JP2015511723A - 屈折境界面のプリズムおよび曲率変化を変えるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

適応レンズ系は、ｉ）透明カバーを備えるレンズ室と、ｉｉ）透明カバーと光学素子の上部表面との間のレンズ室内に封止された上部チャンバを形成する、レンズ室内に装着された、変形可能な透明光学素子と、ｉｉｉ）上部チャンバ内の第１の透明流体媒体および下部領域内の第２の透明流体媒体であって、第１の流体媒体および第２の流体媒体は異なる屈折率を有する、第１の透明流体媒体および第２の透明流体媒体と、ｉｖ）変形可能な光学素子を機械的に係合するために、変形可能な光学素子に対して上部チャンバ内に配置され、上部チャンバ内で移動可能な構造要素であって、それによって変形可能な光学素子の曲率を変え、それによって適応レンズ系の屈折力またはプリズム効果を変える、構造要素と、を備える。

Description

関連出願の相互参照
本願は、この参照により本明細書に組み込まれる、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ Ｐｒｉｓｍ ａｎｄ Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ（屈折境界面のプリズムおよび曲率変化を変えるための方法および装置）」という名称で、２０１２年２月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／６０４，６０８号の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）の下で主張する。

本発明は、適応レンズの分野に関し、より詳細には、レンズの形状を変えることにより屈折力を変える適応レンズに関する。

適応レンズは、曲率または屈折率のいずれかを変えることにより、屈折力を変えるレンズである。適応レンズは、従来の固定焦点レンズ系を超えるいくつかの利点を提供する。恐らくこれらの最も重要なことは、その節点の位置を移動することなく、焦点を変える能力である。別の利点は、それによって適応レンズが焦点を移動し得る速度である。適応レンズは、焦点を変えるために必要とするエネルギーが固定焦点レンズ系より少ないことがしばしばある。適応レンズの別の重要な特性は、適応レンズがコンパクト空間内で作動できることである。これらの特性は、人間の目などの生物系内での使用に必要不可欠であるが、これらの特性はまた、ある種のカメラおよび光学機器の適用にも重要である。適応レンズを使用して、人間の目の内部に完全な視覚機能を回復することがあり、同様に適応レンズを光学機器内で使用して、人間の視覚経験を再現することがある。

様々な人工適応レンズのタイプが設計されてきた。商標Ｈｏｌｏｃｈｉｐの下で市販されている１つのタイプは、動水力を含んで限定空間内で液体を絞ることにより曲率を変化させ、それにより弾性光学膜を膨張させる、または前方に膨らませてその液体の屈折媒体の曲率を増加させる。米国特許第７，７５５，８４０号および第８，０６４，１４２号を参照されたい。圧電体などの様々な機構を使用して、この曲率変化を作動させる液体を移動する。弾性光学膜の弾性特性は、適応レンズをその静止位置に戻す。このようなレンズ設計は、光学界面の曲率を変えるための解決策を提供するが、素材疲労、温度の不安定および光学的品質が乏しいなどの多くの実際的制限を有する。

適応レンズ技術の他の例は、調節式眼内レンズの領域に見られることがある。人間の目のレンズ室の範囲内で曲率変化を変える多くの試みが記録されている。ほとんどの設計は、Ｈｏｌｏｃｈｉｐレンズのように低い弾性または弾性光学膜を水圧で膨張させることによって作動する。実際には、眼内の繊細な構造は、この機構により曲率変化を誘発するのに充分な力を生成できない。

本出願者は、負分圧が封止された流体充填レンズ内に生成される可変焦点レンズを、ＩＮＦＬＡＴＡＢＬＥ ＬＥＮＳ（膨張可能なレンズ）の名称で２０１１年８月３日に出願された米国特許仮出願第６１／５１４，７４６号に開示しており、参照により本明細書に組み込まれる。負分圧は、変形可能な光学界面を内部支持構造の表面に対して崩壊させるのに充分である。変形可能な光学界面をその元の形状に戻すのに必要とされる力は、ごくわずかであり、ミリグラム単位で測定される。これは、充分に眼内の筋肉によって生成される力の範囲内である。この適応レンズ技術は、カメラおよび機器の適用に適しているが、この技術は、人間の眼内の環境などの温度制御された環境内で最良に機能する精密な構造からなる。また本発明者は、広範囲の曲率変化全体を通して高光学分解能に対する光学的に凝集した曲率変化を変えるために、光バネおよび彫られた光学界面の使用を、ＩＮＦＬＡＴＡＢＬＥ ＩＮＴＲＡ ＯＣＵＬＡＲ ＬＥＮＳ／ＬＥＮＳ ＲＥＴＡＩＮＥＲ（膨張可能な眼内レンズ／レンズ保持具）の名称で、２００８年８月１２日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＣＡ第２００８／００１４５６号、国際公開第２００９／０２１３２７号に開示しており、参照により本明細書に組み込まれる。

新産業および顧客の適用は、適応レンズのために急速に出現している。これらの多くは、光学部品を温度変化、圧力変動、衝撃および化学物質への曝露などのストレスに曝す。良好に作動する一方で、これらおよび他のストレスを受ける適応レンズ系が必要とされる。したがって、改良された適応レンズ系が必要とされている。

関連技術およびそれに関する限定の前述の例は、例示であり排他的でないことが意図される。関連技術の他の限定は、本明細書を読み、図面を検討すれば当業者には明らかになろう。

以下の実施形態およびその態様は、範囲の限定ではなく例示および説明を意図するシステム、ツールおよび方法と共に説明され示されている。様々な実施形態では、１つまたは複数の上記の問題が低減されてきた、または取り除かれてきたが、他の実施形態は他の改善を対象とする。

本発明は、異なる屈折率を有する２つの透明流体媒体を分離する、変形可能な光学素子を有する適応レンズ系を提供し、該変形可能な光学素子は、可動構造要素によって係合されて該変形可能な光学素子の曲率または形状を機械的に変え、それによって適応レンズの屈折力またはプリズム効果を変える。

より詳細には、本発明は、ｉ）透明カバーを備えるレンズ室と、ｉｉ）レンズ室内に装着された変形可能な透明光学素子であって、光学素子は、上部表面および下部表面を備え、それによって透明カバーと上部表面の少なくとも一部との間のレンズ室内に封止された上部チャンバを形成し、また下部領域を下部表面の外部に画定する、変形可能な透明光学素子と、ｉｉｉ）上部チャンバ内の第１の透明流体媒体および下部領域内の第２の透明流体媒体であって、第１流体媒体および第２の流体媒体は異なる屈折率を有する、第１の透明流体媒体および第２の透明流体媒体と、ｉｖ）変形可能な光学素子を機械的に係合するために、変形可能な光学素子に対して該上部チャンバ内に配置され、該上部チャンバ内で移動可能な構造要素であって、それによって変形可能な光学素子の曲率を変え、それによって適応レンズ系の屈折力またはプリズム効果を変える、構造要素とを備える適応レンズ系を提供する。

上述の例示的態様および実施形態に加えて、さらなる態様および実施形態が、図面を参照し、以下の詳述を検討することによって明らかになろう。

例示的実施形態は、図面の参照図に示されている。本明細書に開示された実施形態および図は、限定よりむしろ例示とみなされるべきであることが意図される。

静止状態にある本発明の第１の実施形態の垂直断面図である。 圧縮状態にある、図１に示した実施形態の垂直断面図である。 静止状態にある第２の実施形態の垂直断面図である。 圧縮状態にある、図３に示した実施形態の垂直断面図である。 変形可能な光学素子の平面図である。 可動構造要素の平面図である。 適応レンズを備えた第二種梃子アームの立面図である。

以下の記載全体を通して、より完全な理解を当業者に提供するために具体的詳細が説明されている。しかし、周知の要素は、本開示を無用に不明瞭にすることを回避するために示されていない、または記載されていないことがある。したがって、記載および図面は、限定的意味ではなく、例示的意味とみなされるべきである。

本発明は、適応レンズ系１０（垂直断面図に示され、中心軸Ａ−Ａに対して概ね対称である）を備える。適応レンズ系１０は、変形可能な光学素子１２を組み込み、その光学表面１４、１６は第１の流体光学媒体１８に片面上で、また第２の光学媒体に他方の面２０上で接触する。図１は、本発明の第１の実施形態を示し、変形可能な光学素子１２は、蓋カバー２４にその頂点２２で堅く取り付けられる。蓋カバー２４は、光学的に透明な円板であり、その外周を円形壁２６に取り付けられて中空レンズ室２８を形成する。中空レンズ室２８の底部は、変形可能な光学素子１２によって画定される。変形可能な光学素子１２の断面外形は、平坦、凹形、凸形またはこれらのあらゆる組合せであってもよい。

図５は、変形可能な光学素子１２の平面図を示し、中心光学ゾーンは、その外周を放射状スポーク３２および可撓性膜３４によって懸架されている。変形可能な光学素子の最外周は、円形封止３６を備え、円形封止３６は、得られる封止されたレンズ室の円形壁２６に取り付けられる。可動構造要素３８は、図１に封止されたレンズ室２８内に示されており、第１の流体媒体１８内に浸漬されている。可動構造要素３８は、環帯であり、環帯を通って同心円状に走る通気孔４０を有する。可動構造要素３８は、円形壁２６に取り付けられていない。可動構造要素３８は、屈折系１０の光軸Ａ−Ａに平行な方向に自由に移動する。図６は、中心開口４２および通気孔４０を有する可動構造要素構造３８の平面図を示し、中心開口４２および通気孔４０により、可動構造要素３８が光軸Ａ−Ａに沿って摺動するにつれて、封止されたレンズ室全体を通して第１の流体媒体１８が流れることが可能になる。第２の流体媒体２０は、可動構造要素３８が変形可能な光学素子１２に対して押圧するときに移動される。

作動中、可動構造要素３８は、図２に示されたように中空レンズ室２８の底部に向かって摺動する。変形可能な光学素子１２の中心領域は、蓋カバー２４に取り付けられたままである一方、変形可能な光学素子１２の周辺領域は、圧縮され中空レンズ室２８の底部に向かって移動され、その結果、示されたように変形可能な光学素子１２の曲率が増加する。変形可能な光学素子１２の第１の表面１４の曲率は、凸状に増加する。第２の表面１６の曲率は、凹状に増加する。２つの流体媒体１８、２０の屈折率が充分に異なるとき、屈折系の屈折特性が変わる。第１の流体媒体１８の屈折率が第２の流体媒体２０より大きいときは、屈折系１０に入る光はより多く分散することになる。第１の流体媒体１８の屈折率が第２の流体媒体２０より小さいときは、屈折系１０に入る光はより多く収束することになる。真空は、屈折率が１．０の流体光学媒体１８として働いてもよい。したがって本開示の目的のために、「流体媒体」は真空を含む。

図２は、変形可能な光学素子１２の周辺領域が圧縮され移動されるとき、中空レンズ室２８内に生成された一部の真空に応答して、レンズカバー２４に向かって膨張する可撓性膜３４を示す。可撓性膜３４の膨張により、中空レンズ室２８内の流体が循環する。通気孔４０は、流体を蓋カバー２４に向かって循環させて、可動構造要素３８が動いた後の空洞を埋めることを可能にする。

図３は、反対側の支持構造４４が加えられる以外は、図１に示されたのと同じ装置を備える、第２の実施形態の断面図を示す。変形可能な光学素子１２は、反対側に配置された支持構造４４の頂点４６により押圧される。この状況では、変形可能な光学素子１２が蓋カバー２４に付着される必要はない。

反対側に配置された支持構造４４は、好ましくは中心視覚４８および触覚５０を備える円板形状の硬質レンズである。第２の流体室５２は、変形可能な光学素子１２と中心に配置された支持構造４４との間の空間によって生成される。変形可能な光学素子１２の両側に１つずつあり、それぞれが封止された室内にある、２つの流体媒体を組み込む閉鎖系がこうして画定される。閉環境内の流体の原動力は、図１に示されたような開放系より効率的である。また閉環境は、携帯光学系内での使用がはるかに便利である。

変形可能な光学素子１２の曲率変化をもたらす動きは、可動構造要素３８または反対側に配置された支持構造４４または変形可能な光学素子１２のいずれかの配置の変更によって生成されてもよい。これらの構造の動きは、プリズムを曲率変化に沿って生成するために必要な変化などの、対称の曲率変化または非対称の変化を生成してもよい。これらの構造の動きは、電磁場、圧電体変換器、または機械的な梃子の力（図７参照）などの外部で発生したあらゆる力によって作動されてもよい。形状変化を作動するために必要な要素は、中空レンズ室内またはその外側に含まれてもよい。

プリズムは、可動構造要素３８の動きをヒンジ（図７）またはバットレス（図示せず）のいずれかで選択的に制限することによって誘導されてもよい。ヒンジは、可動構造要素３８の片側が光軸Ａ−Ａに平行に移動するのを防止するが、反対側は動くことができる。その結果、変形可能な光学素子１２を傾ける傾斜効果が得られ、それによって流体媒体の界面に同じ傾斜を誘導し、それによってプリズムを導入する。変形可能な光学素子１２の頂点と蓋カバー２４との間に付着がないことを条件として、プリズムは、変形可能な光学素子１２の光学ゾーンを横切って均一に分散され得る。

特に焦点調整機構を制御する同じシステムによって変調される場合、プリズムを使用して、三次元カメラなどの両眼光学系の利点を得てもよい。人間の視覚系のために適切にフォーマットされた光学像は、デジタル情報に正確に変換され、時間遅延なく、視像を解釈し再構成するソフトウェアシステムと通常遭遇する。反対側の支持構造４４は、プリズムを変える本発明の能力を、様々な方法で焦点を変える負圧された膨張可能なレンズの能力と組み合わせて、あらゆる距離を置いて完全充填された三次元の人間の視覚経験をシミュレーションするために、米国特許仮出願第６１／５１４，７４６号の負圧された膨張可能なレンズを組み込んでもよい。

人間の眼内で、可動構造要素３８の動きをヒンジの使用で制限することは、一般の適応眼内レンズ設計に見られる、周囲が均一な設計に比べて２つの機械的な利点を提供する。図７では、梃子アーム７０は、一端をヒンジ７２によって固定され、したがって「作用点」として働く適応レンズ７４と、図示された力ベクトルに向けた梃子アームとして働く開放端部７６を備える第二種梃子アームを生成する。眼内では、力が毛様体筋による水晶体嚢上の牽引力によって供給され、これは梃子アーム７０および固定アーム７８を一緒に押圧し、それによって適応レンズ７４を圧縮する。図７に示された梃子を可動構造要素３８の動きに適用するために、可動構造要素３８は梃子アーム７０を形成する。可動構造要素３８の両側の屈折媒体の一致に起因して、生成されたプリズム効果はわずかであるが、適応レンズ７４上の毛様体筋の作用によって発揮された機械力は、こうして生成された第二種梃子アームの効果によって増幅される。第二種梃子システムを利用する別の利点は、レンズ交換手順中に目の水晶体嚢の小切開内の可動部分の大半を低減する能力に関する。

図７に示された第二種梃子の配置７０を使用して、構造要素３８を適応レンズ系１０のレンズ室２８内で動かすことができ、または梃子の配置７０は、適応レンズ７４と共に独立して機能することができ、毛様体筋の作用によって発揮される機械力がレンズ７４の変形をもたらす眼内適応レンズ系を形成する。

本発明は、図１に示されたように開放系内、または図３に示されたように自己完結型の閉鎖系内で働く。移動された液体は、空間または注射器および変形可能な容器などの拡張可能な部分に放出してもよく、または移動された液体は、光軸Ａ−Ａに沿って軸方向に移動して、補助的光学素子（図示せず）の形状もしくは位置を変えてもよい。好ましくは、中心支持構造４４は凸形状である。別法として、中心支持構造４４が、屈折率が一致した流体媒体内に浸漬し、変形可能な光学素子１２の周辺領域が、機械力に自由に応答する限り、中心支持構造４４は、あらゆる形状であってもよい。この装置は、あらゆる周波数の電磁波の焦点を合わせるために使用されてもよいが、また超音波エネルギーの焦点を合わせるために使用されてもよい。

多くの例示的態様および実施形態を上に論じたが、当業者には、ある種の修正、置換、追加およびその部分組合せが認識されよう。したがって、本発明は、このような修正、置換、追加および部分組合せのすべてがそれらの真の精神および範囲内にあるとして含まれると解釈されることが意図される。

Claims (16)

1. ｉ）透明カバーを備えるレンズ室と、
   ｉｉ）前記レンズ室内に装着された変形可能な透明光学素子であって、前記光学素子は、上部表面および下部表面を備え、それによって前記透明カバーと前記上部表面の少なくとも一部との間の前記レンズ室内に封止された上部チャンバを形成し、また下部領域を前記下部表面の外部に画定する、変形可能な透明光学素子と、
   ｉｉｉ）前記上部チャンバ内の第１の透明流体媒体および前記下部領域内の第２の透明流体媒体であって、前記第１の流体媒体および前記第２の流体媒体は異なる屈折率を有する、第１の透明流体媒体および第２の透明流体媒体と、
   ｉｖ）前記変形可能な光学素子を機械的に係合するために、前記変形可能な光学素子に対して前記上部チャンバ内に配置される前記上部チャンバ内で移動可能な構造要素であって、それによって前記変形可能な光学素子の曲率を変え、それによって前記適応レンズ系の屈折力またはプリズム効果を変える、構造要素と
   を備える、適応レンズ系。
2. 前記構造要素は、その内縁の領域内に前記変形可能な透明光学素子の前記上部表面に係合可能な表面を備える環状円板を備える、請求項１に記載の適応レンズ系。
3. 前記構造要素は、圧電手段によって移動可能である、請求項１に記載の適応レンズ系。
4. 前記構造要素は、電磁場によって移動可能である、請求項１に記載の適応レンズ系。
5. 前記構造要素の一端は、前記変形可能な光学素子に対してヒンジで固定され、前記構造要素の他方の端部は自由に動き、それによって前記構造要素の前記開放端部に加えられた力が前記構造要素の前記開放端部を動かし、それによって前記変形可能な透明光学素子を圧縮する、請求項１に記載の適応レンズ系。
6. 前記構造要素の通気孔４０は、流体を蓋カバー２４に向かって循環させて、可動構造要素が動いた後の空洞を埋めることを可能にする、請求項１に記載の適応レンズ系。
7. 前記変形可能な透明光学素子は、可撓性の外縁により前記レンズ室に取り付けられることにより、前記レンズ室内に装着される、請求項１に記載の適応レンズ系。
8. 前記変形可能な光学素子の前記上部表面は、前記透明カバーにその頂点で取り付けられる、請求項１に記載の適応レンズ系。
9. 前記下部領域の下に配置された反対側の支持要素をさらに備え、前記変形可能な光学素子と共に前記下部領域内に第２の封止されたチャンバを形成する、円板形状の硬質の透明レンズを備える、請求項１に記載の適応レンズ系。
10. 異なる屈折率を有する２つの透明流体媒体を分離する、変形可能な光学素子を備える適応レンズ系を提供し、前記変形可能な光学素子と接触する構造要素を動かすことにより、前記変形可能な光学素子の曲率を変え、それによって前記変形可能な光学素子の屈折力またはプリズム効果を変えることにより、レンズの焦点を制御する方法。
11. 異なる屈折率を有する２つの透明流体媒体を分離する、変形可能な光学素子を備える適応レンズ系を無水晶体眼の水晶体嚢内に提供し、前記変形可能な光学素子と接触する構造要素を動かすことにより、前記変形可能な光学素子の曲率を変え、それによって前記変形可能な光学素子の屈折力またはプリズム効果を変えることにより、無水晶体眼との適応を提供する方法。
12. 前記構造要素は、その内縁の領域内に前記変形可能な透明光学素子の前記上部表面に係合可能な表面を備える環状円板を備える、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記構造要素は、圧電手段によって移動可能である、請求項１０または１１に記載の方法。
14. 前記構造要素は、電磁場によって移動可能である、請求項１０または１１に記載の方法。
15. 前記構造要素の一端は前記変形可能な光学素子に対してヒンジで固定され、それによって毛様体筋による水晶体嚢上の牽引力によって供給された力が前記構造要素を動かし、それによって前記変形可能な透明光学素子を圧縮する、請求項１１に記載の方法。
16. 無水晶体眼の水晶体嚢内への配置のための適応レンズ系であって、
    ｉ）第１の開放端部および第２の端部を有する第１の梃子アームと、
    ｉｉ）第１の開放端部、および前記第１の梃子アームの前記第２の端部にヒンジで連結された第２の端部を有する第２の梃子アームと、
    ｉｉｉ）前記第１の梃子アームと前記第２の梃子アームとの間に配置された変形可能な透明光学素子とを備え、
    それによって毛様体筋による前記水晶体嚢上の牽引力によって供給された力が、前記第１の梃子アームおよび前記第２の梃子アームを一緒に動かし、それによって前記変形可能な透明光学素子を圧縮する、適応レンズ系。

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