KR20150018924A - 가변형 광학 소자 - Google Patents

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KR20150018924A
KR20150018924A KR20130095004A KR20130095004A KR20150018924A KR 20150018924 A KR20150018924 A KR 20150018924A KR 20130095004 A KR20130095004 A KR 20130095004A KR 20130095004 A KR20130095004 A KR 20130095004A KR 20150018924 A KR20150018924 A KR 20150018924A
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variable
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윤성률
박선택
박봉제
남세광
김재환
김선국
김상연
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자는, 가변형 렌즈, 상기 가변형 렌즈에 연결되는 액추에이터 및 상기 액추에이터를 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 액추에이터는 전기적 신호에 따라 형상이 변할 수 있다.

Description

가변형 광학 소자{Shape-variable optical element}
본 발명은 가변형 광학 소자에 관한 것이다.
전기 활성 폴리머(electroactive polymer, EAP) 등을 이용하여 얇은 필름 구조의 양단에 전기장을 가했을 때 수축 또는 신장되는 렌즈가 있다. 예를 들어, 한국 특허출원 제2007-0073050호에 따르면, 렌즈 모양의 고분자 필름 양면에 전극을 형성하여 고분자 필름 자체가 가변형 렌즈 역할을 한다. 미국 특허 출원 제11/807,667호에 따른 광학 소자도 유사한 구조를 갖는다. 그러나 고분자는 전기장을 가했을 때 늘어나고 줄어드는 운동에는 장점을 보이나, 두께가 매우 얇아 초점 거리 변화량에 한계가 있다.
한편, 미국 등록 특허 제8363330호에 개시된 가변형 박막(membrane)은 유연 렌즈부와 주변에 설치되는 다수의 액추에이팅부로 구성되고, 액추에이팅부는 모양의 변화 없이 정전기력을 이용한 기구적 움직임으로 레버처럼 유연 렌즈부에 힘을 가하여 내부의 압력 변화를 유도함으로써 렌즈를 부풀게 하거나 수축시키는 방법으로 초점 거리를 조절한다.
본 발명은 가변형 렌즈의 위치와 초점 거리를 모두 변화시킬 수 있는 광학 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자는, 가변형 렌즈, 상기 가변형 렌즈에 연결되는 액추에이터 및 상기 액추에이터를 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 액추에이터는 전기적 신호에 따라 형상이 변할 수 있다.
또한, 상기 액추에이터는, 상기 가변형 렌즈의 제1 부분에 연결되는 제1 액추에이터 및 상기 가변형 렌즈의 제2 부분에 연결되는 제2 액추에이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 상기 가변형 렌즈의 중심을 기준으로 대칭될 수 있다.
또한, 상기 제1 액추에이터와 상기 제2 액추에이터는 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 상기 액추에이터는, 상기 가변형 렌즈의 제3 부분에 연결되는 제3 액추에이터 및 상기 가변형 렌즈의 제4 부분에 연결되는 제4 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 부분과 상기 제4 부분은 상기 가변형 렌즈의 중심을 기준으로 대칭될 수 있다.
또한, 상기 제3 액추에이터와 상기 제4 액추에이터는 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 상기 제1 액추에이터, 상기 제2 액추에이터, 상기 제3 액추에이터, 및 상기 제4 액추에이터 중 서로 인접한 두 액추에이터들이 상기 가변형 렌즈의 중심과 이루는 각도는 모두 동일할 수 있다.
또한, 상기 액추에이터는 전기 활성 고분자(electroactive polymer)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자에 의하면 가변형 렌즈의 위치와 초점 거리를 모두 변화시킬 수 있다.
도1a는 수정체의 초점 거리를 조절하여 사람의 눈에 상이 맺히는 과정을 나타내는 개략도이다.
도1b는 안구의 운동을 일으키는 안구 주변의 근육 배치를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자를 나타내는 개략도이다.
도3a는 도2의 액추에이터가 신장한 상태를 나타내는 개략도이다.
도3b는 도3a에 대응하는 평면도이다.
도3c는 도2의 액추에이터가 수축한 상태를 나타내는 개략도이다.
도3d는 도3c에 대응하는 평면도이다.
도4a는 도2의 가변형 렌즈의 위치를 조정하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도4b는 도2의 가변형 렌즈의 위치를 조정하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도4c는 도4a에 대응하는 평면도이다.
도4d는 도4b에 대응하는 평면도이다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 광학 소자를 나타내는 개략도이다.
도6은 도5의 가변형 광학 소자를 복수 개로 포함한 어레이 구조를 나타내는 개략도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다거나 “접속되어”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어”있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함될 수 있다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도1a는 수정체의 초점 거리를 조절하여 사람의 눈에 상이 맺히는 과정을 나타내는 개략도이고, 도1b는 안구의 운동을 일으키는 안구 주변의 근육 배치를 나타내는 개략도이다.
도1a를 참조하면, 눈을 이용하여 외부로부터 정보를 받아 들일 때 물체와의 거리에 따라 볼록 렌즈 역할을 하는 수정체(101)의 볼록한 정도를 조절함으로써 망막에 상이 맺힐 수 있도록 한다.
일반적으로 물체와의 거리가 가까울 경우 수정체(101)는 볼록해짐으로써 초점 거리를 짧게 하여 망막에 상이 맺히도록 한다. 반면 물체와의 거리가 멀 경우 수정체(102)는 덜 볼록해짐으로써 초점 거리를 길게 하여 망막에 상이 맺힐 수 있도록 한다. 이때 수정체(101)의 볼록한 정도를 조절하기 위해서 수정체(101) 주변에 연결된 모양체(102) 등의 근육을 수축 또는 이완시킴으로써 수정체(101)의 초점 거리를 조절한다.
도1b를 참조하면, 안구 주변에는 다수의 쌍을 이루는 근육들(103, 104, 105, 106, 107, 108)이 존재하며, 각 근육의 수축과 이완에 따라 안구가 상하좌우로 회전한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자는 이상 설명한 안구의 운동을 응용한 것인데, 이하에서 이에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자를 나타내는 개략도이다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자(200)는 가변형 렌즈(201), 액추에이터(203) 및 지지부(205)를 포함한다.
가변형 렌즈(201)는 유연성 있는 소재로 이루어져 신축 가능한 투명 렌즈로서, 사람 눈의 수정체에 대응할 수 있다. 가변형 렌즈(201)는 내부에 유체를 채운 주머니 형태를 가질 수도 있고 유연성 있는 고체일 수도 있다.
액추에이터(203)는 가변형 렌즈(201)에 연결되는데, 전기적 신호에 따라 형상이 변한다. 액추에이터(203)는 그 형상이 변함으로써 가변형 렌즈(201)의 위치를 바꾸거나 가변형 렌즈(201)의 초점 거리를 조정할 수 있다.
액추에이터(203)는 전기 활성 고분자(electroactive polymer)나 압전 필름 등으로 이루어질 수 있다. 전기 활성 고분자의 예로는 절연 엘라스토머(dielectric elastomer)가 있다. 절연 엘라스토머는 얇은 필름 형태로 제작할 수 있고 투명도가 높다.
한편, 액추에이터(203)에 전기적 신호를 전달하는 전극(미도시)이 구비될 수 있는데, 전극은 투명하고 유연한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전극은 그래핀, 금속 나노 와이어, ITO(Indium Tin Oxide) 등으로 이루어질 수 있다. 따라서 필름 형 전기 활성 고분자로 액추에이터를 제작하고 그 윗면과 아랫면에 각각 전극을 구비한 후 외부 전압을 인가하여 전위차를 발생시키면 이 전위차에 따라 액추에이터가 평면 방향으로 늘어남으로써 그 형상이 변화할 수 있다.
액추에이터(203)는 가변형 렌즈(201)의 제1 부분(201a)에 연결되는 제1 액추에이터(203a)와 제2 부분(201b)에 연결되는 제2 액추에이터(203b)를 포함할 수 있다. 가변형 렌즈(201)의 제1 부분(201a)과 제2 부분(201b)은 서로 다른 위치에 있다. 예를 들어 가변형 렌즈(201)의 중심(C)을 기준으로 서로 대칭일 수 있고, 이 경우 제1 액추에이터(203a)와 제2 액추에이터(203b)도 서로 대칭이 될 수 있다.
한편, 제1 액추에이터(203a)와 제2 액추에이터(203b)는 각각 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 제1 액추에이터(203a)가 신장하거나 수축하는 경우 제2 액추에이터(203b)는 신장할 수도 있고 수축할 수도 있으며, 형상 변화가 없을 수도 있다. 이와 마찬가지로, 제2 액추에이터(203b)가 신장하거나 수축하는 경우 제1 액추에이터(203a)가 신장할 수도 있고 수축할 수도 있으며, 그 형상에 변화가 없을 수도 있다.
다른 한편, 액추에이터가 3개 이상 구비될 수도 있으며, 그 경우에도 각 액추에이터는 독립적으로 제어될 수 있다. 나아가, 액추에이터가 짝수 개로 구비되는 경우에는 가변형 렌즈와 액추에이터들 간에 균형을 유지하기가 쉬워지므로 안정적인 구조를 이룰 수 있다. 예를 들어, 액추에이터를 4개 구비하는 경우 서로 인접한 액추에이터들이 가변형 렌즈의 중심을 기준으로 이루는 각도가 모두 동일하도록 배치될 수 있다. 이 경우 액추에이터가 배치된 형상은 십(十) 자 형상이 될 수 있다.
지지부(205)는 가변형 렌즈(201)로부터 소정 거리 이격된 채 가변형 렌즈(201)를 둘러싼다. 일례로, 지지부(205)는 고리 형상일 수 있다. 지지부(205)의 내주면에는 액추에이터(203)가 연결되어 지지부(205)에 의해 지지된다. 즉, 액추에이터(203)의 한 쪽은 가변형 렌즈(201)에 연결되고 다른 쪽은 지지부(205)에 연결된다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 지지부(205)는 다른 구성 요소에 고정된다. 따라서 액추에이터(203)가 수축하거나 신장하더라도 지지부(205)는 움직이지 않는다. 이와 달리, 가변형 렌즈(201)는 액추에이터(203)의 수축이나 신장에 따른 힘을 받아 형상이나 위치 변화를 일으킨다.
도3a는 도2의 액추에이터가 신장한 상태를 나타내는 개략도이고, 도3b는 도3a에 대응하는 평면도이다.
도3a 및 도3b를 참조하면, 제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(203a, 203b, 203c, 203d)가 모두 신장하였다. 이에 따라 지지부(205)로부터 가변형 렌즈(201)의 중심을 향해 힘이 가해지므로 가변형 렌즈(201)가 수축된다. 결국, 가변형 렌즈(201)의 두께는 두꺼워지고 폭은 좁아진다. 이러한 형상 변화에 따라 가변형 렌즈(201)의 초점 거리가 변화한다.
도3c는 도2의 액추에이터가 수축한 상태를 나타내는 개략도이고, 도3d는 도3c에 대응하는 평면도이다.
도3c 및 도3d를 참조하면, 제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(203a, 203b, 203c, 203d)가 모두 수축하였다. 이에 따라 제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(203a, 203b, 203c, 203d)의 중심을 향하도록 그 양쪽 끝에 힘(수축력)이 가해진다.
제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(203a, 203b, 203c, 203d)의 한 쪽 끝은 지지부(205)에 고정되어 있는데 지지부(205) 역시 타 구성 요소(미도시)에 고정되어 있다. 그러므로 제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(203a, 203b, 203c, 203d)가 수축하면서 가변형 렌즈(201)의 중심을 향하도록 지지부(205)에 힘이 가해지더라도 지지부(205)는 움직이지 않는다.
한편, 제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(203a, 203b, 203c, 203d)의 다른 쪽 끝은 가변형 렌즈(201)에 연결되어 있으므로, 제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(203a, 203b, 203c, 203d)가 수축함에 따라 지지부(205)를 향하도록 가변형 렌즈(201)에 힘이 가해진다. 그런데 가변형 렌즈(201)는 신축성이 있으므로 지지부(205) 방향으로 신장된다. 결국, 가변형 렌즈(201)의 두께는 얇아지고 폭은 넓어진다. 이러한 형상 변화에 따라 가변형 렌즈(201)의 초점 거리가 변화한다.
도4a 및 도4b는 도2의 가변형 렌즈의 위치를 조정하는 방법을 나타내는 개략도이고, 도4c 및 도4d는 도4a 및 도4b에 각각 대응하는 평면도이다.
도4a 및 도4c를 참조하면, 제1 액추에이터(203a)는 수축하고 제2 액추에이터(203b)는 신장한다. 제3 및 제4 액추에이터(203c, 203d)는 형상 변화가 없다. 이에 따라 가변형 렌즈(201)는 도4a의 왼쪽 방향으로 힘을 받아 이동하게 된다.
반면, 도4b 및 도4d를 참조하면, 제1 액추에이터(203a)는 신장하고 제2 액추에이터(203b)는 수축한다. 제3 및 제4 액추에이터(203c, 203d)는 형상 변화가 없다. 이에 따라 가변형 렌즈(201)는 도4b의 오른쪽 방향으로 힘을 받아 이동하게 된다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 광학 소자를 나타내는 개략도이다.
도5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 광학 소자(500)는 가변형 렌즈(501), 액추에이터(503) 및 지지부(505)를 포함한다. 가변형 렌즈(501)에 연결된 액추에이터(503)는 제1, 제2, 제3 및 제4 액추에이터(503a, 503b, 503c, 503d)를 포함한다. 여기서 액추에이터들(503a, 503b, 503c, 503d)의 간격은 매우 좁으며, 가변형 렌즈(501)와 지지부(505) 사이의 공간을 액추에이터들(503a, 503b, 503c, 503d)이 대부분 차지한다. 이렇게 액추에이터(503)를 크게 형성하는 경우 가변형 렌즈(501)를 더 안정적으로 지지할 수도 있다. 한편, 이 경우 액추에이터(503)와 이에 연결된 전극(미도시)을 모두 투명한 소재로 형성할 수 있다. 또한, 이러한 광학 소자를 복수 개 마련하여 도6에 도시된 어레이(array) 구조로 형성할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자에서는 가변형 렌즈의 초점 거리 변화량을 자유롭게 제어할 수 있다. 또한, 형상 변화가 가능한 액추에이터를 이용하여 가변형 렌즈의 형상과 위치를 각각 변화시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 광학 소자에서는 액추에이터가 특정 방향으로 신장하거나 수축하여 가변형 렌즈에 가해지는 힘의 크기와 방향에 변화를 일으킴으로써 가변형 렌즈의 형상 변화를 일으킬 뿐만 아니라 그 위치도 바꿀 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 가변형 광학 소자 201: 가변형 렌즈
203: 액추에이터 205: 지지부
500: 가변형 광학 소자 501: 가변형 렌즈
503: 액추에이터 505: 지지부

Claims (9)

  1. 가변형 렌즈,
    상기 가변형 렌즈에 연결되는 액추에이터 및
    상기 액추에이터를 지지하는 지지부
    를 포함하고,
    상기 액추에이터는 전기적 신호에 따라 형상이 변하는 가변형 광학 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 액추에이터는,
    상기 가변형 렌즈의 제1 부분에 연결되는 제1 액추에이터 및
    상기 가변형 렌즈의 제2 부분에 연결되는 제2 액추에이터
    를 포함하는 가변형 광학 소자.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 상기 가변형 렌즈의 중심을 기준으로 대칭되는 가변형 광학 소자.
  4. 제2항 또는 제3항에서,
    상기 제1 액추에이터와 상기 제2 액추에이터는 독립적으로 제어되는 가변형 광학 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 액추에이터는,
    상기 가변형 렌즈의 제3 부분에 연결되는 제3 액추에이터 및
    상기 가변형 렌즈의 제4 부분에 연결되는 제4 액추에이터
    를 더 포함하는 가변형 광학 소자.
  6. 제5항에서,
    상기 제3 부분과 상기 제4 부분은 상기 가변형 렌즈의 중심을 기준으로 대칭되는 가변형 광학 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 제3 액추에이터와 상기 제4 액추에이터는 독립적으로 제어되는 가변형 광학 소자.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 액추에이터, 상기 제2 액추에이터, 상기 제3 액추에이터, 및 상기 제4 액추에이터 중 서로 인접한 두 액추에이터들이 상기 가변형 렌즈의 중심과 이루는 각도는 모두 동일한 가변형 광학 소자.
  9. 제1항에서,
    상기 액추에이터는 전기 활성 고분자(electroactive polymer)로 이루어진 가변형 광학 소자.
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