KR20020054579A - 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학계 렌즈에 압전구동기를 사용하여 렌즈의 초점거리를 정밀하면서도 정확하게 조절할 수 있도록 한 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치에 관한 것으로서, 이를 위해 렌즈의 곡률이 가변되어 초점거리가 조절되는 곡률가변렌즈와, 곡률가변렌즈가 그 내부에 설치되고, 상기 곡률가변렌즈를 전위차에 의해서 변위시키어 렌즈가 인장 및 압축변형되도록 구동시키는 제 1 압전구동기와, 상기 제 1 압전구동기의 하부에 설치되어 전위차에 의해서 변위되어 렌즈를 상,하로 구동시켜 렌즈의 초점거리를 조절하는 제 2 압전구동기와, 상기 제 1,2 압전구동기 사이에 설치되는 상기 제 1,2 압전구동기를 서로 연결시킴과 동시에 구동시 서로 연동되도록 연동루버로 이루어진 것을 특징으로 하며, 이에 따라, 광학계 렌즈의 곡률을 가변시켜 여러개의 렌즈대신 한 개의 렌즈로 초점거리를 조절이 가능함으로써, 렌즈의 제작비용을 절감할뿐아니라 렌즈 교체에 따른 복잡함을 줄일 수 있으며, 이로인해 제품의 제조원가를 절감하고, 또한, 렌즈의 초점거리를 정밀하면서도 미세하게 구동시키는 압전구동기를 사용함으로써, 렌즈의 초점거리를 신속하고 정확하게 조절하여 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

광학계 렌즈의 초점거리 조절장치{Drive of Controlling Focus Length of Lens Optical Drive System}

본 발명은 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치에 관한 것으로, 특히, 광학계 렌즈의 곡률을 가변시킬 수 있는 압전구동기를 사용하여 한 개의 렌즈로 정밀하면서도 정확하게 초점거리를 조절할 수 있도록 한 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 광학계가 적용되는 분야는 사진 카메라, 비디오 카메라, 복사기, 팩시밀리, 광학 계측기, 반도체 생산공정 장치, 광픽업 장치등의 광학기기등이 있다.

그리고, 상기와 같은 광학기는 렌즈를 구비해야 함으로 이 렌즈는 소위 경통이라고 불리우는 원통형 부재에 고정시키는데, 이들 렌즈의 고정장치를 살펴보면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와같이, 경통(1)의 내부로 다수개의 렌즈(2)(3)(4)을 중첩고정하고, 내측으로 위치하는 렌즈(3)(4)의 사이에 간격링(5)을 두고 배치하며, 상기 경통의 선단에 나사체결되는 리테이너(6)로 이루어져 있다.

상기 리테이너의 전측 둘레부가 최선단에 위치하는 렌즈의 전면 가장자리를 가압함으로써, 그 내부로 배치되는 렌즈 전체를 고정시킨다.

그러나, 상기 렌즈는 모두 일정한 곡률을 형성한 렌즈를 사용함으로써, 렌즈가 정해진 위치에서 고정후 초점거리를 맞출 경우 곡률이 다른 렌즈로 교환한 후 경통을 움직이거나 다른 액츄에이터를 구동시켜 다시 초점거리를 맞추야 함으로 정밀하고 정확한 초점을 맞추기가 어려울뿐아니라, 여러개의 곡률이 형성된 렌즈가 필요하고, 이를 교체하고 조절해야하는 번거로움이 있었다.

또한, 광학계에서는 렌즈의 초점거리를 맞출때 미세한 오차가 발생할 경우 제품의 성능에 큰 영향을 미치게 됨으로 상기와 같은 경통구조의 렌즈구동방식에서는 허용오차 범위가 커서 정밀하면서도 미세한 초점거리를 조절하기가 어려운 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 광학계 렌즈의 곡률을 가변시켜 렌즈의 광학적 특성인 개구수(開口數) 즉 NA(Numerical Aperature)값을 변화시킴으로써, 곡률을 형성한 여러개의 렌즈대신 한 개의 렌즈로 정밀한 초점거리를 조절할 수 있도록 한 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치를 제공하는데 있다.

발명의 다른 목적은 광학계 렌즈에 압전구동기를 사용함으로써, 가변되는 렌즈의 초점거리를 정밀하면서도 정확하게 조절할 수 있도록 한 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치는, 렌즈의 곡률이 가변되어 초점거리가 조절되는 곡률가변렌즈와, 상기 곡률가변렌즈가 그 내부에 설치되고, 상기 곡률가변렌즈를 전위차에 의해서 변위시키어렌즈가 인장 및 압축변형되도록 구동시키는 제 1 압전구동기와, 상기 제 1 압전구동기의 하부에 설치되어 전위차에 의해서 변위되어 렌즈를 상,하로 구동시켜 렌즈의 초점거리를 조절하는 제 2 압전구동기와, 상기 제 1,2 압전구동기 사이에 설치되는 상기 제 1,2 압전구동기를 서로 연결시킴과 동시에 구동시 서로 연동되도록 연동루버로 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 광학계 렌즈의 구조를 나타낸 렌즈부의 측단면도,

도 2는 본 발명의 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치를 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명의 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치의 구성을 나타낸 측단면도,

도 4는 본 발명의 광학계 렌즈의 초점거리를 구하는 공식을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 광학계 렌즈의 곡률값이 클때의 작동상태를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 광학계 렌즈의 곡률값이 작을 때의 작동상태를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 광학계 렌즈의 곡률값이 일정할때의 작동상태를 나타낸 도면,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 본체 101 : 렌즈

101a: 곡률가변렌즈 102 : 제 1 압전구동기

103 : 연동루버 104 : 제 2 압전구동기

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치를 나타낸 사시도 이고, 도 3은 본 발명의 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치의 구성을 나타낸 측단면도 이고, 도 4는 본 발명의 광학계 렌즈의 초점거리를 구하는 공식을 나타낸 도면 이고, 도 5는 본 발명의 광학계 렌즈의 곡률값이 클때의 작동상태를 나타낸 도면 이고, 도 6은 본 발명의 광학계 렌즈의 곡률값이 작을 때의 작동상태를 나타낸 도면 이고, 도 7은 본 발명의 광학계 렌즈의 곡률값이 일정할때의 작동상태를 나타낸 도면 이다.

도 2 내지 도 7에 도시한 바와같이, 광학계 렌즈(101)의 초점거리 조절장치 본체(100)는 제 1 압전구동기(102), 곡률가변렌즈(101a), 제 2 압전구동기(104), 연동루버(103)로 이루어져 있다.

상기 곡률가변렌즈(101a)는 상기 렌즈(101a)의 곡률이 인장 및 압축변형에 따라 가변되도록 탄성력을 지님과 동시에 이 탄성력에 따라 곡률이 가변되어 초점거리가 조절되도록 상기 제 1 압전구동기(102)내에 설치되어 있다.

상기 제 1 압전구동기(102)는 전위차에 의해서 변위되어 렌즈(101a)를 인장 및 압축변형시킴과 동시에 이 인장 및 압축변형에 따라 렌즈(101a)의 곡률을 가변시키도록 되어 있다.

또한, 상기 제 1 압전구동기(102)는 원통형상의 튜브-타입(Tube-Type)인 튜브형 압전구동기로 이루어져 있다.

상기 제 2 압전구동기(104)는 전위차에 의해서 변위되어 상기 곡률가변렌즈(101a)를 상,하로 구동시켜 렌즈(101a)의 초점거리를 조절하도록 상기 제 1 압전구동기(102)하부에 설치되어 있다.

또한, 상기 제 2 압전구동기(104)는 다수개의 원통형상의 튜브형 압전구동기를 적층시켜 적층형 튜브 압전구동기로 이루어져 있다.

상기 연동루버(103)는 상기 제 1,2 압전구동기(102)(104)를 서로 연결시킴과 동시에 제 1,2 압전구동기(102)(104)가 구동시 서로 연동용이하도록 상기 제 1,2 압전구동기 (102)(104)사이에 설치되어 있다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치의 동작과정을 첨부된 도 2 내지 도 7을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 광학계 렌즈의 초점거리를 조절하기 위해 사용되는 제 1,2 압전구동기(102)(104)는 전원을 가했을 때 변형(인장 및 압축)이 발생되는 피에조를 사용한다. 이 피에조는 양쪽에 서로 다른 전극(AC에서는 위상이 180도 차이나는 전압)을 입력함과 동시에 이 서로 다른 전극에 전위차를 입력하면 한면은 팽창하며, 다른 한면은 수축하여 기준위치로부터 일정한 범위의 변위로 휨이 발생하여 양쪽 끝단이 각도 차이 없이 변위를 갖게 된다.

도 5에 도시된 바와같이, 본 발명의 초점거리 조절장치(100)를 이용하여 광학계 렌즈(101)인 곡률가변렌즈(101a)의 초점거리(f)를 맞추기 위한 것으로서, 도 5의 (a1)은 상기 곡률가변렌즈(101a)의 초기상태의 초점거리(f)를 나타낸 것이고, 도 5의 (a2)는 전위차에 의해서 변위되어 상기 곡률가변렌즈(101a)를 인장 및 압축변형되도록 구동시키는 제 1 압전구동기(102)가 설치되어 있으므로, 이 제 1 압전구동기(102)를 구동시켜 상기 곡률가변렌즈(101a)의 중심축으로 압축이동시킨 것이다.

이때, 상기 제 1 압전구동기(102)내에는 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 가변되어 초점거리(f)가 조절되는 탄성력을 지닌 곡률가변렌즈(101a)가 설치되어 있으므로, 상기 곡률가변렌즈(101a)의 탄성력에 따라 압축되어 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 커지고, 이와 동시에 곡률가변렌즈(101a)를 통과하는 광빔(B)의 굴절률(n)이 작아져 초점거리(f)가 짧아진다.

이와같이 상기 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 커지면 광빔(B)의 굴절률(n)은 작아지고, 이로인해 초점거리(f)가 짧아져 초점위치(P)에서부터 광축과 이루어지는 광빔의 각도(θ)는 커진다.

이 상태에서 도 5의 (a3)는 상기 제 1 압전구동기(102) 하부에 전위차에 의해서 변위되어 곡률가변렌즈(101a)를 상,하로 구동시켜 렌즈(101a)의 초점거리(f)를 조절하는 제 2 압전구동기(104)가 설치되어 있으므로, 이 제 2 압전구동기(104)의 구동에 따라 상기 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 커진상태에서 상,하로 구동시켜 정밀하면서도 정확한 초점거리(f)를 조절할 수 있다.

여기서, 초기의 초점위치(P)에서 변화된 초점위치(P)의 거리를 l로 나타낸다.

또한, 도 6의 (a1)은 초점거리 조절장치(100)의 곡률가변렌즈(101a) 초기 위치를 나타낸 것이고, 도 6의 (a2)는 상기 제 1 압전구동기(102)를 전위차에 의해서 변위시켜 상기 곡률가변렌즈(101a)의 중심축 바깥쪽으로 구동시킨 것으로서, 상기 곡률가변렌즈(101)의 인장력에 따라 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 작아져 곡률가변렌즈(101a)를 통과하는 광빔(B)의 초점거리(f)가 멀어진다.

이와같이 상기 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 작아지면 광빔(B)의 굴절률(n)은 커지고, 이로인해 초점거리(f)는 길어져 초점위치(P)에서의 광축과 이루어지는 광빔의 각도(θ)는 작아진다.

이 상태에서 도 6의 (a3)는 상기 제 1 압전구동기(102) 하부에 전위차에 의해서 변위되어 곡률가변렌즈(101a)를 상,하로 구동시켜 렌즈의 초점거리를 조절하는 제 2 압전구동기(104)가 설치되어 있으므로, 이 제 2 압전구동기(104)의 구동에 따라 상기 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 작아진 상태에서 상,하로 구동시켜 정밀하면서도 정확한 초점거리(f)을 조절할 수 있다.

또한, 도 7의 (a1)(a2)(a3)는 상기 곡률가변렌즈(101a)의 곡률이 일정한 상태를 나타낸 것으로서, 이 상태에서 상기 제 1 압전구동기(102) 하부에 설치된 제 2 압전구동기(104)를 상,하로 구동시켜 상기 곡률가변렌즈(101a)의 초점거리(f)를 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 렌즈관련 공식은 도 3을 통해 설명된다.

가우스 렌즈 공식(Gaussian Lens Fomula)은,

이다. - 식(1)

초점거리 공식은

이다. - 식(2)

여기서, f : 초점거리, P : 초점 위치, R1, R2 : 렌즈의 곡률 반경(R1>R2 또는 R1<R2)

n : 렌즈의 굴절률(여기서는 렌즈의 곡률이 바뀌어도 변함없음) 이고,

상기 곡률가변렌즈(101a)의 곡률값(Numerical Aperature : NA, 개구수)은 곡률가변렌즈(101a)의 굴절률(n)과 초점위치(P)부터 광축과 이루는 각 θ의 곱이다( NA = n ×sin θ)

이와 같이 상기 제 1 압전구동기(102)와 제 2 압전구동기(104)의 피에조(200)는 전압차에 따라 변형변위가 발생됨으로 먼저 제 1 압전구동기(102)의 피에조(200)에 입력 전압(V)에 따른 길이방향의 변형변위는,

이고,

반지름 방향의 변형변위는,

이다.

제 2 압전구동기(104)의 피에조(200)에 입력 전압(V)에 따른 길이방향의 변형변위는,

이고,

반지름 방향의 변형변위는,

이다.

여기서,은 3방향으로 전원을 가했을 때 3방향으로의 변형률이다.

은 3방향으로 전원을 가했을 때 1방향으로의 변형률이다.

n'은 제 2 압전구동기(104)의 피에조(200) 적층수 이다.

상기와 같이 렌즈의 초점거리를 구하는 공식 및 렌즈의 초점거리를 조절하기 위한 구동식을 나타낼 수 있다.

한편, 지금까지 서술된 바와같이 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며,본 발명의 기술적 사상 및 영역을 벗어나지 않은 범위내에서 사진 카메라, 비디오 카메라, 복사기, 팩시밀리, 광학 계측기, 반도체 생산공정 장치, 광픽업 장치등에서 다양하게 변형실시 할수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치에 의하면,

광학계 렌즈의 곡률을 가변시켜 한 개의 렌즈로 초점거리 조절함으로써, 기존의 사용하던 여러개의 곡률이 형성된 렌즈 대신 한 개의 렌즈를 사용하여 렌즈비용을 절감할뿐아니라 렌즈 교체에 따른 복잡함을 줄일 수 있으며, 이로인해 제품의 제조원가를 절감하고, 또한, 가변되는 렌즈의 초점거리를 조절하기 위해 정밀하면서도 미세하게 구동되는 압전구동기를 사용함으로써, 렌즈의 초점거리를 신속하고 정확하게 조절하여 제품의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 렌즈의 곡률이 가변되어 초점거리가 조절되는 곡률가변렌즈와,

   상기 곡률가변렌즈가 그 내부에 설치되고, 상기 곡률가변렌즈를 전위차에 의해서 변위시키어 렌즈가 인장 및 압축변형되도록 구동시키는 제 1 압전구동기와,

   상기 제 1 압전구동기의 하부에 설치되어 전위차에 의해서 변위되어 렌즈를 상,하로 구동시켜 렌즈의 초점거리를 조절하는 제 2 압전구동기와,

   상기 제 1,2 압전구동기 사이에 설치되는 상기 제 1,2 압전구동기를 서로 연결시킴과 동시에 구동시 서로 연동되도록 연동루버로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 압전구동기는 원통형상의 튜브형 압전구동기로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 압전구동기는 다수개의 원통형상의 튜브형 압전구동기를 적층시켜 적층형 튜브 압전구동기로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학계 렌즈의 초점거리 조절장치.