볼록렌즈나 오목렌즈는 곡률반경이 작아지면 중심이나 가장자리의 두께가 커져서 활용하는 데 어려움이 있다. 이에 따라 두꺼운 부분을 블록으로 도려내어 두께를 줄여서 비슷한 효과를 거둘 수 있는 것으로 프레넬 렌즈가 있다.
프레넬 렌즈(Fresnel lens)는 특히 볼록렌즈의 대용으로 두께를 줄여서 광원의 집속에 널리 사용되고 있다. 이는 다음 그림에서 보는 것처럼 볼록렌즈의 빗면과 같은 경사의 프리즘을 층층이 겹친 모양을 하고 있다.
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프레넬 렌즈_프레넬 렌즈의 단면 그림으로 중심에서 가장자리로 갈수록 경사가 급해지는 프리즘 형태를 하고 있다. 실제는 중심 수직축을 중심으로 회전한 회전체로 되어 있어 무수히 많은 동심원으로 되어 있고, 보통 투명한 아크릴로 제작한다. 아래로 가면 차례로 곡률반경이 커지고 더 촘촘해진다.
프레넬 렌즈에서의 광선의 진행
프레넬 렌즈는 날카로는 톱니 부분에서 광선이 제멋대로 굴절해서 흩어지고, 또한 파면이 불연속적으로 단절되기 때문에 결상계에서 사용하기 힘들다. 그러나 탐조등 같이 광원의 위치가 고정되어 있는 경우에는 평행광을 만드는 용도로 쓰기에 편리하다.
다음 프로그램으로 프레넬 렌즈에 평행광이 입사할 때 광선이 집속되는 원리를 확인할 수 있다.
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프레넬 렌즈에서의 광선의 진행_프레넬 렌즈에서 광선이 진행하는 것을 보여준다. 왼쪽의 붉은 원을 마우스로 끌어서 평행광선의 기울기를 변경할 수 있으며, 광선이나 파면을 선택적으로 관찰할 수 있다. '구형 톱니'가 선택되면 톱니부분이 볼록렌즈이 곡률과 같은 값으로 구형을 부분적으로 해서 집속능력이 좋아지나 '선형 톱니'의 경우에는 프리즘 모양이 겹쳐진 것으로 같은 부분을 통과한 광선은 평행광으로 굴절하여 능력이 저하된다. ('크게보기'로 확대해서 보면 세밀한 구조가 잘 보인다)
렌즈 배열
_ 상업용으로 판매되는 렌즈 배열이다, 사진의 렌즈들은 벌집 모양으로 배열되어 있으며 크기는 약 120 μm 이다. (Lyncee tec 사)
파면을 측정한다.
공간에 분포한 빛의 광량과 위상정보를 다 알고 있으면 빛이 계속해서 어떻게 변화되어 나갈 지를 결정할 수 있다. 둘 중에서 광량은 빛의 밝기를 전류로 바꾸어주는 여러 가지의 센서로 측정할 수 있다. 그러나 위상 정보는 직접 측정하는 것을 불가능하다. 이는 빛의 진동수가 매우 높기 때문에 전자공학적인 센서의 반응이 이에 못미치기 때문이다. 따라서 간섭 등 광학의 원리를 이용해서 간접적으로 측정하게 된다. 파면이 바로 위상이 일정한 곡면이기 때문에 위상을 측정한다는 것을 파면을 측정한다고 말한다.
파면의 측정에 기준광과의 간섭을 이용하는 여러 형태의 간섭계가 널리 쓰였으나 가공 기술이 보다 세밀해진 지금은 여러 다양한 다른 방법이 개발되어 있다. 그중 하나는 수십 μm의 크기를 가진 볼록렌즈를 벌집이나 직사각형 격자로 배치하고 이를 CCD 배열(CCD array)로 측정하는 보다 직접적인 방법이 있다. 이러한 미세한 렌즈의 배열을 미소 렌즈 배열(micro lens array)이라 하고, 아울러 이를 이용한 센서를 샤크-하트만 센서(Shack-Hartmann sensor)라 한다.
다음은 이의 원리를 설명하는 프로그램이다. 화면 위에서 아래로 측정하려는 파면이 진행하고 있으며 마이크로 렌즈들을 통과하여 렌즈의 초점면에 있는 CCD 배열에서 광량의 분포가 읽혀지게 된다. 렌즈의 배열면에 나란한 이상적인 평면파라면 각 렌즈의 초점에 있는 셀에만 광량이 최대로 도달할 것이다. 그러나 평면파에서 벗어나서 국소적으로 파면이 왜곡되어 있다면 광량의 분포가 왜곡의 정도를 반영하여 다른 분포를 할 것이다. 프로그램에서 '리셋' 버튼을 눌러 계속 다른 파면을 생성시켜서 CCD 셀에 도달하는 광량의 분포가 파면에 따라 어떻게 달라지는지 살펴볼 수 있다.
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미소 렌즈 배열에서 파면의 측정_ 수평으로 렌즈 배열이 놓여 있고, 파면이 아래로 진행하고 있다. 렌즈의 초점면에 CCD 배열(때로는 CMOS 배열)이 놓여 있어 위치별 광량을 측정할 수 있다. '리셋'을 누르면 위에서 임의의 파면이 형성되어 렌즈로 입사한다. 때때로 파면이 수평인 평면파가 만들어지기도 하는 데 이 경우에는 리셋 버튼 위에 그 표시가 나타난다. 이상적인 평면파의 경우에는 CCD 배열 중 각각의 마이크로 렌즈의 광축에 위치하고 있는 푸른색으로 표시한 셀에만 빛이 도달하게 된다. 따라서 주변 셀에 도달하는 빛의 분포로 부터 국소적인 파면의 기울어짐, 곡률 등을 알 수 있어 전체적인 파면의 형성을 추정할 수 있게 된다. 실체로 마이크로 렌즈는 2차원 격자로 놓여 있고, 마찬가지로 CCD도 2차원 배열을 하게 된다.
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