KR20170092674A - 전자기 복사 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감지소자(604, 605, 606) 및 전자기 복사의 정합에 사용되는 프레넬 렌즈 시스템을 포함한 전자기 복사 감지시스템에 관한 것으로, 감지소자(604, 605, 606)는 프레넬 렌즈 시스템을 통해 정합되는 전자기복사를 감지하고 프레넬 렌즈 시스템은 적어도 2개의 동일한 광경로에 존재하는 잇면(601, 602, 603)을 포함하고, 각각의 잇면은 적어도 하나의 프레넬 소자를 포함한다. 2개의 잇면 중, 적어도 1개는 복합 프레넬 굴절면 또는 충진된 프레넬 굴절면이고, 또는 2개의 잇면이 같은 물리적 계면에 위치하고 해당 소자는 반사 뒷면을 가진다. 상기 전자기 복사 감지시스템은 프레넬 렌즈의 두께가 가지는 장점을 충분히 발휘할 수 있으며, 시스템의 두께가 두꺼워지지 않고, 정합능력을 강화할 수 있어 소자의 사이즈를 줄이고, 시스템의 성능을 높일 수 있다.

Description

전자기 복사 감지 시스템{ELECTROMAGNETIC RADIATION SENSING SYSTEM}

본 발명은 전자기복사 에너지의 흡수 및 전환에 관한 것으로, 구체적으로는 전자기 복사 감지 시스템을 제공한다.

본 명세서에서 지칭하는 전자기 복사는 넓은 의미의 전자기 복사를 말하며, 파장의 범위 및 시그널원에 따라 태양광복사, 레이더 복사, 감마선, 마이크로 웨이브, 적외선, 무선전파, 엑스선 등으로 분류 가능하다. 전자기 복사의 에너지 흡수 및 전환 기술은 레이더 경보, 천문학 관측, 무선 신호 전송, 태양광 발전 등 다양한 분야에 광범위하게 사용된다. 이러한 실사용 과정에서는 항상 감지신호의 에너지 및/또는 에너지 전환효율을 높이는 것을 목표로 둔다. 자주 사용하는 방법은 전자기복사의 정합인데, 신호를 강하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 감지소자의 사이즈를 줄일 수 있다.

프레넬(Fresnel) 렌즈는 박형 렌즈의 일종으로 일반 렌즈의 연속적인 곡면을 여러 조각으로 분할하여 각 조각의 두께를 줄인 후, 각 조각의 곡면을 동일한 평면 또는 거의 평활한 곡면 상에 배열하여 만들어진다. 프레넬 렌즈의 굴절면의 일반적으로 비연속 계단 또는 톱니모양을 가진다. 본 명세서에서는 렌즈의 곡면(비평활면)을 굴절면으로 한다.

프레넬 렌즈의 일반적인 구조는 도 1을 참조한다. 도 1에서 점선은 곡면의 중심으로 일반 렌즈(100)의 원시 곡면(101)은 동심성의 서클렌즈(201)로 나뉜다. 각각의 서클렌즈의 두께를 감소시켜 동일한 평면에 배열하면 프레넬 렌즈(200)를 얻는다. 원시 곡면에서 변화된 비연속 굴절면을 프레넬 굴절면이라 한다. 빛의 굴절은 렌즈의 두께와 상관없이 렌즈의 곡면에서 이루어지기 때문에 이론적으로 프레넬 렌즈의 굴절면은 대응하는 원시 곡면과 비슷한 광학 성질을 가지게 된다. 하지만 두께는 크게 감소된다. 두께의 감소는 빛에너지의 흡수와 감쇄를 줄일 수 있는데 이는 많은 분야에서 사용되는 프레넬 렌즈의 중요한 장점이다.

원시 곡면에서 생성된 프레넬 굴절면은 프레넬 소자로 불리며, 프레넬 소자는 다시 중심위치, 면적, 초점거리, 굴절면형태 및 분할된 서클렌즈 위치 및 수량 등 파라미터로 설명된다.

본 명세서에서는 편의상 프레넬 굴절면을 구비한 면을 "잇면(tooth side)"으로 하고, 상대적으로 평활한 반대면을 "뒷면"으로 하며, 한면이 잇면이고 반대면이 뒷면인 프레넬 렌즈를 "단면 프레넬 렌즈"라고 한다.

프레넬 렌즈는 감지소자의 탐측을 위해 적외선과 같은 광신호의 정합에 사용된다. 예를 들어, 도 2에는 수동적외선탐지기 "PIR"이 표시되어 있다. 물론, 프레넬 렌즈는 다른 종류의 전자기 복사를 정합하는 데도 사용된다.

프레넬 소자의 정합범위가 제한적인 관계로 신호감지범위를 확대하기 위해 잇면 상에 다수의 프레넬 소자를 두기도 한다. 한 개의 프레넬 소자만 가지는 잇면을 "단순 프레넬 굴절면"이라 하고, 이러한 잇면을 사용하는 단면 프레넬 렌즈는 "단면 단순 프레넬 렌즈"라 한다. 마찬가지로, 두 개 이상의 프레넬 소자를 가지는 잇면을 "복합 프레넬 굴절면"이라고 하고, 이러한 잇면을 사용하는 단면 프레넬 렌즈는 "단면 복합 프레넬 렌즈"라 한다.

단면 복합 프레넬 렌즈의 뒷면 일반적으로 평면, 동축면(구면, 타원구면, 원주면, 포물선면, 쌍곡선면 및 고차원 다항식 곡면 등 회전 곡면 포함), 다수의 평면을 연결하여 형성한 절면 또는 계단면 등 거시적 곡면이다. 도 2에 여러 가지 단면 복합 프레넬 렌즈의 구조가 표시되어 있는데, 이 가운데, 점선은 각 프레넬 소자의 중심을 지나는 광경로이다. 도 2(a)에서 잇면에는 3개의 수평배열된 프레넬 소자를 포함하고 있고, 뒷면은 평면(사각형)이다. 도 2(b)에서 잇면에는 5개의 프레넬 소자를 포함하고 있는데, 한 개는 중앙에, 다른 4개는 사방에 분포되어 있고 뒷면은 평면(원형)이다. 도 2(c)에서 뒷면은 원주면이고, 도 2(d)의 뒷면은 구면, 도 2(e)의 뒷면은 3개의 평면이 연결되어 이루어진 절면, 도 2(f)의 뒷면은 계단면이다.

프레넬 렌즈 시스템의 연구 및 이를 이용한 전자기복사 감지시스템의 성능의 개선은 연구 가치가 있는 주제이다.

본 발명은 감지소자 및 전자기 복사의 정합에 사용되는 프레넬 렌즈 시스템를 포함하는 전자기 복사 감지 시스템에 관한 것으로, 감지소자는 프레넬 렌즈 시스템에 의해 정합된 전자기 복사를 감지하고, 프레넬 시스템은 동일한 광경로 상에 있는 적어도 2개의 잇면을 포함하고, 잇면마다 적어도 1개의 프레넬 소자를 포함한다. 프레넬 소자는 한 개의 원시곡면에서 생성된 프레넬 굴절면이며, 두 개의 잇면 중 적어도 한 개는 복합 프레넬 굴절면 또는 충진된(filled) 프레넬 굴절면이거나, 두 개 잇면은 동일한 물리적 계면에 위치하며, 잇면이 위치한 소자에 반사 뒷면을 구비한다.

본 발명의 프레넬 렌즈 시스템은 여러 가지 우수한 실현방법을 가질 수 있다. 시스템에 포함된 두 개의 잇면은 각각 두 개의 분리된 소자 위에 위치할 수 있으며, 뒷면을 서로 맞대고 양면 프레넬 렌즈의 두 개 면을 형성할 수 있다. 또한, 바람직하게 스펙트럼에 따라 전자기복사를 서로 다른 초점면에 정합하여, 대응하는 감지소자가 스펙트럼에 따라 감지할 수 있게 할 수 있다.

본 발명에 따른 전자기 복사 감지 시스템은 두 개 이상의 잇면을 구비한 프레넬 렌즈 시스템을 사용하여 얇은 프레넬 렌즈의 장점을 충분히 발휘하고 시스템의 두께가 두꺼워지지 않고, 정합능력을 강화할 수 있다. 강화된 정합능력은 초점거리와 감지소자의 면적을 줄여, 소자의 사이즈를 축소하고, 시스템의 성능을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에서 제공하는 여러 가지 최적 솔루션은 기존의 전자기 복사 감지 시스템의 구조와 사용형태를 최대한 풍부하게 한다.

아래 첨부된 도면과 함께 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.

도 1은 기존 프레넬 렌즈의 구조원리를 설명하기 위한 도면.
도 2는 기존의 몇 가지 단면복합프레넬 렌즈의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에서 프레넬 굴절면을 형성하기 위해 사용한 두 종류의 동축면 설명도.
도 4은 본 발명의 충진된 프레넬 굴절면의 설명도.
도 5는 본 발명의 두 개 잇면 상의 프레넬 소자의 동심 배치를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 두 개 잇면 상의 프레넬 소자의 착심(錯心) 배치를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 두 개 잇면이 뒷면을 맞대고 결합된 구조를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 반사형 프레넬 렌즈의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 9은 실시예1의 전자기복사 감지시스템 구조를 설명하기 위한 도면.
도 10은 실시예2의 전자기복사 감지시스템 구조를 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 광스펙트럼의 두 가지 구분 방식을 설명하기 위한 도면.
도 12은 실시예3의 전자기복사 감지시스템 구조를 설명하기 위한 도면.
도 13은 실시예4의 전자기복사 감지시스템 구조를 설명하기 위한 도면.

본 발명의 전자기 복사 감지 시스템은 감지소자와 전자기 복사를 정합하는 프레넬 렌즈 시스템을 포함하고 있으며, 감지소자는 프레넬 렌즈 시스템이 정합한 전자기 복사를 감지한다. 감지소자라 함은 전자기 복사의 에너지 흡수 및 전환이 가능한 기능단위로 응용분야의 수요에 따라 감광칩(CCD 또는 CMOS), 에너지 탐지기(수동 적외선 탐지기 또는 레이다 탐지기 등), 광전전환소자(태양광 패널 등), 무선 통신 수신소자 등이 될 수 있다.

본 발명의 프레넬 렌즈 시스템은 동일한 광경로 위에 위치한 적어도 두 개의 잇면을 구비하고 있기 때문에 "다면 프레넬 렌즈 시스템"이라 부를 수 있다. 동일한 광경로 상의 잇면 개수에 따라 구체적으로 "양면 프레넬 렌즈 시스템", "삼면 프레넬 렌즈 시스템" 등으로 구분할 수 있다. 본 발명의 렌즈 시스템은 한 개 또는 여러 개의 소자를 가질 수 있는데, 소자 위에 위치한 잇면의 개수에 근거하여, 마찬가지로 "단면 프레넬 렌즈", "양면 프레넬 렌즈"등으로 구분 가능하다.

주의할 것은 "양면 프레넬 렌즈 시스템"과 "양면 프레넬 렌즈"는 구별되는 것으로, 양면 프레넬 렌즈는 하나의 렌즈의 두 개 면 모두 잇면인 경우이고, 양면 프레넬 시스템은 한 개의 양면 프레넬 렌즈로 구성되거나, 두 개의 단면 프레넬 렌즈 시스템으로 구성될 수 있다.

시스템에서 각 잇면은 적어도 한 개의 프레넬 소자를 포함하고, 각 프레넬 소자는 한 개의 원시곡면에서 생성된 프레넬 굴절면이다. 기존에 프레넬 굴절면 형성에 사용된 원시곡면은 일반적으로 구면, 포물선면 등과 같은 광축을 따라 대칭되는 곡면이다. 기존의 원시곡면은 초점이 한 개 점 위에 있기에 "동점면"이라고 부를 수 있다. 본 발명에서 원시곡면은 임의 형식의 동축면으로 응용분야에 따라 구체적으로 설정이 가능하다. 동축면이라 함은 초점이 한 개 직선 위에(하지만 같은 점 위일 필요는 없음)놓이는 곡면으로, 상기 직선은 "동축선"이라 한다. 기존의 동점면은 동축면의 동축선이 한 개 점으로 퇴화된 특별한 경우라고 볼 수 있다. 동축이지만 동점이 아닌 원시곡면을 정합위치의 감지소자가 비교적 작은 면적(초점과 대응되는)에서 긴 스트립 모양(초점으로 이루어진 동축선과 대응되는)으로 확장되는 데 사용할 수 있다. 이로써 코스트가 크게 증가하지 않는 전제하에 신호 수집 능력을 제고하고, 부분적으로 과열되는 문제도 해결할 수 있다. 전형적인 동축면은 회전곡면(2차원 또는 고차원 회전곡면 포함), 기둥면, 뿔면 등을 들 수 있다. 이 가운데, 기둥면은 등단면 동축면이라 할 수 있는데, 곡면이 동축선의 수직방향에 따라 임의의 한점을 따라 나누어 얻은 횡단면의 형태와 크기가 전부 동일하다. 이는 원주면은 기둥면의 특수한 예이다. 뿔면은 동축선의 횡단면을 따라 비슷한 형태를 가지나 크기는 다르다. 원추면은 뿔면의 특수한 예이다. 도 3은 상기 두 가지 동축면을 설명하는 도면으로, 도 3(a)는 등단면 동축면, 도 3(b)는 원추형 동축면이며, 초점(F)은 모두 각 동축선(L) 위에 위치한다.

한 개의 잇면은 두 개 이상의 프레넬 소자를 포함한 복합 프레넬 굴절면일 수 있다. 일반적으로, 복합 프레넬 굴절면 상의 각 프레넬 소자스펙(면적, 초점거리, 대응하는 원시곡면의 형태, 동심환의 수량 등)은 융통성있게 설정가능한데, 완벽하게 동일하게, 부분적으로 동일하게, 또는 완전히 다르게 설정가능하다. 한 실시방법에서 복합 프레넬 굴절면 상의 각 프레넬 소자는 모두 각자의 광학중심을 가지고 있지만, 초점은 동일한 한 점에 위치하거나, 한 직선, 또는 제한적인 구역 내에 위치한다. 이는 해당 복합 프레넬 굴절면을 구성하는 각 프레넬 소자의 공간배치를 통해 실현한다. 즉 프레넬 소자들이 평면, 이차 곡면(구면, 타원면, 원주면, 포물선면, 쌍곡선면), 고차원 다항식 곡면(비구면의 일반적인 실시방법) 및 다수의 평면이 연결되어 이루어진 절면 및 계단면 등 한 개의 거시적 곡면 상에 배치할 수 있다.

잇면은 충진된 프레넬 굴절면일 수도 있는데, 충진된 프레넬 굴절면이라 함은 고체재료로 된 프레넬 굴절면("모면")에 투명재료를 충진하여 형성된다. 투명재료가 충진되어 형성된 프레넬 굴절면은 "자면"이라고 불리며, 모면과 완전히 맞물린다. 자면과 모면을 구성하는 재료의 굴절율은 상이하며, 자면을 구성하는 재료와 주변환경(공기 등)의 굴절율도 당연히 상이하다. 자면을 구성하는 재료는 고체, 액체 또는 기체에서 선택되며, 고체 충진재료는 예를 들어 아크릴, 플라스틱, 수지, 액체 충진재료는 예를 들어 물, 기체 충진재료는 예를 들어 불활성 기체를 선택할 수 있다.

도 4를 보면, 재료(301)는 볼록면(302)을 구비한 프레넬 소자를 형성하고 재료(303)는 오목면(304)을 구비한 프레넬 소자를 형성한다. 상기 두 개의 프레넬 소자는 완벽하게 보완되며 긴밀하게 맞물려 한 개의 잇면을 형성한다. 재료(301)로 이루어진 프레넬 렌즈를 "모렌즈"로 하고, 모렌즈를 투명하고 공간을 가진 캐비티안에 밀봉한 후, 캐비티에 투명 한 재료(303)를 채우면 요철성질을 구비하고 모렌즈와 완벽하게 반대되는 프레넬 렌즈 즉 "자렌즈"를 얻는다.

충진된 프레넬 굴절면의 구조는 잇면의 양쪽 재료의 굴절율을 조정하여 서로 다른 정합능력을 가질 수 있다. 이로써 프레넬 렌즈 시스템의 광학 설계가 융통성을 가지고 코스트 또한 낮출 수 있다. 한 실시방법에서, 재료(301)와 재료(303)는 서로 다른 고체재료로, 각각으로 프레넬 소자를 제작한 후, 긴밀하게 맞물리게 하였다. 여기서 고체의 충진된 프레넬 렌즈는 서로 맞물려 있는 기존의 프레넬 렌즈 구조와 동일하지만, 충진의 가공 프로세스, 난이도 및 이에 따른 (모렌즈와 자렌즈의) 재료에 대한 요구 또한 상이하다. 다른 바람직한 실시방법에서, 재료(301)는 고체이고 재료(303)는 액체 또는 기체를 사용하고, 먼저 고체재료(301)로 프레넬 소자를 제작한 후, 잇면에 액체 또는 기체재료(303)를 충진 및 패키징 하여 충진된 프네렐 굴절면을 형성하였다. 이런 방법을 사용하면 프레넬 소자를 가공하는 프로세스를 생략할 수 있다. 사용한 액체 충진재료는 물일 수 있으며, 기체는 질소와 같은 불활성 기체일 수 있다. 액체로 충진된 프레넬 굴절면을 형성하면 여러 가지 장점을 가진다. 한편으로 액체 안에서 렌즈가 쉽게 가열 또는 냉각 될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 한편으로 액체는 고체재료로 형성된 프레넬 소자와 틈이 없이 결합할 수 있어 프레넬 렌즈의 약점인 눈부심 현상을 쉽게 극복할 수 있게 한다. 이를 통해 프레넬 렌즈 시스템은 디지털 카메라와 핸드폰의 렌즈 등 고해상도의 영상 시스템에 응용될 수 있다. 기존의 프레넬 렌즈의 눈부심 현상은 일반적으로 비연속적인 프레넬 렌즈의 잇면에 기인하는데, 이러한 비연속성은 액체 또는 기체렌즈로 보완 가능하여, 눈부심 현상을 크게 개선할 수 있다. 액체 또는 기체의 충진을 통해 형성된 충진된 프레넬 렌즈는 광각렌즈의 1차 렌즈에 응용되어 렌즈의 크기를 크게 축소할 수 있다.

두 개의 잇면 상의 프레넬 소자의 상대 위치는 두 가지 바람직한 배치 방법을 취할 수 있다. 하나는 도 5를 참조하며, 이 가운데 두 개 잇면 상의 프레넬 소자의 수량은 동일하며 동심 배치되어 있다. 동심 배치라고 하면 두 개의 잇면 상의 프레넬 소자의 광축이 둘씩 합동하는 것을 말한다. 프레넬 소자의 초점거리, 대응하는 원시곡면의 형태 및 동심화의 수량 등 기타 기본사양은 동일하거나 상이할 수 있으며 광학 설계 수요에 따라 배치한다. 도 5는 점선으로 두 개의 광축을 예로 표시하였다. 각 광축은 두 개의 잇면 상의 각 프레넬 소자와 대응된다. 동심 배치 방법의 장점은 프레넬 소자의 중심근처의 신호를 강화하는 것이다. 다른 배치방법은 도 6을 참조할 수 있다. 두 개의 잇면 상의 프레넬 소자의 수는 상이하며 착심 배치되어 있다. 또한, 착심배치는 바람직하게 간극이 동일한 방법을 취한다. 착심 배치라 함은 두 개의 잇면 상에 있는 프레넬 소자의 광축은 서로 겹치지 않으며, 간극이 동일하다 함은 한 개의 잇면 상의 임의의 프레넬 소자 광축과 다른 한 잇면 상의 해당 광축을 둘러싼 가장 가까운 몇 개의 프레넬 소자의 광축사이 거리가 동일함을 말한다. 도 6에서 광축은 점선으로 표시되어 있다. 아래 잇면 상 프레넬 소자의 광축은 윗 잇면 상 4개 프레넬 소자의 광축 중심에 위치한다. 등거리 및 착심 배치의 장점은 신호를 균일하게 하여 감지 범위에 사각지대가 생기는 것을 줄인다.

일반적으로 두 개 이상의 잇면을 융통성있게 조합하여 하나 또는 여러 개의 소자를 형성할 수 있다. 예를 들어, 복합 프레넬 굴절면은 단면 소자에 응용하여 도 2에 표시된 몇가지 유형과 같이 단면 복합 프레넬 렌즈를 형성할 수 있다. 또한, 단면 복합 프레넬 렌즈는 두 개이상의 단면 단순 프레넬 렌즈의 뒷면을 한 개의 거시적 곡면 상에 형성한 것이다. 실시 방법의 일례에서 두 개의 잇면은 각각 두 개의 분리된 소자에 위치하여 두 개의 단면 프레넬 렌즈로 구성된 시스템을 형성한다. 두 개의 소자는 잇면 대 잇면, 또는 잇면 대 뒷면, 또는 뒷면 대 뒷면으로 연결될 수 있다. 또 다른 실시 방법에서 도 7와 같이 두 개의 잇면은 맞대어 연결되는 방식으로 동일한 소자 위에 배치되었다. 두 개의 잇면이 위치한 부분은 동일하거나 상이한 재료를 사용할 수 있다. 따라서 도 7의 분계선은 점선으로 표시하였다. 맞대어 연결한 두 개의 프레넬 렌즈는 동일한 재료로 제작할 경우, 양면 프레넬 렌즈가 된다. 또한, 아크릴, 수지 또는 기타 플라스틱 재료를 사용하여 몰드 방식으로 제작하는 등 일체형 방식으로 제작할 수 있다. 이때 두 개의 잇면의 요철특징은 상이하거나 동일하다. 또 다른 실시 방법에서 시스템에 세 개의 잇면을 포함하며, 한 개는 단면 소자, 나머지 두 개는 맞대어 연결하는 방식으로 양면 프레넬 렌즈를 구성한다. 기타 실시 방법에서는 수요에 따라 상기 예의 구조를 조합 및 확장하여 구성할 수 있다.

여기서, 시스템의 두 개의 잇면은 반사면을 설치하는 방법으로 동일한 물리적 계면으로 대체할 수 있음을 확인할 필요가 있다. 도 8을 보면, 소자(400)는 반사 뒷면(401)(내표면은 렌즈면)을 구비하고, 뒷면(401)은 단면 프레넬 렌즈의 평활면에 반사 필름 또는 반사기능을 가진 스티커를 부착하는 방식으로 형성할 수 있다. 반사로 인해, 광경로는 굴절면(402)에서 두 번의 물리적 굴절을 거친다. 따라서 해당 물리적 계면은 두 개의 잇면과 같은 효과를 나타내며, 소자(400)는 반사형 양면 프레넬 렌즈로 볼 수 있다. 또한, 두 개의 잇면의 요철성질은 일치하다. 반사 뒷면을 설치하는 방법으로 광경로의 잇면 수를 간단하게 증가할 수 있고 제작 및 설치 코스트를 낮출 수 있으며, 프레넬 렌즈의 사용형태를 크게 다양화할 수 있다.

아래, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 전자기 복사 감지 시스템을 설명하도록 한다.

실시예1

본 발명에서 공개한 전자기 복사 감지 시스템의 한 실시 방법은 도 9를 참조한다. 감지소자(503)와 두개의 프레넬 렌즈로 구성된 프레넬 렌즈 시스템을 포함한다. 본 실시예의 프레넬 렌즈 시스템은 두 개의 잇면을 포함하고, 그 가운데 잇면(501)은 복합 프레넬 굴절면이고 다른 한 잇면(502)은 한 개의 프레넬 소자만 포함한다. 도면의 점선은 프레넬 소자의 광축을 표시한다. 두 개의 잇면은 두 개의 분리된 단면소자 위에 각각 설치되어 있으며, 단면 복합 프레넬 렌즈와 단면 단순프레넬 렌즈를 형성한다. 두 개의 단면 렌즈는 잇면 대 뒷면의 방식으로 차례로 광경로 위에 배열되어 있으며, 신호가 감지소자(503)로 정합되는데 사용된다. 이 가운데, 복합 프레넬 렌즈는 해당 정합시스템의 대물렌즈로 볼 수 있으며, 그 다음에 오는 단순 프레넬 렌즈는 대안렌즈에 해당된다. 본 실시예의 렌즈시스템은 원거리의 신호를 탐지하는 데 적용가능 하고, 단계별 집광도 가능하다.

바람직한 실시 일례로, 두 개의 렌즈 중에 하나 또는 두 개의 렌즈는 모터 구동이 가능하다. 예를 들어, 모터 구동을 통해 대안렌즈의 자동 초점조절, 또는 나아가 모터 구동을 통하여 대물렌즈의 초점 변경이 가능하게 한다. 이로써 전자기 복사 감지 시스템이 자동 주밍 시스템이 될 수 있다.

실시예2

본 발명의 전자기 복사 감지 시스템의 또 다른 실시 방법은 도 10을 참조한다. 해당 시스템은 다초점면 감지 시스템으로 세 개의 감지소자와 한 개의 트리플 잇면 프레넬 렌즈 시스템을 포함한다. 이 가운데 첫번째 잇면(601)은 복합 프레넬 굴절면으로 한 개의 단면소자에 위치하고, 단면 복합 프레넬 렌즈를 구성하며 광신호에 대한 첫 정합에 사용된다. 두번째 잇면과 세번째 잇면은 복합 프레넬 굴절면이거나 프레넬 소자만 포함할 수 도 있다. 예를 들어, 두번째 잇면과 세번째 잇면은 도 5 또는 도 6에 표시된 상대적 위치관계를 구비할 수 있다. 두 개의 잇면은 동일한 소자에 함께 배치되거나, 두 개의 단면 소자에 각각 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 두번째 잇면(602)과 세번째 잇면(603)은 뒷면을 맞대고 형성된 양면 프레넬 렌즈로 광신호에 대한 두번째 정합에 사용된다.

본 실시예에서 두 개의 렌즈로 구성된 정합시스템은 광파를 스펙트럼의 중심파장에 따라 세 개의 상이한 초점면에 정합한다. 이 가운데 초점면 F1, F2, F3은 각각 대응하는 세 개의 스펙트럼의 중심파장 λ1, λ2, λ3에 대응된다. 각 초점면에는 감지소자(604, 605, 606)가 차례로 위치하여, 여러 개 감지소자가 레이어드되게 한다. 앞 초점면이라 함은 초점거리가 비교적 짧은 초점면을 말한다. 일반적으로, 렌즈의 초점거리와 파장은 단순 체증 관계이다. 다시 말하면, 광파의 중심파장이 길수록 정합된 초점면은 멀어진다. 이러한 관계는 기존 렌즈설계에서 극복해야 했던 한계점으로 작용했다. 하지만, 본 실시예에서 이러한 원리를 이용하여 다초점면 시스템 및 다렌즈 감지 시스템을 실현하였다. 당업자들은 잇면의 광학설계 및 적당한 필름 코팅을 통하여 서로 다른 파장의 광파를 상이한 초점거리의 초점면에 정합할 수 있다. 즉, 상이한 스펙트럼의 정합위치를 분리한다. 실제 수요에 따라 초점면의 수는 1개 내지 4개로 한다. 초점면의 설계가 1개일 경우, 기존 렌즈의 설계와 동일하기 때문에 최대한 파장 대 초점거리의 영향을 줄여야 한다. 하지만, 다수의 초점면을 사용할 경우, 광학 설계가 간단해 질 뿐만 아니라, 상이한 스펙트럼의 빛도 상이한 초점면에서 특수하게 이용되거나 처리될 수 있다.

바람직한 실시 방법으로 각 감지소자의 민감하게 반응하는 감지구간은 위치한 초점면과 대응하는 스펙트럼과 일치하여 스펙트럼의 파장에 최적의 응답을 제공한다. 이로써 입사된 전자기 복사 에너지를 최대한 이용하고, 효과적으로 감지 시스템의 신호 대 잡음비를 제고할 수 있다. 상이한 재료와 구조 설계에 따라 감지소자는 특정 또는 특정 파장범위의 전자기 복사에 대해 기타 범위보다 더 우수한 응답특성을 가진다. 예를 들어 더욱 우수한 융통성 또는 흡수와 이용효율을 나타낸다, 따라서 해당구간을 민감 감지구간 또는 최적감지구간이라 한다. 또 다른 바람직한 실시 방법은, 각 감지소자의 사이즈를 프레넬 렌즈 시스템과 위치한 초점면의 정합면적과 일치시키는 것이다. 예를 들어, 다수의 초점면을 구비한 상황 하에서, 레이어드 된 감지소자는 피라미드와 같은 구조를 가지게 된다. 즉, 초점거리가 비교적 긴 초점면 상에 위치한 감지소자는 비교적 큰 면적을 가진다. 상기 두 가지 바람직한 방법 중 택일하거나 동시에 응용 가능하다.

본 실시예에서 각 초점면의 감지소자는 각각의 독립적인 장치를 통해 실현 가능하고(각 초점면 상에 설치한 감광칩 등), 다층 구조 장치의 각 층을 통해 실현 가능하다. 사용된 독립적인 장치로 스펙트럼 감지를 진행할 경우, 장치 사이는 공극상태 또는 투명재료를 사이층(interlayer)에 충진할 수 있다. 이때, 광경로 상 앞쪽에 위치한 장치는 뒤쪽의 장치들을 통과하는 전자기파가 보다 쉽게 통과할 수 있도록 최대한 얇게 만드는 것이 바람직하다. 다층구조 장치의 각층을 감지소자로 둘 경우, 프레넬 렌즈 시스템의 광학 설계를 통하여 상이한 스펙트럼의 초점면을 다층 구조 장치의 상이한 감지층에 배치한다. 다층구조 장치라 함은 상이한 깊이에서 상이한 감지층을 가지는 장치를 말한다. 예를 들어, 심층 여파원리를 이용하여 제작된 다층구조 분광 감지칩 등이 될 수 있다. 다층구조 장치는 단면제작방식을 취할 수 있다. 즉, 기층의 한 면에 두 개 또는 그 이상의 레이어드 감지층을 제작하거나 양면제작방식, 즉 기층의 정반 두면에 한 개 또는 그 이상의 감지층 구성한다.

본 발명에 응용된 감지소자의 감지방식은 구체적인 응용분야의 수요에 따라 단방향 감지, 또는 양방향 감지방식에서 선택 및 설계할 수 있다. 단방향 감지라 함은 정면, 반대면과 같이 소자의 단일 방향에서 입사된 전자기 복사를 감지하는 것을 말한다. 양방향 감지라 함은 동시 또는 시차를 두고 소자의 정면 또는 반대면에서 입사된 전자기 복사를 감지하는 것을 말한다. 양방향 감지상태에서, 각 방향에 상기 여러 가지 다면 프레넬 렌즈 시스템을 설정할 수 있다.

본 실시예에서, 세 개의 초점면은 세 개의 스펙트럼에 대응된다. 기타 실시방법에서는 파장λ에 따라 필요한 스펜트럼범위를 상이한 구간으로 나눌 수 있다. 구체적인 구분방법은 기존에 보편적으로 사용되는 규칙을 참조하거나 실사용의 수요에 따라 조절할 수 있다. 도 11은 두 가지 보편적인 구분방식을 나타낸 도면이다. 하나는 가시광선 스펙트럼(701)과 (근)적외선 스펙트럼(702) 등 두 구간으로 구분한 것이다. 도 11(a)를 보면, 점선으로 상기 두 구간의 중심파장의 위치를 표시하였다. 가시광선 스펙트럼은 적색(703), 녹색(704), 청색(705) 등 세 개의 스펙트럼을 포함하고 있다. 다른 하나는 자외선 스펙트럼(706), 가시광선 스펙트럼(707), 적외선 스펙트럼(708) 등 세 구간으로 구분하는 것이다. 도 11(b)를 보면, 점선으로 상기 세 구간의 중심파장의 위치를 표시하였다.

본 실시예의 원리는 현대 무선통신분야의 안테나에도 응용하여 안테나가 동시에 서로 다른 파장의 신호수신이 가능하게 할 수 있다. 이는 본 발명의 전자기 복사 감시 시스템은 전자파의 임의 스펙트럼에 모두 적용할 수 있기 때문이다.

실시예3

본 발명의 전자기 복사 감시 시스템의 또 다른 실시 방법은 도 12를 참조하며, 다수의 프레넬 렌즈 시스템을 포함한다. 도 12에서 복사원(801)은 전자기 복사에서 온다. 감지소자(802)는 양방향 감지소자로, 동시에 정면, 반대면의 전자기 복사를 감지할 수 있다. 프레넬 렌즈(803 및 804)는 두 개의 반사형 프레넬 렌즈이다. 예를 들어 프레넬 렌즈(803)는 단면 복합 프레넬 렌즈로 비교적 큰 감지범위를 가니다. 프레넬 렌즈(804)는 양면 프레넬 렌즈로, 두 개의 잇면이 뒷면을 맞대고 연결된 방식으로 구성되며, 강한 정합능력을 가진다. 프레넬 렌즈(805 및 806)는 두 개의 반사형 프레넬 렌즈로 각 한 개의 잇면과 반사 뒷면으로 구성된다.

본 실시예에서 렌즈(803 및 804)의 조합은 한 개의 프레넬 렌즈 시스템으로, 렌즈(803 및 804)의 조합은 두번째 렌즈 시스템, 렌즈(860)은 세번째 렌즈 시스템으로 볼 수 있다. 각각의 렌즈시스템은 자체 감지 범위 내의 전자기 복사를 서로 다른 방향에서 감지소자(802)로 정합한다. 반사형 프레넬 렌즈를 사용한 관계로, 시스템의 감지범위는 크게 확장되어 전자기 복사의 강도를 배로 제고시킨다. 뿐만 아니라, 프레넬 렌즈의 두께가 얇기 때문에, 전자기 복사가 렌즈를 통해 전송될 때 에너지 감쇄가 적다. 따라서, 본 실시예의 시스템은 특히 태양광 발전 및 레이더 신호 또는 우주신호 탐지분야에 적용할 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전분야에서, 복사원(801)은 태양, 양면 감지소자(802)는 태양광 패널, 구체적으로, 단면 태양광 패널 또는 양면 태양광 패널일 수 있다. 바람직한 실시방법으로 간단한 단면 양방향 감지소자의 제작방법은 감지소자를 매우 얇게 제작하여 전자기 복사(빛 등)가 양 방향으로 소자의 감지구간에 도달하는 것이다. 또 다른 바람직한 실시방법으로, 양면 감지소자는 두 개의 단면 감지소자를 단순하게 뒷면을 맞대어 연결한 방식으로 제작할 수 있다.

이 밖에, 실시방법의 일례로 반사형 양면 프레넬 렌즈의 잇면은 보다 바람직하게 충진된 프레넬 굴절면일 수 있다. 즉, 두 개의 상호보완형 형태를 가진 잇면을 긴밀하게 연결하여 형성할 수 있다. 고체 잇면과 고체 잇면을 접합할 수 있을 뿐만 아니라, 고체 잇면과 액체 잇면을 접합할 수도 있다.

실시예4

본 발명의 전자기 복사 감지시스템의 또 다른 실시방법은 도 13을 참조하며, 감지소자(901), 두 개의 프레넬 렌즈(902 및 903)로 구성된 프레넬 렌즈 시스템 및 열교환 시스템을 포함한다.

렌즈(902)는 잇면이 밖을 향한 단면 프레넬 렌즈를 사용하고, 렌즈(903)는 액체 충진된 프레넬 렌즈이다. 구체적으로, 렌즈(902)의 뒷면과 렌즈(903)의 잇면 사이에 밀폐된 공간을 형성하고 액체를 충진하여 형성하였다.

감지소자(901)는 방열부분으로 열전도재료를 통해 열교환 시스템의 매질과 열교환한다. 본 실시예에서, 감지소자는 냉각탱크(904) 및 매질과 열교환한다. 기타 실시예에서 감지소자는 직접 또는 열전도재료로 포장한 후, 열교환시스템의 매질에 침지된다.

열교환 시스템은 냉각탱크(904), 집열매질의 저장소자(905) 및 각각의 구역과 연결된 파이프(908)를 포함한다. 열교환에 사용되는 매질은 파이프를 통하여 각 구역에 흘러들어간다. 본 실시예에서 집열매질은 직접 열교환 매질로 각 구역에서 유동한다. 또 다른 실시방법에서, 집열매질과 매질은 서로 격리되어 있고, 동일하거나 상이한 물질을 사용하여 저장소자의 열교환 구조를 통해 열교환한다.

감지 시스템이 작동할 때, 입사된 전자기복사(도면의 화살표부분)는 프레넬 렌즈시스템을 통하여 감지소자에 모이고, 매질은 입구(906)를 통해 저장소자에 들어간다. 액체의 열대류원리(뜨거운 매질이 위로 올라가는 원리)에 따라, 서로 연결된 파이프를 통해 감지소자의 냉각탱크와 감지소자가 열교환한다. 그리고나서 연결된 파이프를 통해 렌즈(902 및 903) 사이의 밀폐공간에 들어가 렌즈와 열교환하고, 충진액체로 작용한다. 다음, 연결된 파이프를 통하여 다시 저장소자로 돌아와 마지막으로 출구(907)로 흘러나온다. 상기 열교환 과정은 단지 예시로, 실제 응용분야의 수요에 따라 매질이 지나는 구역을 증가하거나 감소할 수 있다. 예를 들어, 충진된 프레넬 렌즈의 충진공간은 완전하게 밀폐형으로 하고, 매질을 충진액체로 할 필요가 없다. 실제 사용에서, 시스템은 또한 자동밸브, 압력 제어시스템, 온도 제어시스템 등을 포함할 수 있다.

본 실시예의 전자기 복사 감지 시스템은 가정용 태양광발전 및 온수 시스템에 사용할 수 있다. 이때, 감지소자는 태양광패널, 열교환시스템의 매질은 물, 저장소자는 온수탱크로 한다. 입사한 부분 태양광은 태양광 패널에서 전기에너지로 전환되고 나머지 태양광은 열에너지로 전환된다. 생성된 열에너지는 열교환시스템의 물에 흡수되어 물을 가열한다. 이로써 태양광의 이용율을 높이고, 가정용 온수 가열에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 여기서, 냉수가 입구(906)로 유입되고 출구(907)로는 가정용 온수가 배출된다.

본 실시예의 전자기 복사 감지 시스템은 냉각시스템을 구비한 적외선 야간 관측 시스템에 적용이 가능하다. 여기서, 감지소자는 적외선 감광칩, 저장소자는 냉각기, 매질은 냉각제로 하며, 냉각제가 렌즈공간 및 감지소자가 위치한 냉각탱크를 지날 때, 냉각작용을 한다. 적외선 야간 관측 시스템에서 렌즈 등 주변물체의 열복사가 감지소자에 대한 영향을 줄이기 위해 일반적으로 렌즈와 감지소자를 관측대상보다 훨씬 낮은 온도로 냉각시킨다. 기존의 적외선 야간 관측 시스템에서 사용되는 렌즈는 두께가 두껍고, 외부와의 접촉으로 냉각시키기 때문에 냉각속도가 비교적 느리기 때문에 시스템 사용 전에 비교적 긴 냉각과정을 거쳐야 한다. 하지만, 본 실시예의 적외선 야간 관측 시스템을 사용하면 렌즈두께가 얇을 뿐만 아니라, 내부에서 직접 냉각하기 때문에 냉각속도가 대폭 제고되어, 감지소자의 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 뿐만 아니라, 액체 충진된 프레넬 렌즈를 사용하였기 때문에 고품질 영상구현이 가능하다. 이외, 일부 응용분야에서 수요에 따라 열교환시스템을 이용하여 반대로 렌즈 또는 감지소자를 가열할 수도 있다.

상기 응용에 관련된 개별 실시예는 본 발명의 원리 및 실시방법을 설명한 것으로, 실시방법은 다만 본 발명의 이해를 위한 것으로 본 발명에 제한을 두는 것은 아니다. 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 상기 구체적 실시방법에 대한 다양한 변형 및 다른 실시예가 가능하다는 점이 이해될 것이다.

Claims (15)

1. 감지소자, 및
   전자기 복사의 정합에 사용되는 프레넬 렌즈 시스템
   을 포함하고, 상기 감지소자는 상기 프레넬 렌즈 시스템에 의해 정합된 전자기 복사를 감지하며, 상기 프레넬 렌즈 시스템은 동일한 광 경로 상에 있는 적어도 2개의 잇면(tooth side)을 포함하고, 잇면마다 적어도 하나의 프레넬 소자를 포함하고, 각 프레넬 소자는 한 개의 원시곡면에서 생성된 프레넬 굴절면이며,
   상기 2개의 잇면 중 적어도 하나는 복합 프레넬 굴절면 또는 충진된 프레넬 굴절면이거나, 또는 상기 2개의 잇면은 동일한 물리적 계면에 위치하며, 잇면이 위치한 소자에 반사 뒷면을 구비한, 전자기 복사 감지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 원시곡면의 초점은 동일한 직선 위의 동축면에 위치하고, 상기 동축면은 2차 회전곡면, 회전 고차원 다항식곡면, 기둥면 및 뿔면을 포함하는, 전자기 복사 감지 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   각 잇면 상의 프레넬 소자는 뒷면을 맞대고 있고 뒷면에 거시적 곡면을 형성하는, 전자기 복사 감지 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 거시적 곡면은 평면, 동축면, 다수의 평면을 연결하여 형성한 절면 또는 계단면에서 선택된, 전자기 복사 감지 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   동일한 잇면 상에 위치한 프레넬 렌즈 소자들은 동일한 스펙트럼의 빛을 모두 동일한 점, 또는 한 개의 직선, 또는 한 개의 제한적인 구역 안에 정합하는, 전자기 복사 감지 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 프레넬 렌즈 시스템은 상기 전자기 복사를 상이한 스펙트럼의 중심파장에 따라 대응하는 초점면에 정합하고, 상기 초점면은 1개 내지 4개이며, 각 초점면에는 감지소자가 설치되어 있고, 인접한 초점면 간의 거리차는 앞 초점면 상의 감지소자의 두께보다 작지 않은, 전자기 복사 감지 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 초점면의 초점거리가 길수록 대응하는 중심파장이 더 긴, 전자기 복사 감지 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   각 감지소자가 민감하게 반응하는 감지구간은 상기 감지소자가 위치한 초점면과 대응하는 스펙트럼과 일치하고, 그리고/또는 각 감지소자의 사이즈가 상기 감지소자가 위치한 초점면 상의 상기 프레넬 렌즈 시스템의 정합면적과 일치하는, 전자기 복사 감지 시스템.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   각 초점면 상의 감지소자는 각각 독립적인 장치를 통해 실현되고, 상기 독립적인 장치 간은 공극상태이거나 투명재료를 사이층(interlayer)으로 충진하거나; 또는 각 초점면 상의 감자소자는 각각 다층구조 장치의 각 층을 통해 실현되며,
   상기 감지소자의 감지모드는 단방향 감지 또는 양방향 감지인, 전자기 복사 감지 시스템.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 잇면은 모두 복합 프레넬 굴절면이고, 상기 2개의 복합 프레넬 굴절면 상의 프레넬 소자의 수는 동일하며, 동심 배치되거나, 또는 상기 2개의 복합 프레넬 굴절면 상의 프레넬 소자의 수는 상이하고 착심(錯心) 배치되고, 바람직하게는 동일한 거리차를 두고 착심 배치되는, 전자기 복사 감지 시스템.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진된 프레넬 굴절면의 충진재료는 고체, 액체 또는 기체에서 선택되며, 상기 고체는 바람직하게는 아크릴, 플라스틱, 수지이고, 상기 액체는 바람직하게는 물이며, 상기 기체는 바람직하게는 불활성 기체인, 전자기 복사 감지 시스템.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈 시스템은 한 개의 양면 프레넬 렌즈를 포함하고, 상기 양면 프레넬 렌즈는 한 개의 잇면과 한 개의 반사 뒷면으로 구성되거나, 또는 상기 양면 프레넬 렌즈는 2개의 잇면이 서로 뒷면을 맞대고 있는 방식으로 구성된, 전자기 복사 감지 시스템.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개의 잇면은 각각 2개의 분리된 소자 위에 위치하고, 상기 2개의 분리된 소자 중 하나는 모터 구동을 통해 자동으로 초점을 맞추며, 그리고/또는 상기 2개의 분리된 소자 중 다른 하나는 모터 구동을 통해 주밍(Zooming)하는, 전자기 복사 감지 시스템.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환 시스템을 더 포함하고,
    상기 감지소자는 방열부분으로 상기 열교환 시스템의 매질에 침지되어 있거나, 또는 상기 감지소자는 열전도 재료를 통해 상기 열교환 시스템의 매질과 열교환하는, 전자기 복사 감지 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 감지소자는 태양광패널이고, 상기 열교환 시스템을 온수시스템으로 하거나, 또는 상기 감지소자는 적외선 감광칩이고, 상기 열교환 시스템을 냉각시스템으로 하는, 전자기 복사 감지 시스템.

Images