Офтальмологические устройства со встроенными элементами метаповерхности
OPHTHALMOLOGICAL DEVICES WITH BUILT-IN METASURFACE ELEMENTS

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении описаны офтальмологические устройства со вставками-субстратами и линзы, которые имеют элементы метаповерхности внутри или на них.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Традиционно офтальмологическое устройство, такое как контактная линза, интраокулярная линза или пробка для слезной точки, представляет собой биосовместимое устройство, обладающее корректирующими, косметическими или терапевтическими качествами. Например, контактная линза может выполнять одну или более из функции коррекции зрения, косметической коррекции и терапевтической функции. Каждая функция обеспечивается физической характеристикой линзы. Конструкция линзы с учетом светопреломляющего свойства может обеспечивать функцию коррекции зрения. Встраивание в линзу пигмента может обеспечивать косметический эффект. Встраивание в линзу активного агента может обеспечивать терапевтическую функцию. Такие физические характеристики реализуются без перехода линз в состояние энергообеспечения. Традиционно пробка для слезной точки является пассивным устройством.
Недавно были описаны новые офтальмологические устройства на основе офтальмологических вставок с энергообеспечением и без энергообеспечения. Данные устройства могут использовать функцию энергообеспечения для питания активных оптических компонентов.
Недавно было показано, что уникальные плоские линзы можно образовать при производстве специализированных поверхностных структур, имеющих расположенные на поверхности наноразмерные металлические элементы. Варьирование структуры элементарной ячейки наноразмерного элемента позволяет изготовить различные конфигурации устройств.
Может оказаться полезным создавать офтальмологические устройства путем встраивания в них наноразмерных структур.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, настоящее изобретение включает в себя вставку-субстрат, содержащую наноразмерные металлические элементы, которые составляют метаповерхность. Метаповерхность может представлять собой повторяющийся узор из элементов с размерами, которые меньше длины волны для конкретной длины волны света. Взаимодействие элементов с размерами, которые меньше длины волны, может приводить к взаимодействию со светом и изменению фазовых характеристик света, повторно излучаемого элементами. В данном случае элементы можно рассматривать как наноразмерные антенны. Может существовать множество способов образования наноразмерных металлических элементов на вставке, и данные вставки можно инкапсулировать в край офтальмологического материала для образования офтальмологических устройств.
В некоторых вариантах осуществления устройство вставки можно получить путем образования наноразмерных металлических элементов в периодическом узоре по меньшей мере на части поверхности устройства вставки. Периодический узор может иметь пространственную периодичность, которая приблизительно равна различным длинам волн видимого света или меньше их. В некоторых вариантах осуществления выбор формы и размеров металлических элементов может определяться на основе моделирования необходимых фазовых характеристик наноразмерных элементов. Свет, падающий на элементы метаповерхности, может выходить из них с измененными фазовыми характеристиками, и это можно моделировать. Процесс конструирования может представлять собой процесс моделирования из первых принципов, в котором в самосогласованной модели используют природу структуры, ее общий узор, расположение отдельных элементов и другие факторы, а также необходимый эффект на свет. Альтернативно можно использовать итерационное моделирование на основе пробных конфигураций с регулированием на основе предыдущих результатов. В некоторых вариантах осуществления необходимые характеристики линзы наноразмерной металлической поверхности могут иметь радиально симметричные фокусирующие характеристики линзы. Модели могут создавать необходимые фазовые характеристики, которые обладают радиальной симметрией и фокусной характеристикой от эффекта группы элементов. Когда образованная вставка имеет трехмерную и криволинейную поверхность в отличие от плоской поверхности, могут существовать протоколы оценки, которые могут подходить для преобразования полученных характеристик линзы офтальмологического устройства с элементами метаповерхности в модель офтальмологического устройства в трехмерном пространстве и представления метаповерхности эквивалентным плоским пространством. Могут существовать оценки эффективных фокусных характеристик метаповерхности, которые могут приводить к получению параметров конфигурации. Процесс можно использовать совместно с процессом итерационного моделирования, как указано выше.
В некоторых вариантах осуществления процессы моделирования можно проводить путем применения программных алгоритмов, параметры которых может задавать пользователь и которые можно выполнять в вычислительных системах. Задаваемые пользователем параметры могут основываться на теоретических требованиях. В других случаях офтальмолог может измерить офтальмологические характеристики и определить требуемые корректирующие меры для пациента и сформулировать данные в виде набора параметров для системы моделирования. В некоторых вариантах осуществления вычислительные системы могут выдавать числовые результаты или генерировать пространственную конфигурацию элементов в виде массивов точек данных конфигурации.
2
В некоторых вариантах осуществления, предпочтительно когда длина волны света соответствует видимой части спектра, металлические элементы могут иметь малые размеры поверхности. Например, элементы метаповерхности могут иметь размеры, составляющие 10000 нмили менее. В периодической природе расположения элементов метаповерхности возможно большое разнообразие. Их можно располагать в виде прямолинейного, полярного или радиального узора или иных периодических узоров. Расстояние между соседними элементами может быть связано с необходимыми длинами волн света, с которыми должны взаимодействовать элементы. В некоторых вариантах осуществления данное расстояние может быть меньше или приблизительно равно ближней красной части видимого спектра. В некоторых вариантах осуществления расстояние или периодичность могут быть меньше или приблизительно равны 700 нм.
Вставку можно включить в край линзы. Край линзы может быть изготовлен из материалов, которые, как правило, используют при производстве контактных линз, таких как, например, гидрогели. В офтальмологический край линзы можно отлить элементы стабилизации, которые могут подходить для ориентации линзы на глазу. Данные элементы могут оказаться особенно полезны для элементов метаповерхности линзы, которые имеют корректирующие аспекты высокого порядка, причем корректирующие аспекты не являются радиально симметричными. Для установки в полученное офтальмологическое устройство можно использовать вставки различных конфигураций. Общая форма поверхности вставки, имеющей поверх себя элементы метаповерхности, может иметь выпуклую природу или альтернативно вогнутую природу. Другие формы, которые можно образовать во вставки для офтальмологических устройств, также могут входить в уровень техники в рамках настоящего описания.
Также можно формировать активные или нестатические варианты осуществления элементов метаповерхности. В некоторых вариантах осуществления элементы можно образовать из металлических слоев, которые можно использовать под воздействием электрической энергии для образования или усиления активности элементов метаповерхности. Аспекты периодичности и формы активно образуемых структур могут быть аналогичны описанным в предшествующих разделах. В некоторых вариантах осуществления можно использовать принципы электросмачивания на диэлектрике (EWOD). Одна из несмешивающихся текучих сред в устройстве EWOD может содержать металлические наносферы или металлические наностержни. В некоторых вариантах осуществления наносферы или наностержни могут иметь модификации поверхности для усиления их предпочтения той или иной из текучих сред EWOD. В некоторых вариантах осуществления модификацию поверхности можно провести путем химического закрепления молекул-лигандов на наноразмерных металлических компонентах. Поверхность вставки в тех местах, где будут активно образованы элементы метаповерхности, может иметь участки с такой предпочтительной свободной энергией поверхности, чтобы дифференциально взаимодействовать с текучими средами EWOD. В некоторых вариантах осуществления неактивное состояние участков EWOD может определять состояние, в котором текучая среда, содержащая наносферы, наностержни или иные металлические компоненты заданной формы, диффузно распределена в пространстве. При приложении электрического поля в устройстве EWOD может произойти активация предпочтительного смачивания на необходимых участках, что приведет к сбору текучей среды, содержащей наноразмерные металлические составляющие, в формы, представляющие собой элементы метаповерхности.
Можно образовать контактные линзы, содержащие вставки с трехмерными пространственными формами, у которых по меньшей мере в некоторых частях поверхностей вставок могут находиться статические или активные элементы метаповерхности, причем элементы метаповерхности дают эффект линзы. Некоторые варианты осуществления с активными элементами метаповерхности могут содержать компоненты, которые работают на основе явления электросмачивания на диэлектрике. В текучих средах элементов EWOD могут присутствовать наноразмерные компоненты, которые в некоторых случаях могут представлять собой наносферы или наностержни. Модификацию поверхности наноразмерных компонентов в текучей среде можно проводить различными способами, которые могут включать в себя химическое закрепление молекул на поверхностях наноразмерных компонентов для измерения их предпочтения к одной или более текучим средам электросмачивания на диэлектрике. Варианты осуществления с нанесенными активными элементами метаповерхности могут реагировать на электрическое поле, которое может управляться другими компонентами, размещенными во вставке или внутри офтальмологического устройства. В некоторых вариантах осуществления электрически управляемое образование активных поверхностных элементов метаповерхности может позволить получить контактную линзу с переменным фокусом.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлен пример осуществления вставки-субстрата для офтальмологического устройства с энергообеспечением и пример осуществления офтальмологического устройства с энергообеспечением.
На Фиг. 2 представлен пример контактной линзы с различными элементами, включая встроенную одноэлементную вставку, которая может подходить для реализации аспектов уровня техники, описанного в настоящем документе.
На Фиг. 3 представлен пример альтернативного варианта осуществления по сравнению с показанным на Фиг. 2.
На Фиг. 4 представлен пример контактной линзы с различными элементами, включая встроенную многоэлементную вставку, которая может подходить для реализации аспектов уровня техники, описанного в настоящем документе.
На Фиг. 5 представлены аспекты предшествующего уровня техники, относящиеся к линзе на основе плоского элемента метаповерхности и к разработке элементов метаповерхности с гиперболическим профилем фазы, которые могут функционировать в качестве линзы.
На Фиг. 6 представлены изменения в моделировании наноструктур на основе трехмерных подложек линзы по сравнению с плоскими подложками.
На Фиг. 7 представлена оценка фазовой характеристики, которая подходит для моделирования линзы.
На Фиг. 8 представлен пример вставки-субстрата, содержащего активные элементы и элементы метаповерхности.
На Фиг. 9 представлен пример активного офтальмологического устройства со структурами, которые применяют элементы метаповерхности при активации.
На Фиг. 10 представлен альтернативный пример активного офтальмологического устройства со структурами, которые применяют элементы метаповерхности при активации.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к офтальмологическому устройству, имеющему компоненты метаповерхности, которые могут приводить к изменениям электромагнитного излучения в среде глаза. В следующих разделах будет приведено подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения. Описания как предпочтительных, так и альтернативных вариантов осуществления являются только примерами осуществления. Предполагается, что специалисту в данной области будут понятны возможности создания вариантов, модификаций и изменений. Поэтому следует учитывать, что область, охватываемая настоящим изобретением, не ограничивается указанными примерами осуществления.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В приведенном описании и пунктах формулы, относящихся к настоящему изобретению, используется ряд терминов, для которых будут приняты следующие определения:
С энергообеспечением — в настоящем документе обозначает состояние способности обеспечить подачу электрического тока или хранение в себе запаса электрической энергии.
Энергия — в настоящем документе обозначает способность физической системы к выполнению работы. Многие способы применения в рамках настоящего изобретения могут относиться к указанной способности осуществления электрического воздействия при выполнении работы.
Источник энергии — в настоящем документе обозначает устройство или слой, способный подавать энергию или переводить логическое или электрическое устройство в состояние энергообеспечения.
Устройство сбора энергии — в настоящем документе обозначает устройство, способное извлекать энергию из среды и превращать ее в электрическую энергию.
Функционализированный — в настоящем документе обозначает создание слоя или устройства, способного выполнять некоторую функцию, включая, например, энергообеспечение, активирование или управление.
Утечка — в настоящем документе обозначает нежелательную потерю энергии.
Линза или офтальмологическое устройство — в настоящем документе обозначает любое устройство, расположенное в глазу или на нем. Эти устройства могут обеспечивать оптическую коррекцию, выполнять косметическую функцию или могут выполнять функцию, не связанную с глазом. Например, термин «линза» может относиться к контактной линзе, интраокулярной линзе, накладной линзе, офтальмологической вставке, оптической вставке или другому аналогичному устройству, которое используется для коррекции или модификации зрения или для косметической коррекции физиологии глаза (например, изменения цвета радужной оболочки) без ущерба для зрения. Альтернативно линза может обеспечивать неоптические функции, такие как, например, мониторинг уровня глюкозы или введение лекарственного средства. В некоторых вариантах осуществления предпочтительные линзы настоящего изобретения представляют собой мягкие контактные линзы, изготовленные из силиконовых эластомеров или гидрогелей, которые включают в себя, например, силикон-гидрогели и фтор-гидрогели.
Линзообразующая смесь, или реакционная смесь, или реакционная смесь мономера (RMM) — в настоящем документе обозначает мономерный или форполимерный материал, который можно отверждать и поперечно сшить или поперечно сшить для образования офтальмологической линзы. Различные варианты осуществления могут включать в себя линзообразующие смеси с одной или более добавками, такими как, например, УФ-блокаторы, тонирующие вещества, фотоинициаторы или катализаторы, а также прочие необходимые добавки для офтальмологических линз, таких как контактные или интраокулярные линзы.
Линзообразующая поверхность — в настоящем документе обозначает поверхность, используемую для литья линзы. В некоторых вариантах осуществления любая такая поверхность может иметь поверхность с обработкой оптического качества, что означает, что данная поверхность достаточно гладкая и изготовлена так, что поверхность линзы, изготовленной путем полимеризации линзообразующего материала, находящегося в контакте с поверхностью формы для литья, имеет оптическое качество. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления линзообразующая поверхность может иметь геометрию, которая необходима для придания поверхности линзы желаемых оптических характеристик, включая, помимо прочего, коррекцию сферических, асферических и цилиндрических степенных аберраций волнового фронта, коррекцию топографии роговицы и т.п., а также любых их комбинаций.
Литий-ионный элемент — в настоящем документе обозначает электрохимический элемент, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате движения ионов лития через элемент. Такой электрохимический элемент, обычно называемый батареей, в своих типичных формах может быть повторно подключен к источнику энергии или перезаряжен.
Вставка-субстрат — в настоящем документе обозначает инкапсулированную вставку, которая будет включена в офтальмологическое устройство с энергообеспечением. Элементы питания и узор могут быть встроены во вставку-субстрат. Вставка-субстрат определяет основное назначение офтальмологического устройства с энергообеспечением. Например, в вариантах осуществления, в которых офтальмологическое устройство с энергообеспечением позволяет пользователю регулировать оптическую силу, вставка-субстрат может включать в себя элементы питания, управляющие жидкостной менисковой частью в оптической зоне. Альтернативно вставка-субстрат может иметь кольцевую форму, в результате чего оптическая зона не содержит материала. В таких вариантах осуществления функция энергообеспечения линзы может быть не связана с оптическим качеством, а может предусматривать, например, контроль уровня глюкозы или введение лекарственного средства.
Метаповерхность — в настоящем документе обозначает искусственно созданную комбинацию наноразмерных элементов, расположенных с некоторой периодичностью. Комбинации позволяют получить подходящие характеристики, отличные от характеристик естественных структур. Во многих вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, взаимодействие элементов со светом, особенно в видимой части спектра, позволяет создавать устройства линз.
Форма для литья — в настоящем документе обозначает жесткий или полужесткий объект, который может применяться для формования линз из неотвержденных составов. Некоторые предпочтительные формы для литья включают в себя две части формы для литья, образующие переднюю изогнутую часть формы для литья и заднюю изогнутую часть формы для литья.
Наноразмерный — в настоящем документе обозначает элемент, который имеет элемент или элементы, размер которого или которых по меньшей мере в одном измерении меньше приблизительно 1 микрона; таким образом, размер по меньшей мере для одного измерения можно быть описан в нанометрах.
Рабочий режим — в настоящем документе обозначает состояние с высоким потреблением тока, при котором ток, проходящий по узору, позволяет устройству выполнять свою основную функцию энергообеспечения.
Оптическая зона — в настоящем документе обозначает область офтальмологической линзы, через которую смотрит пользователь офтальмологической линзы.
Сила — в настоящем документе обозначает выполненную работу или переданную энергию за единицу времени.
Перезаряжаемый или повторно подключаемый к источнику энергии — в настоящем документе обозначает возможность быть возвращенным в состояние с более высокой способностью к выполнению работы. Многие способы применения в рамках настоящего изобретения могут относиться к восстановлению способности проводить электрический ток определенной величины и в течение определенного промежутка времени.
Повторно подключить к источнику энергии или перезарядить - в настоящем документе обозначает восстановление состояния с более высокой способностью совершать работу. Многие способы применения в рамках настоящего изобретения могут относиться к восстановлению способности устройства проводить электрический ток определенной величины и в течение определенного промежутка времени.
Эталон - в настоящем документе обозначает узор, в идеальном варианте создающий фиксированное и стабильное напряжение или выходное значение тока, которое подходит для применения в других узорах. Эталон может быть основан на запрещенной энергетической зоне, может иметь компенсацию температуры, подачи питания и технологических вариаций и может быть специально рассчитан для конкретной специализированного интегрального узора (ASIC).
Высвобожденный из формы для литья — в настоящем документе обозначает линзу, которая либо полностью отделена от формы для литья, либо лишь слабо закреплена на ней таким образом, что ее можно отделить легким встряхиванием или сдвинуть с помощью тампона.
Функция сброса — в настоящем документе обозначает самоактивирующийся алгоритмический механизм для установки узора в определенное предварительно заданное состояние, включая, например, логическое состояние или состояние энергообеспечения. Функция сброса может включать в себя, например, схему сброса при включении питания, которая может в сочетании с механизмом переключения обеспечивать надлежащую подачу питания на микросхему, как при первоначальном подключении к источнику энергии, так и при выходе из режима сохранения энергии.
Спящий режим или режим ожидания - в настоящем документе обозначает состояние низкого потребления тока устройства с энергообеспечением после того, как механизм переключения будет перекрыт с целью энергосбережения, когда рабочий режим не требуется.
Наложение друг на друга — в настоящем документе обозначает расположение по меньшей мере двух слоев компонентов в непосредственной близости друг к другу так, чтобы по меньшей мере часть одной поверхности одного из слоев контактировала с первой поверхностью второго слоя. В некоторых вариантах осуществления между двумя слоями может находиться пленка, обеспечивающая сцепление или выполняющая иные функции, так что слои находятся в контакте друг с другом через указанную пленку.
Наложенные друг на друга интегрированные многокомпонентные устройства, или SIC-устройства, - в настоящем документе обозначает результаты применения технологий упаковки, позволяющие собирать тонкие слои подложек, которые могут включать электрические и электромеханические устройства, в функциональные интегрированные устройства путем наложения по меньшей мере части каждого слоя друг на друга. Такие слои могут включать изготовленные из различных материалов многокомпонентные устройства различных типов, форм и размеров. Более того, слои могут быть выполнены по различным технологиям изготовления устройств для подгонки и соответствия различным профилям.
Режим сохранения энергии - в настоящем документе обозначает состояние системы, содержащей электронные компоненты, в которой источник энергии обеспечивает или должен обеспечивать минимальный проектный ток нагрузки. Этот термин не является взаимозаменяемым с режимом ожидания.
Вставка подложки – в настоящем документе обозначает формуемую или жесткую подложку, способную поддерживать источник энергии внутри офтальмологической линзы. В некоторых вариантах осуществления вставка подложки также поддерживает один или более компонентов.
Механизм переключения — в настоящем документе обозначает компонент, интегрированный в узор, обеспечивающий различные уровни сопротивления, который может реагировать на внешний стимул и который является независимым от офтальмологического устройства.
Трехмерный — в настоящем документе обозначает форму или поверхность, которые по существу не являются плоскими.
ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ
На фиг. 1 представлен пример осуществления вставки-субстрата 100 для офтальмологического устройства с энергообеспечением и соответствующее офтальмологическое устройство с энергообеспечением 150. Вставка-субстрат 100 может содержать оптическую зону 120, которая может быть или не быть функциональной в плане коррекции зрения. Если функция энергообеспечения офтальмологического устройства не связана со зрением, оптическая зона 120 вставки-субстрата 100 может не содержать материала. В некоторых вариантах осуществления вставка-субстрат 100 может включать в себя часть, не находящуюся в оптической зоне 120, содержащую подложку 115, встроенную с элементами питания 110 и электронными компонентами 105. Могут существовать различные варианты осуществления, относящиеся к включению элементов метаповерхности в офтальмологические устройства; однако во многих могут использоваться части поверхности внутри оптической зоны 120, на которые размещают элементы метаповерхности.
В некоторых вариантах осуществления источник энергии 110, который может представлять собой, например, батарею, и нагрузка 105, которая может представлять собой, например, полупроводниковый кристалл, могут быть прикреплены к подложке 115. Проводящие дорожки 125 и 130 могут обеспечивать электрическое соединение между электронными компонентами 105 и элементами питания 110. Вставка-субстрат 100 может быть полностью инкапсулирована для защиты и вмещения элементов питания, дорожек и электронных компонентов. В некоторых вариантах осуществления инкапсулирующий материал может быть полупроницаемым, например, для предотвращения попадания определенных веществ, таких как вода, во вставку-субстрат 100, и обеспечения входа и выхода определенных веществ, таких как газы окружающей среды и побочные продукты реакций в элементах питания, во вставку-субстрат 100 и из нее.
В некоторых вариантах осуществления вставка-субстрат 100 может быть включена в офтальмологическое устройство 150, которое может содержать полимерный биосовместимый материал. Офтальмологическое устройство 150 может включать в себя конструкцию из жесткой центральной части и мягкого края, где центральный жесткий оптический элемент содержит вставку-субстрат 100. В некоторых конкретных вариантах осуществления вставка-субстрат 100 может иметь прямой контакт с атмосферой и с поверхностью роговицы, соответственно, на своей передней и задней поверхностях, или альтернативно вставка-субстрат 100 может быть инкапсулирована в офтальмологическое устройство 150. Периферическая зона 155 офтальмологической линзы 150 может состоять из мягкого материала края, включая, например, гидрогелевый материал.
Инфраструктура вставки-субстрата 100 и офтальмологическое устройство 150 могут обеспечивать условия для множества вариантов осуществления, включая наноструктурированные элементы для образования метаповерхностей. Некоторые из данных вариантов осуществления могут включать чисто пассивное функционирование офтальмологического устройства, где, например, компонент метаповерхности обеспечивает оптические эффекты, связанные, например, с коррекцией зрения. Другие варианты осуществления могут включать офтальмологическое устройство с активными функциями, в которых сами компоненты метаповерхности также обеспечивают пассивное функционирование. Кроме того, в дополнительных вариантах осуществления компоненты метаповерхности могут сами быть частью активной функции офтальмологического устройства.
На фиг. 2 представлен вид в поперечном сечении элемента 200 как пример одноэлементной вставки. На фиг. 2 офтальмологическое устройство 220 может иметь поперечное сечение 230, которое представляет собой поперечное сечение по местоположению, представленному линией 210. В примере осуществления оптическая зона офтальмологического устройства 220 может включать в себя поляризующий элемент, который в поперечном сечении может быть представлен как элемент 235. На поверхности элемента 235 могут находиться наноструктурированные элементы для образования метаповерхности. В других вариантах осуществления элемент 235 может сам по себе представлять поверхность, на которой находятся элементы метаповерхности. Элемент 235 может представлять собой подложку трехмерной формы, которая закреплена на других образующих вставку элементах для образования вставки.
Кроме того, вне оптической зоны устройства могут находиться печатные рисунки, нанесенные на одноэлементную вставку, как показано элементом 221, а также в поперечном сечении как элементы 231. В некоторых вариантах осуществления элемент вставки может просто содержать компоненты метаповерхности в элементе 235 и необязательно участок с печатным рисунком в элементе 231.
Как показано в поперечном сечении, элемент одноэлементной вставки 235 может иметь трехмерную форму. Например, элементу можно придать криволинейную трехмерную форму путем термоформования тонкого листового материала, исходно имеющего плоскую форму. Элементы метаповерхности можно нанести на такой лист либо до, либо после проведения данного термоформования.
В некоторых вариантах осуществления могут предъявляться определенные требования к ориентации офтальмологической линзы в среде глаза. Элементы 250 и 260 могут представлять собой элементы зоны стабилизации, которые способствуют ориентации образованной офтальмологической линзы на глазу пользователя. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления применение элементов стабилизации на одноэлементной вставке может позволить ориентировать ее относительно литых элементов стабилизации. Возможность ориентации может оказаться особенно важной для размещения элементов метаповерхности, которые по своей природе не являются радиально симметричными, что имеет место для узора, корректирующего аберрации зрения второго и более высоких порядков.
На фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении элемента 300 в качестве вариации примера одноэлементной вставки, показанной на фиг. 2. На фиг. 3 офтальмологическое устройство 320 может иметь представление в поперечном сечении 330, которое представляет собой поперечное сечение по местоположению, представленному линией 310. В одном примере осуществления оптическая зона офтальмологического устройства 320 может включать в себя часть, необязательно показанную в масштабе на рисунке, в которой форма поверхности является вогнутой для падающего излучения, в отличие от выпуклой ориентации. Это делает возможными варианты осуществления, в которых вместо регулировки фокусирующих аспектов офтальмологической линзы элементы метаповерхности могут регулировать дефокусирующие аспекты поверхности линзы. На вогнутой поверхности элемента 335 могут находиться наноструктурированные элементы для образования метаповерхности. Кроме того, вне оптической зоны устройства могут находиться печатные рисунки, помещенные на одноэлементную вставку, как показано элементом 321, а также в поперечном сечении как элементы 331. В некоторых вариантах осуществления элемент вставки может просто содержать компоненты метаповерхности в элементе 335 и необязательно участок с печатным рисунком в элементе 331. По тем же причинам, что и в варианте осуществления, показанном на фиг. 2, в офтальмологическое устройство могут быть встроены юстировочные элементы или зоны стабилизации, показанные как элементы 350 и 360, и на вставку могут быть нанесены печатные рисунки, показанные как элементы 331.
На фиг. 4 представлен элемент 400 в качестве примера дополнительных вариантов осуществления, в которых для образования офтальмологических устройств можно использовать многоэлементные вставки. У элемента 405 многоэлементная вставка 422 может включать в себя активный элемент в оптической зоне. На чертеже показан вид в поперечном сечении 430 по линии 410. Для целей иллюстрации офтальмологическая линза также включает в себя печатные элементы как элемент 431, который в поперечном сечении может быть представлен как элемент 431. Кроме того, пример линзы может включать в себя элементы стабилизации 450 и 460.
Многоэлементные вставки также могут подходить для вариантов осуществления кольцевой формы, у которых в оптической зоне отсутствует материал вставки. При использовании метаповерхностей можно выполнить модификацию данного типа кольцевой вставки, в которой на участках, показанных на рисунке как элементы 436, можно выполнить кольцевую форму из двух элементов, тогда как в оптической зоне может размещаться один элемент вставки, который поддерживает элементы метаповерхности.
Пример осуществления многоэлементной вставки может включать в себя активный линзовый элемент менискового типа в качестве элемента 435 между двумя элементами вставки. Менисковая линза может активным образом изменять фокусные характеристики, когда узор с питанием от аккумуляторной батареи прикладывает электрический потенциал к частям менисковой линзы. Элементы метаповерхности также могут быть включены на одну из многоэлементных поверхностей. В неограничивающем примере включение пассивных фокусирующих элементов метаповерхности на поверхность активной менисковой линзы может позволить регулировать оптические характеристики для корректирующих аспектов линзы высоких порядков.
Многоэлементная вставка может также включать в себя вариант осуществления активной наноразмерной метаповерхности. В последующих разделах описан вариант осуществления, в котором на участке между двумя элементами вставки в элементе 435 активно образуются элементы метаповерхности. В некоторых таких вариантах осуществления оптическая зона может иметь предпочтительные ориентации относительно глаза пользователя. Способы, используемые для образования такого офтальмологического устройства с метаповерхностью, могут обеспечить регистрируемое центрирование различных компонентов линзы относительно элементов стабилизации 450 и 460. Данные элементы затем поддерживают установленную ориентацию линзы относительно глаза пользователя.
Элементы метаповерхности линзы
На фиг. 5, элемент 500, представлены аспекты реализации предшествующего уровня техники устройств линз с плоской поверхностью на основе изменяющего фазу взаимодействия света с наноразмерными металлическими элементами. В некоторых вариантах реализации линз с плоской поверхностью на плоской поверхности могут быть созданы маленькие металлические элементы таким образом, чтобы взаимодействовать со светом на поверхности плоской линзы. Элементами 520–527 показан набор конфигураций функциональных линз. Элементы 510 составляют элементарную ячейку элементов метаповерхности, которые размещают на плоскую поверхность таким образом, чтобы образовать линзу.
В одном примере осуществления линзу оптимизируют для длины волны приблизительно 1,5 микрон, широко используемой в технике связи длины волны электромагнитного излучения за пределами видимого спектра. В других вариантах осуществления оптимизацию можно провести для длин волн в пределах видимого спектра. Элементарная ячейка варьируется при переходе от элемента 520 к элементу 523. Длина компонентов находится в диапазоне от 180 до 85 нанометров, и, как можно заметить, между линейными элементами данной длины присутствует угол в диапазоне от приблизительно 90 ангстрем до нуля. Толщина металла, составляющего устройства метаповерхности, может составлять приблизительно 50 нанометров, и устройства могут быть разделены друг от друга промежутками в диапазоне от 750 нанометров и до 200 нанометров. При расстояниях менее 200 нанометров компоненты метаповерхности могут стремиться взаимодействовать друг с другом и изменять свойства соседних устройств. Для демонстрации функциональных устройств количество компонентов элементарной ячейки изготавливали в четыре дискретных стадии, хотя на практике количество различных конфигураций элементов может быть существенно больше. Различные параметры в данной демонстрации связаны с определенным диапазоном длин волн. Вариации аспектов конфигурации элементов метаповерхности в элементе 510, включая их толщину и длину, могут подходить для настройки элементов метаповерхности под различные диапазоны длин волн.
Показанные на четеже элементы и указанные выше параметры связаны с аспектами конфигурации, используемой для создания плоской линзы, когда для моделирования гиперболического радиального распределения фазы 590, приводящего к получению линзы, используют изменение фазы излучения составляющими метаповерхность элементами антенны. В элементе 550 показаны важные элементы, относящиеся к оценке необходимых фазовых характеристик элемента, помещенного на плоскую линзу 560. Линза 560 может иметь радиус, показанный как элемент 561. Смоделированная линза может иметь характеристику фокусного расстояния, показанную как элемент 581. Смоделированная фазовая характеристика элемента метаповерхности, например, 524, в положении 570, которое можно представить как положение (x,y), такова, что характеристика фазового сдвига, показанная как элемент 590, пропорциональна проекции вектора в точку наблюдения на сферической поверхности моделирования 580. Это приводит к получению необходимого функционирования линзы с необходимой фокусной характеристикой 581. Можно показать, что для такой связи параметров фазовый сдвиг PS (x,y) будет задаваться следующим уравнением:
(1) ,
где PS (x,y) представляет собой необходимый фазовый сдвиг в точке x,y на плоской линзе,  представляет собой длину волны света и f представляет собой необходимую фокусную характеристику линзы. В полярной системе координат фазовый сдвиг PS (r,) задается следующим выражением:
(2) .
Должно быть понятно, что использование плоских линз данного типа может обеспечить создание новых офтальмологических устройств. В интраокулярном устройстве можно создать плоскую фокусирующую плоскость. Использование конфигураций данного типа в интраокулярных устройствах можно использовать для регулирования фокусных характеристик в статическом смысле. Альтернативно варианты осуществления активных элементов, описанные в следующих разделах для устройств трехмерной формы, также могут иметь отношение к вариантам осуществления линз плоского типа.
На фиг. 6, элемент 600, представлена полученная модель для такого условия конфигурации линзы, в которой поверхность может не быть плоской. С практической точки зрения может быть удобно использовать аналогичные конфигурации элементарной ячейки наноразмерных элементов метаповерхности, показанные в элементе 610 как элементы 620–627. Аспекты конфигурации элементов, такие как их толщина, углы между элементами и их длины, могут быть связаны с необходимой центральной длиной волны фокусируемого света и необходимой расчетной характеристикой фазового сдвига.
Должно быть понятно, что переход от плоской линзы к криволинейной линзе может привнести дополнительные сложности в моделирование устройства. Физические характеристики фазы по отношению к падающей плоской волне на основе криволинейной поверхности могут представлять собой первый компонент фазовых аспектов устройства. Кроме того, в данном случае элементы метаповерхности могут находиться на глобально криволинейной поверхности, что изменит угловую ориентацию элемента антенн в пространстве. Более того, поскольку поверхность является криволинейной, расстояние по прямой между наноразмерными элементами метаповерхности могут отличаться от расстояния вдоль самой поверхности между элементами.
Могут существовать некоторые разумные оценки, которые позволят оценить параметры конфигурации линзы. Например, в первом порядке может быть возможно рассматривать фазовые характеристики криволинейной поверхности, приводящие к изменению фазы плоской волны при взаимодействии с поверхностью, и фазосдвигающие характеристики элементов антенны метаповерхности как независимые. Таким образом, для моделирования параметров конфигурации антенны метаповерхности может быть достаточно рассмотреть необходимое изменение фазы, связанное с антенной метаповерхности, независимо от другого фазового сдвига путем вычитания данного фазового сдвига из общего фазового сдвига устройства линзы трехмерной формы.
Согласно оценке, поскольку наноразмерные антенны метаповерхности столь малы, их можно с хорошей точностью моделировать как точечные. Хотя различия могут состоять в том, как плоская волна взаимодействует с наклоненным наноразмерным элементом метаповерхности, все же может быть допустимо игнорировать данный эффект, рассматривая малое устройство как точку, на которой не сказываются искажения, которые может внести искривление поверхности линзы.
Кроме того, при другой оценке расстояние между элементами в конфигурации можно оценить на основе расстояния между элементами в некриволинейном пространстве. На практике плотность размещения наноразмерных элементов может повлиять на эффективность фокусирующего устройства, и криволинейная реализация может привести к снижению плотности размещения наноразмерных элементов. Однако устройства все равно можно создавать с учетом эффектов первого порядка в рамках оценки, что криволинейное пространство не ограничивает плотность конфигурации наноразмерных элементов.
Эффект криволинейного пространства показан на фиг. 6, элемент 690. Сферическая поверхность моделирования может быть показана как элемент 671. Криволинейную поверхность можно показать как элемент 691, где наноразмерный элемент метаповерхности, такой как элемент 624, может размещаться в точке 680 на поверхности с координатами (x', y', z'). Полученное изменение характеристик длины фазы можно наблюдать как уменьшение длины фазы 691. Уравнения для оценки фазового сдвига могут превратиться в уравнения с зависимостью от трех координат, представляемые функцией PS (x,y,z), или альтернативно в цилиндрической системе координат как PS (, h).
Применяя различные указанные оценки, можно описать способ приложения необходимых общих характеристик линзы к криволинейной поверхности линзы с элементами метаповерхности применительно к фиг. 7, элемент 700. Элементом 710 графически показана криволинейная поверхность с элементами метаповерхности. Затем можно показать комбинации фазовых характеристик формы линзы как элемент 730 и затем компонента метаповерхности как элемент 740. В примере, когда метаповерхность и физическая криволинейная поверхность являются радиально симметричными и фокусирующими, разницу в фокусном расстоянии для скомбинированных фазовых сдвигов можно представить как элемент 750, а элемент 760 может представлять собой полученную фокусную характеристику линзы. В качестве разумной оценки можно сконцентрироваться на относительном углу возникновения двух разных независимых фокусных характеристик, где элемент 770 может представлять собой угол связанной с метаповерхностью фокусной характеристики, наложенной на фокусную характеристику, связанную с криволинейной физической поверхностью линзы.
В качестве оценки на элементе 720 также можно показать ситуацию, возникающую при расцеплении фазосдвигающих характеристик криволинейного устройства офтальмологической линзы и устройства метаповерхности. Если считать, что эффект от трехмерной формы в полном фазовом эффекте криволинейной линзы с элементами метаповерхности связан только с фазовой характеристикой криволинейного устройства, то можно оценить, что при вычитании фазовой характеристики PS (x,y,z) по поверхности линзы можно преобразовать необходимое условие для моделирования метаповерхности, снова преобразовав его в условие для плоской линзы, как описано с отсылкой к фиг. 6. Это может быть эквивалентно представлению в цилиндрической системе координат, где параметр высоты h указан равным нулю. Если считать, что полученное преобразование производится путем сохранения вкладов в фокусное расстояние, которые можно моделировать путем сохранения относительных углов характеристик фокусного расстояния, как показано элементом 771, то новую оцениваемую фокусную характеристику для трансформированного фазового пространства модели плоской линзы можно представить как элемент 750. Тогда аспекты конфигурации для таких элементов метаповерхности можно рассчитать таким же способом, как описанный с отсылкой к фиг. 6, и использовать уравнения 1, 2, где f' представляет собой эффективное оцениваемое фокусное расстояние из элемента 750. На практике для точного расчета необходимых фазовых характеристик произвольных трехмерных криволинейных поверхностей и полученных необходимых фазовых характеристик размещенных на них наноразмерных элементов метаповерхности можно использовать более сложные системы моделирования волнового фронта. Для изготовления устройств с оцениваемыми оптическими характеристиками в соответствии с уровнем техники, описанном в настоящем документе, можно использовать глобальные оценки.
В оцениваемом случае, когда цилиндрические координаты можно сжать до связи в полярных координатах путем вычитания трехмерных характеристик физической подложки линзы, представление фазы в полярных координатах также принимает вид:
(3) .
Кроме того, моделирование параметров конфигурации индивидуальных элементов метаповерхности можно проводить с использованием современных протоколов моделирования, таких как, например, конечноразностное зависящее от времени (FTDT) моделирование электромагнитных полей. Проведение данного моделирования для полной трехмерной модели размещения наноразмерных элементов на поверхности может требовать существенных вычислительных затрат, но вполне возможно. Альтернативно описанные выше оценки могут служить альтернативой для получения результатов, которые можно затем итерационно уточнять с использованием циклов производства, измерения и уточнения оценки.
На фиг. 8, элемент 800, показан пример осуществления некоторых концепций. Элемент 800 может представлять собой устройство офтальмологической вставки, которое в некоторых вариантах осуществления может быть включено в офтальмологическую линзу или может само по себе представлять офтальмологическое устройство. Данный пример включает в себя элементы питания 830, которые обеспечивают энергией схему управления 840, которая может содержать интегральную схему. Интегральная схема, а также другие компоненты могут управлять работой других активных компонентов внутри устройства. В неограничивающем примере в активной зоне может находиться менисковая линза, позволяющая регулировать оптическую силу для проходящего через устройство света. Над данным устройством в оптической зоне, элемент 820, могут находиться элементы метаповерхности. Элементы метаповерхности можно видеть на увеличенной вставке 810. Данные элементы можно выполнить с возможностью обеспечения статической оптической коррекции, которая в комбинации с активным изменением оптической силы находящегося ниже элемента линзы может обеспечивать новую функцию.
В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 9, элементы метаповерхности можно также создавать активным образом. Пример менисковой линзы, обсуждавшейся в элементе 800, обычно может использовать эффект электросмачивания на диэлектрике (EWOD). Этот эффект работает на комбинации жидкостей путем изменения свободной энергии поверхностей рядом с жидкостями. Для получения эффективных устройств EWOD можно использовать комбинации несмешивающихся жидкостей, где одна жидкость, например, представляет собой полярную жидкость, такую как водный раствор, а вторая жидкость является неполярной, такой как масло. Этот эффект можно использовать для получения активной генерации элементов метаповерхности. В элементе 910 комбинация жидкостей типа EWOD без приложенного к активной поверхности электрического поля может приводить к эффекту диффузной линзы без наличия регулярно сформированных элементов метаповерхности. Выноска 910 показывает такое диффузное расположение элементов. Эти элементы могут находиться в слое текучей среды, обозначенном как 915. Во вставке слой текучей среды 915 может состоять из сольватированных компонентов. В некоторых вариантах осуществления эти компоненты могут представлять собой металлические наносферы, такие как показанные элементом 930, или металлические наностержни, показанные как элемент 935. Металлические компоненты могут состоять из золота, серебра, платины или иных элементов, которые могут образовывать наноразмерные компоненты.
Поверхность нанокомпонентов может быть покрыта химическими реагентами, передающими поверхностную энергию наноразмерному компоненту. Такое химическое покрытие может создавать предпочтение к текучим средам определенного типа или от текучих сред определенного типа. Молекулы-лиганды 931, показанные закрепленными на наносферах 930, в некоторых вариантах осуществления могут сделать наносферы гидрофильными по природе, либо альтернативно гидрофобными. В случае гидрофильных наносфер они могут предпочтительно находиться в водном компоненте смеси жидкостей EWOD. Когда наноразмерные компоненты содержит первая жидкость, как элемент 915 в показанной ситуации, второй компонент 913 может их не содержать. Затем текучие среды можно поместить в микроразмерные структуры, окруженные верхней частью 912, боковыми структурами 911 и поверхностным слоем 916 поверх диэлектрического покрытия или пленки 917. Поверхностный слой может быть таким, что, например, его поверхность будет предпочтительно смачивать водная фаза, как показано контактом с ним примера слоя водной текучей среды 915. Под диэлектрическим покрытием или пленкой 917 могут находиться проводящие электроды 918. Слои текучей среды могут находиться в контакте с другим проводящим электродом 914. При приложении к электродам 918 и 914 электрического потенциала свободная энергия поверхности у поверхности поверхностного слоя 916, который находится вблизи электродов 918, может измениться таким образом, чтобы сделать предпочтительным смачивание слоем масляного типа (что можно рассматривать как характеристику смачивания слоем масла). Это условие показано как элемент 920.
Если электроды размещены таким образом, что содержащая наноструктуры жидкость будет локализовываться в малых участках, таких как участки для жидкости 914 в случае элемента 920, то наносферы сконцентрируются в элементы, которые могут создать конструкции типа наноповерхности, как показано на вставке 920. Такие формы соберутся из концентрированных нанометаллических структур, состоящих из наносфер 930 или наностержней 935, которые могут взаимодействовать со светом образом, аналогичным описанному выше для компонентов метаповерхности. Наносферы или наностержни с закрепленными на их поверхности молекулами можно приготовить в виде смеси компонентов одного размера в пределах диапазона размеров 2–250 нм, коммерчески доступного для сфер производства компании Discovery Scientific Inc. Альтернативно также можно использовать комбинации разных размеров. Оптические свойства текучих сред можно изменять в зависимости от размера используемых сфер или комбинации различных размеров. Лиганды также могут играть роль во взаимодействии с оптическими свойствами путем определения минимального расстояния между наносферами в жидкости.
В некоторых вариантах осуществления боковую структуру 911 можно разработать для окружения индивидуальных элементов метаповерхности. В других вариантах осуществления внутри каждой изолированной поверхностной структуры может находиться множество элементов. Выбор места размещения электродов 918 или места отсутствия электродов можно провести таким образом, что индивидуальные элементы окажутся на расстоянии приблизительно 250 нм или более друг от друга. Относительная площадь поверхности разработанных элементов 918 в таких индивидуальных изолированных ячейках может определять относительные количества двух несмешивающихся текучих сред для удержания элемента конструкции одного участка с текучей средой, когда эффект EWOD приведет к формированию элементов метаповерхности.
На фиг. 10 показан вариант осуществления, альтернативный показанному на фиг. 9. Работая аналогичным образом с электросмачиванием в качестве средства формирования активных элементов метаповерхности, вариант осуществления на фиг. 10 создает слой с наноструктурированными устройствами вдоль боковой стенки электрода. Элементом 1010 показано состояние, в котором слой содержащей наноструктуру жидкости находится вдоль дна малой ячейки. Ячейка имеет структурные элементы, аналогичные элементам в варианте осуществления 900. Элемент 1011 может представлять собой боковые стенки, ограничивающие микрожидкостную ячейку. Элемент 1012 может представлять собой верхнюю часть ячейки. Элемент 1014 может представлять собой электрод, сформированный в желаемой форме элемента наноповерхности. Элемент 1013 может представлять собой диэлектрическую пленку или покрытие, сформированное на боковой стенке электрода, которое имеет желаемые свойства смачивания на своей стороне. Элемент 1015 может представлять собой электрод, проходящий через верхнюю часть ячейки. Элемент 1016 может представлять собой слой текучей среды, содержащий сольватированные наносферы, и элемент 1018 может представлять собой слой другой текучей среды. Слой 1016 может содержать аналогичные металлические наносферы 930 и наностержни 935, которые могут иметь закрепленные молекулы-лиганды 931 для определения свободной энергии поверхности наноструктуры и тем самым типа жидкости, в которой они будут предпочтительно сольватироваться.
При приложении электрического поля между электродом 1015 и электродом 1016 приложенный потенциал может изменить свободную энергию поверхности участка боковой стенки для элемента 1016, что приведет к перемещению слоя текучей среды 1016 вдоль участка боковой стенки, как показано на элементе 1020. Накопление текучей среды в данном участке может сформировать структуры метаповерхности, как показано на элементе 1020. Здесь снова приложение напряжения к ячейкам может создать активный узор наноструктур, которая может иметь смоделированные оптические эффекты. В некоторых вариантах осуществления приложение напряжения может управляться электронными схемами, содержащимися внутри структуры вставки, которая также содержит элементы питания.
Получаемые таким образом структуры метаповерхности, которые создаются в варианте осуществления элемента 1020, где они расположены вблизи металлического электрода, могут иметь измененные оптические взаимодействия, поскольку структура из металлических наноструктур, диэлектрика и второй металлической структуры может создавать наноструктуры, которые более эффективно взаимодействуют с магнитным полем электромагнитного излучения. Это может создать дополнительные резонансы для некоторых длин волн, определяемые такими параметрами, как толщина пленки диэлектрика. Это может придать новое измерение моделированию наноповерхностных структур, используемых в таких вариантах осуществления.