KR101555600B1 - 프레넬렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 프레넬렌즈는, 점광원의 방사되는 광이 입사되는 평면부; 및 상기 평면부로부터 돌출되며, 상기 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성되는 요철부;를 포함한다.
이와 같이 본 발명은, 단위곡면들이 평볼록렌즈의 곡면부 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부 측으로 이동되어 배치됨으로써, 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사될 수 있다.
아울러, 본 발명은 단위곡면들이 평볼록렌즈의 곡면부 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부 측으로 이동되면서 방사폭의 감소만큼 축소됨으로써, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮출 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 요철부에 있어서 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성됨으로써 집광효율을 증대시키고, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮추도록 구성됨으로써 렌즈 제작시 용이하도록 할 수 있다.

Description

프레넬렌즈{Fresnel lens}

본 발명은 프레넬렌즈로서, 요철부에 있어서 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성됨으로써 집광효율을 증대시키고, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮추도록 구성됨으로써 렌즈 제작시 용이하도록 하는 프레넬렌즈에 관한 것이다.

도 1(a)는 일반적인 평볼록렌즈를 나타낸 개념도이고, 도 1(b)는 종래기술에 따른 프레넬렌즈를 나타낸 도면이다.

또한, 도 2(a)는 점광원으로부터 나오는 광이 도 1(a)의 평볼록렌즈를 통해 출사되는 루트를 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 점광원으로부터 나오는 광이 종래기술에 따른 도 1(b)의 프레넬렌즈를 통해 출사되는 루트를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 도 1(a)의 평볼록렌즈(10)는 일면이 평면부(11)로 이루어지고, 타면이 곡면부(12)로 이루어지는데, 점광원(P)에서 방사된 광이 평면부(11)로 입사하여 곡면부(12)를 통해 출사하는 경우 집광되는 구조를 취한다.

또한, 도 1(b)의 프레넬렌즈(Fresnel lens)는 부피가 큰 도 1(a)의 평볼록렌즈(10)를 얇은 광학시트 형태로 변형시킨 렌즈로서, 평볼록렌즈(10)와 비교하여 약간의 오차는 발생하지만 변형전과 비교하여 배광분포 차이가 거의 나지 않는다.

이러한 프레넬렌즈는 하나의 점광원(P)에서 방사된 광을 집광시켜주는 분야에 적용될 수 있는데, 특히 배광에 고도의 정밀도가 요구되지 않는 분야에서는 부피 측면에서 큰 장점을 갖는 광학시트 형태로 적용되고 있다. 구체적으로, 상기 프레넬렌즈는 도 2(b)에 도시된 바와 같이 일면이 평평한 평면부(21)로서 광이 입사되는 부분이고, 타면이 동심원 모양의 요철구조인 요철부(22)로서 광이 출사되는 부분이다.

상기와 같은 프레넬렌즈는 평볼록렌즈(10)에 비하여, 요철부(22)에 있어서 광들이 출사 시 서로 평행하지 않게 됨으로써, 집광성이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

이와 더불어, 상기 비출사 부분으로 인하여 전체적으로 종횡비(Aspect Ratio, 가로에 대한 세로 비율)가 높아짐으로써, 제작도 어려운 한계점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 요철부에 있어서 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성됨으로써 집광효율을 증대시키고, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮추도록 구성됨으로써 렌즈 제작시 용이하도록 하는 프레넬렌즈를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬렌즈는, 점광원의 방사되는 광이 입사되는 평면부; 및 상기 평면부로부터 돌출되며, 상기 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성되는 요철부;를 포함하며, 상기 요철부는, 평볼록렌즈의 곡면부 위치에서 복수 개로 분할되어 상기 점광원의 방사경로를 따라 방사폭의 감소만큼 축소되면서 상기 평면부까지 이동된 단위곡면; 및 상기 단위곡면에서 상기 평면부로부터 이격된 끝단으로부터 상기 평면부까지 상기 점광원의 방사경로를 따라 연장되면서 인접한 다른 하나의 상기 단위곡면을 잇는 경사이음면;을 구비한다.

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본 발명에 따른 프레넬렌즈는, 단위곡면들이 평볼록렌즈의 곡면부 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부 측으로 이동되어 배치됨으로써, 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사될 수 있다.

아울러 본 발명은 단위곡면들이 평볼록렌즈의 곡면부 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부 측으로 이동되면서 방사폭의 감소만큼 축소됨으로써, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮출 수 있다.

결과적으로, 본 발명은 요철부에 있어서 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성됨으로써 집광효율을 증대시키고, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮추도록 구성됨으로써 렌즈 제작시 용이하도록 할 수 있는 효과를 가진다.

도 1(a)는 일반적인 평볼록렌즈를 나타낸 개념도이고, 도 1(b)는 종래기술에 따른 프레넬렌즈를 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 점광원으로부터 나오는 광이 도 1(a)의 평볼록렌즈를 통해 출사되는 루트를 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 점광원으로부터 나오는 광이 종래기술에 따른 도 1(b)의 프레넬렌즈를 통해 출사되는 루트를 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 점광원으로부터 나오는 광에 대한 방사방향을 도 2(a)의 평볼록렌즈 상에 나열한 것을 나타낸 도면이고, 도 3(b)는 점광원으로부터 나오는 광에 대한 방사방향을 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬렌즈 상에 나열한 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 점광원으로부터 나와서 렌즈를 통과한 광에 대해 디텍터로 광효율을 계산하는 것을 나타낸 도면이다.
도 5은 도 4의 렌즈에 평볼록렌즈, 종래의 프레넬렌즈, 본 발명의 프레넬렌즈를 각각 배치시킨 후 계산된 광효율과, 상기 평볼록렌즈, 종래의 프레넬렌즈, 본 발명의 프레넬렌즈 각각의 렌즈 두께비를 나타낸 도면이다.

본 발명의 프레넬렌즈는, 집광효율을 증대시키고 렌즈 제작시 용이하도록 하기 위해, 요철부에 있어서 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성되고, 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮추도록 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

참고로 실질적으로는 점광원으로부터 나오는 광이 평면부에 입사 시 아주 약간의 굴절을 이루게 되지만, 본 명세서에서는 종래기술에 따른 프레넬렌즈와의 비교 편의상 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술과 본 발명에서 모두 직선형으로 도시되었다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 하는데, 이에 앞서 기존의 평볼록렌즈와 프레넬렌즈를 통해 광이 출사되는 것을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2(a)는 점광원으로부터 나오는 광이 도 1(a)의 평볼록렌즈를 통해 출사되는 루트를 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 점광원으로부터 나오는 광이 종래기술에 따른 도 1(b)의 프레넬렌즈를 통해 출사되는 루트를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 도 2(a)의 평볼록렌즈(10)의 동일 출사각을 가진 부분이 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)에서 어떤 위치에 배치되는지 쉽게 파악하기 위해, 도 2(a)의 평볼록렌즈(10)와 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)를 점선으로 나누어진 분할된 복수 개의 단위곡면(12a)(22a)으로 나타내었다. 이때, 점선은 광의 방사경로와 동일하다.

여기에서, 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)는 평면부(21)와 요철부(22)로 구성되는데, 상기 요철부(22)는 도 2(a)의 평볼록렌즈(10)에서 곡면부(12)가 복수 개로 분할되어 평면부(21)에 수직방향으로 내려와서 접하여 이루어지는 방식으로 구현된다. 이때, 상기 분할은 도면에서는 일례로서 5등분되었다.

상기와 같이 구성되는 평볼록렌즈(10)와 프레넬렌즈(20)를 통해 광이 출사되는 것을 살펴보면, 먼저 도 2(a)의 평볼록렌즈(10)에서는 점광원(P)으로부터 나오는 광이 평면부(11)를 통해 입사한 후 곡면부(12)를 거쳐 출사한다. 이때 상기 곡면부(12)를 일지점을 통과한 후 출사하는 광은 곡면부(12)의 다른 지점을 통해 출사하는 광과 서로 평행한 상태를 이루면서 나아가게 된다.

이에 반하여, 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)에서는 점광원(P)으로부터 나오는 광이 평면부(21)를 통해 입사한 후 요철부(22)를 거친 다음 출사하는 과정에서, 다른 출사하는 광들과 서로 평행한 상태를 이루지 않고 나아가게 된다.

구체적으로, 도 2(a)의 평볼록렌즈(10)에서는 점광원(P)으로부터 나오는 광 중 하나가 평면부(11)로부터 입사한 후 우측으로부터 네 번째 단위곡면(12a₄)을 통해 출사하게 되지만, 점광원(P)으로부터 동일 방사각 나오는 광이 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)에서는 평면부(21)를 통해 입사한 후 우측으로부터 다섯 번째 단위곡면(22a₅)을 통해 출사하게 된다.

이는 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)에서 평면부(21)로 입사된 광이 요철부(22)의 네 번째 단위곡면(22a₄)으로 나아가기 전에 다섯 번째 단위곡면(22a₅)을 통해 출사됨으로써, 네 번째 단위곡면(22a₄)에서의 출사각이 아닌 다섯 번째 단위곡면(22a₅)에서의 출사각으로 출사하게 되는데, 이로 인하여 다른 출사하는 광들과 서로 평행한 상태를 이루지 않고 출사하게 나아가게 되며 결과적으로 집광효율이 떨어지게 되는 한계점이 있다.

아울러, 프레넬렌즈(20) 내에서 네 번째 단위곡면(22a₄)을 향해 진행되는 광이 진행선 상에서 먼저 만나는 다섯 번째 단위곡면(22a₅)에서 출사됨으로써, 네 번째 단위곡면(22a₄)에서는 광이 아예 도달하지 않아서 출사되지 않는 부분인 비출사 부분(N)이 형성된다. 이와 같은 비출사 부분(N)으로 인하여 전체적으로 종횡비(Aspect Ratio, 가로에 대한 세로 비율)가 높아짐으로써, 제작도 어려운 한계점이 있다. 참고로, 종횡비 즉, 가로에 대한 세로의 길이가 커질수록 렌즈를 제작함에 있어서, 상당한 기술을 요함과 동시에 그 제작과정도 까다롭고 시간과 비용이 더 많이 소요된다.

상기와 같은 한계점을 극복하기 위해 본 발명의 프레넬렌즈가 구현되었으며, 이에 대해 도 3을 바탕으로 설명하기로 한다.

도 3(a)는 점광원으로부터 나오는 광에 대한 방사방향을 도 2(a)의 평볼록렌즈 상에 나열한 것을 나타낸 도면이고, 도 3(b)는 점광원으로부터 나오는 광에 대한 방사방향을 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레넬렌즈 상에 나열한 것을 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 도 3(a)의 평볼록렌즈(10)의 동일 출사각을 가진 부분이 도 3(b)의 프레넬렌즈(200)에서 어떤 위치에 배치되는지 쉽게 파악하기 위해, 도 3(a)의 평볼록렌즈(10)와 도 3(b)의 프레넬렌즈(200)를 점선으로 나누어진 분할된 복수 개의 단위곡면(220a)으로 나타내었다. 이때, 점선은 광의 방사경로와 동일하다.

구체적으로, 도 3(b)에 도시된 본 발명의 프레넬렌즈(200)는 평면부(210)와 요철부(220)로 구성되는데, 상기 평면부(210)는 점광원(P)의 방사되는 광이 입사되는 분이고, 상기 요철부(220)는 평면부(210)로부터 돌출되며 점광원(P)으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성되는 부분이다.

여기에서, 상기 요철부(220)는 도 3(a)의 평볼록렌즈(10)보다 두께가 감소되도록, 평볼록렌즈(10)의 곡면부(12) 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부(11) 측으로 이동되어 배치된 구조를 이룬다.

이때, 상기 요철부(220)는 평볼록렌즈(10)의 곡면부(12) 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부(11) 측으로 이동되면서, 점광원(P)의 방사경로를 따라 방사폭의 감소만큼 축소된다. 즉, 복수 개 단위곡면(220a) 각각의 길이가 줄어들면서 이와 함께 각각의 곡률반지름도 상대적으로 줄어든다. 이때, 상기 분할은 도면에서는 일례로서 7등분되었지만, 바람직하게 보다 더 많은 수로 등분될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 도 3(b)의 프레넬렌즈(200)를 통해 광이 출사되는 것을 살펴보면, 점광원(P)으로부터 나오는 광이 평면부(210)를 통해 입사한 후 요철부(220)를 거쳐 출사한다. 이때 상기 요철부(220)의 일 지점을 통과한 후 출사하는 광은 요철부(220)의 다른 지점을 통해 출사하는 광과 서로 평행한 상태를 이루면서 나아가도록 수직방향으로 진행된다. 이와 같이 도 3(b)의 프레넬렌즈(200)는 도 3(a)의 평볼록렌즈(10)와 출사패턴이 거의 동일하다.

구체적으로 살펴보면, 점광원(P)으로부터 동일 방사각 나오는 광이 도 3(a)의 평볼록렌즈(10)와 도 3(b)의 프레넬렌즈(200)에서 동일하게 평면부(11)(210)로부터 입사한 후 우측으로부터 네 번째 단위곡면(12a₄)(220a₄)을 통해 출사하게 된다.

이와 같이 본 발명인 도 3(b)의 프레넬렌즈(200)는 도 3(a)의 평볼록렌즈(10)와 광의 출사각이 동일함으로써, 도 3(a)의 평볼록렌즈(10)와 같이 다른 출사하는 광들과 서로 평행한 상태를 이룸에 따라 결과적으로 집광효율이 종래기술에 따른 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)에 비하여 높아지게 된다.

그리고, 본 발명의 프레넬렌즈(200)에서 요철부(220)는, 복수 개로 분할된 단위곡면(220a), 및 상기 단위곡면(220a)에 있어서 평면부로부터 이격된 끝단으로부터 평면부(210)까지, 점광원(P)의 방사경로를 따라 이어지는 경사이음면(220b)을 구비할 수 있다.

이에 따라, 본 발명인 도 3(b)의 프레넬렌즈(200)에는 종래기술에 따른 도 2(b)의 프레넬렌즈(20)에서 발생하는 비출사 부분이 제거됨으로써, 전체적으로 종횡비(Aspect Ratio, 가로에 대한 세로 비율)가 낮아짐에 따라, 제작이 상대적으로 용이하다.

그러면, 평볼록렌즈, 종래기술에 따른 프레넬렌즈, 본 발명의 프레넬렌즈의 광효율을 도 4 및 도 5을 참조하여 비교하기로 한다.

도 4는 점광원으로부터 나와서 렌즈를 통과한 광에 대해 디텍터로 광효율을 계산하는 것을 나타낸 도면이고, 도 5은 도 4의 렌즈에 평볼록렌즈, 종래의 프레넬렌즈, 본 발명의 프레넬렌즈를 각각 배치시킨 후 계산된 광효율과, 상기 평볼록렌즈, 종래의 프레넬렌즈, 본 발명의 프레넬렌즈 각각의 렌즈 두께비를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 점광원으로부터 나오는 광이 렌즈를 통해 출사된 후 이를 디텍터(2)에서 감지하여 광효율을 계산하였다.

여기에서, 상기 시뮬레이션은 점광원으로부터 렌즈까지의 거리가 35mm이고, 렌즈로부터 디텍터(2)까지의 거리가 Dmm, 렌즈의 지름이 40mm, 디텍터(2)의 크기가 100mm*100mm인 조건에 수행하였으며, 이때의 광효율과 렌즈의 두께의 비교결과는 도 5에 도시된 바와 같이 나왔다.

구체적으로, 디텍터(2)에 입사된 광을 촬영한 화면을 살펴보면 평볼록렌즈는 거리(D)가 달라지더라도 거의 차이가 없었으며, 종래기술에 따른 프레넬렌즈는 거리가 1000mm인 경우 확대된 광이 테두리만 남고 거의 보이지 않았으며, 본 발명의 프레넬렌즈는 광이 일정 정도 확대되었을 뿐 큰 차이를 보이지 않았다.

아울러 이와 관련되어 거리(100mm/1000mm)에 따른 광효율 수치를 살펴보면, 평볼록렌즈는 92.23/92.1로서 거리가 달라지더라도 차이가 없었으며, 종래기술에 따른 프레넬렌즈는 77.68/12.29로서 거리가 멀어짐에 따라 광효율이 크게 감소하였으며, 본 발명의 프레넬렌즈는 87.37/67.21로서 광효율이 약간 감소하였으나 종래기술에 따른 프레넬렌즈에 비하여 감소폭이 크게 줄어들었다.

그리고, 종횡비를 알 수 있는 렌즈의 두께비도 평볼록렌즈, 종래기술에 따른 프레넬렌즈, 본 발명의 프레넬렌즈가 200:100:70으로서, 본 발명의 프레넬렌즈가 기본적으로 평볼록렌즈보다 훨씬 얇음으로써 활용적인 측면에 우월하며, 무엇보다도 종래기술에 따른 프레넬렌즈보다 30% 정도 얇게 형성됨으로써 제조상에 있어서 용이한 제조가 가능하도록 한다.

결과적으로, 본 발명은 단위곡면들이 평볼록렌즈의 곡면부 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부 측으로 이동되어 배치됨으로써, 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사될 수 있다.

아울러 본 발명은 단위곡면들이 평볼록렌즈의 곡면부 위치에서 복수 개로 분할되어 평면부 측으로 이동되면서 방사폭의 감소만큼 축소됨으로써, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮출 수 있다.

결과적으로, 본 발명은 요철부에 있어서 점광원으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성됨으로써 집광효율을 증대시키고, 요철부에 있어서 비출사 부분을 제거하여 종횡비를 낮추도록 구성됨으로써 렌즈 제작시 용이하도록 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

P : 점광원
10 : 평볼록렌즈 11 : 평면부
12 : 곡면부 12a : 단위곡면
20 : (종래기술에 따른) 프레넬렌즈 21 : 평면부
22 : 요철부 22a : 단위곡면
N : 비출사 부분
200 : (본 발명의) 프레넬렌즈 210 : 평면부
220 : 요철부 220a : 단위곡면
220b : 경사이음면

Claims (4)

1. 점광원(P)의 방사되는 광이 입사되는 평면부(210); 및 상기 평면부(210)로부터 돌출되며, 상기 점광원(P)으로부터 입사된 광이 평행하게 출사되도록 구성되는 요철부(220);를 포함하며,
   상기 요철부(220)는,
   평볼록렌즈(10)의 곡면부(12) 위치에서 복수 개로 분할되어 상기 점광원(P)의 방사경로를 따라 방사폭의 감소만큼 축소되면서 상기 평면부(210)까지 이동된 단위곡면(220a); 및
   상기 단위곡면(220a)에서 상기 평면부(210)로부터 이격된 끝단으로부터 상기 평면부(210)까지 상기 점광원(P)의 방사경로를 따라 연장되면서 인접한 다른 하나의 상기 단위곡면을 잇는 경사이음면(220b);을 구비하는 것을 특징으로 하는 프레넬렌즈(200).
   
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