KR20060129323A - 가변 렌즈계 - Google Patents

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KR20060129323A
KR20060129323A KR1020067015168A KR20067015168A KR20060129323A KR 20060129323 A KR20060129323 A KR 20060129323A KR 1020067015168 A KR1020067015168 A KR 1020067015168A KR 20067015168 A KR20067015168 A KR 20067015168A KR 20060129323 A KR20060129323 A KR 20060129323A
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KR1020067015168A
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베르나르두스 에이치. 더블유. 헨드릭스
스테인 쿠이페
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

전기습윤 렌즈(104, 204)를 구비한 콤팩트하고도 거의 무색의 광학 렌즈계(100, 200)가 제공된다. 광학 렌즈계는, 유체들(112, 212, 113, 213) 중에서 1개와 접촉하고 있는 입사창 표면(117, 217) 또는 출사창 표면(219) 중에서 적어도 1개가 곡률을 갖는 전기습윤 렌즈를 사용하고 있다. 전압이 인가되지 않을 때 이 표면의 곡률의 부호가 메니스커스의 곡률과 동일한 부호를 가지면, 낮은 장착 높이가 달성된다. 광학부재(104, 204)는 초점맞춤 또는 줌 장치로서 작용할 뿐만 아니라, 광학 렌즈계(100, 200) 내부의 다른 구성요소들에 대한 수차 축소 부재로서의 역할도 수행한다.
가변 렌즈계, 카메라, 촬상소자, 전기습윤 렌즈, 입사창, 출사창, 메니스커스, 곡률

Description

가변 렌즈계{VARIABLE LENS SYSTEM}
본 발명은, 메니스커스 위에서 접촉하는 제 1 유체 및 제 2 유체를 포함하는 가변 렌즈를 사용한 광학 렌즈계와, 이와 같은 광학 렌즈계를 구비한 촬상 시스템과, 이 가변 렌즈계와 광학 촬상 시스템을 설계하는 방법에 관한 것이다.
가변 렌즈는 렌즈의 한가지 이상의 특성이 제어가능하게 조정될 수 있는, 예를 들어 렌즈의 초점거리 또는 위치가 변경될 수 있는 장치이다. 광학 렌즈계는 촬상 센서 위에 물체의 상을 형성하는데 사용된다. 이와 같은 광학 렌즈계는 가변 렌즈를 구비할 수 있다.
카메라 모듈용의 촬상 센서의 개발에 있어서의 전반적인 추세는 이들 촬상 센서가 끊임없이 해상도가 증가하고 있다는 것이다. 100k 화소 범위의 CIF 촬상 센서 및 300k 화소의 촬상 센서 등의 저해상도 센서에서 출발하여, 현재는 고해상도의 메가픽셀 촬상 센서가 시판되고 있다. 이들 더 높은 해상도는 전체 물체 거리 범위(예를 들면 10cm 내지 무한대)에 걸쳐 높은 해상도를 채용할 수 있도록 하기 위한 광학 렌즈계의 초점맞춤 기능을 필요로 할 뿐만 아니라, 수차와 관련된 문제 등의 기타의 광학 성능 요구사항들을 충족하기 위해 적어도 2개의 비구면 렌즈를 포함하는 렌즈계를 필요로 한다. 휴대폰 내부의 카메라 등의 휴대용 응용분야에서는, 카메라 모듈을 적용되는 장치의 필요한 폼 팩터에 맞추기 위해서는 이 카메라 모듈의 장착 높이가 중요하다.
국제특허출원 WO2003/069380에는, 만곡된 렌즈들에 의해 둘러싸인 전기습윤(electrowetting) 렌즈를 가변 렌즈계로서 포함하는 카메라 모듈이 개시되어 있다. 인가 전압은 전기습윤 렌즈의 양쪽 유체들 사이에 있는 메니스커스의 형태를 조절하여, 전기습윤 렌즈의 광학 파워(optical power)를 조절한다. 이 결과, 촬상 시스템에서 이와 같은 전기습윤 렌즈를 이용함으로써, 가변 메니스커스 반경이 초점맞춤 요구조건을 충적시킬 수 있으므로, 화상의 초점 흐려짐(defocus)을 제거하는 것이 가능하다. 전기습윤 렌즈의 메니스커스가 거의 구현이므로, 이것이 코마수차, 왜곡 및 구면수차 등의 화상의 광학수차를 제거하는데 상당히 기여하지는 않는다.
종래의 전기습윤 렌즈는 제한된 수의 광학 표면으로 인해 제한된 배율, 필드의 평탄함(field flattening)과 수차의 축소 가능성을 갖는다. 그 결과, 이 모듈은 CIF 및 VGA 등의 저해성도 카메라에 대해서만 적합하다. 500k 화소 범위 S(VGA) 촬상 센서, 1M 화소 범위의 XGA 촬상 센서와, 메가픽셀 장치들 등의 더 높은 해상도의 센서를 갖는 카메라에 대해서는, 이것이 충분하지 않다.
종래기술의 카메라 모듈의 제 1 비구면 렌즈의 앞에는 개구 조리개(aperture stop) 뿐만 아니라 고스트 방지 조리개(ghosting stop)가 배치된다. 이와 같은 배 치로 인해, 렌즈계에 입사하는 미광(straylight)이 여전히 렌즈계의 원통형 벽으로부터 촬상 센서를 향해 반사되어, 고스트 현상을 일으킬 수 있다.
미국 특허출원 US2001/017985에는, 평탄한 입사창 및 출사창을 갖는 전기습윤 렌즈를 포함하고, 이 전기습윤 렌즈의 앞과 뒤에 별개의 렌즈 그룹들을 포함하는 카메라 렌즈 적층체가 개시되어 있다. 제 1 렌즈 그룹의 이동을 통해 초점맞춤이 행해진다. 전기습윤 렌즈는 줌 기능을 갖는다. 촬상 센서를 향한 빛의 양을 조절하기 위해 전기습윤 렌즈의 앞에 조리개가 배치된다.
이 미국 특허출원 US2001/017985에 개시된 전기습윤 렌즈는 카메라의 줌 동작에만 기여하며, 기타의 광학 성능의 향상에는 기여하지 않는다. 그 결과, 이와 같은 구조에서는, 렌즈 적층체를 위해 사용가능한 공간의 크기가 경제적으로 사용되고 있지 않아, 모듈의 성능을 불필요하게 제한한다.
낮은 장착 높이를 달성하기 위해, 동일한 문헌인 US2001/017985에는, 전압이 인가되지 않을 때 거의 평탄한 메니스커스를 갖는 전기습윤 렌즈를 사용하는 것이 제안되어 있다. 이와 같은 평탄한 메니스커스는 장착 높이를 줄인다.
상기한 개시내용은 적용된 전기습윤 렌즈의 초점맞춤이나 줌 등의 한가지 국면만을 기술하고 있는데, 이것은 예를 들어 모바일 카메라 모듈에 적용되는 콤팩트한 고해상도 촬상 시스템에는 충분하지 않다.
상기한 개시내용 중 어느 것도 촬상 렌즈계의 양호한 광학 색상 교정을 달성하는데 필요한 소색(achromatization)의 문제를 해결하지 않고 있다. 예를 들어, 예를 들어, 종래의 렌즈계는 복합렌즈(cemented doublet)를 형성하거나 통상의 굴 절 렌즈와 회절 렌즈를 결합하여 무색으로 된다. 복합렌즈에 대해서는, 보통 렌즈를 구성하는 2개의 구성요소들이 거의 동일한 굴절률과 다른 아베수를 갖는다. 소색을 제공하기 위해, 2개의 구성요소들의 광학 파워 K1 및 K2와 아베수 V1 및 V2가 다음 수식을 따르도록 선택된다:
Figure 112006054035096-PCT00001
굴절 렌즈를 소색하는 또 다른 방법은 회절 구조를 추가하는 것이다.
전기습윤 렌즈에서는, 광학 파워가 인가된 전압에 따르는 2개의 유체들 사이의 메니스커스의 반경에 따라 변하는 한편, 전술한 방법들은 고정된 광학 파워의 렌즈에 대해서만 적용되므로, 무색 렌즈계를 제공하는 전술한 모든 방법은 전기습윤 렌즈에는 적용이 불가능하다.
결국, 본 발명의 목적은, 작은 장착 높이를 갖고 고해상도 촬상 시스템에 적합한 소형의 전기습윤 렌즈를 사용하는 가변 렌즈계를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 거의 무색의 특성을 갖는 가변 초점 렌즈계를 제공함에 있다.
본 발명의 상기한 목적은, 적어도 제 1 및 제 2 렌즈 그룹과 조리개를 구비하고, 상기 렌즈 그룹들 중에서 적어도 1개는 입사창, 출사창과 그 자신을 통해 길이 방향으로 뻗는 광축을 갖는 챔버를 기진 광학부재를 구비하며, 상기 챔버는 상기 광축을 가로질러 뻗는 메니스커스 위에서 접촉하며 서로 혼합되지 않는 제 1 유체 및 제 2 유체를 함유하고, 입사창 및 출사창 표면들 중에서 적어도 1개가 유체와 접촉하며 곡률을 갖는 관학 렌즈계에 의해 달성된다.
인가된 전압에 따라 메니스커스의 형상이 변할 수 있도록 전압을 인가하는 전극들을 구비한 이와 같은 광학부재는 전기습윤 렌즈로도 불린다. 전압이 인가되지 않을 때, 유체와 접촉하고 있는 입사창 또는 출사창의 표면은 메니스커스의 곡률과 동일한 부호를 갖는 곡률을 가질 수 있다. 이와 같은 높이 축소 방법은 상기 광학계가 광학 파워를 포함하는 유일한 구성요소인 광학 렌즈계에도 적용이 가능하다. 또한, 이들 두 개의 창들이 만곡된 표면들을 가질 수도 있다.
장착 높이의 축소를 위해 만곡된 표면을 사용하는 것과 무관하게, 광학부재 또는 심지어는 전체 광학 렌즈계의 수차 교정을 위해 상기한 창들의 만곡된 표면들을 사용할 수 있다.
입사창 또는 출사창 중 적어도 한 개에 대해 만곡된 표면을 사용할 때, 광학부재의 표면들이 전체 광학 설계에 연관될 수도 있다. 광학 렌즈계의 광학 성능을 최적화하기 위한 광학 설계에 대해 추가적인 자유도의 개수로서 이들 창의 곡률들이 사용될 수도 있다. 이것은, 광학 렌즈계의 다른 구성요소들의 수차의 교정 또는 감소를 위해 이들 창의 곡률이 변형될 수도 있다는 것을 의미한다. 최적화는 왜곡이나 구면수차 등의 광학 에러의 상당한 감소를 제공할 수도 있다. 또한, 이것은 전체 광학계에서 광학부재들의 수의 감소를 허용하여 필요한 전체적인 광학 품질을 달성할 수 있다.
이 광학부재는 광학 파워를 갖는 더 많은 렌즈를 포함할 수 있는 광학 렌즈계에 사용된다. 본 발명의 목적은, 광학부재가 초점맞춤 또는 줌 장치로 기능할 뿐만 아니라, 광학 렌즈계 내부의 다른 구성요소들에 대한 수차 감소 부재로서의 역할을 할 수도 있는 광학부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 특수한 실시예는, 대물 공간(object space)과 상 공간(image space)을 갖는 광학 렌즈계를 제공하며, 이때 챔버를 갖는 광학부재를 포함하는 제 1 렌즈 그룹은 대물 공간의 측면에 배치되고, 제 2 렌즈 그룹은 상 공간의 측면에 배치되며, 조리개가 제 1 및 제 2 렌즈 그룹 사이에 배치된다.
제 1 렌즈 그룹 내의 전기습윤 렌즈의 위치는 작은 직경의 전기습윤 렌즈를 제공할 수 있으며, 또한 낮은 장착 높이와 긴 초점 범위를 제공한다. 전압이 인가되지 않은 상태에서, 메니스커스의 곡률 반경이 유체와 접촉하고 있는 렌즈 표면의 곡률 반경과 동일한 부호를 가질 때, 장착 높이가 더 축소될 수 있다. 낮은 장착 높이는 휴대폰에서 예를 들어 카메라 응용분야에 적합하다.
제 1 렌즈 그룹에서 소형의 전기습윤 렌즈를 사용할 때에는, 조리개가 전기습윤 렌즈의 뒤에 근접하여 위치하거나 이 렌즈와 일체화되며, 이 전기습윤 렌즈의 출사창에 근접하여 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같은 조리개는 제 1 렌즈 그룹에서의 원치 않는 반사를 차단할 수 있는데, 이러한 반사는 차단하지 않으면 촬상센서와 반응하여 고스트 화상을 발생할 수도 있다.
화상을 저장하기 위해 전체 시스템에서 촬상 센서 대신에 다른 감광소자들이 사용될 수 있다. 이와 같은 감광소자의 일례로는 사진 필름을 들 수 있다.
메가픽셀 촬상 센서 등의 널리 사용되는 촬상 센서들은 매립된 감지 영역을 가지므로, 촬상 빔의 수광각(acceptance angle)이 약 20 내지 25도로 제한된다. 이것은, 광학 렌즈계의 설계시에, 촬상 센서를 행한 광학 렌즈계의 광축과의 최대 주광선(chief-ray) 각도가 이와 같은 수광각보다 작은 것이 바람직하다는 것을 의미한다. 주광선 각도를 줄일 뿐 아니라 초점 평면을 편평하게 하게 위해, 전기습윤 렌즈와 촬상 센서 사이에 필드 평활 렌즈(field-flattening lens)가 배치될 수 있다.
광학촬상 시스템에 의해 생성된 상의 치수를 촬상센서의 치수와 일치시키기 위해, 전기습윤 렌즈와 주광선 축소 각도 렌즈 사이에 확대 렌즈가 배치될 수도 있다.
또 다른 실시예에서는, 유체와 접촉하고 있는 곡률을 갖는 표면을 지닌 창들 중에서 적어도 1개의 창의 재료의 아베수가 접촉 유체의 아베수와 다르다.
소색현상은 고아학계에서 분산성(dispersive) 광학 파워의 축소이다. 분산성 광학 파워는 빛의 파장에 대한 광학부재들의 재료의 굴절률 n의 의존성에 기인한다. 아베수 V는 이와 같은 파장 의존성을 다음과 같이 표현할 수 있다:
Figure 112006054035096-PCT00002
이때, n(λi)는 파장 λi에서의 굴절률로, λd=587.6nm, λF=486.1nm 및 λC=656.3nm이다. 높은 광학 품질을 얻기 위해서는 이와 같은 분산이 양호하게 교정되어야 한다. 종래의 렌즈계는 안개가 끼기 쉬운 격자 구조를 채용하거나 색상 교정을 위해 고가의 더블렛(doublet) 부품을 사용한다. 유체 기반의 가변 렌즈는 무색이 될 수 있는 렌즈계를 구성한다. 예를 들어, 유체들 사이의 계면을 무색으로 하기 위해서는, 유체들 'i' 및 'n'에 대한 굴절률 n 및 아베수 V가 다음과 같은 관계식을 따라야 한다:
Figure 112006054035096-PCT00003
만곡된 표면을 갖는 창 재료와 이 표면과 접촉하는 유체의 아베수가 거의 동일할 때에는, 광학부재 또는 전체 광학 렌즈계의 소색을 위해 이 계면을 사용하는 것이 불가능하다. 따라서, 만곡된 표면들을 갖고 이들 표면과 접촉하고 있는 유체들의 아베수들과 다른 아베수를 가지면, 광학 렌즈계의 실질적인 소색을 위한 전체적인 설계에 이들 광학 특성을 이용할 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 광학 렌즈계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 효과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 광학 렌즈계 구조의 파면수차를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 렌즈계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 렌즈계 구조의 파면수차를 나타 낸 것이다.
도 6은 제 3 실시예에 따른 광학 렌즈계의 다양한 파장에 대한 광학 전달 함수(optical transfer function)의 모듈러스(modulus)를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 광학 렌즈계를 구비하는 가변 초점 촬상장치를 예시한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학 렌즈계를 개략적으로 나타낸 것이다. 광학 렌즈계(100)는 2개의 렌즈 그룹 101 및 102와 제 1 렌즈 그룹의 앞에 놓인 조리개(103)를 구비한다. 제 1 렌즈 그룹(101)은 가변 렌즈로서 전기습윤 렌즈(104)를 구비하고 가변 초점 렌즈로서의 역할을 한다. 또한, 도 1에 도시된 실시예에서는, 제 1 렌즈 그룹이 화상의 크기를 광학 렌즈계의 뒤에 놓인 촬상 센서(105)의 크기와 일치시키기 위해 광학 렌즈계의 배율을 결정한다. 제 2 렌즈 그룹(102)은 대물 공간에서 시야각(field angle)으로부터 입사하는 광속(122)의 초점 평면을 평탄하게 하는 필드 평활 렌즈(106)를 구비한다. 촬상 센서(105)는 투명 커버(107), 본 실시예에서는 평행평면판으로 덮여 있다.
전기습윤 렌즈는 입사창(109) 및 출사창(110)과 그 자체를 통해 길이 방향으로 뻗는 광축(111)을 갖는 챔버(108)를 구비한다. 챔버는 광축을 가로질러 뻗는 메니스커스 상에서 접촉하는 제 1 유체(112)와 제 2 유체(113)를 포함한다. 이들 창들과 광학 렌즈계에 있는 다른 렌즈들은 유리, 플라스틱 또는 여타의 적절한 재료 로 제조될 수 있다. 챔버는 임의의 형상, 예를 들면 원통형, 원추형 또는 챔버의 길이에 걸쳐 변화하는 형상을 가질 수도 있다.
조리개(103)는 빛의 광속의 양과 촬상 센서(105)에서 고스트 화상을 발생할 수 있는 미광을 줄이고 있다.
사용된 2가지 유체 112 및 113은 서로 거의 혼합되지 않는다. 제 1 유체(112)는 염 용액을 함유하는 물 등의 전기도전성 유체이고, 제 2 유체(113)는 본 명세서에서는 오일로 불리는 실리콘 오일 또는 알칸 등의 전기 절연성 유체이다. 렌즈가 그것의 방향에 무관하게, 즉 유체에 대한 중력 효과의 의존성이 없이 동작하도록 하기 위해, 이들 2가지 유체는 동일한 밀도를 갖는 것이 바람직하다.
챔버 내부의 제 1 전극(115)은 보통 1 내지 20mm의 반경을 갖는 원통이지만, 챔버의 형상과 입체구조에 따라 이와 다른 반경 또는 형상을 가질 수 있다. 제 2 전극, 보통 환형 전극(116)은 챔버의 일단, 본 경우에는 입사창 근처에 배치된다. 이 제 2전극(116)은 제 1 유체(112)와 직접 접촉하고 있다.
전극들 115 및 116에 전압이 인가되지 않으면, 유체들은 일정한 곡률을 갖는 메니스커스(114) 위에 접촉하고 있다. 전극들의 양단에 전압을 인가함으로써, 메니스커스가 더 작거나 더 큰 곡률 반경을 갖도록 변형될 수 있다. 더구나, 챔버의 구조와 전극들의 배치에 따라, 메니스커스의 복수의 서로 다른 형상을 구현할 수 있다.
일반적으로, 사용된 오일의 선택에 따라, 오일의 굴절률이 1.25 내지 1.60에서 변동할 수 있다. 마찬가지로, 첨가된 염의 종류와 양에 따라, 염 용액이 1.32 내지 1.50에서 변화하는 굴절률을 가질 수 있다. 본 실시예에서의 유체들은, 제 1 유체가 제 2 유체보다 작은 굴절률을 갖도록 선택된다.
장착 높이를 줄이기 위해, 전극들 115 및 116 양단에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 제 1 유체와 접촉하고 있는 입사창의 표면(117)d 메니스커스(114)의 곡률과 동일한 부호를 갖는 곡률을 갖는 것이 바람직하다.
도 2a는 전기습윤 렌즈(301A)의 개략도이다. 이 렌즈는 메니스커스(314) 위에서 접촉하는 2개의 유체 312 및 313과, 광축(311) 상에서 외부에 배치된 2개의 평탄한 창(309A 및 310)과 렌즈(309B)를 구비한다. 메니스커스(314)의 곡률은 전기습윤 렌즈에 대양하는 렌즈(309B)의 표면의 곡률과 같은 부호를 갖는다.
렌즈(309B)가 전기습윤 렌즈(301A)에 일체화될 때에는, 이 렌즈가 도 2b에 개략적으로 나타낸 것과 같이 창 및 전기습윤 렌즈(301B)로서의 역할도 한다. 이 도면에는, 도 2a에 도시된 것과 같은 조합의 치수보다 이 전기습윤 렌즈(301B)가 광축(3111)을 따라 더 작은 치수를 갖는 것으로 도시되어 있다.
전체 광학 렌즈계의 광학 성능을 향상시키기 위해, 도 1에 도시된 표면 117이 수차 교정 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 이 표면은 전기습윤 렌즈의 거의 구현의 메니스커스에 의해 도입되는 구면수차를 교정하기 위해 비구면 형상을 포함하는 곡률을 가질 수 있다. 또한, 이 표면(117)의 형상은 전체 광학 렌즈계(100)의 전체적인 수차 레벨을 최적화하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에서는, 유체-창 계면(109)에 대한 최적화된 표면 곡률과 결합하여 접촉하는 유체(112) 및 입사창(109)의 재료의 적절한 선택에 의해 전기습윤 렌즈를 거의 무색으로 만들 수 있다. 이와 같은 재료의 선택은 굴절률 및 아베수 등의 파라미터에 대해 행해질 수도 있다.
적당한 렌즈 재료와 유체를 선택하는데 있어서 충분한 자유를 제공할 수 있도록 하기 위해서는, 넓은 범위의 굴절률을 허용하는 것이 필요하다. 이것은, 예를 들면 창 및 접촉 유체에 사용되는 재료의 굴절률에서의 상당한 차이를 제공할 수 있다. 또한, 이와 같은 굴절률 차이를 허용하는 것은 거의 소색된 전기습윤 렌즈를 위해 최적화하기 위해 창 및 유체에 대한 아베수의 상당한 차이를 요구한다. 전체 광학 렌즈계를 소색할 수 있도록 창 및 유체에 대한 재료와 곡률의 선택이 최적화될 수도 있다.
도 1에 도시된 것과 같은 상기한 실시예들에 따른 구조의 일례는 5 미크론의 정사각형 화소 크기를 갖는 VGA 타입의 촬상센서와 결합하여 사용되는 60도의 시야, 1.4mm의 입사동 및 5.2mm의 장착 높이를 갖는 F/2.5, f=3.47mm의 자동초점 렌즈이다. 본 실시예의 구조는 물체와 대향하는 플라스틱제 비구면 렌즈(118)로 구성된다. 조리개(103)는 이 플라스틱제 비구면 렌즈의 대물 공간에 놓인다. 이 플라스틱제 비구면 렌즈 뒤에는 절두형(truncated) 유리 구로 제조된 입사창(109)(예를 들어 n=1.53 및 V=53.8을 갖는 Schott에 의해 제조된 LAK8)으로 밀봉된 전기습윤 렌즈(104)가 놓이며, 이 뒤에는 제 1 유체(112)로서의 소금물(n=1.37 및 V=38.0)과, 제 2 유체(113)로서의 오일(n=1.53 및 V=29.0)이 위치한다. 마지막으로, 출사창(110)으로서 예를 들어 B270 유리 재료로 제조된 유리 평판으로 셀이 폐쇄된다. 전기습윤 렌즈 뒤에는 또 다른 플라스틱제 렌즈인 필드 평활 렌즈(106)가 위치한 다. 광학 특성에 대해 센서의 커버(107)도 참작해야 한다. 본 실시예에서는, n=1.52 및 V=64.2의 유리판이 사용된다.
도 3은 상기한 구조와 제 1 실시예에 따른 광학 렌즈계의 파면수차를 나타낸 것이다. 마이크로미터의 단위를 갖는 파면수차 W 대 정규화된 입사동 좌표 Px 및 Py를 3가지 파장 490nm, 560nm 및 625nm에 대해 도시하였다. 도 3a에서는 이것을 0도의 시야각에 대해 나타내었으며 도 3b에는 30도의 시야각에 대해 나타내었다. 이들 두 개의 그래프의 종방향으로의 최대의 눈금은 20 마이크로미터이다. 이들 그래프에 따르면, 다양한 파장에 대한 수차가 동일한 경향을 나타내며, 이들 다양한 파장들 사이의 수차의 차이가 충분히 작아 소색된 광학 렌즈계를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
상기한 제 1 및 실시예 및 제 2 실시예의 예에서는 제 1 유체와 접촉하고 있는 곡률을 갖는 표면을 지닌 입사창을 사용하지만, 제 2 유체와 접촉하고 있는 출사창의 표면이 일정한 곡률을 가질 수도 있다. 또한, 전기습윤 렌즈 또는 전체 광학 렌즈계의 수차(왜곡, 구면수차, 색 수차 등)의 감소에 기여하도록 그것의 광학 특성과 관련하여 출사창 재료와 그것의 형태의 선택이 최적화될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광학 렌즈계를 개략적으로 나타낸 것이다. 본 실시예에서는, 전기습윤 렌즈 또는 심지어는 전체 광학 렌즈계에 의해 도입된 수차를 줄이기 위해, 입사창 및 출사창의 모든 표면의 곡률의 선택과 함께 유체 및 창 재료의 선택(예를 들어 굴절률 및 아베수의 선택)의 조합이 사용된다. 광학 렌즈계(200)는 2개의 렌즈 그룹 201 및 202와 이들 제 1 및 제 2 렌즈 그룹 사 이에 배치된 조리개(203)를 구비한다. 제 1 렌즈 그룹(201)은 가변 렌즈로서 전기습윤 렌즈(204)를 구비하며 가변 초점 렌즈로서의 역할을 한다. 제 2 렌즈 그룹(202)은 화상의 크기를 광학 렌즈계의 뒤에 배치된 촬상 센서(205)의 크기와 일치시키기 위해 렌즈(220)를 사용하여 광학 배율을 결정한다. 또한, 이 제 2 렌즈 그룹은 필드 평활 렌즈(206)를 사용하여 주광선 각도를 줄인다. 촬상 센서(205)는 투명 커버(207), 예를 들면 평행평면판으로 덮여 있다.
전기습윤 렌즈(204)는 입사창(209) 및 출사창(210)과 그 자신을 통해 길이발향으로 뻗는 광축(211)을 갖는 챔버(208)를 지닌다. 이 챔버는 광축을 가로질러 뻗는 메니스커스(214) 위에서 접촉하는 제 1 유체(213) 및 제 2 유체(212)를 포함한다. 제 1 유체(213)와 접촉하고 있는 입사창의 표면(217)의 곡률 반경은, 제 1 및 제 2 유체 사이에 있는 메니스커스(214)의 곡률 반경과 동일한 부호를 갖는다. 또한, 제 2 유체(212)와 접촉하고 있는 출사창의 표면(219)의 곡률 반경도 제 1 및 제 2 유체 사이에 있는 메니스커스(214)의 곡률과 동일한 부호를 갖는다. 이것은 장착 높이의 축소를 제공한다. 렌즈들 뿐만 아니라 이들 창은 유리, 플라스틱 또는 여타의 적합한 재료로 제조될 수 있다.
광속이 확대 렌즈(220)를 통과한 후에 빔 직경이 촬상 센서를 향해 급격하게 증가되므로, 전기습윤 렌즈의 직경을 제한하기 위해 전기습윤 렌즈(204)는 확대 렌즈 앞의 제 1 렌즈 그룹(201)에 배치된다. 이와 같은 전기습윤 렌즈의 직경의 제한은 비용, 초점 범위, 전환 속도 및 장착 높이에 대해서도 이점을 갖는다.
예를 들어 전기습윤 렌즈에서의 원치 않은 반사에 기인한 고스트 화상을 줄 이기 위해 제 2 렌즈 그룹 앞에 조리개(203)가 배치된다. 바람직하게는, 조리개는 출사창 근처의 전기습윤 렌즈에 근접하게 배치하거나 이 전기습윤 렌즈에 부착하거나, 심지어는 출사창 근처의 전기습윤 렌즈 내부에 일체화된다.
도 4에 도시된 것과 같은 제 3 실시예에 따른 구조의 예로는, 메가픽셀 타입 촬상센서와 결합하여 사용되는 66도의 시야, 1.42mm의 입사동과 6.5mm의 장착 높이를 갖는 F/2.8, f=3.97mm 자동초점 카메라 렌즈를 들 수 있다. 화상의 광학 품질을 최적화하기 위해 모든 렌즈(209, 210, 220, 206)가 비구면 표면을 갖는다. 메니스커스(214)는 거의 구형으로 형성된다. 전기습윤 렌즈(204)의 둘러싸는 플라스틱제 렌즈들 209 및 210의 아베수는 55.8이며 이들의 굴절률은 560nm의 파장에서 약 1.532이다. 도전성 유체(212)는 소금물을 포함하여 38의 아베수와 560nm의 파장에서 1.376의 굴절률을 갖는 한편, 실리콘 오일을 포함하는 제 2 비도전성 유체(213)의 아베수는 28이고 560nm의 파장에서 1.552의 굴절률을 갖는다. 렌즈들의 반경의 적절한 선택에 의해, 광학계를 거의 무색으로 만들 수 있다.
도 5는 상기한 구조를 갖는 제 3 실시예에 따른 광학 렌즈계의 파면수차를 나타낸 것이다. 마이크로미터의 단위를 갖는 파면수차 W 대 정규화된 입사동 좌표 Px 및 Py를 3가지 파장 490nm, 560nm 및 625nm에 대해 도시하였다. 도 5a에서는 이것을 0도의 시야각에 대해 나타내었으며 도 5b에서는 약 33도의 시야각에 대해 나타내었다. 이들 도면의 종방향으로의 최대 치수는 50 마이크로미터이다. 이들 도면에서, 다양한 파장에 대한 수차가 동일한 경향을 나타내며, 다양한 파장들 사이에서의 수차의 차이가 충분히 작아 거의 소색된 광학 렌즈계를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 6은 Px 방향 및 Py 방향으로 약 33도에 이르는 다수의 시야각에 대해 밀리미터 당 라인의 양의 함수로써, 3가지의 해당 파장 490nm, 560nm 및 625nm에 대해 평균을 취한, 상기한 설계에 따른 광학 렌즈계의 다색성(polychromatic) 광학 전달 함수의 계산된 모듈러스를 나타낸 것이다. 이들 도면에는 2개의 그룹의 라인 601 및 602가 도시되어 있다. 라인 그룹 601은 20, 29 및 33도의 각도에 대해 Py 방향으로의 다색성 광학 전달 함수이다. 라인 그룹 602는 0, 10, 20, 29 및 33도에 대한 Px 방향과 0 및 10도의 각도에 대한 Py 방향으로의 다색성 광학 전달 함수이다. 이 그래프로부터, 예를 들어 휴대폰 내부의 카메라에서 사용되는 메가픽셀 촬상 응용에 대해서는 75라인/mm에 이르는 변조도가 충분하다는 것을 알 수 있다.
제 3 실시예에 따른 예에서는, 왜곡 및 구면수차 등의 수차와 장착 높이를 줄이기 위해, 입사창 및 출사창 모두의 모든 표면이 제로값이 아닌 반경을 지는 표면 곡률을 갖는다. 전체적인 시스템 요구조건에 따라, 입사창 또는 출사창으로부터의 단지 한 개의 표면만이 충분히 낮은 수차 레벨과 충분히 낮은 색 수차를 제공하기 위한 곡률을 갖는 것도 가능하다.
도 1 및 도 4와 관련하여 기술한 실시예들은 제 1 렌즈 그룹(101)에 배치된 전기습윤 렌즈(104)를 갖지만, 전기습윤 렌즈는 제 2 렌즈 그룹(102) 내부에 놓일 수도 있다.
도 7a는 본 발명의 실시예들에 따른 광학 렌즈계(400)를 구비한 가변 초점 촬상장치(421)를 나타낸 것이다. 초점맞춤 신호 등의 측정신호가 촬상 센서를 이용 하는 카메라에서 널리 사용되는 기술을 사용하여 촬상 센서(405)에서 유도될 수도 있다. 이 측정신호는 전압 구동기(422)에 대한 입력신호로 사용된다. 이 전압 구동기의 출력은 광학 렌즈계(400) 내부의 전극들 415 및 416에 접속되어, 메니스커스(414)의 형상을 제어한다. 도 7b는 휴대폰(423)의 예에 일체화된 가변 초점 촬상장치(421)에 대한 응용예를 나타낸 것이다. 이와 다른 직접 위치도 가능하다.
광학부재는 카메라 응용분야를 위한 광학 렌즈계 및 광학 촬상 시스템에 사용하는데 매우 적합하다. 이들 카메라 응용분야는 예를 들어 동영상 또는 정지영상의 핸드헬드형 카메라 또는 동영상 또는 정지영상을 위한 휴대폰 카메라일 수 있다. 특히, 카메라가 적용된 휴대폰에 대해서는, 크기가 작고 높은 광학 품질을 가지며 낮은 에너지의 사용량과 강건성을 갖는 장치에 대한 요구가 증대되고 있다. 예를 들어, 초점맞춤 및 줌 동작을 위한 기계적으로 움직이는 부분이 존재하지 않는 것은 본 발명에 따른 광학부재를 강건하게 만든다. 본 발명에 따른 광학부재를 사용하는 광학 렌즈계와 촬상 시스템은 이들 요구사항을 충족시킨다.
상기한 실시예들이 휴대폰 등의 소형의 모바일 카메라 시스템에 적합한 광학 렌즈계에 관한 것이지만, 본 발명은, 장착 높이를 줄이고 여타의 광학 시스템에서, 예를 들어 현미경 및 광 기록 응용분야에서 수차를 줄이는데 사용될 수도 있다.
본 발명에 따른 광학부재는 예를 들어 광학 저장 응용분야에서 소형의 능동적인 구면수차 교정부재로 사용될 수 있다. 이와 같은 응용분야에서는 광학부재가 광원과 대물렌즈 사이에 놓일 수 있다. 대물렌즈와 결합하여, 광학부재의 광학 파워의 변화가 대물렌즈로 전달되는 광 빔에 구면수차를 도입할 수 있다. 이와 같이 도입된 구면수차는 기판의 두께 변동이나 다층 저장매체의 다수의 층을 판독 또는 기록시에 광학계에서 발생하는 구면수차를 보상하는데 이용될 수 있다.
가변 렌즈부재에 대한 전술한 설명은 메니스커스의 형상을 변경하기 위해 전기습윤 원리를 이용한다. 예를 들어, 메니스커스의 형상 및 위치를 제어가능하게 변경하도록 배치된 원추형 형상의 전극과 조합된 펌프를 사용하는 것과 같이, 두가지 유체 사이에서의 메니스커스의 형상을 변화시키는 다른 방법도 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되는 것은 자명하다.

Claims (9)

  1. 제 1 렌즈 그룹(101, 201), 제 2 렌즈 그룹(102, 202) 및 조리개(103, 203)를 구비하고, 상기 렌즈 그룹들 중에서 적어도 1개의 렌즈 그룹은,
    입사창(109, 209), 출사창(110, 210) 및 그 자신을 통해 길이 방향으로 뻗는 광축(111, 211)을 갖는 챔버(108, 208)를 갖는 광학부재(104, 204)를 구비하고,
    상기 챔버는 상기 광축을 가로질러 뻗는 메니스커스(114, 214) 위에서 접촉하는 제 1 유체(112, 212) 및 제 2 유체(113, 213)를 포함하고, 이들 유체는 서로 혼합되지 않으며,
    상기 출사창 또는 입사창 중에서 적어도 1개는, 상기 제 1 유체 또는 제 2 유체 중에서 적어도 1개와 접촉하며 곡률을 갖는 표면(117, 217, 219)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈계(100, 200).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버(108, 208)는 전압을 인가하여 인가된 전압에 따라 상기 메니스커스의 형상을 변경하는 전극들(115, 116, 215, 216, 415, 416)을 더 구비하고, 전압이 인가되지 않을 때, 상기 제 1 유체 또는 제 2 유체 중에서 1개와 접촉하고 있는 입사창의 표면(117, 217)의 곡률이 메니스커스와 동일한 부호의 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈계.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버는 전압을 인가하여 인가된 전압에 따라 상기 메니스커스의 형상을 변경하는 전극들(115, 116, 215, 216, 415, 416)을 더 구비하고, 전압이 인가되지 않을 때, 상기 제 1 유체 또는 제 2 유체 중에서 1개와 접촉하고 있는 출사창의 표면(219)의 곡률이 메니스커스와 동일한 부호의 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈계.
  4. 제 1항, 제 2항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    유체와 접촉하고 있는 곡률을 갖는 표면을 지닌 상기 창들 중에서 적어도 1개는 접촉하고 있는 유체의 아베수와 다른 아베수를 갖는 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 광학 렌즈계.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    대물 공간과 상 공간을 갖고,
    제 1 렌즈 그룹은 상기 대물 공간의 측면에 배치되고, 상기 제 1 렌즈 그룹은 상기 챔버를 포함하며,
    제 2 렌즈 그룹은 상기 상 공간의 측면에 배치되고,
    조리개는 상기 제 1 및 제 2 렌즈 그룹 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 광학 렌즈계.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 조리개는 상기 상 공간의 측면에 있는 제 1 렌즈 그룹에 부착된 것을 특징으로 하는 광학 렌즈계.
  7. 제 1항, 제 2항, 제 3항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    대물 공간과 상 공간을 갖고,
    제 1 렌즈 그룹은 상기 대물 공간의 측면에 배치되고, 상기 제 1 렌즈 그룹은 상기 챔버를 포함하며,
    제 2 렌즈 그룹은 상기 상 공간의 측면에 배치되고,
    조리개는 상기 제 1 렌즈 그룹에 일체화된 것을 특징으로 하는 광학 렌즈계.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 광학 렌즈계를 구비한 광학장치.
  9. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 광학 렌즈계를 구비한 휴대폰.
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