動態透鏡的控制的製作方法

2023-11-11 05:11:22

本申請要求享有2014年6月5日提交的美國臨時專利申請62/007,948的權益，並且享有2014年6月11日提交的美國臨時專利申請62/010,475的權益。這兩個相關申請均通過引用併入本文。

發明領域

本發明總體涉及光學設備，並且具體涉及電可調諧透鏡。

背景

可調諧透鏡是光學元件，其光學特性(諸如，光軸的焦距和/或位置)可以在使用期間(通常是在電子控制下)被調整。這種透鏡可用於各種各樣的應用。例如，美國專利7,475,985描述了用於視力矯正的目的的電激活透鏡的用法。

電可調諧透鏡通常包含適當的電光學材料的薄層，即，其局部有效折射率根據在材料上施加的電壓而改變。使用電極或者電極的陣列施加期望的電壓，以便局部地將折射率調整到期望值。液晶是用於這個目的的最常見的電光學材料(其中，所施加的電壓使分子轉動，這改變了雙折射軸，因此改變了有效折射率)，但是可以可選地將具有類似的電光學性質的其他材料(諸如，聚合物凝膠)用於這個目的。

一些可調諧透鏡使用電極陣列以限定液晶中的像素的網格(類似於在液晶顯示器中使用的那種像素網格)。單獨像素的折射率可以被在電學上控制，以給出期望的相位調製分布圖。(在本說明書和權利要求中使用的術語「相位調製分布圖」意思是局部相位偏移的分布，該局部相位偏移被應用至由於在可調諧透鏡的電光學層的區域上的局部可變的有效折射率而穿過該層的光。)在例如以上提到的美國專利7,475,985中描述了使用這種網格陣列的透鏡。

通過引用將其公開內容併入本文的PCT國際公開WO 2014/049577描述了光學設備，該光學設備包括電光學層，該電光學層在電光學層的活動區內的任何給定位置處具有有效的局部折射率，其中該折射率是由施加於該位置處的電光學層兩端的電壓波形確定的。包括在活動區上延伸的平行導電條帶的激勵電極陣列被設置在電光學層的一側或者兩側上。控制電路對激勵電極施加相應的控制電壓波形，並且被配置成同時修改施加到激勵電極的相應的控制電壓波形，以便生成電光學層中的指定相位調製分布圖。

美國專利申請公開2012/0133891描述了用於矯正近視的電光學裝置和方法，其包括至少一個自適應透鏡、電源和眼動儀。眼動儀包括圖像傳感器以及與自適應透鏡和圖像傳感器可操作地連接的處理器。處理器被配置成接收來自圖像傳感器的電信號並控制自適應透鏡的矯正功率以矯正近視，其中矯正功率取決於使用者的凝視距離和近視處方強度。

概述

在下文中描述的本發明的實施例提供了改進的電可調諧光學設備。

因此，根據本發明的實施例提供了光學設備，該光學設備包括電光學層，該電光學層在電光學層的活動區內的任何給定位置處具有有效的局部折射率，該折射率由在該位置處施加於電光學層上的電壓波形來確定。導電電極在電光學層的相對的第一側和第二側上延伸。電極包括激勵電極的陣列，該激勵電極的陣列包括沿著穿過電光學層的第一側的各自相互平行的軸延伸的平行導電條帶。每個條帶被劃分成在條帶的軸的各自相互不聯結的部分上延伸的兩段或更多段。控制電路被耦合以對激勵電極中的段施加各自的控制電壓波形，以便在電光學層中生成指定的相位調製分布圖，並且控制電路被配置成同時修改施加到多個激勵電極中的每個激勵電極的段中的一段或者多段的各自的控制電壓波形，由此修改電光學層的相位調製分布圖。

通常，控制電路被配置成對激勵電極施加控制電壓波形，使得設備起到具有由相位調製分布圖確定的焦點性質的透鏡的作用。在一些實施例中，控制電路被配置成對激勵電極中的至少一些激勵電極的不同的段施加各自不同的控制電壓波形，使得透鏡起到多焦點透鏡的作用。在所公開的實施例中，每個條帶的兩段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，使得條帶的第一段一起延伸穿過電光學層的第一區域，同時條帶的第二段一起延伸穿過電光學層的第二區域。控制電路被配置成施加各自不同的控制電壓波形，使得第一區域具有第一焦距，並且第二區域具有與第一焦距不同的第二焦距。

在其他實施例中，對於每個條帶，該設備包括一個或多個開關，其使條帶中的段互相連接並且可以由控制電路操作以使條帶電聯結或者分離。通常，每個條帶的兩段或更多段至少包括各自的第一段和第二段，並且一個或多個開關包括在條帶中的每個條帶中使各自的第一段和第二段互相連接的開關，並且該設備包括單一控制線，該控制線被連接以驅動條帶中的每個條帶中的開關以便使所有條帶中的第一段和第二段同時電聯結或者分離。

另外地或者可選地，每個條帶中的兩段或者更多段包括通過多個開關串聯連接的三段或者更多段，並且設備包括多個控制線路，其被連接以在所有條帶上驅動多個開關。在一個實施例中，控制電路被連接於導電條帶中的每個導電條帶的至少一個各自的端部，並且控制電路被配置成通過交替地驅動多個開關並且修改施加於導電條帶的各自的端部的控制電壓波形對激勵電極中的至少一些激勵電極的不同的段施加各自不同的控制電壓波形。

根據本發明的實施例還提供了光學裝置，其包括電可調諧透鏡。透鏡包括電光學層，對於入射到該層的光的給定偏振，該電光學層在電光學層的活動區內的任何給定位置處具有有效的局部折射率，該折射率由在該位置處施加於電光學層上的電壓波形來確定。導電電極在電光學層的相對的第一側和第二側上延伸，該電極包括延伸穿過電光學層的第一層的激勵電極的陣列。控制電路被耦合以對激勵電極施加各自的控制電壓波形，以便在電光學層中生成指定的相位調製分布圖。偏振旋轉器被定位並且配置成攔截指向透鏡的入射光，並且使被攔截的光的偏振旋轉，以便確保入射到電光學層的光都具有給定偏振的分量而不管被攔截的光的初始線偏振。

在所公開的實施例中，偏振旋轉器包括四分之一波片或者雙折射片。

在一些實施例中，該設備包括偏振器，該偏振器被插入在偏振旋轉器和電可調諧透鏡之間，並且偏振器被定向以便通過給定偏振的分量。

根據本發明的實施例另外提供了自適應眼鏡，其包括眼鏡框以及安裝在眼鏡框中的第一電可調諧透鏡和第二電可調諧透鏡。控制電路被配置成接收指示從戴眼鏡的人的眼睛到此人觀察的物體的距離的輸入，並且調諧第一透鏡和第二透鏡以具有包圍由輸入指示的距離的、各自不同的第一焦度和第二焦度。

在一些實施例中，第一透鏡和第二透鏡被安裝在眼鏡框中，以便對入射到人的左眼和右眼的光分別施加第一焦度和第二焦度。

另外地或者可選地，第一透鏡被配置成僅對第一偏振的光施加第一焦度，同時第二透鏡被配置成僅對與第一偏振正交的第二偏振的光施加第二焦度。在一些實施例中，第一透鏡和第二透鏡被安裝在眼鏡框中，以便對入射到人的單眼的光施加第一焦度和第二焦度。在所公開的實施例中，眼鏡包括偏振旋轉器，其被定位並且配置成攔截指向第一透鏡和第二透鏡的入射光，並且使被攔截的光的偏振旋轉，以便確保入射到第一透鏡和第二透鏡的光都具有第一偏振和第二偏振兩者的各自的分量而不管入射光的初始偏振。

在一些實施例中，眼鏡包括傳感器，其被配置成感測從戴眼鏡的人的眼睛到此人觀察的物體的距離，並且傳感器被耦合以向控制電路提供指示距離的輸入。通常，傳感器從由眼動儀、被配置成採集物體的圖像的相機、測距儀、接近傳感器以及可以由戴眼鏡的人操作的觸發傳感器組成的傳感器的群組中被選出。

另外地或者可選地，傳感器被配置成感測眼睛向著物體的注視方向，並且，其中，控制電路被配置成響應於感測到的注視方向移動第一透鏡和第二透鏡的各自的光軸。控制電路可以被配置成響應於感測到的注視方向上的改變而採用相對於該改變的預定義時滯來移動光軸。

根據本發明的實施例還提供了用於製造光學設備的方法。該方法包括提供電光學層，該電光學層在電光學層的活動區內的任何給定位置處具有有效的局部折射率，該折射率由在該位置處施加於電光學層上的電壓波形來確定。導電電極被定位以便在電光學層的相對的第一側和第二側上延伸。電極包括激勵電極的陣列，該激勵電極的陣列包括沿著穿過電光學層的第一側的各自相互平行的軸延伸的平行導電條帶。每個條帶被劃分成在條帶的軸的各自相互不聯結的部分上延伸的兩段或更多段。控制電路被耦合以對激勵電極中的段施加各自的控制電壓波形，以便在電光學層中生成指定的相位調製分布圖，並且控制電路同時修改施加到多個激勵電極中的每個激勵電極的段中的一段或者多段的各自的控制電壓波形，由此修改電光學層的相位調製分布圖。

根據本發明的實施例，此外提供了用於製造光學裝置的方法。該方法包括提供電可調諧透鏡，該電可調諧透鏡包括電光學層，對於入射到該層的光的給定偏振，電光學層在電光學層的活動區內的任何給定位置處具有有效的局部折射率，該折射率由在該位置處施加於電光學層上的電壓波形來確定。導電電極在電光學層的相對的第一側和第二側上延伸。電極包括延伸穿過電光學層的第一側的激勵電極的陣列。控制電路被耦合以對激勵電極施加各自的控制電壓波形，以便在電光學層中生成指定的相位調製分布圖。偏振旋轉器被定位以攔截指向透鏡的入射光，並且使被攔截的光的偏振旋轉，以便確保入射到電光學層的光都具有給定偏振的分量而不管被攔截的光的初始線偏振。

根據本發明的實施例，此外提供了用於操作自適應眼鏡的方法。該方法包括將第一電可調諧透鏡和第二電可調諧透鏡安裝在眼鏡框中。接收指示從戴眼鏡的人的眼睛到由人觀察的物體的距離的輸入。第一透鏡和第二透鏡被調諧以具有包圍由輸入指示的距離的、各自不同的第一焦度和第二焦度。

根據本發明的實施例還提供了自適應眼鏡，其包括眼鏡框以及安裝在眼鏡框中的第一電可調諧透鏡和第二電可調諧透鏡。傳感器被配置成輸出指示由戴眼鏡的人的眼睛執行的姿態的信號。控制電路被配置成響應於該信號調諧在第一透鏡和第二透鏡中的至少一個透鏡的光學特性。

通常，由眼睛執行的姿態是從由眼睛動作、眨眼(blink)和眨眼示意(wink)組成的姿態的群組中被選出的。

根據本發明的實施例另外提供了用於操作自適應眼鏡的方法。該方法包括將第一電可調諧透鏡和第二電可調諧透鏡安裝在眼鏡框中。接收指示由戴眼鏡的人的眼睛執行的姿態的信號。響應於該信號調諧在第一透鏡和第二透鏡中的至少一個透鏡的光學特性。

從結合附圖進行的本發明的實施例的以下詳細描述，本發明將得到更完全地理解，其中：

附圖簡述

圖1根據本發明的實施例的自適應眼鏡的示意性形象化圖示；

圖2是根據本發明的實施例的電可調諧透鏡系統的示意性側視圖；

圖3A是根據本發明的另一個實施例的電可調諧透鏡的示意性形象化圖示；

圖3B和圖3C是根據本發明的實施例在圖3A中的透鏡的相對側上形成的電極的示意性主視圖；

圖3D是根據本發明的實施例的圖3A中的透鏡的示意性主視圖，其顯示了在透鏡的相對側的電極的疊加；

圖4是根據本發明的另一個實施例的在電可調諧透鏡上形成的電極的示意性主視圖；以及

圖5是根據本發明的可選實施例顯示在電可調諧透鏡上形成的電極和切換元件的電路原理圖。

實施例的具體描述

概述

雙焦點透鏡和多焦點透鏡包含不同的光學功率的區域，以便使得使用透鏡的人能夠看見在不同距離處的物體。這種多焦點能力增強了透鏡矯正具有受限的距離調節能力的人們(諸如，患有老花眼的老年人)的視力的能力。然而，透鏡的區域結構把在任何給定距離處的視野限制於提供對於該距離所必需的光學功率的透鏡區域的面積。

電可調諧眼鏡透鏡可以在這種情況下提供更靈活且舒適的解決方案。透鏡可以與各種類型的傳感器耦合，以便根據由戴眼鏡的人正在觀察的物體來調整透鏡的焦距和光軸。理想地，無論視角的焦距，這種調整都將會提供在整個透鏡面積上的最佳視力矯正。然而，實際上，傳感器提供了關於在任何給定時刻處的期望的焦距和眼睛角度的不完美的指示，因此透鏡性質的動態調整可以是不確定的。此外，即使當透鏡的焦距(或者多個焦距)被電調諧時，具有對其調節距離的能力的苛刻限制的人們也可以受益於使用多焦點透鏡。

在本文中描述的本發明的實施例提供了新穎的電可調諧透鏡，其具有尤其可用於解決人類視力的動態矯正中所涉及的實際困難的性質。這些實施例中的一些實施例特別是在這種透鏡中提供多焦點性能是有用的。

所公開的實施例基於光學設備，該光學設備包括電光學層(諸如，液晶層)，該電光學層在該層的活動區內的任何給定位置處具有有效的局部折射率，其中該折射率是由在該位置處該層上施加的電壓波形確定的。導電電極在電光學層的兩側上延伸，在兩側中的至少一側上包括激勵電極的陣列，該激勵電極包括穿過電光學層沿著各自的相互平行的軸延伸的平行導電條帶。電光學層的相對側上的電極可以包括公共電極(在這種情況下，該設備起到圓柱形透鏡的作用)或者與另一側上的條帶正交地定向的平行條帶的陣列(使得設備以仿真球面透鏡或者非球面透鏡的方式起作用)。在以上提到的PCT國際公開WO 2014/049577中還描述了這個通用類型的設備和它們的操作的細節。然而，所公開的實施例的原理可以被可選地作出必要修正地應用於其他種類的自適應透鏡設計。

在一些實施例中，在電光學層的至少一側上的激勵電極的每個條帶被劃分成兩段或者更多段，這些段在條帶的軸各自的相互不聯結的部分上延伸。控制電路對激勵電極的段施加相應的控制電壓波形，以便生成電光學層的指定相位調製分布圖。具體地，控制電路可以對激勵電極中的至少一些激勵電極的不同段施加不同的控制電壓波形，使得透鏡起到多焦點透鏡的作用，其中不同的區域具有不同的光學功率。控制電路可以修改施加於電極段的控制電壓波形，以便修改不同區域中的一個或多個的相位調製分布圖。

在一些實施例中，分段後的條帶包括使條帶的段互相連接的一個或多個開關。這些開關可以由控制電路操作，以使條帶的段電聯結或者分離。因此，控制電路通過恰當地閉合或者斷開開關，不僅能夠動態地改變透鏡的不同區域的焦點性質，而且能夠動態地改變其大小和位置。

雖然一些電光學材料(諸如，膽甾相液晶)對光起作用而不考慮偏振，但是通常可用的液晶和其他的電光學材料對於偏振敏感並且可僅對特定偏振的入射光發揮它們的折射效應。電光學材料的這個限制可以基於材料而限制自適應眼鏡透鏡的性能。在本文中描述的本發明的實施例中的一些實施例通過創新地使用偏振旋轉元件來克服這個限制，並且甚至將該限制轉變為增強眼鏡的性能的優勢。

在這些實施例中的一些實施例中，偏振旋轉器攔截指向電可調諧透鏡的入射光，並且使被攔截的光的偏振旋轉，以便確保入射到電光學層上的光具有即使被攔截的光在與由電光學材料折射的偏振正交的方向上線偏振也將會由透鏡折射的偏振分量。偏振旋轉器通常包括例如四分之一波片或者雙折射片。在一個實施例中，偏振器被插入在偏振旋轉器和電可調諧透鏡之間，並且被定向以便僅通過具有將會由透鏡折射的偏振的光的分量。在可選實施例中，具有定向成折射具有相互正交的偏振的光的電光學層的兩個電可調諧透鏡可以串聯地布置，使得任何偏振的入射光將會被聚焦。

在本文中描述的一些實施例提供了自適應眼鏡，該自適應眼鏡包括電可調諧透鏡，該電可調諧透鏡連同傳感器被安裝在眼鏡框中，該傳感器感測戴眼鏡的人的眼睛到由這個人觀察的物體的距離。控制電路根據感測到的距離調諧透鏡，但是並不總是能夠或者令人滿意地明確地確定距離。因此，在一些實施例中，控制電路將框架中的透鏡調諧成具有包圍(bracket)感測到的距離的、各自不同的焦度(也被稱為光學功率)。在焦點包圍的意義上，在本說明書和權利要求書中，在本背景中使用的術語「包圍」意思是焦度的範圍在以感測到的距離為基礎所選擇的特定目標功率值周圍。(包圍不需要是對稱的，並且焦度中的一個實際上可以是目標功率本身。)這種包圍可以由自適應眼鏡不僅在物體距離被自動感測到時被應用，而且還在用戶手動設置焦距時增加景深。

這些實施例中的一些實施例使用如上所述的成對的電可調諧透鏡，該電可調諧透鏡具有被定向成使得第一透鏡將其焦度僅應用於特定偏振的光的各自的電光學層，同時第二透鏡將其焦度(與第一透鏡的焦度不同)僅應用於正交偏振的光。在一個實施例中，這兩個透鏡被布置成將其焦度應用於分別入射到戴眼鏡的人的左眼和右眼的光。在另一個實施例中，將兩個透鏡一前一後地安裝在眼鏡框中，以便將各自的焦度應用於入射到人的單眼的光。在任意一種情況下，人的單眼或者雙眼將接收到在不同焦距處的兩個圖像。可選地，右電可調諧透鏡和左電可調諧透鏡均可以應用其各自的焦度而與偏振無關；為了這個目的，透鏡可以包括對偏振不敏感的電光學材料，或者透鏡可以包括如以上描述的兩個偏振敏感透鏡和/或透鏡及偏振旋轉器。在這些情況中的任一情況下，大腦能夠選擇並處理實際上聚焦於感興趣的物體的圖像。

系統描述

圖1是根據本發明的實施例的自適應眼鏡20的示意性形象化圖示。眼鏡20包括安裝在框架25中的電可調諧透鏡22和24。透鏡的光學性質(包括焦距和光學中心(或者相當於光軸))由控制電路26控制、由電池28或者其他電源供電。控制電路26通常包括嵌入式微控制器，其具有硬接線和/或可編程邏輯部件以及適當的接口以用於執行本身中所描述的功能。眼鏡20的這些元件和其他元件通常被安裝在框架25上或者框架25中，或者可選地被包含在通過導線與框架25連接的(未顯示的)單獨單元中。

眼鏡20包括一個或多個傳感器，其感測從戴眼鏡的人的眼睛到由此人觀察的物體34的距離。控制電路26根據傳感器的讀數調諧透鏡22和24。在圖示的示例中，傳感器包括成對的眼動儀30，其檢測右眼和左眼各自的注視方向32。控制電路26通常響應於感測到的注視方向來移動透鏡的各自的光軸。此外，控制電路可以使用如由眼動儀30所測量的瞳孔之間的距離，以估計用戶的焦距(甚至不需要分析實際的注視方向)，並且有可能識別物體34。

相機36採集物體34的圖像，以用於由控制電路26在識別物體並且設置焦距時使用。雖然眼動儀30或者相機36可以用於確定焦距，但是這兩種傳感器可以一起使用以給出更可靠的對物體的識別。可選地或者另外地，相機36可以由測量到距物體34的距離的測距儀或者其他接近傳感器替代或者補充。

在一些實施例中，眼鏡20還包括至少一個觸發傳感器38，其啟動眼鏡20的其他部件。例如，觸發傳感器38可以包括周期性觸發控制電路26和其他元件的定時器，或者包括指示觀察距離的可能的改變的其他傳感器(諸如，頭部動作傳感器或者用戶輸入傳感器)。在一個操作模式中，當觸發傳感器38被驅動的時候，相機36或者其他接近傳感器檢測到用戶視野中的物體的距離。如果視野中的所有物體都處於近似相同的距離，那麼透鏡22和24可以被配置成使用戶的視力聚焦於該距離。如果在用戶視野中的不同距離處檢測到幾個物體，那麼眼動儀30被啟動以例如通過分析用戶的瞳孔之間的距離來確定用戶正在看的距離。

另外地或者可選地，控制電路26可以響應於用戶輸入來驅動眼鏡20的功能。(圖中未顯示的)各種輸入設備可以被使用以用於這個目的，例如：

●框架25上的按鍵(按鈕或者觸摸按鍵)。

●基於眼動儀30或者其他傳感器的基於眼睛的姿態控制系統，其根據眼睛動作、眨眼示意和/或眨眼而改變透鏡性質。

●定位在外部設備(諸如，腕帶)上的按鍵，其通過有線的或者無線的通信鏈路(諸如，藍牙鏈路)連接至控制電路26。

●通過有線的或者無線的通信鏈路連接至控制電路26的、在外部設備(諸如，腕帶)上的運動檢測器，其使控制電路根據特定動作(諸如，腕部轉動或者在指定方向上的動作)修改透鏡性質。

●在便攜設備或者可穿戴設備上實現的應用，其通過有線的或者無線的通信鏈路連接於控制電路26。

●語音控制，其中，控制電路26基於語音分析或者聲音分析識別預定義的語音命令，以修改透鏡性質。

還另外地或者可選地，控制電路26可以具有由用戶輸入和/或傳感器輸入所確定的預定義的操作模式，並且在一些情況下能夠有助於優化透鏡22和24的焦距。這種操作模式可以包括，例如：

●手動-用戶手動選擇單一距離(閱讀、中間或者遙遠)。透鏡22和24被相應地調整，而自動聚焦系統失效。

●辦公室-偏好於透鏡22和24的中間和近距離調整。

●備用-如果在一段時間沒有檢測到動作，則關閉傳感器30、36和透鏡22、24以節能。

●驅動-偏好於遠距視力。為了安全的原因，有可能將透鏡22和24中的至少一部分持續保持在遠距視力設置並且忽視抖動。

●閱讀-偏好於近距離，其中僅在特殊情況下切換到其他距離。

●正常-沒有環境數據。在這種情況下，控制電路僅依賴於傳感器30、36。

觀察距離由傳感器30和36進行的精確檢測可以是困難且不確定的，並且透鏡22和24的焦度的錯誤設置可以幹擾用戶。為了緩解這個問題，透鏡22和24可以被設置成不同的、各自的焦度，其包圍基於傳感器估計出的特定目標距離。這個目標距離通常是到被觀察的物體(諸如，物體34)的估計出的距離。透鏡功率不一致利用了雙眼視力經常僅要求一隻眼看見快速聚焦的圖像以便用於觀察似乎聚焦的事實。

例如，如果檢測器30和36指示目標距離是1米，對此，透鏡22和24(相對於用戶的正常折射矯正)應當被設置成1屈光度，並且用戶具有對於0.2屈光度的散焦的容差，那麼控制電路26可以將透鏡22和24設置成各自的0.8屈光度和1.2屈光度的焦度。萬一檢測到的距離不準確，這個聚焦包圍給予用戶在更寬的距離範圍(對應於0.6至1.4屈光度的焦度)上清楚看見的能力。

透鏡22和24可以始終以不同的光學功率被操作，或者僅在物體距離不確定的某些情況下以不同的光學功率被操作。左透鏡和右透鏡的焦度之間的差(在以上的實例中是0.4屈光度)可以是恆定的或者根據幾個參數變化，諸如，通過傳感器30、36檢測到的物體距離的置信水平；傳感器30、36的輸出的概率分布；光照條件；檢測到的距離自身；以及用戶的偏好。

在另一個實施例中，透鏡22(和/或透鏡24)可以包括兩個或更多個光學元件，該光學元件對入射到用戶的單眼或者雙眼的入射光應用各自不同的焦度。這些光學元件(例如，通過將元件中的電光學層定向成正交方向)被配置成折射不同偏振的光。參考圖2，在下文中進一步描述這個實施例。透鏡22和24可以被配置成以類似方式對正交偏振起作用。

如前面注意到的，在一些實施例中，除了調整焦度之外或替代調整焦度，控制電路26使用由眼動儀30指示的注視方向以便動態地移動透鏡22和24光軸(即，以定位光學中心)以匹配瞳孔位置。通過以瞳孔移動光軸，可以改善透鏡品質，特別是在用戶通過透鏡邊緣附近的區域觀看的時候。

然而，光軸的錯誤移動可以造成差的用戶體驗。在一個實施例中，通過在響應於感測到的注視方向上的改變而移動光軸的時候應用預定義的時滯，控制電路26克服了這個問題。透鏡的光學中心從而響應於眼睛動作而逐漸移動，直到該光學中心到達最優位置。相比於突然的透鏡移動，透鏡中心的足夠緩慢到用戶注意不到的平緩的動作可以產生對於用戶來說更自然的體驗。無論逐漸地或者立即地響應於眼睛運動，可以同時或者連續地移動透鏡22和24的光學中心。

電可調諧透鏡的具體特徵

圖2是根據本發明的實施例的電可調諧透鏡22的示意性側視圖。透鏡24通常具有類似的設計。

在圖示的實施例中，透鏡22是組合透鏡，其包括多個元件：固定透鏡40，其通常由玻璃或者塑料製造，提供了由兩個電可調諧透鏡42和44動態地修改的基線光學功率。(出於這個原因，可以認為透鏡22自身是電可調諧透鏡。)可選地，透鏡22可以僅包括單個電可調諧元件，並且在一些應用中可以不需要固定透鏡40。在一些實施例中，透鏡22也包括具有在下文中描述的功能的偏振元件46，諸如，偏振器和/或偏振旋轉器。

電可調諧透鏡42和44根據到由用戶觀察的物體的焦距、同時考慮在前一節中描述的考慮因素，調整透鏡22的光學功率。另外地或者可選地，如以上同樣描述的，可以響應於注視方向32上的改變而移動透鏡42和44的光軸48。透鏡42和44可以包括電可調諧圓柱形透鏡，其具有正交的圓柱形軸。可選地，如在圖3A-圖3D中所顯示的，透鏡42和44可以被配置成生成二維相位調製分布圖，並且從而模仿球面透鏡或者非球面透鏡(或者它們的菲涅耳等價物)。在以上提到的WO 2014/049577中詳細描述了這兩種透鏡配置以及波形以用於驅動透鏡。

如前面注意到的，在其中透鏡42和44包括各自的偏振相關的電光學層的一些實施例中，兩個透鏡被定向從而折射相互正交的偏振：這些透鏡中的一個透鏡(例如，透鏡42)對在X方向上(指向圖2中顯示的視圖的頁面裡面)偏振的光起作用，並且不影響在Y方向上(在這個視圖中指向向上)偏振的光。有可能具有與透鏡42不同的焦距的透鏡44對在Y方向上偏振的光起作用，並且不影響在X方向上偏振的光。穿過透鏡42和44的未偏振的光由此將會被聚焦於兩個距離處，其中大概一半的光根據透鏡42的焦距被聚焦，同時另一半根據透鏡44的焦距被聚焦。

對於發射偏振光(諸如，從電子顯示器發出的光)的物體，這個解決方案可能不起作用。在這種情況下，如果在與透鏡42和44中的一個透鏡相同的方向上使光偏振，那麼所有的光將會根據該透鏡的焦距被聚焦。

為了避免這種偏振相關性，在一些實施例中，偏振元件46包括偏振旋轉器，其攔截了入射光並使其偏振旋轉，以便確保入射到透鏡42和44的電光學層的光具有在各自的偏振中的每個偏振處的分量，而不管被攔截的光的初始偏振。例如，在一個實施例中，偏振元件46包括四分之一波片，其通常具有寬的光帶寬。四分之一波片的軸被定向在相對於透鏡42和44的偏振軸45°的角度處。於是穿過四分之一波片的任何線偏振的光的偏振將被旋轉，使得能量在透鏡的正交偏振方向之間被相等地劃分，並且就像在未偏振的光的情況下一樣地將被聚焦在透鏡42和44兩者的焦距處。眼鏡20中的透鏡22和24(圖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轉偏振。

在可選實施例中，偏振元件46包括透明雙折射片，其創建了波長相關的偏振旋轉器。具有作為波長λ的函數的雙折射Δn(λ)和厚度d的層創建了波長相關的偏振旋轉器，其中由給出軸之間的相對相位延遲。透鏡22中的雙折射片被定向以便旋轉進入具有沿著X軸或者Y軸偏振(假設這些是透鏡42和44的偏振軸)的片的光的偏振。旋轉的量取決于波長λ和厚度d。只要雙折射片足夠厚，則當除了非常窄的波長範圍之外的任意波長範圍上取平均數時，離開該片的光強度就將在X偏振和Y偏振之間被相等地劃分。這個布置確保光的一半將會由透鏡42聚焦，而另一半由透鏡44聚焦。

在一些實施例中，偏振元件46也包括偏振器，其被插入在偏振旋轉器和透鏡42之間，並且被定向以便穿過由透鏡42聚焦的偏振元件。(在這種情況下，可以省略透鏡44，或者透鏡42和44可以是具有相同的偏振軸的圓柱形透鏡。)然後，透鏡22將會對任何偏振的光起作用，而不管其定向。如在前述實施例中，偏振旋轉器(諸如，四分之一波片或者雙折射片)被定向成它的軸位於相對於透鏡42的偏振軸45°的角度處。偏振器被定向使得它的偏振軸平行於透鏡42的偏振軸。這個布置確保對於任何的線偏振的光(以及未偏振的光)來說，強度的一半將被通過至透鏡42，其平行於透鏡的偏振軸被偏振，使得透鏡42將會如所期望地使光聚焦。

圖3A-圖3D根據本發明的實施例示意性示出電可調諧透鏡42的細節。圖3A是透鏡42的形象化圖示，同時圖3B和圖3C是顯示在透鏡42的電光學層50的相對側上的透明基片52和54的側視圖。圖3D是設備42的側視圖，顯示了位於透鏡42的相對的兩側上的基片52和54的激勵電極56和60的疊加。透鏡44可以具有類似的設計。

電光學層50通常包括如在以上提到的PCT國際公開WO 2014/049577中描述的液晶層。如以上解釋的，層50通常響應於由電極56和60施加的電壓波形而僅在偏振的一個方向上折射光，同時其他偏振沒有折射地穿過透鏡42。可選地，層50可以包括偏振不相關的膽甾相液晶材料或其他電光學材料。

基片52和54上的電極56和60分別包括在層50的活動區上以相互正交的方向延伸的透明導電材料的平行條帶。雖然在圖中電極56和60具有統一的形狀和間隔，但是條帶可以可選地具有變化的大小和/或間距。如在圖3D中顯示的，電極56和60的疊加創建了像素64的陣列，其由電極56的垂直條帶和電極60的水平條帶的重疊的面積來限定。

在控制電路26或者另一個控制器的控制下，控制電路58和62分別對激勵電極56和60施加控制電壓。如在以上提到的WO 2014/049577中描述的，透鏡42中的控制電路能夠同時或者獨立地修改施加於激勵電極組(其可以包括所有的電極)中的每一個激勵電極的控制電壓。控制電路58和62可以一起修改施加於在層50的兩側上的激勵電極組的電壓，從而在兩個維度上修改該層的相位調製分布圖。

施加於激勵電極56和60的控制電壓如由相位調製分布圖所確定地調諧透鏡42的焦點性質。控制電路58和62可以修改控制電壓，以便改變透鏡的焦距和/或移動透鏡的光軸。由電路58和62在電極56和60上施加的電壓模式可以被選擇，以便給出圓周對稱的相位調製分布圖，並且因此可以模仿球面透鏡或者非球面透鏡。可選地，不同的電壓模式可以被施加，使得透鏡42起到例如散光透鏡的作用，其具有沿著一個軸或者其他軸的較強的圓柱分量。

劃分過的動態透鏡

在一些情況下，可以期望將電可調諧透鏡(諸如，透鏡22和24)的區域劃分成兩個不相關的透鏡。例如，眼鏡20可被配置成使得在一些場景中透鏡被劃分，其中透鏡的一部分被恆定地設置以用於用戶的到無限距離的視力矯正，而另一部分動態地改變。以下描述的實施例支持電可調諧透鏡的區域的可選的空間劃分。這些實施例中的透鏡或者可以被操作作為橫跨所有(或者至少部分的)活動區的單個透鏡，或者可以可被劃分成兩個或更多個區域的活動區，每個區域實現不同的透鏡特性(諸如，焦距和/或光軸)。可以將透鏡製造成在這些模式之間動態地切換。

圖4是根據本發明的實施例的用於劃分過的電可調諧透鏡的基片70上形成的電極的示意性主視圖。基片70和在其上形成電極可被用於透鏡42中，以例如取代基片52和電極56對層50(圖3A-圖3D)施加電壓波形。基片54上的電極60可以如圖3C中顯示地保持，或者它們可以可選地以類似於在圖4中顯示的方式地被劃分。進一步可選地，為了產生劃分過的圓柱形透鏡，可以在基片54上以(圖中未顯示的)單一的公共電極取代電極60。

基片70上的電極包括在電光學層的活動區上沿著各自的相互平行的軸延伸的平行導電條帶的陣列。每個條帶被劃分為各自的條帶的軸的相互不聯結的部分上延伸的兩段76和78。(在可選方案中，諸如在圖5中示出的動態方案中，每個條帶可被劃分成三段或者更多段。)通常，雖然不是必須，段76連接於並且受控於在圖4中顯示的視圖中的基片70的上邊緣處的導體，而段76連接於並且受控於下邊緣處的導體。

段76一起延伸穿過且覆蓋透鏡的區域72，而段78延伸穿過且覆蓋不同的區域74。控制電路26能夠對區域72中的段施加與施加於區域74中的對應的段的控制電壓波形不同的控制電壓波形，從而使得透鏡起到具有對應於區域72和74的不同的焦點區域的多焦點透鏡的作用。通常，焦點區域具有各自不同的焦距。然而，當期望的時候，可以將與施加於每個條帶中的配對的段78的波形相同的波形施加於每個段76，使得區域72和74兩者都具有相同的焦點特性。

圖5是根據本發明的可選實施例的顯示在電可調諧透鏡的基片80上形成的電極段82和開關84的示意性電學圖。每個條帶可以如前述實施例僅包括兩個段82。然而在圖5中顯示的實施例中，每個條帶都被劃分為標記為R1、R2、…、Rn的n個段82，其通過被標記為G1、G2、…、Gn-1的開關84(諸如，適當的薄膜二極體)串聯地互相連接。控制線路86被連接以在所有的條帶上驅動對應的多列開關84，其中單個控制線路連接於在所有條帶上的每個開關Gi。通過驅動恰當的控制線路，控制電路26於是能夠同時將所有條帶中的每個段電連接於其鄰居，或者與其鄰居分離。

為了實現好的光學品質，段82之間的間隙通常比段自身的長度小得多。所有段都可以具有與在圖5中顯示的示例類似的長度，或者不同的段可以在每個條帶之內和在不同的條帶之間具有不同的長度。

控制電路26通常被連接以對導電條帶中的每個導電條帶的一個或者兩個端部(例如，對每個條帶中的段R1以及有可能對段Rn)施加控制電壓波形。為了對不同的段施加各自不同的控制電壓波形，控制電路可以驅動恰當的開關84並且修改施加於導電條帶各自的端部的控制電壓波形。

例如，為了沿著開關Gi的線路劃分透鏡80，控制電路26設置對於k≠i的所有的控制線路86以接通(閉合)對應的開關Gk，使得相鄰的段82電連接在一起。同時，控制線路i被設置以關掉(斷開)開關Gi，從而沿著正在劃分的線路使段Ri和段Ri+1分離。控制電路26對被選擇為實現第一組的焦點特性的段R1施加電壓波形。這些波形通過開關84並且因此向下傳播通過每個條帶中的段82，直到它們到達斷開的開關Gi。以類似的方式，控制電路26對被選擇為實現不同的焦點特性的段Rn施加其他的波形，並且這些波形通過開關84和段82直到在開關Gi處的相同的分離的線路。

在另一個實施例中，透鏡80被用於實現劃分過的動態透鏡，其中由一行段或者這種行的群組限定的兩個或更多個區域中的每個區域可以被設置以實現不同的焦點特性(焦距和/或光軸)，其中控制電路連接於段R1。可以將對應於段R1、…、Rn的區域1、…、n製造成通過應用下列步驟來實現焦點特性F1、…Fn：

1)將所有開關Gk，k＝1…n-1設置為「打開」。

2)對電極施加電壓以實現焦點特性Fn。

3)對於j＝n-1至1重複：

a)將開關Gj設置為「關閉」。

b)對電極施加電壓以實現焦點特性Fj。

使用這個方法，開關84被每次一行地關掉(斷開)。在部段Rj中的電極段的電壓在斷開開關j和斷開開關j-1之間的間隔期間被更新。期望的是這個間隔的持續時間保持最短，但是其應當足夠長以確保段Rj上的電壓達到它們的終值並且被正確地更新。

施加於每個電極段Rj的電壓隨著時間改變：當段Rj+1…Rn被更新的時候，這個電壓可以不同於實現對於透鏡的區域j的修正焦點特性Fj所要求的電壓。由於液晶受對其施加的時間平均電壓的影響，因此這些電壓變化可以將噪聲添加到區域j的調製函數。當每個段Rj被更新時這個噪聲可以通過修改施加於電極的電壓來減小，以便補償在段Rj+1……Rn被更新時所施加的電壓，使得段Rj的時間平均電壓具有期望值。

為了增強這個方案的效率，如果相鄰段82要求類似的驅動電壓(並因此實現類似的透鏡)，那麼它們可以通過閉合在這些段之間橋接的開關84來同時被更新。

另外地或者可選地，控制電路26可以被連接至每段中的段R1以及連接至段Rn，並且可以使用與以上所描述的類似的同時從R1向下的以及從Rn向上的傳播序列。以這種方式，可以以更短時間更新透鏡的所有段的電壓。

將要認識到，以上描述的實施例是通過示例的方式引用的，並且本發明不限於上文中已經具體示出和描述的內容。此外，本發明的範圍包括上文所描述的各種特徵以及本領域技術人員在閱讀以上描述之後將想到的且未在現有技術中公開的其變型和修改的組合和子組合。