KR20100059683A

KR20100059683A - Varifocal lens and method for manufacturing the same

Info

Publication number: KR20100059683A
Application number: KR1020090106672A
Authority: KR
Inventors: 최승태; 이승완; 이정엽; 권종오
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2010-06-04
Also published as: KR101675108B1

Abstract

PURPOSE: A varifocal lens and a manufacturing method thereof are provided to enhance reliability of a junction part by forming a fixed frame which is in structure of supporting an optical membrane externally. CONSTITUTION: A spacer frame(120) is used in order to form an internal space above a light-transmissive substrate(110). A lens hole and one or more penetration hole are formed on a fixed frame(160). The fixed frame has a first side and a second side which oppose each other. The first side is arranged adjacent to the spacer frame. An optic membrane(140) has a lens surface corresponding to a lens hole of the fixed frame.

Description

Varifocal lens and method for manufacturing the same

개시된 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법은, 웨이퍼 상에서 제작 가능한 구조를 가지며 카메라 모듈 등의 전자 기기에 적용될 수 있는 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법에 관한 것이다. The disclosed variable focus lens and a method of manufacturing the same have a structure that can be manufactured on a wafer, and a variable focus lens that can be applied to an electronic device such as a camera module and a method of manufacturing the same.

무선 휴대통신기기는 단순한 전화 및 메시지 전달의 기능을 넘어, 카메라, 게임, 음악 재생, 방송, 인터넷 등의 다양한 기능을 포함하는 다목적 전자기기로 발전하고 있다. 이와 더불어 점점 더 작은 공간에 많은 기능 요소들을 집적해 넣기 위한 시도가 이루어 지고 있는데, 크기를 감소시키기가 가장 힘든 모듈 중의 하나가 카메라 모듈이다. 더 나은 영상을 얻기 위해 자동초점, 손 떨림 방지, 줌 등의 기능을 구현하는 요소들을 계속적으로 추가해야 하므로, 결상 광학계의 크기를 줄이는 것은 한계가 있다. Wireless mobile communication devices have evolved beyond simple telephone and message delivery to multi-purpose electronic devices including various functions such as cameras, games, music playback, broadcasting, and the Internet. In addition, attempts have been made to integrate many functional elements into smaller and smaller spaces. One of the most difficult modules to reduce size is the camera module. Reducing the size of the imaging optical system is limited because elements that implement functions such as autofocus, image stabilization, and zoom must be continuously added to obtain a better image.

기존 카메라에서 자동초점 기능을 구현하기 위한 대표적인 방법으로는 스텝 모터(step motor)를 사용하는 방법, 보이스 코일 모터(voice coil motor, VCM)를 사용하는 방법, 액체렌즈를 사용하는 방법등이 있다. 상기 방법들 중 스텝 모터나 보이스 코일 모터를 사용하는 방법은 크기의 제약 때문에, 모바일 기기에 적용하기에 어려움이 있으며, 또한, 일괄공정으로 제작하기에도 어려움이 있다. 액체렌즈를 사용하는 방법에 있어서도, 광학 성능을 보장하면서도 그 크기를 줄일 수 있는 설계가 필요하다. Representative methods for implementing an autofocus function in a conventional camera include a method using a step motor, a voice coil motor (VCM), and a liquid lens. Among the above methods, the method of using a step motor or a voice coil motor is difficult to apply to a mobile device because of size constraints, and also difficult to manufacture in a batch process. Even in the method of using liquid lenses, a design that can reduce the size while ensuring optical performance is required.

상술한 필요성에 따라 본 발명의 실시예들은 광학 성능의 향상과 소형화에 적합한 구조를 갖는 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention provide a variable focus lens having a structure suitable for improving and miniaturizing optical performance and a method of manufacturing the same according to the aforementioned needs.

본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 투광성 기판; 상기 투광성 기판 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임; 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 상기 제1면이 상기 스페이서 프레임에 인접하게 배치되는 고정 프레임; 상기 고정 프레임의 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지며 상기 제1면과 마주하게 배치된 광학 멤브레인; 상기 내부 공간을 채우는 광학 유체; 상기 고정 프레임에 고정되게 상기 광학 유체에 압력을 인가하여 상기 렌즈면의 형상을 변화시키는 액츄에이터;를 포함한다. According to an embodiment of the present invention, a variable focus lens may include a light transmissive substrate; A spacer frame provided to form an inner space on the light transmissive substrate; A fixing frame having a lens hole and at least one through hole, the first frame and the second surface facing each other, and the first surface being disposed adjacent to the spacer frame; An optical membrane having a lens surface corresponding to the lens hole of the fixed frame and disposed to face the first surface; An optical fluid to fill the internal space; And an actuator configured to change the shape of the lens surface by applying pressure to the optical fluid to be fixed to the fixed frame.

상기 스페이서 프레임은 상기 투광성 기판의 가장자리를 측벽으로 둘러싸며, 하나의 내부 공간을 형성하는 형태로 마련될 수 있다.The spacer frame may be provided to surround an edge of the light transmissive substrate with sidewalls and form one interior space.

상기 관통홀은 복수의 관통홀로 구성되고, 상기 복수의 관통홀은 상기 렌즈홀의 주위로 형성될 수 있다.The through hole may include a plurality of through holes, and the plurality of through holes may be formed around the lens hole.

상기 액츄에이터는 상기 복수의 관통홀을 밀봉하는 형태로 마련되는 폴리머 액츄에이터일 수 있다. The actuator may be a polymer actuator provided to seal the plurality of through holes.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제2면에 형성되고, 상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 고정 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the polymer actuator is formed on the second surface, and the optical fluid is provided to fill the space formed by the light-transmissive substrate, the spacer frame, the fixing frame, the optical membrane, and the polymer actuator. Can be.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고, 상기 광학 유체는 상기 투광성 기판, 스페이서 프레임, 광학 멤브레인 및 상기 폴리머 액츄에이터에 의해 형성된 공간을 채우도록 마련될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the polymer actuator may be formed on the first surface, and the optical fluid may be provided to fill a space formed by the light transmitting substrate, the spacer frame, the optical membrane, and the polymer actuator.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 폴리머 액츄에이터는 상기 제1면에 형성되고, 상기 광학 멤브레인은 상기 스페이서 프레임 상에 상기 광학 유체가 채워진 내부 공간을 봉하는 형태로 마련될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the polymer actuator is formed on the first surface, the optical membrane may be provided in the form of sealing the inner space filled with the optical fluid on the spacer frame.

본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈는, 소정의 초점 거리를 가지는 결상 광학계에 부가되어 전체 초점거리를 조절하는 가변 초점 렌즈에 있어서, 투광성 기판; 상기 투광성 기판 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임; 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지며, 상기 제1면이 상기 스페이서 프레임에 인접하게 배치되는 고정 프레임; 상기 고정 프레임의 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지며 상기 제1면과 마주하게 배치된 광학 멤브레인; 상기 내부 공간을 채우는 광학 유체; 상기 관통홀을 통해 상기 광학 유체에 압력을 인가하여 상기 렌즈면의 형상을 변화시키는 액츄에이터;를 포 함하며, 상기 결상 광학계로부터의 광이 입사되는 입사 개구가 A, 화각이 2ω, 상기 결상 광학계로부터 상기 렌즈면까지의 거리가 d일 때, 상기 렌즈홀의 직경 D는 다음 식을 만족한다. A variable focus lens according to an embodiment of the present invention includes a variable focus lens, which is added to an imaging optical system having a predetermined focal length and adjusts an entire focal length, comprising: a light transmitting substrate; A spacer frame provided to form an inner space on the light transmissive substrate; A fixing frame having a lens hole and at least one through hole, the first frame and the second surface facing each other, and the first surface being disposed adjacent to the spacer frame; An optical membrane having a lens surface corresponding to the lens hole of the fixed frame and disposed to face the first surface; An optical fluid to fill the internal space; And an actuator for applying pressure to the optical fluid through the through-hole to change the shape of the lens surface. The actuator includes: an incidence aperture in which light from the imaging optical system is incident, an angle of view of 2ω, from the imaging optical system. When the distance to the lens surface is d, the diameter D of the lens hole satisfies the following equation.

<식><Expression>

D ≥ A+2d·tanωD ≥ A + 2dtanω

본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법은 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 고정 프레임을 형성하고, 상기 제1면에 상에, 상기 고정 프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계; 상기 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지는 광학 멤브레인을 상기 제2면 상에 형성하는 단계; 상기 폴리머 액츄에이터, 고정 프레임, 광학 멤브레인과 함께 소정 내부 공간을 형성하도록 스페이서 프레임을 형성하는 단계; 상기 내부 공간을 광학 유체로 채우는 단계; 상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판을 형성하는 단계;를 포함한다. In the method of manufacturing a variable focus lens according to an embodiment of the present invention, a lens hole and at least one through hole are formed, and a fixing frame having a first surface and a second surface facing each other is formed on the first surface. Forming a polymer actuator secured to the fixed frame; Forming an optical membrane on the second surface having a lens surface corresponding to the lens hole; Forming a spacer frame to form a predetermined inner space together with the polymer actuator, the fixed frame, and the optical membrane; Filling the internal space with an optical fluid; And forming a transparent substrate sealing the optical fluid on the spacer frame.

본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법은 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성되고, 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 고정 프레임을 형성하고, 상기 제1면에 상에, 상기 고정 프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계; 상기 렌즈홀에 대응하는 렌즈면을 가지는 광학 멤브레인을 상기 제1면 상에 형성하는 단계; 상기 폴리머 액츄에이터, 광학 멤브레인과 함께 소정 내부 공간을 형성하도록 스페이서 프레임을 형성하는 단계; 상기 내부 공간을 광학 유체로 채우는 단계; 상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판 을 형성하는 단계;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a variable focus lens, in which a lens hole and at least one through hole are formed, and a fixing frame having a first surface and a second surface facing each other is formed on the first surface. Forming a polymer actuator fixed to the fixed frame; Forming an optical membrane on the first surface having a lens surface corresponding to the lens hole; Forming a spacer frame to form a predetermined inner space with the polymer actuator and the optical membrane; Filling the internal space with an optical fluid; And forming a light transmissive substrate sealing the optical fluid on the spacer frame.

본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법은 렌즈홀 및 적어도 하나의 관통홀이 형성된 고정 프레임을 형성하고, 상기 고정 프레임 상에 상기 고정프레임에 고정되게 폴리머 액츄에이터를 형성하는 단계; 서로 마주하는 제1면과 제2면을 가지는 광학 멤브레인을 준비하고, 상기 제1면 상에 상기 광학 멤브레인의 가장자리를 측벽으로 둘러싸는 형태의 스페이서 프레임을 형성하여 내부 공간을 형성하는 단계; 상기 내부 공간에 광학 유체를 주입하는 단계; 상기 스페이서 프레임 위에 상기 광학 유체를 밀봉하는 투광성 기판을 형성하는 단계; 상기 폴리머 액츄에이터가 형성된 고정 프레임을 상기 광학 멤브레인의 제2면에 부착하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a variable focus lens, comprising: forming a fixing frame having a lens hole and at least one through hole, and forming a polymer actuator on the fixing frame to be fixed to the fixing frame; Preparing an optical membrane having a first surface and a second surface facing each other, and forming an internal space on the first surface by forming a spacer frame having a sidewall surrounding the edge of the optical membrane; Injecting an optical fluid into the interior space; Forming a light transmissive substrate sealing the optical fluid on the spacer frame; Attaching a fixed frame having the polymer actuator to the second surface of the optical membrane.

본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈는 렌즈 두께를 형성하는 광학 유체의 두께를 줄일 수 있는 구조를 제시한다. 이에 의해, 양호한 광학 성능을 유지하면서도 렌즈 직경을 보다 작게 형성할 수 있어, 전체 소자 크기가 작아져 대량 생산에 유리하다. 또한, 고정 프레임이 광학 멤브레인을 외부에서 지지하는 구조로서 접합부의 신뢰성이 높다.The variable focus lens according to the embodiment of the present invention proposes a structure capable of reducing the thickness of the optical fluid forming the lens thickness. Thereby, the lens diameter can be made smaller while maintaining good optical performance, and the overall device size is smaller, which is advantageous for mass production. In addition, the structure of the fixed frame supports the optical membrane from the outside, the reliability of the joint is high.

본 발명의 실시예에 의한 제조방법은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈를 제공하며, 또한, 폴리머 액츄에이터를 고정 프레임 상에 직접 형성한다는 점에서 제조공정이 보다 용이하다. The manufacturing method according to the embodiment of the present invention provides the varifocal lens according to the embodiment of the present invention, and the manufacturing process is easier in that the polymer actuator is directly formed on the fixed frame.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size of each element in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.

도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 구조를 보이는 분리 사시도, 부분 절개 사시도 및 단면도이다. 1, 2 and 3 are an exploded perspective view, a partially cut perspective view and a cross-sectional view showing the structure of a variable focus lens according to an embodiment of the present invention.

도면들을 참조하면, 가변 초점 렌즈(100)는 투광성 기판(110), 투광성 기판(110) 상에 내부 공간을 형성하도록 마련된 스페이서 프레임(120), 복수의 홀(H_L, H_T)이 형성된 고정 프레임(160), 고정 프레임(160)과 스페이서 프레임(120) 사이에 마련되고 렌즈면(140a)을 가지는 광학 멤브레인(140), 상기 내부공간을 채우는 광학 유체(170), 고정 프레임(160)의 홀을 통해 광학 유체(170)에 압력을 인가하여 렌즈면(140a)의 형상을 변화시키는 액츄에이터(180)를 포함한다.Referring to the drawings, the variable focus lens 100 is a transparent substrate 110, a spacer frame 120 provided to form an inner space on the transparent substrate 110, a plurality of holes H _L , H _T is fixed The optical frame 140 provided between the frame 160, the fixed frame 160, and the spacer frame 120 and having the lens surface 140a, the optical fluid 170 filling the internal space, and the fixed frame 160. The actuator 180 applies a pressure to the optical fluid 170 through the hole to change the shape of the lens surface 140a.

투광성 기판(110)은 광을 투과시키는 투명 또는 반투명의 재질로 형성되며, 예를 들어, 글래스 기판이 채용될 수 있다.The light transmissive substrate 110 is formed of a transparent or translucent material that transmits light, and for example, a glass substrate may be employed.

스페이서 프레임(120)은 투광성 기판(110) 상에 내부 공간을 형성할 수 있는 형태로 마련되며, 도시된 바와 같이 투광성 기판(110)의 가장자리 쪽을 측벽으로 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 이러한 구조에 의해, 상기 내부 공간은 하나의 공간으로 형성되어, 내부 공간이 광학 유체로 채워지고 액츄에이터(180)의 압력에 의해 렌즈면(140a)이 변형될 때, 광학 유체의 이동이 동일한 공간에서 일어난다. 즉, 기존의 구조에서 별개로 마련되는 유실과 렌즈실이 실시예에서는 물리적으로 구분 되지 않는 형태이다. 스페이서 프레임(120)은 광학 유체(170)의 렌즈면(140a)까지의 두께를 형성하기 위해 마련되는 것으로, 즉, 스페이서 프레임(120)의 두께에 따라 렌즈 두께가 정해진다. 따라서, 정교한 외곽 형상이 요구되는 것은 아니므로, 실리콘 재질이 아닌 다른 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 두께를 비교적 자유롭게 정할 수 있다. The spacer frame 120 is provided in a form capable of forming an internal space on the light transmissive substrate 110, and may have a form of enclosing an edge of the light transmissive substrate 110 as a sidewall. With this structure, the inner space is formed into one space, so that when the inner space is filled with the optical fluid and the lens surface 140a is deformed by the pressure of the actuator 180, the movement of the optical fluid is in the same space. Happens. That is, the oil chamber and the lens chamber provided separately from the existing structure are physically indistinguishable in the embodiment. The spacer frame 120 is provided to form a thickness up to the lens surface 140a of the optical fluid 170, that is, the lens thickness is determined according to the thickness of the spacer frame 120. Therefore, since the precise outer shape is not required, it may be formed of various materials other than silicon, and the thickness may be determined relatively freely.

고정 프레임(160)은 액츄에이터(180)와 광학 멤브레인(140)의 변형을 지지하기 위해 액츄에이터(180)에 고정되게 마련되는 것으로, 예를 들어, 실리콘 재질로 형성되며, 복수의 홀(H_L, H_T)을 포함한다. 복수의 홀은 렌즈홀(H_L)과 렌즈홀(H_L) 주변에 형성된 관통홀(H_T)을 포함한다. 렌즈홀(H_L)은 광학 멤브레인(140)의 렌즈면(140a)에 대응하는 영역으로, 액츄에이터(180)가 광학 유체(170)에 압력을 가할 때, 렌즈면(140a)의 형상이 변할 수 있는 공간을 제공한다. 관통홀(H_T)은 액츄에이터(180)의 작동시 이를 통해 광학 유체(170)에 압력을 인가하도록 마련되며, 도면에는 네 개로 도시되었으나 이는 예시적인 것이다. The fixed frame 160 is provided to be fixed to the actuator 180 to support deformation of the actuator 180 and the optical membrane 140. For example, the fixing frame 160 is formed of a silicon material and includes a plurality of holes H _L,. H _T ). The plurality of holes include a lens hole H _L and a through hole H _T formed around the lens hole H _L. The lens hole H _L is a region corresponding to the lens surface 140a of the optical membrane 140. When the actuator 180 applies pressure to the optical fluid 170, the shape of the lens surface 140a may change. To provide space. The through-holes H _T are provided to apply pressure to the optical fluid 170 through the operation of the actuator 180, which is illustrated in FIG. 4 but is exemplary.

광학 멤브레인(140)은 렌즈홀(H_L)을 밀봉하는 렌즈면(140a)을 가지며, 고정 프레임(160)의 일면에 마련된다. 광학 멤브레인(140)은 예를 들어, 도시된 바와 같이 고정 프레임(160)의 렌즈홀(H_L)을 밀봉하고 관통홀(H_T)은 모두 오픈하는 형상으로 마련될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 관통홀(H_T)의 일부만을 오픈하거나, 관통홀(H_T)을 밀봉하는 형태로 마련되는 것도 가능하다. 광학 멤브레인(140)은 투명하며 탄성을 가지는 물질, 예를 들어, 실리콘 탄성중합체(elastomer)로 이루어질 수 있다. 또한, 내구성 및 유연성이 우수한 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane;PDMS)이 채용될 수 있다. 광학 멤브레인(140)의 렌즈면(140a)에는 또한 반사방지 코팅층 및 적외선 차단 코팅층 등과 같은 기능성 코팅층 또는 보호층이 더 형성될 수도 있다.The optical membrane 140 has a lens surface 140a that seals the lens hole H _L and is provided on one surface of the fixed frame 160. For example, the optical membrane 140 may be provided to seal the lens hole H _L of the fixing frame 160 and open the through hole H _{T as} shown in the drawing. However, it is also possible that an open, or provided in the form to seal the through hole (H _T) of exemplary, only a portion of the through hole (H _T). The optical membrane 140 may be made of a transparent and elastic material, for example, a silicone elastomer. In addition, polydimethylsiloxane (PDMS) having excellent durability and flexibility may be employed. The lens surface 140a of the optical membrane 140 may also be further provided with a functional coating layer or a protective layer, such as an antireflective coating layer and an infrared blocking coating layer.

액츄에이터(180)는 관통홀(H_T)을 통해 광학 유체(170)에 압력을 인가하도록 마련되는 것으로, 통상적으로 사용되고 있는 다양한 방식의 액츄에이터가 사용될 수 있다. 본 실시예에서 액츄에이터(180)로는 두께가 매우 얇고 소비 전력이 작은 전기적 능동 폴리머(electro active polymer:EAP)로 이루어진 통상의 폴리머 액츄에이터가 사용될 수 있으며, P(VDF-TrFE_CFE), P(VDF-TrFE-CTFE)와 같은 혼성 중합체로 제작된 완화형 강유전성(relaxor ferroelectric) 폴리머 액츄에이터가 채용될 수 있다. 액츄에이터(180)는, 그 구성이 상세히 도시되지는 않았지만, 전압 인가에 따라 전왜 변형(electrostrictive strain)이 유발되어 인접한 광학 유체(170)에 압력을 인가하게 된다. 액츄에이터(180)는 복수의 관통홀(H_T)을 통해 개별적으로 압력 인가 조절이 가능하도록 복수의 부분으로 나누어진 구성을 가지는 것도 가능하다.The actuator 180 is provided to apply pressure to the optical fluid 170 through the through hole H _T , and various types of actuators that are commonly used may be used. In the present embodiment, the actuator 180 may be a conventional polymer actuator made of an electro active polymer (EAP) having a very thin thickness and low power consumption. P (VDF-TrFE_CFE), P (VDF-TrFE A relaxed ferroelectric polymer actuator made of a hybrid polymer such as -CTFE) can be employed. Although the configuration of the actuator 180 is not shown in detail, an electrostrictive strain is induced by voltage application to apply pressure to an adjacent optical fluid 170. Actuator 180 may have a configuration divided into a plurality of parts to enable the pressure application can be adjusted individually through a plurality of through holes (H _T ).

본 실시예에서, 액츄에이터(180)는 관통홀(H_T)을 밀봉하는 형태로 마련된 폴리머 액츄에이터(180)로서, 고정 프레임(160)의 다른 일면, 즉, 광학 멤브레인(140)이 마련된 면의 맞은편 면에 형성되어 있다. 이에 따라, 투광성 기판(110), 스페이서 프레임(120), 고정 프레임(160), 광학 멤브레인(140) 및 폴리머 액츄에이터(180)에 의해 형성된 공간이 유실(fluid chamber)(172)이 되며, 이 안에 광학 유체(170)가 채워진다. 광학 유체(170)로는 예를 들어, 실리콘 오일이 채용될 수 있다. In the present embodiment, the actuator 180 is a polymer actuator 180 provided in the form of sealing the through hole (H _T ), the other side of the fixed frame 160, that is, the face of the surface provided with the optical membrane 140 It is formed on one side. Accordingly, the space formed by the light transmissive substrate 110, the spacer frame 120, the fixing frame 160, the optical membrane 140, and the polymer actuator 180 becomes a fluid chamber 172, and Optical fluid 170 is filled. As the optical fluid 170, for example, silicone oil may be employed.

도면에서는 폴리머 액츄에이터(180)가 관통홀(H_T)을 밀봉하는 형태로 마련되어 있지만, 이는 예시적인 것이고, 통상의 탄성막이 관통홀(H_T)을 밀봉하고, 탄성막 위에 폴리머 액츄에이터(180)가 형성되는 구성도 가능하다. In the drawing, although the polymer actuator 180 is provided in the form of sealing the through hole H _T , this is exemplary, and a conventional elastic membrane seals the through hole H _T , and a polymer actuator 180 is placed on the elastic membrane. It is also possible to form a configuration.

본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)의 작용에 대해 단면도를 도시한 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. The operation of the variable focus lens 100 according to the embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.

가변 초점 렌즈(100)의 초점 거리 변화는 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 이루어진다. 폴리머 액츄에이터(180)가 전압 인가에 따라 점선으로 나타난 바와 같이 아래로 만곡 변형될 때 광학 유체(170)에 유동이 형성되어 유실(172) 형상이 변화되며, 광학 멤브레인(140)의 렌즈면(140a) 부분이 볼록하게 변형된다. 이러한 변형이 일어날 때, 본 발명의 실시예의 가변 초점 렌즈(100)는 고정 프레임(160)이 광학 멤브레인(140)을 외부에서 지지하는 형태로, 광학 멤브레인(140)과 고정 프레임(160)의 접합부의 신뢰성이 보다 높은 구조가 된다.The focal length change of the variable focus lens 100 is driven by the polymer actuator 180. When the polymer actuator 180 is bent downward as shown by a dotted line as a voltage is applied, a flow is formed in the optical fluid 170 so that the shape of the loss chamber 172 is changed, and the lens surface 140a of the optical membrane 140 is changed. ) Part is convexly deformed. When such deformation occurs, the variable focus lens 100 according to the exemplary embodiment of the present invention has a form in which the fixed frame 160 supports the optical membrane 140 from the outside, and the junction of the optical membrane 140 and the fixed frame 160 is formed. The reliability of the structure becomes higher.

렌즈면(140a)의 변형양은 폴리머 액츄에이터(180)의 변형과 광학 멤브레인(140)의 물성, 예를 들어, 영률(Young's modulus)과 포아송 비(Poisson's ratio)에 의해 정해진다. 렌즈면(140a)의 곡률은 광학 유체(170)의 굴절률과 함께 초점 거리를 변화시키는 요인이 되므로, 적절한 범위에서 초점 조절이 가능하도록 폴리머 액츄에이터(180)가 구동되도록 한다. The amount of deformation of the lens surface 140a is determined by the deformation of the polymer actuator 180 and the physical properties of the optical membrane 140, for example, Young's modulus and Poisson's ratio. Since the curvature of the lens surface 140a is a factor of changing the focal length together with the refractive index of the optical fluid 170, the polymer actuator 180 is driven to enable focus adjustment in an appropriate range.

본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)는 단독으로 사용되는 것도 가능하지만, 소정 초점 거리를 가지는 결상 광학계에 부가되어 전체 초점거리를 조절할 수 있도록 사용될 수도 있다. 이 경우, 결상 광학계(미도시)로부터의 광이 가변 초점 렌즈(100)에 입사되는 입사 개구가 A, 화각이 2ω 결상광학계로부터 렌즈면(140a)까지의 거리가 d일 때, 가변 초점 렌즈(100)에서 렌즈 직경에 해당하는 길이 D는 다음 식을 만족하여야 한다.The variable focus lens 100 according to the embodiment of the present invention may be used alone, but may be used to adjust the overall focal length in addition to the imaging optical system having a predetermined focal length. In this case, when the incident aperture at which light from the imaging optical system (not shown) is incident on the variable focus lens 100 is A, and the angle of view is d, the distance from the 2ω imaging optical system to the lens surface 140a is d. The length D corresponding to the lens diameter in 100) shall satisfy the following equation.

D ≥ A+2d·tanωD ≥ A + 2dtanω

여기서, 거리 d는 결상광학계에서 가변 초점 렌즈(100) 쪽 첫번째 광학요소로부터 렌즈면(140a)까지의 거리로서, 가변 초점 렌즈(100)의 두께 t가 커질수록 커진다. 가변 초점 렌즈(100)의 두께 t는 광학 유체(170)의 렌즈면(140a)까지의 두께로 정의된다. 본 발명의 실시예에서, 상기 두께 t는 스페이서 프레임(120)의 두께에 의해 정해지는데, 즉, 스페이서 프레임(120)의 두께를 작게 형성할수록 렌즈 직경 D를 작게 하는 것이 가능하다. Here, the distance d is a distance from the first optical element toward the variable focus lens 100 to the lens surface 140a in the imaging optical system, and becomes larger as the thickness t of the variable focus lens 100 increases. The thickness t of the variable focus lens 100 is defined as the thickness up to the lens surface 140a of the optical fluid 170. In the embodiment of the present invention, the thickness t is determined by the thickness of the spacer frame 120, that is, the smaller the thickness of the spacer frame 120, the smaller the lens diameter D can be.

본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)와의 비교예로서 도시한 도 4를 참조하면, 비교예의 가변 초점 렌즈(1)는 기판(10) 위에 형성된 고정 프레임(20), 고정 프레임(20)의 전면을 덮는 멤브레인(40)과 멤브레인(40) 상면에 마련된 액츄에이터(60)를 포함한다. 이와 같은 구조에서 가변 초점 렌즈(1)의 두께를 형성하는 광학 유체의 두께는 고정 프레임(20)의 두께에 의해 정해지는데, 고정 프레임(20)은 통상, 실리콘 기판으로 제조되어 그 두께가 적어도 300um 이상이 된다. 따라서, 이러한 구조의 가변 초점 렌즈(1)를 소정 초점 거리를 가지는 결상광학계에 부가하여 전체 초점 거리를 조절하고자 할 때, 상기 식 1에 나타난 거리 d를 줄이는데 한계가 있으며, 따라서, 렌즈 직경 D를 줄이는 데에도 한계가 있다.Referring to FIG. 4, which is shown as a comparative example with the variable focus lens 100 according to an exemplary embodiment of the present invention, the variable focus lens 1 of the comparative example includes a fixed frame 20 and a fixed frame 20 formed on the substrate 10. It includes a membrane 40 covering the front surface of the) and the actuator 60 provided on the membrane 40 upper surface. In such a structure, the thickness of the optical fluid forming the thickness of the variable focus lens 1 is determined by the thickness of the fixed frame 20. The fixed frame 20 is usually made of a silicon substrate and has a thickness of at least 300 μm. It becomes abnormal. Therefore, when the variable focal length lens 1 having such a structure is added to an imaging optical system having a predetermined focal length to adjust the overall focal length, there is a limit to reducing the distance d shown in Equation 1, and thus, the lens diameter D is reduced. There is also a limit to the reduction.

이와 같이, 렌즈 두께를 줄이는 것은 식 1의 조건을 만족하는 렌즈 직경을 줄일 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 광학 성능의 면을 고려할 때도 렌즈 두께가 작은 경우, 동일한 광학 성능을 작은 렌즈 직경으로 구현하는 효과가 있으며, 이는 도 5의 그래프를 통해 알 수 있다.As such, reducing the lens thickness has an effect of reducing the lens diameter satisfying the condition of Equation 1. In addition, even when considering the aspect of optical performance, when the lens thickness is small, there is an effect of implementing the same optical performance with a small lens diameter, which can be seen through the graph of FIG.

도 5는 렌즈 직경과 공간 주파수의 관계를 비교예와 실시예에 대하여 도시한 그래프이다. 비교예의 렌즈 두께는 300um이며, 실시예의 렌즈 두께는 150um인 경우이다. 그래프는 0.7 필드(field) 기준으로 MTF(modulation transfer function) 30%가 되는 공간 주파수를 도시한 것으로, 실시예의 경우 공간 주파수가 보다 비교예의 경우보다 높게 나타남을 볼 수 있다. 예를 들어, 렌즈 두께가 작은 실시예의 경우, 동일한 공간 주파수를, 비교예보다 작은 렌즈 직경에서 구현하게 된다. 5 is a graph showing the relationship between the lens diameter and the spatial frequency with respect to Comparative Examples and Examples. The lens thickness of a comparative example is 300 micrometers, and the lens thickness of an Example is 150 micrometers. The graph shows a spatial frequency of 30% MTF (modulation transfer function) on a 0.7 field basis, and it can be seen that the spatial frequency is higher in the embodiment than in the comparative example. For example, in the case of an embodiment having a small lens thickness, the same spatial frequency is realized at a lens diameter smaller than that of the comparative example.

렌즈 직경을 줄이는 것은 전체 소자의 크기를 줄인다는 효과가 있으며, 이외에도, 중력에 의한 형상 에러를 줄이는 효과가 있다. 도 6은 렌즈 직경에 따른 형상 에러를 렌즈면(140a)을 형성하는 광학 멤브레인(140)의 두께(tm), 영률(E)의 몇가지 조합에 대하여 나타낸 그래프이다. 가변 초점 렌즈(100)가 사용될 때, 일반적으로, 도 3의 단면도에서의 측부, 즉, 좌측 또는 우측이 중력 방향이 된다. 이 경 우, 중력에 의한 광학 유체(170)의 유동은 렌즈면(140a) 형상의 왜곡을 일으킨다. 이러한 형상 에러(e_shape)는 광학 멤브레인(140)의 최대 처짐 특성으로 다음과 같이 정의된다.Reducing the diameter of the lens has the effect of reducing the size of the entire device, in addition, there is an effect of reducing the shape error due to gravity. 6 is a graph showing a shape error according to the lens diameter for some combinations of the thickness tm and the Young's modulus E of the optical membrane 140 forming the lens surface 140a. When the variable focus lens 100 is used, in general, the side in the cross-sectional view of FIG. 3, that is, the left side or the right side is in the direction of gravity. In this case, the flow of the optical fluid 170 by gravity causes distortion of the shape of the lens surface 140a. This shape error (e _shape ) is defined as the maximum deflection characteristic of the optical membrane 140 as follows.

여기서, ρ는 광학 유체(170)의 밀도, t는 광학 멤브레인(140)의 두께, E는 광학 멤브레인(140)의 영률(Young's modulus), D는 렌즈 직경, F는 로드 분포 계수(load-distribution factor)이다. Where ρ is density of optical fluid 170, t is thickness of optical membrane 140, E is Young's modulus of optical membrane 140, D is lens diameter, F is load-distribution factor).

상기 식은 표면 장력이나 프리텐션(pretension)의 영향을 고려하지 않은 근사식이며, 도 6의 그래프들을 도시하기 위한 F 값의 계산을 위해 FEA(fine element analysis)전용 시뮬레이터를 사용하였다. The above equation is an approximation without considering the influence of surface tension or pretension, and a simulator dedicated to fine element analysis (FEA) was used to calculate the F value to show the graphs of FIG. 6.

형상에러는 광학 유체(170)의 밀도(ρ), 광학 멤브레인(140)의 두께, 물성과 관련되며, 뿐만 아니라, 렌즈 직경에 크게 의존한다. 그래프를 참조하면, 예를 들어, 형상 에러를 2um 이하로 유지하고자 할 때, 렌즈 직경이 작을수록 보다 다양한 경우에서 이러한 조건이 구현될 수 있다. 렌즈 직경이 3.0mm인 경우, 세 경우, 즉, 멤브레인의 두께가 100um인 두 경우와 멤브레인의 두께가 75um이고 영률이 2MPa인 경우에만 형상 에러가 2um 이하로 구현되지만, 렌즈 직경이 1.6mm인 경우 도시된 모든 경우에 형상 에러가 2um이하가 된다. The shape error is related to the density ρ of the optical fluid 170, the thickness of the optical membrane 140, and the physical properties, as well as the lens diameter. Referring to the graph, for example, when the shape error is to be maintained at 2 μm or less, such a condition may be implemented in more various cases as the lens diameter is smaller. When the lens diameter is 3.0 mm, the shape error is realized to be less than or equal to 2 μm in three cases, that is, in two cases where the membrane thickness is 100 μm and when the membrane thickness is 75 μm and the Young's modulus is 2 MPa, but the lens diameter is 1.6 mm. In all cases shown, the shape error is less than 2um.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(200)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 가변 초점 렌즈(200)는 측면 프레임이 일체형으로 형성된 투광성 기판(130), 렌즈면(140a)을 가지는 광학 멤브레인(140), 고정 프레임(160) 및 폴리머 액츄에이터(180)를 포함한다. 본 실시예는 도 1 내지 도 3에서 설명한 실시예와 비교할 때, 스페이서 프레임(도 3의 120)이 투광성 기판(도 3의 110)에 일체형으로 형성된 구조인 점에서만 차이가 있다. 투광성 기판(130), 광학 멤브레인(140), 폴리머 액츄에이터(180)에 의해 형성된 공간이 유실(FC, fluid chamber)이 되고 여기에 광학 유체(170)가 채워지는 점, 측면 프레임의 두께에 따라 렌즈 두께가 정의되고 이에 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점 및 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 따라 렌즈면(140a)의 변형으로 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable focus lens 200 according to another embodiment of the present invention. The variable focus lens 200 includes a light transmissive substrate 130 having an integrated side frame, an optical membrane 140 having a lens surface 140a, a fixed frame 160, and a polymer actuator 180. Compared with the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3, the present embodiment differs only in that the spacer frame 120 (FIG. 3) is integrally formed on the translucent substrate (110 of FIG. 3). The space formed by the light-transmissive substrate 130, the optical membrane 140, and the polymer actuator 180 becomes a fluid chamber (FC), and the optical fluid 170 is filled therein, and the lens depends on the thickness of the side frame. The thickness is defined and the appropriate lens diameter is determined and the action of changing the focal length due to the deformation of the lens surface 140a according to the driving of the polymer actuator 180 is the same.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(300)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 본 실시예는 렌즈면(145a)을 가지는 광학 멤브레인(145)이 단지 고정 프레임(160)의 렌즈홀을 덮는 형상을 가지며, 스페이서 프레임(120)과 고정 프레임(160)의 접합면 쪽으로는 연장되어 있지 않다는 점에서만 도 1 내지 도 3의 실시예에서 설명한 구조와 차이가 있다. 이 경우, 렌즈 두께가 되는 광학 유체(170)의 두께는 스페이서 프레임(120)의 두께보다 작다. 이와 같이 정의되는 렌즈 두께에 따라 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점, 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 렌즈면(142a) 변형이 일어나고 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다.8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable focus lens 300 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the optical membrane 145 having the lens surface 145a has a shape of covering only the lens hole of the fixed frame 160, and extends toward the bonding surface of the spacer frame 120 and the fixed frame 160. There is a difference from the structure described in the embodiment of Figs. In this case, the thickness of the optical fluid 170 that becomes the lens thickness is smaller than the thickness of the spacer frame 120. The proper lens diameter is determined according to the lens thickness defined as described above, and the lens surface 142a is deformed by the driving of the polymer actuator 180 and the action of changing the focal length is the same.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(400)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 본 실시예는 폴리머 액츄에이터(180)가 고정 프레임(160)에 형성된 면이 광학 멤브레인(142)이 고정 프레임(160)에 형성된 면과 동일한 면이라는 점에서 도 1 내지 도 3의 실시예에서 설명한 구조와 차이가 있다. 이 경우, 투광성 기판(110), 스페이서 프레임(120), 광학 멤브레인(142) 및 상기 폴리머 액츄에이터(180)에 의해 형성된 공간이 유실(FC)을 이루며, 여기에 광학 유체(170)가 채워진다. 스페이서 프레임(120)의 두께에 의해 렌즈 두께가 정의되고 이에 따라 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점, 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 렌즈면(142a) 변형이 일어나고 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다. 도면에서는 고정 프레임(160)의 일면 영역 중에서 폴리머 액츄에이터(180)가 형성되지 않은 영역에만 광학 멤브레인(140)이 형성된 것으로 도시되어 있지만, 폴리머 액츄에이터(180)의 일부나 전체를 덮는 형태로 형성되는 것도 가능하다. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable focus lens 400 according to another embodiment of the present invention. This embodiment has the structure described in the embodiments of FIGS. 1 to 3 in that the polymer actuator 180 is formed on the fixed frame 160 is the same surface as the optical membrane 142 is formed on the fixed frame 160. There is a difference. In this case, the space formed by the light transmissive substrate 110, the spacer frame 120, the optical membrane 142, and the polymer actuator 180 forms a loss FC, and the optical fluid 170 is filled therein. The lens thickness is defined by the thickness of the spacer frame 120 and accordingly the appropriate lens diameter is determined. The operation of changing the lens surface 142a by the driving of the polymer actuator 180 and changing the focal length are the same. . Although the optical membrane 140 is illustrated in only one region of one surface of the fixed frame 160 where the polymer actuator 180 is not formed, the optical membrane 140 may be formed to cover a part or the entirety of the polymer actuator 180. It is possible.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(500)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 본 실시예는, 광학 멤브레인(148)이 광학 유체(170)가 채워진 내부 공간을 봉하는 형태로 스페이서 프레임(120)상에 형성된 점에 도 9의 실시예와 차이가 있다. 이 경우, 투광성 기판(110), 스페이서 프레임(120), 광학 멤브레인(148)에 의해 형성된 공간이 유실(FC)을 이루며, 여기에 광학 유체(170)가 채워진다. 스페이서 프레임(120)의 두께에 의해 렌즈 두께가 정의되고 이에 따라 알맞은 렌즈 직경이 정해지는 점, 폴리머 액츄에이터(180)의 구동에 의해 렌즈면(148a) 변형이 일어나고 초점 거리가 가변되는 작용은 동일하다..10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable focus lens 500 according to another embodiment of the present invention. This embodiment differs from the embodiment of FIG. 9 in that the optical membrane 148 is formed on the spacer frame 120 in a form that seals the internal space filled with the optical fluid 170. In this case, the space formed by the light transmissive substrate 110, the spacer frame 120, and the optical membrane 148 forms a loss FC, and the optical fluid 170 is filled therein. The lens thickness is defined by the thickness of the spacer frame 120 and accordingly, the proper lens diameter is determined. The operation of changing the lens surface 148a by the driving of the polymer actuator 180 and changing the focal length are the same. ..

도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다. 11A to 11E illustrate steps of a method of manufacturing a variable focus lens according to an exemplary embodiment of the present invention.

먼저, 도 11a와 같이, 고정 프레임(160)을 준비하고, 일면에 폴리머 액츄에이터(180)를 접합한다. 고정 프레임(160)은 복수의 관통홀을 가지는 형상으로, 예를 들어, 도 1에서 도시한 형상을 가질 수 있으며, 실리콘 기판에 통상의 식각 공정 또는 기계 가공 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 폴리머 액츄에이터(180)는 P(VDF-TrFE_CFE), P(VDF-TrFE-CTFE)와 같은 혼성 중합체로 제작된 완화형 강유전성(relaxor ferroelectric) 폴리머 액츄에이터가 될 수 있다.First, as shown in FIG. 11A, the fixing frame 160 is prepared, and the polymer actuator 180 is bonded to one surface thereof. The fixed frame 160 has a shape having a plurality of through holes, for example, may have the shape shown in FIG. 1, and may be formed on a silicon substrate using a conventional etching process or a machining process. . The polymer actuator 180 may be a relaxed ferroelectric polymer actuator made of a hybrid polymer such as P (VDF-TrFE_CFE) and P (VDF-TrFE-CTFE).

다음, 도 11b를 참조하면, 고정 프레임(160)의 다른 일면에 광학 멤브레인(140)을 형성한다. 광학 멤브레인(140)은 투광성 탄성막으로서, 예를 들어, 실리콘 탄성중합체(elastomer)로 이루어질 수 있다. 또한, 내구성 및 유연성이 우수한 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane;PDMS)으로 이루어질 수 있다. 광학 멤브레인(140)은 고정 프레임(160) 상에 직접 접합 형성될 수 있는데, 이 경우 광학 멤브레인(140)이 고정 프레임(160)의 일면에 전체적으로 형성된 후, 폴리머 액츄에이터(180)와 마주하는 부분을 제거하는 단계를 거칠 수 있다. Next, referring to FIG. 11B, the optical membrane 140 is formed on the other surface of the fixed frame 160. The optical membrane 140 is a translucent elastic membrane, and may be made of, for example, a silicone elastomer. In addition, it may be made of polydimethylsiloxane (PDMS) having excellent durability and flexibility. The optical membrane 140 may be directly bonded to the fixed frame 160. In this case, the optical membrane 140 may be formed on one surface of the fixed frame 160, and then may face a portion facing the polymer actuator 180. Removing may be performed.

다음, 도 11c와 같이, 유실(FC)이 형성되도록 스페이서 프레임(120)을 형성한다. 도면에서는 고정 프레임(160)과 스페이서 프레임(120) 사이에 광학 멤브레인(140) 일부가 개재된 것으로 도시되어 있으나, 광학 멤브레인(140)에서 렌즈면을 형성하는 영역 이외의 부분의 형상은 이와 다를 수 있고, 즉, 스페이서 프레임(120)과 고정 프레임(160)이 접합되는 영역 사이에 광학 멤브레인(140)이 없을 수도 있다. 스페이서 프레임(120)을 접합할 때, 진공 접합하거나 또는 접착 물 질(adhesive)를 사용할 수 있다. 스페이서 프레임(120)은 렌즈 두께를 형성하기 위해 마련되는 것으로, 정교한 외곽 형상이 요구되는 것은 아니다. 따라서, 실리콘 재질이 아닌 다른 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 두께를 비교적 자유롭게 정할 수 있다.Next, as shown in FIG. 11C, the spacer frame 120 is formed to form the loss FC. In the drawing, a part of the optical membrane 140 is interposed between the fixed frame 160 and the spacer frame 120, but the shape of the part other than the region forming the lens surface of the optical membrane 140 may be different. That is, there may be no optical membrane 140 between the spacer frame 120 and the region where the fixed frame 160 is bonded. When bonding the spacer frame 120 may be vacuum bonded or an adhesive (adhesive) may be used. The spacer frame 120 is provided to form a lens thickness, and a precise outline shape is not required. Therefore, it may be formed of various materials other than silicon, and the thickness may be determined relatively freely.

다음, 도 11d와 같이 광학 유체(170)로 유실(FC)을 채운다. 광학 유체(170)는 예를 들어, 실리콘 오일일 수 있다.Next, the oil chamber FC is filled with the optical fluid 170 as shown in FIG. 11D. The optical fluid 170 may be, for example, silicone oil.

다음, 도 11e와 같이 투광성 기판(110)으로, 광학 유체(170)를 밀봉한다. 투광성 기판(110)을 광을 투과시키는 부재로서, 예를 들어, 글래스 기판이 될 수 있다.Next, the optical fluid 170 is sealed with the light transmissive substrate 110 as shown in FIG. 11E. As a member for transmitting the light transmitting substrate 110 to light, for example, it may be a glass substrate.

상술한 단계들에 따라 본 발명의 실시예의 가변 초점 렌즈(100)가 제조된다.According to the above steps, the variable focus lens 100 of the embodiment of the present invention is manufactured.

도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.12A to 12E illustrate steps of a method of manufacturing a variable focus lens according to another exemplary embodiment of the present invention.

먼저, 도 12a와 같이, 고정 프레임(160)을 준비하고, 일면에 폴리머 액츄에이터(180)를 접합한다. 고정 프레임(160)은 복수의 관통홀을 가지는 형상으로, 예를 들어, 도 1에서 도시한 형상을 가질 수 있으며, 실리콘 기판에 통상의 식각 공정 또는 기계 가공 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 폴리머 액츄에이터(180)는 P(VDF-TrFE_CFE), P(VDF-TrFE-CTFE)와 같은 혼성 중합체로 제작된 완화형 강유전성(relaxor ferroelectric) 폴리머 액츄에이터가 될 수 있다.First, as shown in FIG. 12A, the fixed frame 160 is prepared, and the polymer actuator 180 is bonded to one surface thereof. The fixed frame 160 has a shape having a plurality of through holes, for example, may have the shape shown in FIG. 1, and may be formed on a silicon substrate using a conventional etching process or a machining process. . The polymer actuator 180 may be a relaxed ferroelectric polymer actuator made of a hybrid polymer such as P (VDF-TrFE_CFE) and P (VDF-TrFE-CTFE).

다음, 도 12b를 참조하면, 고정 프레임(160)의 일면에 광학 멤브레인(140)을 형성한다. 이 때, 고정 프레임(160)이 폴리머 액츄에이터(180)에 형성된 면과 동일 한 면에 광학 멤브레인(140)이 형성된다. 도면에서는 고정 프레임(160)의 일면 영역 중에서 폴리머 액츄에이터(180)가 형성되지 않은 영역에만 광학 멤브레인(140)이 형성된 것으로 도시되어 있지만, 폴리머 액츄에이터(180)의 일부나 전체를 덮는 형태로 형성되는 것도 가능하다. 광학 멤브레인(140)은 투광성 탄성막으로서, 예를 들어, 실리콘 탄성중합체(elastomer) 또는 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane;PDMS)으로 이루어질 수 있다.Next, referring to FIG. 12B, the optical membrane 140 is formed on one surface of the fixed frame 160. At this time, the optical membrane 140 is formed on the same surface as the fixed frame 160 is formed on the polymer actuator 180. Although the optical membrane 140 is illustrated in only one region of one surface of the fixed frame 160 where the polymer actuator 180 is not formed, the optical membrane 140 may be formed to cover a part or the entirety of the polymer actuator 180. It is possible. The optical membrane 140 is a translucent elastic membrane, and may be formed of, for example, a silicone elastomer or a polydimethylsiloxane (PDMS).

다음, 도 12c와 같이, 유실(FC)이 형성되도록 스페이서 프레임(120)을 형성한다. 즉, 스페이서 프레임(120), 폴리머 액츄에이터(180) 및 광학 멤브레인(140)에 의해 형성되는 공간이 광학 유체가 채워질 유실(FC)이 된다. 스페이서 프레임(120)을 접합할 때, 진공 접합하거나 또는 접착 물질(adhesive)를 사용할 수 있다.Next, as shown in FIG. 12C, the spacer frame 120 is formed to form the loss FC. That is, the space formed by the spacer frame 120, the polymer actuator 180, and the optical membrane 140 becomes a loss FC to be filled with the optical fluid. When bonding the spacer frame 120, it is possible to vacuum bond or use an adhesive material.

다음, 도 12d와 같이 광학 유체(170)로 유실(FC)을 채우고, 도 11e와 같이 투광성 기판(110)으로, 광학 유체(170)를 밀봉한다. Next, the oil chamber FC is filled with the optical fluid 170 as shown in FIG. 12D, and the optical fluid 170 is sealed with the light transmissive substrate 110 as shown in FIG. 11E.

상술한 단계들에 의한 본 발명의 실시예의 가변 초점 렌즈(400)가 제조된다.According to the above steps, the variable focus lens 400 of the embodiment of the present invention is manufactured.

도 13a 내지 도 13d, 도 14a 및 14b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변초점렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.13A to 13D, and FIGS. 14A and 14B are diagrams illustrating steps of a method of manufacturing a variable focus lens according to another exemplary embodiment of the present invention.

먼저, 도 13a를 참조하면, 고정 프레임(160) 상에 폴리머 액츄에이터(180)를 형성한다. 고정 프레임(160)은 폴리머 액츄에이터(180)의 변형을 지지하기 위해, 폴리머 액츄에이터(180)에 고정되게 마련된다. 고정 프레임(160)은 렌즈홀과 복수의 관통홀을 가지는 형상으로, 예를 들어, 도 1에서 도시한 형상을 가질 수 있다. First, referring to FIG. 13A, a polymer actuator 180 is formed on the fixed frame 160. The fixed frame 160 is provided to be fixed to the polymer actuator 180 in order to support deformation of the polymer actuator 180. The fixed frame 160 may have a lens hole and a plurality of through holes. For example, the fixing frame 160 may have a shape shown in FIG. 1.

도 13b를 참조하면, 광학 멤브레인(148)을 준비하고, 광학 멤브레인(148)의 가장자리를 측벽으로 둘러싸는 형태의 스페이서 프레임을 광학 멤브레인(148)의 일면에 부착하여 유실(FC)이 되는 내부 공간을 형성한다.Referring to FIG. 13B, an internal space in which an optical membrane 148 is prepared and attached to one surface of the optical membrane 148 by attaching a spacer frame having a sidewall surrounding the edge of the optical membrane 148 to be a loss FC. To form.

도 13c를 참조하면, 상기 내부 공간에 광학 유체(170)를 주입하고, 투광성 기판(110)을 스페이서 프레임(120)에 접합하여 광학 유체(170)를 밀봉한다. Referring to FIG. 13C, the optical fluid 170 is injected into the inner space, and the light transmissive substrate 110 is bonded to the spacer frame 120 to seal the optical fluid 170.

도 13d를 참조하면, 폴리머 액츄에이터(180)가 형성된 고정 프레임(160)을 광학 멤브레인(148)의 다른 일면에 부착하여, 가변 초점 렌즈(500)가 제조된다.13D, the variable focus lens 500 is manufactured by attaching the fixed frame 160 having the polymer actuator 180 to the other surface of the optical membrane 148.

상술한 도 13a 내지 도 13d의 각 단계의 순서는 예시적인 것이며, 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 14a와 같이, 광학 멤브레인(148)의 일면 상에 스페이서 프레임(120)을 부착하여 유실(FC)이 되는 내부 공간을 형성하고, 폴리머 액츄에이터(180)가 접합된 고정 프레임(160)을 광학 멤브레인(148)의 다른 일면에 접합한 후에, 도 14b와 같이 내부 공간을 광학 유체(170)로 채운 후 투광성 기판(110)을 스페이서 프레임(120)상에 형성하는 것도 가능하다.The order of each step of FIGS. 13A to 13D described above is exemplary and may be changed as necessary. For example, as shown in FIG. 14A, the spacer frame 120 is attached to one surface of the optical membrane 148 to form an inner space that becomes a loss FC, and the fixed frame 160 to which the polymer actuator 180 is bonded. ) Is bonded to the other surface of the optical membrane 148, it is also possible to form the light transmissive substrate 110 on the spacer frame 120 after filling the internal space with the optical fluid 170 as shown in Figure 14b.

이상, 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈 및 그 제조방법에 의하면, 렌즈 직경을 줄이는 것이 용이하며 신뢰성이 높은 가변 초점 렌즈가 제공된다.As described above, according to the variable focus lens and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention, it is easy to reduce the lens diameter and a highly reliable variable focus lens is provided.

이러한 설명을 위하여 많은 것들이 예시되었으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도면에서는 폴리머 액츄에이터(180)는 전압 인가에 따라 아래로 만곡 변형되고 이에 따라 렌즈면(140a,142a,145a,148a)이 볼록하게 변형되는 것으로 나타나 있으나, 폴리머 액츄에이터(180)가 위로 만곡 변형되고 렌즈면(140a,142a,145a,148a)이 오목하게 변형되는 것도 가능하다. 또한, 투광성 기 판(110)이 렌즈면(140a,142a,145a,148a)에 대응하는 영역이 평탄한 것으로 도시되었으나, 필요에 따라 오목, 또는 볼록한 면으로 형성되는 것도 가능하다. Many things have been illustrated for this purpose, but the present invention is not limited thereto. For example, although the polymer actuator 180 is curvedly deformed downward according to voltage application, the lens surfaces 140a, 142a, 145a, and 148a are convexly deformed according to the drawing, but the polymer actuator 180 is upward. It is also possible that the curved deformation and the lens surfaces 140a, 142a, 145a, 148a are concave deformation. In addition, although the region corresponding to the lens surfaces 140a, 142a, 145a, and 148a is illustrated as being flat, the transparent substrate 110 may be formed as a concave or convex surface as necessary.

이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings for ease of understanding, but this is merely exemplary, those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 분리 사시도이다.1 is an exploded perspective view showing a schematic structure of a variable focus lens according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 부분 절개 사시도이다.2 is a partially cutaway perspective view illustrating a schematic structure of a variable focus lens according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 3 is a cross-sectional view illustrating a schematic structure of a variable focus lens according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 초점 렌즈와의 비교예로서 도시한 가변 초점 렌즈의 개략적인 단면도이다.4 is a schematic cross-sectional view of a variable focus lens shown as a comparative example with a variable focus lens according to an embodiment of the present invention.

도 5는 렌즈 직경과 공간 주파수의 관계를 비교예와 실시예에 대하여 도시한 그래프이다.5 is a graph showing the relationship between the lens diameter and the spatial frequency with respect to Comparative Examples and Examples.

도 6은 렌즈 직경에 따른 형상 에러를 광학 멤브레인의 두께, 영률의 몇가지 조합에 대하여 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the shape error according to the lens diameter for some combinations of the thickness and Young's modulus of the optical membrane.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a variable focus lens according to another embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a variable focus lens according to still another embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.9 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a variable focus lens according to still another embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈의 개략적인 구성 을 보이는 단면도이다.10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a variable focus lens according to still another embodiment of the present invention.

도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 실시예에 의한 가변초점렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.11A to 11E are diagrams illustrating steps of a method of manufacturing a variable focus lens according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변초점렌즈 제조방법의 단계들을 설명하는 도면이다.12A to 12E are diagrams illustrating steps of a method of manufacturing a variable focus lens according to another exemplary embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110,130...투광성 기판 120...스페이서 프레임110, 130 ... Translucent substrate 120 ... Spacer frame

140,142,145, 148...광학 멤브레인 160...고정 프레임140,142,145, 148 ... optical membrane 160 ... fixed frame

170...광학 유체 180...폴리머 액츄에이터170 ... optical fluid 180 ... polymer actuator

Claims

Translucent substrate;

A spacer frame provided to form an inner space on the light transmissive substrate;

A fixing frame having a lens hole and at least one through hole, the first frame and the second surface facing each other, and the first surface being disposed adjacent to the spacer frame;

An optical membrane having a lens surface corresponding to the lens hole of the fixed frame and disposed to face the first surface;

An optical fluid to fill the internal space;

And an actuator provided to be fixed to the fixed frame and configured to change a shape of the lens surface by applying pressure to the optical fluid.

The method of claim 1,

The spacer frame is a variable focus lens provided to form an inner space surrounding the edge of the translucent substrate with a side wall.

The method of claim 1,

The through hole is composed of a plurality of through holes,

And the plurality of through holes are formed around the lens hole.

The method of claim 3,

The actuator is a variable focus lens is a polymer actuator provided in the form of sealing the plurality of through holes.

The method of claim 4, wherein

The polymer actuator is formed on the second surface,

And the optical fluid is provided to fill a space formed by the light-transmissive substrate, the spacer frame, the fixed frame, the optical membrane, and the polymer actuator.

The method of claim 4, wherein

The polymer actuator is formed on the first surface,

And the optical fluid is provided to fill a space formed by the light transmissive substrate, the spacer frame, the optical membrane, and the polymer actuator.

The method of claim 4, wherein

The polymer actuator is formed on the first surface,

The optical membrane is a variable focus lens provided on the spacer frame in the form of sealing the internal space filled with the optical fluid.

The method of claim 4, wherein

The polymer actuator is a variable focus lens made of P (VDF-TrFE_CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE) material.

The method according to any one of claims 1 to 8,

The optical membrane is a variable focus lens made of a silicone elastomer.

The method according to any one of claims 1 to 8,

The variable focus lens of which the light transmissive substrate and the spacer frame are integrally formed.

The method according to any one of claims 1 to 8,

The fixed frame is a variable focus lens formed of a silicon material.

The method according to any one of claims 1 to 8,

And the optical fluid is silicone oil.

In the variable focus lens for adding the imaging optical system having a predetermined focal length to adjust the overall focal length,

Translucent substrate;

An optical fluid to fill the internal space;

It is provided to be fixed to the fixed frame, the actuator for applying a pressure to the optical fluid to change the shape of the lens surface; includes;

And the diameter D of the lens hole satisfies the following formula when the incident aperture A, the angle of view is 2ω, and the distance from the imaging optical system to the lens surface is d, where the light from the imaging optical system is incident.

D ≥ A + 2dtanω

The method of claim 13,

The spacer frame is formed in a form to form an inner space surrounding the edge of the transparent substrate with a side wall.

The method of claim 13,

The through hole is composed of a plurality of through holes,

And the plurality of through holes are formed around the lens hole.

The method of claim 15,

The method of claim 16,

The polymer actuator is formed on the second surface,

The method of claim 16,

The polymer actuator is formed on the first surface,

The method of claim 16,

The polymer actuator is formed on the first surface,

Forming a fixing frame having a first surface and a second surface facing and formed with a lens hole and at least one through hole, and forming a polymer actuator on the first surface to be fixed to the fixing frame;

Forming an optical membrane on the second surface having a lens surface corresponding to the lens hole;

Forming a spacer frame to form a predetermined inner space together with the polymer actuator, the fixed frame, and the optical membrane;

Filling the internal space with an optical fluid;

And forming a translucent substrate sealing the optical fluid on the spacer frame.

Forming a fixing frame having a lens hole and at least one through hole, and having a first surface and a second surface facing each other, and forming a polymer actuator on the first surface to be fixed to the fixing frame;

Forming an optical membrane on the first surface having a lens surface corresponding to the lens hole;

Forming a spacer frame to form a predetermined inner space together with the polymer actuator and the optical membrane;

Filling the internal space with an optical fluid;

Forming a fixing frame having a lens hole and at least one through hole, and forming a polymer actuator on the fixing frame to be fixed to the fixing frame;

Preparing an optical membrane having opposing first and second surfaces, and forming an inner space by forming a spacer frame on the first surface, the spacer frame having a sidewall surrounding the edge of the optical membrane;

Injecting an optical fluid into the interior space;

Forming a light transmissive substrate sealing the optical fluid on the spacer frame;

Attaching a fixing frame having the polymer actuator to the second surface of the optical membrane.

The method according to any one of claims 20 to 22,

The method of manufacturing a variable focus lens for forming the optical membrane made of a silicone elastomer material.

The method according to any one of claims 20 to 22,

The variable focus lens manufacturing method of forming the fixed frame made of a silicon material.

The method according to any one of claims 20 to 22,

The method of manufacturing a variable focus lens for forming the polymer actuator of P (VDF-TrFE_CFE) or P (VDF-TrFE-CTFE) material.

The method according to any one of claims 20 to 22,

Method of manufacturing a variable focus lens using silicon oil as the optical fluid