KR20080084824A - 전기 습식 렌즈 제어 - Google Patents

Abstract

전기 습식 렌즈(41,42)용 위한 제어 회로(40)는 제어 가능한 전압 공급원(46)을 생성하기 위한 구동기 회로(45)와, 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)를 포함하는데, 이들 각각은 상기 제어 가능한 전압 공급원을 수신하기 위해 연결된다. 상기 제1 및 제2 전압 변조기는 상기 전압 공급원으로부터 제1 및 제2의 변조된 전압 출력(32, 33)을 각각 생성하도록 구성된다. 제어기(49)는 적어도 하나의 설정 포인트 신호(53, 52)를 수신하고, 이의 기능으로서, ⅰ) 상기 구동기 회로를 제어하여 전압 공급원을 생성하고, ⅱ) 상기 제1 및 제2 전압 변조기를 제어하여 제1 및 제2의 변조된 출력을 생성한다.

Description

전기 습식 렌즈 제어{CONTROL OF ELECTROWETTING LENSES}

본 발명은 고전압 구성요소 가령, 전기 습식 렌즈의 전기적 제어에 관한 것이고, 이러한 렌즈의 초점과 줌을 제어하기 위한 제어 회로와 이의 방법에 관한 것이다.

초점과 줌의 기능을 지닌 카메라용의 종래의 렌즈 조립품은 다수의 렌즈 구성요소를 필요로 하고, 이 다수의 렌즈 구성요소는 고정된 표면 곡률을 가지며 전형적으로 고체이다. 이러한 렌즈 구성요소는 다양한 결합으로 그룹화될 수 있다. 이러한 조립품에서 둘 이상의 렌즈 움직임은 초점과 줌을 가능케 한다. 기계적인 움직임에 대한 요건으로 인해, 종래의 고체 렌즈를 사용하여 만들어진 줌 렌즈 조립품은 움직임을 돕기 위해 이 조립품의 광학 축을 따라 추가적인 공간을 요구한다. 또한, 하나 이상의 액추에이터와 다양한 기계 부분들은 조절 가능한 기계적인 움직임을 획득하도록 일반적으로 요구된다. 이러한 시스템과 관련된 문제점은 전기 모터를 구동하는데 있어서 전기 에너지의 소모, 복잡하고 신중을 요하는 움직임 부분의 기계적 취약점과 상기 조립품을 소형화하는 능력에 대한 한계를 포함한다.

소형 카메라에 특히 적합한 초점과 줌에 대한 대안적인 해결방안은 이른바, 전기 습식 렌즈(electrowetting lenses)의 사용이다. 이러한 렌즈는 인터페이스에서 서로 접촉하는 유동체실(fluid chamber) 내에 포함된 굴절율을 달리하는 두 종류의 투명하고 혼합될 수 없는 유동체(fluid)로 구성된다. 상기 유동체실의 벽에 걸쳐 전계를 인가함으로서 인터페이스에서 형성되는 메니스커스의 접촉각이 변하게 되고, 이에 의해 이 렌즈의 초점화 특성이 바뀐다. 중요한 것은, 전체 렌즈가 이의 초점 특성을 바꾸기 위해 광학 경로에 옮겨질 필요가 없다는 것이다.

이러한 두개의 전기 습식 렌즈와 추가적인 적절히 고정된 렌즈를 결합함으로써, 줌 기능은 렌즈의 어떠한 기계적인 옮김 없이도 가능해 진다. 이것은, 동등한 고체 렌즈의 조립품과 비교해 볼 때, 렌즈 조립품의 기계적인 복잡함을 상당히 줄이고, 이의 로버스트니스를 증가시키고 주어진 줌 기능과 초점 범위에 요구되는 조림품의 크기를 최소화할 수 있다. 전기 습식 렌즈를 이용하는 줌 기능의 또 다른 이점은 줌의 변화가 아주 빠르게, 전형적으로, 종래의 모터 또는 액추에이터를 지닌 것보다 훨씬 빨리 실행된다는 것이다. 전체 줌 범위는 10ms 내에 스위칭될 수 있다.

전기 습식 렌즈를 포함하는 줌 렌즈 조립체의 일예는 WO 2004/038480에서 개시되고, 여기서 독립적으로 제어 가능한 전기 습식 렌즈가 단일의 유동체실 내에 포함된다. 줌 및 초점 기능이 두 렌즈에 대한 구동 전압을 변화시킴으로써 가능하다. 분리되어 제어 가능한 전압 공급원이 각각의 렌즈를 구동시키기 위해 사용된다.

두개의 전기 습식 렌즈를 이용하는 자동 초점 및 줌 조립체를 위한 제어 시스템을 포함하는 디지털 카메라 모듈에 관한 개략적인 블록도가 도 1에 도시된다. 인입 광(3)(incoming light)은 제1 전기 습식 렌즈(1)와 제2 전기 습식 렌즈(2)를 통과함으로써 이미지 센서(4) 상에 집중된다. 다른 고정된 렌즈(미 도시)도 또한 이 렌즈(1, 2)의 앞, 뒤 또는 사이에 위치될 수 있다. 제1 렌즈(1)는 제1 구동기(5)에 의해 제어되고, 제2 렌즈(2)는 제2 구동기(6)에 의해 제어된다. 각각의 구동기(5, 6)는 이의 각 렌즈(1, 2)에 제어 전압을 인가한다.

상기 이미지 센서(4)는 인입 광(3)을 전기 신호로 변환하는데, 이 신호는 메모리에 저장될 수 있다. 이미지 센서(4)는 이미지로부터 RGB 또는 YUV 신호를 생성하고, 이 신호는 그 다음, 카메라 신호 프로세서(CSP)(7)에 공급된다. 이 CSP 내의 비디오 신호 프로세서(11)는 상기 이미지 센서(4)로부터의 신호를 처리하여 비디오 출력 신호(12)를 출력한다. 선명도(sharpness) 신호 생성기(8)도 또한, 이미지 센서(4)로부터 신호를 처리하여 선명도 신호(10)를 생성한다. 예컨대, 이미지 정보의 고주파수 성분으로부터 생성될 수 있는 선명도 신호(10)는 임의의 주어지는 순간에 이미지의 선명도 레벨을 나타낸다. 자동 포커스 및 줌 알고리즘(9)은 상기 선명도 신호를 취해서 선명도 신호의 차이로부터 에러 신호를 생성한다. 초점 기능에 있어서, 상기 알고리즘(9)은 상기 에러 신호를 렌즈 구동기 신호로 변환하는 제어 루프를 포함하는데, 상기 렌즈 구동기 신호는 구동기(5, 6) 중 하나를 통해 적절한 렌즈로 공급된다.

줌 기능에 있어서, 상기 자동 초점 및 줌 알고리즘(9)은 사용자 입력값(13) 을 수신해서 두개의 렌즈 구동기 신호를 생성하는데, 이 신호는 구동기(5, 6)에 전송되고 나서 렌즈(1, 2)로 보내진다. 하나의 렌즈가 렌즈 조립체의 줌 레벨을 제어할 수 있지만, 오직 하나의 렌즈가 갖는 초점 길이를 변화시킴으로서 상기 이미지가 초점으로부터 벗어나게 할 것이고, 이에 따라서 추가적인 조정이 이러한 것을 보상하기 위해 제2 렌즈에 요구될 것이다. 이점으로서, 임의의 주어진 줌 레벨에 대해 임의의 주어진 대상 거리에 대한 미리 결정된 초점 레벨이 존재하기 때문에 이러한 동작은 동시적으로 실행된다. 그러므로 상기 CSP에 의해 설정된 것과 같은 대상 거리를 동시적으로 유지하면서 줌 레벨의 변경이 이루어질 수 있다.

종래 기술의 해결방안이 갖는 하나의 문제는 두개의 분리된 구동기와 전압원이 이용된다는 것이다. 그러므로 초점 및 줌을 위한 전기 습식 렌즈를 병합하는 카메라를 위해, 두개의 고전압 구동기 집적 회로(IC)가 필요하다. 첫째로, 휴대 가능한 소형 폼 팩터 어플리케이션 가령, 이동 전화기 또는 소형 디지털 카메라에 있어서, 주변 전자 장치를 갖는 두개의 IC는 더 많은 프린트 회로 기판 영역을 필요로 한다. 둘째로, 고전압 구동기 가령, 업-컨버터 또는 전하 펌프(charge pumps)는 비교적 낮은 효율을 갖고 상당한 전력 레벨을 소모함으로서, 이러한 해결방안을 갖는 구동 전자 장치(driver electronics)의 전력 소모는 배가된다.

초점 및 줌 렌즈를 구동하기 위한 단일의 고전압 공급원을 이용하도록 촉진하는 것이 본 발명의 목적이다.

일 측면에 따르면, 본 발명은 전기 습식 렌즈를 위한 제어 회로를 제공하는데, 이 제어 회로는:

- 제어 가능한 전압 공급원을 생성하기 위한 구동기 회로와,

- 제1 및 제2 전압 변조기로서, 이들 각각은 제어 가능한 전압 공급원을 수신하기 위해 연결되고, 이 변조기로부터의 제1 및 제2의 변조된 전압 출력을 각각 생성하도록 적응되는, 제1 및 제2 전압 변조기와,

- 적어도 하나의 설정 포인트 신호를 수신하도록 적응된 제어기로서, 이 신호의 함수로, (ⅰ) 구동기 회로가 상기 전압 공급원을 생성하는 것을 제어하고, (ⅱ) 제1 및 제2 전압 변조기가 상기 제1 및 제2의 변조된 출력을 생성하는 것을 제어하도록 적응되는, 제어기를

포함한다.

추가적인 측면에 따르면, 본 발명은 제1 및 제2의 전기적으로 제어 가능한 렌즈를 포함하는 카메라의 초점 및/또는 줌 동작을 제어하는 방법을 제공하는데, 이 방법은:

- 설정 포인트 신호를 수신하는 단계와,

- 이 설정 포인트 신호에 기초하여, 각각의 렌즈를 제어하기 위해 요구되는 제1 및 제2 전압 값을 결정하는 단계와,

- 제1 및 제2 전압 값보다 더 높은 값만큼 적어도 높은 전압 출력을 생성하도록 구동기를 조절하는 단계와,

- 제1 및 제2 전압 변조기로 하여금 상기 제1 및 제2 전압 값에 대응하는 제1 및 제2의 변조된 전압 출력을 전압 공급원으로부터 생성하도록 제어하는 단계와,

- 상기 제1 및 제2의 변조된 전압 출력으로 각각 갖는 제1 및 제2 렌즈를 구동하는 단계를

포함한다.

본 발명의 실시예는 지금부터 예로써 그리고 첨부되는 도면을 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 전기 습식 렌즈를 이용하는 디지털 카메라의 개략적인 블록도를 도시한 도면.

도 2는 전기 습식 렌즈를 위한 간략화된 등가 전기 회로를 도시한 도면.

도 3은 두개의 전기 습식 렌즈를 구동하기 위한 펄스 폭 변조 방식을 도시한 도면.

도 4는 초점 및 줌 시스템의 블록도를 도시한 도면.

도 5는 예시적인 렌즈 구동 알고리즘의 흐름도를 도시한 도면.

도 6은 세 개의 다른 동작 모드 시 두개의 전기 습식 렌즈에 기초한 줌 렌즈의 예를 도시한 도면.

도 7은 AC 구동 방식을 위한 PWM 신호의 예를 도시한 도면.

도 8은 조정 가능한 전기 습식 렌즈에 대한 개략적인 단면도를 도시한 도면.

본 발명은 전기 습식 렌즈의 저역 통과 필터 특성을 이용한다. 도 2는 전기 습식 렌즈(21)의 간략화된 등가 전기 회로를 도시한다. 이 렌즈(21)의 특징은 렌즈 콘덴서(C_lens)(23), 직렬 저항(R_s)(22) 및 병렬 저항(R_p)(24)에 의해 이루어질 수 있다. 렌즈 콘덴서(23)와 함께 상기 직렬 저항(22)은 저역 통과 필터의 역할을 한다. 렌즈에 걸쳐 DC 전기 누설을 나타내는 병렬 저항(24)은 전형적으로, 무시될 정도로 충분히 높다.

상기 저역 통과 필터의 특징은 아래에 주어진 바와 같이, 주파수(∫)에 의해 이루어지는데, 여기서 이 주파수에서 출력값은 입력값에 비례하는 3dB이다:

그러므로 전기 습식 렌즈(21)에 인가된 교류 전압 신호는 고주파 성분이 렌즈를 통과할 것이고 오직 저주파 성분이 렌즈의 초점 특성을 상당히 변경하는 신호를 형성할 것이라는 취지로 렌즈 자체의 특성에 의해 필터링될 것이다.

그러므로 가령, 펄스 폭 변조(PWM) 방식에 의한 디지털로 전환된 신호는 구동 신호로서 전기 습식 렌즈(21)에 바로 인가될 수 있다. 이 신호의 고주파 전환 성분이 필터링될 것이고, 반면에 DC 전압 레벨 성분이 렌즈에 걸쳐 인가될 것이다.

전형적인 전기 습식 렌즈에 있어서, ∫에 대한 값은 대개 2 내지 3(영문표기상 a few) MHz 정도가 된다. 이러한 고주파에서 PWM 신호를 전환하면 렌즈를 통과하는 커다란 전류 양과 이에 따른 고전력 소모가 발생될 것이다. 그러나 유동체 인 터페이스가 이의 형태를 변경할 수 있는 속도에 관련되는 렌즈 성분의 기계적 제한(mechanical restraints)으로 인해, 유효한 -3dB 주파수는 약 100Hz에서 존재한다. 그러므로 5 내지 10kHz 만큼 낮은 전환 주파수가 사용될 수 있기에, 렌즈를 통한 고주파 성분의 통과(passage)에 의해 더 알맞은 전력 손실을 초래한다.

도 3은 두개의 전기 습식 렌즈에 인가된 PWM 신호를 위한 예시적인 구동 방식을 도시한다. PWM 클록 펄스 신호(31)는 두개의 분리된 구동 신호(32, 33)의 전환 주파수를 지시한다. 제1 구동 신호(32)가 제1 렌즈(1)에 인가되고, 상기 제1 신호의 듀티 사이클의 함수로서 바뀌는 렌즈 메니스커스에 걸쳐 구동 전압을 발생시키는데, 이 듀티 사이클은 신호의 온(on) 및 오프(off) 상태의 각 클록 사이클 동안의 지속 시간 사이의 비율인 것으로 정의된다. 제2 구동 신호(33)는 제2 렌즈(2)에 인가되는데, 이러한 특별한 경우에, 이 렌즈는 비교적 더 낮은 듀티 사이클로 인해 더 낮은 구동 전압을 초래한다.

도 3에서 도시되는 방식을 이용하여 두개의 전기 습식 렌즈를 구동하는 것은 오직 단일의 고전압원을 요구하는데, 이는 두개의 펄스 폭 변조기를 통해 변조될 수 있으며, 각각의 펄스 폭 변조기는 각 렌즈에 걸쳐서 요구되는 DC 전압 레벨에 따라 변하도록 계산되는 듀티 사이클에서 구동된다.

도 3의 변조 방식을 이용하여 두개의 전기 습식 렌즈를 구동하기 위한 제어 회로(40)의 개략적인 내용이 도 4에 도시된다. 제1 및 제2 전기 습식 렌즈(41, 42)는 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)에 연결되는데, 이러한 경우에 상기 변조기는 펄스 폭 변조를 통해 동작한다. 이 변조기(43, 44)는 제어 신호(47, 48)를 통해 제 어기(49)에 의해 제어된다. 이 제어 신호(47, 48)는 각 전압 변조기(43, 44)의 듀티 사이클을 제어한다. 제어기(49)도 또한, 고전압 제어 신호(50)와 인에이블 신호(51)를 통해 고전압 구동기 모듈(45)의 동작을 제어한다. 이 고전압 구동기 모듈(45)은 제어기로부터 수신된 신호(50)에 따라서 전압 변조기(43, 44)에 고전압 신호(46)를 공급한다.

초점 에러 신호(52)와 줌 설정 포인트 신호(53)는 제어기로의 입력값을 형성하고, 이 입력값으로부터 제어기는 전기 습식 렌즈(41, 42)를 구동하기 위해 다양한 신호(50, 51, 47, 48)를 유도한다.

도 4의 제어 회로는 고전압 신호(46)가 각각의 전기 습식 렌즈(41, 42)를 구동하기 위해 요구되는 두개의 신호 중 더 높은 신호를 구동하기에 충분히 높은 레벨로 설정되도록 구성될 수 있다. 이것은 고전압 구동기 모듈(45) 동작의 효율성이 최대화되는 이점을 갖는다. 오로지 하나의 고전압 구동기 모듈(45)이 사용되기에, 이러한 제어 회로는 두개의 분리된 가변적인 고전압 구동기 회로를 이용하는 것과 비교해 볼 때 낮아진 가격과 작아진 크기를 갖는다.

그러므로 일반적인 측면에서, 제어기(49)는 두개의 렌즈 구동 신호(32, 33) 중 더 높은 것에 요구되는 레벨에 있는 또는 이에 근접한 레벨로 고전압 공급원을 설정하고, 상기 고전압 공급원 레벨에서 또는 이에 근접하게 변조된 전압 출력을 생성하기 위한 전압 변조기 중 제1 전압 변조기를 제어하고, 상기 고전압 공급원 레벨보다 비교적 낮은 레벨에서 변조된 전압 출력을 생성하기 위해 전압 변조기 중 제2의 전압 변조기를 제어하도록 바람직하게 구성된다. 물론, 여기서 사용되는 상 기 표현 '레벨'은 변조 가령, PWM을 고려하는 평균 레벨에 관한 것이다.

기계적인 액추에이터를 갖는 어플리케이션에서, 초점 및 줌 렌즈는 기계적으로 연결될 수 있어서, 제2 렌즈는 제1 렌즈가 움직여질 때 자동적으로 움직일 것이다. 이것은 이러한 시스템으로 하여금 주어진 대상 거리를 유지하면서 줌 기능을 다양화하도록 한다. 동등한 거동이 상기 제어 신호(47, 48)를 유지하면서 고전압 제어 신호(50)를 변경함으로써 도 4의 시스템을 이용하여 전기적으로 달성될 수 있고, 이에 의해 이와 동일한 비율로 각 렌즈(41, 42)의 초점을 변경한다. 상기 초점 에러 신호(52)를 통한 더 미세한 튜닝 동작이 그 다음, 정확한 초점을 획득하기 위해 사용될 수 있다.

렌즈(41, 42)를 효율적으로 구동하기 위해, 주어진 초점 및 줌 레벨에 대한 전압이 룩-업 테이블(54)로부터 바람직하게 획득되는데, 이는 제어기(49) 내에 또는 이의 외부에 포함되고, 이 제어기(49)에 의해 질문을 받는다. 룩-업 테이블로의 엔트리(entry)는 초점 에러 신호(52) 및/또는 줌 설정 포인트 신호(53)에 기초한 값으로 구성된다. 상기 테이블로부터의 출력값은 고전압 제어 신호(50), 인에이블 신호(51), 제1 제어 신호(47) 및 제2 제어 신호(48)가 결정되는 값으로 구성될 수 있다. 상기 룩-업 테이블로부터 출력된 값은 전압이 될 수 있거나 대안적으로, 이 전압이 그로부터 결정될 수 있는 값이 될 수 있다.

제어기(49)의 동작에 대한 흐름도의 형태로 알고리즘이 도 5에서 도시된다. 이 알고리즘의 시작 이후에, 제어기(49)는 단계 61에서 줌 설정 포인트 신호(53)를 검사한다. 이러한 줌 설정 포인트 신호(53)와 대상 거리의 현재 설정 포인트가 주 어지는 경우, 제1 및 제2 렌즈(41, 42)를 구동시키기 위해 사용되는 전압에 적합한 레벨이 단계 62에서 룩업 테이블로부터 획득된다. 단계 63에서, 제어기는 어느 것이 두개의 전압 중 더 높은 것인지를 결정하고, 제1 렌즈 전압이 더 높은 경우에 단계 65로 넘어가거나 또는 제2 렌즈 전압이 더 높은 경우에 단계 64로 넘어간다. 단계 64 또는 65에서, 'Ctrl HV'신호(50)는 더 높은 렌즈 구동 전압에 기초하여 적절한 레벨로 설정된다. 단계 66 또는 67에서, 적절한 전압 변조기에 대한 듀티 사이클은 100%로 설정되지만, 나머지 변조기에 대한 듀티 사이클이 비례를 이루며 감소되는 값으로 설정된다.

예컨대, 제1 렌즈(41)가 20V의 전압을 요구하면서 동시에 제2 렌즈(42)가 70V의 전압을 요구하는 경우, 'Ctrl HV'입력값(50)은 70V로 설정된다. 이것은, 더 높은 전압으로 'Ctrl HV'(50)을 설정하는 경우에 전혀 유익하지 않게 높은 전력 소모를 초래하기 때문에 회로를 더 효율적으로 하는 이점을 지닌다. 그 다음, 제2 전압 변조기에 대한 PWM 듀티 사이클은 100%로 설정되므로 제2 렌즈에 최대한 높은 전압 신호(46)를 제공한다. 제1 전압 변조기에 대한 듀티 사이클은 28.6%(=20/70)으로 설정된다.

그 다음, 단계 68에서 제어기는 줌 동작이 끝날 때 까지 예컨대, 미리 결정된 지연 시간 동안 대기하거나 피드백 제어 신호를 기다림으로써 대기한다. 그 다음 제어기는 단계 69에서 초점이 변경될 필요가 있는지에 대한 여부를 검사한다. 만일 시스템이 초점 내에 있지 않을 경우 즉, 초점 에러 신호(52)가 최소화되지 않는 경우에, 단계 70에서 제어기는 어떤 렌즈가 조립체의 대상 거리를 변경하기 위 해 사용될 수 필요가 있는지를 우선 검사한다. 이 제어기는 그 다음 단계 71에서, 렌즈 중 하나 또는 둘이 이미지를 초점으로 옮기기 위해 얼마만큼 변경될 필요가 있는지를 측정하기 위해 자동-초점 알고리즘을 호출한다. 단계 72에서, 제어기는 적절한 양만큼 적절한 전압 변조기(43, 44)의 듀티 사이클을 변화시킨다. 그 다음, 영상이 초점으로 옮겨질 때까지 루프가 반복된다.

일단 시스템이 초점 내에 있으면 즉, 초점 에러 신호(52)가 최소화되는 경우에, 제어기는 셔터 버튼이 눌러질 때까지 대기한다(단계 73). 일단 버튼이 눌러지면, 사진이 찍히고(단계 74) 상기 프로세스는 종료된다.

두개의 전기 습식 렌즈를 이용하는 줌 렌즈 설계의 일예가 도 6에 개략적으로 도시된다. 이 예에서, 상기 두개의 전기 습식 렌즈(41, 42)는 제1의 고정된 초점 렌즈 조립체(81)에 의해 분리된다. 제2의 고정된 초점 렌즈 조립체(82)는 제2 전기 습식 렌즈(42)와 이미지 평면(86) 사이에 위치한다. 도 6은 세 가지 모드 즉, 최대, 중간 그리고 최소 줌 레벨에 각각 대응하는 'tele', 'half'및 'wide'로 광학 경로를 예시한다. 영상 평면(86)에서의 시야(the field of view)는 'wide'모드에서 가장 넓고, 'tele'모드에서 가장 좁다. 인입 광선(83, 84, 85)의 넓이(extent)가 이미지 평면(86)으로 초점화된 채 각각의 모드에서 예시된다. 각각의 렌즈(41, 42)에 인가된 전압을 변경하면 상기와 동일한 대상 거리가 각 줌 레벨에서 유지되도록 인에이블한다.

도 7은 대안적인 펄스 폭 변조 방식을 도시하는데, 여기서 AC 구동 신호는 각 렌즈(41, 42)를 구동하도록 사용되어야 한다. AC 클록 신호(75)는 PWM 클록 신 호(76)와 함께 제공된다. 이것은 제1 및 제2 렌즈 구동 신호(77, 78)를 발생시킨다. 이러한 예에서, PWM 클록 신호(76)에 의해 주어진 PWM 클록 주파수는AC 구동 신호(75)의 주파수와 동기화되므로 PWM 클록 주파수는 AC 구동 신호 주파수의 정수배(integer multiple)이다. 신호(77, 78)가 AC 클록 신호가 0이 되는 시간 기간 동안에 반전되도록 AC 클록 신호는 렌즈 구동 신호와 겹쳐진다.

도 7에서 도시된 구동 방식은 더 높은 고조파와 함께 AC 클록 신호 주파수에서 기본 주파수를 포함하는 교류전압으로 렌즈(41, 42)를 구동시키는데 영향을 주는데, 상기 고조파 중 일부 또는 전체는 상기 렌즈(41, 42)에 의해 필터링될 수 있다.

상기 설명이 펄스 폭 변조에 의해 생성될 렌즈 구동 신호에 적용되더라도, 렌즈(41, 42)에 요구되는 전압을 생성하도록 사용될 수 있는 본 발명의 범위에 존재하는 다른 가능성이 있다. 이러한 대안적인 하나의 예는 다른 구동 전압을 생성하기 위해 전환될 수 있는 저항 네트워크의 예이다. 이러한 일예는 전환될 수 있는 가변 저항 또는 저항의 배열을 갖는 전압 분배기의 형태를 취한다. 저항 네트워크에서 전력 손실을 최소화하기 위해, 높은 저항 값이 필요한데, 이 값은 렌즈 콘덴서의 충전 및 방전으로 인한 초점 및 줌 방법의 안정 시간(settling time)을 증가시킬 것이다. 또한, 상기 저항 네트워크를 병합하는 증대된 집적 회로 영역이 더 큰 저항에 요구될 것이다.

일반적인 측면에서, 본 발명을 이용해서 사용하는데 적합한 유형의 가변적인 초점 전기 습식 렌즈의 일예가 도 8a 내지 8c에 도시된다. 이 전기 습식 렌즈는 모 세관 튜브(capillary tube)를 형성하는 원통형의 제1 전극(102)을 포함하는데, 이는 투명한 전방 구성요소(103)와 투명한 후방 구성요소(104)를 이용하여 봉해지므로 두 종류의 유동체(106, 107)를 포함하는 유동체실을 형성한다. 상기 전극(102)은 튜브의 내벽에 인가된 전기적으로 전도성을 갖는 코팅일 수 있다.

두 종류의 유체(106, 107)는 실리콘 오일 또는 알칸과 같은 전기적으로 절연인 제1 액체(106)와 소금 수용액과 같은 전기적으로 전도성인 제2 액체(107)의 형태로 두 종류의 혼합되지 않는 액체로 구성된다. 이 두 액체는 바람직하게, 동일한 밀도를 갖도록 배열되는데, 이로서 배향에 독립적으로 즉, 상기 두 종류의 액체 사이의 중력에 영향을 받지 않고 상기 렌즈가 기능을 수행한다. 이것은 제1 액체의 적절한 구성물 선택에 의해 달성될 수 있는데, 예컨대 알칸 또는 실리콘 오일은 상기 소금 용액의 밀도와 매칭하는 알칸 또는 실리콘 오일의 밀도를 증가시키기 위해 분자 구성물을 추가함으로써 변경될 수 있다.

이러한 예에서의 유동체는 상기 제1 유동체(106)가 제2 유동체(107)의 굴절율보다 더 높은 굴절율을 갖는다.

제1 전극(102)은 전형적으로 1mm와 20mm 사이의 내부 반지름을 갖는 원통기둥이다. 이 전극(102)은 금속 물질로부터 형성되고 절연 층(108)에 의해 코팅되는데, 이 절연 층은 예컨대, 파릴렌(parylene)으로 이루어진다. 이 절연 층은 전형적인 1μm와 10μm 사이의 두께를 갖는다. 이 절연 증은 유동체 접촉 층(110)으로 코팅되는데, 이 유동체 접촉 층은 유동체실의 원통형 벽과의 메니스커스 접촉각에서 이력현상(hysteresis)을 감소시킨다. 이 유동체 접촉 층은 polytetrafluoroethene(PTFE)와 같은 비결정 탄화 플루오르(amorphous fluorocarbon)로부터 바람직하게 형성된다. 유동체 접촉 층(110)은 5nm와 50μm 사이의 두께를 갖는다. 제2 유동체(107)에 의한 유동체 접촉 층(110)의 습윤도(wettability)는 바람직하게, 전압이 제1 및 제2 전극(102, 112) 사이에 전혀 인가되지 않을 경우에 유동체 접촉 층(110)과 메니스커스(114)의 교차점의 양면에서 실질적으로 동일하다.

고리 모양의 제2 전극(112)은 이러한 경우, 후방 구성요소(104)에 인접한 유동체실의 한쪽 단부에 배열된다. 제2 전극(112)은 전극(112)이 제2 유동체(107)에서 동작하도록 하기위해 유동체실에서 적어도 한 부분과 같이 배열된다.

두 종류의 유동체(106, 107)는 메니스커스(114)에 의해 분리된 두 종류의 유동체 바디(body)를 형성하기위해 비-혼합성을 지닌다. 제1 및 제2 전극 사이에 전압이 전혀 인가되지 않는 경우에, 유동체 접촉 층(110)은 제2 유동체(107)보다 제1 유동체(106)에 관하여 더 높은 습윤도를 갖는다. 전기 습식력으로 인해, 제2 유동체(107)에 의한 습윤도는 제1 전극(102)과 제2 전극(112) 사이에 전압이 인가되는 상황 하에서 다양화되는데, 이는 세 개의 페이즈 선(phase line)(유동체 접촉 층 110과 두 종류의 액체 106, 107 사이의 접선)에서 메니스커스(114)의 접촉 각(111a 내지 111c)을 변하도록 하는 경향이 있다. 그러므로 이 메니스커스(114)의 모양은 인가된 전압에 따라서 가변적이다.

0V 내지 20V 사이의 저 전압(V₁)이 전극(102, 112) 사이에 인가되는 경우에, 메니스커스(114)는 제1의 오목한 메니스커스 모양을 채택한다. 이러한 형태에서, 메니스커스(114)와 유동체 접촉 층(110) 사이의 최초의 접촉 각(111a)은 예컨대 140도인데, 이 각은 제2 유동체(107)에서 측정된다. 제2 유동체(107)보다 더 높은 제1 유동체(106) 굴절율로 인해, 메니스커스(14)에 의해 형성된 렌즈는 이러한 형태에서 비교적 높은 네거티브 배율을 갖는다.

상기 메니스커스 모양의 요면(concavity)을 줄이기 위해, 더 높은 크기의 전압이 제1 및 제2 전극(102, 112) 사이에 인가된다. 도 8b를 참고하면, 예컨대, (절연 층 108의 두께에 의존하는) 20V와 150V 사이의 중간 전압(V₂)(intermediate voltage)이 전극(102, 112) 사이에 인가되는 경우, 메니스커스(114)는 도 8a에서의 메니스커스(114)와 비교해 볼 때 증가한 제2 곡률을 채택한다. 이러한 형태에서, 상기 메니스커스(114)와 유동체 접촉 층(110) 사이의 중간 접촉 각(111b)은 예컨대, 대략 100도이다. 제2 유동체(107)보다 더 높은 제1 유동체(106)의 굴절율로 인해, 상기 형태에서의 메니스커스 렌즈는 비교적 낮은 네거티브 배율을 갖는다.

볼록한 메니스커스 모양을 만들기 위해, 훨씬 더 높은 크기의 전압이 제1 및 제2 전극(102, 112) 사이에 인가된다. 도 8c를 참고하면, 예컨대 150V 내지 200V의 비교적 높은 전압(V₃)이 전극 사이에 인가되는 경우, 상기 메니스커스는 볼록한 모양을 채택한다. 이러한 형태에서 메니스커스(114)와 유동체 접촉 층(110) 사이의 접촉 각(111c)은 예컨대, 대략 60도이다. 제2 유동체(107)보다 더 높은 제1 유동체(106)의 굴절율로 인해, 이러한 형태에서의 메니스커스 렌즈는 파지티 브(positive) 배율을 갖는다.

유동체 접촉 층과 전도성 액체(107)가 갖는 접촉 각(θ)에 대한 변화량은 다음과 같이 설명될 수 있다:

여기서, θ₀ 는 '오프(off)'상태 즉, 인가된 전압이 전혀 없는 상태에서의 접촉 각이고, ε는 상기 절연 층(108)의 유전 상수(dielectric constant)이고, d_f는 절연 층의 두께이고, Υ_ci는 액체(106, 107) 사이의 계면력(interfacial tension)이고, V는 인가된 전압이다. 방정식[2]는 최초의 접촉 각(θ₀)이 존재하는 경우 즉, θ₀ 이 0도 보다는 크고 180보다는 작을 경우에 유효하다. 그러나 이것은 특히 탄화 플루오르, 가령, PTFE에 대한 경우가 될 수 없다. 상기 벽과 전도성 액체(107) 사이의 계면 장력(Υ_wc)이 상기 벽과 절연 액체(106) 사이의 계면력과 상기 액체/액체의 계면 장력(Υ_ci)의 합보다 더 큰 경우에, 전도성 액체와 벽 사이의 오일 박막 구조가 효과적으로 유리할 것이다. 이러한 경우, 접촉 각이 한정되지 않는데, 이는 벽과 전도성 액체 사이의 다이렉트 접촉이 전혀 존재하지 않기 때문이다. 이의 정확한 방정식은 아래와 같다:

상기와 같은 경우에, 상기 항 (Υ_wi-Υ_wc)/Υ_ci은 -1보다 작다. 그러므로 방정식[3]은 오직 일정한 임계 전압 이상에서 유효하게 된다. 이 전압 아래에서 접촉 각은 실제 180도이다.

또한, 상기 접촉 각(θ), 원기둥의 내부 반지름(R_c)과 메니스커스의 곡률(R_m) 반경 간의 관계식은 다음과 같다:

그러므로 (Υ_wi-Υ_wc)/Υ_ci가 대략 -1일 경우에, 다음과 같다:

제1 및 제2 전기 습식 렌즈(41,42)에 대한 시야와 R_m/R_c 값에 대하여 도 6의 세 개의 다른 줌 형태에 관한 테이블이 아래에 도시된다. 테이블 1에서 상기 값은 무한한 대상 거리에서 세 개의 서로 다른 줌 레벨을 위해 주어진다. 테이블(2, 3)은 각각의 줌 레벨에서 이러한 값이 두개의 추가적인 예시적인 대상 거리에 대해 어떻게 변경되는지를 보여주는데, 테이블(2)에서는 제1 렌즈(41)에 대한 값을 보여주고, 테이블(3)에서는 제2 렌즈(42)에 대한 값을 보여준다.

상기에서 설명된 예시적인 실시예가 단일의 높은 전압 공급원량 이용하여 단 지 두개의 전기 습식 렌즈의 제어를 도시하더라도, 설명된 원리는 각각 변조기 회로를 갖는 세 개 이상의 독립적으로 제어 가능한 렌즈로 확장될 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명이 전기 습식 렌즈를 제어하는데 적용 가능할 뿐만 아니라 복수의 높은 전압 구동 방식이 필요한 다른 어플리케이션에서도 또한 적용될 수 있음을 또한 이해할 것이다. 예컨대, 전기 습식 다이어그램과 같은 다른 전기 습식 디바이스가 본 발명의 제어 회로를 이용하여 구동될 수 있다. 가량, 피에조전기 액추에이터 또는 전기 발광성 백라이트를 위한 복수의 높은 전압 구동 신호를 요구하는 다른 디바이스도 또한 본 발명을 가지고 이용하는데 적합할 수 있다.

다른 실시예가 첨부된 청구범위의 범위 내에 존재한다는 사실이 직시된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고전압 구성요소 가령, 전기 습식 렌즈의 전기적 제어에 이용가능 하며, 이러한 렌즈의 초점과 줌을 제어하기 위한 제어 회로와 이의 방법에 이용가능 하다.

Claims (11)

1. 전기 습식 렌즈(41, 42)를 위한 제어 회로(40)로서,

   - 제어 가능한 전압 공급원(46)을 생산하기 위한 구동기 회로(45)와,

   - 제 1 및 제2 전압 변조기(43, 44)로서, 이들 각각은 제어 가능한 전압 공급원(46)을 수신하기 위해 연결되고 제1 및 제2의 변조된 전압 출력(32, 33)을 각각 생성하기 위해 적응되는, 제 1 및 제2 전압 변조기(43, 44)와,

   - 적어도 하나의 설정 포인트 신호(53, 52)를 수신하도록 적응된 제어기(49)로서, 이 신호의 함수로서, (ⅰ) 상기 구동기 회로를 제어하여 상기 전압 공급원을 생성하고, (ⅱ) 상기 제1 및 제2 전압 변조기를 제어하여 상기 제1 및 제2의 변조된 출력(32, 33)을 생성하도록 적응된, 제어기(49)를

   포함하는, 전기 습식 렌즈를 위한 제어 회로.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제어기(49)는 줌 설정 포인트 신호(53)와 초점 에러 신호(52)의 형태로 설정 포인트 신호를 수신하도록 적응된, 전기 습식 렌즈를 위한 제어 회로.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)는 펄스 폭 변조 방식에 의해 상기 제어 가능한 전압 공급원(46)을 변조시켜, 상기 제1 및 제2의 변조된 출력(32, 33)을 생산하도록 각각 적응된, 전기 습식 렌즈를 위한 제어 회로.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 제어기(49)는 줌 신호(53)와 초점 신호(52)의 함수로서 전기 습식 렌즈(41, 42)에 대한 전압 값을 결정하기 위한 룩-업 테이블(54)을 포함하는, 전기 습식 렌즈를 위한 제어 회로.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)는 제어 가능한 전압 공급원을 변조시키도록 적응된 저항 네트워크를 각각 포함하는, 전기 습식 렌즈를 위한 제어 회로.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 제어기(49)는:

   - 요구되는 제1 및 제2의 변조된 출력 중 더 높은 레벨에 존재하는 또는 이에 근접한 제1 레벨로 고전압 공급원(46)을 설정하고,

   - 상기 제1 레벨에서의 또는 이에 근접한 제1 변조된 전압 출력(32)을 생성하기 위해 제1 전압 변조기(43)를 제어하고,

   - 상기 제1 레벨보다 낮은 제2 레벨에서의 제2 변조된 전압 출력(33)을 생성하기 위해 제2의 전압 변조기(44)를 제어하도록

   적응된, 전기 습식 렌즈를 위한 제어 회로.
7. 카메라 모듈로서,

   - 제 1항 또는 제 2항에 따른 제어 회로(40)와,

   - 제1 전기 습식 렌즈(41)와,

   - 제2 전기 습식 렌즈(42)를

   포함하고, 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)는 제1 및 제2의 변조된 전압 출력(32, 33)을 각각 수신하기 위해 제1 및 제2 전기 습식 렌즈에 전기적으로 연결된, 카메라 모듈.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 제어 회로(40)는 구동기 회로(45)와 제1 및 제2 전압 변조기(32, 33)를 제어하기 위한 제어 신호를 결정하기 위해 설정 포인트 신호(53, 52)에 의존하는 값을 제어기(49)에 제공하도록 적응된 룩-업 테이블(54)을 포함하는, 카메라 모듈.
9. 제1 및 제2의 전기적으로 제어 가능한 렌즈(41, 42)를 포함하는 카메라의 초점 및/또는 줌 동작을 제어하는 방법으로서,

   - 설정 포인트 신호를 수신하는 단계(61)와,

   - 이 설정 포인트 신호에 기초하여, 각각의 렌즈를 제어하기 위해 요구되는 제1 및 제2 전압 값을 결정하는 단계(62)와,

   - 적어도 제1 및 제2 전압 값 중 더 높은 값만큼 높은 전압 출력을 생산하도 록 구동기를 조절하는 단계(64, 65)와,

   - 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)로 하여금 상기 제1 및 제2 전압 값에 대응하는 제1 및 제2의 변조된 전압 출력(32, 33)을 전압 공급원으로부터 생성하도록 제어하는 단계(66,67)와,

   - 상기 제1 및 제2의 변조된 전압 출력으로 각각 제1 및 제2 렌즈를 구동하는 단계(68)를

   포함하는, 제1 및 제2의 전기적으로 제어 가능한 렌즈를 포함하는 카메라의 초점 및/또는 줌 동작을 제어하는 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)는 펄스 폭 변조 방식에 의해 제1 및 제2 전압 출력을 생산하는, 제1 및 제2의 전기적으로 제어 가능한 렌즈를 포함하는 카메라의 초점 및/또는 줌 동작을 제어하는 방법.
11. 제 9항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 전압 변조기(43, 44)는 저항 네트워크를 이용하여 제1 및 제2 전압 출력(32,33)을 생산하는, 제1 및 제2의 전기적으로 제어 가능한 렌즈를 포함하는 카메라의 초점 및/또는 줌 동작을 제어하는 방법.

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