Hybrid electro-active lens

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にレンズに関する。 特に、本発明は複合電気活性レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、従来のレンズは、単焦点距離を有し、特定の視力を提供する。 このようなレンズは、異なる視野距離のために視力に変化はないかまたは視力を修正する必要がない特定のレンズ着用者または用途のために形成され得る。 従って、従来のレンズは限定された使用を提供する可能性がある。
【０００３】
例えば、読書のためおよび遠くを見るために視力を変える必要があるレンズ着用者または用途のために、多焦点距離を提供する二重焦点レンズが形成された。 しかし、この二重焦点レンズは、固定された焦点距離領域を有し、これも限定された使用となる。
【０００４】
これらの例の各々において、レンズは単一の材料から研磨される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の電気活性レンズの実施形態は、光学的に透過性の材料、例えば、可変屈折率を有し得る液晶を含む様々な構成要素から作られた複合レンズであってもよい。 可変焦点距離は、例えば、レンズにエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折パターンによって、または、レンズの光学的に透過性の材料上に配置された電極によって、設定され得る。 回折パターンは、光学的に透過性の材料に入る光を屈折させ、それによって、異なる量の屈折、したがって可変焦点距離を生じさせる。 電極は、光学的に透過性の材料に電圧を印加し、これは、結果として材料の分子の配向を変えることになり、それによって、屈折率の変化を生じさせる。 、屈折率のこの変化は、回折パターンを作るのに使用される材料に液晶の屈折率を整合させるかまたは不整合にするために使用することができる。 液晶の屈折率が回折パターン材料の屈折率に整合するときには、回折パターンは、光学倍率（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）がなく、したがってレンズは、固定レンズの焦点レンズを有する。 液晶の屈折率が回折パターンを作るのに使用される材料の屈折率とは不整合のときには、回折パターンの力がレンズの固定力に加えられ、レンズの焦点距離の変化を提供する。 可変屈折率によって、有利なことに、レンズのユーザはレンズを所望の焦点に変えることができ、単レンズに二重焦点、三重焦点または多焦点の視角距離等を有することができてもよい。 電気活性レンズは、複屈折を減少するかまたは排除することもあり、これは、あるレンズによっては問題であるとして知られている。 電気活性レンズの例示的な用途として、眼鏡、顕微鏡、鏡、双眼鏡、および、ユーザがそれを通して見ることができる他のいずれの光学装置が挙げられる。
【０００６】
図１は、本発明に従った電気活性レンズの実施形態を示す。 この実施形態は２つの屈折セルを有し、これらは、レンズの複屈折を減少するかまたは排除するために使用され得る。 電気活性材料が、一例として、ネマチック液晶であるならば、屈折セルは互いに直交するように配向され得る。 かくして、配向された液晶によって形成された複屈折を減少するかまたは排除する。 この実施形態は、電圧を印加することができ、レンズに可変屈折率を有させる。 この実施形態を眼鏡に使用して、例えば、眼鏡の着用者が屈折率を、したがって焦点を変えることができる。 電気活性レンズ１００の第１の屈折セルは、電極１１０、１２５、配向層１１５、１２２、および、液晶層１２０を有し得る。 電気活性レンズ１００の第２の屈折セルは、電極１３５、１５０、配向層１３７、１４５、および、液晶層１４０を有し得る。 分離層１３０が、第１のセルと第２のセルとを分離することができる。 電気活性レンズ１００は、前部基板構成要素１０５と後部基板構成要素１５５とを有してもよく、これらの間に、２つの屈折セルが配置され得る。 前記電極１１０、１２５、１３５、１５０は、電圧を液晶層１２０、１４０へ印加して、可変屈折率を生じさせることができる。
【０００７】
前側構成要素１０５は、電気活性レンズ１００に遠見視力を得させるための基部曲率を有し得る。 前側構成要素１０５は、例えば、光学等級ガラス、プラスチック、または、ガラスとプラスチックとの組み合わせから作られ得る。 前側構成要素１０５の背部には、例えば、ＩＴＯ等の透明な導体、酸化スズ、または、他の導電性且つ光学的に透明な材料が塗布されてもよく、電極１１０を形成する。 レンズの電気活性領域がレンズアセンブリ１００全体よりも小さい実施形態において、電極１１０は、電力消費を最小限にするために、単にレンズの電気活性領域上に配置され得る。
【０００８】
前記電極１１０には、配向層１１５がコーテングされて、液晶層１２０かまたは他のいずれの可変屈折率ポリマー材料層を配向し得る。 液晶層１２０の分子は、印加された電場の存在内で配向を変え得る。 この結果、入射光線が受ける屈折率の変化が生じる。 前記液晶層１２０は、例えば、ネマチックでもスメチックでもコレステリックであってもよい。 例示的なネマチックフェーズ結晶として、４−ペンチル−４'−シアノビフェニル（５ＣＢ）および４−（ｎ−オクチルオキシ）−４'−シアノビフェニル（８ＯＣＢ）が挙げられる。 他の例示的な液晶として、４−シアノ−４'−（ｎ−アルキル）ビフェニル、４−（ｎ−アルコキシ）−４'−シアノビフェニル、４−シアノ−４”−（ｎ−アルキル）−ｐ−テルフェニルの様々な構成要素、および、ＢＤＨ（ブリティッシュドラッグハウス（Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｄｒｕｇ Ｈｏｕｓｅ））−メルク（Ｍｅｒｃｋ）が製造のＥ７、Ｅ３６、Ｅ４６およびＺＬＩシリーズ等の市販の混合物が挙げられる。
【０００９】
別の配向層１２２が、液晶層１２０の他方の側に、典型的には電極１２５上に配置され得る。 この電極１２５は、前記電極１１０と同じようして形成されて、電気活性レンズ１００の１つのセルを完成し得る。 駆動電圧波形が、電極１１０、１２５間に加えられ得る。
【００１０】
分離層１３０の後に、次のセルが、第１のセルから直交して配向されるように配置され得る。 分離層１３０は、一方の側で電気活性レンズの第１のセルの電極１２５を支持し、他方の側で電気活性レンズの第２のセルの電極１３５を支持することができる。 分離層１３０は、ＣＲ３９（商標）等の光学等級プラスチック、ガラス、または、他のポリマー材料から作られ得る。 第２のセルの電気活性材料は、電極１３５、１５０に加えられた配向層１３７、１４５の配向方向に配向されることが好ましい。 好適な配向は、第１のセルの配向層１１５および１２２が第２のセルの配向層１３７および１４５に直交するように配向され得る。 第２のセルは、上述のように、液晶層１４０を有し得る。 また、第２のセルは、後側構成要素１５５に配置された電極１５０で完成されてもよい。 後側構成要素１５５は、前側構成要素１０５と類似の材料により形成され得、電気活性レンズ１００の遠距離倍率を達成する曲率を有し得る。
【００１１】
電気活性レンズ１００の遠距離倍率が乱視矯正を含む場合には、前側構成要素１０５または後側構成要素１５５は、円環状であってもよく、レンズ着用者が必要とする乱視矯正に対して適切に配向され得る。
【００１２】
異なる実施形態において、単一の配向層が各セルに使用され得る。 この実施形態において、配向層１２０、１２２のいずれかが電気活性レンズ１００の第１のセルから除去されてもよく、且つ、配向層１３７、１４５のいずれかが第２のセルから除去され得る。 あるいは、電極１１０、１２５、１３５、１５０が配向を有する場合には、電極１１０、１２５、１３５、１５０は液晶層１２０、１４０に配向し得る。 したがって、すべての配向層１２０、１２２、１３７、１４５が除去され得る。
【００１３】
光学倍率が、前側構成要素１０５の背部表面に、または後側構成要素１５５の前部表面に、または両方に、回折パターンを形成することによって、本発明の実施形態に与えられることができる。 光学倍率は、構成要素１０５、１５５に配置された回折パターンの代わりにまたはそれに加えて、分離層１３０の一方の側または両側に回折パターンを形成することによって、与えられ得る。 事実、上述の回折パターンの配置のいずれかの組み合わせが可能であり、本発明の範囲内であるとみなされる。
【００１４】
回折パターンは、機械加工、焼き付け、またはエッチングを含む多数の技術を使用して形成され得る。 回折パターンを使用して光学倍率を設定するときには、液晶層１２０、１４０を使用して、一方の屈折率状態で回折パターンの追加倍率を隠すためにすべての層の屈折率を整合することができ、且つ、他方の屈折率状態で回折パターンのパワーを表すためにすべての層の屈折率を不整合にすることができ、各状態は、印加電圧（または電場）がオンであるかオフであるかによって規定され得る。
【００１５】
図２は、本発明に従った電気活性レンズの異なる実施形態を示す。 この実施形態は、可変光学倍率を設定するための回折パターンを含む電気活性レンズの二重液晶セル２００の構造を示す。 この実施形態を、例えば眼鏡に使用して、レンズ全体にわたって可変光学倍率を設定し得る。 この実施形態は、有利なことに、電気活性レンズに回折パターンを使用することに関連する問題、例えば、斜め電場線、ポリマー基板複屈折およびレンズ構成要素屈折率整合の困難さを緩和し得る。 二重液晶電気活性セル２００は、前部および後部の基板構成要素１０５、１５５、電極１１０、１２５、１３５、１５０、配向層１１５、１４５、液晶層１２０、１４０、透明な導体の塗布された基板２１０、および、ポリマー表面２２０、２３０を有し得る。
【００１６】
前側および後側の構成要素１０５、１５５、電極１１０、１２５、１３５、１５０、配向層１１５、１４５、および、液晶層１２０、１４０は、図１に示されたものと同じような機能を果たしてもよく、類似の材料から作られ得る。 この実施形態において、前側構成要素１０５には、透明な導体が塗布されて、電極１１０が形成され得る。 電極１１０には配向層１１５がコーテングされ得る。 液晶層１２０は、配向層１１５に近接させ得る。 図１のように、液晶層１２０の分子は、印加された電場の存在内でその配向を変えてもよい。
【００１７】
ポリマー表面２２０は、ポリマー２２０の表面にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折レンズパターンを有し得る。 ポリマー表面２２０上の回折パターンは、液晶層１２０の表面にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折パターンに対して適合され得る。 電極１２５は、ポリマー表面２２０に近接して、例えばＩＴＯから形成され得る。 電極１２５は、ほんの一例として、ガラスまたは眼科等級プラスチックから作られた薄い基板２１０の一方の側に配置され得る。 基板２１０は、複屈折がなくてもよい。 電極１３５は、基板２１０の他方の側に配置されて、例えばＩＴＯから形成され得る。
【００１８】
ポリマー表面２３０は、電極１３５に近接させ得る。 ポリマー表面２３０は、ポリマー２３０の表面内にエッチングされたかまたは打ち抜かれた回折レンズパターンを有し得る。 ポリマー表面２３０の回折パターンは、液晶層１４０に対して配置され得る。 図１のように、液晶層１４０の分子は、印加された電場の存在内でその配向を変えてもよい。 配向層１４５が電極１５０に配置され得る。 電極１５０は、配向層１４５に近接して後側構成要素１５５に配置されてもよく、二重液晶電気活性セル２００を完成する。
【００１９】
ＰＭＭＡ（または他の適切な光ポリマー材料）が、電極１２５、１３５が基板２１０に配置された後に、基板２１０の両側に２〜１０ミクロンの厚さの範囲で、好ましくは３〜７ミクロンの範囲で、スパン塗布され得る。
【００２０】
加えて、サブミクロンの格子の形態で液晶配向表面レリーフ（図示せず）が、回折レンズパターン化表面２２０、２３０に打ち抜かれるかまたはエッチングされ得る。
【００２１】
この実施形態には多くの利点があり得る。 第１に、ＰＭＭＡ層の下の電極１２５、１３５は、対向する電極１１０、１５０へ垂直な非傾斜電場線を維持させ助けとなり得る。 これは、透明な導体が、回折パターン上に直接配置される設計に存在する傾斜電場線のぼかし現象を克服することができる。 傾斜電場線が回折レンズ表面近傍に傾斜電場を生成し、電場を印加する際にこれらの表面に完全９０度液晶傾斜角度を防止するときに、ぼかし現象が発生する。 これは、今度は結果として、オン状態において第２の「ゴースト」焦点が現れることになり、したがって、電気活性レンズの性能を劣化する。 本発明の実施形態は、この「ゴースト」収束を克服することができる。
【００２２】
第２に、本発明の包埋電極構造を使用することは、接触基板の屈折率に、この場合はレンズパターン化ポリマー表面２２０、２３０の屈折率に、液晶層１２０、１４０の屈折率を整合させることへの解決を提供することができる。 したがって、透明な導体が、回折パターン上に直接配置されて、例えば、ＩＴＯコーティング（ｎ _ＩＴＯ 〜２．０）を含む場合には、透明な導体は、液晶の通常の屈折率（典型的にはｎ _ＬＣ 〜１．５）に屈折率整合しないこともある。 これは、電極１２５、１３５を裸眼で見えるようにする可能性があり、電気活性レンズの美的性質に関して問題を呈する。 したがって、図２の実施形態において、液晶層１２０、１４０は、今やＰＭＭＡ基板に整合した屈折率を有してもよく、これは（ｎ _ｓｕｂ 〜１．５）であってもよく、それによって、電極１２５、１３５を視覚から隠す。
【００２３】
第３に、ガラスまたは眼科等級プラスチック等の複屈折のない基板に、パターン化スピン塗布されたＰＭＭＡを使用することによって、基板複屈折の問題を解決し得る。 すなわち、基板自体は、比較的複屈折がなくてもよく、薄いスパン塗布ＰＭＭＡは、ごくわずかな複屈折を有し得る。
【００２４】
図３は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。 この実施形態において、電気活性レンズ３００の電気活性領域は、レンズ３００の一部のみをカバーしている。 この実施形態は、二重焦点眼鏡に使用されてもよく、例えば、レンズの一部のみに可変屈折率を与える。 図３において、レンズ３００は、図１のように、二重セルおよび複数の層を有する。 これら層は、前部および後部の構成要素１０５および１５５のそれぞれの窪み３０５および３１０内に配置され得る。 窪み３０５、３１０は層を収容してもよく、層がレンズ３００に容易に封止されるのを可能にする。 構成要素１０５、１５５は、例えば、ガラスまたは眼科等級プラスチックから作られ得る。
【００２５】
前記実施形態は、電圧がもはや印加されないときには、電気活性レンズは平面の非拡大状態に戻るフェールセーフ（ｆａｉｌ−ｓａｆｅ）モードを有し得る。 従って、電気活性レンズは、電力がないときには光学倍率を有さない。 このモードは、電力供給できない場合の安全特徴である。
【００２６】
本発明の実施形態において、セルの色収差は、一方のセルを緑色光（５５０ｎｍ）よりわずかに長い波長を有する光を伝えるように設計し、他方のセルを緑色光よりわずかに短い波長用に設計することによって、減少され得る。 この実施形態では、２つのセルが、複屈折と色収差との両方を同時に矯正することができる。
【００２７】
回折パターン表面と液晶層との間に屈折率の有意な差がないならば、回折パターンによってレンズに寄与する倍率はなくてもよい。 このような実施形態において、レンズの電気活性力は、回折パターン（複数の場合もある）によって形成されるが、液晶と回折パターン表面との間に有意な量の屈折率の差があるときのみである。
【００２８】
図４は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。 この実施形態において、電気活性レンズ４００の電気活性領域は、筐体４０５に封入され、レンズ４００の一部のみをカバーする。 この実施形態も、例えば二重焦点眼鏡に使用されてもよく、レンズの一部のみに可変屈折率を提供する。 この実施形態において、電気活性レンズ４００は、前部および後部の構成要素１０５、１５５、筐体４０５、および、電気コネクタ４１０を含む。 前側構成要素１０５は窪み３０５を含み、後側構成要素１５５は窪み３１０を含む。 電気活性レンズ４００の層は、筐体４０５に封入され得る。 透明な導体から作られる電気コネクタ４１０は、薄いプラスチックストリップに配置されて、筐体４０５に接続され得る。 プラスチックストリップは、大半が、構成要素１０５、１５５に屈折率整合され得る。 電気活性領域の屈折率を変えるために、電気コネクタ４１０を通して電圧が筐体４０５に印加され得る。 筐体４０５は、窪み３０５、３１０の間に配置され得る。 封入された筐体４０５は、半完成ブランク内に成形されてもよく、それは、所望の遠距離倍率に表面仕上げされ得る。 あるいは、封入された筐体４０５は、後側構成要素１５５の窪み３１０に配置されてもよく、これは、後に表面注型され、筐体４０５を適所に係止し、所望の遠距離倍率を完了する。 筐体４０５は、プラスチック、ガラス、または、他の適切な光学等級材料から作られてもよく、構成要素１０５、１５５の屈折率に屈折率整合され得る。
【００２９】
図５は、本発明に従った電気活性レンズの別の実施形態を示す。 この実施形態において、電気活性レンズ５００は、電気活性レンズの前側構成要素５２５の頂部の窪み５１０内に電気活性レンズカプセル５０５を配置することによって、形成され得る。 この実施形態も、例えば二重焦点眼鏡に使用されてもよく、レンズ５００の一部のみに可変屈折率を提供する。 この実施形態において、電気活性領域は、レンズの頂部に配置され、次いでレンズに封止されて連続表面を形成し得る。 薄いフィルム導体５２０がレンズカプセル５０５に接着されてもよく、前側構成要素５２５の表面の導電性コンタクト５１５へ電気的に接続され得る。 後側構成要素５２０が前側構成要素５２５に接着されて、所望の遠距離倍率を設定するように補助し得る。 電気活性レンズカプセル５０５が前側構成要素５２５の窪み５１０に配置された後に、前側構成要素５２５の前部表面は、例えば、表面注型技術を使用して指数整合材料で封止されてもよく、または、単に屈折率整合材料が充填されて、光学仕上げに研磨され得る。 この構造物は、有利なことに、複屈折を減少するかまたは排除するかに加えて、機械的安定性、エッジづけおよびレンズフレーム内に嵌まることの容易さ、および、電気活性材料へ電気的に接続することの容易さを提供することができる。
【００３０】
図６は、本発明に従った電気活性レンズの電気活性材料に加えられ得る。 電気同心ループの実施形態を示す。 電気同心ループ６００は、レンズに電圧を印加するために電気活性レンズに使用される電極であってもよい。 例えば、図１において、ループ６００は、電極１１０、１２５、１３５、１５０の代わりに配置され得る。
【００３１】
図６において、ループは、２πフェーズラッピング（ｐｈａｓｅ ｗｒａｐｐｉｎｇ）の整数倍で回折パターンをエミュレートする。 フェーズラッピングは、光のフェーズが電気活性レンズ直径に沿った様々な場所またはゾーンで繰り返される（または「ラップされる」）現象である。 パターン化された電極構造物６００は、４つのフェーズラッピングゾーンを含む。 より多くの中心電極６１０が、中心から離れた電極６２０よりも厚くてもよい。 図６からわかるように、４つの電極６３０の群は、各フェーズラッピングゾーンを形成する。 図６では各ゾーンに４つの電極が使用されているが、装置の光学的効率を上げるために、各ゾーンにより多くの電極を使用することができる。
【００３２】
レンズの４つの電極は、４つのパターン化されたものであり得る。 代わって、これら電極は、２つのパターン化されたものと２つのソリッド電極とであってもよい。 第２のパターン化された電極を使用して、電気活性レンズの焦点を揺らし、強い色収差を補正し得る。 さらに、この実施形態は、複雑な電気的な相互連結なしで順次焦点強度を与え得る。
【００３３】
電気コンタクト（図示せず）は、レンズの縁で薄いワイヤまたは導電性ストリップを通して、または、レンズを通って下へ導電ビアのセットによって、電極に作られ得る。 電極６００は、レンズ内の２つのセルのいずれかにまたは両方にパターン化され得る。 二重セル設計において、倍率が複屈折に対処するのに十分なほど整合されている限り、回折パターンを備えた１つのセルとパターン化電極を備えた１つのセルとを使用することも可能である。
【００３４】
同心ループ電極６００を備えた回折パターンを形成するときに、電極６００によって作動される屈折材料が、入射波にフェーズ変形を与えてもよい。 この実施形態は、構造物の中心から外向きに可変フェーズ遅延を備えた平らな構造物を使用することによって、従来のレンズをエミュレートする。 可変フェーズ遅延は、可変電圧を異なる電極６００へ印加することによって達成されてもよく、これは、次に、電気活性材料の屈折率プロファイルを修正する。 自動フェールセーフモードは、印加電圧がない場合には電気活性材料に電力をまったく提供しなくてもよく、そのため、電気活性レンズは自動的に、電力停止時に自動的に平面に戻る。
【００３５】
レンズの電気活性部分は、薄く、例えば全体厚さがミリメートルの何分の一未満であってもよい。 この薄さを達成するために、本発明は、正弦的に変動する波用に、２π倍のフェーズシフトが物理的重要さを有さないという事実を利用する。 言い換えると、入ってくる光のフェーズは、レンズ内で都合のよい閉鎖曲線に沿って「ラップされ」てもよい。 従来のゾーンプレートの円ゾーン境界が例である。 したがって、電気活性レンズの制御可能なスローがほんの数波の遅延でしかないときに、有用なフェーズ変形および有意な光学倍率を達成することができる。
【００３６】
電気活性レンズにおけるフェーズ遅延の空間的変動は、特別な用途に基づいて決定され得る。 変動は、電極６００の間隔あけによって決定されてもよく、これは、電子的に対処され、電力供給され、電気活性レンズの内部に制定されることができる。 結晶が一軸媒体として作用する例示的なネマチック液晶構成において、結晶を通って移動する光が特別な偏光に制限され得る。 そうでなければ、２つの液晶セルが縦一列に並んで使用されてもよく、偏光の通常の方向と特別の方向とを交換するために正常から９０度フェーズがずれて回転され、したがって、複屈折を排除する。 これらの構成の各々は、特定の屈折率を提供する。 液晶の長期分解、二重セルの間の電気偏光、および、電極の間の空間の無作為の過渡電圧を避けるために、電極は、周波数およびフェーズの同期ＡＣ電圧で駆動され得る。 例示的な周波数は１０ｋＨｚを含み、例示的な高電圧は５〜１０Ｖの範囲であり、好ましくは最大６〜８Ｖの間である。 あるいは、低倍率での互換性のためには低電圧が望ましい。 電気活性材料が５または６ボルト未満で適切な屈折率変化を提供し得るように、ＣＭＯＳ駆動回路が使用され得る。
【００３７】
１つの実施形態において、フェーズラッピングゾーンは、電極をほとんど含まなくてもよく、ゾーンはより近づく。 あるいは、より高い抵抗材料を備えた電極を使用して、フリンジ分野（いわゆる「フェーズサグ（ｐｈａｓｅ ｓａｇ）」）を滑らかにし得る。 別の実施形態において、単に連続した接地平面として使用するのではなく、同一セル内で別の電極６００をパターン化することによって、第２のフェーズ変形を第１のフェーズ変形にカスケードすることができる。
【００３８】
本発明の電気活性レンズの例示的な製造方法は、レンズの電極パターン内にウインドウを作ることと、電極と電気コンタクトパッドとを相互連結することと、を含む。 第２のウインドウが電気接地に接続され得る。 次に、液晶配向層は、両方のウインドウに配置され、処理され得る。 ２つの適切に配向されたウインドウは、例えば、ガラススペーサー含有エポキシでウインドウの間に間隔あけを制定し、次いで、制定された間隔あけを液晶で充填しウインドウをエポキシで一緒に封止することによって、液晶内に作られ得る。 ウインドウは側方向にシフトされて、電気コンタクトパッドに単に圧力接着することによって電気接続を作ってもよい。 電極および相互連結パターンは、ＣＡＤ生成マスクを備えたフォトリソグラフィを使用して制定され得る。 展開、エッチングおよびデポジション技術を使用し得る。 別の設計において、簡単な伝導内部レベル接続バイアを備えた複数層を使用して、相互連結交差を回避し得る。
【００３９】
電極６００の設計において、電極ゾーン境界は、従来のフェーズラッピングに一致して２πの倍数に配置され得る。 そのため、２ｍπごとの境界配置用に、ｎ番目のラッピングの半径は下記式によって与えられる。
【００４０】
ρ _ｎｍ ＝［２ｎｍ（λｆ）］ ^１／２ （１）
各ゾーンは複数の電極を含む。 １ゾーン当たりｐ個の電極があるならば、式（１）は、
ρ _ｌｎｍ ＝［２ｋｍ（λｆ）／ｐ］ ^１／２ （２）
ｋ＝［ｐ（ｎ−１）＋ｌ］＝１、２、３、４、… （３）
に修正することができ、ただし、ｌはゾーン内電極用の１〜ｐの指数であり、ｋは順次外向きに計数する指数であり、自然数ｋの平方根として電極境界の順を維持する。 近接する電極を異なる電圧へ上げるために、絶縁スペースが電極の間に挿入され得る。 電極の連続は、自然数の平方根として増える半径を備えた円によって分離され得る。 同一の指数ｌを備えたすべての電極は、同一のフェーズ遅延を生成するように意図されるため、その間に共有された電気接続と一緒に取り付けられてもよく、それによって電極への異なる電気接続の数を減少する。
【００４１】
別の実施形態は、厚さ変動を備えた本発明の電気活性レンズにフェーズ遅延を設定するように提供する。 この実施形態において、各電極ループに印加された電圧は、レンズのフェーズ遅延が所望の値を得るまで同調され得る。 したがって、個別のループは、適切なフェーズ遅延を達成するために、常に異なった電圧が印加され得る。 あるいは、ゾーン内のすべての電極に同一の電圧が印加され、異なるゾーンには異なる電圧が印加され得る。
【００４２】
別の実施形態は、傾斜光線のため、本発明の電気活性レンズの縁に異なるフェーズ遅延を設定するように提供する。 傾斜光線は、レンズによって屈折されて、レンズ縁を通して常に外向きに移動する光線である。 したがって、傾斜光線は、さらに遠い距離へ移動し、有意にフェーズ遅延されるようにする。 この実施形態において、フェーズ遅延は、レンズ縁で電極に所定の一定電圧を印加することによって、補正され得る。 あるいは、レンズ縁の電極は、縁の屈折率が適切に修正されてフェーズ遅延を補正するように、電圧低下を生じさせ得る。 この電圧低下は、例えば、電極の導電性または厚さをしかるべく調整することによって、達成され得る。
【００４３】
電極６００は同心ループに限定されないが、例えばピクセルを含む特定の用途にしたがって、いずれの幾何学的形状またはレイアウトであってもよいことが理解され得る。 レイアウトは、製造限界によって、電気接続および電極分離制限によって、および、小さな寸法の電気フリンジ分野を備えた液晶ディレクタの非局在弾性の動作の相互作用の複雑さによってのみ、制限され得る。 加えて、電極６００のレイアウトは、電気活性レンズの形状によって規定され得る。
【００４４】
図７は、本発明の電気活性レンズの実施形態の倍率プロファイルの例を例示する。 これらの倍率プロファイルは、２つの目的を果たすことができる。 すなわち、レンズ着用者を見る観察者から電気活性セルを隠す助けをすることと、中間倍率を提供することとである。
【００４５】
この例において、電気活性レンズ７００は、レンズ７００の大部分を形成する遠距離視覚部分７０５と、垂直および水平の両方で偏心して中心位置からずれた位置に配置される電気活性セル部分７１０と、を含む。 電気活性セル部分７１０は、中心倍率ゾーン７１１と、中間倍率ゾーン７１２と、外側倍率ゾーン７１３とを有し得る。
【００４６】
倍率プロファイル７１５は、電気活性セル７１０用の目標プロファイルを例示する。 セル７１０は、回折要素かまたは慎重なピクセル化で作られ得るので、実際の倍率プロファイルは、近接する要素またはピクセルの間にわずかな不連続があってもよいように、完全に滑らかでなくてもよい。 １つの実施形態において、セル７１０の中心ゾーン７１１は大半が所望の追加倍率を有してもよく、１０〜２０ｍｍ幅であってもよく、好適な幅は１０〜１５ｍｍである。 中心ゾーン７１１から外向きに動くと、中間ゾーン７１２であり、これは、２〜１０ｍｍ幅の倍率移行領域であってもよく、好適な幅は３〜７ｍｍである。 中間ゾーン７１２の中心は、所望の読書倍率のおよそ半分であってもよい。 外側ゾーン７１３は、１〜１０ｍｍ幅であってもよく、好適な幅は２〜７ｍｍであり、半分の追加倍率を有して、中間ゾーン７１２から距離視覚部分７０５へ移行を提供するために使用されてもよく、そこで倍率は遠距離倍率になる。
【００４７】
別の倍率プロファイル７２０は、電気活性セル７１０の別の実施形態を例示する。 この実施形態において、中心ゾーン７１１は、読書ゾーンを形成してもよく、好ましくは、１０〜２０ｍｍ幅の間かまたはそれよりも広い。 中心ゾーン７１１の外部で、倍率は、中間ゾーン７１２で読書倍率の半分に低下する。 中間ゾーン７１２は、２〜１０ｍｍ幅であってもよく、好適な幅は３〜７ｍｍである。 再度、外側ゾーン７１３を使用して、中間から遠距離倍率へ融和してもよく、２〜７ｍｍの好適な幅を有し得る。
【００４８】
第３の倍率プロファイル７２５は、電気活性セル７１０の別の実施形態を例示する。 この実施形態において、中心ゾーン７１１は、再度、大半が所望の追加倍率を提供するが、より広くてもよく、おそらく３０ｍｍほどの広さであってもよく、好適な幅は１０〜２０ｍｍである。 中間および外側のゾーン７１２、７１３は、遠距離倍率へ移行するために使用されてもよく、３〜６ｍｍの好適な幅のために組み合わされ得る。
【００４９】
多くの倍率プロファイルがあってもよいことが理解され得る。 例えば、電気活性領域が、図１に示されるように、レンズ全体を取り囲む場合には、倍率の移行および融和は、より大きな寸法にわたって発生することができる。
【００５０】
電気活性レンズの各個別セルに同一のまたはわずかに異なる倍率プロファイルを使用して、レンズの効果的な倍率プロファイルを最適化し得る。 例えば、複屈折を修正する際に、各セルの同一の倍率プロファイルを使用し得る。
【００５１】
レンズの電気活性部分、レンズ自体、または、電気活性部分とレンズとの両方が、丸いか、長円形か、楕円形か、矩形か、方形か、半円か、丸みを帯びた隅を有する矩形か、逆コの字型か、垂直方向に長い長さを有し水平方向に短い長さを有する矩形か、幾何学的形状の組み合わせか、または、特定の用途に望ましいような他のいずれの幾何学的形状であてもよいことが理解され得る。
【００５２】
図８は、本発明の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を備えた電気活性レンズの側断面図である。 この実施形態において、電気活性レンズ８０５は、レンズ着用者の眼８１０の前部に配置されて、例えば、眼鏡として作用し得る。 したがって、レンズ８０５は、レンズ着用者に、近見視覚、中間視覚および遠見視覚を与え得る。 電気活性レンズが光学的に作動されないときには、レンズ８１０全体の倍率は、レンズ着用者の遠見視力を矯正するように、必要な屈折力を有し得る。 電気活性領域が光学的に有効になるように電気活性セルが作動されるときに、中間ゾーン８１５は、電気活性レンズのレンズ着用者がまっすぐ前を見るときに本質的に視野の法線のまわりに中心を置くことができる。 中間ゾーン８１５の垂直幅は、６〜１５ｍｍの間であることができ（３〜７ｍｍである２つ半分の合計）、好適な垂直幅は６〜８ｍｍである。 電気活性領域の読書（または近見）ゾーン８２０は、レンズ着用者が正常な読書姿勢中にレンズを通して見ている場所を表す高さに中心が置かれてもよく、ほぼ半分の垂直幅はレンズのこの点に中心を置いてもよい。 読書ゾーン８２０の垂直幅は１０〜２０ｍｍの間であることができ、好適な垂直幅は１２〜１６ｍｍである。 読書ゾーン８２０の水平幅および垂直幅は、円形読書ゾーンでは等しくてもよい。 中間ゾーン８１５の水平幅は、読書ゾーン８２０のサイズおよび中間ゾーン８１５の垂直幅に依存して変動し得る。
【００５３】
図９は、本発明の異なる実施形態にしたがって近見視力および中間視力を備えた電気活性レンズの側断面図である。 この実施形態において、電気活性レンズ８０５は、レンズ着用者の眼８１０の前部に配置されて、例えば、眼鏡として作用し得る。 再度、レンズ８０５は、レンズ着用者に、近見視覚、中間視覚および遠見視覚を与え得る。 この実施形態は、近見視力および中間視力のゾーン８１５、８２０と電気活性レンズ８０５の残りとの間に、融和ゾーン９０５、９１０、９１５を提供し得る。 これらの融和ゾーンは、有利なことに、倍率ゾーン境界の美的性質を改良してもよく、任意に、光学的に使用可能な倍率移行を果し得る。
【００５４】
例えば、融和ゾーン９０５は、おそらく２〜８ｍｍ幅であり、中間ゾーン８１５の頂部より上に配置され得る。 融和ゾーン９１０は、おそらく２〜６ｍｍ幅であり、中間ゾーン８１５と読書（または近見）ゾーン８２０との間に配置され得る。 融和ゾーン９１５は、読書ゾーン８２０の底部に配置され得る。 レンズ８０５の電気活性領域が円形でありレンズ８０５の中心で倍率が対称的である場合には、融和ゾーン９１５は、融和ゾーン９０５、９１０の複製であってもよい。 他方、レンズ８０５の電気活性領域が電気活性領域の水平中心線に対して非対称である場合には、融和ゾーン９１５は、レンズ８０５の底部で読書倍率から遠距離倍率へ連続的に移行するだけであってもよい。 この場合、融和ゾーン９１５は、１〜２ｍｍの短さであってもよく、または、中間ゾーン８１５の幅と中間ゾーン８１５の各側の融和ゾーン９０５、９１０の幅との合計の広さであってもよい。 事実、融和ゾーン９１５は、所望により、レンズ８０５の下部縁へずっと続いてもよい。 レンズ８０５の倍率プロファイルは、例えば、図７の線７１５によって例示されるような、連続的な倍率プロファイルであってもよい。 図７に例示されるような倍率プロファイルは、パターン化された電極か、物理的に機械加工されたかまたはエッチングされた回折パターンか、または、他のいずれの類似機構かで達成され得る。 と理解され得る。
【００５５】
近見倍率および中間倍率を有する電気活性レンズは、有利なことに、レンズ着用者が必要とするときに、追加倍率および／または中間倍率を設定し得る。 例えば、着用者が遠くを見ているときには、着用者はもっとも広い視野で最良可能な距離矯正を果し得る（単一視力レンズと同一の高品質光学）。 対照的に、これは、累進屈折力レンズ（ＰＡＬ）のケースではない。 ＰＡＬ設計では、不必要な歪みおよびイメージの飛びの問題が、読書視力ゾーンおよび中間視力ゾーンのサイズおよび性質に障害を与えるだけではなく、遠見視力ゾーンに影響を与える可能性がある。 これは、多くのＰＡＬ設計が一定量の歪みを遠見視力ゾーン内に且つそのまわりに進ませてレンズ内の不必要な乱視の大きさを減少することができるため、発生しうる。 このような累進性は、業界では「ソフト」設計と称されることが多い。 したがって、本発明の実施形態は、近見視力および／または中間視力ゾーンを電気活性にすることによって、ＰＡＬ設計に見られるような、障害を排除し得る。
【００５６】
本発明の実施形態において、電気活性レンズは、電気活性ゾーンの自動制御用の距離計によって制御され得る。 この実施形態において、レンズ着用者は、近距離および中距離の物体を見るときに、自動的にオンにされる近見視力および中間視力の両方を有してもよく、着用者が遠距離の物体を見るときには、電気活性ゾーンは自動的にオフにされ遠見視力のみを提供する。
【００５７】
異なる実施形態において、電気活性レンズは、距離計に優先する手動オーバーライドを有し得る。 この実施形態において、手動オーバーライドは、電気活性レンズコントローラ上のスイッチまたはボタンで作動され得る。 ボタンまたはスイッチを押すことによって、着用者は手動で距離計を無効にし得る。 着用者は、次いで、遠見視力から近見視力または中間視力に、手動で切り換えてもよい。 あるいは、着用者が近距離または中距離の物体を見ていると距離計が検知するが、着用者は遠距離にある何かを見たい場合には、着用者は、手動オーバーライドのスイッチまたはボタンを押して、距離計制御を無効にして電気活性レンズを遠距離倍率に戻し得る。 手動オーバーライドは、有利なことに、例えば、着用者がガラスウインドウをきれいにするように試みて距離計が近距離または中間距離にガラスウインドウの存在を検出しないときに、着用者が手動で電気活性レンズを調整し得る。
【００５８】
図１０は、本発明の実施形態に従った電気活性レンズの例示的なカスケードシステムの例示である。 本発明の実施形態は、電気活性レンズをカスケードすることを含み、これは、順次的な簡単な切換および／またはプログラム可能な要素を使用することによって、高い切換複雑性を達成するための戦略を提供し得る。 これらのカスケードレンズは、可変屈折率を効果的に制御するために、例えばレーザー用光学部品、顕微鏡等の複雑な光学システムに使用され得る。 従って、複雑な適応可能電子レンズを制御するための接続の数およびレンズを通る光ビームを制御するための制御線の数は減少されてもよく、一方、カスケードのより簡単な要素のより全体的な複雑な機能性を提供する。 さらに、カスケード操作は、より良好な回折効率、プログラミング柔軟性、および、プログラミング複雑性の減少を可能にし得る。 このため、Ｒレンズの線形的連続は、各々がＮ焦点に対処することができ、Ｒ ^Ｎ分解可能焦点ほども対処することができ、乗法的分解能向上を想定する。
【００５９】
図１０において、２ステージカスケードシステム１０００は、２つの電気活性レンズ１０１０、１０２０を縦に一列に含む。 例において、電気活性レンズ１０１０はＮ１の分解能を有してもよく、電気活性レンズ１０２０はＮ２の分解能を有し得る。 そのため、カスケード１０００が乗法的カスケードであってもよいように、カスケード１０００の全体分解能は、ＮＲ＝Ｎ１＊Ｎ２であってもよい。 従って、入射光１００６は、カスケード１０００の第１のステージすなわち電気活性レンズ１０１０を通って、光線１０１６に分解され得る。 これら光線１０１６は、次いでカスケード１０００の第２のステージすなわち電気活性レンズ１０２０を通って、光線１０２６にさらに分解され得る。
【００６０】
電気活性レンズ１０１０、１０２０は、同心の透明な電極例えばループを有することができ、これは、電圧分配を提供するようにプログラムされてもよく、これが今度は、レンズ１０１０、１０２０の電気活性材料を作動し、所望のフェーズ分配を生成する。 例において、レンズは、半径方向に二次フェーズ分配を有し得る。 二次フェーズ関数は、線形フェーズ関数に加えられた線形チャープとして見ることができ、そこで線形フェーズ関数は、簡単な半径方向格子である。 チャープのため、線形フェーズ関数は、レンズの縁へ向けて「より速く」変動し得る。 したがって、二次フェーズ関数は、これを半径方向の一次元の関数として解釈することによって簡略化することができ、ビーム「撓み強度」は光軸からレンズの縁へ向けて直線的に増加する。 例えば、同心ループ電極は、直径Ｄｍｍの電気活性レンズ内の１ミリメートル当たりＬ電極の密度を有し得る。 高い回折効率を達成するために、１セル当たりｍ電極があってもよいように、ｍフェーズレベルがプログラムされ得る。 電気活性レンズの最大曲げ力がレンズの縁で使用され得る。 ため、Ｆ＃に限界があってもよく、それは、所与の幾何に達成することができる。 ｍフェーズレベルで、レンズの縁における期間Λは、Λ＝ｍ（１０００μｍ／Ｌ）である。 そのため、対応するＦ＃＝λ／Λであり、ただし、λは設計波長である。 したがって、電気活性レンズ７１０、７２０をカスケードすることによって、より小さなＦ＃レンズを達成することができる。
【００６１】
カスケードをプログラミングする従来のアプローチにおいて、カスケードのステージが個別にプログラムされるため、効率に損失がある傾向がある。 この問題を克服するため、本発明の実施形態において、ステージは、例えば、離散型オフセットバイアスプログラミングアルゴリズムを使用して、一緒にプログラムされ得る。 このジョイントアプローチは、有利なことに、カスケードの第２ステージにおけるいずれの定量化エラーを排除してもよく、それによって高い回折効率を得る。
【００６２】
図１１は、従来のカスケードによって生成されるエラー定量化を例示し、カスケードステージは個別にプログラムされている。 この場合、カスケードの各要素は定量化エラーを有し、これは、カスケード操作のため、所望の回折オーダにおける効率に有意に影響を与え、より高い回折オーダにサイドローブを導入し、結果としてノイズまたはぼやけを生じる。
【００６３】
図１２は、本発明に従ったカスケードにおけるエラー定量化の排除を例示し、カスケードステージは一緒にプログラムされ得る。 例えば、離散型オフセットバイアスアルゴリズムを使用して、電気活性レンズをプログラムし且つレンズ性能を最適化し得る。 プログラミング戦略は、カスケードの第１のレンズ１０１０の要素に不完全なブレージングを可能にしてもよく、第２ステージの第２のレンズ１０２０に生成された一定のフェーズシフトを使用することによって異なるブレーズの間のいずれのフェーズ不整合を矯正し得る。 このプログラミング戦略で、第１のレンズ１０１０は、導入されるエラーにかかわらず入射光１００６をレンズ１０１０の焦点に合わせるようにプログラムされ得る。 これは、結果として、結果として得られる光線１０１６の不完全ブレーズになり、これは今度は破壊的な干渉を引き起こす可能性があり、且つ、所望の焦点を失う可能性がある。 第２のレンズ１０２０は次いで、ステージ１によって通った傾斜波面光線１０１６へ一定のフェーズのずれを導入するようにプログラムされてもよく、そのため、ステージ２からの出力光線１０２６は、局所ビームの傾斜波面のすべては、相対フェーズで矯正され得る。 カスケードプログラミングのこの形態で、光線１０２６の中央回折ローブの強度は、最大にされてもよく、偽ノイズローブは生成されなくてもよい。
【００６４】
このプログラミングアプローチは、対処可能な電極を備えたピクセル化電極パターンを含む上述の電気活性レンズ設計のすべてに適用され得る。
【００６５】
電気活性レンズの液晶配向層を生成して、ホモジーナス（平面）およびホメオトロピック（垂直）配向のいずれかを達成することができる。 ホモジーナス配向を有する液晶層の実施形態において、紫外線感光材料には、線形偏光紫外線光が照射されてもよく、次いで、フォトフィジカルプロセスを通って異方性表面アンカー力を生成する。 結果として得られた材料は、ホモジーナス配向を有する。 このような材料の１つの例として、ポリビニルシンナメートが挙げられる。 別の実施形態において、薄いポリマーフィルムが機械的に摩擦され、材料をホモジーナス配向させてもよい。 この材料の１つの例として、ポリビニルアルコールが挙げられる。
【００６６】
ホメオトロピック配向を有する液晶層の実施形態において、例示的な材料として、一般的にはレチシンと称されＬ−αホスファチジルオコリンと呼ばれる一般的な生物学的化合物、および、オクタデシルトリエトキシシラン（ＯＤＳＥ）、すなわち、好適なやり方で基板の表面にそれ自体が接着する長炭化水素鎖を有する材料、が挙げられる。 これらの材料は、活性レンズ基板の表面を疎水性にし、これが今度は液晶分子の疎水性端を引き付け、ホメオトロピックに配向させる。
【００６７】
図１３は、本発明の電気活性レンズの実施形態に駆動電圧波形を提供するために使用され得る。 電子回路の実施形態を例示する。 この実施形態において、電子回路は、「フライイングコンデンサ」回路１３００である。 フライイングコンデンサ回路１３００は、例えば、スイッチ１３０１〜１３０５、コンデンサ１３２０、１３２２、および、増幅器１３３０を有し得る。 スイッチ１３０１〜１３０５は、コンデンサ１３２０、１３２２および増幅器１３３０へ印加される電圧を制御するために開閉され得る。 従って、回路１３００からの出力波形のフェーズが、制御され遅延され得る。 この制御フェーズ遅延を使用して、電気活性レンズへ可変電圧を与え得る。 フライイングコンデンサ回路１３００およびその結果として生じる波形の使用は、出力の可変のピークからピークへの電圧および非常に小さなＤＣ構成要素を、結果として生じる波形へ与えても良い。 したがって、フライイングコンデンサ回路１３００は、有利なことに、制御フェーズ遅延を使用して、多焦点眼科用レンズを形成し得る。 結果として生じる波形は、例えば、方形波であってもよく、または、レンズの用途に依存して、電気活性レンズを駆動することができる他のいずれの波形であってもよい。
【００６８】
本発明の様々な実施形態が上記に呈されているが、本発明の同一の精神および範囲に従った他の実施形態も妥当と思われる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に従った電気活性レンズの側断面図である。
【図３】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図４】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの分解断面図である。
【図５】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの側断面図である。
【図６】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズを作動するのに使用される電気同心ループの正面図である。
【図７】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズの例示的な倍率プロファイルの図である。
【図８】本発明のさらなる別の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を提供する電気活性レンズの側断面図である。
【図９】本発明のさらなる別の実施形態にしたがって近見視力および中間視力を提供する電気活性レンズの側断面図である。
【図１０】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズのカスケードシステムの図である。
【図１１】従来のカスケードシステムに生成されたエラー定量化を例示する図である。
【図１２】本発明のさらなる別の実施形態に従った電気活性レンズのカスケードシステムによって排除されるエラー定量化を例示する図である。
【図１３】本発明の電気活性レンズの実施形態に駆動電圧波形を提供するフライイングコンデンサ回路図を例示する図である。