KR0124540B1 - 다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템 - Google Patents

다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템

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Abstract

본 발명은 다중 촛점식 비 색지움 복굴절 렌즈 시스템으로서, 제1복굴절 렌즈 요소인 제1렌즈 요소 및 상기 제1렌즈 요소에 인접된 제2렌즈 요소를 포함하고, 제1 및 제2렌즈 요소들의 대향된 표면들의 곡률들은 대체로 동일하거나 보충적으로 되어 있고, 상기 제2복굴절 렌즈 요소는 제1복굴절 렌즈 요소의 광축과 상이한 방향의 광축을 갖는 제2복굴절 렌즈 요소와, 양 굴절률들이 제1복굴절 렌즈 요소의 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소와, 정상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 동일하나 이상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 상이한 졔2복굴절 렌즈 요소와,이상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 동일하나 정상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소와, 등방 렌즈 요소로 구성되는 집단에서 선택되고, 렌즈축과 평행하게 입사하는 광선에 대해 상기 렌즈 시스템은 동시에 적어도 여러개의 촛점을 갖고, 각각의 촛점은 렌즈 시스템의 축상의 미리 설정된 임의의 양 또는 음의 촛점 거리에 위치되어있고, 또한 제1 또는 제2렌즈 요소의 임의의 하나의 표면에는 상기 미리 설정된 촛점들과 무관한 곡률이 주어지는 렌즈 시스템에 관한 것이다.

Description

다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템
제1도는 완전 기하학(perfect geometry)을 나타내는 본 발명에 따른 복굴절 렌즈 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.
제2도는 본 발명의 렌즈 시스템과 결합되어 있는 복굴절 렌즈요소를 개략적으로 도시하는 도면.
제3A도, 3B도, 4도 및 5도는 본 발명에 따른 복굴절 렌즈 시스템들의 다른 여러 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
제6도는 본 발명의 복굴절 렌즈 시스템을 편광 장치와 결합한 것을 개략적으로 도시하는 도면.
제7도는 2개 이상의 동시 배율(simultaneous powers)들을 나타내도록 2개의 복굴절 렌즈 요소들로 제조된 복굴절 렌즈 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.
제8도는 편광 장치와 결합한 제7도의 렌즈 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.
제9A도 및 9B도는 본 발명에 따른 복굴절 렌즈 시스템과 결합한 안경 렌즈를 개략적으로 도시하는 정면도 및 측면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 30 : 등방렌즈요소, 20, 21 : 복굴절 렌즈 요소,
40 : 2중 촛점식복 굴절 렌즈부분, 50 : 단일 촛점식 렌즈 부분,
60 : 편광자.
본 출원은 1987. 9.24자 미합중국 특허 제100,773호와 함께 계류중인 동일 출원의 부분 연속 출원이다.
본 발명은 다중 촛점식 비 색지움(non-achromatized) 또는 색지움 다중요소의 광학렌즈 시스템, 특히 렌즈 요소들중 적어도 하나가 복굴절 렌즈로 된 상기와 같은 시스템에 관한 것이다.
복굴절 렌즈들은 일정기간 동안 공지되어 왔다. 영국 특허 제231,848호에는 편광자로서 사용되는 복굴절 렌즈가 기재되어 있다. 복굴절 렌즈는 상이한 경계(vergence)의 2개의 직교 편광된 광선들을 산출하므로, 단지 하나의 형식으로 편광된 광선을 제공하기 위해 2개의 편광된 광선들중 하나를 제거하는데에 다이아프램 또는 등방 렌즈가 사용된다. 미합중국 특허 제2,317,809호에는 자체의 철(凸)면측상에서 평철(平凸)의 복굴절 롄즈가 평요(平凹)의 등방 렌즈에 접합되어 있다. 상기 조립체는 선형 편광의 하나의 상태의 광선에 대한 양의 배율을 갖는 렌즈로서 작용하며 다른 직교 상태의 편광 광선에 대한 0의 광 배율을 갖는 평행판으로서 작용한다. 상기 렌즈 조립체는 사진용 용도를 위해 파인더(finder)내에 일체로 되어 있다. 영국 특허 제865,361호에서, 프리즘식(prismatic) 복굴절 렌즈는 렌즈들의 조합의 2개의 배율들이 표적 배율로부터 동등한 거리로 되도록 등방 커버 렌즈와 결합되어 있다. 상기 렌즈 시스템은 사람의 눈을 검사하는 광학 장치와 결합되어 있다. 상기 장치는 o-레이(o-rays) 및 e-레이(e-rays)에 의해 형성된 2개의 상들을, 눈을 검사하는 동안 상이한 명확도의 2개의 상들을 동시에 나란히 볼 수 있도록 분리시킨다. 미합중국 특허 제3,211,048호에는 동일한 복굴절 재료들로 제조된 평철/평요의 2중 렌즈 조립체들이 기재되어 있다. 상기 조립체들에서, 2개의 복굴절 렌즈들중 하나는 평탄한 표면을 갖는 등방 렌즈로 대체될 수 있다. 상기 조립체들은 예컨데, 프리즘 및 분광계 내의 편광자와 같은 분산 장치와 함께 작동할 수 있다. 미합중국 특허 제3,432,238호에도 또한 편광된 입사 광선의 상을 이동시키는 평철/평요의 복굴절 2중 렌즈들이 기재되어 있다. 최종적인 간섭의 형태들은 분광 장치에 이용된다.
복굴절 렌즈는 선형 편광의 하나의 평면에 관해 하나의 배율을 가지며 또다른 편광의 직교 평면에 관해 또다른 배율을 가지므로, 입사광이 선형으로 편광되게 되면 편광의 평면을 회전시킬 수 있는 장치가 2개의 배율들중 하나를 선택하는데에 사용될 수 있다. 미합중국 특허 제3,410,624호는 복굴절 렌즈들 및 프리즘들과 함께 전자-광학 제어 장치(Kerr cell)를 사용하고 있다. 상기 특허에서 각각의 렌즈 및 전자-광학 셸(Cell)로 구성되는 m개의 시스템의 2m개의 촛점을 산출할 수 있다. 상기와 유사한 n개의 전자-광학 셀들 및 n개의 복굴절 렌즈들의 조립체가 프랑스공화국 특허 제1552l98호에 기재되어 있다. 미합중국 특허 제3,520,592호 및 영국 등의 국가에 의해 1969.l0자 발간된 복굴절 렌즈들에 있어서의 다중 상 이라는 응용 광학, 제8권, 제10호의 페이지 2l17 내지 2120에는 하나 또는 그 이상의 복굴절 렌즈들을 사용하는 광학 접속시스템이 각각 기재되어 있는데, 각각의 렌즈는 광선의 편광 평면을 위한 제어 장치와 결합되어 있다. 미합중국 특허 제3,563,632호에는 조립체가 연속적인 단들로 정렬되어 있는 디지탈 광학 촛점 거리 변조기(modtuilator)가 기재되어 있는데, 각각의 변조기는 케르 셀(Kerr cell) 및 연속적인 곡률을 갖는 복굴절 렌즈를 가지며, 공통의 전해 탱크 내에 잠겨져 있다. 렌즈들은 전해질의 굴절률을 온도에 따라 보상시키는 형태로 되어 있다. 미합중국 특허 제3,565,510호에는 전기한 미합중국 특허 제3,563,632호와 유사한 시스템 내의 케르 셀에 대해 2개의 복굴절 렌즈들의 사용이 기재되어 있다. Osipov에 의한 1973. 5자 2차 편광 렌즈라는 광학 기술, 제40권, 제5호의 페이지에 277 내지 279에는 평철/평요의 복굴절 렌즈 시스템으로 구성되는 2차 편광 렌즈가 기재되어 있다. 상기 렌즈 시스템은 평행한 기준 광선 및 촛점이 맞추어진 신호 광선을 산출하기 위해 등방렌즈와 결합되어 있는데,상기 비임들은 레이지 시스템에 사용되기 위해 직교식으로 편광되어 있다. 미합중국 특허 제3,758,201호에는 등방가변배율 렌즈 시스템과 결합된 평철/평요의 복굴절 2중 렌즈가 기재되어 있다. 상기 시스템은 눈의 검사에 사용된다. 미합중국 특허 제3,990,798호에는 단일 상평면내의 상이한 물체 평면들 내의 물체들의 상들을 산출하기 위한 현미경의 접안렌즈에 또는 접안렌즈로서 사용되는 평철/평요의 복굴절 2중 렌즈가 기재되어 있다. 복굴절 재료로 제조된 평철/평요의 2중 렌즈들이 또한 미합중국 특허 제4,566,762호에 기재되어 있는데 이는 상이한 거리에 있는 물체들의 상들이 동일한 배율을 나타내게 되는 2중 촛점 시스템을 설명하고 있다. 미합중국 특허 제4,575,849호에는 광학 필터-편광자 조합의 상-평판(phase-plates)들로서 사용되는 평철/평요의 복굴절 렌즈들이 기재되어 있다.
상기 특허들에서 복굴절 렌즈들은 주로 평철/평요의 렌즈 조립체들에 사용되어 왔음을 알 수 있다. 상기와 같은 조립체는 예컨데, Osipov와 같이 편광된 광선의 평행 관선을 산출하기 위해 등방 렌즈와 함께 결합되어 있다. 눈의 검사를 목적으로 하나의 물체의 2개의 나란한 상들을 산출하기 위해, 상기 영국 특허 제865,361호는 프리즘식 복굴절 렌즈와 프리즘식 등방 렌즈의 조합을 사용하고 있다. 나아가서, 시스템들의 조립체들에서, 복굴절 렌즈 및 편광 평면의 방향을 위한 제어 장치와 결합되는 각각의 시스템은 여러 특허들에서 가변 촛점 거리 시스템으로서 제안되어 왔다.
상기 선행 특허들에서 수정 및 방해석과 같은 무기 결정체들이 복굴절 렌즈의 재료들로서 기재되어 있다. 복굴절은 또한 몇몇 종류들의 무기 중합체들의 특성이 될 수 있다. 따라서 예컨데, 미합중국 특허 제4,384,l07호, 제4,393,194호, 제4,933,196호, 제4,433,132호, 제 4,446,305호, 제4,461,885호, 제4,46l,887호, 제4.503,248호, 제4,520,l89호, 제4,521,588호, 제4,525,413호, 제4,575,547호, 제4,608,429호 및 제4,628,125호에는 높은 복굴절을 나타내며 단축의 결정체 들의 광학 특성들을 상사하는 중합체들이 기재되어 있다. 상기와 같은 복굴절 중합체들은 다층 광선 투광 및 편광 장치들 내의 등방 층들과 함께 사용되기 위해 제안되었다.
많은 중합체들이 예컨데, 응력을 인가함으로써 복굴절될 수 있다는 사실이 공지되어 있다. 편광된 광선에 의한 광탄성 및 응력 분석의 전 분야는 상기 현상을 기초로 한다. 역으로, 중합체를 자체의 탄성 범위 내에서 신장시킴으로써 중합체에 복굴절을 인가할 수 있음이 또한 공지되어 있다. 상기 사실은 예컨데, 미합중국 특허 제3,522,985호에 기재되어 있다.
다중 촛점을 갖는 안과용 렌즈들 및 특히 상기 특성을 갖는 콘택트 렌즈들은 예컨데, 미합중국 특허 제3,794,414호, 제4,162,122호, 제4,210,391호, 제4,340,283호, 제4,338,005호, 제4,637,697호, 제4,641,934호, 제4,642,112호 및 제4,655,565호에 기재되어 있다. 상기 렌즈들에 있어서 그 형성에 이용되는 광학 매체는 등방인 것이 보통이다. 동시의 다중 배율의 특징들은 렌즈에 적합한 기하학적 매개 변수들을 제공함으로써 이루어진다.
본 발명의 목적은 적어도 총 2개의 촛점들이 서로 독립적으로 선택되게 되는, 예컨데, 2중 촛점, 3중 촛점, 4중 촛점등의 다중 촛점식 비 색지움 또는 색지움 복굴절 렌즈 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 적합하지 않은 촛점들 또는 배율들을 최소화시키는 다중 촛점식 비 색지움 또는 색지움 복굴절 렌즈 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 공지된 다른 형식의 다중 촛점식 렌즈 시스템들에 비해 상의 명확성, 색채 운동(chromatic behavior) 및 배율들의 자유로운 선택 면에서 보다 우수한 비 색지움 또는 색지움 다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 공학용 중합체들로부터 전체적으로 또는 부분적으로 제조된 비 색지움 또는 색지움 복굴절 렌즈 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 비 색지움 또는 색지움 복굴절 렌즈 시스템을 하나 또는 그 이상의 편광 장치와결합시키고, 선택적으로, 하나 또는 그 이상의 편광 필터들과 결합시켜 다수의 이용가능한 배율들로부터 배율들의 선택 또는 배율들의 조합을 허여하게 하기 위함이다. 본 발명의 다른 목적은 적어도 하나의 렌즈 표면에 렌즈 요소들의 제조시 이용된 매체의 물리적인 매개변수들과 무관하며 미리 선택된 촛점들과 무관한 형태가 주어진 다중 촛점식 비 색지움 또는 색지움 복굴절렌즈 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 미리 선택된 촛점들 중 적어도 하나의 촛점으로 임의의 요구되는 색수차도를 나타내는 복굴절 렌즈 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명의 비 색지움 또는 색지움 복굴절 렌즈 시스템을 기본으로 하는, 안과용렌즈들, 특히 안경 렌즈들. 콘택트 렌즈들 및 내접한(lntraocular) 렌즈들을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적들은 예컨데, 안과용 진단 장치, 카메라, 망원경 및 쌍안경, 현미경, 복사기, 광학대, 분광 장치 등과 같은 렌즈 시스템과 결합되는 본 복굴절 렌즈 시스템 및 다른 광학 장치들을 포함한다.
본 발명에 따르면, (a) 복굴절 렌즈 요소인 제1렌즈 요소 및 (b) 상기 제1렌즈 요소에 인접된 제2렌즈 요소로 구성되는 다중 촛점식 비 색지움 복굴절 렌즈 시스템이 제공되어 있는데, 제1 및 제2렌즈 요소들의 대향된 표면들의 곡률들은 대체로 동일하거나 보충적으로 되어 있고, 상기 제2렌즈 요소는 (i) 복굴절 제1렌즈 요소(a)의 광축과 상이한 방향의 광축을 갖는 복굴절 렌즈 요소이거나, 또는 (ii) 양 굴절률들이 복굴절 제1렌즈 요소(a)의 굴절률들과 상이한 복굴절 렌즈 요소이거나, 또는 (iii) 정상 광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌즈 요소(a)에 대한 굴절률과 동일하나 이상 광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌즈요소(a)에 대한 굴절률과 상이한 복굴절 렌즈 요소이거나, 또는 (iv) 이상 광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌즈 요소(a)에 대한 굴절률과 동일하나 정상 광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌즈 요소(a)에 대한 굴절률과 상이한 복굴절 렌즈 요소이거나, 또는 (v) 렌즈축과 평행하게 입사하는 광선을 제공하는 등방렌즈 요소이며, 상기 렌즈 시스템은 동시에 적어도 2개의 촛점들을 갖는데 각각의 촛점은 렌즈 시스템의 축상의 미리 선택된 임의의 양 또는 음의 촛점 거리에 위치되어 있고 또한 제1 또는 제2렌즈 요소의 임의의 하나의 표면에는 상기 미리 설정된 촛점들과 무관한 곡률이 주어져 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 렌즈축에 대해 대체로 수직인 광축을 갖는 복굴절 렌즈 요소인 제l렌즈요소 및 상기 제1렌즈 요소에 인접된 제2렌즈 요소로 구성되는 적어도 하나의 촛점에 있어서 색지움식이거나 또는 적어도 하나의 촛점에 있어서 미리 결정된 크기의 색수차를 나타내는 다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템이 제공되어 있는데, 상기 제2렌즈 요소는 (i) 복굴절 제1렌즈 요소(a)의 광축과 상이한 방향의 광축을 갖는 복굴절 렌즈 요소 이거나, 또는 (ii) 양 굴절률들이 복굴절 제1렌즈 요소(a)의 굴절률들과 상이한 복굴절 렌즈요소이거나, 또는(iii) 정상광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌즈 요소(a)에 대한 굴절률과 동일 하나 이상 광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌즈 요소(a)에 대한 굴절률과 상이한 복굴절 렌즈 요소이거나, 또는(iv)이상 광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌즈요소(a)에 대한 굴절률과 동일하나 정상 광파들에 대한 굴절률은 복굴절 제1렌스 요소(a)에 대한 굴절률과 상이한 복굴절 렌즈 요소이거나, 또는 (v) 렌즈축과 펑행하게 입사하는 광선을 제공하는 등방 렌즈 요소이며, 상기 렌즈 시스템은 동시에 적어도 2개의 촛점들을 갖는데 각각의 촛점은 렌즈 시스템의 축상의 미리 설정된 임의의 양 또는 음의 촛점 거리에 위치되어 있고 또한 2개의 촛점들중 적어도 하나의 촛점 거리는 촛점이 맞추어진 광선의 적어도 2개의 상이한 파장들에 대한 촛첨 거리와 기본적으로 동일하다.
복굴절 렌즈 시스템의 제1및 제2렌즈 요소들의 상대적인 위치 결정에 대해 사용된 인접이라는 용어는 상기와 같은 요소들이 대체로 자체의 전체의 대향된 표면들에 대해 상호 직접 접촉되는 경우, 즉 다음에 규정된 바와 같은 복합 렌즈 또는 복합된 상태의 렌즈의 경우 및 상기와 같은 대향된 표면들 자체의 공통축을 따라 단거리로, 통상적으로 수 밀리미터 또는 그 이하의 거리로 격설되어 있는 경우를 포함한다.
다중 촛점식 비 색지움 복굴절 렌즈의 제1 및 제2 렌즈 요소들의 대향된 표면들의 곡률들에 대해 사용된 대체로 동일한 또는 보충적인이라는 표현은 서로 접촉되어 위치하게되는 상기와 같은 표면들을 의미하며, 상기 표면들은 자체의 상호 경계면을 따라 모든 점에서 만나게된다. 따라서, 예컨데, 평탄한 또는 평면형인 대체로 동일한 곡률들의 경우, 즉 표면들이 무한대의 곡률 반경을 가지는 경우 및 보충적인 곡률들의 경우에 있어서, 상기와 같은 표면들은 예컨데, 철면 또는 요면의 표면들을 조화시킴으로써 나타낼 수 있다.
복합 렌즈 또는 복합된 상태의 렌즈라는 표현은 여기서는 적어도 2개의 렌즈 요소들, 대체로 동일한 또는 보충적인 인접 렌즈 요소들의 2개의 대향된 렌즈 표면들로 구성되어 2개의 렌즈 요소가 예컨데. 평철/평요의 렌즈 시스템들로, 자체의 대향된 표면들을 따라 서로 부착될 수 있는 렌즈 시스템을 지칭하는 것이다 상기 표현들은 또한 렌즈가 아닌 예컨데, 편광 장치와 같은 하나 또는 그 이상의 광학 장치를 수용하기위해, 대향된 롄즈 표면들이 특정 거리로 격설되어 있는 렌즈 시스템에도 적용된다.
접촉된 상태의 렌즈들이라는 표현은 여기서 렌즈 시스템의 광학 배율이 렌즈 요소들의 광학 배율들의 합과 동등하게 되는 요구를 기본적으로 만족시키는 적어도 2개의 렌즈 요소들로 구성되는 렌즈 시스템을 지칭한다.
비 색지움이라는 용어는 렌즈 또는 렌즈 시스템의 제조에 사용된 복굴절 및/또는 등방 광학 매체의 특성으로 인해 촛점이 맞추어진(즉, 사용된) 광선의 파장에 종속되는 하나 또는 그 이상의 배율들을 나타내는 렌즈 또는 렌즈 시스템들을 지칭하는 것이다.
색지움이라는 용어는 배율들중 적어도 하나가, 촛점이 맞추어진(즉, 사용된) 광선의 적어도 2개의 상이한 파장들에 대해 일정한 굴절값을 나타내는 하나 또는 그 이상의 배율들을 나타내는 렌즈 시스템을 지칭하는 것이다.
본 발명의 다중 촛점식 비 색지움 및 색지움 복굴절 렌즈 시스템들은 상술한 바와 같은 적어도 하나의 다른 복굴절 렌즈 요소 및/또는 적어도 하나의 등방 렌즈 요소를 갖는 복굴절 렌즈 요소의 무수한 순열들 및 조합들을 포함하는데, 상기와 같은 시스템은 적어도 2개의 최종 촛점들, 또는 배율들을 미리 설정할 수 있고, 상기와 같은 촛점들은 렌즈축과 평행하게 입사하는 광선에 대한 동일한 렌즈축을 따라 위치되어 있으며 제1 또는 제2렌즈 요소의 임의의 한 곡률은 미리 설정된 촛점들과 무관하게 설정된다. 상기 요구 사항들에 의해 부여된 제한들 내에서, 실제적인 임의의 요구 사항들을 충족시키는 매우 광범위하고 다양한 임의의 다중 촛점식 광학 설계들을 제공할 수 있다. 따라서, 예컨데, 본 발명은 만일 복굴절 렌즈 요소가 하나 또는그 이상의 등방 렌즈 요소들과 결합되어 복합 렌즈 또는 렌즈들의 열을 제공하며, 하나의 복굴절 렌즈 요소가 복합 렌즈로서 또는 상기와 같은 렌즈들의 열로서, 적어도 다른 하나의 복굴절 렌즈 요소와 결합되어 있으며. 선택적으로 하나 또는 그 이상의 등방 렌즈 요소들 및 그와 같은 것들과 함께 걸합되어 있는 렌즈 시스템을 포함한다. 부가해서, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 임의의 다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템들은 하나 또는 그 이상의 인접된 복굴절 렌즈 요소들의 쌍들 사이에 및/또는 렌즈 시스템의 전방 또는 후방에 위치된 다른 편광 매체 또는 편광 필터들과 함께 결합되어 사용되어, 이용 가능한 가변 배율들 중에서 하나 또는 그 이상의 배율들의 선택을 허용하게 한다.
본 발명의 다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템에 의해 가능한 광학 배율들의 선택 범위는 특히, 배율의 비교적 큰 차이들일지라도 비교적 얇은 렌즈들에 얻어진 안과용 2중 촛점 렌즈들의 설계에 있어서 유용하며, 망원경들, 쌍안경들, 비디오 및 사진 카메라 렌즈. 현미경, 복사기, 광학대, 분광 장치 등을 포함하는 각종 형식의 광학 장비들 및 장치들에 있어서 유용하다.
이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명을 상술한다.
A. 다중 촛점식 비색지움 복굴절 롄즈 시스템
공지된 모든 복굴절 렌즈 시스템들은 렌즈축에 대해 수직인 광축(즉, 결정질 복굴절 매체의 내부 내의축)을 갖는다. 따라서, 복굴절 렌즈 시스템은 e-레이들이 광축에 대해 수직으로, 즉 직교하는 방향으로 복굴절 렌즈를 횡간하게되는 특별한 경우를 제외하고는, 2개의 특정 굴절률들, 즉 n0(정상파들, 또는 레이들에대한 굴절률) 및 n0(이상파들, 또는 레이들에 대한 굴절률)를 나타낸다. 다른 모든 방향들에 대해서는, e-레이들은 n0와 ne 사이의 값을 갖는 유효 굴절률 ne,eff를 갖는다. 상기와 같은 경우에, e-레이들에 대한 복굴절 렌즈 시스템의 광학적인 수행 또는 행동을 정확하게 예측할 수 없다.
상기 이유로 인해 e-레이들이 광축에 대해 전적으로 수직인 방향으로 복굴절 렌즈를 횡간하게 되는 부가적인 특징을 갖는, 독립적으로 선택된 2개의 배율들(또는 촛점들)을 나타내는 2중 촛점 렌즈를 사용하는 것이 바람직하게 된다. 모든 e-레이들이 광축에 대해 직교 방향으로 복굴절 렌즈를 횡간하게 되는 경우는 본 복굴절 렌즈 시스템의 완전 기하학 실시예로서 설명한다.
제1도는 보충적인 구형 표면 R2및 R3를 갖는 복굴절 렌즈 요소(20)의 전방 및 후방에서, 구형 표면 R1및 R2를 갖는 등방 렌즈 요소(10) 및 구형 표면 R3및 R4를 갖는 등방 렌즈 요소(30)을 갖는 완전한 기하학의 복굴절 렌즈 시스템의 실시예를 도시하는데, 굵은 화살표는 그 광축을 나타낸다(본 도면들에 도시된 다른 모든 것들도 마찬가지임) 렌즈 시스템에 대해 미리 선택된 배율들(이들은 또한 대응 촛점들을 규정함) Da및 Db를 부여하면, 다음의 제한함수들은 완전 기하학의 2중 촛점 렌즈 시스템, 즉,
D34+ D0+ D12= Da (1a)
D34+ De + D12= Db (1B)
및 완전 기하학 제한함수, 즉,
Figure kpo00001
(2)
에 대해 적용되며, 여기서, Dl2및 D34는 전방 및 후방의 등방 렌즈 요소들의 각각의 배율들이고, D0및 De는 o-레이들 및 e-레이들에 대한 복굴절 렌즈 요소의 배율들이다.
상기 완전 기하학의 실시예에서,
Figure kpo00002
(3)
또는
D = m. D0(4)
여기서,
Figure kpo00003
(5)
의 관계가 적용된다.
이와 함께, 제1도의 완전 기하학 2종 촛점 렌즈 시스템은 다음과 같이 표현된다. 즉,
Figure kpo00004
(6a)
Figure kpo00005
(6b)
D34+ Da+ D0= D12(7)
예컨데, 반경 R3가 미리 설정되게 되면, R2는 식(6a) 또는 (6b)에 의해 계산될 수 있다. 다음에, 반경 R2및 식(2)가 계산되면 R1이 결정되고, 미리 설정된 반경 R3및 식(7)이 계산되면 R4가 계산될 수 있다. 원칙적으로, 4개의 반경들중 임의의 하나가 미리 설정될 수 있다.
불완전 기하학(non-perfect geometry) 복굴절 렌즈 시스템의 더욱 일반적인 실시예에 있어서, e-파들은 광축에 대해 반드시 수직은 아닌 방향으로 복굴절 렌즈를 횡간한다. 따라서 e-레이들은 ne와 n0사이의값을 갖는 각각의 유효 복굴절률 ne,eff들을 갖는다. 상호 종속적인 관계에 있는 유효 굴절률 ne,eff및 복굴절렌즈 내의 e-레이들의 경로들이 미리 알려져 있지 않았으므로, 복굴절 렌즈와 결합되는 렌즈 시스템의 실제적인 기능 수행은 값 ne및 렌즈 기하학을 기초로 하여 직접 판단할 수 없다.
복굴절 렌즈들의 기능 수행의 합리적인 계산은 상기와 같은 렌즈를 통과하는 광선들의 세부적인 광선 추적을 기초로 하여야 한다. 상기와 같은 광선 추적은 등방 매체와 복굴절 매체 사이의 경계면이 임의의 방향으로 되기 전에 및 후의 광 전파 벡터들의 공간 성분들의 측정을 포함한다. 복굴절 매체의 광축의 주어진 선택 또는 방향에 대해서, 상기 측정은 호이겐스의 구조물, 즉 타원형 토로이드(toroid)상의 접평면의 구조물의 일반적인 경우를 포함하는데, 그 예로서 더블류 에이치 프리맨 앤드 컴페니(W.H. Freeman andcompany,1985)에 의해 발간된 제이. 스트롱(J Strong)의 고전 광학의 개념의 페이지 138을 참조로 할수 있다. 상기와 같은 광선 추적 계산들을 기초로 하여, 물론 이는 o-레이들에 대해서도 역시 적용될 수 있으며, 렌즈 배율들, 상의 명확도, 색수차 및 구면 수차와 같은 실질적인 모든 관련 렌즈의 기능 수행 데이타들이 계산될 수 있다. 2개의 광학 매체 사이의 경계를 횡간하는 광선의 전달 진폭에 대한 프레스넬(Fresnel)식의 산입은 또한 다층 렌즈의 전달 휘도의 측정을 가능하게 한다.
이제 본 발명에 따른 불완전 기하학 복굴절 렌즈 시스템들의 예들을 제2도 내지 5도를 참조로 하여 설명한다. 상기 예들에서, 다음의 정의들이 사용된다 즉,
Figure kpo00006
Ne e-레이들이 광축에 대한 수직인 경우 e-레이들에 대한 복굴절 렌즈 요소의 굴절률 파우어.
n12반경 R1및 R2를 갖는 동방 렌즈의 굴절률.
n34반경 R3및 R4를 갖는 동방 렌즈의 굴절률.
γ 광축과 랜즈측 사이의 각도.
αr입사광선들과 렌즈축 사이의 각도.
αp입사광선들 및 렌즈축에 의해 형성된 평면과 복굴절 렌즈 요소의 광축 및 렌즈축에 의해 형성된 평면 사이의 각도.
R1, R2제2도 내지 5도의 렌즈 시스템의 구형 렌즈.
R3및 R4표면들의 반경들.
d 렌즈 시스템의 직경.
C12,C23및 C34제2도 내지 제5도의 렌즈 시스템의 렌즈의 중심 두께.
DF 촛점 지점과 렌즈 시스템의 후방 표면의 중심 사이의 역거리(디옵터)
Dpr프리즈매틱 디옵터들 내의 프리즈매틱 배율(1 프리즈매틱 디옵터=1cm 편차/1m)
제2도의 복굴절 렌즈 요소(20)의 설계 사양들은 다음과 같다. 즉,
전방 표면 반경 : R2= 7.5mm
후방 표면 반경 : R3= 7.8mm
중심 두께 : C23= 0.05mm
렌즈 시스템 직경 : d = 6mm
광축의 방향 : γ = 90°
굴절률 : n0=1.43 ; ne=1.8
입사광의 방향 :αr= 0°
제2도의 복굴절 렌즈 요소의 o-레이들에 대한 계산치
[표 1A]
Figure kpo00007
제2도의 복굴절 렌즈 요소의 e-레이들에 대한 계산치
[표 1B]
Figure kpo00008
상기 데이타는 실제적인 후방 꼭지점 배율 DO 및 DE들은 DVO 및 DVE의 대응 값들보다 크다는 것을 나타낸다. 이는 광선들의 들어오는 다발(bundle)의 구경이 0이 아니기 때문이다. 온-축(on-axis) 입사광의 경우에 있어서 2개의 촛점 지점들은 정확하게 렌즈축 상에 위치된다. e-레이들의 상의 명확도는 o-레이들의 명확도에 비해 우수하다. e-레이들은 o-레이들보다 큰 범위로 벗어나므로 e-레이들에 대한 전달손실들은 o-레이들에 대한 전단 손실들 보다 크다.
제3A도 및 3B도의 복굴절 렌즈 시스템에서, 제2도의 복굴절 렌즈 요소(20)은 등방 렌즈 요소(10) 및 (30)과 결합되어 있다. 상기 2개의 렌즈 시스템들간의 차이는 복굴절 렌즈 요소(30)의 광축의 방향이 기본적으로 제3A도의 렌즈축이 제3B도의 렌즈축에 대해 수직이고 약 60°정도 경사기 있다는 것이다. 양 렌즈시스템들에 대한 렌즈 매개변수들은 렌즈 시스템들이 정상 레이들에 대해 촛점을 제거하도록(즉, 0의 배율을 나타냄) 선택되어 있고 e-레이들에 대해서는 양의 배율을 나타내도록 선택되어 있다. 상기 매개변수들은 다음과 같다. 즉,
반경 : R1= 7.85mm
R2= 7.5mm
R3= 7.8mm
R4= 7.8mm
중심두께 : C12= 0.04mm
C23= 0.05mm
C34= 0.03mm
렌즈 시스템 직경 : d = 6mm
렌즈 매질 : n12= 1.443
n0= 1.443, ne=1.8
n34= 1.443
광축의 방향 : γ = 90°
입사광의 방향 : αr=0°
제3A도의 복굴절 렌즈 요소의 o-레이들에 대한 계산치
[표 2A]
Figure kpo00009
제3A도의 복굴절 fps즈 요소의 e-레이들에 대한 계산치
[표 3B]
Figure kpo00010
다시, 렌즈축에 대해 평행한 모든 입사 레이들에 대해서, 2개의 촛점 지점들은 정확하게 렌즈축 상에 위치된다. e-레이들의 전달 휘도(intensity)는 단일 복굴절 렌즈의 경우에 비해 증가되었으나(제2도) 명확도는 약간 감퇴되었다.
3A도의 렌즈 시스템을 참조하면, 오프-축(off-axis) 입사광에 대한 시스템의 기능 수행이 나타나 있다. 다음의 표 3 및 4에 기재된 계산들은 e-레이들에 대해서만 한정되는데 이는 o-레이들은 공지된 등방 렌즈들로부터 결정될 수 있는 방법으로 작용하기 때문이다.
먼저, 입사 평면과 복굴절 렌즈 요소의 광축 사이의 각도가 0인 입사광선들의 다발의 경우에 대한 데이타는 아래의 표 3과 같다.
입사광의 방향
[표 3]
Figure kpo00011
* 온-축 입사광에 대해 계산됨
상기 데이타로부더, 본 발명에 따른 복굴절 렌즈 시스템은 온-축 입사광에 대한 배율 DVE와 실제적으로 동일한 유효 배율 DF를 나타냄을 알 수 있다 렌즈의 설계적인 관점에서, 상기와 같은 특징들은 예컨데, 상의 명확도의 손실이 다소 있더라도 렌즈축에 대한 입사광의 각도에 관계없이 동일한 유효 배율을 유지하는것이 바람직할 수 있게 되는, 안과용 렌즈 특히, 콘택트 렌즈의 경우에 있어서 유리할 수도 있다.
다음에, 광축이 입사광의 평면에 대해 수직인 오프-축 입사광에 대한 상기 렌즈 시스템의 기능 수행 데이타가 다음의 표 4에 나타나 있다.
들어오는 입사광의 방향
[표 4] : 들어오는 입사광의 방향
Figure kpo00012
* 온-축 입사광에 대해 계산됨
상기 형식의 입사광에 대해서, 비교 분석에 의하면 본 발명의 복굴절 렌즈 시스템은 동일 배율의 DVE의 등방 렌즈 시스템과 매우 유사하게 기능을 수행한다. 콘택트 렌즈의 설계에 있어서의 상기 분석의 실제적인 결과는 상기 형식의 입사광에 대한 본 복굴절 렌즈 시스템에 대해서 표준 광학 관계들 및 특성들이 근본적으로 사실이게 된다.
표 3및 4들의 결합된 데이타는 2중 촛점 콘택트 렌즈의 경우, 독서대역(reading addition)은 e-레이들에 의해 적합하게 제공되고 원거리 시야 대역(distance addition)은 o-레이들에 의해 적합하게 제공된다는 것을 나타낸다. 상기 동일 데이타는 또한 2중 촛점 콘택트 렌즈의 광축은 예컨데, 좌측으로부터 우측으로의 방향과 같이, 가시영역(visual field)이 수평으로 나타나게 되는 대체로 수직인 방향으로 향해야 한다는 것을 나타낸다. 역으로, 가시영역이 주로 수직 방향으로 관측되는 경우에 있어서는, 제3도 및 4도의 데이타는 2중 촛점 콘택트 렌즈의 광축의 방향을 대체로 수평이어야 하는 것을 나타낸다.
앞서 지적한 바와 같이, 독립적으로 미리 설정된 2개의 배율들을 제공하기 위해서 단지 하나의 복굴절 렌즈 요소 및 하나의 등방 렌즈 요소만이 요구된다. 그러나, 특수한 적용들에서는 3개 또는 그이상의 렌즈 요소 시스템을 제공하는 것이 유리할 수도 있다. 제3A도에 개략적으로 도시된 본 발명에 의한 상기와 같은 렌즈 시스템의 하나는 자체의 직경이 동공의 최대 직경과 일치하는 복굴절 렌즈 요소(20)이, 자체의 직경이 공막의 직경과 일치하는 등방 렌즈 요소 내에 감싸져 묻혀있는 공막 콘택트 렌즈를 포함한다. 복굴절 렌즈요소(10)및 (30)의 전방 및 후방의 등방 렌즈 요소는 각각 전체의 렌즈 시스템의 2개의 등방 렌즈 요소들로서 여겨질 수 있다. 동일한 또는 상이한 광학 매체로부터 여러가지 요소들이 제조될 수 있다. 예컨데, 신장된 폴리메틸 메타크릴레이트(methacrylate) 중합체와 같은 상기 선행 특허들중 임의의 것들과 같은 복굴절 중합체 또는방향족 중합체는, 히드로메틸 메타크릴레이트 중합체 또는 신장되지 않은 폴리메틸 메타크릴레이트와 같은 임의의 공지된 등방 콘택트 렌즈 매체와 결합되어 본 발명에 따른 2중 촛점 콘택트 렌즈를 제공할 수 있다.
제4도는 본 발명에 따른 또다른 복굴절 렌즈 시스템을 도시하며 복굴절 레즌요소(20)및 등방 렌즈 요소(30)에 대해서 다음의 설계 매개변수들을 갖는다. 즉,
반경 : R2= 38mm
R3= 50mm
R4= -50mm
중심두께 : C23= 0.2mm
C34= 1.0mm
렌즈 시스템 직경: d = 6mm
렌즈 매질 :n0= 1443 , ne= 1.8
:n34= 1.443
광축의 방향 : γ = 90°
입사광의 방향 : αr = 0°
제4도의 복굴절 렌즈 요소의 o-레이들에 대한 계산치
[표 5A]
Figure kpo00013
제4도의 복굴절 렌즈 요소의 e-레이들에 대한 계산치
[표 5B]
Figure kpo00014
상기 결과들은 본 발명의 복굴절 렌즈 시스템들을 2중 촛점식 내접안 렌즈로서 사용될 수 있다는 것을 나타낸다.
제3B도에 도시된 비와 같이, 본 발명에 따른 복굴절 렌즈 시스템들은 렌즈축에 대해 수직이 아닌 광축의 방향들에 대해 2중 촛점식이다.
제3도의 복굴절 렌즈 요소의 o-레이들에 대한 계산치
[표 6A]
Figure kpo00015
제3도의 복굴절 렌즈 요소의 e-레이들에 대한 계산치
[표 6B]
Figure kpo00016
* γ=90°로 계산됨
상기 계산들로부터 볼 수 있는 바와 같이, e-레이들과 관계된 배율은 감소되어 있다. 이는 유효 복굴절 ne,eff들이 ne보다 작기 때문이다. e-레이들에 대한 상의 질은 γ=90°의 경우보다 불량하다. 따라서, 단지 몇가지의 경우들에 있어서만, 광학기와 렌즈축 사이의 각도를 γ=90°와 다른 각도들을 사용하는 것이 적합하게된다.
그러나, γ의 90°로부터의 단지 작은 편차는 렌즈의 기능 수행에 있어서 만족스럽게 된다. 따라서, 자체의 광축이 시이트(sheet)의 펑면내에 위치되어 원통형 표면을 나타내며, 원통의 축은 원형 광축들에 대해 수직으로 되어 있는 복굴절 중합체의 시이트를 굴곡하는 것도 본 발명의 범위내에 포함된다. 예컨데, 원통의 반경에는 복굴절 렌즈의 반경들중 하나에 일치하는 값이 주어질 수 있다. 상기와 같은 렌즈의 해석은 렌즈 전체를 통해 렌즈축에 대해 수직인 광축을 나타내는 렌즈와 거의 동일한 기능을 수행한다는 것을 보여준다. 근사법(approximation)은 원통의 반경이 증가함에 따라 더욱 접근함을 알 수 있다.
상술한 실시예들에서, 자체의 크기가 복합 렌즈 시스템에 대한 기하학적인 매개변수를이 자유롭게 잔존하더라도 서로 완전히 독립적으로 선택될 수 있는 2개의 상이한 배율들을 제공하기 위해서 복굴절 렌즈 요소는 하나 또는 2개의 등방 렌즈 요소들과 함께 결합되었다. 예컨데 콘택트 렌즈와 같은 경우, 상기 자유 매개변수는 렌즈 시스템의 후방 표면 곡률의 설계에 있어서 유용하다 상기 효과는 일반적으로 2개의 복굴절 렌즈 요소들을 결합함으로써 수행될 수 있다. 단지 2가지 배율들을 산출하기 위해, 2개의 복굴절 렌즈들의 광축 사이의 각도는 제1복굴절 렌즈내의 o-레이들이 제2복굴절 렌즈 내의 e-레이들이 되고 또한 그 역으로 되도록 90°이어야 한다. 교차된(crossed) 복굴절이라 칭할 수 있는 상기 형태는 제5도에 도시되어 있다.
복굴절 렌즈 요소(20) 및 (21)들로 구성되는 제5도의 렌즈 시스템의 설계 매개변수들은 다음과 같다. 즉,
전방 표면 반경 : 7.9mm
중간 표면 반경 : 7.5mm
후방 표면 반경 : 7.8mm
제1렌즈의 중심 두께 : 0.06mm
제2렌즈의 중심 두께 : 0.06mm
렌즈 시스템 직경 : 6.0mm
광학 매질
제1렌즈 : n0= 1.443 ; ne= 1.8
제2렌즈 : n0= 1.443 ; ne= 1.8
광축의 방향 : γ1= γ2= 90°
광축들 사이의 각도 : 90°
입사광의 방향 : αr= 0°
표 7에 기재된 계산에서, 값들의 정의는 다음과 같다. 즉,
Figure kpo00017
[표 7] : 제5도의 복굴절 렌즈 시스템에 대한 계산치
Figure kpo00018
제5도의 렌즈 시스템에 의해 제공된 상의 명확도는 예컨데, 제3A도와 같은 등방-복굴절 렌즈 시스렘의 경우와 마찬가지로 온-축 입사광에 대한 크기의 순서와 동일하다.
교차 복굴절 형태들은 매우 얇은 렌즈들로도 직교식으로 편광된 2개의 방출 광파들에 대해서 큰 배율 차이들을 산출할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 형태들은 콘택트 렌즈들에 대해 이용될 수 있다.
상기 실시예들은 본 발명에 따른 복굴절 렌즈 시스템은 적어도 2개의 상이한 배율들, 즉 원거리 시야를 위한 적어도 하나의 배율 근거리 시야를 위한 적어도 하나의 배율이 요구되는 안과용 콘택트 렌즈 또는 내 접안 렌즈로서 유익하게 사용될 수 있다.
본 복굴절 렌즈 시스템들의 실시예들은 또한 안과용 안경 렌즈들과 결합되거나 상기 렌즈들르서 사용될수 있다. 상기와 같은 렌즈의 적합한 실시예가 제9A도 및 9B도에 도시되어 있는데 여기서 (40)은 예컨데,근거리 및 원거리 시야를 위한 복굴절-등방 렌즈 시스템을 갖는 2중 촛점 복굴절 렌즈 부분을 나타내며,
(50)은 종래의 등방 매체로부터 제조된 원거리용 단일 촛점 렌즈 부분을 나타낸다. 제9A도 및 9B도의 안경렌즈에서, 렌즈 부분(40)의 o-레이들에 대응하는 배율은 렌즈 부분(50)의 배율과 동일하다 적합하게, 부분(40) 및 (50)들에 사용된 등방 매체는 전체에 걸쳐 동일한 예컨데, 폴리아크릴레이트와 같은 것이며, 그로부터 부분(40)의 복굴절 렌즈 요소가 구조되게 되는 복굴절 매체는 신장된 폴리아크릴레이트이다. 독서에 있어서, 온-축 입사광선들이 주로 이용되는데, 즉 눈의 운동은 읽혀지는 책과 동공 사이로 직선으로(즉, 렌즈축으로) 유지된다. 상기와 같은 눈의 운동은 머리의 운동을 항상 포함하지는 않는다. 전형적인 독서거리는 약 40cm이고 인쇄된 책자들은 좌측으로부터 우측으로 전형적으로 20cm 연장된다. 따라서, 인쇄된 책자들을 수평으로 읽는 동안 눈의 렌즈는 약 30°의 각도를 이루게 된다. 안경의 렌즈는 각막 전방으로 통상 12mm의 거리에 있다. 따라서, 독서 배율을 제공하는 안경 렌즈의 대역은 수평 방향을 횡간하여 약 1cm 이상을 측정할 필요는 없다. 어떠한 경우에서든지, 독서 대역은 2cm 이상이 될 필요는 없다. 수직 방향에 있어서, 독서대역은 단지 1 내지 1.5cm만이 측정되게 된다. 상기 대역은 제9A도 및 9B도의 실시예에 도시된 바와 같이 안경 렌즈의 바닥에 위치될 수 있다.
복굴절 2중 촛점 렌즈 시스템의 상기와 같은 독서 대역 내에서의 사용은 양 대역들이 각각 단일 촛점인 종래의 2개 대역의 2중 촛점 안경 렌즈들보다 결정적인 장범을 제공한다. 독서 대역의 요구되는 치수에 대한 상기 고려 사항들이 종래의 2중 촛점 안경 렌즈들에 대해서도 적용된다 하더라도, 상기와 같은 렌즈들은 항상 대단히 큰 독서 대역들을 나타낸다. 이는 주로 상기와 같은 높은 배율의 작은 대역을 갖는 종래의 안경 렌즈들이 장식면에서 적합하지 않기 때문이다.
특히, 앞서 언급한 바와 같이 복굴절 렌즈가 원거리 시야 렌즈에 사용되는 굴절률과 동일한 굴절률 n0를 나타내게 되면, 복굴절 렌즈 시스템은, 비교해 보면, 단일 촛점 렌즈들의 형태를 갖는데 이는 독서 대역이 원거리 시야 대역으로부터 식별할 수 없다는 것을 의미한다. 비교적 다소 작은 독서 대역은 안경 렌즈들의 총 중량을 감소시킬 수 있는 적당한 렌즈 두께에서 다소 큰 독서 배율들을 제공할 수 있다. 마지막으로, 본 복굴절 렌즈 시스템은 독서 및 원거리 시야를 위해 요구되는 배율들을 동시에 제공한다. 따라서, 시계는 전체의 안경 렌즈 구역에 걸쳐 확장되는데 이는 원거리 시야를 하방향으로 보는 경우 또는 예컨데, 원거리의 물체들을 기댄(reclined) 위치에서 보는 경우에 중요하다. 본 2중 촛점 안경을 가지고 독서 대역을 보려면 머리를 상당히 앞으로 구부려야 한다.
상술한 바와 같이, 복굴절 렌즈 시스템의 2개의 배율들은 직교식으로 편광된 2개의 광파들에 의해 산출된다. 예컨데 , 원거리 배율이 수직 편광 평면에서 광파와 관계되고 독서 배율이 수평 편광 평면에서 광파와 관계되면, 편광 필터들과 결합된 썬그라스는 응시 방향에 따라 2개의 이용가능한 배율들중 단지 각 하나의 배율만을 선택하는 데에 유리하게 사용될 수 있다. 예컨데, 상기와 같은 썬그라스는 원거리 시야를 위해서 큰대역에서 수직으로 편광된 광선을 산출하는 편광 필터와 결합되게 되고 독서를 위해서 작은 대역에서 수평으로 편광된 광선을 산출하는 편광 필터와 결합되게 된다. 원거리 시야 및 독서 대역의 분포는 제9A도와 같다. 종래의 편광 썬그라스로부터의 광선 휘도와 비교할때, 즉 입사광의 휘도의 50%가 각각의 2개의 촛점내에서 유용하게 될때, 상기와 같은 썬그라스에 있어서, 독서 배율로부터 유래하는 촛점 밖의 광선은 휘도의 손실이 없이 원거리 시야 배율내에서 제거되게 되며 그 역으로도 마찬가지다. 상기와 같은 설계의 썬그라스의 물리적인 형태는 종래의 편광 썬그라스의 형태와 구별할 수 없으므로 장식면에서 유리하다.
2개의 복굴절 렌즈들의 광축들이 90°가 아니면, 일반적으로 4개의 상이한 배율들이 존재하게 되는데 이는 제1렌즈의 양 o-배율 및 e-배율들이 제2렌즈의 o-배율 및 o-배율들과 결합하기 때문이다. 제5도의 렌즈 시스템에서, 2개의 부가적인 배율들은 -.51 및 -.47디옵터인데, 즉 렌즈는 실질적으로 3중 촛점식이다.
광축 사이의 각도가 90°가 아닌 2개의 복굴절 렌즈 요소(20) 및 (21)들과 결합된 복굴절 렌즈 시스템이 제7도에 도시되어 있다. 일반적으로, 2개의 복굴절 요소들과 결합된 4배율의 복굴절 렌즈 시스템은 다음과같이 주어진다. 즉,
D10+ D20= Da(8a)
D10+ D2e= Db(8b)
D1e+ D2e= Dc(8c)
D1e+ D2e= Dd(8d)
여기서, D10은 o-레이들에 대한 제1렌즈의 배율이고, D1e는 e-레이들에 대한 제1의 렌즈의 배율이고, Da, Db, Dc및 Dd는 2개의 렌즈들이 접촉되어 있을때의 조합의 최종 배율들이다.
양호한 근사치로서, 렌즈의 배율은 다음과 같이 주어진다(부분 인용, J.Strong, 페이지 319참조) 즉,
D = (n-1) × S (9)
여기서, D는 배율이고, n은 굴절률이며 S는 소위 렌즈의 형상 계수(shape factor)이다 수식(9)는 또한 불완전 기하학의 복굴절 렌즈의 경우에 대해 적용될 수 있다(예, 제3A도, 4도 및 5도) 수식(9)에서,o-레이들 및 e-레이들에 대한 제1렌즈의 배율 D10및 D1e를은 다음과 같이 주어진다. 즉,
D10= (n10-1) × S (10a)
D1e= (n1e-1) × S1(10b)
또는
D1e= m1× D10(10c)
여기서,
Figure kpo00019
(5')
이고 nle및 n10e-레이들 및 o-레이들에 대한 제1렌즈의 각각의 굴절률들이다. 유사한 관계들이 제2렌즈에 대해서는 적용된다.
특정 실시예로서, 2개의 복굴절 렌즈 요소들로 구성되고 동일한 복굴절 매체로부터 제조된 렌즈가 설명되어 있다. 수식(5'), (l0) 및 (8)들을 보면, 상기 실시예에 따른 렌즈 시스템의 4개의 배율들이 다음과 같이 주어져 있다. 즉,
D10+ D20= Da(1la)
D10+ m × D20= Db(1lb)
m × D10+ D20= Dc(11c)
m × D10+m × D20= Dd(1ld)
상기 수식들은 중복되므로 4개의 배율들을 서로 독립적으로 미리 설정하는 것은 불가능하다. 수식(11)은 단지 4개의 결과 배율들중 2개만을 미리 설정하는 것을 허여한다. 이는 또한 상이한 복굴절 매체로부터 제조된 2개의 복굴절 렌즈 요소들의 경우에 대해서도 적용된다.
제7도에 따른 렌즈 시스템이 3중 촛점식이려면, 4개의 배율들중 2개의 배율은 동일하여야 한다. 수식(11)에서 볼 수 있듯이 단지 2가지 가능성이 있다. 즉,
Da= Db(12)
또는
Db= Dc(13)
Da=Dd인 경우 D10=-D20이 되고 따라서 Da=Dd=0가 된다. 다음에 상기 렌즈 시스템의 3개의 배율들은 다음과 같다. 즉,
Db=Dd× (1-m) (14)
Da= Db= 0 (15)
Dc= -D20× (1-m) (16)
즉, 이들은 동일하게 격설되어 있다. 3개의 배율들 사이의 일정한 간격은 자유롭게 선택될 수 있다. 즉, 3개의 배율들중 2개의 배율들이 미리 설정될 수 있다. 간격의 선택은 값 D10을 결정한다. 하나의 렌즈 표면의 임의의 주어진 선택에서, 2개의 렌즈들이 공통의 또는 보충의 대향된 표면들을 갖게 되면 D10은 다른 렌즈의 표면들을 결정한다.
Db=Dc인 경우 D10=D20이 되고, 3개의 배율들은 다음과 같이 주어진다 즉,
Da = 2 × D10(17)
Db= Dc= (m + 1) × D10(18)
Dd= 2 × m × D10(19)
수식(17) 내지 (19)들로부터 올 수 있듯이, 3개의 배율들중 하나의 배율은 또한 다른 2개의 배율들을 결정한다. 따라서, 상기 특수한 경우에 있어서, 2개의 배율들을 차례로 독립적으로 미리 설정할 수 있는 가능성은 존재하지 않는다.
상기 설명으로부터, 등방 렌즈의 부가를 통해 배율들이 요구되는 값의 배율들로, 물론, 각각의 배율들 사이의 차이들을 변경함이 없이, 이전될 수 있음을 알 수 있다.
렌즈 시스템이 렌즈축에 대한 회전 자유도를 갖는 2개의 복굴절 렌즈들과 결합되게되면, 렌즈 시스템은 편광되지 않은 광선이 사용될때는 4중 또는 2중 촛점 렌즈로서 작용하거나, 편광된 광선이 렌즈 시스템 상으로 입사될 때는 4중, 2중 또는 단일 촛점 렌즈로서 작용한다. 제8도는 편광자(60) 및 2개의 복굴절 렌즈(20) 및 (2l)과 결합되는 상기와 같은 렌즈 시스템을 개략적으로 도시한다. 앞서 지적한 바와 같이, 2개의 복굴절 렌즈 요소들이 시스템 내에 결합되고 등방 렌즈 요소들이 시스템 내에 결합되지 않게되면 4개의 가능한 배율들중 단지 2개의 배율들만이 독립적으로 미리 설정될 수 있다, 예컨데, 2개의 복굴절 렌즈 요소들중 하나가 또다른 등방 또는 복굴절 렌즈 요소와 결합되게 되면, 결합된 렌즈 요소는 독립적으로 선택 가능한 2개의 배율 D1및 D2들을 나타낸다. 따라서,4개의 결과 배율들은 다음과 같이 주어진다. 즉,
D1+D20= Da(20a)
D1+ m × D20= D6(20b)
D2+ D20= Dc(20c)
D2+ m × D20= Dd(20d)
수식(20)들로부터 4개의 배율들중 임의의 3개의 배율들은 미리 설정된 값들이 주어질 수 있으며 나머지 제4의 배율은 미리 설정된 3개의 배율들의 함수로서 존재함을 알 수 있다.
상기 결과들을 일반화시키면 다음과 같다. 즉, (1) 매체가 주어진 단일 복굴절 렌즈는 2개의 상이한 동시배율들을 나타내는데, 2개의 배율들중 하나는 미리 설정된 값으로 주어질 수 있고, 제2의 배율은 상기 미리설정된 값의 함수이다.
(2) 복굴절 렌즈 요소 및 등방 또는 또다른 복굴절 렌즈 요소로 구성되는 렌즈 시스템은 2개의 배율들을 나타내는데, 각각의 배율들은 서로 완전히 독립적으로 미리 설정될 수 있다.
(3) 2개의 복굴절 렌즈들로 구성되는 렌즈 시스템은 일반적으로 4개의 배율들을 나타내는데, 4개의 배율들중 2개의 배율들은 독립적으로 미리 설정될 수 있고, 나머지 2개의 배율들은 미리 설정된 2개의 배율들의 함수이다.
(4) 2개의 복굴절 렌즈들이 등방 또는 또다른 복굴절 렌즈들과 결합되게되면,4개의 이용가능한 배율들중 3개의 배율들은 미리 설정될 수 있고, 단지 제4의 배율은 미리 설정된 3개의 배율들의 함수이다.
(5) 3개의 복굴절 렌즈들과 결합되는 렌즈 시스템에서는, 총 8개의 결과 배율들중 단지 3개의 배율들 만이 독립적으로 미리 설정될 수 있음을 알 수 있다.
(6) 3개의 복굴절 렌즈들이 등방 또는 또다른 복굴절 렌즈 요소와 결합되게 되면, 8개의 결과 배율들중 4개의 배율들에는 임의로 미리 설정돤 값들이 주어질 수 있다.
일반적으로 M개의 렌즈들과 결합되는 렌즈 시스템의 결과 배율들의 수 N은 다음과 같다(상기 영국등의 국가에 의한 부분 인용 참조) 즉,
N =2M(21)
완전하게 독립적으로 설정되어야 하는 배율들의 수 N는
Nfree= M (22)
이다.
M개의 복굴절 렌즈 요소들로 구성되는 시스템에서, 적어도 하나의 요소가 등방 또는 또다른 복굴절 렌즈 요소와 결합되게 되면, 결과 배율들의 수는 역시 N이 되나 Nfree의 수는
Nfree= M +1 (23)
과 같이 주어진다.
상기 관계들은 M개의 미리 설정된 복굴절 매체의 경우에 대해 적용된다. M개의 복굴절 매체를 설정하게 되면, Nfree의 배율들 이상의 배율들에 요구되는 값들이 주어질 수 있다.
복굴절 렌즈들 및 렌즈 시스템들은 상이한 배율들에 상이한 휘도들을 제공할 수 있다. 휘도의 관계에 있어서, 입사 자연광의 진폭은 벡터적으로 분할된다. 즉, 진폭 Ao및 Ae는 o-파 및 e-파들과 각각 관련되며,다음의 값을 각각 나타낸다. 즉,
Figure kpo00020
(24)
여기서, A는 입사광의 진폭이다. 이용가능한 휘도의 50%가 각각의 2개의 촛점들에 대해 향하게됨을 알수 있다. 따라서, 촛점이 맞추어진 광선의 휘도와 촛점밖의 광선의 휘도 사이의 관계는 각각의 2개의 촛점들에 있어서 1:1의 관계가 있다. 이는 공지된 다른 동시 시야 2중 촛점식 렌즈 설계들에 비해 매우 우수하다.
상기 비율에는 선형으로 편광된 광선이 적어도 하나의 복굴절 렌즈와 결합되는 렌즈 시스템 상에 입사되게 되면 임의의 요구되는 값이 주어질 수 있다. 제6도는 복굴절 렌즈 시스템을 개략적으로 도시하며 편광된 입사광의 진동 표면에 대한 복굴절 렌즈 요소(20)의 광축의 방향은 각도 β에 의해 특성을 나타낸다. 편광된 광선은 편광 장치(80)에 의해 생성된다. o-레이 및 e-레이들과 각각 관련된 휘도 Io및 I는 다음과 같다. 즉,
I0= Ipsin2β (25a)
Ie= Icos2β (25b)
여기서, Ip는 편광된 입사광의 휘도이다. 수식(25)에서, I0과 Ie사이의 비율은 β의 적합한 선택에 의해 임의의 값들이 주어질 수 있음을 알 수 있다. 종래의 편광 필터가 편광된 광선의 생성에 사용되게 되면 전체의 휘도에 손실을 수반하면서 편광된 광선을 생성하게 됨을 알 수 있다. 그러나 특정의 사용들에서는, 하나의 배율내애서 촛점 밖의 광선의 휘도를 감소시키는 것이 양 배율들과 관련된 더 높은, 그러나 동등한, 휘도들을 갖는 것보다 더 중요할 수도 있다. 나아가서, 몇몇 사용들에서는 예컨데, 전체의 이용가능한 휘도가 영향을 받지 않게되는 미합중국 특허 제3,552,985호에 기재된 바와 같은 고 전달 편광자를 사용하는 것도 가능하다.
상기 고려사항들은 일반적으로 복굴절 2중 촛점 렌즈 시스템들에 대해 적용된다 즉,2개의 직교된 복굴절렌즈 요소들과 결합된 시스템들(제5도) 또는 하나의 복굴절 렌즈 및 하나 또는 그 이상의 등방 렌즈 요소들과 결합된 렌즈 시스템(제3A도, 제3B도 및 제4도)에 대해 적용된다.
제7도에 따른 복굴절 렌즈 시스템의 휘도들은 다음과 같다. 즉,
I(OO) = (I/2) × cos2beta12(26a)
I(OE) = (I/2) × sin2beta12(26b)
I(EO) = (I/2) × sin2beta12(26c)
I(EE) =(I/2) × cos2beta12(26d)
여기서, I(OO)는 제 1복굴절 렌즈내에서 o-레이들과 관련된 휘도 및 제2복굴절 렌즈내에서 o-레이들과 관련된 휘도이고 나머지도 마찬가지이다. I는 편광되지 않은 입사광의 휘도이고 β12는 2개의 복굴절 렌즈 요소들의 광축 사이의 각도이다. 수식(26)으로부터 특정 자유도가 상이한 배율들에 대해 분포 휘도들 내에 존재함을 알수있다. 예컨데, 렌즈 시스템이 3개의 모든 배율들에 있어서 동일한 휘도들을 갖는 3중 촛점식으로 제조되게 되면, D10=-D20인 경우, 각도 β12는 다음과 같다. 즉,
I(OO) + I(EE) = I(O) = I(EO) (27)
또는
cos2β12= (sin2β12)/2 (27')
따라서
β12= 54.7° (28)
이 된다.
D10= D20인 경우, 2개의 광축 사이의 각도는
β12= 35.3° (29)
가 된다.
제8도에 도시된 바와 같이, 편광 필터가 2개의 복굴절 렌즈 요소들 및 선택적으로 하나 또는 그 이상의 등방 렌즈 요소들과 결합된 렌즈 시스템의 전방에 사용되게 되면, 4개의 결과 배율들과 관련된 휘도들은 다음과 같다. 즉,
I(OO) = (I/2) × sin2beta × cos2beta12(30a)
I(OE) = (I/2) × sin2beta × cos2beta12(30b)
I(EO) = (I/2) × sin2beta × cos2beta12(30c)
I(EE) =(I/2) × cos2beta × cos2beta12(30d)
복굴절 렌즈들의 렌즈축에 대한 회전 자유도들을 갖게 되면, 수식(30)은 제8도의 렌즈 시스템은 단일, 2중 또는 4중 촛점식으로 제조될 수 있다는 것을 나타낸다.
B. 색지움식이며 미리 설정된 크기의 색수차를 나타내는 다중 촛점식 복굴절 시스템들 하나 또는 그 이상의 복굴절 렌즈 요소 및 하나 또는 그 이상의 등방 렌즈 요소들과 결합되는 본 발명에 따른 다중 촛점식 렌즈 시스템은 또한 여러 각도로 색지움될 수 있다. 색지움 렌즈 시스템들에 대한 다음의 고찰들은 예컨데 맥그로우-힐(McGraw-Hil1)사에 의해 1967년 발간된 엠.허쯔버거(M.Herzberger)의 물리학 핸드북의 페이지 6 내지 42와 관계된다. 허쯔버거의 색지움 방법은 이보다 더 일반적으로 사용되는 제이.스트롱의 페이지 319의 부분 인용 또는 스프링거-버랙(springer-Verlag)사에 의한 엠.본(M.Born)의 광학의 페이지 82와 다르다. 나아가서, 다음의 본 색지움식 복굴절 렌즈 시스템들의 설명은 다음사항을 요구한다. 즉, 각각의 요소를은 서로 인접되어야 하나 예컨데, 제1도 3A도 제3B도 및 4도 내지 9도에 도시된 상기 비 색지움 렌즈 시스템들의 경우와는 달리 동일한 또는 보충적인 곡률을 갖는 2개의 대향된 렌즈 표면들을 가질 필요는 없다.
하나의 복굴절 렌즈 요소 및 적어도 하나의 등방 렌즈 요소로 구성되며, 완전 또는 불완전 기하학의 렌즈시스템은 다수의 수식들이 풀릴 수 있게 되면 미리 설정된 양 배율들에 있어서 색지움식이다(하나의 복굴절렌즈 및 2개의 등방 렌즈들의 경우에 더욱 일반적으로 설명되며, 이 경우 완전 기하학의 실시예를 포함한다) 즉,
D1,b1+ D20,b1+ D3,b1= Da,b1(31a)
D1,r+ D20,r+ D3,r= Da,r(31b)
D1,b1+ D2e,b1+ D3,b1= Db,b1(31c)
D1,r+ D2e,r+ D3,r= Db,r(31d)
여기서,
Da,b1= Da,r= Da(32)
이고,
Db,1= Db,r= Db(33)
이다. 수식(31) 내지 (33)에서 D1,b1은 청색광 D은 청색광(b1)용 등방 렌즈의 배율이고, D20,b1은 0-레이들용 및 청색광(b1용) 복굴절 렌즈 2의 배율이며, D3,r은 적색광(r)용 등방 렌즈(3)의 배율등이다.
부기한 b1 및 r들은 단지 2개의 상이한 파장들을 가리키며 후속하는 부기들은 청색광 및 적색광과 일치하는 2개의 특정 파장들에 제한되지 않는다.
사용시, 상기 형상 계수 S는 개략적으로 다음과 같이 주어진다. 즉,
Figure kpo00021
(9')
여기서, D는 렌즈의 배율이고, n은 상기 배율과 관련된 굴절률이다. 단순화를 위해서, 값 n-1을 지금부터 n', 즉 n'=n-1으로 한다. 예컨데, 배율 D3,b1및 D3,r들은 3,b1 3,r 다음과 같이 결합된다. 즉,
Figure kpo00022
(34)
수식(31)의 렌즈 시스템이 양 배율들에 있어서 색지움식이 되려면, 다음의 조건을 만족해야 한다. 즉,
D20,b1- D2e,b1= D20,r- D2e,r(35)
상기 수식은
n20,b1- n2e,bl- n20,r- n2e,r(36)
라는 제한 조건하의 결과이다.
e-파 및 o-파들에 대한 굴절률의 차이를 매체의 복굴절이라 칭한다. 따라서, 복굴절 렌즈 요소의 복굴절이 2개의 표적 파장들에 있어서, 즉 상기 bl 및 r에 있어서 동일하게 되면, 하나의 복굴절 렌즈 요소 및 적어도 하나의 등방 렌즈 요소와 결합되는 렌즈 시스템은 양 불완전 및 완전 기하학의 실시예들에 대한 미리 설정된 양 배율들에 있어서 색지움으로 제작될 수 있다.
미리 설정된 2개의 배율들을 산출할 수 있고 하나의 복굴절 렌즈 및 2개의 등방 렌즈들과 결합되는 렌즈시스템은 일반적으로 2개의 미리 설정된 배율들중 하나에 있어서 색지움식으로 제작될 수 있다. 예로서, e-레이들에 대응하는 배율이 색지움식인 렌즈 시스템이 기재되어 있다. 이하의 수식들은 풀이가 가능하여야한다.
D1,b1+ D2e,b1+ D3,b1= Da,b1(37a)
D1,r+ D2e,r+ D3,r= Da,r(37b)
D1,b1+ D20,b1+ D3,b1= Db,b1(37c)
수식(9) 및 (34)를 고려해보면, 상기 수식들은 다음과 같이 변환된다. 즉,
Figure kpo00023
(38)
나아가서, 색지움 렌즈에 대해서는,
Da,b1= Da,r(39)
의 조건을 가져야 한다. 렌즈가 상기 배율에서 특정의 색수차를 나타내려면 Da,b1및 Da,r은 미리 설정된 상이한 값들로 주어질 수 있다.
수식(38)은 D1,b1, D2a,b2및 D3,b1의 결과에 따라 일반적으로 풀릴수 있으며, 다른 모든 배율들에 대해서는 수식(34)를 참조로 하여 풀리게 된다.
렌즈의 주어진 배율에서, 렌즈의 기하학에 대해 하나의 자유도가 잔존하게 돤다. 따라서, 접촉되어 있는 3개의 렌즈들은 상기와 같은 렌즈 시스템의 기하학에 대해서 3개의 자유도를 나타내고, 접촉되어 있는 제3의 렌즈와 결합되어 있는(즉, 공통의 표면을 점유하는) 2개의 렌즈들은 2개의 자유도를 나타내며 결합되어 있는 3개의 렌즈들은 여전히 하나의 자유도를 나타낸다.
수식(38)의 렌즈 시스템이 미리 설정된 배율들중 하나에 대해서 색지움을 나타내고 또한 완전 기하학을 나타내는 것이 요구되는 경우, 이는 다음과 같은 여러가지 방법으로 수행될 수 있다. 즉,
(1) 복굴절 렌즈 요소는 광선이 렌즈의 상부에 먼저 입사되도록 위치될수 있고, 복굴절 렌즈의 제1표면은 평면으로 제조될 수 있다.
(2) 렌즈 시스템의 기하학은 다음 조건에 의해 제한될 수 있다. 즉,
D1= -D2e,fs(40)
여기서 D2e,fs는 제1등방 렌즈에 인접된 복굴절 렌즈의 제1표면 배율이고, D1은 제 1렌즈의 배율이며, 양 D1및 D2e,fs는 임의의 가시 파장과 일치한다.
(3) 2개의 복굴절 렌즈 요소들이 복굴절 렌즈 결합체의 전방에 위치하게 되면,
D1+ D3= -D2e,fs(41)
의 조건을 만족시켜야 하며, D3는 잔존 등방 렌즈의 배율로 되어 있다.
엄격히 말하면, (1)에 따른 기하학만이 b1 및 r파장들에 대한 완전 기하학의 종류이고(2) 및 (3)은 단지 수식(40) 및 (41)에서 선택된 파장에 대해서만 완전 기하학들을 산출한다. 그러나, 등방 및 복굴절 매체의 굴절률에 따른 적당한 파장들로 인해, 제한 조건(2) 및 (3)은 근본적으로 완전 기하학들을 나타낸다.
이제 2개의 미리 설정된 배율들에 있어서의 색지움 복굴절 렌즈 시스템들을 설명한다.
2개의 교차된 복굴절 렌즈 요소들과는 결합되어 있으나 등방 렌즈와는 결합되어 있지 않은 렌즈 시스템의 경우, 다음의 수식들이 풀려야 한다 즉,
D10,b1+ D2e,b1= Da,b1(42a)
D10,r+ D2e,r= Da,r(42b)
D1e,b1+ D20,b1= Db,b1(42c)
D1e,r+ D20,r= Db,r(42d)
여기서 색지움의 조건은
Da,b1+ Da,r= Db,b1- Db,r(43)
이다.
수식(42) 및 (43)은 다음과 같은 조건들을 제공함으로써 풀릴 수 있다. 즉,
(n10,r-n1e,r) - (n20,r-n2e,r)
(n10,b1r-n1e,b1) - (n20,b1-n2e,b1) (44)
따라서, 2개의 렌즈들의 복굴절들 사이의 차이는 2개의 고려된 파장들에 대해서 동일하게 된다. 이는 다시, 복굴절 매체 상의 제한 조건이 된다.
마지막으로, 2개의 교차된 복굴절 렌즈 요소들 및 등방 렌즈 요소들과 결합된 렌즈 시스템을 설명한다. 상기와 같은 시스템이 미리 설정된 양 배율들에 있어서, 색지움식이려면, 다음 수식들의 풀이가 가능하여야 한다. 즉,
D1,b1+ D20,b1+ D3e,b1+ D4,b1= Da,b1(45a)
D1,r+ D20,r+ D3e,r+ D4,r= Da,r(45b)
D1,b1+ D2e,b1+ D30,b1+ D4,b1= Db,b1(45c)
D1,r+ D2e,r+ D30,r+ D4,r= Da,r(45d)
Figure kpo00024
(46)
미리 설정된 2개의 배율들이 비색지움식이려면, 수식(43)도 또한 만족하여야 한다.
수식(46)은 일반적으로 풀이될 수 있으나, 단지 2개의 상이한 복굴절 매체의 경우에 대해서만 풀릴 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 주어진 배율의 렌즈에 대해 기하학에 대한 하나의 자유도가 존재한다. 수식(46)의 4개의 렌즈들이, 결합되어 있지 않고, 접촉되어 있게 되면, 설계 목적들에 대해 최대 4개의 자유도가 존재하게 된다. 상기 자유도들은 완전 기하학의 렌즈 시스템들을 산출하는데에 사용될 수 있다.
예컨데, 모든 e-레이들이 제1복굴절 렌즈와 요소내의 광축에 대해 기본적으로 직각이 되이야 하는 것이 요구되는 경우, 상기 렌즈 요소는 등방 렌즈 요소의 후방에 위치되어야 하는데, 상기 등방 렌즈 요소는 조건
D1= -D2e,fs(47)
을 만족하는 배율 D1을 나타내며 여기서, D2f,fs는 가시 파장에 대한 제1복굴절 렌즈 요소의 전방 표면 배율이다.
제1복굴절 렌즈 요소 내의 e-레이들 및 제2복굴절 렌즈 요소 내의 e-레이들이 각각의 광축에 대해 수직이려면, 수식(47)에 부가해서 2개의 복굴절 렌즈 요소들의 전방 표면들이 지정되어야 하며, 조건
D1+ D20=-D3e,fs(48)
을 또한 만족시켜야 한다. D3e,fs는 e-레이들 및 가시 파장에 대한 제2복굴절 렌즈의 전방 표면 배율이다. 수식(47) 및 (48)들을 만족시키기 위해서는 단지 2개의 자유도가 필요하고 4개의 자유도가 이용가능하므로, 렌즈 시스템에는 독립적으로 미리 설정된 2개의 색지움 배율들을 나타내며 또한 양 복굴절 렌즈 요소들에 있어서 완전 기하학들을 나타내는 본 발명에 따른 시스템이 제공될 수 있다.
높은 복굴절을 갖는 렌즈 요소들에 있어서, 복굴절 렌즈 내의 e-레이들의 방향에 따른 e-레이들에 대한 굴절률의 종속은 상기 굴절률의 파장에 따른 종속보다 더욱 중요함을 알 수 있다. 따라서, 완전 기하학의 실시예들은 색지움 다중 츳점식 복굴절 렌즈 시스템들의 구조에 있어서 필수적일 수 있다.
2개의 복굴절 렌즈 요소들이 교차되어 있지 않게 되면, 즉 2개의 광축들 사이의 각도가 90°또는 0°가 아닐때, 상기 렌즈 시스템은 일반적으로 상기한 4개의 배율들을 나타낸다. 복굴절 랜즈내의 o-레이들은 정상 광선과 비교되므로, 완전 기하학의 개념은 o-레이들에 대해서는 적용되지 않는다. 따라서 제1및 제2의 양 복굴절 렌즈내의 0-레이들과 관계된 배율은 렌즈 시스템이 o-레이들에 대해서 완전 기하학의 제한을 만족하는가 또는 만족하지 않는가에 무관하게 색지움식이게 된다. 따라서, 제1 및 제2복굴절 렌즈 내에서 e-레이들 및 o-레이들과, o-레이들 및 e-레이들과 및 e-레이들 및 o-레이들과 각각 관련된 배율들은, 엄격한 색지움 및/또는 완전 기하학 제한들을 만족하며, 제1복굴절 렌즈내의 e-레이들 및 제2복굴절 렌즈 내의 e-레이들의 배율의 조합만이 완전 기하학의 실시예와 관련되어 있지 않다. 4개의 결과 배율들중 3개의 배율들은 상술한 바와 같이 미리 설정된 값들을 가질 수 있으므로, o-o배율들,o-e 배율들 및 e-o배율들을 미리 설정하는 것이유리하다.
상기의 모든 고려 사항들에 있어서, 입사광은 평행 광선들로 구성되었다. 상술한 렌즈 시스템들중 임의의 렌즈 시스템을 0이 아닌 경계(vergence)의 광선에 대해 사용하려면, 0이 아닌 경계 광선을 0의 경계 광선으로 변환시키는 콜리메이터-렌즈가 렌즈 시스템의 전방에 위치시킬수 있다. 상기 콜리메이터 렌즈는 자체로서 공지되어 있거나 또는 종래의 색지움식일 수 있다. 하나 또는 그 이상의 부가적인 등방 렌즈와 결합되는 시스템의 미리 설정할 수 있는 이용가능한 배율들의 계산은 광학기들의 표준 방법에 따른 평행 입사광에 대해 상술된 결과들을 기초로 하여 수행될 수 있다.이에 따라, j2인 임의의 수의 이어지는 등방 렌즈 요소들을 배율 Dx 및 Dy들의 2개의 등방 렌즈 요소들로 치환하는 것이 가능하다. 즉 xy
D1,b1+ D2,b1+ …Dj,b1= Dx,b1+ Dy,b1(49a)
D1,r+ D2,r+ …Dj,r= Dx,r+ Dy,r(49b)
는 Dx및 Dy로 풀릴 수 있다,로 대체시키는 것이 일반적으로 가능하다.
따라서, 편광 장치의 부가 및 복굴절 렌즈요소들의 회전에 대한 자유도의 제공 및 렌즈축에 대한 상기와 같은 편광장치의 제공은 본 발명의 렌즈 시스템들을 다양한 색지움 배율 렌즈 시스템들로 전환시킴을 알 수 있다.
비 색지움 렌즈들 및 렌즈시스템에 대한 상기의 모든 고려 사항들은 또한 색지움 렌즈들 및 렌즈 시스템에 적용 될수 있다.
색지움 또는 비 색지움의 본 렌즈 시스템들의 조합들은 유력한 광학 장치들 및 설비들을 제공한다.
색지움들의 합산은 또한 색지움식이므로, 색지움 렌즈 시스템들이 다른 색지움 렌즈 시스템들과 함께 결합되어 사용되게 되면 가변 배율 장치들은 색지움식 단일 또는 다중 배율들을 제공할 수 있게 된다. 편광 장치의 적합한 회전 및/또는 복굴절 렌즈 요소를 또는 렌즈 시스템들의 회전에 의해 상이한 배율들이 설정될 수 있다.
나아가서, 색지움 또는 비 색지움식의 2개 또는 그 이상의 복굴절 렌즈 시스템들은 하나 또는 그 이상의렌즈 시스템들이 또한 렌즈 시스템의 축을 따라는 변환에 대한 자유도를 나타내게 되는 시스템으로 결합될수 있다. 상기와 같은 결합된 시스템을 표준 광학기를로부터 공지된 바와 같이, 가변 배율 장치로서 사용될수 있다. 복굴절 렌즈 요소 및/또는 편광 장치의 회전에 대한 부가적인 자유도들은 요구되는 배율들의 설정에 대해 부가적인 자유도들을 부가할 수 있다.
상기 설명들은 단지 본 발명에 따른 렌즈 시스템의 광범위한 적용 분야를 지시하기 위한 것으로만 이해된다. 상기와 같은 적용들은 예컨데, 카메라, 망원경, 현미경, 복사기, 광학대, 로보트용 광학 장치등을 포함한다.
본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 정밀한 실시예들에 국한되지 않으며 당해 기술에 숙련된 자들에 의해 본 발명의 범위 및 정신에서 벗어남이 없이 다양하게 변경 및 수정될 수 있다.

Claims (31)

  1. 다중 촛점식 비 색지움 복굴절 렌즈 시스템에 있어서,(a) 제1복굴절 렌즈 요소인 제1렌즈 요소 및(b) 상기 제1렌즈 요소에 인접된 제2렌즈 요소를 포함하고, 제l 및 제2렌즈 요소들의 대향된 표면들의 곡률들은 대체로 동일하거나 보충적으로 되어 있고, 상기 제2렌즈 요소는 이하의 렌즈 요소들로 구성되는 집단에서 선택되고,(i) 제1복굴절 렌즈 요소의 광축과 상이한 방향의 광축을 갖는 제 2 복굴절 렌즈 요소,(ii) 양 굴절률들이 제1복굴절 렌즈 요소의 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소,(iii) 정상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 동일하나 이상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소,(iv) 이상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절렌즈 요소에 대한 굴절률과 동일하나 정상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소 및 (v) 등방 렌즈 요소 렌즈축과 평행하게 입사하는 광선에 대해 상기 렌즈 시스템은 동시에 적어도 2개의 촛점들을 갖고,각각의 촛점은 렌즈 시스템의 축상의 미리 설정된 임의의 양 또는 음의 촛점 거리에 위치되어 있고, 또한 제 1또는 제2렌즈 요소의 임의의 하나의 표면에는 상기 미리 설정된 촛점들과 무관한 곡률이 주어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 완전 기하학의 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 불완전 기하학의 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 시스템에 이용된 하나 또는 그 이상의 복굴절 렌즈 요소들이 중합체 복굴절 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 안과용 렌즈로서 사용되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 안과용 렌즈가 콘택트 렌즈인 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템 .
  7. 제1항에 있어서, 복굴절 렌즈가 아닌 적어도 하나의 편광 장치 및/또는 적어도 하나의 편광 필터로 또한 구성되는것을 특징으로 하는 렌즈 시스템
  8. 제1항의 렌즈 시스템과 결합되는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 설비 또는 장치.
  9. 적어도 하나의 촛점에 있어서 색지움식이거나 또는 적어도 하나의 촛점에 있어서 미리 결정된 크기의 색수치를 니타내는 다중 촛점식 복굴절 렌즈 시스템에 있어서, (a)렌즈축에 대해 대체로 수직인 광축을 갖는 제 1복굴절 렌즈 요소인 제 1 렌즈 요소 및 (b) 상기 제1 렌즈 요소에 인접된 제 2 렌즈 요소를 포함하고, 상기 제2렌즈 요소는 이하의 렌즈 요소들로 구성되는 집단에서 선택되고, (i) 제1복굴절 렌즈 요소의 광축과 상이한 방향의 광축을 갖는 제2복굴절 렌즈 요소, (ii) 양 굴절률들이 제1복굴절 렌즈 요소의 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소, (iii) 정상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 동일하나 이상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소, (iv) 이상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴질률과 동일하나 정상 광파들에 대한 굴절률은 제1복굴절 렌즈 요소에 대한 굴절률과 상이한 제2복굴절 렌즈 요소 및 (v) 등방 렌즈요소 렌즈축과 평행하게 입사하는 광선에 대해 상기 렌즈 시스템은 동시에 적어도 2개의 촛점들을 갖고, 각각의 촛점은 렌즈 시스템의 축상의 미리 설정된 임의의 양 또는 음의 촛점 거리에 위치되어 있고, 또한 2개의 촛점들 중 적어도 하나의 촛첨 거리는 촛점이 맞추어진 광선의 적어도 2개의 상이한 파장들에 대한 촛점거리와 기본적으로 동일한 것을 특징으로 하는 다중 츳점식 복굴절 렌즈 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 완전 기하학의 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 불완전 기하학의 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  12. 제9항에 있어서. 복굴절 렌즈 요소(a)가 만들어지는 복굴절 매체의 복굴절이 2개의 상이한 파장들에 대해 동일한 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 복굴절 렌즈 요소가 적어도 2개의 등방 렌즈 요소들과 결합되고 상기 렌즈 시스템이 다음 수식, 즉
    Figure kpo00025
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 적어도 2개의 복굴절 렌즈 요소들이 적어도 2개의 등방 렌즈들과 결합되고 상기 렌즈 시스템이 다음 수식, 즉
    Figure kpo00026
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 복굴절 렌즈가 아닌 적어도 하나의 편광 장치 및/또는 적어도 하나의 편광 필터로 또한 구성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  16. 제9항의 렌즈 시스템과 결합되는 것을 특징으로 하는 광학 장치, 설비 또는 장치.
  17. 안경, 콘택트 렌즈, 안구 내부 렌즈로서, 그리고 치료 장치에 적합한 다른 광학 장치, 사진기, 망원경, 현미경, 복사기 및 분광 장치와 결합하여 사용가능한 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템에 있어서, 정상 및 이상 광파에 대한 상이한 굴절률을 나타내는 복굴절 렌즈 요소인 제l렌즈 요소와, 그 인접하고 사실상 동일한 접합면 형상에 의해 제1렌즈 요소와 접합되는 적어도 하나의 인접 렌즈 요소를 포함하고, 인접 렌즈 요소는 등방 또는 복굴절 렌즈 요소인 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 렌즈 요소들은 동일한 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 렌즈 요소들 중 적어도 하나는 중합체 복굴절 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 인접 복굴절 렌즈 요소는 제1복굴절 렌즈 요소의 광축과 상이한 방향을 갖는 광축을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  21. 제17항에 있어서, 인접 복굴절 렌즈 요소는 제1복굴절 렌즈 요소의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  22. 제17항에 있어서, 인접 복굴절 렌즈 요소는 정상 및 이상 광파 모두에 대해 동일한 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  23. 제17항에 있어서, 복굴절 렌즈 요소가 아닌 적어도 하나의 편광 장치를 포함하고, 편광 장치는 제1복굴절 렌즈 요소 또는 인접 복굴절 렌즈 요소의 내부면에 인접하는 것을 특징으로 하는 다중 츳점 복굴절 렌즈 시스템.
  24. 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템에 있어서, (a) 2개의 상이한 굴절률 n0a,nea를 동시에 나타내는 복굴절렌즈 요소인 제1렌즈 요소와, (b) 제1면 및 제2면을 갖고 상기 제1렌즈 요소에 인접한 제2렌즈 요소를 포함하고, 상기 제1렌즈 요소는 제1면 및 제2면을 갖고, 2개의 양 또는 음의 배율 Doa및 Dea을 갖고, D0a는 상기 제1렌즈 요소의 정상 광파와 관련된 배율의 값이고, Dea는 장기 제1렌즈의 이상 광파와 관련된 배율의 값이며, D0a및 Dea의 값은 상기 굴절률 noa및 nea에 의해 결정되고, 제2렌즈 요소의 제1면은 제1렌즈 요소의 제1면과 사실상 동일 또는 보충적이고, 제1 및 제2렌즈 요소의 사실상 보충적인 면들은 인접하고, 제2렌즈 요소는 2개의 굴절률 nob, neb를 나타내고, 2개의 배율 Dob및 Deb를 갖고, Dob는 상기 제2렌즈 요소의 정상 광파와 관련된 배율의 값이고, Dob는 상기 제2렌즈의 이상 광파와 관련된 배율의 값이며, Dob및 Dob의 값은 상기 굴절률 nob및 neb에 의해 결정되고, 상기 제1렌즈 요소 및 상기 제2렌즈요소는 4개의 결과적 배율 D0a+ Dob, Doa+ Deb, Dea+D0b, Dea+Deb중 2개가 상기 렌즈 요소들의 상기 굴절률들 및 상기 면들에 관계없이 2개의 자유로이 선택된 값이 주어질 수 있도록 하는 형상 및 위치를 갖는것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 각 렌즈 요소는 렌즈 시스템이 정의된 바와 같은 비색지움식이 되도록 광학 재료로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  26. 제24항에 있어서, 하나 이상의 복굴절 렌즈 요소가 정의된 바와 같은 중합체 복굴절 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  27. 제24항에 있어서, 제1렌즈 요소의 제2면은 사실상 평평하고, 제1렌즈 요소의 사실상 평평한 제2면에 처음에 입사하는 광선은 적어도 한 촛점에서 색지움인 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  28. 제24항에 있어서, 상기 제 2 렌즈 요소는 복굴절 렌즈 요소이고, 제l 및 제2렌즈 요소는 광축을 갖고, 제2렌즈 요소의 광축이 제1복굴절 렌즈 요소의 광축과 상이한 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  29. 제27항, 제28항 및 제30항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2렌즈 요소는 제1복굴절 렌즈 요소를 제조하는데 사용된 복굴절 광학 매체와 비교해 상이한 굴절률을 갖는 복굴절 광학 매체로 제조되는 겻을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  30. 제27항, 제28항 및 제30항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2렌즈 요소의 굴절률들이 동일한 것을, 즉 nob=neb인 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
  31. 제27항 또는 제30항에 있어서, 복굴절 렌즈가 아닌 적어도 하나의 편광 장치를 갖고, 편광 장치는 제1렌즈 요소 또는 제2렌즈 요소의 제2면에 인접되는 것을 특징으로 하는 다중 촛점 복굴절 렌즈 시스템.
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