УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МЕМБРАННЫЙ УЗЕЛ С ДЕФОРМИРУЕМОЙ НЕКРУГЛОЙ МЕМБРАНОЙ (ВАРИАНТЫ)
IMPROVED MEMBRANE UNIT WITH DEFORMABLE NON-CIRCULAR MEMBRANE (VERSIONS)

В настоящем изобретении предложен усовершенствованный мембранный узел с деформируемой некруглой мембраной, выполненный с возможностью управляемого регулирования формы мембраны путем изменения давления текучей среды на мембрану. Изобретение, в частности, относится к узлам, в которых мембрана избирательно деформируется сферически или в соответствии с другим многочленом Цернике. В некоторых вариантах осуществления изобретения узел может представлять собой оптическую заполненную жидкостью линзу с переменным фокусным расстоянием, в которой мембрана прозрачна и образует одну оптическую поверхность линзы, кривизна которой может регулироваться по существу по существу по всей протяженности линзы при минимальном оптическим искажении, которое иначе появилось бы вследствие некруглого характера линзы. В других вариантах мембрана может быть зеркальной и/или непрозрачной. Возможно также применение мембранного узла в акустических преобразователях и тому подобное. Заполненные текучей средой линзы с переменным фокусным расстоянием известны в данной области техники. Такие линзы обычно включают заполненную жидкостью прозрачную оболочку, причем противоположные оптические поверхности линзы образованы двумя противоположными, отстоящими друг от друга стенками оболочки, одна из которых представляет собой гибкую прозрачную мембрану. Например, в US 1269422 описана линза с противоположными стенками дугообразной формы, которые соединены вместе своими фомками по окружности и могут регулироваться, приближаясь друг к другу или отодвигаясь друг от друга, а между стенками находится слой текучей среды. Давление текучей среды в оболочке может регулироваться, при этом изменяется степень кривизны мембраны и тем самым оптическая сила линзы. В некоторых случаях может регулироваться объем оболочки, как в US 1269422 или WO 99/061940 AI. В альтернативном варианте может регулироваться количество текучей среды в оболочке, как в US 2576581, US 3161718 и US 3614215. В обоих случаях увеличение давления текучей среды в оболочке вызывает деформацию гибкой мембраны.
Возможны различные применения регулируемых линз, например, в фотокамерах и другом оптическом оборудовании. Одной из возможностей применения таких линз является использование их в очках. Регулируемая линза особенно полезна для коррекции старческой дальнозоркости - состояния, при котором способность глаза фокусироваться на близких объектах все больше уменьшается с возрастом. Регулируемая линза в этом случае имеет преимущество, так как пользователь может хорошо видеть объекты на различных расстояниях, от дальних до ближних. Это более эргономично, чем бифокальные линзы, в которых коррекция зрения вблизи обеспечивается в нижней области линзы, что позволяет пользователю видеть близкие объекты только когда он смотрит вниз.
Недостаток заполненных текучей средой линз, раскрытых в указанных выше документах, заключается в том, что они должны быть круглыми или по меньшей мере по существу круглыми, с жестким краем, чтобы мембрана сохраняла сферическую форму, иначе возникает нежелательное оптическое искажение.
Однако в некоторых случаях круглая форма не является предпочтительной. Так, очки круглой формы считаются недостаточно привлекательными эстетически. Круглые линзы могут быть также непригодными или непрактичными в некоторых областях применения, например, в оптических приборах.
Поэтому желательно создать регулируемую некруглую линзу, в которой линза не искажается по мере увеличения ее оптической силы.
Из патента US 5371629 известна некруглая линза с переменным фокусным расстоянием, включающая жесткую линзу, которая обеспечивает коррекцию зрения пользователя на дальность, и заполненную жидкостью линзу, ограниченную растяжимой эластомерной мембраной, для регулируемого дополнительного видения вблизи. Текучая среда, имеющая постоянный объем, находится в поле зрения между эластичной мембраной и жесткой линзой. Изменение оптической силы заполненной текучей средой линзы достигается путем смещения мембранной опоры, к которой прикреплена внешняя кромка натянутой эластомерной мембраны. В US 5371629 заявлено, что форма растянутой мембраны по существу сферическая, хотя внешний контур мембраны не круглый благодаря тому, что при движении мембраны ее опора изгибается заданным управляемым образом. Конкретнее, толщина мембранной опоры изменяется по ее окружности, и в US 5371629 утверждается, что при правильном распределении момента инерции сечения мембранной опоры по ее периметру форму мембранной опоры при ее отклонении можно сделать такой, что в результате получится по существу сферическая мембрана, несмотря на то, что форма мембраны в свободном состоянии не круглая. Конфигурацию мембранной опоры, необходимую для получения требуемой деформации, для какой-либо конкретной линзы можно рассчитать методом конечно-элементного анализа (КЭА) или другими способами. Однако заполненная текучей средой линза в US 5371629 по различным причинам непрактична и так и не нашла коммерческого использования. В частности, несмотря на приведенные в US 5371629 утверждения, в нем не раскрывается заполненная текучей средой линза, позволяющая избежать нежелательного искажения при растяжении мембраны, а степень искажения в заполненной текучей средой линзе, соответствующей US 5371629, делает ее непригодной для использования.
В заявке WO 95/27912 A1 предлагается обходное решение, предусматривающее использование некруглого опорного мембранного кольца, имеющего круглое центральное отверстие, но в нем не применяется по-настоящему некруглая линза, и это довольно громоздкое устройство, неоптимальное с эстетической точки зрения.
Аналогичным образом, в других, неоптических, областях применения также желательна возможность регулировать форму мембраны управляемым образом. Например, поверхность с управляемо изменяемой сферичностью или формой в соответствии с другим многочленом Цернике была бы полезна в области акустики для создания некруглых преобразователей, таких как громкоговорители. Многие изделия выиграли бы от применения некруглых возбудителей вследствие ограниченного пространства и типичной геометрии продукта, например, телевизора или мобильного телефона. В производстве возбудителей было бы выгодно сохранение сферичности мембраны переменной кривизны, поскольку сферическая деформация обеспечила бы такое поведение излучаемых волн, как если бы они исходили из точечного источника, что позволило бы избежать интерференционных картин в излучаемых волнах давления.
Однако немодифицированная форма деформированной некруглой мембраны, которая закреплена по кромке, не является сферической. Следовательно, создание избирательно регулируемой некруглой поверхности было бы желательно для улучшения рабочих характеристик некруглых возбудителей для применения в акустике.
Поэтому в одном аспекте настоящего изобретения предлагается мембранный узел с деформируемой мембраной в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что в мембранном узле с деформируемой мембраной, таком, например, как заполненная текучей средой линза, в которой гибкая оболочка содержит постоянный объем жидкости, а мембрана растянута с приобретением заданной формы благодаря изменению объема оболочки для изменения давления жидкости в ней, необходимо тщательно устанавливать положение точек регулирования, в которых к опорному мембранному кольцу приложено усилие для регулирования объема оболочки. Тщательно контролируя точки регулирования, в которых к опорному мембранному кольцу приложено усилие, и позволяя опорному мембранному кольцу свободно изгибаться между точками регулирования, можно добиться полуактивного регулирования формы мембраны. Жесткость на изгиб опорного кольца изменяется на его протяжении, так что при активации кольцо соответствует требуемому профилю, который обеспечивает заданную форму мембраны. Предпочтительно жесткость на изгиб по окружности кольца может быть изменена путем изменения осевого момента инерции сечения кольца. Средства обеспечения относительного перемещения опорного кольца и опоры оболочки для регулирования объема оболочки могут включать средства перемещения опорного кольца или опоры. Указанные средства перемещения могут быть устроены так, чтобы сжимать оболочку, уменьшая ее объем и тем самым увеличивая давление текучей среды внутри оболочки, что заставляет мембрану растягиваться наружу относительно оболочки, приобретая выпуклую форму. Так, в некоторых вариантах осуществления изобретения средства перемещения могут быть устроены так, что они сжимают оболочку в первом направлении, к опоре, увеличивая давление текучей среды внутри нее, а мембрана растягивается наружу во втором противоположном направлении.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается мембранный узел с деформируемой мембраной, заявленный в пункте 6 формулы изобретения. В одном из вариантов средства перемещения кольца или опоры могут быть устроены так, что они расширяют оболочку, увеличивая ее объем и тем самым снижая давление текучей среды в оболочке, так что мембрана растягивается внутрь и приобретает вогнутую форму. Средства перемещения опорного кольца или опоры для регулирования объема оболочки могут представлять собой избирательно приводимое в действие устройство, включающее один или более компонентов, действующих между опорным мембранным кольцом и опорой для перемещения опорного кольца и/или опоры относительно друг друга для регулирования объема оболочки.
Предпочтительно гибкая оболочка может включать одну стенку, образованную мембраной, и другую, противоположную заднюю стенку, которая соединена с кромкой мембраны таким образом, что она запечатывает оболочку и делает ее герметичной. В некоторых вариантах осуществления изобретения противоположные стенки могут быть соединены непосредственно друг с другом. Также оболочка может включать периферийную боковую стенку, расположенную между двумя противоположными стенками. Боковая стенка может быть гибкой, так что она позволяет противоположным стенкам приближаться друг к другу или отодвигаться друг от друга, регулируя объем оболочки. Задняя стенка может быть жесткой или по существу жесткой, или может быть стабильно закреплена, по меньшей мере вокруг своей кромки.
Средства перемещения опорного кольца или опоры могут быть устроены так, что они действуют между опорным мембранным кольцом и задней стенкой. В некоторых вариантах осуществления изобретения задняя стенка может представлять собой часть опоры оболочки, то есть являться неподвижной деталью, относительно которой действуют регулирующие средства.
Изобретение особенно применимо к некруглым мембранам, кромка которых в неактивированном состоянии плоская, а при активации отклоняется от плоскости. Однако изобретение равно применимо к круглым мембранам, где при активации кромка мембраны аналогичным образом отклоняется от плоскости, и мембрана принимает заданную форму. В частности, изобретение относится также к круглым мембранам, где заданная форма не сферическая.
Чтобы получить при активации заданную форму мембраны, опорное кольцо должно при активации приобретать профиль, в котором одна или более областей кольца смещены в одном направлении от плоскости отсчета, за которую принимается кольцо в неактивированном состоянии, и/или одна или более областей кольца смещены от плоскости отсчета в другом, противоположном, направлении. Чтобы получить при активации требуемый профиль, к опорному кольцу прилагается усилие в каждой точке регулирования. Авторы изобретения поняли, что должна быть по меньшей мере одна точка регулирования в каждом секторе опорного кольца, где под «сектором» понимается часть кольца, лежащая между двумя соседними точками перегиба или минимальными точками профиля, которые являются локальными минимумами смещения кольца при деформировании в направлении усилия, приложенного в точке регулирования, например, в первом направлении внутрь оболочки.
Поскольку минимальная точка определяется как локальный, а не глобальный минимум в направлении силы, прилагаемой в соседних точках регулирования (и, таким образом, локальный, а не глобальный максимум в направлении, противоположном направлению приложения силы, например, во втором направлении, наружу относительно оболочки), понятно, что в этих точках кольцо может фактически смещаться в том или другом направлении либо не смещаться вовсе от плоскости отсчета. В принципе кольцо может во всех точках двигаться в том или другом направлении от плоскости отсчета либо оставаться неподвижным в плоскости отсчета, в зависимости от формы периметра, профиля поверхности и требуемой активации. В некоторых вариантах осуществления изобретения, где силы, имеющие противоположные направления, приложены в соседних точках регулирования для получения требуемого профиля кольца при деформировании мембраны, точка регулирования может быть расположена между двумя точками перегиба в профиле опорного кольца. Однако силы, прилагаемые в точках регулирования, обычно все действуют в одном направлении, так что сектор кольца находится между соседними локальными минимумами, как описывалось выше. В некоторых вариантах осуществления изобретения кольцо может быть некруглым, а заданная форма может иметь центр. В таких вариантах минимальные точки минимального смещения могут также быть минимальными точками в том смысле, что расстояние между опорным кольцом и центром заданной формы мембраны в растянутом состоянии является локальным минимумом; понятно, что положение центра зависит от заданной формы. В некоторых вариантах центр может находиться в геометрическом центре мембраны или вблизи него. В другом варианте центр заданной формы может быть в другом месте, нежели геометрический центр мембраны. Обычно при деформировании мембрана будет иметь вершину (т.е. точку глобального максимального смещения), и центр может находиться на этой вершине. Это особенно относится к применению в оптике, когда мембрана образует оптическую поверхность линзы. Обычно центр заданной формы будет находиться где-то в теле мембраны, вдали от опорного кольца.
На практике, в зависимости от формы мембраны, некоторые области кольца могут быть закреплены, чтобы уменьшить гибкость кольца в этих областях. Соответственно, авторы изобретения поняли, что в каждом секторе кольца между незакрепленными минимальными точками должна быть по меньшей мере одна точка регулирования. Понятно, что количество минимальных точек зависит от формы кольца. В некоторых вариантах осуществления изобретения количество минимальных точек определяется количеством углов в кольце, например, четырехстороннее кольцо с четырьмя углами имеет четыре минимальные точки, обычно находящиеся на равном расстоянии от углов, а центр заданной формы мембраны находится в геометрическом центре четырехугольника или стремится к нему. На практике центр может быть расположен асимметрично между противоположными сторонами, и такое расположение особенно целесообразно для четырехугольной оптической линзы. В некоторых вариантах осуществления изобретения в кольце четырехугольной формы центр заданной формы может быть расположен по существу симметрично между одной парой противоположных сторон и асимметрично между другой парой противоположных сторон.
В приблизительно прямоугольном кольце с двумя длинными сторонами и двумя короткими сторонами обычно будет четыре таких минимальных точки, где смещение кольца от плоскости отсчета в направлении, противоположном направлению силы, прилагаемой к опорному кольцу в соседних точках регулирования, является локальным максимумом, по одному на каждой из сторон между двумя соседними углами, но в некоторых вариантах осуществления изобретения, в которых короткие стороны значительно короче, чем длинные стороны, короткие стороны кольца можно усилить, чтобы уменьшить их гибкость, так что на практике кольцо на каждой короткой стороне не будет существенно гнуться при растяжении мембраны, и в этом случае будут только две незакрепленные минимальные точки на двух длинных сторонах. В таком прямоугольном кольце для применения в оптике центр заданной формы может располагаться дальше от одной короткой стороны, чем от другой. Авторы изобретения также поняли, что должно быть по меньшей мере три точки регулирования, независимо от количества минимальных точек и секторов, чтобы обозначить плоскость мембраны.
Далее, авторы изобретения поняли, что в каждом секторе точка регулирования должна быть расположена в максимальной (или близкой к максимальной) точке, где смещение кольца в активированном состоянии от плоскости отсчета в направлении силы, прилагаемой к точке регулирования в этом секторе, является локальным максимумом, например, в первом направлении, внутрь относительно оболочки, для сжатия оболочки. Следует понимать, что там, где остальная часть кольца в данном секторе при активации смещается в противоположном направлении, например, во втором направлении, наружу относительно оболочки, максимальной точкой в этой области может быть точка, в которой кольцо неподвижно, т.е. не подвергается или почти не подвергается смещению от плоскости отсчета. Далее, максимальной точкой может быть точка, в которой кольцо фактически смещается в противоположном направлении от плоскости отсчета, например, наружу относительно оболочки, намного меньше, чем остальная часть кольца в том же секторе. Другими словами, точка локального максимального смещения в направлении силы, прилагаемой к точке регулирования, эквивалентна точке локального минимального смещения от плоскости отсчета в противоположном направлении.
В вариантах изобретения, в которых кольцо некруглое, а заданная форма имеет центр, максимальная точка может быть точкой на кольце между соседними точками перегиба или минимальными точками, где расстояние между кольцом и центром заданной формы мембраны в растянутом виде максимально. Если бы это было не так, то в секторе была бы часть кольца, отстоящая дальше от центра, чем точка (точки) регулирования в секторе, и которая поэтому была бы неуправляемой, что в потенциале привело бы к нежелательному искажению формы мембраны при ее растяжении.
В некоторых вариантах осуществления изобретения одна или более точек регулирования может быть точкой активации, где взаимодействующие с кольцом элементы конфигурированы так, что они активно смещают опорное кольцо относительно опоры. В этой или по меньшей в одной из точек активации опорное кольцо может быть снабжено выступающим язычком для взаимодействия кольца с взаимодействующим с кольцом элементом.
Мембрана может плавно регулироваться между неактивированным и полностью растянутым состоянием. Опорное кольцо в неактивированном состоянии может быть плоским.
В каждом положении между неактивированным и полностью растянутым состояниями опорное кольцо может смещаться в указанной точке активации или в каждой из точек активации на такое расстояние, которое необходимо для достижения профиля, требующегося для получения заданной формы мембраны. Это важно, так что в каждом положении между неактивированным и полностью растянутым состояниями кольцо располагается в указанной точке активации или в каждой из точек активации в ее требуемом положении в общем требуемом профиле кольца; понятно, что если бы точка активации удерживалась в другом положении взаимодействующим с кольцом элементом, то произошло бы локальное искажение требуемого профиля кольца в этой точке, что потенциально привело бы к нежелательному искажению формы мембраны.
В некоторых вариантах осуществления изобретения одна или более точек регулирования могут быть шарнирными точками, где взаимодействующие с кольцом элементы устроены так, что они удерживают опорное кольцо неподвижным относительно опоры. Необходимо, чтобы опорное кольцо оставалось неподвижным в шарнирной точке или каждой из шарнирных точек, чтобы обеспечить профиль кольца в активированном состоянии, требуемый для получения заданной формы мембраны, в каждом положении между неактивированным и полностью растянутым состояниями. Так, точно так же, как и в точках активации, кольцо может удерживаться в каждой шарнирной точке взаимодействующим с кольцом в этой точке элементом в положении, которое соответствует требуемому общему профилю кольца в каждом его состоянии между неактивированным и полностью растянутым состояниями. Поскольку кольцо не смещается в каждой шарнирной точке, то положение кольца в каждой шарнирной точке должно быть одинаковым для любого состояния кольца между активированным и полностью растянутыми положениями. Если заданная форма имеет центр, то шарнирные точки могут быть расположены приблизительно на равных расстояниях от центра заданной формы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения две соседние шарнирные точки могут определять ось наклона; в этом случае предпочтительно имеется по меньшей мере одна точка активации, где взаимодействующий с кольцом элемент устроен так, что активно смещает опорное кольцо относительно опоры вокруг этой оси наклона в первом направлении для сжатия оболочки или во втором направлении для расширения оболочки.
В некоторых случаях опорное кольцо может быть в целом прямоугольным, с двумя короткими и двумя длинными сторонами. В таких случаях по меньшей мере одна точка активации может быть расположена на одной из коротких сторон, а две соседние друг с другом шарнирные точки могут находиться на другой короткой стороне или вблизи нее. Заданная форма может иметь центр, расположенный со смещением относительно центра мембраны, ближе к другой короткой стороне, чем к первой короткой стороне.
Первая короткая сторона может иметь форму дуги окружности, центр которой находится в центре заданной формы. По меньшей мере одна точка активации может располагаться приблизительно в центре этой первой короткой стороны.
Опорное кольцо должно иметь свободу пассивно изгибаться относительно опоры между точками регулирования. Однако в некоторых вариантах осуществления изобретения может быть желательно ограничивать изгибание кольца с помощью придающих жесткость элементов, расположенных в одной или более областях опорного кольца.
Предпочтительно опорное кольцо может включать два или более кольцевых элемента, и мембрана может быть зажата между двумя соседними кольцевыми элементами.
В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения, предлагается мембранный узел с деформируемой мембраной, заявленный в пункте 18 формулы изобретения.
Предпочтительно мембрана может быть натянута на опорном мембранном кольце. Авторы поняли, что при мембране, зажатой между двумя соседними кольцевыми элементами, усилия скручивания, прилагаемые мембраной к кольцу, можно уравновесить, так что в результате не будет или почти не будет результирующего скручивающего усилия. Понятно, что желательно избежать воздействия усилий скручивания на кольцо, что могло бы привести к нежелательному искажению формы кольца и, таким образом, формы мембраны, когда она растянута. Так, в некоторых вариантах осуществления изобретения опорное мембранное кольцо может состоять из двух кольцевых элементов. Однако их устройство должно быть таково, чтобы, когда мембрана предварительно натянута между двумя соседними кольцевыми элементами, усилия скручивания, воздействующие на кольцевые элементы, расположенные выше и ниже мембраны, уничтожали или почти уничтожали друг друга. Средства регулирования давления в оболочке могут представлять собой избирательно приводимое в действие устройство, содержащее один или более элементов, которые регулируют давление текучей среды в оболочке. В некоторых вариантах осуществления изобретения средства регулирования давления фиксированного объема текучей среды внутри мембраны могут представлять собой средства сжатия или расширения, как указывалось выше. Соответственно, может быть предусмотрена неподвижная опора и средства сжатия или расширения оболочки относительно неподвижной опоры, чтобы увеличивать или уменьшать давление текучей среды в оболочке.
Опорное кольцо может иметь по существу равномерную толщину и переменную ширину, чтобы регулировать осевой момент инерции сечения по окружности кольца и, таким образом, жесткость кольца на изгиб. Обычно кольцо может быть самым узким там, где оно должно больше всего изгибаться, чтобы при растяжении мембраны получилась заданная форма.
В некоторых формах осуществления изобретения заданная форма мембраны может быть сферической или иметь другую форму, определяемую одним или несколькими многочленами Цернике. Они имеют общую формулу . При использовании линзового узла, соответствующего настоящему изобретению, возможны различные формы, определяемые функциями Цернике или комбинациями более чем одной такой функции. Главным для офтальмологических применений, например, является возможность добиться коррекции зрения с помощью линейного совмещения  (астигматизм) и  (сфера для коррекции на расстояние). Оптометристы обычно прописывают линзы на основе этих формул. Возможны также поверхности более высокого порядка с дополнительными членами , если имеются дополнительные точки регулирования на кромке мембраны, где j пересчитывается в величину, аналогичную количеству точек регулирования. Поверхности более высокого  порядка с членами также возможны там, где этого позволяет кромка мембраны.
Кроме того, возможны различные линейные совмещения масштабированных многочленов Цернике формы
, , ,  (k≤j)
В принципе, поверхности, которые можно получить при деформировании мембраны давлением (за исключением ее периферии), могут иметь, кроме седловых точек, один или более локальных максимумов или один или более локальных минимумов, но не то и другое одновременно. Заданные формы, которые можно получить, неизбежно ограничены формой периферии, которая при использовании стабильна.
Требуемую жесткость на изгиб на всем опорном кольце можно легко определить методом конечно-элементного анализа (КЭА). В частности, КЭА можно использовать для вычисления изменения жесткости на изгиб по окружности опорного кольца, которая необходима, чтобы оно приобрело требуемый профиль после активации для получения заданной формы мембраны. Для квазистатических или низкочастотных оптических и других применений статический КЭА может быть вполне адекватным. Однако когда поверхность предназначена для акустических применений, может быть уместен динамический КЭА. КЭА - статический или динамический - предполагает множество итераций, выполняемых на компьютере с вводом выбранных параметров для расчета формы мембраны, которая получится на практике при увеличении силы, прикладываемой в точках активации. Форму элемента можно выбирать так, чтобы она подходила к выполняемому вычислению. Выбираемые для ввода параметры включают геометрию опорного кольца, геометрию мембраны, модуль упругости мембраны, модуль упругости кольца, в том числе данные о том, как модуль упругости изменяется по окружности кольца (что можно определить эмпирически или с помощью соответствующей формулы), величину предварительного натяжения каждой из деталей, температуру и другие факторы окружающей среды. Программа КЭА определяет, как увеличивается давление, прилагаемое к мембране, по мере приложения к кольцам нагрузки в точке регулирования. В каждой итерации КЭА рассчитанная форма мембраны сравнивается с заданной формой, и любое отклонение расчетной формы от заданной используется для изменения жесткости на изгиб по окружности опорного мембранного кольца для следующей итерации. Постепенно жесткость на изгиб опорного кольца регулируется так, что расчетная форма мембраны сливается с требуемой заданной формой.
Может быть предусмотрена усиливающая диафрагма, прикрепленная к опорному кольцу; жесткость диафрагмы больше в плоскости кольца, чем в направлении изгибания кольца.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается мембранный узел с деформируемой мембраной, заявленный в пункте 28 формулы изобретения.
Как указывалось выше, обеспечено предварительное натяжение мембраны на ее опорном кольце. Усиливающая диафрагма служит для придания жесткости кольцу в плоскости мембраны в неактивированном состоянии для противодействия дополнительной нагрузке, которая создается предварительным натяжением мембраны; при этом кольцо может свободно изгибаться в направлении, нормальном к кольцу. В альтернативном варианте кольцо само может иметь жесткость на изгиб в плоскости мембраны в неактивированном состоянии больше, чем вне плоскости мембраны.
Усиливающая диафрагма может быть прикреплена к опорному кольцу равномерно на всем его протяжении, чтобы натяжение мембраны передавалось диафрагме равномерно. В некоторых вариантах осуществления изобретения мембрана в плоскости кольца может быть длиннее в одном измерении, чем в другом. В таких случаях усиливающая диафрагма может иметь меньшую жесткость в одном измерении, чем в другом. В альтернативном варианте можно использовать саму геометрию узла для компенсации возникающих вследствие этого разности напряжений в мембране.
Средства регулирования давления в оболочке могут представлять собой избирательно приводимое в действие устройство, включающее один или более компонентов, для увеличения или уменьшения давления текучей среды в оболочке. Обычно средства регулирования давления в заполненной текучей средой оболочке, которая содержит постоянный объем текучей среды, могут представлять собой средства сжатия или расширения оболочки. Заполненная жидкостью сжимаемая оболочка может включать, по меньшей мере, частично жесткую заднюю стенку, расположенную на некотором расстоянии от растяжимой мембраны, и гибкую боковую стенку, расположенную между мембраной и задней стенкой. В некоторых вариантах осуществления изобретения мембрана, задняя стенка и текучая среда прозрачны, так что мембрана и задняя стенка образуют регулируемую оптическую линзу. Если имеется усиливающая диафрагма, она также прозрачна.
Задняя стенка может иметь такую форму, что она представляет собой линзу с постоянным фокусным расстоянием.
Узел может дополнительно включать защитную жесткую переднюю покрывающую пластину поверх мембраны. Соответственно, покрывающая пластина может иметь такую форму, что она представляет собой линзу с постоянным фокусным расстоянием.
Так, в некоторых вариантах осуществления изобретения передняя покрывающая пластина и/или задняя покрывающая пластина могут обеспечивать постоянную оптическую силу для коррекции погрешностей преломления, таких как близорукость и дальнозоркость. Регулируемую оптическую линзу, соответствующую изобретению, можно использовать для создания оптической силы, добавляемой (или вычитаемой) к постоянной оптической силе передней или задней линзы для коррекции старческой дальнозоркости. Передняя и/или задняя линзы могут также служить для коррекции астигматизма, и, аналогичным образом, заданная форма растянутой мембраны регулируемой оптической линзы, соответствующей изобретению, может быть адаптирована для коррекции астигматизма. В некоторых вариантах осуществления изобретения оболочка может находиться внутри удерживающего кольца.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения заявляются очки, включающие мембранный узел с деформируемой мембраной, соответствующий изобретению. Такие очки обычно включают оправу с ободками, причем мембранный узел с деформируемой мембраной может быть установлен в ободке.
Далее следует описание вариантов осуществления изобретения, приводимое только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На чертежах:
фиг. 1 - перспективный вид сверху очков, включающих оправу, в которую вставлены два первых линзовых узла, соответствующих изобретению;
фиг. 2 - перспективный вид сверху и слева левой стороны очков, показанных на фиг. 1, иллюстрирующий, как один из первых линзовых узлов крепится к оправе;
фиг. 3 - вид спереди первого линзового узла, соответствующего изобретению, в неактивированном состоянии;
фиг. 4 - разрез первого линзового узла по линии IV-IV на фиг. 3;
фиг. 5 - разрез первого линзового узла по линии V-V на ФИГ, 3;
фиг. 6 - разрез первого линзового узла по линии VI-VI на фиг. 3;
фиг. 7 - перспективный вид снизу и слева передней части первого линзового узла, соответствующего изобретению, с разрезом по линии VI-VI на фиг. 3;
фиг. 8 - первый линзовый узел в разобранном виде, где видны детали узла;
фиг. 9 - вид спереди гибкой мембраны и опорных колец мембраны первого линзового узла в неактивированном состоянии, где показано, как изменяется ширина колец по периферии мембраны для регулирования осевого момента инерции поперечного сечения колец;
фиг. 10 - мембрана и кольца, показанные на фиг. 9, в активированном состоянии, в проекции на условную сферу радиуса R;
фиг. 11 - разрез первого линзового узла, соответствующего фиг. 4, но в активированном состоянии;
фиг. 12 - разрез первого линзового узла, соответствующего фиг. 5, но в активированном состоянии;
фиг. 13 - смещение мембраны первого линзового узла в активированном состоянии, рассчитанное методом статического конечно-элементного анализа (КЭА);
фиг. 14 - равномерность оптической силы первого линзового узла в активированном состоянии, рассчитанная методом КЭА;
фиг. 15 - изменение предварительного натяжения в мембране, рассчитанное методом КЭА, для линзового узла в неактивированном состоянии, который аналогичен первому линзовому узлу, но не имеет усиливающей диафрагмы;
фиг. 16 - изменение предварительного натяжения в мембране, рассчитанное методом КЭА, первого линзового узла в неактивированном состоянии;
фиг. 17 - изменение оптической силы, рассчитанное методом КЭА, линзового узла в неактивированном состоянии, который аналогичен первому линзовому узлу, но не имеет усиливающей диафрагмы;
фиг. 18 - изменение оптической силы, рассчитанное методом КЭА, первого линзового узла, соответствующего изобретению;
фиг. 19A-C - схематические виды в разрезе первого линзового узла, соответствующего изобретению, в неактивированном состоянии (фиг. 19A), в активированном состоянии (фиг. 19B) и в деактивированном состоянии (фиг. 19C);
фиг. 20A-C - схематические виды спереди первого линзового узла, соответствующего изобретению, в неактивированном состоянии (фиг. 20A), в активированном состоянии (фиг. 2B) и в деактивированном состоянии (фиг. 2C);
фиг. 21A-C - схематические виды в разрезе второго, квадратного линзового узла, соответствующего изобретению, в неактивированном состоянии (фиг. 21A), в активированном состоянии (фиг. 21B) и в деактивированном состоянии (фиг. 21С);
фиг. 22A-C - схематические виды спереди второго линзового узла, соответствующего изобретению, в неактивированном состоянии (фиг. 22A), в активированном состоянии (фиг. 22B) и в деактивированном состоянии (фиг. 22C);
фиг. 23 иллюстрирует, как изменяется расстояние между оптическим центром и опорными кольцами мембраны в первом линзовом узле;
фиг. 24 иллюстрирует, как изменяется расстояние между оптическим центром и опорными кольцами мембраны в первом линзовом узле, показанном на фиг. 21A-C и фиг. 22A-C.
фиг. 25 - схематический вид в разрезе гибкой мембраны и единственного опорного кольца, соответствующих изобретению; и
фиг. 26 - схематический вид в разрезе гибкой мембраны и опорных колец первого линзового узла, соответствующего изобретению.
На фиг. 1 показаны очки 90, включающие раму 92, имеющую два ободка 93 и два заушника 94. Ободки 93 соединены переносицей 95, и каждый из них имеет такую форму и размеры, что в нем можно установить первый линзовый узел 1, соответствующий настоящему изобретению. Один из первых линзовых узлов 1 используется для правой стороны очков, а другой для левой сторон. Как видно на фиг. 1, правый и левый линзовые узлы 1 являются зеркальными отражениями друг друга, а в других отношениях их конструкции идентичны, поэтому ниже описывается только левый узел, однако понятно, что правый узел сконструирован и действует так же.
Как лучше всего видно на фиг. 3, первый линзовый узел 1 имеет в целом прямоугольную форму с двумя противоположными длинными сторонами 3, 5 и двумя короткими сторонами 7, 9 и может быть установлен в оправу 92, но следует понимать, что показанная форма первого линзового узла является лишь одним из примеров возможных форм, и линзовому узлу, соответствующему изобретению, можно придать любую требуемую форму. Изобретение особенно пригодно для некруглых форм, таких как показанная на фиг. 1 и 3, но идеи изобретения можно применить также и к круглым линзам.
С круглыми линзами изобретение может использоваться, например, для коррекции аберраций в оптических системах, где требуется более чем сферическая коррекция волнового фронта.
Помимо очков, линзовые узлы, соответствующие изобретению, могут также использоваться в других системах линз, например, в защитных очках, шлемах, научных и оптических приборах разных типов. В линзовом узле 1 оптические части, описываемые ниже, прозрачны, но изобретение распространяется также и на другие виды узлов с деформируемыми мембранами, которые сконструированы и действуют аналогичным образом, создавая управляемо регулируемую поверхность, и такие мембранные узлы, соответствующие изобретению, могут найти применение в неоптических областях, например, в акустике, где может требоваться поверхность с избирательно и управляемо регулируемой формой.
Первый линзовый узел 1 особенно пригоден для коррекции старческой дальнозоркости. В процессе использования первый линзовый узел 1 можно регулировать, фокусируясь на объектах, находящихся на различных расстояниях, от дальнего до близкого. В данном варианте осуществления изобретения коррекция на дальнее расстояние не предусмотрена, но, тем не менее, линзовый узел 1 позволяет пользователю плавно перефокусироваться с отдаленного объекта на ближний, находящийся на расстоянии, удобном для чтения.
Линзовый узел 1 включает пару опорных мембранных колец 2, 10 равномерной толщины, но переменной ширины. Конструкция колец подробнее объясняется ниже. Удерживающее кольцо 6 удерживает детали первого линзового узла 1 вместе.
На фиг. 8 первый линзовый узел 1 показан в разобранном виде, что позволяет видеть его детали. Передняя часть первого линзового узла 1 показана на чертеже вверху справа, а задняя часть (которая при использовании будет ближе всего к глазу пользователя) - внизу, хотя следует понимать, что все остальные части входят в удерживающее кольцо 6, которая образует ограждающий кожух для этих частей.
Спереди первого линзового узла 1 находится прозрачная передняя покрывающая пластина 4, выполненная из стекла или пригодного для этой цели полимерного материала. В первом линзовом узле покрывающая пластина имеет толщину около 1.5 мм, но она может изменяться, как описывается ниже. Далее, в некоторых вариантах осуществления изобретения первая покрывающая пластина 4 может представлять собой линзу с постоянным фокусным расстоянием (расстояниями), например, монофокальную (одна оптическая сила), многофокальную (две или более оптических сил), прогрессивную (изменяющаяся оптическая сила) или даже регулируемую. Как показано для примера на фиг. 4, в данном варианте изобретения передняя покрывающая пластина 4 плосковыпуклая.
За передней покрывающей пластиной 4 расположены два придающих жесткость ребра 3a, 3b, которые придают дополнительную жесткость коротким сторонам 7, 9 первого линзового узла 1, как более подробно описывается ниже. Следующая деталь - переднее из пары упруго сгибаемых опорных колец 2. Кольца выполнены из нержавеющей стали и в первом узле имеют толщину около 0,3 мм, но можно использовать другие материалы и подбирать другие толщины, чтобы получить требуемую жесткость, которая обсуждается ниже. Следующая деталь - прозрачная, непористая, упругая мембрана 8. В первом узле мембрана 8 выполнена из майлара (Mylar) и имеет толщину около 50 микрон, но можно использовать и другие материалы с подходящим модулем упругости. За мембраной 8 расположено заднее из пары сгибаемых опорных колец 10 по существу той же геометрии, что и переднее опорное кольцо 2. Гибкая мембрана 8 предварительно натянута, как описывается ниже, и закреплена между передним и задним опорными кольцами 2, 10, так что она стабильно удерживается по окружности ее кромки, как показано на фиг. 3-7, где первый линзовый узел 1 представлен в собранном состоянии. Мембрана 8 образует непроницаемое для текучей среды соединение, по меньшей мере, с задним опорным кольцом 10.
Задняя поверхность второго опорного кольца 10 плотно соединена с прозрачной усиливающей диафрагмой 24. В первом варианте осуществления изобретения первая усиливающая диафрагма 24 состоит из листового поликарбоната, но вместо него можно использовать и другие материалы, имеющие необходимые свойства, которые описываются ниже. Позади диафрагмы находится тарелкообразная деталь 12, имеющая гибкую боковую стенку 18, заднюю стенку 19 и передний уплотняющий фланец 20. В первом узле тарелкообразная часть 12 выполнена из материала boPET (двуосно ориентированный полиэтилентерефталат) фирмы DuPont и имеет толщину около 6 микрон, но можно использовать и другие материалы для тарелкообразной детали и подбирать толщину соответственно. Передний уплотняющий фланец 20 тарелкообразной детали 12 герметично приклеен к задней поверхности 24 соответствующим клеем, таким, например, как Loctite 3555.
Слой прозрачного склеивающего под давлением клея, такого, например, как 3М 8211 (не показан), скрепляет заднюю стенку 19 тарелкообразной детали 12 с передней поверхностью 17 прозрачной задней покрывающей пластины 16, имеющей заднюю поверхность 14. В описываемом здесь первом линзовом узле 1 слой клея имеет толщину 25 микрон, но толщина может быть и другой. Задняя покрывающая пластина 16 может быть выполнена из стекла или полимера, и в первом линзовом узле 1 ее толщина составляет приблизительно 1.5 мм, но она также может варьироваться. Задняя покрывающая пластина 16 установлена как самый последний слой в удерживающем кольце 6. Как и передняя покрывающая пластина 4, в некоторых вариантах осуществления изобретения задняя покрывающая пластина 16 может представлять собой линзу с постоянной оптической силой. В данном варианте, как показано на фиг. 4, задняя покрывающая пластина 16 для примера является вогнуто-выпуклой линзой.
Удерживающее кольцо 6 включает направленную вперед боковую стенку 13, имеющую внутреннюю поверхность 23; боковая стенка 13 заканчивается передней кромкой 15. Передняя покрывающая пластина 4 приклеена к передней кромке 15 удерживающего кольца 6, так что линзовый узел 1 представляет собой закрытый блок. Как лучше всего видно на фиг. 4, 5, 11 и 12, покрывающая пластина 4 отступает вперед от переднего опорного мембранного кольца 2, так что образуется пространство, в котором мембрана 8 может при использовании вытягиваться вперед, как описывается ниже, не упираясь в переднюю покрывающую пластину. Тарелкообразная деталь 12, мембрана 8, второе опорное кольцо 10 и диафрагма 24, таким образом, образуют герметичную полость 22, в которой содержится прозрачная текучая среда. Для оптических применений, таких как описываемый здесь первый линзовый узел 1, мембрана 8 и задняя поверхность 14 задней покрывающей пластины 16 образуют противоположные оптические поверхности регулируемой линзы. Как описывалось выше, задняя покрывающая пластина 16 представляет собой вогнуто-выпуклую линзу. В неактивированном состоянии мембрана плоская, так что линза имеет постоянную оптическую силу, обеспечиваемую задней покрывающей пластиной 16, к которой ничего не добавляет мембрана 8. Однако будучи активированной, как описано ниже, мембрана 8 раздувается и выпукло выступает вперед, добавляя, таким образом, положительную оптическую силу вогнуто-выпуклой линзе с постоянным фокусным расстоянием. В некоторых вариантах осуществления изобретения мембрана может растягиваться внутрь, приобретая вогнутую форму, так что, в комбинации с задней поверхностью 14 задней покрывающей пластины 16, линза 1 становится двояковогнутой. Чем больше кривизна мембраны 8, тем больше дополнительная оптическая сила, создаваемая мембраной 8. В неоптических применениях текучая среда, как и другие части узла, не должна обязательно быть прозрачной.
Боковая стенка 18 тарелкообразной детали 12 обеспечивает гибкое уплотнение между задней стенкой 19 и диафрагмой 24, тем самым образуя боковые поверхности полости 22. Это гибкое уплотнение выполнено так, что возможно относительное движение между опорными кольцами 2, 10 и задней покрывающей пластиной 16 при активации первого линзового узла 1 для регулирования оптической силы линзы. Деформируемая мембрана 8 приклеена к первому 2 и второму 10 опорным кольцам, например, клеем Loctite 3555.
Полость 22 при изготовлении заполняется прозрачным маслом 11 (см. фиг. 7), таким, например, как Dow Corning DC705, показатель преломления которого как можно более близок к показателю преломления задней покрывающей пластины 16. Масло 11 выбирается так, чтобы оно не было вредно для глаза пользователя в случае утечки.
Как показано на фиг. 6 и 7, первый линзовый узел 1 может быть плотно вставлен в заднюю часть 93b ободка оправы, которая имеет форму и размеры, согласующиеся с передней частью ободка 93, показанной на фиг. 2, так что образуется один ободок 93 оправы 92 очков 90. Передняя и задняя части ободка 93a, 93b могут быть скреплены соответствующими средствами, известными специалистам. Например, передняя и задняя части ободка могут иметь резьбовые отверстия 97, куда ввинчиваются маленькие крепежные винты, которые скрепляют две части ободка и удерживают между ними линзовый узел 1; в некоторых вариантах осуществления изобретения задняя часть ободка 93b может быть сформирована за одно целое с удерживающим кольцом 6.
В некоторых вариантах осуществления изобретения усиливающая диафрагма 24 может отсутствовать; в таком случае уплотняющий фланец 20 тарелкообразной детали 12 прикрепляется непосредственно к задней поверхности заднего опорного кольца 10.
Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными материалами и размерами, указанными выше и приведенными только для примера. Для тарелкообразной детали 12 можно применять различные типы материалов, которые оптически прозрачны, имеют низкую общую жесткость по сравнению с опорными кольцами 2, 10 и способны к соединению с диафрагмой 24 или задним опорным кольцом 10.
Для опорных колец 2, 10 можно применять различные материалы при условии, что они отвечают следующим критериям: имеют достаточно высокий модуль упругости, чтобы их можно было сделать тонкими относительно общей толщины первого линзового узла 1 (т.е. толщины порядка 0,3 мм); способны соединяться с примыкающими элементами; имеют низкую ползучесть (продолжают работать после многократного использования); упруго деформируемы. Среди других вариантов материалов можно назвать титан, стекло и сапфир. «Способны соединяться» означает возможность прикрепляться с помощью клея, обжатия, лазерной или ультразвуковой сварки или другими методами, которые очевидны специалистам и имеются в их распоряжении.
Можно выбрать различные клеи, которые способны надежно соединять части узла, устойчивы к ползучести, имеют такую вязкость, что клей удобно наносить при изготовлении линзового узла, и инертны к текучей среде, содержащейся в линзе. Конкретные клеи следует выбирать в зависимости от материалов различных деталей узла.
Имеются другие пригодные материалы, которые позволяют мембране 8 достаточно изгибаться, а также различные бесцветные масла, которые можно использовать, особенно в семействе силоксановых масел с высоким показателем преломления, которые выпускаются рядом предприятий. Материалы, выбираемые для различных элементов узла, должны быть такими, чтобы они обеспечивали стабильность вокруг шарнирных точек и точек активации (описаны ниже в связи с фиг. 9 и 10).
Первый линзовый узел 1 представляет собой регулируемую линзу, имеющую оптическую силу, которая может регулироваться путем регулировки давления текучей среды 11 в полости 22 и формы изгибаемых опорных колец 2, 10, что регулирует деформацию эластичной мембраны 8 до достижения ею требуемого профиля. Как указывалось выше, мембрана 8 образует одну из оптических поверхностей линзы, другой поверхностью которой является задняя поверхность 14 задней покрывающей пластины 16. Деформация мембраны 8 увеличивает кривизну оптической поверхности, созданной мембраной, и изменяет оптическую толщину линзы между этими поверхностями, тем самым увеличивая добавочную оптическую силу, создаваемую мембраной 8. Подробнее это описано ниже.
Как лучше всего видно на фиг. 9, ширина опорных колец 2, 10 в плоскости x-y, нормальной к передне-задней оси z линзового узла 1, изменяется определенным образом по окружности периферии узла 1. Это обеспечивает необходимую деформацию опорных колец 2, 10, которая, в свою очередь, регулирует деформацию гибкой мембраны 8 и, следовательно, оптическую силу линзы, как подробнее объясняется ниже.
На фиг. 8 видно, что каждое опорных ребер 3a, 3b, опорных колец 2, 10 и усиливающая диафрагма 24 имеют выступающий язычок 26 одинаковой формы и размера, выступающий наружу из первого линзового узла 1, из одной из коротких сторон 7 узла 1. Когда узел собран, язычки 26 этих деталей совмещаются друг с другом, и каждый из них имеет одну или более расположенных близко друг к другу отверстий 28a, 28b, которые совмещаются с соответственными отверстиями в других деталях. Эти отверстия 28a, 28b образуют точку активации  для крепления к линзовому узлу 1 активирующего устройства, которое заставляет его сжиматься при использовании. Сжатие линзы 1 более подробно описано ниже. Активирующее устройство может быть встроено в заушник 94 рамы 92. В некоторых вариантах осуществления изобретения линзовый узел может также расширяться, чтобы снизить давление текучей среды 11 в полости 22.
Возле выступающего язычка 26 на одной короткой стороне 7 узла внутренняя кромка каждого из опорных колец 2, 10 отклоняется наружу, как лучше всего показано на фиг. 9, так что образуется полукруглая выемка 30. Боковая стенка 18 тарелкообразной детали 12 имеет аналогичную, соответствующую выемку 30, которая, когда линза собрана, совмещается с выемками 30 опорных колец 2, 10. Мембрана 8 имеет соответствующую полукруглую выступающую часть 31, которая входит в выемки 30, обеспечивая закрытие уплотнения мембраны. Усиливающая диафрагма 24 имеет вырез 32а, который также совмещается с язычками 26. Это позволяет заполнять резервуар 22 после того, как все детали собраны, так как вся эта система находится за пределами передней и задней покрывающих пластин 4, 16. В альтернативном варианте, показанном на фиг. 10, вместо полукруглой выемки 30 имеется отдельное отверстие 31', проходящее через опорные кольца 2, 10.
Усиливающая диафрагма 24 дает существенные улучшения по сравнению с известными заполненными текучей средой линзами благодаря своей функции усиливать жесткость опорных колец 2, 10 в плоскости, в которой находятся кольца в неактивированном состоянии. Желательно при сборке деталей произвести предварительное натяжение мембраны 8, иначе в ней могут появиться нежелательные морщины или провисание вследствие температурных или гравитационных эффектов, либо воздействия инерции на давление текучей среды и т.п. Один из способов минимизации риска появления таких морщин или провисания - установить мембрану 8 на негибком опорном кольце, но это несовместимо с необходимостью изгибания опорных колец 2, 1.0 в процессе использования. Решение этой проблемы дает усиливающая диафрагма 24, которая усиливает опорные кольца 2, 10 в плоскости мембраны 8, где они противостоят изгибанию, но не увеличивают существенно жесткость колец в плоскости, перпендикулярной мембране (ось z).
В описываемом здесь первом линзовом узле 1 расстояние между длинными сторонами 3,5 меньше, чем расстояние между короткими сторонами 7, 9, что делает первый узел по существу прямоугольным. Таким образом, линза шире в направлении E-W между короткими сторонами 7, 9, как показано на фиг. 9, чем в направлении N-S между длинными сторонами 3, 5. Опорные кольца 2, 10 устроены так, что они больше изгибаются на длинных сторонах. Понятно, что при активации мембрана 8 больше вытягивается в направлении E-W, чем в направлении N-S. Поскольку диафрагма 24 может только изгибаться, но не растягиваться, она может изгибаться в одном направлении, так что она изгибается по оси E-W линзы. При изгибании два ее конца становятся чуть ближе друг к другу, и это компенсирует перепад напряжений в мембране 24.
В некоторых вариантах осуществления изобретения диафрагма 24 жестче в направлении E-W, чем в направлении N-S, и эту направленную жесткость диафрагмы 24 можно использовать для компенсации перепада напряжений в мембране 8.
В первом линзовом узле 1 усиливающая диафрагма 24 выполнена из прозрачного материала, показатель преломления которого соответствует показателю преломления мембраны 8 и текучей среды 11 в полости 22. Она представляет собой плоский лист, расположенный внутри текучей среды линзы между уплотняющим фланцем 20 тарелкообразной части 12 и задним опорным кольцом 10, так что в собранной линзе 1 он находится позади гибкой мембраны 8, как лучше всего видно на фиг. 4 и 5. Диафрагма 24 имеет форму, аналогичную форме других частей линзового узла 1, и в первом линзовом узле она имеет толщину 0,55 мм, хотя эта толщина может быть и другой. Поскольку диафрагма 24 кромкой прикреплена к тарелкообразной части 12 и заднему опорному кольцу 10, жесткость опорных колец 2, 10 необходимо регулировать соответственно, чтобы они могли сгибаться в направлении z, перпендикулярном плоскости мембраны 8.
Было установлено, что усиливающая диафрагма 24, соответствующая изобретению, работает лучше, чем, например, локализованная опора опорных колец 2, 10. В одном варианте осуществления изобретения размер и жесткость опорных колец снижены приблизительно на 25% по сравнению с размером и жесткостью аналогичных опорных колец 2, 10, которые сами по себе достаточно жесткие, чтобы предотвратить образование морщин без диафрагмы 24. Необходимая способность опорных колец 2, 10 изгибаться для управления деформацией гибкой мембраны 8 не ухудшается. Подходящий материал для опорного диска 24 - поликарбонат, но можно использовать и другие материалы. Усиливающая диафрагма 24, соответствующая изобретению, равно пригодна для применения как в круглых, так и в некруглых линзах, но в круглых линзах диафрагма не обязательно должна иметь разную жесткость по разным осям.
Конструкция усиливающей диафрагмы 24 такова, что ее основная функция - увеличивать жесткость опорных колец 2, 10 в плоскости, нормальной к передне-задней оси узла (плоскость x-y на фиг. 10), но она оказывает лишь небольшое влияние на жесткость к изгибу в направлении z (т.е. нормально к задней стенке 19).
Это влияние в направлении z учитывается при проектировании опорных колец 2, 10. Так, жесткость узла 1 увеличивается для поддержания натяжения гибкой мембраны 8, но опорные кольца 2, 10 при использовании все же могут изгибаться в направлении z. Этого можно добиться, подобрав волокнистый материал, жесткий в плоскости x-y, но менее жесткий в направлении z вследствие ориентации волокон. В диафрагме 24 имеются отверстия 32a, 32b; в описываемом здесь первом линзовом узле 1 их два - одно возле упомянутого выше язычка 26, а другое в углу другой, противоположной короткой стороны 9 узла. Материал, окружающий отверстия 32а, 32b обеспечивает жесткость, но отверстия 32a, 32b позволяют текучей среде проходить сквозь них и не оказывают или почти не оказывают влияния на деформацию гибкой мембраны 8. Точное количество, размер и расположение отверстий 32а, 32b могут быть различными; например, можно сделать мелкие отверстия, расположенные с интервалами поперек диафрагмы 24. Диафрагма 24 не деформируется вместе с гибкой мембраной 8, и опора, которую она обеспечивает для диафрагмы 8, не нужна, когда линза находится в активированном состоянии и мембрана растянута, как описывается ниже. В первом линзовом узле 1 усиливающая диафрагма 24 представляет собой сплошной лист, в котором сделано некоторое количество отверстий 32a, 32b, как описывалось выше, но в других вариантах осуществления изобретения диафрагма может представлять собой решетчатый лист, или сетку, или тому подобное, если она присоединена к опорным кольцам 2, 10 на всем их протяжении, обеспечивая необходимую жесткость в плоскости. Диафрагма может быть прикреплена к кольцам 2, 10 непрерывно или с интервалами по ее периферии при условии, что нагрузка распределяется равномерно, не вызывая какого-либо существенного локального искажения колец или мембраны 8. В неоптических применениях диафрагма не обязательно должна быть прозрачной.
Как лучше всего видно на фиг. 6, внутренняя поверхность 23 удерживающего кольца 6 имеет две проходящих по окружности полки 34, 36: заднюю полку 34 и переднюю полку 36. Задняя полка 34 расположена вблизи задней поверхности удерживающего кольца 6; на эту заднюю полку опирается задняя покрывающая пластина 16. Передняя полка 36 расположена ближе к переднему краю 15 удерживающего кольца 6 и служит опорой для диафрагмы 24 и переднего и заднего опорных колец 2, 10. Боковая стенка 18 тарелкообразной части 12 имеет такие размеры, что ее передний уплотняющий фланец 20 опирается на переднюю полку 36, когда линза собрана.
На второй короткой стороне 9 первого линзового узла 1 удерживающее кольцо 6 имеет две шарнирные точки ,  - см. фиг. 10. Как показано на фиг. 4, наложенные друг на друга детали 2, 3b, 8, 10, 12, 24 удерживаются на месте внутри удерживающего кольца 6 с помощью выступов 39, сформированных за одно целое с удерживающим кольцом 6 в шарнирных точках , , так что они остаются неподвижными, когда линза активируется, как описывается ниже.
Усиливающее ребро 3b придает дополнительную жесткость опорным кольцам 2, 10 в области шарнирных точек ,  и между ними. В первом линзовом узле 1 шарнирные точки ,  и область опорных колец 2, 10 между ними находятся приблизительно на равном расстоянии от оптического центра ОС линзы в активированном состоянии (см. фиг. 10), и кольца 2, 10 между шарнирными точками ,  не должны сильно изгибаться или вообще изгибаться.
Другое усиливающее ребро 3а аналогичным образом придает дополнительную жесткость опорным кольцам 2, 10 в упомянутой точке активации , так что деформация мембраны 8 должным образом контролируется, как подробнее будет описано ниже. В некоторых вариантах осуществления изобретения усиливающие ребра 3a, 3b могут отсутствовать; они в принципе полезны для тех областей опорных колец 2, 10, которые не должны существенно деформироваться при активации узла.
Форма первого линзового узла 1 пригодна для очков 90 в смысле их эстетической внешности. Однако некруглая линза вызывает проблему неравномерного или нежелательного отклонения от заданной формы деформации мембраны, которое происходит в отсутствие решения этой проблемы. Средства, при помощи которых настоящее изобретение решает эту проблему, описываются ниже.
На фиг. 10 показано, как при использовании мембранного узла, соответствующего изобретению, получается поверхность заданной формы. На фиг. 10 заданная форма сферическая, но, как подробнее описывается ниже, узел, соответствующий изобретению, можно использовать для получения других форм, например, форм, определяемой одним или комбинацией нескольких многочленов Цернике. Для неоптических применений могут требоваться различные формы. Линзовый узел 1 в активированном состоянии показан на фиг. 11 и 12.
Так, на фиг. 10 показана мембрана 8 некруглого первого линзового узла 1 в активированном состоянии в проекции на воображаемую сферу радиуса R, обеспечивающего положительную оптическую силу. Показаны точка активации  и шарнирные точки , . К точке активации A может быть приложено усилие F  с помощью активирующего устройства, присоединенного через отверстия 28a, 28b.
В нижней половине фиг. 10 показан разрез по линии b-b верхней половины через оптический центр ОС на вершине мембраны 8 в активированном состоянии. Показано направление приложения усилия (вниз на фиг. 10). Мембрана 8 растягивается по существу в частично сферической конфигурации, и кромка мембраны 8, определяемая опорными кольцами 2, 10, имеет профиль, который по существу повторяет контуры поверхности сферы. В неактивированном состоянии мембрана 8 плоская, и кромка мембраны (и, соответственно, опорные кольца 2, 10) также плоская, что показано линией L в нижней половине фиг. 10. В активированном состоянии мембрана 8 имеет по существу сферическую поверхность, и ее кромка не лежит в плоскости (как это было бы, если бы линза была круглая и мембрана образовывала бы сферический колпачок). Это становится понятно, если сравнить кромку мембраны с линией L.
В активированном состоянии мембрана 8 смещается в точке активации  ниже линии L, обозначающей плоскость мембраны 8 в неактивированном состоянии, но там, где длинные стороны 3, 5 мембраны отклоняются (внутрь) от круглой формы, они смещаются выше линии L, так что основная часть края мембраны плотно прилегает к поверхности сферы радиуса R. На фиг. 10 оптический центр ОС расположен, согласно офтальмологическим правилам, на определенном расстоянии от центра переносицы 94 очков 90. Это расстояние составляет половину расстояния центрирования, которое представляет собой расстояние между оптическими центрами двух линз очков 90 и является оптимальным для того, кто носит очки. У линзы показанной формы точка ОС находится приблизительно посередине между длинными сторонами 3, 5 линзового узла, но левее визуально наблюдаемого геометрического центра на оси между короткими сторонами (т.е. от глаза к носу).
Линзовый узел, соответствующий изобретению, обеспечивает плавное регулирование оптической силы линзы на требуемое количество диоптрий D, обычно от 0 до +4D, которые прибавляются к оптической силе линзы, обеспечиваемой передней покрывающей пластиной 4 и/или задней покрывающей пластиной 16. В принципе сила линзы D выражается произведением разности между показателем преломления материала линзы и окружающей среды на кривизну линзы. Таким образом, формула следующая:
где n - показатель преломления, 1 принимается за показатель преломления воздуха, a R - радиус сферы, часть которой образует линза (как показано на фиг. 3b).
В нижней части фиг. 10 кромка мембраны 8 максимально смещена в точке активации  в направлении приложения силы F. Шарнирные точки ,  совпадают с точками на кромке мембраны 8 (определяемой опорными кольцами 2, 10 в первом линзовом узле 1), которые по существу не испытывают смещения при деформации мембраны 8. Видно, что эти точки в активированном положении не сдвинулись и лежат приблизительно на линии L. (Обратите внимание, что они находятся вне плоскости сечения, показанного в нижней части фиг. 10). Чтобы оптимально управлять деформацией мембраны 8, шарнирные точки ,  должны быть расположены там, где требуется минимальное движение кромки мембраны 8 либо вовсе не требуется такого движения, иначе профиль кромки мембраны будет отклоняться в шарнирных точках ,  от требуемой сферической (или другой) формы, что приведет к нежелательному искажению мембраны. Шарнирные точки ,  могут находиться на равном расстоянии от оптического центра ОС, как указывалось выше, так что они, когда линза активирована, лежат на одном и том же круговом контуре смещения, т.е. на контуре, где смещение отсутствует. Однако, в зависимости от формы и других параметров линзового узла 1, это может быть невозможно, и некоторую разность расстояний между соответственными шарнирными точками ,  и оптическим центром ОС можно допустить, несмотря на искажение, которое будет иметь место вблизи одной или обеих шарнирных точек , . На фиг. 10 видно, что одна шарнирная точка  находится дальше от центра ОС, чем другая шарнирная точка , что приводит к некоторому искажению мембраны в углах линзы, возле шарнирных точек , , но это допустимо при условии, что имеется основная зона вокруг центра ОС, где искажение незначительно или отсутствует. Это лучше всего показано на фиг. 13.
Понятно, что максимальное смещение мембраны 8 происходит в точке активации , которая всегда должна лежать на требуемом месте смещения кромки мембраны, которое позволит получить сферический профиль между неактивированным положением и положением максимальной оптической силы. Поскольку кромка мембраны 8 на одной короткой стороне 7 линзы, где находится точка активации , по существу дугообразная, при активации она движется по существу по круговому контуру, но в этом случае также небольшое отклонение от окружности допустимо. Точка активации поэтому должна быть расположена на короткой стороне 7 в точке, больше всего удаленной от оптического центра ОС. Если конкретная форма не такова, что отрезок ее периметра представляет собой дугу круга вокруг оптического центра, может потребоваться дополнительная точка (точки) активации (активной или пассивной), чтобы сохранять точность формы мембраны. На фиг. 10 видно, что в первом линзовом узле 1 точки, наиболее удаленные от центра ОС, находятся в углах мембраны 8, между длинными сторонами 3, 5 и одной короткой стороной 7; они обозначены на фиг. 10 позициями  и . Однако точка активации  находится вблизи этих точек, а придающее жесткость ребро За служит для распределения нагрузки, прилагаемой в точке активации  на одной короткой стороне 7 мембраны 8, с допустимой степенью искажения формы мембраны.
Специалисты поймут, что оптическую силу первого линзового узла 1 можно эффективно изменять путем изменения радиуса R сферы, что изменяет кривизну оптической поверхности, создаваемой гибкой мембраной 8, и тем самым регулирует оптическую силу линзы. Когда R уменьшается, оптическая сила линзы увеличивается, так как кривизна мембраны становится более выраженной. Это достигается за счет большей деформации мембраны 8, что, в свою очередь, осуществляется путем увеличения смещения опорных колец 2, 10 в точке активации  назад, к задней покрывающей пластине 16, а это приводит к повышению давления текучей среды в полости и увеличению растяжения мембраны вперед. Способ, которым достигается эта переменная деформация линзового узла 1, соответствующего изобретению, более подробно описан ниже.
На фиг. 3-5 показан первый линзовый узел 1 в его неактивированном состоянии, а на фиг. 11 и 12 показан пример его активированного состояния. На практике первый линзовый узел 1 плавно регулируется между неактивированным состоянием и состоянием максимальной деформации; активированное положение, показанное на фиг. 11 и 12, является всего лишь одним из деформированных состояний, которое приводится для примера. Как описывалось выше, ширина опорных колец 2, 10 изменяется на их протяжении, тогда как их толщина в направлении z остается по существу постоянной. Конкретнее, кольца 2, 10 шире всего на коротких сторонах 7, 9 узла 1 и постепенно сужаются по направлению от этих коротких сторон к серединам длинных сторон 3, 5, как лучше всего видно на фиг. 9. Они тоньше всего в точках  и  на длинных сторонах между короткими сторонами 7, 9 (см. фиг. 10). Обратите внимание, что самые тонкие точки не обязательно симметричны и расположены посередине между двумя длинными сторонами; они самые тонкие в этом месте потому, что именно здесь они должны больше всего изгибаться, как можно понять по приведенному выше описанию фиг. 10.
В процессе эксплуатации узла для увеличения оптической силы линзового узла 1 к опорным кольцам 2, 10 в точке  на одной короткой стороне 7 узла прикладывается усилие F, непосредственно или опосредованно, так что опорные кольца 2, 10 с зажатой между ними мембраной 8 движутся назад, к задней покрывающей пластине 16. Усилие прилагается приблизительно посередине одной короткой стороны 7, и активирующее устройство должно быть устроено так, чтобы действовать на удерживающее кольцо 6, которое установлено в ободке 93 оправы 92, который, таким образом, служит опорой.
Существуют различные средства, с помощью которых можно прилагать активирующее усилие, и эти средства известны специалистам; некоторые варианты осуществления изобретения описываются ниже. Усилие следует прилагать в направлении, по существу нормальном к плоскости опорных колец 2, 10. Как описывалось выше, опорные кольца 2, 10 шарнирно установлены в точках ,  на другой короткой стороне 9 узла 1. Шарнирные точки остаются неподвижными при активации линзового узла 1 благодаря выступам 39 внутри удерживающего кольца 6; при сборке линзового узла 1 задняя покрывающая пластина 16 с прикрепленной к ней тарелкообразной частью 12, диафрагма 24 и опорные кольца 2, 10 с зажатой между ними мембраной 8 предварительно собираются в виде стопки и затем вставляются в удерживающее кольцо 6 и просовываются под выступы 39 в шарнирных точках , , Боковая стенка 18 тарелкообразной детали 12 допускает небольшое движение, так что опорные кольца 2, 10 могут перемещаться несколько ближе ко дну 19 тарелкообразной детали 12, увеличивая давление текучей среды внутри полости, что, в свою очередь, заставляет мембрану 8 растягиваться вперед, в направлении передней покрывающей пластины 4, принимая сферическую (или другую) форму, как показано на фиг. 12, и тем самым увеличивая оптическую силу линзы, как описывалось выше. Хотя мембрана некруглая, она может принимать требуемую сферическую (или другую) форму благодаря конструкции опорных колец 2, 10.
Усилие, прикладываемое к одной короткой стороне 7 опорных колец 2, 10 в точке активации , в комбинации с гидростатическим давлением, прилагаемым к мембране текучей средой в полости, заставляет опорные кольца 2, 10 изгибаться. На фиг. 11 показаны опорные кольца 2, 10 с некоторой степенью изгибания вследствие приложения активирующего усилия F. Опорные кольца 2, 10 остаются по существу неподвижными в шарнирных точках ,  (хотя имеет место некоторая степень локального наклона опорных колец 2, 10 в этих точках). Однако в направлении середин длинных сторон 3,5 узла, включая точки  и , кольца изгибаются вперед, как описано выше, в направлении, противоположном усилию F, так что опорные кольца 2, 10 приобретают профиль, соответствующий поверхности сферы или другой формы, которую имеет мембрана 8. Если бы опорные кольца 2, 10 были круглыми, они бы оставались плоскими при сферической деформации мембраны, но некруглая форма колец 2, 10 предполагает, что они не могут оставаться плоскими, когда мембрана растягивается. Способность колец 2, 10 изгибаться таким образом и тем самым управлять растяжением мембраны 8, чтобы избежать нежелательных искажений сферической или другой формы, становится возможной благодаря определенному изменению ширины опорных колец 2, 10 на их протяжении, и в особенности благодаря тому, что они сделаны более узкими в точках, где они должны сильнее изгибаться, чтобы приобрести требуемый профиль. Заданное изменение ширины опорных колец 2, 10 приводит к соответствующему изменению профиля поперечного сечения опорных колец 2, 10 и, таким образом, к соответствующему заданному изменению осевого момента инерции поперечного сечения опорных колец; в частности, ширина опорных колец 2, 10 плавно изменяется на их протяжении и достигает минимума в середине длинных сторон 3, 5, где изгибание поэтому больше всего. В отсутствие существенных изменений других параметров, различие в осевом моменте инерции поперечного сечения приводит к различию жесткости на изгиб.
Как показано на фиг. 10-12, гибкая мембрана 8 выпячивается вперед в направлении, противоположном направлению активирующего усилия F. Когда опорные кольца 2, 10 смещаются ближе к задней стороне полости в точке активации , жидкость 11, будучи по существу несжимаемой, занимает более центральную область полости 22 благодаря эластичности мембраны 8, тем самым увеличивая кривизну оптической поверхности, образованной мембраной 8, и оптическую толщину полости между мембраной 8 и задней покрывающей пластиной 16 в оптическом центре ОС узла, так что получается линза с большей оптической силой. В данном конкретном варианте деформация гибкой мембраны 8 центрирована в точке ОС, являющейся вершиной линзы, как показано на фиг. 10.
В известных заполненных текучей средой линзах, чтобы обеспечить сферическое выпячивание мембраны, мембрана установлена на жесткой, круглой опорной структуре, где только круглая часть мембраны не имеет ограничений и может выпячиваться вперед при увеличении давления текучей среды. В некоторых линзах (см., например, GB 2353606 A) это достигается благодаря тому, что весь линзовый узел имеет круглую форму.
В других линзах, таких, например, как описанная в WO 95/27912, опорная конструкция включает жесткую кайму вокруг круглого центрального отверстия, где мембрана может выпячиваться вперед. В WO 95/27912 эта кайма широкая и местами объемная, что нежелательно с эстетической точки зрения. Напротив, в настоящем изобретении, хотя короткие стороны 7, 9 опорных колец 2, 10 несколько шире, чем длинные стороны 3, 5, как можно видеть на фиг. 9, они все же относительно узкие по сравнению с площадью линзы. Таким образом, с эстетической точки зрения, сферическая (или другая) деформация мембраны 8 достигается без какого-либо существенного отрицательного влияния на внешний вид линзового узла 1, который имеет некруглую форму и относительно узкие кромки.
При активации, когда гибкая мембрана 8 выпячивается вперед, как показано на фиг. 10 и 11, количество текучей среды 11, содержащейся в полости 22, остается постоянным, но поскольку мембрана 8 меняет форму от сравнительно плоского профиля до показанного растянутого профиля, некоторая часть прозрачного масла смещается в центральную область линзы. Перемещение масла приводит к тому, что мембрана принимает активированную форму, что увеличивает оптическую силу линзы. Текучая среда 11 герметически закрыта внутри полости 22 мембраной 8, диафрагмой 24 и тарелкообразной деталью 12.
Специалистам будет понятно, что сферическая деформация опорных колец 2, 10 и гибкой мембраны 8, показанная на фиг. 10, приведена здесь лишь для примера, чтобы проиллюстрировать изменение формы различных частей узла 1, и что деформация узла, соответствующего изобретению, может отличаться от показанной, в частности, для данного линзового узла 1, где мембрана 8 плавно деформируется между своим неактивированным положением, в котором она плоская, и полностью растянутым положением, которое определяется фактической конфигурацией узла 1 и свойствами использованного для него материала. В каждом положении между неактивированным состоянием, которое не дает оптической силы, и полностью растянутым состоянием шарнирные точки ,  на опорных кольцах 2, 10 остаются по существу неподвижными, а по меньшей мере большая часть или части опорных колец 2, 10, включая шарнирные точки , , приобретают сферический (или другой) профиль.
Фактическое изменение ширины опорных колец 2, 10, которое требуется для получения заданного изменения изгибающего момента по окружности колец, как описано выше, можно рассчитать методом конечно-элементного анализа (КЭА). Для квазистатических или низкочастотных оптических и других применений статический КЭА вполне адекватен. Однако в других вариантах осуществления изобретения, например, когда поверхность предназначена для акустических применений, уместен динамический КЭА. Как понятно специалистам, КЭА - статический или динамический - предполагает множество итераций, выполняемых на компьютере с вводом выбранных параметров для расчета формы мембраны, которая получится на практике при увеличении силы F, прикладываемой в точке (точках) активации А.
Форму элемента можно выбирать так, чтобы она подходила к выполняемому вычислению. Для конструирования колец 2, 10 соответствующих настоящему изобретению, была выбрана четырехгранная форма элемента. Выбираемые для ввода параметры включают геометрию опорных колец 2, 10, геометрию мембраны 8, модуль упругости мембраны 8, модуль упругости колец 2, 10, в том числе данные о том, как модуль упругости изменяется по окружности колец (что можно определить эмпирически с помощью соответствующей формулы), величину предварительного натяжения каждой из деталей, температуру и другие факторы окружающей среды. Программа КЭА определяет, как увеличивается давление, прилагаемое к мембране 8, по мере приложения к кольцам нагрузки в точке активации
Пример результата анализа методом КЭА для опорного кольца показан на фиг. 13. В серой шкале показана степень смещения мембраны 8 от плоской, неактивированной конфигурации; контуры смещения наложены на серую шкалу. Мембрана демонстрирует максимальное смещение вперед в своей центральной области и максимальную деформацию в направлении назад (в направлении прилагаемого усилия F) в точке активации , причем круглые контуры проявляют по существу сферическую деформацию. На этом чертеже деформация показана в 2 измерениях; однако следует понимать, что на практике это соответствует трехмерной деформации. Первый линзовый узел 1, соответствующий изобретению, достигает формы по существу неискаженной сферической линзы с центром в точке ОС. На фиг. 13 видно, что точка ОС отличается от наблюдаемого геометрического центра линзы 1, который представлен точкой пересечения вертикальной и горизонтальной линий. Ниже этот результат анализа методом КЭА обозначается как «первый результат КЭА».
1
1
Для точного проектирования колец 2, 10 для оптического применения результат анализа КЭА аппроксимируется к требуемой форме мембраны, определяемой многочленной функцией. В принципе форму оптической поверхности можно описать одним или несколькими многочленными функциями Цернике. Они имеют общую формулу . С помощью настоящего изобретения можно получать различные формы, определяемые функциями Цернике или комбинациями более чем одной функции. Объяснение различных многочленов Цернике можно найти в «Принципах оптики» («Принципы оптики» М. Борн и Е. Вольф, 7-е изд., C.U.P., (1999). ISBN 0-521-64222-1).
Например, в офтальмологических применениях главное - добиться коррекции зрения с помощью линейного совмещения  (астигматизм) и  (сфера для коррекции на расстояние).
Оптометристы обычно прописывают линзы на основе этих формул. В соответствии с настоящим изобретением, возможны также поверхности более высокого порядка с дополнительными членами , если имеются (как описано ниже) дополнительные точки регулирования на кромке мембраны, где j пересчитывается в величину, аналогичную количеству точек регулирования. Поверхности более высокого порядка с членами  (k≤j) также возможны там, где это позволяет кромка мембраны.
Модификации первого линзового узла 1, соответствующего изобретению, способны давать статические формы мембраны, соответствующие любому многочлену, в котором j=k. Известны различные сложные поверхности, которые возможны и полезны для определенных применений. Например, лазерная хирургия для коррекции зрения часто имеет целью получение определенных функций высшего порядка, и, таким образом, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения можно использовать как альтернативу лазерной хирургии. Возможны различные линейные наложения масштабированных многочленов Цернике формы
, , ,  (k≤j)
В принципе, поверхность, которую можно получить при деформировании мембраны давлением (за исключением ее периферии), может иметь, кроме седловых точек, один или более локальных максимумов или один или более локальных минимумов, но не то и другое одновременно. Формы, которые можно получить, неизбежно ограничены формой периферии, которая при использовании стабильна.
В некоторых вариантах линзового узла, соответствующего изобретению, может использоваться сферическая функция Цернике, но при желании можно использовать также функции более высокого сферического порядка, создавая форму, которая является суммой нескольких многочленов Цернике.
Первый результат КЭА затем коррелируется с выбранной функцией Цернике по мембране (второй результат многочлена), чтобы посмотреть, насколько результат КЭА приближается к требуемой форме, определяемой выбранной функцией Цернике. В зависимости от того, насколько хорошо первый результат КЭА и второй результат многочлена коррелируют друг с другом, можно регулировать соответствующие параметры линзы, чтобы получить большее соответствие при следующей итерации. Другими словами, увидев, насколько хорошо смоделированная деформация мембраны 8, рассчитанная методом КЭА, приближается к требуемой форме поверхности, описываемой выбранной многочленной функцией Цернике, специалист поймет, насколько хорошо будут работать выбранные параметры опорных колец 2, 10, и можно определить, какие области опорных колец 2, 10 необходимо отрегулировать (или какие другие параметры нужно настроить), чтобы улучшить корреляцию между первым и вторым результатами.
Описанный выше процесс итерации проводится на ряде различных оптических сил линзы, так что можно спроектировать линзу, оптическая сила которой плавно меняется с деформацией опорных колец 2, 10 (и прилагаемым усилием F). Этот процесс итерации выполняется для того, чтобы получить ряд работающих вариантов опорных колец 2, 10, соответствующих изобретению. Так, опорные кольца 2, 10 спроектированы так, что они по-разному изгибаются на своем протяжении с учетом необходимой регулировки оптической силы. Изменение ширины опорных колец 2, 10 в плоскости x-y, перпендикулярной оптической оси z линзы, на их протяжении можно также адаптировать к различным формам линзы, с учетом положения шарнирных точек ,  и точки активации  относительно требуемого оптического центра ОС.
Когда с помощью КЭА рассчитана форма мембраны 8, как описывалось выше, можно определить оптические свойства мембраны как поверхности оптической линзы с помощью соответствующей компьютерной программы прослеживания оптического луча (например, оптической программы Zemax™ фирмы Radiant Zemax, LLC, Редмонд, штат Вашингтон), используя вычисленную форму мембраны. Например, на фиг. 14 показано, как изменяется оптическая сила сферической линзы на мембране 8 первого линзового узла 1 при растяжении; форма в растянутом состоянии рассчитана методом статического КЭА. Более темные области обозначают большую оптическую силы линзы, и, как видно на фиг. 14, растянутая мембрана 8 образует поверхность линзы с достаточно равномерной оптической силой сферической линзы. Ввиду того, что степень деформации гибкой мембраны 8 можно плавно регулировать в пределах определенного диапазона, линзовый узел, соответствующий изобретению, представляет собой существенное улучшение по сравнению с обычными бифокальными линзами, когда человеку нужно смотреть вниз, чтобы взгляд проходил через линзу, корректирующую дальнозоркость. При использовании линзового узла 1, соответствующего изобретению, оптическую силу можно регулировать по потребности в оптимальной области линзы, а именно в области оптического центра. Таким образом, с помощью данного линзового узла можно рассматривать ближний объект, не меняя положения головы или направления взгляда.
На фиг. 15 и 16 показан пример результатов КЭА при расчете усиливающей диафрагмы 24. На фиг. 15 показано рассчитанное методом КЭА предварительное натяжение гибкой мембраны в линзовом узле, соответствующем изобретению, который аналогичен линзовому узлу 1, но где отсутствует диафрагма 24, при неактивированном состоянии мембраны. Серая шкала демонстрирует существенную неравномерность предварительного натяжения в мембране; в некоторых областях натяжение больше, а в некоторых меньше, т.е. натяжение в мембране заметно неравномерное. На фиг. 16 показан соответствующий результат КЭА для первого линзового узла 1, который включает диафрагму 24. В этом узле 1 неравномерность предварительного натяжения мембраны 8 в неактивированном состоянии значительно меньше, чем на фиг. 15. Мембрана на фиг. 15 имеет 30% изменение предварительного натяжения на своей площади, тогда как неравномерность предварительного натяжения мембраны на фиг. 16 составляет всего 8%.
На фиг. 17 и 18 показаны рассчитанные оптические силы сферической линзы для первого линзового узла 1 и для аналогичного линзового узла, но без диафрагмы 24. Здесь снова видно, что неравномерность сферической оптической силы на фиг. 18 гораздо меньше; серая шкала демонстрирует много большую однородность.
Таким образом, усиливающая диафрагма 24 дает существенные преимущества, так как повышает равномерность предварительного натяжения мембраны в неактивированном состоянии и сферическую оптическую силу мембраны, когда она растянута, т.е. в активированном состоянии, независимо от формы мембраны. Диафрагма 24 эффективно увеличивает жесткость опорных колец 2, 10 в определяемой ими плоскости x-y без существенного влияния на жесткость колец в направлении, перпендикулярном этой плоскости, по оси z. Как отмечалось выше, усиливающую диафрагму 24, соответствующую изобретению, можно использовать для этой цели в любом заполненном текучей средой узле с предварительно натянутой гибкой мембраной управляемой формы, образующей стенку полости, такой как оптическая поверхность заполненной текучей средой линзы, независимо от формы мембраны. Следовательно, диафрагму 24 можно использовать, например, в круглых заполненных текучей средой линзах.
На фиг. 19 и 20 схематически показан способ действия первого линзового узла 1. Линзовый узел 1 активируется путем «сжатия под углом». Передняя и задняя пластины 4, 16, удерживающее кольцо 6, диафрагма 24 и другие мелкие детали для ясности не показаны. На фиг. 19A и 20A линзовый узел 1 показан в неактивированном состоянии. В этом состоянии мембрана 8 плоская.
На фиг. 19B и 20B линзовый узел 1 активирован для увеличения его оптической силы путем приложения усилия F к одной стороне 7 опорных колец 2, 10 в точке активации  в таком направлении, чтобы побудить опорные кольца 2, 10 двигаться к задней стенке 19 тарелкообразной детали 12. Задняя стенка 19 тарелкообразной детали 12 остается неподвижной, ее удерживают задняя покрывающая пластина 16 и удерживающее кольцо 6 (не показаны на фиг. 19B). Это заставляет одну сторону 7 удерживающих колец 2, 10 придвинуться ближе к задней стенке 19 тарелкообразной детали 12. Другая короткая сторона 9 опорных колец 2, 10 прикреплена к шарнирным точкам ,  выступами 39. Опорные кольца 2, 10, таким образом, наклоняются назад под действием усилия F, образуя острый угол с задней стенкой 19. Это наклонное движение, которое преувеличено на фиг. 19B, обеспечивается гибким уплотнением, образованным боковой стенкой 18 тарелкообразной детали 12. В результате этого движения друг к другу опорных колец 2, 10 и задней стенки 19 детали 12 гидростатическое давление в полости возрастает, и мембрана 8 растягивается, выпукло выгибаясь наружу, как показано на чертеже.
На фиг. 19C и 20C активирующее усилие прекращено, что позволяет опорным кольцам 2, 10 вернуться в неактивированное, расслабленное состояние в результате свойственной им упругости. Боковая стенка 18 тарелкообразной детали 12, таким образом, расправляется, уменьшая гидростатическое давление в полости. Мембрана 8, таким образом, может вернуться в нерастянутое, неактивированное состояние.
Описанный выше линзовый узел 1 действует, наклоняя кольца 2, 10 к задней стенке 19 тарелкообразной детали 12, вследствие чего объем полости 22 уменьшается, а давление текучей среды 11 увеличивается, что заставляет мембрану 8 вытягиваться наружу. Однако специалистам понятно, что те же принципы можно применить к мембранному узлу, в котором опорное кольцо (кольца) мембраны наклоняется или иным образом отодвигается от задней стенки, увеличивая объем полости и тем самым снижая давление текучей среды, так что мембрана выгибается внутрь. Формой такой вогнутой мембраны можно управлять аналогичным образом, используя кольцо или кольца с переменным осевым моментом инерции сечения, так что при деформации мембраны кольцо или кольца приобретают профиль, необходимый для получения требуемой заданной формы мембраны.
На фиг. 21 и 22 показан второй линзовый узел 101, соответствующий изобретению. На каждом из фиг. 21A-C показаны виды в разрезе второго линзового узла 101 в разных состояниях активации, а на фиг. 22A-C - соответствующие виды спереди.
Конструкция второго линзового узла 101 аналогична конструкции линзового узла 1; детали второго линзового узла 101, такие же или аналогичные деталям линзового узла 1, ниже не описываются заново; они обозначены такими же позициями, как и соответствующие детали первого линзового узла 1, но увеличенными на 100.
Второй линзовый узел 101 имеет квадратную форму. В то время как в линзовом узле 1 для активации используется «сжатие под углом» полости 22 с текучей средой, во втором линзовом узле 101 применяется «подушкообразное» (или равномерное) сжатие, которое описывается ниже.
На фиг. 21A и 22A показано неактивированное состояние второго линзового узла 101, соответствующего изобретению.
На фиг. 23B и 22B второй активированный узел 101 показан в активированном состоянии, когда его оптическая сила увеличена. Однако вместо наклона опорных колец относительно задней стенки тарелкообразной детали 112 путем приложения усилия к одной стороне узла, вследствие чего кольца наклоняются вокруг шарнирных точек на противоположной стороне, на опорные кольца 102, 110 второго линзового узла 101 оказывается толкающее действие в точках активации , которые расположены с интервалами по окружности колец, так что в каждой точке активации кольца смещаются относительно опоры, обеспечиваемой оправой 92, к задней стенке 119 на определенное расстояние в зависимости от требуемой формы мембраны.
А именно, в каждой точке активации кольца 102, 110 смещаются, в зависимости от требуемой величины смещения колец в этих точках, чтобы получить требуемую форму мембраны. Точное местоположение точек активации и величина их смещения будут зависеть от формы абриса мембраны 108, но в принципе, в соответствии с изобретением, точка активации должна быть расположена в каждой точке на кольцах, где смещение должно представлять собой локальный максимум. Так, во втором линзовом узле 101 точка активации  расположена на каждом углу 121 мембраны 108, и при активации узла 101 каждая точка активации  смещается на ту же величину, что и другие точки.
Квадратная форма мембраны 108 означает, что между углами 121 мембраны она отклоняется внутрь от круглой конфигурации. Это значит, что когда мембрана растягивается сферически, стороны 103, 105, 107, 109 должны смещаться в направлении z на меньшую величину, чем углы 121, так что стороны между углами 121 изгибаются дугообразно вперед и могут даже смещаться относительно неактивированного положения вперед, к центру каждой стороны в точках , ,  и  для получения требуемого сферического профиля.
В альтернативном варианте осуществления изобретения кольца 102, 110 могут удерживаться неподвижными в углах 121, например, выступами типа, использовавшегося в первом линзовом узле 1 для шарнирных точек , и активирующее усилие F прилагается равномерно к задней покрывающей пластине 116 в направлении z, как показано на фиг. 21B. Тогда сила реакции прилагается к кольцам в заменяющих шарнирных точках  в углах 121, где кольца удерживаются.
При активации второго линзового узла 101, описанной выше, гибкая боковая стенка 118 тарелкообразной детали 112 равномерно сжимается, повышая давление текучей среды 111 в полости 122. Это заставляет мембрану 108 раздуваться и выпукло выгибаться наружу. Несмотря на квадратную форму мембраны, ширина и, таким образом, модуль изгиба колец 102, 110 изменяется вокруг мембраны, так что они деформируются управляемым, заданным образом, который рассчитывается, например, методом КЭА, сохраняя сферический (или другой заданный) профиль, так что мембрана деформируется сферически (или в соответствии с другим заданным профилем). Конкретнее, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 21 и 22, кольца 102, 110 толще на углах 121, чем между углами, что позволяет частям колец между углами изгибаться вперед относительно углов описанным выше образом.
Вследствие равномерного движения опорных колец 102, 110 к задней покрывающей пластине 116, может потребоваться меньшее смещение опорных колец 102, 110 для полного растяжения мембраны 108 по сравнению с узлом такого же размера, где применяется «сжатие под углом». Это позволяет минимизировать толщину второго линзового узла 101. Чтобы вернуть второй линзовый узел 101 в неактивированное состояние, активирующее усилие снимается с точек активации  (или с задней покрывающей пластины, в зависимости т обстоятельств), так что кольца могут вернуться в неактивированное исходное положение, показанное на фиг. 21C и 22C. В некоторых вариантах осуществления изобретения упругости тарелкообразной части 112 может быть достаточно, чтобы кольца вернулись в неактивированное состояние после снятия активирующего усилия. Однако в одной модификации узел активно возвращается в неактивированное положение путем перемещения колец 102, 110 в точках активации в противоположном направлении или путем удерживания колец 102, 110 и приложения обратного усилия F (см. фиг. 21C) к задней покрывающей пластине 116, которое оттягивает пластину от колец. Давление текучей среды 111 в полости 122 при этом уменьшается, позволяя мембране и кольцам вернуться к плоской конфигурации. Первый и второй линзовые узлы 1, 101 похожи друг на друга тем, что они оба требуют приложения усилия для сжатия узла. Различие между ними заключается главным образом в количестве точек активации  и шарнирных точек . В первом линзовом узле 1 имеется одна точка активации  на одной короткой стороне 7 узла и две шарнирные точки ,  на другой короткой стороне 9, которые определяют ось наклона. Длинные стороны 3, 5 ничем не сдерживаются и, когда полость 22 сжимается, они изгибаются вперед. Во втором линзовом узле 101 нет шарнирных точек, но точки активации  имеются на каждом углу 121, где для получения требуемой формы мембраны требуется максимальное сжатие полости 122. Вообще в мембранном узле, соответствующем изобретению, используется полуактивное управление формой опорных колец 2, 10; 102, 110 путем активного управления положением колец в точках регулирования, которые расположены с интервалами по окружности колец и могут быть шарнирными точками или точками активации, и допущения свободного изгибания колец 2, 10; 102, 110 между точками регулирования. Точка активации - это точка, в которой либо смещение колец активно управляется для достижения сжатия полости 22; 122, либо смещение колец модифицируется пассивным элементом, например, пружиной. Шарнирная точка - это точка, где кольца удерживаются в фиксированном положении, но могут наклоняться, если требуется, чтобы полость сжималась «сжатием под углом», как, например, в первом линзовом узле 1. Специалисты поймут, что область колец 2, 10; 102, 110, на которую воздействует точка регулирования, должна быть как можно более мала (локализована), и соседние точки регулирования в принципе не должны быть жестко соединены друг с другом, чтобы кольца могли изгибаться для достижения требуемой формы. В принципе должно быть не менее трех точек регулирования (шарнирных точек или точек активации), чтобы они стабильно определяли базовую плоскость (плоскость отсчета) мембраны 8.
Должна быть по меньшей мере одна точка регулирования в каждом секторе колец 2, 10; 102, 110. Под «сектором» понимается область колец между двумя соседними не имеющими опоры минимальными точками на кольцах 2, 10; 102, 110, где кольца локально приближаются ближе всего к центру мембраны 8; 108. В этих минимальных точках смещение колец 2, 10; 102, 110 к задней стенке 19 при активации является локальным минимумом. На самом деле, в описанных вариантах осуществления изобретения кольца 2, 10; 102, 110 при активации смещаются вперед, от задней стенки 19, и в этих вариантах минимальные точки фактически являются точками максимального локального смещения вперед относительно узла. «Центр» - это заранее определенный центр требуемой формы растянутой мембраны; в случае линзового узла центр может быть оптическим центром ОС на вершине расширенной мембраны. В каждом секторе точка регулирования должна находиться в максимальной точке (или близко к ней), в которой кольца 2, 10; 102, 110 расположены локально дальше всего от центра, другими словами, там, где смещение колец 2, 10; 102 в активированном состоянии назад, к задней стенке 19, является локальным максимумом. Кольца 2, 10; 102, 110 должны быть свободны и не ограничены в промежутках между точками регулирования, где требуемое смещение колец 2, 10; 102, 110 к задней стенке 19 меньше, чем в соседних точках регулирования, так что кромка мембраны 8; 108 может изгибаться дугообразно вперед относительно положений, которые она приняла бы, если бы кольца были негибкими, за исключением коротких отрезков колец 2, 10; 102, 110, которые могут опираться, например, на придающие жесткость ребра, такие как ребра 3a, 3b, если имеющая опору область колец 2, 10; 102, 110 не отклоняется существенно от кругового геометрического места точек с центром в оптическом центре ОС. Однако опора колец все же должна допускать некоторое их изгибание, в том числе в направлении вдоль колец, во избежание нежелательных искажений.
На фиг. 23 показано, как изменяется расстояние между оптическим центром ОС и кольцами 2, 10 в первом линзовом узле 1 по окружности колец 2, 10. Единицы измерения на фиг. 23 произвольные. Понятно, что если бы мембрана была круглая, то линия графика была бы плоской. Как показано на фиг. 10, мембрана первого линзового узла 1 имеет два основных сектора - S1, S2. Каждый из секторов S1 и S2 расположен между двумя незакрепленными минимальными точками  и , которые, как описано выше, расположены приблизительно посередине между двумя длинными сторонами 3, 5 мембраны 8. Сектор S1 включает вторую короткую сторону 9 и максимальную точку , тогда как сектор S2 включает первую короткую сторону 7 и максимальные точки  и . Точка активации  расположена между двумя максимальными точками  и . В идеальном мембранном узле, соответствующем изобретению, точка активации находилась бы в каждой из максимальных точек  и , а точка  технически была бы локальной минимальной точкой, но для практического удобства предусмотрена одна точка активации в точке  между точками  и .
Как лучше всего видно на фиг. 23, расстояние от колец 2, 10 до оптического центра ОС между двумя максимальными точками  и  в принципе постоянно, и, в то время как точка активации  технически является минимальной точкой (поворотной точкой локального минимума), смещение колец в точке  все же положительно ( дальше от оптического центра, чем шарнирные точки  и ), и, как минимальная точка, она незначительна по сравнению с основными поворотными точками  и , и придающее жесткость ребро 3a служит опорой колец 2, 10 между соседними максимальными точками  и , проходя через минимальную точку в , а также для распределения нагрузки, прилагаемой к точке активации , по первой короткой стороне 7 узла.
Сектор S1 включает также шарнирную точку , которая не расположена в максимальной или минимальной точке, но помогает определять плоскость мембраны, для чего нужно не менее трех точек регулирования. В случае мембранного узла, который работает в режиме «сжатия под углом», описанном выше, например, первого линзового узла 1, соответствующего изобретению, шарнирная точка может находиться в любой точке регулирования на опорных мембранных кольцах 2, 10, где кольца не двигаются (или существенно не двигаются) при активации линзы. Шарнирные точки ,  первого линзового узла 1, таким образом, располагаются в одном и том же секторе и определяют ось наклона Т (см. фиг. 10), которая рассекается приблизительно перпендикулярно осью между осью наклона Т и осью активации . Ось наклона Т в целом параллельна коротким сторонам 7, 9 узла. Оптический центр ОС расположен между осью наклона Т и точкой активации . В некоторых вариантах осуществления изобретения соседние шарнирные точки могут быть расположены в соседних секторах, если между ними находится минимальная точка.
На фиг. 24 показано, как изменяется расстояние между оптическим центром ОС и кольцами 102, 110 во втором линзовом узле 101 по окружности колец 102, 110. Как можно видеть, здесь имеются четыре незакрепленных минимальных точки , ,  и , где кольца 102, 110 расположены ближе всего к центру ОС. Углы 121 узла дальше всего от центра ОС, поэтому они являются максимальными точками. Точка активации  расположена на каждом углу 121, и стороны 103, 105, 107, 109 остаются свободными. Четыре минимальных точки , ,  и  определяют четыре сектора S1-S4, и в каждом секторе расположена одна, соответственная, точка активации . В альтернативном варианте, где активирующее усилие F прикладывается равномерно к задней покрывающей пластине 116 в направлении z, как показано на фиг. 21B, шарнирная точка  может быть расположена в каждом углу 121, и это возможно потому, что эффективное смещение колец 102, 110 в каждом углу 121 одинаково, так что эффективное смещение в каждой шарнирной точке  одинаково. Понятно, что чем больше точек регулирования, тем точнее можно управлять деформацией мембраны. Кроме того, дополнительные точки активации улучшают управление поверхностью мембраны и позволяют получать более широкий набор возможных форм линзы.
Специалисты поймут, что если линзовые узлы 1; 101 описанного здесь типа используются в очках, таких как очки 90, показанные на фиг. 1 и 2, то потребуется избирательно приводимый в действие механизм активации, который обеспечит необходимое сжатие полости 22, 122 и регулирование давления для срабатывания линзы, непосредственно или опосредованно. Такой механизм активации удобно разместить либо в переносице 94, либо в одном или обоих заушниках 93. В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть предусмотрен отдельный механизм активации для каждого из линзовых узлов 1; 101, размещенный в каждом из заушников 93, причем эти механизмы имеют электронную связь, обеспечивающую одновременное срабатывание двух узлов 1; 101. Механизм активации здесь не описывается, но в принципе он может быть механическим, электронным, магнитным, автоматическим со срабатыванием от движения глаз или головы, или в нем может использоваться материал с изменяемым фазовым состоянием, например, сплав с памятью формы (СПФ), воск или электроактивный полимер. Если желательно некоторое пассивное управление линзовым узлом 1; 101, то давление жидкой среды можно регулировать насосом.
Следует понимать, что использование отдельных переднего и заднего опорных колец 2, 10; 102, 110 несущественно для принципиальной функциональности линзового узла 1; 101, соответствующего изобретению, и в некоторых вариантах мембрана 8; 108 может быть установлена на одном гибком кольце. Однако установлено, что использование двух или более опорных колец дает преимущество, например, в ограничении величины скручивания опорных колец 2, 10, особенно при изготовлении узла.
На фиг. 25 показано крепление гибкой мембраны 208 к единственному опорному мембранному кольцу 210 с использованием кольцевого слоя клея 254. Установлено, что когда мембрана 208 приклеена к единственному кольцу 210 таким образом, натяжение, которое сообщается мембране 208, заставляет мембрану 208 прикладывать скручивающий момент к опорному кольцу 210 и тянуть одну сторону опорного кольца 210, тем самым локально наклоняя опорное кольцо 210 к центру линзы, как показано пунктирной линией в преувеличенном виде. Это нежелательно, так как означает, что опорное кольцо 210 не соединено надлежащим образом с другими элементами узла, и это затрудняет управление изгибанием кольца 210. Такое нежелательное закручивание кольца 210 вызывает также краевые эффекты в линзе и появление оптических аберраций как функции оптической силы линзы.
Настоящее изобретение предлагает решение этой проблемы путем использования двух опорных колец 2, 10; 102, 110; 302, 310 (см. фиг. 26). На фиг. 26 показан усовершенствованный метод сборки узла, в котором гибкая мембрана 308 удерживается между передним и задним опорными кольцами 302, 310. В этом усовершенствованном методе мембрана 308 так же предварительно натягивается, как и раньше, но кроме нанесения клеевого слоя 354 на переднюю поверхность заднего опорного кольца 310, клеевой слой 356 наносится также на заднюю поверхность переднего опорного кольца 302. Это можно делать одновременно или последовательно. Затем два опорных кольца 302, 310 одновременно сводятся вместе по обе стороны мембраны 308, как показано на чертеже, так что мембрана 308 закрепляется между ними.
Поскольку гибкая мембрана 308 никогда не бывает прикреплена только к одному кольцу, дополнительная опора, обеспечиваемая обоими кольцами 302, 310, сразу же уравновешивает локальные скручивающие усилия, которые иначе появились бы, так что обеспечивается сбалансированная опора. Затем клей затвердевает. Таким образом, формируется плоская структура типа сэндвича, которая сохраняет предварительное натяжение в мембране 308. Специалисты поймут, что при желании можно использовать больше двух опорных колец при условии, что мембрана закреплена между опорными кольцами таким образом, что натяжение мембраны равномерно действует на кольца с обеих сторон мембраны и не возникает нежелательных скручивающих усилий. Так, например, можно использовать по два или более опорных колец с каждой стороны мембраны.
Выше описаны различные варианты и аспекты изобретения, все из которых обеспечивают управляемую деформацию гибкой мембраны 8, 108. В частности, описанные варианты изобретения показывают, как можно получить по существу сферическую деформацию или деформацию, соответствующую одному или более многочленов Цернике, либо аналогичным разверткам поверхности эластичной мембраны 8, 108. Оптическое искажение сведено к минимуму, и линзу можно использовать для обеспечения плавного перехода от дальнего к ближнему фокусу. Такой управляемой деформации не обеспечивала ни одна известная линза, заполненная текучей средой. Специалистам понятно, что деформация в соответствии с многочленом Цернике не является существенным признаком и что настоящее изобретение можно использовать для управления деформацией эластичной мембраны 8, 108 с получением других требуемых форм. Линзовый узел, соответствующий изобретению, можно использовать для коррекции различных оптических аберраций, в зависимости от применения. Этого можно достичь, проектируя линзовый узел на базе различных функций Цернике.
В описанных выше первом и втором линзовых узлах 1; 101 изменение жесткости опорных мембранных колец 2, 10; 102, 110 на их протяжении достигается путем изменения ширины и, следовательно, осевого момента инерции сечения опорных колец, тогда как глубина колец в направлении z остается по существу постоянной. Жесткость можно регулировать различными способами: например, вместо изменения ширины колец в плоскости x-y можно регулировать глубину колец в направлении z. В другом варианте кольцо или кольца могут представлять собой сборку из сегментов колец, где каждая деталь сформирована из материала выбранной жесткости, и эти детали соединены торец к торцу, чтобы образовалось кольцо. Использование различных материалов для различных сегментов кольца позволяет по желанию регулировать жесткость кольца по его окружности. Сегменты кольца могут быть одной или разных длин, по мере необходимости; например, более короткие сегменты используются в тех областях кольца, где жесткость должна больше меняться с расстоянием.
Еще в одном варианте можно применять тепловую или химическую обработку выбранных областей кольца или колец для изменения свойств их материала. Еще один вариант - использование для кольца или колец композитного материала и изменение свойств материала в выбранных местах кольца (колец) путем изменения структуры материала, например, изменяя ориентацию усиливающих волокон.
Первый и второй линзовые узлы 1; 101 могут быть установлены в очках 90 таким образом, что при активации гибкой мембраны 8, 108 она выгибается вперед, в направлении от глаз пользователя. Это может быть предпочтительно по причинам безопасности, но следует понимать, что линзовые узлы 1; 101 можно также установить в очках таким образом, что мембрана будет выгибаться по направлению к глазам пользователя.
В первом и втором линзовых узлах 1; 101 полость 22; 122 образована частично тарелкообразной частью 12; 112, задняя стенка 19; 119 которой прикреплена к задней покрывающей пластине 16; 316. В одном из вариантов тарелкообразная часть 12; 112 может отсутствовать и может быть заменена гибким уплотняющим кольцом (не показано), которое аналогично только лишь боковой стенке 18; 118 тарелкообразной части и образует уплотнение между задней покрывающей пластиной 16; 116 и задним опорным кольцом 10; 110 (или усиливающей диафрагмой 24, если она имеется).
Следует также отметить, что в линзовый узел 1; 101, соответствующий изобретению, может быть включена прописанная линза с постоянным фокусным расстоянием (для дали или для близи). Это можно сделать, используя линзу с постоянным фокусным расстоянием в качестве передней покрывающей пластины 4; 104 и/или задней покрывающей пластины 16; 116. Такая линза с постоянным фокусным расстоянием должна иметь оптический центр, совмещенный или почти совмещенный с оптическим центром ОС регулируемой линзы в ее активированном состоянии.
Регулируемый линзовый узел 1; 101, соответствующий настоящему изобретению в том виде, в каком оно здесь описано, способен обеспечивать изменение оптической силы от -8 до +4 диоптрий. Если требуется отрицательная оптическая сила линзы, необходима такая конструкция, чтобы гибкая мембрана 8; 108 изгибалась внутрь.
Настоящее изобретение можно использовать также для управления деформацией поверхности в других областях техники, например, в акустике. При быстрых колебаниях прилагаемой силы F в текучей среде, контактирующей с мембраной, будут генерироваться колеблющиеся волны давления. Поскольку деформацией мембраны можно управлять в соответствии с изобретением так, чтобы она стала сферической, то кажется, что эти волны давления исходят из точечного источника. Благодаря этому волны не дают нежелательных картин интерференции, что позволяет в громкоговорителе (например) использовать в качестве преобразователя мембрану некруглой формы, так что ее можно встраивать в ограниченное пространство, например, в телевизор или мобильный телефон. В целом описанные выше принципы изобретения можно использовать в любых устройствах, где необходимо изменять геометрию поверхности управляемым образом.