KR20070042212A - 프레넬 구조를 갖는 광학장치 - Google Patents

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베르나르두스 헨드릭스
에밀레 페르스테겐
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은, 프레넬 구조(101)를 구비한 광학장치에 관한 것이다. 이 프레넬 구조는 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 적어도 1개의 위상 점프가 도입되도록 설계된다. 이 광학장치는 상기 위상 점프를 보상하는 단차 구조(102)를 더 구비한다.
Figure 112007026124859-PCT00001
광학장치, 프레넬 구조, 가변 초점거리, 위상 점프, 단차 구조

Description

프레넬 구조를 갖는 광학장치{OPTICAL DEVICE WITH FRESNEL STRUCTURE}
본 발명은 프레넬 구조를 포함하는 광학장치에 관한 것으로, 특히 가변 초점거리를 갖는 렌즈를 구비하고 상기 렌즈가 프레넬 구조를 갖는 광학장치에 관한 것이다.
본 발명은, 특히 가변 초점거리가 필요한 광학장치, 예를 들면 카메라에 관한 것이다
특허 US 4,904,063에는 전압의 인가에 의해 변동될 수 있는 굴절률을 갖는 액정 재료와 접촉하고 있는 프레넬 구조를 포함하는 액정이 개시되어 있다. 이것은 상기 액정 렌즈의 초점거리의 변화를 허용한다. 본 특허에서 설명한 것과 같이, 종래의 렌즈 대신에 프레넬 렌즈를 사용하는 것은 액정 재료의 두께의 감소를 허용한다. 액정 재료의 전환 시간이 그것의 두께에 의존하기 때문에, 이와 같은 구성은 한 개의 초점 거리로부터 다른 초점 거리로의 전환에 필요한 시간을 줄인다.
프레넬 렌즈는 종래의 렌즈의 일부를 제거함으로써 통상적인 렌즈로부터 얻어진다. 이와 같은 부분은 상기한 부분의 제거가 프레넬 렌즈를 통과하는 방사빔에 서의 광 경로의 변화를 도입하도록 선택되며, 이때 이 변화는 상기한 방사빔의 파장의 배수이다. 이에 따르면, 통상적인 렌즈의 회절제한된 성능이 해당하는 프레넬 렌즈에서 유지된다. 그러나, 프레넬 렌즈는 특정한 파장을 위해서만 설계된 것이다. 따라서, 예를 들어 카메라의 자연광과 같은 다양한 파장을 갖는 빛을 이용하는 응용분야에서는 이것을 사용하는 것이 불가능하다.
결국, 본 발명의 목적은, 프레넬 구조를 사용하고 다양한 파장에 적합한 광학장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 적어도 1개의 위상 점프가 도입되도록 설계된 상기 프레넬 구조를 구비하는 광학장치로서, 상기 광학장치가 상기 위상 점프를 보상하는 단차 구조를 더 구비한 광학장치를 제공한다. 프레넬 구조는 환형 구역들을 구비한다. 2개의 환형 구역들 사이에서, 위상 점프가 항상 일어난다. 프레넬 구조의 설계 파장에 대해, 위상 점프가 2π의 배수인데, 이것은 종래의 렌즈의 회절제한된 성능이 수정되지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 프레넬 구조의 설계 파장과 다른 파장에 대해서는, 위상 점프들이 2π의 배수가 아니며, 이것이 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 강한 수차를 생성하게 된다. 본 발명에 따르면, 광학장치에 단차 구조를 이용하여 이들 위상 점프를 보상한다. 이와 같은 단차 구조는 프레넬 구조에 기인한 위상 점프를 보상하는 위상 변화를 도입하도록 설계된다. 그 결과, 광학장치의 성능이 방사빔의 파장에 의존하지 않으며, 광학장치가 예를 들어 자연광과 함께 사용될 수도 있다.
바람직하게는, 프레넬 구조는 제 1 굴절률과 제 2의 더 높은 굴절률로서의 단차 구조를 갖는다. 프레넬 구조와 단차 구조가 동일한 굴절률을 갖는 경우에는, 단차 구조의 단차들의 두께가 프레넬 구조를 설계하기 위해 제거된 종래의 렌즈의 부분들의 두께와 동일하다. 단차 구조를 위해 더 높은 굴절률을 선택하는 경우에는, 단차 구조의 단차들의 두께가 줄어들 수도 있는데, 이것은 광학장치의 크기에 대해 유리하다.
종래의 렌즈의 두께의 감소가 단차 구조의 두께에 의해 적어도 일부 보상되기는 하지만, 본 발명은, 특히 전체 두께가 중요하지 않은 광학장치에서 유리하게 사용된다. 본 발명은, 특히 전술한 광학장치에 관한 것으로, 이 광학장치는 상기 프레넬 구조와 접촉하고 있는 재료를 더 포함하고, 상기 재로는 전압의 인가에 의해 변화될 수 있는 굴절률을 갖는다. 이와 같은 광학장치에서는, 전환 시간이 상기 두께와 연결되므로, 상기 재료의 두께만이 중요하다. 광학장치에서의 단차 구조의 부가는 프레넬 구조와 접촉하고 있는 재료의 두께를 변경하지 않는다. 따라서, 전환 시간이 종래기술에서와 같게 유지되는 한편, 광학장치가 자연광과 함께 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 프레넬 구조, 상기 재료 및 상기 단차 구조는 1개의 동일한 셀의 일부를 구성한다. 단차 구조와 프레넬 구조가 이미 상기한 셀에서 정렬되어 있으므로, 단차 구조를 프레넬 구조와 정렬할 필요가 없기 때문에, 이와 같은 구성은 광학장치의 제조공정을 단순화한다.
바람직하게는, 상기 광학장치는,
- 제 1 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 적어도 제 1 위상 점프가 도입되도록 설계된 상기 제 1 프레넬 구조와,
- 제 2 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 적어도 제 2 위상 점프가 도입되도록 설계된 상기 제 2 프레넬 구조와,
- 상기 제 1 프레넬 구조와 접촉하고 있으며 제 1 이상 축(extraordinary axis)을 갖는 제 1 복굴절 재료와,
- 상기 제 2 프레넬 구조와 접촉하고 있으며 상기 제 1 이상 축과 수직한 제 2 이상 축을 갖는 제 2 복굴절 재료와,
- 상기 제 1 및 제 2 복굴절 재료의 이상 굴절률들이 동일하게 유지되도록 상기 제 1 및 제 2 복굴절 재료의 상기 이상 굴절률들을 변형하는 수단과,
- 상기 제 1 및 제 2 위상 점프를 보상하는 수단을 구비한다.
이 광학장치는 이상 축들이 수직한 2가지 복굴절 재료를 포함한다. 실시예에서 설명하는 것과 같이, 이와 같은 2가지 복굴절 재료의 조합은 편광 독립적이다. 이것은 광학장치에서 편광자들의 사용을 하지 않아도 되게 한다.
본 발명의 상기한 발명내용과 또 다른 발명내용은 이하에서 설명하는 실시예들로부터 더욱 더 명백해질 것이다.
이하, 다음의 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다:
도 1은 본 발명에 따른 광학장치를 나타낸 것이고,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 광학장치의 변형예들을 나타낸 것이며,
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 본 발명에 따른 가변 초점거리 장치를 나타낸 것이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 다른 가변 초점거리 장치를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 광학장치를 도 1에 나타내었다. 이 광학장치는 프레넬 구조(101)와 단차 구조(102)를 구비한다. 프레넬 구조는 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들면, 프레넬 렌즈는 "Microscope objectives for optical disc systems", by J.J.M. Bratt in "Huygens' Principle 1690-1990 theory and applications", Proceedings of the international symposium, (The Hague/Scheveningen, 1990, Elsevier Science Publishers B.V.), Editors: H. Blok, H.A. Ferweda, H.K. Kuiken, Pages 33-63에 기재되어 있다. 도 1에는, 프레넬 구조(101)가 제조되는 원료가 되는 종래의 렌즈가 가능 선으로 표시되어 있고, 프레넬 구조(101)와 단차 구조(102)가 굵은 선으로 표시되어 있다. 프레넬 구조(101)를 제조하기 위해 제거된 종래의 렌즈의 부분은 일점쇄선으로 표시되어 있다.
도 1에서, 프레넬 구조(101)와 단차 구조(102)가 별개의 부분으로 도시되어 있다. 그러나, 프레넬 구조(101)와 단차 구조(102)는 1개의 동일한 부재, 예를 들어 몰딩공정에 의해 얻어진 광학부재를 구성할 수도 있다.
단차 구조(102)는 다음과 같이 설계된다. 단차 구조는 단차들을 구비하는데, 이들 단차들의 두께는 프레넬 구조가 설계될 때 사용되는 종래의 렌즈의 제거된 부분들의 두께와 동일하게 선택된다. 평면 PP에서, 종래의 렌즈의 표면의 높이를 zp로 표시하였다. 이 평면 PP에서는, 프레넬 구조(101)를 설계하기 위해 두께 Δzp를 갖는 부분이 제거되었다. 이 평면 PP에서는, 단차 구조의 두께가 Δzp와 같게 선택된다. 이하의 예에서는, 프레넬 구조의 단차의 각각의 면에 2개의 평면 AA 및 BB가 정의되며, zA는 zB와 거의 같다.
평면 AA에서는, 평면 CC와 C'C' 사이의 광 경로 길이가 다음과 같다:
WCC'(A)=d+(n-1)(zA-ΔzA), 이때 n은 프레넬 구조(101)의 굴절률이다.
평면 BB에서는, 평면 CC와 C'C' 사이의 광 경로 길이가 다음과 같다:
WCC'(B)=d+(n-1)(zB-ΔzB)
그 결과, 프레넬 구조(101)는 다음과 같은 광 경로 길이를 갖는 점프를 도입한다:
zA=zb이므로, WCC'(A)-WCC'(B)=(n-1)(ΔzB-ΔzA)
전술한 문헌에서 설명한 것과 같이, 프레넬 구조의 설계는 Δzp=mpλo/(n-1) 이 되도록 행해지며, 이때 mp는 정수이다. 그 결과, 광 경로 길이의 점프는 WCC'(A)-WCC'(B)=(mB-mA)λo이다. 이것은, 설계 파장 λ0를 갖는 방사빔이 프레넬 구조(101)를 통과할 때, 이 프레넬 구조(101)가 2π의 배수인 위상 점프를 도입한다는 것을 의미한다. 따라서, 파면수차가 도입되지 않는다. 그러나, λ0와 다른 파장 λ1을 갖는 방사빔이 프레넬 구조(101)를 통과할 때에는, 이 프레넬 구조(101)가 2π의 배수가 아닌 위상 점프를 도입하므로, 파면수차가 도입된다.
평면 AA에서는, 평면들 C'C' 및 DD 사이의 광 경로 길이가 다음과 같다:
WC'D(A)=nΔzA+(d-ΔzA), 이때 단차 구조(102)의 굴절률은 프레넬 구조(101)의 굴절률 n과 같게 선택된다.
평면 BB에서는, 평면들 C'C' 및 DD 사이의 광 경로 길이가 다음과 같다:
WC'D(B)=nΔzB+(d-ΔzB)
그 결과, 평면 CC와 DD 사이의 평면 AA 및 BB에서의 광 경로 길이의 차이는 WCC"(A)+WC'D(A)-(WCC'(B)+WC'D(B))=0이다.
이것은, 단차 구조(102)가 평면 AA 및 BB 사이에서 프레넬 구조(101)에 의해 도입되는 위상 점프를 보상한다는 것을 의미한다. 이것은 프레넬 구조(101) 및 단차 구조(102)를 구비한 광학장치를 통과하는 방사빔의 파장에 의존하지 않는다. 그 결과, 방사빔의 파장에 무관하게, 본 발명에 따른 광학장치에 의해 도입된 파면수차는 프레넬 구조가 설계될 때 사용되는 종래의 렌즈에 의해 도입되는 파면수차만 큼 낮다. 이것은, 본 발명에 따른 광학장치가, 예를 들어, 자연광과 함께 사용될 수도 있다는 것을 의미한다.
도 2a에는, 본 발명에 따른 광학장치의 변형예가 도시되어 있다. 이와 같은 변형예에서는, 프레넬 구조(101)와 단차 구조(102)가 도 1에서와 같이 체결되지 않는 별개의 부재이다. 실제로, 단차 구조(102)는 프레넬 구조(101)와 주의 깊게 정렬되어 프레넬 구조(101)에 의해 도입된 위상 점프들을 보상하는 즉시, 단차 구조(102)가 광학장치 내부의 어느 곳에나 배치될 수 있다.
도 2b에서는, 본 발명에 따른 광학장치의 바람직한 변형에가 도시되어 있다. 프레넬 구조(101)는 제 1 굴절률을 갖고, 단차 구조(102)는 이것보다 더 높은 제 2 굴절률을 갖는다. 이와 같은 구성은 단차 구조(102)의 단차들의 두께를 줄일 수 있게 한다. Δ'zA와 Δ'zB가 도 1의 평면 AA 및 BB에서의 도 2b의 단차 구조(102)의 단차들의 두께인 경우에, (Δ'zB-Δ'zA)/(ΔzB-ΔzA)=(n1-1)/(n2-1)이면, 단차 구조(102)가 평면 AA 및 BB 사이에서 프레넬 구조(101)에 의해 도입된 위상 점프를 보상하는데, 이때 n1은 프레넬 구조(101)의 굴절률이고 n2는 단차 구조(102)의 굴절률이다. 예를 들어, n1=1.5 및 n2=2일 때, (Δ'zB-Δ'zA)=0.5(ΔzB-ΔzA)이다. 이것은, 이와 같은 경우에 단차 구조(102)의 두께가 2배만큼 줄어들 수 있다는 것을 의미한다. 이것은, 광학장치가 이에 따라 줄어들 수 있기 때문에 매우 유리하다.
가변 초점거리를 갖는 본 발명에 따른 광학장치들을 도 3a 내지 도 3d에 나타내었다. 이와 같은 광학장치는, 프레넬 구조(101), 단차 구조(102), 액정 재 료(300), 제 1 전극(301), 제 2 전극(302) 및 절연체 스페이서(303)를 구비한다. 이와 같은 광학장치의 기능은 US 4,904,063에 기재된 것과 같은 프레넬 액정 렌즈의 기능이다. 그러나, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 광학장치들은 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 같은 단차 구조를 가지므로, 이들 광학장치가 다양한 파장, 예를 들어 자연광과 함께 사용될 수 있다.
액정 재료는 프레넬 구조(101)와 접촉하고 있다. 이때, 도 3b에서는, 프레넬 구조(101)가 제 1 전극(301)을 구비하여, 이와 같은 경우에 액정 재료도 프레넬 구조(101)와 접촉하고 있다는 점에 주목하기 바란다.
단차 구조(102)는, US 4,904,063의 광학장치와 비교할 때, 도 3a 내지 도 3d의 광학장치들의 전체 두께를 증가시킨다. 그러나, US 4,904,063에 비해 액정 재료(300)의 두께가 증가되지 않으므로, 이것은 중요하지 않다. 따라서, 이들 광학장치들의 전환 시간이 증가하지 않는다.
도 3a 내지 도 3c에서는, 프레넬 구조(101), 액정 재료(300)와 단차 구조(102)가 1개의 동일한 셀의 일부를 구성한다. 이와 같은 구성은 프레넬 구조(101)가 단차 구조(102)와 자동으로 정렬되므로 매우 바람직한데, 이 구성은 단차 구조(102)를 프레넬 구조(101)와 정렬시킬 필요가 있는 도 3d의 광학장치의 경우에 해당하지 않는다. 도 3d에서는, 단차 구조(102)가 프레넬 구조(101)와 액정 재료(300)로부터 분리된다. 이와 같은 경우에는 단차 구조(102)가 렌즈나 격자 등의 광학장치의 다른 광학 부품에 일체화할 수도 있으므로 바람직할 수 있다.
도 4a에서는, 편광 독립적인 본 발명에 따른 가변 초점거리 장치를 설명한 다. 이것은, 제 1 프레넬 구조(401), 단차 구조(402), 제 1 액정 재료(403), 제 1 전극(404), 제 2 전극(405), 제 1 절연체 스페이서(406), 제 2 프레넬 구조(411), 제 2 액정 재료(413), 제 3 전극(414), 제 4 전극(415) 및 제 2 절연체 스페이서(416)를 구비한다. 제 1 프레넬 구조(401)는 상기 제 1 프레넬 구조(401)를 통과하는 방사빔에 적어도 제 1 위상 점프를 도입하고, 제 2 프레넬 구조(411)는 상기 제 2 프레넬 구조(411)를 통과하는 방사빔에 적어도 제 2 위상 점프를 도입한다. 제 1 및 제 2 프레넬 구조 401 및 411은 유사하므로, 제 1 및 제 2 위상 점프들이 유사하다. 단차 구조(402)는 위에서 설명한 것과 같이 제 1 위상 점프와 제 2 위상 점프를 보상하도록 설계된다.
도 4b의 광학장치는 동일한 구성요소를 포함하지만, 단차 구조(412)기 제 1 및 제 2 액정 재료 403 및 413과 접촉하고 있는 제 1 및 제 2 프레넬 구조 401 및 411을 구비한 셀에서 분리된다.
도 3a 내지 도 4b의 실시예들에서는, 액정 재료가 사용된다. 그러나, 본 발명에 따르면 다른 복굴절 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 2개의 전극 사이에 인가된 전위차에 의해 생성된 전류가 가해졌을 때 회전할 수 있는 하전된 치환기를 포함하는 분자들이 사용될 수도 있다.
제 1 프레넬 구조(401)와 접촉하고 있는 제 1 액정 재료(403)가 제 1 이상 축을 갖고, 제 2 프레넬 구조(411)와 접촉하고 있는 제 2 액정 재료(413)가 상기 제 1 이상 축에 수직한 제 2 이상 축을 갖는다. 이것은 제 1 및 제 2 액정 재료 403 및 413을 위해 적절한 이방성 네트워크를 사용함으로써 달성될 수도 있다. 이 와 달리, 액정 배열의 바람직한 배향을 일으키기 위해, 액정 재료들 403 및 413과 접촉하고 있는 전극들 405 및 415의 화학적 또는 기계적 변형이 행해질 수도 있다.
제 2 이상 축에 평행한 편광을 갖는 광 빔이 도 4a 또는 도 4b에 도시된 광학장치를 통과할 때, 제 1 프레넬 구조(401)가 투명판으로서 동작한다. 이것은 제 2 프레넬 구조(411)만 상기 방사빔에 작용한다는 것을 의미한다. 제 2 이상 축에 수직한 편광을 갖는 광 빔이 도 4a 또는 도 4b에 도시된 광학장치를 통과할 때, 제 2 프레넬 구조(411)가 투명판으로서 동작한다. 이것은 제 1 프레넬 구조(401)만이 상기 방사빔에 작용한다는 것을 의미한다. 제 1 및 제 2 프레넬 구조 401 및 411이 유사한 구조를 갖는 경우에는, 제 2 이상 축에 평행한 편광을 갖는 광 빔에 대한 광학장치의 영향이 제 2 이상 축에 수직한 편광을 갖는 광 빔에 대한 영향과 동일하다. 즉, 도 4a 또는 도 4b의 광학장치들의 거동은 상기 광학장치를 통과하는 광 빔의 편광에 의존하지 않는다.
제 2 이상 축에 평행한 편광을 갖는 광 빔이 도 4a 또는 도 4b에 도시된 광학장치를 통과할 때, 제 2 프레넬 구조(411)만이 위상 점프를 도입한다. 제 2 이상 축에 수직한 편광을 갖는 광 빔이 도 4a 또는 도 4b에 도시된 광학장치를 통고할 때에는, 제 1 프레넬 구조(401)만이 위상 점프를 도입한다. 그 결과, 단차 구조(402)만 제 1 또는 제 2 위상 점프를 보상할 필요가 있다. 이들 위상 점프는 유사하므로, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 장치가 2개의 프레넬 구조 401 및 411을 구비하더라도, 단차 구조가 도 1 내지 도 3d에서 설명한 것과 같이 설계된다.
이와 같은 광학장치의 광학 특성을 변경하기 위해, 제 1 및 제 2 액정 재료 403 및 413의 이상 굴절률이 수정된다, 광학장치를 편광 독립적으로 유지하기 위해서는, 제 1 및 제 2 액정 재료의 이상 굴절률을 수정하는 수단이 제 1 및 제 2 액정 재료의 이상 굴절률들이 거의 동일하게 유지되도록 설계되어야 한다. 제 1 및 제 2 전극들 404 및 405와 제 3 및 제 4 전극들 414 및 415 사이에 동일한 전위차를 인가함으로써 이것을 간단히 달성할 수 있다.
첨부의 청구범위의 참조부호는 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 이때, 동사 "포함한다" 또는 "구비한다"와 그것의 활용형의 사용이 청구항에 기재된 것 이외의 다른 구성요소들의 존재를 배제하는 것이 아니라는 것은 자명하다. 구성요소 앞의 단어 "a" 또는 "an"이 복수의 이와 같은 구성요소들의 존재를 배제하는 것이 아니다.

Claims (5)

  1. 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 적어도 1개의 위상 점프가 도입되도록 설계된 상기 프레넬 구조(101)를 구비한 광학장치로서, 상기 광학장치가 상기 위상 점프를 보상하는 단차 구조(102)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광학장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프레넬 구조는 제 1 굴절률과 제 2의 더 높은 굴절률로서의 상기 단차 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광학장치는 상기 프레넬 구조와 접촉하고 있는 재료(300)를 더 포함하고, 상기 재로는 전압의 인가에 의해 변화될 수 있는 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프레넬 구조, 상기 재료 및 상기 단차 구조는 1개의 동일한 셀의 일부를 구성 하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 광학장치는,
    제 1 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 적어도 제 1 위상 점프가 도입되도록 설계된 상기 제 1 프레넬 구조(401)와,
    제 2 프레넬 구조를 통과하는 방사빔에 적어도 제 2 위상 점프가 도입되도록 설계된 상기 제 2 프레넬 구조(411)와,
    상기 제 1 프레넬 구조와 접촉하고 있으며 제 1 이상 축을 갖는 제 1 복굴절 재료(403)와,
    상기 제 2 프레넬 구조와 접촉하고 있으며 상기 제 1 이상 축과 수직한 제 2 이상 축을 갖는 제 2 복굴절 재료(413)와,
    상기 제 1 및 제 2 복굴절 재료의 이상 굴절률들이 동일하게 유지되도록 상기 제 1 및 제 2 복굴절 재료의 상기 이상 굴절률들을 변형하는 수단과,
    상기 제 1 및 제 2 위상 점프를 보상하는 수단(411, 412, 420)을 구비한 것을 특징으로 하는 광학장치.
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