KR20070011264A - 가변 포커스 렌즈 - Google Patents

Abstract

아크로매틱 전기습윤 렌즈가 제공된다. 이는, 파라미터 n,, n2, V, V2의 특정한 선택에 의해 달성되는데, 여기서 n은 굴절률이고, V는 아베 수이다. 수식 (I)의 관계를 충족함으로써, 전기습윤 렌즈의 무색수차화가 달성된다.

전기습윤, 굴절률, 메니스커스

Description

가변 포커스 렌즈{VARIABLE FOCUS LENS}

본 발명은 제1유체와 제2유체를 구비하는 가변 포커스 렌즈에 관한 것으로, 유체는 혼합할 수 없고 메니스커스 위에서 접촉한다. 전압을 인가함으로써, 메니스커스의 형상과 그에 따른 렌즈의 포커스가 제어될 수 있다.

이 타입의 렌즈를 전기습윤 렌즈로 언급된다. 이들 전기습윤 렌즈는, 기계적인 가동부를 요구하지 않으므로, 적은 전력 량으로 그 포커스를 가변시킬 수 있다. 이러한 전기습윤 렌즈를 구비하는 광학 장치의 예는, US2002/0176148A1에 기재되어 있다.

특히, 낮은 소비 전력과 전압 변화에 대한 빠른 응답에 기인해서, 전기습윤 렌즈는 잦은 포커스 변동이 요구되는 이동 장치에 적합하다.

불행히도, 고체 렌즈가 내장된 종래의 광학 시스템을 갖는 대부분의 성과물은, 전기습윤 렌즈를 사용할 수 없다. 예를 들면, 종래의 렌즈 시스템은, 접합된 더블릿을 형성하거나, 정상 굴절 렌즈와 회절 렌즈를 조합함으로써, 아크로매틱(achromatic)을 부여한다. 접합된 더블릿을 위해서, 정상적으로는 렌즈를 형성하는 2개의 소자는 실질적으로 동일 굴절률과 다른 아베 수를 갖는다. 무색수차화(achromatization)를 제공하기 위해서, 2개의 소자의 광학 파워 K₁ 및 K₂와 아베 수 V₁ 및 V₂는 이하의 수식을 따르도록 선택된다.

(1)

여기서, K=K₁+K₂는 더블릿의 전체 광학 파워이다. 주어진 광학 파워에 대해서, 상기 조건을 충족하는 아크로마트는, K₀:K₁=-K₀;K₂=2K₀; V₁=30, V₂=60이다.

굴절 렌즈를 무색수차화하기 위한 다른 방법은, 회절 구조를 부가하는 것이다. 무색수차화는, 회절 구조의 아베 수가 네가티브이고 -3.452와 등가인 차이를 갖는 접합된 더블릿에 대해서 유사하다.

아크로마트를 제공하기 위한 상기된 방법 모두는, 전기습윤 렌즈가 광학 파워를 변경하기 때문에 전기습윤 렌즈에 대해서는 유지되지 않고, 상기 방법은 고정된 광학 파워를 갖는 렌즈에 대해서만 일한다. 또한, 전기습윤 렌즈는, 2개의 유체 사이의 메니스커스 경계의 반경에 따라서, 그 광학 파워를 포지티브로부터 네가티브로 변경할 수 있다.

본 발명의 목적은, 아크로마트 특성을 갖는 가변 포커스 렌즈를 제공하는 것이다.

상기 목적은 독립청구항의 형태에 의해 해결된다. 또한, 본 발명의 전개 및 바람직한 실시형태는 종속 청구항에 약술한다.

본 발명에 따라서,

혼합할 수 없고 메니스커스(12) 상에서 접촉하는 제1유체(A)와 제2유체(B)를 포함하는 유체 챔버와,

메니스커스의 형상이 전기장에 따라 변하도록 유체 챔버 상에 전기장을 인가하기 위한 수단과,

굴절률 n₁과 아베 수 V₁을 갖는 제1유체와 굴절률 n₂와 아베 수 V₂를 갖는 제2유체를 구비하고, n₁은 n₂와 다르며,

파라미터 n₁, n₂, V₁, V₂는,

(I)의 관계를 따르는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈가 제공된다.

파라미터 범위는, 이론 및 실험적 분석의 조합에 의해 유도될 수 있는 상기 관계에 의해 정의된다. 굴절률 n₁을 갖는 제1유체와 굴절률 n₂를 갖는 제2유체로 만든 렌즈의 광학 파워는,

(2)이고,

여기서, R은 2개의 유체 사이의 메니스커스의 반경이다. 이때, 렌즈의 동작 파장을 578nm로 하자. 이제, 렌즈가 다른 파장에서 동작한다는 사실에서 기인해서 일어나는 굴절률의 작은 변화 δn를 고려하자. 486nm와 656nm 파장에서 굴절률의 차이가 측정되므로, δn=n(486nm)-n(656nm)으로 하자. 그러면, 전기습윤 렌즈의 광학 파워의 변화는,

(3)으로 주어지고, 결과적으로 식 (2)를 사용할 때,

(4)를 발견하게 된다.

식 (4)와 함께,

(5)로 정의된 아베 수 V의 정의를 고려하면,

(6)을 유도한다.

δK를 소거하기 위해서, 파장의 변화에 기인해서 광학 파워가 변하지 않으므로,

(7)이 충족되어야 하는 것을 발견한다.

이 이론적인 결과로부터 시작하고, 아크로매틱 특성에 대한 전기습윤 렌즈의 성능에 관한 측정을 고려하면, 조건

(I)을 유도할 수 있다.

이들 관계에서 값 0.75와 1.25는 아크로매틱 가변 포커스 렌즈의 생산을 위한 고정된 제한이 없는 것으로 이해되어야 한다. 자체의 무색수차화에 대한 렌즈 성능이 특별히 중요하지 않은 경우에는, 0.75로부터 1.25의 범위보다 넓은 범위를 허용하는 것이 적합할 수 있다. 상기 식 (7)이 만족스럽게 충족될수록, 자체의 무색수차화에 대한 렌즈의 성능이 만족스럽게 된다.

이 점에서, 파라미터 n₁, n₂, V₁, V₂가 이하의 관계

(II)를 따를 때, 양호한 렌즈 성능이 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈의 바람직한 실시형태는,

실질적으로 실린더 형상의 벽을 구비하는 유체 챔버와,

실린더 형상 벽의 내측 상에 배열된 유체 접촉층과,

유체 접촉층에 의해 제1유체와 제2유체로부터 분리된 제1전극과 제1유체 상에 작용하는 제2전극을 구비하는 전기장을 인가하기 위한 수단과,

메니스커스의 형상이 전압에 의존해서 변하도록 제1전극과 제2전극 사이의 전압 인가 하에서 변하는 제1유체에 의해 습윤성을 갖는 유체 접촉층을 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈를 제공한다.

따라서, 본 발명은 시장에서 호평을 받는 종류의 전기습윤 렌즈를 채용할 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 예의 가변 포커스 렌즈는, 제1유체는 굴절률 n₁=1.37과 아베 수 V₁=49를 갖고, 제2유체는 굴절률 n₂=1.4와 아베 수 V₂=53을 갖는 다. 현실적인 조건 하에서 손쉽게 제공될 수 있는 이들 값은, 무색수차화를 위한 상기된 관계를 충족할 수 있다.

본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈는, 제1유체는 염이 용해된 물을 구비하고, 제2유체는 폴리디메틸실록산을 구비하는 렌즈로서 고려될 수 있다. 이들 및 다른 유체가 사용되어, 아베 수 및 굴절률을 제공함으로써, 무색수차화를 위한 상기 관계를 충족할 수 있다.

따라서, 가변 포커스 렌즈는, 광학 포커스 장치, 특히 전체 파장 범위에서 동작하는 모바일 적용의 광학 장치에서 바람직하게 실행할 수 있다.

이 점에서, 본 발명은, 특히 화상 캡처 장치에 대해서 바람직하다. 예를 들면, 화상 캡처 형태를 구비한 모바일 텔레폰이, 이들 장치의 작은 사이즈로 유지하기 위해서, 본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈를 구비할 수 있다. 그런데, 일반적인 카메라나 비디오 카메라와 같은 다른 화상 캡처 장치도, 이들 장치의 경우에 있어서, 장치를 작은 사이즈로 감소하고 빠른 포커스 변환의 가능성을 제공하기 위해서 기계적인 이동부를 회피하는 것이 바람직하므로, 본 발명에 따른 광학 장치를 구비할 수 있다.

화상 캡처 장치 이외의 그 밖의 적용 분야로서, 광학 기록, 안과의 렌즈, 내시경 렌즈, 망원경, 현미경 및, 리소그래피가 있다. 본 발명의 이들 및 그 밖의 측면은, 이하 기재된 실시형태를 참조로 명백하고 명료하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 가변 포커스 렌즈의 단면도,

도 2는 2개의 익스트림 스위칭 배열의 가변 포커스 렌즈를 나타낸 개략적인 단면도,

도 3은 다른 파장에 대한 본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈의 파면 플롯을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 조건을 충족하지 않는 가변 포커스 렌즈에 대한 파면 플롯을 나타낸 도면이다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 가변 포커스 렌즈를 나타낸 개략적인 단면도다. 렌즈는 모세관을 형성하는 원통형의 제1전극을 구비하는데, 투명한 전방 소자(20)와 투명한 후방 소자(22)로 밀봉되어, 2개의 유체 A 및 B를 포함하는 유체 챔버(10)를 형성한다. 전극(14)은 관의 내벽에 인가된 도전성 코팅일 수 있다.

유체 A, B는 염 용액을 포함하는 물과 같은 도전성의 제1유체 A와, 실리콘 오일이나 알칸과 같은, 이하 "오일"로 언급되는 절연성의 제2유체 B 형태의 2개의 혼합할 수 없는 액체로 구성된다. 바람직하게는, 2개의 액체는 동일한 밀도를 가지도록 배열되므로, 렌즈가 배향에 독립적인, 예를 들면 2개의 액체 사이에서 중력 효과에 대한 의존이 없도록 기능한다. 이는, 제1용액 성분의 적절한 선택에 의해 달성될 수 있는데, 예를 들면 염 용액의 밀도에 매칭하기 위해서 그 밀도를 증가하기 위해서 분자 성분을 추가함으로써, 알칸이나 실리콘 오일이 변경될 수 있다.

제1전극은, 내측 반경이 전형적으로 1mm와 20mm 사이인 원통이다. 제2의 환상 전극(16)은 유체 챔버(10)의 일단부에 배열되는데, 이 경우에는 후방 소자(22) 에 인접하게 배열된다. 제2전극(16)은, 전극(16)이 제1유체 A에 작용하도록 유체 챔버(10) 내에 적어도 일부분이 배열된다. 전극에 전압을 인가하기 위해서 전극(14, 16)이 파워서플라이(24)에 접속되므로, 유체 챔버(10) 내에 전기장이 형성된다.

2개의 유체 A, B는 혼합할 수 없으므로, 메니스커스(12)에 의해 분리된 2개의 유체 바디 내로 분리되는 경향이 있다. 전압이 파워서플라이 포트(24)에서 인가될 때, 제1유체 A에 의한 유체 접촉층(18)의 습윤성은 변하므로, 메니스커스(12)의 접촉 각도가 유체 접촉층(18)과 2개의 유체 A, B 사이의 접촉 선에서 변한다. 제1전극(14)과 유체 접촉층(18) 사이에, 절연층(26)이 제공된다. 따라서, 메니스커스(12)의 형상은 인가된 접압에 의존해서 가변한다. 실제로, 메니스커스(12)는 볼록 또는 오목일 수 있으며, 유체 챔버와 전극의 배열에 의존해서, 복수의 다른 형상의 메니스커스(12)가 실현될 수 있다.

일반적으로, 사용된 오일의 선택에 따라서, 오일의 굴절률은 1.25와 1.60 사이에서 변할 수 있다. 마찬가지로, 추가된 염의 양에 따라서, 염 용액은 1.33과 1.48 사이에서 굴절률이 변할 수 있다. 이 실시형태에서의 유체는, 제1유체 A가 제2유체 B 보다 낮은 굴절률을 갖도록 선택된다.

본 발명에 따르면, 제1 및 제2유체의 굴절률 n₁ 및 n₂만 아니라 제1 및 제2유체의 아베 수 V₁ 및 V₂는, 적합한 성능을 갖는 아크로매틱 렌즈를 제공하기 위해서,

(1)의 관계를 따른다. 렌즈의 무색수차화의 성능을 개선하기 위해서, 파라미터, n₁, n₂, V₁, V₂는,

(2)

가 근사적으로 양호하게 만족되도록 선택된다.

아크로매틱 특성을 갖는 전기습윤 렌즈의 예는 이하와 같다. 실시예의 전기습윤 렌즈는 굴절률 n₁=1.37이고 V₁=49의 아베 수를 갖는 염 용액을 포함한다. 제2유체는 굴절률 n₂=1.4이고, V₂=53의 아베 수를 갖는 폴리디메틸실록산이다.

다른 예에서는, 물 내에 0.1M KCl의 염 용액이 사용된다. 이 용액은 n₁=1.334이고 V₁=57.6이다. 제2유체는 n₂=1.375이고 V₂=57.6인 n-헥산이다. 이는, (V₁/V₂)*(n₂-1)/(n₁-1)=1.12이므로, 충분한 무색수차화로 귀결된다.

또 다른 예에서는, 동일한 염 용액이 사용된다. 제2유체는 n₂=1.412이고 V₂=57.2인 n-데칸이다. 이는, (V₁/V₂)*(n₂-1)/(n₁-1)=1.24이므로, 충분한 무색수차화로 귀결된다. n₁=1.37이고 V₁=49인 더 큰 농도의 염 용액이 사용될 때, 비율은 명백히 좋은 0.954이다.

참조의 예에 있어서는, 본 발명에 따르지 않고, 동일한 염 용액이 사용된다. 본 명세서에서, 제2유체는 n₂=1.389이고 V₂=49.9인 데카메틸테트라실록산이다. 이 는, (V₁/V₂)*(n₂-1)/(n₁-1)=1.31이므로, 충분한 무색수차화로 귀결된다. 그런데, 염 용액을 변경해서, n₁=1.37이고 V₁=49인 더 큰 농도의 염용액을 사용함으로, 1.032의 (V₁/V₂)*(n₂-1)/(n₁-1)로 표현되는 바와 같이, 매우 양호한 무색수차화가 달성된다. 이는, 염 용액과 제2유체 사이의 밀도 차이가 제한된 알칸과 비교해서 보다 장점을 갖는다. 이 데카메틸테트라실록산은 0.85의 밀도를 갖고, 염 용액은 대략 1.03kg/m³의 밀도를 갖는다.

이하, 본 발명에 따른 요구조건을 충족하거나 충족하지 않는 전기습윤 렌즈의 예가 제공된다.

도 2는 본 발명에 따른 2개의 익스트림 스위칭 배열의 가변 포커스를 개략적인 단면도로 나타낸다. 제1스위칭 배열은 (a)에 나타내고, 제2스위칭 배열은 (b)에 나타낸다. (b)의 배열에 있어서, 전기습윤 렌즈는 네가티브 광학 파워를 갖는다. 그러므로, 평행한 광학 빔(무한에서의 오브젝트)이 도 2의 (b)에 도시한 좌측에 위치한 가상 화상을 형성한다. 도 2와 도 1의 개략적인 도시의 비교와, 대응하는 설명은, 도 2의 의미를 명백하게 한다.

도 3은 다른 파장에 대한 본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈의 파면 플롯을 나타낸다. 파면 수차 W 대 공칭 입사동 좌표 py 및 px이 3개의 다른 파장에 대해서 플롯된다. 일점 쇄선은 486nm 파장에 대응하고, 점선은 588nm 파장에 대응하며, 실선은 656nm 파장에 대응한다. 수직 축 상의 스케일은 고려되는 개별 파장의 부분에 주어지는 반면, 도면 각각의 최대 스케일은 0.3파장이다.

도 3의 (a)에 있어서, 다른 파장에 대한 파면 수차는 도 2의 제1스위칭 배열 (a)에 대해서 플롯된다. 도 3의 (b)에 있어서는, 다른 파장에 대한 파면 수차가 도 2의 제2스위칭 배열 (b)에 대해서 플롯된다. 인식될 수 있는 바와 같이, 다른 파장에 대한 매우 작은 파면 수차만이 존재하고, 다른 파장에 대한 수차는 동일한 경향을 갖는다. (이하의 도 4의 논의를 참조로 더 잘 이해되는) 이 결과는, 무색수차화에 대한 고성능 렌즈가 제공되는 것을 나타낸다. 이는, 본 발명에 따라, n₁, n₂, V₁, V₂의 파라미터를 선택함으로써, 즉 n₁=1.37, n₂=1.4, V₁=49, V₂=53으로 선택함으로써, 달성된다.

도 4는 본 발명에 따른 조건을 충족하지 않는 가변 포커스 렌즈에 대한 파면 플롯을 나타낸다. 이 도면은 도 3과 동일한 방법으로 이해된다. 특히, 다른 도면의 축의 스케일링은 도 3의 스케일닝과 동일하다. 인식할 수 있는 바와 같이, 다른 파장에 대한 파면 수차는 도 3의 것보다 매우 크고, 다른 파장에 대한 수차는, 입사동 좌표가 더 크게 됨에 따라 강하게 발산한다. 또한, 이 도면으로부터, 전기습윤 렌즈가 광학 파워에서 다른 부호를 갖는 2개의 배열 사이에서 절환될 때, 크로매틱 수차가 부호를 변경(도 4의 (a)에서는 일점 쇄선이 위쪽에 있는 반면, 도 4의 (b)에 있어서는 아래쪽의 선이다)하는 것을 유추할 수 있다. 이는 렌즈의 광학 파워에 독립적인 상수 교정을 주므로, 이 형태에 기인해서, 렌즈 아크로매틱을 만들기 위한 통상적인 기술은, 본 명세서에 적용할 수 없다. 그 점에서, 도 4는 비아크로매틱 전기습윤 렌즈의 행동을 나타낸다. 이는, 파라미터 n₁, n₂, V₁, V₂ㆍn₁, n₂, V₁의 선택이 도 3에 대응하는 예에서와 같이 선택되는 한편, V₂가 도 4에서 35로 선택되는 결과로서, 본 발명에 따르지 않는 전기습윤 렌즈의 행동을 나타낸다.

본 발명에 따른 전기습윤 렌즈는, 도면 및 상기된 설명에 나타낸 예와 구별될 수 있다. 전기습윤 렌즈가 원통형인 것이 바람직하지만, 원통형이 아닐 수도 있다. 또한, 전기장을 설계하고 최종적으로 메니스커스를 특정 형상으로 설계하기 위해서, 전기장이 제1 및 제2전극에 의해서만 인가되지 않고 복수의 전극에 의해 인가되는 것도, 본 발명의 범위에 속한다. 일반적으로, 용어 "comprising"은 또 다른 소자를 제외하는 것이 아니며, 특정 소자에 대한 언급이 언급된 소자와 관련된 복수의 소자가 존재하는 것을 제외하는 것은 아니다. 상기 실시형태는 본 발명의 도시예로서 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 그 밖의 실시형태도 고려될 수 있다. 예를 들면, 제2유체는 절연성 액체보다 증기로 이루어질 수 있다.

또한, 상기되지 않은 등가물 및 변형도 수반되는 청구항에서 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 채용될 수 있다.

Claims (7)

1. 혼합할 수 없고 메니스커스(12) 상에서 접촉하는 제1유체(A)와 제2유체(B)를 포함하는 유체 챔버(10)와,

   메니스커스의 형상이 전기장에 따라 변하도록 유체 챔버 상에 전기장을 인가하기 위한 수단(14, 16)과,

   굴절률 n₁과 아베 수 V₁을 갖는 제1유체와 굴절률 n₂와 아베 수 V₂를 갖는 제2유체를 구비하고, n₁은 n₂와 다르며,

   파라미터 n₁, n₂, V₁, V₂는,

   

   (I)의 관계를 따르는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
2. 제1항에 있어서,

   파라미터 n₁, n₂, V₁, V₂는,

   

   (II)의 관계를 따르는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
3. 제1항에 있어서,

   실질적으로 실린더 형상의 벽을 구비하는 유체 챔버와,

   실린더 형상 벽의 내측 상에 배열되는 유체 접촉층(18)과,

   유체 접촉층(18)에 의해 제1유체와 제2유체로부터 분리된 제1전극(14)과, 제1유체 상에 작용하는 제2전극(16)을 구비하는 전기장을 인가하기 위한 수단과,

   메니스커스의 형상이 전압에 의존해서 변하도록 제1전극과 제2전극 사이의 전압 인가 하에서 변하는 제1유체에 의해 습윤성을 갖는 유체 접촉층을 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
4. 제1항에 있어서,

   제1유체는 굴절률 n₁=1.37과 아베 수 V₁=49를 갖고, 제2유체는 굴절률 n₂=1.4와 아베 수 V₂=53을 갖는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
5. 제1항에 있어서,

   제1유체는 염이 용해된 물을 구비하고, 제2유체는 폴리디메틸실록산을 구비 하는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
6. 상기 항 중 어느 한 항에 따른 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 캡처 장치.

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