KR20150085043A - 배율 조절되는 액체 렌즈 - Google Patents

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KR20150085043A
KR20150085043A KR1020157015812A KR20157015812A KR20150085043A KR 20150085043 A KR20150085043 A KR 20150085043A KR 1020157015812 A KR1020157015812 A KR 1020157015812A KR 20157015812 A KR20157015812 A KR 20157015812A KR 20150085043 A KR20150085043 A KR 20150085043A
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KR1020157015812A
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아미르 에이치. 히르사
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렌슬러 폴리테크닉 인스티튜트
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Abstract

액체 렌즈 구조물 및 제조 방법을 제공한다. 상기 액체 렌즈는 기판을 통해 연장되는 채널 개구를 갖는 상기 기판을 포함한다. 액체 방울은 상기 채널내에 배치되며, 엔클로저가 상기 기판을 적어도 부분적으로 둘러싸고, 챔버를 형성한다. 상기 액체 방울은 상기 챔버내에 존재하며, 제2 액체가 상기 챔버내에, 상기 액체 방울과 제1 계면 및 제2 계면에서 직접 또는 간접적으로 접촉하면서 배치된다. 상기 제1 및 제2 계면은 각각 제1 및 제2면에 대한 제1 및 제2 돌출 액체 부분을 한정한다. 종합해서, 상기 제1 및 제2 액체 부분은 전체 돌출 액체 부피를 한정한다. 렌즈 배율 조절은 상기 제1 및 제2면에 대해 한정된 전체 돌출 액체 부피를 증가시키거나 감소시킴으로써 상기 액체 렌즈의 배율을 조정하기 위해 제공된다.

Description

배율 조절되는 액체 렌즈{LIQUID LENS WITH MAGNIFICATION CONTROL}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2012년 11월 16일자로 출원된 미국 가 특허 출원 제 61/727,265 호의 이점을 청구하며, 상기 출원은 내용 전체가 본 발명에 참고로 인용된다. 또한, 본 출원은 "고정 접촉면 진동 액체-액체 렌즈 및 영상화 시스템"이란 표제로, 2011년 7월 26일자로 출원되고, 2012년 2월 2일자로 공개된, 미국 특허 출원 제 13/190,980 호, 및 "재구성가능한, 비-진동 액체 렌즈 및 영상화 시스템"이란 표제로, 2013년 10월 23일자로 허여된 미국 특허 제 8,564,882 호와 관련되며, 이들 특허는 또한 모두 내용 전체가 본 발명에 참고로 인용된다.
본 발명은 일반적으로 적응 광학 장치 (adaptive optical device), 및 보다 특히 액체 렌즈, 및 영상화 시스템 및 상기 시스템을 사용하는 영상화 방법에 관한 것이다.
광학적 초점조정은 상이 또렷해질 때까지의 카메라 렌즈의 기계적 이동에 고유한 지연으로 인해 종종 느린 과정이다. 액체는 렌즈 물질로는 색다른 선택인 것으로 생각되지만, 빠른 반응을 요하는 적응 광학기술에서의 용도, 또는 소형 또는 비용 효과적인 광학기술을 요하는 용도의 경우 액체 렌즈가 관심을 끈다. 액체 렌즈는 유리하게는 이동식 고체 렌즈와 관련된 증가된 중량 및 조립 복잡성을 피한다. 액체 렌즈의 계면은, 중력을 밀리리터 이하 규모로 지배하는 표면 장력으로 인해 양호한 광학 성질을 가지며, 거의 완벽하게 구형이고 분자 규모 이하까지 광학적으로 매끄러운 계면을 제공한다.
소비자-수준의 무선 통신에서 최근의 영상 및 멀티미디어 사용의 급상승은 경량이면서 강한 적응 광학기술의 추구를 부추기고 있다. 그러나, 상기와 같은 렌즈에 대한 열망은 휴대폰 및 캠코더를 넘어서 생물의학 감지 및 영상화, 감시 및 방어용 자율적인 공중 및 수중 차량, 마이크로제조기술을 위한 현미경 및 적응 리소그래피 등의 진보된 기술까지 연장되고 있다.
종래 기술의 단점들은, 하나의 태양에서, 액체 렌즈를 포함하는 장치의 공급을 통해 극복되고 추가적인 이점이 제공된다. 상기 액체 렌즈는 기판의 제1면 및 제2면 사이에서 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널을 포함하는 상기 기판, 및 제1 액체를 포함하는 액체 방울 (liquid drop)을 포함한다. 상기 액체 방울은 부분적으로 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널 내에 배치되며, 상기 액체 렌즈는, 적어도 부분적으로 상기 기판을 둘러싸고 챔버를 포함하는 엔클로저(enclosure)를 추가로 포함한다. 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널은 상기 엔클로저의 챔버내에 존재한다. 제2 액체가 상기 챔버내에 배치되며, 상기 제2 액체, 및 상기 제1 액체를 포함하는 액체 방울은 상기 챔버내에서 제1 계면 및 제2 계면에서 직접 또는 간접적으로 접촉한다. 상기 제1 계면은 상기 기판의 제1면에 대한 제1 돌출 액체 부분을 한정하고, 상기 제2 계면은 상기 기판의 제2면에 대한 제2 돌출 액체 부분을 한정하며, 종합하자면, 상기 제1 및 제2 돌출 액체 부분은 전체 돌출 액체 부피를 한정한다. 렌즈 배율 조절은 상기 기판의 제1 및 제2면에 대해 한정된 상기 전체 돌출 액체 부피를 조절가능하게 증가시키거나 감소시킴으로써 상기 액체 렌즈의 배율 조정을 제공한다.
또 다른 태양에서, 액체 렌즈의 제조 방법을 제공하며, 상기 방법은 액체 방울에 대해 비-습윤성인 기판을 수득하고; 상기 기판 중에 상기 기판의 제1면으로부터 제2면까지 연장되는 하나 이상의 채널을 제공하고; 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널내에, 제1 액체를 포함하는 액체 방울을 제공하고; 상기 기판을 적어도 부분적으로 둘러싸고 챔버를 포함하는 엔클로저를 제공하고, 이때 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널이 상기 엔클로저의 챔버내에 존재하며; 상기 챔버내에 제2 액체를 배치시키고, 이때 상기 제2 액체, 및 상기 제1 액체를 포함하는 액체 방울이 상기 챔버내에서 제1 계면 및 제2 계면에서 직접 또는 간접적으로 접촉하며, 상기 제1 계면은 상기 기판의 제1면에 대한 제1 돌출 액체 부분을 한정하고, 제2 계면은 상기 기판의 제2면에 대한 제2 돌출 액체 부분을 한정하며, 종합하자면, 상기 제1 및 제2 돌출 액체 부분은 전체 돌출 액체 부피를 한정하고; 상기 기판의 제1 및 제2면에 대해 한정된 상기 전체 돌출 액체 부피를 조절가능하게 증가시키거나 감소시킴으로써 액체 렌즈의 배율을 조정하기 위한 렌즈 배율 조절을 제공함을 포함한다.
추가적인 특징 및 이점들은 본 발명의 기법을 통해 실현된다. 본 발명의 다른 실시태양 및 태양들을 본 발명에서 상세히 개시하며 이들은 특허청구된 발명의 일부로 간주된다.
본 발명의 하나 이상의 태양들을 명세서의 마지막에 있는 특허청구범위에서 예로서 구체적으로 지적하고 명백히 특허청구한다. 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부된 도면과 함께 취한 하기의 상세한 설명으로부터 자명하며, 도면에서:
도 1a & 1b는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 진동 액체 렌즈를 포함하는 장치의 하나의 실시태양을 묘사하며, 여기에서 작동장치에 응답성인 상기 렌즈의 액체 방울의 조작상 이동을, 기판의 제2면으로부터 멀리 돌출되는 제2 소적 부분(도 1a에 확대됨), 및 상기 기판의 제1면으로부터 멀리 돌출되는 제1 소적 부분(도 1b에 확대됨)과 함께 도시하고;
도 2는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 진동 액체-액체 렌즈를 사용하고 초점이 맞은 물체의 영상화를 예시하는 영상화 시스템을 포함하는 장치의 하나의 실시태양의 도식도이고;
도 3a & 3b는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 렌즈 배율 조절되는 진동 액체-액체 렌즈를 포함하는 장치의 또 다른 실시태양을 묘사하고;
도 3c & 3d는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 렌즈 배율 조절되는 진동 액체-액체 렌즈를 포함하는 장치의 추가의 실시태양을 묘사하고;
도 4는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 도 3a & 3b에 묘사된 바와 같은 렌즈 배율 조절되는 진동 액체-액체 렌즈를 사용하는 영상화 방법의 하나의 실시태양의 흐름도이고;
도 5a는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 재구성가능한(reconfigurable) 액체 렌즈 구조물을 포함하는 장치의 또 다른 실시태양의 입면도 (elevational view)이고;
도 5b는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 도 5a의 재구성가능한 액체 렌즈 구조물을 묘사하며, 상기 재구성가능한 액체 렌즈의 제1(상부) 챔버 부분으로부터 제2(하부) 챔버 부분으로 전환되는(switched) 5개의 예시된 쌍안정 모세관 변환 요소 (bi-stable capillary switching element) 중 2개를 도시하고 상기 생성된 액체 렌즈 방울의 재구성을 예시하며;
도 5c는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 도 5a & 5b의 재구성가능한 액체 렌즈 구조물을 묘사하며, 상기 재구성가능한 액체 렌즈의 제2(하부) 챔버 부분으로 전환된 나머지 쌍안정 모세관 전환 요소를 도시하고 상기 생성된 액체 렌즈 방울의 재구성을 예시하며;
도 6a는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 재구성가능한 액체 렌즈 구조물을 포함하는 장치의 또 다른 실시태양의 부분 평면도이고;
도 6b는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 도 6a의 재구성가능한 액체 렌즈 구조물의 입면도이고;
도 6c & 6d는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 도 6a & 6b의 재구성가능한 액체 렌즈 구조물을 묘사하며, 제1(상부) 챔버 부분으로부터 제2(하부) 챔버 부분으로 이행되는, 예시된 쌍안정 모세관 전환 요소 중 3개를 도시하고 생성되는 액체 렌즈 방울의 재구성을 도 6d에 예시하며;
도 6e & 6f는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 도 6c & 6d의 재구성가능한 액체 렌즈 구조물을 묘사하며, 제1(상부) 챔버 부분으로부터 제2(하부) 챔버 부분으로 이행되는, 나머지 쌍안정 모세관 전환 요소를 도시하고 생성되는 액체 렌즈 방울의 구성을 도 6f에 예시하며;
도 7은 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 렌즈 배율 조절되는 재구성가능한 액체 렌즈 구조물을 포함하는 장치의 또 다른 실시태양을 묘사하고;
도 8은 본 발명의 태양에 따른, 도 7에 묘사된 바와 같은, 렌즈 배율 조절되는 재구성가능한 액체 렌즈 구조물을 사용하는 영상화 방법의 하나의 실시태양의 흐름도이다.
본 발명의 태양 및 그의 몇몇 특징, 이점 및 세부사항들을 첨부된 도면에 예시된 비제한적인 예를 참조하여 하기에 보다 충분히 설명한다. 잘-알려진 구조에 대한 상세한 설명은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 생략한다. 그러나, 상세한 설명 및 구체적인 실시예들은 본 발명의 범위를 가리키지만, 단지 예시로서 제공되며 제한으로서 제공되지는 않는다. 기초가 되는 발명 개념의 진의 및/또는 범위내의 다양한 치환, 변화, 첨가 및/또는 배열은 본 명세로부터 당해 분야의 숙련가들에게 명백할 것이다.
본 발명은, 하나의 태양에서, 현저하게 더 빠른 초점조정 패러다임을 개시하며, 여기에서 렌즈는 최종 위치로 이동하는 대신에, 개시되는 렌즈의 형상이 계속해서 진동하고 따라서 그의 초점 거리가 계속해서 동요된다. 진동 시기에, 초점 거리는 그의 전체 범위의 값을 통해 진전되며, 동기화된 고속 센서를 사용하여 상이한 초점들에서 뚜렷한 영상을 포착한다. 0.01초 범위의 초점조정이 실험적으로 성취되었으며, 이는 진동 기간 미만이었다. 상기는 상기 시스템을 소형(예를 들어 밀리미터-크기) 액체 렌즈를 사용하여 그의 공명 진동수에서 진동시킴으로써 성취되었다. 상기 진동 액체 렌즈와 함께, 렌즈 배율 조절이 또한 유리하게 제공된다.
보다 특히, 하나의 태양에서, 본 발명은 예로서 상을 진동과 "맞게 (in synch)" 붙잡음으로써 임의의 상 평면을 주어진 범위에서 포착할 수 있는, 진동 초점 거리를 갖는 액체-액체 렌즈를 개시한다. 상기 렌즈를 진동시킴으로써, 상기 초점 거리 변화 임무가 기계적 조작으로부터, 현저하게 더 신속히 성취될 수 있는 상 포착의 전자 타이밍으로 효과적으로 변환된다. 하이파이 영상화가, 공명 및 특징적인 고정-접촉라인에서 구동되는 밀리리터-규모 액체 렌즈에 대해 100 Hz에서 입증되었다. 현저하게 더 빠른 응답은 규모가 작은 렌즈에 의해 가능할 수도 있다.
몇몇 전략은 액체 렌즈를 함유하는 멤브레인을 사용하였지만, 주로 영상 품질에 대한 상기 멤브레인의 유해한 효과 및 균일하고 오래 지속되는 멤브레인의 생산에 있어서 제조 기피로 인해, 오직 표면 장력 자체에 의해서만 구속되는 액체 렌즈가 특별히 주목을 끈다. 그러나, 표면-장력-결합된 전략조차 수 밀리미터까지의 중력 제한 구경(aperture) 및 수 분을 넘는 안정한 조작을 막는 증발에 의해 실제로는 어렵다.
이러한 문제들을 다루기 위해서, 본 발명은 액체-액체 렌즈 구조물 및 영상화 시스템 및 이를 사용하는 방법을 개시하며, 이는 적어도 30Hz 정도로 높은 안정한 조작, 센티미터-규모의 구경, 배향 독립성 및 장기간 안정성을 성취함으로써 선행 액체 렌즈의 단점들을 경감시킨다. 상기 액체-액체 렌즈는 플레이트와 같은 기판중의 제1 채널(예를 들어 환상 구멍)을 통해 제1 고굴절률 액체의 소적(droplet) 2개를 결합시키고, 상기 플레이트와 액체 렌즈를 둘러싸는 제2 액체, 예를 들어 물을 제공함으로써 형성되며, 이때 상기 렌즈 시스템은 엔클로저(예를 들어 투명한 아크릴 상자)에 의해 봉입된다. 상기 제1 액체 소적의 밀도(ρD)를 상기 주변 액체, 예를 들어 물의 밀도(ρW)와 합치시킴으로써, 모세관 길이((ρD-ρW)-1/2을 갖는 규모)를 밀리미터(기체 액체 렌즈, 예를 들어 공기 중 수 렌즈에서 전형적인 액체의 경우)에서 센티미터로 증가시킬 수 있다.
상기 소적의 곡률 변화를 수행하기 위해서(초점 거리 변화를 이루기 위해서), 상기 봉입된 렌즈 시스템을 비-침입적인 방식으로 작동시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 하나 이상의 제2 채널(또는 개구)을 상기 기판에 제공하며, 상기 채널들은 각각 2개의 연결된 비혼화성 강자성유체(ferrofluid) 소적을 수용한다. 상기 엔클로저 밖에 놓인 비교적 작은 전자기 구동자(driver)에 의해, 상기 강자성유체 방울(들)은 "액체 피스톤"으로서 작용하여, 상기 강자성유체 소적이 기판의 어느 한 면상의 제1 및 제2 챔버 부분의 고정된 부피 내에서 이동할 때 상기 제1 액체 방울(즉 액체 렌즈)을 이동시킬 수 있다. 진동 전압 신호(예를 들어 진폭 3 볼트)가 상기 전자기 구동자(예를 들어 철 코어를 갖는 150-회전 전자석)에 제공되어 진동 자기장을 생성시키고, 이는 차례로 상기 강자성유체 방울(들) 및 결과적으로 액체 방울(즉 액체 렌즈)의 진동 움직임을 생성시킨다. 간단히 하기 위해서, 하나의 실시태양에서, 단일의 전자석을 사용하여 단일의 강자성유체 방울(2개의 결합된 강자성유체 소적을 포함한다)을 섭동(perturb)시킬 수 있으며, 이때 모세관(즉 용수철같은) 작용이 복원력이다.
예로서, 도 1a & 1b는 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른 액체 렌즈 구조물(일반적으로 (100)으로 나타낸다)의 하나의 실시태양을 예시한다. 도시된 바와 같이, 액체 렌즈 구조물(100)(한편으로 본 발명에서 액체-액체 렌즈 구조물, 또는 간단히 액체 렌즈라 칭한다)은 대향되는 각각의 제1 및 제2 주면(111),(112)을 갖는 기판(110)을 포함한다. 기판(110)은 물과 같은 주변 액체의 존재하에서 상기 렌즈 및 구동 액체에 관하여 비-습윤성이며, 일례로 소수성 물질, 예를 들어 양극산화 알루미늄을 포함한다. 상기 기판(110)은 자체가 상기와 같은 비-습윤성 물질로 형성되거나, 또는 비-습윤성 물질로 코팅될 수 있지만, 본 발명에 개시된 하나 이상의 채널(또는 개구)내에서는 반드시 그렇지는 않다. 묘사된 예에서, 기판(110)은 상기 제1 주면(111) 및 제2면(112) 사이를 통해 연장되는 제1 및 제2 채널을 포함한다. 이들 제1 및 제2 채널은 단지 예로서 묘사된다. 다른 실행에서, 다수 채널의 배열이 본 발명에 개시된 액체-액체 렌즈 시스템의 액체 렌즈 부분이나 구동자 부분에 제공될 수 있다. 예를 들어, 다른 실행에서, 다수의 채널이 상기 구조물의 액체 렌즈 부분 및 구동자 부분 중 어느 하나에 또는 모두에 제공될 수 있으며, 이때 각각의 채널은 경우에 따라 공통의 횡단면적(예를 들어 공통 직경) 또는 상이한 횡단면적(예를 들어 상이한 직경)을 갖는다. 결합된 소적들의 배열은, 상이한 횡단면적을 갖는 채널을 제공하거나, 또는 동일한 횡단면적의 채널들로부터 나오는 상이한 양의 액체를 제공함으로써, 예를 들어 상이한 초점조정 특성 또는 상이한 구동 특성을 성취할 수 있다.
기판(110)의 제1 채널내에, 액체 방울(120)이 배치된다. 예로서, (상기 액체 렌즈 시스템의 렌즈 부분으로서 작용하는) 액체 방울을 수용하는 각각의 채널은 상기 기판을 통과하는 원통형-구멍(또는 구경)을 포함하며, 이때 각각의 액체 방울은 투명한 액체, 예를 들어 실리콘 오일의 방울이다. 그러나, 당해 분야의 숙련가들은 다른 액체들도 액체 렌즈로서 대안적으로 사용될 수 있음을 알 것이다. 기판(110)은 비-습윤성이므로, 액체 방출(120)은 상기 기판상에 확산되지 않으며, 액체 방울(120), 엔클로저(140)에 의해 한정된 챔버(하기에 개시됨) 내의 제2 액체(130)(예를 들어 물) 및 기판(110)간의 액체-액체-고체 접촉라인은 제1 채널의 테두리로 고정된다. 액체 방울(120)은 기판(110)의 제1면(111)으로부터 멀리 돌출되는 제1 모세관 표면을 포함하는 제1 소적 부분(121), 및 기판(110)의 제2면(112)으로부터 멀리 돌출되는 제2 모세관 표면을 포함하는 제2 소적 부분(202)(도 2A & 2B)을 포함함을 특징으로 할 수 있다. 이 실시태양에서, 상기 액체 방울 및 제2 액체는 직접 접촉하며 비혼화성이고, 이때 상기 액체 방울(120)의 제1 및 제2 모세관 표면은 본 발명에 개시된 액체-액체 렌즈의 액체 대 액체 계면으로, 상기에 나타낸 바와 같이, 표면 장력으로 인해 거의 완벽한 구형이다. 상기 액체 방울(120)의 제1 및 제2 소적 부분(121),(122)은 상기 액체 방울을 유지하는 기판(110)의 제1 채널내에 배치된 상기 액체 방울(120)의 액체 바디 부분을 통해 직접 연결(즉 상호연결)된다.
상기 소적 부분들의 대향 곡률은 상기 액체 방울(120)을, 힘이 그의 질량에 대해 작용할 때, 천연 진동자로 만드는 용수철-같은 힘을 생성시킨다. 본 발명의 태양에 따라, 일련의 매개변수들에 대해서, 상기 액체 방울(120)은 조화롭게 구동될 수 있으며, 따라서 상기 소적 부분(121),(122)의 형상이 필수적으로 구형이고 따라서 광학기술에 적합함을 입증할 수 있다. 또한, 상기 액체 렌즈를 강제로 시스템 공명시키는 것은 상기 진동 움직임이 매우 적은 에너지 투입으로 지속될 수 있게 한다. 점성이거나 또는 그렇지 않은 이동 접촉 라인과 관련된 소산 (dissipation)은 상기 접촉 라인을 비-습윤성 기판을 사용하여 고정시킴으로써 최소화된다. 더욱 또한, 상기 진동은 모세관이 점성과 반대로 관성과 균형을 이루는 경우 시간- 및 길이-규모로 발생한다. R-3/2과 같은 렌즈 반경을 갖는 액체 렌즈 규모의 천연 진동수 및 결과적으로 매우 높은 진동수 반응은 알맞은 크기의 렌즈에 의해 획득될 수 있다.
나타낸 바와 같이, 도 1a & 1b의 예시된 액체-액체 렌즈 구조물(100)은 엔클로저(140), 엔클로저(140)에 의해 한정된 챔버내에 배치된 제2 액체(130) 및 구동자(150)를 추가로 포함한다. 하나의 실시태양에서, 상기 챔버는 제1 챔버 부분(131) 및 제2 챔버 부분(132)을 포함하며, 이들은 각각 제2 액체(130)로 실질적으로 충전된다. 더욱이, 하나의 실시태양에서, 엔클로저(140)는 기부 벽, 2개의 전면 및 후면 벽, 2개의 측벽, 및 상부(또는 뚜껑)를 포함하며, 상기 상부는 이동식이어서 상기 엔클로저의 내부로의 접근을 허용할 수 있다. 예로서, 엔클로저(140)는 투명한 하우징일 수 있으며, 상기 측벽이 선반과 함께 형성되어 상기 엔클로저 내에 상기 기판을 지지하고 유지시킨다.
하나의 실시태양에서, 구동자(150)는 비-침입적으로 형성되며, 액체 방울(120)을 제1 챔버 부분(131)과 제2 챔버 부분(132) 사이에서 간접적으로 진동시킨다. 일례로서, 구동자(150)는 기판(110)의 제1 주면(111)과 제2 주면(112) 사이에 연장되는 제2 채널내에 배치된 강자성유체 방울(151), 및 전자기 구동자(155)를 포함할 수 있다. 예로서, 강자성유체 방울(151)은 기판(110)의 제1면(111)으로부터 멀리 돌출되는 제1 모세관 표면을 포함하는 제1 소적 부분(152), 및 기판(110)의 제2면(112)으로부터 멀리 돌출되는 제2 모세관 표면을 포함하는 제2 소적 부분(153)을 포함함을 특징으로 할 수 있다. 강자성유체 방울(151)의 제1 및 제2 모세관 표면들은 개시된 액체-액체 렌즈 구조물에서 액체-액체 계면이다. 상기 제1 및 제2 소적 부분(152),(153)은 기판(110)의 제2 채널내에 배치된 강자성유체 방울(151)의 액체 바디 부분을 통해 직접 연결(즉 상호연결)된다.
전자기 구동자(155), 예를 들어 철 코어를 갖는 150-회전 전자석은 진동 자기장을 생성시키며(하나의 실시태양에서), 차례로 강자성유체 방울(151)의 진동 움직임, 및 결과적으로(비압축성 제2 액체(130)를 통해) 액체 방울(120)(즉 액체 렌즈)의 진동 움직임을 생성시킨다. 액체 렌즈 방울(120)의 경우와 같이, 강자성유체 방울(151)의 대향 곡률은 강자성유체 방울(151)을, 힘이 그의 질량에 대해 작용할 때, 천연 진동자로 만드는 용수철-같은 힘을 생성시킨다. 강자성유체 방울(151)은 "액체 피스톤"으로서 작용하여, 상기 강자성유체 방울이 진동함에 따라 제1 챔버 부분(131) 및 제2 챔버 부분(132)내의 제2 액체(130)를 번갈아 이동시키고, 따라서 액체 렌즈 방울(120)을 구동시킨다. 예시된 실시태양에서, 단일 전자기 구동자(155)는 단일 강자성유체 방울(151)의 섭동에 사용되며(예로서), 모세관 작용이 복원력이다. 그러나, 본 발명에 설명된 바와 같이, 다수의 전자기 구동자를 사용하여 강자성유체 방울(151)의 진동을 보다 양의 값으로 조절할 수 있다. 또한, 다른 실행에서, 다수의 제2 채널들이 제공될 수 있으며, 이때 상기 채널들은 공통의 횡단면적(예를 들어 공통 직경) 또는 상이한 횡단면적(예를 들어 상이한 직경)을 갖는다. 상이한 횡단면적을 갖거나, 또는 채널들로부터 나오는 강자성유체 방울의 양이 상이한 다수의 제2 채널들을 제공함으로써, 상기 액체 렌즈 시스템에 대한 상이한 구동 특성을 성취할 수 있다.
당해 분야의 숙련가들은 본 발명에 제공된 설명으로부터, 상기 첫 번째 태양에서, 액체 방울(120)의 형상, 및 특히 상기 액체 방울의 상부 및 하부 계면이 주변의 제2 액체(130)의 비압축성 움직임을 통해 강자성유체 방울(151)의 연속적인 또는 간헐적인 진동에 따라 연속적으로 또는 간헐적으로 변경되며, 따라서 입사광(101)의 초점조정에 사용될 수 있는 적응 액체 렌즈가 생성됨을 알 것이다. 예를 들어, 도 1a & 1b에 관하여, 조작시, 전자기 구동자(155)가 상기 전자기 구동자(155)에 적용되는 진동 신호에 예시되는 자기화 상태(160)에 있을 때, 강자성유체 방울(151)의 제1 소적 부분(152)은 엔클로저(140)의 제1 챔버 부분(131)내에서 보다 큰 부피를 가지며(도 1a에 예시된 바와 같이), 상기 구동 신호가 불활성화될 때(161)(도 1b)는, 관성 및 표면장력이, 도 1b에 예시된 바와 같이, 상기 강자성유체 방울(151)의 제2 소적 부분(153)을 제 2 챔버 부분(132)내에서 더 커지게 한다. 상기 전자기 구동이, 강자성유체 구동자(151)가 도 1a에 예시된 정도로 작동하도록 활성화되는 경우, 상기 비압축성 제2 액체(130)는 액체 방울(120) 중의 보다 많은 제1 액체를 엔클로저(140)의 제2 챔버 부분(132)내에 연장되는 제2 소적 부분(122)으로 강제로 보내도록 작동한다. 차례로 이는 입사광(101)의 초점 조정에 보다 긴 초점 거리를 생성시킨다. 반대 조건에서, 상기 제1 액체의 대부분이 엔클로저(140)의 제1 챔버 부분(131) 중의 제1 소적 부분(121) 중에 있을 때, 도 1b에 예시된 바와 같이 보다 짧은 초점 거리가 성취된다. 이와 같은 방식으로, 액체 방울(120)의 초점 거리는 상기 강자성유체 방울이 진동함에 따라 연속적으로 변하며, 이는 차례로 입사광(101)의 굴절을 변화시키고, 이에 의해 초점을 변화시켜, 상기 액체 렌즈에 적응 초점 거리 능력을 제공한다.
본 발명에 개시된 액체-액체 렌즈 구조물을 다양한 영상화 시스템내에 통합시켜 사용할 수 있다. 도 2는 도 1a 내지 1b와 관련하여 상술한 바와 같은 진동 액체-액체 렌즈 구조물(100)을 사용하는 영상화 시스템(일반적으로 (200)으로 나타낸다)의 하나의 실시태양을 묘사한다. 나타낸 바와 같이, 액체-액체 렌즈 구조물(100)은 본 발명에 개시된 바와 같이, 액체 렌즈로서 작용하는 하나 이상의 액체 방울(120)을 함유하는 기판을 통과하는 하나 이상의 제1 채널, 및 상기 액체 렌즈의 구동을 촉진하는 하나 이상의 강자성유체 방울(151)을 함유하는 하나 이상의 제2 채널을 포함하는 기판(110)을 포함한다. 상기 액체-액체 렌즈 구조물은 상기 기판의 대향면상의 제1 챔버 부분(131) 및 제2 챔버 부분(132)(이들은 모두 제2 액체, 예를 들어 물로 충전된다)을 포함하는 밀폐된 챔버를 한정하는 엔클로저(140)를 추가로 포함한다. 상기 기판은 비-습윤성이며 액체 방울(120) 및 강자성유체 방울(151)은 기판(110)을 통과하는 그들 각각의 채널의 테두리에 고정된다.
도 2의 예에서, 영상화 시스템(200)은, (예를 들어)강자성유체 방울(151)의 진동 및 따라서 액체-액체 렌즈 구조물(100)의 액체 방울(120)의 진동뿐만 아니라 상 센서(220)를 통해 하나 이상의 초점이 맞는 상의 포착을 조절하는 논리가 제공된, 예를 들어 범용 컴퓨터 조절기를 포함하는 조절기(210)를 추가로 포함한다. 이 예에서 알 수 있듯이, 2개의 전자기 구동자(155),(155')가 강자성유체 방울(151)의 위 및 아래에 일직선으로 사용되어, 결합된 소적상에 연속적인 인장력을 생성시킴으로써 상기 강자성유체 방울의 움직임을 조절하여, 상기에 설명된 바와 같이 상부 부피가 더 커지게 하거나 또는 하부 부피가 더 커지게 한다. 이는 차례로 상기 렌즈 방울의 돌출 부피를 제1 챔버 부분(131)내로 또는 제2 챔버 부분(132)내로 변경시킨다. 상기 렌즈 방울(120)을 상기와 같이 이동시킴으로써, 상기 결합된 소적들의 곡률반경이 조작되고, 이는 차례로 물체(230)의 초점 거리를 변경시킨다. 상기 액체 렌즈의 한면상에 상 센서(220)를 놓고 다른면상에는 임의의 광학 소자(225)를 놓음으로써, 다양한 거리에서 물체(230)의 초점을 조정할 수 있다.
예로부터 알 수 있듯이, 상 센서(220)를 엔클로저(140) 위에 배치하며, 상기 엔클로저는 하나의 실시태양에서 투명한 하우징(또는 엔클로저)이고, 액체 방울(120)을 관통하고, 특히 액체 방울(120)의 제1 진동 소적 부분(121) 및 제2 소적 부분(122)을 관통하는 상 경로와 함께 정렬한다. 또한, 상기 상 경로는 엔클로저(140), 및 본 발명에 개시된 진동 액체 렌즈와 함께 최적으로 사용될 수 있는 임의의 추가적인 광학 소자(225)(예를 들어 큰 구경 렌즈)를 관통한다. 생성되는 영상화 시스템은 한정된 범위내의 초점 거리를 가지며, 여기에서 상기 범위 내에 위치하는 물체는 주사 중에 포착될 수 있다. 상 센서(220)는 임의의 적합한 영상화 소자를 포함할 수도 있음에 유의한다. 일례로, 상기 상 센서는 디지털 카메라 또는 비디오 리코더의 부분이다.
상기에 나타낸 바와 같이, 도 2에 묘사된 바와 같은 진동 초점 거리를 갖는 광학 시스템에서, 초점조정의 임무가 변한다. 고정된 형상의 렌즈의 위치를 조작하는 대신에, 상 기록의 타이밍을 상기 렌즈의 진동과 동기화해야 하며, 상기 시스템이 초점 조정되는 동안의 시간 구간내에서 사진을 촬영해야 한다. 고속 전자 타이밍은 현재의 고속 카마레를 사용하여 쉽게 실행될 수 있다. 그 결과 기존 광학기술의 기계적 이동에 의해 가능한 것보다 현저하게 더 빠른 적응 렌즈가 생성된다.
유리하게는, 본 발명에 개시된 진동 액체 렌즈는 진동 기간 보다 더 빠르다. 상기 시스템을 그의 공명 진동수에서 구동시킴으로써, 예를 들어 상기 렌즈의 계면은 구형인 채로 있고 상기 진동의 진폭은 최대화된다. 진동-초점-길이 렌즈와 고속 카메라와의 조합은 또한 3차원(3-D) 영상화의 능력을 제공한다. 예를 들어, 진동 렌즈에 기초한 현미경 대물렌즈는 조사 샘플 내부의 상이한 깊이에서 고속-주사가 가능하다. 고속 카메라는 역필터링에 의해, 단일 렌즈 진동 기간에 3-D 영상을 생성시키기에 충분한 영상을 획득할 수 있었다. 상기와 같은 시스템은 또한 상기 렌즈 진동속도와 동일한 프레임 속도로 3-D 현미경 검사 영화를 획득할 수 있었다. 일례로서, 카시오(Casio)에 의해 시판되는 EX-F1 고속 카메라를 본 발명에 개시된 진동 액체 렌즈와 함께 사용할 수 있었다.
도 1a 내지 2의 상술한 액체 렌즈 구조물은 물체가 상 센서(고정된 위치에 있는다)상에서 초점 조정되는 거리를 변화시킨다. 그러나, 상기 물체의 배율은 상기 초점조정 작동 중에 필수적으로 변하지 않는다. 그 이유는 빛을 굴절시키는 2개의 표면 중 하나가 그의 곡률(및 따라서 그의 배율)을 증가시키고, 다른 표면은 동시에 그의 곡률(및 따라서 그의 배율)을 감소시키기 때문이다. 이는 고체 렌즈(예를 들어 양의 초점 길이를 갖는 이중-볼록 렌즈)를 고정된 물체 및 영상화 평면(예를 들어 상 센서)에 대해 앞뒤로 진동시키는 것과 유사하다. 그 결과 초점은 변하지만 줌은 변하지 않는다.
따라서, 본 발명은 도 3a & 3b를 참조하여 상술한 바와 같은 방식으로 초점 거리를 스캐닝할 수 있을 뿐만 아니라 렌즈 배율도 또한 변화시킬 수 있는 액체 렌즈 구조물(일반적으로 (300)으로 나타낸다)을 개시한다. 상기 구조물은 전자공학적으로 조절 가능한 진정한 줌 렌즈를 제공한다. 하나의 실행에서, 상기 액체 렌즈 구조물(300)은 도 2와 관련하여 상술한 액체 렌즈 구조물(200)과 유사하나, 액체 렌즈 구조물(300)과 관련하여 상기 액체 렌즈의 배율을 조절 가능하게 조정하기 위한 렌즈 배율 조절이 제공되는 것은 예외이다.
도 3a에 관하여, 기판(110)내에 액체 방울(120')을 유지하는 제1 채널과 유체 연통하는 내부 공동(301)이 제공된다. 도시된 바와 같이, 액체 방울(120')의 내부 소적 부분(302)은 기판(110)의 내부 공동(301)을 향해 또는 상기 공동 내로 연장된다. 묘사된 실시태양에서, 내부 공동(301)을 향해 또는 상기 공동내로 연장되는 내부 소적 부분(302)의 부피는 도 1a 내지 2와 관련하여 상기에 설명된 바와 같이, 기판(110)을 관통하는 제2 채널 내에 유지되는 강자성유체 방울(151')의 조절을 통해 조절된다. 도시된 바와 같이, 내부 공동(301)은 또한 강자성유체 방울(151')을 유지하는 제2 채널과 유체 연통하며, 강자성유체 방울(151')의 내부 소적 부분(303)은 내부 공동(301)을 향해 또는 상기 공동 내로 연장된다. 예시된 실시태양에서, 액체 방울(120')의 내부 소적 부분(302)은 계면 액체(305)에 의해 강자성유체 방울(151')의 내부 소적 부분(303)과 분리된다. 계면 액체(305)는 액체 방울(120')의 내부 소적 부분(302)의 고정뿐만 아니라 강자성유체 방울(151')의 내부 소적 부분(303)의 상기 내부 공동(301)을 한정하는 기판(110)의 내벽에의 고정을 유지하는 것을 촉진하는 액체일 수 있다. 일례로, 상기 제2 액체(130)가, 제1 챔버 부분(131) 및 제2 챔버 부분(132)내에 배치된 액체인 계면 액체(305)로서 사용된다.
유리하게는, 상기 액체 피스톤(강자성유체 방울(151')) 및 액체 방울(120') 간의 내부 공동 연결의 첨가를 통해, 상기 제1 및 제2 소적 부분(121),(122)의 부피의 순간적인 합을 포함하는 액체 방울의 전체 돌출 부피가 조절될 수 있으며, 이는 액체 렌즈 배율을 변화시키기 위한 직접적인 수단을 제공할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 상기 자기 조절 또는 액체 피스톤(강자성유체 방울(151'))은 또한 상기 액체 방울의 2개의 돌출 부분간의 분배를 결정하며, 즉 상기 기판의 제1 채널내 액체 방울(120')의 진동, 및 따라서 상기 제1 소적 부분(121) 및 제2 소적 부분(122)의 구성을, 상기 렌즈의 초점 거리의 조절을 용이하게 하는 도 1a 내지 2와 관련하여 상기에 개시된 바와 같은 방식으로 조절한다. 유리하게는, 상기 전자기 구동자(155),(155')의 자기장의 차별적인 활성화와 모세관력의 균형을 통해, 상기 액체 방울의 전체 돌출 부피(즉, 제1 소적 부분(121)의 부피 + 제2 소적 부분(122)의 부피)를 조절하여, 상술한 바와 같이 초점 거리를 정하는 상기 제1 챔버 부분(131) 및 제 2 챔버 부분(132)에 의한 액체 방울의 진동과 동시에 배율을 조절할 수 있다.
배율 조절은 도 3a의 액체 렌즈(300)의 위치와 도 3b의 경우를 비교함으로써 관찰할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 배율은 기판(110)의 제1 및 제2면(111),(112) 각각으로부터 멀리 돌출되는 액체 방울(120')의 전체 소적 부피를 조절함으로써 변화된다. 특히, 상기 전체 돌출 부피는 내부 공동(301)을 향해 또는 상기 공동내로 연장되는 액체 방울(120')의 내부 소적 부분(302)의 부피를 조정함으로써 조정될 수 있다. 이는 기판(110)의 제1 및 제2면(111),(112)으로부터 멀리 돌출되는 강자성유체 방울(151')의 전체 소적 부피, 및 따라서 내부 공동(301)을 향해 또는 상기 공동내로 돌출되는 강자성유체 방울(151')의 내부 소적 부분(303)의 부피의 조절에 의해 성취될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 액체, 예를 들어 침지액(예를 들어 물)의 층을 내부 공동 내의 상기 액체 방울과 상기 강자성유체 방울 사이에 제공하여 각 내부 소적 부분들의 고정을 촉진한다. 상기 강자성유체 방울의 조절에 의해, 비교적 큰 배율의 렌즈가 도 3a에 도시된 바와 같이 수득되거나, 또는 보다 작은 배율의 렌즈가 도 3b에 묘사된 바와 같이 수득될 수 있다. 유의해야 할 한 가지 고려사항은 다른 계면에 대한 액체 연결부의 경도(곡률의 반경에 비례한다)를 목적하는 실행에 맞출 수도 있다는 것이다.
유리하게는, 상기 액체 렌즈의 배율을, 예를 들어 초점 거리의 조절을 위한, 상기 액체 렌즈의 진동과 동시에 조절할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 이는, 하나의 실시태양에서, 상기 기판내에 상기 액체 렌즈의 액체 방울과 상기 강자성유체 구동자 사이의 내부 연결의 첨가에 의해 성취되며, 이때 상기 액체 방울의 전체 돌출 부피는 상기 액체 렌즈의 배율을 정하기 위해서 조정되거나 조절된다. 실제로, 이는 예를 들어 상기 강자성유체 액체 피스톤을 조절하는 전자기 구동자(155),(155')로의 신호의 DC 이동을 통해 수행될 수 있다. 초점 거리 조절의 임무는 여전히 조화(AC) 신호(이는 2개의 코일에 대해 90° 위상반전 (out-of-phase)이어야 한다(정류 정현파))를 통한 상기 액체 피스톤의 진동 움직임에 있다. 강자성유체가 코일 극성과 상관없이 항상 인력을 생성시킨다는 사실이 기초가 되며, 필수적으로 상기 자기체 힘의 결과는 자기장의 제곱의 구배에 비례한다.
본 발명에 개시된 배율 조절은 하나의 실시태양에서 상기 액체 방울의 내부 소적 부분과 상기 강자성유체 방울의 내부 소적 부분간의 내부 연결 내의 계면으로서 액체(예를 들어 제2 액체(130))의 층을 이용함에 유의하여야 한다. 동일한 표면 화학을 유지시킴으로써, 상기 내부 공동내에 고정된 접촉 라인을 또한 유지시킬 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 액체 방울은 1-메틸나프탈렌을 포함할 수 있고, 침지(또는 제2) 액체는 물을 포함할 수 있으며, 상기 강자성유체는 오일-계일 수 있고, 상기 기판은 양극산화 알루미늄(예를 들어 Al2O3)일 수 있다. 이러한 특정한 조합은 전자기-조절되는, 고속-초점조정 액체 렌즈 구조물로서 유효하다. 수중의 상기 렌즈 액체(1-메틸나프탈렌)에 대한 굴절률의 비는 1.61/1.33 = 1.21이며, 이는 유효 렌즈에 도움이 되고, 공기 중 수 렌즈의 파워와 멀지 않다. 상기 액체 렌즈에 대한 다른 중요한 요건은 상기 액체 렌즈가 주변 액체에 대해 비교적 넓은 계면 장력을 나타낸다는 것이다. 물에 대한 1-메틸나프탈렌의 경우에, 상기 계면 장력은 34 dyne/㎝이며, 이는 물의 표면 장력의 거의 50%를 나타내는 상당한 값이다. 상기 렌즈 액체 선택에 대한 다른 요건은 낮은 점도이다. 1-메틸나프탈렌은 2.98 cP의 동적 점도, 또는 수 점도의 약 3.1 배를 가지며, 저-점도 액체인 것으로 간주된다. 더욱이, 상기는 거의 밀도-합치된, 1.02의 비중이다.
도 3a & 3b의 작동 기전은 일반적일 수 있음에 유의한다. 예를 들어, 영구 자석을 자기 작동 기전에 사용하거나, 또는 또 다른 접근법에서, 멤브레인의 압전기 (piezoelectric) 활성화를 사용할 수 있었다. 도 3c & 3d는 영구 자석 작동 기전의 하나의 실시태양을 묘사한다.
도 3c & 3d의 액체 렌즈 구조물(300')은 도 3a & 3b와 관련하여 상술한 바와 실질적으로 동일하나, 단 액체 렌즈 구조물(300)의 강자성유체 방울(151')이 도 3c & 3d의 실시태양에서는, 기판(110) 중의 적합한 크기의 개구를 가로질러 연장되는 가요성 또는 탄성 멤브레인(352)내에 또는 상기 멤브레인상에 매달린 상부 및 하부 영구 자석(351)을 포함하는 영구 자석 작동 기전으로 대체된다. 이들 개구(또는 제2 채널)는 도시된 바와 같이 제1면(111)으로부터 내부 공동(301)으로, 제2면(112)으로부터 내부 공동(301)으로 연장된다. 상기 실시태양에서, 내부 공동(301)은, 제1 및 제2 챔버 부분(131),(132)을 또한 충전하는 제2 유체(130)로 충전될 수 있다.
묘사된 예에서, 배율은 다시 조절기(210) 및 전자기 구동자(155),(155')를 통해 조절된다. 특히, 상기 전자기 구동자(155),(155')는 액체 방울(120')의 전체 돌출 부피가 탄성 멤브레인(352)에 의해 매달린 영구 자석(351)의 위치결정의 선택적인 조절을 통해 조정될 수 있도록 조절된다. 예를 들어, 도 3c에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 제1 및 제2면(111),(112)으로부터 돌출되는 액체 방울(120')의 전체 소적 부피를 상기 전자기 구동자(155),(155') 각각에 의해 대향되는 자기장을 적용함으로써 증가시킬 수 있고, 각각의 영구 자석(351)에 인력 자기장(상기 각각의 전자석(155),(155')을 통해)을 적용함으로써 감소시킬 수 있다(도 3d에 도시된 바와 같이). 따라서, 도 3c & 3d에 예시된 영구 자석 작동 기전은 2개의 돌출 부분 사이의 액체 방울의 분배를 유사하게 결정할 수 있는데, 즉 상기 기판의 제1 채널내의 액체 방울(120')의 진동, 및 따라서 상기 제1 소적 부분(121) 및 제2 소적 부분(122)의 구성을 도 1a 내지 3b와 관련하여 상술한 바와 같은 방식으로 조절할 수 있으며, 이는 본 발명에 개시된 바와 같이 상기 렌즈의 초점 거리의 조절을 용이하게 한다. 그러나, 내부 공동(301)내에 내부 돌출 부분(302)을 통한, 상기 영구 자석 작동 기전과 액체 방울(120') 사이의 내부 공동 연결의 첨가는, 상기 제1 및 제2 소적 부분(121),(122)의 부피의 순간적인 합을 포함하는 상기 액체 방울의 전체 돌출 부피의 조절을 용이하게 하며, 이는 액체 렌즈 배율을 변화시키기 위한 직접적인 수단을 제공한다. 유리하게는, 상기 전자기 구동자(155),(155')의 자기장의 차별적인 활성화를 통해, 상기 전체 돌출 부피(즉, 상기 액체 방울의 제1 소적 부분(121)의 부피 + 제2 소적 부분(122)의 부피)를 조절하여, 상술한 바와 같이 초점 거리를 정하는 상기 제1 챔버 부분(131) 및 제 2 챔버 부분(132)에 의한 액체 방울의 진동과 동시에 배율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 이를 영구 자석 위치를 조절하는 전자기 구동자(155),(155')로의 신호의 DC 이동을 통해 수행할 수 있으며, 이때 상기 작동 기전의 진동 움직임은 조화(AC) 신호(이는 나타낸 바와 같이 2개의 코일에 대해 90° 위상반전이어야 한다(정류 정현파))에 의해 조절된다.
도 4는 본 발명에 개시된 바와 같은, 진동 액체 렌즈를 사용하는 영상화 방법의 하나의 실시태양을 예시한다. 영상화 방법(400)은 본 발명에 개시된 바와 같은 액체-액체 렌즈의 고정-접촉면 액체 방울을 진동시킴(410)을 포함하며, 상기 액체-액체 렌즈가 진동하는 동안, 또는 그렇지 않은 동안, 액체 렌즈 배열을 상기 액체-액체 렌즈 챔버내로 돌출되는 액체 방울의 전체 부피를 조절함으로써 선택적으로 조절할 수 있다(420). 상기 액체-액체 렌즈의 진동과 동시에, 하나 이상의 영상이 상기 진동 액체 방울을 통해 포착될 수 있다(430). 구체적으로, 하나 이상의 상이, 상기 액체 방울이 존재하는 채널을 한정하는 기판의 각각 제1 및 제2면 이상으로 연장되는 상기 방울의 제1 소적 부분 및 제2 소적 부분을 통해 포착된다. 상기 포착된 상은 조절기(이는 하나의 실시태양에서, 하나 이상의 상 기준, 예를 들어 상의 선명도를 근거로 상기 포착된 상을 평가하는(440) 논리를 포함하는 컴퓨터를 포함한다)를 향한다. 디지털 상의 평가는 부분적으로 기존의 상 분석 소프트웨어를 사용하여 당해 분야의 숙련가에 의해 쉽게 수행될 수 있다. 이어서 하나 이상의 포착된 상(들)을 상기 평가를 근거로 하나 이상의 최종 상(들)으로서 선택한다(450). 상기 실행에 따라, 최종 상을 물체의 3-D 표현과 결합시킬 수도 있다.
도 5a 내지 8을 참조하여, 다양한 재구성가능한, 비-진동 액체 렌즈 구조물을 또한 제공하며, 이들은 각각 액체 렌즈 방울의 구성, 및 따라서 상기 재구성가능한, 비-진동 액체 렌즈의 초점 거리를 조정하기 위한 작동장치(또는 구동자)를 갖는다. 본 발명에 개시된 상기 재구성가능한, 비-진동 액체 렌즈 구조물은 일단 형성되면 안정성(또는 정적)이며, 보다 낮은 전력 용도 및 긴 노출 시간을 요하는 것들, 예를 들어 저조도(low-light) 영상화에 이상적이다. 하기에 추가로 설명하는 바와 같이, 몇몇 실시태양에서, 일단 신규의 렌즈 구성 (configuration)이 성취되면(즉 목적하는 초점 거리가 획득되면), 상기 액체 렌즈 형태를 지속시키거나 유지하기 위해서 추가적인 에너지 또는 전력 투입이 필요하지 않다. 상기와 같은 비-진동 액체 렌즈 구조물과 함께, 렌즈 배율 조절이 또한 유리하게 제공된다.
상기 추가의 태양에서 액체-액체 렌즈 구조물 및 영상화 시스템 및 이들을 사용하는 방법을 개시하며, 이는 유리하게는 안정한 센티미터-규모 구경, 배향 독립성, 및 장기간 안정성을 성취한다. 상기 액체-액체 렌즈를 다시, 기판, 예를 들어 플레이트 중의 제1 채널(예를 들어 환상 구멍)을 통해 제1 고굴절률 액체의 2개의 소적을 결합시키고, 상기 플레이트 및 액체렌즈를 둘러싸는 저굴절률 제2 액체, 예를 들어 물을 제공함으로써 형성시키며, 이때 상기 렌즈 시스템은 엔클로저(예를 들어 투명한 아크릴 상자)에 의해 봉입된다. 일례로, 상기 렌즈 방울(예를 들어 1-메틸나프탈렌, 1.615의 굴절률을 갖는다)의 굴절률과 상기 주변 액체(예를 들어 물, 1.33의 굴절률을 갖는다)의 굴절률의 비는 1.21이며, 이는 1.33의 굴절률 비를 갖는 공기/수 렌즈의 단일 접근법의 경우보다 현저하게 더 크다는 것에 유의한다. 상기 제1 액체 및 제2 액체는 비혼화성인 것으로 선택된다. 상기 제1 액체 소적의 밀도(ρD)를 상기 주변 액체, 예를 들어 물의 밀도(ρW)와 합치시킴으로써, 모세관 길이((ρD-ρW)-1/2을 갖는 규모)를 밀리미터(기체 액체 렌즈, 예를 들어 공기 중 수 렌즈에서 전형적인 액체의 경우)에서 센티미터로 증가시킬 수 있다.
상기 소적의 곡률 변화를 수행하기 위해서(즉 초점 거리 변화를 성취하기 위해서), 상기 봉입된 렌즈 시스템을 비-침입적인 방식으로 작동시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 하나의 실시태양에서, 기판 중에 하나 이상의 제2 채널(또는 개구)을 포함하는 작동 장치를 제공하며, 상기 채널들은 각각 2개의 결합된 강자성유체 소적을 포함하는 강자성 방울을 수용하고 유지한다. 상기 엔클로저 밖에 놓인 비교적 작은 전자기 구동자(예를 들어)에 의해 상기 강자성유체 방울(들)이 재구성될 수 있으며, 이는 차례로 상기 강자성유체 소적이 비압축성 제2 액체로 충전된 기판의 어느 한면상의 제1 및 제2 챔버 부분의 고정된 부피내에서 재구성됨(즉 액체를 이동시킴)에 따라 상기 액체 렌즈 방울을 재구성시킨다.
하나의 실시태양에서, 2개의 전자석을, 하나는 상기 하나 이상의 강자성유체 방울의 위 및 하나는 아래에 정렬시켜 상기 하나 이상의 강자성유체 방울을, 예를 들어 비대칭 형태로 재구성 및 유지시킴, 및 따라서 안정한(또는 정적인) 액체 렌즈 방울의 재구성 및 유지를 촉진한다. 본 발명에 개시된 또 다른 실시태양에서, 다수의 강자성유체 방울을 상기 기판 중의 다수의 제2 채널들(또는 개구들)에서 유지시킬 수 있다. 상기 다수의 강자성유체 방울들의 각각의 강자성유체 방울은 쌍안정 (bi-stable) 모세관 전환 요소로서 작용하도록 그의 채널(또는 개구)에 적합하게 넓은 크기를 가지며, 이는 예를 들어 DC 펄스를 상기 다수의 강자성 유체 방울과 관련된 하나 이상의 전자기 구동기에 적용하여 쌍안정 강자성유체 전환 요소 중 하나 이상의 상태를 이행시킴으로써 상기 비-진동 액체 렌즈가 조절 가능하게 재구성되게 한다.
도 5a 내지 5c는 상기와 같은 비-진동 액체 렌즈 구조물(500)의 하나의 실시태양을 묘사하며, 상기 구조물은 부분적으로 도 1a 내지 2와 관련하여 상술한 진동 액체-액체 렌즈 구조물과 유사하지만, 다수의 강자성유체 방울들(151)을 가지며, 각각의 방울은 쌍안정 모세관 스위치 요소로서 작용하기에 충분한 강자성유체 부피를 갖도록 형성된다. 예시된 바와 같이, 각각의 강자성유체 방울(151)은, 이 실시태양에서, 상기 강자성유체 방울의 위 및 아래에 배치된 각각의 전자기쌍(155),(155')에 의해 구동되며, 각각의 강자성유체 방울(151)은 상기 방울이 유지되는 각 채널(또는 개구)과 관련하여 임계 부피보다 큰 전체 부피를 제공한다. 이는 차례로 각각의 강자성유체 방울이 쌍안정 모세관 스위치 요소로서 작용하며 2개의 상태 중 하나, 즉 상부 상태 또는 하부 상태 사이에서 전환이 가능함을 의미하고, 이때 상기 상부 상태에서, 보다 큰 강자성유체 부피가 상기 액체 렌즈 구조물의 제1 챔버 부분(131)내에 존재하고, 하부 상태에서는 보다 큰 강자성유체 부피가 상기 액체 렌즈 구조물(500)의 제2 챔버 부분(132)내에 존재한다.
상기 상부와 하부 상태 간의 상기 강자성유체 방울내 강자성유체의 이동은 기판(110) 위 및 아래의 액체 렌즈 방울(120)의 제1 및 제2 소적 부분(121),(122)중의 제1 유체의 비율에 영향을 미치고 이를 조절한다. 하나 이상의 강자성유체 방울을 선택적으로 활성화시켜 상기 강자성유체 방울을 예를 들어 도 5a에 예시된 바와 같이 상부 상태로부터, 도 5c에 예시된 바와 같이 하부 상태로 전환시킴으로써, 상기 액체 렌즈의 재구성을 성취한다. 이는 부분적으로 상부 챔버 부분(131) 및 하부 챔버 부분(132)을 포함하는 상기 챔버내에 구속되는 제2 유체(예를 들어 물)의 비압축성 성질에 기인한다. 상기 전자석(155),(155')을 선택적으로 에너지화하여 상기 각 강자성유체 방울(151)의 구성을 조정하거나, 또는 보다 특히(본 예에서) 상기 강자성유체 방울을 상기 상부와 하부 상태 사이에서 전환시킬 수 있다. 쌍안정 모세관 스위치 요소로서 작용하기에 충분한 부피를 갖는 강자성유체 방울을 제공하는 것은, 일단 상기 상태가 상기 액체 렌즈 방울의 목적하는 구성을 성취하도록 전환되었으면 상기 각 전자기 구동자의 에너지화를 유지시킬 필요성이 제거된다는 추가의 이점을 제공한다.
나타낸 바와 같이, 예로서, 도 5a는 상기 전환 요소들이 전부 상부 상태로 있음을 묘사하며, 도 5b에서 상기 전환 요소 중 2개는 하부 상태로 아래로 전환되었다 (각각의 전자석(155')을 활성화함으로써). 도 5c에서, 상기 전환 요소들이 전부 아래로 토글링(toggled)되었다(각각의 전자석(155')을 에너지화함으로써). 도 5c에 묘사된 결과는 상기 액체 렌즈의 제1 액체의 최대 부피가 상기 엔클로저의 제1 챔버 부분(131) 중에 존재하고, 제 2 챔버 부분(132)에는 최소의 제1 액체 부피가 존재하며, 이는 상기 렌즈들의 최단 초점 거리를 제공한다.
추가의 예로서, 도 6a 내지 6f는 또 다른 재구성가능한 액체 렌즈 구조물뿐만 아니라 상기 예시된 쌍안정 강자성유체 스위치 요소의 토글링을 예시한다. 이 실시태양에서, 다수의 강자성유체 방울(151)이 사용되며, 각각은 쌍안정 모세관 스위치 요소로서 작용하기에 충분한 강자성유체 부피를 갖는다. 각각의 강자성유체 방울(151)은 각각의 제2 채널 중에 한 쌍의 결합된 강자성유체 소적을 포함한다. 이 실시태양에서, 단일 쌍의 전자석(155),(155')이, 상기 강자성유체 방울(151)의 전략적 배치와 함께, 예를 들어 상기 정렬된 전자기 구동자(155),(155')의 중심축으로부터 바깥쪽으로의 나선(601) 형태로 함께 사용된다. 도 6a & 6b에 묘사된 작동 예에서, 상기 스위치 요소들은 모두 상부 상태로 설정되며, 이는 상기 액체 렌즈 방울(120)의 제2 소적 부분(122) 중의 제1 액체의 부피가 최대임을 의미한다. 하부 전자석(155')이 에너지화됨에 따라, 정렬된 전자석(155),(155')의 중심축에 거리가 가장 가까운 스위치 요소들은 초기에 도 6c & 6d에 예시된 바와 같이, 하부 상태로 전환될 것이며, 여기에서 강자성유체의 보다 큰 부피가 제1 소적 부분(152)보다는 제2 소적 부분(153)에 배치된다. 전자석(155')으로의 전력이 계속해서 증가함에 따라(전자석(155)에 전력이 필요하지 않다), 모든 강자성유체 방울은 도 6e & 6f에 예시된 바와 같이 하부 상태로 토글링된다. 유리하게는, 상기 강자성유체 방울 중 하나 이상이 토글링된 후에, 전자기 구동자(155),(155')는 에너지 단절될 수 있으며, 상기 액체 렌즈 방울은 이 실시태양에 개시된 강자성유체 방울의 쌍안정 성질로 인해 목적하는 형상을 유지할 것이다.
도 5a 내지 6f의 상술한 액체 렌즈 구조물은 고정된 위치에 있는 상 센서상에서 물체가 초점 조정되는 거리를 변화시킨다. 그러나, 상기 물체의 배율은 상기 초점조정 조작 동안 필수적으로 변하지 않는다. 그 이유는 상기 빛을 굴절시키는 2개 표면 중 하나가 그의 곡률(및 따라서 그의 배율)을 증가시킴에 따라, 다른 표면이 동시에 그의 곡률(및 따라서 그의 배율)을 감소시키기 때문이다.
도 7은 도 5a 내지 6f의 비-진동 액체 렌즈 구조물에 대한 변화를 묘사하며, 여기에서 초점 거리 및 배율이 모두 변화되거나 조절될 수 있다. 하나의 실시태양에서, 도 7의 재구성가능한, 비-진동 액체 렌즈 구조물은 도 6a 내지 6f의 비-진동 액체 렌즈 구조물과 유사하나, 기판의 제1 및 제2면으로부터 멀리 돌출되는 액체 방울의 전체 소적 부피를 증가시키거나 감소시킴으로써 상기 액체 렌즈 방울의 배율을 조정하기 위한 렌즈 배율 조절을 제공하는 어떤 변형을 하기에 개시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 기판(110) 내에 액체 방울(120')을 유지하는 제1 채널과 유체 연통하는 내부 공동(701)이 제공된다. 액체 방울(120')의 내부 소적 부분(702)은 기판(110)의 내부 공동(701)을 향해 또는 상기 공동 내로 연장된다. 상기 내부 소적 부분(702)의 부피는, 기판(110)의 제1면(111) 또는 제2면(112)으로부터 내부 공동(701)으로 연장되는 기판(110) 중의 각각의 제2 채널 내에 유지되는 하나 이상의 강자성유체 방울(151')의 조절을 통해 조절된다. 도 7에 예시되는 바와 같이, 강자성유체 방울(151')은 각각 내부 공동(701) 내의 내부 소적 부분(703)을 포함하며, 이때 공동(701)의 나머지는 계면 액체(705), 예를 들어 제1 및 제2 채널 부분(131),(132)을 충전하는 제2 액체(130)로 충전된다. 이러한 구성에서, 여러 쌍의 전자석(155),(155'), 및 (155"),(155"')이 예시된 바와 같이, 다수의 상부 강자성유체 방울(151') 및 다수의 하부 강자성유체 방울(151')의 별도의 조절을 위해 제공된다. 목적하는 수의 스위치(강자성유체 방울)를 토글링함으로써, 상기 제1 및 제2 소적 부분(121),(122) 중의 액체 렌즈 방울의 비율을 조절할 수 있으며, 따라서 상기 액체 방울의 초점 거리를 도 5a 내지 6f와 관련하여 상술한 바와 유사한 방식으로 정할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 상기 액체 렌즈 개념은 또한 본 발명에서 기판(110)의 제1 및 제2면(111),(112)으로부터 멀리 돌출되는 제1 및 제2 소적 부분(121),(122)의 전체 소적 부피를 조절하기 위해 다수의 강자성유체 방울(151')을 사용하는 것으로 확장된다. 그렇게 함으로써, 상기 액체 렌즈의 배율을, 예를 들어 조절기(210)에 의해 조절하거나 조정할 수 있다. 예를 들어, 하부열의 강자성유체 방울 또는 스위치가 내부 공동(701)내로 토글링되는 수와 동일한 수의 상부열의 강자성 방울 또는 스위치를 토글링하는 경우(즉 제1 챔버 부분(131)내로), 초점 거리가 변한다. 다른 한편으로, 상부 및 하부열에 토글링되는 강자성유체 방울 또는 스위치의 수가 상이한 경우, 배율을 내부 공동(701)내로 돌출되는 내부 소적 부분(702)의 부피, 및 따라서 상기 액체 방울(120')의 제1 및 제2 소적 부분(121),(122)의 제1 및 제2면으로부터 멀리 돌출되는 전체 소적 부피의 조절을 통해 변화시킨다. 강자성유체 방울(151')의 토글링을, 각 쌍의 전자기 구동자를 사용하여 간단한 DC 펄스를 적용시킴으로써 성취할 수 있다. 상부 강자성유체 방울들을, 이들이 상술한 방식으로 대향되는 단일 쌍의 전자기 구동자(155),(155')에 의해 토글링될 수 있도록 나선 패턴으로 분배할 수 있음에 유의한다. 유사하게, 강자성유체 방울 또는 스위치의 하부열 중의 강자성유체 방울의 나선 분배를 또한, 예시된 바와 같이 별도의 쌍의 전자석(155"),(155"')에 의해 조절되도록 사용할 수도 있다.
도 3c & 3d와 관련하여 상술한 실시태양에서와 같이, 대안의 활성화 기전을 도 7에 묘사된 바와 같은 액체 렌즈 구조물(700)내에 사용할 수 있다. 이들 대안의 활성화 기전은 예를 들어 각각의 제2 채널을 가로질러 연장되는 각각의 탄성 멤브레인에 의해 지지되는 영구 자석을 포함할 수 있다. 다른 활성화 기전들이 또한 본 발명의 범위로부터 이탈됨 없이 가능함을 추가로 유의한다. 예를 들어, 각 멤브레인의 압전기 활성화를 사용하여 상기 액체 렌즈의 배율을 조절 가능하게 조정할 수 있었다.
도 8은 본 발명에 개시된 바와 같은 진동 액체 렌즈를 사용하는 영상화 방법의 하나의 실시태양을 예시한다. 상기 영상화 방법(800)은 초점 거리를 조정하기 위해 액체-액체 렌즈의 고정-접촉면 액체 렌즈 방울의 구성 (configuration)을 비-진동적으로 조정함(810)을 포함하며, 경우에 따라 액체 렌즈 배율을 상기 액체-액체 렌즈 챔버내로 돌출되는 액체 방울의 전체 부피를 조절함으로써 선택적으로 조절할 수 있다(820). 하나 이상의 상이 상기 액체 렌즈 방울을 통해 포착될 수 있다(830). 구체적으로, 하나 이상의 상이, 상기 액체 렌즈 방울이 유지되는 챔버를 포함하는 기판의 각각의 제1 및 제2면 위에 연장되는 상기 렌즈 방울의 제1 소적 부분 및 제2 소적 부분을 통해 포착된다. 상기 포착된 상은 임의로 조절기를 향할 수 있으며, 상기 조절기는 (하나의 실시태양에서) 하나 이상의 상 기준, 예를 들어 상의 선명도를 근거로 상기 포착된 상을 평가하는(840) 논리를 포함하는 컴퓨터를 포함한다. 디지털 상의 평가는 부분적으로 기존의 상 분석 소프트웨어를 사용하여 당해 분야의 숙련가에 의해 쉽게 수행될 수 있다. 이어서 하나 이상의 포착된 상(들)을 상기 평가를 근거로 하나 이상의 최종 상(들)으로서 선택한다(850). 상기 실행에 따라, 최종 상들을 결합시킬 수도 있다.
도 1a 내지 8을 참조하여 본 발명에 개시된 실시태양들에서, 액체 방울은 주변 침지액, 즉 상기 제1 및 제2 챔버 부분내의 제2 액체보다 더 높은 굴절률의 물질을 포함하는 것으로 생각됨에 유의하여야 한다. 또 다른 실시태양에서, 상기 액체 방울은 보다 높은 굴절률의 물질을 포함하는 액체내에 침지된 보다 작은 굴절률 물질일 수 있었다. 예를 들어, 하나의 실시태양에서, 상기 나타낸 액체 방울 및 제2 액체 물질의 예를 역전시킬 수 있었다. 상기와 같은 경우에, 양의 초점 길이 렌즈는 상기 액체 방울 또는 액체 렌즈 중에 볼록오목 렌즈 (negative meniscus)를 가짐으로써 상을 만들기 위해 빛을 집중시키는 임무를 수행하여 생성시킬 수 있었고, 이때 보다 작은 굴절률 물질이 보다 큰 굴절률의 제2 액체에 의해 둘러싸이거나 상기 액체내에 침지되었다.
더욱이, 보다 작은 굴절률의 제2 액체에 의해 둘러싸인 보다 큰 굴절률의 액체 렌즈 중에 볼록오목 렌즈를 사용하여 음의 초점 길이를 갖는 렌즈(상기는 또한 영상화 및 다른 광학 용도에 유용성을 갖는다)를 생성시킬 수 있다.
이러한 가능성들을 다루기 위해서, 본 발명에 첨부된 특허청구범위는 제1 액체를 포함하는 액체 방울과 챔버 내에 배치된 제2 액체와의 제1 계면 및 제2 계면d에 대해 검토한다. 상기 제1 계면은 기판의 제1면에 대해 돌출되는 제1 액체 부분을 한정하고, 상기 제2 계면은 기판의 제2면에 대해 돌출되는 제2 액체 부분을 한정한다. 종합하면, 상기 제1 및 제2 돌출 액체 부분은 전체 돌출 액체 부피를 한정하며, 상기 부피는 상기 액체 렌즈의 배율을 조절하기 위해서 본 발명에 제공된 렌즈 배율 조절에 의해 증가되거나 감소되는 부피이다. 상기 제1 및 제2 계면은 상기 실행에 따라 오목볼록 렌즈 (positive meniscus) 계면, 볼록오목 렌즈 계면, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있음에 유의하여야 한다. 오목볼록 렌즈 실행에서, 상기 돌출 액체 부분은 상기 액체 방울의 일부(예를 들어 상술한 예에서와 같이)를 포함하는 반면; 볼록오목 렌즈 실행에서는 상기 돌출 액체 부분은 상기 침지 액체의 일부, 즉 상기 액체 방울을 함유하는 하나의 채널내로 돌출되는 제2 액체를 포함한다.
요약하면, 당해 분야의 숙련가들은 상기 도 1a 내지 4의 논의로부터, 본 발명에 개시된 고정-접촉면 진동 액체-액체 렌즈가 하나의 태양에서 초점 거리의 빠른 변화를 추구하는 영상화 시스템에 대한 신규 해법을 제공함을 알 것이다. 상기 액체 렌즈를 본 발명에 개시된 바와 같이, 비-침입성 진동 구동 접근법에 의해 소형의 경량 패키지로 제조할 수 있다. 유리하게는, 비교적 작은 전압 수준을 상기 활성화 기전에 사용할 수 있으며, 이는 상기 액체-액체 렌즈의 적용을 실용적으로 만든다.
상기 첫 번째 태양에서, 본 발명은 주어진 진동 범위에서 임의의 상평면 (image plane)을 포착할 수 있는 진동 초점 거리를 갖는 액체-액체 렌즈를 개시한다. 상기 렌즈는 비-습윤성 기판에 대한 고정-접촉 라인과, 원통형 채널(또는 구멍)을 통해 결합된 2개의 소적 부분을 특징으로 한다. 비압축성 제2 액체가 폐쇄된 챔버에서 상기 액체 렌즈를 둘러싼다. 비-침입성 전자기 구동자를 사용하여 상기 기판에서 제2 원통형 채널(또는 구멍) 중의 결합된 강자성유체 소적들을 진동시킬 수 있다. 상기 강자성유체 소적의 진동은 상기 비압축성 주변 액체를 통해 상기 액체 렌즈 소적의 상응하는 진동을 생성시킨다. 상기 소적 부분의 곡률 변화는 초점 거리의 변화를 유도한다. 상기 소적의 대향 곡률은 상기 시스템을 천연 진동자로 만드는 용수철-같은 힘을 생성시킨다. 상 포착 타이밍은 전자공학적이기 때문에 빠르게 성취될 수 있으며, 따라서 상기 렌즈의 진동수 응답은 단지 상기 시스템의 공명 진동수에 의해서만 제한된다. 상기 제공된 액체 렌즈는 결합된-소적 시스템이며, 상기 시스템은 매우 적은 투입량으로 공명시 진동하도록 제조될 수 있다. 상기 진동이 충분히 빠를 때, 상기 렌즈는 항상 목적하는 초점 거리에 있을 시간에 매우 가까이 있는 것으로 생각될 수 있으며; 따라서 상기 액체-액체 렌즈의 이면에는 빠른-초점조정 개념이 제공된다.
당해 분야의 숙련가들은 또한 도 5a 내지 8의 논의로부터, 또 다른 태양에서 본 발명에 개시된 고정-접촉면, 재구성가능한, 비-진동 액체-액체 렌즈가 초점 거리의 변화를 추구하는 영상화 시스템에 대한 신규의 해법을 제공함을 알 것이다. 상기 액체 렌즈를 다시 비-침입성 진동 구동 접근법에 의해 소형의 경량 패키지로 제조할 수 있다. 유리하게는, 비교적 작은 전압 수준을 상기 재구성 기전에 사용할 수 있으며, 이는 상기 액체-액체 렌즈의 적용을 실용적으로 만든다.
상기 태양에서, 재구성을 통해, 주어진 범위에서 임의의 상평면을 포착할 수 있는 적응성 진동 초점 거리를 갖는 액체 렌즈를 개시한다. 상기 렌즈는 비-습윤성 기판에 대해 존재하는 고정-접촉 라인과, 원통형 채널(또는 구멍)을 통해 결합된 2개의 소적 부분을 특징으로 한다. 비압축성 제2 액체가 폐쇄된 챔버에서 상기 액체 렌즈를 둘러싼다. 비-침입성 전자기 구동자를 사용하여(하나의 실시태양에서) 상기 기판에서 제2 원통형 채널(또는 구멍) 중의 결합된 강자성유체 소적들을 조정(control)할 수 있다. 상기 강자성유체 소적의 조정은 상기 비압축성 주변 액체를 통해 상기 액체 렌즈 소적의 상응하는 재구성을 생성시킨다. 상기 소적 부분의 곡률 변화는 초점 거리의 변화를 유도한다. 상기 제공된 액체 렌즈는 결합된-소적 시스템이며, 매우 적은 투입량으로 재구성될 수 있다.
유리하게는, 본 발명은 진동 초점 거리를 갖는 액체-액체 렌즈뿐만 아니라 재구성가능한, 비-진동 액체-액체 렌즈 실시태양과 함께 렌즈 배율 조절을 제공한다. 상기 두 실행 모두에서, 상기 배율 조절은 상기 액체 방울을 고정시키는 기판의 제1 및 제2면으로부터 멀리 돌출되는 액체 방울(즉 액체 렌즈 방울)의 전체 소적 부피를 조절 가능하게 조정하는 기전을 제공한다. 이는 상기 기판내에 상기 액체 방울을 유지하는 채널 및 상기 강자성유체 방울을 유지하는 채널 모두와 유체 연통하는 내부 공동을 제공함으로써 성취될 수 있으며, 상기 액체 방울 및 강자성유체 방울은 모두 상기 각각의 채널로부터 상기 내부 공동을 향해 또는 상기 공동 내로 돌출되는 내부 소적 부분을 갖는다. 이들 내부 소적 부분은 하나의 실시태양에서 계면 액체, 예를 들어 상기 2개 이상의 내부 소적 부분을 분리시키는 내부 공동내의 침지 액체를 제공함으로써 간접적으로 접촉될 수 있다. 상기 제공된 구조물을 사용하는 배율 조절은 예를 들어 각각의 전자기 구동자를 조절하는 상기 조절기 (controller)의 적합한 프로그램화를 통해 성취될 수 있다.
본 발명에 개시된 큰 구경의 적응 액체-액체 렌즈는 기존의 접근법에 비해 독특한 이점 및 능력을 제공하다. 증가된 집광(light gathering)이 센티미터-규모의 구경 렌즈에 의해 가능하다(예를 들어 공기 중에서 1.68 ㎜ 직경 액체 렌즈로부터 10 ㎜ 직경 액체-액체 렌즈로 집광력이 30배 증가가 진행된다). 집광이 또한 진동-구동 액체 렌즈에 비해, 진동 없이 재구성성에 의해 더욱 증대된다. 중력 배향이 거의 변함없는 모든 디자인에서, 에너지 효율은 유지되면서 전통적으로 성가신 액체 렌즈 디자인을 갖는 장기간 안정성 문제(예를 들어 증발로 인한)가 제거되었다.
당해 분야의 숙련가들은 본 발명에 제공된 결합된-소적 시스템을 또한 휴대폰, 비디오 리코더, 및 비디오 기록 능력을 갖는 다른 소형, 경량 소비제품을 포함한 다수의 용도들에 적용할 수 있음을 알 것이다. 다른 용도들은, 에너지 소비가 강조되는, 고속 적응 영상화, 캠코더, 및 덜 까다로운 용도를 위한 렌즈들의 배열 및 재구성성에 의한 다른 3-D 상 복원을 포함한다. 예를 들어, 다른 용도들은 단지 평범한(또는 그 이하의) 영상보다는 여러 방향의 영상화 능력이 이로울 수 있는 감시 및 방어용 자율적인 초소형 무인 항공기를 포함한다. 상기에 제공된 액체-액체 렌즈의 비교적 작은 크기 및 높은 에너지 효율이, 상기와 같은 작은 매체에 대한 다수의 이들 렌즈의 설치를 적합하게 하여 빠른 초점조정 능력에 의한 전방향 영상화를 실현시킨다.
당해 분야의 숙련가들에 의해 이해되는 바와 같이, 상술한 조절기의 태양들을 시스템, 방법 또는 컴퓨터 프로그램 생성물로서 구체화할 수 있다. 따라서, 상기 조절기의 태양은 전적으로 하드웨어 실시태양, 전적으로 소프트웨어 실시태양(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등), 또는 본 발명에서 일반적으로 모두 "회로", "모듈", 또는 "시스템"으로서 지칭될 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 태양을 겸하는 실시태양의 형태를 취할 수 있다. 더욱 또한, 상기 조절기의 태양은 일체화된 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드를 갖는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체(들)에서 구현된 컴퓨터 프로그램 생성물의 형태를 취할 수 있다.
하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체(들)의 임의의 조합을 사용할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능한 매체는 컴퓨터 판독가능한 저장 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 저장 매체는 예를 들어 비제한적으로 전자, 자기, 광학, 또는 반도체 시스템, 장치, 또는 소자, 또는 이들의 임의의 적합한 조합일 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능한 저장 매체의 보다 구체적인 예(총망라되지 않은 목록)는 하기를 포함한다: 하나 이상의 와이어를 갖는 전기 배선, 휴대용 컴퓨터 디스켓, 하드 디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 리드-온리 메모리(ROM), 삭제 프로그램가능한 리드-온디 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 광섬유, 휴대용 콤팩트 디스크 리드-온리 메모리(CD-ROM), 광학 저장 소자, 자기 저장 소자, 또는 이들의 임의의 적합한 조합. 본 문서와 관련하여, 컴퓨터 판독가능한 저장 매체는 명령어 실행 시스템, 장치 또는 소자에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 함유하거나 저장할 수 있는 임의의 실감형 매체일 수 있다.
컴퓨터-판독가능한 신호 매체는, 예를 들어 베이스밴드 중에 또는 반송파의 부분으로서, 컴퓨터-판독가능한 프로그램 코드가 통합된 전파된 데이터 신호를 포함할 수 있다. 상기와 같은 전파된 신호는 임의의 다양한 형태, 예를 들어 비제한적으로 전기-자기, 광학, 또는 이들의 임의의 적합한 조합의 형태를 취할 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 신호 매체는, 컴퓨터-판독가능한 저장 매체가 아니고 명령어 실행 시스템, 장치 또는 소자에 의해 또는 이들과 함께 사용하기 위한 프로그램을 통신, 전파 또는 수송할 수 있는 임의의 컴퓨터-판독가능한 매체일 수 있다.
컴퓨터 판독가능한 매체상에 구현된 프로그램 코드를 적합한 매체, 예를 들어 비제한적으로 무선, 유선, 광섬유 케이블, RF 등, 또는 이들의 임의의 적합한 조합을 사용하여 전송할 수 있다.
본 발명의 태양들의 실행을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 하나 이상의 프로그래밍 언어의 임의의 조합, 예를 들어 객체지향 프로그래밍 언어, 예를 들어 Java, Smaltalk, C++ 등 및 통상적인 절차지향 프로그래밍 언어, 예를 들어 "C" 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어로 작성될 수 있다.
본 발명의 태양을 본 발명의 실시태양들에 따른 방법, 장치(시스템) 및 컴퓨터 프로그램 생성물의 흐름도 예시 및/또는 블록 선도를 참조하여 상기에 개시한다. 상기 흐름도 예시 및/또는 블록 선도의 몇몇 블록, 및 상기 흐름도 예시 및/또는 블록 선도의 블록들의 조합이 컴퓨터 프로그램 명령에 의해 실행될 수 있음을 알 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 명령은 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공되어, 상기 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서를 통해 수행되는 명령이 상기 흐름도 및/또는 블록 선도 블록 또는 블록들에 명시된 기능/작용을 실행하는 수단을 생성시키도록 하는 기구를 생성시킬 수 있다.
이들 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치, 또는 다른 소자가, 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장된 명령이 상기 흐름도 및/또는 블록 선도 블록 또는 블록들에 명시된 기능/작용을 실행하는 명령을 포함하는 제조 물품을 생성시키도록 특정한 방식으로 기능하게 지시할 수 있는 상기 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장될 수 있다.
상기 컴퓨터 프로그램 명령을 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 데이터 처리 장치, 또는 다른 소자상에 로딩하여 일련의 조작 단계가 상기 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 장치, 또는 다른 소자상에서 수행되도록 하여, 상기 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치상에서 실행되는 명령이 상기 흐름도 및/또는 블록 선도 블록 또는 블록들에 명시된 기능/작용을 실행하는 프로세스를 제공하도록 하는 컴퓨터 실행 프로세스를 생성시킬 수 있다.
도면의 흐름도 및 블록 선도는 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 생성물의 가능한 실행의 얼개 (architecture), 기능 및 조작을 예시한다. 이에 관하여, 상기 흐름도 또는 블록 선도 중의 몇몇 블록은 명시된 논리 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행가능한 명령을 포함하는 코드의 모듈, 세그먼트, 또는 부분을 나타낼 수 있다. 몇몇 대안의 실행에서, 상기 블록들에 나타낸 기능들이 도면에 나타낸 순서를 벗어나 발생할 수도 있음은 또한 물론이다. 예를 들어, 연속해서 도시된 2개의 블록은 실제로는 실질적으로 동시에 실행되거나, 또는 상기 블록들은 때때로, 관련된 기능에 따라, 반대 순도로 실행될 수도 있다. 또한, 상기 블록 선도 및/또는 흐름도 예시의 몇몇 블록들, 및 상기 블록 선도 및/또는 흐름도 예시의 블록들의 조합은 명시된 기능 또는 작용을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기재 (hardware-based) 시스템, 또는 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령의 조합에 의해 실행될 수 있음을 알 것이다.
본 발명에 사용된 용어는 단지 특정한 실시태양을 개시하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명에 사용되는 바와 같이, 단수형 "하나의" 및 "상기"는 문맥상 명백히 달리 가리키지 않는 한, 또한 복수형을 포함하고자 한다. "포함하다"(및 "포함하는"과 같은 임의의 형태의 포함하다), "갖다"(및 "갖는"과 같은 임의의 형태의 갖다), "포함하다"(및 "포함하는"과 같은 임의의 형태의 포함하다), 및 "함유하다"(및 "함유하는"과 같은 임의의 형태의 함유하다)란 용어들은 개방형 결합 동사이다. 결과적으로, 하나 이상의 단계 또는 요소를 "포함하는", "갖는", 포함하는" 또는 "함유하는" 방법 또는 소자는 하나 이상의 단계 또는 요소를 소유하지만, 오직 상기 하나 이상의 단계 또는 요소들만을 소유하는 것으로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 하나 이상의 특징을 "포함하는", "갖는", 포함하는" 또는 "함유하는" 방법의 단계 또는 소자의 요소는 하나 이상의 특징을 소유하지만, 오직 상기 하나 이상의 특징만을 소유하는 것으로 제한되지 않는다. 더욱 또한, 일정한 방식으로 형성되는 소자 또는 구조물은 적어도 상기 방식으로 형성되지만, 또한 나열되지 않은 방식으로 형성될 수도 있다.
하기의 특허청구범위의 모든 단계 또는 단계 플러스 기능 요소들의 상응하는 구조물, 물질, 행위, 및 등가물은, 존재하는 경우, 임의의 구조물, 물질, 또는 상기 기능을 수행하기 위한 행위를 구체적으로 특허청구된 바와 같은 다른 특허청구된 요소와 함께 포함하고자 한다. 본 발명의 명세를 예시 및 설명을 위해 제공하였지만, 상기는 총망라되거나 본 발명을 개시된 형태로 제한하고자 하는 것은 아니다. 다수의 변형 및 변화들은 본 발명의 범위 및 진의로부터 이탈됨 없이 당해 분야의 통상적인 숙련가들에게 자명할 것이다.

Claims (17)

  1. 기판의 제1면과 제2면 사이에서 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널을 포함하는 기판;
    제1 액체를 포함하고, 부분적으로 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널내에 배치되는 액체 방울;
    상기 기판을 적어도 부분적으로 둘러싸고 챔버를 포함하며, 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널이 상기 챔버의 내부에 존재하는 엔클로저(enclosure);
    상기 챔버내에 배치되는 제2 액체
    를 포함하고, 상기 제2 액체, 및 상기 제1 액체를 포함하는 액체 방울이 상기 챔버 내에서 제1 계면 및 제2 계면에서 직접 또는 간접 접촉하며, 상기 제1 계면이 상기 기판의 제1면에 대한 제1 돌출 액체 부분을 한정하고, 상기 제2 계면이 상기 기판의 제2면에 대한 제2 돌출 액체 부분을 한정하며, 종합해서, 상기 제1 및 제2 돌출 액체 부분이 전체 돌출 액체 부피를 한정하는
    액체 렌즈; 및
    상기 기판의 제1 및 제2면에 대해 한정된 전체 돌출 액체 부피를 증가시키거나 감소시킴으로써 상기 액체 렌즈의 배율을 조정하기 위한 렌즈 배율 조절
    을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나의 채널 내에서 액체 방울을 진동시키기 위한 작동장치를 또한 포함하고, 렌즈 배율 조절이 하나의 채널 내의 상기 액체 방울의 진동에도 불구하고 액체 렌즈 배율의 조절을 제공하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    액체 방울의 구성을 비-진동적으로 조정하여 액체 렌즈의 초점 거리를 조정하는 작동장치를 또한 포함하고, 상기 액체 렌즈의 배율 및 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 모두 조정할 수 있는 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    렌즈 배율 조절이, 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널과 유체 연통하는 기판내 내부 공동을 포함하고, 액체 방울이 상기 하나의 채널로부터 상기 내부 공동을 향해 돌출되는 내부 소적 부분을 또한 포함하며, 상기 렌즈 배율 조절이, 상기 기판의 하나의 채널로부터 상기 내부 공동을 향해 돌출되는 내부 소적 부분의 부피를 조절함으로써 상기 기판의 제1 및 제2면에 대한 전체 돌출 액체 부피를 조절하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    기판 중 하나 이상의 채널이 하나 이상의 제1 채널을 포함하고, 렌즈 배율 조절이
    부분적으로 기판 중 하나 이상의 제2 채널내에 배치된 하나 이상의 강자성유체 방울(상기 하나 이상의 강자성유체 방울 중 하나의 강자성유체 방울이 내부 공동내로 연장되는 내부 소적 부분을 포함하고, 액체 방울의 내부 소적 부분 및 상기 하나의 강자성유체 방울의 내부 소적 부분이 상기 내부 공동내에서 직접 또는 간접적으로 접촉한다); 및
    상기 내부 공동내로 연장되는 하나 이상의 강자성유체 소적의 하나의 강자성유체 방울의 내부 소적 부분의 부피를 조절 가능하게 조정하고, 이에 의해 상기 내부 공동을 향해 돌출되는 액체 방울의 내부 소적 부분의 부피, 및 따라서 상기 기판의 제1 및 제2면에 대한 전체 돌출 액체 부피를 조절하는 하나 이상의 전자기 구동자
    를 또한 포함하고, 작동장치가 상기 하나 이상의 전자기 구동자를 포함하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    액체 방울의 내부 소적 부분 및 하나의 강자성유체 방울의 내부 소적 부분이 내부 공동내에 배치된 계면 액체를 통해 상기 내부 공동내에서 간접적으로 접촉하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    계면 액체가 제2 액체를 포함하고, 상기 제2 액체가 기판의 내부 공동내에서 액체 방울의 내부 소적 부분과 하나의 강자성유체 방울의 내부 소적 부분을 분리시키는 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    기판 중 하나 이상의 채널이 하나 이상의 제1 채널을 포함하고, 렌즈 배율 조절이
    내부 공동으로 연장되는 기판내 하나 이상의 제2 채널을 가로질러 연장되는 하나 이상의 가변형(deformable) 표면;
    상기 내부 공동내에 배치된 계면 액체(여기에서 상기 하나 이상의 가변형 표면 및 상기 액체 방울의 내부 소적 부분이 상기 계면 액체를 통해 간접적으로 접촉한다); 및
    상기 하나 이상의 가변형 표면의 위치를 조절 가능하게 조정하고, 이에 의해 상기 내부 공동을 향해 돌출되는 상기 액체 방울의 내부 소적 부분의 부피, 및 따라서 상기 기판의 제1 및 제2면에 대한 전체 돌출 액체 부피를 조절하는 구동자
    를 또한 포함하고, 작동장치가 상기 구동자를 포함하는 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    기판의 제1면이 챔버의 제1 챔버 부분을 용이하게 한정하고, 기판의 제2면이 챔버의 제2 챔버 부분을 용이하게 한정하며, 제2 액체가 상기 제1 챔버 부분 및 상기 제2 챔버 부분을 실질적으로 충전하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제2 액체, 및 제1 액체를 포함하는 액체 방울이 비혼화성이며 제1 챔버 부분내에서 직접 접촉하고, 제 2 챔버 부분내에서 직접 접촉하는 장치.
  11. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    액체 방울을 통해 상을 포착하기 위해, 하나의 채널 중의 상기 액체 방울을 통과하는 하나 이상의 영상화 경로에 결합된 하나 이상의 영상화 센서를 또한 포함하는 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    작동장치가, 제1면과 내부 공동, 또는 제2면과 내부 공동 사이에서 연장되는 기판내 다수의 제2 채널들 중에서 유지되는 다수의 강자성유체 방울을 포함하고, 각각의 강자성유체 방울이 상기 다수의 제2 채널들의 각 제2 채널의 직경에 대해 한정된 임계 부피보다 큰 부피를 포함하고 쌍안정 모세관 전환 요소로서 작용하며, 각각의 쌍안정 모세관 전환 요소가, 상기 강자성유체 방울이 주로 챔버 내에 존재하는 제1 상태와, 상기 강자성유체 방울이 주로 기판의 내부 공동내에 존재하는 제2 상태사이에서 토글링(toggled)될 수 있으며, 상기 다수의 강자성유체 방울 중 하나의 강자성유체 방울이 상기 다수의 강자성유체 방울 중 또 다른 강자성유체 방울과 별도로 전환되어 액체 렌즈의 초점 거리가 용이하게 조정되고, 렌즈 배율 조절이 작동장치를 포함하고 상기 다수의 강자성유체 방울을 선택적으로 전환시켜 기판의 제1 및 제2면에 대한 전체 돌출 액체 부피를 조정함으로써 상기 액체 렌즈의 배율을 조정하는 장치.
  13. 액체 렌즈의 제조 방법으로,
    액체 방울에 대해 비-습윤성인 기판을 수득하고;
    제1면에서부터 제2면까지 연장되는 상기 기판 중 하나 이상의 채널을 제공하고;
    상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널내에 제1 액체를 포함하는 액체 방울을 제공하고;
    상기 기판을 적어도 부분적으로 둘러싸고, 챔버를 포함하며, 상기 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널이 상기 챔버내에 존재하는 엔클로저를 제공하고;
    상기 챔버내에 제2 액체를 배치하고, 상기 제2 액체, 및 제1 액체를 포함하는 액체 방울이 상기 챔버내에서 제1 계면 및 제2 계면에서 직접 또는 간접적으로 접촉하고, 상기 제1 계면이 상기 기판의 제1면에 대한 제1 돌출 액체 부분을 한정하고, 상기 제2 계면이 상기 기판의 제2면에 대한 제2 돌출 액체 부분을 한정하며, 종합해서, 상기 제1 및 제2 돌출 액체 부분이 전체 돌출 액체 부피를 한정하고;
    상기 기판의 제1 및 제2면에 대해 한정된 전체 돌출 액체 부피를 증가시키거나 감소시킴으로써, 상기 액체 렌즈의 배율을 조정하기 위한 렌즈 배율 조절을 제공함
    을 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    채널내에서 액체 방울을 진동시키기 위한 작동장치를 제공함을 또한 포함하고, 렌즈 배율 조절이 하나의 채널내의 상기 액체 방울의 진동에도 불구하고 액체 렌즈 배율의 조절을 제공하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    액체 방울의 구성을 비-진동적으로 조정하여 액체 렌즈의 초점 거리를 조정하는 작동장치를 제공함을 또한 포함하고, 상기 액체 렌즈의 배율 및 상기 액체 렌즈의 초점 거리를 모두 조정할 수 있는 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    렌즈 배율 조절의 제공이, 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 채널 중 하나의 채널과 유체 연통하는 내부 공동을 상기 기판에 제공함을 포함하고, 액체 방울이 상기 하나의 채널로부터 상기 내부 공동을 향해 돌출되는 내부 소적 부분을 또한 포함하며, 상기 렌즈 배율 조절이, 상기 기판의 하나의 채널로부터 상기 내부 공동을 향해 돌출되는 내부 소적 부분의 부피를 조절함으로써 상기 기판의 제1 및 제2면에 대해 한정된 전체 돌출 액체 부피를 조절하는 방법.
  17. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    액체 렌즈 방울의 제1 및 제2 소적 부분을 통해 상을 포착하기 위해, 하나의 채널 중의 상기 액체 렌즈 방울의 제1 및 제2 소적 부분을 통과하는 하나 이상의 영상화 경로에 결합된 하나 이상의 영상화 센서를 제공함을 또한 포함하는 방법.
KR1020157015812A 2012-11-16 2013-11-13 배율 조절되는 액체 렌즈 KR20150085043A (ko)

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