CN106662680B - 动态透镜的控制 - Google Patents

Abstract

自适应眼镜(20)包括眼镜框(25)和被安装在眼镜框中的第一和第二电可调谐透镜(22，24)。在一个实施例中，控制电路(26)被配置成接收指示从戴眼镜的人的眼睛到由该人观察的物体(34)的距离的输入，并且响应于该输入调谐第一透镜和第二透镜。

Description

动态透镜的控制

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2014年6月5日提交的美国临时专利申请62/007,948的权益，并且享有2014年6月11日提交的美国临时专利申请62/010,475的权益。这两个相关申请均通过引用并入本文。

发明领域

本发明总体涉及光学设备，并且具体涉及电可调谐透镜。

背景

可调谐透镜是光学元件，其光学特性(诸如，光轴的焦距和/或位置)可以在使用期间(通常是在电子控制下)被调整。这种透镜可用于各种各样的应用。例如，美国专利7,475,985描述了用于视力矫正的目的的电激活透镜的用法。

电可调谐透镜通常包含适当的电光学材料的薄层，即，其局部有效折射率根据在材料上施加的电压而改变。使用电极或者电极的阵列施加期望的电压，以便局部地将折射率调整到期望值。液晶是用于这个目的的最常见的电光学材料(其中，所施加的电压使分子转动，这改变了双折射轴，因此改变了有效折射率)，但是可以可选地将具有类似的电光学性质的其他材料(诸如，聚合物凝胶)用于这个目的。

一些可调谐透镜使用电极阵列以限定液晶中的像素的网格(类似于在液晶显示器中使用的那种像素网格)。单独像素的折射率可以被在电学上控制，以给出期望的相位调制分布图。(在本说明书和权利要求中使用的术语“相位调制分布图”意思是局部相位偏移的分布，该局部相位偏移被应用至由于在可调谐透镜的电光学层的区域上的局部可变的有效折射率而穿过该层的光。)在例如以上提到的美国专利7,475,985中描述了使用这种网格阵列的透镜。

通过引用将其公开内容并入本文的PCT国际公开WO 2014/049577描述了光学设备，该光学设备包括电光学层，该电光学层在电光学层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，其中该折射率是由施加于该位置处的电光学层两端的电压波形确定的。包括在活动区上延伸的平行导电条带的激励电极阵列被设置在电光学层的一侧或者两侧上。控制电路对激励电极施加相应的控制电压波形，并且被配置成同时修改施加到激励电极的相应的控制电压波形，以便生成电光学层中的指定相位调制分布图。

美国专利申请公开2012/0133891描述了用于矫正近视的电光学装置和方法，其包括至少一个自适应透镜、电源和眼动仪。眼动仪包括图像传感器以及与自适应透镜和图像传感器可操作地连接的处理器。处理器被配置成接收来自图像传感器的电信号并控制自适应透镜的矫正功率以矫正近视，其中矫正功率取决于使用者的凝视距离和近视处方强度。

概述

在下文中描述的本发明的实施例提供了改进的电可调谐光学设备。

因此，根据本发明的实施例提供了光学设备，该光学设备包括电光学层，该电光学层在电光学层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，该折射率由在该位置处施加于电光学层上的电压波形来确定。导电电极在电光学层的相对的第一侧和第二侧上延伸。电极包括激励电极的阵列，该激励电极的阵列包括沿着穿过电光学层的第一侧的各自相互平行的轴延伸的平行导电条带。每个条带被划分成在条带的轴的各自相互不联结的部分上延伸的两段或更多段。控制电路被耦合以对激励电极中的段施加各自的控制电压波形，以便在电光学层中生成指定的相位调制分布图，并且控制电路被配置成同时修改施加到多个激励电极中的每个激励电极的段中的一段或者多段的各自的控制电压波形，由此修改电光学层的相位调制分布图。

通常，控制电路被配置成对激励电极施加控制电压波形，使得设备起到具有由相位调制分布图确定的焦点性质的透镜的作用。在一些实施例中，控制电路被配置成对激励电极中的至少一些激励电极的不同的段施加各自不同的控制电压波形，使得透镜起到多焦点透镜的作用。在所公开的实施例中，每个条带的两段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，使得条带的第一段一起延伸穿过电光学层的第一区域，同时条带的第二段一起延伸穿过电光学层的第二区域。控制电路被配置成施加各自不同的控制电压波形，使得第一区域具有第一焦距，并且第二区域具有与第一焦距不同的第二焦距。

在其他实施例中，对于每个条带，该设备包括一个或多个开关，其使条带中的段互相连接并且可以由控制电路操作以使条带电联结或者分离。通常，每个条带的两段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，并且一个或多个开关包括在条带中的每个条带中使各自的第一段和第二段互相连接的开关，并且该设备包括单一控制线，该控制线被连接以驱动条带中的每个条带中的开关以便使所有条带中的第一段和第二段同时电联结或者分离。

另外地或者可选地，每个条带中的两段或者更多段包括通过多个开关串联连接的三段或者更多段，并且设备包括多个控制线路，其被连接以在所有条带上驱动多个开关。在一个实施例中，控制电路被连接于导电条带中的每个导电条带的至少一个各自的端部，并且控制电路被配置成通过交替地驱动多个开关并且修改施加于导电条带的各自的端部的控制电压波形对激励电极中的至少一些激励电极的不同的段施加各自不同的控制电压波形。

根据本发明的实施例还提供了光学装置，其包括电可调谐透镜。透镜包括电光学层，对于入射到该层的光的给定偏振，该电光学层在电光学层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，该折射率由在该位置处施加于电光学层上的电压波形来确定。导电电极在电光学层的相对的第一侧和第二侧上延伸，该电极包括延伸穿过电光学层的第一层的激励电极的阵列。控制电路被耦合以对激励电极施加各自的控制电压波形，以便在电光学层中生成指定的相位调制分布图。偏振旋转器被定位并且配置成拦截指向透镜的入射光，并且使被拦截的光的偏振旋转，以便确保入射到电光学层的光都具有给定偏振的分量而不管被拦截的光的初始线偏振。

在所公开的实施例中，偏振旋转器包括四分之一波片或者双折射片。

在一些实施例中，该设备包括偏振器，该偏振器被***在偏振旋转器和电可调谐透镜之间，并且偏振器被定向以便通过给定偏振的分量。

根据本发明的实施例另外提供了自适应眼镜，其包括眼镜框以及安装在眼镜框中的第一电可调谐透镜和第二电可调谐透镜。控制电路被配置成接收指示从戴眼镜的人的眼睛到此人观察的物体的距离的输入，并且调谐第一透镜和第二透镜以具有包围由输入指示的距离的、各自不同的第一焦度和第二焦度。

在一些实施例中，第一透镜和第二透镜被安装在眼镜框中，以便对入射到人的左眼和右眼的光分别施加第一焦度和第二焦度。

另外地或者可选地，第一透镜被配置成仅对第一偏振的光施加第一焦度，同时第二透镜被配置成仅对与第一偏振正交的第二偏振的光施加第二焦度。在一些实施例中，第一透镜和第二透镜被安装在眼镜框中，以便对入射到人的单眼的光施加第一焦度和第二焦度。在所公开的实施例中，眼镜包括偏振旋转器，其被定位并且配置成拦截指向第一透镜和第二透镜的入射光，并且使被拦截的光的偏振旋转，以便确保入射到第一透镜和第二透镜的光都具有第一偏振和第二偏振两者的各自的分量而不管入射光的初始偏振。

在一些实施例中，眼镜包括传感器，其被配置成感测从戴眼镜的人的眼睛到此人观察的物体的距离，并且传感器被耦合以向控制电路提供指示距离的输入。通常，传感器从由眼动仪、被配置成采集物体的图像的相机、测距仪、接近传感器以及可以由戴眼镜的人操作的触发传感器组成的传感器的群组中被选出。

另外地或者可选地，传感器被配置成感测眼睛向着物体的注视方向，并且，其中，控制电路被配置成响应于感测到的注视方向移动第一透镜和第二透镜的各自的光轴。控制电路可以被配置成响应于感测到的注视方向上的改变而采用相对于该改变的预定义时滞来移动光轴。

根据本发明的实施例还提供了用于制造光学设备的方法。该方法包括提供电光学层，该电光学层在电光学层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，该折射率由在该位置处施加于电光学层上的电压波形来确定。导电电极被定位以便在电光学层的相对的第一侧和第二侧上延伸。电极包括激励电极的阵列，该激励电极的阵列包括沿着穿过电光学层的第一侧的各自相互平行的轴延伸的平行导电条带。每个条带被划分成在条带的轴的各自相互不联结的部分上延伸的两段或更多段。控制电路被耦合以对激励电极中的段施加各自的控制电压波形，以便在电光学层中生成指定的相位调制分布图，并且控制电路同时修改施加到多个激励电极中的每个激励电极的段中的一段或者多段的各自的控制电压波形，由此修改电光学层的相位调制分布图。

根据本发明的实施例，此外提供了用于制造光学装置的方法。该方法包括提供电可调谐透镜，该电可调谐透镜包括电光学层，对于入射到该层的光的给定偏振，电光学层在电光学层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，该折射率由在该位置处施加于电光学层上的电压波形来确定。导电电极在电光学层的相对的第一侧和第二侧上延伸。电极包括延伸穿过电光学层的第一侧的激励电极的阵列。控制电路被耦合以对激励电极施加各自的控制电压波形，以便在电光学层中生成指定的相位调制分布图。偏振旋转器被定位以拦截指向透镜的入射光，并且使被拦截的光的偏振旋转，以便确保入射到电光学层的光都具有给定偏振的分量而不管被拦截的光的初始线偏振。

根据本发明的实施例，此外提供了用于操作自适应眼镜的方法。该方法包括将第一电可调谐透镜和第二电可调谐透镜安装在眼镜框中。接收指示从戴眼镜的人的眼睛到由人观察的物体的距离的输入。第一透镜和第二透镜被调谐以具有包围由输入指示的距离的、各自不同的第一焦度和第二焦度。

根据本发明的实施例还提供了自适应眼镜，其包括眼镜框以及安装在眼镜框中的第一电可调谐透镜和第二电可调谐透镜。传感器被配置成输出指示由戴眼镜的人的眼睛执行的姿态的信号。控制电路被配置成响应于该信号调谐在第一透镜和第二透镜中的至少一个透镜的光学特性。

通常，由眼睛执行的姿态是从由眼睛动作、眨眼(blink)和眨眼示意(wink)组成的姿态的群组中被选出的。

根据本发明的实施例另外提供了用于操作自适应眼镜的方法。该方法包括将第一电可调谐透镜和第二电可调谐透镜安装在眼镜框中。接收指示由戴眼镜的人的眼睛执行的姿态的信号。响应于该信号调谐在第一透镜和第二透镜中的至少一个透镜的光学特性。

从结合附图进行的本发明的实施例的以下详细描述，本发明将得到更完全地理解，其中：

附图简述

图1根据本发明的实施例的自适应眼镜的示意性形象化图示；

图2是根据本发明的实施例的电可调谐透镜***的示意性侧视图；

图3A是根据本发明的另一个实施例的电可调谐透镜的示意性形象化图示；

图3B和图3C是根据本发明的实施例在图3A中的透镜的相对侧上形成的电极的示意性主视图；

图3D是根据本发明的实施例的图3A中的透镜的示意性主视图，其显示了在透镜的相对侧的电极的叠加；

图4是根据本发明的另一个实施例的在电可调谐透镜上形成的电极的示意性主视图；以及

图5是根据本发明的可选实施例显示在电可调谐透镜上形成的电极和切换元件的电路原理图。

实施例的具体描述

概述

双焦点透镜和多焦点透镜包含不同的光学功率的区域，以便使得使用透镜的人能够看见在不同距离处的物体。这种多焦点能力增强了透镜矫正具有受限的距离调节能力的人们(诸如，患有老花眼的老年人)的视力的能力。然而，透镜的区域结构把在任何给定距离处的视野限制于提供对于该距离所必需的光学功率的透镜区域的面积。

电可调谐眼镜透镜可以在这种情况下提供更灵活且舒适的解决方案。透镜可以与各种类型的传感器耦合，以便根据由戴眼镜的人正在观察的物体来调整透镜的焦距和光轴。理想地，无论视角的焦距，这种调整都将会提供在整个透镜面积上的最佳视力矫正。然而，实际上，传感器提供了关于在任何给定时刻处的期望的焦距和眼睛角度的不完美的指示，因此透镜性质的动态调整可以是不确定的。此外，即使当透镜的焦距(或者多个焦距)被电调谐时，具有对其调节距离的能力的苛刻限制的人们也可以受益于使用多焦点透镜。

在本文中描述的本发明的实施例提供了新颖的电可调谐透镜，其具有尤其可用于解决人类视力的动态矫正中所涉及的实际困难的性质。这些实施例中的一些实施例特别是在这种透镜中提供多焦点性能是有用的。

所公开的实施例基于光学设备，该光学设备包括电光学层(诸如，液晶层)，该电光学层在该层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，其中该折射率是由在该位置处该层上施加的电压波形确定的。导电电极在电光学层的两侧上延伸，在两侧中的至少一侧上包括激励电极的阵列，该激励电极包括穿过电光学层沿着各自的相互平行的轴延伸的平行导电条带。电光学层的相对侧上的电极可以包括公共电极(在这种情况下，该设备起到圆柱形透镜的作用)或者与另一侧上的条带正交地定向的平行条带的阵列(使得设备以仿真球面透镜或者非球面透镜的方式起作用)。在以上提到的PCT国际公开WO 2014/049577中还描述了这个通用类型的设备和它们的操作的细节。然而，所公开的实施例的原理可以被可选地作出必要修正地应用于其他种类的自适应透镜设计。

在一些实施例中，在电光学层的至少一侧上的激励电极的每个条带被划分成两段或者更多段，这些段在条带的轴各自的相互不联结的部分上延伸。控制电路对激励电极的段施加相应的控制电压波形，以便生成电光学层的指定相位调制分布图。具体地，控制电路可以对激励电极中的至少一些激励电极的不同段施加不同的控制电压波形，使得透镜起到多焦点透镜的作用，其中不同的区域具有不同的光学功率。控制电路可以修改施加于电极段的控制电压波形，以便修改不同区域中的一个或多个的相位调制分布图。

在一些实施例中，分段后的条带包括使条带的段互相连接的一个或多个开关。这些开关可以由控制电路操作，以使条带的段电联结或者分离。因此，控制电路通过恰当地闭合或者断开开关，不仅能够动态地改变透镜的不同区域的焦点性质，而且能够动态地改变其大小和位置。

虽然一些电光学材料(诸如，胆甾相液晶)对光起作用而不考虑偏振，但是通常可用的液晶和其他的电光学材料对于偏振敏感并且可仅对特定偏振的入射光发挥它们的折射效应。电光学材料的这个限制可以基于材料而限制自适应眼镜透镜的性能。在本文中描述的本发明的实施例中的一些实施例通过创新地使用偏振旋转元件来克服这个限制，并且甚至将该限制转变为增强眼镜的性能的优势。

在这些实施例中的一些实施例中，偏振旋转器拦截指向电可调谐透镜的入射光，并且使被拦截的光的偏振旋转，以便确保入射到电光学层上的光具有即使被拦截的光在与由电光学材料折射的偏振正交的方向上线偏振也将会由透镜折射的偏振分量。偏振旋转器通常包括例如四分之一波片或者双折射片。在一个实施例中，偏振器被***在偏振旋转器和电可调谐透镜之间，并且被定向以便仅通过具有将会由透镜折射的偏振的光的分量。在可选实施例中，具有定向成折射具有相互正交的偏振的光的电光学层的两个电可调谐透镜可以串联地布置，使得任何偏振的入射光将会被聚焦。

在本文中描述的一些实施例提供了自适应眼镜，该自适应眼镜包括电可调谐透镜，该电可调谐透镜连同传感器被安装在眼镜框中，该传感器感测戴眼镜的人的眼睛到由这个人观察的物体的距离。控制电路根据感测到的距离调谐透镜，但是并不总是能够或者令人满意地明确地确定距离。因此，在一些实施例中，控制电路将框架中的透镜调谐成具有包围(bracket)感测到的距离的、各自不同的焦度(也被称为光学功率)。在焦点包围的意义上，在本说明书和权利要求书中，在本背景中使用的术语“包围”意思是焦度的范围在以感测到的距离为基础所选择的特定目标功率值周围。(包围不需要是对称的，并且焦度中的一个实际上可以是目标功率本身。)这种包围可以由自适应眼镜不仅在物体距离被自动感测到时被应用，而且还在用户手动设置焦距时增加景深。

这些实施例中的一些实施例使用如上所述的成对的电可调谐透镜，该电可调谐透镜具有被定向成使得第一透镜将其焦度仅应用于特定偏振的光的各自的电光学层，同时第二透镜将其焦度(与第一透镜的焦度不同)仅应用于正交偏振的光。在一个实施例中，这两个透镜被布置成将其焦度应用于分别入射到戴眼镜的人的左眼和右眼的光。在另一个实施例中，将两个透镜一前一后地安装在眼镜框中，以便将各自的焦度应用于入射到人的单眼的光。在任意一种情况下，人的单眼或者双眼将接收到在不同焦距处的两个图像。可选地，右电可调谐透镜和左电可调谐透镜均可以应用其各自的焦度而与偏振无关；为了这个目的，透镜可以包括对偏振不敏感的电光学材料，或者透镜可以包括如以上描述的两个偏振敏感透镜和/或透镜及偏振旋转器。在这些情况中的任一情况下，大脑能够选择并处理实际上聚焦于感兴趣的物体的图像。

***描述

图1是根据本发明的实施例的自适应眼镜20的示意性形象化图示。眼镜20包括安装在框架25中的电可调谐透镜22和24。透镜的光学性质(包括焦距和光学中心(或者相当于光轴))由控制电路26控制、由电池28或者其他电源供电。控制电路26通常包括嵌入式微控制器，其具有硬接线和/或可编程逻辑部件以及适当的接口以用于执行本身中所描述的功能。眼镜20的这些元件和其他元件通常被安装在框架25上或者框架25中，或者可选地被包含在通过导线与框架25连接的(未显示的)单独单元中。

眼镜20包括一个或多个传感器，其感测从戴眼镜的人的眼睛到由此人观察的物体34的距离。控制电路26根据传感器的读数调谐透镜22和24。在图示的示例中，传感器包括成对的眼动仪30，其检测右眼和左眼各自的注视方向32。控制电路26通常响应于感测到的注视方向来移动透镜的各自的光轴。此外，控制电路可以使用如由眼动仪30所测量的瞳孔之间的距离，以估计用户的焦距(甚至不需要分析实际的注视方向)，并且有可能识别物体34。

相机36采集物体34的图像，以用于由控制电路26在识别物体并且设置焦距时使用。虽然眼动仪30或者相机36可以用于确定焦距，但是这两种传感器可以一起使用以给出更可靠的对物体的识别。可选地或者另外地，相机36可以由测量到距物体34的距离的测距仪或者其他接近传感器替代或者补充。

在一些实施例中，眼镜20还包括至少一个触发传感器38，其启动眼镜20的其他部件。例如，触发传感器38可以包括周期性触发控制电路26和其他元件的定时器，或者包括指示观察距离的可能的改变的其他传感器(诸如，头部动作传感器或者用户输入传感器)。在一个操作模式中，当触发传感器38被驱动的时候，相机36或者其他接近传感器检测到用户视野中的物体的距离。如果视野中的所有物体都处于近似相同的距离，那么透镜22和24可以被配置成使用户的视力聚焦于该距离。如果在用户视野中的不同距离处检测到几个物体，那么眼动仪30被启动以例如通过分析用户的瞳孔之间的距离来确定用户正在看的距离。

另外地或者可选地，控制电路26可以响应于用户输入来驱动眼镜20的功能。(图中未显示的)各种输入设备可以被使用以用于这个目的，例如：

●框架25上的按键(按钮或者触摸按键)。

●基于眼动仪30或者其他传感器的基于眼睛的姿态控制***，其根据眼睛动作、眨眼示意和/或眨眼而改变透镜性质。

●定位在外部设备(诸如，腕带)上的按键，其通过有线的或者无线的通信链路(诸如，蓝牙链路)连接至控制电路26。

●通过有线的或者无线的通信链路连接至控制电路26的、在外部设备(诸如，腕带)上的运动检测器，其使控制电路根据特定动作(诸如，腕部转动或者在指定方向上的动作)修改透镜性质。

●在便携设备或者可穿戴设备上实现的应用，其通过有线的或者无线的通信链路连接于控制电路26。

●语音控制，其中，控制电路26基于语音分析或者声音分析识别预定义的语音命令，以修改透镜性质。

还另外地或者可选地，控制电路26可以具有由用户输入和/或传感器输入所确定的预定义的操作模式，并且在一些情况下能够有助于优化透镜22和24的焦距。这种操作模式可以包括，例如：

●手动-用户手动选择单一距离(阅读、中间或者遥远)。透镜22和24被相应地调整，而自动聚焦***失效。

●办公室-偏好于透镜22和24的中间和近距离调整。

●备用-如果在一段时间没有检测到动作，则关闭传感器30、36和透镜22、24以节能。

●驱动-偏好于远距视力。为了安全的原因，有可能将透镜22和24中的至少一部分持续保持在远距视力设置并且忽视抖动。

●阅读-偏好于近距离，其中仅在特殊情况下切换到其他距离。

●正常-没有环境数据。在这种情况下，控制电路仅依赖于传感器30、36。

观察距离由传感器30和36进行的精确检测可以是困难且不确定的，并且透镜22和24的焦度的错误设置可以干扰用户。为了缓解这个问题，透镜22和24可以被设置成不同的、各自的焦度，其包围基于传感器估计出的特定目标距离。这个目标距离通常是到被观察的物体(诸如，物体34)的估计出的距离。透镜功率不一致利用了双眼视力经常仅要求一只眼看见快速聚焦的图像以便用于观察似乎聚焦的事实。

例如，如果检测器30和36指示目标距离是1米，对此，透镜22和24(相对于用户的正常折射矫正)应当被设置成1屈光度，并且用户具有对于0.2屈光度的散焦的容差，那么控制电路26可以将透镜22和24设置成各自的0.8屈光度和1.2屈光度的焦度。万一检测到的距离不准确，这个聚焦包围给予用户在更宽的距离范围(对应于0.6至1.4屈光度的焦度)上清楚看见的能力。

透镜22和24可以始终以不同的光学功率***作，或者仅在物体距离不确定的某些情况下以不同的光学功率***作。左透镜和右透镜的焦度之间的差(在以上的实例中是0.4屈光度)可以是恒定的或者根据几个参数变化，诸如，通过传感器30、36检测到的物体距离的置信水平；传感器30、36的输出的概率分布；光照条件；检测到的距离自身；以及用户的偏好。

在另一个实施例中，透镜22(和/或透镜24)可以包括两个或更多个光学元件，该光学元件对入射到用户的单眼或者双眼的入射光应用各自不同的焦度。这些光学元件(例如，通过将元件中的电光学层定向成正交方向)被配置成折射不同偏振的光。参考图2，在下文中进一步描述这个实施例。透镜22和24可以被配置成以类似方式对正交偏振起作用。

如前面注意到的，在一些实施例中，除了调整焦度之外或替代调整焦度，控制电路26使用由眼动仪30指示的注视方向以便动态地移动透镜22和24光轴(即，以定位光学中心)以匹配瞳孔位置。通过以瞳孔移动光轴，可以改善透镜品质，特别是在用户通过透镜边缘附近的区域观看的时候。

然而，光轴的错误移动可以造成差的用户体验。在一个实施例中，通过在响应于感测到的注视方向上的改变而移动光轴的时候应用预定义的时滞，控制电路26克服了这个问题。透镜的光学中心从而响应于眼睛动作而逐渐移动，直到该光学中心到达最优位置。相比于突然的透镜移动，透镜中心的足够缓慢到用户注意不到的平缓的动作可以产生对于用户来说更自然的体验。无论逐渐地或者立即地响应于眼睛运动，可以同时或者连续地移动透镜22和24的光学中心。

电可调谐透镜的具体特征

图2是根据本发明的实施例的电可调谐透镜22的示意性侧视图。透镜24通常具有类似的设计。

在图示的实施例中，透镜22是组合透镜，其包括多个元件：固定透镜40，其通常由玻璃或者塑料制造，提供了由两个电可调谐透镜42和44动态地修改的基线光学功率。(出于这个原因，可以认为透镜22自身是电可调谐透镜。)可选地，透镜22可以仅包括单个电可调谐元件，并且在一些应用中可以不需要固定透镜40。在一些实施例中，透镜22也包括具有在下文中描述的功能的偏振元件46，诸如，偏振器和/或偏振旋转器。

电可调谐透镜42和44根据到由用户观察的物体的焦距、同时考虑在前一节中描述的考虑因素，调整透镜22的光学功率。另外地或者可选地，如以上同样描述的，可以响应于注视方向32上的改变而移动透镜42和44的光轴48。透镜42和44可以包括电可调谐圆柱形透镜，其具有正交的圆柱形轴。可选地，如在图3A-图3D中所显示的，透镜42和44可以被配置成生成二维相位调制分布图，并且从而模仿球面透镜或者非球面透镜(或者它们的菲涅耳等价物)。在以上提到的WO 2014/049577中详细描述了这两种透镜配置以及波形以用于驱动透镜。

如前面注意到的，在其中透镜42和44包括各自的偏振相关的电光学层的一些实施例中，两个透镜被定向从而折射相互正交的偏振：这些透镜中的一个透镜(例如，透镜42)对在X方向上(指向图2中显示的视图的页面里面)偏振的光起作用，并且不影响在Y方向上(在这个视图中指向向上)偏振的光。有可能具有与透镜42不同的焦距的透镜44对在Y方向上偏振的光起作用，并且不影响在X方向上偏振的光。穿过透镜42和44的未偏振的光由此将会被聚焦于两个距离处，其中大概一半的光根据透镜42的焦距被聚焦，同时另一半根据透镜44的焦距被聚焦。

对于发射偏振光(诸如，从电子显示器发出的光)的物体，这个解决方案可能不起作用。在这种情况下，如果在与透镜42和44中的一个透镜相同的方向上使光偏振，那么所有的光将会根据该透镜的焦距被聚焦。

为了避免这种偏振相关性，在一些实施例中，偏振元件46包括偏振旋转器，其拦截了入射光并使其偏振旋转，以便确保入射到透镜42和44的电光学层的光具有在各自的偏振中的每个偏振处的分量，而不管被拦截的光的初始偏振。例如，在一个实施例中，偏振元件46包括四分之一波片，其通常具有宽的光带宽。四分之一波片的轴被定向在相对于透镜42和44的偏振轴45°的角度处。于是穿过四分之一波片的任何线偏振的光的偏振将被旋转，使得能量在透镜的正交偏振方向之间被相等地划分，并且就像在未偏振的光的情况下一样地将被聚焦在透镜42和44两者的焦距处。眼镜20中的透镜22和24(图1)可以包含各自的四分之一波片，其在相同的方向上或者在相反的方向上旋转偏振。

在可选实施例中，偏振元件46包括透明双折射片，其创建了波长相关的偏振旋转器。具有作为波长λ的函数的双折射Δn(λ)和厚度d的层创建了波长相关的偏振旋转器，其中由给出轴之间的相对相位延迟。透镜22中的双折射片被定向以便旋转进入具有沿着X轴或者Y轴偏振(假设这些是透镜42和44的偏振轴)的片的光的偏振。旋转的量取决于波长λ和厚度d。只要双折射片足够厚，则当除了非常窄的波长范围之外的任意波长范围上取平均数时，离开该片的光强度就将在X偏振和Y偏振之间被相等地划分。这个布置确保光的一半将会由透镜42聚焦，而另一半由透镜44聚焦。

在一些实施例中，偏振元件46也包括偏振器，其被***在偏振旋转器和透镜42之间，并且被定向以便穿过由透镜42聚焦的偏振元件。(在这种情况下，可以省略透镜44，或者透镜42和44可以是具有相同的偏振轴的圆柱形透镜。)然后，透镜22将会对任何偏振的光起作用，而不管其定向。如在前述实施例中，偏振旋转器(诸如，四分之一波片或者双折射片)被定向成它的轴位于相对于透镜42的偏振轴45°的角度处。偏振器被定向使得它的偏振轴平行于透镜42的偏振轴。这个布置确保对于任何的线偏振的光(以及未偏振的光)来说，强度的一半将被通过至透镜42，其平行于透镜的偏振轴被偏振，使得透镜42将会如所期望地使光聚焦。

图3A-图3D根据本发明的实施例示意性示出电可调谐透镜42的细节。图3A是透镜42的形象化图示，同时图3B和图3C是显示在透镜42的电光学层50的相对侧上的透明基片52和54的侧视图。图3D是设备42的侧视图，显示了位于透镜42的相对的两侧上的基片52和54的激励电极56和60的叠加。透镜44可以具有类似的设计。

电光学层50通常包括如在以上提到的PCT国际公开WO 2014/049577中描述的液晶层。如以上解释的，层50通常响应于由电极56和60施加的电压波形而仅在偏振的一个方向上折射光，同时其他偏振没有折射地穿过透镜42。可选地，层50可以包括偏振不相关的胆甾相液晶材料或其他电光学材料。

基片52和54上的电极56和60分别包括在层50的活动区上以相互正交的方向延伸的透明导电材料的平行条带。虽然在图中电极56和60具有统一的形状和间隔，但是条带可以可选地具有变化的大小和/或间距。如在图3D中显示的，电极56和60的叠加创建了像素64的阵列，其由电极56的垂直条带和电极60的水平条带的重叠的面积来限定。

在控制电路26或者另一个控制器的控制下，控制电路58和62分别对激励电极56和60施加控制电压。如在以上提到的WO 2014/049577中描述的，透镜42中的控制电路能够同时或者独立地修改施加于激励电极组(其可以包括所有的电极)中的每一个激励电极的控制电压。控制电路58和62可以一起修改施加于在层50的两侧上的激励电极组的电压，从而在两个维度上修改该层的相位调制分布图。

施加于激励电极56和60的控制电压如由相位调制分布图所确定地调谐透镜42的焦点性质。控制电路58和62可以修改控制电压，以便改变透镜的焦距和/或移动透镜的光轴。由电路58和62在电极56和60上施加的电压模式可以被选择，以便给出圆周对称的相位调制分布图，并且因此可以模仿球面透镜或者非球面透镜。可选地，不同的电压模式可以被施加，使得透镜42起到例如散光透镜的作用，其具有沿着一个轴或者其他轴的较强的圆柱分量。

划分过的动态透镜

在一些情况下，可以期望将电可调谐透镜(诸如，透镜22和24)的区域划分成两个不相关的透镜。例如，眼镜20可被配置成使得在一些场景中透镜被划分，其中透镜的一部分被恒定地设置以用于用户的到无限距离的视力矫正，而另一部分动态地改变。以下描述的实施例支持电可调谐透镜的区域的可选的空间划分。这些实施例中的透镜或者可以***作作为横跨所有(或者至少部分的)活动区的单个透镜，或者可以可被划分成两个或更多个区域的活动区，每个区域实现不同的透镜特性(诸如，焦距和/或光轴)。可以将透镜制造成在这些模式之间动态地切换。

图4是根据本发明的实施例的用于划分过的电可调谐透镜的基片70上形成的电极的示意性主视图。基片70和在其上形成电极可被用于透镜42中，以例如取代基片52和电极56对层50(图3A-图3D)施加电压波形。基片54上的电极60可以如图3C中显示地保持，或者它们可以可选地以类似于在图4中显示的方式地被划分。进一步可选地，为了产生划分过的圆柱形透镜，可以在基片54上以(图中未显示的)单一的公共电极取代电极60。

基片70上的电极包括在电光学层的活动区上沿着各自的相互平行的轴延伸的平行导电条带的阵列。每个条带被划分为各自的条带的轴的相互不联结的部分上延伸的两段76和78。(在可选方案中，诸如在图5中示出的动态方案中，每个条带可被划分成三段或者更多段。)通常，虽然不是必须，段76连接于并且受控于在图4中显示的视图中的基片70的上边缘处的导体，而段76连接于并且受控于下边缘处的导体。

段76一起延伸穿过且覆盖透镜的区域72，而段78延伸穿过且覆盖不同的区域74。控制电路26能够对区域72中的段施加与施加于区域74中的对应的段的控制电压波形不同的控制电压波形，从而使得透镜起到具有对应于区域72和74的不同的焦点区域的多焦点透镜的作用。通常，焦点区域具有各自不同的焦距。然而，当期望的时候，可以将与施加于每个条带中的配对的段78的波形相同的波形施加于每个段76，使得区域72和74两者都具有相同的焦点特性。

图5是根据本发明的可选实施例的显示在电可调谐透镜的基片80上形成的电极段82和开关84的示意性电学图。每个条带可以如前述实施例仅包括两个段82。然而在图5中显示的实施例中，每个条带都被划分为标记为R1、R2、…、Rn的n个段82，其通过被标记为G1、G2、…、Gn-1的开关84(诸如，适当的薄膜二极管)串联地互相连接。控制线路86被连接以在所有的条带上驱动对应的多列开关84，其中单个控制线路连接于在所有条带上的每个开关Gi。通过驱动恰当的控制线路，控制电路26于是能够同时将所有条带中的每个段电连接于其邻居，或者与其邻居分离。

为了实现好的光学品质，段82之间的间隙通常比段自身的长度小得多。所有段都可以具有与在图5中显示的示例类似的长度，或者不同的段可以在每个条带之内和在不同的条带之间具有不同的长度。

控制电路26通常被连接以对导电条带中的每个导电条带的一个或者两个端部(例如，对每个条带中的段R1以及有可能对段Rn)施加控制电压波形。为了对不同的段施加各自不同的控制电压波形，控制电路可以驱动恰当的开关84并且修改施加于导电条带各自的端部的控制电压波形。

例如，为了沿着开关Gi的线路划分透镜80，控制电路26设置对于k≠i的所有的控制线路86以接通(闭合)对应的开关Gk，使得相邻的段82电连接在一起。同时，控制线路i被设置以关掉(断开)开关Gi，从而沿着正在划分的线路使段Ri和段Ri+1分离。控制电路26对被选择为实现第一组的焦点特性的段R1施加电压波形。这些波形通过开关84并且因此向下传播通过每个条带中的段82，直到它们到达断开的开关Gi。以类似的方式，控制电路26对被选择为实现不同的焦点特性的段Rn施加其他的波形，并且这些波形通过开关84和段82直到在开关Gi处的相同的分离的线路。

在另一个实施例中，透镜80被用于实现划分过的动态透镜，其中由一行段或者这种行的群组限定的两个或更多个区域中的每个区域可以被设置以实现不同的焦点特性(焦距和/或光轴)，其中控制电路连接于段R1。可以将对应于段R1、…、Rn的区域1、…、n制造成通过应用下列步骤来实现焦点特性F1、…Fn：

1)将所有开关Gk，k＝1…n-1设置为“打开”。

2)对电极施加电压以实现焦点特性Fn。

3)对于j＝n-1至1重复：

a)将开关Gj设置为“关闭”。

b)对电极施加电压以实现焦点特性Fj。

使用这个方法，开关84被每次一行地关掉(断开)。在部段Rj中的电极段的电压在断开开关j和断开开关j-1之间的间隔期间被更新。期望的是这个间隔的持续时间保持最短，但是其应当足够长以确保段Rj上的电压达到它们的终值并且被正确地更新。

施加于每个电极段Rj的电压随着时间改变：当段Rj+1…Rn被更新的时候，这个电压可以不同于实现对于透镜的区域j的修正焦点特性Fj所要求的电压。由于液晶受对其施加的时间平均电压的影响，因此这些电压变化可以将噪声添加到区域j的调制函数。当每个段Rj被更新时这个噪声可以通过修改施加于电极的电压来减小，以便补偿在段Rj+1……Rn被更新时所施加的电压，使得段Rj的时间平均电压具有期望值。

为了增强这个方案的效率，如果相邻段82要求类似的驱动电压(并因此实现类似的透镜)，那么它们可以通过闭合在这些段之间桥接的开关84来同时被更新。

另外地或者可选地，控制电路26可以被连接至每段中的段R1以及连接至段Rn，并且可以使用与以上所描述的类似的同时从R1向下的以及从Rn向上的传播序列。以这种方式，可以以更短时间更新透镜的所有段的电压。

将要认识到，以上描述的实施例是通过示例的方式引用的，并且本发明不限于上文中已经具体示出和描述的内容。此外，本发明的范围包括上文所描述的各种特征以及本领域技术人员在阅读以上描述之后将想到的且未在现有技术中公开的其变型和修改的组合和子组合。

Claims (12)

1.一种光学设备，包括：

电光学层，其在所述电光学层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，所述有效的局部折射率由在所述位置处施加于所述电光学层上的电压波形来确定；

导电电极，其在所述电光学层的相对的第一侧和第二侧上延伸，所述电极包括激励电极的阵列，所述激励电极的阵列包括沿着穿过所述电光学层的第一侧的各自相互平行的轴延伸的平行导电条带，每个条带被划分成在所述条带的轴的各自相互不联结的部分上延伸的两段或更多段；

对于每个条带，一个或多个开关使所述条带的段串联地互相连接；以及

控制电路，其被耦合以操作所述一个或多个开关以使所述条带的段电联结或分离，并且对所述激励电极的段施加各自的控制电压波形，以便在所述电光学层中生成指定的相位调制分布图，使得所述设备起到具有由所述相位调制分布图确定的焦点性质的透镜的作用，并且所述控制电路被配置成同时修改施加到多个激励电极中的每个激励电极的段中的一个或多个的各自的控制电压波形，由此修改所述电光学层的相位调制分布图。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制电路被配置成对所述激励电极中的至少一些激励电极的不同的段施加各自不同的控制电压波形，使得所述透镜起到多焦点透镜的作用。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，每个条带的所述两段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，使得所述条带的第一段一起延伸穿过所述电光学层的第一区域，同时所述条带的第二段一起延伸穿过所述电光学层的第二区域；并且

其中，所述控制电路被配置成施加所述各自不同的控制电压波形，使得所述第一区域具有第一焦距，并且所述第二区域具有与所述第一焦距不同的第二焦距。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，每个条带的所述两段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，并且所述一个或多个开关包括在所述条带中的每个条带中使所述各自的第一段和第二段互相连接的开关，并且

其中，所述设备包括单一控制线路，所述单一控制线路被连接以驱动所述条带中的每个条带中的开关，以便使所述条带中的所有条带的所述第一段和第二段同时电联结或者分离。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中，每个条带的所述两段或更多段包括通过多个开关串联连接的三段或者更多段，并且，其中，所述设备包括多个控制线路，所述多个控制线路被连接以驱动在所述条带的所有条带上的所述多个开关。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述控制电路被连接于所述导电条带中的每个导电条带的至少一个各自的端部，并且被配置成通过交替地驱动所述多个开关并且修改施加于所述导电条带的各自的端部的控制电压波形来对所述激励电极中的至少一些激励电极的不同段施加不同的各自的控制电压波形。

7.一种用于制造光学设备的方法，所述方法包括：

提供电光学层，所述电光学层在所述电光学层的活动区内的任何给定位置处具有有效的局部折射率，所述折射率由在所述位置处施加于所述电光学层上的电压波形来确定；

定位导电电极以便在所述电光学层的相对的第一侧和第二侧上延伸，所述电极包括激励电极的阵列，所述激励电极的阵列包括沿着穿过所述电光学层的第一侧的各自相互平行的轴延伸的平行导电条带，每个条带被划分成在所述条带的轴的各自相互不联结的部分上延伸的两段或更多段；

在每个条带中，利用一个或多个开关使所述条带的段串联地互相连接；以及

耦合控制电路以操作所述一个或多个开关以使所述条带的段电联结或分离，并且对所述激励电极中的段施加各自的控制电压波形，以便在所述电光学层中生成指定的相位调制分布图，使得所述设备起到具有由所述相位调制分布图确定的焦点性质的透镜的作用，并且同时修改施加到多个激励电极中的每个激励电极的段中的一个或者多个的各自的控制电压波形，由此修改所述电光学层的相位调制分布图。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，施加所述控制电压波形包括对所述激励电极中的至少一些激励电极的不同的段施加各自不同的控制电压波形，使得所述透镜起到多焦点透镜的作用。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，每个条带的所述两段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，使得所述条带的第一段一起延伸穿过所述电光学层的第一区域，同时所述条带的第二段一起延伸穿过所述电光学层的第二区域；并且

其中，施加所述各自不同的控制电压波形使所述第一区域具有第一焦距以及使所述第二区域具有与所述第一焦距不同的第二焦距。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，每个条带中的所述两段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，并且所述一个或多个开关包括在所述条带中的每个条带中使各自的第一段和第二段互相连接的开关，并且

其中，所述方法包括连接单一控制线路以驱动所述条带中的每个条带中的所述开关，以便使所述条带中的所有条带中的所述第一段和第二段同时电联结或者分离。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其中，每个条带中的所述两段或更多段包括通过多个开关串联连接的三段或者更多段，并且，其中，所述方法包括连接多个控制线路以驱动在所述条带的所有条带上的所述多个开关。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，耦合所述控制电路包括将所述控制电路连接于所述导电条带中的每个导电条带的至少一个各自的端部，并且通过交替地驱动所述多个开关并且修改施加于所述导电条带的各自的端部的控制电压波形来对所述激励电极中的至少一些激励电极的不同的段施加各自不同的控制电压波形。