KR100405660B1 - 텔레포토 형태의 회절광학계 - Google Patents

텔레포토 형태의 회절광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 텔레포토 형태의 회절광학계에 관한 것으로, 이는 제 1 렌즈군으로 입사되는 광빔의 양을 조절하는 조리개와, 상기 조리개에 의해 입사된 광빔이 제 2 렌즈군으로 굴절 및 회절되도록 렌즈군 중 하나의 렌즈에 회절광학소자가 장착되어 있으면서 양(+)의 파워를 갖는 제 1 렌즈군과, 음(-)의 파워를 갖으며, 상기 제 1 렌즈군을 통해 발산된 광빔을 광학 저역통과 필터(OLPF)로 발산시키는 제 2 렌즈군과, 상기 제 2 렌즈군로부터 주사되는 광빔의 저주파수 대역은 통과시키고, 고주파수 영역은 차단하여 상기 고주파수의 노이즈 작용으로 촬상소자(CCD)면에 결상특성이 저하되는 것을 방지하는 광학 저역통과 필터(OLPF)와, 상기 광학 저역통과 필터를 통과한 저주파수의 광빔을 전기적신호로 변환시키는 촬상소자(CCD)로 구성되어 있어, 상기 회절광학소자가 적용된 하나의 렌즈로 색수차 보정이 가능함과 동시에, 특히 렌즈군의 후 초점거리(BFL : Back Focal Length)가 렌즈군 전체의 초점거리보다 짧게 형성되도록 함에 따른 광학계의 전체길이(OAL : Over All Length)를 감소시키므로서, 상기 회절광학계를 컴팩트하게 구성할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Description

텔레포토 형태의 회절광학계{Diffractive optical system of telepoto type}
본 발명은 텔레포토 형태의 회절광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회절광학소자가 적용된 종래 광학계의 구성요소인 두매이상의 렌즈군을 통해 색수차보정이 가능하던 것을, 하나의 렌즈면에 회절광학소자(DOE : Diffractive Optical Element)를 적용하여 하이브리드(Hybrid : 굴절광학소자+회절광학소자)렌즈로 구성함과 동시에, 제 2 렌즈군의 끝단부터 발생되는 후 초점거리(BFL : Back Focal Length)를 전체 광학계의 초점거리(FL : Focal Length)보다 짧게 형성되도록 한 텔레포토 형태의 회절광학계로 구성하므로서, 종래에 비해 상기 하이브리드렌즈 하나로 색수차 보정이 가능함과 동시에, 특히 제 2 렌즈군의 끝단부터 발생되는 후 초점거리(BFL)가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 짧게 형성되도록 함에 따른 광학계의 전체길이(OAL : Over All Length)를 감소시키므로서, 상기 회절광학계를 컴팩트하게 구성할 수 있는 텔레포토 형태의 회절광학계에 관한 것이다.
최근에는 디지털 기술의 발달과 더불어 화상압축 및 복원기술 등의 향상과 멀티미디어 제품의 주변기기 기술의 향상으로 개인용 컴퓨터(Personal Computer) 등에 채용되는 카메라 렌즈는 구성이 컴팩트화 하거나 또는, 저가상태로 구현하기 위해 계속적으로 개발되고 있는 실정이다. 예를 들면, 멀티미디어용 컴퓨터 화상회의 시스템뿐만 아니라 휴대용 정보단말기(Personal Digital Assister) 및 IMT-2000 등의 영상입력수단으로서 촬상소자(CCD : Charge Coupled Device)를 이용한 CCD 카메라의 보급이 급속히 확산되고 있다. 이러한 추세에 대응하기 위해 CCD 카메라는 성능이 우수함과 아울러, 컴팩트하게 구성된 회절광학 렌즈계를 구비하는 휴대성이 뛰어난 제품이 요구되어 진다.
회절광학소자(DOE)가 적용된 레트로 포커스(Retro focus) 형태의 종래 광학 렌즈계(1)의 구성을 살펴보면, 이는 도 1 에 도시한 바와 같이, 음(-)의 파워(Power)를 갖는 제 1 렌즈군(S1)(S2)과, 양(+)의 파워를 갖는 제 2 렌즈군(S3)(S4)과, 상기 제 1 렌즈군(S1)(S2) 및 제 2 렌즈군(S3)(S4) 사이에 설치되어 상기 제 1 렌즈군(S1)(S2)에서 제 2 렌즈군(S3)(S4)으로 입사되는 광빔의 양을 조절하는 조리개(5)와, 상기 제 2 렌즈군(S3)(S4)과 상면 즉, 촬상소자(CCD)(7) 사이에 장착되어 상기 제 2 렌즈군(S3)(S4)로부터 발산되는 광빔의 저주파수 대역은 통과시키고, 고주파수 영역을 차단하는 광학 저역통과 필터(OLPF : Optical Low Pass Filter)(6)와, 상기 필터(6)를 통과한 저주파수의 광빔을 전기적신호로 변환시키는 촬상소자(CCD)(7)로 구성되어 있으며, 특히 상기 제 2 렌즈군(S3)(S4)의 끝단부터 발생되는 후 초점거리(BFL)가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 길게 형성되는 레트로 포커스(Retro focus) 형태의 광학계(1)로 구성되어 있다.
하지만, 레트로 포커스 형태의 광학계(1)는, 도 2 에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 렌즈군(S3)(S4)의 후 초점거리가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 길게 형성되면서 상기 광학계(1)의 전체길이(OAL : Over All Length)가 증가되기 때문에,이에 따른 상기 광학계(1)를 컴팩트하게 구성하는데 한계가 있는 커다란 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명은, 하나의 렌즈면에 회절광학소자(DOE)가 적용된 하이브리드렌즈를 통해 색수차 보정이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 제 2 렌즈군의 후 초점거리가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 짧게 형성되는 텔레포토 형식으로 광학계를 구성함에 따른 상기 광학계의 전체길이를 감소시키므로서, 이에 따른 본 발명의 회절광학계를 컴팩트하게 구성할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
이러한 본 발명의 목적은, 제 1 렌즈군으로 입사되는 광빔의 양을 조절하는 조리개와, 상기 조리개에 의해 입사된 광빔이 제 2 렌즈군으로 굴절 및 회절되도록 렌즈군 중 하나의 렌즈에 회절광학소자가 장착되어 있으면서 양(+)의 파워를 갖는 제 1 렌즈군과, 음(-)의 파워를 갖으며, 상기 제 1 렌즈군을 통해 발산된 광빔을 광학 저역통과 필터(OLPF)로 발산시키는 제 2 렌즈군과, 상기 제 2 렌즈군로부터 주사되는 광빔의 저주파수 대역은 통과시키고, 고주파수 영역은 차단하여 상기 고주파수의 노이즈 작용으로 촬상소자(CCD)면에 결상특성이 저하되는 것을 방지하는 광학 저역통과 필터(OLPF)와, 상기 광학 저역통과 필터를 통과한 저주파수의 광빔을 전기적신호로 변환시키는 촬상소자(CCD)로 구성된 본 발명의 텔레포토 형태의회절광학계에 의해 해결될 수 있는 바, 이하 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 1 은 종래 광학계를 나타낸 구성도.
도 2 는 종래 광학계의 초점거리 및 후 초점거리를 나타낸 상태도.
도 3 은 본 발명의 텔레포토 형태 회절광학계의 구성도.
도 4 는 본 발명의 구성요소인 하이브리드렌즈와 종래 굴절광학소자렌즈의 비교상태를 나타낸 구성 비교도.
도 5 는 본 발명인 텔레포토 형태 회절광학계의 초점거리 및 후 초점거리를 나타낸 상태도.
도 6 은 본 발명의 회절광학계에 적용된 회절광학소자의 색수차 보정에 대한 상태도로서, 도 6a 는 광빔이 기존 굴절광학소자렌즈를 통과할 때 색수차가 발생하는 상태를 나타낸 것이고, 도 6b 는 본 발명의 구성요소인 하이브리드렌즈를 통과한 광빔의 색수차가 보정된 상태를 나타낸 것이다.
도 7 은 본 발명인 텔레포터 형태의 회절광학계에 대한 광선수차도.
도 8 은 본 발명인 텔레포터 형태의 회절광학계에 대한 Field 수차도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1a. 텔레포토 형태의 회절광학계 11. 조리개 12. 제 1 렌즈군
13. 굴절광학소자 14. 회절광학소자 15. 하이브리드렌즈
16. 제 2 렌즈군 17. 광학 저역통과 필터(OLPF) 18. 촬상소자(CCD)
도 3 은 본 발명의 텔레포토 형태 회절광학계의 구성도를 나타낸 것이다.
본 발명의 텔레포토 형태 회절광학계(1a)는, 제 1 렌즈군(12)으로 입사되는 광빔의 양을 조절하는 조리개(11)와, 상기 조리개(11)에 의해 입사된 광빔이 제 2 렌즈군(16)으로 굴절 및 회절될 수 있게 렌즈군의 일측렌즈인 굴절광학소자(13)와 타측렌즈인 회절광학소자(14)가 상호 결착되어 하이브리드(Hybrid)렌즈(15)로 구성되며, 양(+)의 파워를 갖는 제 1 렌즈군(12)과, 상기 제 1 렌즈군(12) 전방에 위치되어 상기 제 1 렌즈군(12)을 통해 발산된 광빔을 광학 저역통과 필터(17)로 발산시키며, 음(-)의 파워를 갖는 제 2 렌즈군(16)과, 상기 제 2 렌즈군(16)로부터 발산되는 광빔의 저주파수 대역은 통과시키고, 고주파수 영역은 차단하여 상기 고주파수의 노이즈 작용으로 촬상소자(CCD)(18)면에 결상특성이 저하되는 것을 방지하는 광학 저역통과 필터(OLPF)(17)와, 상기 광학 저역통과 필터(17)를 통과한 저주파수의 광빔을 전기적신호로 변환시키는 촬상소자(CCD)(18)로 구성되어 있다.
또한, 본 발명의 텔레포토 형태 회절광학계(1a)는, 상기 제 2 렌즈군(16)의 후 초점거리가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 짧게 형성되는 텔레포토 형식으로 구성되어 있다.
이하, 본 발명인 텔레포토 형태의 회절광학계에 대하여 상세히 설명한다.
도 4 는 본 발명의 구성요소인 하이브리드렌즈와 종래 굴절광학소자렌즈의 비교상태를 나타낸 구성 비교도이고, 도 5 는 본 발명인 텔레포토 형태 회절광학계의 초점거리 및 후 초점거리의 상태를 나타낸 것이다.
본 발명의 구성요소 중 조리개(11)는, 촬상소자(CCD)(18)를 전방으로 기준할 때 제 1 렌즈군(12) 바로 후방에 위치되어 상기 제 1 렌즈군(12)으로 입사되는 광빔의 양을 조절하도록 구성되어 있다.
제 1 렌즈군(12)은, 도 3 에 도시한 바와 같이, 상기 조리개(11) 전방에 위치되어 제 2 렌즈군(16)으로부터 굴절된 광빔의 후 초점거리(BFL)가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 짧게 형성되도록 제 1 렌즈군(12) 굴절광학소자(13)의 일면이 일정곡률의 곡면으로 형성되어 있고, 반대로 광빔이 발산되는 타면은, 거의 평면상태로 형성된 비구면 형태이며, 상기 광빔 발산면에는 회절광학소자(14)가 결합된 하이브리드(Hybrid)렌즈(15)로 구성되어 있다.
상기한 하이브리드렌즈(15)의 형태에 대하여 상세히 설명하면, 도 4 에 도시한 바와 같이, 조리개(11)를 통해 양이 조절된 광빔이 입사굴절되는 제 1 렌즈군(12)의 굴절광학소자(13)면은 일정곡률반경의 크라운 형태로 형성되어 있고, 광빔이 회절발산되는 회절광학소자(14)면은 상하 대칭된 톱니형태로 형성되어 상기 굴절광학소자(13)와 상기 회절광학소자(14)가 결합된 구성이다. 이 때, 상기 제 1 렌즈군(12)은 양(+)의 파워를 갖으며, 상기 회절광학소자(14)에 의해 광빔의 색수차가 제 1 렌즈군(12)에서 보정될 수 있도록 구성된 것이다.
제 2 렌즈군(16)은, 도 3 에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 렌즈군(12) 전방에 위치되어 상기 제 1 렌즈군(12)의 회절광학소자(14)로부터 색수차가 보정되어 발산되는 광빔을 수렴하여 광학 저역통과 필터(OLPF)(17)로 굴절 발산시키도록 일측 렌즈는 일정곡률로 볼록하고, 타측 렌즈는 오목한 일정곡률로 형성된 메니스커스(Meniscus) 형태로 형성된 구성으로, 상기 제 2 렌즈군(16)은 음(-)의 파워를 갖는다.
본 발명의 구성요소인 광학 저역통과 필터(OLPF)(17) 및 촬상소자(CCD)(18)는, 도 1 에 도시한 종래 광학계의 구성요소인 OLPF(6) 및 CCD(7)와 동일한 구성 및 작용을 하는 것으로, 이중 광학 저역통과 필터(OLPF)(17)는, 도 3 에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 렌즈군(16)로부터 발산되는 광빔의 저주파수 대역은 통과시키고, 고주파수 영역은 차단하여 상기 고주파수의 노이즈 작용으로 인한 촬상소자(CCD)(18)면에 결상특성이 저하되는 것을 방지하도록 상기 제 2 렌즈군(16) 전방에 장착되어 있으며, 상기 광학 저역통과 필터(17) 전방에는 상기 필터(17)를 통과한 저주파수의 광빔을 전기적 신호로 변환시키는 촬상소자(CCD)(18)가 장착되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 텔레포토 형태 회절광학계(1a)는, 제 2 렌즈군(S3)(S4)의 끝단부터 발생되는 후 초점거리(BFL)가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 긴 종래의 광학계(1a)와는 다르게, 도 5 에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 렌즈군(16)의 후 초점거리(BFL)가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 짧게 형성되어 상기 회절광학계(1a)를 컴팩트하게 구성할 수 있다.
본 광학계(1a)의 제 1 렌즈군(12)의 비구면 렌즈형태에 대한 식은 하기의 식과 같이 정의된다.
Z =…
여기서, Z는 제 1 렌즈군의 형태인 비구면에 대한 세그(Sag)값이며, C는 렌즈의 곡률, p는 코닉(Conic)상수, 그리고 A, B, C, D는 비구면 계수이다.
또한, 본 발명인 회절광학계(1a)의 구성요소인 제 1 렌즈군(12)에 적용된 회절광학소자(14)에 대한 위상항의 식은 다음과 같다.
여기서, Φ(r)는 높이 r 에서의 위상을 의미하며, λ는 광빔의 파장, a1, a2, a3, a4는 위상항의 계수이다. 더욱이 상기 식에 의해 회절광학소자(DOE)면의 위상이 2π간격으로 변화됨을 알 수 있다.
도 6 은 본 발명의 회절광학계에 적용된 회절광학소자의 색수차 보정에 대한 상태도를 나타낸 것으로, 이중 도 6a 는 광빔이 하나의 굴절광학소자 렌즈를 통과할 때 색수차가 발생하는 상태를 나타낸 것이고, 도 6b 는 본 발명인 굴절광학소자와 회절광학소자가 결합된 하이브리드 렌즈를 통과한 광빔의 색수차가 보정된 상태를 나타낸 것으로서, 도 6a 및 도 6b 와 대비하여 상기 회절광학소자의 색수차 보정에 대한 원리를 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 굴절률이 파장의 함수이기 때문에, 도 6a 에 도시한 바와 같이, 기존의 굴절광학소자렌즈를 통과한 광빔은, 상기 렌즈의 마지막 면으로부터 초점거리가 짧은 파란색(Blue), 중간인 녹색(Green), 상기 초점거리가 긴 빨간색(Red)의 순서로 서로 다른 위치에 결상점이 형성되게 되어 색수차의 원인이 되는 반면에, 본 발명인 굴절광학소자(13)와 회절광학소자(14)가 결합된 하이브리드렌즈(15)는, 도 6b 에 도시한 바와 같이, 광빔의 결상점이 동일한 위치에 형성되게 되어 색수차를 보정하게 된다.
또한, 도 4 에 도시된 본 발명인 회절광학계(1a)의 구성요소인 하이브리드렌즈(15) 즉, 제 1 렌즈군(12)과 기존의 굴절광학소자로만 구성된 종래 광학계 렌즈군 중 기존의 굴절광학소자로만 구성된 종래 광학계(1) 렌즈군의 경우, 광빔의 색수차를 보정하기 위하여 아베수가 크고 굴절률이 작은 크라운(C개주) 계열의 렌즈와, 아베수가 작고 굴절률이 큰 플린트(Flint) 계열의 렌즈가 상호 결합되어 색수차를 보정하고 있지만, 이는 광학계(1)의 무게감소와 상기 광학계(1)를 컴패트하게 구성하는데 저해요인이 되고 있다. 그러나, 굴절광학소자(13)와 회절광학소자(14)가 결합된 하이브리드렌즈(15)는 하나의 렌즈로서 광빔의 색수차 보정 및 컴팩트한 광학계(1a)의 구성이 가능하며, 특히 본 발명의 텔레포토 형태 회절광학계(1a)는 소형화, 경량화가 요구되는 화상 통신용 광학계 및 인터넷 TV용 PC Camera 등에 응용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 텔레포토 형태 회절광학계(1a)의 각 렌즈군 즉, 제 1 렌즈군(12) 및 제 2 렌즈군(16), 광학 저역통과 필터(OLPF)(17), 촬상소자(CCD)(18)에 대한 각 렌즈군의 파워(Power)는 표 1과 같고, 곡률반경, 면간간격, 굴절면의 특징에 대한 예는 표 2와 같다.
[표 1]
Surface No. Power 굴절면의Power 회절면의Power 각 렌즈군의Power
1(Stop) 0.1168 0.1168 - Φ1=0.0965
2(DOE) -0.0231 -0.0297 0.0066
3(Refr.) -0.2313 -0.2313 - Φ1=-0.0424
4(Refr.) 0.1448 0.1448 -
[표 2]
렌즈면 곡률반경(㎜) 면간간격(㎜) 굴절면의 특징
OBJ Infinity Infinity
STO 4.22620 1.53307 비구면
P=-1.348396, A=0.001967, B=-0.000037C= 0.000020, D=-0.000016
2 16.62878 6.00000 회절광학소자
a1=-0.003320, a2=-0.000027a3= 0.000065, a4=-0.000016
3 -2.24249 2.00000 구면
4 -3.58237 1.00000
5 Infinity 3.00000 OLPF
6 Infinity 1.09119
상면(CCD) Infinity -
본 발명의 텔레포토 형태의 회절광학계는, 굴절광학소자와 회절광학소자가 결합된 하이브리드 렌즈를 본 발명의 회절광학계 구성요소로 적용하므로서, 상기 하나의 하이브리드 렌즈를 통해 광학계의 색수차 보정이 가능한 탁월한 효과가 있다.
또한, 제 2 렌즈군의 후 초점거리가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 짧게형성되는 텔레포토 형식으로 광학계를 구성함에 따른 상기 광학계의 전체길이가 감소되어 본 발명의 회절광학계를 컴팩트하게 구성할 수 있는 탁월한 효과도 있다.

Claims (5)

  1. 제 1 렌즈군으로 입사되는 광빔의 양을 조절하는 조리개와;
    상기 조리개에 의해 입사된 광빔이 제 2 렌즈군으로 굴절 및 회절될 수 있게 렌즈군의 일측렌즈인 굴절광학소자와 타측렌즈인 회절광학소자가 상호 결착되어 하이브리드(Hybrid) 렌즈로 구성되며, 양(+)의 파워를 갖는 제 1 렌즈군과;
    상기 제 1 렌즈군 전방에 위치되어 상기 제 1 렌즈군을 통해 발산된 광빔을 광학 저역통과 필터로 발산시키며, 음(-)의 파워를 갖는 제 2 렌즈군과;
    상기 제 2 렌즈군로부터 발산되는 광빔의 저주파수 대역은 통과시키고, 고주파수 영역은 차단하여 상기 고주파수의 노이즈 작용으로 촬상소자(CCD)면에 결상특성이 저하되는 것을 방지하는 광학 저역통과 필터(OLPF)와;
    상기 광학 저역통과 필터를 통과한 저주파수의 광빔을 전기적신호로 변환시키는 촬상소자(CCD)로 구성된 것을 특징으로 하는 텔레포토 형태의 회절광학계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하이브리드(Hybrid) 렌즈는, 일정곡률반경의 크라운 형태로 형성된 굴절광학소자와, 상하 대칭된 톱니형태로 형성된 회절광학소자가 상호 결합된 것을 특징을 하는 텔레포토 형태의 회절광학계.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 텔레포토 형태 회절광학계는, 상기 제 2 렌즈군의 후 초점거리가 전체 광학계의 초점거리(FL)보다 짧게 형성되게 구성된 것을 특징으로 하는 텔레포토 형태의 회절광학계.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈군에 적용된 상기 회절광학소자에 의해 광빔의 색수차가 보정되는 것을 특징으로 하는 텔레포토 형태의 회절광학계.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈군의 후방에 조리개가 장착된 것을 특징으로 하는 텔레포토 형태의 회절광학계.
KR10-2001-0062293A 2001-10-10 2001-10-10 텔레포토 형태의 회절광학계 KR100405660B1 (ko)

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