KR102549865B1 - 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈에 관한 것으로, 입사면과 그 반대면을 가지는 렌즈; 및 상기 렌즈와 동일 축 방향으로 2개 이상 배치되고, 복굴절 물질로 구성된 파장판;을 포함하고, 서로 이웃하는 각 파장판들의 위상은 상호 보족 관계가 되도록 위상부호가 반대이며, 상기 파장판이 2개 미만인 경우 보다 초점의 개수가 증가되는 것을 특징으로 한다.

Description

다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈{MULTI-FOCUSING LENSES HAVING MUTIPLE WAVE PLATE}
본 발명은 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 렌즈의 앞면 또는 뒷면에 2개 이상의 파장판을 배치시켜 2개 미만의 파장판을 갖는 렌즈 보다 초점의 개수를 증가시킬 수 있는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈에 관한 것이다.
시력 저하의 흔한 질환은 근시 및 원시를 포함한다. 이러한 질환은 일반적으로 눈의 길이와 눈의 광학 요소의 초점 사이의 불균형 때문이다. 근시안은 망막면의 전방에 초점이 맞춰지고, 원시안은 망막면의 후방에 초점이 맞춰진다. 근시는 전형적으로 눈의 안축장(axial length)이 눈의 광학적 구성요소들의 초점 길이(focal length) 보다 더 길게 성장하기 때문에, 즉 눈이 너무 길게 성장하기 때문에 발생한다. 원시는 전형적으로 눈의 안축장이 눈의 광학적 구성요소들의 초점 길이와 비교하여 너무 짧기 때문에, 즉 눈이 충분히 길게 성장하지 않기 때문에 발생한다.
초점 거리를 조절하는 능력, 즉 초점 거리 변화에 의존하지 않고 가까운 물체와 멀리 떨어진 물체에 초점을 맞추는 능력은 안내 다초점 렌즈 또는 콘택트 렌즈 등을 사용함으로써 향상될 수 있다. 다초점 렌즈는 근거리 및 원거리 시야에 대해 서로 다른 초점 거리를 가지고 있다.
다초점 회절 렌즈를 제조하기 위한 기술 중, 복굴절 재료로 만들어진 회절형 파장판 요소를 포함하는 방식이 알려져 있다. 이러한 방식은 비교적 제작과정이 어렵지 않고, 비용이 낮은 이점이 있다.
회절형 파장판 요소를 갖는 다초점 렌즈에 관한 종래기술로서, 미국 등록특허 US 9,753,193(METHODS AND APPARATUS FOR HUMAN VISION CORRECTION USING DIFFRACTIVE WAVEPPLATE LENSES)가 개시되어 있다.
그러나, 상기 미국 등록특허 US 9,753,193에 따르면 전체적인 구조가 단일 박막 층으로 되어 있어, 위상분포 및 광학수차를 최소화하면서 2중 또는 3중 이상의 다초점을 형성하기 위해서는 단일 박막 층에 배열되는 복굴절 재료의 고속 및 저속 축 배열을 적절하게 배열해야 하는데, 이 과정이 매우 복잡하다.
미국 등록특허 US 9,753,193(METHODS AND APPARATUS FOR HUMAN VISION CORRECTION USING DIFFRACTIVE WAVEPPLATE LENSES)
본 발명의 과제는 상호 보족 관계의 위상을 갖도록 다수개의 파장판을 렌즈에 배치시켜 종래 회절형 파장판 요소를 갖는 다초점 렌즈 보다 초점의 수를 증가시킬 수 있는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈는, 입사면과 그 반대면을 가지는 렌즈; 및 상기 렌즈와 동일 축 방향으로 2개 이상 배치되고, 복굴절 물질로 구성된 파장판;을 포함하고, 서로 이웃하는 각 파장판들의 위상은 상호 보족 관계가 되도록 위상부호가 반대인 것을 특징으로 한다.
여기서, 위상의 상호 보족 관계는 두 파장판 간의 위상 값의 기울기 부호가 서로 반대라는 의미이다. 두 파장판의 위상 값이 각각 Φ 와 -Φ 와 같이 절대값의 크기는 같고 부호만 반대인 경우이거나, 혹은 절대값의 크기는 다르고 부호가 반대인 경우도 위상이 상호 보족 관계인 한 실시예이다. 이하, 본 발명에서는 서로 이웃하는 두 파장판의 위상 값이 각각 Φ 와 -Φ 와 같이 부호가 반대인 경우인 상호 보족관계에 대해서만 후술하고 있으나, 서로 이웃하는 두 파장판이 -π ~ +π 의 위상 범위에서 위상 값의 기울기 부호가 반대인 경우에 모두 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판의 두께가 변하면 이에 따라 초점이 형성된 위치에서의 광세기가 변하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따르면, 어느 하나의 초점이 형성된 위치에서의 광세기가 0이 되도록 상기 파장판의 두께가 조절되면 상기 초점의 개수가 변하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초점의 개수는 아래 수학식 1에 의해 연산되는 것을 특징으로 한다.
< 수학식 1 >
Figure 112021038810265-pat00001
여기서, N은 초점 개수이고 m은 파장판 개수이다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 초점의 위치는 아래 수학식 2를 파장판의 개수만큼 반복하여 연산되는 것을 특징으로 한다.
< 수학식 2 >
Figure 112021038810265-pat00002
여기서,
Figure 112021038810265-pat00003
은 마지막 파장판을 통과한 후의 초점 거리이고,
Figure 112021038810265-pat00004
은 파장판의 초점 거리임.
한편, 일 실시예에 따르면, 상기 파장판의 위상분포에서 위상이 급변하는 지점들 사이의 위상구간(X)의 길이가 변하면 이에 따라 초점이 형성되는 위치가 변하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 서로 이웃하는 제1 및 제2 파장판 간 동일 위상구간(X)에서, 상기 제1 파장판에서의 위상이 증가하면 상기 제2 파장판에서의 위상은 감소하는 것을 특징으로 한다.
한편, 일 실시예에 따르면, 상기 초점은 상기 렌즈의 직경 방향으로 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 일 실시예에 따르면, 상기 파장판은 상기 렌즈의 입사면 또는 그 반대면에 2개 이상 적층되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 상기 렌즈의 입사면에 배치되고, 나머지 1개 이상의 파장판은 상기 렌즈의 반대면에 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 곡면 형상을 갖는 상기 렌즈의 입사면 또는 그 반대면에 상기 곡면 형상과 대응되는 형상을 갖고 배치되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시예에 따르면 상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 평면 형상을 갖는 상기 렌즈의 입사면 또는 그 반대면에 상기 평면 형상과 대응되는 형상을 갖고 배치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 제1 곡면 형상을 갖는 상기 렌즈의 입사면에 상기 제1 곡면 형상과 대응되는 형상을 갖고 배치되고 나머지 1개 이상의 파장판은 제2 곡면 형상을 갖는 상기 렌즈의 반대면에 상기 제2 곡면 형상과 대응되는 형상을 갖고 배치되는 것을 특징으로 한다.
한편, 다른 실시예에 따르면, 상기 렌즈는, 입사면은 곡면 형상이고 그 반대면은 평면 형상인 제1 렌즈; 및 상기 제1 렌즈와 마주보는 면은 평면 형상이고 그 반대면은 곡면 형상인 제2 렌즈;를 포함하고, 상기 파장판은 상기 제1 렌즈의 입사면, 상기 제1 및 제2 렌즈 사이 및 상기 제2 렌즈의 반대면 중 어느 하나 이상의 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 상기 제1 렌즈의 입사면에 배치되고, 나머지 1개 이상의 파장판은 상기 제1 및 제2 렌즈의 사이 또는 제2 렌즈의 반대면에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 상기 제1 및 제2 렌즈의 사이에 배치되고, 나머지 1개 이상의 파장판은 상기 제2 렌즈의 반대면에 배치되는 것을 특징으로 한다
또한, 또 다른 실시예에 따르면, 상기 파장판 중 어느 2개 이상의 파장판은 상기 제1 렌즈의 입사면, 상기 제1 및 제2 렌즈의 사이 또는 제2 렌즈의 반대면에 적층되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 파장판의 개수에 비례하여 초점의 개수가 증가할 수 있고, 이를 이용하여 근시 및 원시 치료용 인공수정체 안내 렌즈(intraocular lens: IOL), 콘택트 렌즈(contact lens) 등 사용자의 질환에 맞는 안과용 렌즈를 손쉽게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 시력 교정용 뿐만 아니라 현미경, 카메라 등 다초점 렌즈가 필요한 산업 분야에 전반적으로 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 파장판의 총 개수, 굴절렌즈 표면의 곡률 및 각 파장판의 굴절률 분포 등은 시각 시스템의 다른 렌즈와 함께 원거리 및 근거리 시력에 필요한 굴절 보상을 달성하기 위해 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 파장판의 두께를 변화시키면 초점이 형성된 위치에서의 광세기 정도가 변화되어 최대 초점 수를 한도로 초점의 개수가 조절될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈의 전체 구성을 도시한 도면.
도 2는 종래 회절렌즈의 단면을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장판의 위상분포를 도시한 도면.
도 4는 렌즈에 1개의 파장판이 배치된 상태를 도시한 도면.
도 5는 도 4에서 파장판의 두께 변화에 따른 초점들의 위치 및 광세기 분포를 나타낸 도면.
도 6은 렌즈에 상호 보족 관계가 아닌 2개의 파장판이 적층되어 배치된 상태를 도시한 도면.
도 7은 도 6에서 파장판의 각 두께가 λ/4인 경우 초점들의 위치 및 광세기 분포를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 렌즈에 상호 보족 관계인 2개의 파장판이 적층되어 배치된 상태를 도시한 도면.
도 9는 도 8에서 파장판의 각 두께가 λ/4인 경우 초점들의 위치 및 광세기 분포를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 입사광이 파장판 층(layer)을 지난 후 형성된 초점의 수를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 렌즈에 상호 보족 관계인 2개의 파장판이 적층되어 배치된 경우 공간 상에 형성된 초점을 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 파장판이 렌즈에 배치되는 다양한 실시예들을 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈의 전체 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 종래 회절렌즈의 단면을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장판의 위상분포를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈에는 파장판(200)이 배치된다. 여기서 렌즈(100)는 굴절렌즈로서 빛이 입사되는 입사면과 그 반대면을 가진다. 입사광의 진행 방향은 렌즈(100)의 중심축(z축) 방향이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 2개 이상의 파장판(200)이 렌즈(100)의 중심축(z축)과 동일 방향으로 렌즈(100)에 배치된다. 본 명세서에서 '배치'라는 용어는 2개 이상의 파장판(200)이 순서대로 적층되어 배치되는 경우 뿐만 아니라 렌즈(100)를 사이에 두고 떨어져서 렌즈(100)에 배치되는 경우를 포함한다. 배치된 파장판(200)은 렌즈(100)에 또는 파장판(200) 간에 서로 부착될 수 있다. 2개 이상의 파장판(200)이 렌즈(100)에 배치되는 다른 실시예에 대해서는 후술하기로 한다.
파장판(200)은 빛의 편광상태를 바꿔주는 광학 소자로서, 복굴절 물질로 구성된 렌즈(waveplate lens: WL)이다. 파장판(200)은 위상지연판(phase retardation plate)라고도 하는데, 위상지연판에서 빛의 속도가 빠른 편광방향을 고속축(fast axis)이라 하고, 고속축과 수직한 축을 가지며 빛의 속도가 느린 편광방향을 저속축(slow axis)라 한다. 위상지연판은 λ/2의 위상을 지연하는 판인 HWP(Half Wave Plate)와 λ/4의 위상을 지연하는 판인 QWP(Quarter Wave Plate)를 포함한다. 일 예로, 선편광 빔이 HWP의 고속축과 θ의 각도로 통과했을 때 2θ 만큼 회전되어 편광되고, 선평광 빔이 QWP의 고속축과 45도 각도로 통과했을 때 원편광이 빔이 나온다. HWP 및 QWP를 통과한 선편광 또는 원편광 빔의 편광 변환 기술은 공지된 기술로서 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
한편, 일반적으로 프레넬 렌즈로 알려진 회절렌즈에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 회절렌즈의 중심에서 반경이 증가함에 따라 톱니 모양의 형상을 가지고 있으며, 반경의 크기에 따라 아래 수학식 1과 같은 위상분포를 갖는다.
< 수학식 1 >
Figure 112021038810265-pat00005
여기서, rj 는 회절렌즈의 중심을 기준으로 j번째 반경을 나타내고, λ는 입사광의 파장 길이, F는 회절렌즈의 중심 초점거리를 의미한다.
또한, 상기 수학식 1과 같은 위상분포는 회절렌즈로부터 멀어질수록 아래 수학식 2와 같이 초점이 여러 개 형성된다.
< 수학식 2 >
Figure 112021038810265-pat00006
여기서, m은 회절렌즈의 회절차수이다.
한편, 본 발명에 따른 파장판(200)은 상술한 프레넬 렌즈의 형상과 달리, 환형으로 형성되고, 파장판(200) 중심으로부터의 거리에 따라 일정 두께를 가지도록 제조되어 프레넬 렌즈의 기능을 수행할 수 있다. 이때, 입사광이 좌원편광(Left-handed circular polarization: LHCP) 또는 우원편광(Right-handed circular polarization:RHCP)을 가지게 되면 본 발명에 따른 파장판의 고속축 및 저속축의 배열 방향을 조정함으로써 상기 수학식 1 및 수학식 2와 유사한 다초점을 갖는 위상분포가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파장판(200)은 투명한 재질로서, 액정(liquid crystal) 또는 보다 일반적으로는 반응성 메조겐(Reactive Mesogen) 등과 같은 이방성 물질(anisotropic material)로 구성될 수 있다. 파장판(200)의 두께는 입사광의 파장 보다 작거나 입사광의 파장과 같거나 입사광의 파장 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파장판(200)의 제조 방법과 관련하여 선행 연구 논문 "J-H. Kim et al. "Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts", Optica Vol. 2, No. 11, Nov. (2015)"가 참조될 수 있다. 상기 선행 연구 논문에 따르면, 파장판(200)은 그 국소적인 위치에 광축 회전을 제어하기 위한 패턴을 형성하여 제작된다. 여기서 파장판(200)을 이루는 이방성 물질의 광축 회전을 패턴닝하기 위한 방식으로, 파장판(200)의 표면에 기계적인 방법으로 미세한 골을 형성하는 Rubbing 방식과 입사하는 광의 편광에 따라 일정한 방향으로 배열하는 광배향(Photo-aligment) 방식 등이 있다.
도 1에는 파장판(200)이 렌즈(100)의 반대면에 적층되어 있는 예가 도시되어 있다. 구체적으로, 렌즈(100)의 반대면에 제1 파장판(WL-1)부터 제n 파장판(WL-n)이 순서대로 적층되어 있는데, 홀수 번째 파장판(예를 들어, 제1 파장판)과 짝수 번째 파장판(예를 들어 제2 파장판)이 서로 이웃하도록 배치된다. 입사광이 본 발명의 마지막 파장판을 투과하면 m개의 초점(F-1, F-2, ?? F-m)이 형성된다.
본 발명의 파장판(200)의 위상분포를 살펴본다. 도 3에는, 파장판(200)에 입사하는 투과 파면에 있어서, 광축 중심(r=0인 지점)에 대하여 반경(r)만큼 떨어진 위치를 통과하는 광선의 위상차를 나타내는 위상분포가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 위상차 분포는 입사광의 파장 범위 내이고, 단면이 톱니모양으로 되어 있다.
도 3의 (a) 그래프는 홀수 번째 파장판에서 나타난 위상분포이고, (b) 그래프는 짝수 번째 파장판에서 나타난 위상분포이다. 위상분포를 살펴보면, 반경의 증가에 따라 위상이 급변(+π에서 -π로 변하거나 -π에서 +π로 변함)하는 지점이 나타난다. 도 3에서 홀수 번째 파장판의 위상분포에서 위상이 급변하는 지점은 P1 내지 Pn으로 나타나고, 짝수 번째 파장판의 위상분포에서 위상이 급변하는 지점은 P1' 내지 Pn'로 나타난다. 위상 위치 Pn은 상기 수학식 1에서 rj의 위치와 대응된다. 여기서, 중심(r=0)을 기준으로 P1까지의 위상구간을 X1 구간이라 하고, 중심(r=0)을 기준으로 P1'까지의 위상구간을 X1'구간이라 한다. 도 3에는 도시되지 않았으나 중심(r=0)을 기준으로 P2 및 P2 까지의 위상구간을 각각 X2 및 X2'구간이라 하며, 그 다음 위상구간들은 상술한 방법으로 표시될 수 있다. 본 명세서에서 X1 부터 그 이후의 위상구간 및 X1 부터 그 이후의 위상구간을 통칭하여 X 구간이라 한다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상분포를 보면, 동일한 위상 구간(X)에서 반경 중심에서 멀어질 수록 홀수 번째 파장판에서의 위상은 증가하는 반면 짝수 번째 파장판에서의 위상은 감소한다. 즉, 홀수 번째 파장판의 위상부호(+Φ)와 짝수 번째 파장판의 위상부호(-Φ)는 서로 반대가 되어야 한다. 본 명세서에서는 이러한 관계를 상호 보족 관계(complementary relation)라 명명한다. 이때 위상 크기의 값(절대값)은 동일하거나 다를 수 있다.
여기서, X 구간의 간격이 달라지도록 파장판(200)이 제조되면 초점이 형성되는 위치가 조절될 수 있다. 구체적으로, 도 3 및 상기 수학식 1을 참조하면, 어느 하나의 파장판(200)이 제조되면 -π ~ +π 범위 내의 위상 값과 위상 위치(Pn 또는 rj)가 결정되는데, X 구간의 간격이 달라지도록 파장판(200)이 제조되면 위상 위치(Pn 또는 rj)가 달라지면서 초점 거리(수학식 1에서 F) 또한 변하게 된다. 예를 들어, X 구간의 간격이 작아지면 초점 거리도 같이 감소한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 동일한 위상 구간(X)에서 홀수 번째 렌즈 파장판(LW)에서의 위상은 감소하고, 짝수 번째 렌즈 파장판(LW)에서의 위상은 증가할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈가 가진 효과를 알아보기 위해 파장판(200)이 1개가 배치된 경우 및 위상분포가 상호 보족 관계가 아닌 파장판(200)이 이웃하여 배치된 경우를 본 발명에 따른 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈와 비교하여 설명한다.
도 4는 렌즈에 1개의 파장판이 배치된 상태를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에서 파장판의 두께 변화에 따른 초점들의 위치 및 광세기 분포를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 렌즈(100)에 파장판(200)이 단일 층으로 배치된 경우로서 선형 편광(linear polarization)된 입사광에 대해 3개의 초점(F-1, F-2, F-3)이 생성된다. 이때, 파장판의 두께가 λ/2인 경우, λ/3인 경우 및 λ/4인 경우에 각 초점 위치에서의 광세기가 나타난다. 이와 같이, 렌즈(100)에 파장판(200)이 단일 층으로 배치된 다중 초점 렌즈의 경우 총 초점의 수는 최대 3개로 한정된다. 한편, 파장판(200)의 두께가 변하면 초점 위치에서의 광세기가 변함을 알 수 있다.
도 6은 렌즈에 상호 보족 관계가 아닌 2개의 파장판이 적층되어 배치된 상태를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6에서 파장판의 각 두께가 λ/4인 경우 초점들의 위치 및 광세기 분포를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 렌즈(100)에 제1 파장판(WL-1) 및 제2 파장판(WL-2)이 적층되어 배치된다. 여기서, 제1 파장판(WL-1)과 제2 파장판(WL-2)은 이웃하여 배치되나 각 파장판의 위상분포는 상호 보족 관계가 아니다. 그리고 각 파장판의 두께가 λ/4인 경우 전체 총 두께는 λ/2이다. 이는 파장판의 두께가 λ/2인 경우로서, 총 초점의 수는 최대 3개로 한정된다(도 5의 (b) 참조).
상호 보족 관계가 아닌 다수개의 파장판(200)이 렌즈(100)에 배치된 경우 최대 초점의 수는 아래 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
< 수학식 3 >
Figure 112021038810265-pat00007
여기서, N은 초점 개수이고 m은 파장판 개수이다.
또한, 상기 수학식 3은 렌즈(100)에 1개의 파장판이 배치된 경우에도 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 렌즈에 상호 보족 관계인 2개의 파장판이 적층되어 배치된 상태를 도시한 도면이고, 도 9는 도 8에서 파장판의 각 두께가 λ/4인 경우 초점들의 위치 및 광세기 분포를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 렌즈(100)에 제1 파장판(WL-1) 및 제2 파장판(WL-2)이 적층되어 배치된다. 여기서, 제1 파장판(WL-1)과 제2 파장판(WL-2)은 이웃하여 배치되고, 각 파장판의 위상분포는 상호 보족 관계이다. 그리고 각 파장판의 두께가 λ/4인 경우 전체 총 두께는 λ/2이다. 이러한 다초점 렌즈에 의해 형성된 초점의 수는 최대 7개이다.
이와 같이, 렌즈(100)에 상호 보족 관계인 파장판(200)이 다수 배치되면 최대 초점의 수가 증가하는 효과가 발생한다.
한편, 상술한 바와 같이, 제1 파장판(WL-1)과 제2 파장판(WL-2)이 상호 보족 관계인 경우 위상의 크기는 다를 수 있다. 여기서, 위상의 크기가 다르면 초점의 수는 변화 없이 광세기의 값이 달라질 수 있다.
상호 보족 관계인 다수개의 파장판(200)이 렌즈(100)에 배치된 경우 최대 초점의 수는 아래 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
< 수학식 4 >
Figure 112021038810265-pat00008
여기서, N은 초점 개수이고 m은 파장판 개수이다.
상기 수학식 4에 의해 연산된 값은 최대 초점의 수로서 파장판의 두께를 조절하면, 즉 각 초점 위치에서의 광세기를 조절하면 최대 초점의 수를 한도로 초점의 개수를 조절하는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 다초점 렌즈에 따라 초점이 7개 형성된 경우, 적어도 어느 하나의 파장판의 두께를 조절하여 적어도 어느 하나의 초점 위치에서의 광세기를 0으로 하면 그 위치에서의 초점이 사라지는 것과 같은 효과를 얻을 수 있으므로 총 초점의 수를 줄이는 것이 가능하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 입사광이 파장판 층(layer)을 지난 후 맺힌 초점의 수를 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 파장판의 층수에 따라 맺힌 초점의 수는 상기 수학식 5에 의해 연산된 값이다.
한편, 초점 위치에서의 광세기를 예측하는 방법은 아래와 같다. 구체적으로, 파장판(200)에 우원편광 또는 좌원편광을 입사할 경우 반대 방향의 편광으로 변환하는 효율은 아래 수학식 5와 같이 구할 수 있다.
< 수학식 5 >
Figure 112021038810265-pat00009
여기서,
Figure 112021038810265-pat00010
로서, 위상 지연(입사광의 위상 변화)를 의미한다. λ는 입사광의 파장이고, Δn은 파장판의 복굴절률이며, d 는 파장판의 두께이다.
선형편광인 입사광은 우원편광과 좌원편광이 같은 비율을 가진다. 선형편광이 파장판(200)에 입사되면 입사광에 포함된 원편광의 방향이 변한다. 예를 들어, 선형 편광에 포함된 우원편광이 좌원편광으로 변하는 것이다. 즉, 선형편광이 파장판(200)을 지나가면서 좌원편광과 우원편광이 서로 반대되는 부호를 가지면서 기하학적 위상 지연을 경험한다. 이때, 파장판(200)을 지나가면서 변환되지 않은 나머지 광은 기하학적 위상 지연의 영향을 받지 않고 선형편광으로 파장판(200)을 통과하게 된다. 상기 수학식 5는 편광되지 않고 파장판(200)을 통과한 효율(편광 변환 효율이라 함)로서, 각 초점이 형성된 위치에서의 광세기는 편광 변한 효율에 영향을 받는다. 여기서, 편광 변환 효율은 파장판(200)의 두께에 의해서 변함을 알 수 있다.
다수의 파장판(200)이 배치된 경우에도 상기 수학식 5를 이용하여 각 초점이 형성된 위치에서의 광세기도 충분히 예측할 수 있다.
한편, 렌즈(100)에 파장판(200)이 배치된 경우 초점 위치를 결정하는 방법은 아래와 같다. 설명을 위해 도 4 및 도 5를 다시 참조한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 파장판(200)이 1개인 경우 초점의 수는 상기 수학식 3(또는 수학식 4)에 따라 3개(F-1, F-2, F-3)이다. 한편, 파장판(200)의 두께가 반파장 위상 지연이 되는 두께라면 선형편광이 발생되지 않기 때문에 초점은 두 개이다(도 5의 (a) 참조).
각 초점 위치는 아래 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
< 수학식 6 >
Figure 112021038810265-pat00011
여기서,
Figure 112021038810265-pat00012
는 파장판을 통과한 후 F-1, F-2, F-3에서의 초점 거리이고,
Figure 112021038810265-pat00013
은 굴절렌즈의 초점 거리이며,
Figure 112021038810265-pat00014
는 파장판의 초점 거리를 의미한다.
파장판(200)의 초점 거리(
Figure 112021038810265-pat00015
)와 관련하여, 상술한 바에 따르면 입사광이 원편광인 경우 파장판(200)을 통과하면 위상 지연을 겪으면서 부호가 바뀐다. 따라서, 우원편광에 의한 초점 거리가
Figure 112021038810265-pat00016
라면 좌원편광에 의한 초점 거리는
Figure 112021038810265-pat00017
이다. 좌원편광과 우원편광이 파장판(200)을 통과하는 경우 서로 반대 부호를 가진 원편광으로 변환되므로 이는 파장판(200)이 어느 하나의 원편광에 대해서는 볼록렌즈처럼 기능하고 다른 하나의 원편광에 대해서는 오목렌즈처럼 기능한다. 한편, 입사광이 선형편광이라면 초점 거리는 무한대이다.
상기 수학식 6은 1개의 파장판(200)에 의한 3개의 초점 거리를 구하는 공식이다. 그러나, 다수의 파장판(200)이 배치된 경우에 파장판(200)의 개수만큼 수학식 6을 반복하면 파장판(200)에 의해 형성된 각 초점 거리를 계산할 수 있다. 구체적으로, 도 4의 상태에서 파장판(WL-2)이 1개 더 늘어나면 수학식 6의 우변에
Figure 112021038810265-pat00018
를 더 합하여 각 초점 거리를 구할 수 있다. 이때, 증가되는 초점의 개수는 상기 수학식 4에 의해 구할 수 있다. 이를 일반화하면 아래 수학식 7과 같다.
< 수학식 7 >
Figure 112021038810265-pat00019
여기서,
Figure 112021038810265-pat00020
은 마지막 파장판을 통과한 후의 초점 거리이고,
Figure 112021038810265-pat00021
은 각 파장판의 초점 거리이다.
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도 12는 본 발명의 파장판이 렌즈에 배치되는 다양한 실시예들을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 파장판(200)은 렌즈(100)의 형상 및 개수 등에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있다. 이때, 이웃하는 파장판(200) 간에 상호 보족 관계는 만족되어야 한다.
우선, 1개의 렌즈(100)에 파장판(200)이 배치되는 경우를 살펴본다.
도 12의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예로서 렌즈(100)의 입사면은 평면이고 그 반대면은 곡면으로 형성된다. 이때, 2개 이상의 파장판(WL-1, WL-2, ···, WL-N)은 평면 형상과 대응되는 형상을 갖고 순서대로 적층되어 렌즈의 입사면에 배치될 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 파장판(WL-1, WL-2, ···, WL-N)은 렌즈(100)의 곡면 형상과 대응되는 형상을 갖고 렌즈(100)의 반대면에 순서대로 적층되어 배치될 수도 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 렌즈(100)의 입사면이 곡면이고 그 반대면이 평면으로 형성될 수 있다. 이때, 2개 이상의 파장판(WL-1, WL-2, ···, WL-N)은 렌즈(100) 반대면의 곡면 형상과 대응되는 형상을 갖고 렌즈(100)의 입사면에 순서대로 적층되어 배치되거나, 그 반대면에 평면 형상과 대응되는 형상을 갖고 렌즈(100)의 반대면에 순서대로 적층되어 배치될 수도 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 파장판(200) 중 어느 1개 이상의 파장판은 렌즈(100)의 입사면(곡면 또는 평면)에 배치되고 나머지 1개 이상의 파장판은 반대면(평면 또는 곡면)에 배치될 수 있다. 이때, 렌즈(100)의 입사면 또는 그 반대면에 배치되는 파장판(200)이 2개 이상이라면 적층되어 배치될 수 있다.
한편, 도 12의 (f)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 렌즈(100)의 입사면 및 그 반대면이 곡면으로 형성될 수 있다. 이때, 렌즈(100)의 입사면의 곡면을 제1 곡면이라 하고, 그 반대면의 곡면을 제2 곡면이라 한다. 여기서, 제1 곡면과 제2 곡면의 곡률은 서로 다르거나 같을 수 있다. 이때, 파장판(200) 중 어느 1개 이상의 파장판(200)은 렌즈(100)의 입사면에 제1 곡면 형상과 대응되는 형상을 갖고 배치되고, 나머지 1개 이상의 파장판(200)은 제2 곡면 형상을 갖는 렌즈(100)의 반대면에 제2 곡면 형상과 대응되는 형상을 갖고 배치될 수 있다. 도 12의 (f)에는 렌즈(100)의 입사면과 그 반대면에 각각 1개의 파장판(WL)이 배치된 상태가 도시되어 있다.
다음으로, 2개의 렌즈(100)에 파장판(200)이 배치되는 경우를 살펴본다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 렌즈(100)는, 입사면은 곡면 형상이고 그 반대면은 평면 형상인 제1 렌즈와(예를 들어, 도 12의 (b)의 좌측 렌즈), 제1 렌즈와 마주보는 면은 평면 형상이고 그 반대면은 곡면 형상인 제2 렌즈(예를 들어, 도 12의 (b)의 우측 렌즈)를 포함한다. 여기서, 제1 렌즈의 곡면을 제3 곡면이라 하고 제2 렌즈의 곡면을 제4 곡면이라 하면, 제3 곡면과 제4 곡면의 곡률은 서로 같거나 다를 수 있다.
도 12의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예로서 파장판(200)은 제1 렌즈와 제2 렌즈가 서로 마주보는 평면 사이에 배치될 수 있다. 이때, 파장판(WL-1, WL-2, ···, WL-N)은 2개 이상 적층되어 배치될 수 있다.
한편, 파장판(200)은 제1 렌즈의 입사면인 제1 위치, 제1 및 제2 렌즈 사이인 제2 위치 및 제2 렌즈의 반대면인 제3 위치 중 어느 하나 이상의 위치에 배치된다. 이때, 제1 위치 및 제3 위치에 배치되는 파장판(200)은 각각 제3 및 제4 곡면의 형상과 대응되는 형상을 가질 수 있음은 위에서 언급한 바와 같다.
도 12의 (c)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예로서 파장판(200)은 제1 내지 제3 위치에 모두 배치될 수 있다. 도 12의 (c)에는 제1 내지 제3 위치에 각각 1개의 파장판(200)이 배치된 상태가 도시되어 있다. 그러나, 파장판(200)이 제1 내지 제3 위치 각각에 배치되는 파장판(200)의 개수에는 제한이 없다. 여기서, 파장판(200)이 어느 하나의 위치에 2개 이상 배치된다면 순서대로 적층되어 배치된다.
도 12의 (d)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예로서 파장판(200)은 제2 및 제3 위치에만 배치될 수 있다. 물론 이 경우에도 파장판(200)이 제2 및 제3 위치 각각에 배치되는 파장판(200)의 개수에는 제한이 없고, 이때 2개 이상의 파장판(200)은 순서대로 적층되어 배치된다.
도 12의 (e)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예로서 파장판(200)은 제1 내지 제2 위치에만 배치될 수 있다. 물론 이 경우에도 파장판(200)이 제1 및 제2 위치 각각에 배치되는 파장판(200)의 개수에는 제한이 없고, 이때 2개 이상의 파장판(200)은 순서대로 적층되어 배치된다.
한편, 도 12의 (b) 내지 (e)에는 2개의 렌즈(100)로 구성된 상태가 도시되어 있으나, 렌즈(100)는 3개 이상으로 구성될 수 있음은 물론이다. 이 경우에도 파장판(200)은 렌즈들이 배치된 각 면에 1개 이상 배치될 수 있다.
한편, 렌즈(100)에 배치되는 파장판(200)의 개수는 초점의 수를 고려하여 적절하게 조절될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 파장판의 총 개수, 굴절렌즈 표면의 곡률 및 각 파장판의 굴절률 분포 등은 시각 시스템의 다른 렌즈와 함께 원거리 및 근거리 시력에 필요한 굴절 보상을 달성하기 위해 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100 : 렌즈 200 : 파장판

Claims (17)

  1. 입사면과 그 반대면을 가지는 렌즈; 및
    상기 렌즈의 중심축 방향으로 상기 렌즈에 2개 이상 배치되고, 복굴절 물질로 구성된 파장판;을 포함하고,
    동일 위상 구간(X)에서, 어느 파장판에서의 위상이 증가하면 이웃하는 파장판에서의 위상은 감소하는 상호 보족 관계가 되도록 이웃하는 파장판들의 위상부호가 서로 반대이며,
    상기 상호 보족 관계가 만족되도록 상기 파장판들이 렌즈에 배치되면, 상호 보족 관계가 만족되지 않도록 상기 파장판들이 렌즈에 배치되는 경우보다 동시에 발생되는 최대 초점의 개수가 증가하는 것을 특징으로 하는,
    다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판의 두께가 변하면 이에 따라 초점이 형성된 위치에서의 광세기가 변하는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    어느 하나의 초점이 형성된 위치에서의 광세기가 0이 되도록 상기 파장판의 두께가 조절되면 상기 초점의 개수가 변하는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 및 파장판에 의해 생성된 초점의 개수는 아래 수학식 1에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
    < 수학식 1 >
    Figure 112021038810265-pat00022

    여기서, N은 초점의 개수이고 m은 파장판 개수임.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 및 파장판에 의해 생성된 초점의 위치는 상기 파장판의 개수에 따라 아래 수학식 2와 같이 연산되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
    < 수학식 2 >
    Figure 112022131616040-pat00023

    여기서,
    Figure 112022131616040-pat00024
    은 마지막 파장판을 통과한 후의 초점 거리이고,
    Figure 112022131616040-pat00038
    은 굴절렌즈의 초점 거리이며,
    Figure 112022131616040-pat00025
    은 각 파장판의 초점 거리임.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장판의 위상분포에서 상기 렌즈의 중심에서 위상이 급변하는 지점 사이의 위상구간(X)이 변하면 이에 따라 초점이 형성되는 위치가 변하는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장판은 상기 렌즈의 입사면 또는 그 반대면에 2개 이상 적층되어 배치되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 상기 렌즈의 입사면에 배치되고, 나머지 1개 이상의 파장판은 상기 렌즈의 반대면에 배치되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 렌즈의 입사면 및 그 반대면 중 적어도 한 면은 돌출 곡면을 갖고,
    상기 파장판은 상기 렌즈의 돌출 곡면에 배치될 수 있는 오목 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 렌즈의 입사면 및 그 반대면 중 적어도 한 면은 평면을 갖고
    상기 파장판은 상기 렌즈의 평면에 배치될 수 있는 평면을 갖는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈의 입사면은 제1 돌출 곡면을 갖고, 그 반대면은 제2 돌출 곡면을 가지며,
    상기 파장판 중 어느 1개는 상기 제1 돌출 곡면에 배치될 수 있는 제1 오목 곡면을 갖고, 다른 1개는 상기 제2 돌출 곡면에 배치될 수 있는 제2 오목 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈는,
    입사면은 곡면 형상이고 그 반대면은 평면 형상인 제1 렌즈; 및
    상기 제1 렌즈와 마주보는 면은 평면 형상이고 그 반대면은 곡면 형상인 제2 렌즈;를 포함하고,
    상기 파장판은 상기 제1 렌즈의 입사면, 상기 제1 및 제2 렌즈 사이 및 상기 제2 렌즈의 반대면 중 어느 하나 이상의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 상기 제1 렌즈의 입사면에 배치되고, 나머지 1개 이상의 파장판은 상기 제1 및 제2 렌즈의 사이 또는 제2 렌즈의 반대면에 배치되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 파장판 중 어느 1개 이상의 파장판은 상기 제1 및 제2 렌즈의 사이에 배치되고, 나머지 1개 이상의 파장판은 상기 제2 렌즈의 반대면에 배치되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 파장판 중 어느 2개 이상의 파장판은 상기 제1 렌즈의 입사면, 상기 제1 및 제2 렌즈의 사이 또는 제2 렌즈의 반대면에 적층되어 배치되는 것을 특징으로 하는 다수의 파장판을 가지는 다초점 렌즈.
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