KR20090053838A - 가변 포커스 줌 렌즈 - Google Patents

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KR20090053838A
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사만 다마틸레케
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에이전시 포 사이언스, 테크놀로지 앤드 리서치
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Abstract

본 발명은 가변-포커스 반-고체 줌 렌즈, 가변-포커스 렌즈 및 그러한 가변-포커스 반-고체 렌즈를 수용하는 광학 장치의 제조 방법 및 이용에 관한 것이다. 포커스 길이는 반-고체 렌즈의 형상, 크기, 치수, 기하학적 형태, 외경, 또는 표면 곡률을 변경함으로써 제어될 수 있다. 포커스 길이의 변화는 반-고체 렌즈와 커플링된 압력 제어 장치의 이용에 의해서 달성될 수 있다. 반-고체 렌즈는 또한 하우징 내에 장착된다.

Description

가변 포커스 줌 렌즈{VARIABLE FOCUS ZOOM LENSES}
본 발명은 가변 포커스 줌 렌즈에 관한 것이다.
광학적 통신 시스템 및 카메라 장치와 같은 통상적인 광학적 이미징 분야에서, 이미지 센서 상에 이미지를 포커싱하기 위해서 그리고 렌즈에 대한 여러 방향으로부터 빛을 수용하기 위해서, 렌즈의 수동 튜닝 및 물리적 위치결정이 통상적으로 요구된다. 수동 튜닝의 비효율성 및 수고(expenses)를 없애기 위해서, 튜닝가능한 마이크로렌즈를 개발하여 광원을 광탐지기(photodetector)와 같은 광학 신호 수신기에 광학적으로 커플링시킴으로써 광학 신호를 포커싱하고 있다. 일부 경우에, 마이크로렌즈에 대한 광선의 입사가 공칭의(nominal) 정렬된 입사로부터 변화될 때, 마이크로렌즈와 광탐지기 사이의 최적의 커플링을 유지하기 위해서, 마이크로렌즈의 굴절률이 자동적으로 변화되어 마이크로렌즈의 포커스를 변경시킨다.
그러나, 구배 굴절률 렌즈(gradient index lenses)와 같은 튜닝가능한 마이크로렌즈는 그러한 렌즈에서 이용되는 전기-광학(electro-optic) 재료의 대부분에서 발견되는 작은 전기-광학 계수와 관련한 고유의 한계를 가진다. 이는 종종 작은 광학적 경로 변경을 초래하고, 그에 따라 두꺼운 렌즈나 높은 전압을 필요로 한다. 또한, 많은 전기-광학적 재료는 강한 복굴절(birefringence)을 나타내고, 그 에 따라 특정 편광으로 빛을 왜곡시키는 마이크로렌즈의 편광 의존도(polarization dependence)를 유발한다. 이러한 문제점들은 튜닝가능한 마이크로렌즈들의 어레이가 요구되는 경우에 특히 심각해질 수 있다. 예를 들어, 현존하는 카메라 폰은 작은, 고정-포커스 렌즈를 이용하며, 이는 조악한 광 수집 능력, 제한된 포커스 범위 및 제한된 해상도를 가진다. 결과적으로, 이미지 품질이 종래의 사진용 카메라에 비해서 낮게 된다.
렌즈의 옵틱(optics)을 형성하는 유체 메니스커스(meniscus)의 곡률반경 또는 접촉 각도를 변화시킴으로써 포커스 길이(거리)가 제어될 때, 가변 포커스 유체 렌즈가 제공된다. 또한, 그러한 광학 장치는 유체의 압력을 조정하기 위해서 그에 따라 메니스커스의 곡률을 조정하기 위해서 유체와 유체적으로 커플링된(fluidly coupled) 압력 또는 부피 제어 수단을 통상적으로 포함한다.
그러나, 특히 일부 액체 렌즈에 대한 문제점들에 대한 개선의 여지가 여전히 있다. 첫번째로, 액체 렌즈에는 충격 또는 험한 취급(rough handling) 후에 문제가 발생한다. 두번째로, 중력 효과로 인해서, 직경이 큰 가변 포커스 액체 렌즈를 제조하는 것이 어렵다. 세번째로, 통상적으로, 액체 렌즈가 구형이기 때문에, 현재의 기술로는 비-구형 가변 포커스 액체 렌즈를 거의 제조하지 못하고 있다. 네번째로, 많은 기술적 분야에서, 이미지 품질을 개선하기 위해서 비반사 코팅과 같이 재료를 이용하여 렌즈의 표면을 개선하는 것이 특히 요구되고 있다. 그러나, 그러한 프로세스는 액체 렌즈에서는 허용되지 않고 있다.
그에 따라, 전술한 문제점들 및 기타 문제점들을 극복할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 특히, 구형일 수 있고 그리고 비-구형일 수 있는 저렴하고 큰 직경의 가변 포커스 렌즈에 대한 수요가 있다. 또한, 험한 취급이 예상되는 작고, 휴대용의 이미징 용도를 위한 견고한(rugged) 광학적 포커싱 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 본 발명의 실시예들은 이러한 요구 및 다른 요구를 위해서 제공된다.
본 발명은 가변 포커스 반-고체(semi-solid) 렌즈를 제공하고, 가변 포커스 렌즈의 제조 방법 및 이용 방법을 제공하며, 가변 포커스 반-고체 렌즈를 포함하는 광학 장치를 제공한다. 반-고체 렌즈의 형상, 크기, 치수(dimension), 기하학적 형태(geometry), 부피, 압력 또는 표면 곡률을 변화시킴으로써, 예를 들어 반-고체 렌즈의 벌크(bulk) 또는 표면 상의 영역의 곡률반경 또는 곡률을 변화시킴으로써, 포커스 길이가 제어될 수 있다. 반-고체의 표면은 렌즈의 옵틱을 형성하고, 그것의 (조정가능한) 곡률반경은 포커스 길이를 결정한다. 가변 포커스 반-고체 렌즈의 예를 들면, 폴리머 렌즈 또는 겔 렌즈가 될 수 있을 것이다. 유리하게도, 본 발명의 반-고체 가변 포커스 렌즈는 큰 직경의 구형 또는 비-구형 가변 포커스 렌즈의 용이한 제조를 가능하게 하며, 개선된 이미지 품질을 위해서 렌즈 표면 상에 비-반사 코팅과 같은 코팅을 용이하게 부착(deposition)할 수 있게 허용한다.
본 발명에 따라서, 가변 포커스 성능은 반-고체 물질에 인가되는 압력의 조정을 통해서 반-고체 물질의 형상, 크기, 치수, 기하학적 형태, 부피 또는 표면 곡률을 변화시킴으로써 달성된다. 일 태양에서, 가변 포커스 성능은 반-고체 렌즈의 형상, 크기, 치수, 기하학적 형태 또는 표면 곡률을 변화시킴으로써 달성되는 한편, 렌즈의 부피는 상대적으로 일정하게 유지된다. 일 실시예에서, 가변 포커스 성능은 반-고체 물질의 직경을 변화시킴으로써 달성된다.
본 발명의 일 태양에 따라서, 규정된 곡률을 가지는 표면 영역을 구비하는 광학적으로 투명한 반-고체 물질, 그리고 상기 반-고체 물질의 표면 영역의 곡률을 조정하기 위해서 상기 반-고체 물질과 커플링되는 압력 제어 수단을 통상적으로 포함하는 광학 장치가 제공된다. 일 실시예에서, 광학 장치는 홀딩(holding) 수단, 예를 들어, 물질을 지지하기 위한 하우징을 포함하며, 이때 상기 반-고체 물질은 상기 하우징 내에 배치 또는 장착(mount)된다. 다른 실시예에서, 반-고체 물질은 마이크로미터 내지 밀리미터 범위의 두께를 가지는 박막 필름이다.
본 발명의 다른 태양에 따라서, 규정된 곡률을 가지는 표면 영역을 구비하는 하나 이상의 반-고체 렌즈, 하나 이상의 고체 렌즈, 선택적으로 하나 이상의 유체 렌즈, 상기 렌즈들을 장착하기 위한 하우징, 상기 하나 이상의 상기 반-고체 렌즈에 커플링된 하나 이상의 압력 제어 수단, 그리고 선택적으로 유체 렌즈에 커플링된 하나 이상의 압력 제어 수단을 통상적으로 포함하는 광학 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라서, 광학 장치 제조 방법이 제공된다. 그러한 방법은 광학적으로 투명한 반-고체 물질을 가변 포커스 렌즈로 제조하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 방법은 사출 성형 프로세스(injection moulding process)를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 방법은 현장 경화 프로세스(in situ curing process)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 규정된 곡률을 가지는 표면 영역을 구비하는 광학적으로 투명한 반-고체 물질의 표면의 곡률반경 또는 곡률을 조정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 반-고체 물질의 표면 영역의 곡률을 변화시키기 위해서 반-고체 물질에 인가되는 압력을 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적인 태양에 따라서, 이미징 분야를 위한 가변 포커스 반-고체 렌즈를 가지는 광학 장치의 용도가 제공된다.
도면 및 특허청구범위를 포함하는 명세서의 나머지 부분들을 참조하면, 본 발명의 다른 특징 및 이점들을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 추가적인 특징 및 이점, 그리고 본 발명의 다양한 실시예들의 구조 및 작동이 첨부 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다. 첨부 도면들에서는, 유사한 도면부호가 동일한 또는 기능적으로 유사한 부재들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 외경을 변화시킴으로써 포커스 길이가 조정될 수 있는 가변 포커스 반-고체 렌즈를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 외경을 변화시킴으로써 반-고체 렌즈의 형상을 조정하기 위한 압전 링 액츄에이터를 구비하는 반-고체 렌즈의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위한 인공 근육(muscle) 링, 압전 전기 링 또는 기계적인 링 셋업(setup)을 가지는 가변 포커스 반-고체 렌즈를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반-고체 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위한 유체 압력 조절기 및 하우징 내에 장착되는 반-고체 렌즈를 가지는 광학 장치의 단면도이다.
도 5는 2-렌즈 조립체를 구비하는 광학 장치를 개략적으로 도시한 도면으로서, 상기 광학 장치는 본 발명의 실시예에 따라 하우징 내에 장착된 고체 렌즈 및 반-고체 렌즈를 포함하는, 도면이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따라, 투명한 커버를 가지는 하우징 내에 장착된 고체 렌즈 및 반-고체 렌즈, 그리고 반-고체 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위한 유체 압력 조절기(modulator)를 포함하는 광학 장치를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 반-고체의 부착을 개선하기 위해서 거친(coarse) 표면을 가지는 하우징을 구비하는 반-고체 및 고체 렌즈 조립체를 가지는 광학 장치를 도시한 도면이다.
도 8은 3-렌즈 조립체를 가지는 광학 장치를 도시한 측면도로서, 본 발명의 실시예에 따라 반-고체 렌즈가 볼록 표면을 가지는 것을 도시한 도면이다.
도 9는 3-렌즈 조립체를 가지는 광학 장치를 도시한 도면으로서, 본 발명의 실시예에 따라 반-고체 렌즈 또는 액체 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위해서 반-고체 렌즈 또는 액체 렌즈에 커플링된 유체 압력 조절기를 도시한, 도면이다.
도 10은 3-렌즈 조립체를 구비한 광학 장치를 도시한 측면도로서, 본 발명의 실시예에 따라, 하우징이 렌즈로서 성형된 커버 또는 투명 커버를 가지며, 다수의 유체 압력 조절기가 반-고체 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위해서 반-고체 렌즈에 커플링된 것을 도시한, 도면이다.
도 11은 3-렌즈 조립체를 구비한 광학 장치를 도시한 측면도로서, 본 발명의 실시예에 따라, 제 2의 반-고체 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위해서 제 2의 반-고체 렌즈에 커플링된 제 2의 유체 압력 조절기를 선택적으로 구비하는 것을 도시한, 도면이다.
도 12a는 본 발명의 실시예에 따라 반-고체 렌즈 또는 액체 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위해서 압전 액츄에이터를 구비하는 3-렌즈 조립체를 가지는 광학 장치를 도시한 측면도이다.
도 12b는 본 발명의 실시예에 따라 반-고체 렌즈 또는 액체 렌즈의 표면 곡률을 조정하기 위해서 액츄에이터 링, 액츄에이터 박막(diaphram), 압전 링 또는 전기 활성 폴리머를 구비하는 3-렌즈 조립체를 가지는 광학 장치를 도시한 측면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 4-렌즈 조립체를 구비하는 광학 장치를 도시한 측면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 렌즈 공동(cavity)을 가지는 반-고체 렌즈 또는 액체 렌즈 조립체를 도시한 측면도이다.
도 15a는 본 발명의 실시예에 따른 액체 또는 반-고체 렌즈 및 고체 렌즈를 도시한 도면이다.
도 15b는 본 발명의 실시예에 따른 액체 또는 반-고체 렌즈 그리고 고체 평볼록 렌즈(plano convex lens)를 도시한 도면이다.
도 15c는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 액체 렌즈 또는 2개의 반-고체 렌즈 그리고 2개의 고체 렌즈를 도시한 도면이다.
도 15d는 본 발명의 실시예에 따라 2개의 액체 렌즈 또는 2개의 반-고체 렌즈와 그 사이에 샌드위치된 하나의 고체 렌즈를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 액체-베이스(liquid-based) 또는 반-고체 렌즈-베이스의 자동-포커스 렌즈 시스템을 도시한 측면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 액체 렌즈-베이스 또는 반-고체 렌즈-베이스의 자동-포커스 렌즈 시스템을 도시한 측면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 줌/포커스 모듈을 구비하는 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈 시스템을 도시한 측면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 가변-포커스 및 가변-직경 렌즈 모듈을 가지는 액체 또는 반-고체 렌즈 시스템을 도시한 측면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 줌/포커스 모듈을 구비하는 액체 또는 반-고체 렌즈 시스템을 도시한 측면도이다.
도 21a는 본 발명의 실시예에 따른 압전 디스크 액츄에이터를 도시한 평면도이다.
도 21b는 본 발명의 실시예에 따른 액체 펌핑용 압전 디스크 액츄에이터를 도시한 측면도이다.
도 21c는 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 압전 박막을 이용하는 압전 액츄에이터의 평면도이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 가변 포커스 엘라스토머(elastomeric) 렌즈의 이미지를 도시한 도면이다.
도 23의 a 및 b는 본 발명의 실시예에 따라 렌즈를 변형시키고 렌즈의 포커스 길이를 제어할 수 있는 기계적인 액츄에이터를 구비하는 가변 포커스 엘라스토머 렌즈 모듈을 도시한 도면이다.
도 24의 a 및 b는 본 발명의 실시예에 따른 약 20V의 작동 전압에서의 튜브형 압전 액츄에이터의 부피 변화를 도시한 도면이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 반-고체 박막형(thin) 호일 렌즈를 도시한 측면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따라 박막형 호일 렌즈 및 고체 렌즈를 구비한 2-렌즈 조립체를 도시한 측면도이다.
도 27은 반-고체 렌즈를 이용하는 고정 포커스 렌즈 모듈을 도시한 측면도이다.
도 28은 반-고체 렌즈의 작동 및 기능 그리고 3-렌즈 조립체를 구비하는 광학 장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 가변 포커스 반-고체 렌즈 및 그 제조 방법, 그리고 가변 포커스 반-고체 렌즈의 용도를 제공한다. 포커스 길이는 반-고체 렌즈의 표면 상의 영역 또는 반-고체 렌즈의 곡률반경이나 곡률, 형상, 크기, 치수, 기하학적 형태, 직경, 압력, 부피를 조정함으로써 제어될 수 있다.
본 명세서에서, "반-고체"라는 용어는 액체와 고체 모두의 특성을 가지는 물질을 지칭한다. 예를 들어, 반-고체는 자외선(UV) 또는 적외선(IR)을 필터링할 수 있는 물질일 수 있다. 특히, 반-고체는 압력 변화와 같은 외부 자극에 응답하여, 형상, 크기, 치수, 기하학적 형태 및/또는 표면 곡률을 변화시킬 수 있다. 반-고체는 점성 액체; 엘라스토머 겔과 같은 겔; 반도체 코팅; 전자-활성화 겔; 반-결정질 액체; 또는 열가소성 엘라스토머 또는 실록산과 같은 엘라스토머일 수 있다. 특히, 반-고체는 유기 폴리머, 무기 폴리머, 또는 여러 폴리머와 첨가제의 혼합물, 또는 복합 물질과 같은 폴리머 물질일 수 있다. 본 명세서에서, 겔은 대부분이(mostly) 액체이면서도 고체와 같이 거동하는 예를 들어 콜로이드와 같은 콜로이드형 물질 될 수 있을 것이다.
본 명세서에서, "유체"라는 용어는 가스(기체), 액체 또는 가스와 액체의 혼합물을 지칭한다. 가스는, 예시적으로, 공기, 산소, 질소, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 희가스(불활성 가스), 낮은 비등점의 유기 용매, 낮은 비등점의 유기 용매의 증기 또는 그 조합을 포함한다. 액체는 어떠한 투명 액체도 가능할 것이다. 본 발명에서 사용되는 액체의 예를 들면, 예시적으로, 물, 오일, 유기 용매 및 그 조합을 포함한다. 액체는 반-고체 렌즈에 추가적인 렌즈로서 작용할 수 있고 또는 그렇지 않을 수도 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 장치의 측면도는 또한 장치의 단면도를 의미할 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, "곡률"이라는 용어는 기하학적 객체가 평평 함으로부터 벗어난 양을 지칭한다. 평면형 곡면(plane curve)의 경우에, 곡률은 (x'y"-y'x")/(x'2 + y'2)3/2 이며, 이때 x', x", y' 및 y" 는 제 1 및 제 2 도함수(derivative)이다. 2-차원적인 표면의 경우에, 지점(P)에서의 곡률은
Figure 112009017684795-PCT00001
로서 규정되며, 이때 r은 지점(P)으로부터의 짧은 길이이고 C(r)은 지점(P)으로부터 거리(r)를 가지는 원의 둘레이다. 예를 들어, 만약 표면이 평평하다면, C(r) = 2πr이 될 것이다. 통상적으로, 반-고체 렌즈는 규정된 표면 곡률을 가지는 표면 영역을 구비한다.
도 1은 가변 포커스 반-고체 렌즈를 도시한 도면으로서, 포커스 길이는 전체 렌즈의 또는 렌즈의 표면상의 영역의 곡률반경 또는 곡률, 형상, 크기, 치수, 외경을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 렌즈는 반-고체 물질(102), 표면(110 및 112), 그리고 경계부(boundary; 120)를 가진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 표면(110)으로부터 표면 곡률이 변경된 표면(112)으로 변화되도록 도 1a에 도시된 D1으로부터 도 1b에 도시된 D2로 반-고체 렌즈의 직경을 변화시킴으로써 가변 포커스 성능이 달성될 수 있다. 특정의 경우들에서, 렌즈의 부피는 비교적 일정하게 유지될 수 있을 것이다. 다른 경우에, 반-고체 렌즈에 힘 또는 압력이 인가될 때, 이용되는 반-고체 물질이 압축되어 부피를 줄일 수 있을 것이다. 렌즈의 표면 곡률, 형상, 기하학적 형태, 또는 치수의 변화는 외부 자극, 예를 들어, 힘, 압력 또는 광선을 렌즈에 인가함으로써 달성될 수 있을 것이다.
본 발명은 규정된 곡률을 가지는 표면 영역을 구비하는 광학적으로 투명한 반-고체 물질로 이루어진 광학 장치 및 반-고체의 표면 영역의 곡률을 조정하기 위해서 반-고체 물질과 커플링된 압력 제어 수단을 제공한다. 도 2는 본 발명의 광학 장치를 개략적으로 도시한 측면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 장치는 반-고체 물질(210), 표면 영역(230), 및 상기 반-고체(210)에 커플링된 압력 제어 수단(220)을 구비한다. 예를 들어, 표면(230)의 곡률을 조정하기 위해서 물질(210)과 직접적으로 접촉함으로써 또는 유체나 고체 층과 같은 중간 매체, 예를 들어, 중간 층을 통해서 물질(210)과 간접적으로 접촉함으로써, 압력 제어 수단(220)이 반-고체(210)와 직접적으로 커플링될 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈는 압력 제어 수단(220)에 의해서 둘러싸인다. 다른 실시예에서, 압력 제어 수단(220)은 렌즈의 일부와 접촉한다. 예시적인 압력 제어 수단(220)은 링이 될 수 있고, 그러한 링은 압전 링과 같이 둘레가 수축(contract)될 수 있다. 이미지 품질의 개선을 위해서 반-고체 렌즈의 표면 상에서 반사 또는 비-반사 층과 같은 별도(separate)의 층이 또한 반-고체 렌즈에 증착(deposit) 등에 의해서 부가될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예의 평면도를 도시하며, 이때 렌즈(340)를 둘러싸는 압력 제어 수단(310)이 포함되어 있다. 렌즈(340)는 반-고체 렌즈 또는 유체 렌즈 일 수 있다.
본 발명에서 이용되는 압력 제어 수단의 비제한적인 예를 들면, 인공 근육 링; 전기장이 인가될 때 직경이 변화될 수 있는 압전 링, 압전 실린더, 압전 슬리브 또는 압전 코팅된 금속 링이나 실린더, 압전 링과 같은 압전 소자; 기계적 액츄에이터; 전자기적 액츄에이터; 미세유체장치(microfluidics)를 이용하여 조절하기 위한 유체 압력 조절기; 광선; 및 전압 또는 전기 자극(stimulus)을 포함한다. 본 발명에서 이용되는 압력 제어 장치는 가변적인 형상 및 치수를 가질 수 있다. 본 발명에서 이용되는 압력 제어 장치의 부분들은 타원형, 원형 및/또는 다각형 단면을 가질 수 있을 것이다. 다각형 단면의 측면들의 개체수는 3 내지 16이 될 수 있을 것이다. 하나의 예로서 정사각형 또는 장방형과 같은 4-면 다각형이 될 수 있을 것이다.
여러 가지 반-고체 물질이 본 발명에 이용될 수 있을 것이다. 바람직하게, 물질은 광학적으로 투명하고 작동 조건하에서 안정적이다. 반-고체 물질은, 예시적으로, 오일과 같은 점성 액체; 저분자량의 교차-결합된(cross-linked) 또는 비-교차-결합된 열가소성 및 열경화성 엘라스토머와 같은 엘라스토머; 그리고 그 혼합물을 포함한다. 폴리머 또는 올리고머의 비제한적인 예를 들면, 호모폴리머, 코폴리머, 폴리머 혼합물 및 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 폴리머 또는 올리고머는 폴리(디메틸실록산)과 같은 폴리실록산, 실록산; 폴리카보네이트; 폴리포스파젠(polyphosphazene); 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은 폴리아크릴레이트를 포함한다.
광학 장치는 하우징과 같은 홀딩 수단을 더 포함한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예의 측단면을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광학 장치는 규정된 곡률을 가지는 표면 영역(440)을 가지는 반-고체 렌즈(420), 하우징 및 압력 제어 수단(414)을 포함한다. 렌즈(420)가 하우징(430) 내에 장착된다. 렌즈(420)는 표면(440)의 곡률을 변화시키기 위해서 렌즈(420)에 인가되는 압력을 변화시키기 위 한 압력 제어 수단(414)에 직접적으로 커플링된다. 그 대신에, 압력 제어 수단(414)이 유체 또는 층과 같은 중간 매체를 통해서 간접적으로 렌즈(420)에 커플링될 수도 있을 것이다. 압력 제어 수단은 유체(410) 그리고 유입구 및/또는 배출구(412)를 포함하는 미세유체 조절 장치일 수 있다. 유체는 액체 또는 가스일 수 있다. 소위 당업자는 압전 소자, 기계적 또는 전기적 액츄에이터와 같은 압력 제어 수단을 이용하여 렌즈(420)의 포커스 길이를 변화시킬 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명에서 이용되는 하우징은 가변적인 형상 및 치수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 튜브형 하우징이 대칭적인 단면을 가지고, 다른 실시예에서, 튜브형 하우징이 비대칭적인 단면을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 튜브형 하우징은 튜브형 하우징을 따른 단면의 연속적인 또는 단속적인 크기 변화를 가질 수 있다. 본 발명에서 사용된 튜브형 하우징의 부분들은 타원, 원형 및/또는 다각형 단면을 가질 수 있을 것이다. 다각형 단면의 측면들의 개체수는 3 내지 16이 될 수 있다 하나의 예로서, 정사각형 또는 장방형과 같은 4-면 다각형이 될 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 본 발명은 도 5에 도시된 바와 같은 2-렌즈 조립체를 구비하는 광학 장치를 제공한다. 그러한 광학 장치는 하우징(530) 내에 장착된 표면(540)을 가지는 반-고체 렌즈(510) 및 고체 렌즈(520)를 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 반-고체 렌즈(510) 및 고체 렌즈(520)는 서로 직접적으로 접촉한다. 그 대신에, 두 개의 렌즈가 소정 거리 만큼 분리될 수 있고, 예를 들어 두 개의 렌즈들이 액체 또는 가스와 같은 유체에 의해서 분리될 수 있다.
추가적인 실시예에서, 도 5의 장치와 유사하게, 도 6a의 광학 장치는 하우징(630) 내에 장착된 표면(670)을 가지는 반-고체 렌즈(640) 및 고체 렌즈(650)를 포함한다. 또한, 그러한 장치는 유체(615)를 수용하고 유입구/배출구(660)를 구비하는 압력 제어 수단(610)을 포함한다. 압력 제어 수단은 표면(670)의 곡률 및 렌즈(640)의 형상, 크기나 기하학적 형태, 치수를 조정하기 위해서 이용된다. 또한, 상기 장치는 커버(620)를 가지며, 바람직하게 그러한 커버는 투명하다. 다른 실시예에서, 반-고체 물질은 중공의 공동을 구비하며, 여기에서 반-고체의 곡률이나 형상 또는 포커스 길이를 변화시키기 위해서 외부의 힘이나 압력이 인가될 때 반-고체 재료가 압착(squeeze)될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 6b에 도시된 바와 같이, 광학 장치는 반-고체 렌즈에 인접하여 중공형 공동(680)을 구비하여, 압력 제어 수단(610)에 의해서 반-고체 렌즈(640)에 압력이 인가될 때, 반-고체 렌즈가 내부로 압착될 수 있게 허용하는 약간의 추가적인 공간을 제공한다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예를 제공한다. 도 6과 유사하게, 광학 장치는 하우징(720) 내에 장착된 고체 렌즈(760) 및 표면(770)을 가지는 반-고체 렌즈(750)를 구비하는 렌즈 조립체를 포함한다. 유체 및 유입구/배출구(740)를 가지는 압력 제어 수단(730)을 이용하여 렌즈(750)에 인가되는 압력을 제어함으로써 표면(770)의 곡률 그리고 렌즈(750)의 형상, 크기, 기하학적 형태 및/또는 치수를 조정한다. 특히, 광학 장치는 하우징의 표면에 대한 반-고체의 견인력(traction), 마찰력, 및 부착을 증대시키기 위해서 현미경적 범프, 덴트 또는 공동(bumps, dents or cavities)을 가지는 미세구조를 가지는 표면과 같이 거친 표면을 가지는 재료로 제조된 하우징을 제공한다. 표면은 소수성 또는 친수성일 수 있다. 표면은 폴리머, 무기질, 금속, 또는 세라믹 재료 또는 이들의 복합 재료와 같이 하우징과 동일한 또는 상이한 재료로 이루어진 나노- 또는 마이크로-구조물의 재료로 구성될 수 있다.
도 8은 3-렌즈 조립체를 가지는 광학 장치를 제공하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 광학 장치는 표면(850)을 가지는 제 1의 반-고체 렌즈(810)과 표면(855)을 가지는 제 2의 반-고체 렌즈(812) 사이에 샌드위치된 고체 렌즈(820)을 구비한다. 소위 당업자는 본 발명에서 다른 렌즈 배열도 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 날카로운 엣지(edge; 840)가 구현되도록 렌즈(810, 812 및 820)가 하우징(830) 내에 장착 또는 배치되며, 이는 볼록한 형상을 가지는 반-고체 렌즈의 형성을 가능하게 하며, 렌즈 재료, 예를 들어, 겔이 하우징 상의 공동으로부터 누출되는 것을 방지할 수 있을 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 8과 유사하게, 광학 장치는 하우징(920) 내에 배치된 또는 장착된 표면 영역(970)을 가지는 제 1의 렌즈(940)와 표면 영역(975)을 가지는 제 2의 렌즈(960) 사이에 샌드위치된 고체 렌즈(950)을 포함한다. 그러한 장치 역시 날카로운 엣지(901)를 구비할 수 있다. 그 대신에, 상기 장치가 매끄러운(smooth) 엣지를 가질 수도 있을 것이다. 렌즈(940 및 960)는 반-고체 렌즈 또는 유체 렌즈일 수 있다. 유체 렌즈는 가스 또는 액체일 수 있다. 렌즈(940 및 960)의 형상, 크기, 기하학적 형태 및/또는 치수, 그리고 표면(970 및 975)의 곡률은 각각의 압력 제어 수단(910 및 912)에 의해서 조정될 수 있다. 압력 제어 수단(910 및 192)은 렌즈에 인가되는 압력을 조정하여 표면(970 및 975)의 곡률을 변화시키기 위한 유체를 포함하는 장치일 수 있다. 액체는 반-고체로 압력을 전달하는 기능을 한다. 당업자는 이와 다르게 정렬된 렌즈들을 이용하여 가변 포커스 조립체를 달성할 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
도 10a-10b는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 9에 도시된 광학 장치와 유사하게, 도 10a에 도시된 광학 장치는 표면 영역(1080)을 가지는 제 1의 반-고체 렌즈(1030)와 표면 영역(1085)을 가지는 제 2의 반-고체 렌즈(1032) 사이에 샌드위치된 고체 렌즈(1040)를 구비한다. 이들 렌즈는 하우징(1020) 내에 배치되거나 장착된다. 제 1 압력 제어 수단(1070)이 렌즈(1030)에 커플링된다. 제 2 압력 제어 수단(1072)이 렌즈(1032)에 커플링된다. 압력 제어 수단은 가스나 액체와 같은 유체(1010 및 1012)를 포함하는 쉘(shell)일 수 있다. 유체(1010 및 1012)는 동일 종류이거나 서로 다른 종류일 수 있다. 바람직하게, 압력 제어 수단(1070 및 1072)은 가요성 쉘 재료로 제조된다. 일 실시예에서, 압력 제어 수단(1070 및/또는 1072)이 투명하다. 압력 제어 수단은 직접적인 접촉 또는 간접적인 상호작용을 통해서 반-고체(1030 및 1032)에 커플링될 수 있다. 광학 장치는 또한 투명 커버(1050 및 1060)를 구비한다. 일 실시예에서, 커버는 렌즈와 같이 성형된다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 압력이 인가될 때 반-고체 렌즈가 그 내부로 압출될 수 있는 중공형 공동(1090)이 제공된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 10의 장치와 유사하게, 광학 장치는 표면(1170)을 가지는 제 1의 반-고체 렌즈(1140)과 표면(1175)을 가지는 제 2의 반-고체 렌즈(1142) 사이에 샌드위치된 고체 렌즈(1150)을 구비한다. 렌즈 조립체는 하우징(1130) 내에 배치 또는 장착된다. 제 1 압력 제어 수단(1110)가 제 1 반-고체 렌즈(1140)에 부착되어 표면(1170)의 곡률, 그리고 렌즈(1140)의 표면 곡률 또는 렌즈의 형상, 크기, 기하학적 형태 및/또는 치수를 조정한다. 압력 제어 수단(1110)은 렌즈(1140)에 대한 압력을 생성하기 위해서 장치에 맞춰진(adapted) 유체 유입구/배출구(1160) 및 유체(1112)를 구비한다. 광학 장치는 제 2 렌즈(1142)에 부착된 선택적인 제 2 압력 제어 수단(1114)을 구비한다. 장치(1114)가 렌즈(1142)의 압력을 조정하기 위한 유체를 내부에 가지는 것은 선택적인 사항이다. 또한, 광학 장치는 커버(1120 및 1122)를 구비하며, 바람직하게 커버들 중 하나 이상이 투명하다.
도 12a-12b는 렌즈 조합을 이용하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 광학 장치는 렌즈 성분, 하우징(1220) 및 각각의 반-고체 렌즈에 커플링된 압력 제어 수단 성분을 구비한다. 렌즈 성분은 표면 영역(1260)을 가지는 제 1 반-고체 렌즈(1240), 고체 또는 유체 렌즈(1250), 그리고 표면 영역(1265)을 가지는 제 2 반-고체 렌즈(1242)로 이루어진다. 일 실시예에서, 렌즈(1250)가 렌즈(1240)와 렌즈(1242) 사이에 위치된다. 렌즈 성분은 하우징(1220) 내에 장착 또는 배치된다. 제 1 압력 제어 수단(1210)이 렌즈(1240)에 커플링된다. 공동(1230 및 1232)은 렌즈(1240) 및 렌즈(1242) 각각의 작동을 위한 것이다. 선택적으로, 제 2 압력 제어 수단(1212)이 렌즈(1242)에 커플링된다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 렌즈는 렌즈 개구부(1270 및 1275) 그리고 유 체(1280)를 가진다. 압력 제어 수단(1210 및/또는 1212)은 압전 전기 재료로 코팅된 금속 링/곡면형 박막 또는 압전 링/곡면형 박막, 또는 인공 근육과 같은 전기 활성 폴리머 물질로 이루어진 링/곡면형 박막이다. 금속 링/곡면형 박막은 기계적인 증폭을 제공한다. 렌즈는 액츄에이터의 작동을 렌즈로 전달하기 위해서 액체, 가스 또는 공기와 같은 중간 유체를 이용하여 작동될 수 있을 것이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 그러한 실시예는 4-렌즈 조립체를 가지는 광학 장치를 제공한다. 표면(1360)을 가지는 제 1 반-고체 렌즈(1320)가 반-고체 렌즈(1320)와의 계면(interface; 1370)을 가지는 유체 렌즈(1330)의 상부에 배치된다. 유체 렌즈(1330)가 고체 렌즈(1340)의 상부에 배치되어 계면(1375)을 형성한다. 고체 렌즈(1340)는 표면(1365)을 가지는 제 2 반-고체 렌즈(1322)의 상부에 추가로 배치된다. 당업자는, 원하는 가변 포커스 결과를 얻기 위해서 다른 렌즈 정렬을 이용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 13은 각 렌즈가 서로 접촉하고 있는 것을 도시한다. 다른 실시예에서, 일부 렌즈들이 서로 접촉하는 한편, 다른 렌즈들은 소정 거리 만큼 이격될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 각 렌즈가 서로 접촉하지 않을 수 있다. 렌즈(1320 및 1330)가 하우징(1310) 내에 배치 또는 장착된다. 유체 렌즈(1330)는 유체의 통과를 허용하기 위한 유입구/배출구(1350)를 구비한다.
도 14는 렌즈 공동(1404)을 가지는 반-고체 렌즈 또는 액체 렌즈 조립체를 측면 도시한다. 렌즈 공동(1404)은 내측으로 곡선을 이루고, 외측으로 곡선 또는 직선을 이룬다. 일 실시예에서, 렌즈 공동(1404)은 내측 층을 구비하며, 그러한 층은 코팅(1406 및 1410)으로 코팅되고, 렌즈 조립체의 외측 층 또는 상부 및 바닥 표면은 코팅(1408)으로 코팅된다. 코팅(1406, 1410, 및 1408)은 친수성 재료 또는 소수성 재료일 수 있다. 렌즈 공동이 액체를 포함하는 경우에, 코팅(1406 및 1410)은 바람직하게 친수성 재료이다. 소수성 영역에서 경계부는 액체를 구속(constrains)하고 그리고 경계부에서의 유체의 정적인 (또는 동적인) 접촉 각도에 의해서 부분적으로 규정되는 곡률을 가지는 메니스커스를 구현한다. 소수성 재료는 플라스틱, 폴리머, 세라믹, 합금, 또는 테프론과 같은 플루오르폴리머, CYTOP, 또는 지르코늄 산질화물과 같은 재료일 수 있다. 친수성 영역은 플라스틱, 폴리머, 유리, 석영, 지르코늄 산질화물, 또는 용융 실리카와 같은 재료로 제조될 수 있다. 다른 적합 재료로는 세라믹, 친수성 금속, 친수성 합금 또는 친수성 폴리며, 예를 들어, 히드록실릭 폴리아크릴레이트(hydroxylic polyacrylate) 또는 폴리메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 세룰로식 폴리머(cellulosics polymers), 폴리비닐 알콜이 포함된다. 이러한 재료들의 코팅은 또한 렌즈 공동 벽을 커버하기 위해서 이용될 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시예는 포커싱 및 줌잉을 위한 몇 개의 액체 렌즈 및/또는 고체 렌즈를 가지는 액체 또는 반-고체 렌즈 조립체를 포함한다. 도 15a-15d는 여러 가지 가능한 구성을 도시한다. 도 15a는 액체 렌즈(1504) 및 고체 렌즈(1502)를 포함하는 조합체를 도시한다. 도 15b는 액체 렌즈(1504) 및 고체 평볼록 렌즈(1506)의 조합체를 도시한다. 도 15c는 2개의 액체 렌즈 및 2개의 고체 렌즈(1506)의 조합체를 도시한다. 도 15d는 2개의 액체 렌즈(1504) 및 그 사이에 샌 드위치된 하나의 고체 렌즈(1508)를 도시한다. 고체 및 액체 렌즈의 여러 가지 배치를 포함하는 다른 조립체 구성도 본 발명의 사상을 기초로 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 자동-포커스 모듈을 구비한 액체 렌즈 또는 반-고체 시스템의 측면도이다. 하우징(1600)은 제 1 고체 렌즈(1606)와 제 2 고체 렌즈(1608) 사이에서 가변-포커스 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(1604)를 홀딩한다. 하우징(1600)은 액체 렌즈의 옵틱(예를 들어, 메니스커스)을 제어하고 공동을 충진하기 위한 채널(1612) 및 코팅된 내측 표면(1602)을 포함한다. 표면(1602)은 소수성 또는 친수성일 수 있다. 이러한 실시예에서의 자동-포커스 시스템의 경우에, 개구(1610)가 제 2 고체 렌즈 상에 형성(예를 들어, 프린팅)된다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동-포커스 모듈을 구비하는 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈 시스템의 측면도이다. 도 16에 도시된 실시예와 마찬가지로, 하우징(1700)은 가변-포커스 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(1704), 제 1 고체 렌즈(1706) 및 제 2 고체 렌즈(1708)를 홀딩고, 또한 추가적으로 제 3 고체 렌즈(1710)를 홀딩한다. 하우징(1700)은 또한 소수성 표면(1702)을 포함한다. 액체 렌즈(1704)는 액츄에이팅 수단 또는 펌프(1716)에 커플링된 액체 저장용기 또는 압력 제어 수단(1714)으로부터 채널(1712)을 통해서 공동을 충진한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 줌/포커스 모듈을 구비한 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈 시스템의 측면도이다. 도 17의 실시예와 유사하게, 소수성 표면(1802)을 가지는 하우징(1800)이 제 1 고체 렌즈(1808), 제 2 고체 렌즈(1810), 제 3 고체 렌즈(1812), 그리고 제 1 가변-포커스 렌즈(1804)를 홀딩하고, 상기 제 1 가변-포커스 렌즈는 제 1 액체 렌즈 또는 제 1 고체 렌즈가 될 수 있을 것이다. 하우징(1800)은 추가적으로 제 2 가변-포커스 렌즈(1806)를 홀딩하고, 이는 제 2 액체 렌즈 또는 제 2 반-고체 렌즈일 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 가변-포커스 렌즈(1804)는 액츄에이터 또는 펌프(1816)에 커플링된 제 1 액체 저장용기 또는 제 1 압력 제어 수단(1814)으로부터 제 1 공동을 충진하는 제 1 액체 렌즈이다. 제 2 가변-포커스 렌즈(1806)는 액츄에이터 또는 펌프(1820)에 커플링된 제 2 액체 저장용기 또는 제 2 압력 제어 수단(1818)으로부터 제 2 공동을 충진하는 제 2 액체 렌즈이다. 다른 실시예에서, 가변-포커스 렌즈(1804)는 액츄에이터 또는 펌프(1816)에 커플링된 제 1 액체 저장용기 또는 제 1 압력 제어 수단(1814)으로부터 제 1 공동을 충진하는 제 1 반-고체 렌즈이다. 제 2 가변-포커스 펜즈(1806)는 액츄에이터 또는 펌프(1820)에 커플링된 제 2 액체 저장용기 또는 제 2 압력 제어 수단(1818)으로부터 제 2 공동을 충진하는 제 2 반-고체 렌즈이다. 다른 실시예에서, 반-고체 렌즈를 위한 액츄에이터는 반-고체 렌즈와 직접적으로 접촉하는 압전 링 액츄에이터이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 가변-포커스 및 가변-직경 모듈을 가지는 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈 시스템의 측면도이다. 소수성 표면(1902)을 가지는 하우징(1900)이 고체 렌즈(1904), 제 1 액체 렌즈 또는 제 1 반-고체 렌즈(1906) 및 제 2 액체 렌즈 또는 제 2 반-고체 렌즈(1912)를 홀딩한다. 제 1 액체 렌즈 또는 제 1 반-고체 렌즈(1906)는 액츄에이터 또는 펌프(1920)에 커플링된 제 1 액체 저장용기 또는 제 1 압력 제어 수단(1918)으로부터 제 1 공동을 충진한다. 제 2 액체 렌즈 또는 제 2 반-고체 렌즈(1912)는 액츄에이터 또는 펌프(1924)에 커플링된 제 2 액체 저장용기 또는 제 2 압력 제어 수단(1922)으로부터 제 2 공동을 충진한다. 이러한 실시예에서 하우징(1900)이 계단형으로 형성되어, 보다 많은 액체가 공동으로 펌핑될 때 액체 렌즈 또는 반-고체의 직경이 증대될 수 있을 것이다. 예를 들어, 액체 렌즈 또는 고체 렌즈(1906)의 직경이 도면부호 '1908'로 도시된 확대된 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈로 증대될 수 있으며, 이는 도면부호 '1910'으로 도시된 확대된 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈 보다 크기가 더 커질 수 있다. 유사하게, 제 2 액체 렌즈 또는 제 2 반-고체 렌즈(1912)의 직경이 증대되어 확대된 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(1914)를 형성할 수 있고, 추가로 증대되어 확대된 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(1916)을 형성할 수 있을 것이다. 일부 실시예들에서, 반-고체 재료는 반-고체 렌즈에 압력이 인가되었을 때 부피가 감소될 수 있도록 압축될 수 있을 것이다. 특정의 다른 실시예에서, 반-고체 렌즈가 매크로 기능(macro function)을 가지는 고정 포커스 렌즈로서 이용된다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 줌/포커스 모듈을 구비하는 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈를 도시한 측면도이다. 수소성 또는 친수성 표면(2002)을 가지는 하우징(2000)이 제 1 고체 렌즈(2004), 제 2 고체 렌즈(2006), 제 3 고체 렌즈(2008), 및 제 4 고체 렌즈(2010)를 홀딩한다. 하우징(2000)은 또한 제 1 가변-포커스 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(2012) 그리고 제 2 가변-포커스 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(2014)를 홀딩한다. 제 1 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(2012)는 액츄에이터 또는 펌프(2018)에 커플링된 제 1 액체 저장용기 또는 제 1 압력 제어 수단(2016)으로부터 제 1 공동을 충진한다. 제 2 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈(2014)는 액츄에이터 또는 펌프(2022)에 커플링된 제 2 액체 저장용기 또는 제 2 압력 제어 수단(2020)으로부터 제 1 공동을 충진한다. 모든 렌즈들이 하우징(2000) 내에 배치되거나 장착된다.
도 21a-21b는 본 발명의 실시예에 따라, 압전 버저 박막(piezoelectric buzzer diaphragm)을 이용하는 압전 디스크 액츄에이터를 도시한다. 도 21a는 금속 박막(2100) 및 압전 층(2102)을 포함하는 압전 버저 박막을 도시한 평면도이다. 도 21b는 액체 렌즈 또는 반-고체 렌즈 시스템의 하우징(2104) 상에 배치 또는 장착된 압전 층(2102) 및 박막(21000)을 포함하는, 압전 버저 박막의 단면도이다. 박막(2100)은 액체 렌즈를 형성하기 위해서 액체(2106)를 채널(2108)로부터 펌핑하여 작동을 한다. 도 21c는 도 21a-21b에 대한 변형 실시예를 도시하고, 압전 층(2110) 및 곡면형 금속 박막(2112)을 포함한다. 도 21a-21b의 디스크 실시예에서와 같이 렌즈 하우징의 상부에 배치되는 대신에, 곡면형 압전 박막이 렌즈 하우징 둘레에 배치 또는 장착된다.
도 22는 몰딩 프로세스에 의해서 형성된 가변 포커스 엘라스토머 렌즈의 이미지를 도시한 도면이다.
도 23의 a 및 b는 렌즈를 변형시킬 수 있고 렌즈의 포커스 길이를 제어할 수 있는 기계적 액츄에이터를 구비한 가변 포커스 엘라스토머 렌즈 모듈을 도시한 도면이다.
도 24의 a 및 b는 약 20V의 액츄에이션 전압에서 튜브형 압전 액츄에이터 내의 부피 변화를 나타낸 도면이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 반-고체 박막형 호일 렌즈 조립체를 측면에서 도시한 도면이다. 도 25에 도시된 바와 같이, 광학 장치는 반-고체 물질의 층 또는 막막형 필름으로부터 제조된 박막형 호일 렌즈(2510), 그리고 상기 박막형 호일 렌즈의 포커스 길이를 조정하기 위해서 이용되는 액츄에이터 링(2520)을 포함한다. 반-고체 필름 렌즈의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 5 mm, 예를 들어, 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 10 ㎛ 내지 30 ㎛, 20 ㎛ 내지 50 ㎛, 40 ㎛ 내지 80 ㎛, 75 ㎛ 내지 150 ㎛, 100 ㎛ 내지 300 ㎛, 180 ㎛ 내지 400 ㎛, 200 ㎛ 내지 600 ㎛, 250 ㎛ 내지 700 ㎛, 350 내지 800 ㎛, 400 ㎛ 내지 900 ㎛, 500 ㎛ 내지 850 ㎛, 750 ㎛ 내지 950 ㎛, 900 ㎛ 내지 1 mm, 0.5 mm 내지 1.5 mm, 1.0 mm 내지 2 mm, 1.5 mm 내지 2.5 mm, 2 mm 내지 3 mm, 2.5 mm 내지 3.5 mm, 3 mm 내지 4 mm, 2.5 mm 내지 4.5 mm, 또는 4 mm 내지 5 mm이다. 일부 경우에, 반-고체 필름 렌즈의 두께는 1 ㎛, 2 ㎛, 3 ㎛, 4 ㎛, 5 ㎛, 6 ㎛, 7 ㎛, 8 ㎛, 9 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 60 ㎛, 70 ㎛, 80 ㎛, 90 ㎛, 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛, 700 ㎛, 800 ㎛, 900 ㎛, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 또는 5 mm이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 2-렌즈 조립체의 측면을 도시한다. 도 26에 도시된 바와 같이, 광학 장치는 하우징(2630) 내에 배치 또는 장착된 박막형 호일 렌즈(2610) 및 고체 렌즈(2640)를 포함한다. 링 액츄에이터는 렌즈의 포커스 길이를 조정하기 위해서 박막형 호일 렌즈(2610)에 부착된다. 액츄에이터는 전술 한 압력 조절 장치들 중 어느 것도 가능하다. 박막형 호일 렌즈는 반-고체 렌즈 또는 액체일 수 있다. 당업자는, 다른 렌즈 조립체도 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이며, 예를 들어, 본 발명이, 하나 이상의 박막형 호일 렌즈, 하나 이상의 고체 렌즈 그리고 하나 이상의 액체 렌즈의 조합을 포함하는, 둘 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 조립체를 제공할 수 있을 것이다.
도 27은 반-고체 렌즈를 이용하는 고정 포커스 렌즈 모듈을 도시한 측면도이다. 반-고체 렌즈들을 고정 포커스 렌즈들로 이용하는 광학 장치는 매크로 기능을 가진다. 광학 장치는 제 1 반-고체 렌즈(2710)와 제 1 반-고체(2712) 사이에 샌드위치된 고체 렌즈(2720)를 포함한다. 렌즈들은 하우징(2730) 내에 장착 또는 배치된다. 다른 실시예에서, 일부 렌즈들이 서로 직접적으로 접촉할 수 있고, 다른 렌즈들은 예를 들어 유체, 가스 또는 진공에 의해서 분리되어 소정 거리만큼 이격될 수 있다 . 또 다른 실시예에서, 모든 렌즈들이 소정 거리 만큼 분리될 수 있다.
도 28은 3-렌즈 조립체를 가지는 광학 장치 및 반-고체 렌즈의 기능을 도시한다. 도 28에 도시된 바와 같이, 광학 장치는 제 1 반-고체 렌즈(2810)과 제 2 반-고체 렌즈(2850) 사이에 샌드위치된 고체 렌즈(2860), 제 1 유체 유입구(2830)를 가지는 제 1 압력 제어 수단(2880) 및 유체 배출구(2832)를 가지는 제 2 압력 제어 수단(2882)을 포함한다. 렌즈들은 하우징(2870) 내에 배치 또는 장착된다. 반-고체 렌즈(2810)는 각각의 초기 위치에서 표면(2822, 2824 및 2826)을 가진다. 반-고체 렌즈(2850)는 각각의 초기 위치에서 표면(2852, 2854 및 2856)을 가진다. 도 5는 또한 렌즈에 인가되는 압력을 변화시킴으로써 반-고체 렌즈의 곡률 반경 또 는 표면 곡률이 조정될 수 있다는 것을 보여준다. 압력 제어 장치(2880)가 유체(2840)를 통해서 압력을 증대시킴에 따라, 반-고체(2810)의 형상이 변화되어, 표면(2822, 2824 및 2826)에 각각 상응하는 새로운 표면(2821, 2823 및 2825)을 형성한다. 역으로, 압력 제어 장치가 배출구(2832)를 통해서 유체(2842)를 제거함으로써 압력을 감소시키면, 반-고체 렌즈의 형상이 변화되어, 표면(2852, 2854 및 2856)에 각각 상응하는 새로운 표면(2851, 2853 및 2855)을 형성한다.
또한, 본 발명은 가변 포커스 반-고체 렌즈를 제조하는 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 렌즈들은 폴리머와 같이 광학적으로 투명한 반-고체로 제조된다. 반-고체 렌즈는 사출 성형, 렌즈 형상의 몰드로의 주입, 캐스팅 또는 폴리머 렌즈와 같은 반-고체 렌즈의 제조에서 이용되는 다른 방법에 의해서 제조될 수 있다. 예를 들어, 반-고체 렌즈들은 액체 재료를 공동이나 몰드 내로 주입 또는 주탕함으로써, 그리고 액체 재료를 반-고체 또는 겔로 경화시킴으로써 제조될 수 있을 것이다.
본 발명은 또한 규정된 곡률을 가지는 표면 영역을 구비하는 반-고체 ㄹ네즈의 곡률을 조정하기 위한 방법을 제공한다. 그러한 방법은 반-고체 물질의 표면 영역의 곡률을 변화시키기 위해서 반-고체 물질로 인가되는 압력을 조정하는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 이미징 용도를 위한 반-고체 광학 장치의 이용을 제공한다.
또한, 본 발명에서 전술한 모든 액체 렌즈들이 반-고체 렌즈로 선택적으로 또는 전체적으로 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가적으로, 본 발명에 서, 전술한 모든 렌즈들이 반-고체 박막형 호일 렌즈로 선택적으로 또는 전체적으로 대체될 수 있을 것이다.
특정 실시예를 참조하여 그리고 예로서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 그러한 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이애할 것이다. 역으로 설명하면, 소위 당업자가 분명히 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다양한 변형 실시예 및 유사한 구성을 모두 포함할 것이다. 예를 들어, 반-고체 렌즈들의 가변 포커스 성능을 가지는 다양한 렌즈 조립체 구성이 존재할 수 있을 것이며, 그러한 실시예들은 전술한 것으로 제한되지 않을 것이다. 그에 따라, 특허청구범위 권리범위는 그러한 모든 변형 실시예 및 유사한 구성을 포함하는 것으로서 가능한 한 넓게 해석되어야 할 것이다.

Claims (69)

  1. 광학 장치로서:
    규정된 곡률의 표면 영역을 가지는 광학적으로 투명한 반-고체 물질; 및
    상기 반-고체 물질의 표면 영역의 곡률을 조정하기 위해서 상기 반-고체 물질과 커플링된 압력 제어 수단을 포함하는
    광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반-고체 물질이 별도의(separate) 층을 포함하는
    광학 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 별도의 층이 반사 또는 비-반사 층인
    광학 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 별도의 층이 상기 반-고체 물질과 접촉하는
    광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질을 지지하기 위한 홀딩 수단을 더 포함하는
    광학 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 홀딩 수단이 하우징을 포함하고,
    상기 반-고체 물질이 상기 하우징 내에 장착되는
    광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하우징이 친수성 내측 층 및 소수성 외측 층을 포함하는
    광학 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 하우징이 투명 커버를 포함하는
    광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반-고체 물질이 겔, 점성 액체, 콜로이드, 엘라스토머, 엘라스토머 겔, 반도체 코팅, 유기 폴리머, 무기 폴리머, 반-결정 액체 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    광학 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반-고체 물질이 겔을 포함하는
    광학 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 겔이 폴리실록산, 폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    광학 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 반-고체 물질이 엘라스토머를 포함하는
    광학 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 엘라스토머가 열가소성 엘라스토머 또는 실록산인
    광학 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 엘라스토머가 폴리디메틸실록산인
    광학 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 반-고체 물질이 적외선 광을 흡수하는
    광학 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 제어 수단이 압전 소자, 기계적 액츄에이터, 전기기계적 액츄에이터, 유체 압력 조절기, 인공 근육 링 및 광선(light beam)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    광학 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압력 제어 수단이 압전 소자인
    광학 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 압전 소자가 압전 링, 압전 층 및 튜브형 압전 액츄에이터로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    광학 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 압력 제어 수단이 유체 압력 조절기인
    광학 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 유체 압력 조절기가 액체, 가스 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 유체를 수용하는
    광학 장치.
  21. 광학 장치로서:
    약 1 ㎛ 내지 약 5 mm의 두께 및 규정된 곡률을 가지는 표면 영역을 구비하는 광학적으로 투명한 반-고체 필름; 및
    상기 반-고체 물질의 표면 영역의 곡률을 조정하기 위해서 상기 반-고체 물질과 커플링된 압력 제어 수단을 포함하는
    광학 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    하우징을 더 포함하고,
    상기 반-고체 필름이 상기 하우징 내에 배치되는
    광학 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하우징 내에 배치된 고체 렌즈를 더 포함하는
    광학 장치.
  24. 광학 장치로서:
    규정된 곡률의 표면 영역을 가지는 제 1 반-고체 렌즈;
    고체 렌즈;
    상기 제 1 반-고체 렌즈 및 상기 고체 렌즈가 내부에 배치되는 하우징; 그리고
    상기 제 1 반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위해서 상기 제 1 반-고체 렌즈에 커플링된 제 1 압력 제어 수단을 포함하는
    광학 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 반-고체 렌즈가 겔 렌즈인
    광학 장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    유체 렌즈를 더 포함하는
    광학 장치.
  27. 제 24 항에 있어서,
    규정된 곡률의 표면 영역을 가지는 제 2 반-고체 렌즈를 더 포함하는
    광학 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 고체 렌즈가 상기 제 1 반-고체 렌즈와 제 2 반-고체 렌즈 사이에 배치되는
    광학 장치.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 2 반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위해서 상기 제 2 반-고체 렌즈에 커플링된 제 2 압력 제어 수단을 더 포함하는
    광학 장치.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 반-고체 렌즈가 상기 고체 렌즈와 접촉하는
    광학 장치.
  31. 제 24 항에 있어서,
    상기 하우징이 상기 제 1 반-고체 렌즈와 접촉하는 다수의 공동을 포함하는
    광학 장치.
  32. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 반-고체 렌즈가 상기 하우징의 표면과 접촉하는
    광학 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 하우징의 표면이 상기 하우징의 표면 상의 제 1 반-고체 렌즈의 견인력을 증대시키기 위한 미세구조를 포함하는
    광학 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 미세구조가 다수의 마이크로 공동을 포함하는
    광학 장치.
  35. 광학 장치로서:
    규정된 곡률의 제 1 표면 영역을 가지는 제 1 반-고체 렌즈;
    유체 렌즈;
    규정된 곡률의 제 2 표면 영역을 가지는 제 2 반-고체 렌즈;
    상기 제 1 반-고체 렌즈, 상기 제 2 반-고체 렌즈, 및 상기 유체 렌즈가 내부에 배치되는 하우징; 그리고
    상기 제 1 반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위해서 상기 제 1 반-고체 렌즈에 커플링된 제 1 압력 제어 수단을 포함하는
    광학 장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    고체 렌즈를 더 포함하는
    광학 장치.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 제 2 반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위해서 상기 제 2 반-고체 렌즈에 커플링된 제 2 압력 제어 수단을 더 포함하는
    광학 장치.
  38. 광학 장치로서:
    규정된 곡률의 제 1 표면 영역을 가지는 제 1 반-고체 렌즈;
    고체 렌즈;
    규정된 곡률의 제 2 표면 영역을 가지는 제 2 반-고체 렌즈;
    상기 제 1 반-고체 렌즈, 상기 제 2 반-고체 렌즈, 및 상기 고체 렌즈가 내부에 배치되는 하우징;
    상기 제 1 반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위해서 상기 제 1 반-고체 렌즈에 커플링된 제 1 압력 제어 수단; 그리고
    상기 제 2 반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위해서 상기 제 2 반-고체 렌즈에 커플링된 제 2 압력 제어 수단을 포함하는
    광학 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 고체 렌즈가 상기 제 1 반-고체 렌즈와 상기 제 2 반-고체 렌즈 사이에 배치되는
    광학 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 고체 렌즈가 상기 제 1 반-고체 렌즈 및 상기 제 2 반-고체 렌즈와 접촉하는
    광학 장치.
  41. 제 38 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 제어 수단이 액츄에이터 또는 펌프를 포함하는
    광학 장치.
  42. 제 1 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 제어 수단이 유체 압력 조절기 및 압전 소자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    광학 장치.
  43. 광학 장치로서:
    제 1 고체 렌즈;
    규정된 곡률의 표면 영역을 가지는 반-고체 렌즈;
    제 2 고체 렌즈; 및
    상기 제 1 고체 렌즈, 제 2 고체 렌즈 및 상기 반-고체 렌즈가 내부에 배치된 하우징을 포함하는
    광학 장치.
  44. 제 43 항에 있어서,
    압력 제어 수단을 더 포함하는
    광학 장치.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 반-고체 렌즈가 상기 제 1 고체 렌즈와 상기 제 2 고체 렌즈 사이에 배치되는
    광학 장치.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 하우징이 소수성 표면을 가지는
    광학 장치.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 표면이 상기 반-고체 렌즈와 접촉하는
    광학 장치.
  48. 광학 장치로서:
    제 1 고체 렌즈;
    제 2 고체 렌즈;
    제 3 고체 렌즈;
    규정된 곡률의 표면 영역을 가지는 제 1 반-고체 렌즈;
    상기 제 1 고체 렌즈, 제 2 고체 렌즈, 제 3 고체 렌즈 및 제 1 반-고체 렌즈가 내부에 배치된 하우징; 그리고
    상기 제 1 반-고체 렌즈에 커플링된 선택적인 압력 제어 수단을 포함하는
    광학 장치.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 1 반-고체 렌즈가 상기 제 1 고체 렌즈와 제 2 고체 렌즈 사이에 배치되는
    광학 장치.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 압력 제어 수단이 액츄에이팅 수단에 커플링되는
    광학 장치.
  51. 제 48 항에 있어서,
    제 2 반-고체 렌즈를 더 포함하고,
    상기 제 2 반-고체 렌즈가 상기 하우징 내에 배치되는
    광학 장치.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 제 2 반-고체 렌즈가 상기 제 2 고체 렌즈와 상기 제 3 고체 렌즈 사이에 배치되는
    광학 장치.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 2 반-고체 렌즈에 커플링된 압력 제어 수단을 더 포함하는
    광학 장치.
  54. 광학 장치로서:
    제 1 고체 렌즈;
    제 2 고체 렌즈;
    제 3 고체 렌즈;
    제 4 고체 렌즈;
    규정된 곡률의 제 1 표면 영역을 가지는 제 1 반-고체 렌즈;
    규정된 곡률의 제 2 표면 영역을 가지는 제 2 반-고체 렌즈;
    상기 제 1 고체 렌즈, 제 2 고체 렌즈, 제 3 고체 렌즈, 제 4 고체 렌즈, 제 1 반-고체 렌즈 및 제 2 반-고체 렌즈가 내부에 배치된 하우징;
    상기 제 1 반-고체 렌즈에 커플링된 선택적인 제 1 압력 제어 수단; 그리고
    상기 제 2 반-고체 렌즈에 커플링된 선택적인 제 2 압력 제어 수단을 포함하는
    광학 장치.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 고체 렌즈가 상기 제 1 및 제 4 고체 렌즈 사이에 배치되는
    광학 장치.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 제 1 반-고체 렌즈가 상기 제 2 고체 렌즈 또는 상기 제 3 고체 렌즈와 접촉하는
    광학 장치.
  57. 제 55 항에 있어서,
    상기 제 2 반-고체 렌즈가 상기 제 2 고체 렌즈 또는 상기 제 3 고체 렌즈와 접촉하는
    광학 장치.
  58. 제 56 항 또는 제 57 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 반-고체 렌즈가 상기 제 2 및 제 3 고체 렌즈 사이에 배치되는
    광학 장치.
  59. 광학 장치로서:
    규정된 곡률의 제 1 표면 영역을 가지는 제 1 반-고체 렌즈;
    규정된 곡률의 제 2 표면 영역을 가지는 제 2 반-고체 렌즈;
    상기 제 1 반-고체와 제 2 반-고체 렌즈 사이에 배치된 고체 렌즈; 그리고
    상기 제 1 반-고체 렌즈, 제 2 반-고체 렌즈 및 고체 렌즈가 내부에 장착되는 하우징을 포함하는
    광학 장치.
  60. 몰딩 프로세스에 의해서 제조되는 반-고체 렌즈.
  61. 반-고체 광학 장치를 제조하기 위한 방법으로서:
    반-고체 물질을 렌즈로 제조하는 단계를 포함하는
    제조 방법.
  62. 반-고체 광학 렌즈를 제조하기 위한 방법으로서:
    반-고체 물질을 규정된 곡률의 렌즈로 사출 성형하는 단계를 포함하는
    제조 방법.
  63. 반-고체 광학 렌즈를 제조하기 위한 방법으로서:
    유체 재료를 규정된 구조를 가지는 몰드 내로 캐스팅하는 단계; 그리고
    상기 유체 재료를 규정된 곡률의 반-고체 렌즈로 경화하는 단계를 포함하는
    제조 방법.
  64. 제 61 항, 제 62 항 및 제 63 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈를 하우징에 장착하는 단계를 더 포함하는
    제조 방법.
  65. 반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위한 방법으로서:
    반-고체 물질의 표면 영역의 곡률을 변경하기 위해서 규정된 곡률의 표면 영역을 가지는 반-고체로 인가되는 압력을 조정하는 단계를 포함하는
    반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위한 방법.
  66. 제 65 항에 있어서,
    상기 압력이 기계적 액츄에이터로부터 인가되는
    반-고체 렌즈의 곡률을 조정하기 위한 방법.
  67. 제 1 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 이미징 분야에 이용하는 용도.
  68. 본 명세서에 실질적으로 기재된 광학 장치.
  69. 본 명세서에 실질적으로 기재된 광학 장치를 제조하는 방법.
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