(57)【要約】  円柱（および、球面）レンズ形状を、一連の両屈折力、および円柱軸にわたって生み出すこと、および／または、測定することができる、光学デバイス、システム、および方法を提供する。液体焦点レンズが、電位を利用して、相異なる屈折率を持つ２つの非混和性液体の間の液体／液体界面の形状を、その界面と周囲の容器壁との間の局所的な角度を制御することによって変更する。球面屈折力、円柱屈折力、円柱アクセスのアラインメントを、可動部分なしで（液体以外には）変更することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている、少なくとも１つのハウジングと、
１つ以上の液体／液体界面を形成するように、前記少なくとも１つのオープニング内に配置されている複数の液体と、
複数のエレクトロウェッティング電位を印加するように、前記少なくとも１つのオープニングに結合されている電位ソースであって、第１の入力に応じて、前記１つ以上の液体／液体界面が、前記光路の少なくとも１つの円柱向きを変化させるように、前記エレクトロウェッティング電位の少なくとも１つを変更するように構成されているソースと、
を備えてなる光学装置。
【請求項２】
前記１つ以上の液体／液体界面が、第２の入力に応じて、球面屈折力を変更するように、また、前記１つ以上の液体／液体界面が、第３の入力に応じて、円柱屈折力を変更するように、前記ソースが、第２の入力に応じて、前記少なくとも１つのエレクトロウェッティング電位を変えるように構成されており、前記１つ以上の液体／液体界面が、前記光路に沿う球・円柱屈折力を持つ請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのハウジングが、内部に第１の液体／液体界面を持つ第１のオープニングと、内部に第２の液体／液体界面を持つ第２のオープニングと、を決めており、前記第１のオープニングと前記第２のオープニングとが、各々、矩形断面を有しており、
第１のエレクトロウェッティング電位の変更が、前記第１の液体界面の第１の可変円柱屈折力に変化を生じさせ、前記第１の可変円柱屈折力が、前記光路と交差して、水平方向に延びる第１の円柱向きを持ち、
第２のエレクトロウェッティング電位の変更が、前記第２の液体界面の第２の可変円柱屈折力に変化を生じさせ、前記第２の可変円柱屈折力が、前記光路と交差して、水平方向に延びる第２の円柱向きを持ち、
前記第１の円柱向きが、前記光路の周りに、前記第２の円柱向きから角度的にずれる、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つのハウジングが、内部に第３の液体／液体界面を持つ第３のオープニングを決めており、前記第３のオープニングが、矩形断面を有しており、
第３のエレクトロウェッティング電位の変更が、前記第３のオープニング内に配置された第３の液体／液体界面の第３の可変円柱屈折力に変化を生じさせ、前記第３の可変円柱屈折力が、前記光路と交差して、水平方向に延びる第３の円柱向きを持ち、前記第３の円柱向きが、前記光路の周りに、前記第１と前記第２の円柱軸から角度的にずれる、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の円柱向きが、前記第２の円柱向きに実質的に直交し、また、前記第３の円柱向きが、約４５度だけ、前記第１の円柱向きから角度的にずれる請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１のオープニングの、対向し合う側部に沿う第１、第２の電極、および、前記第２のオープニングの、対向し合う側部に沿う第３、第４の電極を、さらに備える請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記ハウジングが、前記光路の周囲に配置された壁を備え、前記壁を巡る周縁に分布した、複数の導電体をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記導電体が、電極アレイを定めており、前記アレイの各電極が、前記アレイの２つの隣接する電極の間の周縁に配置されていて、それらの電極から電気的に絶縁されている請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記パワー・ソースが、前記光路の周囲に、一連の周縁電位を印加する請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記一連の電位が、ＤＣ電圧の、実質的に正弦波であるパターン（以下、正弦波パターンと言う）を有し、そして、前記パワー・ソースが、第２の入力に応じて、前記正弦波パターンの振幅を変更して、前記光路に沿う円柱屈折力を変更するように構成されている請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記パワー・ソースが、前記第１の入力に応じて、前記光路の周囲に、前記正弦波電圧パターンを回転させるように構成されている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記パワー・ソースが、第３の入力に応じて、前記パターンの平均電圧を変更して、前記光路に沿う球面屈折力を変えるように構成されている請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光学装置が、前記少なくとも１つのハウジング内の前記液体の移動を、前記装置の他の移動を生じさせることなく、生じさせることによって、第２の入力に応じて円柱屈折力を変更し、また、前記第１の入力に応じて前記円柱向きを変更する請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも−２０．０ジオプタから少なくとも約＋２０．０ジオプタまでの範囲にわたって前記円柱屈折力を変更することができ、約１８０度にわたって前記円柱向きを変更することができ、そして、少なくとも−６．０から少なくとも＋６．０までの範囲にわたって球面屈折力を変更することができる請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記パワー・ソースがプロセッサを備え、前記プロセッサが、前記第１と前記第２の入力に応じて、前記複数のエレクトロウェッティング電位を決定する請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記プロセッサが、さらに、第３の入力に応じて、前記エレクトロウェッティング電位を決定して、前記光路に沿う球面光学屈折力を変更する請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
光路が通り抜ける第１の角柱形のオープニングを持つ第１のハウジングであって、前記第１のオープニングが、第１の表面と第２の表面を持っており、前記第２の表面が、中間に前記光路を置いて、前記第１の表面からずれている、ハウジングと、
前記第１と前記第２の表面を横切る第１の液体／液体界面を形成するように、前記オープニング内に配置されている複数の液体と、
前記第１と前記第２の表面に第１の可変電位を印加して、前記光路に沿う、前記液体／液体界面の第１の可変円柱屈折力を変化させるために、前記第１と前記第２の表面に結合されている電位ソースと、
を備えてなる液体円柱レンズ装置。
【請求項１８】
前記第１の可変円柱屈折力が、前記第１のオープニングの端部表面を横切る第１の向きを持ち、前記電位ソースが前記端部表面に他の電位を印加し、前記他の電位が、前記第１の電位と異なる請求項１７に記載の液体円柱レンズ装置であって、さらに、
第２のオープニングを持つ第２のハウジングであって、前記第２のオープニングが、中間に前記光路を置く第３の表面と第４の表面を持っている、第２のハウジングと、
前記第２のオープニング内に配置されている複数の液体であって、それらの複数の液体の間に第２の液体／液体界面を決めている複数の液体と、
前記第３と前記第４の表面に第２の可変電位を印加して、第２の向きを持つ第２の可変円柱屈折力を変化させるために、前記第３と前記第４の表面に結合されている前記パワー・ソースであって、前記第２の向きが、前記第１の向きに対して、前記光路の周りに角度的にずれている、前記パワー・ソースと、
第３のオープニングを持つ第３のハウジングであって、前記第３のオープニングが、中間に前記光路を置く第５の表面と第６の表面を持っている、第３のハウジングと、
前記第３のオープニング内に配置されている複数の液体であって、それらの複数の液体の間に第３の液体／液体界面を形成させている複数の液体と、
前記第５と前記第６の表面に第３の可変電位を印加して、第３の向きを持つ第３の円柱屈折力を変化させるために、前記第５と前記第６の表面に結合されている前記電位ソースであって、前記第３の向きが、前記第１と前記第２の軸から角度的にずれていて、前記液体円柱レンズ装置が、前記光路に沿う球面屈折力、前記光路に沿う円柱屈折力、前記光路に沿う円柱向きを変更することが可能である、前記電位ソースと、
を備えてなる液体円柱レンズ装置。
【請求項１９】
軸方向に延びる光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている、少なくとも１つのハウジングと、
少なくとも１つの液体／液体界面を形成するように、前記少なくとも１つのオープニング内に配置されている複数の液体と、
前記光路を囲む周縁に分布している複数の導電体と、
前記複数の導電体に、複数の相異なるエレクトロウェッティング電位を同時に印加するように、前記導電体に結合されている電位ソースであって、前記液体／液体界面を変えて、前記光路に沿う球・円柱屈折力を制御可能に変更するように構成されているソースと、
を備えてなる光学装置。
【請求項２０】
前記ソースは、
前記１つ以上の液体／液体界面が、円柱向きを、前記光路の周囲に回転させるように、第１の入力に応じて、
前記１つ以上の液体／液体界面が、前記光路に沿う球面屈折力を変更するように、第２の入力に応じて、そして、
前記１つ以上の液体／液体界面が、円柱屈折力を変更するように、第３の入力に応じて、
前記エレクトロウェッティング電位を変えるように構成されている請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのハウジングが、内部に第１の液体／液体界面を持つ第１のオープニングと、内部に第２の液体／液体界面を持つ第２のオープニングを決めており、前記第１と前記第２のオープニングが、各々、矩形断面を有する請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記複数の導電体が、前記第１のオープニングの対向し合う側部に沿う第１と第２の電極、および、前記第２のオープニングの対向し合う側部に沿う第３と第４の電極を有する請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ハウジングが、前記光路の周囲に配置された壁を備え、そして、前記壁を巡る周縁に分布した、複数の導電体をさらに備える請求項１９に記載の装置。
【請求項２４】
前記パワー・ソースが、前記光路の周囲に、ＤＣ電圧の、実質的に正弦波である周縁パターンを印加する請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている、少なくとも１つのハウジングと、
１つ以上の液体／液体界面を形成するように、前記少なくとも１つのオープニング内に配置されている複数の液体と、
前記少なくとも１つのオープニングに近接している複数の導電体と、
少なくとも１つのエレクトロウェッティング電位を印加するために、前記導電体に結合されている電位ソースと、
を備えてなるフォロプタまたは自動レフラクタであって、前記ソースが、前記１つ以上の液体／液体界面を変えて、
前記光路に沿う球面屈折力と、
前記光路に沿う円柱屈折力と、
前記光路に沿う円柱向きと、
のなかから選択された１つ以上の特性を、制御可能に変更するように構成されている、フォロプタまたは自動レフラクタ。
【請求項２６】
少なくとも１つのエレクトロウェッティング電位を印加することによって、光路に沿う円柱向きを変化させるように、１つ以上の液体／液体界面を設定するステップ、
を含む、液体レンズの光学方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの電位を変化させることによって、前記光路に沿う球面屈折力を増加させるように、前記１つ以上の液体／液体界面を再設定するステップ、
をさらに含む請求項２６に記載の光学方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの電位を変化させることによって、前記円柱屈折力の円柱向きを変化させるように、前記１つ以上の液体／液体界面を再設定するステップ、
をさらに含んでなる請求項２７に記載の光学方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの電位に応じて、かつ、前記光路に沿う他の動きを伴うことなく、液体を動かすことによって、円柱屈折力、円柱向き、球面屈折力が、制御可能に変更される請求項２８に記載の光学方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの液体／液体界面の第１の曲率と、前記少なくとも１つの液体／液体界面の、前記第１の曲率と異なる第２の曲率と、を同時に実現するように、前記光路の周囲で、複数の、周縁に沿って相異なるエレクトロウェッティング電位を同時に印加して、光路によって横切られる、少なくとも１つの液体／液体界面を形成するステップ、
を含む液体レンズの光学方法。
【請求項３１】
前記第１の曲率と、前記第２の曲率とは、単一の液体／液体界面に沿って配置され、そして、前記光路の軸の周りに、角度的にずれ合う請求項３０に記載の光学方法。
【請求項３２】
前記第１の曲率が平坦であり、前記液体／液体界面が円柱レンズを形成する請求項３１に記載の光学方法。
【請求項３３】
前記第１と前記第２の曲率が、平坦でない請求項３１に記載の光学方法。
【請求項３４】
前記液体／液体界面が、球・円柱レンズを形成する請求項３３に記載の光学方法。
【請求項３５】
前記液体／液体界面が、非球・円柱レンズを形成する請求項３３に記載の光学方法。
【請求項３６】
光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている、少なくとも１つのハウジングと、
少なくとも１つの液体／液体界面を形成するように、前記少なくとも１つのオープニング内に配置されている複数の液体と、
前記少なくとも１つのオープニングに結合されている電位ソースであって、複数のエレクトロウェッティング電位を同時に印加し、それによって、前記少なくとも１つの液体／液体界面が、球面屈折力と円柱屈折力を制御可能に変化させるように、構成されているソースと、
を備えてなる光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、光学デバイス、光学システム、光学方法に関するものであり、一実施態様において、例えば、人間の眼の屈折異常の矯正を可能にするように、球面屈折力および／または円柱屈折力に関して調整することができる液体レンズを提供する。
【背景技術】
【０００２】
人間の眼の屈折異常は、自覚的手法と他覚的手法の両方を含む、様々な方法で測定されている。眼の自覚的測定は、眼の前に矯正用レンズまたは矯正用光学システムを位置させ、その結果生じる矯正視力の制御されたテストを実施することによって、行うことができる。それらの視力テストは、通常、被験者に、その被験者が相応のターゲット画像を精密に調べているときに、改善された視力をもたらす球・円柱矯正を見極めるために用いられる。
【０００３】
自覚的屈折測定を実施するとき、一連の別々の検眼レンズが、テストの被験者の眼の前に置かれる。多くの自覚的屈折テストにおいて、被験者は、フォロプタ、すなわち、レンズ列を持つ機器をのぞく。フォロプタのレンズが、眼の前に、順番に連続して置かれ、被験者は、多くの場合、最も改善された視力がもたらされるように、２つ以上の選択的なレンズ組み合わせのいずれかを選ぶ。最新のフォロプタには、レンズを移動させる、または、選択する電動機構を持つものもあるが、ほとんどは、手動式デバイスのままである。
【０００４】
人間の屈折異常の自覚的測定に加えて、人間の眼の他覚的測定を実現することを目的とした、種々の構造がある。他覚的測定は、例えば、種々の自動レフラクタによってなすことができる。それらの機器は、多くの場合、調整範囲の全体にわたって、眼の球面異常だけを矯正するか、あるいは眼の球・円柱異常を矯正することもできる、可変矯正光学ユニットを持っている。自動レフラクタは、モータ、ギヤ、スライダ、軸受、滑車、および／または、その他同様のものを用いて、光学ユニットの球面（および、多くの場合、円柱）の屈折力を変える。それらの移動用部品は、自動レフラクタを、複雑にし、大型にし、磨耗・破損し易くし、そして、非常に高価なものにし勝ちである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に照らして、改良された光学デバイス、光学システム、光学方法を提供することは有利なことである。これらの改良が、球面異常、円柱異常、トロイダル面異常、その他のあり得る異常の調整、矯正、および／または、測定を、特に人間の眼の異常の測定のために、可能にすれば、特に有益である。多数の選択レンズに依存することなく、また、モータ、ギヤ、スライダ、軸受、滑車、既知の眼測定システムの他の移動用部品なしに、これらの改良を実現することができれば、特に有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、全体に、改良された光学デバイス、光学システム、光学方法を提供する。本発明の実施態様は、一連の屈折力と円柱軸にわたって、球・円柱形状、円柱球面形状、その他のレンズ形状を生み出すことができる。本発明は、多くの場合、電位を利用して、液体／液体界面の形状を変更する液体焦点レンズを用いる。相異なる屈折率を持つ２つの非混和性液体の間の液体／液体界面は、周囲の容器壁に対する界面の位置および／または角度を変更することによって、変えることができる。いくつかの実施態様において、容器は、矩形角柱の形状を持ってもよく、角柱の対向し合う側部壁に電位を印加することによって、（任意選択に、それと異なる電位を、角柱の端部壁に印加して、）円柱レンズが、形成される。代替実施態様において、球面屈折力と円柱屈折力の両方、および、他の屈折力を変更させるために、光路を囲む周縁に分布した一連の電極を持つ、実質的に円筒形状の容器を用いてもよい。人間の視力調整の全範囲にわたって、可変球面屈折力、可変円柱屈折力、可変円柱向きを、単独で供給するときでさえ、なんらの可動部（液体以外には）も利用しないということが有利である。
【０００７】
第１の態様において、本発明は、光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている少なくとも１つのハウジングを備えてなる光学装置を提供する。複数の液体が、１つ以上の液体／液体界面を定めるように、少なくとも１つのオープニング内に配置されている。電位ソースが、少なくとも１つのオープニングに結合されている。そのソースは、第１の入力に応じて、１つ以上の液体／液体界面の円柱向きを変化させるように、少なくとも１つのエレクトロウェッティング電位を変更するように構成されている。
【０００８】
ソースは、第２の入力に応じて、少なくとも１つのエレクトロウェッティング電位を変更して、円柱屈折力を変化させるように、および／または、第３の入力に応じて、少なくとも１つのエレクトロウェッティング電位を変更して、１つ以上の液体／液体界面が、球面屈折力を変更するように、構成してもよい。球面屈折力は、実質的に、人間の眼の球面異常の完全範囲に対応するために、少なくとも約−２０．０ジオプタから、少なくとも約＋２０．０ジオプタまでの範囲にわたって変更することができるのが好ましい。同様に、装置は、光学装置が、実質的に、人間の眼の円柱異常の完全範囲を補正することができるように、少なくとも−６．０ジオプタから、少なくとも＋６．０ジオプタまでの範囲にわたって変更することができる円柱屈折力、少なくとも約９０°、任意選択には、少なくとも約１８０°、の範囲にわたって可変である円柱向きを持つのが好ましい。
【０００９】
任意選択に、少なくとも1つのハウジングが、内部に第１の液体／液体界面を持つ第１のオープニングと、内部に第２の液体／液体界面を持つ第２のオープニングとを形成してもよい。第１と第２のオープニングは、各々、光路から見て矩形の断面を有している。第１のエレクトロウェッティング電位の変更が、第１の液体／液体界面の第１の可変円柱屈折力に変化を生じさせてもよく、第１の可変円柱屈折力が、光路と交差して、水平方向に延びる第１の円柱向きを持つ。第２のエレクトロウェッティング電位の変更が、第２の液体／液体界面の第２の可変円柱屈折力に変化を生じさせ、第２の可変円柱屈折力が、光路と交差して、水平方向に延びる第２の円柱の向きを持つ。第１の円柱向きが、光路の周りに、第２の円柱向きから角度的にずれてもよい。
【００１０】
少なくとも１つのハウジングが、内部に第３の液体／液体界面を持つ第３のオープニングを形成していてもよく、第３のオープニングが、矩形断面を有している。第３のエレクトロウェッティング電位の変更が、第３のオープニング内に配置された第３の液体／液体界面の第３の可変円柱屈折力に変化を生じさせてもよい。第３の可変円柱屈折力が、光路と交差して、水平方向に延びる第３の円柱向きを持ち、第３の円柱向きが、光路の周りに、第１と第２の円柱軸から角度的にずれる。例えば、第１の円柱向きが、第２の円柱向きに実質的に直交し、また、第３の円柱向きが、約４５度だけ、第１の円柱向きから角度的にずれてもよい。
【００１１】
多くの実施態様において、第１、第２の電極を、第１のオープニングの、対向し合う側部に沿って配置する。同様に、第３、第４の電極を、第２のオープニングの、対向し合う側部に沿って配置し、そして、第、第６の電極を、第３のオープニングの、対向し合う側部に沿って配置してもよい。各オープニングの両側部に、共通のエレクトロウェッティング電位を容易に印加することができるように、各オープニングの、対向し合う側部に沿う電極を電気的に結合してもよい。オープニングの両側部に沿うエレクトロウェッティング電位を変更することによって、矩形オープニングの側部と、そのオープニング内の液体／液体界面との間に定められる角度を制御可能に変更することができ、および／または、その電位に隣接している容器壁ぎわの液体／液体界面の位置を変更することができる。特に、例えば、各矩形オープニングの各端部に、適切なエレクトロウェッティング電位の端部電極を設けることによって、矩形オープニング（対向し合う両側部を接続している）の端部が、液体／液体界面と端部表面との間の角度を、９０°に保持するように構成されている場合に、これを用いて、液体／液体界面の円柱屈折力を可変に制御することができる。
【００１２】
いくつかの実施態様において、ハウジングが、光路の周囲に配置された壁を備え、その壁を巡る周縁に分布した、複数の導電体をさらに備えていてもよい。導電体が、電極アレイであり、そのアレイの各電極が、アレイの２つの隣接する電極の間の周縁に配置されて（そして、それらの電極から電気的に絶縁されて）いてもよい。多くの場合、この周縁アレイには、５個以上の電極が存在し、任意選択に、８個以上の電極があり、そして、いくつかの実施態様においては、１０個以上の電極がある。パワー・ソースが、光路の周囲に、一連の周縁電位を印加する。一連の電位が、ＤＣ電圧の、実質的に正弦波であるパターンを有していてもよい。パワー・ソースが、第２の入力に応じて、正弦波パターンの振幅を変更するように構成されていてもよい。パワー・ソースが、さらに、第１の入力に応じて、光路の周りに、正弦波電圧パターンを回転させるように構成されていてもよい。パワー・ソースが、第３の入力に応じて、パターンの平均電圧を変更して、光路に沿う球面屈折力を変えるように構成されているのが好ましい。
【００１３】
多くの実施態様において、光学装置が、少なくとも１つのハウジング内の液体の移動を、装置の他の移動を生じさせることなく、生じさせることによって、円柱屈折力と円柱向きを変更してもよい。パワー・ソースが、プロセッサを備えていて、プロセッサが、第１および第２の入力に応じて、複数のエレクトロウェッティング電位を決定してもよい。プロセッサが、さらに、第３の入力に応じて、エレクトロウェッティング電位を決定して、光路に沿う球面光学屈折力を変更してもよい。少なくとも１つの液体／液体界面は、任意選択に、光路に沿う有意の球面屈折力を持たずに、純然たる円柱レンズとして働くことが可能である。
【００１４】
別の一態様において、本発明は、光路が通り抜ける第１の角柱形のオープニングを持つ第１のハウジングを備える液体円柱レンズ装置を提供する。第１のオープニングが、第１の表面と第２の表面を持っており、第２の表面が、中間に光路を置いて、第１の表面からずれている。複数の液体が、第１、第２の表面を横切る第１の液体／液体界面を定めるように、オープニング内に配置されている。第１、第２の表面に第１の可変電位を印加して、光路に沿う、液体／液体界面の第１の可変円柱屈折力を変化させるために、電位ソースが第１、第２の表面に結合されている。
【００１５】
第１の可変円柱屈折力は、多くの場合、第１のオープニングの端部表面を横切る第１の向きを持つ。電位ソースが、端部表面に他の電位を印加してもよく、他の電位は、特に、第１の円柱屈折力がゼロとは異なるときに、第１の電位と異なる。液体円柱レンズ装置は、さらに、中間に光路を置く第３の表面と第４の表面を持つ第２のオープニングを持っている第２のハウジングを備えていてもよい。複数の液体が、第２の液体／液体界面を定めるように、第２のオープニング内に配置されている。パワー・ソースが、第２の可変円柱屈折力を変化させる第２の可変電位を、第３、第４の表面に印加するために、第３、第４の表面に結合されていている。第２の可変円柱屈折力は、第１の向きに対して、光路の周りに角度的にずれている第２の向きを持っている。第３のハウジングが、第３のオープニングを持っていている。第３のオープニングが、この場合も、中間に光路を置く第５の表面と第６の表面を持っている。今度も、複数の液体が、第３の液体／液体界面を定めるように、第３のオープニング内に配置される。電位ソースが、第３の可変電位を印加して、第３の向きを持つ第３の円柱屈折力を変化させるために、第５、第６の表面に結合されていている。第３の向きが、第１、第２の軸から角度的にずれていてもよく、それによって、装置が、光路に沿う球面屈折力、光路に沿う円柱屈折力、および、光路の周りの円柱向きを変更することが可能である。
【００１６】
さらに別の一実施態様において、本発明は、軸方向に延びる光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている、少なくとも１つのハウジングを備えた光学装置を提供する。複数の液体が、少なくとも１つの液体／液体界面を定めるように、少なくとも１つのオープニング内に配置されている。複数の導電体が、光路を囲む周縁に分布している。電位ソースが、複数の導電体に、複数の相異なるエレクトロウェッティング電位を同時に印加するように、導電体に結合されている。そのソースは、少なくとも１つの液体／液体界面を変えて、光路に沿う、少なくとも１つの球・円柱屈折力を制御可能に変更するように構成されている。
【００１７】
任意選択に、ハウジングは、実質的に円筒形状である壁、角形の壁、または、光路の周囲に延在する、他の形状の壁を備えていてもよい。導電体は、壁を巡る周縁に分布していてもよい。多くの場合に、４個以上の導電体が存在し、多くの場合に、５個以上の導電体であり、そして、多くの場合に、８個以上の導電体が、壁を巡る外縁に分布している。液体／液体界面を変えて、光路に沿う球面屈折力、および、任意選択に、円柱屈折力の円柱向き、を変更するように、ソースを構成してもよい。各導電体は、光路に沿って広がっていてもよく、そして、導電体に印加される平均電位を変更することによって、光路に沿う球面屈折力を変更してもよい。円柱屈折力と球面屈折力の提供に加えて、そのような構造は、他のアナモルフィック・レンズ形状を提供することもできる。電位は、外縁に沿って異なっていてもよく、そして、いくつかの実施態様において、複数のオープニングを利用してもよく、各オープニングが、１つの液体／液体界面を持ち、したがって、異なる電位の全てを、同一のオープニングの周りに印加する必要はない。
【００１８】
さらに別の一態様において、本発明は、光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている、少なくとも１つのハウジングを備えたフォロプタまたは自動レフラクタを提供する。複数の液体が、１つ以上の液体／液体界面を定めるように、少なくとも１つのオープニング内に配置されている。複数の導電体が、少なくとも１つのオープニングに近接して配置されており、そして、電位ソースが、少なくとも1つのエレクトロウェッティング電位を印加するように、導電体に結合されている。ソースが、１つ以上の液体／液体界面を変えて、光路に沿う球面屈折力と、光路に沿う円柱屈折力と、光路に沿う円柱向きと、のなかから選択された１つ以上の特性を、制御可能に変更するように構成されている。多くの実施態様において、電位ソースは、２つ以上の特性、多くの場合において、３つの特性の全て、を変えるように構成されている。
【００１９】
さらに別の一態様において、本発明は、少なくとも１つのエレクトロウェッティング電位を印加することによって、１つ以上の液体／液体界面を設定して、光路に沿う円柱の向きを変化させるステップを含む、液体レンズの光学方法を提供する。
【００２０】
多くの実施態様において、少なくとも１つの電位を変化させることによって、１つ以上の液体／液体界面を再設定し、円柱屈折力も、変化させることができる。少なくとも１つの電位を変化させることによって、光学軸に沿う球面屈折力を与えてもよい。少なくとも１つの電位に応じて、かつ、光路に沿う他の動きを伴うことなく、液体を動かすことによって、円柱屈折力、円柱向き、球面屈折力を制御可能に変更することができる。
【００２１】
さらに別の一態様において、本発明は、光路の周囲で、複数の、周縁に沿って相異なるエレクトロウェッティング電位を同時に印加することによって、光路によって横切られる、少なくとも１つの液体／液体界面を設定するステップを含む、液体レンズの光学方法を提供することができる。少なくとも１つの液体／液体界面の第１の曲率と、少なくとも１つの液体／液体界面の第２の曲率と、を同時に実現するように、電位を印加する。これは、単一の液体／液体界面を用いた、または、複数の液体／液体界面を用いた、可変球・円柱レンズを、任意選択に、提供することができる。
【００２２】
さらに別の一態様において、本発明は、光路が通り抜ける、少なくとも１つのオープニングを決めている、少なくとも１つのハウジングを備える光学装置を提供する。複数の液体が、少なくとも１つの液体／液体界面を定めるように、少なくとも1つのオープニング内に配置されている。少なくとも１つのオープニングに結合されている電位ソースが、複数のエレクトロウェッティング電位を同時に印加し、それによって、少なくとも１つの液体/液体界面が、球面屈折力および円柱屈折力を制御可能に変化させるように、構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、改良された光学デバイス、光学システム、光学方法を提供する。本発明は、多くの場合、液体レンズを用いて、特に、円柱軸すなわち円柱向き、円柱屈折力、球面屈折力、球・円柱特性、および／または、液体／液体界面の他の光学的性質を変更する。本明細書において記述される液体レンズの相対的に低い価格、小さなサイズ、軽い重量、製造の容易さは、通常の光学デバイス（双眼鏡、望遠鏡、カメラ、顕微鏡、内視鏡、さらにはメガネのような）に、それらの液体レンズを含ませることによって、それらのデバイスが、ユーザの眼の円柱異常および／または球面異常を補正することを可能にするであろう。本発明のデバイスと方法は、人間の眼の標準的な収差の測定および／または補正に特によく適しているが、それらは、さらに、光記録技術、光通信と信号処理、電気通信、デジタル・カメラ、カメラフォン、内視鏡、光と画像の投影、その他同様のものにおける応用を見出すであろう。
【００２４】
液体レンズは、屈折率の異なる２つの非混和性液体を有していてもよい。一方の液体は、例えば、導電性の水溶液であってもよく、一方、他方の液体は、非導電性の油を有していてもよい。液体レンズは、１つ以上のハウジング内に収容され、ハウジングの内側面は疎水性皮膜で被覆されていてもよい。一般論として、液体の分子は、互いに引きつけ合っている。各液体のバルクでは、全方向に等しい引力が、分子の相互作用と平衡を保っているが、液体の表面上の分子は、力の不平衡を受け、界面にエネルギーが存在する状態がもたらされる。このエネルギーが、界面張力を発生させる。疎水性皮膜は、液体の少なくとも一方の界面張力を増加させて、例えば、液体／液体境界と疎水性皮膜との間の接触角を変化させる。この界面張力は、また、疎水性皮膜と水溶液との間の接触を制限し、その結果、水溶液を、容器の一方の端部ぎわに、塊状に形成させて、液体／液体界面を、制御可能に湾曲させる。従って、この湾曲している液体／液体界面は、界面を横切る光路に沿ったレンズとして働く。
【００２５】
液体レンズの液体／液体界面の形状は、疎水性皮膜と交差して、その疎水性を少なくするような、１つ以上の電界を印加することによって調整することができる。このプロセスは、「エレクトロウェッティング」と呼ばれることもあり、液体／液体界面と、隣接する容器壁の表面との間の静止接触角に、電気的に変化を引き起こすことができる。壁ぎわの液体／液体界面の境界状態を変えることによって、その電位が、その壁ぎわの界面を、異なる境界の形に駆動し、そして、さらに、液体／液体界面の全体にわたって所望の屈折特性を持つ、新しい全体形状に駆動することができる。界面形状のこれらの変化は、固体容器壁と、液体／液体境界との間の静止接触角を変化させることによって引き起こすことができ、静止接触角の変化は、また、それに関係する界面張力を変えることによって引き起こすことができる。ひとたび、境界状態が、容器壁ぎわで、適切なエレクトロウェッティング電位によって設定されると、表面の残りの部分は、界面張力に伴う表面エネルギーを最小にするような、すなわち、界面の表面積を最小にするような形状をとる。
【００２６】
本発明の実施形態は、液体／液体界面の周界を巡る、液体／液体界面の境界状態を局所的に変更することによって、液体レンズの屈折特性を制御する。容器壁に対する液体／液体界面の境界状態、特に、静止接触角は、ウェッティング係数ＫをＫ＝ｃｏｓα（αが、液体／液体境界と容器壁との間の静止接触角である）としたとき、ウェッティング係数Ｋを用いて、任意選択に、以下のように決定することができる。
【数１】
2008521061.tif 000003
ここで、σffは、２つの液体間の界面張力であり、σsfpは、２つの液体のうちのより極性の強い方と、固体容器壁との間の界面張力であり、そして、σsfnは、無極性液体と、固体容器壁との間の界面張力である。相対的に強い分子間相互作用（したがって、大きな界面張力）を持つ液体（水のような）は、極性液体と呼ばれ、一方、より低い表面張力を持つ液体は、非極性液体と呼ばれる。本明細書において記述される液体レンズ内の非混和性液体ＡおよびＢは、多くの場合、１つの相対的極性液体、および、極性液体よりも極性の弱い、１つの相対的非極性液体を含んでいる。
【００２７】
容器表面と非混和性液体との間の電界を変化させると、固体容器壁と極性液体との間の界面張力を著しく変化させることができる。同じ電界の変化が、固体容器壁と非極性液体との間の界面張力には、より小さな変化しか引き起こさない（または、さらには、変化を引き起こさない、または、反対方向の変化を引き起こす）。この違いは、少なくとも部分的に、表面の分子に対する力の不均衡に関係している。極性液体の界面分子は、片側を、同様の分子によって囲まれ、そして、他の側を、異なる何かによって囲まれるとき、一般に、非常に大きな力を引き起こす。静電界を変化させることによって、これらの表面分子の、極性液体に対する、この比較的に強い引力を変化させることができ、それによって、界面張力の大きさを変化させることができる。容器壁ぎわの非極性分子は、同じ静電界変化によって、より小さな影響しか受けず、その結果、非極性液体の界面張力は、同じほどには変化しない。上記の式に見ることができるように、その式の分子（したがって、ウェッティング係数）は、一方の界面張力が変化し、他方の界面張力が変化しない（または、より小さくしか変化しない、または、反対方向に変化しさえする）とき、大きさの変化を、または、符号の変化さえ、受け得る。しかしながら、本発明の実施形態を、特定の動作理論に結び付ける必要はないこと、および、経験的アプローチを含む、代替方法論を用いて、印加電位、液体特性、レンズの光学特性の間の関係を決定することができることに注目されたい。
【００２８】
電位（したがって、静止接触角）の変化と、容器内の液体やスペースの拘束量の変化の結果として、水溶液は、（例えば、）液体レンズ容器壁を、ますます濡らし、容器壁ぎわの液体／液体境界の位置と、液体／液体界面の曲率半径（したがって、レンズの屈折力）を変える。印加電界を増加させることによって、液体レンズの液体／液体界面を、凸面から、完全に平らな面すなわち平面を経由して、凹面へと、制御可能に変更することができる。本明細書に記述されている液体レンズは、通常、（必ずしも、必要とするわけではないが、）界面の曲率が凹から凸に変化するとき、正の屈折力から負の屈折力に変化する。しかしながら、固定屈折力のバイアス球面レンズを加えることによって、屈折範囲の中心を、任意の選ばれた値に、自由自在に設定することができる。
【００２９】
参照によって、全開示が本明細書に組み込まれる国際公開第０３／０６９３８０号パンフレットに、より完全に記述されているように、液体レンズ内の２つの非混和性ではない液体のうちの一方が、シリコーン油またはアルカンのような電気絶縁性液体を有していてもよい。導電性液体は、食塩水を含んでいる水を有していてもよい。２つの液体は、レンズが、どのような向きに置かれようと関係なく、また、２つの液体間に有意な重力効果を伴うことなく、機能するに十分なほど等しい密度を持つことが好ましい。絶縁性液体の標準的な屈折率は、約１．２５と１．６０の間にある。導電性溶液の標準的な屈折率は、約１．３３から約１．４８まで変動してもよい。多くの実施形態において、導電体すなわち電極が、液体レンズの容器内の導電性液体と液体接触している。
【００３０】
液体レンズは、多くの場合、約１ｃｍ未満、しばしば、約５ｍｍ未満の横断面（光路に対する）寸法を持つ容器内に配置されている。各容器の光路に沿った長さも、約１ｃｍ未満、しばしば、約５ｍｍ未満である。
【００３１】
ここで図１を参照すると、患者は、光学装置１２を通して、眼Ｅでテスト画像１０を見る。眼Ｅは、しばしば、近視または遠視のような、少なくとも何らかの球面異常を持っている。眼Ｅは、さらに、有意の正円柱乱視を持っている場合がある。そのような乱視は、遠視から近視までの範囲にわたるどこにでも起こり得るし、また、その乱視の軸方向は、さまざまに変化する。眼Ｅのこれらの正屈折異常に加えて、眼は、さらに、有意の不正乱視を持っている場合がある。
【００３２】
装置１２は、一般に、眼Ｅとテスト画像１０との間に光学的結合を与える光路１４を持っている。接眼光学系１６、対物光学系１８、さらに絞りや同様のもののような、他の任意選択の光学成分に加えて、装置１２は、眼Ｅの正乱視収差を補正するための、可変球面焦点能力および／または可変円柱焦点能力を備えた液体レンズ・アセンブリ２０を含んでいる。アイ・レフラクタ、または、そのような可変焦点の球・円柱矯正システムを持つ他のデバイスが、しばしば、球・円柱矯正装置の作用を、被験者の眼の瞳孔面に中継する中継レンズ・システムとともに、用いられる。
【００３３】
少なくとも１つの液体／液体界面の形は、液体レンズ・アセンブリ２０に印加される、電位ソース２２からのウェッティング電位を変えることによって、変更される。より具体的に言うと、ソース２２は、球面屈折力入力２４、円柱屈折力入力２６、円柱向き入力２８に応じて変化する、複数の電位を供給するように構成されている。これらの入力に応じて、ソース２２のプロセッサ３０は、液体レンズ・アセンブリ２０および／または装置１２内に、全体として所望の球面屈折力、円柱屈折力、円柱向きを発生させて、屈折異常を補正するように、エレクトロウェッティング電位を設定する。
【００３４】
いくつかの実施形態において、装置１２の光路１４に沿った、唯一の可動要素は、液体レンズ・アセンブリ２０の液体レンズ内の液体である。他の実施形態において、眼Ｅの焦点ぼけ、および／または、乱視の少なくとも一部を、1つ以上の選択可能なレンズ、1つ以上のレンズの作動部品、その他同様のものを用いて、補正してもよい。例えば、オランダのロイヤル・フィリップス・エレクトロニクス社によって開発されたＦｌｕｉｄＦｏｃｕｓ（商標）液体レンズのような比較的単純な球面液体レンズを、ストークスのクロス円柱レンズ・アセンブリと組み合わせて、完全な可変焦点の球・円柱矯正装置を実現してもよい。液体レンズに頼って、球面屈折力に対する調整機能を実現することは、従来のフォロプタおよび／または自動レフラクタに勝るいくつかの利点を提供するであろうが、機械的なストークスのクロス円柱レンズ・アセンブリ（または、別の、機械的に調整可能なレンズ・システム）の複雑さ、コスト、大きさは、残るであろう。
【００３５】
液体レンズ・アセンブリ２０は、２ｃｍ以下の、光軸１４に沿う全長を持ってもよく、いくつかの場合には、１ｃｍ以下の長さを持つ。液体レンズ・アセンブリの断面寸法は、２ｃｍ以下であってもよく、多くの場合に、１ｃｍ以下である。液体レンズ・アセンブリ２０は、＋２０．０Ｄから−２０．０Ｄの球面屈折力を備えていてもよい。球面屈折力と円柱屈折力は、段階的に（例えば、０．２５Ｄステップで）調整可能であってもよく、または、それに代えて、全屈折力範囲の少なくとも一部にわたって、滑らかに、連続的に調整可能であってもよい。円柱屈折力入力２６は、少なくとも、約−６．０Ｄから＋６．０Ｄまでの範囲にわたって、円柱屈折力を調整することを可能にし、一方、円柱向き入力２８は、少なくとも約９０°の範囲にわたる、任意選択には、少なくとも約１８０°の範囲にわたる、光路１４の周りの円柱軸すなわち円柱向きの回転を可能にする。液体レンズ・アセンブリ２０によって与えられる焦点範囲は、例えば、約５ｃｍから無限遠までの範囲にわたっていてもよく、そして、極めて高速であってもよく、全焦点範囲にわたる液体レンズのスイッチングが、１００ミリ秒未満で完結し、任意選択には、１０ミリ秒未満で、完結する。
【００３６】
レンズ・アセンブリのレンズが、ほとんど電力を消費しないように、液体レンズのエレクトロウェッティング電位を、ＤＣ電圧ソースによって供給し、主として容量性負荷であることが有利である。したがって、電力は、任意選択に、パワー・ソース２２の電池３２によって供給することができる。それゆえ、光学装置１２は、使用中、手で移動させることができる、および／または、手持ちができる、携帯構造を有することが可能である。さらに、液体レンズの耐久性は、極めて高くすることができ、任意選択に、光学的性能を損なうことなく、１００万回以上の焦点合わせ動作を可能にする。液体レンズ・アセンブリ２０と装置１２は、ともに、耐衝撃性に優れたものとすることができ、また、広い温度範囲にわたって動作することができ、それらのことは、液体レンズ・アセンブリ２０と装置１２を、携帯電話用途に特に適したものにする。液体レンズ・アセンブリ２０と装置１２の構成成分のいくつか、または、全てに対して、高度の大量生産技術を適用できることが有利である。
【００３７】
液体レンズ・アセンブリ２０において用いるための、可変屈折力円柱レンズを発生させることができる、最も重要な液体レンズ成分を、図２、図３、図４Ａ〜図４Ｃを参照して理解することができる。最初に、図２を参照すると、ハウジング４０が、オープニング４２を形成している壁を含んでおり、その例示的なオープニングは、矩形角柱の形状を持っている。光路４４が、ハウジング４０とオープニング４２を貫いて延びており、光路によって交差された表面４６、４８を定めている物質は、そこを光が通過することを可能にしている。
【００３８】
容器４２の、第１、第２の対向し合う平行な表面５０、５２は、光路４４からずれており、光路は、それらの表面に沿って、それらの表面の間に延びる。平行な表面５０、５２を、容器４２の「側部」と呼ぶこともある。端部表面５４、５６が、側部表面５０と５２の間に広がっており、その例示的な端部は、側部に直交している。側部は、多くの場合、端部よりも長いが、端部が、側部と同じ長さである場合もあるし、または、側部よりも長い場合もある。
【００３９】
４つの電極５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ（まとめて、「電極５８」と呼ぶ）が、光路４４を囲んでおり、それらの電極の各々が、それに関連する側部５０、５２、または、端部５４、５６に沿って延在している。各電極５８は、それに関連する側部または端部の多くにわたって、好ましくは、ほとんどにわたって、実質的に一様な電界を維持し、かつ、光路４４から見て周方向に隣接する電極から電気的に絶縁されている。側部電極５８ａと５８ｂは、それらの電極が、実質的に同じ電位になるように、導電構造によって、電気的に互いに結合されているのが好ましい。同様に、端部電極５８ｃと５８ｄも、同電位になるように結合してもよい。表面４６、４８のうちの１つを、側部電極５８ａ、５８ｂに結合してもよい。したがって、容器の２つの平行な側部、および、容器の「上部」（いかなる向きであってもよい）は、所望のとおりに印加され、および／または、変更される電位場を持つことができる。いくつかの実施形態において、端部電極５８ｃ、５８ｄ上の場を、一定の強度に保ってもよい。
【００４０】
図２、図３、図４Ａを参照することによって理解できるように、容器４２は、上述したように、非混和性で、異なる屈折率を持つ、非導電性液体Ａと導電性液体Ｂとを内包している。導電性液体Ｂと液体接触している電極６０から見て相対的に、電圧Ｖ1が側部電極５８ａ、５８ｂに印加される。絶縁層６２が、側部電極５８ａ、５８ｂを被覆しており、そして、次に、その絶縁層６２が、液体接触層６４で被覆されている。図４Ａに例示されているように、適切な電圧Ｖ1を印加することによって、液体Ａと液体Ｂとの間のメニスカス、すなわち、液体／液体界面６６が、側部５０、５２における第１の接触角α1を決める。上述したように、角度α1は、次には、界面６６の周縁境界に沿って、界面表面形状の接線が、角度α1をなすように、液体／液体界面６６を、適切に湾曲した形に駆動する。第２の液体Ｂに比しての、第１の液体Ａの高い屈折率によって、液体／液体界面６６によって形成されるレンズは、光路に沿って進む発散光線６８によって図解されているように、負の屈折力を持つ。
【００４１】
電極５８ａ、５８ｂを介して、側部５０、５２に沿って電圧Ｖ1を課している間に、さらに、異なる電圧Ｖ2を、端部電極５８ｃ、５８ｄに印加する。Ｖ2の影響を受けて、図３の斜視図と図４Ｂの断面図に見ることができるように、液体／液体界面６６は、端部５４、５６において直角を形成して、それらの端部表面の間で、断面を変化のない形に作り上げ、その結果、液体／液体界面６６は、可変屈折力の円柱レンズを形成する。この第２の電圧は、通常、それを４つの電極５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ全てに印加したならば、ゼロ屈折力のレンズを生み出すであろう電圧である。
【００４２】
ここで、図４Ｃを参照すると、側部電極５８ａ、５８ｂに、さらに別の異なる電圧Ｖ3を印加することによって、液体／液体界面６６を、液体／液体界面６６と容器４２の側部との間の角度α2が９０°未満であって、液体／液体界面が正レンズを形成するような、異なる形に駆動することができる。その間、電圧Ｖ2（または、任意の適切な電圧）を、図４Ｂに示されているように、依然として端部電極５８ｃ、５８ｄに印加することができ、その結果、液体／液体界面は、円柱レンズの形のままである。側部電極に印加される電圧を連続的に変更することができるから、液体／液体界面の形状（そして、液体円柱レンズの屈折力）を、滑らかに、連続的に変更することができる。凹面と凸面の液体／液体界面形状に加えて、液体レンズは、さらに、平面すなわち平坦な形をとることができる。
【００４３】
レンズ内の液体／液体界面の形状は、一般に、容器の側部ぎわと、その端部ぎわのレンズの位置および／または角度によって駆動される。理想的なレンズ形状からの何らかの変形が、容器／液体界面ぎわの電界が側部電極と端部電極との何らかの組み合わせによって定まる、側部と端部の間のコーナーに生じる可能性がある。所望のとおりに端部電極電圧の調整を行って、所望のレンズ特性を得ることもできる。
【００４４】
容器４２を製造するための材料は、球面液体レンズ構造に用いられる材料と同様のものであろう。例えば、電極５８、６０は、多くの場合、金属材料を有し、一方、絶縁層６２は、パリレンのようなポリマを有していてもよい。液体接触層６４は、デュポン社によって作出されたテフロン（登録商標）を含むＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のようなフッ化炭素を有していてもよい。光路によって交差される透明な表面４６、４８は、透明なポリマ、ガラス、または、その他同様のものを有していてもよい。
【００４５】
ここで、図３を参照すると、一連の矩形容器４２、４２ａ、４２ｂが、光路４４に沿って、一直線上に並べられていて、それらの円柱液体レンズが、任意の所望の球面屈折力または円柱屈折力を発生させ、その際、円柱屈折力は、任意の所望の軸方向にある。内部の液体／液体界面によって定められる液体レンズの容器４２は、光路４４に交差して延びる円柱軸すなわち向き７０を持っている。第２の容器４２ａと関係する液体円柱レンズは、光路４４に交差して延びる第２の向き７０ａを持っていて、その第２の向き７０ａは、図示されているように、約９０°だけ、第１の向き７０からずれている。第３の容器４２ｂは、この場合も、第１の向き７０からずれていて、かつ、第２の向き７０ａから、理想的には４５°だけ、ずれている第３の向き７０ｂを持っている。
【００４６】
任意の球・円柱屈折力を生成するために、どのように、３つの可変屈折力円柱レンズを用いることができるかを理解するために、まず、単一の円柱レンズの屈折力を、クロス円柱レンズと球面レンズによって表す。屈折力がＣに等しい、純然たる円柱レンズは、Ｃに等しい１つの主メリジオナル屈折力と、０に等しい、もう１つとを持っている。その向きは、その軸、すなわち、ゼロ屈折力のメリディアンに沿って一直線に引かれた方向で表現される。しかし、そのようなレンズは、屈折力Ｃ／２の純然たる球面レンズと、屈折力Ｃ／２のクロス円柱レンズとの組み合わせで記述することもできる。クロス円柱は、大きさが等しいが、逆符号である屈折力Ｃ／２を持つ、２つの純然たる円柱レンズであって、互いに対して、２つの軸が直角であるような向きに定められた、２つの円柱レンズの組み合わせとして定義される。このクロス円柱向きは、クロス円柱を作っている純然たる円柱レンズのうちの１つの、軸の向きとして定義される。
【００４７】
純然たる円柱屈折力を、球面とクロス円柱とで記述する、この分解方法が、ここで、一般に、球面屈折力、円柱屈折力、向きで表現される、任意の球・円柱組み合わせに拡張される。そうすると、球面等価の概念を導入することができる。球面等価は、球・円柱組合せの球面屈折力と、円柱屈折力の半分とを足したものである。したがって、球面等価は、純然たる円柱レンズに対して上述した球面成分に代わることができる。クロス円柱成分の屈折力は、この場合にも、円柱屈折力の半分である。実際、純然たる円柱は、まさに、ゼロに等しい球面を持つ球・円柱組み合わせである。
【００４８】
このようなやり方で表現すると、球・円柱屈折力は、球面等価値である１つの軸と、クロス円柱倍角ベクトル・スペースを形成する、他の２つの軸と、を持つ三次元ベクトル・スペースを形成する。
【００４９】
ここで、球面＝Ｓ、円柱＝Ｃ、軸すなわち向き＝Ａの値を持つ、所望の球・円柱屈折力を考えると、球・円柱屈折力のこの種の表現では、球面は、正または負の値をとることが可能であるが、円柱は、常に、同一符号を持つ。説明を容易にするために、正の円柱値を用いることにする。これは、以下の３つの屈折スペース成分で表すことが可能である。
球面等価（ＳＥ）                  ＝Ｓ／２
０〜９０°のクロス円柱（Ｃ＋）    ＝（Ｃ／２）ｃｏｓ（２Ａ）
４５〜１３５°のクロス円柱（Ｃｘ）＝（Ｃ／２）ｓｉｎ（２Ａ）
【００５０】
倍角クロス円柱スペースでは、Ｃ＋軸が、Ｃｘ軸に対して直角になっており、したがって、このスペースでは、２つのクロス円柱成分が正しいベクトルを形成している。クロス円柱成分が、円柱値と違って、正または負の値をとることができると、そして、１つの成分の符号が変化すると、それは、倍角クロス円柱スペースにおいて、１８０°にわたって反転する。１つは、その軸を０°に持つように、１つは、その軸を９０°に持つように、そして、他は、その軸を４５°に持つように、それらの液体焦点円柱向きを定める。そのとき、同一の屈折力が、０°の円柱と９０°の円柱とで、生成されれば、それらの球面等価成分は、等しい。それらのクロス円柱成分は、両者とも、Ｃ＋変化の成分のみであり、かつ、等しい大きさを持つが、それらは、互いに９０°を成す向きに定められているため、逆符号を持つ。これは、それらの成分が、倍角クロス円柱スペースにおいて、ベクトルとして足し合わされたとき、それらの成分が、互いに相殺し合って、その結果、２つの球面等価成分が足し合わされるだけになって、球面レンズ効果の正味の結果が与えられるということを意味する。球面効果を、２つの純然たる円柱で生成するこの効果は、いかに、本理論が、期待される結果を与えるかということを示している。
【００５１】
他の可変円柱は、Ｃｘ成分、すなわち、その可変円柱が、正の屈折力を与えられているか、負の屈折力を与えられているかに依存して、４５°または１３５°の向きに定められた成分を生成することができるだけである。これは、Ｃｘを生成することができる唯一の可変屈折力レンズであり、これを、まず、扱う。所望の球・円柱組み合わせの分解から、Ｃｘの所望値がわかるので、可変円柱の屈折力が、クロス円柱屈折力を生成するまで、増加させられる。この可変円柱レンズの屈折力をＣ45で表わすと、したがって、以下のようになる。
Ｃ45＝２・Ｃｘ                                （１）
同時に、それは、球面等価屈折力ＳＥｃｘ＝Ｃ45／２＝Ｃｘを生成する。この値は、必要とされるＳＥを部分的に供給するための正しい符号を持つか持たないであろうが、この値を、ＳＥ値から差し引いて、さらにどれぐらいのＳＥ値が必要であるかを見る。これはＳＥ’＝ＳＥ−Ｃｘと呼ばれる。ここで、この値が、他の２つの可変円柱レンズによって、必要とされるＣ＋成分の供給に加えて、供給されなければならない。
【００５２】
０度の軸を持つ可変円柱の円柱屈折力をＣｏ、また、９０度の軸を持つ可変円柱の円柱屈折力をＣ９０と定めることにする。これらの屈折力は、両方とも、正であるかもしれないし、負であるかもしれない。Ｃｏの球面等価屈折力は、Ｃｏ／２であり、また、Ｃ９０の球面等価屈折力は、Ｃ９０／２である。それらの和は、ＳＥ’と等しくなければならず、したがって、以下のようになる。
ＳＥ−Ｃｘ＝Ｃｏ／２＋Ｃ９０／２
【００５３】
同様に、これら２つの可変焦点レンズによって生成されるクロス円柱の和は、値Ｃ＋に等しい。しかしながら、Ｃ９０可変屈折力レンズによって生成されるクロス円柱の符号は、上で説明した理由で、変化したその符号を持つことができ、したがって、以下のようになる。
Ｃ＋＝Ｃｏ／２−Ｃ９０／２
【００５４】
これらの２つの式は、ここで、それらを足し算してＣｏを求め、そして、それらを引き算してＣ９０を求めることによって、値ＣｏとＣ９０に関して解くことができる。その結果は、以下の式になる。
ＳＥ−Ｃｘ＋Ｃ＋＝Ｃｏ
ＳＥ−Ｃｘ−Ｃ＋＝Ｃ９０
【００５５】
電位ソースを用いて、３つの容器４２、４２ａ、４２ｂの液体／液体界面を、適切な正または負の形に、独立に駆動することによって、これらの３つの液体レンズの組み合わせは、いかなる所望の球面屈折力、円柱屈折力、円柱向きも再現することができる。したがって、ソース２２のプロセッサ３０（図１を参照のこと）は、３つの液体レンズに対して、適切な形を特定して、入力２４、２６、２８において指示される、組み合わされた光学特性を発生させることができる。容器４２、４２ａ、４２ｂへのエレクトロウェッティング電位の適切な印加によって、光学構造の機械的移動を伴うことなく（容器内の液体の移動以外には）、これらの光学特性を供給し、そして、変更できるので有利である。容器４２、４２ａ、４２ｂは、多くの場合、それ自身のハウジング４０によって、それぞれに定められる、分離した構造を有するが、代替実施形態において、統合ハウジングを用いて、それらの３つの分離した容器を定めてもよい。さらに、オープニング間で液体伝達を可能にしてもよい。また、コーナーまたは端部における歪みが、より小さな影響しか与えないように、オープニングの端部が光路４４から十分に隔てられた、細長いオープニングを設けるというような、種々の改良をなしてもよい。いくつかの実施形態において、端部を、単純に接地してもよく、そして、さらに、種々の他の改良を使用してもよい。
【００５６】
上述には、角柱形の容器を持ち、そして、容器の対向し合う表面に印加されるエレクトロウェッティング電位を変更して、それらの対向し合う表面によって隣接している液体／液体界面の円柱屈折力を変更することを実現できる液体レンズの記述が含まれている。より一般的には、液体／液体界面の外周を囲む周縁のエレクトロウェッティング電位を変更することによって、所望の形状を、液体／液体界面の全体にわたって作り出すことができる。その外周からの液体／液体界面の形状に対する制御は、（ある意味で）泡の形状の制御と類似している。
【００５７】
泡の場合には、境界の形状が、液体膜に、非常に特異的な形状をとるように強いることができる。泡の境界は、あるベース面より高い高度を持つとして記述することができる。液体／液体境界の場合には、境界に設定されるのは、高度ではなく、第一次導関数すなわち表面勾配であろう。いずれにせよ、ひとたび、境界（高度または勾配）が設定される（例えば、周縁の局所的エレクトロウェッティング電位を設定することによって）と、特に、界面張力からのさらなる制約が導入されると、全表面に、非常にはっきりと限定された形状をとるように強いることができる。液体／液体界面張力の作用によって、一般に、界面表面は、平均曲率がどこでも等しくなるまで、形状を変化させる。これが生じるまで、界面張力が圧力勾配を生成して、液体が流れる。
【００５８】
球面は、曲率が表面全体にわたって等しいという性質を持つ。球・円柱表面またはトロイダル面は、平均曲率が表面全体にわたって等しくなることができるという性質を持つ。乱視部分は、ゼロの平均曲率を持つと考えることができ、また、球面等価部分は、どこでも同じ曲率（通常、ゼロでない）を持つから、このことが、生じる。したがって、球・円柱表面は、液体／液体界面内に、平衡状態で存在することができるという有利な性質を持つ。それらの形状は、それらの境界状態から決定することができるから、外周のエレクトロウェッティング電位を用いて、できあがるであろう特定の球・円柱を設定することができる。
【００５９】
球面、トロイド、球・円柱に加えて、本明細書において記述される構造、方法、システムは、さらに、球面（一定曲率を持っている）と、平均曲率がゼロである（言い換えれば、ラプラシアンがゼロに等しい）任意の他の形状との組合せとして記述することができる他の表面を備えていてもよい。球面と円柱との組合せに加えて、さらに、トレフォイル(trefoil)またはクアドラフォイル(quadrafoil)（それらは、ゼロのラプラシアンを持っている）のような他の形状を、球面および／または円柱と組み合わせてもよく、または、互いと組み合わせてもよい。
【００６０】
ここで、図５を参照すると、適応性の高い球面／円柱（または、他の形状の）液体レンズ８０が、光路４４を囲む、実質的に円筒の壁８２を持つ容器８１を形成しているハウジングを有している。透明なふた８４が、壁８２の内部に、第１、第２の液体Ａ、Ｂを封じ込めており、また、周縁の一連の電極８６が、壁を巡って配置されている。パワー・ソース８８が、アレイの各電極８６に結合されていて、その各電極に、可変電位を印加する。
【００６１】
アレイの与えられた電極の電位を、周縁で隣接する両側の電極の電位と異なるものとすることができるように、アレイ全体にわたって、電位を変更することができる。それらの電極を、上述したように、絶縁性物質および／または疎水性物質で被覆してもよく、そうすると、ふたの電極９０に比して相対的に、アレイの各電極８６に印加されたエレクトロウェッティング電位が、その電極ぎわの液体／液体界面６６の接触角、および、その電極ぎわの液体／液体界面の位置を決定するのに役立つ（ひとたび、界面が、その安定で低エネルギーの形をとったならば）。
【００６２】
ここで、図５と図７Ａを参照すると、ソース８８は、アレイの電極８６に、正弦波パターンの電位を印加してもよい。この正弦波パターンは、第１の電極８６ｉで始まるアレイを巡回して、ステップ状の一連の電圧を定めており、次の電極８６ｉｉに対して、わずかに変化し、８６ｎの最終電圧まで同様である。正弦波パターンは、容器８２の円周θを周って、完全な２π正弦波を定めることができる。これは、容器の外周を巡回して、界面６６と壁８２との間に形成される接触角を、実質的に一致する正弦波パターンに駆動することができ、それによって、光路４４に沿う円柱レンズを作り出す。レンズが円柱であるときには、離散的な円柱壁への法線電極の使用などを考慮に入れると、接触角が完全な正弦波になるとは限らないことに注意されたい。レンズの円柱屈折力は、ソース８８の円柱屈折力電圧Ｖcを変化させ、それによって、正弦波電圧パターンの振幅を変化させることによって、変化させることができる。
【００６３】
ここで、図５、図７Ａ、図７Ｂを参照すると、電圧パターンの平均電圧が、より正であるか、または、より負であるように、電圧パターンを変化させることによって、液体／液体界面６６に、球面屈折力成分を導入することができる。言い換えれば、例えば、球面電圧成分Ｖsを増加させて、電圧パターンを、純然たる円柱電圧パターンに比して上方にシフトさせることによって、容器８２の周縁壁ぎわの液体／液体界面６６の平均接触角を、液体レンズ内に球面湾曲を生み出す、および／または、重畳させるように駆動することができる。
【００６４】
ここで、図５〜図７Ｂを参照すると、電圧パターンを、例えば正のθ方向に、周縁で、まるまる１電極、シフトさせることによって、比較的単純なやり方で、円柱の向き９２のシフトを生じさせることができる。これは、入力Ｉに応答して、パターンのスイッチングを起こすことによって、比較的単純なソース８８を用いて、一連の離散的な円柱軸９２を実現することを可能にする。図６に見られるように、電気的なステップ・ハイブリッド・モータ１００のマイクロステッピングのために開発された技術から、より精巧な円柱向きのシフト技術をとりいれてもよい。マイクロステッピング・コントローラ８８は、固定子１０２の歯に電流パターンを印加して、回転子１０４を所望の位置に駆動する。標準ステッピング・モードにおいて、ソース８８は、固定子１０２に、電圧パターンを印加することができ、また、１つの歯から次の歯へと、その電流パターンを離散的にシフトさせて、回転子１０４に、まるまる１つの回転ステップを生じさせることができる。標準的な２００ステップ・モータにおけるように、比較的多数の固定子の歯が設けられている場合には、これは、比較的細かい回転パターンを与える。しかしながら、固定子の個々の歯の周囲で、電流を徐々にシフトさせることによって、さらに細かい回転能力を与えて、電流パターンが、一度に、まるまる１つの歯未満しか回転シフトしないようにしてもよい。そのようなマイクロステッピング技術は、市販のステッパ・モータが、単一ステップを、５００マイクロステップもの多くに分割して、回転子１０４のまる１回転当たり、１００，０００以上のステップを生み出すことを可能にする。
【００６５】
ステッパ・モータ１００に結合されたドライバ８８’を、図５の適応性のある液体レンズ８０において用いるために、例えば、電流パターンではなくて電圧パターンを供給するように、回転子ドライバの電流出力に抵抗を取り付けることによって、変更してもよい。それに代えて、マイクロステッパ・モータのために開発された技術を、新しい「マイクロステッピング」液体レンズ駆動回路を開発するために用いてもよい。いずれにせよ、そのようなマイクロステッピング・パターン−シフト技術の適用は、液体レンズ８０の円柱向き９２を、周縁アレイに個々の電極８６が存在している場合よりも多数の、回転する向きに駆動することを可能にする。
【００６６】
理解を明確にするために、また、例証として、例示的な実施形態が、詳細に記述されているが、種々の適合化、変形、修正が、当業者には明白であろう。例えば、図１の光学的アセンブリへの入力が、機械的なノブとして概略的に例示されているが、この入力は、実際には、ソース２２のプロセッサ３０に電気的に、または、光学的に伝達されるデジタル信号によって供給されるものであってもよい。さらに、図１の装置１２の液体レンズ・アセンブリ２０は、フォロプタとして用いるように示されているが、この構造は、容易に、自動レフラクタ、または、その他同様のものにおいて用いるように適合化させることができる。その上、円柱レンズと球面レンズに加えて、米国特許第３７５１１３８号明細書に記述されている形状を含む、他のアナモルフィック・レンズ形状を実現するために、本発明の液体レンズを用いてもよい。したがって、本発明の範囲は、請求項によってしか制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】光路に沿う球面屈折力、円柱屈折力、および円柱向きを変更するための１つ以上の液体レンズを持つ光学装置、および、人間の眼の異常を測定するために前記装置を使用する方法を、概略的に例示している図である。
【図２】オープニング内の液体レンズの円柱屈折力を制御可能に変更するための、矩形オープニングの周囲の電極の配置を例示している、簡略化した概略図である。
【図３】円柱屈折力、球面屈折力、および、光路に比しての円柱向き、すなわち、円柱軸、の変更を可能にするための、光路に比して異なる向きにある軸を持つ、３つの制御可能な可変円柱レンズを概略的に例示している図である。
【図４】内部成分のいくつかを示しており、そして、エレクトロウェッティング電位の変更が、どのようにして、円柱屈折力を変えることができるかを例示している、図２の矩形液体レンズからとられた断面図である。
【図５】単一の液体／液体界面を変更して、一連の異なる状態にわたって、球面屈折力、円柱屈折力、および、円柱向き、すなわち、円柱軸を供給するための、光軸を囲んで周縁に沿って分布した、実質的に円筒形状の電極アレイを持つ一代替液体レンズを概略的に例示している図である。
【図６】図５の可変液体レンズ装置用に修正できるステッパ・モータの成分を概略的に例示している図である。
【図７】球面屈折力、円柱屈折力、および、円柱軸のアラインメントを変更するための、図５の液体レンズ装置の周縁電極アレイに印加される変動電位を、グラフで例示している図である。
【符号の説明】
【００６８】
１２  光学装置、１４、４４  光路、２２  電位ソース、２４  球面屈折力入力、２６  円柱屈折力入力、２８  円柱向き入力、４０  ハウジング、４２、４２ａ、４２ｂ  オープニング（容器）、５０、５２  側部表面、５４、５６  端部表面、５８ａ、５８ｂ  側部電極、５８ｃ、５８ｄ  端部電極、６６  液体／液体界面、７０、７０ａ、７０ｂ、９２  円柱の向き、８０  液体レンズ、８１  容器、８２  壁、８６、８６ｉ、８６ｉｉ、８６ｎ  電極、８８  パワー・ソース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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