KR20170042659A - 매크로 렌즈 - Google Patents

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KR20170042659A
KR20170042659A KR1020177006489A KR20177006489A KR20170042659A KR 20170042659 A KR20170042659 A KR 20170042659A KR 1020177006489 A KR1020177006489 A KR 1020177006489A KR 20177006489 A KR20177006489 A KR 20177006489A KR 20170042659 A KR20170042659 A KR 20170042659A
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숀 제이. 맥카퍼티
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탠텀 옵틱스 엘엘씨
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Abstract

제 1 및 제 2 개별 렌즈들을 포함하는 원근조절 (리포커싱가능한) 매크로 렌즈 시스템은 광축에 따라 순차적으로 배치되는 제 1 및 제 2 광학 부분들을 가진다. 매크로 렌즈의 광출력의 변화는 매크로 렌즈 하우징의 일부분과 작동가능하게 연결되거나 그 일부분을 형성하는 외부 컴프레서에 의해 렌즈들에 축방향으로 적용되는 힘에 응답하여 렌즈들 사이에서 평탄화된 접촉 영역을 변화시킴으로써 발생한다. 본 발명은 이 매크로 렌즈 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것이다.

Description

매크로 렌즈 {MACRO LENS}
관련 출원에 대한 상호 참조
[0001] 본 국제 특허 출원은 2014년 8월 8일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2014/050318으로부터의 우선권을 주장한다. 본 국제 출원은 또한 2014년 11월 6일 출원된 미국 가특허 출원 제 62/076,303호 및 2014년 12월 18일 출원된 제 62/093,909호로부터의 우선권을 주장한다.
[0002] 각각의 이전에 언급된 특허 문헌들의 개시는 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0003] 본 발명은 줌 렌즈 시스템들에 관한 것이며, 그리고, 특히, 특정 경우의 축 방향 부분이 편장형 비구면으로 성형될 수 있는 시스템의 구성 렌즈의 표면의 축 방향 부분의 평탄화의 결과로써 연속적으로 변경되는 그 유효 초점 거리를 가지도록 구성되는 멀티-렌즈 매크로 렌즈 시스템에 관한 것이다.
[0004] 본 발명은 일반적으로 실척에 따르지 않은 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1의 (a), (b), (c)는 종래의 줌 매크로 렌즈에 대한 개략도를 제공한다;
도 2의 (a) 및 (b)는, 압평(applanation)이 시스템의 마주보는(mutually-facing) 내부 표면들에 의해 발생되지 않을 때, 가변-초점 렌즈 시스템의 일 실시예에 대한 측면도 및 정면도로 예시되는 다이아그램들이다;
도 3의 (a) 및 (b)는, 실시예의 개별 렌즈들의 어레이가 축방향으로 압축된 후에(즉, 축선을 따라 압축됨), 도 2a, 도 2b의 실시예에 대한 측면도 및 정면도를 예시한다;
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 4f는 실시예의 구성 렌즈들의 각각의 다른 표면들에 접촉하는 평탄화 정도의 함수로서 본 발명의 일 실시예의 작동 특성들에서의 변화들을 나타내는 데이터를 요약한다.
도 5는 실시예의 구성 렌즈들에 대해 축방향으로 적용되는 압축력의 함수로서 매크로 렌즈의 일 실시예의 광출력의 변화의 상관성(dependence)을 도시하는 플롯(plot)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 개략적으로 묘사하는 흐름도(flow-chart)이다;
도 7a 및 도 7b는 실시예의 구성 렌즈들의 각각 다른 표면들에 접촉하는 평탄화 정도의 함수로서 (3 개의 구성 렌즈들을 포함하는) 본 발명의 관련된 실시예의 작동 특성의 변화들을 나타내는 데이터를 요약한다.
도 8의 (a) 및 (b)는 (갭에 의해 서로로부터 분리되는) 렌즈들의 전방 서브시스템 및 렌즈들의 후방 서브시스템을 포함하는 가변-초점 렌즈 시스템의 관련된 실시예를 측면도 및 정면도로 예시하는 도면들이며, 이의 초점 길이들은 본 발명의 실시예에 따라 개별적으로 조절가능하다;
도 9a는, 전방 서브시스템이 포지티브 광출력을 가지며, 후방 서브시스템이 네거티브 광출력을 가지며, 그리고 전방 및 후방 서브시스템들이 서로에 대해 갈릴레이(Galilean) 구성으로 공간적으로 협력되는 때의 경우에, 도 8a 및 도 8b의 실시예의 렌즈들의 전방 및 후방 서브시스템들의 초점 길이들을 나타내는 플롯들을 포함한다.
도 9b는, 전방 및 후방 서브시스템들 양자 모두가 상응하는 포지티브 광출력들을 가지며, 그리고 전방 및 후방 서브시스템들이 서로에 대해 케플러(Keplerian) 구성으로 공간적으로 협력되는 때의 경우에, 도 8a 및 도 8b의 실시예의 렌즈들의 전방 및 후방 서브시스템들의 초점 길이들을 나타내는 플롯들을 포함한다.
도 10a 및 도 10b는 2 개의 상이한 작동 지점들에서 도 9b의 실시예를 나타내는 Zemax 데이터를 나타낸다;
도 11은 도 8a 및 도 8b의 실시예의 작동을 위한 방법을 개략적으로 묘사하는 흐름도이다;
[0005] 실시예들은, (i) 제 1 광출력을 갖는 제 1 렌즈릿 및 제 1 렌즈렛의 투명한 개구를 규정하는 제 1 회전 대칭 광학 부분, 및 (ii) 제 2 광출력을 갖는 제 2 렌즈릿 및 제 2 렌즈릿의 투명한 조리개를 포함하는 가변-초점-길이 매크로 렌즈 시스템을 제공하여, 상기 제 1 및 제 2 렌즈릿은 축 방향에서 그 표면들 사이의 접촉부를 규정하기 위해 동축으로 배치된다. 시스템은, 축 방향의 지점을 중심으로 상기 표면들 중 하나 이상의 표면을 제 1 및 제 2 렌즈릿들 중 하나 이상의 하나의 표면을 압평하는(applanating) 힘으로 적용되는 모션의 전달을 위한 수단을 또한 포함하여, 해당의 표면의 압평의 영역은 어느 정도의 이러한 모션에 의존한다. 시스템에는 제 1 및 제 2 렌즈릿들을 봉입하고 모션의 전달의 수단과 기계식으로 협력하는 하우징 유닛이 형성될 수 있으며, 이는, 특정 경우에, 하우징에 대해 내부적으로 이동가능한 피스톤을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈 시스템은, 상기 수단에 의해 제 1 및 제 2 표면들 중 하나 이상의 표면에 이동되는 논-제로(non-zero) 힘에 응답하여, 서로 상호작용하는 제 1 렌즈릿의 제 1 표면 및 제 2 렌즈릿의 제 2 표면을 가지도록 구성되어서, 각각의 압평된 영역들을 규정하기 위해 다른 하나를 상호적으로 압평시키며, 이 압평된 영역들의 직경들은 모션의 이동을 위한 수단에 의해 형성된 이러한 논-제로 힘으로의 증가만큼 점진적으로 증가한다. 특정 경우에서, 제 1 및 제 2 표면들 중 임의의 표면들의 압평된 영역의 직경에서의 증가의 프로세스는 이러한 힘의 증가에 응답하며, 압평된 영역의 직경에서의 변경들에 의해 유발되는 렌즈 시스템의 광 수차들(aberration)은 최소화된다.
[0006] 특정한 경우에, 본 발명의 매크로 렌즈는 제 1 및 제 2 렌즈들과 동축으로 배치되고 제 2 렌즈에 의해 제 1 렌즈로부터 분리되는 제 3 렌즈를 또한 포함하며, 제 3 렌즈는 광축 상에서 중심이 있는 편장형(prolate) 비구면(aspheric) 표면을 가진다. 매크로 렌즈의 이러한 특정 구현예는 2 개의 그룹들의 렌즈들을 포함하며, 여기서 제 1 및 제 2 그룹들의 렌즈들은 갭에 의해 서로로부터 분리된다. 제 1 그룹은 제 1 및 제 2 렌즈들을 포함하며, 제 2 그룹은 제 3 렌즈(그리고 선택적으로 추가의 렌즈들, 예컨대 제 4 렌즈, 제 5 렌즈들 등)를 포함한다. 이러한 특정한 매크로 렌즈에는 제 2 그룹의 렌즈들과의 작동가능한 협력 상태에 있는 제 2 리포지셔닝가능한(repositionable) 엘리먼트가 형성된다. 제 2 리포지셔닝가능한 엘리먼트는 제 2 리포지셔닝가능한 엘리먼트의 모션에 응답하여 제 3 렌즈의 표면의 곡률을 변화시키도록 구성된다. 매크로 렌즈의 이러한 특정한 구현예에서, 매크로 렌즈는, 매크로 렌즈의 광출력의 변경의 범위에 걸쳐 실질적으로 일정한 매크로 렌즈의 후방 초점 거리를 유지하면서, 제 1 그룹의 렌즈들의 초점을 만들도록 치수결정될 수 있다. 제 1 그룹의 렌즈들은 포지티브 광출력을 가질 수 있는 반면, 제 2 그룹의 렌즈들은 네거티브 광출력을 가진다. 대안적으로, 제 1 및 제 2 그룹들의 렌즈들의 각각은 상응하는 포지티브 광출력을 가질 수 있다(반면, 선택적으로 제 2 그룹의 렌즈들은 제 3 렌즈의 반사율보다 더 큰 반사율을 갖는 유체 내에 잠김(submerged)).
[0007] 본 발명의 실시예들은 (i) 위에서 언급된 바와 같은 매크로 렌즈 시스템 및 제 1 그룹의 렌즈들과 광 통신하고 제 2 그룹의 렌즈들에 의해 제 1 그룹의 렌즈들로부터 분리된 광 검출기를 포함하는 광학 카메라 및 (ii) 매크로 렌즈의 작동을 위한 방법을 또한 제공한다.
[0008] 가변-초점 렌즈 시스템에 대한 요구들은 매우 많고, (예를 들어, 품질 제어의 목적을을 위해 사용되는 이미징 시스템에서와 같은) 광 엔지니어링에서의 사용들로부터 포토그래피의 범위에 이른다.
[0009] 이를 위하여, "하나의 실시예" 또는 "일 실시예", "관련된 일 실시예" 또는 유사 표현에 대한 이러한 명세서 전체에 걸친 인용들은, "실시예"로서 지칭되는 것으로 연결되어 설명되는 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 명세서 전체에 걸친 다양한 위치들에서의 용어들 "일 실시예에서", "실시예에서" 및 유사 표현은 반드시 모두가 동일한 실시예를 지칭하지는 않을 수 있다. 그 자체로 그리고 도면과의 가능한 연결 상태로 취해진 개시의 어떠한 부분도 본 발명의 모든 특징들의 완전한 설명을 제공하는 것으로 의도되지 않는 것을 이해해야 한다.
[0010] 또한, 단 하나의 도면이 본 발명의 모든 특징의 완전한 설명으로 의도하거나 심지어 지지할 수 없다는 것을 이해해야 한다. 다시 말해, 주어진 도면은 본 발명의 단지 일부 특징들(그리고, 일반적으로 모두가 아님)에 대해 일반적으로 서술한다. 주어진 도면 및 이러한 도면을 참조하는 설명을 포함하는 연관된 부분은, 주어진 도면 및 논의를 단순화하기 위한 목적들을 위해, 그리고 이러한 도면에서 특징되는 특정 엘리먼트들에 대한 논의를 유도하기 위해, 일반적으로 이러한 도면에서 제시될 수 있는 특정 도면의 모든 엘리먼트 또는 모든 특성들을 포함하지 않는다. 당업자는, 본 발명이 가능하게는 하나 또는 그 초과의 특정한 특징등, 엘리먼트들, 컴포넌트들, 구조들, 세부들 또는 특징들, 또는 다른 사용 방법들, 컴포넌트들, 재료들 등이 없이 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 비록 본 발명의 일 실시예의 특정한 세부들이 이러한 실시예를 설명하는 각각 그리고 모든 도면에 반드시 도시될 필요는 없지만, 설명의 맥락이 달리 요구하지 않는 한, 도면에서의 이러한 세부의 존재가 암시될 수 있다. 다른 예들에서, 주지된 구조들, 상세들, 재료들 또는 작동들은, 논의되는 본 발명의 일 실시예의 불명료한 양태들을 방지하기 위해 주어진 도면에서 도시될 수 없거나 상세하게 설명될 수 없다. 게다가, 본 발명의 설명되는 유일한 특성들, 구조들, 또는 특징들은 하나 또는 그 초과의 추가적인 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
[0011] 이러한 개시에 첨부된 청구항들에서 언급된 바와 같은 본 발명은 전체적으로 본 개시에 비추어 평가되는 것으로 의도된다.
[0012] 본원에서 사용되는 바와 같은 매크로 렌즈 및 매크로 렌즈 시스템이라는 용어들은, 예를 들어, 광학 카메라 또는 망원경과 같은 광- 기계식(opto-mechanical) 기구들에서의 사용을 위해, 그리고, 특히 사진 촬영을 위해 구성되고 적합한 렌즈 시스템을 지칭한다. 매크로 렌즈 시스템은 마이크로 렌즈(일반적으로 렌즈 직경이 단지 수 밀리미터 (예를 들어, 2 또는 3 밀리미터)이고, 종종 일 밀리미터 미만인 작은 렌즈 시스템, 예컨대 안구내 렌즈 또는 웨이퍼 레벨 광학계 또는 렌티큘러 렌즈로서 공지된 광학계 안내 렌즈로 본원에서 지칭됨)로부터 치수들 및 구조뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예의 적용이 매크로 렌즈 시스템들의 구성 컴포넌트에 대해 외부에 있고 서로 광 통신한 상태로 이러한 컴포넌트들을 유지시키면서 이러한 컴포넌트들을 하우징하는 매크로-크기의 지지 구조물을 요구하는 사실에 의해 본 개시의 목적을 위해 구별되고 차별된다. 마이크로 렌즈들에 특정된 작동 및 재료 요건들 및/또는 제작 프로세스들이 성공에 대한 합리적인 기대를 하며 매크로 렌즈를 고안함에 대해 마이크로-렌즈 구조 디자인 및/또는 특성들의 재사용 또는 적응을 허용하지 않는 것이 당 분야에서 인지된다. 실제로, 당업자는 주어진 마이크로 렌즈 시스템의 원리들에 따라 (예를 들어, 시스템의 치수들을 비율적으로 변경함으로써) 매크로 렌즈 시스템을 형성하는 것을 기대하지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따른 매크로 렌즈 시스템의 구성적인 특성들은 시스템의 구성 렌즈로부터 마이크로 렌즈들에 특정된 이들의 구조 특성들(이를 테면, 예를 들어 IOL 구조물에서 사용되는 햅틱 부분(haptic portion), 또는 렌티큘러 렌즈의 릴리프(relief) 표면)을 배제하도록 선택된다.
[0013] 줌 렌즈들은 복잡성을 희생하면서 가변 초점 거리의 편리 성을 사용자에게 제공하고, 이미지 품질, 무게, 치수들, 조리개(aperture), 자동 초점 성능의 속도 및 정확성 양자 모두, 품질 및 제조 비용에 대한 절충들(compromises)을 통해 이러한 편리함을 달성한다. 예를 들어, 모든 줌 렌즈들은 이들의 최대 조리개에서, 특히 이들의 초점 거리 범위의 극단들(extremes)에서, 현저하지 않다면, 적어도 약간의 이미지 해상도 손실을 겪는다. 이러한 효과는, 큰 포맷(format) 또는 고해상도로 디스플레이될 때, 이미지의 코너들에서 명백하다. 줌 렌즈가 제공하는 초점 거리의 범위가 클수록, 이러한 절충들은 더 과장되어야(exaggerated) 한다.
[0014] 줌 렌즈들을 위한 많은 가능한 디자인들이 존재하며, 가장 복잡한 디자인들은 30 개 이상의 개별 렌즈 엘리먼트들 및 다중의 이동 부품들을 가진다. 그러나, 대부분은 동일한 기본 디자인을 따른다. 일반적으로 이들은, 렌즈의 본체를 따라 (광축을 따라 동일하게 유지되는 이들의 포지션들에서) 고정될 수 있거나, 축방향으로 미끄러질 수 있는 다수의 개별적인, 구성 렌즈들을 포함한다. 줌 렌즈의 배율이 변하면서, 초점 평면의 임의의 이동은 포커싱된(focused) 이미지를 선명하게 유지시기 위해 보상된다. 이러한 보상은 기계적인 수단(렌즈들의 배율이 변하면서 완전한 렌즈 조립체를 이동시킴)에 의해 또는 광학식으로(렌즈가 주밍되면서 가능한 한 작게 변하도록 초점 평면의 포지션을 배열시킴) 이루어질 수 있다.
[0015] 줌 렌즈(예컨대, 도 1의 (a), (b), (c)의 렌즈)를 위한 공지된 간단한 계획(scheme)은 고정된 그리고 이동가능한 렌즈 엘리먼트들에 의해 형성되는, 무초점(afocal) 줌 시스템에 의해 선행된 표준, 초점 길이 고정된(fixed-focal-length) 사진 렌즈와 유사한 초점 렌즈를 포함한다. 무초점 줌 시스템은 광을 포커싱하는 것이 아닌, 이 무초점 줌 시스템을 통해 진행하는 광의 빔의 크기 및 따라서 렌즈 시스템의 전반적인 배율을 변경하도록 구조화된다. 도 1의 (a), (b), (c)의 예는 2 개의 포지티브 렌즈들(L1 및 L3)에 의해 형성되고 이 렌즈들 사이에 있는 네거티브 렌즈(L2)를 갖는 무초점 시스템을 도시한다. 렌즈(L3)는 고정되지만, 렌즈들(L1 및 L2)은 특정한 비선형 관계로 축방향으로 이동될 수 있다. 네거티브 렌즈(L2)는 렌즈의 전방으로부터 렌즈의 후방으로 이동되며, 렌즈(L1)는 포물선 아크(parabolic arc)로 전방으로 그리고 그 후 후방으로 이동된다. 이렇게 함으로써, 시스템의 전반적인 각배율(angular magnification)이 변경되어, 모든 줌 렌즈의 유효 초점 거리(effective focal length)를 변경한다. 도 1의 (a), (b), (c)에서 도시되는 3 개의 예들의 각각에서, 3 개의 렌즈 시스템은 무초점이며(광을 발산하거나 수렴하지 않음), 그러므로 렌즈의 초점 평면의 포지션을 변경시키기 않는다. 도 1의 (a), (b), (c)에 상응하는 지점들 사이에서, 시스템이 정확하게 무초점이지 않은 동안, 초점 평면 포지션의 변경은 이미지의 선명도에 상당한 변화하지 않도록 충분히 작게(대략 0.01 mm) 유지될 수 있다.
[0016] 본 발명의 일 실시예에 따라, 매크로 렌즈의 유효 초점 길이를 변경시키는 과제는 외부 기구(매크로 렌즈 하우징 배열의 부품으로서 구성됨)와 작동가능하게 협력하는 2 개 이상의 개별적인 구성 렌즈들의 동축 조립체로서 매크로 렌즈를 구조화시킴으로써 해결되어서, 구성 렌즈들의 각각 서로 마주보는 2 개의 표면들 사이에 접촉 영역을 변경하기 위해 그리고 접촉 영역 내에 이러한 서로 마주보는 표면들 중 하나 이상의 표면의 곡률을 가역적으로 감소시키기 위해, 조립체에 대해 힘을 형성하고 적용한다. 매크로 렌즈의 개별 렌즈들은 하나 이상의 가요성 편장형 비구면(aspherical) 표면을 가지도록 구성되며, 이 표면의 곡률은 (적어도 광축 주변 영역에서) 외부적으로 적용되는 힘에 응답하여 변경될 수 있다.
[0017] 본 발명의 관련된 실시예에 따라, 멀티-엘리먼트 매크로 렌즈의 초점 길이를 변경시키는 과제는 동축으로 대기되는(queued)(배열되는) 개별적인 구성 렌즈들(이 렌즈들 중 2 개의 렌즈들은 매크로 렌즈의 축에 위치되는 지점에서 접촉함)을 제공하고 이러한 어레이의 렌즈들의 적어도 일부분을 축 방향으로 압축하는 수단을 이용함으로써 해결되어, 축 방향 지점에서 접촉하는 렌즈들의 하나 이상의 표면은 축 방향으로 적용되는 압력에 응답하여(그리고, 선택적으로, 시스템의 컴포넌트의 미세한(minute) 축 방향 이동에 응답하여) 변형되며, 축 주변에 있는 영역에서 이러한 표면의 곡률의 반경을 증가시킨다.
[0018] 구조적 표면들의 넘버링(Numbering). 본 발명의 렌즈 시스템 또는 이러한 시스템의 서브-세트(sub-set)의 일 실시예에서의 엘리먼트들 또는 컴포넌트들의 순서를 설명함에 있어서, 별도로 언급되지 않는 한, 다음의 규칙이 일반적으로 본원에서 후속될 것이다. 렌즈 조립체의 순차적으로 포지셔닝되는 구조적 엘리먼트들의 표면들이 렌즈 시스템 상의 광 입사의 방향을 따라 작동 시 그리고/또는 설치될 때 물체로부터 보이는 순서는 상승하는 순서(이 순서에서 이러한 표면들은 제 1 표면(또는 표면(1), 표면(I)), 제 2 표면(또는 표면(2), 표면(II)), 제 3 표면(또는 표면(3), 표면(III)), 제 4 표면(또는 표면(4), 표면(IV)) 및 존재한다면 다른 표면들로서 지칭됨)이다. 예를 들어, 도 1의 (a), 도 1의 (b), 도 1의 (c)의 경우에, 광의 입사 방향은 z-축선으로서 표시된다. 따라서, 일반적으로, 본 발명의 일 실시예의 구조적 엘리먼트들(예컨대, 개별적인 광학 엘리먼트들)의 표면들은 렌즈 시스템의 전방 부분에 상응하고 물체에 가까운 표면으로 시작하여 그리고 조립체의 후방 부분에 상응하고 이미지 평면에 가까운 표면으로 종료되게 수치적으로 라벨링된다. 이에 따라, 용어 "뒤에(behind)"는, 다른 곳의 포지션을 공간적으로(in space) 따르는 포지션을 지칭하고, 렌즈 조립체의 전방으로부터 볼 때, 하나의 엘리먼트 또는 물체가 다른 것의 후방에 있는 것을 제안한다. 유사하게는, 용어 "전방에서(in front of)"는, 조립체의 전방으로부터 볼 때, 특정 엘리먼트에 대해 전방 위치 또는 포지션을 지칭한다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 렌즈는 표면을 통한 광(주변 매체로부터 입사함)을 수용하도록 구성되며; 표면들의 순서 및/또는 개별적인 엘리먼트들의 매개변수들은 특정한 구성과 비교하여 변경되며, 매크로 렌즈의 광학 특성들 및 작동에서의 변화는 극단적이고 예측불가능할 수 있고, 별도의 고려를 요구한다. 다시 말해, 입사 광에 대한 주어진 매크로 렌즈 똔느 그 구성 엘리먼트의 배향에서의 임의의 변화는 물체를 이미징하는 것에 대해 이렇게 주어진 렌즈가 구성되어 있는 것과 동등하거나 유사한 결과들을 제공하지 않는다.
[0019] 본 개시 및 첨부된 청구항들의 목적들을 위해, 특정된 특성 또는 품질 기술어에 적용되는 용어 "실질적으로"의 사용은 "대부분", "주로", "전적으로 동일할 필요는 없지만 주로"를 의미하여, 유사 언어를 합리적으로 나타내고 특정된 특성 또는 기술어를 설명하여서, 그 범주가 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 용어의 사용은 명시된 특성 또는 기술어에 대한 부정성(indefiniteness)의 임의의 근거 및 수치적 제한을 추가하는 것을 암시하거나 제공하지 않는다. 예를 들어, 기준선 또는 평면에 실질적으로 평행한 벡터 또는 선에 대한 참조는 기준선 또는 평면의 방향과 동일하거나, (예를 들어, 당 분야에서 실질적으로 통상적인 것으로 고려되는 기준 방향으로부터의 각도 편차들 만큼) 이 기준선 또는 방향에 매우 가까운 방향을 따라 연장되는 이러한 벡터 또는 선으로 해석되어야 한다. 다른 예로서, 특정된 표면에 대한 참조로 용어 "실질적으로 평탄한"의 사용은, 이러한 표면이 해당의 특정 상황에서 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 바와 같이 크기형성되고 표현되는 어느 정도의 비-평탄성 및/또는 거칠기를 가질 수 있음을 암시한다 당 분야에 공지된 바와 같이, 용어 "구형 표면(spherical surface)"은 일반적으로 구의 표면의 일부를 형성하는 표면을 지칭하는 반면, 용어 비구면의 표면 또는 유사한 용어는 일반적으로 식별된 경계들 내의 구형 표면으로부터 공간적으로 벗어난 표면을 지칭한다.
[0020] 예 I: 일반적인 고려 사항들.
도 2의 (a), 도 2의 (b), 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 본 발명의 개념에 따라 구조화되고 작동가능한 가변-초점 매크로 렌즈 시스템의 일 실시예(1400)에 대한 측면도 및 정면도로의 개략적인 예시들이다. 일반적으로, 본 발명의 매크로 렌즈는 외부 쉘 안에 중공형 용적부를 규정하는 외부 쉘을 가지는 하우징(1460) 내에서 광축(1450로서 도시됨) 주변에서 순차적으로 그리고 동축으로 다중의 개별 렌즈들(렌즈들(1410, 1420, 1430, 1440)로서 도시됨)의 열(train)(어레이)을 포함한다. 렌즈(1410)의 전방 표면(표면 I, 마킹되지 않음)은 매크로 렌즈의 전방에 상응한다. 개별 렌즈들(1410, 1420, 1430, 및 1440)은 중공부(hollow) 내에 배치된다. 일반적으로, 하우징(1460)에는 하우징의 중공부 내에 렌즈들을 유지시키기 위해 전방 부분(1460A)에 적합한 스토퍼(stopper) 엘리먼트(도시되지 않음)가 설비된다. 도시되는 바와 같이, 각각의 바로 인접한 2 개의 렌즈들은 상응하는 축 방향 지점에서 표면들 서로 접하고 있으며, 이러한 바로 인접한 2 개의 렌즈들의 서로 마주보는 표면들은 축 방향 지점에서 서로 접촉한다. 예를 들어, 도시되는 바와 같이, 시스템의 표면들(II, III)(각각 렌즈들(1410, 1420)에 상응함)이 축 방향 지점(C)에서 접촉하는 반면, 시스템의 표면들(VI, VII)(각각 렌즈들(1430, 1440)에 상응함)은 축 방향 지점(S)에서 접촉한다. 본 발명의 개념에 따라, 본 발명의 매크로 렌즈 시스템의 한 쌍의 서로-접촉하는 표면들 중 하나 이상의 표면은 편장형 비구면 표면이다. 예를 들어, 표면들(II, III) 중 하나 이상의 표면들은 축선(1450) 주변에 있는 편장형 비구면 프로파일(profile)을 가진다. 비구면 표면(또는 비구면)을 갖는 렌즈는 당 분야에서 렌즈들(이 렌즈들의 표면 프로파일은 구 또는 원통(또는 구형 또는 원통형 표면)의 일부분이 아님)로서 공지되어 있다. 비구면의 표면 프로파일은 광축으로부터 주어진 거리 만큼 멀리 있는 정점(vertex)으로부터의 표면의 변위를 나타내는 함수로서 일반적으로 규정된다. 이러한 함수의 매개변수들은 정점에서 규정되는 곡률 반경 및 코닉 상수(conic constant)(또는 코닉 매개변수)를 포함한다. 편장형 비구면은 코닉 상수의 값이 -1 내지 0인 비구면 표면이다. 용어 표면은 2 개의 매체 또는 제약들 또는 공간적 제한들 사이의 경계부를 표시하는데 사용되며; 표면은 길이 및 폭을 가지지만 두께는 가지지 않는 것으로 이해된다.
[0021] 하우징(1460)의 후방 부분에서, 액추에이팅 피스톤(actuating piston)(1470)은 (당 분야에서 공지된 바와 같이) 축선(1450)을 따라 피스톤(1470)의 이동의 결과로써, 렌즈들의 열에 압력 적용을 허용하도록 정합된다(mated). 도 2의 (a) 및 (b)는, 시스템의 렌즈와 피스톤의 표면 사이에 상호적 축 방향 힘이 없음으로 규정되는 피스톤(1470)이 중립 포지션에 있는 경우의 실시예(1400)의 상태를 예시한다. 이러한 상황들 하에서, 도 2의 (b)의 정면도에서 보이는 바와 같이, 렌즈 시스템의 임의의 내부 표면들의 평탄화가 실질적으로 전혀 존재하지 않는다(달리 말하면, 구성 렌즈들(1410, 1420, 1430 및 1440) 각각은 그 원래의 형상을 유지함). 작동 중에(및 도 3의 (a), 도 3의 (b)를 참조하여), 피스톤(1470)은 축선(1450)을 따라 (예를 들어, 시스템(1400)의 개별 렌즈에 축 방향-지향된(광축을 따라 안내된) 압력을 적용하기 위해 화살표(1474)에 의해 표시된 방향으로) 작동된다.
[0022] 특정 설계에 따라, 피스톤 (1470)이 최외측 렌즈(1440)에 압력을 적용하도록(이에 따라, 1474를 따라 지향된 힘(F)을 생성하고 렌즈들(1410, 1420, 1430 및 1440)의 조합을 축 방향으로 압축시킴), 또는 시스템 내의 다른 렌즈에 압력을 적용하도록 특히 구조화될 수 있는 것이 이해된다. (예를 들어, 하나의 특정 구현예에서, 피스톤(1470)은 렌즈(1420)에 압력을 적용하도록 구조화될 수 있으며, 이에 의해 렌즈들(1410 및 1420)을 축 방향으로 압축하여서, 서로-마주보는 표면들(II, III) 중 하나 이상의 곡률 반경을 평탄화하거나 증가시킴) 그러나, 일반적인 경우에, 도 3의 (a)에서 도시되는 바와 같이, 피스톤(1470)은 피스톤(1470)에 가까운 렌즈들(1440)에 축 방향-지향되는 힘을 적용함으로써 실시예(1400)의 렌저들의 전체 열을 압축한다. 그 결과(그리고 피스톤(1470)의 이동에 의해 유발되는 축 방향-적용되는 힘의 강도에 대한 함수로서), 바로-인접한 렌즈들의 서로 마주보는 표면들 중 하나 이상의 표면은, 이러한 표면에서, 축 방향-중심이 있는 압평되는(즉, 광축 상에서 중심에 있고 홀로 세워진 렌즈의 형상과 비교하여 평탄화되는) 영역(1480)이 형성되므로, 변형된다. 평탄 영역(1480)의 반경은 증가하는 힘(F)의 함수로서 증가한다. 도 3의 (b)는 각각 상응하는 반경들(R)을 갖는 이러한 영역들(1480)의 진행부(1480A)를 예시하며; 증가하는 힘(F)의 함수로서 증가한다.
[0023] 일 실시예에서, 바로 이웃하는 2 개의 렌즈들의 서로 마주하는 표면들 양자 모두가, 시스템인 경우, 각각 적어도 광축에서 상응하는 영역들에서 및/또는 광축 주위에서 이들의 곡률들을 변경하도록 구성되는 것이 이해된다. 도 2의 (a), (b) 및 도 3의 (a), (b)의 시스템의 일 구현예에서, 양자 모두의 표면들(II 및 III)의 곡률들은 매크로 렌즈(1400)의 전방을 향하는 피스톤(1470)의 리포지셔닝에 응답하여 감소된다.
[0024] 하나 이상의 구성 렌지의 표면의 축 방향-중심이 있는 영역(1480)의 평탄화의 프로세스는, 반대 방향으로의 피스톤(1470)의 리포지셔닝의 결과로써, 가역적이고 반복가능하다. 이를 위해, 렌즈 재료는 피스톤 (1470)에서의 액추에이션 압력의 감소에 비례하여 렌즈의 액추에이션을 역전시키는 스프링으로서 작용한다.
[0025] 하나의 특정한 구현예에서, 하우징(1460)은 강성 재료(예를 들어, 금속)로 만들어진 원통형 구조인 반면, 피스톤(1470)의 액추에이팅 실린더가 1,000 kPA 초과의 탄성 계수를 가지는 광학적으로 투명한 재료(예를 들어, 폴리-메틸-메타아크릴레이트, PMMA와 같음)로 만들어진다. 일련의 렌즈들 내의 제 1 렌즈(1410)는 (PMMA의 탄성 계수와 같은) 높은 탄성 계수로 또한 강성화될 수 있다. 내부 렌즈의 나머지(도시된 바와 같이, 렌즈들(1420, 1430 및 1440))는 0.1 kPa 내지 100 kPa의 범위 내의 탄성 계수를 가지는 실리콘, 아크릴 또는 콜라머(collamer)와 같은 훨씬 더 연질인 재료로 구성된다. (예를 들어, 표면 II 및 / 또는 표면 III과 같은) 하나 이상의 내부 표면은, 시스템(1400)의 전방을 향하는 피스톤의 이동 시, 강성 피스톤(1470)과 강성 렌즈(1410) 사이에서 압축되며, 이에 의해 도 3B에 도시된 바와 같이, 표면(들)이 증가 직경(2R)에 걸쳐 평탄화하는 경우, 전체 렌즈 시스템 (1400)에 이러한 표면(들)의 광출력 기여를 점진적으로 무효화한다. 선택적으로 그러나 바람직하게는, 그래서 변형가능한 표면(들)은, i) 주어진 표면의 정점에서 시작하여 힘(F)으로 인한 기계적 압축에 의해 야기되는 점진적인 압연의 결과로서의 이러한 표면의 구형도(sphericity)를 증가시키기 위해; ii) (축선(1450)에 중심이 있는) 표면의 압평된 부분과 이러한 압평된 영역을 둘러싸는 렌즈 표면의 부분 사이의 공간 천이의 불연속성을 최소화하기 위해, 그리고 (iii) 매크로 렌즈의 서로 마주보는 내부 표면들이 점진적으로 압평될 때, 해당의 편장형 비구면 표면의 형상이 더욱 편원이 되도록(oblate), 광출력의 변화 범위에 걸쳐 광학 수차들을 최소화하기 위해, 이러한 코닉 상수를 갖는 편장형 비구면이도록 치수가 정해진다.
[0026] 재료들, 두께들 및 렌즈 표면 곡률들은, 일련의 표면들의 점진적인 "계단식(stepped)" 또는 "스테이지식(staged)" 압평이 렌즈 파워의 전체 진폭에 걸쳐 구형 렌즈와 비슷하도록, 적합하게(judiciously) 선택된다. 다시 말해, 해당의 인접한 대향 렌즈 표면 중 하나 이상의 표면은, 힘(F)의 증가에 응답하여 압평된 영역의 직경의 증가에 대한 프로세스 중에, 이러한 직경에서의 변경들에 의해 발생되는 전체 광학 시스템의 광학 수차들은 최소화된다. 하우징 쉘의 치수들에 대한 피스톤의 치수들은, 피스톤의 플랜지 링 주위에서 균일한 방식으로, 피스톤에 의해 매크로 렌즈의 구성 렌즈에 적용되는 압력을 규정하도록 적합하게 선택된다. 구성 렌즈의 크기 및 렌즈 재료의 강성에 따라, 액추에이팅 힘은, 단지 몇 가지 예를 들자면(to name just a few), 압전 크리스탈, 유압 시스템, 서보 모터 또는 기계적 스레딩 기구의 사용에 의해 적용될 수 있다. 구성 렌즈들 중 임의의 렌즈(그리고 특히, 렌즈(이 렌즈의 표면이 본 발명의 실시예의 액추에이팅 힘의 적용의 결과로서 평탄화됨))는 렌즈 재료의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 하우징의 중공을 충전하는(housing-hollow-filling) 유체 (액체 또는 기체, 예를 들어 공기)를 포함하는 주변 매체에 의해 둘러싸일 수 있다. 이러한 경우에, 매크로 렌즈의 전체 광출력는 매크로 렌즈에 대해 외부-적용된 압력을 증가시킴으로써 감소된다. 대안적으로, 특정 실시예에서, 구성 렌즈들은 실리콘 오일과 같은 렌즈 재료의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 (예를 들어, 실리콘 오일과 같은) 유체 내에 배치되어, 매크로 렌즈에 적용되는 압력의 함수로서 이차 광출력의 변화 방향을 역전시킨다. 이러한 후자의 경우에, 표면이 평탄화되어 있는 매크로 렌즈의 주어진 구성 렌즈는 그 표면의 증가된 평탄화에 대응하여 점진적으로 이의 광출력을 증가시킨다.
[0027] 관련된 실시예에서, 매크로 렌즈는 (광축을 따라) 일련의 다중 공간-분리된(spatially-separated) 비-병진(non-translating) 렌즈 서브시스템들로서 구조화되며, 이 렌즈 서브시스템의 각각은 확대(magnifying) 시스템 및 센서/아이 포커싱(sensor/eye focusing) 시스템을 생성하기 위해 광축을 따라 가역적으로 그리고 독립적으로 압축될 수 있다. 예들이 공통 초점을 가지도록 치수결정되는 서로 공간-분리된 다른 렌즈 서브시스템들에 의해 제공된다. 일반적으로, 이러한 공통 초점을 유지하면서, 렌즈 조립체(들)의 액추에이션 압력이 요망되는 배율에 대응하여 구조화될 수 있다. 또한, 센서(광학 검출기)가 전체 매크로 렌즈의 초점면 근방에 (리포지셔닝가능하게든 고정된 포지션 상태이든 상관 없이) 배치될 수 있다.
[0028] 본 발명의 개념에 따라 구조화된 압평 가변-초점 매크로 렌즈 시스템은 최대 60 디옵터(diopters)의 광출력의 원근조절(accommodation)의 범위 내에서 작동하도록 구성된다. 예를 들어 도 3b에서 도시되는 스테이지식 압평에 의해 6 개의 내부 표면들(표면들(II, III, IV, V, VI, 및 VII))에 의해 제공되는 광출력 기여를 무효화하는 것은, 이러한 내부 표면들의 각각이 평균적으로 약 10 디옵터의 광출력을 시스템(1400) 상의 전반적 광출력에 기여한다면, 약 60 디옵터 만큼 렌즈 시스템의 광출력을 감소시킨다. 일반적으로, 가변형 광출력의 범위를 최대화하기 위해, 매크로 렌즈 시스템은 최소의 액추에이션 힘(예를 들어, 수 그램) 및, 일부 구현예들에서, 구성 렌즈에 대한 약 100 마이크론의 축 방향 이동을 요구한다. 본 발명의 일 실시예의 피스톤에 의해 적용되는 액추에이션 힘은, 일 실시예에서, 압전 크리스탈 또는 종래의 압력 액추에이터(도면의 단순화를 위해 도시되지 않음)에 의해 구현화된다.
[0029] 예 II: 다중-렌즈 실시예
[0030] 도 4a의 특정 실시예에서 도시되는 바와 같이, 광축(1904)을 갖는 매크로 렌즈(1900)는 2 개의 축 방향-접촉 렌즈들(1910, 1920)에 의해 형성된다. 비응력 상태(즉, 상호 접촉 표면들(II, III)이 변형되지 않을 때)의 레이아웃 (1900)의 설계 매개변수들이 도 4a에 도시된다. 유리(Glass)라고 표시된 데이터 컬럼(column)은 일반적으로 유리 재료들과 상이할 수 있고 예를 들어 플라스틱 재료를 포함할 수 있는 개별 렌즈들을 위한 재료를 포함한다. 이러한 특정 경우에서, 예를 들어, 양자 모두의 렌즈들(1910, 1920)은 실리콘으로 만들어진다.
[0031] 도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d, 도 4e 및 도 4f는 (동일한 실시예(1900)의) 구성 렌즈(들)(1910, 1920)의 양자 모두의 변형의 진행 및 표면 TV에 가역적으로 적용되고 매크로-렌즈(1900)가 지지되는 하우징 구조체(도시되지 않음)의 피스톤 기구에 의해 표면(III)을 향하여 (렌즈(1900)의 광축을 따라) 축 방향으로 지향되는 압축력의 함수로서의 이미지 품질의 진행을 묘사한다 이러한 축 방향 힘의 강도에 대한 매크로 렌즈(1900)의 광출력의 변화의 상응하는 의존성이 도 5에 도시된다. 변형의 진행 단계 각각에 대해, 광학 전달 함수(OTF)의 플롯(plot)이 렌즈들(1910, 1920)의 열 및 2 개의 이러한 렌즈들의 개략도를 설명한 Zemax® 데이터("렌즈 데이터 에디터(Lens Data Editor)"로 표시됨)에 의해 삽도들(insets)로 첨부되어 제공된다.
[0032] 도 4a에서 도시되는 바와 같이, 매크로 렌즈 시스템(1900)의 비응력 상태에서(즉, 개별적인 구성 렌즈들(1910, 1920)이 축 방향 지점(P)에서 이 렌즈들 사이에서 임의의 상호적 힘 없이 접촉할 때), 이들의 정점들의 구역들에서의 표면들(II, III)의 형상이 -12 및 -15의 코닉 상수들을 갖는 편장형 비구면인 반면, 이러한 표면들의 구형 곡률의 반경들은 각각 -44 mm 및 44 mm이다. 표면들(II, III)의 평탄화의 효과는 별개의 단계들에서 도시되며, 상응하는 정점들의 코닉 상수들뿐만 아니라 반경들 값의 변경들에 상응한다. 표면(II, III)의 점차적인 압평은 도 4e에서 반경들이 (-500mm, 500mm)로 변경되며, 그리고, 도 4f에서, 표면들(II, III)의 축 방향에 가까운 영역은 실질적으로 그 표면을 가로 질러 모든 방향으로 압평된(평탄화된) 것으로 도시된다. 2 개의 렌즈 매크로 렌즈 시스템 (1900)은, 도 5에서 도시되는 바와 같이, 1.6 그램의 미만의 미세한 축 방향 힘을 적용하는 놀랄만큼 작은 작동 비용으로, 21.7 디옵터 범위에 걸친 전체 광 파워 변화 및 mm 당 약 445 라인 (도 4A) 내지 mm 당 약 225 라인 (그림 4F)의 변조 전달 함수의 차단 주파수의 대응하는 변화를 특정한다. 도 5의 힘 - 광 - 전력 곡선은 유한 요소 분석으로 얻어진 데이터를 도시한다.
[0033] 도 6은 본 발명의 일 실시 예의 작동 방법의 개략적인 흐름도를 나타낸다. 여기서, 실시 예의 작동은 (예를 들어, 단계 (1710)에서 이미 조립 된, 결과적인 매크로 렌즈의 광학 트레인 내로) 개별적인 구성 렌즈들의 그룹을 a와 같은 외부 압축 부재로 압축하거나 피스톤 (특정 구현에서)은 매크로 렌즈의 하우징과 협력하거나, 대안 적으로는 단계 (1710)에서 그러한 조립체를 형성함으로써 시작한다. 본 발명의 실시 예의 매크로 렌즈의 형성 단계는 제 1 렌즈와 제 2 렌즈의 상호 작용면을 축 방향 지점에서(즉, 광축에 위치되는 표면들의 정점들에서) 이들 면들 사이에 접촉을 형성하도록 서로 결합시키는 단계를 포함한다. 특정 실시 예에서, 접촉 - 각 - 다른 표면 중 적어도 하나는 영사 된 비구면으로서 형성 될 수있다. 단계 1720에서, 마크로 렌즈 하니스의 구성 요소의 동작 상태가 변경되어, 마크로 렌즈의 구성 렌즈에 광축을 따라인가되는 벡터화 된 힘이 생성된다. 작동 상태의 변경은 예를 들어 포지션에서의 변경(기계식 피스톤 또는 압축기의 경우), 전압에서의 변화(압전 소자에 적용됨), (공압식 엘리먼트의 경우에) 압력(i)에서의 변화가 포함할 수 있다. 그렇게 형성된 벡터화된 힘은, 단계(1730)에서 서로 마주하는 표면들 중 하나 이상 표면의 곡률에서의 변화를 유발시키는 시스템의 바로 인접한 렌즈들의 서로 마주하는면들의 접촉 영역을 변화시키기 위해 시스템의 렌즈로 전달된다. 특정 실시 예에서, 평탄화 단계는 이러한 표면들 중 적어도 하나의 축 방향 부분의 곡률 감소를 수반할 수 있다(1740). 선택적으로, 단계 (1740)에서, 이렇게 평탄화된 표면이 편장형 비구면인 경우, 편장형 비구면의 축 방향 부분의 곡률은 (축 방향 부분을 둘러싸는) 편장형 비구면의 주변 부분의 곡률보다 의도적으로 변화 될 수 있다.
[0034] 예 III: 다중-렌즈 실시예
[0035] 렌즈 열 (도 7a, 7b)에서 3 개의 동축으로 배치 된 렌즈를 포함하는 관련된 실시예 (800)는 실시 예의 내부 표면이 완전히 압평될(평탄화될) 때 유사한 표면 부착 진행 중에 발생하는 43.4 디옵터 전력 변화를 나타냈다. 도 4a 내지 도 4f의 실시 예 (1900)와 비교하여, 이는 하우징 하니스 장치의 피스톤 (1450)의 축 방향 위치 변경의 범위를 증가시킬 것을 요구한다. 예시의 단순화를 위해, 실시 예 (800)는 하우징 하니스 및 피스톤 / 압축기 장치없이 도시된다. 도 7a는 렌즈들 (810, 820 및 830) 중 바로 인접한 것들이 비 응력 상태에서 서로 물리적으로 접촉하는 광축 (804)을 갖는 3- 렌즈 구체 예 (800)의 레이아웃을 도시한다. 다시 말하면, 렌즈 (810 및 820)는면 (II 및 III)의 축 방향 점 (O, O ')에서 접촉하며, 그리고 렌즈 (820, 830)는 표면 (IV 및 V)의 축 방향 포인트 (O ", O" ")에서 접촉한다. 도 7a는 또한 실시 예의 변조 전달 함수 (MTF)를 나타내는 곡선 (840) 및 이러한 비 스트레스 상태에 대한 Zemax 렌즈 데이터를 제공한다. 렌즈 (800)의 내부 표면의 곡률 반경이 계수 44 mm에서 계수 300 mm로 증가함에 대응하여 (렌즈 (810)는 하우징 하니스에 고정되는 반면에, 표면 (I)을 향해면 (VI)에 축 방향의 힘을 적용함으로써 유발되는) 응력 상태의 렌즈들(810, 820, 830)의 형상들은 도 1b에 도시되며, 여기서 내부 표면 (II, II, IV 및 V)의 평탄화된 영역은 개략적으로 그리고 실척이 아니게(not to scale) 종합하여 844로 표시된다. 순차적으로 배치된 3 개 이상의 개별 렌즈를 갖는 실시 예는 실질적으로 유사한 방식으로 구성 될 수 있으며,이 경우 초점 길이의 더 큰 변화가 달성 될 수 있는 것이 이해된다.
[0036] 위에서 이미 논의되었던 바와 같이, 도 5의 플롯은 2 개의 구성 렌즈들(예컨대, 도 4a 내지 도 4f의 실시예(1900))를 갖는 실시 예의 표면 (II, III)의 상호 압착을 위해 피스톤 (1470)이 적용될 필요가있는 축 방향 힘의 의존성을, 렌즈 시스템의 광출력에서의 변화의 함수로서, 도시한다. 도 2의 (a), (b) 및 도 3의 (a), (b)를 더 참조하면, 열차의 렌즈 수의 증가 및 내부 렌즈의 작동의 결과로서 변형되는 내부면의 수의 증가에 따라, 본 발명의 축 방향 압축기 (피스톤)에있어서, 하우징 (1460) 내의 렌즈 시스템의 광 파워의 전체적인 변화 및 피스톤 (1470)에 의해 구동되는 것은 2 개 이상의 개별 렌즈를 포함하는 실시 예의 내면 각각을 변형시킴으로써 증가한다 예를 들어,도 7a, 도 7b의 실시 예 (800))는 2 개의 개별 렌즈만을 갖는 실시 예 (예를 들어, 실시예(1900))의 내부면과 동일한 정도로 형성 될 수있다.
[0037] 동시에, 동일한 모듈을 가진 축 지향적인 벡터화된 힘을 (동축 렌즈의 열에) 적용한 결과는 열차 내의 렌즈의 수에 따라 달라진다. 예를 들어, 첫 번째 매크로 렌즈 (단일 렌즈만 포함함)를 두 번째 매크로 렌즈(서로 평행 한 대향 표면을 갖는 다수의 구성 개별 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈는 서로 동일하고 각각이 제 1 매크로 렌즈의 단일 렌즈와 동일 함)와 비교하면: 2 개의 구성 렌즈가 비장력 상태에있는 제 2 매크로 렌즈의 전체 광학 파워는 50 %만큼 감소될 수 있으며; 개의 구성 렌즈가 비장력 상태에 있는 제 2 매크로 렌즈의 전체 광학 파워는 약 67 % 만큼 감소될 수 있으며; 그리고 축 방향으로 지향되는 벡터화된 힘이 구성 렌즈의 서로 마주보는 내부 표면을 완전히 평평하게하는 것과 같이 선택될 때, 4 개의 구성 렌즈가 비장력 상태에있는 제 2 매크로 렌즈의 전체적인 광학 파워는 약 75 %만큼 감소될 수 있다.
[0038] 예 IV: 다중의 독립적인 멀티-렌즈 서브시스템들을 포함하는 매크로 렌즈
[0039] 도 8a 및도 8b는 실시 예 (1600)를 구성하는 렌즈의 표면의 압평의 결과로서 광학 파워의 큰 변화를 제공하도록 구성된 매크로 렌즈를 형성하도록 구성된 관련 실시 예 (1600)를 도시한다. 이러한 실시예에 의해 달성가능한 광 배율의 변화 범위는 60 디옵터만큼 높다.
[0040] 시스템(1600)의 광학 트레인은 하우징 쉘(1604)에 의해 한정된 동일한 원통형 체적부(1604A)에 포함되며 광축(1608) 렌즈 서브 시스템(1610, 1620)을 중심으로 동축으로 연결된다. 본 발명의 개념에 따라, 렌즈 서브 시스템 (1610)은 각각 다수의 렌즈의 2 개 이상의 순서들을 포함한다. 렌즈 서브 시스템들 중 하나의 광학 파워는 다른 서브 시스템의 광학 파워의 것과 반대 인 부호를 갖는다. 실시 예 1600의 특정 예에서, 서브 시스템 1610은 전반적인 양의 광학 파워를 가지며 복수의 개별 렌즈들(3 개의 렌즈들(1610A, 1610B, 1610C)로서 도시됨)을 포함하며, 이 렌즈들 중 2 개 이상의 렌즈들은 비 응력 상태에서(즉, 이러한 복수의 렌즈에 가해진 축 방향 압력이없는 경우) 축 방향 지점에서 서로 접촉하는 대향 표면을 가진다. 반면에, 서브 시스템 (1620)은 서브 시스템 (1620)으로부터 갭 (1630)으로 분리되고 음의 광 파워를 전체적으로 및 서브 시스템으로서 소유하는 렌즈 그룹 (1620A, 1620B, 1620C)으로 도시된다. 렌즈들(1620A, 1620B, 1620C) 중 2 개 이상의 렌즈들은 비 응력 상태의 축점에서 서로 접촉하는 표면을 갖는다. 이러한 매크로 렌즈의 작동은 광학 축 (1608)을 따라 몇 그램의 최소 구동력을 가하는 것이 요구된다; 렌즈 (1600)는 이미지를 포착하기 위해 (도시되지 않은 렌즈와의 광학 통신에서) 사용 된 검출기 요소의 렌즈 이동 또는 이동없이 20 배 광학 줌을 얻는다. 또한, 약 100 미크론의 축 방향 렌즈 이동이 현저하게 달성되어 렌즈 동력 변동의 범위를 최대화 할 수있다. 일 실시 예에서, 벡터화 된 힘과 같은 유일한 구동 영향은 i) 매크로 렌즈의 줌을 작동시키고 ii) 이미지를 검출기 상에 포커싱하는 서브 시스템 (1610, 1620)에 적용된다. 작동 치수들의 측면에서, 본 발명의 원리들에 따라 구성된 6mm 입사 동공을 갖는 20X 광학 줌 렌즈 (1600)는 축 방향 풋 프린트 (광축에 수직인 평면 상에 광학 축 (1608)을 따라 매크로 렌즈의 돌출부를 나타내는 영역) 2.0 정도의 F- 넘버를 갖는 엄지 손톱 크기 (약 7mm × 10mm) 및 최대 줌 시 약 40도 내지 약 12도 범위의 전체 시야 (FOV)를 가지는 것이 인지된다.
[0041] 일 실시예에서, 렌즈들의 개별 그룹들 (1610, 1620) 내의 렌즈들은 하나의 렌즈 그룹의 작동이 다른 렌즈 그룹의 작동과 관련되거나 영향을 미치지 않도록 작동 될 수있다. 도시되는 바와 같이, 예를 들어, 이는 하우징 쉘 (1604) 내에서 개별적으로 작동 할 수 있고 동시에 또는 동시에 간섭없이 2 개의 피스톤 (1670A 및 1670B)의 조합으로서 시스템 (1600)의 광학 트레인에 축 방향 압력을 가하기위한 수단을 구조화함으로써 달성 될 수있다 . (실제로, 이는 예를 들어 "규격품으로(off the shelf)" 각각 이용가능한 간단한 피에조 크리스탈 또는 압력 액추에이터에 의해 달성가능함)
[0042] 일 실시예에서, 강성 하우징 실린더 (커버) (1604) 및 광학적으로 투명한 강성 작동 실린더 (1670A, 1670B)는 1000kPa 이상의 탄성 계수를 갖는 재료(예를 들어, 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 또는 PMMA)로 제조된다. 제 1 및 제 2 서브 시스템의 에테르의 내부 개별 렌즈는 0.1 내지 100 kPa의 탄성 계수를 갖는 실리콘, 아크릴 또는 콜라 머와 같은 하우징 및 / 또는 피스톤보다 훨씬 더 연질이다(굴절률의 값은 대략 1.3 내지 1.5 범위 내이다).
[0043] 렌즈 서브 시스템 (1610)은 서브 시스템의 렌즈에인가되는 축 방향 압력의 증가에 따라 그 굴절력이 감소되도록 본 개시에서 논의 된 원리들에 따라 구성된 포지티브 압평 렌즈 서브시스템이다. (도 8의 (a)에서 도시되는) 일 실시예에서, 제 2 렌즈 서브 시스템(서브시스템(1620))은 개별 렌즈 (1620A, 1620B, 1620C)의 표면 사이의 공간이 공기로 채워지는 케플 라 이언 (Keplerian) 구성의 포지티브 렌즈 기계(contraption)이다. 관련 실시 예 (미도시)에서, 서브 시스템 (1620)은 갈릴레이 형상으로 서브 시스템 (1610)에 상대적으로 배치 된 네거티브 렌즈기구이다. (네거티브 광출력을 가지며 포지티브 서브 시스템 (1610)과 함께 갈릴레이 배열을 형성하는 서브 시스템 (1620)이 이러한 네거티브 파워 서브 시스템의 특정 실시예에서, 서브 시스템 (1620)은 공기 대신에 공간 (1673)을 채우면서 굴절률이 높은 유체에 의해 분리 된 정 렌즈로 형성됨.) 피스톤을 갖는 제 1 및 제 2 렌즈 서브 시스템의 각각의 압축은 독립적으로 작동하여 배율을 생성하고 검출기 (도시되지 않음) 상에 이미지를 포커싱한다.
[0044] 내부 박판 표면은 강성 피스톤 요소와 단단한 덮개의 일부((예를 들어, 피스톤 (1670A)과 부분 (1680); 또는 피스톤 (1674B)과 부분 (1682)) 사이에서 압축된다. 서로 마주하는 내부의 개별 렌즈 표면들(대향하는 표면들)은 광축을 중심으로 평탄한 영역의 진행을 형성하기 위해 서로에 대해 압평되고(평탄화되고), 벡터화 된 힘의 강도의 함수로서 점진적으로 더 큰 반경을 가진다. 렌즈 표면의 곡률의 이러한 변화는 표면이 증가하는 직경에 걸쳐서 굴절 될 때 전체 렌즈 시스템에 대한 이들 표면의 파워 기여의 점진적인 부정을 야기한다. 마찬가지로, 네거티브 렌즈 시스템은 렌즈가 실리콘 오일 (굴절률 약 1.5)과 같은 고 굴절률 유체에 의해 이격되는 것을 제외하고는 포지티브 시스템과 동일한 구성이다.
[0045] 하나의 특정 경우에서, 하우징 부 (1680, 1682) 중 적어도 하나는 환형 (즉각적으로 인접한 렌즈의 주변부 만이 이러한 부분에서 접촉 할 수 있도록 치수가 정해진 다)이다. 다른 특정의 경우에서, 하우징이 광 - 투과성 재료로 제조 될 때, 하우징 쉘의 부분 (1680, 1682)은 (도 8a의 예에서, 렌즈 (161A, 1620A)의) 바로 인접한 렌즈의 광학 축 및 클리어 개구를 가로 질러 횡 방향으로 연장되는 중실 부로서 구성 될 수있다. 그렇게 구성되면, 하우징의 식별 된 부분은 광학 렌즈 그 자체로서 형상화 될 수 있고 현미경 렌즈의 전체 광학 트레인에 기여하도록 적합하게 치수결정될 수 있다. 이러한 특정 경우, 렌즈 (1610A, 1620A)는 부분 (1680, 1682)과 각각 물리적으로 접촉 할 수있다. 렌즈 (1610A, 1620A)의 입사광 대면 표면은, 피스톤 (1670A, 1670B)이 축 (1608)을 따라 렌즈의 응력이 가해지지 않은 상태에 대응하는 그들의 초기 위치로부터 증가하는 단방향 재 위치 설정의 함수로서 점진적으로 증가하는 압평의 반경들로, 광축을 중심으로 대칭적으로 평탄 영역을 형성한다(압평된다). 하우징의 식별 된 부분의 이러한 특정 구성은 상응하는 렌즈 그룹의 외부 표면 인 렌즈 표면의 압착으로 인해 전체 매크로 렌즈의 광 출력을 추가로 변경하는 이점을 취할 수 있으며, 그렇지 않으면 전혀 사용되지 않을 것이다 .
[0046] 예를 들어, 서브 시스템 (1610, 1620) 중 적어도 하나 내의 내부 대향 렌즈면 중 적어도 하나는 영원한 비구면 표면을 정의하도록 성형되어서, (벡터화 된 힘이 서브 시스템의 렌즈에 축 방향으로 가해져 그 내부에 응력을 형성하는 순간의 표면 정점에서 시작되는)기계적 압축은 표면의 곡률 반경을 증가시키고 반대면이 접합 할 때 계면의 구형도를 증가시키고, 그리고 (축선(1608)을 중심으로 하는) 주어진 압평된 표면의 평평한 부분과 그러한 표면의 주위의 주변부 및 관련 광학 수차들 사이의 전이의 불연속성을 최소화한다. 재료들, 두께들 및 렌즈 표면 곡률들은, 일련의 표면들의 점진적인 "계단식(stepped)" 압평이 렌즈 파워의 전체 진폭에 걸쳐 구형 렌즈와 비슷하도록, 변경된다. 렌즈 재료는 액추에이션 압력의 감소에 비례하여 렌즈의 액추에이션을 역전시키는 스프링으로서 작용한다.
[0047] 도 9a는 최대 10X 광학 배율을 생성하기 위해 갈릴레이 형상으로 직렬로 배치 된 전방 및 후방 서브 시스템들(1620A, 1620B) 각각에 대한 가변 렌즈 파워의 플롯을 제공한다. 가변 파워 곡선은 직경 6mm의 전방 렌즈 서브 시스템 (1610)을 갖는 Zemax® 모델링; 렌즈 (1610A)는 하우징의 부분 (1680)에 대해 정지되었다. 렌즈 (1620)의 직경은 6mm가되도록 선택되었다.6 mm 렌즈 (1610)의 후면 (표면 (VI))과 후면 렌즈 (1620)의 전면 (표면 (VII)) 사이의 간격은 5mm로 선택되었다. 렌즈 (1620A)는 하우징의 부분 (1682)에 대해 정지되었다; 매크로 렌즈 (1600)와 검출기의 후방 초점 거리를 5mm로 규정되었다.
[0048] 도 9b는 최대 20 배 광학 배율을 생성하기 위해 Keplerian 구성으로 직렬로 배치 된 전방 및 후방 서브 시스템 (1620A, 1620B) 각각에 대한 가변 렌즈 파워의 플롯을 제공한다. 가변 파워 곡선은 직경 6mm의 전방 렌즈 서브 시스템 (1610)을 갖는 Zemax (상표명) 모델링; 렌즈 (1610A)는 하우징의 부분 (1680)에 대해 정지되었다. 렌즈 (1620)의 직경은 6mm가되도록 선택되었다. 즈 (1610)의 후면 (표면 (VI))과 후면 렌즈 (1620)의 전면 (표면 (VII)) 사이의 간격은 8mm로 선택되었다. 렌즈 (1620A)는 하우징의 부분 (1682)에 대해 정지되었다; 매크로 렌즈 (1600)와 검출기의 후방 초점 거리를 5mm로 규정되었다.
[0049] 도 10a 및 도 10b는 캐퓰러 구성에서 서로에 대해 배향된 포지티브 렌즈 서브 시스템 (1610) 및 네거티브 렌즈 서브 시스템 (1620)에 의해 정의된 매크로 렌즈의 작동 매개변수를 도시한다. 도 10a는 스트레스를받지 않은 상태 (매크로 렌즈 (1600)의 전체 유효 초점 길이가 10mm와 동일 함)를 도시하는 반면, 도 10b는 서브 시스템 (1610, 1620) 중 적어도 하나의 구성 렌즈 중 적어도 하나의 표면의 적어도 하나의 축 방향 영역의 평탄화로 인한 응력 상태를 도시한다. 이러한 스트레스 상태에서 매크로 렌즈의 유효 초점 거리는 42mm이다.(라벨 R, G, B는 Zemax에서 설정된 기본 빨간색, 녹색 및 파란색 파장에서의 광 투과를 나타냄) 도 10a 및도 10b의 데이터는 서브 시스템들 (1610, 1620) 사이의 거리를 상수로 유지하면서,이 매크로 렌즈 트레인에 의한 광 파워의 변화의 연속 범위에서 2 개의 이산 포인트에서의 배율의 변화를 보여 주며, (1600)의 상면 및 상면 상수를 보정한다.
[0050] 도 11은도 8의 (a), 도 8의 (b)를 참조하여 일반적으로 논의 된 케플러 또는 갈릴 리아 구성에 따라 구조화 된 실시 예의 작동 방법의 개략적 인 흐름도를 나타낸다. 실시 예의 작동은 단계 (1120)에서 개개의 구성 렌즈들의 다수의 그룹들 (각각의 그룹이 단계 (1110)에서 이미 조립 된 결과 매크로 렌즈의 광학 트레인 내로)을 축 방향으로 압축함으로써 개시된다 )에 피스톤과 같은 다수의 외부 압축 부재가 각각 대응한다. 각각 대응하는 피스톤 (들)은 매크로 렌즈의 하우징과 작동 가능하게 협력한다.
[0051] 대안적으로, 방법은 단계 (1110)에서 개별 구성 렌즈들의 다수의 공간 - 분리 된 그룹들을 서로에 대해 동축으로 위치시켜 매크로 렌즈를 형성함으로써 개시된다. 다수의 렌즈 그룹 중 제 1 렌즈 그룹이 양의 광 파워를 갖도록 구성되고 다수의 렌즈 그룹 중 제 2 렌즈 그룹이 음의 광 파워를 갖도록 구성 될 때, 결과적인 매크로 렌즈는 갈릴레이 형상을 갖도록 구성된다. 다수의 렌즈 그룹 중 제 1 및 제 2 렌즈 각각이 대응하는 포지티브 광 파워를 가질 때, 결과적인 매크로 렌즈는 갈릴레이 형상을 갖도록 구성된다. 단계 (1110)에서의 매크로 렌즈의 형성은 굴절률이 초과 된 매질에서 총 포지티브 굴절력을 갖는 렌즈 군을 매립함으로써 음의 굴절력을 그룹으로서 총괄적으로 갖는 개별 렌즈 군의 형성을 포함 할 수있다 그러한 렌즈가 만들어지는 재료의 지수. 단계 (1110)에서 매크로 렌즈의 형성은, 이러한 렌즈가 제조되는 재료의 지수를 초과하는 굴절률을 갖는 매질 내에 포지티브 형의 광 파워를 갖는 렌즈 군을 매립함으로써 그룹으로서 전체적으로 음의 광학 파워를 갖는 개별적인 렌즈 그룹의 형성을 포함할 수 있다.
[0052] 일 실시예에서, 서로 접촉하는 접촉 표면들 중 하나 이상의 표면은 편장형 비구면 표면일 수 있다. (특히, 광축에 바로 인접한 상기 표면 중 적어도 하나의 공간적으로 제한된 부분은 -1 내지 0의 범위 내의 값을 갖는 원추 정수에 의해 한정된 형상을 가짐.) 단계(1120)에서, 마크로 렌즈 하니스의 구성 요소의 동작 상태가 변경되어 마크로 렌즈의 구성 렌즈에 광축을 따라인가되는 벡터화 된 힘이 생성된다. 작동 상태의 변경은 예를 들어 포지션에서의 변경(기계식 피스톤 또는 압축기의 경우), 전압에서의 변화(압전 소자에 적용됨), (공압식 엘리먼트의 경우에) 압력(i)에서의 변화가 포함할 수 있다. 그렇게 형성된 벡터화된 힘은, 단계(1130)에서 서로 마주하는 표면들 중 하나 이상 표면의 곡률에서의 변화를 유발시키는 시스템의 바로 인접한 렌즈들의 서로 마주하는면들의 접촉 영역을 변화시키기 위해 시스템의 렌즈로 전달된다. 특정 실시예에서, 평탄화 단계는 그러한 표면들 중 적어도 하나의 축 방향 부분의 곡률 감소(1140)를 수반할 수 있다. 선택적으로, 단계 (1140)에서, 평탄한면이 장시간 비구면 인 경우, 영사 된 비구면의 축 방향 부분의 곡률은 (축 방향 부분을 둘러싸는) 편장형 비구면 표면의 주변부의 곡률보다 의도적으로 변화 될 수 있다.
[0053] 당업자는, 따라서, 본 발명의 개념에 따라 매크로 렌즈(적어도 제 1 및 제 2 렌즈들을 가짐)를 작동하기 위한 방법을 이해하며, 상기 방법은 일반적으로 (i) 제 1 이미지를 형성하기 위해 상기 광축에 중심이 있는 제 1 접촉 영역에서 서로 접촉하는 매크로 렌즈의 2 개의 표면들을 통해, 매크로 렌즈의 전방 표면 상에 입사하는 광을 투과시키는 단계(제 1 접촉 영역은 제 1 표면적을 가짐), 및 제 1 및 제 2 의 2 개의 표면들 사이에 제 2 접촉 표면을 형성하기 위해 광축을 따라 제 1 방향으로 2 개의 표면들 중 제 2 표면에 대해 2 개의 표면들 중 제 1 표면을 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계(제 2 접촉 영역은 제 2 표면적을 가지며, 제 1 표면적 및 제 2 표면적은 서로 상이함)를 포함한다. 특정 구현예에서, 축 방향으로 재 위치시키는 단계는 제 1 및 제 2 구성 렌즈의 축 방향 위치를 변화시키지 않고 수행된다. 이 방법은 광축을 따라 제 2 방향 (제 1 방향과 반대 방향)으로 두 표면 중 제 2 표면에 대해 두 표면 중 제 1 표면을 축 방향으로 재배치하여 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 제 3 접촉 영역을 형성하는 단계 제 3 접촉 영역은 제 3 표면 영역 (임의로 제 1 표면 영역과 동일 함)을 갖는 2 개의 표면을 포함한다. 선택적으로 또는 부가 적으로, 매크로 렌즈 외부의 요소로부터 (예를 들어, 제 1 및 제 2 구성 렌즈 중 적어도 하나의 주변부로) 기계적 에너지를 전달하는 단계 및 / 또는 매크로 렌즈 외부의 요소로부터 기계적 에너지를 전달하는 단계 제 2 접촉 영역을 갖는 매크로 렌즈를 통해 광을 조사하여 제 2 이미지를 형성한다. 본 방법은 2 개의 면 중 제 1면과 제 2면 중 제 1면을 축 방향으로 재배치하는 단계의 결과로서 2 개의면 중 제 1면과 제 2면 중 적어도 하나의 원추 상수의 값을 변경하는 단계 및/또는 상기 2 개의 표면 중 제 1 및 제 2 표면 중 적어도 하나의 곡률을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다. 실제로 리포지셔닝하는 단계는 제 2 표면 영역을 제 1 표면 영역보다 크게 만들고 및 / 또는 정점의 표면을 평평하게하기 위해 광학 축을 따라 2 개의 표면 중 다른 하나의 표면에인가 된 벡터화 된 힘을 광축을 따라 다른 표면으로 증가시키는 단계 상기 제 2 접촉 영역을 평평한 표면을 갖는 것으로 정의하기 위해 상기 2 개의 표면 중 제 1 및 제 2 표면 중 적어도 하나의 제 1 및 제 2 접촉 영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 2 개의면 중 제 1면과 제 2면의 꼭짓점이 연장 된 비구면 표면의 꼭짓점 인 접촉을 형성함으로써 상기 제 1 접촉 영역을 규정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 특정 경우에, 매크로 렌즈가 제 1 렌즈와 제 2 렌즈와 동일 축상에 배치되고 갭만큼 제 1 렌즈와 제 2 렌즈로부터 분리되는 제 3 렌즈를 포함하는 경우, 상기 방법은 추가로 상기 제 3 렌즈의 표면을 평탄화하고 상기 표면의 일부분을 평탄하게하는, 상기 부분은 광축에 대해 대칭이다.
[0054] 당업자는 또한 본 발명의 매크로 렌즈의 아이디어에 따르면, 1 개, 2 개 또는 그 이상의 개별적인 애플리 케이 팅 렌즈 요소가 위치를 안정화 및 유지하도록 치수가 정해진 독립적으로 작동되는 피스톤 / 실린더 하우징 배열 내에 동축으로 위치 결정되고 이러한 다수의 렌즈 요소 중 하나 이상의 렌즈 요소는 박판화 된 표면에 균일한 압력을 가하도록 구성되어 압평된 표면의 각각에 압평된 부분의 직경을 변화시키는 것을 쉽게 이해한다. 압착하는 매크로 렌즈 시스템에 가해진 압력의 양은 원하는 출력 (초점 거리 및 / 또는 매크로 렌즈 수차의 완화와 같은)에 응답하여 규정된다. 피스톤 실린더 하우징은 렌즈 구멍을 통해 광학적으로 투명한 재료로 구성되며 하우징의 "배럴"을 따라 빛을 흡수하는 표면 (예 : 어두운 페인트)으로 구성됩니다. 상기 구조는 강성 유리 또는 아크릴 (PMMA와 같은)과 같은 재료를 포함 할 수있다. 압평 렌즈들은 이전에 비구면 표면의 기계적으로 부드러운 소재로 이전에 설명되었다. 변경된 압력에 대응하여 렌즈 표면의 비구면이 동박되고 동심원이되어, 변형의 수차를 최소화하고 매크로 렌즈로 형성된 이미지의 광학 품질을 용이하게 한다. 피스톤 압력은 피스톤의 플랜지 링 주위 (즉, 매크로 렌즈 또는 그 부품의 주변부)에 균등하게 적용됩니다. 구성 렌즈의 크기 및 박리 렌즈 재료의 강성에 따라, 가압력은 압전기 수정, 유압 시스템, 서보 모터 또는 기계적 나사 걸림 메커니즘에 의해 적용될 수 있다. 각각의 압평 렌즈 조립체는 포지티브 또는 네거티브 일 수 있으며, 박형 렌즈가 제조되는 재료의 굴절률보다 높거나 낮은 굴절 지수를 갖는 유체를 포함하는 주위 매질에 매립(둘러싸여) 될 수 있다. 다시 말해, 주어진 박형 렌즈의 광 파워는 피스톤과 같은 외부 요소에 의해 렌즈에 가해지는 압력에 반응하여 증가하거나 감소 할 수있다 (즉, 스트레스를받지 않은 상태에 비해 더 긍정적이거나 부정적이 될 수있다) .
[0055] 독립적으로 작동되는 렌즈 조립체는 일련의 2 개 이상의 비 변환 렌즈에 배치하여 확대 시스템 및 센서 / 아이 포커싱 시스템을 만들 수 있습니다. 일련의 렌즈는 하나의 경우, 일련의 렌즈 그룹이 공통의 초점을 갖는 무초점 시스템으로서 형성된다. 이러한 일련의 렌즈는 매크로 렌즈의 가장 후방 렌즈 요소에 대해 원하는 고정 된 위치에 배치 된 센서 상에 시리즈를 통해 투과 된 광을 포커싱하도록 치수가 정해질 수있다. 매크로 렌즈의 제 1 및 제 2 (또는 그 이상) 구성 렌즈 요소는 검출기 또는 센서뿐만 아니라 고정 된 위치에서 작동하여 배율, 초점 및 수차 완화와 같은 조정 된 출력을 생성한다.
[0056] 이러한 개시에 첨부된 청구항들에서 언급된 바와 같은 본 발명은 전체적으로 본 개시에 비추어 평가되는 것으로 의도된다. 개시되는 양태들, 또는 양태들의 부분들은 위에서 나열되지 않은 방식들로 조합될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 개시된 실시예(들)에 제한되는 것으로 보이지 않아야 한다.

Claims (31)

  1. 광축(optical axis)을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템(variable-focal-length macro lens system)으로서,
    상기 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템은,
    제 1 광출력(optical power)을 가지는 제 1 렌즈, 및
    제 2 광출력을 가지고 상기 제 1 렌즈와 동축으로 배치되는 제 2 렌즈를 포함하며, 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트(repositionable element)는 상기 제 1 및 제 2 렌즈들 중 하나 이상의 렌즈와 작동가능하게 협력되며, 그리고 상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트의 가역적인 모션(motion)에 응답하여 상기 제 1 렌즈의 제 1 표면 및 제 2 렌즈의 제 2 표면 중 하나 이상의 표면의 압평(applanation)의 척도(measure)를 가역적으로 변경하도록 구성되며, 상기 제 1 및 제 2 표면들은 서로를 향하며, 상기 매크로 렌즈 시스템의 초점 거리는 상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트의 상기 가역적 모션에 의존하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 표면들은, 상기 제 1 및 제 2 렌즈들이 상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트에 의해 응력을 받지 않을 때, 상기 광축에 중심이 있는 영역에서 서로 접촉하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트는, 상기 가역적 모션에 기초하여, 상기 광축을 따라 상기 제 1 및 제 2 렌즈들 중 하나 이상의 렌즈의 표면에 적용되는 벡터화된(vectored) 힘을 규정하도록 구성되고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 렌즈들의 축 방향의 포지션들은 상기 가역적인 모션에 의존하지 않는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트는 상기 제 1 및 제 2 표면들 중 하나 이상의 표면의 평탄 영역을 규정하도록 구성되며, 상기 평탄 영역은 상기 광축을 중심으로 대칭적이며, 상기 평탄 영역의 표면적은 상기 가역적 모션의 규모에 의존하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 벡터화된 힘은 상기 제 1 및 제 2 렌즈들 중 하나 이상의 렌즈의 상기 표면의 주변 부분에 적용되는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    하우징 유닛(housing unit)을 더 포함하며, 상기 하우징 유닛은 그 안에 외부 쉘 및 중공부를 규정하며, 상기 제 1 및 제 2 렌즈들은 상기 중공부에서 배치되며, 상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트의 일부분은 상기 광축을 따라 상기 중공부 내측으로 가역적으로 이동하도록 치수결정되는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트는 피스톤(piston)을 포함하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 중공부의 표면은 상기 제 1 리포지셔닝가능한 엘리먼트를 안내하도록 치수결정되는 스레드(thread)를 지탱하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 표면들의 상기 하나 이상의 표면은, 비응력 상태에서, 상기 광축 상에 중심이 있는 편장형 비구면 표면(prolate aspheric surface)을 포함하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 표면들 중 상기 하나 이상의 표면은, 상기 제 1 및 제 2 표면들 중 상기 하나 이상의 표면을 향하여 발생되는 상기 가역적 모션에 응답하여 상기 평탄 영역의 직경의 증가의 프로세스 중에, 상기 제 1 및 제 2 표면들 중 상기 하나 이상의 표면의 형상에서의 변경들에 의해 발생되는 상기 시스템의 광학 수차들(aberrations)이 최소화되도록, 성형되는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 제 1 및 제 2 표면들 중 상기 하나 이상의 표면의 주변 영역에 적용되는 논-제로(non-zero) 힘에 응답하여, 서로 상호작용하기 위해 상기 제 1 및 제 2 표면들을 가지도록 구성되어, 상기 광축에 중심이 있는 각각의 평탄화된 영역들을 규정하기 위해 서로를 서로 평탄화하며, 상기 평탄화된 영역들의 각각의 직경들은 상기 논-제로 힘의 증가에 의해 점진적으로 증가하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 렌즈들과 동축으로 배치되고 상기 제 2 렌즈에 의해 상기 제 1 렌즈로부터 분리되는 제 3 렌즈를 더 포함하며, 상기 제 3 렌즈는 광축 상에서 중심이 있는 편장형 비구면 표면을 가지는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    2 개의 그룹들의 렌즈들을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 그룹들은 갭(gap) 만큼 서로로부터 분리되며, 상기 제 1 그룹은 상기 제 1 및 제 2 렌즈들을 포함하며, 상기 제 2 그룹은 상기 제 3 렌즈를 포함하며, 그리고
    상기 제 2 그룹과의 작동가능한 협력 상태의 제 2 리포지셔닝가능한 엘리먼트를 포함하며, 그리고 상기 제 2 리포지셔닝가능한 엘리먼트의 모션에 응답하여 제 3 렌즈의 표면의 곡률을 변화시키도록 구성되는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 그룹의 렌즈들의 초점 및 상기 제 2 그룹의 렌즈들의 초점은 일치하는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 그룹의 렌즈들은 포지티브(positive) 광출력을 가지는 반면, 상기 제 2 그룹의 렌즈들은 네거티브(negative) 광출력을 가지는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 그룹들의 렌즈들의 각각은 상응하는 포지티브 광출력을 가지는,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 렌즈들은 유체 내에 잠기며, 상기 유체의 굴절률(refractive index)은 상기 제 3 렌즈의 굴절류보다 더 큰,
    광축을 가지는 가변-초점-거리 매크로 렌즈 시스템.
  18. 광학 카메라(optical camera)로서,
    제 13 항에 따른 매크로 렌즈 시스템 및 제 1 그룹의 렌즈들과 광 통신하고 제 2 그룹의 렌즈들에 의해 제 1 그룹의 렌즈들로부터 분리된 광 검출기를 포함하는,
    광학 카메라.
  19. 광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 방법은:
    제 1 이미지를 형성하기 위해 상기 광축에 중심이 있는 제 1 접촉 영역에서 서로 접촉하는 상기 매크로 렌즈의 2 개의 표면들을 통해, 매크로 렌즈의 전방 표면 상에 입사하는 광을 투과시키는 단계─제 1 접촉 영역은 제 1 표면적을 가짐─, 및
    제 1 및 제 2 의 2 개의 표면들 사이에 제 2 접촉 표면을 형성하기 위해 상기 광축을 따라 제 1 방향으로 2 개의 표면들 중 제 2 표면에 대해 2 개의 표면들 중 제 1 표면을 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계─상기 제 2 접촉 영역은 제 2 표면적을 가지며, 상기 제 1 표면적 및 상기 제 2 표면적은 서로 상이함─를 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계는 상기 제 1 및 제 2 구성 렌즈들의 각각의 축 방향의 포지션들을 유지하는 단계를 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 2 개의 표면들의 제 1 및 제 2 표면들 사이에 제 3 접촉 영역을 형성하기 위해, 상기 광축에 따른 제 2 방향으로 상기 2 개의 표면들 중 제 2 표면들에 대해 상기 2 개의 표면들 중 상기 제 1 표면을 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계─상기 제 3 접촉 영역은 제 3 표면적을 가지며, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향에 반대임─를 더 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 2 방향으로의 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계는 상기 제 1 표면적과 동일한 상기 제 3 표면적을 형성하는 단계를 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 2 개의 렌즈들 중 하나 이상의 렌즈에 상기 매크로 렌즈에 대해 외부에 있는 엘리먼트로부터의 기계적 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    제 2 이미지를 형성하기 위해 상기 제 2 접촉 영역을 가지는 상기 매크로 렌즈를 통해 상기 광을 투과시키는 단계를 더 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계의 결과로써, 상기 2 개의 제 1 및 제 2의 표면들 중 하나 이상의 표면의 코닉 상수(conic constant)의 값을 변경하는 단계를 더 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 2 개의 제 1 및 제 2 표면들 중 하나 이상의 표면의 곡률을 변경하는 단계를 더 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  27. 제 19 항에 있어서,
    상기 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계는, 상기 제 1 표면적보다 더 큰 제 2 표면적을 만들기 위해 상기 광축에 따라 상기 2 개의 표면들의 하나의 표면에 의해 상기 2 개의 표면들의 다른 하나의 표면에 적용되는 벡터화된 힘을 증가하는 단계를 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  28. 제 19 항에 있어서,
    상기 축 방향으로 리포지셔닝하는 단계는, 평탄 표면을 가지는 것으로 상기 제 2 접촉 영역을 규정하기 위해 2 개의 제 1 및 제 2 표면들 중 하나 이상의 표면의 정점(apex)의 표면을 평탄화하는 단계를 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  29. 제 19 항에 있어서,
    상기 2 개의 제 1 및 제 2 표면들의 정점들 사이에 접촉부를 형성함으로써 제 1 접촉 영역을 규정하는 단계를 더 포함하며, 상기 2 개의 표면들 중 제 1 표면의 정점은 편장형 비구면 표면의 정점인,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  30. 제 19 항에 있어서,
    상기 축 방향 리포지셔닝하는 단계의 결과로써, 상기 매크로 렌즈의 유효 초점 거리(effective focal length)를 변경하는 단계를 더 포함하는,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
  31. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 렌즈들과 동축으로 배치되고 갭 만큼 제 1 및 제 2 렌즈들로부터 분리되는 제 3 렌즈의 표면을 통해 광을 투과시키는 단계, 및
    상기 제 3 렌즈의 상기 표면의 일부분을 평탄화하는 단계를 더 포함하며, 상기 부분은 상기 광축에 대해 대칭적인,
    광축 및 제 1 및 제 2 구성 렌즈들을 가지는 매크로 렌즈를 작동시키기 위한 방법.
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