一种应用于视力矫正仪器的液体透镜组及主动光学系统的制作方法

1.本发明属于视力矫正仪器技术领域，具体涉及一种应用于视力矫正仪器的液体透镜组及主动光学系统。


背景技术：

2.众所周知，用户去医院配眼镜，首先需要测量用户视力度数，也就是眼镜的屈光度，传统的做法是借助常规的视力矫正仪器，通过用户与医师的沟通以及更换不同镜片的方式，来帮助医师确定用户的屈光度，整个配镜过程比较耗时间，效率和精度都比较有限。
3.现在较为先进的做法是采用可变焦距液体透镜的视力矫正仪器，这类仪器通过调节液体透镜的充液量，使得液体透镜的形状可以在平凸和平凹之间随意切换，从而快速改变液体透镜的焦距，因此，在用户验光过程中，医师全程无需更换任何镜片，可以极大地提高用户验光的效率，因此，近年来，将液体透镜和视力矫正仪器进行结合，得到了广大学者越来越多的研究。
4.然而，液体透镜所使用的光学流体，通常是水或者油，由于水/油和玻璃之间的折射率不匹配情形会导致像差的产生，同时，当液体透镜通过液压的方式来改变曲率时，液体透镜内的薄膜会产生变形，同样会导致像差的产生，像差的产生会影响验光精度。
5.液体透镜的像差，通常用zernike多项式系数来表示，不同的应用领域，人们关于的液体透镜的像差形态也有所不同，在视力矫正方面，人们普遍关心的是液体透镜组产生的中低阶像差，即分别对应zernike多项式的第4、5和6阶系数，其中第4阶系数z4表示
±
45
°
像散，第5阶系数z5表示散焦，第6阶系数z6表示0/90
°
像散，一般情况下，z4相对z5和z6较小，z5和z6对整个液体透镜组产生的像差影响最为显著。
6.目前现有技术中往往采用两种主流方法用于补偿液体透镜组的像差，第一种方法是使用多于3个相同的液体透镜来组成液体透镜组，当液体透镜个数大于等于3时，由于此时液体透镜组具有了多余的可变曲率自由度，会具有一定的像差补偿能力，但是，此种方法对像差的补偿能力是相对有限的，且由于应用领域的不同，并没有对视力矫正仪器中的液体透镜组所产生的各阶像差进行深入地研究以及针对性的补偿改进。
7.另一种方法是将液体透镜与主动光学系统进行结合并应用于视力矫正仪器中，通过主动光学系统中的波前传感器来检测液体透镜的像差，然后利用主动光学系统中的可变形反射镜来对像差进行校正。但是上述做法对像差的补偿能力同样比较有限，申请人经过研究发现，出现上述问题的深层次原因在于，可变形反射镜主要补偿的是6阶像散，对4阶像散也具有一定的补偿作用，但是对5阶散焦的补偿则几乎无能为力，同时，对于给定的一个可变形反射镜，当液体透镜内的光学流体达到一定量时，也会超出可变形反射镜对6阶像散的补偿能力，如果要提高可变形反射镜的补偿范围，必须选用技术参数更高的可变形反射镜，其成本将呈几何倍数上升（上述内容是申请人经过研究试验发现的，并非现有技术范畴）。
8.因此，亟需提供一种新的解决方案，来解决液体透镜应用于视力矫正仪器中产生
的像差问题，而本技术则致力于解决这一技术问题。发明目的有鉴于此，本发明从液体透镜组产生的各阶像差进行分析，提出一种应用于视力矫正仪器的液体透镜组及主动光学系统，其中的液体透镜组采用两种不同的液体透镜，来自动补偿液体透镜组最为核心的5阶散焦，并配合主动光学系统中的可变形反射镜，实现对液体透镜组产生的中低阶像差进行充分的补偿；根据本发明的技术方案实施的视力矫正仪器，无须采用额外的复杂或贵重的光学辅助元件，有利于降低视力矫正仪器的整体重量及预算，使其更便于在眼科医学中推广使用。
9.具体地，本发明提供一种应用于视力矫正仪器的液体透镜组，其特征在于，包括两个方形液体透镜和一个圆形液体透镜，所述方形液体透镜包括方形环、第一弹性薄膜、第一腔体与玻璃片，方形环用于固定弹性薄膜、第一腔体和玻璃片，所述第一腔体用于容纳液体透镜的工作液体，并由第一弹性薄膜进行密封，所述第一腔体设置有连接外部注射器的通道，通过通道连接外部注射器来改变第一腔体内的液体体积，使得第一弹性薄膜受压并发生曲率变化，从而实现方形液体透镜的焦距变化；所述圆形液体透镜包括第二弹性薄膜以及充满工作液体的第二腔体，所述第二腔体被第二弹性薄膜进行密封，所述圆形液体透镜的驱动方式是改变电流来控制第二弹性薄膜的曲率变化，继而实现所述圆形液体透镜的焦距变化；其中，圆形液体透镜设置在两个方形液体透镜的一侧，且两个方形液体透镜相交呈45
°
，通过控制第一弹性薄膜的曲率变化，实现视力矫正仪器产生不同圆柱轴下的圆柱屈光度。
10.另外，本发明进一步提供一种应用于视力矫正仪器上的主动光学系统，其特征在于，包括液体透镜组、光源、扩束镜组、第一透镜组、可变形反射镜、第二透镜组、分光镜、shack
‑
hartmann波前传感器以及控制单元，液体透镜组采用如上所述的液体透镜组，其中，液体透镜组放置于扩束镜组与第一透镜组之间；扩束镜组包括第一镜片l1和第二镜片l2，所述第二镜片l2的焦距为第一镜片l1焦距的n倍，第一透镜组包括焦距相同的第三镜片l3和第四镜片l4，第二透镜组包括焦距相同的第五镜片l5和第六镜片l6；可变形反射镜包括若干个致动器，可变形反射镜的最大致动距离决定了其像差补偿范围；所述光学辅助系统在使用时，光源发出的光束经过扩束镜组后光点放大n倍，光束穿过液体透镜组并通过第一透镜组进行光路准直，并投射到可变形反射镜上，经由可变形反射镜反射的光束经过第二透镜组和分光镜后分光至shack
‑
hartmann波前传感器，shack
‑
hartmann波前传感器用于测量获取液体透镜组所产生的像差的zernike多项式系数并发送至控制单元，控制单元根据接收的zernike多项式系数和可变形反射镜的最大致动距离，其中，圆形液体透镜焦距发生变化主要是用于补偿液体透镜组的5阶散焦，同时对4阶和6阶像散也具有一定的补偿作用，而可变形反射镜的致动距离的调节主要是用于补偿液体透镜组的6阶像散，同时对4阶像散也具有一定的补偿作用，而其对5阶散焦的补偿则相对有限，两者配合实现消除液体透镜组产生的中低阶像差。
11.本发明的有益效果是：
本技术的发明点在于将液体透镜组产生的像差进行具体分析，采用两种工作原理不相同的液体透镜组成液体透镜组，其中采用的圆形液体透镜，由于结构上不存在玻璃片，不存在工作液体和玻璃片之间折射率不同的问题，不会给液体透镜组带来额外的像差，并且可以对方形液体透镜产生的5阶散焦提供较为明显的补偿作用，其配合可变形反射镜对6阶像散的补偿作用，以及考虑到4阶像散本身相对而言较弱，且圆形液体透镜和可变形反射镜均能一定程度上对4阶像散进行补偿，因此，本发明的技术方案，可以大大补偿对整个液体透镜组的中低阶像差，从而保证视力矫正仪器的验光精度，有利于液体透镜型视力矫正仪器在眼科医学的推广使用。
12.另外，由于本发明的液体透镜组自身在补偿5阶像散的同时，也能一定程度上补偿4阶和6阶像散，从而能够辅助主动光学系统的可变形反射镜对液体透镜组的像差补偿，减轻像差补偿对可变形反射镜的技术要求，使得该主动光学系统即使选用技术参数一般的可变形反射镜，也能对4阶和6阶像散形成较为显著的补偿作用，圆形液体透镜和可变形反射镜的配合，可以在保证成本优势的同时，较为完美地实现对液体透镜组的中低阶像差的补偿效果。
附图说明
13.附图1表示本发明的液体透镜组的整体结构示意图；附图2表示一种方形液体透镜的结构爆炸图及剖面示意图；附图3表示两相交呈45
°
的方形液体透镜在不同充液量下所产生的屈光度等高线图；附图4表示两相交呈45
°
的方形液体透镜在不同充液量下的中低阶像差分布图；附图5表示本发明的液体透镜组在不同充液量下的中低阶像差分布图；附图6表示本发明的主动光学系统的整体结构示意图。
具体实施方式
14.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
15.本技术提供的可应用于视力矫正仪器的液体透镜组，其包括两个相交呈45
°
的方形液体透镜和一个圆形液体透镜，附图1示意性地展示了液体透镜组的大致结构特点；与现有的液体透镜组相比，本技术提供的液体透镜组，采用两种工作原理不相同的液体透镜组成液体透镜组，可以自动补偿液体透镜组在变焦过程中产生的像差。
16.参见附图2，其示出了方形液体透镜的一种实施方式对应的结构爆炸图及剖面示意图，该方形液体透镜包括方形环11、第一弹性薄膜12、第一腔体13与玻璃片14，方形环11用于固定弹性薄膜12、第一腔体13和玻璃片14，其中，第一腔体13用于容纳方形液体透镜的工作液体，所述第一腔体13设置有连接外部注射器的通道15，外部注射器通过通道15可向方形液体透镜注入工作液体，从而改变第一腔体13内的液体体积，使得第一弹性薄膜12受压并发生曲率变化，从而实现方形液体透镜的焦距变化；
通过实验申请人发现，当两个方形液体透镜相交呈45
°
时，通过控制第一弹性薄膜的曲率变化，可以实现视力矫正仪器产生不同圆柱轴下的圆柱屈光度。附图3是根据透镜屈光度计测量出的视力矫正仪器在两个相交呈45
°
的方形液体透镜的不同充液量下所产生的屈光度等高线图，其中实线表示圆柱屈光度，阴影色块表示所对应的圆柱轴由0
°
到180
°
，虚线表示两方形液体透镜所产生的5阶散焦，这一散焦对于液体透镜视力矫正仪器来说会造成潜在的球型屈光度，必须进行消除，不然会影响视力矫正仪器的验光精度。
17.而为了消除两个相交呈45
°
的方形液体透镜所产生的散焦，申请人进一步通过实验发现，可以采用在两个方形液体透镜的一侧设置一个工作原理与上述方形液体透镜不同的圆形液体透镜，来消除整个液体透镜组的散焦像差。具体地，所述圆形液体透镜包括第二弹性薄膜以及充满工作液体的第二腔体，所述第二腔体被第二弹性薄膜进行密封，所述圆形液体透镜的驱动方式是改变电流来控制第二弹性薄膜的曲率变化，继而实现所述圆形液体透镜的焦距变化。
18.作为对比，附图4示出了当液体透镜组仅由两个相交呈45
°
的方形液体透镜构成，液体透镜组的充液量在
‑
0.09ml到0.09ml区间时（两方形液体透镜同时改变相同的充液量），通过shack
‑
hartmann波前传感器采集获得的液体透镜组的中低阶像差分布（由工作液体和玻璃片之间折射率不匹配造成），由附图3可知，无论是4阶和6阶像散，还是5阶散焦，其像差项都有随着充液量的改变而有相对应的趋势，其中5阶散焦较为明显，且其范围大致在
‑
0.47um到0.39um之间。
19.附图5示出了当在两个方形液体透镜的一侧设置一个圆形液体透镜来构成液体透镜组，液体透镜组在同样的充液量区间变化时的像差分布图，对比附图4和5可知，当在两个方形液体透镜的一侧设置一个圆形液体透镜时，可以显著消除整个液体透镜组的散焦像差，其5阶散焦值经过补偿后可有效降低至0.1um；同时，根据对比可知，新的液体透镜组对4阶和6阶像散也具有一定的补偿作用。
20.另外，根据计算，液体透镜组在加入圆形液体透镜后，shack
‑
hartmann波前传感器测量获得的液体透镜组的pv/rms值由数值分别由0.28um/1.60um、0.66um/2.69um及0.73um/2.31um降低至0.22um/1.06um、0.32um/1.69um及0.60um/2.59um，上述数据分别对应0.03um、0.06um和0.09um这3个充液量；这也从侧面反映出，当改变充液量越多时，液体透镜组的波前畸变也越明显，此时5阶散焦也越来越明显，视力矫正仪器会产生球型屈光度，而为了补偿这一球型屈光度，可以通过调节圆形液体透镜的工作参数，如工作电流值或焦距值来进行补偿。
21.进一步地，在同一技术构思下，请参与附图6，本技术进一步提出一种应用于视力矫正仪器的主动光学系统，其包括光源（100）、液体透镜组（200）、扩束镜组、第一透镜组、可变形反射镜（300）、第二透镜组、分光镜、shack
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hartmann波前传感器（400）以及控制单元，上述液体透镜组（200）采用如上所述的液体透镜组，即其包括两个相交呈45
°
的方形液体透镜和一个圆形液体透镜；其中，液体透镜组（200）放置于扩束镜组与第一透镜组之间，如上所述，；扩束镜组包括第一镜片l1和第二镜片l2，所述第二镜片l2的焦距为第一镜片l1焦距的n倍，第一透镜组包括焦距相同的第三镜片l3和第四镜片l4，第二透镜组包括焦距相同的第五镜片l5和第六镜片l6；
可变形反射镜（300）包括若干个致动器，可变形反射镜的最大致动距离决定了其像差补偿范围；上述主动光学系统应用于视力矫正仪器中时，由光源发出的光束经过扩束镜组后，光点放大n倍，经由必要的反射镜后穿过液体透镜组，继而通过第一透镜组进行光路准直并投射到可变形反射镜上，经由可变形反射镜反射的光束经过第二透镜组和分光镜后分光至shack
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hartmann波前传感器，shack
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hartmann波前传感器用于测量获取液体透镜组所产生的像差的zernike多项式系数并发送至控制单元，控制单元根据接收的zernike多项式系数和可变形反射镜的最大致动距离，计算获得圆形液体透镜的电流值以及可变形反射镜的致动距离，其中，圆形液体透镜焦距发生变化主要是用于补偿液体透镜组的5阶散焦，同时对4阶和6阶像散也具有一定的补偿作用，而可变形反射镜的致动距离的调节主要是用于补偿液体透镜组的6阶像散，同时对4阶像散也具有一定的补偿作用，而其对5阶散焦的补偿则相对有限，两者配合实现消除液体透镜组产生的中低阶像差。
22.显然，上述主动光学系统应用于视力矫正仪器中时，可以解决目前现有技术中主动光学系统在对像差的补偿方面较为有限的缺陷，一方面，通过设置圆形液体透镜于液体透镜组中，可以非常显著地补偿液体透镜组的5阶散焦，同时，圆形液体透镜对4阶和6阶像散也具有一定的补偿作用，从而一定程度上缓解了可变形反射镜对液体透镜组像差补偿的压力，使得该主动光学系统即使选用技术参数一般的可变形反射镜，也能对4阶和6阶像散形成较为显著的补偿作用，圆形液体透镜和可变形反射镜的配合，可以较为完美地实现对液体透镜组的中低阶像差的补偿效果。
23.本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本技术相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。