KR100864691B1 - 가변 초점 미러 및 이를 응용한 카메라 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변 초점 미러 및 이를 응용한 카메라 모듈에 관한 것으로써, 전자력 구동기나 스텝 모터 등을 사용해 렌즈군의 위치를 조절하는 대신 가변 초점 미러의 구동으로 초점을 맞추거나 광학 줌 기능을 구현하므로, 전체 시스템의 부피를 현저히 감소시키고 휴대용 단말기 등을 비롯한 초소형 카메라 모듈을 필요로 하는 다양한 응용에 적용이 가능하다.
가변초점미러, 카메라, 줌

Description

가변 초점 미러 및 이를 응용한 카메라 모듈{A variable focusing Mirror and Camera Module using thereof}
도 1은 2군 렌즈 방식의 광학 줌 카메라 모듈의 개념도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 미러의 사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전력을 이용하여 구동하는 가변 초점 미러의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 방법을 이용하여 구동하는 가변 초점 미러의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부에 의해 지지되는 정전력 구동 가변 초점 미러의 평면도 및 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 미러가 적용된 카메라 모듈의 개념도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명을 다른 실시예에 따른 가변 초점 미러를 적용한 카메라 모듈의 단면도이다.
{도면의 주요 부호에 대한 설명}
1 : 박막 2 : 반사면
41 : 기판 42 : 구동전극
43 : 하부기판 46 : 압전체
47-1, 47-2 : 구동전극 48-1, 48-2 : 팽창수단
본 발명은 가변 초점 미러 및 이를 응용한 카메라 모듈에 관한 것으로써, 특히 전자력 구동기나 스텝 모터 등을 사용해 렌즈군의 위치를 조절하는 대신 가변 초점 미러의 구동으로 초점을 맞추거나 광학 줌 기능을 구현하므로, 전체 시스템의 부피를 현저히 감소시키는 가변 초점 미러 및 카메라 모듈에 관한 것이다.
최근 통신 기술 및 디지털정보 처리 기술의 발전과 더불어 정보 처리 및 연산, 통신, 화상 정보 입출력 등 다양한 기능이 집적된 휴대용 단말기 기술이 새롭게 대두되고 있다. 디지털 카메라와 통신 기능이 장착된 PDA, 디지털 카메라와 PDA 기능이 장착된 핸드폰 등을 그 예로 들 수 있는데, 디지털 카메라 기술 및 정보 저장 능력의 발달로 인하여 고사양의 디지털 카메라 모듈(digital camera module)의 장착이 점차 보편화하고 있는 추세이다.
제반 기술의 발달로 휴대용 단말기 등에 장착되는 디지털 카메라 모듈에 메 가 픽셀(mega pixel)급 이미지 센서(image sensor)가 사용되면서, 자동 초점(auto focus) 및 광학 줌(optical zoom) 등의 기능의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 이러한 소형 디지털 카메라 모듈에서 자동 초점 및 광학 줌 기능을 구현하기 위해서는 상대적으로 적은 부피를 차지하면서 빠른 기동 속도, 저전력 소모, 큰 변위 등의 성능을 충족시킬 수 있는 구동기가 필요하다. 특히 광학 줌 기능의 향상에 따른 필요 변위의 증가에 대응할 수 있는 구동기가 요구되는데, 종래의 VCM(voice coil motor) 등의 전자력 구동기(magnetic actuator)의 경우 변위를 증가시키는 데 한계가 있으며, 줌 기능을 위한 기동시 지속적으로 전력을 소모하는 단점이 있다. 또한 스텝 모터(stepping motor) 등 회전 운동을 하는 구동기로 리드 스크류(lead screw)를 회전시켜 가동부를 선형적으로 이동시키는 경우, 복잡한 매커니즘과 기어부의 마찰 및 소음 등의 단점이 있다. 또한, VCM 방식 및 스텝 모터를 이용한 구동기의 경우 복잡한 구조로 인하여 저가의 구동기를 제작하는데 어려움이 있으며, 소형화하는데 있어서 크기의 제한이 있다.
도 1은 2개의 렌즈군을 사용한 광학 줌과 자동 초점 기능이 적용된 종래의 카메라 모듈의 개념도이다. 이러한 기능을 구현하기 위해서 종래에는 광축상에서 렌즈군의 위치를 변화시키는 방법을 사용하였다. 광학 줌 기능 구현시 줌 렌즈군(21)이 소정의 위치로 이동하게 되면, 자동 초점렌즈군(22)은 줌 렌즈군의 위치에 의해 결정되는 소정의 위치로 이동하여 이미지 센서(23, image sensor)에 화상을 결상하게 된다. 일반적으로 2군 렌즈 방식의 광학 줌 카메라 모듈에서 줌 렌즈군은 상대적으로 큰 변위를 필요로 하며, 자동 초점 렌즈군은 빠른 기동을 필요로 하고, 줌 기능의 강화와 화질의 향상에 따라 이러한 가동부에 대한 요구 조건들은 더욱 까다로워진다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 가변 초점미러를 카메라 모듈 광학계에 적용함으로서 초소형 광학 줌 기능을 구현 가능한 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 가변 초점 미러를 사용하여 자동 초점 기능을 구현하는 카메라 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 가변 초점 미러를 집적하여 경량화 및 소형화가 가능한 카메라 모듈을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 가변 초점 미러는 기판상에 곡률이 조절되는 박막이 형성되고, 상기 박막 상에 박막의 곡률에 따라 곡률이 조정되는 반사면을 포함한다.
본 발명에서 상기 박막과 반사면은 원형으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 반사면의 곡률은 반사면 중심을 기준으로 비대칭적인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 반사면은 금속 및/또는 유전체의 적층으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막은 브리지 구조의 연결부에 의해 지지되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 박막에 형성된 금속체와 상기 박막 하부에 형성된 전극간의 전위차에 의해 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 상기 박막에 자성체가 형성되고, 상기 박막 주변부에 코일이 형성되어 코일에 의해 형성되는 자기장에 의해 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 상기 박막에 코일이 형성되고, 상기 박막 주변부에 영구 자석이 형성되어 코일에 의해 형성되는 자기장에 의해 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 상기 박막에 압전체가 형성되고, 상기 압전체 상에 형성된 전극에 가해지는 전위차에 의해 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 상기 박막에 열팽창율이 다른 이종 물질이 형성되고, 상기 이종 물질에 가해지는 열에 의해 팽찰율을 제어함으로써 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 가변 초점 미러는 줌 기능 및 자동 초점기능을 구비하는 카메라 모듈로써 이용된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 미러의 사시도이다.
상기 실시예에서, 가변 초점 미러는 박막 및 반사면을 포함한다.
상기 실시예는, 상기 박막과 반사면이 적층되는 방법과 작동하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a를 참조하면, 상기 가변 초점 미러는 원형의 박막(1) 위에 반사면(2)이 형성된 구조로, 박막 및 반사면의 곡률 변화에 의해 반사광(12)의 초점 거리를 변화시킨다. 도 2b와 도 2c에서 보는 바와 같이 반사면의 중심부가 하부로 d1 또는 d2만큼의 변위를 일으킨 경우 반사면의 곡률은 r1 또는 r2와 같이 변화하게 되고, 이에 따라 반사광의 초점 거리가 변화하게 된다. 상기 중심부가 하부로 더 이동함에 따라 반사면의 곡률은 증가하게 되고, 상기 증가량에 반비례하여 초점길이는 짧아지게 된다.
본 발명에 의한 가변 초점미러는 마이크로머시닝 또는 미세 가공 기술에 의 해 다양한 구조와 재질로 제작이 가능하며, 정전력 구동, 전자력 구동, 열 구동, 압전 구동 등 다양한 구동 방식을 적용할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전력을 이용하여 구동하는 가변 초점 미러의 단면도이다.
상기 실시예에서, 정전력을 이용한 가변 초점 미러는 박막, 반사면, 기판, 구동전극 및 하부기판을 포함한다.
상기 실시예는, 박막과 전극 사이 또는 반사면과 전극 사이에 형성되는 정전기력을 이용하여 반사되는 빛의 초점을 조절하는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a내지 도 3c는 정전력 구동 방식을 적용한 가변 초점미러의 일례를 도시한 것으로, 도 3a에서 보는 바와 같이 박막(1)과 반사면(2)이 형성된 기판(41)과 구동 전극(42)이 형성된 하부 기판(43)의 결합에 의해 구성된다. 박막(1)의 재질로는 실리콘, 실리콘 질화막(silicon nitride), 실리콘 산화막(silicon oxide) 등의 반도체나 유전체(dielectric), 세라믹, 폴리머(polymer), 금속 등의 다양한 소재가 사용될 수 있으며, 반사면(2)으로는 한 층 또는 여러 층의 금속, 유전체, 또는 금속과 유전체를 적층하여 사용할 수 있다. 제작 공정에 있어서 박막(1)과 반사면(2)의 응력(stress)을 조절함으로써 반사면의 초기 상태를 조절할 수 있는데, 도 3a와 같이 초기 처짐(initial deflection)이 없는 상태로 제작하거나 도 3b와 같이 반사면 중심부에 소정의 초기 처짐(d1)이 존재하도록 제작할 수 있다.
정전력 구동 가변 초점 미러의 경우 반사면(2)과 구동 전극(42) 사이에 전압을 인가하여 구동하게 되는데, 반사면으로 금속을 사용하지 않을 경우 박막(1)에 구동을 위한 별도의 금속막을 형성하여야 한다. 정전력 구동 가변 초점 미러에서 반사면(2)과 구동 전극(42)간의 전위차가 증가함에 따라 반사면 중심부는 그림 도 3b와 도 3c와 같이 아래로 처지고, 반사면의 곡률이 증가하게 된다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 방법을 이용하여 구동하는 가변 초점 미러의 단면도이다.
도 4a는 전자력을 이용하여 구동하는 가변 초점 미러로써, 박막, 반사면, 기판, 코일 및 자성체를 포함한다.
상기 실시예는, 전자력을 이용하여 가변 초점 미러를 구동하는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4a를 참조하면, 상기 박막(1)은 기판(41)에 의해서 지지되며, 상기 박막(1)의 상부에는 자성체(45)가 적층되고, 상기 자성체 상부에는 반사면(2)이 적층된다. 상기 기판(41)의 외측에는 코일(44)이 구비된다. 상기 코일(44)에 전류가 흐르면 코일(44)의 주변에는 자기장이 형성된다. 상기 자기장의 크기는 전류의 세기에 비례하는데, 상기 자기장은 상기 자성체(45)에 힘을 가하여 이동시킨다. 상기 자성체(45)의 이동에 따라 상기 자성체(45) 하부에 형성된 박막(1)이 아래로 움직이면, 이에 따라 반사면(2)이 움직임으로써 반사되는 빛의 초점거리를 변경시킨다.
도 4b는 압전소자를 이용하여 구동하는 가변 초점 미러로써, 박막, 반사면, 기판, 압전소자 및 구동전극을 포함한다.
상기 실시예는, 압전소자를 이용하여 가변 초점 미러를 구동하는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
상기 박막(1) 상부 중앙에는 반사면(2)이 형성된다. 상기 박막(1) 상부 중 반사면(2)이 형성된 지역 이외의 부분에는 압전소자(46)가 적층된다. 상기 압전소자(46)는 회전축(40)을 중심으로 대칭적으로 구비된다. 상기 각각의 압전소자(46) 상부에는 상기 압전소자(46)에 전하를 제공하는 구동전극(47-1, 47-2) 한쌍이 존재한다. 상기 압전소자(46)는 전기적인 힘이 가해지면, 이를 기계적인 힘으로 변형하거나, 기계적인 힘이 가해졌을 경우 이를 전기적인 힘으로 변형 가능하다. 상기 압전체 상에 형성한 전극에 전위차를 인가하면 발생하는 압전체(46)의 변형에 의해 반사면의 곡률을 조절 가능하게 한다.
도 4c는 열 팽창 수단을 이용하여 구동하는 가변 초점 미러로써, 박막, 반사면, 기판, 열 팽창 수단을 포함한다.
상기 실시예는, 열 팽창 수단을 이용하여 가변 초점 미러를 구동하는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4c를 참조하면, 상기 박막(1)은 기판(41)에 의해 지지되고, 상기 기판(41) 상부 중앙에는 반사면(2)이 적층된다. 상기 반사면(2)이 적층된 부분의 외측에는 열 팽창 수단(48-1, 48-2)이 적층된다. 상기 열 팽창 수단(48-1, 48-2)은 열 팽창 계수가 다른 두 물질이 차례로 적층된다. 상기 열 팽창 수단(48-1, 48-2)은 회전축(40)을 중심으로 대칭적으로 구비되는 것이 바람직하다. 상기 열 팽창 수단(48-1, 48-2)은 주위의 온도에 따라서 부피 변형을 일으키게 되는데, 적층된 두 물 질은 서로의 열팽창 계수가 다르므로 늘어나는 길이 또한 다르다. 따라서, 열팽창계수가 작은 쪽으로 휘어지게 되는데, 이에 의해 반사면의 곡률이 조절 가능하게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부에 의해 지지되는 정전력 구동 가변 초점 미러의 평면도 및 단면도이다.
상기 실시예에서, 박막은 브리지형태로 구성된다.
도 5a를 참조하면, 상기 박막이 단순한 시트(sheet)형상이 아닌 브리지 형태로 구성된다. 상기 박막이 중앙에는 원형의 박막(1)이 존재하고, 상기 원형 박막 상부에는 원형의 반사면(2)이 구비되며, 상기 원형의 박막(1)은 외부 박막과 연결부(3)에 의해서 지지된다. 본 발명에서는 중앙에 원형의 박막이 형성되고 연결부에 의해서 이를 지지하는 구조가 도시되어 있으나, 이는 당업자에 수준에 맞추어 다양한 형상으로 변경 가능함은 자명한 일이다.
도 5b는 도 5a의 A-A'의 단면도로 연결부가 존재하는 부분이고, 도 5c는 도 5a의 B-B'단면도로 연결부가 존재하지 않는 부분이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 미러가 적용된 카메라 모듈의 개념도이다.
상기 실시예에서, 카메라 모듈은 가변 초점 미러, 광학계. 이미지 센서를 포함한다.
상기 실시예는, 상기 가변 초점 미러를 사용하여 입사된 빛이 이미지 센서에 초점이 맺히는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 수직으로 장착된 이미지 센서(23)를 향해 2번 굴절되는 광 경로(13)를 사용한 카메라 모듈에서는 굴절부에 위치한 두 개의 가변 초점 미러(24, 26)가 각각 초점조절과 광학 줌 기능을 수행한다. 두 가변 초점 미러 사이에 위치한 광학계(25)로는 렌즈, 반사면, 필터, 기계식 셔터, 조리개 등을 사용할 수 있으며, 가변 초점 미러1(24)의 앞단과 가변 초점 미러2(26)와 이미지 센서(23) 사이에도 적합한 광학계를 선택적으로 구비할 수 있다. 상기 가변 초점 미러를 사용한 초점 조절과 광학 줌 기능은 종래의 렌즈군 이동 방식을 사용하는 카메라 모듈에도 선택적으로 적용이 가능하며, 다양한 광 경로로 모듈을 구성하는 것이 가능하다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명을 다른 실시예에 따른 가변 초점 미러를 적용한 카메라 모듈의 단면도이다.
도 7a는 도 6과 같이 두 개의 가변 초점 미러에 의해 두 번 굴절되는 광 경로(13)를 사용한 경우로, 입력단과 이미지 센서(23) 사이의 모든 위치에 적절한 광학계(25-1, 25-2, 25-3)를 사용할 수 있다.
도 7b는 한 번 굴절되는 광 경로(14)를 사용한 경우로 하나의 가변 초점 미러(24)로 초점 조절 또는 광학 줌 기능을 구현하고, 이에 대응되는 기능(가변초점 미러로 초점 조절 기능을 구현할 경우 광학 줌 기능)을 별도의 광학계(27-1)에서 구현하도록 한 경우이다. 이 경우 별도의 광학계(27-1)에서는 스텝 모터 등의 액츄에이터에 의해 렌즈군을 이동시키는 방법으로 초점 조절 또는 광학 줌 기능을 수행하게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 가변 초점 미러를 사용한 카메라 모듈은 기존의 스텝 모터 등 각종 액츄에이터를 사용한 구동기에 의해 광학 줌이나 초점 조절 기능을 구현한 카메라 모듈과 달리 별도의 액츄에이터나 구동 매커니즘 없이 이러한 기능을 구현할 수 있어 소형, 경량화에 적합하다.
특히 최소한의 공간을 점유하면서 필요 성능을 충족시킬 수 있어 PDA, 핸드폰 등 다양한 휴대용 기기에 적합할 것으로 기대된다.

Claims (12)

  1. 기판상부에 위치하고 곡률 변경이 가능한 박막; 및
    상기 박막 상부에 형성되고 상기 박막의 곡률변경에 따라 곡률이 조정되는 반사면을 포함하는 가변 초점 미러.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 박막과 반사면은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 초점 미러.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반사면은 금속 및/또는 유전체의 적층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 미러.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 박막은 브리지 구조의 연결부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 미러.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 박막에 형성된 금속체와 상기 박막 하부에 형성된 전극간의 전위차에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 미러.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 상기 박막에 자성체가 형성되고, 상기 박막 주변부에 코일이 형성되어 코일에 의해 형성되는 자기장에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 미러.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 상기 박막에 압전체가 형성되고, 상기 압전체 상에 형성된 전극에 가해지는 전위차에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 미러.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 박막과 상기 반사면의 곡률은 상기 박막에 열팽창율이 다른 이종 물질이 형성되고, 상기 이종 물질에 가해지는 열에 의해 팽찰율을 제어함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 미러.
  11. 제 1항, 제 2항, 제 4항 내지 제 7항, 제 9항, 및 제 10항 중, 어느 한 항에 의해 형성되는 가변 초점 미러를 이용하여 줌 기능을 수행하는 카메라 모듈.
  12. 제 1항, 제 2항, 제 4항 내지 제 7항, 제 9항, 및 제 10항 중, 어느 한 항에 의해 형성되는 가변 초점 미러를 이용하여 자동 초점 기능을 수행하는 카메라 모듈.
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