KR101356790B1 - 가변형 유체렌즈 - Google Patents

Abstract

인가된 전압에 의해 생성된 자기력을 통해 광투과성 탄성막을 팽창시킬 수 있는 유체렌즈가 제공된다. 본 발명의 가변형 유체렌즈는 렌즈 상단에 부착되며 외측에 보이스코일이 권선되는 보이스코일 프레임과 보이스코일 프레임의 상단에 삽입 결합되며 중심부에 원형 구멍을 가지는 채널링과 채널링 상단에 결합되는 유체 저장부와 유체 저장부의 상단에 결합되는 영구자석과 유체 저장부 상단에 결합되며 중심부에 원형 구멍을 가지는 고정링 및 고정링의 원형 구멍에 부착되는 광투과성 탄성막을 포함하여 이루어진다. 본 발명에 의하면 낮은 전압으로 구동시킬 수 있으며 광범위하게 초점거리를 조절할 수 있는 유체렌즈를 구현할 수 있다. 또한, 조립이 간단한 구조를 가지는 박막의 소형 유체렌즈를 구현할 수 있다.

Description

가변형 유체렌즈{Tunable fluidic lens}

본 발명은 전자기력 기반의 원동기를 이용한 가변형 유체렌즈에 관한 것으로, 인가된 전압에 의해 생성된 자기력을 통해 광투과성 탄성막을 팽창시킬 수 있는 유체렌즈에 관한 것이다.

인간의 눈은 서로 다른 거리에서도 명확한 이미지를 얻을 수 있는 적응성을 가진다. 이것은 수정체의 움직임이 조정 가능한 속성을 지니기 때문이며, 수정체의 이러한 속성은 객체가 거리에 따라 또렷하게 보이도록 수정체의 반경을 자동적으로 변화시킬 수 있음을 의미한다.

만일 객체가 사람의 눈으로부터 멀리 떨어져 있다면, 사람 눈의 수정체는 모양체근의 이동으로 인해 수축하고 객체가 가까울 때는 확장함으로써 객체와의 초점거리를 조절한다.

이와 같이 사람 눈의 적응 원리를 이용하여 초점 조절이 가능한 렌즈는 종래의 유리나 플라스틱과 같은 비유동적인 물질로 만들어진 렌즈를 대체하기 위해 개발되어 다양한 광학 장치 및 시스템에 적용되고 있다.

종래의 초점 거리 조절 장치로는 전압이 인가되면 수축하는 성질을 가지는 전기활성 고분자를 이용한 EAP 렌즈(Electro-active polymer lens)와 물과 기름이 각각 전도체와 전열체 기능을 하여 입력 전압이 인가되면 기름이 볼록하게 변형되어 렌즈 역할을 하는 전기 습윤 렌즈(electro-wetting lens) 및 전압이 인가되면 변형을 일으키는 압전소자를 이용한 압전형 렌즈(piezoeletric lens) 등이 있다.

그러나 이와 같은 종래의 초점 거리 조절 장치는 높은 구동전압을 가지며(전기 습윤 렌즈는 0V~120V, 압전형 렌즈는 -10V~40V), 복잡한 구조로 구현되고 초점거리가 다소 제한적이라는 문제가 있다.

본 발명의 실시예들이 해결하려는 과제는 입력 전압을 통해 생성된 자기력에 의해 유체가 이동함으로써 렌즈의 초점거리를 조절할 수 있는 유체렌즈를 제공하는 것이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 렌즈 상단에 부착되며 외측에 보이스코일이 권선되는 보이스코일 프레임과 상기 보이스코일 프레임의 상단에 삽입 결합되며 중심부에 원형 구멍을 가지는 채널링과 상기 채널링 상단에 결합되는 유체 저장부와 상기 유체 저장부의 상단에 결합되는 영구자석과 상기 유체 저장부 상단에 결합되며 중심부에 원형 구멍을 가지는 고정링 및 상기 고정링의 원형 구멍에 부착되는 광투과성 탄성막을 포함하여 이루어지는 가변형 유체렌즈를 일 실시예로 제안한다.

상기 채널링은 상기 원형 구멍을 에워싸는 두 개의 호형의 통공을 가지며, 상기 호형의 통공은 상기 유체 저장부의 유체가 이동하는 통로일 수 있다.

상기 유체 저장부는 탄성변형 재질로 이루어질 수 있다.

상기 광투과성 탄성막은 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 낮은 전압으로 구동시킬 수 있으며 광범위하게 초점거리를 조절할 수 있는 유체렌즈를 구현할 수 있다. 또한, 조립이 간단한 구조를 가지는 박막의 소형 유체렌즈를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈의 분해도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈의 조립도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈에 인가된 입력 전압에 따른 구동 상태를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스피닝 속도와 PDMS 두께에 따른 혼합비율의 차이를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS막 두께에 따른 막의 변형 높이를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈의 초점 거리 측정 방법을 도시한다.
도 8과 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈를 통해 캡쳐된 이미지를 도시한다.

아래에서는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서는 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며 명세서 전체를 통하여 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

<실시예 1> - 가변형 렌즈의 구조 및 동작

실시예 1은 본 발명에 따른 가변형 렌즈의 구조 및 동작에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈의 분해도이다.

도 1에서 보듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈는 광투과성 탄성막(1), 고정링(12), 유체 저장부(13), 채널링(14), 보이스코일 프레임(15), 렌즈(16) 및 고정부(17)로 구성된다.

광투과성 탄성막(11)은 우수한 연장 능력과 생체 적합성 및 광학적 특성을 가지는 탄성 중합체로 이루어진 렌즈의 막으로 가변형 렌즈의 곡률을 형성하는 역할을 한다.

광투과성 탄성막(11)은 PDMS(polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실록산) 재질로 구현할 수 있으며, 상기 PDMS 재질로 구현된 막은 가시광선 범위(390nm~750nm)에서 96% 이상의 투명도를 가지며, 1.410의 굴절률을 가진다.

PDMS막(11)의 구성에 대해서는 아래에서 자세히 설명하도록 한다.

고정링(12)은 유체 저장부(13) 표면을 따라 결합되며, 유체 저장부(13)의 유연성으로 인하여 광투과성 탄성막(11)이 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다.

이때 고정링은 중심에 원형의 구멍과 상기 구멍을 에워싸는 두 개의 호형의 통공을 가지며, 상기 호형의 통공을 유체 저장부(13)의 돌출부에 결합하여 구현된다.

유체 저장부(13)는 가변형 렌즈 내의 유체를 저장하는 역할을 하며, 탄성변형 재질로 이루어져 있다.

예를 들어, 유체 저장부(13)는 다우 코닝(3481과 81)에 의한 두 개의 화학물질의 혼합으로 이루어진 실리콘 러버 등으로 구현할 수 있다.

채널링(14)는 유체 저장부(13)의 유체가 이동하는 통로 역할을 한다.

채널링(14)은 유체의 수평 이동 공간을 확보하기 위하여 중심에 원형의 구멍을 가지는 링 형상으로 구현되며, 상기 원형의 구멍을 에워싸는 두 개의 호형의 통공을 통해 유체를 이동시킨다.

보이스코일 프레임(15)은 보이스코일이 권선되는 구조물로써 5mm의 지름을 가지도록 구현된다.

렌즈(16)는 입사 광원이 통과하는 역할을 하며, 유리나 플라스틱과 같은 광투과성 재질로 구현된다.

고정부(17)은 클립 형상으로 구현되며 가변형 렌즈의 구성요소를 고정하는 역할을 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈의 조립도이다.

도 2의 가변형 렌즈에서 보듯, 원형의 렌즈(16)는 실리콘 접착제에 의해 보이스코일 프레임(15)의 하단에 부착된다.

보이스코일 프레임(15)의 상단에는 채널링(14)이 결합되고, 채널링(14)의 상단에는 고정링(12)과 결합된 유체 저장부(13)가 결합된다.

이때 PDMS막(11)은 고정링(12)의 원형 구멍에 부착되며, 가변형 렌즈의 중심 챔버에는 PDMS막(11) 하단으로 유체를 주입한 후 실리콘 접착제를 사용하여 밀봉한다.

유체 저장부(13)의 돌출부에는 자석을 결합하고(도 2에는 미도시), 보이스코일 프레임(15)의 외부에는 보이스코일을 권선하여 구현한다(도 2에는 미도시)

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈에 입력 전압이 입력되지 않았을 경우의 구동 상태를 도시한다.

도 3에서 보듯, 보이스 코일(17)에 인가되는 입력 전압(20)이 없으면 자기력이 생성되지 않는다.

따라서, 영구자석(네오듐(NdFeB)자석)(18)은 반응하지 않으며 PDMS막(11)은 평평한 상태를 유지하게 되며 입사광원은 수렴 효과 없이 PDMS막(11)을 통해 출력된다.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가변형 렌즈에 입력 전압이 입력되었을 경우 구동 상태를 도시한다.

도 4의 가변형 렌즈에는 1v~10v의 범위를 가지는 입력 전압(20)이 인가된다.

보이스코일(17)에 입력 전압이 인가되면 자기력이 생성되고, 상기 자기력에 의해 영구자석(18)은 유체 저장부(13)를 가압한다.

가압된 유체 저장부(13)의 유체는 채널링(14)의 호형의 통공을 통해 흘러 나오게 되고, 상기 유체의 이동에 의해 PDMS막(11)은 외측으로 부풀어 올라 일면이 볼록한 렌즈를 형성한다.

결국, 상기 볼록한 PDMS막(11)을 통해 입사광원을 수렴하여 초점거리를 제어할 수 있다.

아래에서는 도 1의 PDMS막(11)의 구성에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스피닝 속도와 PDMS 두께에 따른 혼합비율의 차이를 도시한다.

본 발명의 일 실시예에서 탄소중합체로 이루어진 PDMS막은 PET 및/또는 규소(Si) 기질을 사용하여 구현되며, PET 필름은 웨이퍼에 부착된다.

이때, PDMS의 스핀 코팅을 해결하기 위하여 웨이퍼상에 PET 필름은 핸들링이 쉬운 기질이 사용되고, 제조 단계는 혼합, 진공, 코팅 및 열경화로 이루어진다.

도 5에서 보듯, 5:1의 비율로 혼합된 경화제는 대단히 낮은 점도를 가지며, 10:1의 비율로 혼합된 경화제는 PDMS 필름의 두께를 점점 감소시킨다.

따라서, 가장 안정된 상태를 제공하는 경화제의 혼합 비율은 10:1임을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS막 두께에 따른 막의 변형 높이를 도시한다.

PDMS막에 공기가 주입되었을 경우 PDMS막의 변형 속도를 얻기 위하여 시린지 펌프에 연결된 실린더 챔버를 준비하고, 공기를 주입함에 따라 변형된 막의 높이를 PDMS막의 다양한 두께를 가지는 비접촉 레이저 고도 측정 장치(LSM 501, 미쯔토모)를 사용하여 측정한다.

이때, 다른 두께의 PDMS 필름은 실린더 형상의 챔버 상단에 부착된다.

도 6에서 보듯, 공기의 주입이 증가하면 변형되는 막의 높이는 선형적으로 증가한다. 이때 막의 곡률 반경은 높이에 따라 감소한다.

이때, 얇은 막은 외력에 의해 쉽게 영향을 받으며, 중력으로 인해 더욱 쉽게 파손되며, 반대로 매우 두꺼운 막은 변형에 제한성을 가지기 때문에 가변형 렌즈의 막으로 활용될 수 없음을 확인할 수 있다.

따라서, 비율의 변화와 중력의 영향을 감안하였을 경우 140㎛의 두께가 가장 이상적인 렌즈 막의 두께가 된다.

<실시예 2> - 가변형 렌즈의 초점 거리 측정 방법

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈의 초점 거리 측정 방법을 도시한다.

원형인 양면 볼록 렌즈(31)의 초점 거리 f는 아래의 수학식 1과 같다.

이때

은 렌즈의 굴절률이고,

과

는 양면 각각의 곡률 반경이며, d는 렌즈의 두께이다.

일면이 볼록한 렌즈의 초점거리를 계산하기 위하여 상기 수학식 1을 이용할 때,

이고

이다.

이때 R 앞의 마이너스(-)는 부호규약 때문이며, 치환을 통해 상기 수학식 1을 간단히 나타내면, 아래의 수학식 2와 같다.

보이스 코일의 입력 전압이 변화하는 동안 유체가 채워진 가변형 렌즈(31)의 초점 거리는 도 7과 같은 광학적 실험 장비들을 통해 측정할 수 있다.

532nm의 최대 파장을 가지는 5mm 지름의 시준된 레이저 빔은 가변형 렌즈(31)에 수직으로 나쁜 영향을 미친다.

도 7에서는 정확한 초점거리를 측정하기 위하여 시준빔 사이즈를 축소하기 위한 조리개(32)를 사용하였다.

입력 전압이 보이스코일에 적용되면, 가변형 렌즈(31)의 영구자석은 유체 저장부를 가압하기 시작하고 변형된 PDMS막은 시준된 광원을 수렴한다.

이때 초점 거리 측정의 정확성을 위하여, CCD 카메라(33)로 CCD 카메라(33)와 가변형 렌즈(31) 사이의 수평 자세를 조정함으로써 초점 이미지를 캡쳐한다.

또한, 전압공급기는 PDMS막의 변형을 야기하는 자기력을 생성하기 위한 입력 전압을 제어하기 위해 사용된다.

이때, 초점거리는 변형 전 PDMS막의 바닥 표면으로부터 측정됨으로써 상기 변형 전 PDMS막의 바닥 표면이 초점거리의 제로 참조점이 되고, 유체 저장부 가압으로 인하여 PDMS막의 표면이 변형되면 막의 반경은 감소하고 초점거리는 짧아진다.

이때, CCD 카메라(33)의 위치를 수평방향으로 조정할 경우 작은 초점은 CCD 카메라(33)와 연결된 모니터(도 8에는 미도시)로 확인할 수 있으며, 이때 해당하는 거리는 줄자를 이용하여 측정할 수 있다.

따라서, 측정의 정확도는 CCD 카메라(33)를 통해 실시간으로 측정되는 동안 매우 작은 초점을 구분하는 측정자의 능력에 의해 제한적이다.

입력 전압		1V	2V	5V	10V
초점 거리[mm]	연산값	150	87	47	44
	측정값	146	90	53	49
F-number (초점거리/렌즈의 구경)	연산값	30	17.4	9.4	8.8
	측정값	29.2	18	10.6	9.8

표 1은 보이스 코일에 인가한 전압에 따른 초점 거리의 측정 및 연산 결과이다.

가변형 렌즈(41)의 초점 특성을 묘사하기 위하여, 초점거리는 상기 수학식 2를 사용하여 연산하였다.

또한, 연산된 초점 거리 값을 찾으면 막의 측정 높이는 상기 수학식 2에 적용되었다.

유체가 가득 채워졌을 때 에탄올은 순수한 물 대신에 가변형 렌즈에 사용된다. 이때 에탄올은 파장이 532nm이고 굴절률은 1.363이다.

물은 소수성의 특징을 가지며, 실리콘 러버로 구성된 저장부 내부에 사용하기에는 적합하지 않다.

보이스코일에 전압이 인가되지 않을 경우 초점거리는 무한대에 가까워지며, 입력 전압이 상승하며, 렌즈의 초점거리는 감소한다. 이로써 높은 입력 전압이 인가될수록 보이스코일로부터 더 큰 자기력이 발생하게 되고, 렌즈의 변형은 더욱 활동적으로 이루어진다.

5V~10V 전압은 전류의 제한 때문에 경미한 변화를 보이나, PMDS막의 영향은 무시해도 될 정도이며, 표 1에서 보듯이 렌즈의 초점거리는 49mm에서 무한대의 범위안에서 변화한다.

도 8과 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 렌즈를 통해 캡쳐된 이미지를 도시한다.

도 8은 전압이 코일과 막에 인가되지 않아 렌즈가 평평한 상태이므로 수렴 효과를 보이지 않으며 문자와 객체의 크기는 동일하다.

도 9는 전압이 코일에 인가되어 막의 변형이 시작됨으로써 관찰된 이미지로 렌즈의 초점거리가 감소되어 이미지가 확대된 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 : 가변형 렌즈 11 : PDMS막
12 : 고정링 13 : 유체 저장부
14 : 채널링 15 : 보이스코일 프레임
16 : 렌즈 17 : 고정부

Claims (7)

1. 렌즈 상단에 설치되며 외측에 보이스코일이 권선되는 보이스코일 프레임;
   상기 보이스코일 프레임의 상단에 결합되며 중심부에 구멍과 상기 구멍을 둘러싸고 있는 통공을 가지고, 유체가 상기 통공에서 상기 구멍으로 흐르는 채널링;
   상기 채널링 상단에 결합되고 상기 통공으로 유체를 공급하는 유체 저장부;
   상기 유체 저장부의 상단에 설치되는 영구자석;
   상기 유체 저장부 상단에 결합되며 중심부에 구멍을 가지는 고정링; 및
   상기 고정링의 구멍을 막고 있는 광투과성 탄성막
   을 포함하며, 상기 채널링의 구멍과 상기 고정링의 구멍을 통과한 유체가 상기 광투과성 탄성막을 가압하는 가변형 유체렌즈.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 유체 저장부는 탄성변형 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 가변형 유체렌즈.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 광투과성 탄성막은 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 가변형 유체렌즈.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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