KR102066234B1 - 박막형 능동 광학 줌 렌즈 및 이를 이용하는 장치 - Google Patents

박막형 능동 광학 줌 렌즈 및 이를 이용하는 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102066234B1
KR102066234B1 KR1020150146146A KR20150146146A KR102066234B1 KR 102066234 B1 KR102066234 B1 KR 102066234B1 KR 1020150146146 A KR1020150146146 A KR 1020150146146A KR 20150146146 A KR20150146146 A KR 20150146146A KR 102066234 B1 KR102066234 B1 KR 102066234B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electroactive polymer
electrode
polymer layer
thin film
lens
Prior art date
Application number
KR1020150146146A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160092474A (ko
Inventor
윤성률
경기욱
박선택
남세광
박봉제
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to US15/007,139 priority Critical patent/US9612362B2/en
Publication of KR20160092474A publication Critical patent/KR20160092474A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102066234B1 publication Critical patent/KR102066234B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G02B1/041—Lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/15—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective compensation by means of only one movement or by means of only linearly related movements, e.g. optical compensation

Abstract

본 발명은 능동적으로 줌인(zoom in) 및/또는 줌아웃(zoom out)이 가능한 박막형 광학 렌즈 및 이를 이용하는 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 줌 렌즈는, 전기 신호에 의한 변형이 가능한 전기 활성 고분자 층; 상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성된 렌즈 구조부; 상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면 상에 형성된 제1 전극; 상기 전기 활성 고분자 층의 하단 면 상에 형성된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하도록 제어하는 제어 회로부;를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 렌즈 구조체와 전기 활성 고분자 액추에이터를 결합한 구조 상에서, 전기 신호에 의한 박막형 전기 활성 고분자의 변형을 이용하여 고분자 렌즈 구조체 위치를 능동적으로 변경시키고, 또한 이의 제어가 가능한 박막형 능동 광학 줌 렌즈 기술을 제공할 수 있다.

Description

박막형 능동 광학 줌 렌즈 및 이를 이용하는 장치{THIN ACTIVE OPTICAL ZOOM LENS AND APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 능동적으로 줌인(zoom in) 및/또는 줌아웃(zoom out)이 가능한 박막형 광학 렌즈 및 이를 이용하는 장치에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는 렌즈의 위치 변화를 위해 사용되는 외부 구동부의 연동 없이, 신축성이 우수하며 투명한 고분자 박막의 변형을 이용하여 렌즈 구조체의 위치 조절이 가능한 박막형 능동 광학 줌 렌즈 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.
최근 디지털 기술을 바탕으로 하는 카메라, 휴대용 단말기, TV, 프로젝터, 의료기기 등은 디스플레이 기술의 발전으로 고해상도 이미징 관련 광학계의 슬림화 및 경량화가 요구되고 있다. 이로 인해 광학 줌 장치의 소형화의 중요성이 더 부각되고 있다.
이때, 카메라 모듈에서 광학 줌 기능을 구현하기 위해서 별도의 액추에이터(actuator)를 이용하여 렌즈의 위치를 변화시키는 기술이 적용될 수 있다. 또한 광학 줌 기능을 위한 방식으로 스텝 모터(step motor)를 사용할 수 있다. 이 경우 회전 운동을 하는 구동기로 리드 스크류(lead screw)를 회전시켜 가동부를 선형적으로 이동시킬 수 있다. 때문에 이와 같은 방식은 복잡한 메커니즘이 요구되며, 또한 기어부의 마찰이 발생할 수 있으며, 이로 인한 소음이 발생하는 등의 단점이 있을 수 있다.
또한, 자동 줌 기능 탑재를 위해서는 보이스 코일 모터(VCM: voice coil motor) 또는 압전 세라믹 액추에이터를 활용하는 방식이 있을 수 있다. VCM 방식은 코일에 흐르는 전류와 자석에 의한 전자기력을 이용하여 구동하는 방식으로, 전자파 발생 및 정밀도에 한계가 있다. 그리고 압전 세라믹 액추에이터를 이용하는 방식은 고정자와 회전자 사이의 마찰에 의해 구동하는 방식으로, 마모에 의해 수명이 짧아지며 가격 또한 높은 단점이 있다.
상기 예들과 같이 대부분의 기준 기술들은 복잡한 구조로 인하여 제작 비용이 증가할 수 있으며, 소형화하는데 있어 어려움이 존재하므로 광학 줌 장치의 슬림화 및 경량화에 제한이 있을 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고분자 렌즈 구조체와 전기 활성 고분자 액추에이터를 결합한 구조 상에서, 전기 신호에 의한 박막형 전기 활성 고분자의 변형을 이용하여 고분자 렌즈 구조체 위치를 능동적으로 변경시키고, 또한 이의 제어가 가능한 박막형 능동 광학 줌 렌즈 기술을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 별도의 선형 구동부를 연동하지 않고도 줌 인(zoom in)/줌 아웃(zoom out) 구현이 가능한 렌즈 구조체를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 박막형 전기 활성 고분자에 인가하는 전기 신호의 제어를 통해 능동적으로 렌즈 구조체의 위치 변화가 가능한 광학 줌 렌즈 및 이를 기반으로 하는 광학계를 개발하는 것을 목적으로 한다.
또한, 능동적 제어가 가능한 박막형 광학 줌 모듈을 카메라, 휴대용 단말기, 프로젝터, TV 등에 탑재하여 상기 장치의 슬림화 및 경량화의 구현을 목적으로 한다.
또한, 광학 물성 측정 장치 또는 광학 이미징 장치, 예를 들면 공초점 현미경 등 다양한 광학 응용 장치의 광학계에 적용 가능한 박막형 능동 광학 줌 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 능동적 광학 줌 기능 및 이의 피드백 제어를 통해 의료용 영상 기기, 예를 들면 내시경 등을 이용한 영상 의료 검사 시 고해상도 영상 획득을 하여 질병 진단의 정확성 향상에 기여하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 줌 렌즈는, 전기 신호에 의한 변형이 가능한 전기 활성 고분자 층; 상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성된 렌즈 구조부; 상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면 상에 형성된 제1 전극; 상기 전기 활성 고분자 층의 하단 면 상에 형성된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하도록 제어하는 제어 회로부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 줌 렌즈는 상기 제2 전극 하부에 형성된 절연부; 및 상기 전기 활성 고분자 층의 외면에 형성된 지지 구조부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기활성 고분자 층과 상기 렌즈 구조부는 상기 전기활성 고분자 층 상단에 박막층 없이 렌즈 영역만 형성이 되는 일체형일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면 및 하단 면의 일부에만 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 전기 활성 고분자 층은 전기 신호에 의해 가역적 변형 응답 특성을 갖는 전기 활성 특성 소재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 절연부는 상기 전기 활성 고분자 층과 동종의 소재 또는 상기 전기 활성 고분자 층보다 강성이 낮은 소재일 수 있다.
또한, 상기 제어 회로부는, 인가된 전압에 따른 전기 활성 고분자 층의 변형에 따라 초점 조절이 성공하였는지 여부에 대한 피드백을 수신하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어 회로부는, 상기 수신한 피드백 정보를 이용하여 초점 조절을 위하여 상기 인가되는 전압의 크기를 변경 또는 유지하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 렌즈 구조부는 유전성 고분자 소재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극에는 (+) 전압이 인가되며, 상기 제2 전극은 접지되거나 또는 다른 크기의 전압이 인가될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극의 상부에 이격되어 형성되는 상부 박막층; 및 상기 제2 전극의 하부에 이격되어 형성되는 하부 박막층을 더 포함하고, 상기 상부 박막층 및 상기 하부 박막층 중 적어도 하나는 박막층 전극를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극에 (+) 전원이 인가되고, 상기 제2 전극이 접지되는 경우에, 상기 상부 박막층은 접지될 수 있다.
또한, 상기 렌즈 구조부는, 렌즈 영역 및 상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성되는 박막층을 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 전기 활성 고분자 층 및 상기 박막층 사이에 형성될 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 장치에 있어서, 적어도 두 개의 광학 줌 렌즈; 및 CCD를 포함하고, 상기 광학 줌 렌즈 각각은 전기 신호에 의한 변형이 가능한 전기 활성 고분자 층; 상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성된 렌즈 구조부; 상기 전기 활성 고분자 층 및 상기 렌즈 구조부 사이에 형성된 제1 전극; 상기 전기 활성 고분자 층의 하단 면 상에 형성된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하는 제어 회로부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적어도 두 개의 광학 줌 렌즈는, 볼록 렌즈 형상의 렌즈 구조부를 포함하는 제1 광학 줌 렌즈; 및 오목 렌즈 형상의 렌즈 구조부를 포함하는 제2 광학 줌 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적어도 두 개의 광학 줌 렌즈 각각은, 상기 제1 전극의 상부에 이격되어 형성되는 상부 박막층; 및 상기 제2 전극의 하부에 이격되어 형성되는 하부 박막층을 더 포함하고, 상기 상부 박막층 및 상기 하부 박막층 중 적어도 하나는 박막층 전극부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고분자 렌즈 구조체와 전기 활성 고분자 액추에이터를 결합한 구조 상에서, 전기 신호에 의한 박막형 전기 활성 고분자의 변형을 이용하여 고분자 렌즈 구조체 위치를 능동적으로 변경시키고, 또한 이의 제어가 가능한 박막형 능동 광학 줌 렌즈 기술을 제공할 수 있다.
또한, 상기 고분자 렌즈 구조체의 위치를 능동적으로 변경시킴으로써, 별도의 선형 구동부를 연동하지 않고도 줌 인(zoom in)/줌 아웃(zoom out) 구현이 가능할 수 있다.
또한, 고분자 렌즈 구조체의 위치를 능동적으로 변경시키면서, 광량 손실을 방지할 수 있는 박막형 능동 광학 줌 렌즈를 제공할 수 있다.
또한, 박막형 전기 활성 고분자에 인가하는 전기 신호의 제어를 통해 능동적으로 렌즈 구조체의 위치 변화가 가능한 광학 줌 렌즈 및 이를 기반으로 하는 광학계를 제공할 수 있다.
또한, 능동적 제어가 가능한 박막형 광학 줌 모듈을 카메라, 휴대용 단말기, 프로젝터, TV 등에 탑재하여 상기 장치의 슬림화 및 경량화의 구현할 수 있다.
또한, 광학 물성 측정 장치 또는 광학 이미징 장치, 예를 들면 공초점 현미경 등 다양한 광학 응용 장치의 광학계에 적용 가능한 박막형 능동 광학 줌 렌즈를 제공할 수 있다.
또한, 능동적 광학 줌 기능 및 이의 피드백 제어를 통해 의료용 영상 기기, 예를 들면 내시경 등을 이용한 영상 의료 검사 시 고해상도 영상 획득을 하여 질병 진단의 정확성 향상에 기여할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 렌즈 기반 줌인 및/또는 줌아웃 구현의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 줌 구현을 위한 박막형 능동 렌즈의 단면 구조도의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광학 줌 구현을 위한 박막형 능동 렌즈의 단면 구조도의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 인가로 인한 전기 활성 고분자 층의 변형의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 활성 고분자 층의 변형으로 발생하는 렌즈 구조체의 위치 변화의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 전기 활성 고분자 층의 변형으로 발생하는 렌즈 구조체의 위치 변화의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 다른 일 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 다른 일 예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 렌즈 구조체 위치 변화 제어를 통한 자동 초점 조절 구현의 일 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈를 이용한 내시경용 광학계의 일 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서의 실시 예가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서의 실시 예와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 실시 예의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
하기에서 본 명세서의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 실시 예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 실시 예를 설명하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 일 실시 예는, 능동적으로 줌인(zoom in) 및/또는 줌아웃(zoom out)이 가능한 박막형 광학 렌즈 및 이를 이용하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 렌즈는, 렌즈의 위치 변화를 위해 사용되는 외부 구동부의 연동 없이, 신축성이 우수하며 투명한 고분자 박막의 변형을 이용하여 렌즈 구조체의 위치를 목적에 따라 조절할 수 있다. 그리고 이에 따라 소형 슬림 구조로 능동 광학 줌(zoom) 기능 탑재가 가능한 렌즈가 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 줌 렌즈를 이용하여 광학 줌/자동 초점 조절용 광학계, 내시경, 공초점 현미경 등 다양한 광학 장치용 광학계의 제공이 가능하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 광학 렌즈를 카메라에 적용할 경우, 촬영 시 피사체의 위치에 따라서 렌즈 구조체의 선택적인 위치 변화 및 이의 피드백 제어가 박막 구조 상에서 가능하므로, 줌인/줌아웃을 위한 카메라 구조부의 슬림화 및 경량화가 가능하다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 광학 렌즈를 의료 기기, 예를 들면 내시경에 적용하는 경우 능동적 구동을 통한 고해상도 이미지의 획득이 가능하고, 이를 통한 질병 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 능동적 광학 줌 구현을 위한 박막형 가변 렌즈는 박막형의 전기 활성 고분자 구동부, 구동 전극부, 고분자 렌즈 구조체, 신호 제어부 및 인가 전압에 의한 방전 방지 절연부 등을 포함할 수 있다. 그리고, 작동부의 구동 조절은 전극부에 인가하는 신호 제어를 통해 가능할 수 있다. 이때, 사용 목적에 따라 광 소자 기술에 결합하여 목적을 달성하는 것이 가능하다.
이하 본 발명의 일 실시예들에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 렌즈 기반 줌인 및/또는 줌아웃 구현의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 렌즈 기반 광학 줌 기능은, 볼록 렌즈 형상 또는 오목 렌즈 형상의 적어도 하나의 렌즈 구조체와 박막형 전기활성 고분자 층을 결합한 능동 렌즈와 초점 고정형 렌즈로 광학계를 순차적으로 구성하여 구현이 가능하다. 이때, 상기 볼록 렌즈 형상 능동 렌즈와 오목 렌즈 형상 능동 렌즈를 연동하면 광학 줌 기능 구현에 효과적 일 수 있다. 이 경우, 능동 렌즈는 볼록 렌즈 형상 또는 오목 렌즈 형상의 렌즈 구조체와 전기활성 고분자 층을 결합한 구조를 가지며, 전압 인가에 의한 전기활성 고분자 층의 변형을 이용하여 고분자 렌즈 구조체의 위치 변화 및 이의 제어가 가능할 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 렌즈 기반 능동 광학 줌 구현을 위한 구성은 볼록 렌즈 형상 능동 렌즈(101), 오목 렌즈 형상 능동 렌즈(102), 초점 고정형 렌즈(103) 및 CCD(104)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 렌즈 기반 능동 광학 줌은 볼록 렌즈 형상 능동 렌즈(101)와 오목 렌즈 형상 능동 렌즈 (102)를 각각 전압 인가를 통해 변형시켜 상기 능동 렌즈를 서로 가깝게 배치하거나 멀게 배치할 수 있다.
이 때, 볼록 렌즈 형상 능동 렌즈(101)와 오목 렌즈 형상 능동 렌즈(102)를 볼록 렌즈 형상 능동 렌즈(105)와 오목 렌즈 형상 능동 렌즈(106)와 같이 서로 가까운 위치로 이동 시키면, CCD(104) 상에 피사체 이미지의 줌 인(zoom in)이 가능할 수 있다. 그리고, 볼록 렌즈 형상 능동 렌즈(107)와 오목 렌즈 형상 능동 렌즈(108)와 같이 서로 먼 위치로 이동 시키면 줌 아웃(zoom out)이 가능할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 줌 구현을 위한 박막형 능동 렌즈의 단면 구조도의 일 예를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광학 줌 구현을 위한 박막형 능동 렌즈의 단면 구조도의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈는, 고분자 렌즈 구조체와 박막형 전기 활성 고분자 층을 결합한 구조를 포함할 수 있다. 이때, 상기 박막형 전기 활성 고분자 층으로의 전기 신호 인가에 의한 변형을 이용하여 능동적 고분자 렌즈 구조체의 위치 변화 및 이의 제어가 가능할 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈는 전기 활성 고분자 작동부(110), (유연) 전극부(120, 125) 및 고분자 렌즈 구조부(130)를 포함할 수 있다. 또한 상기 박막형 능동 광학 줌 렌즈는 절연부(140), 지지 구조부(150), 구동 제어 회로부(160) 등을 더 포함할 수 있다.
전기 활성 고분자 작동부(110)는 전기 활성 고분자 물질로 구성된 것으로, 전압 인가에 의해 변형이 발생한다. 이때, 상기 "전기 활성 고분자 작동부"의 용어는 설명의 편의를 위한 것으로 전기 활성 고분자 물질로 구성된 것으로 전압 인가에 의해 변형 가능한 것을 의미한다. 때문에, 상기 전기 활성 고분자 작동부의 용어는 "전기 활성 고분자 층", "박막형 전기 활성 고분자 층" 등의 용어와 혼용되어 사용될 수 있다.
유연 전극부(120, 125)는 상기 전기 활성 고분자 층(110)의 구동을 위한 것으로, 상기 전기 활성 고분자 층(110)의 상단 및 하단 면 상에 각각 형성될 수 있다. 이때, 전기 활성 고분자 층(110)의 상단 면 상에 위치한 제1 유연 전극부(120)에는 (+) 전압이 인가될 수 있고, 전기 활성 고분자 층(110)의 하단 면 상에 위치한 제2 유연 전극부(125)는 접지되거나 또는 다른 크기의 전압이 인가될 수 있다(그 반대의 경우도 가능하다.). 상기 유연 전극부(120, 125)에 인가되는 전압에 따라 전기 활성 고분자 층(110)의 변형 정도의 조절이 가능하다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다. 한편, 실시 예에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 제1 유연 전극부(120) 및 제2 유연 전극부(125)는 각각 전기 활성 고분자 층(110)의 상단 면 및 하단 면의 일부에만 형성될 수 있다. 예를 들면, 전기 활성 고분자 층(110)의 상단 면 및 하단 면 중 상기 전기 활성 고분자 층(110)의 상층에 위치하는 고분자 렌즈 구조부(130)의 볼록한 형태의 렌즈 영역에 대응하는 영역을 제외한 영역에 상기 유연 전극부(120, 125)가 형성될 수 있다.
고분자 렌즈 구조부(130)는 상기 전기 활성 고분자 층(110)의 상층 상에 위치할 수 있다. 이때, 상기 고분자 렌즈 구조부(130)와 상기 전기 활성 고분자 층(110) 사이에는 제1 유연 전극부(120)가 위치할 수 있다. 즉, 도 2에 예시된 것과 같이 상기 고분자 렌즈 구조부(130)는 볼록한 렌즈 영역 이외에 전기 활성 고분자 층(110)의 상부에 형성되는 박막층을 가진 구조일 수 있다. 그리고, 상기 렌즈 구조부(130)의 박막층과 상기 전기 활성 고분자 층(110) 사이에 제1 유연 전극부(120)가 위치할 수 있다.
실시 예에 따라, 고분자 렌즈 구조부(130)의 볼록한 형태의 렌즈 영역과 상기 전기 활성 고분자 층(110) 사이에는 상기 제1 유연 전극부(120)가 없을 수 있다. 그리고, 실시 예에 따라 고분자 렌즈 구조부(130)는 전기 활성 고분자 층(110)의 상단 면의 중심부에 위치할 수 있다. 이때 상기 고분자 렌즈 구조부(130)는 전기 활성 고분자 작동부(110)의 전압 인가에 의한 변형에 따라 수직 방향으로 위치가 변경될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다. 한편, 상기 "고분자 렌즈 구조부"의 용어는 설명의 편의를 위한 것으로, 상기 고분자 렌즈 구조부의 용어는 "렌즈 구조체", "렌즈 구조부", "고분자 렌즈 구조체" 등의 용어와 혼용되어 사용될 수 있다.
절연부(140)(또는 절연층)는 유연 전극부(120, 125)의 전기 누설을 방지하기 위한 것이다. 그리고 (고분자 렌즈) 구조 지지부(150)는 상기 전기 활성 고분자 층(110)의 외면에서 위치하여 박막형 능동 광학 줌 렌즈를 지지한다. 그리고, 구동 제어 회로부(160)는 전기 활성 고분자 작동부(110)의 구동 조절을 위한 것이다. 전기 활성 고분자 작동부(110)에 전기 신호를 인가하여 렌즈 구조체(130)의 위치가 변화하는 경우, 상기 구동 제어 회로부(160)를 연동하여 정밀 피드백 제어가 가능할 수 있으며, 이를 통해 피사체에 대한 고해상도 이미지를 획득할 수 있다. 즉, 상기 구동 제어 회로부(160)는 전기 활성 고분자 작동부(110)에 인가하는 전압을 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 그리고 상기 구동 제어 회로부(160)는 인가된 전압에 따른 전기 활성 고분자 작동부(110)의 변형에 따른 렌즈 구조체(130)의 위치 변화로 초점 조절이 성공하였는지 여부에 대한 피드백을 수신할 수 있다. 그리고 구동 제어 회로부(160)는 수신한 피드백 정보를 이용하여 전기 활성 고분자 작동부(110)에 인가하는 전압을 증가, 감소 또는 유지함으로써 원하는 피사체로 초점을 맞출 수 있도록 제어할 수 있다.
한편 도 3을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈는, 전기 활성 고분자 작동부(110), (유연) 전극부(120, 125) 및 고분자 렌즈 구조부(135)를 포함할 수 있다. 또한 상기 박막형 능동 광학 줌 렌즈는 절연부(140), 지지 구조부(150), 구동 제어 회로부(160) 등을 더 포함할 수 있다.
이때, 고분자 렌즈 구조부(135)는 도 2에 예시된 박막형 능동 광학 줌 렌즈와 달리, 전기 활성 고분자 층(110)의 상부에 형성되는 박막층을 가진 구조가 아니라, 전기 활성 고분자 층(110)에 일체형으로 동종 소재의 렌즈 영역으로 형성될 수 있다. 이 때, 제1 유연 전극부(120) 및 제2 유연 전극부(125)는 볼록한 형태의 렌즈 영역에 대응하는 영역을 제외한 전기 활성 고분자 층(110)의 상단 면 및 하단 면에 형성될 수 있다.
나머지 구성 요소는 상기 도 2와 관련된 부분에서 설명한 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 구성과 동일하므로, 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 인가로 인한 전기 활성 고분자 층의 변형의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4의 (a)를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동부는 전기 활성 고분자 층(210)과 전극부(220, 225)를 포함할 수 있다. 상기 전기 활성 고분자 층(210)의 상단 면 상에는 제1 전극부(220)가 형성되며, 하단 면 상에는 제2 전극부(225)가 형성될 수 있다.
그리고 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 전기 활성 고분자 층(230)에 두께 방향으로 전압을 인가할 수 있다. 이때 도시된 바와 같이 제어 회로부(260)는 제1 전극부(240)에는 (+) 전압을 인가하고 제2 전극부(245)는 접지시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 활성 고분자 층(230)은 수평 방향으로 늘어나는 변형이 발생할 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 전압을 인가하기 전의 도 4의 (a)의 전기 활성 고분자 층(210)에 비하여, 전압을 인가한 도 4의 (b)의 전기 활성 고분자 층(230)은 길이 방향으로 변형이 발생할 수 있다. 이때, 실시 예에 따라서 상기 전기 활성 고분자 층(230)은 길이 방향으로 늘어나는 변형이 발생할 수 있다.
한편, 상기 전기 활성 고분자 층(210, 230)은 다양한 전기 활성 특성 소재의 사용이 가능하다. 전기 활성 고분자는 전압이 인가되면 이온의 이동과 확산, 쌍극자의 배열 또는 정전기력에 의해 기계적 변형을 일으키는 물질이며, 기계적 변형을 가하면 전기 에너지를 발생시키는 일종의 기능성 고분자를 의미할 수 있다.
일 예에서, 전기 활성 고분자는 이온성 전기 활성 고분자(ionic EAP) 또는 전자성 전기 활성 고분자(electronic EAP)를 포함할 수 있다.
여기에서, 이온성 전기 활성 고분자는 전압 인가 시, 이온의 이동과 확산에 의해 수축 또는 팽창을 일으키는 고분자를 의미할 수 있다. 또한, 이온성 전기 활성 고분자는 전기유변 유체(ERF: electrorheological fluid), 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotube), 전도성 고분자(CP: conducting polymer), 이온성 고분자 금속 복합체(IPMC: ionic polymer metal composite), 및 이온성 고분자 겔(IPG: ionic polymer gel) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 전자성 전기 활성 고분자는 전기 에너지 인가 시, 전자 분극(Polarization) 현상에 의해 수축 또는 팽창을 일으키는 고분자를 의미할 수 있다. 또한, 전자성 전기 활성 고분자는 액정 탄성체(LCE: liquid crystal elastomer), 전기-점탄성 탄성체(electro-viscoelastic elastomer), 유전성 탄성체(EP: dielectric elastomer), 강유전성 고분자(ferroelectric polymer), 전기 변형 탄성체(electrostrictive graft elastomer), 및 전기변형 종이(electrostrictive paper) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 예에서, 전기 활성 고분자는 전기의 극성은 전달하지만, 전자를 이동시키지 못하는 유전체를 포함할 수 있다.
이와 같이, 상기 전기 활성 고분자 층(210, 230)은 유연하며, 탄성을 가지며 전기적 신호의 입력에 의해 가역적 변형 응답 특성을 가지고, 전류 소비량이 낮으며, 전압의 크기에 따라 변형 정도가 조절이 가능한 유전성 전기 활성 고분자 소재일 수 있다. 또한, 전기 활성 고분자 층(210, 230)은 전압 인가에 의해 발생시킬 수 있는 변화량의 범위가 크면서도 반복 변형에도 우수한 내구성을 가진 소재일 수 있다.
이때, 상기 전기 활성 고분자 층(210, 230)은 변화량의 범위를 유지하면서 구동 전압을 낮추기 위해서는 두께를 얇게 설계할 수 있다. 그러나 렌즈 구조체(130)의 효과적인 위치를 변경시키기 위해서는 전기 활성 고분자 층(210, 230)은 렌즈 구조체(130)에 비해 상대적으로 강성이 높은 유전성 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 전기 활성 고분자 층(210, 230)의 구동을 위한 전극부(220, 225, 240, 245)는 전기 활성 고분자 층(210, 230)의 반복된 변형에도 우수한 전기 전도도 및 기계적 내구성을 가지도록 예를 들면, 나노 물질 기반 전극, 이온성 젤 (Gel)등과 같은 신축성이 우수한 전극 소재로 이루어질 수 있다. 여기에서, 나노 물질 기반 신축성 전극은 금속 나노 소재, 그래핀, 탄소나노튜브 등의 소재를 기반으로 하는 주름 구조 전극(예를 들면, 헤링본(herringbone) 구조) 또는 그물 구조 전극을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 소재를 전도성 필러로 사용하고, 높은 탄성 특성을 가지는 고무의 복합화에 의해 제작된 전도성 복합 물질을 기반으로 구현될 수 있지만, 이에 한정된 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 활성 고분자 층의 변형으로 발생하는 렌즈 구조체의 위치 변화의 일 예를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 전기 활성 고분자 층의 변형으로 발생하는 렌즈 구조체의 위치 변화의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 전기 활성 고분자 층(310)의 구동을 기반으로 렌즈 구조체(330, 335)의 능동적 위치 변화가 발생할 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 경우 전기 활성 고분자 층(310), 상기 전기 활성 고분자 층(310)의 상단 면 및 하단 면 상에 각각 위치한 제1 전극부(320)와 제2 전극부(325), 및 상기 전기 활성 고분자 층(310)의 상층 상에 위치하는 렌즈 구조체(330)를 포함할 수 있다. 그리고 전극부(320, 325)의 전기 누설을 방지하기 위한 절연부(또는 절연 층)(340)가 전기 활성 고분자 층(310)의 하부에 위치할 수 있다. 또한, 상기 전기 활성 고분자 층(310)의 외면에서 위치하여 박막형 능동 광학 줌 렌즈를 지지하기 위한 구조 지지부(350)가 있을 수 있다. 또한, 상기 렌즈 구조체(330)의 경우, 볼록한 렌즈 영역 이외에 전기 활성 고분자 층(310)의 상부에 형성되는 박막층을 가진 구조일 수 있다.
또한, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 경우, 렌즈 구조체(335)는 전기 활성 고분자 층(310)의 상부에 형성되는 박막층이 없이 볼록한 형태의 렌즈 영역을 갖고, 상기 렌즈 영역은 전기 활성 고분자 층(310)을 동일 소재의 일체형으로도 구성될 수 있다.
이때, 상기 도 4와 관련된 부분에서 상술한 바와 같이 (박막형) 전기 활성 고분자 층(310)의 상단 면 및 하단 면 상에 위치한 전극부(320, 325)를 통해 전기 활성 고분자 층(310)의 두께 방향으로 전압이 인가될 수 있다. 이때 전기 활성 고분자 층(310)으로의 전압 인가는 구동 제어 회로부(360)를 통해 이루어질 수 있다. 즉, 구동 제어 회로부(360)는 전기 활성 고분자 층(310)의 변형을 위해 미리 설정된 전압을 상기 전극부(320, 325)를 통해 전기 활성 고분자 층(310)에 인가할 수 있다.
이와 같이 전기 활성 고분자 층(310)으로 전압이 인가되는 경우 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 전기 활성 고분자 층 외면의 구조 지지부(350)로 인해 곡면형 변형을 형성할 수 있다. 즉, 전기 활성 고분자 층(310)에 두께 방향으로 전압이 인가되는 경우 길이 방향의 변형이 발생하지만, 상기 전기 활성 고분자 층(310)의 외면에 구조 지지부(350)가 존재함으로 인하여 상기 박막형 능동 광학 줌 렌즈 자체의 길이는 고정되어 있으므로 전기 활성 고분자 층(310)은 지지 구조부(350)가 존재하지 않는 영역에서 곡면형 변형이 발생하게 된다.
또한, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 렌즈 구조체(335)가 전기 활성 고분자 층(310)의 상부에 형성되는 박막층이 없이 볼록한 형태의 렌즈 영역을 포함하고, 상기 렌즈 영역이 전기 활성 고분자 층(310) 동일 소재의 일체형으로도 구성될 수 있다. 이와 같이 박막형 능동 광학 줌 렌즈를 구성할 경우, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 전기 활성 고분자 층(310)에 두께 방향으로 전압을 인가하여 곡면형 변형 발생시, 전기 활성 고분자 층(310) 상단의 박막층의 존재로 인해 발생할 수 있는 변형량 손실을 상쇄하는데 효과적일 수 있다.
전기 활성 고분자 층(310)의 곡면형 변형은, 전기 활성 고분자 층(310)의 중심부에 형성된 렌즈 구조부(330, 335)의 수직 방향 위치를 변경시킬 수 있다. 이때, 수직 방향 렌즈 구조부(330)의 위치 변화 정도는 인가하는 전압 및 전기 활성 고분자 층(310)의 지름에 따라 조절이 가능할 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 전기 활성 고분자 층(310)의 길이 변화량은, 전기 활성 고분자 층(310)의 두께를 일정한 값으로 고정하는 경우, 인가되는 전압에 따라 다를 수 있다. 이때, 전기 활성 고분자 층(310)의 두께는 고정된 값이므로 인가되는 전압의 크기에 따라서 전기 활성 고분자 층(310)의 길이 방향 변화량의 설정이 가능하다. 이러한 경우, 전기 활성 고분자 층(310)의 증가하는 길이 방향 변화에 따른 전기 활성 고분자 층(310)의 곡면형 변형의 정도는 전기 활성 고분자 층(310)의 지름에 따라서 다르게 된다. 따라서, 전기 활성 고분자 층(310)의 중심부에 형성된 렌즈 구조부(330, 335)의 수직 방향 위치 변화 정도는 전기 활성 고분자 층(310)에 인가되는 전압 및 전기 활성 고분자 층(310)의 지름에 따라서 조절이 될 수 있다. 그리고, 이와 같은 인가되는 전압에 따른 렌즈 구조부(330, 335)의 수직 방향 위치 변화 정도는 상기 제어 회로부(360)에 미리 설정되어 있을 수 있다.
한편, 실시 예에 따라 상기 구동 제어 회로부(360)는 인가된 전압에 따른 전기 활성 고분자 층(310)의 변형에 따른 렌즈 구조부(330, 335)의 위치 변화로 초점 조절이 성공하였는지 여부에 대한 피드백을 수신할 수 있다. 그리고 구동 제어 회로부(360)는 수신한 피드백 정보를 활용하여 전기 활성 고분자 작동부(310)에 인가하는 전압을 증가, 감소 또는 유지함으로써 원하는 피사체로 초점을 맞출 수 있도록 제어할 수 있다. 또한 실시 예에 따라서, 상기 구동 제어 회로부(360)는 상기 피드백 받은 정보를 이용하여 미세하게 초점 조절을 2차로 수행하도록 제어할 수도 있다.
상기 전기 활성 고분자 층(310)의 상단 면에 형성된 렌즈 구조부(330, 335)는, 실시 예에 따라 유연한 유전성 고분자 소재를 사용하여 절연층 역할도 동시에 수행하도록 설계될 수 있다. 그리고 상기 전기 활성 고분자 층(310)의 하단 면에 형성된 절연층(340)은 상기 전기 활성 고분자 층(310)의 변형 저하를 막기 위하여 전기 활성 고분자 층(310)의 소재와 동종의 소재를 사용하여 형성될 수 있다. 또는 실시 예에 따라, 상기 절연층(340)은 상기 전기 활성 고분자 층(310)의 소재보다 강성이 낮은 탄성의 유전성 소재를 사용하여 형성될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 다른 일 예를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 다른 일 예를 도시한 도면이다.
도 7의 (a)를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 경우, 활성 고분자 층(610), 상기 전기 활성 고분자 층(610)의 상단 면 및 하단 면 상에 각각 위치한 제1 전극부(620)와 제2 전극부(625), 및 상기 전기 활성 고분자 층(610)의 상층 상에 위치하는 렌즈 구조부(630)를 포함할 수 있다. 그리고 전극부(620, 625)의 전기 누설을 방지하기 위한 절연부(또는 절연 층)(640)가 전기 활성 고분자 층(610)의 하부에 위치하고, 상기 전기 활성 고분자 층(610)의 외면에서 위치하여 박막형 능동 광학 줌 렌즈를 지지하기 위한 구조 지지부(650)가 있을 수 있다.
또한, 상기 박막형 능동 광학 줌 렌즈는, 렌즈 구조부(630)의 위치 변화 시 방향 제어를 위한 박막층(670, 675)을 더 포함할 수 있다. 즉, 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 상단 및 하단에, 상부 박막층(670)과 하부 박막층(675)이 각각 위치할 수 있다. 이때, 실시 예에 따라서 상기 상부 박막층(670)과 하부 박막층(675) 중 어느 하나만 존재할 수도 있다. 한편, 실시 예에 따라 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 상부 박막층(670) 및/또는 하부 박막층(675)은 각각 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 상단 및 하단의 일부에만 형성될 수 있다. 예를 들면, 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 상단 및 하단 중 상기 전기 활성 고분자 층(610)의 상층에 위치하는 렌즈 구조부(630)의 볼록한 형태의 렌즈 영역에 대응하는 영역을 제외한 영역에 상기 박막층(670, 675)이 형성될 수 있다. 그리고, 실시 예에 따라서 상기 상부 박막층(670) 및 하부 박막층(675)은 각각 구조 지지부(670)의 상부 면 및 하부 면 상에 렌즈 구조부(630)의 렌즈 영역 방향으로 상기 렌즈 구조부(630)와 이격되어 형성될 수 있다. 즉, 렌즈 구주부(630)의 상면의 상부에 이격되어 상부 박막층(670)이 형성되고, 전기 활성 고분자 층(610)의 하면의 하부에 이격되어 하부 박막층(675)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 박막층(670, 675)은 박막층 전극(부)을 포함할 수 있다. 그리고, 전기 활성 고분자 층의 변형을 위한 전압 인가 시에 상부 박막층(670) 또는 하부 박막층(675) 중 어느 하나를 선택적으로 접지할 수 있다.
즉, 상기 도 4와과 관련된 부분에서 상술한 바와 같이 전기 활성 고분자 층(610)의 상단 면 및 하단 면 상에 위치한 전극부(620, 625)를 통해 전기 활성 고분자 층(610)의 두께 방향으로 전압이 인가될 수 있다. 이때 전기 활성 고분자 층(610)으로의 전압 인가는 구동 제어 회로부(660)를 통해 이루어질 수 있다. 즉, 구동 제어 회로부(660)는 전기 활성 고분자 층(610)의 변형을 위해 미리 설정된 전압을 상기 전극부(620, 625)를 통해 전기 활성 고분자 층(610)에 인가할 수 있다.
이때, 도 7의 (b)를 참고하면, 구동 제어 회로부(660)는 제1 전극부(620)에는 (+) 전압을 인가하고, 제2 전극부(625)는 접지할 수 있다.
이와 같이 전기 활성 고분자 층(610)으로 전압이 인가되는 경우에 전기 활성 고분자 층 외면의 구조 지지부(650)로 인해 곡면형 변형을 형성할 수 있다. 즉, 전기 활성 고분자 층(610)에 두께 방향으로 전압이 인가되는 경우 길이 방향의 변형이 발생하지만, 상기 전기 활성 고분자 층(610)의 외면에 구조 지지부(650)가 존재함으로 인하여 상기 박막형 능동 광학 줌 렌즈 자체의 길이는 고정되어 있으므로 전기 활성 고분자 층(610)은 지지 구조부(650)가 존재하지 않는 영역에서 곡면형 변형이 발생하게 된다.
전기 활성 고분자 층(610)의 곡면형 변형은, 전기 활성 고분자 층(610)의 중심부에 형성된 렌즈 구조부(630)의 수직 방향 위치를 변경시킬 수 있다. 이때, 도 7의 (b)에 도시된 것과 같이 상부 박막층(670)이 접지될 수 있다. 이와 같은 경우에는 전기 활성 고분자 층(610)의 상단 면에 위치하는 제1 전극부(620)와 상부 박막층(670) 사이에 정전기력이 발생할 수 있다. 즉, 제1 전극부(620)와 상부 박막층(670) 사이에 인력이 발생한다. 그에 따라서, 전기활성 고분자 층(610)의 곡면형 변형 시, 제1 전극부(620)는 전기활성 고분자 층(610)에 상단 방향으로 인력을 인가하게 된다. 그러므로, 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 상단에 이격하여 위치한 상단 박막층(670) 방향으로 전기 활성 고분자 층(610)이 변형되도록 제어가 가능하며, 또한 동일한 인가 전압 하에서 렌즈 구조부(630)의 위치 변화량 증가가 가능하다.
한편, 도시되지 않았지만, 제1 전극부(620)에 (+) 전압을 인가하고, 제2 전극부(625)는 접지하는 경우에, 하부 박막층(675)이 접지될 수도 있다. 이와 같은 경우에는 하부 박막층(675)과 제2 전극부(625) 사이에 척력이 발생한다. 그에 따라서, 전기활성 고분자 층(610)의 곡면형 변형 시, 제2 전극부(625)는 전기활성 고분자 층(610)에 상단 방향으로 척력을 인가하게 된다. 그러므로, 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 하단에 이격하여 위치한 하단 박막층(675)에서 멀어지는 방향으로 전기 활성 고분자 층(610)이 변형되도록 제어가 가능하다.
도 7의 (c)를 참고하면, 구동 제어 회로부(660)는 제1 전극부(620)는 접지하고, 제2 전극부(625)에는 (+) 전압을 인가할 수 있다. 이와 같이 전기 활성 고분자 층(610)으로 전압이 인가되는 경우에 전기 활성 고분자 층 외면의 구조 지지부(650)로 인해 곡면형 변형을 형성할 수 있다. 이때, 하부 박막층(675)이 접지될 수 있다. 이와 같은 경우에는 전기 활성 고분자 층(610)의 하단 면에 위치하는 제2 전극부(625)와 하부 박막층(675) 사이에 정전기력이 발생할 수 있다. 즉, 제2 전극부(625)와 하부 박막층(675) 사이에 인력이 발생한다. 그에 따라서, 전기활성 고분자 층(610)의 곡면형 변형 시, 제2 전극부(625)는 전기활성 고분자 층(610)에 하단 방향으로 인력을 인가하게 된다. 그러므로, 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 하단에 이격하여 위치한 하단 박막층(675) 방향으로 전기 활성 고분자 층(610)이 변형되도록 제어가 가능하다.
한편, 도시되지 않았지만, 제1 전극부(620)는 접지하고, 제2 전극부(625)에는 (+) 전압을 인가하는 경우에, 상부 박막층(670)이 접지될 수도 있다. 이와 같은 경우에는 상부 박막층(670)과 제1 전극부(620) 사이에 척력이 발생한다. 그에 따라서, 전기활성 고분자 층(610)의 곡면형 변형 시, 제1 전극부(620)는 전기활성 고분자 층(610)에 하단 방향으로 척력을 인가하게 된다. 그러므로, 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 상단에 이격하여 위치한 상단 박막층(670)에서 멀어지는 방향으로 전기 활성 고분자 층(610)이 변형되도록 제어가 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 또 다른 일 예를 도시한 도면이다. 도 3 및 도 6에 도시한 능동 광학 줌 렌즈 구조를 이용하여 렌즈 영역(렌즈 구조부)(635)의 위치 변화 시 방향 제어를 위한 박막층(670, 675)을 더 포함할 수 있다. 즉, 박막형 능동 광학 줌 렌즈의 상단 및 하단에, 상부 박막층(670)과 하부 박막층(675)이 각각 위치할 수 있다. 이 때, 도 8와 관련된 부분에서 구체적으로 상술한 구동 원리와 유사한 방법으로 인해 전기 활성 고분자 층 곡면형 변형 시 렌즈 구조부(635)의 수직방향 위치 변화 방향 제어 및 위치 변화량 증가가 가능할 뿐 만 아니라 전기 활성 고분자 층(610) 상단의 렌즈 구조체 박막층의 존재로 인해 발생할 수 있는 변형량 손실을 상쇄하는데 효과적일 수 있어 위치 변화 정도의 추가적 증가를 기대할 수 있다. 또한, 렌즈 구조체(635)가 전기 활성 고분자 층(610)의 상부에 형성되는 박막층을 포함하지 않으므로 제1 전극부(620)에 (+) 전압을 인가하고, 제2 전극부(625)는 접지하고, 상부 박막층(670)이 접지되는 경우에, 상부 박막층(670)과 제1 전극부(620)사이에 정전기력을 발생시키는데 효과적일 수 있으므로 위치 변화 정도 증가를 기대할 수 있다. 또한, 제1 전극부(620)는 접지하고, 제2 전극부(625)에는 (+) 전압을 인가하고, 하부 박막층(675)이 접지하는 경우에도 동일한 효과를 기대할 수 있다.
수직 방향으로의 렌즈 구조부(630, 635)의 위치 변화 정도는 도 5 및 도 6과 관련된 부분에서 상술한 바와 같이, 인가하는 전압 및 전기 활성 고분자 층(610)의 지름에 따라 조절이 가능할 수 있다. 또한, 제1 전극부(620)와 상단 박막층(670) 및/또는 제2 전극부(625)와 하단 박막층(675) 사이의 정전기력은 전기 활성 고분자 층(610)의 변화량을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 박막층(670, 675)은 제1 및 제2 전극부(620, 625)와의 정전기력으로 인해서, 렌즈 구조부(630, 635)의 위치 변화 방향 제어뿐만 아니라 수직 방향 위치 변화 정도를 증가시킬 수 있다.
박막층(670, 675)은 정전기력에 의해 전기활성 고분자 층 방향으로 변형되지 않도록 강성이 높은 절연 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 유리판, 아크릴판, 고강도 플라스틱판으로 이루어 질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 실시 예에 따라서 박막층(670, 675)의 박막층 전극부는 광투과도가 낮은 전도성 소재를 사용할 수 있다. 이 경우, 렌즈 구조부(630, 635)를 통과하는 빛의 산란을 막을 수 있으므로 능동 광학 줌 렌즈를 활용하는 광학계 구성 시 피사체 이미지 획득에 필요한 광량의 손실을 방지할 수 있다. 한편, 박막층(670, 675)의 박막층 전극부는 광투과도를 낮출 수 있는 나노 물질 기반 금속 나노 소재, 탄소 나노 튜브, 고무의 복합화에 의해 제작된 전도성 복합 물질을 사용하여 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 렌즈 구조체 위치 변화 제어를 통한 자동 초점 조절 구현의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 9를 참고하면, 전기 활성 고분자 층(110, 310, 610)은 인가하는 전압 신호에 따라 변형 정도의 조절 및 이의 고속 변형의 구현도 가능하다. 그리고 인가 전압을 제거하는 경우에 전기 활성 고분자 층(110, 310, 610)은 탄성 복원이 가능하여 이를 이용한 렌즈 구조부(130, 330, 335, 630, 635)의 위치의 선택적 제어를 통한 가역적 위치 변화가 가능하다.
예를 들면, 전기 활성 고분자 층(110, 310, 610)에 인가되는 전압 신호의 변화에 따라서 렌즈 구조부(130, 330, 335, 630, 635)의 위치는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 410, 413, 415, 417 위치와 같이 변화될 수 있다. 즉, 전기 활성 고분자 층(110, 310, 610)에 인가되는 전압의 크기가 큰 경우에는 410과 같이 변형이 많이 이루어져 렌즈 구조부의 위치가 수직 방향으로 많이 상승하고 그보다 작은 경우에는 413과 같이 적게 변화가 이루어질 수 있다. 또한 전압이 인가되지 않은 경우에는 전기 활성 고분자 층(110, 310, 610)의 탄성 복원에 따라 417과 같이 변형이 없는 상태로 복원될 수 있다.
이를 이용하면 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈는 임의의 피사체에 대한 고해상도 이미지 획득에 필요한 고속 자동 초점 기능용 광학계에 적용될 수 있다. 즉, 전기 활성 고분자 층(110, 310, 610)에 인가되는 전압을 변경하는 경우에 렌즈 구조부의 위치는 도 9의 (b)에 420, 425, 427 등으로 도시된 바와 같이 그 위치가 수직 방향으로 계속하여 변경될 수 있다. 이때 렌즈 구조부의 초점은, 렌즈 구조부가 425 위치에 존재하는 경우에는 435와 같이 나타날 수 있으며 렌즈 구조부가 427 위치에 존재하는 경우에는 437과 같이 나타날 수 있다. 이와 같은 특성을 이용하여, 임의의 피사체에 대하여 고해상도 이미지 획득을 위해서 렌즈 구조부의 위치 변화에 따라 초점을 맞출 수 있도록 제어 회로부(160, 360, 660)는 전기 활성 고분자 층(110, 310, 610)에 인가하는 전압의 크기를 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈를 이용한 내시경용 광학계의 일 예를 도시한 도면이다.
상기 도 1 내지 도 9과 관련된 부분에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈는 렌즈 구조부의 가역적 변화를 통한 고속 자동 초점 기능의 수행이 가능할 수 있다. 때문에, 상기 능동 광학 줌 렌즈는 소형화가 가능할 수 있다. 이에, 상기 능동 광학 줌 렌즈 또는 상기 능동 광학 줌 렌즈를 활용하는 광학계는 질병 진단을 위한 영상 장비에 활용될 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같은 본원 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈는 내시경에 적용될 수 있다.
도 10을 참고하면, 인체의 특정 부위와 같은 피사체(510)에 대한 이미지를 획득하기 위한 내시경은, 광원부(520), 렌즈부(530), 및 CCD 이미지 센서부(540) 등을 포함할 수 있다. 이때, 렌즈부(530)는 내시경용 렌즈 또는 내시경용 광학계이다. 그리고 이 렌즈부(530)는 본원 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈가 적용될 수 있어 내시경이 관찰하는 인체 내부 경로 상에서 고속 고해상도 이미지 획득에 활용될 수 있다. 즉, 렌즈부(530)에서는 전기 활성 고분자 층에 인가되는 전압을 변경하고, 이에 따라 전기 활성 고분자 층 상의 렌즈 구조체의 위치를 변경시킴으로써 피사체(510)에 대하여 초점을 맞출 수 있다. 이러한 렌즈부(530)의 구체적인 동작은 상기 도 1 내지 도 9과 관련한 부분에서 설명되었으므로 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈가 적용된 내시경에서는 고속 고해상도 이미지 획득이 가능해, 질병 진단의 정확성을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 10에서는 내시경을 일 예로 본원 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈가 적용된 장치를 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본원 발명의 일 실시 예에 따른 능동 광학 줌 렌즈는 카메라, 휴대용 단말기, 프로젝터, TV 등 다양한 장치에 적용될 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 실시 예는 기술 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110: 전기 활성 고분자 층 120, 125: 전극부
130: 렌즈 구조부 140: 절연부
150: 지지 구조부 160: 제어 회로부

Claims (15)

  1. 광학 줌 렌즈에 있어서,
    전기 신호에 의한 변형이 가능한 전기 활성 고분자 층;
    상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성된 렌즈 구조부;
    상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면 상에 형성된 제1 전극;
    상기 전기 활성 고분자 층의 하단 면 상에 형성된 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하도록 제어하는 제어 회로부; 및
    상기 전기 활성 고분자 층의 양단에 연결된 지지 구조부들을 포함하되,
    상기 전기 활성 고분자 층은 상기 지지 구조부들 사이에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면에 수직한 제1 방향 또는 상기 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향으로 휘어지는 광학 줌 렌즈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극 하부에 형성된 절연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 각각 상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면 및 하단 면의 일부에만 형성된 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 활성 고분자 층은 전기 신호에 의해 가역적 변형 응답 특성을 갖는 전기 활성 특성 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 절연부는 상기 전기 활성 고분자 층과 동종의 소재 또는 상기 전기 활성 고분자 층보다 강성이 낮은 소재인 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제어 회로부는,
    인가된 전압에 따른 전기 활성 고분자 층의 변형에 따라 초점 조절이 성공하였는지 여부에 대한 피드백을 수신하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제어 회로부는,
    상기 수신한 피드백 정보를 이용하여 초점 조절을 위하여 상기 인가되는 전압의 크기를 변경 또는 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈 구조부는 유전성 고분자 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 상부에 이격되어 형성되는 상부 박막층; 및
    상기 제2 전극의 하부에 이격되어 형성되는 하부 박막층을 더 포함하고,
    상기 상부 박막층 및 상기 하부 박막층 중 적어도 하나는 박막층 전극를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 전극에 (+) 전원이 인가되고, 상기 제2 전극이 접지되는 경우에, 상기 상부 박막층은 접지되는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈 구조부는, 렌즈 영역 및 상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성되는 박막층을 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 전기 활성 고분자 층 및 상기 박막층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 줌 렌즈.
  12. 광학 장치에 있어서,
    적어도 두 개의 광학 줌 렌즈; 및
    CCD를 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 광학 줌 렌즈 각각은,
    전기 신호에 의한 변형이 가능한 전기 활성 고분자 층;
    상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성된 렌즈 구조부;
    상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면 상에 형성된 제1 전극;
    상기 전기 활성 고분자 층의 하단 면 상에 형성된 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하는 제어 회로부; 및
    상기 전기 활성 고분자 층의 양단에 연결된 지지 구조부들을 포함하되,
    상기 전기 활성 고분자 층은 상기 지지 구조부들 사이에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 전기 활성 고분자 층의 상단 면에 수직한 제1 방향 또는 상기 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향으로 휘어지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 광학 줌 렌즈는,
    볼록 렌즈 형상의 렌즈 구조부를 포함하는 제1 광학 줌 렌즈; 및
    오목 렌즈 형상의 렌즈 구조부를 포함하는 제2 광학 줌 렌즈;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 제12 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 광학 줌 렌즈 각각은,
    상기 제1 전극의 상부에 이격되어 형성되는 상부 박막층; 및
    상기 제2 전극의 하부에 이격되어 형성되는 하부 박막층을 더 포함하고,
    상기 상부 박막층 및 상기 하부 박막층 중 적어도 하나는 박막층 전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 렌즈 구조부는, 렌즈 영역 및 상기 전기 활성 고분자 층의 상부에 형성되는 박막층을 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 전기 활성 고분자 층 및 상기 박막층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
KR1020150146146A 2015-01-27 2015-10-20 박막형 능동 광학 줌 렌즈 및 이를 이용하는 장치 KR102066234B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/007,139 US9612362B2 (en) 2015-01-27 2016-01-26 Thin active optical zoom lens and apparatus using the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20150012893 2015-01-27
KR1020150012893 2015-01-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160092474A KR20160092474A (ko) 2016-08-04
KR102066234B1 true KR102066234B1 (ko) 2020-01-14

Family

ID=56709506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150146146A KR102066234B1 (ko) 2015-01-27 2015-10-20 박막형 능동 광학 줌 렌즈 및 이를 이용하는 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102066234B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101956172B1 (ko) * 2017-07-28 2019-03-11 광주광역시도시철도공사 탐촉자의 높이가 자동으로 조절되는 레일탐상기

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11133210A (ja) * 1997-10-30 1999-05-21 Denso Corp 可変焦点レンズ
CN1732401A (zh) * 2002-12-30 2006-02-08 皇家飞利浦电子股份有限公司 含有聚合物致动器的光学装置
US7733575B2 (en) * 2007-05-31 2010-06-08 Artificial Muscle, Inc. Optical systems employing compliant electroactive materials

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160092474A (ko) 2016-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9612362B2 (en) Thin active optical zoom lens and apparatus using the same
US8797653B2 (en) Device and method for controlling curvature of lens surface
US9634225B2 (en) Artificial muscle camera lens actuator
JP5571089B2 (ja) 複合駆動機構レンズアクチュエーター
US20130208369A1 (en) Apparatus and actuator for controlling the inclination or rotation center of an optical system
CN110661976B (zh) 驱动机构、摄像模组及终端设备
WO2013140978A1 (ja) カメラモジュールおよびカメラ装置
US8040623B2 (en) Compact auto focus lens module with piezoelectric actuator
US8736139B2 (en) Optical image stabilizer and method of manufacturing the same
JP2006512607A (ja) 重合体アクチュエータを含む光学デバイス
US20080204909A1 (en) Polymer actuator and optical unit
US20090046194A1 (en) Piezoelectric Actuator Element for Micromovement
US20160266376A1 (en) Active reflective lens and apparatus using the same
US20130077178A1 (en) Device and mehtod for controlling curvature
KR20150098188A (ko) 가변 초점 반사 렌즈 및 이를 포함하는 영상 시스템
US10495843B2 (en) Imaging apparatus with adjustable lens and method for operating the same
KR102066234B1 (ko) 박막형 능동 광학 줌 렌즈 및 이를 이용하는 장치
KR20150000180A (ko) 카메라 모듈
US9869922B2 (en) Optical lens system for camera
US7611296B2 (en) Optical apparatus including diaphragm device
KR20160110111A (ko) 능동 반사 렌즈 및 이를 이용하는 장치
US8154649B2 (en) Optical unit and image pickup apparatus utilizing electrostrictive drive elements
JP4765317B2 (ja) アクチュエータおよびこれを用いた撮像系
US20190196149A1 (en) Reflective active variable lens and method of fabricating the same
KR102113511B1 (ko) 반사형 초점 가변 미러

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant