KR20120093464A - 한 쌍의 실리콘 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 같은 압력에 대해 다른 변형률 및 변형 특성을 갖는 서로 두께와 성분 조성비가 다른 한 쌍의 PDMS 고분자 투명 필름을 양측에 구비하고 내측에 오일이나 물과 같은 투명 유동성 굴절액을 포함함으로써, 입사하는 빛이 내측의 유동성 굴절액을 통과할 때 하나의 점에 초점을 맺지 못하고 다른 초점거리를 갖는 비구면 특성을 억제하고, 보이스코일에 흐르는 전류의 크기와 방향을 조절함으로써, 외측에 설비된 영구자석과 결합된 압축피스톤을 움직임으로써 동작하는 내부 유동성 굴절액의 공간적 부피 변화에 의한 연속적인 초점거리를 갖는 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 구조가 제공된다.

Description

한 쌍의 실리콘 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈{ELECTRO-CONTROLLABLE ASPHERIC FLUIDIC LENS WITH A FAIR OF PDMS MEMBRANES}

본 발명은 두께 및 조성물이 다른 한 쌍의 PDMS 투명 필름을 이용하여 보이스 코일에 흐르는 전류로 동작하는 영구자석에 의한 전기적으로 조절가능한 굴절률을 갖는 초점 가변형 비구면 유동성 렌즈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름과 사이에 포함된 투명 유동성 오일, 그리고 오일 튜브로 구성된 유체 렌즈에 상하로 움직이는 영구자석을 구비함으로써, 내부에 유동성 굴절액의 기계적 유동에 의한 곡률을 조절함으로써, 피사체로부터 나오는 빛을 가변적으로 변화시키는 비구면 특성을 갖는 전기가변형 초점거리를 갖는 유체 렌즈에 관한 것이다.

렌즈{lens}는 빛을 모으거나 분산시키는 도구로, 보통 유리로 만든다. 전자기파를 위해서 만든 비슷한 도구도 렌즈로 불리는데, 렌즈는 빛의 직진과 굴절의 성질을 이용하여 상을 확대, 축소한다.

빛은 동일한 매질을 통과할 때에는 직진하나 다른 매질을 만나면 반사, 굴절한다. 렌즈와 연관지어 설명하면 공기 중을 통과하는 빛은 직진하다 렌즈를 만나면 반사, 굴절하게 된다.

렌즈의 주 재료인 유리는 빛의 대부분을 통과시키기 때문에 반사가 적고 대부분 굴절하게 된다. 빛은 렌즈의 두꺼운 쪽으로 굴절하기 때문에 렌즈의 가운데 부분의 두께가 가장자리보다 두꺼운 볼록렌즈의 경우 가운데 쪽으로 빛이 모이게 되고 렌즈의 가장자리 부분의 두께가 가운데보다 두꺼운 오목렌즈의 경우에는 빛이 가장자리로 굴절되므로 빛이 퍼져 나가게 된다.

종래의 단일막 PDMS 고분자 필름을 이용한 유체렌즈의 경우 한쪽 면이 팽창 혹은 이완하면서 생기는 내부 오일의 변형에 의한 초점거리 조절은 가능하나, 그로 인하여 큰 구면 수차가 생기고, 이렇게 발생한 구면 수차를 해결하기 위해 유체 렌즈 양쪽으로 많은 수의 비구면 렌즈가 결합하게 된다.

따라서 구면 수차를 최소로 하는 유체렌즈의 개발이 필수적이며, 렌즈의 곡률 조절을 위한 저전력 기계 구조의 개발이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 고정된 렌즈의 거리 차에 의한 초점 구현방식이 아닌, 인간의 수정체와 유사한 형태로 이미지센서 상측에 구비된 투명의 유동성 굴절액을 포함하는 두께와 조성비가 다른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름과 결합한 영구자석 간의 상호작용을 이용한 유동성 굴절액의 기계적 변형에 의해 굴절률이 변화하는 전기적으로 조절가능한 초점 가변형 비구면 유체 렌즈의 구조를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여,

본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈는,

투명 유동성 굴절액이나 오일을 포함하는 서로 다른 두께와 성분 조성비를 갖는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름과,

상기 하나의 PDMS 필름 일측에 투명 유동성 굴절액 및 오일을 포함하는 튜브와,

상기의 오일 튜브와 결합되어 유동성 굴절액 및 오일을 압축하거나 이완하는 영구자석 피스톤 프레임과,

상기의 피스톤 프레임에 결합된 제1 영구자석과,

보이스코일 프레임 일측에 구비된 제2 영구자석과,

상기의 제1 영구자석 및 제2 영구자석 사이에 구비된 보이스코일을 포함하여 구성되어 본 발명의 과제를 해결하게 된다.

동일한 자기 극으로 정렬된 한 쌍의 고리형태의 영구자석 사이에 놓인 전자석코일에 전류를 인가함으로써, 초기에 제1 영구자석과 제2 영구자석끼리 생성된 자기 인력의 크기를 조절하고, 유도되는 자기력에 의해 제1 영구자석 피스톤 프레임의 상하운동에 의한 PDMS 고분자 필름의 팽창과 수축작용을 통해 유동성 굴절액의 볼록렌즈 및 오목렌즈를 구현한다.

즉, 본 발명은 전류의 크기 변화에 따른 렌즈의 자유로운 곡률을 이용하여, 여러 단계의 렌즈를 형성시킬 수 있으며, 이것을 이용하여 인간의 수정체와 유사한 초점가변형 유체렌즈를 구현할 수 있다.

상기한 구성을 포함하는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과들을 얻을 수 있다.

한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈는 서로 다른 두께와 성부 조성비를 갖는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용하여, 내부 유체에 압력이 가해질 경우 서로 다른 변형특성으로 팽창 혹은 이완함으로써, 단면 변형에서 생기는 구면 수차를 최소화하는 유체렌즈의 구현이 가능하다.

또한 한 쌍의 영구자석의 상호작용에 의해 유체 압력을 조절하고, 가변 영역에서만 전력을 소모하므로 저전력 초점거리 조절이 가능한 렌즈 시스템 구현이 가능하다.

또한 단일의 렌즈를 통해 연속적으로 가변적인 초점을 갖는 렌즈를 구현할 수 있으므로, 휴대폰 등에 적용되어 얇은 자동초점장치를 구현할 수 있다.

또한, 단일의 렌즈 및 그 구현장치가 간단하여 제조원가를 줄이는데 경제성을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈를 도시한 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 내측 부품 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 횡축 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 종축 단면도.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명인 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈는,

제1(102) 및 제2 고정 프레임(111) 내측에 각각 구성되되,

투명 유동성 굴절액{오일, 물}을 포함하는 제1 PDMS 고분자 투명 필름(104)과 제2 PDMS 고분자 투명 필름(108)과,

상기의 제1 PDMS 고분자 투명 필름과 결합된 압축튜브(105)와,

상기의 압축튜브와 제1 PDMS 고분자 투명 필름을 고정하는 제1 압축튜브 고정프레임(103)과 제2 압축튜브 고정프레임(106)과,

상기의 제1 압축튜브 고정프레임 상측에 피스톤 프레임(101) 및 피스톤 프레임과 결합된 제1 영구자석(100)과,

제2 압축튜브 고정프레임 하측에 결합된 보이스코일 프레임(109)과,

보이스코일 프레임 내측 중앙에 결합된 제2 PDMS 투명필름(108)과,

상기의 제2 PDMS 투명필름를 고정하는 고정 링(107)과,

상기의 보이스코일 프레임 일측에 감긴 보이스코일(109a)과,

상기의 보이스코일 프레임 하측에 결합된 제2 영구자석(110)을 포함하여 구성되어 본 발명의 과제를 해결하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 외측에 제2 영구자석(110)이 결합되어 있으며, 반달 모양의 제1 영구자석(100)이 피스톤 프레임(101)에 결합되어 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈를 도시한 분해 사시도이다.

도 2를 참조하면, 제1 영구자석과 결합된 피스톤 프레임(101)이 외측에 구비되며,

내측에 제1 PDMS 고분자 필름(104)과 압축 튜브(105)가 결합되어 있으며,

상기의 압축튜브 양측에 제1 압축튜브 고정프레임(103)과 제2 압축튜브 고정프레임(106)이 결합되며,

상기의 제1 압축튜브 고정프레임과 제1 PDMS 필름 및 제2 압축튜브 고정프레임 일체가 하측의 보이스코일 프레임(109) 내측에 결합된다.

상기의 보이스코일 프레임 중앙의 일측에는 제2 PDMS 고분자 필름(108)과 제2 PDMS 필름 고정 링(107)이 결합되며,

상기의 보이스코일 프레임 내측에는 보이스코일(109a)이 감겨 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 내측 부품 분해 사시도이다.

도 3을 참조하면, 압축 튜브(105)와 제1 PDMS 고분자 투명 필름이 결합되며,

상기의 압축 튜브는 제1 압축 튜브 고정프레임(103)과 제2 압축 튜브 고정프레임(106)에 의해 고정되고,

상기의 제1 압축튜브 고정프레임과 제1 PDMS 필름과 결합된 압축튜브 그리고 제2 압축튜브 고정프레임은 경통에 제1 PDMS 필름과 두께와 성분 조성비가 다른 제2 PDMS 고분자 필름(108)과 고정 링(107)이 결합된 보이스코일 프레임(109)에 내설된다.

보이스코일(109a)에 흐르는 전류를 조절하여 외측에 구비된 피스톤 프레임(101)이 상기의 압축튜브를 압축하면, 압축튜브 내측에 포함된 투명 유동성 굴절액{오일, 물}에 압력이 강해지고 제1 및 제2 PDMS 고분자 필름을 팽창하게 하여 볼록렌즈를 구성한다.

반대로 피스톤 프레임(101)이 상기의 압축튜브를 이완하면, 압축튜브 내측에 포함된 투명 유동성 굴절액{오일, 물}에 압력이 낮아지고 제1 및 제2 PDMS 고분자 필름을 이완하여 오목렌즈를 구성한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 횡축 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈의 종축 단면도이다.

도 4 내지 도 5를 참조하면, 서로 다른 두께와 성분 조성비를 갖는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 전기가변형 초점을 갖는 유체 렌즈는 종래의 음성코일을 이용한 유리 렌즈 자체의 이동 방식이 아닌, 보이스코일을 이용하여 외측에 설비된 제2 영구자석과 자기적으로 상호 작용하는 제1 영구자석을 코일과 수직한 방향으로 운동하게 함으로써, 피스톤 프레임(101)에 의한 수축 혹은 팽창에 의한 내부 유동성 굴절액의 공간적 밀도 변화에 의해 발생하는 굴절률 변화를 이용한 유체렌즈를 구성하게 된다.

거리의 제곱에 비례하여 감쇄되는 자기력의 특성으로 인해, 상기의 제1 및 제2 영구자석의 인력에 의해 제1 영구자석과 제2 영구자석의 거리가 가까워짐에 따라 유동성 굴절액의 압력이 증가하며, 상기의 두 영구자석의 자기력의 세기도 커지는 상기의 구조는, 저전력으로 구동되는 유체렌즈에서 필수적인 구조이다.

전자석코일(109a)에 전류가 흐르지 않는, 즉 전자석이 형성되지 않는 초기 상태에서 동일한 자기 방향을 갖는 제1 영구자석(100)과 제2 영구자석(110)은 자기 인력에 의해 잡아당기고 볼록렌즈를 형성하거나, 서로 반대의 자기 방향을 갖는 제1 영구자석(100)과 제2 영구자석(110)은 자기 척력에 의해 밀어내고 오목렌즈를 형성한다.

전자석 코일에 흐르는 전류의 방향과 세기를 변화시킴으로써, 피사체로부터 입사하는 빛은 제1 영구자석과 결합된 피스톤 프레임의 운동에 의해 형성되는 굴절액의 유동적 변형에 의하여 곡률이 다른 렌즈를 만들고, 연속적으로 다른 초점거리를 만드는 가변형 렌즈를 구성한다.

제1 PDMS 고분자 필름과 두께와 성분 조성비가 다른 제2 PDMS 고분자 필름은 같은 압력에 대해 제1 PDMS 고분자 필름과 다른 변형특성이 있고,

상기의 다른 변형 특성은 제2 PDMS 필름 및 제1 PDMS 필름의 두께와 성분 조성비를 조절함으로써, 내측의 유동성 굴절액{오일, 물}을 통과한 빛이 한 초점에 맺지 않고 각각 다른 초점거리를 갖는 비구면 특성을 억제하여, 이상적인 비구면 전기가변형 유체 렌즈를 형성하도록 한다.

상기의 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈를 구성하는 데 있어, 투명 탄성 필름의 재료로는 투명도가 확보되며, 신율 및 탄성도가 좋은 실리콘필름{PDMS : Polydimethylsiloxane} 필름이 사용될수 있으며, 투명 유동성 굴절액의 재료로는 투명도가 높은 실리콘 오일{SILICONE OIL} 및 각종 유동성이 높고 밀도가 낮으며 굴절률이 높은 실리콘계 오일 및 물의 사용이 가능하다.

이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 제1 영구자석
101 : 피스톤 프레임
102 : 제1 고정 프레임
103 : 제1 압축튜브 고정프레임
104 : 제1 PDMS 투명 필름
105 : 압축 튜브
106 : 제2 압축튜브 고정프레임
107 : 제2 PDMS 고정 링
108 : 제2 PDMS 투명 필름
109 : 보이스코일 프레임
109a : 보이스코일
110 : 제2 영구자석
111 : 제2 고정 프레임

Claims (5)

1. 유동성 굴절액{물, 오일}을 포함하되,
   같은 압력에 대하여 서로 다른 변형률과 변형특성을 같은 한 쌍의 PDMS 필름과,
   상기의 한 쌍의 PDMS 필름 외측 중앙에 보이스코일과,
   상기의 보이스코일이 감긴 프레임 외측에 아래 위로 한 쌍의 영구자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비구면 전기가변형 유체 렌즈.
2. 제 1항에 있어서,
   내측의 투명 유동성 굴절액을 통과하는 빛이 하나의 초점을 갖도록 하는 서로 다른 두께와 성분조성비를 갖는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈
3. 제 2항에 있어서,
   서로 다른 두께와 성분조성비를 갖는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름과,
   상기의 한 쌍의 투명 PDMS 고분자 필름 내측에 포함된 투명 유동성 굴절액과,
   상기의 투명 PDMS 고분자 필름 외측 중앙에 결합된 보이스코일과,
   상기의 보이스 코일에 의해 움직이는 영구자석과,
   상기의 영구자석과 결합된 압축 피스톤을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈.
4. 제 2항에 있어서,
   고정 프레임 내측에 각각 구성되되,
   투명 유동성 굴절액{오일, 물}과,
   상기의 투명 유동성 굴절액을 포함하는 제1 PDMS 고분자 투명 필름(104)과 제2 PDMS 고분자 투명 필름(108)과,
   상기의 제1 PDMS 고분자 투명 필름과 결합된 압축튜브(105)와,
   상기의 압축튜브와 제1 PDMS 고분자 투명 필름을 고정하는 제1 압축튜브 고정프레임(103)과 제2 압축튜브 고정프레임(106)과,
   상기의 제1 압축튜브 고정프레임 상측에 피스톤 프레임(101) 및 피스톤 프레임과 결합된 제1 영구자석(100)과,
   제2 압축튜브 고정프레임 하측에 결합된 보이스코일 프레임(109)과,
   보이스코일 프레임 내측 중앙에 결합된 제2 PDMS 투명필름(108)과,
   상기의 제2 PDMS 투명필름를 고정하는 고정 링(107)과,
   상기의 보이스코일 프레임 일측에 감긴 보이스코일(109a)과,
   상기의 보이스코일 프레임 하측에 결합된 제2 영구자석(110)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 PDMS 고분자 필름을 이용한 비구면 전기가변형 유체 렌즈.
5. 제4항에 있어서,
   상기의 같은 압력에 대해 서로 다른 변형특성을 갖는 한 쌍의 투명 PDMS 고분자 필름과 보이스코일로 구성된 유체렌즈를 포함하는 자동초점 렌즈.
   
   

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