JP2018511075A - 可変焦点薄型電子レンズ - Google Patents

Abstract

複数の隣接する径方向レンズセクション（３０）を有する円形フレネルレンズ（１４）を含み、各レンズセクションが同じ焦点距離範囲を提供して、各レンズセクションが径方向に沿った複数のレンズセグメント（３２）を含む、光学レンズアセンブリ（１０）。レンズセグメント（３２）の各々が、セクションの一方の径方向縁部が比較的小さい曲率および大きい径を含み、レンズセクションの反対側の径方向縁部が比較的大きい曲率および小さい径を含むように、径方向および回転方向の両方に湾曲し、それによって、各レンズセグメントが別個に焦点距離範囲を提供する。光フィルタ（１２）がフレネルレンズ（１４）に隣接して位置決めされ、制御ラインを不透明（２０）または透明（２２）にするよう制御される複数の径方向制御ライン（１６）を含み、それによって同じ焦点距離を有するレンズセクションの一部を通過して光が伝搬する。【選択図】図２

Description

[0001]本発明は、一般に電子的に合焦可能なレンズに関し、より詳細には、各々が径方向および回転方向の両方に湾曲する複数のセグメントを有するフレネルレンズと、フレネルレンズと隣接して位置決めされる光フィルタとを含む、電子的に合焦可能なレンズアセンブリに関する。フレネルレンズは、レンズアセンブリの焦点距離を瞬時に変えるため、同じ焦点距離を有するフレネルレンズの各セグメントの一部を通して光だけが伝搬するよう、光フィルタの一部を透明にするために選択的に制御されるディスプレイを有する。

[0002]従来のレンズの曲率は、レンズの焦点距離を決定する。カメラなど種々の光学システムは、調整可能な焦点距離を有するレンズを要する。これは通常、少なくとも２枚のレンズを含むレンズアセンブリを必要とし、この場合のレンズは、レンズの組合せの焦点距離を変えるために、互いに対して可動である。このタイプの一般のレンズアセンブリは、レンズをレンズ面に対して垂直方向に、機械的に遠くへまたは近くへ動かすことによって、合焦される。さらに、光学システムの所望のアパーチャ（レンズ径）が大きくなるほど、レンズアセンブリをより大きくかつより重くする必要がある。したがって、一般にこれらのタイプの光学システムは可動部を有し、レンズ幅に比べて比較的厚く、レンズアセンブリを合焦させるためにレンズを移動させる時間を要し、比較的小さいアパーチャを有することを必要とする。これらの不利点のため、これらのタイプのレンズは適用が制限される。

[0003]フレネルレンズは、従来のレンズよりも概して小型で軽い、既知のレンズのタイプの１つである。通常のフレネルレンズは、同軸で環状のセグメントに分割され、各セグメントは、セグメント間の段々になった不連続性を画定する異なる角度配向を有する。ここで、光がレンズの焦点距離に適切に回析されるよう、レンズの外縁に向かってレンズセグメントの角度配向は増加し、レンズセグメントの厚さは減少する。これによって、レンズの全厚を従来のレンズの全厚に比べて減少できる。

[0004]２枚のレンズを相対的に移動させる必要のない、電子的に合焦可能なレンズが、当技術分野で知られている。１つの特定の設計において、レンズは液晶材料で製造され、レンズに印加される異なる電圧によってレンズの曲率を変えて、レンズの焦点距離を変化させる。このタイプのレンズの焦点距離を変化させるとき、レンズの焦点距離は、現在の焦点距離と所望の焦点距離との間の全焦点距離を進む必要があり、この場合特定の時間がかかる。他の液晶レンズ設計では、レンズは１つの焦点距離から別の焦点距離に、その間の全焦点距離を進むことなく電子的に合焦され得る。しかし、これらのタイプのレンズは拡大縮小ができないことが多く、動作するために大きい電圧を要し、容易に入手できない新奇の材料を使用する。

[0005]光フィルタおよびフレネルレンズを含む、電子レンズアセンブリの正面図である。 [0006]図１に示されたレンズアセンブリの断面図である。 [0007]レンズアセンブリから離したフレネルレンズの正面図である。 [0008]図３に示されたフレネルレンズの等角図である。 [0009]図３および図４で示されたフレネルレンズのセクションの１つの等角図である。 [0010]フレネルレンズの径方向セクションの１つにおける、フレネルレンズのセグメントの１つの等角図である。

[0011]電子的に合焦可能なレンズアセンブリを対象とする、本発明の実施形態の以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明またはその適用もしくは使用を限定するよう何ら意図するものではない。

[0012]以下で説明するように、本発明は所定の焦点距離範囲内の任意の焦点距離に、瞬時に電子的に合焦できる光学レンズアセンブリを提案する。レンズアセンブリは可動部を含まず、円形である必要がなく、窓、眼鏡、コンタクトレンズ、仮想現実ゴーグル、セルフォン、太陽パネル、光学通信、投射ディスプレイなどに薄いフィルムとして使用するのに十分平坦であることが明白となる。複数のレンズアセンブリを互いに挟み込んで、非常に薄い拡大鏡にすることができる。さらに、レンズアセンブリは、顕著に二次元の装置輪郭を維持しながら、複雑なパターンおよび方向における光の大きい領域で電気的に焦点を変えることができる。光学レンズアセンブリは、目立たない薄い透明プラスチックのシートのような外観で、電圧を印加するためにその縁部に入力をもたらし得る。さらに、レンズアセンブリはより低い電力要件のための電位を有し、より薄く、大きいアパーチャを有することができ、移動しない。

[0013]本発明のレンズアセンブリは、径方向だけではなく、径方向および回転方向の両方に、湾曲した複数のセグメントを有する改良されたフレネルレンズと、通常は電圧信号である制御信号を光フィルタに印加する場合に、フレネルレンズの選択されたセクションのみに光が伝搬されることを可能にする、改良されたフレネルレンズに対して位置決めされる光フィルタと、を含む。本明細書で使用される場合、径方向とは特定の装置の中心から外周への方向であり、回転方向とは特定の装置を囲む方向である。光フィルタは、フレネルレンズの一部を光学的に分離するために光を選択的に遮断し、それによって特定の焦点距離を生成する。光フィルタは、電圧、光、または熱を加えることによって、その不透明度を変化させるスマートガラスとすることができる。スマートガラスの好適な例として、懸濁粒子装置、電子クロマチック装置、ポリマー分散型液晶ディスプレイなどが挙げられる。

[0014]非限定の一実施形態において、光フィルタ上に表示されるパターンは、焦点の中心点から径方向に現出する径方向ラインを含み、この場合、不透明の径方向ラインの円弧幅は、フレネルレンズのセグメントの円弧幅よりもわずかに小さい。光がフレネルレンズの分離された径方向ストリップだけと相互作用することによって、焦点距離の変化を生成するために、各径方向ラインの位相角が各フレネルレンズのセグメントに関連して変えられる。

[0015]図１は、上記で説明したタイプの光学レンズアセンブリ１０の正面図であり、図２は同断面図である。当業者には明白であるように、そのいくつかが上記で言及された合焦可能薄型レンズから利益を得られる多くの光学装置に、レンズアセンブリ１０は適用される。レンズアセンブリ１０は平坦な光フィルタ１２およびフレネルレンズ１４を含み、図３にレンズアセンブリ１０から離したフレネルレンズ１４の上面図を示し、図４にレンズアセンブリ１０から離したフレネルレンズ１４の等角図を示す。レンズ１４は、図２では平凸フォーマットで示され、図３および図４では平凹フォーマットで示される。フレネルレンズ１４は、ガラスまたは光学プラスチックなどの、任意の好適な光学材料で製造され得る。ここで、レンズアセンブリ１０は、この特定の実施形態においては円形構成である。しかし、他のレンズアセンブリが、本明細書の説明と整合する他の形状をとることができるという点で、これは非制限の例である。

[0016]光フィルタ１２は、中央ハブ１８から延びて、特定の幅を有する一連の径方向ライン１６を含み、ライン１６の不透明度が制御され得る。光フィルタ１２は、スマートガラスのような、本明細書の説明と整合して動作する任意の光学装置とすることができる。上述したような様々なスマートガラス材料が当技術分野で知られている。スマートガラスが液晶ディスプレイである実施形態について、制御電圧がディスプレイのセクションに印加されて、その中の粒子を再配向し、それによってディスプレイのセクションが不透明または透明となる。たとえば、透明電極のネットワーク（図示せず）が、好適な構成で光フィルタ１２を通過して延びてよく、この場合、特定の電極に提供される好適な電位が、それらの電極に関連付けられるライン１６を不透明または透明にする。図１に示される例において、いくつかのライン１６が電極によって制御され、それによって径方向セクション２０は不透明となり、より狭い径方向スリット２２は透明となってそこを光がフレネルレンズ１４に対して通過するが、その理由は以下の説明で明白にされる。本実施形態によると、各ライン１６は各スリット２２と同じ径方向幅を有する。しかし、他の実施形態において、いくつかの隣接するライン１６は透明にされ得、単一のスリット２２を１つ提供する。

[0017]図１に示される光フィルタ１２の、光を遮らない（透明の）径方向スリット２２、および光を遮る（不透明の）径方向セクション２０の表現は、レンズアセンブリ１０の１つの焦点距離を提供する光フィルタ１２の構成を示す。レンズアセンブリ１０の異なる焦点距離を得るため、異なる焦点距離を有するフレネルレンズ１４の異なる部分を通過して、径方向スリット２２が光を伝搬させ得るように、図１に示される図が何らかの他の配向に回転される。この方法において、ライン１６の不透明度の制御を介して光フィルタ１２のディスプレイを変えることによって、レンズアセンブリ１０は、ある焦点距離から別の焦点距離に、実質的に瞬時にその焦点距離を変えることができる。制御器２４は、光フィルタ１２のディスプレイを制御してレンズアセンブリ１０の焦点距離を変えることができる。制御器２４は、本明細書の説明に整合するスマートガラスの材料によって、電圧、光、または熱をフィルタ１２に提供する、任意で好適な制御器とすることができる。

[0018]フレネルレンズ１４は、いくつかの径方向セクション３０を含み、セクション３０の円弧長はかなり誇張して示され、したがってフレネルレンズ１４は、図３および図４に示されるよりも多くの径方向セクション３０を含む。図５は、特定の範囲内で連続する焦点距離を提供するような構成を有する径方向セクション３０の１つの等角図であり、全ての径方向セクション３０は同一であり、連続する焦点距離を提供する。従来のフレネルレンズ構成では、径方向セクション３０の各々が、径方向に延びるいくつかの、非限定の本実施形態においては４つの、分離したセグメント３２を含む。各セグメント３２は、回転方向に変化する曲率を有し、それによってセグメント３２の各々の異なる領域が、異なる焦点距離を生成する。図６は、１つのセクション３０における１つのセグメント３２の等角図であり、セグメントの曲率の別の例示を示す。点３６および点３８は、特定のセクション３０におけるセグメント３２の配向をより良く示すため、図６に示されたセグメント３２で識別される。この方法において、各々のセグメント３２の一方の径方向縁部４０は、小さい曲率および大きい径を有し、各々のセグメント３２の反対側の径方向縁部４２は、大きい曲率および小さい径を有する。

[0019]フレネルレンズの設計において、セクション３０の各々のセグメント３２は互いに相関的に構成され、それによって、特定のセクション３０のセグメント３２の曲率は、そのセクションに対して同じ方法で光を合焦させる。セグメント３２のこの曲率を提供することによって、セクション３０の各々は、全ての他のセクション３０と同じ焦点距離範囲を提供する。したがって、セクション３０の各々に対するスリット２２によって画定される径方向部分が、それを通過する光を伝搬させ得るように、上述のような光フィルタ１２を選択的に制御することによって、レンズアセンブリ１０の１つの焦点距離が得られ、光は全てのセクション３０においてそれらスリットの全てを通過して伝搬する。全てのセクション３０で、径方向スリット２２を別の位置に移動させることによって、レンズアセンブリ１０の別の焦点距離を得ることができる。光フィルタ１２がスリット２２の位置を電気的に変えるので、レンズアセンブリの焦点距離は、任意の特定の時点で瞬時に変えられ得る。

[0020]前述の説明は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示かつ説明するに過ぎない。当業者は、これらの説明ならびに添付の図および特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲で定義する本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の変化、変更、変形が行われ得ることを容易に理解するであろう。

Claims (20)

1. 光学レンズアセンブリにおいて、
   複数のレンズセクションを含み、各レンズセクションは同じ焦点距離範囲を提供し、各レンズセクションは複数のレンズセグメントを含むフレネルレンズであって、前記レンズセグメントの各々は、各レンズセグメントが別個に焦点距離範囲を提供するように、第１の方向および第２の方向の両方で湾曲している、フレネルレンズと、
   前記フレネルレンズに隣接して位置決めされ、かつ複数の制御ラインを含む、光フィルタと、
   前記光フィルタに連結され、前記制御ラインが不透明か透明かを制御する制御装置であって、光が同じ焦点距離を有する前記レンズセクションの一部のみを通過して伝搬できるように、前記制御ラインを不透明または透明にするよう動作する、制御装置と
   を備える、光学レンズアセンブリ。
2. 前記フレネルレンズが円形であり、各レンズセクションが径方向セクションであり、前記第１の方向が径方向および前記第２の方向が回転方向である、請求項１に記載のレンズアセンブリ。
3. 各レンズセクションが、比較的小さい曲率および大きい径を有する第１の径方向縁部と、比較的大きい曲率および小さい径を有する第２の径方向縁部とを含む、請求項２に記載のレンズアセンブリ。
4. 前記光フィルタが円形であり、前記制御ラインが径方向制御ラインである、請求項２に記載のレンズアセンブリ。
5. 前記光フィルタが液晶ディスプレイであり、前記制御装置が電圧信号を前記液晶ディスプレイに供給して、前記制御ラインの不透明度を制御する、請求項１に記載のレンズアセンブリ。
6. 前記光フィルタがスマートガラスである、請求項１に記載のレンズアセンブリ。
7. 前記スマートガラスが、懸濁粒子装置、電子クロマチック装置、およびポリマー分散型液晶装置から成るグループから選択される、請求項６に記載のレンズアセンブリ。
8. 前記光フィルタが平坦である、請求項１に記載のレンズアセンブリ。
9. 前記光フィルタが前記フレネルレンズと接触する、請求項８に記載のレンズアセンブリ。
10. 前記制御装置が、電圧信号、光信号、または熱信号を前記光フィルタに印加する、請求項１に記載のレンズアセンブリ。
11. 光学レンズアセンブリにおいて、
    複数の隣接する径方向レンズセクションを含み、各レンズセクションは同じ焦点距離範囲を提供し、各レンズセクションは径方向に沿って複数のレンズセグメントを含む、円形フレネルレンズであって、前記レンズセグメントの各々は、各レンズセクションの一方の径方向縁部が比較的小さい曲率および大きい径を有し、各レンズセクションの反対側の径方向縁部が比較的大きい曲率および小さい径を有するように、前記径方向および回転方向の両方に湾曲し、それによって各レンズセグメントが別個で焦点距離範囲を提供する、円形フレネルレンズと、
    前記フレネルレンズに隣接して位置決めされ、複数の径方向制御ラインを含み、光が同じ焦点距離を有する前記レンズセクションの一部のみを通過して伝搬できるように、前記制御ラインを不透明または透明にするように制御される、円形スマートガラスの光フィルタと
    を備える、光学レンズアセンブリ。
12. 前記光フィルタが液晶ディスプレイであり、電圧信号が前記液晶ディスプレイに印加され、前記制御ラインの不透明度を制御する、請求項１１に記載のレンズアセンブリ。
13. 前記スマートガラスが、懸濁粒子装置、電子クロマチック装置、およびポリマー分散型液晶装置から成るグループから選択される、請求項１１に記載のレンズアセンブリ。
14. 前記光フィルタが平坦である、請求項１１に記載のレンズアセンブリ。
15. 前記光フィルタが前記フレネルレンズと接触する、請求項１１に記載のレンズアセンブリ。
16. 前記光フィルタが、電圧信号、光信号、または熱信号に応答する、請求項１１に記載のレンズアセンブリ。
17. 複数の隣接する径方向レンズセクションを備え、各レンズセクションは同じ焦点距離範囲を提供し、各レンズセクションは半径方向に沿って複数のレンズセグメントを含むフレネルレンズにおいて、前記レンズセグメントの各々は径方向および回転方向の両方に湾曲する、フレネルレンズ。
18. 各レンズセグメントが別個に焦点距離範囲を提供するように、各レンズセクションの一方の径方向縁部が、比較的小さい曲率および大きい径を有し、各レンズセクションの反対側の径方向縁部が、比較的大きい曲率および小さい径を有する、請求項１７に記載のレンズ。
19. 円形である、請求項１８に記載のレンズ。
20. 光フィルタを含む光学アセンブリの一部である、請求項１７に記載のレンズ。

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