KR20230150068A - 복합 회절형 다초점 인공수정체 - Google Patents

복합 회절형 다초점 인공수정체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 광학적 배율 또는 초점 길이를 갖는 복합 회절형 인공수정체에 관한 것으로, 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 증가하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제1 회절렌즈 구조와, 상기 각 영역과 동일 영역에서 감소하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제2 회절렌즈 구조를 포함하여 조합하되, 상기 각 영역 간 경계에서의 위상값이 수직으로 급격히 증가 또는 감소하지 않는 복합 위상 프로파일 구조를 갖는다.

Description

복합 회절형 다초점 인공수정체{COMBINED DIFFRACTIVE MULTI-FOCAL INTRAOCULAR LENS}
본 발명은 복합 회절형 다초점 인공수정체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 증가하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제1 회절렌즈 구조와, 감소하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제2 회절렌즈 구조를 조합하여 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 위상값이 서서히 증가 또는 감소하는 위상 프로파일을 가진 복합 회절형 다초점 인공수정체에 관한 것이다.
다초점 또는 다중 초점을 갖는 회절렌즈(diffractive lens)는 광학 렌즈, 특히 안과용 인공수정체 렌즈에 많이 사용되고 있으며, 근거리 및 원거리 물체 모두에 대해 동시에 고품질의 시야를 제공하기 위한 안과 치료 목적으로 널리 활용되고 있다.
예를 들어, 2중 초점 회절 패턴이 근시 및 원시 시력을 제공하고 3중 초점 회절 패턴이 근시, 원시 및 중간 시력을 만들도록, 하나 이상의 3중 회절 패턴 및 하나 이상의 2중 회절 패턴을 포함하는 표면을 가진 MF-IOL(Multifocal Intraocular lens)들이 상용화되어 있다.
현재까지 상용화되어 있는 다초점 회절 렌즈들을 제조하기 위한 기술은, 단일 초점 렌즈의 앞면(anterior surface), 또는 후면(posterior)의 표면을 프레넬 회절 렌즈(Fresnel diffraction lens) 형태의 표면-요철(surface-relief) 모양을 갖도록 정밀 가공하는 방식이 널리 사용되고 있다.
그러나, 다초점 회절렌즈의 초점 수가 증가함에 따라 제작해야되는 렌즈의 표면-요철 모양이 점차적으로 복잡해지게 되어 MF-IOL을 제작하는데 큰 어려움이 있으며, 불완전한 제작 상태에 의해 빛의 산란이 심해져서 시야가 흐려지는 현상(blur, halo, starbust 등)이 증가하는 문제가 대두되고 있다.
미국 등록특허 US 9,753,193
본 발명의 과제는 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 기존의 MF-IOL과 유사한 시력교정 효과를 가지면서도 렌즈의 표면-요철 모양이 매우 단순화된 복합 회절형 MF-IOL 구조를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체는, 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 증가하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제1 회절렌즈 구조와, 상기 각 영역과 동일 영역에서 감소하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제2 회절렌즈 구조를 포함하여 조합하되, 상기 각 영역 간 경계에서의 위상값이 수직으로 급격히 증가 또는 감소하지 않는 복합 위상 프로파일 구조를 갖는다.
바람직하게는, 상기 각 영역 중 홀수 번째 영역은 상기 제1 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되고, 짝수 번째 영역은 상기 제2 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 각 영역 중 짝수 번째 영역은 상기 제1 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되고, 홀수 번째 영역은 상기 제2 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 복합 위상 프로파일 구조에 의해 생성된 복수의 초점에서의 광세기는 위상변화값의 크기에 따라 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 렌즈의 중심에서 반경 방향으로 거리에 따른 상기 복합 위상 프로파일의 최대 위상값은 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 렌즈의 중심에서 반경 방향으로 상기 복합 위상 프로파일의 최대 위상값은 감소하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 렌즈의 중심에서 반경 방향으로 상기 복합 위상 프로파일의 최대 위상값이 감소하도록, 상기 각 영역에서 사용된 상기 제1 회절렌즈 구조의 위상변화값과 상기 제2 회절렌즈 구조의 위상변화값이 조절되어 조합된 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 복합 위상 프로파일의 반경 중심에서의 위상값이 0이 되도록 상기 각 영역 중 첫 번째 영역의 거리가 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 복합 위상 프로파일의 반경 중심에서의 위상값이 0이 되지 않도록 상기 각 영역 중 첫 번째 영역의 거리가 설정되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체는, 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 증가하는 위상값을 가진 톱니 형상의 제1 회절렌즈 구조와, 상기 각 영역과 동일 영역에서 감소하는 음의 위상값을 가진 톱니 형상의 제2 회절렌즈 구조를 교대로 조합한 복합 위상 프로파일 구조를 갖는다.
바람직하게는, 상기 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 거리에 따른 상기 제1 회절렌즈 구조의 최대 위상값과 상기 제2 회절렌즈 구조의 최대 위상값은 서로 다른 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 각 영역 간 경계에서의 위상값이 수직으로 급격히 변하는 부분은 상기 제1 회절렌즈 구조의 최대 위상값과 상기 제2 회절렌즈 구조의 최대 위상값 차이에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 복합 위상 프로파일 구조에서 상기 제1 회절렌즈 구조의 최대 위상값과 제2 회절렌즈 구조의 최대 위상값의 비율에 따라 상기 복합 위상 프로파일 구조에 의해 생성된 복수의 초점에서의 광세기가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 단순화된 표면-요철 구조에 의해 제작이 매우 용이하며, 빛의 산란이 현저히 줄어서 시야가 흐려지는 현상들을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 3개 이상의 초점을 갖는 복합 회절형 MF-IOL 구조가 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 렌즈의 반경이 증가함에 따라 위상값의 최대치를 변경함으로써 다중 초점 위치에서의 광세기를 임의로 조정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 렌즈의 중심 지점으로부터 첫 번째 위상 값이 변화하는 지점까지의 길이를 사용 목적에 따라 다양하게 변경할 수 있다.
도 1은 일반적인 회절형 다초점 렌즈의 단면도이다.
도 2는 종래 프레넬 회절 렌즈의 표면 요철(Surface-relief) 모양의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 종래 프레넬 회절 렌즈 구조의 위상 프로파일의 다양한 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래 프레넬 회절 렌즈 구조의 z-축 상에서 측정된 광세기 관련 데이터를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 z-축 상에서 측정된 광세기 관련 데이터를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조에서 위상값의 변화에 따른 3개의 초점에서의 광세기 비율을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 12는 도 3에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈 구조에서 입사광이 통과한 후 빛의 번짐 현상 및 검출기에서 검출된 광세기 분포도를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조에서 입사광이 통과한 후의 빛의 번짐 현상 및 검출기에서 검출된 광세기 분포도를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 3에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈의 설계 구조와 제작 후 실제 구조를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체의 설계 구조와 제작 후 실제 구조를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 일반적인 회절형 다초점 렌즈의 단면도이며, 도 2는 종래 프레넬 회절 렌즈의 표면 요철(Surface-relief) 모양의 단면을 도시한 도면이다.
도 1은 일반적인 회절형 다초점 렌즈(diffractive multifocal lens) 또는 회절형 다초점 인공수정체(diffractive multifocal intraocular lens, diffractive MF-IOL)의 렌즈 광학부(optic part)의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈 광학부(10)는 렌즈 전면(12)과 렌즈 후면(14)을 포함한다. 렌즈 후면(14)의 표면에는 프레넬 회절 렌즈(Frenel diffractive lens) 형태의 표면-요철(surface-relief) 모양을 갖는 회절 표면 형상(diffractive surface profile)이 형성되어 있다. 회절 표면 형상은 렌즈 후면, 렌즈 전면 또는 렌즈 전면 및 후면 모두에 형성되기도 한다.
z-축 방향으로 입사되는 빛(입사광)은 렌즈 전면(12), 렌즈 후면(14) 및 회절 표면 형상(16)을 순차적으로 지나간 후에 다수의 초점(focal) 위치로 모이게 된다. 초점이 모이는 위치를 초점 면(focal plane)이라 하며, 도 1에는 일 실시예에로 3개의 초점 면(D1, D2, D3)이 도시되어 있다. 초점 혹은 초점 면의 개수는 회절 표면 형상의 형태에 따라 1개 혹은 2개 이상을 가질 수 있다.
한편, 일반적으로 프레넬 렌즈로 알려진 회절렌즈에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 회절렌즈의 중심에서 반경이 증가함에 따라 톱니 모양의 형상을 가지고 있으며, 불연속 곡면을 보이는 반경(r1, r2,?? rj)은 아래 수학식 1과 같이 정해진다.
< 수학식 1 >
rj 2 = 2jλF
여기서, rj 는 회절렌즈의 중심을 기준으로 j번째 반경을 나타내고, λ는 입사광의 파장 길이, F는 회절렌즈의 중심 초점거리를 의미한다.
회절렌즈 면에 z-축 방향으로 수직으로 입사하는 광은 h(r) 만큼의 두께를 지난 후에는 반경에 따른 위상값(Φ(r))이 아래 수학식 2와 같이 계산된다.
< 수학식 2 >
Φ(r) = (2π/λ) × h(r) × {N - No}
여기서, N은 회절렌즈 매질의 굴절률, No는 외부 매질의 굴절률이다.
또한, 상기 수학식 2와 같은 위상분포는 회절렌즈로부터 멀어질수록 아래 수학식 3과 같이 초점이 여러 개 형성된다.
< 수학식 3 >
여기서, m은 회절렌즈의 회절차수이다.
도 1에는 상기 수학식 3에 따른 Fm 거리 마다 형성되는 초점 면이 D1, D2, D3 로 표기되어 있다. 물론, 상술한 바와 같이, 회절 차수에 따른 초점 면 또는 초점의 개수는 회절 표면 형상의 형태에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
도 3은 종래 프레넬 회절 렌즈 구조의 위상 프로파일의 다양한 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 종래 프레넬 회절 렌즈(또는 인공수정체) 구조에 입사하는 투과 파면에 있어서, 광축 중심(r=0 인 지점)에 대하여 반경(r)만큼 떨어진 위치를 통과하는 광선의 위상차를 나타내는 위상분포가 도시되어 있다. 도 3의 (a) 내지 (c)에 도시된 위상차 분포는 입사광의 파장 범위 내이고, 단면이 톱니모양으로 형성되어 있다.
구체적으로, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈 구조는 각각 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 증가하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 위상 구조를 가진다. 다만, 도 3의 (a)에 도시된 프레넬 회절 렌즈 구조에서 최대 위상값은 Ф1이며, 도 3의 (b)에 도시된 프레넬 회절 렌즈 구조에서 최대 위상값은 Ф2이다. 여기서, Ф2는 Ф1보다 큰 값이다.
구체적으로, 도 3의 (a) 및 (b)에서 위상 프로파일은 렌즈의 중심(r=0)으로부터 반경 방향으로 복수의 영역이 구획되어 있으며, 각 영역의 경계는 반경(rj)값에 의해 구분되어 불연속 곡면을 형성한다. 복수의 영역은 반경 중심(r=0)에서 r1까지의 영역(도 3의 (a)에 도시된 A1 영역, 도 3의 (b)에 도시된 B1 영역), r1에서 r2까지의 영역(도 3의 (a)에 도시된 A2 영역, 도 3의 (b)에 도시된 B2 영역) 등으로 구분될 수 있다. A1 영역과 A2 영역 간 경계(또는 B1 영역과 B2 영역 간 경계)는 r1에 의해 결정되고, A2 영역과 A3 영역 간 경계는 r2(또는 B2 영역과 B3 영역 간 경계)에 의해 결정된다. 여기서, 각 영역의 경계점인 rj 값은 상기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다. 따라서, 입사광의 파장이 동일하다면 도 3의 (a) 및 (b)에서 구획된 복수의 영역은 서로 동일함을 알 수 있다.
프레넬 회절 렌즈 구조에서의 위상값은 0 ~ 2π 사이에서 변할 수 있으며, 최대값은 이 범위에서 렌즈의 사용 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 다만, 프레넬 회절 렌즈 구조에서 위상의 최대값은 2π의 배수만큼 커질 수 있으며, 이러한 위상 최대값 범위 내에서 사용목적에 따라 적절한 위상 변화를 갖는 렌즈가 선택될 수 있으며, 이러한 구성은 본 발명의 경우에도 그대로 적용될 수 있다.
도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈 구조는 각 영역의 시작점에서 위상값이 0이고 반경이 증가함에 따라 이웃하는 영역의 경계까지 위상값이 증가하다가, 경계에서 위상값이 수직으로 0으로 떨어진다. 이러한 위상값 변화가 각 영역에서 반복됨으로써 톱니 형상을 형성한다. 반경에 따른 위상값(Ф)은 상기 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
한편, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈 구조에서, 각 영역에서의 최대 위상값은 각각 Ф1 및 Ф2로 일정하다. 즉, 도 3의 (a) 및 (b)에 일 실시예로 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈의 각 영역에서의 위상 변화 폭은 렌즈 중심에서 반경 방향으로 증가함에 따라 각각 0 ~ Ф1 및 0 ~ Ф2로 일정하게 반복됨을 알 수 있다.
도 3의 (c)에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈 구조의 위상 프로파일은 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 종래 다른 프레넬 회절 렌즈 구조들을 각 영역마다 교대로 조합하여 형성된 복합 회절 형상(combined diffraction profile)을 가지고 있다.
구체적으로, 도 3의 (c)에 도시된 복합 회절 형상에서, 렌즈의 반경 중심을 기준으로 첫 번째 영역(r = 0 에서 r = r1까지의 영역)은 도 3의 (a)에 도시된 A1 영역에서의 위상분포가 사용되고, 두 번째 영역(r = r1 에서 r = r2까지의 영역)은 도 3의 (b)에 도시된 B2 영역에서의 위상분포가 사용된다. 이후 다음 영역에서의 위상분포 사용은 도 3을 참조하면 충분히 이해될 수 있다.
한편, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 종래의 프레넬 회절 렌즈 구조는 각 영역에서의 위상값이 모두 증가하는 톱니 형상을 가지고 있다. 따라서, 도 3의 (c)에 도시된 복합 회절 형상 구조에서 도 3의 (a) 및 (b)의 프레넬 회절 렌즈 구조를 교대로 조합하여도 이웃하는 영역 간 경계에서는 위상값이 수직으로 감소하게 된다.
이때, 상술한 바와 같이, 도 3의 (c)의 복합 회절 형상 구조에서 A1 영역에서 사용된 도 3의 (a) 프레넬 회절 렌즈 구조는 위상값이 Ф1까지 증가하다가, r1지점에서 수직으로 감소하고, A2 영역에서 사용된 도 3의 (b) 프레넬 회절 렌즈 구조는 위상값이 Ф2까지 증가하다가 r2지점에서 수직으로 감소한다.
한편, 다른 실시예에서 종래 두 개의 프레넬 회절 렌즈 구조는 최대 위상 변화 폭(Ф1 = Ф2)이 서로 같을 수 있고, 이러한 두 개의 렌즈 구조를 사용하여 복합 회절 형상을 조합할 수 있다.
또한, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 위상 프로파일은 각 영역에서의 위상값이 모두 증가하고 있으나, 다른 실시예에서는 각 영역에서의 위상값이 모두 감소할 수 있고, 이러한 두 개의 렌즈 구조를 사용하여 복합 회절 형상이 형성되도록 조합할 수 있다.
다만, 다른 실시예들에 의해서도 각 프레넬 회절 렌즈 구조를 조합한 복합 회절 형상 구조에서, 경계(r1, r2 등) 지점의 위상값은 수직으로 변화하게 된다.
한편, 도 3의 (c)에 도시된 복합 회절 형상을 사용하는 이유는 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 프레넬 회절 렌즈에 비해 초점의 개수를 늘리거나 다수의 초점이 갖는 광 세기 분포를 보다 다양하게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문이다.
도 4는 종래 프레넬 회절 렌즈 구조의 z-축 상에서 측정된 광세기 관련 데이터를 나타낸 도면으로서, 도 3이 참조될 수 있다.
도 4에는 도 3의 (c)에 도시된 복합 회절 형상을 갖는 회절 렌즈에서, Ф1 = 2π × 0.4, Ф2 = 2π × 0.8 인 경우 3개의 초점을 계산한 결과들이 도시되어 있다.
구체적으로, 도 4의 (a)는 도 3의 (c)에 도시된 복합 회절 형상을 갖는 회절 렌즈 구조를 입사광이 투과된 후 z-축 상에서 측정된 광세기 분포도이다. 도 4의 (a)에는 3개의 초점면(D1, D2, D3)이 형성된 실시예가 도시되어 있다. 이때, D1과 D2 초점면에서의 광세기 값은 거의 유사하며, D3 초점면에서의 광세기 값은 D1 및 D2 초점면에서의 광세기 값보다 작다.
한편, 도 3의 (c)에 도시된 복합 회절 형상 구조에서 광세기 분포는 Ф1 및/또는 Ф2 값의 크기에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
도 4의 (b)는 도 3의 (c)에 도시된 복합 회절 형상 구조에서 렌즈로 입사하는 광이 z-축을 따라 전파하며 D1, D2, D3 초점면에서 모이는 과정을 나타낸다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, D1, D2, D3 지점에서 그 외의 지점보다 광세기가 큼을 알 수 있다.
도 4의 (c) 내지 (e)는 각각 D1, D2, D3 초점면에서 x축을 따라 형성된 광세기 분포를 나타낸다. 도 4의 (c) 내지 (e)에 도시된 바와 같이, 각 초점(D1, D2, D3)에서 초점 중심(X = 0mm)에서 가장 큰 광세기를 보인다. 초점 중심(X = 0mm) 주변으로 광세기 분포 영역이 좁고, 초점 중심(X = 0mm)에서 광세기 값이 클수록 상대적으로 선명한 상이 보이게 된다.
한편, 상술한 바와 같이, 도 3에 도시된 종래의 다초점 렌즈(또는 인공수정체)는 반경(r1, r2, … rj) 지점마다 위상값이 수직으로 급격히 변화하는 모양을 갖는다. 이러한 위상값에 비례하도록 형성되는 회절 렌즈의 표면 요철(표면 프로파일)도 수직으로 급격히 변화하는 모양으로 제작되어야 한다. 또한, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 조합에 필요한 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 종래의 프레넬 회절 렌즈 구조의 위상값인 Ф1과 Ф2 값의 차이가 발생하면 제작과정이 더욱 복잡해지며, 반경이 증가함에 따라 제작 난이도 또한 더욱 증가하게 된다.
만일, 회절 렌즈 표면 요철 모양이 반경 지점마다 수직으로 제대로 형성되지 못하고 비스듬히 기울어지게 제작되면 도 4의 (c) 내지 (e)에 도시된 광세기 분포도에서 X=0mm 이외의 주변부가 갖는 광세가가 점차 증가하게 되고, 결국 선명한 초점이 형성되지 못한다.
즉, 종래의 회절형 다초점 렌지(또는 인공수정체)에서 상(image)이 흐려지거나 시야가 선명하지 않은 현상들이 많은 문제점을 야기하고 있는데, 이러한 문제점은 대부분 도 3에 도시된 수직으로 급격히 감소하는 표면 요철 모양이 제대로 형성되지 못하는 제작 상의 한계때문에 발생한다.
본 발명은 이러한 종래의 회절형 다초점 렌즈(또는 인공수정체)가 갖는 제작 상의 한계를 해결하기 위해 새로운 방식의 복합 회절 형상 설계 방식을 제안한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 5의 (c)에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체의 위상 프로파일은, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 회절 렌즈 구조를 조합하여 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 위상 프로파일을 복합 위상 프로파일 구조라 한다.
도 5의 (a)에 도시된 회절 렌즈 구조는 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 증가하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 위상 구조를 가진다. 도 5의 (b)에 도시된 회절 렌즈 구조는 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 감소하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 위상 구조를 가진다.
도 5에 도시된 각 영역(A1, A2, …, B1, B2, …)의 구획, 위상값 변화, 위상값을 구하는 공식 등은 위에서 설명한 내용이 참고될 수 있다.
즉, 도 5의 (a)에 도시된 회절 렌즈 구조는 각 영역(A1, A2, …)마다 위상값이 증가하는 방향을 갖고 있으며, 도 5의 (b)에 도시된 회절 렌즈 구조는 각 영역(B1, B2, …)마다 위상값이 감소하는 방향을 갖고 있다. 여기서, 도 5의 (a)와 같은 위상분포를 양의 회절렌즈 구조라 하고, 도 5의 (b)와 같은 위상분포를 음의 회절렌즈 구조라 한다.
한편, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 회절 렌즈 구조에서 최대 위상값(Фmax)은 서로 같으며, 회절 렌즈의 각 영역에서의 위상 변화 폭은 렌즈 중심에서 반경 방향으로 증가함에 따라 0 ~ Фmax로 일정하게 반복됨을 알 수 있다.
도 5의 (c)에 도시된 복합 회절 형상은, 렌즈의 반경 중심을 기준으로 첫 번째 영역(r = 0 에서 r = r1까지의 영역)은 도 5의 (a)에 도시된 A1 영역에서의 위상분포가 사용되고, 두 번째 영역(r = r1 에서 r = r2까지의 영역)은 도 5의 (b)에 도시된 B2 영역에서의 위상분포가 사용된다. 이후 다음 영역에서의 위상분포 사용은 도 5를 참조하면 충분히 이해될 수 있다.
즉, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 회절 형상 구조는 양의 회절렌즈 구조(도 5의 (a) 참조)와 음의 회절렌즈 구조(도 5의 (b))를 섞어놓은 구조이다.
이렇게 양의 회절렌즈 구조와 음의 회절렌즈 구조를 교대로 조합하면, 이웃하는 영역 간 경계에서 위상값이 수직으로 감소하지 않고, 서서히 변하게 된다. 구체적으로, 도 5의 (c)에서 A1 영역에서는 위상값이 서서히 증가하다가 r1 지점을 경계로 B2 영역에서 위상값이 서서히 감소하게 된다. 이후의 영역은 이러한 위상값의 변화가 반복되어 나타난다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 회절 형상은 위상 최대 높이도 일정한 Фmax값을 가지고 있고, 반복되는 요철 구조 사이의 간격도 보다 여유가 있는 구조이다. 즉, 종래의 회절형 다초점 렌즈 설계 기술과는 대조적으로 반경 지점(r1, r2, …)에서 수직으로 급격히 감소하는 표면 요철 모양이 없고, 요철 모양의 높이도 일정하여 제작이 매우 용이해지는 장점이 있으며, 종래 기술의 상(image)이 흐려지거나 선명하지 않은 문제들을 해결할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 z-축 상에서 측정된 광세기 관련 데이터를 나타낸 도면이다.
도 6에는 도 5의 (c)에 도시된 복합 회절 형상을 갖는 회절 렌즈에서 최대 위상값 Фmax) = 2π × 0.6인 경우 3개의 초점을 계산한 결과들이 도시되어 있다.
구체적으로, 도 6의 (a)는 도 5의 (c)에 도시된 복합 회절 형상을 갖는 회절 렌즈 구조를 입사광이 투과된 후 z-축 상에서 측정된 광세기 분포도이다. 도 6의 (a)에는 3개의 초점면(D1, D2, D3)이 형성된 실시예가 도시되어 있다. 이때, D1과 D2 초점면에서의 광세기 값은 거의 유사하며, D3 초점면에서의 광세기 값은 D1 및 D2 초점면에서의 광세기 값보다 작다.
한편, 도 5의 (c)에 도시된 복합 회절 형상 구조에서 광세기 분포는 Ф값의 크기에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
도 6의 (b)는 도 5의 (c)에 도시된 복합 회절 형상 구조에서 렌즈로 입사하는 광이 z-축을 따라 전파하며 D1, D2, D3 초점면에서 모이는 과정을 나타낸다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, D1, D2, D3 지점에서 그 외의 지점보다 광세기가 큼을 알 수 있다.
도 6의 (c) 내지 (e)는 각각 D1, D2, D3 초점면에서 x축을 따라 형성된 광세기 분포를 나타낸다. 도 6의 (c) 내지 (e)에 도시된 광세기 분포도에서 X=0mm 인 지점에 매우 선명한 초점이 모이고 있음을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 각 초점(D1, D2, D3)에서 초점 중심(X = 0mm)에서 가장 큰 광세기를 보인다. 초점 중심(X = 0mm) 주변으로 광세기 분포 영역이 좁고, 초점 중심(X = 0mm)에서 광세기 값이 클수록 상대적으로 선명한 상이 보이게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 새로운 구조의 복합 회절 형상은 종래의 복합 회절 형상(도 3 참조)과 매우 다름에도 불구하고, 도 4 및 도 6에 도시된 비교 결과에서 알 수 있듯이 다초점 형성 결과는 매우 유사한 특성을 보이고 있다.
정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 회절 형상을 갖는 렌즈는 종래의 복합 회절 렌즈와 유사한 성능을 갖되 더욱 수월하게 형상 제작이 가능하다는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조에서 위상값의 변화에 따른 3개의 초점에서의 광세기 비율을 나타낸 도면이다. 여기서, 도 5의 (c)에 도시된 복합 회절 형상 구조가 참조될 수 있다.
도 7은 위상값(Ф)이 0 ~ 2π 범위에서 변하는 경우, 도 6에 도시된 3개의 초점면(D1, D2, D3)에 형성되는 광세기 특성을 나타낸다. 여기서, 만일 최대 위상값 Фmax = 2π × 0.4인 경우에 3개 초점의 광세기 비율은 대략 D1: D2: D3 = 2 : 3 : 1 이고, Фmax = 2π × 0.52인 경우에 3개 초점의 광세기 비율은 대략 D1 : D2 : D3 = 2 : 2 : 1이며, Фmax = 2π × 0.6인 경우에 3개 초점의 광세기 비율은 대략 D1 : D2 : D3 = 1.5 : 1 : 1이다. 즉, Фmax값의 변화에 따라 다수의 초점에 형성되는 광세기를 임의로 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 8의 (a) 및 (b)에 도시된 회절 렌즈 구조는 각각 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 회절 렌즈 구조와 동일하다. 다만, 도 8의 (c)에 도시된 복합 회절형 형상은 도 6의 (c)에 도시된 것과 달리, 첫 번째 영역은 도 8의 (b)에 도시된 B1 영역이 사용되고 두 번째 영역은 도 8의 (a)에 도시된 A2 영역이 사용되었다. 즉, 도 6의 (c)에서와 달리, 본 발명의 제2 실시예에서는 조합 순서가 바뀐 상태이다.
이렇게 조합하더라도, 이웃하는 영역 간 경계에서 위상값이 수직으로 감소하지 않고, 서서히 변하는 것은 상술한 본 발명의 제1 실시예에서 설명한 바와 같다. 즉, 위상 변화의 방향만 바뀌었을 뿐, 종래의 복합 회절 형상과 대비하여 발생하는 효과는 상술한 바와 같다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따라 제작된 렌즈의 경우에도 상술한 제1 실시예에서 설명된 각 초점(D1, D2, D3)에서의 광세기 분포 등의 데이터도 거의 동일하게 얻을 수 있다(도 6 및 도 7 참조).
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 9의 (a) 및 (b)에 도시된 회절 렌즈 구조는 각각 최대 위상값(Ф1, Ф2)이 서로 다르다. 도 9의 (a) 및 (b)에 도시된 두 회절 렌즈 구조 중 도 9의 (c)에 도시된 복합 형상의 첫 번째 영역은 도 9의 (a)의 A1 영역이 사용되고, 두 번째 영역은 도 9의 (b)의 B2 영역이 사용된다. 다만, 두 회절 렌즈의 최대 위상값의 차이(Ф1-Ф2)가 생기므로, 반경 지점에서 위상값이 일부 수직으로 변화하는 부분이 나타난다.
그러나, 본 발명의 제3 실시예에서 위상값이 일부 수직으로 변화하는 부분이 나타난다 하여도, 종래의 복합 회절 형상을 갖는 렌즈 구조보다는 수직으로 절삭되는 부분이 상당히 감소하므로 제작 과정이 수월하다.
본 발명의 제3 실시예에 따르면, 두 회절 렌즈의 최대 위상값(Ф1, Ф2)의 비율을 조정하면 각 초점(D1, D2, D3)에서의 광세기 값을 임의로 조정할 수 있다. 본 발명에서 각 초점(D1, D2, D3)에서의 광세기 값은 최대 위상값(Фmax)에 대해 sin2(Фmax)에 비례한다. 본 발명의 제3 실시예에서 각 초점(D1, D2, D3)에서의 광세기 값은 Ф1과 Ф2의 비율, 더 자세하게는 sin2(Ф1)과 sin2(Ф2)의 비율에 따라 조정된다. 한편, D2 지점에서의 광세기 값은 D1과 D3 지점에서의 광세기 값을 뺀 나머지 광세기 값일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서 도 9의 (a) 및 (b)에 도시된 두 회절 렌즈 구조 중 도 9의 (c)에 도시된 복합 형상의 첫 번째 영역은 도 9의 (b)의 B1 영역이 사용되고, 두 번째 영역은 도 9의 (a)의 A2 영역이 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 10의 (a)는 복합 회절 형상을 갖는 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 최대 위상값이 일정한 위상 프로파일을 나타내고, 도 10의 (b)는 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 회절 형상을 갖는 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 최대 위상값(Ф(r))이 서서히 감소하는 위상 프로파일을 나타낸다. 이러한 위상 프로파일은 아포다이즈드(apodized) 형상이라 할 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에서 위상 프로파일은 렌즈의 중심으로부터 반향 방향으로 최대 위상값(Ф(r))이 증가하는 역 아포다이즈드 형상 또는 위상 증가폭과 감소폭이 다르도록 불균일한 형상을 가질 수 있다.
도 10의 (b)에 도시된 복합 회절 형상에서 최대 위상값이 감소하는 비율은 경우에 따라 임의로 설정할 수 있다. 예를 들어, 최대 위상값은 각 영역에서 위상값이 높은 부분이 감소하거나, 위상값이 높은 부분은 일정하게 유지한 채로 위상값이 낮은 부분이 증가하거나, 위상값이 높은 부분과 낮은 부분이 동시에 변화되어 반경이 증가함에 따라 전체적인 변화 폭이 서서히 감소할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조의 위상 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 복합 회절 형상을 갖는 렌즈의 r=0인 중심 지점에서 r1까지의 길이(L)를 설계에 따라 임의로 가변할 수 있는 실시예를 나타낸다. L값의 변화에 따라 r=0인 중심 지점에서의 위상값은 0이거나(도 11의 (a) 참조), 0보다 커질 수 있다(도 11의 (b) 참조). L값의 변화는 다초점의 광세기 비율을 조절할 수 있는 유용한 변수가 될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 3개 이상의 회절렌즈 구조가 조합되는 것도 가능하며, 이때, 각 영역에서 반경 지점을 기준으로 위상 변화가 서서히 변하도록 조합되는 것이 바람직하다.
도 12는 도 3에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈 구조에서 입사광이 통과한 후 빛의 번짐 현상 및 검출기에서 검출된 광세기 분포도를 나타낸 도면이다. 도 12는 종래의 복합 회절 형상(도 3의 (c) 참조)을 갖는 렌즈 구조 설계에 따라 제작된 렌즈를 이용하여 실험이 수행되었다.
도 12의 (b)에 도시된 종래의 렌즈를 통해 입사광이 입사한 경우 각 위치에서의 광세기 변화는 도 12의 (a)에 도시된 그래프를 통해 나타난다. 광세기 그래프에서 변화 폭은 빛 번짐 정도를 나타낸다. 도 12의 (a)에서 측정된 광세기 그래프의 변화 폭은 2.8 정도이다.
도 13은 본 발명에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체 구조에서 입사광이 통과한 후의 빛의 번짐 현상 및 검출기에서 검출된 광세기 분포도를 나타낸 도면이다. 도 13에 도시된 본 발명에 따른 복합 회절 형상(도 5의 (c) 참조)을 갖는 렌즈 구조 설계에 따라 제작된 렌즈를 이용하여 실험이 수행되었다.
도 13의 (b)에 도시된 본 발명에 따른 복합 회절 형상을 갖는 렌즈를 통해 입사광이 입사한 경우 각 위치에서의 광세기 변화는 도 13의 (a)에 도시된 그래프를 통해 나타난다.
도 13의 (a)에서 측정된 광세기 그래프의 변화 폭은 1.4 정도로서, 도 12의 (a)에서 측정된 광세기 그래프의 변화 폭과 비교하면, 빛 번짐 현상이 두 배 정도 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 도 3에 도시된 종래 프레넬 회절 렌즈의 설계 구조와 제작 후 실제 구조를 나타낸 도면이며, 도 15는 본 발명에 따른 복합 회절형 다초점 인공수정체의 설계 구조와 제작 후 실제 구조를 나타낸 도면이다.
일반적으로 렌즈 표면의 미세한 톱니 구조는 정밀 절삭공구(Lathe)를 이용하여 렌즈 표면을 깍아서 제작한다. 정밀 절삭공구에서 사용되는 공구의 날 끝은 어느 정도의 면적을 가지고 있으므로 매우 뾰족한 부분을 만들기가 어렵다.
도 14의 (a)는 종래 복합 회절 형상을 갖는 렌즈의 설계 구조를 나타낸 도면으로, 렌즈 표면에 수직 단면이 형성되어 있다. 이러한 설계 구조에 따라 정밀 절삭공구를 이용하여 절삭하는 경우 도 14의 (b)에 도시된 바와 같은 구조가 제작된다. 즉, 설계 구조에 따라 수직 단면을 절삭하는 과정에서 실제로는 수직 부분이 비스듬하게 기울어지게 된다.
도 15의 (a)는 본 발명에 따른 복합 회절 형상을 갖는 렌즈의 설계 구조를 나타낸 도면으로, 렌즈 표면에는 비스듬하게 경사진 단면만 형성되어 있고 수직 단면은 형성되어 있지 않다. 이러한 설계 구조에 따라 정밀 절삭공구를 이용하여 절삭하는 경우 도 15의 (b)에 도시된 바와 같은 구조가 제작된다. 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 경사 부분이 설계 구조와 거의 유사하게 제작됨을 확인할 수 있다.
정리하면, 도 14 및 도 15에 도시된 제작 구조를 비교하면, 두 경우 모두 날카로운 끝 부분은 둥글게 제작되나, 본 발명에서는 설계 구조에 더욱 근접하게 제작되는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 정밀 선반 가공기 등을 이용하여 렌즈 표면을 절삭할 때, 절삭 깊이 등을 조절하면 이에 비례하여 위상값이 조절되므로, 다양한 위상분포를 가진 렌즈가 제작될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 증가하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제1 회절렌즈 구조와, 상기 각 영역과 동일 영역에서 감소하는 위상변화값을 가진 톱니 형상의 제2 회절렌즈 구조를 포함하여 조합하되, 상기 각 영역 간 경계에서의 위상값이 수직으로 급격히 증가 또는 감소하지 않는 복합 위상 프로파일 구조를 갖는,
    복합 회절형 다초점 인공수정체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 영역 중 홀수 번째 영역은 상기 제1 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되고, 짝수 번째 영역은 상기 제2 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 영역 중 짝수 번째 영역은 상기 제1 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되고, 홀수 번째 영역은 상기 제2 회절렌즈 구조의 위상변화값이 사용되는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 위상 프로파일 구조에 의해 생성된 복수의 초점에서의 각 광세기의 크기는 최대 위상값의 크기에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈의 중심에서 반경 방향으로 거리에 따른 상기 복합 위상 프로파일의 최대 위상값의 크기는 일정한 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈의 중심에서 반경 방향으로 상기 복합 위상 프로파일의 최대 위상값은 감소하는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 렌즈의 중심에서 반경 방향으로 상기 복합 위상 프로파일의 최대 위상값이 감소하도록, 상기 각 영역에서 사용된 상기 제1 회절렌즈 구조의 위상변화값과 상기 제2 회절렌즈 구조의 위상변화값이 조절되어 조합된 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 위상 프로파일의 반경 중심에서의 위상값이 0이 되도록 상기 각 영역 중 첫 번째 영역의 거리가 설정되는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 위상 프로파일의 반경 중심에서의 위상값이 0이 되지 않도록 상기 각 영역 중 첫 번째 영역의 거리가 설정되는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  10. 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 구획된 복수의 각 영역에서 증가하는 위상값을 가진 톱니 형상의 제1 회절렌즈 구조와, 상기 각 영역과 동일 영역에서 감소하는 음의 위상값을 가진 톱니 형상의 제2 회절렌즈 구조를 교대로 조합한 복합 위상 프로파일 구조를 갖는,
    복합 회절형 다초점 인공수정체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 렌즈의 중심으로부터 반경 방향으로 거리에 따른 상기 제1 회절렌즈 구조의 최대 위상값과 상기 제2 회절렌즈 구조의 최대 위상값은 서로 다른 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 영역 간 경계에서의 위상값이 수직으로 급격히 변하는 부분은 상기 제1 회절렌즈 구조의 최대 위상값과 상기 제2 회절렌즈 구조의 최대 위상값 차이에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 복합 위상 프로파일 구조에서 상기 제1 회절렌즈 구조의 최대 위상값과 제2 회절렌즈 구조의 최대 위상값의 비율에 따라 상기 복합 위상 프로파일 구조에 의해 생성된 복수의 초점에서의 광세기가 조절되는 것을 특징으로 하는 복합 회절형 다초점 인공수정체.
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