KR20180103536A - 액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈 및 광학기기 - Google Patents

액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈 및 광학기기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고체 렌즈와 하나의 광학계를 이루는 액체 렌즈는, 전도성 액체와 비전도성 액체를 수용하는 캐비티가 배치된 제1 플레이트; 상기 제1 플레이트의 위에 배치되는 제1전극; 상기 제1 플레이트의 아래에 배치되는 제2전극; 상기 제1전극의 위에 배치되는 제2 플레이트; 및 상기 제2전극의 아래에 배치되는 제3 플레이트를 포함하고, 상기 제2 플레이트의 하면에서, 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체의 전체 부피 및 상기 전도성 액체와 접촉하는 면적은 특정 조건을 만족하도록 설계될 수 있다.

Description

액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈 및 광학기기{LIQUID LENS, CAMERA MODULE AND OPTICAL DEVICE/INSTRUMENT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈 및 광학기기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 액체 렌즈에 포함된 액체의 열 팽창에 의해 액체를 가두는 구조물에 온도에 따라 발생하는 변형에 의한 디옵터의 변화가 발생하는 것을 줄일 수 있는 렌즈에 관한 것이다.
휴대용 장치의 사용자는 고해상도를 가지며 크기가 작고 다양한 촬영 기능(예, 오토포커싱(Auto-Focusing, AF) 기능, 손떨림 보정 내지 영상 흔들림 방지(Optical Image Stabilizer, OIS) 기능 등)을 가지는 광학 기기를 원하고 있다. 이러한 촬영 기능은 여러 개의 렌즈를 조합해서 직접 렌즈를 움직이는 방법을 통해 구현될 수 있으나, 렌즈의 수를 증가시킬 경우 광학 기기의 크기가 커질 수 있다. 오토 포커스와 손떨림 보정 기능은, 렌즈 홀더에 고정되어 광축이 정렬된 여러 개의 렌즈 모듈이, 광축 또는 광축의 수직 방향으로 이동하거나 틸팅(Tilting)하여 수행되고, 렌즈 모듈을 구동시키기 위해 별도의 렌즈 구동 장치가 사용된다. 그러나 렌즈 구동 장치는 전력 소모가 높으며, 이를 보호하기 위해 서 카메라 모듈과 별도로 커버 글라스를 추가하여야 하는바 전체 두께가 두꺼워 진다. 따라서 두 가지 액체의 계면의 곡률을 전기적으로 조절하여 오토 포커스와 손떨림 보정 기능을 수행하는 액체 렌즈에 대한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 전기 에너지를 이용하여 초점 거리를 조정할 수 있는 렌즈를 포함하는 카메라 장치에서 렌즈에 포함된 액체를 하우징할 수 있는 구조물에 온도에 따라 발생하는 변형에 의한 디옵터(dioptre, diopter)의 변화를 보상할 수 있는 렌즈를 제공할 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 렌즈와 하나의 광학계를 이루는 액체 렌즈는, 전도성 액체와 비전도성 액체를 수용하는 캐비티가 배치된 제1 플레이트; 상기 제1 플레이트의 위에 배치되는 제1전극; 상기 제1 플레이트의 아래에 배치되는 제2전극; 상기 제1전극의 위에 배치되는 제2 플레이트; 및 상기 제2전극의 아래에 배치되는 제3 플레이트를 포함하고, 상기 제2 플레이트의 하면에서, 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체의 전체 부피(LV) 및 상기 전도성 액체와 접촉하는 면적(A)은, 다음의 조건식 1을 만족할 수 있다.
[조건식 1]
3LV ≤ A ≤ 15LV
실시예에 따라, 온도 증가에 따라 상기 액체 렌즈의 디옵터 변화 방향이 상기 고체 렌즈의 디옵터 변화 방향과 반대일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제2 플레이트 하면의 넓이(A)는 상기 제2 플레이트가 평평할 때의 넓이일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 고체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 감소하고, 상기 액체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 증가할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 액체 렌즈와 상기 고체 렌즈를 포함하는 전체 렌즈의 디옵터의 변화량은 25도 내지 60도 온도범위 내에서 1디옵터 이내일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 어셈블리는, 적어도 하나의 고체 렌즈를 포함하는 고체 렌즈; 및 상기 고체 렌즈와 하나의 광학계를 이루고, 전도성 액체와 비전도성 액체 간의 계면이 제어되는 액체 렌즈를 포함하고, 상기 액체 렌즈는, 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체를 수용하는 캐비티가 배치된 제1 플레이트; 상기 제1 플레이트의 위에 배치되는 제1전극; 상기 제1 플레이트의 아래에 배치되는 제2전극; 상기 제1전극의 위에 배치되는 제2 플레이트; 및 상기 제2전극의 아래에 배치되는 제3 플레이트를 포함하고, 상기 고체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 감소하고, 상기 액체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 증가할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제2 플레이트의 하면에서, 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체의 전체 부피(LV) 및 상기 전도성 액체와 접촉하는 면적(A)은, 다음의 조건식 1을 만족할 수 있다.
[조건식 1]
3LV ≤ A ≤ 15LV
실시예에 따라, 25도 내지 60도의 온도범위 내에서 액체 렌즈의 디옵터의 변화량의 절대값은 고체 렌즈의 디옵터의 변화량의 절대값 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈은, 상기 렌즈 어셈블리; 및 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체의 계면을 제어하는 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈 및 광학기기에 의하면, 고체 렌즈군의 온도에 따른 디옵터 변화를 상쇄하는 온도에 따른 디옵터 변화 특성을 가지도록 설계되어, 전체 렌즈의 디옵터가 온도와는 무관하게 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈의 예를 설명한다.
도 2는 카메라 모듈에 포함된 렌즈 어셈블리의 예를 설명한다.
도 3은 구동 전압에 대응하여 계면이 조정되는 렌즈를 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 액체 렌즈의 일 실시예를 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b에서 설명한 액체 렌즈의 온도에 따른 특성을 설명한다.
도 6a는 온도에 따른 고체 렌즈의 디옵터의 변화 및 이를 보상하기 위한 액체 렌즈의 구현예의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6b는 온도에 따른 고체 렌즈의 디옵터의 변화 및 이를 보상하기 위한 액체 렌즈의 구현예의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 요소(element)의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 요소(element)가 상기 두 요소(element)사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈(1)의 예를 설명한다.
도 1을 참조하면, 카메라 모듈(1)는 액체 렌즈 및 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리(2), 제어회로(4), 및 이미지센서(6)를 포함할 수 있다.
상기 액체렌즈는 공통 전극과 복수의 개별 전극 사이에 인가되는 구동 전압에 대응하여 초점 거리가 조정되며, 상기 제어회로는 액체 렌즈에 구동 전압을 공급하기 위한 신호를 전달하며, 상기 이미지센서는 렌즈 어셈블리(2)에 정렬되며 렌즈 어셈블리(2)를 통해 전달되는 광을 전기신호로 변환한다.
카메라 모듈(1)는 하나의 인쇄회로기판(PCB) 상에 배치된 복수의 회로(4, 6)와 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리(2)를 포함할 수 있으나, 이는 하나의 예에 불과할 뿐 발명의 범위를 한정하지 않는다. 제어 회로(4)의 구성은 광학 기기에 요구되는 사양에 따라 다르게 설계될 수 있다. 특히, 렌즈 어셈블리(2)에 인가되는 동작 전압의 크기를 줄이기 위해, 제어회로(4)는 하나의 칩(single chip)으로 구현할 수 있다. 이를 통해, 휴대용 장치에 탑재되는 카메라 모듈의 크기를 더욱 줄일 수 있다.
도 2는 카메라 모듈(1)에 포함된 렌즈 어셈블리(2)의 예를 설명한다.
도 2를 참조하면, 렌즈 어셈블리(2)는 제1 렌즈부(100), 제2 렌즈부(200), 액체 렌즈부(300), 홀더(400) 및 연결부(500)를 포함할 수 있다. 도시된 렌즈 어셈블리(2)의 구조는 하나의 예에 불과하며, 카메라 모듈에 요구되는 사양에 따라 렌즈 어셈블리(2)의 구조는 달라질 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서는 액체 렌즈부(300)가 제1 렌즈부(100)와 제2 렌즈부(200) 사이에 위치하고 있으나, 다른 예에서는 액체 렌즈부(300)가 제1 렌즈부(100)보다 상부(전면)에 위치할 수도 있으며, 제2렌즈부(200)가 생략될수도 있다.
제1 렌즈부(100)는 렌즈 어셈블리(2)의 전방에 배치되고, 렌즈 어셈블리(2)의 외부로부터 광이 입사하는 구성이다. 제1 렌즈부(100)는 적어도 하나의 렌즈로 구성될 수 있고, 또는 2개 이상의 복수의 렌즈들이 중심축(PL)을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수도 있다.
제1 렌즈부(100) 및 제2 렌즈부(200)는 홀더(400)에 장착될 수 있다. 이때, 홀더(400)에는 관통공이 형성되고, 관통공에 제1 렌즈부(100) 및 제2 렌즈부(200)가 배치될 수 있다. 또한, 홀더(400)에 제1 렌즈부(100)와 제2 렌즈부(200)가 배치되는 사이 공간에는 액체 렌즈부(300)가 삽입될 수 있다.
한편, 제1 렌즈부(100)는 노출렌즈(110)를 포함할 수 있다. 또한, 노출렌즈(110)는 홀더(400) 외부로 돌출될 수 있다. 노출렌즈(110)의 경우 외부에 노출됨으로 인해 렌즈표면이 손상될 수 있다. 만약 렌즈표면이 손상될 경우, 카메라 모듈에서 촬영되는 이미지의 화질이 저하될 수 있다. 노출렌즈(110)의 표면손상을 방지, 억제하기 위해, 커버 글래스를 배치시키거나 코팅층을 형성하거나 노출렌즈(100)가 표면손상을 방지하기 위한 내마모성 재질로 구성하는 방법 등을 적용할 수 있다.
제2 렌즈부(200)는 제1 렌즈부(100) 및 액체 렌즈부(300)의 후방에 배치되고, 외부로부터 제1 렌즈부(100)로 입사하는 광은 액체렌즈부(300)를 통과하여 제2 렌즈부(200)로 입사할 수 있다. 제2 렌즈부(200)는 제1 렌즈부(100)와 이격되어 홀더(400)에 형성되는 관통공에 배치될 수 있다.
한편, 제2 렌즈부(200)는 적어도 하나의 렌즈로 구성될 수 있고, 2개 이상의 복수의 렌즈들이 포함되는 경우 중심축(PL)을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수도 있다.
액체 렌즈부(300)는 제1 렌즈부(100)와 제2 렌즈부(200) 사이에 배치되고, 홀더(400)의 삽입구(410)에 삽입될 수 있다. 액체 렌즈부(300) 역시, 제1 렌즈부(100)와 제2 렌즈부(200)와 마찬가지로 중심축(PL)을 기준으로 정렬될 수 있다.
액체 렌즈부(300)에는 렌즈영역(310)이 포함될 수 있다. 렌즈영역(310)은 제1 렌즈부(100)를 통과한 광이 투과하는 부위이고, 적어도 일부에 액체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 렌즈영역(310)에는 두 가지 종류 즉, 도전성 액체와 비도전성 액체가 함께 포함될 수 있고, 도전성 액체와 비도전성 액체는 서로 섞이지 않고 경계면을 이룰 수 있다. 연결부(500)을 통해 인가되는 구동 전압에 의해 도전성 액체와 비도전성 액체의 경계면이 변형되어 액체 렌즈부(300)의 곡률 및/또는 초점거리가 변경될 수 있다. 이러한 경계면의 변형, 곡률변경이 제어되면, 액체 렌즈부(300)와 이를 포함하는 렌즈 어셈블리(2) 및 카메라 모듈(1)은 오토포커싱(Auto-Focusing; AF) 기능, 손떨림 보정 내지 영상 흔들림 방지(Optical Image Stabilizer, OIS) 기능 등을 수행할 수 있다.
도 3은 구동 전압에 대응하여 계면이 조정되는 렌즈를 설명한다. 구체적으로, (a)는 렌즈 어셈블리(22, 도2 참조)에 포함된 액체 렌즈(28)를 설명하고, (b)는 액체 렌즈(28)의 등가회로를 설명한다.
먼저 (a)를 참조하면, 구동 전압에 대응하여 계면이 조정되는 액체 렌즈(28)는 4개의 서로 다른 방향에 배치된 복수의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)을 통해서 구동 전압을 인가 받을 수 있다. 복수의 개별 전극은 동일한 각 거리를 가지도록 배치될 수 있다. 개별 전극(L1, L2, L3, L4)을 통해서 구동 전압이 인가되면 후술할 공통 전극에 인가되는 전압의 상호작용을 통해 렌즈영역(310)에 배치된 도전성 액체와 비도전성 액체의 경계면이 변형될 수 있다. 도전성 액체와 비도전성 액체의 경계면의 변형의 정도 및 형태는 AF 기능 또는 OIS 기능을 구현하기 위해, 제어회로(4)에 의해 제어될 수 있다.
또한, (b)를 참조하면, 렌즈(28)의 일측은 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4)으로부터 구동 전압을 인가 받고, 다른 일측은 공통 전극(C0)과 연결된 복수의 캐패시터(29)로 설명할 수 있다.
본 명세서에서는 개별 전극이 4개인 것을 예로 들어 설명하나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
도 4a 및 도 4b는 액체 렌즈의 일 실시예를 설명한다. 구체적으로 도 4a는 액체 렌즈의 일 실시예에 대한 탑뷰(top view)이고, 도 4b는 액체 렌즈의 일 실시예에 대한 단면도(cross-sectional view)이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 액체 렌즈는 서로 다른 두 액체, 제1 플레이트(14) 및 전극을 포함할 수 있다. 액체렌즈에 포함되는 두 액체(25, 24)는 전도성 액체 및 비전도성 액체를 포함할 수 있다. 제1 플레이트(14)는 전도성 액체 및 비전도성 액체가 배치되는 캐비티(cavity, 50)를 포함할 수 있다. 캐비티(50)의 측벽면은 경사면을 포함할 수 있다. 전극은 제1 플레이트(14)에 배치될 수 있으며, 제1 플레이트(14)의 상부 또는 제1 플레이트(14)의 하부에 배치될 수 있다. 액체 렌즈는 전극 상부(하부)에 배치될 수 있는 제2 플레이트(16)를 더 포함할 수 있다. 또한 액체 렌즈는 전극 하부(상부)에 배치될 수 있는 제3 플레이트(12)를 더 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 액체 렌즈(28)의 일 실시예는 서로 다른 두 액체(25, 24)가 형성하는 계면(30)을 포함할 수 있다. 또한, 액체 렌즈(28)에 전압을 공급하는 적어도 하나의 기판(47, 49)을 포함할 수 있다. 액체 렌즈(28)의 모서리는 액체 렌즈(28)의 중심부보다 두께가 얇을 수 있다.
액체 렌즈(28)는 서로 다른 두 액체, 예를 들면 전도성 액체(25)와 비전도성 액체(24)를 포함하고, 두 액체가 형성하는 계면(30)의 곡률, 형상은 액체 렌즈(28)에 공급되는 구동 전압에 의해 조정될 수 있다. 액체 렌즈(28)에 공급되는 구동 전압은 제1기판(49) 및 제2기판(47)을 통해 전달될 수 있다. 제1기판(49)은 구별되는 4개의 개별 구동 전압을 전달할 수 있고, 제2기판(47)은 하나의 공통 전압을 전달할 수 있다. 공통 전압은 DC 전압 또는 AC 전압을 포함할 수 있으며, 공통 전압이 펄스 형태로 인가되는 경우 펄스의 폭 또는 duty cycle은 일정할 수 있다. 제2기판(47)과 제1기판(49)을 통해 공급되는 전압은 액체 렌즈(28)의 각 모서리에 노출되는 복수의 전극(74, 76)에 인가될 수 있다. 전극과 기판 사이에는 전도성 에폭시가 배치될 수 있으며, 전극과 기판은 전도성 에폭시를 통해 결합 및 통전될 수 있다.
또한, 액체 렌즈(28)는 투명한 재질을 포함하는 제3플레이트(12) 및 제2플레이트(16), 사이에 위치하며 기 설정된 경사면을 가지는 개구영역을 포함하는 제1플레이트(14)를 포함할 수 있다.
제2플레이트(16)는 제1폭(D1)을 가지는 사각형 형상을 가질 수 있다. 제2플레이트(16)는 제1플레이트(14)와 에지(edge) 주변의 접합 영역에서 맞닿아 접착이 되고, 제1플레이트(14)는 경사면을 가지며 넓은 개구 영역(48)의 직경(D3)보다 큰 주변 영역(46)의 직경(D2)을 포함할 수 있다. 주변 영역(46)은 제1 플레이트(14)의 상면 및 액체와 상하 방향 또는 광축과 평행한 방향상에서 오버랩 되는 영역일 수 있다. 제1플레이트(14)의 상부에 배치된 제1전극(74)) 일부가 노출되어 캐비티(50)에 접촉할 수 있는데, 이는 제1플레이트(14)에 형성되는 전극 패턴의 일부가 전도성 액체에 노출될 필요가 있기 때문이다. 이로 인해, 실시예에 따라, 제2플레이트(16)는 제1플레이트(14)의 넓은 개구 영역의 직경(D3)보다 큰 직경(D2)을 가지며 제1플레이트(14)와 이격된 주변 영역(46)을 포함할 수 있다.
주변 영역(46)의 넓이는 단면적(A)으로 정의될 수 있다. 본 명세서에서는 주변 영역(46)이 원형임을 가정하며, 주변 영역(46)의 직경(D2)에 따른 단면적(A)은 π와 직경(D2)의 제곱의 곱으로 산출될 수 있다. 그러나, 실시예에 따라 주변 영역(46)은 원형이 아닐 수도 있으며, 이에 따라 단면적(A)의 산출 방법이 달라질 수 있음은 당연하다.
한편, 액체렌즈(28)의 실제 유효 렌즈영역은 제1플레이트(14)의 넓은 개구 영역의 직경(D3)보다 좁을 수 있다. 예를 들어, 액체렌즈(28)의 중심부를 기준으로 좁은 범위의 반경이 실제 광(빛)을 전달하는 경로로 사용되는 경우, 제2플레이트(16)의 중심영역의 직경(D2)은 제1플레이트(14)의 넓은 개구 영역의 직경(D3)보다 작을 수도 있다.
또한, 액체 렌즈(28)는 제3플레이트(12), 제2플레이트(16) 및 제1플레이트(14)의 개구영역에 의해 결정되는 캐비티(50)를 포함할 수 있다. 여기서, 캐비티(50)는 서로 다른 성질(예, 전도성 액체 및 비전도성 액체)의 두 액체(25, 24)가 충진될 수 있으며, 서로 다른 성질의 두 액체(25, 24) 사이에는 계면(30)이 형성될 수 있다.
여기서, 전도성 액체(25)의 부피를 제1 부피(V1)로 정의하고, 비전도성 액체(24)의 부피를 제2 부피(V2)로 정의하기로 한다. 또한, 전도성 액체(25)의 부피와 비전도성 액체(24)의 부피를 합한 부피, 즉 제1 부피(V1)와 제2 부피(V2)를 합한 부피를 액체 부피(LV)라 정의하기로 한다. 캐비티(50) 내에 전도성 액체(25)와 비전도성 액체(24)가 충진되지 않는 공간이 없이 완전히 채워진다면, 액체 부피(LV)는 캐비티(50)의 부피와 동일할 수 있다.
또한, 액체 렌즈(28)에 포함되는 두 액체(25, 24) 중 적어도 하나는 전도성을 가지며, 액체 렌즈(28)는 제1플레이트(14) 상부 및 하부에 배치되는 두 전극(74, 76) 및 전도성을 가지는 액체가 맞닿을 수 있는 경사면에 배치되는 절연층(72)을 더 포함할 수 있다. 절연층(72)은 제1 플레이트(14)의 내측 경사면과 상기 액체(25, 24) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 절연층(72)은 두 전극(74, 76) 중 하나의 전극(예, 제2전극(76))을 덮고, 다른 하나의 전극(예, 제1전극(74))의 일부를 노출시켜 전도성 액체(예, 25)에 전기 에너지가 인가되도록 할 수 있다. 여기서, 제1전극(74)은 적어도 하나 이상의 전극섹터를 포함하고, 제2전극(76)은 둘 이상의 전극섹터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2전극(76)은 광축을 중심으로 시계방향을 따라 순차적으로 배치되는 복수의 전극섹터를 포함할 수 있다.
액체 렌즈(28)에 포함된 두 전극(74, 76)에 구동 전압을 전달하기 위한 하나 또는 두개 이상의 기판(47, 49)이 연결될 수 있다. 구동 전압에 대응하여 액체 렌즈(28) 내 형성되는 계면(30)의 굴곡, 경사도 등이 변하면서 액체 렌즈(28)의 초점 거리가 조정될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제2플레이트(16)에서 개구 영역(48)에 대응하는 중심부와 주변 영역(46)의 두께는 동일하며 평평(even)할 수 있다. 제2플레이트(16)의 중심부와 주변 영역(46)의 두께는 에지 주변에서 제1 플레이트(14)와 결합되는 접합 영역에 비해 두께가 얇을 수 있다. 중심부 또는 중심 영역은 광축을 포함하고 주변 영역(46)에 의해 둘러싸여지는 영역일 수 있다.
한편, 제1플레이트(14)는 개구영역(48)을 포함하며, 제1 플레이트(14)의 내측 경사면에 의해 넓은 개구 영역과 좁은 개구 영역을 포함할 수 있다. 넓은 개구 영역(48)의 직경(D3)은 액체 렌즈에 요구되는 화각(FOV) 또는 액체 렌즈가 카메라 장치에서 가지는 역할에 따라 달라질 수 있다. 개구 영역(48)은 원형의 단면을 가지는 홀(hole)의 형상일 수 있으며, 개구 영역(48)의 경사면은 55~65도의 범위의 경사도를 가질 수 있다. 두 액체가 형성한 계면(44)은 개구 영역(48)의 경사면을 따라 움직일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b에서 설명한 액체 렌즈의 온도에 따른 특성을 설명한다. 구체적으로, 도5a는 상온에서의 액체 렌즈를 설명하고, 도5b는 고온에서의 액체 렌즈를 설명한다.
전술한 바와 같이, 제2플레이트(16), 제1플레이트(14) 및 제3플레이트(12)에 의해 결정되는 캐비티에는 서로 다른 성질의 두 액체가 충진되어 있다. 액체는 온도가 높아지면 팽창하는 성질을 가진다(예, 열팽창, thermal expansion).
캐비티에 충진되는 두 액체는 전해질(또는 전도성) 액체와 비전해질(또는 비전도성) 액체를 포함할 수 있다. 액체의 열팽창은 고체보다 더 클 수 있다. 물질의 온도가 높아지면 분자들의 운동이 활발해져 분자와 분자 사이의 간격이 멀어지고, 이로 인해 부피가 증가할 수 있다. 특히, 액체를 구성하는 분자들이 고체를 구성하는 분자들보다 더 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 온도가 변하는 정도가 같을 경우 액체가 고체보다 열팽창 정도가 더 클 수 있다. 액체 렌즈에 사용되는 전해질(전도성) 액체에 대표적인 예로 물(H2O)을 들 수 있다. 물의 경우 4℃ 이상에서는 온도가 올라갈 때 부피가 팽창하지만, 4℃ 이하에서는 온도가 올라갈 때 부피가 줄어드는 특징을 가지고 있다. 물의 열팽창 계수는 약 1.8 (단위: 10-5/℃)정도로 알려져 있다.
도 5a를 참조하면, 상온에서 캐비티에 충진된 두 액체의 부피 변화가 없다면, 제2플레이트(16)을 통해 입사된 광(빛)은 캐비티 내 두 액체가 형성하는 계면(44)에 의한 굴절에 영향을 받아 제3플레이트(12)를 통과할 수 있다. 이 경우, 액체 렌즈에 전기 에너지를 인가하여 계면(44)의 곡률을 변경하는 방법으로 액체 렌즈를 원하는 방향으로 제어할 수 있다.
도5b를 참조하면, 고온에서 캐비티에 충진된 두 액체의 부피 변화로 인하여 제2플레이트(16)가 부풀어오르는 형상이 발생할 수 있다. 제2플레이트(16)의 중심부(중심 영역)와 주변 영역은 제1플레이트(14)과 접착되어 있지 않을 뿐만 아니라, 중심부와 주변 영역의 두께가 얇기 때문에, 온도 변화에 따라 부피가 커지는 두 액체의 팽창 또는 수축에 대응하여 제2플레이트(16)는 휘어질 수 있다.
한편, 온도 변화에도 제3플레이트(12)이 부풀어 오르는 경우는 발생하지 않을 수 있다. 또한 온도 변화에 따라 제3플레이트(12)가 부풀어 오르는 경우에도 부풀어 오르는 정도가 제2 플레이트(16)에 비해 적을 수 있다. 이는 액체와 접촉하는 면적이 제2 플레이트(16)보다 제3 플레이트(12)가 좁거나, 액체와 접촉하며 상하 방향 또는 광축과 평행한 방향 상에서 액체와 오버랩되는 제2 플레이트(16) 영역의 두께가 액체와 접촉하며 상하 방향 또는 광축과 평행한 방향 상에서 액체와 오버랩 되는 제3 플레이트(12) 영역의 두께보다 작을 수 있기 때문이다.
복수의 전극 패턴이 배치된 제1플레이트(14)을 제3플레이트(12) 상에 고정한 뒤, 절연층(미도시)을 형성하여 복수의 전극 패턴이 캐비티에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면, 절연층으로 두 개의 전극 패턴 중 하나를 덮고, 다른 하나만을 노출시켜야 캐비티 내에 충진된 두 액체들의 성질이 변화하는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 제1플레이트(14)과 제3플레이트(12) 상에 형성되는 절연층으로 인하여 두 액체가 온도 변화에 대응하여 열팽창을 하더라도 제3플레이트(12)는 거의 부풀어 오르지 않고, 강도가 약한 제2플레이트(16)가 부풀어 오를 수 있다.
제2플레이트(16)가 부풀어 오르면, 제2플레이트(16)을 통해 입사되는 광(빛)은 전기 에너지를 통해 곡률이 제어되는 계면(44)과는 별도로 제2플레이트(16)에서 발생한 굴곡률에 의해 굴절될 수 있다. 이 경우, 제2플레이트(16)에서 발생하는 곡률은 액체 렌즈에 설계에 반영되어 있지 않을 수 있고, 두 액체의 온도 변화에 따른 열팽창률에 따라 의도한 초점 거리의 제어가 이루어지지 않을 수 있다.
도 6a는 온도에 따른 고체 렌즈의 디옵터의 변화 및 이를 보상하기 위한 액체 렌즈의 구현예의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 6b는 온도에 따른 고체 렌즈의 디옵터의 변화 및 이를 보상하기 위한 액체 렌즈의 구현예의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 고체 렌즈는 전체 렌즈 어셈블리(예를 들어, 도 2의 2) 내에서 액체 렌즈를 제외한 고체 렌즈군을 의미하는 것으로, 적어도 하나의 고체 렌즈로 구성될 수 있다. 즉, 도 2의 예에서는 액체 렌즈부(300)를 제외한 제1 렌즈부(100) 및 제2 렌즈부(200)를 의미할 수 있다. ,
따라서, 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터의 변화는 제1 렌즈부(100) 및 제2 렌즈부(200)의 디옵터의 변화의 합으로 나타날 수 있다. 디옵터는 초점거리와 역수 관계에 있으므로, 디옵터의 변화는 초점 거리의 변화를 의미할 수 있다.
여기서 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화는 고체 렌즈에 포함된 각 렌즈의 재료, 크기, 형상 등의 다양한 요소에 의해 달라질 수 있다. 예를 들면, 플라스틱 렌즈만을 조합하여 설계된 고체 렌즈에 비해서 글래스 렌즈가 포함된 고체 렌즈는 온도 변화에 대해 디옵터의 변화가 작을 수 있다.
도 6a에서는 온도에 따른 디옵터의 변화가 상대적으로 크며, 플라스틱 렌즈만을 조합하여 설계된 고체 렌즈가 일 예가 될 수 있다. 도 6b에서는 온도에 따른 디옵터의 변화가 상대적으로 작으며, 글래스 렌즈가 포함된 고체 렌즈가 일 예가 될 수 있다.
전체 렌즈는 사용 온도에 관계없이 일정한 디옵터를 갖는 것이 이상적이며, 온도와 무관하게 오직 능동적인 디옵터 제어에 따라 액체 렌즈의 초점 거리 및 형상이 가변되는 것이 바람직하다.
그러나, 도 6a와 도 6b에서 확인할 수 있듯이, 고체 렌즈의 디옵터는 정도의 차이는 있으나, 온도의 증가에 따라 감소하는 성질을 갖는다. 이에 반해, 액체 렌즈의 디옵터는 정도의 차이는 있으나 온도의 증가에 따라 증가하는 성질을 갖는다.
따라서, 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 확정되면, 액체 렌즈의 설계시 액체 렌즈가 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화를 상쇄할 수 있도록 설계하는 것이 가능하다. 즉, 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화를 상쇄하도록 하는 온도에 따른 디옵터 변화를 가지도록 액체 렌즈를 설계하면, 고체 렌즈와 액체 렌즈를 포함하는 전체 렌즈의 디옵터는 온도의 변화와 무관하게 일정할 수 있다. 또한 일정하지 않더라도, 고체 렌즈와 액체 렌즈를 포함하는 전체 렌즈의 디옵터는 -40도 내지 60도 범위 내에서 1 디옵터 이내일 수 있다. 예를들어, 25도 내지 60도 온도범위 내에서 전체 렌즈의 디옵터의 변화는 ±0.5디옵터 내의 범위에서 변화될 수 있다. 또한, 25도 내지 60도 온도범위 내에서 액체 렌즈의 디옵터의 변화량의 절대값은 고체 렌즈의 디옵터의 변화량의 절대값 보다 클 수 있다.
액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화는 전도성 액체(25)의 부피와 비전도성 액체(24)의 부피를 합한 부피인 액체 부피(LV)와 제2 플레이트(16)와 액체가 접촉하는 경계면의 단면적(A) 간의 비율 관계에 의존할 수 있다. 제2 플레이트(16)와 액체가 접촉하는 경계면의 단면적(A)은 액체가 접촉하는 제2 플레이트(16)의 하면 또는 제2 플레이트(16)와 접촉하는 액체의 상면과 실질적으로 동일할 수 있다.
즉, 하기의 수학식 1에 따라 액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 결정될 수 있다.
[수학식 1]
A=k*LV
여기서, A와 LV는 각각 제2 플레이트(16)와 액체가 접촉하는 경계면의 단면적(또는 제2 플레이트(16)가 팽창되지 않은 상태(또는 평평한 상태)에서의 하면의 넓이)과 액체 부피를 의미하며, 단위는
Figure pat00001
와
Figure pat00002
일 수 있다. 또한, k는 결정 상수를 의미하며, 단위는 1/mm 일 수 있다. 일반적으로, k는 3이상 15이하의 범위를 가질 수 있으나 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
또한, 결정 상수(k)에 따라 액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 결정될 수 있다.
만일, 렌즈 어셈블리에서 액체 렌즈를 제외한 고체 렌즈에 대한 설계가 완료되면, 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 확정될 수 있다. 또한, 고체 렌즈와의 관계에서 액체 렌즈가 배치되는 위치(예를 들어, 도 2와 같이 중간에 삽입되는 위치), 요구되는 유효 렌즈영역 및 고체 렌즈의 크기 등에 의해, 도 4b의 액체 렌즈의 주변 영역(46)의 넓이인 단면적(A)이 결정될 수 있다.
고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화를 상쇄시킬 수 있는 액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화에 해당하는 결정 상수가 K1이라면, 결정된 단면적 A1와 결정 상수(K1)를 상기 수학식 1에 대입함으로써 액체 부피를 산출할 수 있다.
다른 실시예에 따라 액체 부피가 먼저 결정되고 단면적이 결정될 수도 있다.
즉, 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화를 상쇄시킬 수 있는 액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화에 해당하는 결정 상수를 결정하고, 결정 상수에 따른 단면적과 액체 부피 간의 비율 관계를 만족하도록 액체 렌즈를 설계함으로써, 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 상쇄되어 전체 렌즈의 디옵터는 온도에 무관하게 일정해질 수 있다. 달리 말하면, 단면적과 액체 부피의 비율이 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화에 대응하는 결정 상수와 동일한 경우, 액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화는 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화와 동일할 수 있다.
도 6a에서 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 -0.01 diopter/degrees 이고, 단면적 A가 12.6
Figure pat00003
로 결정된 경우, A=15LV의 관계를 갖도록 액체 부피(LV)가 결정되면, 액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 0.01 diopter/degrees 로 될 수 있다.
또한, 6b에서 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 -0.33 diopter/degrees 이고, 단면적 A가 12.6
Figure pat00004
로 결정된 경우, A=3LV의 관계를 갖도록 액체 부피(LV)가 결정되면, 액체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 0.33 diopter/degrees 로 될 수 있다.
액체 렌즈와 하나의 광학계를 이루는 고체 렌즈의 온도에 따른 디옵터 변화가 결정되면, 이를 상쇄하도록 하는 단면적 및 액체 부피를 가지도록 액체 렌즈를 설계할 수 있다. 이는 온도 변화에 따른 고체 렌즈의 디옵터 변화량(또는 변화 방향)과 액체 렌즈의 디옵터 변화량(또는 변화 방향)이 반대이기 때문에 가능할 수 있다.
고체 렌즈 및 액체 렌즈를 포함하는 광학계를 갖는 렌즈 어셈블리 또는 카메라 모듈은 다음의 수학식을 만족 시키도록 설계할 수 있다.
[수학식 2]
3LV ≤ A ≤ 15LV
A가 3LV보다 작은 경우 온도에 따른 액체렌즈의 디옵터 변화량이 너무 클 수 있으며, 고체 렌즈의 디옵터 변화량 보다 액체 렌즈의 상대적인 디옵터 변화량 클 수 있어 전체 광학계의 성능이 저하될 수 있다. 즉, 온도에 따른 액체렌즈의 디옵터 변화량이 고체렌즈의 디옵터 변화량과 다르면 전체 초점거리변화가 발생하는데 A가 3LV보다 작은 경우 그 변화가 전체 렌즈가 만족해야 할 초점심도 이상의 범위로 벗어나 이미지의 해상도가 저하될 수 있다.
A가 15LV보다 큰 경우 액체 렌즈의 단면적이 필요이상으로 커짐으로 인해 렌즈 어셈블리 또는 카메라 모듈의 사이즈가 필요 이상으로 커질 수 있다. 또한 면적 대비 두께가 얇아짐으로 해서 액체렌즈의 최대 디옵터 변화량이 작아지게 되어 충분한 초점조절을 하기 어려울 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액체 렌즈는 고체 렌즈군의 온도에 따른 디옵터 변화를 상쇄하는 온도에 따른 디옵터 변화 특성을 가지도록 설계되어, 전체 렌즈의 디옵터가 온도와는 무관하게 일정하게 유지되거나 변화량이 성능에 영향을 미치지 않을 정도의 전체 광학계의 변화량이 유지 될 수 있다.
전술한 액체 렌즈는 카메라 모듈에 포함될 수 있다. 카메라 모듈은 하우징에 실장되는 액체 렌즈 및 액체 렌즈의 전면 또는 후면에 배치될 수 있는 적어도 하나의 고체 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리, 렌즈 어셈블리를 통해 전달되는 광신호를 전기신호로 변환하는 이미지센서, 및 액체 렌즈에 구동 전압을 공급하기 위한 제어회로를 포함할 수 있다.
실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시형태로 구현될 수도 있다.
예를 들어, 전술한 액체렌즈를 포함하는 카메라 모듈을 포함한 광학 기기(Optical Device, Optical Instrument)를 구현할 수 있다. 여기서, 광학 기기는 광신호를 가공하거나 분석할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 광학 기기의 예로는 카메라/비디오 장치, 망원경 장치, 현미경 장치, 간섭계 장치, 광도계 장치, 편광계 장치, 분광계 장치, 반사계 장치, 오토콜리메이터 장치, 렌즈미터 장치 등이 있을 수 있으며, 액체 렌즈를 포함할 수 있는 광학 기기에 본 발명의 실시예를 적용할 수 있다. 또한, 광학 기기는 스마트폰, 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 휴대용 장치로 구현될 수 있다. 이러한 광학 기기는 카메라 모듈, 영상을 출력하는 디스플레이부, 카메라 모듈과 디스플레이부를 실장하는 본체 하우징을 포함할 수 있다. 광학기기는 본체 하우징에 타 기기와 통신할 수 있는 통신모듈이 실장될 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 메모리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (9)

  1. 고체 렌즈와 하나의 광학계를 이루는 액체 렌즈에 있어서,
    전도성 액체와 비전도성 액체를 수용하는 캐비티가 배치된 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트의 위에 배치되는 제1전극;
    상기 제1 플레이트의 아래에 배치되는 제2전극;
    상기 제1전극의 위에 배치되는 제2 플레이트; 및
    상기 제2전극의 아래에 배치되는 제3 플레이트를 포함하고,
    상기 제2 플레이트의 하면에서, 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체의 전체 부피(LV) 및 상기 전도성 액체와 접촉하는 면적(A)은, 다음의 조건식 1을 만족하는 액체 렌즈.
    [조건식 1]
    3LV ≤ A ≤ 15LV
  2. 제1항에 있어서,
    온도 증가에 따라 상기 액체 렌즈의 디옵터 변화 방향이 상기 고체 렌즈의 디옵터 변화 방향과 반대인 액체 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 플레이트 하면의 넓이(A)는 상기 제2 플레이트가 평평할 때의 넓이인 액체 렌즈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 감소하고,
    상기 액체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 증가하는, 액체 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액체 렌즈와 상기 고체 렌즈를 포함하는 전체 렌즈의 디옵터의 변화량은 25도 내지 60도 온도범위 내에서 1디옵터 이내인, 액체 렌즈.
  6. 적어도 하나의 고체 렌즈를 포함하는 고체 렌즈; 및
    상기 고체 렌즈와 하나의 광학계를 이루고, 전도성 액체와 비전도성 액체 간의 계면이 제어되는 액체 렌즈를 포함하고,
    상기 액체 렌즈는,
    상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체를 수용하는 캐비티가 배치된 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트의 위에 배치되는 제1전극;
    상기 제1 플레이트의 아래에 배치되는 제2전극;
    상기 제1전극의 위에 배치되는 제2 플레이트; 및
    상기 제2전극의 아래에 배치되는 제3 플레이트를 포함하고,
    상기 고체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 감소하고,
    상기 액체 렌즈의 디옵터는 온도의 증가에 따라 증가하는 렌즈 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 플레이트의 하면에서, 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체의 전체 부피(LV) 및 상기 전도성 액체와 접촉하는 면적(A)은, 다음의 조건식 1을 만족하는 렌즈 어셈블리.
    [조건식 1]
    3LV ≤ A ≤ 15LV
  8. 제6항에 있어서,
    25도 내지 60도의 온도범위 내에서 액체 렌즈의 디옵터의 변화량의 절대값은 고체 렌즈의 디옵터의 변화량의 절대값 보다 큰, 렌즈 어셈블리.
  9. 제6항의 렌즈 어셈블리; 및
    상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체의 계면을 제어하는 제어 회로를 포함하는 카메라 모듈.
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