JP2016512343A - 複数液晶セルレンズ内での光収束を改善する方法と装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つのＬＣセルを含む液晶光学装置が提供される。第一のＬＣセル層は、内部を通過する非偏光入射光フィールドの第一の偏光に横向きに不均一な位相遅延を与え、第一の偏光に直交する第二の偏光の入射光が、内部を通過して横向きに均一な位相遅延を受けるようにする主ダイレクタ配向を有する。第一のＬＣセルは、中心異常光線を画像面で装置の光軸上に投影するように構成されている。第二のＬＣセル層は、光軸に垂直な平面上で他方の主ダイレクタに直交するように配向した主ダイレクタを有する。第二のＬＣ層は、内部を通過する入射光の第二の偏光に横向きに不均一な位相遅延を与え、第二のＬＣセルは、画像面で光軸上に中心常光線を投影するように構成されている。【選択図】 図２０

Description

本発明は液晶レンズに関し、特に多セル調整可能液晶レンズに関する。本発明はまた視力矯正に関し、特に視力矯正用の多セル活性液晶眼内レンズ装置と関連する製造方法に関する。

液晶（ＬＣ）レンズや他の液晶光学装置はすでに公知である。１つのジオメトリは、液晶層がガラス板またはプラスチック板の間のセル中に保持されている積層平面ジオメトリである。電気的可変屈折率分布型（いわゆるＧＲＩＮ）レンズは、液晶分子の相対的な配向を制御して装置の口径内に液晶材料の屈折率の空間的変動を生み出すことにより形成できる。図１は、ＬＣレンズ光学装置の光学的口径内の空間変調ダイレクタ変動を示す。ＺはＬＣレンズ光学装置の光軸であり、これに沿って入射光が伝搬する。このようなレンズは、２０１１年１０月１１日にGalstian等に与えられた米国特許出願第8,033,054号により公知である。なお、この文献を参照によって本書に援用する。規則性のネマチック液晶は光を２つの偏光に分割できるため、単一の液晶層は単一の偏光のみを収束させることができる。相互に近接して設けられた２つの液晶層は、自然光または非偏光のイメージをイメージセンサ上に与える。米国特許出願第8,033,054号の原理により作られた電気制御液晶レンズが、LensVector社から販売されており、優れた光パワー調整可能性とレンズ品質を、特に直径が約３ｍｍの小口径レンズ用に与えている。

眼の水晶体に代えて目に眼内レンズ補綴物を取り付けることにより様々な医学的状態に対応できる。このような医学的状態には、加齢の影響が含まれ、また事故や異常な環境条件への暴露の結果起こることもある。

例えば、白内障の進行は、加齢と共に経験される共通した症状である。白内障手術の際には通常、目に眼内レンズ補綴物が取り付けられる。これまで、白内障手術の目標は、手術後に補助（眼鏡）なくして良質の遠中近視力を与えることであった。本明細書では、調整可能液晶レンズを眼内補綴物として使用することが提案されている。

長年の間、視力回復のための基本的な処置は、眼の水晶体が入っている水晶体嚢を外科的に空にして、この水晶体嚢に若年者のレンズの挙動にマッチする適当なポリマーを投入することであった。このような処置は大きな注目を集めたが、現在でもその効果的な実現は不明確である。これは一つには、均一なポリマーの性質が、不均一な水晶体の性質を十分に真似できていないためである。水晶体嚢を空にすると、水晶体以外の組織に一定のダメージを与えることがある。また、手術後に完全な眼内補綴物を与えるためには、侵襲的医学的切除用の不完全なレンズに、なんらかの水晶体の特性評価の実施が必要である。若い頃の水晶体の特性評価が利用可能であっても、周辺組織も加齢により変化することでこのような特性評価が不十分となる。

先行技術においては固定焦点（単焦点）レンズの植設がなされたが、成功は少なかった。手術後の、残留隣接組織と固定焦点レンズの組み合わせは、若年者の水晶体と比べて調節性（制御された光収束可変範囲）に劣る。このような単焦点補綴物の組合せは、手術後に０．５〜１．５ディオプタの偽調節を与えるのみである。他方、Mitchell ScheimanとBruce Wickの研究(Clinical Management of Binocular Vision, Lippincott, New York, 1994）は、平均して若年者のレンズは、平均調節幅として１８ディオプタの可変性を与えると示唆している。ある年齢での平均調節幅は、Hofstetterの式：１８．５−（患者年齢の１／３）から推定できる。

水晶体嚢全体を充たし、毛様体により与えられる力に応じて光パワーを変えるように前／後の寸法を変えながら定置される単一の光柔軟性補綴物も、不十分と考えられる。いくつかの研究には材料不適正の問題があり、他の研究は理論的であるのみである。

デュアル光補綴物が植設されてきたが、２．５ディオプタの範囲の低い光パワーの問題を有している。

このような先行技術の眼内レンズは、手術後により鮮明な視力を与えるかもしれないが、手術後の視力調整に制限があるため、眼鏡やコンタクトレンズなどの他の視覚補助具が必要となる。

最近、能動的調節用途に調整可能液晶（ＬＣ）レンズが提案されている。適当なジオメトリであれば、ＬＣ光学装置を用いる様々な光学部品が製造でき、例えばレンズや矯正用光学要素、光学シャッター、絞り等が製造できる。ＬＣレンズは、薄くてコンパクトであるという大きな長所を提供する。ＬＣレンズの光パワーとは、ＬＣレンズが、内部を通過する入射光（より具体的には、あるシーンを表す入射光イメージフィールド）に及ぼす光屈曲の量をいう。

例えば、同時係属中の、本願と同一出願人に譲渡された米国特許出願第13/369,806号(「Tunable Liquid Crystal Lens Intraocular Implant and Methods Therefor」、２０１１年２月１１日出願の同タイトルの米国特許出願第61/441,863号の優先権を主張し、その内容を参照によって本書に援用する）には、眼内適応形レンズ補綴物装置が記載されている。調整可能液晶レンズは、刺激信号に応答して調節を行う。いくつかの実施様態では、この装置は、眼内補綴物中に含まれた調整可能液晶レンズを有し、また制御用電子部品と電源を有している。他の実施様態では、この装置が、眼内補綴物中に含まれた調整可能液晶レンズと制御信号受信要素を有するものであり、外部の制御用電子部品パッケージが制御信号を送信する。いくつかの実施様態では、この調整可能液晶装置が自然の眼の視覚的欠点を矯正する。

出願人は、このような調整可能液晶レンズ（ＴＬＣＬ）が眼内補綴物を含む光学系全体の収束スペース中で使われると、２つの液晶層を有するＬＣ調整可能レンズが、各ＬＣ層により引き起こされる複屈折誘起性のイメージオフセットによる、望ましくない複視を有するイメージを得ることを発見した。収束スペースで使用とは、ＴＬＣＬが入射光ビームの伝搬に対して最後にまたは最後の光学要素として含まれることを意味する。この複屈折誘起性のオフセットは、各ＬＣセル中の液晶分子で配列された偏光にのみ発生し、ＬＣ層の厚みとダイレクタ配向の角度とに依存する。眼内補綴物中で使用の場合、ほとんどの屈折がＴＬＣＬの前の空気−角膜表面で起こる。このためこの複屈折誘起性のイメージオフセットは問題である。イメージセンサの解像度が十分に高いカメラ用途では、このオフセットが画質に影響を与えることがある。

出願人は、１つの偏光に働く各液晶半レンズを適当な補償シフトとともに配置して、センサの画像面上で各半レンズイメージの位置を他方のイメージの位置とよりよく一致するように調整することで、この複屈折誘起性のイメージオフセットを補償できることを発見した。異なるＴＬＣＬジオメトリに対して、複数の解決策が提案された。

図２は、ダイレクタ、すなわち、一斉に作用する長いＬＣ分子のドメインの局所的な平均配向方向に対するＬＣの微視的な複屈折特性を模式的に示す。このダイレクタは、局所的な光の波数ベクトルであり、この方向で屈折率は偏光に非依存である。これは、一軸複屈折の材料の「光軸」とよばれることが多い。太陽またはランプからの自然光は偏光ではなく、理論的また実際的の両方で、２つの直交する偏光の混合物を考えることができる。局所的なＬＣドメイン上に入る入射光は、この局所的なＬＣドメインから、２つの直交する偏光として出てくる。例えばネマチックＬＣ結晶の場合、２つの実質的に直行する直線偏光成分ＸとＹとして出てくる。いわゆる常光線により模式的に示されるように、前者の成分は、均一で透明な媒体を通過する光路をたどり、横向きに均一な位相遅延を受ける。いわゆる異常光線により模式的に示されるように、後者の成分は、複屈折依存性のオフセットにより光軸から曲げられた光路をたどり、ＬＣ分子ダイレクタ依存の位相遅延を受ける。図４と図５に示されるように、一般に後者の成分は、複屈折依存性のオフセットで光軸から曲げられた光路をたどり、ＬＣ分子ダイレクタ空間分布依存性の位相遅延を受ける。なお、図３ではＬＣ分子ダイレクタ空間分布が一定であると示されているため、単に単純な複屈折誘起性のオフセットが示されている。

本明細書中の説明のために、「常光線／フィールド」と「異常光線／フィールド」の用語は、入射光が通過する第一のＬＣ光学装置のものに相当する。即ち、第一のＬＣ光学装置の主ダイレクタに対して直交して配列する主ダイレクタを有する第二のＬＣ光学装置の常光線／フィールドは、第一のＬＣ光学装置の異常光線／フィールドである。必要な変更を加えて、同じことが第二のＬＣ光学装置の異常光線／フィールドについて言える。

提案する解決策の一側面によれば、イメージをイメージセンサ上に伝達するためのＬＣレンズであって、該装置が、それぞれ主ダイレクタプレチルト配向を与える少なくとも１つの整列層を有する２つのＬＣセル層を有し、上記セル層の上記ダイレクタ配向が相互に直交して、対応する入射光の直交する直線偏光に作用し、上記ＬＣセル層のそれぞれが、イメージをイメージセンサ上に向けるための上記セル層中のＬＣの角配向の関数として１つの偏光に横向きに不均一な位相遅延変調を引き起こすように、また、直交する偏光に横向きに均一な位相遅延変調をおこすように構成されており、上記の不均一な変調が、上記イメージの複屈折依存性のオフセットであり、上記ＬＣセル層はそれぞれ、上記イメージの上記複屈折依存性のオフセットを補償するように上記の空間的なオフセットを伴う不均一な変調をおこし、両方の直線偏光を使ってイメージを、少なくとも部分的にイメージセンサ上に与えるように構成されている、ＬＣレンズが与えられる。

提案する解決策のもう１つの側面によれば、画像面から離れて入射イメージを上記画像面上に投影するために使われるＬＣレンズであって、上記ＬＣが複屈折性であって入射光を直交する偏光に分割し、上記ＬＣレンズが上記偏光に直交する光軸を有し、上記ＬＣレンズが内部を通過する上記入射光を変調するための一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルが、対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延変調されて内部を通過するようにするための少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、上記ＬＣ層が不均一変調光を対応する距離分だけオフセットし、各ＬＣ層が少なくとも１つの整列層と接触しており、上記整列層が対応するＬＣ層の主ダイレクタ不均一変調入射光にプレチルト角を与え、上記整列層がＬＣセル間で相互に直交しており、各ＬＣセルが上記画像面上で上記光軸上に対応するオフセット中心光線を向けるよう構成されている、ＬＣレンズが提供される。

提案する解決策のもう一つの側面によれば、画像面から離れて入射イメージを上記画像面上に投影するために使われるＬＣレンズであって、上記ＬＣが複屈折性であって入射光を直交する偏光に分割し、上記ＬＣレンズが上記偏光に直交する光軸を有し、上記ＬＣレンズが内部を通過する上記入射光を変調するための一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルが、対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、内部を通過する相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延を受けるようにする少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、上記ＬＣ層は不均一変調光を対応する距離分だけオフセットし、各ＬＣ層が少なくとも１つの整列層と接触しており、上記整列層が、入射光を変調する対応するＬＣ層の主ダイレクタにプレチルト角を与え、上記整列層がＬＣセル間で相互に直交しており、各ＬＣ層が、対応する入射偏光を上記画像面に収束させる空間変調されたＬＣダイレクタ分布を有し、電場制御システムが上記整列層の横に与えられ、上記電場制御システムが、少なくとも１つの実質的に電圧振幅と周波数で調整可能なＬＣレンズ制御を与えるために上記ＬＣ層に変調された電場を印加し、上記電場制御システムが、上記ＬＣ層を挟む一対の透明で平坦な電極と、上記ＬＣ層の間でＬＣレンズ口径を規定する少なくとも１つの孔パターンリング電極を有し、各々の孔パターンリング電極が上記光軸に対し対応する距離分だけオフセットされて、対応する中心異常光線と中心常光線の１つを上記光軸上に投影する、ＬＣレンズが提供される。

提案する解決策のさらにもう一つの側面によれば、画像面から離れて入射イメージを上記画像面上に投影するために使われるＬＣレンズであって、上記ＬＣが複屈折性であって入射光を直交する偏光に分割し、上記ＬＣレンズが上記偏光に直交する光軸を有し、上記ＬＣレンズが内部を通過する上記入射光を変調するための一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルは対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、内部を通過する相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延を受けるようにする少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、上記ＬＣ層は不均一変調光を対応する距離分だけオフセットし、各ＬＣ層が少なくとも１つの整列層と接触しており、上記整列層が、入射光を変調する対応するＬＣ層の主ダイレクタにプレチルト角を与え、上記整列層がＬＣセル間で相互に直交しており、各ＬＣ層が、対応する入射偏光を上記画像面上に収束させる空間変調されたＬＣダイレクタ分布を有し、電場制御システムが上記整列層の横に与えられ、上記電場制御システムが、少なくとも１つの実質的に電圧振幅と周波数で調整可能なＬＣレンズ制御を与えるために上記ＬＣ層に変調された電場を印加し、上記電場制御システムが、上記ＬＣ層を挟む一対の透明で平坦な電極と、上記ＬＣ層の間でＬＣレンズ口径を規定する少なくとも１つの孔パターンリング電極を有し、各孔パターンリング電極が入射光に非対称な位相プロファイルを与えるために分割されており、対応するＬＣセルの上記分割された孔パターンリング電極の少なくとも１つのセグメントが、対応する中心異常光線と中心常光線の１つを上記光軸上に投影するために電気的にバイアスされている、ＬＣレンズが提供される。

提案する解決策のさらにもう一つの側面によれば、非偏光入射光フィールドの眼網膜上への収束を増加させるための眼レンズ代替物または増強装置として使用するための調整可能視界矯正液晶（ＬＣ）光学装置であって、該液晶が複屈折性であり入射光を直交する偏光に分割し、該調整可能ＬＣ光学装置が、実質的に眼光軸と同じで上記偏光に直交する光軸を有し、該ＬＣ装置が、内部を通過する上記入射光を変調する一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルが対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、内部を通過する相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延を受けるようにする少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、上記ＬＣ層が変調された光を対応する距離だけオフセットし、各ＬＣ層が少なくとも１つの整列層と接触しており、上記整列層が対応するＬＣ層の主ダイレクタ変調入射光にプレチルト角を与え、上記整列層がＬＣセル間で相互に直交しており、各ＬＣセルが上記画像面で上記光軸上に対応するオフセット中心光線を向けるように構成されている、ＬＣレンズが提供される。

提案する解決策のさらにもう一つの側面によれば、眼の水晶体を代替する眼内レンズ装置であって、該装置が、可変光パワーを有し調節有効口径を有する調整可能液晶レンズ、調整可能液晶レンズを駆動させるために少なくとも１つの駆動信号成分を発生させるように構成されている調整可能液晶レンズ駆動信号発生器、上記駆動信号発生器を制御して刺激信号に応答して上記調整可能液晶レンズ光パワーを変化させるように構成されている調整可能液晶レンズコントローラ、上記調整可能液晶レンズと上記コントローラを駆動させるための電気的動力を保存するように構成されている蓄電装置、および上記刺激信号を与えるように構成されているセンサ部、を含む封入された調整可能液晶光学装置と、上記調整可能液晶レンズの上記光パワーを増加させる固定光パワー要素を与えるように構成されている透明な封入材料を有しており、上記封入材料が、少なくとも調整可能液晶レンズの上記調節有効口径の上に明白なレンズ状の形状を形成し、上記封入材料が、上記駆動信号発生器、調整可能液晶レンズコントローラ、上記蓄電装置、および概ね上記調整可能液晶レンズの周囲に配置された上記センサ部を封入している、眼内レンズ装置が提供される。

提案する解決策のさらにもう一つの側面によれば、眼の水晶体の代替用の眼内レンズ装置であって、該装置が、負の光パワーと正の光パワーの間で変化する光パワーを有するバイポーラ調整可能液晶レンズ、上記調整可能液晶レンズを駆動するために少なくとも１つの駆動信号成分を生成するように構成されている調整可能液晶レンズ駆動信号発生器、上記駆動信号発生器を制御して刺激信号に応答して上記調整可能液晶レンズ光パワーを変化させるように構成されている調整可能液晶レンズコントローラ、上記調整可能液晶レンズと上記コントローラを駆動するための電気的動力を保存するように構成されている蓄電装置、および上記刺激信号を与えるように構成されているセンサ部、を含む封入された調整可能液晶光学装置を有している、眼内レンズ装置が提供される。

提案する解決策のさらにもう一つの側面によれば、眼の水晶体の代替用の眼内レンズ装置であって、該装置が、可変光パワーを有するバイポーラ調整可能液晶レンズ、上記調整可能液晶レンズを駆動させるための少なくとも１つの駆動信号成分を発生させるように構成されている調整可能液晶レンズ駆動信号発生器、上記駆動信号発生器を制御し刺激信号に応答して上記調整可能液晶レンズ光パワーを変化させるように構成されている調整可能液晶レンズコントローラ、上記調整可能液晶レンズと上記コントローラを駆動するための電気的動力を保存するように構成されている蓄電装置、および上記光学装置の外部の刺激に応答して上記刺激信号を与えるように構成されているセンサ部、を含む封入された調整可能液晶光学装置を有している、眼内レンズ装置が提供される。

調整可能液晶光学装置の温度依存性と人体によって与えられる温度制御のため、眼内補綴物として使用される調整可能液晶レンズの制御が簡単となる。提案する解決策の一つの側面によれば、水晶体が除去された眼の水晶体嚢に収まるように構成された生体適合性の眼内レンズ補綴物が提供され、この眼内レンズは、光収束が改善されたＬＣレンズ配列を採用している。

以下の添付図面を参照しながら、以下の提案する解決策の実施様態の詳細な説明を読むことで、提案する解決策がよりよく理解可能である。

ＬＣレンズを与える空間変調されたＬＣダイレクタ分布を示す概要図である。

複屈折光線分割を引き起こすＬＣドメインの微視的な複屈折特性を示す概要図である。

二重像を引き起こす空間的に均一なＬＣ層の巨視的な複屈折特性を示す概要図である。

典型的なＬＣ層へのダイレクタ配向を有する異常光線／フィールドオフセットの可変性を示す概要図である。

異常イメージフィールドを収束させる空間的に不均一なダイレクタ分布を有するＬＣ光学装置を通過する直交偏光イメージフィールド成分を示す概要図である。

カメラ内における増加した複屈折光線分割を示す概要図である。 眼内装置内における増加した複屈折光線分割を示す概要図である。

先行技術の偏光依存性液晶レンズ装置を示す概要図である。

それぞれ相互に直交する平面内に分子配向を有する２つのＬＣ集光層の組み合わせを示す概要図である。

デュアル直交偏光ＬＣを通過する各入射偏光の複屈折依存性オフセットを示す概略的な光線図である。

図１０の直交偏光ＬＣから離れた画像面での複屈折依存性の中心光線オフセットを示す概要図である。

偏光非依存性ＴＬＣＬを通過する両方の偏光フィールドの複屈折依存性焦点オフセットを示す概要図である。

提案する解決策による可変導電層ジオメトリを有する偏光依存性調整可能液晶レンズ層状構造物を示す概要図である。

提案する解決策による共通の可変導電層を有する偏光非依存性調整可能液晶レンズ層状構造物を示す概要図である。

図１３の整列層が相互に９０°で配置されたセル２組と弱導電層とを有する偏光非依存性液晶レンズを示す概要図である。

２ディオプタおよび４ディオプタでの最適収束運転のための、不均一ダイレクタ空間配向分布を示す概要図である。

全ＴＬＣＬの光パワーでのイメージ分割の測定変動を模式的に示すグラフである。

製造時の複屈折誘起性オフセット補償の原理を示す概要図である。

全ＴＬＣＬの作動範囲における代表的な複屈折誘起性オフセットを示す概要図である。

提案する解決策による重なった２つの半ＴＬＣＬの焦点を示す概要図である。

提案する解決策による孔パターン電極口径の拡大を示す概要図である。

提案する解決策により作られたＴＬＣＬにより、０ディオプタの光パワーで画像面上に距離を置いて投影された観察可能なテストパターンを示す概要図である。

２ディオプタの光パワーで複屈折誘起性オフセットのシフト補償の前に観察可能なテストパターンを示す概要図である。 ２ディオプタの光パワーで複屈折誘起性オフセットのシフト補償の後に観察可能なテストパターンを示す概要図である。

４ディオプタの光パワーで複屈折誘起性オフセットのシフト補償の前に観察可能なテストパターンを示す概要図である。 ４ディオプタの光パワーで複屈折誘起性オフセットのシフト補償の後に観察可能なテストパターンを示す概要図である。

半ＴＬＣＬ回転に対する正の光パワーでの非可逆的オフセット補償を示す概要図である。

半ＴＬＣＬフリップに対する正の光パワーでの非可逆的オフセット補償を示す概要図である。

提案する解決策によるデュアル全調整可能液晶レンズ構造物を示す概要図である。

提案する解決策による調整可能液晶レンズのバイポーラ動作の際の液晶分子配向の分布を示す概要図である。

提案する解決策による、補助フォーカス調整機能を与える光学系の連結した調整可能液晶レンズ制御部を示す概略機能図である。

提案する解決策による封入調整可能液晶レンズを示す概要図である。

提案する解決策による、上に形成された固定光パワーの正のレンズ要素を有する封入調整可能液晶レンズを示す概要図である。

提案する解決策による、上に形成された固定光パワーの負のレンズ要素を有する封入された調整可能液晶レンズを示す概要図である。

提案する解決策による複合封入調整可能液晶レンズ眼内補綴物の断面を示す概要図である。

提案する解決策による封入調整可能液晶レンズ眼内補綴物を平行して製造するための金型アレイの断面を示す概要図である。

提案する解決策による複合封入調整可能液晶レンズ眼内補綴物の上面図を示す概要図である。

眼の外側の生理変化を検知する複合眼内補綴物を示す概要図である。 眼の外側の生理変化を検知する複合眼内補綴物を示す概要図である。

それぞれ、提案する解決策によるパラメトリックＴＬＣＬを用いる左パラメトリックシフト、無シフト、および右パラメトリックシフトを示す概要図である。

提案する解決策による外部電子部品パッケージを有する眼内補綴物を示す概要図である（挿入図は、ワイアレス制御を示す）。

それぞれ提案する解決策によるワイアレス誘導性容量性ドライブを示す。

提案する解決策による駆動信号カプラの駆動信号受信要素の位置を示す概要図である。

孔パターンリング電極と弱導電層により生成した非球面波面の歪曲を誇張して示す概要図であり、（特に）所望の形の一例も示されている。

共通基板の中に、２つのＬＣセル、共通して駆動される２つの弱導電層、および共通の浮遊電極を有する、提案する解決策による液晶レンズを示す概要図である。

図３９に示す積層したジオメトリを有するＬＣレンズ内での、提案する解決策による導電性円板浮遊電極を用いる波面調整を示すグラフである。

提案する解決策による、同じ円板形の浮遊電極を用いる他の光パワー設定で保持される波面プロファイル円形化の改良を示すグラフである。

提案する解決策による、２つのＬＣ半レンズを同期して運転するための、単一の中心孔パターンリング電極と単一の弱導電層を用いる偏光非依存性全レンズ層状構造物を示す概要図である。

提案する解決策による、図４２に示す液晶レンズジオメトリ用に試験的に得られた波面プロファイルを円形化するための二次フィットを示すグラフである。

提案する解決策による、図４３に示す二次フィットに対応する位相面調整を与えるように構成されているシート抵抗空間分布を示すグラフである。

提案する解決策による、２１ｋＨｚの周波数と同じ電圧振幅を有する駆動信号が図４２に示す同じＬＣレンズジオメトリと共に使われる場合に、波面円形化が保持されることの確認を示すグラフである。

提案する解決策のもう一つの実施様態の、弱導電性リングを用いる偏光非依存性全レンズ層状構造物を示す概要図である。

提案する解決策による、図４６に示す弱導電性リングにより与えられる波面円形化を示すグラフである。

提案する解決策による孔パターン電極の口径に使用される、分割された孔パターン電極と対応する電気的に浮遊する分割同心円状リングを示す概要図である。

図面全体を通して、同様の特徴には同様の符号が付いている。本明細書における「頂部」および「底部」という限定詞への言及は、本願で提示する図面の向きに関連して行われるだけであって、絶対的な空間的方向を含意するものではない。

図３は、模式的にＬＣ層の巨視的な複屈折特性を示し、ここでは入射光イメージフィールドが、均一に配列したＬＣ層により与えられる空間的に均一なダイレクタフィールドに投影される。入射イメージフィールドの入射Ｘ偏光イメージフィールド成分は、ＬＣ層の均一に配向したＬＣダイレクタフィールドによる横向きに均一な位相遅延を経験し、出力通常イメージフィールドと呼ばれる。もう一方の直交する入射Ｙ偏光イメージフィールド成分は、横向きに不均一な位相遅延を経験して向きを変えられ、相当する異常イメージフィールドは、上記通常イメージフィールドからオフセットされて出力される。この複屈折の結果、出力の際に、入力イメージフィールドの画像重複、ぶれ、および解像度の低下等が出現する。

図４は模式的に、４０μｍ厚のＬＣ層の場合におけるダイレクタ配向による異常光線／フィールドオフセットの可変性を示す。ＴＬＣＬ中では、ダイレクタ配向が空間的に不均一であり、ＴＬＣＬの口径の周囲から中心の方向に変化する。このため、図４に示す複屈折の程度は、この口径の径方向で変化する。図５は、模式的に空間的に不均一なダイレクタ分布を有するＬＣ光学装置、例えば図１に示される分布（異常イメージフィールドのみが横向きに不均一な位相遅延により収束する、光パワーのレンズを与える）を有するＬＣ光学装置を通過する直交偏光した入射イメージフィールド成分を示す。これから、局所的な光線複屈折で誘起されるオフセットが、ＴＬＣＬの光パワーに対して非線形であり、全フィールドの全体としての複屈折誘起性オフセットがイメージ成形に影響を与えることがわかる。図５のように作動するＬＣ集光装置は、単一の偏光成分のみが収束されるため、偏光依存性ＬＣレンズまたは「半」ＬＣレンズと呼ばれる。異常フィールドの焦点は光軸からオフセットされていると言われている。

この複屈折誘起性のオフセットは、低解像度光学系では現れないが、高解像度光学系では現れることとなる。しかしながら、この複屈折誘起性オフセットは、図６に示すような集光ＬＣ層が画像面から少し離れている光学系内で増幅される。ＴＬＣＬと光学要素が全体光学系の収束スペース内にある場合に、特にそうである。図６に示されるイメージ成形と同様に、図７は模式的に、視力矯正／補強のための単一または最終光学要素としてＴＬＣＬを用いる眼内網膜上へのイメージ投影を示す。図６および図７は、光入射に対して上流にある他の光学要素を示していない。ヒトの眼内用のＴＬＣＬ眼内補綴物の場合、上流の光学要素には、眼鏡やコンタクトレンズ、角膜、白内障手術の際に挿入されるような眼内レンズ等が含まれる。ほとんどの屈折は、空気角膜表面で起こり、複屈折誘起性のイメージオフセットが常に現れる。

調整可能液晶（ＴＬＣ）光学装置はまた、例えば、本願と同一出願人に譲渡された国際特許出願WO/2007/098602号に記載されている。なおこれは、２００６年３月３日出願の米国特許出願第60/778,380号の優先権を主張し、両方の内容を参照によって本書に援用する。この液晶層は、そこに印加される電場に応じて変化する屈折率を有する。また、液晶屈折率の可変性は経時変化する電場に依存する。このような液晶層に不均一な空間変調電場を印加すると、不均一に空間変調された屈折率が与えられる。一般にＴＬＣは、印加された電場形成用の駆動信号の関数として変化する屈折率を有すると言われる。ＴＬＣレンズの性能は、様々なパラメータで測定され、このようなパラメータには、調整可能な収束範囲や光パワー（ディオプタ）範囲、消費電力、光透過率等が含まれる。

変動する印加電場に応じる屈折率可変性は、ＴＬＣ多層構造物の物理的性質に、例えば液晶層材料の性質や他の層の材料特性、ジオメトリ等に依存する。印加駆動信号とＴＬＣ光学装置の示す屈折率変動の間には、準線形の「機能的」関係が、使用する駆動信号可変範囲にわたって存在するが、全体としての関係は非線形である。いくつかのＴＬＣ装置では、この電場により液晶分子が基底状態配向から電場の指定する配向に整列し始めるため、回位と呼ばれる物理的な非線形効果が観察される。大きく見ると、印加電場が実質的に均一である場合、非線形性は、単位駆動信号変化当たりの光学的性質（例えば屈折率）の変化が、光学装置の光学的性質変化の範囲にわたって変化することを意味する。

ＴＬＣレンズの製造に関する先行技術における試験で有名なのは、Naumovらの、「Liquid-Crystal Adaptive Lenses With Modal Control」（Optics Letters, Vol. 23, No. 13, p. 992, July 1, 1998）である。ここでは、透明な高抵抗率層で覆われた、電極の非導電性中心領域で定義される単一孔パターンを有する層状構造物が記述されている。図８に示すように、ＴＬＣ１００は、上基板１０２と下基板１０４と、上液晶整列層１１２と下液晶整列層１１４の間に挟まれた中間の液晶（ＬＣ）層１１０とを有している。このレンズは単一のＬＣ層１１０を用いるため、偏光依存性となる。ＬＣ整列層１１２／１１４は、予め定められた方向に擦られたポリイミド被膜を含み、基底状態の、即ち制御用の電場が全くない状態のＬＣ分子の主な配列方向を決める。この予め定められた基底状態のＬＣ分子の主配向角を、本明細書中ではプレチルト角と呼ぶこととする。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる均一な下部の透明導電性電極層１２４とアルミニウム（Ａｌ）からなる上部の孔パターン導電性リング電極層１２２とを用いて、電場がＬＣ層１１０に印加される。この低抵抗率の孔パターン導電層１２２と、この孔パターン導電層１２２の直下にある高抵抗率層１２６が、電場形成制御層１２８を形成する。図８のＧＲＩＮレンズはいくつかの優れた性質を有することが知られているが、このＬＣレンズの動作は、この層状構造物のジオメトリックパラメータおよび材料パラメータに極めて敏感である。Naumovのアプローチと同様に、ＬＣ層１１０の反応性のインピーダンス（静電容量がある）と高抵抗率層１２６の複素インピーダンスが強い役割を果たし、相当する所望の光パワー設定（伝達関数）での放射線状位相遅延プロファイルからの平均平方根偏差が最小となるように特定の電圧と周波数パラメータの組み合わせでＴＬＣＬを駆動する必要がある。このため、この技術で偏光非依存性の調整可能液晶レンズ（ＴＬＣＬ）を作成することは非常に難しくなる。

残念ながら製造上の視点からは、高抵抗層１２６用に、高光学透明度有する高抵抗率材料に、必要なシート抵抗を均一に与えることは非常に難しい。ミリメータサイズのレンズの場合、ほぼすべての固相材料のＲ＿ｓ値は、電気伝導度転移（パーコレーション）ゾーンの中央にあり、そのシート抵抗は、層１２６のジオメトリに応じて非常に大きく自然に変動する。したがって実際には、このようなＴＬＣＬを製造することは極めて難しい。同一製造バッチの異なるＴＬＣＬは、わずかに異なる抵抗値を有する。このようなシート抵抗可変性と、制御が正確なＬＣセルの厚みに大きく依存するという事実から、このような個々のＴＬＣレンズは別々の校正と駆動を必要とすることとなる。

図８のレンズの運転原理は、電位の減衰と、これに伴う、孔パターン電極１２２が位置しているレンズ周囲とレンズの中心の間の口径に渡る電場の強度の低下である。このフィールド強度がＬＣ層の性質を制御する。ＬＣ層１１０の典型的な厚みは約０．０５ｍｍであり、興味の対象の典型的な光学的口径が約３ｍｍ（即ち６０倍大きい）であるため、ＬＣ層１１０に渡る電場の強度の半径方向の低下が大きくなる。この理由のため、高抵抗率（または低導電性）層１２６が、孔パターン電極１２２の中心部に形成される。この高抵抗率層１２６は、高抵抗率層１２６と他の電極系（ここでは、抵抗値が主に高抵抗率層１２６で与えられ、静電容量が主にＬＣ層１１０で与えられる）により形成される分布ＲＣ回路による電気信号の減衰による電場の低下を「緩和」させる。

（太陽またはランプから得られる）自然光は様々な偏光を含むため、異なる（直交する）偏光方向に作用して全ての入射光（すべての偏光）を同じように収束させるために、少なくとも２つの液晶層を用いることが望ましい。非偏光の自然光に働いて偏光非依存性ＴＬＣＬまたは「全」ＴＬＣＬを与えるには、２つの同じこのようなＴＬＣレンズを、直交配向したダイレクタとともに使用する必要がある。それぞれ分子配向が相互に直交する平面にある２つのＬＣ集光層の組み合わせの例を図９に示す。ウェハスケールでの製造では、多数のＴＬＣセルを含むウェハを製造し、このような２つのウェハを相互に貼り合わせて偏光非依存性のＴＬＣ光学装置が製造される。

上記の欠点にも関わらず、「On the possibility of intraocular adaptive optics」（２００３年４月７日発行、Optics Express, Vol. 11, No. 7, pp. 810-817）において、Naumovらは、ヒトの眼の調節力低下を正すためのモーダル液晶波面補正器として上述のモーダル液晶レンズを使用する適応コンタクトレンズと適応水晶体インプラントの技術的可能性について理論的に検討を行っている。しかしながら、５ｍｍの光学的（リング電極）口径を有する試作品は、約３ディオプタの調節力の改善をもたらしたのみであった。モーダルレンズの光パワーと半径方向の収差の両方を制御するために、印加されるユニポーラ交流電圧の振幅とスペクトル組成を理論的に考察したところ、ＴＬＣＬを駆動させるのに必要な特定の電圧と周波数パラメータの組み合わせを考えれば、所望の遅延プロファイルからの平均平方根偏差を最小に抑えるために小さくすることは実際上難しい。Naumovはまた、環状の制御リング（１２２）を扇形部分に分割し、それぞれの部分に制御信号成分を印加することで、方位光学収差成分の制御が可能と考えた。しかしながら、Naumovによるワイアレス制御を与える試験の結果、このモーダル液晶波面補正器が、誘導的制御で液晶層に渡って必要な電圧振幅を与えることができず、容量的制御は、むしろ大きな１０Ｖのオーダーの電圧を発生させ、３ディオプタと小さな光パワー範囲を与えるのみであることがわかった。これらの結果は、静電容量を有するＬＣ層１１０の反応性インピーダンスと容量性ワイアレス制御を好む強い役割を有する高抵抗率層１２６の複素インピーダンスの直接の結果と考えられる。容量性ドライブとセグメント間静電容量の間の複雑な容量性相互作用のため、容量的制御をどのように用いて分割環状リング電極をうまく駆動し、方位光学収差成分を制御するのかについては、未だに不明である。光電的制御も言及されたが、作動時に実質的に眼に見えるほど輝くには大きな１ｍＷ光源が必要であるため、Naumovにより退けられた。また、８１４頁３〜４行に、Naumovらは明確に、「ヒトの眼の中でワイヤは使用できない、またレンズ［補綴物］内に電池を埋め込むことはできないと信ずる」と述べている。

ＰＣＴ特許出願WO/2009/153764号（なお、これを参照によって本書に援用する）に、ある解決策が提案されている。これには、共通の中央リング電極の上下に配置された直交して配向する２つの液晶層であって、両方のＬＣ層を制御するために使われる単一の高抵抗率材料で被覆されているものが述べられている。この単一の中間電極は、上のＬＣ層と下のＬＣ層の両方に空間変調された電場を与えるためのものであり、これら２つの層はそれぞれ異なる偏光方向に作用する。電場（したがってまた、光パワー）の空間プロファイルは、上層と下層の両方で同じであると示されている。製造においては、下部ＬＣ層が中間電極をその上に有し、また上部ＬＣ層が中間電極の上に、あるいは別個に設けられ、次いで下部ＬＣ層／中間電極の複合物に貼りつけられる。

（それぞれ異なる偏光に作用する）２つの平面状液晶レンズが、全ての光を共通の焦点面に収束させるように配置されている。しかしながら、ＴＬＣＬが収束スペースにありイメージ平面から離れて位置している光学系（図６および図７）では、イメージセンサと同じ光学特性を有する、異なる「偏光」ＬＣレンズを作ることは、図１０に示す複屈折のため難しい。ウェハスケールで中間の電極配列を製造する際に、ＬＣセル間の層順序と層配向により、各半ＬＣレンズの光学特性のため、別個に集光した単一偏光イメージを作ることができる。

２つの液晶層間に大きな空隙があって、あまりに厚いＴＬＣレンズ補綴物のジオメトリは、異なる偏光成分の焦点間に大きな空間ができることとなり、自然光中で鮮明なイメージを作ることができない。これは、図１１に示すように、補綴物全体の光学系の裏側の方向に収束スペース中で使用すると、各々の偏光成分が異なる位置に収束するためである。２つのレンズのレンズ形状及び／又は光パワーが同じと仮定すると、図１２に示すようにこれらのＬＣ層が相互に隣接していても、各レンズの効果は異なる。この差は、偏光非依存性動作のためには、２つのＬＣレンズ層５１０の異なる光路を結合する必要があるためである。

提案する解決策の一つの側面によると、内部を通過する光の伝搬を制御するのに、可変眼内光学装置が与えられる。下記のように、比較的小さな厚みの場合に良好な光学レンズパワーが得られる。

提案する解決策の一実施様態では、イメージをイメージセンサに伝搬するために収束スペースで使用されるＬＣレンズが提供される。この光学装置は、２つのＬＣセル層を有し、各層は、無負荷基底状態にある主ダイレクタプレチルト配向を与えるための少なくとも１つの整列層を有している。これらのＬＣセル層のダイレクタ配向は相互に直交して、入射光の対応する直交する直線偏光に作用する。これらのＬＣセル層はそれぞれイメージをイメージセンサに収束させるために、上記セル層のＬＣ分子軸の角配向の関数としての偏光に横向きに不均一な位相遅延変調を引き起こすように、また対応する直交する偏光に横向きに均一な位相遅延変調を引き起こすように構成されている。この不均一な変調は、複屈折依存性のイメージオフセットにかけられる。提案する解決策によれば、これらのＬＣセル層はそれぞれ、イメージの複屈折依存性のオフセットを補うために、空間的なオフセットをともなう不均一な変調を与えるように、また、両方の直線偏光を用いてイメージセンサ上に少なくとも部分的なレジストレーションでイメージを与えるように構成されている。

＜複屈折誘起性のオフセット補償＞

提案する解決策によれば、入射イメージを画像面に投影するために、画像面から離れて収束スペースで使用するためのＬＣレンズが提供される（図６および図７）。この光学装置の光軸は、両方の偏光に直交している。内部を通過する入射光を変調するのに一対のＬＣセルが用いられる。各ＬＣセルは、対応する偏光に横向きに不均一な位相遅延変調を与える少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、相当する直交偏光はその中を通過して横向きに均一な位相遅延を受ける。上述のように、各ＬＣ層は不均一変調光を対応する距離だけオフセット移動させる。各ＬＣセルは、対応するオフセット中心光線を上記画像面で上記の光軸上に向けるように作られる。

この補償を行う際の第一のＬＣ層の作動原理は、中心異常光線を上記画像面で装置の光軸上に投影させることである。同様に、第二のＬＣ層は、中心常光線を画像面で光軸上に投影するように構成されている。提案する解決策には、ＴＬＣＬの積層ジオメトリにより様々な実施様態がある。

＜偏光依存性調整可能ＬＣレンズ部品の構造＞

上記は、一般的には図１３に示す平坦な単一偏光ＴＬＣＬ構造物４００をとる半調整可能ＬＣレンズジオメトリにより達成できる。ＴＬＣＬ４００は、頂部に孔パターン導電性リング電極を有する二層の周波数依存性電場成形制御（層）下部構造４２８を有する。必要に応じて設けられる緩衝層３４０が、有効口径３５０を有する頂部の孔パターン導電性電極３２２により形成される周波数依存性の可変導電層と、孔パターン電極３２２の中心の口径３５０を充たす周波数依存性の弱導電層（ＷＣＬ）４２６とに隣接する基底層を形成する。緩衝層３４０は、ＬＣ５１０に印加される電場の勾配を緩和させる。ＷＣＬ４２６は、頂部の孔パターンリング電極３２２と直接物理的に接触しているか電気的にこれに接触しており、特定の層材料の選択（相互に結合する層材料の全てではない）など製造上の考慮が必要である。頂部の孔パターン電極３２２とＷＣＬ４２６の間に電気的接触があるため、ＴＬＣＬ４００が、２つの電極３２２と１２４のみを使用して空間変調された電場を液晶層５１０に印加することを可能とする。操作上の視点からは、ＴＬＣＬ４００には、駆動信号発生、駆動信号の追跡、および制御用電子部品からなる単一の駆動信号最小化ユニットが必要である。本発明を限定することなく、頂部の孔パターン電極３２２がＡｌでできていてもよい。他の生体適合性の／適当な低抵抗電極組成も使用でき、このような材料の選択は、薄型ウェハ製造分野の熟練者には既知の製造因子により行われる。

図１３に示すＴＬＣＬ構造物４００は概略的であって、眼内補綴物として使われるＴＬＣＬ構造物の実サイズを示していない。図示を容易とするため層厚が過大となっている。また、孔パターン電極３２２口径は、全体のＴＬＣＬ構造物４００との比率で示されていない。孔パターン電極口径の直径３５０が、ここでは、ＴＬＣＬの有効口径である。小さな方の直径３６０は、調節性有効口径を示し、光パワーで入射光を屈折させる領域を含む。眼の水晶体嚢の大きさと製造上の要件からＴＬＣＬ全体の大きさに上限があり、小さな口径を通過する光の物理的性質が、調節性有効口径３６０をこの有効口径３５０の一部に制限する。

＜全ＴＬＣＬ＞

図１３には光伝播を制御するように構成されたＴＬＣレンズ構造物が記されているが、このような光伝播制御は、整列層１１２／１１４により与えられる選択的指向性を有する単一の線状偏光のために与えられるものであり、上記図１、図４、および図５に示される複屈折動作にかけられる。自然光条件下での動作の場合、偏光非依存性のＴＬＣＬを与えるには２つの直交配向したＬＣセルが、入射光（太陽、ランプ）の２つの直交する偏光の光伝播を制御する必要がある。

本発明を限定することなく、内部を通過する光の伝搬を制御する偏光非依存性のＴＬＣＬであって、２つの液晶セルを制御するために単一の弱導電層を用い共通の可変導電層を含むものを、図１４に示す。この図中では、図１３に示す偏光依存性のジオメトリが、偏光非依存性のＴＬＣＬ構造物の提供に拡張されている。偏光非依存性の調整可能液晶レンズ眼内補綴物が、鏡像のＴＬＣＬ構造物を用いて２つの直交偏光した入射光成分の光伝搬を制御するように構成されることが好ましい。

図１４に示すように、ＴＬＣＬ構造物５００は、口径３５０を形成する共通の孔パターン中間導電性電極５２２を有する周波数依存性の可変導電性構造物（層）５２８と、この共通孔パターン電極５２２の中心の口径を充填する共通の周波数依存性弱導電層５２６とを有する。この周波数依存性可変導電性構造物は共有されている。上下の基板１０２はそれぞれ、緩衝作用を有するように構成されてもよいが、これは任意である。残りの層は、与えられた機能に応じて類似のラベルをもって表されている中間可変導電層の周りに実質的に鏡像的に存在している（以下、上下の識別子で示す）。中央の可変導電層は２つのＬＣ層５１０の間にある。（駆動信号が与えられる）電極１２４は、それぞれ各ＬＣ層５１０に隣接して、また中央の可変導電層から離れて、したがって共通の孔パターン導電性電極５２２から離れて設けられる。

使用する２つの液晶層５１０のそれぞれは、整列被膜１１２と１１４と同様に異なるＬＣダイレクタ配向を有すると考えてよい。これら２つのＬＣ層５１０が、実質的に直交する平面内にダイレクタを有することが好ましい。例えば、ＴＬＣＬ層状構造物５００の法線をＺ軸とすると、一方のダイレクタがＸＺ平面にあり、第二のダイレクタがＹＺ平面にある。

本願と同一出願人に譲渡された国際特許出願PCT/IB2009/052658号(なお、この明細書を参照によって本願明細書に援用する）では、均一電極の近傍に設けられたリング電極により作られる電場を望ましい形とすることができる調整可能液晶レンズ（ＴＬＣＬ）が開示されている。このＴＬＣＬセルは、他の類似のセルと併用するのに適している。

図１５には、２つのＴＬＣＬセル、例えば図１３に示すものが相互に連結した実施様態が示されている。この２つの偏光依存性ＴＬＣＬの組み合わせは、各半ＴＬＣＬが独立して駆動できる２つの孔パターン電極５２２を示す。このような２つの孔パターン電極５２２の使用は任意であり、上述のように単一の孔パターン電極５２２でも作動に十分である。

図１５に示す構造の第二の半ＴＬＣＬは、実質的に第一のＴＬＣＬと同じであるが、その液晶分子は、第一のセルの偏光に直交する偏光に働くように配向されている。図１５の実施様態の２つのセルは、２つの直交する偏光をそれぞれ収束させる。下セルの下ＬＣ５１０の制御のための電場は、下の孔パターン電極６２２と底部電極１２４の間で下のＷＣＬ６２６と共に形成される。しかしながら、上のセルのＬＣ５１０の制御は、頂部の平面状電極１２４とともに頂部のＬＣ５１０の制御用の電場を形成する、頂部の孔パターン電極６２２と上セルの頂部のＷＣＬ６２６を使用する。

２つのセルに単一の制御信号駆動回路を使用すること（図１４）は、別々のセルに別々の制御信号源を用いる（図１５）より、必要な層数と制御信号が減少するという点で有利であることは、当業界の熟練者には自明であろう。しかしながら、これらのセルを別々に制御（図１５）することが望ましい場合、よりよい制御を達成するという利点がある。

提案する解決策の上下のセル間の間隔は、スペーサビーズを用いてあるいは制御された量の接着剤を用いて決めることができる。

明確なＷＣＬ層が示されているが、本発明はここに記載のこれらＬＣレンズ層状構造に限定されるものではない。以下ＷＣＬについて述べると、ＷＣＬは、例えばＰＣＴ出願PCT/IB2009/052658号（２００９年６月２１日出願、「Electro-Optical Devices using Dynamic Reconfiguration of Effective Electrode Structures」）と国際特許出願PCT/CA2011/050651号（２０１１年１０月１４日出願、「In-Flight Auto Focus Method and System for Tunable Liquid Crystal Optical Element」、これは２０１０年１２月２０日出願の米国特許仮出願第61/424,946号の優先権を主張し、その両方を参照によって本書に援用する）に記載のシート抵抗が優勢な材料、可変導電性および周波数依存性材料と、例えばＰＣＴ出願PCT/IB2009/052658号(２００９年６月２１日出願、「Electro-Optical Devices using Dynamic Reconfiguration of Effective Electrode Structures」、なお、この文献を参照によって本書に援用する）に記載のドープ液晶層を含むと定義される。

以下のＴＬＣＬの機能の説明を容易にするため、電場成形制御層４２８／５２８を参照しながら、駆動電場の空間的成形を与える制御電極構造を概説する。一般に、弱導電層中の周波数依存性材料により定義される周波数依存性だけでなく導電層の静電容量とＬＣ層５１０の静電容量を含む電場成形制御層４２８／５２８（この中では、弱導電性材料が抵抗値の大きな役割を果たす）の静電容量の構造物により定義される周波数依存性を有する周波数依存性構造物が使用される。説明を容易とするため、図１３に示すＴＬＣＬの実施様態に関して構造要素を参照する。しかしながら本発明は図１３の実施様態に限定されるものではなく、以下に記載の機能性は、特に限定されずに図１５に示されるものなどの提案する解決策の他の実施様態にも適応可能である。

図１６に模式的に、２ディオプタと４ディオプタでの最適収束運転のための最適な不均一なダイレクタチルト（傾き）分布を示す。

このようなウェハ加工レンズが（この２つのウェハが相互に貼付けられる時に）同じ光パワーとレンズ形状を有すると仮定すると、２つの半レンズが各偏光を別々に屈折させて、図１７に示すように、光パワーとともに変化する２つの偏光間で分割する複合イメージを与える。各曲線は、提案する解決策の一実施様態での異なる全ＴＬＣＬ配置に相当するイメージ分割を図示する。

提案する解決策の一実施様態によれば、入射イメージを画像面に投影するために、画像面から離れた光学系の収束スペース内で使用されるＬＣレンズが提供される。このＬＣは複屈折性であり入射光を直交する偏光に分割する。光軸は両方の偏光に直交する。このＬＣレンズは、複数の部品を、即ち内部を通過する入射光を変調するための一対のＬＣセルを含む。各ＬＣセルは、対応する偏光に横向きの不均一な位相遅延変調を与え、それに直交する偏光の光が内部を通過して横向きに均一な位相遅延を受けるような少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有している。このＬＣ層が不均一変調光を対応する距離だけオフセットさせ、各ＬＣ層が空間変調されたＬＣダイレクタ分布をもって相当する入射偏光を画像面上に収束させて、各々の孔パターンリング電極は、光軸に対して対応する距離の分だけオフセットされて、対応する中心異常光線の１つと中心通常線をこの光軸上に投影する。

図１８は製造時に、光軸に対してＬＣセルの対応するシフト分だけ複屈折誘起性オフセットを補償する原理を示す。半ＴＬＣＬシフトは上記複屈折誘起性オフセットに等しくないことが注目される。このことは、図１７を参照することで、平均伝達関数の可変性のため全ＴＬＣＬレンズの動作範囲において全ての光パワーに働く補償シフトはないと理解される。図１９は、光パワー動作範囲での全ＴＬＣＬの代表的な複屈折誘起性オフセットＨ１とＨ２を示し、図２０は、両方の複屈折誘起性オフセットを補償して両半ＴＬＣＬの焦点を重ね合わせる効果を示す。図２１は、特定のサイズの有効口径３６０を与えるのに十分な対応する孔パターン電極口径３５０拡張を示す。各々の孔パターン電極口径は、少なくとも複屈折誘起性のオフセットの二乗の合計の平方根分だけ拡大される。例えば、上記２ディオプタと４ディオプタの平均伝達関数は、約０．０９５焦点間変位でクロスし、これは十分な孔パターン電極拡張に相当する。実際に製造された半ＴＬＣＬのシフトは、−Ｈ１と−Ｈ２である。

図２２は、０ディオプタの光パワーで図７に示す投影に似た眼平均伝達関数で、図１４または図１５の全ＴＬＣＬにより図６に示す画像面上に投影されたテストパターンを示す。図１７に示すように、半ＴＬＣＬシフトが０ディオプタ光パワーに影響しないため、いくらかのぼやけが認められる。

図２３Ａと図２３Ｂはそれぞれ、２ディオプタの光パワーで作られたシフト補償の前後に認められるテストパターンを示す。図２４Ａと図２４Ｂはそれぞれ、４ディオプタの光パワーで作られたシフト補償の前後に認められるテストパターンを示す。図２３Ｂと図２４Ｂは完全に明確ではないが、提案する解決策のこの実施様態により、両方の代表的な光パワーで改良がなされていることが認められる。

図１１と図１２と図１９に示す全ＴＬＣＬ中での複屈折誘起性オフセットの効果は、不可逆的である。これは、半ＴＬＣＬレンズの実際の配列が重要であること意味する。図２５Ａは、正の光パワーで復元されるべきオフセットに対して作られたシフトが正しい選択であることを示し、他方、図２５Ｂに示す回転ジオメトリでの同一シフトは、正の光パワーでは増幅されたフォーカスドリフトに導くであろう。図２６Ａは、正の光パワーで復元されるべきオフセットに対して作られたシフトが正しい選択であることを示し、他方、図２６Ｂに示すフリップジオメトリの同じシフトは、正の光パワーでは増幅されたフォーカスドリフトに導くであろう。

上記の作動原理は、例えば次のような全ＴＬＣＬジオメトリ中で実施可能である。

＜作動上の特徴＞

ＴＬＣレンズのチューナビリティは様々な駆動信号モードで達成できる。説明を容易にするため、この信号モードを次のように分ける。可変電圧振幅駆動信号の印加（固定周波数振幅変調）と、ある周波数と振幅を有する駆動信号の印加である。「固定電圧で可変周波数」を有する駆動信号の印加（固定振幅周波数変調）も可能である。当業者には明らかなように、可変周波数を有する駆動信号に関わる「固定電圧」の場合、その駆動信号が固定の二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧振幅（Ｖｒｍｓ）を有する。周波数依存性材料及び／又は構造は、重要な役割を果たす。

＜電圧振幅チューナビリティ制御＞

電圧振幅変調で駆動されるＴＬＣＬ中では、電極１２４と電極３２２間での電圧振幅変調駆動信号の印加により形成された印加空間変調電場に応答してＬＣ分子が速やかに整列する。例えば、正のＴＬＣレンズの場合、このような電圧制御のＴＬＣレンズの最大光パワーＯＰｍａｘは、ある特定のＴＬＣジオメトリ４００で印加電圧ＶｍａｘがＬＣ層５１０を最大の空間的可変性を有する電場に曝すことにより達成されると考えられている。これは、周囲へ強電場をかけ中心に弱電場をかけることより与えられる。この電場の空間的可変性が今度は、周囲で大きく中心で小さな対応する不均一なＬＣ分子の配向を生み出す。

経験的には、印加電圧振幅をＶｍａｘより大きく増加させると光パワーは低下する。高電圧を用いると、Ｖｍａｘにより印加されたものに比べてＬＣ層５１０に印加された電場の空間的可変性が減少する。より高い電圧の印加は、ＬＣ層を横切るＬＣ分子再配向の飽和の結果と理解される低配列可変性を有する電場ラインに沿ったＬＣ分子の再配列を引き起こす。さらなる詳細は、同時係属中の、本願と同一出願人に譲渡された米国特許出願第13/369,806号（２０１２年２月９日出願、「Tunable Liquid Crystal Lens Intraocular Implant and Methods Therefor」、これは、２０１１年２月１１日出願の米国特許出願第61/441,863号の優先権を主張し、これら両方を参照によって本書に援用する）に述べられている。

＜周波数制御チューナビリティ＞

内部を通過する光の伝搬を制御する可変光学装置は、周波数依存性材料または構造物と電場の空間プロファイルを変化させるために複数の周波数と振幅で駆動信号を作る電気信号発生器とを使用する。電気信号発生器は、複数の異なる周波数と電圧の組合せで駆動信号成分を発生させ、組み合わせた駆動信号をＴＬＣＬ４００の電極に供給してＬＣ層５１０を横切る電場を発生させる。

調整可能液晶レンズ（ＴＬＣＬ）４００のチューニング用の制御信号は、ＴＬＣレンズ４００にその光パワーを変え、その結果、あるシーンの入射イメージの収束を同調させるように構成された周波数制御信号回路により与えられる。

＜変性弱導電層＞

ＴＬＣＬ４００は、周波数依存性材料を内部に含む弱導電層４２６と、光パワー変化速度に、またその結果、調節変化時間に更なる改良を与えるための周波数制御を使用する。この周波数依存性材料は、ＬＣ層５１０により印加された（経験された）電場を形成して、ＷＣＬ４２６に周波数応答性電場勾配制御層として機能させることができる。周波数制御は、選択された対応するＲＭＳ電圧振幅（Ｖｒｍｓ）での制御駆動信号周波数の関数としての光伝播をＴＬＣＬ４００に制御させるよう構成された、可変周波数制御駆動信号回路によりなされる。

この可変導電層の（材料及び／又は構造物）特性は、交流（ＡＣ）駆動信号の供給で空間変調された電場ができるようになっている。図１６に示すように、この電場は、実質的に固定の孔パターン導電性電極３２２で規定される部分と弱導電層４２６中の周波数依存性材料により規定される部分とを有することがある。

ＷＣＬ４２６の周波数依存性材料は電場と相互作用し、このため導電性電極１２４と３２２の間に存在する電場の形状に悪影響を与える。さらなる詳細は、同時係属中の本願と同一出願人に譲渡された米国特許出願第13/369,806号(２０１２年２月９日出願、「Tunable Liquid Crystal Lens Intraocular Implant and Methods Therefor」、これは、２０１１年２月１１日出願の米国特許出願第61/441,863号の優先権を主張し、これら両方を参照によって本書に援用する）に述べられている。

周波数依存性材料は、様々な異なる可能性材料からなっていてもよい。ある実施様態ではこの周波数依存性材料が熱重合可能な導電材料であり、もう一つの実施様態ではこの周波数依存性材料が光重合可能な導電材料である。他の可能性としては、真空（または、例えば「ゾル・ゲル」）蒸着薄膜や、高誘電率液体、電解質ゲル、導電性イオン性液体、導電性ポリマー、導電性ナノ粒子含有材料等が含まれる。この周波数依存性材料の所望の形体は、それが周波数依存性の電荷移動性を有することである。この周波数依存性材料が熱重合または光重合可能な導電材料である場合、これには、少なくとも１つのエチレン性不飽和二重結合を有する重合性モノマー化合物や、ＵＶ−ｖｉｓ、ＮＩＲ感応性または熱的感応性分子の組み合わせの開始剤、混合物の誘電率を変化させる添加物（この添加物は有機イオン性化合物と無機イオン性化合物からなる群から選ばれる）、混合物の粘性を変化させる充填材が含まれる。この材料はまた、ＵＶ−Ｖｉｓ感応性接着剤とＮＩＲ感応性接着剤、熱開始剤を用いて重合された接着剤からなる群から選ばれる接着剤を含んでいてもよい。また、光学エラストマーが含まれていてもよい。

この周波数依存性材料が高誘電率液体である場合、周波数依存的な電荷移動を許す、比較的低周波数でエプシロンが２．０〜１８０．０である透明な液体材料を含むことができる。この周波数依存性材料が電解質ゲル材料である場合、ポリマー材料とイオン性組成物とイオン輸送体を含むことができる。この周波数依存性材料が導電性イオン性液体である場合、クロレート、パークロレート、ボレート、ホスフェート、カーボネートからなる群から選ばれるイオン種を含むことができる。

周波数依存性材料を有する単一の弱導電層を用いる例を参照しながら提案する解決策について述べてきたが、本発明は、単一の周波数依存性材料の使用に限定されるものではない。複数の異なる周波数依存性材料を光学装置の電場形成に使用できる（導電性電極１２４と３２２／５２２に対して単一の位置に設けられている必要はない）。また、内部の勾配にそって変動する周波数依存性電荷移動度を有する周波数依存性層を使用できる。一般に、周波数依存性構造物が用いられる。この周波数依存性構造物は、光学装置積層ジオメトリの空間的可変静電容量による周波数依存性を有することができる。

＜ＴＬＣ周波数応答＞

ゼロ周波数とゼロＶｒｍｓ振幅では、ＬＣ層５１０は整列層１１２と１１４により支配されている。ＬＣ分子は実質的に、例えば３°で整列している。このＬＣ層５１０の屈折率は可変性をもたない。ＬＣ層５１０で光収束は行われず、このためＴＬＣＬ４００はゼロの光パワーを与える。この基底状態は、このジオメトリの物理的性質に支配される受動状態である。

経験的に決められた閾値を超える特定の（低い）Ｖｒｍｓ振幅の場合、比較的低周波の駆動信号を初期に印加すると、ＬＣ層５１０中のＬＣ分子を基底状態から脱して初期の主配向を有するようにさせ、口径３５０（の中）に効果的な均一な電極プロファイルを与える。ＬＣ分子は、すべて再配列して、プレチルト角の約３°から、共通の主配向角、例えば１０°〜１５°の配向角をとる。この状態は、上述の電極３２２ジオメトリと周波数依存性層４２６電荷移動度を含む可変導電層の特性で支配される励起状態である。

例えば、このようなＴＬＣレンズの光パワーが、概ね８〜１６ディオプタの範囲で変化することがある。しかしながら、ＴＬＣＬ眼内補綴物の作動上の制限（例えば、小サイズ、小動力、動作温度、生体適合性等）のため、調節性有効口径３６０が４．５ｍｍであるＴＬＣＬ５００／６００の光パワーは、少なくとも約１．７ディオプタに下げられる。調節性有効口径３６０が４．５ｍｍのデュアル全ＴＬＣＬ５００／６００構造物を用いると、このような眼内補綴物の光パワーが少なくとも３．５ディオプタとなりうる。この調節性有効口径３６０を約３ｍｍに減らすと、単一全ＴＬＣＬ５００／６００の光パワーが少なくとも３．５ディオプタとなることがあり、デュアル全ＴＬＣＬ５００眼内補綴物が少なくとも７ディオプタとなることがある。デュアル全ＴＬＣＬ構造物７００を模式的に図２７に示す。

これまで単一可変周波数駆動信号成分を有する単一駆動信号を用いて提案する解決策の実施様態を説明してきたが、本発明はこれに限定されるのではない。複数の可変周波数駆動信号成分を相互に混合し、同時に印加して、電場に所望のプロファイルを作ることができる（周波数依存性材料及び／又は構造物を用いて）。ある実施様態では、複数の周波数が一緒になって充填因子可変のパルス幅変調信号をつくることができる。信号中の高周波含量を変更するためにこの充填因子を変えることができる。さらなる詳細は、同時係属中の本願と同一出願人に譲渡されたPCT/IB2009/052658号（２００９年６月２１日出願、なお、この文献を参照によって本書に援用する）に説明されている。

印加された駆動信号が短周波数である場合、構造物全体に渡り実質的に平坦な効果的な電極が作られる。この孔パターン電極３２２の「横への」延長は、２つの効果的に均一な電極構造物３２２−４２６と１２４の結果として、電場プロファイルを均一となるように変化させる。このような均一なフィールドは、液晶分子に対する均一な整列効果を有し、光収束効果が消え去る。

比較的低周波の駆動信号の使用で回位（配向不良）が減少することが明らかとなった。低周波駆動信号で与えられる平坦な電場プロファイルを使用すると光収束を「消し去る」ことができる。したがって、低周波数と低ＲＭＳ電圧で、他の電極を必要とすることなく、また駆動電圧の非常に低電圧（例えば、０Ｖｏｌｔｓ）または非常に高電圧（例えば、１００Ｖｏｌｔｓ）への大きな変化（ＴＬＣＬ性能を減少させるか、眼内ＴＬＣＬ補綴物などのホスト装置の電圧上の制限に違反する）を必要とすることなくレンズ消去が可能となる。

本明細書に記載の実験結果と製造上の進展は高光パワーでの運転を減らすが、眼内ＴＬＣＬ補綴物には、１０Ｖ未満の小さな最大Ｖｒｍｓ振幅と１０ｋＨｚのオーダーの周波数が用いられる。

＜バイポーラＴＬＣＬ＞

上記において、ユニポーラ（正又は負のみの）光パワー可変性を有する可変光パワーＴＬＣＬについて主に述べてきた。ＴＬＣＬ３００／４００／５００を、正負両方の光パワー可変性を示すように製造または運転できることが理解される。本発明はユニポーラＴＬＣＬに制限されているのではない。

図２８は模式的に、ＬＣ層５１０のバイポーラ動作を示す。同時係属中の、本願と同一出願人に譲渡された米国特許仮出願第61/441,647号（「Bipolar Tunable Liquid Crystal Lens Optical Device and Methods of Operating Thereof」）は、例えば図２８（挿入図）に記載の全ＴＬＣＬ構造物８００への差動駆動信号の印加について述べている。

＜調整可能光学装置系＞

提案する解決策によれば、例えば可変光パワーを有する眼内ＴＬＣＬ補綴物を作るのに、光学系全体の収束スペース中におけるＴＬＣレンズの可変光パワー応答が用いられる。刺激信号に応じた混合周波数振幅制御を用いて光パワーを最小値と最大値の間で変化させることができる。

ＴＬＣＬのチューニング用の制御駆動信号は、少なくとも１つの測定された生理変化及び／又は少なくとも１つの環境条件の関数としてＴＬＣＬに光伝播を制御させるように構成された制御信号エレクトロニクス１３００から与えることができる。例えば、図２９に模式的に示されているように、眼内ＴＬＣＬ制御システムは、眼の網膜１３０６上にイメージを収束させるために、必要なら少なくとも１つの固定レンズ要素１３０４と組み合わされたＴＬＣレンズ１３０２を有している。このＴＬＣレンズ１３０２が光収束の制御を行う。認知されたイメージは、不随意筋の緊張などの測定可能な生理変化（１３０８）、及び／又は瞼の運動や細目などの随意（意識的）動作で引き起こされる生理変化を引き起こす。この生理変化の測定に、例えば圧力や緊張、ストレス等の測定に、変換器１３０８が用いられる。センサは、筋の収縮や緊張、振れ等を測定する。自然調節には睫毛筋肉がある役割を果たすが、この生理変化変換器１３０８を、眼の睫毛の筋肉をモニターするように構成することができる。しかしながら本発明は、睫毛筋肉の生理変化に限定されるものではなく、眼内または眼外の様々な筋肉が使用でき、例えば目蓋に関連する筋肉が使用できる。変換器１３０８は刺激信号を与える。眼を細める動作などの生理変化は、シーンの変化ではなく例えば光パワーの変化により誘起される不随意な変化である。変換器１３０８により与えられる刺激信号を増幅／補正するのに、更なる刺激を与える周囲（外部）センサ１３２０を、（例えば重み係数を与えるために）用いてもよい。

電場コントローラ１３１０は、少なくとも１つの刺激を、少なくとも１つの電気的駆動信号パラメータに変換する。本発明を限定することなく、この電場コントローラ１３１０は、その全体機能を発揮するのにルックアップテーブルを使用することができる。少なくともこのような場合、変換機能は、外部センサの刺激を（これに限定されずに）含むＴＬＣレンズ１３０２と一般的な光学系に関する経験的な情報を考慮に入れることに関する。水晶体を置換する眼内ＴＬＣＬ補綴物では、この外部センサが眼の可変虹彩の効果を考慮に入れるように構成でき、及び／又は電場コントローラ１３１０が、典型的な時変虹彩可変性（例えば、ルックアップテーブルを通して時変検量線が使用可能である）を考慮に入れるように構成することができる。例えば時変自然虹彩可変性情報を使用して、不必要にＴＬＣＬレンズを極端にまで駆動する正のフィードバック状況を防止するように電場コントローラ１３１０の応答を調整することができる。自然虹彩（また虹彩を制御する神経系）の自然な反応は様々であり、この虹彩もＴＬＣＬ眼内レンズ補綴物の様々な動作に反応するものと考えられる。図２９では、この周囲センサ１３２０が光路中に、例えば虹彩の後の光路中にあるように描かれている。本発明は、眼の水晶体を置換するＴＬＣＬ眼内補綴物に限定されるものではない。他の眼の空洞にＴＬＣＬを植設すると、ＴＬＣＬが虹彩の前になったり後ろになったりする。このため、この周囲センサ１３２０の位置は可変である。もう一つの例では、この生理変化センサ１３０８及び／又は周囲センサ１３２０が、眼の網膜に向いた、網膜からの逆散乱光を受けるイメージセンサで置換されていてもよい。ピクセル数が少ないため、このようなセンサに、網膜に投影されたイメージの鮮明度を検知するように構成させることができ、その場合、このイメージセンサは、刺激信号としてフォーカススコアを与える。

電場駆動回路１３１２は、これらの電気的パラメータを、ＴＬＣＬ１３０２に印加される少なくとも１つの駆動信号に変換する。本発明を限定することなく、部品１３１０をマイクロコントローラ上で使われるマイクロコードを用いて実行でき、部品１３１２が、所望の周波数とＲＭＳ電圧の駆動信号を与えるために、マイクロコントローラの制御下で切り替えられる電圧源を有することができることは当業者には明白であろう。このようなマイクロコントローラを、刺激を入手し、ベストの光収束に向けて光パワーを変化させるようにＴＬＣＬ１３０２を運転するための駆動信号パラメータを決めるように構成することができる。例えば、閾値より小さな微量の刺激信号変化を検出することにより最善の光収束が得られる。

周波数信号発生器は既知であり、このため本明細書中では、調整可能光学系のＴＬＣＬ制御部を実行するのにこのような周波数信号発生器を使用することに関して、ほんの少しの説明しか行わない。例えば、低電力運転を行うために、小型周波数発生器が、電圧ブースト回路と数個（４）のＭＯＳＦＥＴを有する“Ｈ”ブリッジ回路とを有することができる。このような回路の消費電力は、市販製品の典型的な効率数を用いて予測され、眼内補綴物の作動中のパラメータに違反しないことがわかった。ＭＯＳＦＥＴスイッチにより消費される動力は、三成分（静的動力と動的動力と負荷動力）を有する。静的動力は、全てのバイアス成分の合計である。動的動力は、ＭＯＳＦＥＴゲート静電容量の充放電であり、負荷動力は、ＭＯＳＦＥＴのドレインおよびソース末端間で消費される動力（ｌｍａｘ＊ＲＤＳ（ｏｎ））である。駆動信号振幅制御用の低圧電源があると仮定すると、スイッチトキャパシタ（「電荷ポンプ」）回路または誘導性回路のどちらかを用いて電圧をブーストすることができる。いずれの場合でも、市販製品の効率はよく似たものであり、作動中のパラメータ内に収まることがわかった。誘導性ブーストはこの電荷ポンプよりいくつかの利点をもたらす。

＜眼内ＴＬＣＬ補綴物の実施様態＞

非制限的な例として、図１５の全ＴＬＣＬを参照して、図２７のデュアル全ＴＬＣＬ７００を参照して、また図２８のバイポーラ全ＴＬＣＬ８００を参照して、提案する解決策による眼内可変光パワー平坦ＴＬＣレンズのジオメトリが与えられた。適当な生体適合性／非有毒物質が試験され、次のように推測された。熱サイクリング試験は、長期保管性を確認するとともに、操作性を担保した上で滅菌上の要件に適合することを示した。実験テストは、数年単位の長寿命を示した。ＴＬＣＬ眼内光学装置は、層を重ね合わせて、また優先的には平行な状態で製造可能である（多数のユニットは同時に、“ウェハレベル”と呼ばれる）。最終製品は、単一化により得られ、必要なら、全ＴＬＣＬ内に直交する偏光の両方を収束させるため運転軸（ダイレクタ）を交差（直交）方向に有する単一ＴＬＣＬを結合して得られる。上記開示のように構成されたＴＬＣＬは、眼内ＴＬＣＬ補綴物に必要な動作パラメータを満足させるが、適応眼内補綴物中のこのようなＴＬＣＬの小型化と低電力操作性は、ジオメトリと材料の選択に依存して、また特に動作パラメータのトレードオフに依存して、大きく変化することとなろう。

例えば成人の白内障手術の際の水晶体除去に先立って２０−２０の視力を仮定すると、若年者の調節範囲と比べると小さいものの３ディオプタの光パワー範囲が、通常、無限遠〜約３０ｃｍに及ぶフォーカス範囲を与えるのに十分な光パワー可変性を与える。３ディオプタより大きな光パワー範囲は、より短い焦点及び／又はより大きな不完全視力矯正能力を与えることができる。例えば、２．５ディオプタは老眼の補正に有用である。このように、与えられる視力条件により異なる適応調節が必要であり、したがって異なる光学範囲可変性が必要である。他の要素に対応するのに若干の予備光パワーが有用であろう。

例えば、上記（デュアル）全ＴＬＣＬ構造物（７００）５００／６００を、最大の光パワーを使って無限遠に収束し、最小の光パワーを使って最近の収束距離を有するように構成することもできる。ＴＬＣＬが正レンズまたは負レンズのどちらに作られているかにより、無限遠フォーカスまたは最近接フォーカスが、最大のパワードライブまたは最小のパワードライブのいずれかに対応する。この配置は、手術前の眼の収束能力や選択されたＴＬＣＬの作動モード等の因子に依存する。あるいは、本発明を限定することなく、バイポーラＴＬＣＬ８００を用いて、このＴＬＣＬを一極性の最大光パワーで運転することで無限遠収束が得られ、このＴＬＣＬを他方の極性の最大光パワーで運転することで最近接収束が得られ、ゼロ光パワー調整を用いて作業／読み取り距離／腕の長さの収束が得られる。

水晶体除去後に得られる典型的な水晶体嚢のサイズは、直径が約９ｍｍで厚みが４ｍｍ（前後の寸法）である。図１５は、０．５ｍｍ厚の平坦な全ＴＬＣＬ５００／６００を示し、図２７は、１ｍｍの平坦なデュアル全ＴＬＣＬ７００を示す。図２８は、１００μｍガラス基板１２４を用いる０．５ｍｍ厚の平坦なバイポーラＴＬＣＬ８００を示す。例えば、約４．５ｍｍの調節性有効口径３６０を有するＴＬＣＬは、単一平坦な全ＴＬＣＬ５００／６００を用いて少なくとも１．７ディオプタを与えることができ、デュアル平坦全ＴＬＣＬ７００を用いて少なくとも３．５ディオプタを、平坦バイポーラ全ＴＬＣＬ８００を用いて少なくとも７ディオプタを与えることができる。４．５ｍｍの調節性有効口径３６０は、切開が比較的小さいという長所を有する。より大きな調節性有効口径３６０は、低い光条件下での動作を許容するものの、低光パワーであってもより大きな切開及び／又は折り畳み可能なＴＬＣＬ構造を必要とする。例えば、６ｍｍの調節性有効口径３６０は、４．５ｍｍの調節性有効口径３６０を有するＴＬＣＬの光パワーの約半分を与えるであろう。６ｍｍの調節性有効口径であっても、水晶体嚢の寸法に違反することなく操作性を確実にするため有効口径３５０の周りに十分な予備構造材が与えられる。逆に、より小さな調節性有効口径３６０は、より小さな切開が必要なこと、及び、大きな光パワーでの動作という長所を有する。例えば、約３ｍｍの調節性有効口径３６０を有するＴＬＣＬは、単一平坦全ＴＬＣＬ５００／６００を用いて少なくとも３．５ディオプタを与えることができ、デュアル平坦全ＴＬＣＬ７００を用いて少なくとも７ディオプタを、また平坦バイポーラ全ＴＬＣＬ８００を用いて少なくとも１４ディオプタを与えることができ、若年者の調節範囲をより多くカバーできる。より小さな調節性有効口径３６０は、より大きな光パワーを与えるが、光スループットを制限することがある。光スループットは、ＴＬＣＬ構造物層の光透過率及び／又はいずれかの封入材料の光透過率を大きくすることで増加させることができる。例えば、より柔軟で薄い単一全ＴＬＣＬ５００／６００または単一のバイポーラ全ＴＬＣＬ８００を使用すると、少なくとも９０％の透過率を得ることができる。柔軟性が低くより厚いデュアル全ＴＬＣＬ７００は、少なくとも８０％の透過率を与える。いくつかの層の厚みを減らすと、その層の材料／物理的性質により透過率を変化（減少／増加）させることができる。

頂部と底部の整列層１１２／１１４は、低いプレチルト角の、例えば３°の液晶基底状態配向を誘起させる表面を与えるために擦られた約２０ｎｍ厚のポリイミド層を含むことができる。例えば、この液晶層５１０は５〜３０μｍ厚であってよく、厚みが大きいほど大きな光パワーをあたえる。より厚い液晶層５１０は、より高い動作温度と駆動信号動力を必要とする傾向にある。

孔パターン電極３２２は、アルミニウム（Ａｌ）などの不透明金属でできていてもよく、あるいは透明な酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で出来ていてもよい。この孔パターン電極３２２の厚みは約１０ｎｍであってもよい。本発明を限定することなく、この孔パターン電極層３２２はまた、実質的に光学的に不可視であってよく、このためこの光学装置中の光の伝搬を妨害することはない。

弱導電層４２６の厚みは約１０ｎｍであってよい。ＷＣＬ４２６のこの周波数依存性（誘電性または複素誘電性）材料は、限定されることなく酸化チタンなどの様々な材料を含むことができる。酸化チタンは、印加駆動信号周波数と共に変化する半導性を有する。

図１４の実施様態では、孔パターン電極５２２と周波数依存性材料５２６が、２つのＬＣ層５１０間に共有される単一の可変導電層５２８を形成して、厚みを小さくしている。

基板１２４は、ＴＬＣＬ５００／６００／７００が曲がり、このため切開サイズを小さくできるような一定程度の柔軟性を有している。上記は、１００μｍ厚のガラス基板を仮定している。デュアルＴＬＣＬ構造物中で、中央のガラス基板１２４の１つを除くことで（図２７参照）、あるいはより薄い基板１２４を使用することで、より大きな柔軟性を得ることができる。基板１２４は５０μｍまで薄くてもよく、この基板は、適当な（順応する）接着剤とともに、適度の柔軟性を与えるとともに切開サイズの低下を可能とする。あるいは、円状の外形を有する平坦なＴＬＣＬ５００／６００／７００／８００を使用して切開サイズをさらに低下できる。典型的なＴＬＣＬは、標準的なスクライブ・ダイシング法を用いてウェハレベルでそれぞれ角型に製造単一化させたものであるが、レーザー切断法が丸型眼内ＴＬＣＬの単一化に成功裏にテストされている。

あるいは、平坦（デュアル）全ＴＬＣＬ構造物（７００）５００／６００は、眼内補綴物であるレンズ状体中に封入することができる。図３０Ａに示されているように、実質的に外形が球状のレンズ状体を使用することができる。周知のように、水晶体と水晶体嚢は必ずしも対称ではない。

水晶体除去前の自然の眼が２０−２０でない場合、ある組成とある屈折率を有するように構成されたレンズ状体の形の組み合わせを用いて、ベースライン補正を行うことができる。図３０Ｂと３０Ｃは、その上にさらに固定光パワーレンズ要素（非調整可能）を有する封入ＴＬＣＬを示す。フロント光学要素のみが示されたが、ＴＬＣＬの平坦な表面の一方または両方が、その上に設けられた固定光学要素を有することができる。眼内補綴物の調節範囲の移動又は強化を行うのに、このレンズ状体と固定光パワー要素の組み合わせを用いることができる。例えば、この固定光学要素が＋１１ディオプタを与え、ＴＬＣＬが７ディオプタの調整（正のＴＬＣＬ）を与える場合、このような眼内ＴＬＣＬ補綴物で与えられる光パワーは、１１から１８ディオプタに変化することがある。負のＴＬＣＬが−７ディオプタの調節をもたらす場合、このような眼内ＴＬＣＬ補綴物により得られる光パワーは、１１から４ディオプタに変化する。

ＴＬＣＬ５００／６００／７００／８００眼内光学装置の収束スペース中での位置は、特に図３０Ａと図３０Ｂと図３０Ｃから明白である。より多くの光学要素が、光入射に対してＴＬＣＬ５００／６００／７００／８００の前に存在し、またＴＬＣＬ５００／６００／７００／８００が、この列の最後のまたは最後から二番目の光学要素である。図３３Ａと３３Ｂから明らかなように、「この列中の光学要素」には、角膜、眼房水、虹彩などの生体組織やＴＬＣＬ５００／６００／７００／８００の前の（限定されずに）眼内レンズが含まれる。

提案する解決策のいくつかの実施様態では、複合眼内補綴物は、上記ＴＬＣＬ５００／６００／７００／８００と、電子部品パッケージ１３００と、例えば（生体適合性）Kapton（商標）（KaptonはE.I.du Pont de Nemours and Companyまたはその系列会社の商標である）からなるフレキシブルプリント回路基板（ＰＣＢ）の蓄電装置を有している。なお、このフレキシブルＰＣＢはそれ自体、口径を有する。図３１Ａに示すように、このような複合眼内補綴物の一例は、ＴＬＣＬの上に明白な固定光パワー要素を形成し、また、電子部品パッケージ１３００を封入する封入材料と蓄電装置とを含んでいる。図３１Ａは極めて概略的であるが、このローブ形状は、明白なレンズ状の形状を用いて、高光パワー固定光学レンズ要素を与える。提案する解決策のもう一つの実施様態では、図３２は、複合眼内補綴物の上面図であり、ここでは電源と電子部品パッケージ１３００が眼内補綴物の周囲に設けられている。図３１Ｂは、一列の眼内ＴＬＣＬ補綴物を製造する際に使用する封入用金型の断面図を示す。この金型は、一列の封入材料保持用の空隙を有している。

センサ１３０８が眼内ＴＬＣＬレンズの周囲に設けられているため、このような内圧センサを、水晶体嚢に働く外部の機械的運動、例えば睫毛の筋肉による機械的運動を検出するように構成できる。

図３１Ａには、外部の振れセンサと送信器が示されている。この外部の振れセンサと送信器は、筋肉（睫毛の筋肉に限らず）に取り付けられて、筋肉運動の形の生理変化を測定し、刺激信号を眼内補綴物のピックアップコイルに伝える。目蓋の筋肉が他の例である。目蓋の筋肉は、身体により自律的／本能的にコントロールされる以外に、意識的にコントロールされるという長所を有している。例えば、この振れセンサがピエゾ素子を有することもできる。複数のピエゾ素子配列を、筋肉の屈曲や収縮などに反応してフィードバック刺激信号を与えるように構成することもできる。このようなピエゾ素子は、眼の近傍のどの筋肉環境（例えば、眼から約１ｃｍ離れた顔筋肉）にも適合する。

外部の生理変化測定は必ずしも伝達させる必要はない。図３３Ａと図３３Ｂは、（解剖学的にではなく）模式的に、眼の外側の生理変化を検出する複合眼内補綴物を示す。利点は、低電力複合眼内装置に由来する。

一実施様態では、センサ１３２０が、少なくとも１つの、通常は複数の光センサを有し、これらが目蓋位置の検出のためにＴＬＣＬの周りに設けられている。図３３Ａは、これらの光センサの位置を示し、挿入図は、この複合眼内ＴＬＣＬ補綴物の周囲の光センサ分布の一例を示す。調節性有効口径３６０が大きいほど、水晶体嚢中に植設された眼内ＴＬＣＬ補綴物のために、光センサ１３０８が虹彩の後ろでより長く時間を使う。図３３Ａの挿入図は、瞬きまたは細目の際の光センサに対する目蓋の相対位置を示す。例えば、統計的に瞬きを見逃す低速度サンプリングにより、あるいは光センサ上に入る光を比較的長期間積分することにより、瞬きを細目から区別することができる。目蓋の位置は、光測定のパターンから推測できる。この実施様態を使うと、水晶体を複合眼内ＴＬＣＬ補綴物で置き換える方法以外に他の方法を用いる必要がないようである。

提案する解決策のもう一つの実施様態では、生理変化センサ１３０８が、少なくとも１つの、通常は複数の、変動磁場に敏感なコイルを含んでいる。図３３Ｂに模式的に示すように、生体適合性材料に封入された少なくとも１つの、通常は複数の、磁性ビーズ（例えば、それぞれニオブを含む）を、目蓋の縁の中に挿入して植設できる。ヒトの眼は、静止しておらず、知らずにランダムな方向に毎秒３０〜７０回の範囲の頻度で動いている。このようなコイルは、目蓋の運動と不随意の眼の運動の両方で誘起される磁場変動を検出して目蓋の閉鎖の程度を決定でき、これが次いで刺激信号として与えられる。複数の磁性ビーズを用いて、眼窩内の眼の配向を考慮に入れることができる。デュアル眼内補綴物は、例えば視角の測定から収束距離を決めるのに、眼の配向情報を共有できる。

提案する解決策によれば、運転中に刺激信号が測定により生成される。例えば、目蓋が閉じると、ＴＬＣＬレンズの動力が下げられ、人が細目をすれば、ＴＬＣＬは無限遠に焦点を結ぶようにされる（駆動または非駆動）。細目／リラックス／開放でない場合は、ＴＬＣＬは高い光パワーを与えるようにされる（非駆動または駆動）。上記に本発明を限定することなく、他の様々な目蓋の動きを使用することができる。

提案する解決策の一実施様態では、目蓋の動きをその間で検知し、これを眼内レンズの動作に用いてもよい。例えば、校正に、眼から特定の距離にあるテストパターンを用い、承認／否定／増加／減少／選択／退出などの目蓋の動きを用いることができる。

蓄電装置は、電池またはキャパシタを含むことができる。電源に関しては、複合眼内補綴物は低電力運転に限定されるであろう。例えば、十分な動作時間を与えるのに、５Ｖの電池またはキャパシタが使用できる。例えば３．０ｍｍの調節性有効口径３６０の場合、全ＴＬＣＬ５００／６００は０．０３５ｍＷを消費し、ＴＬＣＬと電子部品パッケージ１３００の両方の総消費電力は約０．２０ｍＷである。４．５ｍｍの調節性有効口径３６０を有するデュアル全ＴＬＣＬ７００は０．１５７ｍＷを消費し、総消費電力は約１．３５ｍＷである。より低動力運転も可能だが、他の眼内補綴物の動作パラメータにトレードオフがある。

このＴＬＣＬは電気回路中で容量性負荷として現れる。例えば７Ｖ／１０ｋＨｚでの運転では、３．０ｍｍの調節性有効口径３６０を有する全ＴＬＣＬ５００／６００は、約７０ｐＦの代表静電容量を有し、４．５ｍｍ調節性有効口径３６０を有するデュアル全ＴＬＣＬ７００は、約３２０ｐＦの代表静電容量を有する。低電圧運転も可能だが、高速での光パワー変化時間は、高電圧運転が好ましい。例えば、７Ｖでの運転では、光パワー変化時間が約０．４ｓとなり、０．２ｓと０．６ｓの間で変化することがある。

＜複屈折誘起オフセットのパラメトリック補償＞

提案する解決策の一実施様態では、偏光非依存性のＴＬＣＬ眼内補綴物の複屈折誘起性のフォーカスオフセットを、パラメトリックＴＬＣＬを用いて補正できる。

提案する解決策のもう一つの実施様態では、画像面から離れた収束スペース中で入射イメージを画像面に投影するために使用されるＬＣレンズが与えられ、このＬＣは複屈折性であり、入射光を直交する偏光に分割する。このＬＣレンズは複数の部品を含む。即ち内部を通過する入射光を変調する一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルは、対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、内部を通過する相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延を受けるようにする少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有する。各ＬＣ層は、対応する距離分だけ変調された光をオフセットさせる。各ＬＣ層は、対応する入射偏光を画像面上に収束させるために空間変調されたＬＣダイレクタ分布を有している。各孔パターンリング電極は、入射光に非対称な位相プロファイルを与えるために分割されている。対応するＬＣセルの上記分割孔パターンリング電極の少なくとも１つのセグメントは電気的にバイアスされて、中心異常光線と中心常光線の内の対応する１つを光軸上に投影するようになっている。

収差や非点収差、コマ収差などの光学的誤差補正もまた、分割電極を有するパラメトリックＴＬＣＬ構造物を用いて、複合眼内補綴物中で行われる。例えば、移動可能な光軸を有する調整可能液晶レンズは、同時係属中の、本願と同一出願人に譲渡された国際特許出願PCT/CA/2010/002023号(「Image Stabilization and Shifting in a Liquid Crystal Lens」、これは、２００９年１２月１３日出願の米国特許仮出願第61/289,995号(「Image Stabilization and Shifting in a Liquid Crystal Lens」の優先権を主張し、これら両方を参照によって本書に援用する）に述べられている。同時係属中の本願と同一出願人に譲渡された米国特許出願第61/410,345号（２０１０年１１月４日出願、「Methods of Adjustment Free Manufacture of Focus Free Camera Modulus」、なお、これを参照によって本書に援用する）には、ＴＬＣＬ製造時の光学系全体の光学的誤差／収差の説明が記載されている。

図３４Ａは、光パワーの入射光ビームを収束させるＴＬＣＬのフリンジパターンを示す。図３４Ｂおよび図３４Ｃは、提案する解決策による左右のパラメトリックシフトを示す。パラメトリックＴＬＣＬの使用の利点は、ＴＬＣＬで与えられる光パワーに対応した最適の矯正シフトを、例えばルックアップテーブルを経由して与えることである。

＜機能的眼内補綴物＞

図３５は、提案する解決策のもう一つの実施様態を示し、この中では、電子部品パッケージが外部にあり、例えばメガネフレーム（図示せず）の中にある。図３６Ａおよび図３６Ｂは、駆動信号カプラを用いるワイアレスＴＬＣＬドライブの例を示す。図３６Ａは、ＬＲＣ共振回路中でキャパシタとして連結されたＴＬＣＬと共に用いられる誘導性ドライブカップリングを示す。図３６Ｂは、容量性ドライブカップリングを示す。図３６Ａおよび図３６Ｂは電子回路図である。図３６Ｂ中の“レシーバプレート”は、眼内補綴物から分離された部品である必要はなく、固定光学要素は、眼内補綴物の縁まで伸びている必要はない。ＴＬＣＬの縁は電極層接点を含み、封入が必要である。図３７は、駆動信号カプラ受信要素の複合受信コイル／レシーバプレートの位置を示す。このような信号受信要素はまた、複合眼内補綴物の電源（ダッシュで示す）を充電し、あるいはその放電を遅らせるための電力カプラの受信要素として用いることもできる。図３６Ａまたは図３６Ｂに示すのと同様に動作時または夜間に蓄電装置（電池またはキャパシタ）を充電するために、例えばメガネフレーム（ピアノ線を含む）またはアイパッチを使用できる。このようなメガネフレームまたはアイパッチは、動力伝達用の外部伝送要素を有している。

＜導電性浮遊電極の波面調整＞

孔パターン電極と弱導電層電場制御構造物の組み合わせにより生成されたＬＣ層に加わる電場強度の急激な半径方向の減少は、液晶（ＬＣ）レンズ光学装置の球状波面からの離脱を引き起こす。図３８は、ＬＣレンズが入射光に（中央に平らな頂部を有し、周囲でガウス曲線的な低下をしている）非球面波面を与えている様子を誇張して示す。ＬＣレンズの材料特性や孔パターンリング電極直径や電極スペーシングなどの比率などのジオメトリパラメータにより、ＬＣレンズの変調伝達関数（ＭＴＦ）は、いくつかの場合、有効口径内中央のインフォーカス領域か有効口径内周辺のインフォーカス領域のいずれかを与える。これは、ＬＣレンズが使われているカメラ／眼内補綴物の変調伝達関数をかなり低下させるため、これに限定されないが、眼内装置などの様な（大きな）ミリメータサイズの有効口径用途には不適正かもしれない。

孔パターン電極と弱導電層の組合せにより生成される波面を他の形に再成形するのに浮遊電極を使えることが見いだされた。提案する解決策によれば、層状構造ジオメトリと材料特性によっては、円板、リング、およびドーナツ形の浮遊電極の少なくとも１つが、孔パターン電極と弱導電層の組合せにより生成された波面を球状波面に向けて再成形するために使用できる。

提案する解決策の一実施様態では、図３９は、２つのＷＣＬ層の間にある電気的に浮遊する、即ち電気的に連結されていない円板形の層を示す。この浮遊層が本来非誘電性であり、導電体または半導体材料を含み、そのようにして、位相プロファイルを所望の（例えば、球状の）位相プロファイルに変換する非駆動電極となりうることが好ましい。円板形の浮遊電極は、電場の中央部に影響（断面の円形化）を与えやすく、リング／ドーナツ形の浮遊電極は、その周辺部に影響（断面の円形化）を与えやすい。一般に、浮遊電極は、光路に添って孔パターンリング電極直径の中にあり、また可能なら光学装置の有効口径の中にあるため、浮遊電極は通常透明であり、例えばＩＴＯである。ＬＣレンズ光学装置では通常、使用浮遊電極が透明であることが好ましい。しかしいくつかの実施様態では、この浮遊電極が（全体として）光学装置の光学口径を規定するのに関与することができ、その場合には、この浮遊電極は完全に透明でなくてもよい。回折光学装置では、この浮遊電極をある程度の回折または回折補正を与えるように構成することができ、この浮遊電極は完全に透明である必要はない。

製造上の視点から、図３９は、図１５に示す全レンズジオメトリに似たＬＣ全レンズ（偏光非依存性）ジオメトリを示す。図中、中間基板５４０は、２つの別の基板からなり、その少なくとも１つの基板上に浮遊電極が設けられている。本発明は、同じ厚みの別々の中間基板（５４０）に限定されるものではない。本発明はまた、ＬＣレンズ光学装置の別々の中間基板（５４０）間に浮遊電極を形成することに限定されない。光学装置全体の中で望ましい作動中の波面調整効果を与えるために、この浮遊電極を、中間基板５４０の対応する側がＷＣＬ層と接触しているあるいは非接触である単一の中間基板５４０の一面に形成することができる。

図４０は、図３９に示す積層ジオメトリの導電性円板浮遊電極を用いるＬＣレンズ内での波面調整を図示する。なお、その際の半ＴＬＣＬの空隙（中間ガラスの厚み）はｄ＝１００ｍであり、１０ディオプタでε＝６．９であった。「第三電極なし」の表示のある曲線は、図１５に示すような積層ジオメトリであって、浮遊導電性電極がないものであり、比較的高い球状収差へ導く中心に平坦な領域を有する波面プロファイルを与える。孔パターン電極口径リング直径（ＡＲＤ）３５０が２．２５ｍｍで有効口径３６０が１．９ｍｍである図示のＬＣレンズジオメトリであって、浮遊電極が追加された（例えばＩＴＯ円板中）ものでは、浮遊電極の直径が大きくなると、波面プロファイルは中心がますます球状となる。

この浮遊電極のジオメトリは、異なる光学装置パラメータ（ＬＣレンズが使用されるカメラまたは眼内装置フォーマットに関するパラメータを含む）を有するように、例えば（限定されることなく）異なる中間基板／間隙の厚みや有効口径、間隙材料誘電率等を有するように構成することができる。一般的な傾向はよく似ているが、いくらか定量的な差異があり、各ＬＣレンズにはこれらを考慮に入れることができる。図４１は、直径が１．２５ｍｍの円板形浮遊電極の波面プロファイル改良の（断面の）円形化が、図４０のＴＬＣＬジオメトリの場合、例えば５ディオプタや１０ディオプタなど他の光学パワー設定でも保持されることを示す。

＜浮遊電場制御構造での波面調整＞

本発明は、導電体／半導体浮遊電極材料に限定されるものではない。提案する解決策のもう一つの実施様態では、位相面の更なる動的制御を与えるために、例えば、限定されることなく円板、リング、ドーナツなどの浮遊「抵抗性」要素を電場制御構造物中で使用できる。この材料が周波数依存性の導電性を有する場合、光学装置の周波数依存性制御が与えられる。

図４２は、ＰＣＴ出願PCT/IB2009/052658号（２００９年６月２１日出願、「Electro-Optical Devices using Dynamic Reconfiguration of Effective Electrode Structures」）と国際特許出願PCT/CA2011/050651号（２０１１年１０月１４日出願、「In-Flight Auto Focus Method and System for Tunable Liquid Crystal Optical Element」、これは、２０１０年１２月２０日出願の米国特許仮出願第61/424,946号の優先権を主張し、これら両方を参照によって本書に援用する）に述べられているような、両方のＬＣ半レンズを同期して作動させるための、単一の中心孔パターンリング電極と単一の弱導電層を用いる偏光非依存性の全レンズ層状構造物を示す。中心孔パターン電極と各ＬＣ半レンズの外側の平坦電極との間で中心孔パターン電極の両側の電場を同時に制御するために、好ましくは、ただし限定されることなく周波数依存性材料を含む単一ＷＣＬ層と、両方のＬＣ半レンズに共通の単一孔パターンリング電極が共に使用される。

提案する解決策のもう一つの実施様態では、空間分布を有するＷＣＬを、波面プロファイルを円形化するのに用いることができる。図４３に、測定された波面プロファイルと、これに対応する、駆動信号周波数が３０ｋＨｚで空間的に均一なＷＣＬシート抵抗Ｒｓを有する図４２に示されるようなＬＣ全レンズジオメトリの最適二次フィットを示す。図４４は、図４３に示される二次フィットに対応する位相面調整を与えるように構成された規格化シート抵抗のグラフである（図中、Ｘは半径方向である）。図４５は、２１ｋＨｚの周波数と同じ電圧振幅を有する駆動信号が使われると、同一ＬＣレンズジオメトリで波面円形化が保持されることを示す。

提案する解決策の後者の実施様態のもう一つの実施様態では、リング／ドーナツ形のＲｓ空間分布が、波面プロファイルの円形化に用いられる。図４６は、単一ＷＣＬ中央のリング要素を有するＬＣ全レンズ層状構造を示す。図４７に示すように、一次の円形化補正を与えるために第二のＷＣＬリング／ドーナツ層を使用できる。平坦な頂部が減るが、改善された波面低下は、徐々に急傾斜となるプロファイルを含む。

提案する解決策の他の実施様態では、浮遊電極と浮遊抵抗構造物（それぞれ、円板、環、ドーナツ等のうちの１つの形状を有する）を含む多数の浮遊要素を、波面プロファイル補正を構成するのに使用できる。

＜分割セル補償＞

上述の、および図示された液晶セルのいくつかは偏光非依存性の運転のため、２つの直交配向のセルを有する単一配向を有するが、他の配列ももちろん可能である。例えば、より大きな運転の角非依存性を与えるために、多数のセルは、各偏光に逆ダイレクタ配向を与えることができる。この一例は、本願と同一出願人に譲渡された国際特許出願PCT/CA2009/000743号（この明細書を参照によって本書に援用する）の図１３Ａに示される分割セルデザインである。

提案する解決策のさらなる実施様態では、眼の網膜上への非偏光の入射光フィールドの収束を増加させるために収束スペースで眼レンズ代替物または増強装置として使用される調整可能視界補正ＬＣ光学装置が与えられる。このＬＣレンズは複数の部品、即ち内部を通過する入射光を変調する一対のＬＣセルを含む。なお、各ＬＣセルは、対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、内部を通過する相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延を受けるようにする少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有している。このＬＣ層は、対応する距離だけ変調された光をオフセットさせ、各分割ＬＣセルは、対応するオフセット中心光線を上記画像面で上記光軸上に向けるように構成されている。各分割ＬＣ層は、逆配向の整列層で挟まれた一対のＬＣ層と、一対の逆配向の整列層で挟まれた一対の膜分離されたＬＣ層の１つである。

＜容量結合型複屈折誘起性オフセット補償＞

同時係属中の、本願と同一出願人に譲渡された米国特許出願第61/725,021号（２０１２年１１月１１日出願、「Capacitively Coupled Electric Field Device」、なお、これを参照によって本書に援用する）は、入射光に非対称な位相プロファイルを与えるための孔パターン電極の口径内にある複数の電気的に浮遊分割された同心円状導電性リングについて述べている。周波数依存性構造物を形成するために、これらの電気的浮遊分割電極は、制御された重ね合わせと、それに電気的に接触している弱導電性材料の１つを用いて容量的に結合する。図４８Ａ、図４８Ｂ、および図４８Ｃに示すように、複屈折誘起性のオフセットを補償するために、同心円状リングセグメントの少なくとも１つのセクタが電気的にバイアスされている。さらなる詳細は、同時係属中の、本願と同一出願人に譲渡された米国特許出願第61/725,021号に記載されている。

上述の、および図示された液晶セルのいくつかは、孔パターンの環状リング電極を有するが、本発明はこれに制限されない。例えば、国際ＰＣＴ出願PCT/CA2010/002023号（２０１０年１２月２３日出願、なお、これを参照によって本書に援用する）は、液晶層に加わる電場を制御して、光傾斜や光像安定化、サブピクセルシフト能力のために非対称な位相プロファイルを与えるための、分割孔パターン電極を有する調整可能液晶光学装置、たとえば、限定されないがレンズについて述べている。イメージセンサからのフィードバックがあると、このようなジオメトリがイメージ安定化に使用できる。

上述の、および図示された液晶セルは、レンズに関するが、提案する解決策を用いて他の光学装置も製造できる。例えば、この液晶材料を、吸収異方性が大きな材料（「二色性吸収」材料とも呼ばれる）と混合して、制御下で配向させ、（偏光無依存の）シャッターとして、または絞り装置として働くようにすることができる。材料特性、具体的には分子長（すなわち、アスペクト比）と所望スペクトル内での光吸収能力が適当であれば、２つの液晶分子の配向状態間の吸光係数の差異（偏光に対する）が数桁異なることがある。炭素ナノチューブ、鎖状二色性染料、金属または半導体のナノロッドが、このような用途に適当となるアスペクト比や吸収特性、安定性を与えることができる。

ここに示した光学装置は、単一偏光及び／又は偏光非依存性のジオメトリのいずれかで、例えば（しかし、限定されずに）小型カメラ（モバイル機器、携帯電話、ウェブカメラ、タブレット等）、内視鏡光学要素、眼内装置、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）／ブルーレイ（商標）ピックアップシステム（「ブルーレイ」はBlu-ray Disc Associationの商標である）などの用途に使用できる。

ここに記載の様々な原理や実施様態を混合、組み合わせて、様々なオートフォーカス特性を有するＴＬＣレンズ光学装置を作ることができることは、当業者には自明であろう。特定の特徴を有するＴＬＣレンズ光学装置を作るために、異なる形や配置の電極、異なる型、形、位置の周波数依存性材料、異なる型のデュアル周波数液晶材料、および異なる駆動信号発生器等を組み合わせて用いてもよい。これらのＴＬＣレンズ装置は、周波数制御であっても、電圧制御であっても、これら２つの組み合わせの制御であってもよい。

好ましい実施様態を参照しながら本発明を示し説明してきたが、添付の請求項に定義する本発明の範囲の精神から外れることなく、形態や詳細の点で様々な変化が可能であることは、当業者には明らかであろう。

Claims (20)

1. 画像面から離れた収束スペース中で入射イメージを上記画像面上に投影するために使われる液晶（ＬＣ）レンズであって、
   上記ＬＣレンズが、内部を通過する上記入射光を変調するための一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルが複屈折性であって入射光を直交する偏光に分割し、上記ＬＣレンズが上記偏光に直交する光軸を有し、各ＬＣ層が、上記光軸から対応するオフセット距離分、横向きに不均一な位相遅延変調された光をオフセットし、
   各ＬＣセルが、上記複屈折依存性のオフセットを補償するために、
   上記画像面上の光軸上に対応するオフセット中心光線を向けるように構成されている、液晶（ＬＣ）レンズ。
2. 請求項１に記載のＬＣレンズであって、
   該装置が、それぞれ主ダイレクタプレチルト配向を与える少なくとも１つの整列層を有する２つのＬＣセル層を有し、上記セル層の上記ダイレクタ配向が相互に直交して、対応する入射光の直交する直線偏光に働き、
   上記ＬＣセル層のそれぞれが、イメージセンサ上にイメージを向けるために、上記セル層中のＬＣの角配向の関数として、１つの偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を引き起こし、直交する偏光に横向きに均一な位相遅延変調を引きおこすように構成されており、
   上記ＬＣセル層はそれぞれ、空間的なオフセットを有する上記不均一な変調を与え、少なくとも部分的にイメージセンサ上に両方の直線偏光を使ってイメージを与えるように構成されており、
   上記補償的な空間的なオフセットが、生成する層シフトと光像シフトの１つにより与えられる、ＬＣレンズ。
3. 請求項１に記載のＬＣレンズであって、各ＬＣセルが、対応する偏光を横向きに不均一に位相遅延変調させ、相当する直交する偏光が内部を通過して横向きに均一な位相遅延を受けるような少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、各ＬＣ層が少なくとも１つの整列層と接触しており、上記整列層のそれぞれが、対応するＬＣ層の主ダイレクタに対してプレチルト配向角を与え、上記整列層の上記プレチルト配向がＬＣセル間で相互に直交している、ＬＣレンズ。
4. 請求項３に記載のＬＣレンズであって、上記光学装置が調整可能ＬＣレンズであり、上記光学装置が、
   各ＬＣ層中に空間変調されたＬＣダイレクタ分布を有し、各ＬＣセルが対応する入射偏光を上記画像面上に収束させ、
   上記整列層の横に与えられた電場制御システムを有し、上記電場制御システムが、少なくとも1つの実質的に電圧振幅と周波数で調整可能なＬＣレンズ制御を与えるために上記ＬＣ層に変調された電場を印加する、ＬＣレンズ。
5. 請求項３または４に記載のＬＣレンズであって、上記レンズが、眼内植設用レンズの内部に封入されている、ＬＣレンズ。
6. 請求項３ないし５のいずれかに記載のＬＣレンズであって、上記電場制御システムが、上記ＬＣ層を挟む一対の透明で平坦な電極と、上記ＬＣ層の間でＬＣレンズ口径を規定する少なくとも1つの孔パターンリング電極を含む、ＬＣレンズ。
7. 請求項３ないし６のいずれかに記載のＬＣレンズであって、上記少なくとも１つの孔パターン電極が、少なくとも１つの孔パターンリング電極を含む、ＬＣレンズ。
8. 請求項３ないし６のいずれかに記載のＬＣレンズであって、上記少なくとも１つの孔パターン電極が、少なくとも２つの孔パターンリング電極を含む、ＬＣレンズ。
9. 請求項３ないし８のいずれかに記載のＬＣレンズであって、上記電場制御システムがさらに、シート抵抗、導電性、および周波数依存性の少なくとも１つを有する弱導電層を含む、ＬＣレンズ。
10. 請求項８または９に記載のＬＣレンズであって、上記電場制御システムがさらに、
    少なくとも１つの浮遊電極と
    弱導電性材料の空間的に不均一な層との少なくとも１つを、
    一対の上記孔パターン電極間に、また少なくとも部分的に上記口径の上に有する、ＬＣレンズ。
11. 請求項８ないし１０のいずれかに記載のＬＣレンズであって、上記浮遊電極が、層、導電性ディスク、導電性ドーナツ、および導電性リング形の電極の１つである、ＬＣレンズ。
12. 請求項８ないし１１のいずれかに記載のＬＣレンズであって、各孔パターンリング電極が、上記光軸から対応する距離分だけオフセットされ、対応する中心異常光線と中心常光線の１つを上記光軸の上に投影する、ＬＣレンズ。
13. 請求項８ないし１２のいずれかに記載のＬＣレンズであって、各孔パターン電極が対応する電極口径を規定し、各電極口径が、有効口径から少なくとも上記オフセット距離の二乗の合計の平方根の分だけ拡大されて、有効口径サイズを与える、ＬＣレンズ。
14. 請求項８ないし１１のいずれかに記載のＬＣレンズであって、各孔パターンリング電極が、入射光に非対称な位相プロファイルを与えるために分割されており、中心異常光線と中心常光線の対応する１つを上記光軸上に投影するために、対応するＬＣセルの上記の分割された孔パターンリング電極の少なくとも１つのセグメントが電気的にバイアスされている、ＬＣレンズ。
15. 請求項８ないし１４のいずれかに記載のＬＣレンズであって、上記孔パターン電極のそれぞれと上記透明電極のそれぞれが独立して駆動され、同一駆動信号で１つの孔パターン電極と１つの透明電極を選択的に駆動させてバイポーラ動作を与える、ＬＣレンズ。
16. 請求項８ないし１１のいずれかに記載のＬＣレンズであって、入射光に非対称な位相プロファイルを与えるための上記孔パターン電極の口径中にある複数の電気的に浮遊分割された同心円状導電性リングが、制御された重ね合わせとそれに電気的に接触している弱導電性材料の１つを用いて容量的に結合し、対応する中心異常光線と中心常光線の１つを上記光軸の上に投影するため、同心円状リングセグメントの少なくとも１つのセクタが電気的にバイアスされている、ＬＣレンズ。
17. 請求項１に記載のＬＣレンズであって、該ＬＣレンズが、眼レンズ代替物として使用するための、または、非偏光入射光フィールドの眼網膜上への収束を増加させるための増強装置として使用するための調整可能視界矯正液晶（ＬＣ）光学装置を含み、この調整可能ＬＣ光学装置が、眼の光軸と実質的に同じ光軸を有し、
    該ＬＣレンズが、四層の液晶を有し、各層が対応するＬＣ層の主ダイレクタに対してプレチルト角を与えるために少なくとも１つの整列表面層を有し、各層の上記ダイレクタが、他の一層のダイレクタに対立し、他の二層のダイレクタに直交し、
    上記層のそれぞれにより引き起こされる複屈折依存性変位が、逆のダイレクタを有する上記他の層の１つにより引き起こされる複屈折依存性変位によって解消される、ＬＣレンズ。
18. 請求項１７に記載のＬＣレンズであって、逆のダイレクタを有する各対のＬＣ層が、
    それぞれ逆配向の整列層で挟まれた一対のＬＣ層と
    一対の逆配向の整列層で挟まれた一対の膜分離されたＬＣ層の１つである、ＬＣレンズ。
19. 画像面から離れて入射イメージを上記画像面上に投影するために使われる液晶（ＬＣ）レンズであって、上記ＬＣが、複屈折性であって入射光を直交する偏光に分割し、上記ＬＣレンズが上記偏光に直交する光軸を有し、
    上記ＬＣレンズが、内部を通過する上記入射光を変調するための一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルは、対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、内部を通過する相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延を受けるようにする少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、上記ＬＣ層は、不均一変調光を対応する距離分だけオフセットし、
    各ＬＣ層が少なくとも１つの整列層と接触しており、上記整列層のそれぞれが、対応するＬＣ層の主ダイレクタにプレチルト配向角を与え、上記整列層の上記プレチルト配向がＬＣセル間で相互に直交しており、各ＬＣ層が、対応する入射偏光を上記画像面上に収束させるための空間変調されたＬＣダイレクタ分布を有し、
    電場制御システムが上記整列層の横に与えられ、上記電場制御システムが、上記ＬＣ層に変調された電場を印加して少なくとも１つの実質的に電圧振幅と周波数で調整可能なＬＣレンズ制御を与え、上記電場制御システムが、上記ＬＣ層を挟む一対の透明で平坦な電極と、上記ＬＣ層の間でＬＣレンズ口径を規定する少なくとも1つの孔パターンリング電極を有し、
    各々の孔パターンリング電極が上記光軸に対し対応する距離分だけオフセットされて、対応する中心異常光線と中心常光線の１つを上記光軸上に投影する、ＬＣレンズ。
20. 画像面から離れて入射イメージを上記画像面上に投影するために使われる液晶（ＬＣ）レンズであって、上記ＬＣが複屈折性であって入射光を直交する偏光に分割し、上記ＬＣレンズが上記偏光に直交する光軸を有し、
    上記ＬＣレンズが内部を通過する上記入射光を変調するための一対のＬＣセルを有し、各ＬＣセルは、対応する偏光の横向きに不均一な位相遅延変調を与え、内部を通過する相当する直交する偏光が横向きに均一な位相遅延を受けるようにする少なくとも１つのネマチックＬＣ層を有し、上記ＬＣ層は、上記変調された光を対応する距離分だけオフセットし、
    各ＬＣ層が少なくとも１つの整列層と接触しており、上記整列層が、対応するＬＣ層の主ダイレクタにプレチルト配向角を与え、上記整列層の上記プレチルト配向がＬＣセル間で相互に直交し、各ＬＣ層が、対応する入射偏光を上記画像面上に収束させる空間変調されたＬＣダイレクタ分布を有し、
    電場制御システムが上記整列層の横に与えられ、上記電場制御システムが、上記ＬＣ層に変調された電場を印加して少なくとも１つの実質的に電圧振幅と周波数で調整可能なＬＣレンズ制御を与え、上記電場制御システムが、上記ＬＣ層を挟む一対の透明で平坦な電極と、上記ＬＣ層の間でＬＣレンズ口径を規定する少なくとも1つの孔パターンリング電極を有し、
    各孔パターンリング電極が入射光に非対称な位相プロファイルを与えるために分割されており、対応するＬＣセルの上記分割された孔パターンリング電極の少なくとも１つのセグメントが、対応する中心異常光線と中心常光線の１つを上記光軸上に投影するために電気的にバイアスされている、ＬＣレンズ。

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