JP2005505789A - ハイブリッド電気活性レンズ - Google Patents
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Abstract
【課題】ハイブリッド電気活性レンズを提供する。
【解決手段】第1(110、115、120、122、125)および第2(135、137、140、145、150)の電気活性セルを有し得る電気活性レンズ(100、200、300)が開示され、制御された複屈折(例えば、ネマチック液晶)を有し、セルは互いに近接して互いの上に重ねられ、休止状態では互いに直交するように配向されて複屈折を減少する。
【選択図】図3
【解決手段】第1(110、115、120、122、125)および第2(135、137、140、145、150)の電気活性セルを有し得る電気活性レンズ(100、200、300)が開示され、制御された複屈折(例えば、ネマチック液晶)を有し、セルは互いに近接して互いの上に重ねられ、休止状態では互いに直交するように配向されて複屈折を減少する。
【選択図】図3
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般にレンズに関する。特に、本発明は複合電気活性レンズに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、従来のレンズは、単焦点距離を有し、特定の視力を提供する。このようなレンズは、異なる視野距離のために視力に変化はないかまたは視力を修正する必要がない特定のレンズ着用者または用途のために形成され得る。従って、従来のレンズは限定された使用を提供する可能性がある。
【0003】
例えば、読書のためおよび遠くを見るために視力を変える必要があるレンズ着用者または用途のために、多焦点距離を提供する二重焦点レンズが形成された。しかし、この二重焦点レンズは、固定された焦点距離領域を有し、これも限定された使用となる。
【0004】
これらの例の各々において、レンズは単一の材料から研磨される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0005】
本発明の電気活性レンズの実施形態は、光学的に透過性の材料、例えば、可変屈折率を有し得る液晶を含む様々な構成要素から作られた複合レンズであってもよい。可変焦点距離は、例えば、レンズにエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折パターンによって、または、レンズの光学的に透過性の材料上に配置された電極によって、設定され得る。回折パターンは、光学的に透過性の材料に入る光を屈折させ、それによって、異なる量の屈折、したがって可変焦点距離を生じさせる。電極は、光学的に透過性の材料に電圧を印加し、これは、結果として材料の分子の配向を変えることになり、それによって、屈折率の変化を生じさせる。、屈折率のこの変化は、回折パターンを作るのに使用される材料に液晶の屈折率を整合させるかまたは不整合にするために使用することができる。液晶の屈折率が回折パターン材料の屈折率に整合するときには、回折パターンは、光学倍率(optical power)がなく、したがってレンズは、固定レンズの焦点レンズを有する。液晶の屈折率が回折パターンを作るのに使用される材料の屈折率とは不整合のときには、回折パターンの力がレンズの固定力に加えられ、レンズの焦点距離の変化を提供する。可変屈折率によって、有利なことに、レンズのユーザはレンズを所望の焦点に変えることができ、単レンズに二重焦点、三重焦点または多焦点の視角距離等を有することができてもよい。電気活性レンズは、複屈折を減少するかまたは排除することもあり、これは、あるレンズによっては問題であるとして知られている。電気活性レンズの例示的な用途として、眼鏡、顕微鏡、鏡、双眼鏡、および、ユーザがそれを通して見ることができる他のいずれの光学装置が挙げられる。
【0006】
図1は、本発明に従った電気活性レンズの実施形態を示す。この実施形態は2つの屈折セルを有し、これらは、レンズの複屈折を減少するかまたは排除するために使用され得る。電気活性材料が、一例として、ネマチック液晶であるならば、屈折セルは互いに直交するように配向され得る。かくして、配向された液晶によって形成された複屈折を減少するかまたは排除する。この実施形態は、電圧を印加することができ、レンズに可変屈折率を有させる。この実施形態を眼鏡に使用して、例えば、眼鏡の着用者が屈折率を、したがって焦点を変えることができる。電気活性レンズ100の第1の屈折セルは、電極110、125、配向層115、122、および、液晶層120を有し得る。電気活性レンズ100の第2の屈折セルは、電極135、150、配向層137、145、および、液晶層140を有し得る。分離層130が、第1のセルと第2のセルとを分離することができる。電気活性レンズ100は、前部基板構成要素105と後部基板構成要素155とを有してもよく、これらの間に、2つの屈折セルが配置され得る。前記電極110、125、135、150は、電圧を液晶層120、140へ印加して、可変屈折率を生じさせることができる。
【0007】
前側構成要素105は、電気活性レンズ100に遠見視力を得させるための基部曲率を有し得る。前側構成要素105は、例えば、光学等級ガラス、プラスチック、または、ガラスとプラスチックとの組み合わせから作られ得る。前側構成要素105の背部には、例えば、ITO等の透明な導体、酸化スズ、または、他の導電性且つ光学的に透明な材料が塗布されてもよく、電極110を形成する。レンズの電気活性領域がレンズアセンブリ100全体よりも小さい実施形態において、電極110は、電力消費を最小限にするために、単にレンズの電気活性領域上に配置され得る。
【0008】
前記電極110には、配向層115がコーテングされて、液晶層120かまたは他のいずれの可変屈折率ポリマー材料層を配向し得る。液晶層120の分子は、印加された電場の存在内で配向を変え得る。この結果、入射光線が受ける屈折率の変化が生じる。前記液晶層120は、例えば、ネマチックでもスメチックでもコレステリックであってもよい。例示的なネマチックフェーズ結晶として、4−ペンチル−4’−シアノビフェニル(5CB)および4−(n−オクチルオキシ)−4’−シアノビフェニル(8OCB)が挙げられる。他の例示的な液晶として、4−シアノ−4’−(n−アルキル)ビフェニル、4−(n−アルコキシ)−4’−シアノビフェニル、4−シアノ−4”−(n−アルキル)−p−テルフェニルの様々な構成要素、および、BDH(ブリティッシュドラッグハウス(British Drug House))−メルク(Merck)が製造のE7、E36、E46およびZLIシリーズ等の市販の混合物が挙げられる。
【0009】
別の配向層122が、液晶層120の他方の側に、典型的には電極125上に配置され得る。この電極125は、前記電極110と同じようして形成されて、電気活性レンズ100の1つのセルを完成し得る。駆動電圧波形が、電極110、125間に加えられ得る。
【0010】
分離層130の後に、次のセルが、第1のセルから直交して配向されるように配置され得る。分離層130は、一方の側で電気活性レンズの第1のセルの電極125を支持し、他方の側で電気活性レンズの第2のセルの電極135を支持することができる。分離層130は、CR39(商標)等の光学等級プラスチック、ガラス、または、他のポリマー材料から作られ得る。第2のセルの電気活性材料は、電極135、150に加えられた配向層137、145の配向方向に配向されることが好ましい。好適な配向は、第1のセルの配向層115および122が第2のセルの配向層137および145に直交するように配向され得る。第2のセルは、上述のように、液晶層140を有し得る。また、第2のセルは、後側構成要素155に配置された電極150で完成されてもよい。後側構成要素155は、前側構成要素105と類似の材料により形成され得、電気活性レンズ100の遠距離倍率を達成する曲率を有し得る。
【0011】
電気活性レンズ100の遠距離倍率が乱視矯正を含む場合には、前側構成要素105または後側構成要素155は、円環状であってもよく、レンズ着用者が必要とする乱視矯正に対して適切に配向され得る。
【0012】
異なる実施形態において、単一の配向層が各セルに使用され得る。この実施形態において、配向層120、122のいずれかが電気活性レンズ100の第1のセルから除去されてもよく、且つ、配向層137、145のいずれかが第2のセルから除去され得る。あるいは、電極110、125、135、150が配向を有する場合には、電極110、125、135、150は液晶層120、140に配向し得る。したがって、すべての配向層120、122、137、145が除去され得る。
【0013】
光学倍率が、前側構成要素105の背部表面に、または後側構成要素155の前部表面に、または両方に、回折パターンを形成することによって、本発明の実施形態に与えられることができる。光学倍率は、構成要素105、155に配置された回折パターンの代わりにまたはそれに加えて、分離層130の一方の側または両側に回折パターンを形成することによって、与えられ得る。事実、上述の回折パターンの配置のいずれかの組み合わせが可能であり、本発明の範囲内であるとみなされる。
【0014】
回折パターンは、機械加工、焼き付け、またはエッチングを含む多数の技術を使用して形成され得る。回折パターンを使用して光学倍率を設定するときには、液晶層120、140を使用して、一方の屈折率状態で回折パターンの追加倍率を隠すためにすべての層の屈折率を整合することができ、且つ、他方の屈折率状態で回折パターンのパワーを表すためにすべての層の屈折率を不整合にすることができ、各状態は、印加電圧(または電場)がオンであるかオフであるかによって規定され得る。
【0015】
図2は、本発明に従った電気活性レンズの異なる実施形態を示す。この実施形態は、可変光学倍率を設定するための回折パターンを含む電気活性レンズの二重液晶セル200の構造を示す。この実施形態を、例えば眼鏡に使用して、レンズ全体にわたって可変光学倍率を設定し得る。この実施形態は、有利なことに、電気活性レンズに回折パターンを使用することに関連する問題、例えば、斜め電場線、ポリマー基板複屈折およびレンズ構成要素屈折率整合の困難さを緩和し得る。二重液晶電気活性セル200は、前部および後部の基板構成要素105、155、電極110、125、135、150、配向層115、145、液晶層120、140、透明な導体の塗布された基板210、および、ポリマー表面220、230を有し得る。
【0016】
前側および後側の構成要素105、155、電極110、125、135、150、配向層115、145、および、液晶層120、140は、図1に示されたものと同じような機能を果たしてもよく、類似の材料から作られ得る。この実施形態において、前側構成要素105には、透明な導体が塗布されて、電極110が形成され得る。電極110には配向層115がコーテングされ得る。液晶層120は、配向層115に近接させ得る。図1のように、液晶層120の分子は、印加された電場の存在内でその配向を変えてもよい。
【0017】
ポリマー表面220は、ポリマー220の表面にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折レンズパターンを有し得る。ポリマー表面220上の回折パターンは、液晶層120の表面にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折パターンに対して適合され得る。電極125は、ポリマー表面220に近接して、例えばITOから形成され得る。電極125は、ほんの一例として、ガラスまたは眼科等級プラスチックから作られた薄い基板210の一方の側に配置され得る。基板210は、複屈折がなくてもよい。電極135は、基板210の他方の側に配置されて、例えばITOから形成され得る。
【0018】
ポリマー表面230は、電極135に近接させ得る。ポリマー表面230は、ポリマー230の表面内にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折レンズパターンを有し得る。ポリマー表面230の回折パターンは、液晶層140に対して配置され得る。図1のように、液晶層140の分子は、印加された電場の存在内でその配向を変えてもよい。配向層145が電極150に配置され得る。電極150は、配向層145に近接して後側構成要素155に配置されてもよく、二重液晶電気活性セル200を完成する。
【0019】
PMMA(または他の適切な光ポリマー材料)が、電極125、135が基板210に配置された後に、基板210の両側に2〜10ミクロンの厚さの範囲で、好ましくは3〜7ミクロンの範囲で、スパン塗布され得る。
【0020】
加えて、サブミクロンの格子の形態で液晶配向表面レリーフ(図示せず)が、回折レンズパターン化表面220、230に打ち抜かれるかまたはエッチングされ得る。
【0021】
この実施形態には多くの利点があり得る。第1に、PMMA層の下の電極125、135は、対向する電極110、150へ垂直な非傾斜電場線を維持させ助けとなり得る。これは、透明な導体が、回折パターン上に直接配置される設計に存在する傾斜電場線のぼかし現象を克服することができる。傾斜電場線が回折レンズ表面近傍に傾斜電場を生成し、電場を印加する際にこれらの表面に完全90度液晶傾斜角度を防止するときに、ぼかし現象が発生する。これは、今度は結果として、オン状態において第2の「ゴースト」焦点が現れることになり、したがって、電気活性レンズの性能を劣化する。本発明の実施形態は、この「ゴースト」収束を克服することができる。
【0022】
第2に、本発明の包埋電極構造を使用することは、接触基板の屈折率に、この場合はレンズパターン化ポリマー表面220、230の屈折率に、液晶層120、140の屈折率を整合させることへの解決を提供することができる。したがって、透明な導体が、回折パターン上に直接配置されて、例えば、ITOコーティング(nITO〜2.0)を含む場合には、透明な導体は、液晶の通常の屈折率(典型的にはnLC〜1.5)に屈折率整合しないこともある。これは、電極125、135を裸眼で見えるようにする可能性があり、電気活性レンズの美的性質に関して問題を呈する。したがって、図2の実施形態において、液晶層120、140は、今やPMMA基板に整合した屈折率を有してもよく、これは(nsub〜1.5)であってもよく、それによって、電極125、135を視覚から隠す。
【0023】
第3に、ガラスまたは眼科等級プラスチック等の複屈折のない基板に、パターン化スピン塗布されたPMMAを使用することによって、基板複屈折の問題を解決し得る。すなわち、基板自体は、比較的複屈折がなくてもよく、薄いスパン塗布PMMAは、ごくわずかな複屈折を有し得る。
【0024】
図3は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。この実施形態において、電気活性レンズ300の電気活性領域は、レンズ300の一部のみをカバーしている。この実施形態は、二重焦点眼鏡に使用されてもよく、例えば、レンズの一部のみに可変屈折率を与える。図3において、レンズ300は、図1のように、二重セルおよび複数の層を有する。これら層は、前部および後部の構成要素105および155のそれぞれの窪み305および310内に配置され得る。窪み305、310は層を収容してもよく、層がレンズ300に容易に封止されるのを可能にする。構成要素105、155は、例えば、ガラスまたは眼科等級プラスチックから作られ得る。
【0025】
前記実施形態は、電圧がもはや印加されないときには、電気活性レンズは平面の非拡大状態に戻るフェールセーフ(fail−safe)モードを有し得る。従って、電気活性レンズは、電力がないときには光学倍率を有さない。このモードは、電力供給できない場合の安全特徴である。
【0026】
本発明の実施形態において、セルの色収差は、一方のセルを緑色光(550nm)よりわずかに長い波長を有する光を伝えるように設計し、他方のセルを緑色光よりわずかに短い波長用に設計することによって、減少され得る。この実施形態では、2つのセルが、複屈折と色収差との両方を同時に矯正することができる。
【0027】
回折パターン表面と液晶層との間に屈折率の有意な差がないならば、回折パターンによってレンズに寄与する倍率はなくてもよい。このような実施形態において、レンズの電気活性力は、回折パターン(複数の場合もある)によって形成されるが、液晶と回折パターン表面との間に有意な量の屈折率の差があるときのみである。
【0028】
図4は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。この実施形態において、電気活性レンズ400の電気活性領域は、筐体405に封入され、レンズ400の一部のみをカバーする。この実施形態も、例えば二重焦点眼鏡に使用されてもよく、レンズの一部のみに可変屈折率を提供する。この実施形態において、電気活性レンズ400は、前部および後部の構成要素105、155、筐体405、および、電気コネクタ410を含む。前側構成要素105は窪み305を含み、後側構成要素155は窪み310を含む。電気活性レンズ400の層は、筐体405に封入され得る。透明な導体から作られる電気コネクタ410は、薄いプラスチックストリップに配置されて、筐体405に接続され得る。プラスチックストリップは、大半が、構成要素105、155に屈折率整合され得る。電気活性領域の屈折率を変えるために、電気コネクタ410を通して電圧が筐体405に印加され得る。筐体405は、窪み305、310の間に配置され得る。封入された筐体405は、半完成ブランク内に成形されてもよく、それは、所望の遠距離倍率に表面仕上げされ得る。あるいは、封入された筐体405は、後側構成要素155の窪み310に配置されてもよく、これは、後に表面注型され、筐体405を適所に係止し、所望の遠距離倍率を完了する。筐体405は、プラスチック、ガラス、または、他の適切な光学等級材料から作られてもよく、構成要素105、155の屈折率に屈折率整合され得る。
【0029】
図5は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。この実施形態において、電気活性レンズ500は、電気活性レンズの前側構成要素525の頂部の窪み510内に電気活性レンズカプセル505を配置することによって、形成され得る。この実施形態も、例えば二重焦点眼鏡に使用されてもよく、レンズ500の一部のみに可変屈折率を提供する。この実施形態において、電気活性領域は、レンズの頂部に配置され、次いでレンズに封止されて連続表面を形成し得る。薄いフィルム導体520がレンズカプセル505に接着されてもよく、前側構成要素525の表面の導電性コンタクト515へ電気的に接続され得る。後側構成要素520が前側構成要素525に接着されて、所望の遠距離倍率を設定するように補助し得る。電気活性レンズカプセル505が前側構成要素525の窪み510に配置された後に、前側構成要素525の前部表面は、例えば、表面注型技術を使用して指数整合材料で封止されてもよく、または、単に屈折率整合材料が充填されて、光学仕上げに研磨され得る。この構造物は、有利なことに、複屈折を減少するかまたは排除するかに加えて、機械的安定性、エッジづけおよびレンズフレーム内に嵌まることの容易さ、および、電気活性材料へ電気的に接続することの容易さを提供することができる。
【0030】
図6は、本発明に従った電気活性レンズの電気活性材料に加えられ得る。電気同心ループの実施形態を示す。電気同心ループ600は、レンズに電圧を印加するために電気活性レンズに使用される電極であってもよい。例えば、図1において、ループ600は、電極110、125、135、150の代わりに配置され得る。
【0031】
図6において、ループは、2πフェーズラッピング(phase wrapping)の整数倍で回折パターンをエミュレートする。フェーズラッピングは、光のフェーズが電気活性レンズ直径に沿った様々な場所またはゾーンで繰り返される(または「ラップされる」)現象である。パターン化された電極構造物600は、4つのフェーズラッピングゾーンを含む。より多くの中心電極610が、中心から離れた電極620よりも厚くてもよい。図6からわかるように、4つの電極630の群は、各フェーズラッピングゾーンを形成する。図6では各ゾーンに4つの電極が使用されているが、装置の光学的効率を上げるために、各ゾーンにより多くの電極を使用することができる。
【0032】
レンズの4つの電極は、4つのパターン化されたものであり得る。代わって、これら電極は、2つのパターン化されたものと2つのソリッド電極とであってもよい。第2のパターン化された電極を使用して、電気活性レンズの焦点を揺らし、強い色収差を補正し得る。さらに、この実施形態は、複雑な電気的な相互連結なしで順次焦点強度を与え得る。
【0033】
電気コンタクト(図示せず)は、レンズの縁で薄いワイヤまたは導電性ストリップを通して、または、レンズを通って下へ導電ビアのセットによって、電極に作られ得る。電極600は、レンズ内の2つのセルのいずれかにまたは両方にパターン化され得る。二重セル設計において、倍率が複屈折に対処するのに十分なほど整合されている限り、回折パターンを備えた1つのセルとパターン化電極を備えた1つのセルとを使用することも可能である。
【0034】
同心ループ電極600を備えた回折パターンを形成するときに、電極600によって作動される屈折材料が、入射波にフェーズ変形を与えてもよい。この実施形態は、構造物の中心から外向きに可変フェーズ遅延を備えた平らな構造物を使用することによって、従来のレンズをエミュレートする。可変フェーズ遅延は、可変電圧を異なる電極600へ印加することによって達成されてもよく、これは、次に、電気活性材料の屈折率プロファイルを修正する。自動フェールセーフモードは、印加電圧がない場合には電気活性材料に電力をまったく提供しなくてもよく、そのため、電気活性レンズは自動的に、電力停止時に自動的に平面に戻る。
【0035】
レンズの電気活性部分は、薄く、例えば全体厚さがミリメートルの何分の一未満であってもよい。この薄さを達成するために、本発明は、正弦的に変動する波用に、2π倍のフェーズシフトが物理的重要さを有さないという事実を利用する。言い換えると、入ってくる光のフェーズは、レンズ内で都合のよい閉鎖曲線に沿って「ラップされ」てもよい。従来のゾーンプレートの円ゾーン境界が例である。したがって、電気活性レンズの制御可能なスローがほんの数波の遅延でしかないときに、有用なフェーズ変形および有意な光学倍率を達成することができる。
【0036】
電気活性レンズにおけるフェーズ遅延の空間的変動は、特別な用途に基づいて決定され得る。変動は、電極600の間隔あけによって決定されてもよく、これは、電子的に対処され、電力供給され、電気活性レンズの内部に制定されることができる。結晶が一軸媒体として作用する例示的なネマチック液晶構成において、結晶を通って移動する光が特別な偏光に制限され得る。そうでなければ、2つの液晶セルが縦一列に並んで使用されてもよく、偏光の通常の方向と特別の方向とを交換するために正常から90度フェーズがずれて回転され、したがって、複屈折を排除する。これらの構成の各々は、特定の屈折率を提供する。液晶の長期分解、二重セルの間の電気偏光、および、電極の間の空間の無作為の過渡電圧を避けるために、電極は、周波数およびフェーズの同期AC電圧で駆動され得る。例示的な周波数は10kHzを含み、例示的な高電圧は5〜10Vの範囲であり、好ましくは最大6〜8Vの間である。あるいは、低倍率での互換性のためには低電圧が望ましい。電気活性材料が5または6ボルト未満で適切な屈折率変化を提供し得るように、CMOS駆動回路が使用され得る。
【0037】
1つの実施形態において、フェーズラッピングゾーンは、電極をほとんど含まなくてもよく、ゾーンはより近づく。あるいは、より高い抵抗材料を備えた電極を使用して、フリンジ分野(いわゆる「フェーズサグ(phase sag)」)を滑らかにし得る。別の実施形態において、単に連続した接地平面として使用するのではなく、同一セル内で別の電極600をパターン化することによって、第2のフェーズ変形を第1のフェーズ変形にカスケードすることができる。
【0038】
本発明の電気活性レンズの例示的な製造方法は、レンズの電極パターン内にウインドウを作ることと、電極と電気コンタクトパッドとを相互連結することと、を含む。第2のウインドウが電気接地に接続され得る。次に、液晶配向層は、両方のウインドウに配置され、処理され得る。2つの適切に配向されたウインドウは、例えば、ガラススペーサー含有エポキシでウインドウの間に間隔あけを制定し、次いで、制定された間隔あけを液晶で充填しウインドウをエポキシで一緒に封止することによって、液晶内に作られ得る。ウインドウは側方向にシフトされて、電気コンタクトパッドに単に圧力接着することによって電気接続を作ってもよい。電極および相互連結パターンは、CAD生成マスクを備えたフォトリソグラフィを使用して制定され得る。展開、エッチングおよびデポジション技術を使用し得る。別の設計において、簡単な伝導内部レベル接続バイアを備えた複数層を使用して、相互連結交差を回避し得る。
【0039】
電極600の設計において、電極ゾーン境界は、従来のフェーズラッピングに一致して2πの倍数に配置され得る。そのため、2mπごとの境界配置用に、n番目のラッピングの半径は下記式によって与えられる。
【0040】
ρnm=[2nm(λf)]1/2 (1)
各ゾーンは複数の電極を含む。1ゾーン当たりp個の電極があるならば、式(1)は、
ρlnm=[2km(λf)/p]1/2 (2)
k=[p(n−1)+l]=1、2、3、4、… (3)
に修正することができ、ただし、lはゾーン内電極用の1〜pの指数であり、kは順次外向きに計数する指数であり、自然数kの平方根として電極境界の順を維持する。近接する電極を異なる電圧へ上げるために、絶縁スペースが電極の間に挿入され得る。電極の連続は、自然数の平方根として増える半径を備えた円によって分離され得る。同一の指数lを備えたすべての電極は、同一のフェーズ遅延を生成するように意図されるため、その間に共有された電気接続と一緒に取り付けられてもよく、それによって電極への異なる電気接続の数を減少する。
【0041】
別の実施形態は、厚さ変動を備えた本発明の電気活性レンズにフェーズ遅延を設定するように提供する。この実施形態において、各電極ループに印加された電圧は、レンズのフェーズ遅延が所望の値を得るまで同調され得る。したがって、個別のループは、適切なフェーズ遅延を達成するために、常に異なった電圧が印加され得る。あるいは、ゾーン内のすべての電極に同一の電圧が印加され、異なるゾーンには異なる電圧が印加され得る。
【0042】
別の実施形態は、傾斜光線のため、本発明の電気活性レンズの縁に異なるフェーズ遅延を設定するように提供する。傾斜光線は、レンズによって屈折されて、レンズ縁を通して常に外向きに移動する光線である。したがって、傾斜光線は、さらに遠い距離へ移動し、有意にフェーズ遅延されるようにする。この実施形態において、フェーズ遅延は、レンズ縁で電極に所定の一定電圧を印加することによって、補正され得る。あるいは、レンズ縁の電極は、縁の屈折率が適切に修正されてフェーズ遅延を補正するように、電圧低下を生じさせ得る。この電圧低下は、例えば、電極の導電性または厚さをしかるべく調整することによって、達成され得る。
【0043】
電極600は同心ループに限定されないが、例えばピクセルを含む特定の用途にしたがって、いずれの幾何学的形状またはレイアウトであってもよいことが理解され得る。レイアウトは、製造限界によって、電気接続および電極分離制限によって、および、小さな寸法の電気フリンジ分野を備えた液晶ディレクタの非局在弾性の動作の相互作用の複雑さによってのみ、制限され得る。加えて、電極600のレイアウトは、電気活性レンズの形状によって規定され得る。
【0044】
図7は、本発明の電気活性レンズの実施形態の倍率プロファイルの例を例示する。これらの倍率プロファイルは、2つの目的を果たすことができる。すなわち、レンズ着用者を見る観察者から電気活性セルを隠す助けをすることと、中間倍率を提供することとである。
【0045】
この例において、電気活性レンズ700は、レンズ700の大部分を形成する遠距離視覚部分705と、垂直および水平の両方で偏心して中心位置からずれた位置に配置される電気活性セル部分710と、を含む。電気活性セル部分710は、中心倍率ゾーン711と、中間倍率ゾーン712と、外側倍率ゾーン713とを有し得る。
【0046】
倍率プロファイル715は、電気活性セル710用の目標プロファイルを例示する。セル710は、回折要素かまたは慎重なピクセル化で作られ得るので、実際の倍率プロファイルは、近接する要素またはピクセルの間にわずかな不連続があってもよいように、完全に滑らかでなくてもよい。1つの実施形態において、セル710の中心ゾーン711は大半が所望の追加倍率を有してもよく、10〜20mm幅であってもよく、好適な幅は10〜15mmである。中心ゾーン711から外向きに動くと、中間ゾーン712であり、これは、2〜10mm幅の倍率移行領域であってもよく、好適な幅は3〜7mmである。中間ゾーン712の中心は、所望の読書倍率のおよそ半分であってもよい。外側ゾーン713は、1〜10mm幅であってもよく、好適な幅は2〜7mmであり、半分の追加倍率を有して、中間ゾーン712から距離視覚部分705へ移行を提供するために使用されてもよく、そこで倍率は遠距離倍率になる。
【0047】
別の倍率プロファイル720は、電気活性セル710の別の実施形態を例示する。この実施形態において、中心ゾーン711は、読書ゾーンを形成してもよく、好ましくは、10〜20mm幅の間かまたはそれよりも広い。中心ゾーン711の外部で、倍率は、中間ゾーン712で読書倍率の半分に低下する。中間ゾーン712は、2〜10mm幅であってもよく、好適な幅は3〜7mmである。再度、外側ゾーン713を使用して、中間から遠距離倍率へ融和してもよく、2〜7mmの好適な幅を有し得る。
【0048】
第3の倍率プロファイル725は、電気活性セル710の別の実施形態を例示する。この実施形態において、中心ゾーン711は、再度、大半が所望の追加倍率を提供するが、より広くてもよく、おそらく30mmほどの広さであってもよく、好適な幅は10〜20mmである。中間および外側のゾーン712、713は、遠距離倍率へ移行するために使用されてもよく、3〜6mmの好適な幅のために組み合わされ得る。
【0049】
多くの倍率プロファイルがあってもよいことが理解され得る。例えば、電気活性領域が、図1に示されるように、レンズ全体を取り囲む場合には、倍率の移行および融和は、より大きな寸法にわたって発生することができる。
【0050】
電気活性レンズの各個別セルに同一のまたはわずかに異なる倍率プロファイルを使用して、レンズの効果的な倍率プロファイルを最適化し得る。例えば、複屈折を修正する際に、各セルの同一の倍率プロファイルを使用し得る。
【0051】
レンズの電気活性部分、レンズ自体、または、電気活性部分とレンズとの両方が、丸いか、長円形か、楕円形か、矩形か、方形か、半円か、丸みを帯びた隅を有する矩形か、逆コの字型か、垂直方向に長い長さを有し水平方向に短い長さを有する矩形か、幾何学的形状の組み合わせか、または、特定の用途に望ましいような他のいずれの幾何学的形状であてもよいことが理解され得る。
【0052】
図8は、本発明の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を備えた電気活性レンズの側断面図である。この実施形態において、電気活性レンズ805は、レンズ着用者の眼810の前部に配置されて、例えば、眼鏡として作用し得る。したがって、レンズ805は、レンズ着用者に、近見視覚、中間視覚および遠見視覚を与え得る。電気活性レンズが光学的に作動されないときには、レンズ810全体の倍率は、レンズ着用者の遠見視力を矯正するように、必要な屈折力を有し得る。電気活性領域が光学的に有効になるように電気活性セルが作動されるときに、中間ゾーン815は、電気活性レンズのレンズ着用者がまっすぐ前を見るときに本質的に視野の法線のまわりに中心を置くことができる。中間ゾーン815の垂直幅は、6〜15mmの間であることができ(3〜7mmである2つ半分の合計)、好適な垂直幅は6〜8mmである。電気活性領域の読書(または近見)ゾーン820は、レンズ着用者が正常な読書姿勢中にレンズを通して見ている場所を表す高さに中心が置かれてもよく、ほぼ半分の垂直幅はレンズのこの点に中心を置いてもよい。読書ゾーン820の垂直幅は10〜20mmの間であることができ、好適な垂直幅は12〜16mmである。読書ゾーン820の水平幅および垂直幅は、円形読書ゾーンでは等しくてもよい。中間ゾーン815の水平幅は、読書ゾーン820のサイズおよび中間ゾーン815の垂直幅に依存して変動し得る。
【0053】
図9は、本発明の異なる実施形態にしたがって近見視力および中間視力を備えた電気活性レンズの側断面図である。この実施形態において、電気活性レンズ805は、レンズ着用者の眼810の前部に配置されて、例えば、眼鏡として作用し得る。再度、レンズ805は、レンズ着用者に、近見視覚、中間視覚および遠見視覚を与え得る。この実施形態は、近見視力および中間視力のゾーン815、820と電気活性レンズ805の残りとの間に、融和ゾーン905、910、915を提供し得る。これらの融和ゾーンは、有利なことに、倍率ゾーン境界の美的性質を改良してもよく、任意に、光学的に使用可能な倍率移行を果し得る。
【0054】
例えば、融和ゾーン905は、おそらく2〜8mm幅であり、中間ゾーン815の頂部より上に配置され得る。融和ゾーン910は、おそらく2〜6mm幅であり、中間ゾーン815と読書(または近見)ゾーン820との間に配置され得る。融和ゾーン915は、読書ゾーン820の底部に配置され得る。レンズ805の電気活性領域が円形でありレンズ805の中心で倍率が対称的である場合には、融和ゾーン915は、融和ゾーン905、910の複製であってもよい。他方、レンズ805の電気活性領域が電気活性領域の水平中心線に対して非対称である場合には、融和ゾーン915は、レンズ805の底部で読書倍率から遠距離倍率へ連続的に移行するだけであってもよい。この場合、融和ゾーン915は、1〜2mmの短さであってもよく、または、中間ゾーン815の幅と中間ゾーン815の各側の融和ゾーン905、910の幅との合計の広さであってもよい。事実、融和ゾーン915は、所望により、レンズ805の下部縁へずっと続いてもよい。レンズ805の倍率プロファイルは、例えば、図7の線715によって例示されるような、連続的な倍率プロファイルであってもよい。図7に例示されるような倍率プロファイルは、パターン化された電極か、物理的に機械加工されたかまたはエッチングされた回折パターンか、または、他のいずれの類似機構かで達成され得る。と理解され得る。
【0055】
近見倍率および中間倍率を有する電気活性レンズは、有利なことに、レンズ着用者が必要とするときに、追加倍率および/または中間倍率を設定し得る。例えば、着用者が遠くを見ているときには、着用者はもっとも広い視野で最良可能な距離矯正を果し得る(単一視力レンズと同一の高品質光学)。対照的に、これは、累進屈折力レンズ(PAL)のケースではない。PAL設計では、不必要な歪みおよびイメージの飛びの問題が、読書視力ゾーンおよび中間視力ゾーンのサイズおよび性質に障害を与えるだけではなく、遠見視力ゾーンに影響を与える可能性がある。これは、多くのPAL設計が一定量の歪みを遠見視力ゾーン内に且つそのまわりに進ませてレンズ内の不必要な乱視の大きさを減少することができるため、発生しうる。このような累進性は、業界では「ソフト」設計と称されることが多い。したがって、本発明の実施形態は、近見視力および/または中間視力ゾーンを電気活性にすることによって、PAL設計に見られるような、障害を排除し得る。
【0056】
本発明の実施形態において、電気活性レンズは、電気活性ゾーンの自動制御用の距離計によって制御され得る。この実施形態において、レンズ着用者は、近距離および中距離の物体を見るときに、自動的にオンにされる近見視力および中間視力の両方を有してもよく、着用者が遠距離の物体を見るときには、電気活性ゾーンは自動的にオフにされ遠見視力のみを提供する。
【0057】
異なる実施形態において、電気活性レンズは、距離計に優先する手動オーバーライドを有し得る。この実施形態において、手動オーバーライドは、電気活性レンズコントローラ上のスイッチまたはボタンで作動され得る。ボタンまたはスイッチを押すことによって、着用者は手動で距離計を無効にし得る。着用者は、次いで、遠見視力から近見視力または中間視力に、手動で切り換えてもよい。あるいは、着用者が近距離または中距離の物体を見ていると距離計が検知するが、着用者は遠距離にある何かを見たい場合には、着用者は、手動オーバーライドのスイッチまたはボタンを押して、距離計制御を無効にして電気活性レンズを遠距離倍率に戻し得る。手動オーバーライドは、有利なことに、例えば、着用者がガラスウインドウをきれいにするように試みて距離計が近距離または中間距離にガラスウインドウの存在を検出しないときに、着用者が手動で電気活性レンズを調整し得る。
【0058】
図10は、本発明の実施形態に従った電気活性レンズの例示的なカスケードシステムの例示である。本発明の実施形態は、電気活性レンズをカスケードすることを含み、これは、順次的な簡単な切換および/またはプログラム可能な要素を使用することによって、高い切換複雑性を達成するための戦略を提供し得る。これらのカスケードレンズは、可変屈折率を効果的に制御するために、例えばレーザー用光学部品、顕微鏡等の複雑な光学システムに使用され得る。従って、複雑な適応可能電子レンズを制御するための接続の数およびレンズを通る光ビームを制御するための制御線の数は減少されてもよく、一方、カスケードのより簡単な要素のより全体的な複雑な機能性を提供する。さらに、カスケード操作は、より良好な回折効率、プログラミング柔軟性、および、プログラミング複雑性の減少を可能にし得る。このため、Rレンズの線形的連続は、各々がN焦点に対処することができ、RN分解可能焦点ほども対処することができ、乗法的分解能向上を想定する。
【0059】
図10において、2ステージカスケードシステム1000は、2つの電気活性レンズ1010、1020を縦に一列に含む。例において、電気活性レンズ1010はN1の分解能を有してもよく、電気活性レンズ1020はN2の分解能を有し得る。そのため、カスケード1000が乗法的カスケードであってもよいように、カスケード1000の全体分解能は、NR=N1*N2であってもよい。従って、入射光1006は、カスケード1000の第1のステージすなわち電気活性レンズ1010を通って、光線1016に分解され得る。これら光線1016は、次いでカスケード1000の第2のステージすなわち電気活性レンズ1020を通って、光線1026にさらに分解され得る。
【0060】
電気活性レンズ1010、1020は、同心の透明な電極例えばループを有することができ、これは、電圧分配を提供するようにプログラムされてもよく、これが今度は、レンズ1010、1020の電気活性材料を作動し、所望のフェーズ分配を生成する。例において、レンズは、半径方向に二次フェーズ分配を有し得る。二次フェーズ関数は、線形フェーズ関数に加えられた線形チャープとして見ることができ、そこで線形フェーズ関数は、簡単な半径方向格子である。チャープのため、線形フェーズ関数は、レンズの縁へ向けて「より速く」変動し得る。したがって、二次フェーズ関数は、これを半径方向の一次元の関数として解釈することによって簡略化することができ、ビーム「撓み強度」は光軸からレンズの縁へ向けて直線的に増加する。例えば、同心ループ電極は、直径Dmmの電気活性レンズ内の1ミリメートル当たりL電極の密度を有し得る。高い回折効率を達成するために、1セル当たりm電極があってもよいように、mフェーズレベルがプログラムされ得る。電気活性レンズの最大曲げ力がレンズの縁で使用され得る。ため、F#に限界があってもよく、それは、所与の幾何に達成することができる。mフェーズレベルで、レンズの縁における期間Λは、Λ=m(1000μm/L)である。そのため、対応するF#=λ/Λであり、ただし、λは設計波長である。したがって、電気活性レンズ710、720をカスケードすることによって、より小さなF#レンズを達成することができる。
【0061】
カスケードをプログラミングする従来のアプローチにおいて、カスケードのステージが個別にプログラムされるため、効率に損失がある傾向がある。この問題を克服するため、本発明の実施形態において、ステージは、例えば、離散型オフセットバイアスプログラミングアルゴリズムを使用して、一緒にプログラムされ得る。このジョイントアプローチは、有利なことに、カスケードの第2ステージにおけるいずれの定量化エラーを排除してもよく、それによって高い回折効率を得る。
【0062】
図11は、従来のカスケードによって生成されるエラー定量化を例示し、カスケードステージは個別にプログラムされている。この場合、カスケードの各要素は定量化エラーを有し、これは、カスケード操作のため、所望の回折オーダにおける効率に有意に影響を与え、より高い回折オーダにサイドローブを導入し、結果としてノイズまたはぼやけを生じる。
【0063】
図12は、本発明に従ったカスケードにおけるエラー定量化の排除を例示し、カスケードステージは一緒にプログラムされ得る。例えば、離散型オフセットバイアスアルゴリズムを使用して、電気活性レンズをプログラムし且つレンズ性能を最適化し得る。プログラミング戦略は、カスケードの第1のレンズ1010の要素に不完全なブレージングを可能にしてもよく、第2ステージの第2のレンズ1020に生成された一定のフェーズシフトを使用することによって異なるブレーズの間のいずれのフェーズ不整合を矯正し得る。このプログラミング戦略で、第1のレンズ1010は、導入されるエラーにかかわらず入射光1006をレンズ1010の焦点に合わせるようにプログラムされ得る。これは、結果として、結果として得られる光線1016の不完全ブレーズになり、これは今度は破壊的な干渉を引き起こす可能性があり、且つ、所望の焦点を失う可能性がある。第2のレンズ1020は次いで、ステージ1によって通った傾斜波面光線1016へ一定のフェーズのずれを導入するようにプログラムされてもよく、そのため、ステージ2からの出力光線1026は、局所ビームの傾斜波面のすべては、相対フェーズで矯正され得る。カスケードプログラミングのこの形態で、光線1026の中央回折ローブの強度は、最大にされてもよく、偽ノイズローブは生成されなくてもよい。
【0064】
このプログラミングアプローチは、対処可能な電極を備えたピクセル化電極パターンを含む上述の電気活性レンズ設計のすべてに適用され得る。
【0065】
電気活性レンズの液晶配向層を生成して、ホモジーナス(平面)およびホメオトロピック(垂直)配向のいずれかを達成することができる。ホモジーナス配向を有する液晶層の実施形態において、紫外線感光材料には、線形偏光紫外線光が照射されてもよく、次いで、フォトフィジカルプロセスを通って異方性表面アンカー力を生成する。結果として得られた材料は、ホモジーナス配向を有する。このような材料の1つの例として、ポリビニルシンナメートが挙げられる。別の実施形態において、薄いポリマーフィルムが機械的に摩擦され、材料をホモジーナス配向させてもよい。この材料の1つの例として、ポリビニルアルコールが挙げられる。
【0066】
ホメオトロピック配向を有する液晶層の実施形態において、例示的な材料として、一般的にはレチシンと称されL−αホスファチジルオコリンと呼ばれる一般的な生物学的化合物、および、オクタデシルトリエトキシシラン(ODSE)、すなわち、好適なやり方で基板の表面にそれ自体が接着する長炭化水素鎖を有する材料、が挙げられる。これらの材料は、活性レンズ基板の表面を疎水性にし、これが今度は液晶分子の疎水性端を引き付け、ホメオトロピックに配向させる。
【0067】
図13は、本発明の電気活性レンズの実施形態に駆動電圧波形を提供するために使用され得る。電子回路の実施形態を例示する。この実施形態において、電子回路は、「フライイングコンデンサ」回路1300である。フライイングコンデンサ回路1300は、例えば、スイッチ1301〜1305、コンデンサ1320、1322、および、増幅器1330を有し得る。スイッチ1301〜1305は、コンデンサ1320、1322および増幅器1330へ印加される電圧を制御するために開閉され得る。従って、回路1300からの出力波形のフェーズが、制御され遅延され得る。この制御フェーズ遅延を使用して、電気活性レンズへ可変電圧を与え得る。フライイングコンデンサ回路1300およびその結果として生じる波形の使用は、出力の可変のピークからピークへの電圧および非常に小さなDC構成要素を、結果として生じる波形へ与えても良い。したがって、フライイングコンデンサ回路1300は、有利なことに、制御フェーズ遅延を使用して、多焦点眼科用レンズを形成し得る。結果として生じる波形は、例えば、方形波であってもよく、または、レンズの用途に依存して、電気活性レンズを駆動することができる他のいずれの波形であってもよい。
【0068】
本発明の様々な実施形態が上記に呈されているが、本発明の同一の精神および範囲に従った他の実施形態も妥当と思われる。
【図面の簡単な説明】
【0069】
【図1】本発明の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図2】本発明の別の実施形態に従った電気活性レンズの側断面図である。
【図3】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図4】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図5】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの側断面図である。
【図6】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズを作動するのに使用される電気同心ループの正面図である。
【図7】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの例示的な倍率プロファイルの図である。
【図8】本発明のさらなる別の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を提供する電気活性レンズの側断面図である。
【図9】本発明のさらなる別の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を提供する電気活性レンズの側断面図である。
【図10】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズのカスケードシステムの図である。
【図11】従来のカスケードシステムに生成されたエラー定量化を例示する図である。
【図12】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズのカスケードシステムによって排除されるエラー定量化を例示する図である。
【図13】本発明の電気活性レンズの実施形態に駆動電圧波形を提供するフライイングコンデンサ回路図を例示する図である。
【0001】
本発明は、一般にレンズに関する。特に、本発明は複合電気活性レンズに関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、従来のレンズは、単焦点距離を有し、特定の視力を提供する。このようなレンズは、異なる視野距離のために視力に変化はないかまたは視力を修正する必要がない特定のレンズ着用者または用途のために形成され得る。従って、従来のレンズは限定された使用を提供する可能性がある。
【0003】
例えば、読書のためおよび遠くを見るために視力を変える必要があるレンズ着用者または用途のために、多焦点距離を提供する二重焦点レンズが形成された。しかし、この二重焦点レンズは、固定された焦点距離領域を有し、これも限定された使用となる。
【0004】
これらの例の各々において、レンズは単一の材料から研磨される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0005】
本発明の電気活性レンズの実施形態は、光学的に透過性の材料、例えば、可変屈折率を有し得る液晶を含む様々な構成要素から作られた複合レンズであってもよい。可変焦点距離は、例えば、レンズにエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折パターンによって、または、レンズの光学的に透過性の材料上に配置された電極によって、設定され得る。回折パターンは、光学的に透過性の材料に入る光を屈折させ、それによって、異なる量の屈折、したがって可変焦点距離を生じさせる。電極は、光学的に透過性の材料に電圧を印加し、これは、結果として材料の分子の配向を変えることになり、それによって、屈折率の変化を生じさせる。、屈折率のこの変化は、回折パターンを作るのに使用される材料に液晶の屈折率を整合させるかまたは不整合にするために使用することができる。液晶の屈折率が回折パターン材料の屈折率に整合するときには、回折パターンは、光学倍率(optical power)がなく、したがってレンズは、固定レンズの焦点レンズを有する。液晶の屈折率が回折パターンを作るのに使用される材料の屈折率とは不整合のときには、回折パターンの力がレンズの固定力に加えられ、レンズの焦点距離の変化を提供する。可変屈折率によって、有利なことに、レンズのユーザはレンズを所望の焦点に変えることができ、単レンズに二重焦点、三重焦点または多焦点の視角距離等を有することができてもよい。電気活性レンズは、複屈折を減少するかまたは排除することもあり、これは、あるレンズによっては問題であるとして知られている。電気活性レンズの例示的な用途として、眼鏡、顕微鏡、鏡、双眼鏡、および、ユーザがそれを通して見ることができる他のいずれの光学装置が挙げられる。
【0006】
図1は、本発明に従った電気活性レンズの実施形態を示す。この実施形態は2つの屈折セルを有し、これらは、レンズの複屈折を減少するかまたは排除するために使用され得る。電気活性材料が、一例として、ネマチック液晶であるならば、屈折セルは互いに直交するように配向され得る。かくして、配向された液晶によって形成された複屈折を減少するかまたは排除する。この実施形態は、電圧を印加することができ、レンズに可変屈折率を有させる。この実施形態を眼鏡に使用して、例えば、眼鏡の着用者が屈折率を、したがって焦点を変えることができる。電気活性レンズ100の第1の屈折セルは、電極110、125、配向層115、122、および、液晶層120を有し得る。電気活性レンズ100の第2の屈折セルは、電極135、150、配向層137、145、および、液晶層140を有し得る。分離層130が、第1のセルと第2のセルとを分離することができる。電気活性レンズ100は、前部基板構成要素105と後部基板構成要素155とを有してもよく、これらの間に、2つの屈折セルが配置され得る。前記電極110、125、135、150は、電圧を液晶層120、140へ印加して、可変屈折率を生じさせることができる。
【0007】
前側構成要素105は、電気活性レンズ100に遠見視力を得させるための基部曲率を有し得る。前側構成要素105は、例えば、光学等級ガラス、プラスチック、または、ガラスとプラスチックとの組み合わせから作られ得る。前側構成要素105の背部には、例えば、ITO等の透明な導体、酸化スズ、または、他の導電性且つ光学的に透明な材料が塗布されてもよく、電極110を形成する。レンズの電気活性領域がレンズアセンブリ100全体よりも小さい実施形態において、電極110は、電力消費を最小限にするために、単にレンズの電気活性領域上に配置され得る。
【0008】
前記電極110には、配向層115がコーテングされて、液晶層120かまたは他のいずれの可変屈折率ポリマー材料層を配向し得る。液晶層120の分子は、印加された電場の存在内で配向を変え得る。この結果、入射光線が受ける屈折率の変化が生じる。前記液晶層120は、例えば、ネマチックでもスメチックでもコレステリックであってもよい。例示的なネマチックフェーズ結晶として、4−ペンチル−4’−シアノビフェニル(5CB)および4−(n−オクチルオキシ)−4’−シアノビフェニル(8OCB)が挙げられる。他の例示的な液晶として、4−シアノ−4’−(n−アルキル)ビフェニル、4−(n−アルコキシ)−4’−シアノビフェニル、4−シアノ−4”−(n−アルキル)−p−テルフェニルの様々な構成要素、および、BDH(ブリティッシュドラッグハウス(British Drug House))−メルク(Merck)が製造のE7、E36、E46およびZLIシリーズ等の市販の混合物が挙げられる。
【0009】
別の配向層122が、液晶層120の他方の側に、典型的には電極125上に配置され得る。この電極125は、前記電極110と同じようして形成されて、電気活性レンズ100の1つのセルを完成し得る。駆動電圧波形が、電極110、125間に加えられ得る。
【0010】
分離層130の後に、次のセルが、第1のセルから直交して配向されるように配置され得る。分離層130は、一方の側で電気活性レンズの第1のセルの電極125を支持し、他方の側で電気活性レンズの第2のセルの電極135を支持することができる。分離層130は、CR39(商標)等の光学等級プラスチック、ガラス、または、他のポリマー材料から作られ得る。第2のセルの電気活性材料は、電極135、150に加えられた配向層137、145の配向方向に配向されることが好ましい。好適な配向は、第1のセルの配向層115および122が第2のセルの配向層137および145に直交するように配向され得る。第2のセルは、上述のように、液晶層140を有し得る。また、第2のセルは、後側構成要素155に配置された電極150で完成されてもよい。後側構成要素155は、前側構成要素105と類似の材料により形成され得、電気活性レンズ100の遠距離倍率を達成する曲率を有し得る。
【0011】
電気活性レンズ100の遠距離倍率が乱視矯正を含む場合には、前側構成要素105または後側構成要素155は、円環状であってもよく、レンズ着用者が必要とする乱視矯正に対して適切に配向され得る。
【0012】
異なる実施形態において、単一の配向層が各セルに使用され得る。この実施形態において、配向層120、122のいずれかが電気活性レンズ100の第1のセルから除去されてもよく、且つ、配向層137、145のいずれかが第2のセルから除去され得る。あるいは、電極110、125、135、150が配向を有する場合には、電極110、125、135、150は液晶層120、140に配向し得る。したがって、すべての配向層120、122、137、145が除去され得る。
【0013】
光学倍率が、前側構成要素105の背部表面に、または後側構成要素155の前部表面に、または両方に、回折パターンを形成することによって、本発明の実施形態に与えられることができる。光学倍率は、構成要素105、155に配置された回折パターンの代わりにまたはそれに加えて、分離層130の一方の側または両側に回折パターンを形成することによって、与えられ得る。事実、上述の回折パターンの配置のいずれかの組み合わせが可能であり、本発明の範囲内であるとみなされる。
【0014】
回折パターンは、機械加工、焼き付け、またはエッチングを含む多数の技術を使用して形成され得る。回折パターンを使用して光学倍率を設定するときには、液晶層120、140を使用して、一方の屈折率状態で回折パターンの追加倍率を隠すためにすべての層の屈折率を整合することができ、且つ、他方の屈折率状態で回折パターンのパワーを表すためにすべての層の屈折率を不整合にすることができ、各状態は、印加電圧(または電場)がオンであるかオフであるかによって規定され得る。
【0015】
図2は、本発明に従った電気活性レンズの異なる実施形態を示す。この実施形態は、可変光学倍率を設定するための回折パターンを含む電気活性レンズの二重液晶セル200の構造を示す。この実施形態を、例えば眼鏡に使用して、レンズ全体にわたって可変光学倍率を設定し得る。この実施形態は、有利なことに、電気活性レンズに回折パターンを使用することに関連する問題、例えば、斜め電場線、ポリマー基板複屈折およびレンズ構成要素屈折率整合の困難さを緩和し得る。二重液晶電気活性セル200は、前部および後部の基板構成要素105、155、電極110、125、135、150、配向層115、145、液晶層120、140、透明な導体の塗布された基板210、および、ポリマー表面220、230を有し得る。
【0016】
前側および後側の構成要素105、155、電極110、125、135、150、配向層115、145、および、液晶層120、140は、図1に示されたものと同じような機能を果たしてもよく、類似の材料から作られ得る。この実施形態において、前側構成要素105には、透明な導体が塗布されて、電極110が形成され得る。電極110には配向層115がコーテングされ得る。液晶層120は、配向層115に近接させ得る。図1のように、液晶層120の分子は、印加された電場の存在内でその配向を変えてもよい。
【0017】
ポリマー表面220は、ポリマー220の表面にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折レンズパターンを有し得る。ポリマー表面220上の回折パターンは、液晶層120の表面にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折パターンに対して適合され得る。電極125は、ポリマー表面220に近接して、例えばITOから形成され得る。電極125は、ほんの一例として、ガラスまたは眼科等級プラスチックから作られた薄い基板210の一方の側に配置され得る。基板210は、複屈折がなくてもよい。電極135は、基板210の他方の側に配置されて、例えばITOから形成され得る。
【0018】
ポリマー表面230は、電極135に近接させ得る。ポリマー表面230は、ポリマー230の表面内にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折レンズパターンを有し得る。ポリマー表面230の回折パターンは、液晶層140に対して配置され得る。図1のように、液晶層140の分子は、印加された電場の存在内でその配向を変えてもよい。配向層145が電極150に配置され得る。電極150は、配向層145に近接して後側構成要素155に配置されてもよく、二重液晶電気活性セル200を完成する。
【0019】
PMMA(または他の適切な光ポリマー材料)が、電極125、135が基板210に配置された後に、基板210の両側に2〜10ミクロンの厚さの範囲で、好ましくは3〜7ミクロンの範囲で、スパン塗布され得る。
【0020】
加えて、サブミクロンの格子の形態で液晶配向表面レリーフ(図示せず)が、回折レンズパターン化表面220、230に打ち抜かれるかまたはエッチングされ得る。
【0021】
この実施形態には多くの利点があり得る。第1に、PMMA層の下の電極125、135は、対向する電極110、150へ垂直な非傾斜電場線を維持させ助けとなり得る。これは、透明な導体が、回折パターン上に直接配置される設計に存在する傾斜電場線のぼかし現象を克服することができる。傾斜電場線が回折レンズ表面近傍に傾斜電場を生成し、電場を印加する際にこれらの表面に完全90度液晶傾斜角度を防止するときに、ぼかし現象が発生する。これは、今度は結果として、オン状態において第2の「ゴースト」焦点が現れることになり、したがって、電気活性レンズの性能を劣化する。本発明の実施形態は、この「ゴースト」収束を克服することができる。
【0022】
第2に、本発明の包埋電極構造を使用することは、接触基板の屈折率に、この場合はレンズパターン化ポリマー表面220、230の屈折率に、液晶層120、140の屈折率を整合させることへの解決を提供することができる。したがって、透明な導体が、回折パターン上に直接配置されて、例えば、ITOコーティング(nITO〜2.0)を含む場合には、透明な導体は、液晶の通常の屈折率(典型的にはnLC〜1.5)に屈折率整合しないこともある。これは、電極125、135を裸眼で見えるようにする可能性があり、電気活性レンズの美的性質に関して問題を呈する。したがって、図2の実施形態において、液晶層120、140は、今やPMMA基板に整合した屈折率を有してもよく、これは(nsub〜1.5)であってもよく、それによって、電極125、135を視覚から隠す。
【0023】
第3に、ガラスまたは眼科等級プラスチック等の複屈折のない基板に、パターン化スピン塗布されたPMMAを使用することによって、基板複屈折の問題を解決し得る。すなわち、基板自体は、比較的複屈折がなくてもよく、薄いスパン塗布PMMAは、ごくわずかな複屈折を有し得る。
【0024】
図3は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。この実施形態において、電気活性レンズ300の電気活性領域は、レンズ300の一部のみをカバーしている。この実施形態は、二重焦点眼鏡に使用されてもよく、例えば、レンズの一部のみに可変屈折率を与える。図3において、レンズ300は、図1のように、二重セルおよび複数の層を有する。これら層は、前部および後部の構成要素105および155のそれぞれの窪み305および310内に配置され得る。窪み305、310は層を収容してもよく、層がレンズ300に容易に封止されるのを可能にする。構成要素105、155は、例えば、ガラスまたは眼科等級プラスチックから作られ得る。
【0025】
前記実施形態は、電圧がもはや印加されないときには、電気活性レンズは平面の非拡大状態に戻るフェールセーフ(fail−safe)モードを有し得る。従って、電気活性レンズは、電力がないときには光学倍率を有さない。このモードは、電力供給できない場合の安全特徴である。
【0026】
本発明の実施形態において、セルの色収差は、一方のセルを緑色光(550nm)よりわずかに長い波長を有する光を伝えるように設計し、他方のセルを緑色光よりわずかに短い波長用に設計することによって、減少され得る。この実施形態では、2つのセルが、複屈折と色収差との両方を同時に矯正することができる。
【0027】
回折パターン表面と液晶層との間に屈折率の有意な差がないならば、回折パターンによってレンズに寄与する倍率はなくてもよい。このような実施形態において、レンズの電気活性力は、回折パターン(複数の場合もある)によって形成されるが、液晶と回折パターン表面との間に有意な量の屈折率の差があるときのみである。
【0028】
図4は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。この実施形態において、電気活性レンズ400の電気活性領域は、筐体405に封入され、レンズ400の一部のみをカバーする。この実施形態も、例えば二重焦点眼鏡に使用されてもよく、レンズの一部のみに可変屈折率を提供する。この実施形態において、電気活性レンズ400は、前部および後部の構成要素105、155、筐体405、および、電気コネクタ410を含む。前側構成要素105は窪み305を含み、後側構成要素155は窪み310を含む。電気活性レンズ400の層は、筐体405に封入され得る。透明な導体から作られる電気コネクタ410は、薄いプラスチックストリップに配置されて、筐体405に接続され得る。プラスチックストリップは、大半が、構成要素105、155に屈折率整合され得る。電気活性領域の屈折率を変えるために、電気コネクタ410を通して電圧が筐体405に印加され得る。筐体405は、窪み305、310の間に配置され得る。封入された筐体405は、半完成ブランク内に成形されてもよく、それは、所望の遠距離倍率に表面仕上げされ得る。あるいは、封入された筐体405は、後側構成要素155の窪み310に配置されてもよく、これは、後に表面注型され、筐体405を適所に係止し、所望の遠距離倍率を完了する。筐体405は、プラスチック、ガラス、または、他の適切な光学等級材料から作られてもよく、構成要素105、155の屈折率に屈折率整合され得る。
【0029】
図5は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。この実施形態において、電気活性レンズ500は、電気活性レンズの前側構成要素525の頂部の窪み510内に電気活性レンズカプセル505を配置することによって、形成され得る。この実施形態も、例えば二重焦点眼鏡に使用されてもよく、レンズ500の一部のみに可変屈折率を提供する。この実施形態において、電気活性領域は、レンズの頂部に配置され、次いでレンズに封止されて連続表面を形成し得る。薄いフィルム導体520がレンズカプセル505に接着されてもよく、前側構成要素525の表面の導電性コンタクト515へ電気的に接続され得る。後側構成要素520が前側構成要素525に接着されて、所望の遠距離倍率を設定するように補助し得る。電気活性レンズカプセル505が前側構成要素525の窪み510に配置された後に、前側構成要素525の前部表面は、例えば、表面注型技術を使用して指数整合材料で封止されてもよく、または、単に屈折率整合材料が充填されて、光学仕上げに研磨され得る。この構造物は、有利なことに、複屈折を減少するかまたは排除するかに加えて、機械的安定性、エッジづけおよびレンズフレーム内に嵌まることの容易さ、および、電気活性材料へ電気的に接続することの容易さを提供することができる。
【0030】
図6は、本発明に従った電気活性レンズの電気活性材料に加えられ得る。電気同心ループの実施形態を示す。電気同心ループ600は、レンズに電圧を印加するために電気活性レンズに使用される電極であってもよい。例えば、図1において、ループ600は、電極110、125、135、150の代わりに配置され得る。
【0031】
図6において、ループは、2πフェーズラッピング(phase wrapping)の整数倍で回折パターンをエミュレートする。フェーズラッピングは、光のフェーズが電気活性レンズ直径に沿った様々な場所またはゾーンで繰り返される(または「ラップされる」)現象である。パターン化された電極構造物600は、4つのフェーズラッピングゾーンを含む。より多くの中心電極610が、中心から離れた電極620よりも厚くてもよい。図6からわかるように、4つの電極630の群は、各フェーズラッピングゾーンを形成する。図6では各ゾーンに4つの電極が使用されているが、装置の光学的効率を上げるために、各ゾーンにより多くの電極を使用することができる。
【0032】
レンズの4つの電極は、4つのパターン化されたものであり得る。代わって、これら電極は、2つのパターン化されたものと2つのソリッド電極とであってもよい。第2のパターン化された電極を使用して、電気活性レンズの焦点を揺らし、強い色収差を補正し得る。さらに、この実施形態は、複雑な電気的な相互連結なしで順次焦点強度を与え得る。
【0033】
電気コンタクト(図示せず)は、レンズの縁で薄いワイヤまたは導電性ストリップを通して、または、レンズを通って下へ導電ビアのセットによって、電極に作られ得る。電極600は、レンズ内の2つのセルのいずれかにまたは両方にパターン化され得る。二重セル設計において、倍率が複屈折に対処するのに十分なほど整合されている限り、回折パターンを備えた1つのセルとパターン化電極を備えた1つのセルとを使用することも可能である。
【0034】
同心ループ電極600を備えた回折パターンを形成するときに、電極600によって作動される屈折材料が、入射波にフェーズ変形を与えてもよい。この実施形態は、構造物の中心から外向きに可変フェーズ遅延を備えた平らな構造物を使用することによって、従来のレンズをエミュレートする。可変フェーズ遅延は、可変電圧を異なる電極600へ印加することによって達成されてもよく、これは、次に、電気活性材料の屈折率プロファイルを修正する。自動フェールセーフモードは、印加電圧がない場合には電気活性材料に電力をまったく提供しなくてもよく、そのため、電気活性レンズは自動的に、電力停止時に自動的に平面に戻る。
【0035】
レンズの電気活性部分は、薄く、例えば全体厚さがミリメートルの何分の一未満であってもよい。この薄さを達成するために、本発明は、正弦的に変動する波用に、2π倍のフェーズシフトが物理的重要さを有さないという事実を利用する。言い換えると、入ってくる光のフェーズは、レンズ内で都合のよい閉鎖曲線に沿って「ラップされ」てもよい。従来のゾーンプレートの円ゾーン境界が例である。したがって、電気活性レンズの制御可能なスローがほんの数波の遅延でしかないときに、有用なフェーズ変形および有意な光学倍率を達成することができる。
【0036】
電気活性レンズにおけるフェーズ遅延の空間的変動は、特別な用途に基づいて決定され得る。変動は、電極600の間隔あけによって決定されてもよく、これは、電子的に対処され、電力供給され、電気活性レンズの内部に制定されることができる。結晶が一軸媒体として作用する例示的なネマチック液晶構成において、結晶を通って移動する光が特別な偏光に制限され得る。そうでなければ、2つの液晶セルが縦一列に並んで使用されてもよく、偏光の通常の方向と特別の方向とを交換するために正常から90度フェーズがずれて回転され、したがって、複屈折を排除する。これらの構成の各々は、特定の屈折率を提供する。液晶の長期分解、二重セルの間の電気偏光、および、電極の間の空間の無作為の過渡電圧を避けるために、電極は、周波数およびフェーズの同期AC電圧で駆動され得る。例示的な周波数は10kHzを含み、例示的な高電圧は5〜10Vの範囲であり、好ましくは最大6〜8Vの間である。あるいは、低倍率での互換性のためには低電圧が望ましい。電気活性材料が5または6ボルト未満で適切な屈折率変化を提供し得るように、CMOS駆動回路が使用され得る。
【0037】
1つの実施形態において、フェーズラッピングゾーンは、電極をほとんど含まなくてもよく、ゾーンはより近づく。あるいは、より高い抵抗材料を備えた電極を使用して、フリンジ分野(いわゆる「フェーズサグ(phase sag)」)を滑らかにし得る。別の実施形態において、単に連続した接地平面として使用するのではなく、同一セル内で別の電極600をパターン化することによって、第2のフェーズ変形を第1のフェーズ変形にカスケードすることができる。
【0038】
本発明の電気活性レンズの例示的な製造方法は、レンズの電極パターン内にウインドウを作ることと、電極と電気コンタクトパッドとを相互連結することと、を含む。第2のウインドウが電気接地に接続され得る。次に、液晶配向層は、両方のウインドウに配置され、処理され得る。2つの適切に配向されたウインドウは、例えば、ガラススペーサー含有エポキシでウインドウの間に間隔あけを制定し、次いで、制定された間隔あけを液晶で充填しウインドウをエポキシで一緒に封止することによって、液晶内に作られ得る。ウインドウは側方向にシフトされて、電気コンタクトパッドに単に圧力接着することによって電気接続を作ってもよい。電極および相互連結パターンは、CAD生成マスクを備えたフォトリソグラフィを使用して制定され得る。展開、エッチングおよびデポジション技術を使用し得る。別の設計において、簡単な伝導内部レベル接続バイアを備えた複数層を使用して、相互連結交差を回避し得る。
【0039】
電極600の設計において、電極ゾーン境界は、従来のフェーズラッピングに一致して2πの倍数に配置され得る。そのため、2mπごとの境界配置用に、n番目のラッピングの半径は下記式によって与えられる。
【0040】
ρnm=[2nm(λf)]1/2 (1)
各ゾーンは複数の電極を含む。1ゾーン当たりp個の電極があるならば、式(1)は、
ρlnm=[2km(λf)/p]1/2 (2)
k=[p(n−1)+l]=1、2、3、4、… (3)
に修正することができ、ただし、lはゾーン内電極用の1〜pの指数であり、kは順次外向きに計数する指数であり、自然数kの平方根として電極境界の順を維持する。近接する電極を異なる電圧へ上げるために、絶縁スペースが電極の間に挿入され得る。電極の連続は、自然数の平方根として増える半径を備えた円によって分離され得る。同一の指数lを備えたすべての電極は、同一のフェーズ遅延を生成するように意図されるため、その間に共有された電気接続と一緒に取り付けられてもよく、それによって電極への異なる電気接続の数を減少する。
【0041】
別の実施形態は、厚さ変動を備えた本発明の電気活性レンズにフェーズ遅延を設定するように提供する。この実施形態において、各電極ループに印加された電圧は、レンズのフェーズ遅延が所望の値を得るまで同調され得る。したがって、個別のループは、適切なフェーズ遅延を達成するために、常に異なった電圧が印加され得る。あるいは、ゾーン内のすべての電極に同一の電圧が印加され、異なるゾーンには異なる電圧が印加され得る。
【0042】
別の実施形態は、傾斜光線のため、本発明の電気活性レンズの縁に異なるフェーズ遅延を設定するように提供する。傾斜光線は、レンズによって屈折されて、レンズ縁を通して常に外向きに移動する光線である。したがって、傾斜光線は、さらに遠い距離へ移動し、有意にフェーズ遅延されるようにする。この実施形態において、フェーズ遅延は、レンズ縁で電極に所定の一定電圧を印加することによって、補正され得る。あるいは、レンズ縁の電極は、縁の屈折率が適切に修正されてフェーズ遅延を補正するように、電圧低下を生じさせ得る。この電圧低下は、例えば、電極の導電性または厚さをしかるべく調整することによって、達成され得る。
【0043】
電極600は同心ループに限定されないが、例えばピクセルを含む特定の用途にしたがって、いずれの幾何学的形状またはレイアウトであってもよいことが理解され得る。レイアウトは、製造限界によって、電気接続および電極分離制限によって、および、小さな寸法の電気フリンジ分野を備えた液晶ディレクタの非局在弾性の動作の相互作用の複雑さによってのみ、制限され得る。加えて、電極600のレイアウトは、電気活性レンズの形状によって規定され得る。
【0044】
図7は、本発明の電気活性レンズの実施形態の倍率プロファイルの例を例示する。これらの倍率プロファイルは、2つの目的を果たすことができる。すなわち、レンズ着用者を見る観察者から電気活性セルを隠す助けをすることと、中間倍率を提供することとである。
【0045】
この例において、電気活性レンズ700は、レンズ700の大部分を形成する遠距離視覚部分705と、垂直および水平の両方で偏心して中心位置からずれた位置に配置される電気活性セル部分710と、を含む。電気活性セル部分710は、中心倍率ゾーン711と、中間倍率ゾーン712と、外側倍率ゾーン713とを有し得る。
【0046】
倍率プロファイル715は、電気活性セル710用の目標プロファイルを例示する。セル710は、回折要素かまたは慎重なピクセル化で作られ得るので、実際の倍率プロファイルは、近接する要素またはピクセルの間にわずかな不連続があってもよいように、完全に滑らかでなくてもよい。1つの実施形態において、セル710の中心ゾーン711は大半が所望の追加倍率を有してもよく、10〜20mm幅であってもよく、好適な幅は10〜15mmである。中心ゾーン711から外向きに動くと、中間ゾーン712であり、これは、2〜10mm幅の倍率移行領域であってもよく、好適な幅は3〜7mmである。中間ゾーン712の中心は、所望の読書倍率のおよそ半分であってもよい。外側ゾーン713は、1〜10mm幅であってもよく、好適な幅は2〜7mmであり、半分の追加倍率を有して、中間ゾーン712から距離視覚部分705へ移行を提供するために使用されてもよく、そこで倍率は遠距離倍率になる。
【0047】
別の倍率プロファイル720は、電気活性セル710の別の実施形態を例示する。この実施形態において、中心ゾーン711は、読書ゾーンを形成してもよく、好ましくは、10〜20mm幅の間かまたはそれよりも広い。中心ゾーン711の外部で、倍率は、中間ゾーン712で読書倍率の半分に低下する。中間ゾーン712は、2〜10mm幅であってもよく、好適な幅は3〜7mmである。再度、外側ゾーン713を使用して、中間から遠距離倍率へ融和してもよく、2〜7mmの好適な幅を有し得る。
【0048】
第3の倍率プロファイル725は、電気活性セル710の別の実施形態を例示する。この実施形態において、中心ゾーン711は、再度、大半が所望の追加倍率を提供するが、より広くてもよく、おそらく30mmほどの広さであってもよく、好適な幅は10〜20mmである。中間および外側のゾーン712、713は、遠距離倍率へ移行するために使用されてもよく、3〜6mmの好適な幅のために組み合わされ得る。
【0049】
多くの倍率プロファイルがあってもよいことが理解され得る。例えば、電気活性領域が、図1に示されるように、レンズ全体を取り囲む場合には、倍率の移行および融和は、より大きな寸法にわたって発生することができる。
【0050】
電気活性レンズの各個別セルに同一のまたはわずかに異なる倍率プロファイルを使用して、レンズの効果的な倍率プロファイルを最適化し得る。例えば、複屈折を修正する際に、各セルの同一の倍率プロファイルを使用し得る。
【0051】
レンズの電気活性部分、レンズ自体、または、電気活性部分とレンズとの両方が、丸いか、長円形か、楕円形か、矩形か、方形か、半円か、丸みを帯びた隅を有する矩形か、逆コの字型か、垂直方向に長い長さを有し水平方向に短い長さを有する矩形か、幾何学的形状の組み合わせか、または、特定の用途に望ましいような他のいずれの幾何学的形状であてもよいことが理解され得る。
【0052】
図8は、本発明の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を備えた電気活性レンズの側断面図である。この実施形態において、電気活性レンズ805は、レンズ着用者の眼810の前部に配置されて、例えば、眼鏡として作用し得る。したがって、レンズ805は、レンズ着用者に、近見視覚、中間視覚および遠見視覚を与え得る。電気活性レンズが光学的に作動されないときには、レンズ810全体の倍率は、レンズ着用者の遠見視力を矯正するように、必要な屈折力を有し得る。電気活性領域が光学的に有効になるように電気活性セルが作動されるときに、中間ゾーン815は、電気活性レンズのレンズ着用者がまっすぐ前を見るときに本質的に視野の法線のまわりに中心を置くことができる。中間ゾーン815の垂直幅は、6〜15mmの間であることができ(3〜7mmである2つ半分の合計)、好適な垂直幅は6〜8mmである。電気活性領域の読書(または近見)ゾーン820は、レンズ着用者が正常な読書姿勢中にレンズを通して見ている場所を表す高さに中心が置かれてもよく、ほぼ半分の垂直幅はレンズのこの点に中心を置いてもよい。読書ゾーン820の垂直幅は10〜20mmの間であることができ、好適な垂直幅は12〜16mmである。読書ゾーン820の水平幅および垂直幅は、円形読書ゾーンでは等しくてもよい。中間ゾーン815の水平幅は、読書ゾーン820のサイズおよび中間ゾーン815の垂直幅に依存して変動し得る。
【0053】
図9は、本発明の異なる実施形態にしたがって近見視力および中間視力を備えた電気活性レンズの側断面図である。この実施形態において、電気活性レンズ805は、レンズ着用者の眼810の前部に配置されて、例えば、眼鏡として作用し得る。再度、レンズ805は、レンズ着用者に、近見視覚、中間視覚および遠見視覚を与え得る。この実施形態は、近見視力および中間視力のゾーン815、820と電気活性レンズ805の残りとの間に、融和ゾーン905、910、915を提供し得る。これらの融和ゾーンは、有利なことに、倍率ゾーン境界の美的性質を改良してもよく、任意に、光学的に使用可能な倍率移行を果し得る。
【0054】
例えば、融和ゾーン905は、おそらく2〜8mm幅であり、中間ゾーン815の頂部より上に配置され得る。融和ゾーン910は、おそらく2〜6mm幅であり、中間ゾーン815と読書(または近見)ゾーン820との間に配置され得る。融和ゾーン915は、読書ゾーン820の底部に配置され得る。レンズ805の電気活性領域が円形でありレンズ805の中心で倍率が対称的である場合には、融和ゾーン915は、融和ゾーン905、910の複製であってもよい。他方、レンズ805の電気活性領域が電気活性領域の水平中心線に対して非対称である場合には、融和ゾーン915は、レンズ805の底部で読書倍率から遠距離倍率へ連続的に移行するだけであってもよい。この場合、融和ゾーン915は、1〜2mmの短さであってもよく、または、中間ゾーン815の幅と中間ゾーン815の各側の融和ゾーン905、910の幅との合計の広さであってもよい。事実、融和ゾーン915は、所望により、レンズ805の下部縁へずっと続いてもよい。レンズ805の倍率プロファイルは、例えば、図7の線715によって例示されるような、連続的な倍率プロファイルであってもよい。図7に例示されるような倍率プロファイルは、パターン化された電極か、物理的に機械加工されたかまたはエッチングされた回折パターンか、または、他のいずれの類似機構かで達成され得る。と理解され得る。
【0055】
近見倍率および中間倍率を有する電気活性レンズは、有利なことに、レンズ着用者が必要とするときに、追加倍率および/または中間倍率を設定し得る。例えば、着用者が遠くを見ているときには、着用者はもっとも広い視野で最良可能な距離矯正を果し得る(単一視力レンズと同一の高品質光学)。対照的に、これは、累進屈折力レンズ(PAL)のケースではない。PAL設計では、不必要な歪みおよびイメージの飛びの問題が、読書視力ゾーンおよび中間視力ゾーンのサイズおよび性質に障害を与えるだけではなく、遠見視力ゾーンに影響を与える可能性がある。これは、多くのPAL設計が一定量の歪みを遠見視力ゾーン内に且つそのまわりに進ませてレンズ内の不必要な乱視の大きさを減少することができるため、発生しうる。このような累進性は、業界では「ソフト」設計と称されることが多い。したがって、本発明の実施形態は、近見視力および/または中間視力ゾーンを電気活性にすることによって、PAL設計に見られるような、障害を排除し得る。
【0056】
本発明の実施形態において、電気活性レンズは、電気活性ゾーンの自動制御用の距離計によって制御され得る。この実施形態において、レンズ着用者は、近距離および中距離の物体を見るときに、自動的にオンにされる近見視力および中間視力の両方を有してもよく、着用者が遠距離の物体を見るときには、電気活性ゾーンは自動的にオフにされ遠見視力のみを提供する。
【0057】
異なる実施形態において、電気活性レンズは、距離計に優先する手動オーバーライドを有し得る。この実施形態において、手動オーバーライドは、電気活性レンズコントローラ上のスイッチまたはボタンで作動され得る。ボタンまたはスイッチを押すことによって、着用者は手動で距離計を無効にし得る。着用者は、次いで、遠見視力から近見視力または中間視力に、手動で切り換えてもよい。あるいは、着用者が近距離または中距離の物体を見ていると距離計が検知するが、着用者は遠距離にある何かを見たい場合には、着用者は、手動オーバーライドのスイッチまたはボタンを押して、距離計制御を無効にして電気活性レンズを遠距離倍率に戻し得る。手動オーバーライドは、有利なことに、例えば、着用者がガラスウインドウをきれいにするように試みて距離計が近距離または中間距離にガラスウインドウの存在を検出しないときに、着用者が手動で電気活性レンズを調整し得る。
【0058】
図10は、本発明の実施形態に従った電気活性レンズの例示的なカスケードシステムの例示である。本発明の実施形態は、電気活性レンズをカスケードすることを含み、これは、順次的な簡単な切換および/またはプログラム可能な要素を使用することによって、高い切換複雑性を達成するための戦略を提供し得る。これらのカスケードレンズは、可変屈折率を効果的に制御するために、例えばレーザー用光学部品、顕微鏡等の複雑な光学システムに使用され得る。従って、複雑な適応可能電子レンズを制御するための接続の数およびレンズを通る光ビームを制御するための制御線の数は減少されてもよく、一方、カスケードのより簡単な要素のより全体的な複雑な機能性を提供する。さらに、カスケード操作は、より良好な回折効率、プログラミング柔軟性、および、プログラミング複雑性の減少を可能にし得る。このため、Rレンズの線形的連続は、各々がN焦点に対処することができ、RN分解可能焦点ほども対処することができ、乗法的分解能向上を想定する。
【0059】
図10において、2ステージカスケードシステム1000は、2つの電気活性レンズ1010、1020を縦に一列に含む。例において、電気活性レンズ1010はN1の分解能を有してもよく、電気活性レンズ1020はN2の分解能を有し得る。そのため、カスケード1000が乗法的カスケードであってもよいように、カスケード1000の全体分解能は、NR=N1*N2であってもよい。従って、入射光1006は、カスケード1000の第1のステージすなわち電気活性レンズ1010を通って、光線1016に分解され得る。これら光線1016は、次いでカスケード1000の第2のステージすなわち電気活性レンズ1020を通って、光線1026にさらに分解され得る。
【0060】
電気活性レンズ1010、1020は、同心の透明な電極例えばループを有することができ、これは、電圧分配を提供するようにプログラムされてもよく、これが今度は、レンズ1010、1020の電気活性材料を作動し、所望のフェーズ分配を生成する。例において、レンズは、半径方向に二次フェーズ分配を有し得る。二次フェーズ関数は、線形フェーズ関数に加えられた線形チャープとして見ることができ、そこで線形フェーズ関数は、簡単な半径方向格子である。チャープのため、線形フェーズ関数は、レンズの縁へ向けて「より速く」変動し得る。したがって、二次フェーズ関数は、これを半径方向の一次元の関数として解釈することによって簡略化することができ、ビーム「撓み強度」は光軸からレンズの縁へ向けて直線的に増加する。例えば、同心ループ電極は、直径Dmmの電気活性レンズ内の1ミリメートル当たりL電極の密度を有し得る。高い回折効率を達成するために、1セル当たりm電極があってもよいように、mフェーズレベルがプログラムされ得る。電気活性レンズの最大曲げ力がレンズの縁で使用され得る。ため、F#に限界があってもよく、それは、所与の幾何に達成することができる。mフェーズレベルで、レンズの縁における期間Λは、Λ=m(1000μm/L)である。そのため、対応するF#=λ/Λであり、ただし、λは設計波長である。したがって、電気活性レンズ710、720をカスケードすることによって、より小さなF#レンズを達成することができる。
【0061】
カスケードをプログラミングする従来のアプローチにおいて、カスケードのステージが個別にプログラムされるため、効率に損失がある傾向がある。この問題を克服するため、本発明の実施形態において、ステージは、例えば、離散型オフセットバイアスプログラミングアルゴリズムを使用して、一緒にプログラムされ得る。このジョイントアプローチは、有利なことに、カスケードの第2ステージにおけるいずれの定量化エラーを排除してもよく、それによって高い回折効率を得る。
【0062】
図11は、従来のカスケードによって生成されるエラー定量化を例示し、カスケードステージは個別にプログラムされている。この場合、カスケードの各要素は定量化エラーを有し、これは、カスケード操作のため、所望の回折オーダにおける効率に有意に影響を与え、より高い回折オーダにサイドローブを導入し、結果としてノイズまたはぼやけを生じる。
【0063】
図12は、本発明に従ったカスケードにおけるエラー定量化の排除を例示し、カスケードステージは一緒にプログラムされ得る。例えば、離散型オフセットバイアスアルゴリズムを使用して、電気活性レンズをプログラムし且つレンズ性能を最適化し得る。プログラミング戦略は、カスケードの第1のレンズ1010の要素に不完全なブレージングを可能にしてもよく、第2ステージの第2のレンズ1020に生成された一定のフェーズシフトを使用することによって異なるブレーズの間のいずれのフェーズ不整合を矯正し得る。このプログラミング戦略で、第1のレンズ1010は、導入されるエラーにかかわらず入射光1006をレンズ1010の焦点に合わせるようにプログラムされ得る。これは、結果として、結果として得られる光線1016の不完全ブレーズになり、これは今度は破壊的な干渉を引き起こす可能性があり、且つ、所望の焦点を失う可能性がある。第2のレンズ1020は次いで、ステージ1によって通った傾斜波面光線1016へ一定のフェーズのずれを導入するようにプログラムされてもよく、そのため、ステージ2からの出力光線1026は、局所ビームの傾斜波面のすべては、相対フェーズで矯正され得る。カスケードプログラミングのこの形態で、光線1026の中央回折ローブの強度は、最大にされてもよく、偽ノイズローブは生成されなくてもよい。
【0064】
このプログラミングアプローチは、対処可能な電極を備えたピクセル化電極パターンを含む上述の電気活性レンズ設計のすべてに適用され得る。
【0065】
電気活性レンズの液晶配向層を生成して、ホモジーナス(平面)およびホメオトロピック(垂直)配向のいずれかを達成することができる。ホモジーナス配向を有する液晶層の実施形態において、紫外線感光材料には、線形偏光紫外線光が照射されてもよく、次いで、フォトフィジカルプロセスを通って異方性表面アンカー力を生成する。結果として得られた材料は、ホモジーナス配向を有する。このような材料の1つの例として、ポリビニルシンナメートが挙げられる。別の実施形態において、薄いポリマーフィルムが機械的に摩擦され、材料をホモジーナス配向させてもよい。この材料の1つの例として、ポリビニルアルコールが挙げられる。
【0066】
ホメオトロピック配向を有する液晶層の実施形態において、例示的な材料として、一般的にはレチシンと称されL−αホスファチジルオコリンと呼ばれる一般的な生物学的化合物、および、オクタデシルトリエトキシシラン(ODSE)、すなわち、好適なやり方で基板の表面にそれ自体が接着する長炭化水素鎖を有する材料、が挙げられる。これらの材料は、活性レンズ基板の表面を疎水性にし、これが今度は液晶分子の疎水性端を引き付け、ホメオトロピックに配向させる。
【0067】
図13は、本発明の電気活性レンズの実施形態に駆動電圧波形を提供するために使用され得る。電子回路の実施形態を例示する。この実施形態において、電子回路は、「フライイングコンデンサ」回路1300である。フライイングコンデンサ回路1300は、例えば、スイッチ1301〜1305、コンデンサ1320、1322、および、増幅器1330を有し得る。スイッチ1301〜1305は、コンデンサ1320、1322および増幅器1330へ印加される電圧を制御するために開閉され得る。従って、回路1300からの出力波形のフェーズが、制御され遅延され得る。この制御フェーズ遅延を使用して、電気活性レンズへ可変電圧を与え得る。フライイングコンデンサ回路1300およびその結果として生じる波形の使用は、出力の可変のピークからピークへの電圧および非常に小さなDC構成要素を、結果として生じる波形へ与えても良い。したがって、フライイングコンデンサ回路1300は、有利なことに、制御フェーズ遅延を使用して、多焦点眼科用レンズを形成し得る。結果として生じる波形は、例えば、方形波であってもよく、または、レンズの用途に依存して、電気活性レンズを駆動することができる他のいずれの波形であってもよい。
【0068】
本発明の様々な実施形態が上記に呈されているが、本発明の同一の精神および範囲に従った他の実施形態も妥当と思われる。
【図面の簡単な説明】
【0069】
【図1】本発明の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図2】本発明の別の実施形態に従った電気活性レンズの側断面図である。
【図3】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図4】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図5】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの側断面図である。
【図6】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズを作動するのに使用される電気同心ループの正面図である。
【図7】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの例示的な倍率プロファイルの図である。
【図8】本発明のさらなる別の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を提供する電気活性レンズの側断面図である。
【図9】本発明のさらなる別の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を提供する電気活性レンズの側断面図である。
【図10】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズのカスケードシステムの図である。
【図11】従来のカスケードシステムに生成されたエラー定量化を例示する図である。
【図12】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズのカスケードシステムによって排除されるエラー定量化を例示する図である。
【図13】本発明の電気活性レンズの実施形態に駆動電圧波形を提供するフライイングコンデンサ回路図を例示する図である。
Claims (20)
- 第1の電気活性セルと、
第2の電気活性セルと、
を具備する電気活性レンズであって、
前記第1および第2の電気活性セルは、互いに近接しており、非作動状態で互いに直交するように配向されて複屈折を減少する電気活性レンズ。 - 前記第1の電気活性セルは第1の可変屈折率材料を含み、前記第2の電気活性セルは第2の可変屈折率材料を含み、前記第1の可変屈折率材料の分子は前記第2の可変屈折率材料の分子に直交して配向されている請求項1記載の電気活性レンズ。
- 前記第1の電気活性セルは、前記第2の電気活性セルの上に重ねられている請求項1記載の電気活性レンズ。
- 第1の窪みを有する第1のレンズ構成要素と、
第2の窪みを有する第2のレンズ構成要素と、
をさらに具備し、
前記第1および第2の電気活性セルは、前記第1および第2のレンズ構成要素の間に前記それぞれの第1および第2の窪み内に配置される請求項1記載の電気活性レンズ。 - 窪みを中に有するレンズ構成要素をさらに具備し、
前記第1および第2の電気活性セルは、前記窪み内に配置されている請求項1記載の電気活性レンズ。 - 第1の窪みを有する第1のレンズ構成要素と、
第2の窪みを有する第2のレンズ構成要素と、
前記第1および第2の電気活性セルを封入し、前記第1および第2のレンズ構成要素の間に前記それぞれの第1および第2の窪み内に配置されている筐体と、
をさらに具備する請求項1記載の電気活性レンズ。 - 第1の電気活性セル、並びに
第2の電気活性セルを有し、
前記第1および第2の電気活性セルは、互いに近接しており、非作動状態で互いに直交するように配向されて複屈折を減少する、電気活性レンズと、
この電気活性レンズに電圧を印加するために前記電気活性レンズに電気的に接続された1セットの電極と、
を具備する電気活性装置。 - 前記電極は、夫々前記電気活性レンズの異なる領域に異なる電圧を印加する請求項7記載の電気活性装置。
- 前記電気活性レンズの屈折率は、印加電圧の大きさで変動する請求項7記載の電気活性装置。
- 前記電極は、互いに同心ループを形成している請求項7記載の電気活性装置。
- 前記電極は、ピクセル化領域のアレイを形成する請求項7記載の電気活性装置。
- 印加電圧を供給するように前記電極に接続された電力源をさらに具備する請求項7記載の電気活性装置。
- レンズの複屈折を減少するための方法であって、
前記レンズの第1の電気活性セルを提供することと、
前記レンズの第2の電気活性セルを提供することと、
前記第1および第2の電気活性セルを非作動状態で互いに直交するように配向させて複屈折を減少することと、
を具備する方法。 - 前記第1および第2の電気活性セルに電圧を印加して、前記レンズの屈折率を変えることをさらに備える請求項13記載の方法。
- 前記第1および第2の電気活性セルの異なる領域に異なる夫々電圧を印加して、前記レンズに異なる屈折率を生じさせることをさらに備える請求項13記載の方法。
- 電気活性レンズと、
前記電気活性レンズに電圧を印加するように前記電気活性レンズに電気的に接続された1セットの電極と、
前記電気活性レンズに多焦点を有させるように前記供給された電圧に制御フェーズ遅延を使用し、前記1セットの電極に電圧を供給するための回路と、
を具備する電気活性装置。 - 前記回路は、フライイングコンデンサ回路である請求項16記載の電気活性装置。
- 前記電極は、前記電気活性レンズの異なる領域に異なる電圧を夫々印加して、結果として多焦点にさせる請求項16記載の電気活性装置。
- 多焦点眼科用レンズを形成するための方法であって、
電気活性レンズを提供することと、
この電気活性レンズに接続された1セットの電極を介して、電気活性レンズへ電圧を印加することと、
前記印加電圧に制御フェーズ遅延を使用して、多焦点眼科用レンズを形成することと、
を具備する方法。 - 前記制御フェーズ遅延は、フライイングコンデンサ回路によって与えられる請求項19記載の方法。
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