KR20060013652A - 가변렌즈 - Google Patents

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KR20060013652A
KR20060013652A KR1020057021471A KR20057021471A KR20060013652A KR 20060013652 A KR20060013652 A KR 20060013652A KR 1020057021471 A KR1020057021471 A KR 1020057021471A KR 20057021471 A KR20057021471 A KR 20057021471A KR 20060013652 A KR20060013652 A KR 20060013652A
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스테인 쿠이페
베르나르두스 에이치. 더블유. 헨드릭스
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

가변렌즈(100;200;300;400;500;600)가 기재되어 있다. 이 렌즈(100;200;300;400;500;600)는, 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축(90)을 갖는 챔버(125)를 구비한다. 상기 챔버(125)는, 광축(90)에 횡으로 연장되는 메니스커스(150) 위에서 접촉하는 제 1 유체(130)와 제 2 유체(140)를 함유한다. 그 메니스커스(150)의 둘레는 상기 측벽(125)에 의해 속박되어 있다. 상기 유체들(130,140)은, 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다르다. 적어도 하나의 펌프(110;112,114,116,152;422)는, 상기 광축(90)을 따라 메니스커스(150)의 위치를 상기 챔버(125) 내에 함유된 상기 유체들(130,140) 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치되어 있다.
가변렌즈, 챔버, 메니스커스, 유체, 광축

Description

가변렌즈{VARIABLE LENS}
본 발명은, 가변렌즈, 이 렌즈를 구비한 광학장치, 그 렌즈와 그 광학장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
렌즈란, 하나 이상의 광 파장 (수속 또는 발산) 포커싱할 수 있는 장치이다. 광이란, 가시 전자기 방사선과 전자기 방사선의 다른 파장을 모두 포함한다고 이해한다.
가변(또는 조절가능형) 렌즈는, 예를 들면 렌즈의 초점길이 또는 위치를 변경할 수 있도록, 상기 렌즈의 하나 이상의 특성을 제어할 수 있게 조절할 수 있는 렌즈이다.
DE 19710668에는, 도 1a 및 1b에 도시된 것처럼, 가변렌즈계(40)가 기재되어있다. 이 렌즈계(40)는, 유체(44)로 채워진 탄성 멤브레인(42)을 구비한다. 상기 멤브레인 내의 유체(44)의 압력은 펌프(46)에 의해 제어된다. 이 점선은 렌즈계(40)의 광축(90)을 나타낸다. 그 멤브레인(42)은, 가변렌즈로서 동작하되, 이 렌즈의 형상( 및 그에 따른 배율)은 상기 유체(44)의 압력에 따라 변화한다. 도 1a는 저압에서, 즉 멤브레인(42)이 쌍-오목렌즈를 형성하는 유체(44)를 나타낸다. 도 1b는 그 보다 고압에서, 멤브레인(42)이 쌍-볼록렌즈를 형성하는 유체(44)를 나타낸다.
상기 렌즈계는, 다수의 단점이 있다. 멤브레인 표면의 움직임으로 인해, 양호한 광학특성을 유지하기가 곤란하다. 또한, 기계적인 피로에 민감하다. 상기 렌즈의 형상의 제어는, 유체(44)의 압력에 의존할 뿐만 아니라, 멤브레인(42)의 탄성에도 의존한다. 따라서, 원하는 렌즈 형상의 범위를 얻는다는 것은, 특히 멤브레인(42)의 탄성이 시간에 따라 변하는 경우 문제점이 있다. 또한, 가요성 멤브레인은 보통 가스가 새어들어서, 시간에 따라 상기 장치로부터 유체가 증발하게 된다.
전기습윤장치에 의거한 가변 포커스 렌즈도 공지되어 있다. 전기습윤장치란, 전기습윤현상을 이용하여 동작하는 장치이다. 전기습윤에 있어서, 3상 접촉각은 인가된 전압에 따라 변경된다. 그 3상은 2개의 유체와 하나의 고체로 이루어진다.
국제특허출원 WO 99/18456호에는, 전기습윤 현상을 이용하는 가변 포커스 렌즈가 기재되어 있다. 도 2는 상기 대표적인 광학장치의 단면도이다. 이 장치는, 밀폐된 공간(92)(즉, 챔버 또는 캐비티)에 가두어진 2개의 비혼화성 유체(80,87)를 갖는다. 비혼화성이란, 그 2개의 유체가 혼합되지 않는다는 것을 나타낸다. 제 1 유체(80)는 절연체(예: 실리콘 오일)이고, 제 2 유체(87)는 전도체(예: 물과 에틸알콜의 혼합물)이다. 제 1 유체(80)와 제 2 유체(87)의 굴절률은 서로 다르다.
전압 공급부(50)로부터의 전압은, 2개의 전극(51,52)에 인가되어 제 1 유체(87)와 전극(52) 사이에서 전계를 생성할 수 있다(절연층(65)은 도전성 제 2 유체 와 제 2 전극(52)이 접촉하는 것을 막는다).
상기 제 2 유체(87)에 인가된 전압을 변화시킴으로써, 제 1 유체(80)와 제 2 유체(87) 사이의 인터페이스(85)의 형상은 변경되어, 그 인터페이스(85)에 의해 제공된 렌즈 기능을 변경한다. 도 1의 장치는, 제 1 유체(80)를 배치하도록 친수제(70)의 고리에 의해 둘러싸인 절연층(65) 위에 직경 D1인 방수막(60)을 갖는다.
또한, 상기 전기습윤렌즈는 많은 단점이 있다. 이를테면, 그 렌즈형상은 가변전압에 의해 정의되고, 그 렌즈 형상은 절연층의 임의의 비균일성에 영향을 받는다. 그 구성은, 인터페이스(85)의 형상을 변경하기 위해서 비교적 고전압을 필요로 한다. 또한, 절연층은, (특히 고전압으로) 충전하게 된다. 그 절연층이 동일하지 않게 충전되는 경우, 이것에 의해 접촉각이 동일하게 되지 않아, 비구면 렌즈가 될 것이다.
끝으로, 고정된 포커스 렌즈에 의한 문제가 있으므로, 동일한 형상의 렌즈를 유지하는 것이 바람직하지만, 그 렌즈의 위치를 간단히 변경하는 경우, 완성 장치는 예를 들면, 값비싼 액추에이터에 의해 기계적으로 이동하여야 한다. 이러한 이동은 정확히 제어하기가 곤란하고, 진동과 기계적인 마손에 민감할 수 있다.
본 발명의 실시예의 목적은, 여기에서 또는 기타에서 언급한 종래기술의 하나의 이상의 문제점을 해결하는 가변 렌즈를 제공하는데 있다. 또한, 본 발명의 목적은, 이 렌즈를 내장하는 광학장치와, 상기 렌즈와 상기 장치를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 특정 실시예의 목적은, 광 경로가 동작시에 기계적 마손에 비교적 민감하지 않지만, 그 렌즈 위치와 렌즈 포커스를 동시에 조절할 수 있는 가변 렌즈를 제공하는데 있다.
(본 발명의 요약)
제 1 국면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축을 갖고, 그 광축에 횡으로 연장되는 메니스커스 위에서 접촉하되 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다른 제 1 유체와 제 2 유체를 함유하며, 그 메니스커스의 둘레가 상기 측벽에 의해 속박되어 있는, 챔버와; 상기 광축을 따라 메니스커스의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프를 구비한, 가변렌즈를 제공한다.
2개의 유체들 사이의 메니스커스는 렌즈로서 동작하여서, 그 렌즈의 효과적인 위치는, 메니스커스를 이동시켜서 쉽게 조절될 수 있다. 렌즈의 광 경로 내에서 기계적 부품이 필요하지 않으므로, 광 경로는 기계적인 마손이 없다. 또한, 렌즈 형상은 전압을 변경하지 않아서, 상기 렌즈를 절연층의 두께 또는 조성물의 불균일성에 상관없게 한다. 고전압에서 절연층을 충전할 위험도 없다.
다른 국면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축을 갖고, 그 광축에 횡으로 연장되는 메니스커스 위에서 접촉하되 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다른 제 1 유체와 제 2 유체를 함유하며, 그 메니스커스의 둘레가 상기 측벽에 의해 속박되어 있는, 챔버와; 상기 광축을 따라 메니스커스의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프를 구비한 가변렌즈를 포함한 광학장치를 제공한다.
또 다른 국면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축을 갖는 챔버를 설치하는 단계와, 그 광축에 횡으로 연장되는 메니스커스 위에서 유체들이 접촉하도록 하되 그 메니스커스의 둘레가 상기 측벽에 의해 속박되어 있고, 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다른 제 1 유체와 제 2 유체를 상기 챔버 내에 제공하는 단계와, 상기 광축을 따라 메니스커스의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프를 설치하는 단계를 포함한, 가변렌즈 제조방법을 제공한다.
또 다른 국면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축을 갖고, 그 광축에 횡으로 연장되는 메니스커스 위에서 접촉하되 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다른 제 1 유체와 제 2 유체를 함유하며, 그 메니스커스의 둘레가 상기 측벽에 의해 속박되어 있는, 챔버와; 상기 광축을 따라 메니스커스의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프를 구비한, 가변렌즈를 설치하는 단계를 포함하는 광학장치 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적들 및 이점들을 첨부하는 청구항에서 제시된 것과 같은 바람직한 특징으로부터 명백해질 것이다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 보다 낳은 이해를 위해서, 그리고 본 발명의 실시예들이 어떻게 실시되는지를 나타내기 위해서, 아래의 첨부하는 다이어그램도를 예시에 의해서 참조하겠다:
도 1a 및 도 1b는 2개의 서로 다른 구성에서 개략적인 단면의 공지된 가변렌즈를 나타내고,
도 2는 공지된 형태의 전기습윤 가변렌즈의 개략적인 단면도,
도 3a 및 도 3b는 가변렌즈의 개략적인 단면과, 본 발명의 제 1 실시예에 다른 가변렌즈가 설치된 동등한 광학기능을 각각 나타내고,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가변렌즈의 개략적인 단면도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가변렌즈의 개략적인 단면도,
도 6a-도 6c는 본 발명의 서로 다른 실시예들의 측벽의 다른 단면의 예들을 나타내고,
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가변렌즈의 개략적인 단면도,
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 가변렌즈의 개략적인 단면도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가변렌즈를 구비한 광 기록매체를 주사하는 장치를 나타내고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가변렌즈를 구비한 가변 포커스 화상 포획 장치를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가변렌즈를 나타낸다. 렌즈(100)는, 2개의 별개의 구성요소: 즉 2개의 유체(130,140) 사이에 메니스커스(150)에서 제공한 렌즈 기능부와, 그 렌즈 기능부의 위치를 변경하도록 배치된 펌프(110)로 이루어진 것으로서 간주될 수 있다.
유체는, 그것의 형상을 어떠한 힘에 따라 변경하고, 그 챔버의 외형을 따라 흐르게 하거나 따라가게하며, 가스, 증기, 액체, 고체와 흐를 수 있는 액체와의 혼합물을 구비한 물질이다.
상기 2개의 유체(130,140)는, 실질적으로 비혼화성이다, 즉 그 2개의 유체는 혼합되지 않는다. 그 2개의 유체(130,140)의 굴절률은 서로 다르다. 그래서, 렌즈 기능부는, 유체들의 굴절률이 서로 다르므로, 2개의 유체의 접촉영역을 따라 형성된 메니스커스(150)에서 제공된다. 렌즈 기능부는, 메니스커스(150)가 광의 하나 이상의 파장을 포커싱(수속 또는 발산)하는 능력이다.
상기 2개의 유체는, 렌즈(100)에 미치는 중력의 영향을 최소화하도록, 실질적으로 동일한 밀도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 유체(130,140)는 챔버(125) 내에 넣어져 있다. 본 실시예에서, 상기 챔버(125)는 내부 표면 또는 측벽(120)에 의해 한정된 종방향으로 연장하는 튜브의 형태를 취한다. 광축은 그 튜브를 통해 종방향으로 연장된다. 이러한 특정한 예시에서, 상기 챔버는, 일정한 원형 단면영역을 갖는 원통형 튜브이고, 광축은 튜브 축과 동축이다. 또 다른 벽(121,122)은, 상기 유체를 넣은 챔버(125)를 형성하기 위해서 상기 튜브의 단부를 거쳐 연장된다. 상기 광축(90)을 따라 놓인 챔버(125)의 벽(121,122)의 적어도 일부는 투과적이다.
2개의 유체(130,140) 사이의 메니스커스(150)는, 렌즈(100)의 광축을 횡으로 연장되어 있다. 횡으로 라는 용어는, 메니스커스가 광축을 가로지르고(즉, 그것이 가로질러 연장되고), 메니스커스가 광축에 평행하지 않고, 즉 메니스커스(150)가 임의의 원하는 각도에서 광축(90)을 가로질러도 된다는 것을 나타낸다. 상기 메니스커스(150)의 둘레가 상기 챔버의 측벽(120)에 의해 한정되어 있다.
전형적으로, 상기 챔버(125)의 원하는 부분 내에 상기 유체(130,140)를 배치시키기 위해서, 상기 챔버의 서로 다른 영역의 유체마다 습윤성이 서로 다르고, 이러한 각 유체는 각각의 영역에 의해 흡인될 것이다. 습윤성은, 일 영역이 일 유체에 의해 젖은(덮인) 정도이다. 이를테면, 상기 유체 130이 극성 유체이고, 유체 140이 비극성 유체인 경우, 상기 벽(122)의 내부 표면은 극성 유체 130을 흡인하고 비극성 유체 140을 흡인하지 않도록 친수성이어도 된다.
상기 메니스커스(150)의 형상은, 내부 표면(120)과 메니스커스 에지와의 접촉각에 의해 결정된다. 따라서, 상기 메니스커스 형상은, 상기 표면(120)의 습윤성에 의존한다. 상기 설명된 메니스커스(150)는, (유체 130에서 보여진 것처럼) 볼록하지만, 메니스커스는 예를 들면 볼록, 오목 또는 실질적으로 평면과 같은 임의의 원하는 형상이어도 된다.
상기 유체로 채워진 챔버(125)에 접속된 펌프(110)는, 상기 챔버(125)에 및 이 챔버로부터 유체들의 하나 이상의 양을 펌핑하도록 구성된다. 본 특정 예시에서, 상기 펌프(110)는, 동시에 상기 유체 130의 용적을 증가시키고 상기 유체 140의 용적을 감소시켜(그리고 이와는 반대로), 상기 챔버(125) 내에 그 2개의 유체의 총 용적을 동일하게 유지한다. 그 결과, 메니스커스(150)는, 각각의 유체가 첨가됨에 따라 광축(90)을 따라 이동될 것이고, 예를 들면, 별도의 유체 130가 첨가되는 경우, 그 메니스커스는 점선 150'으로 나타낸 위치로 광축을 따라 거리 X를 이동한다. 이러한 특정 실시예에서, 메니스커스의 형상은, (표면(120)이 균일한 습윤성을 가지므로) 상기 이동에 의해, 광축(90)을 따라 상기 메니스커스의 위치만큼 변경되어 있지 않다.
도 3b는 상기 메니스커스(150)에서 제공한 효과적인 광 기능부를 나타내고, 즉 그것은 초점길이 f의 평 볼록 렌즈(160)를 갖는다. 다시 말하면, 상기 메니스커스(150)는 효과적으로 렌즈(160)의 기능을 제공하고, 이 기능은 (광축(90)에 평행한 방향으로 상기 렌즈에 입사되는) 평행한 광(170)을 상기 렌즈로부터의 거리 f에 있는 포커스(172)에 가져오게 한다.
상기 메니스커스가 이동될 경우(즉, 도 3a의 점선 150'으로 도시된 위치로 이동될 경우), 상기 렌즈의 효과적인 위치도 점선 160'으로 도시된 위치로 이동한다. 그 메니스커스(150, 150')의 형상이 동일하므로, 마찬가지로 그들은 동일한 동등한 렌즈 형상(160, 160')을 갖는다(그래서, 동일한 렌즈 특성, 즉 동일한 배율과 초점거리를 가질 것이다).
도 3a는 메니스커스가 위치 150으로부터 위치 150'까지 이동되는 경우, 왼쪽으로 거리 X만큼 변위된다는 것을 나타낸다. 마찬가지로, 동등한 렌즈 기능부(160')는 렌즈 기능부(160)의 왼쪽에 있을 것이다. 도 3b의 광선도가 진공 내에 동등한 기능부의 도면일 경우, 160'은 거리 Y만큼 160의 왼쪽에 있을 것이고, 이때 Y=X/n130, n130은 상기 유체 130의 굴절률이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가변렌즈(200)를 도시한 것이다. 동일한 참조번호는, 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 이전과 같이, 챔버는 측벽(120)으로 한정되어 있다. 상기 챔버는, 2개의 실질적으로 비혼화성 유체(130,140)가의 인터페이스를 형성하는 메니스커스(150)를 포함한다. 상기 광축(90)에 대한 메니스커스(150)의 위치는, 펌프에 의해 제어된다.
상기 렌즈(200)는, 본질적으로 동심형으로 놓인 원형 실린더(124)(예를 들면, 측벽(120)의 형태로 내부 표면을 갖는 내부 챔버)를 포함하는 원뿔형 실린더(123)(예를 들면, 외부챔버)에 해당한다. 그 실린더(124)는 원뿔형 실린더(123) 내에 있는 나머지 액체와 연결하는 개구를 갖는다. 본 실시예에서, 제 1 액체(130)는, 극성 또는 도전성 액체(예: 물, 또는 도전성을 증가시키기 위해 소금이 첨가된 물)이고, 유체(140)는 비도전성이다(예: 실리콘 오일 또는 알칸). 환상 전극(116)은, 그 전극을 덮는 절연층을 거쳐 상기 유체에 용량적으로 연결되어도 되지만, 상기 제 1 유체(130)와 전기적으로 접촉하는 것이 바람직하다. 상기 원통형 전극(114,112)은, 전기적 절연층(113)으로 덮여 있다.
대다수의 상기 장치(200)의 내부 표면은, 유체 130에 의해 선택적으로 젖은 상기 벽(122)과 전극(116)을 덮는 표면들과는 별도로, 유체 140에 의해 선택적으로 젖은 재질의 층으로 덮여 있다. 이를테면, 130이 물인 경우, 그 벽(122)과 전극(116)을 덮는 표면들은 친수성이어서, 물을 흡인하고 물의 용적을 정확한 위치에 위치시킨다. 상기 장치의 나머지 내부 표면은 소수성이다.
전기습윤을 사용하여 2개의 실린더(123,124) 사이의 공간에 있는 메니스커스(152)의 곡률반경을 증가시킬 수 있다. 이는, 전극 116과 전극 112,114 사이에 전압을 인가하여 이루어질 수 있다(필요한 경우, 동일한 전위를 전극 112,114에 인가할 수 있다).
라플라스의 법칙에 의하면, 액체 내의 압력은, 액체들간의 인터페이스의 곡률반경에 의존한다. 양쪽의 액체가 실린더 내에 가두어지면, 압력의 변경으로 흐르지 않게 된다. 그러나, 본 특정 실시예에서처럼, 상기 실린더(124)의 양단은, 폐쇄 루프를 구성하도록 상호연결되고, 액체가 흐를 수 있게 된다. 이러한 액체 흐름은, 2개의 유체들간의 메니스커스(150)의 위치를 변경시킬 수 있다. 상기 메니스커스(150)의 변환은, 렌즈의 위치에 변환으로서 간주될 수 있으므로, 포커스 액션을 얻는데 사용되어도 된다.
2개의 실린더(123,124) 사이의 메니스커스(152)의 반경의 증가에 의해, 메니스커스 상의 압력차가 감소하게 될 것이다. 따라서, 액체(130,140)는, 메니스커스(152)의 반경을 감소시키도록 이동될 것이고, 즉 실린더(123,124) 사이의 공간이 보다 작은 방향(즉, 도 4에 도시된 의미에서 위쪽으로) 이동될 것이다. 액체들간의 인터페이스(152)는, 상기 실린더(123,124) 사이의 공간이 원래의 반경으로 복원되기에 충분히 작을 때까지 계속 이동할 것이다. 상기 유체(130,140)의 총 용적이 렌즈 내에서 일정하므로, 메니스커스 152의 상향 이동은 표면(120)에 의해 한정된 챔버 내에 메니스커스 150의 하향 이동에 대응하게 될 것이다. 상기 메니스커스(150)가 광축(90)을 따라 있으므로, 이것은 메니스커스(150)에서 제공한 렌즈의 효과적인 위치의 변경에 해당한다. 이러한 특정 예시에 있어서, 상기 표면(120)은 실질적으로 광축에 평행하고, 그에 따라서 렌즈 기능부는 위치에 있어서만 변경하는 것과 는 달리, 상기 렌즈의 특성을 변경시키지 않을 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 상기 구조는, 일반적으로 도 4에 도시된 것과 동일하지만, 이러한 특정 실시예에서 렌즈 형성 메니스커스는 표면 120에 의해 한정된 원뿔형 챔버 내에 한정되는 반면에, 압력을 발생하는 메니스커스(152)는 평행한 벽들 사이에 한정된다.
렌즈 300의 동작원리는, 일반적으로 렌즈 200와 동일하다. 따라서, 전기습윤현상은 메니스커스 152의 곡률반경을 변경하는데 사용되어, 메니스커스 150의 위치를 연속적으로 변경하게 된다. 그러나, 이러한 특정 실시예에서, 상기 메니스커스(150)의 반경은, 위치의 함수로서 변화한다, 즉 메니스커스가 (도 5에 도시된 의미에서) 하향 이동되면 그 렌즈의 반경이 증가하여, 렌즈 강도가 감소하게 된다. 따라서, 이러한 특정 렌즈(300)의 설계에 의해, 상기 렌즈 기능부의 강도 및 위치 모두를 동시에 변화시킬 수 있다. 위치와 렌즈 강도의 변동은, 적절한 설계 선택에 의해, 즉 광축(90)에 대해 상기 챔버의 표면(120)의 경사각을 제어함으로써 제어될 수 있다.
바람직하게는, 도 4 및 도 5에 도시된 장치에서, 원뿔형 실린더의 경사각은 광축(90)에 관련하여 비교적 작다(예: 10도 미만, 더 바람직하게는 5도 미만). 다시 말하면, 원뿔형 실린더는, 거의 직선 실린더이다. 이것의 이점은, 작은 전압 변동으로 메니스커스의 변위를 작게 하여 곡률의 변경을 보상할 것이라는 것이다. 따라서, 경사각이 작은 것은 기능하기 위해서 비교적 낮은 전압을 요구하는 장치를 제공한다.
원하는 경우, 상기 실린더의 표면은 모두가 서로에 대해 평행하여도 된다(예를 들면, 광축에 평행한 양쪽의 원형 실린더). 이러한 예에서, 비안정 평형은 2개의 메니스커스 사이(즉, 메니스커스 150과 메니스커스 152 사이)에서 일어날 것이다. 그러나, 광학 메니스커스(150)는, 피드백 시스템을 사용하여 위치에 있어서 유지되고, 그 전기습윤현상을 이용하여 필요한 경우 메니스커스 152를 이동시켜 메니스커스 150의 위치를 유지한다.
또한, 상기 실린더들 중의 하나의 경사각이 비교적 큰 경우(예: 광축에 대해 45도 내지 60도), 전압의 비교적 큰 변경은 메니스커스의 큰 변위를 제공하는데 필요할 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 이것에 의해, 메니스커스의 위치를 보다 정확하게 배치할 수 있다.
상기 실시예들은, 예시에 의해서만 제공되고, 각종 다른 설계가 본 발명의 범위에 속할 것이라는 것을 알 수 있을 것이다.
이를테면, 상기 실시예들에서, 측벽(120)에 의해 한정된 챔버는, 원형 단면을 갖는다고 가정한다. 그러나, 그 챔버는, 실제로 임의의 원하는 단면, 즉, 정사각형, 직사각형, 원형 또는 타원형의 단면일 수 있다. 그 단면은 광축(90)에 관하여 대칭적일 필요는 없다.
마찬가지로, 챔버를 구성하는 표면(120)은 광축(90)에 대해 소정의 각도로 경사지거나, 광축(90)에 평행하다고 가정한다. 그러나, 상기 표면에서의 임의의 원하는 방위 또는 변경을 이용할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이를테면, 도 6a는 챔버를 구성하는 표면(120a)의 단면도를 나타내고, 상기 광축(90)에 대한 표면의 경사각이 광축에 따른 위치에 따라 변화하고, 즉 그 표면(120a)의 단면은 만곡되어 있다.
도 6b는 챔버를 구성하는 표면(120b)의 일부분이 광축에 대해 경사지고, 그표면의 일부분이 광축에 대해 실질적으로 평행한 또 다른 구성을 나타낸 것이다.
도 6c는 상기 표면들이 초기에 광축으로부터의 소정의 거리에 있고, 그 표면들이 광축을 따른 거리로 광축을 향해 경사지고 광축으로 경사지게 떨어져 있는, 챔버를 형성하는 표면(120c)의 또 다른 구성을 나타낸 것이다.
여러 가지 타입의 펌프는, 펌프(110)로서 사용되어도 된다. 이를테면, 국제특허출원 WO 02/069016에는, 예를 들면 전기 모세관의 차동압력 전기 모세관 현상, 전기습윤, 연속적인 전기습윤, 전기영동, 전기삼투, 유전영동, 일렉트로하이드로다이내믹 펌핑, 열 모세관, 열 팽창, 유전 펌핑, 또는 가변 유전 펌핑으로 이동될 수 있고, 이것의 임의의 것을 사용하여 펌프(110)에서 필요로 하는 펌프동작을 제공한다. 이와는 달리, 기계적 펌프도 사용될 수 있다.
본 발명의 가변렌즈는, 렌즈를 필요로 하는 임의의 광학장치의 일부를 구성할 수 있거나, 실제로 상술한 렌즈부재는 보다 큰 렌즈 조립체의 일부를 구성하여도 된다.
이를테면, 줌렌즈 내의 렌즈군 중 적어도 하나는, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 포함한다. 줌렌즈는, 고정된 초점면을 유지하면서 초점길이를 연속적으로 가변하는 (전형적으로 카메라 렌즈) 렌즈로, 그 피사체의 가변 배율을 제공한다. 보통, 줌렌즈는, 2개의 독립적인 가변렌즈군으로 이루어진다.
상기 실시예들에서, 챔버의 표면(120)은 실질적으로 균일한 습윤성을 갖는다고 가정하였다. 그러나, 필요한 경우 상기 표면(120)의 습윤성은, 능동적으로(예: 광축을 따른 거리에 따라 변화하는 습윤성의 코팅을 가짐으로써) 변화될 수 있거나, 상기 전기습윤 현상을 사용하여 표면(120)과 접촉하여 메니스커스(150)의 접촉각을 변경시킴으로써 변화될 수 있다. 이러한 현상은, 렌즈의 곡률반경을 변경함으로써 렌즈 길이를 원하는 길이까지 변경하는데 사용될 수 있다. 이 렌즈는 줌렌즈로서 사용될 수 있음과 아울러, 그 렌즈의 광학배율은 별도로 조절될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈 500을 나타낸 것이다. 그 렌즈 구조는, 일반적으로 도 4에 도시된 렌즈 200과 동일하다. 그러나, 별도의 전극(이러한 예에서는 원통형 전극(514))은 전기습윤 현상을 이용하도록 설치되어 표면(120)과 접촉하여 메니스커스(150)의 접촉각을 변경시켰다. 그 전극(514)은, 절연체(예를 들면, 표면(120))로 덮여 있다. 이것에 의해 메니스커스 150의 반경은 메니스커스 152의 반경과 따로따로 변화될 수 있다. 따라서, 메니스커스(150)에서 제공한 렌즈 기능부의 반경과 위치 모두는 전극들 112/114간의 전압과, 전극 116과 514간의 전압을 제공하여 제어가능하게 변경될 수 있다. 이를테면, 메니스커스(150)의 위치와 형상은, 점선 150"으로 도시된 위치와 형상으로 변경될 수 있을 것이다. 그래서, 렌즈의 초점거리를 메니스커스(150)의 곡률을 변경하여서 변화시키는 것이 가능해지고, 또한 메니스커스(150)의 위치를 이동시킴으로써 계속 피사체를 포커스에 유지하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 하나의 가변 인터페이스만을 통해 광을 통과시키도록 줌렌즈가 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈(600)를 도시한 것이다. 일반적으로, 렌즈 형상은 도 5에 도시된 렌즈(300)와 유사하고, 상기 표면(120)의 바로 밑에 여분의 전극(614)을 추가한 것이다. 원뿔형 전극(614)은, 상기 인터페이스(120)와 메니스커스(150)의 접촉각을 변경하도록 배치된다. 이러한 특정 실시예에서, 상기 메니스커스(150)의 반경(및 그에 따라 메니스커스에서 제공한 렌즈 기능부의 반경)은, 전극(614)의 전압에 의존할 뿐만 아니라, 메니스커스(150)의 위치에도 의존한다. 상기 메니스커스(150)가 하향이동되는 경우, 그 반경( 및 그와 동시에 렌즈 강도)는 감소될 것이다. 상기 표면(120)의 특정 경사각에 대해서, 하나의 전압만을 변경하여서 줌인 또는 줌아웃을 하면서 피사체를 포커스에 맞추는 것이 가능해진다.
본 발명의 실시예에 따른 렌즈들은, 다양한 애플리케이션 및 장치에서 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가변 포커스 렌즈로 이루어진 대물렌즈계(18)를 구비한 광 기록매체(2)를 주사하는 장치를 도시한 것이다. 상기 기록매체는, 투명층(3)과, 이 투명층의 일측면에 배치된 정보층(4)을 구비한다. 상기 투명층으로부터 떨어지게 대향하는 정보층의 측면은, 보호층(5)에 의해 환경적인 영향으로부터 보호된다. 상기 장치에 대향하는 투명층의 측면을 입사면(6)이라고 부른다. 상기 투명층(3)은, 정보층을 기계적으로 지지하는 기록매체용 기판으로서 동작한다.
이와는 달리, 상기 투명층은, 정보층을 보호하는 유일한 기능을 갖고, 상기 기계적인 지지는, 정보층의 타측면의 층, 이를테면, 보호층(5)에 의해 또는 또 다른 정보층 및 그 정보층(4)에 접속된 투명층에 의해 제공된다.
정보는, 도면에 도시되지 않은 거의 평행하고 동심형 또는 나선형 트랙들에 배치된 광학적으로 검출가능한 마크들의 형태로 기록매체의 정보층(4)에 저장되어도 된다. 상기 마크들은, 임의의 광학적으로 판독가능한 형태, 예를 들면, 피트의 형태, 또는 반사계수 또는 주위와 서로 다른 자화방향을 갖는 영역의 형태, 또는 이들 형태들의 조합형태이어도 된다.
상기 주사장치(1)는, 방사빔(12)을 방출할 수 있는 방사원(11)을 구비한다. 이 방사원은, 반도체 레이저이어도 된다. 빔 스플리터(13)는, 발산 방사빔(12)을 시준렌즈(14)로 반사시켜, 시준렌즈는 그 발산빔(12)을 시준 빔(15)으로 변환한다. 상기 시준빔(15)은, 대물계(18)에 입사된다.
대물계는, 하나 이상의 렌즈 및/또는 격자를 구비하기도 한다. 대물계(18)는, 광축(19)을 갖는다. 대물계(18)는 상기 빔(17)을 기록매체(2)의 입사면(6)에 입사되는 수속빔(20)으로 변경한다. 대물계는, 투명층(3)의 두께를 통과한 방사빔의 통과를 위해 변경된 구면수차를 보정한다. 상기 수속빔(20)은, 그 정보층(4) 위에 스폿(21)을 형성한다. 정보층(4)에서 반사된 방사선은, 발산빔(22)을 형성하고, 대물계(18)에 의해 실질적으로 시준된 빔(23)으로 변환되고서 시준렌즈(14)에 의해 수속빔(24)으로 변환된다. 상기 빔 스플리터(13)는, 상기 수속빔(24)의 적어도 일부를 검출계(25)를 향해 투과하여서 전방향 빔과 반사된 빔으로 분리된다. 이 검출계는, 그 방사선을 포획하여 전기 출력신호(26)로 변환시킨다. 신호 처리기(27)는, 이들 출력신호를 다양한 다른 신호들로 변환시킨다.
상기 신호들 중 하나는 정보신호(28)가 있고, 그 정보신호의 값은 정보층(4)으로부터 판독된 정보를 나타낸다. 상기 정보신호는, 오류정정용 정보처리부(29)에 의해 처리된다. 상기 신호처리기(27)로부터의 다른 신호들은, 포커스 오차신호와 반경방향 오차신호(30)이다. 상기 포커스 오차신호는, 상기 스폿(21)과 정보층(4)사이의 높이에 있어서 축방향 차이를 나타낸다. 상기 반경방향 오차신호는, 스폿(21)과, 그 스폿이 따라가게 되는 정보층에서의 트랙의 중심 간의 정보층(4)의 평면에서의 거리를 나타낸다. 상기 포커스 오차신호와 반경방향 오차신호는, 서보회로(31)에 공급되어, 이 서보회로는 이들 신호들을 포커스 액추에이터와 반경방향 액추에이터를 각각 제어하기 위한 서보 제어신호들(32)로 변환한다. 상기 액추에이터는 도면에 도시되어 있지 않다. 상기 포커스 액추에이터는, 포커스 방향(33)으로 대물계(18)의 위치를 제어하여서, 실질적으로 정보층(4)의 평면과 거의 일치하도록 실제적인 스폿(21)의 위치를 제어한다. 상기 반경방향 액추에이터는, 반경방향(34)으로 대물렌즈(18)의 위치를 제어하여서, 정보층(4)에서 뒤따라가게 되는 트랙의 중심선과 거의 일치하도록 스폿(21)의 반경방향 위치를 제어한다. 도면에서의 트랙들은, 도면의 면에 수직한 방향으로 움직인다.
상기 특정 실시예의 도 9의 장치는, 기록매체(2)보다 두꺼운 투명층을 갖는 또 하나의 형태의 기록매체를 주사하도록 구성된다. 이 장치는, 상기 방사빔(12) 또는, 또 하나의 형태의 기록매체를 주사하기 위해 파장이 서로 다른 방사빔을 사용하여도 된다. 이 방사빔의 NA는 기록매체의 형태에 따라 변경되어도 된다. 이에 따라서, 대물계의 구면수차 보상은 변경되어야 한다.
이를테면, 이중층 DVR(Digital Video Recording) 디스크에서, 2개의 정보층의 깊이는 0.1mm 및 0.08mm이고, 그래서, 이 정보층들은 전형적으로 0.02mm만큼 떨어져 있다. 일층에서 또 다른 층으로 포커싱하는 경우, 정보층 깊이 차로 인해, 약 200mλ의 원하지 않는 구면수차가 일어나서, 보상될 필요가 있다. 이는, 구면수차를 제거하도록 구면수차를 대물계(18)에 도입함으로써 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 구면수차는 대물계(18)에 입사된 빔(15)의 시준을, 본 발명에 따른 가변 렌즈를 사용하여 변경함으로써 대물계(18)에 도입된다. 이러한 가변렌즈는 상기 빔(15)의 광 경로 내에 있는 별도의 장치로서 포함될 수 있거나, 상기 가변렌즈는 렌즈(14)의 일부(예를 들면, 렌즈(14)는 복합렌즈임)를 구성할 수 있다. 가변렌즈 내의 메니스커스의 위치를 변화시킴으로써, 상기 빔(15)은, 평행한 것에서 벗어나 필요한 경우 약간 수속 또는 발산되어, 원하는 구면수차를 일으킨다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈를 구비한 가변 포커스 화상 포획장치(400)를 나타낸 것이다.
이 장치(400)는, 표면(120)을 갖는 원통형 튜브와, 리지(ridged) 프론트 렌즈(404) 및 리지 리어 렌즈(406)로 이루어진 복합 가변 포커스 렌즈를 구비한다. 2개의 렌즈와 튜브로 둘러싸인 간격은, 원통형 유체 챔버(125)를 형성한다. 상기 유체 챔버(125)는, 제 1 및 제 2 유체(130,140)를 보유한다. 이 2개의 유체는, 메니스커스(150)를 따라 접촉한다. 이 메니스커스는, 이전에 설명된 것처럼, 펌프(422)에 의해 상기 챔버에 공급된 각 유체의 각각의 용적에 따라, 가변 위치에 의한 메니스커스 렌즈를 구성한다.
상기 프론트 렌즈(404)는 폴리카보네이트 또는 순환 올레핀 공중합체(COC) 등의 고굴절 플라스틱으로 이루어지고, 포지티브 배율을 갖는 볼록-볼록 렌즈이다. 상기 프론트 렌즈의 표면의 적어도 하나는, 원하는 초기의 포커싱 특징을 제공하도록 구형이다. 상기 리어 렌즈부재(406)는, COC 등의 저분산 플라스틱으로 형성되고 필드 플래트너(flattener)로서 동작하는 구면렌즈 표면을 구비한다. 상기 리어 렌즈부재의 다른 면은, 평탄한 면, 구면 또는 비구면이어도 된다.
눈부심 조리개(416)와 개구 조리개(418)는, 렌즈의 앞쪽에 부가된다. CMOS(Complimentary Metal oxide Semi-Conductor) 센서 어레이 등의 픽셀로 된 화상 센서(420)는, 렌즈 뒤의 센서 면에 놓인다.
상기 펌프(422)는, 화상 신호들의 포커스 제어처리에 의해 얻어진 포커스 제어신호에 따라 상기 렌즈를 구동하여, 무한대와 10cm 사이의 피사체 범위를 제공한다.
상기 프론트 렌즈부재(404)는, 상기 챔버와 단일 몸체로서 형성되는 것이 바람직하고, 이때의 챔버는 리어 렌즈(406)에 의해 닫혀져 밀봉부를 형성한다. 제 2 렌즈부재(406)는 도 8에 도시된 것과 관계하여 연장되어도 되고, 상기 렌즈부재(406)의 상기 평탄한 리어 표면은 각도가 있는 바람직하게는 45도의 각도를 이루는 미러 표면으로 대체되어, 렌즈의 크기를 줄이기 위해서 렌즈 아래에 상기 화상 센서(420)가 설치될 수 있다.
프론트 렌즈(404)와 리어 렌즈(406)의 내부 표면은, 보호층으로 피복되어 유체(130, 140)로 렌즈를 만드는 재료의 불화합성을 막을 수도 있다. 또한, 이 보호층은 반사방지 특성을 갖기도 한다.
상기 예시에 의해서, 본 발명의 실시예들에서, 가변렌즈는, 효과적인 렌즈의 위치를 메니스커스를 이동시켜서 쉽게 조절할 수 있도록 구성되어 있다. 상기 렌즈의 챔버의 표면의 적절한 설계에 의해서, 상기 렌즈의 형상( 및 그에 따른 초점 길이)은, 렌즈가 이동될 때마다 동시에 조절되기도 한다. 광 경로 내에 기계적인 부품이 필요하지 않으므로, 광 경로는 기계적인 마손이 없다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축(90)을 갖고, 그 광축(90)에 횡으로 연장되는 메니스커스(150) 위에서 접촉하되 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다른 제 1 유체(130)와 제 2 유체(140)를 함유하며, 그 메니스커스의 둘레가 상기 측벽(125)에 의해 속박되어 있는, 챔버(125)와,
    상기 광축(90)을 따라 메니스커스(150)의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프(110;112,114,116,152;422)를 구비한 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프(110;112,114,116,152;422)는, 전기 모세관의 차동압력 전기 모세관 현상, 전기습윤, 연속적인 전기습윤, 전기영동, 전기삼투, 유전영동, 일렉트로하이드로다이내믹 펌핑, 열 모세관, 열 팽창, 유전 펌핑, 또는 가변 유전 펌핑 중 하나를 사용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600).
  3. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버(125)의 내부 인터페이스(120)의 습윤성은, 종방향으로 변화하는 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600).
  4. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버(125)의 내부 인터페이스(120)의 습윤성은, 전기습윤현상에 의해 제어가능하게 변경되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600).
  5. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버(125)의 단면은 원형인 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600).
  6. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버(125)의 내부 표면(120)을 한정하는 상기 측벽들 중 적어도 하나는, 광축(90)에 평행하지 않는 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600).
  7. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈는 줌렌즈인 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600).
  8. 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축(90)을 갖고, 그 광축(90)에 횡으로 연장되는 메니스커스(150) 위에서 접촉하되 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다른 제 1 유체(130)와 제 2 유체(140)를 함유하며, 그 메니스커스의 둘레가 상기 측벽에 의해 속박되어 있는, 챔버(125)와,
    상기 광축(90)을 따라 메니스커스(150)의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프(110;112,114,116,152;422)를, 구비한 가변렌즈(100;200;300;500;600)를 포함한 것을 특징으로 하는 광학장치(1;400).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 장치는 광 기록매체(2)의 정보층(4)을 주사하는 광학주사장치(1)이고, 이 장치는, 방사빔(12,15,20)을 발생하는 방사원(11)과, 그 방사빔을 정보층(4) 상에 수속하는 대물계(18)를 구비한 것을 특징으로 하는 광학장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 장치는 가변 포커스 화상 포획장치(400)인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  11. 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축(90)을 갖는 챔버(125)를 설치하는 단계와,
    유체들(130, 140)이 그 광축(90)에 횡으로 연장되는 메니스커스(150) 위에서 접촉하고, 상기 메니스커스(150)의 둘레가 상기 측벽(125)에 의해 속박되어 있고, 상기 유체들(130,140)이 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다르게 하도록, 상기 제 1 유체(130)와 제 2 유체(140)를 상기 챔버(125) 내에 설치하는 단계와,
    상기 광축(90)을 따라 메니스커스의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프(110;112,114,116,152;422)를 설치하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 가변렌즈(100;200;300;500;600) 제조방법.
  12. 적어도 하나의 일측벽에 의해 한정되고 챔버를 통해 종방향으로 연장되는 광축(90)을 갖고, 그 광축(90)에 횡으로 연장되는 메니스커스(150) 위에서 접촉하되 실질적으로 비혼화성이고 굴절률이 서로 다른 제 1 유체(130)와 제 2 유체(140)를 함유하며, 그 메니스커스(150)의 둘레가 상기 측벽(90)에 의해 속박되어 있는, 챔버(125)와,
    상기 광축을 따라 메니스커스의 위치를 상기 챔버 내에 함유된 상기 유체들 각각의 상대적인 용적을 변경하여서 제어가능하게 변경하도록 배치된 적어도 하나의 펌프(110;112,114,116,152;422)를, 구비한 가변렌즈를 설치하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 광학장치(1;400) 제조방법.
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