KR101675108B1 - 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

가변 초점 렌즈 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법에 의해 제공되는 가변 초점 렌즈는 투광성 기판, 투광성 기판 상에 광학 유체가 채워질 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임, 복수의 홀이 형성되고, 스페이서 프레임에 인접 배치된 고정 프레임, 고정 프레임의 일면에 형성된 광학 멤브레인과 액츄에이터를 포함한다. 고정 프레임은 광학 유체에 압력을 가하는 액츄에이터와 광학 유체의 유동에 의해 변형되는 광학 멤브레인을 지지한다.

Description

가변 초점 렌즈 및 그 제조방법{Varifocal lens and method for manufacturing the same}
개시된 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법은, 웨이퍼 상에서 제작 가능한 구조를 가지며 카메라 모듈 등의 전자 기기에 적용될 수 있는 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
무선 휴대통신기기는 단순한 전화 및 메시지 전달의 기능을 넘어, 카메라, 게임, 음악 재생, 방송, 인터넷 등의 다양한 기능을 포함하는 다목적 전자기기로 발전하고 있다. 이와 더불어 점점 더 작은 공간에 많은 기능 요소들을 집적해 넣기 위한 시도가 이루어 지고 있는데, 크기를 감소시키기가 가장 힘든 모듈 중의 하나가 카메라 모듈이다. 더 나은 영상을 얻기 위해 자동초점, 손 떨림 방지, 줌 등의 기능을 구현하는 요소들을 계속적으로 추가해야 하므로, 결상 광학계의 크기를 줄이는 것은 한계가 있다.
기존 카메라에서 자동초점 기능을 구현하기 위한 대표적인 방법으로는 스텝 모터(step motor)를 사용하는 방법, 보이스 코일 모터(voice coil motor, VCM)를 사용하는 방법, 액체렌즈를 사용하는 방법등이 있다. 상기 방법들 중 스텝 모터나 보이스 코일 모터를 사용하는 방법은 크기의 제약 때문에, 모바일 기기에 적용하기에 어려움이 있으며, 또한, 일괄공정으로 제작하기에도 어려움이 있다. 액체렌즈를 사용하는 방법에 있어서도, 광학 성능을 보장하면서도 그 크기를 줄일 수 있는 설계가 필요하다.
상술한 필요성에 따라 본 발명의 실시예들은 광학 성능의 향상과 소형화에 적합한 구조를 갖는 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 투광성 기판; 상기 투광성 기판 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임; 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 상기 제1면이 상기 스페이서 프레임에 인접하게 배치되는 고정 프레임; 상기 고정 프레임의 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지며 상기 제1면과 마주하게 배치된 광학 멤브레인; 상기 내부 공간을 채우는 광학 유체; 상기 고정 프레임에 고정되게 상기 광학 유체에 압력을 인가하여 상기 렌즈면의 형상을 변화시키는 액츄에이터;를 포함한다.
상기 스페이서 프레임은 상기 투광성 기판의 가장자리를 측벽으로 둘러싸며, 하나의 내부 공간을 형성하는 형태로 마련될 수 있다.
상기 관통홀은 복수의 관통홀로 구성되고, 상기 복수의 관통홀은 상기 렌즈홀의 주위로 형성될 수 있다.
상기 액츄에이터는 상기 복수의 관통홀을 밀봉하는 형태로 마련되는 폴리머 액츄에이터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제2면에 형성되고, 상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 고정 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고, 상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고, 상기 광학 멤브레인은 상기 스페이서 프레임 상에 상기 광학 유체가 채워진 내부 공간을 봉하는 형태로 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈는, 소정의 초점 거리를 가지는 결상 광학계에 부가되어 전체 초점거리를 조절하는 가변 초점 렌즈에 있어서, 투광성 기판; 상기 투광성 기판 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임; 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 상기 제1면이 상기 스페이서 프레임에 인접하게 배치되는 고정 프레임; 상기 고정 프레임의 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지며 상기 제1면과 마주하게 배치된 광학 멤브레인; 상기 내부 공간을 채우는 광학 유체; 상기 관통홀을 통해 상기 광학 유체에 압력을 인가하여 상기 렌즈면의 형상을 변화시키는 액츄에이터;를 포 함하며, 상기 결상 광학계로부터의 광이 입사되는 입사 개구가 A, 화각이 2ω, 상기 결상 광학계로부터 상기 렌즈면까지의 거리가 d일 때, 상기 렌즈홀의 직경 D는 다음 식을 만족한다.
<식>
D ≥ A+2d·tanω
본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법은 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 고정 프레임을 형성하고, 상기 제1면에 상에, 상기 고정 프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계; 상기 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지는 광학 멤브레인을 상기 제2면 상에 형성하는 단계; 상기 폴리머 액츄에이터, 고정 프레임, 광학 멤브레인과 함께 소정 내부 공간을 형성하도록 스페이서 프레임을 형성하는 단계; 상기 내부 공간을 광학 유체로 채우는 단계; 상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법은 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 고정 프레임을 형성하고, 상기 제1면에 상에, 상기 고정 프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계; 상기 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지는 광학 멤브레인을 상기 제1면 상에 형성하는 단계; 상기 폴리머 액츄에이터, 광학 멤브레인과 함께 소정 내부 공간을 형성하도록 스페이서 프레임을 형성하는 단계; 상기 내부 공간을 광학 유체로 채우는 단계; 상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판 을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법은 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성된 고정 프레임을 형성하고, 상기 고정 프레임 상에 상기 고정프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계; 서로 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 광학 멤브레인을 준비하고, 상기 제1면 상에 상기 광학 멤브레인의 가장자리를 측벽으로 둘러싸는 형태의 스페이서 프레임을 형성하여 내부 공간을 형성하는 단계; 상기 내부 공간에 광학 유체를 주입하는 단계; 상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판을 형성하는 단계; 상기 폴리머 액츄에이터가 형성된 고정 프레임을 상기 광학 멤브레인의 제2면에 부착하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈는 렌즈 두께를 형성하는 광학 유체의 두께를 줄일 수 있는 구조를 제시한다. 이에 의해, 양호한 광학 성능을 유지하면서도 렌즈 직경을 보다 작게 형성할 수 있어, 전체 소자 크기가 작아져 대량 생산에 유리하다. 또한, 고정 프레임이 광학 멤브레인을 외부에서 지지하는 구조로서 접합부의 신뢰성이 높다.
본 발명의 실시예에 의한 제조방법은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈를 제공하며, 또한, 폴리머 액츄에이터를 고정 프레임 상에 직접 형성한다는 점에서 제조공정이 보다 용이하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 구조를 보이는 분리 사시도, 부분 절개 사시도 및 단면도이다.
도면들을 참조하면, 가변 초점 렌즈(100)는 투광성 기판(110), 투광성 기판(110) 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임(120), 복수의 홀(HL, HT)이 형성된 고정 프레임(160), 고정 프레임(160)과 스페이서 프레임(120) 사이에 마련되고 렌즈면(140a)을 가지는 광학 멤브레인(140), 상기 내부공간을 채우는 광학 유체(170), 고정 프레임(160)의 홀을 통해 광학 유체(170)에 압력을 인가하여 렌즈면(140a)의 형상을 변화시키는 액츄에이터(180)를 포함한다.
투광성 기판(110)은 광을 투과시키는 투명 또는 반투명의 재질로 형성되며, 예를 들어, 글래스 기판이 채용될 수 있다.
스페이서 프레임(120)은 투광성 기판(110) 상에 내부 공간을 형성할 수 있는 형태로 마련되며, 도시된 바와 같이 투광성 기판(110)의 가장자리 쪽을 측벽으로 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 이러한 구조에 의해, 상기 내부 공간은 하나의 공간으로 형성되어, 내부 공간이 광학 유체로 채워지고 액츄에이터(180)의 압력에 의해 렌즈면(140a)이 변형될 때, 광학 유체의 이동이 동일한 공간에서 일어난다. 즉, 기존의 구조에서 별개로 마련되는 유실과 렌즈실이 실시예에서는 물리적으로 구분 되지 않는 형태이다. 스페이서 프레임(120)은 광학 유체(170)의 렌즈면(140a)까지의 두께를 형성하기 위해 마련되는 것으로, 즉, 스페이서 프레임(120)의 두께에 따라 렌즈 두께가 정해진다. 따라서, 정교한 외곽 형상이 요구되는 것은 아니므로, 실리콘 재질이 아닌 다른 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 두께를 비교적 자유롭게 정할 수 있다.
고정 프레임(160)은 액츄에이터(180)와 광학 멤브레인(140)의 변형을 지지하기 위해 액츄에이터(180)에 고정되게 마련되는 것으로, 예를 들어, 실리콘 재질로 형성되며, 복수의 홀(HL, HT)을 포함한다. 복수의 홀은 렌즈홀(HL)과 렌즈홀(HL) 주변에 형성된 관통홀(HT)을 포함한다. 렌즈홀(HL)은 광학 멤브레인(140)의 렌즈면(140a)에 대응하는 영역으로, 액츄에이터(180)가 광학 유체(170)에 압력을 가할 때, 렌즈면(140a)의 형상이 변할 수 있는 공간을 제공한다. 관통홀(HT)은 액츄에이터(180)의 작동시 이를 통해 광학 유체(170)에 압력을 인가하도록 마련되며, 도면에는 네 개로 도시되었으나 이는 예시적인 것이다.
광학 멤브레인(140)은 렌즈홀(HL)을 밀봉하는 렌즈면(140a)을 가지며, 고정 프레임(160)의 일면에 마련된다. 광학 멤브레인(140)은 예를 들어, 도시된 바와 같이 고정 프레임(160)의 렌즈홀(HL)을 밀봉하고 관통홀(HT)은 모두 오픈하는 형상으로 마련될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 관통홀(HT)의 일부만을 오픈하거나, 관통홀(HT)을 밀봉하는 형태로 마련되는 것도 가능하다. 광학 멤브레인(140)은 투명하며 탄성을 가지는 물질, 예를 들어, 실리콘 탄성중합체(elastomer)로 이루어질 수 있다. 또한, 내구성 및 유연성이 우수한 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane;PDMS)이 채용될 수 있다. 광학 멤브레인(140)의 렌즈면(140a)에는 또한 반사방지 코팅층 및 적외선 차단 코팅층 등과 같은 기능성 코팅층 또는 보호층이 더 형성될 수도 있다.
액츄에이터(180)는 관통홀(HT)을 통해 광학 유체(170)에 압력을 인가하도록 마련되는 것으로, 통상적으로 사용되고 있는 다양한 방식의 액츄에이터가 사용될 수 있다. 본 실시예에서 액츄에이터(180)로는 두께가 매우 얇고 소비 전력이 작은 전기적 능동 폴리머(electro active polymer:EAP)로 이루어진 통상의 폴리머 액츄에이터가 사용될 수 있으며, P(VDF-TrFE_CFE), P(VDF-TrFE-CTFE)와 같은 혼성 중합체로 제작된 완화형 강유전성(relaxor ferroelectric) 폴리머 액츄에이터가 채용될 수 있다. 액츄에이터(180)는, 그 구성이 상세히 도시되지는 않았지만, 전압 인가에 따라 전왜 변형(electrostrictive strain)이 유발되어 인접한 광학 유체(170)에 압력을 인가하게 된다. 액츄에이터(180)는 복수의 관통홀(HT)을 통해 개별적으로 압력 인가 조절이 가능하도록 복수의 부분으로 나누어진 구성을 가지는 것도 가능하다.
본 실시예에서, 액츄에이터(180)는 관통홀(HT)을 밀봉하는 형태로 마련된 폴리머 액츄에이터(180)로서, 고정 프레임(160)의 다른 일면, 즉, 광학 멤브레인(140)이 마련된 면의 맞은편 면에 형성되어 있다. 이에 따라, 투광성 기판(110), 스페이서 프레임(120), 고정 프레임(160), 광학 멤브레인(140) 및 폴리머 액츄에이터(180)에 의해 형성된 공간이 유실(fluid chamber)(172)이 되며, 이 안에 광학 유체(170)가 채워진다. 광학 유체(170)로는 예를 들어, 실리콘 오일이 채용될 수 있다.
도면에서는 폴리머 액츄에이터(180)가 관통홀(HT)을 밀봉하는 형태로 마련되어 있지만, 이는 예시적인 것이고, 통상의 탄성막이 관통홀(HT)을 밀봉하고, 탄성막 위에 폴리머 액츄에이터(180)가 형성되는 구성도 가능하다.
본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)의 작용에 대해 단면도를 도시한 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
가변 초점 렌즈(100)의 초점 거리 변화는 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 이루어진다. 폴리머 액츄에이터(180)가 전압 인가에 따라 점선으로 나타난 바와 같이 아래로 만곡 변형될 때 광학 유체(170)에 유동이 형성되어 유실(172) 형상이 변화되며, 광학 멤브레인(140)의 렌즈면(140a) 부분이 볼록하게 변형된다. 이러한 변형이 일어날 때, 본 발명의 실시예의 가변 초점 렌즈(100)는 고정 프레임(160)이 광학 멤브레인(140)을 외부에서 지지하는 형태로, 광학 멤브레인(140)과 고정 프레임(160)의 접합부의 신뢰성이 보다 높은 구조가 된다.
렌즈면(140a)의 변형양은 폴리머 액츄에이터(180)의 변형과 광학 멤브레인(140)의 물성, 예를 들어, 영률(Young's modulus)과 포아송 비(Poisson's ratio)에 의해 정해진다. 렌즈면(140a)의 곡률은 광학 유체(170)의 굴절률과 함께 초점 거리를 변화시키는 요인이 되므로, 적절한 범위에서 초점 조절이 가능하도록 폴리머 액츄에이터(180)가 구동되도록 한다.
본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)는 단독으로 사용되는 것도 가능하지만, 소정 초점 거리를 가지는 결상 광학계에 부가되어 전체 초점거리를 조절할 수 있도록 사용될 수도 있다. 이 경우, 결상 광학계(미도시)로부터의 광이 가변 초점 렌즈(100)에 입사되는 입사 개구가 A, 화각이 2ω 결상광학계로부터 렌즈면(140a)까지의 거리가 d일 때, 가변 초점 렌즈(100)에서 렌즈 직경에 해당하는 길이 D는 다음 식을 만족하여야 한다.
D ≥ A+2d·tanω
여기서, 거리 d는 결상광학계에서 가변 초점 렌즈(100) 쪽 첫번째 광학요소로부터 렌즈면(140a)까지의 거리로서, 가변 초점 렌즈(100)의 두께 t가 커질수록 커진다. 가변 초점 렌즈(100)의 두께 t는 광학 유체(170)의 렌즈면(140a)까지의 두께로 정의된다. 본 발명의 실시예에서, 상기 두께 t는 스페이서 프레임(120)의 두께에 의해 정해지는데, 즉, 스페이서 프레임(120)의 두께를 작게 형성할수록 렌즈 직경 D를 작게 하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)와의 비교예로서 도시한 도 4를 참조하면, 비교예의 가변 초점 렌즈(1)는 기판(10) 위에 형성된 고정 프레임(20), 고정 프레임(20)의 전면을 덮는 멤브레인(40)과 멤브레인(40) 상면에 마련된 액츄에이터(60)를 포함한다. 이와 같은 구조에서 가변 초점 렌즈(1)의 두께를 형성하는 광학 유체의 두께는 고정 프레임(20)의 두께에 의해 정해지는데, 고정 프레임(20)은 통상, 실리콘 기판으로 제조되어 그 두께가 적어도 300um 이상이 된다. 따라서, 이러한 구조의 가변 초점 렌즈(1)를 소정 초점 거리를 가지는 결상광학계에 부가하여 전체 초점 거리를 조절하고자 할 때, 상기 식 1에 나타난 거리 d를 줄이는데 한계가 있으며, 따라서, 렌즈 직경 D를 줄이는 데에도 한계가 있다.
이와 같이, 렌즈 두께를 줄이는 것은 식 1의 조건을 만족하는 렌즈 직경을 줄일 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 광학 성능의 면을 고려할 때도 렌즈 두께가 작은 경우, 동일한 광학 성능을 작은 렌즈 직경으로 구현하는 효과가 있으며, 이는 도 5의 그래프를 통해 알 수 있다.
도 5는 렌즈 직경과 공간 주파수의 관계를 비교예와 실시예에 대하여 도시한 그래프이다. 비교예의 렌즈 두께는 300um이며, 실시예의 렌즈 두께는 150um인 경우이다. 그래프는 0.7 필드(field) 기준으로 MTF(modulation transfer function) 30%가 되는 공간 주파수를 도시한 것으로, 실시예의 경우 공간 주파수가 보다 비교예의 경우보다 높게 나타남을 볼 수 있다. 예를 들어, 렌즈 두께가 작은 실시예의 경우, 동일한 공간 주파수를, 비교예보다 작은 렌즈 직경에서 구현하게 된다.
렌즈 직경을 줄이는 것은 전체 소자의 크기를 줄인다는 효과가 있으며, 이외에도, 중력에 의한 형상 에러를 줄이는 효과가 있다. 도 6은 렌즈 직경에 따른 형상 에러를 렌즈면(140a)을 형성하는 광학 멤브레인(140)의 두께(tm), 영률(E)의 몇가지 조합에 대하여 나타낸 그래프이다. 가변 초점 렌즈(100)가 사용될 때, 일반적으로, 도 3의 단면도에서의 측부, 즉, 좌측 또는 우측이 중력 방향이 된다. 이 경 우, 중력에 의한 광학 유체(170)의 유동은 렌즈면(140a) 형상의 왜곡을 일으킨다. 이러한 형상 에러(eshape)는 광학 멤브레인(140)의 최대 처짐 특성으로 다음과 같이 정의된다.
Figure 112009068190894-pat00001
여기서, ρ는 광학 유체(170)의 밀도, t는 광학 멤브레인(140)의 두께, E는 광학 멤브레인(140)의 영률(Young's modulus), D는 렌즈 직경, F는 로드 분포 계수(load-distribution factor)이다.
상기 식은 표면 장력이나 프리텐션(pretension)의 영향을 고려하지 않은 근사식이며, 도 6의 그래프들을 도시하기 위한 F 값의 계산을 위해 FEA(fine element analysis)전용 시뮬레이터를 사용하였다.
형상에러는 광학 유체(170)의 밀도(ρ), 광학 멤브레인(140)의 두께, 물성과 관련되며, 뿐만 아니라, 렌즈 직경에 크게 의존한다. 그래프를 참조하면, 예를 들어, 형상 에러를 2um 이하로 유지하고자 할 때, 렌즈 직경이 작을수록 보다 다양한 경우에서 이러한 조건이 구현될 수 있다. 렌즈 직경이 3.0mm인 경우, 세 경우, 즉, 멤브레인의 두께가 100um인 두 경우와 멤브레인의 두께가 75um이고 영률이 2MPa인 경우에만 형상 에러가 2um 이하로 구현되지만, 렌즈 직경이 1.6mm인 경우 도시된 모든 경우에 형상 에러가 2um이하가 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(200)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 가변 초점 렌즈(200)는 측면 프레임이 일체형으로 형성된 투광성 기판(130), 렌즈면(140a)을 가지는 광학 멤브레인(140), 고정 프레임(160) 및 폴리머 액츄에이터(180)를 포함한다. 본 실시예는 도 1 내지 도 3에서 설명한 실시예와 비교할 때, 스페이서 프레임(도 3의 120)이 투광성 기판(도 3의 110)에 일체형으로 형성된 구조인 점에서만 차이가 있다. 투광성 기판(130), 광학 멤브레인(140), 폴리머 액츄에이터(180)에 의해 형성된 공간이 유실(FC, fluid chamber)이 되고 여기에 광학 유체(170)가 채워지는 점, 측면 프레임의 두께에 따라 렌즈 두께가 정의되고 이에 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점 및 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 따라 렌즈면(140a)의 변형으로 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(300)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 본 실시예는 렌즈면(145a)을 가지는 광학 멤브레인(145)이 단지 고정 프레임(160)의 렌즈홀을 덮는 형상을 가지며, 스페이서 프레임(120)과 고정 프레임(160)의 접합면 쪽으로는 연장되어 있지 않다는 점에서만 도 1 내지 도 3의 실시예에서 설명한 구조와 차이가 있다. 이 경우, 렌즈 두께가 되는 광학 유체(170)의 두께는 스페이서 프레임(120)의 두께보다 작다. 이와 같이 정의되는 렌즈 두께에 따라 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점, 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 렌즈면(142a) 변형이 일어나고 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(400)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 본 실시예는 폴리머 액츄에이터(180)가 고정 프레임(160)에 형성된 면이 광학 멤브레인(142)이 고정 프레임(160)에 형성된 면과 동일한 면이라는 점에서 도 1 내지 도 3의 실시예에서 설명한 구조와 차이가 있다. 이 경우, 투광성 기판(110), 스페이서 프레임(120), 광학 멤브레인(142) 및 상기 폴리머 액츄에이터(180)에 의해 형성된 공간이 유실(FC)을 이루며, 여기에 광학 유체(170)가 채워진다. 스페이서 프레임(120)의 두께에 의해 렌즈 두께가 정의되고 이에 따라 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점, 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 렌즈면(142a) 변형이 일어나고 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다. 도면에서는 고정 프레임(160)의 일면 영역 중에서 폴리머 액츄에이터(180)가 형성되지 않은 영역에만 광학 멤브레인(140)이 형성된 것으로 도시되어 있지만, 폴리머 액츄에이터(180)의 일부나 전체를 덮는 형태로 형성되는 것도 가능하다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(500)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 본 실시예는, 광학 멤브레인(148)이 광학 유체(170)가 채워진 내부 공간을 봉하는 형태로 스페이서 프레임(120)상에 형성된 점에 도 9의 실시예와 차이가 있다. 이 경우, 투광성 기판(110), 스페이서 프레임(120), 광학 멤브레인(148)에 의해 형성된 공간이 유실(FC)을 이루며, 여기에 광학 유체(170)가 채워진다. 스페이서 프레임(120)의 두께에 의해 렌즈 두께가 정의되고 이에 따라 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점, 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 렌즈면(148a) 변형이 일어나고 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다..
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.
먼저, 도 11a와 같이, 고정 프레임(160)을 준비하고, 일면에 폴리머 액츄에이터(180)를 접합한다. 고정 프레임(160)은 복수의 관통홀을 가지는 형상으로, 예를 들어, 도 1에서 도시한 형상을 가질 수 있으며, 실리콘 기판에 통상의 식각 공정 또는 기계 가공 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 폴리머 액츄에이터(180)는 P(VDF-TrFE_CFE), P(VDF-TrFE-CTFE)와 같은 혼성 중합체로 제작된 완화형 강유전성(relaxor ferroelectric) 폴리머 액츄에이터가 될 수 있다.
다음, 도 11b를 참조하면, 고정 프레임(160)의 다른 일면에 광학 멤브레인(140)을 형성한다. 광학 멤브레인(140)은 투광성 탄성막으로서, 예를 들어, 실리콘 탄성중합체(elastomer)로 이루어질 수 있다. 또한, 내구성 및 유연성이 우수한 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane;PDMS)으로 이루어질 수 있다. 광학 멤브레인(140)은 고정 프레임(160) 상에 직접 접합 형성될 수 있는데, 이 경우 광학 멤브레인(140)이 고정 프레임(160)의 일면에 전체적으로 형성된 후, 폴리머 액츄에이터(180)와 마주하는 부분을 제거하는 단계를 거칠 수 있다.
다음, 도 11c와 같이, 유실(FC)이 형성되도록 스페이서 프레임(120)을 형성한다. 도면에서는 고정 프레임(160)과 스페이서 프레임(120) 사이에 광학 멤브레인(140) 일부가 개재된 것으로 도시되어 있으나, 광학 멤브레인(140)에서 렌즈면을 형성하는 영역 이외의 부분의 형상은 이와 다를 수 있고, 즉, 스페이서 프레임(120)과 고정 프레임(160)이 접합되는 영역 사이에 광학 멤브레인(140)이 없을 수도 있다. 스페이서 프레임(120)을 접합할 때, 진공 접합하거나 또는 접착 물 질(adhesive)를 사용할 수 있다. 스페이서 프레임(120)은 렌즈 두께를 형성하기 위해 마련되는 것으로, 정교한 외곽 형상이 요구되는 것은 아니다. 따라서, 실리콘 재질이 아닌 다른 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 두께를 비교적 자유롭게 정할 수 있다.
다음, 도 11d와 같이 광학 유체(170)로 유실(FC)을 채운다. 광학 유체(170)는 예를 들어, 실리콘 오일일 수 있다.
다음, 도 11e와 같이 투광성 기판(110)으로, 광학 유체(170)를 밀봉한다. 투광성 기판(110)을 광을 투과시키는 부재로서, 예를 들어, 글래스 기판이 될 수 있다.
상술한 단계들에 따라 본 발명의 실시예의 가변 초점 렌즈(100)가 제조된다.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.
먼저, 도 12a와 같이, 고정 프레임(160)을 준비하고, 일면에 폴리머 액츄에이터(180)를 접합한다. 고정 프레임(160)은 복수의 관통홀을 가지는 형상으로, 예를 들어, 도 1에서 도시한 형상을 가질 수 있으며, 실리콘 기판에 통상의 식각 공정 또는 기계 가공 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 폴리머 액츄에이터(180)는 P(VDF-TrFE_CFE), P(VDF-TrFE-CTFE)와 같은 혼성 중합체로 제작된 완화형 강유전성(relaxor ferroelectric) 폴리머 액츄에이터가 될 수 있다.
다음, 도 12b를 참조하면, 고정 프레임(160)의 일면에 광학 멤브레인(140)을 형성한다. 이 때, 고정 프레임(160)이 폴리머 액츄에이터(180)에 형성된 면과 동일 한 면에 광학 멤브레인(140)이 형성된다. 도면에서는 고정 프레임(160)의 일면 영역 중에서 폴리머 액츄에이터(180)가 형성되지 않은 영역에만 광학 멤브레인(140)이 형성된 것으로 도시되어 있지만, 폴리머 액츄에이터(180)의 일부나 전체를 덮는 형태로 형성되는 것도 가능하다. 광학 멤브레인(140)은 투광성 탄성막으로서, 예를 들어, 실리콘 탄성중합체(elastomer) 또는 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane;PDMS)으로 이루어질 수 있다.
다음, 도 12c와 같이, 유실(FC)이 형성되도록 스페이서 프레임(120)을 형성한다. 즉, 스페이서 프레임(120), 폴리머 액츄에이터(180) 및 광학 멤브레인(140)에 의해 형성되는 공간이 광학 유체가 채워질 유실(FC)이 된다. 스페이서 프레임(120)을 접합할 때, 진공 접합하거나 또는 접착 물질(adhesive)를 사용할 수 있다.
다음, 도 12d와 같이 광학 유체(170)로 유실(FC)을 채우고, 도 11e와 같이 투광성 기판(110)으로, 광학 유체(170)를 밀봉한다.
상술한 단계들에 의한 본 발명의 실시예의 가변 초점 렌즈(400)가 제조된다.
도 13a 내지 도 13d, 도 14a 및 14b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변초점렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.
먼저, 도 13a를 참조하면, 고정 프레임(160) 상에 폴리머 액츄에이터(180)를 형성한다. 고정 프레임(160)은 폴리머 액츄에이터(180)의 변형을 지지하기 위해, 폴리머 액츄에이터(180)에 고정되게 마련된다. 고정 프레임(160)은 렌즈홀과 복수의 관통홀을 가지는 형상으로, 예를 들어, 도 1에서 도시한 형상을 가질 수 있다.
도 13b를 참조하면, 광학 멤브레인(148)을 준비하고, 광학 멤브레인(148)의 가장자리를 측벽으로 둘러싸는 형태의 스페이서 프레임을 광학 멤브레인(148)의 일면에 부착하여 유실(FC)이 되는 내부 공간을 형성한다.
도 13c를 참조하면, 상기 내부 공간에 광학 유체(170)를 주입하고, 투광성 기판(110)을 스페이서 프레임(120)에 접합하여 광학 유체(170)를 밀봉한다.
도 13d를 참조하면, 폴리머 액츄에이터(180)가 형성된 고정 프레임(160)을 광학 멤브레인(148)의 다른 일면에 부착하여, 가변 초점 렌즈(500)가 제조된다.
상술한 도 13a 내지 도 13d의 각 단계의 순서는 예시적인 것이며, 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 14a와 같이, 광학 멤브레인(148)의 일면 상에 스페이서 프레임(120)을 부착하여 유실(FC)이 되는 내부 공간을 형성하고, 폴리머 액츄에이터(180)가 접합된 고정 프레임(160)을 광학 멤브레인(148)의 다른 일면에 접합한 후에, 도 14b와 같이 내부 공간을 광학 유체(170)로 채운 후 투광성 기판(110)을 스페이서 프레임(120)상에 형성하는 것도 가능하다.
이상, 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법에 의하면, 렌즈 직경을 줄이는 것이 용이하며 신뢰성이 높은 가변 초점 렌즈가 제공된다.
이러한 설명을 위하여 많은 것들이 예시되었으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도면에서는 폴리머 액츄에이터(180)는 전압 인가에 따라 아래로 만곡 변형되고 이에 따라 렌즈면(140a,142a,145a,148a)이 볼록하게 변형되는 것으로 나타나 있으나, 폴리머 액츄에이터(180)가 위로 만곡 변형되고 렌즈면(140a,142a,145a,148a)이 오목하게 변형되는 것도 가능하다. 또한, 투광성 기 판(110)이 렌즈면(140a,142a,145a,148a)에 대응하는 영역이 평탄한 것으로 도시되었으나, 필요에 따라 오목, 또는 볼록한 면으로 형성되는 것도 가능하다.
이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 부분 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈와의 비교예로서 도시한 가변 초점 렌즈의 개략적인 단면도이다.
도 5는 렌즈 직경과 공간 주파수의 관계를 비교예와 실시예에 대하여 도시한 그래프이다.
도 6은 렌즈 직경에 따른 형상 에러를 광학 멤브레인의 두께, 영률의 몇가지 조합에 대하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성 을 보이는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 실시예에 의한 가변초점렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변초점렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.
도 13a 내지 도 13d, 도 14a 및 14b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변초점렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,130...투광성 기판 120...스페이서 프레임
140,142,145, 148...광학 멤브레인 160...고정 프레임
170...광학 유체 180...폴리머 액츄에이터

Claims (26)

  1. 투광성 기판;
    상기 투광성 기판 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임;
    렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 상기 제1면이 상기 스페이서 프레임에 인접하게 배치되는 고정 프레임;
    상기 고정 프레임의 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지며 상기 제1면과 마주하게 배치된 광학 멤브레인;
    상기 내부 공간을 채우는 광학 유체;
    상기 고정 프레임에 고정되게 마련된 것으로, 상기 광학 유체에 압력을 인가하여 상기 렌즈면의 형상을 변화시키는 액츄에이터;를 포함하는 가변 초점 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 프레임은 상기 투광성 기판의 가장자리를 측벽으로 둘러싸며 하나의 내부공간을 형성하는 형태로 마련되는 가변 초점 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀은 복수의 관통홀로 구성되고,
    상기 복수의 관통홀은 상기 렌즈홀의 주위로 형성된 가변 초점 렌즈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 복수의 관통홀을 밀봉하는 형태로 마련된 폴리머 액츄에이터인 가변 초점 렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제2면에 형성되고,
    상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 고정 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련되는 가변 초점 렌즈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고,
    상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련되는 가변 초점 렌즈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고,
    상기 광학 멤브레인은 상기 광학 유체가 채워진 내부 공간을 봉하는 형태로 상기 스페이서 프레임 상에 마련되는 가변 초점 렌즈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터는 P(VDF-TrFE_CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) 재질로 이루어지는 가변 초점 렌즈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 멤브레인은 실리콘 탄성중합체(silicone elastomer)로 이루어진 가변 초점 렌즈.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투광성 기판과 상기 스페이서 프레임이 일체형으로 형성된 가변 초점 렌즈.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 프레임은 실리콘 재질로 형성된 가변 초점 렌즈.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 유체는 실리콘 오일인 가변 초점 렌즈.
  13. 소정의 초점 거리를 가지는 결상 광학계에 부가되어 전체 초점거리를 조절하는 가변 초점 렌즈에 있어서,
    투광성 기판;
    상기 투광성 기판 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임;
    렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 상기 제1면이 상기 스페이서 프레임에 인접하게 배치되는 고정 프레임;
    상기 고정 프레임의 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지며 상기 제1면과 마주하게 배치된 광학 멤브레인;
    상기 내부 공간을 채우는 광학 유체;
    상기 고정프레임에 고정되게 마련된 것으로, 상기 광학 유체에 압력을 인가하여 상기 렌즈면의 형상을 변화시키는 액츄에이터;를 포함하며,
    상기 결상 광학계로부터의 광이 입사되는 입사 개구가 A, 화각이 2ω, 상기 결상 광학계로부터 상기 렌즈면까지의 거리가 d일 때, 상기 렌즈홀의 직경 D는 다음 식을 만족하는 가변 초점 렌즈.
    <식>
    D ≥ A+2d·tanω
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스페이서 프레임은 상기 투광성 기판의 가장자리를 측벽으로 둘러싸며 하나의 내부공간을 형성하는 형태로 마련되는 가변 초점 렌즈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 관통홀은 복수의 관통홀로 구성되고,
    상기 복수의 관통홀은 상기 렌즈홀의 주위로 형성된 가변 초점 렌즈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 복수의 관통홀을 밀봉하는 형태로 마련된 폴리머 액츄에이터인 가변 초점 렌즈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제2면에 형성되고,
    상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 고정 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련되는 가변 초점 렌즈.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고,
    상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련되는 가변 초점 렌즈.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고,
    상기 광학 멤브레인은 상기 광학 유체가 채워진 내부 공간을 봉하는 형태로 상기 스페이서 프레임 상에 마련되는 가변 초점 렌즈.
  20. 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 고정 프레임을 형성하고, 상기 제1면에 상에, 상기 고정프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계;
    상기 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지는 광학 멤브레인을 상기 제2면 상에 형성하는 단계;
    상기 폴리머 액츄에이터, 고정 프레임, 광학 멤브레인과 함께 소정 내부 공간을 형성하도록 스페이서 프레임을 형성하는 단계;
    상기 내부 공간을 광학 유체로 채우는 단계;
    상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판을 형성하는 단계;를 포함하는 가변 초점 렌즈 제조방법.
  21. 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 고정 프레임을 형성하고, 상기 제1면에 상에, 상기 고정프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계;
    상기 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지는 광학 멤브레인을 상기 제1면 상에 형성하는 단계;
    상기 폴리머 액츄에이터, 광학 멤브레인과 함께 소정 내부 공간을 형성하도 록 스페이서 프레임을 형성하는 단계;
    상기 내부 공간을 광학 유체로 채우는 단계;
    상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판을 형성하는 단계;를 포함하는 가변 초점 렌즈 제조방법.
  22. 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성된 고정 프레임을 형성하고, 상기 고정 프레임 상에 상기 고정프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계;
    마주하는 제1면과 제2면을 가지는 광학 멤브레인을 준비하고, 상기 광학 멤브레인의 가장자리를 측벽으로 둘러싸는 형태의 스페이서 프레임을 상기 제1면 상에 형성하여 내부 공간을 형성하는 단계;
    상기 내부 공간에 광학 유체를 주입하는 단계;
    상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판을 형성하는 단계;
    상기 폴리머 액츄에이터가 형성된 고정 프레임을 상기 광학 멤브레인의 제2면에 부착하는 단계;를 포함하는 가변 초점 렌즈 제조방법.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 멤브레인을 실리콘 탄성중합체 재질로 형성하는 가변 초점 렌즈 제조방법.
  24. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 프레임을 실리콘 재질로 형성하는 가변 초점 렌즈 제조방법.
  25. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 액츄에이터를 P(VDF-TrFE_CFE) 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) 재질로 형성하는 가변 초점 렌즈 제조방법.
  26. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 유체로 실리콘 오일을 사용하는 가변 초점 렌즈 제조방법
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