KR102043283B1 - 메니스커스 카세그레인 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메니스커스 카세그레인 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 망원경에 이용될 수 있는 대물렌즈로서, 입사면, 주경 및 부경이 모두 구면으로 형성되는 솔리드 렌즈를 포함하는 메니스커스 카세그레인 렌즈에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 시각적으로 높은 해상도를 가지고, 분해능이 높으며, 비축상 수차를 줄이면서도 넓은 시야를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 렌즈 상에 반사성 재료를 코팅하고 보호처리하여 주경과 부경이 형성됨에 따라, 다른 이물질이 침투나 오염이 방지되어 주기적으로 재코팅할 필요 없이 선명한 거울을 반영구적으로 유지할 수 있게 되어 관리 및 사용이 편리하다.

Description

메니스커스 카세그레인 렌즈{MENISCUS CASSEGRAIN LENS}
본 발명은 메니스커스 카세그레인 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 망원경 또는 망원렌즈에 이용될 수 있는 대물렌즈로서, 입사면, 주경 및 부경이 모두 구면으로 형성되는 솔리드 렌즈를 포함하는 메니스커스 카세그레인 렌즈에 관한 것이다.
본 발명은 망원경에 이용되는 대물렌즈 또는 대물 광학계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반사 굴절 망원경에 관한 것이다.
반사 굴절 망원경은 렌즈와 거울을 모두 사용하여 만든 망원경으로, 안정된 상을 제공하는 굴절 망원경의 장점과 집광력이 좋은 반사 망원경의 장점을 모아 만든 것이다. 반사 굴절 망원경에 있어서, 주요 광학계는 반사 망원경이지만 반사 망원경에서 나타나는 코마 수차를 제거하기 위해 굴절 망원경의 원리를 응용하여 렌즈로 보정한다. 반사굴절 망원경으로는 대표적으로 막스토프(Maksutov)식과 슈미트-카세그레인(Schmidt-Cassegrain)식이 있다.
그러나, 상기 막스토프식 또는 슈미트-카스그레인식 반사 굴절 망원경은 보정 렌즈 및/또는 보정 판을 필요로 하여, 구조가 복잡하고 제작비용이 높은 문제점이 있다.
본 발명자는 상기와 같은 단점을 보완하고, 광손실이 적고 분해능이 높으며, 제작 및 정밀가공이 용이한 대물렌즈를 개발하기 위해 오랫동안 연구 노력한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다.
미국 특허등록공보 제4,792,685호(공개일 : 1988.12.20.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 광손실이 적고 분해능이 높으며, 제작 및 정밀가공이 용이한 대물렌즈를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈는, 기본형 솔리드 렌즈;로 이루어지고, 상기 기본형 솔리드 렌즈의 전방면 주변부에는 광을 굴절시키며 통과시키는 입사면이 형성되고, 상기 기본형 솔리드 렌즈의 후방면 주변부에는 상기 입사면을 통과한 광을 반사시키는 주경이 구비되고, 상기 기본형 솔리드 렌즈의 전방면 중앙부에는 상기 주경에 의해 반사된 광을 초점을 맞추어 재반사시키는 부경이 구비되고, 상기 기본형 솔리드 렌즈의 후방면 중앙부에는 상기 부경에 의해 재반사된 광을 통과시키는 출사면이 형성되며, 상기 입사면, 주경 및 부경이 모두 전방에서 봤을 때 오목한 구면인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 입사면을 향해 평행하게 입사되는 광을 기준으로, 상기 주경의 가상의 이심률이 0과 1 사이에서 형성되도록 상기 입사면의 곡률이 설정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부경 및 주경은 각각 상기 기본형 솔리드 렌즈의 전방면 및 후방면 상에 반사성 재료가 코팅되고 보호처리되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기본형 솔리드 렌즈의 광축을 기준으로, 상기 부경 및 상기 주경의 곡률중심이 동일한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기본형 솔리드 렌즈의 광축을 기준으로, 상기 입사면, 상기 부경 및 상기 주경의 곡률중심이 동일한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 출사면은, 상기 부경에 의해 재반사된 광이 상기 출사면을 수직하게 통과하도록 후방에서 봤을 때 오목한 구면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광의 색수차를 보정하기 위해 상기 출사면 후방에 색수차 보정 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈는, 통합형 솔리드 렌즈; 및 상기 통합형 솔리드 렌즈 전방에 배치되는 포커싱 렌즈;로 이루어지고,
상기 통합형 솔리드 렌즈 및 포커싱 렌즈는, 상술한 상기 기본형 솔리드 렌즈에 있어서 상기 기본형 솔리드 렌즈의 입사면을 전방으로 분리하여 네거티브 메니스커스 렌즈로 독립시킴으로써 각각 형성되고, 상기 포커싱 렌즈는 전후방으로 이동 가능하게 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 포커싱 렌즈와 상기 통합형 솔리드 렌즈가 가장 근접한 경우, 상기 포커싱 렌즈의 후방면의 곡률중심과 상기 통합형 솔리드 렌즈의 입사면의 곡률중심이 동일한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 포커싱 렌즈와 상기 통합형 솔리드 렌즈가 가장 근접한 경우, 상기 포커싱 렌즈의 광축을 기준으로 최외곽의 광이 상기 포커싱 렌즈의 전방면을 통과하며 굴절되고, 상기 포커싱 렌즈의 전방면을 통과하며 굴절된 광이 상기 포커싱 렌즈의 후방면을 수직으로 출사하고, 상기 포커싱 렌즈의 후방면을 수직으로 출사한 광이 상기 통합형 솔리드 렌즈의 입사면을 수직으로 입사하고, 상기 솔리드 렌즈의 입사면을 수직으로 입사한 광이 상기 주경의 최외곽에 도달하도록, 상기 포커싱 렌즈의 후방면 및 상기 통합형 솔리드 렌즈의 입사면의 곡률이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기본형 메니스커스 카세그레인식 렌즈는 입사면, 주경 및 부경이 모두 구면으로 형성되기 때문에 그 제작이 매우 간편하고 용이할 뿐만 아니라, 정밀하게 가공할 수 있다.
또한, 렌즈 상에 반사성 재료를 코팅하고 보호처리하여 주경과 부경이 형성되고, 주경과 부경 사이에 하나의 고체매질만 존재하며 다른 이물질이 침투나 오염이 방지되어 주기적으로 재코팅할 필요 없이 선명한 거울을 반영구적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합형 메니스커스 카세그레인식 렌즈는 포커싱 렌즈가 솔리드 렌즈의 전방에서 전후방으로 이동 가능하게 됨으로써 물체와 렌즈의 거리차이에 따른 시야초점을 보정할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 메니스커스 카세그레인식 렌즈를 이용하여 망원경을 제작할 경우 동일한 광입력광을 가지는 종래의 망원경에 비해 경통의 길이를 짧게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈의 구조 단면도이다.
도 2는 본 발명의 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈에 있어서 광의 진행을 나타낸 가상의 전개도이다.
도 3은 본 발명의 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈의 다양한 실시예를 나타낸 구조 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈의 구조 단면도이다.
도 5는 본 발명의 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈에 있어서 포커싱 렌즈의 전후방 이동을 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 메니스커스 카세그레인 렌즈를 이용하여 형성될 수 있는 망원경의 일 예시도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 망원경 또는 망원렌즈에 이용될 수 있는 대물렌즈에 관한 것으로, 이하 제1 실시예에 따른 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈와, 제2 실시예에 따른 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈를 나누어 설명하도록 한다.
<실시예 1> : 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈의 구조 단면도로서, 본 발명의 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈(10)(이하, '기본형 렌즈(10)'라 함)는 기본형 솔리드 렌즈(100)(이하, '솔리드 렌즈(100)'라 함)로 이루어진다.
도시된 바와 같이, 솔리드 렌즈(100)는 메니스커스(meniscus) 렌즈 형상으로 형성된다.
본 발명에 따른 기본형 렌즈(10)에 있어서, 솔리드 렌즈(100)는 전방면(110)과 후방면(120)으로 구성되며, 여기서 도면을 기준으로 전방은 솔리드 렌즈(100)의 좌측으로서 관찰하고자 하는 물체가 위치하여 물체로부터 방출된 광이 솔리드 렌즈(100)로 들어오는 쪽을 의미하고, 후방은 솔리드 렌즈(100)의 우측으로서 광이 솔리드 렌즈(100)로부터 나오는 쪽을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 솔리드 렌즈(100)의 광축(X-X')을 기준으로, 솔리드 렌즈(100)를 중앙부(C)와 주변부(S)로 나눌 수 있다. 여기서 각각의 중앙부(C)와 주변부(S)는 반드시 동일한 영역을 의미하는 것은 아니고, 광축(X-X')을 기준으로 중앙부(C)는 솔리드 렌즈 전방면(110)의 중앙으로부터 원형으로 형성되는 일정 영역을 의미하고, 주변부(S)는 솔리드 렌즈(120) 후방면(120)에서 중앙으로부터 원형으로 형성되는 일정 영역을 제외한 주변의 나머지 영역을 의미한다.
전방면(110) 주변부(S)에는 광을 굴절시키며 통과시키는 입사면(113)이 형성되고, 후방면(120) 주변부(S)에는 입사면(113)을 통과한 광을 반사시키는 주경(127)이 구비되고, 전방면(110) 중앙부(C)에는 주경(127)에 의해 반사된 광을 초점을 맞추어 재반사시키는 부경(117)이 구비되며, 후방면(120) 중앙부(C)에는 부경에 의해 재반사된 광을 통과시키는 출사면(123)이 형성된다.
이때, 본 발명은 입사면(113), 주경(117) 및 부경(127)이 모두 전방에서 봤을 때 오목한 구면으로 형성된다. 보다 구체적으로, 입사면(113), 주경(117) 및 부경(127) 모두 구면의 곡률중심이 각 입사면(113), 주경(117) 및 부경(127)의 전방에 위치하여 솔리드 렌즈(100)의 광축(X-X') 상에 위치하도록 형성된다.
도 2는 본 발명의 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈에 있어서 광의 진행을 나타낸 가상의 전개도로서, 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 기본형 렌즈(10)의 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 카세그레인(Cassegrain) 방식의 대물 렌즈로서, 관찰하고자 하는 물체가 솔리드 렌즈(100)의 전방에 위치하며, 관찰자는 솔리드 렌즈(100)의 후방에서 물체를 관찰할 수 있다.
물체로부터 방출되는 광은 솔리드 렌즈(100)를 향해 진행하여, 솔리드 렌즈(100)의 입사면(113)을 통과하며 굴절된다.
입사면은 오목한 구면이므로, 광은 입사면(113)을 통과하면서 광축(X-X')을 기준으로 확산 굴절되어 주경(127)에 입사된다.
주경(127)은 오목한 구면 거울에 해당하므로, 주경(127)에 입사된 광은 주경(127)에 의해 부경(117)을 향해 반사되어 부경(117)에 입사된다.
부경(117)은 오목한 구면이므로, 부경(117)을 향해 입사되는 광의 진행방향을 기준으로는 볼록한 구면 거울이 된다. 따라서 부경(117)에 입사된 광은 부경(117)에 의해 초점이 맞추어져 재반사된다.
이때, 부경(117)의 초점은 일반적으로 출사면(123) 외부에 있기 마련이므로, 부경(117)에 의해 재반사된 광은 출사면(123)을 통과하여 초점에 모아지게 되며, 관찰자는 최종적으로 초점의 위치에서 물체를 관찰할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈의 다양한 실시예를 나타낸 구조 단면도이다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 솔리드 렌즈(100)의 출사면(123)은, 부경(117)에 의해 재반사된 광이 출사면(123)을 수직하게 통과하도록 출사면(123)이 후방에서 봤을 때 오목한 구면으로 형성될 수 있다.
또한, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 광의 색수차를 보정하기 위해 출사면(123) 후방에 색수차 보정 렌즈(300)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 색수차 보정 렌즈는 2매 이상의 겹렌즈로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로 대물렌즈에 있어서, 출사면을 광의 진행방향을 기준으로 볼록한 구면으로 형성하거나, 색수차를 보정하기 위한 색수차 보정 렌즈(300)를 더 포함하는 것은 통상의 기술에 해당하므로, 그 구체적인 내용은 생략하기로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 솔리드 렌즈(100)는 입사면(113), 주경(127) 및 부경(117)이 모두 구면으로 형성되기 때문에 그 제작이 매우 간편하고 용이할 뿐만 아니라, 정밀하게 가공할 수 있다.
또한, 본 발명은 솔리드 렌즈(100)가 1매의 렌즈로 이루어지기 때문에 주경(127)과 부경(117) 사이에 솔리드 렌즈(100)를 형성하는 고체매질만이 존재하게 되어 광손실을 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 부경(117) 및 주경(127)은 각각 전방면(110) 및 후방면(120) 상에 반사성 재료가 코팅되고 보호처리되어 형성될 수 있다. 즉, 솔리드 렌즈(100)의 전방면(110) 중앙부(C)에 반사성 재료가 코팅되고 보호처리되어 부경(117)이 형성될 수 있고, 솔리드 렌즈(100)의 후방면(120) 주변부(S)에 반사성 재료가 코팅되고 보호처리되어 주경(127)이 형성될 수 있다. 여기서, 보호처리란 예를 들어 반사성 재료를 코팅하고 그 이면에 아말감 내지 도료로 도포하는 등으로 특수화학처리하는 것으로, 종래 맨진 카세그레인 망원경의 주경인 맨진미러에서 사용되는 보호처리와 동일하다.
이와 같이 전방면(110)과 후방면(120)에 반사성 재료가 코팅되고 보호처리되어 부경(117)과 주경(127)이 형성됨으로써, 본 발명 부경(117)과 주경(127)의 제작이 용이할 뿐만 아니라, 이물질 침투나 오염이 방지되어 주기적으로 재코팅할 필요 없이 선명한 거울을 반영구적으로 유지할 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 구체적인 설계원리에 대하여 설명하기로 한다.
첫째, 본 발명은 부경(117)이 구면으로 형성된다.
일반적으로 카세그레인 계열의 정통 반사 망원경에서는 부경이 쌍곡면으로 형성되고 주경은 포물면으로 형성된다.
그러나, 쌍곡면은 구면에 비해 가공이 어려운 단점이 있고, 이에 따라 부경을 가공이 용이한 구면으로 하고자 하는 경우 주경은 포물면이 되어서는 안되고, 돌 커크햄(Dall-kerkham) 방식의 카세그레인 망원경에서처럼 주경이 편장형 타원면으로 형성되어야 한다.
둘째, 본 발명은 주경(127) 또한 구면으로 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 부경(117)이 구면으로 형성되므로, 본 발명은 주경과 부경이 모두 구면인 대물렌즈 내지 이를 이용한 망원경에 해당한다.
망원경 중 대물렌즈의 부경과 주경이 모두 구면인 경우는 막스토브(Maksutov) 방식의 카세그레인 망원경에서와 같이 전방에 구면수차 보정렌즈 및/또는 보정판이 위치해야 한다.
구면수차 보정렌즈에 의해, 막스토브 카세그레인 망원경에서 주경의 (단면의) 실제 이심률은 0인 구면이지만, 주경의 가상(Ideal) 이심률은 이심률 0인 구면과 이심률이 1인 포물면 사이에 형성된다. 즉, 주경의 가상 이심률 A는 0<A<1 사이에 형성되며, 이심률 A는 편장형 타원면으로, 주경은 가상(Ideal) 편장형 타원면으로 형성된다.
셋째, 본 발명은 입사면(113) 또한 구면으로 형성된다.
상기 둘째에서 서술한 바와 같이, 주경과 부경이 구면인 반사망원경에 있어서는 망원경 전방에 구면수차 보정렌즈 및/또는 보정판이 위치하여 광을 굴절시켜야 한다.
본 발명은 막스토브 카세그레인 광학 시스템을 하나의 대물렌즈에 솔리드화 시키는 과정에서 구면 부경 및 구면 주경을 사용하고자 하므로, 보정렌즈 또는 보정판의 역할(즉, 구면수차 보정 기능)을 대신할 수 있는 것이 필요하다.
이는 맨진미러의 광학 원리로부터 도출할 수 있다.
맨진미러는 네거티브 메니스커스 렌즈 형상으로 후방면에 이면 반사코팅이 되어 있다.
맨진미러에 있어서, 입사면인 전방면과 반사면인 후방면 모두 구면으로 형성되는 경우, 입사면을 향해 평행하게 입사되는 광을 하나의 초점으로 모으기 위해 입사면의 곡률이 반사면의 곡률보다 크게 형성된다(즉, 입사면의 곡률반지름이 반사면의 곡률반지름보다 작게 형성됨).
맨진미러의 입사면을 향해 평행하게 입사되는 광은 입사면에서 굴절되므로, 반사면의 실제 (단면의) 이심률은 0에 해당하는 구면이지만, 반사면의 가상(Ideal) 이심률은 1인 포물면으로 형성된다. 이에 따라, 반사면으로부터 반사된 광은 전방의 입사면을 수직으로 무굴절 통과하면서 입사면 전방의 한 초점에 모이게 된다.
한편, 맨진미러의 입사면이 구면이 아닌 곡률이 0인 평면이 된다면 반사면의 가상 이심률은 0으로 실제 이심률 0과 동일한 구면으로 형성된다.
맨진미러의 반사면의 가상 이심률이 1인 가상의 포물면이 될 때의 입사면의 곡률을 B라 한다면, 맨진미러에서 입사면의 곡률이 0과 B사이에 형성되는 경우 반사면의 가상의 이심률은 곡률이 0인 구면과 1인 포물면 사이에 형성된다. 다시 말해, 맨진미러에서 입사면의 곡률이 0과 B 사이에 형성되는 경우 반사면의 가상의 이심률을 X라 한다면, 반사면의 가상의 이심률 X는 0<X<1 사이에 형성되고, 이에 따라 반사면은 가상의 이심률 X인 가상의 편장형 타원면으로 형성된다는 것을 알 수 있다.
이를 표로 정리하면 아래와 같다.
맨진미러
(입사면이 평면)		 입사면의 곡률이 T인 맨진미러 맨진 미러
(입사면이 구면)
입사면의 곡률 0(평면) 0<T<B B(곡률이 B인 구면)
실제 반사면
(Real Mirror)		 구면 구면 구면
반사면의
가상의 이심률		 0 0<X<1 1
가상의 반사면
(Ideal Mirror)		 구면 편장형 타원면 포물면
상술한 바를 고려하여, 본 발명은 입사면(113)의 곡률을 적절히 조절함으로써 막스토브 카세그레인식 망원경에서의 보정렌즈 내지 보정판과 같이 구면의 주경(127)을 가상의 편장형 타원면으로 보정하는 역할(즉, 구면수차 보정 기능)을 수행할 수 있게 되는 것이다.
구체적으로, 본 발명은 입사면(113)을 향해 평행하게 입사되는 광을 기준으로 주경(127)의 가상의 이심률이 0과 1 사이에 형성되도록 입사면(113)의 곡률을 설정할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 기본형 렌즈(10)를 제작할 시 추가적으로 고려하여야 할 사항은 다음과 같다.
주경(127)의 가상의 이심률은 0과 1 사이에서 무수히 존재할 수 있고, 이에 대응되도록 입사면(113)의 곡률을 제작해야 한다.
이때, 주경(127)의 곡률 및 입사면(113)의 곡률 뿐만 아니라, 입사면(113)과 주경(127) 사이의 거리, 솔리드 렌즈(100)를 형성하는 매질의 굴절률 등을 함께 고려하여, 광이 출사면(123)을 통과하여 출사면(123) 후방에 형성되는 초점에 맺힐 수 있도록 적절히 조정하여야 한다.
굴절률의 한 예로서, 본 발명은 솔리드 렌즈(100)를 형성하는 매질로 일반유리의 굴절률인 1.5보다 약간 낮은 굴절률을 가지는 매질을 선택하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은 솔리드 렌즈의 광축(X-X')을 기준으로, 부경(117) 및 주경(127)의 곡률중심이 동일하게 형성될 수 있다. 다시 말해, 부경(117) 및 주경(127) 각각의 곡률중심은 솔리드 렌즈(100)의 광축(X-X') 상의 동일한 지점에 형성될 수 있다.
나아가, 솔리드 렌즈의 광축(X-X')을 기준으로 입사면(113), 부경(117) 및 주경(127)의 곡률중심이 모두 동일하게 형성될 수 있다. 이 경우 입사면(113)과 부경(117)의 곡률반지름 및 곡률이 동일하게 형성됨은 자명하다.
이와 같이 솔리드 렌즈(100)의 광축(X-X')을 기준으로 입사면(113), 부경(117) 및 주경(127)의 곡률중심이 동일하게 형성되는 경우, 솔리드 렌즈(100)로 들어오는 평행한 광선들이 주경(127) 및 부경(117)에 의해 반사될 때 계속 대칭성을 유지할 수 있게 되어 비축상 수차를 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 광축(X-X') 상의 곡률중심을 기점으로 다양한 각도에서 오는 광들이 주경(127) 및 부경(117)에 반사될 때 계속 대칭성을 유지하므로, 시각적으로 높은 해상도를 가지고, 분해능이 높으며, 비축상 수차를 줄이면서도 넓은 시야를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 부경(117)의 직경은 대략 전방면(110) 직경의 절반 정도를 차지하며, 부경(117)은 전방면(110) 전체 면적의 25~30%의 면적을 가지도록 형성될 수 있다.
여기서, 종래 굴절식 천체망원경의 대물렌즈 직경을 100mm로 가정했을 때, 본 발명의 솔리드 렌즈가 종래 망원경에서의 광입력량과 동일한 광입력량을 가지려면 본 발명의 솔리드 렌즈(100)의 전방면(113)의 직경은 115~120mm 정도로 형성되어야 한다. 즉, 종래 망원경에서의 대물렌즈의 직경에 비해 본 발명은 전방면(113)의 직경이 115% 내지 120% 정도 되어야 같은 광입력량을 가질 수 있다.
그러나, 종래의 굴절망원경보다 길이는 줄어들게 되는데, 광이 솔리드 렌즈(100) 내부에서 2번 반사되므로 이를 이용하여 망원경을 제작할 경우 동일한 광입력광을 가지는 종래의 굴절망원경보다 길이가 짧게 형성될 수 있다.
또한, 종래의 반사망원경과 비교할 경우, 경통부분의 구조가 하나의 대물렌즈(즉, 솔리드 렌즈(100))에 압축되어 있으므로 부피를 현저히 감소시킬 수 있고, 이에 따라 이를 이용하여 망원경을 제작할 경우 기동성이 증대될 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 기본형 렌즈(10)는 솔리드 렌즈(100)의 입사면(113)으로 입사되는 광이 무한대 시야초점 상의 물체로부터 평행직선으로 입사되는 경우에 최적화되어 있는 것으로서, 예컨대 천체용 망원경의 대물렌즈로 이용될 수 있다.
<실시예2> : 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈
이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈(20)(이하, '통합형 렌즈(20)'라 함)에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 통합형 렌즈(20)는 상술한 기본형 렌즈(10)에 있어서, 솔리드 렌즈(100)의 입사면(113)을 전방으로 분리하여 얇은 네거티브 메니스커스 렌즈로 독립시켜 각각 포커싱 렌즈(200) 및 통합형 솔리드 렌즈(100')(이하, '솔리드 렌즈(100')'라 함)가 형성되어 이루어지는 것으로, 포커싱 렌즈(200)가 솔리드 렌즈(100')의 전방에서 앞뒤로 이동하며 구면수차보정 기능을 수행함과 동시에 시야초점 조절렌즈 역할을 하도록 설계한 것이다.
상술한 기본형 렌즈(10)에서 솔리드 렌즈(100)의 입사면(113)이 구면수차보정 기능을 수행하는 것에 불과하였다면, 통합형 렌즈(20)에서 포커싱 렌즈(200)는 구면수차보정 기능 및 시야초점 조절렌즈 역할까지 수행할 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 기본형 렌즈(10)는 예컨대 천체용 망원경에 적합할 수 있으나, 기본형 렌즈(10)는 솔리드 렌즈(100)가 1매의 렌즈로 이루어지기 때문에, 물체와 솔리드 렌즈(100)와의 거리 간의 편차가 큰 초점조절을 할 수 없다.
따라서, 기본형 렌즈(10)의 원리를 이용하되, 시야초점 조절을 위하여 1매의 렌즈를 더 추가함으로써 위 문제를 해결할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈의 구조 단면도이고, 도 5는 본 발명의 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈에 있어서 포커싱 렌즈의 전후방 이동을 나타내는 개념도로서, 본 발명의 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈(20)는 포커싱 렌즈(200)와 솔리드 렌즈(100')로 이루어질 수 있다.
도시된 바와 같이, 솔리드 렌즈(100') 및 포커싱 렌즈(200)는 모두 메니스커스(meniscus) 렌즈 형상으로 형성된다.
솔리드 렌즈(100')는 전방면(110')과 후방면(120')으로 구성되어, 전방면(110')에는 입사면(113')이 형성되고 부경(117')이 구비되어 있으며, 후방면(120')에는 주경(127')이 구비되고 출사면(123')이 형성되어 있다.
여기서, 입사면(113')을 제외한 나머지 부경(117'), 주경(127') 및 출사면(123')의 구성은 상술한 기본형 솔리드 렌즈(100)에서의 대응 구성과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 포커싱 렌즈(200)는 기본형 솔리드 렌즈(100)에서 입사면(113)이 전방으로 독립적으로 분리되어 형성되는 것으로, 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)은 기본형 솔리드 렌즈(100)의 입사면(113)의 광학적 특징이 동일하게 발현될 수 있도록 형성될 수 있다. 즉, 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)의 곡률 및 곡률중심 등은 기본형 솔리드 렌즈(100)의 입사면(113)의 곡률 및 곡률중심 등과 동일하게 형성될 수 있고, 이로부터 포커싱 렌즈(200)에 의해 구면수차 보정 기능 등이 발현되도록 형성될 수 있는 것이다.
포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)과 후방면(220)은 전방에서 봤을 때 모두 오목한 구면으로 형성되며, 포커싱 렌즈(200)는 광축(X-X') 상에서 전후방으로 이동 가능하도록 구성된다.
본 발명에 따른 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈(20)의 원리에 대해서 설명하면 다음과 같다.
물체로부터 방출된 광은 포커싱 렌즈(200)를 향해 진행하여, 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)에 입사되어 굴절되고, 굴절된 광은 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220)을 통과하여 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')에 입사되며, 이후 솔리드 렌즈(100')를 통과하는 과정은 상술한 기본형 솔리드 렌즈(100)에서와 동일하다.
여기서, 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)은 전방에서 봤을 때 오목한 구면이므로, 광은 전방면(210)을 지나 광축(X-X')을 기준으로 확산 굴절되어 후방면(220)을 출사한다.
본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(200)가 솔리드 렌즈(100')로부터 이격된 경우 광축(X-X')으로부터 최외곽의 광은 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')을 수직하게 통과하도록 구성된다.
또한, 본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(200)가 솔리드 렌즈(100')와 최대한 밀착된 경우 광축(X-X')으로부터 최외곽의 광은 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220)과 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')을 수직하게 통과하도록 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220)과 솔리드 렌즈(100)의 입사면(113')이 곡률이 설정된다.
보다 구체적으로, 본 발명은 무한대 시야초점일 경우, 즉 포커싱 렌즈(200)와 솔리드 렌즈(100')가 가장 근접한 경우, 광축(X-X')을 기준으로 최외곽의 광이 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)을 통과하며 굴절되어 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220)을 수직으로 출사하고, 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220)을 수직으로 출사한 광이 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')을 수직으로 입사하고, 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')을 수직으로 입사한 광이 주경(127')의 최외곽에 도달하도록, 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220) 및 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')의 곡률이 형성될 수 있다.
여기서, 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220) 및 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')의 곡률반지름 및 곡률의 차이는 포커싱 렌즈(200)와 솔리드 렌즈(100')가 밀착되는 정도의 차이만을 가져오는 것으로, 본 발명은 무한대 시야초점일 경우 포커싱 렌즈(200)와 솔리드 렌즈(100')가 최대한 밀착되어 미세한 간격으로 이격되도록 결이 같게 포개진 형태로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명은 무한대 시야초점일 경우, 즉 물체가 렌즈(20)와 매우 멀리 떨어져 있어서 광이 광축(X-X')을 기준으로 수평하게 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)으로 입사되는 경우 포커싱 렌즈(200)와 솔리드 렌즈(100')는 최대한 밀착되도록 구성되고, 이때 포커싱 렌즈(200)의 후방면(220)의 곡률중심과 솔리드 렌즈(100')의 입사면(113')의 곡률중심이 동일하게 형성될 수 있다.
여기서, 기본형 렌즈(10)에서 앞서 설명한 바와 같이, 통합형 렌즈(20)에 있어서 솔리드 렌즈(100')의 출사면(123')이 후방에서 봤을 때 오목한 구면으로 형성되거나, 출사면(123') 후방에 색수차 보정용 렌즈(150)가 더 포함될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 포커싱 렌즈(200)는 광축(X-X')상에서 전후방으로 이동 가능하게 형성된다.
포커싱 렌즈(200)를 전방으로 이동시키게 되면, 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)에 입사되는 광의 전방 각도를 조절할 수 있다. 이에 따라 광이 포커싱 렌즈(200)의 전방면(210)을 입사하여 굴절될 때 굴절의 정도를 조절할 수 있게 되는 것이다.
즉, 통합형 렌즈(20)는, 물체가 렌즈(20)와 가까운 거리에 있는 경우에 포커싱 렌즈(200)를 전방으로 이동시키고(즉, 포커싱 렌즈(200)와 솔리드 렌즈(100')를 이격시킴), 물체가 렌즈(20)와 멀리 있는 경우에 포커싱 렌즈(200)를 후방으로 이동시켜(즉, 포커싱 렌즈(200)와 솔리드 렌즈(100')를 밀착시킴), 렌즈(20)와 물체의 거리가 일정하지 않다 하더라도 포커싱 렌즈(200)의 전후방 이동에 의해 시야초점이 조정될 수 있으므로, 일반적인 망원경의 대물렌즈와 내부초점조절렌즈의 기능을 겸할 수 있는 것이다.
도 6은 본 발명의 메니스커스 카세그레인 렌즈를 이용하여 형성될 수 있는 망원경의 일 예시도로서, 지금까지 상술한 기본형 렌즈(10) 또는 통합형 렌즈(20)를 이용하여 망원경을 제작할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈
100 : 기본형 솔리드 렌즈
110 : 기본형 솔리드 렌즈의 전방면
113 : 기본형 솔리드 렌즈의 입사면
117 : 기본형 솔리드 렌즈의 부경
120 : 기본형 솔리드 렌즈의 후방면
123 : 기본형 솔리드 렌즈의 출사면
127 : 기본형 솔리드 렌즈의 주경
20 : 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈
100' : 통합형 솔리드 렌즈
110' : 통합형 솔리드 렌즈의 전방면
113' : 통합형 솔리드 렌즈의 입사면
117' : 통합형 솔리드 렌즈의 부경
120' : 통합형 솔리드 렌즈의 후방면
123' : 통합형 솔리드 렌즈의 출사면
127' : 통합형 솔리드 렌즈의 주경
200 : 포커싱 렌즈
210 : 포커싱 렌즈의 전방면
220 : 포커싱 렌즈의 후방면
300 : 색수차 보정 렌즈

Claims (10)

  1. 기본형 솔리드 렌즈;로 이루어지고,
    상기 기본형 솔리드 렌즈의 전방면 주변부에는 광을 굴절시키며 통과시키는 입사면이 형성되고,
    상기 기본형 솔리드 렌즈의 후방면 주변부에는 상기 입사면을 통과한 광을 반사시키는 주경이 구비되고,
    상기 기본형 솔리드 렌즈의 전방면 중앙부에는 상기 주경에 의해 반사된 광을 초점을 맞추어 재반사시키는 부경이 구비되고,
    상기 기본형 솔리드 렌즈의 후방면 중앙부에는 상기 부경에 의해 재반사된 광을 통과시키는 출사면이 형성되며,
    상기 입사면, 주경 및 부경이 모두 전방에서 봤을 때 오목한 구면이며,
    상기 기본형 솔리드 렌즈의 광축을 기준으로, 상기 입사면, 상기 부경 및 상기 주경의 곡률중심이 동일하고,
    상기 입사면을 향해 평행하게 입사되는 광을 기준으로, 상기 주경의 가상의 이심률이 0과 1 사이에서 형성되도록 상기 입사면의 곡률이 설정되는 것을 특징으로 하는 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부경 및 주경은 각각 상기 기본형 솔리드 렌즈의 전방면 및 후방면 상에 반사성 재료가 코팅되고 보호처리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 출사면은,
    상기 부경에 의해 재반사된 광이 상기 출사면을 수직하게 통과하도록 후방에서 봤을 때 오목한 구면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광의 색수차를 보정하기 위해 상기 출사면 후방에 색수차 보정 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기본형 메니스커스 카세그레인 렌즈.
  8. 통합형 솔리드 렌즈; 및
    상기 통합형 솔리드 렌즈 전방에 배치되는 포커싱 렌즈;로 이루어지고,
    상기 통합형 솔리드 렌즈 및 상기 포커싱 렌즈는,
    제1항, 제3항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 기본형 솔리드 렌즈에 있어서, 상기 기본형 솔리드 렌즈의 입사면을 상기 포커싱 렌즈의 전방면으로 분리하여 네거티브 메니스커스 렌즈로 독립시킴으로써 각각 형성되고,
    상기 포커싱 렌즈는 전후방으로 이동 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈와 상기 통합형 솔리드 렌즈가 가장 근접한 경우,
    상기 포커싱 렌즈의 후방면의 곡률중심과 상기 통합형 솔리드 렌즈의 입사면의 곡률중심이 동일한 것을 특징으로 하는 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈와 상기 통합형 솔리드 렌즈가 가장 근접한 경우,
    상기 포커싱 렌즈의 광축을 기준으로 최외곽의 광이 상기 포커싱 렌즈의 전방면을 통과하며 굴절되고,
    상기 포커싱 렌즈의 전방면을 통과하며 굴절된 광이 상기 포커싱 렌즈의 후방면을 수직으로 출사하고,
    상기 포커싱 렌즈의 후방면을 수직으로 출사한 광이 상기 통합형 솔리드 렌즈의 입사면을 수직으로 입사하고,
    상기 솔리드 렌즈의 입사면을 수직으로 입사한 광이 상기 주경의 최외곽에 도달하도록,
    상기 포커싱 렌즈의 후방면 및 상기 통합형 솔리드 렌즈의 입사면의 곡률이 형성되는 것을 특징으로 하는 통합형 메니스커스 카세그레인 렌즈.
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