WO2021096038A1 - 색지움 위상 더블릿을 포함하는 광학 장치 및 감소된 색수차를 갖는 광학 장치를 구동하는 방법 - Google Patents

Abstract

색지움 위상 더블릿을 포함하는 광학 장치 및 감소된 색수차를 갖는 광학 장치를 구동하는 방법이 개시된다. 개시된 광학 장치는 전기활성 재료층을 구비하는 전기활성 렌즈를 포함하며, 상기 전기활성 렌즈는 상기 전기활성 재료층에 전압을 인가하여 키노폼 위상 함수와 고조파 렌즈 위상 함수로 이루어진 더블릿 위상 함수를 형성하도록 구성된다.

Description

색지움 위상 더블릿을 포함하는 광학 장치 및 감소된 색수차를 갖는 광학 장치를 구동하는 방법

본 개시는 광학계 분야에 관한 것이고, 더 상세하게는 가변 초점 거리를 갖는 색지움 광학계(achromatic optical system)에 관한 것이고, 특히, 증강 현실(augmented reality) 또는 가상 현실(virtual reality)(AR/VR) 시스템들, 조정 가능 초점 안경, 사진 및 비디오 카메라 렌즈들에서뿐만 아니라 연구 및 응용 목적들을 위한 다양한 광학 장치들에서 사용될 수 있다.

예컨대, 증강 현실 또는 가상 현실(AR/VR) 시스템들, 조정 가능 초점 안경, 사진 및 비디오 카메라 렌즈들과 같은 다양한 응용 분야들을 위한 현재 개발되는 광학계들에서, 뿐만 아니라 연구 및 응용 목적들을 위한 다양한 광학 장치들에서, 전기활성 회절 렌즈들, 특히 액정(liquid crystal)(LC) 렌즈들 또는 폴리머 젤 기반 렌즈들이 현재 사용된다. 이러한 렌즈들이 갖는 문제들 중 하나는, 렌즈 재료(액정들 또는 폴리머 젤) 굴절률의 분산뿐만 아니라 사용되고 있는 렌즈들의 회절 구조에서 유래하는 색수차(chromatic aberration)들이 있다는 것, 즉, 재료의 굴절률이 광 복사(optical radiation)의 파장에 의존한다는 것이다. 색수차는 상이한 복사 파장들에 대해 상이한 초점 거리들에 의해 야기되고 렌즈의 초점 거리에 의존하여 변화한다. 또한, 결상된 물체들의 가장자리들 주위의 블러링된 "무지개빛(iridescent)" 대역들로서 보일 수 있는 그리고 소프트웨어 수단에 의해 보정될 수 있는 "줌(zoom) 색수차"로도 알려진 측방향(횡단방향) 색수차들 및, 영상에서 광 스폿들 주위의 "무지개빛" 헤일로(halo)들로서 보일 수 있는 그리고 소프트웨어 수단에 의해 보정될 수 없는 "위치 색수차"로도 알려진 축방향 색수차들도 존재한다.

영상 품질을 개선하기 위해, 영상에서의 색수차들, 특히, 축방향 색수차들(위치 색수차)을 제거(보상, 정정)하는 것이 유리할 것이다. 전술한 종류의 조정 가능 렌즈들에서, 초점 거리는 전극들에 인가된 전압의 영향 하에 전기활성 렌즈의 위상 함수(phase function)를 변경함으로써 조절된다. 이러한 렌즈들의 굴절력(optical power)은 매우 다양한 방법들에 의해 변경될 수 있지만, 그들 방법들은 색수차들을 보상하는 작업(task)에 참여하지 않는다.

또한, 전술한 유형의 조정 가능 렌즈들을 개선하기 위한 중요한 작업이 렌즈 응답 시간을 단축시키는 것, 렌즈 두께를 줄이는 것, 및 렌즈를 조절하는데 필요한 전극들 상의 전압을 줄이는 것을 포함한다.

종래 기술에서, 응답 시간은 조정 가능 렌즈 두께를 감소시킨 것 및/또는 전극들 상의 전압을 증가시키는 것에 의해 일반적으로 단축된다.

참고문헌 US 8717681 B2(BAE Systems PLC, 2014년 5월 6일자 공고)는 형상(곡률 값)이 압전 액추에이터들을 사용하여 조절될 수 있는 변형 가능 멤브레인을 갖는, 두 개의 상이한 액체들을 포함하는 색지움 유체 광학계를 개시한다. 이 광학계에서 사용되는 두 개의 상이한 액체들은 상이한 분산 지수들을 갖는다. 이 해법의 단점들 중에서, 기계적 조정 수단을 사용할 필요성, 긴 응답 시간 및 높은 동작 전압을 언급할 수 있다.

참고문헌 US 7352514 B2(Koninklijke Philips Electronics N.V., 2008년 4월 1일 공고)는, 계면이 메니스커스를 형성하며 형상이 인가된 전압에 의존하여 변경되는 상이한 두 개의 비혼합 액체들을 포함하는 그리고 두 개의 액체들 사이의 메니스커스 형성 계면 층은 제1 액체에 의한 습윤성을 갖는 전기습윤 효과에 기초한 색지움 렌즈 시스템을 개시한다. 이 해법의 단점들 중에서, 긴 응답 시간, 사용되고 있는 액체들의 관성 효과에 의해 제한되는 개구 크기뿐만 아니라 높은 동작 전압을 언급할 수 있다.

참고문헌 CN 108845382 A(Hangzhou Dianzi University, 2018년 11월 20일)는 렌즈들의 서로에 대한 측방향 시프트에 의존하여 특정한 범위의 초점 거리들을 제공하며, 여기서 두 렌즈들의 회절 표면들이 색수차들을 감소시키는 고조파 알바레즈(Alvarez) 회절 렌즈를 사용하는 것을 개시한다. 이 해법의 단점들 중에서, 기계적 조정 및 큰 광학계 치수들을 위한 필요성을 언급할 수 있다.

참고문헌 A. Marquez 등의 2006년 2월 1일자에 공개된 액정 디스플레이 상에 기입된 색지움 회절 렌즈, doi.org/10.1364/OL.31.000392는, 액정 디스플레이(liquid crystal display)(LCD)에서 각각의 파장에 대한 위상 함수들을 다중화함으로써 색수차들을 줄이는 것을 제안한다. 이 해법의 단점들 중에서, 결과적인 영상의 불충분한 품질을 언급할 수 있다.

참고문헌 US 9164206 B2(애리조나 대학교, 2015년 10월 20일자 공개됨)에서 회절 렌즈와 굴절 렌즈를 포함하는 색지움 가변 초점 렌즈들의 시스템을 위한 해법이 공지되어 있다. 이 종래 기술 해법에서, 색수차들은 유체 렌즈와 액정 렌즈인 회절 렌즈를 결합함으로써 감소된다. 이 종래 기술 해법의 단점들 중에서, 유체 렌즈의 기계적 조정의 필요성, 긴 응답 시간, 액체의 관성 영향들에 의해 제한되는 개구, 뿐만 아니라 전극들 상의 높은 동작 전압을 언급할 수 있다. 이 종래 기술 해법은 청구된 본 개시의 가장 가까운 유사물(프로토타입)로서 간주될 수 있다.

색지움 위상 더블릿을 포함하는 광학 장치 및 감소된 색수차를 갖는 광학 장치를 제공하는 방법이 제공된다.

또한, 가변 초점을 갖는 색지움 렌즈가 제공된다.

청구된 본 개시의 다양한 양태들 및 실시예들을 개시하는 이 부분은 청구된 요지들 및 그것들의 실시예들의 간략한 개관을 제공하도록 의도된다. 청구된 본 개시들의 특징들의 조합들을 구현하는 기술적 수단 및 방법들의 상세한 특징들이 이하에서 제공된다. 본 개시의 이 요약이나 첨부 도면들과 함께 아래에서 제공되는 상세한 설명 중 어느 것도 청구된 본 개시의 범위를 정의하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 청구된 본 개시의 법적 보호의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정의된다.

종래 기술의 위에서 언급된 단점들을 고려하여, 본 개시의 목적은 사용될 때, 광학계에서 색수차들을 감소시키는 것을 포함하는 기술적 결과를 달성하는 전기활성 렌즈를 사용하는 광학계 및 방법을 제공하는 것이다. 또한, 전기활성 렌즈의 더 짧은 응답 시간과 그것의 더 작은 두께가 달성되고, 적절한 응답 시간을 위해 전기활성 렌즈에 인가될 전압은 감소된다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 하나의 양태에 따르면, 광학 장치는 전기활성 재료층을 구비하는 전기활성 렌즈를 포함하며, 상기 전기활성 렌즈는 상기 전기활성 재료층에 전압을 인가하여 키노폼 위상 함수와 고조파 렌즈 위상 함수로 이루어진 더블릿 위상 함수를 형성하도록 구성된다.

상기 조조파 렌즈 위상 함수는 상기 키노폼 위상 함수의 정수배일 수 있다.

상기 키노폼 위상 함수는 최대 위상이 2π 라디안인 위상 함수이며 상기 고조파 렌즈 위상 함수는 최대 위상이 2πN (N은 2 이상의 정수)인 위상 함수이고, 상기 더블릿 위상 함수는 상기 키노폼 위상 함수와 상기 고조파 렌즈 위상 함수의 결합에 의해 형성되며 최대 위상이 2π+2πN인 위상 함수일 수 있다.

예를 들어, N은 2 내지 내림된(rounded downward) (ktΔn/2π - 1)의 정수이며 k는 파수, t는 렌즈 두께, Δn은 광학적 이방성이다.

상기 전기활성 렌즈는 조정 가능 전기활성 렌즈이며, 상기 전기활성 렌즈는 상기 전기활성 렌즈의 상기 전기활성 재료층에 인가된 전압을 변경함으로써 초점 거리를 조정하도록 구성될 수 있다.

일 예에서, 상기 전기활성 렌즈는 액정(LC) 렌즈일 수 있다.

다른 예에서, 상기 전기활성 렌즈는 폴리머 젤 기반 렌즈일 수 있다.

상기 전기활성 재료층은 광의 전파 경로를 따라 적층된 복수의 독립적인 셀을 포함하며, 예를 들어, 각각의 셀은 2π의 위상 함수 진폭을 가질 수 있다.

상기 전기활성 렌즈는 상기 키노폼 위상 함수를 재현하는 제 1 전기활성 렌즈 및 상기 고조파 렌즈 위상 함수를 재현하는 제 2 전기활성 렌즈를 포함하며, 상기 제 1 전기활성 렌즈와 제 2 전기활성 렌즈는 광의 경로를 따라 간격 없이 배열될 수 있다.

상기 광학 장치는 정적 렌즈를 더 포함하며, 상기 전기활성 렌즈는 상기 키노폼 위상 함수와 상기 고조파 렌즈 위상 함수 중에서 어느 하나를 재현하도록 구성되고, 상기 정적 렌즈는 상기 키노폼 위상 함수와 상기 고조파 렌즈 위상 함수 중에서 다른 하나를 재현하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 광학 장치는 추가적인 굴절력 시프트를 제공하는 정적 렌즈를 더 포함할 수 있다.

다른 양태에서, 본 개시에 따른 증강 현실 시스템은 도파로; 상기 도파로의 제 1 표면의 일측 가장자리에 마주하여 배치된 디스플레이; 상기 도파로의 제 1 표면과 상기 디스플레이 사이에 배치된 제 1 색지움 위상 더블릿; 상기 도파로의 제 1 표면의 반대편인 제 2 표면의 타측 가장자리에 배치된 제 2 색지움 위상 더블릿; 및 상기 도파로를 사이에 두고 상기 제 2 색지움 위상 더블릿과 마주하여 배치된 제 3 색지움 위상 더블릿;을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 내지 제 2 색지움 위상 더블릿은 상술한 구성을 갖는 광학 장치일 수 있다.

다른 양태에서, 본 개시는, 감소된 색수차들을 갖는 전기활성 렌즈를 제공하는 방법을 위한 것인데, 그 방법은, 키노폼의 굴절력을 획득하는 단계; 고조파 렌즈의 굴절력을 획득하는 단계; 최대 위상이 2πN 라디안이며 N이 1보다 큰 정수인 고조파 렌즈 위상 함수를 획득하는 단계; 최대 위상이 2π 라디안인 키노폼 위상 함수를 획득하는 단계; 더블릿 위상 함수를 획득하기 위해 고조파 렌즈 위상 함수와 키노폼 위상 함수를 결합하는 단계; 및 상기 더블릿 위상 함수를 구현하기 위해 전기활성 렌즈의 전기활성 재료에 전압을 인가하는 단계를 포함한다.

또 다른 양태에서, 본 개시는 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 위에서 언급된 양태의 방법을 수행하게 하는 명령들을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 위한 것이다.

다른 양태들에서, 본 개시는 또한, 상기 광학 장치를 포함하는 광학계, 뿐만 아니라 하나 이상의 전기활성 렌즈들, 영상 형성 방법들 및 광학 장치들, 컴퓨터 프로그램들 및 프로그램 제품들, 컴퓨터 판독가능 매체를 위한 것일 수 있다.

개시된 실시예들에 따르면, 전기활성 렌즈들을 이용하여 색수차가 없는 가변 초점 렌즈를 제공할 수 있다. 또한, 개시된 실시예들에 따르면, 가변 초점 렌즈의 응답 시간, 두께, 및 인가 전압을 줄일 수 있다.

도 1은 키노폼 위상 함수의 그래프를 도시한다.

도 2는 고조파 렌즈 위상 함수의 그래프를 도시한다.

도 3은 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿 위상 함수의 그래프를 도시한다.

도 4는 전기활성 재료의 전압-위상 특성들의 그래프를 도시한다.

도 5는 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿을 위한 개구를 따르는 전압 분포의 그래프를 도시한다.

도 6은 실시예에 따른 조정 가능 전기활성 렌즈에서 달성되는 최소 색수차를 예시하는 굴절력(색수차)의 잔여 변조(residual modulation)의 그래프를 도시한다.

도 7은 조정 가능 전기활성 렌즈가 조정 가능 광학적 셀들의 적층으로서 구현되는 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿 위상 함수의 그래프를 도시한다.

도 8은 도 7에 도시된 색지움 위상 더블릿 위상 함수를 구현하기 위한 조정 가능 광학적 셀들의 적층 구조를 예시한다.

도 9는 광학 유리를 사용하여 정적 렌즈를 구현하기 위한 키노폼 위상 함수, 고조파 렌즈 위상 함수, 및 색지움 위상 더블릿 위상 함수의 그래프를 도시한다.

도 10은 일 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿의 구조를 개략적으로 예시한다.

도 11은 다른 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿의 구조를 개략적으로 예시한다.

도 12는 또 다른 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿를 포함하는 광학계의 구조를 개략적으로 예시한다.

도 13은 실시예에 따른 조정 가능 전기활성 렌즈의 구조를 개략적으로 예시한다.

도 14는 실시예에 따른 조정 가능 전기활성 렌즈들을 포함하는 증강 현실(AR) 시스템을 개략적으로 예시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 색지움 위상 더블릿을 포함하는 광학 장치 및 감소된 색수차를 갖는 광학 장치를 구동하는 방법에 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.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 다수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 다수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.

모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.

영상 품질을 개선하기 위해, 영상에서의 색수차들, 특히, 축방향 색수차들(위치 색수차)을 제거(보상, 정정)하는 것이 유리할 것이다.

또한, 위에서 언급된 유형의 조정 가능 렌즈들을 개선하기 위한 중요한 작업이 렌즈의 응답 시간을 단축시키고, 렌즈의 두께를 감소시키고, 렌즈를 조절하기 위해 전극들에서 필요한 전압을 감소시키는 것이다.

전기활성 렌즈의 응답 시간은 그 렌즈의 두께의 제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다. 조정 가능 전기활성 렌즈의 경우, 특히 액정 (LC) 렌즈의 경우, 응답 시간은 다음의 수학식 1에 따라 계산되며:

여기서 LC 렌즈를 특징짓는 주요 파라미터들은 액정 렌즈 두께인 t와, 인가된 전압인 V _on이다.

제거된(보상된) 색수차를 갖는 조정 가능 전기활성 렌즈의 다양한 응용분야들의 경우, 특히 렌즈가 증강 현실(AR) 시스템들에서 사용될 때, 다음의 효과를 달성하는 것이 유리할 것이다:

- 더 짧은 응답 시간(τ _Σ),

- 더 작은 렌즈 두께(t), 및

- 더 낮은 인가 전압(V _on).

전술한 목적을 달성하기 위해, 두 개의 렌즈들, 즉 키노폼 및 고조파 렌즈의 위상 함수들로 이루어진 "더블릿(doublet)"이 제안된다. 키노폼 및 고조파 렌즈의 위상 함수들은 재료 두께를 감소시키는 것을 가능하게 하는 2π(또는 2πN) 레벨의 위상 변조(phase modulation)를 갖는다는 점에서 전통적 렌즈의 위상 함수와는 상이하다.

본 개시는 두 개의 위상 함수들의 "더블릿"을, 예컨대, 조정 가능 액정(LC) 렌즈 또는 조정 가능 폴리머 젤 기반 렌즈의 형태를 가질 수 있는 하나의 조정 가능 전기활성 렌즈에 구현한다. 전술한 렌즈 유형들은 예로서만 언급되고, 다른 종류들의 재료 및 기계적 수단이 본 개시를 구현하기에 적합한 관련 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 하나의 조정 가능 전기활성 렌즈만을 사용하면 광학계 조정을 위한 기계적 수단에 대한 필요성을 제거하며, 필요한 동작 전압을 줄이고, 색수차들을 줄이는 작업을 해결하면서도 조정 가능 전기활성 렌즈의 응답 시간을 줄인다. 본 개시의 하나의 예시적인 실시예에서, 약 0.3 mm의 조정 가능 전기활성 렌즈 두께가 달성될 수 있다.

청구된 본 개시에 따라 위상 함수들의 상기 "더블릿"을 제공하는 방법이 이제 설명될 것이다. 본 개시에 따르면, 조정 가능 전기활성 렌즈는 두 개의 렌즈들, 즉 키노폼 및 고조파 렌즈를 위한 특성을 갖는 위상 함수들을 획득하고 결합함으로써 "색지움 위상 더블릿"을 제공한다. 한편, 키노폼의 굴절력과 고조파 렌즈의 굴절력 사이의 균형이 달성되며, 이는 색수차들을 제거(보상)하거나 또는 적어도 감소시키는 것을 가능하게 한다.

본 개시의 방법에 따라서, 위상 함수들이 상기 "더블릿"을 구성하는 키노폼 및 고조파 렌즈의 굴절력들이 본 개시에 따른 조정 가능 전기활성 렌즈에 의해 구현되는 위상 함수 "더블릿"에 대해 획득된다. 여기서 본 개시는 액정(LC) 렌즈 형태인 조정 가능 전기활성 렌즈의 일 예에 대해 논의될 것이지만, 본 개시는 LC 렌즈의 사용으로 제한되지 않고, 대체예로서, 조정 가능 전기활성 렌즈가, 예컨대, 폴리머 젤 기반 렌즈 형태일 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

두 개의 렌즈들로 구성되는 렌즈 시스템의 최대 굴절력은 이들 두 개의 렌즈들의 굴절력들을 합산함으로써 획득된다. 키노폼 및 고조파 렌즈를 포함하는 예시적인 광학계의 경우, 최대 굴절력은 다음의 수학식 2를 사용하여 계산될 수 있으며:

여기서 D ₀는 최대 굴절력, D _k는 키노폼의 굴절력, 그리고 D _h는 고조파 렌즈의 굴절력이다.

이때, 렌즈들의 이러한 "시스템"에 대한 색지움(achromaticity)의 조건(색수차들의 부재)은 다음과 같을 것이며:

여기서 V _k는 키노폼에 대한 아베 수(Abbe number)이고, V _h는 고조파 렌즈에 대한 아베 수이다.

위에서 제공된 두 개의 수학식들로 이루어지는 연립 방정식을 풀면, 키노폼에 대한 굴절력은 다음과 같이 계산될 수 있다:

고조파 렌즈에 대한 굴절력은 다음과 같이 계산된다:

액정(LC) 재료 E7이 조정 가능 전기활성 렌즈를 위한 재료로서 간주되는 경우, 4 디옵터(dpt)의 최대 굴절력(D ₀)이 주어지면, 키노폼 및 고조파 렌즈에 대한 굴절력들인 D _k 및 D _h는 각각 1.3 dpt 및 2.7 dpt가 될 것이다. 이들 값들은 청구된 본 개시를 설명하기 위한 전형적인 예로서만 사용되고, 본 개시의 범위를 특정 값들로 제한하기 위해 의도된 경우에 해당하지 않는다는 것에 주의해야 한다.

청구된 본 개시를 구현하기 위해 새로운 조정 가능 전기활성 렌즈가 필요한 경우에, 위의 계산된 특성들을 갖는 광학계를 구현하기에 적합한 렌즈의 두께가 도출될 것이다. 본 개시는 기존 렌즈의 두께, 전기활성 재료의 특성들 등에 의존하여 필요한 전압 값을 인가함으로써 적절히 조절될 기존 조정 가능 전기활성 렌즈를 사용하여 또한 구현될 수 있다는 것에 주의해야 한다.

조정 가능 전기활성 렌즈의 짧은 응답 시간, 즉, 굴절력의 빠른 조정은 렌즈 두께를 줄이며 그리고/또는 인가된 전압을 증가시킴으로써 달성될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 조정 가능 전기활성 렌즈를 비제한의 구체적인 예로서 취하고 증강 현실(AR) 시스템들의 분야에서 사용하면, 0.9 초의 응답 시간(τ _Σ)과 10 볼트(V)의 인가된 전압 값(V)이 렌즈 두께를 계산하기 위한 입력 파라미터들로서 사용될 수 있다. 렌즈의 전기활성 재료의 일 예로서, 다음의 특성들을 갖는 재료 Е7를 취할 수 있다:

γ ₁ = 186 MPaㆍsec - 액정들의 회전 점도

K ₃₃ = 18ㆍ10 ^-12 N - 프랭크(Frank) 탄성 계수

ε ₀ = 8.85ㆍ10 ^-12 F/m - 절대 유전율(electric constant)

Δε = 13.8 - 액정들의 유전율 이방성

문턱 전압(V _th)은 다음의 식에 따라 계산된다:

위에서 제공된 특성들에 기초하여, 문턱 전압은 1.2 V이다.

조정 가능 액정 렌즈의 필수 두께를 계산할 목적으로, 다음과 같이 응답 시간은 이완 시간(relaxation time)과 액정들 재정렬 시간으로 이루어지며:

여기서 τ _on은 액정들 재정렬 시간이고, τ _off는 이완 시간이다.

액정들 재정렬 시간은 다음의 식에 따라 계산된다:

이완 시간은 다음과 같이 계산된다:

따라서, 응답 시간은 다음이 된다:

렌즈 두께(t)는 다음의 식에 따라 계산된다:

제한되지 않는 예로서 사용되는 위에서 언급된 파라미터들의 경우, 렌즈 두께(t)는 31 μm이다.

키노폼 위상 함수 및 고조파 렌즈 위상 함수는 각각 위에서 계산된 바와 같은 키노폼 및 고조파 렌즈의 굴절력 값들에 대해 획득된다. 키노폼 위상 함수는 도 1에 도시되고, 고조파 렌즈 위상 함수는 도 2에 도시된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고조파 렌즈 위상 함수는 키노폼 위상 함수의 정수배인 형태를 가질 수 있다.

고조파 렌즈 위상 함수는 렌즈의 굴절력의 빠른 조정, 즉, 조정 가능 전기활성 렌즈의 짧은 응답 시간을 제공하는 것을 조건으로 계산된 또는 알려진 렌즈 두께로부터 시작하여 획득된다. 고조파 렌즈 위상 함수의 최대 위상은 2πN 라디안이며, 여기서 N은 2 이상의 정수(N=2, 3, ...)이다.

고조파 렌즈 위상 함수는 다음의 식에 따라 계산된다:

위에서 계산된 바와 같은 31 μm의 두께(t)를 2π+2πN의 최대 위상을 갖는 더블릿 위상 함수에 적용하고, 위에서 계산된 바와 같은 2.7 dpt의 Dh 값을 고려함으로써, 다음의 수학식 13이 획득될 수 있으며:

여기서 Δn은 제한되지 않는 예로서 0.21로서 취해질 수 있는 액정들의 광학적 이방성(굴절률 이방성)이고, λ는 제한되지 않는 예로서 0.588 μm로서 취해질 수 있는 기본 파장이다.

전술한 바에 기초하여, 고조파 렌즈 위상 함수에 대한 N의 값은 다음의 수학식 14에 따라 계산될 수 있다:

다르게 표현하면, 고조파 렌즈 위상 함수에 대한 N은 (ktΔn/2π - 1)의 내림된(rounded downward) 정수이다. 여기서, k는 파수(2π/λ)이다. 위에서 언급된 파라미터들을 고려하면, N은 10과 동일할 것이며, 즉, 2πN = 20π일 것이다(도 2 참조). 위에서 언급된 파라미터들은 제한되지 않는 예로서만 언급되고 특정 값들에 의해 청구된 본 개시의 범위를 제한하려고 의도되지 않는다는 것에 주의해야 한다. 파라미터들은 선택된 전기활성 재료의 유형 및 특성들, 조정 가능 전기활성 렌즈의 두께, 조정 가능 전기활성 렌즈의 필요한 최대 굴절력 등에 따라 변화할 수 있다.

키노폼 위상 함수(최대 위상 2π 라디안)는 렌즈의 굴절력의 신속한 조정을 제공하기 위해 또한 의도된다.

키노폼 위상 함수는 다음의 수학식 15에 따라 계산된다:

그리고 획득된 키노폼 위상 함수와 고조파 렌즈 위상 함수는 결합되어, "더블릿" 위상 함수가 된다. 위상 함수들을 결합하면, 고조파 렌즈 및 키노폼에 대한 위상 값들의 합(이는 고려되는 비제한적 예에서 2π+20π=22π 라디안과 동일함)과 동일한 위상 값을 가지는, 고조파 렌즈 및 키노폼의 굴절력들의 합(이는 고려되는 비제한적 예에서 1.3 dpt+2.7 dpt=4 dpt와 동일함)과 동일한 최대 굴절력을 갖는 "더블릿" 위상 함수가 제공된다. 고조파 렌즈 위상 함수와 키노폼 위상 함수를 결합하면, 키노폼의 회절 분산으로, 고조파 렌즈에 대한 특성인 재료 분산을 제거하는 것이 허용되며, 그 결과로서 고조파 렌즈의 색수차와 키노폼의 색수차는 최소(잔여) 색수차로 실질적으로 합산된다. 고조파 렌즈 위상 함수와 키노폼 위상 함수의 프로파일들은 서로 반대가 되는 분산 곡선(굴절력과 파장 사이의 의존성) 기울기들을 가지며, 고조파 렌즈 위상 함수와 키노폼 위상 함수를 결합하면, 잔여 굴절력 조정(파장에 따른 굴절력에서의 변화)이 일어난다(도 6의 그래프 참조). 위에서 언급된 잔여 굴절력 조정은 색수차들, 특히 축방향 수차들 ("위치 색수차")를 야기한다. 본 개시에 따라 위상 함수들을 결합하면 매우 작은 잔여 굴절력 조정이 일어나고, 따라서, 종래 기술 해법들과 비교하여 매우 낮은 색수차들이 일어난다.

한편, 다음의 수학식 16을 고려하며:

여기서 ΔD는 잔여 굴절력 조정(색수차)이며, D0는 최대 굴절력이며, N 값이 클수록 주어진 광학계에서 결과적인 색수차들은 낮아진다. 그러나, 한편으로는, N에서의 증가는 조정 가능 전기활성 렌즈의 두께에서의 증가를 유발하며 이는 결국, 응답 시간에 악 영향을 미친다.

위에서 논의된 파라미터들을 갖는 조정 가능 렌즈에 대한 최소 색수차들은 다음과 같이 제거될 수 있다.

고조파 렌즈 위상 함수(2πN)에 대해 N은 수학식 14와 같이 주어질 수 있다.

예를 들어, N이 10과 동일하고 D0가 4 dpt이면, 위에서 논의된 파라미터들을 갖는 조정 가능 전기활성 렌즈에 대한 최소 색수차들("위치 색수차")은 0.36 dpt가 된다. 최소 색수차들의 값은 렌즈의 최대 굴절력, 렌즈의 두께 및 응답 시간 사이의 균형에 의해 실질적으로 규정된다.

획득된 "더블릿" 위상 함수는 필요한 파라미터들(특히, 두께, 위상 프로파일)이 위에서 설명된 바와 같이 계산되는 새로운 조정 가능 전기활성 렌즈에서, 또는 필요한 전압 값들을 인가함으로써 기존 조정 가능 전기활성 렌즈에서 구현된다. 전압을 인가하기 위해, 렌즈의 전기활성 재료에 작용하는 (예컨대, 액정(LC) 전기활성 렌즈의 경우에 액정들을 제어하는) 전극들에 인가될 전압을 계산하는 것이 필요하다. 이를 위해, 조정 가능 전기활성 렌즈의 전극들을 위한 전압 맵이 형성된다. 전압 맵은 조정 가능 전기활성 렌즈의 전기활성 재료의 전압-위상 특성들을 기초로 계산된다. 전압과 위상 사이의 의존성들과 "더블릿" 위상 함수에서의 상기 의존성들의 사용은 도 3 내지 도 5에서 예시된다. 도 5는 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿을 위한 개구를 따르는 전압 분포의 그래프를 도시한다. 예를 들어, 전기활성 재료의 전압-위상 특성이 도 4의 그래프와 같은 경우, 도 3에 도시된 더블릿 위상 함수를 얻기 위한 전압 맵은 도 5와 같을 수 있다.

기존 렌즈의 경우, 전압-위상 특성들은 종래 기술로부터 공지된 다양한 방식들로 측정될 수 있다(예컨대, Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. - John Wiley & Sons, 2011, 또는 Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. - Elsevier, 2011 참조). 그러면, 전압 함수 프로파일은 측정된 전압-위상 특성들(도 5 참조)에 기초하여 "더블릿" 위상 함수에 대해 결정되고, 그 다음에 획득된 전압 함수 프로파일은 획득된 전압 함수 프로파일에 대응하는 "전압 맵"에 따라서 전기활성 렌즈를 제어하는 전극에 전압을 인가함으로써 조정 가능 전기활성 렌즈에 적용된다.

본 개시의 가능한 실시예들 중 하나로서, 색수차들이 보상되는 광학계에서, 더블릿 위상 함수의 매우 큰 진폭(22π)이, 비제한적 예로서 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 2π의 위상 함수 진폭을 각각이 갖는 11 개의 독립적인 액정(LC) 셀(LC1, LC2, ..., LC10, LC11)들로 나누어지는 LC 셀들의 적층 형태로 조정 가능 전기활성 렌즈를 구현함으로써 응답 시간은 더욱 단축될(동작 속력이 증가될) 수 있다. 예를 들어, 도 7은 조정 가능 전기활성 렌즈가 조정 가능 광학적 셀들의 적층으로서 구현되는 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿의 위상 함수의 그래프를 도시하며, 도 8은 도 7에 도시된 색지움 위상 더블릿의 위상 함수를 구현하기 위한 조정 가능 LC 셀(LC1, LC2, ..., LC10, LC11)들의 적층 구조를 예시한다. 복수의 LC 셀(LC1, LC2, ..., LC10, LC11)들은 광의 전파 경로를 따라 적층될 수 있다.

이러한 경우 위상 함수 진폭은 11 배 감소될 것이며, 이는 광학계의 응답 시간을 하나의 렌즈 두께의 제곱에 비례하여 단축시킬 것이고, 따라서 응답 시간은 121 배 감소될 것이다. 한편, 적층물의 총 두께는, 비제한적 예로서 위에서 제공된 파라미터들에 기초하여, 약 3.3 mm가 될 것이며, 이는 청구된 본 개시의 대부분의 응용분야들에, 특히 증강 현실(AR) 시스템 응용분야들에 일반적으로 적합하다. 여기서, LC 셀(LC1, LC2, ..., LC10, LC11)들의 개수는 단지 예시적인 것이며, 다른 개수의 LC 셀들을 적층하는 것도 가능하다. 또한, 도 8에는 예시적으로 LC 셀(LC1, LC2, ..., LC10, LC11)들이 도시되었으나, LC 셀 대신에 복수의 폴리머 젤들의 셀들이 적층될 수도 있다.

본 개시의 법적 보호 범위 내에서, 색지움 위상 "더블릿"은 액정 전기활성 재료 또는 폴리머 젤에 기초한 전기활성 렌즈로서 구현되지 않고, 광학 유리 형태인 정적 렌즈에서도 구현될 수도 있다. 이러한 경우 정적 렌즈는 키노폼 및 고조파 렌즈의 "더블릿" 프로파일을 물리적으로 재현하는 프로파일로 만들어질 수 있다. 이 경우 렌즈 두께는 다음의 수학식 17에 따라 계산될 수 있다:

비제한적 예로서, 이러한 렌즈의 두께는, 위에서 제공된 예시적인 파라미터들(4 dpt의 최대 굴절력, N=11)에 기초하여, 약 3.3 mm가 될 것이며, 이는 이 렌즈를 본 개시가 관련되는 기술분야에서 다양한 광학계들에서의 적용에 또한 적합하게 하는 한편, 색수차들, 특히, "위치 색수차"를 제거하는 기술적 효과가 이러한 렌즈에 대해 또한 달성될 것이다. 예를 들어, 도 9는 광학 유리를 사용하여 정적 렌즈를 구현하기 위한 키노폼 위상 함수, 고조파 렌즈 위상 함수, 및 색지움 위상 더블릿 위상 함수의 그래프를 도시한다.

다른 실시예에서, 색지움 위상 더블릿은 하나가 키노폼 위상 함수를 재현하고 다른 하나가 고조파 렌즈 위상 함수를 재현하는 두 개의 조정 가능 전기활성 렌즈들에 의해 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 렌즈들은 광 복사 전파의 경로에서 차례차례, 특히 렌즈들 사이에 공기 갭(air gap) 없이 배열된다.

예를 들어, 도 10은 일 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿의 구조를 개략적으로 예시한다. 도 10을 참조하면, 색지움 위상 더블릿(1)은 제 1 조정 가능 전기활성 렌즈(2) 및 제 2 조정 가능 전기활성 렌즈(3)를 포함한다. 제 1 조정 가능 전기활성 렌즈(2)와 제 2 조정 가능 전기활성 렌즈(3)는 광 복사 전파의 경로를 따라 간격 없이 배열될 수 있다. 제 1 조정 가능 전기활성 렌즈(2)와 제 2 조정 가능 전기활성 렌즈(3) 중에서 하나는 키노폼 위상 함수를 재현하고, 다른 하나는 고조파 렌즈 위상 함수를 재현할 수 있다. 이러한 색지움 위상 더블릿(1)은 가변 초점을 갖는 색지움 렌즈일 수 있다.

다른 실시예에서, 색지움 위상 더블릿은 조정 가능 전기활성 렌즈와 정적 렌즈의 조합에 의해 형성될 수 있다. 이러한 경우 상기 조정 가능 전기활성 렌즈와 정적 렌즈는 광 복사 전파 경로에서 차례차례 배열되어, 조정 가능 전기활성 렌즈 및 정적 렌즈 중 하나가 키노폼 위상 프로파일을 구현할 수 있고, 다른 하나가 고조파 렌즈 위상 프로파일을 구현할 수 있다. 이러한 실시예는, 비제한적 예로서, 망원경 또는 쌍안경의 렌즈와 같은 논의되고 있는 광학계의 일부 응용분야들에 유리할 수 있다. 그러나, 이 실시예에서 최소 색수차들은 하나의 굴절력 값(단지 하나의 초점 거리)에 대해서만 달성될 수 있는 반면, 광학계를 다른 굴절력 값들로 조정하면 색수차들의 증가로 이어진다.

예를 들어, 도 11은 다른 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿의 구조를 개략적으로 예시한다. 도 11을 참조하면, 색지움 위상 더블릿(4)은 조정 가능 전기활성 렌즈(5) 및 정적 렌즈(6)를 포함한다. 조정 가능 전기활성 렌즈(5)와 정적 렌즈(6)는 광 복사 전파의 경로를 따라 간격 없이 배열될 수 있다. 조정 가능 전기활성 렌즈(5)와 정적 렌즈(6) 중에서 하나는 키노폼 위상 함수를 재현하고, 다른 하나는 고조파 렌즈 위상 함수를 재현할 수 있다. 정적 렌즈(6)는, 예를 들어, 유리로 만들어질 수 있다.

또 다른 실시예에서, 광학계는 조정 가능 전기활성 렌즈 및 굴절력의 추가적인 조정을 제공하는 정적 렌즈의 결합을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 조정 가능 전기활성 렌즈는, 비제한적 예로서, -4 dpt 내지 +4 dpt의 굴절력의 범위를 갖는 본 개시에 따른 더블릿 위상 함수를 구현하고, 예컨대, 유리로 만들어질 수 있는 정적 렌즈의 위상 함수는, 비제한적 예로서, 0 내지 +8 dpt의 결과적인 굴절력 범위를 제공할 수 있다.

예를 들어, 도 12는 또 다른 실시예에 따른 색지움 위상 더블릿을 포함하는 광학계의 구조를 개략적으로 예시한다. 도 12를 참조하면, 광학계(7)는 색지움 위상 더블릿(8) 및 정적 렌즈(9)를 포함할 수 있다. 색지움 위상 더블릿(8)은 더블릿 위상 함수를 갖는 조정 가능 전기활성 렌즈에 의해 구현될 수 있다. 색지움 위상 더블릿(8)은, 예를 들어, -4 dpt 내지 +4 dpt의 굴절력의 범위를 가질 수 있다. 정적 렌즈(9)는, 예를 들어, +4 dpt의 추가적인 굴절력 시프트를 제공할 수 있다. 그러면, 광학계(7)는 0 내지 +8 dpt의 결과적인 굴절력 범위를 제공할 수 있다. 또는, 정적 렌즈(9)는 음(-)의 추가적인 굴절력 시프트를 제공할 수 있다. 예를 들어, 정적 렌즈(9)는, 예를 들어, -4 dpt의 추가적인 굴절력 시프트를 제공할 수 있다. 이 경우, 광학계(7)는 -8 dpt 내지 0 dpt의 결과적인 굴절력 범위를 제공할 수 있다.

도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 조정 가능 전기활성 렌즈의 구조를 개략적으로 예시한다. 조정 가능 전기활성 렌즈(10)는, 비제한적인 예로서, 조정 가능 액정(LC) 렌즈 또는 조정 가능 폴리머 젤 기반 렌즈이다. 도 13을 참조하면, 조정 가능 전기활성 렌즈(10)는 상부 기판(11)과 하부 기판(19)을 포함한다. 본 개시에 따르면, 조정 가능 전기활성 렌즈(10)의 상부 기판(11) 및 하부 기판(19)의 재료는, 비제한적인 예로서, 유리, 플라스틱, 석영과 같이 가시 파장 범위에서 투명한 재료들로부터 선택된다. 본 개시에 따르면 상부 기판(11)과 하부 기판(19)의 두께는 3 μm 내지 20 μm의 범위 내에 있다. 본 개시의 주어진 구현예에서 특정 기판 재료들에 기초한 기판 두께의 선택 원리들은 이 기술 분야에서 널리 공지되어 있다.

또한, 조정 가능 전기활성 렌즈(10)는 상부 기판(11)의 하부 표면에 배치된 상부 전극(12)과 하부 기판(19)의 상부 표면에 배치된 하부 전극(13)을 포함한다. 상부 전극(12)은 접지 전극이고, 하부 전극(13)은, 위에서 설명된 바와 같이 "전압 맵"에 따라 전압이 인가될 때, 전기활성 렌즈 및 색지움 위상 더블릿의 조정을 구현하도록 패터닝된 전극이다. 상부 전극(12) 및 하부 전극(13)은 임의의 적합한 투명 도전성 재료로, 특히 인듐-주석 산화물(indium-tin oxide)(ITO), 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐-아연 산화물(indium-zinc oxide)(IZO), 산화 아연 등으로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예로서, 상부 전극(12) 및 하부 전극(13)은 약 30 nm 내지 약 200 nm의 두께를 갖고, 결국, 선택적으로 여러 개별 층들로 이루어질 수 있다. 하부 전극(13)은 임의의 적합한 형상, 특히 동심 링들, 스트립들 등의 형상의 전극 패턴을 가질 수 있다.

조정 가능 전기활성 렌즈(10)는 상부 전극(12)과 하부 전극(13) 사이에 배치된 전기활성 재료층(14)을 포함할 수 있다. 조정 가능 전기활성 렌즈(10)가 액정(LC) 렌즈인 경우, 전기활성 재료층(14)은 액정층일 수 있다. 다른 실시예들에서, 예컨대, 조정 가능 전기활성 렌즈(10)가 폴리머 젤 기반 렌즈인 경우에, 전기활성 재료층(14)은 폴리머 젤일 수 있다.

또한, 조정 가능 전기활성 렌즈(10)는 전기활성 재료층(14)의 두께를 정의하는 스페이서(15), 조정 가능 전기활성 렌즈(10)와 전압 공급부를 접속시키는 공급(제어) 전극(17), 및 절연층(18)을 더 포함할 수 있다. 전기활성 재료층(14)이 액정층인 경우, 조정 가능 전기활성 렌즈(10)는 액정층 내의 액정들을 정렬할 수 있게 하는 정렬층(16)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 스페이서(15)는 마일러(mylar), 유리 또는 석영으로 만들어질 수 있다. 정렬층(16)은, 예를 들어, 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)(PVA), 폴리이미드(polyimide)(PI), 나일론 6,6 등으로 만들어질 수 있다. 공급(제어) 전극(17)은, 예를 들어, 알루미늄, 인듐-주석 산화물, 니켈 및 다른 재료들로 만들어질 수 있다. 절연층(18)은, 예컨대, 이산화 규소로 만들어질 수 있다.

도 8의 화살표들은 셀에서 액정들을 배향/정렬할 목적으로 수행되는 연마의 방향들을 나타낸다. 참조 부호 k는 파수 벡터(wave vector)를 나타내고, 참조 부호 E는 입사 광 복사의 편광 상태를 나타낸다.

조정 가능 전기활성 렌즈(10)는 전극 패턴의 선택된 형상에 의존하여 직사각형, 원형 또는 임의의 다른 적합한 개구 형상을 가질 수 있다. 렌즈 개구부 형상은 원형 및 직사각형 형상으로 제한되지 않고 또한, 특히, 직사각형, 다각형 또는 곡선형 형상일 수 있고, 즉, 본 개시에 따르면, 조정 가능 전기활성 렌즈(10)의 개구는 광학계에 대한 실제 요구사항들, 전극들의 크기 제한, 요구된 형상 및 크기 등에 의해 결정되는 임의의 형상을 가질 수 있다는 것에 주의해야 한다.

전극(12, 13)들에 인가되는 전압은, 조정 가능 액정(LC) 렌즈를 갖는 실시예에서 액정들의 배향 또는 폴리머 젤에 기반한 전기활성 렌즈의 실시예에서 폴리머 젤 결정들의 배향을 변경시키며, 이에 따라 굴절률 값이 변화한다. 본 개시에 따르면, 전극(12, 13)들이 조정 가능 전기활성 렌즈(10)의 실질적으로 전체 표면 위에서 전극 패턴 형태로 배열되고 특정한 전압이 각각의 전극(12, 13)에 인가되기 때문에, 필요한 굴절력을 갖는 조정 가능 렌즈(이는, 본 개시에 따르면 위에서 설명된 바와 같은 "색지움 위상 더블릿"임)의 요구된 위상 프로파일에 대응하는 전압 프로파일("전압 맵")이 그에 따라 생성된다. 전압 프로파일은 전압-위상 의존도(도 4 참조)를 사용하여 위상 프로파일로 변환되는데, 이 전압-위상 의존도는 임의의 광학적 활성 재료의 특성이다(더 상세한 내용을 위해, 예컨대. Chen R. H. Liquid crystal displays: fundamental physics and technology. - John Wiley & Sons, 2011, 또는 Den Boer W. Active matrix liquid crystal displays: fundamentals and applications. - Elsevier, 2011을 참조).

조정 가능 전기활성 렌즈(10)의 전극(12, 13)들은 논의되고 있는 광학계의 특정 사용에 적합한 임의의 형상의 패턴들을 포함할 수 있다. 특히, 전극(12, 13)들은 동심원, 병렬 스트립들, 다각형 어레이 형상, 또는 영상 이산물들(discretes)의 원하는 형상에 의존한 임의의 불규칙 형상을 가질 수 있다. 전극들(12, 13)의 형상의 선택은 예컨대, 주어진 실시예에 대해 생성되어야 하는 조정 가능 전기활성 렌즈(10)의 유형에 의해 규정된다.

조정 가능 전기활성 렌즈(10)는 편광 의존적인 또는 편광 독립적인 배열로 만들어질 수 있다. 그래서, 예컨대, 투과율이 입사 광의 편광에 의존하지 않는 조정 가능 전기활성 렌즈(10)를 생성하기 위해, (편광의 x 및 y 방향들 둘 다를 갖는 광을 포커싱하기 위한) 병렬 스트립들의 형상의 전극(12, 13)들을 선택할 것이다. 또한, x 및 y 모두의 편광을 갖는 광을 포커싱하기 위해, 동심 링 전극들을 또한 선택할 수 있다. 또한, 전극(12, 13)들 구성의 선택은 광학계의 두께를 줄이는 것(이때 링 전극들이 선택됨) 또는 전극(12, 13)들 제조의 단순화(이때 스트립 전극들이 선택됨)의 필요성에 의해 규정될 수 있다. 편광 및 무편광 광을 포커싱하기 위한 다양한 수단 및 방법들은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 일 예로서, 광을 포커싱하기 위한 방식이 참고문헌 Sun Y. N. et al. Development of liquid crystal adaptive lens with circular electrodes for imaging application //Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VII. - International Society for Optics and Photonics, 2003. - Т. 4987. - С.209-220에서 개시되어 있다.

조정 가능 전기활성 렌즈는 적어도 하나의 조정 가능 광학적 셀을 포함할(또는 그러한 셀로 실질적으로 구성될) 수 있다. 조정 가능 광학적 셀들은 다양한 구성들을 가질 수 있고 서로에 대해 특정한 방식들로 배열될 수 있다. 또한, 하나를 초과하는 조정 가능 광학적 셀이 있다면, 상기 조정 가능 광학적 셀들은 도파로에 의해 접속될 수 있다. 비제한적 실시예들 중 하나에서, 도파로는 조정 가능 전기활성 렌즈들과 가상 영상들의 소스를 접속시키고, 다른 실시예에서 도파로는 가상 영상들의 소스에 직접적으로 커플링되는 조정 가능 전기활성 렌즈와, 실세계 측에 배열되는 조정 가능 전기활성 렌즈 사이에 배열된다. 이러한 광학계 배열은 충분한 선명도를 가지고서 색수차들 없이 가상 영상들의 관람과 실세계의 관찰을 가능하게 할 필요가 있는 증강 현실(AR) 시스템들에 특히 적용 가능하다.

위에서 설명된 바와 같은 색지움 위상 "더블릿"을 구현할 수 있는 적어도 하나의 조정 가능 전기활성 렌즈를 포함하는 본 개시의 광학 장치는, 색수차들, 특히 "위치 색수차"를 제거 또는 감소(보상)하는 것뿐만 아니라 조정 가능 전기활성 렌즈의 두께를 감소시키고 그 렌즈의 응답 시간을 단축시키는 것이 바람직한 상이한 광학 장치들 및 시스템들에서 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 광학 장치는, 예컨대, 스마트폰, 태블릿 또는 다른 휴대용 컴퓨터의 카메라, 조정 가능 전기활성 렌즈가 캡처링 시스템의 센서 상에서 감소된 색수차들을 갖는 영상들을 생성하는데 사용되는 사진 카메라와 같은 사진 또는 비디오 캡처링 시스템들에서 사용될 수 있다.

본 개시의 광학 장치를 위한 다른 가능한 응용 분야는, 조정 가능 전기활성 렌즈가 사용자의 한쪽 또는 양쪽 눈의 굴절 이상(refractive error)을 보상하면서 사용자가 실세계를 보기 위한 안경의 구조에서 사용될 수 있는 사용자의 시력 교정을 위한 다초점 안경에 관련되고, 이러한 경우 구현된 전기활성 렌즈의 굴절력 값은 사용자의 눈들의 굴절 이상 값에 의해 정정된다.

본 개시의 광학 장치의 하나 이상의 가능한 응용 분야들은, 디스플레이로부터의 영상(본 개시가 VR 시스템에 구현되는 경우임)이 조정 가능 전기활성 렌즈를 통해 색수차들을 제거 또는 감소시키면서 사용자의 눈들에 전달되는, 또는 사용자가 AR 시스템에서 증강 현실 영상들이 오버레이된 실세계를 보는 증강 또는 가상 현실(AR/VR) 시스템들이다. 그때, 본 개시에 따른 AR 시스템의 경우, 광학 장치는 사용자의 눈들의 굴절 이상의 정정과 함께 또는 그러한 정정 없이 또한 사용될 수 있다.

도 14는 실시예에 따른 조정 가능 전기활성 렌즈들을 포함하는 증강 현실(AR) 시스템을 개략적으로 예시한다. 도 14를 참조하면, AR 시스템(100)은 도파로(110), 도파로(110)의 제 1 표면(111)의 일측 가장자리에 마주하여 배치된 디스플레이(120), 및 복수의 색지움 위상 더블릿(131, 132, 133)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 색지움 위상 더블릿(131)은 도파로(110)의 제 1 표면(111)과 디스플레이(120) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 색지움 위상 더블릿(131)은, 예를 들어, 도파로(110)의 제 1 표면(111) 위에 접촉하여 배치될 수 있다. 또한, 제 2 색지움 위상 더블릿(132)은 도파로(110)의 제 1 표면(111)의 반대편인 제 2 표면(112)의 타측 가장자리에 배치될 수 있으며, 제 3 색지움 위상 더블릿(133)은 도파로(110)의 제 1 표면(111)의 타측 가장자리에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 색지움 위상 더블릿(132)은 도파로(110)의 제 2 표면(112)에 접촉하여 배치되고 제 3 색지움 위상 더블릿(133)은 도파로(110)의 제 1 표면(111)에 접촉하여 배치될 수 있다. 제 2 색지움 위상 더블릿(132)과 제 3 색지움 위상 더블릿(133)은 도파로(110)를 사이에 두고 서로 마주하여 배치될 수 있다.

이러한 구조에서, 디스플레이(120)에서 표시되는 가상 영상은 제 1 색지움 위상 더블릿(131), 도파로(110), 및 제 3 색지움 위상 더블릿(133)을 통해 사용자의 눈에 전달될 수 있다. 또한, 실세계의 풍경은 제 2 색지움 위상 더블릿(132), 도파로(110), 및 제 3 색지움 위상 더블릿(133)을 투과하여 사용자의 눈에 전달될 수 있다.

AR 시스템(100)은 상이한 2개의 모드들에서 동작할 수 있다. 제 1 모드에서, 제 1 색지움 위상 더블릿(131)은 노안, 근시 등에 의해 야기되는 사용자의 눈들의 굴절 이상의 값에 의해 정정되는 굴절력으로 가상 영상를 변환하는데 사용될 수 있다. 제 2 색지움 위상 더블릿(132), 필요하다면 또한 제 3 색지움 위상 더블릿(133)은 AR 시스템(100)을 통해 실세계를 관찰할 때 사용자의 눈들의 굴절 이상을 보상하는데 사용될 수 있다.

제 2 모드에서, AR 시스템(100)은 사용자의 눈들의 굴절 이상을 정정하지 않고 동작하며(정정 시력을 갖는 사용자의 경우임), 반면에 제 2 색지움 위상 더블릿(132)은 제 3 색지움 위상 더블릿(133)에 의해 유도된 굴절력을 보상하는 역할을 하며, 이는, 결국, 디스플레이(120)로부터의 가상 영상을 도파로를 통해 사용자의 눈으로 이동시키는 역할을 한다.

본 기술분야의 통상의 기술자들은 위의 설명 및 도면들이 본 개시의 실시예들이 구현될 수 있는 기법들과 재료 및 기술적 수단의 가능한 예들의 일부만을 보여준다는 것을 이해할 수 있다. 위에서 제공된 실시예들의 상세한 설명은 본 개시의 법적 보호 범위를 제한 또는 정의하려고 의도된 것이 아니다.

본 개시의 범위에 의해 포함될 수 있는 다른 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 위에서 제공되는 상세한 설명의 주의 깊은 읽음 후에 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 발생할 수 있고, 모든 이러한 명백한 수정들, 변경들 및/또는 동등한 대체물들은 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 여겨진다. 본 명세서에서 인용되고 논의된 모든 종래 기술 참고문헌들은 적용 가능한 경우 참조에 의해 본 개시에 포함된다.

본 개시가 상이한 실시예들을 참조하여 설명되고 예시되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 개시의 범위로부터 벗어남 없이 그것의 형태 및 특정 세부사항들에 대해 상이한 변경들이 이루어질 수 있으며, 그러한 변경들은 이하에서 제공되는 청구항들 및 그것들의 동등물들에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다.

Claims (15)

1. 전기활성 재료층을 구비하는 전기활성 렌즈를 포함하며,

   상기 전기활성 렌즈는 상기 전기활성 재료층에 전압을 인가하여 키노폼 위상 함수와 고조파 렌즈 위상 함수로 이루어진 더블릿 위상 함수를 형성하도록 구성되는, 광학 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고조파 렌즈 위상 함수는 상기 키노폼 위상 함수의 정수배인, 광학 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 키노폼 위상 함수는 최대 위상이 2π 라디안인 위상 함수이며 상기 고조파 렌즈 위상 함수는 최대 위상이 2πN (N은 2 이상의 정수)인 위상 함수이고, 상기 더블릿 위상 함수는 상기 키노폼 위상 함수와 상기 고조파 렌즈 위상 함수의 결합에 의해 형성되며 최대 위상이 2π+2πN인 위상 함수인, 광학 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   N은 2 내지 내림된(rounded downward) (ktΔn/2π - 1)의 정수이며 k는 파수, t는 렌즈 두께, Δn은 광학적 이방성인, 광학 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기활성 렌즈는 조정 가능 전기활성 렌즈이며, 상기 전기활성 렌즈는 상기 전기활성 렌즈의 상기 전기활성 재료층에 인가된 전압을 변경함으로써 초점 거리를 조정하도록 구성되는, 광학 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전기활성 렌즈는 액정(LC) 렌즈인, 광학 장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 전기활성 렌즈는 폴리머 젤 기반 렌즈인, 광학 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기활성 재료층은 광의 전파 경로를 따라 적층된 복수의 독립적인 셀을 포함하며, 각각의 셀은 2π의 위상 함수 진폭을 갖는, 광학 장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기활성 렌즈는 상기 키노폼 위상 함수를 재현하는 제 1 전기활성 렌즈 및 상기 고조파 렌즈 위상 함수를 재현하는 제 2 전기활성 렌즈를 포함하며, 상기 제 1 전기활성 렌즈와 제 2 전기활성 렌즈는 광의 경로를 따라 간격 없이 배열되는, 광학 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    정적 렌즈를 더 포함하며,

    상기 전기활성 렌즈는 상기 키노폼 위상 함수와 상기 고조파 렌즈 위상 함수 중에서 어느 하나를 재현하도록 구성되고, 상기 정적 렌즈는 상기 키노폼 위상 함수와 상기 고조파 렌즈 위상 함수 중에서 다른 하나를 재현하도록 구성되는, 광학 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    추가적인 굴절력 시프트를 제공하는 정적 렌즈를 더 포함하는, 광학 장치.
12. 도파로;

    상기 도파로의 제 1 표면의 일측 가장자리에 마주하여 배치된 디스플레이;

    상기 도파로의 제 1 표면과 상기 디스플레이 사이에 배치된 제 1 색지움 위상 더블릿;

    상기 도파로의 제 1 표면의 반대편인 제 2 표면의 타측 가장자리에 배치된 제 2 색지움 위상 더블릿; 및

    상기 도파로를 사이에 두고 상기 제 2 색지움 위상 더블릿과 마주하여 배치된 제 3 색지움 위상 더블릿;을 포함하며,

    상기 제 1 내지 제 2 색지움 위상 더블릿은 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치인, 증강 현실 시스템.
13. 전기활성 재료층을 구비하는 전기활성 렌즈를 포함하는 광학 장치를 구동하는 방법에 있어서, 상기 방법은:

    키노폼의 굴절력을 획득하는 단계;

    고조파 렌즈의 굴절력을 획득하는 단계;

    최대 위상이 2π 라디안인 키노폼 위상 함수를 획득하는 단계;

    최대 위상이 2πN 라디안이며 N은 1보다 큰 정수인 고조파 렌즈 위상 함수를 획득하는 단계;

    더블릿 위상 함수를 획득하기 위해 상기 고조파 렌즈 위상 함수와 상기 키노폼 위상 함수를 결합하는 단계; 및

    상기 더블릿 위상 함수를 구현하기 위해 상기 전기활성 렌즈의 전기활성 재료층에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 감소된 색수차들을 갖는 광학 장치의 구동 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    N은 2 내지 내림된 (ktΔn/2π - 1)의 정수이며 k는 파수, t는 렌즈 두께, Δn은 광학적 이방성인, 포함하는, 감소된 색수차들을 갖는 광학 장치의 구동 방법.
15. 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 제 13 항 또는 제 14 항의 방법을 수행하게 하는 명령들을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체.

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