KR101646817B1

KR101646817B1 - 향상된 비원형 유체 충진 렌즈 옵틱

Info

Publication number: KR101646817B1
Application number: KR1020127011472A
Authority: KR
Inventors: 아미타바 굽타; 얼번 슈넬; 카림 하로우드; 한스 재걸; 리사 니바우얼; 파스칼 로저; 윌리엄 에간
Original assignee: 아드렌스 비콘 인코포레이티드
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2016-08-08
Also published as: BR112012008673A2; CN102656483A; EP2488896A1; RU2012119618A; IL219197A0; CA2777713C; KR20120093918A; RU2615206C2; CA2777713A1; CA2927749A1; CN102656483B; ZA201202706B; AR078624A1; MX2012004321A; IL245512A0; US8414121B2; AU2010307008A1; WO2011046956A1; IL219197A; US20110085243A1

Abstract

광학 도수의 다양성을 제공할 수 있는 비원형 유체 충진 렌즈의, 광학 및 기계 밀봉 디자인에 관한 것이다. 유체 렌즈는 적어도 세 개의 요소를 포함한다: 일반적으로 적어도 하나의 강성 광학 디스크, 일반적으로 적어도 하나의 가요성 광학 막 및 투명한 유체의 층은, 저장소에 포함된 과잉 유체의 저장소와 유체 채널을 통해 연통되고, 저장소는 유체 렌즈의 도수 변화를 위한 유체 렌즈 안쪽의 유체량 증가를 위해 접근될 수 있다. 유체 렌즈는 구면 및 비점수차 에러의 보정을 제공할 수 있고, 이미지 수차를 최소화하도록 컨투어 막을 활용한다.

Description

향상된 비원형 유체 충진 렌즈 옵틱{Improved non-round fluid filled lens optic}

본 발명의 실시예는 유체 충진 렌즈에 관한 것으로서, 특히 가변형 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, 그것들에 제한되는 것은 아닐지라도, 몇몇의 향상 및 안과용 적용에 사용되는 유체 렌즈에서 유체의 효과적인 밀폐와 연관된 실시예를 개시한다(예를 들어, 전체가 참조로 인용되는, 미국특허 제 6,618,208호). 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, 유체 렌즈는, 비원형 유체 렌즈의 비균일 확장에 의한 문제 때문에 원형이 아닌 다른 어떤 바람직한 형상으로 제조될 수 없다. 따라서, 이러한 제한에 대한 해결책을 제공하는 것은 상용화를 실현하기 위해 바람직하다.

위의 배경기술 부분에 설명한 종래-이용가능한 유체 충진 렌즈 기술의 제한은 여기서 설명되는 유체 렌즈를 구축함으로서 제거될 수 있다. 종래 기술에 개시된 액체 렌즈는, 광학 수차가 없는 비원형 유체 렌즈를 제조하는 것이 어렵기 때문에 주로 원형 렌즈였다. 몇몇 종래 기술 유체 충진 렌즈는 비구면 프론트 렌즈를 사용하여 비원형 형상 막의 팽창에 의한 광학 수차를 보정한다. 이런 보정은 팽창의 일 특정 각도에 상응하는 막의 단지 일 특정 형상을 위해 만들어질 수 있기 때문에, 프론트 렌즈의 광학 특성을 조절하는 것만으로는 상기 문제를 완전히 보정하기에 불충분하다.

몇몇의 유체 충진 렌즈는 유체 렌즈에서 광학 수차(주로 비점수차)를 감소시키기 위해 옵틱 상의 다른 포인트에서 다른 두께를 갖는 컨투어(contoured) 막을 사용한다. 본 발명의 실시예는, 유체 층에서 발생된 특정 정수압(hydrostatic pressure)에 대한 막의 기계적 편향을 계산하는 유한 요소 스프트웨어의 사용과 광학 이미지 분석을 결합하는 디자인 최적화 방법론에서 파생된 향상된 컨투어 막 디자인을 포함한다.

본 발명의 일례에서, 유체 렌즈는 프론트 렌즈, 막, 및 사이의 유체 층를 포함하며, 프론트 렌즈는 막의 팽창시 유체 렌즈에서 발생하는 어떠한 비점수차를 보상하도록 구성된다.

특정 실시예에서, 막은 두께 컨투어를 포함하며, 적어도 하나의 컨투어는 유체 렌즈의 광학 영역 내에 있다. 다른 실시예에서, 프론트 렌즈는 막의 팽창의 특정 단계에서 막의 어떠한 비점수차(astigmatism)을 상쇄할 수 있게 보상하도록 구성된다. 팽창의 특정 단계는 예를 들어 바람직한 도수의 전체 범위 내에, 또는 막의 전체 팽창의 1/3에 있을 수 있다.

본 발명의 추가적인 실시예, 특징 및 이점은, 본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 작동뿐만 아니라, 첨부된 도면을 참조하여 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 제1실시예에 따른 렌즈부를 도시하는 정면도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 대한 x 및 y 축상 구면 도수 값을 도시하는 차트이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈를 도시하는 정면도이다.
도 3b는 도 3a의 실시예의 y 및 x 방향에서의 두께를 도시하는 측면도이다.
도 3c는 도 3a의 실시예에 대한 수평 방향에서 시선 각도의 성능에 따른 망막 이미지 품질을 도시하는 차트이다.
도 3d는 도 3a의 실시예에 대한 수직 방향에서 시선 각도의 성능에 따른 망막 이미지 품질을 도시하는 차트이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈를 도시하는 정면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 실시예를 도시하는 추가적인 도면이다.
도 4c는 도 4a의 실시예의 x 및 y 축상 표면 광학 특성을 도시하는 두개의 차트이다.
도 4d는 도 4a의 실시예의 x 및 y 축상 비점수차 값을 도시하는 두개의 차트이다.
도 4e는 도 4a의 실시예에 대한 망막 스폿 크기를 도시하는 차트이다.
도 5는 본 발명의 일례에 따른 렌즈 디자인의 방법을 도시하는 순서도이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.

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.

이러한 개시를 통해, 유체 렌즈 어셈블리(fluid lens assembly)의 용어는 프론트 강성 렌즈, 가요성 막 및 개입 유체의 어셈블리를 설명하기 위해 사용될 것이나, 반면에 유체 렌즈(fluid lens)의 용어는, 유체 층, 및 유체를 포함하고 유체 렌즈의 표면을 형성하는 두 표면을 나타내기 위해 사용될 것이다. 팽창(inflation)의 용어는, 막이 뻗으면서, 유체 렌즈 어셈블리 내로 추가적인 유체가 주입되는 경우 막의 곡선형 외곽을 나타내기 위해 여기서 사용된다. 여기에 논의된 바와 같이, 유체 렌즈의 도수의 변화 및 유효한 팽창의 레벨 사이에는 직접 및 비례 관계가 있다. 광학 영역(optical zone)의 용어는, 사용자의 눈의 위치에 상응하는 광학 축 상의 중심인 유체 렌즈의 가시 영역을 나타내기 위해 사용된다. 전형적인 실시예에서, 광학 영역은 (x축상) 대략 15mm 너비 및 (y축상) 대략 12mm 높이이며, 이는 약 +/- 15 도의 수평 시선 각도 및 약 +/- 12 도의 수직 시선 각도에 해당한다. 용어 컨투어(contoured)는 두께와 같은 기계적 치수, 새그와 같은 기계적 성질, 또는 비점수차 또는 x,y 평면상의 도수과 같은 광학적 성질의 다양성을 나타낸다.

여기에 제공된 비구면 유체 렌즈는 주로 유리 또는 플라스틱, 또는 어떤 다른 적당한 재료로 만들어진 프론트 강성 렌즈, 주로 프론트 렌즈의 에지를 넘어 뻗는 가요성 컨투어 막, 및 프론트 렌즈 및 가요성 막 사이에 형성된 공동을 채우는 유체를 포함한다. 일례에서, 이 유체 렌즈는, 과잉 유체를 포함하는 모양의 탄성 변형가능한 막을 포함하는 저장소에 커넥팅 튜브를 통해 연결된다. 유체 렌즈, 커넥팅 튜브 및 저장소는 함께 밀봉된 유니트를 형성한다. 공급은 커넥팅 튜브를 통하여 유체 렌즈 안으로 유체를 밀어내기 위해 저장소를 짜서 만들어진다. 예를 들어, 저장소를 짜는 공급은 저장소 내의 압력 증가를 위해 격막에 대하여 영향을 주는 플런저의 형태, 저장소를 짜기 위한 캘리퍼스, 또는 다른 어떤 유체 펌프 또는 본 기술의 통상의 기술자에게 알려진 액츄에이터일 수 있다. 예를 들어, 전형적인 밀봉된 유니트가, 전체가 참조로서 포함되는 미국출원 제 12/399,368호에 개시된다.

여기서 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예는, 유체 층에서 발생된 특정 정수압에 대한 막의 기계적 편향을 계산하는 유한 요소 스프트웨어의 사용에 의해 광학 이미지 분석을 결합하는 디자인 최적화 방법에서 파생된 향상된 컨투어 막 디자인을 포함한다. 이러한 디자인 방법은 비원형 유체 렌즈의 발전을 가능케 하는 막 두께 컨투어의 시리즈를 이끌었다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 유체 충진 렌즈를 도시한다. 비구면 유체 렌즈(100)는 두꺼운 영역(110), 힌지형 부분(160), 천이 영역(140), 및 중심 디스크 지역(120)을 포함한다. 일례에서, 두꺼운 영역(110)은 약 1 mm의 두께를 갖고, 중심 디스크 지역(120)은 약 0.225 mm의 두께를 갖고, 그리고 디스크 에지(130)에서 천이 역역(140)의 두께는 약 0.1125 mm이다. 일례에서, 중심 디스크 지역(120)은 약 12 mm의 지름을 갖고, 디스크 에지(130)는 약 23.2 mm의 지름을 갖는다. 힌지형 부분(160)은 두꺼운 영역(110) 및 천이 영역(140) 사이에 형성된다. 이러한 예시적인 실시예의 치수는 중심 디스크 지역(120)의 중심 및 디스크 에지(130) 사이에 22도 시선 각도를 제공한다. 일례에서, 프레임(150)은 둥근 사각형이며, 약 55 mm×25 mm의 크기이다. 이러한 구성은, 프레임(150)의 에지에 허용되는 속성을 유지하면서 중심 디스크 지역(120)에 최고의 광학 수행을 제공한다.

2.00D 도수 범위를 넘는 막 팽창의 분석은, 렌즈(100)의 증가된 두께와 함께 막의 팽창의 크기가 감소하는 동안, 막 표면은 점점 비구면이 되고, 비점수차를 구축함을 보여준다. 도 2는 낮은 팽창 압력(8mbar)에서 위의 실시예의 x 및 y 축상 구면 도수를 도시하며, 차이를 보여준다.

도 3a-3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈(300)를 도시하며, 렌즈는 막(350)의 두께의 컨투어 디자인을 포함한다. 비구면 유체 렌즈(300)는 두꺼운 영역(310), 중심 디스크 지역(320), 및 디스크 에지(330)를 포함한다. 천이 영역(340)은 디스크 에지(330) 및 중심 디스크 지역(320) 사이에 형성된다. 힌지형 부분(360)은 디스크 에지(330) 및 두꺼운 영역(310) 사이에 위치한다. 일례에서, 중심 디스크 지역(320), 천이 영역(340), 힌지형 부분(360), 및 디스크 에지(330)는 타원의 형태이다.

특히, 도 3b는 (도 3b의 왼편에 도시된) y 및 (도 3b의 오른편에 도시된) x 방향에서 렌즈(300)의 측면 두께를 도시한다. 힌지형 부분(360)의 목적은 대상 도수 범위에 상응하는 막(350)의 전체 팽창을 허용하는 것이고, 게다가 비점수차 구축을 야기할 수 있는 주변부의 가요성이 덜한 두꺼운 영역(310)에 전송되는 응력을 최소화하는 것이다. 하나의 관점으로부터, 힌지형 부분(360)은, 중심 디스크 지역(320) 내의 중심 광학 영역 및 막(350)의 주변부의 가요성이 덜한 두꺼운 영역(310)부 모두에서 광학 왜곡 없이 새그 변화가 "흡수"되는 것을 허락한다.

일례에서, 막(350)에서 중심 디스크 지역(320) 내의 중심 광학 영역은 약 0.9의 이심률을 갖는다. 즉, 수평 너비는 수직 너비보다 약 1.11배 크다. 이러한 디자인은 힌지형 부분(360)에 상응하는 천이 영역의 위치를 수평방향에서 더 큰 시선 각도로 강요하며, 여기서 시각 너비 및 수평방향 눈의 움직임에 대한 제한이 덜하다. 일례에서, 수직 단면 두께는 약 0.200 mm이고, 너비는 약 3.7 mm이고, 종횡비(aspect ratio)는 약 1:18.5이다. 일례에서, 수평 단면 두께는 약 0.2 mm이고, 약 1.45 mm의 너비에 상응하고, 및 약 1:7의 종횡비를 갖는다.

천이 영역의 역할을 하는 힌지 부분(예, 힌지형 부분(360))의 사용은 각각의 부분 내에서 효과적으로 막(예, 막(350))의 광학 속성을 분리하는 것을 가능하게 하며, 이는 힌지 부분에서 이미지 점프를 발생시키는 것을 대가로 한다. (너비 대 두께의 비율로 정의되는) 종횡비가 높은 힌지가 특히 효과적이다. 일례에서, 너비는 0.1 mm 내지 2.5 mm의 범위이다. 추가 실시예에서, 힌지 부분의 두께의 범위는 0.01 mm 내지 0.25 mm이다. 다른 추가 실시예에서, 힌지 부분의 두께의 범위는 0.07 mm 내지 0.20 mm이다. 일반적으로 근거리 시력(예를 들어, 약 0-15 도)을 위해 사용되는 시선 각도를 위해, 이러한 구성은 대상 이미지 품질을 제공할 것이다(예를 들어, 비점수차의 약 0.5D에 상응하는, 또는 이미지 블러(image blur)의 약 0.25D와 동등한, 약 10 미크론).

도 3c는 이 실시예에 대한 수평 방향에서 시선 각도의 성능에 따른 망막 이미지 품질을 도시하는 차트이다. 도 3d는 이 실시예에 대한 수직 방향에서 망막 이미지 품질을 도시하는 차트이다. 도시된 바와 같이, 스폿 반경에 대비되는 이미지 품질은 광학 축으로부터의 거리 증가에 따라 감소한다.

도 4a는 부분적 힌지를 사용한 막을 갖는 렌즈(400)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 전체 광학 영역을 아우르는 적절한 종횡비의 힌지를 형성하는 것은 제조상의 난제를 수반할 것이다. 이에 따라, 도 4a에 도시된 실시예는 부분적 힌지(410)를 포함하며, 이는 도 3a에 도시된 실시예와 관련된 프레임 에지에 훨씬 가깝게 제공된다. 부분적 힌지(예를 들어, 부분적 힌지(410))는 도 3a에 도시된 실시예의 힌지 디자인에 비해 이중의 이점을 갖는다. 제 1 이점은 주조가 더 쉽다는 것인데, 이는 오히려 광학 영역을 둘러싼 연속적인 부분보다, 에지에 더 가깝고 길이가 부분적이기 때문이다. 제 2 이점은, 힌지와 관련된 어떠한 광학적인 왜곡(그러한, 예로서 이미지 점프)도 프레임에 훨씬 가깝게 발생하고 착용자에 의해 덜 인식된다.

도 4b는 도 4a에 도시된 실시예의 추가적 도면을 도시하며, 렌즈(400)의 정면도 및 단면도를 포함한다.

도 4c는 도 4a의 실시예의 막의 표면 광학 특성의 매트랩(MATLAB) 분석을 도시하는 차트이며, 구체적으로, x 및 y 축상 도수를 도시한다. 이러한 결과는 x축상 반경이 13 mm이고, y축상 반경이 8 mm인 중심 타원부를 갖는 모델에 적합하도록 다항식을 이용하여 얻었다.

도 4d는 도 4a의 실시예의 x 및 y 축상 비점수차의 매트랩 분석을 도시하는 차트이다. 이러한 결과는 전체 범위의 1/3로의 팽창시 막에서 발생하는 비점수차에 상응하는 보상을 프론트 렌즈에 적용함에 의해 획득되었다. 보상은 새그(sagittal) 값의 삭감법에 따라 간단히 적용되며, 이는 굴절률(refractive index)이 매우 비슷하고, 렌즈가 얇은 렌즈로 모델링될 수 있기 때문이다. 이러한 분석은 중심 광학 영역을 커버하는 타원 영역에 적합하도록 확장된 다항식을 사용하여 수행되었다. 모델링된 타원은 x축상 13 mm 및 y축상 8 mm의 반경을 갖고, 52 도에서 32 도의 지역을 포함한다.

도 4e는 보상된 프론트 렌즈와 함께 작동하는 도 4a의 실시예의 막에 대한 망막 스폿 크기를 도시하는 차트이다. 이미지 품질 분석은 보상된 프론트 렌즈와 관련된 이러한 기하를 위한 제맥스(ZEMAX)에서 수행되었다. 이 차트는 양 프론트 렌즈 표면에 동등한 보정이 있는 상황을 나타낸다(널 렌즈(null lens)). 그것은 수평 및 수직 방향 모두에서 최대 10도의 시선 각도를 위해, 비점수차 및 망막 스폿의 확장을 야기하는 다른 광학 수차가 통제 하에 유지되고 비점수차 약 0.5D보다 낮게 유지됨을 보여준다. 이러한 분석은 전체 막을 덮는 격자 새그 표상을 사용하여 수행되었다.

방법 및 실험 결과

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 디자인의 방법을 도시하는 순서도이다.

첫째, 510 단계에서, 막이 접착되는 프론트 렌즈의 에지에 의해 제한되는 에지를 갖는 막이 정의된다. 그러므로, 막이 유체의 정수압 증가에 의해 팽창하는 경우, 막의 표면은 비구면 형상이 된다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 이 형상은 모델링되었고 컴솔(COMSOL)과 같은 유한 요소 소프트웨어 패키지를 사용하여 예측되었다.

다음으로, 520 단계에서, 막의 팽창을 예측하기 위해, 프론트 렌즈는 이러한 계산을 위한, 구면 형상과 같은 간단한 형상이 주어진다. 발명자에 의한 실험예에서, 양쪽 표면이 모두 구면인 0 도수의 프론트 렌즈가 사용되었다.

530 단계에서, 막 표면은 다음의 변수 중 하나 또는 그 이상에 대한 팽창에 대비되어 계산된다: 프론트 렌즈의 에지의 형상, 막 측면 두께, 팽창의 단계, 및 정수압. 일례에서, 유한 요소 소프트웨어 프로그램은 막 표면을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 컴솔이 사용되었다.

540 단계에서, 비구면 표면은, 표면의 구면 도수 및 막 표면의 지역 곡률로부터 그것의 모든 위치에서 광학 영역에 대한 비점수차를 계산하기 위해 다항식 또는 다항식의 세트에 그것이 적합되어 분석된다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 이러한 분석은 상업적으로 이용가능한 소프트웨어 패키지 매트랩을 이용하여 수행되었다. 550 단계에서, 막 두께 컨투어는 변화될 수 있고, 같은 계산이 수행되어, 구면 도수 및 성취된 비점수차의 허용 컨투어(x, y 평면에 분포)까지 공정이 반복된다. 여기에 사용된 도수는, 구면 도수 또는 평균 구면 도수를 의미하고, 1/2[d²/dx²(Cx,y) + d²/dy²(Cx,y)]에 따라 계산된다. 도수 및 막 표면의 비점수차의 허용 컨투어가 경험 및 대상이 된 유체 렌즈 어셈블리의 도수 범위의 다양한 단계에서의 바람직한 광학 수행으로부터 추론된다.

다음으로, 560 단계에서, 프론트 렌즈는 막의 비구면성에 의한 효과를 보상하도록 수정된다. 이러한 보상은 팽창의 어떠한 단계에서도 수행될 수 있다. 유체의 반사율이 프론트 렌즈 재료의 반사율과 거의 동등한 특별한 경우에서, 이러한 보상은 프론트 렌즈로부터 막 새그 두께의 지점별 삭감법에서 감소할 수 있다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 컴솔상의 추가적 모델링 작업은, 구면 형상으로부터의 일탈이 막에 대한 팽창의 중간 단계에서 팽창의 단계와 비교적 선형성을 가짐을 보여주며, 만약 보상 공정이 유체 렌즈의 광학 도수의 바람직한 범위의 중심점에 상응하는 팽창 단계에서 실행되면, 도수의 전체 범위를 통해 유체 렌즈의 광학 수행에서 대칭 변화를 성취하는 것이 가능할 것이고, 도수 범위의 가장 높고 가장 낮은 끝점에서 가장 심해진다.

보상이 만약 도수 범위의 가장 낮은 끝에서 실행되면 가장 낮을 것이고, 도수 범위의 가장 높은 끝에서 실행되면 최대화될 것이며, 이는 막 표면의 비구면성이 팽창의 단계와 함께 증가하기 때문이다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 이러한 보상 공정은 도수 범위의 중간점에서 최초로 수행되었다. 그 후, 이러한 보상 공정은 33% 팽창 단계에서 수행되었으며, 이는 도수에서 전체 범위의 33%에 동등한 증가에 상응한다. 보상이 적용되는 도수 단계의 선택은 그것의 도수 범위의 다양한 지점에서 유체 렌즈의 바람직한 상대 품질에 의존한다.

보상은 프론트 렌즈의 일 또는 양 표면을 조정함에 의해 대안적으로 실행될 수 있음을 인식해야 한다. 그러나, 유체 렌즈의 광학 속성에서 프론트 렌즈의 뒷표면의 기여정도는 프론트 렌즈의 재료 및 유체의 굴절률의 차이에 의존한다. 매우 유사한 경우에서, 앞표면 홀로 보상을 제공하기 위한 수정을 위해 사용될 수 있다. 이것은 금형 시간 및 비용 감소의 이점을 갖는다. 양 표면(널 렌즈)에 같은 보정의 사용은 전체 범위를 넘는 균등한 앞 두께를 허용한다. 또한 이러한 보정이 난시 도수가 유도된 시선 각도를 보상하기 위해 만들어진 비구면 보정을 늘린다는 것을 인식해야 한다.

위에 설명한 바와 같이 일단 보상이 계산되었으면, 570 단계에서, 유체 렌즈의 도수 범위의 모든 지점에서 그것의 광학 속성이 분석된다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 상업적으로 이용가능한 소프트웨어 패키지인 제맥스(ZEMAX)는, 이러한 목적을 위해 사용되었다. 프론트 렌즈의 굴절률이 막 재료의 굴절률에 또한 동등한 유체의 굴절률에 거의 동등한 특수한 경우에서, 하나의 굴절 표면에서 프론트 렌즈를 감소시키는 것, 제 2 표면으로써 막을 처리하는 것, 및 통상의 굴절률 및 모델링 된 렌즈를 설정하도록 새그 두께 전체를 사용하는 것이 가능하다. 발명자가 수행한 실험예에서, 프론트 렌즈는 별개의 독립체로 처리되었으며, 프론트 렌즈 및 유체에 대한 다른 굴절률이 허용되었다. 망막 이미지 품질은 눈 모델을 사용하여 계산되었고, 이미지-스폿 크기로 표현되었다. 그것은 유체 렌즈의 선택된 자오선에 따라, 그리고 시선 각도의 범위를 위해 계산되었다.

구축된 몇몇의 반복된 단계를 포함하는 이러한 전체 공정은 최상의 이미지 품질 성취를 위해 막의 두께 컨투어를 효율적으로 최적화하기 위한 디자인 툴 체인으로 호칭될 것이다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 팽창 및 렌즈의 광학 속성의 계산을 수행하기 위해 세 개의 소프트웨어 패키지 세트가 사용되었기 때문에, 효율적 방법은 다음에 하나의 소프트웨어 패키지로부터 데이터를 출력하도록 발전되었고, 결국 이러한 데이터 전송 공정을 자동화하고, 중간 지점에서 최적화를 수행하였다. 하나의 소프트웨어 패키지로부터 다른 하나로 데이터의 효율적 출력, 유한요소법(FEM, Finite Elements Method) 및 광선 추적 분석 프로그램의 효율적 작동을 위한 표면의 수학적 시뮬레이션의 발전, 및 특정 자오선을 따른 시선 각도의 성능에 의해 비점수차의 허용 단계 또는 이미지 수차의 다른 형태를 정의하는 가치 함수의 생성을 제공하는 것은 바람직하다.

다른 디자인 요소는, 유체 렌즈, 프론트 렌즈, 유체 및 막이 포함된 다양한 광학 요소의 굴절률의 상대적 크기를 포함한다. 물론, 막의 굴절률은 유체 렌즈의 도수에 크게 영향을 미치는 것은 아니지만, 막에 더해질 수 있는 두께 컨투어의 가시성 및 성형에 영향을 미칠 뿐 아니라 막의 내부 표면으로부터의 내부 반사에도 영향을 미친다. 이러한 두개의 바람직하지 않은 특징은 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 특히 스펙트럼의 나트륨(sodium) D 선에서 막 재료의 굴절률을 오일의 굴절률과 대략 동등하게 보장함으로써 최소화되었다. 일례에서, 0.02 유니트 또는 더 적은 차이가 사용되었다. 일례에서, 유체의 굴절률은 가능한 커야하는데, 이는 광학 도수에서 특정 증가를 성취하기 위해 요구되는 팽창의 크기를 최소화하기 위함이다. 발명자에 의해 수행된 실험예에서, 프론트 렌즈의 반사율은 유체의 굴절률에 일치되어 프론트 렌즈의 내부 표면의 광학 기여를 중립화 시키고 더 간단하고 더 견고한 디자인을 만들도록 했다.

앞서 언급한 비제한적인 예는 특정 프레임 형상 및 유체 렌즈 어셈블리에 포함될 필요가 있는 바람직한 범위의 도수를 위해 막 형상 생성 및 최적화에서 디자인 툴 체인의 사용을 입증한다.

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
110 : 두꺼운 영역
120 : 중심 디스크 지역
130 : 디스크 에지
140 : 천이 영역
150 : 프레임
160 : 힌지형 부분
300 : 렌즈
310 : 두꺼운 영역
320 : 중심 디스크 지역
330 : 디스크 에지
340 : 천이 영역
350 : 막
360 : 힌지형 부분
400 : 렌즈
410 : 부분적 힌지

Claims

프론트 강성 렌즈;
팽창가능한 가요성 막; 및
상기 프론트 강성 렌즈와 상기 가요성 막 사이의 유체 층;을 포함하는 유체 렌즈 어셈블리로서,
상기 프론트 강성 렌즈는 상기 막의 팽창(inflation) 하에 상기 유체 렌즈 어셈블리에서 발생하는 비점 수차(astigmatism)를 보상하도록 구성되며,
상기 막은 두께 컨투어들(thickness contours)을 포함하며 두께 컨투어 각각은 두께가 상이한 영역이고, 적어도 하나의 컨투어는 상기 유체 렌즈 어셈블리의 광학 영역(optical zone) 내에 있으며,
상기 프론트 강성 렌즈는 상기 막의 팽창의 특정 단계에서 상기 막의 비구면성(asphericity)을 상쇄하도록 구성되며,
상기 두께 컨투어들은,
중심 디스크 지역 컨투어;
힌지 영역 컨투어; 및
상기 중심 디스크 지역 컨투어보다 더 두꺼운, 두꺼운 영역 컨투어;를 포함하는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 팽창의 특정 단계는 상기 막의 전체 팽창의 1/3에 있는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 두꺼운 영역 컨투어는 0.01 mm 내지 0.35 mm 범위의 두께를 가지며, 상기 힌지 영역 컨투어는 상기 두꺼운 영역 컨투어에 의해 둘러싸이는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 3 항에 있어서,
상기 힌지 영역 컨투어는 0.07 mm 내지 0.25 mm 범위의 두께를 갖는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 두꺼운 영역 컨투어는 2.0 내지 100.0의 범위의 종횡비(aspect ratio)를 가지며, 상기 힌지 영역 컨투어는 상기 두꺼운 영역 컨투어에 의해 둘러싸이는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 5 항에 있어서,
상기 힌지 영역 컨투어는 3.0 내지 30.0 사이의 종횡비를 갖는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 막의 두께는 상기 유체 렌즈의 말단을 향하여 x 축을 따라 증가하는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 프론트 강성 렌즈의 굴절률과 상기 유체의 굴절률 사이의 차이는 0.02 내에 있는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 막의 굴절률과 상기 유체의 굴절률 사이의 차이는 0.02 내에 있는,
유체 렌즈 어셈블리.
프론트 강성 렌즈;
팽창가능한 가요성 막; 및
상기 프론트 강성 렌즈와 상기 가요성 막 사이의 유체 층;을 포함하는 유체 렌즈 어셈블리로서,
상기 프론트 강성 렌즈는 상기 막의 팽창 하에 상기 유체 렌즈 어셈블리에서 발생하는 비점 수차(astigmatism)를 보상하도록 구성되며,
상기 막은 두께 컨투어들(thickness contours)을 포함하며 두께 컨투어 각각은 두께가 상이한 영역이고, 적어도 하나의 컨투어는 상기 유체 렌즈 어셈블리의 광학 영역(optical zone) 내에 있으며,
상기 두께 컨투어들은,
중심 디스크 지역 컨투어;
복수의 힌지 영역 컨투어; 및
상기 중심 디스크 지역 컨투어보다 더 두꺼운, 두꺼운 영역 컨투어;를 포함하는,
유체 렌즈 어셈블리.
제 10 항에 있어서,
상기 복수의 힌지 영역 컨투어는 두 개의 수평 부분과 두 개의 수직 부분을 포함하는,
유체 렌즈 어셈블리.
두 개의 유체 렌즈 어셈블리들을 포함하는 시정 접안 렌즈로서,
각각의 유체 렌즈 어셈블리는,
프론트 강성 렌즈;
팽창가능한 가요성 막; 및
상기 프론트 강성 렌즈와 상기 가요성 막 사이의 유체 층;을 포함하며,
상기 프론트 강성 렌즈는 상기 막의 팽창(inflation) 하에 상기 유체 렌즈 어셈블리에서 발생하는 비점 수차(astigmatism)를 보상하도록 구성되며,
상기 막은 두께 컨투어들(thickness contours)을 포함하며 두께 컨투어 각각은 두께가 상이한 영역이고, 적어도 하나의 컨투어는 상기 유체 렌즈 어셈블리의 광학 영역(optical zone) 내에 있으며,
상기 렌즈 어셈블리들 중에서 적어도 하나의 렌즈 어셈블리의 프론트 강성 렌즈는 상기 적어도 하나의 렌즈 어셈블리의 상기 막의 팽창의 특정 단계에서 상기 적어도 하나의 렌즈 어셈블리의 상기 막의 비구면성(asphericity)을 상쇄할 수 있으며,
상기 두께 컨투어들은,
중심 디스크 지역 컨투어;
힌지 영역 컨투어; 및
상기 중심 디스크 지역 컨투어보다 더 두꺼운, 두꺼운 영역 컨투어;를 포함하는,
시정 접안 렌즈.
제 12 항에 있어서,
상기 팽창의 특정 단계는 상기 적어도 하나의 렌즈 어셈블리의 상기 막의 전체 팽창의 1/3에 있는,
시정 접안 렌즈.
제 12 항에 있어서,
상기 두꺼운 영역 컨투어는 0.01 mm 내지 0.35 mm 범위의 두께를 가지며, 상기 힌지 영역 컨투어는 상기 두꺼운 영역 컨투어에 의해 둘러싸이는,
시정 접안 렌즈.
제 14 항에 있어서,
상기 힌지 영역 컨투어는 0.07 mm 내지 0.25 mm 범위의 두께를 갖는,
시정 접안 렌즈.
제 12 항에 있어서,
상기 두꺼운 영역 컨투어는 2.0 내지 100.0의 범위의 종횡비를 가지며, 상기 힌지 영역 컨투어는 상기 두꺼운 영역 컨투어에 의해 둘러싸이는,
시정 접안 렌즈.
제 16 항에 있어서,
상기 힌지 영역 컨투어는 3.0 내지 30.0 사이의 종횡비를 갖는,
시정 접안 렌즈.
제 12 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 렌즈 어셈블리의 상기 막의 두께는 상기 유체 렌즈의 말단을 향하여 x 축을 따라 증가하는,
시정 접안 렌즈.
두 개의 유체 렌즈 어셈블리들을 포함하는 시정 접안 렌즈로서,
각각의 유체 렌즈 어셈블리는,
프론트 강성 렌즈;
팽창가능한 가요성 막; 및
상기 프론트 강성 렌즈와 상기 가요성 막 사이의 유체 층;을 포함하며,
상기 프론트 강성 렌즈들 중에서 적어도 하나의 프론트 강성 렌즈는 상기 적어도 하나의 프론트 강성 렌즈의 상기 막의 팽창(inflation) 하에 유체 렌즈 어셈블리에서 발생하는 비점 수차(astigmatism)를 보상하도록 구성되며,
상기 적어도 하나의 프론트 강성 렌즈의 상기 막은 두께 컨투어들(thickness contours)을 포함하며 두께 컨투어 각각은 두께가 상이한 영역이고, 적어도 하나의 컨투어는 상기 유체 렌즈 어셈블리의 광학 영역(optical zone) 내에 있으며,
상기 두께 컨투어들은,
중심 디스크 지역 컨투어;
복수의 힌지 영역 컨투어; 및
상기 중심 디스크 지역 컨투어보다 더 두꺼운, 두꺼운 영역 컨투어;를 포함하는,
시정 접안 렌즈.
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