KR100576874B1 - 회절광학소자를 이용한 광학계 - Google Patents

회절광학소자를 이용한 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양의 굴절력을 갖는 렌즈와 음의 굴절력을 갖는 렌즈의 인접하는 면 사이에 2개의 회절광학소자를 배치시켜 색수차의 보정능력을 향상시키는 회절광학소자를 이용한 광학계에 관한 것이다.
상기 회절광학소자를 이용한 광학계는, 광량을 조절하는 개구조리개와 물체측으로부터 순서대로 배치된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군 및 제3 렌즈군을 포함하여 구성되고, 상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 및 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 구비하며 상기 제2 렌즈군 또는 상기 제3 렌즈군은 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하는 광학계에 있어서, 상기 제1 렌즈의 상측면에 접합되는 제1 회절광학소자; 및 상기 제1 회절광학소자에 대응하여 상기 제2 렌즈의 물체측면에 접합되는 제2 회절광학소자를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 종래의 더블릿(doulet) 렌즈에 비하여 색수차 보정능력이 향상될 뿐만 아니라, 광학계의 소형화를 이룰 수 있으며, MTF 특성이 개선되어 광학계의 성능이 개선된다는 유리한 효과가 있다.
회절광학소자(DOE), 색수차, 광학계

Description

회절광학소자를 이용한 광학계{Optical System Using Diffractive Optiacal Element}
도 1은 본 발명에 의한 회절광학소자를 이용한 광학계의 제1 실시예에 대한 렌즈구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 실시예의 제 수차도를 도해한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 제1 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 회절광학소자를 이용한 광학계의 제2 실시예에 대한 렌즈구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제2 실시예의 제 수차도를 도해한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 제2 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의한 회절광학소자를 이용한 광학계의 제3 실시예에 대한 렌즈구성도이다.
도 8은 도 7에 도시된 제3 실시예의 제 수차도를 도해한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 도 7에 도시된 제3 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 회절광학소자를 도시한 것으로서,
(a)는 단면도, (b)는 평면도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 대비한 제1 비교예의 렌즈구성도이다.
도 12는 도 11에 도시된 제1 비교예의 제 수차도를 도해한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 13a 및 도 13b는 도 11에 도시된 제1 비교예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 대비한 제2 비교예의 렌즈구성도이다.
도 15는 도 14에 도시된 제2 비교예의 제 수차도를 도해한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 16a 및 도 16b는 도 14에 도시된 제2 비교예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
D1....제1 회절광학소자 D2....제2 회절광학소자
LG1...제1 렌즈군 LG2...제2 렌즈군
LG3...제3 렌즈군 L1....제1 렌즈
L2....제2 렌즈 L3....제3 렌즈
본 발명은 2개의 회절광학소자(DOE, Diffractive Optiacal Element)를 이용한 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양의 굴절력을 갖는 렌즈와 음의 굴절력을 갖는 렌즈의 인접하는 면 사이에 2개의 회절광학소자를 배치시켜 색수차 보정능력을 향상시키는 회절광학소자를 이용한 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 광학계에는 여러가지의 수차가 존재한다. 이중에서 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡, 왜곡수차는 렌즈가 구면인 것에 기인하며, 색수차는 렌즈가 파장에 따라 굴절률이 다른 것에 기인한다.
즉, 색수차는 빛의 굴절률이 파장의 함수이기 때문에 렌즈를 통과한 빛이 초점거리가 짧은 파란색(blue), 중간인 녹색(green), 초점거리가 긴 빨간색(red)의 순서로 서로 다른 위치에 결상점이 형성되어 발생하게 된다.
이러한 색수차의 문제점을 해결하기 위하여, 아베수가 크고 굴절률이 작은 크라운(crown) 계열의 볼록렌즈와 아베수가 작고 굴절률이 큰 플린트(flint) 계열의 오목렌즈를 접합한 더블릿(doublet) 렌즈를 이용하기도 한다.
그러나, 이와 같이 더블릿 렌즈를 사용하는 경우에는 광학계를 컴팩트하게 구성하기 어려울 뿐만 아니라 횡축(sagital)의 상면 만곡을 보정하기 위하여 중심부의 렌즈 두께가 두꺼워지므로 광학계의 전장이 길어져 광학계의 소형화/박형화가 어려우며 광학계의 무게 감소에도 한계가 있다는 문제점이 있다.
한편, 광학계의 일부에 회절작용을 한는 회절광학소자를 설치하여 광학계의 색수차를 보정하는 방법이 알려져 있으며, 이는 광학계 중의 굴절면과 회절면에서는 기준 파장의 광선에 대한 색수차가 역방향에서 발현한다는 물리 현상을 이용한 것이다.
그러나, 이와 같이 회절광학소자를 하나만 이용하는 경우에는 가시광선영역 전체에서 회절 효율을 100%에 근접시키는 어려우며, 회절효율이 높지 않은 영역의 빛은 실제로 존재하지 않는 것처럼 되어 상을 맺을 수 없다는 문제점이 있다.
이를 개선하기 위하여, 일본 특허공개공보 특개평 2001-324610호(2001.11.22.공개)에서는 2장의 단층형 회절 광학소자를 조합하여 가시광선 전체의 빛의 회절효율을 100%에 가깝게 근접시킬 수 있는 적층형 회절 광학소자를 제안하고 있다.
여기서, 각 회절광학소자는 아베수가 다른 광학재료로 성형되며, 상기 회절광학소자의 모양과 재질은 회절효율이 100%에 가깝도록 최적화하여, 2장의 단층형 회절광학소자를 겹쳐 적층형 회절광학소자 전체에서는 각각의 단층형 회절광학소자의 특성을 합한 특성이 나타나도록 하고 있다.
그러나, 이러한 적층형 회절광학소자는 편평하게 제작되어 렌즈 사이에 구비되므로, 상기 적층형 회절광학소자가 광학계에 적용되면 광학계의 전장이 증가하여 소형화, 박형화에 반한다는 문제점이 있다.
따라서, 색수차 보정능력의 향상 뿐만 아니라 소형화가 가능하며, 제작이 쉬운 광학계의 필요성이 증대되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2개의 회절광학소자를 양의 굴절력을 갖는 렌즈와 음의 굴절력을 갖는 렌즈 사이에 배치하여 색수차 보정능력을 향상시키며, 회절광학소자의 제작이 용이한 회절광학소자를 이용한 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 초소형/초박형이면서 고성능의 회절광학소자를 이용한 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
광량을 조절하는 개구조리개와 물체측으로부터 순서대로 배치된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군 및 제3 렌즈군을 포함하여 구성되고, 상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 및 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 구비하며 상기 제2 렌즈군 또는 상기 제3 렌즈군은 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하는 광학계에 있어서,
상기 제1 렌즈의 상측면에 접합되는 제1 회절광학소자; 및
상기 제1 회절광학소자에 대응하여 상기 제2 렌즈의 물체측면에 접합되는 제2 회절광학소자;
를 포함하며, 상기 제1 회절광학소자와 상기 제2 회절광학소자에 의하여 회절효율을 높이고 색수차의 보정능력을 향상시키는 회절광학소자를 이용한 광학계를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1 회절광학소자는 광축상의 단면이 상하 대칭인 톱니 형태이며 상기 톱니 형태가 광축을 중심으로 다수의 동심원을 이루도록 형성되며, 상기 제2 회절광학소자는 상기 제1 회절광학소자에 대응하여 맞물리는 형상으로 이루어지며, 상기 동심원은 상기 제1 및 제2 회절광학소자의 외측으로 갈수록 피치가 작아진다.
또한, 상기 제1 회절광학소자와 상기 제2 회절광학소자는 아베수(Abbe number)가 동일한 광학재료로 형성되며, 상기 광학재료는 PMMA(Polymethyl methacrylate)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 회절광학소자의 광축상 두께와 상기 제2 회절광학소자의 광축상 두께는 서로 다르게 할 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 회절광학소자의 광축상 두께가 더 작은 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 회절광학소자에서 발생한 회절 플레어광이 확 산되기 전에 상기 제2 회절광학소자에 입사되도록 하기 위하여 상기 제1 회절광학소자와 상기 제2 회절광학소자의 간격은 상기 제1 회절광학소자의 두께보다 작다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 회절격자를 이용한 광학계의 일 실시예에 대한 렌즈구성도를 나타내며, 도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 의한 회절광학소자를 도시한 단면도와 평면도이다.
도 1에서와 같이 본 발명에 의한 회절격자를 이용한 광학계는 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1), 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2), 상기 제1 렌즈(L1)에 접합되는 제1 회절광학소자(D1) 및 상기 제2 렌즈(L2)에 접합되는 제2 회절광학소자(D2)를 포함한다.
상기 제1 렌즈(L1) 및 상기 제2 렌즈(L2)는 색수차를 보정하는 기능을 하며, 종래의 더블릿 렌즈와 유사한 기능을 하게 된다.
도 1의 확대부 및 도10에서와 같이 상기 제1 회절광학소자(D1)는 상기 제1 렌즈(L1)의 상측면에 접합되고, 상기 제2 회절광학소자(D2)는 상기 제2 렌즈(L2)의 물체측면에 접합된다.
회절광학소자(D1,D2)에서는 물체광(object source)과 참조광(reference source)의 간섭에 의해 회절이 일어나게 된다.
이러한 회절광학소자(D1,D2)의 형상, 두께, 회절광학소자간의 간격은 회절효 율을 고려하여 상기 회절광학소자(D1,D2)에 의한 위상량을 설정함으로써 최적화될 수 있다.
즉, 상기 제1 렌즈(L1), 제1 회절광학소자(D1), 제2 회절광학소자(D2), 제2 렌즈(L2)의 특성이 적절히 조합되도록 형성시켜 색수차 등을 개선하고 광학계의 성능을 개선할 수 있을 것이다
이때, 상기 제1 회절광학소자(D1)와 상기 제2 회절광학소자(D2)는 가시광선 전영역에서 회절효율이 100%에 가깝도록 재질과 형상이 결정되는 것이 바람직하다.
종래에는 상기 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)에 의하여 색수차를 보정하였으나, 본 발명에서는 나아가 제1 회절광학소자(D1)과 제2 회절광학소자(D2)를 도입함으로써 색수차 보정능력이 더 향상된 광학계를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 단일의 회절광학소자를 이용할 때보다 가시광선 전영역에서 회절효율이 크게 향상된다는 유리한 이점이 있게 된다.
도 10a에서와 같이 상기 제1 회절광학소자(D1)는 광축상의 단면이 상하 대칭인 톱니 형태이며, 도 10b에서와 같이 상기 톱니 형태가 광축을 중심으로 다수의 동심원을 이루도록 형성되며, 상기 제2 회절광학소자(D2)는 상기 제1 회절광학소자(D1)에 대응하여 맞물리는 형상으로 이루어진다
이때, 상기 동심원은 상기 제1 회절광학소자 및 제2 회절광학소자의 외측으로 갈수록 피치(P)가 작아지도록 형성된다.
일반적으로, 회절광학소자에 사용되는 동심원의 갯수는 25개 이하인 것이 요구되지만, 본 발명의 경우 상기 동심원의 갯수는 2 내지 10인 것이 바람직하다.
이는, 동심원의 갯수가 1인 경우에는 회절의 효과를 얻을 수 없으며, 동심원의 갯수가 많아지는 경우에는 회절로 인한 플레어 현상이 발생할 우려가 있고 회절광학소자의 가공도 어렵게 된다.
따라서, 후술하는 실시예에서와 같이 광학계의 광학적 성능이 충분히 발현될 수 있다면 10개 이하의 동심원이 적용되는 것이 회절광학소자의 가공상의 편의를 위해 바람직하다.
본 발명의 일 실시예인 도 10에서는 동심원의 갯수를 4개로 하였으며, 도 1 내지 도 9의 실시예에서는 4개의 동심원을 이용한 광학계의 특성에 관한 실시예를 나타내고 있다.
한편, 본 발명에서는 더블릿과 유사한 기능을 하는 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)에 제1 및 제2 회절광학소자(D1,D2)를 접합함으로써, 상기 제1 및 제2 회절광학소자(D1,D2)를 아베수가 다른 광학재료로 형성하지 않고 아베수(Abbe number)가 동일한 광학재료로 형성하여도 후술하는 실시예에서와 같이 요구되는 광학적 특성을 충분히 재현할 수 있다는 이점이 있다.
이때, 상기 광학재료는 PMMA(Polymethyl methacrylate)으로 하여 회절광학소자의 광학적 특성을 충분히 발현시키는 것이 바람직하다.
도 10에서와 같이, 상기 제1 회절광학소자(D1)의 광축상 두께(t1)와 상기 제2 회절광학소자(D2)의 광축상 두께(t2)가 서로 다를 수 있으며, 이는 광학계의 최적화에 따른 것이다.
이때, 상기 상기 제1 회절광학소자(D1)의 광축상 두께(t1)는 상기 제2 회절광학소자(D2)의 광축상 두께(t2)보다 작은 경우 광학적 성능이 더 우수하다.
한편, 상기 제1 회절광학소자(D1)에서 발생한 회절 플레어광이 확산되기 전에 상기 제2 회절광학소자(D2)에 입사되도록 하기 위하여 상기 제1 회절광학소자(D1)와 상기 제2 회절광학소자(D2)의 간격(S)은 상기 제1 회절광학소자(D1)의 두께(t1)보다 작은 것이 바람직하다.
도 1과는 다르게 상기 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1)를 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2) 후방에 위치시키고, 그 사이에 제1 회절광학소자(D1) 및 제2 회절광학소자(D2)를 배치하는 구성도 가능할 것이다.
더욱 구체적으로, 도 1내지 도 9 및 후술하는 실시예 1 내지 3에서와 같이, 본 발명은 광량을 조절하는 개구조리개(S1)와 물체측으로부터 순서대로 배치된 제1 렌즈군(LG1), 제2 렌즈군(LG2) 및 제3 렌즈군(LG3)을 포함하여 구성되고, 상기 제1 렌즈군(LG1)은 물체측으로부터 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1) 및 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)을 구비하며 상기 제2 렌즈군(LG2) 또는 상기 제3 렌즈군(LG3)은 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하는 광학계에 적용될 수 있다.
이때, 상기 제1 회절광학소자(D1)는 상기 제1 렌즈(L1)의 상측면에 접합되며, 상기 제2 회절광학소자(D2)상기 제1 회절광학소자(D1)에 대응하여 상기 제2 렌즈(L2)의 물체측면에 접합되고, 상기 제1 회절광학소자(D1)와 상기 제2 회절광학소 자(D2)에 의하여 회절효율을 높이고 색수차의 보정능력을 향상시킬 수 있다.
여기에 구비되는 제1 회절광학소자(D1) 및 제2 회절광학소자(D2)는 전술한 바와 같은 구성을 갖는다.
한편, 상기 제3 렌즈군(LG3)의 뒤쪽에는 광학적 저역 필터(OLPF, optical low pass filter) 나 색 필터, 페이스 플레이트(face plate) 등에 대응하여 적외선 필터(IR)와 커버 글래스(CG)가 설치되어 있으나, 상기 적외선 필터(IR)와 커버 글래스(CG)는 다른 필터 등으로 대체 가능하며, 광학적 특성에는 원칙적으로 영향을 미치지 않는 것으로 볼 수 있다.
또한, CCD 센서나 CMOS 센서 등으로 이루어지고 렌즈가 형성하는 상을 수광하는 상면(감광면)(IP)을 구비한 고해상도의 고체촬상소자(광전변환소자)가 커버 글래스(CG) 뒤쪽에 배치되어 있다.
이하, 구체적인 수치 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.
이하의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2는 모두 전술한 바와 같이, 물체측 가장 가까이에 개구조리개(S1)가 배치되며, 이후에 물체측으로부터 순서대로, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)를 구비하는 제1 렌즈군(LG1), 제3 렌즈(L3)를 구비하는 제2 렌즈군(LG2) 및 제4 렌즈(L4)를 구비하는 제3 렌즈군(LG3)로 구성되며, 상기 제3 렌즈군(LG3)과 상면(IP) 사이에는 적외선 필터(IR), 커버 글래스(CG) 등이 구비된다.
이하의 각 실시예 및 비교예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D)에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E21은 1021을, E-02는 10-2을 나타낸다.
Figure 112004048739436-pat00001
Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
r : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경
K : 코닉(Conic) 상수
A,B,C,D : 비구면 계수
(실시예 1)
하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회절격자를 이용한 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 2a 내지 2c는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 3은 제1 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
이하의 렌즈구성도에서 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 도면에서 제시된 구면 및 비구면의 형상은 일 예로 제시되 었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.
또한, 이하의 비점수차도면의 "S"는 새지털(sagital), "T"는 탄젠셜(tangential)을 나타내며, 이하의 MTF 특성을 도시한 그래프의 "T"는 원심원상(tangential)의 밀리미터당 공간주파수의 MTF 변화, "R"은 방사원상의 밀리미터당 공간주파수의 MTF 변화를 나타낸다.
여기서, MTF(Modulation Transfer Function)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 2로 정의되는 값이다.
Figure 112004048739436-pat00002
즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다.
제1 실시예는 F 넘버 2.8이고, 입사각이 20도 미만, 상고가 4mm인 경우이다.
Figure 112004048739436-pat00003
표 1에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 비구면 계수의 값은 다음과 같다. 즉, 제7면(제3 렌즈의 물체측면), 제8면(제3 렌즈의 상측면), 제9면(제4 렌즈의 물체측면) 및 제10면(제4 렌즈의 상측면)이 비구면이다.
제7면의 비구면 계수
K : -0.176405 A : -0.159766E-01 B : 0.298267E-02
C : 0.311938E-02 D : -0.561250E-03
제8면의 비구면 계수
K : 1.827367 A : -0.241994E-01 B : 0.917725E-02
C : 0.657321E-03 D : -0.740500E-04
제9면의 비구면 계수
K : -5.766732 A : -0.266805E-01 B : 0.448193E-02
C : -0.390766E-03 D : 0.127579E-04
제10면의 비구면 계수
K : -5.917002 A : -0.127131E-01 B : 0.921263E-03
C : -0.453984E-04 D : -0.434912E-06
상기의 제1 실시예의 경우 광학계의 개구조리개(S1)로부터 상면(IP)까지의 거리(이하 "TL"이라 함)는 9.430mm이고, 도 2c에서와 같이 왜곡은 0.5% 미만이다.
또한, 도 3과 같이 130 cycle/mm에서 50% 이상의 MTF 특성을 얻을 수 있다.
(비교예 1)
하기의 표 2는 본 발명의 제1 실시예에 대비한 제1 비교예를 나타내고 있다.
또한, 도 11은 제1 비교예에 따른 회절격자를 이용한 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 12a 내지 12c는 표 2 및 도 11에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 13은 제1 비교예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
제1 비교예는 제1 실시예와의 비교를 위해 상고를 4mm, F 넘버를 2.8, 입사각을 20도 미만으로 한 경우이다.
Figure 112004048739436-pat00004
표 2에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 비구면 계수의 값은 다음과 같다. 즉, 제4면(제3 렌즈의 물체측면), 제5면(제3 렌즈의 상측면), 제6면(제4 렌즈의 물체측면) 및 제7면(제4 렌즈의 상측면)이 비구면이다.
제4면의 비구면 계수
K : -0.738800 A : -0.138697E-01 B : 0.506085E-02
C : -0.131612E-03 D : -0.155949E-04
제5면의 비구면 계수
K : -0.921826 A : 0.788643E-02 B : 0.821847E-04
C : 0.350679E-03 D : -0.232394E-04
제6면의 비구면 계수
K : -20.778681 A : 0.673113E-02 B : -0.577860E-03
C : 0.317146E-04 D : -0.987329E-06
제7면의 비구면 계수
K : -6.271202 A : -0.629313E-02 B : 0.762312E-03
C : -0.448126E-04 D : 0.660156E-06
상기의 제1 비교예의 경우 광학계의 TL은 11.660mm이고, 도 12c에서와 같이 왜곡은 0.5% 미만이며, 도 3에서와 같이 130cycle/mm에서의 분해능은 26% 이상이다.
상기 제1 실시예와 상기 제1 비교예를 대비해 보면, 상기 제1 실시예의 경우가 TL이 작으므로 광학계의 소형화, 박형화가 가능하며, MTF 곡선상에서도 분해능 및 해상도가 월등히 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
(실시예 2)
하기의 표 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회절격자를 이용한 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 5a 내지 5c는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 6은 제2 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
제1 실시예는 F 넘버 2.8이고, 입사각이 20도 미만, 상고가 4.4mm인 경우이 다.
Figure 112004048739436-pat00005
표 3에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 비구면 계수의 값은 다음과 같다. 즉, 제7면(제3 렌즈의 물체측면), 제8면(제3 렌즈의 상측면), 제9면(제4 렌즈의 물체측면) 및 제10면(제4 렌즈의 상측면)이 비구면이다.
제7면의 비구면 계수
K : -0.191571 A : -0.170882E-01 B : 0.204165E-02
C : 0.323701E-02 D : -0.503488E-03
제8면의 비구면 계수
K : 1.004006 A : -0.324197E-01 B : 0.977356E-02
C : 0.546480E-03 D : -0.574010E-04
제9면의 비구면 계수
K : -4.146636 A : -0.388063E-01 B : 0.756998E-02
C : -0.778179E-03 D : 0.291100E-04
제10면의 비구면 계수
K : -7.849828 A : -0.114627E-01 B : 0.528338E-03
C : -0.114828E-04 D : -0.630073E-06
상기의 제2 실시예의 경우 광학계의 TL는 9.75mm이고, 도 5c에서와 같이 왜곡은 0.5% 미만이다.
또한, 도 6과 같이 100 cycle/mm에서 40% 이상의 분해능 특성을 얻을 수 있다.
(비교예 2)
하기의 표 4는 본 발명의 제2 실시예에 대비한 제2 비교예를 나타내고 있다.
또한, 도 14은 제2 비교예에 따른 회절격자를 이용한 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 15a 내지 15c는 표 4 및 도 14에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 16은 제2 비교예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
제2 비교예는 제1 실시예와의 비교를 위해 상고를 4.4mm, F 넘버를 2.8, 입 사각을 20도 미만으로 한 경우이다.
Figure 112004048739436-pat00006
표 4에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 비구면 계수의 값은 다음과 같다. 즉, 제4면(제3 렌즈의 물체측면), 제5면(제3 렌즈의 상측면), 제6면(제4 렌즈의 물체측면) 및 제7면(제4 렌즈의 상측면)이 비구면이다.
제4면의 비구면 계수
K : -1.280423 A : -0.106001E-01 B : 0.746599E-03
C : 0.127681E-02 D : -0.152189E-03
제5면의 비구면 계수
K : -0.876473 A : 0.148617E-01 B : -0.288037E-02
C : 0.136726E-02 D : -0.104532E-03
제6면의 비구면 계수
K : -31.599354 A : 0.212124E-02 B : -0.142453E-03
C : 0.630843E-05 D : -0.399351E-06
제7면의 비구면 계수
K : -9.007339 A : -0.630543E-02 B : 0.458655E-03
C : -0.183027E-04 D : -0.330755E-08
상기의 제2 비교예의 경우 광학계의 TL은 10.31mm이고, 도 15c에서와 같이 왜곡은 0.5% 미만이며, 도 3에서와 같이 100cycle/mm에서의 분해능은 30% 이상이다.
상기 제2 실시예와 상기 제2 비교예를 대비해 보면, 상기 제2 실시예의 경우가 TL이 작으므로 광학계의 소형화, 박형화가 가능하며, MTF 곡선상에서도 분해능 및 해상도가 월등히 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
(실시예 3)
하기의 표 5은 본 발명의 제3 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 회절격자를 이용한 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 8a 내지 8c는 표 5 및 도 7에 도시된 광학 계의 제 수차도를 나타내며, 도 9는 제3 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
제3 실시예는 F 넘버 2.8이고, 입사각이 20도 미만인 경우이다.
Figure 112004048739436-pat00007
표 5에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 비구면 계수의 값은 다음과 같다. 즉, 제7면(제3 렌즈의 물체측면), 제8면(제3 렌즈의 상측면), 제9면(제4 렌즈의 물체측면) 및 제10면(제4 렌즈의 상측면)이 비구면이다.
제7면의 비구면 계수
K : -0.191571 A : -0.170882E-01 B : 0.204165E-02
C : 0.323701E-02 D : -0.503488E-03
제8면의 비구면 계수
K : 1.004006 A : -0.324197E-01 B : 0.977356E-02
C : 0.546480E-03 D : -0.574010E-04
제9면의 비구면 계수
K : -4.146636 A : -0.388063E-01 B : 0.756998E-02
C : -0.778179E-03 D : 0.291100E-04
제10면의 비구면 계수
K : -7.849828 A : -0.114627E-01 B : 0.528338E-03
C : -0.114828E-04 D : -0.630073E-06
상기의 제3 실시예의 경우에도 도 8c에서와 같이 왜곡은 0.5% 미만이며, 도 6에서와 같이 130 cycle/mm에서 45% 이상의 분해능 특성을 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 종래의 더블릿(doulet) 렌즈에 비하여 색수차 보정능력이 향상된다는 유리한 효과가 있게 된다.
또한, 회절광학소자의 동심원의 갯수를 줄임으로써 상기 회절광학소자의 제작이 용이하다는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 의하면 광학계의 소형화를 이룰 수 있으며, MTF 특성이 개선되어 분해능의 향상 및 고해상도의 구현 등 광학계의 성능이 개선된다는 유리 한 효과가 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (6)

  1. 광량을 조절하는 개구조리개와 물체측으로부터 순서대로 배치된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군 및 제3 렌즈군을 포함하여 구성되고, 상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 및 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 구비하며 상기 제2 렌즈군 또는 상기 제3 렌즈군은 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하는 광학계에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상측면에 접합되는 제1 회절광학소자; 및
    상기 제1 회절광학소자에 대응하여 상기 제2 렌즈의 물체측면에 접합되는 제2 회절광학소자를 포함하며,
    상기 제1 회절광학소자와 상기 제2 회절광학소자에 의하여 회절효율을 높이고 색수차의 보정능력을 향상시키는 회절광학소자를 이용한 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절광학소자는 광축상의 단면이 상하 대칭인 톱니 형태이며 상기 톱니 형태가 광축을 중심으로 다수의 동심원을 이루도록 형성되며,
    상기 제2 회절광학소자는 상기 제1 회절광학소자에 대응하여 맞물리는 형상으로 이루어지며,
    상기 동심원의 피치는 상기 제1 및 제2 회절광학소자의 외측으로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 회절광학소자를 이용한 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절광학소자와 상기 제2 회절광학소자는 아베수(Abbe number)가 동일한 광학재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 회절격자를 이용한 광학계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학재료는 PMMA(Polymethyl methacrylate)인 것을 특징으로 하는 회절격자를 이용한 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절광학소자의 광축상 두께는 상기 제2 회절광학소자의 광축상 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 회절광학소자를 이용한 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회절광학소자에서 발생한 회절 플레어광이 확산되기 전에 상기 제2 회절광학소자에 입사되도록 하기 위하여 상기 제1 회절광학소자와 상기 제2 회절광학소자의 간격은 상기 제1 회절광학소자의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 회절광학소자를 이용한 광학계.
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