KR101642544B1 - 비구면 유체 충진 렌즈 옵틱 - Google Patents

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Abstract

비원형 유체 렌즈 어셈블리는 비원형 강성 렌즈 및 비원형 강성 렌즈에 부착된 가요성 막을 포함하며, 이를 통해 고동이 비원형 강성 렌즈 및 가요성 막 사이에 형성된다. 공동과 연통된 유체 저장소는 공동의 안으로 및 밖으로 유체의 이동을 허용하며, 그 결과 유체 렌즈 어셈블리의 광학 도수를 변화시킨다. 일례에서, 비원형 강성 렌즈의 전면은 비구면이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 막의 두께는 컨투어될 수 있으며, 이를 통해 그것은, 유체가 공동 및 저장소 사이를 이동하는 경우 구면 방식으로 형상을 변화한다.

Description

비구면 유체 충진 렌즈 옵틱{Aspheric fluid filled lens optic}
본 발명의 실시예는 유체 충진 렌즈에 관한 것으로서, 특히 가변적 유체 충진 렌즈에 관한 것이다.
기본적인 유체 렌즈(fluid lens)는, 전체가 참조로 인용되는, 미국특허 제 2,836,101호에 기술된 바와 같이 약 1958년 이래로 알려지고 있다. 더 최근 예는, 여기에 각각의 전체가 참조로 인용되는, Tang 외, Lab Ship, 2008, vol. 8, 395페이지의 "미세 유체 채널 내의 동적 재구성 유체 코어 유체 피복 렌즈(Dynamically Reconfigurable Fluid Core Fluid Cladding Lens in a Microfluidic Channel)" 및 WIPO 공보 WO2008/063442에서 발견될 수 있다. 유체 렌즈의 이러한 응용들은 포토닉스, 디지털 휴대 전화와 카매라 기술, 및 마이크로 일렉트로닉스와 연관된다.
또한, 유체 렌즈는 안과적 응용을 위해 제안되어 왔다(예를 들어, 전체가 참조로 인용되는, 미국특허 제 7,085,065호). 모든 경우에서, 광역역광보정(wide dynamic range)을 포함하는 유체 렌즈의 이점은, 적용형 보정, 견고성, 및 구멍 크기, 누출 성향 및 수행 일관성의 제한에 의하여 균형잡혀져야 하는 낮은 비용을 제공할 수 있는 능력이다. 예로서, 상기 '065 특허는, 몇몇의 향상 및 안과용 적용에 사용되는 유체 렌즈에서 유체의 효과적인 밀폐와 연관된 실시예를 개시한다. 유체 렌즈에서 도수 조정은, 렌즈 공동 내로의 추가적 유체 주입에 의해, 일렉트로웨팅(electrowetting)에 의해, 초음파 충격의 적용에 의해, 그리고 물과 같은 팽창(inflation) 에이전트 도입시 교차-연결 폴리머에서의 팽창력 활용에 의해 영향을 받아 왔다.
모든 경우에서, 이 기술의 상업적 이용을 최적화하기 위해서는 극복될 필요가 있는 유체 렌즈 기술의 몇몇 주요 제한이 있다. 예를 들어, 유체 렌즈의 두께는, 같은 도수 및 지름의 종래의 렌즈보다 일반적으로 크다. 추가적으로, 유체 렌즈 기술을 사용한 렌즈 옵틱의 비점수차(astigmatism)뿐만 아니라 구면 도수의 다양성을 제공하는 것은 현재 불가능하다. 또한, 비원형 유체 렌즈의 비균일 확장에 의한 문제 때문에 유체 렌즈를 원형이 아닌 다른 어떤 바람직한 형상으로 제조하는 것은 현재 불가능하다.
본 발명의 일례에서, 비원형 유체 렌즈 어셈블리는 비원형 강성 렌즈 및 비원형 강성 렌즈에 부착된 가요성 막을 포함하며, 이를 통해 비원형 강성 렌즈 및 가요성 막 사이에 공동이 형성된다. 공동과 유체 연통되는 저장소는 유체가 공동 안으로 및 밖으로 이동할 수 있도록 하며, 그 결과 유체 렌즈 어셈블리의 광학 도수(optical power)를 변화시킨다. 일례에서, 비원형 강성 렌즈의 전면은 비구면이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 막의 두께는 컨투어(contoured)될 수 있으며, 그 결과 유체가 공동 및 저장소 사이를 이동하는 경우 그것은 구면 방식으로 형상을 변화한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 막은 "인세트"부를 가질 수 있으며, 이는 가요성 막의 다른 부분보다 더 가요성을 가지며, 이를 통해 공동 및 저장소 사이의 유체의 이동이 인세트부를 제외한 가요성 막의 다른 부분의 실질적인 변화없이 인세트부의 형상을 구면 방식으로 변화시킨다. 일례에서, 인세트부는 타원 형상이다. 인세트부는 컨투어될 수 있으며, 그 결과 유체가 공동 및 저장소 사이를 이동하는 경우 그것은 형상을 구면 방식으로 변화시킨다. 그러한 인세트부를 가요성 막에 포함하는 것이, 유체 충진 렌즈의 이점을 유지하면서 비원형 렌즈(예를 들어, 착용자에 의해 선호될 수 있는 타원형, 직사각형, 또는 다른 형상의 렌즈)가 착용될 수 있도록 한다.
추가적으로, 실시예, 특징, 및 본 발명의 이점은, 본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 작동뿐만 아니라, 동반된 도면에 참조와 함께 아래에서 상세히 설명된다.
본 명세서에 포함되고 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은, 본 발명을 예시하며, 또한 설명과 함께 추가적으로 발명의 원리에 대한 설명을 제공하고 관련 기술분야의 통상의 기술자가 본 발명을 만들고 사용할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른, 예시적인 유체 충진 렌즈 어셈블리의 도해이다.
도 2는 강성 프론트 렌즈 표면에 대한 보정없이 유체 충진 렌즈 어셈블리의 이심률에 대비되는 비점수차의 변화를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일례에 따른, 원환체(toric) 프론트 렌즈 표면 보정을 갖는 유체 충진 렌즈 어셈블리의 이심률에 대비되는 비점수차의 변화를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일례에 따른, 유체 렌즈의 가요성 막의 변형을 나타낸다.
도 5a,b 및 6a,b는 본 발명의 실시예에 따른, 컨투어 가요성 막을 나타낸다.
도 7a,b는 본 발명의 일례에 따른, 유체 렌즈 어셈블리의 예시적인 타원형 인세트를 나타낸다.
도 8a,b는 본 발명의 일례에 따른, 유체 렌즈의 가요성 막의 변형을 나타낸다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 요소가 도시된 도면은 참조 번호에 상응하는 좌선 숫자에 의해 지시된다.
구체적인 구성 및 배열이 논의되지만, 이것은 단지 설명의 목적을 위한 것임을 이해해야 한다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 본 발명의 원리 및 범위로부터 벗어남이 없이 다른 구성 및 배열이 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 또한, 본 발명이 다양한 다른 응용분야에 채용될 수 있음은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
명세서에서 "일실시예(one embodiment)", "일례(an embodiment)", "예시적인 실시예(an example embodiment)", 등에 대한 언급은, 설명된 실시예가 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 포함할 수 있음을 나타내지만, 그러나 모든 실시예는 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 필수적으로 포함하지 않을 수 있다. 게다가, 이러한 문구는 필수적으로 동일한 실시예를 언급하지 않는다. 추가적으로, 일례와 연관되어 특정 특징, 구조, 또는 특성이 설명되는 경우, 명시적으로 설명되지 않은 다른 실시예와 연관되어 그러한 특징, 구조, 또는 특성을 적용하는 것은 본 기술분야의 기술자의 통상의 지식 내일 것이다.
위의 배경기술 부분에 설명된 종래의 이용가능한 유체 충진 렌즈 기술의 제한은 비구면 유체 렌즈를 구축함으로써 제거될 수 있다. 종래 유체 렌즈는 형태상 원형이었는데, 이는 비구면 유체 렌즈를 구축할 방법이 존재하지 않았기 때문이다. 도 1은 본 발명의 일례에 따른 예시적인 비구면 유체 렌즈(100)를 나타낸다. 유체 렌즈(100)는 강성 전면(102), 가요성 후면(104), 및 강성 전면(102)과 후면(104) 사이에 형성된 유체 충진 공동(106)을 포함한다. 강성 전면(102)은, 예를 들어, 유리 또는 플라스틱으로 제조된 강성 프론트 렌즈(108)에 의해 제공될 수 있다. 가요성 후면(104)은, 예를 들어, 강성 프론트 렌즈(108)의 에지를 넘어 평평하게 뻗은 가요성 막(110)에 의해 제공될 수 있다. 이에 따라, 형성된 유체 렌즈는 채널(112)를 통해 늘어선 저장소(114)에 연통되거나, 그렇지 않으면 초과 유체를 포함하는 탄성 변형가능 막으로부터 형성된다. 유체 렌즈(100) 및 저장소(114)는 밀봉된 유니트를 함께 형성한다. 액츄에이터(116)는 저장소 내부의 변형가능 막을 쥐어짜거나 확장하는 작동이 가능하여, 유체를 채널(112)을 통해 저장소(114) 및 유체 렌즈(100) 사이에서 이동하게 한다. 제한되지 않는 예를 들어, 액츄에이터(116)는 벌브(bulb) 액츄에이터, 주사기 타입 액츄에이터, 또는 다이얼 엑츄에이터일 수 있다. 일례에서, 강성 프론트 렌즈(108) 및 가요성 막(100)의 둘 다 아닌, 둘 중 어느 하나, 또는 둘 모두는 광학 도수를 가질 수 있다. 채널(112)은, 저장소(114)에 유체 렌즈를 연통하며, 예를 들어 안경 프레임의 렌즈부 내로 또는 안경 프레임의 안경다리부 내로 수용될 수 있다.
이 개시 전체에 걸쳐, 용어 "유체 렌즈 어셈블리(fluid lens assembly)"는 강성 프론트 렌즈(108), 가요성 막(110), 및 양자 사이의 유체 이동 시스템의 어셈블리를 설명하기 위해 사용될 것이다. 용어 "유체 렌즈(fluid lens)"는 유체 층 및 유체를 포함하고 유체 렌즈의 표면을 형성하는 두 표면(102 및 104)을 나타내기 위해 사용될 것이다.
비원형 렌즈에서, 유체의 압력은 가요성막의 단축 및 장축을 따라 그것의 다른 편향을 일으키고, 그로 인해 막의 비구면 편향을 발생시킨다. 그러므로 본 발명의 실시예의 비원형 유체 렌즈는 이러한 편향에 의한 비구면차를 보정한다. 일례에서, 강성 프론트 렌즈의 전면은 유체에 의한 비구면차를 보정한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 막의 두께는 컨투어될 수 있으며, 그 결과 유체 압력에 대응하는 막의 구면 편향이 발생한다. 일례에서, 가요성 막은 인세트부를 포함하며, 인세트부는 가요성 막의 다른 부분보다 더 가요성을 가지며, 이로 인해 공동 및 저장소 사이의 유체의 이동이 인세트부를 제외한 가요성 막의 다른 부분의 실질적인 변화없이 인세트부의 형상을 구면 방식으로 변화시킨다.
강성 프론트 렌즈의 비구면성
유체 렌즈(100)와 같은, 유체 렌즈는 비구면 강성 프론트 렌즈를 제공함으로써 비구면이 된다. 강성 프론트 렌즈(108)가 그것의 후면(102)에서 유체와 접촉되기 때문에, 강성 프론트 렌즈(108)의 후면(102)에 대한 비구면 보정 추가의 영향은 강성 프론트 렌즈 소재의 굴절률(refractive index)과 관계된 유체의 굴절률에 의해 약화될 것이다. 실제로, 후면(102)을 통한 비구면 보정을 제공하기 위해 필요한 강성 프론트 렌즈(108)의 두께 변화는 다음과 같이 표현될 수 있을 것이다:
Figure 112012037974962-pct00001
식에서 d는 그 시점에서 광학 도수의 특정 변화를 제공하기 위해 요구되는 강성 프론트 렌즈의 두께의 국지적 변화이며, d1은 유체가 공기인 경우, 필수적이었을 두께의 변화이며, n1은 강성 프론트 렌즈 소재의 굴절률이고 n2는 유체의 굴절률이다. 예를 들어, 강성 프론트 렌즈(108)가 비스페놀 A의 폴리카보네이트(Polycarbonate of bisphenol A)이고 유체가 실리콘 오일인 경우 n1은 1.59 및 n2는 1.54이고, d는 11,8d1과 동등한 결과가 된다. 다시 말해서, 비구면 보정이 강성 프론트 렌즈(108)의 후면(102)에 더해진다면, 렌즈 두께의 비교적 큰 변화는 비구면 보정을 제공하기 위해 요구될 것이다.
전면(118)이 공기와 접촉하는 경우, 렌즈 두께는 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 더해지는 비구면 보정에 의해 감소될 것이다. 강성 프론트 렌즈(108)의 표면이 타원체 또는 쌍곡면인 경우, 전면(118)에 대한 비구면 보정은 회전 대칭 비구면 보정의 형상일 것이다. 이 경우, 표면은 수학식 2에 의해 설명될 것이며, p가 양수이면 표면은 타원체이고, p가 음수이면 쌍곡면이다:
Figure 112012037974962-pct00002
강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 적용된 회전 대칭 비구면 보정은 적어도 두 가지 이점을 제공한다. 비구면 보정은 유체 렌즈의 현재 구면 수차를 최소화하도록 디자인될 것이며, 높은 구면 도수에서 특히 인식될 수 있을 것이다. 더욱이 유체 렌즈의 플러스 도수(plus power)는 높은 시선 각도에서 감소될 것이며, 이는 착용자의 외관적 요구와 일치한다.
강성 프론트 렌즈의 원환체 보정
추가적으로 또는 대안적으로, 다른 구면 보정이 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전면(118)은 도넛형일 수 있다. 그로 인해 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 더해지는 비점수차는 적어도 두 가지 이점을 갖는다. 비점수차는, 시력 보정을 요구하는 인구의 약 80%가 갖는, 눈 본래의 비점수차를 상쇄하도록 사용될 것이다. 또한, 유체 렌즈의 형상이 원형으로부터 벗어난 경우, 비점수차는 가요성 막(110)의 표면(104)에 발생된 비점수차를 상쇄하는데 사용될 것이다.
눈에 본래의 비점수차를 갖는 사람은 최상의 보정된 시력을 성취하기 위해 전형적으로 비점수차 보정 안경을 착용한다. 이러한 보정이 적용되기 위해, 렌즈의 비점수차 축의 방향은 안경 착용자의 눈의 비점수차 축과 직교해야만 한다. 만약 이러한 비점수차 보정이 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 원환체 커브를 더하여 제공된다면, 강성 프론트 렌즈(108)의 0-180°선에 관련된 모든 가능한 각도에서 원환체 축을 갖는 프론트 원환체 강성 프론트 렌즈(108)를 만드는 것이 바람직하다. 이것은 180 가지 다른 구성, 또는 재고품(sku)을 구성할 것이다. 이는 유체 렌즈 어셈블리가 회전 대칭이 아니기 때문이며, 그것이 유체 렌즈(100)에 부착된 채널(112)을 포함하기 때문이다. 추가적으로, 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 더해진 비점수차 보정의 크기는 착용자에 의해 요구되는 비점수차 보정의 크기와 실질적으로 일치하는것이 바람직하다. 본래의 비점수차의 크기의 총 범위가 매우 큰 경우(약 0 내지 약 15 디옵터, 또는 그 이상), 그것은 시력 보정을 요구하는 인구의 99%에게 약 6 디옵터 (D)이다. 눈의 본래의 비점수차 및 렌즈의 보정 비점수차 사이의 일치는 0.25D 근방일 것이 요구되기 때문에, 전면의 약 25 가지 다른 구성이 위에 언급된 범위를 커버하기 위해 요구된다. 또한, 강성 프론트 렌즈(108)에 대한 채널(114)의 부착은 왼쪽 및 오른쪽 렌즈 사이에 차이를 이끌며, 이로 인해 재고품의 총 숫자에 두 가지 추가 요소를 곱하게 된다. 그러므로, 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 9000 가지 다른 구성이 보정을 요구하는 인구의 99%에게 보정을 제공하기 위해 필요할 수 있다.
본 발명의 일례에서, 높은 체적에서 성형 또는 가공될 수 있는 회전 대칭 렌즈 공백을 디자인함으로써 강성 프론트 렌즈에서 재고품의 숫자를 실질적으로 감소시키는 것이 가능하다. 바람직한 렌즈 형상은 유체 렌즈의 바람직한 형상에 상응하게 잘라질 것이고, 막은 잘려진 이 형상의 외측 에지에 접착된다. 구멍은, 채널 내측의 유체 통로와 연통되도록 잘려진 강성 렌즈의 측면 내부로 뚫릴 것이다. 작은 커넥터 또는 슬리브가 채널의 단부를 구멍에 연통할 것이다.
또한, 유체 렌즈 어셈블리의 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 대한 원환체 보정의 적용은 유체 렌즈의 구조가 비원형(예를 들어, 타원 또는 직사각형) 형상일 수 있게 한다. 비원형 유체 렌즈는 상용화되지 못해 왔는데, 이는 더 높은 플러스 도수에 도달하기 위한 유체 렌즈의 팽창에 의해 비원형 유체 렌즈가 비점수차 에러를 발생시키기 때문이다. 이것은 유체 렌즈 내부로의 유체의 주입이 정수압을 모든 방향으로 동등하게 증가시키기 때문이다. 이러한 힘은 유체 렌즈 어셈블리의 (막(110)과 같은) 막을 쭉 뻗거나 밖으로 팽창되게 한다. 게다가, 상기 힘은 막의 표면을 더 볼록하게 만들고 유체 렌즈에 더 높은 플러스 도수를 준다. 비원형 유체 렌즈의 경우에서, 막의 자오선의 길이는 모든 방향에서 동등하지 않다. 그러므로 막의 곡률은 다른 자오선에서 다르며, 최단 자오선에서 가장 가파르고 최장 자오선에서 가장 덜 가파르다. 이것이 원환체를 이끈다. 일례에서, 유체 렌즈에서 이 유발된 팽창 비점수차를 상쇄하는 것은 강성 프론트 렌즈의 전면에 대한 비점수차 보정을 더함에 의해 가능하다. 이러한 접근에서, 유체 렌즈가 팽창되지 않은 경우(예를 들어, 그것의 가장 낮은 플러스 도수인 경우), 렌즈 어셈블리는 강성 프론트 렌즈의 전면에 더해진 비점수차에 상응하는 비점수차를 갖는다. 즉, 유체 렌즈가 팽창하지 않는 경우, 강성 프론트 렌즈의 전면에 더해진 비점수차는 유발된 팽창 비점수차에 의해 보상되지 않는다. 강성 프론트 렌즈(108)의 전면(118)에 대한 비점수차의 추가는 가장 낮은 플러스 도수에서 비점수차 및 더 높은 플러스 도수에서 비점수차 사이의 교환을 가능하게 한다. 이러한 교환은 유체 렌즈의 도수의 총 디자인된 범위에 대해 계산되고 최적화될 것이다. 또한, 만약 비점수차가 범위의 임의 지점에서 인간 눈의 비점수차의 허용 임계값 및 유체 렌즈의 도수를 초과하지 않는다면,그러한 교환은 착용자에게 허용될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 유체 렌즈는 표 1에 도시된 파라미터에 따라 디자인된다. 유체 렌즈의 전면은 이 실시예에서 다른 비점수차 보정을 갖지 않는다.
강성 프론트 렌즈의 전면의 곡률 반경, Ra 500mm
강성 프론트 렌즈의 후면의 곡률 반경, Rb 500mm
유체 렌즈의 장 지름, a 35.0mm
유체 렌즈의 단 지름, b 34.0mm
이심률, a/b 0.972
유체 렌즈 작동의 범위 1.25D 내지 3.25D
장축에 따른 초기 도수,DIa 1.25D
단축에 따른 초기 도수,DIb 1.26D
유체 렌즈의 초기 상태의 비점수차 0.01D
유체 렌즈의 장축에 따른 최종 도수, DFa 3.25D
유체 렌즈의 단축에 따른 최종 도수, DFb 3.37D
유체 렌즈의 최종 상태의 비점수차 0.12D
유체 렌즈 실시예의 사양
표 1에 기술된 유체 렌즈 실시예에서, 강성 프론트 렌즈는 비스페놀 A의 폴리카보네이트로 제조되며, 막은 2축연신 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(biaxially oriented polyethylene terephthalate)(상품명 MYLAR)이고, 유체는 굴절률 1.54의 실리콘 오일이다. 이 경우에서, 원형으로부터 이탈의 각도는 이심률로서 표현되고, 형상은 1.0으로부터 더 이탈되며 점진적으로 더 비원형이 된다. 표 1의 데이터는 원형으로부터 조금의 이탈이 범위의 가장 높은 지점(즉, 3.25D)에서 비교적 낮은 양의 비점수차(0.12D)를 발생시킴을 도시한다.
도 2는 유체 렌즈 실시예에서 이심률에 대응하는 비점수차의 구축의 의존을 도시한다. 종좌표가 디옵터(D)에서 비점수차를 도시하며, 이심률(kv)은 x축에 도시된다. 도 2에서, 선 202는 표 1에 기술된 유체 렌즈 실시예를 나타낸다. 선 204는 범위의 가장 낮은 지점(1.25D)에서 비점수차의 값을 도시하고, 선 206은 범위의 가장 높은 지점(3.25D)를 나타낸다.
유체 렌즈의 현저한(즉, 상업적으로 유용한) 비원형 형상에서, 예를 들어 kv < 0.85, 도수 범위의 가장 낮은 지점(1.25D)에 도달하기 위해 요구되는 비교적 작은 팽창은 비점수차의 작은 크기를 이끄는 것은 명백하다. 이러한 비점수차는 거의 인간 눈의 인식의 단계 아래이다(전형적으로 0.10-0.12D). 그러나, 도수 범위의 더 높은 단부에서 유발된 비점수차는 kv=0.85에서 0.85D에 도달하며, 가까운 시력 태스크와 관련된 경우 물론 인간 눈에 의한 비점수차의 허용 범위를 넘으며, 이는 전형적으로 육안(direct gaze)에서 약 0.50D이다(즉, 0°의 시선 각도 및 15°의 시선 각도를 넘어 렌즈의 어떠한 부분을 걸쳐 0.75D 그 이상이 아님). 도 2는 비원형 유체 렌즈와 관련된 문제의 크기를 도시한다.
도 3은 표 1에서 구체화된 유체 렌즈 실시예에서 비점수차의 발생의 비율을 강성 프론트 렌즈의 전면에서 0.125D의 더해진 비점수차 보정(즉, 원환체 보정)과 함께 도시한다. 선(304)은, 범위의 가장 낮은 지점에서 비점수차의 값을 나타내며, 의도된 디자인에 대응되게, 1.0의 이심률에서 0.125D에 도달한다. 선(306)은, 범위의 가장 높은 지점에서 비점수차의 값을 나타내며, 0.87의 이심률에서 0.50D의 값에 도달한다. 흥미롭게도, 유체 렌즈의 비점수차는 0.94의 이심률에서 도수의 전체 범위에 걸쳐 약 0.12D에서 상수가 된다. 강성 프론트 렌즈의 전면의 비점수차 보정을 증가시킴에 의해 더 낮은 이심률의 비원형에 도달하는 것은 가능하다. 최대의 그러한 보정은 0.18D를 초과하지 않아야 하며, 외관적 편안함 및 유체 렌즈 어셈블리의 도수 범위의 낮은 단부에서 착용자에 의해 예상되는 이미지 품질에 지장이 없어야 한다. 이 결과는 이러한 접근에 의해 적절한 비원형인 유체 렌즈를 디자인하는 것이 가능함을 도시한다.
가요성 막의 수정
유체 렌즈(100)과 같은 유체 렌즈는, 막(110)과 같은 막이 (구면의 반대로서) 비구면 형상을 취하도록 팽창되는 것을 허용함에 의해 비구면이 될 수 있다. 일례에서, 비구면 유체 렌즈는 유체 렌즈를 형성하도록 컨투어된 두께의 막을 사용한다. 원형의 유체 렌즈 어셈블리를 형성하는데 사용된 균등한 두께의 막은 균등하게 팽창하며, 그렇게 함으로써 구면 형상을 획득한다. 막의 국지적 변화는 주로 막의 국지적 강성에 의해 통제되고, 막을 딱딱하게 하는 것 또는 표면을 통한 그것의 두께를 변경하는 것에 의해 변경될 수 있다. 그러므로 컨투어된 두께의 막은 비구면 유체 렌즈를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 회전 대칭 비구면 형상이 요구된다면, 막은 타원형 또는 쌍곡선 형상 안으로 팽창되어야 한다. 그러한 팽창 프로필은 반경 대칭 방식으로 막의 두께를 변경함으로써 성취될 수 있다. 어떤 표면 형상은 막의 표면을 가로질러 두께의 적절한 컨투어에 의해 제공될 수 있으며, 이는 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 결정될 수 있을 것이다.
탄성 막 변형은 연신율(elongation) 및 굽힘의 중첩에 의해 주어진다. 일반적인 강성은 탄성 계수에 비례한다. 또한, 변형의 연신율 부분은 막 두께에 비례한다; 굽힘부는 큐브(cubed) 두께에 비례한다. 강성 조정의 한 방법은 구체적인 방향을 따라 막의 두께를 조정하는 것을 포함한다. 막의 두께는 다양한 방법에 의해 변경될 수 있으며, 예를 들어, 방향적으로 구체적인 스트레칭 공정에 의한다. 다른 하나의 방법은 다양한두께의 코팅층을 증착하기 위하는 것이며, 예로 플라즈마 증착 공정에 의한다. 도 5a,b 및 6a,b에 도시된 바와 같이, 다른 하나의 방법은 막의 중심 자오선을 따라 적절한 두께의 막의 두번째 스트립을 끈끈하게 접착하는 것이다. 그러한 접근은 유체 렌즈 장치를 포함하는 안경의 형상에 더 적은 제한을 주며, 이는 유한 요소 기반 접근에 의해 어떠한 형상도 분석될 수 있기 때문이며, 유효한 "장" 및 "단"축이 식별되면, 두께 변화는 그러한 축을 따라 적용된다. 대안적으로, 해결책은 막의 x,y 좌표에 대응하는 강성에 의해 유래될 수 있고, 강성의 이러한 매트릭스은 상대적으로 단단한 코딩(예로 실리콘 산화물(SiOx))의 증착에 의해 생산될 수 있다.
위치 의존 강성을 갖는 가요성 막의 디자인은 이하의 계산을 요구할 것이다: 타원 유체 렌즈에서 막의 기계적 반응, 그러한 변형 또는 스트레칭의 결과로서 막에 의해 얻어지는 표면 형상, 및 렌즈 내부로 주입된 유체의 전체 체적에 대응하는 결과적 형상을 갖는 막을 포함하는 유체 렌즈의 광학 도수. 게다가, 다수의 반복적 계산은, 가요성 막의 실제 형상 및 그러한 옵틱에 의해 발생된 망막 이미지의 디포커스(defocus) 상태와 가능한 가깝게 근사하기 위해 수행될 것이다. 일례에서, 이러한 복잡한 계산은 예시적인 소프트웨어 시스템을 사용하여 수행되었다. 예시적인 소프트웨어 시스템은, 각각 다른 기능을 갖는 몇몇의 다른 소프트웨어 묶음을 결합시키며, 이러한 방법으로 소프트웨어 각각은 그것의 결과를 다음 시스템에 입력한다.
단지 예로서, 다음 묶음은 여기서 예시적인 실시예로 기술된 계산에서 사용되었다. 유체 막의 변형은 컴솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics) 소프트웨어에서 모델링되었으며, 이는 COMSOL, Inc. of Burlington, MA에 의해 개발되었다. 컴솔 모델의 아웃풋은 매트랩(MATLAB) 소프트웨어에 송출되며, 이는 The MathWorks, Inc of Natick, MA에 의해 생산되었으며, 이는 이러한 표면에 대해 가장 적합한 다항식을 얻기 위한 것이다. 2차 (이차의) 다항식이 이 표면에 적합한 비점수차 도수 및 구면의 최상의 조합을 계산하기 위해 사용되었다. 그 후, 이 다항식은 제맥스(ZEMAX) 광학 모델링 소프트웨어로 수신되었음, 이는 ZEMAX Development Corporation of Bellevue, WA에 의해 생산되었다. 유체 막의 변형은, 이심률이 0.8d인 타원형 유체 렌즈를 위한 컴솔에서 그것의 x,y 좌표에 대응되게 계산되었다. 장 지름은 35 mm였으며, 단 지름은 28 mm였다. 모델은 사분면에서 운영되었으며, 4 중 대칭(four-fold symmetry)의 이점을 갖는다. 도 4는 전사투영(front projection)에서 유체 렌즈의 가요성 막의 예시적인 변형 구배를 나타내며, 이는 이러한 파라미터들에 따라 컴솔 소프트웨어 패키지에서 계산된 것이다. 도 4에 도시된 컨투어는 변형이 막 전체에서 비균등 했으며, 2000 파스칼의 압력에서 0.7 mm(700 미크론)의 최고치에 도달했음을 시연한다. 도 8a 및 8b는 각각 도 4에 도시된 변형의 일차원 스캔을 나타낸다. 도 8a는 수평축에 따른 변형을 나타내고, 도 8b는 수직축을 따른 변형을 나타낸다. 메싱(meshing)은 굽힘 모드를 포함하도록 3개의 층에서 (특별(extra fine)) 스위프 모드(sweep mode)로 수행되었으며, 모두 5439 개의 부재를 생성했다. 이 데이터는 제맥스에 입력되기 위해 적합될 최상의 2차 다항식을 위해 적매트랩으로 송출되었다.
이 계산 방식의 초기 평가 동안, 굵은 메쉬 크기는 미세한 메쉬 크기에 의해 발생된 표면에 대해 적당한 정확성 및 충실함을 제공했음이 관찰되었다. 또한, 교차 조건은 매트랩에서 계산된 최상 적합 2차 다항식에서 무시될 수 있음이 발견되었으며, 그 결과 수학식 3 및 4에 도시된 바와 같이, 표면은 x 및 y에서 이차 조건을 갖는 간단한 바이코닉(biconic)으로써 적절하게 나타날 수 있었다. 수학식 3은 컴솔로부터 송출된 변형 데이터를 적합하도록 매트랩에 의해 사용된 최상 적합 방정식이다.
Figure 112012037974962-pct00003
바이코닉 제르니케(Zernike) 처짐(sag)
수학식 4는 변형 데이터에 만족스러운 적합이 제공된 x,y 교차 조건을 무시한 수학식 3이다. 이 방적식은 제맥스로 표면 변형 데이터를 송출하기 위해 사용되었다.
Figure 112012037974962-pct00004
바이코닉 처짐
이러한 전산 및 모델링 접근은 2.0D의 디옵터 범위를 넘는 도수에서 조정될 수 있는 비원형 유체 렌즈를 위한 다른 디자인 컨셉을 평가하기 위해 사용되었다. 더 낮은 도수는 1.25D로 간주되었고 더 높은 도수는 3.25D로 취급되었다. 추가적 가정은 비점수차의 0.18D의 최고값은 상기 더 낮은 도수에서 허용될 것이며, 비점수차의 0.50D의 최고값은 상기 더 높은 도수에서 허용될 수 있다는 것이었다.
일례에서, 가요성 막의 비균등 두께는 제공되어 유체 주입에 대응된 그것의 변형을 조절하고 바꾸며 그 결과 구면 도수는 증가한다. 가변 두께의 가요성 막은, 위에 기술된 바와 같이 몇몇의 방법에 의해 얻어질 수 있다. 일례에서, 테이프 또는 패드는 막 표면의 특정 부분을 넘어 두께를 바꾸기 위해 사용되었다. 그러한 테이프 또는 패드는 가요성 막을 제조하기 위해 사용된 폴리머 필름일 수 있고, 가요성 막에 접착될 수 있다. 예를 들어, 테이프 또는 패드는 유체(예, 오일)와 접촉되는 가요성 막의 내부 표면에 접착될 수 있으며, 이를 통해 테이프 또는 패드의 가시성을 최소화한다. 막에 대한 이러한 테이프 또는 패드의 접착은 접착제를 사용하여 달성될 수 있다. 일례에서, 접착제는 유체 굴절률과 거의 동등한 굴절률을 갖는다. 대안적으로, 테이프 또는 패드는 레이저 용접 또는 초음파 용접, 또는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 다른 수단에 의해 가요성 막에 접착될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 그러한 테이프 또는 패드가 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 일례에서, 테이프 및 패드는 가요성 막에 두께를 더하기 위해 사용되지 않으며, 차라리, 두께의 차이는 단일의 가요성 막에 포함된다. 예로서 제한 없이, 변화하는 두께의 가요성 막을 제조하기 위한 기술은 성형, 압축 성형, 열 형성, 및 레이저 삭마(ablation)를 포함한다.
도 5a,b 및 6a,b는 최적 형상 및 컨투어를 연역하기 위해 성형된 테이프 및 패드의 예시적인 디자인을 나타내며, 이를 통해 막의 강성을 조절한다. 도 5a 및 5b는 각각 가요성 막(506)의 x 및 y축을 따라 적용된 테이프(502, 504)를 나타낸다. 도 6a 및 6b는 각각 가요성 막(606)의 x 및 y축을 따라 적용된 패드(602, 604)를 나타낸다.
표 2는 도 5a,b 및 6a,b에 도시된 예시적인 디자인의 분석 결과를 도시하며, x 및 y축에 따른 (강화 피스로서 표 2에 언급된) 페이프 및 패드의 적용이 비교된다. 표 2에서 사용된 예시적 모델에서, 강화 피스(예, 테이프 또는 패드)의 두께는 가요성 막 그 자체의 두께와 같았다. 즉, 두께는 강화가 적용된 곳에서 두 배였다. 최종 분석은 제맥스 소프트웨어 상에서 수행되어 구면 도수의 전체 범위를 넘는 비점수차, 뿐만 아니라 x 및 y축에 따른 이미지 스폿 크기를 계산하기 위해 사용되었다. 이 분석에서, 이심률은 0.864로 가정되었으며, 옵틱은 장축(x축)을 따라 35 mm 및 단축(y축)을 따라 30.25 mm였다. 최저 광학 도수는 1.25D이고 최고 광학 도수는 3.25D이다. 강성 프론트 렌즈의 전면은 원환체 보정이 제공되었으며, 이러한 보정은 모든 경우에서 최저 도수(1.25D)에서 네트 비점수차가 0.18D이다. x축에 따른 스폿 크기는 x에 초점을 맞춘 때이며, y축에 따른 스폿 크기는 y에 초점을 맞춘 때이다.
강화 피스 3.25D에서 비점수차 x축에 따른 스폿 크기, 미크론 y축에 따른 스폿 크기, 미크론
없음 0.73D 10.1 14.2
x축에 따른 패드
(도 5a)		 0.61D 9.9 13.2
y축에 따른 패드
(도 5b)		 1.02D 10.6 16.9
x축에 따른 테이프
(도 4a)		 0.51D 9.7 12.5
y축에 따른 테이프
(도 4b)		 1.04D 10.4 17.0
타원 유체 렌즈에서 가요성 막의 강화 피스의 성형
다음으로, 증가된 강화의 효과를 이심률과 대응하여 조사하였다. 표 3은 예시적인 모델에서 강화 수단의 두께로써 비점수차의 구축률은 증가되었음을 도시한다. 이 예시적 분석에서, 이심률은 0.864로 가정되었으며, 장 지름은 35.0 mm였다. 최저 및 최고 구면 도수는 각각 1.25D 및 3.25D로 가정되었으며, 조정의 범위는 2.0D였다. 강성 옵틱의 전면에는 적정 축에 따라 원환체 보정이 제공된 것으로 가정되었으며, 이를 통해 최저 도수에서 네트 비점수차는 0.18D로 유지된다. 최고 구면 도수에서 비점수차는 이미지의 스폿 크기를 따라, 제맥스에서 계산되었다. 기초 막은 유니트 두께로 가정되었으며, 이를 통해 1X 두께의 강화 피스는 그것이 적용된 경우 막의 두께를 두 배로 만든다. 이미지의 스폿 크기는 망막 이미지의 점상 강도 분포 함수(point spread function), 망막 이미지의 크리스프니스(crispness) 및 선명도의 중요한 측정, 및 착용자에 의해 인식된 이미지 품질의 측정과 상호 관련할 것으로 기대되었다. 표 3에 도시된 예에서 강화의 두게가 유체 렌즈를 증가시킴에 따라 이미지 품질의 향상이 있었다.
강화 피스 3.25D에서 최고 비점수차 x축에 따른 스폿 크기, 미크론 y축에 따른 스폿 크기, 미크론
없음 0.79D 10.1 14.2
패드 1X 0.61D 9.5 13.2
패드 2X 0.37D 7.5 9.4
패드 3X 0.14D 7.4 8.0
테이프 1X 0.51D 9.7 12.5
테이프 2X 0.35D 9.5 11.4
테이프 3X 0.17D 9.2 10.2
강화 두께에 대응되는 비점수차 변화
이 예시에서 3X 강화는, 최저 및 최고 구면 도수(sph)(예, 1.25 sph에서 0.18D 및 3.25D sph에서 0.50D)를 위해 구체화된 비점수차의 제한 내를 유지하며, 최대 0.80의 이심률까지 비원형 옵틱의 사용을 가능하게 함이 발견되었다. 이심률의 이러한 수준은 대부분의 렌즈 디자인을 위해 적절하며, 그것은 32 mm의 단축 지름에 대해 40 mm의 장축 지름을 제공하기 때문이다. 원형으로부터의 추가적 이탈(예, 0.7의 이심률)은 추가적인 강화를 향상시킴으로써 성취될 수 있으며, 예를 들어 두께가 4X-6X인 패드 또는 테이프를 사용함에 의할 수 있다.
위에 제시된 분석 및 결과는 4.0 mm의 눈동자 크기를 가정한 예시적인 근축(paraxial) 상황에서 이루어졌음을 인식해야 한다. 다시 말하면, 그것은, 10 도보다 적은 적당한 필드 각도를 넘는 옵틱의 중심에 적용될 수 있었다. 이 분석은 전체 옵틱에 대하여 다른 시선 각도에서 반복될 수 있다. 그러한 계산이 막의 형상을 보다 최적화할 것이며, 이는 차라리 광학 중심에서 최상의 보정을 제공하기보다는 전체 옵틱에 대한 최상의 보정을 제공하는 강화 계획 수립을 가능하게 할 것이기 때문이다. 이러한 전반적인 최적화 수행에서, 중심으로부터 떨어진 광학 세그먼트는 전체적인 시력 만족을 결정하는데 옵틱의 중심만큼 중요하지 않다는 것을 인식하게 될 것이며, 이는 대부분의 보기 작업은, 가장 편안한 근접 시력 경험을 위해 머리 움직임이 제공된, 통제된 눈의 움직임에 의한 직접 시선을 요구하기 때문이다.
또한, 직사각형 또는 정사각형 옵틱과 같은 다른 형상의 옵틱에, 이러한 접근이 적용될 수 있다. 변형된 막의 형상은, 예를 들어 지점 구름(point cloud)과 같은 지점의 수집으로 또는 지점을 적합하기 위해 사용된 스플라인의 수집으로 기술될 수 있다. 이 경우에서, (변형된 막을 포함하는) 유체 렌즈를 통하여 전송되는 광선의 파면이 계산되고, 적응형 보정이 망막 이미지 품질을 최대화하기 위해 파면에 적용될 것이다. 망막 이미지 품질은 이미지 품질의 몇몇의 일반적으로 사용되는 측정의 하나에 의해 측정될 것이며, 이는 스트렐 비(Strehl ratio) 또는 동등 디포커스(equivalent defocus)와 같은 것이다.
유체 렌즈 인세트
인세트 타입 디자인 실시예에서, 유체 렌즈의 비원형 형상은 착용자의 눈동자의 위치에서 중심을 갖는 원형 또는 타원형 부분을 포함한다. 그러한 실시예에서, 안경 착용시, 눈동자의 중심은 인세트의 중심에 일렬로 선다. 원형의 인세트의 경우, 활동 구역은 렌즈 프레임의 형상에 의존되고 작을 것이며, 이는 원형 형상의 수직 지름이 프레임의 수직 지름 내에 적합 되어야만 하기 때문이다. 만약 가요성 막의 활동 구역이 너무 작다면, 그것은 착용자에게 적절하지 않을 것이며, 이는 착용자의 눈의 움직임은 위아래보다는 좌우로 더 큰 보기 범위를 필요로 할 것이기 때문이다. 예를 들어, 평균 착용자는 편안한 좌우 눈 움직임을 위해 약 30-35 mm의 폭의 활동 지력을 필요로 한다. 타원형 인세트부는 그러한 활동 지역 폭을 허용하며, 심지어 인세트의 수직 지름이 활동 지역 폭과 비교하여 작은 경우에도 그러하다. 도 7a,b는 유체 렌즈 어셈브리(704)의 예시적인 타원형 인세트(702)를 나타낸다. 인세트 옵틱(702)은 여기에 활동 광학 구역으로 참조된다. 활동 광학 구역은 바람직한 도수 범위를 전달하는 팽창을 위해 디자인된다. 도수 범위의 낮은 및 높은 단부에서 비점수차의 세부사항은 단지 활동 구역에 적용된다. 활동 구역은 광학 구역을 둘러싼 곳에서 보다 실질적으로 더 얇은 막의 두께를 컨투어함에 의해 발생될 수 있다. 예를 들어, 도 7b의 예시적인 타원형 인세트(702)에 도시된 바와 같이, 25 mm × 35mm의 활동 구역을 위해 발견되었으며, 0.80의 이심률은 1.50D의 도수 범위를 넘는, 1.25D에서 2.75D까지의 위에서 언급된 광학 세부사항을 만족한다. 2X 내지 10Xdml 막 두께비는 전체적인 광학 지역의 이러한 세분화를 제공하기 위해 사용될 것이다. 일례에서, 막 두께비는 3X 내지 7X이다. 더 작은 두께비, 외측 지역에 의해 더 큰 변형이 발생된다. 이것은 활동 지역에서 비점수차의 더 높은 수준을 이끈다.
장식적으로 적용될 수 있는 그러한 디자인을 위해, 활동 광학 구역의 경계는 부드럽게 조합될 수 있고, 이를 통해 이미지 점프 또는 인식가능한 이미지 왜곡을 피할 수 있다. 이러한 경계와 관련된 시각적 불편의 주요 원인은: (1) 프리즘의 불연속성, (2) 배율 불연속성, 및 (3) 도수 불연속성에 의한, 고도화된 비점수차인 것으로 발견된다. 또한, 이러한 것들은 이 경계의 가시성에 기여하는 주요 인자로서, 잠재적으로 장식적으로 적용될 수 없는 결과를 이끈다. 이러한 문제는 전송 지역을 제공함에 의해 최소화될 수 있다. 일례에서, 전송 지역의 폭은 약 1 - 5 mm이다. 추가적 실시예에서, 전송 지역의 폭은 약 2-3 mm이다. 전송 지역의 폭은 이 지역내의 도수의 구배에 의해 결정될 수 있으며, 이는 예를 들어 단지 0.50D/mm의 도수 구배를 위해 이 지역에서 0.50D의 비점수차의 최대값을 이끌며 이 지역의 시각적 수행이 적용될 수 있기 때문이다. 그러한 예시에서, 1.50D의 도수 범위는 폭 3.0 mm의 전송 지역을 요구한다.
결론
본 발명의 다양한 실시예가 위에서 설명되었지만, 그것들은 단지 예시의 방법에 의해 표현된 것이고, 이에 제한되지 않음을 이해해야만 한다. 본 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 않고 형식 및 세부사항의 다양한 변화가 이루어질 수 있음은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백하다. 그러므로, 본 발명의 폭 및 범위는 위에 설명된 예시적 실시예 중의 어느 것으로 제한되지 않아야 하며, 단지 이하의 청구항 및 그들의 균등범위에 의해 정의되어야만 한다.
추가적으로, 앞서 언급한 요약서의 목적은, 미국 특허청 및 일반적으로 대중, 특히 특허법 또는 법률 용어 또는 어법에 친숙하지 않은 본 기술분야의 과학자, 기술자 및 전문가에게, 본 출원의 기술적 개시의 본질 및 정수를 간단한 검토로부터 빠르게 결정하도록 하는 것이다. 요약서는 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위의 제한을 의도하지 않는다.
100 : 비구면 유체 렌즈
102 : 강성 전면
104 : 가요성 후면
106 : 유체 충진 공동
108 : 강성 프론트 렌즈
110 : 가요성 막
112 : 채널
114 : 저장소
116 : 액츄에이터
502, 504 : 테이프
506 : 가요성 막
602, 604 : 패드
606 : 가요성 막

Claims (22)

  1. 유체 렌즈 어셈블리(fluid lens assembly)로서,
    후면 및 비구면(aspheric) 전면을 갖는 비원형 강성 렌즈;
    상기 비원형 강성 렌즈의 후면에 커플링되는 가요성 막(flexible membrane)으로서, 상기 가요성 막의 전면과 상기 강성 렌즈의 후면 사이에 공동(cavity)이 형성되도록 하는 가요성 막; 및
    상기 가요성 막의 전면과 상기 비원형 강성 렌즈의 후면 사이의 상기 공동과 지속적으로 유체 연통되는 저장소로서, 상기 저장소와 상기 공동 사이에서 유체가 이동하여 상기 유체 렌즈 어셈블리의 광학 도수(optical power)를 변화시킬 수 있도록 하는 저장소;를 포함하며,
    상기 비구면 전면은 상기 공동에 위치하는 유체에 의한 광학 에러(optical error)를 적어도 부분적으로 감소시키는,
    유체 렌즈 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비원형 강성 렌즈의 후면은 구면인,
    유체 렌즈 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장소와 상기 공동 사이에서의 유체의 이동은 상기 가요성 막이 비구면 형상으로 변화되도록 하는,
    유체 렌즈 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 강성 렌즈의 상기 비구면 전면은 상기 가요성 막의 변형에 의해 발생되는 비점수차(astigmatism)를 실질적으로 상쇄시키는,
    유체 렌즈 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 막은 두께가 균일한,
    유체 렌즈 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 막은 두께가 균일하지 않은,
    유체 렌즈 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가요성 막의 두께는 유체가 상기 저장소와 상기 공동 사이를 이동할 때 상기 가요성 막이 구형으로 변화되도록 하는 윤곽을 갖는,
    유체 렌즈 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    뷰어(viewer)가 근거리 시력 업무(near vision task)에 임할 때 상기 비구면 전면에 의해 유발되는 비점수차(astigmatism)는 직접 시선(direct gaze)에서 0.5 디옵터 이하인,
    유체 렌즈 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 강성 렌즈의 전면은 원환체(toric)인,
    유체 렌즈 어셈블리.
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