ЛИНЗА С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСОМ
VARIABLE FOCUS LENS

Данное изобретение относится к линзе с переменным фокусом и, более конкретно, к линзе с переменным фокусом простой конструкции, пригодной для массового производства.
Линзы с переменным фокусом хорошо известны. Обычно они содержат заполненную жидкостью камеру, по меньшей мере одна поверхность которой выполнена из прозрачной гибкой мембраны. По мере введения жидкости в камеру или ее удаления из нее гибкая мембрана деформируется, при этом, соответственно, изменяется ее кривизна. Это изменение кривизны приводит к изменению оптических характеристик и оптической силы линзы. Таким образом, оптическая сила линзы может быть изменена просто путем изменения количества жидкости в данной камере.
Линза с переменным фокусом предшествующего уровня техники описана, например, в патенте Великобритании №2333858. Эта линза выполнена из нескольких взаимно соединяющихся колец. Между этими кольцами заключены гибкие прозрачные мембраны, при этом кольца выполнены так, что по мере их соединения они осуществляют натяжение гибких мембран (которое улучшает характеристики линзы). Затем одно из колец деформируется для скрепления сборки. Однако эта конструкция налагает некоторые ограничения (например, требование пластичности) на материалы, используемые для создания колец, а также требует строгих допусков при производстве колец. Кроме того, каждая линза выполняется из большого количества отдельных частей, что усложняет производство.
В соответствии с данным изобретением предлагается линза с переменным фокусом, содержащая по существу жесткое кольцо, имеющее переднюю и заднюю поверхности, гибкую мембрану, прикрепленную к передней поверхности кольца, по существу жесткий прозрачный передний кожух, прикрепленный к гибкой мембране, и по существу жесткий задний кожух на задней поверхности кольца, причем в указанной линзе между гибкой мембраной и задним кожухом выполнена полость, заполненная жидкостью, и количество жидкости в данной полости может быть изменено для изменения кривизны мембраны и, соответственно, оптических характеристик линзы.
В предлагаемой линзе гибкая мембрана удерживается между кольцом и передним кожухом, которые могут быть выполнены с плоскими поверхностями. Это обстоятельство налагает менее строгие ограничения на допуски элементов линзы и, таким образом, упрощает производство. Кроме того, при этом предоставляется более широкий выбор материалов, из которых может быть выполнена линза.
Предпочтительно задний кожух и кольцо выполнены как единое целое, например, формованием в виде одной детали, что уменьшает количество этапов, необходимых для сборки линзы. Однако это не является необходимой конструктивной особенностью, и, как вариант, задний кожух выполняется отдельно от кольца и прикрепляется к его задней поверхности.
В другом альтернативном варианте линза дополнительно содержит вторую гибкую мембрану между кольцом и задним кожухом, так что вторая мембрана прикреплена к задней поверхности кольца, а задний кожух прикреплен ко второй гибкой мембране. Подобная линза обладает оптической силой, в два раза превышающей оптическую силу линзы с одной мембраной при заданном давлении в полости линзы (или обеспечивает ту же оптическую силу при вдвое меньшем давлении в полости).
Кроме того, следует понимать, что во всех этих линзах гибкие мембраны защищены от повреждения, поскольку они расположены за жесткими кожухами, при этом улучшается износостойкость и жесткость линз.
При изменении кривизны гибкой мембраны изменяется объем полости между мембраной и передним кожухом. Поскольку воздух является газовой и, в связи с этим, сжимаемой средой, имеется возможность размещения гибкой мембраны посредством перемещения под воздействием сжатия или разрежения воздуха в этом объеме. Однако предпочтительно в переднем кожухе выполнено вентиляционное отверстие, позволяющее воздуху поступать в данную полость и выходить из нее.
Кольцо имеет секцию, через которую жидкость может быть введена в полость или выведена из нее. В предпочтительном варианте эта секция выполнена в виде перегородки, расположенной в отверстии в кольце. Эта перегородка предпочтительно выполнена из самозалечивающегося материала, который допускает введение жидкости в полость и удаление жидкости из полости посредством введения иглы шприца, или подобного приспособления, сквозь перегородку.
В другом предпочтительном варианте выполнены две или более двух перегородок. Такое решение облегчает заполнение полости, так как для извлечения воздуха может использоваться игла, вводимая через другую перегородку.
Предпочтительно передний кожух и/или задний кожух обладает отрицательной или положительной оптической силой.
Кроме того, предпочтительно, чтобы показатель преломления жидкости в первой полости приблизительно равнялся показателю преломления материала, из которого выполнен задний кожух. Такое решение снижает видимость трещин, царапин и подобного им на внутренней стороне заднего кожуха.
Естественно, что для удержания вместе кольца, гибкой мембраны и кожухов могут использоваться любые подходящие способы. Однако предпочтительно, чтобы кольцо, гибкая мембрана и передний кожух были прикреплены с помощью клея. Кроме того, при наличии второй гибкой мембраны между кольцом и задним кожухом предпочтительно, чтобы кольцо, вторая гибкая мембрана и задний кожух были прикреплены с помощью клея.
Далее приведено описание, только в качестве примера, предпочтительных вариантов выполнения данного изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой вид в аксонометрии первого предпочтительного варианта выполнения линзы;
фиг.2 представляет собой вид сбоку линзы;
фиг.3 представляет собой вид спереди линзы;
фиг.4 представляет собой разрез линзы по линии А-А на фиг.3;
фиг.5 представляет собой разрез второго варианта выполнения линзы и
фиг.6 представляет собой разрез третьего варианта выполнения линзы.
Как лучше всего показано на фиг.4, линза 10 выполнена из трех основных элементов: заднего элемента 18, переднего кожуха 40 и гибкой мембраны 50.
Задний элемент 18 имеет форму мелкой тарелки, образованной кольцом 22 и задним кожухом 20, выполненным как единое целое с этим кольцом. От края до края поверхности мелкой тарелки проходит гибкая мембрана 50, которая прикреплена к передней поверхности кольца 22. Между тарелкой и гибкой мембраной 50 образована полость 60, которая заполнена жидкостью, при этом количество жидкости в полости 60 может варьироваться для изменения объема полости 60. Кольцо 22 и задний кожух 20 выполнены по существу жесткими, поэтому такое изменение объема полости 60 деформирует мембрану 50 и, таким образом, изменяет оптические характеристики линзы 10.
Передний кожух 40 прикреплен к мембране 50 так, что мембрана 50 зажата между кольцом 22 и передним кожухом 40. Между мембраной 50 и передним кожухом 40 образована вторая полость 70, которая содержит воздух. В переднем кожухе 40 выполнено небольшое вентиляционное отверстие 44, которое обеспечивает сообщение второй полости 70 с атмосферой. Такое решение позволяет изменять объем воздуха во второй полости 70 по мере деформации мембраны 50. Вентиляционное отверстие 44 расположено у края линзы и выполнено маленьким насколько это возможно, чтобы снизить любое отвлечение внимания пользователя линзы.
Как показано на чертежах, внутренняя поверхность 42 переднего кожуха 40 (поверхность, обращенная к гибкой мембране 50) изогнута. Такое решение обеспечивает достаточное пространство для деформации гибкой мембраны 50 и, таким образом, позволяет настраивать оптическую силу линзы 10.
В кольце 22 заднего элемента имеется отверстие 24 (лучше всего видно на фиг.1), которое обычно закрыто упругой заглушкой 80 (ссылка на которую, здесь и далее, делается как на «перегородку»). Перегородка 80 препятствует вытеканию жидкости из полости 60, а также поступлению воздуха в полость 60, и, тем самым, поддерживает кривизну мембраны 50 (и, соответственно, оптические характеристики линзы 10) в нужном состоянии.
Перегородка 80 выполнена из самозалечивающегося материала. Подобные материалы могут быть проколоты иглами или им подобными и при удалении иглы могут ликвидировать прокол. Использование подобного материала позволяет регулировать количество жидкости в полости 60 с помощью подобной иглы.
Для увеличения количества жидкости в полости 60 иглу шприца, содержащего жидкость, вводят сквозь перегородку 80 так, что конец иглы проникает в полость 60. Затем жидкость из шприца вводят в полость 60. Увеличение количества жидкости принуждает гибкую мембрану 50 изгибаться наружу, при этом изменяются оптические характеристики линзы. После достижения нужных оптических характеристик иглу извлекают из полости 60 и перегородки 80. Вследствие свойства самозалечивания перегородки 80 отверстие, образованное иглой, закрывается, и полость 60 снова герметизируется.
Подобная процедура используется при извлечении жидкости из полости 60.
Для обеспечения качественного уплотнения между перегородкой 80 и отверстием 24 в кольце 22 перегородка 80 может быть вставлена в отверстие 22 под воздействием растягивающих сил, а затем ослаблена. Когда перегородку 80 вводят под воздействием растягивающих сил, она растягивается в продольном направлении и сжимается в боковом направлении в соответствии с соотношением Пуассона. При боковом сжатии перегородка 80 может быть надлежащим образом расположена в отверстии 24, а затем напряжение может быть снято. Снятие напряжения заставляет перегородку 80 вернуться к исходной ширине, которая в идеальном случае несколько больше ширины отверстия 24 для обеспечения прочного удержания перегородки 80 на месте.
В другом варианте перегородка может быть отформована вместе с задним элементом 18. При этом способе сначала из пластического материала формуют задний элемент, причем на этом этапе формования выполняют отверстие в кольце. Затем на втором этапе в отверстии выполняют формование заглушки из эластомера, которая образует перегородку. Выбор материалов, используемых для заднего элемента и перегородки, определяется их свойствами хорошего естественного сцепления, чтобы обеспечить прочную посадку перегородки в отверстии. Следует понимать, что в подобном процессе совместного формования создание заднего элемента с перегородкой может быть выполнено более быстрым и более дешевым способом, чем вышеописанный двухэтапный способ.
В предпочтительном варианте передний кожух 40 выполняют в форме линзы (т.е. кривизна ее передней поверхности отличается от кривизны задней поверхности). Такое решение позволяет получить более высокую оптическую силу линзы с переменным фокусом (или другой диапазон оптической силы), чем оптическая сила, достигаемая исключительно деформацией гибкой мембраны 50.
Например, предположим, что диапазон оптических сил, который можно получить только деформацией гибкой мембраны составляет от -5 до +5 диоптрий. Если пользователю требуется коррекция за пределами этого диапазона (например, -8 диоптрий), тогда такого результата невозможно добиться только деформацией гибкой мембраны. Однако при создании переднего кожуха с некоторой оптической силой линзы (например, -5 диоптрий) диапазон доступных значений оптической силы смещается и становится от -10 до 0 диоптрий, который покрывает требуемую коррекцию. Аналогично, если потребуется более высокая положительная оптическая сила, она может быть достигнута созданием переднего кожуха с некоторой положительной оптической силой линзы.
Кроме того, в некоторых случаях желательно внутри вышеуказанной полости обеспечить давление жидкости выше атмосферного (или по меньшей мере равное ему). При поддержании этого давления гибкая мембрана прогибается наружу, что придает линзе положительную оптическую силу. Если линзе в целом требуется обеспечить отрицательную оптическую силу, тогда необходимо выполнить по меньшей мере один из переднего и заднего кожухов с отрицательной оптической силой.
Далее приведено описание предпочтительного в настоящее время процесса изготовления линзы с переменным фокусом.
Прежде всего, выполняют задний элемент 18, например, формовкой акрилового пластика или обработкой механическим способом и полированием. В зависимости от качества формовки поверхность 26, которая при использовании обращена к глазу пользователя, может быть оставлена в ее состоянии непосредственно после формования, или, как вариант, эта поверхность 26 может быть отполирована для улучшения ее гладкости. Внутренние поверхности 28, 30 также обрабатывают механическим способом для придания им формы. Отверстие 24 для перегородки 80 может быть выполнено во время процесса формовки или механическим способом после формовки. Кроме того, для выполнения отверстия 24 может быть использовано сочетание формования и механической обработки.
Далее выполняют перегородку 80 из литьевого силикона. В предпочтительном варианте литьевой силикон имеет твердость по Шору от 30А до 40А. Затем силиконовую перегородку грунтуют (например, посредством нанесения кистью грунтовки Loctite 770) и наносят цианакрилатный клей (например, Loctite 403).
После этого перегородку 80 втягивают в отверстие 24 заднего кожуха. Такое втягивание растягивает перегородку 80 и вызывает ее уменьшение по ширине, что позволяет установить ее в отверстие 24. После надлежащей установки перегородки 80 растяжение снимают, при этом перегородка стремится вернуться к ее исходным размерам, что обеспечивает ее прочную посадку в отверстии 24. Такое решение обеспечивает качественное уплотнение между перегородкой 80 и отверстием 24.
Затем с перегородки 80 снимают какие-либо излишки клея и, дополнительно, после отверждения клея, выступающий внутрь «хвост» перегородки зачищают, так что перегородка сравнивается с внутренней стенкой 30 кольца 22. Это уменьшает прохождение перегородки 80 в поле зрения пользователя.
Далее подготавливают гибкую мембрану. В предпочтительном варианте ее выполняют из полотна пленки из полиэфира, например из материала Mylar и, в частности, Mylar DL, который обладает хорошими оптическими качествами. Данное полотно также может быть обработано (с одной или с двух сторон) для улучшения его адгезионных свойств. Затем данное полотно подвергают воздействию растягивающих сил.
Тонкий слой отверждаемого под воздействием УФ-излучения клея (например, Loctite 3105) наносят на переднюю поверхность 32 кольца 22, которая в собранном состоянии обращена к переднему кожуху 40 (и входит в контакт с мембраной 50). Затем переднюю поверхность кольца 22 элемента 18 опирают на полотно, так что клей входит в контакт с данным полотном.
Далее скомпонованный узел из заднего элемента 18 и полотна, с целью отверждения клея, выставляют к источнику УФ-излучения, который может быть любым подходящим источником, в том числе возможно облучение этого узла простым ярким солнечным светом для обеспечения его отверждения.
После отверждения клея полотно срезают по контуру кольца 22. Эту операцию можно выполнить в два этапа: первый этап - грубое срезание и второй этап - зачистка, при котором часть полотна, приклеенного к кольцу, зачищают, чтобы оно соответствовало форме кольца.
Затем формируют передний кожух 40. Могут быть применены любой подходящий способ и материал. В предпочтительном варианте передний кожух 40 выполняют из поликарбоната формованием или механической обработкой, а затем полируют. Кроме того, передний кожух 40 может быть выполнен из стандартного фасонного очкового стекла, обрезанного до соответствующей формы.
Следует отметить, что и передний кожух 40, и кольцо 22 заднего элемента 18 выполнены с двумя диаметрально противоположными продольными канавками 34, 46, расположенными на их боковых поверхностях. Эти канавки 34, 46 служат для надлежащего совмещения переднего кожуха 40 и заднего элемента 18 во время их сборки, описание процесса которой приведено ниже.
Во время сборки компоновочный узел, состоящий из заднего элемента 18 и мембраны 50, устанавливают в обеспечивающий совмещение элемент мембраной 50 вверх. Этот элемент имеет два выступа, которые входят в соединение с канавками 34 на заднем элементе 18. После надлежащей установки заднего элемента 18 в обеспечивающий совмещение элемент положение заднего элемента определяется соединением данных выступов с канавками 34.
Естественно, что могут быть использованы другие обеспечивающие совмещение элементы, например оправка с проточками по внутреннему диаметру, которые соотнесены с наружным профилем кожухов. Такое решение может быть предпочтительно в некоторых случаях, когда канавки 34, 46 могут сильно влиять на эстетичный вид линзы.
Тонкий слой отверждаемого под воздействием УФ-излучения клея (например, Loctite 3105) наносят на поверхность 48 переднего кожуха 40, которая в собранном состоянии обращена к кольцу 22 (и входит в контакт с мембраной). Следует иметь в виду, что этот этап может выполняться перед или после установки компоновочного узла из заднего элемента 18 и мембраны 50 в обеспечивающий совмещение элемент.
Затем в обеспечивающий совмещение элемент также устанавливают передний кожух 40 клеевой стороной вниз, которая опирается на мембрану 50, так что клей входит в контакт с мембраной и, как и прежде, подвергают облучению УФ-излучения (которое может быть солнечным светом) с целью отверждения клея.
После отверждения клея узел 10 линзы удаляют из обеспечивающего совмещение элемента. Полость 60, образованную между задней покрышкой 20, кольцом 22 и мембраной 50 заполняют жидкостью, например маслом, с помощью иглы, вводимой через перегородку 80, причем на этом этапе может быть выполнена регулировка количества жидкости в полости 60 для получения надлежащего фокуса линзы 10.
После заполнения полости 60 маслом наружная сторона перегородки 80 зачищается так, чтобы она была выполнена заподлицо с наружной стенкой кольца 22. Такая обработка создает ровный наружный контур линзы 10 и облегчает установку линзы в оправу очков.
На последнем этапе две такие линзы устанавливают в оправу для создания пары очков. Если требуется, оправы могут иметь отверстия, выровненные с перегородками линз, допускающие введение иглы через оправу и перегородку линзы для возможности дополнительной тонкой настройки фокуса линзы.
В вышеописанной линзе имеется одно отверстие 24 в кольце 22 заднего элемента 18, закрытое одной перегородкой 80. В другом варианте боковая стенка заднего кожуха может иметь два отверстия, каждое из которых закрыто перегородкой.
Такая конструкция с двумя перегородками обладает рядом преимуществ, касающихся заполнения полости. Например, если перегородки по существу диаметрально противоположны друг другу, тогда линзы могут быть расположены с одной перегородкой над другой. При этом жидкость может быть введена в полость с помощью иглы, введенной сквозь нижнюю перегородку, а воздух может быть извлечен из данной полости с помощью второй иглы, введенной сквозь верхнюю перегородку. Такой способ заполнения снижает количество воздушных пузырьков в полости после ее заполнения жидкостью и, таким образом, улучшает оптическое качество линзы.
Предпочтительно, чтобы показатель преломления жидкости в полости 60 был приблизительно равен показателю преломления материала, используемого для создания заднего кожуха 20.
Как было упомянуто выше, для доведения заднего элемента 18 до желательной формы требуется некоторая механическая обработка, и, в частности, обрабатывается поверхность 28 заднего кожуха 20, которая образует данную полость. Имеется возможность механически обработать эту поверхность 28 так, чтобы избежать образования царапин, однако такой способ требует дорогостоящих процессов механической обработки, что приводит к увеличению стоимости линзы 10.
Более дешевым вариантом является обеспечение приблизительно равных показателей преломления жидкости и материала заднего кожуха. В этом случае не будет наблюдаться преломления луча света, проходящего через жидкость в задний кожух, и любые царапины на поверхности заднего кожуха будут практически не видны.
Следует понимать, что вышеприведенное подробное описание касается только одной конкретной конструкции линзы, при этом возможно использование других подобных конструкций. Далее будут кратко описаны две подобные конструкции со ссылкой на фиг.5 и 6.
В показанной на фиг.5 линзе 110 задний кожух 120 и кольцо 122 выполнены в виде отдельных деталей, которые прикреплены друг к другу клеем. Этот процесс можно рассматривать как первый этап в вышеописанном процессе сборки, который выполняется до создания и прикрепления перегородки. Гибкая мембрана 150, передний кожух 140 и полость 160 выполняются аналогично тем, что показаны на фиг.4.
В показанной на фиг.6 линзе 210 задний кожух 220 и кольцо 222 вновь выполнены в виде отдельных деталей. Кроме того, между кольцом 222 и задним кожухом 240 (которая показана изогнутой для обеспечения возможности деформации мембраны) расположена вторая гибкая мембрана 252. Таким образом, границы полости 260 ограничиваются гибкими мембранами 250, 252 и кольцом 222.
Наличие двух мембран обеспечивает линзе оптическую силу, в два раза превышающую оптическую силу линзы с одной мембраной, при заданном давлении в полости (или допускает ту же оптическую силу при вдвое меньшем давлении в полости). Несмотря на то что подобная линза может быть толще линзы, показанной на фиг.1-5, это может не иметь значения, поскольку все зависит от того, где используется данная линза (например, в инструментах).