CN102955262B - 一种近视眼镜镜片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种近视眼镜镜片，其包括功能层，所述功能层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构；所述功能层上以其中心点为圆心，相同半径处折射率相同，且随着半径的增大折射率逐渐增大。本发明采用超材料技术制成近视眼镜镜片，使得近视眼镜镜片摆脱了常规的凹透镜的形状，而可采用任意形状，例如平板形状，并使得近视眼镜镜片更为轻薄、方便。

Description

一种近视眼镜镜片

技术领域

本发明涉及一种近视眼镜镜片，尤其涉及一种由超材料制成的近视眼镜镜片。

背景技术

如图1所示，图1为近视眼镜镜片成像的原理图。近视眼的形成是由于眼睛内部晶状体变形使得光线过早的集合于视网膜前面。在佩戴近视眼镜后，由于近视眼镜的镜片实质为一凹透镜，其将光线发散使得像距变长，从而使得物体的像恰好落在视网膜上。

现有的近视眼镜镜片主要为玻璃镜片和高分子树脂镜片两种。玻璃镜片耐刮磨且玻璃自身折射率较高。普通的玻璃镜片的折射率一般为1.523，而超薄的玻璃镜片折射率则为1.72以上。但是玻璃镜片易碎，重量较沉，当需要配备度数较高的近视眼镜镜片时，则玻璃镜片由于其较大的重量使得使用者非常不适。

树脂镜片具有耐冲击、不易碎、重量轻且透光率好的优点。但是其不耐磨，非常容易出现刮痕，通常的做法是在树脂镜片上镀上一层加硬膜。但是当需要配备度数较高的近视眼镜镜片时，如采用树脂镜片，则价格非常昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种由超材料制成的，能有效降低高度近视镜片厚度、提高成像精度并具有更宽的折射率选择范围的近视眼镜镜片。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种近视眼镜镜片，其包括：功能层，所述功能层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构；所述功能层上以其中心点为圆心，相同半径处折射率相同，且随着半径的增大折射率逐渐增大。

进一步地，还包括对称设置于所述功能层两侧的厚度相等的第一匹配层与第二匹配层，所述第一匹配层和所述第二匹配层的外表面的折射率为所述功能层的最小折射率n_min，内表面折射率与功能层折射率分布相同。

进一步地，所述功能层上半径为r的折射率n(r)为：

$n\left(r\right)=\frac{D_{\max }+(n_0-1)*D\left(r\right)-L*n_{\min }}{d-L}$

其中，d为近视眼镜镜片总厚度、L为所述第一匹配层的厚度、n_min为所述功能层的最小折射率值；n₀为近视患者佩戴凹透镜时该凹透镜对应的折射率、D_max为该凹透镜所具有的最大厚度、D(r)为该凹透镜上半径为r处的厚度值。

进一步地，所述近视眼镜镜片总厚度d为：

$d=\frac{D_{\max }+(n_0-1)*D_{\min }}{n_{\min }}$

其中，n₀为近视患者佩戴凹透镜时该凹透镜对应的折射率、D_max和D_min为该凹透镜所具有的最大厚度和最小厚度，n_min为所述功能层的最小折射率值。

进一步地，所述第一匹配层与所述第二匹配层具有相同的厚度L，L为：

$L=\frac{d*n_{\max }-n_0*D_{\max }}{n_{\max }-n_{\min }}$

其中，d为近视眼镜镜片总厚度，n₀为近视患者佩戴凹透镜时该凹透镜对应的折射率、D_max为该凹透镜所具有的最大厚度，n_max和n_min为所述功能层所具有的最大折射率值和最小折射率值。

进一步地，所述第一匹配层折射率随厚度变化的关系式为：

$N_1(x,r)=n_{\min }+[n\left(r\right)-n_{\min }]*\frac{x}{L}$ 0≤x≤L

其中，x表示第一匹配层内部距外表面的距离，n(r)为所述功能层的折射率分布，n_min为所述功能层的最小折射率值，L为所述第一匹配层的厚度。

进一步地，所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构的平面几何拓扑形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

进一步地，所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构的平面几何拓扑形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述基材为玻璃。

本发明采用超材料技术制造近视眼镜镜片，使得近视眼镜镜片无需采用常规的凹透镜形状而可采用任意的形状，例如平板形状。使得近视眼镜镜片更为轻薄、方便。

附图说明

图1为现有技术中近视眼镜镜片成像的原理示意图；

图2为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图3为本发明近视眼镜镜片的正剖视图；

图4为本发明近视眼镜镜片的侧剖视图；

图5为本发明近视眼镜镜片侧剖视图折射率分布的计算参照图；

图6为本发明近视眼镜镜片侧剖视面上的折射率分布示意图；

图7为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图7a为图7所示人造金属微结构的几何形状拓扑图案的衍生图案；

图8为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图8a为图8所示人造金属微结构的几何形状拓扑图案的衍生图案。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对可见光或其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε、磁导率μ、折射率、阻抗等来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图2所示，图2为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。当超材料需要对可见光响应时，则超材料上每一超材料基本单元的尺寸应为纳米级。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

如图3、图4所示，图3、图4分别为利用上述超材料原理制成的本发明近视眼镜镜片的正剖视图和侧剖视图。图3、图4中，本发明近视眼镜镜片整体为平板状，并非常规的凹透镜形状。本发明近视眼镜镜片包括功能层10以及对称设置于功能层两侧的第一匹配层11和第二匹配层12，两匹配层均具有厚度L，整个近视眼镜镜片具有厚度d，则功能层具有厚度d-2L。在本发明近视眼镜镜片的正剖视图中，近视眼镜镜片初期形状为一个半径为R的圆形，在后期加工时，根据镜框的形状切割该半径为R的圆形镜片即可得到最终的镜片。在该半径为R的圆形镜片上，圆心O为镜片中心点且在佩戴时应正对患者的瞳孔。结合侧剖视图可知，近视眼镜镜片实质由三个半径为R的圆形镜片叠加而成，包括第一匹配层11、第二匹配层12以及位于第一匹配层11和第二匹配层12中间的功能层10。功能层上以O点为圆心，相同半径处的折射率相同，即整个功能层的折射率分布可由侧剖面绕其中心轴线旋转一周得到。第一匹配层和第二匹配层的折射率分布与功能层上的折射率分布和其厚度关系均相关。因此在确定了侧剖面的折射率分布后，即可得到整个镜片的折射率分布。

如图5所示，图5为本发明近视眼镜镜片侧剖视图折射率分布计算参照图。本发明近视眼镜镜片的折射率分布是参照凹透镜对光学的响应。凹透镜具有均匀的折射率但具有不均匀的厚度，本发明近视眼镜镜片具有均匀的厚度，那么则必然具有不均匀的折射率分布。当患者需求折射率为n₀的普通凹透镜镜片时，根据本领域技术人员公知的光学理论，可推算出该普通凹透镜中心处的厚度D_min，边缘处的厚度D_max，距普通凹透镜中心点h处的厚度为D(h)。对应h高度，本发明近视眼镜镜片功能层的折射率为n(h)。两侧匹配层是为了减少光线的反射，因此需使得折射率由功能层上的最小折射率n_min逐渐变化到与其接触到功能层的折射率n(h)，即两侧匹配层外表面的折射率为n_min，内表面的折射率为n(h)，本发明近视眼镜镜片侧剖面上折射率分布示意图如图6所示。

本发明中，近视眼镜镜片的整体厚度d可根据下面关系式求出：

$d=\frac{D_{\max }+(n_0-1)*D_{\min }}{n_{\min }}$

匹配层的厚度L为：

$L=\frac{d*n_{\max }-n_0*D_{\max }}{n_{\max }-n_{\min }}$

功能层上中心轴h高度处的折射率n(h)为：

$n\left(h\right)=\frac{D_{\max }+(n_0-1)*D\left(h\right)-L*n_{\min }}{d-L}$

功能层两侧对称的第一匹配层和第二匹配层的折射率是随着该层的厚度变化而呈线性分布，如图6所示，x轴即代表近视眼镜镜片厚度的变化，在0≤x≤L范围内，即第一匹配层上折射率变化规律为：

$N_1(x,r)=n_{\min }+[n\left(r\right)-n_{\min }]*\frac{x}{L}$

在d-L≤x≤d范围内，即第二匹配层上折射率变化规律为：

$N_2(x,h)=n_{\min }+[n\left(h\right)-n_{\min }]*\frac{d-x}{L}$

根据超材料原理可知，改变每个超材料单元人造微结构的尺寸和/或图案即可改变每个超材料单元的介电常数和磁导率值，也即改变每个超材料单元的折射率值。能达到上述折射率分布的人造微结构有多种，下面介绍两种较常用的结构。

如图7所示，图7为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图7中，人造金属微结构呈“工”字形，包括竖直的第一金属分支1021以及分别垂直该第一金属分支1021且位于第一金属分支两端的第二金属分支1022，图7a为图7中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括第一金属分支1021、第二金属分支1022，每条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023。

图8为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图8中，人造金属微结构呈平面雪花型，包括相互垂直的第一金属分支1021’以及两条第一金属分支1021’两端均垂直设置有第二金属分支1022’；图8a为图8所示人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括两条第一金属分支1021’、四条第二金属分支1022’，四条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023’。优选地，第一金属分支1021’长度相等且垂直于中点相交，第二金属分支1022’长度相等且中点位于第一金属分支端点，第三金属分支1023’长度相等且中点位于第二金属分支端点；上述金属分支的设置使得人造金属微结构呈各向同性，即在人造金属微结构所属平面内任意方向旋转人造金属微结构90°都能与原人造金属微结构重合。采用各向同性的人造金属微结构能简化设计、减少干扰。

由于可见光的频率一般为太赫兹级别，因此人造微结构的尺寸为纳米级别。制备该纳米级别的人造微结构可采用斜角沉积法，即在真空中以倾斜角度将金属微结构沉积在基板上，主要步骤为先以电子轰击金属块使其气化，然后让金属蒸汽沉积在基板上，通过调整基板的倾斜角度，让金属在自我遮蔽效应作用下优先朝蒸汽注入的方向生长成纳米金属微结构。

本发明中，由于近视眼镜镜片的特殊要求，基板采用透明材质的基板，例如高分子树脂、玻璃等。金属微结构材质为银或其他人造透明金属。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种近视眼镜镜片，其特征在于：包括功能层，所述功能层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构；所述功能层上以其中心点为圆心，相同半径处折射率相同，且随着半径的增大折射率逐渐增大；所述人造微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构。

2.如权利要求1所述的近视眼镜镜片，其特征在于：还包括对称设置于所述功能层两侧的厚度相等的第一匹配层与第二匹配层，所述第一匹配层和所述第二匹配层的外表面的折射率为所述功能层的最小折射率n_min，内表面折射率与功能层折射率分布相同。

3.如权利要求2所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述功能层上半径为r的折射率n(r)为：

$n\left(r\right)=\frac{D_{\max }+(n_0-1)*D\left(r\right)-L*n_{\min }}{d-L}$

其中，d为近视眼镜镜片总厚度、L为所述第一匹配层的厚度、n_min为所述功能层的最小折射率值；n₀为近视患者佩戴凹透镜时该凹透镜对应的折射率、D_max为该凹透镜所具有的最大厚度、D(r)为该凹透镜上半径为r处的厚度值。

4.如权利要求3所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述近视眼镜镜片总厚度d为：

$d=\frac{D_{\max }+(n_0-1)*D_{\min }}{n_{\min }}$

其中，n₀为近视患者佩戴凹透镜时该凹透镜对应的折射率、D_max和D_min为该凹透镜所具有的最大厚度和最小厚度，n_min为所述功能层的最小折射率值。

5.如权利要求3或4所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述第一匹配层与所述第二匹配层具有相同的厚度L，L为：

$L=\frac{d*n_{\max }-n_0*D_{\max }}{n_{\max }-n_{\min }}$

其中，d为近视眼镜镜片总厚度，n₀为近视患者佩戴凹透镜时该凹透镜对应的折射率、D_max为该凹透镜所具有的最大厚度，n_max和n_min为所述功能层所具有的最大折射率值和最小折射率值。

6.如权利要求3所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述第一匹配层折射率随厚度变化的关系式为：

$N_1(x,r)=n_{\min }+[n\left(r\right)-n_{\min }]*\frac{x}{L},0\≤x\≤L$

其中，x表示第一匹配层内部距外表面的距离，n(r)为所述功能层的折射率分布，n_min为所述功能层的最小折射率值，L为所述第一匹配层的厚度。

7.如权利要求1所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构的平面几何拓扑形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

8.如权利要求7所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述人造金属微结构还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

9.如权利要求1所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构的平面几何拓扑形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

10.如权利要求1所述的近视眼镜镜片，其特征在于：所述基材为玻璃。