KR20190021353A - 감소된 수차를 가진 조정 가능한 유체 렌즈 - Google Patents

Abstract

유레 렌즈는 플레이트들 중 하나의 적어도 한 표면이 유체 렌즈에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 고정된 곡률 반경을 가진 2개의 투명 플레이트 사이에 위치한 굴절 인터페이스를 포함한다. 굴절 인터페이스는 2개의 섞이지 않는 액체 사이에 형성된 메니스커스에 의해 또는 2개의 유체 사이에 위치한 멤브레인에 의해 형성될 수 있다. 유체 렌즈의 수차를 감소시키는 방법은 유체 렌즈에 의해 생성된 수차를 보완하기 충분한 플레이트 중 하나의 적어도 한 표면에 대한 고정된 곡률 반경을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

감소된 수차를 가진 조정 가능한 유체 렌즈

본 출원은 2016년 6월 22일에 제출된 미국 가출원 번호 62/353,034에 우선권을 주장하며, 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.

본 발명은 감소된 수차(aberration)를 가진 조정 가능한 유체 렌즈에 대한 것이다.

투과형 유체 렌즈는 둘 이상의 유체를 사용하여 유체들 사이의 변형 가능한 굴절 인터페이스(deformable refracting interface)를 제어함으로써 어떤 움직이는 부분 없이 무한 가변 렌즈를 생성한다. 유체 렌즈의 한 타입은 액체 렌즈이다. 액체 렌즈에서, 굴절 인터페이스는 두 개의 혼합되지 않는 액체 사이에 형성된 메니스커스(meniscus)에 의해 제공된다. 메니스커스의 형태는 적용된 전압에 의해 제어된 전기습윤력(electrowetting forces)에 의해 결정된다. 다른 타입의 유체 렌즈는 멤브레인 기반 렌즈이다. 멤브레인 기반 렌즈에서, 굴절 인터페이스는 두 유체(두 액체, 액체 및 가스, 또는 가스 혼합물, 두 가스 또는 가스 혼합물 등) 사이에 위치된 멤브레인에 의해 제공되며, 멤브레인의 형태는 압전 액추에이터(piezoelectric actuation)에 의해 제어된다.

작동 중 유체 렌즈의 굴절 인터페이스의 형태는 구형 또는 거의 구형이며 투과된 광학 빔에 대해 이미지 필드에 걸쳐 3차 구면 수차를 본질적으로 생성한다. 구면 수차는 축에 가까운 빔(beam)보다 약간 다른 위치에 초점이 맞춰지도록 렌즈 축에 평행한, 그러나 이격된, 빔을 야기한다. 이는 이미지의 흐림(blurring)으로 나타난다. 수차는 광학 출력이 증가함에 따라 더욱 중요해진다. 높은 디옵터(diopter)의 굴절 요소를 가진 유체 렌즈는 허용할 수 없이 높은 구면 수차에 특히 민감하다.

구면 수차를 현저하게 감소시키고 및/또는 렌즈 내의 조정 가능한 굴절 인터페이스에 내재된 수차에 대해 어느 정도 보상하는 유체 렌즈를 개발하는 것이 바람직하다. 또한, 렌즈 시스템에 부가적인 복잡하거나 또는 높은 비용의 요소를 도입하지 않고 그리고 제조 및 조립 공정이 과도하게 복잡해지지 않고 수차를 감시키는 것이 바람직하다.

일부 실시예에서, 감소된 수차를 가진 유체 렌즈는 두 개의 투명한 플레이트 사이에 위치한 굴절 인터페이스를 포함한다. 두 개의 투명한 플레이트 중 적어도 하나의 표면은 유체 렌즈의 굴절 인터페이스의 형상에 의해 생성된 수차를 수정하거나 또는 보상하는 고정된 곡률 반경을 갖는다. 고정 곡률 반경은 다양한 수차를 보상할 수 있지만 굴절 인터페이스의 구면 형상에 의해 생성된 구면 수차를 보상하기 특히 적합하다.

투명 플레이트는 임의의 적합한 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 하나의 투면 플레이트는 고정 곡률 반경을 가진 단일 표면을 포함한다. 다른 실시예에서, 투명한 플레이트 모두는 고정 곡률 반경을 가진 하나 이상의 표면을 포함한다. 하나 이상의 굴곡진 표면은 유체 렌즈의 외부 또는 내부 상에 있을 수 있다.

유체 렌즈는 임의의 타입의 유체 렌즈일 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 렌즈는 액체 렌즈이다. 다른 실시예에서, 유체 렌즈는 멤브레인 기반 렌즈이다. 다른 실시예에서, 유체 렌즈는 구면 수차와 같은 수차에 특히 민감한 상대적으로 높은 디옵터 렌즈일 수 있다.

유체 렌즈의 수차를 감소시키는 방법은 유체 렌즈에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 적어도 하나의 투명 플레이트의 표면에 대한 고정된 곡률 반경을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 이를 위한 하나의 방법은 유체 렌즈가 중간 및/또는 통상적인 광학 출력에 있을 때 유체 렌즈에 의해 생성된 수차 프로파일을 가장 잘 보상하는 곡률 반경을 선택하는 것이다. 이는 일반적으로 사용되거나 또는 중간의 광학 출력에서 가장 효과적인 수차 감소를 제공하면서 또한 유체 렌즈의 광학 출력의 상한계 및 하한계에서 어느 정도 수차 감소를 제공한다.

투명한 플레이트의 표면에 대한 곡률 반경을 결정하기 위한 다른 방법은 (a) 광학 출력의 상한계에 또는 그 근처에 있을 때 유체 렌즈의 수차 프로파일을 가장 잘 보상하는 곡률 반경과 (b) 광학 출력의 하한계 또는 그 근처에서 수차 프로파일을 가장 잘 보상하는 곡률 반경을 먼저 결정하고 이후 (a)와 (b) 사이에 있도록 곡률 반경을 결정하는 것이다.

상기 과제의 해결 수단은 하기의 상세한 설명에서 더욱 설명되는 간단한 형태의 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 상기 과제의 해결 수단 및 배경 지식은 개시된 주제의 주요 내용 또는 본질적 관점을 식별하려는 것이 아니며, 또는 청구 범위를 제약하거나 제한하기 위해 사용되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 청구 범위는 나열된 주재가 과제의 해결 수단에 기재된 일부 또는 모든 관점을 포함하고 및/또는 배경지식에 기재된 문제의 일부를 다루는지에 기반하여 제한되지 않아야 한다.

바람직한 다른 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 정상부 투명 플레이트의 외부 표면이 오목한 형상을 가진 감소된 수차를 가진 유체 렌즈의 하나의 실시예의 단면도이다.
도 2은 정상부 투명 플레이트의 외부 표면이 볼록한 형상을 가진 감소된 수차를 가진 유체 렌즈의 다른 실시예의 단면도이다.
도 3은 바닥부 투명 플레이트의 외부 표면이 오목한 형상을 가진 감소된 수차를 가진 유체 렌즈의 다른 실시예의 단면도이다.
도 4는 바닥부 투명 플레이트의 외부 표면이 볼록한 형상을 가진 감소된 수차를 가진 유체 렌즈의 다른 실시예의 단면도이다.
도 5는 정상부 투명 플레이트의 외부 표면이 오목한 형상을 가지며 바닥부 투명 플레이트의 외부 표면이 볼록한 형상을 가진 감소된 수차를 가진 유체 렌즈의 다른 실시예의 단면도이다.
도 6은 정상부 투명 플레이트의 외부 표면이 볼록한 형상을 가지며 바닥부 투명 플레이트의 외부 표면이 오목한 형상을 가진 감소된 수차를 가진 유체 렌즈의 다른 실시예의 단면도이다.
도 7은 수차를 보상하지 않은 종래의 액체 렌즈의 시뮬레이션된 변조 전달 함수(MTF) 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시된 유체 렌즈와 같은 구조를 가진 액체 렌즈의 시뮬레이션된 변조 전달 함수(MTF) 그래프이다.

도 1은 제1 또는 정상부 투명 플레이트(14)와 제2 또는 바닥부 투명 플레이트(16)(상기 투명 플레이트는 커버 플레이트, 커버 유리, 커버 윈도우, 또는 윈도우와 같이도 나타낼 수 있다) 사이에 위치한 챔버(12)를 포함하는 유체 렌즈(10)의 하나의 실시예를 나타낸다. 챔버(12)는 제1 유체(20)와 제2 유체(22) 사이에 위치한 굴절 인터페이스 또는 굴절 요소(18)를 둘러싸고 있다.

유체 렌즈(10)는 액체 렌즈, 멤브레인 기반 렌즈 등을 포함하는 임의의 적합한 타입의 유체 렌즈일 수 있다. 마찬가지로, 유체 렌즈(10)의 유체(20, 22)는 이에 한정하지 않지만, 액체, 가스, 겔(gel), 및 겔과 같은 재료를 포함하는 임의의 적합한 타입의 유체일 수 있다.

유체 렌즈(10)가 액체 렌즈인 실시예에서, 유체(20, 22)는 일반적으로 광학적으로 투명하고, 혼합되지 않는 액체이며, 상이한 굴절률을 갖고, 그리고 동일한 밀도를 갖는다. 유체(20, 22) 중 하나는 통상적으로 전기적으로 전도되며 다른 하나는 비전도성, 예컨대, 수성 액체 및 유성 액체이다. 굴절 인터페이스(18)는 서로 혼합되지 않는 유체(20, 22) 사이에 형성된 메니스커스이다. 굴절 인터페이스(18)의 형태는 높은 광학 품질의 가변 초점 길이를 생성하기 위해 전기습윤에 의해 조정될 수 있다.

액체 렌즈는 다수의 이점을 제공할 수 있다. 하나의 이점은 렌즈의 초점을 조정하는데 필요한 에너지의 양이 상대적으로 작다는 것이다. 다른 이점은 렌즈가 밀리초(milliseconds)로 측정된 전환 시간으로 볼록 렌즈와 오목 렌즈 형태 사이에서 이음매 없이 전환될 수 있다는 것이다. 또 다른 이점은 렌즈가 밀도가 일치하는 두 개의 액체를 포함하고 외부 이동 부분이 없기 때문에 충격과 진동에 매우 강하다는 점이다. 또 다른 이점은 두 액체(20, 22) 사이의 경계가 매우 매끄럽고 규칙적인 표면을 형성하여, 액체 렌즈가 의료 이미징(medical imaging), 마이크로카메라(microcameras), 및 통신 시스템과 같은 정밀한 분야에 적합하게 된다는 것이다.

유체 렌즈(10)가 멤브레인 기반 렌즈인 실시예에서, 상기 멤브레인은 굴절 인터페이스(18)를 형성하고 유체(20, 22)들을 물리적으로 분리한다. 멤브레인 형태의 물리적 장벽의 존재는 광범위하게 다양한 특성을 가진 유체(20, 22)를 사용할 수 있게 한다. 예를 들어, 유체(20, 22)는 서로 혼합되지 않는지, 동일한 밀도 등을 갖는지 상관없이, 액체, 가스, 겔, 등의 임의의 조합일 수 있다. 멤브레인 기반 렌즈는 액체 렌즈와 관련되어 전술한 많은 동일한 이점들을 제공한다.

도 1을 다시 참조하면, 제1 투명 플레이트(14)는 평면이 아닌 외부 표면(24)과 평면인 내부 표면(26)을 갖는다. 제2 투명 플레이트(16)는 모두 평면인 외부 표면(28)과 내부 표면(30)을 갖는다. 제1 투명 플레이트(14)의 외부 표면(24)은 굴절 인터페이스(18)에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 고정된 곡률 반경을 갖는다. 특히, 외부 표면(24)의 곡률의 기하형상은 유체(20, 22) 사이의 굴절 인터페이스(18)에 의해 생성된 구면 수차에 반대로 작용하는 수차를 생성하도록 구성된다.

제1 투명 플레이트(14)의 외부 표면(24)의 곡률 반경은 챔버(12)의 굴절 인터페이스(18)의 예상된 곡률 방향에 따라서 양 또는 음일 수 있다. 외부 표면(24)의 곡률 반경은 유체 렌즈(10)에 의해 생성된 수차를 수정 또는 보상하기 위해 굴절 인터페이스(18)의 곡률 반경과 반대 부호가 되어야 한다.

외부 표면(24)의 곡률 반경은 구형 또는 비구형일 수 있다. 구형 곡률은 주어진 광학 출력에서 완전하게 또는 거의 완전하게 수차를 수정할 수 있기 때문에 바람직하다. 그러나, 수정의 유용한 정도는 비구형 곡률을 이용하여 다양한 광학 출력에서 얻어질 수 있다.

제1 투명 플레이트(14)의 외부 표면(24)의 곡률 반경은 렌즈가 고출력에서(높은 디옵터 값) 작동할 때 전체 유체 렌즈 조립체(10)의 구형 수차를 수정하거나 및/또는 최소화하기 위해 특별하게 선택될 수 있다. 곡률 반경은 제1 투명 플레이트(14)를 형성하는데 사용된 재료의 굴절률을 기초로 또한 최적화될 수 있다. 부과된 구형 곡률의 통상적인 경우에 있어서, 상이한 곡률 반경은 상이한 굴절률의 재료가 요구될 것이다.

외부 표면(24)의 곡률 반경은 렌즈 출력의 전체 예상 작동 범위에 걸쳐 성능의 균형을 맞추도록 계산되고 최적화될 수 있다. 이는 단일 렌즈 출력 대신 전체 작동 범위에 걸쳐 수차를 최소화시킨다. 외부 표면(24)에 대해 선택된 곡률 반경이 너무 크거나 너무 작은 경우, 이때 제1 투명 플레이트(14)에 의해 제공된 여분의 "렌즈 출력"은 유체 렌즈(10)가 광학 시스템의 작동 범위의 낮은 디옵터 또는 높은 디옵터 말단에 있을 때 굴절 인터페이스(18)의 구면 수차를 과잉-수정 또는 과소-수정할 수 있다.

제1 투명 플레이트(14)로 구성된 부가적인 양 또는 음의 광학 출력이 유체 렌즈(10) 내에서 조정 가능하게 굴곡진 굴절 인터페이스(18)의 출력과 비교하여 통상적으로 중요하지 않다는 것을 알아야 한다. 제1 투명 플레이트(1)의 굴곡진 외부 표면(24)은 수차를 주로 보상하며 유체 렌즈(10)의 광학 출력에 크게 기여하지 않는다.

유체 렌즈(10)는 많은 상이한 구성을 가질 수 있다. 도 1-6은 플레이트(14, 16)의 외부 표면(24, 28)이 오목 또는 볼록한 형상의 다양한 조합을 가지며 내부 표면(26, 30)이 평평한 몇몇 구성을 나타낸다. 이러한 실시예에서, 플레이트(14, 16)는 챔버(12)의 내부와 마주하는 평평한 표면을 가진 평면-오목하거나 또는 평면-볼록하다. 이러한 구성은 플레이트(14, 16) 상의 굴곡지고, 외부를 향하는 표면(24, 28)의 존재가 챔버(12) 내부의 굴절 인터페이스(18)에 어떤 영향을 미치지 않기 때문에 잠재적으로 바람직하다.

도 1-2는 오목하거나 볼록한 곡률 반경이 각각 제2 투명 플레이트(16)의 외부 표면(28)에 부과되어 챔버(12) 내부의 굴절 인터페이스(18)에 의해 생성된 구면 수차를 보상할 수 있는 것을 나타낸다. 외부 표면(24)의 곡률 반경이 굴절 인터페이스(18)의 곡률 반경의 반대 부호라는 것을 알아야 한다. 도 1-6에 도시된 모든 실시예에 대해서도 마찬가지이다.

도 3-4는 오목하거나 볼록한 곡률 반경이 각각 제2 투명 플레이트(16)의 외부 표면(28)에 부과되어 챔버(12) 내부의 굴절 표면(18)에 의해 생성된 구면 수차를 보상할 수 있는 것을 나타낸다. 이러한 실시예가 적절하게 기능하겠지만, 유체 렌즈(10)가 다른 렌즈 스택 시스템(lens stacks system)의 정상부에 배치되는 적용에서 실질적인 단점을 가질 수 있다. 이러한 경우, 굴곡진 외부 표면(28)으로 인해 조립 문제가 증가할 수 있다.

도 5-6은 오목하고 볼록한 곡률 반경이 플레이트(14, 16)의 외부 표면(24, 28)에 부과되어 챔버(12) 내부의 굴절 표면(18)에 의해 생성된 구면 수차를 보상할 수 있는 것을 나타낸다. 이러한 구성은 유체 렌즈(10)의 작동 범위가 매우 큰, 예컨대, 0 디옵터에서 100 디옵터까지의 작동 범위인 상황에서 특히 유용할 수 있다. 이러한 상황에서, 하나 이상의 추가 유체 렌즈(10)를 스택에 또한 추가할 수 있다.

플레이트(14, 16)의 내부 표면(26, 30)이 도한 오목하거나 또는 볼록한 곡률 반경을 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 플레이트(14, 16)의 외부 표면(24, 28)은 평평하며 내부 표면(26, 30) 중 하나 또는 모두는 유체 렌즈(10)에 의해 생성된 수차를 보완하도록 오목하거나 볼록한 형상을 갖는다. 다른 실시예에서, 도 1-6에 도시된 임의의 실시예는 내부 표면(26, 30) 중 하나 또는 모두가 유체 렌즈(10)에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 오목하거나 볼록한 형상을 갖도록 변경될 수 있다. 모든 이러한 실시예에서, 플레이트(14, 16)의 내부 표면(26, 30)의 곡률 반경의 부호는 내부 표면(26, 30)이 구면 수차를 감소시키기 위해 기능하도록 굴절 인터페이스(18)의 곡률 반경의 부호와 반대가 되어야 한다. 이러한 실시예의 하나의 잠재적인 단점은 내부 표면(26, 30) 중 하나 또는 둘 모두를 굴곡시키는 것이 특히 유체 렌즈(10)가 액체 렌즈인 상황의 유체 렌즈(10)의 유체(20, 22)들 사이에 형성된 굴절 인터페이스(18)의 특성에 악영향을 미칠 수 있다는 것이다.

플레이트(14, 16)는 유체 렌즈(10)의 작동 광학 범위에서 투명한 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다. 적절한 재료의 예시는 광학 등급 유리(유리는 유리 및 유리 세라믹을 포함함) 및 광학 등급 폴리머(polymer)를 포함한다.

플레이트(14, 16)는 임의의 적합한 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 플레이트(14, 16)는 그라인딩(grinding) 및 폴리싱(polishing)에 의해 제조된다. 다른 실시예에서, 플레이트(14, 16)는 핫 프레싱(hot pressing)에 의해 제조되며, 이는 일괄 제조(batch fabrication)에 용이하게 적용될 수 있는 크기 변경 가능한(scalable) 공정이며, 재료가 용융될 필요가 없다는 이점을 갖는다. 핫 프레싱은 유리 또는 폴리머 기판에 사용할 수 있다.

플레이트(14, 16)는 챔버(12) 내부에 유체(20, 22)를 둘러싸는데 사용될 수 있다. 플레이트(14, 16)는 챔버(12)의 정상부 및 바닥부를 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 플레이트(14, 16)는 유체(20, 22)를 내부에 둘러싸지 않고 챔버(12)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 플레이트(14, 16)는 접착제 또는 임의의 다른 적절한 체결 방법을 사용하여 이미 형성된 챔버(12)의 외부 표면에 결합될 수 있다.

유체 렌즈(10)를 제조하기 위해 다수의 방법이 사용될 수 있다. 일반적으로, 상기 방법은 유체 렌즈(10)에 의해 생성된 수차를 감소시키는 투명 플레이트(14, 16)의 하나 이상의 표면(24, 26, 28, 30)에 대한 곡률 반경을 결정하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 플레이트(14, 16)의 곡률은 주어진 광학 출력에서 또는 광학 출력의 범위에 걸쳐 유체 렌즈(10)의 수차 프로파일과 적어도 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 생성하기에 충분해야 한다. 플레이트(14, 16)에 대한 이러한 수차 프로파일은 유체 렌즈(10)에 의해 생성된 수차 프로파일을 대응시키도록 작용한다. "적어도 대략적으로"라는 용어는 이 문맥에서 용어 "동일" 및 "반대" 모두를 개별적으로 변경하는데 사용된다는 것을 이해해야 한다.

유체 렌즈(10)는 광학 출력의 전체 범위를 통해 조절 가능할 수 있다. 투명 플레이트(14, 16)의 하나 이상의 표면(24, 26, 28, 30)에 대한 곡률 반경을 결정하는 한 가지 방법은 유체 렌즈(10)가 중간 및/또는 전형적인 광학 출력에 있을 때 유체 렌즈(10)에 대한 수차 프로파일을 결정하는 것이며 이후 유체 렌즈(10)의 수차 프로파일과 적어도 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 가진 곡률 반경을 선택하는 것이다. 일부 실시예에서, 유체 렌즈(10)에 대한 수차 프로파일은 렌즈의 전체 시야에 대해 그리고 광학 출력의 전체 범위의 10% 내지 90%인 광학 출력에서, 광학 출력의 전체 범위의 20% 내지 80%, 광학 출력의 전체 범위의 30% 내지 70%, 광학 출력의 전체 범위의 40% 내지 60%인 광학 출력에서 결정될 수 있다. 플레이트(14, 16)의 표면(24, 26, 28, 30) 중 어느 하나에 대한 곡률 반경은 유체 렌즈(10)의 이러한 수차 프로파일 중 어느 하나에 거의 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 생성하는 것일 수 있다.

투명 플레이트(14, 16)의 하나 이상의 표면(24, 26, 28, 30)에 대한 곡률 반경을 결정하는 또 다른 방법은 유체 렌즈(10)가 광학 출력 범위의 말단 또는 그 근처에 있을 때 유체 렌즈(10)에 대한 수차 프로파일을 결정하고, 수차 프로파일에 거의 대략적으로 동일하고 반대인 곡률 반경을 결정하며, 식별된 곡률 반경 사이에 있는 곡률 반경을 선택하는 것이다. 일부 실시예에서, 유체 렌즈(10)에 대한 수차 프로파일은 유체 렌즈의 광학 출력이 광학 출력의 전체 범위의 10%보다 크지 않고 광학 출력의 전체 범위의 적어도 90%이거나, 또는 광학 출력의 전체 범위의 20%보다 크지 않고 광학 출력의 전체 범위의 적어도 80%이거나, 또는 광학 출력의 전체 범위의 30%보다 크지 않고 광학 출력의 전체 범위의 적어도 70%일 때 결정된다.

하한계 광학 출력과 상한계 출력 출력 사이의 낮은 수차를 특징으로 하는 유체 렌즈(10)가 성취될 수 있는 다른 방법이 설명된다. 투명 플레이트(14, 16)의 표면(24, 26, 28, 30) 중 어느 하나의 곡률 반경의 값은 다음 단계에 의해 결정될 수 있다. 처음으로, 제1 수차 프로파일은 유체(20, 22)가 하한계 광학 출력을 제공하기 위해 전기습윤 또는 압전 액추에이터에 의해 제어되는 상태에 대해 유체 렌즈(10)의 전체 시야에 걸쳐 계산된다. 다음으로, 제1 곡률 반경은 제1 수차 프로파일에 적어도 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 야기하는 표면(24, 26, 28, 30) 중 하나에 대해 계산된다. 그 다음, 제2 수차 프로파일은 유체(20, 22)가 전기습윤 또는 압전 액추에이터에 의해 제어되어 더 높은 한계 광학 출력을 제공하는 상태에 대해 유체 렌즈(10)의 전체 시야에 걸쳐 계산된다. 다음으로, 제2 수차 프로파일과 적어도 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 초래하는 표면(24, 26, 28, 30) 중 하나에 대해 제2 곡률 반경이 계산된다. 최종적으로, 제1 곡률 반경과 제2 곡률 반경 사이의 값을 갖는 고정된 곡률 반경이 선택된다. 이러한 방식으로, 수차가 하한계와 상한계 사이의 광학 출력 범위에 걸쳐 완벽하게 보상되지는 않지만, 그 범위 전체에 걸쳐 수차의 현저한 감소가 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 곡률 반경은 원하는 렌즈 광학 출력 또는 출력 범위에 상응하는 특정 가중 인자를 적용함으로써 계산된다. 가중 인자는 당업자에게 명백한 방식으로 경험에 의해 결정될 수 있다.

다른 실시예에서, 광학 출력 값들의 범위의 종단점에서 또는 그 근처에서 계산된 완전 보상 곡률들 사이에 놓인 보상 곡률을 선택하는 대신에, 완전 보상 곡률이 하나의 전형적이거나 또는 중간-범위 광학 출력 값에 대해 계산되고 투명 플레이트(14, 16)의 하나 이상의 표면(24, 26, 28, 30)에 대해 사용될 수 있다.

적어도 2개의 곡면(24, 26, 28, 30)을 포함하는 실시예에서, 각각의 곡면의 곡률 반경은 모든 곡면 수차의 조합이 수차의 대부분 또는 전부를 보상하도록 유체 렌즈(10)에 의해 생성된 수차의 일부를 보상하도록 구성될 수 있다.

예시

다음 예시는 수차를 줄이기 위해 변경되지 않은 종래의 액체 렌즈와 수차를 줄이기 위해 변경된 액체 렌즈의 변조 전달 함수(MTF) 특성을 보여준다. MTF 차트는 두 렌즈의 성능을 비교할 수 있는 해상도와 콘트라스트(contrast) 정보가 동시에 나타낸다.

하기 실시예는 본 발명의 주제를 더욱 설명하기 위해 제공된다. 이는 청구 범위를 제약하거나 제한하는 데 사용해서는 안된다.

예시 1

45 cycles/mm의 공간 주파수에서의 MTF는 10 디옵터에서 작동하는 2mm 조리개(aperture)를 갖는 종래의 액체 렌즈에 대해 시뮬레이션 되었다. 액체 렌즈는 액체들 사이의 굴곡진 인터페이스에 의해 야기된 구면 수차에 대한 어떠한 수정도 포함하지 않았다. 도 7은 실선이 탄젠트 이미지 광선을 나타내고 점선이 새지털 이미지 광선(sagittal image rays)을 나타내는 MTF 차트를 도시한다.

MTF 차트는 약 0.5 필드(field) 이상의 이미지 필드 지점에서 액체 렌즈의 예상 성능이 크게 떨어짐을 보여준다. 이는 액체 렌즈가 시야에서, 특히 이미지의 모서리 에지에서 불량한 이미지 품질을 제공하는 것을 나타낸다.

예시 2

45 디옵터에서 작동하는 2mm 조리개를 갖는 액체 렌즈에 대해 45 cycles/mm의 공간 주파수에서의 MTF를 시뮬레이션 하였다. 액체 렌즈는 도 3에 도시된 바와 같은 굴곡진 커버 플레이트를 포함하여 액체들 사이의 굴곡진 인터페이스에 의해 야기된 구면 수차를 수정한다. 도 8은 탄젠트 이미지 광선을 나타내는 실선과 새지털 이미지 광선을 나타내는 점선을 갖는 MTF 차트를 나타낸다.

MTF 차트는 액체 렌즈의 예산 성능이 예시 1의 종래의 액체 렌즈에 비해 매우 개선된 것을 나타낸다. 광학 성능은 렌즈가 예시 1의 종래의 액체 렌즈보다 더 높은 출력에서 작동됨에도 실질적으로 1.0 필드까지 더 우수하다.

예시적인 실시예

하기에서 개시된 주제의 몇몇 예시적인 실시예가 참조된다. 다음의 실시예는 개시된 주제의 다양한 특징, 특성 및 이점 중 하나 이상을 포함할 수 있는 단지 몇몇 선택된 실시예를 도시한다. 따라서, 다음의 실시예는 모든 가능한 실시예를 포괄하는 것으로 간주되어서는 안된다.

하나의 실시예에서, 조정 가능한 렌즈는 하한계 광학 출력과 상한계 광학 출력 사이의 낮은 수차를 특징으로 한다. 렌즈는 제1 플레이트가 고정된 곡률 반경을 가진 표면을 포함하는 제1 및 제2 투명 플레이트 사이의 변형 가능한 굴절 인터페이스를 둘러싸는 챔버를 포함한다. 고정된 곡률 반경은 변형 가능한 인터페이스가 하한계 광학 출력을 제공하도록 조정될 때의 상태에 대해 렌즈의 전체 시야에 걸쳐 제1 수차 프로파일을 계산하고, 제1 수차 프로파일과 동일하고 반대인 수차 프로파일을 야기하는 제1 플레이트에 대한 제1 곡률 반경을 계산하며, 변형 가능한 인터페이스가 상한계 광학 출력을 제공하도록 조정될 때의 상태에 대한 렌즈의 전체 시야에 걸쳐 제2 수차 프로파일을 계산하고, 상기 제2 수차 프로파일과 동일하고 반대인 수차 프로파일을 야기하는 제1 플레이트에 대한 제2 곡률 반경을 계산하며, 제1 곡률 반경과 제2 곡률 반경 사이에 높인 고정된 곡률 반경을 선택함으로써 결정될 수 있다.

고정된 곡률 반경을 가진 제1 플레이트의 표면은 렌즈의 외부를 향할 수 있다. 제1 플레이트는 평면-오목 또는 평면-볼록할 수 있다. 제1 플레이트는 구형일 수 있다. 제1 플레이트는 회절 광학 요소일 수 있다. 제1 플레이트는 렌즈 정상부에 위치할 수 있다. 제1 플레이트는 렌즈의 바닥부에 위치할 수 있다. 제1 및 제2 플레이트 각각은 렌즈의 외부를 향하는 외부 표면 및 렌즈의 내부를 향하는 내부 표면을 가질 수 있고, 각각의 내부 표면은 평면 일 수 있다. 제1 및 제2 플레이트 각각은 렌즈의 외부를 향하는 외부 표면 및 렌즈의 내부를 향하는 내부 표면을 가질 수 있고, 정상부 및 바닥부 플레이트 중 적어도 하나의 내부 표면은 볼록 또는 오목한 곡률을 가질 수 있다. 제1 플레이트는 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 굴절 인터페이스는 2개의 액체 사이의 메니스커스 또는 가요성 멤브레인으로 제공 될 수 있다.

다른 실시예에서, 하한계 광학 출력과 상한계 광학 출력 사이의 낮은 수차를 특징으로 하는 렌즈를 제공하는 방법은 제1 플레이트가 고정된 곡률 반경을 가진 표면을 포함하는 제1 및 제2 투명 플레이트 사이의 변형 가능한 굴절 인터페이스를 둘러싸는 챔버를 포함하도록 렌즈를 제조하는 단계를 포함한다. 고정된 곡률 반경은 변형 가능한 인터페이스가 하한계 광학 출력을 제공하도록 조정될 때의 상태에 대한 렌즈의 전체 시야에 걸쳐 제1 수차 프로파일을 계산하고, 제1 수차 프로파일과 동일하고 반대인 수차 프로파일을 야기하는 제1 플레이트에 대한 제1 곡률 반경을 계산하며, 변형 가능한 인터페이스가 상한계 광학 출력을 제공하도록 조정될 때의 상태에 대한 렌즈의 전체 시야에 걸쳐 제2 수차 프로파일을 계산하고, 상기 제2 수차 프로파일과 동일하고 반대인 수차 프로파일을 야기하는 제1 플레이트에 대한 제2 곡률 반경을 계산하며, 제1 곡률 반경과 제2 곡률 반경 사이에 높인 고정된 곡률 반경을 선택함으로써 결정될 수 있다. 굴절 인터페이스는 2개의 액체 사이의 메니스커스에 의해 또는 멤브레인에 의해 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 목표 광학 출력에서 낮은 수차를 특징으로 하는 렌즈를 제공하는 방법은 제1 플레이트가 플레이트 곡률 반경을 가진 표면을 포함하는 제1 및 제2 투명 플레이트 사이에 변형 가능한 굴절 인터페이스를 둘러싸는 챔버를 포함하도록 렌즈를 제조하는 단계를 포함한다. 상기 플레이트 곡률 반경은 변형 가능한 인터페이스가 목표 광학 출력을 제공하도록 조정될 때의 상태에 대해 렌즈의 전체 시야에 걸쳐 수차 프로파일을 계산하고, 제1 수차 프로파일과 동일하고 반대인 수차 프로파일을 야기하는 제1 플레이트에 대한 수정 곡률 반경을 계산하며, 수정 곡률 반경과 동일하도록 플레이트 곡률 반경을 선택함으로써 결정될 수 있다. 굴절 인터페이스는 2개의 액체들 사이의 메니스커스 또는 2개의 유체 사이의 멤브레인에 의해 제공될 수 있다.

용어 및 해석 기준

"결합된(coupled)"이라는 용어는 두 부재가 서로 직접 또는 간접적으로 연결되는 것을 의미한다. 이러한 연결은 사실상 고정되거나 사실상 움직일 수 있다. 이러한 연결은 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 임의의 추가의 중간 부재가 서로 단일의 바디로서 또는 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 임의의 추가 중간 부재가 서로 부착되어 일체로 형성될 수 있다. 이러한 연결은 사실상 영구적일 수 있거나 또는 사실상 제거가능하거나 또는 탈착가능할 수 있다.

"좌측", "우측", "전면", "후면" 등과 같은 공간적 또는 방향적인 용어는 도면에 도시된 바와 같이 주제와 관련된다. 그러나, 설명된 내용은 다양한 대안적인 방향을 가정할 수 있으며, 따라서, 그러한 용어는 제한적으로 고려되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.

"하나의" 및 "한"과 같은 단어는 단수 또는 복수를 의미할 수 있다. 또한 앞의 "어느 하나"(또는 "또는"이 예컨대 x 또는 y 등 중 오직 하나와 같은 배타적인 명백한 의미를 나타내는 다른 유사한 단어)없이 사용되는 경우 단어 "또는"은 포괄적이라고 해석되어야 한다(예컨대, "x 또는 y"는 x 또는 y 중 하나 또는 모두를 의미함).

"및/또는"이라는 용어는 포괄적이라고 해석되어야 한다(예컨대, "x 및/또는 y"는 x 또는 y 중 하나 또는 모두를 의미함). "및/또는" 또는 "또는"이 3개 이상의 항목의 그룹에 대한 결합으로서 사용되는 상황에서, 상기 그룹은 하나의 항목 단독으로 포함하거나, 모든 항목을 함께 포함하거나, 또는 항목의 어떤 조합 또는 수량을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 갖다, 포함하다와 같은 용어는 ~로 이루어지다와 동일한 의미로 해석되어야 한다.

달리 지시되지 않는 한, 본 명세서(청구 범위를 제외함)에서 사용된 치수, 물리적 특성 등을 나타내는 모든 숫자 또는 표현은 모든 경우에 "대략"이라는 용어로 변경되는 것으로 이해된다. 적어도 청구 범위와 균등론의 적용을 제한하고자 하는 시도로서가 아니라, "대략"이라는 용어로 변경된 명세서 또는 청구 범위에 기재된 각각의 수치 매개 변수는 인용된 유효 숫자의 수를 고려하여 그리고 일반적인 반올림 기법을 적용하는 것으로 이해되어야 한다.

개시된 모든 범위는 각 범위에 포함되는 임의의 및 모든 하위 범위 또는 임의의 및 모든 개별 값을 암시하는 청구 범위를 포함하고 그에 대한 지원을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 1에서 10의 명시된 범위는 최소값 1과 최대 값 10 사이인 임의의 모든 하위 범위 또는 개별 값; 즉, 최소값 1 이상으로 시작하는 또는 최대값 10 이하로 끝나는 모든 하위 범위(예컨대, 5.5에서 10, 2.34 ~ 3.56 등) 또는 1 내지 10의 임의의 값을(예컨대, 3, 5.8, 9.9994, 등) 암시하는 청구 범위를 포함하고 지원하도록 고려되어야 한다.

모든 개시된 수치 값은 어느 방향으로도 0-100 % 가변적인 것으로 이해되어야 하며, 따라서 이러한 값 또는 그러한 값에 의해 형성될 수 있는 임의의 모든 범위 또는 하위 범위를 암시하는 청구 범위에 대한 지지를 제공한다. 예를 들어, 명시된 8의 숫자 값은 0에서 16까지(어느 방향으로도 100%) 변화하고 범위 자체를 암시하는 청구 범위(예컨대, 0에서 16), 범위 내의 하위 범위(예컨대, 2 내지 12.5) 또는 해당 범위 내의 임의의 개별 값(예컨대, 15.2)에 대한 지지를 제공하는 것으로 이해되어야 한다.

도면은 축척대로 그려진 하나 이상의 실시예 및/또는 축척대로 도시되지 않은 하나 이상의 실시예를 도시하는 것으로 해석되어야 한다. 이는 (a) 축척대로 도시된 모든 것, (b) 축척대로 그려진 것이 없거나, 또는 (c) 하나 이상의 축척대로 그려진 형상과 축척대로 그려지지 않은 하나 이상의 형상을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 도면은 도시된 피쳐 중 임의의 피쳐의 크기, 비율 및/또는 다른 치수를 단독으로 또는 서로 상대적으로 암시하도록 지원하는 역할을 할 수 있다. 또한, 이러한 모든 크기, 비율 및/또는 다른 치수는 어느 방향으로도 0-100%에서 가변적인 것으로 이해되어야 하며, 따라서 그러한 값 또는 그러한 값으로 형성될 수 있는 임의의 모든 범위 또는 하위 범위를 암시하는 청구 범위에 대한 지지를 제공한다.

청구 범위에서 열거된 용어들은 널리 사용되는 일반적인 사전 및/또는 관련 기술 사전의 관련 항목을 참조하여 결정되는 평범하고 관습적인 의미, 일반적으로 당업자에 의해 이해되는 의미로 제공되어야 하며, 이러한 소스 중 임의의 하나 또는 조합에 의해 주어진 광대한 의미가 청구 범위 용어에 주어져야 함을 이해해야 하며(예컨대, 둘 이상의 관련 사전 항목을 조합하여 항목 조합 등의 가장 넓은 의미를 제공해야 한다), 단, 다음의 예외가 있다: (a) 용어가 통상적이고 관습적인 의미보다 더 광대한 방식으로 사용된다면, 이 용어는 일반적이고 관습적인 의미와 추가적인 확장적 의미를 부여받아야 하며, 또는 (b) 용어가 다른 의미를 가지도록 명시적으로 정의된 경우 용어 뒤에 "이 문서에서 사용된 것으로서 의미한다"또는 이와 유사한 문구가 사용된다(예컨대, "이 용어는 의미한다", "이 용어는 ~로서 정의된다", "본 발명의 목적을 위해 이 용어는 의미해야 한다" 등). 특정 예시를 나타내는, "즉"의 사용, "발명"이라는 단어의 사용은 예외 (b)를 언급하거나 열거된 청구 범위 용어의 범주를 제한하는 것을 의미하지 않는다. 예외 (b)가 적용되는 상황을 제외하고, 본 문서에 포함된 내용은 청구 범위의 면책 또는 부인으로 간주 되어서는 안된다.

청구 범위에 열거된 주제는 본 명세서에서 설명되거나 예시된 임의의 실시예, 특징 또는 특징들의 조합과 동일하게 확장되지 않으며 동일한 넓이로 해석되어서는 안된다. 이는 특성의 단일 실시예 또는 특성의 조합만이 본 문서에서 예시되고 설명되는 경우에도 마찬가지이다.

문헌의 원용

하기 나열된 각각의 문서의 전체 내용은 참조로 본원에 포함된다. 동일한 용어가 본 문서와 하나 이상의 포함된 문서 모두에 사용된 경우, 용어가 본 문서에서 다른 의미를 갖도록 명시적으로 정의되지 않는 한 이러한 소스 중 하나 또는 이들의 조합에 의해 부과된 광범위한 의미를 갖도록 해석되어야 한다. 다음 문서들 중 하나와 본 문서 사이에 불일치가 있는 경우 본 문서가 우선한다. 포함된 주제는 명시적으로 열거되거나 묘사된 주제의 범위를 하거나 제한하는 데 사용되어서는 안된다. - 2016년 6월 22에 제출된 "감소된 수차를 가진 조정 가능한 컴팩트 렌즈" 명칭의 미국 가출원 번호 62/353,034.

Claims (20)

1. 챔버에 둘러싸인 제1 유체와 제2 유체 사이에 위치한 굴절 인터페이스;
   고정된 곡률 반경을 가진 표면을 포함하는 제1 투명 플레이트;
   제2 투명 플레이트;를 포함하는 유체 렌즈로서,
   상기 굴절 인터페이스는 상기 제1 투명 플레이트와 제2 투명 플레이트 사이에 배치되고;
   상기 고정된 곡률 반경은 상기 유체 렌즈에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성되는, 유체 렌즈.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정된 곡률 반경을 가진 표면은 유체 렌즈의 외부를 향하는, 유체 렌즈.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 투명 플레이트는 평면-오목한, 유체 렌즈.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 투명 플레이트는 평면-볼록한, 유체 렌즈.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 투명 플레이트는 구형인, 유체 렌즈.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 굴절 인터페이스는 상기 표면의 고정된 곡률 반경의 부호에 반대인 부호를 가진 곡률 반경을 포함하는, 유체 렌즈.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 유체 렌즈는 광학 출력의 전체 범위에 걸쳐 조정 가능하고, 여기서, 상기 고정된 곡률 반경은 유체 렌즈가 광학 출력의 전체 범위의 10% 내지 90%인 광학 출력을 가질 때 유체 렌즈의 수차 프로파일과 적어도 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 갖는, 유체 렌즈.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 유체 렌즈는 광학 출력의 전체 범위에 걸쳐 조정 가능하고, 여기서, 고정된 곡률 반경은: (a) 유체 렌즈가 광학 출력의 전체 범위의 10%보다 크지 않은 광학 출력을 가질 때 유체 렌즈의 수차 프로파일에 거의 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 가진 제1 곡률 반경; 및 (b) 상기 유체 렌즈가 광학 출력의 전체 범위의 적어도 90%인 광학 출력을 가질 때 유체 렌즈의 수차 프로파일과 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 가진 제2 곡률 반경; 사이에 있는, 유체 렌즈.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 투명 플레이트와 제2 투명 플레이트 각각은 렌즈의 외부를 향하는 외부 표면과 렌즈의 내부를 향해 있는 내부 표면을 포함하고, 여기서, 상기 제1 투명 플레이트의 내부 표면과 제2 투명 플레이트의 내부 표면은 평평한, 유체 렌즈.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 투명 플레이트와 제2 투명 플레이트 각각은 렌즈의 외부를 향하는 외부 표면과 렌즈의 내부를 향해 있는 내부 표면을 포함하고, 여기서, 상기 제1 투명 플레이트와 제2 투명 플레이트 중 적어도 하나의 내부 표면은 볼록 또는 오목한 곡률을 갖는, 유체 렌즈.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유체 및 제2 유체는 모두 액체인, 유체 렌즈.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유체 또는 제2 유체 중 적어도 하나는 가스인, 유체 렌즈.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 굴절 인터페이스는 제1 유체 및 제2 유체 사이의 메니스커스에 의해 형성되는, 유체 렌즈.
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 굴절 인터페이스는 제1 유체와 제2 유체 사이의 멤브레인에 의해 형성되는, 유체 렌즈.
15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 투명 플레이트는 유리를 포함하는, 유체 렌즈.
16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 투명 플레이트는 플라스틱을 포함하는, 유체 렌즈.
17. 상기 유체 렌즈는 조정 가능한 유체 렌즈인, 유체 렌즈.
18. 유체 렌즈의 수차를 감소시키는 방법으로서,
    상기 유체 렌즈에 의해 생성된 수차를 보상하도록 구성된 제1 투명 플레이트의 표면에 대한 고정된 곡률 반경을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 투명 플레이트와 제2 투명 플레이트 사이에 굴절 인터페이스를 둘러싸는 단계, 여기서, 상기 굴절 인터페이스는 챔버의 제1 유체와 제2 유체 사이에 위치함;를 포함하는, 유체 렌즈의 수차를 감소시키는 방법.
19. 청구항 18에 있어서,
    상기 유체 렌즈는 광학 출력의 전체 범위에 걸쳐 조정 가능하며, 상기 방법은 유체 렌즈가 광학 출력의 전체 범위의 10% 내지 90%인 광학 출력을 가질 때 유체 렌즈에 대한 수차 프로파일과 거의 대략적으로 동일하고 반대인 제1 투명 플레이트의 표면에 대한 고정된 곡률 반경을 결정하는 단계를 포함하는, 유체 렌즈의 수차를 감소시키는 방법.
20. 청구항 18에 있어서,
    상기 유체 렌즈는 광학 출력의 전체 범위에 걸쳐 조정 가능하며, 상기 방법은: (a) 상기 유체 렌즈가 광학 출력의 전체 범위의 10%보다 크지 않을 때 유체 렌즈의 수차 프로파일과 적어도 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 가진 제1 곡률 반경; 및 (b) 상기 유체 렌즈가 광학 출력의 전체 범위의 적어도 90%일 때 유체 렌즈의 수차 프로파일과 대략적으로 동일하고 반대인 수차 프로파일을 가진 제2 곡률 반경; 사이에 있는 제1 투명 플레이트의 표면에 대한 고정된 곡률 반경을 결정하는 단계를 포함하는, 유체 렌즈의 수차를 감소시키는 방법.

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