KR100686018B1 - 광학기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 기계적 구동 없이 구경을 조절하고, 셔터 기능을 수행하며 초점거리를 조절하기 위한 광학기기에 관한 것이다

본 발명은 실린더에 저장된 액체로 초점거리 및 구경(aperture)의 크기를 조절하는 광학기기에 있어서, 차례로 배열되는 제1,2플레이트와 상기 제1플레이트의 상부면에 구비되는 제1실린더와 상기 제1실린더와 제2플레이트의 사이에 구비되는 제2실린더와 상기 광학기기 내부에 저장되는 제1액체와 상기 광학기기 내부에서 상기 제1액체의 상부에 저장되는 제2액체 및 상기 광학기기 내부에서 상기 제2액체의 상부에 저장되는 제3액체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학기기를 제공한다.

따라서, 본 발명에 의하면 구경(aperture)의 크기 조절시 전력 소비를 줄이고, 완전한 원형의 조리개를 만들 수 있고, 지속적인 작동을 해도 중심축의 어긋남이 발생하지 않으며, 기계적 구동이 없이도 초점조절이 가능하다.

전기습윤, 액체렌즈, 조리개, 구경, 셔터

Description

광학기기{Optical Instrument}

도1a는 전기습윤 현상을 나타낸 모식도.

도1b는 종래의 조리개의 평면도.

도2는 본 발명에 따른 광학기기에 전압이 인가되지 않은 상태의 단면도.

도3은 본 발명에 따른 광학기기에 전압이 인가되지 않은 상태의 평면도.

도4는 본 발명에 따른 광학기기에 전압이 인가되지 않을 상태에서 입사된 빛의 경로를 나타낸 모식도.

도5는 본 발명에 따른 광학기기에 전압이 인가된 상태의 단면도.

도6은 본 발명에 따른 광학기기에 전압이 인가된 상태의 평면도.

도7은 본 발명에 따른 광학기기에 전압이 인가된 상태에서 입사된 빛의 경로를 나타낸 모식도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 절연층 110 : 전극층

120 : 전압이 인가되지 않았을 때의 전해질 액체의 곡면

130 : 전압이 인가되었을 때의 전해질 액체의 곡면

160 : 구경(aperture) 170 : 구경 조절용 판

200 : 제2실린더 205 : 제3전극층

210 : 제2절연층 215 : 제2소수성 물질층

220 : 제1실린더 225 : 제2전극층

230 : 제1절연층 235 : 제1소수성 물질층

240 : 접착층 250 : 제1플레이트

255 : 제1액체 260 :제2액체

265 : 제3액체 270 : 제2플레이트

280 : 제1전극층 285 : 전압이 인가되지 않았을 때의 구경

290 : 제2전압 인가 장치 293 : 제1전압 인가 장치

295 : 전압이 인가되었을 때의 구경

330 : 전압이 인가되지 않았을 때의 구경

630 : 전압이 인가되었을 때의 구경

본 발명은 광학기기에 관한 것으로 보다 상세하게는 조리개, 셔터 및 광학렌즈에 관한 것이다.

조리개는 광학기기의 전면에 부착되어 입사되는 빛의 양을 조절하는 역할을 하는 기기이다.

도1b를 참조하여 종래의 기술에 따른 조리개를 설명하면 다음과 같다.

종래의 조리개는 외곽에 다수개의 부채꼴 모양의 판(170)들이 구비되어 있으며, 상기 다수개의 부채꼴 모양의 판 내부에는 외부로부터 빛이 입사되는 구경(160)이 위치한다.

상기 조리개에 입사되는 빛의 양을 조절하는 원리는 다음과 같다.

상기 조리개에 입사되는 빛의 양을 줄이고자 할 때는 상기 다수개의 부채꼴 모양의 판(170)들이 상기 조리개의 안 쪽으로 이동하여 구경(160)을 좁히고, 상기 조리개에 입사되는 빛의 양을 늘이고자 할 때는 상기 다수개의 부채꼴 모양의 판(170)들이 상기 조리개의 바깥 쪽으로 이동하여 구경(160)을 넓힌다.

또한, 상기 다수개의 부채꼴 모양의 판(170)이 상기 조리개의 안쪽의 한 점에서 만나 외부에서 들어오는 빛을 완전히 차단하면, 셔터(Shutter)의 역할을 하는 것이다.

즉, 상기 다수개의 부채꼴 모양의 판(170)와 구경(160)은 각각 사람 눈의 홍채와 동공에 해당하는 역할을 하는 것이다.

그러나, 상술한 종래의 조리개 및 셔터는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 종래의 조리개 및 셔터는 기계적 구동을 통하여 이루어지므로 구경을 조절할 때 많은 양의 전력이 소모된다.

둘째, 종래의 조리개는 완전히 원형의 구경(Aperture)으로 만들 수 없었다.

즉, 구경을 원형에 가깝게 만들려면 상기 다수개의 부채꼴 모양의 판(170)의 개수가 증가해야 하므로 더 많은 전력이 필요하며, 또한 완전히 원형의 구경을 만들 수는 없다.

셋째, 상기 다수개의 부채꼴 모양의 판(170)은 기계적인 구동을 통해 작동하므로, 지속적인 작동을 통해 중심축의 어긋남이 발생할 수 있다.

또한, 종래의 기술에 의한 광학렌즈의 경우 초점거리를 조절할 때 렌즈를 기계적인 구동에 의해 이동하는데, 경통길이의 한계로 인해서 초점거리의 조절에 한계가 있으며 초점조절에 일정한 시간이 소비되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구경을 조절할 때 전력소모가 적은 광학기기를 제작하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 완전히 원형의 구경(Aperture)을 가진 광학기기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기계적인 구동에 의해 작동하지 않아서, 지속적인 작동을 해도 중심축의 어긋남이 발생하지 않는 광학기기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 광학기기에 비해서 초점거리를 자유로이 이동할 수 있고, 또한 초점조절에 소비되는 시간도 절약되는 광학기기를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전기습윤 현상을 이용한다.

전기습윤 현상이란 전해질 액체의 표면 장력을 전기를 가함으로써 변화시키는 현상으로, 가브리엘 리프만 박사에 의해 발견되었다.

가브리엘 리프만 박사는 수조에 물을 담근 후 그 안에 가는 관을 넣으면, 상 기 관 안의 수면이 상기 수조 안의 수면보다 더 높게 올라가는 모세관 현상에서, 벽면이 금속으로 된 수조와 관을 사용하여 수조와 모세관 속 물에 전기를 통하게 함으로써 관 안의 수면 높이에 변화를 일으킨 전기 모세관 현상을 구현하였다.

그러나, 상기 현상은 1V 정도의 낮은 전압에서만 발견되는데, 이는 전압이 높아지면 전기가 흘러서 물이 전기분해되어서 기포가 발생하기 때문이다.

프랑스의 물리학자인 Bruno Berge 박사는 높은 전압에서 표면 장력을 제어할 수 없었던 상기의 문제점을 해결하였다.

Bruno Berge 박사는 금속과 물이 접하지 않도록 금속의 표면에 수 ㎛ 정도 두께의 절연체 층을 코팅한 후, 그 위에 물방울을 떨어뜨리고 금속판과 물방울에 전기를 가하는 경우 인가하는 전압의 크기에 따라 물방울의 표면모양이 바뀌는 것을 확인하였다.

즉, 절연체를 중간에 삽입하는 경우 낮은 전압뿐 만 아니라, 수십 V에서도 물방울의 표면 모양을 조절할 수 있게 되었다.

도1은 전기습윤 현상을 나타낸 모식도이다.

전극(110) 위에 절연층(100)이 코팅되어 있으며, 전압이 인가되지 않았을 때는 액체의 곡률이 크나(120) 전압이 인가되었을 때는 상기 액체의 곡률이 상대적으로 더 작아진다.(130)

상기 액체의 곡률은 다음과 같다.

상기 θ°는 전압을 인가하지 않았을 때, 액체가 표면 장력에 의해 곡면을 이룰 때 상기 액체와 액체가 놓인 판이 이루는 각도를 나타낸다.

상기 θ는 전압이 인가되었을 때, 전기습윤 현상에 의해 액체의 표면장력이 커졌을 때의 상기 액체와 액체가 놓인 판이 이루는 각도이다.

상기 d는 절연층의 두께이고, 상기 ε은 유전율을 나타내고, 상기ε。는 진공에서의 유전율이다.

상기 V는 상기 액체에 인가된 전압이고, 상기 γ는 상기 액체의 표면장력의 크기를 나타낸 것이다.

따라서, 상기 액체에 인가된 전압이 더 클수록, 상기 액체와 상기 액체가 놓인 판이 이루는 각도가 작아진다.

즉, 더 강한 전압을 인가할수록 더 납작한 형태를 이루게 되어, 상기 액체에 빛이 입사될 때 굴절되는 정도가 변한다.

상기 원리를 이용하여, 본 발명은 실린더에 저장된 액체로 초점거리 및 구경(aperture)의 크기를 조절하는 광학기기에 있어서, 차례로 배열되는 제1,2플레이트와 상기 제1플레이트의 상부면에 구비되는 제1실린더와 상기 제1실린더와 제2플레이트의 사이에 구비되는 제2실린더와 상기 광학기기 내부에 저장되는 제1액체와 상기 광학기기 내부에서 상기 제1액체의 상부에 저장되는 제2액체 및 상기 광학 기기 내부에서 상기 제2액체의 상부에 저장되는 제3액체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학기기를 제공한다.

본 발명은 상기 광학기기에 전압을 인가하기 위한 장치를 구비한 광학기기를 제공한다.

본 발명은 상기 제2액체의 굴절률이 상기 제1액체의 굴절률 미만인 광학기기를 제공한다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도2 내지 도4을 참조하여, 본 발명에 따른 광학기기의 제1실시예를 설명하면 다음과 같다.

제1플레이트(250)와 제2플레이트(270)가 차례로 구비되고, 상기 제1플레이트(250)와 제2플레이트(270) 사이에는 제1실린더(220) 및 제2실린더(200)가 구비된다.

구체적으로 상기 제1플레이트(250)의 상부면에는 상기 제1실린더(220)가 구비되고, 상기 제1실린더(220)의 상부면에는 상기 제2실린더(200)가 구비되며, 상기 제2실린더(200)의 상부면에 상기 제2플레이트(270)가 구비된다.

상기 제1실린더(220)의 상부면과 상기 제2실린더(200)의 하부면은 접착층(240)으로 접합된다.

상기 제1,2플레이트(250,270)은 광투과율이 우수한 투명한 재질이어야 하며, 상기 제1,2실린더(220,200)는 상하부가 개방된 원통형일수도 있으나, 내부가 경사진 구조 또는 내부가 휘어진 구조의 실린더도 가능하다.

상기 광학기기의 내부에는 하부로부터 차례로 제1액체(255), 제2액체(260) 및 제3액체(265)가 저장된다.

상기 제1액체(255)는 무극성, 절연성을 나타내는 Oil류이고, 상기 제2액체(260)는 전류를 통하여야 하므로 전해질 물질이 녹아 있는 수용액이 바람직하며, 상기 제3액체(260)는 광투과율이 낮은 비전해질 액체이어야 하며 검정색인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1,2,3액체(255,260,265)은 중력에 의해 서로 섞이지 않도록 밀도가 거의 동일한 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1액체(255)와 제2액체(260)는 초점거리를 조절하는 역할을 해야 하므로 굴절률이 서로 상이해야 하며, 상기 제1액체(255)의 굴절률이 상기 제2액체(260)의 굴절률 미만인 경우 도4와 같이 전압이 인가되지 않았을 때 오목렌즈의 역할을 한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 광학기기의 제1실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 광학기기의 상부에 저장된 상기 제3액체(265)가 외부에서 입사되는 빛을 차단하므로, 상기 1점 쇄선(285)의 내부로만 빛이 입사된다.

즉, 상기 1점 쇄선(285)의 내부가 광학기기의 구경(aperture)의 역할을 한 다.

상기 구경(285)의 내부로 입사된 빛은 상기 제2액체(260)를 통과한 후 상기 제1액체(255)로 진행하는데, 굴절률 차이에 의해 상기 제1,2액체(255,260)의 경계면에서 굴절하여 렌즈의 역할을 하게 된다.

도4는 본 발명에 따른 광학기기의 제1실시예에서, 구경을 통해서 상기 광학기기의 내부로 입사된 빛이 입사되어 진행하는 상태를 나타낸 모식도이다.

도4는 상기 제1액체(255)의 굴절률이 상기 제2액체(260)의 굴절률보다 큰 경우로서, 입사된 빛이 중심축으로부터 외곽으로 굴절하여 상기 광학기기가 오목렌즈의 역할을 한다.

따라서, 본 발명에 따른 광학기기의 제1실시예에 따르면 상기 광학기기 내부에 저장된 상기 제3액체(265)가 입사광을 차단하여 조리개 또는 구경의 역할을 하며, 상기 제1,2액체(255,260)는 입사광을 굴절시키는 렌즈의 역할을 한다.

즉, 상기 제3액체(265)는 사람 눈의 홍채의 역할을 하고, 상기 제1,2액체(255,260)는 사람 눈의 수정체 역할을 한다.

도2 내지 도7을 참조하여, 본 발명에 따른 조리개의 제2실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 제2실시예의 기본적인 구성은 상기 제1실시예와 동일하나, 전기습윤 현상을 이용하기 위하여 상기 실린더(200) 내부에 저장된 액체에 전압을 인가하기 위한 구성을 더 포함하고 있다.

구체적으로 상기 제2플레이트(270)의 하부면에는 제1전극층(280)이 구비되 고, 상기 제1실린더(220)의 표면에는 제2전극층(225)가 구비되며, 상기 제2전극층(225)의 표면에는 제1절연층(230)이 구비된다.

상기 제1전극층(280)은 광투과율이 높은 투명한 물질로 이루어져야 하며, ITO(Indum-Tin-Oxide)이 바람직하다.

또한, 상기 제2실린더(200)의 표면에는 제3전극층(205)이 구비되고, 상기 제3전극층(205)의 표면에는 제2절연층(210)이 구비된다.

상기 제2전극층(225) 및 제3전극층(205)은 코팅의 방법으로 형성됨이 바람직하며, 상기 제1절연층(230) 및 제2절연층(210)은 전기습윤 현상에서 전해질 액체에 전류가 흘러 상기 전해질 액체가 전기분해되는 것을 방지하기 위해서 필요하다.

상기 제1전극층(280)과 상기 제2전극층(225)에는 제1전압 인가 장치(293)가 연결되고, 상기 제1전극층(280)과 상기 제3전극층(205)에는 제2전압 인가 장치(290)가 연결된다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 광학기기의 제2실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 광학기기에 연결된 제1전압 인가 장치(293) 및 제2전압 인가 장치(290)에 전압을 인가하면 전체적으로 하나의 축전기와 같은 구조가 된다.

따라서, 상기 광학기기에 전압을 가하는 경우 상기 전해질 수용액의 표면 장력이 변화하여 상기 제1,2액체(255,260) 사이의 곡률이 변화하여 빛을 굴절시켜 렌즈의 역할을 하게 된다.

즉, 상기 광학기기에 전압이 인가되면 전기습윤 현상에 의해 상기 광학기기 에 저장된 제2액체(260)의 모양이 변하며, 상기 제2액체(260)의 상부에 저장된 상기 제3액체(265)의 모양도 변하여 외부에서 입사되는 빛이 통과되는 구경(295)이 작아진다.

즉, 도6에 도시된 바와 같이 광학기기의 상부표면에서 불투명한 비전해질 액체가 차지하는 면적(620)이 증가하여 구경(630)이 작아지므로, 상기 제3액체(265)는 조리개의 역할을 한다.

도7에 도시된 바와 같이, 상기 구경을 통과한 빛은 상기 제2액체(260)와 상기 제1액체(255)을 통과하면서 굴절하여 상기 광학기기가 렌즈의 역할을 하게 된다.

상기 제2액체(260)의 굴절률보다 상기 제1액체(255)의 굴절률이 큰 경우, 입사된 빛은 중심축의 방향으로 진행하므로, 상기 광학기기는 볼록렌즈의 역할을 하게 된다.

또한, 상기 조리개의 제2실시예에서 더 강한 전압을 인가할수록 구경은 더 작아지며, 전압이 일정수준 이상으로 증가하면, 상기 제3액체(265)가 상기 광학기기의 상부표면을 완전히 덮어서 외부에서 입사된 빛이 전혀 통과하지 못하게 된다.

이 때, 상기 구경(630)은 완전히 닫히게 되어 셔터의 기능을 하게 된다.

즉, 본 발명에 따른 조리개는 전압이 인가되면 aperture의 지름이 줄어들며, 일정수준 이상의 전압이 인가되면 aperture의 지름이 0이 되어서 셔터의 기능을 한다.

또한, 상기 광학기기의 내부 벽면에 소수성 물질층(215,235)이 구비되면 상 기 광학기기의 내부 벽면이 소수성을 띠므로, 전기습윤 현상에 의한 상기 전해질인 제2액체(260)의 이동을 원활하게 할 수 있다.

소수성 물질층은 상기 광학기기 내부의 상부면 빛 하부면에 구비되어도 무방할 것이다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하도 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 광학기기의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 기계적 구동에 의하지 않으므로 광학기기의 구경을 조절할 때 전력소모가 적다.

둘째, 광학기기가 완전히 원형의 구경(Aperture)을 갖는다.

셋째, 광학기기가 기계적인 구동에 의해 작동하지 않아서, 지속적인 작동을 해도 중심축의 어긋남이 발생하지 않고 렌즈의 중심과 조리개의 중심이 완전히 일치한다.

넷째, 종래의 광학기기에 비해서 초점거리를 자유로이 이동할 수 있고, 또한 초점조절에 소비되는 시간도 절약된다.

Claims (11)

1. 실린더;

   상기 실린더의 제 1,2 면에 구비된 제 1,2 플레이트; 및

   상기 실린더와 제 1,2 플레이트 내에 저장된 적어도 셋 이상의 액체를 포함하여 이루어지고,

   상기 액체 중 적어도 둘의 굴절률이 서로 상이하여, 상기 실린더 내부에 입사된 빛을 굴절시키는 것을 특징으로 하는 광학기기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체는 밀도가 동일하여 서로 섞이지 않는 것을 특징으로 하는 광학기기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 중 어느 하나는 검정색인 것을 특징으로 하는 광학기기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 중 하나는 제 1 전해질 액체이고,

   상기 제 1 전해질 액체에 전압을 인가하는 제 1 전압 인가 장치를 더 포함하는 광학기기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 전압 인가 장치는, 상기 실린더와 제 1 플레이트에 각각 구비된 전극과 연결되어 상기 제 1 전해질 액체에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 광학기기.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 전압 인가 장치와 상기 제 1 전해질 액체를 절연시키는 제 1 절연층을 더 포함하는 광학기기.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 액체 중 하나는 제 2 전해질 액체이고,

   상기 제 2 전해질 액체에 전압을 인가하는 제 2 전압 인가 장치를 더 포함하는 광학기기.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 2 전압 인가 장치는, 상기 실린더와 제 2 플레이트에 각각 구비된 전극과 연결되어 상기 제 2 전해질 액체에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 광학기기.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 2 전압 인가 장치와 상기 제 2 전해질 액체를 절연시키는 제 2 절연층을 더 포함하는 광학기기.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 제 2 전압 인가 장치는, 상기 제 1 전압 인가 장치와 상이한 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 광학기기.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 실린더와 제 1,2 플레이트의 내부에 구비된 소수성 물질층을 더 포함하는 광학기기.

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