KR100312495B1 - 초박형회절광학렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박형화가 가능한 초박형 회절광학 렌즈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 물체로부터 입사되는 광의 광략을 조절하는 조리개를 구비하고, 조리개로부터 입사되는 광의 적외선 영역의 빛을 흡수하는 플라즈틱 재질로 이루어진 비구면으로서 물체측으로 오목한 메니스커스형의 입사면과 출사면을 가지고 입사면과 출사면의 적어도 어느 한 면에 광학저역필터링을 함과 아울러 색수차와 구면수차 및 왜곡수차를 보정하도록 0.0보다 크고 30.0보다 작게 설정되는 위상량을 가지는 회절광학면이 설계된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 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. 예를 들면, 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 촬상소자(이하, "CCD"라 함)(12)를 구비한다. 상기 제1 내지 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. 제2 렌즈(4)는 제1 렌즈(2)에서 발산되는 광빔을 수렴하기 위하여 양의 굴절력을 갖는 구면렌즈를 사용하게 된다. 이들 제1 및 제2렌즈(2,4) 사이에는 조리개(Iris)(14)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 위하여 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 위하여 두 개의 렌즈들(6,8)을 포함한 한 쌍(Doublet)의 렌즈군를 필요로 하게되므로 즉, 최소 4매이상의 렌즈를 요구하므로 렌즈의 수가 많아져 박형화, 경량화 하는데 어려운 문제점이 있다. 또한, 상기 렌즈들의 재질이 유리일 뿐만 아니라 렌즈들보다 더 큰 가격비중을 가지는 별도의 필터를 채용함에 의해 제조원가가 큰 문제점이 있다. 또한, IRCF와 OLPF를 위치시키기 위해서는 충분한 초점거리를 확보하여야 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 색수차 보정원리를 도시한 도면.

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＞

2 : 제1 렌즈 4 : 제2 렌즈

6 : 제3 렌즈 8 : 제4 렌즈

10 : 광학저역 통과필터 12,24 : 촬상소자

14,26 : 조리개 16 : 적외선 흡수필터

22 : 회절광학 렌즈

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 물체로부터 입사되는 광의 광략을 조절하는 조리개를 구비하고, 조리개로부터 입사되는 광의 적외선 영역의 빛을 흡수하는 플라즈틱 재질로 이루어진 비구면으로서 물체측으로 오목한 메니스커스형의 입사면과 출사면을 가지고 입사면과 출사면의 적어도 어느 한 면에 광학저역필터링을 함과 아울러 색수차와 구면수차 및 왜곡수차를 보정하도록 0.0보다 크고 30.0보다 작게 설정되는 위상량을 가지는 회절광학면이 설계된 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 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 물체측으로 오목한 메니스커스형 렌즈면들(S1,S2)들로 구성된 회절광학 렌즈(22)와, 회절광학 렌즈(22)의 전단에 위치하여 물체측에서 유입되는 광빔의 광량을 조절하는 조리개(26)와, 광빔을 전기적인 신호로 변환하는 CCD(24)를 구비한다. 회절광학 렌즈(22)는 물체측으로 오목한 메니스커스형의 렌즈면들(S1,S2)이 비구면으로 형성되어 있으며, 적어도 한면에 회절광학 소자면(Diffraction Optical Element; 이하 "DOE"라 함)을 형성시켜 색수차, 구면수차 및 왜곡수차를 보정하게 된다. 상기DOE에 의해 광빔의 고역대역(즉, 고주파성분) 투과특성이 감쇄되므로 회절광학 렌즈(22)는 OLPF의 기능을 수행하게 된다. 또한, 회절광학 렌즈(22)는 적외선 영역의 빛을 흡수하는 재질을 사용하므로 IRCF의 기능을 수행하게 된다. 또한, 렌즈계의 초점거리(Effective Focal Length; 이하 "EFL"라 함)와 제1 렌즈면(S1) 및 제2 렌즈면(S2)의 곡률반경(CR1,CR2)의 조건은 수학식 1에 나타나 있다.

여기에서, EFL은 렌즈계의 초점거리, CR1은 제1 렌즈면의 곡률반경, CR2는 제2 렌즈면의 곡률반경을 의미한다.

또한, 회절광학 렌즈(22)는 적외선 영역의 파장을 필터링 하기 위하여 파장별 투과특성(Transmitance)이 후술하는 수학식 2의 조건을 만족해야 한다.

여기에서, T는 광빔의 투과특성, λ는 광빔의 파장을 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. 또한, 수학식 3을 참조하면, DOE면의 위상이 2π간격으로 변화됨을 알 수 있다. 즉, 제2 렌즈면(S2)은 비구면과 DOE의 특성이 적절히 조합되도록 형성되어 색수차, 구면수차 및 왜곡수차를 보정함과 아울러, 광빔의 고역대역을 감쇄시켜 OLPF의 기능을 수행하게 된다. 상기 제2 렌즈면(S1)에서 색수차가 보정되는 원리에 대해서 도 3을 결부하여 설명하기로 한다. 도 3의 (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 3의 (b)에 도시된바와같이 DOE를 경유한 광빔은 R, G, B의 순서로 서로다른 위치에 결상점이 형성된다. 도 3의 (a) 및 (b)의 경우에는 입사광빔이 색성분에 따라 결상점이 달라지는 색수차를 가지게 된다. 이때, 도 3의 (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 방지하기 위한 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 제1 및 제2 렌즈면(S1,S2)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, 본 발명에 따른 렌즈계의 곡률반경, 중심두께 및 굴절율이 표 1에 나타나 있다.

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

비구면 렌즈의 형성의 예를 들어 설명하면, 곡률반경이 -1.2303을 갖는 S1 비구면을 형성하기 위해서는 곡률반경이 동일한 구면렌즈상의 설정된 위치(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 바와 같이, 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈, DOE를 이용하여 유리재질의 렌즈의 도입문제를 해결하게 됨과 아울러, 별도의 필터사용을 배제할수 있어 제조비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 초박형 회절광학 렌즈는 렌즈매수를 줄이게 되어 렌즈계를 박형화할 수 있는 장점이 있다.

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

Claims (2)

1. 물체로부터 입사되는 광의 광략을 조절하는 조리개를 구비하고,

   상기 조리개로부터 입사되는 광의 적외선 영역의 빛을 흡수하는 플라즈틱 재질로 이루어진 비구면으로서 물체측으로 오목한 메니스커스형의 입사면과 출사면을 가지고 상기 입사면과 출사면의 적어도 어느 한 면에 광학저역필터링을 함과 아울러 색수차와 구면수차 및 왜곡수차를 보정하도록 0.0보다 크고 30.0보다 작게 설정되는 위상량을 가지는 회절광학면이 설계된 것을 특징으로 하는 초박형 회절광학 렌즈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 회절광학 렌즈의 입사면 상의 곡률반경을 전체초점거리로 나눈값이 0.5보다 크고 1.8보다 작은 것을 만족하는 범위 내로 설정됨과 아울러, 상기 회절광학 렌즈의 출사면 상의 곡률반경을 전체초점거리로 나눈값이 0.2보다 크고 0.9보다 작은 것을 만족하는 범위 내로 설정되는 것을 특징으로 하는 초박형 회절광학 렌즈.