KR101524329B1 - 하나 또는 복수의 리퀴드 렌즈를 사용한 이미지 안정화 시스템 - Google Patents

하나 또는 복수의 리퀴드 렌즈를 사용한 이미지 안정화 시스템 Download PDF

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블랙아이 옵틱스, 엘엘씨
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Abstract

두 광축을 따라 정렬된 복수의 렌즈 소자; 및 제1 및 제2 콘택팅 리퀴드를 포함하고, 상기 콘택팅 리퀴드들 사이의 콘택팅 광 표면은 그 자신의 광축에 대해 실질적으로 대칭이고 적어도 다른 하나의 광축에 대해 비대칭인 가변적인 형태를 가지는, 하나 또는 복수의 리퀴드 렌즈 셀(70, 71);을 포함하고, 상기 복수의 렌즈 소자와 상기 적어도 하나의 리퀴드 렌즈 셀은 물체 측 공간으로부터 방사되는 광선을 수광하도록 배치되고, 이미지 안정화를 제공하는 이미지 안정화 시스템.

Description

하나 또는 복수의 리퀴드 렌즈를 사용한 이미지 안정화 시스템{IMAGE STABILIZATION SYSTEM USING ONE, OR MORE, LIQUID LENS}
본 출원은 2007년 12월 4일 출원된 미국 가출원 60/992,284에 관한 것이며, 그 우선권을 주장하고, 그 전체 내용은 여기에 참조로 통합되며, 본 출원의 일부를 이룬다. 본 발명은 이미지를 안정화시키는 리퀴드 옵틱스를 채용하는 광학 렌즈 시스템에 관한 것이다.
광학 이미지 안정화는 센서에 도달하는 이미지를 안정화시키도록 렌즈의 광 경로를 변화시킨다. 예를 들어, 플로팅(floating) 렌즈 소자는 렌즈의 광축에 수직으로 움직일 수 있다. 대체적으로, 기계적 이미지 안정화는 카메라의 움직임을 상쇄시키기 위해 이미지를 캡쳐링하는 센서를 움직인다. 하지만, 상기 이미지 안정화 장치는 렌즈 소자 또는 센서의 기계적 움직임에 의존한다.
리퀴드 렌즈 셀은 리퀴드 셀의 기계적 움직임에 의존하지 않고 광 경로를 수정할 수 있어, 이미지를 안정화시키는 진동 보상을 제공한다. 리퀴드 렌즈 셀은 적어도 두 개의 광축을 따라 정렬된 다른 렌즈 소자와 함께 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 리퀴드 렌즈 셀은 제1 및 제2 콘택팅 리퀴드를 포함하고, 상기 콘택팅 리퀴드들 사이의 콘택팅 광 표면은 그 자신의 광축에 실질적으로 대칭이고 적어도 하나의 다른 광축에 비대칭인 가변적인 형태를 가진다. 복수의 렌즈 소자와 리퀴드 렌스 셀은 물체 측 공간으로부터 방사되는 광선을 수광하도록 배치되고, 이미지 측 공간으로 전달되는 광선의 적어도 부분적 안정화를 제공한다.
둘 또는 그 이상의 리퀴드 렌즈 셀은 이미지 측 공간에 전달되는 광선의 안정화를 더 제공하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 리퀴드 렌즈 셀은 단일 선형 방향으로 이미지를 안정화시키도록 사용될 수 있다. 안정화는 예를 들어 수평 또는 수직 지터(jitter)를 보정할 수 있다.
다른 실시예에서, 네 개 또는 그 이상의 리퀴드 렌즈 셀이 이미지 측 공간에 제공되는 광선의 안정화를 제공하도록 배치된다. 두 개의 리퀴드 렌즈셀은 한 방향으로 안정화를 제공하는 반면, 다른 두 개의 리퀴드 렌즈 셀은 다른 방향으로 안정화를 제공할 수 있다. 네 개 또는 그 이상의 리퀴드 렌즈 셀은 어떤 방향으로든 안정화를 함께 제공할 수 있다.
제1 및 제2 콘택팅 리퀴드를 포함하는 리퀴드 렌즈 셀은 콘택팅 리퀴드들 사이에 콘택팅 광 표면이 리퀴드 렌즈 셀의 광축에 대해 실질적으로 대칭인 가변적인 형태를 가지도록 배치될 수 있다. 복수의 렌즈 소자는 공통 광축을 따라 정렬될 수 있고 물체 측 공간으로부터 방사되는 광선을 수광하며 이미지 측 공간으로 전달한다. 리퀴드 렌즈 셀은 공통 광축을 따라 정렬되는 복수의 렌즈 소자에 의해 형성되는 광축에 삽입될 수 있다. 리퀴드 렌즈 셀의 광축은 공통 광축에 평행하거나, 공통 광축에 각도가 있을 수 있다.
전자 제어 시스템은 리퀴드 렌즈 셀의 콘택팅 광 표면의 가변적인 형태를 제어하는데 사용될 수 있다. 가속계, 레이저 자이로스코프(gyroscope) 등은 하나 또는 그 이상의 렌즈 소자의 움직임을 검출하는데 사용될 수 있고, 상기 콘택팅 광 표면의 형태는 이미지를 안정화시키기 위해 렌즈 소자의 움직임을 보상하도록 변할 수 있다.
제어 시스템은 카메라의 패닝을 검출하도록 배치될 수 있어, 패닝으로 인한 이미지 이동은 보정되지 않는다. 제어 시스템은 다양한 형태의 이동을 보상하도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 2Hz 보다 더 큰 주파수를 가지는 진동을 보상할 수 있다.
제1 리퀴드 렌즈 셀과 제2 리퀴드 렌즈 셀은 이미지 측 공간으로 전달되는 광선에 대해 적어도 한 방향으로 안정화를 제공하도록 나란히 제어될 수 있다. 제1 리퀴드 렌즈 셀의 파워는 이미지면의 초점이 축방향으로 고정되도록, 제2리퀴드 렌즈 셀의 파워와 실질적으로 동일하면서 반대가 될 수 있다. 제1 리퀴드 렌즈 셀의 파워와 제2리퀴드 렌즈 셀의 파워는 이미지 면에서 초점을 제공하도록 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍은 한 방향으로 서로 오프셋되고, 일방향으로 각각으로부터 오프셋된 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍은 제1방향에 대해 실질적으로 수직이다. 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍은 제1쌍의 오프셋 방향으로 이미지 안정화를 제공하고, 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍은 제2쌍의 오프셋 방향으로 이미지 안정화를 제공한다.
리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍은 한 방향으로 서로에 대해 오프셋이 될 수 있고, 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍은 실질적으로 상이한 방향으로 서로에 대해 오프셋될 수 있으며, 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 오프셋의 크기는 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 오프셋의 크기보다 크거나 작다. 예를 들어, 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍에 대한 안정화 영역은 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍에 대한 안정화 영역의 두 배보다 클 수 있다.
상기 어떠한 실시예에서든, 하나 또는 그 이상의 부가 리퀴드 렌즈 셀은 열 효과를 보상하기 위해, 줌 배치의 일부로서 또는 이미지 측 공간에 전달되는 광선의 초점을 조정하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 리퀴드 렌즈 셀은 리퀴드 셀의 기계적 움직임에 의존하지 않고 광 경로를 수정할 수 있어, 이미지를 안정화시키는 진동 보상을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 리퀴드 렌즈 셀은 적어도 두 개의 광축을 따라 정렬된 다른 렌즈 소자와 함께 사용될 수 있다.
도 1은 카메라의 블록 다이어그램이다.
도 2는 리퀴드를 채용한 줌 렌즈 시스템의 광학 다이어그램이다.
도 3a 및 3b는 리퀴드 사이에 표면 형태를 보이는 도 2의 줌 렌즈 시스템의 리퀴드 셀의 광학 다이어그램이다.
도 4a, 4b 및 4c는 상이한 초점 거리와 포커스 디스턴스(focus distance)를 생성하도록 리퀴드 사이에 표면 형태와 줌 렌즈 그룹의 상이한 위치를 도시하는 도 2의 줌 렌즈 시스템의 광학 다이어그램이다.
도 5a, 5b 및 5c는 도 4a, 4b 및 4c의 줌 렌즈 시스템의 모듈레이션 전송 함수 기능 다이어그램이다.
도 6a 및 6b는 한 방향으로 이미지를 안정화시키도록 리퀴드를 채용하는 렌즈 시스템의 광학 다이어그램이다.
도 7a 및 7b는 모든 방향으로 이미지를 안정화시키도록 리퀴드를 채용하는 렌즈 시스템의 광학 다이어그램이다.
도 8a, 8b 및 8c는 상이한 초점 거리와 포커스 디스턴스(focus distance)를 생성하도록 리퀴드 사이에 표면 형태와 줌 렌즈 그룹의 상이한 위치를 도시하는 도 7a 및 7b의 렌즈 시스템의 광학 다이어그램이다.
도 9a, 9b, 9c 및 9d는 이미지를 안정화시키도록 리퀴드 사이에 표면 형태와 줌 렌즈 그룹의 상이한 위치를 도시하는 도 7a 및 7b의 렌즈 시스템의 광학 다이어그램이다.
도 10a, 10b, 10c 및 10d는 이미지를 안정화시키도록 리퀴드 사이에 표면 형태와 줌 렌즈 그룹의 상이한 위치를 도시하는 도 7a 및 7b의 렌즈 시스템의 광학 다이어그램이다.
도 11a, 11b 및 11c는 도 8a, 8b 및 8c에서 배치된 대로 렌즈 시스템의 모듈레이션 전송 함수 기능 다이어그램이다.
도 12a, 12b, 12c 및 12d는 도 9a, 9b, 9c 및 9d에서 배치된 대로 렌즈 시스템의 모듈레이션 전송 함수 기능 다이어그램이다.
도 13a, 13b, 13c 및 13d는 도 10a, 10b, 10c 및 10d에서 배치된 대로 렌즈 시스템의 모듈레이션 전송 함수 기능 다이어그램이다.
바람직한 실시예에 대한 다음의 설명에서, 그 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조로 하고, 여기서 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로 보인다. 다른 실시예가 이용될 수 있고 구조적 변화가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 이해될 수 있다.
2007년10월8일에 출원된 명칭이 "리퀴드 옵틱스 줌 렌즈 및 이미징 장치(Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus)"인 미국 가출원 No.60/783,338은 그 전체가 참조로 통합되었고, 줌과 포커스 기능을 제공하는 리퀴드 옵틱스를 채용하는 줌 렌즈 시스템을 개시한다. 리퀴드 옵틱스는 안정화를 제공하도록 사용될 수도 있다. 리퀴드 옵틱스를 사용하는 예시적 실시예가 여기에 개시된다.
줌 렌즈 시스템의 리퀴드 옵틱스
도 1은 줌 렌즈(102)를 가지는 카메라(100)의 블록 다이어그램을 도시한다. 줌 렌즈는 초점 거리를 변화시키는 능력을 가지는 렌즈 소자의 어셈블리이다. 개별적인 렌즈 소자는 평면에 고정되거나 렌즈의 몸체를 따라 축방향으로 슬라이드할 수 있다. 렌즈 그룹은 하나 또는 그 이상의 렌즈 소자로 이루어질 수 있다. 적어도 하나의 이동가능한 렌즈 그룹은 물체의 배율의 변화를 제공한다. 적어도 하나의 렌즈 그룹이 배율을 달성하도록 움직일 때, 초점 평면의 위치도 움직일 수 있다. 적어도 하나의 다른 이동가능한 렌즈 그룹은 일정한 초점 평면 위치를 유지하기 위해 초점 평면의 이동을 보상하도록 움직일 수 있다. 초점 평면의 이동에 대한 보상은 렌즈 배율이 변화함에 따라 전체 렌즈 어셈블리를 움직임으로써 기계적으로 달성될 수도 있다.
개별적인 렌즈 소자는 유리, 플라스틱, 수정(crystalline) 또는 반도체 물질과 같은 고체 상태 물질로부터 설계될 수 있거나, 그것들은 물 또는 오일과 같은 액체 또는 기체 물질을 사용하여 설계될 수 있다. 렌즈 소자 사이의 공간은 하나 또는 그 이상의 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어 일반 공기, 질소 또는 헬륨도 사용될 수 있다. 대체적으로 렌즈 소자 사이의 공간은 진공일 수도 있다. "공기"가 상기 개시에 사용될 때, 더 넓은 의미로 하나 또는 그 이상의 기체 또는 진공도 사용될 수 있다고 이해된다.
줌 렌즈는 종종 줌 및 포커싱 기능을 달성하도록 세 개 또는 그 이상의 이동 렌즈 그룹을 가진다. 기계적 캠은 줌밍을 형성하도록 두 개의 이동가능한 렌즈 그룹을 연결할 수 있고, 제3 이동가능한 렌즈 그룹이 포커스를 위해 사용될 수 있다.
줌 영역은 이동가능한 렌즈 소자에 대한 움직임 영역에 의해 일부 결정된다. 더 큰 줌 영역은 렌즈 소자의 이동에 대한 부가적 공간을 요구한다. 하나 또는 그 이상의 이동가능한 렌즈 그룹은 리퀴드 셀 기술을 실행하는 렌즈 그룹에 의해 대체될 수 있다. 리퀴드 셀이 축방향 이동을 위한 공간을 요구하지 않기 때문에, 이동가능한 렌즈 그룹을 포함하는 렌즈 디자인의 길이가 감소될 수 있다. 대체적으로 이동가능한 렌즈 그룹의 축방향 이동을 위해 사용되었던 공간은 부가 광학 소자 또는 폴드를 포함하는데 사용될 수 있다. 비록 리퀴드 셀이 이동을 위한 공간을 요구하지 않지만, 이동가능한 렌즈 그룹의 일부가 될 수 있다.
리퀴드 셀은 줌밍과 포커싱 모두를 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 이동가능한 렌즈 그룹은 리퀴드 셀 기술을 실행하는 렌즈 그룹과 함께 사용된다. 하나의 이동가능한 렌즈 그룹을 가지는 기계적 캠(cam)에 대한 필요는 없다. 캠을 가지지 않은 것은 부가 이동을 허용한다.
하나 또는 그 이상의 이동가능한 렌즈 그룹은 줌밍과 포커싱을 달성하도록 하나 또는 그 이상의 리퀴드 셀과 함께 사용된다. 단일 이동가능한 렌즈 그룹과 단일 리퀴드 셀은 줌밍, 포커싱 및 열 효과에 대한 보상을 모두 실행할 수 있다. 일 실행에서, 줌 시스템은 적어도 하나의 제1 및 제2 렌즈 그룹을 가진다. 제1렌즈 그룹은 비교적 고파워(high power)를 가지고, 제2렌즈 그룹은 비교적 저파워(low power)를 가지며, 렌즈 파워는 렌즈의 초점거리의 역수와 같다. 제1렌즈 그룹은 종래 유리 또는 다른 고체 렌즈를 포함하고, 제2렌즈 그룹은 적어도 하나의 리퀴드 렌즈를 포함한다.
리퀴드 셀은 렌즈를 형성하는 둘 또는 그 이상의 리퀴드를 사용한다. 렌즈의 초점 거리는 리퀴드들 사이의 접촉 각도와 리퀴드의 굴절율의 차이에 의해 부분적으로 결정된다. 파워 변화의 범위는 채용될 리퀴드의 굴절율의 차이와 공간 구속인자(constraints)로 인한 리퀴드 사이의 표면 계면에서 곡률 반경의 미세 범위에 의해 제한된다. 미국 특허출원 공개 No. 2006/0126190은 여기서 참조로 통합되며, 일렉트로웨팅(electrowetting)을 통해 리퀴드 드랍의 변형을 채용하는 렌즈를 개시한다. 미국 특허 6,936,809 는 여기에 참조로 통합되며, 일렉트로웨팅 기술을 사용하여 이미지면에 형성된 이미지를 수평으로 이동하는 기술을 개시한다.
최근 고려되는 리퀴드 렌즈 시스템은 적어도 약 0.2의 굴절율에서, 바람직하게는 적어도 약 0.3, 그리고 일 실시예에서는 적어도 약 0.4 의 굴절율에서 차이를 가진다. 물은 약 1.3의 굴절율을 가지고 소금을 추가하면 굴절율은 약 1.48까지 변화할 수 있다. 적절한 광학 오일은 적어도 약 1.5의 굴절율을 가질 수 있다. 비록 고굴절율, 저굴절율, 더 높은 굴절율 또는 더 낮을 굴절율을 이용하더라도, 예를 들어 고굴절율 오일을 이용하더라도, 파워 변화의 범위는 제한된다. 상기 제한된 범위의 파워 변화는 일반적으로 이동가능한 렌즈 그룹의 것보다 더 작은 배율 변화를 제공한다. 따라서, 단일 줌 렌즈 시스템에서 일정한 이미지면 위치를 유지하면서 줌밍을 제공하기 위해, 대부분의 배율 변화는 하나의 이동가능한 렌즈 그룹에 의해 제공될 수 있고, 이미지면에서 배율 변화동안의 디포커스 보상의 대부분은 하나의 리퀴드 셀에 의해 제공될 수 있다. 하지만, 더 많은 이동가능한 렌즈 그룹 또는 더 많은 리퀴드 셀, 또는 둘 다가 이용될 수 있다.
이동가능한 렌즈 그룹은 포지티브 또는 네거티브 파워를 가질 수 있다. 리퀴드 셀은 파워가 항상 포지티브, 항상 네거티브 또는 포지티브에서 네거티브로 변하는 또는 그 역의 가변적인 파워 범위를 가질 수 있다. 이동가능한 렌즈 그룹과 리퀴드 셀의 적절한 배열은 줌 범위를 통해 양호한 이미지 품질을 제공하면서 2x 보다 큰 확장된 줌 비율과 바람직하게는 3x보다 더 큰 확장된 줌 비율을 제공한다. 배열은 줌밍에 부가하여 리퀴드 셀, 이동가능한 렌즈 그룹 또는 둘 다로부터 부가적인 이용가능한 파워 변화를 사용함으로써 확장된 포커스 범위에 걸쳐 상이한 물체 거리에서 포커싱을 제공할 수도 있다. 포커싱을 위한 리퀴드 셀 또는 이동가능한 렌즈 그룹 또는 둘 다에 의해 제공되는 상기 부가 파워 변화는 쉽게 이용할 수 있다. 하나의 이동가능한 렌즈 그룹이 이동의 고정된 로커스(locus)를 가지는 캠을 반드시 요구하는 것은 아니기 때문에, 이동가능한 줌 렌즈 그룹의 위치는 줌밍과 포커싱을 위해 조정될 수 있다. 고성능 이미징은 줌밍과 포커싱을 위해 이동가능한 줌 렌즈 그룹과 리퀴드 셀을 모두 이용함으로써 달성된다.
적어도 하나의 리퀴드 셀로 이동가능한 줌 렌즈 그룹을 대체하는 것도 가능하다. 이는 광학 시스템의 복잡성을 증가시킬 것이고 광학 시스템이 감소된 배율 변화와 같은 다른 단점을 가지게 할 수도 있다.
도 1은 렌즈(102)의 렌즈 그룹의 이동과 작동을 제어하는 렌즈 제어 모듈(104)을 또한 도시한다. 제어 모듈(104)은 리퀴드 렌즈 셀의 곡률 반경을 제어하는 전자 회로를 포함한다. 전자 회로는 이동가능한 렌즈 그룹의 위치를 또한 제어할 수 있다. 다양한 초점 위치와 줌 위치를 위한 적절한 전자 신호 레벨은 미리 결정되거나 룩업 테이블(lookup table)에서 위치할 수 있다. 대체적으로, 아날로그 회로 또는 회로의 조합과 룩업 테이블은 적절한 신호 레벨을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 다항식은 적절한 전자 신호 레벨을 결정하는데 사용될 수 있다. 다항식을 따른 포인트는 룩업테이블에 저장될 수도 있고 다항식은 회로와 함께 실행될 수 있다.
열 효과는 리퀴드들 사이의 표면 곡률, 이동가능한 렌즈 그룹의 위치 또는 둘 다의 제어에서 고려될 수도 있다. 다항식 또는 룩업테이블은 열 효과와 관련된 부가적인 변수를 포함할 수 있다.
제어 모듈(104)는 특정 줌 셋팅 또는 초점 거리를 위한 프리샛(preset) 제어를 포함할 수 있다. 상기 셋팅은 사용자 또는 카메라 제작자에 의해 저장될 수 있다.
도 1은 외부 물체에 대응하는 광학 이미지를 수신하는 이미지 캡쳐 모듈(106)을 또한 도시한다. 이미지가 광축을 따라 렌즈(102)를 통과해 이미지 캡쳐 모듈(106)까지 전송된다. 이미지 캡쳐 모듈(106)은 다양한 포맷, 예를 들어(예, 필름 스톡(film stock) 또는 정지영상(still picture film)) 또는 전자 이미지 검출 기술(예, CCD 어레이, CMOS 장치 또는 비디오 픽업 회로)를 사용할 수 있다. 광축은 선형이거나 폴드(fold)를 포함할 수 있다.
이미지 저장 모듈(108)은 캡쳐된 이미지, 예를 들어 온보드(on-board) 메모리 또는 필름, 테이프 또는 디스크에서 캡쳐된 이미지를 보유한다. 일 실시예에서, 저장 매체는 분리가능하다(removable)(예, 플래시 메모리, 필름 캐니스터(canister), 테이프 카트리지 또는 디스크).
이미지 전송 모듈(110)은 캡쳐된 이미지의 다른 장치로의 전송을 제공한다. 예를 들어, 이미지 전송 모듈(110)은 USB 포트, IEEE 1394 멀티 미디어 커넥션, 이더넷(Ethernet) 포트, 블루투스 무선 커넥션, IEEE 802.11 무선 커넥션, 비디오 콤포넌트 커넥션, 또는 S-비디오 커넥션과 같은 하나 또는 다양한 커넥션을 사용할 수 있다.
카메라(100)는 다양한 방식, 예를 들어 비디오 카메라, 셀폰(cell phone) 카메라, 디지털 포토그래픽 카메라 또는 필름 카메라와 같은 식으로 실행될 수 있다.
줌 렌즈의 실시예는 디자인의 예를 들어 설명될 것이다. 도 2를 참조하면, 각 렌즈 소자는 숫자 1부터 20까지 부가된 "E"문자로 표시되고, 각 렌즈 소자의 일반적 배치가 설명되지만, 각 렌즈 표면의 실제 반경은 표 1에서 후술된다. 렌즈, 물체, 조리개(stop or iris) 및 이미지 표면은 숫자 1부터 36까지 표시된다. 세 개의 렌즈 그룹은 도 2에서 숫자 1부터 3까지 부가된 "G" 문자로 표시되고, 리퀴드 렌즈 셀은 "LC" 문자로 표시되며, 광 표면 19 내지 23을 포함한다. 광축은 도 2에서 숫자 38로 표시된다.
각 렌즈 소자는 분리되지만 연속된 표면 숫자, 예를 들어 렌즈 소자 E1은 렌즈 표면 2 및 3을 가지고, 렌즈 소자 E9는 렌즈 표면 17 및 18을 가지는 등으로 도 2에 표시된 대로 표면 숫자로 표시된다. 이미지화된 물체의 위치는 특히 초점거리에 관해서, 수직선으로 나타나고, 광축(38) 상에 참조부호(1)로 표시되며, 실제 이미지 표면은 참조부호(36)으로 표시된다. 모든 렌즈 표면은, 비구면, 비평면이지만 광축에 대해 회전 대칭인 비구면인 렌즈 표면(4 및 8)을 제외하고, 구면 또는 평면이다.
렌즈 소자의 상세한 특징을 설명하기 전, 렌즈 그룹과 그 축 위치 및 이동, 그리고 리퀴드 렌즈 셀과 콘택팅 리퀴드의 표면 형태의 변화에 대한 광범위한 설명이 줌 렌즈 시스템(60)에 대해 주어질 것이다.
각 렌즈 그룹의 포지티브 또는 네거티브 파워는 초점거리의 역으로 정의된다. 각 렌즈 그룹의 결과적인 광 파워는 다음과 같다: 대물렌즈 그룹(G1)은 포지티브, 줌 렌즈 그룹(G2)는 네거티브이고, 리어 렌즈(rear lens) 그룹(G3)는 포지티브이고, 낮은 포지티브값으로부터 높은 포지티브값까지, 리퀴드 셀의 표면의 형태가 변할 때 변한다. 도 2의 상부 부분에서 양쪽 화살머리를 가지는 수평 화살표는 줌 렌즈 그룹(G2)가 양 축방향으로 이동가능함을 나타낸다.
렌즈 소자만이 도 2에서 물리적으로 보이는 반면, 렌즈 소자를 지지하기 위해 그리고 렌즈 하우징 또는 배럴 내 이동가능한 줌 렌즈 그룹의 축방향 이동을 위해 기계적 장치 및 메커니즘이 제공되는 것이 이해된다. 또한, 전자 회로가 리퀴드 렌즈 셀 내 다양하게 형태를 가지는 광 표면의 프로파일을 변화시킨다는 것이 이해된다.
상술한 줌 렌즈 시스템(60)에 대한 렌즈 설계와 제작 데이터가 표 1에 후술된다. 표 1의 데이터는 온도 25℃(77℉) 및 표준 대기압(760mm Hg)에서 주어진다. 본 명세서에서 측정은 nm 의 파장을 제외하고 mm 로 주어진다. 표 1에서 첫번째 컬럼 "아이템(Item)"은 각 광학 소자와 그 위치, 즉 물체면, 이미지면 등을 도 2에 사용된 동일 참조번호 또는 라벨로 표시한다. 두번째 컬럼은 도 2에 사용된 동일 참조부호로 속한 광학 소자(렌즈)를 "그룹(Group)"으로 표시한다. 세번째 컬럼 "표면(Surface)"는 도 2에 표시된 바와 같이 물체(도 2의 라인 "1"과 표 1의 "물체(object)"), 조리개(stop or iris)(13) 및 렌즈의 각 실제 표면의 리스트이다. 네 번째 컬럼 "초점 위치(Focus Position)"은 줌 렌즈 시스템(60)을 위한 세 개의 전형적 초점 위치(F1, F2 및 F3)를 표시하고, 여기서 아래에서 좀더 상술하는 바와 같이 세 번째 컬럼에 리스트된 일부 표면 사이에 거리(분리)의 변화가 있고 세 번째 컬럼에 리스트된 표면(21)의 곡률 반경에 변화가 있다. 다섯번째 컬럼 "분리(Separation)"은 표면(세번째 컬럼)과 그 다음 표면 사이의 축방향 거리이다. 예를 들어, 표면(S2)과 표면(S3) 사이의 거리는 1.725mm 이다.
여섯번째 컬럼은 "곡률반경(Radius of Curvature)" 타이틀로 명칭지워지며, 각 표면에 대해 광학 표면의 곡률 반경의 리스트이고, 마이너스(-) 표시는 도 2에 도시된 바와 같이 곡률반경의 중심이 표면의 왼쪽이라는 것을 의미하고, "무한(infinity)"는 광학적으로 평평한 표면을 의미한다. 표면(4 및 8)에 대한 아스테리스크(*)는 "곡률 반경"이 베이스 반지름(base radius)인 비구면을 의미한다. 비구면의 사용은 더 작은 전체 크기와 더 단순한 배치를 가능하게 하면서 줌 렌즈의 수차 보정(correction of aberration)을 제공한다. 비구면(4 및 8)의 표면 프로파일의 식과 계수는 다음 방정식에 의해 지배된다:
Figure 112010037216677-pct00001
여기서:
c= 곡률 반경(c=1/r 여기서 r은 곡률 반경)
y= X 축과 Y 축으로부터 측정된 표면 방사상(radial) 개구 높이, 여기서:
y=(X2+Y2)1/2
k=코닉 계수(conic coefficient)
A, B, C, D, E, F=4번째, 6번째, 8번째, 10번째, 12번째 및 14번째, 각각 오더 변형 계수(order deformation coefficients).
z= 주어진 y 값 또는 표면의 극(pole)(즉, 축방향 정점)으로부터 광축을 따라 측정된 표면의 프로파일의 위치
표면(4)의 계수는 다음과 같다:
k=-0.6372
A=+0.9038x10-6
B=+0.2657x10-8
C=-0.1105x10-10
D=+0.4301x10-13
E=-0.8236x10-16
F=+0.6368x10-19
표면(8)에 대한 계수는 다음과 같다:
k=+0.0000
A=+0.5886x10-4
B=-0.5899x10-6
C=+0.8635x10-8
D=-0.5189x10-10
E=-0.1186x10-11
F=+0.1631x10-13
표 1의 일곱번째 컬럼 내지 아홉번째 컬럼까지는 도 2의 표면(세번째 컬럼)과 그 오른쪽 표면 사이의 "물질(Material)"에 관한 것이며, 컬럼 "타입(Type)"은 상기 두 표면 사이에 렌즈(유리; Glass) 또는 빈 공간(공기; Air) 또는 리퀴드 렌즈(Liquid)가 있는지를 나타낸다. 유리와 리퀴드 렌즈는 컬럼 "코드(Code)" 중 광학 유리 또는 리퀴드로 표시된다. 편리를 위해, 모든 렌즈 유리는 오하라 회사(Ohara Corporation)로부터 이용가능한 유리로부터 선택하였으며, 컬럼 "이름(Name)"은 각 유리 타입에 대해 오하라 표시를 리스트하였으나, 그 균등, 유사 또는 적합한 유리가 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 오일의 렌즈 리퀴드는 카길레 연구소 회사(Cargille Laboratories, Inc.,)로부터 이용가능한 리퀴드로부터 선택되었고, 물은 다양한 소스로부터 공통적으로 이용가능하지만, 균등, 유사 또는 적합한 리퀴드가 사용될 수 있다. 표면(20)에서 물 액체는 각 파장 656.27, 589.29, 546.07 및 486.13 nm 에서 다음의 굴절율 1.331152, 1.332987, 1.334468 및 1.337129을 가진다. 표면(21)에서 오일 리퀴드는 각각의 파장 656.27, 589.29, 546.07 및 486.13 nm 에서 다음의 굴절율 1.511501, 1.515000, 1.518002 및 1.523796을 가진다.
"개구 지름(Aperture Diameter)"로 이름지워진 표 1의 마지막 컬럼은 광선이 통과하는 각 표면의 최대 지름을 제공한다. 조리개 표면(Stop surface)(13)의 예외를 제외하고 모든 최대 개구 지름은 모든 줌 및 초점 위치에 대해 이미지면에서 약 6mm 의 최대 이미지 지름과 F-넘버 F/2.8 내지 F/4.0에 대해 파장 546.1 nm 에서 주어진다. 조리개 표면(13)의 최대 개구 지름은 표 1에서 546.1nm 파장에서 그리고 줌 위치(Z1)과 초점 위치(F1)에 대한 이미지면에서 F-넘버 F/2.8에서 주어진다. 이미지면(36)에서, 최대 개구 지름은 개략적인 값으로 주어진다.
Optical Prescription
Item Group Surface Focus Position Separation Radius of Curvature (mm) Material Aperture Diameter (mm)
Type Name Code
Object 1 F1 Infinity Infinity Air
F2 1016.2500
F3 378.7500
E1 G1 2 All 1.7250 59.1716 Glass SLAM66 801350 37.161
3 All 0.0750 34.5954 Air 35.567
E2 G1 4 All 6.7565 *33.0488 Glass SFPL51 497816 35.618
5 All 0.0750 2758.9929 Air 35.182
E3 G1 6 All 5.8657 32.7151 Glass SFPL53 439950 33.680
7 F1 TABLE 2 -2981.4301 Air 33.034
F2 TABLE 2
F3 TABLE 2
E4 G2 8 All 0.7652 *461.6464 Glass SLAH64 788474 14.273
9 All 3.8333 8.3339 Air 11.605
E5 G2 10 All 2.6582 -12.6370 Glass SFPL53 439950 11.587
E6 G2 11 All 3.2165 18.1883 Glass SLAM66 801350 12.383
12 F1 TABLE 3 -55.4718 Air 12.337
F2 TABLE 3
F3 TABLE 3
Stop / Iris G3 13 All 0.6371 Infinity 6.708
E7 G3 14 All 5.7168 -26.3844 Glass SLAH65 804466 6.757
E8 G3 15 All 2.6250 9.3177 Glass STIH53 847238 8.304
16 All 0.8432 -16.3366 Air 8.533
E9 G3 17 All 2.5647 -9.2859 Glass SLAH58 883408 8.508
18 All 2.2767 -11.1961 Air 9.665
E10 G3 19 All 0.4500 Infinity Glass SBSL7 516641 10.151
E11 G3 20 All 1.5000 Infinity Liquid WATER 10.201
E12 G3 21 F1 1.5000 TABLE 4 Liquid OIL T300 04091-AB 10.367
F2 TABLE 4
F3 TABLE 4
E13 G3 22 All 0.4500 Infinity Glass SBSL7 516641 10.584
23 All 0.0750 Infinity Air 10.642
E14 G3 24 All 3.1583 120.2680 Glass SLAH65 804466 10.680
E15 G3 25 All 0.6000 -7.2241 Glass STIH10 728285 10.724
26 All 0.0750 13.8153 Air 10.634
E16 G3 27 All 3.0844 13.7118 Glass SBSM10 623570 10.696
28 All 0.3424 -11.1618 Air 10.713
E17 G3 29 All 0.6000 -9.5071 Glass STIH13 741278 10.652
30 All 0.0750 68.8748 Air 11.180
E18 G3 31 All 1.7063 18.2078 Glass SLAL13 694532 11.589
32 All 26.6908 -115.6915 Air 11.592
E19 G3 33 All 3.1085 10.2784 Glass SNPH1 808228 9.888
E20 G3 34 All 2.7193 -9.9003 Glass SLAH58 883408 9.581
35 All 2.6192 58.0014 Air 7.805
Image 36 All 0.0000 Infinity Air 6.008
줌 렌즈 시스템(60)은 광선이 그 점을 통과하는 개구의 지름을 제어하는 표면(13)에서 광학 조리개가 제공된다. 광학 조리개는 물리적 조리개(또는 diaphragm)이 위치하는 위치이다. 조리개는 리어 렌즈 그룹(G3) 앞에 위치하고 렌즈 그룹에 있어 축방향으로 정적이다(stationary). 도 4a에서 림 광선(rim ray)은 줌 렌즈 시스템이 어떠한 필드 위치, 줌 위치 및 초점 위치에서도 광빔의 비네팅(vignetting)을 가지지 않도록 광학 조리개 표면(13)의 틱 마크(tic mark)의 축 쪽을 통과한다. 하지만, F 넘버는 줌 및 포커스 위치를 통해 변하고 조리개는 따라서 개방되거나 차폐된다. 초점 위치(F1)에 대해 줌 위치(Z1-Z8)에서 조리개의 지름은 6.71, 6.39, 5.96, 5.53, 5.18, 4.84, 4.63 및 4.61이다. 이는 13에 위치한 조리개가 초점 거리가 증가함에 따라 차폐되어야 함을 보인다. 초점 위치(F1)에 비교하여, 초점 위치(F2 및 F3)에 대한 줌 위치(Z1-Z8)에서 조리개의 지름은 초점 위치(F1)에 대해서와 동일한 F 넘버를 유지하기 위해 0.3mm 지름보다 작은 양으로 변해야 한다.
표 1을 참조하면, 디자인의 범위와 다양성을 보이기 위해, 여덟개의 줌 위치(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7 및 Z8) 및 세 개의 상이한 초점 위치(F1, F2 및 F3)가 데이터에 제시되고, 사실 이동가능한 줌 렌즈 그룹(G2)와 가변적인 형태의 광 표면(21)에 대한 위치의 24(8x3=24)개의 상이한 조합에 대한 특정 데이터가 제공된다.
파장 546.1 nm에서 초점 위치 F1 에서 줌 위치(Z1-Z8)에 대한 줌 렌즈 시스템(60)의 초점 거리는 다음과 같다: 각각 5.89, 7.50, 11.25, 15.00, 18.75. 30.00, 41.25 및 45.00 mm 이다. 파장 546.1 nm에서 초점 위치 F1 에서 줌 위치(Z1-Z8)에 대한 초점 거리의 대응 F 넘버는 다음과 같다: 각각 2.80, 2.90, 3.05, 3.25, 3.45, 3.70, 3.95 및 4.00 이다.
초점 위치(F1)에 대해 물체면(1)은 무한으로 가정되고, F2에 대해 물체면(1)은 약 1016.25 mm 의 중간 거리에 있고, F3에 대해 물체면(1)은 378.75 mm(즉, 이미지 면에서 378.75 mm 떨어짐)의 근접 거리에 있다. 각 세 초점 위치(F1, F2 및 F3)에서, 렌즈 그룹(G1 및 G3)는 줌 렌즈 그룹(G2)의 이동 전체 범위를 통해 동일 위치에 있다. 표 2 및 3은 표면(7 및 12)의 분리 값을 제공하고, 표 4는 줌 위치(Z1-Z8) 및 F1-F3에 대해 표면(21)의 곡률 반경을 제공한다.
표면(7)에 대한 분리 값(Separation Values for Surface 7)
Surface Focus Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
7 F1 0.0832 5.7132 13.7126 18.4633 21.6974 27.4007 30.5400 31.3096
7 F2 0.0902 5.7486 13.6468 18.3289 21.5154 27.0776 30.0174 30.7361
7 F3 0.0750 5.6942 13.4674 18.1217 21.3355 26.7467 29.5798 30.2701
표면(12)에 대한 분리 값(Separation Values for Surface 12)
Surface Focus Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
12 F1 31.5294 25.8992 17.8996 13.1486 9.9140 4.2101 1.0701 0.3000
12 F2 31.5178 25.8581 17.9590 13.2762 10.0892 4.5268 1.5870 0.8729
12 F3 31.5324 25.9120 18.1380 13.4831 10.2689 4.8577 2.0248 1.3384
표면(21)에 대한 곡률반경(Radii of Curvature for Surface 21)
Surface Focus Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
21 F1 -33.9902 -40.9700 -60.9667 -84.8892 -106.7630 -101.7297 -58.3998 -48.6792
21 F2 -34.3890 -42.0587 -65.5384 -101.1799 -154.9184 -370.2777 -263.5374 -212.3139
21 F3 -35.0134 -43.6001 -72.6330 -133.7178 -351.2333 214.4454 125.5481 115.8049
연속 포커싱이 극단 초점 위치(extreme Focus Position) F1 및 F3 사이에서 가능하고, 연속 줌밍이 극단 줌 위치(extreme Zoom Position) Z1 및 Z8 사이에서 가능하며, 연속 포커싱과 줌밍의 어떠한 조합이든 렌즈 시스템(60)에서 상술한 포커스 및 줌 범위 내에서 가능하다.
도 2에서 보이고 표 1에서 규정된 줌 렌즈 시스템(60)은 각각 54.30 과 -12.25 mm 의 렌즈 그룹(G1과 G2)에 대한 초점 거리를 가진다. 또한 리퀴드 사이의 광 표면(21)의 가변적인 형태로 인해, 렌즈 그룹(G3)는 줌 위치(Z1)과 초점 위치(F1) 및 줌 위치(Z8)과 초점 위치(F3)에서 최소 값 +30.18 mm 와 최대값 38.97 mm 를 가지는 가변적인 초점 거리를 가진다. 줌 렌즈 시스템(60)의 리퀴드 셀(LC)이 도 3a 및 3b에 보이며, 이는 리퀴드 사이의 가변적인 형태의 광 표면(21)의 표 1로부터 두 극단 곡률반경(extreme radii of curvature)를 보인다. 도 3a 및 3b에서 표면(21)의 두 곡률반경은 각각 약 -33.99 mm 및 +115.80 mm 이다. 도 3a 및 3b에서 리퀴드 셀(LC)의 두 극단 초점 거리는 각각 -185.20 mm 과 630.97 mm 이다. 상기 차이는 줌 위치(Z1)과 초점 위치(F1) 및, 줌 위치(Z8)과 초점 위치(F3)에서 일어난다. 상기 실시예에서, 표면(20, 21)과 표면(21, 22) 사이의 두 리퀴드의 볼륨은 가변적인 표면의 형태가 변화할 때 변한다. 하지만, 표면(20, 21)과 표면(21, 22) 사이의 축방향 분리에 대한 작고, 동일하지만 반대의 변화를 적용함으로써 각 리퀴드에 대한 일정 볼륨을 유지하는 것이 가능하다.
도 4a, 4b 및 4c를 참조하면, 줌 렌즈 시스템(60)은 다양한 위치의 줌 렌즈 그룹, 다양한 위치의 리퀴드 셀에서 가변적인 표면의 형태 및 상기 위치들에서 광선의 궤적을 보인다. 도 4a는 무한 초점과 약 5.9mm의 작은 초점 거리를 가지는 표 1에 보인 데이터가 있는 초점 위치 F1과 줌 위치 Z1을 표시한다. 도 4b는 중간 초점과 약 11.3 mm의 초점 거리를 가지는 표 1로부터 초점 위치 F2와 줌 위치 Z3를 보인다. 도 4c는 근접 초점과 초점 거리 약 44.8 mm를 가지는 표 1로부터 초점 위치 F3와 줌 위치 Z8을 나타낸다.
도 4 a, 4b 및 4c는 각각의 줌 및 초점 위치; Z1, F1 및 Z3, F2 및 Z8, F3 에 있어 가변적인 광 표면(21)에 대한 대응하는 세 표면 형태를 가지는 줌 렌즈 그룹(G2)의 세 축방향 위치를 보인다.
줌 렌즈 시스템(60)의 광학 성능은 도 5a, 5b 및 5c에서 주어지고, 여기서 다색(polychromatic) 모듈레이션 전송 함수(MTF; modulation transfer function) 데이터(모듈레이션 대 공간 주파수)에 기초한 회절(diffraction)이 표 1에서 줌 및 초점 위치의 세 가지 조합, 즉 각각의 예를 나타내는 (Z1, F1), (Z3, F2) 및 (Z8, F3)에서 다섯개의 상이한 필드 위치를 위해 %로 나타낸다. 필드 위치는 두 값, 즉 규격화된 이미지 높이(mm)와 광축으로부터 실제 물체 공간 각도(degree)로 주어진다. MTF 백분율은 도 5a, 5b 및 5c 의 위쪽 오른쪽 코너에 파장과 웨이팅(weighting)으로 주어지고, 이미지면(36)에서 측정 탄젠셜(T) 방향과 반지름(R) 방향으로 그래프로 표시된다. 탄젠셜 값과 반지름 값은 축방향 필드 위치(AXIS)에서 동일하고 오직 한 플롯으로 도시된다. 최대 공간 주파수(spatial frequency)는 이미지 지름이 약 6 mm 로 주어진 경우 90 cycles/mm 이고 검출기 픽셀의 크기 선택은 적어도 고화질 텔레비전(high definition television; HDTV)까지, 즉 수평으로 1920 픽셀 수직으로 1080 픽셀까지, 고품질 이미지를 제공할 수 있다. 공간 주파수에서 MTF는 광학 성능의 비교적 표준 측정이고, 여기서 값 "90 cycles/mm"는 명확성이 결정된 차트 상의 mm 당 90쌍의 블랙 라인과 화이트 라인을 의미한다. 최고의 MTF 값은 줌 위치(Z1)과 초점 위치(F2)에 대해 최대(full) 방사상 필드에서 약 89%이다. 최저 MTF 값은 줌 위치(Z8)과 초점 위치(F3)에서 최대 탄젠셜 필드에서 약 58%이다. 최소 상대 조명(illumination)은 줌 위치(Z1)과 초점 위치(F1)에서 약 75%이다. 일반적으로, 낮은 수는 광이 영상의 코너에서 떨어지는 것을 의미하기 때문에 더 높은 상대 조명값이 더 양호하다. 높은 최대 필드 상대 조명은 아트 검출기(art detector)의 상태에 대해 더 선호되며, 이는 모든 영역에서 광에 일정 응답을 가지고 줌밍 동안 이미지에 대한 변화와 함께 이미지의 코너에 쉐이딩(shading)을 성실히 재생할 것이다. 50% 이하의 조명은 전자 검출기에서 쉐이딩을 낳을 수 있지만, 필름에 대해서 수용가능할 것이다. 최고 포지티브 왜곡은 줌 위치(Z3)와 초점 위치(F1)에서 +3.04%이고 최저 네거티브 왜곡은 줌 위치(Z1)과 초점 위치(F3)에서 -2.98%이다. 소위 "브리딩(breathing)"이라는 렌즈 문제는 일반적으로(하지만 줌 렌즈에서는 더 보편적일 수 있음) 이미지가 원초점에서 근초점으로 크기를 변화하는 곳에서 큰 필드 깊이로 인해 가장 눈에 띄는 줌 영역의 짧은 초점거리에서 줌 렌즈 시스템(6) 중 사실상 존재하지 않는다. 최저 브리딩은 줌 위치(Z1)과 초점 위치(F3)에서 -0.2%이고, 최고 브리딩은 줌 위치(Z8)과 초점 위치(F3)에서 -19.5%이다. 브리딩은 무한 초점에서 선택된 초점까지 최대 필드 각도 중 백분율의 변화이다. 따라서, 무한 초점(F1)에서, 브리딩은 그것이 참조 시야각(reference field of view)이므로 0이 된다.
모든 성능 데이터는 온도 25℃(77℉), 표준 대기압(760mm Hg) 및 줌 렌즈 시스템(60)에서 전체 개구가 이용가능한 상태에서 주어진다. 하지만, 줌 렌즈 시스템(60)은 온도 0°에서 40℃.(32°내기 104℉)에 걸쳐 MTF 값을 예로 들면 실질적으로 일정 성능을 제공하며, 만약 기능(MTF)에서 작은 악화가 받아들여진다면, 작동 온도 범위는 -10°내지 50℃.(14°내지 122℉)까지 또는 그 이상으로 확대될 수 있다. 온도 변화에 대해 최적의 성능은 줌 렌즈 그룹(G2)의 축방향 조정 또는 콘택팅 광 표면(21)의 형태의 변화 또는 둘 다의 조합으로 더 달성될 수 있다. 이는 모든 줌 및 포커스 위치에서 일어날 수 있다. 약 0℃(32℉)의 저온 또는 그 이하에서 응결(freezing)(고체 형성)을 피하기 위해, 리퀴드는 가열되거나 저온 작동을 위해 카 레디에이터 내 물에 부동액(anti-freeze)를 추가하는 유사한 방식으로 도핑된 리퀴드로 대체할 필요가 있을 수 있다. 하지만, 상기 물질 온도 변화는 바람직하게는 리퀴드의 광 특성을 현저히 변화시키지는 않는다는 것에 유의한다.
줌 렌즈 시스템(60)을 사용하는 설명된 실시예가 6 mm 지름(소위 3인치 센서)를 사용한 적합한 치수를 가지는 반면, 상기 줌 렌즈 시스템의 치수는 다양한 필름과 전자 검출기 이미지 포맷의 사용을 위해 적절히 크기를 확대 또는 축소할 수 있다.
줌 렌즈 시스템(60)의 많은 장점 중에서 단지 하나의 축방향으로 이동하는 줌 렌즈 그룹을 이용하여 초점 거리의 넓은 영역에 걸쳐 줌밍을 제공하는 장점이 있다. 줌 렌즈 시스템(60)의 디자인은 적어도 두 개의 축방향으로 이동가능한 줌 렌즈 그룹과 대응하는 메커니즘을 요구하는 대부분의 종래 고성능 줌 렌즈 시스템보다 고성능의 그리고 기계적으로 덜 복잡한 렌즈 시스템을 생성한다. 줌 렌즈 시스템(60)의 독특한 렌즈 디자인은 부가적인 이동가능한 렌즈 그룹과 대응하는 메커니즘 없이 포커스 디스턴스의 큰 영역에 걸쳐 포커싱을 제공한다. 줌 렌즈 시스템(60)의 차폐 디자인이 예시적인 것이며, 다른 디자인이 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다. 줌 렌즈 시스템(60)의 다른 특징과 장점은 상술한 설명과 부가 도면으로부터 당업자에게 자명할 것이다.
이미지 안정화를 채용한 렌즈 시스템의 리퀴드 옵틱스
도 6a 및 6b는 이미지를 안정화하는 리퀴드를 채용하는 렌즈 시스템의 광 다이어그램을 보인다. 도 6a는 YZ 평면 내 렌즈 시스템을 보이며, 여기서 리퀴드 렌즈 셀(70 및 71)은 축을 벗어나고(off-axis), 중심을 벗어나 있으며, Y축을 따라 약간 기울어져 있다. 도 6b는 XZ 평면의 렌즈 시스템을 보이며, 여기서 리퀴드 렌즈 셀(70 및 71)은 X 축을 따라 중심이 위치한다. 상기 간단한 렌즈 시스템 내에서, 광은 렌즈 소자(72)를 통해 물체 공간으로부터 통과한다. 조리개의 다른 면에서, 광은 리퀴드 렌즈 셀(70 및 71)을 통과한다. 렌즈 소자(73)는 이미지면(74) 상에 광을 수렴한다.
도 6a의 광 다이어그램은 YZ 평면 내 렌즈의 기울어짐(tilting) 또는 회전(rotating) 효과를 보인다. 도시된 바와 같이, YZ 평면에서 기울어짐은 이미지면(74)에서 이미지의 상하 이동을 초래한다. 리퀴드 렌즈 셀(70 및 71)은 YZ 평면 내 렌즈를 기울이는 효과를 보상하기 위해 나란하게 제어될 수 있도록 위치한다.
도 7a 및 7b는 이미지를 안정화시키는 네 개의 리퀴드 렌즈 셀을 채용하는 렌즈 시스템(80)의 광학 다이어그램을 보인다. 렌즈 시스템(80)은 카메라(100)과 사용될 수 있다. 도 7a는 YZ 평면의 렌즈 시스템(80)을 보이고, 도 7b는 XZ 평면의 렌즈 시스템(80)을 보인다. 렌즈 시스템(80)은 제1 정적 대물렌즈 그룹(81), 제2 이동 렌즈 그룹(82), 조리개(83), 제3 정적 렌즈 그룹(84), 제1 리퀴드 렌즈 셀(85), 제4 정적 렌즈 그룹(86), 제2 내지 제5 리퀴드 렌즈 셀(87, 88, 89, 90) 및 제5 정적 렌즈 그룹(91)을 포함한다. 이미지는 이미지면(92) 상에 형성된다. 리퀴드 렌즈 셀(87 및 88)은 y 축을 따라 반대 방향으로 오프셋되고, 리퀴드 렌즈 셀(89 및 90)은 x 축을 따라 반대 방향으로 오프셋된다. 따라서, 리퀴드 렌즈 셀(87 및 88)의 가변적인 표면 형태의 제어는 y 축을 따라 이미지의 이미지면(92)에서 안정화를 제공하고, 리퀴드 렌즈 셀(89 및 90)의 가변적인 표면 형태의 제어는 x 축을 따라 이미지의 이미지면(92)에서 안정화를 제공한다.
도 7a 및 7b에서 도시된 배치는 z 축을 따라 정렬된 리퀴드 렌즈 셀을 보인다. 대체적으로, 리퀴드 렌즈 셀은 x 축 또는 y 축을 따라 오프셋될 뿐 아니라 z 축에 대해서도 기울어질 수 있고, 또는 리퀴드 렌즈 셀은 x 축 및 y 축을 따라 오프셋되지 않고 z 축에 대해 기울어질 수 있다. 리퀴드 렌즈 셀을 x 축 또는 y 축 또는 둘 다를 따라 오프셋팅하는 것은 시스템(80) 내 렌즈 셀의 물리적 지름을 증가시킨다. 리퀴드 렌즈 셀의 기울임은 리퀴드 렌즈 셀의 물리적 지름을 감소시킬 수 있는 x 및 y 방향으로 오프셋을 감소 또는 제거하는 것을 허용할 수 있으며, 더 양호한 이미지 안정화를 허용할 수 있다.
도 7a 및 7b에서 리퀴드 렌즈 셀을 포함하지 않는 각 렌즈 그룹의 광학 파워와 초점 거리는 다음과 같다: 대물렌즈 그룹(81)은 포지티브면서 +54.700 mm, 이동 렌즈 그룹(82)은 네거티브이면서 -12.165 mm, 렌즈 그룹(84)는 포지티브면서 +70.285 mm, 렌즈 그룹(86)은 포지티브이면서 +42.266 mm 이고 리어 렌즈 그룹(91)은 포지티브이면서 +19.147 mm 이다.
표 5는 도 7a 및 7b에서 도시된 렌즈 소자의 일반적 배치를 보인다. 표 5의 데이터는 온도 25℃(77℉)와 대기압(760mmHg)에서 주어진다. 초점 거리의 범위는 대략 6 mm 내지 45 mm 이다. 시야각 범위는 대략 56.7°내지 7.7°(무한 초점 위치 F1 에서 왜곡을 포함)이다. 줌 비는 대략 7.5x(7.5:1)이다. 이미지 크기는 16:9 포맷을 사용하여 대략 Ø6mm 이다. 초점 범위는 물체로부터 최근접 파워의 렌즈 표면의 정점까지를 측정하면 대략 무한대(초점 위치 F1) 부터 378.25 mm(초점 위치 F3)까지이다. 파장대역(waveband) 범위는 대략 486 nm 내지 656 nm 이다. 렌즈 시스템(80)은 적어도 약 초점 거리가 15 mm 부터 45 mm까지 대략 ±1/4 영상 반 높이(half height)와 ±1/8 영상 반 폭(half width)의 범위에서 이미지 안정화를 제공한다.
광학 규정(Optical Prescription)
Group Item Surface Focus Position Separation (mm) Radius of Curvature (mm) Material Aperture Diameter/2 (mm)
Type Name Code
1 F1
F2
F3		 Infinity
1016.2500
378.7500		 Infinity Air
81 E1 2 All 1.7250 59.1203 Glass SLAM66 801350 20.488
81 3 All 0.0750 34.4944 Air 19.360
81 E2 4 All 7.2445 *32.9559 Glass SFPL51 497816 19.362
81 5 All 0.0750 -1679.0367 Air 19.149
81 E3 6 All 5.8060 32.1676 Glass SFPL53 439950 17.393
81 7 F1
F2
F3		 TABLE 6
TABLE 6
TABLE 6		 603.6202 Air 17.043
82 E4 8 All 0.7652 *421.5729 Glass SLAH64 788474 7.306
82 9 All 4.0061 8.3253 Air 5.910
82 E5 10 All 2.6582 -12.7245 Glass SFPL53 439950 5.900
82 E6 11 All 3.2165 18.4437 Glass SLAM66 801350 6.360
82 12 F1
F2
F3		 TABLE 7
TABLE 7
TABLE 7		 -56.6544 Air 6.350
83 Iris/ Stop 13 All 0.6371 Infinity Air TABLE 8
84 E7 14 4.3421 -26.4053 Glass SLAH65 804466 3.531
84 E8 15 2.7592 10.8849 Glass STIH53 847238 4.471
84 16 1.9504 -19.6033 Air 4.660
84 E9 17 3.4944 -10.0360 Glass SLAH58 883408 4.759
84 18 2.2880 -12.3751 Air 5.698
85 E10 19 0.4500 Infinity Glass SBSL7 516641 6.036
85 E11 20 1.5000 Infinity Liquid WATER 6.064
85 E12 21 F1
F2
F3		 1.5000 TABLE 9
TABLE 9
TABLE 9		 Liquid OIL T300 04091-AB 6.131
85 E13 22 0.4500 Infinity Glass SBSL7 516641 6.305
85 23 0.0750 Infinity Air 6.343
86 E14 24 5.5805 30.2458 Glass SLAH65 804466 6.443
86 E15 25 0.5250 -12.3375 Glass STIH10 728285 6.358
86 26 0.0864 12.5297 Air 6.147
86 E16 27 3.0569 12.7154 Glass SBSM10 623570 6.175
86 28 0.2334 -17.0356 Air 6.170
86 E17 29 0.5250 -15.0264 Glass STIH13 741278 6.148
86 30 0.0750 17.7536 Air 6.261
86 E18 31 1.9042 17.3661 Glass SLAL13 694532 6.310
86 32 0.0750 -48.1100 Air 6.323
87 E19 33 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 9.837
87 E20 34 1.2011 Infinity Liquid WATER 9.823
87 E21 35 F1
F2
F3		 3.1684 TABLE 10
TABLE 10
TABLE 10		 Liquid OIL T300 04091-AB 9.777
87 E22 36 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 9.683
87 37 0.0750 Infinity Air 9.662
88 E23 38 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 9.691
88 E24 39 1.2011 Infinity Liquid WATER 9.676
88 E25 40 F1
F2
F3		 3.1684 TABLE 11
TABLE 11
TABLE 11		 Liquid OIL T300 04091-AB 9.644
88 E26 41 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 9.570
88 42 0.0750 Infinity Air 9.549
89 E27 43 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 10.051
89 E28 44 1.2011 Infinity Liquid WATER 10.036
89 E29 45 F1
F2
F3		 3.1684 TABLE 12
TABLE 12
TABLE 12		 Liquid OIL T300 04091-AB 9.988
89 E30 46 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 9.893
89 47 0.0750 Infinity Air 9.869
90 E31 48 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 9.901
90 E32 49 1.2011 Infinity Liquid WATER 9.885
90 E33 50 F1
F2
F3		 3.1684 TABLE 13
TABLE 13
TABLE 13		 Liquid OIL T300 04091-AB 9.830
90 E34 51 0.6000 Infinity Glass SBSL7 516641 9.735
90 52 0.0750 Infinity Air 9.710
91 E35 53 3.6122 19.2354 Glass SNPH1 808228 5.281
91 E36 54 5.6250 -12.3087 Glass SLAH58 883408 4.996
91 55 3.1160 *-47.2988 Air 4.142
92 56 0.0000 Infinity Air 2.995
그룹(87 및 88)의 모든 표면은 y 축을 따라 각각 -4.3915 mm 와 +4.3915 mm로 중심을 벗어나 있고, 그룹(89 및 90)의 모든 표면은 x 축을 따라 각각 -3.9888 mm 및 +3.9888mm 만큼 중심을 벗어나 있다. 모든 다른 표면은 광축을 따라 정렬된다. 표면(4, 7 및 53)에 대한 아스테리스크(*)는 이들이 비구면임을 표시한다. 표면(4)의 계수는 다음과 같다:
k=-0.5673
A=+0.9038x10-6
B=+0.2657x10-8
C=-0.1105x10-10
D=+0.4301x10-13
E=-0.8236x10-16
F=+0.6368x10-19
표면(7)에 대한 계수는 다음과 같다:
k=+0.0000
A=+0.5886x10-4
B=-0.5899x10-6
C=+0.8635x10-8
D=-0.5189x10-10
E=-0.1186x10-11
F=+0.1631x10-13
표면(53)에 대한 계수는 다음과 같다:
k=+0.0000
A=-0.5302x10-4
B=+0.8782x10-6
C=+0.7761x10-7
D=-0.1700x10-8
E=-0.1965x10-9
F=+0.6903x10-11
초점 위치 F1에서 줌 위치 Z1-Z8에 대해 렌즈 시스템(80)의 초점 거리는 6.0003, 7.6131, 11.4304, 15.2474, 19.1105, 30.4619, 41.4244 및 44.9809 이다.줌 위치(Z1-Z8)에 대한 대응 F 넘버는 2.80, 2.90, 3.05, 3.25, 3.45, 3.70, 3.95 및 4.00 이다.
초점 위치 F1 에 대하여 물체면은 무한대에 있는 것으로 가정되고, F2에 대하여 물체면은 약 1016.25mm 의 중간 거리에 있고, F3 에 대해 물체면은 약 378.75 mm(즉, 이미지면으로부터 378.75 mm 떨어짐)의 근접 거리에 있다. 렌즈 그룹(81, 84, 86 및 91)은 줌 렌즈 그룹(82)의 완전한 범위의 이동을 통해 동일 위치를 보유한다.
도 8a, 8b 및 8c는 예시적 줌 및 초점 위치를 보이는 렌즈 시스템(80)의 광 다이어그램이다. 도 8a에서 렌즈 시스템(80)은 초점 위치 F1(물체면이 무한대에 있음)와 줌 위치 Z1(F 넘버는 2.80임)에 대해 배치된다. 도 8b에서 렌즈 시스템(80)은 초점 위치 F2(물체면은 약 1016.25 mm)와 줌 위치 Z3(F 넘버는 3.05임)에 대해 배치된다. 도 8c에서 렌즈 시스템(80)은 초점 위치 F3(물체면은 378.75 mm에 있음)와 줌 위치 Z8(F 넘버는 4.00 임)에 대해 배치된다.
표 6은 초점 위치 F1-F3와 줌 위치 Z1-Z8에 대해 렌즈 그룹(81)의 마지막 렌즈 표면과 렌즈 그룹(82)의 첫번째 렌즈 표면에 대한 분리값(separation value)을 제공한다.
81과 82 사이의 분리값(Separation Values Between 81 and 82)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 0.0832 5.7132 13.7126 18.4633 21.6974 27.4007 30.5400 31.3096
F2 0.0902 5.7486 13.6468 18.3289 21.5154 27.0776 30.0174 30.7361
F3 0.0750 5.6942 13.4674 18.1217 21.3355 26.7467 29.5798 30.2701
표 7은 초점 위치 F1-F3와 줌 위치 Z1-Z8에 대해 렌즈 그룹(82)의 마지막 렌즈 표면과 조리개에 대한 분리값(separation value)을 제공한다.
82와 83 사이의 분리값(Separation Values Between 82 and 83)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 31.5294 25.8992 17.8996 13.1486 9.9140 4.2101 1.0701 0.3000
F2 31.5178 25.8581 17.9590 13.2762 10.0892 4.5268 1.5870 0.8729
F3 31.5324 25.9120 18.1380 13.4831 10.2689 4.8577 2.0248 1.3384
표 8은 렌즈 시스템(80)의 초점 위치(F1-F3) 및 줌 위치(Z1-Z8)에 대한 조리개의 지름을 제공한다.
조리개 지름(Iris Diameter)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 6.8689 6.5249 6.0962 5.6645 5.3219 4.9624 4.6915 4.6532
F2 6.8405 6.5175 6.0861 5.6557 5.2920 4.8816 4.5571 4.5206
F3 6.8181 6.5033 6.0661 5.6219 5.2403 4.7783 4.4132 4.3444
표 9-13은 렌즈 시스템(80)의 초점 위치(F1-F3) 및 줌 위치(Z1-Z8)에 대한 리퀴드 렌즈 셀(85, 87, 88, 89 및 90)의 곡률 반경을 제공한다.
리퀴드 렌즈 셀 85의 곡률(Liquid Lens Cell 85 Curvature)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 -33.9902 -40.9700 -60.9667 -84.8892 -106.7630 -101.7297 -58.3998 -48.6792
F2 -34.3890 -42.0587 -65.5384 -101.1799 -154.9184 -370.2777 -263.5374 -212.3139
F3 -35.0134 -43.6001 -72.6330 -133.7178 -351.2333 214.4454 125.5481 115.8049
리퀴드 렌즈 셀 87의 곡률(Liquid Lens Cell 87 Curvature)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 102.5591 118.4781 117.4984 114.8844 103.1855 99.1788 111.2567 118.9702
F2 116.0979 120.8199 118.4138 110.3387 105.4622 105.8294 116.9056 104.4870
F3 125.4857 126.5081 134.1777 117.6565 117.0787 126.2995 145.9466 152.4400
리퀴드 렌즈 셀 88의 곡률(Liquid Lens Cell 88 Curvature)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 93.9427 107.5303 107.7701 106.8706 97.5084 95.8461 104.8436 108.5809
F2 102.4836 107.8382 106.2717 100.5026 97.6282 101.0075 111.6798 104.0436
F3 111.5822 110.9116 94.5008 101.6873 102.7035 119.1600 146.3138 155.5935
리퀴드 렌즈 셀 89의 곡률(Liquid Lens Cell 89 Curvature)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 113.3675 92.6206 99.3336 104.1798 122.1950 118.7964 88.3338 79.6583
F2 94.2380 92.5926 101.7948 117.8766 130.3253 125.2099 101.0682 112.6550
F3 85.9634 91.2575 109.5104 120.2033 127.2392 108.9338 88.7114 84.6877
리퀴드 렌즈 셀 90의 곡률(Liquid Lens Cell 90 Curvature)
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8
F1 92.0520 81.7616 88.9468 96.1130 117.8374 119.5041 86.4587 76.4900
F2 81.8570 81.1371 90.3718 106.1190 118.5283 118.2341 94.7431 108.6137
F3 75.0422 77.4766 87.3137 98.8610 104.4282 100.8203 87.2180 83.8997
표 9 내지 13에서 제공된 값은 이미지가 안정적이고 지터에 대한 보정이 필요하지 않은 경우에 대한 조건이다. 지터가 검출되었을 때, 리퀴드 렌즈 셀에 대한 곡률 반경은 보상되도록 조정된다. 표 14는 예를 들어 x 방향으로 -0.5000 도 및 0.5000 도 그리고 y 방향으로 0.4500 도와 -0.4500 도로 오프셋된 렌즈 시스템(80)의 초점 위치(F2)와 줌 위치(Z8)에서 리퀴드 렌즈 셀(85, 87, 88, 89 및 90)에 대한 곡률반경을 제공한다.
줌 위치 8과 초점 위치 2에서 리퀴드 렌즈 셀 안정화( Liquid Lens Cell Stabilization at Zoom Position 8 and Focus Position 2)
y offset (degrees) x offset (degrees) Curvature 85 Curvature 87 Curvature 88 Curvature 89 Curvature 90
+0.5000 0.0000 -212.3139 58.4594 -275.2157 88.1999 78.5201
-0.5000 0.0000 -212.3139 -3112.4429 45.3929 109.7978 121.1403
0.0000 +0.4500 -212.3139 128.0860 193.7925 40.6736 -1791.4629
0.0000 -0.4500 -212.3139 84.8003 101.7532 -191.6639 43.2782
도 9a, 9b, 9c 및 9d 는 표 14에서 도시된 바와 같이 배치된 렌즈 시스템(80)의 광 다이어그램이다. 도 9a는 y방향으로 +0.5000도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다. 도 9b는 y방향으로 -0.5000도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다. 도 9c는 x방향으로 +0.4500도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다. 도 9d는 x방향으로 -0.4500도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다.
표 15는 예를 들어 x 방향으로 +1.5000 도 및 -1.5000 도 그리고 y 방향으로 +1.2200 도와 -1.2200 도로 오프셋된 렌즈 시스템(80)의 초점 위치(F1)와 줌 위치(Z4)에서 리퀴드 렌즈 셀(85, 87, 88, 89 및 90)에 대한 곡률반경을 제공한다.
줌 위치 4와 초점 위치 1에서 리퀴드 렌즈 셀의 안정화(Liquid Lens Cell Stabilization at Zoom Position 4 and Focus Position 1)
y offset (degrees) x offset (degrees) Curvature 85 Curvature 87 Curvature 88 Curvature 89 Curvature 90
+1.5000 0.0000 -84.8892 51.5591 -271.8934 143.7170 72.8023
-1.5000 0.0000 -84.8892 -762.4547 42.5943 103.3767 143.1168
0.0000 +1.2200 -84.8892 140.6245 113.4484 43.9052 -341.3372
0.0000 -1.2200 -84.8892 86.3979 81.3499 -145.4669 46.5625
도 10a, 10b, 10c 및 10d 는 표 15에서 도시된 바와 같이 배치된 렌즈 시스템(80)의 광 다이어그램이다. 도 10a는 y방향으로 -1.5000도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다. 도 10b는 y방향으로 +1.5000도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다. 도 10c는 x방향으로 +1.2200도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다. 도 10d는 x방향으로 -1.2200도 오프셋된 이미지 안정화를 도시한다.
표 5 내지 15에서 주어진 리퀴드 렌즈 셀 데이터의 광 파워와 초점 거리 범위는 다음과 같다: 첫번째 셀(85)은 네거티브 내지 포지티브로서 -185.198 mm 내지 +630.972 mm, 두번째 셀(87)은 포지티브 내지 네거티브로서 +280.924 mm 내지 -4154.291 mm, 세번째 셀(88)은 포지티브 내지 네거티브로서 +232.078 mm 내지 -1481.432 mm, 네번째 셀(89)은 포지티브 내지 네거티브로서 +221.613 mm 내지 -792.587 mm 이고 다섯번째 셀(90)은 포지티브 내지 네거티브로서 +235.804 mm 내지 -1859.801 mm이다.
렌즈 시스템(80)의 광 성능은 도 11a -11c, 12a-12d, 및 13a-13d에서 주어진다. 도 11a-11c 는 도 8a-8c에서 도시된 광 배치에 대응한다. 도 12a-12d는 도 9a-9d에 도시된 광 배치에 대응한다. 도 13a-13d는 도 10a-10d에 도시된 광 배치에 대응한다.
회절에 기초한 다색 모듈레이션 전송 함수(MTF) 데이터(모듈레이션 대 공간 주파수)는 표 5에 보인 줌 및 초점 위치의 세 가지 상이한 조합, 즉 각 예를 대표하는 (Z1, F1), (Z3, F2) 및 (Z8, F3)에서 다섯 개의 상이한 필드 위치를 백분율(%)로 보인다. 다섯개의 필드 위치(축과 네 개의 코너)는 각도로 x-y 필드에서 보인다. MTF 백분율은 도 11a-11c, 12a-12d 및 13a-13d 의 위쪽 오른 코너에서 보인 파장과 웨이팅에서이며, 이미지면(92)에서, x 및 y 측정 방향으로 그래프로 보인다.
렌즈 시스템(80)은 중심이 벗어난 리퀴드 렌즈 셀로 인해 약간 비대칭인 약간 증가된 전체 필드 왜곡을 가진 렌즈 시스템(60)에 대해 주어진 것과 같은 유사한 왜곡 특성을 가진다. 렌즈 시스템(80)은 실질적으로 비네팅이 없고, 대응하는 상대 조명은 매우 높으며 렌즈 시스템(60)에 대해 주어진 것과 유사하다. 렌즈 시스템(80)은 렌즈 시스템(60)에 주어진 것과 실질적으로 유사한 브리딩(breathing) 특성을 가진다.
도시된 최대 공간 주파수는 주어진 이미지 지름이 약 6mm 에서 60 cycles/mm 이며, 검출기 픽셀 크기의 선택은 적어도 대략 표준 화질 텔레비전(SDTV; Standard Definition Television)의 해상도, 즉 수평으로 720 픽셀과 수직으로 480 픽셀까지 높은 품질의 이미지를 제공할 수 있다. 긴 초점거리에서, 근접 초점 위치(Z8, F3)는 먼 거리 및 중간 거리 위치, F1과 F2보다 실제 일반적으로 덜 중요하며, 광 성능(MTF)은 도 11c,에서 약 55% 까지 감소한다. 하지만, 더 큰 거리와 안정화 작동의 상황에서, 광 성능(MTF)은 약 60% 이상 유지된다. 이동가능한 렌즈 그룹(82)은 안정화 동안 축방향으로 이동할 수 있고, 리퀴드 렌즈 셀의 가변적인 곡률 반경은 안정화 동안 독립적으로 변하며, HDTV 해상도에 거의 등가인 90 cycles/mm 를 초과하거나 이에 도달할 정도로 광 성능을 실현할 수 있다.
도 12a-12d 는 도 9a-9d 에 도시된 광 배치에 대응한다.
도 13a-13d 는 도 10a-10d 에 도시된 광 배치에 대응한다.
도 7-10에 도시된 실시예는 초점, 줌 및 열 보상을 위한 리퀴드 렌즈 셀(85)을 이용한다; 리퀴드 렌즈 셀(87 및 88)은 주로 y 방향으로 벗어난 입사 광선의 안정화를 위한 것이다; 리퀴드 렌즈 셀(89 및 90)은 주로 x 방향으로 벗어난 입사 광선의 안정화를 위한 것이다. 이동가능한 렌즈 그룹(82)은 주로 줌밍을 제공한다. 다른 실시예에서, 리퀴드 렌즈 셀(85)은 시스템으로부터 제거될 수 있고, 잔여 리퀴드 렌즈 셀(87, 88, 89 및 90)은 줌밍, 포커싱 및 안정화를 제공할 수 있다. 리퀴드 렌즈 셀(85)는 논-리퀴드(non-liquid) 렌즈 소자로 대치될 수 있다. 또한 이동가능한 렌즈 그룹(82)은 안정화 동안 축방향으로 움직일 수 있고, 모든 리퀴드 렌즈 셀의 가변적인 곡률 반경은 안정화 또는 둘 다에서 변할 수 있다. 이는 렌즈 시스템(80)의 광 성능을 향상시킬 수 있고, 특히 안정화 동안 시야각의 코너에서 그러하다.
두 쌍의 리퀴드 렌즈 셀을 사용하는 대신, 렌즈 시스템(80)은 단일 방향으로 안정화를 제공하기 위해 한 쌍의 리퀴드 렌즈 셀을 채용할 수 있다. 예를 들어, 수평방향의 지터가 더 양호하게 허용가능한 반면 수직 지터를 감소시키는 것이 바람직하다.
광축으로부터 리퀴드 렌즈 셀의 오프셋 크기는, 어느 정도까지 리퀴드 렌즈 셀에 의해 제공될 수 있는 안정화의 양을 결정한다. 하지만, 효과적인 개구 지름은 리퀴드 렌즈 셀이 광축으로부터 멀어질 때 감소한다. 일 실시예에서, 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍은 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍에 대한 오프셋과 상이한 양 만큼 광축으로부터 오프셋된다. 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍은 증가된 오프셋으로 인해 수직 방향으로 더 큰 안정화를 제공할 수 있는 반면, 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍은 광축으로부터 감소된 오프셋 때문에 수평방향으로 더 큰 개구를 제공하지만 안정화는 덜 제공한다.
다양한 형태의 센서는 렌즈 시스템의 움직임을 검출하도록 사용될 수 있다. 예를 들어 각속도 센서, 압전 자이로 센서(piezoelecric gyro sensor), 가속도 센서 또는 광 검출 센서는 움직임을 검출하도록 사용될 수 있다. 미국 특허 No.6,992,700은 여기서 전체로 참조로 통합되며, 움직임을 검출하는 시스템의 예를 개시한다.
움직임 센서는 리퀴드 렌즈 셀(85, 87, 88, 89 및 90)에 대한 적합한 곡률 반경을 결정하는 제어기에 대한 정보를 제공한다. 제어기는 또한 렌즈 그룹(82)에 대한 적합한 위치를 결정한다. 미국 특허출원 공개공보 2006/0045504는 여기에 전체로서 참조로 통합되고, 렌즈 시스템의 제어를 개시한다. 미국 특허 6,987,529는 여기에 전체로서 참조로 통합되고, 렌즈 시스템의 제어를 위한 다른 예를 개시한다.
리퀴드 렌즈 셀 반지름을 제어하기 위한 적절한 전자 신호 레벨은 미리 결정되거나 룩업 테이블에서 위치할 수 있다. 대체적으로, 아날로그 회로 또는 회로의 조합 및 룩업 테이블은 적절한 신호 레벨을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 다항식이 적합한 전자 신호 레벨을 결정하기 위해 사용된다. 다항식에 따른 점은 룩업 테이블에 저장되거나 다항식이 회로에 실행될 수 있다.
비록 도면이 줌 렌즈에 대한 이미지 안정화를 도시하지만, 이미지 안정화는 고정 초점 렌즈, 줌 렌즈, 애너모픽 렌즈(anamorphic lens), 광선 시스템 등과 같은 광학적 광선 제어 장치에도 응용가능하다.
리퀴드 렌즈 셀은 안정화를 달성하기 위해 다른 광학 소자와 결합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 리퀴드 렌즈 셀은 안정화 성능을 향상시키기 위해 프리즘과 함께 쌍을 이룰 수 있다. 렌즈 소자의 이동은 센서 상의 이미지 위치의 이동, 센서 상의 이미지의 기울어짐 또는 중심을 이탈한 이동의 결과를 낳을 수 있다. 리퀴드 렌즈 셀은 센서상의 이미지 기울어짐을 보상하기 위해 사용될 수 있고, 다른 렌즈 소자는 중심을 벗어난 이동 또는 기울어짐과 중심을 벗어남 둘 다에 대한 보상을 할 수 있다. 센서는 추가 픽셀을 가질 수 있으며, 움직임 검출 알고리즘, 가속도계 또는 자이로스코프는 픽셀 상의 이미지 위치를 결정하여 이미지 이동에 대한 보상을 할 수 있다.
다양한 변화와 수정이 당업자에게 자명한 것을 유의한다. 상기 변화와 수정은 부가된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100 카메라
102 줌 렌즈
104 렌즈 제어 모듈
106 이미지 캡쳐 모듈
108 이미지 저장 모듈
110 이미지 전송 모듈

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  27. 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 - 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 내의 각 리퀴드 렌즈 셀은 공통 축으로부터 상기 공통 축에 수직인 제1축을 따라 오프셋된 광축을 가지고, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 내의 리퀴드 렌즈 셀들은 상기 공통 축을 따라 서로 오프셋되고, 상기 제1쌍의 제1 리퀴드 렌즈 셀의 광축의 오프셋은 상기 제1축에 따르는 제1 방향이고, 상기 제1쌍의 제2 리퀴드 렌즈 셀의 광축의 오프셋은 상기 제1축에 따르는 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향임 -;
    리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 - 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 각 리퀴드 렌즈 셀은 공통 축으로부터 상기 공통 축에 수직인 제2축을 따라 오프셋된 광축을 가지고, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 리퀴드 렌즈 셀들은 상기 공통 축을 따라 서로 오프셋되고, 상기 제2쌍의 제1 리퀴드 렌즈 셀의 광축의 오프셋은 상기 제2축에 따르는 제1 방향이고, 상기 제2쌍의 제2 리퀴드 렌즈 셀의 광축의 오프셋은 상기 제2축에 따르는 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향이며, 상기 제1축 및 상기 제2축은 상이한 방향들로 연장하고, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 각 리퀴드 렌즈 셀은 콘택팅 리퀴드들 및 상기 콘택팅 리퀴드들 사이의 가변적인 형태를 가지는 콘택팅 표면을 포함함 -;
    적어도 하나의 렌즈 소자의 움직임을 검출하도록 구성된 센서; 및
    상기 적어도 하나의 렌즈 소자의 움직임을 보상하고 이미지 측 공간(side space)으로 전달되는 광선에 의해 형성되는 이미지의 안정화를 제공하기 위해, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 리퀴드 렌즈 셀들의 상기 콘택팅 표면들의 형태를 변화시키도록 구성된 제어기
    를 포함하는, 이미지 안정화 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1쌍의 상기 오프셋의 상기 방향으로 이미지 안정화를 제공하기 위해 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 내의 상기 리퀴드 렌즈 셀들의 상기 콘택팅 표면들의 형태를 변화시키도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 제2 쌍의 상기 오프셋의 상기 방향으로 이미지 안정화를 제공하기 위해 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 상기 리퀴드 렌즈 셀들의 상기 콘택팅 표면들의 형태를 변화시키도록 구성되는, 이미지 안정화 시스템.
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  35. 공통 축을 따라 서로 오프셋되고, 상기 공통 축에 평행하지 않은 제1 방향을 따라 서로 오프셋된, 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍;
    상기 공통 축을 따라 서로 오프셋되고, 상기 공통 축에 평행하지 않은 제2 방향을 따라 서로 오프셋된, 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 - 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 각각의 상기 공통 축으로부터의 오프셋은 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 각각의 상기 공통 축으로부터의 오프셋과 상이한 방향이고, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 각각의 상기 공통 축으로부터의 상기 오프셋의 크기는 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 각각의 상기 공통 축으로부터의 상기 오프셋의 크기보다 더 크고, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 각 리퀴드 렌즈 셀은 콘택팅 리퀴드들 및 상기 콘택팅 리퀴드들 사이의 가변적인 형태를 가지는 콘택팅 표면을 포함함 -;
    적어도 하나의 렌즈 소자의 움직임을 검출하도록 구성된 센서; 및
    상기 적어도 하나의 렌즈 소자의 움직임을 보상하고 이미지 측 공간(image side space)으로 전달되는 광선에 의해 형성되는 이미지의 안정화를 제공하기 위해, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 리퀴드 렌즈 셀들의 상기 콘택팅 표면의 형태를 변화시키도록 구성된 제어기
    를 포함하는, 이미지 안정화 시스템.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 안정화 영역은 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 안정화 영역보다 두 배 이상 큰, 이미지 안정화 시스템.
  37. 제27항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 안정화 영역은 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 안정화 영역보다 두 배 이상 큰, 이미지 안정화 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 안정화 영역은 ±1/4 영상 반 높이(half height) 이하이고, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 안정화 영역은 ±1/8 영상 반 폭(half width) 이하인, 이미지 안정화 시스템.
  39. 제27항에 있어서,
    상기 이미지는 이미지면(image plane) 내에서 안정화되는, 이미지 안정화 시스템.
  40. 제27항에 있어서,
    상기 공통 축으로 정렬된 광축을 가지는 제1 정적 대물렌즈 그룹을 더 포함하고, 상기 제1 정적 대물렌즈 그룹은 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 물체 측 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 물체 측에 있는, 이미지 안정화 시스템.
  41. 제27항에 있어서,
    상기 공통 축으로 정렬된 광축을 가지는 제1 이동 렌즈 그룹을 더 포함하고, 상기 제1 이동 렌즈 그룹은 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 물체 측 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 물체 측에 있는, 이미지 안정화 시스템.
  42. 제27항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 물체 측 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 물체 측에 조리개(iris)를 더 포함하는, 이미지 안정화 시스템.
  43. 제27항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 내의 각 리퀴드 렌즈 셀의 상기 광축은 상기 공통 축에 대해 기울어진, 이미지 안정화 시스템.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 각 리퀴드 렌즈 셀의 상기 광축은 상기 공통 축에 대해 기울어진, 이미지 안정화 시스템.
  45. 제27항에 있어서,
    상기 제1축 및 상기 제2축은 서로 수직인, 이미지 안정화 시스템.
  46. 제35항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 방향에 평행한 축을 따라 이미지 안정화를 제공하기 위해 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍 내의 리퀴드 렌즈 셀들의 상기 콘택팅 표면들의 형태를 변화시키도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 제2 방향에 평행한 축을 따라 이미지 안정화를 제공하기 위해 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍 내의 리퀴드 렌즈 셀들의 상기 콘택팅 표면들의 형태를 변화시키도록 구성되는, 이미지 안정화 시스템.
  47. 제36항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 상기 안정화 영역은 ±1/4 영상 반 높이(half height) 이하이고, 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 상기 안정화 영역은 ±1/8 영상 반 폭(half width) 이하인, 이미지 안정화 시스템.
  48. 제35항에 있어서,
    상기 이미지는 이미지면(image plane) 내에서 안정화되는, 이미지 안정화 시스템.
  49. 제35항에 있어서,
    상기 공통 축으로 정렬된 광축을 가지는 제1 정적 대물렌즈 그룹을 더 포함하고, 상기 제1 정적 대물렌즈 그룹은 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 물체 측 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 물체 측에 있는, 이미지 안정화 시스템.
  50. 제35항에 있어서,
    상기 공통 축으로 정렬된 광축을 가지는 제1 이동 렌즈 그룹을 더 포함하고, 상기 제1 이동 렌즈 그룹은 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 물체 측 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 물체 측에 있는, 이미지 안정화 시스템.
  51. 제35항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍의 물체 측 및 상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍의 물체 측에 조리개(iris)를 더 포함하는, 이미지 안정화 시스템.
  52. 제35항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제1쌍은 상기 공통 축에 대해 기울어진, 이미지 안정화 시스템.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 리퀴드 렌즈 셀의 제2쌍은 상기 공통 축에 대해 기울어진, 이미지 안정화 시스템.
  54. 제35항에 있어서,
    상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 서로 수직인 축들에 대응하는, 이미지 안정화 시스템.
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