KR102059946B1 - 회절광학소자 및 이를 포함하는 광학장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자로서, 상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 입사되는 가시광의 1차광 회절효율이 0.6 이상인 회절광학소자, 및 이를 포함하는 광학장치를 개시한다.

Description

회절광학소자 및 이를 포함하는 광학장치{DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 균일한 회절광학소자에 관한 것이다.

회절광학소자(diffractive optical element: DOE)는 동일한 부호의 파워를 가진 굴절 광학계에 비하여 색수차가 나타나는 방식이 반대이다. 이는 광학계 중의 굴절면과 회절면에서는 기준 파장의 광선에 대한 색수차가 역방향에서 발현되는 물리현상 때문이다.

회절광학소자는 기존 굴절 광학계보다 수차 보정이 용이하여 렌즈 어셈블리의 높이를 낮출 수 있어 소형화가 가능해지고, 렌즈 매수 저감에 따른 제품의 가격을 다운시킬 수 있는 장점이 있다.

그러나, 이와 같이 회절광학소자는 입사광의 파장대 및 렌즈의 입사각도에 따라 회절효율 차이가 발생하고, 그 결과 색번짐(Flare) 현상이 발생하여 이미지의 성능을 저하시키는 문제가 있다.

이를 해소하기 위하여 회절광학소자를 복수 개 적층하여 회절효율을 개선한 기술들이 개발되고 있으나, 단매의 회절광학소자만으로는 파장 및 입사각도에 따른 회절효율 차이를 개선하지 못하고 있다.

본 발명은 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 유사한 회절광학소자를 제공한다.

본 발명은 단매의 회절광학소자로 설계하여 박막인 회절광학소자를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는, 적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자로서, 상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 입사되는 가시광의 1차광 회절효율이 0.6 이상이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 가시광 중에서 녹색파장과, 청색파장, 및 적색파장의 1차광 회절효율 차이는 0.2 이하이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 회절광학소자에 입사되는 광의 각도가 0도 내지 40도인 범위에서, 상기 가시광의 1차광 회절효율이 0.6 이상이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 회절소자에 입사되는 광의 각도가 0도 내지 40도인 범위에서, 상기 가시광 중에서 녹색파장과, 청색파장, 및 적색파장의 1차광 회절효율 차이는 0.2 이하이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 청색파장은 400~500nm 이고, 녹색파장은 500~600nm이고, 적색파장은 600~700nm이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 중심부에 형성된 제1회절패턴의 높이는 상기 가장자리에 형성된 제2회절패턴의 높이보다 높다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 회절광학소자는, 적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자로서, 상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 입사되는 가시광 중에서 청색파장과 적색파장의 1차광 회절효율은 상기 중심부과 가장자리에서 상이하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 청색파장과 적색파장의 1차광 회절효율은 상기 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 중심부와 가장자리 사이에 상기 청색파장과 적색파장의 1차광 회절효율이 역전되는 구간을 갖는다.

본 발명에 따르면, 단매의 회절광학소자만으로도 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 유사하게 제어할 수 있다.

또한, DOE 광학계에서 회절 효율 차이로 인해 발생하는 필드별 색 차이(색편차)를 감소시켜 모든 영역에 대해 균일광을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도이고,
도 2는 수학식 3의 상수(γ) 변화에 따라 회절패턴 높이가 변화하는 기울기를 보여주는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 회절패턴의 높이가 동일한 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도 및 평면도이고,
도 6은 본 발명의 회절광학소자가 비구면 렌즈의 합성된 형상을 보여주는 도면이고,
도 7은 도 4에 도시한 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이고,
도 9는 도 4에 도시한 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이며,
도 11은 기존 광학장치를 이용하여 촬영한 영상 이미지이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도이고, 도 2는 수학식 3의 상수(γ) 변화에 따라 회절패턴 높이가 변화하는 기울기를 보여주는 그래프이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학회절소자(10)는 적어도 일면에 복수 개의 회절패턴(100)이 형성된다. 이러한 회절패턴(100)은 톱니 형상(Fresnel DOE 형상)일 수 있으며 입사되는 광(L1)을 회절시켜 0차광(L2), 1차광(L3), 2차광 등으로 회절시킨다. 이 중 1차광이 굴절광학계와 유사하다. 따라서, 이하에서는 회절효율은 1차광의 회절효율로 설명한다.

회절패턴(100)의 높이는 회절광학소자의 중심부(C)에서 가장자리(E)로 갈수록 연속 또는 불연속적으로 변화한다. 이때 회절패턴(100)의 높이는 중심부에서 가장자리로 갈수록 낮아지게 설계되거나 또는 반대로 중심부에서 가장자리로 갈수록 높아지게 설계될 수도 있다. 이하에서는 회절패턴(100)의 높이는 중심부에서 가장자리로 갈수록 낮아지게 설계된 것으로 설명하며, 회절패턴의 높이는 톱니형상 패턴의 피크(d2)와 밸리(d1) 사이의 거리로 정의한다.

중심부에서의 회절패턴(이하 제1회절패턴, 101)의 높이(h_o)는 가장자리에서의 회절패턴(이하 제2회절패턴, h₁)의 높이보다 높게 형성된다. 또한, 제1회절패턴(101)과 제2회절패턴(104) 사이의 회절패턴(102, 103)은 연속적으로 높이가 감소한다. 제1회절패턴의 높이(h_o)는 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 제2회절패턴의 높이(h₁)는 하기 수학식 2를 만족하도록 설계될 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, n_d는 회절광학소자의 굴절율(1.5~1.6)이고, 750nm≤λ₁≤950nm, 250nm≤λ₂≤450nm 이다. 이때, λ₁ 과 λ₂의 범위를 만족하는 경우 가시광 전 영역에서 회절효율을 근사하게 조절할 수 있다.

이때, λ₁의 범위와 λ₂의 범위는 입사광의 1차광 회절효율이 0.5 이상이 되도록 설계된다. 따라서, 회절광학소자의 굴절률(n_d)이 1.5인 경우 제1회절패턴의 높이(h_o)는 1500nm 내지 1900nm이고, 상기 제2회절패턴의 높이(h₁)는 500nm 내지 900nm일 수 있으며, 제1회절패턴의 높이(h_o)와 상기 제2회절패턴의 높이(h₁)의 차는 600nm 내지 1400nm일 수 있다.

따라서, 장파장대의 광은 회절광학소자의 중심부에서 높은 회절효율을 갖고 회절광학소자의 가장자리에서 낮은 회절효율을 갖는다. 반대로, 단파장대의 광은 회절광학소자의 가장자리에서 높은 회절효율을 갖고 회절광학소자의 중심부에서 낮은 회절효율을 갖는다. 그 결과, 회절광학소자를 통과한 장파장과 단파장의 전체 회절효율은 서로 유사해지도록 제어될 수 있다.

회절광학소자의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 각 회절패턴(102, 103)의 높이(h_r)는 하기 수학식 3을 만족하도록 설계된다.

[수학식 3]

여기서, h_o는 제1회절패턴(101)의 높이이고, h₁은 제2회절패턴(104)의 높이이고, r_eff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.

따라서, 제1회절패턴(101)과 제2회절패턴(104) 사이에 배치된 복수 개의 회절패턴(102, 103)은 수학식 3에 의해 정의되는 높이를 갖게 된다.

일반적으로 회절광학소자는 회절효과를 갖는 유효반경(r_eff)을 갖고 그 외측은 패턴가공을 위한 가공경으로 정의된다. 따라서, 제2회절패턴(104)은 유효경의 끝단에 배치된(최외측에 배치된) 회절패턴으로 정의된다.

수학식 3에서 γ는 기울기 상수로서, γ의 크기에 따라 회절패턴 높이의 기울기가 결정된다. 아래 표 1은 제1회절패턴의 높이(h_o)가 1500nm이고 제2회절패턴의 높이(h₁)가 400nm인 경우, γ의 변화에 따라 변화되는 회절패턴의 높이를 표시하였다.

γ	Ring 1	Ring 2	Ring 3	Ring 4	Ring 5
1	1500	1053	855	696	553
0.9	1500	1001	820	671	539
0.8	1500	963	783	644	524
0.7	1500	913	743	617	509
0.6	1500	858	702	589	494
0.5	1500	797	548	560	479

도 2와 표 1을 참고하면, γ 값이 0.5인 경우에는 외측 링으로 갈수록 패턴의 높이가 급격히 감소하나 γ값이 1인 경우에는 거의 직선 기울기로 완만하게 패턴의 높이가 감소함을 알 수 있다. 즉, 수학식 3은 회절패턴 높이의 기울기(h_r)로 정의될 수 있다.

이때, γ의 범위는 0.1≤γ≤3를 만족한다. γ이 0.1 미만이거나 3을 초과하는 경우에는 회절패턴의 높이가 급격하게 감소되어 회절패턴의 가공이 어려운 문제가 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 회절패턴의 높이가 동일한 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는 중심부(C)에서 가장자리(E)로 갈수록 회절패턴의 높이가 감소한다. 또한, 전술한 바와 같이 중심부에서는 상대적으로 장파장의 회절효율이 커지며 가장자리에서는 상대적으로 단파장의 회절효율이 커지게 된다.

따라서, 중심부를 통과한 600~700nm의 적색광(R1)과 500~600nm의 녹색광(G1)과 400~500nm의 청색광(B1)의 효율은 하기 관계식 1을 만족하게 된다.

[관계식 1]

R1＞G1＞B1

즉, 중심부에서는 적색광의 1차광 회절효율이 가장 좋으며, 청색광의 1차광 회절효율이 가장 낮게 된다. 그러나, 이와 반대로 가장자리를 통과한 600~700nm의 적색광(R2)과 500~600nm의 녹색광(G2)과 400~500nm의 청색광(B2)의 효율은 하기 관계식 2를 만족하게 된다.

[관계식 2]

R2＜G2＜B2

따라서, 회절광학소자를 통과한 적색광, 녹색광, 청색광의 총 회절효율은 거의 유사하게 조절될 수 있다.

그러나, 도 4와 같이 회절패턴의 높이(h₂)가 모두 동일하게 형성되는 경우에는 설계파장에 해당하는 파장대의 광은 효율이 최대가 되나 그 이외의 나머지 파장대의 광은 회절효율이 매우 낮게 되는 문제가 있다.

만약, 설계파장이 546nm의 녹색광이라면 중심부에서나 가장자리에서나 녹색광의 효율만이 좋게 된다 (G3≫R3=B3, G4≫R4=B4). 이러한 회절광학소자는 파장에 따른 회절효율이 차이로 인해 색번짐(Flare) 현상이 나타난다.

다시 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 회절광학소자는 입사 각도에 대한 의존성이 낮아지게 된다. 예를 들면, 제1각도로 입사하는 제1광과 제2각도로 입사하는 제2광을 가정하면, 제1광이 중심부에서 회절효율이 높은 경우 회절패턴의 높이가 다른 가장자리 부근에서는 회절효율이 낮아지게 되며, 제2광은 중심부에서 효율이 낮다면 회절패턴의 높이가 다른 가장자리에서 높아지게 된다. 따라서, 입사각에 따른 1차광 회절효율은 거의 유사하게 제어된다.

즉, 파장이 변화하는 경우와 입사각도가 변화하는 경우, 회절패턴의 높이 변화에 의해 일부 영역(중심부)에서 효율이 높거나 낮은 부분을 다른 영역(가장자리)에서 보상해 줌으로써 회절광학소자를 통과하는 광의 전체 회절효율을 유사하게 제어할 수 있는 것이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도 및 평면도이고, 도 6은 본 발명의 회절광학소자가 비구면 렌즈의 합성된 형상을 보여주는 도면이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자는 회절패턴의 피크가 중심부에서 가장자리로 갈수록 낮아지도록 설계됨으로써 높이가 점점 낮아지게 된다. 이는, 도 1에서 회절패턴의 밸리(d1)가 변화함으로써 패턴의 높이가 줄어들게 되는 것과 동일하다. 이때, 각 회절패턴은 링 형상(r₁, r₂)으로 형성된다.

도 6을 참고하면, 회절광학소자(10)는 비구면 렌즈(20)의 일면에 형성될 수 있다. 비구면 렌즈(20)는 볼록렌즈일 수도 있고 오목렌즈일 수도 있다. 따라서, 회절광학소자(10)에 의해 굴절광학계에서 발생하는 색수차를 효과적으로 보정할 수 있다.

도 7은 도 4에 도시한 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이다.

이때, 도 8의 1차광 회절효율(η)은 하기 수학식 4에 의해 산출된 결과를 시뮬레이션 한 결과이다.

[수학식 4]

여기서, λ는 입사광의 파장이고, n₁은 회절광학소자의 굴절율이고, n₂는 공기의 굴절율이고, θ₂는 광의 입사각도이고, m은 회절 차수이다.

도 7을 참고하면, 회절패턴의 높이가 일정하게 형성된 회절광학소자(도 4 참조)는 설계파장(예: 546nm, G)에서는 최대효율을 가지나 설계파장 이외의 파장대(B)에서는 0.6 이하로 효율이 급격히 떨어지는 것을 볼 수 있다.

또한, 입사각에 따라서도 급격한 변화를 보임을 알 수 있다. 이러한 파장대별 효율차 및 입사각에 따른 효율차는 색번짐 문제를 야기시킨다. 이때, 점선(Bn, Gn, Rn)은 1차광 이외의 광으로 실제 영상에서 노이즈로 작용한다.

이에 반해, 도 8과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는 파장대별 1차광 회절효율이 거의 유사한 것을 알 수 있다.

구체적으로는 적색 파장(R), 녹색 파장(G), 청색 파장(B)의 광의 1차광 회절효율이 모두 0.6과 0.8 사이에 균일하게 위치하고 있으며, 적색 파장(R), 녹색 파장(G), 청색 파장(B) 간의 회절효율 차이도 0.2 이하임을 알 수 있다.

회절소자에 입사되는 광의 각도는 회절소자에 수직하거나(0도), 소정의 각도를 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 0도 내지 40도의 화각에서 효율 변화도 거의 없음을 알 수 있다.

따라서, 가시광 전 영역에서 회절효율이 0.6 이상이며 각 파장대의 회절효율 차도 0.2 이하이므로, 회절광학소자의 파장 의존성 및 입사각 의존성이 완화되어 색번짐 문제가 효과적으로 해결되었음을 알 수 있다.

더욱이 본 발명에 따른 회절광학소자는 복수의 회절패턴이 적층된 적층형 소자가 아니라 단층 구조로 설계되므로 박막의 회절광학소자 설계가 가능해진다. 따라서, 이를 포함하는 소형 광학계를 실현할 수 있다.

또한, 이러한 회절광학소자는 통신 단말용 카메라 모듈, 디지털 스틸 카메라, 캠코더와 같은 다양한 광학기기에 적용될 수 있다.

도 9는 도 4에 도시한 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이며, 도 11은 기존 광학장치를 이용하여 촬영한 영상 이미지이다.

도 9를 참고하면, 회절패턴의 높이가 동일한 회절광학소자가 장착된 광학장치(예: 카메라 모듈)을 이용하여 촬영한 영상 이미지는 중심필드(0.1F)에서 자주색의 색번짐이 관찰되었으며 외곽(0.7F)에서는 청색의 색번짐이 관찰되었다. 이는 굴절 광학계를 이용한 도 11의 이미지와 비교할 때 색번짐이 매우 큼을 알 수 있다.

이에 반해, 도 10과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자가 장착된 광학장치를 이용하여 촬영한 영상 이미지는 중심필드(0.1F)와 외곽(0.7F)에서의 색상 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 이는 굴절 광학계를 이용한 도 11의 이미지와 비교할 때 색번짐 문제가 크게 완화되었음을 알 수 있다.

10: 광학회절소자
100: 회절패턴

Claims (11)

1. 적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자로서,
   상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 작아지고,
   상기 중심부에 형성된 돔 형상의 회절패턴의 높이는 이웃한 회절패턴의 높이보다 높고,
   상기 중심부를 통과한 적색광(R1), 녹색광(G1), 청색광(B1)의 1차광 회절효율은 하기 관계식 1을 만족하며,
   상기 가장자리를 통과한 적색광(R2), 녹색광(G2), 청색광(B2)의 1차광 회절효율은 하기 관계식 2를 만족하며,
   입사되는 적색광, 녹색광 및 청색광의 1차광 회절효율이 0.6 이상인 회절광학소자.
   [관계식 1]
   R1＞G1＞B1
   [관계식 2]
   R2＜G2＜B2
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 적색광, 녹색광 및 청색광의 1차광 회절효율 차이는 0.2 이하인 회절광학소자.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 회절광학소자에 입사되는 광의 각도가 0도 내지 40도인 범위에서,
   상기 적색광, 녹색광 및 청색광의 1차광 회절효율이 0.6 이상인 회절광학소자.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 회절광학소자에 입사되는 광의 각도가 0도 내지 40도인 범위에서,
   상기 적색광, 녹색광 및 청색광의 1차광 회절효율 차이는 0.2 이하인 회절광학소자.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 청색광은 400~500nm 파장대의 광이고, 녹색광은 500~600nm 파장대의 광이고, 적색광은 600~700nm 파장대의 광인 회절광학소자.
   
6. 제1항에 있어서,
   단층인 회절광학소자.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 청색광과 적색광의 1차광 회절효율은 상기 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 회절광학소자.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 중심부와 가장자리 사이에서 상기 청색광과 적색광의 1차광 회절효율이 역전되는 구간을 갖는 회절광학소자.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 회절광학소자를 포함하는 광학장치.
10. 삭제
11. 삭제

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