包括具有纳米级液晶微滴的成形液晶元件的可变光学眼科装置.pdf

本发明公开了用于在眼科镜片中提供可变光学插入物的方法和设备。所述可变光学插入物可包括具有不同曲率半径的表面。液晶层可用于提供可变光学功能，并且在一些实施例中，所述液晶层可包含纳米级的微滴。能量源能够为包括在所述眼科镜片内的所述可变光学插入物供电。在一些实施例中，眼科镜片由有机硅水凝胶浇铸模塑而成。各种眼科镜片实体可包括电活性液晶层以便电控制折射特性。

权利要求书
1.  一种具有可变光学插入物的眼科镜片装置，所述眼科镜片装置具有光 学区和非光学区，所述眼科镜片装置包括：
可变光学插入物，所述可变光学插入物包括位于所述光学区内的 至少一部分并包括插入物前曲面件和插入物后曲面件，其中所述前曲 面件的后表面和所述后曲面件的前表面至少在所述光学区内的部分中 具有不同的表面曲率半径；
能量源，所述能量源至少在包括所述非光学区的区域中被嵌入所 述插入物中；并且
所述可变光学插入物包括含液晶材料的层，其中所述层包含液晶 材料微滴。

2.  根据权利要求1所述的眼科镜片装置，其中所述液晶材料微滴具有尺寸 小于约1微米的平均直径。

3.  根据权利要求2所述的眼科镜片装置，其中在包含液晶材料微滴的所述 层内，包含所述微滴的区域为包含液晶材料的所述层的子集并具有能 够引起补充不同的插入物表面半径的效应的光学效应的成形轮廓。

4.  根据权利要求2所述的眼科镜片装置，其中在包含液晶材料微滴的所述 层内，所述微滴的密度为空间上变化的，使得所述变化能够引起补充 不同的插入物表面半径的效应的光学效应。

5.  根据权利要求2所述的眼科镜片装置，其中所述镜片为接触镜片。

6.  根据权利要求5所述的眼科镜片装置，还包括：
邻近所述前曲面件的后表面的第一电极材料层；和
邻近所述后曲面件的前表面的第二电极材料层。

7.  根据权利要求6所述的眼科镜片装置，其中当跨所述第一电极材料层和 所述第二电极材料层施加电势时，所述液晶材料层改变其折射率，从 而影响穿过所述液晶材料层的光线。

8.  根据权利要求7所述的眼科镜片装置，其中所述可变光学插入物改变所 述镜片的聚焦特性。

9.  根据权利要求8所述的眼科镜片装置，还包括
电路，其中所述电路控制电能从所述能量源到所述第一电极层和 第二电极层的流动。

10.  根据权利要求9所述的眼科镜片装置，其中所述电路包括处理器。

11.  一种具有可变光学插入物的眼科镜片装置，所述眼科镜片装置具有光 学区和非光学区，所述眼科镜片装置包括：
可变光学插入物，所述可变光学插入物包括位于所述光学区内的 至少一部分并包括插入物前曲面件、中间曲面件和插入物后曲面件， 其中所述前曲面件的后表面和所述中间曲面件的前表面至少在所述光 学区内的部分中具有不同的曲率半径；
能量源，所述能量源至少在包括所述非光学区的区域中被嵌入所 述插入物中；并且
所述可变光学插入物包括含液晶材料的至少第一层，其中包含液 晶材料的所述第一层包含液晶材料微滴。

12.  根据权利要求11所述的眼科镜片装置，其中所述液晶材料微滴具有尺 寸小于1微米的平均直径。

13.  根据权利要求12所述的眼科镜片装置，其中在包含液晶材料微滴的所 述层内，包含所述微滴的区域为包含液晶材料的所述层的子集并具有 能够引起补充不同的插入物表面半径的效应的光学效应的成形轮廓。

14.  根据权利要求12所述的眼科镜片装置，其中在包含液晶材料微滴的所 述层内，所述微滴的密度为空间上变化的，使得所述变化能够引起补 充不同的插入物表面半径的效应的光学效应。

15.  根据权利要求12所述的眼科镜片装置，其中所述镜片为接触镜片。

16.  根据权利要求15所述的眼科镜片装置，还包括：
邻近所述前曲面件的后表面的第一电极材料层；和
邻近所述中间曲面件的前表面的第二电极材料层。

17.  根据权利要求16所述的眼科镜片装置，其中当跨所述第一电极材料层 和所述第二电极材料层施加电势时，所述液晶材料层改变其折射率， 从而影响穿过所述液晶材料层的光线。

18.  根据权利要求17所述的眼科镜片装置，其中所述可变光学插入物改变 所述镜片的聚焦特性。

19.  根据权利要求18所述的眼科镜片装置，还包括
电路，其中所述电路控制电能从所述能量源到所述第一电极层和 第二电极层的流动。

20.  根据权利要求19所述的眼科镜片装置，其中所述电路包括处理器。

说明书包括具有纳米级液晶微滴的成形液晶元件的可变光学眼科装置
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2013年9月17日提交的临时申请No.61/878,723的优 先权。
背景技术
1.技术领域
本发明涉及具有可变光学性能的眼科镜片装置，并且更具体地，在一 些实施例中，涉及制造具有采用液晶元件的可变光学插入物的眼科镜片。
2.相关领域的讨论
传统上，诸如接触镜片或眼内镜片的眼科镜片提供预定的光学质量。 例如，接触镜片可提供以下功能中的一者或多者：视力矫正功能性、美容 增强作用、和治疗效果；或者仅提供一组视力矫正功能。每种功能由镜片 的物理特性提供。基本上，将折射性质结合到镜片中的设计提供视力矫正 功能性。将颜料结合到镜片中可提供美容增强作用。将反应剂结合到镜片 中可提供治疗功能性。
至今，已经在镜片的物理特性中设计眼科镜片的光学特性。一般来 讲，光学设计已被确定，并且随后在镜片的制造中(例如，通过浇铸模塑 或车床加工)应用于镜片中。一旦所述镜片已经形成，所述镜片的光学质 量就保持稳定。然而，佩戴者有时可发现有利的是具有不止一个光焦度可 供其使用以提供视力调节。不同于可更换眼镜来改变光学矫正的眼镜佩戴 者，接触镜片佩戴者或使用眼内镜片的佩戴者在不显著努力或不利用接触 镜片或眼内镜片来增补眼镜的情况下已不能改变其视力矫正的光学特性。
发明内容
因此，本发明包括涉及具有液晶元件的可变光学插入物的创新，所述 可变光学插入物可通电并结合到眼科装置中，其能够改变镜片的光学质 量。此类眼科装置的例子可包括接触镜片或眼内镜片。此外，提出了用于 形成具有含液晶元件的可变光学插入物的眼科镜片的方法和设备。一些实 施例可还包括具有刚性或可形成的通电插入物(其另外包括可变光学部 分)的浇铸模塑的有机硅水凝胶接触镜片，其中该插入物以生物相容性方 式包括在眼科镜片内。
因此，本发明包括具有可变光学插入物的眼科镜片、用于形成具有可 变光学插入物的眼科镜片的设备及其制造方法的公开内容。可将能量源沉 积到或组装到可变光学插入物上，并且可将插入物放置在邻近第一模具部 件和第二模具部件中的一者或两者处。将包含反应性单体混合物的组合物 (在下文中称为反应性单体混合物)放置在第一模具部件和第二模具部件 之间。第一模具部件被定位成邻近第二模具部件，从而形成镜片腔体，其 中通电介质插入物和至少一些反应性单体混合物置于所述镜片腔体中；所 述反应性单体混合物被暴露于光化辐射以形成眼科镜片。通过控制反应性 单体混合物所承受的光化辐射来形成镜片。在一些实施例中，眼科镜片裙 边或插入物封装层包含标准水凝胶眼科镜片制剂。具有可合格地匹配多种 插入物材料的特性的示例性材料可包括例如那拉菲康族(包括那拉菲康A 和那拉菲康B)、依他菲康族(包括依他菲康A)、加来菲康A和赛诺菲 康A。
形成具有液晶元件的可变光学插入物的方法和所得的插入物为本发明 的各种示例性实施例的重要方面。在一些实施例中，液晶可位于两个定向 层之间，所述定向层可设定液晶的静息取向。可通过沉积于含有可变光学 部分的基底层上的电极使这两个定向层与能量源电连通。可通过连接到能 量源的中间互连件或直接通过嵌入插入物中的部件，来对电极通电。
定向层的通电可导致液晶从静息取向转变为通电取向。在用通或断两 种通电水平操作的实施例中，液晶可仅具有一种通电取向。在其他可供选 择的实施例中，在根据能量水平的规模进行通电的情况下，液晶可具有多 种通电取向。可获得其他实施例，其中通电过程可通过通电脉冲来引起不 同状态之间的切换。
所得的分子定向和取向可影响穿过液晶层的光，从而导致可变光学插 入物的变化。例如，定向和取向可将折射特性作用于入射光。另外，该效 应可包括光的偏振的改变。一些实施例可包括可变光学插入物，其中通电 改变镜片的聚焦特性。
在一些实施例中，可通过其中引起包含液晶分子的可聚合混合物聚合 的方式来形成液晶层。通过以各种方式控制聚合，液晶分子微滴可在聚合 层形成时与其分离。在一些实施例中，此过程可进行控制使得微滴为纳米 级的，这可意味着微滴簇的平均直径或中值直径具有小于约1微米的长 度。在一些其他型式中，平均直径或中值直径也可具有小于约0.1微米的长 度。
因此，在一些实施例中，可通过将包含液晶分子的可变光学插入物结 合在眼科装置内来形成眼科装置。可变插入物可包括可位于眼科装置的光 学区中的至少一部分。可变插入物可包括前插入件和后插入件。前插入件 和后插入件可使其表面中的任一者或两者以各种方式弯曲，并且在一些实 施例中，前插入件上的后表面的曲率半径可不同于后插入件的前表面的曲 率半径。能量源可被包括到镜片中并可被包括到插入物中，并且在一些实 施例中可将能量源定位成其中能量源的至少一部分位于该装置的非光学区 中。
在一些实施例中，可进一步地限定包含液晶材料微滴的层，使得在包 含液晶材料微滴的层内，包含微滴的区域为包含液晶材料的层的子集并且 具有能够引起补充不同插入物表面半径的效应的光学效应的成形轮廓。
在一些实施例中，可进一步地限定包含液晶材料微滴的层，使得在包 含液晶材料微滴的层内，微滴的密度为空间变化的，以致于该变化能够引 起补充不同插入物表面半径的效应的光学效应。
在一些实施例中，眼科装置可为接触镜片。
在一些实施例中，眼科装置的插入物可包括由各种材料(包括透明材 料，例如作为非限制性例子的ITO)制成的电极。第一电极可定位为邻近前 曲面件的后表面，并且第二电极可定位为邻近后曲面件的前表面。当跨第 一电极和第二电极施加电势时，可跨位于电极之间的液晶层建立电场。跨 液晶层施加的电场可导致层内的液晶分子利用电场进行物理地定向。在一 些实施例中，液晶分子可以微滴形式位于层内，并且在一些实施例中，微 滴可具有尺寸小于1微米的平均直径。当液晶分子利用电场定向时，此定 向可引起光学特性的改变，使得在光线穿过包含液晶分子的层时可观察到 这种改变。非限制性例子可为可通过定向的变化来改变折射率。在一些实 施例中，光学特性的改变可导致镜片的聚焦特性的改变，所述镜片包括含 液晶分子的层。
在一些实施例中，所述的眼科装置可包括处理器。
在一些实施例中，所述的眼科装置可包括电路。电路可控制或引导电 流在眼科装置内流动。电路可控制电流从能量源到第一电极元件和第二电 极元件的流动。
在一些实施例中，插入物装置可包括不止一个前插入件和后插入件。 中间件可位于前插入件和后插入件之间。在一个例子中，含液晶层可位于 前插入件和中间件之间。可变插入物可包括可位于眼科装置的光学区中的 至少一部分。前插入件、中间插入件和后插入件可使其表面中的任一者或 两者以各种方式弯曲，并且在一些实施例中，前插入件上的后表面的曲率 半径可不同于中间插入件的前表面的曲率半径。能量源可被包括到镜片中 并可被包括到插入物中，并且在一些实施例中可将能量源定位成其中能量 源的至少一部分位于该装置的非光学区中。
具有前插入件、后插入件和至少第一中间插入件的插入物可包含至少 第一液晶分子，并且所述液晶分子也可以微滴形式存在，其中微滴簇的平 均直径或中间直径可具有小于1微米长度的直径或可被视为是纳米级的。
在具有前插入件、后插入件和至少第一中间插入件的一些实施例中， 眼科装置可为接触镜片。
在一些实施例中，眼科装置的具有前插入件、后插入件和至少第一中 间插入件的插入物可包括由各种材料(包括透明材料，例如作为非限制性 例子的ITO)制成的电极。第一电极可定位为邻近前曲面件的后表面，并且 第二电极可定位为邻近中间件的前表面。当跨第一电极和第二电极施加电 势时，可跨位于电极之间的液晶层建立电场。跨液晶层施加的电场可导致 层内的液晶分子利用电场进行物理地定向。在一些实施例中，液晶分子可 以微滴形式位于层内，并且在一些实施例中，微滴可具有尺寸小于1微米 的平均直径。当液晶分子利用电场定向时，此定向可引起光学特性的改 变，这样光线在穿过包含液晶分子的层时可经受这种光学特性的改变。非 限制性例子可为可通过定向的变化来改变折射率。在一些实施例中，光学 特性的改变可导致镜片的聚焦特性的改变，所述镜片包括含液晶分子的 层。
在一些实施例中，中间件可包括接合在一起的多个件。
在其中插入物装置可包括前插入件、后插入件和中间件的一些实施例 中，含液晶层可位于前插入件和中间件之间或者中间件和后插入件之间。 此外，偏振元件也可位于可变插入物装置内。可变插入物可包括可位于眼 科装置的光学区中的至少一部分。前插入件、中间插入件和后插入件可使 其表面中的任一者或两者以各种方式弯曲，并且在一些实施例中，前插入 件上的后表面的曲率半径可不同于中间插入件的前表面的曲率半径。能量 源可被包括到镜片中并可被包括到插入物中，并且在一些实施例中可将能 量源定位成其中能量源的至少一部分位于该装置的非光学区中。
附图说明
下文是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过这些说 明，本发明的上述及其他特征和优点将显而易见。
图1示出了可用于实施本发明的一些实施例的示例性模具组件设备部 件。
图2A和图2B示出了具有可变光学插入物实施例的示例性通电眼科镜 片。
图3示出了可变光学插入物的剖视图，其中可变光学插入物的前曲面 件和后曲面件可具有不同的曲率，并且其中可变光学部分可包含液晶。
图4示出了具有可变光学插入物的眼科镜片装置实施例的剖视图，其 中可变光学部分可包含液晶。
图5示出了可变光学插入物的示例性实施例，其中可变光学部分可包 含液晶。
图6示出了可变光学插入物的可供选择的实施例，其中可变光学部分 可包含液晶。
图7示出了用于形成具有可包含液晶的可变光学插入物的眼科镜片的 方法步骤。
图8示出了用于将包含液晶的可变光学插入物放置在眼科镜片模具部 件中的设备部件的例子。
图9示出了可用于实施本发明的一些实施例的处理器。
图10A和10B示出了包括具有液晶分子的层的眼科装置的示例性实施 例，其中液晶的至少一部分形成为纳米级微滴。
图11A、11B、和11C示出了包含纳米级尺寸的液晶分子微滴的可供 选择的示例性实施例，其中微滴的位置为成形的。
图12、12A、12B和12C示出了包含纳米级尺寸的微滴的可供选择的 示例性实施例。
具体实施方式
本发明包括用于制造具有可变光学插入物的眼科镜片的方法和设备， 其中可变光学部分包含液晶或者其自身包含液晶组分的复合材料。另外， 本发明包括具有可变光学插入物的眼科镜片，所述可变光学插入物包含液 晶并结合到所述眼科镜片中。
根据本发明，眼科镜片由嵌入式插入物和能量源形成，所述能量源诸 如用作能量存储装置的电化学电池或电池。在一些示例性实施例中，可对 构成能量源的材料进行封装并且使其与其中放置眼科镜片的环境隔离。在 一些示例性实施例中，能量源可包括可以一次性或可再充电构型进行使用 的碱性电化学电池化学物。
可使用佩戴者控制的调整装置来改变光学部分。调整装置可包括例如 用于增大或减小电压输出或者用于接合和切断能量源的电子装置或无源装 置。一些示例性实施例还可包括自动调整装置以根据测量的参数或佩戴者 输入通过自动设备来改变可变光学部分。佩戴者输入可包括例如无线设备 控制的开关。无线控制可包括例如射频控制、磁开关、图案化光辐射、和 电感开关。在其他示例性实施例中，可响应生物学功能或者响应眼科镜片 内的感测元件的测量而产生激活。作为非限制性例子，其他示例性实施例 可源自由环境光照度条件改变而触发的激活。
当电极通电所形成的电场导致液晶层内重新定向从而使分子从静息取 向转变为通电取向时，光焦度可发生变化。在其他可供选择的示例性实施 例中，可利用由电极通电引起的液晶层改变而产生的不同效应，例如，光 偏振态的改变，具体地讲，偏振旋转的改变。
在具有液晶层的一些示例性实施例中，在眼科镜片的非光学区部分中 可存在可进行通电的元件，而其他实施例可不需要通电。在不进行通电的 示例性实施例中，液晶可基于一些外部因素(例如，环境温度或环境光 线)而被动地变化。
液晶镜片可向入射到其主体上的偏振光提供电力可变的折射率。其中 光学轴线取向在第二镜片中相对于第一镜片旋转的两种镜片的组合允许镜 片元件能够改变环境非偏振光的折射率。
通过将电活性液晶层与电极组合，可得到可通过跨电极施加电场进行 控制的物理实体。如果在液晶层周边上存在有介电层，则跨介电层的场和 跨液晶层的场可组合成跨电极的场。在三维形状中，可基于电动力学原理 以及介电层和液晶层的几何形状来估计跨各层的场的组合的性质。如果有 效电厚度的介电层以非均匀方式制成，则跨电极的场的效应可按照介电的 有效形状“成形”并在液晶层中产生维度形状的折射率变化。在一些示例 性实施例中，此类成形可产生能够采用可变聚焦特性的镜片。
当包含液晶层的物理镜片元件使其自身成形为具有不同的聚焦特性 时，可得到可供选择的示例性实施例。然后，可基于通过使用电极跨液晶 层施加的电场，利用液晶层的电力可变的折射率来引入镜片的聚焦特性的 改变。液晶层的折射率可称为有效折射率，并且可以将有关折射率的每次 处理视为同等地涉及有效折射率。有效折射率可得自例如具有不同折射率 的多个区域的叠加。在一些示例性实施例中，有效方面可为各个区域贡献 的平均值，而在其他示例性实施例中，有效方面可为基于入射光的区域或 分子效应的叠加。前容纳表面与液晶层形成的形状以及后容纳表面与液晶 层形成的形状可确定系统的一级聚焦特性。
在以下章节中将详细说明本发明的实施例。文中描述的优选实施例和 替代实施例二者均仅为示例性实施例，并且应当理解，对于本领域中的技 术人员而言其变化、修改和更改均可能显而易见。因此，应当了解，所述 示例性实施例并非限制本基础发明的范围。
术语表
在涉及本发明的说明书和权利要求中，所使用的各个术语定义如下：
定向层：如本文所用，是指与液晶层相邻的影响并定向液晶层内的分 子取向的层。所得的分子定向和取向可影响穿过液晶层的光。例如，定向 和取向可以将折射特性作用于入射光。另外，该效应可包括光的偏振的改 变。
电连通：如本文所用，是指受电场影响。就导电材料而言，该影响可 由电流的流动引起或导致电流的流动。在其他材料中，其可以是电势场产 生的影响，例如永久和感应分子偶极子沿着例如场力线取向的趋势。
通电：如本文所用，是指能够提供电流或者内部存储有电能的状态。
通电取向：如本文所用，是指当受到由能量源供电的势场的效果的影 响时，液晶分子的取向。例如，如果能量源以导通或断开状态操作，则包 含液晶的装置可具有一种通电取向。在其他实施例中，通电取向可沿着受 所施加的能量的量影响的规模变化。
能量：如本文所用，是指使物理系统做功的能力。本发明中的多种用 途可指所述能力在做功的过程中能够执行电动作。
能源：如本文所用，是指能够供能或者使生物医学装置处于通电状态 的装置。
能量采集器：如本文所用，是指能够从环境中提取能量并将其转化为 电能的装置。
眼内镜片：如本文所用，是指嵌入眼睛内的眼科镜片。
镜片形成混合物或反应性混合物或反应性单体混合物(RMM)：如本 文所用，是指可被固化并交联或可被交联而形成眼科镜片的单体或预聚物 材料。各种实施例可包括镜片形成混合物，其中所述镜片形成混合物具有 一种或多种添加剂，例如：紫外线阻断剂、着色剂、光引发剂或催化剂、 以及眼科镜片(例如接触镜片或眼内镜片)可能需要的其他添加剂。
镜片形成表面：如本文所用，是指用来模塑镜片的表面。在一些示例 性实施例中，任何这样的表面均可具有光学质量表面光洁度，这表示它足 够光滑，并且成型为使得镜片表面具有合格的光学特性，该镜片表面通过 与模具表面接触的镜片形成混合物的聚合作用而成型。此外，在一些示例 性实施例，镜片形成表面可具有赋予镜片表面期望的光学特性可能必需的 几何形状，这些特性包括例如球镜度、非球镜度和柱镜度、波前像差矫正 以及角膜形貌特征校正。
液晶：如本文所用，是指具有常规液态与固态晶体之间的属性的物 态。液晶不能作为固体来表征，但其分子表现出一定程度的取向排列。如 本文所用，液晶不限于特定的相或结构，但液晶可具有特定的静息取向。 液晶的取向和相可通过外力操纵，例如温度、磁力或电力，具体取决于液 晶的类别。
锂离子电池：如本文所用，是指其中锂离子运动穿过电池以产生电能 的电化学电池。这种通常称之为电池组(battery)的电化学电池可以其典型 形式重新通电或重新充电。
介质插入物或插入物：如本文所用，是指能够在眼科镜片内支承能量 源的可成形的或刚性的基底。在一些示例性实施例中，介质插入物还包括 一个或多个可变光学部分。
模具：如本文所用，是指可用于利用未固化制剂来形成镜片的刚性或 半刚性物体。一些优选的模具包括形成前曲面模具部件和后曲面模具部件 的两个模具部件。
眼科镜片：如本文所用，是指驻留在眼睛中或眼睛上的任何眼科装 置。这些装置可提供光学矫正或可为美容的。例如，术语镜片可指用于矫 正或改进视力或从美容方面提升眼睛生理机能(例如虹膜颜色)而不会影 响视力的接触镜片、眼内镜片、覆盖镜片、眼部插入物、光学插入物或其 他类似的装置。在一些示例性实施例中，本发明的优选镜片是由有机硅弹 性体或水凝胶制成的软性接触镜片，其中水凝胶包括例如有机硅水凝胶和 含氟水凝胶。
光学区：如本文所用，是指眼科镜片佩戴者可透过而观看的眼科镜片 区域。
功率：如本文所用，是指每单位时间内所做的功或所传递的能量。
可再充电或可再通电：如本文所用，是指能够被恢复到以较高性能进 行工作的状态。本发明范围内的许多用途可与能够在一定的恢复时间周期 内使电流以一定速率流动的恢复能力有关。
再通电或再充电：如本文所用，是指使能量源恢复到具有较高工作容 量的状态。本发明内的许多用途可涉及装置恢复使装置在某一再设定的时 间段内以某一速率流动的性能。
从模具脱离：如本文所用，是指镜片与模具完全分离，或只松散地附 接，从而使其可通过轻轻晃动而取出或用棉签推离。
静息取向：如本文所用，是指液晶装置的分子的取向处于其静息、非 通电状态。
可变光学：如本文所用，是指改变光学性能例如镜片的光焦度或偏振 角的能力。
眼科镜片
参见图1，示出了形成包括密封和封装插入物的眼科装置的设备100。 所述设备包括示例性的前曲面模具102和匹配的后曲面模具101。眼科装置 的可变光学插入物104和主体103可位于前曲面模具102和后曲面模具101 内部。在一些示例性实施例中，主体103的材料可为水凝胶材料，并且可 变光学插入物104的所有表面均可被该材料包围。
可变光学插入物104可包括多个液晶层109和110。其他示例性实施例 可包括单个液晶层，其中的一些将在后面部分讨论。设备100可用于建立 新型眼科装置，所述新型眼科装置包括具有多个密封区域的部件的组合。
在一些示例性实施例中，具有可变光学插入物104的镜片可包括刚性 中心软裙边设计，其中包括液晶层109和110的中心刚性光学元件与大气 以及相应前表面和后表面上的角膜表面直接接触。镜片材料(通常为水凝 胶材料)的软裙边附接到刚性光学元件的周边，并且刚性光学元件还可将 能量和功能性添加到所得的眼科镜片。
参见图2A和图2B，分别在200和250处示出了可变光学插入物的示 例性实施例的顶部朝下图和剖视图。在该绘图中，能量源210显示位于可 变光学插入物200的周边部分211中。能量源210可包括例如可再充电的 薄膜锂离子电池或基于碱性电池的电池。能量源210可连接到互连特征214 以允许进行互连。例如，225和230处的附件互连件可将能量源210连接到 电路，例如条目205。在其他示例性实施例中，插入物可具有沉积在其表面 上的互连特征。
在一些示例性实施例中，可变光学插入物200可包括挠性基底。此挠 性基底可通过与前述类似的方式或通过其他方式形成为近似于典型镜片形 式的形状。然而，为了增加另外的柔韧性，可变光学插入物200可包括另 外的形状特征，例如，沿其长度的径向切口。可存在例如由205标明的多 个电子部件，例如集成电路、分立元件、无源元件以及可另外包括的此类 装置。
还示出了可变光学部分220。可施加电流以流过可变光学插入物，在 此期间通常可改变跨液晶层建立的电场，由此可改变可变光学部分220。在 一些示例性实施例中，可变光学部分220包括位于两层透明基底之间的液 晶薄层。可存在通常通过电子电路205的动作来电激活和电控制可变光学 部件的多种方式。电子电路205可以各种方式接收信号并且也可连接到感 测元件，所述感测元件也可位于插入物(诸如，条目215)中。在一些示例 性实施例中，可变光学插入物可封装到镜片裙边255中，所述镜片裙边255 可包含水凝胶材料或其他合适的材料以形成眼科镜片。在这些示例性实施 例中，眼科镜片可包括眼科裙边255和封装的眼科镜片插入物200，所述眼 科镜片插入物200自身可包括液晶材料层或区域或者包含液晶材料的层或 区域。
包括液晶元件的可变光学插入物
参见图3，条目300，可观察到两个不同形状的镜片件的镜片效果的图 示。如前所述，可通过将电极和液晶层系统包封在两个不同形状的镜片件 内来形成本发明领域的可变光学插入物。电极和液晶层系统可占据镜片件 之间的空间，如在350处所示。在320处，可观察到前曲面件，并且在310 处，可观察到后曲面件。
在非限制性例子中，前曲面件320可具有与空间350相互作用的凹形 表面。在一些示例性实施例中，此形状可被进一步地表征为具有示为330 的曲率半径和焦点335。在本发明领域的范围内可形成具有不同参数特征的 其他更复杂形状；然而为了图示说明，可示出简单的球形形状。
按照类似的以及另外非限制性的方式，后曲面件310可具有与空间 350相互作用的凸形表面。在一些示例性实施例中，此形状可被进一步地表 征为具有示为340的曲率半径和焦点345。在本发明领域的范围内可形成具 有不同参数特征的其他更复杂形状；然而为了图示说明，可示出简单的球 形形状。
为了阐释示为300的类型的镜片的操作方式，构成条目310和320的 材料可具有数值为n的折射率。在非限制性例子中，可在空间350内选用 液晶复合材料以匹配此折射率值。因此，当光线穿过镜片件310和320以 及空间350时，它们将不以调整聚焦特性的方式作用于各种界面。在其功 能中，未示出的镜片部分可激活各个部件的通电，由此可导致空间350中 的液晶层对入射光线呈现不同的折射率。在非限制性例子，可降低所得的 折射率。现在，在每个材料界面处，光的路径可被建模成基于表面的聚焦 特性和折射率的变化而进行改变。
此模型可基于斯涅尔定律：sin(θ1)/sin(θ2)＝n2/n1。例如，界面可由件 320和空间350形成，θ1可为入射光线与界面处的表面法线形成的角度。θ2可为光线在离开界面时与表面法线形成的建模角度。n2可表示空间350的 折射率并且n1可表示件320的折射率。当n1不等于n2时，则角度θ1和θ2也将不同。因此，当空间350中的液晶层的电力可变的折射率改变时，光 线将在界面处采取的路径也将改变。
参见图4，示出了具有嵌入的可变光学插入物410的眼科镜片400。眼 科镜片400可具有前曲表面401和后曲表面402。插入物410可具有含液晶 层404的可变光学部分403。在一些示例性实施例中，插入物410可具有多 个液晶层404和405。插入物410的部分可与眼科镜片400的光学区重叠。
参见图5，示出了可插入眼科镜片内的具有液晶层530的可变光学部 分500。可变光学部分500可具有如已在本说明书的其他部分中所讨论的相 似的材料多样性和结构关联性。在一些示例性实施例中，透明电极545可 放置在第一透明基底550上。第一镜片表面540可包括介电膜，并且在一 些示例性实施例中，可包括可放置在第一透明电极545上的定向层。在此 类示例性实施例中，第一镜片表面的介电层的形状可在所示的介电厚度中 形成区域变化的形状。此类区域变化的形状可为镜片元件引入超过参照图3 所述的几何效应的额外聚焦能力。在其他示例性实施例中，成形层可通过 在第一透明电极545基底550组合之上注射模塑而形成。
在一些示例性实施例中，第一透明电极545和第二透明电极520可以 各种方式成形。在一些例子中，成形可产生可单独施加通电的单独的和分 立的形成区域。在其他例子中，电极可被成型为图案，例如，从镜片中心 到周边的螺旋形，所述图案可跨液晶层530施加可变电场。在任一种情况 下，除了电极上的介电层成形之外或者取代此类成形，可执行这种电极成 形。按照这些方式的电极成形也可在操作时为镜片元件引入额外的聚焦能 力。
液晶层530可位于第一透明电极545与第二透明电极520之间。第二 透明电极520可沉积在第二透明基底510上，其中从第二透明基底510到 第一透明基底550所形成的装置可包含眼科镜片的可变光学部分500。两个 定向层也可位于介电层上的540和525处并且可围绕液晶层530。540和 525处的定向层可起到限定眼科镜片的静息取向的作用。在一些示例性实施 例中，电极层520和545可与液晶层530电连通并且可产生从静息取向到 至少一种通电取向的取向改变。
参见图6，示出了可插入眼科镜片中的具有两个液晶层620和640的可 变光学插入物600的替代形式。围绕液晶区域的各个层的每个方面可具有 类似的多样性，如相对于图5中的可变光学插入物500所述。在一些示例 性实施例中，定向层可将偏振灵敏度引入到单个液晶元件的功能内。在液 晶微滴可为纳米级的多个实施例中，可不使用定向层，并且在不存在定向 力(例如电场)的情况下，纳米级微滴内的液晶的取向可在空间中为无规 取向的。
通过将由第一基底610(其在空间中围绕620和第二基底630的居间层 可具有第一偏振选择)形成的基于第一液晶的元件与由第二基底630(在空 间中围绕640和第三基底650的居间层具有第二偏振选择)上的第二表面 形成的基于第二液晶的元件结合，可形成组合，所述组合可允许镜片的电 力可变的聚焦特性，所述镜片对于入射到其上的光的偏振方面不敏感。
在其中纳米级液晶微滴可在不存在定向层的情况下进行定位并且因此 可在静息状态下具有无规空间取向的示例性实施例中，可使用如600所示 的多个液晶层来形成镜片，所述镜片的聚焦特性可在多个步骤中进行改 变，这取决于第一液晶层和第二液晶层分别设置成静息状态还是通电状 态。
在示例性元件600处，可利用三个基底层来形成具有与500处的例子 相关的各种类型和多样性的两个电活性液晶层的组合。在其他例子中，所 述装置可通过四个不同的基底的组合来形成。在此类例子中，中间基底630 可分成两层。如果基底在稍后时间进行组合，则可获得功能类似于条目600 的装置。四个层的组合可为元件的制造提供方便的例子，其中可围绕620 和640液晶层构造类似的装置，且处理差异可与限定用于液晶元件的定向 特征的步骤部分有关。包括含液晶材料的多个层的多个层的组合可用于多 个目的，包括在非限制性感测镜片中具有不止两个聚焦状态。
材料
微注射模塑实施例可包括例如聚(4-甲基戊-1-烯)共聚物树脂，其可用 于形成直径介于约6mm到10mm之间、前表面半径介于约6mm到10mm 之间、后表面半径介于约6mm到10mm之间、以及中心厚度介于约 0.050mm和1.0mm之间的镜片。一些示例性实施例包括这样的插入物，其 直径为约8.9mm，前表面半径为约7.9mm，后表面半径为约7.8mm，中心 厚度为约0.200mm，并且边缘厚度为约0.050mm。
可将图1中所示的可变光学插入物104放置在用于形成眼科镜片的模 具部件101和102中。模具部件101和102材料可包括例如以下一种或多 种：聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、和改性聚烯烃。其 他模具可包括陶瓷或金属材料。
优选的脂环族共聚物含有两种不同的脂环族聚合物。各种等级的脂环 族共聚物可具有105℃至160℃范围内的玻璃化转变温度。
在一些示例性实施例中，本发明的模具可包含聚合物，例如，聚丙 烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、主链上具有脂环烃部分的改 性聚烯烃、以及环状聚烯烃。这种共混物可用于任何一半或两半模具上， 其中优选的是将这种共混物用于后曲面，而前曲面包含脂环族共聚物。
在根据本发明的制备模具100的一些优选方法中，按照已知的技术进 行注射模塑；然而，示例性实施例也可以包括用其他技术成型的模具，所 述其他技术包括例如：车床加工、金刚石车削、或激光切割。
通常，在两个模具部件101和102的至少一个表面上形成镜片。然 而，在一些示例性实施例中，镜片的一个表面可由模具部件101或102形 成，并且镜片的另一个表面可利用车床加工方法或其他方法形成。
在一些示例性实施例中，优选的镜片材料包括含有机硅的组分。“含 有机硅的组分”是指在单体、大分子单体或预聚物中含至少一个[-Si-O-]单 元的组分。优选地，以含有机硅的组分的总分子量计，所有Si和所连接的 O在含有机硅的组分中以大于约20重量％，还更优选地大于30重量％的量 存在。可用的包含有机硅的组分优选地包含可聚合的官能团，诸如丙烯酸 酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙烯基、N-乙烯基内酰 胺、N-乙烯基酰胺和苯乙烯基官能团。
在一些示例性实施例中，围绕插入物的眼科镜片裙边(也称为插入物 封装层)可包含标准水凝胶眼科镜片制剂。具有可合格地匹配多种插入物 材料的特性的示例性材料可包括例如那拉菲康族(包括那拉菲康A和那拉 菲康B)和依他菲康族(包括依他菲康A)。下文将对与本领域一致的材 料性质进行更全面的技术讨论。本领域中的技术人员可认识到，除所讨论 的那些材料之外的其它材料还可形成被密封和封装插入物的合格的封装件 或部分封装件，并且应将其视为符合并包含在权利要求书的范围内。
合适的含有机硅的组分包括由式I表示的化合物

其中
R1独立地选自一价反应性基团、一价烷基、或一价芳基，上述基团中 的任一种都还可包含选自以下的官能团：羟基、胺基、氧杂、羧基、烷基 羧基、烷氧基、酰胺基、氨基甲酸根、碳酸根、卤素或它们的组合；以及 包含1至100个Si-O重复单元的一价硅氧烷链，其还可包含选自以下的官 能团：烷基、羟基、胺基、氧杂、羧基、烷基羧基、烷氧基、酰胺基、氨 基甲酸根、卤素或它们的组合；
其中b＝0至500，其中应理解，当b不为0时，b为众数(mode)等于 指定值的分布；
其中至少一个R1包含一价反应基团，并且在一些实施例中，1至3个 R1包含一价反应性基团。
如本文所用，“一价反应性基团”为可经历自由基和/或阳离子聚合的 基团。自由基反应性基团的非限制性例子包括(甲基)丙烯酸酯、苯乙烯基、 乙烯基、乙烯基醚、(甲基)丙烯酸C1-6烷基酯、(甲基)丙烯酰胺、C1-6烷基 (甲基)丙烯酰胺、N-乙烯基内酰胺、N-乙烯基酰胺、C2-12烯基、C2-12烯基苯 基、C2-12烯基萘基、C2-6烯基苯基、C1-6烷基、O-乙烯基氨基甲酸酯以及O- 乙烯基碳酸酯。阳离子反应基团的非限制性例子包括乙烯基醚或环氧基团 以及它们的混合物。在一个实施例中，自由基活性基团包括(甲基)丙烯 酸酯、丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰胺、以及它们的混合物。
合适的一价烷基和芳基基团包括未取代的一价C1-C16烷基基团、C6-C14芳基基团，诸如取代的和未取代的甲基、乙基、丙基、丁基、2-羟丙基、 丙氧基丙基、聚乙烯氧丙基、它们的组合等。
在一个示例性实施例中，b为0，一个R1为一价反应性基团，并且至 少3个R1选自具有1至16个碳原子的一价烷基，并且在另一个示例性实施 例中，选自具有1至6个碳原子的一价烷基。本实施例的有机硅组分的非 限制性例子包括2-甲基-2-羟基-3-[3-[1，3，3，3-四甲基-1-[(三甲基硅烷基)氧基] 二硅氧烷基]丙氧基]丙酯(“SiGMA”)、
2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙氧基丙基-三(三甲基硅氧基)硅烷、
3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基硅氧基)硅烷(“TRIS”)、
3-甲基丙烯酰氧基丙基双(三甲基甲硅烷氧基)甲基硅烷以及
3-甲基丙烯酰氧基丙基五甲基二硅氧烷。
在另一个示例性实施例中，b为2至20、3至15，或者在一些示例性 实施例中为3至10；至少一个末端R1包含一价反应性基团，并且剩余的R1选自具有1至16个碳原子的一价烷基，并且在另一个实施例中选自具有1 至6个碳原子的一价烷基。在另一个实施例中，b为3至15，一个末端R1包含一价反应基团，另一个末端R1包含具有1至6个碳原子的一价烷基基 团并且剩余的R1包含具有1至3个碳原子的一价烷基基团。本实施例的有 机硅组分的非限制性实例包括(单-(2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙基)-丙醚封端 的聚二甲基硅氧烷(分子量为400-1000)(“OH-mPDMS”)、单甲基丙烯 酰氧基丙基封端的单正丁基封端的聚二甲基硅氧烷(分子量为800-1000) (“mPDMS”)。
在另一个示例性实施例中，b为5至400或10至300，两个末端R1均 包含一价反应性基团并且剩余的R1独立地选自具有1至18个碳原子的一价 烷基，所述一价烷基在碳原子之间可具有醚键并且还可包含卤素。
在其中需要硅水凝胶镜片的一个示例性实施例中，本发明的镜片将由 反应性混合物制成，所述反应性混合物包括基于用于制造所述聚合物的反 应性单价组分的总重量计至少约20重量％并且优选为约20重量％和70重 量％之间的含有机硅的组分。
在另一个实施例中，1至4个R1包含乙烯基碳酸酯或如下式所示的乙 烯基氨基甲酸酯：
式II

其中：Y代表O-、S-或NH-；
R代表氢或甲基；d为1、2、3或4；并且q为0或1。
含有机硅的碳酸乙烯酯或乙烯基氨基甲酸酯单体具体包括：1，3-双[4- (乙烯氧基羰基氧基)丁-1-基]四甲基-二硅氧烷、3-(乙烯氧基羰基硫基)丙基- [三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷]、3-[三(三甲基甲硅烷氧基)甲硅烷基]丙基烯丙 基氨基甲酸酯、3-[三(三甲基甲硅烷氧基)甲硅烷基]丙基乙烯基氨基甲酸 酯、碳酸三甲基甲硅烷基乙基酯乙烯酯、碳酸三甲基甲硅烷基甲基酯乙烯 酯，并且

在期望生物医疗装置的模量在约200以下的情况中，只有一个R1应包 含一价反应性基团，并且剩余的R1基团中不超过两个将包含一价硅氧烷基 团。
另一类包含有机硅的组分包括以下式的聚氨酯大分子单体：
式IV-VI
(*D*A*D*G)a*D*D*E1；
E(*D*G*D*A)a*D*G*D*E1或；
E(*D*A*D*G)a*D*A*D*E1
其中：
D代表具有6至30个碳原子的烷二基、烷基环烷二基、环烷二基、芳 二基或烷基芳二基，
G代表具有1至40个碳原子并且主链中可包含醚键、硫代键或胺键的 烷二基、环烷二基、烷基环烷二基、芳二基或烷基芳二基；
*代表氨基甲酸酯或脲基键；
a为至少1；
A代表下式的二价聚合基：
式VII

R11独立地代表具有1至10个碳原子的烷基或氟取代的烷基，其在碳原子 之间可含有醚键；y为至少1；并且p提供400至10,000的部分权重；E和 E1的每个独立地代表由下式表示的可聚合不饱和有机基：
式VIII

其中：R12为氢或甲基；R13为氢、具有1至6个碳原子的烷基、或-CO- Y-R15基，其中Y为-O-、Y-S-或-NH-；R14为具有1至12个碳原 子的二价基团；X代表-CO-或-OCO-；Z代表-O-或-NH-；Ar代 表具有6至30个碳原子的芳基；w为0至6；x为0或1；y为0或1；并 且z为0或1。
优选的含有机硅的组分是由如下式表示的聚氨酯大分子单体：
式IX

其中R16是移除异氰酸酯基团后的二异氰酸酯的双基，诸如异佛乐酮 二异氰酸酯的双基。其他合适的含有机硅的大分子单体为由氟醚、羟基封 端的聚二甲基硅氧烷、异佛尔酮二异氰酸酯和甲基丙烯酸异氰基乙酯反应 形成的式X的化合物(其中x+y为在10至30范围内的数值)。
式X

适用于本发明的其他含有机硅的组分包括含聚硅氧烷、聚亚烷基醚、 二异氰酸酯、聚氟代烃、聚氟醚和多糖基团的大分子单体；具有极性氟化 接枝或侧基(末端二氟代碳原子上连接有氢原子)的聚硅氧烷；含醚键和 硅氧烷键的亲水硅氧烷基甲基丙烯酸酯、以及含聚醚和聚硅氧烷基的可交 联单体。上述任何聚硅氧烷也可用作本发明中的含有机硅的组分。
液晶材料
可存在可具有符合已在本文讨论的液晶层类型的特性的多种材料。可 以预期，具有有利毒性的液晶材料可为优选的，并且天然源的胆甾醇基液 晶材料可为可用的。在其他例子中，眼科插入物的封装技术和材料可允许 材料的宽泛选择，所述材料包括LCD显示器相关的材料，所述LCD显示 器相关的材料通常可具有与向列型或胆甾型N或近晶相液晶或液晶混合物 相关的多种类型。可商购获得的混合物(例如，用于TN、VA、PSVA、 IPS和FFS应用的Merck Specialty chemicals Licristal混合物以及其他可商购 获得的混合物)可提供形成液晶层的材料选择。
在非限制性的意义上，混合物或制剂可包括以下液晶材料：1-(反式-4- 己基环己基)-4-异硫氰酸苯酯液晶；苯甲酸化合物，包括(4-辛基苯甲酸和 4-己基苯甲酸)；甲腈化合物，包括(4′-戊基-4-联苯基甲腈、4′-辛基-4-联 苯基甲腈、4′-(辛氧基)-4-联苯基甲腈、4′-(己氧基)-4-联苯基甲腈、4-(反式- 4-戊基环己基)苯甲腈、4′-(戊氧基)-4-联苯基甲腈、4′-己基-4-联苯基甲 腈)；和4，4′-氧化偶氮苯甲醚。
在非限制性的意义上，在室温下显示具有npar-nperp＞0.3的超高双折射 率的制剂可用作液晶层形成材料。例如，称为W1825的此类制剂可购自 AWAT和BEAM Engineering for Advanced Measurements Co.(BEAMCO)。
可存在可用于本文的发明构思的其他类型的液晶材料。例如，铁电液 晶可提供用于电场取向的液晶实施例的功能，而且也可引入其他效应，例 如，磁场相互作用。电磁辐射与材料的相互作用也可有所不同。
定向层材料
在已描述的多个示例性实施例中，眼科镜片内的液晶层可需要在插入 物边界处以各种方式进行定向。定向例如可平行于或垂直于插入物边界， 并且可通过各个表面的适当处理来获得这种定向。此处理可涉及通过定向 层来涂覆包含液晶(LC)的插入物的基底。这些定向层在本文中有所描 述。
常常实施于各种类型的液晶型装置中的技术可为摩擦技术。此技术可 适于产生弯曲表面，诸如，用于包封液晶的插入件的弯曲表面。在一个例 子中，可通过聚乙烯醇(PVA)层来涂覆表面。例如，可利用1重量％的水性 溶液来旋涂PVA层。此溶液可利用以1000rpm持续例如60秒时间的旋涂 来进行涂覆，并且随后进行干燥。随后，可通过软布料来摩擦干燥层。在 非限制性例子中，软布料可为天鹅绒。
光定向可为用于在液晶封装件上产生定向层的另一种技术。在一些示 例性实施例中，光定向可因其非接触特性和大规模制造能力而为可取的。 在非限制性例子中，用于液晶可变光学部分中的光定向层可包含二向色性 偶氮苯染料(偶氮染料)，所述二向色性偶氮苯染料能够主要定向在与具 有典型UV波长的线性偏振光的偏振垂直的方向上。此类定向可为反复性 反式-顺势-反式光致异构化过程的结果。
例如，可将得自1重量％的DMF溶液的PAAD系列偶氮苯染料在 3000rpm下旋涂30秒。随后，可将获得层暴露于UV波长(例如， 325nm、351nm、365nm)或者甚至可见波长(400nm-500nm)的线性偏振 光束。光源可采用各种形式。在一些示例性实施例中，光可源自例如激光 源。其他光源(例如，LED、卤素光源、白炽光源)可为其他非限制性例 子。在各种形式的光以各种适当模式进行偏振之前或之后，可以各种方式 (例如，通过使用光学透镜装置)来准直光。来自激光源的光可例如固有 地具有准直度。
多种光致各向异性材料为目前已知的，所述光致各向异性材料基于偶 氮苯聚合物、聚酯、具有介晶4-(4-甲氧基肉桂酰氧基)联苯侧基的光致可交 联的聚合物液晶等。此类材料的例子包括磺基双偶氮染料SD1和其他偶氮 苯染料(具体地，得自BEAM Engineering for Advanced Measurements Co. (BEAMCO)的PAAD系列材料)、聚(乙烯基肉桂酸酯)、以及其他材料。
在一些示例性实施例中，可能有利的是使用PAAD系列偶氮染料的水 溶液或乙醇溶液。一些偶氮苯染料(例如，甲基红)可通过直接掺杂液晶 层来用于光定向。将偶氮苯染料暴露于偏振光可导致偶氮染料扩散和粘附 到液晶层主体并且进入液晶层主体内，以形成产生所需定向条件的边界 层。
偶氮苯染料(例如，甲基红)也可与聚合物(例如，PVA)结合使 用。能够实现相邻液晶层的定向的其他合格的光致各向异性材料为当前已 知的。这些例子可包括基于香豆素的材料、聚酯、具有介晶4-(4-甲氧基肉 桂酰氧基)-联苯侧基的光致可交联的聚合物液晶、聚(乙烯基肉桂酸 酯)、以及其他材料。对于包括液晶的图案化取向的实施例而言，光定向 技术可为有利的。
在制备定向层的另一个示例性实施例中，通过将氧化硅真空沉积在插 入件基底上来获得定向层。例如，可在低压(例如～10-6mbar)下沉积 SiO2。可以提供纳米级尺寸的定向特征，所述定向特征被注射模塑到所产 生的前插入件和后插入件内。可利用已描述的材料或其他材料并通过各种 方式来涂覆这些模塑特征，所述其他材料可直接与物理定向特征相互作用 并且可将定向图案转换成液晶分子的定向取向。
离子束定向可为用于在液晶封装件上制备定向层的另一种技术。在一 些示例性实施例中，可将准直氩离子或聚焦镓离子束以限定的角度/取向轰 击到定向层上。这种类型的定向也可用于定向氧化硅、类金刚石碳(DLC)、 聚酰亚胺和其他定向材料。
其他示例性实施例可涉及在插入件形成之后将物理定向特征制备到插 入件。可在模塑表面上执行常见于其他液晶类领域中的摩擦技术以产生物 理凹槽。这些表面也可经受后模塑压印处理，以在其上产生小凹槽状特 征。其他示例性实施例可源自蚀刻技术的使用，所述蚀刻技术可涉及各种 类型的光学图案化工艺。
介电材料
介电膜和电介质在本文中有所描述。作为非限制性例子，用于液晶可 变光学部分中的介电膜或电介质具有适合本发明的特性。电介质可包括单 独或一起起作用以作为电介质的一个或多个材料层。可使用多个层来实现 优于单个电介质的介电性能。
电介质可允许无缺陷绝缘层具有分立可变光学部分所需的厚度，例 如，介于1和10μm之间。缺陷可称为针孔，如本领域的技术人员所已知 的，所述针孔为电介质中的允许穿过电介质进行电接触和/或化学接触的 孔。给定厚度的电介质可满足针对击穿电压的要求，例如，电介质应耐受 100伏特或更高。
电介质可允许制备在弯曲表面、锥形表面、球形表面、和复杂的三维 表面(如，弯曲表面或非平面表面)上。可使用典型的浸涂和旋涂方法， 或者可采用其他方法。
电介质可抵制可变光学部分中的化学物(例如，液晶或液晶混合物、 溶剂、酸、和碱、或者可存在于液晶区域的形成物中的其他材料)的损 害。电介质可抵制红外光、紫外光、和可见光的损害。不可取的损害可包 括降低本文所述的参数，例如，击穿电压和光学透射率。电介质可抵制离 子渗透。电介质可例如利用粘附增进层粘附到下面的电极和/或基底。可利 用允许低污染、低表面缺陷、保形涂层、和低表面粗糙度的方法来制造电 介质。
电介质可具有与系统的电操作兼容的相对电容率或介电常数，例如， 具有低相对电容率以降低用于给定电极区域的电容。电介质可具有高电阻 率，从而允许极小电流流过，甚至是在高施加电压的情况下。电介质可具 有光学装置所需的特性，例如，高透射、低色散、和介于特定范围内的折 射率。示例性的、非限制性的介电材料包括聚对二甲苯-C、聚对二甲苯- HT、二氧化硅、氮化硅、和特氟隆AF中的一者或多者。
电极材料
本文描述了用于施加电势以跨液晶区域实现电场的电极。电极通常包 括单独或一起起作用以作为电极的一个或多个材料层。
可或许利用粘附增进剂(如，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)来 将电极粘附到下面的基底、介电涂层、或系统中的其他物体。电极可形成 有利的本征氧化物或者可经处理以产生有利的氧化物层。电极可为透明 的、基本上透明的、或不透明的，且具有高光学透射和极少的反射。可利 用已知的处理方法来图案化或蚀刻电极。例如，可利用光刻图案化和/或剥 离工艺来蒸镀、溅镀、或电镀电极。
电极可被设计成具有合适的电阻率以用于本文所描述的电系统，例 如，满足给定几何构造中的电阻要求。
可利用氧化铟锡(ITO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、金、不锈钢、铬、石 墨烯、石墨烯掺杂的层、和铝中的一者或多者来制备电极。应当理解，这 并非为穷尽性列表。
工序
将以下方法步骤作为可根据本发明的一些方面实施的工序的例子来提 供。应当理解，方法步骤的叙述顺序并不具有限制性，且可使用其它顺序 实施本发明。此外，并非所有步骤都是实施本发明所必需的，在本发明的 各种实施例中可包括另外的步骤。本领域中的技术人员可显而易见，其它 实施例可为实际的，且这些方法都完全在权利要求书的范围内。
参见图7，流程图示出了可用于实施本发明的示例性步骤。在701 处，形成第一基底层，所述第一基底层可包括后曲表面并且具有顶部表 面，所述顶部表面具有可不同于其他基底层的表面的形状的第一类型的形 状。在一些示例性实施例中，差异可包括可位于光学区域的至少部分中的 表面的不同曲率半径。在702处，形成第二基底层，所述第二基底层可包 括前曲表面或中间表面或中间表面的一部分以用于较复杂的装置。在703 处，可将电极层沉积在第一基底层上。所述沉积可例如通过气相沉积或电 镀进行。在一些实施例中，第一基底层可为具有光学区中的区域和非光学 区中的区域的插入物的一部分。在一些实施例中，电极沉积工艺可同时限 定各个互连结构。在一些示例性实施例中，可在互连件或电极上形成介电 层。介电层可包括多个绝缘层和介电层，例如，二氧化硅。
在704处，可进一步处理第一基底层以将定向层添加在之前沉积的电 极层之上。可将定向层沉积在基底上的顶层上，并且随后以标准方式(例 如，摩擦技术)进行处理以产生表征标准定向层的凹槽特征、或者通过暴 露于高能粒子或光进行处理。可利用曝光来处理光致各向异性材料的薄 层，以形成具有各种特征的定向层。
在705处，可进一步处理第二基底层。可按照与步骤703类似的方式 将电极层沉积在第二基底层之上。然后，在一些示例性实施例中，在706 处，可将介电层施加在电极层之上的第二基底层上。介电层可形成为跨其 表面具有可变厚度。例如，介电层可模塑在第一基底层之上。作为另外一 种选择，之前形成的介电层可粘附在第二基底件的电极表面之上。
在707处，可按照与704处的处理步骤相似的方式在第二基底层之上 形成定向层。在707之后，可形成眼科镜片插入物的至少一部分的两个单 独的基底层可以随时接合。在一些示例性实施例中，在708处，将使这两 个件彼此靠近，然后在这两个件之间填充液晶材料。可存在多种方式以在 两个件之间填充液晶，所述方式包括作为非限制性例子的基于真空的填 充，其中对腔体进行抽真空并且随后允许液晶材料流到真空空间内。此 外，存在于镜片插入件之间的空间中的毛细管力可有助于利用液晶材料来 填充空间。在709处，可使这两个件彼此相邻，然后密封形成具有液晶的 可变光学元件。可存在多种将件密封在一起的方式，包括使用粘合剂、密 封剂、和物理密封部件(例如，作为非限制性例子的O形环和弹簧锁特 征)。
在一些示例性实施例中，可通过重复方法步骤701至709来产生两个 在709处所形成的类型的件，其中定向层彼此偏置以允许镜片可调整非偏 振光的光焦度。在此类示例性实施例中，这两个可变光学层可组合形成单 个可变光学插入物。在710处，可将可变光学部分连接到能量源，并且可 在其上放置中间部件或附接部件。
在711处，可将步骤710处所得的可变光学插入物放置在模具部件 内。可变光学插入物可包括或也可不包括一个或多个部件。在一些优选的 实施例中，通过机械放置将可变光学插入物放置在模具部件中。机械放置 可包括例如机器人或其他自动装置，例如，本领域已知的用于放置表面安 装部件的装置。可变光学插入物的人工放置也涵盖在本发明的范围内。因 此，可采用能够有效地将可变光学插入物与能量源一起放置在浇铸模具部 件内的任何机械放置或自动装置，导致模具部件所容纳的反应性混合物的 聚合将使可变光学件包括在所得的眼科镜片中。
在一些示例性实施例中，将可变光学插入物放置在附接到基底的模具 部件中。能量源和一个或多个部件也附接到基底，并与可变光学插入物电 连通。部件可包括例如用于控制施加到可变光学插入物的电力的电路。因 此，在一些示例性实施例中，部件包括控制机构以用于致动可变光学插入 物，从而改变一种或多种光学特性，例如第一光焦度与第二光焦度之间的 状态变化。
在一些示例性实施例中，处理器装置、MEMS、NEMS或其他部件也 可放置在可变光学插入物中并与能量源电接触。在712处，可将反应性单 体混合物沉积在模具部件中。在713处，可将可变光学插入物定位成接触 反应性混合物。在一些示例性实施例中，放置可变光学插入物和沉积单体 混合物的顺序可进行颠倒。在714处，将第一模具部件邻近第二模具部件 放置，以形成形成镜片的腔体，其中至少一些反应性单体混合物和可变光 学插入物位于腔体中。如上文所讨论，优选的实施例包括也位于腔体内并 与可变光学插入物电连通的能量源和一个或多个部件。
在715处，使腔体内的反应性单体混合物聚合。例如可通过暴露于光 化辐射和热中的一者或二者来实现聚合反应。在716处，将眼科镜片从模 具部件中取出，其中可变光学插入物附着到或封装在组成眼科镜片的插入 物封装聚合材料内。
尽管本发明可用于提供由任何已知的镜片材料或适合制作刚性或软质 接触镜片的材料制得的刚性或软质接触镜片，但优选的是，本发明的镜片 为具有约0至约90％的水含量的软质接触镜片。更优选的是，镜片由含有 羟基、羧基或两者的单体制成，或由含有机硅的聚合物(例如，硅氧烷、 水凝胶、有机硅水凝胶以及它们的组合)制成。可用于形成本发明镜片的 材料可通过使大分子单体、单体以及它们的组合的共混物与添加剂(例如 聚合引发剂)反应制得。合适的材料包括由有机硅大分子单体和亲水单体 制成的有机硅水凝胶。
设备
现在参见图8，示出了具有一个或多个传输接口811的自动设备810。 托盘813上包括各自带有相关的可变光学插入物814的多个模具部件，这 些部件被传送到传输接口811。示例性实施例可包括例如单独放置可变光学 插入物814的单个接口、或同时将多个可变光学插入物814放置在多个模 具部件中并且在一些示例性实施例中放置在每个模具部件中的多个接口 (未示出)。可通过传输接口811的竖直移动815进行放置。
本发明的一些示例性实施例的另一个方面包括用于在将眼科镜片的主 体模塑在这些部件周围时支撑可变光学插入物814的设备。在一些示例性 实施例中，可变光学插入物814和能量源可附连到镜片模具(未示出)中 的保持点。保持点可附着有聚合材料，所述聚合材料可为将被形成到镜片 主体中的同一类型。其他示例性实施例包括模具部件内的预聚物层，所述 模具部件上可附连有可变光学插入物814和能量源。
插入物装置中所包括的处理器
现在参见图9，示出了可用于本发明的一些示例性实施例中的控制器 900。控制器900包括处理器910，其可包括联接到通信装置920的一个或 多个处理器部件。在一些示例性实施例中，控制器900可用于将能量传输 到放置在眼科镜片中的能量源。
控制器可包括联接到通信装置的一个或多个处理器，所述通信装置被 配置成可经由通信通道来传送能量。通信装置可用于对可变光学插入物放 置在眼科镜片中或者传输操作可变光学装置的命令中的一者或多者进行电 子控制。
通信装置920还可用于例如与一个或多个控制器设备或制造设备部件 进行连通。
处理器910还与存储装置930连通。存储装置930可包括任何适当的 信息存储装置，包括磁存储装置(例如，磁带和硬盘驱动器)、光存储装 置和/或半导体存储器装置(例如，随机存取存储器(RAM)装置和只读存储 器(ROM)装置)的组合。
存储装置930可存储用于控制处理器910的程序940。处理器910执行 程序940的指令，从而根据本发明进行操作。例如，处理器910可接收描 述可变光学插入物放置、处理装置放置等等的信息。存储装置930还可在 一个或多个数据库950、960中存储眼科相关数据。数据库950和960可包 括用于控制来往于可变光学镜片的能量的特定控制逻辑。
包括纳米级聚合物分散型液晶微滴层的液晶装置
参见图10A和10B，示出了可插入眼科镜片内的可变光学部分(图 10A)，所述可变光学部分具有聚合物层1035和示于多个位置(例如， 1030)处的纳米级聚合物分散型液晶微滴。聚合区域可赋予膜结构定义和 形状，而富含液晶材料的为微滴(例如，1030)可对于以大体偏振无关方 式透射穿过该层的光具有显著的光学效应。
纳米级微滴为可用的，因为其它们具有足够小的尺寸，使得就散射过 程而言，通电和非通电状态下的微滴和相邻层之间的折射率变化可为不显 著的。
将液晶限制成纳米级微滴可使得分子在微滴内的旋转较为困难。此效 应可导致需使用较大电场来将液晶分子定向成通电状态。同样，液晶分子 的化学结构的设计也可有助于限定允许用于建立定向状态所需的较低电场 的条件。
可存在用以形成1000处所示类型的聚合物分散型液晶层的多种方式。 在第一例子中，单体和液晶分子的混合物可利用加热以形成均匀混合物的 组合来形成。接下来，可将该混合物施用到前曲面插入件1010，并且随后 通过添加后曲面插入件或中间插入件1045来封装在镜片插入物中。然后， 可在受控的和预先确定的速率下冷却包含液晶混合物的插入物。当混合物 冷却时，相对纯液晶单体的区域可沉淀为微滴或层内的微滴。然后可执行 用以催化单体聚合的后续处理步骤。在一些例子中，可将光化辐射施加到 混合物上，以引发聚合反应。
在另一个例子中，也可执行液晶和液晶单体的混合。在此例子中，可 将混合物施用到前曲面插入件1010或者后插入件或中间插入件1045，然后 可施用额外的件。所施用的混合物可已包含用以触发聚合反应的组分。作 为另外一种选择，可将光化辐射施加到混合物上，以引发聚合反应。利用 单体和引发剂的特定材料选择，聚合反应可以特定速率和特定方式进行， 所述方式使得可形成与微滴或材料的聚合网络内的微滴类似的液晶单体的 高浓度区域。这些微滴可被也包含一定量的液晶分子的聚合材料包围。这 些液晶分子在其完全聚合之前可在聚合物基体内自由地移动并且还可能能 够在其相邻区域产生取向效应，所述相邻区域可为其他液晶分子或者施用 液晶混合物的插入件表面上的定向特征。定向区域(如果存在的话)可确 定液晶分子在聚合物基体内的静息状态并且可在已发生显著的聚合反应之 后确定液晶分子在聚合区域内的固定取向。同样，聚合物中的定向液晶分 子也可对微滴内的液晶分子或液晶分子微滴施加取向效应。因此，在利用 液晶中间层形成插入物之前，具有组合的聚合区域和包括的微滴区域的层 可以自然定向状态存在，所述自然定向状态由包括在插入件上的定向特征 结构预先确定。
也可在不具有由定向层定向的能力的情况下来形成纳米级液晶微滴。 这可能是因为未形成定向层或者因为纳米级微滴距定向层或能够传送定向 层的定向效应的分子足够远。如从图10A中的1030处的图示可见，在不存 在分子的定向层或定向力的情况下，液晶分子的取向可为无规的。
可存在用以将液晶分子掺入到聚合区域或凝胶状区域内的多种方式。 在此前的说明中，已描述了一些方式。然而，产生聚合物分散型液晶层的 任何方法可包括位于本发明的范围内的技术并且可用于产生眼科装置。先 前的例子提及利用单体来产生围绕液晶分子微滴的聚合层。聚合单体的状 态可为聚合材料的结晶形式，或者在其他实施例中也可以聚合单体的凝胶 状形式存在。
图10A中的可变光学部分可具有可由类似的材料多样性和结构关联性 限定的其他方面，如已在本说明书的其他部分中所讨论的。在一些示例性 实施例中，透明电极1020可放置在前曲面插入件1010上。第一镜片表面 可包括介电膜，并且在一些示例性实施例中，可包括可放置在第一透明电 极1020上的定向层。在此类实施例中，第一镜片表面的介电层的形状可在 介电厚度中形成区域变化的形状。此类区域变化的形状可为镜片元件引入 超过参照图3所述的几何效应的额外聚焦能力。例如，在一些示例性实施 例中，成形层可通过第一透明电极1020和前曲面插入件1010组合上的注 射模塑来形成。
在一些示例性实施例中，第一透明电极1020和第二透明电极1040可 以各种方式成形。在一些例子中，成形可产生可单独施加通电的单独分立 的形成区域。在其他例子中，电极可形成图案，例如，从镜片中心到周边 的螺旋形，所述图案可跨包括具有类型1030和1035的部分的液晶层施加 可变电场。在任一种情况下，除了电极上的介电层成形之外或者取代此类 成形，可执行这种电极成形。以这些方式的电极的成形也可在以下操作时 引入镜片元件的额外的聚焦能力。
包括具有类型1030和1035的部分的聚合物分散型液晶层可位于第一 透明电极1020和第二透明电极1040之间。第二透明电极1040可附接到中 间插入件1045，其中由前曲面插入件1010与中间插入件1045形成的装置 可包括眼科镜片的可变光学部分。两个定向层也可位于介电层上，并且可 围绕包括具有类型1030和1035的部分的液晶层。定向层可起到限定眼科 镜片的静息取向的作用。在一些示例性实施例中，电极层1020和1040可 与包括具有类型1030、1035的部分的液晶层电连通并且可产生从静息取向 到至少一种通电取向的取向改变。
在图10B中，示出了电极层的通电效应。通电可导致跨装置建立电 场，如1090处所示。电场可引起液晶分子利用所形成的电场来重新定向自 身。如在1060处所示，在包含液晶的微滴中，分子可重新定向，如由目前 的竖直线所示。
参见图11A-C，示出了可插入到眼科镜片内的可变光学插入物1100的 替代形式，其具有包括聚合区域1120和富含液晶的微滴1130的液晶层。 可限定在液晶区域周围的各种元件的每个方面可具有如相对于图10A-B中 的可变光学插入物描述的类似多样性。因此，可存在前光学元件1110和后 光学元件1140，其中在一些示例性实施例，这些光学元件可例如在其上具 有电极、介电层和定向层中的一者或多者。参见图11A，可观察到微滴位 置的全局图案，如可由虚线1105所示。周围的聚合区域1120可被形成为 使得缺乏或相对缺乏微滴，而微滴(例如，1130)可形成于其他位置中。 由1105处的边界示出的微滴的成形轮廓可限定利用可变光学插入物的液晶 层形成装置的附加方式。穿过液晶层的光学辐射将具有与其相互作用的微 滴区域的积聚效应。因此，对光提供较高数量的微滴的层的部分将对光有 效地具有较高的有效折射率。在可供选择的判读中，液晶层的厚度可被有 效地视为随着所限定的存在较少微滴的边界1105而变化。参见图11B，微 滴可为纳米级的，并且在一些示例性实施例中可形成在不具有外部取向方 面的层中。如在1150处所示，针对微滴内的液晶分子而言，微滴可具有非 定向的和无规的状态。前进到图11C，通过施加到液晶层的任一侧的电极 的电势而施加的电场1170可导致微滴内的液晶分子的定向，如条目1160 的例子中所示。此定向将导致有效折射率的变化，这样使得微滴附近的光 束将经受这种变化。这与液晶层中的微滴区域的密度变化或存在相结合可 形成电力可变的聚焦效应，所述电力可变的聚焦效应是通过包括含液晶分 子的微滴的适当成形区域中的有效折射率的变化来实现的。尽管具有微滴 的成形区域的示例性实施例已被示为具有构成液晶层的纳米级微滴，但可 存在因微滴具有较大尺寸而产生的附加的示例性实施例，并且在存在较大 微滴区域的情况下可使用定向层来产生其他实施例。
包括在聚合物层中具有变化的液晶微滴密度的聚合物分散型液晶层的 眼科装置
参见图12，可观察到包括液晶层的眼科装置的另一个示例性实施例。 在享有图11A相关的实施例的类似性的示例性实施例中，液晶层可形成光 学效应，其中在横向意义上，聚合物层中的液晶微滴的密度为跨径向层变 化的。如图12所示，条目1210和条目1260可分别表示前插入件和后插入 件。在这些件上可存在层或层的组合。层1255和1225可表示电极层，所 述电极层其上还可具有位于1250和1220处的介电层和/或定向层。包含液 晶分子的层1240可位于这些层之间。层1240可进行处理，使得可将包含 主要液晶分子的微滴插入到聚合材料区域内，例如，在1230处。图12的 图示示出了各个层的平坦取向。此图示仅用于示例性目的，并且弯曲的光 学件(例如，可位于诸如接触镜片之类的眼科装置中)可享有这种结构顺 序，不同的是不具有图示的形状。在一些示例性实施例中，例如微滴特征 1230为纳米级的实施例，可不需要结构中的定向层。在这些特征中，空隙 层中的分子的无规取向可为可取的。
通过控制聚合处理，可实现空间控制，使得在含液晶层1240的特定位 置处，在从前曲面插入物到后曲面区域可存在不同于另一个位置的液晶材 料的密度或量。镜片表面上的液晶材料量的这些变化可用于程控总体折射 率，使得将在特定区域处观察到穿过眼科装置的光。可导致产生如下光学 效应，例如，球形聚焦光学效应和较高阶光学效应。如同前述示例性实施 例，跨层1240建立的电场可导致液晶分子定向的改变，这可导致以电活性 方式建立眼科装置的改变的光学效应。
参见图12A和图12B，示出了单独的液晶微滴以展示各种可能的取向 方面。在一些示例性实施例中，尤其是在微滴具有纳米级尺寸的情况下， 图12A处的非通电取向可具有其中液晶分子表现出无规取向图案(如图所 示)的微滴。在其他示例性实施例中，使用定向层可产生如下非通电取向 构型，其中例如分子可定向成平行于表面，如图12B在1232处所示。在这 些情况中的任一情况下，当施加电场(1290)时，液晶分子可与电场平 行，如图12C在1233处所示。
在本说明书中，已参考了附图所示的元件。多个元件被示出以供参 考，由此来描述本发明领域的实施例以便于理解。实际特征的相对尺寸可 显著不同于图示的尺寸，并且与图示的相对尺寸的变化应被假定为位于本 文技术领域的实质范围内。例如，液晶分子相对于插入件的尺寸而言可具 有小到不可能示出的尺寸。以类似于插入件的尺寸表示液晶分子从而允许 表示特定因素(例如，分子定向因而为实际实施例中的这种图示尺寸的例 子)的特征的图示可呈现显著不同的相对尺寸。
尽管所示出和描述的据信是最为实用和优选的实施例，但显而易见的 是，本领域中的技术人员可以对所描述和所示出的具体设计和方法作出变 更，并且可在不脱离本发明的实质和范围的情况下使用这些变更形式。本 发明并非局限于所述和所示的具体构造，而是应该理解为与落入所附权利 要求书的范围内的全部修改形式相符。