KR20040038520A

KR20040038520A - angular GRIN lens

Info

Publication number: KR20040038520A
Application number: KR1020020067504A
Authority: KR
Inventors: 서은성
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2004-05-08

Abstract

PURPOSE: An angle distributed lens is provided to freely change the refractive index in response to the angle for the finite image which is obtained by a lens capable of changing Lagrangian invariant. CONSTITUTION: An angle distributed lens(30) is characterized in that it utilizes a device having a refractive index, wherein the refractive index is changed in response to the angle of the light beam inputted thereon. The device is selected from a group consisting of a material having a birefringence, a liquid crystal material or a material having a sub-wavelength grating.

Description

Angular GRIN lens

본 발명은 분포형 렌즈에 관한 것으로, 특히 각도에 따른 굴절률의 변화를 가지는 소자를 이용한 렌즈에 관한 것이다.The present invention relates to a distributed lens, and more particularly to a lens using an element having a change in refractive index with angle.

일반적으로 광학계에서 사용되는 렌즈는 크게 광 패스 길이를 변화시키는 렌즈와, 굴절률의 크기를 변화시키는 렌즈로 나눌 수 있다.In general, the lens used in the optical system can be divided into a lens for greatly changing the optical path length, and a lens for changing the size of the refractive index.

첫 번째의 광 패스 길이를 변화시키는 렌즈는 도 1(a),(b)에서 나타내고 있는 것과 같이, 렌즈(10)의 두께 차이로 인해 발생되는 광 패스 길이(optical path length)에 따라 투과하는 빛을 모으거나 퍼트리는 렌즈이다.The lens that changes the first optical path length is light transmitted according to the optical path length generated due to the difference in thickness of the lens 10, as shown in Figs. 1 (a) and (b). It is a lens to collect or spread.

그리고 두 번째의 굴절률의 크기를 변화시키는 분포형(grin) 렌즈(20)는 도 2(a)(b)에서 나타내고 있는 것과 같이, 중심과 주변의 굴절률을 다르게 만들어서 중심을 지나는 빛과 주변을 지나는 빛의 광 경로 차이를 갖게 만들어서 빛을 모이게 하거나 퍼지게 하는 렌즈이다.In addition, as shown in FIG. 2 (a) (b), the grin lens 20 which changes the size of the second refractive index makes the refractive index of the center and the surroundings different so that the light passing through the center and the surroundings are passed. A lens that makes a difference in the optical path of light to gather or spread light.

이때, 도 2(a)에서 나타내고 있는 분포형 렌즈(20)는 중심부분의 굴절률이 주변부분의 굴절률보다 크게 형성하고, 도 2(b)는 그 반대로 굴절률을 형성하고 있다.At this time, in the distributed lens 20 shown in FIG. 2 (a), the refractive index of the central portion is made larger than that of the peripheral portion, and FIG. 2 (b) forms the refractive index on the contrary.

이와 같은 분포형 렌즈는 빛이 입사되는 위치에 따라 굴절률의 변화를 주어서 빛의 광로를 바꾸어 주게 된다.Such a distributed lens changes the optical path of light by changing the refractive index according to the position at which light is incident.

그리고 일반적인 렌즈는 1차 공식으로 라그랑즈 불변(Lagrangian Invariant)의 법칙을 만족하여야 한다.And a general lens must satisfy Lagrangian Invariant's law as a first order formula.

도 3 은 일반적인 라그랑즈 불변의 법칙을 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a general Lagrangian law of invariance.

도 3을 참조하여 라그랑즈 불변의 법칙을 설명하면 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 3, the Lagrangian constant law may be described as in Equation 1 below.

이때, h, h'은 물체와 상의 높이, u, u'는 각각에서의 빛의 각도, n, n'은 각 공간의 굴절률이다.Where h and h 'are the height of the object and the image, u and u' are the angles of light in each, and n and n 'are the refractive indices of each space.

수학식 1에서 나타내고 있는 것과 같이, 라그랑즈 불변의 법칙은 물체의 크기가 커지면 빛의 각도가 작아지고, 물체의 크기가 작아지면 빛의 각도가 커지게 되는 것이다.As shown in Equation 1, the Lagrange's law of invariance is that as the size of the object increases, the angle of light decreases, and when the size of the object decreases, the angle of light increases.

따라서, 렌즈에서는 사용자가 빛의 각도와 빛의 영역을 같이 줄여 주는 방법은 존재하지 않게 된다. 이에 따라 입사되는 빛의 각도를 줄이기 위해서는 상의 크기가 커져야만 가능하다.Therefore, in the lens, there is no way for the user to reduce the angle of light and the area of light together. Accordingly, in order to reduce the angle of incident light, the size of the image may be increased.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 라그랑즈 불변(Lagrangian Invariant)의 값을 줄여 주어 상의 크기를 크게 하지 않으면서 빛의 각도를 줄일 수 있는 렌즈를 제공하거나 혹은 그 반대의 렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, to provide a lens that can reduce the angle of light without increasing the size of the image by reducing the value of Lagrangian Invariant or vice versa The purpose is to provide a lens.

본 발명의 다른 목적은 유한한 크기의 상을 가지면서 거기에 따르는 빛의 각도를 각도에 따른 굴절률의 변화로 자유롭게 변화시킬 수 있는 분포형 렌즈를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a distributed lens that has a finite sized image and can freely change the angle of light according to the change in refractive index according to the angle.

도 1(a)(b)은 일반적인 렌즈의 두께를 변화시키는 볼록렌즈와 오목렌즈에서 빛의 흐름을 나타낸 도면1 (a) and (b) are diagrams showing the flow of light in convex and concave lenses varying the thickness of a general lens.

도 2(a)(b)는 일반적인 굴절률의 크기를 변화시키는 분포형 렌즈에서 빛의 흐름을 나타낸 도면2 (a) and 2 (b) are diagrams showing the flow of light in a distributed lens for changing the magnitude of a general refractive index.

도 3 은 일반적인 라그랑즈 불변의 법칙을 나타낸 도면3 shows a general Lagrange's law of invariance

도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명에 따른 각도에 따라 굴절률이 변화되는 분포형 렌즈를 나타낸 도면4 (a) and 4 (b) is a view showing a distributed lens in which the refractive index is changed according to the angle according to the present invention.

도 5 는 물체에서 나오는 빛에 대한 일반적인 렌즈의 반응을 나타낸 도면5 shows a typical lens response to light emitted from an object.

도 6 은 물체에서 나오는 빛에 대한 본 발명에 따른 렌즈의 반응을 나타낸 도면6 shows a response of a lens according to the invention to light emitted from an object.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 각도에 따른 굴절률 변화를 위해 복굴절 물질을 이용하는 실시예7A to 7C illustrate an embodiment of using a birefringent material for changing a refractive index according to an angle according to the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 일반 렌즈20 : 분포형 렌즈10: normal lens 20: distributed lens

30 : 각도 분포형 렌즈40 : 복굴절 물질30: angle distribution lens 40: birefringent material

50 : 액정60 : 서브-파장 격자50: liquid crystal 60: sub-wavelength grating

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각도 분포형 렌즈의 특징은 광학계에서 사용되는 렌즈에 있어서, 입사되는 빛의 각도에 따라 서로 다른 굴절률을 갖는 소자를 이용하는데 있다.A feature of the angle distribution lens according to the present invention for achieving the above object is to use an element having a different refractive index according to the angle of the incident light in the lens used in the optical system.

이때, 상기 소자는 복굴절을 갖는 물질, 액정 또는 서브-파장 격자를 갖는 물질 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.In this case, the device is preferably at least one of a material having a birefringence, a liquid crystal or a material having a sub-wavelength grating.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.

본 발명에 따른 각도 분포형 렌즈의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.A preferred embodiment of the angle distribution lens according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명에 따른 각도에 따라 굴절률이 변화되는 분포형 렌즈를 나타낸 도면이다.4 (a) and 4 (b) are diagrams showing a distribution lens whose refractive index changes according to an angle according to the present invention.

즉, 기존의 분포형 렌즈(20)의 원리가 위치에 따라 굴절률을 변화시키는데 반하여 본 발명에서의 각도 분포형 렌즈(30)는 각도에 따른 굴절률을 변화시키고 있다.That is, while the principle of the conventional distributed lens 20 changes the refractive index according to the position, the angle distributed lens 30 in the present invention changes the refractive index according to the angle.

따라서 큰 각도에서는 큰 굴절률을 갖고 작은 각도에서는 작은 굴절률을 가지게 되어 도 4(a)와 같이 각도 분포형 렌즈(30)를 통과하는 빛을 한 곳으로 모이게 할 수도 있으며, 또한 굴절률의 변화를 도 4(a)보다 작게 하여 각도 분포형 렌즈(30)를 통과하는 빛을 수평으로 출사되게 할 수도 있다.Therefore, it has a large refractive index at a large angle and a small refractive index at a small angle, so that light passing through the angle distribution lens 30 can be gathered in one place as shown in FIG. 4 (a). It may be smaller than (a) to allow the light passing through the angle distribution lens 30 to be emitted horizontally.

일반 렌즈의 특성과 본 발명에 따른 렌즈의 특성은 도 5와 도 6을 보면, 극명하게 나타난다.The characteristics of the general lens and the characteristics of the lens according to the present invention are clearly seen in FIGS. 5 and 6.

도 5 는 물체에서 나오는 빛에 대한 일반적인 렌즈의 반응을 나타낸 도면이고, 도 6 은 물체에서 나오는 빛에 대한 본 발명에 따른 각도 분포형 렌즈의 반응을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a response of a general lens to light emitted from an object, and FIG. 6 is a diagram illustrating a response of an angle distribution lens according to the present invention to light emitted from an object.

즉, 여러 위치에서 퍼지는 빛에 보통의 렌즈는 도 5와 같이 반응하지만, 본 발명은 도 6과 같이 평행광으로 바꾸어 주게 된다.That is, a normal lens reacts to light spreading at various positions as shown in FIG. 5, but the present invention is converted to parallel light as shown in FIG. 6.

따라서, 도 5에서 나타내고 있는 일반적인 렌즈에서는 빛의 각도를 줄이기 위해서 상의 크기가 커져야 하는 한계가 있었지만, 도 6에서 나타내고 있는 본 발명에 따른 각도 분포형 렌즈(30)에서는 상의 크기를 크게 하지 않으면서도 빛의 각도를 줄일 수 있다.Therefore, in the general lens shown in FIG. 5, the size of the image has to be increased in order to reduce the angle of light. However, in the angle distribution lens 30 according to the present invention shown in FIG. Can reduce the angle.

즉, 도 6과 같이 각도를 평행으로 만들기 위해서는 보통의 렌즈(10) 및 분포형 렌즈(20)로는 라그랑즈 불변(Lagrangian Invariant)에 의해서 상의 크기를 무한대로 만들어야 한다.That is, in order to make the angles parallel to each other, as shown in FIG. 6, the size of the image is infinitely made by the Lagrangian Invariant with the ordinary lens 10 and the distributed lens 20.

그러나 본 발명의 각도 분포형 렌즈(30)는 유한한 크기의 상을 가지면서 거기에 따르는 각도를 각도에 따른 굴절률의 변화로 맘대로 변화시킬 수 있다.However, the angle distribution type lens 30 of the present invention may have an image having a finite size and change the angle according to the change in refractive index according to the angle.

이렇게 각도에 따른 굴절률의 변화를 가지는 소자를 얻는 방법은 도 7에서 바람직한 실시예로 나타내고 있다.The method of obtaining a device having a change in refractive index according to the angle is shown in FIG. 7 as a preferred embodiment.

도 7a는 본 발명에 따른 각도에 따른 굴절률 변화를 위해 복굴절 물질을 이용하는 실시예를 나타내고 있으며, 도 7b는 본 발명에 따른 각도에 따른 굴절률 변화를 위해 액정을 이용하는 실시예를 나타내고 있으며, 도 7c는 본 발명에 따른 각도에 따른 굴절률 변화를 위해 서브-파장 격자를 이용하는 실시예를 나타내고 있다.FIG. 7A illustrates an embodiment using a birefringent material for changing a refractive index according to an angle according to the present invention, and FIG. 7B illustrates an embodiment using a liquid crystal to change a refractive index according to an angle according to the present invention. An embodiment using a sub-wavelength grating for changing the refractive index with angle according to the invention is shown.

각도에 따라 굴절률을 변화시키는 가장 쉬운 방법으로는 도 7a와 같이 복굴절 물질(40)을 이용하는 방법이다.The easiest way to change the refractive index according to the angle is to use the birefringent material 40 as shown in Figure 7a.

즉, 도 7a와 같이 빛이 입사할 때 진동 방향이 서로 직각인 두 개의 굴절광으로 갈라지게 되어 두 방향으로 서로 다른 굴절률을 갖는 물질을 이용하여 렌즈를 만들고 있다.That is, as shown in FIG. 7A, when the light is incident, the vibration direction is divided into two refractive lights that are perpendicular to each other, thereby making a lens using a material having different refractive indices in two directions.

그리고 도 7b와 같이 두 방향을 갖도록 액정(50)을 배열하여 액정에 의해 두 방향으로 다른 굴절률을 갖게 되는 것을 이용하여 렌즈를 만들 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 7B, the lens may be manufactured by arranging the liquid crystals 50 to have two directions and having different refractive indices in the two directions by the liquid crystal.

이때, 도 7a, 도 7b를 보면, 렌즈의 굴절률이 가로축과 세로축에 따라 다른 값을 가지므로 각도에 따라서 느껴지는 굴절률도 다르게 된다.7A and 7B, since the refractive index of the lens has a different value depending on the horizontal axis and the vertical axis, the refractive index felt according to the angle is also different.

다음으로 도 7c와 같이, 서브-파장 구조물(60)을 갖는 물질을 이용하여 입사되는 빛의 각도에 따라 굴절률이 달라지는 점을 이용하여 서로 다른 굴절률을 갖는 렌즈를 만들 수 있다.Next, as shown in FIG. 7C, lenses having different refractive indices may be manufactured by using a point in which refractive indices vary according to angles of incident light using a material having the sub-wavelength structure 60.

이는 서브-파장 구조물(60)의 형태에 따라서 각도에 따른 굴절률을 변화시키고 있다.This varies the refractive index with angle depending on the shape of the sub-wavelength structure 60.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 각도 분포형 렌즈는 라그랑즈 불변을 변화시킬 수 있는 렌즈로 인해 유한한 크기의 상을 가지면서도 거기에 따르는 각도에 따라 굴절률의 변화를 자유롭게 변화시킬 수 있다.As described above, the angle distribution lens according to the present invention has a finite sized image due to the lens capable of changing the Lagrangian invariance, and can change the refractive index freely according to the angle thereof.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

Claims

In the lens used in the optical system,

Angle distribution type lens, characterized in that for using the element having a different refractive index according to the angle of the incident light.

The method of claim 1,

And said element is at least one of a material having a birefringence, a liquid crystal, or a material having a sub-wavelength grating.