프레넬 렌즈의 이점

이론 | 제작 방식 | 어플리케이션

프레넬 렌즈(fresnel lens)는 플라스틱에 식각된 연속적인 동심홈으로 이루어진 광학 부품입니다. 얇고 가벼운 구조로서 소형 및 대형 사이즈로 이용할 수 있으며 집광 능력이 뛰어나 다양한 어플리케이션에 유용합니다. 프레넬 렌즈는 콘덴서 시스템이나 이미터/디텍터 셋업과 같은 집광 용도에 가장 흔히 사용됩니다. 또한 조명 시스템이나 이미지 형성 용도에서는 확대경이나 프로젝션 렌즈처럼 사용할 수 있습니다.

프레넬 렌즈는 기존 광학 렌즈의 곡면을 일련의 동심홈(concentric groove)으로 대체한 제품입니다. 이러한 외형은 개별 굴절면처럼 작용해 평행 광선을 일반적인 초점 길이로 굴곡시킵니다(그림 1). 결과적으로 프레넬 렌즈는 물리적으로 좁은 형태를 보여도 기존 광학 렌즈와 비슷하게 빛을 포커싱할 수 있어 보다 두꺼운 유사 렌즈에 비해 더 많은 장점을 갖습니다.

그림 1: 프레넬 렌즈의 프로파일

프레넬 렌즈의 이론

프레넬 렌즈의 개념 뒤에는 빛의 전파 방향이 (산란되지 않는 한) 매질 내에서 변하지 않는다는 구동 원리가 존재합니다. 대신 광선은 매질의 표면에서만 이탈이 일어납니다. 그 결과 렌즈의 중심에 있는 대부분의 소재는 중량과 시스템 내에서의 흡수량을 증가시키는 역할만 하게 됩니다.

이와 같은 물리적 속성을 활용하기 위해 18세기 물리학자들은 오늘날 프레넬 렌즈로 알려진 광학 부품을 창조하기 시작하였습니다. 그 당시 곡면의 프로파일을 고리 모양으로 제작하기 위해서는 그루브(groove)를 유리 조각 형태로 잘라내야 했습니다. 이러한 곡면의 프로파일은 압출을 통해 구형 또는 비구면 형태의 재래식 구형 렌즈를 형성하게 됩니다(그림 2). 기존의 광학 렌즈와 유사한 광학적 속성으로 인해 어플리케이션에 따라 다소 향상된 포커싱 성능을 제공할 수 있습니다. 뿐만 아니라 그루브의 밀도가 높을 경우 더 나은 품질의 이미지를 생산하며 이와 반대로 그루브의 밀도가 낮을 경우에는 더 나은 효율성(집광 용도에 필수)을 제공하게 됩니다. 그럼에도 불구하고 고정밀 이미징이 필수라면 기존 방식의 단일, 이중 렌즈 혹은 비구면 광학 렌즈가 여전히 가장 적합하다는 점을 유념해야 합니다.

그림 2: Plano-Convex (PCX) Lens와 Fresnel Lens의 측면 프로파일을 비교한 모습

프레넬 렌즈의 제작 방식

가장 최초의 프레넬 렌즈는 글래스의 연마광택처리를 일일이 수작업으로 진행하면서 제조되었습니다. 용해된 글래스를 끝내 몰드 내부로 주입하는 단계까지 도달했지만, 20세기에 들어 광학 등급의 플라스틱과 사출 성형(injection-molding) 기술의 발달로 다양한 산업 및 상업 분야에서 프레넬 렌즈를 보다 실용적으로 활용할 수 있게 되었습니다.

프레넬 렌즈의 제작에는 다양한 기판이 이용될 수 있습니다. 원하는 파장대의 작동 원리에 따라 아크릴부터 폴리카보네이트 및 비닐에 이르기까지 여러 소재로 제조가 가능합니다. 아크릴은 VIS와 UV 영역에서 높은 투과성을 보이기 때문에 가장 활용도가 높은 기판이며, 폴리카보네이트는 충격 및 고온에 대한 내성으로 거친 환경에 적합한 기판입니다.

어플리케이션 예제

프랑스인 물리학자인 Augustin-Jean Fresnel (1788 - 1827)이 프레넬 렌즈의 개념을 최초로 정립한 학자는 아니었으나 프레넬 렌즈를 등대에 결합시켜 이를 대중화할 수 있는 능력을 선보였습니다. 그 이후부터 빛의 시준과 집광부터 확대 촬영에 이르는 다양한 응용 분야에서 프레넬 렌즈를 적극 활용할 수 있게 되었습니다.

빛의 시준

프레넬 렌즈를 광원으로부터 하나의 초점 거리만큼 떨어져 위치시키면 점광원을 손쉽게 시준할 수 있습니다. Finite-conjugate 시스템에서는 프레넬 렌즈의 그루브 면이 더 긴 conjugate(그림 3 - 4) 쪽을 향해야만 최상의 성능을 얻을 수 있습니다.

그림 3: 프레넬 렌즈를 이용해 점광원의 빛을 시준하는 모습

빛의 응집

프레넬 렌즈를 가장 많이 이용하는 어플리케이션 중 하나는 태양광의 집광 용도로서 infinite-conjugate 시스템(평행광에 무척 가까움)과 거의 유사하게 취급됩니다. 집광 용도의 프레넬 렌즈는 광전지 위로 빛을 응집하거나 표면을 가열하는 데 이상적으로 사용됩니다. 예를 들어 가정 난방이나 수영장을 데우는 것과 같이 가정용으로 프레넬 렌즈를 애용할 수 있습니다. 이러한 경우 수집된 빛의 양은 렌즈의 전체 표면적으로 결정됩니다.

그림 4: 프레넬 렌즈를 이용해 시준된 광원의 빛을 응집하는 모습

피사체의 확대

프레넬 렌즈를 일반적으로 이용하는 기타 어플리케이션으로는 피사체의 확대가 있습니다. 이 경우 확대경이나 프로젝션 렌즈처럼 사용될 수 있으나 왜곡률이 높아 권장되지는 않습니다. 또한 왜곡의 양을 알고 있는 고정밀 시스템의 이미지 품질에는 미치지 못합니다.

태양광 응용 분야에서 흔히 볼 수 있는 프레넬 렌즈는 저렴하면서도 가볍고 얇은 positive lens element가 필요한 용도에 이상적입니다. 프레넬 렌즈 자체가 신규 기술을 아니지만, 제조 기술과 소재의 발달로 보급률이 증가하였습니다. 이처럼 독특한 광학 렌즈이기도 한 프레넬 렌즈는 다양하면서도 흥미로운 광학 디자인을 위해 뛰어난 도구로 활용될 수 있습니다.