KR20220027210A - 상이한 광출력의 자오선이 있는 나선형 디옵터 - Google Patents

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KR20220027210A
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optical
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로랑 갈리니어
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스파이럴
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Abstract

상이한 광출력의 자오선이 있는 나선형 디옵터
본 발명은 광축을 갖는 광학장치(100,200,400,800)에 관한 것으로, 적어도 2개의 자오선을 갖는 적어도 1개의 표면을 포함하고, 표면 중 적어도 일부는, 정면에서 보았을 때 광축 상에 중심점(206,406,806)이 있는 적어도 1개의 나선형 세그먼트를 형성하며, 각각의 나선형 세그먼트는, 초점이 관형 영역에 걸쳐 확장되어 얻어지도록 상이한 광출력의 상기 자오선을 나타낸다.

Description

상이한 광출력의 자오선이 있는 나선형 디옵터
본 발명은 굴절 인터페이스를 형성하는 광학 장치 분야에 관한 것이다. 비록 안과용 렌즈에 대한 적용과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 임의의 구면 또는 원환체(toric), 굴절 인터페이스 및 적어도 2개의 자오선을 갖는 임의의 굴절 표면의 인터페이스에도 적용되고, 이는 이미지 형성 및/또는 광출력 분배 및/또는 시력 교정에 이용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 광학 장치는 광학 시스템의 광학 렌즈, 안경 렌즈, 강성 또는 가요성 컨텍트 렌즈, 사진 대물렌즈의 일부, 동작 검출기의 일부, 또는 광 에너지를 집중시키는 장치일 수 있다.
일반적으로, 본 발명은 가시적 또는 비가시적 영역에서 광이 집중되는 임의의 응용 분야에도 적용할 수 있다.
예를 들어, 안과용 렌즈와 같은 렌즈는 2개의 마주하는 광학 표면으로 구성되는데, 이는 일반적으로 원형 베이스의 실린더에 새겨진 모서리 면에 의해 연결된 굴절 인터페이스로 불린다.
현재, 광학 표면은 일반적으로 다음과 같은 4가지 개별 범주로 주로 분류된다.
- 구의 내부 또는 외부 표면 일부의 표면인, 구면 굴절 인터페이스
- 구면으로부터 발생하고 그 표면이 회전 표면의 일부이며, 정점에서 주변까지 연속적으로 변하는 곡률인, 비구면 굴절 인터페이스
- 곡률이 동일하지 않은 2개의 직교하는 주 자오선을 가지는 표면과 이 두 자오선을 따라 면목상 원형 단면인, 원환체 곡률 인터페이스
- 서로 수직이고 동일하지 않은 곡률을 갖는 2개의 주요 자오선과 주 자오선 중 적어도 1개의 단면이 원형이 아닌 표면인, 원환체 곡률 인터페이스
2 개의 구면 굴절 인터페이스의 결합으로 형성된 구면 렌즈의 초점은, 이미지 초점이라고 불리우는 한 점까지 단일 초점 거리를 가진다. 이러한 점 마다의 초점은 소위 “무수차” 광학 시스템의 특징이다.
도 1을 참조하면, 원환체 표면(1)을 가지는 광학 렌즈에 의해 생성되는 비점 수차(구면 렌즈로 얻어지는 일점 무비점 수차(stigmatism)의 부재)의 잘 알려진 원리가 상기 될 것이다.
원환체 표면(1)은 제1자오선(2)이 원환체의 외부 반경에 의해 정의된 제1원의 원호를 형성하도록 원환체(torus)(미도시)의 회전축에 대해 제1곡률(C1)로 만곡된 제1자오선(2)를 가진다.
원환체 표면(1)은 또한 제1자오선(1)에 수직이고, 제1자오선(2)의 중앙 - 참조로 A-A로 지정된 - 을 통과하는 원환체의 반경에 위치한 곡률 중심에 대해 제1곡률보다 더 큰 곡률인 제2곡률(C2)로 만곡된, 제2자오선(3)을 갖는다. 축 A-A는 원환체 표면의 광축이다.
렌즈는, 굴절률 n의 광학 재료로 형성되어, 상기 원환체 표면(1)을 통과한 광은 굴절된다.
특히, 평행 조명 하에서, 제1자오선(2)을 통과한 광은 제1초점거리(4)에서 수렴하여 제1자오선(2)과 평행한 섹션(5)을 형성하고, 제2자오선(3)을 통과한 광은 제2초점거리(6)에서 수렴하여 제2자오선(3)에 평행한 섹션(7)을 형성한다.
원환체 렌즈(1)는 2개의 굴절력인 D1과 D2를 가지는데, 이는 이하 관계에 의해 주어진다: D1 = (n-1)C1, D2 = (n-1)C2.
미국 특허 A-5198844는 적어도 2개의 상이한 굴절력을 갖는 복수개의 대체 섹션으로 분할된 다초점 렌즈를 개시하고 있다. 일 실시 예에서, 연속적인 섹션들 사이의 경계는 렌즈의 중심으로부터 시작하는 원호이다. 이 렌즈는 구면 또는 비구면 섹션으로만 구성되고, 이 섹션은 능선 형태를 취하는 표면 접합부가 더 있다.
일반적으로, 초점 영역을 연장하기 위해, 소위 구면의 무비점 수차 광학 장치를 개선할 필요가 있다.
본 발명의 한가지 목적은 이러한 필요를 적어도 부분적으로 충족시키는 것이다.
이를 위해, 일 실시 예에 따르면 본 발명은, 적어도 2개의 자오선을 갖는 적어도 1개의 표면을 포함하는 광축을 가지는 광학 장치에 관한 것으로, 표면 중 적어도 일부는 정면에서 보았을 때 광축 상에 중심점이 있는 적어도 1개의 나선형 세그먼트를 형성하며, 초점이 더 이상 단순한 하나의 점 수차가 아닌 광축을 따라 뻗어있는 관형 영역에 걸쳐 확장되도록 하기 위해 각각의 나선형 세그먼트는 상이한 광출력의 자오선을 나타낸다.
유리한 일 실시 예에 따르면, 1개 또는 그 이상의 나선형 세그먼트는 0이 아닌 제1곡률로 만곡된 제1자오선과 제1곡률보다 엄밀히 더 큰 제2곡률로 만곡된 제2자오선을 포함하는 원환체 표면으로부터 생성되고, 제2자오선은 제1자오선에 수직이다.
이러한 실시 예 및 유리한 다른 실시 예에 따르면, 1개 또는 그 이상의 상기 나선형 세그먼트는 제1원환체 표면과 제2원환체 표면으로부터 생성되고, 제1원환체 표면은 제1원환체의 회전축에 대해 0 이 아닌 제1곡률로 만곡된 제1자오선과 제1곡률보다 엄밀히 더 큰 제2곡률로 만곡된 제2자오선을 포함하고, 제2자오선은 제1자오선에 수직이며, 제2원환체 표면은 제2원환체의 회전축에 대해 0 이 아닌 제1곡률로 만곡된 제1자오선과 제1곡률보다 엄밀히 더 크고 제2원환체의 제1자오선으로부터 수직인 제2곡률로 만곡된 제2자오선을 포함하며,
제1원환체 표면과 제2원환체 표면에 광축에 대해 복수개의 방위 각도 섹터를 각각 포함하고,
제1원환체 표면의 제1자오선과 제2원환체 표면의 제1자오선은 광축에 관해 0도 아닌 각으로 이격되는 방위각 방향을 가지고,
나선형 세그먼트는 제1원환체 표면의 제1자오선과 제2원환체 표면의 제1자오선으로부터 발생하는 제1광출력 자오선과 제2광출력 자오선을 나타낸다.
하나의 다른 실시 예에 따르면, 제1원환체 표면의 방위 각도 섹터와 제2원환체 표면의 방위 각도 섹터는 나선형 세그먼트 경계를 통해 인접한다.
제1원환체 표면과 제2원환체 표면은 2개의 정반대로 대향하는 방위 각도 섹터로 각각 형성될 수 있다.
각각의 제1원환체 표면의 각도 섹터는 제2원환체 표면의 2개의 각도 섹터에 인접할 수 있다.
하나의 유리한 특징에 따르면, 제1원환체 표면의 제1자오선과 제2원환체 표면의 제1자오선의 방위각 방향 사이의 각은 60°와 90°사이에서 형성된다.
바람직하게는, 제1원환체 표면의 제1곡률은 제2원환체 표면의 제1곡률과 동일하다.
더 바람직하게는, 제1원환체 표면의 제2곡률은 제2원환체 표면의 제2곡률과 동일하다.
하나의 다른 실시 예에 따르면, 나선형 세그먼트의 반경은 극좌표에서 선형 법칙, 2차 법칙 및 로그법칙에 의한 나선형 각도와 관련된다.
다른 실시 예에 따르면, 광학 장치는 광축 상에 중심이 있는 구면을 더 포함한다.
본 발명에 따른 광학 장치는 적어도 1개의 나선형 세그먼트의 표면이 광학 렌즈 전면을 유리하게 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 시력의 교정, 및/또는 광선속의 집중, 및/또는 이미지를 형성하기 위해 앞서 설명된 것과 같은 광학 장치의 용도이다.
본 발명은 다음과 같이 많은 이점을 가진다.
- 사진렌즈, 카메라, 프로젝터렌즈, 가상 현실 헤드셋 등과 같은 임의의 광학 이미지 형성 시스템에서 초점을 조정할 필요성을 줄일 수 있는 능력;
- 예를 들어, 현재 사용되는 전동식 초점 장치를 제거함으로써 광학 이미지 형성 시스템의 부피를 줄이는 능력;
- 태양열 난방 시스템 또는 레이저 절단 장치와 같은 광출력을 집중하는 시스템에서 사용될 수 있는 능력; 예를 들어 레이저 절단 장치에서 관형 초점은 광축을 따라 초점 영역의 길이가 증가되도록 허용하고, 이에 따라서 절단될 수 있는 두께도 증가;
- 적외선 동작 감지기 또는 물리적 측정 시스템과 같은 광학 감지 시스템에 사용되는 능력으로, 관형 초점으로 인한 선명도 영역의 길이는 초점 조정의 필요성을 유리하게 감소;
- 시력 교정 응용 분야에서, 관형 초점은 초점 거리의 긴 영역에 상에 선명도 영역이 생성되도록 허용하는데, 예를 들어 단일 안과용 렌즈로 근거리 및 원거리 시력을 보장하고, 노안 및 다수의 굴절력에 대한 광학적 보상을 허용한다. 따라서 하나의 안과용 렌즈는 하나 이상의 굴절이상 값에 사용될 수 있다. 관형 초점은 또한 시야를 개선하기 위해 광축에서 벗어난 광선의 초점을 개선할 수 있다. 이것은 안과용 렌즈에 특히 유용하게 사용될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 나선화에 의해 한 표면이 생성된 광학 렌즈는 초점 길이의 화선(caustic)이 길어질 수 있도록 허용한다.
일반적으로, 본 발명이 구현하는 광학 장치는 임의의 이미지 형성 어플리케이션, 예를 들어 사진, 비디오, 광학 검출, 시력 교정 및 초점을 요구하는 임의의 다른 어플리케이션에 사용될 수 있다.
광학 장치, 특히 렌즈는, 광학 유리 또는 폴리머와 같은 임의의 광학 재료로 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 1개 또는 그 이상의 나선형 세그먼트는 기계 가공, 적층 제조 또는 성형 기술을 사용하거나 다수의 이러한 기술을 조합하여 생산될 수 있다.
본 발명의 다른 이점 및 특징은, 다음 도면을 참조하여 예시로 제공되는 본 발명의 실시 예에 대한 상세하지만 비제한적인 설명을 읽으면 더욱 명확해진다.
- 도 1은 원환체 표면의 광학 렌즈를 통과한 평행 광의 분포의 개략도이다.
- 도 2는 관형 초점의 광학 렌즈의 제1실시 예의 개략적인 정면도이다.
- 도 3은 축에 대향하는 2개의 원환체 표면을 갖는 다초점 광학 렌즈의 개략적인 정면도이다.
- 도 4는 도 3의 다초점 광학 렌즈의 개략적인 사시도이다.
- 도 5는 도 3과 도 4의 광학 렌즈를 통과한 평행 광속의 분포의 개략도이다.
- 도 6은 축에 대향하는 2개의 원환체 표면을 갖는 다초점 광학 렌즈의 실시 예의 개략적인 정면도이다.
- 도 7은 도 6의 렌즈의 기하학적 구조로부터 생성된 본 발명에 따른 관형 초점 렌즈의 일 실시 예의 개략적인 정면도이다.
- 도 8은 축에 대향하는 2개의 원환체 표면을 갖는 다초점 광학 렌즈의 다른 실시 예의 개략적인 정면도이다.
- 도 9는 도 8의 렌즈의 기하학적 구조로부터 생성된 본 발명에 따른 관형 초점 렌즈의 다른 실시 예의 개략적인 정면도이다.
- 도 10은 종래 기술에 따른 구면 광학 렌즈와 비교하여, 본 발명에 따른 광학 렌즈를 통과한 평행 광속의 분포의 개략적인 측면도이다.
- 도 11은 본 발명에 따른 광선의 관형 초점 영역을 도시하고, 로그 나선을 갖는 광학 렌즈를 통과한 평행 광선의 개략적인 사시도이다.
- 도 12는 도 11의 광선의 초점 튜브를 비교한 확대도와, 도 6에 예시된 축에 대향하는 원환체 표면을 갖는 렌즈의 초점 영역의 비교도이다.
- 도 13은 본 발명에 따른 구형 중앙 부분과 나선형 주변 부분을 포함하는 관형 초점 렌즈의 변형 실시 예의 정면도이다.
- 도 14는 본 발명에 따른 2개의 원환체 표면과 그 사이가 나선형인 접합부를 포함하는 관형 초점 렌즈의 다른 변형 실시 예의 정면도이다.
본 발명과 관련하여 '정면에서 보았을 때'가 여기에서 의미하는 바는, 장치의 광축을 따른 관점이다. 즉, 광축을 직교하는 면에 투영하는 관점을 말하는 것이다.
명료함을 위해, 나선 형상의 표면 부분은 광축에 직교하는 평면으로의 투영으로 정의된다. 본 발명에 따른 나선형 세그먼트는 3차원 표면에서 전개되기 때문에, 이는 나선형의 문제이다.
따라서, 본 발명은 적어도 1개의 나선 세그먼트를 포함하는 표면, 즉 광축에 직교하는 평면에 투영된 나선형 표면을 포함하는 굴절 인터페이스의 2개 또는 그 이상의 자오선을 갖는 표면으로부터 생성되는 것으로 필수적으로 구성된다.
다시 말해서, 본 발명은 2개의 자오선이 있는 표면의 나선화한 굴절 인터페이스를 생성하는 것으로 필수적으로 구성된다.
어떤 면에서, 2개 또는 그 이상의 자오선이 있는 표면이 가단성 상태인 경우, 수행되어야 할 것은 1개 또는 그 이상의 나선 형상의 곡선을 따라 이 표면을 비틀림 변형하는 것이다.
이 나선화는 2개 이상의 자오선이 있는 임의의 비구면 굴절 인터페이스 표면에도 적용할 수 있다.
나선화는 원환체 표면에서 적용되는 것이 바람직하고, 서로 마주하는, 즉 서로 90도인 자오선을 갖는 2개의 동심원의 원환체를 포함하는 광학 장치에 적용되는 것이 더욱 바람직하다.
원환체 표면의 경우, 광이 제1자오선의 곡률을 통해 제1초점거리로 분산되고, 광이 제2자오선 곡률을 통해 제2초점거리로 분산되도록 허용하면서, 비점 수차 축의 나선화는 나선형 초점 광 튜브를 생성하여 굴절 인터페이스의 초점거리를 증가시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 나선형 세그먼트는 상이한 형상을 가질 수 있는데, 예를 들어 선형 법칙, 2차 법칙 또는 실질적으로 로그 법칙에 따른다. 또한, 이러한 다양한 법칙은 광학 장치의 동일한 표면에서 결합될 수 있는데, 예를 들어 렌즈의 제1환형 세그먼트에서 로그 법칙과 제1환형 세그먼트를 둘러싸는 렌즈의 제2환형 세그먼트에서 2차 또는 선형 법칙을 갖는 렌즈를 얻는다.
본 발명에 따른 나선형 세그먼트는 굴절 인터페이스의 한 부분에서 만 생성될 수 있다. 따라서 이 것은 중앙부분, 2개의 이격되는 표면 사이의 접합부분, 예를 들어 2개의 원환체 표면 또는 주변 부분에만 생성될 수 있다.
본 발명에 따라 얻어진 관형 초점은, 초점 거리의 연장된 범위에 상에 동일하게 유지되고 관에 새겨진 초점이다.
도 1은, 선행문헌과 관련된 것으로, 앞서 이미 언급하였다. 따라서 아래에서 더 자세히 설명하지 않는다.
다음 도면들은 본 발명에 따른 관형 영역에 상에 확장되는 초점을 생성하는 적어도 1개의 나선형 세그먼트를 갖는 2개 이상의 자오선을 갖는 표면을 포함하는 광학 렌즈의 다수의 예를 도시한다.
다양한 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 나선화 세그먼트는 다양한 방식으로 생성될 수 있는데, 예를 들어 선형 법칙, 2차 법칙 또는 실질적으로 로그 법칙에 따라 생성될 수 있다. 이러한 다양한 법칙은 또한 동일한 렌즈에서 결합될 수 있으며, 예를 들어 렌즈의 제1환형 세그먼트의 로그 법칙과 제1환형 세그먼트를 둘러싸는 렌즈의 제2환형 세그먼트의 2차 법칙 또는 선형법칙이 결합될 수 있다.
주어진 광학 장치는 복수개의 나선형 세그먼트를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 관형 초점의 광학 렌즈(800)를 도시한다. 사용된 표현은 대조적으로 도면의 평면에 수직인 거리를 나타낸다: 더 어두운 부분은 먼 곳을 나타내고, 더 밝은 부분은 가까운 곳을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이 광학 렌즈(800)는 렌즈의 원환체 표면의 나선화에 의해 생성된다. 중심점은 806이다. 따라서, 표면(801)의 기하학적 구조는 광축상에 중심점(806)이 있는 나선형이다. 극좌표에서 나선의 각도는 광축으로부터 반경 거리에 따라 증가한다. 특히, 제1곡률을 추가로 갖는 제1자오선(802)은 광축에 관해 나선 형상을 갖는다. 또한, 도 1의 원환체 렌즈에서 제2자오선에 평행하고 제2곡률을 갖는 선(803)은 상이한 방위각 방향을 가지고, 선의 방향은 나선화로 인해 광축으로부터의 거리에 따라 변한다.
사실, 본 발명을 달성하기 위해, 발명자는 종래 기술의 다초점 렌즈의 단점을 분석한 후, 광축을 따라 초점영역을 확장하고자 하였다.
2 개의 동심 원환체 표면이 잇는 다초점 렌즈에서 시작하여, 축에 대향하여 두는 것을 생각했다.
도 3과 도 4는 이러한 다초점 광학 렌즈(100)의 정면도와 투시도를 도시한다. 다초점 광학 렌즈(100)는 제1원환체 표면(102)과 제1원환체 표면(102)을 동심원으로 둘러싸는 제2원환체 표면(104)을 포함한다.
따라서, 광축 A-A를 따라 축방향으로 렌즈(100)를 보면, 제1표면(102)은 제1광학영역에 대응하고, 제2표면(104)은 제1표면(102)과 동심인 제2광학영역에 대응한다.
제1원환체 표면(102)은 제1곡률로 만곡된 제1자오선(1021)과 제2곡률로 만곡되고 제1자오선(1021)에 수직인 제2자오선(1022)을 갖는다. 마찬가지로, 제2표면(104)은 제1곡률로 만곡된 제1자오선(1041)과 제2곡률로 만곡되고 제1자오선(1041)에 수직인 제2자오선(1042)을 갖는다. 특히, 제1표면(102)과 제2표면(104)의 각각에서 제2곡률은 제1곡률보다 크다.
제1표면(102)과 제2표면(104)의 각각의 주변은 원형 단면이다.
제1표면(102)의 제1자오선(1021)은 제1표면(104)의 제1자오선(1041)에 수직이다.
제1표면(102)의 제1곡률은 제2표면(104)의 제1곡률과 상이하거나 동일할 수 있다. 마찬가지로, 제1표면(102)의 제2곡률은 제2표면(104)의 제2곡률과 상이하거나 동일할 수 있다.
따라서, 렌즈(100)는 서로 상이한 자오선 축을 갖는 2개의 동심 원환체를 포함하고, 이는 특히 대향하거나 반대축 형식으로, 즉 2개의 원환체 사이가 90°의 각을 형성한다.
도 5는 제1표면의 제1곡률은 제2표면의 제1곡률과 동일하고 제1표면의 제2곡률은 제2표면의 제2곡률과 동일한 예에서, 평행한 조명 하에 다초점 광학 렌즈를 통과한 광의 분포를 도시하였다. 제1표면(102)의 제1자오선(1021)을 통과한 광은 제1초점거리(106)에서 수렴하여 제1자오선(1021)과 평행한 제1섹션(1081)을 형성하고, 제1표면(102)의 제2자오선(1022)을 통과한 광은 제2초점거리(110)에서 수렴하여 제2자오선(1022)과 평행한 제2섹션(1082)를 형성한다.
또한, 제2표면(104)의 제1자오선(1041)을 통과한 광은 제1초점거리(106)에서 수렴하여 제1자오선(1041)과 평행한 제1섹션(1121)을 형성하고, 제2표면(104)의 제2자오선(1042)을 통과한 광은 제2초점거리(110)에서 수렴하여 제2자오선(1042)에 평행한 제2섹션(1122)을 형성한다.
따라서, 이러한 렌즈(100)로, 얻어진 초점 영역은 종래 기술의 다초점렌즈의 초점 영역보다 더 길다. 이 연장된 초점 영역은 표면(102,104)의 원환체에 의존한다.
이 초점 영역이 충분히 집중되지 않았다는 것을 관찰한 발명자는, 관형 영역에 집중된 초점을 얻기 위해 표면의 나선화를 수행하는 것을 생각하여, 이에 따라 광축을 따라 더 긴 거리에 걸쳐 초점을 얻는 것을 가능하게 하였다.
도 6과 도 7은, 축에 대향하고 나선형 축에 대향하여 이중 원환체 표면을 갖는 관형 초점의 광학 렌즈(200)의 실시 예를 각각 도시한다.
도 6의 광학 렌즈(200)는 제1원환체의 회전축에 대해 제1곡률로 만곡된 제1자오선(2021)과, 제1곡률보다 크고 제1자오선(2021)에 수직이며 제2곡률로 만곡된 제2자오선(제2자오선에 평행한 호(2022)로 표시됨)을 갖는 제1원환체 표면(202)을 포함한다. 또한 광학 렌즈(200)는 제1원환체 표면(202)과 나란하게 위치되고 제2환원체의 회전 축에 대해 제1곡률로 만곡된 제1자오선(2041)과, 제1자오선(2041)에 수직이고 제2곡률로 만곡된 제2자오선(제2자오선에 평행한 호(2042)로 표시됨)을 갖는 제2원환체 표면(204)을 포함한다. 정면에서 보았을 때, 즉 중심(206)을 통과하는 렌즈(200)의 광축에 수직인 투영 평면에 투영하면, 제1원환체 표면(202)은 정반대로 대향하고 정점이 만나는 2개의 방위 각도 섹터(2082,2084)에 대응하고, 이는 광학렌즈(200)의 중심(206)을 향하여 회전된다. 같은 방식으로, 제2원환체 표면(204)은 정반대로 대향하고 정점이 만나는 2개의 방위 각도 섹터(2081,2083)에 대응하고, 이는 중심(206)을 향하여 회전된다. 제1원환체 표면(202)의 각각의 방위 각도 섹터(2082,2084)는 제2원환체 표면(204)의 2개의 방위 각도 섹터(2081,2083)에 인접한다. 각도 섹터(208)는 제1원환체 표면(202)과 제2원환체 표면(204)의 교차선에 의해 경계가 형성되며, 이는 회전축이 수직인 2개의 실린더형 섹션 링 사이 공간에서의 교차선이다. 이러한 교차선은 방위 각도 섹터(2081,2082,2083,2084) 사이의 경계(2101,2102,2103,2104)로 표시된다. 공간에서, 각각의 경계(2101,2102,2103,2104)는 제1자오선(2021,2041)을 기준으로 광축 방향으로 재설정되어 배열된다.
도 7은 도 6의 원환체 표면의 나선화에 의해 생성된 광학 렌즈(200)를 도시한다. 따라서, 제1원환체 표면(202)의 제1자오선(2021)과 제2원환체 표면(204)의 제1자오선(2041)은 중심점(206)이 광학 렌즈(200)의 광축 상에 있는 나선형 세그먼트이다. 마찬가지로, 경계(2101,2102,2103,2104)의 각각은 중심점(206)이 광학 렌즈(200)의 광축 상에 있는 나선형 세그먼트이다.
나선화는 다양한 방법으로 생성될 수 있는데, 예를 들어 선형 법칙, 2차 법칙 또는 실질적으로 로그 법칙으로 생성될 수 있다. 로그 법칙을 적용하기 위해서는 나선형 각도가 수학적으로 발산하는 렌즈의 중심 부근에서 단순화되어야 한다.
도 7에 도시된 예에서, 증가하는 각도는 광학 렌즈(200)의 주변부(25)에서 45°에 도달한다. 이 각도는 다른 값을 가질 수 있는데, 예를 들어 30°와 720°사이, 특히 60°와 같은 값을 형성할 수 있다. 여기서 광학 렌즈(200)의 주변부(25)는 원형 형상을 갖는다. 이 모양은 원형과 다를 수 있다.
도 8과 도 9는 축에 대향하고 나선축에 대향하는 이중 원환체 표면을 갖는 관형 초점의 광학 렌즈(400)의 실시 예를 각각 도시한다.
도 8의 관형 초점의 광학 렌즈(400)는 도 6의 광학 렌즈(200)와 유사하게 설계되지만, 4개의 방위 각도 섹터 대신 3개의 별개의 방위 각도 섹터(401,402,403)로 형성된다. 각각의 방위 각도 섹터(401,402,403)는 다양한 방위각 방향으로 배향된 각각의 제1자오선(4011,4021,4031)이 있는 원환체 표면 세그먼트를 가지며, 도시된 바와 같이 120°로 서로 대칭을 이룬다. 제2자오선은 여기에 도시되어 있지 않지만, 각각의 경우 또는 모든 경우에 각각의 제1자오선에 수직이다. 방위 각도 섹터(401,402,403)는 경계(405)에 의해 구분된다.
도 9는 도 8의 렌즈 표면으로부터 생성되는 관형 초점의 렌즈(400)를 도시한다. 여기서, 나선 세그먼트는 2차 나선화 법칙을 따른다: 나선형 각도는 광축 상의 중심(406)으로부터의 반경 거리 제곱에 비례한다. 각각의 경계(405)와 각각의 본초 자오선(4011,4021,4031)은 동일한 나선 기하학적 구조를 갖는다. 도시된 예에서, 나선형 각도는 광학 렌즈(400)의 주변에서 360°, 즉 1회전에 도달한다. 두 번의 완전한 회전, 즉 720°, 또는 그 이상의 각도는 더 큰 크기의 렌즈로 만들 수 있다.
수치적인 예로, 도 9의 관형 초점의 광학 렌즈(400)는 4개의 동일한 원환체 가지를 갖는 전면으로 구현되며, 그 매개변수는 다음과 같다:
- 원환체 표면의 제1곡률: 초점거리는 17.4cm와 같다.
- 원환체 표면의 제2곡률: 초점거리는 14cm와 같다.
- 초점은 1.4디옵터만큼 떨어져 있다.
- 나선의 형상: 황금 비율에 대한 로그이다.
- 나선의 각도: 720°
- 렌즈 직경: 10mm
- 기타 기하학적 매개변수: 후면은 7.8mm의 곡률 반경을 가지는 구형. 렌즈(400) 중심의 두께는 0.5mm와 같다.
일반적으로, 본 발명에 따른 관형 초점의 광학 렌즈는 하나의 방위 각도 섹터를 각각 차지하는 임의의 개수의 원환체 표면을 사용하여 예시된 광학 렌즈(200,400,800) 중 하나와 유사하게 설계될 수 있다. 따라서 나선 표면에서 광축을 중심으로 분포되는 원환체 브랜치(branch)의 수는 균일(예를 들어, 광학 렌즈(200)에서 2개의 브랜치, 광학 렌즈(200)에서 4개의 브랜치)하거나 불균일(예를 들어, 광학 렌즈(200)에서 3개의 브랜치) 할 수 있다. 다른 브랜치의 수, 예를 들어 5,6,7 또는 그 이상도 가능하다.
더욱이, 인접한 원환체 표면 사이의 경계는 급격한 경계 또는 완만한 경계일 수 있다. 예를 들어, 국부적 곡률은 인접한 원환체 표면 사이의 완만한 전이 영역을 제공하기 위해 경계 부근에서 보간될 수 있고, 따라서 급격한 경사를 제한한다.
본 발명에 따라 얻어진 관형 초점은 종래 기술에 따른 구면 광학 렌즈(1301)와 본 발명에 따른 관형 초점의 광학 렌즈(1302) 사이를 비교하여 도 10에 도시되어 있고, 이들 2개의 렌즈(1301,1302)는 시력 교정을 위해 설계된다. 도 10에서 평행 조명이 렌즈(1301,1302)에 입사되고, Z는 렌즈의 물체 초점의 양쪽에 위치한 인간의 눈으로 감지되는 선명도 영역을 나타낸다. 도 10에서 매우 분명하게 볼 수 있는 바와 같이, 나선을 갖는 렌즈(1302)는 얻을 수 있는 가상의 오른쪽 실린더에 의해 경계를 이루는 선명도 Z 영역의 연장을 허용한다. 따라서, 다양한 광출력의 나선화는 광선의 관형 초점을 얻을 수 있게 한다. 즉, 종래 기술의 구형 렌즈(1301)에서 2개의 굴절 인터페이스 중 하나가 본 발명에 따른 나선형 원환체 표면(1302)으로 대체되면, 이는 초점 영역을 연장시키는 효과를 갖는다. 그러면 무비점수차는 더 이상 점이 아니라 초점 튜브이다.
발명자는 평행 조명에 대한 광선 추적 계산을 수행했다. 도 11은 도 9와 같은 렌즈(400)를 물체 초점 측에서 도시한다. 초점 영역(XY)은 도 12의 상부에 확대되어 도시되어 있다.
또한, 도 12는 초기 원환체 표면의 제1곡률과 제2곡률에 해당하는 초점거리(D1,D2)를 각각 도시한다. 도 12의 오른쪽에서, 선(1501)은 D1에서의 초점의 크기를 나타내고, 선(1502)은 D2에서의 초점의 크기를 나타낸다.
이에 비해 도 12 하단은, 도 11의 초기 원환체 표면과 동일한 곡률을 갖고, 도 6과 같이 축에 대향하는 비점 수차 렌즈에 대한 동일한 요소를 나타낸다: 선(1511)은 D1에서의 초점크기를 나타내고, 선(1512)은 D2에서의 초점 크기를 나타낸다.
도 12로부터, 본 발명에 따른 렌즈의 나선화는 가상의 우측 실린더 형상으로 실질적으로 D1과 D2 사이의 초점을 압축하는 효과를 갖는 것을 분명히 알 수 있다.
그러나 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 본 발명의 다른 변형 및 이점이 실현될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 나선 세그먼트가 렌즈의 광학 표면을 가로질러 곧바로 연장되도록 생성된 경우, 일 부분에 대해서만 나선화를 수행하는 것을 예상할 수 있다.
따라서, 도 13은 광학 렌즈(300)가 렌즈(300)의 광학 표면의 중심에 배열된 구면(302)을 포함하고, 나선형 세그먼트는 광학 표면의 주변에서만 생성되는 변형 예를 도시한다.
도 14는 2개의 동심 원환체 표면(102,104)을 갖는 광학 렌즈(100)가 본 발명에 따라 나선형인 접합부(114)를 갖는 변형 예를 도시한다.
본 발명은 기재되어 설명된 실시 예에 제한되지 않으며, 특히 예시되지 않은 변형 범위 내에서 예시된 특징을 결합하는 것이 가능하다.
100,200,400,800: 광학 장치
102,202: 제1원환체 표면
104,204: 제2원환체 표면
106: 제1초점거리
206,406,806: 중심점
208: 각도 섹터
210: 나선형 세그먼트 경계
300; 광학 렌즈
401,402,403: 방위 각도 섹터
405: 경계

Claims (13)

  1. 광축을 가지는 광학 장치로서,
    적어도 2개의 자오선을 갖는 적어도 1개의 표면을 포함하고,
    상기 표면 중 적어도 일부는, 정면에서 보았을 때 상기 광축 상에 중심점(206,406,806)이 있는 적어도 1개의 나선형 세그먼트를 형성하며,
    각각의 상기 나선형 세그먼트는, 초점이 관형 영역에 걸쳐 확장되어 얻어지도록 상이한 광출력의 자오선을 나타내는, 광학 장치(100,200,400,800).
  2. 청구항 1에 있어서,
    1개 또는 그 이상의 상기 나선형 세그먼트는,
    0 이 아닌 제1곡률로 만곡된 제1자오선과, 상기 제1곡률보다 엄밀히 더 큰 제2곡률로 만곡된 제2자오선(2022,803)을 포함하고,
    상기 제2자오선이 상기 제1자오선에 수직으로 원환체 표면으로부터 생성되는, 광학 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    1개 또는 그 이상의 상기 나선형 세그먼트는 제1원환체 표면과 제2원환체 표면으로부터 생성되고,
    상기 제1원환체 표면(2082,401)은,
    제1원환체의 회전축에 대해 0 이 아닌 제1곡률로 만곡된 제1자오선(2021,4011)과, 상기 제1곡률보다 엄밀히 더 큰 제2곡률로 만곡된 제2자오선(2022)을 포함하고, 상기 제2자오선은 상기 제1자오선에 수직이며,
    상기 제2원환체 표면(2081,402)은,
    제2원환체의 회전축에 대해 0 이 아닌 제1곡률로 만곡된 제1자오선(2041,4021)과, 상기 제1곡률보다 엄밀히 더 크고 상기 제2원환체의 상기 제1자오선(2041)으로부터 수직인 제2곡률로 만곡된 제2자오선(2042)을 포함하며,
    상기 제1원환체 표면과 상기 제2원환체 표면에 상기 광축에 대해 복수개의 방위 각도 섹터를 각각 포함하고,
    상기 제1원환체 표면(2082,401)의 상기 제1자오선(2021,4011)과 상기 제2원환체 표면(2081,402)의 상기 제1자오선(2041,4021)은 상기 광축에 관해 0도 아닌 각으로 이격되는 방위각 방향을 가지고,
    상기 나선형 세그먼트는, 상기 제1원환체 표면의 상기 제1자오선(2082,401)과 상기 제2원환체 표면의 상기 제1자오선(2081,402)으로부터 발생하는, 제1광출력 자오선(2021,4011)과 제2광출력 자오선(2041,4021)을 나타내는, 광학 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1원환체 표면의 방위 각도 섹터(2082)와 상기 제2원환체 표면(2081) 방위 각도 섹터는 나선형 세그먼트 경계(210)를 통해 인접하는, 광학 장치(200,400).
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1원환체 표면(2082,2084)과 상기 제2원환체 표면(2081,2083)은, 정반대로 대향하는 2개의 방위 각도 섹터를 각각 형성하는, 광학 장치(200).
  6. 청구항 5에 있어서,
    각각의 상기 제1원환체 표면(2082,2084)의 각도 섹터는, 상기 제2원환체 표면(2081,2083)의 2개의 각도 섹터에 인접하는, 광학 장치(200).
  7. 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1원환체 표면(2082,401)의 상기 제1자오선과 상기 제2원환체 표면(2081,402)의 상기 제1자오선의 방위각 방향 사이의 각은, 60°와 90°사이에서 형성되는, 광학 장치(200,400).
  8. 청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1원환체 표면(2082,401)의 상기 제1곡률은, 상기 제2원환체 표면(2081,402)의 상기 제1곡률과 동일한, 광학 장치(200,400).
  9. 청구항 3 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1원환체 표면(2082,401)의 상기 제2곡률은, 상기 제2원환체 표면(2081,402)의 상기 제2곡률과 동일한, 광학 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    나선형 세그먼트의 반경은, 극좌표에서 선형 법칙, 2차 법칙 및 로그 법칙에 의한 나선형 각도와 관련되는, 광학 장치(200,400,800).
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광축 상에 중심이 있는 구면(302)을 더 포함하는, 광학 장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 1개의 나선형 세그먼트의 표면이 광학 렌즈 전면을 형성하는, 광학 장치(200,400,800).
  13. 시력의 교정, 및/또는 광선속의 집중, 및/또는 이미지를 형성하기 위해, 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있는 광학 장치(200,400,800)의 용도.
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