KR20070009768A - 무 가동 자동 초점 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 무 가동 자동 초점 렌즈에 관한 것으로, 예를 들어 피사체 거리 변화에 따른 렌즈의 초점 이동을 위하여, 굴절능을 변화시키는 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈의 굴절능 변화에 따른 수차 열화를 방지하기 위해 위상을 제어하기 위한 제2 렌즈로 구성되는 액티브 렌즈를 이용하여, 피사체 거리 변화에 따른 초점 조정과 수차 보정이 동시에 이루어 질 수 있도록 함으로써, 종래의 액체 렌즈 등에서 단순히 구면 변화에 의한 초점 조정시 나타나는 축외 특성의 열화를 보정할 수 있게 되어 렌즈 계의 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 또한 신뢰성이 확립된 전기 광학 소자를 매우 얇은 구조로 구성 할 수 있게 되어, 온도 환경 변화에 대한 안정성이 뛰어나며, 또한 액체 렌즈 등을 사용할 때 성능 마진을 확보하기 위한 결상계 렌즈 등을 별도로 추가할 필요가 없게 되므로, 초소형이면서 고성능인 자동 초점 렌즈를 제공할 수 있게 되는 매우 유용한 발명인 것이다.

무 가동 초점 렌즈, 굴절능, 초점 조정, 수차 보정, 편광 성분, 포커스 심도, 초소형, 고성능

Description

무 가동 자동 초점 렌즈 {No moving auto focus lens}

도 1은 일반적인 모터 구동 렌즈에 대한 실시예를 도시한 것이고,

도 2는 일반적인 액체 렌즈에 대한 실시예를 도시한 것이고,

도 3은 본 발명에 따른 무 가동 자동 초점 렌즈에 대한 제1 실시예를 도시한 것이고,

도 4는 본 발명에 따른 무 가동 자동 초점 렌즈에 대한 제2 실시예를 도시한 것이고,

도 5는 본 발명에 따른 제1 렌즈와 제2 렌즈의 구성에 대한 실시예를 도시한 것이고,

도 6은 본 발명에 따른 제1 렌즈의 구성에 대한 실시예를 도시한 것이고,

도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 무 가동 자동 초점 렌즈의 해상도 변화를 그래프로 도시한 것이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 렌즈 11 : 모터

20 : 액체 렌즈 30 : 제1 렌즈

31 : 제2 렌즈 32 : 이미지 센서

본 발명은, 무 가동 자동 초점 렌즈에 관한 것으로, 예를 들어 휴대폰(Phone) 또는 피디에이(PDA) 등과 같은 다양한 유형의 휴대용 기기 등에 적용되는 자동 초점 렌즈에 있어서, 초점 렌즈를 이동시키지 않고 자동으로 초점 조절이 가능하게 하면서도, 렌즈의 성능을 유지할 수 있도록 하기 위한 무 가동 자동 초점 렌즈에 관한 것이다..

최근에는, 휴대폰 또는 피디에이와 같은 휴대용 기기의 시장 확대와 함께, 휴대용 기기의 기능 다양화를 위한 여러 가지 복합 제품이 출시되고 있는 데, 예를 들어, 그 대표적인 기능이, 카메라 기능의 탑재이다.

한편, 상기와 같은 휴대용 기기에 있어서, 카메라 기능의 탑재는, 초기 10만 화소 급의 CIF 카메라 탑재에 이어, 30만 화소급의 고화질 VGA 카메라가 탑재되고 있으며, 더욱이 최근에는 100만 화소 급 이상의 Mega Pixel 카메라가 탑재되고 있다.

또한, 상기 휴대용 기기에는, 소형 렌즈의 탑재가 필요한 데, 예를 들어 1.3M Pixel 카메라 이하에서는, 별도의 초점 조절 기능 없이, 피사계 심도 특성에 의해 일정 거리의 피사체에 대하여, 결상 특성을 유지 할 수 있도록 하는 팬 초점 타입(Pan Focus Type)을 일반적으로 사용하여 초소형화를 달성하고 있다.

그러나, 200만 화소 이상의 고성능 VGA 카메라의 경우에는, 이미지 센서(예: CCD 또는 CMOS 등)의 크기 감소로 인하여, 일정 거리 이상의 피사체 거리 변화에 대하여, 별도의 초점 조절 기능 없이 고화질을 유지하기가 어려운 문제가 발생하게 되므로, 일반적으로 별도의 초점 조절 기구를 채용하여 자동 초점 조절을 수행하고 있다.

한편, 상기와 같은 자동 초점 조절을 위한 종래 장치는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 렌즈(10) 전체 또는 일부를 가동시켜, 초점을 맞추는 방법이 보편적으로 사용되고 있는 데, 이 경우, 상기 렌즈(10) 가동을 위한 구동 원으로서 선형 모터 또는 스텝핑(Stepping) 모터, 또는 피에조(Piezo) 모터(11) 등이 사용된다.

또한, 상기 모터를 이용하는 종래 기술의 동작을 살펴보면, 임의의 피사체 거리에 대해, 상기 렌즈(10)를 통해 이미지 센서(미도시)에 결상되는 상에 대하여, 물체 거리가 변화하면, 상기 이미지 센서에 결상되는 상에 초점이 흐려지게 되는데, 이때 상기 모터(11)의 구동에 의해 렌즈의 전체 또는 일부가 이동하여, 상기 이미지 센서에 상이 정상적으로 포커싱되도록 한다.

그러나, 상기와 같이 모터(11)를 사용하는 경우, 렌즈계를 초소형화할 수 없기 때문에, 최근에는 모터를 사용하지 않는 액티브 렌즈(Active Lens)를 사용하여 피사체 거리에 따라 초점을 조절하는 방법이 제안되고 있다.

예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, Liquid Lens라고 지칭되는 액체 렌즈는, 렌즈에 걸리는 전압에 따라, 극성 유체와 비극성 유체의 매질 경계 면에서 극 성 유체가 강한 정전기의 끌림 현상으로 인하여 곡률이 변화하는 성질을 갖게 되는 데, 이러한 곡률 변화는 렌즈의 굴절능을 변화시켜, 피사체 거리 변화에 따른 자동 초점 조절 동작을 수행하게 된다.

그러나, 상기와 같은 액체 렌즈는, 구면으로만 형상이 변화하기 때문에, 피사체 거리가 가까워짐에 따라 성능이 열화되는 문제점이 있기 때문에, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 결상 렌즈계의 렌즈 매수를 늘려, 액체 렌즈의 곡률 변화에 따른 수차 열화를 방지해야 하므로, 이 또한 소형화나 가격적인 측면에서 문제점이 발생하게 되며, 더욱이 액체 렌즈의 경우, 온도에 따른 신뢰성이 낮아 특히 저온에서 문제가 발생되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 예를 들어 피사체 거리 변화에 따른 렌즈의 초점 이동을 위하여, 굴절능을 변화시키는 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈의 굴절능 변화에 따른 수차 열화를 방지하기 위해 위상을 제어하기 위한 제2 렌즈로 구성되는 액티브 렌즈를 이용하여, 피사체 거리 변화에 따른 초점 조정과 수차 보정이 동시에 이루어 질 수 있도록 하기 위한 무 가동 자동 초점 렌즈를 제공하는 데, 그 목적이 있는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무 가동 자동 초점 렌즈 는, 피사체 거리 변화에 따른 렌즈의 초점 이동을 위해, 굴절능을 변화시키기 위한 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈의 굴절능 변화에 따른 수차 열화를 방지하기 위해, 위상을 제어하기 위한 제2 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하며,

또한, 상기 제 1렌즈는, 렌즈의 중심으로부터 래디얼(Radial) 방향으로 가해진 전기장의 크기 변화에 따라, 전극이 설치된 2 장의 기판 사이에 설치된 전기 광학 재료가, 전기장의 크기에 대해 다르게 반응하여, 특정 편광에 대한 굴절률을 변화시켜, 래디얼 방향으로 발생한 굴절률 분포에 의하여, 입사 광선의 굴절각이 입사 높이별로 변화하여 최종적으로 초점 거리를 변화시키는 것을 특징으로 하며,

또한, 상기 제2 렌즈는, 상기 제1 렌즈와 연동하여, 전기적 제어 신호에 의해 래디얼 방향으로 회전 대칭 상의 미소 구조를 갖으며, 두 장의 글래스(Glass) 사이에 미소 구조가 전기 광학 재료와 함께 샌드위치 상으로 결합되어, 전기적 외부 제어 신호에 의하여 국부적인 서로 다른 위상 변환을 일으켜 굴절능의 큰 변화 없이 비구면의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하며,

또한, 상기 제1 렌즈는, 전체 렌즈 군의 선단부에 설치되고, 상기 제2 렌즈는, 상기 제1 렌즈 후단에 일체로 구성되거나, 또는 분리되어 설치되고, 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈는, 각각 특정 방향의 선편광과, 그 편광에 직교하는 편광에 대해, 상기 초점 조정과 수차 보정의 기능을 담당하는 각각 두 개의 층으로 구성되며, 상기 층의 단위를 셀(Cell)이라고 할 때, 상기 제1 렌즈는, 1 개의 셀로 구성되거나, 또는 굴절능의 변화 크기가 클 경우, 그에 해당하는 굴절능을 얻기 위해, 2 개 이상의 셀이 적층되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 무 가동 자동 초점 렌즈에 대한 바람직한 실시예에 대해, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은, 본 발명에 따른 무 가동 자동 초점 렌즈에 대한 제1 실시예를 도시한 것으로, 피사체 거리 변화에 따른 렌즈의 초점 이동을 위해, 굴절능을 변화시키기 위한 제1 렌즈(30)와, 상기 제1 렌즈의 굴절능 변화에 따른 수차 열화를 방지하기 위해, 위상을 제어하기 위한 제2 렌즈(31)로 액티브 렌즈를 구성한다.

한편, 상기 제1 렌즈(30)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 전체 렌즈 군의 최 선단부에 설치되고, 상기 제2 렌즈(31)는, 상기 제1 렌즈의 후단에 일체로 구성하거나, 또는 도 4에 도시한 바와 같이, 성기 제1 렌즈(30)와는 분리되어 별도로 설치된다.

또한, 상기 제1 렌즈(30)는, 렌즈의 중심으로부터 래디얼(Radial)방향으로 가해지는 전기장의 크기 변화에 따라 전극이 설치된 2 장의 기판 사이에 설치된 전기 광학 재료가 전기장의 크기에 대하여 다르게 반응하며, 그 결과, 특정 편광에 대한 굴절률의 변화가 발생하게 되는 데, 이러한 래디얼(Radial) 방향으로 발생되는 굴절률 분포에 의하여, 입사 광선의 굴절각이 입사 높이별로 변화하여 최종적으로 초점거리가 변화하는 동작을 수행하게 된다.

그리고, 상기 제1 렌즈(30)와 제2 렌즈(31)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 각각 특정 방향의 선편광과 그 편광에 직교하는 편광에 대하여, 상기 기능을 담당하는 각각 2 개의 층으로 구성되는 데, 예를 들어 상기 층의 단위를 셀(Cell)이라고 하는 경우, 상기 제1 렌즈(30)는, 1 개의 셀(Cell)로 구성되거나, 또는 요구되는 굴절능의 변화 크기가 클 경우, 그에 해당하는 굴절능을 얻기 위하여, 도 6에 도시한 바와 같이, 2 개 이상의 셀들이 적층되어 구성된다.

한편, 상기 제2 렌즈(31)의 경우, 상기 제1 렌즈(30)와 연동하여, 전기적 제어 신호에 의해, 래디얼(Radial) 방향으로 회전 대칭 상의 미소 구조를 갖고, 2 장의 글라스(Glass) 사이에 미소 구조가 전기 광학 재료와 함께 샌드위치 상으로 결합되어, 전기적 외부 제어 신호에 의하여 국부적인 서로 다른 위상 변환을 일으켜 굴절능의 커다란 변화 없이 비구면의 역할을 수행하게 된다.

그리고, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 무 가동 자동 초점 렌즈의 동작을 설명하면, 무한대 또는 임의의 피사체에 대해, 상기 제1 렌즈(30)와 제2 렌즈(31)가 포함된 전체 렌즈 군의 위치를, 소정의 이미지 센서(32) 면에 상이 잘 맺히도록 조정하게 되는 데, 이때 상기 제1 렌즈(30)와 제2 렌즈(31)에는, 아무런 제어 신호를 가하지 않아, 마치 투명 평판과 같이 아무런 역할을 하지 않도록 한다.

한편, 상기와 같은 경우의 렌즈 해상도는, 도 7에 도시한 바와 같이 표시되며, 이후 조정 점보다 피사체가 가까워지면 렌즈의 결상 원리에 의하여, 최적 결상면의 위치가 이동하게 되므로, 결과적으로 이미지 센서 위치에서의 해상도가, 도 8에 도시한 바와 같이 점차적으로 악화되며, 이때 상기 제1 렌즈(30)에 제어 신호가 가해져서, 굴절능을 변화시킴으로써, 상기 이미지 센서(32)의 중심 부분이 최적 성능이 나오는 위치까지 굴절능을 변화시키게 된다.

또한, 상기 제어 신호와 이미지 센서의 중심 부분에서 검출한 포커스 신호 는, 폐루프(Closed Loop) 제어계를 형성하여, 자동 초점 제어가 이루어지도록 하는 데, 이때의 렌즈 해상도는, 도 9에 도시한 바와 같이, 제1 렌즈의 제어에 의하여 중심 부분의 해상도가 보정되나, 주변부의 해상도는 개선이 미흡하게 된다.

한편, 이를 개선하기 위하여, 상기 제2 렌즈(31)에, 제어 신호를 가하게 되는 데, 상기 제2 렌즈(31)는, 위상 보상 기능을 갖기 때문에, 제2 렌즈가 비구면으로서 동작되어, 축외 성능을 보정하게 되므로, 도 10에 도시한 바와 같이, 렌즈의 해상도는, 주변부에 대해서도 양호한 상태가 된다.

그리고, 이때 상기 제2 렌즈(31)에 가해지는 제어 신호는, 상기 제1 렌즈(30)에 가해지는 제어신호와 연동하여 제어되거나, 또는 상기 이미지 센서(32)에서 축외 피사체에 대한 별도의 포커스 신호를 검출하여, 그 신호에 의하여 별도의 제어계를 구성한 후, 상기 제2 렌즈(31)를 제어할 수도 있다.

또한, 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈의 제어에 있어서, 전체 피사계 거리에 대하여 물체거리가 가까워짐에 따라, 지속적으로 제어하거나 또는 피사계 영역을 2 개 이상으로 나누어 각 영역에 대하여 일정 값으로 제어하도록 사전 제어 값을 미리 설정 및 이용하여 제어할 수도 있다.

그리고, 상기 영역 분할은, 이미지 센서의 유니트 셀(Unit Cell) 크기와 렌즈의 초점 심도(F/#)에 의하여 정해지는 과 초점 거리(Hyper Focal Distance)를 기준으로 무한대에서 상측 피사계 심도까지의 영역을, 제1 영역, 상측 피사계 심도에서 기준 매크로 위치 사이의 영역을 제2 영역, 그리고 기준 매크로 위치를 제3 영역으로 나누어 제어할 수 있다.

이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면, 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 또다른 다양한 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

상기와 같이 구성 및 동작되는 무 가동 자동 초점 렌즈는, 액체 렌즈 등에서 단순히 구면 변화에 의한 초점 조정시 나타나는 축외 특성의 열화를 보정할 수 있어 렌즈 계의 성능을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 또한 신뢰성이 확립된 전기 광학 소자를 매우 얇은 구조로 구성 할 수 있게 되어, 온도 환경 변화에 대한 안정성이 뛰어나며, 또한 액체 렌즈등을 사용할 때 성능 마진을 확보하기 위한 결상 계 렌즈 등을 별도로 추가할 필요가 없게 되므로, 초소형이면서 고성능인 자동 초점 렌즈를 제공할 수 있게 되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 피사체 거리 변화에 따른 렌즈의 초점 이동을 위해, 굴절능을 변화시키기 위한 제1 렌즈와,

   상기 제1 렌즈의 굴절능 변화에 따른 수차 열화를 방지하기 위해, 위상을 제어하기 위한 제2 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 무 가동 자동 초점 렌즈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 렌즈는, 전체 렌즈 군의 선단부에 설치되고, 상기 제2 렌즈는, 상기 제1 렌즈 후단에 일체로 구성되거나, 또는 분리되어 설치되는 것을 특징으로 하는 무 가동 자동 초점 렌즈.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1렌즈는, 렌즈의 중심으로부터 래디얼(Radial) 방향으로 가해진 전기장의 크기 변화에 따라, 전극이 설치된 2 장의 기판 사이에 설치된 전기 광학 재료가, 전기장의 크기에 대해 다르게 반응하여, 특정 편광에 대한 굴절률을 변화시켜, 래디얼 방향으로 발생한 굴절률 분포에 의하여, 입사 광선의 굴절각이 입사 높이별로 변화하여 최종적으로 초점 거리를 변화시키는 것을 특징으로 하는 무 가동 자동 초점 렌즈.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제2 렌즈는, 상기 제1 렌즈와 연동하여, 전기적 제어 신호에 의해 래디얼 방향으로 회전 대칭 상의 미소 구조를 갖으며, 두 장의 글래스(Glass) 사이에 미소 구조가 전기 광학 재료와 함께 샌드위치 상으로 결합되어, 전기적 외부 제어 신호에 의하여 국부적인 서로 다른 위상 변환을 일으켜 굴절능의 큰 변화 없이 비구면의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 무 가동 자동 초점 렌즈.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 렌즈와 제2 렌즈는, 각각 특정 방향의 선편광과, 그 편광에 직교하는 편광에 대해, 상기 초점 조정과 수차 보정의 기능을 담당하는 각각 두 개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 무 가동 자동 초점 렌즈.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 층의 단위를 셀(Cell)이라고 할 때, 상기 제1 렌즈는, 1 개의 셀로 구성되거나, 또는 굴절능의 변화 크기가 클 경우, 그에 해당하는 굴절능을 얻기 위해, 2 개 이상의 셀이 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 무 가동 자동 초점 렌즈.

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