复合电活性透镜

发明领域

本发明一般涉及透镜。更具体地说，本发明涉及复合电活性透 镜。

背景

一般来说，传统的透镜具有单一的焦距，以便提供特定的视觉 敏锐度。透镜可以是为特定的戴透镜的人或应用而生产的，在这种 场合，视觉敏锐度没有改变或对于不同的观看距离不需修改视觉敏 锐度。因此，传统的透镜可提供有限的应用。

对于需要有不同视觉敏锐度的戴透镜的人或应用，例如用于阅 读和远视，已创造出双焦透镜来提供多个焦距。但这种双焦透镜具 有固定的焦距范围，也只能提供有限的应用。

在这些实例中，透镜都是用单一的材料研磨而成的。

附图简要说明

图1为按照本发明实施例的电活性透镜的分解截面图。

图2为按照本发明另一实施例的电活性透镜的侧视截面图。

图3为按照本发明又一实施例的电活性透镜的分解截面图。

图4为按照本发明又一实施例的电活性透镜的分解截面图。

图5为按照本发明又一实施例的电活性透镜的侧视截面图。

图6为按照本发明又一实施例的用于激活电活性透镜的电同心 回路的正视图。

图7示出按照本发明又一实施例的电活性透镜的示范的放大率 分布图。

图8为按照本发明又一实施例提供近视视力和中间视力的电活 性透镜的侧视截面图。

图9为按照本发明又一实施例提供近视视力和中间视力的电活 性透镜的侧视截面图。

图10为按照本发明又一实施例的电活性透镜的级联系统。

图11示出在传统级联系统中产生的误差量化。

图12示出利用按照本发明又一实施例由电活性透镜的级联系统 消除的误差量化。

图13示出向本发明的电活性透镜实施例提供驱动电压波形的浮 动电容电路。

详细说明

本发明电活性透镜的实施例可以是由各种成分，包括具有可变 折射率的透光材料(例如液晶)，构成的复合透镜。可变焦距可以通 过例如在透镜上刻蚀或压印的衍射图来提供，或由设置在透镜的透 光材料上的电极来提供。衍射图折射进入透光材料的光，产生不同 程度的衍射，从而产生可变焦距。电极将电压加到透光材料上，导 致材料中的分子取向位移，从而产生折射率的改变，这种折射率的 改变可以用来使液晶的折射率与用来产生衍射图的材料的折射率匹 配或失配。当液晶的折射率和衍射图材料的折射率相匹配时，衍射 图没有光放大率，所以透镜具有固定透镜的焦距。当液晶的折射率 和用来产生衍射图的材料的折射率失配时，衍射图的放大率就加到 透镜的固定放大率上，使透镜的焦距发生改变。可变折射率可以有 利地允许透镜用户将透镜改变到所需的焦点，用单一透镜而有两个、 三个或多个等观看焦距。电活性透镜还可减少或消除双折射，这是 某些透镜常见的问题。电活性透镜的示范的应用包括眼镜、显微镜、 反射镜、双目镜和用户可以通过它来观看的任何其它光学装置。

图1示出按照本发明实施例的电活性透镜的实施例。所述实施 例包括两个折射单元，它们可以用来减小或消除透镜中的双折射。 如果电活性材料是例如向列液晶，则折射单元可以排列成互相正交， 以减小或消除在对准液晶中产生的双折射。所述实施例可提供施加 的电压，以便在透镜中产生可变折射率。所述实施例可用在眼镜中， 例如，使戴眼镜的人能改变折射率以及焦点。电活性透镜100的第 一折射单元可包括：电极110、125；对准层115、122；和液晶层120。 电活性透镜100的第二折射单元可包括：电极135、150；对准层137、 145；和液晶层140。分隔层130可分隔第一和第二单元。电活性透 镜100还可包括前后衬底元件105、155，其间可以设置所述两个折 射单元。电极110、125、135、150可将电压加到液晶层120、140上， 以产生可变折射率。

前元件105具有基本曲率，用以在电活性透镜100中产生远距 离视力。前元件105可以用例如光学级玻璃、塑料或玻璃和塑料的 组合制成。前元件105的背面可以涂覆上一种透明导体，例如ITO、 氧化锡或其它导电和光学透明材料，来形成电极110。在透镜的电活 性面积小于整个透镜组件100的实施例中，电极110可以全部设置在 透镜100的电活性面积上，以减小功耗。

电极110上可涂覆对准层115，以提供对液晶层120或任何其它 可变折射率聚合材料层的取向。液晶层120中的分子在有施加电场 时可改变取向，导致入射光经受的折射率的改变。液晶层120可以 是例如向列型、蝶状结构型(层列型)或胆甾醇型。示范的向列相液 晶包括4-戊基-4’-氰基联苯(5CB)和4-(正辛氧基)-4’-氰基联苯 (80CB)。其它的示范液晶包括4-氰基-4’-(正烷基)联苯，4-(正氧烷 基)-4’-氰基联苯，4-氰基-4”-(正烷基)-p-三联苯的各种化合物，以 及市售的混合物如E7，E36，E46以及BDH(British Drug House)-Merck 制造的ZLI系列。

可以在液晶层120的另一侧设置另一对准层122，通常在电极125 之上方。可以用和电极110同样的方式形成电极125，完成电活性透 镜100的一个单元。可以把驱动电压波形加到电极110和125上。

在形成分隔层130之后，这样设置下一个单元，使得其和第一 单元正交对准。分隔层130可以在其一侧支持电活性透镜第一单元 侧的电极125并且在其另一侧支持电活性透镜第二单元的电极135。 分隔层130可用光学级塑料，例如CR39TM、玻璃或其它聚合材料制成。 第二单元中的电活性材料最好和加到电极135、150上的对准层137 的取向对准。优选的取向是使第一单元中的对准层115和122相对于 第二单元的对准层137和145正交取向。如上所述，第二单元也可包 括液晶层140。在后元件155上淀积电极150，就可完成第二单元。 后元件155可以用和前元件105相同的材料构成，并且可以具有能完 成电活性透镜100远视放大率的曲率。

如果电活性透镜100的远视放大率包括象散校正，那么，或者 前元件105或者后元件155可以是复曲面的，并且将其相对于戴透镜 人所需的象散校正适当取向。

在另一种配置中，可在每个单元使用单一的对准层。在所述实 施例中，从电活性透镜100的第一单元中去掉对准层120或122，并 从第二单元中去掉对准层137或145。或者，如果电极110、125、135、 150具有取向，则电极110、125、135、150就可对准液晶层120、140。 这样，所有的对准层120、122、137、145都可以去掉。

在本发明的实施例中，通过在前元件105的后表面、后元件155 的前表面或二者上形成衍射图来产生光放大率。也可以通过代之以 (或附加地)在分隔层130的一侧或两侧形成衍射图来产生光放大率， 衍射图位于元件105和155上。事实上，上述任何一种衍射图的设置 组合都可以，并被认为是在本发明的范围之内。

可以利用许多技术来形成衍射图，包括机加工、印刷和刻蚀。 当利用衍射图来产生光放大率时，液晶层120和140可用来匹配所有 层的折射率以便把衍射图的附加放大率隐藏在一种折射率状态中， 并且用来使所有层的折射率失配，以便在另一种折射率状态下展现 衍射图的放大率，其中，每种状态由施加电压(或电场)是接通还是 断开来定义。

图2示出按照本发明的电活性透镜的另一实施例。所述实施例 包括电活性透镜的双液晶单元200的结构，包括用于产生可变光放 大率的衍射图。所述实施例可用于例如眼镜，以便在整个透镜上提 供可变光放大率。所述实施例也可有利地缓解与使用电活性透镜中 的衍射图相关联的一些问题，例如倾斜的电力线、聚合物衬底双折 射以及透镜元件折射率匹配的困难等。双液晶电活性单元200可包 括：前后衬底元件105、155；电极110、125、135、150；对准层115、 145；液晶层120、140；透明导体涂覆的衬底210；以及聚合物表面 220、230。

前后衬底元件105、155，电极110、125、135、150，对准层115、 145，以及液晶层120、140可以实现如图1所示的类似功能并用类似 材料构成。在所述实施例中，可在前元件105上涂覆透明导体，形 成电极110。电极110上涂覆对准层115。液晶层120邻近对准层115。 如图1所示，当存在施加的电场时液晶层120的分子可改变其取向。

聚合物表面220可包括在聚合物220表面上刻蚀或压制的衍射 透镜图案。聚合物表面220上的衍射图与在液晶层120上刻蚀或压制 的衍射图相符合。电极125可邻近聚合物表面220并由例如ITO形成。 电极125可淀积在由例如玻璃或眼科级塑料制成的薄衬底210的一 侧。衬底210可以是无双折射的。电极135可以淀积在衬底210的另 一侧，由例如ITO形成。

聚合物表面230可邻近电极135。聚合物表面230可包括在聚合 物230表面上刻蚀或压制的衍射透镜图案。可以贴着液晶层140设置 聚合物表面230的衍射图。如图1所示，当存在施加的电场时液晶层 140的分子可改变其取向。对准层145设置在电极150上。电极150 可邻近对准层145并淀积在后元件155上，以完成双液晶电活性单元 200。

在电极125、135淀积到衬底210上之后，可将聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)(或其它适合的光学聚合物材料)旋涂到衬底210的两侧，厚 度为2到10微米，最好在3-7微米范围内。

此外，可将亚微米光栅形式的液晶对准表面浮雕(relief)(未示 出)压印或刻蚀到有衍射透镜图案的表面220、230上。

所述实施例有许多优点。第一，PMMA层下面的电极125、135有 助于维持相对于电极的垂直无倾斜的电力线。这可克服在透明导体 直接设置在衍射图上的设计中存在的倾斜电力线的散焦现象。当倾 斜电力线在衍射透镜表面附近产生斜电场而妨碍在施加电场时在这 些表面上的完全的90°液晶倾角时，会发生散焦现象。这又可能导致 在接通状态出现第二”重象”焦点，从而降低了电活性透镜的性能。本 发明的实施例可以克服这种”重象”焦点。

第二，使用本发明的埋入电极结构可以解决液晶层120、140的 折射率和接触衬底(在此情况下为具有透镜图案的聚合物表面220、 230)的折射率相匹配的问题。如果透明导体直接设置在衍射图上并包 括例如ITO复层(nITO≈2.0)，则透明导体的折射率可能与液晶的普通 折射率(通常nLC≈1.5)不相匹配。这使肉眼可以看见电极125、135， 因而产生电活性透镜的装饰质量问题。于是，在图2的实施例中， 液晶层120、140具有与PMMA层相匹配的折射率，(可能为nsub≈1.5)， 从而”隐藏”了电极125、135，避免被看到。

第三，可以通过在无双折射的衬底上例如玻璃或眼科级塑料上 使用具有图案的旋涂的PMMA来解决衬底双折射问题。就是说，衬底 本身没有双折射，并且薄的旋转复层PMMA也具有可忽略不计的双折 射。

图3示出按照本发明的电活性透镜的另一个实施例。在所述实 施例中，电活性透镜300的电活性区域仅覆盖了透镜300的一部分。 所述实施例可用在例如双焦眼镜中，仅在部分透镜中提供可变折射 率。图3中，透镜300包括双单元和多层，如图1所示。多层可以分 别设置在前后元件105和155的凹槽305和310内。凹槽305和310 可以容纳多层，使多层能容易地密封到透镜300中。元件105、155 可以用例如玻璃或眼科级塑料制成。

实施例可包括失效保险模式，即，当不再施加电压时电活性透 镜回复到平面的不放大状态。这样，在没有电功率时，电活性透镜 不提供光放大率。这种模式，例如在电源失效的情况下，是一种安 全特性。

在本发明的实施例中，通过将一个单元设计成透射波长稍长于 绿色光(550nm)的光而另一个单元透射波长稍短于绿色光的光，可以 减小单元中的色差。在所述实施例中，这两个单元可以同时校正双 折射和色差。

在衍射图表面和液晶层之间的折射率没有显著差别的情况下， 就不存在衍射图对透镜提供的放大率。在这些实施例中，透镜的电 活性放大率都是由衍射图产生的，但仅当液晶和衍射图表面之间有 显著数量的折射率差时才是如此。

图4示出按照本发明的电活性透镜的另一实施例。在所述实施 例中，电活性透镜400的电活性区域被封装在壳体405中，仅覆盖了 透镜400的一部分。所述实施例也可用在例如双焦眼镜中，仅在部 分透镜中提供可变折射率。在所述实施例中，电活性透镜400包括： 前后元件105、155；壳体405；以及电连接器410。前元件105包括 凹槽305，后元件155包括凹槽310。电活性透镜400的各层可包封 在壳体405中。用透明导体制成的电连接器410可以设置在薄塑料带 上并连接到壳体405。塑料带基本上与元件105、155折射率匹配。 电压可通过电连接器410加到壳体405上，以改变电活性区的折射率。 壳体405可设置在凹槽305，310之间。封装壳体405也可模制成半 成品坯件，表面加工为所需的远视放大率。或者，封装壳体405可 设置在后元件155的凹槽310中，然后经表面铸造，将壳体405锁定， 完成所需的远视放大率。壳体405可以用塑料、玻璃或其它适合的 光学级材料制成，且与元件105、155的折射率相匹配。

图5示出按照本发明的电活性透镜的另一实施例。在所述实施 例中，可将电活性透镜舱505设置在电活性透镜的前元件525上面的 凹槽510中来形成电活性透镜500。所述实施例也可用在例如双焦眼 镜中，仅在部分透镜500中提供可变折射率。在所述实施例中，电 活性区可以设置在透镜上面，然后密封到透镜上，形成一个连续的 表面。可以将薄膜导体520附着到透镜舱505上并电连接到前元件525 薄膜上的导电触点515。后元件520可以附着到前元件525上，帮助 提供所需的远视放大率。将电活性舱505放入到前元件505的凹槽510 中之后，可以用折射率匹配材料利用(例如)表面铸造技术来密封前 元件525的前表面，或者仅仅填充折射率匹配材料并抛光到光学光 洁度。这种结构除了能减小或消除双折射外，还可有利地提供机械 稳定性，易于边缘加工和装配到透镜框中，以及易于电连接到电活 性材料上。

图6示出可用于按照本发明的电活性透镜中的电活性材料的电 同心回路的实施例。电同心回路600可以是在电活性透镜中用来向 透镜加电压的电极。例如，在图1中，可以配置回路600来代替电极 110、125、135、150。

在图6中，回路模拟一种具有2π的整数倍的相位重叠的衍射 图。相位重叠是指光线相位在电活性透镜直径方向上的各个位置或 区域重复(或”重叠”)的现象。具有图案的电极结构600包括四个相位 重叠区。较靠近中心的电极610比远离中心的电极620要厚一些。从 图6可见，一组四个电极630构成每个相位重叠区。虽然在图6中每 个区用四个电极，也可在每个区域中使用更多的电极以提高装置的 光效率。

透镜中的四个电极可以是四个具有图案的电极。或者，电极可 以是两个具有图案，两个是实心电极。第二具有图案的电极可用来 使电活性透镜的聚焦抖动，以对强色差进行补偿。此外，所述实施 例可提供连续的聚焦强度，而不需复杂的电互连。

可以通过透镜边缘的细导线或导电带或者通过一组向下穿通透 镜的导电通孔把电触点(未示出)制作到电极上。可以在透镜中两个 单元之一或二者中使电极600具有图案。在双单元设计中，只要放 大率有足够的匹配可解决双折射问题的话，也可以使用一个具有衍 射图的单元，而另一个单元带有具有图案的电极。

当利用同心回路电极600形成衍射图时，被电极600激活的折 射材料可以将相位变换加到入射光波上。所述实施例利用具有从结 构中心向外的可变相位延迟的平面结构来模拟传统的透镜。可变相 位延迟的实现是将可变电压加到不同的电极600上，这样就改变了 电活性材料的折射率分布。自动失效保险模式可在没有施加电压时 不在电活性材料中提供放大率，这样，电活性透镜在电源失效时自 动回复到平面状态。

透镜的电活性部分可以很薄，例如总厚度小于1mm的几分之一。 为获得这个厚度，本发明利用了这一事实，即，对于正弦波，2π倍 数的相位移没有物理意义。换句话说，入射光的相位可以在透镜中 沿方便的闭合曲线重叠。传统的波域片的圆形区域边界就是实例。 这样当电活性透镜的可控偏移度仅为少数几个波的延迟时，就可达 到有用的相位变换以及显著的光放大率。

电活性透镜中相位延迟的空间变化可以根据具体应用来确定。 这些变化可以根据电极600的间距来确定，电极600可以在电活性透 镜的内部用电子学方法来寻址、供电和建立。在示范的向列液晶配 置中，其中晶体用作单轴介质，通过晶体传输的光只局限于特殊的 偏振。否则，可以使用级联的、从正常状态旋转90°相差的两个液晶 单元，以便交换它们的普通和特殊的偏振方向，从而消除双折射。 每种配置都提供特定的折射率。为避免液晶的长期分解、双单元之 间电极化以及电极之间间隙中的随机瞬态电压，电极可用频率和相 位同步的AC电压来驱动。示范频率包括10kHz，示范高压从5到10V， 最好最大在6到8V之间。或者，为与较低的放大率兼容，最好用较 低的电压。可以使用CMOS驱动电路，以便使电活性材料在低于5或 6V时能提供足够的折射率改变。

在一个实施例中，相位重叠区包括很少电极，其区域相互靠近。 或者，可以用较高电阻材料制成的电极来平滑边缘场(所谓”相位倾 斜”)。在另一实施例中，将第二相位变换级联到第一相位变换，方法 是使同一单元中的另一电极形成图案而不是仅仅利用它作为连续的 地平面。

本发明电活性透镜的示范制造方法包括制造一个进入透镜电极 图案的窗口并将电极和电触点焊盘互连。可将第二个窗口连接到电 接地线。然后，将液晶对准层淀积到两个窗口上并加以处理。将两 个适当取向的窗口制作到液晶单元内，方法是例如用含有玻璃间隔 片的环氧树脂在窗口之间建立间隔，然后用液晶填入所建立的间隔， 再用环氧树脂密封窗口。窗口可以横向移位，只要压附到电触点焊 盘上，就可形成电连接。可以借助由计算机辅助设计(CAD)产生的掩 模板利用光刻技术形成电极和互连图案。显影、刻蚀以及淀积等技 术均可利用。在另一种设计中，利用具有导电的层间连接通孔的多 层，以避免互连交叉。

设计电极600时，电极区边界可以设置在2π的倍数处，和传统 的相位重叠一致。所以对于在每个2mπ处的边界位置，第n次重叠 的半径用下式表示：

ρnm＝〔2nm(λf)〕1/2                       (1)

每个区含有多个电极。如果每个区有p个电极，方程(1)可改写 为

ρ1nm＝〔2km(λf)/p〕1/2                    (2)

K＝[p(n-1)+1]＝1，2，3，4，…               (3)

式中1为区内电极的指标，从1到p，而k为依次向外计数的指 标，按照计数k的平方根来维持所述电极边界序列。为将邻近电极 提高到不同的电压，可在电极之间插入绝缘间隔片。所述电极序列 可以用半径随所述计数的平方根增加的圆来分隔。具有相同指标1 的电极，由于它们都应产生同样的相位延迟，故可以用它们之间共 用的电连接线组合在一起，以减少电极的不同电连接线的数量。

另一实施例提出用厚度变化来设定本发明电活性透镜的相位延 迟。在所述实施例中，加到每个电极回路上的电压可以调谐，直到 透镜的相位延迟达到所需数值。于是，各个回路可具有恒定施加的 不同电压来建立适当的相位延迟。或者，可对一个区内的所有电极 加同样的电压，而对不同区的电极加不同的电压。

另一实施例提出因倾斜的光线而在本发明的透镜边缘设定不同 的相位延迟。倾斜的光线是被透镜折射的光线，总是通过透镜边缘 向外传播。于是，倾斜的光线会传播较远的距离，故它们是显著相 位延迟的。在所述实施例中，通过在透镜边缘的电极上加上预定的 恒定电压来补偿这种相位延迟。或者，透镜边缘的各电极可以形成 电压降，使得边缘处的折射率得到适当的修改以便补偿所述相位延 迟。例如，相应地定制电极的导电率或厚度，就可实现这种电压降。

显然，电极600不限于同心回路，根据具体应用可以是任何几 何形状或布局，例如包括像素。布局可能仅受以下因素的局限：制 造限制、电连接和电极分隔的限制、以及有边缘电场的液晶定向器 在小尺寸时非局部弹性性能相互作用的复杂性。此外，电极600的 布局可由电活性透镜的形状来限定。

图7示出本发明电活性透镜的实施例的放大率分布。这些放大 率分布可以用作两个目的：帮助隐藏电活性单元，使观看戴透镜的 人的其它人看不见，以及提供中间放大率。

在所述实例中，电活性透镜700包括：远视部分705，它构成透 镜700的绝大部分；以及电活性单元710，它位于偏心位置，既具有 垂直不共心性又具有水平不共心性。电活性单元710可包括中心放 大率区711、中间放大率区712和外放大率区713。

放大率分布715示出电活性单元710的目标分布。由于单元710 或用衍射元件或用分立像素生产，所以实际的放大率分布不会完全 平整光滑，在邻近元件或像素之间会稍有不连续。在一个实施例中， 单元710的中心区711主要具有所需的附加放大率，可以有10到20mm 宽，优选宽度为10到15mm。从中心区向外移是中间区712，它是放 大率的过渡区，2到10mm宽，优选宽度为3到7mm。中间区712的中 心大约是所需阅读放大率的一半。外部区713可以有1到10mm宽， 优选宽度为2到7mm，可用来提供从中间区712(具有一半的附加放大 率)到远视部分705(此处放大率变为远视放大率)的过渡。

另一放大率分布720示出电活性单元710的另一实施例。在此 实施例中，中心区711构成阅读区，优选宽度为10到20mm或更宽一 些。在中心区711外面，放大率在中间区下降到阅读放大率的一半。 中间区为2到10mm宽，优选宽度为3到7mm。同样，外部区713可 用作从中间到远视放大率的混合，优选宽度为2到7mm。

第三个放大率分布725示出电活性单元710的另一实施例。在 此实施例中，中心区711同样主要提供所需的附加放大率，但可以 更宽，可能宽达30mm，优选宽度在10到20mm之间。中间和外部区712、 713可用作向远视放大率的过渡，组合的优选宽度为3到6mm。

显然，可以有许多种放大率分布。例如，如果电活性区区域包 括整个透镜，如图1所示，，则放大率的过渡和混合可在大得多的 尺寸上发生。

电活性透镜中各个单元的相同或稍有不同的放大率分布可用来 优化透镜的有效放大率分布。例如，在校正双折射时，可使用各单 元中相同的放大率分布。

显然，透镜的电活性部分、透镜本身或电活性部分和透镜二者， 可以是圆形、椭圆形、矩形、方形、有圆角的矩形、倒马蹄形、垂 直方向较长水平方向较短的矩形、各种几何形状的组合或具体应用 需要的任何其它几何形状。

图8示出按照本发明的实施例具有近视和中间视力的电活性透 镜的侧视截面图。在此实施例中，电活性透镜805可以设置在戴透 镜人的眼睛810前面，例如用作眼镜。这样，透镜805可以向戴透镜 的人提供近视、中间和远视观看。当电活性单元没有被光学激活时， 整个透镜的放大率具有校正戴透镜的人的远视视力所需的折射放大 率。当以这样的方式激活电活性透镜，即，所述电活性区域在光学 上有效时，当戴电活性透镜的人直视前方时，中间区815基本上以 视线的法线为中心。中间区815的垂直宽度在6到15mm之间(两半(每 半3到7mm)之和)，优选宽度为6到8mm。电活性区域的阅读(近视) 区820集中在能代表戴透镜的人正常阅读姿势时通过透镜观看的高 度，大约为以透镜上这一点为中心的垂直宽度的一半。阅读区820 的垂直宽度在10到20mm之间，优选宽度为12到16mm之间。对于圆 形的阅读区，阅读区820的水平和垂直宽度可以相等。中间区815的 水平宽度可根据阅读区820的大小和中间区815的垂直宽度而有所不 同。    

图9示出按照本发明的实施例具有近视和中间视力的电活性透 镜的侧视截面图。在此实施例中，电活性透镜805可以设置在戴透 镜人的眼睛810前面，例如用作眼镜。同样，透镜805可以向戴透镜 的人提供近视、中间和远视观看。所述实施例可以在中间和近视视 力区815、820和电活性透镜805的其余部分之间提供混合区905、 910、915。这些混合区可有利地改善放大率区边界的装饰质量，并且 任选地提供光学可用放大率过渡。

例如，可以在中间区815的顶部设置可能2到8mm宽的混合区 905。可以在中间区815和阅读(近视)区820之间设置可能2到6mm 宽的混合区910。并且可以在阅读区820的底部设置混合区915。如 果透镜805的电活性区是圆形并且放大率相对于透镜805的中心对 称，则混合区915可以和混合区905、910完全相同。另一方面，如 果透镜805的电活性区对于电活性区的水平中心线不对称，则混合 区915只是在透镜805的底部从阅读放大率到远视放大率的连续过 渡。此时，混合区915可能小到1到2mm，或者其宽度达中间区815 的宽度和中间区815每一侧的混合区905、910的宽度之和。事实上， 如果需要，混合区915可以一直延续到透镜805的下缘。透镜805的 放大率分布可以是连续的放大率分布，例如图7中线715所示。显然， 图7所示的放大率分布可以用具有图案的电极、物理机加工或刻蚀 的衍射图或任何其它类似机理实现。

具有近视和中间放大率的电活性透镜当戴透镜的人需要时可以 有利地提供附加放大率和/或中间放大率。例如，当戴透镜的人看远 处时，戴透镜的人可以有最佳的远视校正，并有最宽的视野(与单视 力透镜有同样高质量的光学部件)。对比起来，渐进附加透镜(PAL)就 不是这样。在PAL设计中，不希望有的失真和图像突变问题不仅要 牺牲阅读和中间视力区的大小和质量，而且还会影响远视区。这是 因为许多PAL设计会允许一定量的失真渐渐进入到远视区中或周围 以减少透镜中不希望有的散光幅度。这种渐进在业界常称为”软”设 计。本发明的实施例使近视和中间视力区成为电活性而可消除这种 在PAL设计中所见到的影响。

在本发明的实施例中，可以通过用于自动控制电活性区的测距 计控制电活性透镜。在此实施例中，当戴透镜的人看近的或中间物 体时，其近视和中间视力均自动接通，当戴透镜的人看远处物体时， 电活性区自动断开，仅提供远视光学镜片。

在另一实施例中，电活性透镜可包括手动人工代用装置来代替 测距计。在此实施例中，手动人工代用装置可以用电活性透镜控制 器上的开关或按钮启动。按下按钮或开关，戴透镜的人就可进行手 动控制，而测距计则不起作用。戴透镜的人就可从远视手动转换到 近视或中间视力。或者，当测距计检测到戴透镜的人在看近处或中 间的物体，但戴透镜的人想观看远处的某个物体，戴透镜的人就可 按下手动控制开关或按钮而不用测距计控制，使电活性透镜回到远 视放大率。手动控制可以有利地允许戴透镜的人手动调节电活性透 镜，例如当戴透镜的人要清洁玻璃窗而测距计没有检测到在近距或 中间距离处玻璃窗的存在时。

图10示出按照本发明实施例的电活性透镜的级联系统实例。本 发明的实施例包括级联的电活性透镜，它利用顺序的简单的转换和/ 或可编程元件提供能实现高转换复杂度的策略。这些级联的透镜可 以用在复杂的光学系统中(例如激光光学部件，显微镜等)，来有效 地控制可变折射率。这样，可以减少用于控制复杂的自适应电子透 镜的连接线数目和用于控制穿过透镜的光束的控制线数目，同时提 供级联的简单元件的更全面的复杂功能。此外，级联运行为更好的 衍射效率、编程灵活性和减少编程的复杂性作好准备。所以，R个透 镜的线性序列(其中每个透镜能提出N个焦点)就可以提供多达RN个 可分辨的焦点，假定有倍增的分辨率增强。

图10中，两级级联系统1000包括一前一后的两个电活性透镜 1010、1020。在一个实例中，电活性透镜1010的分辨率为N1，电活 性透镜1020的分辨率为N2。故，级联1000的总分辨率为NR＝N1*N2， 这样级联1000为倍增级联。这样，入射光1006通过级联1000的第 一级，即电活性透镜1010，并被分解为光线1016。光线1016通过级 联1000的第二级，即电活性透镜1020，并进一步被分解为光线1026。

电活性透镜1010、1020可包括能加以编程以提供电压分布的同 心透明电极，例如回路，它们又激励透镜1010、1020中的电活性材 料，产生所需的相位分布。在实例中，透镜可在径向方向提供平方(二 次)相位分布。平方相位函数可以看作是加到线性函数上的线性调频 脉冲(chirp)，此线性相位函数是简单的径向光栅。由于所述线性调频 脉冲(chirp)的缘故，线性相位函数在靠近透镜边缘时改变得更快。 因此，平方相位函数可以简化为径向方向的一维函数，其光束的”偏 转强度”从光轴到透镜边缘呈线性增加。例如，同心回路电极在直径 为Dmm的电活性透镜内可具有每毫米L个电极的密度。为获得高衍 射效率，可以对m个相位级编程，使得每单元有m个电极。由于透 镜的最大弯曲放大率可能用在透镜的边缘，所以对于给定的几何形 状所能获得的F#就会有限制。在m相位级的情况下，透镜边缘处的 周期Λ＝m(1000μm/L)。所以，相应的F#＝λ/Λ，式中λ为设计波 长。这样，采用级联电活性透镜710，720就可获得较小F#的透镜。

在编程级联的传统途径中，常会损失效率，因为级联的各级是 独立编程的。为克服此问题，在本发明的实施例中，利用例如分立 -偏置-偏压编程算法可对各级进行联合编程。这种联合途径可有 利地消除级联第二级中的量化误差，从而产生高衍射效率。

图11示出传统级联产生的量化误差，其中级联级是独立编程的。 在此情况下，级联中的每个元件都有量化误差，这种量化误差由于 级联运行会严重影响在所需衍射等级的效率，并在较高衍射等级引 入侧瓣，产生噪声或模糊。

图12示出在按照本发明在级联中误差量化的消除，其中对级联 各级进行联合编程。例如，可利用分立-偏置-偏压算法对电活性 透镜编程并优化透镜性能。编程策略允许级联中第一透镜1010的元 件上有不完善的闪光，并利用在第二级的第二透镜1020所产生的恒 定相位移来校正不同闪光之间的任何相位失配。用所述编程策略， 第一透镜1010可编程为使入射光对准透镜的焦点，不管引入的误差。 这会使所得的光线1016中有不完善的闪光，这又会引起破坏性的干 扰，并且错过所需的焦点。然后将第二透镜1020编程为对通过第一 级的倾斜波前光线1016引入恒定的相位移，使从第二级输出的光线 1026，局部光束的全部倾斜波前，都校正到相对相位。用这种级联编 程，光线1026的中心衍射瓣的强度可达最大，且不会产生乱真噪声 瓣。

所述编程方法可用于上述所有电活性透镜的设计中，包括具有 可寻址电极的像素化电极图案。

电活性透镜中的液晶对准层可以制造成实现均匀的(平面的)或 垂直(垂直的)排列。在具有均匀排列的液晶层的实施例中，可以用 线性偏振紫外光照射紫外敏感材料，然后通过光物理过程产生各向 异性的表面固定力。所得的材料具有均匀排列。这种材料的一个实 例是聚乙烯肉桂酸盐。在另一实施例中，可机械揉搓聚合物薄膜使 材料均匀对准。这种材料的一个实例是聚乙烯醇。

在具有垂直排列的液晶层的实施例中，示范材料包括一种常用 的生化化合物，称为L-α-磷脂酰胆碱(Phosphatidylocholine)，通常 称为卵磷脂，以及十八烷基三乙氧基甲硅烷 (octadecyltriethoxysilane)(ODSE)，一种长碳氢链材料，可将它自 身以择优方式附着到衬底表面上。这些材料使活性透镜衬底的表面 疏水，衬底又吸引液晶分子的疏水端，导致它们垂直排列。

图13示出可用来向本发明的电活性透镜实施例提供驱动电压波 形的电子电路实施例。在所述实施例中，电子电路是一个”浮动电容 器”电路1300。”浮动电容器”电路1300例如可以包括：开关1301- 1305；电容器1320、1322；以及放大器1330。开关1301-1305可以 断开和接通，以控制加到电容器1320、1322以及放大器1330上的电 压。这样，就可以控制和延迟来自电路1300的输出波形的相位。这 种控制相位延迟可以用来向电活性透镜提供可变电压。使用浮动电 容器电路1300及其结果波形就可提供输出信号的可变峰值-峰值电 压和结果波形的非常小的DC分量。因而，浮动电容器电路1300可有 利地利用相位延迟来创造多焦点的眼科透镜。结果波形可以是例如 方波或能够驱动电活性透镜的任何其它波形，可根据透镜的应用而 定。

虽然以上已经给出了本发明的各种实施例，但符合本发明同样 精神和范围的其它实施例也是可能的。