1. 개요
연속적인 동심원 홈을 이용하여 더 얇은 두께로 동일한 효과를 내는 렌즈. 1820년 프랑스의 물리학자 오귀스탱 장 프레넬이 발명하였다.2. 원리
고전적인 렌즈의 원리는 빛의 굴절을 이용하는 것으로, 렌즈의 중심부와 주변부의 두께 차이를 이용하여 빛을 원하는 방향으로 모으거나 퍼뜨리는 것이다. 하지만 스넬의 법칙에 따르면 빛의 굴절률은 그 매질에 의해 결정되는 것이지 두께에 의해 결정되는 것이 아니다. 렌즈에서 빛의 굴절은 오로지 매질이 바뀔 때, 즉 렌즈에 들어갈 때와 렌즈에서 빠져나올 때만 일어나며, 렌즈 내부의 빛은 두께와 상관없이 그냥 직진한다. 따라서 렌즈의 두께가 하는 역할은 물체에 곡률을 만들어 빛의 입사각을 결정하는 것 뿐이다. 중심부와 주변부에서 빛의 입사각이 다르기만 하다면 두께가 일정하거나 두께가 없는 물질로도 렌즈를 제작할 수 있다는 뜻이다.
프레넬 렌즈는 이 원리를 이용하여 플라스틱 등의 투명한 합성 수지에 연속적인 동심원 홈을 중심부와 주변부의 각도가 다르게 파서 얇은 두께로도 고전적인 렌즈와 동일한 기능을 수행하는 렌즈이다. 무수히 많은 프리즘으로 만들어진 렌즈라고 볼 수 있다.
3. 장점
- 두께
가장 핵심적인 장점. 훨씬 얇은 두께로 고전적인 렌즈와 거의 동일한 기능을 수행할 수 있다. 이는 단순히 부피와 크기가 줄어드는 것 이상으로, 여러 개의 렌즈를 좁은 공간에 배치할 수 있어 이를 이용하여 다양한 복합 렌즈의 제작이 가능해진다. 대표적인 사례가 바로 프레넬 렌즈가 제작된 목적이였던 등대의 등명기.
합성 수지의 제작이 발달하여 형상 제작이 쉬워진 20세기 이후에는 적은 재료로 만들 수 있다는 점 역시 큰 장점으로 작용한다.
- 적은 색수차
발명 당시 의도한 장점은 아니지만, 렌즈의 두께가 얇기 때문에 빛이 렌즈를 통과하는 거리가 좁아 색수차 현상이 비교적 적다.
4. 단점
아무리 동심원을 세밀하게 만들어도 결국 매끈한 진짜 렌즈와 비교하면 표면이 불균일하기 때문에, 상이 고르게 맺히지 못하고 수차(광학)가 발생한다. 성형 기술이 발전할수록 완화할 수 있지만 결국 어느 정도 한계는 존재하며, 이런 문제로 해상력의 품질이 중요한 카메라 등에서는 기피되는 편이다.5. 역사
6. 사용례
- 등대
프레넬 렌즈가 만들어진 목적. 프레넬 렌즈의 발명 전에는 등대의 빛을 모으기 위해 고전적인 볼록 렌즈를 사용하였으나, 빛을 직선으로 모으기에는 렌즈의 두께가 너무 두꺼워 공간적인 한계가 명확한지라 빛이 사방으로 퍼져나갔고, 이로 인해 성능이 지금과 비교할 수 없이 미약하여 난파 사고가 매우 잦았다. 훨씬 얇은 두께로 같은 효율을 내는 프레넬 렌즈의 발명으로, 여러 개의 렌즈를 이용하여 빛을 조정하는 등명기의 제작이 가능해졌고 수십km 밖까지 빛을 비출 수 있게 되었다. 이 때문에 프레넬 렌즈는 100만 척의 배를 구한 발명품이라고도 불린다. 상세 내용은 등명기 문서 참조.
- VR HMD
렌즈 특성상 적은 부피로도 높은 시야각을 구현할 수 있어 VR HMD에 사용되었다. 오큘러스 리프트에서 사용된 것으로 유명하며, 현재는 편광 반사 원리를 추가한 팬케이크 렌즈로 대체되어 가는 추세이다.