CN109116580A - 一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜；包括镜架和镜片；镜片都由一个谐衍射Alvarez透镜组构成，一个谐衍射Alvarez透镜组由三个镜片组成；每个镜片都设有一个谐衍射微结构表面，每组镜片的外侧两个镜片固定在镜架上，并组成密封空间，中间的镜片通过滑块固定在镜架的导轨上，中间的镜片沿垂直于光轴的方向滑动；谐衍射微结构表面由Alvarez透镜去除相位差得到；实现了根据佩戴者观察目标的距离来自动调节光焦度，使使用者能够以最舒适的状态观察目标，缓解眼部肌肉的疲劳，对于青少年正常的视力使用者来说，可以达到预防近视的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能眼镜，具体涉及一种采用谐衍射Alvarez透镜变焦的智能眼镜。
技术背景
国家卫健委2018年6月4日举行的专题新闻发布会上透露：我国近视人数已经超过4.5亿，近视发病呈现年龄早、进展快、程度深的趋势。其中，小学生近视发病率约为30％，大学生约为90％。近距离用眼被认为是影响近视发生发展的首位危险因素。目前电子产品越来越多地进入人们的生活中，青少年阶段是屈光状态发育的关键期，也是学习繁重的时期，青少年对于电子产品使用的自控能力较差，造成了青少年近视比重越来越大，近视现象也越来越低龄化。
在我国，老花眼现象更使一种普遍现象，老花眼与年龄增长密切相关，通常在45岁前后开始显现，并逐年加深。根据最近针对上海、北京、广州、杭州、南京等地50岁以上居民的一对一调研数据显示，八成50岁以上人群受到老花眼影响，而上海和南京的比例更是高达近90％。更令人担忧的是，我国老花眼人群正在逐渐走向年轻化。眼部自然晶体就好像一部机器，它可能因为使用年份增加而自然老化，也可能因为使用过度而加速老化。由于现代社会人们对电脑、手机、电视等各种电子设备高度依赖，同时生活工作压力不断增大，人们普遍用眼过度，长期处于视觉疲劳状态，因此更容易导致晶体弹性加速减弱，使得老花眼发病年龄不断提前。
老花眼患者需要借助渐变多焦镜或多副眼镜交替使用才能满足不同的视觉需求。有些老花眼患者可能同时拥有一副阅读眼镜、一副看电脑眼镜、一副户外眼镜以及一副驾驶眼镜等，更有甚者可能在家里和公司等不同场所各配备一整套眼镜，可想而知，会给正常生活带来极大的麻烦。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜。
本发明一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜，包括镜架和镜片；镜片都由一个谐衍射Alvarez透镜组构成，一个谐衍射Alvarez透镜组由三个镜片组成；每个镜片都设有一个谐衍射微结构表面，每组镜片的外侧两个镜片固定在镜架上，并组成密封空间，中间的镜片通过滑块固定在镜架的导轨上，中间的镜片沿垂直于光轴的方向滑动；谐衍射微结构表面由Alvarez透镜去除相位差得到；
Alvarez透镜多项式方程为：
其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x,y)为高阶多项式。
f(x，y)＝b1xy4+b2x3y2+b3x5+b4xy6+b5x3y4+b6x5y2b7x7+其中，b1,b2,b3,…为高阶多项式系数。
产生焦距为：
其中，δ为两个Alvarez透镜组合光焦度，A为多项式系数，2δ为两个Alvarez透镜之间的相对移动的距离，n为Alvarez透镜的材料折射率；
Alvarez透镜的相位差与光程差的关系是：
其中为相位差，λ为波长，Δδ为光程差；
将Alvarez透镜去除相位差为2π的整数m倍，剩余的部分便是光程差为2π的m倍的谐衍射Alvarez透镜；m≥2；
作为优先，所述的镜架正面两侧分别设有一个或多个距离传感器，所述的距离传感器与控制电路模块连接；所述的控制电路模块与驱动电机连接，所述的驱动电机通过驱动螺纹副驱动滑块滑动。
作为优先，每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，且谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面，远离中间的镜片的表面为平面、球面或者球面非球面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面。
作为优先，每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，且谐衍射微结构表面位于远离中间的镜片相邻的表面，与中间的镜片的相邻表面为平面、球面或者球面非球面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面。
作为优先，每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，外侧两个镜片中的其中一个谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面，另一个镜片与中间的镜片远离的表面为谐衍射微结构表面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面；外侧两个镜片的剩余表面为平面、球面或者球面非球面。
作为优先，三个镜片的表面均为谐衍射微结构表面。
本发明具有如下优点：实现了根据佩戴者观察目标的距离来自动调节光焦度，使使用者能够以最舒适的状态观察目标，缓解眼部肌肉的疲劳，对于青少年正常的视力使用者来说，可以达到预防近视的目的；对于老年人老花眼患者来说，可以方便老花眼患者能够同时清晰看清远处和近处的目标。采用三明治结构形成封闭的镜片结构，避免了灰尘、水汽进入镜片间隙里；同时采用了多个谐衍射微结构表面，使每个谐衍射Alvarez镜片的厚度大大降低，相邻谐衍射Alvarez镜片之间的间隔也大大降低，使得镜片组的厚度也大大降低，整个智能眼镜重量也大大降低。
附图说明
图1智能变焦眼镜系统结构图。
图2三明治结构连续多项式自由曲面Alvarez变焦透镜组工作原理图。
图3相位压缩三明治结构连续多项式自由曲面Alvarez透镜变为谐衍射Alvarez透镜。
图4多项式自由曲面位于相邻表面的三明治结构Alvarez透镜组(图4(a))经过相位压缩后的谐衍射Alvarez透镜组(图4(b))。
图5三明治结构中，三片Alvarez透镜的6个表面均为多项式自由曲面的Alvarez透镜组(图5(a))经过相位压缩后的谐衍射Alvarez透镜组(图5(b))。
图6(a)为光焦度为0时三明治结构，前后镜片谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图6(b)为光焦度为正时三明治结构，前后镜片谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图6(c)为光焦度为负时三明治结构，前后镜片谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图7(a)为光焦度为0时三明治结构，前后镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图7(b)为光焦度为正时三明治结构，前后镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图7(c)为光焦度为负时三明治结构，前后镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图8(a)为光焦度为0时三明治结构，前镜片谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片的表面，后镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图8(b)为光焦度为正时三明治结构，前镜片谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片的表面，后镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图8(c)为光焦度为负时三明治结构，前镜片谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片的表面，后镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图9(a)为光焦度为0时三明治结构，前镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面，后镜片的谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图9(b)为光焦度为正时三明治结构，前镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面，后镜片的谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图9(c)为光焦度为负时三明治结构，前镜片谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面，后镜片的谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片的表面的Alvarez变焦透镜组原理图；
图10(a)为光焦度为0时三明治结构中，三个镜片的六个表面均为谐衍射微结构表面；
图10(b)为光焦度为正时三明治结构中，三个镜片的六个表面均为谐衍射微结构表面；
图10(c)为光焦度为负时三明治结构中，三个镜片的六个表面均为谐衍射微结构表面；
图11三明治谐衍射Alvarez变焦智能眼镜结构中，内外镜片固定不动，内镜片可沿垂直于光轴的方向运动，内外镜片的谐衍射微结构表面位于靠近中间透镜的表面的工作模式。
图12三明治谐衍射Alvarez变焦智能眼镜结构中，内外镜片固定不动，内镜片可沿垂直于光轴的方向运动，内外镜片的谐衍射微结构表面位于最前面和最后面的两个表面的工作模式。
图13三明治谐衍射Alvarez变焦智能眼镜结构中，内外镜片固定不动，内镜片可沿垂直于光轴的方向运动，外镜片的谐衍射微结构表面位于靠近中间透镜的表面，内镜片的谐衍射微结构表面位于远离中间镜片的表面的工作模式。
图14三明治谐衍射Alvarez变焦智能眼镜结构中，内外镜片固定不动，内镜片可沿垂直于光轴的方向运动，外镜片的谐衍射微结构表面位于远离中间透镜的表面，内镜片的谐衍射微结构表面位于靠近中间镜片的表面的工作模式。
图15三明治谐衍射Alvarez变焦智能眼镜结构中，内外镜片固定不动，内镜片可沿垂直于光轴的方向运动，内外镜片和中间镜片的两个表面均为谐衍射微结构表面的工作模式。
图16谐衍射Alvarez变焦智能眼镜工作原理；图16(a)正常人眼看远处物体时的示意图；图16(b)人眼观察近距离物体时的状态，角膜曲率变大，眼轴拉长；图16(c)戴上谐衍射Alvarez变焦智能眼镜后人眼观察远处物体时的状态，此时变焦透镜组的光焦度为0；图16(d)戴上谐衍射Alvarez变焦智能眼镜后人眼观察近处物体时的状态，此时变焦透镜组的光焦度为正，使近处的物体能够在不改变眼角膜的曲率和眼轴的长度的情况下仍能清晰的成像在人眼的视网膜上。
图17三明治谐衍射Alvarez透镜组等效光学系统图，等效于两对两片结构组成的谐衍射Alvarez透镜组。
具体实施方式
如图1所示，一种三明治式Alvarez变焦智能眼镜，包括镜架和镜片；每侧的镜片都由一个谐衍射Alvarez透镜组4构成，一个谐衍射Alvarez透镜组由三个镜片组成，每个镜片都设有一个谐衍射微结构表面；每组镜片的外侧两个透镜固定在镜架上，并组成密封空间，中间的透镜通过滑块固定在镜架的滑动槽2上，中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动，谐衍射微结构表面由Alvarez透镜去除相位差得到；所述的镜架正面左侧设有第一传感器1，镜架正面右侧设有第三传感器5，镜架正面中间设有第二传感器3，所述的距离传感器与控制电路模块连接；所述的控制电路模块13与第一驱动电机7、第二驱动电机1连接，两个驱动电机通过第一螺纹副10、第二螺纹副12驱动滑块滑动。所述的驱动电机和控制电路由电池模块6供电；所述的Alvarez变焦智能眼镜还设有两个指示灯，分别用来显示电量和眼镜焦距状态；工作时，中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动；
Alvarez透镜表面多项式方程为(假设移动方向为x方向)：
其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x,y)为高阶多项式。
f(x，y)＝b1xy4+b2x3y2+b3x5+b4xy6+b5x3y4+b6x5y2b7x7+…其中，b1,b2,b3,…为高阶多项式系数。
产生焦距为：
其中，为两个Alvarez透镜组合光焦度，A为多项式系数，2δ为两个Alvarez透镜之间的相对移动的距离，n为Alvarez透镜的材料折射率。
谐衍射Alvarez透镜，其保留了Alvarez透镜组原有的特征，即且第二Alvarez透镜相对于第一Alvarez透镜沿垂直于光轴方向移动，Alvarez透镜组的焦距会发生改变；同时它也拥有了谐衍射透镜的属性，可以极大的减小透镜的厚度，并且在一定程度上克服衍射器件存在大色差的缺点。
为了使谐衍射透镜的谐振光波会聚于透镜原有的焦点(设焦点为f0)，需要使其满足一定的条件。当使用的波长为λ时，透镜的焦距为：
对于谐衍射透镜而言，其环带间光程差为mλ0，相当于设计波长为mλ0，焦距为f0的普通衍射透镜。若对使用波长为λ的p级次成像，则其焦距为：
如果要求fp,λ与原焦距f0重合，即应满足条件：
由此可得：
这就说明，对于谐衍射透镜，凡波长满足式(6)的整数p所对应的谐振光波均将会聚到共同的焦点f0处，m是设计时已经确定的结构参数，m越大，在确定光谱段内的谐振波长越多。m提供了另一个设计自由度，用以控制在给定的光谱范围内的几种波长会聚到同一位置。将Alvarez透镜组的第一透镜与第二透镜去除相位差为2π的整数m(m≥2)倍(如图3所示)，剩余的部分便是光程差为2π的m倍的谐衍射Alvarez透镜组。图3中相位压缩高度δ＝mλ0/(n-1)，n为透镜材料的折射率。
如图4(a)、图4(b)所示，多项式自由曲面位于相邻表面的三明治结构Alvarez透镜组经过相位压缩后的谐衍射Alvarez透镜组；如图5(a)、图5(b)所示，三明治结构中，三片Alvarez透镜的6个表面均为多项式自由曲面的Alvarez透镜组经过相位压缩后的谐衍射Alvarez透镜组；同时采用了多个谐衍射微结构表面，使每个谐衍射Alvarez镜片的厚度大大降低，相邻谐衍射Alvarez镜片之间的间隔也大大降低，使得镜片组的厚度也大大降低，整个智能眼镜重量也大大降低。
如图6、图11所示，每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，且谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面，远离中间的镜片的表面为平面、球面或者球面非球面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面；工作时，中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动。
如图7、图12所示，每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，且谐衍射微结构表面位于远离中间的镜片相邻的表面，与中间的镜片的相邻表面为平面、球面或者球面非球面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面；工作时，中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动。
如图8、图9、图13、图14所示，每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，外侧两个镜片中的其中一个谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面，另一个镜片与中间的镜片远离的表面为谐衍射微结构表面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面；外侧两个镜片的剩余表面为平面、球面或者球面非球面；工作时，中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动。如图10、图15所示，三个镜片的表面均为谐衍射微结构表面。
如图16(a)所示，人眼在观察远处物体时，远处物体成像在眼球的视网膜上，光刺激在视网膜上的神经产生神经冲动沿视神经纤维传递到大脑皮层产生视知觉。当看近处的物体时，如图16(b)所示，如果人眼的状态保持看远处的状态不变，这时候近处物体所成的像会投射到人眼视网膜的后部，为了看清近处的物体，人眼的睫状肌会绷紧，使人眼的焦距变短，同时人眼的眼外肌会使人的眼球在光轴方向拉长(即像距增大)，通过人眼的肌肉的调节，使近处的物体也能成像在视网膜上。如果人眼长时间工作在近距离状态下，睫状肌和眼外肌会产生痉挛，无法恢复到放松状态的位置从而产生近视现象。我们发明的智能变焦眼镜工作原理是在人眼观察远处的物体时(如图16(c)所示)，眼镜上的距离传感器检测出目标平面的距离，移动活动Alvarez镜片的位置，使变焦透镜组的光焦度为0，人眼工作在正常状态下(不戴眼镜时看远处物体的状态，眼部肌肉处于放松状态)，当人眼观察近处目标时(比如看书，看手机屏幕)，智能眼镜上的位移传感器检测出此时的物体距离人眼的距离，控制活动Alvarez镜片移动到合适的位置，使变焦透镜组的光焦度为正(如300度)，这个时候人眼仍能在观察远处物体时的状态看清楚近处的目标，且人眼部的肌肉处于放松状态(如图16(d)所示)。智能变焦眼镜可以使人眼始终工作在眼部肌肉放松的状态，从而预防和避免眼睛长时间工作在近距离看物体导致的近视，特别使青少年学生的近视。
假设人眼的焦距为22.8mm，人眼角膜前表面到视网膜的正常距离(舒适距离)为23～24mm。当人眼观察物体在350mm以上的距离时，人眼工作在舒适状态，而当人眼观察150mm距离的物体时，如果人眼部肌肉不调整，物体经过眼睛成像后，距离人眼角膜前表面的距离为26.4mm，如果不佩戴眼镜，人眼的肌肉必须要调整眼睛的焦距和成像工作距，如果长时间工作在这个状态时，会引起人眼近视。
假设Alvarez透镜的两个多项式自由曲面的系数A＝5.0E-4(1/mm2)，透镜的材料为PMMA(折射率为1.5)，通光口径为20mm，如图13所示，三明治结构等效于两组两片Alvarez透镜组成的结构，由公式(2)所示，当中间的Alvarez透镜向下移动2mm时，等效的单组两片Alvarez透镜组的焦距为：
三明治结构的焦距为：f′＝f/2＝500(mm)
对应的屈光度为+200度。
相位压缩连续自由曲面为谐衍射微结构表面，假设谐衍射表面的相位差为即m＝2；设计波长λ0与使用的波长λ相等，且等于532nm。由公式(4)可知，其p级次成像的焦距为：
由此式便可知，当p＝2时，其谐衍射Alvarez透镜变焦系统与Alvarez透镜组的焦距相等。谐衍射透镜组的2级次成像的焦距与原连续自由曲面Alvarez透镜组的焦距相等。
谐衍射三明治结构的焦距为：f′＝f/2＝500(mm)
对应的屈光度为+200度。
当中间Alvarez透镜向上移动2mm时，等效的单组两片Alvarez透镜组的焦距为：
三明治结构的焦距为：f′＝f/2＝500(mm)
对应的屈光度为-200度。
相位压缩连续自由曲面为谐衍射微结构表面，假设谐衍射表面的相位差为即m＝2；设计波长λ0与使用的波长λ相等，且等于532nm。由公式(4)可知，其p级次成像的焦距为：
由此式便可知，当p＝2时，其谐衍射Alvarez透镜变焦系统与Alvarez透镜组的焦距相等。谐衍射透镜组的2级次成像的焦距与原连续自由曲面Alvarez透镜组的焦距相等。
谐衍射三明治结构的焦距为：f′＝f/2＝500(mm)
对应的屈光度为-200度。
当戴上智能眼镜的使用者在观察近距离物体时(比如看书时)，智能眼镜上的距离传感器探测到物体离人眼距离为200mm，智能眼镜上的控制电路根据这个探测距离驱动中间的Alvarez镜片向下移动2.2mm，产生220度的光焦度，使近处的物体仍然成像在人眼舒适的距离24mm的位置。从而达到避免人眼因看近距离物体，而使肌肉紧张痉挛，并引起近视现象。
当中间Alvarez透镜向下移动2.2mm时，Alvarez透镜组的焦距为：
对应的屈光度为220度。
相位压缩连续自由曲面为谐衍射微结构表面，假设谐衍射表面的相位差为即m＝2；设计波长λ0与使用的波长λ相等，且等于532nm。由公式(4)可知，其p级次成像的焦距为：
由此式便可知，当p＝2时，其谐衍射Alvarez透镜变焦系统与Alvarez透镜组的焦距相等。谐衍射透镜组的2级次成像的焦距与原连续自由曲面Alvarez透镜组的焦距相等。
Claims (6)
1.一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜，其特征在于：包括镜架和镜片；镜片都由一个谐衍射Alvarez透镜组构成，一个谐衍射Alvarez透镜组由三个镜片组成；每个镜片都设有一个谐衍射微结构表面，每组镜片的外侧两个透镜固定在镜架上，并组成密封空间，中间的透镜通过滑块固定在镜架的导轨上，中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动；谐衍射微结构表面由Alvarez透镜去除相位差得到；
Alvarez透镜多项式方程为：
其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x，y)为高阶多项式；
f(x，y)＝b1xy4+b2x3y2+b3x5+b4xy6+b5x3y4+b6x5y2+b7x7+…
其中，b1，b2，b3，…为高阶多项式系数；
产生焦距为：
其中，δ为两个Alvarez透镜组合光焦度，A为多项式系数，2δ为两个Alvarez透镜之间的相对移动的距离，n为Alvarez透镜的材料折射率；
Alvarez透镜的相位差与光程差的关系是：
其中为相位差，λ为波长，Δδ为光程差；
将Alvarez透镜去除相位差为2π的整数m倍，剩余的部分便是光程差为2π的m倍的谐衍射Alvarez透镜；m≥2。
2.根据权利要求1所述的一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜，其特征在于：所述的镜架正面两侧分别设有一个或多个距离传感器，所述的距离传感器与控制电路模块连接；所述的控制电路模块与驱动电机连接，所述的驱动电机通过驱动螺纹副驱动滑块滑动。
3.根据权利要求1或2所述的一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜，其特征在于：每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，且谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面，远离中间的镜片的表面为平面、球面或者球面非球面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面。
4.根据权利要求1或2所述的一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜，其特征在于：每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，且谐衍射微结构表面位于远离中间的镜片相邻的表面，与中间的镜片的相邻表面为平面、球面或者球面非球面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面。
5.根据权利要求1或2所述的一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜，其特征在于：每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面，外侧两个镜片中的其中一个谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面，另一个镜片与中间的镜片远离的表面为谐衍射微结构表面；中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面；外侧两个镜片的剩余表面为平面、球面或者球面非球面。
6.根据权利要求1或2所述的一种三明治式谐衍射Alvarez变焦智能眼镜，其特征在于：三个镜片的表面均为谐衍射微结构表面。
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