KR101113739B1 - Ｃｐｖ 집광 렌즈 검사 장비 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 CPV 집광 렌즈, 특히 이러한 용도로 가장 많이 사용되는 프레넬 렌즈의 특성을 단번에 신속, 정확, 용이하게 검사할 수 있도록 해 주는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비를 제공함에 있다.
본 발명의 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비는, CPV(Concentrating Photo Voltaic)에서 태양광을 집중시키기 위하여 사용되는 CPV 집광 렌즈(50)의 특성을 검사하는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비(10)에 있어서, 광원(1); 상기 광원(1)으로부터 발산된 빛을 확산시키는 제1렌즈(2); 상기 제1렌즈(2)에 의해 확산된 빛을 평행광으로 변경하는 제2렌즈(3); 상기 제2렌즈(3)에 의해 변경된 평행광이 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과한 후, 상기 CPV 집광 렌즈(50)에 의해 집광되어 나온 빛을 감지하는 검출부(4); 를 포함하여 이루어지되, 상기 검출부(4)는 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과한 빛의 투과량, 빛의 초점 거리, 초점 사이즈, 파장대별 투과율을 동시 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＣＰＶ 집광 렌즈 검사 장비 {Inspecting Apparatus for Concentrating Photo Voltaic Condensing Lens}

본 발명은 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비에 관한 것이다.

CPV란 집광형 태양광 시스템(Concentrating Photo Voltaic)을 말하는 것으로, 말 그대로 태양광 발전 시 렌즈나 반사경을 이용하여 태양광을 집중시켜 줌으로써 광원을 증폭시켜 발전 효율을 높이는 시스템을 말하는 것이다. 이러한 방식을 사용함으로써 목표 전력을 얻기 위한 셀의 면적을 줄일 수 있으며, CPV는 궁극적으로 고가의 셀을 제작하는 데서 발생되는 비용을 줄임으로써 전력 생산 원가를 낮추는 데 그 목적이 있다. 현재까지 진행된 CPV 기술만으로도 상당한 원가 절약과 더불어 비교적 용이하게 50% 정도의 에너지 효율을 얻을 수 있음이 입증되었으며, 앞으로 더욱 CPV 기술에 대한 연구 및 활용이 증대될 전망이다.

집광을 위하여 가장 쉽게 생각할 수 있는 광학 부품은 볼록 렌즈가 있다. 볼록 렌즈는 평행광을 굴절시켜 한 점으로 모으는 작용을 한다. 그러나 태양광 발전에 사용되기 적절한 초점 거리와 충분한 집광 효율을 얻기에는, 볼록 렌즈를 사용할 경우 볼록 렌즈 자체의 부피 및 질량 때문에 모듈 전체의 소형화 및 경량화를 달성할 수 없게 되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 일반적으로 CPV의 집광 렌즈로서 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)가 사용된다. 프레넬 렌즈는 볼록 렌즈와 같은 작용을 가지는 대신 그 두께를 훨씬 줄인 형태의 렌즈이다. 일반적으로 볼록 렌즈에서 빛이 꺾이는 부분은 입광 측의 렌즈 표면으로, 도 1(A)에 도시된 바와 같이 이 위치에서 굴절된 빛이 초점에 모이게 된다. 이 때 초점이 맺히는 쪽을 절단하여 도 1(B)에 도시된 바와 같이 평볼록 렌즈를 형성하여도 일반적인 렌즈의 기능을 수행하는 데에는 지장이 없다. 마찬가지로, 도 1(C)에 도시된 바와 같이 빛이 굴절되는 표면을 남겨두고 내부의 불필요한 부분을 깎아 제거하여도 문제가 발생하지 않는다. 이 때 도 1(C)에 도시된 바와 같이 내부의 불필요한 부분을 층이 지게 제거한 각부를 모아서 도 1(D)와 같이 배치하여도, 도 1(A)에 도시된 볼록 렌즈와 동일한 기능을 수행하게 된다. 프레넬 렌즈는 바로 이러한 원리로 만들어진 렌즈로서, 볼록 렌즈와 동일한 기능을 가지되 그 두께를 볼록 렌즈에 비하여 획기적으로 줄일 수 있다.

렌즈는 광범위하게 말하자면 빛을 굴절시키기 위한 광학 부품이다. 이 때 표면의 곡률이 잘못 설계되었다든가 렌즈 내부에 크랙 등과 같은 불량이 있다든가 할 경우 원하는 형태의 굴절을 일으키지 못하여 초점이나 상이 제대로 맺히지 못하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 렌즈의 불량이나 이상을 검사하고, 나아가 렌즈의 특성을 검사하기 위한 여러 기술들이 개시되어 왔다.

특히 많은 연구가 이루어진 분야는 안과용 렌즈 검사 분야 및 카메라 렌즈 검사 분야 등으로, 실제 렌즈의 활용이 많기 때문에 자연히 이러한 분야에서의 렌즈 검사 기술이 활발하게 이루어져 왔다. 예를 들어 한국특허공개 제5004-0080002호("안경 렌즈 검사 시스템 및 방법"), 한국특허공개 제5004-0052759호("콘택트 렌즈 검사 장치"), 한국특허등록 제0909944호("실체 현미경을 이용한 렌즈 검사 시스템 및 그 방법") 등에는 안경 렌즈 또는 콘택트 렌즈의 불량이나 특성을 검사하는 장치 또는 방법에 관한 기술들이 개시되어 있다. 또한 한국특허공개 제5005-0068015호("휴대폰 카메라 렌즈의 검사 및 접착재 고정 방법"), 한국특허공개 제5009-0056432호("마이크로 렌즈의 검사 방법 및 검사 장비") 등에는 디지털 기기에 사용되는 소형 렌즈나, 이미지 센서에 사용되는 마이크로 렌즈의 불량이나 특성을 검사하는 장치 또는 방법에 관한 기술들이 개시되어 있다. 이러한 대부분의 검사 장치 및 방법들이 광학적인 방법을 이용하는 것에 반해, 한국특허공개 제5009-0107317호("렌즈형상 검사 장치")에서는 접촉식으로 렌즈의 형상을 검사하는 장치를 개시하고 있기도 한다. 이와 같이 렌즈의 특성 또는 불량을 검사하기 위하여 다양한 연구 및 개발이 이루어져 왔다.

그런데, 프레넬 렌즈에 특화되어 그 특성을 검사하기 위한 장치에 관한 연구는 상대적으로 그리 많이 이루어지지 못하였다. 프레넬 렌즈를 일반적인 렌즈를 검사하는 장치를 이용하여 검사할 수도 있겠으나, 도 1(D)에 도시되어 있는 바와 같이 프레넬 렌즈의 형상이 일반적인 렌즈의 형상과는 많이 다르기 때문에, 프레넬 렌즈의 특성을 정확히 검사하기 위하여 여러 단계를 거쳐야 하는 등의 불편함이 따랐던 것이 사실이다. 특히 상술한 바와 같이 CPV와 같은 첨단 기술 분야에 있어서 이러한 프레넬 렌즈의 활용 범위가 넓어져 가고 있는 추세에 있어, 프레넬 렌즈의 특성을 용이하고 정확하여 신속하게 검사할 수 있는 장비에 대한 당업자의 요구가 확대되어 가고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 CPV 집광 렌즈, 특히 이러한 용도로 가장 많이 사용되는 프레넬 렌즈의 특성을 단번에 신속, 정확, 용이하게 검사할 수 있도록 해 주는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비는, CPV(Concentrating Photo Voltaic)에서 태양광을 집중시키기 위하여 사용되는 CPV 집광 렌즈(50)의 특성을 검사하는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비(10)에 있어서, 광원(1); 상기 광원(1)으로부터 발산된 빛을 확산시키는 제1렌즈(2); 상기 제1렌즈(2)에 의해 확산된 빛을 평행광으로 변경하는 제2렌즈(3); 상기 제2렌즈(3)에 의해 변경된 평행광이 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과한 후, 상기 CPV 집광 렌즈(50)에 의해 집광되어 나온 빛을 감지하는 검출부(4); 를 포함하여 이루어지되, 상기 검출부(4)는 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과한 빛의 투과량, 빛의 초점 거리, 초점 사이즈, 파장대별 투과율을 동시 측정하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 검출부(4)는 광경로에 평행한 방향으로 이동 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원(1)은 레이저 광원인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CPV 집광 렌즈(50)는 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)인 것을 특징으로 한다.

또한, CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비(10)는 복수 개의 상기 프레넬 렌즈(50)가 장착되며, 상기 제2렌즈(3)와 상기 검출부(4) 사이의 광경로 위치에 복수 개의 상기 프레넬 렌즈(50)를 교환하여 배치 가능하도록 하는 교환부(20); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, CPV 집광 렌즈로서 가장 많이 사용되는 프레넬 렌즈의 빛 투과량, 빛의 초점 거리, 초점 사이즈, 파장대별 투과율을 단번에 측정할 수 있도록 해 줌으로써, 특히 CPV 분야에서 장비의 생산 후 검수 또는 운용 중 점검을 종래에 비해 훨씬 용이하게 해 주는 큰 장점이 있다. 즉 본 발명의 장비는 프레넬 렌즈의 특성을 단번에 신속, 정확, 용이하게 검사할 수 있게 해 주는 효과가 있는 것이다.

이에 따라 본 발명에 의하면, CPV의 생산 또는 운용에 있어서의 작업 능률을 더욱 높여 줄 수 있어, 궁극적으로는 CPV 기술 활용의 확대를 증진시키는 효과 또한 있다.

도 1은 볼록 렌즈, 프레넬 렌즈 등의 광학적 원리.
도 2는 본 발명의 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비.
도 3은 본 발명의 검사 장비의 교환부의 일실시예.
도 4는 본 발명의 검사 장비에 의한 초점 거리 측정 과정의 일실시예.
도 5는 본 발명의 검사 장비에 의한 초점 사이즈 측정 결과의 일실시예.
도 6은 본 발명의 검사 장비에 의한 파장대별 투과율 측정 결과의 일실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비를 도시한 것이다. 그 명칭에서도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 검사 장비(10)는 특히 CPV(Concentrating Photo Voltaic)에서 태양광을 집중시키기 위하여 사용되는 CPV 집광 렌즈(50)의 특성을 검사하기 위한 것이다. 여기에서, CPV 집광 렌즈(50)로 일반적으로 사용되는 것은 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)이나, 본 발명에서 상기 CPV 집광 렌즈(50)가 반드시 프레넬 렌즈로 한정되는 것은 아니며 CPV 집광 렌즈로서 사용될 수 있는 렌즈라면 어떤 것이든 될 수 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비(10)는, 광원(1)과, 제1렌즈(2)와, 제2렌즈(3)와, 검출부(4)를 포함하여 이루어진다. 이하 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 광원(1)은 빛을 발산하는 장치로서, 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과시켜 특성 검사를 수행할 빛을 발생시키는 역할을 한다. 렌즈의 특성 검사를 위해서, 검사하고자 하는 특성에 따라 검사에 적절한 빛의 종류는 다양하게 결정될 수 있는 바, 상기 광원(1)이 발생시키는 빛에 대한 특별한 제한은 없다. 통상적으로 이러한 렌즈의 검사에는 단일 파장의 빛이나 또는 설계자가 원하는 여러 파장들이 혼합된 빛이 사용될 수 있으며, 이러한 빛의 구현을 용이하게 할 수 있도록 상기 광원(1)은 레이저 광원인 것이 바람직하다.

상기 제1렌즈(2)는 상기 광원(1)으로부터 발산된 빛을 통과시켜 확산시키는 역할을 한다. 그리고 상기 제2렌즈(3)는 상기 제1렌즈에 의해 확산된 빛을 굴절시켜서 평행광으로 변경해 주는 역할을 한다. 즉 빛이 상기 제1렌즈(1) 및 상기 제2렌즈(2)를 순차적으로 통과함으로써, 상기 광원(1)으로부터 발생된 빛이 균일하게 평행광으로 바뀌게 된다.

이와 같이 평행광으로 바뀐 빛은 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과하게 되는데, 상술한 바와 같이 상기 CPV 집광 렌즈(50)는 빛을 집광시키는 작용을 하는 특성이 있으므로, 이 빛은 어느 한 점으로 모여지도록 집광이 이루어지게 된다. 상기 검출부(4)는 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과하여 집광된 빛을 검출하고, 이 검출 결과로부터 상기 CPV 집광 렌즈(50)의 특성을 파악할 수 있게 된다.

이 때 본 발명에서, 상기 검출부(4)에서는 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과한 빛의 투과량, 빛의 초점 거리, 초점 사이즈, 파장대별 투과율을 동시 측정하도록 한다. 또한, 상기 검출부(4)는 광경로에 평행한 방향으로 이동 가능하도록 형성되도록 함으로써, 이러한 검출 결과를 보다 용이하게 얻을 수 있도록 한다.

더불어, 본 발명의 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비(10)는 복수 개의 상기 프레넬 렌즈(50)가 장착되며, 상기 제2렌즈(3)와 상기 검출부(4) 사이의 광경로 위치에 복수 개의 상기 프레넬 렌즈(50)를 교환하여 배치 가능하도록 하는 교환부(20); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 3은 이러한 교환부(20)의 일실시예를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 상기 교환부(20)는 회전 가능하게 형성되는 원형의 베이스 패널과, (도시되지는 않았지만) 상기 베이스 패널을 회전시킬 수 있는 회전 수단을 포함하여 이루어지도록 할 수 있다. 이 때 상기 베이스 패널에는 도 3에 도시된 바와 같이 다수 개의 구멍이 방사상으로 배치 형성되어 있음으로써, 각각의 구멍에 상기 프레넬 렌즈(50)를 구비시키도록 하여 상기 베이스 패널이 회전함에 따라 복수 개의 상기 프레넬 렌즈(50)가 검사를 위한 광경로 상에 교환되어 배치될 수 있게 된다.

물론 이는 하나의 실시예일 뿐으로, 상기 교환부(20)가 도 3과 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 교환부(20)는, 상하좌우로 이동 가능하게 형성되는 직사각형 형태의 베이스 패널과 상기 베이스 패널을 상하좌우로 이동시킬 수 있는 이동 수단을 포함하여 이루어지도록 할 수 있다. 물론 이 때 베이스 패널에는 역시 상기 프레넬 렌즈(50)를 배치시킬 수 있는 구멍이 배치 형성되도록 한다. 이 경우에도 마찬가지로 상기 베이스 패널이 적절하게 이동됨으로써 복수 개의 상기 프레넬 렌즈(50)가 검사를 위한 광경로 상에 교환되어 배치되도록 할 수 있다.

즉 도 3과 같은 예시나 위의 설명과 같은 예시로서 상기 교환부(20)의 구성이 한정되는 것은 아니며, 상기 제2렌즈(3)와 상기 검출부(4) 사이의 광경로 상에 복수 개의 상기 프레넬 렌즈(50)를 교환 배치시킬 수 있다면, 상기 교환부(20)의 구성은 어떻게 이루어져도 무방하다.

도 4는 본 발명의 검사 장비에 의한 초점 거리 측정 과정의 일실시예이다. 도시된 바와 같이, 상기 검출부(4)와 상기 CPV 집광 렌즈(50) 간 간격을 조절함으로써, 초점이 맺힐 때의 상기 검출부(4)와 상기 CPV 집광 렌즈(50) 간 간격으로서 초점 거리를 쉽게 측정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 검사 장비에 의한 초점 사이즈 측정 결과의 일실시예이다. 도 5(A)는 실제 실험 시 상기 검출부(4) 상에 점광(spot) 형태로 빛이 모여진 모습을 보여 주고 있으며, 도 5(B)는 상기 검출부(4)에서 검출된 결과를 2차원 및 3차원으로 도시하고 있다.

도 6은 본 발명의 검사 장비에 의한 파장대별 투과율 측정 결과의 일실시예로서, 파란색 그래프는 일반 유리의 측정 결과를, 빨간색 그래프는 상기 CPV 집광 렌즈(50)의 측정 결과를 각각 도시하고 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10: (본 발명의) CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비
1: 광원
2: 제1렌즈
3: 제2렌즈
4: 검출부
20: 교환부
50: CPV 집광 렌즈

Claims (5)

1. CPV(Concentrating Photo Voltaic)에서 태양광을 집중시키기 위하여 사용되는 CPV 집광 렌즈(50)의 특성을 검사하는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비(10)에 있어서,
   광원(1);
   상기 광원(1)으로부터 발산된 빛을 확산시키는 제1렌즈(2);
   상기 제1렌즈(2)에 의해 확산된 빛을 평행광으로 변경하는 제2렌즈(3);
   상기 제2렌즈(3)에 의해 변경된 평행광이 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과한 후, 상기 CPV 집광 렌즈(50)에 의해 집광되어 나온 빛을 감지하는 검출부(4);
   를 포함하여 이루어지되,
   상기 검출부(4)는 상기 CPV 집광 렌즈(50)를 통과한 빛의 투과량, 빛의 초점 거리, 초점 사이즈, 파장대별 투과율을 동시 측정하며,
   상기 CPV 집광 렌즈(50)는 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)이고,
   상기 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비(10)는 복수 개의 상기 프레넬 렌즈가 장착되며, 상기 제2렌즈(3)와 상기 검출부(4) 사이의 광경로 위치에 복수 개의 상기 프레넬 렌즈를 교환하여 배치 가능하도록 하는 교환부(20);
   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 검출부(4)는
   광경로에 평행한 방향으로 이동 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 광원(1)은
   레이저 광원인 것을 특징으로 하는 CPV 집광 렌즈 특성 검사 장비.
   
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