KR100773837B1

KR100773837B1 - 조절가능 광학계, 및 그것의 이용 및 제조 방법

Info

Publication number: KR100773837B1
Application number: KR1020057024192A
Authority: KR
Inventors: 타파니 레볼라
Original assignee: 노키아 코포레이션
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2007-11-06
Also published as: EP1634108A1; FI116245B; CN100426039C; US20060279857A1; CN1809776A; FI20035097A; KR20060022695A; JP2006527859A; WO2004111697A1; US7542214B2; FI20035097A0; JP4109307B2

Abstract

본 발명은 조절가능한 초점길이를 갖는 소형 경량 광학계에 관한 것이다. 본 발명은 광학계에 의해 관측된 표적의 영상이 형성되는 영상면(203, 303), 조절가능한 초점길이를 갖는 제1광부품(204, 304), 및 제1광부품(204, 304)에 대해 조절된 초점길이에 상응하는 조절가능한 광경로를 갖는 프리즘(201, 301)을 포함하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광학계에 의해, 관측대상 표적의 영상이, 영상면(203, 303)상에서, 제1광부품(204, 304)의 초점길이의 거리에 위치되어, 제1광부품(204, 304), 프리즘(201, 301) 및 영상면(203, 303)이 서로에 대해 영구적으로 제자리에 유지된다.

프리즘, 갭, 조절가능한 광경로, 조절가능한 초점길이

Description

조절가능 광학계, 및 그것의 이용 및 제조 방법{Adjustable optical system, and method for using and manufacturing such}

본 발명은 초점길이가 조절가능한 소형 경량 광학계에 관한 것이다.

광학계들은 통상 몇 개의 광소자들이 모인 것이다. 광소자들에서 그리고 그것들이 모인 시스템들에서는, 항상 영상화 에러들이 발생하고 있다. 광학적 계획에서, 목표는 최종 응용의 관점에서의 최선의 가능한 결과이다. 일반 목표는 관측대상인 물점(object point)이 상점(image point)으로서 영상화될 수 있다는 것이다. 예를 들어 영상 재생을 위해 설계된 카메라 및 기타 광학계들에서, 요구된 영상 정밀도와 화소크기가 반복될 때, 가능한 디스플레이기기의 특징들 외에도, 사람의 눈의 분해능도 고려하는 것이 필요하다. 일반적으로, 분해능은 세부상들을 구별할 수 있는 시스템의 능력을 의미한다. 분해능은 전형적으로는 두 개의 별개의 점들로서 바로 구별되는 두 점들 사이의 최단 각거리(angular distance)로서 표현될 수 있다. 좋은 조건들에서 건강한 사람의 눈의 분해능은 1 호 분(arc minute)이하이다.

전형적으로 광학적 영상화 에러들은 각종 렌즈들의 적당한 조합에 의해 수정되거나 보상된다. 양의 초점길이(focal length)를 갖는 렌즈 또는 렌즈 조합물은 일반적으로 양의 렌즈(positive lens)라 불린다. 광선들을 모으는 양의 렌즈들은 예를 들어 볼록-볼록(convex-convex) 또는 평면-볼록(plano-convex) 렌즈이다. 음의 초점길이를 갖는 개별 렌즈들, 즉 분산형(dispersing), 오목 렌즈들 또는 렌즈 조합물들은 일반적으로 음의(negative) 렌즈들이라 불린다. 영상화 에러들을 수정할 때, 적당한 유리품질, 렌즈 두께 및 형상, 개구들의 위치 및 렌즈 코팅물이 선택된다. 통상 광학계를 계획할 때, 각 경우에서 충분히 양호한 결과를 달성하기 위해, 다른 영상화 에러들 간에 적당한 균형을 살핀다.

종종 영상품질이 더 좋아질수록, 영상을 생성하는데 이용되는 렌즈들의 수가 더 많아진다. 예를 들어 영상 재현의 점에서부터, 이상적인 광학계는 20개의 렌즈들을 포함할 수 있는데, 적절히 조합된 경우 다른 유리들 및 다른 렌즈 유형들이 그것들의 영상화 에러들을 상호 보상하기 때문이다. 그러나, 작은 공간에서 경량 광학기기(optics)를 실현하는 것이 목적이라면, 렌즈들의 수는 현저히 적게 유지되어야 하고, 이는 영상품질 요구사항들이 축소되어야 함을 의미한다. 광학계의 성능이 항상 양호할수록, 구축되는 렌즈들의 수가 더 많아야 한다는 것은 대충 유지될 수 있다. 그러나, 시스템을 설계할 때, 약 5%의 광이 각각의 렌즈로부터 반사되어 되돌아 온다는 것도 고려되어야 한다. 다중-렌즈 계들에서 광도(luminosity)가 감소한다는 사실을 별문제로 하고, 몇 개의 소자들을 담고 있는 시스템들은 무겁고 값이 비싸다. 양호한 영상품질이 달성되는 경우에도, 크기, 무게 및 비용은 이 종류의 광학기기들의 가용성(applicability)과 사용을 제약한다.

광학기기들이 일반적으로 사용되는 공지의 기기는 카메라이다. 작은 카메라를 위해 설계된 종래기술의 광학적 해법은 미국특허공보 제6,342,975호에 개시되어 있다. 렌즈계에서, 제1 및 제2 렌즈그룹들은 양이고 제3렌즈그룹은 음이다. 제1렌즈그룹은 음과 양의 렌즈를 구비한다. 제2렌즈그룹은 조절가능 개구와 음과 양의 렌즈를 구비한다. 제3렌즈그룹은 양과 음의 렌즈를 구비한다. 광학기기들이 광각 근접 보기(wide-angle close-up view)에서 망원 망원 보기(telescopic telephoto view)로 줌 될 때, 렌즈그룹들의 각각은 표적 끝쪽으로, 즉 제1렌즈그룹 쪽으로 움직인다. 더구나, 제1 및 제2 렌즈그룹들 사이의 거리는 커지고, 제2 및 제3 렌즈그룹들 사이의 거리는 짧아진다. 그러나 이 배치는 많은 수의 단일 광소자들을 담고 있고, 이는 광학적 배치가 비싸지게 한다. 더욱이, 렌즈들의 수가 증가할 때, 광학계는 더 큰 공간을 요구하고, 광학계는 더 무겁게 된다. 광소자들의 상호 위치결정과 그것들의 기계적 이동도(mechanical mobility) 및 그것들의 제어의 실현은 정확성을 요구한다.

작은 카메라에 적합한 다른 간단한 렌즈계가 미국특허공보 제6,040,949호에 도입되어 있다. 이 구성은 카메라 및 그것의 광학계가 가능한 한 소형으로 실현될 수 있다는 점을 겨냥한다. 이 광학계는 렌즈계를 구비하고, 그것의 3개의 렌즈그룹들은 종래기술을 나타내는 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 제1렌즈그룹(101)은 평면-오목(plano-concave)렌즈를 구성하고, 그것은 음의 굴절능(refractive power)을 가진다. 도 1의 제2렌즈그룹(103)은 볼록-볼록 렌즈를 구성하고, 그것은 양의 굴절능을 가진다. 도 1의 제3렌즈그룹(104)은 볼록-볼록 및 평면-오목 복합 렌즈들을 구성하고, 제3렌즈그룹(104)의 굴절능은 양이다. 도 1에 도시된 그림으로 나타낼 관측대상 표적은 렌즈그룹(101)의 좌측(105)에 위치되고, 표적의 영상은 렌즈계의 우측(106)에 형성된다. 광축(107)은 렌즈들의 중심점을 통과한다. 제1렌즈그룹(101) 및 제2렌즈그룹(103) 사이에, 조절가능 개구(102)가 존재한다. 영상을 포커싱할 때, 즉 광경(view)의 어떤 부분을 줌잉할 때, 제2렌즈그룹(103) 및 제3렌즈그룹(104)의 위치들은 광축을 따라서 바뀐다. 설명된 구성은 유익하게는 4개의 단일 렌즈들만을 구비한다.

위에 언급된 공보들에서, 렌즈그룹들은 계의 초점길이를 조절하기 위해 광축을 따라 움직인다. 렌즈들의 왕복운동은 계의 광학적 성질들, 이를테면 초점길이, 배율, 포커싱 또는 각시야(angular field)를 조절하는 매우 전형적인 방식이다. 초점길이 또는 굴절률을 조절하는 다른 공지의 방식, 특히 카메라들에 이용되는 공지의 방식은 렌즈를 다른 유형의 렌즈들에 의해 대체하는 것이다. 이것은, 선택된 표적을 가능한 한 정확히 화상으로 나타내기 위해, 변경될 수 있는 다른 유형들의 렌즈들을 담고 있는 디스크를 설치함으로써 실현될 수 있다. 렌즈들의 또는 디스크의 기계적 움직임은 작은 기기들에서 최소 한도의 공간을 항상 필요로 한다. 더구나, 광부품들을 광축에 대해 그리고 서로에 대해 올바른 위치에 정밀하게 배치하기 위해, 기계적 조절들은 설치단계와 기기가 사용되는 때 둘 다에서 정확히 수행되어야 한다.

소형 카메라들에 적합한 전형적인 종래기술의 광학계는 하나의 초점길이만을 갖는 계이고 이 경우 초점길이는 결코 기계적으로 조절되지 않는다. 이 구성에서, 표적에서부터 카메라까지의 거리는 양호한 영상품질이 유지되어야 한다면 적절하게 제한됨 범위 내에 들어있다. 이것은 영상이 주어진 평균 범위 내에서 고품질을 가 질 뿐만 아니라 선명한(sharp) 영상이 근접하거나 원격인 범위에 위치된 표적들로 이루어짐을 의미한다. 결과적으로 초점길이를 조절할 가능성은 광학적 응용들에서 그리고 이러한 응용들을 활용하는 기기들에서 소망되는 특징이다.

본 발명의 목적은 초점길이가 조절가능한 개량된, 소형, 콤팩트, 경량의 광학계를 실현하는 것이다.

이 목적들은 각종 거리들에 대해 조절될 수 있는 초점길이를 갖는 제1광부품, 및 통과하는 광선의 광경로가 조절 가능하여, 제2광부품을 통과하는 방사의 광학적 거리가 제1광부품의 초점길이에 상응하도록 하는 제2광부품을 담고 있는 콤팩트 광학계를 생산함으로써 실현된다. 더구나, 이 목적들은 광부품들이 제자리에 정적인 방식으로 설치되게 하고 부품들의 광학적 특징들이 변경되지 않으므로 부품들의 정지 위치들이 여전히 동일하게 되도록 실현된다.

본 발명은 독립항들에 언급된 것이 특징이다. 본 발명의 유익한 실시예들은 종속항들에 기재되어 있다.

본 발명의 유익한 실시예에 의하면, 광학계에 의해 관찰되는 표적의 영상이 형성되는 영상면, 조절가능한 초점길이를 갖는 제1광부품, 및 프리즘을 통과하는 광선의 광경로가 제1광소자의 초점길이에 상응하게 되도록 조절가능한 프리즘이 마련된 소형의 조절가능 광학계가 실현된다. 본 발명의 유익한 실시예에 의하면, 영상면에는, 제1광소자의 초점길이에 위치된 관측되는 표적의 영상이 형성되어, 제1광부품, 프리즘 및 영상면이 서로에 대해 정지형태로 설치된다.

본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계의 광소자들은 가변형상 렌즈, 및 에어갭이 제공되는 프리즘을 포함한다. 렌즈의 광학적 성질들은 렌즈의 형상을 바꿈으로써 바람직하게 조절된다. 본 발명의 유익한 실시예에 의하면, 렌즈는 초점길이를 조절하기 위해 그것의 정지 위치로부터 시프트(shift)되거나 이동되는 것이 필요하지 않다. 가변형상 렌즈가 두꺼울 때, 그것은 짧은 초점길이를 가진다. 그 경우 관측대상 표적은 가까이 위치되고, 시야각은 넓다. 렌즈가 얇고 긴 초점길이를 가질 때, 광학기기는 원거리 렌즈로서 소용된다. 관측대상 표적 영역은 렌즈로부터 상당히 멀리 위치되고, 광경은 통상 좁다. 따라서 긴 초점길이를 갖는 얇은 렌즈는 망원 형태로 동작한다.

영상면에 관측대상 표적면의 각 점의 선명한 영상을 만들기 위해, 렌즈를 통과하는 광선들은 렌즈로부터 초점길이에 위치된 영상면에 상점을 형성한다. 렌즈의 초점길이가 본 발명에 따라 조절될 수 있기 때문에, 관측대상 표적의 선명한 영상을 영상면에 만들기 위해 렌즈를 통과한 복사에 의해 이동되는 길이를 조절하는 것도 각각 필요하다. 유익한 실시예에 의하면, 광선이 프리즘을 통과한 길이, 이른바 광경로는 렌즈의 초점길이에 상응하고, 그래서 표적면에서부터 렌즈중심까지 광선이 통과한 길이는 렌즈중심에서부터 영상면까지 광선이 통과한 길이에 상응한다. 광경로를 늘이기 위해 종래기술에서처럼 렌즈를 이동하는 대신, 광선에 의해 이동된 거리가 본 발명의 유익한 실시예에 따라 프리즘에서 일어나는 반사들을 조절함으로써 조절된다. 프리즘에서, 들어오는 광선은 경계면들에서 반사하는 일 없이 곧장 앞으로 나아가고, 그러므로 프리즘 내에서 광선이 이동한 광경로는 단축된다. 렌즈의 초점길이가 늘어날 때, 프리즘 내에서 광선이 이동한 광경로는 연장될 수 있고, 그래서 광선이 영상면과 만나기 전에 프리즘 내에서 다중 반사들이 만들어진다. 따라서, 프리즘 내에서 방사가 이동한 광경로는 광소자를 그것의 정지 위치에서부터 기계적으로 이동하거나 시프트하는 일 없이 조절될 수 있다.

본 발명의 유익한 실시예에서, 광선이 이동한 광경로를 조절하기 위해, 에어갭이 마련된 프리즘이 이용되고 있다. 렌즈가 두껍고 초점길이가 짧은 경우, 프리즘의 에어갭은 어느 정도의 정확도로 프리즘 재료의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 액체로 체워진다. 반사들은 프리즘 내에서 일어나지 않고, 방사는 그것을 통해 거의 직선 형태로 영상면으로 진행한다. 계가 원거리 렌즈로서 사용될 때, 렌즈는 얇고 그것의 초점길이는 길다. 이제, 유익한 실시예에 의하면, 프리즘 갭은 액체가 비워지고, 그 후 프리즘 면들 사이에 남겨진 갭은 공기로 채워진다. 공기의 굴절률이 프리즘 재료의 굴절률과 다르기 때문에, 광선들은 프리즘 재료 및 공기의 경계면에서 반사된다. 프리즘내에서, 반사된 광선은 반사막들로 도포될 수 있는 다른 경계면들과 추가로 만날 수 있다. 결과적으로 여러 번의 반사들이 일어나고, 그 결과, 프리즘에 들어간 광선의 광경로는 연장된다. 이 반사들에 의해, 광경로와 그로 인해 초점길이는 이른바 페컨(Pechan) 프리즘들에 의해 3배를 넘는 배수로 증가될 수 있고, 얼마간의 다른 유형들의 프리즘들로는 거의 6배까지도 증가될 수 있다.

본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계에 의해, 다른 거리들에 위치된 표적들의 선명한 영상들을 만드는 것이, 즉 표적과 카메라 사이의 거리를 조절하는 것이 가능하다. 이 조절은 예를 들면 전화기에 설치되는 소형 카메라들에 통상 사용되는 단일 초점길이 광학기기에 의해 수행될 수 없다. 종래기술의 고정 초점길이 광학기기가 제한된 중간영역에서 사용되기에만 적합하기 때문에, 본 발명의 유익한 실시예에 따른 장치 및 방법을 이용하는 것에 의해, 근거리 및 원거리 둘 다에서 더 나은 품질을 갖는 사진이 얻어진다. 본 발명의 유익한 실시예에 의하면, 초점길이는 근거리(close-range) 표적들을 촬영하기 위해 짧게 되도록 그리고 원거리 표적들을 나타내기 위해 길게 되도록 조절가능하다. 유익하게는 근접 보기 시의 각시야는 넓고, 원거리 보기는 더 좁은 각시야의 망원 형태로 촬영된다. 본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계에서, 넓고 좁은 각시야들 사이, 근접보기 및 망원보기 사이의 조절들은 신속하다. 조절이 렌즈들 또는 렌즈그룹들을 이동시킴으로써 수행되는 다중렌즈 카메라 렌즈들로써, 각시야에서의 소망의 변경은 렌즈의 형상을 변경함으로써 그리고 프리즘 에어갭을 액체로 채우거나 그것의 액체를 비움으로써 렌즈의 광학적 성질들을 바꿀 때보다 훨씬 느리게 달성된다. 그에 더하여, 양호한 사진 품질을 달성하는 본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계는 다중렌즈 카메라 렌즈들과 비교하여 경량이고 콤팩트하고, 그러므로 소형 기기들에도 적합하다.

본 발명은 다음의 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명된다:

도 1은 종래기술에 따른 광학계를 도시하며,

도 2 본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계를 도시하고,

도 3 본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계를 도시한다.

도 2는 본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계를 보이고 있고, 그것의 제1광부품은 짧은 초점길이를 갖는 두꺼운 렌즈(204)이고, 제2광부품은 프리즘(201)이다. 프리즘(201)에는 프리즘과 동일한 굴절률을 갖는 충전제로 채워진 갭(202)이 마련된다. 따라서, 프리즘(201)에서 렌즈(204)의 초점길이에 대응하는 광경로를 광선이 통과하고, 렌즈(204)로부터 초점길이 거리에 위치된 표적은 영상면(203)에 포커싱된다.

도 2에 도시된 실시예에서, 렌즈(204)는 집광용, 양의, 두꺼운 렌즈이다. 이 렌즈의 초점길이는 상당히 짧고, 그러므로 초점길이에 위치되는 것이 유익한 관측대상 표적(200)은 렌즈에 비교적 가까이 있다. 화살표 200은 에지광선(206)과 중심광선(205) 사이의 표적면을 도시하며, 따라서 두 에지 광선들 사이의 실제 표적면의 절반이다. 표적면(200), 즉 이 실시예에서 화상으로 나타내어지는 광경은 폭이 넓다. 그에 더하여, 도 2에는 광학계에 의해 관측되는 표적의 영상이 형성되는 영상면(203)이 도시되어 있다. 여기서 영상면(image plane)이란 용어는 일반적으로 본 발명에 따른 광학계에 의해 관측대상 표적의 영상이 형성되는 위치 또는 표면을 의미한다. 영상면은 평면이어야할 필요는 없다. 본 발명의 유익한 실시예에 따른 프리즘(201)에서는, 평면형 갭(202)이 제공되며, 그것의 폭은 수 마이크로미터 정도이다. 유익하게는 갭은 하나의 모퉁이에서부터 대향 모퉁이까지 프리즘을 통과하여, 프리즘을 통과하는 모든 광선들이 갭을 통과하도록 하는 평면을 형성한다. 도 2에 도시된 유익한 실시예에서, 갭(202)은 어느 일정한 정확도로 프리즘 재료의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 액체로 채워진다. 그 경우 프리즘의 굴절 특성들은 갭 없이 균일한 프리즘의 굴절 특성들에 상응한다. 일반적으로 광 방사인 방사는 갭이 제공된 상기 프리즘(210)을 균질의 프리즘을 관통하는 것과 동일한 형태로 관통한다.

관측대상 물체로부터 방출된 광선의 통행경로는 중심광선(205)의 그리고 에지광선(206)의 통행경로를 추종함으로써 도시된다. 표적면(200)부터 광학계를 통과하여 영상면(203)까지의 중심광선(205)의 통행경로는 실선에 의해 묘사된다. 에지광선(206)은 점선으로 묘사된다. 중심광선(205)은 광학계의 중심점을 통해 광축을 따라 광학계에 들어간다. 이 실시예에서, 중심광선(205)은 광축에 놓인 렌즈(204)의 중심점을 통과한다. 양의 볼록 렌즈(204)는 영상면으로부터 방출된 광선을 모으고 그것들이 프리즘(201)으로 향하게 한다. 렌즈로부터의 영상면(203)의 거리는 렌즈의 초점길이에 따라 결정된다. 유익하게는 관측대상 표적표면 또는 표적면은 렌즈로부터 초점길이 거리에 위치된다. 프리즘(201)에서, 광선이 방출된 표적면(200)의 점에 대응하는 영상점이 형성된 영상면(203)에서 광선들이 바로 반사된다. 에지광선(206)은 경사진 방식으로 렌즈(204)를 때린다. 렌즈는 이 광선을 수집하고, 그 광선들은 프리즘(201)에서 굴절되고, 그래서 표적면(200)의 에지광선은 영상면(203)의 반대 에지에서 화상으로 된다. 프리즘(201)에서 광선이 이동한 광경로는 렌즈(204)의 초점길이에 대응한다. 표적면(200)의 한 점으로부터, 영상면(203)의 하나의 상점(image point)을 형성하는 것이 유익하다.

도 2에 도시된 실시예에서, 표적면(200), 즉 광학계에 의해 재생되는 광경은 폭이 넓다. 달리 말하면, 이 광학계는 넓은 각시야를 가진다. 넓은 각시야는 광학 계의 초점길이가 비교적 짧을 때 통상 달성된다.

도 3 본 발명의 다른 유익한 실시예에 따른 광학계를 도시하며, 이 광학계는 도 2에 도시된 실시예와 상응하는 광부품들을 담고 있다. 본 발명의 유익한 실시예에서 제1광부품은 가변형상 렌즈이고 이 경우 그것의 광학적 성질들, 여기서 유익하게는 초점길이는 렌즈의 형상, 통상은 그것의 곡률을 변경함으로써 조절될 수 있다. 제1광부품은 몇 개의 단일 렌즈소자들로 구성된 렌즈 조합물일 수도 있다. 유익하게는 적어도 하나의 렌즈소자는 가변형상 렌즈이다. 채용된 제2광부품은 프리즘이고, 프리즘에서 광선들이 이동한 광경로가 각 경우에 렌즈의 조절가능한 초점길이에 상응하도록 상기 프리즘을 통과하는 광선의 광경로는 조절될 수 있다. 프리즘에서, 그것을 통과하는 광선의 광경로는 프리즘 갭에서 프리즘에서 발생하는 전반사(total reflection)들을 조절함으로써 유익하게 조절된다. 유익하게는 본 발명의 광소자들은 자리이동(shift)되지 않고 정지 위치들을 가지고, 그것들의 광학적 성질들은 그것들을 움직이는 일 없이 변경될 수 있다.

도 3의 실시예에서, 이 광학계는 원거리(long-range) 광경을 촬영하는데 이용된다. 제1광부품은 긴 초점길이를 갖는 얇은 가변형상 렌즈(304)이다. 제2광부품은 공기충전 갭(302)이 제공된 프리즘(301)이다. 공기의 굴절률은 프리즘(301)의 굴절률과는 다르고, 프리즘(301)에서 광선이 이동한 광경로는 렌즈의 초점길이에 상응한다. 관찰대상 표적의 영상은 면(303)에 형성된다.

도 3에서, 광학계의 초점길이는 길고, 이것은 각시야가 작고 광경, 즉 영상면에서 화상으로 되는 표적 영역이 상당히 제한된다는 것을 의미한다. 도면에 도시 된 중심광선(305) 및 에지광선(306) 사이에 형성된 표적영역(300)은 에지광선들 사이에 형성된 실제 표적영역의 절반이다. 전형적으로는 설명된 실시예에 따른 구성은 원거리 표적들을 영상화할 때 원거리 렌즈(tele-objective)로서 사용된다. 보이는 것은 망원경의 시야에 다소 상응하고, 비교적 작은 영역 상의 원거리 표적들은 영상면에 잘 포커싱된다. 이 실시예에서, 긴 초점길이를 갖는 얇은 렌즈(304)가 통상 이용되고 있다. 여기서 얇은 렌즈는 두께가 그것의 구면(spherical surface)의 반경에 비해 작은 렌즈를 의미한다. 얇은 렌즈는 입사광선들이 광축과 거의 평행한, 즉 그것들이 작은 입사각을 가질 경우에 사용되기에 적합하다. 입사각이 작은 경우, 도 3에서처럼, 광선은 광학계에 작은 입사각으로 들어간다.

도 3에 도시된 실시예에서, 프리즘(301)의 갭(302)은 충전제가 비워져 있다. 즉 그 갭은 공기로 채워져 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 표적면(300)에서부터 광학계를 통과하여 영상면(303)까지의 중심광선(305)의 통행경로는 실선으로 묘사되어 있다. 에지광선(306)은 점선으로 묘사되어 있다. 중심광선(305)은 광학계의 중심점을 통해 광축을 따라 프리즘까지 통과하고, 프리즘에서 중심광선은 에어갭(302)의 에지로부터 프리즘(301)의 대향 에지로 반사된다. 프리즘(301)의 이 대향 에지에서부터, 굴절된 광선은 에어갭(302)을 관통하기 위해 충분히 큰 각도로 에어갭(302)과 만나고, 그 후 광선은 영상면(303)에 마주하는 프리즘의 에지로 진행한다. 그러나, 영상면(303)에 마주하는 에지로의 입사각은 너무 작아서 광선은 프리즘(301)의 인접한 측면으로 다시 반사되고 에어갭(302)의 에지로 나아가며, 에어갭(302)의 에지로부터 광선은 영상면(303)을 향해 반사됨으로써, 영상면에 상점을 형 성한다.

에지광선(306)은 광학계의 제1부품 여기서는 렌즈(304)를 통과한다. 양의 렌즈(304)는 광선을 모은 후 주어진 입사각으로 프리즘(301)을 향하게 한다. 에지광선(306)은 프리즘(301)의 에어갭(302)의 에지에서 프리즘(301)의 대향 측면으로 굴절된다. 프리즘(301)의 이 대향 측면에서부터, 굴절된 광선은 에어갭(302)에 거의 수직인 위치로 들어가고, 그래서 이제는 전반사가 발생하지 않고, 광선은 영상면(303)에 마주하는 프리즘(301)의 측면을 향해 직선을 따라 에어갭(302)을 관통한다. 이 프리즘 측면에서부터, 에지광선(306)은 프리즘(301)의 인접한 측면으로 반사되고, 그 후 그것은 에어갭(302)에 마주하는 프리즘(301)의 에지로 진행하고 거기서부터 영상면(303)으로 반사되며, 영상면에서 상점을 형성한다.

이 유익한 실시예에서, 프리즘(301) 내에 들어간 광은 영상면(303)에 도달하기 전에 프리즘(301) 내에서 여러 번 굴절된다. 프리즘(301) 내에서 광이 이동하는 광경로는 유익하게는 균질의 프리즘에서 광이 이동하는 경로와 비교하여 3.8배나 된다. 일반적으로 프리즘(301) 내에서 광선이 이동하는 광경로는, 갭과 프리즘의 경계면에서 전반사들이 생길 때, 연장된다. 갭 충전제가 적당한 굴절률을 가지도록 선택되고 광선들이 주어진 각도로 갭에 들어갈 때 전반사들이 일어난다. 통상 채용된 전 반사용 갭 충전제는 공기이고 이것은 프리즘재료와는 다른 굴절률을 가진다.

본 발명의 관점에서, 렌즈의 광학적 성질들은 렌즈 자체를 바꾸는 일 없이 또는 렌즈를 광축을 따라 또는 다른 광소자들 또는 영상/표적면들에 관련하여 이동하는 일 없이 변경될 수 있다는 것이 이점이다. 예를 들어 가변형상 렌즈의 성질들 은 굴절 렌즈 표면의 곡률을 바꿈으로써 변경된다. 유익하게는 가변형상 렌즈들은 탄성이고, 그래서 그것들의 직경들은 늘어나거나 짧아질 수 있다. 본 발명의 관점에서, 굴절 렌즈 표면의 형상은 본질적인 것은 아니고, 렌즈의 연삭(grinding)도 본질적인 것이 아니다. 본 발명에 따른 광학계에서, 구면렌즈와 예를 들면 연삭형(ground) 프레넬(Fresnell) 렌즈에도 적용가능하다. 유익한 실시예에 의하면, 렌즈 재료는 임의의 적당한, 침투성 및 탄성 재료, 이를테면 실리콘, 다른 합성폴리머, 고무, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌일 수 있다. 특히, 렌즈는 본 발명에 따른 시스템에 의해 관측하는 것이 소망되는 그러한 파장들, 즉 전형적으로는 가시광의 파장들에 침투성이어야 한다. 명백히 본질적인 특징은 재료의 침투성이고, 이것은 재료가 가능한 한 적게 입사하는 방사를 흡수하는 것과 입사하는 광선들의 산란 또는 파괴가 최소한으로 되는 것을 요구한다.

본 발명의 유익한 실시예에서, 채용되는 렌즈는, 렌즈조합물을 형성하는 렌즈들이 바람직하게는 알려진 방식으로 서로 영구적으로 연결된 렌즈 조합물일 수도 있다. 예를 들어 이 렌즈는 작용제(agent)로 채워진 얇고 침투성의 셸일 수 있고, 그 작용제는 예를 들면 액체, 기체 또는 겔 형 물질이다. 본 발명의 유익한 실시예에 의하면, 채용되는 렌즈는 고 침투성 및 탄성인 것이 필수적이다.

수 퍼센트의 직경의 변화는 렌즈의 굴절 능력과 초점길이를 변화시킨다. 가변형상 렌즈들은 일반적으로 비교적 짧은 직경들을 가진다. 렌즈 형상의 변화는 예를 들어 탄성 렌즈가 에지들에서 고르게 늘어나도록 실현될 수 있다. 렌즈는 이른바 유휴상태에서 가장 두껍게 되고, 그것의 직경은 고르게 늘어날 수 있고, 결과적 으로, 렌즈는 더 얇게 되고 그것의 광학적 성질들은 바뀐다. 렌즈 직경의 변화를 실현하기 위한 하나의 방법은 극히 작은 크기의 마이크로소자들을 렌즈의 둘레에 고르게 설치하는 것이다. 제어부로부터 얻어진 제어신호들에 기초하여, 렌즈 둘레를 렌즈의 중심점 쪽으로 또는 그 중심점에서 바깥쪽으로 움직이도록 하기 위해, 각 소자는 기계적 압축 또는 인장 효과를 일으킨다. 다른 유익한 실시예에 따른 소자들은 각종 크기들을 갖는 고리 형상의 전극들이고, 그것들은 렌즈의 중심점에 대해 중심이 같게끔 놓인다. 이러한 마이크로소자들의 제어는 그것들의 전력을 스위칭함으로써 그 후 렌즈에 전기장을 유도함으로써 예를 들면 전기적으로 실현될 수 있다.

다른 유익한 실시예에 의하면, 렌즈는 두 개의 상호 불용성 성분들로 구성될 수 있다. 예를 들어 미국특허공보 제6,369,954호에는, 가변형상 렌즈가 제1의 전도액과 렌즈의 다른 에지에서 분리되어 있는 제2의 불용액으로 구성되고, 제2의 볼용액은 제1의 전도액에 혼합되지도 용해되지도 않는 예를 들어 클리어 오일이라고 기재되어 있다. 채용된 액체들은 다른 굴절률들을 가진다. 렌즈에는, 전력공급원 또는 지면(earth)에 대한 스위치를 통해 연결되는 결합 전극들이 있다. 렌즈를 구성하는 액체들의 경계면의 형상은 렌즈에 대해 유도된 전기장에 의해 바뀐다. 경계면의 형상은 예를 들면 렌즈에서 결합된 어떤 전극들에만 전력을 통하게 함으로써 조절될 수 있다. 전형적으로, 전력 값이 영과 최대값 사이에서 왔다갔다할 때, 물질들의 경계면은 두 개의 극단적인 위치들 사이에서 그 형상을 바꾸고 있다. 이 종류의 방법은 전기습윤(electrowetting)이라 불린다.

제3의 유익한 실시예에 따른 렌즈는 결정성 복굴절 렌즈이다. 이 렌즈는 세로 굴절률과는 다른 가로 굴절률을 갖는 복굴절 결정들로 구성된다. 렌즈 내의 결정들은 주어진 순서, 예를 들어 모두 가로방향으로, 고르고 등거리로 배치된다. 결정들은 통상 회전하여 결정성 렌즈에 전기장이 유도되게 한다. 전기장에 의해, 가로방향 결정들은 전기장에 따라, 예를 들면 주어진 자세(position)로, 이를테면 주어진 각도로 또는 세로방향 자세로 배치되고 이 경우 결정성 렌즈의 굴절률은 바뀐다. 결정성 렌즈들과 결정들의 제어는 예를 들어 일본공개특허공보 제2001-272646호에 기재되어 있다.

본 발명의 유익한 실시예에 의하면, 프리즘의 광학적 성질들은 프리즘에서 들어간 광선이 이동하는 광경로를 바꿈으로써 변화될 수 있다. 유익하게는 인용된 프리즘에는 갭이 제공되거나, 또는 프리즘은 작은 갭이 상호 마주보는 측면들 사이에 형성된 두 개의 프리즘들로 형성된다. 갭이 마련된 유익한 실시예에 따른 프리즘은, 예를 들면 공지의 페칸(Pechan) 프리즘이다. 충전제의 굴절률에 따라 갭 충전제들을 바꿈으로써, 들어간 광선은 프리즘 내에서 소망의 방법으로 진행하도록 제어될 수 있다. 예를 들어 들어간 광선이 프리즘 내에서 가능한 한 짧은 길이로 이동하는 것이 소망되는 경우, 광선이 굴절되는 일 없이 그리고 반사되는 일 없이 곧바로 갭을 통과하도록 하는 갭 충전제가 선택된다. 이제 충전제는 그것의 굴절률이 프리즘 재료의 굴절률과 동일하거나, 또는 적어도 어느 정도의 정확도로 동일하도록 선택된다. 광경로가 연장되어야 하는 경우, 갭 에지로부터 프리즘의 원래의 세그먼트로의 전반사를 달성하는 것이 시도된다. 생성된 전반사들 및 다른 반사들 에 의해, 프리즘을 통과하는 광의 광경로는 3중으로 조절될 수 있다. 프리즘 내에서 이동된 광의, 또는 더 일반적으로는 광선의 광경로는 본 발명의 유익한 실시예에 의하면 제1광부품의 초점길이와 동일한 비율로 그리고 대응하는 형태로 조절된다. 유익한 실시예에 따른 광학적 구성에 의해 화상으로 되는 표적면은 광학렌즈로부터 3.8배인 거리에서도 정의될 수 있고, 그래서 표적의 선명한 영상은 프리즘, 가변형상 렌즈 또는 영상면과 같은 광소자들을 기계적으로 움직이는 일 없이 영상면에서 얻어진다.

본 발명의 유익한 실시예에 따른 프리즘 내의 갭은 매우 얇다. 이 갭을 주어진 액체로 채우는 것과, 이 액체를 갭으로부터 제거하는 것은, 많은 다른 방식들로 실현될 수 있다. 유익한 실시예에 의하면, 갭을 채우고 다시 비울 때에, 모세관 현상이 사용된다. 전형적으로는 갭을 액체로 채우는 것과 갭의 충전제를 비우는 것은 전기장에 의해 제어된다. 프리즘을 채우는 것과 비우는 것은 렌즈 형상의 변형의 설명에서 앞서 언급된 전기습윤에 의해 제어될 수도 있다. 좁은 갭으로 액체를 안내하는 것은 예를 들면 미국공개특허공보 제2002-080920호 및 미국특허공보 제4,701,021호에 기재되어 있다.

렌즈의 형상을 변형함으로써 그리고 프리즘 갭 내의 충전제를 바꿈으로써 본 발명의 유익한 실시예에 따른 광학계의 초점길이를 조절하는 것은, 광소자들 또는 여러 개의 소자들로 이루어진 광부품들의 움직임을 항상 요구하는 종래기술에서 행해진 조절들보다 신속하다. 그에 더하여, 초점길이가 조절되는 본 발명에 따른 구성은 작은 공간 내에 잘 끼워맞춤되고, 그러므로 예를 들어 이동전화기들과 같은 작은 기기들에 특히 알맞다. 초점길이를 조절하는 가능성은 광학렌즈의 품질을 개선하고, 구성이 가능한한 적은 광부품들, 여기서는 유익하게는 2개만 구비한 경우 경량 광학렌즈가 달성된다. 이 기술분야의 숙련자의 경우, 본 발명의 유익한 실시예에 따른 방법 및 구성은 본 발명의 범위를 벗어나는 일 없이 각종 다른 부품들 및 부품 조합들을 이용하여 많은 다른 방식들로 기술적으로 실현될 수 있다는 것이 명백하다.

Claims

조절가능한 광학계에 있어서,

상기 광학계에 의해 관찰되는 표적의 영상이 형성되는 영상면(203, 303), 및

조절가능한 초점길이를 갖는 제1광부품(204, 304)을 포함하며,

상기 광학계는

제1광부품(204, 304)에 대해 결정된 초점길이에 대응하도록 조절가능한 광경로를 갖는 프리즘(201, 301)을 포함하여,

제1광부품(204, 304)의 초점길이에 위치된 관찰되는 표적의 영상을 영상면(203, 303)에 형성하여, 제1광부품(204, 304), 프리즘(201, 301) 및 영상면(203, 303)은 서로에 대해 제자리에 영구적으로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 제1광부품(204, 304)은 광학계의 초점길이를 조절하기 위해 변경될 수 있는 곡률을 갖는 가변형상 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 제1광부품(204, 304)은 광학계의 초점길이를 조절하기 위해 변경될 수 있는 직경을 갖는 탄성, 가변형상 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 제1광부품(204, 304)은, 재료들의 경계면의 형상이 광학계 의 초점길이를 조절하기 위해 변경될 수 있는 서로 불용성인 두 가지 재료로 이루어진 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 제1광부품(204, 304)은, 복굴절 결정들을 포함하는 렌즈이고, 상기 결정들의 위치(position)는 광학계의 초점길이를 조절하기 위해 변경가능한 것을 특징으로 하는 광학계.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 렌즈의 광학적 성질들을 조절하기 위해 전기장이 렌즈 내에서 유도되는 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 제1광부품(204, 304)은 소자들 중의 적어도 하나가 가변형상 렌즈인 여러 개의 소자들로 구성된 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 프리즘 (201, 301)에는 갭(202, 302)이 마련되고, 광학계는 프리즘(201, 301)의 광경로를 조절하기 위해 갭(202, 302)을 충전제로 채우고 갭(202, 302)에서 충전제를 비우기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.
제8항에 있어서, 프리즘(201, 301)의 갭(202, 302)은 프리즘(201, 301) 내의 광경로를 최소화하기 위해 프리즘(201, 301)의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 액 상 충전제로 채워지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제8항에 있어서, 프리즘(201, 301)의 갭(202, 302)은 프리즘(201, 301) 내에서의 전반사들 및 광경로를 최대화하기 위해 공기(302)를 충전제로 하여 채워져 있는 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 제1광부품(204)은 짧은 초점길이를 갖는 두꺼운 가변형상 렌즈이고, 가변형상 렌즈(204)의 초점길이에 상응하는 광경로를 달성하기 위해 그리고 초점길이에 위치된 표적을 영상면(203)에 포커싱하기 위해 프리즘(201)에는 프리즘(201)과 동일한 굴절률을 갖는 충전제로 채워진 갭(202)이 마련된 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 제1광부품(304)은 긴 초점길이를 갖는 얇은 가변형상 렌즈이고, 가변형상 렌즈의 초점길이에 상응하는 초점길이를 달성하기 위해 그리고 초점길이에 위치된 표적을 영상면(303)에 포커싱하기 위해 프리즘(301)에는 프리즘(301)과는 다른 굴절률을 갖는 공기로 채워진 갭(302)이 마련된 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서, 상기 광학계는 휴대형 이동전화기에 설치되는 것을 특징으로 하는 광학계.
제1광부품(204, 304)의 초점길이가 관측대상 표적의 거리에 상응하게끔 조절되도록 하여, 조절가능한 광학계에 의해 관측되는 표적의 영상을 영상면(203, 303)에 형성하기 위한 방법에 있어서,

프리즘(201, 301)의 광경로는 제1광부품(204, 304)의 조절된 초점길이에 상응하도록 조절되고,

표적의 영상은 영상면(203, 303)에 형성되어, 제1광부품(204, 304), 프리즘(201, 301) 및 영상면(203, 303)은 서로에 대해 제자리에 영구적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 제1광부품(204, 304)을 구성하는 가변형상 렌즈의 곡률은 관측대상 표적의 거리에 상응하게끔 초점길이를 조절하기 위해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 제1광부품(204, 304)을 구성하는 탄성 가변형상 렌즈의 직경은 관측대상 표적의 거리에 상응하게끔 초점길이를 조절하기 위해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 두 가지 상호 불용성 물질들로 이루어지고 제1광부품(204, 304)을 구성하는 렌즈의 물질들의 경계면의 형상은 표적의 거리에 상응하게끔 초점길이를 조절하기 위해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 복굴절 결정들을 포함하고 제1부품(204, 304)을 구성하는 렌즈에 들어 있는 결정들의 위치는 관측대상 표적의 거리에 상응하게끔 초점길이를 조절하기 위해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 렌즈의 광학적 성질들을 조절하기 위해 전기장이 광학계 내에서 유도되는 것을 특징으로 하는 방법..
제14항에 있어서, 프리즘(201, 301)의 광경로는 프리즘(201, 301)에 마련된 갭(202, 302)에 의해 충전제로 갭(202, 302)이 채워지고 충전제가 갭에서 비워지도록 하여 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 제1광부품(204)의 초점길이는 짧아지도록 조절되고, 제1광부품(204)의 초점길이에 상응하는 광경로를 프리즘(201) 내에서 달성하기 위해 그리고 초점길이에 위치된 표적을 영상면(203)에 포커싱하기 위해 프리즘(201)의 갭(202)은 프리즘(201)의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 충전제로 채워지는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 제1광부품(304)의 초점길이는 길게 되도록 조절되고,

전반사들에 의해 프리즘(301) 내에서 제1광부품(304)의 초점길이에 상응하는 광경로를 달성하기 위해 그리고 초점길이에 위치된 표적을 영상면(303)에 포커싱하기 위해 프리즘(301)의 갭(302)은 프리즘(301)과는 다른 굴절률을 갖는 공기로 채워지는 것을 특징으로 하는 방법.
표적의 영상이 형성되는 영상면(203, 303)이 설치되고, 관측대상 표적의 거리에 상응하게끔 조절가능한 초점길이를 갖는 제1광부품(204, 304)이 설치되도록 광학계를 제조하기 위한 방법에 있어서,

제1광부품(204, 304)의 조절된 초점길이에 상응하게끔 조절가능한 광경로를 갖는 프리즘(201, 301)을 광학계에 설치하여,

제1광부품(204, 304), 프리즘(201, 301) 및 영상면(203, 303)은 서로에 대해 영구적으로 정지한 위치들에 설치되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.