KR20190025716A

KR20190025716A - 감소된 색수차를 가진 액체 렌즈

Info

Publication number: KR20190025716A
Application number: KR1020197003555A
Authority: KR
Inventors: 래이몬드 밀러 카르암
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-03-11
Also published as: KR102435836B1; US20190293928A1; CN109804295B; CN109804295A; TW201807436A; US11092802B2; WO2018013467A1; TWI786052B

Abstract

액체 렌즈는 챔버에 둘러싸인 둘 이상의 액체를 포함할 수 있다. 액체 렌즈는 두 액체의 계면에 형성된 메니스커스가 경사질 때 생성된 색수차를 줄이도록 구성될 수 있다. 이는 굴절률 차를 최대화하고 아베수 차를 최소화하도록 액체를 선택하는 단계를 포함하는 다수의 방법으로 달성될 수 있다.

Description

감소된 색수차를 가진 액체 렌즈

본 출원은 2016년 7월 11일에 제출된 미국 가출원 번호 62/360,934에 우선권을 주장하며, 그 내용 전체가 참조로서 본원에 포함된다.

본 발명은 감소된 색수차(chromatic aberration)를 가진 액체 렌즈에 대한 것이다.

종래의 액체 렌즈는 액체 렌즈 챔버 내의 2개의 액체 사이의 굴곡진 메니스커스 계면(meniscus interface)의 존재로 인해 구면 색 수차를 본질적으로 생성한다. 각각의 액체는 그 색 분산을 나타내는 아베 수(Abbe number)를 특징으로 한다. 이상적인 경우 또는 참조할 때, 액체 렌즈 챔버의 중심 수직축은 이미지화되는 대상 평면에 수직한다. 이러한 상황에서, 메니스커스의 표면 경사 각도는 영(zero)이며, 메니스커스의 형태는 상기 축에 대해 대칭되며, 이미지에서 볼 수 있는 색수차가 없다.

그러나, 실제 상황에서, 메니스커스의 표면은 보통 영이 아닌 각도로 경사진다. 이는 광학 경사각(tilt angle)으로 불리는, 일반적으로 더 작은, 관련된 각도를 통해 이미지 평면이 경사지게 한다. 표면 경사각에 대한 광학 경사각의 비율은 두 액체의 굴절률의 차이에 의해 결정된다. 영이 아닌 광학 경사각은 렌즈에 의해 생성된 색수차를 현저하게 증가시킬 수 있다. 색수차는 파장 회절 한계에서 작동하는 더 작은 픽셀 센서(pixel sensors)가 이미지를 캡처하는 데 사용될 때 특히 문제가 될 수 있다.

액체 렌즈에서 경사-유도된 색수차를 최소화하거나 적어도 감소시키는 것이 바람직할 것이다. 전체 예상 파장 범위 및 시야에 대해 대응하는 회절 한계보다 작아지도록 색수차를 감소시키는 것이 특히 바람직할 것이다.

다수의 실시예는 색수차를 감소시키도록 구성된 액체 렌즈를 개시한다. 액체 렌즈는 제1 액체, 제2 액체를 둘러싸는 챔버, 및 제1 액체 및 제2 액체의 계면에 형성된 메니스커스를 포함할 수 있다. 액체 렌즈는 메니스커스의 경사각이 액체 렌즈의 움직임으로 인해 수동적으로 또는 컨트롤러를 이용하여 능동적으로 변화될 때 색수차를 생성할 수 있다. 액체 렌즈는 색수차를 줄이기 위한 다수의 방식으로 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 액체 렌즈는 적어도 부분적으로, 그 굴절률 및/또는 아베 수를 기초로 하여 선택된 2개의 액체를 포함한다. 특히, 액체는 2개의 액체의 굴절률 사이의 차이를 증가시키기 위해 및/또는 낮은 액체의 아베 수 사이의 차이를 감소시키기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 2개의 액체의 굴절률 사이의 차(difference)의 절대값은 적어도 0.13일 수 있으며, 및/또는 2개의 액체의 아베 수 사이의 차의 절대값은 22보다 크지 않을 수 있다. 이러한 조합은 원하는 시야를 위한 예상된 파장(예컨대, 0.4861 미크론(microns) 내지 0.6563 미크론)에 걸쳐 이미지화된 대상의 평면에 대한 메니스커스를 물리적으로 기울어지게 함으로써 야기된 색수차를 줄이는 것으로 밝혀졌다.

다른 실시예에서, 액체 렌즈는 3개 액체를 포함하고 2개의 메니스커스를 형성한다. 결과적인 적층된 배열은 원하는 시야를 위한 예상된 파장(예컨대, 0.4861 미크론 내지 0.6563 미크론)에 걸쳐 이미지화된 대상의 평면에 대해 액체 렌즈의 물리적 기울어짐으로 인해 야기된 색수차를 최소화하도록 구성될 수 있다.

다른 실시예에서, 액체 렌즈는 두 액체를 둘러싼 제1 서브-챔버와 두 액체를 둘러싼 제2 서브-챔버를 포함한다. 투명 플레이트는 제1 서브-챔버와 제2 서브-챔버 사이에 위치하여 두 쌍의 액체를 분리한다.

임의의 이러한 실시예에서, 액체 렌즈는 주어진 광학 경사(예컨대, 0.484 degrees, 0.6 degrees, 등)를 위해 전체 시야의 적어도 일부분 및 예상된 파장 범위(예컨대, 0.4861 microns 내지 0.6563 microns)에 대해 회절-한계 분해능(에어리 디스크 직경(Airy disc diameter))보다 색수차가 더 작게 색수차를 감소시키도록 구성될 수 있다.

액체 렌즈는 신뢰성, 비용 등에 대한 표준 요구를 만족시키면서 그리고 광학 출력 범위의 목표 값을 충족시키도록 렌즈 시스템의 성능을 유지하면서 색수차를 감소시키기 위해 다양한 분야에 사용될 수 있다. 하나의 분야에서, 액체 렌즈는 성능을 크게 감소시키지 않고, 예컨대, 변조 전달 함수(MTF)가 현저하게 저하되지 않으며, 광학 이미지 안정성 성능을 제공하도록 카메라 모듈의 앞에 사용될 수 있다.

본 과제의 해결 수단은 하기 상세한 설명에서 더욱 자세히 설명된 간략화된 형태로 개념을 소개하기 위해 제공된다. 과제의 해결 수단과 배경지식은 개시된 주제의 주요 개념 또는 본질적인 관점을 식별하려는 것이 아니며, 본 청구 범위를 축소 또는 제한하는데 사용되려는 것은 아니다. 예를 들어, 청구 범위는 열거된 주재가 과제의 해결 수단에 명시된 일부 또는 모든 관점을 포함하거나 및/또는 배경지식에 명시된 주제의 일부를 다룬다.

바람직한 다른 실시예가 첨부된 도면들과 관련되어 개시된다.
도 1a-1b는 종래의 액체 렌즈의 색수차의 실험적으로 관찰된 예시를 나타낸다.
도 2a-2d는 상이한 광학 경사각에서 도 1a-1b의 액체 렌즈의 시뮬레이션된 색수차를 나타내는 그래프이다.
도 3a-3c는 상이한 광학 경사각에서 액체 렌즈의 하나의 실시예의 시뮬레이션된 색수차를 나타내는 그래프이다. 액체 렌즈는 상대적으로 큰 굴절률 차이와 상대적으로 작은 아베 수 차이를 가진 2개의 액체를 포함한다.
도 4는 0.6도의 광학 경사각에서 액체 렌즈의 다른 실시예의 시뮬레이션된 색수차를 나타내는 그래프이다. 액체 렌즈는 도 3a-3c의 액체 렌즈보다 더 큰 굴절률 차이와 더 작은 아베 수 차이를 가진 2개의 액체를 포함한다.
도 5는 3개의 액체와 2개의 메니스커스를 포함하고 0.6도의 광학 경사각을 가진 액체 렌즈를 포함하는 렌즈 스택(stack)의 하나의 실시예를 나타낸다.
도 6은 도 5의 액체 렌즈의 시뮬레이션된 색수차를 나타내는 그래프이다.
도 7는 그 각각이 2개의 액체와 메니스커스를 포함하는 2개의 서브-챔버를 포함하는 액체 렌즈의 하나의 실시예를 나타낸다.

액체 렌즈는 전기-습윤 원리를 사용하여 빠르고 프로그래밍 가능한 광학 요소를 생성한다. 액체 렌즈는 2개의 투명한 윈도우 사이에 기밀 밀봉된 극성 액체(polar liquid)(예컨대, 도핑된(doped) 물 성분)와 비극성 액체(non-polar liquid)(예컨대, 소량의 절연유)를 포함한다. 극성 및 비극성 액체는 대안적으로 제1 및 제2 액체로 나타낼 수 있다. 액체는 파릴렌(parylene)과 같은 금속 및 소수성 물질(hydrophobic material)과 같은 도체 물질로 코팅된 챔버 (예컨대, 중공 원뿔 구조체) 내에 위치된다.

두 액체 사이의 계면는 메니스커스를 형성한다. 금속 코팅과 전도성 극성 액체 사이에 전압 차를 인가함으로써 소수성 물질상의 비극성 액체의 습윤성을 변화시킴으로써 메니스커스의 곡률 및 이에 따른 액체 렌즈의 광학 출력을 변화시킨다. 액체 렌즈가 둘레 주위에 4개 이상의 전극을 갖는다면, 상이한 전압이 상이한 전극에 인가될 수 있고, 이에 의해 메니스커스가 경사지게 한다. 이러한 경사는 일반적으로 광학 이미지 안정화(optical image stabilization)라고하는 움직임(예컨대, 이동 전화 어플리케이션에서의 손 움직임)을 보상하는데 사용될 수 있다. 이러한 액체 렌즈의 예시는 본 문헌의 마지막에 언급된 '558 특허에 기재되어있다.

계면의 경사는 광학 이미지 안정화를 위한 빠른 응답, 저전력 해법을 생성하지만, 카메라의 입력 스펙트럼 대역의 파장을 각도로 분리하는 프리즘 효과를 유발한다. 메니스커스의 경사각은 스펙트럼 영역(예컨대, 녹색광)의 중심 파장을 보상하도록 설정된다. 프리즘 효과는 더 짧은 파장(예컨대, 청색광)이 더 많이 굴절되도록 하고 더 긴 파장(예컨대, 적색광)이 굴절되게 함으로써 색수차가 덜 생기게 한다. 이러한 색수차는 변조 전달 함수(MTF)를 저하시킴으로써 카메라 모듈의 광학 성능(분해능(resolution))에 악영향을 미칠 수 있다.

메니스커스를 물리적으로 경사지게 하여 생성된 색수차는 다양한 구조, 방법 및 기술을 사용하여 감소될 수 있다. 색수차를 감소시키는 한가지 방법은 색수차를 최소화시키는 경향을 갖는 일정한 특성을 갖는 액체를 선택하는 것이다.

이하의 실시예 3-4에 나타낸 바와 같이, 액체의 굴절률 사이의 차의 절대값(즉, 굴절률 차)이 비교적 크고, 액체의 아베 수 사이의 차의 절대값(즉, 아베 수 차)는 비교적 작은 액체를 선택함으로써 색수차가 감소될 수 있다. 일반적으로, 색수차는 굴절률 차가 증가하거나 및/또는 아베 수 차가 감소함에 따라 더 감소된다.

굴절률 차와 아베 수 차는 색수차를 감소시킬 수 있는 임의의 적절한 값일 수 있다. 일부 실시예에서, 굴절률 차는 적어도 0.13, 적어도 0.14, 또는 바람직하게는 적어도 0.15이다. 일부 실시예에서, 아베 수 차는 22 이하, 20 이하, 17 이하, 또는, 바람직하게는 15 이하이다. 상기 개시된 임의의 굴절률 차는 아베 수 차와 조합하여 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 선택된 액체는 광학 대상 평면에 관한 전체 시야의 적어도 일부와 0.484도(degrees)의 광학 경사각을 위한 0.4861 미크론 내지 0.6563 미크론의 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능(에어리 디스크)보다 작은 색수차를 생성할 수 있다. 색수차는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 대부분에 대해 또는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 75 %에 대해 회절-한계 분해능보다 작을 수 있다.

다른 실시예에서, 선택된 액체는 광학 대상 평면에 관한 전체 시야의 적어도 일부분과 0.6도의 광학 경사각을 위한 0.4861 미크론 내지 0.6563 미크론의 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능(에어리 디스크)보다 작은 색수차를 생성할 수 있다. 색수차는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 대부분에 대해, 또는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 75%, 또는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 85%에 대해, 회절 한계 분해능보다 작을 수 있다.

액체 렌즈는 또한 챔버에 둘러싸인 3개의 상이한 액체, 즉 제1 액체, 제2 액체 및 제3 액체를 포함할 수 있다. 제1 액체 및 제2 액체의 계면에 제1 또는 상부 메니스커스가 형성되고, 제2 액체 및 제3 액체의 계면에 제2 또는 더 하부 메니스커스가 형성된다. 액체 렌즈는 효과적으로 하나의 극성 액체가 2개의 비극성 액체 사이에 위치하거나 또는 하나의 비극성 액체가 2개의 극성 액체 사이에 위치하는 "액체 더블릿(liquid doublet)" 렌즈를 형성한다. 이러한 구성의 예시가 예시 5에 설명되어 있고 도 5에 도시된다.

제1 메니스커스는 제1 곡률 반경을 갖고 제2 메니스커스는 제2 곡률 반경을 갖는다. 곡률 반경은 액체 렌즈 챔버의 측벽에서 리드(leads)를 사용하는 표준 전자 습식 방법으로 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, 리드가 분할된 형태로 적절하게 제조되는 경우 곡률 반경이 독립적으로 조정될 수 있어서, 메니스커스 중 어느 하나가 오목하거나, 볼록하거나 또는 평평할 수 있다.

일부 실시예에서, 전기 습윤 리드의 적절한 설계 및 작동 및 3개의 액체 층의 상대적인 두께에 의해 비대칭 또는 비구면 "액체 더블릿"을 성취하는 것이 가능하다. 이러한 구성은 특정 적용에서 유리할 수 있다.

일부 실시예에서, 액체 더블릿은 다수의 렌즈를 포함하는 렌즈 스택 내의 적어도 하나의 고체 렌즈를 대체하는데 사용될 수 있다. 이러한 배열은 렌즈 스택의 높이를 줄이면서 상기 설명한 것과 같은 색수차를 최소화한다.

도 7은 평평하고 얇은 투명 플레이트(810)에 의해 챔버가 제1 또는 상부 서브-챔버(801) 및 제2 또는 하부 서브챔버(803)로 분리된 액체 렌즈(800)의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다. 제1 서브 챔버(801)는 제1 또는 상부 메니스커스(805)에서 만나는 제1 액체(802) 및 제2 액체 렌즈(804)를 포함한다. 액체(802, 804) 및 메니스커스(805)는 전기 습윤 리드에 의해 제어된다. 제2 서브 챔버(803)는 제2 또는 하부 메니스커스(807)에서 만나는 제3 액체(806) 및 제4 액체(808)를 포함한다. 액체(806, 808)는 전기 습윤 리드에 의해 유사하게 제어된다.

사이에 있는 투명 플레이트(810)의 존재는 2개의 액체 쌍을 효과적으로 분리시키고 각 서브-렌즈 내의 메니스커스(805, 807)가 원하는 대로 독립적으로 제어될 수 있는 렌즈 스택을 생성한다. 액체 렌즈(800) 내의 2개의 서브 챔버(801, 803)의 아이디어는 N-1 개의 플레이트에 의해 분리된, 더 많은 수의 N 개의 서브 챔버를 스택으로 포함하는 디자인으로 확장될 수 있음을 쉽게 알 수 있다.

각각의 서브 챔버(801, 803)의 액체(802, 804, 806, 808)는 색수차를 줄이기 위해 다양한 기준에 근거하여 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 액체(802, 804, 806, 808)는 2개의 액체를 포함하는 액체 렌즈와 관련하여 전술한 바와 같이 굴절률 차 및 아베 수 차에 대해 선택된다. 예를 들어, 액체(802, 804) 및 액체(806, 808)는 굴절률 차를 증가시키거나 및/또는 아베 수 차를 감소시키기 위해 각각 선택될 수 있다.

다른 실시예에서, 각각의 서브 챔버(801, 803)는 예시 5 및 하기 도 5-6과 관련하여 개시된 것과 유사한 방식으로 액체 더블릿 렌즈를 형성하는 3개의 액체를 포함할 수 있다. 이 디자인은 굴절률 차와 아베 수 차의 보다 일반적인 값을 갖는 액체를 사용하여 낮은 색수차를 달성할 수 있다.

예시

다음의 예시는 개시된 주제를 더욱 분명히 보여주기 위해 제공된다. 이들은 임의의 방식으로 청구 범위를 제한하거나 한정하기 위해 사용되지 않는다.

예시 1(종래 기술)

종래의 액체 렌즈에 의해 생성된 색수차를 평가하였다. 액체 렌즈는 1.39의 굴절률을 갖는 극성 액체 및 1.5의 굴절률을 갖는 비-극성 액체를 포함한다. 따라서, 굴절률 차는 0.11이다. 아베 수의 차이는 25이다.

도 1a는 0.1도 간격으로, - 즉, 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6로 0 내지 0.6 도의 광학 경사각에서 액체 렌즈로 이미지화된 표준 테스트 패턴을 사용하여 실험적으로 관찰된 색수차의 영향을 도시한다. 광학 경사가 증가함에 따라 선폭 증가(line broadening) 및 흐려짐(blurring)이 증가한다. 이러한 영향은 0.2도에서 두드러지고 0.4도에서는 심각하게 나타나고 0.6도에서는 매우 심각하다.

도 1b는 0도 및 0.6도의 광학 경사각에서 액체 렌즈로 이미지화된 다른 테스트 대상을 사용하여 실험적으로 관찰된 색수차의 효과를 도시한다. 0.6도의 광학 경사에서 눈에 띄는 이미지 저하가 명확하게 나타난다.

예시 2(종래 기술)

예시 1에서의 종래의 액체 렌즈의 색체 성능은 렌즈가 1.5도, 3도, 4.5도, 및 5.45도 물리적으로 경사진 4개의 상이한 시뮬레이션에 대해 시뮬레이션되었다. 액체 렌즈의 물리적인 경사는 각각, 0.165도, 0.33도, 0.495도, 및 0.6도의 상응하는 광학 경사를 야기한다. 그 결과는 도 2a-2d에 그래프로 도시된다.

그래프의 실선은 계산된 색수차, - 즉, 광학 필드 각에 대해 플롯된 0.4861㎛ 및 0.6563㎛의 파장을 가진 빛의 초점의 위치 사이의 차이다. x-축은 계산된 색수차이고 y-축은 광학 필드 각이다. 각각의 그래프는 또한 점선의 "에어리" 디스크 라인을 나타내며, 이는 렌즈의 파장 및 f-수에 의해 결정된, 회절(즉, 회절 한계 분해능)로 인한 상응하는 최소 분해할 수 있는 피쳐 크기(resolvable feature size)를 나타낸다.

도 2a는 0.165도의 광학 경사를 야기하는, 1.5도의 작은 표면 경사각에서 액체 렌즈의 계산된 색수차를 나타낸다. 색수차 라인은 색수차가 무시할 정도라는 것을 나타내는 에어리 디스크 라인의 완전히 경계 내에 있다.

도 2b는 0.33도의 광학 경사를 야기하는, 3도의 표면 경사각에서의 액체 렌즈의 계산된 색수차를 나타낸다. 색수차 라인은 이미지의 중심 근처의 에어리 디스크 라인의 정상에 있으며 이미지의 에지가 접근됨에 따라 증가하는 양에 의해 에어리 디스크 라인 밖으로 확장된다. 이는 경사진 액체 렌즈에 의해 형성된 이미지의 중심에서 무시할 수 있지만 에지 근처에서는 점점 더 보일 수 있다.

도 2c는 0.495도의 광학 경사를 야기한, 4.5도의 표면 경사각에서의 액체 렌즈의 계산된 색수차를 나타낸다. 색수차 라인은 색수차가 이미지 중심(y=O에서)에서도 뚜렷하며 최대 시야가 접근됨에 따라 악화됨을 의미하는 시야에 걸쳐 에어리 디스크 라인 바깥에 있다.

도 2d는 0.6 도의 광학 경사를 야기하는 5.45 도의 표면 경사에서 액체 렌즈의 계산된 색수차를 나타낸다. 색수차 라인은 전체 시야를 통해 더욱 나쁜 이미지 저하를 나타내는 에어리 디스크 라인의 더욱 바깥에 있다.

시뮬레이션된 결과는 예시 1의 실험적 관찰과 일치한다.

예시 3

렌즈가 물리적으로 1.5도, 3도 및 3.7도 경사진 3개의 상이한 상황에 대해 굴절률 차가 0.1613이고 아베 수가 18.5인 액체 렌즈의 색채 성능이 시뮬레이션 되었다. 액체 렌즈의 물리적인 경사는 각각 0.242도, 0.484도 및 0.6도의 상응하는 광학 경사를 야기한다. 그 결과는 도 3a-3c의 그래프에 나타낸다.

도 3a는 0.242도의 광학 경사를 야기하는 1.5도의 작은 표면 경사각에서 액체 렌즈의 계산된 색수차를 도시한다. 색수차 라인은 액체 렌즈에 대한 에어리 디스크 라인 안에 잘 있으며, 이는 무시할 정도의 색수차를 의미한다.

도 3b는 0.484도의 광학 경사를 야기한 3도의 표면 경사각에서 액체 렌즈의 계산된 색수차를 도시한다. 색수차 라인은 대부분의 필드를 통해 에어리 디스크 라인 안에 있으며 이미지의 에지 근처에서 에어리 디스크 라인을 약간 넘는다. 이는 색수차 효과가 이미지 에지 근처에서만 볼 수 있으며 그곳에서도 미미해야 한다는 것을 의미한다.

도 3c는 0.6도의 광학 경사를 야기하는 3.7도의 표면 경사각에서 액체 렌즈의 계산된 색수차를 도시한다. 색수차 라인은 이미지 필드의 대부분에서 에어리 경계선 약간 바깥쪽에 있으며 에지에 도달함에 따라 약간 나빠진다.

이 예시와 예시 2를 비교하면, 큰 굴절률 차(0.1613) 및 작은 아베 수 차(18.5)를 가진 액체 렌즈의 색채 성능이 종래의 더 작은 굴절률 차(0.11) 및 더 높은 아베 수 차(25)를 가진 종래의 액체 렌즈보다 충분히 더 크다.

예시 4

굴절률 차가 0.168이고 아베 수 차가 12.5인 액체 렌즈의 색채 성능은 0.6도의 상응하는 광학 경사를 야기한, 렌즈가 물리적으로 3.6도 경사진 상황에 대해 시뮬레이션되었다. 결과는 그림 4의 그래프에 나와 있다. 색수차 라인은 거의 모든 시야에서 에어리 디스크 라인 안에 있으며, 색 수차 효과는 이미지의 에지 근처에서만 볼 수 있다.

이것은 또한 굴절률 차이가 더 크고 및/또는 아베 수 차가 더 작은 액체가 사용되는 경우 액체 렌즈의 색채 성능이 더 향상되어야 함을 나타낸다.

예시 5

도 5에 도시된 바와 같이 3개의 액체를 포함하는 액체 렌즈(500)의 색체 성능을 시뮬레이션하였다. 액체 렌즈(500)는 제1 액체(502), 제2 액체(504) 및 제3 액체(506)를 포함하며 이들 모두 다르다. 액체 렌즈(500)는 이미지 센서(552, image sensor), IR 컷 필터(554, IR cut filter) 및 다수의 고체 렌즈(556)를 포함하는 렌즈 스택(550, lens stack)의 일부로서 시뮬레이션되었다. 액체 렌즈(500)의 커버 또는 윈도우(514)는 NBK7 Schott 유리로 시뮬레이션되었다.

액체 렌즈(500)는 제1 액체(502)와 제2 액체(504)의 계면에 제1 메니스커스(510) 및 제2 액체(504)와 제3 액체(506)의 계면에 제2 메니스커스(512)를 포함한다. 액체(502, 504, 506)는 각각 1.389, 1.5 및 1.38의 굴절률 및 58.6, 33.7 및 45.7의 아베 수를 갖는다. 제1 액체(502)와 제2 액체(504)의 굴절률 차와 아베 수 차는 각각 0.111 및 24.9로 예시 1의 종래의 액체 렌즈와 거의 동일하였다. 제2 액체(504)와 제3 액체(506) 사이의 굴절률 차와 아베 수 차는 각각 0.11 및 12이다.

제1 메니스커스(510)는 물리적으로 14.5도 경사졌으며 제2 메니스커스(512)는 18도 경사졌고, 이는 0.6도의 광학 경사를 야기했다. 도 6에 도시된 것처럼, 색수차 라인은 전체 이미지 필드에 걸쳐 에어리 디스크 라인 내에 있다. 색수차 효과는 액체 렌즈(500) 및 유사한 배열을 가진 다른 액체 렌즈에서 극적으로 감소되어야 한다. 감소된 색수차는 예시 1의 종래의 액체 렌즈에서 발견한 것과 같은 유사한 액체를 이용하여 얻어진다는 것을 또한 알아야 한다.

예시적인 실시예

하기에서 본 개시된 주제의 몇몇 예시적인 실시예에 대해 참조된다. 하기의 실시예는 개시된 주제의 다양한 특징, 특성 및 이점 중 하나 이상을 포함할 수 있는 단지 몇몇 선택된 실시예를 도시한다. 따라서, 이하의 실시예는 모든 가능한 실시예를 포괄하는 것으로 고려되어서는 안된다.

하나의 실시예에서, 낮은 색수차 액체 렌즈를 제공하는 방법은 액체 렌즈에서 사용하기 위해 제1 및 제2 굴절률 및 제1 및 제2 아베 수를 특징으로 하는 한 쌍의 제1 및 제2 액체를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 제1 및 제2 액체는 부가적으로 제1 및 제2 굴절률 사이의 차이 DeltaN 및 제1 및 제2 아베 수 사이의 차이 DeltaVd를 특징으로 한다. 상기 한 쌍의 제1 및 제2 액체를 선택하는 단계는 원하는 시야 및 예상된 파장 범위에 대한 액체 렌즈를 특징으로 하는 경계 회절 한계 값의 에어리 라인 플롯을 계산하는 단계; 광학 대상 평면에 대한 렌즈의 소정의 광학 경사에 대해, 이미지 중심으로부터의 필드 거리의 함수로서 액체 렌즈 색수차의 상응하는 플롯을 다수의 쌍의 차이 값 DeltaN 및 DeltaVd 각각에 대해 계산하는 단계, 여기서, 상기 색수차는 예상된 파장 범위를 경계 짓는 파장에 대한 초점 위치들 사이의 최대 차이임; 원하는 시야 전체에 걸쳐, 동일한 필드 거리에서 색수차의 절대값이 회절 한계 값의 절대값보다 작게 유지되는 한 쌍의 차이 값 DeltaN_o 및DeltaVd_o 을 다수의 플롯으로부터 결정하는 단계; 및 상기 액체 렌즈에서 사용하기 위한 DeltaN_o 및DeltaVd_o 을 특징으로 하는 한 쌍의 제1 및 제2 액체를 선택하는 단계;를 포함할 수 있다. 2. DeltaN_o 는 0.13이상일 수 있다.

다른 실시예에서, 렌즈 챔버에 둘러싸이는 제1, 제2, 및 제3 액체를 포함하는 낮은 색수차 액체 렌즈를 제공하는 방법으로서, 상기 제1 및 제2 액체는 극성이며 제3 액체는 비-극성거나 또는 제1 및 제3 액체는 비-극성이며 제2 액체는 극성이고; 상기 방법은 상기 렌즈 챔버가 제1, 제2, 및 제3 액체를 겹쳐진 배열로, 즉, 제1 액체가 제2 액체 위에 놓여 상부 메니스커스를 형성하고, 제2 액체가 제3 액체 위에 놓여 하부 메니스커스를 형성하는 배열로, 포함하도록 액체 렌즈를 조립하는 단계를 포함한다. 상부 메니스커스 및 하부 메니스커스는 독립적으로 제어될 수 있다.

다른 실시예에서, 낮은 색수차 액체 렌즈는 제1 및 제2 액체를 둘러싸는 챔버를 포함하고, 상기 제1 액체는 제1 굴절률 및 제1 아베 수를 특징으로 하며, 상기 제2 액체는 제2 굴절률 및 제2 아베 수를 특징으로 하고, 여기서, 액체 렌즈에 의해 야기된 색수차는 광학 대상 평면에 관한 액체 렌즈의 소정의 광학 경사를 위해 원하는 시야 및 예상된 파장 범위에 대한 액체 렌즈의 회절 한계 분해능보다 작다. 소정의 광학 경사는 3도 이상의 광학 대상 평면에 대한 액체 렌즈 및/또는 렌즈 시스템의 물리적 경사에 의해 야기될 수 있다.

다른 실시예에서, 낮은 색수차 액체 렌즈는 제1, 제2, 및 제3 액체를 둘러싸는 챔버를 포함하며, 상기 제1 액체는 제2 액체 위에 직접 놓여 상부 메니스커스를 형성하고 제2 액체는 제3 액체 위에 직접 놓여 하부 메니스커스를 형성하고, 여기서, 상기 제1 및 제3 액체는 극성이고 제2 액체는 비-극성이며, 또는 제1 및 제3 액체는 비-극성이며 제2 액체는 극성이다.

다른 실시예에서, 챔버를 포함하는 액체 렌즈는 제1 및 제2 액체를 둘러싸는 상부 서브-챔버, 제3 및 제4 액체를 둘러싸는 하부 서브-챔버, 및 상기 상부 및 하부 서브-챔버 사이에 위치한 투명 플레이트를 포함하고, 여기서, 액체 렌즈에 의해 야기된 색수차는 광학 대상 평면에 관한 액체 렌즈의 소정의 광학 경사를 위한 원하는 시야 및 예상된 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능보다 작다.

다른 실시예에서, 액체 렌즈는 투평 플레이트에 의해 분리된 다수의 서브-챔버를 포함하는 챔버를 포함하고, 여기서, 다수의 서브-챔버 중 적어도 하나는 적층된 배열로, 즉, 제1 액체가 제2 액체 위에 놓여 상부 메니스커스를 형성하고 제2 액체가 제3 액체 위에 놓여 하부 메니스커스를 형성하는 배열로, 제1, 제2, 및 제3 액체를 포함한다.

용어 및 해석 기준

"색수차"라는 용어는 소정의 파장 범위를 경계로 하는 파장을 위한 초점 위치 사이의 최대 차이를 의미한다. 그러한 차이는 이미지에서의 측방향 색체 변화 또는 컬러 분할로서 설명될 수 있다. 청구 범위 또는 명세서에 설명된 임의의 방법은 달리 설명하지 않는 한 특정 순서로 수행되기 위한 단계가 필요한 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 상기 방법은 달리 설명하지 않는 한 임의의 순서의 나열된 단계를 수행하도록 지지를 제공하는 것으로 해석되어야 한다.

"좌측", "우측", "전면", "후면" 등과 같은 공간적 또는 방향적인 용어는 도면에 도시된 바와 같이 주제와 관련된다. 그러나, 설명된 요지는 다양한 대안적인 방향을 가정할 수 있으며, 따라서, 그러한 용어는 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.

"하나의" 및 "한"과 같은 단어는 단수 또는 복수를 의미할 수 있다. 또한 문두의 "어느 하나"(또는 "또는"이 예컨대 x 또는 y 등 중 오직 하나와 같은 배타적인 명백한 의미를 나타내는 다른 유사한 단어)없이 사용되는 경우 단어 "또는"은 포괄적이라고 해석되어야 한다(예컨대, "x 또는 y"는 x 또는 y 중 하나 또는 모두를 의미함).

"및/또는"이라는 용어는 포괄적인 것으로 해석되어야 한다(예컨대, "x 및/또는 y"는 x 또는 y 중 하나 또는 모두를 의미함). "및/또는" 또는 "또는"이 3개 이상의 항목의 그룹에 대한 결합으로서 사용되는 상황에서, 상기 그룹은 하나의 항목 단독으로 포함하거나, 모든 항목을 함께 포함하거나, 또는 항목의 어떤 조합 또는 수량을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

갖다, 포함하다와 같은 용어는 ~로 이루어지다와 같은 용어와 동일한 뜻으로 해석되어야 한다. 이러한 용어의 사용은 이러한 용어가 ~로 구성되는, 또는 "본질적으로 ~로 구성되는"으로 대체되 더 좁은 대안의 실시예에 대한 지원을 개시하고 제공하는 것으로서 이해되어야 한다.

달리 나타내지 않은 한, 명세서(청구범위 외에)에 사용된 치수, 물리적인 특성 등을 표현하는 것과 같은 모든 수 또는 표현은 "대략적으로"와 같은 용어로 모든 경우에서 수정되는 것으로 이해된다. 최소한, 특허 청구 범위와 균등론의 적용을 제한하려는 시도로서가 아니라, "대략적으로"라는 용어로 수정된 명세서 또는 청구 범위에 기재된 각각의 수치 매개 변수는 중요한 자릿수를 열거하고 일반적인 반올림 기법을 적용한다.

개시된 모든 범위는 임의의 및 모든 하위 범위 또는 각 범위에 포함되는 모든 개별 값을 암시하는 청구 범위를 포함하고 그에 대한 지원을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 1에서 10의 명시된 범위는 최소값 1과 최대 값 10 사이인 임의의 모든 하위 범위 또는 개별 값; 즉, 최소값 1 이상으로 시작하는 또는 최대값 10 이하로 끝나는 모든 하위 범위(예컨대, 5.5에서 10, 2.34 내지 3.56 등) 또는 1 내지 10의 임의의 값을(예컨대, 3, 5.8, 9.9994, 등) 암시하는 청구 범위를 포함하고 지원하도록 고려되어야 한다.

모든 개시된 수치 값은 어느 방향으로도 0-100 % 가변적인 것으로 이해되어야 하며, 따라서 이러한 값 또는 그러한 값에 의해 형성될 수 있는 임의의 모든 범위 또는 하위 범위를 암시하는 청구 범위에 대한 지지를 제공한다. 예를 들어, 명시된 8의 숫자 값은 0에서 16까지(어느 방향으로도 100%) 변화하고 범위 자체를 암시하는 청구 범위(예컨대, 0에서 16), 범위 내의 하위 범위(예컨대, 2 내지 12.5) 또는 해당 범위 내의 임의의 개별 값(예컨대, 15.2)에 대한 지지를 제공하는 것으로 이해되어야 한다.

도면은 축척대로 그려진 하나 이상의 실시예 및/또는 축척대로 도시되지 않은 하나 이상의 실시예를 도시하는 것으로 해석되어야 한다. 이는 (a) 축척대로 도시된 모든 것, (b) 축척대로 그려진 것이 없거나, 또는 (c) 하나 이상의 축척대로 그려진 형상과 축척대로 그려지지 않은 하나 이상의 형상을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 도면은 도시된 피쳐 중 임의의 피쳐의 크기, 비율 및/또는 다른 치수를 단독으로 또는 서로 상대적으로 암시하도록 지원하는 역할을 할 수 있다. 또한, 이러한 모든 크기, 비율 및/또는 다른 치수는 어느 방향으로도 0-100%에서 가변적인 것으로 이해되어야 하며, 따라서 그러한 값 또는 그러한 값으로 형성될 수 있는 임의의 모든 범위 또는 하위 범위를 암시하는 청구 범위에 대한 지지를 제공한다.

청구 범위에서 열거된 용어들은 널리 사용되는 일반적인 사전 및/또는 관련 기술 사전의 관련 항목을 참조하여 결정되는 평범하고 관습적인 의미, 일반적으로 당업자에 의해 이해되는 의미로 제공되어야 하며, 이러한 소스 중 임의의 하나 또는 조합에 의해 주어진 광대한 의미가 청구 범위 용어에 주어져야 함을 이해해야 하며(예컨대, 둘 이상의 관련 사전 항목을 조합하여 항목 조합 등의 가장 넓은 의미를 제공해야 한다), 단, 다음의 예외가 있다: (a) 용어가 통상적이고 관습적인 의미보다 더 광대한 방식으로 사용된다면, 이 용어는 일반적이고 관습적인 의미와 추가적인 확장적 의미를 부여받아야 하며, 또는 (b) 용어가 다른 의미를 가지도록 명시적으로 정의된 경우 용어 뒤에 "이 문서에서 사용된 것으로서 의미한다"또는 이와 유사한 문구가 사용된다(예컨대, "이 용어는 의미한다", "이 용어는 ~로서 정의된다", "본 발명의 목적을 위해 이 용어는 의미해야 한다" 등). 특정 예시를 나타내는, "즉"의 사용, "발명"이라는 단어의 사용은 예외 (b)를 언급하거나 열거된 청구 범위 용어의 범주를 제한하는 것을 의미하지 않는다. 예외 (b)가 적용되는 상황을 제외하고, 본 문서에 포함된 내용은 청구 범위의 면책 또는 부인으로 간주되어서는 안된다.

청구 범위에 열거된 주제는 본 명세서에서 설명되거나 예시된 임의의 실시예, 특징 또는 특징들의 조합과 동일하게 확장되지 않으며 동일한 넓이로 해석되어서는 안된다. 이는 특성의 단일 실시예 또는 특성의 조합만이 본 문서에서 예시되고 설명되는 경우에도 마찬가지이다.

문헌의 원용

하기 나열된 각각의 문서의 전체 내용은 참조로 본원에 포함된다. 동일한 용어가 본 문서와 하나 이상의 포함된 문서 모두에 사용된 경우, 용어가 본 문서에서 다른 의미를 갖도록 명시적으로 정의되지 않는 한 이러한 소스 중 하나 또는 이들의 조합에 의해 부과된 광범위한 의미를 갖도록 해석되어야 한다. 다음 문서들 중 하나와 본 문서 사이에 불일치가 있는 경우 본 문서가 우선한다. 포함된 주제는 명시적으로 열거되거나 묘사된 주제의 범위를 하거나 제한하는 데 사용되어서는 안된다. - 2016년 7월 11에 제출된 "감소된 색수차를 가진 액체 렌즈" 명칭의 미국 가출원 번호 62/360,934. - 2013년 3월 19에 발행된, 2008년 12월 12일에 제출된 "액체 렌즈에 대한 이미지 안정화 회로" 명칭의 미국 특허 번호 8,400,558(출원 번호 12/746,934).

Claims

챔버;
상기 챔버에 위치한 제1 액체 및 제2 액체, 및 상기 제1 액체와 제2 액체의 계면에 형성된 메니스커스;를 포함하는 액체 렌즈로서,
상기 제1 액체는 제1 굴절률 및 제2 아베 수를 가지며, 상기 제2 액체는 제2 굴절률 및 제2 아베 수를 갖고;
상기 제1 굴절률과 제2 굴절률 사이의 차의 절대값은 적어도 0.13이고; 및
상기 제1 아베 수와 제2 아베수 사이의 차의 절대값은 22보다 크지 않은, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 굴절률과 제2 굴절률 사이의 차의 절대값은 적어도 0.14인, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 굴절률과 제2 굴절률 사이의 차의 절대값은 적어도 0.15인, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 아베 수와 제2 아베 수 사이의 차의 절대값은 20보다 크지 않은, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 아베 수와 제2 아베 수 사이의 차의 절대값은 17보다 크지 않은, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 아베 수와 제2 아베 수 사이의 차의 절대값은 15보다 크지 않은, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 액체 렌즈의 색수차는 광학 대상 평면에 관한 0.484도의 광학 경사각을 위한 전체 시야의 적어도 일부분과 0.4861미크론 내지 0.6563미크론의 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 메니스커스는 제1 메니스커스이고, 상기 액체 렌즈는 상기 챔버에 위치한 제3 액체와 제2 액체와 제3 액체의 계면에 형성된 제2 메니스커스를 포함하는, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 액체 또는 제2 액체 중 하나는 극성 액체이며 제1 액체 또는 제2 액체 중 다른 하나는 비-극성 액체인, 액체 렌즈.
청구항 1에 있어서,
상기 챔버는 제1 서브-챔버이며 상기 메니스커스는 제1 메니스커스이고, 상기 액체 렌즈는:
제2 서브-챔버;
상기 제2 서브-챔버에 위치한 제3 액체 및 제4 액체, 및 제3 액체 및 제4 액체의 계면에 형성된 메니스커스; 및
상기 제1 서브-챔버와 제2 서브-챔버 사이에 위치한 투명 플레이트;를 더욱 포함하는, 액체 렌즈.
제1 액체, 제2 액체를 둘러싸는 챔버, 및 상기 제1 액체 및 제2 액체의 계면에 형성된 메니스커스;를 포함하는 액체 렌즈로서,
상기 액체 렌즈의 색수차는 광학 대상 평면에 관해서 전체 시야의 적어도 일부와 0.484도의 광학 경사각을 위한 0.4861미크론 내지 0.63563미크론의 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 11에 있어서,
상기 색수차는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 대부분에 대해 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 11에 있어서,
상기 색수차는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 75%에 대해 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 굴절률과 제2 굴절률 사이의 차의 절대값은 적어도 0.14인, 액체 렌즈.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 액체 또는 제2 액체 중 하나는 극성 액체이고 제1 액체 또는 제2 액체 중 다른 하나는 비-극성 액체인, 액체 렌즈.
제1 액체, 제2 액체, 제3 액체를 둘러싸는 챔버, 상기 제1 액체 및 제2 액체의 계면에 형성된 제1 메니스커스, 및 제2 액체 및 제3 액체의 계면에 형성된 제2 메니스커스를 포함하는 액체 렌즈로서,
상기 액체 렌즈의 색수차는 광학 대상 평면에 관해서 전체 시야의 적어도 일부와 0.484도의 광학 경사각을 위한 0.4861미크론 내지 0.63563미크론의 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 16에 있어서,
상기 색수차는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 대부분에 대해 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 16에 있어서,
상기 색수차는 액체 렌즈의 전체 시야의 적어도 75%에 대해 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 16에 있어서,
상기 색수차는 액체 렌즈의 전체 시야에 대해 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 16에 있어서,
(a) 상기 제1 액체 및 제3 액체는 극성 액체이며 제2 액체는 비-극성 액체이거나; 또는
(b) 상기 제1 액체 및 제3 액체는 비-극성 액체이며 제2 액체는 극성 액체인, 액체 렌즈.
청구항 16에 있어서,
상기 제1 메니스커스의 경사 및 제2 메니스커스의 경사는 독립적으로 제어될 수 있는, 액체 렌즈.
제1 액체, 제2 액체 및 상기 제1 액체 및 제2 액체의 계면에 형성된 제1 메니스커스를 둘러싸는 제1 서브-챔버;
제3 액체, 제4 액체 및 상기 제3 액체 및 제4 액체의 계면에 형성된 제2 메니스커스를 둘러싸는 제2 서브-챔버; 및
상기 제1 서브-챔버 및 제2 서브-챔버 사이에 위치한 투명 플레이트;를 포함하는 액체 렌즈로서,
상기 액체 렌즈의 색수차는 광학 대상 평면에 관련된 0.6도의 광학 경사각을 위한 전체 시야의 적어도 일부분 및 0.4861미크론 내지 0.6563미크론의 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능보다 작은, 액체 렌즈.
청구항 22에 있어서,
상기 적어도 2개의 액체는 제1 액체 및 제2 액체를 포함하고, 여기서, 상기 제1 액체의 굴절률과 제2 액체의 굴절률 사이의 차의 절대값은 적어도 0.13이며, 제1 액체의 아베 수와 제2 액체의 아베 수 사이의 차의 절대값은 22보다 크지 않은, 액체 렌즈.
액체 렌즈 제조 방법으로서,
전체 시야의 적어도 대부분과 0.4861미크론 내지 0.6563미크론의 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 회절 한계 분해능를 계산하는 단계;
광학 대상 평면에 관련된 전체 시야의 적어도 대부분 및 0.484도의 광학 경사도를 위한 파장 범위에 대해 액체 렌즈의 색수차를 계산하는 단계;
상기 색수차의 값이 전체 시야의 적어도 대부분에 걸쳐 동일한 필드 거리에서 회절 한계 분해능보다 작은 적어도 2개의 액체를 선택하는 단계; 및
적어도 2개의 액체 사이에 메니스커스를 형성하기 위해 챔버에 적어도 2개의 액체를 배치하는 단계;를 포함하는, 액체 렌즈 제조 방법.