流体適応レンズ
流体適応レンズ装置、上記レンズ装置を用いたシステム（例えば眼鏡、ズームレンズシステム）、および上記レンズ装置を製造し動作させる方法が開示されている。一実施形態では、流体レンズ装置は、可撓性で光学的透過性である第１の隔壁と、第１の隔壁に連結された第２の隔壁であって、少なくとも一部が光学的透過性であり、第１の隔壁と第２の隔壁との間に第１のキャビティが形成される、第２の隔壁とを含む。レンズ装置はさらに、キャビティ内に設けられ、光学的透過性である第１の流体媒体と、流体媒体のパラメータを制御することができる第１のコンポーネントとを含む。流体媒体のパラメータが変化すると、第１の隔壁が屈曲してレンズの光学特性が変化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学レンズに関し、特に様々な光学システムに採用される視力矯正レンズおよびズームレンズに関する。
【０００２】
関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は2004年3月31日に出願された「流体適応レンズ」という名称の米国仮特許出願第60/558,293号に基づき優先権を主張する。上記米国仮特許出願は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００３】
連邦により後援された研究開発に関する陳述
本発明は、国防総省高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）認可第F49620-02-1-0426号によるアメリカ合衆国政府の支持によってなされた。アメリカ合衆国政府は本発明に対して権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
光学レンズは様々な装置に多くの目的で（例えば焦点の修正および拡大のために）用いられている。光学レンズを採用している従来の多くの装置は、固体材料により形成されたレンズを用いており、レンズの光学特性（例えば焦点距離）が経時的に一定またはほぼ一定になるようにしている。例えば、視力矯正用に用いられる眼鏡は典型的にはガラスまたはプラスチックなどの固体により形成されている。同様に、カメラまたは他の光学システム（例えば顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、コピー機、スキャナなど）は通常固体レンズを用いている。
【０００５】
固体材料から形成されたレンズは概して頑強であり経時的に光学特性を維持するが、このようなレンズを用いることには多くの不都合がある。例えば視力矯正レンズの場合、視力矯正力はレンズの製造時に固定される。その結果、今日の眼鏡は低コストで大量生産できないことが多い。なぜならレンズが特定の患者ごとに製造されるからである。各患者に必要な視力矯正力はまちまちであるため、患者は視力矯正レンズを製造してもらう前に、まず眼科医または検眼士に必要な矯正力を測定してもらわなければならない。さらにガラスやプラスチック材料を処方による精密な形状のレンズに加工すること自体、比較的高価格かつ低スループットのプロセスである。患者が新しい眼鏡を受け取るまで数日さらに数週間かかる場合も多い。サングラスのような既製品のグラスに比べて、現行の技術を用いて設計され製造される視力矯正眼鏡は特に高価で製造が複雑である。
【０００６】
さらに今日の眼鏡に用いられている視力矯正レンズは、着用者がよく遭遇する様々な事態に対応できる柔軟性を有していない。例えば、ある個人に最適な視力矯正は様々な要因（例えば年齢、ライフスタイル、様々な実際の環境）に応じて頻繁に変化する。その結果、成人であれば典型的には数年ごとに視力矯正レンズを交換する必要がある。子供または青年の場合、成人よりも頻繁に視力矯正眼鏡の交換が必要とされることが多い。
【０００７】
人によっては、特に５０歳代以上の人の場合、近くの物体を視るために必要な視力矯正は、遠くの物体を視るために必要な視力矯正と大幅に異なることがある。１対の眼鏡で様々なレベルの視力矯正を提供するために、今日の眼鏡の多くは二焦点レンズ（さらには三焦点レンズまたはその他の多焦点レンズ）を採用している。これらのレンズでは、レンズの部分によって光学特性が異なる。このような二焦点レンズは、１対の眼鏡で様々なレベルの視力矯正を提供するにはどうすべきかという問題を解決はするが不具合は生じる。従来、二焦点レンズは、レンズ全体の中心線に沿って位置づけるか又は融合したレンズ部分対から形成する。レンズ部分の間の中心線は、レンズ部分の間に知覚できる境界線であり、このようなレンズは外見上望ましくないことが多い。
【０００８】
外見上望ましくないとは言えない新しい二焦点レンズもある。しかし、レンズの領域間の矯正力の変化が緩やかなものとなり且つ領域間に明白な境界線がないようにレンズに傾斜をつけているとはいえ、これらの新しい二焦点レンズも従来の二焦点レンズと同じ他の問題点を有する。特に、レンズの様々な部分が異なる視力矯正特性を有するため、レンズを介した着用者の視野は時間または環境によっては悪くなる。その時間／環境に着用者に適切な光学特性を提供するのはレンズの一部分のみだからである。
【０００９】
さらに、多くの人々は、二焦点レンズを必要としないにもかかわらず、状況に応じて様々な量の視力矯正を提供する眼鏡を好むことがある。例えば、車を運転しているとき又は映画を見ているときと、本を読んでいるとき又はコンピュータの画面の前で仕事をしているときとでは、好ましい視力矯正量が異なることがある。
【００１０】
従って少なくともこれらの理由により、光学特性が固定された固体レンズを眼鏡に用いることは様々な点で明らかに不利である。さらに光学特性が固定された固体レンズを用いることに関連する不都合は、眼鏡／グラスにこのようなレンズを用いることに関連する不都合に限られない。実際、特性が固定された固体レンズを様々な装置（例えばカメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、コピー機、スキャナなど）に用いることも同様の不都合を呈する。
【００１１】
さらに、光学特性が固定された固体レンズを用いることは、レンズの相互作用により全体として光学特性を提供するように組み合わせているシステムの場合、さらなる不都合を伴う。このようなシステムとは例えば、光学特性が固定された２以上の光学レンズを相対的に移動させてレンズの組合せ全体の光学特性を変化させ、それによりズームレンズを形成するズームレンズシステムを含む。このようなシステムで用いられる個々のレンズの光学特性は固定されているため、レンズの組合せ全体の光学特性は他の要因、特に個々のレンズの相対位置に依存する。その結果、ズームレンズシステムなどのシステムに関連して望ましい特徴および性能を提供して所望の効果を得るためには、複雑かつ高価な機械的および／または他のコンポーネントおよび技術を採用しなければならない。
【００１２】
特にズームレンズシステムに関しては、ズーム性能を有する従来のシステムは典型的には高価であり、このような性能を有していないシステムよりも嵩高い／重いことが多い。ズームレンズの最も重要な利点はズーム率である。ズーム率が高いほど、システムは高価になる。典型的なカメラは約３のズーム率を有する。高性能のシステムの中には１０より高いズーム率を有するものもある。現在すべての光学ズームレンズは、ズームレンズ全体を形成する個々のレンズ間の距離を変更することによってズームインおよびズームアウト機能を達成している。これは、典型的には数センチの範囲に亘ってレンズが高精密な機械的動きをすることを含む。レンズが高精密で信頼性のある相対移動をするためには典型的には、複雑で低速度で嵩高くかつ高価な機械システムが必要である。
【００１３】
ズームを達成するためにレンズの距離を可変にしなければならないという必要性が、ズーム特性を多くの新しい適用に組み込むことを妨げてきた。現在の多くの「電子器具」（例えば携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ノートコンピュータ）は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラを備えている。カメラをこのような器具に設けることはかつては目新しかったがやがて標準の特徴となり、今ではこのような器具の多くが撮像関連の機能をサポートしている。撮像関連の機能は撮像のみならず、記録、ビデオフォン機能、およびビデオ会議を含む。しかし、これらの小型電子器具およびその光学装置に従来のズームレンズを組み込むことは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、上記の光学特性が固定された固体レンズを用いることに関連する不都合を緩和する１以上のタイプのレンズおよび／またはレンズシステムが開発されることが望ましい。特に、眼鏡に設けるための新しいタイプのレンズおよび／またはレンズシステムが開発されて、眼鏡の光学特性をレンズ全体を交換することなく容易かつ低コストで調整することができれば有利である。さらに、レンズの光学特性を、単に限られた数の不連続レベルではなく、広いスペクトルに亘ってフレキシブルに変化させることができれば有利である。さらにレンズの光学特性の変化がレンズ全体に適用でき、例えばレンズの光学特性の変化が、レンズを用いた眼鏡の着用者の視野領域の一部のみではなく、視野領域全体に適用できれば有利である。
【００１５】
新しいタイプのレンズまたはレンズシステムを、上記に加えて、あるいは上記に代えて、レンズを採用する他のシステム（例えば、カメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、監視装置、検査装置、迅速撮像装置、対象追跡装置、コピー機、スキャナなど）に設けることができれば有利である。さらに、新しいタイプのレンズまたはレンズシステムを、複数のレンズの相対位置を制御する複雑な機械系の必要性を低減するようにズームレンズシステムに設けることができれば有利である。さらに新しいタイプのレンズまたはレンズシステムを採用したズームレンズシステムを、１以上のタイプの物理的に小型の「電子器具」（例えば、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、またはノートコンピュータ）にコンパクトに設けることができれば有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の要約
本発明者らは、従来の眼鏡および光学システム（例えば、ズームレンズシステムなどの複数のレンズを用いるシステム）に関連する上記不都合の多くは、眼鏡または光学システムが可変または適応性のある光学特性を有するレンズを採用すれば緩和または排除できるということを認識した。本発明者らはさらに、適応性のある光学特性を有するレンズは、流体媒体対を分離する光学的透過性の可撓性ダイヤフラム／膜を１以上用いることにより形成可能であることも発見した。流体媒体の１以上の圧力を適切に変化させると、膜の位置および光が通過する１以上の流体媒体の量が変化し、それによりレンズの光学特性を変化させることができる。
【００１７】
特に本発明は、可撓性で光学的透過性である第１の隔壁と、前記第１の隔壁に連結された第２の隔壁であって、少なくとも一部が光学的透過性であり、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁との間に第１のキャビティが形成される、第２の隔壁とを備えたレンズ装置に関する。レンズ装置はさらに、前記キャビティ内に設けられ、光学的透過性である第１の流体媒体と、前記流体媒体のパラメータを制御することができる第１のコンポーネントとを備える。前記流体媒体の前記パラメータが変化すると、前記第１の隔壁が屈曲してレンズの光学特性が変化する。
【００１８】
本発明はさらに、第１の流体適応レンズと、第２の流体適応レンズと、前記第１の流体適応レンズと前記第２の流体適応レンズとを連結する中間構造体であって、少なくとも部分的に光学的透過性である、中間構造体とを備えた多レンズ装置に関する。
【００１９】
本発明はさらに、流体適応レンズ装置を製造する方法に関する。当該方法は、第１のキャビティを有する第１の構造体を提供する工程であって、前記第１のキャビティが部分的にのみ前記第１の構造体によって取り囲まれる工程と、前記第１のキャビティを実質的に取り囲むように、第１の可撓性層と前記第１の構造体とを互いに連結させる工程とを含む。前記第１のキャビティに第１の流体を充填することができ、それにより前記第１の構造体と前記第１の可撓性層と前記第１の流体とが相互作用して前記流体適応レンズ装置を構成する。
【００２０】
本発明はさらに、レンズ装置を動作させる方法に関する。当該方法は、互いに連結された可撓性層と剛性構造体とを含んでキャビティを形成するレンズ構造体を提供する工程と、前記キャビティ内の流体の流体圧力を調整して前記可撓性膜の屈曲を調整する工程とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、流体適応レンズの設計および構成、並びにこのようなレンズの様々な環境（例えば、眼鏡およびズームレンズシステム）における１以上の使用に関する。図１〜図６は概して、動的に調整可能な視力矯正力を提供することができる眼鏡に用いられる流体適応レンズの設計および実施に関する。図７〜図１７は概して、様々な装置（例えば携帯電話のカメラ）に組み込むことができるズームレンズシステムに用いられる流体適応レンズおよびその組合せの設計および実施に関する。上記ズームレンズシステムは、複数のレンズを物理的に互いに近づけたり離したりするための複雑な機械的装置を必要とすることなく、可変ズーム性能を提供することができる。
【００２２】
図１〜図１７は特に、眼鏡およびズームレンズシステムに用いられる流体適応レンズの設計および実施に関するが、本発明はこれら又は同様の流体適応レンズを広範囲の他の適用および環境（例えば様々な他の電子その他の装置）に用いることを含む。他の適用および環境は、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、バーコードリーダ、マクロ（または拡大）機能を有するシステム、監視装置、検査装置、迅速撮像装置、対象追跡装置、コピー機、スキャナ、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ノートコンピュータ、テレスコープ、拡大鏡、検眼士テスト装置、およびレンズを必要とする他の装置を含む。本発明は実際、上記レンズの特定の適用とは独立して、単に概して流体適応レンズの設計および実施に関する。本発明は、光学特性が可変である１以上の流体適応レンズを採用する様々なレンズ、レンズ構造体およびレンズシステムを含む。本発明による流体適応レンズは、凸レンズ、凹レンズ、凹凸レンズ、正または負メニスカス、平凸レンズ、平凹レンズ、両凸レンズ、および両凹レンズなど、様々なタイプのレンズを含む。
【００２３】
眼鏡に設けることが可能な流体適応レンズの例を、図１、図２ａおよび図２ｂに模式的に示す。図１は１対の眼鏡５の一例を示す。眼鏡５において、２枚の流体適応レンズ６、７がフレーム８によって支持されている。図２ａおよび図２ｂは、図１に示す眼鏡のレンズ６、７として設けることができる２枚の異なるタイプのレンズの断面図である。図２ａは、遠視を矯正するために用いることができる第１の流体レンズ１の概略図である。図示するように、流体レンズ１は凸型流体適応視力矯正レンズであり、高屈折率流体である第１の媒体２０と、低屈折率流体である第２の媒体１０と、２つの媒体を分離する可撓性膜（またはダイヤフラム）３０とを含む。高屈折率流体の圧力が低屈折率流体の圧力よりも高いとき、可撓性膜３０は低屈折率側に屈曲する。図２ａとは対照的に、図２ｂは、近視を矯正するために用いることができる第２の流体レンズ２の概略図である。図示するように、流体レンズ２は凹型流体適応視力矯正レンズであり、高屈折率流体である第１の媒体２２と、低屈折率流体である第２の媒体１２と、２つの媒体を分離する可撓性膜（またはダイヤフラム）３２とを含む。低屈折率流体の圧力が高屈折率流体の圧力よりも高いとき、膜３２は高屈折率側に屈曲する。
【００２４】
可撓性膜３０、３２は、それぞれ対応する媒体対１０、２０と１２、２２との間の圧力差により変形する。例えば、高屈折率媒体側の圧力が低屈折率媒体側の圧力よりも高い場合、膜は図２ａに示すように低屈折率媒体方向に屈曲し、遠視の問題を矯正することができる実効的凸レンズを形成する。他方、低高屈折率媒体側に高い圧力がある場合、膜は高屈折率媒体方向に屈曲し、近視の問題を矯正することができる実効的凹レンズを形成する（図２ｂを参照のこと）。
【００２５】
図３ａおよび図３ｂはそれぞれ、流体レンズ３６および４６の一例を示す断面図である。レンズ３６、４６は、それぞれ図２ａおよび図２ｂに模式的に示す凸型適応視力矯正レンズ１および凹型適応視力矯正レンズ２として採用することができる例示的構造を詳細に示す。図示するように、レンズ３６および４６は各々、透明剛性材料３１、４１の一部と、第１の流体媒体３２、４２と、第２の流体媒体３３、４３と、可撓性膜（またはダイヤフラム）３４、４４とを含む。本実施形態では、第２の流体媒体３３、４３はレンズ３６、４６の外側の空気として示しているが、これらの流体媒体は他の流体（気体または液体）であってもよい。
【００２６】
さらにレンズ３６、４６は各々、透明剛性媒体３１、４１上に膜３４、４４を支持する壁３７、４７を含む。壁３７、４７は対応するレンズ３６、４６を取り囲んでいる。レンズ３６、４６は典型的には、レンズ前方から見た場合、円形または卵形状である（他の形状も取り得る）。壁３７、４７は各々、膜３４、４４および透明剛性材料３１、４１と共に、第１の流体媒体３２、４２が存在する内部キャビティ３８、４８を規定する。壁３７、４７の各々はさらに、第１の流体媒体３２、４２がキャビティ３８、４８に出入りすることを可能にするチャネル３９、４９を規定する。ある実施形態では、壁３７、４７は眼鏡５のフレーム８内に形成することができる。さらに図３ａおよび図３ｂに示すように、矢印３５、４５は各々、キャビティ３８、４８に対する媒体３２、４２の流方向（および／または圧力）であって、レンズ３６、４６を凸レンズおよび凹レンズにするために適切な流方向（および／または圧力）を表す。図示するように、第１の流体媒体３２はキャビティ３８に流入して膜３４を外方に拡大させる傾向にあり、他方第１の媒体４２はキャビティ４５から流出して膜４４を内方に収縮させる傾向にある。
【００２７】
キャビティ３８、４８に流入または流出する第１の流体媒体３２、４２の量（これら媒体の圧力に依存し得る）を制御することにより、レンズ３６、４６の光学特性を変化させることができる。特に、本実施形態では第２の流体媒体３３、４３が大気中の空気であるため、第１の流体媒体３２に正の圧力（例えば、大気圧より高い圧力）を付与することにより、膜３４が図３ａに示すように外方に拡大する傾向となり、第１の流体媒体４２に負の圧力（例えば、大気圧より低い圧力）を付与することにより、膜４４が図３ｂに示すように内方に収縮する傾向となる。従って、レンズ３６および４６は実際には同一のレンズであるが、ある状態では凸レンズとして構成し、別の状態では凹レンズとして構成することができる。
【００２８】
図３ａおよび図３ｂに示すレンズ３６、４６は物理的にはレンズとして動作することができる（例えば、光を収束または散乱させることができる）が、これらのレンズの構造は好ましくない。これらの実施形態では膜３４、４４が外気および外部環境に曝されているため、大気圧の変化、温度の変化および／または外部衝撃のすべてがレンズ３６、４６の光学特性に損失を与えたり光学特性を変化させたりする。その結果、レンズの信頼性、安定性（レンズの光学特性のドリフトを含む）および性能が劣化する。特に図３ｂの凹レンズ４６のモードでは、流体チャンバが大気に対して負の圧力を維持しなければならない。これには気密設計が必要であるが、気密設計は、正の流体圧力用の漏れのない設計よりも達成が困難であり安定に維持することが困難である。その結果、レンズ３６、４６はいくつかの適用には適しているが、主に粘度が高く蒸気圧が非常に低い流体が液体媒体として用いられるときにのみ眼鏡に用いることが可能となる。これは装置の製造性を限定する。
【００２９】
眼鏡５のレンズ６および７として採用可能な流体適応レンズ用の２つの改良された設計であって、図３ａおよび図３ｂのレンズ３６、４６よりも頑強で動作が安定している設計を、図４ａおよび図４ｂにレンズ５０および６０として示す。レンズ５０、６０は、大気圧などの環境による影響を最小限に抑えるために、レンズの外表面の全体（またはほぼ全体）を剛性材料で形成している。図示するように、特に図４ａのレンズ５０は２つの流体チャンバを含み、他方図４ｂのレンズ６０は３つの流体チャンバを含む。
【００３０】
図４ａに示すように、レンズ５０はいくつかのコンポーネントを含む。まずレンズ５０は、１対の透明剛性外表面５１を（レンズの両側に）含む。外表面５１は従来の固体レンズの場合のように、レンズの外形状を変化させずに保持することが可能である。さらにレンズ５０は、剛性外表面５１間に設けられた可撓性膜（またはダイヤフラム）５４と、表面５１上に膜５４を支持する１対の壁５７を含む。さらに膜５４と、壁５７の一方と、剛性外表面５１の一方とによって規定される第１のキャビティ５８内に、低屈折率の第１の流体媒体５２が含まれており、膜５４と、壁５７の他方と、剛性外表面５１の他方とによって規定される第２のキャビティ５９内に、高屈折率の第２の流体媒体５３が含まれている。さらにレンズ５０は、壁５７内を延びて第１および第２のキャビティ５８および５９を流体レザバー（図５を参照のこと）に連通させる第１および第２のチャネル対５５および５６を含む。別の実施形態では、チャネル５５、５６は、壁５７ではなく表面５１を貫通してもよい。さらに図４ａでは、キャビティ５８、５９にそれぞれ連通するチャネル対５５、５６があるが、別の実施形態では、キャビティの一方または両方に対して１つのチャネルだけでよい場合もあり、２より多いチャネルがある場合もある（他の場合には、２つのキャビティのうち一方だけが１以上のチャネルによってアクセス可能なものもある）。
【００３１】
レンズ５０は、第１および第２の流体媒体５２、５３の圧力に応じて、図２ａの凸レンズ１または図２ｂの凹レンズ２として用いることができる。第１の流体媒体５２の圧力が第２の流体媒体５３の圧力よりも高い場合、膜５４はキャビティ５９方向に屈曲し、装置は近視用の凹レンズとして挙動する。２つのチャンバ間の圧力差が逆であれば、レンズは遠視用の凸レンズとして挙動する。流体キャビティ５８、５９の各々内の圧力は、流れがチャネル５５、５６を介してキャビティに出入りする圧力、方向および速度を決定する１以上の機械または電子機械アクチュエータによって制御することができる。膜５４の曲率は、キャビティ５８、５９内の圧力差（及びおそらく膜自体の特性）によって決定される。
【００３２】
レンズ５０の外形状は、第１および第２のキャビティ５８、５９内の第１および第２の流体媒体５２、５３間の圧力差の特定の大きさ／正負にかかわらず、さらに大気圧にかかわらず、変化しない。なぜならレンズ５０の外形状は剛性外表面５１によって規定されているからである。従って、図３ａおよび図３ｂのレンズ設計とは対照的に、図４ａのレンズ５０は凹構造を達成するために負の圧力を維持する必要がない。そのため構造を気密に形成する必要がない。空気の粘度と液体の粘度との間には多オーダー分の差異があるため、気密構造よりも漏れのない構造を達成する方がはるかに容易である。最後に、膜５４の曲率を決定するのは流体圧力の差であるため、レンズ特性は、両方の流体媒体５２、５３に同等に付与される大気圧には依存しない。他方、温度変化は、熱光学効果によって媒体の屈折率を微量だけ変化させ、眼鏡５に気づかないほどの影響を与える。
【００３３】
図４ｂに示すレンズ６０は、２つの透明剛性外表面６１と、外表面６１間に設けられた２枚の可撓性膜６２と、外表面６１上に膜６２を支持する３つの壁６８とを含む。壁の１つは２枚の膜の間に位置し、他の壁は２膜の膜と他の２つの外表面との間に位置する。外表面６１と膜６２と壁６８とが３つのキャビティを規定する。キャビティの１つは膜間の内部キャビティ７０であり、他の２つのキャビティは膜の反対側の外キャビティ６９である。壁６８と、膜６２と、２つの外表面６１とに規定される外キャビティ６９に低屈折率流体６３が供給されており、壁６８と２枚の膜６２とに規定される内キャビティ７０に高屈折率流体６４が供給されている。３つの流体チャネル６５、６６および６７（またはチャネル対またはチャネル組）はそれぞれ、対応するキャビティ６９および７０を流体レザバー（図５を参照のこと）に連通させる。流体レザバーは２つ（例えば１つは高屈折率流体用で１つは低屈折率流体用）または３つ（各キャビティに対して１つずつ）設けられてもよい。
【００３４】
高屈折率流体６４の圧力が低屈折率流体６３の圧力よりも高い場合、レンズ６０は遠視用凸レンズとして挙動する。しかし圧力差が逆になると、レンズは近視用凹レンズとして挙動する。レンズ６０はレンズ５０同様、剛性外表面６１を有しているため、安定性、信頼性および性能の面でレンズ５０と同じ利点を有する。別の実施形態では、高屈折率流体が外キャビティ６９内にあって低屈折率流体が内キャビティ７０にあってもよい。あるいはキャビティの各々が同一の屈折率を有する流体、または互いに異なる屈折率を有する流体を含んでいてもよい。
【００３５】
図５は、流体適応レンズの流体圧力を制御する流圧回路７１の一例を示す。この流体適応レンズは、例えば図３ａおよび図３ｂのレンズ３６、４６の一方である。図示するように、流圧回路７１は、第１のバルブ１１を介してレンズ３６／４６のチャネル３９／４９の一方に連通している流体レザバー２を含む。さらに流体レザバー２はミニポンプ３と第２のバルブ１３とを介してレンズ３６／４６のチャネル３９／４９の他方に連通している。ミニポンプ３（及びおそらくバルブ１１、１３）は電気回路４によって制御されている。さらに圧力センサ９が、バルブ１１とレンズ３６／４６の接続部に連結されており、レンズ内の圧力を検知可能としている。電気回路４のコマンドに基づいて、バルブ１３が開状態である場合に、ミニポンプ３はレザバー２からレンズ３６／４６に流体を汲み上げるように、またはレンズからレザバーに流体を戻すように動作することができる。バルブ１１が開状態か閉状態かによっても、流体はレンズからレザバーに（又はおそらく反対方向にも）進むことができる。
【００３６】
流圧回路７１を制御する電気回路４は様々な形態を取り得、例えば、マイクロプロセッサ、プログラマブル論理装置、ハードワイヤード回路、ソフトウェアでプログラムされたコンピュータ化装置などであってもよい。電気回路４は、予めプログラムされた命令に基づき、または外部ソースから受け取ったコマンドに応答して（例えば、ユーザが押したプッシュボタン、受け取った無線信号、および他の信号に応答して）動作することができる。図示する実施形態では、電気回路４は、レンズ３６／４６内の実際の圧力に関して圧力センサ９からフィードバック情報を受け取り、フィードバック情報に基づいて動作することができる。さらにミニポンプまたはアクチュエータ３は、様々な形態を取ってもよいし、様々な他のポンプ機構に置換されてもよい。ミニポンプまたはアクチュエータ３は例えば、蠕動ポンプ、小型フレーム搭載ポンプ、圧電アクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、電磁アクチュエータ、または調整可能集積マイクロポンプであってもよい。調整可能集積マイクロポンプは、2004年11月5日に出願された「集積マイクロポンプを有する調整可能流体レンズ」という名称の米国仮特許出願第60/625,419号（参照することにより本明細書に組み込まれる）に開示されている。さらにレンズ３６／４６内の圧力はテフロン（登録商標）コーティングした止めねじによっても調整することができる。全体回路７１は電池または他の手段（例えば線パワー、ソーラーパワー）でパワーを供給されている。
【００３７】
流圧回路７１をレンズ３６、４６の一方と共に示しているが、このタイプの流圧回路または複数のこのような回路は図４ａおよび図４ｂのレンズ５０、６０または他の流体適応レンズと関連づけて用いることもできる。例えば、２つの流圧回路７１を、２つのキャビティを有するレンズ５０に関連づけて用いることもできるし、２つまたは３つの流体回路７１を、３つのキャビティを有するレンズ６０と関連づけて用いることもできる。流圧回路７１は単なる例にすぎず、本発明は様々なこのような回路またはレンズ３６／４６内の流体媒体の圧力を調整することができる他の機構のいずれをも含む。例えばある実施形態では、レンズ３６／４６のキャビティをレザバー２に連通させる２つのバルブおよびチャネルを用いる必要はなく、レンズに対する流入口および流出口を形成する１つのチャネルのみ、および／または１つのバルブが必要である場合もある。
【００３８】
図６のフローチャート７３は、図３ａおよび図３ｂのレンズ３６、４６などの流体適応レンズを用いる流圧回路（例えば図５の流圧回路７１）を製造するために用いることができる手順の一例の工程を示す。同様の手順を用いて、図４ａおよび図４ｂに示すような流体適応レンズを制御する流圧回路を製造することができる。図示するように、プロセスを開始すると第１のステップ２３で、プラスチックポリマー材料（例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはポリエステル）を用いて端部の開いたキャビティを形成する。キャビティの典型的な寸法は、直径が約1ミリメートル〜数センチメートルの範囲であり、高さが約1/10ミリメートル〜数ミリメートルの範囲である。キャビティを規定する表面は、図３ａおよび図３ｂに示す剛性外表面３１／４１および壁３７／４７の両方を含むと理解される。キャビティは主にプラスチックポリマー材料により形成されるが、キャビティ表面（キャビティ表面のうち、特に外表面３１／４１に対応する部分）の剛性はプラスチックポリマー材料に薄い（例えば150 μm）ガラススライドを接着することにより補強することができる。
【００３９】
第２のステップ２４で、再びＰＤＭＳを用いて薄いプラスチックポリマー膜を形成する。膜は可撓性（透過性ではないが）であり、そのため屈折率の異なる様々な流体媒体が設けられた領域を分離する可撓性ダイヤフラムとして用いることができる。膜の厚みは典型的には、約30〜100μmのオーダーである。各キャビティおよび膜は、ソフトリソグラフィプロセスを用いて形成することが可能である。ソフトリソグラフィプロセスは、Y. XiaおよびG. M. Whitesidesによる「ソフトリソグラフィ」(Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 37, 550-575 (1998))に記載されている。上記論文は、参照することにより本明細書に組み込まれる。次いで第３のステップ２５において、ステップ２４で形成した膜をステップ２３で形成したキャビティに接着することにより、閉キャビティ／チャンバを形成する。接着は酸素プラズマ表面活性化プロセスにより達成することができる。酸素プラズマ表面活性化プロセスは、B. H. Joらによる「ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）エラストマーによる３次元マイクロチャネルの形成」(J. Microelectromech. Syst. 9, 76-81 (2000))に記載されている。上記論文は、参照することにより本明細書に組み込まれる。大量生産する場合には、標準的工業プロセス（例えば射出成形およびダイキャスティング）を用いてこのようなレンズを製造することもできる。
【００４０】
その後第４のステップ２６において、レンズ３６／４６の壁／側部に沿って１以上のチャネル３９／４９を形成し、閉キャビティに流体媒体を出入りさせる流入口および流出口とする。絶対必要というわけではないが、典型的には１キャビティにつき２つのチャネルがある。一方はキャビティ内の流体圧力が増加しつつある場合の流体流入口を構成し、他方は流体圧力が減少しつつある場合の流体流出口を構成する。このようなチャネルは典型的にはレンズ３６／４６の壁に形成されるが、キャビティの他の表面、極端な場合には膜に形成されてもよい。さらに第５および第６のステップ２７および２８のそれぞれにおいて、１以上のチャネルを流体レザバーと作動コンポーネントとに連通させる。上記のように、レザバーは流体貯蔵部として作用する。作動コンポーネントは例えば図５に示すミニポンプ３と、バルブ１１および１３と、電気回路４とを含み得、流体をレザバーからキャビティへ、またはその逆方向に供給する。最後に第７のステップ２９において、流体媒体をレザバーからキャビティへ導入する。これで流圧回路が完成し、その後レンズを含む流体回路を図１に示すような眼鏡の１対のフレームに取り付ける。
【００４１】
図６は図３ａ、図３ｂおよび図５に示すような１つのキャビティを有する流体適応レンズを制御する流圧回路の形成に向けられているが、このプロセスは、図４ａおよび図４ｂに示すようなレンズと、このようなレンズの動作を制御する対応流体回路とを形成するように容易に変更することができる。例えばレンズ５０は、図６のプロセスに加えて、ステップ２３で第２のキャビティを形成し、ステップ２５で膜のうち第１のキャビティに取り付けられている側とは反対側を第２のキャビティに取り付けることにより形成することができる。さらに、レンズ５０の動作を制御する流圧回路の形成は、ステップ２６で第２のキャビティ内に追加のチャネルを形成すること、ステップ２７および２８で追加のレザバーと作動エレメントを連通させること、並びにステップ２９で第２の流体媒体を導入することを含む。
【００４２】
図４ｂに示すレンズは３つのキャビティを有し、そのうちの２つは２枚の膜６２の間に設けられている。このレンズの場合も同様に、図６のプロセスをさらに修正して追加のステップを含むようにしてもよい。追加のステップでは、（１）２枚の膜（典型的には壁によって分離されている）の間に中間キャビティを形成し、（２）その後２枚の膜を外キャビティに取り付け、そして（３）チャネルの適切な形成、レザバーと作動コンポーネントへの連通、および流体媒体の導入を達成する。さらに述べると典型的には、複数のキャビティがある場合、異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる流体媒体が、対応する別々のレザバーから別々のキャビティに導入される。流体媒体としては様々なもののうち任意のものを用いることができる。例えば、一方の媒体が屈折率1.3の水（例えば脱イオン化水）であり、他方の媒体が屈折率約1.6の油であってもよい。あるいは空気などの気体媒体を含む他の媒体も用いることができる。別の実施形態では、組合せステップ２５の前にチャネルを形成してもよい。
【００４３】
図２ａ〜図４ｂ（特に図４ａおよび図４ｂ）を参照して上述したような流体適応レンズを眼鏡に用いることにより、多くの利点が得られる。流体対応レンズ（および関連する流圧回路）は同一ユニットとして大量生産することができ、個々のレンズ各々の矯正力は製造プロセスが完了した後に設定される。そのため製造の観点から見ると、上記設計により基本的に低コストの解決が得られる。さらに流体適応レンズの矯正力は検眼士によって決定されてもよいが、眼鏡の着用者自身によっても動的に調整することができる。これにより、眼鏡の新しい処方を得るために眼鏡の着用者が検眼士を訪れなければならない頻度が大幅に低減する。最低でも、新しい処方の眼鏡を手に入れることに関連する時間とコストが大幅に低減する。なぜなら着用者が目の検査のために検眼士を訪れた場合、検眼士は、新しい眼鏡を注文するのではなく、単に着用者が現在着用している眼鏡を「調整する」だけでよいからである。
【００４４】
さらに眼鏡を交換する場合でも、患者は調整可能眼鏡の使用による利益を得る。現在用いている眼鏡に調整可能性があるため、患者は新しい眼鏡を待っている間に劣化した視力に不便を感じなくてもよい。さらに、流体適応レンズの矯正力は広範囲に亘って連続的に変化するため、これらのレンズを用いることによって、検眼士は、単に一連の規格レンズの中から着用者のニーズに「最も近く適合する」レンズを選択するのではなく、よりきっちりと眼鏡の着用者のニーズに合致するレンズを提供することができる。実際、流体適応レンズは、検眼士が顧客の処方を決定する際に用いる固体レンズセットの代わりに、より目盛りの多い代替物として作用し、検眼士がより正確な処方を提供することを可能にし得る。従って、流体適応レンズは検眼士の検査装置にも用いることができる。さらに流体適応レンズは二焦点レンズ（または多焦点レンズ）を必要とする人々のために、外見上望ましくない影響を排除することができる。このような人々は、二焦点レンズを用いるのではなく、単に１対の眼鏡を着用すればよく、この眼鏡の光学特性が、環境による必要性に応じて、例えば眼鏡の「ディップスイッチ」を裏返すことにより変更可能なのである。
【００４５】
図４ａに示す流体適応レンズ５０の調整力を推定するために、レンズの直径を20ミリメートルとする。人の瞳の直径は太陽光線下における約2ミリメートルから暗所における8ミリメートルまで変化するのに対し、この流体適応レンズの直径は眼鏡用として十分大きい。さらに流体適応レンズ５０の調整力範囲を推定するために、低屈折率媒体が屈折率１の空気であり、高屈折率媒体が屈折率1.333の水であるとする。本発明者らは、光線追跡シミュレーションプログラムまたは分析的解決用の薄肉レンズ近似を用いて、上記流体適応レンズの最大正パワーと最大負パワーはそれぞれ12.8D（ジオプター）および-12.8Dであることを発見した。従って適応矯正レンズの総調整範囲は-12.8D〜12.8Dであり、これは遠視の未矯正視力である0.017分-1と近視の未矯正視力である0.022分-1に対応する。
【００４６】
さらに、高屈折率媒体としてシリコーンオイル（屈折率：約1.5）を用い、低屈折率媒体として水を用いた場合、このような適応レンズの総調整力範囲は6.4D〜-6.4Dであり、これは遠視の未矯正視力である0.036分-1と近視の未矯正視力である0.042分-1に対応する。さらに、高屈折率媒体としてシリコーンオイルを用い、低屈折率媒体として空気を用いた場合、このような適応レンズの総調整力範囲は19.2D〜-19.2Dであり、これは遠視の未矯正視力である0.010分-1と近視の未矯正視力である0.016分-1に対応する。これらの推定値は図４ａのレンズ５０のような流体適応レンズに関するが、他のタイプの流体適応レンズ（例えば、３つのキャビティ６３、６４を有する図４ｂのレンズ６０）の場合の対応する推定値も容易に決定することができる。さらに、シリコーンオイル、水および空気に代えて、様々な屈折率を有する様々な流体を用いることができ、この場合、レンズは様々な光学特性を呈することができる。このような光学特性は幾何光学の原理に基づいて容易に分析することができる。同様に、レンズの剛性外表面、壁、および可撓性膜を形成するために用いる特定の材料も、様々なプラスチック、アクリルおよび他の材料を含み得、実施形態ごとに様々であり得る。
【００４７】
実験による観察から、流体適応レンズの他の性能局面もいくつか判明した。特に、流体適応レンズは、レンズ内の流体圧力に応じた焦点距離、パワー、視野、Ｆ番号および開口率（ＮＡ）の各々に対する動的な制御を可能にするということが判明した。さらに、流体適応レンズが提供する像の質が膜の厚みに依存していることは明白ではないことも判明した。概して焦点距離がある距離を超えて増加して流体の圧力が低くなる（この結果、特に重力が膜の形状に無視できない影響を与える）と、解像度および像の質が劣化する。この問題は、より堅い膜を用いることにより補正することができるが、消費電力が増大し、ミニポンプおよびアクチュエータに最大の電力が必要となるという犠牲を伴う。概して円形のレンズを用いると仮定すると、膜は（屈曲していないために平坦である場合を除いて）、中央近傍はいくらか平坦ではあるが概して球状となる傾向がある。60 μmのＰＤＭＳ膜で覆われ且つ薄い150μmのガラススライドに接着されたＰＤＭＳ流体チャンバを有する少なくとも１つの実験的流体適応レンズの場合、レンズの焦点距離とレンズ内の流体圧力との関係は以下のように決定された：Ln(f) = -0.4859 Ln(P) + 7.9069。
【００４８】
図７に示す本発明のある実施形態によると、複数のレンズを必要とする装置に２以上の流体適応レンズを用いることができる。図７〜図１６は流体適応レンズ対を用いてズームレンズシステム（特に小型の電子装置または他の装置に設けることができるズームレンズシステム）を構成する様々な形態に関する。しかし本発明は、２より多いレンズを用いる多レンズシステム、１以上のレンズが流体適応レンズであり他のレンズが従来の固体（または他のタイプの）レンズであるレンズシステム、およびズームレンズシステムによるズーム機能の他に、又はこれに加えて、他の機能を提供するレンズシステムに関する、他の実施形態を含む。
【００４９】
特に図７は、携帯電話７９などの小型電子装置に設けることに適した２レンズ光学ズームシステム７８を模式的に簡略化して示している。図示するように、ズームシステム７８は、フロントレンズ７２（物体近傍）とバックレンズ７４（物体の像近傍）とを含み、これらは一定の距離（「レンズスペーシング」と呼ぶ）ｄだけ離れている。典型的にはレンズ７２と７４との間に光学媒体７６が設けられている。実施形態によっては、２枚のレンズ７２、７４間の媒体７６は様々な光学的透過性材料のうち任意のものであってよい。光学的透過性材料は例えば、空気、ガラス、ポリマー、または興味の対象である波長において透明である任意の材料を含む。簡略化のために、レンズ７２および７４は共に、分析を行う間中、薄肉レンズ近似が適用できるほど薄いと仮定するが、本発明はこれに限られない。レンズ７２、７４は各々、撮像距離ｌ1およびｌ2を有し、後者が固定されている。ズームは、レンズ７２および７４の焦点距離ｆ1およびｆ2を変化させることにより達成される（２レンズ光学ズームシステム７８の特性を述べるために用いる、これら及び他の記号／変数は図７に示す）。
【００５０】
レンズ分析の慣習に従って、レンズまたはレンズシステムの変数Φを、レンズまたはレンズシステムのパワーと定義する。パワーはさらに、レンズまたはレンズシステムの焦点距離ｆの逆数（反数）に等しい。従って、レンズ７２、７４の各々は、それ自体のΦ値（例えばそれぞれΦ1およびΦ2）を有しているが、２レンズ光学ズームシステム７８にとって特に関心を呼ぶのはシステム全体のパワーΦτである。この量Φτは、レンズ７２、７４それぞれのパワーΦ1およびΦ2と他のパラメータに応じて以下のように決定される。
【００５１】
【数１】
【００５２】
【数２】
【００５３】
式（１）は、ある物体距離および像面距離（それぞれｌ1およびｌ2）並びにあるレンズスペーシングｄが与えられた場合、第２のレンズ７４のパワーΦ2（およびレンズ７４の焦点距離ｆ2）は、第１のレンズ７２のパワーΦ1（およびレンズ７２の焦点距離ｆ1）によって一意に決定されることを示している。さらに式（１）および（２）とにより、ある物体共役が与えられた場合、この２レンズシステム全体のパワー（Φτ）は、両レンズのパワーΦ1およびΦ2（あるいは両レンズの焦点距離ｆ1およびｆ2）を変化させることにより調整できることが示されている。これに比べて、固定焦点距離を有する従来のレンズ（例えば固体レンズ）を用いた設計は、システムのパワーを調整するにはレンズスペーシングｄと像面距離ｌ2とを変化させることに依存しなければならない。ズームシステムの価値を示すパラメータであるズーム率（ＺＲ）は、達成可能な最大パワーと達成可能な最小パワーとの割合（例えば、ZR = Φmax／Φmin、共にΦτの値である）として規定される。式（１）および式（２）から、所与の物体距離および像面距離に対して高いズーム率を達成するためには、できるだけ焦点距離を変化させなければならないことが明らかである。これらの概念および結論は、２より多いレンズを有するズームシステムにも適用される。
【００５４】
焦点距離を変化させることによってズームを達成するという概念は、原則的には任意のタイプの流体適応レンズを用いて適用できるが、これまで実際に使用可能なほど十分に広い調整範囲を有する調整可能レンズまたは適応レンズはこれまで報告されていない。例えば、液晶適応レンズでこれまで示された最短焦点距離は、約5 mmのレンズ口径に対して約200 mmであり、これは約40のＦ番号に対応し、認知可能なズーム効果を得るには不十分である。理論的分析および光線追跡シミュレーションのいずれによっても、高度に有効なズームシステムが達成できるのは、レンズの焦点距離がレンズ口径よりはるかに大きい距離から口径に匹敵する又は口径より短い距離まで連続的に調整可能であるときのみであることが示されている。換言すると、レンズ口径が5 mmの場合、数センチメートルから5 mm未満の範囲の焦点距離、すなわち現在最も進んだ液晶適応レンズで示された最短の焦点距離の40分の1の値を得る必要がある。
【００５５】
さらに、レンズの焦点距離のみならず、レンズの「タイプ」が正レンズ（凸レンズのように正の焦点距離を有する）から負レンズ（凹レンズのように負の焦点距離を有する）に適応可能であるか反転可能であれば（あるいはその逆に適応可能であるか交換可能であれば）、より高いズーム率を得ることができる。液晶適応レンズでは（少なくとも現時点では）レンズのタイプを変更することはできない。
【００５６】
本発明の一実施形態によると、２レンズ光学ズームシステム７８（または同様のシステム）は、流体適応レンズを備えた場合、システム内でレンズ７２と７４とを分離するスペーシングｄを変化させることなく、十分高いズーム率を達成することができる。流体適応レンズを用いることにより、レンズ７２、７４の焦点距離が広範囲に変化または調整できるだけでなく、レンズのタイプを変化または反転させることができる。図８〜図１７は、レンズ７２、７４およびズームシステム７８に用いることができる様々な構成と、これらのレンズの製造技術に関する。しかし本発明は、流体適応レンズによってズームシステムを形成する他の構成および製造技術をも含み、このことは当業者には明らかである。
【００５７】
図８は、図７のレンズ７２、７４の各々として用いることができる流体適応レンズ７５のコンポーネント構成の一例を示す。図示するように、レンズ７５は変形可能／可撓性膜（またはダイヤフラム）８１を含み、膜８１はカップ形状構造体８５の縁に連結されている。カップ形状構造体８５は、流体媒体８３を含む流体含有レンズキャビティ８２を有する。カップ形状構造体８５を貫通する１以上（この場合は２つ）のチャネル８４が、流体媒体８３がキャビティ８２と流体レザバー（図示せず）との間で流入／流出することを可能にする。キャビティ８２内の流体圧力が変化すると、膜８１の曲率が変化し、従ってレンズ形状も変化する。これにより焦点距離が変わる。低ヤング率（例えば1 Mパスカル）を有するシリコーンベースの弾性材料（例えばＰＤＭＳ）を膜８１として用いることにより、レンズチャンバ内の圧力の変化（例えばチャンバ外の圧力に対して負の値から正の値に）に伴って、レンズ形状を大きく変化させることができ、さらにレンズタイプも変化（例えば凹状または平坦表面から凸状表面へ、またはその逆）させることができる。さらに広い焦点距離調整範囲を得るためには、レンズ媒体として高屈折率流体を用いるとよい。可視光のスペクトル範囲に亘って屈折率1.68を有する透明度の高い流体が市販されている。
【００５８】
図９は、流体圧力に対するレンズ７５の焦点距離の依存性の一例をレンズ媒体ごとに示している。レンズ媒体は、脱イオン水（n = 1.33）およびクロム酸ナトリウム（n = 1.50）であり、レンズ口径は20 mmとしている。図示するように、流体圧力を変化させることによってレンズ７５の焦点距離を変化させることができるだけでなく、焦点距離値が負であるか正であるかによって示されるレンズのタイプ（例えば、凹／負であるか凸／正であるか）も流体圧力を変化させることによって変化させることができる。注目すべきは、レンズの口径より短い最短焦点距離（正のレンズの場合は、H2Oで20 mmでありクロム酸ナトリウムで14 mmであり、負のレンズの場合は、H2Oで-17 mmでありクロム酸ナトリウムで-6 mmである）が示されていることである。上記の分析が示すように、広い焦点距離調整範囲とレンズタイプ交換可能性との両方を有する流体適応レンズを１枚以上用いることにより、レンズ間のレンズスペーシングを変化させる必要なく高性能ズームシステムを達成することが可能になる。
【００５９】
レンズ７２およびズームシステム７８の他のコンポーネントを形成し得る材料の選択が柔軟にできること、特に媒体７６を形成するために用いることができる材料の選択が柔軟にできることにより、「集積ズームレンズ」の形成、およびズームシステム用のレンズおよびレンズアレイのウエハ規模の製造に関して多くの可能性が提供される。図１０ａ〜図１０ｄは、２レンズ光学ズームシステム７８内で用いることができる例示的２レンズ構造体９０を、どのようにして例示的なウエハ規模バッチプロセスで低コストで製造し得るかを模式的に示す。図１０ａに示すように、適切な厚みの透明基板（例えば、ガラス基板またはポリマー基板）９１を選択し、それぞれキャビティ９６でパターン化された２枚のウエハ９２をまず形成する。キャビティ９６を規定するパターンは、ソフトリソグラフィプロセス（図６を参照して上述した）または成形プロセスを用いて形成することができる。その後、図１０ｂに示すように、２枚のウエハ９２を基板９１の互いに対向する側に、キャビティ９６が基板とは逆方向の外方に開くように接着する。図ではウエハ９２の各々が２つのキャビティ９６を有するように示しているが、実施形態によってはウエハは１つのキャビティを有していてもよいし、２より多いキャビティを有していてもよい。
【００６０】
さらに図１０ｃに示すように、それぞれ片側に膜９３が堆積された２枚のハンドルウエハ９４を提供する。ハンドルウエハ９４は、膜９３をウエハ９２の縁９５に（この実施形態では、さらにキャビティ９６内の中間点にも）接着する際に機械的支持を提供する。接着プロセスは酸素プラズマ表面活性化（図６を参照して上述した）または他の適切なプロセスを含み得る。最後に図１０ｄに示すように、ハンドルウエハ９４を膜９３から除去すし、完成した２レンズ構造体９０が残る。２レンズ構造体９０は、物体に対向し得る第１の流体適応レンズ本体９７と像面に対向し得る第２の流体適応レンズ本体９８とを含む。バッチプロセスによって複数のこのような２レンズ構造体９０が単一のウエハ（例えば、いくつかの基板９１を含む単一のウエハ）上に同時に形成されるが、このような２レンズ構造体はウエハをダイシングすることにより個々の２レンズ構造体に分離することができる。個々の２レンズ構造体９０が得られると、２レンズ構造体９０を流体システム（例えば図５に示すような流体レザバーと作動コンポーネント）に連結し、選択したレンズ媒体でキャビティ９６を充填することにより、２レンズ構造体９０を２レンズ光学ズームシステム７８に用いることができる。キャビティ９６に対して流体媒体の流入／流出を可能にするチャネルは図１０ａ〜図１０ｄに示していないが、このようなチャネルが提供されている（例えば、ウエハ９２の縁９５内のスロットまたは凹部として）と理解されたい。
【００６１】
図１０ａ〜図１０ｄに示すプロセスにおいて重要なことは、第１および第２の流体適応レンズ本体９７、９８を形成するために用いたキャビティ９６が良好に整合すべきであることである。２レンズ構造体９０のすべての材料は透明であり、パターンが大型のウエハ上に形成されているため、コンタクトアライナーまたは接着機の標準の固定具（例えば、Vermont州Waterbury CenterのKarl Suss America Inc.製造の接着機）を用いて数マイクロメートルの整合精度を日常的に達成することができる。キャビティ９６の整合が適切であれば、整合性をそれほど気にすることなくシリコン製ハンドルウエハ９４上のレンズ膜９３をレンズチャンバに接着することができる。上記のプロセスは様々な適用に用いられるほぼいずれのサイズのズームレンズ（例えば、0.1 mm未満から〜数センチメートル）の製造をも可能にする。
【００６２】
図１０ａ〜図１０ｄに示すプロセスにより、２レンズ光学ズームシステムが、大量低コストベースで製造することが可能になる。しかし本発明は、図１０ａ〜図１０ｄに示すもの以外でも、１以上の流体適応レンズを用いたズームシステムを形成するために用いることができる様々な他の構造および製造プロセスを含む。様々な技術を用いて様々な構成を製造することにより、様々な適用の要件を満たすために構造体９０以外の様々な流体レンズ構造体を得ることができる。例えば図１０ａ〜図１０ｄの２レンズ構造体９０はいくつかの適用には適しているが、膜９３が外部環境に曝されているために他の適用には頑強性の面で不十分である場合もある（例えば図３ａ〜図３ｂのレンズ３６、４６の場合）。これとは対照的に図１１〜図１６は、ズームシステムの頑強性を向上させるためにレンズ膜が外部環境に直接曝されないことが望ましい装置、さらにはすべてのレンズ膜がズームシステムの本体内部に収容されていることが望ましい装置に設けるのに魅力的な更なるレンズ構造体の例を示す。
【００６３】
図１１、図１２ａおよび図１２ｂは、図１０ａ〜図１０ｄの構造体９０よりも機械的頑強性に優れた２レンズ光学ズームシステムを構成するために、レンズ７２、７４のいずれかとして用いることができる更なる流体適応レンズ構造体１００、１１０および１２０を示す。図１１は特に、剛性材料から形成された２つの外表面１０１と、外表面１０１間に設けられて剛性壁１０３によって支持された可撓性膜１０２とを含むレンズ構造体１００を示す。外表面１０１と、膜１０２と、壁１０３とが、第１および第２の内部キャビティ１０５および１０６を取り囲み規定する。壁１０３はさらに、外表面１０１と膜１０２との間に形成された第１および第２の内部キャビティ１０５、１０６を、対応する流体レザバー（または同じ１つのレザバーであってもよい）および作動コンポーネント（図示せず）に連通させ得る流体チャネル１０４を含む。流体レザバーは、第１および第２の流体媒体１０７、１０８を、対応するキャビティ１０５および１０６に供給する。第１の流体媒体１０７は典型的には（必ずしも必要ではないが）第２の流体媒体１０８とは異なる屈折率を有する。例えば、第１の流体媒体の屈折率は第２の流体媒体のそれよりも低くてもよい。
【００６４】
図１２ａおよび図１２ｂのレンズ構造体１１０および１２０各々は、１対の剛性外表面１１２間に設けられ壁１１３によって支持される１対の可撓性膜１１１を含む。可撓性膜１１１間に内部キャビティ１１４があり、各膜とこれに隣接し対応する剛性外表面１１２との間には、それぞれ外部キャビティ１１５が規定されている。壁１１３は内部チャネル１１６および外部チャネル１１７を含み、これらはそれぞれ流体媒体が外部キャビティ１１５および内部キャビティ１１４に出入りすることを可能にする。必ずしも必要ではないが典型的には、外部キャビティ１１５が同一の流体媒体を受け入れる一方で、内部キャビティ１１４は外部キャビティ１１５に供給されるものとは異なる流体媒体を受け入れる。特に図１２ａのレンズ構造体１１０では、屈折率の低い第１の流体媒体１１８が外部キャビティ１１５に供給され、屈折率の高い第２の流体媒体１１９が内部キャビティ１１４に供給される。対照的に図１２ｂのレンズ構造体１２０では、屈折率の低い第１の流体媒体１１８が内部キャビティ１１４に供給され、屈折率の高い第２の流体媒体１１９が外部キャビティ１１５に供給される。
【００６５】
図１１、図１２ａおよび図１２ｂに示す流体適応レンズ構造体１００、１１０および１２０は各々、１枚または２枚の膜によって分離された２つの媒体を含む。膜は、媒体含有キャビティ間の圧力差により変形可能である。例えば、高屈折率媒体キャビティの圧力が低屈折率媒体キャビティの圧力よりも高い場合、膜は低屈折率側に屈曲して実効的凸レンズを形成する。逆に低屈折率媒体キャビティの圧力が高い場合、膜は高屈折率側に屈曲して実効的凹レンズを形成する。従ってレンズ構造体の膜曲率を動的に制御することにより、両タイプの流体適応レンズ構造体（負であれ正であれ）および流体適応レンズ構造体の焦点距離を変更／調整することができる。レンズ構造体の膜曲率は、膜の互いに対向する側の２つのキャビティ間の流体圧力の差（及びおそらく膜自体の特性）によって決定される。レンズ構造体１１０および１２０の場合、膜曲率は、キャビティのうち２つではなく３つの各々の流体圧力によってある程度決定される。
【００６６】
上記したように、図１１、図１２ａおよび図１２ｂのレンズ構造体１００、１１０および１２０は剛性な外表面１０１および１１２を有しているため、構造体は外乱に対して弾力性が高い。このことは、望ましくない光の反射を抑えるためにこれらの表面に反射防止コーティングを施す必要が生じたときに製造プロセスを容易にする。さらに外表面１０１、１１２は剛性であるため、キャビティ１０５、１０６、１１４および１１５間の圧力差の大きさおよび正負が変化しても、レンズ構造体の外形状は変わらない。その結果、レンズ構造体１００、１１０および１２０を容易に連結してズームシステム７８などの２レンズ光学ズームシステムおよび多レンズ光学ズームシステム（２より多いレンズを有する）を形成し、ズーム率をさらに上昇させることができる。各流体チャンバ／キャビティ内の圧力は、上記の機械、圧電、電磁、電気機械、またはその他のアクチュエータにより制御することができ、各膜の曲率は、２つの隣接するチャンバ間の圧力差と膜の機械特性とによって決定される（所与のレンズが３つのチャンバを有する場合は、膜の位置は３つのチャンバすべての圧力の影響を受けることがある）。流体媒体１０７、１０８、１１８、１１９として様々な液体を用いることができるが、上記より空気（または他の気体）も低屈折率媒体として使用可能であることを理解されたい。空気が用いられる特別の場合には、低屈折率媒体用のキャビティを除去することにより、単一キャビティの流体適応レンズを構成することができる。
【００６７】
図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ、図１５ａ〜図１５ｄは、図１１、図１２ａおよび図１２ｂを参照して上記した流体適応レンズ構造体１００、１１０および１２０の様々な対を用いて構成した例示的２レンズ構造体１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６および１３８を示す。図示するように、２レンズ構造体１２２〜１３８の各々は、レンズ構造体１００、１１０または１２０の対を含み、これらはレンズ構造体対間に設けられた中間光学媒体１４０によって分離されている。光学媒体１４０は様々な形態を取り得、これらは図１０ａ〜図１０ｄの基板９１に関して上記した形態を含む。媒体はレンズ構造体対を一体的に保持する構造的サポートを提供し、かつ単に透明な光導体媒体を供給することができる。より特定すると、２レンズ構造体１２２〜１３８は、以下のようにレンズ構造体１００、１１０および１２０を組み合わせている。図１３（ａ）の２レンズ構造体１２２は、レンズ構造体１００を２つ同一方向に組み合わせ、一方のレンズ構造体では第２の流体媒体１０８の方が光導体媒体１４０に近く、他方のレンズ構造体では第１の流体媒体１０７の方が光導体媒体に近いようにしている。図１３（ｂ）の２レンズ構造体１２４は、レンズ構造体１００を２つ逆方向に組み合わせ、各レンズ構造体１００の同一の流体媒体（図示する例では、第１の流体媒体１０７）の方が光導体１４０に近いようにしている。
【００６８】
図１４（ａ）、図１４（ｂ）および図１４（ｃ）の２レンズ構造体１２６、１２８および１３０はそれぞれ、図１２（ａ）のレンズ構造体１１０の２つの組合せ、図１２（ａ）のレンズ構造体１１０と図１２（ｂ）のレンズ構造体１２０との組合せ、図１２（ｂ）のレンズ構造体１２０の２つの組合せである。図１５（ａ）および図１５（ｂ）の２レンズ構造体１３２および１３４はそれぞれ、図１１のレンズ構造体１００と図１２（ａ）のレンズ構造体１１０とを組み合わせている。図１５（ａ）はレンズ構造体１００を１つの方向に設けた状態を示しており、図１５（ｂ）はレンズ構造体１００を図１５（ａ）とは逆の方向に設けた状態を示している。図１５（ｃ）および図１５（ｄ）の２レンズ構造体１３６および１３８はそれぞれ、図１１のレンズ構造体１００と図１２（ｂ）のレンズ構造体１２０とを組み合わせている。図１５（ｃ）はレンズ構造体１００を１つの方向に設けた状態を示しており、図１５（ｄ）はレンズ構造体１００を図１５（ｃ）とは逆の方向に設けた状態を示している。図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ並びに図１５ａ〜図１５ｄは、流体適応レンズ構造体１００、１１０、１２０を組み合わせて、上記のシステム７８のような２レンズ光学ズームシステムに設けることができる２レンズ構造体の構成例を示したものにすぎず、これらおよび他の流体適応レンズ構造体の他の構成も本発明の範囲内に含まれる。
【００６９】
図１６に、図１０ａ〜図１０ｄを参照して上記したプロセスによって設計および製造された機能的流体適応レンズ光学ズームシステムの性能特性を示す。このシステムは、高屈折率媒体として水を用い、口径20 mm、撮像距離50 mmである。図示するように、撮像距離50 mmで、最小拡大率に対する最大拡大率の比は、物体距離が250 mmの場合に4.6であり、物体距離が1000 mmの場合に4.2である。これは３を超えるズーム率を生み出す。
【００７０】
より包括的には、ズームシステムのズーム率を推定するために、高屈折率媒体として水（n = 1.333）を用い低屈折率媒体として空気を用いたと仮定して、口径3 mmと1 mmのズームレンズを計算するとよい。ズームシステムの口径が3 mmで、レンズスペーシング（ｄ）が8 mm、像面距離が5 mmの場合、得られるズーム率は4:1より大きい。このようなズームシステム最大視野（ＦｏＶ）は約45度である。ズームシステムの口径が1 mmで、レンズスペーシングが8 mm、像面距離が1.5 mmの場合、得られるズーム率は5:1より大きい。このようなズームシステム最大視野は約17度である。所望であれば、レンズスペーシングが8 mm、像面距離が5 mmとすると、視野を犠牲にして10:1より大きいズーム率を得ることができる。最後に、調整可能レンズは調整可能な曲率半径を有する球状表面形状を有しているため、収差は固体球状レンズの場合とほぼ同じである。このような収差は、１以上の非球状表面によって補正することができ、これは光学システム設計の分野では広く行われている実務である。
【００７１】
図１０ａ〜図１０ｄに示す製造プロセスは、図１１、図１２ａおよび図１２ｂに示すレンズ構造体１００、１１０および１２０の構造、並びに図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ並びに図１５ａ〜図１５ｄに示す２レンズ構造体の製造にそのまま適用可能ではないが、このようなレンズ構造体には多くの製造プロセスが可能である。例えば図１７は、レンズ構造体１００とレンズ構造体１００の対を用いて２レンズ構造体１２２を１つ形成するプロセスを示すフローチャート１４０を示す。プロセスを開始すると第１のステップ１４１で、２枚の別々の透明基板上にキャビティを形成する。キャビティの直径は、適用に応じて数百マイクロメートルから数センチメートルまで変化させることができる。キャビティの厚み（深さ）は数百マイクロメートルから数ミリメートルの範囲であり得る。第２のステップ１４２で、薄いポリマー膜を形成する。膜厚みは典型的には、数十マイクロメートルから100 μmの範囲である。膜は圧力下において弾性的に挙動し、様々な屈折率の媒体が充填されるキャビティを分離する可撓性ダイヤフラムとして用いることができる。
【００７２】
次いで第３のステップ１４３において、第２のステップで形成したポリマー膜の互いに対向する側を対応する基板に接着する。このとき、第１のステップで形成したキャビティが２つの閉キャビティを形成するようにする。膜の各側にキャビティが１つずつ形成される。その後第４のステップ１４４において、各キャビティの側壁に１以上のチャネルを形成し、流体媒体用の流入口／流出口を提供する（いくつかの実施形態では、所与のチャネルまたは孔が流入口および流出口の両方として作用し、他の実施形態では、流入口および流出口として別々のチャネルが提供される）。その後第５のステップ１４５において、流入口および流出口を１以上の流体レザバー（典型的にはこの場合、第１および第２の流体媒体に対して第１および第２のレザバー）に連通させる。さらに第６のステップ１４６において、１以上の作動コンポーネントを組み込んで、キャビティに対する流体媒体の流入および流出を制御する（例えば、流体媒体の圧力を変化させることによる）。上記のように、これらの作動コンポーネントはいずれの形態をも取ることができ、例えば、流体マイクロポンプ、圧電アクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、テフロン（登録商標）コーティングした止めねじ、または各流体チャンバの圧力を制御し設定する他の形態の作動コンポーネントであってもよい。
【００７３】
次いで第７のステップ１４７において、異なる屈折率を有する２つの流体媒体をそれぞれ対応するキャビティに供給する。例えば、一方の媒体が屈折率1.3の水であり他方の媒体が屈折率約1.6の油であり得る（他の実施形態では、流体媒体の屈折率が同一であってもよい）。これにより１つのレンズ構造体１００の構成が完成する。２レンズ構造体１２２を形成するためには、第８のステップ１４８に示すようにステップ１４１〜１４７をもう一度反復し、第２のレンズ構造体１００を形成する。レンズ構造体１００を２つ形成すると、第９のステップ１４９で２つのレンズ構造体を光学媒体に取り付けることができる。光学媒体は例えば図１３ａおよび図１３ｂに示す２つの構造間の光学媒体１４０を構成する。上記のように光学媒体は例えば、ある厚みを有する固体透明基板（例えば、ガラスウエハまたはポリマー基板）であってもよい。こうして図１３ａおよび図１３ｂの２レンズ構造体１２２、１２４のいずれかを形成するプロセスが完了する。
【００７４】
図１１のレンズ構造体１００並びに図１２ａおよび図１２ｂのレンズ構造体１００および１２０を製造する他のプロセスも使用可能であり、図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ並びに図１５ａ〜図１５ｄの２レンズ構造体１２２〜１３８を製造する他のプロセスも使用可能である。２レンズ構造体を用いた光学ズームシステム全体は、一旦構成されると、直径数ミリメートルで長さ約1センチメートルの円筒管の形態を取り得る。このような装置は、多くのハンドヘルドまたはポケットサイズの装置に容易に取り付けることができる。ズームシステムを市販の光学システムに新しく組み込むことができる小型アタッチメントとして形成することが可能であるため、ズーム機能を有する眼鏡またはゴーグルなど、さらに多くの製品が製造可能である。
【００７５】
本発明は本明細書に含まれる実施形態および例示に限られるものではなく、請求の範囲に含まれる限り、実施形態の一部および様々な実施形態の要素の組合せを含む、実施形態の改変形態を含むことを特に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、流体適応レンズが用いられた１対の眼鏡を示す図である。
【図２ａ】図２ａは、凸型流体適応レンズの断面図を模式的に簡略化して示す図である。
【図２ｂ】図２ｂは、凹型流体適応レンズの断面図を模式的に簡略化して示す図である。
【図３ａ】図３ａは、図２ａの凸型流体適応レンズの一例を、関連する支持構造と共に示す詳細な断面図である。
【図３ｂ】図３ｂは、図２ｂの凹型流体適応レンズの一例を、関連する支持構造と共に示す詳細な断面図である。
【図４ａ】図４ａは、一定の外形状を維持する流体適応レンズの他の実施形態を示す断面図である。
【図４ｂ】図４ｂは、一定の外形状を維持する流体適応レンズの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】図５は、図２ａおよび図２ｂに示すようなレンズに用いることができる流圧回路を模式的に簡略化して示す図である。
【図６】図６は、図３ａおよび図３ｂに示すようなレンズを用いて、図５に示すような流体回路を形成する手順の例示的工程を示す簡略化フローチャートである。
【図７】図７は、少なくとも１つの流体適応レンズを用いたズームレンズシステムの模式図である。
【図８】図８は、広い焦点距離調整範囲を達成するために用いることができる例示的流体適応レンズの断面図である。
【図９】図９は、一実施形態において図８の流体適応レンズの焦点距離が流体圧力に応じて変化する様子を示すグラフである。
【図１０ａ】図１０ａは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１０ｃ】図１０ｃは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１０ｄ】図１０ｄは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、レンズ構造体の他の実施形態を示す断面図である。
【図１２ａ】図１２ａは、レンズ構造体の他の実施形態を示す断面図である。
【図１２ｂ】図１２ｂは、レンズ構造体の他の実施形態を示す断面図である。
【図１３ａ】図１３ａは、図１１に示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１３ｂ】図１３ｂは、図１１に示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１４ａ】図１４ａは、図１２ａに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１４ｂ】図１４ｂは、図１２ａおよび図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１４ｃ】図１４ｃは、図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ａ】図１５ａは、図１１および図１２ａに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ｂ】図１５ｂは、図１１および図１２ａに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ｃ】図１５ｃは、図１１および図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ｄ】図１５ｄは、図１１および図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１６】図１６は、図１３〜図１５の実施形態の１つによる例示的ズームシステムによって提供される拡大率が、フロントレンズのパワーに応じて変化する様子を示すグラフである。
【図１７】図１７は、図１３ａおよび図１３ｂに示すような２レンズ構造体を形成する手順の例示的工程を示す簡略化フローチャートである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学レンズに関し、特に様々な光学システムに採用される視力矯正レンズおよびズームレンズに関する。
【０００２】
関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は2004年3月31日に出願された「流体適応レンズ」という名称の米国仮特許出願第60/558,293号に基づき優先権を主張する。上記米国仮特許出願は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００３】
連邦により後援された研究開発に関する陳述
本発明は、国防総省高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）認可第F49620-02-1-0426号によるアメリカ合衆国政府の支持によってなされた。アメリカ合衆国政府は本発明に対して権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
光学レンズは様々な装置に多くの目的で（例えば焦点の修正および拡大のために）用いられている。光学レンズを採用している従来の多くの装置は、固体材料により形成されたレンズを用いており、レンズの光学特性（例えば焦点距離）が経時的に一定またはほぼ一定になるようにしている。例えば、視力矯正用に用いられる眼鏡は典型的にはガラスまたはプラスチックなどの固体により形成されている。同様に、カメラまたは他の光学システム（例えば顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、コピー機、スキャナなど）は通常固体レンズを用いている。
【０００５】
固体材料から形成されたレンズは概して頑強であり経時的に光学特性を維持するが、このようなレンズを用いることには多くの不都合がある。例えば視力矯正レンズの場合、視力矯正力はレンズの製造時に固定される。その結果、今日の眼鏡は低コストで大量生産できないことが多い。なぜならレンズが特定の患者ごとに製造されるからである。各患者に必要な視力矯正力はまちまちであるため、患者は視力矯正レンズを製造してもらう前に、まず眼科医または検眼士に必要な矯正力を測定してもらわなければならない。さらにガラスやプラスチック材料を処方による精密な形状のレンズに加工すること自体、比較的高価格かつ低スループットのプロセスである。患者が新しい眼鏡を受け取るまで数日さらに数週間かかる場合も多い。サングラスのような既製品のグラスに比べて、現行の技術を用いて設計され製造される視力矯正眼鏡は特に高価で製造が複雑である。
【０００６】
さらに今日の眼鏡に用いられている視力矯正レンズは、着用者がよく遭遇する様々な事態に対応できる柔軟性を有していない。例えば、ある個人に最適な視力矯正は様々な要因（例えば年齢、ライフスタイル、様々な実際の環境）に応じて頻繁に変化する。その結果、成人であれば典型的には数年ごとに視力矯正レンズを交換する必要がある。子供または青年の場合、成人よりも頻繁に視力矯正眼鏡の交換が必要とされることが多い。
【０００７】
人によっては、特に５０歳代以上の人の場合、近くの物体を視るために必要な視力矯正は、遠くの物体を視るために必要な視力矯正と大幅に異なることがある。１対の眼鏡で様々なレベルの視力矯正を提供するために、今日の眼鏡の多くは二焦点レンズ（さらには三焦点レンズまたはその他の多焦点レンズ）を採用している。これらのレンズでは、レンズの部分によって光学特性が異なる。このような二焦点レンズは、１対の眼鏡で様々なレベルの視力矯正を提供するにはどうすべきかという問題を解決はするが不具合は生じる。従来、二焦点レンズは、レンズ全体の中心線に沿って位置づけるか又は融合したレンズ部分対から形成する。レンズ部分の間の中心線は、レンズ部分の間に知覚できる境界線であり、このようなレンズは外見上望ましくないことが多い。
【０００８】
外見上望ましくないとは言えない新しい二焦点レンズもある。しかし、レンズの領域間の矯正力の変化が緩やかなものとなり且つ領域間に明白な境界線がないようにレンズに傾斜をつけているとはいえ、これらの新しい二焦点レンズも従来の二焦点レンズと同じ他の問題点を有する。特に、レンズの様々な部分が異なる視力矯正特性を有するため、レンズを介した着用者の視野は時間または環境によっては悪くなる。その時間／環境に着用者に適切な光学特性を提供するのはレンズの一部分のみだからである。
【０００９】
さらに、多くの人々は、二焦点レンズを必要としないにもかかわらず、状況に応じて様々な量の視力矯正を提供する眼鏡を好むことがある。例えば、車を運転しているとき又は映画を見ているときと、本を読んでいるとき又はコンピュータの画面の前で仕事をしているときとでは、好ましい視力矯正量が異なることがある。
【００１０】
従って少なくともこれらの理由により、光学特性が固定された固体レンズを眼鏡に用いることは様々な点で明らかに不利である。さらに光学特性が固定された固体レンズを用いることに関連する不都合は、眼鏡／グラスにこのようなレンズを用いることに関連する不都合に限られない。実際、特性が固定された固体レンズを様々な装置（例えばカメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、コピー機、スキャナなど）に用いることも同様の不都合を呈する。
【００１１】
さらに、光学特性が固定された固体レンズを用いることは、レンズの相互作用により全体として光学特性を提供するように組み合わせているシステムの場合、さらなる不都合を伴う。このようなシステムとは例えば、光学特性が固定された２以上の光学レンズを相対的に移動させてレンズの組合せ全体の光学特性を変化させ、それによりズームレンズを形成するズームレンズシステムを含む。このようなシステムで用いられる個々のレンズの光学特性は固定されているため、レンズの組合せ全体の光学特性は他の要因、特に個々のレンズの相対位置に依存する。その結果、ズームレンズシステムなどのシステムに関連して望ましい特徴および性能を提供して所望の効果を得るためには、複雑かつ高価な機械的および／または他のコンポーネントおよび技術を採用しなければならない。
【００１２】
特にズームレンズシステムに関しては、ズーム性能を有する従来のシステムは典型的には高価であり、このような性能を有していないシステムよりも嵩高い／重いことが多い。ズームレンズの最も重要な利点はズーム率である。ズーム率が高いほど、システムは高価になる。典型的なカメラは約３のズーム率を有する。高性能のシステムの中には１０より高いズーム率を有するものもある。現在すべての光学ズームレンズは、ズームレンズ全体を形成する個々のレンズ間の距離を変更することによってズームインおよびズームアウト機能を達成している。これは、典型的には数センチの範囲に亘ってレンズが高精密な機械的動きをすることを含む。レンズが高精密で信頼性のある相対移動をするためには典型的には、複雑で低速度で嵩高くかつ高価な機械システムが必要である。
【００１３】
ズームを達成するためにレンズの距離を可変にしなければならないという必要性が、ズーム特性を多くの新しい適用に組み込むことを妨げてきた。現在の多くの「電子器具」（例えば携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ノートコンピュータ）は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラを備えている。カメラをこのような器具に設けることはかつては目新しかったがやがて標準の特徴となり、今ではこのような器具の多くが撮像関連の機能をサポートしている。撮像関連の機能は撮像のみならず、記録、ビデオフォン機能、およびビデオ会議を含む。しかし、これらの小型電子器具およびその光学装置に従来のズームレンズを組み込むことは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、上記の光学特性が固定された固体レンズを用いることに関連する不都合を緩和する１以上のタイプのレンズおよび／またはレンズシステムが開発されることが望ましい。特に、眼鏡に設けるための新しいタイプのレンズおよび／またはレンズシステムが開発されて、眼鏡の光学特性をレンズ全体を交換することなく容易かつ低コストで調整することができれば有利である。さらに、レンズの光学特性を、単に限られた数の不連続レベルではなく、広いスペクトルに亘ってフレキシブルに変化させることができれば有利である。さらにレンズの光学特性の変化がレンズ全体に適用でき、例えばレンズの光学特性の変化が、レンズを用いた眼鏡の着用者の視野領域の一部のみではなく、視野領域全体に適用できれば有利である。
【００１５】
新しいタイプのレンズまたはレンズシステムを、上記に加えて、あるいは上記に代えて、レンズを採用する他のシステム（例えば、カメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、監視装置、検査装置、迅速撮像装置、対象追跡装置、コピー機、スキャナなど）に設けることができれば有利である。さらに、新しいタイプのレンズまたはレンズシステムを、複数のレンズの相対位置を制御する複雑な機械系の必要性を低減するようにズームレンズシステムに設けることができれば有利である。さらに新しいタイプのレンズまたはレンズシステムを採用したズームレンズシステムを、１以上のタイプの物理的に小型の「電子器具」（例えば、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、またはノートコンピュータ）にコンパクトに設けることができれば有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の要約
本発明者らは、従来の眼鏡および光学システム（例えば、ズームレンズシステムなどの複数のレンズを用いるシステム）に関連する上記不都合の多くは、眼鏡または光学システムが可変または適応性のある光学特性を有するレンズを採用すれば緩和または排除できるということを認識した。本発明者らはさらに、適応性のある光学特性を有するレンズは、流体媒体対を分離する光学的透過性の可撓性ダイヤフラム／膜を１以上用いることにより形成可能であることも発見した。流体媒体の１以上の圧力を適切に変化させると、膜の位置および光が通過する１以上の流体媒体の量が変化し、それによりレンズの光学特性を変化させることができる。
【００１７】
特に本発明は、可撓性で光学的透過性である第１の隔壁と、前記第１の隔壁に連結された第２の隔壁であって、少なくとも一部が光学的透過性であり、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁との間に第１のキャビティが形成される、第２の隔壁とを備えたレンズ装置に関する。レンズ装置はさらに、前記キャビティ内に設けられ、光学的透過性である第１の流体媒体と、前記流体媒体のパラメータを制御することができる第１のコンポーネントとを備える。前記流体媒体の前記パラメータが変化すると、前記第１の隔壁が屈曲してレンズの光学特性が変化する。
【００１８】
本発明はさらに、第１の流体適応レンズと、第２の流体適応レンズと、前記第１の流体適応レンズと前記第２の流体適応レンズとを連結する中間構造体であって、少なくとも部分的に光学的透過性である、中間構造体とを備えた多レンズ装置に関する。
【００１９】
本発明はさらに、流体適応レンズ装置を製造する方法に関する。当該方法は、第１のキャビティを有する第１の構造体を提供する工程であって、前記第１のキャビティが部分的にのみ前記第１の構造体によって取り囲まれる工程と、前記第１のキャビティを実質的に取り囲むように、第１の可撓性層と前記第１の構造体とを互いに連結させる工程とを含む。前記第１のキャビティに第１の流体を充填することができ、それにより前記第１の構造体と前記第１の可撓性層と前記第１の流体とが相互作用して前記流体適応レンズ装置を構成する。
【００２０】
本発明はさらに、レンズ装置を動作させる方法に関する。当該方法は、互いに連結された可撓性層と剛性構造体とを含んでキャビティを形成するレンズ構造体を提供する工程と、前記キャビティ内の流体の流体圧力を調整して前記可撓性膜の屈曲を調整する工程とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、流体適応レンズの設計および構成、並びにこのようなレンズの様々な環境（例えば、眼鏡およびズームレンズシステム）における１以上の使用に関する。図１〜図６は概して、動的に調整可能な視力矯正力を提供することができる眼鏡に用いられる流体適応レンズの設計および実施に関する。図７〜図１７は概して、様々な装置（例えば携帯電話のカメラ）に組み込むことができるズームレンズシステムに用いられる流体適応レンズおよびその組合せの設計および実施に関する。上記ズームレンズシステムは、複数のレンズを物理的に互いに近づけたり離したりするための複雑な機械的装置を必要とすることなく、可変ズーム性能を提供することができる。
【００２２】
図１〜図１７は特に、眼鏡およびズームレンズシステムに用いられる流体適応レンズの設計および実施に関するが、本発明はこれら又は同様の流体適応レンズを広範囲の他の適用および環境（例えば様々な他の電子その他の装置）に用いることを含む。他の適用および環境は、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、バーコードリーダ、マクロ（または拡大）機能を有するシステム、監視装置、検査装置、迅速撮像装置、対象追跡装置、コピー機、スキャナ、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、ノートコンピュータ、テレスコープ、拡大鏡、検眼士テスト装置、およびレンズを必要とする他の装置を含む。本発明は実際、上記レンズの特定の適用とは独立して、単に概して流体適応レンズの設計および実施に関する。本発明は、光学特性が可変である１以上の流体適応レンズを採用する様々なレンズ、レンズ構造体およびレンズシステムを含む。本発明による流体適応レンズは、凸レンズ、凹レンズ、凹凸レンズ、正または負メニスカス、平凸レンズ、平凹レンズ、両凸レンズ、および両凹レンズなど、様々なタイプのレンズを含む。
【００２３】
眼鏡に設けることが可能な流体適応レンズの例を、図１、図２ａおよび図２ｂに模式的に示す。図１は１対の眼鏡５の一例を示す。眼鏡５において、２枚の流体適応レンズ６、７がフレーム８によって支持されている。図２ａおよび図２ｂは、図１に示す眼鏡のレンズ６、７として設けることができる２枚の異なるタイプのレンズの断面図である。図２ａは、遠視を矯正するために用いることができる第１の流体レンズ１の概略図である。図示するように、流体レンズ１は凸型流体適応視力矯正レンズであり、高屈折率流体である第１の媒体２０と、低屈折率流体である第２の媒体１０と、２つの媒体を分離する可撓性膜（またはダイヤフラム）３０とを含む。高屈折率流体の圧力が低屈折率流体の圧力よりも高いとき、可撓性膜３０は低屈折率側に屈曲する。図２ａとは対照的に、図２ｂは、近視を矯正するために用いることができる第２の流体レンズ２の概略図である。図示するように、流体レンズ２は凹型流体適応視力矯正レンズであり、高屈折率流体である第１の媒体２２と、低屈折率流体である第２の媒体１２と、２つの媒体を分離する可撓性膜（またはダイヤフラム）３２とを含む。低屈折率流体の圧力が高屈折率流体の圧力よりも高いとき、膜３２は高屈折率側に屈曲する。
【００２４】
可撓性膜３０、３２は、それぞれ対応する媒体対１０、２０と１２、２２との間の圧力差により変形する。例えば、高屈折率媒体側の圧力が低屈折率媒体側の圧力よりも高い場合、膜は図２ａに示すように低屈折率媒体方向に屈曲し、遠視の問題を矯正することができる実効的凸レンズを形成する。他方、低高屈折率媒体側に高い圧力がある場合、膜は高屈折率媒体方向に屈曲し、近視の問題を矯正することができる実効的凹レンズを形成する（図２ｂを参照のこと）。
【００２５】
図３ａおよび図３ｂはそれぞれ、流体レンズ３６および４６の一例を示す断面図である。レンズ３６、４６は、それぞれ図２ａおよび図２ｂに模式的に示す凸型適応視力矯正レンズ１および凹型適応視力矯正レンズ２として採用することができる例示的構造を詳細に示す。図示するように、レンズ３６および４６は各々、透明剛性材料３１、４１の一部と、第１の流体媒体３２、４２と、第２の流体媒体３３、４３と、可撓性膜（またはダイヤフラム）３４、４４とを含む。本実施形態では、第２の流体媒体３３、４３はレンズ３６、４６の外側の空気として示しているが、これらの流体媒体は他の流体（気体または液体）であってもよい。
【００２６】
さらにレンズ３６、４６は各々、透明剛性媒体３１、４１上に膜３４、４４を支持する壁３７、４７を含む。壁３７、４７は対応するレンズ３６、４６を取り囲んでいる。レンズ３６、４６は典型的には、レンズ前方から見た場合、円形または卵形状である（他の形状も取り得る）。壁３７、４７は各々、膜３４、４４および透明剛性材料３１、４１と共に、第１の流体媒体３２、４２が存在する内部キャビティ３８、４８を規定する。壁３７、４７の各々はさらに、第１の流体媒体３２、４２がキャビティ３８、４８に出入りすることを可能にするチャネル３９、４９を規定する。ある実施形態では、壁３７、４７は眼鏡５のフレーム８内に形成することができる。さらに図３ａおよび図３ｂに示すように、矢印３５、４５は各々、キャビティ３８、４８に対する媒体３２、４２の流方向（および／または圧力）であって、レンズ３６、４６を凸レンズおよび凹レンズにするために適切な流方向（および／または圧力）を表す。図示するように、第１の流体媒体３２はキャビティ３８に流入して膜３４を外方に拡大させる傾向にあり、他方第１の媒体４２はキャビティ４５から流出して膜４４を内方に収縮させる傾向にある。
【００２７】
キャビティ３８、４８に流入または流出する第１の流体媒体３２、４２の量（これら媒体の圧力に依存し得る）を制御することにより、レンズ３６、４６の光学特性を変化させることができる。特に、本実施形態では第２の流体媒体３３、４３が大気中の空気であるため、第１の流体媒体３２に正の圧力（例えば、大気圧より高い圧力）を付与することにより、膜３４が図３ａに示すように外方に拡大する傾向となり、第１の流体媒体４２に負の圧力（例えば、大気圧より低い圧力）を付与することにより、膜４４が図３ｂに示すように内方に収縮する傾向となる。従って、レンズ３６および４６は実際には同一のレンズであるが、ある状態では凸レンズとして構成し、別の状態では凹レンズとして構成することができる。
【００２８】
図３ａおよび図３ｂに示すレンズ３６、４６は物理的にはレンズとして動作することができる（例えば、光を収束または散乱させることができる）が、これらのレンズの構造は好ましくない。これらの実施形態では膜３４、４４が外気および外部環境に曝されているため、大気圧の変化、温度の変化および／または外部衝撃のすべてがレンズ３６、４６の光学特性に損失を与えたり光学特性を変化させたりする。その結果、レンズの信頼性、安定性（レンズの光学特性のドリフトを含む）および性能が劣化する。特に図３ｂの凹レンズ４６のモードでは、流体チャンバが大気に対して負の圧力を維持しなければならない。これには気密設計が必要であるが、気密設計は、正の流体圧力用の漏れのない設計よりも達成が困難であり安定に維持することが困難である。その結果、レンズ３６、４６はいくつかの適用には適しているが、主に粘度が高く蒸気圧が非常に低い流体が液体媒体として用いられるときにのみ眼鏡に用いることが可能となる。これは装置の製造性を限定する。
【００２９】
眼鏡５のレンズ６および７として採用可能な流体適応レンズ用の２つの改良された設計であって、図３ａおよび図３ｂのレンズ３６、４６よりも頑強で動作が安定している設計を、図４ａおよび図４ｂにレンズ５０および６０として示す。レンズ５０、６０は、大気圧などの環境による影響を最小限に抑えるために、レンズの外表面の全体（またはほぼ全体）を剛性材料で形成している。図示するように、特に図４ａのレンズ５０は２つの流体チャンバを含み、他方図４ｂのレンズ６０は３つの流体チャンバを含む。
【００３０】
図４ａに示すように、レンズ５０はいくつかのコンポーネントを含む。まずレンズ５０は、１対の透明剛性外表面５１を（レンズの両側に）含む。外表面５１は従来の固体レンズの場合のように、レンズの外形状を変化させずに保持することが可能である。さらにレンズ５０は、剛性外表面５１間に設けられた可撓性膜（またはダイヤフラム）５４と、表面５１上に膜５４を支持する１対の壁５７を含む。さらに膜５４と、壁５７の一方と、剛性外表面５１の一方とによって規定される第１のキャビティ５８内に、低屈折率の第１の流体媒体５２が含まれており、膜５４と、壁５７の他方と、剛性外表面５１の他方とによって規定される第２のキャビティ５９内に、高屈折率の第２の流体媒体５３が含まれている。さらにレンズ５０は、壁５７内を延びて第１および第２のキャビティ５８および５９を流体レザバー（図５を参照のこと）に連通させる第１および第２のチャネル対５５および５６を含む。別の実施形態では、チャネル５５、５６は、壁５７ではなく表面５１を貫通してもよい。さらに図４ａでは、キャビティ５８、５９にそれぞれ連通するチャネル対５５、５６があるが、別の実施形態では、キャビティの一方または両方に対して１つのチャネルだけでよい場合もあり、２より多いチャネルがある場合もある（他の場合には、２つのキャビティのうち一方だけが１以上のチャネルによってアクセス可能なものもある）。
【００３１】
レンズ５０は、第１および第２の流体媒体５２、５３の圧力に応じて、図２ａの凸レンズ１または図２ｂの凹レンズ２として用いることができる。第１の流体媒体５２の圧力が第２の流体媒体５３の圧力よりも高い場合、膜５４はキャビティ５９方向に屈曲し、装置は近視用の凹レンズとして挙動する。２つのチャンバ間の圧力差が逆であれば、レンズは遠視用の凸レンズとして挙動する。流体キャビティ５８、５９の各々内の圧力は、流れがチャネル５５、５６を介してキャビティに出入りする圧力、方向および速度を決定する１以上の機械または電子機械アクチュエータによって制御することができる。膜５４の曲率は、キャビティ５８、５９内の圧力差（及びおそらく膜自体の特性）によって決定される。
【００３２】
レンズ５０の外形状は、第１および第２のキャビティ５８、５９内の第１および第２の流体媒体５２、５３間の圧力差の特定の大きさ／正負にかかわらず、さらに大気圧にかかわらず、変化しない。なぜならレンズ５０の外形状は剛性外表面５１によって規定されているからである。従って、図３ａおよび図３ｂのレンズ設計とは対照的に、図４ａのレンズ５０は凹構造を達成するために負の圧力を維持する必要がない。そのため構造を気密に形成する必要がない。空気の粘度と液体の粘度との間には多オーダー分の差異があるため、気密構造よりも漏れのない構造を達成する方がはるかに容易である。最後に、膜５４の曲率を決定するのは流体圧力の差であるため、レンズ特性は、両方の流体媒体５２、５３に同等に付与される大気圧には依存しない。他方、温度変化は、熱光学効果によって媒体の屈折率を微量だけ変化させ、眼鏡５に気づかないほどの影響を与える。
【００３３】
図４ｂに示すレンズ６０は、２つの透明剛性外表面６１と、外表面６１間に設けられた２枚の可撓性膜６２と、外表面６１上に膜６２を支持する３つの壁６８とを含む。壁の１つは２枚の膜の間に位置し、他の壁は２膜の膜と他の２つの外表面との間に位置する。外表面６１と膜６２と壁６８とが３つのキャビティを規定する。キャビティの１つは膜間の内部キャビティ７０であり、他の２つのキャビティは膜の反対側の外キャビティ６９である。壁６８と、膜６２と、２つの外表面６１とに規定される外キャビティ６９に低屈折率流体６３が供給されており、壁６８と２枚の膜６２とに規定される内キャビティ７０に高屈折率流体６４が供給されている。３つの流体チャネル６５、６６および６７（またはチャネル対またはチャネル組）はそれぞれ、対応するキャビティ６９および７０を流体レザバー（図５を参照のこと）に連通させる。流体レザバーは２つ（例えば１つは高屈折率流体用で１つは低屈折率流体用）または３つ（各キャビティに対して１つずつ）設けられてもよい。
【００３４】
高屈折率流体６４の圧力が低屈折率流体６３の圧力よりも高い場合、レンズ６０は遠視用凸レンズとして挙動する。しかし圧力差が逆になると、レンズは近視用凹レンズとして挙動する。レンズ６０はレンズ５０同様、剛性外表面６１を有しているため、安定性、信頼性および性能の面でレンズ５０と同じ利点を有する。別の実施形態では、高屈折率流体が外キャビティ６９内にあって低屈折率流体が内キャビティ７０にあってもよい。あるいはキャビティの各々が同一の屈折率を有する流体、または互いに異なる屈折率を有する流体を含んでいてもよい。
【００３５】
図５は、流体適応レンズの流体圧力を制御する流圧回路７１の一例を示す。この流体適応レンズは、例えば図３ａおよび図３ｂのレンズ３６、４６の一方である。図示するように、流圧回路７１は、第１のバルブ１１を介してレンズ３６／４６のチャネル３９／４９の一方に連通している流体レザバー２を含む。さらに流体レザバー２はミニポンプ３と第２のバルブ１３とを介してレンズ３６／４６のチャネル３９／４９の他方に連通している。ミニポンプ３（及びおそらくバルブ１１、１３）は電気回路４によって制御されている。さらに圧力センサ９が、バルブ１１とレンズ３６／４６の接続部に連結されており、レンズ内の圧力を検知可能としている。電気回路４のコマンドに基づいて、バルブ１３が開状態である場合に、ミニポンプ３はレザバー２からレンズ３６／４６に流体を汲み上げるように、またはレンズからレザバーに流体を戻すように動作することができる。バルブ１１が開状態か閉状態かによっても、流体はレンズからレザバーに（又はおそらく反対方向にも）進むことができる。
【００３６】
流圧回路７１を制御する電気回路４は様々な形態を取り得、例えば、マイクロプロセッサ、プログラマブル論理装置、ハードワイヤード回路、ソフトウェアでプログラムされたコンピュータ化装置などであってもよい。電気回路４は、予めプログラムされた命令に基づき、または外部ソースから受け取ったコマンドに応答して（例えば、ユーザが押したプッシュボタン、受け取った無線信号、および他の信号に応答して）動作することができる。図示する実施形態では、電気回路４は、レンズ３６／４６内の実際の圧力に関して圧力センサ９からフィードバック情報を受け取り、フィードバック情報に基づいて動作することができる。さらにミニポンプまたはアクチュエータ３は、様々な形態を取ってもよいし、様々な他のポンプ機構に置換されてもよい。ミニポンプまたはアクチュエータ３は例えば、蠕動ポンプ、小型フレーム搭載ポンプ、圧電アクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、電磁アクチュエータ、または調整可能集積マイクロポンプであってもよい。調整可能集積マイクロポンプは、2004年11月5日に出願された「集積マイクロポンプを有する調整可能流体レンズ」という名称の米国仮特許出願第60/625,419号（参照することにより本明細書に組み込まれる）に開示されている。さらにレンズ３６／４６内の圧力はテフロン（登録商標）コーティングした止めねじによっても調整することができる。全体回路７１は電池または他の手段（例えば線パワー、ソーラーパワー）でパワーを供給されている。
【００３７】
流圧回路７１をレンズ３６、４６の一方と共に示しているが、このタイプの流圧回路または複数のこのような回路は図４ａおよび図４ｂのレンズ５０、６０または他の流体適応レンズと関連づけて用いることもできる。例えば、２つの流圧回路７１を、２つのキャビティを有するレンズ５０に関連づけて用いることもできるし、２つまたは３つの流体回路７１を、３つのキャビティを有するレンズ６０と関連づけて用いることもできる。流圧回路７１は単なる例にすぎず、本発明は様々なこのような回路またはレンズ３６／４６内の流体媒体の圧力を調整することができる他の機構のいずれをも含む。例えばある実施形態では、レンズ３６／４６のキャビティをレザバー２に連通させる２つのバルブおよびチャネルを用いる必要はなく、レンズに対する流入口および流出口を形成する１つのチャネルのみ、および／または１つのバルブが必要である場合もある。
【００３８】
図６のフローチャート７３は、図３ａおよび図３ｂのレンズ３６、４６などの流体適応レンズを用いる流圧回路（例えば図５の流圧回路７１）を製造するために用いることができる手順の一例の工程を示す。同様の手順を用いて、図４ａおよび図４ｂに示すような流体適応レンズを制御する流圧回路を製造することができる。図示するように、プロセスを開始すると第１のステップ２３で、プラスチックポリマー材料（例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはポリエステル）を用いて端部の開いたキャビティを形成する。キャビティの典型的な寸法は、直径が約1ミリメートル〜数センチメートルの範囲であり、高さが約1/10ミリメートル〜数ミリメートルの範囲である。キャビティを規定する表面は、図３ａおよび図３ｂに示す剛性外表面３１／４１および壁３７／４７の両方を含むと理解される。キャビティは主にプラスチックポリマー材料により形成されるが、キャビティ表面（キャビティ表面のうち、特に外表面３１／４１に対応する部分）の剛性はプラスチックポリマー材料に薄い（例えば150 μm）ガラススライドを接着することにより補強することができる。
【００３９】
第２のステップ２４で、再びＰＤＭＳを用いて薄いプラスチックポリマー膜を形成する。膜は可撓性（透過性ではないが）であり、そのため屈折率の異なる様々な流体媒体が設けられた領域を分離する可撓性ダイヤフラムとして用いることができる。膜の厚みは典型的には、約30〜100μmのオーダーである。各キャビティおよび膜は、ソフトリソグラフィプロセスを用いて形成することが可能である。ソフトリソグラフィプロセスは、Y. XiaおよびG. M. Whitesidesによる「ソフトリソグラフィ」(Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 37, 550-575 (1998))に記載されている。上記論文は、参照することにより本明細書に組み込まれる。次いで第３のステップ２５において、ステップ２４で形成した膜をステップ２３で形成したキャビティに接着することにより、閉キャビティ／チャンバを形成する。接着は酸素プラズマ表面活性化プロセスにより達成することができる。酸素プラズマ表面活性化プロセスは、B. H. Joらによる「ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）エラストマーによる３次元マイクロチャネルの形成」(J. Microelectromech. Syst. 9, 76-81 (2000))に記載されている。上記論文は、参照することにより本明細書に組み込まれる。大量生産する場合には、標準的工業プロセス（例えば射出成形およびダイキャスティング）を用いてこのようなレンズを製造することもできる。
【００４０】
その後第４のステップ２６において、レンズ３６／４６の壁／側部に沿って１以上のチャネル３９／４９を形成し、閉キャビティに流体媒体を出入りさせる流入口および流出口とする。絶対必要というわけではないが、典型的には１キャビティにつき２つのチャネルがある。一方はキャビティ内の流体圧力が増加しつつある場合の流体流入口を構成し、他方は流体圧力が減少しつつある場合の流体流出口を構成する。このようなチャネルは典型的にはレンズ３６／４６の壁に形成されるが、キャビティの他の表面、極端な場合には膜に形成されてもよい。さらに第５および第６のステップ２７および２８のそれぞれにおいて、１以上のチャネルを流体レザバーと作動コンポーネントとに連通させる。上記のように、レザバーは流体貯蔵部として作用する。作動コンポーネントは例えば図５に示すミニポンプ３と、バルブ１１および１３と、電気回路４とを含み得、流体をレザバーからキャビティへ、またはその逆方向に供給する。最後に第７のステップ２９において、流体媒体をレザバーからキャビティへ導入する。これで流圧回路が完成し、その後レンズを含む流体回路を図１に示すような眼鏡の１対のフレームに取り付ける。
【００４１】
図６は図３ａ、図３ｂおよび図５に示すような１つのキャビティを有する流体適応レンズを制御する流圧回路の形成に向けられているが、このプロセスは、図４ａおよび図４ｂに示すようなレンズと、このようなレンズの動作を制御する対応流体回路とを形成するように容易に変更することができる。例えばレンズ５０は、図６のプロセスに加えて、ステップ２３で第２のキャビティを形成し、ステップ２５で膜のうち第１のキャビティに取り付けられている側とは反対側を第２のキャビティに取り付けることにより形成することができる。さらに、レンズ５０の動作を制御する流圧回路の形成は、ステップ２６で第２のキャビティ内に追加のチャネルを形成すること、ステップ２７および２８で追加のレザバーと作動エレメントを連通させること、並びにステップ２９で第２の流体媒体を導入することを含む。
【００４２】
図４ｂに示すレンズは３つのキャビティを有し、そのうちの２つは２枚の膜６２の間に設けられている。このレンズの場合も同様に、図６のプロセスをさらに修正して追加のステップを含むようにしてもよい。追加のステップでは、（１）２枚の膜（典型的には壁によって分離されている）の間に中間キャビティを形成し、（２）その後２枚の膜を外キャビティに取り付け、そして（３）チャネルの適切な形成、レザバーと作動コンポーネントへの連通、および流体媒体の導入を達成する。さらに述べると典型的には、複数のキャビティがある場合、異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる流体媒体が、対応する別々のレザバーから別々のキャビティに導入される。流体媒体としては様々なもののうち任意のものを用いることができる。例えば、一方の媒体が屈折率1.3の水（例えば脱イオン化水）であり、他方の媒体が屈折率約1.6の油であってもよい。あるいは空気などの気体媒体を含む他の媒体も用いることができる。別の実施形態では、組合せステップ２５の前にチャネルを形成してもよい。
【００４３】
図２ａ〜図４ｂ（特に図４ａおよび図４ｂ）を参照して上述したような流体適応レンズを眼鏡に用いることにより、多くの利点が得られる。流体対応レンズ（および関連する流圧回路）は同一ユニットとして大量生産することができ、個々のレンズ各々の矯正力は製造プロセスが完了した後に設定される。そのため製造の観点から見ると、上記設計により基本的に低コストの解決が得られる。さらに流体適応レンズの矯正力は検眼士によって決定されてもよいが、眼鏡の着用者自身によっても動的に調整することができる。これにより、眼鏡の新しい処方を得るために眼鏡の着用者が検眼士を訪れなければならない頻度が大幅に低減する。最低でも、新しい処方の眼鏡を手に入れることに関連する時間とコストが大幅に低減する。なぜなら着用者が目の検査のために検眼士を訪れた場合、検眼士は、新しい眼鏡を注文するのではなく、単に着用者が現在着用している眼鏡を「調整する」だけでよいからである。
【００４４】
さらに眼鏡を交換する場合でも、患者は調整可能眼鏡の使用による利益を得る。現在用いている眼鏡に調整可能性があるため、患者は新しい眼鏡を待っている間に劣化した視力に不便を感じなくてもよい。さらに、流体適応レンズの矯正力は広範囲に亘って連続的に変化するため、これらのレンズを用いることによって、検眼士は、単に一連の規格レンズの中から着用者のニーズに「最も近く適合する」レンズを選択するのではなく、よりきっちりと眼鏡の着用者のニーズに合致するレンズを提供することができる。実際、流体適応レンズは、検眼士が顧客の処方を決定する際に用いる固体レンズセットの代わりに、より目盛りの多い代替物として作用し、検眼士がより正確な処方を提供することを可能にし得る。従って、流体適応レンズは検眼士の検査装置にも用いることができる。さらに流体適応レンズは二焦点レンズ（または多焦点レンズ）を必要とする人々のために、外見上望ましくない影響を排除することができる。このような人々は、二焦点レンズを用いるのではなく、単に１対の眼鏡を着用すればよく、この眼鏡の光学特性が、環境による必要性に応じて、例えば眼鏡の「ディップスイッチ」を裏返すことにより変更可能なのである。
【００４５】
図４ａに示す流体適応レンズ５０の調整力を推定するために、レンズの直径を20ミリメートルとする。人の瞳の直径は太陽光線下における約2ミリメートルから暗所における8ミリメートルまで変化するのに対し、この流体適応レンズの直径は眼鏡用として十分大きい。さらに流体適応レンズ５０の調整力範囲を推定するために、低屈折率媒体が屈折率１の空気であり、高屈折率媒体が屈折率1.333の水であるとする。本発明者らは、光線追跡シミュレーションプログラムまたは分析的解決用の薄肉レンズ近似を用いて、上記流体適応レンズの最大正パワーと最大負パワーはそれぞれ12.8D（ジオプター）および-12.8Dであることを発見した。従って適応矯正レンズの総調整範囲は-12.8D〜12.8Dであり、これは遠視の未矯正視力である0.017分-1と近視の未矯正視力である0.022分-1に対応する。
【００４６】
さらに、高屈折率媒体としてシリコーンオイル（屈折率：約1.5）を用い、低屈折率媒体として水を用いた場合、このような適応レンズの総調整力範囲は6.4D〜-6.4Dであり、これは遠視の未矯正視力である0.036分-1と近視の未矯正視力である0.042分-1に対応する。さらに、高屈折率媒体としてシリコーンオイルを用い、低屈折率媒体として空気を用いた場合、このような適応レンズの総調整力範囲は19.2D〜-19.2Dであり、これは遠視の未矯正視力である0.010分-1と近視の未矯正視力である0.016分-1に対応する。これらの推定値は図４ａのレンズ５０のような流体適応レンズに関するが、他のタイプの流体適応レンズ（例えば、３つのキャビティ６３、６４を有する図４ｂのレンズ６０）の場合の対応する推定値も容易に決定することができる。さらに、シリコーンオイル、水および空気に代えて、様々な屈折率を有する様々な流体を用いることができ、この場合、レンズは様々な光学特性を呈することができる。このような光学特性は幾何光学の原理に基づいて容易に分析することができる。同様に、レンズの剛性外表面、壁、および可撓性膜を形成するために用いる特定の材料も、様々なプラスチック、アクリルおよび他の材料を含み得、実施形態ごとに様々であり得る。
【００４７】
実験による観察から、流体適応レンズの他の性能局面もいくつか判明した。特に、流体適応レンズは、レンズ内の流体圧力に応じた焦点距離、パワー、視野、Ｆ番号および開口率（ＮＡ）の各々に対する動的な制御を可能にするということが判明した。さらに、流体適応レンズが提供する像の質が膜の厚みに依存していることは明白ではないことも判明した。概して焦点距離がある距離を超えて増加して流体の圧力が低くなる（この結果、特に重力が膜の形状に無視できない影響を与える）と、解像度および像の質が劣化する。この問題は、より堅い膜を用いることにより補正することができるが、消費電力が増大し、ミニポンプおよびアクチュエータに最大の電力が必要となるという犠牲を伴う。概して円形のレンズを用いると仮定すると、膜は（屈曲していないために平坦である場合を除いて）、中央近傍はいくらか平坦ではあるが概して球状となる傾向がある。60 μmのＰＤＭＳ膜で覆われ且つ薄い150μmのガラススライドに接着されたＰＤＭＳ流体チャンバを有する少なくとも１つの実験的流体適応レンズの場合、レンズの焦点距離とレンズ内の流体圧力との関係は以下のように決定された：Ln(f) = -0.4859 Ln(P) + 7.9069。
【００４８】
図７に示す本発明のある実施形態によると、複数のレンズを必要とする装置に２以上の流体適応レンズを用いることができる。図７〜図１６は流体適応レンズ対を用いてズームレンズシステム（特に小型の電子装置または他の装置に設けることができるズームレンズシステム）を構成する様々な形態に関する。しかし本発明は、２より多いレンズを用いる多レンズシステム、１以上のレンズが流体適応レンズであり他のレンズが従来の固体（または他のタイプの）レンズであるレンズシステム、およびズームレンズシステムによるズーム機能の他に、又はこれに加えて、他の機能を提供するレンズシステムに関する、他の実施形態を含む。
【００４９】
特に図７は、携帯電話７９などの小型電子装置に設けることに適した２レンズ光学ズームシステム７８を模式的に簡略化して示している。図示するように、ズームシステム７８は、フロントレンズ７２（物体近傍）とバックレンズ７４（物体の像近傍）とを含み、これらは一定の距離（「レンズスペーシング」と呼ぶ）ｄだけ離れている。典型的にはレンズ７２と７４との間に光学媒体７６が設けられている。実施形態によっては、２枚のレンズ７２、７４間の媒体７６は様々な光学的透過性材料のうち任意のものであってよい。光学的透過性材料は例えば、空気、ガラス、ポリマー、または興味の対象である波長において透明である任意の材料を含む。簡略化のために、レンズ７２および７４は共に、分析を行う間中、薄肉レンズ近似が適用できるほど薄いと仮定するが、本発明はこれに限られない。レンズ７２、７４は各々、撮像距離ｌ1およびｌ2を有し、後者が固定されている。ズームは、レンズ７２および７４の焦点距離ｆ1およびｆ2を変化させることにより達成される（２レンズ光学ズームシステム７８の特性を述べるために用いる、これら及び他の記号／変数は図７に示す）。
【００５０】
レンズ分析の慣習に従って、レンズまたはレンズシステムの変数Φを、レンズまたはレンズシステムのパワーと定義する。パワーはさらに、レンズまたはレンズシステムの焦点距離ｆの逆数（反数）に等しい。従って、レンズ７２、７４の各々は、それ自体のΦ値（例えばそれぞれΦ1およびΦ2）を有しているが、２レンズ光学ズームシステム７８にとって特に関心を呼ぶのはシステム全体のパワーΦτである。この量Φτは、レンズ７２、７４それぞれのパワーΦ1およびΦ2と他のパラメータに応じて以下のように決定される。
【００５１】
【数１】
【００５２】
【数２】
【００５３】
式（１）は、ある物体距離および像面距離（それぞれｌ1およびｌ2）並びにあるレンズスペーシングｄが与えられた場合、第２のレンズ７４のパワーΦ2（およびレンズ７４の焦点距離ｆ2）は、第１のレンズ７２のパワーΦ1（およびレンズ７２の焦点距離ｆ1）によって一意に決定されることを示している。さらに式（１）および（２）とにより、ある物体共役が与えられた場合、この２レンズシステム全体のパワー（Φτ）は、両レンズのパワーΦ1およびΦ2（あるいは両レンズの焦点距離ｆ1およびｆ2）を変化させることにより調整できることが示されている。これに比べて、固定焦点距離を有する従来のレンズ（例えば固体レンズ）を用いた設計は、システムのパワーを調整するにはレンズスペーシングｄと像面距離ｌ2とを変化させることに依存しなければならない。ズームシステムの価値を示すパラメータであるズーム率（ＺＲ）は、達成可能な最大パワーと達成可能な最小パワーとの割合（例えば、ZR = Φmax／Φmin、共にΦτの値である）として規定される。式（１）および式（２）から、所与の物体距離および像面距離に対して高いズーム率を達成するためには、できるだけ焦点距離を変化させなければならないことが明らかである。これらの概念および結論は、２より多いレンズを有するズームシステムにも適用される。
【００５４】
焦点距離を変化させることによってズームを達成するという概念は、原則的には任意のタイプの流体適応レンズを用いて適用できるが、これまで実際に使用可能なほど十分に広い調整範囲を有する調整可能レンズまたは適応レンズはこれまで報告されていない。例えば、液晶適応レンズでこれまで示された最短焦点距離は、約5 mmのレンズ口径に対して約200 mmであり、これは約40のＦ番号に対応し、認知可能なズーム効果を得るには不十分である。理論的分析および光線追跡シミュレーションのいずれによっても、高度に有効なズームシステムが達成できるのは、レンズの焦点距離がレンズ口径よりはるかに大きい距離から口径に匹敵する又は口径より短い距離まで連続的に調整可能であるときのみであることが示されている。換言すると、レンズ口径が5 mmの場合、数センチメートルから5 mm未満の範囲の焦点距離、すなわち現在最も進んだ液晶適応レンズで示された最短の焦点距離の40分の1の値を得る必要がある。
【００５５】
さらに、レンズの焦点距離のみならず、レンズの「タイプ」が正レンズ（凸レンズのように正の焦点距離を有する）から負レンズ（凹レンズのように負の焦点距離を有する）に適応可能であるか反転可能であれば（あるいはその逆に適応可能であるか交換可能であれば）、より高いズーム率を得ることができる。液晶適応レンズでは（少なくとも現時点では）レンズのタイプを変更することはできない。
【００５６】
本発明の一実施形態によると、２レンズ光学ズームシステム７８（または同様のシステム）は、流体適応レンズを備えた場合、システム内でレンズ７２と７４とを分離するスペーシングｄを変化させることなく、十分高いズーム率を達成することができる。流体適応レンズを用いることにより、レンズ７２、７４の焦点距離が広範囲に変化または調整できるだけでなく、レンズのタイプを変化または反転させることができる。図８〜図１７は、レンズ７２、７４およびズームシステム７８に用いることができる様々な構成と、これらのレンズの製造技術に関する。しかし本発明は、流体適応レンズによってズームシステムを形成する他の構成および製造技術をも含み、このことは当業者には明らかである。
【００５７】
図８は、図７のレンズ７２、７４の各々として用いることができる流体適応レンズ７５のコンポーネント構成の一例を示す。図示するように、レンズ７５は変形可能／可撓性膜（またはダイヤフラム）８１を含み、膜８１はカップ形状構造体８５の縁に連結されている。カップ形状構造体８５は、流体媒体８３を含む流体含有レンズキャビティ８２を有する。カップ形状構造体８５を貫通する１以上（この場合は２つ）のチャネル８４が、流体媒体８３がキャビティ８２と流体レザバー（図示せず）との間で流入／流出することを可能にする。キャビティ８２内の流体圧力が変化すると、膜８１の曲率が変化し、従ってレンズ形状も変化する。これにより焦点距離が変わる。低ヤング率（例えば1 Mパスカル）を有するシリコーンベースの弾性材料（例えばＰＤＭＳ）を膜８１として用いることにより、レンズチャンバ内の圧力の変化（例えばチャンバ外の圧力に対して負の値から正の値に）に伴って、レンズ形状を大きく変化させることができ、さらにレンズタイプも変化（例えば凹状または平坦表面から凸状表面へ、またはその逆）させることができる。さらに広い焦点距離調整範囲を得るためには、レンズ媒体として高屈折率流体を用いるとよい。可視光のスペクトル範囲に亘って屈折率1.68を有する透明度の高い流体が市販されている。
【００５８】
図９は、流体圧力に対するレンズ７５の焦点距離の依存性の一例をレンズ媒体ごとに示している。レンズ媒体は、脱イオン水（n = 1.33）およびクロム酸ナトリウム（n = 1.50）であり、レンズ口径は20 mmとしている。図示するように、流体圧力を変化させることによってレンズ７５の焦点距離を変化させることができるだけでなく、焦点距離値が負であるか正であるかによって示されるレンズのタイプ（例えば、凹／負であるか凸／正であるか）も流体圧力を変化させることによって変化させることができる。注目すべきは、レンズの口径より短い最短焦点距離（正のレンズの場合は、H2Oで20 mmでありクロム酸ナトリウムで14 mmであり、負のレンズの場合は、H2Oで-17 mmでありクロム酸ナトリウムで-6 mmである）が示されていることである。上記の分析が示すように、広い焦点距離調整範囲とレンズタイプ交換可能性との両方を有する流体適応レンズを１枚以上用いることにより、レンズ間のレンズスペーシングを変化させる必要なく高性能ズームシステムを達成することが可能になる。
【００５９】
レンズ７２およびズームシステム７８の他のコンポーネントを形成し得る材料の選択が柔軟にできること、特に媒体７６を形成するために用いることができる材料の選択が柔軟にできることにより、「集積ズームレンズ」の形成、およびズームシステム用のレンズおよびレンズアレイのウエハ規模の製造に関して多くの可能性が提供される。図１０ａ〜図１０ｄは、２レンズ光学ズームシステム７８内で用いることができる例示的２レンズ構造体９０を、どのようにして例示的なウエハ規模バッチプロセスで低コストで製造し得るかを模式的に示す。図１０ａに示すように、適切な厚みの透明基板（例えば、ガラス基板またはポリマー基板）９１を選択し、それぞれキャビティ９６でパターン化された２枚のウエハ９２をまず形成する。キャビティ９６を規定するパターンは、ソフトリソグラフィプロセス（図６を参照して上述した）または成形プロセスを用いて形成することができる。その後、図１０ｂに示すように、２枚のウエハ９２を基板９１の互いに対向する側に、キャビティ９６が基板とは逆方向の外方に開くように接着する。図ではウエハ９２の各々が２つのキャビティ９６を有するように示しているが、実施形態によってはウエハは１つのキャビティを有していてもよいし、２より多いキャビティを有していてもよい。
【００６０】
さらに図１０ｃに示すように、それぞれ片側に膜９３が堆積された２枚のハンドルウエハ９４を提供する。ハンドルウエハ９４は、膜９３をウエハ９２の縁９５に（この実施形態では、さらにキャビティ９６内の中間点にも）接着する際に機械的支持を提供する。接着プロセスは酸素プラズマ表面活性化（図６を参照して上述した）または他の適切なプロセスを含み得る。最後に図１０ｄに示すように、ハンドルウエハ９４を膜９３から除去すし、完成した２レンズ構造体９０が残る。２レンズ構造体９０は、物体に対向し得る第１の流体適応レンズ本体９７と像面に対向し得る第２の流体適応レンズ本体９８とを含む。バッチプロセスによって複数のこのような２レンズ構造体９０が単一のウエハ（例えば、いくつかの基板９１を含む単一のウエハ）上に同時に形成されるが、このような２レンズ構造体はウエハをダイシングすることにより個々の２レンズ構造体に分離することができる。個々の２レンズ構造体９０が得られると、２レンズ構造体９０を流体システム（例えば図５に示すような流体レザバーと作動コンポーネント）に連結し、選択したレンズ媒体でキャビティ９６を充填することにより、２レンズ構造体９０を２レンズ光学ズームシステム７８に用いることができる。キャビティ９６に対して流体媒体の流入／流出を可能にするチャネルは図１０ａ〜図１０ｄに示していないが、このようなチャネルが提供されている（例えば、ウエハ９２の縁９５内のスロットまたは凹部として）と理解されたい。
【００６１】
図１０ａ〜図１０ｄに示すプロセスにおいて重要なことは、第１および第２の流体適応レンズ本体９７、９８を形成するために用いたキャビティ９６が良好に整合すべきであることである。２レンズ構造体９０のすべての材料は透明であり、パターンが大型のウエハ上に形成されているため、コンタクトアライナーまたは接着機の標準の固定具（例えば、Vermont州Waterbury CenterのKarl Suss America Inc.製造の接着機）を用いて数マイクロメートルの整合精度を日常的に達成することができる。キャビティ９６の整合が適切であれば、整合性をそれほど気にすることなくシリコン製ハンドルウエハ９４上のレンズ膜９３をレンズチャンバに接着することができる。上記のプロセスは様々な適用に用いられるほぼいずれのサイズのズームレンズ（例えば、0.1 mm未満から〜数センチメートル）の製造をも可能にする。
【００６２】
図１０ａ〜図１０ｄに示すプロセスにより、２レンズ光学ズームシステムが、大量低コストベースで製造することが可能になる。しかし本発明は、図１０ａ〜図１０ｄに示すもの以外でも、１以上の流体適応レンズを用いたズームシステムを形成するために用いることができる様々な他の構造および製造プロセスを含む。様々な技術を用いて様々な構成を製造することにより、様々な適用の要件を満たすために構造体９０以外の様々な流体レンズ構造体を得ることができる。例えば図１０ａ〜図１０ｄの２レンズ構造体９０はいくつかの適用には適しているが、膜９３が外部環境に曝されているために他の適用には頑強性の面で不十分である場合もある（例えば図３ａ〜図３ｂのレンズ３６、４６の場合）。これとは対照的に図１１〜図１６は、ズームシステムの頑強性を向上させるためにレンズ膜が外部環境に直接曝されないことが望ましい装置、さらにはすべてのレンズ膜がズームシステムの本体内部に収容されていることが望ましい装置に設けるのに魅力的な更なるレンズ構造体の例を示す。
【００６３】
図１１、図１２ａおよび図１２ｂは、図１０ａ〜図１０ｄの構造体９０よりも機械的頑強性に優れた２レンズ光学ズームシステムを構成するために、レンズ７２、７４のいずれかとして用いることができる更なる流体適応レンズ構造体１００、１１０および１２０を示す。図１１は特に、剛性材料から形成された２つの外表面１０１と、外表面１０１間に設けられて剛性壁１０３によって支持された可撓性膜１０２とを含むレンズ構造体１００を示す。外表面１０１と、膜１０２と、壁１０３とが、第１および第２の内部キャビティ１０５および１０６を取り囲み規定する。壁１０３はさらに、外表面１０１と膜１０２との間に形成された第１および第２の内部キャビティ１０５、１０６を、対応する流体レザバー（または同じ１つのレザバーであってもよい）および作動コンポーネント（図示せず）に連通させ得る流体チャネル１０４を含む。流体レザバーは、第１および第２の流体媒体１０７、１０８を、対応するキャビティ１０５および１０６に供給する。第１の流体媒体１０７は典型的には（必ずしも必要ではないが）第２の流体媒体１０８とは異なる屈折率を有する。例えば、第１の流体媒体の屈折率は第２の流体媒体のそれよりも低くてもよい。
【００６４】
図１２ａおよび図１２ｂのレンズ構造体１１０および１２０各々は、１対の剛性外表面１１２間に設けられ壁１１３によって支持される１対の可撓性膜１１１を含む。可撓性膜１１１間に内部キャビティ１１４があり、各膜とこれに隣接し対応する剛性外表面１１２との間には、それぞれ外部キャビティ１１５が規定されている。壁１１３は内部チャネル１１６および外部チャネル１１７を含み、これらはそれぞれ流体媒体が外部キャビティ１１５および内部キャビティ１１４に出入りすることを可能にする。必ずしも必要ではないが典型的には、外部キャビティ１１５が同一の流体媒体を受け入れる一方で、内部キャビティ１１４は外部キャビティ１１５に供給されるものとは異なる流体媒体を受け入れる。特に図１２ａのレンズ構造体１１０では、屈折率の低い第１の流体媒体１１８が外部キャビティ１１５に供給され、屈折率の高い第２の流体媒体１１９が内部キャビティ１１４に供給される。対照的に図１２ｂのレンズ構造体１２０では、屈折率の低い第１の流体媒体１１８が内部キャビティ１１４に供給され、屈折率の高い第２の流体媒体１１９が外部キャビティ１１５に供給される。
【００６５】
図１１、図１２ａおよび図１２ｂに示す流体適応レンズ構造体１００、１１０および１２０は各々、１枚または２枚の膜によって分離された２つの媒体を含む。膜は、媒体含有キャビティ間の圧力差により変形可能である。例えば、高屈折率媒体キャビティの圧力が低屈折率媒体キャビティの圧力よりも高い場合、膜は低屈折率側に屈曲して実効的凸レンズを形成する。逆に低屈折率媒体キャビティの圧力が高い場合、膜は高屈折率側に屈曲して実効的凹レンズを形成する。従ってレンズ構造体の膜曲率を動的に制御することにより、両タイプの流体適応レンズ構造体（負であれ正であれ）および流体適応レンズ構造体の焦点距離を変更／調整することができる。レンズ構造体の膜曲率は、膜の互いに対向する側の２つのキャビティ間の流体圧力の差（及びおそらく膜自体の特性）によって決定される。レンズ構造体１１０および１２０の場合、膜曲率は、キャビティのうち２つではなく３つの各々の流体圧力によってある程度決定される。
【００６６】
上記したように、図１１、図１２ａおよび図１２ｂのレンズ構造体１００、１１０および１２０は剛性な外表面１０１および１１２を有しているため、構造体は外乱に対して弾力性が高い。このことは、望ましくない光の反射を抑えるためにこれらの表面に反射防止コーティングを施す必要が生じたときに製造プロセスを容易にする。さらに外表面１０１、１１２は剛性であるため、キャビティ１０５、１０６、１１４および１１５間の圧力差の大きさおよび正負が変化しても、レンズ構造体の外形状は変わらない。その結果、レンズ構造体１００、１１０および１２０を容易に連結してズームシステム７８などの２レンズ光学ズームシステムおよび多レンズ光学ズームシステム（２より多いレンズを有する）を形成し、ズーム率をさらに上昇させることができる。各流体チャンバ／キャビティ内の圧力は、上記の機械、圧電、電磁、電気機械、またはその他のアクチュエータにより制御することができ、各膜の曲率は、２つの隣接するチャンバ間の圧力差と膜の機械特性とによって決定される（所与のレンズが３つのチャンバを有する場合は、膜の位置は３つのチャンバすべての圧力の影響を受けることがある）。流体媒体１０７、１０８、１１８、１１９として様々な液体を用いることができるが、上記より空気（または他の気体）も低屈折率媒体として使用可能であることを理解されたい。空気が用いられる特別の場合には、低屈折率媒体用のキャビティを除去することにより、単一キャビティの流体適応レンズを構成することができる。
【００６７】
図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ、図１５ａ〜図１５ｄは、図１１、図１２ａおよび図１２ｂを参照して上記した流体適応レンズ構造体１００、１１０および１２０の様々な対を用いて構成した例示的２レンズ構造体１２２、１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６および１３８を示す。図示するように、２レンズ構造体１２２〜１３８の各々は、レンズ構造体１００、１１０または１２０の対を含み、これらはレンズ構造体対間に設けられた中間光学媒体１４０によって分離されている。光学媒体１４０は様々な形態を取り得、これらは図１０ａ〜図１０ｄの基板９１に関して上記した形態を含む。媒体はレンズ構造体対を一体的に保持する構造的サポートを提供し、かつ単に透明な光導体媒体を供給することができる。より特定すると、２レンズ構造体１２２〜１３８は、以下のようにレンズ構造体１００、１１０および１２０を組み合わせている。図１３（ａ）の２レンズ構造体１２２は、レンズ構造体１００を２つ同一方向に組み合わせ、一方のレンズ構造体では第２の流体媒体１０８の方が光導体媒体１４０に近く、他方のレンズ構造体では第１の流体媒体１０７の方が光導体媒体に近いようにしている。図１３（ｂ）の２レンズ構造体１２４は、レンズ構造体１００を２つ逆方向に組み合わせ、各レンズ構造体１００の同一の流体媒体（図示する例では、第１の流体媒体１０７）の方が光導体１４０に近いようにしている。
【００６８】
図１４（ａ）、図１４（ｂ）および図１４（ｃ）の２レンズ構造体１２６、１２８および１３０はそれぞれ、図１２（ａ）のレンズ構造体１１０の２つの組合せ、図１２（ａ）のレンズ構造体１１０と図１２（ｂ）のレンズ構造体１２０との組合せ、図１２（ｂ）のレンズ構造体１２０の２つの組合せである。図１５（ａ）および図１５（ｂ）の２レンズ構造体１３２および１３４はそれぞれ、図１１のレンズ構造体１００と図１２（ａ）のレンズ構造体１１０とを組み合わせている。図１５（ａ）はレンズ構造体１００を１つの方向に設けた状態を示しており、図１５（ｂ）はレンズ構造体１００を図１５（ａ）とは逆の方向に設けた状態を示している。図１５（ｃ）および図１５（ｄ）の２レンズ構造体１３６および１３８はそれぞれ、図１１のレンズ構造体１００と図１２（ｂ）のレンズ構造体１２０とを組み合わせている。図１５（ｃ）はレンズ構造体１００を１つの方向に設けた状態を示しており、図１５（ｄ）はレンズ構造体１００を図１５（ｃ）とは逆の方向に設けた状態を示している。図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ並びに図１５ａ〜図１５ｄは、流体適応レンズ構造体１００、１１０、１２０を組み合わせて、上記のシステム７８のような２レンズ光学ズームシステムに設けることができる２レンズ構造体の構成例を示したものにすぎず、これらおよび他の流体適応レンズ構造体の他の構成も本発明の範囲内に含まれる。
【００６９】
図１６に、図１０ａ〜図１０ｄを参照して上記したプロセスによって設計および製造された機能的流体適応レンズ光学ズームシステムの性能特性を示す。このシステムは、高屈折率媒体として水を用い、口径20 mm、撮像距離50 mmである。図示するように、撮像距離50 mmで、最小拡大率に対する最大拡大率の比は、物体距離が250 mmの場合に4.6であり、物体距離が1000 mmの場合に4.2である。これは３を超えるズーム率を生み出す。
【００７０】
より包括的には、ズームシステムのズーム率を推定するために、高屈折率媒体として水（n = 1.333）を用い低屈折率媒体として空気を用いたと仮定して、口径3 mmと1 mmのズームレンズを計算するとよい。ズームシステムの口径が3 mmで、レンズスペーシング（ｄ）が8 mm、像面距離が5 mmの場合、得られるズーム率は4:1より大きい。このようなズームシステム最大視野（ＦｏＶ）は約45度である。ズームシステムの口径が1 mmで、レンズスペーシングが8 mm、像面距離が1.5 mmの場合、得られるズーム率は5:1より大きい。このようなズームシステム最大視野は約17度である。所望であれば、レンズスペーシングが8 mm、像面距離が5 mmとすると、視野を犠牲にして10:1より大きいズーム率を得ることができる。最後に、調整可能レンズは調整可能な曲率半径を有する球状表面形状を有しているため、収差は固体球状レンズの場合とほぼ同じである。このような収差は、１以上の非球状表面によって補正することができ、これは光学システム設計の分野では広く行われている実務である。
【００７１】
図１０ａ〜図１０ｄに示す製造プロセスは、図１１、図１２ａおよび図１２ｂに示すレンズ構造体１００、１１０および１２０の構造、並びに図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ並びに図１５ａ〜図１５ｄに示す２レンズ構造体の製造にそのまま適用可能ではないが、このようなレンズ構造体には多くの製造プロセスが可能である。例えば図１７は、レンズ構造体１００とレンズ構造体１００の対を用いて２レンズ構造体１２２を１つ形成するプロセスを示すフローチャート１４０を示す。プロセスを開始すると第１のステップ１４１で、２枚の別々の透明基板上にキャビティを形成する。キャビティの直径は、適用に応じて数百マイクロメートルから数センチメートルまで変化させることができる。キャビティの厚み（深さ）は数百マイクロメートルから数ミリメートルの範囲であり得る。第２のステップ１４２で、薄いポリマー膜を形成する。膜厚みは典型的には、数十マイクロメートルから100 μmの範囲である。膜は圧力下において弾性的に挙動し、様々な屈折率の媒体が充填されるキャビティを分離する可撓性ダイヤフラムとして用いることができる。
【００７２】
次いで第３のステップ１４３において、第２のステップで形成したポリマー膜の互いに対向する側を対応する基板に接着する。このとき、第１のステップで形成したキャビティが２つの閉キャビティを形成するようにする。膜の各側にキャビティが１つずつ形成される。その後第４のステップ１４４において、各キャビティの側壁に１以上のチャネルを形成し、流体媒体用の流入口／流出口を提供する（いくつかの実施形態では、所与のチャネルまたは孔が流入口および流出口の両方として作用し、他の実施形態では、流入口および流出口として別々のチャネルが提供される）。その後第５のステップ１４５において、流入口および流出口を１以上の流体レザバー（典型的にはこの場合、第１および第２の流体媒体に対して第１および第２のレザバー）に連通させる。さらに第６のステップ１４６において、１以上の作動コンポーネントを組み込んで、キャビティに対する流体媒体の流入および流出を制御する（例えば、流体媒体の圧力を変化させることによる）。上記のように、これらの作動コンポーネントはいずれの形態をも取ることができ、例えば、流体マイクロポンプ、圧電アクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、テフロン（登録商標）コーティングした止めねじ、または各流体チャンバの圧力を制御し設定する他の形態の作動コンポーネントであってもよい。
【００７３】
次いで第７のステップ１４７において、異なる屈折率を有する２つの流体媒体をそれぞれ対応するキャビティに供給する。例えば、一方の媒体が屈折率1.3の水であり他方の媒体が屈折率約1.6の油であり得る（他の実施形態では、流体媒体の屈折率が同一であってもよい）。これにより１つのレンズ構造体１００の構成が完成する。２レンズ構造体１２２を形成するためには、第８のステップ１４８に示すようにステップ１４１〜１４７をもう一度反復し、第２のレンズ構造体１００を形成する。レンズ構造体１００を２つ形成すると、第９のステップ１４９で２つのレンズ構造体を光学媒体に取り付けることができる。光学媒体は例えば図１３ａおよび図１３ｂに示す２つの構造間の光学媒体１４０を構成する。上記のように光学媒体は例えば、ある厚みを有する固体透明基板（例えば、ガラスウエハまたはポリマー基板）であってもよい。こうして図１３ａおよび図１３ｂの２レンズ構造体１２２、１２４のいずれかを形成するプロセスが完了する。
【００７４】
図１１のレンズ構造体１００並びに図１２ａおよび図１２ｂのレンズ構造体１００および１２０を製造する他のプロセスも使用可能であり、図１３ａおよび図１３ｂ、図１４ａ〜図１４ｃ並びに図１５ａ〜図１５ｄの２レンズ構造体１２２〜１３８を製造する他のプロセスも使用可能である。２レンズ構造体を用いた光学ズームシステム全体は、一旦構成されると、直径数ミリメートルで長さ約1センチメートルの円筒管の形態を取り得る。このような装置は、多くのハンドヘルドまたはポケットサイズの装置に容易に取り付けることができる。ズームシステムを市販の光学システムに新しく組み込むことができる小型アタッチメントとして形成することが可能であるため、ズーム機能を有する眼鏡またはゴーグルなど、さらに多くの製品が製造可能である。
【００７５】
本発明は本明細書に含まれる実施形態および例示に限られるものではなく、請求の範囲に含まれる限り、実施形態の一部および様々な実施形態の要素の組合せを含む、実施形態の改変形態を含むことを特に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、流体適応レンズが用いられた１対の眼鏡を示す図である。
【図２ａ】図２ａは、凸型流体適応レンズの断面図を模式的に簡略化して示す図である。
【図２ｂ】図２ｂは、凹型流体適応レンズの断面図を模式的に簡略化して示す図である。
【図３ａ】図３ａは、図２ａの凸型流体適応レンズの一例を、関連する支持構造と共に示す詳細な断面図である。
【図３ｂ】図３ｂは、図２ｂの凹型流体適応レンズの一例を、関連する支持構造と共に示す詳細な断面図である。
【図４ａ】図４ａは、一定の外形状を維持する流体適応レンズの他の実施形態を示す断面図である。
【図４ｂ】図４ｂは、一定の外形状を維持する流体適応レンズの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】図５は、図２ａおよび図２ｂに示すようなレンズに用いることができる流圧回路を模式的に簡略化して示す図である。
【図６】図６は、図３ａおよび図３ｂに示すようなレンズを用いて、図５に示すような流体回路を形成する手順の例示的工程を示す簡略化フローチャートである。
【図７】図７は、少なくとも１つの流体適応レンズを用いたズームレンズシステムの模式図である。
【図８】図８は、広い焦点距離調整範囲を達成するために用いることができる例示的流体適応レンズの断面図である。
【図９】図９は、一実施形態において図８の流体適応レンズの焦点距離が流体圧力に応じて変化する様子を示すグラフである。
【図１０ａ】図１０ａは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１０ｃ】図１０ｃは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１０ｄ】図１０ｄは、ズームレンズシステムに用いることができる流体適応レンズを用いてレンズ構造体を形成する例示的プロセスの一工程を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、レンズ構造体の他の実施形態を示す断面図である。
【図１２ａ】図１２ａは、レンズ構造体の他の実施形態を示す断面図である。
【図１２ｂ】図１２ｂは、レンズ構造体の他の実施形態を示す断面図である。
【図１３ａ】図１３ａは、図１１に示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１３ｂ】図１３ｂは、図１１に示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１４ａ】図１４ａは、図１２ａに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１４ｂ】図１４ｂは、図１２ａおよび図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１４ｃ】図１４ｃは、図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ａ】図１５ａは、図１１および図１２ａに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ｂ】図１５ｂは、図１１および図１２ａに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ｃ】図１５ｃは、図１１および図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１５ｄ】図１５ｄは、図１１および図１２ｂに示すレンズの組合せにより形成された２レンズ構造体の一実施形態を示す断面図である。
【図１６】図１６は、図１３〜図１５の実施形態の１つによる例示的ズームシステムによって提供される拡大率が、フロントレンズのパワーに応じて変化する様子を示すグラフである。
【図１７】図１７は、図１３ａおよび図１３ｂに示すような２レンズ構造体を形成する手順の例示的工程を示す簡略化フローチャートである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ装置であって、
可撓性で光学的透過性である第１の隔壁と、
前記第１の隔壁に連結された第２の隔壁であって、少なくとも一部が光学的透過性であり、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁との間に第１のキャビティが形成される、第２の隔壁と、
前記キャビティ内に設けられ、光学的透過性である第１の流体媒体と、
前記流体媒体のパラメータを制御することができる第１のコンポーネントと、
を備え、
前記流体媒体の前記パラメータが変化すると、前記第１の隔壁が屈曲してレンズの光学特性が変化する、レンズ装置。
【請求項２】
前記第１の隔壁が、薄いポリマーと可撓性で光学的透過性の材料との少なくとも一方から形成された可撓性膜である、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項３】
前記第１の隔壁がポリジメチルシロキサンから形成されている、請求項２に記載のレンズ装置。
【請求項４】
第２の隔壁が、プラスチックと少なくとも部分的に光学的透過性である材料との少なくとも一方から形成された剛性隔壁である、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項５】
前記第２の隔壁が、前記第１の流体媒体が前記キャビティに入るか前記キャビティから出るかの少なくとも一方を可能にする少なくとも１つのチャネルを含む、請求項４に記載のレンズ装置。
【請求項６】
前記第２の隔壁が、前記第１の隔壁が屈曲しない位置にあるときに前記第１の隔壁に実質的に平行に延びている第１の部分と、前記第１の部分に対して実質的に直交する方向に延びている第２の部分とを含む、請求項４に記載のレンズ装置。
【請求項７】
前記キャビティが実質的に円筒状であり、前記第２の部分が前記キャビティ周りの実質的に円筒状の壁を形成しており、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁の前記第１の部分とがそれぞれ前記キャビティの第１および第２の円筒形端部壁を形成している、請求項６に記載のレンズ装置。
【請求項８】
前記可撓性膜の第１の側が前記第１の流体媒体に隣接しており、前記可撓性膜の第２の側が第２の流体媒体に隣接している、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項９】
前記第２の流体媒体が大気からの空気である、請求項８に記載のレンズ装置。
【請求項１０】
前記第１の隔壁と、前記第２の隔壁と、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁の少なくとも一方に連結された中央構造体とのうちの少なくとも１つに連結された第３の隔壁をさらに備えた、請求項８に記載のレンズ装置。
【請求項１１】
前記第３の隔壁と前記第１の隔壁との間に第２のキャビティが形成され、前記第１の隔壁が実質的に前記第２の隔壁と前記第３の隔壁との間を延び、前記第２の流体媒体が前記第２のキャビティ内に設けられている、請求項１０に記載のレンズ装置。
【請求項１２】
前記第２の流体媒体の第２のパラメータを制御することができる第２のコンポーネントをさらに備え、前記第１および第２の装置の各々が、流体圧力および容量を制御する、小型搭載ポンプ、圧電アクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、およびテフロン（登録商標）コーティングしたねじからなる群より選択された少なくとも１つのアクチュエータを含む、請求項１１に記載のレンズ装置。
【請求項１３】
前記第３の隔壁が剛性であり、前記第２および第３の隔壁が実質的に前記第１の隔壁を取り囲んでおり、それにより前記第１の隔壁が外部環境から遮断されている、請求項１１に記載のレンズ装置。
【請求項１４】
前記第３の隔壁に連結された第４の隔壁をさらに備え、前記第３の隔壁と前記第４の隔壁との間に第３のキャビティが形成されており、前記第３の隔壁が実質的に前記第１の隔壁と前記第４の隔壁との間に延びており、前記第１の流体媒体、前記第２の流体媒体、および第３の流体媒体のうちの少なくとも１つが前記第３のキャビティ内に設けられている、請求項１０に記載のレンズ装置。
【請求項１５】
前記第３の隔壁が、中間壁である中間構造体により前記第１の隔壁に連結されており、前記第３の隔壁が可撓性膜である、請求項１４に記載のレンズ装置。
【請求項１６】
前記第１の隔壁および前記第３の隔壁の屈曲が、前記第１、第２および第３のキャビティ内での前記流体媒体の相対的圧力に依存する、請求項１５に記載のレンズ装置。
【請求項１７】
凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、凹凸レンズ、両凸レンズ、および両凹レンズのうちの少なくとも１つとして動作可能な、請求項１５に記載のレンズ装置。
【請求項１８】
凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、凹凸レンズ、両凸レンズ、および両凹レンズのうちの少なくとも２つとして動作可能な、請求項１７に記載のレンズ装置。
【請求項１９】
焦点距離範囲を達成するために前記コンポーネントによって制御可能な、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項２０】
請求項１に記載のレンズ装置を含む１組の眼鏡。
【請求項２１】
請求項１に記載のレンズ装置を含むシステムであって、カメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、監視機構、検査機構、迅速撮像機構、対象追跡機構、コピー機、スキャナ、ズームレンズシステム、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、コンピュータ、拡大鏡、および視力矯正装置のうちの少なくとも１つである、システム。
【請求項２２】
多レンズ装置であって、
第１の流体適応レンズと、
第２の流体適応レンズと、
前記第１の流体適応レンズと前記第２の流体適応レンズとを連結する中間構造体であって、少なくとも部分的に光学的透過性である、中間構造体と、
を備えた多レンズ装置。
【請求項２３】
前記第１および第２の流体適応レンズの各々が、少なくとも１つの可撓性膜と少なくとも１つの剛性表面とを含み、前記少なくとも１つの可撓性膜と前記少なくとも１つの剛性表面とが協働して、少なくとも１つの流体媒体が内部に設けられた少なくとも１つのキャビティを規定する、請求項２２に記載の多レンズ装置。
【請求項２４】
前記第１および第２の流体適応レンズの各々が、１または２の可撓性膜を含む、請求項２３に記載の多レンズ装置。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの流体媒体の各々の少なくとも１つのパラメータが、流体の流れを供給する手段と流体圧力を変化させる手段との少なくとも一方により制御可能である、請求項２２に記載の多レンズ装置。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのパラメータを制御することにより、レンズの焦点距離とレンズタイプとの少なくとも一方に影響を与える前記少なくとも１つの膜の屈曲が起こる、請求項２５に記載の多レンズ装置。
【請求項２７】
請求項２２に記載の多レンズ装置を含む、ズームレンズシステム。
【請求項２８】
請求項２７に記載のズームレンズシステムを含むシステムであって、カメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、監視機構、検査機構、迅速撮像機構、対象追跡機構、コピー機、スキャナ、ズームレンズシステム、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、コンピュータ、拡大鏡、および視力矯正装置のうちの少なくとも１つである、システム。
【請求項２９】
流体適応レンズ装置を製造する方法であって、
第１のキャビティを有する第１の構造体を提供する工程であって、前記第１のキャビティが部分的にのみ前記第１の構造体によって取り囲まれる、工程と、
前記第１のキャビティを実質的に取り囲むように、第１の可撓性層と前記第１の構造体とを互いに連結させる工程と、
を含み、
前記第１のキャビティに第１の流体を充填することができ、それにより前記第１の構造体と前記第１の可撓性層と前記第１の流体とが相互作用して前記流体適応レンズ装置を構成する、方法。
【請求項３０】
前記第１の構造体と前記第１の可撓性層との少なくとも一方内に、前記キャビティに対する前記第１の流体の連通を可能にする少なくとも１つのチャネルを形成する工程をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つの流体レザバーと少なくとも１つのアクチュエータとを前記少なくとも１つのチャネルに連結して、前記第１のキャビティに対する前記第１の流体の連通を可能にする工程と、
前記第１の流体を前記第１のキャビティに連通させる工程と、
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の構造体と前記第１の可撓性層の少なくとも一方が少なくとも１つのチャネルを含み、前記第１の可撓性層と前記第１の構造体とを互いに連結させることにより、前記少なくとも１つのチャネルを除いて前記第１のキャビティを取り囲む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の構造を中間基板の第１の側に取り付ける工程と、
第２のレンズ装置を前記中間基板の第２の側に取り付ける工程と、
をさらに含み、
前記第１および第２のレンズ装置と前記中間基板とがズームレンズシステムとして共に動作し得る、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
第２のキャビティを有する第２の構造体を提供する工程であって、前記第２のキャビティが部分的にのみ前記第２の構造体によって取り囲まれる工程と、
前記第２のキャビティを実質的に取り囲むように、前記第１の可撓性層と前記第２の構造体とを互いに連結させる工程と、
を更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記追加の構造体が前記第２のキャビティと第３のキャビティとを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
レンズ装置を動作させる方法であって、
互いに連結された可撓性層と剛性構造体とを含んでキャビティを形成するレンズ構造体を提供する工程と、
前記キャビティ内の流体の流体圧力を調整して前記可撓性膜の屈曲を調整する工程と、
を含む、方法。
【請求項３７】
前記流体圧力を調整する工程が、焦点距離の変化とレンズタイプの変化の少なくとも一方を引き起こす、請求項３６に記載の方法。
【請求項１】
レンズ装置であって、
可撓性で光学的透過性である第１の隔壁と、
前記第１の隔壁に連結された第２の隔壁であって、少なくとも一部が光学的透過性であり、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁との間に第１のキャビティが形成される、第２の隔壁と、
前記キャビティ内に設けられ、光学的透過性である第１の流体媒体と、
前記流体媒体のパラメータを制御することができる第１のコンポーネントと、
を備え、
前記流体媒体の前記パラメータが変化すると、前記第１の隔壁が屈曲してレンズの光学特性が変化する、レンズ装置。
【請求項２】
前記第１の隔壁が、薄いポリマーと可撓性で光学的透過性の材料との少なくとも一方から形成された可撓性膜である、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項３】
前記第１の隔壁がポリジメチルシロキサンから形成されている、請求項２に記載のレンズ装置。
【請求項４】
第２の隔壁が、プラスチックと少なくとも部分的に光学的透過性である材料との少なくとも一方から形成された剛性隔壁である、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項５】
前記第２の隔壁が、前記第１の流体媒体が前記キャビティに入るか前記キャビティから出るかの少なくとも一方を可能にする少なくとも１つのチャネルを含む、請求項４に記載のレンズ装置。
【請求項６】
前記第２の隔壁が、前記第１の隔壁が屈曲しない位置にあるときに前記第１の隔壁に実質的に平行に延びている第１の部分と、前記第１の部分に対して実質的に直交する方向に延びている第２の部分とを含む、請求項４に記載のレンズ装置。
【請求項７】
前記キャビティが実質的に円筒状であり、前記第２の部分が前記キャビティ周りの実質的に円筒状の壁を形成しており、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁の前記第１の部分とがそれぞれ前記キャビティの第１および第２の円筒形端部壁を形成している、請求項６に記載のレンズ装置。
【請求項８】
前記可撓性膜の第１の側が前記第１の流体媒体に隣接しており、前記可撓性膜の第２の側が第２の流体媒体に隣接している、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項９】
前記第２の流体媒体が大気からの空気である、請求項８に記載のレンズ装置。
【請求項１０】
前記第１の隔壁と、前記第２の隔壁と、前記第１の隔壁と前記第２の隔壁の少なくとも一方に連結された中央構造体とのうちの少なくとも１つに連結された第３の隔壁をさらに備えた、請求項８に記載のレンズ装置。
【請求項１１】
前記第３の隔壁と前記第１の隔壁との間に第２のキャビティが形成され、前記第１の隔壁が実質的に前記第２の隔壁と前記第３の隔壁との間を延び、前記第２の流体媒体が前記第２のキャビティ内に設けられている、請求項１０に記載のレンズ装置。
【請求項１２】
前記第２の流体媒体の第２のパラメータを制御することができる第２のコンポーネントをさらに備え、前記第１および第２の装置の各々が、流体圧力および容量を制御する、小型搭載ポンプ、圧電アクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、およびテフロン（登録商標）コーティングしたねじからなる群より選択された少なくとも１つのアクチュエータを含む、請求項１１に記載のレンズ装置。
【請求項１３】
前記第３の隔壁が剛性であり、前記第２および第３の隔壁が実質的に前記第１の隔壁を取り囲んでおり、それにより前記第１の隔壁が外部環境から遮断されている、請求項１１に記載のレンズ装置。
【請求項１４】
前記第３の隔壁に連結された第４の隔壁をさらに備え、前記第３の隔壁と前記第４の隔壁との間に第３のキャビティが形成されており、前記第３の隔壁が実質的に前記第１の隔壁と前記第４の隔壁との間に延びており、前記第１の流体媒体、前記第２の流体媒体、および第３の流体媒体のうちの少なくとも１つが前記第３のキャビティ内に設けられている、請求項１０に記載のレンズ装置。
【請求項１５】
前記第３の隔壁が、中間壁である中間構造体により前記第１の隔壁に連結されており、前記第３の隔壁が可撓性膜である、請求項１４に記載のレンズ装置。
【請求項１６】
前記第１の隔壁および前記第３の隔壁の屈曲が、前記第１、第２および第３のキャビティ内での前記流体媒体の相対的圧力に依存する、請求項１５に記載のレンズ装置。
【請求項１７】
凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、凹凸レンズ、両凸レンズ、および両凹レンズのうちの少なくとも１つとして動作可能な、請求項１５に記載のレンズ装置。
【請求項１８】
凸レンズ、凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、凹凸レンズ、両凸レンズ、および両凹レンズのうちの少なくとも２つとして動作可能な、請求項１７に記載のレンズ装置。
【請求項１９】
焦点距離範囲を達成するために前記コンポーネントによって制御可能な、請求項１に記載のレンズ装置。
【請求項２０】
請求項１に記載のレンズ装置を含む１組の眼鏡。
【請求項２１】
請求項１に記載のレンズ装置を含むシステムであって、カメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、監視機構、検査機構、迅速撮像機構、対象追跡機構、コピー機、スキャナ、ズームレンズシステム、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、コンピュータ、拡大鏡、および視力矯正装置のうちの少なくとも１つである、システム。
【請求項２２】
多レンズ装置であって、
第１の流体適応レンズと、
第２の流体適応レンズと、
前記第１の流体適応レンズと前記第２の流体適応レンズとを連結する中間構造体であって、少なくとも部分的に光学的透過性である、中間構造体と、
を備えた多レンズ装置。
【請求項２３】
前記第１および第２の流体適応レンズの各々が、少なくとも１つの可撓性膜と少なくとも１つの剛性表面とを含み、前記少なくとも１つの可撓性膜と前記少なくとも１つの剛性表面とが協働して、少なくとも１つの流体媒体が内部に設けられた少なくとも１つのキャビティを規定する、請求項２２に記載の多レンズ装置。
【請求項２４】
前記第１および第２の流体適応レンズの各々が、１または２の可撓性膜を含む、請求項２３に記載の多レンズ装置。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの流体媒体の各々の少なくとも１つのパラメータが、流体の流れを供給する手段と流体圧力を変化させる手段との少なくとも一方により制御可能である、請求項２２に記載の多レンズ装置。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのパラメータを制御することにより、レンズの焦点距離とレンズタイプとの少なくとも一方に影響を与える前記少なくとも１つの膜の屈曲が起こる、請求項２５に記載の多レンズ装置。
【請求項２７】
請求項２２に記載の多レンズ装置を含む、ズームレンズシステム。
【請求項２８】
請求項２７に記載のズームレンズシステムを含むシステムであって、カメラ、顕微鏡、ビデオモニタ、ビデオレコーダ、光学記録機構、監視機構、検査機構、迅速撮像機構、対象追跡機構、コピー機、スキャナ、ズームレンズシステム、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、コンピュータ、拡大鏡、および視力矯正装置のうちの少なくとも１つである、システム。
【請求項２９】
流体適応レンズ装置を製造する方法であって、
第１のキャビティを有する第１の構造体を提供する工程であって、前記第１のキャビティが部分的にのみ前記第１の構造体によって取り囲まれる、工程と、
前記第１のキャビティを実質的に取り囲むように、第１の可撓性層と前記第１の構造体とを互いに連結させる工程と、
を含み、
前記第１のキャビティに第１の流体を充填することができ、それにより前記第１の構造体と前記第１の可撓性層と前記第１の流体とが相互作用して前記流体適応レンズ装置を構成する、方法。
【請求項３０】
前記第１の構造体と前記第１の可撓性層との少なくとも一方内に、前記キャビティに対する前記第１の流体の連通を可能にする少なくとも１つのチャネルを形成する工程をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つの流体レザバーと少なくとも１つのアクチュエータとを前記少なくとも１つのチャネルに連結して、前記第１のキャビティに対する前記第１の流体の連通を可能にする工程と、
前記第１の流体を前記第１のキャビティに連通させる工程と、
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の構造体と前記第１の可撓性層の少なくとも一方が少なくとも１つのチャネルを含み、前記第１の可撓性層と前記第１の構造体とを互いに連結させることにより、前記少なくとも１つのチャネルを除いて前記第１のキャビティを取り囲む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の構造を中間基板の第１の側に取り付ける工程と、
第２のレンズ装置を前記中間基板の第２の側に取り付ける工程と、
をさらに含み、
前記第１および第２のレンズ装置と前記中間基板とがズームレンズシステムとして共に動作し得る、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
第２のキャビティを有する第２の構造体を提供する工程であって、前記第２のキャビティが部分的にのみ前記第２の構造体によって取り囲まれる工程と、
前記第２のキャビティを実質的に取り囲むように、前記第１の可撓性層と前記第２の構造体とを互いに連結させる工程と、
を更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記追加の構造体が前記第２のキャビティと第３のキャビティとを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
レンズ装置を動作させる方法であって、
互いに連結された可撓性層と剛性構造体とを含んでキャビティを形成するレンズ構造体を提供する工程と、
前記キャビティ内の流体の流体圧力を調整して前記可撓性膜の屈曲を調整する工程と、
を含む、方法。
【請求項３７】
前記流体圧力を調整する工程が、焦点距離の変化とレンズタイプの変化の少なくとも一方を引き起こす、請求項３６に記載の方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１０ｄ】
【図１１】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１４ｃ】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１５ｃ】
【図１５ｄ】
【図１６】
【図１７】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１０ｄ】
【図１１】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１４ｃ】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１５ｃ】
【図１５ｄ】
【図１６】
【図１７】
【公表番号】特表２００７−５３１９１２（Ｐ２００７−５３１９１２Ａ）
【公表日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０６５７２（Ｐ２００７−５０６５７２）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１０９４８
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０１１９３７
【国際公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【出願人】（５９２０３４５４８）ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティー・オブ・カリフォルニア (8)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１０９４８
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０１１９３７
【国際公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【出願人】（５９２０３４５４８）ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティー・オブ・カリフォルニア (8)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ
【Ｆターム（参考）】
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