CN103069311A - 流体填充透镜和其眼科应用 - Google Patents

Abstract

流体透镜组件包括前刚性透镜、半柔性膜以及位于两者之间的流体层，半柔性膜适于从最小充胀水平扩张到最大充胀水平。流体透镜组件的前透镜构造成具有负的光学焦强。在一实施例中，流体透镜组件可以构造成当膜扩张到最大充胀水平时具有整体负的光学焦强。在一实施例中，流体透镜可以构造成当膜在最小充胀水品和最大充胀水平之间扩张时具有整体负的光学焦强。

Description

流体填充透镜和其眼科应用

技术领域

本发明的实施例涉及流体填充透镜，并且具体地涉及可变流体填充透镜。

背景技术

如在美国专利No.2,836,101中所描述的，从约1958年就已经知道基本的流体透镜，该专利的全部内容通过引用而结合于此。更近的示例可以在Lab Chip的2008年第8卷第395页和在WIPO公报WO2008/063442中的Tang等人的“Dynamically Reconfigurable Fluid Core Fluid Cladding Lensin a Microfluidic Channel”中找到，这些文件中的每个的全部内容通过引用而结合于此。流体透镜的这些应用涉及光子学、数字电话机和照相机技术、以及微电子学。

对于眼科应用已经提出了流体透镜（例如参见美国专利No.7,085,065，其全部内容通过引用而结合于此）。在所有的情况下，流体透镜的优点（包括宽的动态范围、提供适应性校正的能力、鲁棒性和低成本）必须与孔径尺寸、泄露趋势和性能稳定性方面的限制相平衡。065号专利例如已经公开了涉及在眼科应用中使用的流体透镜中的流体的有效密封的几个改进和实施例，不过不限于这些（例如参见美国专利No.6,618,208，该专利的全部内容通过引用而结合于此）。通过将附加的流体注入到透镜腔体中，通过电润湿和施加超声波脉冲，并且通过利用在引入诸如水的充胀剂时交联的聚合物中的充胀力，来进行流体透镜中的焦强调节。

发明内容

在本发明的一个实施例中，流体透镜组件包括：前刚性透镜；半柔性膜，其适于从最小充胀水平扩张到最大充胀水平；以及位于前述两者之间的流体层。本实施例的流体透镜组件的前透镜构造成具有负的光学焦强。

在某些实施例中，流体透镜组件构造成当膜充胀到最大充胀水平时流体透镜组件具有整体负的光学焦强。在其他实施例中，流体透镜组件能构造成当膜在最小充胀水平和最大充胀水平之间扩张时具有整体负的光学焦强。

以下将参照附图详细地描述本发明的其他实施例、特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作。

附图说明

结合于本文并形成说明书的一部分的附图图示了本发明，并且还与说明书一起用来说明本发明的原理，并使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明。

图1示出了根据本发明第一实施例的透镜的一部分的侧视立体图。

图2是示出根据本发明实施例的覆盖正的焦强范围的各种透镜组件的光学特性的表。

图3示出了根据本发明实施例的透镜的一部分的侧视立体图。

图4示出了根据本发明实施例的透镜的一部分的侧视立体图。

图5是根据本发明实施例的覆盖负的焦强范围和负至正的焦强范围的各种透镜组件的光学特性的表。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

尽管论述了具体的构造和布置，但是应该理解到这样做仅仅是为了解释的目的。本领域的技术人员将认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以使用其他构造和布置。对于相关领域中的普通技术人员显然的是，本发明还可以用在各种其他应用场合。

注意，说明中的的表述“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等表示所描述的实施例能包括具体的特征、结构或者特性，但是不必每个实施例均包括该具体的特征、结构或者特性。而且，这样的表述不一定指相同的实施例。而且，当与实施例相关地描述具体的特征、结构或者特性时，要在本领域的普通技术人员的知识范围内与无论是否明确说明的其他实施例相关联地应用该特征、结构或者特性。

根据要提供视觉校正的本发明实施例的流体透镜的使用比传统的视觉校正的装置（诸如刚性透镜和接触透镜）具有重要的优点。首先，流体透镜可容易调节。因而，对观察附近物体要求提供附加正的焦强校正的老花眼者能装配有与距离规定匹配的基本焦强的流体透镜。使用者然后能调节流体透镜，以获得所需要的附加正焦强校正以观察处于中等和其他距离处的物体。

其次，流体透镜能由佩戴者在期望的焦强范围连续地调节。结果，佩戴者能针对具体的光环境中的具体物距来调节焦强以精确地匹配折射误差。因而，流体透镜允许焦强的调节以补偿眼睛的焦点的自然深度（其取决于佩戴者的瞳孔尺寸，而瞳孔尺寸又取决于周围光亮度）的变化。例如，许多患者报告所谓的“夜近视”的情况，其中，患者在低的环境光亮度下（例如，当晚上在户外）变成近视。这种情况是由瞳孔在低光亮度下瞳孔的放大或者扩大引起的，瞳孔的放大或者扩大造成包括角膜、自然晶状体和瞳孔在内的眼睛的聚焦设备的球面等效焦强的降低。根据本发明实施例，患有夜近视的患者能调节流体透镜以补偿夜近视。

第三，尽管一般承认与一弧分（1/60度）的图像分辨率对应的20/20视力表示可接受的视觉品质，但是人类的虹膜能分辨更细微的分辨率。已经知道健康人的虹膜能分辨20弧秒（1/300度）的分辨率。设计成使得患者能实现此较高的视力水平的校正眼镜具有约0.10D或者更好的分辨率。该分辨率能用连续可调节流体透镜元件（诸如此处描述的流体透镜的实施例）来实现。

根据本发明的实施例，术语流体透镜组件包括流体透镜、连接管和容纳多余流体的储液器，它们全部连接以形成单个密封腔体。术语流体透镜元件仅仅是指流体透镜本身，其包括刚性透镜、柔性膜和两者之间的流体层。

一个或者多个致动系统（未示出）容纳在用于调节流体透镜的焦强的眼镜框架（未示出）中。眼镜组件能包括构造成接收一个或者多个流体透镜的眼镜框架。该框架可以是任何形状，并且可以由塑料、金属或者任何其他适合的材料制成。框架还可以简单地是围绕透镜缠绕或者以其他方式连接到透镜的线路或管路。

在包括一个或者多个流体透镜的眼镜组件的实施例中，每个流体透镜可以设置有自己的致动系统，使得用于每只眼睛的透镜能独立地被调节。此特征允许诸如屈光参差患者的使用者单独地校正每个眼睛中的折射误差，以在双眼中均实现适合的校正，带来更好的双眼视觉和双眼总和（binocular summation）。

致动系统可以安装在眼镜组件的支脚件上或者支脚件内，使得其尽可能不引人注目，同时维持操作的便利性。每个流体透镜可以设置有开口，该开口连接到管路，该管路在另一端处附接到多余流体的储液器。将储液器连接到流体透镜的管路可以穿过框架铰链。储液器可以被容纳在沿着支脚的长度而延伸的槽内，并且可以往回折叠以将附加的流体通过连接管路挤压到流体透镜组件中。类似地，储液器可以展开以将流体从流体透镜组件吸入到储液器中，以降低流体透镜的正焦强。

在实施例中，流体透镜、连接管路和储液器一起形成密封的单元。提供手段以挤压储液器以将流体通过连接管路推送到流体透镜中。例如，挤压储液器的手段能是以下形式，冲击隔膜以增大储液器内的压力的柱塞、用于挤压储液器的卡钳或者本领域的普通技术人员知道的任何其他流体泵或者致动器。包括示例性密封单元的示例性致动系统例如在美国申请No.12/399,368中公开，该申请的全部内容通过引用而结合于此。

因为通过柔性膜响应于流体被泵入或者泵出流体透镜元件而扩张来控制流体透镜元件的焦强，理论上它能在该特定的流体透镜元件的设计极限内提供连续的球面焦强校正范围。在实践中，不同的患者当向不同的患者提供相同的流体透镜元件时这些患者将获得不同的调节能力的极限。通常，临床研究表明对不同图像模糊的感知的极限在从约0.05D至0.15D的范围内。

图1示出了根据本发明实施例的流体透镜组件100的一部分的侧视立体图。此实施例的透镜可以设计成覆盖正焦强范围，例如+10D至+2D。

流体透镜组件100包括至少一个刚性透镜本体110、柔性膜120和填充位于膜120和刚性透镜本体110之间的空隙的流体层140，该柔性膜120在边缘130处附接到透镜本体110，以形成密封防止流体进入或者离开在刚性透镜本体110和膜120之间形成的腔体。

刚性透镜本体110例如能由折射率例如约为1.59的双酚A的聚碳酸酯制成。可选的实施例可以包括由折射率不同的不同材料制成的刚性透镜本体110。例如，如果折射率为1.667的芳香聚氨基甲酸酯用来制作刚性透镜，则正焦强范围能用前透镜的更平坦的曲率来实现，一些使用者认为这在美观方面比较好。其他可以用来制作刚性透镜的材料例如但不限于乙二醇双烯丙基碳酸酯（DEG-BAC）、聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA、以及专用的复合聚脲，其商标名为Trivex（PPG）。

刚性透镜一般使用一对模具由聚合物铸造或者模制。模具的表面的曲率可以匹配对于特定的库存单元（SKU）所要求的复曲面规格。提供相当大的焦强调节范围的能力使流体透镜组件相对于传统的眼科透镜在成本和SKU数量方面有重要的优势。例如，约-0.25D至约-7.25D的负焦强范围能被用于仅校正球面误差的三个SKU和用于在约0.0D至约-4.00D的范围内校正球面和像散误差两者的51个SKU覆盖。

在实施例中，这些实施例的刚性透镜的光学器件（尤其是与空气接触的表面）能非球面化，以校正离轴入射的球面像差，并且还减小透镜厚度。

在实施例中，柔性膜120由交联聚合物或者能伸展以在充胀时呈现球体形状但是在不充胀时将返回到原来的形状的聚合物制成。膜210能在不同点位具有不同的厚度，并能在不同方向具有不同的机械应力模量或者在不同点位具有不同的机械应力模量。膜20的可选实施例可以包括以上特征的任何组合。

当非圆流体透镜充胀时，充胀的表面的曲率随着方位而变化，并发展出像散。在实施例中，通过改变作为施加的机械或者流体静应力的方向的函数的、膜的刚度，或者通过改变相对液体透镜的几何中心的位置，来最小化这种引发的像散误差。膜120的厚度轮廓能通过例如对膜进行注塑成形或者吹塑成形而产生。膜120的弹性模量的方位依赖性能通过例如在升高的温度下双轴地压迫膜然后在应变下冷冻而提供。在实施例中，允许2.0:1至3.0:1的应变比。

例如通过将刚性高模量涂层施加到膜120并根据驰度表的形式所规定的按照逐点位地改变涂层的厚度，还能按照点位来调制膜120的拉伸模量。这种涂层可以是诸如例如SiOx或者SixNy的陶瓷。附加地或者可选地，可以使用诸如矾土（Al2O3或者TiO2）的其他气相沉积陶瓷涂层。例如当通过化学或者物理气相沉积涂覆涂层时使用掩膜，或者通过使用预编程的掩盖装置改变表面对气相形式的涂层的曝光时间，可以涂覆具有形状的涂层，其中，该掩盖装置以给定的速度沿着规定的轨迹移动。

在实施例中，膜120对腔体内的流体的扩散提供可靠的和耐久的阻挡，并对消费级的眼科应用具有抗穿刺性。在实施例中，膜120由具有高玻璃化转变温度（诸如100℃或者更高（例如，130℃或者更高））、高熔点的定向或者局部结晶的聚合物制成，不过它们可以具有相对低的玻璃化转变温度（例如，聚氟乙烯，TEDLARM，由DE的Wilmington的DuPont公司供应）和高的断裂伸度（诸如120%或者更高），这将提供足够的韧性和抗穿刺性。用于膜的聚合物的玻璃化转变温度和熔点在表1中给出。如果诸如PEEK（聚醚酮）或者含氟聚合物（诸如TEDLAR、聚偏氟乙烯（PVDF）或者PTFE）的局部结晶聚合物用于膜120，则熔点可以是150℃或者更高。诸如聚降冰片烯的聚烯烃可以用作膜材料。适合用作膜材料的其他聚合物例如但是非限制性地包括聚砜、聚亚胺酯、聚硫尿烷、聚对苯二甲酸亚乙酯、环烯和脂肪族或者脂环族聚醚的聚合物。

表1

图2是示出根据本发明各种实施例的覆盖正焦强范围的各种透镜组件（诸如，图1的透镜组件）的光学特性的表。针对具有由折射率为1.59的双酚A的聚碳酸酯制成的刚性透镜本体110的透镜组件计算各个值。用来计算表2的各个值的透镜组件还包括由折射率为1.50的硅酮（聚硅氧烷）制成的流体140。本领域的普通技术人员将认识到根据此处描述的实施例可以使用其他透镜和流体材料以提供可调节能力和/或刚性透镜焦强的不同范围。

图2的表的第一列提供了本发明的流体透镜组件100的实施例的光学特性。此实施例包括具有约295mm的曲率半径的刚性透镜本体110。刚性透镜本体110的焦强约为3.0D，并且刚性透镜本体110的前曲面具有约116mm的曲率半径。

流体透镜组件100的此实施例的焦强在膜120为平坦时为最小的正数。此实施例的流体透镜的光学焦强约为1.7D。结果，当膜120为平坦时，流体透镜组件100的此实施例的整体光学焦强约为4.7D。

因而，通过将额外的流体注入到腔体中，从而造成流体压力的增大并造成膜120充胀，可以因此升高流体透镜组件100的整体光学焦强。在一个实施例中，在充胀之后，膜的曲率约为125mm。结果，流体透镜组件的此实施例的焦强在充胀时约为7.7D。因而，在充胀之后，流体透镜元件的焦强增大约3.0D。

图3示出了根据本发明另一实施例的透镜的一部分的侧视立体图。此实施例的透镜可以设计成覆盖低的正焦强以及零焦强和低的负焦强，例如，从+1.75D至-1.00D。

在实施例中，流体透镜组件300包括至少一个刚性透镜本体310、柔性膜320、以及填充膜320和刚性透镜本体310之间的空隙的流体层340，柔性膜320在边缘330处附接到透镜本体310，以形成密封来防止流体进入或者离开在刚性透镜本体310和膜320之间的形成的腔体。

图4示出了根据本发明另一实施例的透镜的一部分的侧视立体图。此实施例可以设计成覆盖负焦强范围，例如，-10D至-2D。

在实施例中，流体透镜组件400包括至少一个刚性透镜本体410、柔性膜420、以及填充膜420和刚性透镜本体410之间的空隙的流体层440，柔性膜420在边缘430处附接到透镜本体410，以形成密封来防止流体进入或者离开在刚性透镜本体410和膜420之间的形成的腔体。

刚性透镜本体410是具有凹形的内表面以实现低的整体焦强的负刚性透镜。在实施例中，柔性膜420适合于设置在刚性透镜本体410的前部，使得柔性膜420定位成当佩戴时远离使用者的眼睛。在一个实施例中，例如，刚性透镜的前曲面约为3.00D，刚性透镜的焦强约为-1.00D，并且背面的曲率半径约为147.5mm。结果，流体透镜的焦强在最低焦强下约为3.39D，并且整体组件的焦强是2.39D。因而，对于此实施例的可调节能力的范围约为2.39D至约5.39D。

在实施例中，流体透镜组件400适于实现整体负光学焦强。在此实施例中，刚性透镜本体410是具有凹形的内表面的负刚性透镜。柔性膜420在边缘430处附接到透镜本体410，以形成密封来防止流体进入或者离开刚性透镜本体410和膜420之间形成的腔体，并且流体层440填充形成在膜420和刚性透镜本体410之间的空隙。在此实施例中，流体透镜组件400构造成使得当膜420充胀时，包括膜420和流体440的流体透镜的焦强比刚性透镜本体410的负焦强更偏正。如果刚性透镜自身足够地负，即使柔性膜充胀时，流体透镜组件400也实现整体负焦强。

图5是根据本发明各种实施例的覆盖负焦强范围和负至正焦强范围的各种透镜组件的光学特性的表。针对具有由折射率为1.59的双酚A的聚碳酸酯制成的刚性透镜本体410的透镜组件计算各个值。用来计算表5的各个值的透镜组件还包括由折射率为1.50的硅酮（聚硅氧烷）制成的流体440。本领域的普通技术人员将认识到当使用不同材料时可以获得不同的值。

此处公开的流体透镜组件的实施例的光学焦强涉及五个参数：（1）刚性透镜的焦强，（2）与流体接触的刚性透镜的表面的曲率，（3）膜的曲率，（4）流体的折射率，以及（5）流体层的厚度。透镜系统因而能被分析为具有三个表面、两个折射率（刚性透镜和流体的材料）和两个厚度的系统。因为流体透镜组件的实施例的焦强仅仅在正的方向上改变，刚性透镜本身的焦强是流体透镜组件能被调节到的最小的焦强值。

为了覆盖正焦强的范围，选择刚性透镜的正焦强的范围。还选择刚性透镜的前表面（还称为前曲面或者基本曲面）的曲率半径。这种选择处理可以包括考虑每个构造的成像品质，以及诸如面部包覆的美观方面的因素。给定透镜的前表面可以基于材料的折射率来设计。

在实施例中，为了这些计算目的，流体透镜组件的焦强可以被简化为刚性透镜的焦强、流体透镜元件的焦强、和刚性透镜的与流体接触的表面的曲率半径的函数。膜的折射率不必考虑，因为在此构造中，膜很薄并能模制成在充胀的全范围上厚度仍然一致。不过，膜的折射率仍然是重要的设计参数，因为它可以与流体透镜中流体的折射率相当。

前述示例展示了覆盖通常的人口所要求的视觉校正的球面范围的方法。刚性透镜还能设置有复曲面校正，以校正像散误差。在实施例中，此校正布置在刚性透镜与空气接触的表面上。人口的通常的像散误差的范围以0.25D为步进量从约-0.25D至约-4.00D，从而覆盖95%的人口。

尽管以上已经描述了本发明的各种实施例，应该理解到它们仅仅通过示例而非限制来表现。对于相关领域的一般技术人员明显地，在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行形式和细节的变化。因而，本发明的宽度和范围不应该由以上所述的任一个示例性实施例限制，而是应该仅仅根据权利要求书和其等同范围来限定。

此外，前述摘要的目的是使美国专利和商标局以及对专利或者法律术语或者短语不熟悉的一般而言的公众和特指的本领域科学家、工程师和实践者从粗略的检查就快速地确定应用的技术公开内容的性能和本质。摘要不意在以任何方式限制本发明的范围。

Claims (19)

1.一种流体透镜组件，包括：

前刚性透镜；

半柔性膜，其适于从最小充胀水平扩张到最大充胀水平；以及

位于前述两者之间的流体层；

其中，所述前透镜构造成具有负的光学焦强。

2.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述前透镜还构造成具有双凹形几何形状。

3.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述流体透镜组件构造成当所述膜扩张到所述最大充胀水平时所述流体透镜组件具有整体负的光学焦强。

4.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述流体透镜组件构造成当所述膜在所述最小充胀水平和所述最大充胀水平之间扩张时所述流体透镜组件具有整体负的光学焦强。

5.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述流体透镜组件构造成当所述膜扩张到所述最大充胀水平时所述流体透镜组件具有整体正的光学焦强。

6.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述流体透镜组件构造成当所述膜在所述最小充胀水平和所述最大充胀水平之间局部扩张时所述流体透镜组件具有整体正的光学焦强。

7.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述流体透镜组件构造成在所述最小充胀水平和所述最大充胀水平之间具有3屈光度的光学焦强范围。

8.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述流体透镜组件构造成具有非圆的形状。

9.根据权利要求1所述的流体透镜组件，其中，所述前透镜的与所述流体层相邻的表面是凹形的。

10.根据权利要求8所述的流体透镜组件，其中，所述前透镜的不与所述流体层相邻的表面是凹形的。

11.一种校正目镜，其包括两个流体透镜组件，每个流体透镜组件包括：

前刚性透镜；

半柔性膜，其适于从最小充胀水平充胀到最大充胀水平；以及

位于前述两者之间的流体层；

其中，所述前透镜构造成具有负的光学焦强。

12.根据权利要求10所述的校正目镜，其中，所述流体透镜组件中的一个或多个流体透镜组件构造成当所述膜充胀到所述最大充胀水平时所述一个或多个流体透镜组件具有整体负的光学焦强。

13.根据权利要求10所述的校正目镜，其中，所述流体透镜组件中的一个或多个流体透镜组件构造成当所述膜在所述最小充胀水平和所述最大充胀水平之间扩张时所述一个或多个流体透镜组件具有整体负的光学焦强。

14.根据权利要求10所述的校正目镜，其中，所述流体透镜组件中的一个或多个流体透镜组件构造成当所述膜充胀到所述最大充胀水平时所述一个或多个流体透镜组件具有整体正的光学焦强。

15.根据权利要求10所述的校正目镜，其中，所述流体透镜组件中的一个或多个流体透镜组件构造成当所述膜在所述最小充胀水平和所述最大充胀水平之间局部扩张时所述一个或多个流体透镜组件具有整体正的光学焦强。

16.根据权利要求10所述的校正目镜，其中，所述流体透镜组件中的一个或多个流体透镜组件构造成在所述最小充胀水平和所述最大充胀水平之间具有3屈光度的光学焦强范围。

17.根据权利要求10所述的校正目镜，其中，所述流体透镜组件中的一个或多个流体透镜组件构造成具有非圆的形状。

18.根据权利要求10所述的校正目镜，其中，所述流体透镜中的一个或多个包括与所述流体层相邻的凹形表面。

19.根据权利要求17所述的校正目镜，其中，所述流体透镜中的一个或多个包括与所述流体层相邻的凹形表面。

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