KR102599654B1 - Pvc 겔 기반 전기활성 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템 - Google Patents

Pvc 겔 기반 전기활성 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PVC 겔 기반의 전기활성 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템을 개시한다. 본 발명에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템은, 일면에 프레넬 존 플레이트 패턴이 형성된 PVC 겔 재질의 렌즈부; 렌즈부의 가장자리를 고정하면서 양극(+)의 역할을 하는 고정전극; 렌즈부의 타면에 결합되어 음극(-)의 역할을 하는 투명 신축성 전극을 포함하며, 고정전극과 투명 신축성 전극을 전원공급부에 연결하면 렌즈부가 고정전극쪽으로 변형되면서 초점거리와 배율 중에서 적어도 하나가 변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, PVC 겔이 양극에 끌리는 성질을 이용하여 프레넬 존 플레이트 렌즈의 투명 영역과 불투명 영역의 위치와 폭을 조절할 수 있고, 이를 통해 초점거리나 배율을 변화시킬 수 있다.

Description

PVC 겔 기반 전기활성 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템{Electro-active fresnel zone plate lens system based on PVC gel}
본 발명은 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기활성고분자의 일종인 폴리염화비닐(PVC) 겔의 특성을 이용하여 초점거리 또는 배율을 조절할 수 있는 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템에 관한 것이다.
프레넬 존 플레이트 렌즈(fresnel zone plate lens)는 출사면에 동심원 형상의 투명 영역과 불투명 영역이 교대로 형성된 렌즈로서, 투명 영역을 통과한 빛이 불투명 영역의 가장자리에서 회절된 후 보강간섭 현상에 의해 초점에 상을 맺는 렌즈이다.
일반적으로 프레넬 존 플레이트 렌즈에 구비된 각 영역의 반경은 다음의 수학식으로 구할 수 있다.
(여기서 rn 은 n번째 영역의 반경, n은 1 이상의 정수, λ는 빛의 파장, f는 렌즈의 초점거리)
위 수학식을 통해 프레넬 존 플레이트 렌즈는 초점거리가 정해지면 불투명 영역과 투명 영역의 위치와 폭이 정해지고, 불투명 영역과 투명 영역의 위치가 달라지면 초점거리도 달라지는 것을 알 수 있다.
그런데 종래의 프레넬 존 플레이트 렌즈는 대부분 플라스틱 재질로서 투명 영역과 불투명 영역이 고정되어 있기 때문에 초점거리나 배율을 조절할 수 없는 한계가 있다.
등록특허 제10-2074688호(2020.02.10 공고)
본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 초점거리나 배율을 조절할 수 있는 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 일면에 프레넬 존 플레이트 패턴이 형성된 PVC 겔 재질의 렌즈부; 렌즈부의 가장자리를 고정하면서 양극(+)의 역할을 하는 고정전극; 렌즈부의 타면에 결합되어 음극(-)의 역할을 하는 투명 신축성 전극을 포함하며, 고정전극과 투명 신축성 전극을 전원공급부에 연결하면 렌즈부가 고정전극쪽으로 변형되면서 초점거리와 배율 중에서 적어도 하나가 변하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템에서, 상기 고정전극은 링 형상이고, 상기 렌즈부의 가장자리는 상기 고정전극의 내벽에 고정될 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템에서, 상기 고정전극은, 링 형상의 절연부재; 상기 절연부재의 표면에서 상기 렌즈부의 일면쪽에 형성된 제1 양극; 상기 절연부재의 표면에서 상기 렌즈부의 타면쪽에 형성되고 상기 제1 양극과는 전기적으로 절연된 제2 양극을 포함하며, 상기 제1 양극과 상기 제2 양극 중에서 적어도 하나를 전원공급부에 연결하여 초점거리 또는 배율을 조절할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템에서, 상기 고정전극은, 링 형상의 절연부재; 상기 졀연부재의 내부에 형성된 중공부; 상기 절연부재의 내주면을 따라 형성되어 내부의 중공부와 연통하는 슬릿; 상기 중공부의 내벽에 형성된 양극을 포함하며, 상기 렌즈부의 가장자리는 상기 슬릿을 통과하여 상기 중공부의 내부에 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, PVC 겔이 양극에 끌리는 성질을 이용하여 프레넬 존 플레이트 렌즈의 투명 영역과 불투명 영역의 위치와 폭을 조절할 수 있고, 이를 통해 초점거리나 배율을 변화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 사시도
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 분해 사시도
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 단면도
도 4는 PVC 겔의 변형 원리를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 광경로도
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 다양한 동작을 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 단면도
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 다양한 동작을 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 단면도
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템의 동작을 나타낸 도면
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
참고로 본 명세서에 첨부된 도면에는 실제와 다른 치수 또는 비율로 표시된 부분이 있으나 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것이므로 이로 인해 본 발명의 범위가 제한적으로 해석되어서는 아니됨을 미리 밝혀 둔다. 또한 본 명세서에서 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우는 다른 구성요소와 직접적으로 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우뿐만 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우도 포함한다. 또한 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합되는 경우는 중간에 다른 요소 없이 연결 또는 결합되는 것을 의미한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없다면 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 본 명세서에서 전, 후, 좌, 우, 위, 아래 등의 표현은 보는 위치에 따라 달라질 수 있는 상대적인 개념이므로 본 발명의 범위가 반드시 해당 표현으로 제한되어서는 아니된다.
<제1 실시예>
도 1, 도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100)의 사시도, 분해사시도 및 단면도이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100)은, 렌즈부(110)와, 렌즈부(110)의 가장자리를 고정하면서 양극(+)의 역할을 하는 고정전극(120)과, 렌즈부(110)의 저면에 결합되어 음극(-)의 역할을 하는 투명 신축성 전극(130)을 포함한다.
렌즈부(110)는 렌즈베이스(112)와 렌즈베이스(112)의 상면에 형성된 프레넬 존 플레이트 패턴(114)을 포함하며, 렌즈베이스(112)와 프레넬 존 플레이트 패턴(114)은 PVC 겔(gel) 재질로서 일체로 형성된다.
도 4를 참조하면, PVC 겔은 전기활성고분자의 일종으로서 PVC(polyvinyl chloride) 체인에 속하는 Cl 이온이 전기적 인력에 의하여 양극으로 강하게 끌리는 성질을 가진다.
전기활성고분자 중에서도 유전탄성체는 맥스웰 힘에 의해 발생한 전극간 인력에 의해 변형되므로 탄성체의 양면에 전극을 부착해야 하며, 따라서 렌즈 소재로 사용할 경우 렌즈 양면의 전극으로 인해 투명도가 저하되는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 실시예와 같이 PVC 겔을 렌즈 소재로 사용하면, 양극(+)을 렌즈부의 가장자리에 설치할 수 있으므로 투명도 저하를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
한편, 렌즈부(110)에 형성되는 프레넬 존 플레이트 패턴(114)은, 도면에 나타낸 바와 같이 서로 번갈아가면서 형성된 다수의 돌출부(114a)와 다수의 오목부(114b)를 포함할 수 있다.
다수의 돌출부(114a) 중에서 가장 중심에 위치하는 돌출부(114a)는 원판 형상이고, 나머지 돌출부(114a)는 소정 폭을 갖는 링 형상일 수 있다. 또한 다수의 오목부(114b)도 각각 소정 폭을 갖는 링 형상일 수 있다.
한편 프레넬 존 플레이트 패턴(114)을 구성하는 다수의 돌출부(114a)는 각각 빛이 투과하지 않는 불투명 영역이고, 다수의 오목부(114b)는 각각 투명 영역일 수 있다.
다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 돌출부(114a)가 투명 영역이고 오목부(114b)가 불투명 영역일 수도 있다.
또한 돌출부(114a)는 조사되는 빛의 파장대역에 따라 투명영역이 될 수도 있고 불투명 영역이 될 수도 있다. 마찬가지로 오목부(114b)도 조사되는 빛의 파장대역에 따라 투명영역이 될 수도 있고 불투명 영역이 될 수도 있다.
또한 돌출부(114a)의 높이 및/또는 폭, 오목부(114b)의 깊이 및/또는 폭은 조사되는 빛의 파장대역을 고려하여 다양하게 선택될 수 있다.
한편, 불투명 영역의 확실한 차광을 위하여 불투명 영역으로 설정된 영역의 상면에는 프린팅, 증착, 코팅 등의 방법으로 차광물질을 도포하여 차광층을 형성할 수도 있다.
고정전극(120)은 PVC 겔 재질의 렌즈부(110)에 대해 양극(+)의 역할을 하며 전원공급부(도면에는 나타내지 않았음)의 양극(+)에 연결된다. 투명 신축성 전극(130)은 렌즈부(110)에 대해 음극(-)의 역할을 하며 전원공급부의 음극(-)에 연결된다.
고정전극(120)은 렌즈부(110)의 가장자리를 고정하는 링 형상이며, 전체가 도전성 재질일 수도 있고, 렌즈부(110)와 접하는 면에만 도전성 박막이 형성될 수도 있다.
투명 신축성 전극(130)은 얇은 원판 형상으로서 반대쪽에 배치된 프레넬 존 플레이트 패턴(114)과 유사한 면적을 가지는 것이 바람직하다. 다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 프레넬 존 플레이트 패턴(114)보다 큰 면적을 가질 수도 있고 약간 작은 면적을 가질 수도 있다.
투명 신축성 전극(130)은 투명한 탄성재질의 박막에 전도성 물질을 증착, 코팅, 또는 프린팅하여 제조할 수도 있고, 투명 탄성체에 전도성 고분자를 혼합하여 제조할 수도 있고, 기타 다른 방법으로 제조할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100)의 광경로도를 나타낸 것으로서, 투명 신축성 전극(130)과 렌즈부(110)를 통과한 빛이 프레넬 존 플레이트 패턴(114)의 불투명 영역 - 예를 들어, 돌출부(114a) -의 가장자리에서 회절된 후 보강 간섭 현상에 의해 초점에 상을 맺은 모습을 나타낸 것이다.
이러한 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100)의 고정전극(120)과 투명 신축성 전극(130)을 각각 전원공급부의 양극(+)와 음극(-)에 연결하면, PVC 겔 소재의 렌즈부(110)가 고정전극(120)쪽으로 끌리면서 프레넬 존 플레이트 패턴(114)의 형상이 변하기 때문에 광학계의 초점거리나 배율이 변하게 된다.
일 예로서, 렌즈부 직경(D)이 충분히 작으면서 렌즈부 직경(D)과 프레넬 존 플레이트 패턴의 직경(d)의 차이가 작고, 돌출부(114a)의 높이(t)가 렌즈베이스(112)의 두께(T)에 근접할 정도로 큰 경우에는, 도 6에 예시한 바와 같이, 전원을 연결해도 프레넬 존 플레이트 패턴(114)이 직경 방향으로 거의 변형되지 않기 때문에 초점거리의 변화는 미미하다.
반면에, 렌즈부 직경(D)이 충분히 작으면 렌즈부(110)의 후면이 고정전극(120)쪽으로 휘어지면서 렌즈부(110)의 곡률이 상대적으로 크게 변하기 때문에 배율이 크게 변하게 된다.
한편, 여기서 렌즈부 직경(D)은 렌즈부(110)에서 고정전극(120)의 내측에 위치하여 변형 가능한 부분의 직경으로서 고정전극(120)에 의해 고정되어 변형되지 않는 부분은 제외한 영역의 직경을 의미한다.
다른 예로서, 도 7에 예시한 바와 같이, 렌즈부 직경(D)이 프레넬 존 플레이트 패턴의 직경(d)에 비해 충분히 크고, 돌출부(114a)의 높이(t)가 렌즈베이스(112)의 두께(T)에 비해 아주 작은 경우에는, 전원 연결시 프레넬 존 플레이트 패턴(114)이 직경 방향으로 늘어나면서 상대적으로 많이 변형되기 때문에 초점거리가 크게 변하게 된다.
반면에 렌즈부 직경(D)이 충분히 크면 프레넬 존 플레이트 패턴(114)이 형성된 부분의 곡률 변화가 상대적으로 작으며 따라서 광학계의 배율 변화는 매우 미미하다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100)을 이용하면, 렌즈부의 구체적인 형상 - 예, 렌즈부 직경(D), 프레넬 존 플레이트 패턴의 직경(d), 렌즈부 두께(T), 돌출부 높이(t) - 에 따라 초점거리 및/또는 배율을 다양하게 조절할 수 있다.
<제2 실시예>
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100a)의 단면도이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100a)은, PVC 겔 재질이며 렌즈베이스(112)의 상면에 프레넬 존 플레이트 패턴(114)이 형성된 렌즈부(110)와, 렌즈부(110)의 가장자리를 고정하면서 양극(+)의 역할을 하는 링 형상의 고정전극(120a)과, 렌즈부(110)의 저면에 결합되어 음극(-)의 역할을 하는 투명 신축성 전극(130)을 포함한다.
특히, 고정전극(120a)은, 도면에 나타낸 바와 같이, 링 형상의 절연부재(125)와, 절연부재(125)의 표면에서 렌즈부(110)의 전면쪽에 형성된 제1 양극(121)과, 절연부재(125)의 표면에서 렌즈부(110)의 후면쪽에 형성되고 제1 양극(121)과는 전기적으로 절연된 제2 양극(122)을 포함한다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100a)에서는 제1 양극(121)과 제2 양극(122)을 선택적으로 전원공급부에 연결할 수 있고, 이를 통해 제1 실시예에 비하여 다양한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로서, 도 9에 예시한 바와 같이, 제1 양극(121)과 제2 양극(122)을 모두 전원공급부에 연결하면, 렌즈부(110)의 전면이 제1 양극(121)쪽으로 끌리는 힘과 렌즈부(110)의 후면이 제2 양극(122)쪽으로 끌리는 힘이 균형을 이루면서 프레넬 존 플레이트 패턴(114)이 고정전극(120a)쪽으로 상대적으로 크게 늘어나게 된다. 이로 인해 돌출부(114a)와 오목부(114b)의 위치와 간격이 달라지므로 광학계의 초점거리가 변하게 된다.
다른 예로서, 도 10에 예시한 바와 같이, 제1 양극(121)만 전원공급부에 연결하면, 렌즈부(110)의 전면이 제1 양극(121)쪽으로 강하게 끌림에 따라 렌즈부(110)의 곡률이 변하고 이로 인해 배율이 변할 수 있다. 또한 이 경우에는 제1 양극(121)과 제2 양극(122)이 모두 전원공급부에 연결된 도 9의 경우에 비하여 렌즈부(110)의 변형량이 적기 때문에 초점거리도 상대적으로 적게 변하게 된다.
또 다른 예로서, 도 11에 예시한 바와 같이, 제2 양극(122)만 전원공급부에 연결하면, 렌즈부(110)의 후면이 제2 양극(122)쪽으로 강하게 끌림에 따라 렌즈부(110)의 곡률이 변하고 이로 인해 배율이 변할 수 있다. 다만 이 경우에는 렌즈부(110)의 곡률이 도 10과는 반대 방향으로 변하기 때문에 배율도 이와 반대로 변한다.
또한 제2 양극(122)만 전원공급부에 연결하면, 도 9의 경우에 비하여 렌즈부(110)의 변형량이 적기 때문에 초점거리도 상대적으로 적게 변하게 된다.
<제3 실시예>
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100b)의 단면도이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100b)은, PVC 겔 재질이며 렌즈베이스(112)의 상면에 프레넬 존 플레이트 패턴(114)이 형성된 렌즈부(110)와, 렌즈부(110)의 가장자리를 고정하면서 양극(+)의 역할을 하는 링 형상의 고정전극(120b)과, 렌즈부(110)의 저면에 결합되어 음극(-)의 역할을 하는 투명 신축성 전극(130)을 포함한다.
특히, 고정전극(120b)은, 도면에 나타낸 바와 같이, 링 형상의 절연부재(125)와, 졀연부재(125)의 내부에 형성된 중공부(128)와, 절연부재(125)의 내주면을 따라 형성되어 내부의 중공부(128)와 연통하는 슬릿(129)과, 중공부(128)의 내벽에 형성된 양극(126)을 포함한다.
렌즈부(110)는 렌즈베이스(110)의 가장자리 부분이 슬릿(129)을 통과하여 중공부(128)의 내부에 위치하도록 설치된다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템(100b)에서 양극(126)을 전원공급부에 연결하면, 도 13에 나타낸 바와 같이, 렌즈부(110)의 가장자리가 중공부(128)의 내부에서 양극(126)쪽으로 끌려 이동함에 따라 프레넬 존 플레이트 패턴(114)이 늘어나고 이로 인해 광학계의 초점거리가 변하게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 구체적인 적용 과정에서 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.
100: 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템 110: 렌즈부
112: 렌즈베이스 114: 프레넬 존 플레이트 패턴
114a: 돌출부 114a: 오목부
120, 120a, 120b: 고정전극 121: 제1 양극 122: 제2 양극
125: 절연부재 126: 양극 128: 중공부
129: 슬릿 130: 투명 신축성 전극

Claims (4)

  1. 일면에 프레넬 존 플레이트 패턴이 형성된 PVC 겔 재질의 렌즈부;
    렌즈부의 가장자리를 고정하는 것으로서, 링 형상의 절연부재와, 상기 절연부재의 내부에 형성된 중공부와, 상기 절연부재의 내주면을 따라 형성되어 내부의 중공부와 연통하는 슬릿과, 상기 중공부의 내벽에 형성된 양극(+)을 포함하는 고정전극;
    렌즈부의 타면에 결합되어 음극(-)의 역할을 하는 투명 신축성 전극
    을 포함하며,
    렌즈부의 가장자리는 상기 고정전극의 슬릿을 통과하여 중공부의 내부에 위치하고,
    고정전극과 투명 신축성 전극을 전원공급부에 연결하면 렌즈부의 가장자리가 중공부의 내부에서 양극쪽으로 변형되면서 초점거리와 배율 중에서 적어도 하나가 변하는 것을 특징으로 하는 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
KR1020210078704A 2021-06-17 2021-06-17 Pvc 겔 기반 전기활성 프레넬 존 플레이트 렌즈 시스템 KR102599654B1 (ko)

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