СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ АХРОМАТИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ
METHOD OF PRODUCING A TUNABLE ACHROMATIC LENS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области оптических систем, и более конкретно к ахроматической оптической системе с переменным фокусным расстоянием, и может быть применено, в частности, в системах дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), очках с перестраиваемым фокусом, в объективах фото– и видеокамер, а также в различных оптических приборах научного и прикладного характера.
Уровень техники
В разрабатываемых в настоящее время оптических системах для различных применений, таких как, например, системы дополненной реальности или виртуальной реальности (AR/VR), очки с перестраиваемым фокусом, объективы фото– и видеокамер, а также в различные оптические приборы научного и прикладного характера в настоящее время используются электроактивные дифракционные линзы, в частности жидкокристаллические (ЖК) линзы или линзы на основе полимерного геля. Одной из проблем, присущих таким линзам, является наличие хроматических аберраций (хроматизма), природа которых обусловлена дисперсией показателя преломления материала линзы (жидких кристаллов или полимерного геля), а также дифракционной структурой используемых линз, т.е. показатель преломления для материала зависит от длины волны оптического излучения. Хроматизм обусловлен различием фокусного расстояния для различных длин волн излучения и изменяется в зависимости от фокусного расстояния линзы. Кроме того, выделяют поперечные хроматические аберрации, также известные как «хроматизм увеличения», которые проявляются как размытые «радужные» полосы по краям изображаемых объектов, и поддаются коррекции программными средствами, а также осевые хроматические аберрации, также известные как «хроматизм положения», проявляющиеся в виде «радужных» ореолов вокруг светлых точек на изображении, которые невозможно корректировать программно.
Для повышения качества изображения желательно устранение (компенсация, коррекция) хроматических аберраций на изображении, и в особенности осевых хроматических аберраций (хроматизма положения). В рассматриваемом типе перестраиваемых линз регулировка фокусного расстояния осуществляется за счет изменения фазовой функции электроактивной линзы под действием напряжения, подаваемого на ее электроды. Изменение оптической силы таких линз может осуществляться множеством различных способов, однако задача компенсации хроматических аберраций при этом не решается.
Кроме того, важной задачей для усовершенствования перестраиваемых линз рассматриваемого типа является сокращение времени отклика линзы, уменьшение ее толщины и снижение необходимого напряжения на электродах для регулирования линзы.
Как правило, в уровне техники время отклика сокращается путем уменьшения толщины перестраиваемой линзы и/или повышения напряжения на электродах.
В источнике US 8717681 B2 (BAE Systems PLC, опубликовано 6 мая 2014 г.) раскрыта ахроматическая жидкостная оптическая система, содержащая две различные жидкости, с деформируемой мембраной, форма которой (значение кривизны) может регулироваться с использованием пьезоэлектрических исполнительных механизмов. Две различных жидкости, используемые в данной оптической системе, обладают разными показателями дисперсии. К недостаткам данного решения можно отнести необходимость применения механических средств регулировки, продолжительное время отклика и высокое рабочее напряжение.
В источнике US 7352514 B2 (Koninklijke Philips Electronics N.V., опубликовано 1 апреля 2008 г.) раскрыта ахроматическая система линз на основе эффекта электросмачивания, содержащая две различные несмешиваемые жидкости, поверхность соприкосновения которых образует мениск, форма которого изменяется в зависимости от прикладываемого напряжения, при этом образующий мениск граничный слой между двумя жидкостями является смачиваемым первой жидкостью. К недостаткам данного решения можно отнести продолжительное время отклика, ограничение размера апертуры инерционными эффектами используемых жидкостей, а также высокое рабочее напряжение.
В источнике CN 108845382 A (Hangzhou Dianzi University, 20 ноября 2018 г.) раскрыто использование гармонической дифракционной линзы Альвареса для обеспечения определенного диапазона фокусных расстояний, зависящих от поперечного сдвига линз по отношению друг к другу, при этом дифракционные поверхности обеих линз уменьшают хроматические аберрации. К недостаткам данного решения можно отнести необходимость механической регулировки и большие габариты оптической системы.
В источнике A. Márquez et al, Achromatic diffractive lens written onto a liquid crystal display, doi.org/10.1364/OL.31.000392, опубликовано 1 февраля 2006 г., предлагается уменьшение хроматических аберраций посредством мультиплексирования фазовой функции для каждой длины волны на жидкокристаллическом дисплее (LCD). К недостаткам данного известного решения можно отнести недостаточно высокое качество получаемого изображения.
Известно решение, раскрытое в источнике US 9164206 B2 (Университет Аризоны, опубликовано 20 октября 2015 г.), которое относится к системе ахроматических линз с переменным фокусным расстоянием, содержащей дифракционную линзу и рефракционную линзу. В данном известном решении для уменьшения хроматических аберраций используется соединение жидкостной линзы и дифракционной линзы, представляющей собой жидкокристаллическую линзу. К недостаткам данного известного решения можно отнести необходимость механической регулировки жидкостной линзы, продолжительное время отклика, ограничение апертуры инерционными эффектами жидкости, а также высокое рабочее напряжение на электродах. Данное известное решение можно рассматривать в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
С учетом вышеуказанных недостатков уровня техники задача настоящего изобретения состоит в создании оптической системы и способа с использованием электроактивной линзы, при использовании которых достигается технический результат, состоящий в уменьшении хроматических аберраций в оптической системе. Кроме того, обеспечивается сокращение времени отклика электроактивной линзы и уменьшение ее толщины, а также снижение напряжения, которое необходимо подать на электроактивную линзу для получения надлежащего времени отклика.
Для решения упомянутой задачи, в соответствии с одним аспектом изобретение относится к оптическому устройству, содержащему по меньшей мере одну электроактивную линзу, содержащую слой электроактивного материала, подложки и электродную структуру; причем по меньшей мере одна электроактивная линза выполнена с возможностью приложения напряжения к электроактивному материалу для формирования дублетной фазовой функции. Дублетную фазовую функцию получают посредством: получения фазовой функции гармонической линзы (максимальная фаза 2πN радиан, где N – целое число больше 1), получения фазовой функции киноформа (максимальная фаза 2π радиан); и сложения фазовой функции гармонической линзы и фазовой функции киноформа. N может быть целым числом от 2 до ktΔn/2π, округленного в меньшую сторону, где k – волновое число, t – толщина линзы, Δn – оптическая анизотропия. В варианте выполнения электроактивная линза является перестраиваемой электроактивной линзой, при этом электроактивная линза выполнена с возможностью перестройки фокусного расстояния за счет изменения напряжения, прикладываемого к электроактивному материалу электроактивной линзы. Электроактивная линза может быть жидкокристаллической (ЖК) линзой или линзой на основе полимерного геля.
В другом аспекте изобретение относится к способу получения электроактивной линзы с уменьшенными хроматическими аберрациями, содержащему этапы, на которых: получают оптическую силу киноформа; получают оптическую силу гармонической линзы; получают фазовую функцию гармонической линзы (максимальная фаза 2πN радиан); получают фазовую функцию киноформа (максимальная фаза 2π радиан); складывают фазовую функцию гармонической линзы и фазовую функцию киноформа для получения дублетной фазовой функции; и прикладывают напряжение к электроактивному материалу электроактивной линзы для реализации упомянутой дублетной фазовой функции.
Еще в одном аспекте изобретение относится к машиночитаемому носителю, на котором сохранены инструкции, которые при выполнении процессором побуждают процессор выполнять способ по вышеуказанному аспекту.
В других аспектах изобретение также может относиться к оптической системе, содержащей упомянутое оптическое устройство, а также к одной или более электроактивным линзам, способам и устройствам формирования изображений, компьютерным программам и программным продуктам, машиночитаемым носителям.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
На Фиг. 1 показан график фазовой функции киноформа;
На Фиг. 2 показан график фазовой функции гармонической линзы;
На Фиг. 3 показан график фазовой функции ахроматического фазового дублета согласно изобретению;
На Фиг. 4 показан график вольт–фазовой характеристики электроактивного материала;
На Фиг. 5 показан график распределения напряжения вдоль апертуры для ахроматического фазового дублета согласно изобретению;
На Фиг. 6 показан график остаточной модуляции оптической силы (хроматической аберрации), иллюстрирующий минимальную хроматическую аберрацию, получаемую в перестраиваемой электроактивной линзе согласно изобретению;
На Фиг. 7 показан график фазовой функции ахроматического фазового дублета согласно варианту выполнения изобретения, в котором перестраиваемая электроактивная линза реализована в виде стека перестраиваемых оптических ячеек;
На Фиг. 8 схематично проиллюстрирована структура перестраиваемой электроактивной линзы согласно варианту выполнения изобретения;
На Фиг. 9 схематично проиллюстрирован примерный вариант выполнения системы дополненной реальности (AR), содержащей три перестраиваемых электроактивных линзы согласно изобретению.
Осуществление изобретения
Для повышения качества изображения желательно устранение (компенсация, коррекция) хроматических аберраций на изображении, и в особенности осевых хроматических аберраций (хроматизма положения).
Кроме того, важной задачей для усовершенствования перестраиваемых линз рассматриваемого типа является сокращение времени отклика линзы, уменьшение ее толщины и снижение необходимого напряжения на электродах для регулирования линзы.
Известно, что время отклика электроактивной линзы пропорционально квадрату ее толщины. Для перестраиваемой электроактивной линзы, в частности в случае жидкокристаллической (ЖК) линзы, время отклика линзы рассчитывается по формуле:
on
где основными параметрами, характеризующими ЖК линзу, являются t – толщина жидкокристаллической линзы, и V – прикладываемое напряжение.
Для различных применений перестраиваемой электроактивной линзы с устранением (компенсацией) хроматизма, в особенности для применения линзы в системах дополненной реальности (AR), желательно обеспечить следующие эффекты:
– сокращение времени отклика
– уменьшение толщины линзы (t)
– снижение прикладываемого напряжения
Для решения указанной задачи согласно изобретению предлагается использование «дублета» из фазовых функций двух линз – киноформа и гармонической линзы. Отличие фазовых функций киноформа и гармонической линзы от фазовой функции классической линзы – наличие модуляции фазы по уровню 2π (или 2πN), что позволяет уменьшить толщину материала.
В источнике US 9164206 B2, рассматриваемом в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения, раскрыто использование системы ахроматических линз, содержащей дифракционную линзу и рефракционную линзу, фазовые функции которых образуют своего рода «дублет», позволяющий устранить или по меньшей мере уменьшить хроматизм. Для этих целей в известном решении реализовано физическое соединение рефракционной линзы, выполненной в виде жидкостной линзы, и дифракционной линзы, представляющей собой жидкокристаллическую линзу. Однако использование системы из двух перестраиваемых линз вызывает необходимость механической регулировки компонентов системы. Кроме того, толщина линз обуславливает продолжительное время отклика, и кроме того для управления перестраиваемыми линзами в ближайшем аналоге требуется высокое рабочее напряжение на электродах.
В отличие от ближайшего аналога, согласно изобретению упомянутый «дублет» из двух фазовых функций реализуется в одной перестраиваемой электроактивной линзе, в качестве которой может использоваться, например, перестраиваемая жидкокристаллическая (ЖК) линза или перестраиваемая линза на основе полимерного геля. Следует отметить, что указанные выше типы линз приведены лишь в качестве примера, и специалистам в данной области техники могут быть очевидны и иные виды материально–технических средств, пригодных для реализации изобретения. Использование только одной перестраиваемой электроактивной линзы позволяет отказаться от механических средств регулировки оптической системы, уменьшить необходимое рабочее напряжение и сократить время отклика перестраиваемой электроактивной линзы при решении задачи уменьшения хроматических аберраций. В одном примерном варианте выполнения изобретения обеспечивается толщина перестраиваемой электроактивной линзы около 0,3 мм, в то время как в известных аналогах толщина линз составляет более 3 мм.
Далее будет описан способ получения упомянутого «дублета» фазовых функций согласно предлагаемому изобретению. Согласно изобретению, перестраиваемая электроактивная линза обеспечивает «ахроматический фазовый дублет» за счет получения и сложения фазовых функций, характерных для двух линз – киноформа и гармонической линзы. При этом обеспечивается баланс между оптической силой киноформа и оптической силой гармонической линзы, что позволяет устранить (компенсировать) или по меньшей мере уменьшить хроматические аберрации.
В соответствии с предлагаемым способом, для «дублета» фазовых функций, реализуемого перестраиваемой электроактивной линзой согласно изобретению, получают оптические силы киноформа и гармонической линзы, фазовые функции которых составляют упомянутый «дублет». Здесь изобретение будет рассмотрено на примере перестраиваемой электроактивной линзы, представляющей собой жидкокристаллическую (ЖК) линзу, однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено применением ЖК линзы и, в качестве альтернативы, перестраиваемая электроактивная линза может представлять собой, например, линзу на основе полимерного геля.
Максимальная оптическая сила системы линз, состоящей из двух линз, получается путем сложения оптических сил этих двух линз. Для условной оптической системы, содержащей киноформ и гармоническую линзу, максимальная оптическая сила может быть рассчитана по формуле:
D
D
D
0
k
h
где  – максимальная оптическая сила,  – оптическая сила киноформа, и  – оптическая сила гармонической линзы.
При этом условие ахроматичности (отсутствия хроматических аберраций) для такой «системы» линз будет иметь вид:
V
V
k
h
где  – число Аббе для киноформа, а  – число Аббе для гармонической линзы.
В результате решения системы уравнений, состоящей из двух уравнений, представленных выше, оптическая сила для киноформа может быть рассчитана следующим образом:
Оптическая сила для гармонической линзы рассчитывается следующим образом:
D
D
k
h
Если рассмотреть в качестве материала для перестраиваемой электроактивной линзы жидкокристаллический (ЖК) материал E7, то при условии максимальной оптической силы в 4 диоптрии (дптр) оптические силы для киноформа и гармонической линзы  и будут равны 1,3 дптр и 2,7 дптр, соответственно. Следует отметить, что данные значения используются лишь в качестве иллюстративного примера, поясняющего заявляемое изобретение, и ни в коей мере не предназначены для ограничения объема изобретения конкретными величинами.
В случае, если необходимо применение новой перестраиваемой электроактивной линзы для осуществления заявляемого изобретения, рассчитывается толщина такой линзы, подходящая для реализации оптической системы с рассчитанными характеристиками. Следует отметить, что изобретение может быть также реализовано с применением уже существующей перестраиваемой электроактивной линзы, которая будет надлежащим образом регулироваться посредством приложения напряжения необходимой величины в зависимости от толщины имеющейся линзы, характеристик электроактивного материала и т.п.
Σ
Следует отметить, что короткое время отклика, т.е. быстрое регулирование оптической силы перестраиваемой электроактивной линзы, может быть обеспечено за счет уменьшения толщины линзы и/или повышения прикладываемого напряжения. Рассматривая в качестве неограничивающего иллюстративного примера перестраиваемую жидкокристаллическую линзу и ее применение в области систем дополненной реальности (AR), можно принять в качестве исходных параметров для расчета толщины линзы время отклика τ в 0,9 с и величину прикладываемого напряжения V 10 вольт (В). В качестве примера электроактивного материала линзы можно рассмотреть материал Е7, который обладает следующими характеристиками:
с – вращательная вязкость жидких кристаллов
Н – коэффициент упругости Франка
м – электрическая постоянная
– диэлектрическая анизотропия жидких кристаллов
V
th
Пороговое напряжение  рассчитывается по формуле:
На основании вышеприведенных характеристик пороговое напряжение составляет 1,2 В.
Для расчета потребной толщины перестраиваемой жидкокристаллической линзы время отклика состоит из времени релаксации и времени переориентации жидких кристаллов:
где  – время переориентации жидких кристаллов, и  – время релаксации.
Время переориентации жидких кристаллов рассчитывается по следующей формуле:
Время релаксации рассчитывается следующим образом:
Таким образом, время отклика составит:
– +
Толщина t линзы рассчитывается по следующей формуле:
Для вышеуказанных параметров, взятых в качестве неограничивающего примера, толщина t линзы будет равна 31 мкм.
Для полученных значений оптической силы киноформа и гармонической линзы получают фазовые функции киноформа и гармонической линзы, соответственно. Фазовая функция киноформа представлена на Фиг. 1, а фазовая функция гармонической линзы представлена на Фиг. 2.
Фазовую функцию гармонической линзы (максимальная фаза 2πN радиан, где N=2, 3, …) получают исходя из рассчитанной или известной толщины линзы с условием обеспечения быстрого регулирования оптической силы линзы, т.е. короткого времени отклика перестраиваемой электроактивной линзы.
Фазовая функция гармонической линзы рассчитывается по следующей формуле:
D
h
Применяя рассчитанную выше толщину t, равную 31 мкм, к дублетному фазовой функции (2π+2πN), и учитывая вычисленное ранее значение  в 2,7 дптр, можно получить следующее выражение:
где  – оптическая анизотропия (анизотропия показателей преломления) жидких кристаллов, которая, в качестве неограничивающего примера, может быть принята равной 0,21, а  – базовая длина волны, которая, в качестве неограничивающего примера, может быть принята равной 0,588 мкм.
На основании вышеуказанного, значение N может быть рассчитано по следующей формуле:
Учитывая вышеприведенные параметры, значение N будет равно 10, т.е.  (см. Фиг. 2). Следует отметить, что вышеуказанные параметры приведены лишь в качестве иллюстративного примера и не предназначены для ограничения объема заявляемого изобретения конкретными величинами. Параметры могут изменяться в зависимости от вида и характеристик выбранного электроактивного материала, толщины перестраиваемой электроактивной линзы, необходимой максимальной оптической силы перестраиваемой электроактивной линзы и т.п.
Фазовая функция киноформа (максимальная фаза  радиан) также служит для обеспечения быстрого регулирования оптической силы линзы.
Фазовая функция киноформа рассчитывается по следующей формуле:
Далее полученные фазовую функцию киноформа и фазовую функцию гармонической линзы складывают, получая «дублетную» фазовую функцию. Сложение фазовых функций дает «дублетную» фазовую функцию с максимальной оптической силой, составляющей сумму оптических сил гармонической линзы и киноформа (в рассматриваемом неограничивающем примере равную 1,3 дптр+2,7 дптр=4 дптр), с величиной фазы, равной сумме величин для гармонической линзы и киноформа (в рассматриваемом неограничивающем примере 2π+20π=22π радиан).
Сложение фазовой функции гармонической линзы с фазовой функцией киноформа позволяет устранить дисперсию материала, свойственную гармонической линзе, посредством дифракционной дисперсии киноформа, в результате чего хроматическая аберрация гармонической линзы и хроматическая аберрация киноформа в сумме по существу дают минимальную (остаточную) хроматическую аберрацию. Профили фазовых функций гармонической линзы и киноформа имеют противоположный друг другу наклон кривой дисперсии (зависимости оптической силы от длины волны), и сложение фазовых функций гармонической линзы и киноформа дает остаточную модуляцию оптической силы (изменение оптической силы в зависимости от длины волны) (см. график на Фиг. 6). Упомянутая остаточная модуляция оптической силы, которая обусловливает хроматические аберрации, в частности осевые хроматические аберрации («хроматизм положения»). Сложение фазовых функций согласно изобретению дает очень малую остаточную модуляцию оптической силы и, следовательно, очень малые хроматические аберрации по сравнению с известными решениями из уровня техники.
При этом, учитывая, что:
где  – остаточная модуляция оптической силы (хроматическая аберрация),  – максимальная оптическая сила, чем больше значение N, тем меньше в результате хроматические аберрации в рассматриваемой оптической системе. Однако, с другой стороны, увеличение N приводит к увеличению толщины перестраиваемой электроактивной линзы, что, в свою очередь, негативно сказывается на времени отклика.
Минимальные хроматические аберрации для перестраиваемой линзы с рассматриваемыми параметрами можно оценить следующим образом.
N
Для фазовой функции гармонической линзы (2π):
0
При N, равном 10, и D, равной 4 дптр, минимальные хроматические аберрации («хроматизм положения») для перестраиваемой электроактивной линзы с рассматриваемыми параметрами составляют 0,36 дптр. По существу, величина минимальных хроматических аберраций обеспечивается балансом между максимальной оптической силой линзы, ее толщиной и временем отклика.
Полученная «дублетная» фазовая функция реализуется либо в новой перестраиваемой электроактивной линзе, для которой необходимые параметры (в частности, толщина, фазовый профиль) рассчитаны как описано выше, либо в существующей перестраиваемой электроактивной линзе посредством приложения необходимых величин напряжения. Для приложения напряжения необходим расчет напряжения, которое следует приложить к электродам, воздействующим на электроактивный материал линзы (например, управляющим жидкими кристаллами в случае с жидкокристаллической (ЖК) электроактивной линзой). Для этих целей формируется карта напряжений для электродов перестраиваемой электроактивной линзы. Карта напряжений вычисляется на основании вольт–фазовой характеристики электроактивного материала перестраиваемой электроактивной линзы. Зависимости между напряжением и фазой и их применение к «дублетной» фазовой функции проиллюстрированы на Фиг. 3–5.
Для существующей линзы вольт–фазовая характеристика может быть измерена различными способами, известными из уровня техники (см., например, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. – John Wiley & Sons, 2011, или Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. – Elsevier, 2011). Затем для измеренной вольт–фазовой характеристики определяют профиль функции напряжения для «дублетной» фазовой функции (см. Фиг. 5), и затем полученный профиль функции напряжения применяют к перестраиваемой электроактивной линзе посредством подачи напряжения на электроды, управляющие электроактивной линзой, в соответствии с «картой напряжений», соответствующей полученному профилю функции напряжения.
В качестве одного из возможных вариантов выполнения изобретения в оптической системе, в которой компенсируются хроматические аберрации, может быть дополнительно сокращено время отклика (повышено быстродействие) путем реализации перестраиваемой электроактивной линзы в виде набора (стека) жидкокристаллических (ЖК) ячеек, в котором очень большая амплитуда фазовой функции (22π) дублета разделена, в качестве неограничивающего примера на 11 ЖК ячеек, каждая из которых имеет амплитуду фазовой функции в 2π (см. Фиг. 7). В таком случае амплитуда фазовой функции будет уменьшена в 11 раз, что приведет к сокращению времени отклика оптической системы, пропорциональному квадрату толщины одной линзы, и таким образом время отклика будет сокращено в 121 раз. При этом общая толщина стека, исходя параметров, приведенных выше в качестве неограничивающего примера, составит около 3,3 мм, что в общем является пригодным для большинства применений предлагаемого изобретения, в частности для применения в системах дополненной реальности (AR).
В пределах объема правовой охраны изобретения, ахроматический фазовый «дублет» может быть реализован даже в статической линзе, выполненной не в виде электроактивной линзы на основе жидкокристаллического электроактивного материала или полимерного геля, а из оптического стекла. В таком случае статическую линзу можно выполнить с профилем, который физически воспроизводит профиль «дублета» из киноформа и гармонической линзы. При этом толщина линзы может быть вычислена по формуле:
В качестве неограничивающего примера, толщина такой линзы, исходя из примерных параметров, приведенных выше (максимальная оптическая сила 4 дптр, N=11), составит около 3,3 мм, что также делает данную линзу пригодной для применения в различных оптических системах в области техники, к которой относится настоящее изобретение, и при этом для данной линзы также будет обеспечиваться технический эффект, состоящий в устранении хроматических аберраций и, в частности, «хроматизма положения».
В альтернативном варианте выполнения, ахроматический фазовый дублет может быть сформирован посредством двух электроактивных перестраиваемых линз, одна из которых воспроизводит фазовую функцию киноформа, а другая – фазовую функцию гармонической линзы. При таком варианте выполнения линзы размещаются одна за другой на пути распространения оптического излучения, в частности без воздушного зазора между линзами.
В другом альтернативном варианте выполнения, ахроматический фазовый дублет может быть сформирован посредством сочетания перестраиваемой электроактивной линзы и статичной линзы. При этом упомянутые перестраиваемая электроактивная линза и статичная линза размещаются друг за другом на пути распространения оптического излучения, и при этом одна из перестраиваемой электроактивной линзы и статичной линзы может реализовывать фазовый профиль киноформа, а другая – фазовый профиль гармонической линзы. Такой вариант может быть предпочтительным для некоторых применений рассматриваемой оптической системы, таких как, в качестве неограничивающего примера, объектив телескопа или бинокля. Однако в данном варианте выполнения минимальные хроматические аберрации обеспечиваются только для одной величины оптической силы (только одного фокусного расстояния), в то время как перестройка оптической системы на другие величины оптической силы приводит к увеличению хроматических аберраций.
Еще в одном альтернативном варианте выполнения оптическая система может содержать сочетание перестраиваемой электроактивной линзы и статичной линзы, обеспечивающей дополнительную регулировку оптической силы. В таком варианте выполнения перестраиваемая электроактивная линза реализует дублетную фазовую функцию согласно изобретению с диапазоном оптической силы, в качестве неограничивающего примера, от –4 до+4 дптр, а фазовая функция статичной линзы, которая может быть выполнена, например, из стекла, обеспечивает результирующий диапазон оптической силы, в качестве неограничивающего примера, от 0 до +8 дптр.
На Фиг. 8 схематично проиллюстрирована структура перестраиваемой электроактивной линзы согласно варианту выполнения изобретения. В качестве неограничивающего примера показана перестраиваемая жидкокристаллическая (ЖК) линза. Позицией 1 на Фиг. 8 обозначены верхняя и нижняя подложки. Материал верхней и нижней подложек в перестраиваемых оптических ячейках согласно изобретению выбирается из прозрачных в видимом диапазоне материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, стекло, пластик, кварц. Толщина подложки согласно изобретению находится в диапазоне 3–20 мкм. Принципы выбора толщины подложки на основании конкретного материала подложки в конкретных вариантах реализации изобретения хорошо известны в данной области техники.
Позициями 2 и 3 обозначены, соответственно, верхний и нижний слои электродов, где слой 2 – это слой заземления, а слой 3 – это слой электродной структуры, путем подачи напряжения на которую в соответствии с «картой напряжений», как описано выше, осуществляется перестройка электроактивной линзы и реализация ахроматического фазового дублета. Верхний и нижний слои 2 и 3 электродов могут быть выполнены из любого подходящего прозрачного проводящего материала, в частности из оксида индия–олова (ITO), оксида индия, оксида олова, оксида индия–цинка (IZO), оксида цинка и т.п.). В качестве неограничивающего примера, каждый слой имеет толщину от около 30 до около 200 нм, и может, в свою очередь, при необходимости состоять из нескольких отдельных слоев. Слой 3 электродов может иметь электродную структуру любой подходящей формы, в частности в виде концентрических колец, полос и т.п.
Позицией 4 на Фиг. 8 обозначен слой жидких кристаллов в варианте выполнения, в котором перестраиваемая электроактивная линза представляет собой жидкокристаллическую (ЖК) линзу. В других вариантах выполнения вместо жидких кристаллов может использоваться, например, полимерный гель.
Позицией 5 на Фиг. 8 показаны спейсеры, которые задают толщину слоя жидких кристаллов, и могут быть выполнены, например, из майлара, стекла или кварца. Позицией 6 обозначены выравнивающие слои, позволяющие ориентировать жидкие кристаллы, и которые могут быть выполнены из поливинилового спирта (PVA), полиимида (PI), нейлона 6,6 и т.п.). Позицией 7 обозначен подводящий (управляющий) электрод, соединяющий перестраиваемую электроактивную линзу с источником напряжения, который может быть выполнен из алюминия, оксида индия–олова, никеля и других материалов. Позицией 8 на Фиг. 8 обозначен изолирующий слой, который может быть выполнен, например, из диоксида кремния.
Стрелками на Фиг. 8 показаны направления натирки, выполняемой с целью ориентации/выравнивания жидких кристаллов в ячейке. Условное обозначение k указывает волновой вектор, а условное обозначение E указывает состояние поляризации падающего оптического излучения.
Перестраиваемая электроактивная линза может иметь прямоугольную, круглую или любую другую пригодную форму апертуры, в зависимости от выбранной формы выполнения электродной структуры. Следует отметить, что форма апертуры линзы не ограничена круглой и прямоугольной, и может также быть, в частности, прямоугольной, многоугольной или криволинейной, т.е. согласно изобретению апертура перестраиваемой электроактивной линзы может иметь произвольную форму, определяемую практическими требованиями к оптической системе, ограничениями на габариты, требованиями к форме и размерам электродов и т.п.
Прикладываемое к электродам напряжение изменяет ориентацию жидких кристаллов в варианте выполнения перестраиваемой жидкокристаллической (ЖК) линзы или кристаллов полимерного геля в варианте выполнения, в котором перестраиваемая электроактивная линза выполнена на основе полимерного геля, вследствие чего изменяется величина показателя преломления. Поскольку согласно изобретению электроды расположены в виде электродной структуры по существу вдоль всей поверхности перестраиваемой электроактивной линзы, и к каждому электроду прикладывается определенное напряжение, то таким образом формируется профиль напряжений («карта напряжений»), который соответствует требуемому фазовому профилю перестраиваемой линзы (который согласно изобретению представляет собой описанный выше «ахроматический фазовый дублет») с требуемой оптической силой. Переход от профиля напряжений к фазовому профилю производится с использованием зависимости фазы от напряжения (см. Фиг. 4), наличие которой характерно для каждого оптически активного материала (более подробно см., например, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. – John Wiley & Sons, 2011, или Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. – Elsevier, 2011).
Электродная структура перестраиваемой электроактивной линзы может содержать электроды любой формы, подходящей для конкретного применения рассматриваемой оптической системы. В частности, электроды могут иметь форму концентрических кругов, параллельных полос, массива многоугольников, или любую неправильную форму в зависимости от желаемой формы дискретов изображения. Выбор формы электродов связан, в частности, с типом перестраиваемой электроактивной линзы, которую нужно сформировать для данного варианта выполнения изобретения.
Перестраиваемая электроактивная линза может быть выполнена в зависящей или не зависящей от поляризации падающего света конфигурации. Так, например, для формирования перестраиваемой электроактивной линзы, пропускание которой не зависит от поляризации падающего света, выбирают параллельные электроды в форме полос (для фокусировки света как с x–, так и y–направлением поляризации). Кроме того, для фокусировки света как с x–, так и y– поляризацией также можно выбрать концентрические кольцевые электроды. Кроме того, выбор конфигурации электродов может быть обусловлен необходимостью уменьшения толщины оптической системы (тогда выбирают кольцевые электроды) или простотой производства электродов (тогда выбирают полосовые электроды). Специалистам в данной области техники будут очевидны различные средства и методы фокусировки поляризованного или неполяризованного света. В качестве примера, схема для фокусировки света раскрыта в источнике Sun Y. N. et al. Development of liquid crystal adaptive lens with circular electrodes for imaging application //Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VII. – International Society for Optics and Photonics, 2003. – Т. 4987. – С. 209–220.).
Как указано выше, перестраиваемая электроактивная линза может содержать (или по существу представлять собой) по меньшей мере одну перестраиваемую оптическую ячейку. Перестраиваемые оптические ячейки могут иметь различную конфигурацию и могут быть расположены определенным образом по отношению друг к другу. Кроме того, при наличии более одной перестраиваемой оптической ячейки упомянутые перестраиваемые оптические ячейки могут быть соединены волноводом. В одном из неограничивающих вариантов выполнения волновод соединяет перестраиваемые электроактивные линзы с источником виртуальных изображений, а в другом варианте выполнения волновод расположен между перестраиваемой электроактивной линзой, которая непосредственно соединена с источником виртуальных изображений, и перестраиваемой электроактивной линзой, которая расположена на стороне системы, обращенной к внешнему миру. Такая конфигурация оптической системы в особенности применима к системам дополненной реальности (AR), где необходимо обеспечить возможность просмотра виртуальных изображений и наблюдения реального мира с достаточной резкостью и без хроматических аберраций.
Оптическое устройство согласно изобретению, содержащее по меньшей мере одну перестраиваемую электроактивную линзу, способную реализовывать ахроматический фазовый «дублет» как описано выше, может быть применено в различных устройствах и системах, в которых желательно устранение или уменьшение (компенсация) хроматических аберраций, и в особенности «хроматизма положения», а также уменьшение толщины перестраиваемой электроактивной линзы и сокращение времени ее отклика. В качестве неограничивающего примера, оптическое устройство может быть применено в системах съемки фото– или видеоизображений, таких как, например, камера смартфона, планшетного или другого портативного компьютера, фотоаппарата, где перестраиваемая электроактивная линза используется для формирования изображения с уменьшенными хроматическими аберрациями на матрице системы съемки.
Другой возможной областью применения заявляемого оптического устройства являются мультифокальные очки для коррекции зрения пользователя, где перестраиваемая электроактивная линза может использоваться в конструкции очков для наблюдения пользователем реального мира с коррекцией рефракционной ошибки одного или обоих глаз пользователя, и в таком случае значение оптической силы используемой перестраиваемой электроактивной линзы корректируется на величину рефракционной ошибки глаз пользователя.
Еще одной возможной областью применения заявляемого оптического устройства являются системы дополненной или виртуальной реальности (AR/VR), где изображение с дисплея (в случае применения изобретения в системе VR) переносится в глаза пользователя через перестраиваемую электроактивную линзу с устранением или уменьшением хроматических аберраций, либо пользователь наблюдает внешний мир с наложенными на него изображениями дополненной реальности в системе AR. При этом в случае с системой AR оптическое устройство согласно изобретению также может использоваться с коррекцией или без коррекции рефракционной ошибки глаз пользователя.
На Фиг. 9 показан один из возможных вариантов выполнения системы AR, в котором могут быть использованы три перестраиваемых электроактивных линзы, указанные как ЖК дублет 1, ЖК дублет 2 и ЖК дублет 3, соответственно. При этом система может работать в двух различных режимах. В первом режиме перестраиваемая электроактивная линза (указанная как ЖК дублет 1) используется для трансляции виртуального изображения с оптической силой, скорректированной на величину рефракционной ошибки глаз пользователя, вызванной пресбиопией, миопией и т.п. Перестраиваемая электроактивная линза (указанная как ЖК дублет 2) (и при необходимости также перестраиваемая электроактивная линза, указанная как ЖК дублет 3) используется для компенсации рефракционной ошибки глаз пользователя для наблюдения внешнего мира через систему AR.
Во втором режиме система AR работает без коррекции рефракционной ошибки глаз пользователя (для пользователя с нормальным зрением), при этом перестраиваемая электроактивная линза (указанная как ЖК дублет 2) служит для компенсации оптической силы, индуцированной перестраиваемой электроактивной линзой (указанной как ЖК дублет 3), которая, в свою очередь, служит для трансляции виртуального изображения от источника виртуального изображения (дисплея) через волновод в глаз пользователя.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально–технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.