JP6348475B2

JP6348475B2 - 非球面流体充填レンズ光学部品

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Publication number: JP6348475B2
Application number: JP2015232341A
Authority: JP
Inventors: アミターヴァグプタ; アーバンシュネル; カリムハロウド; ハンスジャガー
Original assignee: アドレンズビーコンインコーポレイテッド
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2018-06-27
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: US20110085131A1; KR20160086423A; RU2570803C2; US8760767B2; WO2011046959A1; CA2777714A1; EP2717073A1; CN105403937A; IL219200A0; IL267737A; KR20180032693A; KR20120093286A; MX2012004398A; EP2488897A4; JP2013508750A; ZA201202886B; KR20190089232A; CN105403937B; EP2488897A1; IL219200A

Description

本発明の実施形態は、流体充填レンズ、特に可変流体充填レンズに関する。

基本的な流体レンズは、米国特許第２，８３６，１０１号明細書に記載されているように１９５８年頃から知られている。なお、この米国特許を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。最近における例は、タン他（Tang et al.），「ダイナミカリ・リコンフィギュラブル・フルイド・コア・フルイド・クラディング・レンズ・イン・ア・マイクロフルイディック・チャネル（Dynamically Reconfigurable Fluid Core Fluid Cladding Lens in a Microfluidic Channel）」，ラボラトリーチップ（Lab Chip），第８巻，２００８年，ｐ．３９５及び国際公開第２００８／０６３４４２号パンフレットに見受けられ、この非特許文献及び特許文献の各々を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。流体レンズのこれらの用途は、フォトニクス、ディジタル電話及びカメラ技術並びにマイクロエレクトロニクスに向けられている。

また、オフサルミック（眼科学）用途にあった流体レンズが提案された（これについては、例えば、米国特許第７，０８５，０６５号明細書を参照されたい。なお、この米国特許を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする）。あらゆる場合において、ダイナミックレンジが広いこと、適応補正（矯正）を提供することができること、堅牢であること及び安価であることを含む流体レンズの利点は、アパーチュアサイズの制約、漏れ傾向及び性能の一貫性に対して釣り合わされなければならない。米国特許第７，０８５，０６５号明細書は、例えば、オフサルミック用途で用いられるべき流体レンズ内への流体の効果的な収容に関する幾つかの改良例及び実施形態を開示している。流体レンズの屈折力調節は、追加の流体をレンズキャビティ中に注入することにより、エレクトロウェッティング（electrowetting）により、超音波衝撃を加えることにより及び膨潤剤、水の導入時に架橋ポリマー中に膨潤力を利用することにより実施されている。

米国特許第２，８３６，１０１号明細書国際公開第２００８／０６３４４２号パンフレット米国特許第７，０８５，０６５号明細書

タン他（Tang et al.），「ダイナミカリ・リコンフィギュラブル・フルイド・コア・フルイド・クラディング・レンズ・イン・ア・マイクロフルイディック・チャネル（Dynamically Reconfigurable Fluid Core Fluid Cladding Lens in a Microfluidic Channel）」，ラボラトリーチップ（Lab Chip），第８巻，２００８年，ｐ．３９５

あらゆる場合において、流体レンズ技術において、この技術の市場における魅了を最適化するために打ち勝つ必要のある幾つかの鍵となる欠点が存在する。例えば、流体レンズの厚さは、一般に、同一の屈折力及び直径の従来型レンズの厚さよりも大きい。加うるに、現時点においては、流体レンズ技術を用いてレンズ光学部品全体にわたって球面屈折力並びに非点収差の変化をもたらすことはできない。現時点では、非丸形流体レンズの非一様な膨張の際に厄介な問題が生じるために丸形レンズ以外の任意所望の形状で流体レンズを製造することは可能ではない。

本発明の或る１つの実施形態では、非丸形流体レンズ組立体が非丸形硬質レンズ及び非丸形硬質レンズに取り付けられた軟質メンブレンを有し、キャビティが非丸形硬質レンズと軟質メンブレンとの間に形成されている。キャビティと流体連通状態にあるリザーバが流体をキャビティに出し入れして流体レンズ組立体の光学屈折力を変化させることができる。或る１つの実施形態では、非丸形硬質レンズの前面は、非球面である。追加的に又は代替的に、軟質メンブレンの厚さは、流体がキャビティとリザーバとの間で移送されたときに軟質メンブレンがその形状を球面状に変えるよう輪郭付けられていても良い。

追加的に又は代替的に、軟質メンブレンは、軟質メンブレンの他の部分よりも柔軟性の高い「インセット（inset ）」部分を有するのが良く、キャビティとリザーバとの間の流体の移送により、インセット部分の形状がインセット部分以外の軟質メンブレンの部分を実質的に変化させないで球面状に変わるようになっている。或る１つの実施形態では、インセット部分は、形状が楕円形である。インセット部分は、流体をキャビティとリザーバとの間で移送したときにインセット部分が形状を球面状に変えるよう輪郭付けられているのが良い。かかるインセット部分を軟質メンブレン中に設けることにより、非丸形レンズ（例えば、装用者にとって好ましい場合がある長円形、長方形又は他の形状のレンズ）を流体充填レンズの利点が保たれた状態で装用することができる。

添付の図面を参照して、本発明の別の実施形態、別の特徴並びに本発明の種々の実施形態の構造及び動作原理を以下において詳細に説明する。

本明細書に組み込まれてその一部をなす添付の図面は、本発明を記載しており、説明と一緒になって更に、本発明の原理を説明すると共に当業者が本発明を実施して利用することができるようにするのに役立つ。

本発明の実施形態としての例示の流体充填レンズ組立体の略図である。レンズ前面に補正を行わないで流体充填レンズ組立体の偏心率の関数としての非点収差の変化を示す図である。本発明の実施形態に従ってトーリックレンズ前面の補正が行われている流体充填レンズ組立体の偏心率の関数としての非点収差の変化を示す図である。本発明の実施形態としての流体レンズ内における軟質メンブレンの変形状態を示す図である。本発明の実施形態としての輪郭付け軟質メンブレンを示す図である。本発明の実施形態としての輪郭付け軟質メンブレンを示す図である。本発明の実施形態としての輪郭付け軟質メンブレンを示す図である。本発明の実施形態としての輪郭付け軟質メンブレンを示す図である。本発明の実施形態としての流体レンズ組立体中の例示の楕円形インセットを示す図である。本発明の実施形態としての流体レンズ組立体中の例示の楕円形インセットを示す図である。本発明の実施形態としての流体レンズ中の軟質メンブレンの変形状態を示すグラフ図である。本発明の実施形態としての流体レンズ中の軟質メンブレンの変形状態を示すグラフ図である。

添付の図面を参照して本発明について説明する。要素が最初に見える図面は、一般的に、対応の参照符号中の最も左側の数字で示されている。

特定の形態及び構成を説明するが、これは、例示目的でのみなされていることは理解されるべきである。当業者であれば認識されるように、他の形態及び構成を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく使用することができる。本発明は種々の他の用途でも利用できることは当業者には明らかになろう。

注目されるように、本明細書において「一実施形態」、「或る１つの実施形態」、「例示の実施形態」等という記載は、説明する実施形態が特定の特徴、構造又は特性を有する場合があるが、実施形態全てが必ずしも特定の特徴、構造又は特性を有する必要がないことを示している。さらに、かかる字句は、必ずしも、同一の実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造又は特性が実施形態と関連して記載されている場合、明示により記載されているにせよそうでないにせよいずれにせよ、他の実施形態と関連してかかる特徴、構造又は特性を利用することは当業者の通常の知識の範囲内にある。

上述の背景技術の項において説明した従来利用できる流体充填レンズ技術の欠点は、非球面流体レンズを構成することにより解決できる。従来の流体レンズは、形状が常に円形あった。というのは、非球面流体レンズを構成する方法が存在しなかったからである。図１は、本発明の或る１つの実施形態としての例示の非球面流体レンズ１００を示している。流体レンズ１００は、硬質前面１０２、軟質後面１０４及び前面１０２と後面１０４との間に形成されたキャビティ１０６を充填する流体を有している。硬質前面１０２は、例えばガラス又はプラスチックで作られた硬質光学レンズ１０８によって提供されるのが良い。軟質後面１０４は、例えば、硬質光学レンズ１０８のエッジを覆って平らに引き伸ばされた軟質メンブレン１１０によって成形されるのが良い。このようにして形成された流体レンズは、過剰の流体を収容するエラストマー製の変形可能なメンブレンで内張りされ又は違ったやり方でこれから形成されたリザーバ１１４にチャネル１１２を介して連結されている。流体レンズ１００とリザーバ１１４は、一緒になって、密閉ユニットを形成する。アクチュエータ１１６がリザーバ内の変形可能なメンブレンを押し潰し又は膨張させて流体をチャネル１１２によりリザーバ１１４と流体レンズ１００との間で移送するよう動作可能である。アクチュエータ１１６は、例えば、球形アクチュエータ、シリンジ型アクチュエータ又はダイヤルアクチュエータであるのが、これらには限定されない。或る複数の実施形態では、光学屈折力を有するのは硬質光学レンズ１０８及び軟質メンブレン１１０のいずれでもなく、或いはどちらか一方又はこれら両方であるのが良い。流体レンズ１００をリザーバ１１４に連結するチャネル１１２は、例えば眼鏡フレームのアイピース又は眼鏡フレームのテンプル（つる）部品内に収容されるのが良い。

本明細書全体を通じて、「流体レンズ組立体」という用語は、硬質前側レンズ１０８、軟質メンブレン１１０及び介在する流体層の組立体を意味するために用いられる。「流体レンズ」という用語は、流体層及び流体を収容すると共に流体レンズの表面を形成する２つの表面１０２，１０４を意味するために用いられる。

非丸形流体レンズでは、流体の圧力により軟質メンブレンのその短軸及び長軸に沿って互いに異なる撓みが生じ、かくしてメンブレンの非球状撓みが生じる。したがって本発明の或る１つの実施形態としての非丸形流体レンズは、この撓みにより生じる非点収差を補正する。一実施形態では、硬質前側レンズの前面は、流体により生じる非点収差を補正する。追加的に又は代替的に、軟質メンブレンの厚さは、流体圧力に応答してメンブレンの球面状撓みを生じさせるよう輪郭付けられているのが良い。或る１つの実施形態では、軟質メンブレンは、軟質メンブレンの他の部分よりも柔軟性の高いインセット部分を有し、キャビティとリザーバとの間における流体の移送により、インセット部分以外の軟質メンブレンの部分を実質的に変化させないでインセット部分の形状が球面状に変化するようになっている。

前側レンズの非球面状化

非球面前側（硬質）レンズを提供することにより流体レンズ、例えば流体レンズ１００を非球面状にすることができる。前側レンズ１００がその後面１０２のところで流体に接触しているので、非球面補正を前側レンズ１００の後面１０２に加えた場合の衝撃は、前側レンズ材料の屈折率に対する流体の屈折率によって減衰される。確かに、後面１０２を介する非球面補正を提供するのに必要な前側レンズ１０８の厚さの変化は、次の方程式（Ｅｑ．）１で表せる。

上式において、ｄは、その点における光学屈折力の特定の変化分を提供するのに必要な前側レンズの厚さの局所変化分、ｄ₁は、流体が空気であった場合に必要な厚さの変化分、ｎ₁は、前側レンズ材料の屈折率、ｎ₂は、流体の屈折率である。例えば、前側レンズ１００がビスフェノールＡのポリカーボネートで作られ、流体がシリコーン油である場合、ｎ₁は、１．５９、ｎ₂は、１．５４であり、その結果、ｄは、１１．８ｄ₁に等しい。換言すると、レンズ厚さの比較的大きな変化が非球面補正を前側レンズ１０８の後面１０２に加える場合にその非球面補正を提供するのに必要である。

非球面補正を前側レンズ１０８の前面１１８に加えることによってレンズ厚さを減少させることができ、前面１１８は、空気と接触状態にある。前面１１８への非球面補正は、回転対称非球面補正の形態をしているのが良く、それにより、硬質レンズ１０８の表面が楕円形又は双曲面になる。この場合、次の方程式２によってこの表面を表すことができ、次式において、表面は、ｐが正である場合、楕円形であり、ｐが負である場合、双曲面である。

硬質レンズ１０８の前面１１８に加えられた回転対称非球面補正により、少なくとも２つの利点が得られる。非球面補正は、流体レンズ中に存在し、球面屈折力が高い場合に特に顕著な場合がある球面収差を最小限に抑えるよう設計されるのが良い。加うるに、流体レンズの正（プラス）の屈折力を装用者の視覚的要望に一致して高い凝視角度では減少させるのが良い。

前側レンズのトーリック補正

追加的に又は代替的に、他の非球面補正を硬質レンズ１０８の前面１１８に加えることができる。例えば、表面１１８をドーナツ形にすることができる。それにより硬質レンズ１０８の前面１１８に加えられた非点収差は、少なくとも２つの利点を有する。非点収差を利用すると、視力矯正を必要とする人口の約８０％にある目の生まれつきの非点収差の影響をなくすことができる。また、非点収差を利用すると、流体レンズの形状が円から逸脱したときに軟質メンブレン１１０の表面１０４上に生じる非点収差の影響をなくすことができる。

自分の目に生まれつきの非点収差のある人は、一般的には、最善の矯正された視力を達成するために非球面補正眼鏡を装用する。この矯正が利用可能であるようにするためには、レンズの非球面軸線の方向は、眼鏡の装用者の目の非球面軸線に対して直交しなければならない。この非球面補正がトーリック曲線を硬質レンズ１０８の前面１１８に加えることによって提供される場合、トーリック軸線が硬質レンズ１０８の０〜１８０°線に対して考えられる限りあらゆる角度をなした状態のトーリック硬質レンズ１０８を製作することが望ましい。これは、１８０個の互いに異なる形態又はＳＫＵ（最小管理単位）を構成する。これは、流体レンズ組立体が流体レンズ１００に取り付けられたチャネル１１２を有しているので回転対称ではないからである。加うるに、硬質レンズ１０８の前面１１８に加えられた非球面補正の大きさを装用者の必要とする非球面補正の大きさに実質的に合致させることが望ましい。生まれつきの非点収差の全範囲は、非常に広い（約０〜約１５ジオプタ以上）が、これは、視力矯正を必要とする人口の９９％については約６ジオプタ（Ｄ）である。目の生まれつきの非点収差とレンズの補正用の非点収差の合致が最も近い０．２５Ｄへの合致であることが必要とされるので、前面の約２５個の互いに異なる形態が上述の範囲をカバーする上で必要である。また、硬質レンズ１０８へのチャネル１１４の取り付けにより、左側レンズと右側レンズとの間に区別が生じ、ＳＫＵの総数が更に２倍になる。したがって、硬質レンズ１０８の前面１１８について９，０００個の互いに異なる形態が視力矯正を必要とする人口の９９％に対する矯正を提供する上で必要となる場合がある。

本発明の或る１つの実施形態では、大きな体積の状態で成形し又は機械加工することができる回転対称レンズブランクを設計することにより前側レンズに対するＳＫＵの数を実質的に減少させることができる。次に、所望のレンズ形状をこれら流体レンズの所望の形状に一致するよう切り出してメンブレンを切り出されたこの形状の外側エッジに接合するのが良い。チャネル内部流体経路への連結部を提供するよう切り出された硬質レンズの側部に穴をあけるのが良い。小型コネクタ又はスリーブがチャネルの端を穴に連結するのが良い。

また、トーリック補正を流体レンズ組立体の硬質レンズ１０８の前面１１８に適用により、形状が非円形（例えば、長円形又は長方形）である流体レンズの構成が可能である。非丸形流体レンズをこれが高い正屈折力に達するようインフレートさせているときに非丸形流体レンズが非点収差誤差を生じるので非丸形流体レンズは、商業化されなかった。これは、流体レンズ中への流体の注入によりあらゆる方向に等しい静水圧の増大が生じるからである。この力により、流体レンズ組立体の軟質メンブレン（例えば、メンブレン１１０）が外方に伸び又は膨らむ。さらに、この力は、メンブレンの表面を凸状にし、流体レンズに高い正屈折力を与える。非丸形流体レンズの場合、メンブレンの子午線の長さは、あらゆる方向に等しいわけではない。したがって、メンブレンの曲率は、互いに異なる子午線で互いに異なり、最も短い子午線では急峻度が最も高く、最も長い子午線に沿って急峻度が最も小さい。或る１つの実施形態では、非点収差補正を硬質レンズの前面に加える限り流体レンズ中のこのインフレーションによって引き起こされる非点収差の影響をなくすことができる。この方式では、流体レンズをインフレートさせなかった場合（即ち、流体レンズがその最も低い正屈折力の状態にあるとき）、流体レンズ組立体は、硬質レンズの前面に加えられた非点収差に一致する非点収差を有する。即ち、流体レンズがインフレートされなかった場合、硬質レンズの前面に加えられた非点収差は、インフレーションにより引き起こされる非点収差がどのようなものであってもこれによっては補償されない。硬質レンズ１０８の前面１１８への非点収差の追加により、最も低い正屈折力での非点収差とこれよりも高い正屈折力での非点収差との間にトレードオフの関係を成り立たせることができる。また、このトレードオフをコンピュータ計算し、そして流体レンズの指定された全屈折力範囲に合わせて最適化することができる。また、かかるトレードオフは、非点収差が流体レンズの屈折力範囲内の任意の点における人間の目の非点収差の許容公差のしきい値を超えないことを条件として、装用者には受け入れ可能である。

例示の一実施形態では、流体レンズは、表１に示されたパラメータに従って設計される。この実施形態では、流体レンズの前面には非点収差補正が全く行われていない。
表１：流体レンズ実施形態の仕様

表１に記載された流体レンズ実施形態では、硬質レンズは、ビスフェノールＡのポリカーボネートで作られ、メンブレンは、二軸延伸ポリエチレンテレフタレート（商標ＭＹＬＡＲ）であり、流体は、屈折率１．５４のシリコーン油である。この場合、丸形からの逸脱の程度は、偏心率として表され、形状は、これが１．０から更に逸脱するにつれて次第に非丸形になる。表１のデータは、丸形からの僅かな逸脱がこの範囲内における最も高い点、即ち、３．２５Ｄのところで比較的僅かな量の非点収差（０．１２Ｄ）を生じさせたことを示している。

図２は、この流体レンズ実施形態の偏心率の関数としての非点収差の蓄積の依存性を示している。縦座標は、非点収差をジオプタ（Ｄ）で示し、偏心率（ｋ_v）がｘ軸上にプロットされている。図２では、線２０２は、表１に記載された流体レンズ実施形態を表している。線２０４は、屈折力範囲のうちで最も低い点のところの非点収差の値（１．２５Ｄ）を示し、線２０６は、屈折力範囲内における最も高い点（３．２５Ｄ）を表している。

注目に値するほどの流体レンズの（即ち、商業的に有用な）非丸形の幾何学的形状、例えば、ｋ_v＜０．８５の場合、屈折力範囲の最も低い点（１．２５Ｄ）に達するのに必要な比較的僅かなインフレーションにより、大きさとして小さい非点収差が生じることが明らかである。この非点収差は、大部分、人間の目の知覚レベル、典型的には、０．１０〜０．１２Ｄ）よりも小さい。しかしながら、屈折力範囲のより高い端のところで生じる非点収差は、ｋ_v＝０．８５では、近用視を用いる仕事に従事したときに人間の目による非点収差の公差範囲よりも十分に高い０．８５Ｄに達し、かかる非点収差は、典型的には、直接凝視で約０．５０Ｄである（即ち、０°の凝視角度、そして１５°の凝視角度を超えるレンズの任意の部分に関し０．７５Ｄ以下）。図２は、非丸形流体レンズと関連した問題の大きさを実証している。

図３は、０．１２５Ｄの非点収差補正（即ち、トーリック補正）が硬質レンズの前面に加えられた状態の表１に指定された流体レンズ実施形態における非点収差の発生率を示している。屈折力範囲の最も低い点における非点収差の値を表す線３０４は、設計意図に従って偏心率が１．０の状態で０．１２５Ｄに達する。屈折力範囲の最も高い点のところの非点収差の値を表す線３０６は、０．８７の偏心率で０．５０Ｄの値に達する。興味深いこととして、流体レンズの非点収差は、偏心率が０．９４の場合に屈折力範囲全体にわたって約０．１２Ｄで一定のままである。硬質レンズの前面の非点収差補正度を増大させることにより偏心率の小さい非丸形形状を得ることができる。最大のかかる補正度は、流体レンズ組立体の屈折力範囲の下端で装用者の期待する視覚的快適さ及び像品質と一致した０．１８Ｄを超えてはならない。この結果の示すところによれば、この手法により形状が適度に非丸形の流体レンズを設計することが可能である。

軟質メンブレンの改造

メンブレン、例えばメンブレン１１０をインフレートさせてこれが非球面（球面とは異なり）形状を採用することができることによって流体レンズ、例えば流体レンズ１００を非球面にすることができる。或る１つの実施形態では、非球面流体レンズは、流体レンズを形成するよう輪郭付け又は等高線付き厚さのメンブレンを用いる。流体レンズ組立体を形成するために用いられる一様厚さの形状が円形のメンブレンは、非一様にインフレートし、したがって球面の形状が得られる。メンブレンの局所撓みは、主として、メンブレンの局所剛性によって制御され、かかる局所撓みは、メンブレンを補剛し又は表面全体にわたってその厚さを変えることにより変更可能である。したがって、輪郭付け厚さのメンブレンを用いて非球面流体レンズを形成するのが良い。

例えば、回転対称非球面形状が必要である場合、メンブレンは、インフレートして楕円形か双曲面かのいずれかの形状を呈するべきである。かかるインフレーションプロフィールは、メンブレンの厚さを半径方向対称に変えることにより達成できる。任意の表面形状を当業者であれば定めることができるメンブレンの表面全体にわたる厚さの適当な輪郭によって提供できる。

弾性メンブレン変形は、伸びと曲げの組み合わせによって与えられる。剛性は一般に、弾性率に比例する。変形の中の伸びの部分に関し、これ又、メンブレン厚さに比例し、曲げの部分は、厚さの３乗に比例する。剛性を調節する一方法では、メンブレンの厚さを特定の向きに沿って調節する。メンブレンの厚さは、種々の方法によって、例えば、向きが固有の延伸法によって変更可能である。別の方法は、例えばプラズマ堆積法によって厚さが変化している被膜の層を被着させることである。図５ａ，ｂ及び図６ａ，ｂに示されているように、別の方法は、メンブレンの或る特定の子午線に沿って適当な厚さのメンブレンの第２のストリップを接着することである。かかる手法では、流体レンズ装置を収容するガラスの形状に課される制約が少ない。というのは、どのような形状であっても有限要素を利用した手法によって分析し、有効「長」軸及び「短」軸を識別し、そして厚さの変化をこれらの軸線に沿って適用することができるからである。変形例として、メンブレンのｘ，ｙ座標の関数として剛性に関する解決手段を引き出しても良く、剛性のこのマトリックスを比較的剛性の高い被膜、例えば酸化シリコン（ＳｉＯｘ）の被着により作成することができる。

場所依存性剛性を有する軟質メンブレンの設計にあたり、長円形流体レンズ中のメンブレンの機械的応答、かかる変形又は延伸の結果としてメンブレンが獲得する表面幾何学的形状及び結果として得られる形状を備えたメンブレンを含む流体レンズの光学屈折力のコンピュータ計算が必要になる場合があり、これらは全て、レンズ中に注入される流体の体積の関数である。さらに、軟質メンブレンの実際の形状及びかかる光学部品によって生じる網膜像の焦点ぼけ状態にできるだけ酷似するために多くの繰り返しコンピュータ計算を実施することができる。一実施例では、例示のソフトウェアシステムを用いてこれら複雑なコンピュータ計算を実施した。例示のソフトウェアシステムは、ソフトウェアの各ソフトウェアがその結果を次のシステムに入力するように各々が異なる機能を持つ数種類の互いに異なるソフトウェアの組を互いに組み合わせたものである。

一例を挙げるに過ぎないが、以下の組を本明細書に開示する例示の実施形態で説明したコンピュータ計算に用いた。この表面について最良適合多項式を得るために、流体メンブレンの変形をマサチューセッツ州バーリントン所在のコムソル・インコーポレイテッド（COMSOL, Inc.）により開発されたＣＯＭＳＯＬマルチフィジックスソフトウェアでモデル化した。ＣＯＭＳＯＬモデルの出力をマサチューセッツ州ナティック所在のザ・マスワークス・インコーポレイテッド（The MathWorks, Inc.）により製造されたＭＡＴＬＡＢソフトウェアにエクスポートした。

この表面に関する球及び円柱適合の最適組み合わせを計算するために二次多項式（二次方程式）を用いた。次に、この多項式をワシントン州ベレビュー所在のゼマックス・デベロップメント・コーポレイション（ZEMAX Development Corporation）により作製されＺＥＭＡＸマックス光学モデル化ソフトウェア中にインポートした。流体メンブレンの変形を偏心率が０．８である楕円形流体レンズについてＣＯＭＳＯＬでそのｘ，ｙ座標の関数として計算した。長い方の直径は、３５ｍｍであり、短い方の直径は、２８ｍｍであった。モデルを四つ折り対称性を利用して二次方程式についてランした。図４は、これらパラメータに従ってＣＯＭＳＯＬソフトウェアパッケージ上でコンピュータ計算した流体レンズ内の軟質メンブレンの例示の変形グラジエントを反射投影像で示している。図４に示された輪郭は、変形量がメンブレン全体を通じて非一様であり、圧力が２０００パスカルの場合に０．７ｍｍ（７００ミクロン）のピークに達したことを実証している。図８ａ及び図８ｂは各々、図４に示された変形量の１次元スキャンを表している。図８ａは、水平軸線に沿う変形量を表し、図８ｂは、垂直軸線に沿う変形量を表している。曲げモードを含むようメッシュ分割をスイープモード（極細）で３つの層に実施し、全部で５４３９個の要素を発生させた。このデータをマットラブにエクスポートして二次多項式の最良適合をＺＥＭＡＸに入力した。

このコンピュータ計算方式の初期評価中、粗いメッシュサイズが適度の精度及び忠実度を細かいメッシュサイズにより表面に提供したことが観察された。また、ＭＡＴＬＡＢでコンピュータ計算した二次多項式最良適合において交差項を無視することができ、その結果、表面を方程式３及び方程式４に示されているようにｘ及びｙの二次方程式の項を有する単純な双円錐として適切に合わすことができるということが判明した。方程式３は、ＣＯＭＳＬＯからエクスポートされた変形量データを当てはめるためにＭＡＴＬＡＢにより用いられる最良適合方程式である。（なお、“biconic Zernike sag”は、「双曲ゼルニケたるみ」の意)

方程式４は、満足の行く適合を変形量データに与えるｘ，ｙ交差項を無視した後の方程式３である。この方程式は、表面変形量データをＺＥＭＡＸにエクスポートするために用いられた。（なお、“biconic sag”は、「双曲たるみ」の意)

このコンピュータ計算及びモデル化方式を用いて２．０Ｄのジオプタ範囲にわたり屈折力を調整することができる非丸形流体レンズのための種々の設計概念を評価した。低い屈折力を１．２５Ｄであると見なし、高い屈折力を３．２５Ｄであると見なした。次の仮定では、最大０．１８Ｄの非点収差が低い屈折力で実現可能であり、最大０．５０Ｄの非点収差が高い屈折力で実現可能であるということであった。

或る１つの実施形態では、軟質メンブレンの非一様な厚さが流体中に及びその結果としての球面屈折力の増加に応答してその変形量を調節すると共に変更するために提供されている。厚さが変化している軟質メンブレンを上述したように種々の仕方で得ることができる。或る１つの実施形態では、メンブレン表面の或る特定の部分にわたって厚さを変更するためにテープ又はパッドが用いられる。かかるテープ又はパッドは、軟質メンブレンを製作するために用いられたポリマーフィルムと同種のポリマーフィルムから切り出され、次に、軟質メンブレンに結合されるのが良い。例えば、テープ又はパッドは、テープ又はパッドの視認性を最小限に抑えるために流体（例えば、油）と接触状態で軟質メンブレンの内面に結合するのが良い。これらテープ又はパッドをメンブレンに結合することは、接着剤を用いて達成できる。或る１つの実施形態では、接着剤は、流体の屈折率とほぼ同じ屈折率を有する。変形例として、テープ又はパッドをレーザ溶接若しくは超音波溶接又は当業者に知られている他の手段によって軟質メンブレンに結合しても良い。１枚又は２枚以上のかかるテープ又はパッドをこの目的のために用いることができる。或る１つの実施形態では、テープ又はパッドは、厚さを軟質メンブレンに追加するために用いられるわけではなく、これとは異なり、厚さの差は、単一の軟質メンブレンシートに組み込まれている。漸変厚さの軟質メンブレンを作る技術としては、例えば、成形、圧縮成形、熱成形及びレーザアブレーションが挙げられるが、これらには限定されない。

図５ａ，ｂ及び図６ａ，ｂは、最適形状及び輪郭を推定してメンブレンの剛性を調節するためにモデル化されたテープ及びパッドの例示の設計例を示している。図５ａ及び図５ｂは、軟質メンブレン５０６のｘ軸及びｙ軸に沿ってそれぞれ被着されたテープ５０２，５０４を示している。図６ａ及び図６ｂは、軟質メンブレン６０６のｘ軸及びｙ軸に沿ってそれぞれ被着されたパッド６０２，６０４を示している。

表２は、ｘ軸及びｙ軸に沿うテープ又はパッド（補強片として表２に記載されている）の貼付と比較した図５ａ，ｂ及び図６ａ，ｂに示されている例示の設計例の分析結果を示している。図２に用いられた例示のモデルでは、補強片（例えば、テープ又はパッド）の厚さは、軟質メンブレンそれ自体の厚さと同一であった。即ち、補強片が貼付された場合厚さが２倍になった。最終の分析をＺＥＭＡＸソフトウェア上で実施し、このＺＥＭＡＸソフトウェアは、球面屈折力の全範囲にわたり非点収差並びにｘ軸及びｙ軸に沿う像スポットサイズをコンピュータ計算するたびに用いられた。この分析では、偏心率を０．８６４であると仮定し、光学部品は、長軸（ｘ軸）に沿って３５ｍｍ、短軸（ｙ軸）に沿って３０．２５ｍｍであった。最も低い光学屈折力は、１．２５Ｄであり、最も高い光学屈折力は、３．２５Ｄである。硬質レンズの前面にトーリック補正を行い、その結果、最も低い屈折力（１．２５Ｄ）のところでの正味の非点収差は、あらゆる場合において０．１８Ｄである。ｘ軸に沿うスポットサイズは、ｘについて焦点合わせをしたときであり、ｙ軸に沿うスポットサイズは、ｙについて焦点合わせをした場合である。
表２：楕円形流体レンズ内の軟質メンブレンに対する補強片のモデル化

次に、補強片を増大させた結果を偏心率の関数として吟味した。表３は、例示のモデルにおいて補強手段の厚さを増大させたときの非点収差の蓄積率を示している。この例示の分析では、偏心率を０．８６４であると仮定し、長い方の直径は、３５．０ｍｍであった。最も低い球面屈折力及び最も高い球面屈折力をそれぞれ１．２５Ｄ及び３．２５Ｄであると仮定し、調節範囲は、２．０Ｄ範囲であった。また、硬質光学部品の前面に適当な軸線に沿ってトーリック補正を施し、その結果、最も低い屈折力における正味の非点収差は、０．１８Ｄに保持される。最も高い球面屈折力における非点収差を像のスポットサイズと一緒にＺＥＭＡＸ上でコンピュータ計算した。ベースメンブレンを単位厚さのものであると仮定し、１Ｘ厚さの補強片は、これが貼付されたメンブレンの厚さを２倍にしている。像のスポットサイズを網膜像の点増強度分布関数（ポイントスプレッドファンクション）、網膜像のくっきりさ及び清澄性という重要な尺度及び装用者により知覚される像品質の尺度と相関させることが予想される。表３に示されている実施例では、補強手段の厚さを流体レンズ内で増大させたときに像品質の向上が得られた。
表３：補強手段厚さの関数としての非点収差の変化

この実施例では、３Ｘ補強手段が非丸形光学部品の使用を最高０．８０の偏心率まで可能にする一方で、最も低い及び最も高い球面屈折力（ｓｐｈ）（例えば、１．２５ｓｐｈでは０．１８Ｄ、３．２５Ｄｓｐｈでは０．５０Ｄ）に合わせて指定された非点収差の限度内にとどめたことが判明した。この偏心率レベルは、大抵のレンズ設計にとって適当である。というのは、短軸直径が３２ｍｍの場合に４０ｍｍの長軸直径が提供されるからである。丸形からのそれ以上の逸脱（例えば、０．７の偏心率）は、例えば厚さが４Ｘ〜６Ｘのパッド又はテープを用いることにより補強を一段と促進することにより達成できる。

注目されるべきこととして、上述の分析及び結果は、瞳孔サイズが４．０ｍｍであると仮定して例示の近軸状況に取り組んだものである。換言すると、これは、１０°未満の中ぐらいの視界角にわたって光学部品の中心に利用できた。この分析を光学部品全体について様々な凝視角度で繰り返し実施するのが良い。かかるコンピュータ計算は、メンブレンの形状を一段と最適化する。というのは、光学中心のところの最良補正を提供するのではなく光学部品全体について最良補正を提供する補強方式を定めることができるからである。このグローバル最適化を実施する際、中心から見て遠くに位置する光学セグメントは、全体的な視覚的満足度を定める際に重要ではないことが認識される場合がある。というのは、大抵の視認する仕事では、最も快適な近用視を行うために頭の運動を補完制御された眼球運動の直接凝視を必要とするからである。

他の形状の光学部品、例えば長方形又は正方形光学部品も又、この方式に適合させることができる。変形したメンブレンの形状を例えばひとまとまりの点、例えば点の雲として又は点を適合させるために用いられるひとまとまりのスプラインとして説明することができる。この場合、液体レンズ（変形したメンブレンを含む）を通って伝えられる光線の波面をコンピュータ計算し、適応補正をこの波面に適用して網膜像品質を最大にするのが良い。網膜像品質を像品質の幾つかの一般的に用いられている測定法のうちの１つ、例えばシュトレール比又は等価焦点ぼけによって測定することができる。

流体レンズインセット

インセット型設計の実施形態では、流体レンズの非丸形の形状は、装用者の瞳孔の存在場所に中心を持つ丸形又は楕円形部分を有している。かかる実施形態では、眼鏡をかけると、瞳孔の中心は、インセットの中心と一線をなす。円形インセットの場合、アクティブな領域は、レンズフレームの形状に応じて狭い場合がある。というのは、円の形状の垂直直径は、フレームの垂直直径に収まらなければならないからである。軟質メンブレンのアクティブ領域が狭すぎる場合、これは、装用者にとって不適当である場合がある。というのは、装用者の眼球運動は、上下よりも左右に広い観察範囲を必要とする場合があるからである。例えば、平均的な装用者は、快適な左右の眼球運動が得られるためには約３０〜３５ｍｍのアクティブ領域の幅を必要とする。楕円形インセット部分は、インセットの垂直寸法がアクティブ領域幅と比較して小さい場合であってもかかるアクティブ領域幅を許容する。図７ａ，ｂは、流体レンズ組立体７０４内における例示の楕円形インセット７０２を示している。インセット光学部品７０２をこの場合アクティブ光学領域と称する。アクティブ光学領域は、インフレートして所望の屈折力範囲を提供するよう設計されている。屈折量範囲の低い方の端と高い方の端における非点収差の仕様は、アクティブ領域にのみ当てはまる。アクティブ領域は、メンブレンの厚さを周囲光学領域よりも実質的に薄く輪郭付けることによって形成できる。例えば、図７ｂの例示の楕円形インセット７０２に示されているように、２５ｍｍ×３５ｍｍのアクティブ領域の場合、０．８０の偏心率が１．２５Ｄから２．７５Ｄまでの１．５０Ｄの屈折力範囲にわたり上述の光学仕様に合っていることが判明した。２Ｘ〜１０Ｘのメンブレン厚さ比を用いることができ、それにより、光学領域全体のセグメント化が提供される。或る１つの実施形態では、メンブレン厚さ比は、３Ｘ〜７Ｘである。厚さ比が小さければ小さいほど、外側ゾーンの撓みがそれだけ一層大きくなる。これにより、アクティブゾーン内では高い非点収差レベルが生じる。

かかる設計を美的観点から許容可能であるようにするためには、アクティブ光学領域の境界部を像の飛び又は知覚可能な像のゆがみが回避されるようなめらかに移行させるのが良い。この境界部と関連した視覚的不快さの主因は、（１）プリズム不連続性、（２）倍率不連続性及び（３）屈折力不連続性により引き起こされる高い局所非点収差であることが分かっている。これらは又、この境界部の視認性の一因となる主要な要因であり、これらにより美的観点の上で許容できない結果が潜在的に生じる。移行ゾーンを提供することによりこれらの問題を最小限に抑えることができる。或る１つの実施形態では、移行ゾーンの幅は、約１〜５ｍｍである。別の実施形態では、移行ゾーンの幅は、約２〜３ｍｍである。移行ゾーンの幅は、このゾーン内の屈折力の勾配によって決定できる。というのは、このゾーンの視覚的性能がこの像における０．５０Ｄの最大の非点収差値をもたらす屈折力勾配が０．５０Ｄ／ｍｍ以下の場合にのみ許容可能だからである。かかる実施例では、１．５０Ｄの屈折力範囲は、幅が３．０ｍｍの移行ゾーンを必要とする。

結論

本発明の種々の実施形態を上述したが、これら実施形態は、例示として提供されているに過ぎず、本発明を限定するものではないことが理解されるべきである。本発明の精神及び範囲から逸脱することなくこれら実施形態の形態及び細部の種々の変更を実施できることは当業者には明らかであろう。かくして、本発明の広さ及び範囲は、上述の例示の実施形態のうちの任意のものによって定められるべきではなく、以下の特許請求の範囲の記載及びその均等範囲に基づいてのみ定められるべきである。

さらに、要約書の目的は、米国特許商標庁及び一般大衆並びに特許若しくは法上の用語又は言い回しに精通していない当該技術分野における科学者、技術者及び実務者が本願の技術的開示の性質及び本質を大まかな参照から迅速に把握することができるようにすることにある。要約書の記載は、本発明の範囲を何ら制限するものではない。
なお、好ましい実施態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１．流体レンズ組立体であって、
後面及び非球面状前面を備えた非丸形硬質レンズを有し、
前記非丸形硬質レンズの前記後面に結合された軟質メンブレンを有し、キャビティが前記軟質メンブレンの前面と前記硬質レンズの前記後面との間に形成され、
前記軟質メンブレンの前記前面と前記非丸形硬質レンズの前記後面との間の前記キャビティと流体連通状態にあるリザーバを有し、流体が前記流体レンズ組立体の光学屈折力を変化させるよう前記リザーバと前記キャビティとの間で移送可能であり、
前記非球面状前面は、前記キャビティ内に入っている流体によって引き起こされる光学誤差を少なくとも部分的に減少させる、流体レンズ組立体。
２．前記非丸形硬質レンズの前記後面は、球面状である、上記１記載の流体レンズ組立体。
３．前記リザーバと前記キャビティとの間における流体の移送により、前記軟質メンブレンは、その形状が非球面状に変わる、上記１記載の流体レンズ組立体。
４．前記硬質レンズの前記非球面状前面は、前記軟質メンブレンの前記非球面に対し実質的に反作用する、上記３記載の流体レンズ組立体。
５．前記軟質メンブレンは、厚さが一様である、上記１記載の流体レンズ組立体。
６．前記軟質メンブレンは、厚さが非一様である、上記１記載の流体レンズ組立体。
７．前記軟質メンブレンの厚さは、流体が前記リザーバと前記キャビティとの間で移送されたときに、前記軟質メンブレンがその形状を球面状に変えるよう輪郭付けられている、上記６記載の流体レンズ組立体。
８．前記非球面状前面により導入される非点収差は、観察者の許容レベルの範囲内にある、上記１記載の流体レンズ組立体。
９．前記硬質レンズの前記前面は、トーリックである、上記１記載の流体レンズ組立体。
１０．流体レンズ組立体であって、
後面及び前面を備えた非丸形硬質レンズを有し、
前記非丸形硬質レンズの前記後面に結合された軟質メンブレンを有し、キャビティが前記軟質メンブレンの前面と前記硬質レンズの前記後面との間に形成され、前記軟質メンブレンは、厚さが一様ではなく、
前記軟質メンブレンの前記前面と前記非丸形硬質レンズの前記後面との間の前記キャビティと流体連通状態にあるリザーバを有し、流体が前記リザーバと前記キャビティとの間で移送可能である、流体レンズ組立体。
１１．前記軟質メンブレンの厚さは、流体が前記リザーバと前記キャビティとの間で移送されたときに、前記軟質メンブレンがその形状を球面状に変えるよう輪郭付けられている、上記１０記載の流体レンズ組立体。
１２．前記軟質メンブレンの厚さの変化は、前記メンブレンの子午線に従う、上記１１記載の流体レンズ組立体。
１３．前記軟質メンブレンは、
一様な厚さの第１メンブレンと、
一様な厚さの第２のメンブレンとを含み、前記第２のメンブレンは、前記第１のメンブレンよりも小さく、前記第１のメンブレンの子午線に沿って前記第１のメンブレンに取り付けられている、上記１１記載の流体レンズ組立体。
１４．前記軟質メンブレンは、単一成形シートから成る、上記１１記載の流体レンズ組立体。
１５．前記軟質メンブレンの最小厚さと最大厚さとの間の移行部は、滑らかである、上記１１記載の流体レンズ組立体。
１６．前記軟質メンブレンの最大厚さは、前記軟質メンブレンの最小厚さの少なくとも２倍である、上記１１記載の流体レンズ組立体。
１７．前記軟質メンブレンの前記最大厚さは、前記最小厚さの少なくとも３倍である、上記１６記載の流体レンズ組立体。
１８．前記軟質メンブレンの前記非一様性により、前記流体レンズ組立体に関して約２．０ジオプタの調節範囲が得られる、上記１０記載の流体レンズ組立体。
１９．前記非丸形硬質レンズの前記前面は、非球面状である、上記１０記載の流体レンズ組立体。
２０．流体レンズ組立体であって、
後面及び前面を備えた非丸形硬質レンズを有し、
前記非丸形硬質レンズの前記後面に結合された軟質メンブレンを有し、キャビティが前記軟質メンブレンの前面と前記硬質レンズの前記後面との間に形成され、前記軟質メンブレンは、流体が前記リザーバと前記キャビティとの間で移送されたときに前記軟質メンブレンの楕円形部分のところの形状が前記楕円形部分の外側に位置する前記軟質メンブレンの部分とは異なるように変わるよう構成され、前記軟質メンブレンの前記楕円形部分は、前記軟質メンブレン全体よりも小さく、
前記軟質メンブレンの前記前面と前記非丸形硬質レンズの前記後面との間の前記キャビティと流体連通状態にあるリザーバを有し、流体が前記リザーバと前記キャビティとの間で移送可能である、流体レンズ組立体。
２１．前記軟質メンブレンの前記楕円形部分の厚さは、前記楕円形部分の外側に位置する前記軟質メンブレンの部分の厚さよりも小さい、上記２０記載の流体レンズ組立体。
２２．前記非丸形硬質レンズの前記前面は、非球面状である、上記２０記載の流体レンズ組立体。

Claims

流体レンズ組立体であって、
後面及び非球面状前面を備えた非丸形硬質レンズを有し、
前記非丸形硬質レンズの前記後面に結合された軟質メンブレンを有し、キャビティが前記軟質メンブレンの前面と前記硬質レンズの前記後面との間に形成され、
前記軟質メンブレンの前記前面と前記非丸形硬質レンズの前記後面との間の前記キャビティと流体連通状態にあるリザーバを有し、流体が前記流体レンズ組立体の光学屈折力を変化させるよう前記リザーバと前記キャビティとの間で移送可能であり、
前記非球面状前面は、前記キャビティ内に入っている流体によって引き起こされる光学誤差を少なくとも部分的に減少させる、流体レンズ組立体。
前記非丸形硬質レンズの前記後面は、球面状である、請求項１記載の流体レンズ組立体。
前記リザーバと前記キャビティとの間における流体の移送により、前記軟質メンブレンは、その形状が非球面状に変わる、請求項１記載の流体レンズ組立体。
前記硬質レンズの前記非球面状前面は、前記軟質メンブレンの変形により、非点収差に対し実質的に反作用する、請求項３記載の流体レンズ組立体。
前記軟質メンブレンは、厚さが一様である、請求項１記載の流体レンズ組立体。
前記軟質メンブレンは、厚さが非一様である、請求項１記載の流体レンズ組立体。
前記軟質メンブレンの厚さは、流体が前記リザーバと前記キャビティとの間で移送されたときに、前記軟質メンブレンがその形状を球面状に変えるよう輪郭付けられている、請求項６記載の流体レンズ組立体。
観察者が近用視を用いる仕事に従事したとき、前記非球面状前面により導入される非点収差は、０．５ジオプタ未満である、請求項１記載の流体レンズ組立体。
前記硬質レンズの前記前面は、トーリックである、請求項１記載の流体レンズ組立体。