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KR20210068672A - 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치 - Google Patents

광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치 Download PDF

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KR20210068672A
KR20210068672A KR1020190157951A KR20190157951A KR20210068672A KR 20210068672 A KR20210068672 A KR 20210068672A KR 1020190157951 A KR1020190157951 A KR 1020190157951A KR 20190157951 A KR20190157951 A KR 20190157951A KR 20210068672 A KR20210068672 A KR 20210068672A
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KR
South Korea
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optical lens
light
nanoholes
present
lens
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Pending
Application number
KR1020190157951A
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English (en)
Inventor
김형도
김종운
노준석
정헌영
조한륜
양영환
장재혁
김인기
Original Assignee
에스엘 주식회사
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스엘 주식회사, 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 에스엘 주식회사
Priority to KR1020190157951A priority Critical patent/KR20210068672A/ko
Priority to CN202010757439.4A priority patent/CN112984456A/zh
Priority to US17/063,992 priority patent/US11193649B2/en
Priority to DE102020213994.6A priority patent/DE102020213994A1/de
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Abstract

본 발명은 광학 렌즈 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초소형화가 가능하고 다양한 광학 특성을 용이하게 구현할 수 있는 광학 렌즈 및 이를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈는, 렌즈 바디; 및 상기 렌즈 바디의 입사면으로부터 출사면을 향하는 방향으로 연장되고, 상기 입사면 및 출사면 중 적어도 하나와 연통되도록 형성되어 상기 렌즈 바디로 입사되는 광의 위상을 변화시키는 복수의 나노 홀을 포함할 수 있다.

Description

광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치 {Optical lens and illuminating device using the same}
본 발명은 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초소형화가 가능하고 다양한 광학 특성을 용이하게 구현할 수 있는 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치에 관한 것이다.
메타 구조는 광범위한 의미로 기존에 존재하는 물질들을 이용하여 적절한 기하학적 주기 구조를 설계함으로써, 자연계에 존재하지 않는 인위적인 물성을 지니도록 설계 및 제조되는 구조를 일컫는다.
메타 구조는 입사되는 광의 파장보다 작은 수치가 두께, 패턴, 또는 주기 등에 적용된 인위적인 구조로서, 높은 응답 속도로 다양한 광학 특성을 구현할 수 있고, 초소형 기기에 적용하기 유리하기 때문에 입사되는 광의 투과, 반사, 편광, 위상, 세기, 경로 등을 변경하는 데에 적용하려는 시도가 지속되고 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 광학 렌즈의 구조가 도시된 개략도로서, 종래의 기술에 따른 광학 렌즈(10)는 지지층(11) 및 메타 구조로서 지지층(11) 상에 형성되는 복수의 나노 핀(12)을 포함한다.
복수의 나노 핀(12)은 지지층(11) 상에 기둥 형상으로 형성되고, 복수의 나노 핀(12)의 두께, 높이, 형성 주기 등에 따라 광의 위상을 지연되어 요구되는 광학 특성이 구현된다.
이때, 도 1에서는 복수의 나노 핀(12)이 서로 이격되어 개별적으로 위치하기 때문에 복수의 나노 핀(12)을 지지하기 위한 지지층(11)이 필수적으로 요구되어 전체적인 크기를 줄이는 데에 한계가 있으며, 접착 공정을 통해 복수의 나노 핀(12)을 지지층(11) 상에 고정시킬 필요가 있기 때문에 전체적인 제조 공정이 증가하고, 외부 환경에 상대적으로 취약하여 복수의 나노 핀(12)이 파손이나 손상될 가능성이 높아지게 된다.
따라서, 초소형화가 가능하면서도 제조 공정을 간소화시키고, 외부 환경에 의한 파손이나 손상을 방지할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
등록특허공보 제10-1920046호 (2018.11.19. 공고)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 이루고자 하는 기술적 과제는 제조 공정이 간소화되고 외부 환경에 대한 내성이 향상되는 메타 구조를 가지는 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈는, 렌즈 바디; 및 상기 렌즈 바디의 입사면으로부터 출사면을 향하는 방향으로 연장되고, 상기 입사면 및 출사면 중 적어도 하나와 연통되도록 형성되어 상기 렌즈 바디로 입사되는 광의 위상을 변화시키는 복수의 나노 홀을 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은, 상기 입사면 및 상기 출사면과 연통되도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은, 투과 대상이 되는 광의 파장보다 작은 직경을 가질 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은, 투과 대상이 되는 광의 파장의 절반보다 작은 직경을 가질 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은, 상기 입사면으로부터 상기 출사면을 향하는 방향으로 동일한 직경을 가질 수 있다.
상기 복수의 나노 홀 중 적어도 하나는, 상기 입사면으로부터 상기 출사면을 향하는 방향으로 일부가 다른 일부와 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은, 상기 입사면으로부터 상기 출사면을 향하는 방향으로 길이가 홀의 직경보다 크도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀의 형성 주기는, 상기 복수의 나노 홀 각각의 직경 중 최대값보다 클 수 있다.
상기 복수의 나노 홀의 형성 주기는, 상기 복수의 나노 홀 각각의 직경 중 최대값의 2배보다 작을 수 있다.
상기 렌즈 바디는, 상기 복수의 나노 홀 이외의 영역이 서로 연결되는 그물망 형태를 가질 수 있다.
상기 렌즈 바디를 지지하는 지지층을 더 포함하며, 상기 지지층은, 광이 투과되는 투명 재질로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은, 복수의 그룹으로 나누어지며, 상기 복수의 그룹 중 어느 하나는 다른 하나와 서로 다른 광학 특성을 가질 수 있다.
상기 광학 특성은, 광의 포커싱, 발산 및 편향 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치는, 적어도 하나의 광원을 포함하는 광원부; 및 상기 광원부로부터 입사되는 광의 위상을 지연시켜 적어도 하나의 방향으로 광이 진행되도록 광학 렌즈를 포함하며, 상기 광학 렌즈는, 상기 입사되는 광이 출사되는 방향으로 연장되도록 형성되는 복수의 나노 홀을 포함할 수 있다.
상기 광학 렌즈는, 상기 광원부로부터 입사되는 광이 평행광으로 변환되어 출사되도록 할 수 있다.
상기 광학 렌즈는, 상기 광원부로부터 입사되는 출사되는 광 중 일부가 다른 일부와 서로 다른 광학 특성을 가질 수 있다.
상기 광학 특성은, 광의 포커싱, 발산 및 편향 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기와 같은 본 발명의 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
렌즈 바디에 형성되는 메타 구조를 렌즈 바디의 적어도 일면과 연통되는 나노 홀로 구현함으로써 메타 구조를 형성하기 위한 제조 공정이 간소화되고, 외부 환경에 대한 내성이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 광학 렌즈가 도시된 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 평면도.
도 4는 도 3의 A-A' 단면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈에 의한 광 경로가 도시된 개략도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 단면도.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노 홀의 형상이 도시된 개략도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 나노 홀의 길이에 따른 광 효율이 도시된 개략도.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 나노 홀의 직경이 도시된 개략도.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 바디에 형성되는 복수의 나노 홀이 복수의 그룹으로 나뉘어지는 광학 렌즈가 도시된 개략도.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 사시도.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 단면도.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치가 도시된 개략도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 사시도, 단면도, 측면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 또한, 본 발명의 실시 예에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 평면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈(100)는 렌즈 바디(110) 및 복수의 나노 홀(120)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 광학 렌즈(100)는 야간이나 어두운 장소에서 시야 확보가 필요한 차량, 드론, 열차 등에 구비되는 조명 장치에 적용되는 경우를 예를 들어 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로서, 이에 한정되지 않고, 본 발명의 광학 렌즈(100)는 조명 장치 뿐만 아니라 광학 필터, 광학 센서, 디스플레이 소자 등과 같이 다양한 광학 특성이 요구되는 장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 광학 렌즈(100)는 광의 동일 위상점들을 연결한 파면(wavefront)의 형상이 변경되도록 입사되는 광의 위상을 변화시켜 굴절력을 조절함으로써, 광의 포커싱, 발산 및 편향 등과 같은 광학 특성이 구현되도록 하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 광학 렌즈(100)에 의해 구현되는 광학 특성은 전술한 예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 광학 렌즈(100)가 적용되는 장치에서 요구되는 다양한 광학 특성을 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 광학 렌즈(100)는 도 5와 같이 입사되는 평면파를 구면파로 변환시켜 출사시킴으로써 출사되는 광이 한 지점에 포커싱되도록 하거나, 도 6과 같이 한 지점으로부터 입사되는 구면파를 평면파로 변환시켜 평행광으로 출사되도록 할 수 있으며, 도 5 및 도 6에서 점선은 파면을 의미한다.
전술한 도 5 및 도 6은 본 발명의 광학 렌즈(100)가 볼록 렌즈의 기능을 수행하는 경우의 일 예로서, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로서, 이에 한정되지 않고, 본 발명의 광학 렌즈(100)는 복수의 나노 홀(120) 각각에 의한 위상 지연 정도에 따라 출사되는 광을 포커싱, 발산 또는 편향시키는 다양한 종류의 렌즈의 기능을 수행할 수 있게 된다.
이때, 광의 위상은 특정 위치 및 시간에서 삼각함수로 표현되는 광이 가지는 상대적인 각도 값이라 볼 수 있으며, 광의 위상이 지연된다는 것은 파동 형태의 광이 상대적으로 느리게 투과된다는 것으로 이해될 수 있다.
따라서, 복수의 나노 홀(120) 각각에 의해 광의 위상이 지연되는 정도가 다르다는 것은 광이 복수의 나노 홀(120) 중 어느 하나에 비하여 다른 하나를 더 빠르거나 느리게 투과한다는 것으로 이해될 수 있으며, 복수의 나노 홀(120) 각각에 의한 광의 위상 지연 정도를 적절히 조절, 즉 굴절되는 정도를 조절하는 경우 파면의 형상이 변화될 수 있어 전술한 도 5 및 도 6과 같이 구면파가 평면파로 변환되도록 하거나 평면파가 구면파로 변환되도록 할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시예에서는 광학 렌즈(100)가 복수의 나노 홀(120) 각각에 의한 위상 지연 정도에 따라 굴절력을 조절하여 광의 경로가 조절되도록 하는 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 밝기에 영향을 주는 광 투과율 등의 조절도 가능하다.
본 발명의 광학 렌즈(100)에 의해 구현되는 굴절력이나 초점 거리 등은 복수의 나노 홀(120) 각각의 직경(d)과 길이(t)로 정의되는 형상 수치에 따라 조절되는 것으로서, 두께나 곡률 등으로 굴절력을 조절하는 기존의 렌즈와 비교하여 굴절력의 변화에 따른 크기의 변화가 수반되지 않게 된다.
렌즈 바디(110)는 높은 투과율을 구현하기 위하여 입사되는 광의 파장 대역에서 낮은 흡수율을 가지는 물질로 형성될 수 있으며, 굴절율이 높을수록 광 변조 효율이 높고 복수의 나노 홀(120)을 작게 형성할 수 있으므로 제조 공정 상의 부담이 줄어들 수 있다.
복수의 나노 홀(120)은 렌즈 바디(110)의 입사면(111)으로부터 출사면(112)을 향하는 방향으로 연장되도록 형성되고, 입사면(111) 및 출사면(112) 중 적어도 하나와 연통되도록 형성될 수 있다.
이때, 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112)은 광이 입사되는 면과 광이 출사되는 면을 지칭하는 것으로서, 본 발명의 광학 렌즈(100)가 적용되는 장치에 따라 광이 투과하는 방향으로 렌즈 바디(110)의 양면 중 어느 하나가 입사면(111)이고, 다른 하나가 출사면(112)의 역할을 하는 것으로 이해될 수 있다.
복수의 나노 홀(120) 각각은 입사되는 광의 위상을 지연시켜 요구되는 광학 특성이 구현되도록 하게 되며, 본 발명의 실시예에서는 기존의 기둥 형상 대신에 홀 형상으로 메타 구조를 형성하여 제조 공정을 간소화시키고 외부 환경에 대한 내성을 향상시키게 된다.
본 발명의 실시예에서는 복수의 나노 홀(120) 양측이 각각 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112)과 연통되도록 형성되어 복수의 나노 홀(120)에 의해 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112)이 서로 연통되는 경우를 예를 들어 설명하기로 하나, 이에 한정되지 않고, 도 7 및 도 8과 같이 복수의 나노 홀(120)은 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112) 중 어느 하나와 연통되도록 형성될 수도 있으며, 이 경우 입사면(111) 및 출사면(112) 중 차폐되는 면과 복수의 나노 홀(120) 사이의 간격은 요구되는 광 투과율 등에 따라 변경될 수 있다.
복수의 나노 홀(120) 양측에는 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112)과 연통되도록 형성되는 개구부(121, 122)가 형성될 수 있으며, 이하 본 발명의 실시예에서 렌즈 바디(110)의 입사면(111)과 연통되는 개구부(121)를 입사측 개구부라 칭하고, 렌즈 바디(110)의 출사면(112)과 연통되는 개구부(122)를 출사측 개구부라 칭하기로 한다.
복수의 나노 홀(120)은 렌즈 바디(110)에 대한 식각이나 리소그래피 등의 공정을 통해 형성될 수 있으며, 복수의 나노 홀(120)은 형상 수치에 따라 광의 위상이 지연되는 정도가 달라질 수 있고, 복수의 나노 홀(120)의 형상 수치는 직경(d)과 길이(t)로 정의될 수 있다.
전술한 바와 같이 렌즈 바디(110)에 복수의 나노 홀(120)을 형성하는 경우 렌즈 바디(110)는 복수의 나노 홀(120) 이외의 영역이 서로 연결되는 그물망 형태를 가지게 되고, 이로 인해 기존에 메타 구조를 기둥 형상으로 형성하는 경우에 비하여 충격, 진동 및 열 등과 같은 외부 환경에 대한 내성이 증가하기 때문에 파손이나 손상 가능성이 감소될 수 있다.
이때, 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)은 입사측 개구부(121)의 외주단 중 동일 선상에 위치하는 서로 마주보는 두 지점 사이의 길이 중 가장 긴 길이를 의미하는 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 입사측 개구부(121)가 원형 경우를 예를 들어 설명하고 있으므로, 직경(d)은 원의 지름으로 이해될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 복수의 나노 홀(120)의 홀 형상이 원형인 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 광의 위상이 지연되는 정도에 따라 사각형, 타원형 등의 다양한 홀 형상을 가질 수 있으며, 이 경우 직경(d)은 도 9 및 도 10과 같이 동일 선상에 위치하는 서로 마주보는 두 지점 사이의 길이 중 가장 긴 길이일 수 있다.
복수의 나노 홀(120)의 홀 형상은 전술한 예로 한정되는 것은 아니며, 광의 위상 지연 정도에 따라 홀 형상은 직선, 곡선 또는 이들의 조합을 가지는 다양한 형상을 가질 수 있다.
복수의 나노 홀(120)의 직경(d)은 투과 대상이 되는 광의 파장보다 작은 것이 바람직하며, 이는 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)이 투과 대상이 되는 광의 파장보다 충분히 작아야 유효 매질 이론, 즉 유효한 굴절율을 갖는 매질로 성립될 수 있고, 모든 각도에 대한 위상 지연이 가능하도록 광의 위상 지연 범위가 2π, 즉 0~360도 전체를 포함할 수 있도록 하기 위한 것이다.
예를 들어, 투과 대상이 되는 광의 파장이 100 내지 1400nm인 경우 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)은 20 내지 1000nm일 수 있다. 이때, 광의 파장이 100 내지 1400nm인 경우는 본 발명의 광학 렌즈(100)가 가시광선을 포함하여 적외선 및 자외선이 사용되는 광학 필터나 광학 센서에도 적용되는 경우의 일 예로서, 본 발명의 광학 렌즈(100)가 가시광선을 이용하는 조명 장치에 적용되는 경우 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)은 20 내지 400nm일 수 있다.
복수의 나노 홀(120)은 홀 형상에 따라 직경(d)이 서로 다를 수 있으며, 복수의 나노 홀(120)의 직경(d) 중 최대값이 투과 대상이 되는 광의 파장의 절반보다 작도록 형성되는 경우 유효 매질 이론을 만족하면서도 광의 위상 지연 범위가 2π 전체를 포함할 수 있게 된다.
또한, 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)는 렌즈 바디(110)의 입사면(111)에서 출사면(112)을 향하는 방향으로의 홀의 길이를 의미하는 것으로서, 복수의 나노 홀(120)의 입사측 개구부(121) 및 출사측 개구부(122)가 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112)과 각각 연통되도록 형성되는 경우 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)는 렌즈 바디(110)의 두께일 수 있고, 복수의 나노 홀(120)의 양측 중 어느 하나가 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112) 중 어느 하나와 연통되도록 형성되는 경우 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)는 렌즈 바디(110)의 두께보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)가 모두 동일한 경우를 예를 들어 설명하기로 하나, 이에 한정되지 않고, 복수의 나노 홀(120) 중 일부가 다른 일부와 서로 다른 길이를 가질 수도 있다.
복수의 나노 홀(120)의 길이(t)는 광 손실을 줄이면서도 광의 위상 지연 범위가 2π 전체를 포함할 수 있도록 할 필요가 있으며, 이를 위해 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)는 직경(d) 이상으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 투과 대상이 되는 광의 파장이 100 내지 1400nm이고, 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)은 20 내지 1000nm인 경우, 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)는 200 내지 1200nm일 수 있으며, 본 발명의 광학 렌즈(100)가 가시광선을 이용하는 조명 장치에 적용되어 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)이 20 내지 400nm로 형성되는 경우 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)는 400 내지 800nm일 수 있다.
이때, 복수의 나노 홀(120)의 길이(t)가 커질수록 광 손실이 발생될 수 있는데, 이 경우 복수의 나노 홀(120)의 최대 길이는 요구되는 광 효율에 따라 달라질 수 있다.
즉, 도 11과 같이 광 효율은 복수의 나노 홀(120)의 길이가 커짐에 따라 점차적으로 감소될 수 있기 때문에 요구되는 광 효율에 따라 복수의 나노 홀(120)의 최대 길이가 결정될 수 있는 것이다.
전술한 실시예에서는 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)이 렌즈 바디(110)의 입사면(111)에서 출사면(112)을 향하는 방향으로 동일하게 형성되는 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 도 12와 같이 입사면(111)에서 출사면(112)으로 갈수록 점차적으로 증가되도록 형성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않고, 복수의 나노 홀(120)에 의한 광의 위상 지연 정도에 따라 복수의 나노 홀(120)은 입사면(111)에서 출사면(112)을 향하는 방향으로 일부가 다른 일부와 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
한편, 복수의 나노 홀(120)의 형성 주기(w)는 복수의 나노 홀(120)의 직경(d) 중 최대값보다 클 수 있으며, 이는 형성 주기(w)가 직경(d) 중 최대값 미만인 경우 렌즈 바디(110)에 형성될 수 있는 나노 홀의 직경(d)이 제한되어 광의 위상 지연 범위가 2π 전체를 포함하기 어려운 경우가 발생할 수 있기 때문이다.
또한, 복수의 나노 홀(120)의 형성 주기(w)는 복수의 나노 홀(120)의 직경(d) 중 최대값의 2배 이하일 수 있으며, 이는 형성 주기(w)가 직경(d) 중 최대값의 2배를 초과하는 경우 단위 면적당 위상 지연을 일으키는 나노 홀의 비중이 상대적으로 적어지게 되어 요구되는 광학 특성을 구현하기가 어려운 경우가 발생할 수 있기 때문에 복수의 나노 홀(120)의 형성 주기(w)는 d보다 크고 2*d보다 작을 수 있다.
예를 들어, 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)이 20 내지 1000nm인 경우 형성 주기(w)는 200 내지 1200nm일 수 있으며, 본 발명의 광학 렌즈(100)가 가시광선을 이용하는 조명 장치에 적용되어 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)이 20 내지 400nm로 형성되는 경우 복수의 나노 홀(120)의 형성 주기(w)는 400 내지 600nm일 수 있다.
전술한 실시예에서는 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)이 동일한 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 복수의 나노 홀(120)의 직경(d)은 각 나노 홀에 의한 위상 지연 정도에 따라 서로 다를 수 있으며, 도 13과 같이 인접한 나노 홀의 직경이 d1, d2로서 서로 다르고, 직경의 최대값이 d2인 경우, 형성 주기(w)는 d2보다 크고 2*d2보다 작은 것으로 이해될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 광학 렌즈(100)는 렌즈 바디(110)에 복수의 나노 홀(120)을 직접 형성하기 때문에 기존과 같이 개별적으로 기둥 형상의 나노 핀을 형성하는 경우에 비하여 충격, 진동, 열 등의 외부 환경에 대한 내성이 강해질 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정이 간소화되어 비용이 절감될 수 있게 된다.
즉, 기존에는 복수의 나노 핀이 개별적으로 형성되기 때문에 충격, 진동, 열 등에 민감하고, 이로 인해 각 나노 핀의 파손이나 손상 가능성이 상대적으로 높은 반면, 본 발명의 실시예에서는 렌즈 바디(110) 자체에 복수의 나노 홀(120)을 형성하는 구조이기 때문에 외부 환경에 대한 내성이 강해질 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 광학 렌즈(100)는 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창이 적고, 단일의 광학 렌즈로도 충분한 색수차 보정이 가능하기 때문에 온도 변화에 따른 색수차 보정을 위하여 여러 개의 렌즈를 사용하지 않게 되어 초소형화가 가능하게 된다.
한편, 전술한 도 2 내지 도 4의 광학 렌즈(100)는 하나의 광학 특성을 구현하는 경우의 일 예로서, 이에 한정되지 않고, 도 14와 같이 렌즈 바디(110)에 적어도 하나의 나노 홀을 포함하는 복수의 그룹(G1~G4)을 형성하고, 각 그룹(G1~G4)에 포함되는 나노 홀이 서로 다른 광학 특성을 가지도록 설계되는 경우 단일의 광학 렌즈로도 둘 이상의 광학 특성을 구현할 수 있게 된다.
이때, 도 14에서는 하나의 렌즈 바디(110)에 여러 개의 그룹(G1~G4)이 형성되는 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 각 그룹이 서로 다른 렌즈 바디에 형성될 수도 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 사시도이고, 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 렌즈가 도시된 측면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 소자(100)는 렌즈 바디(110), 복수의 나노 홀(120) 및 지지층(130)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 지지층(130)은 렌즈 바디(110)를 지지하여 렌즈 바디(110)의 강성을 향상시킴으로써 외부 환경에 의해 렌즈 바디(110)의 변형, 파손, 손상 등이 발생하는 것이 방지되도록 할 수 있다.
이때, 도 15 및 도 16에서는 렌즈 바디(110)의 입사면(111)에 지지층(130)이 형성되는 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로서, 이에 한정되지 않고, 본 발명의 광학 렌즈(100)의 초점 거리, 지지층(130)의 두께 등에 따라 지지층(130)은 렌즈 바디(110)의 입사면(111) 및 출사면(112) 중 적어도 하나에 형성될 수 있다.
지지층(130)은 글래스나 PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethylsiloane) 등의 폴리머 재질로소, 광이 투과되는 투명한 재질로 이루어질 수 있으며, 초소형으로 제조되는 광학 렌즈(100)의 조립 시 조립성을 향상시키기 위해 사용될 수 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로서, 이에 한정되지 않고 본 발명의 광학 렌즈(100) 자체로도 충분한 조립성이 확보되는 경우 지지층(130)은 생략될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치가 도시된 개략도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조명 장치(200)는 광원부(210) 및 광학 렌즈(220)를 포함할 수 있으며, 도 16에서 광학 렌즈(220)는 전술한 실시예들의 광학 렌즈(100)로 이해될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에서 조명 장치(200)는 차량이 야간에 주행하거나 터널 등과 같은 어두운 장소를 주행할 때 전방 시야가 확보되도록 하거나 주변 차량 또는 보행자에게 차량의 주변 상태를 알리는 차량용 램프의 기능을 수행하는 경우를 예를 들어 설명하기로 하며, 조명 장치(100)가 차량용 램프의 기능을 수행하는 경우 그 기능에 따라 적합한 빔 패턴이 형성되도록 하게 된다.
광원부(210)는 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있으며, 광학 렌즈(220)는 렌즈 바디(221)의 입사면(221a)과 출사면(221b) 사이에 연통되도록 복수의 나노 홀(222)이 형성되어 광원부(210)로부터 소정의 광 조사각으로 발생되는 광이 광학 렌즈(220)에 의해 적어도 하나의 방향으로 진행될 수 있다.
도 17은 차량 전방의 충분한 시야 거리 확보가 확보될 수 있도록 광원부(210)로부터 소정의 광 조사각으로 발생되는 광이 광학 렌즈(220)에 의해 평행광으로 변환되어 차량 전방으로 조사되는 경우의 일 예로서, 이에 한정되지 않고, 광원부(210)로부터 발생되는 광은 광학 렌즈(220)에 형성되는 복수의 나노 홀(222) 각각의 위상 지연 정도에 따라 둘 이상의 방향으로 진행되어 차량의 주행 환경에 따라 다양한 빔 패턴이 형성되도록 할 수 있다.
또한, 도 17에서는 광원부(210)가 단일의 광원을 포함하는 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 광원부(210)는 복수의 광원을 포함할 수 있으며, 이 경우 광학 렌즈(220)는 복수의 광원 각각으로부터 발생되는 광의 위상을 지연시켜 적합한 빔 패턴이 형성되도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 광학 렌즈(100, 220) 및 이를 이용한 조명 장치(200)는 메타 구조로서 렌즈 바디(110, 221) 자체에 복수의 나노 홀(120, 222)을 형성하여 제조 공정이 간소화되고 외부 환경에 대한 내성이 향상될 수 있게 되고, 광학 렌즈(100, 220)에 의한 다양한 광학 특성의 구현이 가능하기 때문에 초소형화가 가능하게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 220: 광학 렌즈
110, 221: 렌즈 바디
111, 221a: 입사면
112, 221b: 출사면
120, 222: 나노 홀
130: 지지층
200: 조명 장치
210: 광원부

Claims (17)

  1. 렌즈 바디; 및
    상기 렌즈 바디의 입사면으로부터 출사면을 향하는 방향으로 연장되고, 상기 입사면 및 출사면 중 적어도 하나와 연통되도록 형성되어 상기 렌즈 바디로 입사되는 광의 위상을 변화시키는 복수의 나노 홀을 포함하는 광학 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은,
    상기 입사면 및 상기 출사면과 연통되도록 형성되는 광학 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은,
    투과 대상이 되는 광의 파장보다 작은 직경을 가지는 광학 렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은,
    투과 대상이 되는 광의 파장의 절반보다 작은 직경을 가지는 광학 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은,
    상기 입사면으로부터 상기 출사면을 향하는 방향으로 동일한 직경을 가지는 광학 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀 중 적어도 하나는,
    상기 입사면으로부터 상기 출사면을 향하는 방향으로 일부가 다른 일부와 서로 다른 직경을 가지는 광학 렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은,
    상기 입사면으로부터 상기 출사면을 향하는 방향으로 길이가 홀의 직경보다 크도록 형성되는 광학 렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀의 형성 주기는,
    상기 복수의 나노 홀 각각의 직경 중 최대값보다 큰 광학 렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀의 형성 주기는,
    상기 복수의 나노 홀 각각의 직경 중 최대값의 2배보다 작은 광학 렌즈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 바디는,
    상기 복수의 나노 홀 이외의 영역이 서로 연결되는 그물망 형태를 가지는 광학 렌즈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 바디를 지지하는 지지층을 더 포함하며,
    상기 지지층은,
    광이 투과되는 투명 재질로 이루어지는 광학 렌즈.
  12. 제 1 항 에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은,
    복수의 그룹으로 나누어지며,
    상기 복수의 그룹 중 어느 하나는 다른 하나와 서로 다른 광학 특성을 가지는 광학 렌즈.
  13. 제 12 항 에 있어서,
    상기 광학 특성은,
    광의 포커싱, 발산 및 편향 중 적어도 하나를 포함하는 광학 렌즈.
  14. 적어도 하나의 광원을 포함하는 광원부; 및
    상기 광원부로부터 입사되는 광의 위상을 지연시켜 적어도 하나의 방향으로 광이 진행되도록 광학 렌즈를 포함하며,
    상기 광학 렌즈는,
    상기 입사되는 광이 출사되는 방향으로 연장되도록 형성되는 복수의 나노 홀을 포함하는 조명 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학 렌즈는,
    상기 광원부로부터 입사되는 광이 평행광으로 변환되어 출사되도록 하는 조명 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학 렌즈는,
    상기 광원부로부터 입사되는 출사되는 광 중 일부가 다른 일부와 서로 다른 광학 특성을 가지도록 하는 조명 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 특성은,
    광의 포커싱, 발산 및 편향 중 적어도 하나를 포함하는 조명 장치.
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