光学透镜及利用该光学透镜的照明装置

本发明涉及一种光学透镜及利用该光学透镜的照明装置，尤其涉及一种能够实现超小型化并易于实现多种光学特性的光学透镜及利用该光学透镜的照明装置。

背景技术：

元结构是一种广义上的含义，指通过利用现有物质设计合适的几何周期结构来设计及制造具有自然界中不存在的人为物性的结构。

元结构作为将小于入射光的波长的数值应用于厚度、图案或周期等的人为的结构，可以以高响应速度实现多种光学特性，并且有利于应用到超小型设备，因此不断尝试将其应用到变更入射光的透射、反射、偏光、相位、强度、路径等。

图1是图示根据现有技术的光学透镜的结构的示意图，根据现有技术的光学透镜10包括支撑层11和作为元结构形成在支撑层11上的多个纳米销12。

多个纳米销12以柱状形成于支撑层11上，并且根据多个纳米销12的厚度、高度、形成周期等使光的相位延迟，从而实现所需的光学特性。

此时，在图1中，由于多个纳米销12彼此隔开且独立布置，因此需要用于支撑多个纳米销12的支撑层11，从而在减小整体尺寸方面存在限制，由于需要通过粘合工艺将多个纳米销12固定到支撑层11上，因此整体制造工艺增加，并且对外部环境相对脆弱，从而多个纳米销12发生破损或损伤的可能性增加。

因此，需要一种能够实现超小型化，同时简化制造工艺并能够防止由于外部环境引起的破损或损伤的方案。

[现有技术文献]

[专利文献]

韩国授权专利公报第10-1920046号(2018.11.19公告)

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题而提出，本发明要解决的技术课题在于提供一种具有简化制造工艺并提高对外部环境的耐性的元结构的光学透镜及利用该光学透镜的照明装置。

本发明的技术问题并非局限为以上提及的技术问题，本领域技术人员可通过下文的记载明确理解尚未提及的其他技术问题。

为了达成所述技术问题，根据本发明的实施例的光学透镜可以包括：透镜主体；以及多个纳米孔，沿从所述透镜主体的入射面朝向射出面的方向延伸，并且形成为与所述入射面及射出面中的至少一个连通，从而转换入射到所述透镜主体的光的相位。

所述多个纳米孔可以形成为与所述入射面及所述射出面连通。

所述多个纳米孔可以具有比作为透射对象的光的波长小的直径。

所述多个纳米孔可以具有比作为透射对象的光的波长的一半小的直径。

所述多个纳米孔可以在从所述入射面朝向所述射出面的方向上具有相同的直径。

所述多个纳米孔中的一部分可以在从所述入射面朝向所述射出面的方向上具有与另一部分互不相同的直径。

所述多个纳米孔可以形成为在从所述入射面朝向所述射出面的方向上纳米孔的长度大于纳米孔的直径。

所述多个纳米孔的形成周期可以大于所述多个纳米孔中的每一个的直径中的最大值。

所述多个纳米孔的形成周期可以小于所述多个纳米孔中的每一个的直径中的最大值的两倍。

所述透镜主体可以具有除了所述多个纳米孔之外的区域彼此连接的网形态。

还可以包括：支撑层，支撑所述透镜主体，其中所述支撑层利用使光透射的透明材质构成。

所述多个纳米孔可以分为多个组，所述多个组中的任意一个组具有与另一个组互不相同的光学特性。

所述光学特性可以包括光的聚焦、发散及偏转中的至少一种。

为了达成所述技术问题，根据本发明的实施例的照明装置可以包括：光源部，包括至少一个光源；以及光学透镜，在使从所述光源部入射的光的相位延迟的状态下使光沿至少一个方向行进，其中，所述光学透镜包括形成为沿入射的所述光射出的方向延伸的多个纳米孔。

所述光学透镜可以将从所述光源部入射的光转换为平行光而射出。

所述光学透镜可以使从所述光源部入射并射出的光中的一部分具有与另一部分互不相同的光学特性。

所述光学特性可以包括光的聚焦、发散及偏转中的至少一种。

本发明的其他具体事项包含于详细的说明及附图中。

根据如上所述的本发明的光学透镜及利用该光学透镜的照明装置，具有如下的效果之一或者其以上。

通过将形成在透镜主体的元结构实现为与透镜主体的至少一面连通的纳米孔，简化了用于形成元结构的制造工艺，并且具有提高对外部环境的耐性的效果。

本发明的效果并非局限于以上提及的效果，本领域技术人员可通过权利要求书的记载明确理解尚未提及的其他技术效果。

附图说明

图1是图示根据现有技术的光学透镜的结构的示意图。

图2是图示根据本发明的实施例的光学透镜的立体图。

图3是图示根据本发明的实施例的光学透镜的平面图。

图4是图3的a-a'剖视图。

图5及图6是图示根据本发明的实施例的光学透镜的光路的示意图。

图7及图8是图示根据本发明的实施例的光学透镜的剖视图。

图9及图10是图示根据本发明的实施例的纳米孔的形状的示意图。

图11是图示依据根据本发明的实施例的纳米孔的长度的光效率的示意图。

图12及图13是图示根据本发明的实施例的纳米孔的直径的示意图。

图14是图示根据本发明的实施例的将形成于透镜主体的多个纳米孔分为多个组的光学透镜的示意图。

图15是图示根据本发明的另一实施例的光学透镜的立体图。

图16是图示根据本发明的另一实施例的光学透镜的剖视图。

图17是图示根据本发明的实施例的照明装置的示意图。

附图标记说明

100、220：光学透镜110、221：透镜主体

111、221a：入射面112、221b：射出面

120、222：纳米孔130：支撑层

200：照明装置210：光源部

具体实施方式

参阅结合附图详细后述的实施例，就会明确了解本发明的优点、特征及用于达到目的之方法。然而，本发明并非局限于以下公开的实施例，其可以由互不相同的多样的形态实现，提供本实施例仅仅旨在使本发明的公开得以完整并用于将本发明的范围完整地告知本发明所属的技术领域中具备基本知识的人员，本发明仅由权利要求记载的内容来定义。贯穿整个说明书，相同的附图标记指代相同的构成要素。

因此，在若干实施例中，为了避免本发明被模糊地解释，对公知的工艺步骤、公知的结构及公知的技术不予具体描述。

本说明书中使用的术语用于说明实施例而非旨在限定本发明。在本说明书中，除非特别说明，否则单数型在语句中也包括复数型。说明书中使用的术语“包括(comprises)”和/或“包含于(comprising)”意味着不排除除了所提及的构成要素、步骤和/或操作之外的一个以上的其他构成要素、步骤和/或操作的存在或附加。另外，“和/或”包括所提及的项目中的各者及其一个以上的组合。

并且，将会参阅作为本发明的理想化的示例图的立体图、剖视图、侧视图和/或示意图而对本说明书所述的实施例进行说明。因此，根据制造技术和/或允许误差等，示例图的形态有可能变形。于是，本发明的实施例并非限定为图示的特定形态，根据制造工艺而生成的形态的变化也包含在内。而且，在本发明的实施例中图示的各个附图中，可能考虑到说明的方便性而将各个构成要素多少有些放大或缩小而图示。

以下，基于本发明的实施例，通过参考用于描述光学透镜及利用该光学透镜的照明装置的附图而对本发明进行说明。

图2是图示根据本发明的实施例的光学透镜的立体图，图3是图示根据本发明的实施例的光学透镜的平面图，图4是图示根据本发明的实施例的光学透镜的剖视图。

参照图2至图4，根据本发明的实施例的光学透镜100可以包括透镜主体110及多个纳米孔120。

在本发明的实施例中，以光学透镜100应用于配备于在夜间或较暗的场所需要确保视野的车辆、无人飞机、列车等的照明装置的情形为例进行说明。然而，这仅仅是用于帮助理解本发明的一个示例，并不局限于此，本发明的光学透镜100不仅可以应用于照明装置，还可以应用于诸如滤光器、光学传感器、显示元件等多种需要光学特性的装置。

本发明的光学透镜100可以起到如下作用：通过改变入射光的相位而调节折射力，以变更连接光的相同相位点的波面(wavefront)的形状，从而可以实现诸如光的聚焦、发散及偏转等光学特性。

通过本发明的光学透镜100实现的光学特性并不局限于上述的示例，可以包括应用本发明的光学透镜100的装置所需的多种光学特性。

例如，本发明的光学透镜100可以将如图5所示地入射的平面波转换成球面波而射出，从而使得射出的光聚焦于一点，或者将如图6所示地从一点入射的球面波转换成平面波而使其以平行光方式射出，在图5及图6中，虚线表示波面。

上述的图5及图6作为本发明的光学透镜100执行凸透镜的功能的情况的示例，这仅仅是用于帮助理解本发明的一个示例，并不局限于此，本发明的光学透镜100可以执行如下的多样种类的透镜的功能：根据由多个纳米孔120中的每一个引起的相位延迟程度而使射出的光聚焦、发散及偏转。

此时，光的相位可以视为，由三角函数在特定位置及时间表示的光所具有的相对角度值，光的相位延迟可以理解为波动形态的光相对较慢地透射。

因此，光的相位延迟的程度根据多个纳米孔120中的每一个而不同可以理解为，相比于多个纳米孔120中的某一个，光更快或更慢地透射另一个。在适当地调节根据多个纳米孔120中的每一个的光的相位延迟程度(即，折射的程度)的情况下，可以改变波面的形状，从而可以如图5及图6所示地使得球形波转换为平面波，或者使得平面波转换成球面波。

在本发明的实施例中，以如下情形为例进行说明：光学透镜100依据根据多个纳米孔120中的每一个的相位延迟程度来调节折射力以调节光路。然而，然而并不局限于此，也可以调节影响亮度的透光率等。

由本发明的光学透镜100实现的折射力或焦距等根据由多个纳米孔120中的每一个的直径d和长度t定义的形状数值进行调节，相比于通过厚度或曲率等调节折射力的现有的透镜，不会造成根据折射力的变化而导致的尺寸的变化。

为了实现高透射率，透镜主体110可以利用在入射的光的波段具有较低的吸收率的物质形成，由于折射率越高，光调制效率越高，并且可以较小地形成多个纳米孔120，因此可以减少制造工艺上的负担。

多个纳米孔120可以形成为沿从透镜主体110的入射面111朝向射出面112的方向延伸，并且形成为与入射面111及射出面112中的至少一个连通。

此时，透镜主体110的入射面111及射出面112是指光入射的面和光射出的面，根据应用本发明的光学透镜100的装置，可以理解为在透射光的方向上透镜主体110的两面中的某一个为入射面111。另一个起到射出面112的作用。

多个纳米孔120中的每一个使得入射光的相位延迟而实现所需的光学特性，在本发明的实施例中，以孔形状代替现有的柱状来形成元结构，从而简化制造工艺，并提高对外部环境的耐性。

在本发明的实施例中，以如下情形为例进行说明：多个纳米孔120形成为两侧分别与透镜主体110的入射面111及射出面112连通，从而透镜主体110的入射面111及射出面112通过多个纳米孔120相互连通。然而，并不局限于此，如图7及图8所示，多个纳米孔120也可以形成为与透镜主体110的入射面111及射出面112中的任意一个连通，在这种情况下，入射面111及射出面112中的封闭的面与多个纳米孔120之间的间隔可以根据所需的透光率等进行变更。

在多个纳米孔120两侧可以形成有开口部121、122，所述开口部121、122形成为与透镜主体110的入射面111及射出面112连通，以下，在本发明的实施例中，将与透镜主体110的入射面111连通的开口部121称为入射侧开口部，将与透镜主体110的射出面112连通的开口部122称为射出侧开口部。

多个纳米孔120可以通过针对透镜主体110的蚀刻或光刻等工艺来形成，多个纳米孔120使光的相位延迟的程度可以根据形状数值而变化，多个纳米孔120的形状数值可以由直径d和长度t定义。

如上所述，在将多个纳米孔120形成于透镜主体110的情况下，透镜主体110具有除了多个纳米孔120之外的区域彼此连接的网形态，因此与现有的将元结构形成为柱状的情况相比，增加了对诸如冲击、振动及热等外部环境的耐性，因此可以减少发生破损或损伤的可能性。

此时，多个纳米孔120的直径d表示入射侧开口部121的外周端中的位于同一线上的彼此面对的两个点之间的长度中最长的长度，在本发明的实施例中，由于以入射侧开口部121为圆形的情形为例进行说明，因此直径d可以理解为圆的直径。

在本发明的实施方式中，以多个纳米孔120的孔形状为圆形的情形为例进行说明，然而根据光的相位延迟的程度，可以具有四边形、椭圆形等多种孔形状，在这种情况下，如图9及图10所示，直径d可以是位于同一线上的彼此面对的两个点之间的长度中的最长的长度。

多个纳米孔120的孔形状并不局限于上述的示例，根据光的相位延迟程度，孔形状可以具有直线、曲线或其组合的多种形状。

多个纳米孔120的直径d优选为小于作为透射对象的光的波长，其原因在于：多个纳米孔120的直径d必须充分地小于作为透射对象的光的波长，才能够成立有效介质理论(即，具有有效的折射率的介质)，并且使得光的相位延迟范围可以包括2π(即，0至360度在图)，以实现针对所有角度的相位延迟。

例如，在作为透射对象的光的波长为100nm至1400nm的情况下，多个纳米孔120的直径d可以为20nm至1000nm。此时，光的波长为100nm至1400nm的情况是将本发明的光学透镜100也应用于使用可见光、红外线及紫外线的滤光器或光学传感器的情况的一例，在本发明的光学透镜应用于利用可见光的照明装置的情况下，多个纳米孔120的直径d可以为20nm至400nm。

多个纳米孔120的直径d可以根据孔形状而互不相同，在多个纳米孔120的直径d中的最大值形成为小于作为透射对象的光的波长的一半的情况下，可以满足有效介质理论，同时光的相位延迟范围可以包括整个2π。

并且，多个纳米孔120的长度t表示在从透镜主体110的入射面111朝向射出面112的方向上的孔的长度，在多个纳米孔120的入射侧开口部121及射出侧开口部122形成为与透镜主体110的入射面111及射出面112分别连通的情况下，多个纳米孔120的长度t可以是透镜主体110的厚度，在多个纳米孔120的两侧中的任意一个形成为与透镜主体110的入射面111及射出面112中的任意一个连通的情况下，多个纳米孔120的长度t可以小于透镜主体110的厚度。

在本发明的实施例中，以多个纳米孔120的长度t全部相同的情形为例进行说明，然而并不局限于此，多个纳米孔120中的一部分也可以具有与其他部分互不相同的长度。

多个纳米孔120的长度t需要能够减少光损伤，同时使光的相位延迟范围包括整个2π，为此，多个纳米孔120的长度t可以形成为直径d以上。

例如，在作为透射对象的光的波长为100nm至1400nm，多个纳米孔120的直径d为20nm至1000nm的情况下，多个纳米孔120的长度t可以为200nm至1200nm，在将本发明的光学透镜100应用于利用可见光的照明装置，并且多个纳米孔120的直径d形成为20nm至400nm的情况下，多个纳米孔120的长度t可以为400nm至800nm。

此时，随着多个纳米孔120的长度t增加，可能发生光损失，在这种情况下，多个纳米孔120的最大长度可以根据所需的光效率而变化。

在上述实施例中，以多个纳米孔120的直径d在从透镜主体110的入射面111朝向射出面112的方向上相同地形成的情形为例进行说明，然而并不局限于此，如图12所示，也可以形成为从入射面111向射出面112逐渐增加，然而并不局限于此，根据基于多个纳米孔120的光的相位延迟程度，多个纳米孔120的一部分可以在从入射面111向射出面112的方向上具有与另一部分互不相同的直径。

另外，多个纳米孔120的形成周期w可以大于多个纳米孔120的直径d中的最大值，其原因在于：在形成周期w小于直径d中的最大值的情况下，能够形成于透镜主体110的纳米孔的直径d受到限制，从而可能发生光的相位延迟范围难以包括整个2π的情况。

并且，多个纳米孔120的形成周期w可以为多个纳米孔120的直径d中的最大值的两倍以下，其原因在于：在形成周期w超过直径d中的最大值的两倍的情况下，每单位面积中的导致相位延迟的纳米孔的比例会相对减小，从而可能发生难以实现所需的光学特性的情况，因此多个纳米孔120的形成周期w可以大于d且小于2×d。

例如，在多个纳米孔120的直径d为20nm至1000nm的情况下，形成周期w可以为200nm至1200nm，并且在本发明的光学透镜100应用于利用可见光的照明装置而多个纳米孔120的直径d形成为20nm至400nm的情况下，多个纳米孔120的形成周期w可以为400nm至600nm。

在上述实施例中，以多个纳米孔120的直径d相同的情形为例进行说明，然而并不局限于此，多个纳米孔120的直径d可以根据基于各个纳米孔的相位延迟程度而互不相同，并且可以理解为，如图13所示，在邻近的纳米孔的直径d1、d2互不相同且直径的最大值为d2的情况下，形成周期w大于d2且小于2×d2。

如上文所述，由于本发明的光学透镜100直接在透镜主体110形成多个纳米孔120，因此与现有技术中独立地形成柱状的纳米销的情况相比，不仅可以增强针对冲击、振动、热等的外部环境的耐性，还可以简化制造工艺以节约成本。

即，由于以往多个纳米销独立形成而对冲击、振动、热等敏感，因此各个纳米销发生破损或损伤的可能性较高，相反，本发明的实施例为在透镜主体110自身形成多个纳米孔120的结构，因此可以增强对外部环境的耐性。

并且，本发明的光学透镜100由于温度变化而造成的收缩或膨胀较小，并且即使通过单个光学透镜也能够实现充分的色差校正，因此无需为了校正由于温度变化造成的色差而使用多个透镜，从而能够实现超小型化。

另外，上述的图2至图4的光学透镜100是实现一种光学特性的一例，然而并不局限于此，如图14所示，在透镜主体110形成包括至少一个纳米孔的多个组g1～g4，并且各个组g1～g4所包括的纳米孔设计为具有互不相同的光学特性的情况下，即使通过单个光学透镜也能够实现两个以上的光学特性。

此时，在图14中，以在一个透镜主体110形成多个组g1～g4的情形为例进行说明，然而并不局限于此，各个组也可以形成于互不相同的透镜主体。

图15是图示根据本发明的另一实施例的光学透镜的立体图，图16是图示根据本发明的另一实施例的光学透镜的侧视图。

参照图15及图16，根据本发明的另一实施例的光学透镜100可以包括透镜主体110、多个纳米孔120及支撑层130。

在本发明的另一实施例中，支撑层130支撑透镜主体110而提高透镜主体110的刚性，从而可以防止由于外部环境导致的透镜主体110的变形、破损、损伤等。

此时，在图15及图16中，以在透镜主体110的入射面111形成支撑层130的情形为例进行说明，然而这仅仅是用于帮助理解本发明的一个示例，并不局限于此，根据本发明的光学透镜100的焦距、支撑层130的厚度等，支撑层130可以形成于透镜主体110的入射面111及射出面112中的至少一个。

支撑层130可以利用玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma：polymethylmethacrylate)、聚二甲基硅氧烷(pdms：polydimethylsiloxane)等聚合物材料等使光透射的透明材质构成，并且可以在组装制造为超小型的光学透镜100时为了提高组装性而使用，然而这仅仅是用于帮助理解本发明的一个示例，并不局限于此，在即使使用本发明的光学透镜100自身也可以确保足够的组装性的情况下，支撑层130可以被省略。

图17是图示根据本发明的实施例的照明装置的示意图。

参照图17，根据本发明的实施例的照明装置200可以包括光源部210及光学透镜220，在图17中，光学透镜220可以理解为上述实施例的光学透镜100，并且省略对其的详细说明。

在本发明的实施例中，以照明装置200执行当车辆行驶于夜间或者在诸如隧道等较暗的场所行驶时确保前方视野或者向步行者告知车辆的周围状态的车辆用灯具的功能的情形为例进行说明。在照明装置200执行车辆用灯具的功能的情况下，能够根据其功能形成适合的光束图案。

光源部210可以包括至少一个光源，光学透镜220可以以使透镜主体221的入射面221a与射出面221b之间连通的方式形成多个纳米孔222，从而使从光源部210以预定的光照射角度发生的光可以通过光学透镜220沿至少一个方向行进。

图17是从光源部210以预定的光照射角度发生的光被光学透镜220转换为平行光而向车辆前方照射而能够确保车辆前方的充分的视野距离的情形的一例。然而，并不局限于此，从光源部210发生的光可以根据形成于光学透镜220的多个纳米孔222中的每一个的相位延迟程度而沿两个以上的方向行进，从而根据车辆的周围环境形成多种光束图案。

并且，在图17中，以光源部210包括单个光源的情形为例进行说明，然而并不局限于此，光源部210可以包括多个光源，在这种情况下，光学透镜220可以延迟从多个光源中的每一个发生的光的相位，以形成合适的光束图案。

如上文所述，本发明的光学透镜100、220以及利用该光学透镜的照明装置200作为元结构，可以在透镜主体110、221自身形成多个纳米孔120、222而简化制造工艺，并提高针对外部环境的耐性，并且能够实现根据光学透镜100、220的多种光学特性，因此可以实现超小型化。

本发明所属的技术领域中具备基本知识的人员想必可以理解可在不改变技术思想或必要特征的前提下以其他具体形态实施本发明。因此，以上记载的实施例在所有方面均为示例性的，应当理解其并非限定性实施例。本发明的范围并不是由前述详细描述来限定，而是由权利要求书所限定，可从权利要求书的含义、范围及其等同概念中推导得出的所有变更或变形的形态均应解释为包含于本发明的范围中。