專利名稱：利用流體聚焦靜電可變透鏡的球柱面視覺折射系統的制作方法
技術領域：
本發明總地涉及一種光學裝置、系統和方法，并且在一個實施例中提供一種能夠在球面光焦度和/或柱面光焦度中調節以便允許例如人眼的折射誤差的校正的流體透鏡。
背景技術：
人眼的折射誤差以包括主觀和客觀方法的多種方式進行測量。人眼的主觀測量可以通過在人眼之前放置校正透鏡或校正光學系統以及進行所得到的校正視力的可控測試來實現。這些目測法通常用于當主體正在觀察適當的目標圖像時，識別對主體提供提高視力的球柱面校正。
當進行主觀折射測量時，一系列單獨的試驗透鏡可以定位在測試主體的眼睛之前。在許多主觀的折射測試中，主體透過綜合屈光檢查儀，具有一組透鏡的儀器觀察。綜合屈光檢查儀的透鏡可以順序定位在眼睛的前面，主體通常在兩個或多個可替換透鏡布置之間選擇以便提供最改進的視敏度。盡管一些現代綜合屈光檢查儀具有移動或選擇透鏡的機械化機構，但是大多數保持手動裝置。
除了人眼折射誤差的主觀測量以外，還存在多種打算產生人眼的客觀測量的結構。客觀測量可以通過例如多種自動折射器來實現。這些儀器通常具有可變的校正光學系統，其可以單獨校正球面誤差，或可以在調節范圍內校正眼睛的球柱面誤差。自動折射器利用電動機、齒輪、滑板、軸承、滑輪等改變光學系統的球面(通常也包括柱面)光焦度。這些移動元件傾向于使自動折射器復雜，體積大，易受到磨損和損傷，并且十分昂貴。
根據上述內容，提供一種改進的光學裝置、系統和方法是有利的。如果這些改進允許球面、柱面、環形和其他可能誤差的調節，校正和/或測量，特別是對于人眼誤差的測量，則是特別有利的。如果這些改進可以不依靠大量的可替換透鏡以及不需要電動機、齒輪、滑板、軸承、滑輪和其他已知的眼睛測量系統的移動部件來實現，則是特別有利的。
發明內容
本發明總的提供一種改進的光學裝置、系統和方法。本發明的實施例可以產生一定范圍的光焦度和柱面軸的球柱面、柱面、球面和其他透鏡形狀。本發明通常使用流體聚焦透鏡，其使用電勢來改變流體/流體界面的形狀。兩個具有不同折射率的不混溶流體之間的流體/流體界面可以通過改變界面相對于周圍的容器壁的位置和/或角度來改變。在一些實施例中，容器可以具有矩形棱鏡的形式，柱面透鏡通過對棱鏡的相對側壁施加電勢形成，任選地不同的電勢施加到棱鏡的端壁。可替換實施例可以使用具有一系列電極的基本上柱面的容器，該電極關于光路周向分布，以便允許球面、柱面和其他光焦度被改變。有利地，甚至當在人眼視力調節的整個范圍內提供獨立可變的球面光焦度、柱面光焦度和柱面定向時，也可不使用移動部分(除了流體之外)。
在第一方面，本發明提供一種光學設備，包括至少一個限定至少一個開口的外殼，該開口具有通過其中的光路。多個流體配置在所述至少一個開口中以便限定一個或多個流體/流體界面。電勢源連接到所述至少一個開口。源被構形為改變至少一個電潤濕電勢以便響應第一輸入改變所述一個或多個流體/流體界面的柱面定向。
所述源可以被構形為改變至少一個電潤濕電勢以便響應第二輸入改變柱面光焦度，和/或改變至少一個電潤濕電勢以便一個或多個流體/流體界面的球面光焦度響應第三輸入改變。優選地，球面光焦度可以在從至少約負20.0屈光度至至少約正20.0屈光度的范圍內改變，以便基本上適應人眼球差的整個范圍。類似地，設備將優選具有可以在至少負6.0屈光度至至少正6.0屈光度的范圍內改變的柱面光焦度，柱面定向在至少約90°，任選地至少約180°的范圍內可變，以便光學設備可以補償人眼中柱面像差的基本上整個范圍。
任選地，至少一個外殼可以限定其中具有第一流體/流體界面的第一開口和其中具有第二流體/流體界面的第二開口。第一和第二開口可以每個包括相對于光路的矩形截面。第一電潤濕電勢的變化可以實現第一流體/流體界面的第一可變柱面光焦度的改變，第一可變柱面光焦度具有橫跨光路橫向延伸的第一柱面定向。改變第二電潤濕電勢可以實現第二流體/流體界面的第二可變柱面光焦度的改變，第二可變柱面光焦度具有橫跨光路橫向延伸的第二柱面定向。第一柱面定向可以與第二柱面定向關于光路有角度偏移。
所述至少一個外殼可以限定其中具有第三流體/流體界面的第三開口，第三開口包括矩形截面。第三電潤濕電勢的改變可以實現配置在第三開口中的第三流體/流體界面的第三可變柱面光焦度的改變。第三可變柱面光焦度具有橫跨光路橫向延伸的第三柱面定向，第三柱面定向與第一和第二柱面軸關于光路有角度偏移。例如，第一柱面定向可以基本上垂直于第二柱面定向，而第三柱面定向與第一柱面定向有角度偏移大約45°。
在許多實施例中，第一和第二電極可以沿第一開口的相對側配置。類似地，第三和第四電極可以沿第二開口的相對側配置，而第五和第六電極沿第三開口的相對側配置。沿每個開口的相對側的電極可以電耦合以便公共的電潤濕電勢可以容易地施加到每個開口的兩側。沿開口的兩側改變電潤濕電勢可以可控地改變在矩形開口的側面和該開口中流體/流體界面之間限定的角度，和/或改變流體/流體界面沿相鄰于電勢的容器壁的位置。這可以用于可變地控制流體/流體界面的柱面光焦度，特別是在矩形開口的端部(連接相對側)被構形為保持流體/流體界面和端面之間的90°角的地方，例如通過對于每個矩形開口的每個端部在適當的電潤濕電勢處提供端部電極。
在一些實施例中，外殼可以包括圍繞光路配置的壁，以及可以進一步包括多個關于壁周向分布的導體。導體可以限定電極陣列，陣列的每個電極周向配置在(以及電分離)陣列的兩個相鄰電極之間。在該周向陣列中通常存在五個或更多的電極，任選地為八個或更多電極，在一些實施例中，為十個或更多電極。電源可以關于光路施加切向系列的電勢。該系列電勢可以包括DC電壓的基本上正弦圖案。電源可以被構形為響應第二輸入改變正弦圖案的大小。電源還可以被構形為響應第一輸入關于光路旋轉正弦電壓圖案。優選地，電源被構形為響應第三輸入改變圖案的平均電壓以便改變沿光路的球面光焦度。
在許多實施例中，光學設備可以通過影響至少一個外殼中的流體的移動并且不影響設備的其他移動來改變柱面光焦度和柱面定向。電源可以包括處理器，該處理器響應第一和第二輸入確定多個電潤濕電勢。處理器可以響應第三輸入進一步確定電潤濕電勢以便改變沿光路的球面光焦度。至少一個流體/流體界面可以任選地能夠作為純理論的柱面透鏡，而沒有顯著的沿光路的球面光焦度。
在另一方面，本發明提供一種流體柱面透鏡設備，包括具有第一棱柱形開口的第一外殼，光路通過該開口。第一開口具有第一表面和第二表面，第二表面與第一表面偏移，兩表面間具有光路。多個流體配置在開口中以便限定橫過第一和第二表面的第一流體/流體界面。電勢源連接到第一和第二表面以施加第一可變電勢到其上，以便改變流體/流體界面沿光路的第一可變柱面光焦度。
第一可變柱面光焦度通常具有橫過第一開口的端面的第一定向。電勢源可以施加另一電勢到端面，另一電勢不同于第一電勢，特別是當第一柱面光焦度不等于零時。流體柱面透鏡設備還可以包括具有第二開口的第二外殼，該開口具有其間具有光路的第三表面和第四表面。多個流體可以配置在第二開口中以便限定第二流體/流體界面。電源可以連接到第三和第四表面以便施加改變第二可變柱面光焦度的第二可變電勢到其上。第二可變柱面光焦度可以具有第二定向，其相對于第一方向關于光路有角度偏移。第三外殼可以具有第三開口。第三開口可以具有第五和第六表面，其間再次具有光路。再次，多個流體可以配置在第三開口中以便限定第三流體/流體界面。電勢源可以連接到第五和第六表面以施加第三可變電勢以便改變具有第三定向的第三柱面光焦度。第三定向可以與第一和第二軸有角度偏移，由此允許設備改變沿光路的球面光焦度、沿光路的柱面光焦度和關于光路的柱面定向。
在又一實施例中，本發明提供一種光學設備，包括至少一個限定至少一個開口的外殼，該開口具有軸向延伸通過其中的光路。多個流體配置在至少一個開口中以便限定至少一個流體/流體界面。多個電導體關于光路周向分布。電勢源連接到電導體以便同時施加多個不同的電潤濕電勢到其上。源被構形為改變至少一個流體/流體界面以便可控地改變至少沿光路的球柱面光焦度。
任選地，外殼可以包括基本上柱面壁，棱柱形或其他形狀的環繞光路延伸的壁。電導體可以關于壁周向分布。通常存在四個或更多的電導體，通常為五個或更多的電導體，以及在許多情況下，八個或更多的電導體關于壁切向分布。所述源可以被構形為改變流體/流體界面以便改變沿光路的球面光焦度，以及任選地，柱面光焦度的柱面定向。每個電導體可以沿光路延伸，沿光路的球面光焦度可以通過改變施加到電導體的平均電勢而改變。除了提供柱面和球面光焦度以外，這種結構還可以提供其他變形的透鏡形狀。電勢可以在周向上不同，一些實施例可以使用多個開口，每個具有流體/流體界面，以便不是所有的不同電勢需要關于相同開口施加。
在又一方面，本發明提供一種包括至少一個限定至少一個開口的外殼的綜合屈光檢查儀或自動折射器，該開口具有通過其中的光路。多個流體配置在至少一個開口中以便限定一個或多個流體/流體界面。多個電導體配置在至少一個開口附近，電勢源連接到電導體以便施加至少一個電潤濕電勢。源被構形為改變一個或多個流體/流體界面以便可控地改變選自下面的一個或多個特性沿光路的球面光焦度；沿光路的柱面光焦度；和沿光路的柱面定向。在許多實施例中，電勢源被構形為改變兩個或多個特性，在許多情況下改變所有的三個特性。
在又一方面，本發明提供一種流體透鏡光學方法，包括通過施加至少一個電潤濕電勢構形一個或多個流體/流體界面，以便改變沿光路的柱面定向。
在許多實施例中，一個或多個流體/流體界面通過改變至少一個電勢重新構形，以便柱面光焦度也可以改變。沿光軸的球面光焦度還可以通過改變至少一個電勢來提供。柱面光焦度、柱面定向和球面光焦度可以通過響應至少一個電勢移動流體并且沒有沿光路的其他移動而可控地改變。
在又一方面，本發明可以提供一種流體透鏡光學方法，包括通過同時施加多個關于光路的切向不同的電潤濕電勢，構形由光路橫穿的至少一個流體/流體界面。電勢可以被施加以便同時提供至少一個流體/流體界面的第一曲率和至少一個流體/流體界面的第二曲率。這可以任選地利用單個流體/流體界面，或利用多個流體/流體界面提供可變球柱面透鏡。
在又一方面，本發明提供一種光學設備，包括至少一個限定至少一個開口的外殼，該開口具有通過其中的光路。多個流體配置在至少一個開口中以便限定至少一個流體/流體界面。連接到至少一個開口的電勢源被構形為同時施加多個電潤濕電勢，以便至少一個流體/流體界面在球面和柱面光焦度方面可控地改變。
圖1示意性說明了一種具有一個或多個流體透鏡以便改變沿光路的球面光焦度、柱面光焦度和柱面定向的光學設備，和用于測量人眼像差的設備的方法。
圖2是說明了關于矩形開口的電極的布置以便可控地改變開口中流體透鏡的柱面光焦度的簡化示意圖。
圖3示意性說明了在相對于光路的不同方向處具有軸的三個可控可變柱面透鏡，以便允許相對于光路的柱面光焦度、球面光焦度和柱面定向或軸的變化。
圖4A至4C是從圖2的矩形流體透鏡得到的截面圖，示出了一些內部元件，并且說明了電潤濕電勢的改變怎樣可以改變柱面光焦度。
圖5示意性說明了具有關于光軸切向分布的基本上柱面電極陣列的可替換流體透鏡，以便改變單個流體/流體界面以提供不同條件范圍內的球面光焦度、柱面光焦度和柱面定向或軸。
圖6示意性說明了可以變形以用于圖5的可變流體透鏡設備的步進電機的元件。
圖7A和7B圖解說明了施加到圖5的流體透鏡設備的切向電極陣列的變化電勢以便改變球面光焦度、柱面光焦度和柱面軸向排列。
具體實施例方式
本發明總的提供一種改進的光學裝置、系統和方法。本發明通常使用流體透鏡，特別是用于改變柱面軸或定向、柱面光焦度、球面光焦度、球柱面特性、和/或流體/流體界面的其他光學屬性。在此所述的流體透鏡的相對低的成本、小的尺寸、輕的重量和制造的容易性可以允許普通的光學裝置(例如雙筒望遠鏡、望遠鏡、照相機、顯微鏡、內窺鏡、甚至眼鏡)通過包括這些流體透鏡在其中以補償用戶眼睛的柱面和/或球面誤差。雖然本發明的裝置和方法特別適合于測量和/或補償人眼的標準像差，但是它們也可以在光學記錄技術、光通信、光學信號處理和遠程通信、數字照相機、照相機電話、內窺鏡、光和圖像投影等中找到應用。
流體透鏡可以包括兩種不同折射率的不混溶流體。例如，一種流體可以是導電水溶液，而另一種可以包括不導電的油。流體透鏡可以包含在一個或多個外殼中，外殼的內表面涂敷有疏水涂層。一般地說，液體的分子彼此吸引。在所有方向相等的吸引力平衡每個液體的體積中分子的相互作用，而液體表面上的分子經受力的不平衡，導致界面處能量的存在。該能量產生界面張力。疏水涂層可以增加至少一種流體的界面張力，例如，改變流體/流體邊界和疏水涂層之間的接觸角。該界面張力還可以限制疏水涂層和水溶液之間的接觸，使得水溶液本身沿容器的一端聚集從而使得流體/流體界面以可控方式彎曲。因此，該彎曲的流體/流體界面可以作為沿著橫過界面的光路的透鏡。
流體透鏡的流體/流體界面的形狀可以通過橫跨疏水涂層施加一個或多個電場來調節，以便它變得較少疏水。該處理有時稱為“電潤濕”并且可以電引發流體/流體界面和相鄰的容器壁表面之間的靜態接觸角的改變。通過改變流體/流體界面沿所述壁的邊界條件，電勢可以驅動界面到不同的邊界構形，以及在整個流體/流體界面上實現新的具有所需折射特性的總形狀。界面形狀的這些改變可以通過改變固體容器壁和流體/流體邊界之間的靜態接觸角來引發，該角度又通過改變相對界面張力來引發。一旦邊界條件利用沿容器壁的適當電潤濕電勢加以設置，那么表面的其他部分可以假定一形狀以最小化與界面張力相關的表面能量，或最小化界面的表面區域。
本發明的實施例可以通過局部改變流體/流體界面關于流體/流體界面的周圍的邊界條件來控制流體透鏡的折射特性。邊界條件和尤其是流體/流體界面相對容器壁的靜態接觸角，可以任選地利用電潤濕系數K來確定，其中K＝cosα(α是流體/流體邊界和容器壁之間的靜態接觸角)，如下K=σsfp-σsfnσff]]>其中σff是兩種流體之間的界面張力，σsfp是兩種流體的更多極性和固體容器壁之間的界面張力，以及σsfn是非極性流體和固體容器壁之間的界面張力。具有相對強分子間相互作用(從而高界面張力)的液體(例如水)被稱為極性液體，而具有較低表面張力的液體被稱為非極性。在此所述的流體透鏡中的不混溶液體A和B通常包括一種相對極性的流體和一種極性小于極性流體的相對非極性的流體。
當容器表面和不混溶流體之間的電場改變時，固體容器壁和極性流體之間的界面張力可以顯著改變。電場的相同改變可以引發固體容器壁和非極性流體之間的界面張力的較小改變(或甚至沒有改變或沿相反方向的改變)。該差別至少部分可以與表面分子上的力的不平衡有關。當在一側由類似分子圍繞而在另一側是不同物質時，極性液體界面分子通常引發更大的力。通過改變靜電場，可以改變這些表面分子對極性流體的相對強的吸引，由此改變界面張力的大小。沿容器壁的非極性分子受到電場中的相同改變的影響較小，因此非極性流體的界面張力不改變那么多。在上述等式中可以看出，如果一個界面張力改變而另一個沒有改變(或改變較小，或甚至沿相反方向)，那么等式的分子(因此電潤濕系數)可以經歷大小或甚至符號的改變。然而，應當注意，本發明的實施例不需要依賴于操作的具體理論，包括實驗方法的可替換方法可以用于確定施加的電勢、流體特性和透鏡的光學屬性之間的關系。
作為電勢(因此靜態接觸角)改變和容器中流體和空間的受限量的結果，水溶液可以(例如)增強潤濕所述流體透鏡容器的壁，改變流體/流體邊界沿容器壁的位置以及流體/流體界面的曲率半徑(因此透鏡的光焦度)。通過增加施加的電場，流體透鏡的流體/流體界面可以可控地從凸、經過完全平坦或平的、向凹改變。當界面曲率從凹向凸改變時，在此所述的流體透鏡一般(盡管不是必要地)從正向負光焦度改變。然而，通過添加固定光焦度的偏置球面透鏡，折射范圍的中心可以任意設置到任何選擇的值。
如在PCT公開WO 03/069380中的更全面描述，該文獻的整個內容在此結合作為參考，流體透鏡中兩種不混溶液體之一可以包括電絕緣液體例如硅酮油或鏈烷。導電液體可以包括包含鹽溶液的水。兩種液體優選具有充分相等的密度以便透鏡獨立于定向作用并且在兩種液體之間沒有顯著的重力作用。絕緣流體的一般折射率可以在約1.25和1.60之間。導電溶液的一般折射率可以從約1.33變化至約1.48。在許多實施例中，電導體或電極將在流體透鏡的容器中與導電流體處于流體接觸。
流體透鏡通常配置在截面尺寸(相對于光路)小于約1cm，通常小于約5mm的容器中。對于每個容器沿光路的長度也可以小于約1cm，通常小于約5mm。
現在參考圖1，病人用眼睛E通過光學設備12觀察測試圖像10。眼睛E通常具有至少一些球面誤差，例如近視或遠視。眼睛E還可以具有顯著的規則柱面散光。這種散光可以在從近視至遠視的范圍內的任何地方，并且該散光的軸向定向可以改變。除了眼睛E的這些規則折射誤差以外，眼睛還可以具有顯著的不規則散光。
設備12通常具有提供眼睛E和測試圖像10之間的光學耦合的光路14。除了目鏡光學系統16，物鏡18和其他任選的光學元件例如孔徑等以外，設備12還包括流體透鏡組件20，其提供可變的球面和/或柱面聚焦能力以便補償眼睛E的規則散光像差。眼睛折射器或其他具有這種可變焦球柱面校正系統的裝置通常與中繼透鏡系統一起使用，其中球柱面校正器的動作被傳遞到主體的眼睛的瞳孔面。
至少一個流體/流體界面的構形通過改變從電勢源22施加到流體透鏡組件20的電潤濕電勢而改變。更具體地，源22被構形為提供多個電勢，其響應球面光焦度輸入24、柱面光焦度輸入26和柱面定向輸入28而改變。響應這些輸入，源22的處理器30配置電潤濕電勢以便在流體透鏡組件20和/或設備12中產生總的所需球面光焦度、柱面光焦度和柱面定向，以便補償折射誤差。
在一些實施例中，沿設備12的光路14的唯一可移動元件是流體透鏡組件20的流體透鏡中的流體。在其他實施例中，眼睛E的散焦和/或散光的至少一部分可以利用一個或多個可選擇透鏡、一個或多個透鏡的移動等進行補償。例如，相對簡單的球面流體透鏡例如由荷蘭的Royal Philips Electronics研發的FluidFocusTM流體透鏡可以與Stokes交叉柱面透鏡組件結合，以便提供完全的可變焦球柱面校正器。雖然依靠流體透鏡以提供球面光焦度的可調節性可以提供優于現有的綜合屈光檢查儀和/或自動折射器的一些優點，但是存在機械Stokes交叉柱面透鏡組件(或另一機械可調透鏡系統)的復雜性、成本和龐大的問題。
流體透鏡組件20可以具有沿光軸14的2cm或更小的總長度，在一些情況下具有1cm或更小的長度。流體透鏡組件的橫截面尺寸可以是2cm或更小，在許多情況下是1cm或更小。流體透鏡組件20可以提供從+20.0D至-20.0D的球面光焦度。球面和柱面光焦度可以以增量調節(例如以0.25D的梯級)，或可以可替換地在總光焦度范圍的至少一部分內平滑且連續可調。柱面光焦度輸入26可以允許柱面光焦度在至少從約-6.0D至+6.0D的范圍內調節，而柱面定向輸入28允許柱面軸的旋轉或在至少約90°的范圍，任選地在至少約180°的范圍內關于光路14定向。由流體透鏡組件20提供的焦距范圍可以例如在約5cm至無限的范圍內延伸，并且可以非常快，流體透鏡在小于100ms內完成在整個焦距范圍的轉換，任選地其在小于10ms內完成。
有利地，流體透鏡電潤濕電勢可以由DC電壓源提供，并且可以主要表示為電容負載，因此透鏡組件消耗非常少的能量。因此，電功率可以任選地通過電源22的電池32提供。光學設備12從而可以包括便攜式結構，其可以在使用期間手動移動和/或手動保持。流體透鏡的耐用性也可以非常高，任選地提供超過一百萬次聚焦操作而沒有光學性能的損耗。流體透鏡組件20和設備12可以抗震并且能夠在寬的溫度范圍下操作，使得它們特別適合于可移動應用。有利地，高體積制造技術可以應用于流體透鏡組件20和設備12的一些或所有元件。
能夠產生用于流體透鏡組件20的可變光焦度柱面透鏡的第一流體透鏡元件可以參考圖2、3和4A-C理解。首先參考圖2，外殼40包括形成開口42的壁，示例性開口具有矩形棱鏡的形式。光路44延伸通過外殼40和開口42，因此限定橫過光路的表面46、48的材料將允許光通過其中。
容器42的第一和第二相對平行表面50、52從光路44偏移，光路沿著這些表面并在這些表面之間延伸。平行表面50、52有時被稱為容器42的“側面”。端面54、56在側面50、52之間延伸，示例性端部垂直于側面。雖然側面通常長于端部，但是端部也可以與側面的長度相同或長于側面。
四個電極58a、58b、58c和58d(合起來稱為“電極58”)圍繞光路44，每個電極沿相關的側面50、52，或端部54、56延伸。每個電極58在相關側面或端部的許多，優選最多的范圍內保持基本上均勻的電場，并且與相對于光路44的周向相鄰電極電絕緣。優選地，側面電極58a、58b通過導電結構彼此電連接，以便電極基本上處于相同電勢。類似地，端部電極58c、58d也可以連接以便處于相同電勢。表面46、48之一可以連接到側面電極58a、58b。因此，容器的兩個平行側和容器的“頂部”(其可以是處于任何定向)可以具有電勢場，其如所需加以施加和/或改變。在一些實施例中，端部電極58c、58d上的場可以保持在不變的強度。
如參考圖2、3和4A可以理解，容器42可以包含不導電液體A和導電液體B，其如上所述是不混溶的并且具有不同的折射率。電壓V1相對于電極60施加到側面電極58a、58b，該電極60與導電流體B流體接觸。絕緣層62覆蓋側面電極58a、58b，并又用流體接觸層64進行涂敷。通過如圖4A所示施加適當的電壓V1，流體A和B之間的彎月形或流體/流體界面66限定側面50、52處的第一接觸角α1。如上所述，角度α1可以又驅動流體/流體界面66到適當彎曲的構形，以便沿界面66的周圍邊界，界面表面形狀的切線處于角度α1。由于第一流體A相對于第二流體B的高折射率，由流體/流體界面66形成的透鏡具有負光焦度，如沿光路傳播的發散光線68所示。
當經由電極58a和58b沿側面50、52施加電壓V1時，不同的電壓V2也施加到端部電極58c、58d。在V2的影響下，流體/流體界面66在端部54、56處形成直角，迫使這些表面之間的截面為平面構形，以便流體/流體界面66形成可變光焦度的柱面透鏡，如從圖3的透視圖和圖4B的截面圖可以看出。當它施加到所有的四個電極58a、58b、58c和58d時，該第二電壓一般是產生零光焦度透鏡的電壓。
現在參考圖4C，通過施加另一不同電壓V3到側面電極58a、58b，流體/流體界面66可以被驅動到不同構形以便流體/流體界面66和容器42的側面之間的角度α2小于90°，流體/流體界面形成正透鏡。同時，電壓V2(或任何適當的電壓)仍然可以施加到端部電極58c、58d，如圖4B所示，以便流體/流體界面保持柱面透鏡構形。由于施加到側面電極的電壓可以連續改變，流體/流體界面的形狀(以及流體柱面透鏡的光焦度)可以平滑并連續地改變。與凹和凸流體/流體界面形狀一起，流體透鏡也可以呈現平的或平坦的構形。
透鏡中的流體/流體界面的形狀通常通過透鏡沿容器的側面和端部的位置和/或角度來驅動。理想透鏡形狀的一些變形可能在側面和端部之間的角落處發生，其中沿容器/流體界面的電場通過側面和端部電極的一些組合限定。對于端部電極電壓的調節也可以根據需要而實現以提供所需的透鏡屬性。
對于制造容器42的材料可以類似于用于球面流體透鏡結構的材料。例如，電極58和60經常包括金屬材料，而絕緣層62可以包括聚合物例如聚對二甲苯基。流體接觸層64可以包括碳氟化合物例如PTFE，其包括由杜邦制造的TeflonTM。被光路穿過的透明表面46、48可以包括透明的聚合物、玻璃等。
現在參考圖3，一系列矩形容器42、42a、42b沿光路44排列以便允許柱面流體透鏡產生任何所需的球面或柱面光焦度，柱面光焦度位于任何所需的軸向定向。由其中的流體/流體界面限定的流體透鏡中的容器42具有橫跨光路44延伸的柱面軸或定向70。第二容器42a和相關流體柱面透鏡具有橫跨光路44延伸的第二定向70a，第二定向70a從第一定向70偏移大約90°，如圖所示。第三容器42b具有第三定向70b，其再次從第一定向70偏移并且從第二定向70a理想地偏移大約45°。
為了理解三個可變光焦度柱面透鏡怎樣可以用于產生任何球柱面光焦度，單個柱面透鏡的光焦度將首先根據交叉柱面透鏡和球面透鏡進行解釋。光焦度等于C的純理論柱面透鏡具有一個主要的等于C的子午線光焦度，其他等于O。其定向根據其軸表示，該軸為沿0光焦度的子午線排列的方向。但是這種透鏡也可以根據光焦度C/2的純理論球面透鏡和光焦度C/2的交叉柱面透鏡的組合來描述。交叉柱面限定為兩個關于彼此定向、具有相等但相反光焦度C/2的純理論柱面透鏡的組合，以便它們的軸處于直角。該交叉柱面的定向限定為構成交叉柱面的純理論柱面透鏡之一的軸的定向。
根據球面和交叉柱面描述純理論柱面光焦度的該分解方法現在延伸到任何球柱面組合，其一般根據球面光焦度、柱面光焦度和定向來表示。球面等效物的概念然后可以引入。球面等效物是球柱面組合的球面光焦度加上一半柱面光焦度。球面等效物從而可以代替上面對于純理論柱面透鏡描述的球面元件。交叉柱面元件光焦度再次是一半柱面光焦度。的確，純理論柱面剛好是與等于零的球面的球柱面組合。
當以該方式表示時，球柱面光焦度形成三維矢量空間，一個軸為球面等效值，另兩個軸形成交叉柱面雙角度矢量空間。
現在考慮帶有以下值的所需球柱面光焦度，其中球面＝S，柱面＝C和軸或定向＝A，在球柱面光焦度的該類型的表達式中，球面可以采用正或負值，但是柱面總是具有相同的符號。為了容易解釋，讓我們使用正柱面值。這可以根據三個折射空間分量表示球面等效物(SE)＝S/2在0-90°處的交叉柱面(C+)＝C/2cos(2A)在45-135°處的交叉柱面(Cx)＝C/2sin(2A)在雙角度交叉柱面空間中，C+軸與Cx軸成直角，因此在該空間中，兩個交叉柱面元件形成真矢量。如果交叉柱面元件，不同于柱面值，可以采用正或負值，以及如果元件的符號改變，那么它在雙角度交叉柱面空間中翻轉180°。讓我們定向該流體聚焦柱面，使一個在0°處具有其軸，一個在90°處具有其軸，另一個在45°處具有其軸。如果相同的光焦度在0°處的柱面以及在90°處的柱面中產生，那么它們的球面等效分量將相等。它們的交叉柱面分量僅C+變化并且具有相同的大小，但是因為它們彼此以90°定向，因此它們具有相反的符號。這意味著當它們在雙角度交叉柱面空間中被添加為矢量時，它們將彼此抵消，結果僅為兩個球面等效分量的添加，給出球面透鏡效果的純結果。利用兩個純理論柱面產生球面效果的實現示出了該理論怎樣給出預期的結果。
其他可變柱面僅可以產生Cx分量，即根據可變柱面為正或負光焦度，在45或135°處定向。這是僅可以產生Cx的可變光焦度透鏡，它首先被處理。已知來自所需球柱面組合的分解的Cx的所需值，可變柱面的光焦度增加直到它利用交叉柱面光焦度產生。如果將該可變柱面透鏡的光焦度指定為C45，那么C45＝2Cx(1)同時，它產生球面等效光焦度SEcx＝C45/2＝Cx。該值可能具有或不具有正確的符號以部分提供所需的SE，但是現在被從該值減去以明確需要多少更多的SE值。這稱為SE’＝SE-Cx。該值現在除了提供所需的C+分量以外，應當由另外兩個可變柱面透鏡提供。
讓我們定義具有軸0度的可變柱面的柱面光焦度為Co，具有軸90度的可變柱面的柱面光焦度為C90。這兩個光焦度可以是正或負。Co的球面等效光焦度是Co/2，C90的球面等效光焦度是C90/2。它們的和應當等于SE’，因此SE-Cx＝Co/2+C90/2同樣，由這兩個可變焦透鏡產生的交叉柱面的和等于值C+。然而，由C90可變光焦度透鏡產生的交叉柱面的符號可以由于上述原因而使其符號改變，因此C+＝Co/2-C90/2這兩個等式現在可以通過使它們相加以得到Co，然后使它們相減以得到C90來對于值Co和C90求解。該結果表示為SE-Cx+C+＝CoSE-Cx-C+＝C90通過利用電勢源獨立驅動三個容器42、42a、42b的流體/流體界面到適當的正或負構形，這三個流體透鏡的組合可以再現任何所需的球面光焦度、柱面光焦度和柱面定向。因此，源22的處理器30(見圖1)可以識別對于三個流體透鏡的適當構形，以便產生在輸 24、26、28處指示的組合光學屬性。有利地，這些光學屬性可以通過對容器42、42a和42b適當施加電潤濕電勢來提供和改變，而沒有光學結構的機械移動(除了容器中流體的移動以外)。雖然容器42、42a和42b通常包括分離的結構，每個由其自己的外殼40限定，但是可替換實施例可以使用整體外殼以限定三個分離的容器。允許開口之間的流體連通也是可能的。多種改進也可以實現，例如提供伸長的開口，開口的端部與光路44顯著分離，以便角落或端部處的變形具有較小的影響。在一些實施例中，端部可以簡單地接地，多種其他變形也可以使用。
上面包括具有棱柱形容器的流體透鏡的描述，以及其中施加到容器的相對表面的電潤濕電勢可以改變以便提供以所述相對表面為邊界的流體/流體界面的變化柱面光焦度。更普遍地，通過周向改變圍繞流體/流體界面的周邊的電潤濕電勢，所需形狀可以在流體/流體界面中產生。從其周邊開始的流體/流體界面的形狀的控制(以一些方式)類似于控制水泡的形狀。
在水泡的情況下，邊界的形狀可以迫使流體膜實現非常具體的形狀。水泡的邊界可以描述為具有某個基面上方的仰角。在流體/流體邊界的情況下，可以是在邊界處設置的一階導數或表面斜率，而不是仰角。無論如何，一旦邊界(仰角或斜率)被設置(例如，通過設置周向局部電潤濕電勢)，整個表面可以被迫使呈現非常明確的形狀，特別是一旦界面張力的附加限制被引入。流體/流體界面張力通常使得界面表面改變形狀，直到平均曲率各處相等。在這發生以前，界面張力將產生壓力梯度，流體將流動。
球面具有曲率在整個表面相等的屬性。球柱面或超環表面具有平均曲率在整個表面相等的屬性。這可以發生的原因在于散光部分可以考慮為具有零平均曲率，球面等效部分具有各處相同的曲率(通常非零)。因此，球柱面表面具有它們可以在流體/流體界面中保持平衡的有利屬性。由于這些形狀可以從它們的邊界條件確定，因此外圍的電潤濕電勢可以用于設置將形成的具體球柱面。
除了球面、超環面和球柱面以外，在此所述的結構、方法和系統也可以提供其他表面，其可以描述為球面(具有不變的曲率)和具有零平均曲率(換句話說，其中拉普拉斯算子等于零)的任何其他形狀的組合。與球面和柱面的組合一起，其他形狀例如三葉形或四葉形(quadrafoil)(它們具有零拉普拉斯算子)也可以與球面和/或柱面組合，或彼此組合。
現在參考圖5，高柔性球面/柱面(或其他形狀)流體透鏡80包括限定容器81的外殼，該容器具有圍繞光路44的基本上柱面壁82。透明罩84包含壁82中的第一和第二流體A、B，周向系列電極86配置在壁周圍。電源88連接到陣列的每個電極86以便施加可變電勢到該電極。
電勢可以橫跨陣列變化，以便在陣列的給定電極處的電勢可以不同于兩種周向相鄰電極的電勢。電極可以涂敷有絕緣和/或疏水材料，如上所述，因此相對于罩電極90施加在陣列的每個電極86處的電潤濕電勢幫助確定流體/流體界面66沿該電極的接觸角，以及流體/流體界面沿電極的位置(一旦界面已經呈現其穩定的低能量構形)。
現在參考圖5和7A，電源88可以施加電勢的正弦圖案到陣列的電極86。正弦圖案限定關于陣列的梯級電壓系列，在第一電極86i處開始，具有稍微的變化到下一個電極86ii，諸如此類到86n處的最后電壓。正弦圖案可以限定關于容器82的圓周θ的完整2π正弦波。這可以驅動在界面66和壁82之間形成的接觸角以基本上相應于關于容器周邊的正弦圖案，由此產生沿光路44的柱面透鏡。注意當透鏡是柱面時，根據垂直于柱面壁的效果，離散電極的使用等，接觸角不是優選正弦。透鏡的柱面光焦度可以通過改變電源88的柱面光焦度電壓Vc來改變，由此改變正弦電壓圖案的大小。
現在參考圖5、7A和7B，球面光焦度成分可以通過改變電壓圖案而引入到流體/流體界面66中，以便圖案的平均電壓更多正或更多負。換句話說，通過相對于純粹地柱面電壓圖案向上移動電壓圖案，例如通過增加球面電壓分量Vs，流體/流體界面66沿容器82的周向壁的平均接觸角可以被驅動以產生和/或疊加流體透鏡中的球面凸出。
現在參考圖5-7B，柱面定向92的移動可以通過例如以正θ方向周向移動電壓圖案一個完整電極而以相對簡單的模式實現。利用響應輸入I發生的圖案的開關，這允許一系列分離柱面軸92設有相對簡單的電源88。更復雜的柱面定向移動技術可以從對于電步進混合電機100的微步進研發的技術加以借鑒，如圖6所示。微步進控制器88施加電流圖案到定子102的齒上，以便驅動轉子104到所需位置。在標準步進模式中，電源88可以施加電壓圖案到定子102，并且可以移動該電流圖案離散地從一個齒到下一個齒，以便實現轉子104的一個完整旋轉步驟。在提供了相對大數量的定子齒的地方，例如在標準的200步電機中，這提供相對精細的旋轉圖案。然而，甚至更精細的旋轉能力可以通過關于定子的單個齒逐漸移動電流提供，以便電流圖案每次旋轉移動小于一個完整的齒。這種微步進技術允許市場上可買到的步進電機將單步分離為多至500微步，給出轉子104的每次完整的旋轉100000或更多步。
連接到步進電機100的驅動器88’可以變形用于圖5的柔性流體透鏡80，例如通過連接電阻器到轉子驅動器的電流輸出以便提供電壓圖案而不是電流圖案。可替換地，為微步進電機研發的技術可以用于研發新的“微步進”流體透鏡驅動電路。無論如何，與在切向陣列中存在單獨的電極86相比，這種微步進圖案移動技術的施加可以允許流體透鏡80的柱面定向92被驅動到更多的旋轉定向。
雖然示例性實施例已經為了理解的清楚和作為例子詳細描述，但是多種修改、改變和變形對于本領域技術人員是顯而易見的。例如，雖然對圖1的光學組件的輸入示意性描述為機械按鈕，但是輸入實際上可以由電或光學傳輸到源22的處理器30的數字信號提供。此外，雖然圖1中設備12的流體透鏡組件20示出用于綜合屈光檢查儀，但是該結構可以容易適合用于自動折射器等。此外，與柱面和球面透鏡一起，本發明的流體透鏡可以用于提供其他變形透鏡形狀，包括在美國專利US 3,751,138中描述的形狀。因此，本發明的范圍僅由所附權利要求進行限定。
權利要求
1.一種光學設備，包括限定至少一個開口的至少一個外殼，該至少一個開口具有通過其中的光路；配置在所述至少一個開口中以便限定一個或多個流體/流體界面的多個流體；和連接到所述至少一個開口以便提供多個電潤濕電勢的電勢源，該源被構形為響應第一輸入改變至少一個電潤濕電勢以便所述一個或多個流體/流體界面改變所述光路的至少一個柱面定向。
2.根據權利要求1的設備，其中所述源被構形為響應第二輸入來改變所述至少一個電潤濕電勢以便所述一個或多個流體/流體界面響應第二輸入來改變球面光焦度，以及所述一個或多個流體/流體界面響應第三輸入來改變柱面光焦度，所述一個或多個流體/流體界面具有沿所述光路的球柱面光焦度。
3.根據權利要求1的設備，其中所述至少一個外殼限定其中具有第一流體/流體界面的第一開口和其中具有第二流體/流體界面的第二開口，所述第一和第二開口每個都包括矩形截面；改變第一電潤濕電勢實現第一流體界面的第一可變柱面光焦度的改變，第一可變柱面光焦度具有橫跨所述光路橫向延伸的第一柱面定向；改變第二電潤濕電勢實現第二流體界面的第二可變柱面光焦度的改變，第二可變柱面光焦度具有橫跨所述光路橫向延伸的第二柱面定向；和其中第一柱面定向從第二柱面定向關于所述光路有角度偏移。
4.根據權利要求3的設備，其中所述至少一個外殼限定其中具有第三流體/流體界面的第三開口，該第三開口包括矩形截面；改變第三電潤濕電勢實現配置在第三開口中的第三流體/流體界面的第三可變柱面光焦度的改變，該第三可變柱面光焦度具有橫跨所述光路橫向延伸的第三柱面定向，該第三柱面定向從第一和第二柱面軸關于光路有角度偏移。
5.根據權利要求4的設備，其中第一柱面定向基本上垂直于第二柱面定向，以及其中第三柱面定向從第一柱面定向有角度偏移大約45°。
6.根據權利要求3的設備，進一步包括沿第一開口的相對側配置的第一和第二電極，以及沿第二開口的相對側配置的第三和第四電極。
7.根據權利要求1的設備，其中外殼包括圍繞所述光路配置的壁，以及進一步包括關于壁周向分布的多個導體。
8.根據權利要求7的設備，其中所述導體限定電極陣列，陣列的每個電極周向配置在陣列的兩個相鄰電極之間并且與這兩個相鄰電極電分離。
9.根據權利要求7的設備，其中電源關于所述光路施加周向電勢系列。
10.根據權利要求9的設備，其中該電勢系列包括DC電壓的基本上正弦圖案，以及其中電源被構形為響應第二輸入來改變該正弦圖案的振幅以便改變沿所述光路的柱面光焦度。
11.根據權利要求10的設備，其中電源被構形為響應第一輸入關于所述光路旋轉所述正弦電壓圖案。
12.根據權利要求11的設備，其中該電源被構形為響應第三輸入來改變圖案的平均電壓以便改變沿所述光路的球面光焦度。
13.根據權利要求1的設備，其中該光學設備通過影響所述至少一個外殼中的流體的移動并且不影響該設備的其他移動來響應第二輸入改變柱面光焦度和響應第一輸入來改變柱面定向。
14.根據權利要求13的設備，其中所述設備可以在從至少-20.0屈光度至至少約+20.0屈光度的范圍內改變柱面光焦度，其中所述設備可以在約180°的范圍內改變柱面定向，以及其中所述設備可以在至少-6.0至至少+6.0的范圍內改變球面光焦度。
15.根據權利要求13的設備，其中電源包括處理器，該處理器響應第一和第二輸入確定多個電潤濕電勢。
16.根據權利要求15的設備，其中處理器響應第三輸入進一步確定電潤濕電勢以便改變沿所述光路的球面光焦度。
17.一種流體柱面透鏡設備，包括具有棱柱形第一開口的第一外殼，一光路通過該第一開口，該第一開口具有第一表面和第二表面，第二表面從第一表面偏移，所述光路在這兩個表面之間；配置在所述開口中以便限定橫過第一和第二表面的第一流體/流體界面的多個流體；電勢源，其連接到第一和第二表面以施加第一可變電勢到其上，以便改變流體/流體界面沿所述光路的第一可變柱面光焦度。
18.根據權利要求17的流體柱面透鏡設備，其中第一可變柱面光焦度具有橫過第一開口的端面的第一定向，其中電勢源施加另一電勢到所述端面，所述另一電勢不同于第一電勢，并且進一步包括具有第二開口的第二外殼，該第二開口具有所述光路位于其間的第三表面和第四表面；配置在第二開口中以便在其間限定第二流體/流體界面的多個流體；所述電源連接到第三和第四表面以施加第二可變電勢到其上，以便改變具有第二定向的第二可變柱面光焦度，該第二定向相對于第一定向關于所述光路有角度偏移；具有第三開口的第三外殼，該第三開口具有第五和第六表面，所述光路在這兩個表面之間；配置在第三開口中以便在其間限定第三流體/流體界面的多個流體；所述電勢源連接到第五和第六表面以施加第三可變電勢到其上，以便改變具有第三定向的第三柱面光焦度，該第三定向從第一和第二軸有角度偏移，以便允許流體柱面透鏡設備改變沿所述光路的球面光焦度、沿所述光路的柱面光焦度和沿所述光路的柱面定向。
19.一種光學設備，包括限定至少一個開口的至少一個外殼，該至少一個開口具有軸向延伸通過其中的光路；配置在所述至少一個開口中以便限定至少一個流體/流體界面的多個流體；關于所述光路周向分布的多個電導體；連接到所述電導體以便同時施加多個不同的電潤濕電勢到其上的電勢源，所述源被構形為改變所述流體/流體界面以便可控地改變沿所述光路的球柱面光焦度。
20.根據權利要求19的設備，其中所述源被構形為改變所述電潤濕電勢響應第一輸入以便所述一個或多個流體/流體界面關于所述光路旋轉柱面定向；響應第二輸入以便所述一個或多個流體/流體界面改變沿所述光路的球面光焦度；以及響應第三輸入以便所述一個或多個流體/流體界面改變柱面光焦度。
21.根據權利要求1的設備，其中所述至少一個外殼限定其中具有第一流體/流體界面的第一開口和其中具有第二流體/流體界面的第二開口，所述第一和第二開口每個都包括矩形截面。
22.根據權利要求21的設備，其中所述多個電導體包括沿第一開口的相對側的第一和第二電極，和沿第二開口的相對側的第三和第四電極。
23.根據權利要求19的設備，其中所述外殼包括圍繞所述光路配置的壁，并且進一步包括關于所述壁沿周向分布的多個導體。
24.根據權利要求23的設備，其中所述電源關于所述光路施加DC電壓的基本上正弦周向圖案。
25.一種綜合屈光檢查儀或自動折射器，包括限定至少一個開口的至少一個外殼，該至少一個開口具有通過其中的光路；配置在所述至少一個開口中以便限定一個或多個流體/流體界面的多個流體；配置在所述至少一個開口附近的多個電導體；和連接到所述電導體以便施加至少一個電潤濕電勢的電勢源，所述源被構形為改變所述一個或多個流體/流體界面以便可控地改變選自下面的一個或多個特性沿所述光路的球面光焦度；沿所述光路的柱面光焦度；和沿所述光路的柱面定向。
26.一種流體透鏡光學方法，包括通過施加至少一個電潤濕電勢來構形一個或多個流體/流體界面，以便改變沿一光路的柱面定向。
27.根據權利要求26的光學方法，進一步包括通過改變所述至少一個電勢來重新構形所述一個或多個流體/流體界面，以使增加沿所述光路的球面光焦度。
28.根據權利要求27的光學方法，進一步包括通過改變所述至少一個電勢來重新構形所述一個或多個流體/流體界面，以便柱面光焦度的柱面定向改變。
29.根據權利要求28的光學方法，其中柱面光焦度、柱面定向和球面光焦度通過響應所述至少一個電勢移動流體并且同時沒有沿光路的其他移動而可控地改變。
30.一種流體透鏡光學方法，包括通過同時施加多個關于一光路沿周向不同的電潤濕電勢，來構形被所述光路橫穿的至少一個流體/流體界面，以便同時提供所述至少一個流體/流體界面的第一曲率和所述至少一個流體/流體界面的不同于第一曲率的第二曲率。
31.根據權利要求30的光學方法，其中第一和第二曲率沿單個流體/流體界面設置并且關于所述光路的軸線有角度偏移。
32.根據權利要求31的光學方法，其中第一曲率是平坦的，流體/流體界面限定柱面透鏡。
33.根據權利要求31的光學方法，其中第一和第二曲率不是平坦的。
34.根據權利要求33的光學方法，其中流體/流體界面限定球柱面透鏡。
35.根據權利要求33的光學方法，其中流體/流體界面限定非球柱面透鏡。
36.一種光學設備，包括限定至少一個開口的至少一個外殼，該至少一個開口具有通過其中的光路；配置在所述至少一個開口中以便限定至少一個流體/流體界面的多個流體；和連接到所述至少一個開口的電勢源，其被構形為同時施加多個電潤濕電勢，以便所述至少一個流體/流體界面在球面和柱面光焦度方面可控地改變。
全文摘要
一種光學裝置、系統和方法可以產生和/或測量一定范圍的光焦度和柱面軸的柱面(以及球面)的透鏡形狀。流體聚焦透鏡使用電勢通過控制界面和周圍的容器壁之間的局部角度來改變兩個具有不同折射率的不混溶流體之間的流體/流體界面的形狀。球面光焦度、柱面光焦度和柱面通道排列可以在沒有移動部分(除了流體之外)情況下改變。
文檔編號G02B1/06GK101094605SQ200580045659
公開日2007年12月26日 申請日期2005年11月17日 優先權日2004年11月18日
發明者C·坎貝爾 申請人:維思克斯公司