KR101445683B1 - 초점 가변 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 기기에 장착되는 카메라에 사용되는 렌즈의 줌 기능을 간단한 구성으로 구현할 수 있는 카메라용 초점 가변 렌즈에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양에 따른 초점 가변 렌즈는 양면이 평행한 판 형상의 렌즈 부재와, 상기 렌즈 부재의 상부 표면 및 하부 표면 중 적어도 일 표면에 부착되고 전원 인가에 따라 신축적으로 변형되어 상기 렌즈 부재가 소정 방향으로 굴곡되도록 하는 압전 소자를 포함하고, 상기 렌즈 부재는 굴곡 시 소정의 초점 거리를 갖도록 소정의 직경, 두께 및 굴절률을 갖는다.

Description

초점 가변 렌즈{FOCUS ADJUSTABLE LENS}
본 발명은 초점 가변 렌즈에 관한 것으로, 더 상세하게는, 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 기기에 장착되는 카메라에 사용되는 렌즈의 줌 기능을 간단한 구성으로 구현할 수 있는 카메라용 초점 가변 렌즈에 관한 것이다.
일반적인 구조의 렌즈를 이용하는 카메라 광학계는, 도 1에 도시된 바와 같이, 빛이 모이는 초점의 위치인 초점 거리가 f인 렌즈(10)에서, 피사체(20)와 렌즈(10) 사이의 거리를 a라 하고, 렌즈(10)와 이미지 센서(또는 필름)(30) 사이의 거리를 b라 하면, 아래 식 1이 성립한다.
(1/a) + (1/b) = 1/f (식 1)
도 1에서 렌즈(10)와 피사체(20) 사이의 거리 a가 변하게 되면 렌즈(10)와 이미지 센서(30) 사이의 거리 b도 변하게 된다. 즉, 가까운 피사체에 초점을 맞추어 이미지 센서(30)에 상을 맺히게 하려면 렌즈(10)와 피사체(20) 사이의 거리 a가 작아지게 된다.
상기 식 1에서, 초점 거리 f는 일반적인 렌즈의 경우 고정된 값이기 때문에 렌즈(10)와 이미지 센서(30) 사이의 거리 b가 커져야 이미지 센서(30)에 상이 맺히게 된다. 이 경우, 이미지 센서(30)에 상이 맺히도록 하기 위해서는 렌즈(10)를 이동시켜서 이미지 센서(30)와의 거리가 멀어지도록 조정해야만 한다. 만일 렌즈(10)와 이미지 센서(30) 사이의 거리 b를 크게 하지 않으려면 렌즈의 초점 거리 f를 변경시켜야만 한다.
반대로 먼 곳의 피사체(20)에 맞춰 이미지 센서(30)에 상이 맺히게 하려면 렌즈(10)와 피사체(20) 사이의 거리 a가 커지게 되고, 렌즈(10)와 이미지 센서(30) 사이의 거리 b가 작아져야 한다. 즉, 이미지 센서(30)에 상이 맺히도록 하기 위해서는 렌즈(10)를 이동시켜서 이미지 센서(30)와의 거리가 가까워지도록 하여야 한다. 이 경우에도 마찬가지로 렌즈(10)와 이미지 센서(30) 사이의 거리 b를 작게 하지 않으려면 렌즈(10)의 초점 거리 f를 변경해야 한다.
이와 같이, 렌즈(10)와 이미지 센서(30) 사이의 거리를 이동시키지 않고 렌즈의 초점 거리를 변경하여 원하는 상을 얻기 위한 종래 기술로서 일본 공개 특허 공보 제2000-081504호(2000.03.21.)에는 가변 초점 렌즈가 개시되어 있다. 상기 공보에 개시된 가변 초점 렌즈는 렌즈부와, 렌즈부의 주연부에 위치하여 렌즈부에 외력을 가는 엑츄에이터를 포함한다. 상기 엑츄에이터에 의해 렌즈부에 가해진 외력에 따라 렌즈부의 형상이 변화함으로써 렌즈부의 초점 거리가 달라지게 된다. 이때, 상기 렌즈부는 그의 표면부를 구성하는 2장의 투명한 다이아프램과 다이아프램과 함께 공간부를 형성하는 링과, 그 공간부 내에 봉입된 투명한 동작 유체로 구성된다.
다른 종래 기술로서, 공개 특허 공보 제10-2009-0082185호(2009.07.29.)에는 가요성을 갖는 제1 투명층과 전압 인가시 수축하여 상기 제1 투명층을 구부리는 압전층을 구비하는, 초점 길이가 조절 가능한 광학 요소로서, 컴팩트 중합체 렌즈를 개시한다. 이때, 상기 제1 투명층은 관통 공동을 갖는 기판에 도포되고, 투명 중합체가 상기 제1 투명층과 접촉한 표면을 갖는 상기 공동에 위치하도록 구성된다.
또 다른 기술로서, 공개특허공보 제10-2009-0107484호(2009.10.13.)에는 지지체의 일 측면 상에 겔 또는 엘라스토머가 배치된 투명 지지 기판을 포함하고, 겔 또는 엘라스토머의 상부에 얇은 글래스 커버가 배치되고, 얇은 글래스 커버에는 얇은 글래스 커버의 나머지 부분과 기계적으로 접촉하지 않는 글래스 아일랜드를 형성하는 원형 글래스 절결부가 중앙에 배치되고, 압전 요소가 글래스 아일랜드의 에지와 접촉하는 조정 가능한 렌즈가 개시되어 있다.
전술된 종래 기술에서는 대체로 렌즈부와 상기 렌즈를 변형시키기 위한 압전체(엑츄에이터)로 구성되어 있으며, 특히, 렌즈부는 초점 거리를 조절하기 위한 동작 유체, 중합체, 겔 또는 엘라스토머 등의 유동성 물질 및 이들 유동성 물질을 실링하기 위한 얇은 유리층을 구비하고 있다. 이러한 구성의 종래 기술에 따른 초점 가변 렌즈는 얇은 유리층과 유동성 물질이 조합된 형태로서, 이들 구조가 복잡하고 그에 따른 제조 공정 또한 복잡할 뿐만 아니라, 유동성 물질의 밀봉에 대한 문제가 항상 뒤따르게 된다. 더욱이, 얇은 유리층과 유동성 물질의 굴절률이 가능한 동일하여야 하므로 이들 재료의 선정에도 제한이 따르게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 양면이 평탄한 렌즈 부재와 같은 단순한 단일 구성으로 렌즈의 기능을 하면서 초점 거리가 조절되는 카메라용 초점 가변 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 부피가 작은 박형의 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 PC 등의 휴대용 기기에 적합한 단순한 구성의 카메라용 초점 가변 렌즈를 제공하는 데 있다.
전술된 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 초점 가변 렌즈는 양면이 평행한 판 형상의 렌즈 부재와, 상기 렌즈 부재의 상부 표면 및 하부 표면 중 적어도 일 표면에 부착되고 전원 인가에 따라 신축적으로 변형되어 상기 렌즈 부재가 사전에 결정된 방향으로 굴곡되도록 하는 압전 소자를 포함하고, 상기 렌즈 부재를 굴곡시켜 사용자가 원하는 초점 거리를 갖는다.
상기 렌즈 부재는 직경이 3 내지 6 mm이고 두께가 0.1 내지 0.7 mm일 수 있다.
상기 렌즈 부재는 굴절률이 1.5 내지 1.9일 수 있다.
상기 렌즈 부재는 소다라임 유리, 또는 산화납이 함유된 화학 강화 유리를 포함할 수 있다.
상기 압전 소자는 압전체와 상기 압전체를 사이에 두고 상하로 배치된 상부 전극 및 하부 전극을 포함할 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 렌즈 부재의 주연부를 따라 배치되는 환형 형상을 가질 수 있다.
상기 압전 소자는 상기 렌즈 부재의 일면을 덮도록 상기 렌즈 부재와 동일한 형상을 갖고, 상기 압전 소자는 투명한 재료로 형성될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따른 카메라는, 양면이 평행한 판 형상의 렌즈 부재; 및 상기 렌즈 부재의 상부 표면 및 하부 표면 중 적어도 일 표면에 부착되고 전원 인가에 따라 상기 렌즈 부재를 사전에 결정된 방향으로 굴곡시키는 압전 소자를 포함하고, 상기 렌즈 부재의 굴곡에 의해 사용자가 원하는 초점 거리를 갖는 초점 가변 렌즈와, 상기 초점 가변 렌즈가 장착되는 카메라 렌즈 케이스와, 상기 렌즈 부재와 이격되어 설치되는 이미지 센서를 포함한다.
상기 초점 가변 렌즈의 상부 표면과 하부 표면의 주연부 및 상기 초점 가변 렌즈의 측면을 둘러싸는 탄성 부재를 더 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 초점 가변 렌즈는 소정의 탄성을 갖는 단일 부재인 렌즈 부재와, 상기 렌즈 부재의 적어도 일면에 부착되고 전원 인가에 따라 신축적으로 변형되어 상기 렌즈 부재가 소정 방향으로 휘어지도록 하는 압전소자를 구비함으로써, 별도의 추가 구성 없이도 렌즈의 초점을 용이하게 가변할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이러한 초점 가변 렌즈는 구조가 단순하여 초박형으로 구성할 수 있어 부피가 작은 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 기기에 적합한 렌즈 구조를 제공할 수 있으며, 특히 렌즈의 제조 공정이 단순하여 제조 비용이 절감되는 효과를 또한 얻을 수 있다.
더욱이, 종래의 렌즈부가 얇은 유리층과 상기 유리층 내에 배치된 동작 유체, 중합체, 겔 또는 엘라스토머 등의 유동성 물질로 충전되어 있기 때문에 그에 따른 밀봉에 대한 문제와, 유리층과 유동성 물질의 굴절률을 매칭시켜야 함으로써 발생하는 재료의 선정 문제에서 자유로울 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은 다음의 첨부 도면과 관련하여 주어진 바람직한 실시예의 이하 설명으로부터 명백해 질 것이다.
도 1은 통상의 렌즈의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 렌즈 부재의 굴곡 상태에 따라 빛의 초점 거리를 나타내는 것으로, 도 2a는 굴곡이 없는 상태, 도 2b는 볼록 렌즈의 구현예를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 볼록 렌즈로 구현되도록 굴곡된 본 발명에 따른 렌즈 부재의 일부에 빛이 투과되는 상태를 도시하는 부분 단면도이다.
도 4는 오목 렌즈로 구현되도록 굴곡된 본 발명에 따른 렌즈 부재의 일부에 빛이 투과되는 상태를 도시하는 부분 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 압전체의 역 압전 효과를 설명하기 위한 도면으로, 도 5a는 압전체에 전원을 인가하지 않는 상태, 도 5b는 압전체에 전원을 인가한 상태, 도 5c는 압전체에 전원을 반대 방향으로 인가한 상태를 도시하는 도면이다.
도 6은 압전체의 역 압전 효과에 의한 렌즈 부재의 굴곡 현상을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예 1을 설명하기 위한 도면으로, 도 7a 및 도 7b는 압전체가 동작하기 전의 사시도 및 단면도, 도 7c는 압전체가 동작하는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예 2를 설명하기 위한 도면으로, 도 8a 및 도 8b는 압전체가 동작하기 전의 사시도 및 단면도, 도8c는 압전체가 동작하는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른 카메라용 초점 가변 렌즈를 도시하는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 4에 따른 카메라용 초점 가변 렌즈를 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 카메라용 초점 가변 렌즈의 구성 및 작용을 상세히 설명한다. 그리고, 이어서 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면 부호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
먼저, 본 발명에 따른 카메라용 초점 가변 렌즈의 기본적인 구현 원리를 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이 양면이 평행하도록 균일한 두께를 갖는 렌즈 부재(110)는 빛이 그 렌즈 부재(110)를 그대로 통과하게 되는 경우, 피사체의 이미지에 왜곡이 생기지 않는다. 일정 두께를 갖는 유리창을 통해 밖의 풍경을 볼 때, 유리창이 없을 때 보는 밖의 풍경이나 유리창을 사이에 두고 보는 풍경에 차이가 없기 때문이다. 본 발명은 이와 같이 일정 두께를 갖는 평탄한 유리창이라도 굴곡이 발생하게 되면 유리창을 통해서 보는 밖의 풍경이 왜곡되는 모습을 갖게 된다는 것에 착안하여 개발된 초점 가변 렌즈를 개발하였다.
즉, 도 2b와 같이 균일한 두께를 갖는 렌즈 부재(110)에 소정 방향으로 굴곡(휨)이 발생한 경우, 빛의 진행 방향은 도시된 바와 같이 바뀌게 됨으로써 빛이 일정한 지점에 모임으로써 렌즈의 역할을 하게 된다.
도 3 및 도 4를 참고하여, 볼록 렌즈 및 오목 렌즈로 구현되도록 돔형으로 굴곡된 렌즈 부재(110)를 빛이 통과해 가는 경로와 빛이 입사하고 굴절하는 각도를 더 자세히 설명한다.
도면에 도시된 바와 같이, 소정 두께를 갖는 렌즈 부재(110)의 굴곡에 의해 빛의 경로가 변하게 되면, 최종적으로 렌즈 부재(110)를 투과하여 진행하는 빛의 방향은 렌즈 부재에 입사되기 전의 빛의 진행 방향에 대하여 θf만큼의 각도 방향으로 진행하게 된다. 위의 설명과 같이 θf만큼 빛의 진행 각도가 변화하는 것은 빛을 하나의 광선으로 설명한 것이다. 실제의 빛은 수많은 광선이 렌즈 부재의 입사 위치 및 굴곡 정도에 따라 서로 다른 입사각을 갖기 때문에 렌즈 부재를 통과한 후에 빛이 서로 다른 θf의 각도로 방향이 변화여 실제는 도 2b와 같이 하나의 점(초점)에 빛이 모이게 된다.
이와 같이 렌즈 부재(110)가 굴곡됨으로써 렌즈로서 구현될 때, 렌즈의 특성을 나타내는 초점 거리 f는 다음과 같이 얻어진다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 볼록 렌즈로 구현되도록 돔형으로 굴곡된 렌즈 부재(110)의 초점 거리 f는 다음의 식 2와 같이 얻어진다.
Figure 112014041094029-pat00001
(식 2)
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 오록 렌즈로 구현되도록 돔형으로 굴곡된 렌즈 부재(110)의 초점 거리 f는 다음의 식 3과 같이 얻어진다.
Figure 112014041094029-pat00002
(식 3)
여기서, n1은 빛이 렌즈 부재(110)에 입사하기 전의 렌즈 부재와 마주하는 공간 또는 물질의 굴절률이고, n2는 렌즈 부재(110)의 굴절률이고, n3는 빛이 렌즈 부재에 입사된 후 다시 렌즈 부재 밖으로 나올 때의 렌즈 부재와 마주하는 공간 또는 물질의 굴절률이다. 또한, r은 렌즈 부재(110)의 곡률 반경이고, θi는 빛이 렌즈 부재(110)에 입사할 때 빛과 렌즈 부재(110)의 접선이 이루는 각이고, θo는 빛이 렌즈 부재(110) 밖으로 나올 때 빛과 렌즈 부재(110)의 접선이 이루는 각이다. 또한, θ1은 빛이 n1의 굴절률을 갖는 층에서 n2의 굴절률을 갖는 렌즈 부재로 입사할 때의 입사각이고, θ2는 빛이 n1의 굴절률을 갖는 층에서 n2의 굴절률을 갖는 렌즈 부재로 입사할 때의 굴절각이며, θ3은 빛이 n2의 굴절률을 갖는 렌즈 부재의 내부에서 n3의 굴절률을 갖는 층으로 입사할 때의 입사각이고, θ4는 빛이 n2의 굴절률을 갖는 렌즈 부재 내부에서 n3의 굴절률을 갖는 층으로 입사할 때의 굴절각이다.
본 발명의 초점 가변 렌즈는 렌즈 부재(110)의 전면 또는 후면에 동작 유체, 중합체, 겔 또는 엘라스토머 등의 유동성 물질을 추가하지 않고 렌즈 부재(110)만으로 렌즈를 구현하고, 렌즈 부재(110)의 재질로 유리를 사용하기 때문에, n1 = n3 (공기) < n2 (유리)의 관계를 갖는다. 또한, 렌즈 부재(110)가 소정의 두께를 갖는 경우, 렌즈 부재(110)가 도 3과 같이 굴곡된 경우, θi < θo의 관계를 갖고, 렌즈 부재(110)가 도 4와 같이 굴곡된 경우, θi > θo의 관계를 갖게 된다.
이들 관계를 정리하여 식 2 및 식 3에서 초점 거리 f의 개략적인 경향을 살펴보면, 도 3과 같이 굴곡된 렌즈 부재(110)는 볼록 렌즈로 구현되고, 도 4와 같이 굴곡된 렌즈 부재(110)는 오록 렌즈로 구현되는 것을 알 수 있다.
더욱이, 렌즈 부재(110)가 전술된 바와 같이 굴곡됨으로써 유의한 초점 거리 f를 갖는 렌즈로서 구현되기 위해서는, 즉 초점 거리 f를 렌즈 부재(110)에서 가깝게 하여, 다시 말해서 초점 거리 f를 작게 하여 렌즈 효과를 크게 하기 위한 방법으로서 다음을 고려할 수 있다.
첫 번째 방법으로는 렌즈 부재(110)를 크게 휘도록 하는 것이다. 즉, 렌즈 부재(110)의 돔형 또는 호형의 굴곡을 크게 하여 곡률 반경 r을 작게 할수록 초점 거리 f는 작아지게 된다.
두 번째 방법으로는 렌즈 부재(110)의 두께를 두껍게 하는 것이다. 렌즈 부재(110)의 두께가 두꺼워 지면 θi와 θo의 차가 커지게 되고, 그에 따라서 초점 거리 f는 작아지게 된다.
세 번째 방법으로는 렌즈 부재(110)의 굴절률 n2를 크게 함으로써 초점 거리 f를 작아지게 하는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 상기 3가지 방법을 동시에 또는 단독으로 적절히 적용하여 구성하여도 된다.
상기 설명에 의한 원리를 종합하면, 종래 일반적으로 사용되는 광학렌즈와 같은 원리가 되는 것이다. 즉, 두껍고 볼록하게 만든 렌즈 대신에 본 발명의 기술을 이용하면 소정 두께를 갖는 투명한 평판형의 판재로도 렌즈를 구성할 수 있게 된다.
이하. 돔형 또는 호형으로 굴곡이 발생할 수 있도록 탄성을 갖는 렌즈 부재(110)를 초점 가변 렌즈로 작용하도록 하기 위하여 원하는 정도로 굴곡을 발생시키는 기술에 대해 설명한다.
본 발명은 렌즈 부재의 굴곡을 발생시키기 위한 수단으로 압전체(Piezoelectric material)를 이용한다. 압전체는 압력을 가하게 되면 전기가 발생하는 압전 효과(Piezoelectric effect)와 전기를 가하면 수축 또는 팽창의 기계적 변형이 발생하는 역 압전 효과(Inverse piezoelectric effect)를 갖는다. 본 발명에서는 역 압전 효과를 이용하는 것이다.
역 압전 효과는 도 5a 내지 도 5c를 참고하여 설명한다. 일 예로 도 5a와 같이 상부 전극(70) 및 하부 전극(80)을 통하여 압전체(60)에 전기를 인가하지 않은 경우, 압전체(60)는 본래의 형태를 유지한다.
그러나, 도 5b와 같이 상부 전극(70) 및 하부 전극(80)을 통하여 전원이 소정 방향으로 인가되면 압전체(60)는 수평 방향으로 수축이 발생하게 되고, 수직 방향으로는 길이가 길어지는 형태로 기계적인 변형이 발생하게 된다. 반대로, 도 5c와 같이 상부 전극(70) 및 하부 전극(80)을 통하여 전원이 상기한 바와 반대 방향으로 인가되면 압전체(60)는 수평 방향으로 팽창이 발생하게 되고, 수직 방향으로는 길이가 짧아지는 형태로 기계적인 변형이 발생한다. 본 발명은 상기 압전체의 역 압전 효과를 이용하여 초점 가변 렌즈를 구성한다.
즉, 도 6과 같이 탄성을 갖고 균일한 소정 두께를 갖는 렌즈 부재(110)에 역 압전 효과를 갖는 압전체(60)를 부착하고 그 압전체(60)에 전기를 인가하게 되면 압전체(60)는 역 압전 효과에 의해 전기 신호에 따라 수축 또는 팽창이 발생하는데, 이러한 수축 또는 팽창하는 압전체의 변형을 이용하여 렌즈 부재(110)가 일정 곡률 반경을 갖는 돔형 또는 호형으로 휘어지게 제어할 수 있다.
도 5 및 도 6과 같은 원리를 이용하여 구성되는 본 발명의 카메라용 초점 가변 렌즈는 아래 실시예를 참고하여 설명한다.
(실시예 1)
도 7a 내지 도 7c를 참고하여 본 발명의 실시예 1에 따른 초점 가변 렌즈를 설명한다.
본 발명의 카메라용 초점 가변 렌즈는, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 디스크 형상의 렌즈 부재(110)와, 상기 렌즈 부재(110)의 상부 표면 상에서 그의 주연부를 따라 환형으로 형성된 압전 소자(150)와, 상기 압전 소자(150)의 상부에 배치된 환형 형상의 커버(75)를 포함한다.
상기 렌즈 부재(110)는 소정 두께를 갖고 상부 및 하부 표면이 평행한 디스크 형상을 갖고, 표면 방향에 대하여 직각인 방향으로 탄성을 갖는 폴리머 수지 또는 유리 등으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 가변 초점 렌즈는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 기기에 장착되는 카메라에 사용되는 구성 요소로서, 상기 렌즈 부재(110)는 직경이 대략 3 내지 6 mm 정도이다. 이러한 직경을 갖는 렌즈 부재(110)가 굴곡되었을 때 유의한 초점 거리 f를 갖는 렌즈로서 구현되기 위해서는, 앞서 설명된 3가지 방법 중에서 렌즈 부재(110)의 곡률 반경이 작아지고 렌즈 부재(110)의 두께가 두꺼워야 한다는 점에 착안하여, 렌즈 부재(110)의 두께는 0.1 내지 0.7 mm인 것이 바람직하다.
즉, 상기 렌즈 부재(110)의 직경이 3 내지 6 mm인 경우, 그 두께가 0.1 mm보다 작으면, 상기 렌즈 부재(110)에 작은 힘을 가하여도 곡률 반경은 작아질 수 있지만 그 두께가 얇아서 θi와 θo의 차가 작아져 유의한 초점 거리 f를 얻기가 어려운 한편, 굴곡 시 파손될 가능성이 있기 때문에 렌즈로서의 기능을 수행하기가 어려울 수 있다. 또한, 상기 렌즈 부재(110)의 두께가 0.7 mm보다 크면, θi와 θo의 차가 어느 정도 확보될 수 있지만 그 두께로 인하여 원하는 정도의 곡률 반경을 갖도록 굴곡시키기가 어려워서 렌즈로서의 기능을 수행하기가 어려울 수 있다.
또한, 전술된 세 번째 방법에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 상기 굴절률이 높을 수록 초점 거리 f가 작아져서 렌즈 효과가 크기 때문에, 상기 렌즈 부재(110)는 굴절률이 약 1.5 내지 1.55인 소다라임 유리로 형성되는 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 렌즈 부재(110)는 높은 굴절률을 갖는 동시에 휨이 발생하더라도 유리에 크랙 등의 손상이 발생하지 않는 화학 강화 유리로 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 화학 강화 유리를 사용하는 경우에는 굴절률이 약 1.6 내지 1.7의 높은 수준을 보이며, 산화납 함유량을 높이게 되면 굴절률을 1.9 수준까지 높일 수 있다.
한편, 상기 렌즈 부재(110)의 상부 표면 상에 형성되어 상기 렌즈 부재(110)를 굴곡시키는 압전 소자(150)는 압전체(60)와, 상기 압전체(60)를 사이에 두고 상하로 배치된 상부 전극(70) 및 하부 전극(80)으로 구성된다. 상기 압전체(60), 상부 전극(70) 및 하부 전극(80)은 모두 환형으로 형성되어 상기 렌즈 부재(110)의 주연부를 상에 배치된다.
상기 압전 소자(150)는 상기 렌즈 부재(110)의 주연부 상에 접착제 등을 이용하여 일체로 견고하게 고정되도록 부착되고, 상기 압전 소자(150)와 커버(75)는 서로 접착되지 않고 분리된 상태를 유지하도록 구성할 수 있다. 상기 압전 소자(150)와 커버(75)를 분리하여 적층하는 이유는 압전 소자의 작용으로 렌즈 부재(110)의 굴곡 발생시 커버(75)에 응력 또는 팽창력이 미치는 것을 최소한으로 차단하기 위한 것이다.
상기 환형 형태로 구성되는 압전 소자(150)는 빛이 투과되지 않아도 되므로, 상기 압전체(60)는 투명 또는 불투명 재료를 포함한, PVDF, P(VDFTrFE), P(VDF-TrFE-CTFE), PZT, ZnO2 중 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 또한, 상부 및 하부 전극(70, 80)도 투명 또는 불투명 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어 ITO, PEDOT, Cu, Au, Ag 등으로 형성될 수 있다.
한편, 환형 고리 형태로 구성되는 커버(75)는 렌즈 역할을 하는 렌즈 부재(110)의 주연부를 따라 빛 샘이 발생하는 것을 방지하고 보호하기 위하여 빛 투과가 방지되는 막을 이용하여 형성될 수 있다.
도 7a 및 도 7b와 같이 구성되는 카메라용 초점 가변 렌즈는 압전 소자(150)의 상부 및 하부 전극(70, 80)에 소정 극성의 전원을 인가하면 도 7c와 같이 압전 소자(150)에 기계적 변형이 발생하여 팽창 또는 수축하므로 렌즈 부재(110)가 어느 일측 방향으로 돔형 또는 호형으로 휘어 렌즈의 기능을 구현할 수 있게 된다.
압전 소자(150)의 상부 및 하부 전극(70, 80)에 인가되는 전기 신호는, 인가 전압을 적절히 조절함으로써 압전체의 기계적인 변형의 정도를 조절할 수 있다. 즉, 인가 전압에 세기에 따라 렌즈 부재(110)의 굴곡의 정도가 변화하게 되고, 이에 따라 렌즈의 초점 거리도 가변하여 제어될 수 있다.
(실시예 2)
도 8a 내지 도 8c를 참고하여 본 발명의 실시예 2에 따른 초점 가변 렌즈를 설명한다.
본 발명에 따른 실시예 2는 압전 소자(250)가 환형이 아닌 원형의 디스크 형상으로 형성된 점에서 상기 실시예 1과 상이하다.
즉, 렌즈 부재(110)의 상부 표면 상에 형성된 압전 소자(250)는 압전체(160)와, 상기 압전체(160)를 사이에 두고 배치된 상부 전극(170) 및 하부 전극(180)으로 구성되고, 이들 압전체(160), 상부 전극(170) 및 하부 전극(180)은 모두 상기 렌즈 부재(110)와 동일하게 원형의 디스크 형상으로 형성되어, 상기 렌즈 부재(110)의 상부 표면 전체를 덮도록 배치된다.
상기 압전 소자(250)의 하부 전극(180)은 상기 렌즈 부재(110)의 일면 전체 또는 주연부 면에 접착제(도시 생략) 등을 이용하여 일체로 견고하게 고정되도록 부착되고, 상기 압전 소자(250)와 커버(75)는 서로 접착되지 않고 분리되는 상태를 유지하도록 구성할 수 있다.
본 실시예와 같이, 상기 압전 소자(250)가 렌즈 부재(110)의 전체 면을 덮는 원판 형상으로 구성되는 경우에는 압전 소자는 빛 투과가 가능한 투명한 층으로 형성되어야 한다. 따라서, 압전체(160)는 투명한 재료인 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CTFE) 중 어느 하나의 재료로 구성되고, 상부 및 하부 전극(170, 180)도 투명한 재료인 ITO, PEDOT 중 어느 하나의 재료로 구성된다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 구성되는 카메라용 초점 가변 렌즈는 압전 소자(250)의 상부 및 하부 전극(170, 180)에 소정 극성의 전원을 인가하면 도 8c와 같이 압전 소자(250)에 기계적 변형이 발생하여 렌즈 부재(110)가 어느 일측 방향으로 돔형 또는 호형으로 휘어 렌즈의 기능을 구현할 수 있게 된다.
압전 소자(250)의 상부 및 하부 전극(170, 180)에 인가되는 전기 신호는, 인가 전압을 적절히 조절함으로써 압전체의 기계적인 변형의 정도를 조절할 수 있다. 즉, 인가 전압에 세기에 따라 렌즈 부재(110)의 굴곡의 정도가 변화하게 되고, 이에 따라 렌즈의 초점 거리도 가변하여 제어될 수 있다.
(실시예 3)
상기 실시예 1 및 2에서는 압전 소자가 렌즈 부재(110)의 일 면에만 고정 부착된 구조를 예시하여 설명하였으나, 도 9에 도시된 바와 같이 환형 형상의 압전 소자(150)가 렌즈 부재(110)의 양면에 고정 부착되거나, 또는 도 10에 도시된 바와 같이 원판 형상의 압전 소자(250)가 렌즈 부재(110)의 양면에 고정 부착된 구조로 구성하여도 본 발명의 목적 달성에는 영향을 미치지 않는다. 또한, 비록 도시되지는 않았으나, 렌즈 부재(110)의 일면에는 환형 고리 형상의 압전 소자(150)를 타면에는 원판 형상의 압전 소자(250)를 각각 고정 부착시킬 수도 있다.
렌즈 부재(110)의 양면에 압전 소자를 고정 부착하는 경우에는 일측의 압전 소자를 팽창시키고 타측의 압전 소자를 수축시킬 수 있도록 제어함으로써 렌즈 부재의 곡률 반경을 최소화할 수 있다.
(실시예 4)
전술된 실시예에 따른 초점 가변 렌즈는 도 11에 도시된 바와 같은 형태로 카메라에 장착될 수 있다. 도 11을 참조하면, 렌즈 부재(110) 및 압전 소자(150)으로 이루어진 초점 가변 렌즈는 그의 상부 및 하부 표면의 주연부와 측면이 환형의 탄성체 폴리머(즉, 탄성 부재)(210)에 의해 둘러싸여 카메라 렌즈 케이스(220)에 장착하게 되고, 렌즈 부재(100)의 직하방에 이격되어 배치되는 이미지 센서(300)는 이미지 센서(300)는 PCB(미도시) 상에 설치된다. 이 때, 서로 이격되어 배치되는 렌즈 부재(100)와 이미지 센서(300) 사이에는 공기층이 형성된다. 즉, 본 발명에 따른 렌즈 부재(110)의 상부 및 하부 표면의 각각은 공기와 직접 면하고, 렌즈 부재(110)의 기능을 개선시키거나 보조하기 위해 렌즈 부재(110) 공기 외에 다른 매질(예를 들어, 중합체, 겔 또는 엘라스토머 등)과 직접 면할 필요가 없다. 물론, 카메라의 원하는 성능을 얻기 위해 렌즈 부재(100)와 이미지 센서(300) 사이에 여러 매의 별도 렌즈가 카메라 렌즈 케이스(220) 내에 삽입될 수 있으며, 이러한 별도의 렌즈는 초점 가변 렌즈의 상부에 위치될 수 도 있다.
상기 탄성체 폴리머(210)는 압전 소자(150)에 의한 렌즈 부재(110)의 변형이 카메라 렌즈 케이스(220)에 의해 방해받지 않도록 버퍼 역할을 하게 된다. 즉, 압전 소자(150)의 작용으로 렌즈 부재(110)의 굴곡 발생시 카메라 렌즈 케이스(220)에 응력 또는 팽창력이 미치는 것을 최소한으로 차단하기 위한 것이다.
이와 같은 구성으로 본 발명의 초점 가변 렌즈가 카메라에 장착되는 경우, 불투명한 재질의 탄성체 폴리머(210) 및/또는 카메라 렌즈 케이스(220)가 전술된 커버(75)의 역할을 하기 때문에 본 실시예에 적용되는 초점 가변 렌즈에는 커버(57)에 대한 구성은 생략이 가능하다.
본 실시예에서는 실시예 1에서 설명된 초점 가변 렌즈를 적용하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 실시예 2 및 3에서 설명된 초점 가변 렌즈도 적용 가능함은 물론이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 카메라용 초점 가변 렌즈는 균일한 두께를 갖는 렌즈 부재로 렌즈를 구성하기 때문에 평상 시 피사체를 촬영할 때는 초점 거리를 갖지 않는 평범한 투명판으로 작용하는 한편, 접사 촬영 시에 압전체에 전기 신호를 인가하여 렌즈 부재에 굴곡을 발생시킴으로써 초점 거리를 갖는 렌즈로 사용하여 접사 촬영이 가능하도록 할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 예시적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 앞서 설명된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 더 잘 이해할 수 있도록 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 권리 범위는 이러한 실시예들에 의해 한정되지 않으며, 아래 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 렌즈
20: 피사체
30: 이미지 센서
60, 160: 압전체
70, 170: 상부 전극
75: 커버
80, 180: 하부 전극
110: 렌즈 부재
150, 250: 압전 소자

Claims (9)

  1. 초점 거리를 변화시킬 수 있는 초점 가변 렌즈로서,
    양면이 평행한 판 형상을 갖는 비유동성 재질의 렌즈 부재와, 상기 렌즈 부재의 상부 표면 및 하부 표면 중 적어도 일 표면에 부착되고 전원 인가에 따라 상기 렌즈 부재를 사전에 결정된 방향으로 굴곡시키는 압전 소자를 포함하고,
    상기 렌즈 부재의 굴곡 정도에 따라 상기 렌즈 부재의 초점 거리가 변화되는
    초점 가변 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 부재는 직경이 3 내지 6 mm이고 두께가 0.1 내지 0.7 mm인
    초점 가변 렌즈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 렌즈 부재는 굴절률이 1.5 내지 1.9인
    초점 가변 렌즈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 렌즈 부재는 소다라임 유리, 또는 산화납이 함유된 화학 강화 유리를 포함하는
    초점 가변 렌즈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 압전체와 상기 압전체를 사이에 두고 상하로 배치된 상부 전극 및 하부 전극을 포함하는
    초점 가변 렌즈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 렌즈 부재의 주연부를 따라 배치되는 환형 형상을 갖는
    초점 가변 렌즈.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 렌즈 부재의 일면을 덮도록 상기 렌즈 부재와 동일한 형상을 갖고, 상기 압전 소자는 투명한 재료로 형성되는
    초점 가변 렌즈.
  8. 양면이 평행한 판 형상을 갖는 비유동성 재질의 렌즈 부재와, 상기 렌즈 부재의 상부 표면 및 하부 표면 중 적어도 일 표면에 부착되고 전원 인가에 따라 상기 렌즈 부재를 사전에 결정된 방향으로 굴곡시키는 압전 소자를 포함하고, 상기 렌즈 부재의 굴곡 정도에 따라 상기 렌즈 부재의 초점 거리가 변화되는 초점 가변 렌즈와,
    상기 초점 가변 렌즈가 장착되는 카메라 렌즈 케이스와,
    상기 렌즈 부재와 이격되어 설치되는 이미지 센서를 구비하는
    카메라.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 초점 가변 렌즈의 상부 표면과 하부 표면의 주연부 및 상기 초점 가변 렌즈의 측면을 둘러싸는 탄성 부재를 더 포함하는
    카메라.
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