KR102086448B1 - 결상 광학계 - Google Patents

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KR102086448B1
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진 호 정
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Abstract

본 발명은 결상 광학계에 관한 것으로서, 특히 대물렌즈와 이미징렌즈 사이에 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈를 구비하고, 광심과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 위치시켜 포커싱에 따른 배율변화를 최소화하도록 함으로써, 물체의 위치에 상관없이 물체의 크기를 정확히 파악하도록 하는 결상 광학계에 관한 것이다. 구성은 대물렌즈와, 이미징 렌즈와, 포커싱 렌즈를 포함하는 결상 광학계에 있어서, 상기 포커싱 렌즈는 포커싱에 따른 배율변화가 최소화되도록 하나의 절점(nodal points)이 공기 중에 있으며 광심(optical center)과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 두고, 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 두기 위해 액체렌즈의 모양을 고굴절률인 경우와 입사각과 출사각의 각도차이에 따라 볼록, 평면, 오목으로 다르게 형성하고, 상기 액체렌즈의 모양이 평볼록과 볼록평인 경우 볼록면의 정점에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

결상 광학계{focusing optics}
본 발명은 결상 광학계에 관한 것으로서, 특히 대물렌즈와 이미징렌즈 사이에 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈를 구비하고, 광심과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 위치시켜 포커싱에 따른 배율변화를 최소화하도록 함으로써, 물체의 위치에 상관없이 물체의 크기를 정확히 파악하도록 하는 결상 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 기판의 3D형상을 입체적으로 검사하는 광학기기, 자동광학검사(A.O.I : Auto Optical inspection)기, 카메라 내장 휴대전화, 카메라 내장 개인 휴대 단말기등 디지털 촬영기기에는 광학계의 반사, 굴절 등의 현상을 이용하여 물체의 상을 만드는 결상 광학계(imagery optical system)가 사용된다.
이러한 결상 광학계는 도 1에 도시된 바와 같이 포커싱을 위한 대물렌즈(objective lens)(110)와 조리개(diaphragm)(120) 및 이미징 렌즈(imaging lens)(130)로 구성되거나, 도 2에 도시된 바와 같이 포커싱을 위한 액체렌즈(Liquid Lens)(210)와 조리개(diaphragm)(220) 및 이미징 렌즈(imaging lens)(230)로 구성된다.
그리고 상기 도 1의 결상 광학계(100)는 피검물체(검사하고자 하는 물체)(BO)에서 출사한 광선은 대물렌즈(110)를 통과하여 조리개(diaphragm)(120) 및 이미징 렌즈(imaging lens)(130)를 지나 초점면에 위치한 이미지센서(image sensor : 피사체 정보를 검지(檢知)하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품.)(IS) 위에 상을 맺는다.
여기서, 도 1의 결상 광학계(100)는 피검물체(BO)의 거리가 변화하면 대물렌즈(110)를 전, 후로 이동시켜 포커싱을 한다.
또, 상기 도 2의 결상 광학계(200)는 피검물체(검사하고자 하는 물체)(BO)에서 출사한 광선은 액체렌즈(210)를 통과하여 조리개(diaphragm)(220) 및 이미징 렌즈(imaging lens)(230)를 지나 초점면에 위치한 이미지센서(image sensor : 피사체 정보를 검지(檢知)하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품.)(IS) 위에 상을 맺는다.
여기서, 도 2의 결상 광학계(200)는 피검물체(BO)의 거리가 변화하면 액체렌즈(210)의 두께를 조절하여 포커싱을 한다.
예컨대, 물체의 거리가 멀면 액체렌즈(210)의 두께가 얇아 지고, 물체의 거리가 가까우면 액체렌즈(210)의 두께가 두꺼워진다.
그러나 종래의 결상 광학계 중, 대물렌즈를 포커싱 렌즈로 사용할 경우 전, 후 이동을 위한 모터 및 기구적 이동 메커니즘이 필요하고 포커싱하는 시간이 느린 문제점이 있었다.
또, 상기 액체렌즈를 포커싱 렌즈로 사용하는 경우 포커싱하는 시간은 빠르나 포커싱을 위해 액체렌즈를 광학계의 앞부분(대물렌즈의 위치)에 위치시켜야 하므로 최대 구경이 30㎜를 초과하는 큰 결상 광학계에는 사용이 불가능한 문제점 있다.
또한, 액체렌즈를 광학계의 앞부분(대물렌즈의 위치)에 위치시킬 경우, 처음부터 곡률을 가지게 되므로 피검물체(BO)의 거리가 변화하게 되면 곡률을 변화시켜야 하기 때문에 수차가 발생하며 분해능이 저하되어 물체의 크기를 정확히 판단하기 어려운 문제점이 있었다.
또, 액체렌즈의 구동은 전기적 구동 또는 기구적 구동에 따른 초점거리 변화에 대해서는 스팩이 제시되고 있으나, 곡률반경의 변화에 대해서는 스팩이 제시되어 있지 않아, 곡률반경이 일정하지 못하며 그 변화량을 예측하기 어려운 문제점이 있다.
등록특허 제10-1805128호
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 포커싱 시간을 단축함과 동시에 포커싱에 따른 결상 배율의 변화를 최소화하는 결상 광학계를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 대물렌즈와, 이미징 렌즈와, 포커싱 렌즈를 포함하는 결상 광학계에 있어서, 상기 포커싱 렌즈는 포커싱에 따른 배율변화가 최소화되도록 하나의 절점(nodal points)이 공기 중에 있으며 광심(optical center)과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 두고, 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 두기 위해 액체렌즈의 모양을 고굴절률인 경우와 입사각과 출사각의 각도차이에 따라 볼록, 평면, 오목으로 다르게 형성하고, 상기 액체렌즈의 모양이 평볼록과 볼록평인 경우 볼록면의 정점에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 한다.
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상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 볼록메니스커스인 경우 렌즈앞 볼록면 바깥에 형성되는 하나의 절점과 광심에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 양오목인 경우 내부 광심 위치에 기구적 구경을 두도록 형성하고 상기 광심 위치에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 평오목렌즈인 경우 오목면의 정점에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 오목메니스커스인 경우 렌즈앞 오목면 바깥에 형성되는 하나의 절점과 광심에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 한다.
삭제
이상에서와 같은 본 발명은 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈를 대물렌즈와 이미징렌즈 사이에 형성하고, 광심과 일치하는 절점의 위치에 조리개를 두도록 함으로써, 포커싱 시간을 단축함과 동시에 배율변화를 최소화하여 물체의 위치에 상관 없이 물체의 크기를 정확히 파악할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명은 가장 적은 크기의 액체렌즈 사용이 가능하므로 대물렌즈의 크기가 큰 광학계에도 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 통상의 대물렌즈를 포커싱렌즈로 구성하는 결상 광학계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈를 대물렌즈 위치에 형성한 결상 광학계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 결상 광학계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결상 광학계로서 대물렌즈의 앞초점과 피검물체와의 거리가 가깝거나, 같거나, 먼 경우 사용되는 포커싱렌즈를 개략 적으로 타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 포커싱렌즈로서 렌즈의 형상에 따라 절점 위치가 변하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 포커싱렌즈로서, 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점위치보다 가깝고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치 보다 먼 곳에 위치한 경우 적용되는 첫면이 볼록한 메니스커스 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 7은 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점위치보다 가깝고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치와 같은 곳에 위치한 경우 적용되는 볼록평 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 8은 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점위치보다 가깝고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치 보다 가까운 곳에 위치한 경우 적용되는 양볼록 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 포커싱렌즈로서, 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점과 같은 위치이고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치 보다 먼 곳에 위치한 경우 적용되는 평오목 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 10은 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점과 같은 위치이고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치와 같은 곳에 위치한 경우 적용되는 양평면 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 11은 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점과 같은 위치이고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치 보다 가까운 곳에 위치한 경우 적용되는 평볼록 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 포커싱렌즈로서, 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점보다 먼 곳에 위치하고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치 보다 먼 곳에 위치한 경우 적용되는 양오목 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 13은 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점보다 먼 곳에 위치하고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치와 같은 곳에 위치한 경우 적용되는 오목평 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
도 14는 이미지 센서의 위치가 이미징렌즈의 초점보다 먼 곳에 위치하고 피검물체의 위치가 대물렌즈의 앞초점위치 보다 가까운 곳에 위치한 경우 적용되는 첫면이 오목한 메니스커스 액체렌즈의 광로를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 3 내지 도 14에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 결상 광학계(300)는 피검물체(BO)에 측에 위치하는 대물렌즈(objective lens)(310)와, 상기 대물렌즈(310)와 간격을 두고 대향하여 형성되며 피검물체(BO)의 영상, 사진상, 물리적인 성질인 방사, 전하, 반사성 등의 공간 분포를 동일, 또는 다른 물리적인 성질의 공간 분포로서 사상(寫像)시키는 이미징 렌즈(imaging lens)(330)와, 상기 대물렌즈(310)와 이미징렌즈(330) 사이에 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)를 형성하고, 상기 포커싱렌즈(320)는 포커싱에 따른 배율변화가 최소화되도록 절점(nodal points) 위치에 조리개(321)를 두고, 포커싱렌즈 절점(N1, N2) 중 하나의 절점을 정확히 조리개(321)의 위치와 일치시키도록 한다.
상기 액체렌즈를 포커싱렌즈(320)로 사용할 경우 축상수차를 최소화하면서 포커싱에 따른 배율변화가 최소화되는 광학적 구조를 이루게 된다.
이를 위해, 상기 포커싱렌즈(320)는 포커싱에 따른 배율변화가 최소화되도록 절점(nodal points) 위치에 조리개(321)를 두는 것이 바람직하다.
즉, 배율변화가 최소화되는 요건은 포커싱렌즈(320)로 입사하는 주광선의 각도가 변하지 않는 것이 중요하므로 포커싱렌즈(320)의 절점 위치에 조리개(321)를 두는 것이 바람직하다.
여기서, 절점(nodal points)은, 광학계(光學系)(또는 렌즈계)에서의 주요점의 일종으로서, 아래 그림에 나타낸 것과 같이, 회전 대칭 광학계의 광축 위의 공액인(사출 동공 : 즉, 사출동공은 대물렌즈를 통하여 들어온 빛이 접안렌즈를 거쳐 우리 눈으로 들어오는 빛의 다발이다.) 두 점으로, 물체 공간 및 상공간의 굴절률을 각각 n1 및 n2라고 할 때, 가로 배율이 n1/n2인 두 점 N1, N2를 절점이라 한다.
물체 공간의 절점(N1)을 물체 절점이라 하고, 상공간의 절점(N2)을 상절점이라 한다.
물체 공간에서 물체 절점(N1)에 광축과의 경사 U1으로 입사하는 광선은 상공간에서는 상절점(N2)으로부터 광축과의 경사 Uk＝U1으로 사출한다. 또, 그림에 나타낸 것과 같은 점 OC를 광심(英 optical center)라고 한다.
또한, 절점에서 광축에 수직인 평면을 절평면(英 nodal plane)이라 하고, 물체 공간, 상공간에 있는 것을 각각 물체 절평면(英 object nodal plane), 상 절평면(英 image nodal plane)이라 한다. 광학계의 전후에서의 매질이 같으면 절점과 주점(主點)은 합치한다.
Figure 112018081697576-pat00001
그리고 상기 설명에서 광축과의 경사 Uk = U1으로 사출된다는 말은 주광선의 각도가 변하지 않는다는 말과 동일한 표현이다.
또, 본 발명은 포커싱렌즈(320)의 절점 위치에 조리개(321)를 두어야 하나, 1개의 액체렌즈를 포커싱렌즈(320)로 사용할 경우 렌즈의 형상에 따라서 절점의 위치가 변하게 된다.
통상 렌즈에는 2개의 절점이 있는데 상황에 따라 어느 절점을 사용하여도 좋다. 정확하게는 공기 중에 있으며, 광심과 일치하는 절점의 위치에 조리개(321)를 두는 것이 바람직하다.
한편, 1개의 렌즈를 포커싱렌즈로 사용할 경우 렌즈의 형상에 따라 절점의 위치가 변한다.
예컨대, 양볼록렌즈의 경우 도 5에 도시된 바와 같이 렌즈 중간에 2개의 절점(N1, N2)이 있고, 평볼록렌즈의 경우 2개의 절점(N1, N2) 중 1개의 절점이 볼록면에 있으며, 평오목렌즈의 경우 1개의 절점이 오목면에 있다.
그리고 메니스커스렌즈의 경우 1개 이상의 절점(N1, N2)이 렌즈면의 바깥 공기 중에 위치하게 된다.
이와 같이 본 발명은 렌즈를 포커싱렌즈(320)로 사용할 경우 렌즈의 형상에 따라서 절점의 위치가 변하는 점에 착안하여 배율변화를 최소화할 수 있는 결상 광학계(300)를 형성토록 하였다.
여기서, 배율의 변화를 최소화 한다는 의미는 포커싱렌즈인 액체렌즈를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 한다는 의미이지 배율의 변화를 완벽하게 없앤다는 의미는 아니다.
그러나 대물렌즈(310) 측이 텔레센트릭(telecentric) 구조인 경우 , 즉 아래 표 1에서 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞 초점에 위치한 경우에 있어서는 배율의 변화가 완벽하게 되는 조건이 발생한다.
그러므로, 본 발명에 따른 결상 광학계(300)는 포커싱렌즈(320)의 포커싱시 배율변화를 최소화하기 위해서 절점이 공기 중에 있으며 광심(OC)과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개(321)를 두는 것이 바람직하다.
좀 더 구체적으로는 상기 포커싱렌즈(320)는 하나의 절점(nodal points)과 조리개(321)의 위치를 일치시키기 위해 절점이 공기 중에 있으며 광심(optical center)과 일치되는 위치에 있는 절점(N1 또는 N2)에 조리개(321)를 두고, 절점이 공기 중에 있으며 광심(optical center)과 일치되는 위치에 있는 절점(N1 또는 N2)에 조리개(321)를 두기 위해 액체렌즈의 모양을 볼록, 평면, 오목으로 다르게 형성한다.
즉, 아래의 표 1에서 알 수 있듯이, 피검물체의 위치와 대물렌즈의 초점거리, 이미징렌즈의 초점거리와 이미지센서의 위치에 따른 액체포커싱렌즈에 입출사하는 광파면의 형태와 구면수차가 최소화 되는 액체 포커싱렌즈의 모양을 달리 형성한다.
이미지센서의 위치
피검물체의
의 위치		 이미징렌즈의
초점보다 가까운위치		 이미징렌즈의 초점과 같은 위치
(상측텔레센트릭렌즈)		 이미징렌즈의
초점보다 먼 위치
①대물렌즈의 앞초점보다 먼 위치
 수렴입사/수렴출사(메니스커스액체렌즈, 면형상 : S1 볼록, S2 오목) 수렴입사 / 평행출사
(평오목액체렌즈, 면형상: S1 평면, S2 오목) 		수렴입사 / 발산출사
( 양오목액체렌즈, 면형상: S1 오목, S2 오목)
②대물렌즈의 앞초점과 같은 위치
(물체측 텔레센트릭렌즈)
 평행입사 / 수렴출사
(볼록액체렌즈, 면형상: S1 볼록, S2 평면) 		평행입사 / 평행출사
(양평액체렌즈, 면형상: S1 평면, S2 평면) 		평행입사 / 발산출사
(오목액체렌즈, 면형상: S1 오목, S2 평)
③대물렌즈의앞초점보다 가까운 위치
 발산입사 / 수렴출사
( 볼록액체렌즈, 면형상: S1 볼록, S2 볼록)		 발산입사 / 평행출사
평볼록액체렌즈, 면형상: S1 평면, S2 볼록) 		발산입사 / 발산출사
( 메니스커스액체렌즈, 면형상: S1 오목, S2 볼록)
* 상기 9가지 경우의 9가지 렌즈 형태는 굴절률이 1.5정도에 대한 기본적인 형상이다.
그러나 고굴절률인 경우와 입사각과 출사각의 각도차이에 의거 렌즈의 형상이 바뀔 수 있다.
* 상기 수렴입사/수렴출사의 경우는 메니스커스 렌즈를 사용하지만 이 렌즈의 굴절능이 볼록인지 오목인지는 단정할 수 없다. 이유인즉 입사수렴각에 대하여 출사 수렴각이 크면 불록메니스커스이고, 입사수렴각에 대하여 출사 수렴각이 작으면 오목메니스커스 렌즈가 된다.
같은 이유로 발산입사/발산출사의 경우 역시 입사발산각에 대하여 출사 발산각이 크면 오목메니스커스이고, 입사발산각에 대하여 출사 발산각이 작으면 볼록메니스커스 렌즈가 된다.
상기 표 1을 참조하여 피검물체의 위치와 대물렌즈의 초점거리, 이미징렌즈의 초점거리와 이미지센서의 위치에 따른 포커싱렌즈에 입출사하는 광파면의 형태와 구면수차가 최소화되는 포커싱렌즈의 모양을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점위치보다 가까운 경우 포커싱렌즈는 아래와 같이 3가지 모양으로 형성된다.
즉 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 첫번째로, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점위치보다 가깝고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치 보다 먼 곳에 위치한 경우, 볼록면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 메니스커스액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되어 배율변화가 최소화된다.
두번째, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점위치보다 가깝고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치와 같은 곳에 위치한 경우, 볼록면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 평볼록액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되어 배율변화가 최소화된다.
세번째, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점위치보다 가깝고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치 보다 가까운 곳에 위치한 경우, 볼록면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 양볼록액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 광심(OC)과 절점(N1, N2)이 모두 렌즈 내부에 있으므로 포커싱렌즈(320) 내부 광심(OC) 위치에 기구적으로 구경을 두도록 하고 이 광심(OC) 위치에 조리개(321)가 위치하도록 하여 배율변화가 최소화되도록 한다.
또, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점과 같은 위치인 경우 포커싱렌즈는 아래와 같이 3가지 모양으로 형성된다.
즉 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이 첫번째로, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점과 같은 위치이고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치 보다 먼 곳에 위치한 경우, 평면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 평오목메니스커스액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되어 배율변화가 최소화된다.
두번째, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점과 같은 위치이고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치와 같은 곳에 위치한 경우, 평면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 양평면액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 광심(OC)과 절점(N1, N2)이 모두 렌즈 내부에 있으므로 포커싱렌즈(320) 내부 광심(OC) 위치에 기구적으로 구경을 두도록 하고 이 광심(OC) 위치에 조리개(321)가 위치하도록 하여 배율변화가 최소화되도록 한다.
세번째, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점과 같은 위치이고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치 보다 가까운 곳에 위치한 경우, 평면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 평볼록액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되어 배율변화가 최소화된다.
또한, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점보다 먼 곳에 위치하는 경우 포커싱렌즈는 아래와 같이 3가지 모양으로 형성된다.
즉, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이 첫번째로, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점보다 먼 곳에 위치하고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치 보다 먼 곳에 위치한 경우, 오목면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 양오목액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 광심(OC)과 절점(N1, N2)이 모두 렌즈 내부에 있으므로 포커싱렌즈(320) 내부 광심(OC) 위치에 기구적으로 구경을 두도록 하고 이 광심(OC) 위치에 조리개(321)가 위치하도록 하여 배율변화가 최소화되도록 한다.
두번째, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점보다 먼 곳에 위치하고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치와 같은 곳에 위치한 경우, 오목면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 평오목액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되어 배율변화가 최소화된다.
세번째, 이미지 센서(IS)의 위치가 이미징렌즈(330)의 초점보다 먼 곳에 위치하고 피검물체(BO)의 위치가 대물렌즈(310)의 앞초점위치 보다 가까운 곳에 위치한 경우, 오목면이 대물렌즈(310) 방향으로 위치하는 메니스커스액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)로 형성해야 포커싱렌즈(320)를 통과하는 주광선의 각도 변화를 없게 하기 때문에 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되어 배율변화가 최소화된다.
이와 같이, 상기 포커싱렌즈(320)는 액체렌즈의 모양이 양볼록렌즈인 경우, 광심(OC)과 절점(N1 또는 N2)이 모두 렌즈 내부에 있으므로 렌즈 내부 광심(OC) 위치에 기구적으로 구경을 두도록 제작하고 상기 광심(OC) 위치에 조리개(321)를 형성한다.
또, 상기 포커싱렌즈(320)는 액체렌즈의 모양이 평볼록과 볼록평인 경우 볼록면의 정점이 절점(N2)과 광심(OC)이 일치하는 지점이므로 상기 볼록면의 정점에 조리개(321)를 형성한다.
상기 포커싱렌즈(320)는 액체렌즈의 모양이 볼록메니스커스인 경우 절점(N1)과 광심(OC)이 렌즈앞 볼록면 바깥에 있으므로, 상기 볼록면 바깥에 형성되는 하나의 절점(N1)과 광심(OC)에 조리개(321)를 형성한다.
상기 포커싱렌즈(320)는 액체렌즈의 모양이 양오목인 경우 절점(N1)과 광심(OC) 및 절점(N2)이 모두 렌즈 내부에 있으므로, 액체렌즈의 내부 광심(OC) 위치에 기구적 구경을 두도록 형성하고 상기 광심(OC) 위치에 조리개(321)를 형성한다.
상기 포커싱렌즈(320)는 액체렌즈의 모양이 평오목렌즈인 경우 오목면이 정점이 절점(N1) 또는 절점(N2)과 광심(OC)이 일치하는 지점이므로 상기 오목면의 정점에 조리개(321)를 형성한다.
상기 포커싱렌즈(320)는 액체렌즈의 모양이 오목메니스커스인 경우 절점(N1)또는 절점(N2)과 광심(OC)이 렌즈앞 오목면 바깥에 있으므로, 상기 오목면 바깥에 형성되는 하나의 절점(N1 또는 N2)과 광심(OC)에 조리개(321)를 형성한다.
이와 같이 본 발명은 상기 포커싱렌즈(320)의 주광선이 절점(nodal point)을 통과하도록 형성된다.
이에 따라, 다양한 모양의 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)는 2개의 절점(N1, N2) 중 하나의 절점(nodal points)과 조리개(321)의 위치를 일치시키기 위해 절점이 공기 중에 있으며 광심(optical center)과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개(321)를 두게 되면 액체렌즈의 곡률이 변화더라도 주광선은 각도가 변하지 않게 되므로 배율변화가 최소화된다. 특히, 상기 대물렌즈(310) 측이 텔레센트릭렌즈라면 배율변화가 없게 된다.
또, 본 발명은 피검물체(BO)가 유한거리에 있는 렌즈 예컨대, 자동광학검사(A.O.I : Auto Optical inspection : 내층 image 및 Acid Etching(염화동 부식)공정에서 발생할 수 있는 결함 즉, 내층회로의 open & short, slit, pinhole, 동박 잔사, 이물질 등을 AOI를 사용하여 검사하는 것(Scanning 기능). 또는 현미경 결상 광학계 등에 적용되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 결상 광학계(300)는 대물렌즈(310)와 이미징렌즈(330) 사이에 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)를 형성하고, 절점(N1, N2)이 공기중에 있으며 광심(OC)과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개(321)를 형성함으로써, 포커싱에 따른 배율변화가 최소화되도록 하여 물체의 위치에 상관 없이 물체의 크기를 정확히 파악할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다른 실시예로는 상기 액체렌즈로 이루어지는 포커싱렌즈(320)를 TAG 렌즈(Turnable Acoustic Gradient Index of Refraction 렌즈)를 사용할 수 있다.
이러한 TAG 렌즈는 액체렌즈의 일종으로 기존의 액체렌즈는 액체를 감싸고 있는 투명 매체의 형상을 볼록 혹은 오목으로 변경시켜서 초점거리를 변화시키는 원리인데 반하여 TAG 렌즈는 감싸고 있는 투명 매체의 형상은 양평면인상태 그대로 초음파로서 액체매질의 밀도를 변화시켜서 일반렌즈와 같은 굴절력을 갖게하는 기본 원리를 가지고 있다.
굴절률은 아래 식에 의하여 주어진다.
Figure 112018081697576-pat00002
여기서 n(r,t)는 액체매질의 굴절률을 의미하고, 자세히는 축상에서 떨어진 반경 r과 최초의 지점에서 진행된 시간t에 대한 함수로 나타낸다.
즉, 아래 그림과 같이 시간에 따라 굴절률이 주기를 가지고 바뀐다.
Figure 112018081697576-pat00003
n0는 최초 굴절률을 나타내며 그 뒤에 있는 항은 가해지는 초음파 진동수 ω에 의하여 변화되는 굴절률 값을 나타낸다.
여기서 na는 액체매질 마다 가지는 고유속성 굴절률이고, υ는 매질에서의 속도이다.
Figure 112018081697576-pat00004
위식은 굴절능에 대한 식으로 초점거리 f (t)의 역수이다. 여기서 L은 TAG렌즈의 길이 이다.
이러한 TAG렌즈 역시 형상적으로는 양평렌즈로 보여지면서 크게는 볼록렌즈와 오목렌즈로 구분되지만 속성적으로는 입출사되는 광선의 파면에 따라 볼록 및 오목 메니스커스, 양볼록 또는 양오목렌즈, 평볼록 및 평오목의 특성을 갖게 된다. 이러한 이유에서 액체렌즈의 경우와 동일한 관점에서 취급할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 포커싱렌즈(320)를 밀도를 집중하거나 확산하도록 제어하여 메니스커스, 양볼록 및 양오목렌즈, 평볼록 및 평오목렌즈와 경우와 동일하게 절점과 광심을 정의하여 사용할 수 있는 TAG 렌즈로 부가 형성할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
300 : 결상 광학계 310 : 대물렌즈
320 : 포커싱렌즈 321 : 조리개
330 : 이미징렌즈 BO : 피검물체
IS : 이미지센서

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  4. 대물렌즈와, 이미징 렌즈와, 포커싱 렌즈를 포함하는 결상 광학계에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈는 포커싱에 따른 배율변화가 최소화되도록 하나의 절점(nodal points)이 공기 중에 있으며 광심(optical center)과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 두고, 절점이 공기 중에 있으며 광심과 일치되는 위치에 있는 절점에 조리개를 두기 위해 액체렌즈의 모양을 고굴절률인 경우와 입사각과 출사각의 각도차이에 따라 볼록, 평면, 오목으로 다르게 형성하고, 상기 액체렌즈의 모양이 평볼록과 볼록평인 경우 볼록면의 정점에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 볼록메니스커스인 경우 렌즈앞 볼록면 바깥에 형성되는 하나의 절점과 광심에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 양오목인 경우 내부 광심 위치에 기구적 구경을 두도록 형성하고 상기 광심 위치에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 평오목렌즈인 경우 오목면의 정점에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 포커싱렌즈는 액체렌즈의 모양이 오목메니스커스인 경우 렌즈앞 오목면 바깥에 형성되는 하나의 절점과 광심에 조리개를 형성하는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  9. 삭제
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