KR20180031285A - 평면형 가변 초점 렌즈 - Google Patents
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Abstract
얇은 두께를 갖는 평면형으로 제작될 수 있는 가변 초점 렌즈가 개시된다. 개시된 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 광축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성된 제 1 위상판과 제 2 위상판을 포함한다. 제 1 위상판과 제 2 위상판은 각각, 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위에 따라 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소와 다수의 제 2 위상 변환 요소를 포함한다.
Description
개시된 실시예들은 초점 거리를 조절할 수 있는 가변 초점 렌즈에 관한 것으로, 특히 얇은 두께를 갖는 평면형으로 제작될 수 있는 가변 초점 렌즈에 관한 것이다.
컴팩트 카메라와 모바일 장치용 카메라뿐만 아니라 미러리스 카메라와 일안반사식 카메라 등도 점차 소형화되는 추세이다. 이에 따라, 소형 카메라 렌즈의 개발이 요구되고 있다. 지금까지 소형 카메라를 위한 렌즈는 대부분 초점 거리가 고정된 고정 초점 렌즈로 설계되었다. 그러나 고정 초점 렌즈는 화각이 고정되어 있어서 다양한 효과를 주어 촬영하는 것이 어렵다. 특히, 컴팩트 카메라나 모바일 장치용 카메라는 대체로 근거리 촬영에 적합하게 설계되었기 때문에, 원거리 촬영에는 적합하지 않을 수 있다.
근거리에서 원거리까지 촬영이 가능한 렌즈로서 다수의 초점 거리를 갖는 다중 초점 렌즈 또는 가변의 초점 거리를 갖는 줌 렌즈가 많이 사용된다. 그러나 줌 렌즈는 통상적으로 다수의 렌즈 소자들로 구성되기 때문에 카메라가 길고 무거워지는 원인이 된다.
얇은 두께를 갖는 평면형으로 제작될 수 있는 가변 초점 렌즈를 제공한다.
개시된 가변 초점 렌즈는, 상이한 크기들을 갖는 다수의 제 1 위상 변환 요소를 포함하는 제 1 위상판; 및 상이한 크기들을 갖는 다수의 제 2 위상 변환 요소를 포함하는 제 2 위상판;을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 위상판과 상기 제 2 위상판은 광축을 따라 서로 대향하도록 배치되어 있으며 광축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성되고, 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위에 따라 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다.
상기 제 1 위상판은 투명한 제 1 기판을 더 포함하고 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소는 상기 제 1 기판 위에 2차원 배열되어 있으며, 상기 제 2 위상판은 투명한 제 2 기판을 더 포함하고 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 2 기판 위에 2차원 배열되어 있다.
상기 제 1 및 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 1 및 제 2 기판의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 기판은 평판의 형태를 가지며, 상기 제 1 위상 변환 요소와 제 2 위상 변환 요소가 서로 마주 보도록 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판이 배치될 수 있다.
상기 제 1 위상판은 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 사이에 채워진 투명한 제 1 유전체층을 더 포함하며, 상기 제 2 위상판은 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소 사이에 채워진 투명한 제 2 유전체층을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 유전체층의 두께는 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소를 완전히 덮도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 두께보다 크고, 상기 제 2 유전체층의 두께는 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소를 완전히 덮도록 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 두께보다 클 수 있다.
상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층이 서로 접촉하도록 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판이 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소들은 원통형의 형태를 가질 수 있다.
상기 제 1 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 1 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소는 상기 제 1 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 가질 수 있다.
상기 제 2 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 2 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 2 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 가질 수 있다.
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛의 위상이 Alvarez-Lohmann 조건을 만족하도록, 상기 제 1 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 직경들 및 상기 제 2 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 직경들이 선택될 수 있다.
상기 제 2 위상 변환 요소의 배열은 상기 제 1 위상 변환 요소의 배열과 거울 대칭 관계에 있다.
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판은 상기 제 1 위상 변환 요소와 상기 제 2 위상 변환 요소 사이의 대칭축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 두께가 서로 동일할 수 있다.
상기 가변 초점 렌즈는, 상이한 크기들을 갖는 다수의 제 3 위상 변환 요소를 포함하는 제 3 위상판; 및 상이한 크기들을 갖는 다수의 제 4 위상 변환 요소를 포함하는 제 4 위상판;을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판의 쌍이 하나의 제 1 렌즈 요소로서 기능하도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 배열되고 상기 3 위상판과 제 4 위상판의 쌍이 하나의 제 2 렌즈 요소로서 기능하도록 상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소가 배열될 수 있다.
상기 제 1 위상판 내지 상기 제 4 위상판은 광축을 따라 차례로 배치되어 있으며, 상기 제 3 위상판 및 상기 제 4 위상판은 광축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소는 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 변위에 따라 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 제 3 및 제 4 위상 변환 요소들은 원통형의 형태를 가지며, 상기 제 3 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 3 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 3 위상 변환 요소는 상기 제 3 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 갖고, 상기 제 4 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 4 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소는 상기 제 4 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 가질 수 있다.
상기 제 1 위상판은 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 1 영역 및 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 2 영역을 포함할 수 있으며, 상기 제 2 위상판은 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 3 영역 및 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 4 영역을 포함할 수 있다.
상기 제 1 영역과 제 3 영역이 서로 대향하고 상기 제 2 영역과 제 4 영역이 서로 대향하도록 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판이 배치될 수 있다.
상기 제 1 영역과 제 2 영역의 쌍이 하나의 제 1 렌즈 요소로서 기능하고 상기 3 영역과 제 4 영역의 쌍이 하나의 제 2 렌즈 요소로서 기능하도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 배열될 수 있다.
상기 제 1 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 2 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열이 서로 동일하고, 상기 제 3 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 4 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열이 서로 동일할 수 있다.
상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 특정 변위에서 상기 제 1 렌즈 요소와 상기 제 2 렌즈 요소가 동일한 초점 거리를 가질 수 있다.
상기 제 1 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 2 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열이 상이하고, 상기 제 3 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 4 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열이 상이할 수 있다.
상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 특정 변위에서 상기 제 1 렌즈 요소와 상기 제 2 렌즈 요소가 상이한 초점 거리를 가질 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 영상 획득 장치는, 상술한 구조를 갖는 가변 초점 렌즈; 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 이동시키기 위한 액추에이터; 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위를 제어하기 위한 제어부; 및 촬상 소자;를 포함할 수 있다.
또한 영상 획득 장치는 적어도 하나의 광학 렌즈 요소를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 평면형으로 제작될 수 있기 때문에 얇은 두께를 가질 수 있다. 따라서, 개시된 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 컴팩트 카메라나 모바일 장치용 카메라에 줌 기능을 제공할 수 있다. 또한, 개시된 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝 방식으로 제작될 수 있기 때문에, 렌즈 소자의 복잡한 곡면을 형성하기 위한 복잡한 가공 공정이 요구되지 않는다. 따라서 개시된 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 제작이 쉽고 공정 오차에 의한 품질 열화가 적으므로 영상 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가변 초점 렌즈의 하나의 위상판을 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 3은 위상판에 배열된 하나의 위상 변환 요소의 직경과 투과광의 위상 변화 사이의 관계를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 제 1 위상판의 다수의 제 1 위상 변환 요소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 4b는 일 실시예에 따른 제 2 위상판의 다수의 제 2 위상 변환 요소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 변위가 0.6 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 변위가 0.3 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 변위가 0 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 변위가 -0.3 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c는 변위가 -0.6 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위와 가변 초점 렌즈의 초점 거리 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 11은 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 14a 내지 도 14c는 또 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 영상 획득 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가변 초점 렌즈의 하나의 위상판을 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 3은 위상판에 배열된 하나의 위상 변환 요소의 직경과 투과광의 위상 변화 사이의 관계를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 제 1 위상판의 다수의 제 1 위상 변환 요소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 4b는 일 실시예에 따른 제 2 위상판의 다수의 제 2 위상 변환 요소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 변위가 0.6 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 변위가 0.3 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 변위가 0 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 변위가 -0.3 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c는 변위가 -0.6 mm일 때 제 1 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위와 가변 초점 렌즈의 초점 거리 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 11은 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 14a 내지 도 14c는 또 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 영상 획득 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 평면형 가변 초점 렌즈에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 가변 초점 렌즈(100)는 광축(OX)을 따라 서로 대향하여 배치되며 광축(OX)에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성된 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 포함할 수 있다. 제 1 위상판(110)은 투명한 제 1 기판(111) 및 상기 제 1 기판(111)의 한 표면 위에 2차원 배열된 다수의 제 1 위상 변환 요소(112)를 포함할 수 있다. 제 2 위상판(120)은 투명한 제 2 기판(121) 및 상기 제 2 기판(121)의 한 표면 위에 2차원 배열된 다수의 제 2 위상 변환 요소(122)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 위상 변환 요소(112)와 제 2 위상 변환 요소(122)가 서로 마주보도록 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)이 배치될 수 있다. 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)이 서로에 대해 이동할 때 손상이 일어나지 않도록 제 1 위상 변환 요소(112)와 제 2 위상 변환 요소(122)는 서로 완전히 접촉할 필요가 없으며 단지 약간의 간격(g)만큼 이격될 수 있다.
제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)는 각각 제 1 및 제 2 기판(111, 121)의 한 표면 위로 돌출하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 가변 초점 렌즈(100)의 제 1 위상판(110)을 예시적으로 보이는 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 기판(111) 위에 제 1 위상 변환 요소(112)들이 소정의 패턴을 형성하도록 2차원 배열될 수 있다. 각각의 제 1 위상 변환 요소(112)는, 예를 들어, 원통형의 형태를 가질 수 있다. 각각의 제 2 위상 변환 요소(122)도 원통형의 형태를 가질 수 있다. 그러나 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 형태가 반드시 원통형일 필요는 없다. 이러한 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)는 일반적인 반도체 패터닝 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 기판(111, 121)의 표면 위에 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 재료층을 적층한 후에, 포토리소그래피 공정를 이용하여 제 1 및 제 2 위상 변환 상기 재료층을 패터닝함으로써 간단하게 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)가 형성될 수 있다.
제 1 기판(111)과 제 2 기판(121)은, 예를 들어, 평판 형태의 투명한 유리나 투명한 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)는 제 1 및 제 2 기판(111, 121)보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 위상 변환 요소(112, 122)는 게르마늄(Ge), 비정질 실리콘(a-Si), 다결정 실리콘(p-Si), 단결정 실리콘(c-Si), III-V족 화합물, TiO2 및 SiNx 등과 같은 고굴절률 재료로 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 굴절률은, 예를 들어, 가시광 파장에서 3.5보다 클 수 있다.
입사광이 이러한 고굴절률의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)를 투과하게 되면, 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)에 의해 위상이 지연되면서 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)를 투과한 투과광의 위상이 입사광의 위상과 달라지게 된다. 위상이 변화하는 정도는 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 크기와 두께(t)에 따라 결정될 수 있다. 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)가 예컨대 원통형인 경우, 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 직경(d)과 두께에 따라 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)를 투과한 투과광의 위상이 달라지게 된다.
예를 들어, 도 3은 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)에서 배열된 하나의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 직경과 투과광의 위상 변화 사이의 관계를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 3의 그래프에서, 각각의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)는 600 nm의 격자 상수(lattice constant)를 갖는 비정질 실리콘으로 이루어지고, 750 nm의 두께를 갖는 것으로 가정하였다. 도 3을 참조하면, 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 직경과 위상 변화는 선형적인 관계는 아니고 비선형적인 관계를 갖지만, 대체로 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 직경이 커질수록 위상 변화가 증가한다는 것을 알 수 있다.
따라서 다수의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들이 서로 다른 크기 또는 서로 다른 두께를 가지면, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)을 투과한 투과광은 제 1 및 제 2 위상판(110, 120) 상에서의 위치에 따라 서로 다른 위상을 갖게 될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120) 상에서의 위치에 따라 투과광의 위상이 국소적으로 변화하게 된다. 이러한 상이한 크기 또는 상이한 두께들을 갖는 다수의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들을 적절히 배열하면, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)을 투과한 투과광의 파면을 원하는 대로 제어할 수 있게 된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들의 배열에 따라 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)이 렌즈와 같은 굴절 방식의 광학 소자의 역할을 할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 투과광의 위상 특성이 Alvarez-Lohmann 렌즈 조건을 만족하는 3차 함수를 갖도록 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들의 배열을 설계하고, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 대향하여 배치할 수 있다. 그런 후, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 광축(OX)에 수직한 방향으로 서로에 대해 상대적으로 변위시키면, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 조합에 의한 가변 초점 렌즈(100)의 전체적인 위상 변화는 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 상대적인 변위에 따라 달라지게 된다. 예를 들어, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 상대적인 변위 정도 및 변위 방향에 따라 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력이 변화하게 되어 가변 초점 렌즈(100)의 초점 거리게 변하게 될 수 있다. 이를 위해, 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(111, 122)들은 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 변위에 따라 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 투과한 빛이 광축(OX) 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다.
예를 들어, 도 4a는 일 실시예에 따른 제 1 위상판(110)의 다수의 제 1 위상 변환 요소(112)의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 4b는 일 실시예에 따른 제 2 위상판(120)의 다수의 제 2 위상 변환 요소(122)의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제 1 위상판(110)을 투과한 빛의 위상이 제 1 위상판(110) 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록 다수의 제 1 위상 변환 요소(112)는 제 1 위상판(110) 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 갖는다. 마찬가지로, 제 2 위상판(120)을 투과한 빛의 위상이 제 2 위상판(120) 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 다수의 제 2 위상 변환 요소(122)는 제 2 위상판(120) 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 갖는다. 도 4a 및 도 4b에는 각각의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 직경들이 예시적으로 표시되어 있다. 제 1 위상판(110) 상에서의 위치에 따른 다수의 제 1 위상 변환 요소(112)의 직경들 및 제 2 위상판(120) 상에서의 위치에 따른 다수의 제 2 위상 변환 요소(122)의 직경들은 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 투과한 빛의 위상이 아래의 수학식 1과 같은 Alvarez-Lohmann 조건을 만족하도록 선택될 수 있다.
위의 수학식 1에서, φ는 투과광의 위상 변화를 나태나며, x, y는 가변 초점 렌즈(100)의 중심을 원점으로 할 때의 좌표를 나타내고, A, D, E는 임의의 상수이다.
제 1 및 제 2 위상판(110, 120)의 각각의 위치에서의 위상 변화 φ가 결정되면, 도 3에 도시된 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 직경과 투과광의 위상 변화 사이의 관계를 이용하여, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)의 각각의 위치에서의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 직경을 선택할 수 있다. 투과광의 위상 변화는 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 두께에 의해서도 영향을 받을 수 있지만, 다수의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 두께를 다르게 형성할 경우, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)의 제조 공정이 복잡해질 수 있기 때문에, 도 4a 및 도 4b의 예에서는 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 두께를 모두 750 nm로 고정하였다.
또한, 도 4a 및 도 4b의 예에서 각각의 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)의 가로 방향 중심선을 기준으로 다수의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)가 상하 대칭이 되도록 설계되었다. 또한, 제 1 위상판(110)의 제 1 위상 변환 요소(112)의 배열과 제 2 위상판(120)의 제 2 위상 변환 요소(122)의 배열은 좌우 방향으로 서로에 대해 거울 대칭이 되도록 설계되었다. 따라서, 제 1 위상판(110)에 의한 위상 변화와 제 2 위상판(120)에 의한 위상 변화는 서로 좌우 반전된 형태가 될 수 있다. 이 경우, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)은 제 1 위상 변환 요소(112)와 제 2 위상 변환 요소(122) 사이의 대칭축에 수직한 방향, 즉 좌우 방향으로 변위될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 변위가 0.6 mm일 때 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈(100)의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 5a 내지 도 5c의 예에서, 제 1 위상 변환 요소(112)와 제 2 위상 변환 요소(122)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 배열을 갖는 것으로 가정하였다. 또한, 제 1 기판(111)과 제 2 기판(121)은 유리로 이루어지고, 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)는 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어지는 것으로 가정하였다. 또한 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 높이는 750 nm이며, 입사광은 850 nm의 파장을 갖는 적외선 광으로 가정하였다. 또한 도 5a 내지 도 5c의 그래프에서, 가로축은 변위를 나타내며 단위가 mm 이고, 세로축은 위상을 나타내며 단위는 라디안이다.
여기서 변위는 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 상대적으로 시프트된 거리로서, 제 1 위상판(110)이 제 2 위상판(120)에 대해 우측 방향으로 이동할 경우를 양(+)의 방향으로 선택하고, 좌측 방향으로 이동할 경우를 음(-)의 방향으로 선택하였다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵과 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵의 서로에 대해 좌우 대칭이다. 그리고, 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵이 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵보다 우측으로 0.6 mm이 변위되어 있다. 그러면, 제 1 위상판(110)에 의한 위상맵과 제 2 위상판(120)에 의한 위상맵을 조합한 결과적인 가변 초점 렌즈(100)의 위상맵은 도 5c에 도시된 바와 같이 양의 굴절력을 갖는 볼록한 모양이 된다. 따라서, 이 경우에 가변 초점 렌즈(100)는 약 25 mm의 초점 거리를 갖는 볼록 렌즈의 역할을 할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 변위가 0.3 mm일 때 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈(100)의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵과 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵이 점차 가까워지면 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력이 점점 작아질 수 있다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈(100)는 약 50 mm의 초점 거리를 갖는 볼록 렌즈의 역할을 할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 변위가 0 mm일 때 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈(100)의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다. 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)이 완전히 겹쳐지게 되면, 제 1 위상판(110)에 의한 위상 변화와 제 2 위상판(120)에 의한 위상 변화가 완전히 상쇄된다. 그러면, 도 7c에 도시된 바와 같이, 결과적인 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력은 평판과 같은 0이 된다. 이 경우, 가변 초점 렌즈(100)의 초점 거리는 무한대(∞)가 된다.
도 8a 내지 도 8c는 변위가 -0.3 mm일 때 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈(100)의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 음의 변위가 될 때 제 1 위상판(110)의 위상맵은 제 2 위상판(120)의 위상맵보다 상대적으로 좌측에 위치하게 된다. 이 경우, 도 8c에 도시된 바와 같이, 결과적인 가변 초점 렌즈(100)는 음의 굴절력을 갖는 오목한 모양이 된다. 따라서, 이 경우에 가변 초점 렌즈(100)는 약 -50 mm의 초점 거리를 갖는 오목 렌즈의 역할을 할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 변위가 -0.6 mm일 때 제 1 위상판(110)을 투과한 투과광의 위상맵, 제 2 위상판(120)을 투과한 투과광의 위상맵, 가변 초점 렌즈(100)의 투과광의 결과적인 위상맵을 각각 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 제 1 위상판(110)이 좌측으로 점점 더 이동하게 되면 가변 초점 렌즈(100)의 음의 굴절력이 점점 더 커질 수 있다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈(100)는 약 -25 mm의 초점 거리를 갖는 오목 렌즈의 역할을 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 변위에 따라, 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력 및 초점 거리가 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 10은 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 변위와 가변 초점 렌즈(100)의 초점 거리 사이의 관계를 보이는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 양의 변위에서는 가변 초점 렌즈(100)가 볼록 렌즈의 역할을 하며 변위가 커질수록 초점 거리가 짧아지고 변위가 작아질수록 초점 거리가 길어진다. 특히, 변위가 0일 때 초점 거리는 무한대가 된다. 음의 변위에서는 가변 초점 렌즈(100)가 오목 렌즈의 역할을 하며 변위가 커질수록 초점거리가 초점 거리가 짧아지고 변위가 작아질수록 초점 거리가 길어진다. 또한, 도 11은 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 변위와 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력은 변위에 대해 선형적인 비례 관계를 갖는다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 변위가 0일 때 가변 초점 렌즈(100)가 0의 굴절력을 가지며, 변위가 증가 또는 감소함에 따라 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력도 그에 비례하여 증가 또는 감소할 수 있다.
이러한 본 실시예에 따른 가변 초점 렌즈(100)는 평면형으로 제작될 수 있기 때문에 얇은 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈(100)는 수 um 내지 수 mm의 얇은 두께로 제작이 가능하다. 따라서 가변 초점 렌즈(100)는 컴팩트 카메라나 모바일 장치용 카메라에 줌 기능을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 가변 초점 렌즈(100)는 포토리소그래피 공정을 이용한 패터닝 방식으로 제작될 수 있기 때문에, 광학적 렌즈 소자의 복잡한 곡면을 형성하기 위한 복잡한 가공 공정이 요구되지 않는다. 따라서 가변 초점 렌즈(100)는 제작이 쉽고 공정 오차에 의한 품질 열화가 적을 수 있어서, 영상 품질을 향상시킬 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 가변 초점 렌즈(200)는 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)를 둘러싸서 보호하는 투명한 유전체층(113, 123)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 위상판(110)은 다수의 제 1 위상 변환 요소(112) 사이에 채워진 투명한 제 1 유전체층(113)을 포함할 수 있으며, 제 2 위상판(120)은 다수의 제 2 위상 변환 요소(122) 사이에 채워진 투명한 제 2 유전체층(123)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 유전체층(113, 123)은 예를 들어 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), 투명 폴리머 재료, SiO2 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다.
제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)를 충분히 보호하기 위하여, 제 1 유전체층(113)의 두께는 제 1 위상 변환 요소(112)를 완전히 덮도록 제 1 위상 변환 요소(112)의 두께보다 클 수 있으며, 제 2 유전체층(123)의 두께는 제 2 위상 변환 요소(122)를 완전히 덮도록 제 2 위상 변환 요소(122)의 두께보다 클 수 있다. 이 경우, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 상대적인 이동시에 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)이 손상되지 않을 수 있다. 따라서, 도 12에 도시된 바와 같이, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)은 제 1 유전체층(113)과 제 2 유전체층(123)이 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 13을 참조하면, 가변 초점 렌즈(300)는 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)에 추가하여 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 위상판(110) 내지 제 4 위상판(140)은 광축을 따라 차례로 배치될 수 있다. 제 3 위상판(130)은 제 3 기판(131), 상이한 크기들을 갖는 다수의 제 3 위상 변환 요소(132) 및 제 3 유전체층(133)을 포함할 수 있다. 또한 제 4 위상판(140)은 제 4 기판(141), 상이한 크기들을 갖는 다수의 제 4 위상 변환 요소(142) 및 제 4 유전체층(143)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 쌍이 하나의 제 1 렌즈 요소로서 기능하도록 다수의 제 1 위상 변환 요소(112)와 다수의 제 2 위상 변환 요소(122)가 배열될 수 있으며, 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)의 쌍이 하나의 제 2 렌즈 요소로서 기능하도록 다수의 제 3 위상 변환 요소(132)와 다수의 제 4 위상 변환 요소(142)가 배열될 수 있다. 그리고, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)이 광축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성되며, 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)이 광축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들은 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 변위에 따라 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다. 또한, 제 3 및 제 4 위상 변환 요소(132, 142)들은 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 변위에 따라 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다. 따라서, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 상대적인 변위 및 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)의 상대적 변위에 따라 가변 초점 렌즈(300)의 초점 거리게 변하게 될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소(112, 122, 132, 142)들은 원통형의 형태를 가질 수 있다. 그리고, 제 1 내지 제 4 위상판(110, 120, 130, 140)을 투과한 빛의 위상이 제 1 내지 제 4 위상판(110, 120, 130, 140) 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소(112, 122, 132, 142)들은 각각 제 1 내지 제 4 위상판(110, 120, 130, 140) 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 가질 수 있다. 여기서, 제 1 위상 변환 요소(112)의 배열과 제 2 위상 변환 요소(122)의 배열이 좌우 방향으로 서로에 대해 거울 대칭이 되고, 제 3 위상 변환 요소(132)의 배열과 제 4 위상 변환 요소(142)의 배열이 좌우 방향으로 서로에 대해 거울 대칭되도록 설계될 수 있다.
본 실시예에 따른 가변 초점 렌즈(300)에서, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)의 쌍으로 이루어진 제 1 렌즈 요소와 제 3 및 제 4 위상판(130, 140)의 쌍으로 이루어진 제 2 렌즈 요소가 서로 다른 광학적 특성을 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)의 변위와 제 3 및 제 4 위상판(130, 140)의 변위가 동일할 때, 제 1 렌즈 요소는 양의 굴절력을 갖고 제 2 렌즈 요소는 음의 굴절력을 가질 수 있다. 또는, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)의 변위와 제 3 및 제 4 위상판(130, 140)의 변위가 독립적으로 구동되어 제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소의 굴절력을 임의로 선택할 수 있다. 도 13에는 가변 초점 렌즈(300)가 2개의 위상판 쌍(110, 120; 130, 140)을 갖는 것으로 도시되었지만, 이에 한정되지 않고 3개 이상의 위상판 쌍을 가질 수도 있다.
본 실시예에 따른 가변 초점 렌즈(300)는 제 1 내지 제 4 위상판(110~140)에 의한 위상 변화가 누적되어 적은 변위로도 더 큰 굴절력 변화 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이러한 가변 초점 렌즈(300)는 복수의 렌즈 요소를 갖는 줌 렌즈로서 기능할 수도 있다. 필요에 따라서는, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)에 대해 제 3 및 제 4 위상판(130, 140)을 광축 방향으로 이동시킬 수도 있다. 즉, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)으로 이루어진 제 1 렌즈 요소와 제 4 위상판(130, 140)으로 이루어진 제 2 렌즈 요소 사이의 광축 방향 거리를 변화시켜 초점을 조절할 수도 있다.
도 14a 내지 도 14c는 또 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 14a를 참조하면, 가변 초점 렌즈(400)는 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들이 국소적으로 배열되어 있는 다수의 영역(400a, 400b, 400c, 400d)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들은 이러한 다수의 영역(400a, 400b, 400c, 400d) 내에만 배열될 수 있다. 그리고 다수의 영역(400a, 400b, 400c, 400d)이 규칙적으로 2차원 배열될 수 있다. 그러면 가변 초점 렌즈(400)는 다수의 렌즈 요소들이 2차원 배열되어 있는 렌즈 어레이의 기능을 수행할 수 있다.
도 14b 및 도 14c를 참조하면, 가변 초점 렌즈(400)는 제 1 위상판(410)과 제 2 위상판(420)을 포함할 수 있다. 제 1 위상판(410)은 2차원 배열된 제 1 내지 제 4 영역(410a, 410b, 410c, 410d)을 포함하며, 제 1 위상 변환 요소(112)들은 제 1 내지 제 4 영역(410a, 410b, 410c, 410d) 내에만 국소적으로 배열될 수 있다. 또한, 제 2 위상판(420)은 제 5 내지 제 8 영역(420a, 420b, 420c, 420d)을 포함하며, 제 2 위상 변환 요소(122)들은 제 5 내지 제 8 영역(420a, 420b, 420c, 420d) 내에만 국소적으로 배열될 수 있다. 제 1 및 제 2 위상판(410, 420)은 제 1 내지 제 4 영역(410a, 410b, 410c, 410d)과 제 5 내지 제 8 영역(420a, 420b, 420c, 420d)이 각각 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역(410a)과 제 5 영역(420a)이 서로 대향하고 제 2 영역(410b)과 제 6 영역(420b)이 서로 대향하고 제 3 영역(410c)과 제 7 영역(420c)이 서로 대향하고 제 4 영역(410d)과 제 8 영역(420d)이 서로 대향하도록 제 1 위상판(410)과 제 2 위상판(420)이 배치될 수 있다.
그러면 제 1 영역(410a)과 제 5 영역(420a)의 쌍이 하나의 제 1 렌즈 요소로서 기능을 하고, 제 2 영역(410b)과 제 6 영역(420b)의 쌍이 하나의 제 2 렌즈 요소로서 기능을 하며, 제 3 영역(410c)과 제 7 영역(420c)의 쌍이 하나의 제 3 렌즈 요소로서 기능을 하고, 제 4 영역(410d)과 제 8 영역(420d)의 쌍이 하나의 제 4 렌즈 요소로서 기능을 할 수 있다. 이렇게 구성된 제 1 내지 제 4 렌즈 요소가 동일한 광학적 특성을 갖도록 제 1 내지 제 4 영역(410a, 410b, 410c, 410d) 내의 제 1 위상 변환 요소(112)들의 배열들 및 제 5 내지 제 8 영역(420a, 420b, 420c, 420d) 내의 제 2 위상 변환 요소(122)들의 배열들을 동일하게 설계할 수 있다. 또는, 제 1 내지 제 4 렌즈 요소가 각각 상이한 광학적 특성을 갖도록 제 1 내지 제 4 영역(410a, 410b, 410c, 410d) 내의 제 1 위상 변환 요소(112)들의 배열들 및 제 5 내지 제 8 영역(420a, 420b, 420c, 420d) 내의 제 2 위상 변환 요소(122)들의 배열들을 상이하게 설계할 수도 있다. 그러면, 제 1 위상판(410)과 제 2 위상판(420)의 특정 변위에서 제 1 내지 제 4 렌즈 요소가 서로 다른 초점 거리를 가질 수 있다.
상술한 가변 초점 렌즈(100, 200, 300, 400)들은 컴팩트 카메라나 모바일 장치용 카메라와 같은 영상 획득 장치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 15는 일 실시예에 따른 영상 획득 장치(500)의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 영상 획득 장치(500)는, 가변 초점 렌즈(200), 가변 초점 렌즈(200)의 제 1 위상판(110)을 이동시키는 제 1 액추에이터(531), 가변 초점 렌즈(200)의 제 2 위상판(120)을 이동시키는 제 2 액추에이터(532), 제 1 및 제 2 액추에이터(531, 532)를 각각 구동하여 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 변위를 제어하는 제어부(520), 및 빛을 감지하는 다수의 화소들을 갖는 촬상 소자(510)를 포함할 수 있다.
도 15에는 도 2에 도시된 가변 초점 렌즈(200)가 예시적으로 도시되었지만, 영상 획득 장치(500)는 다른 가변 초점 렌즈(100, 300, 400)들을 포함할 수도 있다. 또한, 도 15에서 제 1 및 제 2 액추에이터(531, 532) 중 하나는 생략될 수도 있다. 다시 말해, 제 1 및 제 2 액추에이터(531, 532)를 모두 이용하여 제 1 및 제 위상판(110, 120)을 모두 변위시킬 수도 있고, 또는 어느 하나의 액추에이터(531 또는 532)만을 사용하여 제 1 및 제 위상판(110, 120) 중 하나만을 변위시킬 수도 있다. 제 1 및 제 2 액추에이터(531, 532)는 정전기력 또는 자기력을 이용한 전기적 장치일 수도 있으며 또는 기계적 장치일 수도 있다. 제어부(520)는 미리 입력된 프로그램에 따라 또는 사용자의 선택에 따라 가변 초점 렌즈(200)의 원하는 초점 거리를 얻기 위한 변위를 계산하고 제 1 및 제 2 액추에이터(531, 532)를 제어하여 제 1 및 제 위상판(110, 120)를 계산된 변위만큼 이동시킬 수 있다.
또한 영상 획득 장치(500)는 가변 초점 렌즈(200)만을 단독으로 사용할 수도 있지만 추가적인 광학 렌즈 요소(550)를 더 포함할 수 있다. 도 15에는 하나의 광학 렌즈 요소(550)만이 예시적으로 도시되었지만, 영상 획득 장치(500)는 2개 이상의 광학 렌즈 요소(550)와 가변 초점 렌즈(200)를 함께 사용할 수도 있다.
이러한 영상 획득 장치(500)는 가변 초점 렌즈(200)의 초점 거리를 연속적으로 조절하면서 촬영을 함으로서 깊이 센서(depth sensor)의 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈(200)의 초점 거리에 따라 상이 맺히는 피사체의 거리가 달라지므로, 최소 초점 거리부터 최대 초점 거리까지 연속적으로 초점 거리를 변화시키면서 촬영을 수행하여 얻은 다수의 영상들을 이용하여 깊이 맵을 생성할 수 있다.
상술한 평면형 가변 초점 렌즈는 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. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400.....가변 초점 렌즈
110, 120, 130, 140.....위상판
111, 121, 131, 141.....기판
112, 122, 132, 142.....위상 변환 요소
113, 123, 133, 143.....유전체층
500.....영상 획득 장치
510.....촬상 소자
520.....제어부
531, 532.....액추에이터
110, 120, 130, 140.....위상판
111, 121, 131, 141.....기판
112, 122, 132, 142.....위상 변환 요소
113, 123, 133, 143.....유전체층
500.....영상 획득 장치
510.....촬상 소자
520.....제어부
531, 532.....액추에이터
Claims (25)
- 상이한 크기들을 갖는 다수의 제 1 위상 변환 요소를 포함하는 제 1 위상판; 및
상이한 크기들을 갖는 다수의 제 2 위상 변환 요소를 포함하는 제 2 위상판;을 포함하고,
상기 제 1 위상판과 상기 제 2 위상판은 광축을 따라 서로 대향하도록 배치되어 있으며 광축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성되고,
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위에 따라 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 위상판은 투명한 제 1 기판을 더 포함하고 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소는 상기 제 1 기판 위에 2차원 배열되어 있으며,
상기 제 2 위상판은 투명한 제 2 기판을 더 포함하고 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 2 기판 위에 2차원 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 1 및 제 2 기판의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어지는 가변 초점 렌즈. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 기판은 평판의 형태를 가지며, 상기 제 1 위상 변환 요소와 제 2 위상 변환 요소가 서로 마주 보도록 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판이 배치되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 위상판은 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 사이에 채워진 투명한 제 1 유전체층을 더 포함하며, 상기 제 2 위상판은 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소 사이에 채워진 투명한 제 2 유전체층을 더 포함하는 가변 초점 렌즈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층의 두께는 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소를 완전히 덮도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 두께보다 크고, 상기 제 2 유전체층의 두께는 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소를 완전히 덮도록 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 두께보다 큰 가변 초점 렌즈. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층이 서로 접촉하도록 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판이 배치되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 제 1 및 제 2 위상 변환 요소들은 원통형의 형태를 갖는 가변 초점 렌즈. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 1 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소는 상기 제 1 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 갖고,
상기 제 2 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 2 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 2 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 갖는 가변 초점 렌즈. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛의 위상이 Alvarez-Lohmann 조건을 만족하도록, 상기 제 1 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 직경들 및 상기 제 2 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 직경들이 선택되는 가변 초점 렌즈. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 2 위상 변환 요소의 배열은 상기 제 1 위상 변환 요소의 배열과 거울 대칭 관계에 있는 가변 초점 렌즈. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판은 상기 제 1 위상 변환 요소와 상기 제 2 위상 변환 요소 사이의 대칭축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성된 가변 초점 렌즈. - 제 9 항에 있어서,
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 두께가 서로 동일한 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상이한 크기들을 갖는 다수의 제 3 위상 변환 요소를 포함하는 제 3 위상판; 및
상이한 크기들을 갖는 다수의 제 4 위상 변환 요소를 포함하는 제 4 위상판;을 더 포함하며,
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판의 쌍이 하나의 제 1 렌즈 요소로서 기능하도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 배열되고 상기 3 위상판과 제 4 위상판의 쌍이 하나의 제 2 렌즈 요소로서 기능하도록 상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소가 배열된 가변 초점 렌즈. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 위상판 내지 상기 제 4 위상판은 광축을 따라 차례로 배치되어 있으며, 상기 제 3 위상판 및 상기 제 4 위상판은 광축에 수직한 방향으로 서로에 대해 이동 가능하도록 구성되고,
상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소는 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 변위에 따라 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 15 항에 있어서,
상기 다수의 제 3 및 제 4 위상 변환 요소들은 원통형의 형태를 가지며,
상기 제 3 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 3 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 3 위상 변환 요소는 상기 제 3 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 갖고,
상기 제 4 위상판을 투과한 빛의 위상이 상기 제 4 위상판 상에서의 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소는 상기 제 4 위상판 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 갖는 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 위상판은 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 1 영역 및 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 2 영역을 포함하며,
상기 제 2 위상판은 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 3 영역 및 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 국소적으로 배열되어 있는 제 4 영역을 포함하는 가변 초점 렌즈. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 영역과 제 3 영역이 서로 대향하고 상기 제 2 영역과 제 4 영역이 서로 대향하도록 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판이 배치되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 영역과 제 2 영역의 쌍이 하나의 제 1 렌즈 요소로서 기능하고 상기 3 영역과 제 4 영역의 쌍이 하나의 제 2 렌즈 요소로서 기능하도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 배열된 가변 초점 렌즈. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 2 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열이 서로 동일하고, 상기 제 3 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 4 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열이 서로 동일한 가변 초점 렌즈. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 특정 변위에서 상기 제 1 렌즈 요소와 상기 제 2 렌즈 요소가 동일한 초점 거리를 갖는 가변 초점 렌즈. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 2 영역 내에서의 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소의 배열이 상이하고, 상기 제 3 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열과 상기 제 4 영역 내에서의 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 배열이 상이한 가변 초점 렌즈. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 특정 변위에서 상기 제 1 렌즈 요소와 상기 제 2 렌즈 요소가 상이한 초점 거리를 갖는 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 따른 가변 초점 렌즈;
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 이동시키기 위한 액추에이터;
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 변위를 제어하기 위한 제어부; 및
촬상 소자;를 포함하는 영상 획득 장치. - 제 24 항에 있어서,
적어도 하나의 광학 렌즈 요소를 더 포함하는 영상 획득 장치.
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|---|---|---|---|
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