KR20180065770A - 가변 초점 안경 및 그 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가변 초점 안경 및 그 구동 방법에 관한 것이다. 상기 가변 초점 안경은 안경 프레임, 상기 안경 프레임에 장착되고, 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨을 포함하는 인가 전압에 의해 순차적으로 가시광선영역에서 가변되는 굴절률을 갖는 적어도 하나 이상의 렌즈 및 상기 인가 전원을 상기 적어도 하나 이상의 렌즈로 공급하는 굴절률 조절부를 포함하고, 상기 렌즈의 굴절률은 상기 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨에 따라 단위 시간마다 적어도 2 회 이상 가변된다.
Description
본 발명은 안경에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변 초점 안경 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
많은 사람들은 먼 거리의 사물이 선명하게 보이지 않는 근시에 불편함을 겪는다. 또한 많은 사람은 나이가 들어 노화되면서 가까운 거리의 사물이 선명하게 보이지 않는 원시에도 불편함을 겪는다. 이 문제에 대한 일반적인 해결 방법은 돋보기, 이중 초점렌즈, 누진 다초점 렌즈 같은 다양한 기능성 안경을 목적에 따라 번갈아 착용하거나, 라식이나 라섹 등과 같은 외과적인 수술을 통해 근시 또는/및 원시가 교정될 수 있다.
그 중, 누진 다초점 렌즈는 노안을 교정하기 위한 방법으로 주로 사용되고 있다. 이러한 누진 다초점 렌즈는 렌즈의 두께를 부분적으로 다르게 하여 점진적인 도수배열을 함으로써 도수배열 위치에 따라 원거리에서 근거리까지 하나의 렌즈를 통해 해당 대상의 초점을 맞추도록 구성되어 있다. 예컨대, 렌즈의 상단 부분을 통해 근시가 교정되고 상기 렌즈의 하단 부분을 통해 원시가 교정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 누진 다초점 렌즈는 다수의 초점들을 갖는 하나의 안경으로 해당 대상을 볼 수 있어 필요에 따라 여러 종류의 안경을 번갈아 착용하지 않아도 되는 편리함을 제공하고 있다.
그러나, 상기 누진 다초점 렌즈는 도수가 변경되는 경계 부분이 확실하지 않기 때문에, 이러한 경계 부분을 통해 대상을 보는 경우 대상이 뿌옇게 보이는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 안경 착용자가 시선을 해당 도수의 중심에 맞추어야 대상을 정확하게 볼 수 있고, 그렇지 않은 경우에는 초점이 맞지 않아 어지러움이 발생함으로 어느 정도 적응기간이 필요할 수 있다. 만약 이러한 현상을 줄이려면, 안경 착용자가 다수의 도수들 중 초점이 맞는 해당 도수를 수동적으로 찾아야하는 불편함이 있다. 또한, 하나의 렌즈내에 공간적으로 다수의 도수들이 이미 결정되어 있어서, 사용자가 렌즈의 해당 영역의 도수를 통해 초점 거리를 맞추어야 하므로, 시야가 좁아지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 안경 착용자가 수동적으로 혹은 의도적으로 공간적으로 분할된 다수의 도수들 중 어느 하나의 도수를 선택할 필요가 없고, 시야가 좁아지지 않는 가변 초점 안경을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 가변 초점 안경의 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 안경 프레임; 상기 안경 프레임에 장착되고, 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨을 포함하는 인가 전압에 의해 순차적으로 가시광선영역에서 가변되는 굴절률을 갖는 적어도 하나 이상의 렌즈; 및 상기 인가 전원을 상기 적어도 하나 이상의 렌즈로 공급하는 굴절률 조절부를 포함하고, 상기 렌즈의 굴절률은 상기 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨에 따라 단위 시간마다 적어도 2 회 이상 가변되는 가변 초점 안경이 제공될 수 있다. 상기 렌즈는, 제 1 전극; 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 통해 상기 굴절률 조절부로부터 인가된 전압의 크기에 따라 굴절률을 가변시키는 투명 광학 스위칭 층을 포함할 수 있다. 상기 스위칭 층은 강유전체를 포함하며, 상기 강유전체는 바륨-스트론튬-티타늄 산화물((Ba,Sr)TiO3, BST), 스트론튬-티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨-티타늄 산화물(BaTiO3), PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 및 PLZT(Pb(La,Zr)TiO3) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극을 포함하고, 상기 투명 전극은 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO), 은나노와이어(silver nanowire), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer), 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 산화아연(ZnO), 인듐아연옥사이드(Indium zinc oxide, IZO), 및 인듐갈륨아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO) 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 각각의 렌즈는 다수의 픽셀들을 포함하고, 상기 다수의 픽셀들마다 상기 인가 전원에 따라 굴절률이 조절될 수 있다. 상기 렌즈이 초점 거리는 상기 렌즈의 두께 및 상기 가변되는 굴절률의 결합에 의해 결정될 수 있다. 상기 굴절률 조절부는 충전이 가능한 충전용 배터리; 상기 배터리의 전압을 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨로 변환하는 전압 변환부; 및 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 순차, 주기적이 상기 한 쌍의 렌즈로 공급되도록 제어하는 전원 조절부를 포함할 수 있다. 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨이 선택되도록 스위칭하는 스위칭부가 더 포함될 수 있다. 상기 전원 조절부는, 상기 렌즈의 굴절률이 사용자 입력에 따라 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨에 고정되도록 상기 전압 변환부를 제어할 수 있다. 상기 배터리의 충전 상태, 상기 배터리의 충전 전압, 상기 전원 레벨과 관련된 정보 및 상기 렌즈의 굴절률과 관련된 정보 중 적어도 하나를 표시하는 표시부가 더 포함될 수 있다. 상기 굴절률 조절부는 상기 안경 프레임의 안경 다리 부분에 탈부착이 가능할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨을 포함하는 인가 전원을 적어도 하나 이상의 렌즈로 공급하는 단계; 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨에 따라, 순차적으로 상기 적어도 하나 이상의 렌즈의 굴절률을 가변시키는 단계; 및 상기 가변되는 굴절률에 따라 초점 거리를 조절하는 단계를 포함하는 가변 초점 안경의 구동 방법이 제공될 수 있다. 배터리의 전압을 이용하여, 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨을 생성하는 단계이 더 포함될 수 있다. 상기 렌즈의 굴절률을 사용자 입력에 따라 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨에 고정하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 렌즈의 굴절률은 압전 역효과에 기초한 상기 렌즈의 변형에 의해 가변될 수 있다. 상기 렌즈의 굴절률은 오름차순, 내림차순 및 무작위(random) 중 어느 하나에 기초하여 가변될 수 있다. 상기 적어도 하나 이상의 렌즈의 굴절률은 초당 30 회 내지 60 회 변경되고, 상기 적어도 하나 이상의 렌즈의 굴절률 중 제 1 굴절률은 10 cm 이하의 근거리를 위한 초점 거리에 대응하고, 제 2 굴절률은 10 cm 내지 1m 범위의 중거리를 위한 초점 거리에 대응하며, 제 3 굴절률은 1 m 이상의 원거리를 위한 초점 거리에 대응될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨을 포함하는 인가 전압에 의해 순차적으로 가변되는 굴절률을 갖는 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함함으로써, 안경 착용자가 수동적으로 또는 의도적으로 도수배열 중 어느 하나의 도수를 선택할 필요가 없고, 시야가 좁아지지 않는 가변 초점 안경이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 안경의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 가변 굴절률을 갖는 안경 렌즈의 단면도이다.
도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 A 방향에서 바라본 픽셀 배열 구조를 갖는 안경 렌즈의 정면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 가변 굴절률에 따라 변하는 초점 거리를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 안경 렌즈의 굴절률을 가변시키기 위한 전원을 공급하는 굴절률 조절부의 상세한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 안경의 동작 방법을 위한 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 가변 굴절률을 갖는 안경 렌즈의 단면도이다.
도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 A 방향에서 바라본 픽셀 배열 구조를 갖는 안경 렌즈의 정면도이다.
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도 4는 본 발명의 실시예에 따른 안경 렌즈의 굴절률을 가변시키기 위한 전원을 공급하는 굴절률 조절부의 상세한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 안경의 동작 방법을 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 아니 된다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술한 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 안경의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 가변 초점 안경(10)은 적어도 하나의 렌즈(100, 110), 적어도 하나의 렌즈(100, 110)를 고정시키는 안경 프레임(200) 및 안경 프레임(200)의 일부분과 결합되어 안경 프레임(200)과 일체화될 수 있는 굴절률 조절부(300)을 포함한다. 렌즈들(100, 110)은 각각 안경 프레임(200)의 좌측(L)과 우측(R)에 장착 또는 고정되고, 굴절률 조절부(300)는 안경 프레임(200)의 제 1 부분과 제 2 부분 사이에 배치되며, 안경 프레임(200)과 구조적으로 결합되어 안경 프레임(300)과 일체화될 수 있다. 굴절률 조절부(300)의 배치는 하나의 일례일 뿐, 본 발명에서 제한되지 않는다. 예컨대, 굴절률 조절부(300)는 다양한 형태로 안경 프레임(200)의 어떤 부분과도 결합될 수 있다. 또한, 본 발명의 안경 프레임의 형태는 도 1에 도시된 프레임 형태에 제한되지 않으며 다양한 프레임 형태에서도 적용 가능할 것이다.
적어도 하나의 렌즈(100, 110)는 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨을 포함하는 인가 전압에 의해 시분할적으로 순차적으로 가변되는 굴절률을 갖고, 굴절률 조절부(400)는 상기 인가 전원을 적어도 하나의 렌즈(100, 110)로 공급한다. 굴절률 조절부(300)는 안경 프레임(200)에 하나만 배치되어 적어도 하나의 렌즈(100, 110)에 인가 전원을 공급할 수 있다. 일부 실시예에서, 2 개의 굴절률 조절부(300)는 안경 프레임(200)에 배치되어, 하나는 렌즈(100)에 인가 전원을 공급하고 다른 하나는 렌즈(110)에 인가 전원을 공급할 수도 있다. 또한, 굴절률 조절부(400)는 충전을 위해 안경 프레임(300)으로부터 탈착될 수 있고, 탈착된 굴절률 조절부(400)는 외부 충전기(미도시)를 통해 충전될 수 있다. 일부 실시예에서, 굴절률 조절부(400)는 안경 프레임(300)로부터 탈착될 필요 없이, 가변 초점 안경(10)이 외부 충전기(미도시)와 결합될 때, 굴절률 조절부(400)가 충전될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 렌즈(100, 110)의 굴절률은 상기 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨에 따라 단위 시간마다 적어도 2 회 이상 시분할적으로 가변될 수 있다. 렌즈(100, 110)의 상세한 설명은 하기 도 2a 내지 도 3c를 참조하여 설명하고 굴절률 조절부(400)의 상세한 설명은 하기 도 4를 참조하여 설명할 것이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 가변 굴절률을 갖는 안경 렌즈(100, 110)의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 렌즈(100, 110)는, 제 1 전극(E1), 제 2 전극(E2) 및 제 1 전극(E1) 및 제 2 전극(E2) 사이에 배치되고, 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 통해 굴절률 조절부(300)로부터 인가된 전압의 크기에 따라 굴절률을 시분할적으로 가변시키는 투명 광학 스위칭층(G1)을 포함할 수 있다. 투명 광학 스위칭층(G1)은 강유전체를 포함하며, 상기 강유전체는 바륨-스트론튬-티타늄 산화물((Ba,Sr)TiO3, BST), 스트론튬-티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨-티타늄 산화물(BaTiO3), PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 및 PLZT(Pb(La,Zr)TiO3) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에서, 투명 광학 스위칭층(G1)은 이들에 제한되지 않으며, 가시광선 영역에서 전계에 의해 조절가능한 굴절률을 갖는 투명 물질이면 사용될 수 있다.
제 1 전극(E1), 제 2 전극(E2) 중 적어도 하나는 투명 전극을 포함하고, 상기 투명 전극은 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO), 은나노와이어(silver nanowire), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer), 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 산화아연(ZnO), 인듐아연옥사이드(Indium zinc oxide, IZO), 및 인듐갈륨아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO) 중 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에서, 제 1 전극(E1) 또는 제 2 전극(E2)은 이들에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제 1 전극(E1), 제 2 전극(E2) 및 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에 배치되는 투명 광학 스위칭층(G1)이 도수가 없는 안경 렌즈 상에 코딩될 수 있다. 따라서, 평면 유리에 전술한 제 1 전극(E1), 제 2 전극(E2), 및 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에 배치되는 투명 광학 스위칭층(G1)이 코딩되면, 투명 광학 스위칭층(G1)에 의해 굴절률이 조절되므로 평경 유리도 근시 또는/및 원시를 위한 렌즈로써 사용 가능해진다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 가변 초점 안경(10) 내의 렌즈(100, 110)는 하나의 렌즈 내에 공간적으로 서로 다른 다수의 고정된 도수들을 포함하는 종래 누진 다초점 렌즈와 달리, 시분할 방식으로 렌즈(100, 110)의 굴절률을 가변시켜 순차적으로 도수를 변화시킨다. 따라서, 본 발명의 가변 초점 안경(10)은 공간적으로 분리된 서로 다른 도수들 간의 경계 부분이 존재하지 않으므로, 상기 경계 부분을 통해 초점 대상을 맞추는 경우에 초점 대상이 뿌옇게 보이는 현상이 발생되지 않는다. 또한, 본 발명의 가변 초점 안경(10)을 착용하는 경우, 가변 초점 안경(10)의 굴절률이 시분할적으로 가변적으로 변화하기 때문에, 안경 착용자가 수동적으로 또는 의도적으로 안경 초점을 맞출 필요가 없다. 또한, 본 발명의 가변 초점 안경(10)은 렌즈(100, 110)의 도수가 공간 분할적으로 분리된 것이 아니므로, 시야가 좁아지지 않는다.
본 발명의 가변 초점 안경(10)은 시분할적으로 가변되는 굴절률에 의해 초점 거리(또는 안경 도수)가 변경되더라도, 빠른 속도로 변화하는 것이므로 안경 착용자의 눈은 도수가 변화하는 것을 인식하지 못할 수 있다. 예컨대, 안경 착용자가 눈이 인식하지 못할 정도의 속도(예: 초당 30 내지 60 회 변경(30 Hz 내지 60 Hz))로 렌즈의 초점 거리를 연속적으로 해당 대상을 보더라도 원거리, 중거리, 근거리에 상관 없이 대상은 초점이 맞춰진 것처럼 잘 보일 수 있다. 이는 전자총이 충분히 빠르게 CRT 화면을 주사하면 사람의 눈은 이를 한 개의 화면으로 인식되는 TV의 비월 주사와 같은 원리이다. 본 발명의 일 실시예에서, 근거리는 10 cm 이하이고, 중거리는 10 cm 내지 1 m이며, 원거리는 1 m 이상일 수 있다. 따라서, 안경 착용자가 원거리의 대상을 보거나, 중거리의 대상을 보거나, 근거리의 대상을 보더라도, 시분할 방식으로 초당 30 회 내지 60 회 정도 굴절률이 가변되므로, 상기 안경 착용자는 가변되는 서로 다른 안경 도수들 중 초점 거리가 맞춰진 안경 도수를 통해 대상을 보는 것처럼 인식할 수 있다.
도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 A 방향에서 바라본 픽셀 배열 구조를 갖는 안경 렌즈의 정면도이다.
도 2b를 참조하면, 렌즈(100, 110)는 다수의 픽셀들을 포함하고, 상기 다수의 픽셀들마다 상기 인가 전원에 따라 굴절률이 조절될 수 있다. 예컨대, 제 1 픽셀에 인가 전압으로 V1이 공급되고 제 2 픽셀에 인가 전압으로 V2가 공급되며, 제 n 픽셀에 인가 전압으로 Vn이 공급될 수 있다. 이때, 각 픽셀에서는 공급된 전원에 의해 변형이 생길 수 있다. 예컨대, 전압에 의해 변형이 발생하는 압전 역효과(또는 피에조 역효과)에 각 픽셀의 굴절률이 가변될 수 있다.
여기서, 렌즈(100, 110) 내의 각 픽셀에 대한 굴절률은 픽셀에 대응하는 렌즈(100, 110)의 두께와 픽셀에 공급된 인가 전원에 의해 결정된다. 따라서, 픽셀별로 굴절률이 조절이 가능하므로, 안경의 두께가 일정한 평면 렌즈가 블록 렌즈 또는 오목 렌즈로 기능할 수 있다. 결국, 렌즈(100, 110)의 초점 거리는 렌즈(100, 110)의 두께 및 가변되는 굴절률의 결합에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, n(x, y) = a(x2 + y2) + b에서 n(x, y)는 x, y 좌표에 해당하는 지점에서의 굴절률을 의미하고, a, b는 상수로써, 여기서, a, b >0 이면 굴절률이 안경 렌즈의 중심에서 벗어날수록 커지기 때문에 오목 렌즈와 같은 효과가 얻어질 수 있다. 마찬가지로, n(x, y) = - a(x2 + y2) + b에서, a, b >0 이면 굴절률이 안경 렌즈의 중심에서 벗어날수록 작아지므로 볼록 렌즈와 같은 효과가 얻어질 수 있다. 이는 안경 렌즈가 어떠한 형태로 가지더라도 렌즈의 종류 또는 형태에 제한 받지 않고 근시 또는/및 원시를 교정하기 위한 안경 렌즈로서 다양한 형태의 렌즈가 활용될 수 있다. 예컨대, 대다수 안경 렌즈가 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈 중 하나로 사용되고 있지만 이에 제한 받지 않고 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈 이외에 다양한 형태의 렌즈가 활용될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 가변 굴절률에 따라 변하는 초점 거리를 보여주는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 렌즈(100, 110)가 볼록 렌즈인 경우, 렌즈(100, 110)에 인가된 전원에 의해 픽셀 단위로 변형이 생기고 이에 따라 굴절률이 가변적으로 조절될 수 있다. 예컨대, 인가된 전압이 높을수록 굴절률은 커지거나 작아질 수 있다. 이는 렌즈의 재질에 따라 결정될 수 있다. 인가 전압이 V1이 경우, 굴절률 n1이 되고 굴절률 n1에 의해 초점 거리가 F1으로 조절되고, 인가 전압이 V2이 경우, 굴절률 n2이 되고 굴절률 n2에 의해 초점 거리가 F2로 조절되며, 인가 전압이 V3이 경우, 굴절률 n3이 되고 굴절률 n3에 의해 초점 거리가 F3으로 조절될 수 있다. F1은 굴절률이 n1으로 균일한 단일 렌즈의 초점 거리이고, F2은 굴절률이 n2로 균일한 단일 렌즈의 초점 거리이며, F3는 굴절률이 n3로 균일한 단일 렌즈의 초점 거리이다.
도 3b를 참조하면, 렌즈(100, 110)가 오목 렌즈인 경우, 렌즈(100, 110)에 인가된 전원에 의해 픽셀 단위로 변형이 생기고 이에 따라 굴절률이 가변적으로 조절될 수 있다. 예컨대, 인가된 전압이 높을수록 굴절률은 커지나 작아질 수 있다. 이는 렌즈의 재질에 따라 결정될 수 있다. 인가 전압이 V1이 경우, 굴절률 n1이 되고 굴절률 n1에 의해 초점 거리가 F1으로 조절되고, 인가 전압이 V2이 경우, 굴절률 n2이 되고 굴절률 n2에 의해 초점 거리가 F2로 조절되며, 인가 전압이 V3이 경우, 굴절률 n3이 되고 굴절률 n3에 의해 초점 거리가 F3으로 조절될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 렌즈(100, 110)가 평면 렌즈인 경우, 렌즈(100, 110)에 인가된 전원에 의해 픽셀 단위로 변형이 생기고 이에 따라 굴절률이 가변적으로 조절될 수 있다. 더하여, 각 픽셀의 굴절률에 의해 평면 렌즈는 도 3a의 볼록 렌즈 또는 도 3b의 오목 렌즈와 동일하게 구동할 수 있다. 예컨대, 굴절률이 n1(y)의 분포를 가지는 렌즈의 초점 거리 F1은 n1(y) 함수에 의해 조절되고, 굴절률이 n2(y)의 분포를 가지는 렌즈의 초점 거리 F2는 n2(y) 함수에 의해 조절되며, 굴절률이 n3(y)의 분포를 가지는 렌즈의 초점 거리 F3는 n3(y) 함수에 의해 조절될 수 있다. 이때, F1, F2, F3는 60Hz 이상 고속으로 조절/전환될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c에서 굴절률을 변화시키기 위해 렌즈(100, 110)에 공급되는 V1, V2, V3 전압의 크기는 내림차순, 오름차순으로 정렬될 수 있다. 또는 V1, V2, V3 전압의 크기는 무작위(random) 크기를 가질 수 있다.
일부 실시예에서는, 가변 굴절률이 반복되는 구간마다 V1, V2, V3 순서로 인가 전원이 반복 공급되거나, 또는 가변 굴절률이 반복되는 구간마다 서로 다른 순서로 예컨대, 인가 전원은 1 회에는 V1, V2, V3 순서로 2 회에는 V2, V1, V3 순서로, 3 회에는 V3, V2, V1 순서로 공급될 수 있다. 상기 가변 굴절률이 반복되는 구간은 초당 30 Hz 내지 60 Hz 범위를 가지며, 이는 초당 30 회 내지 60 회 정도 서로 다른 굴절률들이 변경되더라도 어느 하나의 굴절률에 초점 거리이 맞춰진 것처럼 사용자가 인지하는 구간 또는 가변 굴절률들 간의 변경에 따른 플리커(flicker) 현상을 사용자가 인식하지 못하는 구간이다.
여기서, V1은 렌즈가 근거리를 위한 초점 거리에 대응하는 굴절률을 갖도록 공급된 전원이고, V2는 렌즈가 중간거리를 위한 초점 거리에 대응하는 굴절률을 갖도록 공급된 전원이며, V3는 렌즈가 원거리를 위한 초점 거리에 대응하는 굴절률을 갖도록 공급된 전원일 수 있다. 하지만, 본 발명은 V1, V2, V3 전압 또는 원거리 초점, 중간 거리 초점 및 근거리 초점에 제한되지 않으며, 3 단계 이하 또는 3 단계 이상으로 초점 거리를 구분하여 동작될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 안경 렌즈의 굴절률을 가변시키기 위한 전원을 공급하는 굴절률 조절부의 상세한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 굴절률 조절부(300)는 충전이 가능한 충전용 배터리(401), 배터리(401)의 전압(Vg)을 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨(V0, V1, V2,...,Vn)로 변환하는 전압 변환부(402) 및 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨이 적어도 하나 이상의 렌즈(100, 110)로 공급되도록 제어하는 전원 조절부(403)를 포함할 수 있다.
배터리(401)는 배터리 충전가(미도시)에 의해 재충전이 가능한, 예컨대 리듐-이온(Lithium-Ion) 배터리와 같은 2차 배터리일 수 있다. 하지만, 본 발명에서, 배터리(401)는 2차 배터리에 한정되지 않는다. 예컨대, 배터리(401)는 수은 전지 같은 1차 전지일 수 있다. 배터리의 전압(Vg)은 5V 내지 15V 범위 내의 전압을 가질 수 있다.
전압 변환부(402)는 입력 전압(Vg)를 디지털 로직에 따라 레벨 업 또는 레벨 다운하여 다수의 전원 레벨(V0, V1, V2,...,Vn)을 출력하는 전압 레벨 시프트일 수 있다. 하지만, 본 발명에서, 전압 변환부(402)는 전압 레벨 시프트에 한정되지 않는다. 예컨대, 전압 변환부(402)는 DC-DC 컨버터로 구성될 수 있다.
전원 조절부(403)는 시분할 방식으로 렌즈(100, 110)의 굴절률을 가변시키기 위해, 가변 굴절률이 반복되는 구간 동안 렌즈(100, 110)에 공급될 인가 전압의 크기(예: V1, V2, V3)및 순서를 결정하고, 결정된 전압 크기 및 순서에 따라 렌즈(100, 110)로 인가 전압(V1, V2, V3)이 공급되도록, 전압 변환부(402) 및/또는 배터리(401)를 제어한다. 만약, 렌즈(100, 110)가 픽셀 배열 구조로 동작할 때, 스위칭부(404)는 픽셀 단위로 스위칭 동작을 수행하고, 전원 조절부(403)는 픽셀 단위로 스위칭부(404)를 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 굴절률 조절부(300)는 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나를 선택적으로 렌즈(100, 110)로 공급하는 스위칭부(404)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 전원 조절부(403)이 제어에 따라, 스위칭부(404)는 제 1 시점에서 전원 레벨(V0, V1, V2,...,Vn) 중 V0가 렌즈(100, 110)로 공급되도록 스위칭하고, 제 2 시점에서 전원 레벨(V0, V1, V2,...,Vn) 중 V1가 렌즈(100, 110)로 공급되도록 스위칭하고, 제 n 시점에서 전원 레벨(V0, V1, V2,...,Vn) 중 Vn이 렌즈(100, 110)로 공급되도록 스위칭한다. 또한, 굴절률 조절부(300)는 배터리(401)의 충전 상태, 배터리(401)의 충전 전압, 상기 전원 레벨과 관련된 정보 및 상기 렌즈의 굴절률과 관련된 정보 중 적어도 하나를 표시하는 표시부(405)를 더 포함할 수 있다. 표시부(405)는 LCD(liquid crystal display)일 수 있다. 하지만, 본 발명에서 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 표시부(405)는 LED(light emitting diode) 또는 OLED(organic light emitting diode)일 수 있다. 또한, 전원 조절부(403)는 사용자 입력에 따라 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨에 고정되도록 스위칭부(404)를 제어할 수 있다. 예컨대, 안경 착용자는 사용자 입력 인터페이스(미도시함)를 이용하여, 다수의 가변 굴절률들 중 원하는 굴절률을 하나 선택하여, 선택된 굴절률을 기반으로 초점을 맞출 수 있다. 따라서, 전원 조절부(403)는 사용자 입력 인터페이스를 통해 수신한 입력 신호에 따라, 선택된 굴절률에 대응하는 인가 전원이 렌즈(100, 110)로 공급될 수 있도록 스위칭부(404)를 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 안경의 동작 방법을 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 가변 초점 안경(10)은 500 단계에서 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨을 포함하는 인가 전원을 적어도 하나 이상의 렌즈(100, 110)로 공급하고, 510 단계에서 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨에 따라, 순차적으로 상기 렌즈의 굴절률을 가변시키고, 520 단계에서 상기 가변되는 굴절률에 따라 초점 거리를 조절한다. 일부 실시예에서, 가변 초점 안경(10)은 배터리의 전압을 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨로 변환하는 단계 그리고 사용자 입력에 따라 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨에 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
종래 누진 다초점 렌즈와 달리, 본 발명의 가변 초점 안경(10) 내의 렌즈(100, 110)는 시분할 방식으로 다수의 서로 다른 전원 레벨들이 공급됨으로써, 렌즈(100, 110)의 굴절률이 시분할적으로 변화할 수 있다. 여기서, 렌즈(100, 110)의 굴절률은 압전 역효과에 기초한 렌즈(100, 110)의 변형에 의해 가변될 수 있다. 또한, 렌즈(100, 110)의 굴절률은 오름차순, 내림차순 및 무작위(random) 중 어느 하나에 기초하여 가변될 수 있다.
이때, 굴절률이 가변 될 때마다, 플리커 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 사람의 눈은 초당 30 Hz ~ 60 Hz 범위 내에서는 깜박거림 또는 플리커를 인식하지 못할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 렌즈(100, 110)의 굴절률은 초당 30 회 내지 60 회 정도 시분할적으로 가변됨으로써, 사용자의 눈은 플리커를 인식하지 못할 수 있다. 예컨대, 도 3(a)와 같이, 3 개의 굴절률 n1, n2, n3가 기결정된 순서로 초당 30 회 내지 60 회 범위 내에서 변화하면, 사용자의 눈은 3 개의 굴절률 n1, n2, n3 중 어느 하나의 굴절률에 대응하는 초점 거리에 고정될 수 있다. 즉, 굴절률 n1, n2, n3 에 대응하는 각각의 초점 거리가 발생하지만, 사용자의 눈은 초점이 맞춰진 어느 하나의 굴절률에 기초한 잔상이 보여질 수 있다. 또한, 렌즈(100, 110)의 굴절률이 순차적으로 가변되는 것이므로, 안경 착용자가 수동적으로 또는 의도적으로 굴절률을 조절할 필요가 없다. 굴절률 n1은 근거리의 초점 거리를 맞추기 위한 굴절이고, 굴절률 n2는 중거리의 초점 거리를 맞추기 위한 굴절이며, 굴절률 n3은 원거리의 초점 거리를 맞추기 위한 굴절이다. 근거리는 40 cm 이하이고, 중거리는 40 cm 내지 4 m이며, 원거리는 4 m 이상일 수 있다. 그러나, 본 발명에서, 가변 가능한 굴절률은 3 개의 굴절률 n1, n2, n3에 제한되지 않는다. 예컨대, 초당 가변 가능한 굴절률의 개수는 2 개 또는 3 개 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 가변되는 굴절률을 갖는 렌즈(100, 110)를 포함하는 가변 초점 안경을 예를 들어 설명하였지만, 본원 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 평면형 렌즈를 두 개를 연결하여 굴절율을 변조해서 하나는 오목 렌즈 다른 하나는 볼록 렌즈를 구현함으로써, 망원경 또는 현미경의 렌즈로 활용될 수 있다. 또 다른 예로, 가변되는 굴절률을 갖는 렌즈(100, 110)는 자동차 전조등에 적용될 수 있다. 예컨대, 자동차가 커브길에서 회전될 때 기계적으로 전조등이나 반사 거울을 조절하지 않고, 전조등의 굴절률을 조절하여, 조명의 방향을 제어할 수 있다. 즉, 핸들의 움직임, 차량 속도, 차량 기울기 중 적어도 하나를 기반으로 차량 전조등의 각도(또는 굴절률)는 상/하, 좌/우로 조절될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1에 의해 도시된 가변 초점 안경은 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 실시예들에 따른 렌즈(100, 110)는 망원경, 현미경, 자동차 전조등 이외에도 다양한 분야에 여러 가지 목적으로 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10: 가변 초점 안경
100, 110: 안경 렌즈
200: 안경 프레임 300: 굴절률 조절부
401: 배터리 402: 전압 레벨 변환부
403: 전원 조절부 404: 스위칭부
405: 표시부
200: 안경 프레임 300: 굴절률 조절부
401: 배터리 402: 전압 레벨 변환부
403: 전원 조절부 404: 스위칭부
405: 표시부
Claims (17)
- 안경 프레임;
상기 안경 프레임에 장착되고, 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨을 포함하는 인가 전압에 의해 순차적으로 가시광선영역에서 가변되는 굴절률을 갖는 적어도 하나 이상의 렌즈; 및
상기 인가 전원을 상기 적어도 하나 이상의 렌즈로 공급하는 굴절률 조절부를 포함하고,
상기 렌즈의 굴절률은 상기 서로 다른 적어도 둘 이상의 전원 레벨에 따라 단위 시간마다 적어도 2 회 이상 가변되는 가변 초점 안경. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈는,
제 1 전극;
제 2 전극; 및
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치되고, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 통해 상기 굴절률 조절부로부터 인가된 전압의 크기에 따라 굴절률을 가변시키는 투명 광학 스위칭 층을 포함하는 가변 초점 안경. - 제 2 항에 있어서,
상기 스위칭 층은 강유전체를 포함하며,
상기 강유전체는 바륨-스트론튬-티타늄 산화물((Ba,Sr)TiO3, BST), 스트론튬-티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨-티타늄 산화물(BaTiO3), PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 및 PLZT(Pb(La,Zr)TiO3) 중 어느 하나를 포함하는 가변 초점 안경. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극을 포함하고,
상기 투명 전극은 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO), 은나노와이어(silver nanowire), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer), 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 산화아연(ZnO), 인듐아연옥사이드(Indium zinc oxide, IZO), 및 인듐갈륨아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO) 중 하나를 포함하는 가변 초점 안경 - 제 1 항에 있어서,
상기 각각의 렌즈는 다수의 픽셀들을 포함하고,
상기 다수의 픽셀들마다 상기 인가 전원에 따라 굴절률이 조절되는 가변 초점 안경. - 제 1 항에 있어서,
상기 렌즈이 초점 거리는 상기 렌즈의 두께 및 상기 가변되는 굴절률의 결합에 의해 결정되는 가변 초점 안경. - 제 1 항에 있어서,
상기 굴절률 조절부는
충전이 가능한 충전용 배터리;
상기 배터리의 전압을 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨로 변환하는 전압 변환부; 및
상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 순차, 주기적이 상기 한 쌍의 렌즈로 공급되도록 제어하는 전원 조절부를 포함하는 가변 초점 안경. - 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨이 선택되도록 스위칭하는 스위칭부를 더 포함하는 가변 초점 안경. - 제 7 항에 있어서,
상기 전원 조절부는,
상기 렌즈의 굴절률이 사용자 입력에 따라 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨에 고정되도록 상기 전압 변환부를 제어하는 가변 초점 안경. - 제 7 항에 있어서,
상기 배터리의 충전 상태, 상기 배터리의 충전 전압, 상기 전원 레벨과 관련된 정보 및 상기 렌즈의 굴절률과 관련된 정보 중 적어도 하나를 표시하는 표시부를 더 포함하는 가변 초점 안경. - 제 1 항에 있어서,
상기 굴절률 조절부는 상기 안경 프레임의 안경 다리 부분에 탈부착이 가능한 가변 초점 안경. - 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨을 포함하는 인가 전원을 적어도 하나 이상의 렌즈로 공급하는 단계;
상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨에 따라, 순차적으로 상기 적어도 하나 이상의 렌즈의 굴절률을 가변시키는 단계; 및
상기 가변되는 굴절률에 따라 초점 거리를 조절하는 단계를 포함하는 가변 초점 안경의 구동 방법. - 제 12 항에 있어서,
배터리의 전압을 이용하여, 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨을 생성하는 단계를 더 포함하는 가변 초점 안경의 구동 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 렌즈의 굴절률을 사용자 입력에 따라 상기 적어도 둘 이상의 서로 다른 전원 레벨 중 어느 하나의 전원 레벨에 고정하는 단계를 더 포함하는 가변 초점 안경의 구동 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 렌즈의 굴절률은 압전 역효과에 기초한 상기 렌즈의 변형에 의해 가변되는 가변 초점 안경의 구동 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 렌즈의 굴절률은 오름차순, 내림차순 및 무작위(random) 중 어느 하나에 기초하여 가변되는 가변 초점 안경의 구동 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 렌즈의 굴절률은 초당 30 회 내지 60 회 변경되고,
상기 적어도 하나 이상의 렌즈의 굴절률 중 제 1 굴절률은 10 cm 이하의 근거리를 위한 초점 거리에 대응하고, 제 2 굴절률은 10 cm 내지 1m 범위의 중거리를 위한 초점 거리에 대응하며, 제 3 굴절률은 1 m 이상의 원거리를 위한 초점 거리에 대응하는 가변 초점 안경의 구동 방법.
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