KR20070118594A

KR20070118594A - 가변 초점 거리를 갖는 적응성 전기 활성 렌즈

Info

Publication number: KR20070118594A
Application number: KR1020077018679A
Authority: KR
Inventors: 나쎄르 페이햄바리언; 구오퀴앙 리; 펙카 에이라스
Original assignee: 존슨 앤드 존슨 비젼 케어, 인코포레이티드
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2007-12-17
Also published as: US20060164593A1; CA2595463A1; JP2013047823A; JP6121130B2; SG159497A1; AU2006206418A1; AU2006206418B2; JP5550810B2; KR101205519B1; JP2008529064A; HK1123608A1; US8885139B2; CA2595463C; EP1851585B1; BRPI0614019B1; WO2006078806A3; EP1851585A2; WO2006078806A2; BRPI0614019A2; EP1851585A4

Abstract

조정가능한 초점이 전기적으로 제어 가능한 전기 활성 렌즈가 제공된다. 조정가능한 초점이 전기적으로 제어 가능한 전기 활성 렌즈는 초점 거리를 이산적 또는 연속적으로 변경시킬 수 있다. 렌즈는 안경을 포함한 다양한 광학 디바이스들에 통합될 수 있다.

초점 거리, 전기 활성 렌즈, 회절 렌즈, 액정

Description

가변 초점 거리를 갖는 적응성 전기 활성 렌즈{ADAPTIVE ELECTRO-ACTIVE LENS WITH VARIABLE FOCAL LENGTH}

본 출원은 본 출원에 그대로 참조로서 통합된 2005년 1월 21일자에 제출된 U.S 가출원 번호 60/645,839에 대한 우선권을 주장한다.

수명이 계속적으로 증가함에 따라 눈에 있어 연령과 관계된 시력 변화들의 보정이 더욱더 중요해지고 있다. 눈에 있어 연령과 관계된 하나의 시력 변화는 노안(presbyopia)인데, 노안인 사람들은 감소된 렌즈 탄력성(flexibility) 때문에 망막상에 가까운 물체들의 상을 맞추는 데 있어 어려움을 가진다. 노안은 보통 40대에 사람들에게 영향을 끼치기 시작하므로, 시력 보정에 대한 상당한 필요성이 존재한다. 고정된 초점 특성들을 갖는 안 렌즈들(ophthalmic lenses)은 노안 및 다른 이상들(conditions)을 보정하기 위하여 안경 및 콘택트 렌즈로 널리 이용되어 왔다.

안 렌즈들이 조정가능한 초점력(adjustable focusing power)을 가질 경우(즉, 초점력이 고정되어 있지 않은 경우), 이들은 가장 유용하게 된다. 조정가능한 초점력은 눈에게 외부적 순응력(external accommodation)을 제공하여 서로 다른 거리에 있는 관심 대상의 물체들이 초점 내에 있도록 한다. 조정가능한 초점력은 기 계적 줌 렌즈들을 이용하여 달성될 수 있다. 하지만, 기계적 접근은 안경이 거대하고 고가이게 한다.

다양한 광학 기술들이 근거리와 원거리를 볼 수 있도록 하는 이중 초점 렌즈들에서 개발되어 왔다. 예컨대, 사용자는 각 눈에 서로 다른 초점력을 제공하는 렌즈들, 즉 하나는 가까운 물체들을 위해 그리고 나머지 하나는 멀리 떨어진 물체들을 위한 렌즈를 착용할 수 있을 것이다. 대안적으로, 렌즈의 영역 분할, 이중 초점 회절 렌즈 또는 다른 분할 기술들의 사용에 의해, 근거리 및 원거리 물체들 모두가 동시에 망막상에 상이 맺히고, 뇌는 상기 상들(images)을 식별한다. 이중 초점 회절 렌즈들을 제외하면, 이러한 광학 기술들을 사용하는 시(view) 분야는 적다. 더욱이, 홍채가 렌즈의 환상부(annular protion)를 통과하는 빔을 차단하기 때문에, 이러한 광학 기술들은 동공(pupil)이 작을 때는 그렇게 효과적이지 않다. 보정을 위한 다른 선택으로는 초점력이 각 눈, 즉 하나는 가까운 물체들을 위해, 다른 하나는 멀리 떨어져 있는 물체들을 위해 제공되는 모노비젼 렌즈들(monovision lenses)의 사용이 있다. 하지만, 모노렌즈가 사용될 때, 쌍안경 거리 지각이 영향을 받게 된다.

전기적으로 변환가능한 렌즈들(예컨대, 두 개의 전도성 플레이트 사이에 끼여있는 액정 층을 갖는 렌즈들, 여기서 상기 액정의 배향(orientation)은 전기장의 인가에 따라 변화한다)이 광학 시스템에서의 사용을 위해 기술되어 있다(예컨대, Kowel, Appl. Opt. 23(16), 2774-2777 (1984); Dance, Laser Focus World 28,34 (1992) 참조). 전기적으로 변환가능한 렌즈들에서, 프레넬 존(Fresnel zone) 플레 이트 전극 구조들을 포함하여 다양한 전극 구성들이 연구되어 왔다(Williams, SPIE Current Developments in Optical Engineering and Commercial Optics, 1168, 352-357(1989); Mcowan, Optics Communications 103, 189-193 (1993)). 가변적 초점 거리 액정 렌즈들이 기술되어 있다(Sato, Jap. J. Appl. Phys. 24(8), L626-L628 (1985)). 하지만, 안경 렌즈 응용들에서 액정 렌즈들의 사용은 많은 요인들 때문에 제한되어 왔는데, 이러한 요인들에는 초점 거리가 변경될 때의 낮은 회절 효율, 및 액정층의 필요한 두께로부터 초래되는 느린 변환 시간이 포함된다. 조정가능한 초점력을 갖는 향상된 렌즈가 요구된다.

렌즈의 초점 거리를 조정하기 위한 새로운 렌즈 디자인 및 대응하는 디바이스와 방법이 제공된다. 새로운 디자인은 개별적으로 초점을 맞출 수 있는 전극 패턴에 기초하고 있다. 본 출원에는 새로운 디자인에 대한 두 가지 응용들이 기술된다. 첫번째 응용은 이산적인(discrete) 값들 사이에서의 초점 거리 변환을 제공한다. 일실시예에서, 초점 거리는 초기 초점 거리와 상기 초기 초점 거리의 정수배 사이에서 변환된다. 두번째 응용은 보다 일반적인 사용을 가능하게 하는데, 여기서 초점 거리는 설계 파라미터들에 기초하여 가능한 최소값들로부터 무한대까지 연속적으로 조정가능하게 된다. 새로운 디자인은 상기에서 언급한 어려움들을 극복한다.

보다 구체적으로, 조정 가능한 초점이 전기적으로 제어 가능한 전기 활성 렌즈(adjusting focusing electrically controllable electric lens)가 제공된다. 또한, 전기적으로 제어 가능한 전기 활성 렌즈의 초점 거리를 이산적으로 또는 연속적으로 조정하기 위한 방법이 제공된다. 전기적으로 제어가능한 전기 활성 렌즈는 부피가 크고(bulky) 비효율적인 기계 장치(mechanical movement)없이 초점 거리가 조정되도록 한다. 각 비젼의 뷰 범위가 좁은 코리도(corridor)에 제한되고 사용자가 두 개의 상들에 직면하게 되는 이중 초점, 삼중 초점 또는 점진적(progressive) 안경알 또는 콘텍트 렌즈들과 같은 동시 시각 렌즈들, 그리고 쌍안경 심도 지각(binocular depth perception)이 영향을 받는 모노비젼 렌즈들과 대조적으로, 전기 활성은 초점력을 조정하고, 각 동작 조건에서 전체 유효 구경이 동일한 초점력을 가진다. 초점이 조정가능하고 전기적으로 제어 가능한 렌즈들로 된 디바이스들은 큰 뷰 범위로 조정가능한 포커싱을 제공하고 상이한 물리적 렌즈들 간의 변환을 필요로 하지 않고 높은 이미지 품질을 제공한다. 이러한 렌즈의 다른 장점들은 콤팩트하고, 보다 경량이며, 저가이고 저전압 및 저전력 소산으로 보다 용이하게 동작시킬 수 있는 것을 포함한다.

일실시예에서, 조정 가능한 초점을 전기적으로 제어 가능한 전기 활성 렌즈는, 한 쌍의 투명 기판들 사이에 위치한 액정층과; M 존들을 구비한 프레넬 존 패턴화 전극과, 여기서 각 존은 상기 액정층과 제 1 투명 기판의 내면 사이에 위치한 개별적으로 어드레스 가능한 L 서브존들을 구비하며, M과 L은 양의 정수이고; 그리고 상기 액정층과 제 2 투명 기판의 내면 사이의 전도층을 포함하도록 제공된다. 프레넬 존 패턴화 전극의 개별적으로 어드레스 가능한 서브 존들은 동일한 수평면 상에 존재할 수 있다. 여기서, 상기 서브 존들은 전기적 단락을 방지하기 위하여 절연층에 의해 분리된다. 또는 프레넬 존 패턴화 전극의 개별적으로 어드레스 가능한 서브 전극이- 이들 각각은 절연층에 의해 분리된다- 둘 이상의 수평면들 상에 위치될 수 있다. 또한 본 기술 분야에서 공지된 것과 같은 다른 구성들이 이용될 수 있다.

원래 초점 거리 F의 정수배에 의해 렌즈의 초점 거리를 조정하는 방법은, 한 쌍의 투명 기판들 사이에서 둘러싸인 액정층과; 상기 액정층과 제 1 투명 기판의 내부를 향하는 표면 사이에 위치한 프레넬 존 패턴화 전극과, 여기서 상기 패턴화된 전극은 M 존들을 구비하고, 각 존은 L 서브 존들을 구비하며, 상기 패턴화된 전극은 개별적으로 어드레스 가능한 전체 M·L 전극들을 구비하며; 상기 액정층과 제 2 투명 기판의 내면 사이에 있는 전도층과; 그리고 상기 전극 존들과 상기 전도층에 전기적으로 접속되는 전기적 제어부를 포함하는 렌즈를 제공하는 단계와; 그리고 초점 거리를 kF까지 조정하기 위하여 각 k가 개별적으로 어드레스 가능한 전극들에 동일한 전압을 인가하는 단계를 포함하여 제공된다(여기서, k는 1부터 ML까지의 정수이다). 상기 초점 거리는 F에서 무한대까지 이산적으로 조정될 수 있다.

렌즈의 초점 거리를 연속적으로 조정하는 방법은, (a) 한 쌍의 투명 기판들 사이에서 둘러싸인 액정층과; 상기 액정층과 제 1 투명 기판의 내면 사이에 위치한 L 회절 레벨을 구비한 프레넬 존 패턴화 전극들과, 여기서 상기 패턴화 전극들은 개별적으로 어드레스 가능한 링들의 원형 어레이이며; 상기 액정층과 제 2 투명 기판의 내면 사이에 위치한 전도층과; 그리고 상기 전극 존들과 상기 전도층에 전기적으로 접속된 전기적 제어부를 포함하는 렌즈를 제공하는 단계와; (b) 원하는 초점 거리(f')를 결정하는 단계와; (c) 프레넬 존 패턴화 전극의 m번째 존의 면적을 식 r_m ² + f'² + (f' + mλ)²을 이용하여 계산하는 단계와, 여기서 f'은 설계 초점 거리이고, λ는 설계 파장이며, r_m은 m번째 서브 존의 반경이며; (d) 설계 서브 존을 형성하는 개별적으로 어드레스 가능한 전극들의 수를 결정하기 위하여, m번째 존의 계산된 영역을 L 또는 이보다 큰 정수로 나누는 단계와; (e) 설계 서브 존에서 개별적으로 어드레스 가능한 소정 수의 전극들에 동일한 전압을 인가하는 단계를 포함하여 제공된다. 초점 거리를 연속적으로 조정하는 방법은, 단계 (a) 이전에, 하나 이상의 설계 초점 거리들을 결정하는 단계와; 모든 설계 초점 거리가 설계 서브 존에서 형성되도록 프레넬 존 패턴화 전극에서의 최대 링 크기를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 전극 존들이 패턴화된 ITO(인듐 주석 산화물) 전극들로부터 형성된다. 각 존에서의 위상 지연은 본 기술 분야에서 알려져 있는 것과 같이, 인가된 전기장을 이용하여 액정의 재배열에 의해 조정된다.

본 명세서에서 기술된 조정 가능한 초점이 전기적으로 제어 가능한 전기 활성 렌즈가 현재의 접극들에 비해 많은 장점들을 제공한다. 하나의 장점은 렌즈의 초점력을 조정가능하게 변경할 수 있는 능력이다. 회절 렌즈의 초점 거리는 전극 존 간격에 의해 결정된다. 본 명세서에서 기술된 렌즈들에서, 전극 패턴은 고정되고, 초점 거리는 전극들로의 전기적 드라이빙 접속들 및 인가된 전압을 변경함으로써 직접적으로 변경될 수 있다. 일실시예에서, 개별적으로 어드레스 가능한 전극 존들은 가까거나(즉, 리딩), 중간 매개체-(즉, 컴퓨터 스크린) 및 거리 비젼(distance vision)을 포함하여 상이한 거리 비젼에 대한 보정을 허용한다. 초점력은 범위 파인더(range finder)에 의해 직접적으로 또는 사용자에 의해 수동적으로 조정될 수 있다. 일실시예에서, 마이크로전자 회로들이 렌즈들에 집적되고, 따라서 그 어셈블리가 콤팩트하게 된다. 또한, 전극 구조가 보이지 않는데, 이는 테라스된 액정 접근에 비해 성형적(cosmetic) 장점을 제공한다. 전력의 손실이 거리 비젼(어떤 전류도 제공되지 않을 때 제공된 초점력)에 영향을 끼치지 않는다. 각 동작 조건에서, 전체 유효 구경은 동일한 초점력을 가진다. 본 명세서에서 일실시예로 기술된 프레넬 존 구조는 안 렌즈 응용들을 위해 요구되는 상대적으로 큰 유효 구경들을 가능하게 한다. 본 명세서에서 기술된 본 발명의 다른 장점들은 콤팩트한 디자인, 보다 경량, 저가, 저전압 및 저전력 소산으로 보다 용이한 동작 등을 포함한다.

본 기술 분야에서 공지된 것처럼, 본 명세서에서 기술된 렌즈들의 초점 거리 및 대응 디옵터 값들은 인가된 전압에 따라 양수 또는 음수일 수 있다. 이러한 변형들은 과도한 실험없이도 본 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게 알려져 있으며, 이는 본 명세서에 포함된다.

본 명세서에서 사용된 것과 같이, "조정 가능한 초점(adjustable focusing)"은 종래 광학 렌즈에서와 같이 렌즈의 초점 거리가 하나의 거리에서 고정되지 않는 것을 의미한다. 조정 가능한(가변적인) 초점의 초점 거리는 본 기술 분야에서 알려진 수단에 의해 전극들에 인가되는 전압을 변경함으로써 조정된다. 일실시예에서, 초점 거리는 원하는 거리에 있는 물체의 시력(vision)을 제공하기 위하여 사용자에 의해 조정된다. "개별적으로 어드레스 가능한(individually addressable)"은 동일하거나 상이한 전압이 상이한 전극들에 독립적으로 인가될 수 있는 것을 의미한다. "전기적으로 제어 가능한(electrically controllable)"은 전압이 본 기술 분야에서 공지된 것과 같이 액정의 배향 상태와 같은 파라미터를 제어하거나 변경하도록 인가되는 것을 의미한다. "연속적으로 조정하는(continuously adjusting)"은, 현재 패턴화된 전극 제조 기술들의 물리적 한계들로 인해, 원래 초점 거리의 완전 배수들이 아닌 많은 상이한 값들로 조정될 수 있는 것을 의미하며, 반드시 모든 상이한 초점 거리가 달성될 수 있다는 것을 의미하는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용된 것처럼, "층(layer)"은 완전히 균일한 막을 요구하는 것은 아니다. 상기 층이 본 명세서에 기술된 것과 같은 의도된 목적을 실행하는 한, 일부 평탄하지 않은 두께들, 크랙들 또는 다른 불완전함이 존재할 수 있을 것이다. 본 명세서에서 사용된 "수직(perpendicular)"은 기판의 표면에 거의 수직인 것을 의미한다. 광축은 일반적으로 기판 표면에 거의 수직하다는 것을 이해하라. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 전극들 사이의 "수평 갭이 없다(no horizontal gap)"는 것은 수직 방향으로 관찰할 때 전극이 그들 사이에 어떤 공간도 갖지 않는 상황을 포함하며, 또한 렌즈 효율이 개별적인 값들과 범위뿐만 아니라 이론적 최대치로부터 25%만큼 감소되도록 하지 않는 수직 방향에서 관찰될 때, 전극들 사이에 공간이 있는 상황을 포함한다.

본 발명의 디바이스들은 인간 또는 동물 시력 교정 또는 조정을 위해 사용되는 렌즈들을 포함하여, 본 기술 분야에서 알려진 다양한 응용들에서 이용될 수 있다. 상기 렌즈들은 본 기술 분야에서 알려져 있는 것과 같이 안경에 통합될 수 있다. 안경은 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 디바이스들은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있는 것과 같이 과도한 실험없이 디스플레이 응용들에서 사용될 수도 있을 것이다. 본 발명의 렌즈들은 종래의 렌즈들과 광학 제품(optics)과 함께 사용될 수 있다. 본 발명의 렌즈들은 종래 렌즈의 일부로서, 예컨대 종래 렌즈에 삽입되어 사용될 수 있거나, 종래 렌즈들과 본 발명의 렌즈들의 조합이 축적 방식으로 사용될 수 있다.

본 발명은 관찰하는 물체로부터의 거리에 기초하여 초점력을 조정하는 렌즈들을 구비한 한경을 제조하는 데 있어 유용하다. 일실시예에서, 거리 연동 메커니즘(range-finding mechanism), 배터리 및 제어 회로 소자가 안경 내에 하우징되거나 별개의 제어 시스템부가 된다. 이러한 요소들과 사용이 본 기술 분야에서 공지되어 있다. 하나의 예시로서, 거리 연동 메커니즘은 안경과 원하는 물체 사이의 거리를 결정하기 위해 사용된다. 이러한 정보는 개별적으로 어드레스 가능한 전극들에 인가된 전압을 조정하는 마이크로프로세서들에 제공되고, 이는 물체를 관찰하기 위하여 원하는 위상 투과 기능을 렌즈에 제공한다.

본 기술 분야에서 알려진 것과 같이, 전극들에 전압을 인가하는 다양한 방법들이 이용될 수 있다. 배터리가 전압을 공기하기 위해 사용될 수 있으며, 또는 본 기술 분야에서 알려진 다른 방법들이 이용될 수 있다. 프로세서, 마이크로 프로세서, 집적 회로 및 컴퓨터 칩을 포함하여, 전극들에 인가되는 전압의 모든 면들을 제어하는 다양한 방법들 본 기술 분야에서 공지되어 있다. 인가된 전압은 본 기술 분야에서 알려져 있는 것과 같이 원하는 위상 투과 기능에 의해 결정된다.

도 1은 회절 렌즈의 예시를 나타낸다: 그래프 (a)는 종래 회절 렌즈, 그래프 (b)는 정방형 블레이즈 프로파일, 그래프 (c)는 이진(binary) 회절 렌즈, 그래프 (d)는 회절 렌즈의 4-레벨 근사이다.

도 2는 회절 렌즈의 구성을 나타낸다.

도 3은 액정 셀을 나타낸다.

도 4는 패턴화된 전극을 구비한 전기-활성(electro-active) 액정 렌즈의 일반적 구조를 나타낸다.

도 5A는 모든 전극들이 동일 평면에 있는 구조(1층 구조)를 나타내며, 여기서 이웃하는 서브 존들 사이에는 작은 갭이 존재한다.

도 5B는 홀수로 넘버링된 전극들과 짝수로 넘버링된 전극들이 두 개의 수평 층들 사이에 삽입되어 있는 구조를 나타내며, 이웃하는 서브 존들(2-층 구조) 사이에는 어떤 갭도 존재하지 않는다.

도 6은 개별적으로 어드레스 가능한 전극 패턴을 이용하는 디지털 가변 초점 거리의 예시를 나타낸다.

도 7은 적절한 분해능(resolution)을 갖는 개별적으로 어드레스 가능한 전극들의 원형 어레이를 이용하여 초점 거리를 연속적으로 변경하는 것을 나타낸다.

본 발명을 보다 잘 이해할 수 있도록, 회절 렌즈들에서의 일부 기본 개념들 및 적응성 렌즈의 원리뿐만 아니라 액정 셀들의 기본 개념이 본 명세서에서 간단하게 검토된다.

회절 렌즈들

회절 렌즈들이 당해 기술 분야에서 공지되어 있다. 회절 렌즈의 기능은 프레넬 존 패턴(Fresnel zone pattern)에 의한 근거리 회절에 기초하고 있다. 구조체로부터 나오는 각 점(point)은 구형파의 에미터 역할을 한다. 특정 관찰점에서의 광학 장(optical field)은 전체 구조체를 통해 방출되는 구형파의 기여분들(contributions)의 합이다. 다양한 점으로부터 생기는 구형파의 보강 간섭(constructive interference)은 관찰점에서 높은 회절 효율에 해당하는 고강도(high intensity)를 생성한다.

도 1은 회절 렌즈의 예시를 나타낸다: 그래프 (a)는 종래 굴절 렌즈이다; 그래프 (b)는 연속하는 정방형 블레이즈 프로파일을 갖는 회절 렌즈이다; 그래프 (c)는 이진 회절 렌즈이다; 그래프 (d)는 회절 렌즈의 4-레벨 근사이다.

도 1의 그래프 (a)는 종래 굴절 렌즈의 일부를 나타낸다. 굴절 렌즈로부터 배수 2π 위상 지연을 제거함으로써, 도 1의 그래프 (b)에 도시된 것과 같은 회절 렌즈가 얻어진다. 각각의 존 경계에서 위상 점프는 설계 파장(design wavelength) λ₀에 대해2π이고, 각 존에서의 블레이징 프로파일은 초점에서 완벽한 보강 간섭을 만든다. 도 1의 그래프 (c) 및 도 1의 그래프 (d)는 도 1(b)에서의 원하는 위상 프로파일에 대한 상이한 근사들을 나타내는데, 여기서 각 존에서의 배수 단계들은(multiple steps) 원하는 위상 프로파일에 근사시키기 위해 사용된다.

도 2는 회절 렌즈의 구성을 나타낸다. 초점 거리(f)가 광축을 따라 표시된다. 반경(r_m)은 광축에 대해 수직으로 표시된다. 초점(F)에 도달하기 위해 반경(r_m)에서 렌즈로 진입하는 빛의 경로는 초점 거리(f)와 보강 간섭을 갖기 위한 파장의 정수배(mλ)의 합과 같다는 것에 주목하라.

다시 말해서, 회절 렌즈의 초점 거리(f)는 존들의 주기(period)에 의해 결정된다. 광로 길이 차(optical path length differences)는 파장의 배수이다. m번째 존에 대해, (f+mλ)는 도 2의 직각 삼각형의 빗변임을 주목하라:

r_m ² + f² = (f + mλ)² (1)

패럭시얼 근사(paraxial approximation)에 대해, f >> mλ이면, 존들의 반경 (r) 또는 존 경계들은 다음 식으로 주어진다.

r_m ² = 2mλf (2a)

여기서, r_m은 m번째 존의 외경이며(m=1, 2, 3...M), λ는 파장이고, f는 초점 길이이다. L-레벨 회절 렌즈에 대해, 각 존은 동일한 크기(영역)의 서브 존들 L로 구성된다. L 서브존들이 존재하고 상기 서브 존들 각각은 상이한 광학적 두께(optical thickness)를 가지므로, L 위상 레벨들이 존재한다는 것에 주목하라. m번째 존의 n번째(n=1, 2, 3...L, L은 각 존에서의 위상 레벨의 수이다) 서브 존의 외경은 다음 식으로 주어진다.

(2b)

이는 프레넬 존 패턴을 결정하고, 이는 r2에서 주기적이다. 주기는 r12과 같다. r1은 제 1존의 반경이고, 각 존은 동일한 영역을 가진다는 것에 주목하라. 회절 렌즈의 초점 거리는 다음 식과 같다.

(3)

상기 식들은 초점 거리가 존 주기(zone period)를 변경함으로써 변경될 수 있다는 것을 의미한다. 초점 거리 p·f를 갖는 렌즈에 대해, 각 존의 크기(면적)는 p·r₁ ²이다. 멀티 레벨 회절 렌즈(또는 L-상 레벨 회절 렌즈)의 회절 효율은 다음 식에 의해 주어진다.

(4)

표 1은 1-디옵터 회절 렌즈에 대한 다양한 파라미터를 나타낸다. 표 1에서 알 수 있는 것과 같이, 회절 효율은 상 레벨(phase level) 수가 증가함에 따라 증가하고, 마지막 서브 존의 폭은 렌즈의 유효 구경이 감소함에 따라 감소한다.

[ 표 1 ]

위상 레벨	회절 효율	최종 서브 존의 폭 (㎛)
위상 레벨	회절 효율	10㎚ 유효 구경	20㎚ 유효 구경
2	40.5%	56	28
4	81.1%	28	14
6	91.2%	19	9
8	95.0%	14	7
16	98.7%	7	3.5

액정 셀들

액정 셀들은 본 기술분야에서 알려져 있다. 액정 셀들의 많은 셀 구성들과 동작들이 본 기술분야에서 역시 알려져 있다.

도 3은 전기-활성 액정 셀의 예시적 실시예를 나타낸다. 여기서 액정층은 전도성 내면을 갖는 두 개의 유리 플레이트들 사이에 삽입되어 있다. 상기 플레이트들의 표면은 폴리비닐알콜(PVA) 또는 나일론 6,6과 같은 정렬층으로 코팅되어 있고 동종의(homogeneous) 분자 배향을 나타내도록 마찰 처리된다. 본 기술분야에서 알려진 것처럼, 정렬층에 대해 화살표 방향으로힘이 가해진다. 전압이 플레이트들의 내부 전도성 표면들에 인가된다. 전기-광 매체로서 액정을 사용하는 전기-활성 셀에 있어, 모든 존은 동일한 두께를 가지지만, 전압이 상기 매체에 인가될 때 비정상 빔의 굴절률은 액정 분자의 재배향으로 인해 변화하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 액정 분자의 원래 배향은 힘이 가해지는 방향에 의해 결정된다. 액정 분자의 장축(광축)은 수직으로 맞추어진다. 적절한 전압이 인가되면, 분자가 회전하게 된다. 유효 굴절률(ne')은 다음 식에 의해 주어진다.

(5)

여기서, n_o 및 n_e는 각각 정상 빔 및 비정상(이상) 빔에 대한 굴절률이고, θ는 분자의 광축과 수직축 사이의 각이다. 비정상 빔은 초기에 최대 굴절률 n_e를 가진다. 인가된 전압이 증가함에 따라, 굴절률 n_e'는 더욱 작아지게 되고, 포화 전압이 인가될 때, 분자의 광축은 수평으로 조절되고 n_e'의 유효 굴절률은 최대에 달하게 되어 n_o와 같게 된다. (수평으로 편광된) 정상 빔에 대한 유효 굴절률은 항상 동일하다. 따라서, 전기-광학 효과는 이상 빔의 유효 굴절률을 변경시킨다.

본 명세서에 기술된 액정 셀들에서, 본 명세서에서 추가적으로 기술되는 것과 같이, 하나의 기판 상의 전도 물질은 동종 층(homogeneous layer)을 형성하지 않고, 오히려 전극들의 패턴이 형성된다.

도 4는 패턴화된 전극들을 구비한 전기-활성 액정 렌즈의 일반적인 구조를 예시한다. 상단에서부터 기저부까지, 층들은 기판(410), 패턴화된 전극들(420)(개별적으로 제어가능한 전극들), 정렬층(430), 액정(440) 및 스페이서(또는 스페이서들)(450), 정렬층(430), 그라운드(460), 및 기판(410)으로 구성된다.

특히, 도 4는 본 명세서에서 사용된 전기-활성 액정 렌즈의 일반적 구조를 예시한다. 액정층(430)은 패턴화된 전극들(420)과 그라운드 전극(460) 사이에 끼어 있다. 패턴화된 전극(430)은 본 기술분야에서 알려진 것과 같이, 유리 기판 상에 증착된 전도성 필름의 광 리소그래픽 공정(photolithographic processing)에 의해 제조될 수 있고, 그라운드 전극(460)은 본 기술 분야에서 알려진 임의의 방식으로 형성되며 균일한 전도성층을 포함한다. 패턴화된 전극들은 링의 원형 어레이로 구성되는데, 상기 링의 반경은 본 명세서에서 기술된 것과 같이 원하는 초점 거리에 의해 결정된다. 액정(440)의 전기-광 효과는 전기적으로 제어가능한 복굴절(birefringence)을 발생시킨다. 렌즈를 통한 위상 프로파일(phase profile)은 본 명세서에서 추가적으로 기술된 것과 같이 패턴화된 전극들에 적절한 전압을 인가함으로써 맞추어진다.

전도성 물질은 본 명세서에서 특별히 기술된 것을 포함하여 임의의 적당한 물질일 수 있고, 본 기술 분야에서 공지된 다른 물질일 수도 있다. 전도성 물질은 인듐 산화물, 주석 산화물 또는 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투과성 물질인 것이 바람직하다. 본 기술에서 알려진 것처럼, 기판은 석영(쿼츠), 유리 또는 플라스틱과 같이 원하는 광 투과율을 제공할 수 있고 본 명세서에서 기술된 장치 및 방법에서 기능할 수 있다. 전도층의 두께는 전형적으로 30㎚와 200㎚ 사이에 있다. 상기 층은 적절한 전도성을 제공할 수 있을 정도로 충분히 두꺼워야 하지만, 전체 렌즈 구조에 대해 과도한 두께를 제공할 수 있을 정도의 두께는 아니어야 한다. 패턴화된 전극들(420)은 본 명세서에서 기술되고 본 기술에서의 통상의 기술을 가진 자에게 알려져 있는 리소그래픽 기술들을 이용하여 형성될 수 있다.

도 5A는 모든 전극들이 동일한 평면 상에 있는 구조(하나의 층 구조)를 예시한다. 여기서, 이웃하는 서브 존들 사이에는 작은 갭(gap)이 존재한다. 제어기 또는 드라이버(510)는 와이어들(520)에 의해 비아들 또는 콘텍트들(530)에 연결되며, 이들은 차례로 개별적으로 제어가능한 전극들(540)에 연결된다. 와이어들(520)은 절연층(미도시)에 의해 전극들(540)로부터 전기적으로 절연될 수 있고, 비아(상기 절연층 내의 홀 또는 경로) 또는 콘텍트들(530)을 관통하여 전극들에 선택적으로 접촉될 수 있다는 것에 주목하라. 이러한 종류의 콘택트 제조는 리소그래피 제조 및 집적 회로 제조에서 잘 알려져 있다.

보다 상세하게는, 도 5A는 하나의 층에서 중심이 동일하고 개별적으로 어드레스가능한(개별적으로 제어가능한) 링 형태의 전극들에 대한 레이아웃을 예시한다. 와이어들(520) 및 절연층을 통과하는 비아들을 무시하면, 모든 전극들이 단일층 내에 있기 때문에 상기 레이아웃은 "하나의 층(one-layer)" 구조로 정의된다.

대안적으로, 와이어들(520)은 동심원 전극들에 대해 방사상으로(radially) 진행하는 버스(bus)(미도시)에서 다같이 밀접하게 조편성될 수 있다.

다른 패턴화된 전극 형태들이 이용될 수 있다는 것에 주목하라. 예컨대, 6각형 어레이는 6각형의 픽섹들을 포함하거나, 격자 어레이는 사각형의 픽셀들을 포함하거나, 일련의 불규칙한 형태들은 비대칭 굴절 오차들(errors)을 보정할 수 있을 것이다. 불규칙하거나 복잡한 형태의 전극들은 특정한 비대칭 또는 비양식화(non-conventional)되거나 높은 차수(high order)의 굴절 오차를 보정하도록 제조될 수 있을 것이다. 추가적으로, 전극들은 액정들과의 보다 복잡한 상호작용을 형성하기 위해서, 광축 방향으로 가변적인 두께를 가질 수 있을 것이다.

대안적으로, 특히 둘 이상의 픽셀들이 하나의 링 전극들의 폭 내부에 피팅되는 경우, 고 픽셀 밀도들(high pixel densities)을 갖는 어레이들은 회절 렌즈들을 형성하기 위해 도 5A의 동심원에 근사하도록 제어가능하게 될 것이다. 이러한 고 픽셀 밀도 어레이들은 또한 보다 복잡한 형태들에 근사하게 될 것이다.

도 5A로 돌아가, 가장 내부 링 전극을 전극 번호 1로 정의하고, 외측으로 16 번째까지 카운팅하여 가장 외부 전극을 정의하자. 가장 내부에 있는 전극은 바람직하게는 링 대신 완전한 원일 수 있으나, 도 5A는 비아 또는 콘택트(530)를 보다 명확하게 나타내기 위하여 가장 내부 링 전극을 갖는 대칭성 링을 예시한다.

4-레벨 또는 4-(위)상 회절 렌즈를 형성하기 위해, 가장 내부에 있는 4개의 링들이 하나의 존으로 그룹핑된다. 이러한 제 1존은 전극들 1-4를 포함하고, 가장 내부의 전극으로부터 바깥쪽으로 넘버링된다. 이러한 전극들 1-4 각각은 제 1존의 서브 존이다. 제 2존은 전극 5-8로 구성된다. 제 3존은 전극 9-12로 구성된다. 제 4존은 전극 13-16으로 구성된다. 16개의 전극들의 이러한 구성은 4개의 존을 갖는 4-레벨(또는 위상) 회절 렌즈를 형성한다.

각각의 링 전극(540)은 상기에서 논한 것과 같이 와이어(520)에 의해 개별적으로 어드레스 가능하다. 모든 전극들이 하나의 층에 분포되면, 이웃하는 전극들 사이에는 전기적으로 절연인 갭들이 존재해야 한다. 전극들 간의 갭들은 (위)상 왜곡을 초래할 수도 있고, 이러한 디자인의 시뮬레이션은 이러한 위상 왜곡이 회절 효율 및 다른 성능 측정들에 큰 영향을 끼친다는 것을 보여준다.

하나의 층 디자인에서 전극들 사이의 절연 갭들에 의해 초래되는 왜곡을 완화시키기 위해, 다른 전극 구조체들이 사용될 수 있을 것이다. 예컨대, 링 전극들은 "2-층" 디자인을 생성하기 위하여 두 개의 별개 층들로 분리될 수 있을 것이다.

특히, 홀수로 넘버링된 링들이 제 1 전극층에 놓여질 수 있고, 짝수로 넘버링된 링들이 분리된 제 2전극층에 놓여질 수 있다. 이러한 두 개의 별개 전극 층들 은 SiO₂와 같은 절연층에 의해 분리될 수 있을 것이다.

도 5B는 홀수로 넘버링된 전극들과 짝수로 넘버링된 전극들이 두 개의 수평 전극들 내에 삽입된 구조를 나타내는데, 여기서 이웃하는 서브 존들(2-층 구조) 간에는 갭이 존재하지 않는다.

제어기 또는 드라이버(510)는 와이어(520)를 통해 전극들과 커뮤니케이션하며, 상기 전극들은 짝수 링들(540)을 갖는 층과 홀수 링들(544)을 갖는 층으로 그룹핑된다. 이러한 두 전극 층들은 절연층 SiO₂(544)에 의해 분리된다. 크롬 정렬 마크(560) 또한 포토리소그래픽 제조 정렬를 위해 도시되어 있다. 존 m(580)과 존 m+1 (590)이 또한 도시되어 있고, 이들은 도 5A로부터 인접 존들에 해당한다.

도 5B에는 2-층 전극 패턴의 횡단면이 도시되어 있는데, 여기서 홀수 및 짝수로 넘버링된 링들이 두 개의 분리된 층들 내에 분포되어 있으며, 수직 방향으로 볼 때(광축을 따라 볼 때) 이웃하는 두 개의 전극들 간에는 갭이 존재하지 않는다. 특히, 존 m (580)은 r_m부터 r_m ₊₁까지 연장되며, 총 4개의 전극으로 구성된다는 것에 주목하라. 존 m (580)에 있는 4개의 전극 중에서 두 개는 짝수로 넘버링되고 층 (542) 내에 존재하고, 나머지 두 개의 전극들은 층(544)에 있다.

이 경우, 각 링 전극(540)은 하나의 층의 경우에서와 같이 비아를 통해 추가적인 층(도 5B에는 미도시됨)으로부터 개별적으로 어드레스될 수 있다. 와이어(520)는 임의의 편리한 위치 또는 층 내에 위치할 수 있을 것이다.

2-층 구조의 형성에 대한 일례는 다음과 같다. 패턴화된 전극들이 적용되는 기판에 대해, 정렬 마크(560)가 전도층 상에 증착된다. 크롬과 같은 임의의 적절한 물질이 정렬 마크를 위해 사용될 수 있을 것이다. 상기 정렬 마크(560)는 기판에 대해 다양한 광 리소그래픽 마스크들 및 따라서 "마스크 세트"로부터의 각 마스크의 사용과 관련된 공정 단계들에서 생성된 패턴들의 적절한 정렬을 허용한다. 여기서, 상기 "마스크 세트"는 전극들이 패턴화될 때 전극들에 대해 원하는 토탈 광 리소그래픽 정의를 갖도록 만들어진다. 패턴화된 전극들의 존 중 제 1부분은 본 기술에서 알려지고 본 명세서에서 기술된 방법들을 이용하여 전도층 내에 형성된다. SiO₂와 같은 절연층은 패턴화된 전도층 상에 증착된다. 전도체의 제 2층이 SiO₂ 상에 증착되고, 패턴화된 전극 존의 제 2부분이 전도체의 제 2층에 형성된다.

정렬층(미도시)이 전도체의 제 2층 및 제 2 기판의 전도체 상에 배치된다. 정렬층은 단방향 마찰(unidirectional rubbing)과 같이 본 기술에서 알려진 수단에 의해 준비된다. 현재 사용된 정렬층들은 스핀 코팅된 폴리비닐 알콜 또는 나일론 6,6이다. 하나의 기판 상의 정렬층은 다른 기판 상의 정렬층과 반평형하게 마찰되는 것이 바람직하다. 이는 본 기술에서 알려져 있는 것과 같이 액정의 적절한 정렬을 가능하게 한다. 액정층은 기판들 사이에 배치되고, 기판들은 유리 스페이서들 또는 본 기술에서 알려진 다른 수단과 (3㎛ 및 20㎛ 사이에서 떨어져 있는 것과 같이) 원하는 거리만큼 이격되어 있다. 스페이서들은 마일라(Mylar), 유리 또는 석영, 또는 원하는 간격을 제공하기에 유용한 다른 물질들과 같이 임의의 바람직한 물질일 수 있을 것이다. 효율적인 회절을 달성하기 위하여, 액정층은 활성화된 지 연(activated retardation)의 하나의 파(one wave)이지만(d>λ/δn ~2.5㎛, 여기서 δn은 액정층 매체의 복굴절이다), 보다 두꺼운 액정층들은 포화 현상을 회피하는데 도움이 된다. 보다 두꺼운 셀들의 단점은 (d²로 변화하는) 긴 스위칭 시간과 전기활성 피쳐 정의의 손실을 포함한다. 상기 투명한 기판들은, 패턴화된 전극들의 원하는 수 및 액정층의 원하는 두께를 가능하게 하는 임의의 거리로 이격될 수 있다. 특정 실시예에서, 투명 기판들은 3㎛과 20㎛ 사이에서 서로 이격되고, 모든 개별적 값들과 범위들이 이 값들 내에 존재한다. 현재 하나의 바람직한 간격은 5㎛이다.

동작에 있어서, 원하는 레벨로 굴절률을 변경하기 위하여 요구되는 전압이 제어기에 의해 전극에 인가된다. "제어기"는 프로세서, 마이크로프로세서, 집적 회로, IC, 컴퓨터 칩, 및/또는 칩을 포함하거나 이러한 것들 내에 포함될 수 있다. 전형적으로, 약 2Vrms에 이르는 전압들이 전극들에 인가된다. 위상이 동기화된 파형 제어 드라이버들이 공통-그라운드 구조체에서 각 전극 그룹에 연결된다. 드라이버 진폭들(amplitudes)은 최대 초점 회절 효율을 위해 동시에 최대화된다. 원하는 레벨로 굴절률을 변화시키기 위해 요구되는 전압 함수는 본 기술에서 알려져 있는 것과 같이 사용된 액정 또는 액정 혼합물에 의해 결정된다.

도 6은 개별적으로 어드레스 가능한 전극 패턴을 이용하는 디지털 가변 초점 거리에 대한 예시를 나타낸다. 그래프 (a)는 기본 초점 거리 F에 해당하고, 이는 최초의 단일 전극의 면적(area)에 의해 결정된다(즉, 최초 구조의 주기). 상기 구 조의 주기(period)는 최초 단일 전극의 면적이다. 초점 거리는 회절 효율에 영향을 끼치지 않은채 렌즈 주기를 증가시킴으로써 F의 배수까지 증가될 수 있다. 그래프 (b)는 초점 거리 2F에 해당한다. 도 6B의 각 존(서브 존)의 영역은 도 6A의 두배이다. 회절 효율은 양쪽 모두 동일하다.

특정한 예시에서, 특정 4-위상 레벨 렌즈의 4개의 전극에 인가되는 전압은 각각 1.1V, 1.3V, 1.49V 및 1.72V이다. 다른 예에서, 특정 8-위상 레벨 렌즈의 8개의 전극에 인가되는 전압은 각각 0.71V, 0.97V, 1.05V, 1.13V, 1.21V, 1.30V, 1.37V 및 1.48V이다. 전극들에 인가되는 전압은 과도한 실험없이 본 기술에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 용이하게 결정되며, 이는 본 기술에서 알려진 것과 같은 사용된 액정, 셀 배치(arrangement of the cell), 및 다른 인자들의 함수이다. 상기에서 기술된 바와 같이, 본 기술에서 알려진 것과 같이 원하는 초점 거리에 따라 전압이 양수 또는 음수가 될 수 있다. 하나의 실시예에서, 전극들에 인가된 전압들은 0.5V 및 2V 사이의 양 또는 음의 값들이고, 모든 개별적인 값들과 하위범위들은 그 이내에 있다.

절연 물질은 본 명세서에서 특별히 기술된 것과 본 기술 분야에서 공지된 다른 물질을 포함하여 임의의 적당한 물질일 수 있다. 하나의 실시예에서, 전도성 물질과 절연 물질은 교대 패턴, 예컨대 증가하는 반경을 갖는 원과 같은 것으로 배열된다. 상기 패턴들은 본 명세서에서 기술된 것과 같이 원, 반원, 사각형, 각지거나(angular) 원하는 효과를 제공하는 임의의 다른 형태와 같은 임의의 원하는 패턴일 수 있다. 용어 "원, 반원, 사각형, 각진 것(angular)" 및 다른 형태들은 완벽한 형태가 형성되는 것을 의미하기 위한 것이 아니라, 오히려 그 형태가 일반적으로 형성되고, 본 기술 분야에서 공지된 것과 같이 버스 라인들 또는 기판을 통해 전류를 발생시키는 다른 방식들을 포함할 수 있다.

액정이 본 발명에서 사용될 수 있다. 하나의 초점 거리로부터 다른 초점 거리로의 변환시 사용자가 지연을 알아차리지 못할 정도로 변환 시간(switching time)이 충분히 빠른 것이 바람직하다. 본 명세서에 기술된 특정 실시예들에서, 네마틱(nematic) 액정이 전기-광 매체(elecro-optic medium)로 사용된다. 이러한 실시예에서, 렌즈는 빛의 직교하는 두 편광 성분 중 하나에 대한 광학적 반응을 갖는다. 편광에 무반응인 콜레스테롤 액정이 사용될 수도 있는데, 이 경우 편광판이 불필요하다. 본 발명에서 사용된 액정은 네마틱(nematic), 스멕틱(smetic), 또는 전기장으로 제어될 수 있는 장거리 배향 순서(order)를 갖는 콜레스테롤 상들(pahases)을 형성하는 것들을 포함한다. 상기 액정은 입증된 안정성과 신뢰할만한 상업적 이용가능성 뿐만 아니라 광범위한 네마틱 온도 범위, 용이한 정렬, 낮은 임계 전압, 큰 전기활성 반응 및 빠른 스위칭 속도를 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 일 실시예에서, E7(Merck에 의해 판매되는 시아노바이페닐과 시아노테르페닐의 네마틱 액정 혼합물)이 사용된다. 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 네마틱 액정의 예로는 다음과 같은 것이 있다: 펜틸-시아노-바이페닐(5CB), (n-옥틸옥시)-4-시아노바이페닐(80CB). 본 발명에서 사용될 수 있는 액정의 다른 예들로는 4-시아노-4-n-알킬바이페닐, 4-n-펜틸옥시-바이페닐, 4-시아노-4"-n-알킬-p-테르페닐 및 E36, E46 및 BDH(British Drug House)-Merck에 의해 제조된 ZLI-시리즈들과 같은 상업적 혼합물들이 있다(여기서, n=3, 4, 5, 6, 7, 8, 9이다).

본 발명에서 전기활성 폴리머들이 사용될 수도 있다. 전기활성 폴리머들은 Ch, Bosshard et al에 의해 "Organic Nonlinear Optical Materials"(Gordon and Breach Publishers, Amsterdam, 1995)에 개시된 것과 같이 (발색으로(chromophore)으로 불려지는) 도너(donner) 그룹과 억셉터(acceptor) 그룹 간에 비대칭적으로 분극화된 공액 π전자들을 갖는 분자들을 포함하여, J.E.Mark에 의한 "Physical Properties of Polymers Handbook"(American Institute of Physics, Woodburry, N.Y., 1996)에 개시된 것과 같은 임의의 투명한 광학 폴리머 물질을 포함한다. 폴리머들의 예로는 다음과 같은 것이 있다: 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐카르바졸, 폴리이미드, 폴리실란. 발색단들(chromophores)에 대한 예로는 파라니트로아닐린(PNA), 디스펄스 레드 1(DR 1), 3-메틸-4-메톡시-4'-니트로스틸벤, 디에틸아미노니트로스틸벤(DANS), 디에틸-티오-바르비튜릭산이 있다. 전기활성 폴리머들은 본 기술 분야에서 알려진 것과 같이, a) 게스트/호스트 접근을 따르거나, b) (부속 및 메인-체인) 폴리머 내로 발색단의 공유 결합 통합, 및/또는 c) 가교(cross-linking)와 같은 격자 강화 접근들에 의해 제조될 수 있다.

폴리머 액정(PLCs)이 본 발명에서 사용될 수도 있다. 폴리머 액정은 종종 액정 폴리머, 저분자량 액정, 자기-강화 폴리머, 인 사이튜-복합 재료(in situ composites), 및/또는 분자 합성물(molecular composites) 등과 같이 불려지기도 한다. PLCs는 W. Brostow에 의한 (A.A. Collyer, Elsevier, New-York-London, 1992, Chapter 1에 편집된) "Liquid Crystalline Polymers: From Structure to Application"에 개시된 것과 같이 상대적으로 딱딱하고 유연한 시퀀스들을 동시에 포함하는 공중합체들이다. PLCs의 예들로는 4-시아노페닐 벤조에이트 사이드 그룹 및 다른 유사한 화합물들을 포함하는 폴리메타크릴레이트가 있다.

폴리머 분산 액정(PDLCs)이 본 발명에서 사용될 수도 있다. PDLCs 는 폴리머 매트릭스 내 액정 방울들의 분산체들(dispersions)로 구성된다. 이러한 물질들은 여러 가지 방법으로 제조될 수 있다: 본 기술 분야에서 알려진 것과 같이 NCAP(nematic curvilinear aligned phases), TIPS(thermally induced phase separation), SIPS(solvent-included phase separation) 및 PIPS(polymerization-induced phase separation)에 의해 제조될 수 있다. PDLCs의 예로는 액정 E7(BDH-Merck)과 NOA65(Norland products, Inc. NJ)의 혼합물, E44(BDH-Merck)과 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 혼합물, E49(BDH-Merck)와 PMMA의 혼합물, 및 모노머 디펜타에리쓰롤 하이드록시 펜타 아크릴레이트, 액정 E7, N-비닐피롤리돈, N-페닐글리신과 다이 로즈 벤갈(dye Rose Bengal)의 혼합물이 있다.

본 발명에서 폴리머-안정화된 액정(PSLCs)이 사용될 수도 있다. PSLCs는 폴리머 네트워크 내의 액정으로 이루어진 물질인데, 상기 폴리머 네트워크 내에는 폴리머가 액정 중량 10% 미만으로 구성되어 있다. 광중합이 가능한 단량체가 액정 및 UV 중합 개시제와 함께 혼합된다. 액정이 정렬된 후, 전형적으로 UV 노출에 의해 단량체의 중합이 개시되며, 그 결과로 생기는 폴리머는 액정을 안정화시키는 네트워크를 생성한다. PSLCs에 대한 예로는 예컨대 다음과 같을 것을 참조하라: C. M. Hudson et al. Optical Studies of Anisotropic Networks in Polymer-Stabilized Liquid Crystals, Journal of the Society for Information Display, vol. 5/3, 1-5, (1997), G. P. Wiederrecht et al, Photorefractivity in Polymer-Stabilized Nematic Liquid Crystals, J. of Am. Chem. Soc., 120,3231-3236(1998).

자기-정합 비선형 초분자 구조체들(self-assembled nonlinear supramolecular structures)이 본 발명에서 사용될 수도 있다. 자기-정합 비선형 초분자 구조체들은 전기 활성 비대칭 유기 막들을 포함하는데, 이는 다음과 같은 방법을 이용하여 제조될 수 있다: Langmuir-Blodgett 막(films), 수용액으로부터의 교대하는 (폴리어나이언(polyanion)/폴리캐타이언(polycation)) 고분자 전해질 증착, 전자 빔 에피택시 방법들, 공유 결합 반응들에 의한 연속적 합성(예: 오가노트리클로로실란-기반 자기-정합 다층 증착). 이러한 기술들은 보통 약 1 ㎛ 미만의 두께를 갖는 얇은 막에 이르게 한다.

본 명세서에서 비제한적 설명이 특정한 예시적 실시예에 대해 보다 상세하게 제공하지만, 상이한 렌즈 및 전극 구조들이 다양한 응용들에 대해 유용하다. 예컨대, 렌즈가 액정 용액에 침하되거나(immersed), 구배(gradient) 렌즈 굴절률 변화를 갖는 평면 전극 플레이트들 사이에 액정이 삽입될 수 있다. 후자는 액정 정렬이 보다 용이하도록 하며, 보다 빠른 스위칭이 가능하도록 셀을 보다 얇게 만든다. 또한, 상이한 전극 존 구조체들이 본 발명의 방법과 디바이스들에 이용될 수 있다. 본 기술 분야에서 알려진 것처럼 상이한 렌즈와 전극 존 구조체들 및 다른 구조체들이 본 명세서에 포함되도록 의도된다.

개별적으로 어드레스 가능한 패턴화된 전극들을 갖는 새로운 디자인

종래 디자인들의 한계점들을 극복하기 위하여, 패턴화된 전극의 각 전극 서브 존은 개별적으로 어드레스되어야 한다. 여기에 두 개의 상이한 예시적 응용들이 제시된다. 하나는 기본적인 초점 거리와 기본적 초점 거리의 배수들 사이에서의 변환을 가능하게 한다. 다른 하나는 보다 일반적이며, 가능한 최소값으로부터 무한대까지 초점 거리의 연속적 조정을 가능하게 한다.

1: 초점 거리의 이산적(discrete) 조정

도 3에 도시된 액정 렌즈의 일반적 구조 및 도 5A와 도 5B에 도시된 전극 패턴을 고려해보자. 렌즈를 통한 위상 프로파일이 패턴화된 전극들에 적절한 전압을 인가함으로써 조정되고, 상기 위상 프로파일은 회절 효율을 결정한다.

패턴화된 전극들의 서브 존들을 개별적으로 어드레스하는 것은 존 주기의 증가를 가능하게 하므로 회절 효율을 희생시키지 않고 초점 거리를 증가시킬 수 있다. 전극 패턴의 형상(geometry)이 L-위상 레벨 위상 변조를 갖는 초점 거리 F에 대해 디자인되어 있다고 가정하자. 식 2a, 2b 및 3에 기초하여, 이웃하는 두 개의 모든 서브 존들을 하나로 그룹핑함으로써, 즉 두 개의 이웃하는 전극들에 동일한 전압을 인가함으로써 존 주기 r₁ ²이 2r₁ ²으로 증가하면, 회절 효율의 변화없이 초점 거리가 2F로 변경된다(도 6). 유사하게, 고정된 전극 패턴으로, 존 주기를 각각 3r₁ ², 4r₁ ²,...으로 증가시킴으로써 초점 거리가 3F, 4F,...로 변경될 수 있다. 일반 적으로, 존 주기를 kr₁ ²으로 증가시킴으로써 초점 거리가 kF(k는 양의 정수이다)까지 변경될 수 있다.

개별적으로 어드레스 가능한 전극 패턴이 예컨대, 3 디옵터(초점 거리 F=33.33㎝)와 8-레벨 위상 단계들의 기본적 초점력을 갖는 적응성 렌즈에 대해 설계될 경우, 렌즈는 95%의 회절 효율을 갖는다. 주기를 두 배 증가시킴으로써, 여전히 효율이 95%가 되도록 하면서 초점 거리는 2F=66.67㎝ (초점력=1.5 디옵터)까지 증가될 것이다. 주기를 세 배 증가시킴으로써, 여전히 효율이 동일하게 되도록 하면서 초점 거리는 1 디옵터의 초점력에 대응하는 3F=100㎝까지 증가될 것이다. 주기를 네 배 증가시킴으로써, 여전히 효일이 동일하게 되도록 하면서 초점 거리는 0.75 디옵터의 초점력에 대응하는 4F=133.32㎝까지 증가될 것이다. 유사하게, 보다 큰 초점 거리(보다 작은 초점력)가 동일한 효율을 가진채 달성될 수 있다. 렌즈가 턴-오프될 때, 초점력이 존재하지 않는다. 표 2는 다양한 초점력들에 대한 파라미터들을 나타낸다. 3-디옵터, 1.5-디옵터, 및 1-디옵터 렌즈들의 각 서브 존에 대한 반경이 각각 표 3-5에 나타나 있다. 이러한 구성 파라미터들은 본 명세서에서 제시된 식들로부터 계산될 수 있다. 3개의 초점력들에 대한 서브 존 경계들 간의 관계가 용이하게 보여질 수 있다.

표 2는 개별적으로 어드레스 가능한 패턴화된 전극들을 이용하여 달성될 수 있는 초점력의 일부에 대한 예시를 나타낸다. 기본적인 초점력이 3 디옵터(F=33.3㎝)이고 렌즈의 유효 구경이 10㎜라고 가정하자. 표 2는 초점 거리가 변화할 때 회 절 효율이 동일하게 유지되는 것을 보여준다.

[표 2]

초점력	위상 레벨	회절 효율	k값 F'=kF	각 서브 존의 면적	최종 서브 존의 폭
3 디옵터 (F=33.33㎝)	8	95%	1	1.453×10⁵㎛²	4.6㎛
1.5 디옵터 (F=66.67㎝)	8	95%	2	2.906×10⁵㎛²	9.2㎛
1 디옵터 (F=100㎝)	8	95%	3	4.359×10⁵㎛²	13.8㎛
0.75 디옵터 (F=133.32㎝)	8	95%	4	5.812×10⁵㎛²	18.5㎛
0 디옵터 (렌즈 오프)	적용 불가	-	무한대	-	-

개별적으로 어드레스 가능한 패턴화된 전극의 중요한 장점은 상기 전극이 동일한 회절 효율을 갖는 서로 다른 초점력에 대해 적응력(adaptive capability)을 갖는 동일한 전극을 실제로 제공한다는 것이다.

이러한 응용에서, 조정 가능한 초점 거리는 기본적인 초점 거리 F와 기본적인 초점 거리의 배수이다. 따라서, 조정에 대한 분해능(resolution) 또한 F이다. 예컨대, 전극들이 10㎝의 기본적인 초점 거리로 설계된 경우, 조정 가능한 초점 거리는 10㎝, 20㎝, 30㎝, ... 무한대까지 될 것이다. 다른 중간 초점 거리가 요망되면, 보다 작은 기본적 초점 거리가 사용될 수 있다. 하지만, F가 작을 때, 전극들의 피쳐 크기가 큰 유효 구경에 대해 매우 작게 되므로, 현재 이용가능한 기술을 이용하여 저비용으로 그들을 제조하기는 어렵다.

2: 초점 거리의 연속적 조정

모든 환자들과 응용들에 사용될 수 있도록 적응성 렌즈를 디자인하는 것이 요구된다. 이는 렌즈가 원하는 범위 내에서 초점 거리를 연속적으로 변화시킬 수 있는 능력을 가질 것을 요구한다. 이를 위해, 초점 거리의 연속적 조정을 가능하게 하는 보다 일반적인 디자인 방법론이 개발되었다. 상기에서 기술된 바와 같이, 패턴화된 전극들은 특정 크기의 링으로 된 원형 어레이이다. 각 링은 개별적으로 어드레스 가능하다. 링의 적절한 분해능은 조정될 초점 거리 영역에 의해 결정된다. 각각의 원하는 초점 거리에 대해, 모든 존의 각 서브 존의 크기는 식 2a와 2b를 이용하여 계산될 수 있다. 일정 수의 링들이 각 서브 존을 형성하기 위해 선택될 수 있고 적절한 전압이 인가될 수 있다. 링의 분해능이 충분히 양호하다면, 렌즈는 초점 거리가 변화할 때, 효율에 있어서의 현저한 변화없이 항상 고효율을 가질 수 있다. 패턴화된 전극들을 위한 필요한 분해능은 본 명세서에서 기술된 것과 같이 원하는 렌즈들에 대한 가장 마지막 일부 존들에 있어서의 서브 존의 크기에 의해 결정된다.

도 7은 적절한 분해능을 갖는 개별적으로 어드레스 가능한 전극들의 원형 어레이를 이용하여 초점 거리의 연속적 조정을 도시한다. 도 7에서의 네 가지 예시들은 전극들의 하위 세트에 대해 ㎛로 이격되어 있는 전극을 나타낸다. 3D, 2.5D, 2D 및 1D에 대한 기하학적 파라미터들이 예시들 A, B, C, 및 D에 각각 도시되어 있다. r은 존 경계의 반경이다.

초점 거리를 ~30㎝에서 무한대까지 연속적으로 변경하는 예가 본 명세서에 예시되어 있다. 렌즈의 직경이 10㎜이고 8-레벨 위상 변조가 이용된다고 가정하자. 원리를 설명하기 위해, 3D, 2.5D, 2D 및 1D의 조정 가능한 초점력에 대한 기하학적 파라미터들이 도 7에 도시되어 있다. 여기서, 마지막 하나 또는 두 개의 존에 대한 각 존 경계의 반경 및 각 존의 폭이 명확하게 도시되어 있다. 이러한 렌즈들에 대한 보다 상세한 파라미터들이 표 3-7에서 확인될 수 있다. 특정한 초점력에 대해, 각 서브 존의 폭의 변화가 이러한 렌즈들의 엣지에서 매우 작으며, 그 변화는 렌즈의 구경이 증가함에 따라 훨씬 작게 된다는 것을 알 수 있다. 보다 큰 초점력에 대해, 각 서브 존의 면적뿐만 아니라 폭이 더욱 작아진다. 이러한 면적에서 각각의 전극이 1㎛ 폭을 갖는다고 가정하자. 이러한 예에서, 각 서브 존의 폭이 1㎛ 이상이기 때문에, 여러 개의 전극들은 하나의 서브 존을 형성하기 위해 함께 결합될 수 있으며, 각 서브 존의 경계는 가장 가까운 전극 경계에 라운딩될 수 있다. 전극을 결합시킨다는 것은 그들에 동일한 전압을 인가하는 것을 의미한다.

예컨대, 2D의 경우(예 C)에 대해, 존(45)의 모든 서브 존들을 형성하기 위해 7 개의 전극들이 결합될 수 있다. 모든 다른 서브 존들이 유사하게 생성될 수 있다. 라운딩 오차는 회절 효율에 있어서 매우 작은 변화를 초래한다. 한편, 렌즈의 중심 근처 영역에서, 정교한 유사 전극들이 사용되면, 위상 스텝들이 8보다 더 높고 따라서 회절 효율이 그 영역에서 증가될 수 있다. 일반적으로, 회절 효율은 초점력이 변경될 때 거의 동일하게 될 것이다. 초점 거리가 1m (초점력 1D)에서 무한대까지 증가할 때, 각 서브 존의 폭이 증가하게 되고, 계산된 수의 전극들을 결합시킴으로써 모든 서브 존들이 생성될 수 있다. 따라서, 이러한 예에서, 모든 초점 거리가 ~30㎝에서 무한대까지 (0부터 3D까지의 초점력) 조정될 수 있고, 렌즈는 회절 거리 비젼에 대한 이러한 범위에서의 보정을 필요로 하는 모든 대상들을 위해 사용될 수 있다.

상기에서 지적한 것처럼, 중심에 근접한 존들은 보다 큰 기하학적 크기를 가지기 때문에, 전극들의 밀도는 에지에 가까운 영역에 비해 상기 영역에서 더 작아질 수 있다(중앙에 근접한 전극들의 크기는 다른 영역에 있는 것들보다 더 클 수 있다). 중앙 근처 영역에서 전극의 밀도가 동일하게 유지될 경우, 보다 높은 위상 레벨들이 얻어질 수 있고, 회절 효율이 증가될 될 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 다른 방법은 작은 직사각형 픽셀들이 사용되는 픽셀화된 공간 빛 변조기를 사용하는 것이다. 이러한 픽셀들은 도 5B에 예시된 원형 전극들의 2 층들에 유사하여, 기판에 대해 수직으로 관찰할 때, 갭들을 줄이거나 제거하기 위하여 다층 내에 존재하게 될 것이다.

본 명세서에서의 기술이 많은 특수사항들을 포함하고 있지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하도록 해석될 것이 아나라 단지 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 일부의 예시들을 제공하는 것으로 해석되어야 한다. 추가적 실시예들이 본 발명의 범위 내에 있다. 본 발명은 안경들에의 사용으로 제한되지 않는다. 본 발명은 또한, 현미경, 거울, 쌍안경, 및 유저가 볼 수 있는 임의의 다른 광 디바이스에 사용될 수도 있을 것이다. 또한, 본 발명에서 통상의 지식을 갖는 자에게 명확한 것과 같이, 본 발명은 전자통신, 광 스위치 및 의료 디바이스들과 같은 다른 분야들에서 유용하다. 본 기술에서 통상의 기술을 갖는 자에게 알려진 것처럼, 원하는 파장에서 원하는 위상 투과 기능을 제공하는 임의의 액정 또는 액정 혼합물이 본 발명에서 유용하다. 원하는 위상 투과 기능을 얻기 위하여 액정 물질들에 대한 적절한 전압을 결정하고 적절한 전압을 인가하는 것이 본 기술 분야에서 공지되어 있 다.

다른 제시된 것이 없다면, 기술되고 예시된 모든 디바이스 또는 구성요소들의 결합이 본 발명을 실시하기 위해 사용될 수 있다. 이용된 전압을 인가하기 위한 드라이버, 전압을 위한 제어기 및 임의의 추가적 광학 구성요소들과 같은 추가적 구성요소들이 본 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 알려져 있고, 이들은 과도한 실험없이 통합된다. 본 기술 분야에서 통상의 기술을 갖는 자는 동일한 화합물들을 상이하게 명명할 수 있다고 알려져 있는 것과 같이, 화합물들의 특정한 명칭들은 예시적인 것으로 의도된다. 본 명세서에 화합물이 설명될 때, 예컨대, 화학식 또는 화학명으로 화합물의 특정한 이성질체(isomers) 또는 거울상 이성질체(enantiomers)가 구체화되지는 않았지만, 이러한 설명은 개별적 또는 임의의 조합으로 기술되는 화합물의 각 이성질체 또는 거울상 이성질체를 포함하도록 의도된다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자는 구체적으로 예시된 것들 이외의 방법들, 디바이스 요소들, 출발 물질들 및 제조 방법들이 과도한 실험에 의하지 않고 본 발명의 실시에 채용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 임의의 방법들, 디바이스 요소들, 출발 물질들 및 제조 방법들에 대한 모든 기술적으로 공지된 동등한 것들이 본 발명에 포함되도록 의도된다. 본 명세서에서 예컨대, 두께 범위 또는 전압 범위와 같은 범위가 주어질 때마다, 주어진 범위에 포함된 모든 개별적인 값들뿐만 아니라, 모든 중간 범위들 및 하위 범위들도 본 명세서에 포함되도록 의도된다.

본 명세서에서 사용된 것과 같이, "구성하고(comprising)"는 "포함하고(including)", "함유하고(contiaining)", 또는 "~에 의해 특징되 는(characterized by)"과 유사하고, 이는 포함하거나 제한이 없다(open-ended)는 것이며, 추가적, 미기재된 요소들 또는 방법 단계들을 배제하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, "이루어지는(consisting of)"은 클레임 요소에서 구체화되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분들을 배제한다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, "필수적으로 ~로 이루어진(consisting essentially of)"은 클레임의 기본적이고 신규한 특성들에 실질적으로 영향을 끼치지 않는 물질들 또는 단계들을 배제하는 것은 아니다. 본 명세서에서 용어 "구성하고(comprising)"의 모든 기재는 특히 조성물(composition)의 성분에 대한 기술에 있어서 또는 디바이스의 요소에 대한 기술에 있어서, 기재된 성분들 또는 요소들로 필수적으로 구성되거나 이들로 구성되는 조성물 및 방법들을 포함하는 것으로 이해된다. 본 명세서에서 적절하게 예시적으로 기술된 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 제시되지 아니한 임의의 요소 또는 요소들, 제한 또는 제한들없이 실시될 수 있을 것이다.

채용된 용어와 표현들은 기술 용어로 사용된 것이지 제한을 위해 사용된 것은 아니며, 그러한 용어와 표현들을 사용함에 있어 도시되고 기술된 특징들 또는 그에 대한 부분들의 임의의 동등한 것들을 배제할 어떤 의도도 없다. 하지만, 청구되고 기술된 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형들이 가능하다는 것이 인지되어야 한다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예들과 선택적 특징들에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본 명세서에 개시된 개념들의 변형 및 변경은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의존할 수 있을 것이며, 그러한 변경들 및 변형들이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것이 이해되어야 한다.

일반적으로, 본 명세서에서 사용된 용어들과 구들(phrases)은 기술적으로 인지된 의미를 가지며, 이들은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 표준 텍스트, 저널 참고자료 및 컨텍스트에 대한 참조에 의해 발견될 수 있다. 특정한 정의들이 본 발명과의 관계에서 그들의 특정 사용을 명확히 하기 위해 제공된다. 본 명세서에서 언급된 모든 특허 및 공개자료들은 본 기술에서 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 자의 지식 수준을 나타낸다.

본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에 내재된 것뿐만 아니라 언급된 목적들을 수행하고 목적(ends) 및 장점을 달성하도록 본 발명이 변형될 수 있다는 것을 기꺼이 이해할 수 있을 것이다. 현재 바람직한 실시예들을 나타내는 것으로 본 명세서에 기술된 디바이스들, 방법들 및 부대적 방법들은 예시적인 것이며 본 발명의 범위에 대한 제한으로 의도된 것은 아니다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 생각되는 변화들 및 다른 용도들-이는 본 발명의 사상 이내에 포함됨-은 특허청구범위에 의해 정의된다.

본 명세서에서 인용된 모든 참고문헌들은 본 명세서의 개시와 모순이 없을 정도로 참조로서 본 명세서에 통합된다. 본 명세서에 제공된 일부 참고문헌들은 추가적 디바이스 요소들, 추가적 액정 셀 구조들, 패턴화된 전극들에 대한 추가적 패턴들, 분석에 대한 추가적 방법들 및 본 발명의 추가적 용도들에 관한 상세한 설명을 제공하기 위하여 본 명세서에 참조로서 통합된다.

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Claims

조정 가능한 초점이 전기적으로 제어 가능한 전기 활성 렌즈로서,

한 쌍의 투명한 기판들 사이에 위치한 액정층과;

M 존들을 갖는 프레넬 존(Fresnel zone) 패턴화 전극과, 각 존은 상기 액정층과 제 1 투명 기판의 내면 사이에 위치한 개별적으로 어드레스 가능한 L 서브 존들을 구비하며, 여기서 M과 L은 양의 정수이고; 그리고

상기 액정층과 제 2 투명 기판의 내면 사이의 전도층을 포함하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

상기 개별적으로 어드레스 가능한 상기 프레넬 존 패턴화 전극의 서브 존들은 동일한 수평면 상에 존재하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

상기 액정은 네마틱(nematic), 콜레스테롤(cholesteric), 전기 활성 폴리머, 폴리머 액정, 폴리머 분산 액정, 폴리머 안정화 액정, 및 자기 정합 비선형 초분자 구조체들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 3항에 있어서,

상기 액정은 네마틱인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 4항에 있어서,

상기 액정은 E7인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

상기 투명 기판들은 유리인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

상기 투명 기판들은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

개별적으로 어드레스 가능한 서브존들과 상기 전도층에 전기적으로 연결되는 전기 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 8항에 있어서,

상기 전기 제어부는 상기 개별적으로 어드레스 가능한 서브 존들에 양전압 또는 음전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 9항에 있어서,

상기 전압은 -3볼트 및 +3볼트 사이에 있는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 8항에 있어서,

상기 전기 제어부에 전기적으로 연결된 레인지-파인딩(range-finding) 디바이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

상기 패턴화된 전극 및 상기 전도층은 투명한 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 12항에 있어서,

상기 패턴화된 전극 및 상기 전도층은 인듐-주석 산화물인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

상기 액정층을 둘러싸는 정렬층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 14항에 있어서,

상기 정렬층은 폴리비닐 알콜인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 14항에 있어서,

상기 정렬층은 나일론 6,6인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

상기 투명한 기판들은 약 3 마이크론 및 약 20 마이크론 사이에서 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

초점 거리가 양수인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
제 1항에 있어서,

초점 거리가 음수인 것을 특징으로 하는 전기 활성 렌즈.
원 초점 거리 F의 정수배에 의해 렌즈의 초점 거리를 조정하는 방법으로서,

한 쌍의 투명 기판들 사이에서 둘러싸인 액정층과; 상기 액정층과 제 1 투명 기판의 내면 사이에 위치한 프레넬 존 패턴화 전극과, 여기서 상기 패턴화된 전극은 M 존들을 구비하고, 각 존은 L 서브 존들을 구비하며, 상기 패턴화된 전극은 개별적으로 어드레스 가능한 총 M·L개의 전극들을 구비하며; 상기 액정층과 제 2 투 명 기판의 내면 사이의 전도층과; 그리고 상기 전극 존들 및 상기 전도층에 전기적으로 연결된 전기 제어부를 포함하는 렌즈를 제공하는 단계와; 그리고

각각의 k가 개별적으로 어드레스 가능한 전극들에 동일한 전압을 인가하여 초점 거리를 k·F까지 조정하는 단계- 여기서, 상기 k는 1부터 M·L까지의 정수이다-를 포함하는 렌즈 초점 거리 조정 방법.
제 20항에 있어서,

상기 인가된 전압은 -3볼트와 +3볼트 사이에 있는 것을 특징으로 하는 렌즈 초점 거리 조정 방법.
렌즈의 초점 거리를 연속적으로 조정하는 방법으로서,

(a) 한쌍의 투명한 기판들 사이에 둘러싸인 액정과; 상기 액정층과 제 1투명 기판의 내면 사이에 위치한 프레넬 존 패턴화 전극과, 상기 패턴화된 전극은 M 존들을 구비하며, 각 존은 L 서브 존들을 구비하고, 상기 패턴화된 전극은 개별적으로 어드레스 가능한 총 M·L개의 전극들을 구비하며; 상기 액정층과 제 2 투명 기판의 내면 사이의 전도층과; 그리고 상기 전극 존들 및 상기 전도층에 전기적으로 연결된 전기 제어부를 포함하는 렌즈를 제공하는 단계와;

(b) 원하는 초점 거리(f')를 결정하는 단계와;

(c) 프레넬 존 패턴화 전극의 m번째 존의 면적을 식 r_m ² + f'² = (f' + mλ)² 을 이용하여 계산하는 단계와, 여기서 f'은 설계 초점 거리이고, λ는 설계 파장이며;

(d) 설계 서브 존을 형성하는 개별적으로 어드레스 가능한 전극들의 수를 결정하기 위하여, m번째 존의 상기 계산된 면적을 L 또는 보다 큰 정수로 나누는 단계와; 그리고

(e) 설계 서브 존 내의 개별적으로 어드레스 가능한 소정 수의 전극들에 동일한 전압을 인가하는 단계를 포함하는 렌즈의 초점 거리 조정 방법.
제 22항에 있어서,

상기 (a) 단계 전에,

하나 이상의 설계 초점 거리들을 결정하는 단계와; 그리고

모든 설계 초점 거리들이 설계 서브 존 내에 형성되도록 하는 프레넬 존 패턴화 전극에서의 최대 링 크기를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 초점 거리 조정 방법.
제 22항에 있어서,

렌즈와 원하는 물체 사이의 거리를 결정하기 위해, 레인지-파인딩(range-finding) 디바이스를 이용하여 설계 초점 거리를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 초점 거리 조정 방법.
제 22항에 있어서,

상기 인가된 전압은 -3볼트와 +3볼트 사이에 있는 것을 특징으로 하는 렌즈 초점 거리 조정 방법.