KR102072136B1 - 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 및 이를 이용한 광학 수차 제거 방법 - Google Patents

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원용협
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Abstract

가변 초점 다각형 렌즈 어레이로서, 복수의 단위 렌즈들이 동일 평면상에 배열되고, 각 단위 렌즈는 다각형 모양의 하부 기판, 상기 하부 기판의 각 꼭지점에 배치된 복수의 기둥들, 상기 복수의 기둥들의 상단에 배치되어, 상기 복수의 기둥들을 각각 이어주는 복수의 격벽들, 그리고 상기 다각형 모양을 가지고, 상기 복수의 격벽들의 상단에 접합된 박막을 포함한다.

Description

가변 초점 다각형 렌즈 어레이 및 이를 이용한 광학 수차 제거 방법{POLYGONAL VARIABLE FOCUS LENS ARRAY AND METHOD FOR REMOVING OPTICAL ABERRATIONS USING THE SAME}
본 발명은 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 및 이를 이용한 수차 제거 방법에 관한 것이다.
3차원 영상을 재현하기 위한 광학 시스템 중 집적 영상 시스템(Integral Imaging System)이 있다. 집적 영상 시스템은 렌즈 어레이를 이용하여 공간상에 사물에 대한 직접적인 상을 맺는 방식이다. 현존하는 3차원 영상 재현 방식 중 디지털 홀로그램의 경우 연산을 처리해야 하는 데이터 량이 너무 방대하기 때문에 아직 먼 미래의 기술이라는 평가를 받고 있으며, 양안 시차를 이용한 시점방식의 경우 뇌의 착각으로 인한 착시 현상이기 때문에 어지러움 증을 느낄 수 있다는 문제점을 가지고 있다. 그러나, 집적 영상 시스템의 경우 디지털 홀로그램과 같이 많은 연산량을 요구하지 않고, 양안 시차를 이용한 시점방식과 같이 뇌의 착시를 이용하는 기법도 아니기 때문에, 차세대 3차원 디스플레이 방식으로 많은 주목을 받고 있다.
한편, 집적 영상 시스템은 다른 초점거리를 갖는 렌즈 어레이를 사용하거나, 디스플레이와 렌즈 어레이 사이의 간격을 조절하는 방법으로 3차원 객체가 표현되는 깊이 범위를 조절할 수 있다. 그러나, 기존에 구현된 초점 가변형 다각형 렌즈 어레이 구조를 이용하는 경우, 깊이 범위 조절시 광학 수차가 필연적으로 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 유압 방식을 이용하여 광학 수차가 제거될 수 있는 구조를 통해 가변 초점 렌즈를 구현하고, 구현된 가변 초점 렌즈를 평면 상에 배치함으로써 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 구현하는 기술을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 다각형 렌즈 어레이는 복수의 단위 렌즈들이 동일 평면상에 배열되고, 각 단위 렌즈는 다각형 모양의 하부 기판, 상기 하부 기판의 각 꼭지점에 배치된 복수의 기둥들, 상기 복수의 기둥들의 상단에 배치되어, 상기 복수의 기둥들을 각각 이어주는 복수의 격벽들, 그리고 상기 다각형 모양을 가지고, 상기 복수의 격벽들의 상단에 접합된 박막을 포함한다.
상기 복수의 격벽들의 탄성 계수는 상기 박막의 탄성 계수보다 높다.
상기 복수의 격벽들의 두께와 상기 박막의 두께는 미리 설정된 제1 비율을 갖는다.
상기 다각형 모양이 정삼각형인 경우, 상기 미리 설정된 제1 비율은 상기 박막의 두께와 상기 복수의 격벽들의 두께가 각각 1:2.5 내지 1:3.5이다.
상기 다각형 모양이 정사각형인 경우, 상기 미리 설정된 제1 비율은 상기 박막의 두께와 상기 복수의 격벽들의 두께가 각각 1:3 내지 1:5이다.
상기 다각형 모양이 정육각형인 경우, 상기 미리 설정된 제1 비율은 상기 박막의 두께와 상기 복수의 격벽들의 두께가 각각 1:4 내지 1:8이다.
상기 각 단위 렌즈는 상기 하부 기판, 상기 복수의 기둥들, 상기 복수의 격벽들 및 상기 박막으로 이루어진 상기 단위 렌즈의 내부에 채워진 액체를 더 포함한다.
상기 박막은 상기 액체가 상기 단위 렌즈의 내부에 미리 설정된 양만큼 채워지는 경우, 상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 중심부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제1 높이이고, 상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 경계부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제2 높이이고, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이는 미리 설정된 제2 비율을 갖는다.
상기 다각형 모양은 정삼각형이고, 상기 미리 설정된 제2 비율은 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 각각 4:2.5 내지 4:3.5이다.
상기 다각형 모양은 정사각형이고, 상기 미리 설정된 제2 비율은 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 각각 1:0.75 내지 1:1.25이다.
상기 다각형 모양은 정육각형이고, 상기 미리 설정된 제2 비율은 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 각각 4:0.5 내지 4:1.5이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 어레이 제조 장치가 광학 수차를 제거할 수 있는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 제작하는 방법은 복수의 단위 렌즈들을 제작하는 단계, 그리고 상기 단위 렌즈들을 동일 평면상에 배열하는 단계를 포함하고, 상기 단위 렌즈들을 제작하는 단계는 다각형 모양의 하부 기판의 각 꼭지점에 복수의 기둥들을 배치하는 단계, 상기 복수의 기둥들을 각각 이어주는 복수의 격벽들을 상기 복수의 기둥들의 상단에 배치하는 단계, 그리고 상기 다각형 모양을 가지는 박막을 상기 복수의 격벽들의 상단에 접합시켜 각 단위 렌즈를 제작하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 제작하는 방법은 상기 하부 기판, 상기 복수의 기둥들, 상기 복수의 격벽들 및 상기 박막으로 이루어진 단위 렌즈의 내부에 액체를 주입하는 단계를 더 포함한다.
상기 액체를 주입하는 단계는 상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 중심부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제1 높이이고, 상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 경계부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제2 높이이고, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 미리 설정된 비율이 되도록 상기 액체를 주입한다.
상기 액체를 주입하는 단계는 상기 다각형 모양이 정삼각형인 경우, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이의 비율이 각각 4:2.5 내지 4:3.5가 되도록 상기 액체를 주입한다.
상기 액체를 주입하는 단계는 상기 다각형 모양이 정사각형인 경우, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이의 비율이 각각 1:0.75 내지 1:1.25가 되도록 상기 액체를 주입한다.
상기 액체를 주입하는 단계는 상기 다각형 모양이 정육각형인 경우, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이의 비율이 각각 4:0.5 내지 4:1.5가 되도록 상기 액체를 주입한다.
본 발명에 따르면, 기존의 가변 초점 다각형 렌즈 어레이에서 문제 되었던 필팩터를 향상시키면서 광학 수차가 발생되지 않게 할 수 있으며, 이를 통해 3차원 영상 기법 중 하나인 집적 영상 시스템에서의 깊이 표현범위를 향상 시킬 수 있다.
도 1은 기존의 원형 렌즈로 구현된 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 기존의 다각형 렌즈로 구성된 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 다각형 렌즈로 구성된 렌즈 어레이에서 렌즈의 곡률을 변화시켜 광학 수차를 제어할 수 있는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 렌즈를 설명하는 도면이다.
도 9는 도 8의 가변 초점 렌즈로 구현된 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 가변 초점 렌즈로 구현된 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈를 설명하는 도면이다.
도 13은 도 12의 가변 초점 렌즈로 구현된 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 가변 초점 다각형 렌즈 어레이로 구현된 집적 영상 시스템을 도시한 도면이다.
도 16은 렌즈 어레이 제조 장치가 광학 수차를 제거할 수 있는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 제작하는 방법을 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 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.
도 1은 기존의 원형 렌즈로 구현된 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 가변 초점 다각형 렌즈 어레이는 통상적으로 전기 습윤 방식 또는 유압 방식을 사용한다. 해당 방식들은 도 1에 도시된 원형 렌즈(10)를 사용할 수 있는데, 원형 렌즈(10)로 구성된 렌즈 어레이는 광축을 기준으로 대칭을 이루기 때문에 다각형 렌즈로 구성된 렌즈 어레이보다 광학 수차 측면에서 유리한 면을 가지고 있다.
구체적으로, 원형 렌즈(10)로 구성된 렌즈 어레이는 배율이 1인 경우는 물론, 배율이 1 이상인 개구부를 통과하는 경우에도 가장자리 부분에서 렌즈 곡률로 인해 발생하는 광학 수차로 인한 영상 왜곡이 발생하지 않는다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 원형 렌즈(10)를 통해 렌즈 어레이를 구성하는 경우, 빈 공간(11)이 발생하며, 원형 렌즈(10)의 크기에 따라 빈 공간(11)이 매우 넓은 영역을 차지할 수 있기 때문에 어레이 형태로는 적합하지 않다는 문제가 있다.
따라서, 어레이 형태로 구현되는 경우 발생하는 빈 공간을 최소화하기 위해서는 삼각형, 사각형, 육각형과 같이 100%의 필팩터를 가질 수 있는 다각형 어레이를 사용하여야 한다.
도 2 내지 도 4는 기존의 다각형 렌즈로 구성된 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 2 내지 도 4에 각각 도시된 바와 같이, 삼각형 렌즈(20), 사각형 렌즈(30) 및 육각형 렌즈(40)와 같은 다각형 렌즈(20, 30 및 40)를 통해 렌즈 어레이를 구성할 수 있다. 그러나, 다각형 렌즈(20, 30 및 40)를 이용하여 렌즈 어레이를 구성하는 경우, 필팩터 향상을 꾀할 수 있지만 전기 습윤 방식 및 유압 방식의 원리상 가장자리 부분(21, 31 및 41)은 고정이 되고 렌즈의 중심 부분의 형상을 변화시키기 때문에 광학 수차가 필연적으로 발생하게 되는 문제가 있다.
구체적으로, 다각형 렌즈(20, 30 및 40)로 구성된 렌즈 어레이는 배율이 1인 경우 렌즈 곡률로 인한 광학 수차가 발생하지 않는다. 그러나, 배율이 1이기 때문에 확대 혹은 축소가 일어나지 않는다.
만일 3차원 객체를 확대 또는 축소시키기 위해 배율을 1이상으로 하는 경우, 다각형 렌즈(20, 30 및 40)로 구성된 렌즈 어레이는 가장자리 부분(21, 31 및 41)에 의해 광축으로부터 대칭적으로 형성되지 않는다. 따라서, 각 다각형의 가장자리 부분에서 균일하지 않은 렌즈 곡률로 인해 발생하는 광학적 수차로 인한 영상 왜곡(22, 32 및 42)이 발생하게 된다.
도 5 내지 도 7은 다각형 렌즈로 구성된 렌즈 어레이에서 렌즈의 곡률을 변화시켜 광학 수차를 제어할 수 있는 방법을 설명하는 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 다각형 렌즈(20, 30 및 40)의 렌즈면(23, 33 및 43)의 모양은 각 렌즈의 가장자리 부분(21, 31 및 41)에 의해 광축으로부터 대칭적으로 형성되지 않는다.
구체적으로, 다각형 렌즈(20, 30 및 40)의 단면에서 살펴보면, 렌즈면의 가장 높은 지점(24, 34 및 44)으로부터 렌즈 경계부 변의 중심지점까지의 곡률(25, 35 및 45)이 렌즈면의 가장 높은 지점(24, 34 및 44)으로부터 꼭지점까지의 곡률(26, 36 및 46)보다 크기 때문에 균일하지 않은 곡률로 인해 광학 수차가 발생하게 된다.
그러나, 다각형 렌즈(20, 30 및 40) 각각의 경계부 변의 형태를 변형시켜 주면, 각 다각형 렌즈(20, 30 및 40)의 양 곡률은 광축에 대해 대칭을 갖는 모양을 가질 수 있다. 즉, 다각형 렌즈(20, 30 및 40)의 경계부 변의 형태를 변화시켜주면, 다각형 렌즈(20, 30 및 40) 각각의 곡률을 일정하게 조정할 수 있어 광학 수차를 제어할 수 있게 된다.
이하, 도 5 내지 도 7에서 설명한 방법을 통해 구현된 본 발명의 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 초점 렌즈를 설명하는 도면이고, 도 9는 도 8의 가변 초점 렌즈로 구현된 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 단위 렌즈(100)는 다각형 모양의 하부 기판(110), 하부 기판(110)의 각 꼭지점에 배치된 복수의 기둥들(120), 복수의 기둥들(120)의 상단에 배치되어, 복수의 기둥들(120)을 각각 이어주는 복수의 격벽들(130), 그리고 하부 기판(110)과 동일한 다각형 모양을 가지고, 복수의 격벽들(130)의 상단에 접합된 박막(140)을 포함한다.
또한, 단위 렌즈(100)는 하부 기판(110), 복수의 기둥들(120), 복수의 격벽들(130) 및 박막(140)으로 이루어진 단위 렌즈의 내부(150)에 채워진 액체(151)를 더 포함한다.
구체적으로, 하부 기판(110)은 단위 렌즈의 내부(150)에 액체(151)가 인가되어도 형태가 변하지 않을 정도로 견고하게 구현된다. 예를 들면, 하부 기판(110)은 유리 기판과 같은 복수의 격벽들(130) 및 박막(140)보다 탄성계수가 높은 소재로 구현될 수 있다.
복수의 기둥들(120)은 복수의 격벽들(130)과 하부 기판(110)을 이어주며 액체(151)가 존재할 공간을 형성한다.
복수의 격벽들(130)은 박막(140)보다 높은 탄성 계수를 갖는다. 이를 위해, 복수의 격벽들(130)의 두께는 박막(140)의 두께보다 두껍거나, 복수의 격벽들(130)을 구현하는 소재는 박막(140)의 소재보다 높은 탄성 계수를 갖는 소재일 수 있다. 즉, 복수의 격벽들(130)은 박막(140)과 동일 소재로 구현되는 경우 박막(140)의 두께보다 두껍게 구현되며, 박막(140)과 다른 소재로 구현되는 경우 박막(140)의 소재보다 높은 탄성 계수를 갖는 소재로 구현될 수 있다.
박막(140)은 단위 렌즈(100)에서 렌즈로 기능하며, 낮은 탄성계수를 갖는 폴리머 계열의 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 소재로 구현될 수 있다.
액체(151)는 난반사 및 추가적으로 발생할 수 있는 광학 수차를 최소화 하기 위해 사용되는 폴리머의 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 액체일 수 있다.
외부로부터 피에조 펌프나 보이스 코일 등의 방법으로 액체(151)에 압력을 인가해 주면 상대적으로 탄성계수가 작은 박막(140) 부분이 부풀어 오르기 시작한다.
하부 기판(110)의 경우 탄성 계수가 높기 때문에 액체(151)로 인해 변형이 일어나지 않는다. 복수의 기둥들(120) 또한, 액체(151)로 인한 압력이 사방에서 동일하기 때문에 변형이 일어나지 않는다.
따라서, 액체(151)로 인해 복수의 격벽들(130) 및 박막(140)만이 부풀어 오르며, 복수의 격벽들(130)의 경우 박막(140)보다 높은 탄성 계수를 가지고 있기 때문에 박막(140)의 중심부 보다 덜 부풀어 오른다.
만일 복수의 격벽들(130)이 존재하지 않고 박막(140)과 복수의 기둥들(120)이 바로 접합되어 있다면, 액체(151)의 주입으로 인해 박막(140)은 변을 갖지 못하고 꼭지점만 가진 채 부풀어올라 제대로 된 렌즈의 형상을 가질 수 없다.
반대로, 복수의 기둥들(120)이 존재하지 않아 복수의 격벽들(130)이 바로 하부 기판(110)에 붙어있다면 오로지 박막(140)만 부풀어 올라 광학 수차를 제거할 수 없다. 통상적인 유압식 렌즈는 복수의 기둥들(120)이 존재하지 않아 광학 수차가 제거될 수 없는 문제점이 있다.
한편, 박막(140)이 부풀어 오르는 정도는 단위 렌즈(100)의 초점거리를 조절하는 데 사용되며, 이는 사용자가 원하는 대로 자유롭게 변형시킬 수 있다. 다만, 복수의 격벽들(130)이 부풀어 오르는 정도는 박막(140)이 부풀어 오르는 정도에 따라 함께 조절되어야 한다. 광학 수차를 제거하기 위해 복수의 격벽들(130)과 박막(140)이 부풀어오르는 정도는 단위 렌즈(100)의 모양에 따라 결정된다.
구체적으로, 액체(151)가 단위 렌즈의 내부(150)에 미리 설정된 양만큼 채워지는 경우, 복수의 격벽들(130)의 상단의 최초 높이를 기준으로 박막(140)의 중심부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제1 높이(a)이고, 복수의 격벽들(130)의 상단의 최초 높이를 기준으로 박막(140)의 경계부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제2 높이(b)라면, 제1 높이(a)와 제2 높이(b)는 미리 설정된 비율을 가지며, 미리 설정된 비율은 단위 렌즈(100)의 모양에 따라 결정된다.
예를 들면, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 기판(110) 및 박막(140)의 모양이 정삼각형 모양인 경우, 중심으로부터 꼭지점까지의 거리가 중심으로부터 변의 중심까지의 거리의 2배에 해당한다. 따라서, 박막(140)이 광학 수차가 가장 적다고 알려진 포물면 모양으로 구성되기 위해서는, 제1 높이(a)와 제2 높이(b)의 비율이 4:3이 되어야 한다. 사용자가 원하는 렌즈 면의 형상에 따라 여러 가지 원추 상수(conic constant) 값을 고려하면, 광학 수차가 제거되는 범위에서 제1 높이(a)와 제2 높이(b)의 비율은 4:2.5 내지 4:3.5까지 변할 수 있다.
한편, 복수의 격벽들(130)과 박막(140)이 동일한 소재로 구현되는 경우, 복수의 격벽들(130)과 박막(140)의 두께비 또한 광학 수차와 관련되며, 두께비는 단위 렌즈(100)의 모양에 따라 결정된다.
예를 들면, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 기판(110) 및 박막(140)의 모양이 정삼각형 모양이고, 복수의 격벽들(130)과 박막(140)이 폴리디메틸실록산으로 구현된 경우, 박막(140)과 복수의 격벽들(130)의 두께 비율이 1:2.5 내지 1:3.5인 경우 광학 수차가 제거될 수 있다.
단위 렌즈(100)는 동일 평면상에 2차원적으로 배열되어 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(1000)를 구성한다.
예를 들면, 도 9를 참고하면, 단위 렌즈(100)의 모양이 정삼각형인 경우, 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(1000)는 단위 렌즈(100)가 상호 인접하게 빈틈없이 배열된 형태로 구현될 수 있다.
이와 같이, 단위 렌즈(100)의 경계면이 될 부분에 위치한 복수의 격벽들(130)이 박막(140)의 팽창을 억제하도록 두께를 조절하고, 이로 인해 복수의 격벽들(130)은 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(1000)의 각 단위 렌즈(100)의 경계를 구분하는 변의 역할을 하게 된다.
액체(151)로 인해 유압이 인가되면, 복수의 격벽들(130)과 박막(140)이 팽창하나, 복수의 격벽들(130)으로 인해 단위 렌즈(100)의 각 변 부분들은 박막(140)보다 덜 팽창하게 된다. 또한, 복수의 기둥들(120)이 하부 기판(110)과 붙어있기 때문에 박막(140)의 각 꼭지점 부분은 팽창하지 않아 최종적으로 다각형 렌즈의 형태가 완성된다. 해당 구조는 박막(140)의 팽창 정도에 따라 복수의 격벽들(130)도 비례적으로 팽창하기 때문에, 한 가지 초점거리에만 국한되지 않고 연속적인 초점 변화에서도 광학 수차를 제거할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈를 설명하는 도면이고, 도 11은 도 10의 가변 초점 렌즈로 구현된 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 단위 렌즈(200)는 도 8 및 도 9에 도시된 단위 렌즈(100)와 마찬가지로, 하부 기판(210), 복수의 기둥들(220), 복수의 격벽들(230), 그리고 박막(240)을 포함한다. 또한, 단위 렌즈(200)는 하부 기판(210), 복수의 기둥들(220), 복수의 격벽들(230) 및 박막(240)으로 이루어진 단위 렌즈의 내부(250)에 채워진 액체(251)를 더 포함한다.
도 8 및 도 9에서 설명한 바와 같이, 광학 수차를 제거하기 위해 복수의 격벽들(230)과 박막(240)이 부풀어오르는 정도는 단위 렌즈(200)의 모양에 따라 결정된다.
따라서, 도 10 및 도 11에서 도시된 바와 같이, 단위 렌즈(200)의 하부 기판(210) 및 박막(240)의 모양이 정사각형 모양인 경우, 도 9에서 정의된 제1 높이(a)와 제2 높이(b)의 비율은 박막(240)이 포물면 모양으로 되기 위해 1:1이 되어야 한다. 또한, 사용자가 원하는 렌즈 면의 형상에 따라 여러 가지 원추 상수 값을 고려하면, 광학 수차가 제거되는 범위에서 제1 높이(a)와 제2 높이(b)의 비율은 1:0.75 내지 1:1.25까지 변할 수 있다.
또한, 하부 기판(210) 및 박막(240)의 모양이 정사각형 모양인 경우, 광학 수차를 제거되기 위한 박막(240)과 복수의 격벽들(230)의 두께 비율은 1:3 내지 1:5일 수 있다.
도 9에서 설명한 바와 같이, 단위 렌즈(200)는 동일 평면 상에 2차원적으로 배열되어 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(2000)를 구성한다. 예를 들면, 도 11을 참고하면, 단위 렌즈(200)의 모양이 정사각형인 경우, 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(2000)는 단위 렌즈(200)가 상호 인접하게 빈틈없이 배열된 형태로 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 초점 렌즈를 설명하는 도면이고, 도 13은 도 12의 가변 초점 렌즈로 구현된 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 설명하는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 단위 렌즈(300)는 도 8 및 도 9에 도시된 단위 렌즈(100)와 마찬가지로, 하부 기판(310), 복수의 기둥들(320), 복수의 격벽들(330), 그리고 박막(340)을 포함한다. 또한, 단위 렌즈(300)는 하부 기판(310), 복수의 기둥들(320), 복수의 격벽들(330) 및 박막(340)으로 이루어진 단위 렌즈의 내부(350)에 채워진 액체(351)를 더 포함한다.
도 8 및 도 9에서 설명한 바와 같이, 광학 수차를 제거하기 위해 복수의 격벽들(330)과 박막(340)이 부풀어오르는 정도는 단위 렌즈(300)의 모양에 따라 결정된다.
따라서, 도 12 및 도 13에서 도시된 바와 같이, 단위 렌즈(300)의 하부 기판(310) 및 박막(340)의 모양이 정육각형 모양인 경우, 도 9에서 정의된 제1 높이(a)와 제2 높이(b)의 비율은 박막(340)이 포물면 모양으로 되기 위해 4:1이 되어야 한다. 또한, 사용자가 원하는 렌즈 면의 형상에 따라 여러 가지 원추 상수 값을 고려하면, 광학 수차가 제거되는 범위에서 제1 높이(a)와 제2 높이(b)의 비율은 4:0.5 내지 4:1.5까지 변할 수 있다.
또한, 하부 기판(310) 및 박막(340)의 모양이 정육각형 모양인 경우, 광학 수차를 제거되기 위한 박막(340)과 복수의 격벽들(330)의 두께 비율은 1:4 내지 1:8일 수 있다.
도 9에서 설명한 바와 같이, 단위 렌즈(300)는 동일 평면 상에 2차원적으로 배열되어 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(3000)를 구성한다. 예를 들면, 도 13을 참고하면, 단위 렌즈(300)의 모양이 정육각형인 경우, 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(3000)는 단위 렌즈(300)가 상호 인접하게 빈틈없이 배열된 형태로 구현될 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 가변 초점 다각형 렌즈 어레이로 구현된 집적 영상 시스템을 도시한 도면이다.
도 14를 참고하면, 집적 영상 시스템(4000)은 디스플레이 패널(410) 및 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(420)를 포함한다.
디스플레이 패널(410)은 기초 영상 집합을 제공받아 3차원 집적영상으로 구현하기 위한 구성요소로서, 기존의 컴퓨터-생성(CG) 집적 영상 시스템에서의 구성과 동일하다.
즉, 디스플레이 패널(410)은 기초 영상 집합을 제공받아 이를 디스플레이(Display)하는 장치로서 예컨대, 통상의 액정 표시 장치(LCD), CRT 모니터 또는 프로젝터(Projector) 등이 사용될 수 있다.
가변 초점 다각형 렌즈 어레이(420)는 도 8 내지 도 13에서 설명한 가변 초점 다각형 렌즈 어레이들(1000, 2000 및 3000) 중 어느 하나로 구현되며, 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(420)를 통해 사용자에게 3차원의 집적 영상을 제공한다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(420)에서 박막의 부풀어오름 정도를 조절하여 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(420)의 초점거리를 조절할 수 있다. 만일 광학 수차가 제거되는 범위에서 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(420)를 구성하는 단위 렌즈의 박막이 최대로 부풀어 오르는 경우, 도 14와 같이 초점거리가 짧은 지점에 3차원 집적 영상(430)이 제공될 수 있다. 이와 반대로, 광학 수차가 제거되는 범위에서 가변 초점 다각형 렌즈 어레이(420)를 구성하는 단위 렌즈의 박막이 최소로 부풀어 오르는 경우, 도 15와 같이 초점거리가 긴 지점에 3차원 집적 영상(440)이 제공될 수 있다.
도 16은 렌즈 어레이 제조 장치가 광학 수차를 제거할 수 있는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 제작하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 16을 참고하면, 렌즈 어레이 제조 장치는 단위 렌즈를 제작한다.
구체적으로, 렌즈 어레이 제조 장치는 다각형 모양의 하부 기판을 평면 상에 배치한다(S100).
이후, 렌즈 어레이 제조 장치는 하부 기판의 각 꼭지점에 복수의 기둥들을 배치한다(S110).
렌즈 어레이 제조 장치는 복수의 기둥들을 각각 이어주는 복수의 격벽들을 복수의 기둥들의 상단에 배치한다(S120).
렌즈 어레이 제조 장치는 하부 기판과 동일한 다각형 모양을 가지는 박막을 복수의 격벽들의 상단에 접합시켜 단위 렌즈를 제작한다(S130).
이후, 렌즈 어레이 제조 장치는 하부 기판, 복수의 기둥들, 복수의 격벽들 및 박막으로 이루어진 공간을 단위 렌즈의 내부로 결정한다(S140).
렌즈 어레이 제조 장치는 광학 수차가 제거되도록 미리 설정된 양의 액체를 단위 렌즈의 내부에 주입한다(S150).
이 경우, 주입되는 액체의 미리 설정된 양은 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 박막의 중심부에서 가장 높은 지점까지의 높이인 제1 높이 및, 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 박막의 경계부에서 가장 높은 지점까지의 높이인 제2 높이로 정의되며, 제1 높이 및 제2 높이의 비율은 하부 기판 및 박막의 모양에 따라 결정된다.
일 실시예에서, 하부 기판 및 박막의 모양이 정삼각형인 경우, 제1 높이와 제2 높이의 비율은 각각 4:2.5 내지 4:3.5일 수 있다.
다른 실시예에서, 하부 기판 및 박막의 모양이 정사각형인 경우, 제1 높이와 제2 높이의 비율은 각각 1:0.75 내지 1:1.25일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 하부 기판 및 박막의 모양이 정육각형인 경우, 제1 높이와 제2 높이의 비율은 각각 4:0.5 내지 4:1.5일 수 있다.
렌즈 어레이 제조 장치는 액체가 주입된 단위 렌즈를 적어도 하나 이상 제작하고, 복수의 단위 렌즈들을 동일 평면상에 2차원적으로 배열한다(S160).
본 발명에 따르면, 기존의 가변 초점 다각형 렌즈 어레이에서 문제 되었던 광학 수차 문제를 해결할 수 있으며, 이를 통해 3차원 영상 기법 중 하나인 집적 영상 시스템에서의 깊이 표현범위를 향상 시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 가변 초점 다각형 렌즈 어레이로서,
    복수의 단위 렌즈들이 동일 평면상에 배열되고,
    각 단위 렌즈는
    다각형 모양의 하부 기판,
    상기 하부 기판의 각 꼭지점에 배치된 복수의 기둥들,
    상기 복수의 기둥들의 상단에 배치되어, 상기 복수의 기둥들을 각각 이어주는 복수의 격벽들, 그리고
    상기 다각형 모양을 가지고, 상기 복수의 격벽들의 상단에 접합된 박막을 포함하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 격벽들의 탄성 계수는 상기 박막의 탄성 계수보다 높은 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 격벽들의 두께와 상기 박막의 두께는 미리 설정된 제1 비율을 갖는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  4. 제3항에서,
    상기 다각형 모양이 정삼각형인 경우, 상기 미리 설정된 제1 비율은 상기 박막의 두께와 상기 복수의 격벽들의 두께가 각각 1:2.5 내지 1:3.5인 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  5. 제3항에서,
    상기 다각형 모양이 정사각형인 경우, 상기 미리 설정된 제1 비율은 상기 박막의 두께와 상기 복수의 격벽들의 두께가 각각 1:3 내지 1:5인 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  6. 제3항에서,
    상기 다각형 모양이 정육각형인 경우, 상기 미리 설정된 제1 비율은 상기 박막의 두께와 상기 복수의 격벽들의 두께가 각각 1:4 내지 1:8인 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  7. 제1항에서,
    상기 각 단위 렌즈는
    상기 하부 기판, 상기 복수의 기둥들, 상기 복수의 격벽들 및 상기 박막으로 이루어진 상기 단위 렌즈의 내부에 채워진 액체를 더 포함하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  8. 제7항에서,
    상기 박막은
    상기 액체가 상기 단위 렌즈의 내부에 미리 설정된 양만큼 채워지는 경우, 상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 중심부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제1 높이이고, 상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 경계부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제2 높이이고, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이는 미리 설정된 제2 비율을 갖는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  9. 제8항에서,
    상기 다각형 모양은 정삼각형이고,
    상기 미리 설정된 제2 비율은 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 각각 4:2.5 내지 4:3.5인 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  10. 제8항에서,
    상기 다각형 모양은 정사각형이고,
    상기 미리 설정된 제2 비율은 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 각각 1:0.75 내지 1:1.25인 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  11. 제8항에서,
    상기 다각형 모양은 정육각형이고,
    상기 미리 설정된 제2 비율은 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 각각 4:0.5 내지 4:1.5인 가변 초점 다각형 렌즈 어레이.
  12. 렌즈 어레이 제조 장치가 광학 수차를 제거할 수 있는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이를 제작하는 방법으로서,
    복수의 단위 렌즈들을 제작하는 단계, 그리고
    상기 단위 렌즈들을 동일 평면상에 배열하는 단계를 포함하고,
    상기 단위 렌즈들을 제작하는 단계는
    다각형 모양의 하부 기판의 각 꼭지점에 복수의 기둥들을 배치하는 단계,
    상기 복수의 기둥들을 각각 이어주는 복수의 격벽들을 상기 복수의 기둥들의 상단에 배치하는 단계, 그리고
    상기 다각형 모양을 가지는 박막을 상기 복수의 격벽들의 상단에 접합시켜 각 단위 렌즈를 제작하는 단계를 포함하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 제작 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 하부 기판, 상기 복수의 기둥들, 상기 복수의 격벽들 및 상기 박막으로 이루어진 단위 렌즈의 내부에 액체를 주입하는 단계
    를 더 포함하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 제작 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 액체를 주입하는 단계는
    상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 중심부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제1 높이이고, 상기 복수의 격벽들의 상단의 최초 높이를 기준으로 상기 박막의 경계부에서 가장 높은 지점까지의 높이가 제2 높이이고, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이가 미리 설정된 비율이 되도록 상기 액체를 주입하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 제작 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 액체를 주입하는 단계는
    상기 다각형 모양이 정삼각형인 경우, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이의 비율이 각각 4:2.5 내지 4:3.5가 되도록 상기 액체를 주입하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 제작 방법.
  16. 제14항에서,
    상기 액체를 주입하는 단계는
    상기 다각형 모양이 정사각형인 경우, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이의 비율이 각각 1:0.75 내지 1:1.25가 되도록 상기 액체를 주입하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 제작 방법.
  17. 제14항에서,
    상기 액체를 주입하는 단계는
    상기 다각형 모양이 정육각형인 경우, 상기 제1 높이와 상기 제2 높이의 비율이 각각 4:0.5 내지 4:1.5가 되도록 상기 액체를 주입하는 가변 초점 다각형 렌즈 어레이 제작 방법.
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