KR101458563B1

KR101458563B1 - 가변 초점 렌즈

Info

Publication number: KR101458563B1
Application number: KR1020080003600A
Authority: KR
Inventors: 이승완; 이정엽; 김운배; 최승태
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2014-11-07
Also published as: US20090180198A1; US7986466B2; KR20090077576A

Abstract

본 발명은 중력의 영향을 받지 않는 가변 초점 렌즈에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈는, 적어도 한 개의 제1작동구멍이 형성된 제1투광성 기판, 제1투광성 기판의 상면에 설치되며 제1액체실을 형성하는 렌즈 프레임, 렌즈 프레임의 상면에 설치되며 제2액체실을 형성하는 제2투광성 기판, 렌즈 프레임에 형성된 렌즈구멍을 막도록 렌즈 프레임에 설치되는 광투과성막, 적어도 한 개의 제1작동구멍을 막도록 제1투광성 기판의 하면에 설치되는 제1액추에이터, 제1 및 제2액체실에 각각 채워지며 비중의 차이가 0.05 이하인 제1 및 제2액체, 및 제1액추에이터를 동작시키는 제어부를 포함한다.

액체렌즈, 자동초점기능, 광투과성막, 비중, 굴절률

Description

가변 초점 렌즈{Varifocal Lens}

본 발명은 광학 렌즈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액체 광학 렌즈를 형성하는 액체에 가해지는 압력을 변화시켜 탄성 투과막의 곡률을 변화시킴으로써 렌즈의 초점 거리를 가변할 수 있는 가변 초점 렌즈에 관한 것이다.

일반적으로 광학 렌즈라 함은 굴절률 차이가 있는 적어도 두 개의 굴절면을 가진 투명체를 말한다. 이러한 광학 렌즈는 각종 카메라, 망원경, 현미경 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

일 예로서, 휴대폰이나 PDA 등과 같은 개인 휴대 단말기에 사용되는 카메라 모듈에 광학 렌즈가 적용되고 있다. 최근 들어 이와 같은 개인 휴대 단말기는 단순한 음성 송수신 기능 외에 카메라, 게임, 음악 재생, 방송, 인터넷 등의 다양한 멀티 미디어 기능을 포함하는 다목적 전자기기로 발전하고 있다. 따라서, 개인 휴대 단말기는 작은 공간에 더 많은 기능을 집적할 필요성이 있다.

또한, 카메라 모듈은 더 나은 영상을 얻을 수 있도록 하기 위해, 자동 초점 기능(auto focusing), 자동 줌 기능(auto zooming), 자동 근거리 접근촬영기능(auto macro), 손떨림 방지기능 등을 포함하도록 제작되고 있다. 그러나, 개인 휴대 단말기에 장착되는 카메라 모듈의 경우 상기와 같은 각종 고급 기능을 갖도록 제작하기에는 렌즈(lens)의 크기와 기계적인 렌즈 구동장치의 크기로 인해 카메라 모듈의 크기를 작게 하는데 한계가 있다.

즉, 상기한 고급 기능을 구현하기 위해서는 기본 렌즈 외에 근접렌즈, 표준렌즈, 망원렌즈 또는 줌렌즈 등을 종류별로 구비하여 목적에 따라 렌즈를 교환하여야하고, 자동초점 기능 구현을 위해서는 렌즈의 광학적 특성(초점 거리)을 조절할 수 있어야 하며, 이러한 조절을 할 수 있는 별도의 모터 및 드라이버를 구비해야 하기 때문에, 불가피하게 카메라 모듈 전체의 크기가 커지게 되는 문제가 있다.

이를 해결하기 위해 종래에는, 전기습윤(electrowetting) 현상을 이용한 액체 렌즈(liquid lens or fluid lens)가 개발된 바 있다.

이러한 액체 렌즈는 전압에 따른 표면장력의 변화를 이용하여 렌즈의 곡률을 변화시킴으로써 자동초점 기능 및 줌 기능을 얻는다. 액체 렌즈에서 렌즈의 곡률 변화는 전기습윤 현상을 이용한다. 이와 같이 전기습윤 현상을 이용한 액체 렌즈는 기계적인 렌즈 이동이 필요 없기 때문에, 카메라 모듈의 크기를 작게 할 수 있다.

또한, 이와는 달리 렌즈실에 채워진 광학 액체에 가해지는 압력을 변화시켜 렌즈실에 형성된 투광성 탄성막의 곡률을 변화시킴으로써 자동초점 기능 및 줌 기능이 가능하도록 한 종류의 액체 렌즈도 존재한다. 이러한 형태의 액체 렌즈도 기계적인 렌즈의 이동이 필요 없으므로 카메라 모듈의 크기를 작게 할 수 있다.

그러나, 이와 같이 액체에 압력을 인가하는 방식의 가변 초점 렌즈는 중력의 영향을 받기 때문에 렌즈의 크기를 일정 한계 이상으로 크게 할 수 없다는 문제점이 있 다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 중력의 영향을 최소로 할 수 있는 가변 초점 렌즈와 관련된다.

또한, 본 발명은 근거리 접근촬영시 주변부의 광학적 해상도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 가변 초점 렌즈와 관련된다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈는 광이 투과하며 서로 마주하는 제1 및 제2측벽을 가지며, 속이 빈 케이스; 상기 케이스의 내부 공간을 적어도 2개의 액체실로 구획하며, 광이 투과하는 적어도 한 개의 광투과성막; 상기 적어도 2개의 액체실에 담긴 적어도 2개의 액체; 상기 제1측벽에 형성된 적어도 한 개의 제1작동구멍; 상기 적어도 한 개의 제1작동구멍을 막도록 설치되며, 상기 제1측벽에 접촉하는 액체에 압력을 가할 수 있는 제1액추에이터; 및 상기 제1액추에이터를 제어하여 상기 케이스의 제1 및 제2측벽, 적어도 2개의 액체, 적어도 1개의 광투과성막으로 이루어진 광학 렌즈의 초점거리를 변화시키는 제어부를 포함한다.

이때, 상기 적어도 2개의 액체는 비중이 동일하거나, 그 비중의 차이가 0.05 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 적어도 2개의 액체는 굴절률 차이가 0.1 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 적어도 1개의 광투과성막은 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1액추에이터는 아크릴레이트(arcrylate), 실리콘(silicone) 등과 같은 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer)를 포함하는 재질로 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1액추에이터는 PVDF-TrFE(Copolymers of vinylidene fluoride and trifluoroethylene) 등과 같은 일렉트로스트릭티브 폴리머(electrostrictive polymer)를 포함하는 재질로 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1액추에이터는 이온 도체 폴리머(ion conductive polymer)로 형성할 수 있다.

그리고, 상기 적어도 2개의 액체는 굴절률의 차이가 있으면서 비중 차이가 적은 서로 다른 액체를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 적어도 2개의 액체는 서로 섞이지 않는 것을 사용하는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈는 상기 제2측벽에는 적어도 한 개의 제2작동구멍이 형성되며, 상기 적어도 한 개의 제2작동구멍을 막도록 설치되는 제2액추에이터를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 및 제2액추에이터는 상기 광학 렌즈의 광축과 평행한 방향으로 동작하도록 설치하는 것이 좋다.

또한, 상기 케이스는 유리 또는 폴리머 몰딩(polymer molding)으로 제작할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈는 적어도 한 개의 제1작동구멍이 형성된 제1투광성 기판; 상기 제1투광성 기판의 상면에 설치되며, 제1액체실을 형성하는 렌즈 프레임; 상기 렌즈 프레임의 상면에 설치되며, 제2액체실을 형성하는 제2투광성 기판; 상기 렌즈 프레임에 형성된 렌즈구멍을 막도록 상기 렌즈 프레임에 설치되는 광투과성막; 상기 적어도 한 개의 제1작동구멍을 막도록 상기 제1투광성 기판의 하면에 설치되는 제1액추에이터; 상기 제1 및 제2액체실에 각각 채워지며, 비중의 차이가 0.05 이하인 제1 및 제2액체; 및 상기 제1액추에이터를 동작시키는 제어부;를 포함한다.

또한, 상기 제1 및 제2액체는 굴절률의 차이가 0.1 보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2투광성 기판은 적어도 한 개의 제2작동구멍을 포함하며, 상기 적어도 한 개의 제2작동구멍에는 제2액추에이터가 설치될 수 있다.

상기 제1 및 제2투광성 기판은 유리로 형성하고, 상기 렌즈 프레임은 실리콘으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2투광성 기판과 상기 렌즈 프레임은 웨이퍼 레벨로 제작할 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2투광성 기판의 일면은 비구면으로 형성하고, 상기 제2액체와 접촉하는 상기 제2투광성 기판의 표면은 광학 곡면으로 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈는 제1액체가 담긴 제1액체실; 상기 제1액체의 비중과의 차이가 0.05 이하인 비중과, 상기 제1액체의 굴절률과의 차이가 0.1 이상인 굴절률을 갖는 제2액체가 담긴 제2액체실; 상기 제1 및 제2액체실 사이에 설치되며, 상기 제1 및 제2액체실을 구획하는 광투과성막; 상기 제1액체실에 설치되며, 상기 제1액체를 가압하는 제1액추에이터; 및 상기 제1액추에이터를 동작시키는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제1액추에이터를 제어하여 상기 제1액체실, 제1액체, 광투과성막, 제2액체, 제2액체실로 이루어진 광학 렌즈의 초점거리를 변화시키도록 형성된다.

본 발명의 다른 측면에서, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈는 적어도 한 개의 제1작동구멍이 형성된 제1투광성 기판; 상기 제1투광성 기판의 상면에 설치되며, 제1액체실을 형성하는 제1렌즈 프레임; 상기 제1렌즈 프레임의 상면에 설치되며, 제2액체실을 형성하는 제2렌즈 프레임; 상기 제2렌즈 프레임의 상면에 설치되며, 제3액체실을 형성하는 제2투광성 기판; 상기 제1 및 제2렌즈 프레임에 형성된 제1 및 제2렌즈구멍을 막도록 상기 제1 및 제2렌즈 프레임에 각각 설치되는 제1 및 제2광투과성막; 상기 제1, 제2 및 제3액체실에 각각 채워진 제1, 제2 및 제3액체; 상기 적어도 한 개의 제1작동구멍을 막아 상기 제1액체를 가압할 수 있도록 상기 제1투광성 기판의 하면에 설치되는 제1액추에이터; 및 상기 제1액추에이터를 제어하여 상기 제1 및 제2투광성 기판, 제1, 제2, 및 제3액체, 제1 및 제2광투과성막으로 이루어진 광학 렌즈의 초점 거리를 변화시키는 제어부를 포함하도록 형성된다.

이때, 상기 제1, 제2, 및 제3액체는 비중이 동일하거나, 그 비중의 차이가 0.05 이하인 것이 바람직하다.

또한, 제2액체의 굴절률은 상기 제1 및 제3액체의 굴절률보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1렌즈구멍의 지름이 상기 제2렌즈구멍의 지름보다 큰 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈의 실시예들에 대하여 설명한다.

다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 가변 초점 렌즈(1)의 제1액추에이터(20)가 동작하였을 경우를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)는 제1투광성 기판(10), 렌즈 프레임(30), 제2투광성 기판(50), 및 제어부(70)를 포함한다.

제1투광성 기판(10)은 적어도 한 개의 제1작동구멍(11)이 형성되며, 광이 투과할 수 있는 유리(glass), 즉 광학적으로 투명한 유리로 형성될 수 있다. 제1작동구멍(11)은 광학 렌즈(3)의 일부를 이루는 제1투광성 기판(10)의 중앙부를 제외한 외곽부에 형성된다. 본 실시예의 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 제1투광성 기판(10)에 4개의 제1작동구멍(11)을 형성하였다.

4개의 제1작동구멍(11)에는 제1투광성 기판(10)과 렌즈 프레임(30) 사이에 형성되는 제1액체실(31)에 채워져 있는 제1액체(33)를 가압하는 제1액추에이터(20)가 설치된다. 제1액추에이터(20)는 제1작동구멍(11)을 막아 제1액체(33)를 가압할 수 있도록 형성된다. 이때, 제1액추에이터(20)는 광학 렌즈(3)의 광축(C)에 대해 평행한 방향으로 동작하도록 설치하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이 제1액추에이터(20)는 4개의 제1작동구멍(11)을 모두 덮을 수 있는 크기를 갖는 하나의 사각판으로 형성된다. 제1액추에이터(20)의 중앙에는 광이 통과할 수 있도록 제1관통구멍(22)이 형성된다. 다른 실시예로, 도시하지는 않았지만, 제1액추에이터(20)는 4개의 제1작동구멍(11) 각각에 대응되는 4개의 작은 판 형상으로 형성할 수도 있다.

제1액추에이터(20)는 폴리머 액추에이터(polymer actuator)로 형성하는 것이 바람직하다. 폴리머 액추에이터는 전압이 인가되지 않을 경우에는 팽팽한 상태를 유지하고, 소정의 전압이 인가되면, 한쪽 방향으로 늘어나는 성질을 갖는다. 폴리머 액추에이터가 늘어나면 늘어난 만큼 곡률을 형성하며, 제1작동구멍(11)을 통해 제1액체실(31)에 있는 제1액체(33)를 가압하게 된다. 제1액추에이터(20)를 형성하는 폴리머 액추에이터는 상기와 같은 성질을 갖는 다양한 폴리머로 형성할 수 있다. 예를 들면, 제1액추에이터(20)는 아크릴레이트(arcrylate), 실리콘(silicone) 등과 같은 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer)를 포함하는 재질로 형성할 수 있다. 또는, 제1액추에이터(20)는 이소불화비닐(PVDF, polyvinylidene fluorine) 등과 같은 일렉트로스트릭티브 폴리머(electrostrictive polymer)를 포함하는 재질이나, 이온 전도성 폴리머(ion conductive polymer)로 형성할 수도 있다.

또한, 제1액추에이터(20)와 제1투광성 기판(10) 사이에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1액체실(31)의 제1액체(33)가 제1액추에이터(20)를 통해 새는 것을 방지하기 위해 침투방지막(21)을 설치할 수 있다. 침투방지막(21)은 제1액체(33)가 제1액추에이터(31)로 침투하는 것을 방지할 수 있으며, 제1액추에이터(20)의 변형에 따라 동일하게 변형될 수 있는 성질을 갖는 재질로 형성하는 것이 바람직하다.

렌즈 프레임(30)은 제1투광성 기판(10)의 상면에 설치되며, 그 하면에는 제1액체실(31)을 형성하는 홈이 형성되어 있다. 또한, 렌즈 프레임(30)의 중앙에는 제1액체실(31)과 연통되는 렌즈구멍(32)이 형성되어 있다. 이러한 렌즈 프레임(30)은 실리콘(silicone) 또는 유리(glass)로 만들 수 있다. 렌즈 프레임(30)의 상면에는 렌즈구멍(32)을 막도록 광투과성막(40)이 설치된다. 따라서, 도 1 및 도 2와 같이 렌즈 프레임(30)을 제1투광성 기판(10)의 상면에 설치하면, 제1투광성 기판(10)의 상면과 렌즈 프레임(30)의 홈에 의해 제1액체실(31)이 형성된다. 제1작동구멍(11)과 렌즈구멍(32)에도 제1액체(33)가 채워져 있어 제1액체실(31)의 일부를 구성한다. 광투과성막(40)은 렌즈 프레임(30)에 형성된 렌즈구멍(32)을 통해 제1액체실(31)의 제1액체(33)에 인가되는 압력에 따라 변형하게 된다.

광투과성막(40)은 광학적으로 투명하며, 탄성 변형할 수 있는 막으로 형성된다. 따라서, 제1액체실(31)의 압력이 변화하면 그에 따라 광투과성막(40)이 탄성적으로 상측으로 볼록하게 변형됨으로써 가변 초점 렌즈(1)의 초점 거리를 변화시킨다. 제1액추에이터(20)에 전압이 인가되면, 광투광성막(40)은 도 2에 도시된 바와 같이 상측으로 볼록하게 변형된다. 이와 같은 광투과성막(40)은 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)으로 형성하는 것이 바람직하다.

제2투광성 기판(50)은 렌즈 프레임(30)의 상면에 설치되며, 그 하면에는 제2액체실(52)을 형성하는 홈이 형성된다. 제2투광성 기판(50)은 광이 투과할 수 있는 유리, 즉 광학적으로 투명한 유리로 형성될 수 있다. 또한, 제2투광성 기판(50)에는 제2액체실(52)과 연통되는 적어도 한 개의 제2작동구멍(51)이 형성된다. 제2작동구멍(51)은 광학 렌즈(3)의 일부를 이루는 제2투광성 기판(50)의 중앙부를 제외한 외곽부에 형성한다. 본 실시예의 경우에는 제1투광성 기판(10)과 동일하게 제2투광성 기판(50)에 4개의 제2작동구멍(51)을 형성하였다. 4개의 제2작동구멍(51)에는 제2투광성 기판(50)과 렌즈 프레임(30) 사이에 형성되는 제2액체실(52)에 채워져 있는 제2액체(53)를 가압하는 제2액추에이터(60)가 설치된다. 제2액추에이터(60)는 제2작동구멍(51)을 막아 제2액체(53)를 가압할 수 있도록 형성된다. 본 실시예의 경우에, 제1액추에이터(20)와 동일하게 제2액추에이터(60)는 4개의 제2작동구멍(51)을 모두 덮을 수 있는 크기의 하나의 사각판으로 형성된다. 제2액추에이터(60)의 중앙에는 광이 통과할 수 있도록 제2관통구멍이 형성된다. 제2액추에이터(60)는 상술한 제1액추에이터(20)와 동일한 재질로 만들며, 동일한 성질 및 기능을 가지므로 상세한 설명은 생략한다. 또한, 제2액추에이터(60)와 제2투광성 기판(50) 사이에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제2액체실(52)의 제2액체(53)가 제2액추에이터(60)를 통해 새는 것을 방지하기 위해 제1액추에이터(20)와 제1투광성 기판(10) 사이에 설치된 침투방지막(21)과 동일한 침투방지막(61)을 설치할 수 있다.

이와 같은 제2액추에이터(60)는 제1액추에이터(20)의 동작방향과 반대방향으로 동작하도록 설치되므로, 제1액추에이터(20)가 원상태로 빠르게 복귀할 수 있도록 한다. 다른 실시예로서, 제2투광성 기판(50)의 상면에 제2액추에이터(60)를 설치하지 않을 수 있다. 제2투광성 기판(50)의 상면에 제2액추에이터(60)를 설치하지 않으면, 제1액추에이터(20)는 자신의 복원력 및 광투과성막(40)의 복원력에 의해서만 원상태로 복귀하게 된다. 따라서, 제2액추에이터(60)를 갖는 경우보다 제1액추에이터(20)의 복원속도가 느리게 된다.

제1 및 제2액체실(31,52)에는 각각 제1 및 제2액체(33,53)가 채워진다. 제1 및 제2액체(33,53)는 서로 비중(specific gravity)의 차이가 거의 없고 굴절률(refractive index)의 차이는 큰 것이 좋다. 즉, 제1 및 제2액체(33,53)로는 비중이 동일하거나, 비중의 차이가 0.05 이하인 액체를 사용하는 것이 좋다. 또한, 제1 및 제2액체(33,53)로는 굴절률의 차이가 0.1보다 큰 액체를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 제1 및 제2액체(33,53)는 서로 다른 종류의 액체를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 제1 및 제2액체(33,53)는 광투과성막(40)을 통한 침투현상을 방지할 수 있도록 서로 섞이지 않는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제1액체(33)로 물(water)을 사용하고 제2액체(53)로 실리콘 오일(silicone oil)을 사용할 수 있다. 또는, 제1액체(33)로 실리콘 오일을 사용하고 제2액체(53)로 물을 사용할 수도 있다. 이 경우, 대략 4℃에서 순수한 물은 비중이 대략 1이고, 굴절률은 대략 1.33~1.34이므로, 실리콘 오일로는 비중이 대략 0.97 이상이 고, 굴절률이 대략 1.4 이상인 것을 사용할 수 있다.

이와 같이 제1 및 제2액체(33,53)로 비중의 차이가 작고 굴절률의 크기가 큰 2 종류의 액체를 사용하면 광투과성막(40)을 지면에 수직한 상태로 하였을 경우에 제1액체(33)의 자중에 의해 광투과성막(40)의 중심축(C)이 이동하는 현상을 작게 할 수 있다. 종래 기술에 의한 액체 렌즈와 같이 한 개의 액체를 광투과성막으로 지지하는 구조의 액체 렌즈는 광투과성막이 밀도가 낮은 공기와 직접 접촉하기 때문에 중력의 영향을 받게 된다. 액체 렌즈가 중력의 영향을 받으면 광투과성막의 중심축이 아래로 이동하여 비대칭을 이루게 되므로, 액체 렌즈가 광학 렌즈로서의 기능을 할 수 없다. 이러한 중력의 영향으로 렌즈의 곡면의 변형 오차 정도는 렌즈 지름의 5제곱에 비례하여 커지게 되며, 광투과성막의 지름이 대략 1mm 이하인 경우에는 이러한 중력의 영향이 액체 렌즈에 큰 영향을 주지 않는다. 따라서, 종래 기술에 의한 액체 렌즈는 지름이 1mm 이하의 광학 렌즈를 사용하는 광학장치에만 적용할 수 있다. 그런데, 액체 렌즈의 액체실에 담긴 액체의 자중에 의해 광투과성막이 변형되는 형상 변형 오차는 대략 액체실에 담긴 액체의 밀도에 비례하고, 광투과성막의 영률에 반비례하며, 광투과성막의 지름의 5제곱에 비례하며, 광투과성막의 두께의 3제곱에 반비례한다. 따라서, 비중이 같은 액체를 사용하여 광투과성막을 지지하면 광투과성막의 형상오차를 거의 0으로 할 수 있다. 또한, 광투과성막의 양측에 있는 액체의 비중 차이를 0.001로 하면, 광투과성막의 지름의 대략 4배 정도를 증가시킬 수 있다.

제어부(70)는 제1 및 제2액추에이터(20,60)에 전압을 인가하여 피사체까지의 거리에 따라 가변 초점 렌즈(1)의 초점 거리를 변화시킨다. 이와 같은 제어부(70)는 피사체까지의 거리에 따라 가변 초점 렌즈(1)의 초점 거리를 결정하는 초점거리 결정부와, 초점거리 결정부에 의해 결정된 초점 거리에 대응하는 소정의 전원을 공급하는 전원부를 포함한다. 제어부(70)의 초점거리 결정부가 피사체까지의 거리에 따라 가변 초점 렌즈(1)의 초점 거리를 결정하는 것은 종래 기술을 이용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

이상에서는 가변 초점 렌즈(1)가 제1투광성 기판(10), 렌즈 프레임(30), 제2투광성 기판(50)이 차례로 적층된 구조로 형성한 경우에 대해 설명하였으나, 다른 실시예로서, 가변 초점 렌즈(1)는 하나의 몸체로 형성될 수도 있다. 이 경우에는 제1 및 제2투광성 기판(10,50), 및 렌즈 프레임(30)이 하나의 케이스를 형성하고, 제1 및 제2투광성 기판(10,50)이 각각 케이스의 제1 및 제2측벽을 형성한다. 따라서, 광투과성막(40)이 케이스의 내부공간을 2개로 구획하여 제1 및 제2액체실을 형성하게 된다. 케이스는 유리로 제작하거나, 폴리머 몰딩(polymer molding)으로 제작할 수 있다. 이외의 다른 구성요소의 구조는 상술한 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)와 동일하다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)는 도 4에 도시된 바와 같이 종래 기술에 의한 카메라 모듈(5)의 앞에 설치하여 사용할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)가 자동초점 기능 및 줌 기능을 수행한다.

이하, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)의 동작 및 작용에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.

촬영을 하기 위해 가변 초점 렌즈(1)의 광투과성막(40)이 지면에 수직하도록 세운 경우에, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈(1)는 비중이 거의 동일한 2개의 액체(33,53)에 의해 광투과성막(40)이 지지되고 있으므로, 광투과성막(40)의 중심축(C)이 이동하지 않는다. 본 실시예에서는 가변 초점 렌즈(1)의 제1 및 제2투광성 기판(10,50), 제1 및 제2액체(33,53), 및 광투과성막(40)이 하나의 광학 렌즈(3)를 형성한다. 이 상태에서 제어부(70)가 피사체까지의 거리에 따라 제1 및 제2액추에이터(20,60)에 인가되는 전압을 조절하여 가변 초점 렌즈(1)의 광학 렌즈(3)의 초점 거리를 피사체까지의 거리에 맞게 조절한다. 즉, 제어부(70)가 제1액추에이터(20)에 전압을 인가하면, 제1액추에이터(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1작동구멍(11)의 안쪽으로 볼록하게 변형한다. 제1액추에이터(20)가 제1작동구멍(11) 안쪽으로 변형되면, 제1액체실(31)에 있는 제1액체(33)가 눌리게 되고, 따라서, 렌즈 프레임(30)의 렌즈구멍(32) 위에 있는 광투과성막(40)이 상측으로 볼록하게 변형하게 된다. 이와 같이 제1액추에이터(20)에 인가되는 전압을 제어하면, 광투과성막(40)의 곡률을 변형할 수 있게 되므로 광학 렌즈(3)의 초점 거리를 피사체까지의 거리에 따라 적절하게 조절할 수 있다.

반대로, 광투과성막(40)을 원상태로 복귀시킬 경우에, 제어부(70)는 제2액추에이터(60)에 소정의 전압을 인가한다. 제2액추에이터(60)에 전압이 인가되면, 제2액추에이터(60)가 제2작동구멍(51) 쪽으로 변형하게 된다. 제2액추에이터(60)가 제2작동구멍(51) 쪽으로 변형되면, 제2액체실(52)에 있는 제2액체(53)가 눌리게 되 고, 따라서, 제2액체(53)에 의해 광투과성막(40)이 하측으로 이동하여 원상태로 복귀하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)에 의하면, 광투과성막(40)의 지름이 큰 경우에도 중력에 의한 영향을 받지 않고 자동으로 초점을 맞출 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈(1)는 자동초점 및 줌 기능이 필요한 카메라 모듈에 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)는 두께가 매우 얇기 때문에 개인 휴대 단말기에 사용되는 카메라 모듈에 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈(1)는 작동방향이 서로 반대가 되도록 설치된 제1 및 제2액추에이터(20,60)를 사용하므로 초점 조절을 빠르게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 가변 초점 렌즈(1)는 제1 및 제2투광성 기판(10,50)에 제1 및 제2액추에이터(20,60)를 설치하는 것과, 렌즈 프레임(30)에 광투과성막(40)을 설치하는 것을 반도체 공정을 이용하여 웨이퍼 레벨 단위로 제작할 수 있으므로, 제조원가를 낮출 수 있다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)에 대해 설명한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(100)는 제1투광성 기판(110), 제1렌즈 프레임(130), 제2렌즈 프레임(150), 제2투광성 기판(170), 및 제어부(190)를 포함한다.

제1 및 제2투광성 기판(110,170)은 상술한 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)의 제1 및 제2투광성 기판(10,50)과 동일한 구조로 형성된다. 또한, 제1렌즈 프레임(130)은 상술한 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)의 렌즈 프레임(30)과 유사한 구조로 형성된다. 따라서, 제1투광성 기판(110)의 하면에는 제1작동구멍(111)을 막는 제1액추에이터(120)가 설치되며, 제2투광성 기판(170)의 상면에는 제2작동구멍(171)을 막는 제2액추에이터(180)가 설치된다.

제2렌즈 프레임(150)은 제1렌즈 프레임(130)의 상측에 설치되며, 제2액체실(151)을 형성하는 홈과 제2렌즈구멍(152)을 구비한다. 제2렌즈구멍(152)의 지름(D2)은 제1렌즈 프레임(130)에 형성된 제1렌즈구멍(132)의 지름(D1)보다 적다. 또한, 제2렌즈 프레임(150)의 상면에는 제2렌즈구멍(152)을 막도록 제2광투과성막(160)이 설치된다. 제1 및 제2렌즈 프레임(130,150)에 설치된 제1 및 제2광투과성막(140,160)의 기능 및 재질은 상술한 실시예에 의한 가변 초점 렌즈(1)의 광투과성막(40)과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

제1투광성 기판(110)과 제1렌즈 프레임(130) 사이에는 제1액체실(131)이 형성되고, 제1렌즈 프레임(130)과 제2렌즈 프레임(150) 사이에는 제2액체실(151)이 형성되며, 제2렌즈 프레임(150)과 제2투광성 기판(170) 사이에는 제3액체실(172)이 형성된다. 제1, 제2, 및 제3액체실(131,151,172)에는 각각 제1, 제2, 및 제3액체(133,153,173)가 채워져 있다. 제1, 제2, 및 제3액체(133,153,173)는 서로 비중의 차이가 작은 액체를 사용한다. 본 실시예의 경우에는 제1, 제2, 및 제3액체(133,153,173)로 비중의 차이가 0.05 이하인 액체를 사용한다. 또한, 제2 액체(153)의 굴절률이 제1 및 제3액체(133,173)의 굴절률보다 큰 것이 바람직하다.

제어부(190)는 제1 및 제2액추에이터(120,180)를 제어하여 제1 및 제2투광성 기판(110,170), 제1, 제2, 및 제3액체(133,153,173), 제1 및 제2광투과성막(140,160)으로 이루어진 광학 렌즈(103)의 초점 거리를 변화시킨다.

제어부(190)가 제1액추에이터(120)에 소정의 전압을 인가하면, 도 6과 같이 제1액추에이터(120)가 변형되어 제1액체실(131)의 제1액체(133)를 가압하고, 이에 의해 제1광투과성막(140)이 상측으로 볼록하게 변형하게 된다. 제1광투과성막(140)이 상측으로 볼록하게 변형하면, 제2액체실(151)의 제2액체(153)가 가압되고, 이에 의해 제2광투과성막(160)이 상측으로 볼록하게 변형하게 된다.

제1 및 제2광투과성막(140,160)을 원상태로 복원시킬 경우에는 제어부(190)는 제2액추에이터(180)에 소정의 전압을 인가한다. 제2액추에이터(180)에 전압이 인가되면, 제2액추에이터(180)가 제2작동구멍(171) 쪽으로 변형되므로 제3액체(173)가 가압되어 제2광투과성막(160)을 아래로 가압하여 원상태로 복원시킨다. 제2광투과성막(160)이 원상태로 복원되면, 제2액체(153)에 의해 제1광투과성막(140)도 원상태로 복원된다.

이와 같이 제1 및 제2광투과성막(140,160)을 중첩적으로 설치하고 제1 및 제2광투과성막(140,160) 사이에 제1 및 제3액체(133,173)보다 굴절률이 큰 제2액체(153)를 채우면, 아래의 제1광투과성막(140)이 형성하는 곡면이 추가적인 비구면 렌즈의 기능을 하게 된다. 따라서, 일반적으로 한 면이 평면이고 이와 마주하는 다른 한 면은 곡선인 렌즈(plano-concave type lens)로 자동초점 기능을 이용하여 10mm 이내의 근접 거리에서 피사체를 촬영할 경우에 발생하는 주변부의 광학적 해상도가 저하하는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 제1 및 제2광투과성막(140,160)은 각각 비중이 거의 같은 제1, 제2, 및 제3액체(133,153,173), 또는 비중의 차이가 0.05 이하인 제1, 제2, 및 제3액체(133,153,173)에 의해 양 표면이 지지되고 있으므로, 제1, 제2, 및 제3액체(133,153,173)에 작용하는 중력에 의해 제1, 및 제2광투과성막(140,160)의 형상이 거의 변화하지 않는다. 따라서, 가변 초점 렌즈(100)의 광학 렌즈(103)의 중심축(C)이 아래로 이동하지 않는다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예들에 한정되지 아니하며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 행할 수 있는 단순한 구성요소의 치환, 부가, 삭제, 변경은 본 발명의 청구범위 기재 범위 내에 속하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈를 개략적으로 나타낸 단면도;

도 2는 도 1의 가변 초점 렌즈의 제1액추에이터가 동작하였을 경우를 개략적 으로 나타내는 단면도;

도 3은 도 1의 가변 초점 렌즈의 저면도;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 초점 렌즈를 포함하는 카메라 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도;

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변 초점 렌즈를 개략적으로 나타낸 단면도;

도 6은 도 5의 가변 초점 렌즈의 제1액추에이터가 동작하였을 경우를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,100; 가변 초점 렌즈 3,103; 광학 렌즈

10,110; 제1투광성 기판 11,111; 제1작동구멍

20,120; 제1액추에이터 30; 렌즈 프레임

31,131; 제1액체실 32,132; 렌즈구멍

33,133; 제1액체 40; 광투과성막

50,170; 제2투광성 기판 51,171; 제2작동구멍

52,151; 제2액체실 53,153; 제2액체

60,180; 제2액추에이터 21,61,121,181; 침투방지막

70,190; 제어부 130; 제1렌즈 프레임

150; 제2렌즈 프레임 152; 제2렌즈구멍

172; 제3액체실 173; 제3액체

Claims

광이 투과하며 서로 마주하는 제1 및 제2측벽을 가지며, 속이 빈 케이스;

상기 케이스의 내부 공간을 적어도 2개의 액체실(31, 52)로 구획하며, 광이 투과하는 적어도 한 개의 광투과성막(40);

상기 적어도 2개의 액체실(31, 52)에 담긴 적어도 2개의 액체(33, 53);

상기 제1측벽에 형성된 적어도 한 개의 제1작동구멍(11);

상기 적어도 한 개의 제1작동구멍(11)을 막도록 설치되며, 상기 제1측벽에 접촉하는 액체에 압력을 가할 수 있는 제1액추에이터(20); 및

상기 케이스의 제1 및 제2측벽, 적어도 2개의 액체(33, 53), 적어도 1개의 광투과성막(40)으로 이루어진 광학 렌즈(3)에 대하여 상기 제1액추에이터(20)를 제어하여 적어도 2개의 액체(33, 53) 중 하나에 압력을 가하여 적어도 1개의 광투과성막(40)의 형상을 변형시켜 광학 렌즈(3)의 초점거리를 변화시키는 제어부(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 액체(33, 53)는 비중이 동일하거나, 비중의 차이가 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 2 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 액체(33, 53)는 굴절률의 차이가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 1개의 광투과성막(40)은 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)으로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제1액추에이터(20)는 아크릴레이트(arcrylate), 실리콘(silicone) 등과 같은 유전성 엘라스토머(dielectric elastomer)를 포함하는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제1액추에이터(20)는 PVDF-TrFE(Copolymers of vinylidene fluoride and trifluoroethylene) 등과 같은 일렉트로스트릭티브 폴리머(electrostrictive polymer)를 포함하는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제1액추에이터(20)는 이온 도체 폴리머(ion conductive polymer)로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 액체(33, 53)는 서로 다른 액체인 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 8 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 액체(33, 53) 중 1개의 액체는 물과 기름 중의 어느 한 액체이고, 다른 액체는 상기 물과 기름 중 남은 하나인 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 8 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 액체(33, 53)는 서로 섞이지 않는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제2측벽에는 적어도 한 개의 제2작동구멍(51)이 형성되며, 상기 적어도 한 개의 제2작동구멍(51)을 막도록 설치되는 제2액추에이터(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 11 항에 있어서,

상기 제1 및 제2액추에이터(20, 60)는 상기 광학 렌즈(3)의 광축과 평행한 방향으로 동작하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 케이스는 유리로 제작된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 케이스는 폴리머 몰딩(polymer molding)으로 제작된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
적어도 한 개의 제1작동구멍(11)이 형성된 제1투광성 기판(10);

상기 제1투광성 기판(10)의 상면에 설치되며, 제1액체실(31)을 형성하는 렌즈 프레임(30);

상기 렌즈 프레임(30)의 상면에 설치되며, 제2액체실(52)을 형성하는 제2투광성 기판(50);

상기 렌즈 프레임(30)에 형성된 렌즈구멍(32)을 막도록 상기 렌즈 프레임(30)에 설치되는 광투과성막(40);

상기 적어도 한 개의 제1작동구멍(11)을 막도록 상기 제1투광성 기판(10)의 하면에 설치되는 제1액추에이터(20);

상기 제1 및 제2액체실(31, 52)에 각각 채워지며, 비중이 동일하거나 비중의 차이가 0.05 이하인 제1 및 제2액체(33, 53); 및

상기 제1액추에이터(20)를 동작시키는 제어부(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 15 항에 있어서,

상기 제1 및 제2액체(33, 53)는 굴절률의 차이가 0.1 보다 큰 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 15 항에 있어서,

상기 제2투광성 기판(50)은 적어도 한 개의 제2작동구멍(51)을 포함하며,

상기 적어도 한 개의 제2작동구멍(51)에는 제2액추에이터(60)가 설치된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 15 항에 있어서,

상기 제1 및 제2투광성 기판(10, 50)은 유리로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 15 항에 있어서,

상기 렌즈 프레임(30)은 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 19 항에 있어서,

상기 제1 및 제2투광성 기판(10, 50)과 상기 렌즈 프레임(30)은 웨이퍼 레벨로 제작되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 15 항에 있어서,

상기 제1 및 제2투광성 기판(10, 50)의 일면은 비구면으로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 15 항에 있어서,

상기 제2액체(53)와 접촉하는 상기 제2투광성 기판(50)의 표면은 광학 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제1액체(33)가 담긴 제1액체실(31);

상기 제1액체(33)의 비중과 동일하거나 그 차이가 0.05 이하인 비중과, 상기 제1액체(33)의 굴절률과의 차이가 0.1 이상인 굴절률을 갖는 제2액체(53)가 담긴 제2액체실(52);

상기 제1 및 제2액체실(31, 52) 사이에 설치되며, 상기 제1 및 제2액체실(31, 52)을 구획하는 광투과성막(40);

상기 제1액체실(31)에 설치되며, 상기 제1액체(33)를 가압하는 제1액추에이터(20); 및

상기 제1액추에이터(20)를 동작시키는 제어부(70);를 포함하며,

상기 제어부(70)는 상기 제1액체실(31), 제1액체(33), 광투과성막(40), 제2액체(53), 제2액체실(52)로 이루어진 광학 렌즈(3)에 대하여 상기 제1액추에이터(20)를 제어하여 적어도 2개의 액체 중 하나에 압력을 가하여 적어도 1개의 광투과성막(40)의 형상을 변형시켜 광학 렌즈(3)의 초점거리를 변화시키는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 23 항에 있어서,

상기 제2액체실(52)에 설치되며, 상기 제어부(70)의 제어에 따라 상기 제2액체(53)를 가압하는 제2액추에이터(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
적어도 한 개의 제1작동구멍(111)이 형성된 제1투광성 기판(110);

상기 제1투광성 기판(110)의 상면에 설치되며, 제1액체실(131)을 형성하는 제1렌즈 프레임(130);

상기 제1렌즈 프레임(130)의 상면에 설치되며, 제2액체실(151)을 형성하는 제2렌즈 프레임(150);

상기 제2렌즈 프레임(150)의 상면에 설치되며, 제3액체실(172)을 형성하는 제2투광성 기판(170);

상기 제1 및 제2렌즈 프레임(130, 150)에 형성된 제1 및 제2렌즈구멍(132, 152)을 막도록 상기 제1 및 제2렌즈 프레임(130, 150)에 각각 설치되는 제1 및 제2광투과성막(140, 160);

상기 제1, 제2 및 제3액체실(131, 151, 172)에 각각 채워진 제1, 제2 및 제3액체(133, 153, 173);

상기 적어도 한 개의 제1작동구멍(111)을 막아 상기 제1액체(133)를 가압할 수 있도록 상기 제1투광성 기판(110)의 하면에 설치되는 제1액추에이터(120); 및

상기 제1액추에이터(120)를 제어하여 상기 제1 및 제2투광성 기판(110, 170), 제1, 제2, 및 제3액체(133, 153, 173), 제1 및 제2광투과성막(140, 160)으로 이루어진 광학 렌즈(103)의 초점 거리를 변화시키는 제어부(170)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 25 항에 있어서,

상기 제1, 제2, 및 제3액체(133, 153, 173)는 비중이 동일하거나, 비중의 차이가 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 26 항에 있어서,

제2액체(153)의 굴절률이 상기 제1 및 제3액체(133, 173)의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 25 항에 있어서,

상기 제1렌즈구멍(132)의 지름이 상기 제2렌즈구멍(152)의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.
제 25 항에 있어서,

상기 제2투광성 기판(170)에는 적어도 한 개의 제2작동구멍(171)이 형성되며, 상기 적어도 한 개의 제2작동구멍(171)을 막도록 설치되는 제2액추에이터(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 렌즈.