KR0185598B1 - 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치에 관한 것으로, 확산, 조명 또는 결상광학계용으로 굴절력을 갖는 렌즈매질의 표면에 물질의 굴절률보다 크거나 작은 굴절률을 갖는 투명한 고형수지나, 액상의 굴절률 조절액으로 밀폐된 굴절능 조절매질을 부착하여 마이크로 렌즈의 출사광 초점거리를 자유롭게 조절할 수 있도록 하고,렌즈매질의 곡률반경을 가공하기 쉬운 값으로 결정하여 굴절능 조절매질층을 부가할 수 있도록하여 초점거리를 쉽게 조절할 수 있도록 한 것이다.

Description

마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치

제1도는 종래의 마이크로 렌즈의 굴절능 구성도.

제2도는 본 발명의 마이크로 렌즈의 굴절능 조절을 위한 구성도.

제3도는 본 발명의 마이크로 렌즈의 굴절능 조절을 위한 다른 실시예시도.

제4도는 본 발명의 마이크로 렌즈의 굴절능 조절을 위한 또 다른 실시예시도.

제5도는 본 발명의 굴절능 조절 매질과 렌즈매질간의 굴절률과의 관계에 의한 빛의 굴절 상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 렌즈매질 2 : 렌즈곡률면

3 : 입사매질 4 : 출사매질

5 : 입사광 6 : 주점면

7 : 출사광 8 : 초점거리

9 : 굴절능 조절매질 10 : 밀폐장치

11 : 렌즈기판 12, 13 : 렌티큘러렌즈

본 발명은 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치에 관한것으로서, 특히 확산, 조명 또는 결상광학계용으로 굴절능력을 갖는 렌즈매질의 표면에 마이크로 렌즈를 구성하고 있는 물질의 굴절률보다 크거나 작은 굴절률을 갖는 물질을 부착시킴으로서 마이크로 렌즈의 초점거리(또는 굴절능)를 자유롭게 조절할 수 있도록 한 것이다.

종래에는 제1도에 도시한 바와같이 마이크로 렌즈의 굴절능 구성도로서, 확산, 조명 또는 결상 광학계용으로 마이크로 렌즈는 렌즈매질(1)과 두개의 광학매질을 이용하여 구성된 것으로, 렌즈매질(1)의 일측 표면에는 볼록한 렌즈곡률면(2)이 다수개 형성된 것으로, 굴절능을 결정짓는 렌즈매질(1) 전방에는 입사매질(3)과 후방에는 출사매질(4)로서, 상기 입사매질(3)과 출사매질(4)은 공기층 매질이다.

상기 렌즈매질(1)의 볼록한 렌즈곡률면(2)으로 입사된 입사광(5)은 렌즈곡률면(2)인 굴절 경계면에서의 입사매질과 렌즈면의 곡률인 렌즈매질(1)간의 굴절률 크기에 따라 수렴 또는 발산되는 방향으로 진행된다. 이는 수렴하는 경우 볼록렌즈의 역할을 하고, 발산하는 경우는 오목렌즈의 역할을 하는데 입사매질(3) 및 출사매질(4)은 공기층이므로 굴절률이 1로 정의할 때, 상기 렌즈매질(1)은 매질의 종류에 따라 1.4-2.0정도의 굴절률을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 실제의 경우 투명한 고형수지인 자외선 경화수지(UV수지)는 굴절률이 1.48-1.57 정도의 굴절률 범위를 갖고, PMMA는 굴절률이 1.49 정도이고, 광학유리의 경우 1.5-2.0정도의 굴절률 범위를 갖는데, 이런 입사매질 및 출사매질의 굴절률과 렌즈면의 곡률, 그리고 렌즈매질(1)의 굴절률 관계에 따라서 렌즈면으로 입사되는 빛은 광축에 대해 수렴하는 방향으로 진행하거나 발산되는 방향으로 진행하게 된다.

제1도의 예로서 렌즈매질(1)의 굴절률이 1.5인 매질이고, 렌즈 곡률면(2)이 (+)곡률값을 갖는 경우 빛은 광축방향으로 진행하여 수렴하게 되고, 이 경우는 볼록렌즈에 해당하는 경우이다. 그리고 렌즈곡률면(2)의 곡률이 (-)곡률값을 갖는 경우 빛은 광축에서 멀어지는 방향으로 진행하여 발산하게 되고, 이 경우는 오목렌즈에 해당하게 된다.

상기의 설명은의 관계식에 의해 설명이 된다. 여기서 f는 초점거리이고, k_i는 i번째면에서의 굴절능, C_i는 i번째 면에서의 곡률, n_i및 n_i-1은 i번째면 이후의 굴절률과 i번째면 이전의 굴절률을 의미한다. 따라서 마이크로 렌즈의 초점거리(8)를 변화시키기 위해 .

여기서 f : 초점거리, k : 굴절능, r : 곡률반경, n' : 렌즈의 굴절률, n = 임의 매질의 굴절률이다.

상기 (1)의 조건식을 만족하도록 곡률반경 r과 렌즈의 굴절률 n'을 조절하였다. 임의 매질을 굴절률 n은 1로 두었으므로 초점거리 f가 큰 값을 가질 경우 곡률반경 r도 따라서 큰값을 가지게 되고 굴절능을 갖는 면이 정곡률일 경우 렌즈의 두께가 아주 얇아져 이를 성형해 낼 수 있는 금형의 제작에 한계에 있었다.

그러나 이러한 종래의 마이크로 렌즈 구조는 곡률과 렌즈매질이 결정되면 초점 거리도 고정되어 가변시킬 수 없고, 비교적 긴 초점거리를 갖는 마이크로 렌즈의 경우 금형을 가공하기 어려워 사양을 만족시키는 마이크로 렌즈를 만들수가 없는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서,

본 발명의 목적은 굴절력을 갖는 마이크로 렌즈의 표면에 다른 굴절률을 갖는 물질을 부가하여 초점거리를 조절할 수 있도록 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 렌즈매질의 곡률반경을 가공하기 쉬운 값으로 결정하여 굴절능 조절매질 층을 부가함으로서 초점거리를 쉽게 조절할 수 있도록 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 굴절력을 갖는 마이크로 렌즈의 표면에 마이크로 렌즈를 구성하고 있는 물질의 굴절률 보다 크거나 작은 굴절률을 갖는 물질을 부착시킴으로서 마이크로 렌즈의 초점거리를 자유롭게 조절할 수 있도록 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예로서 첨부된 도면에 의거 상세히 설명되어질 것이다.

우선 제2도를 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 하기와 같다.

확산, 조명, 또는 결상광학계용으로 사용하기 위한 마이크로 렌즈에 있어서, 렌즈매질(1)의 렌즈 곡률면(2) 표면과 밀착되도록 대향되는 입사매질(3)측에 투명한 굴절능 조절매질(9)을 설치하며, 입사광(5)은 상기 투명한 굴절능 조절매질(9)과 렌즈매질(1)을 통과하며 출사매질(4)측으로 출사광(7)이 출사된다. 상기 출사광(7)의 초점거리(8)는 상기 투명한 굴절능 조절매질(9)의 굴절률에 따라 조절된다. 상기 투명한 굴절능 조절매질(9)은 투명한 고형수지로 된 것이다. 상기 굴절능 조절매질(9)은 투명 또는 칼라가 가미될 때 필터역할도 할 수 있는 것이다. 도면중 종래 부호의 설명과 동일한 것은 동일부호를 적용하여 설명한다.

상기와 같이 구성된 마이크로 렌즈는 입사광(5)이 공기층인 입사매질(3)을 통하여 굴절능을 조절하는 투명한 조절매질(9)로 입사된다. 이때 상기 굴절능 조절매질(9)의 굴절률 차에 의해 입사광 방향이 조절되며 렌즈매질(1)의 렌즈곡률면(2)을 통과하게 된다. 이때 렌즈매질(1)의 주점면(6)에 의해 굴절되는 출사광(7)이 초점까지의 초점거리(8)가 상기 투명한 굴절능 조절매질(9)의 굴절률에 의해 조절되는 것이다.

이와같은 초점거리(8)를 조절하는 굴절능 조절매질(9)과 렌즈매질(1)의 굴절률에 의해 빛의 진행방향을 제2도와 제5도를 참조하여 상세히 설명하면, 하기의 설명에서 입사매질(3)은 n0이고, 굴절능 조절매질(9)은 ni이고, 렌즈매질(1)은 n2이고, 출사매질(4)는 n3이고, 초점거리(8)은 f로 설명하겠다.

상기 굴절능 조절매질(9)과 렌즈매질(1)이 밀착된 렌즈곡률면(2)이 볼록한 (+)곡률 값을 가질 경우 굴절능 조절매질(9)의 굴절률 n1이 입사매질 n0와 출사매질 n3의 사이값을 갖게되면, 상기 식(1)의 관계에 의해 초점거리 f는 n1=n0일 때의 초점걸이 보다 길어지게 되며, n1이 n2보다 크면 초점거리는 (-)굴절능 값을 갖게되어 렌즈계는 오목렌즈가 된다.

또 렌즈곡률면(2)이 오목한 (-)곡률 값을 가질 경우도 비슷하게 n2n1n0 = n3의 구성이면, (-)굴절능 값을 갖는 초점거리 f은 n2n1 = n3 = n0일 경우의 초점거리 보다 절대값이 커지게 되며, n1n2n0 = n3이면 (+)값의 굴절능을 갖는 렌즈계는 볼록렌즈가 된다. 따라서 굴절능 조절매질(9)인 n1의 굴절률을 임의 값으로 조절해줌으로서 초점거리 f의 크기를 자유롭게 조절할 수가 있는 것이다.

제3도는 본 발명의 마이크로 렌즈의 굴절능 조절을 위한 다른 실시예시도로서 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 하기와 같다.

렌즈매질(1)의 선단 렌즈 곡률면(2) 표면과 이격된 위치에 투명한 재질로 밀폐장치(10)를 설치하고, 상기 렌즈곡률면(2)과 밀폐장치(10) 사이에 액상의 굴절능 조절액을 넣어 굴절능 조절매질(9)을 형성하고, 상기 렌즈매질(1)의 후면에 투명한 유리 또는 프라스틱계로 된 렌즈기판(11)을 설치하며, 입사광(5)이 상기 밀폐장치(10)와 굴절능 조절매질(9)를 통하여 렌즈매질(1)과 렌즈기판(11)을 통과하여 출사광(7)으로 출사되며, 상기 출사광(7)의 초점거리(8)가 상기 굴절능 조절매질(9)의 굴절률에 의해 조절되도록 구성한 것이다. 상기 굴절능 조절매질(9)은 투명 또는 칼라의 액상 굴절능 조절액을 밀폐용기로 밀폐된 것이다.

상기와 같이 구성된 마이크로 렌즈는 입사광(5)이 공기층의 입사매질(3)로 부터 밀폐장치(10)를 통하여 액상의 굴절능 조절매질(9)에서 굴절률 차에 의해 빛의 방향이 조절된다. 이때 굴절능 조절매질(9)를 통과한 빛은 렌즈매질(1)을 통과하여 렌즈기판(11)상의 주점면(6)에 의해 굴절되는 출사광(7)이 초점을 이룬다. 상기 출사광(7)은 주점면(6)에서 초점까지의 초점거리(8)를 상기 굴절능 조절매질(9)의 굴절률에 의해 조절되는 것이다.

상기 출사광(7)의 초점거리(8)는 굴절능 조절매질(9)인 액상의 굴절능 조절액의 굴절률에 따라 입사광(5)이 렌즈매질(1)에서 조절되어 초점거리(8)가 조절되는 것이다.

이와 같이 초점거리(8)를 조절하는 굴절능 조절매질(9)과 렌즈매질(1)의 굴절률에 의한 빛의 진행방향은 상기 제5도를 참조하여 설명한 것과 동일하게 이루어지는 것이다.

제4도는 본 발명의 마이크로 렌즈의 굴절능 조절을 위한 또다른 실시예로서, 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 하기와 같다.

마이크로 렌즈를 구성함에 있어, 두 개의 렌티큘러 렌즈(12,13)는 각각 일측표면에 볼록한 렌즈 곡률면(12a,13a)을 일정한 간격으로 형성하고, 상기 두 개의 렌티큘러 렌즈(12,13)는 각각 렌즈 곡률면(12a,13a)이 약간 이격되며 서로 교차되게 설치하고, 상기 두개의 렌티큘러 렌즈(12,13)가 이격된 사이에 투명한 칼라 액상의 굴절능 조절액을 넣어 밀폐된 굴절능 조절매질(9)을 형성한 것이다.

상기와 같은 마이크로 렌즈는 입사광이 일측 렌티큘러 렌즈(12)에 입사되어 렌즈곡률면(12a)과 액상의 굴절능 조절액이 밀폐된 굴절능 조절매질(9)을 통과하게 된다. 이후, 상기 입사광이 타측 렌티큘러렌즈(13)의 렌즈곡률면(13a)에 의해 빛의 방향이 조절된다. 이때 타측 렌티큘러렌즈(13)를 통과하는 빛의 출사광은 주점면에서 초점까지의 초점거리가 상기 굴절능 조절매질(9)의 굴절률에 의해 조절되는 것이다.

본 발명은 가공이 어려운 형상의 금형가공을 비교적 쉬운 형상으로 가공이 가능하도록 대체할 수 있고, 하나의 곡률면에 대해 굴절능 조절매질의 굴절률을 적절히 조절함으로서 출사광의 초점거리를 조절할 수 있고, 유사한 마이크로 렌즈 구조의 경우 새로운 금형 파생이 필요치 않게되어 경제성이나 재작성이 높아지게 되고, 다양한 굴절능을 갖는 마이크로 렌즈를 비교적 쉽게 만들 수 있는 잇점이 있다.

Claims (7)

1. 확산, 조명, 또는 결상광학계용으로 사용하기 위한 마이크로 렌즈에 있어서, 렌지매질(1)의 렌즈 곡률면(2) 표면과 밀착되도록 대향되는 입사매질(3)측에 투명한 굴절능 조절매질(9)을 설치하며, 입사광(5)은 상기 투명한 굴절능 조절매질(9)과 렌즈매질(1)을 통과하며 출사매질(4)측으로 출사광(7)이 출사되고, 상기 출사광(7)의 초점거리(8)가 상기 투명한 굴절능 조절매질(9)의 굴절률에 의해 조절되도록 구성한 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 투명한 굴절능 조절매질(9)은 투명 또는 칼라의 고형수지로된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치.
3. 확산, 조명, 또는 결상광학계용으로 사용하기 위한 마이크로 렌즈에 있어서, 렌즈매질(1)의 선단 렌즈 곡률면(2) 표면과 이격된 위치에 투명한 재질로 밀폐장치(10)를 설치하고, 상기 렌즈 곡률면(2)과 밀폐장치(10)사이에 액상의 굴절능 조절액을 넣어 굴절능 조절매질(9)을 형성하고, 상기 렌즈매질(1)의 후면에 렌즈기판(11)을 설치하며, 입사광(5)이 상기 밀폐장치(10)에 접한 굴절능 조절매질(9)과 렌즈매질(1)과 렌즈기판(11)을 통과하여 출사광(7)으로 출사되며, 상기 출사광(7)의 초점거리(8)가 상기 굴절능 조절매질(9)의 굴절률에 의해 조절되도록 구성한 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 굴절능 조절매질(9)은 투명 또는 칼라의 액상 굴절능 조절액을 밀폐용기로 밀폐된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 렌즈기판(11)은 투명한 유리 또는 프라스틱계로 된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치.
6. 확산, 조명, 또는 결상광학계용으로 사용하기 위한 마이크로 렌즈에 있어서, 두 개의 렌티큘러 렌즈(12,13)는 각각 일측 표면에 볼록한 렌즈 곡률면(12a,13a)을 일정한 간격으로 형성하고, 상기 두 개의 렌티큘러 렌즈(12,13)는 각각 렌즈 곡률면(12a,13a)이 약간 이격되며 서로 교차되게 설치하고, 상기 두 개의 렌티큘러 렌즈(12,13)가 이격된 사이에 액상의 굴절능 조절액을 넣어 굴절능 조절매질(9)을 형성한 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 굴절능 조절매질(9)은 투명한 칼라 액상의 굴절능 조절액을 밀폐용지로 밀폐된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 굴절능 조절장치.