KR20180037423A - 회전형 가변 초점 평면 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 광축을 중심으로 서로에 대해 회전 가능하도록 구성된 제 1 위상판과 제 2 위상판을 포함한다. 제 1 위상판과 제 2 위상판은 각각, 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 회전 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 회전형 가변 초점 평면 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 회전형 가변 초점 평면 렌즈를 제공한다.
일 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는, 상이한 직경들을 갖는 다수의 제 1 위상 변환 요소를 포함하는 제 1 위상판; 및 상이한 직경들을 갖는 다수의 제 2 위상 변환 요소를 포함하는 제 2 위상판;을 포함하며, 여기서 상기 제 1 위상판과 상기 제 2 위상판은 광축을 따라 서로 대향하도록 배치되어 있으며 광축을 중심으로 서로에 대해 회전 가능하도록 구성되고, 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따라 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다.
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 제 2 위상 변환 요소는 방사 대칭형 기둥의 형태를 가지며, 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 가질 수 있다.
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판의 각각을 투과한 빛의 위상이 광축을 중심으로 방사 거리의 제곱에 비례하고 방위각에 비례하도록, 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 1 위상판 및 제 2 위상판은 방위 방향 및 방사 방향 중 적어도 하나의 방향을 따라 적어도 2개의 영역으로 공간 분할되어 있으며, 상기 제 1 위상판 및 제 2 위상판의 적어도 2개의 영역이 서로 다른 동작 파장을 갖도록, 상기 제 1 위상판 및 제 2 위상판의 적어도 2개의 영역 내에 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 다수의 제 2 위상 변환 요소들이 배열될 수 있다.
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소의 두께가 서로 동일할 수 있다.
상기 제 1 위상판은 투명한 제 1 기판을 더 포함하고, 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소는 상기 제 1 기판 위에 사각 격자 또는 육각 격자 형태의 배열로 일정한 간격으로 배치되어 있으며, 상기 제 2 위상판은 투명한 제 2 기판을 더 포함하고, 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 2 기판 위에 사각 격자 또는 육각 격자 형태의 배열로 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 사이의 간격 및 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소 사이의 간격은 동작 파장보다 작을 수 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 사이를 채우도록 상기 제 1 기판 위에 배치된 투명한 제 1 유전체층을 더 포함하며, 상기 제 2 위상판은 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소 사이를 채우도록 상기 제 2 기판 위에 배치된 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.
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위가 0일 때 상기 가변 초점 렌즈의 굴절력이 0보다 크고, 상기 가변 초점 렌즈의 굴절력이 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 비례하도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 배열될 수 있다.
상기 가변 초점 렌즈는, 상이한 직경들을 갖는 다수의 제 3 위상 변환 요소를 포함하는 제 3 위상판; 및 상이한 직경들을 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 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 광축을 중심으로 서로에 대해 회전 가능하도록 구성되고, 상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소는 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따라 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다.
상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 제 4 위상 변환 요소는 방사 대칭형 기둥의 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 3 위상판과 제 4 위상판의 각각을 투과한 빛의 위상이 광축을 중심으로 방사 거리의 제곱에 비례하고 방위각에 비례하도록, 상기 제 3 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 3 위상 변환 요소의 직경들 및 상기 제 4 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소의 직경들이 선택될 수 있다.
제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소가 동일한 부호의 굴절력을 갖고, 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도가 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 2 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도와 동일하도록 상기 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소들이 배열될 수 있다.
제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소가 서로 반대 부호의 굴절력을 갖도록 상기 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소들이 배열되어 있으며, 상기 제 1 위상 변환 요소와 제 2 위상 변환 요소들이 서로 동일한 형태로 배열되어 있고, 상기 제 3 위상 변환 요소와 제 4 위상 변환 요소들이 서로 동일한 형태로 배열될 수 있다.
제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소가 동일한 부호의 굴절력을 갖고, 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도가 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 2 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도와 상이하도록 상기 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소들이 배열될 수있다.
또한, 일 실시예에 따른 영상 획득 장치는, 상술한 구성을 갖는 가변 초점 렌즈; 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 상대적으로 회전 변위시키기 위한 액추에이터; 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 회전 변위를 제어하기 위한 제어부; 및 촬상 소자;를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 가변 초점 렌즈는 2개의 위상판을 서로에 대해 회전시키는 방식으로 초점 거리를 조절할 수 있으며 평면형 구조로 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 4는 일 실시예에 따른 제 1 위상판의 다수의 제 1 위상 변환 요소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 2개의 렌즈 요소를 갖는 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 2개의 렌즈 요소가 동일한 경우에 가변 초점 렌즈와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 예에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이 및 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 11은 2개의 렌즈 요소의 굴절력의 부호가 서로 반대인 경우에 가변 초점 렌즈와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 예에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이 및 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 13은 2개의 렌즈 요소의 굴절력의 부호가 동일하고 굴절력의 크기가 상이한 경우에 가변 초점 렌즈와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 예에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이 및 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 15 및 도 16은 다른 실시예에 따른 제 1 위상판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 17은 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 4는 일 실시예에 따른 제 1 위상판의 다수의 제 1 위상 변환 요소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 2개의 렌즈 요소를 갖는 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 2개의 렌즈 요소가 동일한 경우에 가변 초점 렌즈와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 예에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이 및 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 11은 2개의 렌즈 요소의 굴절력의 부호가 서로 반대인 경우에 가변 초점 렌즈와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 예에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이 및 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 13은 2개의 렌즈 요소의 굴절력의 부호가 동일하고 굴절력의 크기가 상이한 경우에 가변 초점 렌즈와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 예에서 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이 및 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다.
도 15 및 도 16은 다른 실시예에 따른 제 1 위상판의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 영상 획득 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 회전형 가변 초점 평면 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)을 중심으로 서로에 대해 회전 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 회전할 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. 예를 들어, 제 1 위상 변환 요소(112)들은 사각 격자 또는 육각 격자 형태의 배열로 일정한 간격으로 배치될 수 있으며, 제 2 위상 변환 요소(122)들도 사각 격자 또는 육각 격자의 형태로 배열될 수 있다. 여기서, 인접한 제 1 위상 변환 요소(112)들 사이의 간격 또는 제 1 위상 변환 요소(112)들의 배열 주기는 가변 초점 렌즈(100)의 동작 파장보다 작을 수 있다. 이렇게 인접한 제 1 위상 변환 요소(112)들 사이의 간격을 작게 함으로써 고차 회절 성분을 발생을 억제할 수 있다.
그리고, 각각의 제 1 위상 변환 요소(112)는, 예를 들어, 원기둥의 형태를 가질 수 있다. 각각의 제 2 위상 변환 요소(122)도 원기둥의 형태를 가질 수 있다. 그러나 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)의 형태가 반드시 원기둥일 필요는 없으며, 사각기둥 또는 육각기둥과 같은 방사 대칭형 다각기둥의 형태를 가질 수도 있다. 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 원기둥 또는 다각기둥인 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 비정질 실리콘으로 이루어진 원기둥이며, 650 nm의 주기로 육각 격자의 형태로 배열되고, 715 nm의 두께를 갖는 것으로 가정하였다. 또한, 도 3의 그래프에서 입사광의 파장이 950 nm인 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 국소적인 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, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)을 투과한 투과광의 위상 분포가 아래의 수학식 1과 같이 광축(OX)으로부터의 방사 거리의 제곱과 방위각의 곱에 비례하도록 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들의 배열을 설계하고, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 서로 대향하여 배치할 수 있다. 아래의 수학식 1에서 φ는 투과광의 위상 변화를 나타내며, r은 광축(OX)으로부터의 방사 거리, θ는 방위각이고, a는 비례상수이다.
그런 후, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 광축(OX)을 중심으로 서로에 대해 상대적으로 회전시키면, 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) 사이의 상대적인 회전 변위에 따라 달라지게 된다. 예를 들어, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 상대적인 상대적인 회전 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 상대적인 회전 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. 즉, 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)을 투과한 투과광의 위상 분포가 수학식 1과 같도록 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(111, 122)들이 배열될 수 있다.
예를 들어, 도 4는 일 실시예에 따른 제 1 위상판(110)의 다수의 제 1 위상 변환 요소(112)의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 4를 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. 도시되지는 않았지만 제 2 위상판(120)도 제 1 위상판(110)과 마찬가지로 설계될 수 있다. 즉, 제 2 위상판(120)을 투과한 빛의 위상이 제 2 위상판(120) 상에서의 국소적인 위치에 따라 상이하게 변화하도록, 다수의 제 2 위상 변환 요소(122)는 제 2 위상판(120) 상에서의 위치에 따라 상이한 직경을 가질 수 있다. 도 4에는 각각의 제 1 위상 변환 요소(112)의 직경들이 예시적으로 표시되어 있다. 제 1 위상판(110) 상에서의 위치에 따른 다수의 제 1 위상 변환 요소(112)의 직경들은 제 1 위상판(110)을 투과한 빛의 위상이 수학식 1과 같은 조건을 만족하도록 선택될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 위상판(120) 상에서의 위치에 따른 다수의 제 2 위상 변환 요소(122)의 직경들은 제 2 위상판(120)을 투과한 빛의 위상이 수학식 1과 같은 조건을 만족하도록 선택될 수 있다.
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, 예를 들어 모든 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)들의 두께를 715 nm로 동일하게 형성할 수 있다.
도 5는 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프로서, 제 1 위상판(110)의 제 1 위상 변환 요소(112)들과 제 2 위상판(120)의 제 2 위상 변환 요소(122)들이 동일하게 배열된 경우에 대해 보이고 있다. 도 5를 참조하면, 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력은 회전 변위에 대해 선형적인 비례 관계를 갖는다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 회전 변위가 0일 때 가변 초점 렌즈(100)가 0의 굴절력을 가지며, 회전 변위가 증가 또는 감소함에 따라 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력도 그에 비례하여 증가 또는 감소할 수 있다. 한편, 가변 초점 렌즈(100)의 초점 거리는 굴절력의 역수로서 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
위의 수학식 2에서 f는 초점 거리이고, θrot는 회전 변위, λ는 입사광의 파장, a는 수학식 1에서와 같은 비례 상수이다. 수학식 2에서와 같이 굴절력(f-1)은 회전 변위 θrot에 비례할 수 있다. 가변 초점 렌즈(100)의 광학적 특성은 주로 비례상수 a에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 비례상수 a가 양수이면 양의 회전 변위 시에 가변 초점 렌즈(100)가 양의 굴절력을 가질 수 있으며 비례상수의 크기가 커짐에 따라 회전 변위에 따른 굴절력의 변화도 커질 수 있다. 따라서, 가변 초점 렌즈(100)의 소망하는 특성에 따라 비례 상수 a를 결정한 후, 수학식 1의 조건을 만족하도록 제 1 위상 변환 요소(112)들과 제 2 위상 변환 요소(122)들의 배열 형태를 설계할 수 있다.
도 5의 예에서는 회전 변위가 0일 때 굴절력 0이지만, 회전 변위가 없을 때에도 굴절력을 갖도록 초기 오프셋 값이 주어질 수도 있다. 도 6은 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈(100)에서 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈(100)의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 회전 변위가 0일 때 가변 초점 렌즈(100)가 0보다 큰 굴절력을 갖는다. 그리고, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 회전 변위의 증감에 따라 이에 비례하여 굴절력이 증가하거나 감소할 수 있다. 예를 들어, 회전 변위가 0가 일 때, 제 1 위상 변환 요소(112)들에 대해 제 2 위상 변환 요소(122)들이 초기 오프셋 값만큼 회전되어 있도록 제 1 위상 변환 요소(112)들과 제 2 위상 변환 요소(122)들의 배열 형태를 설계할 수 있다.
상술한 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, 상술한 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. 더욱이, 단지 제 1 위상판(110) 또는 제 2 위상판(120)을 회전시키는 것만으로 굴절력을 변화시킬 수 있기 때문에 굴절력 조절을 위한 추가적인 공간을 확보할 필요가 없다. 또한, 수학식 1과 같이 위상 변화가 방사 거리에 대한 2차 다항식의 형태로 주어지기 때문에 광축(OX)으로부터 먼 곳에서의 위상 분포 변화가 비교적 적다. 따라서 지름이 큰 가변 초점 렌즈(100)를 설계하기가 용이하다.
도 7은 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 7을 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 회전시에 제 1 및 제 2 위상 변환 요소(112, 122)이 손상되지 않을 수 있다. 따라서, 도 7에 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 8은 또 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 8을 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 상기 제 3 위상 변환 요소(132)를 보호하는 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 상기 제 4 위상 변환 요소(142)를 보호하는 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, 상기 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)이 광축을 중심으로 서로에 대해 상대적으로 회전 가능하도록 구성되며, 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)이 광축을 중심으로 서로에 대해 상대적으로 회전 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 상대적인 회전 변위에 따라 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열될 수 있다. 마찬가지로, 제 3 및 제 4 위상 변환 요소(132, 142)들은 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 상대적인 회전 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 회전 변위 및 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)의 상대적 회전 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 방사 대칭형을 갖는 원기둥 또는 다각기둥의 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 국소적인 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. 예를 들어, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)의 각각을 투과한 빛의 위상이 광축을 중심으로 방사 거리의 제곱에 비례하고 방위각에 비례하도록, 제 1 위상 변환 요소(112)와 제 2 위상 변환 요소(122)의 직경들이 선택될 수 있다. 마찬가지로, 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)의 각각을 투과한 빛의 위상이 광축을 중심으로 방사 거리의 제곱에 비례하고 방위각에 비례하도록, 제 3 위상판(130) 상에서의 위치에 따른 제 3 위상 변환 요소(132)들의 직경들 및 제 4 위상판(140) 상에서의 위치에 따른 제 4 위상 변환 요소(142)들의 직경들이 선택될 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 동일한 광학적 특성을 갖도록 설계될 수도 있으며 또는 서로 다른 광학적 특성을 갖도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 도 9는 2개의 렌즈 요소가 동일한 경우에 가변 초점 렌즈(300)와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이며, 도 10은 도 9에 도시된 예에서 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이 및 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소는 모두 볼록 렌즈와 같이 양(positive)의 굴절력을 갖도록 설계된다. 또한, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도가 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 2 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도와 동일하도록 설계된다. 이를 위해, 제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소에 대해 수학식 1의 비례 상수 a를 동일하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소(112, 122, 132, 142)들이 모두 동일한 형태로 배열될 수 있다.
도 10을 참조하면, 'A'로 표시된 그래프는 제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소의 굴절력 변화를 나타내며, 'B'로 표시된 그래프는 가변 초점 렌즈(300)의 전체적인 굴절력 변화를 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 가변 초점 렌즈(300)의 전체적인 굴절력 변화는 제 1 렌즈 요소의 굴절력 변화와 제 2 렌즈 요소의 굴절력 변화의 합이 된다. 따라서, 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력 변화 범위를 증가시킬 수 있다. 일반적으로, 비례 상수 a를 증가시키는 경우에도 큰 굴절력 변화를 얻을 수 있지만, 비례 상수 a가 커지게 되면 위상판의 가장자리에서 위상 변화가 빠르게 증가하기 때문에 위상 변환 요소들의 설계 및 제조가 어려울 수 있다. 따라서, 도 9와 같이 2개의 렌즈 요소를 결합하는 경우에는 설계 및 제조 가능한 가능한 범위에서 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력 변화를 증가시킬 수 있다.
또한, 도 11은 2개의 렌즈 요소의 굴절력의 부호가 서로 반대인 경우에 가변 초점 렌즈(300)와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이며, 도 12는 도 11에 도시된 예에서 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이 및 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 제 1 렌즈 요소는 오목 렌즈와 같이 음(negative)의 굴절력을 갖도록 설계되고 제 2 렌즈 요소는 볼록 렌즈와 같이 양의 굴절력을 갖도록 설계된다. 또한, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도는 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 2 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도와 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 이를 위해, 제 1 렌즈 요소에 관하여 비례 상수 a가 양의 값을 갖고 제 2 렌즈 요소에 관하여 비례 상수 a가 음의 값을 갖도록 선택될 수 있다.
도 12를 참조하면, 'A'로 표시된 그래프는 제 1 렌즈 요소의 굴절력 변화를 나타내며, 'B'로 표시된 그래프는 제 2 렌즈 요소의 굴절력 변화를 나타내고, 'C'로 표시된 그래프는 가변 초점 렌즈(300)의 전체적인 굴절력 변화를 나타낸다. 이러한 구성을 통해, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 회전 변위 및 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 상대적인 회전 변위를 적절히 조절함으로써 가변 초점 렌즈(300)의 수차를 보상할 수 있다.
도 13은 2개의 렌즈 요소의 굴절력의 부호가 동일하고 굴절력의 크기가 상이한 경우에 가변 초점 렌즈(300)와 등가인 광학 렌즈의 구성을 예시적으로 나타내는 단면도이며, 도 14는 도 13에 도시된 예에서 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이 및 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 회전 변위와 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력 사이의 관계를 보이는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소는 모두 볼록 렌즈와 같이 양의 굴절력을 갖도록 설계된다. 또한, 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도는 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도보다 크다. 이를 위해, 제 1 렌즈 요소에 관한 비례 상수 a와 제 2 렌즈 요소에 관한 비례 상수 a가 모두 양의 값을 갖고, 제 2 렌즈 요소에 관한 비례 상수 a가 제 1 렌즈 요소에 관한 비례 상수 a보다 크도록 선택될 수 있다.
이러한 구성에서, 먼저 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140)을 이용하여 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력을 큰 범위에서 조절한 후에, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120)을 이용하여 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력을 미세하게 조정할 수 있다. 도 14를 참조하면, 'A'로 표시된 그래프는 제 2 렌즈 요소에 의한 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력 기여를 나타내고 'B'로 표시된 그래프는 제 1 렌즈 요소에 의한 가변 초점 렌즈(300)의 굴절력 기여를 나타낸다. 예를 들어, 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 회전 변위를 고정시킨 상태에서, 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 상대적인 회전 변위를 조절하여 'A'로 표시된 굴절력 변화를 얻을 수 있다. 그런 후, 제 3 위상판(130)과 제 4 위상판(140) 사이의 상대적인 회전 변위를 고정시킨 상태에서, 추가적으로 제 1 위상판(110)과 제 2 위상판(120) 사이의 상대적인 회전 변위를 조정함으로써 'B'로 표시된 굴절력의 미세한 조정을 수행할 수 있다.
한편, 수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 가변 초점 렌즈(100, 200, 300)의 굴절력 또는 초점 거리는 입사광의 파장(λ)에 의해서도 영향을 받는다. 따라서, 가변 초점 렌즈(100, 200, 300)가 다양한 동작 파장을 가질 수 있도록 하기 위하여, 제 1 내지 제 4 위상판(110, 120, 130, 140)들이 공간 분할될 수 있다. 예를 들어, 도 15 및 도 16은 다른 실시예에 따른 제 1 위상판(110)의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 제 1 위상판(110)은 방위 방향을 따라 적어도 2개의 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)들로 공간 분할될 수 있다. 또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 제 1 위상판(110)은 방사 방향을 따라 적어도 2개의 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)들로 공간 분할될 수도 있다. 또는, 도 15와 도 16을 결합하여, 제 1 위상판(110)은 방위 방향과 방사 방향으로 모두 공간 분할될 수도 있다. 도 15 및 도 16에는 제 1 위상판(110)이 예시적으로 5개의 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)으로 분할된 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않으며 분할 영역의 개수는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있다. 또한, 도 15 및 도 16에는 단지 제 1 위상판(110)만이 도시되어 있지만, 제 2 내지 제 4 위상판(120, 130, 140)도 제 1 위상판(110)과 동일하게 공간 분할될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 각각의 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)은 서로 다른 동작 파장을 가질 수 있다. 다시 말해, 제 1 영역(110a)이 제 1 동작 파장을 갖도록 제 1 영역(110a) 내에서의 국속적인 위치에 따른 제 1 위상 변환 요소(112)들의 직경들이 선택될 수 있다. 또한, 제 2 영역(110b)이 제 2 동작 파장을 갖고, 제 3 영역(110c)이 제 3 동작 파장을 갖고, 제 4 영역(110d)이 제 4 동작 파장을 갖고 제 5 영역(110e)이 제 5 동작 파장을 갖도록 각각의 제 2 내지 제 5 영역(110b, 110c, 110d, 110e) 내에서 제 1 위상 변환 요소(112)들이 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 5 동작 파장에 대해 가변 초점 렌즈(100)가 동일한 굴절력 또는 초점 거리를 가질 수 있도록 제 1 내지 제 5 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e) 내의 제 1 위상 변환 요소(112)들이 각각 다르게 배열될 수 있다. 이를 위해, 제 1 내지 제 5 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)에 대한 각각의 비례 상수 a는 동작 파장에 역비례하여 선택될 수 있다.
상술한 가변 초점 렌즈(100, 200, 300)들은 컴팩트 카메라나 모바일 장치용 카메라와 같은 영상 획득 장치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 17은 일 실시예에 따른 영상 획득 장치(500)의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 17을 참조하면, 일 실시예에 따른 영상 획득 장치(500)는, 가변 초점 렌즈(200), 가변 초점 렌즈(200)의 제 1 위상판(110)을 회전시키는 제 1 액추에이터(531), 가변 초점 렌즈(200)의 제 2 위상판(120)을 회전시키는 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 회전 변위를 제어하는 제어부(520), 및 빛을 감지하는 다수의 화소들을 갖는 촬상 소자(510)를 포함할 수 있다. 또한, 영상 획득 장치(500)는 필요에 따라 빛을 투과/차단하는 광 셔터(540)를 더 포함할 수도 있다.
도 17에는 도 2에 도시된 가변 초점 렌즈(200)가 예시적으로 도시되었지만, 영상 획득 장치(500)는 다른 가변 초점 렌즈(100, 300)들을 포함할 수도 있다. 또한, 도 17에서 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 회전시킬 수도 있고, 또는 어느 하나의 액추에이터(531 또는 532)만을 사용하여 제 1 및 제 위상판(110, 120) 중 하나만을 회전시킬 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 회전 변위를 계산하고 제 1 및 제 2 액추에이터(531, 532)를 제어하여 제 1 및 제 위상판(110, 120)를 계산된 회전 변위만큼 회전시킬 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 17에는 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 수도 있다.
또한, 가변 초점 렌즈(200)의 제 1 및 제 2 위상판(110, 120)이 도 15 또는 도 16에 도시된 바와 같이 공간 분할된 경우, 광 셔터(540)는 제어부(520)의 제어에 따라 제 1 내지 제 5 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)들 중에서 어느 한 영역만을 사용하도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 광 셔터(540)는 제 1 내지 제 5 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)들 중에서 어느 한 영역을 향해서만 빛만을 투과시키고 나머지 영역으로 향하는 빛을 차단할 수도 있다.
상술한 회전형 가변 초점 평면 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
540.....광 셔터
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
540.....광 셔터
Claims (21)
- 상이한 직경들을 갖는 다수의 제 1 위상 변환 요소를 포함하는 제 1 위상판; 및
상이한 직경들을 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 광축을 중심으로 서로에 대해 회전 가능하도록 구성되고,
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 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 다수의 제 1 위상 변환 요소와 제 2 위상 변환 요소는 방사 대칭형 기둥의 형태를 가지며,
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 2 항에 있어서,
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판의 각각을 투과한 빛의 위상이 광축을 중심으로 방사 거리의 제곱에 비례하고 방위각에 비례하도록, 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 3 항에 있어서,
상기 제 1 위상판 및 제 2 위상판은 방위 방향 및 방사 방향 중 적어도 하나의 방향을 따라 적어도 2개의 영역으로 공간 분할되어 있으며,
상기 제 1 위상판 및 제 2 위상판의 적어도 2개의 영역이 서로 다른 동작 파장을 갖도록, 상기 제 1 위상판 및 제 2 위상판의 적어도 2개의 영역 내에 다수의 제 1 위상 변환 요소 및 다수의 제 2 위상 변환 요소들이 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 2 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,
상기 제 1 위상판은 투명한 제 1 기판을 더 포함하고, 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소는 상기 제 1 기판 위에 사각 격자 또는 육각 격자 형태의 배열로 일정한 간격으로 배치되어 있으며,
상기 제 2 위상판은 투명한 제 2 기판을 더 포함하고, 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소는 상기 제 2 기판 위에 사각 격자 또는 육각 격자 형태의 배열로 일정한 간격으로 배치되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 6 항에 있어서,
상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 사이의 간격 및 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소 사이의 간격은 동작 파장보다 작은 가변 초점 렌즈. - 제 6 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 6 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 6 항에 있어서,
상기 제 1 위상판은 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소 사이를 채우도록 상기 제 1 기판 위에 배치된 투명한 제 1 유전체층을 더 포함하며, 상기 제 2 위상판은 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소 사이를 채우도록 상기 제 2 기판 위에 배치된 투명한 제 2 유전체층을 더 포함하는 가변 초점 렌즈. - 제 10 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 11 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 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위가 0일 때 상기 가변 초점 렌즈의 굴절력이 0보다 크고, 상기 가변 초점 렌즈의 굴절력이 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 비례하도록 상기 다수의 제 1 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 2 위상 변환 요소가 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 있어서,
상이한 직경들을 갖는 다수의 제 3 위상 변환 요소를 포함하는 제 3 위상판; 및
상이한 직경들을 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 광축을 중심으로 서로에 대해 회전 가능하도록 구성되고,
상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소는 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따라 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판을 투과한 빛이 광축 상의 서로 다른 위치에 포커싱 되도록 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 15 항에 있어서,
상기 다수의 제 3 위상 변환 요소와 제 4 위상 변환 요소는 방사 대칭형 기둥의 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 16 항에 있어서,
상기 제 3 위상판과 제 4 위상판의 각각을 투과한 빛의 위상이 광축을 중심으로 방사 거리의 제곱에 비례하고 방위각에 비례하도록, 상기 제 3 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 3 위상 변환 요소의 직경들 및 상기 제 4 위상판 상에서의 위치에 따른 상기 다수의 제 4 위상 변환 요소의 직경들이 선택되는 가변 초점 렌즈. - 제 14 항에 있어서,
제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소가 동일한 부호의 굴절력을 갖고, 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도가 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 2 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도와 동일하도록 상기 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소들이 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 14 항에 있어서,
제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소가 서로 반대 부호의 굴절력을 갖도록 상기 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소들이 배열되어 있으며, 상기 제 1 위상 변환 요소와 제 2 위상 변환 요소들이 서로 동일한 형태로 배열되어 있고, 상기 제 3 위상 변환 요소와 제 4 위상 변환 요소들이 서로 동일한 형태로 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 14 항에 있어서,
제 1 렌즈 요소와 제 2 렌즈 요소가 동일한 부호의 굴절력을 갖고, 상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 1 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도가 상기 제 3 위상판과 제 4 위상판 사이의 상대적인 회전 변위에 따른 제 2 렌즈 요소의 굴절력의 변화 정도와 상이하도록 상기 제 1 내지 제 4 위상 변환 요소들이 배열되어 있는 가변 초점 렌즈. - 제 1 항에 따른 가변 초점 렌즈;
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판을 상대적으로 회전 변위시키기 위한 액추에이터;
상기 제 1 위상판과 제 2 위상판 사이의 회전 변위를 제어하기 위한 제어부; 및
촬상 소자;를 포함하는 영상 획득 장치.
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