CN110286502B - 老花眼视力矫正装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，公开一种老花眼视力矫正装置，以优化用户的使用体验，实现便捷化、轻量化。本发明装置包括：线性偏振片、基于电控双折射材料的第一平板透镜、以及位于所述线性偏振片与所述第一平板透镜之间的1/4波片；以及用于开关所述平板透镜的电压控制系统，以使得所述第一平板透镜：在对应电压控制系统电路断开的无电场情况下，实现非零的同一级衍射光束等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚；在对应电压控制系统电路闭合的饱和电场情况下，实现等效于平板窗口片的功能。

Description

老花眼视力矫正装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种老花眼视力矫正装置。

背景技术

视力矫正装置的核心原理是，通过光学系统对外界入射到人眼的环境光进行一定程度的发散、或者聚焦，使得成像光束最终能够聚焦到人眼视网膜上。现有的视力矫正技术方案，普遍采用传统的曲面凹/凸透镜来实现光束的发散/聚焦，其缺陷在于：1、镜片厚度大、笨重，尤其对1000度以上的高度近视，镜片边缘厚度往往能达到10mm左右；2、曲面透镜不是理想光学系统，无法成完善像，必然会存在像差，使得人眼感知到的景象与实际存在一定偏差。

值得说明的是：老花眼和远视眼一样，都是近处东西看不清楚，需要佩戴凸透镜帮助矫正。但两者有着本质的区别，其中远视属于屈光不正，是一种病理现象，而老花眼是人体衰老出现的自然生理现象。远视眼的视近、视远能力都有缺陷，特别对于重度远视超出了眼睛的调节能力，就需要佩戴眼镜来同时矫正视近力、视远力。而老花眼看近不清晰，但看远一般是正常的，佩戴眼镜主要是为了矫正视近力，看远的时候不用戴眼镜，日常生活需要来回摘戴眼镜。现实中还存在既患有近视眼又患有老花眼的双重视力缺陷患者，远处、近处的景物都无法看清。如果配备近视、远视两幅眼镜，携带和来回切换都很不方便；普通集远视、近视矫正功能于一体的正负双焦点眼镜，又存在严重的视野缺陷，本发明旨在解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于公开一种老花眼视力矫正装置，以优化用户的使用体验，实现便捷化、轻量化。

为达上述目的，本发明公开一种老花眼视力矫正装置，包括：

线性偏振片、基于电控双折射材料的第一平板透镜、以及位于所述线性偏振片与所述第一平板透镜之间的1/4波片；以及

用于开关所述平板透镜的电压控制系统，以使得所述第一平板透镜：

在对应所述电压控制系统电路断开的无电场情况下，实现非零的同一级衍射光束等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚；

在对应所述电压控制系统电路闭合的饱和电场情况下，实现等效于平板窗口片的功能。

进一步的，本发明还包括与所述第一平板透镜相邻设置的第二平板透镜，且所述第二平板透镜与所述第一平板透镜在无电场情况下，快轴的旋转方向互逆，以使得：在无电场情况下对所述第一平板透镜和第二平板透镜进行替换时，同一偏振态的入射光经所述第一平板透镜后会聚时，该偏振态的入射光经所述第二平板透镜后发散，或同一偏振态的入射光经所述第一平板透镜后发散时，该偏振态的入射光经所述第二平板透镜后会聚；所述电压控制系统，还用于在向所述第一平板透镜施加饱和电压时，保持所述第二平板透镜处于无电场情况；以及在向所述第二平板透镜施加饱和电压时，保持所述第一平板透镜处于无电场情况。藉此，可解决用户同时所存在的近视和老花眼问题。

可选的，本发明双折射材料可由液晶或液晶聚合物制成。

本发明具有以下有益效果：

通过对第一平板透镜开关状态的切换，使得老花眼用户不需要摘眼镜即可进行远近景的切换，在提升用户体验的同时也可以有效提高眼镜的使用寿命。同时，本发明的结构还具有使得最终产品满足更轻、更薄的功能，使得：基于本发明方案的产品还具有超薄的美观效果。

进一步的，本发明可采用双折射材料快轴取向逐环连续变化的平板透镜来实现对入射光的发散或者会聚，实现了等同于凹透镜或凸透镜的视力矫正功能；而且：对屈光度的调节通过几何相位进行调制，实现无像差成像的同时还有效避免了对镜片厚度的依赖，从而也使得本发明产品具有很广的视力调节范围。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例公开的以平板透镜实现凸透镜的功能示意图；

图2是本发明实施例公开的平板透镜基于快轴方向变化的一种模型示意图；

图3是本发明实施例公开的平板透镜基于半径方向的快轴方向周期性变化示意图；

图4是本发明实施例公开的以平板透镜实现凹透镜的功能示意图；

图5是本发明实施例公开的一种元器件排列及老花眼基于近景观测的应用场景示意图；

图6是本发明实施例公开的一种元器件排列及老花眼基于远景观测的应用场景示意图；

图7是本发明实施例公开的一种元器件排列及老花眼合并近视用户基于远景观测的应用场景示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

本实施例公开一种老花眼视力矫正装置，包括：线性偏振片、基于电控双折射材料的第一平板透镜、以及位于线性偏振片与第一平板透镜之间的1/4波片，以及用于开关平板透镜的电压控制系统。可选的，本实施例双折射材料由液晶或液晶聚合物制成。

本实施例中，电压控制系统具体用于控制第一平板透镜的开关状态，使得：第一平板透镜在对应电压控制系统电路断开的无电场情况下，如图1所示，实现非零的同一级衍射光束等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚。另一方面，若该第一平板透镜在对应电压控制系统电路闭合的饱和电场情况下，则实现等效于平板窗口片的功能。

可选的，如图2所示，本实施例的第一平板透镜以透镜光轴为中心呈环状对称结构。且在无电场情况下，该第一平板透镜通过分别控制各环所对应的双折射材料快轴方向从0到180度的周期性变化，且同一环上的双折射材料快轴方向一致，以对入射光进行基于偏振态变化的几何相位调制，实现光束衍射和偏转。

如图2、图3所示，第一平板透镜相邻环之间的双折射材料快轴方向连续变化，以快轴方向由0变化到180度为一个变化周期，且变化速度与半径大小成正相关，以使得各环同一衍射级所对应的衍射角度随环半径增大而增大，进而实现非零的同一级衍射光束等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚。

优选地，本实施例第一平板透镜还用于：将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光，和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光。具体可例如，该第一平板透镜在无电场作用下，可用于：

若能将入射的左旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的右旋圆偏振光时，也能同时将入射的右旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的左旋圆偏振光；或者

若能将入射的左旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的右旋圆偏振光时，也能同时将入射的右旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的左旋圆偏振光。

进一步地，在无电场情况下，参考图1和图4的对应关系，第一平板透镜还用于：

若将入射的左旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的右旋圆偏振光对应等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚时，也能同时将入射的右旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的左旋圆偏振光以对应等同于凹透镜以虚焦点对光束进行发散。

又或者是，在无电场情况下，参考图1和图4的对应关系，第一平板透镜还用于：

若将入射的右旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的左旋圆偏振光对应等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚时，也能同时将入射的左旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的右旋圆偏振光以对应等同于凹透镜以虚焦点对光束进行发散。

与无电场情况不同的是，本实施例第一平板透镜在饱和电场情况下，则通过控制各环所对应的双折射材料长轴方向与所施加电场方向平行并排列一致，以使得平板透镜转变为普通平行窗口片。

此外，在实际的产品部署过程中，邻近用户眼睛的可以是平板透镜，也可以是线性偏振片。两种部署方式中，大部分进入视网膜的光是一致的。其不同之处在于：若进入视网膜的光首先经过线性偏振片，就相当于由线性偏振片先过滤掉部分光，变成了线性偏振光，然后由1/4波片将线性偏转光转换为(左旋或右旋)圆偏振光，最终从平板透镜出射的也为(右旋或左旋)圆偏振光。若进入视网膜的光线首先是从平板透镜入射之后再从线性偏振片出射，则外部自然光经平板透镜所出射的光既包括左旋的圆偏振光，又包括右旋的圆偏振光，且两者的衍射角相反。具体情况可以是下述类型中择一设置：

类型1、当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为45°，以使得：波片出射光束偏振态为左旋圆偏振光。

类型2、当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：波片出射光束偏振态为右旋圆偏振光。

类型3、当光束从平板透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为+45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角+45°的线偏振光。

类型4、当光束从平板透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角-45°的线偏振光。

具体可参照下述实际使用场景：

如图5所示，实例1的老花矫正装置沿z方向依次由线性偏振片1、1/4波片2和第一平板透镜3构成，三者贴合在一起，组成共轴光学系统。其中，线性偏振片的偏振方向与1/4波片的快轴方向为-45゜，1/4波片的快轴在x轴上。在第一平板透镜上，还设置有电压控制系统4，可以通过开、关操作来选择对平板透镜不加压或加压。

当人眼观察近处物体时，外界入射自然光对人眼张角较大，呈发散状态。自然光经过线性偏振片后变成线偏振光，且偏振方向与1/4波片快轴的夹角为-45゜。从1/4波片出射的光为右旋圆偏振光，此时电压控制系统的开关处于断开状态，第一平板透镜发挥会聚作用。右旋圆偏振光入射到基于几何相位的第一平板透镜上，经过第一平板透镜对右旋圆偏振光的会聚作用，出射光发散角变小，类似于远处物方光束，再经过老花人眼，即可在人眼视网膜上清晰成像，从而矫正老花视力缺陷。

当老花眼患者需要观察远处物体时，可自由选择将本实施例装置切换成非老花矫正状态。如图6，当人眼观察远处物体时，外界入射自然光对人眼张角较小，这时可以选择合上开关，电压控制系统开始对第一平板透镜施加饱和电压。在饱和电压的作用下，平板透镜中所有液晶聚合物分子取向朝一个方向排列，对入射右旋圆偏振光无会聚作用，等效于平面玻璃透镜，经过老花人眼，可在人眼视网膜上清晰成像。

实施例二

本实施例在上述实施例一的基础上，针对同时存在老花眼和近视的用户做了下述产品改良。具体改良包括：在上述装置中增设与第一平板透镜相邻设置的第二平板透镜，且第二平板透镜与第一平板透镜在无电场情况下，快轴的旋转方向互逆。

藉此，可使得：在无电场情况下对第一平板透镜和第二平板透镜进行替换时，同一偏振态的入射光经第一平板透镜后会聚时，该偏振态的入射光经第二平板透镜后发散，或同一偏振态的入射光经第一平板透镜后发散时，该偏振态的入射光经第二平板透镜后会聚。

优选地，作为配套的改良，本实施例电压控制系统在向第一平板透镜施加饱和电压时，保持第二平板透镜处于无电场情况；以及在向第二平板透镜施加饱和电压时，保持第一平板透镜处于无电场情况。作为一种简单替换，本领域技术人员可想到采用两套电压控制系统来分别控制第一和第二平板透镜，此种变形皆属于本发明的保护范围。

基于本实施例的具体应用场景可以参照图7。

如图7所示，本实施例视觉矫正装置沿z方向依次由线性偏振片1、1/4波片2、第一平板透镜3、以及第二平板透镜5构成，四者贴合在一起，组成共轴光学系统。其中，线性偏振片的偏振方向与1/4波片的快轴方向为-45゜，1/4波片的快轴在x轴上。其中，第二平板透镜对右旋圆偏振光发散、第一平板透镜对右旋圆偏振光会聚。在两个平板透镜上，还连接有电压控制系统，可以通过开、关操作来选择对其中某一平板透镜加压，而对另一平板透镜不加压。具体包括：

当老花且近视双重视力缺陷患者观察近处景物时(非图7所示状态)，需要矫正老花眼，这时只需要将选择开关切换到对右旋圆偏振光发散的第二平板透镜上，电控系统开始对第二平板透镜施加饱和电压。在饱和电压的作用下，第二平板透镜中所有液晶聚合物分子取向朝一个方向排列，对入射右旋圆偏振光无发散作用，等效于平面玻璃透镜，第一平板透镜对入射右旋圆偏振光会聚，从而矫正老花视力缺陷。

当双重视力缺陷患者观察远处景物时，需要矫正近视眼(如图7所示状态)，这时只需要将选择开关切换到对右旋圆偏振光会聚的第一平板透镜上，电压控制系统开始对第一平板透镜施加饱和电压。在饱和电压的作用下，第一平板透镜中所有液晶聚合物分子取向朝一个方向排列，对入射右旋圆偏振光无会聚作用，等效于平面玻璃透镜，第二平板透镜对入射右旋圆偏振光发散，从而矫正近视视力缺陷。

实施例三

进一步的，本实施例在上述实施例一和实施例二的基础上，做基于用户体验的智能化改良。具体包括：在电压控制系统中设置工作模式传感器，以用于检测用户的头部是否为观测近景的低头动作，或是基于远景的平视或仰视动作；以使电压控制系统根据相应的检测结果进行自适应的电场状态切换。可选的，该工作模式传感器包括但不限于水平传感器或其他基于用户眼睛视觉变化的传感器。

可选的，本实施例电压控制系统还设置有供用户开启或关闭基于工作模式传感器进行自适应电场切换的配套开关。通常，该开关既可以关闭自动切换功能以避免误判，还能让我们在第一、第二平板透镜之间手动切换。换言之，该配套开关可以是手动触摸式、也可以是遥控控制，甚至是声纹控制等。同理，上述两实施例中以电场控制系统对第一平板透镜和第二平板透镜的开关状态控制也可基于同样的设计。

综上，本发明上述各实施例所分别公开的老花眼视力矫正装置，具有下述有益效果：通过对第一平板透镜开关状态的切换，使得老花眼用户不需要摘眼镜即可进行远近景的切换，在提升用户体验的同时也可以有效提高眼镜的使用寿命。同时，本发明的结构还具有使得最终产品满足更轻、更薄的功能，使得：基于本发明方案的产品还具有超薄的美观效果。

此外：本发明基于线性偏振片对光的过滤作用，会部分削弱视网膜成像的光强，从而更适合于在强光下使用，并使其天然集成了墨镜的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种老花眼视力矫正装置，其特征在于，包括：

线性偏振片、基于电控双折射材料的第一平板透镜、以及位于所述线性偏振片与所述第一平板透镜之间的1/4波片；以及

用于开关所述平板透镜的电压控制系统，以使得所述第一平板透镜：

在对应所述电压控制系统电路断开的无电场情况下，实现非零的同一级衍射光束等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚；

在对应所述电压控制系统电路闭合的饱和电场情况下，实现等效于平板窗口片的功能；

其中，所述第一平板透镜以透镜光轴为中心呈环状对称结构，具体用于：在无电场情况下，分别控制各环所对应的双折射材料快轴方向从0到180度的周期性变化，以对入射光进行基于偏振态变化的几何相位调制，实现光束衍射和偏转；

其中，所述第一平板透镜同一环上的双折射材料快轴方向一致，相邻环之间的双折射材料快轴方向连续变化，以快轴方向由0变化到180度为一个变化周期，且变化速度与半径大小成正相关，以使得各环同一衍射级所对应的衍射角度随环半径增大而增大，进而实现非零的同一级衍射光束等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚。

2.根据权利要求1所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，所述第一平板透镜具体用于：在饱和电场情况下，控制各环所对应的双折射材料长轴方向与所施加电场方向平行并排列一致，以使得所述平板透镜转变为普通平行窗口片。

3.根据权利要求1所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，所述第一平板透镜还用于：将入射的左旋圆偏振光偏转成出射的右旋圆偏振光，和/或将入射的右旋圆偏振光偏转成出射的左旋圆偏振光。

4.根据权利要求3所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，所述第一平板透镜还用于：

若能将入射的左旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的右旋圆偏振光时，也能同时将入射的右旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的左旋圆偏振光；或者

若能将入射的左旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的右旋圆偏振光时，也能同时将入射的右旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的左旋圆偏振光。

5.根据权利要求4所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，在无电场情况下，所述第一平板透镜还用于：

若将入射的左旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的右旋圆偏振光对应等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚时，也能同时将入射的右旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的左旋圆偏振光以对应等同于凹透镜以虚焦点对光束进行发散；或者

若将入射的右旋圆偏振光偏转成对应-1衍射级出射的左旋圆偏振光对应等同于凸透镜以实焦点对光束进行会聚时，也能同时将入射的左旋圆偏振光偏转成对应+1衍射级出射的右旋圆偏振光以对应等同于凹透镜以虚焦点对光束进行发散。

6.根据权利要求5所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，还包括与所述第一平板透镜相邻设置的第二平板透镜，且所述第二平板透镜与所述第一平板透镜在无电场情况下，快轴的旋转方向互逆，以使得：在无电场情况下对所述第一平板透镜和第二平板透镜进行替换时，同一偏振态的入射光经所述第一平板透镜后会聚时，该偏振态的入射光经所述第二平板透镜后发散，或同一偏振态的入射光经所述第一平板透镜后发散时，该偏振态的入射光经所述第二平板透镜后会聚；

所述电压控制系统，还用于在向所述第一平板透镜施加饱和电压时，保持所述第二平板透镜处于无电场情况；以及在向所述第二平板透镜施加饱和电压时，保持所述第一平板透镜处于无电场情况。

7.根据权利要求1至6任一所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，所述电压控制系统还可以设置有工作模式传感器；

所述工作模式传感器，用于检测用户的头部是否为观测近景的低头动作，或是基于远景的平视或仰视动作；以使所述电压控制系统根据相应的检测结果进行自适应的电场状态切换；

所述电压控制系统还设置有供用户开启或关闭基于所述工作模式传感器进行自适应电场切换的配套开关。

8.根据权利要求1至6任一所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为45°，以使得：波片出射光束偏振态为左旋圆偏振光。

9.根据权利要求1至6任一所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，当光束从偏振片端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：波片出射光束偏振态为右旋圆偏振光。

10.根据权利要求1至6任一所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，当光束从平板透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为+45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角+45°的线偏振光。

11.根据权利要求1至6任一所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，当光束从平板透镜端面入射时，线性偏振片偏振方向与1/4波片快轴方向夹角为-45°，以使得：线性偏振片出射光束为与1/4波片快轴方向夹角-45°的线偏振光。

12.根据权利要求1至6任一所述的老花眼视力矫正装置，其特征在于，所述双折射材料由液晶或液晶聚合物制成。

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