶裝置包括:一對液晶單元，用于調(diào)制從中穿過的所述入射光，每個液晶單元具有至少一個向列液晶層，用于對一個相應(yīng)的光偏振提供橫向非均勻的相位延遲調(diào)制，而對穿過的相應(yīng)的正交光偏振進(jìn)行橫向均勻的相位延遲調(diào)制，所述LC層使所述調(diào)制光產(chǎn)生一個距離的偏移；每個LC層與至少一個取向?qū)咏佑|，所述取向?qū)訉ο鄳?yīng)的LC層的調(diào)制的入射光進(jìn)行主要的取向預(yù)傾斜，LC單元之間的所述取向?qū)邮窍嗷フ坏?，其中，每個LC單元被配置為重定向相應(yīng)的偏移中心光線到所述圖像面的所述光軸。
[0021]根據(jù)所提出的方案的另一個方面，一種眼內(nèi)植入物的裝置用于替換眼睛的天然晶狀體，該裝置包括:封裝的可調(diào)諧液晶光學(xué)裝置，其包括:可調(diào)諧液晶透鏡具有可變的光學(xué)倍率和適應(yīng)性光通孔；可調(diào)諧液晶透鏡驅(qū)動信號發(fā)生器，被配置為生成至少一個驅(qū)動信號，以驅(qū)動所述可調(diào)諧液晶透鏡；可調(diào)諧液晶透鏡的控制器，配置為控制所述驅(qū)動信號發(fā)生器，以改變響應(yīng)于激勵信號的可調(diào)諧液晶透鏡的光學(xué)倍率；蓄電器，配置成存儲電能，以驅(qū)動所述可調(diào)諧液晶透鏡和所述控制器；和傳感器組件配置成提供所述激勵信號；和透明的封裝材料，設(shè)置為以提供一個固定的光學(xué)倍率元件用于增大所述可調(diào)諧液晶透鏡的所述光學(xué)倍率，所述封裝材料形成一明顯的雙凸透鏡形狀，至少覆蓋所述的可調(diào)諧液晶透鏡的眼調(diào)節(jié)光通孔，所述封裝材料包裹所述驅(qū)動信號發(fā)生器，可調(diào)諧液晶透鏡控制器，所述蓄電器和布置在所述可調(diào)諧液晶透鏡周邊的所述傳感器組件。
[0022]根據(jù)提出的解決方案的另一個方面，一種眼內(nèi)植入物的裝置用于替換眼睛的天然晶狀體，該裝置包括:封裝的可調(diào)諧液晶光學(xué)裝置，其包括:具有光學(xué)倍率在負(fù)光學(xué)倍率和正光學(xué)倍率之間變化的雙極性的可調(diào)諧液晶透鏡；可調(diào)諧液晶透鏡驅(qū)動信號發(fā)生器，被配置為生成至少一個驅(qū)動信號，以驅(qū)動所述可調(diào)諧液晶透鏡；可調(diào)諧液晶透鏡的控制器，配置為控制所述驅(qū)動信號發(fā)生器，以改變響應(yīng)于激勵信號的可調(diào)諧液晶透鏡的光學(xué)倍率；蓄電器，配置成存儲電能，以驅(qū)動所述可調(diào)諧液晶透鏡和所述控制器；和傳感器組件配置成提供所述激勵信號。
[0023]根據(jù)所提出的方案的另一個方面，一種眼內(nèi)植入物的裝置用于替換眼睛的天然晶狀體，該裝置包括:封裝的可調(diào)諧液晶光學(xué)裝置，其包括:雙極性的可調(diào)諧液晶透鏡具有可變的光學(xué)倍率；可調(diào)諧液晶透鏡驅(qū)動信號發(fā)生器，被配置為生成至少一個驅(qū)動信號，以驅(qū)動所述可調(diào)諧液晶透鏡；可調(diào)諧液晶透鏡的控制器，配置為控制所述驅(qū)動信號發(fā)生器，以改變響應(yīng)于激勵信號的可調(diào)諧液晶透鏡的光學(xué)倍率；蓄電器，配置成存儲電能，以驅(qū)動所述可調(diào)諧液晶透鏡和所述控制器；和傳感器組件配置成提供對應(yīng)于所述裝置外部的刺激的所述激勵信號。
[0024]可調(diào)諧液晶光學(xué)裝置的溫度依賴性結(jié)合人體所提供的溫度控制，允許用作眼內(nèi)假體的可調(diào)諧液晶透鏡的控制被簡單化。根據(jù)所提出的方案的一個方面，生物相容的眼內(nèi)透鏡的假體被配置為安裝在眼睛的囊袋中，其中自然眼透鏡被移除了，所述眼內(nèi)透鏡采用的LC透鏡裝置具有改進(jìn)的聚焦能力。
【附圖說明】
[0025]本發(fā)明將通過參照所附的附圖詳細(xì)描述實(shí)施例，以更好的理解本發(fā)明的實(shí)施方式，其中:
[0026]圖1是一個示意圖，示出了一個空間調(diào)制的LC取向分布形成的液晶透鏡；
[0027]圖2是一個示意圖，示出了一個LC區(qū)域的微觀雙折射特性，形成雙折射光線分裂；
[0028]圖3是一個示意圖，示出了一個空間均勻LC層的宏觀雙折射特性，形成雙重圖像；
[0029]圖4是一個示意圖，示出了根據(jù)典型的LC層的取向而產(chǎn)生的異常光線/場的偏移的變化；
[0030]圖5是一個示意圖，示出了正交偏振圖像場光線穿過具有空間非均勻取向分布的LC光學(xué)裝置，而聚焦為異常圖像場；
[0031]圖6和7是示意圖，示出了分別在照相機(jī)和在眼內(nèi)裝置