KR100280890B1

KR100280890B1 - 초박형회절광학렌즈

Info

Publication number: KR100280890B1
Application number: KR1019980027034A
Authority: KR
Inventors: 최호영
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1998-07-04
Filing date: 1998-07-04
Publication date: 2001-02-01
Also published as: KR20000007617A

Abstract

본 발명은 박형화가 가능한 초박형 회절광학 렌즈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 물체측에서 입사되는 광빔의 적외선 영역 빛을 필터링하는 적외선 흡수필터와, 상기 물체측으로 오목한 비구면의 메니스커스형 렌즈면들로 구성되고 상기 렌즈면들중 적어도 하나의 렌즈면에 회절광학 소자면이 형성된 회절광학 렌즈를 구비한다.

이에따라, 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 제조비용을 절감함과 아울러, 렌즈계를 박형화하게 된다.

Description

초박형 회절광학 렌즈 (Compact Diffractive Optical Lens)

본 발명은 초박형 회절광학 렌즈에 관한 것으로, 특히 박형화가 가능한 초박형 회절광학 렌즈에 관한 것이다.

최근에, 디지털 기술의 발달과 더불어 화상압축 및 복원기술 등의 향상과 멀티미디어 제품의 주변기기 기술의 향상으로 개인용 컴퓨터(Personal Computer; 이하 "PC"라 함) 등에 채용되는 카메라 렌즈는 박형화와 저가를 구현하기 위해 계속적으로 개발되고 있는 실정이다. 예를들면, 멀티미디어용 컴퓨터 화상회의 시스템뿐만 아니라 휴대용 정보단말기(Personal Digital Assister) 및 IMT-2000 등의 영상입력수단으로서 촬상소자(Charge Coupled Device;이하 "CCD"라 함)를 이용한 CCD 카메라의 보급이 급속히 확산되고 있다. 이러한 추세에 대응하기 위해 CCD 카메라는 성능이 우수함과 아울러, 초박형 회절광학 렌즈계를 구비하는 휴대성이 뛰어난 제품이 요구되어 진다.

도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 박형렌즈는 음(-)의 굴절력을 갖는 메니스커스(Meniscus)형의 제1 렌즈(2)와, 양(+)의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(4)와, 양(+)의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(6)와, 음(-)의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(8)와, 저역대역의 광빔을 통과시키는 광학 저역통과 필터(Optical Low Pass Filter;10 이하 "OLPF"라 함)와, OLPF(10)의 사이에 위치하여 광빔에 포함된 적외선 영역의 빛을 차단하는 적외선 차단필터(Infra-Red Cut Filter;16 이하 "IRCF"라 함)와, 광빔을 전기적신호로 변환하는 CCD(12)를 구비한다. 상기 제1 렌즈 에서 제4 렌즈(2 내지 8)의 재질은 유리(Glass)로 형성되어 있으며, 플라스틱 렌즈를 사용하면 렌즈재질의 특성상 색수차가 크게 될수 있다. 제1 렌즈(2)는 물체측으로 부터의 넓은 시야각을 확보함과 아울러, 충분한 후초점거리(Back Focal Length; 이하 "BFL"라 함)를 확보하기 위해 물체측으로 볼록하고 음(-)의 굴절력을 갖는 메니스커스형 렌즈를 사용하게 된다. 또한, 제2 렌즈(4)는 제1 렌즈(2)에서 발산되는 광빔을 수렴하기위해 양의 굴절력을 갖는 구면렌즈를 사용하게 된다. 한편, 제1 및 제2 렌즈(2,4) 사이에는 조리개(Iris;4)가 설치되어 입사되는 광량을 조절하게 된다. 상기 제1 및 제2 렌즈(2,4)에 의해 발생하는 상면만곡수차 또는 색수차를 보정하기 위해 양(+)의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(6)와 음(-)의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(8)를 하나의 쌍(Doublet)으로 구성하게 된다. 한편, OLPF(10)는 광빔의 저역대역만을 통과시켜 광빔으로 인해 유발되는 노이즈(Noise)를 제거하게 된다. 즉, CCD(12)의 격자구조에 광빔의 고역대역이 노이즈로 작용하여 모아레 무늬가 발생하는 것을 방지하기 위해 OLPF(10)가 사용된다. 또한, IRCF(16)는 광빔에 포함된 적외선 영역의 빛을 차단하게 된다. 즉, CCD(12)는 적외선 영역의 파장에 대해 민감하여 표시특성이 저하되므로 이를 방지하기 하도록 적외선 영역의 빛을 필터링(Filtering)하는 IRCF(16)가 사용된다. 또한, CCD(12)는 자신에게 입사되는 광을 전기적신호로 변환하여 화상정보를 형성하게 된다.

그러나, 종래 기술에 따른 박형렌즈는 색수차 보정을 위해 한쌍(Doublet)의 렌즈를 필요로 하게되어 최소 4매이상의 렌즈를 요구하므로 렌즈의 수가 많아져 박형화, 경량화 하는데 어려운 문제점이 도출되고 있으며, 상기 렌즈의 재질이 유리이므로 원가상승의 요인이 되는 문제점이 도출되고 있다. 또한, 별도의 필터를 채용함에 의해 렌즈보다 필터 가격이 더 많은 비중을 차지하게 되므로 원가상승의 요인이 되는 문제점이 도출되고 있다. 또한, IRCF와 OLPF를 위치시키기 위해서는 충분한 BFL을 확보해야 하므로 렌즈계의 전장이 길어져 박형화 하기 어려운 문제점이 도출되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 박형화가 가능한 초박형 회절광학 렌즈를 제공 하는데 있다.

도 1은 종래기술에 따른 촬상소자용 렌즈계를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 초박형렌즈를 도시한 도면.

도 3은 도 2의 적외선 흡수필터를 상세하게 도시한 도면.

도 4는 색수차 보정원리를 도시한 도면.

도 5는 도 2의 회절광학 소자면의 페이저 특성을 도시한 특성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

2 : 제1 렌즈 4 : 제2 렌즈

6 : 제3 렌즈 8 : 제4 렌즈

10 : 광학저역 통과필터 12,24 : 촬상소자

14,30 : 조리개 16,26 : 적외선 흡수필터

22 : 회절광학 렌즈 28 : 필드스탑

32 : 경통 34 : 조리개경

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 물체측에서 입사되는 광빔의 적외선 영역 빛을 필터링하는 적외선 흡수필터와, 상기 물체측으로 오목한 비구면의 메니스커스형 렌즈면들로 구성되고 상기 렌즈면들중 적어도 하나의 렌즈면에 회절광학 소자면이 형성된 회절광학 렌즈를 구비한다.

상기 목적외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

도 2 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명 하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 물체측에서 입사되는 광빔의 적외선 영역 빛을 필터링(Filtering)하는 적외선 흡수필터(26)와, 물체측으로 오목한 메니스커스형 렌즈면들(S3,S4)들로 구성된 회절광학 렌즈(22)와, 광빔을 전기적인 신호로 변환하는 CCD(24)를 구비한다. 도 3과 결부하여 적외선 흡수필터(26)에 대해서 설명하기로 한다. 적외선 흡수필터(26)에는 상기 적외선 흡수필터(26)의 물체측 전면(S1)을 필드스탑(Field Stop;28)으로 사용하기 위해 적외선 흡수필터(26)의 외곽을 둘러싼 경통(32)과, 적외선 흡수필터(26)의 후면(S2)을 조리개(Iris;30)로 사용하기 위한 조리개경(34)이 설치되어 있다. 도 3의 (a)에 도시된바와같이 제1 렌즈면(S1)의 외곽에는 경통(32)이 설치되어 물체측에서 유입되는 불필요한 광빔을 차단하기 위한 필드스탑(Field Stop;28)의 기능을 수행하게 된다. 또한, 도 3의 (b)에 도시된바와같이 제2 렌즈면(S2)에는 조리개경(34)이 설치되어 물체측에서 입사되는 광량을 조절하는 조리개(Iris;30)의 기능을 수행하게 된다. 이때, 필드스탑(28)에 입사되는 광량은 설계자의 의도에 따라 경통(32)의 지름을 조정함에 의해 결정된다. 또한, 충분한 출사동의 확보로 인한 주변부의 광학성능을 향상하기위해 적외선 흡수필터의 두께(T1) 및 상기 적외선 흡수필터(26)와 회절광학렌즈(22)간의 거리(T2)는 수학식 1의 조건을 만족해야 한다.

여기에서, T1은 적외선 흡수필터의 두께, T2는 적외선 흡수필터와 회절광학 렌즈간의 거리를 의미한다.

한편, 회절광학 렌즈(22)는 물체측으로 오목한 메니스커스형의 렌즈면들(S3,S4)이 비구면으로 형성되어 있으며, 적어도 한면에 회절광학 소자면(Diffraction Optical Element; 이하 "DOE"라 함)을 형성시켜 색수차, 구면수차 및 왜곡수차를 보정하게 된다. 상기 DOE에 의해 광빔의 고역대역(즉, 고주파성분) 투과특성이 감쇄되므로 회절광학 렌즈(22)는 OLPF의 기능을 수행하게 된다. 또한, 렌즈계의 초점거리(Effective Focal Length; 이하 "EFL"라 함)와 제3 렌즈면(S3) 및 제4 렌즈면(S4)의 곡률반경(CR3,CR4)의 조건은 수학식 2에 나타나 있다.

여기에서, EFL은 렌즈계의 초점거리, CR3는 제3 렌즈면의 곡률반경, CR4는 제4 렌즈면의 곡률반경을 의미한다.

또한, DOE에서는 물체광(Object Source)과 참조광(Reference Source)의 간섭에 의해 회절(Diffraction)이 일어나게 되며, 회절이 일어나는 경우의 DOE의 비구면 위상은 수학식 3에 나타나 있다.

여기에서 φ(r)는 높이 r에서의 위상을 의미한다. c1 내지 c4는 비구면 효과를 갖는 위상항의 계수를 의미한다. 이때의, DOE면의 위상량에 대한 특성도가 도 5에 도시되어 있다. 상기 위상량 특성 그래프는 회절광학면의 윤대수와 관련되어 있으며, 회절효율 및 렌즈의 가공성이 고려된 광학성능 향상을 위해서 회절 렌즈계가 담당하는 위상량의 설정을 통한 렌즈계의 최적설계가 바람직하다. 또한, 수학식 3을 참조하면, DOE면의 위상이 2π간격으로 변화됨을 알 수 있다. 즉, 제4 렌즈면(S4)은 비구면과 DOE의 특성이 적절히 조합되도록 형성되어 색수차, 구면수차 및 왜곡수차를 보정함과 아울러, 광빔의 고역대역(고주파 성분)을 감쇄시켜 OLPF의 기능을 수행하게 된다. 상기 제4 렌즈면(S4)에서 색수차가 보정되는 원리에 대해서 도 4를 결부하여 설명하기로 한다. 도 4의 (a)에 도시된바와같이 양(+)의 굴절력을 갖는 렌즈를 경유한 광빔은 청색(Blue; 이하 "B"라 함), 녹색(Green; 이하 "G"라 함) 및 적색(Red; 이하 "R"라 함)의 순서로 서로 다른 위치에 결상점이 형성된다. 도 4의 (b)에 도시된바와같이 DOE를 경유한 광빔은 R, G, B의 순서로 서로다른 위치에 결상점이 형성된다. 도 4의 (a) 및 (b)의 경우에는 입사광빔이 색성분에 따라 결상점이 달라지는 색수차를 가지게 된다. 이때, 도 4의 (a)와 같은 렌즈에 색수차를 보정하도록 DOE를 형성할 경우에는 입사광빔의 색성분이 동일한 결상점을 가지게 되어 색수차를 보정하게 된다. 한편, 회절광학 렌즈(22)는 모아레(Moire) 발생을 방지하기위한 OLPF의 기능 및 색수차보정을 위해 후술하는 수학식 4를 만족해야 한다.

여기에서, φ는 DOE의 위상량을 의미한다.

또한, 제2 렌즈면(S2)은 색수차, 구면수차 및 왜곡수차가 보정된 광빔이 CCD(24)로 진행하도록 양(+)의 굴절력을 갖도록 형성하게 된다. 한편, 상기 제3 및 제4 렌즈면(S3,S4)은 비구면 렌즈로 형성되어 있다. 비구면 렌즈에 대해서 살펴 보기로 한다. 비구면 렌즈들은 수학식 5에 나타난 비구면식에 의해 정의된다.

여기에서 X는 광축상으로부터 높이 r에서의 비구면에 대한 세그(Sag)값, C는 광축으로 부터의 렌즈면의 곡률이며 K는 코닉(Conic)상수, a1 내지 a4는 비구면 계수를 의미한다. 또한, 상기의 비구면 및 DOE면은 모두 광축에 대해서 회전대칭성을 갖고 있으므로 조립 및 조정이 유리하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 렌즈계의 곡률반경, 중심두께 및 굴절율이 표 1에 나타나 있다.

렌즈계의 곡률반경, 중심두께 및 굴절율

렌즈면	곡률 반경	간 격	굴절율	특 징
S1	·	0.1060	1.4936	필드스탑
S2	·	0.0610		조리개
S3	-1.2303	0.3636	1.4936	비구면
S4	-0.4546	0.1033		DOE

또한, 본 발명에 따른 각 렌즈면에 대한 비구면 및 DOE면의 계수가 표 2에 나타나 있다.

각 렌즈면에 대한 비구면 및 DOE면의 계수

렌즈면	K	a1(c1)	a2(c2)	a3(c3)	a4(c4)	a5(c6)
S1	-5.5797E+02	-3.1759E+02	2.0990E+02	-1.0100E+05	2.5040E+06	-2.4750E+02
S2(비구면계수)	-1.7926E+01	-2.5707E+01	4.3977E+02	-5.0593E+03	2.8749E+04	0.0000E+00
S2(DOE계수)	0.0000E+00	-9.5319E+02	2.8549E+00	-3.3670E+01	0.0000E+01	0.0000E+00

비구면 렌즈의 형성예를 들어 설명하면, 곡률반경이 -1.2303을 갖는 S1 비구면을 형성하기 위해서는 곡률반경이 동일한 구면렌즈상의 설정된위치(즉, a1 내지 a5 위치)를 표 2에서 제시된 자료에 맞도록 가공하여 비구면 렌즈를 형성하게 된다.

상기와 같이, DOE를 이용하여 색수차를 보정하기 위한 필연적인 유리재질의 렌즈의 도입문제를 해결하게됨과 아울러, 별도의 필터사용을 배제할수 있어 제조비용을 절감하게 된다. 또한, 렌즈매수를 줄이게 되어 렌즈계를 박형화 하게된다.

상술한 바와같이, 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈, DOE를 이용하여 유리재질의 렌즈의 도입문제를 해결하게 됨과 아울러, OLPF의 사용을 배제할수 있어 제조비용을 절감할수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 렌즈매수를 줄이게 되어 렌즈계를 박형화 할수 있는 장점이 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자 라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims

입사면은 물체측에서 입사되는 광빔 중 불필요한 부분을 차단하는 필드스탑이 형성되고, 출사면은 물체에서 입사된 광량을 조절하여 출시하는 조리개경이 형성된 적외선 영역의 빛을 필터링하는 적외선 차단필터와,

상기 적외선 차단필터로부터 광이 입사되며 입사면과 출사면이 상기 물체측으로 오목한 비구면의 메니스커스형으로 형성되고 상기 입사면과 출사면 중 적어도 하나의 회절광학 소자가 형성된 회절광학 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 초박형 회절광학 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 필드스탑은 렌즈를 감싸는 경통의 지름을 조절하여 형성한 것을 특징으로 하는 초박형 회절광학 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 적외선 차단필터의 두께를 상기 적외선 차단필터와 회절광학 렌즈간의 거리로 나눈값이 하한값(0.5)과 상한값(2.5)의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 초박형 회절광학 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 회절광학 소자면의 위상량(ψ)이 하한값(0.0)과 상한값(30.0)의 범위를 만족함과 아울러, 상기 회절광학 렌즈 전면의 곡률반경을 전체초점거리로 나눈값이 하한값(0.8)과 상한값(1.5)의 범위를 만족하고 상기 회절광학 렌즈 후면의 곡률반경을 전체초점거리로 나눈값이 하한값(0.3)과 상한값(0.7)의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 초박형 회절광학 렌즈.