KR20220140538A - 멀티-챔버 스위칭가능 광학요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학기판에 회절면이 있는 광학기판을 갖춘 스위칭가능 광학요소에 관한 것이다. 기판커버는 광학기판과 함께 내부챔버를 형성한다. 기판의 회절면과 접촉하는 탄성 멤브레인은 활성챔버를 형성한다. 관통채널들이 활성챔버와 내부챔버를 연결하는 홈들이 광학기판의 가장 얇은 부분에 배치된다. 스위칭가능 광학요소는 활성챔버를 채우는 광학유체가 있는 한 초점과 멤브레인 표면이 특정 곡률의 굴절 모양을 형성하는 비주기적인 모양을 취하는 탄성 멤브레인과 광학유체가 외부에서 이송되는 다른 초점 사이에서 초점 위치를 변경한다. 활성챔버는 관통채널을 통해 내부챔버에 연결되어 탄성 멤브레인이 광학기판의 회절면 모양에 일치되도록 하고 멤브레인의 표면은 회절안내면 주기의 회절면을 형성한다.

Description

멀티-챔버 스위칭가능 광학요소
본 발명은 일반적으로 스위칭가능 렌즈 내부의 굴절면과 회절면 형상 사이를 변화시켜 굴절상태의 렌즈에서 생긴 위치와 다른 회절상태의 렌즈에서 생긴 위치에 이미지를 생성하는 굴절-회절 스위칭가능 렌즈에 관한 것으로,구체적으로는 노안교정을위해 원초점과 근초점의 회절면과 굴절면 형상들 사이를 스위칭하여 이미지위치들을 바꾸는 굴절-회절 스위칭가능 안과 렌즈에 관한 것이다.
"굴절-회절 스위칭가능 광학 시스템"이란 제목의 미국특허 9,364,319는 광학기판의 유연한 멤브레인과 회절안내면 사이에 정합액이 있는 스위칭가능 셀을 소개하고, 그 내용은 본 발명에서 참조되었다. 해당 스위칭가능 광학 장치는 회절면이 있는 공간이 정합액으로 채워질 때 멤브레인이 굴절면을 형성하고, 멤브레인과 광학기판 사이의 공간에서 정합액이 제거될 때 회절안내면의 주기로 회절면을 형성하는 회절면을 소개한다.
본 발명에서 안과용 렌즈는 안경렌즈나 콘택트렌즈와 같이 눈의 외부에 두거나 수정체내 렌즈처럼 눈 내부에 두기에 적합한 회절 스위칭렌즈이다. 본 발명의 렌즈의 자세한 설명을 위해, 노안교정을 예로 들 수 있다.
광학기판의 탄성 멤브레인과 회절안내면 사이의 공간은 매우 좁고(수 ㎛ 내지 수십 ㎛), 안내면의 회절홈들의 형상들로 이루어진 주기적 세그먼트들로 구성된다. 따라서, 각 세그먼트에서 광학유체를 효과적으로 제거하는 것이 본 발명이 해결할 과제이다.
좁은 공간에서 고점도 유체를 제거하는 것이 문제이기 때문에 멤브레인과 회절안내면 사이의 공간을 차지하는 광학유체의 점도도 다른 문제이다. 노안교정을 위한 미국특허 9,364,319의 스위칭가능 셀에 의한 초점 사이의 스위칭은 1분의 1초 이내, 바람직하게는 0.5초 미만이어야 한다. 이것은 점도가 높은 광학유체에서 문제가 될 수 있다. 광학기판 재료에 일치하는 정합액은 굴절률이 1.45 이상일 가능성이 높으며 이런 값 주변의 굴절률을 갖는 유체의 점도는 일반적으로 물의 점도보다 상당히 높고 심지어는 100배 이상 높을 수도 있다.
본 발명의 목적은 탄성 멤브레인과 굴절안내면 사이의 공간에 형성된 구간들로부터 광학유체를 이동시키는 수단을 제공하고 고점도 광학유체를 사용할 수 있기 위해 미국특허 9,364,319에 소개된 스위칭가능 셀의 상기 결점들을 제거하는 데 있다.
발명의 요약
본 발명은 굴절상태와 회절상태 사이를 전환하기 위한 빠른 유체전달을 갖는 스위칭가능 광학요소를 제공한다. 스위칭가능 광학요소는 서로다른 광학상태들 간의 표면형상 변화로 스위칭이 일어나기 때문에 SBS(Surface Based Switchable) 광학요소(OE)라 한다. SBS 광학장치(OD)라고도 하는 SBS OE 및 대응 스위칭가능 광학 장치의 구성도 소개한다. 미국특허 9,364,319에서 참조된 스위칭가능 광학요소의 다른 요소들에 관련된 재료에 대한 굴절상태, 회절상태, 정합액, 부정합액의 정의도 본 발명에 채택한다.
본 발명에 따른 스위칭가능 광학요소는 다수의 회절홈들이 회절안내면을 형성하는 광학기판과, 회절안내면과 접촉해 움직이는 탄성 멤브레인을 포함한다. 일반적으로, 안내면은 굴절면일 수 있지만, 회절면은 안내면과 멤브레인 사이의 매우 좁은 공간의 이점을 보이며며, 본 발명의 모든 기재는 바람직한 실시예로서 회절안내면을 참조한다. 회절안내면은 통과하는 빛의 100%를 단초점, 미국특허 9,364,319에 소개된 키노폴이나 멀티모드 회절면에 향하도록 선택된다. 이런 표면은 각 홈이 톱니 모양을 보여 릴리프면이나 톱니면이라고도 한다. 멤브레인과 광학기판은 광학유체로 채워진 "활성챔버"를 형성한다. 릴리프는 활성챔버의 반복적 구간들을 생성하는 주기적 회절홈이나 릴리프로 구성되고, 이들 홈은 회절홈 각각에 걸쳐 각 구간내에 가장 깊고 div은 깊이를 보이며, 가장 깊은 최심부가 구간들 사이의 전이부에 위치한다.
스위칭가능 광학요소는 멤브레인 반대편의 광학기판의 측면에 있는 기판커버를 포함한다. 기판과 기판커버는 활성챔버의 치수에 맞는 "내부챔버"를 형성한다. 활성챔버와 내부챔버는 각 활성챔버 구간의 최심부에 있는 각각의 모든 회절홈의 관통채널들을 통해 연결된다. 기판이 평면이나 곡면 평행판으로 만들어진 경우, 각 홈 안에서 광학기판의 가장 얇은 부분이 활성채널의 해당 구간의 최심부에 있어, 채널이 해당 활성챔버 구간의 최심부를 내부챔버와 연결한다. 관통채널의 형상은 가장 얇은 부분을 따라 홈의 형상과 일치해야 한다. 관통채널의 너비는 여러 홈을 덮을 수 있지만 통과하는 빛과 멤브레인의 영향을 최소화하기 위해 홈 너비의 일부인 것이 좋다. 가장 단순한 형태의 관통채널은 원형 구멍이지만 어떤 형상도 가능하다. 다수의 관통채널들이 활성챔버 구간의 최심부를 따라 홈마다 배치될 수 있으며 간격이 같으며, 예컨대 관통구멍이 3개이면 120도, 4개이면 90도 등등으로 배치되는 것이 좋다. 이런 스위칭가능 광학요소는 구성상 동일한 광학유체로 채워진 2개의 연결된 챔버(활성 및 내부)가 광학기판의 양쪽에 있는 멀티-챔버 스위칭가능 광학요소라고 한다.
활성챔버를 "내부유체"라 하는 광학유체로 채우면 멤브레인의형상을 평면을 포함한 소정 곡률 형상으로 하여 스위칭가능 광학요소의 제1 상태를 생성한다. 멤브레인 표면의 형상이 소정 곡률을 보이고 굴절면 형상이라 하며, 이런 부재는 "굴절형태"에 있다. 스위칭가능 광학요소의 제2 상태는 내부 광학유체가 채널을 통해 활성챔버에서 내부챔버로 제거될 때 생긴다. 제2 상태에서 탄성 멤브레인은 회절안내면의 주기로 회절안내면과 일치한다. 멤브레인 표면의 형상이 안내면의 주기성을 보여 회절면 형상이라 하며 이런 멤브레인은 "회절형태"에 있다. 활성채널 구간들의 최심부에 관통채널들을 두면 활성챔버에서 내부유체가 거의 완전히 제거되고 광학기판의 회절안내면의 형상에 일치될 수 있다. 이 구간의 최심부를 따라 각 홈에 여러개의 관통채널이 있어 활성챔버와 내부챔버 사이의 빠른 유체이동이 가능하다.
바람직한 실시예에서, 내부 광학유체는 광학기판에 대한 정합액이고, 이는 이는 굴절률이 광학기판 재료의 굴절률과 같거나 비슷함을 의미한다. 이 경우 관통채널은 광학적으로 보이지 않고 광산란을 일으키지 않는다. 탄성막의 반대쪽에 있는 광학유체를 "외부유체"라 하고, 내부유체의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다. 정합액이 내부유체이고 활성챔버가 채워져 멤브레인이 굴절형태에 있으면, SBS OE의 제1 상태는 정합액이 회절안내면을 차폐해 굴절상태로 된다. 스위칭가능 광학요소는 내부유체가 활성챔버에서 내부챔버로 제거되고 멤브레인이 회절형태를 취하는 제2 상태로 바뀐다.
본 발명은 광학 상태들 사이의 스위칭제어를 위해 작동챔버에 하나의 입출구 포트만 연결된 자립 SBS 광학요소도 제공한다. 이 SBS OE는 기판의 반대쪽 멤브레인 면에 접합된 멤브레인 커버를 포함한다. 멤브레인 커버는 멤브레인과 함께 외부챔버를 형성하고, 내부유체와 광학적으로 다른 "외부유체"가 이곳에 채워진다.
예를 들어, 광학기판 재료들의 공통 굴절률이 아크릴의 낮은 굴절률에서 Ostemer 322의 높은 굴절률로 진행될 수 있어 정합액은 1.45-1.55 범위에 가까운 굴절률을 나타낼 수 있다. 유체 점도는 굴절률이 증가함에 따라 증가하여 상대적으로 좁은 관통채널을 통해 활성챔버와 내부챔버 사이에서 점도가 높은 유체가 이동하는 것이 더 어려워지는 것이 일반적이다. 옵션은 외부유체가 정합액이 되도록 하고 활성챔버와 내부챔버 사이의 더 쉬운 이동을 위해 굴절률은 더 낮고 점도도 낮은 내부유체를 갖는 것이다. 외부유체가 정합액인 경우 스위칭가능 광학요소의 광학 상태는 반대로 된다. 멤브레인이 굴절형태를 취하도록 활성챔버를 채우는 내부 광학유체로, SBS OE의 제1 상태는 회절안내면에 의해 회절상태로 된다. 활성챔버에서 내부유체가 제거되고 회절형태를 취하는 멤브레인에 의해, SBS OE의 제2 상태는 외부유체가 회절안내면 형상에 일치하는 멤브레인으로 회절안내면을 차폐하여 굴절상태로 된다.
멤브레인 일치도를 향상시키기 위해, 회절홈들 사이의 전이부를 계단이 아닌 경사부로 만들면 멤브레인이 경사진 홈 천이부들에 일치하고 활성챔버로부터의 내부유체를 제거할 수 있다.
외부나 내부 광학유체로 정합액을 사용하지 않을 수도 있다. 이 경우 제1 및 제2 광학 상태들이 회절상태로 유지되어, 하나는 원거리용 단초점 성능을 다른 ㅎ하나는 중간초점과 근초점 사이의 분할광들에 의한 다초점성능을 보일 수 있다. 이것은 회절안내면 마스킹의 부재로 인해 생긴다. 원거리 보기가 더 필요해 단초점 성능의 광학 상태가 원초점에 할당될 수 있고, 다초점 성능은 여전히 허용 가능한 이미지 품질을 제공할 수 있는 근초점들에 할당될 수 있다.
기포는 미세유체 장치의 일반적인 문제이며, 기포를 가두기 쉬운 모서리, 날카로운 각도 또는 기타 기하학적 구조와 채널이나 연결은 설계상 피하는 것이 좋다.
본 발명은 회절 릴리프가 예를 들어 중간 및 근거리 보기를 위해 여러 이미지들을 제공하는 다초점 회절상태를 부여하는 회절안내면(릴리프)도 제공한다. 다초점 회절상태를 달성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 예를 들어, 모든 빛을 1차 회절 초점으로 보내도록 키노폼이나 멀티모드 회절면을 형성하는 단초점 회절상태 대신, 회절홈 높이를 바꿔 1차와 2차 사이로 빛을 분할하도록 하되, 2차는 근거리 보기에, 1차는 중간보기에 할당한다.
본 발명은 또한 스위칭가능 광학요소의 다초점 회절상태를 생성하기 위한 보다 효과적인 방법도 제공하고,이 방법은 Kobayashi의 미국특허 8,500,805에 설명된 동기화 방법을 기반으로 하며 더 높은 차수의 회절 초점들을 형성할 수 있다. 이 특허의 동기화 방법은 aphakic 렌즈 표면에서 2개의 회절 릴리프(블레이즈 프로파일)를 중첩하여 3개 이상의 회절 초점들 사이에서 빛을 분할하여 원초점, 중간초점 및 근초점을 생성하는 프로세스를 설명한다. 적어도 2개의 릴리프가 렌즈의 반경 방향으로 서로 겹치도록 하고 3개 이상의 초점들 사이에서 빛을 분할하는 동기 구조를 형성한다. 설명에 의하면, 이런 릴리프들의 중첩으로 릴리프들의 초점들이 중첩되어 개별 회절 초점을 유지할 수 있으므로 각 릴리프의 여러 1차 초점 사이로 빛이 분할된다. 본 출원은 단초점 회절상태를 다초점 회절상태로 변환하기 위해 SBS 광학요소의 회절안내면에 동기화 방법을 적용한다. SBS OE 단초점 굴절상태를 원거리 보기로 할당할 때의 조건에 대한 설명이 제공된다. 개념적으로 다초점 회절상태가 원거리 보기에도 할당될 수 있다.
스위칭가능 광학요소에 대한 동기화 방법의 적용이 표면기반 스위칭의 예에서 설명되었지만, 소위 MBS(material-based switching)라 하는 Blum RD의 미국특허 6,857,741, Haddock JN의 미국특허 8,523,354 등에도 소개되었는데, 그 내용을 본 발명에서 참고하였다. 액정과 같은 전기 활물질은 표면의 릴리프 회절 구조나 체적 회절 구조에 의해 갇히게 되고, 해당 물질 기반 스위칭 광학요소에 동기화 방법을 적용하여 회절상태에서 다초점을 생성한다.
노안 교정을 위한 애드파워(Add power)는 일반적으로 최대 약 3.0D(안경면에서)이지만 스위칭가능 광학요소의 안내면 디자인은 애드파워를 더 높여 망막손상된 저시력 환자에게 바람직한 배율을 적용할 수 있다. 일반적으로 사용되는 배율은 약 5D - 10D의 애드파워에 해당하는 2X-4X이다. IOL은 물론 콘택트렌즈와안경에도 확대적용을 할 수 있는데, 안경을 건드리거나 콘택트렌즈의 경우 아래 눈꺼풀에 의해 수동으로 확대상태로의 스위칭을 제어할 수 있다. SBS 광학요소의 디자인은 주기성이 이드파워를 제어하는 안내면을 제외하고는 애드파워에 무관하게 유지된다.
본 발명은 또한 3-상태 스위칭가능 광학요소를 제공한다. SBS OE는 회절안내면들이 서로 마주하는 2개의 광학기판과 그 사이에 배치되어 2개의 활성챔버를 생성하는 탄성 멤브레인을 포함한다. 이 멤브레인은 이제 3 상태; (1) 회절안내면들 중 하나에 일치할 때의 회절형태; (2) 광학유체들이 2개 활성챔버를 모두 채울 때의 굴절형태; 및 (3) 다른 회절안내면에 일치할 때의 다른 회절형태에 있을 수 있다. 3-상태 스위칭은 하나의 3-상태 SBS OE에 의해 근초점, 중간초점 및 원초점 사이를 스위칭할 수 있다. 이 광학요소는 활성챔버를 관통채널들을 통해 해당 내부챔버와 연결하는 멤브레인의 반대쪽에 있는 기판커버에 의해 광학기판마다 자체 내부챔버를 갖는 멀티-챔버 구조를 포함한다.
스위칭가능 광학요소의 다초점 회절상태는 SBS OE의 원거리 및 근거리 상태 외에도 확대상태에 대한 기회도 준다. 예를 들어, 정상적인 원초점과 근초점, 즉 3 D 애드파워에서의 근초점인 33cm의 정상 판독거리를 갖는 콘택트렌즈나 안경은 약 17cm의 짧은 보기 거리로 인한 배율인 1.5배 확대경을 제공하도록 6D 애드파워를 가질 수도 있다. 다른 동기화를 적용하면, 확대 애드파워가 9D가 되어, 보기 거리가 2.25x 확대경에 해당하는 약 11mm로 된다.
본 발명은 다초점 IOL의 다초점 성능을 원격으로 중화하는데 멀티-챔버 SBS OE를 사용하는 것에도 관련된다. 다초점 IOL 광학체는 멀티-챔버 스위칭가능 광학요소와 함께 매립되고, 회절안내면이 선택된 디자인의 다초점 안내면이 된다. 광학요소의 외부나 내부챔버 중 하나는 소위 1회용 액튜에이터에 연결되고, 이 액튜에이터는 외부나 내부챔버 중 하나에 연결된 홀딩챔버를 분리하는 유연하고 변형된 멤브레인을 갖는다. 이 멤브레인은 기체로 채워지고 내부에 스토퍼가 있는 홀딩챔버와 스토퍼 챔버를 분리하여 높은 변형률의 변형상태로 멤브레인을 유지한다. 스토퍼는 레이저빔으로 녹일 수 있는 유동성 재료로 만들어진다. 스토퍼를 녹이면 유연한 멤브레인은 변형되지 않은 낮은 변형 상태를 취하면서 유체를 홀딩챔버 안팎으로 밀거나 당기면서 유체를 지속적으로 외부나 내부챔버 안팎으로 밀어낸다. 이 프로세스는 다초점 안내면을 차폐하여 스위칭가능 광학요소의 상태를 다초점에서 단초점 상태로 바꾼다. 유체를 당기거나 밀기 위한 다른 일회용 액튜에이터를 사용하여 단초점 상태를 기판의 다초점 안내면으로 이루어진 다초점 상태로 바꿀 수 있다.
이런 멀티-챔버 스위칭가능 광학요소는 안경의 단초점 렌즈를 같은 안경테의 노안교정 렌즈로 바꾸는 이점을 갖는다. 이 변환 방법은 안경테 독립성이라는 큰 이점이 있어 착용자가 일반적으로 베이스 부재라고 하는 선호 안경테를 선택할 수 있다. 이 방법은 "수렴 시스템"의 "활성부재" 역할을 하는 스위칭가능 요소를 굴절보정하는 "굴절부재"인 단초점 원렌즈의 안경렌즈 후면이나 전면에 배치하는 것을 포함한다. 후면 배치는 단초점 렌즈의 후면이 일반적으로 안경렌즈의 베이스면 역할을 하고 제한된 곡률 집합을 보인다는 이점이 있다. 수렴 시스템은 노안교정을 위한 모든 요소들, 즉 활성부재로서의 스위칭가능 광학요소, 채널을 통해 활성부재에 연결된 액튜에이터 및 제어부재를 포함한다. 단초점 렌즈(굴절부재)와 수렴 시스템을 조립하면 이런 모든 요소가 렌즈 자체내에 유지되어 안경테 독립성을 제공한다. 제어부재에 간단한 매뉴얼이나 전자제어가 포함될 수 있다. 수렴 시스템은 표면기반 스위칭이나 전기활성 재료를 통한 재료기반 스위칭에는 물론, 유체 렌즈나 알바레즈 렌즈를 형성하기 위한 가변 활성부재에도 적용할 수 있다.
이런 멀티-챔버 스위칭가능 광학요소는 또한 최적의 피팅을 유지하면서 단초점 콘택트렌즈를 노안교정 렌즈로 바꾸는 이점도 갖는다. 그 방법은 안경렌즈에 대해 전술한 것과 비슷하다. 이 방법은 또한 굴절교정을 위해 작용하는 굴절부재의 후면에 수렴 시스템의 활성부재로서 스위칭가능 요소를 배치하는 단계를 포함한다. 수렴 시스템은 노안교정을 위한 모든 요소들, 즉 활성부재로서의 스위칭가능 광학요소, 채널을 통해 활성부재에 연결된 액튜에이터 및 제어부재를 포함한다. 단초점 장치(굴절부재) 및 수렴 시스템의 조립시, 눈에 최적으로 콘택트렌즈를 피팅하는데 사용되는 콘택트렌즈 렌티큘러를 포함한 베이스 부재와 결합된다. 제어부재는 간단한 수동제어나 전자제어를 포함할 수 있다. 수렴 시스템은 표면기반 스위칭이나 전기활성 물질 및 가변유체(풍선형) 활성부재를 통한 물질기반 스위칭에도 적용될 수 있다.
도 1~3은 활성챔버 구간들의 최심부에 광학기판의 회절홈들의 관통채널들이 있는 2개의 광학상태의 멀티-챔버 SBS 광학요소의 단면도;
도 4A~B는 내부챔버가 작동챔버에 연결된 멀티-챔버 SBS 광학요소의 정면도와 단면도;
도 5A~B는 외부챔버가 작동챔버에 연결된 멀티-챔버 SBS 광학요소의 정면도와 단면도;
도 6은 3-상태 멀티-챔버 SBS 광학요소의 단면도;
도 7A~B는 다초점 상태를 비활성화하거나 재활성화하기 위해 일회용 액튜에이터에 의해 작동되는 멀티-챔버 SBS 광학요소를 갖는 다초점 IOL의 정면도와 단면도;
도 8A~C는 활성부재로서 스위칭가능 멀티-챔버 광학요소를 사용하여 초점 사이를 스위칭하는 수동식 안경렌즈의 조립방법도;
도 9는 탄성 멤브레인의 반경방향 변형을 제어하기 위한 멀티-챔버 스위칭가능 광학요소의 주변 단면도;
도 10~12는 굴절형태의 멤브레인을 갖는 멀티-챔버 SBS 광학요소의 구간내에 도시된, 동기화 방법으로 단초점 회절안내면을 이중초점 회절안내면으로 변환하는 것을 보여주는 도면들; 및
도 13A~B는 활성부재로서 멀티-챔버 광학요소를 사용하여 초점들 사이를 스위칭하는 수동 콘택트렌즈의 조립방법도.
도 1은 횡단면이 직사각형인 원형 디스크 형태인 SBS OE의 형상을 보여준다. 단면은 반달, 평면-볼록, 평면-오목 또는 기타 형상일 수 있다. 스위칭가능 광학요소의 광축(100)과 세그먼트(110, 110')가 도 1에 있다. 스위칭가능 안구 요소의 치수는 안구내 및 콘택트렌즈 착용의 4mm 직경에서 안경렌즈 착용의 30mm 직경까지 상당히 크게 변할 수 있다. 두께는 콘택트렌즈나 각막 임플란트와 같은 까다로운 조건을 충족시키기 위해 약 100㎛ 이하일 수 있다.
도 2는 탄성 멤브레인(140)이 굴절형태인 스위칭가능 광학요소의 바람직한 실시예의 세그먼트(110) 단면도로, 이 멤브레인은 평평하지만 만곡될 수도 있다. 이 광학요소는 탄성 멤브레인(140)과 내부유체(151,151')로 채워진 광학기판(160)의 회절안내면(190) 사이의 활성챔버(150)를 포함한다. 내부유체는 굴절률이 광학기판 재료의 굴절률과 같거나 비슷하여 광학기판에 정합하거나, 굴절률이 광학기판(160)의 굴절률과 달라 광학기판에 부정합하는 유체일 수 있다. 광학기판(160)과 기판커버(165) 사이에 내부챔버(180)가 형성되지만, 활성챔버 반대쪽의 광학기판에 배치된다. 활성챔버(150)는 다수의 관통채널(170,170') 등을 통해 내부챔버(180)와 연결되며, 안내면의 각 회절홈에서 활성챔버(150)의 최심부에 최적으로 위치한다. 최심부는 활성챔버(150)의 최심 깊이와 관련되며, 이 경우 편평-평행 단면 형상으로 인해 최심 깊이는 각 홈에서의 광학기판(160)의 가장 얇은 부분과 일치한다. 가장 단순한 형태의 관통채널은 원형, 타원형, 직사각형 또는 기타 형상의 관통 구멍이다.
활성챔버(150)를 차지한 유체가 정합액일 경우, 안내면 형상이 정합 광학액으로 마스킹되기 때문에 홈들 사이의 형상이 일반 톱니면의 계단형상일 수 있다. 정합액은 관통채널(170,170') 등을 차폐해 관통채널에서의 광산란도 방지한다. 활성챔버(150)를 부정합액이 채운 경우, 220과 같이 홈들 사이가 경사진 것이 좋다. 홈들 사이가 경사지면 한쪽 홈에 보이는 것처럼 홈의 폭은 L에서 L'로 줄어들지만 활성챔버(150)에서 광학액을 좀더 완전히 제거하는데 도움이 되고, 이는 부정합 광학액의 경우 유리하다. 회절안내면 형상에 맞춰 탄성 멤브레인(140)을 신축할 때 이 멤브레인(140)에 대한 손상을 최소화하고 변형을 줄이기 위해 회절홈들의 피크들 중 하나인 230으로 표시된 것처럼 회절홈들의 피크들 중 하나인 230과 같이 홈 피크를 약간 자르고 둥그스럼하게 하는 것이 바람직하다.
자립식 스위칭가능 광학요소는 멤브레인 커버(120)를 포함한다. 멤브레인 커버는 매우 얇은 두께의 멤브레인(140)과 함께 외부챔버(130)를 형성한다. 이 멤브레인은 활성챔버를 채우면서 표면(210)에 닿을 수도 있는데, 이는 멤브레인의 제한된 형상변화로 인해 활성챔버 안팎으로의 유체전달을 더 제어하기 위한 것이다. 외부챔버(130)는 내부챔버(180)에 정합액이 사용되면 부정합액으로 채워지고, 내부챔버(180)에 부정합액이 사용되면 정합액으로 채워진다. 도 2는 굴절형태의 최소변형률에서의 멤브레인(140)을 보여준다. 활성챔버(150)를 정합액으로 채우면, 도 2의 스위칭가능 광학요소가 굴절상태에 있다. 활성챔버(150)를 부정합액으로 채우면, 도 2의 스위칭가능 광학요소가 회절상태에 있다. 일반적으로, 탄성 멤브레인은 반경방향으로 늘어나면서 탄성을 제어할 수도 있어, 굴절형태와 회절형태 사이로 형상을 바꾸는데 데 필요한 소위"트리거 압력"에 영향을 준다.
표면(210)은 IOL과 같은 렌즈성능 개선을 위해 비구면이나 이중-비구면 같은 추가 광학특성을 가질 수 있다. 표면(190)도 중간초점을 제공하기 위해 연속초점(EDOF) 같은 추가 광학특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 회절 디자인의 EDOF는 근초점에 할당된 1차 회절에서 중간거리(0.5~2 m)에 대한 2차회절로 빛의 일부를 지향시키는 매우 낮은 추가 다초점을 갖는다.
도 3은 스위칭가능 광학요소의 바람직한 실시예의 한 세그먼트(110')의 단면도로, 멤브레인(140')이 멤브레인 표면(250)처럼 광학기판(160)의 회절안내면(190)의 형상에 일치하는바, 이 멤브레인이 회절형태를 취하고 있다. 광학유체는 관통 구멍(170,170') 등을 통해 활성챔버에서 내부챔버(180)로 제거된다. 안내면(190)의 멤브레인 경사(260)와 경사(220)가 같은 것으로 도시된 것처럼 홈들 사이의 경사 형상은 활성챔버로부터 모든 유체를 제거하는데 도움이 된다. 멤브레인(140')과 멤브레인커버(120) 사이의 외부챔버(130')는 다른 광학유체로 채워진다. 정합액이 활성챔버를 채우면, 멤브레인(140')이 회절안내면(190)과 같은 회절면(250)을 갖는 회절형태에 있는 것처럼 도 3의 스위칭가능 광학요소가 회절상태에 있을 것이다. 활성챔버가 부정합액으로 채워지면, 멤브레인(140')이 회절안내면(190)과 같은 회절면(250)을 갖는 회절형태에 있는 것처럼 도 3의 스위칭가능 광학요소가 굴절상태에 있을 것이다.
도 4A는 회절홈(420,420',420")에서 다수의 작은 구멍(410,410',410")이 광학기판(340)을 관통한 구성의 SBS 광학요소(300)의 정면도이다. 이들 관통 채널들은 홈 형상의 아치를 따라 서로 떨어져 있다. 이들 구멍과 회절홈 너비 안에서 멤브레인의 변형을 최소화하도록 구멍의 직경은 멤브레인 두께에 의해 정해진다. 구멍의 직경은 회절홈 너비가 약 100㎛인 IOL과 콘택트렌즈 적용분야에서의 약 30-50㎛ 직경 내지, 홈 너비가 약 0.8mm인 안경렌즈 적용분야에서는 약 0.3mm 직경 정도이다. 작은 구멍은 레이저 드릴링으로 만들 수 있고 큰 구멍은 기계적 마이크로드릴링 등으로 만들 수 있다. 구멍의 수는 100개 정도로 각각의 회절홈내에서 기판이 가장 얇은 부분에 분산된다. 도 4A의 구멍들은 양의 굴절력의 톱니형 회절면에 공통적인 각 홈의 외측변에 위치한다. 도 4A에서는 1차, 3차 및 6차 홈들에 구멍들이 위치한다. 이들 구멍은 음의 굴절력의 톱니형 회절면의 경우 홈의 내측변에 위치하고, 이런홈의 내측변에서 기판이 가장 얇다.
스위칭가능 광학요소(300)의 기판커버는 기판(340)과 함께 내부챔버(350)를 형성한다. 내부챔버(350) 반대쪽의 기판(340) 측면의 굴절홈들에는 기판(340)과 함께 활성챔버를 형성할 탄성 멤브레인이 위치한다. 활성챔버와 및 내부챔버는 광학유체로 채워진다. 기판커버에 액튜에이터 커넥터(405)가 부착된다. 내부챔버(350)는 채널(355)에 의해 액튜에이터 커넥터(405) 내부로 연결되고 외부 단부에 입출구 포트(400)를 갖는다. 액튜에이터 커넥터(405)는 작동챔버에 연결되고, 작동챔버는 차례로 내부챔버(350)와 활성챔버 안팎으로의 유체전달을 제어한다. 기판커버는 내부유체전달 동안 얇은 기판(340) 형상을 지지하기 위해 광학요소(300)의 중심에 포스트(370)를 유지한다. 포트(400)를 통해 나간 유체가 채널(410,410',410".)을 통해 활성챔버로부터 제거되면서 멤브레인이 기판(340)의 회절안내면의 형상에 일치된다. 내부챔버에 액튜에이터 연결 포트가 있는 스위칭가능 광학요소의 이런 구성을 "일치를 위한 푸시아웃" 디자인라 한다. 도 4A의 멤브레인 커버(310)는 스위칭가능 광학요소의 멤브레인이나 다른 부분과 결합되고 기판커버의 멤브레인(330)과 함께 외부챔버(320)를 형성한다. 기판커버는 또한 멤브레인(330)과 함께 축적 포켓(380)을 형성한다. 이 기능은 스위칭가능 광학요소(300)의 단면도를 참조해 아래에서 설명한다.
도 4B는 광학요소(300)의 단면도로, 광학기판(340)은 주변부가 기판지지부(360)에 부착되어 지지되고 중심은 기판지지부(360)의 포스트(370)에 지지된다. 기판지지부(360)와 광학기판(340)이 광학유체로 채워진 내부챔버(350)를 형성한다. 액튜에이터 커넥터(405)가 기판지지부(360)에 부착되고, 커넥터채널(355)이 일단부와 입출구 포토(400)에서 내부채널(350)에 연결되고 타단부에서 작동챔버에 연결된다. 광학요소(300)의 탄성 멤브레인(330)은 광학기판(340)의 회절안내면에 가까이 있으면서 그 사이로 활성챔버를 형성한다. 활성챔버와 내부챔버(350)는 각각의 회절홈에서 광학기판(340)의 다수의 관통채널에 연결되고, 6번째 홈에 있는 채널들(410) 중 하나를 볼 수 있다. 멤브레인 커버(310)는 광학기판(340)의 반대쪽에서 멤브레인(330)이나 기판커버에 접합되어 다른 광학유체로 채워지는 외부챔버(320)를 형성한다. 광학유체 중 하나, 바람직하게는 활성챔버와 내부챔버의 유체는 광학기판(340)의 정합액이다.
기판지지부(360) 내부의 축적포켓(380)은 외부챔버(320) 반대쪽에서 멤브레인(330)과 통한다. 활성채널 내부의 유체출입으로 외부챔버의 외부유체부피를 유지하는 것을 돕기 위해 기체로 채운 결과 멤브레인 형상이 굴절형태와 회절형태 사이에서 변한다. 도 4B의 멤브레인(330)은 굴절형태에 있는데, 여기서는 평평한 형태이지만 곡면형일 수도 있다. 포트(400)를 통해 내부챔버에서 제거된 내부유체는 활성챔버로부터 전달되고, 멤브레인은 안내면에 일치하여 내부채널에 추가 공간을 형성한다. 외부챔버의 유체는 팽청성이 아니어서, 활성챔버의 빈공간을 차지하려면 어딘가에서 와야 한다. 이는 축적포켓이 작동할 때인데 - 축적포켓의 기체충전 특성으로 인해, 포켓(380)내 멤브레인은 포켓(380)을 향해 팽창하면서 활성챔버에 의해 비워진 공간과 같은 부피를 취한다. 내부유체가 다시작동챔버에서 내부챔버로 돌아가면서 멤브레인을 불일치 상태의 굴절형태로 만들기 때문에, 이 멤브레인은 활성챔버와 같은 외부챔버의 일부 부피를 차지한다. 결과적으로 축적포켓의 멤브레인은 작동챔버가 차지하는 공간만큼 축적포켓 부피를 줄이는 형상을 취한다. 따라서, 축적포켓은 외부챔버(320)를 완전히 둘러싸되, 작동챔버와의 연통을 위해 내부챔버(350)에 하나의 포트(400)만 남겨둘 수 있다.
SBS 광학요소(300)의 조립과 관련하여, 멤브레인 커버(310)와 기판지지부(360)는 각각 링과 중앙 플러그의 2부분으로 구성된다. 2개의 링 부분들은 함께 멤브레인(330)과 기판지지부(340)를 내부에 유지하고 외부영역에서 서로 접착되어 해당 유체 충전을 위해 멤브레인과 광학기판의 대부분을 노출시킨다. 멤브레인(330)과 기판(340) 사이의 활성챔버는 기판(340)을 관통하는 채널을 갖는 기판커버의 링 부분 내부의 기판(340)의 유체는 물론 외부로 채워진다. 기판지지부(360)의 플러그 부분은 기판지지부(360)의 링 부분의 내부영역에 접착되어 과량의 유체가 제거된 내부챔버(350)를 형성한다. 마찬가지로, 멤브레인 커버(310)의 링 부분 내부는 다른 유체로 채워진 다음, 멤브레인 커버(310)의 플러그 부분이 멤브레인 커버(310)의 링 부분의 내부 영역에 접착되어 과량의 유체가 제거된 외부챔버(320)를 형성한다. SBS 광학요소(500)도 비슷한 공정으로 조립된다.
도 5A는 특정 구성의 SBS 광학요소(500)의 정면도로, 도 4A와 마찬가지로 광학기판(540)을 관통한 다수의 작은 구멍들(610,610',610".)이 회절홈에 위치한다. 멤브레인 커버(510)와 멤브레인 사이에 외부챔버(550)가 있다. 외부챔버(550)는 외부 단부에 입출구 포트(600)를 갖는 액튜에이터 커넥터(605) 내부의 채널(590)에 연결된다. 액튜에이터 커넥터(605)는 외부챔버(550) 안팎으로의 유체전달을 제어하는 작동챔버에 연결된다. 이 광학요소(500)의 기판커버는 기판(540)과 함께 내부챔버(520)를 형성한다. 기판커버는 광학요소(500)의 중심에 포스트(570)를 유지하고, 이 포스트는 외부유체전달 동안 기판(540)을 지지해 형상을 유지한다. 내부챔버(520) 반대쪽의 기판(540) 측의 회절홈들에 탄성 멤브레인이 위치하여 기판(540)과 활성챔버를 형성한다. 활성챔버와 내부챔버는 내부유체로 채워진다. 외부유체가 포트(600)를 통해 외부챔버(550)로 밀려 들어가면 멤브레인이 회절안내면쪽으로 밀리고 내부유체는 채널(610,610',610".)을 통해 활성챔버에서 내부채널로 제거된다. 멤브레인은 홈들과 그 높이의 안내면 주기성을 취해 기판(540)의 회절안내면의 형상에 순응한다. 외부챔버에 액튜에이터 연결 포트가 있는 스위칭가능 광학요소의 이런 구성을 "일치를 위한 푸시인" 디자인이라 한다. 멤브레인 커버(510)는 멤브레인과 함께 축적포켓(580)도 형성한다. 그 기능은 도 4B와 동일하고, 스위칭가능 광학요소(500)의 단면도에서 세부사항을 추가한다.
이 광학요소(500)와 도 4A의 광학요소(300)는 미세유체 소자이고, 기포 없이 유체로 챔버를 채우기가 어려울 수 있다. 도 5A는 외부유체와 내부유체로 외부챔버, 내부챔버 및 활성챔버를 채우기 위한 포트를 보여준다. 챔버마다 2개 커넥터가있고, 한쪽 커넥터를 통해 해당 유체를 채우고 다른 커넥터를 통해 공기/기체를 제거하기 위한 채널/포트가 커넥터에 있다. 외부챔버(550)의 커넥터(555)는 내부 채널과 포트(555')를 갖는다. 이 커넥터(555)는 액튜에이터 커넥터(605)의 멤브레인 커버처럼 멤브레인 커버(510)에 클램핑되거나 접착될 수 있다. 내부챔버(520)는 포트(645)를 갖는 커넥터(640)와 포트(645')를 갖는 대향 커넥터(640')를 포함한다. 커넥터(640,640')는 기판지지부에 클램핑되거나 접착된다. 활성챔버는 포트(635)가 있는 활성챔버의 개구(620) 및 내부 채널이 있는 커넥터(630), 포트(635')가 있는 활성챔버의 개구(620') 및 내부 채널이 있는 반대쪽 커넥터(630')를 포함한다. 커넥터(630,630')도 기판지지부에 클램핑되거나 접착될 수 있다. 외부, 내부 및 활성 챔버들를 채우면 모든 포트가 밀봉된다. 포트들과 해당 챔버들 사이 및 포트들과 외부 연결부들 사이에 채널을 배치할 때 날카로운 모서리가 없어지도록 연결한다. PDMS와 같은 소수성 재료는 Harvey nuclei 소스인 경향이 있다. 산소 플라즈마로 처리하면 일정 시간 동안 친수성을 증가시켜 어셈블리를 작동시키거나 표면에 친수성기를 갖는 물질을 적용할 수 있다. 진공으로 챔버를 충전할 수도 있다.
도 5B는 스위칭가능 광학요소(500)의 단면도이다. 광학기판(540) 주변부가 기판지지부(560)에 중심은 기판지지부(560)의 포스트(570)에 지지되거나 부착된다. 기판지지부(560)와 광학기판(540)은 내부유체로 채워진 내부챔버(520)를 형성한다. 멤브레인 커버(510)는 멤브레인(530)이나 기판커버에 접합되어 그 사이로 외부챔버(550)를 형성하고, 외부챔버는 외부유체로 채워진다. 액튜에이터 커넥터(605)는 커넥터채널(590)을 갖는 멤브레인 커버(510)에 부착되고, 커넥터채널은 일단부는 외부챔버(550)에 연결되고 타단부에는 작동챔버에 연결하기 위한 입출구 포트(600)를 갖는다. 광학요소(500)의 탄성 멤브레인(530)은 광학기판(540)의 회절안내면에 아주 가깝고, 그 사이에 활성챔버를 형성한다. 활성챔버와 내부챔버(520)는 회절홈 각각에서 광학기판(540)을 관통한 다수의 채널들에 의해 서로 연결되고, 이들 채널들(610) 중의 하나가 6번째 홈에 보인다.
내부챔버(520) 반대측에서 멤브레인(530)과 연통하는 멤브레인 커버(510) 내부의 축적포켓(580)도 있다. 이 축적포켓은 기체로 채워져 내부체적을 유지하는 역할을 하고, 멤브레인 형상은 굴절형과 회절형 사이에서 변한다. 도 5B의 멤브레인은 평평한 형상의 굴절형이다. 일정량의 외부유체가 포트(600)를 통해 외부챔버(550)로 주입되면, 멤브레인(530)이 회절안내면쪽으로 밀리면서 내부유체를 활성챔버에서 내부챔버(530)로 밀어낸다. 이 멤브레인(530)은 활성챔버에서 밀려나는 내부유체와 같은 부피로 축적포켓(580) 안으로 팽창한다. 동일한 양의 광학유체가 포트(600)를 통해 외부챔버(550)에서 제거되면서, 동일한 유체량이 내부챔버(510)에서 활성챔버로 전달되어 멤브레인은 굴절형태를 취한다. 그후 축적포켓(580)의 멤브레인은 내부유체가 차지하는 활성챔버 체적과 같은 축적체적을 취하는 원래 형상을 취한다. 따라서, 축적포켓은 내부챔버(520)를 둘러싸되, 작동챔버와의 소통을 위한 포트(600)만 외부챔버(550)에 남겨둘 수 있다.
도 6은 3-상태 멀티-챔버 SBS 광학요소(650)의 단면도로, 광학기판(730,730')이 2개이다. 광학기판(730)은 회절안내면(740)을, 광학기판(730')은 회절안내면(750)을 갖는다. 일반적으로, 이것이 굴절면일 수도 있다. 안내면들(740,750) 사이에 탄성 멤브레인(670)이 배치되어, 각각 다른 광학유체로 채워진 활성챔버(690)와 활성챔버(700)를 분리한다. 멤브레인(670)은 굴절형태로 도시되었다. 이는 광학요소(650)가 1 굴절력 값을 나타내는 상태 1이다. 활성챔버(690,700)에 옮겨질 광학유체의 양을 최소화하기 위해 멤브레인(670)을 양쪽 안내면(740,750)에 아주 가까이 두는 것이 좋다. 광학요소(650)는 기판지지부들(660,665)을 가져, 기판(730)과 기판지지부(660) 사이에 내부챔버(680)를, 기판(730')과 기판지지부(665) 사이에 내부챔버(685)를 형성한다. 내부챔버(680)는 안내면(740)의 각 회절홈에서 채널(710,710'.)을 통해 활성챔버(690)와 연결된다. 내부챔버(685)는 안내면(750)의 각 회절홈에서 채널(710,720'..)을 통해 활성챔버(700)와 연결된다.
활성챔버 안팎으로 광학유체가 이동함으로써 멤브레인(670)을 2개의 상이한 안내면에 일치시키고, 멤브레인의 광파워을 굴절형으로 하는 외에 광학기판(650)의 2개의 추가 굴절력 값을 생성할 수 있다. 예를 들어, 멤브레인은 광학유체가 채널(710,710'..)을 통해 활성챔버(690)에서 내부챔버(680)로 이동할 때 광학유체와 함께 670' 형상을 취하고 활성챔버(700)의 다른 광학유체는 채널(720,720'..)을 통해 내부챔버(685)로부터 활성챔버(700)로 이동하면서 비운 공간을 채운다. 멤브레인은 광학유체가 채널(710,710'..)을 통해 내부챔버(680)에서 활성챔버(690)로 이동하면서 광학유체와 함께 670" 형상을 취하고 활성챔버(700)의 광학유체는 채널(720,720'..)을 통해 활성챔버(700)에서 내부챔버(685)로 이동한다.
3-상태 성능의 여러 옵션이 가능하다. 제1 실시예에서, 활성챔버(690)의 광학유체가 기판(730)에 대한 정합액이고 활성챔버(700)의 광학유체가 기판(730')에 대한 정합액일 경우 기판(730,730')은 굴절률이 다른 상이한 재료로 제조된다. 멤브레인(670)이 평평한 형상인 광학요소(650)는 각각의 광학유체가 대응하는 회절안내면을 차폐하기 때문에 굴절력을 제공한다. 광학요소(650)는 멤브레인(670')을 갖는 안내면(740)이 하나의 회절력을 갖고, 멤브레인(670')이 있는 안내면(750)이 다른 회절력을 갖는다. 따라서, 광학요소(650)는 3가지 레벨의 광파워, 즉 3-상태 스위칭가능 광학요소에 대한 하나의 굴절력과 2개의 회절력을 보인다.
다른 실시예에서, 광학기판(730,730')은 기판에 대해 정합액인 활성챔버(690)의 유체와 같은 재료로 이루어지고 활성챔버(700)의 유체는 부정합액이다. 광학요소(650)는 회절상태에 있고, 그 배율은 멤브레인이 670 형상을 보일 때 안내면(750)에 의해 제어된다. 광학요소(650)는 다른 굴절상태에 있고, 멤브레인이 770'을 보일 때 안내면(740,750)에 의한 배율의 합의 배율을 갖는다. 멤브레인이 670" 형상을 보일 때 안내면들(740,750) 사이의 공간이 정합액으로 채워지기 때문에 광학요소(650)는 굴절상태에 있다. 광학요소의 광학유체가 둘다 부정합액일 수도 있다. 이 경우 광파워은 3개의 다른 회절력이다.
3-상태 멀티-챔버 SBS의 또다른 옵션은 멤브레인(670)이 기판(730) 옆에 배치되고 730' 옆에 다른 멤브레인을 추가해 3-상태 멀티-챔버 SBS 광학요소(650)를 변경한 것이다. 한쪽 멤브레인은 더 견고한 탄성을 보여, 예컨대 다른 멤브레인보다 두꺼울 수 있다. 멤브레인과 대응 광학기판 사이에 다른 유체들이 배치될 수 있지만, 편의상 대응하는 광학기판에 대한 정합액이 대응 멤브레인과 광학기판 사이, 즉 대응 활성챔버에 배치된다고 하자. 멤브레인 사이에 다른 유체, 예를 들어 부정합액이 주입됨에 따라, 더 탄력적인 멤브레인이 광학기판의 해당 안내회절면에 일치하여 먼저 회절형태를 취한다. 다른 멤브레인은 해당 활성챔버를 채우는 유체로 여전히 굴절형태를 유지한다. SNS 광학요소는 이제 소정 광파워을 갖는 제1 회절상태로 바뀐다. 더 많은 부정합액이 멤브레인들 사이에서 전달되면서, 제2 멤브레인이 대응 광학기판의 안내회절면에 일치하면서 SNS 광학요소를 제3 광파워의 다른 회절상태로 바꾼다.
멤브레인이 2개인 전술한 3-상태 SBS 구조는 하나의 파워, 예를 들어 회절력들의 차이가 있는 곳들 사이의 스위칭에 관련된 저시력 보조 장치에 대한 SBS 광학요소의 적용을 도울 수 있다. 회절력을 높이려면 홈의 수를 크게 늘려야 하므로, 광학기판의 안내회절면의 회절홈들이 아주 좁아지고, 이는 생산을 어렵게 하며 홈 내의 관통채널도 활성챔버 안팎으로의 유효 유체전달을 하기에 너무 작아진다. 이 경우, 멤브레인이 2개인 3-상태 멀티-챔버 SBS 광학요소를 탄성 멤브레인이 같은 2-상태 SBS 광학요소로 바꿀 수 있으며 각 안내면은 고파워 스위칭의 절반에 응답한다. 예를 들어, 멤브레인과 해당 광학기판 사이의 활성챔버를 정합액으로 채우고 멤브레인들 사이에 부정합액이 주입된다. 멤브레인들의 탄성이 동일하므로, 멤브레인들 사이에 부정합액이 주입되어도 멤브레인들이 모두 해당 안내회절면에 일치한다. 광학기판들의 각 회절면들의 합으로 이제 고파워 스위칭이 생긴다. 그 장점은 이제 각 안내회절면이 회절홈들의 폭이 2배 넓어진다는데 있다.
도 7A는 스위칭가능 다초점 IOL(SMIOL)(800)의 정면도이다. SMIOL(800)의 광학체(940)는 스위칭가능 광학요소(810)를 포함하고, 도 4A~5B와 같은 구조지만, 단지 회절안내면은 단초점이 아닌 다초점이어서, 다초점 회절안내면을 통과하는 빛 이 다초점으로 분할된다. 일반적으로, 광학요소(810)의 안내면은 굴절 다초점면일 수 있다. 광학체(940)는 액튜에이터 부재들(820,830)도 갖는데, 이들은 모두 1회용 액튜에이터가고 부하상태에 있다. 액튜에이터(820)는 단초점 성능을 위해 광학요소(800)의 다초점 성능을 중화하고 액튜에이터(830)는 다시 단초점 성능을 다초점 성능으로 변환하기 때문에 둘다 구성은 비슷하지만 기능은 반대이다.
액튜에이터(820)는 스토퍼 챔버(850)와 홀딩 챔버(840)를 분리하는 유연한 변형된 멤브레인(870)을 포함한다. 멤브레인(807)은 하중을 받아 변형되었을 때 변형상태를 유지했다가 하중이 없어지면 최소 변형상태로 돌아갈 수 있는 금속이나 플라스틱과 같은 유연한 재료로 만들어진다. 스토퍼 챔버(850)는 기체로 채워지고 홀딩 챔버(840)는 스위칭가능 광학요소(810)의 내부챔버에 연결될 경우 광학요소(810)의 내부유체로 채워진다. 액튜에이터들(820,830)이 일회용이고, 일회용 액튜에이터(820,830)가 도 4A~B와 비슷한 구성의 광학요소(810)의 내부챔버의 정합액으로 채워지고 채널(880)을 통해 내부챔버에 연결된다고 하자. 멤브레인(870)은 스토퍼 챔버(850) 내부의 스토퍼(860)에 의해 변형상태로 유지되며, 열가소성 수지와 같은 유동재료로 만들어진다. 스토퍼(860)는 레이저빔에 조사되면 녹아 멤브레인(870)에 가해지는 하중이 제거되어 멤브레인이 최소변형 형상(870')을 취한다. 스토퍼 챔버(850)의 부피가 증가하고 홀딩 챔버(840)는 부피가 줄면서 멤브레인(870)이 광학요소(810)의 내부챔버로 정합액를 밀어넣는다. 정합액은 이어서 채널들을 통해 내부챔버에 연결된 활성챔버를 채운다. 광학요소(810)의 멤브레인은 다초점 안내면에 일치하는 상태에서 굴절형태의 불일치 상태로 이동하고, 정합액이 다초점 안내면을 차폐하여 스위칭가능 SMIOL(800)의 다초점 성능을 중화시킨다. 액튜에이터 구성은 다음과 같을 수 있다. 스토퍼 조사로 스토퍼 챔버의 부피를 줄이는 형상을 멤브레인이 취하도록 액튜에이터가 구성된다. 이 경우 외부챔버에 연결된 홀딩챔버의 부피가 늘어나, 예컨대 부정합액을 광학요소의 외부채널에서 밀어낼 수 있는데 이는 SMIOL 다초점 성능을 중화시키도록 정합액으로 다초점 안내면을 차례하는 도 5A~B의 설명과 비슷하다.
액튜에이터(530)는 액튜에이터(820)와 구성이 같다. 또, 채널(930)에 의해 광학요소(810)의 내부챔버에 연결된 홀딩 챔버(890)와 스토퍼 챔버(900)를 분리하는 변형상태의 가요성 멤브레인(920)을 포함한다. 멤브레인(920)의 변형상태는 스토퍼 챔버(900) 내부의 스토퍼(910)에 의해 유지된다. 레이저빔 조사로 녹는 스토퍼(910)의 유동물질은 멤브레인(920)을 변형되지 않은 형상(920')으로 돌려놓는다. 이어서 광학요소(810)의 내부챔버에서 홀딩 챔버(890)로 정합액이 끌어당겨지면서 광학요소(810)의 멤브레인이 다초점 안내면에 일치되어, SMIOL(800)을 다초점에서 단초점 성능으로 재변환시킨다. 일회용 액튜에이터는 스위칭가능 광학요소를 단초점과 다초점 사이로 변환하기 위해 정합액이나 부정합액을 밀고당기도록 디자인될 수 있다.
도 7B는 도 4B와 비슷한 SMIOL(800)의 단면도로, 광학요소(810)의 내부챔버(990)가 채널(880)에 의해 액튜에이터(820)의 홀딩 챔버(840)에 연결된다. 광학요소(810)의 멤브레인(980)은 광학기판(970)의 다초점 안내면과 일치하여 SMIOL(800)에 의한 다초점 성능을 보인다. 부정합액이 외부챔버(100)를 채운다. 액튜에이터 멤브레인(870)의 부하 상태는 기체로 채워진 스토퍼 챔버(850) 내부의 스토퍼(860)에 의해 유지된다. 이 광학요소(810)를 전면 광학면(950)과 후면 광학면(960)을 갖는 광학체(940)로 감싸 SMIOL(800)에 원초점을 제공한다.
도 8A~C는 예를 들어 원초점, 근초점, 중간초점 중의 적어도 2개 사이에서 단초점 안경을 가변 파워 안경으로 변환하는 방법을 보여준다. 이를 MVC(Multi Viewing Conversion)이라 한다. 이 경우, 원거리는 눈에서 2미터(약 6.5피트) 이상, 근거리는 눈에서 0.5미터(1.64피트) 이내, 중간거리는 0.5미터(1.64피트) 내지 2미터(약 6.5피트)로 정의된다. 광파워 가변/스위칭가능 안경은 하나의 초점에서 다른 초점으로 광파워가 지속적으로 바뀌는 아날로그형이나, 광파워가 초점들 사이로 변하는 디지털형일 수 있다. 파워 가변/스위칭 메커니즘은 (a) 렌즈 내부의 유체체적 변화로 렌즈의 형상이 바뀌는 유체기반, (b) 유체 챔버나 전기기계 액튜에이터가 파장판들 중 하나를 서로에 대해 밀어내 광파워를 조정하는 알바레즈 타입, (c) 도 4~5처럼 표면 형상들 사이를 전환하는 SBS(surface based switching)라 하는 스위칭 타입, 및 (d) 전기활성물질에 의해 스위칭되는 MBS(material based switching) 타입이 있다.
바람직한 실시예는 SBS OE가 도 4A~B 또는 도 5A~B에서 설명한 멀티-챔버 구조인 경우 초점들 사이의 신속스위칭을 위해 SBS OE에 의한 MVC를 하는 것이지만, 이는 광파워 가변/스위칭 안경의 다른 모든 메커니즘에도 완전히 적용할 수 있다. 멀티-챔버 SBS 광학요소를 사용하여 MVC를 보여준다.
도 8A는 프레임(1020), 우측 단초점 렌즈(1030) 및 좌측 단초점 렌즈(1040)로 구성된 단초점 안경(1010)를 보여준다. 렌즈(1030,1040)는 구면원기둥 보정을 포함할 수 있다. 단초점 렌즈는 굴절보정을 하기 때문에 안경의 굴절재라 한다.
도 8B는 우측 렌즈(1030)의 MVC에 사용될 "우측 CS(Conversion System)"(1050)와 좌측 렌즈(1040)의 MVC에 사용될 "좌측 CS"(1060)로 구성된 "변환 시스템"(1025)을 보여준다. 우측 CS를 이루는 "우측 캐리어"(1055)는 안경재료나 바람직하게 실리콘과 같은 탄성재료로 만들어진 얇은 시트로, 안경렌즈 블랭크의 직경과 같은 직경 약 50mm의 원형일 수 있다. 활성부재 역할을 하는 SBS 광학요소는 캐리어(1055)의 전면에 매립되고, 튜브로 액튜에이터에 연결되며, 액튜에이터는 작동챔버의 체적을 변경하는 수단을 포함한 제어부재에 연결된다. 광학요소, 튜브 달린 액튜에이터 및 제어부재와 같은 모든 유닛은 캐리어(1055)에 착탈 부착된 홀더(1070) 내부에 배치되어 보호된다. 단초점 안경렌즈 뒷면에서 변환이 될 경우, 캐리어(1055) 전면에 광학요소에서 캐리어 가장자리까지 이어진 트렌치 채널(1080)이 있다. 좌측 CS(1060)도 같은 구성이며 해당 광학요소를 유지보호하기 위해 캐리어(1065)에 홀더(1075)가 착탈 부착되고, 액츄에어터의 튜브가 광학요소와 내부의 제어부재에 연결된다. 또, 같은 표면에 트렌치채널도 있다.
단초점 렌즈(1030)의 MVC 방법은 (a) 캐리어(1055)를 프레임(1020)의 캐리어(1055')로 에징하되 트렌치채널을 프레임(1020)의 우측 단부피스를 향해 적절히 배향되게 우측렌즈(1030) 뒷면에 끼우는 단계; (b) 캐리어(1055')의 가장자리에서 트렌치 채널의 단부를 절단하는 단계; (c) 보호 요소들을 해제하기 위해 홀더(1070)를 분리하는 단계, (d) 액튜에이터와 제어부재를 캐리어(1055') 후면에 부착하되, 트렌치 채널 단부의 절단부를 통해 트렌치 채널 위치에 튜브로 광학요소와 액튜에이터를 연결하는 단계; 및 (e) 캐리어(1055') 전면을 렌즈(1030)의 후면에 결합해 캐리어(1055')를 조립하는 단계를 포함한다. 동일한 MVC 방법이 좌측 CS(1060)에 의해 좌측 렌즈(1040)에 수행되며, 이때 좌측 캐리어(1065)는 캐리어(1065')에 에징되고 트렌치는 프레임(1020)의 좌측 피스를 향한다.
도 8C는 양쪽 단초점 안경렌즈들(1030,1040)의 MVC로 생긴 MV 안경(1010')을 보여준다. 안경(1010)의 원래 프레임(1020)을 유지해 착용자가 선호 프레임을 선택할 수 있게 한다. 또 굴절부재라고 하는 각 단초점 렌즈(1030,1040)의 굴절력도 유지한다. MVC 결과 우측 MV 렌즈(1030')와 좌측 MV 렌즈(1040')로 된다. 예를 들어, 렌즈(1030)의 후면에 캐리어(1055')를 조립하면 둘 사이에 SBS 광학요소(1090)가 고정된다. 따라서, 액튜에이터(1100)가 캐리어(1055')의 후방인 우측 단부 피스(1025) 근처의 렌즈(1030') 후방에 부착된다. SBS 광학요소(1090)와 액튜에이터(1100)를 연결하는 튜브(1110)는 트렌치 채널에 고정되는데, 액튜에이터(1100)와 SBS 광학요소(1090) 사이의 연결을 광학적으로 안보이도록 캐리어 재료의 굴절률과 같은 굴절률의 접착제로 고정될 수 있다. 이 경우 도 4A~5B에서 설명된 바와 같이 상이한 파워 레벨들 사이를 스위칭하기 위한 액튜에이터 유체 챔버의 체적을 수동 제어하기 위한 제어레버(1120)가 제어부재이다. 렌즈(1030')의 후면에도 제어레버(1120)가 부착되어 착용자가 쉽게 접근할 수 있고 외부에서 최소한으로 보이도록 한다. 튜브(1110')에 의해 액튜에이터(1100')에 부착된 렌즈(1040)와 캐리어(1065') 사이에 SBS 광학요소(1090')를 갖는 좌측 렌즈(1040')에도 동일한 설명이 적용된다.
변환 시스템의 제어부재가 SBS 광학요소를 스위칭할 액튜에이터를 관리하기 위해 터치/유도 제어를 이용하는 전자식 제어부재일 수도 있다. 광학요소는 표면 형상이 변하는 유체 광학요소, 이동식 파장판 기반 스위칭 광학요소를 갖는 알바레즈 디자인 렌즈처럼 위에 나열된 다른 유형일 수 있다. 재료기반 스위칭가능 광학요소와 같은 전자제어 광학요소와 제어부재를 연결하는 트렌치 채널에 튜브가 아닌 배선을 배치할 수도 있다.
도 9는 스위칭가능 광학요소의 멤브레인의 방사상 응력을 제어하기 위한 디자인을 보여준다. 광학요소 디자인은 도 4B와 5B 중의 하나일 수 있다. 도 9의 단면(1200)에서, 멤브레인(1240)이 한쪽면은 기판지지부(1300)(또는 기판 자체)에, 다른면은 멤브레인 커버(1250)가 결합된다. 기판커버(1300)는 광학기판(1210) 주위의 원형 트렌치 채널(1280)을 포함한다. 트렌치 채널은 중심 O에서 반경 R이지만, 다른 형상도 가능하다. 트렌치채널(1280)의 평면 형상(1240')과 같이, 멤브레인(1240)은 트렌치 채널(1280) 밖에서 기판커버(1300) 주변에 부착된다. 광학요소는 곡면형일 수도 있다. 멤브레인은 채널(1310) 등을 통해 내부챔버(1230)와 연결된 광학기판과 함께 활성챔버를 형성하는 안내면(1220) 측면에서 기판커버(1210)와 접촉할 수 있다. 멤브레인은 기판(1210) 위에 배치되고 트렌치 채널 바깥의 기판커버(1300)에 결합된다. 멤브레인 커버(1250)는 트렌치 채널 바깥에서 멤브레인(1240)에도 부착된다. 멤브레인 커버(1250)는 기판커버(1300)에서 트렌치 채널(1280)의 형상을 보완하는 원형 융기부(1290)를 포함한다. 멤브레인 커버(1250)를 설치하면 트렌치 채널 위의 멤브레인(1240') 부분을 트렌치채널에 대고 눌러 멤브레인(1240)을 방사상으로 스트레칭하여 반경방향 장력을 일으킨다. 스트레칭 크기는 트렌치 채널(1280)의 형상에 좌우되는바, 호가 길수록 멤브레인의 반경 방향 변형이 커진다. 대신에 트렌치 채널을 멤브레인 커버에 배치할 수도 있는데, 멤브레인을 먼저 주변에 접착한 다음 트렌치 채널 형상에 보완적인 기판커버를 부착해 멤브레인을 방사상으로 스트레칭시킨다.
도 10은 동기 방식을 적용하여 원초점과 근초점 외에 중간초점을 갖는 SBS OE에 의한 3개의 초점을 제공하는 방법을 보여준다. 도 10은 단초점 회절안내면을 갖는 도 2에 광학요소와 유사한 SBS 광학요소의 단면(1150)의 일부를 보여준다. SBS OE에 대한 동기화 방법 적용은 정합액을 활성챔버에 두는 예에도 적용될 수 있다. SBS OE의 단면(1150)은 회절안내면(1160)에 일치하는 회절형태를 취하는 멤브레인으로 회절상태에 있을 때 근초점을 생성한다. 따라서, 이 단면(1150)에 채널(1220,1220'..)을 통해 내부챔버(1190)와 연결된 정합액으로 채워진 활성챔버(1210)를 형성하는 광학기판(1160)과 멤브레인(1200)이 있다. 내부챔버(1190)는 광학기판(1160)과 기판지지부(1180) 사이에 형성된다. 회절안내면(1170)은 릴리프(relief)라고도 하는 톱니형이다. 릴리프 주기는 소정 애드파워에서 근초점을 생성하도록 회절안내면(1170)의 홈 주기 Lnear1, Lnear2 등으로 정의된다.
도 11은 회절안내면(1170)과 동기화된 릴리프(1220)를 보여준다. 도 10의 릴리프(1170)와 마찬가지로 원형이고, Lint로 디자인된 것처럼 더 큰 주기를 갖는데, 이 주기는 회절 릴리프(1170)의 주기와 동기화되어 동일 반경의 r2 좌표에서의 대응 저 작은 주기에 대한 더 큰 주기의 비가 정수 N=2가 되도록 한다. 예를 들어, 릴리프(1220)와 회절안내면(1170)의 릴리프 프로파일들을 비교할 때, Lint/(Lnear1+Lnear2)=2이다. 같은 동기화가 다른 주기의 릴리프(1220)에도 적용된다.
도 12는 회절안내면(1270)이 릴리프들(1170,1270)의 동기화된 조합이고 "동기화된 안내면"으로 불리는 SBS 광학요소의 단면(1250)을 보여준다. 동기화된 안내면(1170)의 릴리프의 더작은 주기 Lnear1, Lnear2 등을 갖는 성분은 근초점에 맞는 더큰 애드파워를 생성하고, 더큰 주기 Lint 등을 갖는 성분은 더큰 애드파워의 절반이며 중간초점에 맞는 더작은 애드파워를 생성한다. 이 단면(1250)에 채널(1320,1320'..)을 통해 내부챔버(1290)와 연결된 정합액으로 채워진 활성챔버(1310)를 형성할 동기화된 회절안내면(1270)과 멤브레인(1300)을 갖는 광학기판(1260)도 있다. 내부챔버(1290)는 광학기판(1260)과 기판지지부(1280) 사이에 형성된다. 활성챔버(1310)에서 내부챔버(1290)로 유체가 제거되면서, 굴절형태로 도시된 멤브레인(1300)이 동기화된 회절안내면(1270)의 회절형태를 취해 2개 릴리프들의 동기화된 조합을 보이는데, 릴리프의 주기의 비는 r2 좌표에서 N=2로 2개의 애드파워들이 각각 근초점과 중간초점에 맞는다. 따라서, 원래 릴리프(1170)는 1차 초점에서 단초점 이미지를 생성할 홈 높이를 보이고, 이 릴리프는 근초점용의 애드파워 AP1을 생성하는 주기를 보이며, N=2인 동기화된 릴리프(1220)는 1차 초점에서 단초점 이미지를 생성할 홈 높이를 갖고 그 주기는 N=2인 동기화로 설정되어 애드파워 AP2=AP1/2를 생성한다. 따라서 동기화된 회절안내면은 근초점용 AP1과 중간초점용 AP2의 애드파워들을 갖는 2개의 1차초점들을 생성한다. 예컨대, AP1=3D이면 AP2=1.5D이다. 따라서, r2 좌표에서 주기 비율이 N=2인 2개의 릴리프의 동기화된 조합인 회절안내면을 갖춘 해당 SBS OE는 원초점용의 단초점 굴절상태와 근초점과 중간초점용의 이중초점 회절상태 사이를 스위칭한다.
일반적으로. 2개 릴리프의 작은 주기에 대한 동기화된 큰 주기의 비율은 N>1이고 애드파워 APN = AP/N이 더 작아지며, AP는 더 큰 애드파워이다. 예를 들어, N=3의 동기화는 1개 릴리프의 3개의 더작은 주기들이 다른 릴리프의 1개의 더큰 주기에 오버랩하고, 더작은 주기의 릴리프로 생긴 애드파워가 AP이며, 더큰 주기의 릴리프로 생긴 애드파워는 AP3=AP/N임을 의미한다. 예를 들어, AP=3이면 AP3 = 1D이다.
1단계로 근시용 1차 초점을 배치할 주기의 릴리프를 선택하되 굴절상태의 광파워에서 카운트한 약 3D를 더한다. 단초점 성능용의 키노폼이나 멀티모드 회절면 역할을 할 홈 높이, 예컨대 빛의 100%가 1차 회절로 향한다. 이어서, 동기화 방법에 맞는 더큰 주기의 릴리프를 선택해 1차 릴리프의 이드파워보다 작은 애드파워에서 1차초점을 생성한다. 이런 홈 높이는 이 릴리프용의 1차 초점에 100% 빛을 보낸다. 조합된 동기화된 회절면들은 원래 릴리프들의 2개의 1차 회절 초점들인 근초점과 중간초점 사이에서 빛을 분할하는 회절안내면이 된다. 이런 SBS 광학요소는 굴절상태의 단일 원초점과 회절상태의 중간보기와 근거리보기의 이중초점 상태 사이를 스위칭한다.
동기화 방법의 기본 속성은 더큰 주기의 릴리프의 초점들이 더작은 주기의 릴리프들의 일부 초점들과 일치하는 구조를 만드는 것이다. N=2에서, 큰 주기의 릴리프의 2차 초점은 더작은 주기의 릴리프의 1차 초점과 일치한다. N=3에서 더작은 주기의 릴리프의 3차 초점이 더큰 주기의 릴리프의 1차 초점과 일치한다. 동기화된 방법의 일반화된 구조에서, 2개의 릴리프들이 동기화 구조를 형성하는데, 더큰 주기의 릴리프의 K차 초점이 더작은 주기의 릴리프의 KxN차(N>1) 초점과 일치한다.
도 13A~16B는 굴절 및 피팅 특성을 갖는 단초점 콘택트렌즈를 원초점과 근초점 또는 원초점과 중간초점의 2가지 초점들 사이에 있는 가변 파워 콘택트렌즈로 변환하는 방법을 설명한다. 안경렌즈와 마찬가지로 이 방법을 MVC(Multi Viewing Conversion)라 한다. 바람직한 실시예는 초점들 사이의 신속 스위칭을 위한 활성부재로서의 SBS OE로 MVC를 하는 것이고, 이때 SBS OE는 도 4A~B나 도 5A~B에 설명된 멀티-챔버 구성이지만, 이 MVC를 광파워 조절(유체 풍선) 또는 재료기반 스위칭가능 콘택트렌즈의 다른 메커니즘을 갖는 활성부재에도 충분히 적용할 수 있다. 따라서, 멀티-챔버 SBS 광학요소를 사용한 콘택트렌즈의 MVC를 설명한다.
도 13A는 변환 시스템(1350)의 정면도로서, 각각의 홈에 관통 구멍들이 분산되어 있는 회절홈(1370)이 다수 있는 안내면을 갖는 표면기반 스위칭가능 광학요소(1360)로 구성된다. SBS OE(1360)는 변환 시스템(1350)의 활성부재로, 초점들 사이를 스위칭하여 콘택트렌즈에 애드파워를 제공한다. 이는 스위칭가능 콘택트렌즈 제조 비용에 도움이 되는 동일한 애드파워용의 표준 요소이다. 변환 시스템(1350)은 초점들 사이로 SBS OE를 스위칭하도록 작동챔버(1400)를 유체로 채운 액튜에이터(1380)를 포함한다. 작동챔버(1400)는 유체(1420)가 있는 채널(1410)을 통해 SBS OE(1360)와 연결된다. 제어부재(1390)는 액튜에이터(1380)의 일부이며 압력에 따라 변형을 증가시키는 유연한 벽이다. 이것은 간단한 기계적 제어부재이지만 제어부재에 압력이 가해지면 전기 신호를 내는 전자소자가 있는 압력/굽힘 센서일 수도 있다.
도 13B는 안내면(1370)을 갖는 스위칭가능 요소(1360)의 전면(1440)과 후면(1430)을 보여주는 변환 시스템(1350)의 측면도이다. SBS OE(1360)의 챔버는 채널(1410)을 통해 액튜에이터 챔버(1400)에 연결된다. 액튜에이터(1380)의 바닥부는 전술한 바와 같이 제어부재(1380)이다.
도 14A는 광학구역(1460) 내에서 굴절보정을 하는 굴절부재(1450)의 정면도이다. 광학구역(1460)은 전이구역(1470)으로 둘러싸인다. 광학구역 직경은 약 7mm이다. 또한 변환 시스템(1350)을 수용하는 형상의 절개부(1480)가 굴절부재(1450)의 후방에 있다.
도 14B는 굴절부재(1450)의 측면도이다. 필요한 구면원기둥 보정을 위해 굴절부재의 전면(1490) 주변에 전이구역(1470)과 중간에 광학구역(1460)을, 변환된 콘택트렌즈의 베이스면을 후면(1490)에 제공한다. 굴절부재(1460)는 스위칭가능 콘택트렌즈 제조 비용을 낮추는데 도움이 되도록 스위칭가능 콘택트렌즈의 주어진 굴절 보정을 위한 표준요소이다. 절개부(1480)는 굴절부재(1450)의 후면에 변환 시스템(1350)을 배치하는 역할을 한다. 굴절부재(1460)의 후면(1490)의 곡률은 활성부재(1360)의 후면(1430)의 곡률과 같아, 스위칭가능 콘택트렌즈의 베이스면을 제공한다. 굴절부재는 각막과 기체교환하도록 콘택트렌즈에 일반적으로 사용되는 연질재료나 기체투과성 재료로 만들어진다.
도 15A는 스위칭가능 콘택트렌즈의 베이스 부재(1520)의 정면도로, 전술한 스위칭가능 안경의 베이스 부재인 프레임과 비슷하다. 베이스 부재는 각막 위에 렌즈를 끼우기 위한 스위칭가능 콘택트렌즈의 렌티큘러 부분(1530)을 포함한다. 렌티큘러 부분의 내경은 그 안에 굴절부재(1450)를 배치할 정도이다. 이런 목적으로, 렌티큘러 부분은 액튜에이터(1380)를 배치할 절개부(1550)를 갖는다. 렌티큘러 부분(1530) 내의 공간은 굴절부재 배치를 위한 개구일 수 있다. 이 경우, 렌티큘러 부분의 후면, 굴절부재 및 활성부재 사이의 매끄러운 전이를 위해 조립된 스위칭가능 렌즈의 후면이 렌즈조립시 절단된다. 바람직한 옵션은 렌티큘러 부분(1530)의 후면 전체를 연속적으로 매끄럽게 하기위해 렌티큘러 부분(1530)의 내경 안에 아주 얇은 한조각으로 된 시트를 두는 것이다. 이 경우, 굴절부재가 렌티큘러 부분(1530)의 내경 안에서 얇은 시트의 전면에 접합된다. 렌티큘러 부분과 얇은 시트는 콘택트렌즈에 공통적으로 사용되는 실리콘, 하이드로겔 또는 실리콘 하이드로겔 타입과 같은 재료로 구성될 수 있다.
도 15B는 베이스부재(1520)의 측면도로, 굴절부재 및 활성부재의 후면들(1430,1490)의 곡률과 같은 형상의 얇은 시트(1540)을 전면(1560)에 배치한 상태를 보여주고, 그 결과 콘택트렌즈의 베이스면이 연속이고 매끄러워서 각막찰상을 피할 수 있다. 얇은 시트의 두께는 수십 ㎛ 정도이다.
도 16A는 변환 시스템(1350), 굴절부재(1450) 및 베이스 부재(1520)가 조립된 스위칭가능 콘택트렌즈(1580)의 정면도로서, 굴절부재의 렌티큘러 부분(콘택트렌즈 소프트 스커트)(1530), 광학구역(1460)의 위치, 렌티큘러 부분(1530)으로의 전이부(1470), SBS 광학요소(1370)를 갖는 활성부재(1360)가 액튜에이터(1380)에 연결된 것을 보여준다. 액튜에이터(1380)의 제어유닛(1390)은 가한 압력으로 변형을 높이는 소정의 기계적 특성을 갖는 바닥면 형태이다. 압력이 가해지지 않은 형상과 압력이 가해진 형상(1390')을 보여준다. 후자의 경우, 작동챔버의 부피가 줄어들면서 작동챔버로부터 SBS 광학요소(1370) 안으로 일부 유체를 밀어내 더높은 광파워로 스위칭하도록 한다.
도 16B는 스위칭가능 콘택트렌즈(SCL)(1580)의 측면도로, 렌티큘러 부분(1530)으로 굴절부재를 전환하는 전이 구역(1470)을 갖는 베이스 부재에 대한 굴절부재 배치를 보여준다. 굴절부재(1450)의 후면(1490)에 대한 베이스 부재(1520) 의 전면(1560)의 배치도 보이는데, 후면(1570)이 콘택트렌즈(1580)의 베이스면이 된다. 콘택트렌즈(1580)의 총 두께는 150㎛ 정도이다. 액튜에이터(1380)는 콘택트렌즈(1580)의 안정기 역할을 하여 눈의 방향을 유지하도록 한다. 이때문에 제어부재(1390)가 아래 눈꺼풀과 작용함은 물론 굴절부재의 실린더 방향을 제대로 하여 난시교정을 할 수 있다. 또, 압력이 가해지지 않은 제어부재(1390)와 압력이 가해진 형상(1390')의 액튜에이터(밸러스트)(1380)의 바닥 부분을 보여준다. 스위칭가능 콘택트렌즈(1580)의 착용자가 근거리 관찰을 위해 아래를 내려다 보면 아래 눈꺼풀에 압력이 가해진다. 작동챔버의 부피가 줄어들면서 액체 일부를 SBS 광학요소 안으로 밀어내면서 근초점으로 바뀐다. 간단한 기계식 제어부재를 예로 들었지만, 전자제어를 위한 압력스위치를 사용할 수도 있다. 활성부재가 아래 눈꺼풀의 압력으로 작동챔버에서 유체가 압착될 때 풍선이 부풀어 부피를 바꾸는 풍선형 디자인일 수도 있다.

Claims (21)

  1. 제1 측면에서 다수의 회절홈들이 회절안내면을 형성하는 광학기판과, 광학기판의 제1 측면에 인접 배치되고 회절안내면과 접촉해 움직이는 탄성 멤브레인을 갖춘 스위칭가능 광학요소에 있어서:
    상기 탄성 멤브레인과 광학기판 사이에 활성챔버가 형성되고, 활성챔버는 다수의 구간들을 가지며, 각 구간이 다수의 회절홈 각각의 위에 형성되고 탄성 멤브레인과 광학기판 사이의 가변 깊이를 갖고;
    상기 제1 측면 반대쪽의 광학기판의 제2 측면에 기판커버가 인접 배치되며;
    상기 기판커버와 광학기판 사이에 내부챔버가 형성되고;
    제1 상태에서 제1 광학유체가 활성챔버의 다수의 구간 각각을 채우며;
    제2 상태에서 제1 광학유체는 활성챔버의 다수의 구간 각각에서 제거되고, 활성챔버와 내부챔버를 연결하는 광학기판을 관통한 다수의 채널들을 통해 내부챔버 안으로 흐르고;
    제2 상태에서 탄성 멤브레인은 회절안내면의 주기로 회절안내면의 다수의 회절홈들에 일치하는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 채널들이 각각의 회절홈의 최심부에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학유체가 광학기판에 대한 정합액이고, 제1 광학유체의 굴절률이 광학기판의 굴절률과 같거나 비슷한 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학유체는 광학기판에 대한 부정합액이고, 제1 광학유체의 굴절률이 상기 광학기판의 굴절률과 다른 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  5. 제1항에 있어서, 상기 활성챔버 반대측으로 탄성 멤브레인에 인접하여 멤브레인 커버가 배치되고, 이 멤브레인 커버와 탄성 멤브레인 사이에 외부챔버가 형성되며, 제2 광학유체가 외부챔버를 채우는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  6. 제5항에 있어서, 제1 광학유체가 제2 광학유체에 비해 반정합액이나 부정합액인 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  7. 제5항에 있어서, 제1 광학유체와 제2 광학유체의 굴절률이 서로 다른 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  8. 제5항에 있어서, 상기 멤브레인 커버가 비구면이거나 이중비구면인 추가 광학특성을 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광학기판이 근초점이나 중간초점에서 초점 심도가 확장되는 추가 광학특성을 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  10. 제5항에 있어서, 상기 멤브레인 커버는 비구면이거나 이중비구면인 추가 광학특성을 갖고, 상기 광학기판이 근초점이나 중간초점에서 초점 심도가 확장되는 추가 광학특성을 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  11. 제5항에 있어서, 상기 탄성 멤브레인의 일부로 밀봉된 기판커버에 기체충전 축적포켓이 형성되고, 상기 제2 광학유체의 일부는 탄성 멤브레인의 일부의 반대쪽에서 상기 축적포켓에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  12. 제5항에 있어서, 상기 탄성 멤브레인의 일부로 밀봉된 멤브레인 커버에 기체충전 축적포켓이 형성되고, 상기 제1 광학유체의 일부는 탄성 멤브레인의 일부의 반대쪽에서 상기 축적포켓에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학유체와 유체 연통하는 액튜에이터 커넥터를 더 포함하고, 이 액튜에이터 커넥터는 제1 상태와 제2 상태 사이를 스위칭하기 위해 제1 광학유체를 활성챔버에 출입시키는 수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  14. 제5항에 있어서, 상기 제2 광학유체와 유체 연통하는 액튜에이터 커넥터를 더 포함하고, 이 액튜에이터 커넥터는 제1 상태와 제2 상태 사이를 스위칭하기 위해 제2 광학유체를 외부챔버에 출입시키는 수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  15. 제1 측면에 안내면을 형성하는 광학기판과, 광학기판의 제1 측면에 인접 배치되고 안내면과 접촉해 움직이는 탄성 멤브레인을 갖춘 스위칭가능 광학요소에 있어서:
    상기 탄성 멤브레인과 광학기판 사이에 활성챔버가 형성되고, 활성챔버는 탄성 멤브레인과 광학기판 사이의 가변 깊이를 가지며;
    상기 제1 측면 반대쪽의 광학기판의 제2 측면에 기판커버가 인접 배치되며;
    상기 기판커버와 광학기판 사이에 내부챔버가 형성되고;
    제1 상태에서 제1 광학유체가 활성챔버를 채우며;
    제2 상태에서 제1 광학유체는 활성챔버에서 제거되고, 활성챔버와 내부챔버를 연결하는 광학기판을 관통한 다수의 채널들을 통해 내부챔버 안으로 흐르며, 상기 다수의 채널들은 안내면의 최심부에 각각 위치하고;
    제2 상태에서 탄성 멤브레인은 안내면 형상에 일치하며;
    활성챔버에 비해 반대쪽에서 탄성 멤브레인에 인접되게 멤브레인 커버가 배치되고, 멤브레인 커버와 탄성 멤브레인 사이에 외부챔버가 형성되며, 제2 광학유체가 외부챔버를 채우는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  16. 제15항에 있어서, 제1 광학유체가 광학기판에 대한 정합액이고 제1 광학유체의 굴절률이 광학기판의 굴절률과 같거나 비슷하며, 또는 제1 광학유체가 광학기판에 대한 부정합액이고 제1 광학유체의 굴절률이 광학기판의 굴절률과 다르며, 제1 광학유체가 제2 광학유체와 비교해 반정합액이나 부정합액인 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  17. 제16항에 있어서, 멤브레인 커버는 비구면이나 이중비구면인 추가 광학특성을 갖고, 및/또는 광학기판이 근초점이나 중간초점에서 초점 심도가 확장되는 추가 광학특성을 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  18. 제15항에 있어서, 상기 안내면이 회절안내면이나 굴절안내면인 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  19. 제1 측면에서 다수의 회절홈들이 회절안내면을 형성하는 광학기판과, 광학기판의 제1 측면에 인접 배치되고 회절안내면과 접촉해 움직이는 탄성 멤브레인을 갖춘 스위칭가능 광학요소에 있어서:
    상기 탄성 멤브레인과 광학기판 사이에 활성챔버가 형성되고, 활성챔버는 다수의 구간들을 가지며, 각 구간이 다수의 회절홈 각각의 위에 형성되고 탄성 멤브레인과 광학기판 사이의 가변 깊이를 갖고;
    상기 제1 측면 반대쪽의 광학기판의 제2 측면에 기판커버가 인접 배치되며;
    상기 기판커버와 광학기판 사이에 내부챔버가 형성되고;
    제1 상태에서 제1 광학유체가 활성챔버의 다수의 구간 각각을 채우며;
    제2 상태에서 제1 광학유체는 활성챔버의 다수의 구간 각각에서 제거되고, 활성챔버와 내부챔버를 연결하는 광학기판을 관통한 다수의 채널들을 통해 내부챔버 안으로 흐르고, 다수의 채널들이 회절홈 각각의최심부에 각각 위치하며;
    제2 상태에서 탄성 멤브레인은 회절안내면의 주기로 회절안내면의 다수의 회절홈들에 일치하고;
    활성챔버에비해 반대쪽에서 탄성 멤브레인에 인접하게 멤브레인 커버가 배치되며, 멤브레인 커버와 탄성 멤브레인 사이에 외부챔버가 형성되고, 제2 광학유체가 외부챔버를 채우며;
    탄성 멤브레인의 일부로 밀봉된 기판커버에, 탄성멤브레인의 일부의 반대측에, 또는 탄성 멤브레인의 일부로 밀봉된 멤브레인 커버에 기체충전 축적포켓이 형성되고, 제2 광학유체의 일부가 탄성 멤브레인의 일부의 반대측에서 축적포켓에 인접 배치되거나, 제1 광학유체의 일부가 탄성 멤브레인의 일부의 반대측에서 축적포켓에 인접 배치되고;
    제1 광학유체와 유체 연통되는 액튜에이터 커넥터가 있고, 이 액튜에이터 커넥터는 제1 상태와 제2 상태 사이를 선택하도록 활성챔버에 제1 광학유체를 출입시키는 수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  20. 제19항에 있어서, 제1 광학유체는 광학기판에 대한 정합액이고 제1 광학유체의 굴절률이 광학기판의 굴절률과 같거나 비슷하며, 또는 제1 광학유체가 광학기판에 대한 부정합액이고 제1 광학유체의 굴절률이 광학기판의 굴절률과 다르고, 제1 광학유체가 제2 광학유체에 비해 반정합액이나 부정합액인 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
  21. 제20항에 있어서, 멤브레인 커버가 비구면이나 이중비구면인 추가 광학특성을 갖고, 및/또는 광학기판이 근초점이나 중간초점에서 초점 심도가 확장되는 추가 광학특성을 갖는 것을 특징으로 하는 스위칭가능 광학요소.
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