KR20070022114A - 가변 포커스 렌즈 - Google Patents

Abstract

제 1 유체(14) 및 제 2 유체(16)를 함유한 유체 챔버(12)를 구비한 가변 포커스 렌즈(10)가 개시되어 있다. 상기 유체는, 혼화 불가능하고 메니스커스(18) 상에 접촉하고 있고 제 2 유체는 자계의 영향에 따라 그 형상을 변경할 수 있다. 제 2 유체는 액체자석인 것이 바람직하다. 그 유체의 이동을 최대화하는 자속을 유도할 수 있도록 상기 유체 챔버의 적어도 일 부분 상에 경사 자계(24)를 인가하기 위한 수단(20,22)이 설치되어, 상기 자계에 따라 메니스커스의 형상을 변화시킨다.

가변 포커스 렌즈, 유체 챔버, 액체 자석, 경사 자계.

Description

가변 포커스 렌즈{VARIABLE FOCUS LENS}

본 발명은, 메니스커스 상에 접촉되어 있는 제 1 유체와 제 2 유체를 포함하는 가변 포커스 렌즈에 관한 것이다. 상기 메니스커스의 형상을 변경함으로써, 그 렌즈의 초점은 변화될 수 있다.

종래기술의 가변 포커스 렌즈는 전기습윤 렌즈로서 알려져 있다. 이들 전기습윤 렌즈는, 유체들 사이의 경계면에 메니스커스를 형성하는 2개의 혼화 불가능한 유체를 함유한 유체 챔버를 구비한다. 그래서, 그 유체의 굴절률이 서로 다르다면, 시스템은, 굴절렌즈로서 작용할 수 있다. 그 유체 중 하나가 전기적으로 도전성이고 다른 하나의 유체가 도전성이 아니므로, 전계를 렌즈에 인가하여, 메니스커스의 형상과 그에 따른 렌즈의 포커스는, 변화될 수 있다.

예를 들면, WO 03/069380 A1에는 전기습윤 렌즈가 기재되어 있다.

저전력 소모와 가변전압에 대한 빠른 응답으로 인해, 전기습윤 렌즈는, 빈번한 포커스 변동을 원하는 모바일 애플리케이션에 특히 적합하다. 또한, 렌즈가 기계부품을 포함하지 않는다는 사실에 연관지어 간단한 구성은, 특히 이롭다.

그러나, 전기습윤 렌즈의 단점은, 메니스커스의 형상에 있어서 충분하게 변화시키는데 필요한 상대적으로 큰 전환 전압이다. 전형적인 전환 전압의 범위는 100V이다. 또한, 전극과 도전성 액체간의 필요한 절연층의 제한된 항복전압으로 인해, 또는 포화현상으로 인해 메니스커스 반경에 있어서 변화가 최대이다.

본 발명의 목적은, 필요한 전환 전압을 감소시키고 항복전압으로 인한 포커스 변화의 한계가 존재하지 않기 위한 가변 포커스 렌즈를 제공하는데 있다.

(발명의 요약)

상기 목적은, 독립항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 추가의 개선점 및 바람직한 실시예는 종속항에 기재되어 있다.

본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈는, 혼화 불가능하고 메니스커스 상에 접촉하고 있는, 자계의 영향에 따라 그 형상을 변경할 수 있는 제 2 유체와, 제 1 유체를 함유하는 유체 챔버와; 상기 유체 챔버의 적어도 일 부분 상에 경사 자계를 인가하여서, 그 유체의 이동을 최대화하는 자속을 유도하여, 상기 자계에 따라 메니스커스의 형상을 변화시키는 수단을 구비한다. 그래서, 자계를 인가함으로써, 렌즈의 포커스는 상기 유도된 메니스커스 변화로 인해 변경될 수 있다. 원리상, 충분한 자기 모멘트를 갖는 모든 유체는, 본 발명에서 이용될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제 2 유체는, 액체자석이다. 경사 자계에서, 액체자석은, 최고의 플럭스의 영역으로 이동하는 동종 자계로서 응답한다. 액체자석은, 일반적으로 준강자성 입자 또는 강자성 입자가 캐리어 액체에서 콜로이드 현 탁액에 보유되는 다상 액체를 사용하여 제공된다.

본 발명은, 상기 유체 챔버가 실질적으로 원통벽을 구비하고, 상기 경사 자계 인가수단이 전압을 인가하여 경사 자계를 발생할 수 있는 적어도 하나의 코일을 구비하는 경우의 실시예에 관련하여 특히 이롭다. 그래서, 그 자계는, 가변전압에 의해 쉽게 발생되어 변화될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 경사 자계는, 실질적으로 메니스커스의 정점영역까지 국부화된다. 메니스커스의 전체 형상을 변경하기 위해서 상기 정점 근처에서 경사진 자계를 발생하는 것이 충분하다. 그러므로, 실질적으로 상기 영역까지 자계를 국부화하여서, 필요한 전체 자계 세기를 감소시키는 것이 실용적이다.

바람직하게는, 상기 제 1 유체와 액체 자석은 투과적이고, 그 유체의 굴절률은 서로 다르다. 이에 따라, 굴절렌즈를 설치한다.

다른 실시예에 의하면, 상기 제 1 유체는 투과적이고, 액체자석은 비투과적이다. 이 경우에, 반사렌즈를 설치한다. 이러한 반사렌즈는, 피사체로부터의 광을 상기 렌즈와 화상 사이의 광 경로로 연결하여서 작동된다.

이러한 점에서, 금속 액체형 필름은, 2개의 액체 사이의 경계면의 적어도 일부분에 트래핑되어 거울 표면을 형성하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 금속 액체형 필름(MELLF)은, 거울 표면을 형성하는 2개의 액체 사이의 경계면에 트래핑된 소립자로 이루어진다. 이에 따라, 반사렌즈의 반사 특성은 향상된다.

또 다른 실시예에서는, 자계를 인가하여 액체자석이 메니스커스의 정점 영역 의 방향으로의 비투과성을 담당하는 입자를 이동시키고, 이에 따라 제 2 유체에서 투과 영역을 발생하고, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 투과영역의 굴절률이 서로 다르다. 이러한 구성으로, 심지어 비투과적 액체자석에 의해서도, 굴절렌즈로서 본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈의 동작이 가능하다.

또 다른 실시예에서, 제 1 유체 및 제 2 유체의 밀도는 실질적으로 동일하다. 이 때문에, 중력은 메니스커스에 영향을 주지 않는다.

바람직하게는, 상기 유체 중 하나는 친수성이고 그 유체 중 하나는 지방 친화성이다. 수용성 액체자석과 지용성 액체자석이 공지되어 있으므로, 제 1 및 제 2 유체의 일부의 조합도 가능하다.

가변 포커스 렌즈는, 광학장치 및 보다 구체적으로는 화상 캡쳐장치에 구현되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 화상 캡쳐장치가 장착된 휴대전화에는, 본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈가 설치되어 이들 장치의 소형 크기를 유지한다. 그러나, 또한, 일반적인 카메라나 비디오 카메라 등의 서로 다른 화상 캡쳐 장치에는, 본 발명에 따른 광학장치가 설치될 수 있는데, 그 이유는, 이들 장치의 경우에도, 기계적인 이동 부품을 피하고, 장치의 크기를 축소시키고, 빠르고 상당한 포커스 변경을 가능하게 하고, 저전압 레벨에서 상기 포커스 변경을 하는 것이 바람직하기 때문이다.

다른 애플리케이션 영역은, 광학 기록, 안과 렌즈, 내시경 검사 렌즈, 망원경, 현미경 및 리소그래피에 포함된다.

본 발명의 이들 국면 및 다른 국면은, 이후 설명된 실시예로부터 명백해지고 이 실시예를 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 포커스 렌즈를 제 1 전환 구성에서 개략적인 단면도로 도시한 것이고,

도 2는 제 2 전환 구성에서 도 1의 가변 포커스 렌즈를 도시한 것이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 포커스 렌즈의 다른 실시예를 개략적인 단면도로 도시한 것이고,

도 4는 본 발명에 따른 렌즈(10)를 구비한 화상 캡쳐장치를 도시한 것이고,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 갖는 광학주사장치의 구성요소를 도시한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 포커스 렌즈를 제 1 전환 구성에서 개략적인 단면도로 도시한 것이다. 이 단면은, 렌즈(10)를 통과해 축방향으로 절단된 것을 나타낸다. 상기 렌즈(10)는, 원통 유체 챔버(12)를 구비한다. 상기 유체 챔버(12)에는, 제 1 유체(14)와 제 2 유체(16)가 공급되어 있고, 상기 제 2 유체는 액체자석이다. 상기 유체들은 혼화 불가능하다. 그래서, 상기 유체들(14,16) 사이의 경계면에는, 메니스커스(18)가 형성된다. 유체 챔버(12)의 내벽은, 유체 챔버(12)의 원벽과 메니스커스와의 접촉에서 히스테리시스를 감소시키는 ( 미도시된) 유체 접촉층으로 도포되어도 된다. 상기 유체 접촉층은, DuPont^TM사 제조 Teflon^TMAF1600 등의 비정질 탄화불소로 형성된 것이 바람직하다. 상기 유체 접촉층의 두께는, 5nm 내지 50㎛ 사이인 것이 바람직하다. AF1600 코팅물은, 상기 유체 챔버(12)의 연속적인 딥 코팅에 의해 제조되어도 되고, 두께가 거의 균일한 재료의 동종층으로 구성되고, 이때의 딥 코팅은, 축방향을 따라 상기 유체 챔버를 디핑(dipping) 용액의 안팎으로 움직이면서 상기 전극을 담가서 수행된다. 또 다른 바람직한 유체 접촉층은, 기상 증착 또는 용액에 의한 적층에 의해 단층에 인가되는 것이 바람직한 플루오로실란으로 형성된다. 바람직하게는, 2개의 유체(14,16)는, 동일한 밀도를 가져서 그 메니스커스(18)의 형상은, 렌즈의 방위에 의존하지 않는다. 메니스커스(18)의 정점 영역(26)에서, 경사 자계를 발생하기 위한 전원공급장치(22)를 갖는 코일(20)은, 유체 챔버(12) 외측에 배치된다. 가변 경사 자계를 발생하기 위한 다른 수단은, 예를 들면, 가동형 영구자석을 사용 가능하기도 하다. 가변 포커스 렌즈(10)의 동작을 아래에 설명된 것과 같은 도 2를 추가로 참조하여 설명하겠다.

유체 14와 16의 적절한 조합을 선택하기 위한 많은 가능성이 있다. 예를 들면, 유체 14는 수용성일 수 있다. 이 경우에, 제 2 유체(16)는, 지방 친화성 액체자석이다. 친수성 액체자석(16)을 제공하는 것도 가능하다. 이 경우에, 제 1 유체(14)는 지방 친화성이다. 양쪽의 유체는, 물리적 특성에 대해, 특히 그 유체들 내의 또 다른 물질을 용해하는 것에 의한 그들의 밀도와 그들의 굴절률에 대해 영 향을 받을 수 있다. 예를 들면, 수용성 용액은, 상술한 특성에 대해 소금을 첨가함으로써 변경되기도 한다. 지방 친화성 유체, 예를 들면, 알칸 또는 실리콘 오일은, 분자 조성물의 첨가에 의해 변경되기도 한다. 가변 포커스 렌즈(10)를 굴절렌즈로서 작동시키기 위해서는, 양쪽의 유체(14,16)를 서로 다른 굴절률을 갖게 적어도 부분적으로 투과적이어야 한다. 상기 액체자석(16)의 투과는, 투과적 액체자석을 설치하거나 또는 액체자석(16)에 투과적 중심 영역을 설치하여 이루어진다. 후자는, 유체 챔버(12)의 벽 방향으로 유체에 있는 자기 입자를 이동하여 이루어질 수 있다.

도 2는 제 2 전환 구성에서 도 1의 가변 포커스 렌즈를 도시한 것이다. 도 1에서와 같은 가변 포커스 렌즈(10)가 도시되어 있다. 도 1과 대조하여, 전류는 코일(20)을 통해 흘러서 메니스커스(18)의 정점 영역(26)에서의 경사 자계(24)를 발생한다. 이 때문에, 시스템은, 액체자석(16)을 이동시켜서 생길 수 있는 자속을 최소화하게 되어, 상기 영역은 자계 세기가 높아지게 된다. 전체적으로 메니스커스는, 그 형상을 정점 영역(26)의 변동에 따라 변경한다. 보다 구체적으로는, 정점 영역(26)에서의 자계 경사는, 메니스커스(18)의 형상을 변경하기에 충분하다. 따라서, 비록 비투과적 액체자석(16)이 설치되어도, 유체에 대해 비투과성을 유도하는 자기입자는, 유체 챔버의 벽 영역으로 이동될 수 있어서, 그 유체 챔버(12)의 중심 영역에서 투과하고, 또 메니스커스의 형상을 정점 영역(26)에서의 경사 자계(24)를 인가하여 변경할 수 있다.

이 때문에, 도 1 및 도 2에 도시한 광빔(30)에 대해서, 가변 포커스 렌즈(10)는 도 1에서는 포커싱 특징을 갖고, 도 2에서는 디포커싱 특징을 갖는다. 자계 세기와 자계 기하 구조의 적절한 선택에 의해, 메니스커스(18)의 서로 다른 형상으로 될 수 있고, 보다 구체적으로, 그 형상은 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 최종의 전환 구성들 사이에 놓여 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 포커스 렌즈의 다른 실시예를 개략적인 단면도로 도시한 것이다. 유체 챔버와 그것의 조성물 및 그의 원주는, 도 1 및 도 2에 따른 유체 챔버와 마찬가지로 구성된다. 도 1 및 도 2에 따른 실시예와 대조하여, 액체자석(16)은 비투과적이고, 투과영역을 설치하기 위해서 조치를 취하지 않는다. 그래서, 도 3에 따른 가변 포커스 렌즈(10)는, 굴절렌즈로서 작동되지 않고 반사렌즈로서 작동된다. 유체 14와 16 사이의 경계면에서의 반사도를 향상시키기 위해서, 금속 액체형 필름(MELLF)은, 이 경계면에 설치된다. MELLF는 거울 표면을 형성하는 2개의 액체 사이의 경계면에서 트래핑되는 소립자로 이루어진다. 예를 들면, MELLF의 제조는, 일반적으로 수용액에서의 은염의 화학적 감소와 강한 금속본딩 유기분자, 배위자를 갖는 입자의 연속적인 코팅으로 은 나노입자의 생성을 포함한다. 코팅되면, 그 입자는 더 이상 수용성 상태에서는 안정적이지 못하고 자발적으로 물-유기 화합물 경계면에서 결합한다. 또한, 포커스 변경은, 정점 영역(26) 근처에서 자계를 인가하여 이루어지고, 이에 따라 메니스커스(18)의 형상은 변경한다. 가변 포커스 렌즈(10) 외측에, 피사체와 화상 사이에 광 경로를 설치하기 위해서 적절한 수단을 배치한다. 복수의 광학장치, 이를테면, 렌즈, 시준기 등을 설치할 수 있다. 일례로서, 빔 스플리터(32)가 도시되어 있다.

도 4는 본 발명에 따른 렌즈(10)를 구비한 화상 캡쳐 장치를 도시한 것이다. 본 예시에서, 화상 캡쳐장치는, 화상 캡쳐 능력을 갖는 휴대전화(40)이다. 휴대전화(40)는, 본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈를 구비한 렌즈계(42)를 구비한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 구비한 광학주사장치의 구성요소를 도시한 것이다. 본 광학주사장치는, 예를 들면 이중층 디지털 비디오 레코딩(DVR) 디스크와 같은 광 디스크(56)로부터 기록 및/또는 재생을 하기 위한 것이다(이를테면, K.Schep,B.Stek,R. van Woudenberg,M.Blum,S.Kobayashi, T.Narahara,T.Yamagami,H.Ogawa에 의한 논문, "Format description and evaluation of the 22.5GB DVR disc", Technical Digest, ISOM 2000, Chitose,Japan,Sept.5-8,2000 참조). 이 광학주사장치는, 이를테면 개구수가 0.85인 복합 대물렌즈를 구비하고, 이 대물렌즈는, 이를테면 국제특허번호 WO 01/73775에 기재된 것과 같고, 리지드 프론트 렌즈(52)와 리지드 리어 렌즈(54)를 구비하여, 이를테면 실질적으로 평행한 광선으로 이루어진 405nm의 파장을 갖는 입사 시준빔을 현재 주사되고 있는 정보층의 평면에서의 스폿(58)에 포커싱한다.

이중층 DVR 디스크에서, 2개의 정보층의 깊이는, 0.1mm와 0.08mm이고; 그 정보층들은, 대표적으로 0.02mm만큼 이격되어 있다. 일층에서 다른 층으로 재포커싱하는 경우, 정보층 깊이의 차이로 인해, 약 200mλ의 원하지 않는 구형 파면수차가 일어나서 보상될 필요가 있다. 이를 달성하기 위한 일 방식은, 예를 들면 본 장치에 있는 시준렌즈를 이동시키는 기계적 액추에이터를 사용하여 입사빔의 수렴도를 변경하는데 있고, 이 기계적 액추에이터는 비교적 비싸다. 또 다른 방식은, 비교적 비싼 해결책인 전환가능형 액정 셀을 사용하는데 있다.

본 실시예에서는, 도 1 및 도 2와 관련지어 설명된 것과 동일한 전환 가능형 가변 포커스 렌즈(10)를 사용한다. 각 유체의 두께는, 평면 메니스커스를 갖는 렌즈(10)를 배치하는 경우, 약 1mm이다.

본 장치는, 현재 주사되는 정보층에 따라 렌즈(10)의 코일에 2개의 선택된 전압 중 하나의 전압을 인가하는 전자 제어회로(60)를 구비한다. 일 구성에서는, 깊이가 0.08mm인 정보층을 주사시에, 선택된 비교적 낮은 전압을 인가하여 메니스커스 곡률 반경 R=-21.26mm를 생성한다. 다른 구성에서는, 깊이가 0.1mm인 정보층을 주사시에, 선택된 비교적 높은 전압을 인가하여 평면 곡률을 생성한다. 그 결과, 파면수차의 제곱 평균 값은, 200mλ로부터 18mλ까지 감소될 수 있다. 렌즈 배율의 변동만을 필요로 하므로, 메니스커스 곡률의 서로 다른 조합을 사용하여 동일한 현상을 얻는 것을 주목한다: 더욱이 렌즈 배율의 차이도 2개의 액체의 굴절률을 더욱 유사하게 함으로써 메니스커스에서의 보다 큰 이동으로 이루어질 수 있다. 주목하는 것은, 본 발명에 따른 가변 포커스 렌즈는, 도면에 도시되고 상술한 예시와 서로 다를 수 있다는 것이다. 렌즈가 원통인 것이 바람직하지만, 원통 형상으로부터의 편차는, 원뿔 또는 임의의 다른 형상 등도 가능하다. 또한, 자계는 단일 코일에 의해서가 아니고 복수의 코일에 의해서만 인가되어 자계 경사와 끝으로 특별한 형상에 대한 메니스커스를 설계하는 것이 본 발명의 범위 내에 있다. 일반적으로, 본 명세서에서 "포함하는"이란 또 다른 구성요소를 배제하지 않고 또한, 특별한 구성요소에 관한 언급은 그 언급된 구성요소와 관련된 복수의 구성요소가 존재 하는 것을 배제하지 않는다는 것을 주목한다. 상기 실시예는, 본 발명의 예시적 예로서 이해되어야 한다. 본 발명의 또 다른 실시예를 고찰한다. 예를 들면, 제 1 유체는 액체보다는 오히려 증기로 이루어져도 된다.

더욱이, 상기 설명되지 않은 동등한 것과 변경은, 첨부하는 청구항에 기재된 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이용되어도 된다.

Claims (14)

1. 자계의 영향에 따라 그 형상을 변경할 수 있는 제 2 유체(16)와, 제 1 유체(14)를 함유하되, 혼화 불가능하고 메니스커스(18) 상에 접촉하고 있는 유체 챔버(12)와,

   상기 유체 챔버의 적어도 일 부분 상에 경사 자계(24)를 인가하여서, 그 유체의 이동을 최대화하는 자속을 유도하여, 상기 자계에 따라 메니스커스의 형상을 변화시키는 수단(20,22)을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈(10).
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 유체(16)는, 액체자석인 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유체 챔버는, 실질적으로 원통벽을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사 자계 인가수단은, 전압(22)을 인가하여 경사 자계를 발생할 수 있는 적어도 하나의 코일(20)을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 경사 자계는, 실질적으로 메니스커스의 정점영역(26)까지 국부화된 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 유체와 액체 자석은 투과적이고, 그 유체의 굴절률은 서로 다른 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 유체는 투과적이고, 액체자석은 비투과적인 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
8. 제 7 항에 있어서,

   금속 액체형 필름(28)은, 2개의 액체 사이의 경계면의 적어도 일부분에서 트래핑되어 거울 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
9. 제 7 항에 있어서,

   자계를 인가하여 액체자석이 메니스커스(18)의 정점 영역(26)의 방향으로의 비투과성을 담당하는 입자를 이동시키고, 이에 따라 제 2 유체에서 투과 영역을 발생하고, 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 투과영역의 굴절률이 서로 다른 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 유체(14) 및 제 2 유체(16)의 밀도는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 유체(14,16) 중 하나는 친수성이고 그 유체(14,16) 중 하나는 지방 친화성인 것을 특징으로 하는 가변 포커스 렌즈.
12. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 렌즈(10)를 구비한 광학장치.
13. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 렌즈(10)를 구비한 화상 캡쳐장치(40).
14. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 렌즈(10)를 구비한 광 기록장치.

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