[0052] 如图1所示,一种三明治式Alvarez变焦智能眼镜,包括镜架和镜片;每侧的镜片都由一个谐衍射Alvarez透镜组4构成,一个谐衍射Alvarez透镜组由三个镜片组成,每个镜片都设有一个谐衍射微结构表面;每组镜片的外侧两个透镜固定在镜架上,并组成密封空间,中间的透镜通过滑块固定在镜架的滑动槽2上,中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动,谐衍射微结构表面由Alvarez透镜去除相位差得到;所述的镜架正面左侧设有第一传感器1,镜架正面右侧设有第三传感器5,镜架正面中间设有第二传感器3,所述的距离传感器与控制电路模块连接;所述的控制电路模块13与第一驱动电机7、第二驱动电机1连接,两个驱动电机通过第一螺纹副10、第二螺纹副12驱动滑块滑动。所述的驱动电机和控制电路由电池模块6供电;所述的Alvarez 变焦智能眼镜还设有两个指示灯,分别用来显示电量和眼镜焦距状态;工作时,中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动;
[0053] Alvarez透镜表面多项式方程为(假设移动方向为x方向):
[0054]
[0055] 其中,z为两个多项式表面高度,A为多项式系数,f(x,y)为高阶多项式。
[0056] f(x,y)=b1xy4+b2x3y2+b3x5+b4xy6+b5x3y4+b6x5y2+b7x7+…
[0057] 其中,b1,b2,b3,…为高阶多项式系数。
[0058] 产生焦距为:
[0059]
[0060] 其中,为两个Alvarez透镜组合光焦度,A为多项式系数,2δ为两个Alvarez 透镜之间的相对移动的距离,n为Alvarez透镜的材料折射率。
[0061] 谐衍射Alvarez透镜,其保留了Alvarez透镜组原有的特征,即且第二 Alvarez透镜相对于第一Alvarez透镜沿垂直于光轴方向移动,Alvarez透镜组的焦距会发生改变;同时它也拥有了谐衍射透镜的属性,可以极大的减小透镜的厚度,并且在一定程度上克服衍射器件存在大色差的缺点。
[0062] 为了使谐衍射透镜的谐振光波会聚于透镜原有的焦点(设焦点为f0),需要使其满足一定的条件。当使用的波长为λ时,透镜的焦距为:
[0063]
[0064] 对于谐衍射透镜而言,其环带间光程差为mλ0,相当于设计波长为mλ0,焦距为f0的普通衍射透镜。若对使用波长为λ的p级次成像,则其焦距为:
[0065]
[0066] 如果要求fp,λ与原焦距f0重合,即应满足条件:
[0067]
[0068] 由此可得:
[0069]
[0070] 这就说明,对于谐衍射透镜,凡波长满足式(6)的整数p所对应的谐振光波均将会聚到共同的焦点f0处,m是设计时已经确定的结构参数,m越大,在确定光谱段内的谐振波长越多。m提供了另一个设计自由度,用以控制在给定的光谱范围内的几种波长会聚到同一位置。将Alvarez透镜组的第一透镜与第二透镜去除相位差为2π的整数m(m≥2)倍(如图3所示),剩余的部分便是光程差为2π的m倍的谐衍射Alvarez透镜组。图3中相位压缩高度δ=mλ0/(n-1),n为透镜材料的折射率。
[0071] 如图4(a)、图4(b)所示,多项式自由曲面位于相邻表面的三明治结构 Alvarez透镜组经过相位压缩后的谐衍射Alvarez透镜组;如图5(a)、图5 (b)所示,三明治结构中,三片Alvarez透镜的6个表面均为多项式自由曲面的Alvarez透镜组经过相位压缩后的谐衍射Alvarez透镜组;同时采用了多个谐衍射微结构表面,使每个谐衍射Alvarez镜片的厚度大大降低,相邻谐衍射Alvarez镜片之间的间隔也大大降低,使得镜片组的厚度也大大降低,整个智能眼镜重量也大大降低。
[0072] 如图6、图11所示,每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面,且谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面,远离中间的镜片的表面为平面、球面或者球面非球面;中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面;工作时,中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动。
[0073] 如图7、图12所示,每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面,且谐衍射微结构表面位于远离中间的镜片相邻的表面,与中间的镜片的相邻表面为平面、球面或者球面非球面;中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面;工作时,中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动。
[0074] 如图8、图9、图13、图14所示,每组镜片的外侧两个镜片各含有一个谐衍射微结构表面,外侧两个镜片中的其中一个谐衍射微结构表面位于与中间的镜片相邻的表面,另一个镜片与中间的镜片远离的表面为谐衍射微结构表面;中间的镜片前后两个面均为谐衍射微结构表面;外侧两个镜片的剩余表面为平面、球面或者球面非球面;工作时,中间的透镜沿垂直于光轴的方向滑动。如图10、图15所示,三个镜片的表面均为谐衍射微结构表面。
[0075] 如图16(a)所示,人眼在观察远处物体时,远处物体成像在眼球的视网膜上,光刺激在视网膜上的神经产生神经冲动沿视神经纤维传递到大脑皮层产生视知觉。当看近处的物体时,如图16(b)所示,如果人眼的状态保持看远处的状态不变,这时候近处物体所成的像会投射到人眼视网膜的后部,为了看清近处的物体,人眼的睫状肌会绷紧,使人眼的焦距变短,同时人眼的眼外肌会使人的眼球在光轴方向拉长(即像距增大),通过人眼的肌肉的调节,使近处的物体也能成像在视网膜上。如果人眼长时间工作在近距离状态下,睫状肌和眼外肌会产生痉挛,无法恢复到放松状态的位置从而产生近视现象。我们实用新型的智能变焦眼镜工作原理是在人眼观察远处的物体时 (如图16(c)所示),眼镜上的距离传感器检测出目标平面的距离,移动活动Alvarez镜片的位置,使变焦透镜组的光焦度为0,人眼工作在正常状态下(不戴眼镜时看远处物体的状态,眼部肌肉处于放松状态),当人眼观察近处目标时(比如看书,看手机屏幕),智能眼镜上的位移传感器检测出此时的物体距离人眼的距离,控制活动Alvarez镜片移动到合适的位置,使变焦透镜组的光焦度为正(如300度),这个时候人眼仍能在观察远处物体时的状态看清楚近处的目标,且人眼部的肌肉处于放松状态(如图16(d)所示)。智能变焦眼镜可以使人眼始终工作在眼部肌肉放松的状态,从而预防和避免眼睛长时间工作在近距离看物体导致的近视,特别使青少年学生的近视。
[0076] 假设人眼的焦距为22.8mm,人眼角膜前表面到视网膜的正常距离(舒适距离)为23~24mm。当人眼观察物体在350mm以上的距离时,人眼工作在舒适状态,而当人眼观察150mm距离的物体时,如果人眼部肌肉不调整,物体经过眼睛成像后,距离人眼角膜前表面的距离为26.4mm,如果不佩戴眼镜,人眼的肌肉必须要调整眼睛的焦距和成像工作距,如果长时间工作在这个状态时,会引起人眼近视。
[0077] 假设Alvarez透镜的两个多项式自由曲面的系数A=5.0E-4(1/mm2),透镜的材料为PMMA(折射率为1.5),通光口径为20mm,如图13所示,三明治结构等效于两组两片Alvarez透镜组成的结构,由公式(2)所示,当中间的 Alvarez透镜向下移动2mm时,等效的单组两片Alvarez透镜组的焦距为:
[0078]
[0079] 三明治结构的焦距为:f′=f/2=500(mm)
[0080] 对应的屈光度为+200度。
[0081] 相位压缩连续自由曲面为谐衍射微结构表面,假设谐衍射表面的相位差为即m=2;设计波长λ0与使用的波长λ相等,且等于532nm。由公式(4)可知,其p级次成像的焦距为:
[0082]
[0083] 由此式便可知,当p=2时,其谐衍射Alvarez透镜变焦系统与Alvarez 透镜组的焦距相等。谐衍射透镜组的2级次成像的焦距与原连续自由曲面 Alvarez透镜组的焦距相等。
[0084] 谐衍射三明治结构的焦距为:f′=f/2=500(mm)
[0085] 对应的屈光度为+200度。
[0086] 当中间Alvarez透镜向上移动2mm时,等效的单组两片Alvarez透镜组的焦距为:
[0087]
[0088] 三明治结构的焦距为:f′=f/2=-500(mm)
[0089] 对应的屈光度为-200度。
[0090] 相位压缩连续自由曲面为谐衍射微结构表面,假设谐衍射表面的相位差为即m=2;设计波长λ0与使用的波长λ相等,且等于532nm。由公式(4)可知,其p级次成像的焦距为:
[0091]
[0092] 由此式便可知,当p=2时,其谐衍射Alvarez透镜变焦系统与Alvarez 透镜组的焦距相等。谐衍射透镜组的2级次成像的焦距与原连续自由曲面 Alvarez透镜组的焦距相等。
[0093] 谐衍射三明治结构的焦距为:f′=f/2=-500(mm)
[0094] 对应的屈光度为-200度。
[0095] 当戴上智能眼镜的使用者在观察近距离物体时(比如看书时),智能眼镜上的距离传感器探测到物体离人眼距离为200mm,智能眼镜上的控制电路根据这个探测距离驱动中间的Alvarez镜片向下移动2.2mm,产生220度的光焦度,使近处的物体仍然成像在人眼舒适的距离24mm的位置。从而达到避免人眼因看近距离物体,而使肌肉紧张痉挛,并引起近视现象。
[0096] 当中间Alvarez透镜向下移动2.2mm时,Alvarez透镜组的焦距为:
[0097]
[0098] 对应的屈光度为220度。
[0099] 相位压缩连续自由曲面为谐衍射微结构表面,假设谐衍射表面的相位差为即m=2;设计波长λ0与使用的波长λ相等,且等于532nm。由公式(4)可知,其p级次成像的焦距为:
[0100]
[0101] 由此式便可知,当p=2时,其谐衍射Alvarez透镜变焦系统与Alvarez 透镜组的焦距相等。谐衍射透镜组的2级次成像的焦距与原连续自由曲面 Alvarez透镜组的焦距相等。