JP2010527035A - 焦点を手動で調整可能な流体レンズ - Google Patents

Abstract

流体レンズは、透明窓部材と、透明膨張膜と、透明窓部材および透明膨張膜の間の内側リングと、透明膨張膜がピストン・リングおよび内側リングの間に位置するように配置された上部リングとを有する。透明窓部材、内側リング、および透明膨張膜の間に、液体層が貯蔵される。透明膨張膜の曲率半径を変化させるべく、上部リングは、内側リングの開口面に直交する方向に液体変位力を透明膨張膜に対して印加するように適合される。他の構成要素と組み立てる前に、この透明膨張膜に予張力が付与される。

Description

本発明は一般に、光学系に関する。より詳細には、本発明は、流体光学デバイスに関する。

作動式流体レンズ構造は、本願の権利者が所有する特許出願に記載されている。これらの特許出願には、米国特許出願公開第２００７００３０５７３号明細書として公開された米国特許出願第１１／３８３，２１６号明細書および米国特許出願公開第２００７０２６３２９３号明細書として公開された米国特許出願第１１／７４７，８４５号明細書が含まれる。両文献を本願明細書に援用する。また、米国仮特許出願第６０／６８０，６３２号明細書、米国仮特許出願第６０／６８３，０７２号明細書、米国仮特許出願第６０／７０３，８２７号明細書、米国仮特許出願第６０／７２３，３８１号明細、および米国仮特許出願第６０／７４７，１８１号明細書が含まれる。これら出願の開示全体を本願明細書に援用する。現在のデバイス・ファミリの前身は、中央に配置された弾性膜で区切られたレンズ内に透明流体を押し込むことが可能な流体充填室である。この流体を加圧すると、膜が膨らみ、それによってレンズの屈折力が制御可能に変更される。これらの膜の弾性エネルギーは復元力をもたらし、作動力が減少した後、この復元力が優勢になる。

このような背景の中で、本発明の実施形態が生じる。

本発明の実施形態によれば、流体レンズは、透明窓部材と、透明膨張膜と、透明窓部材および透明膨張膜の間の内側リングと、透明窓部材、内側リング、および透明膨張膜の間に貯蔵された液体層と、透明膨張膜がピストン・リングおよび内側リングの間に位置するように配置されたピストン・リングとを有する。透明膨張膜の曲率半径を変化させるべく、ピストン・リングは、内側リングの開口面に直交する方向に液体変位力を透明膨張膜に対して印加するように適合される。

ピストン・リングは、環状部の厚さが環状部の半径の約２０％、４０％、６０％、８０％、または１００％より大きい開口半径および環状部の厚さを特徴とする。内側リングは、半角を特徴とする円錐台形状の内面を有する。また、外側リングも内側リングの内面に対する半角と実質的に同じ半角を特徴とする円錐台形状の外面を有する。

ピストン・リングの外縁部には、ねじ山が形成される。ピストン・リングの外縁部に位置するねじ山と嵌合する内側のねじ山を有する周辺構造は、内側リング、透明膨張膜、およびピストン・リングを受け入れるように適合される。

本発明の一実施形態による流体レンズの断面図。 本発明の一実施形態による流体レンズの様々な曲率半径に対する膜プロファイルを示すグラフ。 曲率半径が本発明の一実施形態による流体レンズ膜の歪み平衡化に及ぼす影響を示すグラフ。 歪み平衡化の極値を使用してレンズ半径と膜アンカー半径との関係を示すグラフ。 異なる幅のピストンを有する流体レンズに対する膜プロファイルを示すグラフ。 本発明の一実施形態による手動で調整可能な流体レンズの３次元切欠図。

上述したように、本願の権利者が所有する特許出願に記載の作動式流体レンズ構造は、中央に配置された弾性膜で区切られたレンズ内に透明流体を押し込むことが可能な流体充填室に基づく。この流体を加圧すると、膜が膨らみ、それによってレンズの屈折力を制御可能に変更する。膜の弾性エネルギーは復元力をもたらし、作動力が減少した後、この復元力が優勢になる。本発明の実施形態は、適用分野を拡大した流体光学デバイスのファミリに関する。

本デバイス構造の一実施形態の断面図を図１に示す。流体レンズ１００は、液体１０５で充填された内側空間と周囲の空気を分離する透明な膜１０４の表面をくぼませるリング形状のピストン（ピストン・リングまたは上部リング）１０２を備える。液体１０５（本質的に非圧縮性の液体）が変位すると、膜１０４の中央部分が外側に膨らんで、エネルギーを最小化する形状になる。薄い膜の場合、膜を引き延ばすと静水圧の増大につながり、そのためエネルギーを最小化する形状は、図１に見られるような簡単な球面キャップになる。

膜１０４の不動部分は、外側リング（図示せず）および内側リング１０６の間に固定する。内側リング１０６は、屈折流体に対する横方向の境界を提供する内面を有する。いくつかの実施形態では、内側リング１０６は、流体レンズ１００の開口領域と流動的に連通する１つまたは複数の貯蔵部を含む。そのような構成の例は、例えば、米国特許出願公開第２００７００３０５７３号明細書および米国特許出願公開第２００７０２６３２９２号明細書に記載されている。両出願を本願明細書に援用する。図１に示すように、内側リング１０６は、円錐台形の内面１０７を有し、内面１０７は、屈折流体１０５の横方向の境界を形成する。上部リング１０２は、円錐台形の表面１０３をもつ外縁部を有する。残りの流体の境界は、背面窓１０８によって提供される。同時係属の特許出願第１１／３８３，２１６号明細書（米国特許出願公開第２００７００３０５７３号明細書として公開）では、この背面窓は、円形素材と呼ばれる。膜１０４は、図１に見られるように、背面窓１０８の縁部を覆って延びる。膜１０４は、例えば接着剤によって、背面窓１０８に機械的に固定して気密密閉する。

本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態を多くの形態で変更してもよいことは、当業者には明らかであろう。例えば、背面窓１０８（または少なくともその一部分）は、変形可能な材料、例えばエラストマまたは変形可能なポリマー材料から形成することができ、また透明な膜１０４と同様に第２の膜として機能してもよい。あるいは、流体レンズ１００は、任意選択の背面膜１０４Ａを含む。そのような構成の例は、例えば、米国特許出願公開第２００７００３０５７３号明細書および米国特許出願公開第２００７０２６３２９２号明細書に記載されている。両出願を本願明細書に援用する。

いくつかの実施形態では、内側リング１０６は、金属または剛性ポリマーなどの剛性材料から形成される。あるいは、いくつかの実施形態では、内側リング１０６（または少なくともその一部分）は、変形可能な材料、例えばエラストマまたは変形可能なポリマーから形成される。内側リング１０６が変形可能である場合、上部リング１０２の外径は、内側リング１０６の外径と比較すると、上部リング１０２が内側リング１０６を圧迫して変形させ、それによって液体１０５に変位力を作用させるのに十分なほど大きくすることができる。例として、上部リング１０２の外径は、内側リング１０６の外径以上であってもよい。内側リング１０６が貯蔵部を含む場合、上部リング１０２が内側リング１０６を圧迫すると、液体１０５の一部を貯蔵部から流体レンズ１００の開口領域へ放出し、それによって膜１０４を変位させることができる。

同じく図１には、任意選択の前面窓１１０を示す。実際の実施では、この前面窓１１０は、エラストマ膜の機械的保護、波長または偏光のフィルタリング、さらなる固定の屈折などの複数の機能を果たすことができる。あるいは、そのような機能を、背面窓１０８によって実行することもできる。

図１に見られる別の特徴は、上部リング１０２の外縁部の周りに親ねじのねじ山１１２が存在することである。これらのねじ山１１２は、周辺構造の内縁部上の対応するねじ山（図示せず）に嵌合するように構成される。上部リング１０２が周辺構造に対して回転すると（または逆も同様である）、周辺構造上の嵌合するねじ山（図示せず）は、膜１０４に対してリングを前後に移動させ、したがって流体レンズ１００の屈折力を調整する。

膜１０４は、弾性的に引き延ばすことができるべきであり、その適用分野に適した寿命を有するのに十分な耐久性を有するべきである。例えば、携帯電話カメラの適用分野では、膜１０４は、数年の寿命を有し、また約１００万回動作サイクルを超えて動くべきである。限定するものではなく例として、膜１０４は、ＰＤＭＳと呼ばれるポリ（ジメチルシロキサン）などのシリコーン・ベースのポリマー、またはＰＥＴもしくはマイラー（商標）などのポリエステル材料から形成されてもよい。流体１０５および膜１０４が十分に類似した屈折率を有する場合、または適切な光学コーティングを含む場合、これらの境界面での光の散乱を著しく低減させることができることに留意されたい。

膜および屈折流体に適した材料の例、ならびにピストン・リングを作動させる様々な方式の例は、例えば、米国特許出願公開第２００７００３０５７３号明細書に記載されている。同出願を本願明細書に援用している。同出願に記載の可能なアクチュエータの解決策の中には、形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータ、電気活性ポリマー人工筋肉（ＥＰＡＭ）アクチュエータとも呼ばれる電気活性ポリマー（ＥＡＰ）アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、ステッパ・モータ、ボイス・コイル、または他の形のモータアクチュエータおよび電磁（ＥＭ）アクチュエータがある。さらに、特定の形の静電アクチュエータは、米国特許出願公開第２００７０２６３２９３号明細書に記載されている。同出願を本願明細書に援用している。

例として、流体１０５は、シリコーン油（例えば、ビス−フェニルプロピルジメチコーン）であってもよい。さらに、流体１０５は、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）不活性流体などのフッ素化ポリマーを含んでもよい。ＰＦＰＥ流体の一例は、イタリアのボラーテ所在のソルベイ・ソレクシス社製のフォンブリン（商標）ブランドの真空ポンプ油である。フォンブリンなどのＰＦＰＥ流体の化学鎖は、フッ素、炭素、および酸素を含み、低い蒸気圧、化学的不活性、高温安定性、良好な潤滑特性、引火点または燃焼点がないこと、低い毒性、金属、プラスチック、およびエラストマとの優れた適合性、水溶性および非水溶性溶剤に対する良好な耐性、高い誘電特性、低い表面張力、良好な放射安定性を含む所望の特性を有し、また環境的に許容可能である。
膜形状の計算
本発明の実施形態の流体レンズの設計では、上部リングの行程ｄを、その結果得られる膜曲率Ｒに関連付けできることが有用である。薄い膜の近似では、ピストンによって押し込まれる体積を膨らんだ膜の体積と等しくすることから、所望の式を得ることができる。その結果得られる式は、

である。上式で、
ｄ＝ピストン行程
Ｒ＝膜曲率
ｒ_ｌ＝レンズ半径（開放口）
ｒ_ｉ＝膜アンカーの半径（内側リング）
ｗ＝上部リングのピストン部分の径方向の幅
この式により、図２のように、様々な曲率半径に対する膜のプロファイルをグラフで示すことができる。このプロファイルは、膜アンカーの半径がピストンの外半径（ｒ_ｌ＋ｗ）より大きい限り、適用することができる。これにより設計の自由度が大きくなるが、実際には、そのようなデバイスは、膜の弾性限度付近で動作させる必要がある可能性がある。
歪み平衡化
設計の自由度を可能な限り大きくするために、膜の内側領域（レンズ）と外側領域（円錐形部分）の歪みを平衡させることが望ましい。

球面キャップの歪みが、膜の円錐形状の外側部分の歪みに等しく設定されると、膜の外半径ｒ_ｉと内半径ｒ_ｌの比ｘは、以下の式によって制約される。

関数Ｒｈｏは、Ｒがｒ_ｌに到達し、すなわち球面キャップが半球形状に到達する場合を除き、無次元曲率半径が変動するときも完全に一定である。Ｒｈｏ（ρ）のこの挙動を図３に示す。

Ｒｈｏの漸近値は、

によって与えられる。

図３からわかるように、この漸近値は、約２までの無次元曲率半径に対して、２％未満の誤差で使用することができる。他方の極値は、

によって与えられる。

これらの２つの極値を、歪み平衡化（式２）に反映させることができる。

これらの歪み平衡化の選択が流体レンズ設計に及ぼす影響をグラフで見るために、膜の外半径の次元をまず、以下のように回復することができる。

この結果得られる挙動を図４に示す。例示の目的で、ピストン幅ｗは２ｍｍであるものとしている。

図４に示す当該の領域では、これらの極値事例間の膜設計の差は、数パーセント以下であることが明らかである。これらの極値がこれほど減衰した理由は、式２、式５ａ、および式５ｂ内に立方根関数が存在するからである。数値的な一例として、開放口が１０ｍｍであり、径方向のピストン幅が２ｍｍである場合、高い曲率半径または低い曲率半径のいずれかで歪みを平衡させたとき、膜の外半径（すなわち内側リングの半径）は、３％未満だけ変動する。

歪み平衡化の実施
歪み平衡化が実施されるとき、流体レンズの設計を様々な目的に最適化することができる。これについて説明するため、上部リングの行程およびデバイスの実装面積の間の設計の兼合いを簡単にした形で、膜プロファイルを図５にグラフで示す。

図５では、径方向の幅の異なるピストンを有するレンズに対する流体レンズ膜プロファイルを示し、それによって、ピストンの径方向の幅が膜プロファイルに及ぼす影響について説明する。図５内の各線の最も低い平坦な部分は、ピストン面（例えば、上部リングの下の方の部分）が膜に接触する領域に対応することに留意されたい。高さがゼロであるということは、上部リング・ピストンが膜に当たる直前の膜の開始レベルを指す。この近似では、最初にレンズ内に含まれる流体の量は、平坦な膜によって含まれるのにちょうど十分な量である。最初の膜形状が凹状または凸状のいずれかである場合、類似の分析を代替法として実施することができる。逆に、ピストン面を膜に接合させることによって、屈折力の実現可能な範囲を広げて正の曲率および負の曲率の両方を包含することが可能である。例として、そのような接合は、接着剤に基づくものであってもよいし、または磁化させた上部リングと膜の反対側の薄い環状の磁性アーマチュアとの間の引力に依存するものであってもよい。いずれにしてもこの図は、ピストンをより大きくすると、その結果得られる同じ屈折力（または膜曲率半径）に対してピストン行程を低減できることを明らかに示している。
実際の適用
図６は、本発明の代替実施形態による手動で調整可能な流体レンズ６００の断面図を示す。図１に関連してまず取り上げた構成要素に加えて、流体レンズ６００は、参照マーク６０４に対して読み取るべき角度マークをもつ刻み目をつけた把持部６０２をさらに含む。把持部６０２は、流体レンズ６００の屈折力を調整するために、使用者によって手動で回転可能である。把持部６０２は、外側リング６０６に固定の関係で取り付けられる。外側リング６０６は、上部リング１０２に摺動可能に係合され、したがって、外側リング６０６が純回転する結果、上部リング１０２は回転しながら並進運動する。上部リング１０２および膜１０４の間の相対動作は、純並進運動の１つであり、それによって、これらの構成要素間の摩擦なしで屈折調整が可能になる。

本発明の不可欠な内容から逸脱することなく、この構造の多数の変形形態が可能である。例えば、レンズの鏡筒部分６０８に係合するレンズ・マウントを用いて、このデバイスを使用者の光学系に接続することができる。この鏡筒６０８は、レンズ・マウントの特徴に嵌合するのに適した標準化されたねじ山、溝、または平坦部を特徴として有する。

別の方法として、ねじ山を、取付け支柱に係合するように設けてもよい。そのようなねじ山の一つを、図６では参照マーク６０４付近に示す。
重力は、流体レンズに対して、従来のレンズには通常関連しない難題をもたらす可能性がある。具体的には、流体レンズ１００は流体で充填されるので、膜１０４の形状は、重力に対するレンズの向きに依存する可能性がある。一般に重力は、流体に対して、流体が上の方の領域より下の方の領域により大きな流体圧力を作用させるような形で働く。流体レンズが実質的に水平に保持される場合、圧力の差は通常、問題にならない。しかし、レンズは、鉛直または傾斜した向きで使用されることが多い。そのような状況では、流体１０５に働く重力は、膜１０４の形状に非対称性をもたらす可能性がある。例えば、流体レンズの光軸が多少とも水平になるように流体レンズが向けられる場合、下の方の部分は、上の方の部分より凸状になる可能性がある。そのような非対称性は、コマなどのレンズ収差をもたらす可能性がある。

重力が液体１０５に及ぼす影響を打ち消すために、膜１０４には、重力の影響を打ち消すのに十分な程度の予張力を付与することができる。膜１０４に予張力を付与することで、膜１０４（したがって流体レンズ１００）の共振周波数を高める働きをし、それによって、レンズの振動または加速のための一時的な収差にあまり影響されないようにすることもできる。予張力の必要な程度は、膜の予張力に応じて光学収差または振動もしくは加速の影響の受けやすさを測定することによって、実験的に決定することができる。膜の予張力は、流体レンズ１００が鉛直または傾斜した向きであるとき、膜１０４の形状の非対称を克服するのに十分なものであることが好ましい。

限定するものではなく例として、膜１０４には、流体レンズ１００の他の構成要素との組立て前に予張力が付与される。具体的には、この膜を、外側リング６０６を覆って配置する。膜１０４には、流体レンズ１００の光軸に対して放射対称に張力が加えられる。次いで、膜１０４上に内側リング１０６が配置され、また内側リング１０６の開口内に液体１０５が配置される。次いで、内側リング１０６を覆って背面窓１０８が配置され、液体１０５が、膜１０４、内側リング１０６、および背面窓１０８の間で保持される。次いで、背面窓１０８および内側リング１０６が外側リング６０６内に押し入れられる。任意選択で、膜１０４を定位置に固定してその予張力状態を保持するために、押し入れる前に、背面窓１０８の縁部に接着剤が配置される。或いは、内側リング１０６および外側リング６０８の間の嵌合が十分にきつい場合、内側リング１０６および外側リング６０６の間の摩擦によって、膜を定位置に保持することができる。

本発明の実施形態による調整可能な流体レンズは、光学研究者、技術者、および光学系の他の使用者によって多数の方法で使用される。他の用途には、民生用および軍事用の望遠鏡、患者の視力を試験するために検眼士によって使用されるものなどの医療用システムなどが含まれる。

上記の説明および添付の図面が、以下の単一の特許請求の範囲の範囲内にない何らかのさらなる主題を開示する限り、本発明は公衆に供されるものではなく、そのようなさらなる発明を主張するための１つまたは複数の出願を提出する権利は留保される。本願明細書に記載のあらゆる特徴は、それが好ましいか否かにかかわらず、あらゆる他の特徴と、それが好ましいか否かにかかわらず、組み合わせることができる。

上記は、本発明の好ましい実施形態についての完全な説明であるが、様々な代替形態、改変形態、および均等物を使用することが可能である。したがって、本発明の範囲は、上記の説明を参照して決定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲を参照してその均等物の全範囲と併せて決定されるべきである。以下の特許請求の範囲では、別段の明示がない限り、不定冠詞「Ａ」または「Ａｎ」は、その冠詞に続く項目の１つまたは複数の数量を指す。添付の特許請求の範囲は、そのような限定が所与の特許請求の範囲内で「手段」という語句を使用して明示されない限り、ミーンズ・プラス・ファンクションの限定を含むものとして解釈されるべきではない。本願明細書に記載のあらゆる特徴は、それが好ましいか否かにかかわらず、あらゆる他の特徴と、それが好ましいか否かにかかわらず、組み合わせることができる。

Claims (20)

1. 流体レンズであって、
   透明窓部材と、
   透明膨張膜と、
   前記透明窓部材および前記透明膨張膜の間に配置された内側リングと、
   前記透明窓部材、前記内側リング、および前記透明膨張膜の間に貯蔵された液体層と、
   前記透明膨張膜が上部リングおよび前記内側リングの間に位置するように配置された上部リングとを備え、
   前記透明膨張膜の曲率半径を変化させるべく、前記上部リングが前記内側リングの開口面に直交する方向に液体変位力を前記透明膨張膜に対して印加するように適合される、流体レンズ。
2. 前記上部リングは、環状部の厚さが環状部の半径の約２０％より大きい開口半径および環状部の厚さを特徴とする、請求項１に記載の流体レンズ。
3. 前記上部リングは、環状部の厚さが環状部の半径の約４０％より大きい開口半径および環状部の厚さを特徴とする、請求項１に記載の流体レンズ。
4. 前記上部リングは、環状部の厚さが環状部の半径の約６０％より大きい開口半径および環状部の厚さを特徴とする、請求項１に記載の流体レンズ。
5. 前記上部リングは、環状部の厚さが環状部の半径の約８０％より大きい開口半径および環状部の厚さを特徴とする、請求項１に記載の流体レンズ。
6. 前記上部リングは、環状部の厚さが環状部の半径の約１００％より大きい開口半径および環状部の厚さを特徴とする、請求項１に記載の流体レンズ。
7. 前記内側リングが、半角を特徴とする円錐台形状の内面を有する、請求項１に記載の流体レンズ。
8. 前記上部リングが、前記内側リングの前記内面に対する前記半角と実質的に同じ半角を特徴とする円錐台形状の外面を有する、請求項７に記載の流体レンズ。
9. 前記上部リングの外縁部にねじ山が形成された、請求項１に記載の流体レンズ。
10. 前記内側リング、前記透明膨張膜、および前記上部リングを受け入れるように適合された、ピストン・リングの外縁部に位置する前記ねじ山と嵌合する内側のねじ山を有する周辺構造をさらに備える、請求項９に記載の流体レンズ。
11. 前記透明窓部材の少なくとも一部分が変形可能である、請求項１に記載の流体レンズ。
12. 前記内側リングの少なくとも一部分が変形可能である、請求項１に記載の流体レンズ。
13. 前記内側リングが、前記流体レンズの開口と流動的に連通する貯蔵部を含む、請求項１２に記載の流体レンズ。
14. 前記内側リングが、前記流体レンズの開口と流動的に連通する少なくとも１つの貯蔵部を含む、請求項１に記載の流体レンズ。
15. 前記透明膨張膜に予張力が付与された、請求項１に記載の流体レンズ。
16. 前記流体レンズが鉛直または傾斜した向きであるとき、前記透明膨張膜の形状の非対称性を打ち消すのに十分な径方向の張力で予張力が前記透明膨張膜に付与された、請求項１５に記載の流体レンズ。
17. 前記流体レンズが、レンズ・マウントを用いて光学系に接続するように適合された、請求項１に記載の流体レンズ。
18. 流体レンズの形成方法であって、
    透明膨張膜に予張力を付与する工程と、
    前記透明膨張膜上に内側リングを配置する工程と、
    前記内側リング内に液体を配置する工程と、
    前記内側リングを覆って背面窓を配置する工程と
    を備える、流体レンズの形成方法。
19. 前記透明膨張膜の一部分を前記背面窓の縁部に固定する工程をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
20. 前記透明膨張膜、前記内側リング、および前記背面窓を外側リング内に押し入れる工程をさらに備える、請求項１８に記載の方法。

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