KR19980069572A - Ultra Thin Lenses for Digital Cameras - Google Patents
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Abstract
촬상소자(CCD : Charge Coupled Device)를 사용하는 디지탈 카메라의 광학렌즈에 관한 것으로 특히, 회절광학소자(DOE : Diffractive Optical Elements)를 렌즈면에 적용한 디지탈 카메라용 초박형 렌즈에 관한 것으로 적어도 한면이 회절광학소자로 이루어진 오목 렌즈로 구성되는 제 1 렌즈군과, 적어도 한면이 회절광학소자로 이루어져 상기 제 1 렌즈군의 영상정보를 수렴시켜 주는 볼록 렌즈로 구성되는 제 2 렌즈군과, 상기 제 1 렌즈군과 제 2 렌즈군 사이에서 광량을 조절하는 조리개 및 상기 제 2 렌즈군과 결상면 사이에서 광학 저역통과 필터에 위한 광로차를 보상하는 광학 보상부로 구성되어 적은 맷수의 렌즈를 사용하면서도 수차보정 능력이 뛰어난 회절격자면의 사용으로 디지탈 카메라의 초소형 및 고성능화를 실현할 수 있다.The present invention relates to an optical lens of a digital camera using a charge coupled device (CCD), and more particularly, to an ultra-thin lens for a digital camera using a diffractive optical element (DOE) on a lens surface. A first lens group composed of a concave lens composed of elements, a second lens group composed of a convex lens having at least one surface composed of diffractive optical elements to converge image information of the first lens group, and the first lens group Aperture for adjusting the amount of light between the lens group and the second lens group and an optical compensator for compensating the optical path difference for the optical low pass filter between the second lens group and the image plane, the aberration correction ability is used while using a small number of lenses The use of an excellent diffraction grating plane enables the miniaturization and high performance of digital cameras.
Description
본 발명은 촬상소자(CCD : Charge Coupled Device)를 사용하는 디지탈 카메라의 광학렌즈에 관한 것으로 특히, 회절광학소자(DOE : Diffractive Optical Elements)를 렌즈면에 적용한 디지탈 카메라용 초박형 렌즈에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an optical lens of a digital camera using a charge coupled device (CCD), and more particularly to an ultra-thin lens for a digital camera using a diffractive optical element (DOE) applied to a lens surface.
최근 디지탈 기술의 발달과 더불어 영상 정보의 입력수단으로서 CCD를 이용한 디지탈 카메라의 보급이 급속히 확산되고 있다.Recently, with the development of digital technology, the spread of digital cameras using CCD as a means of inputting image information is rapidly spreading.
일반적인 카메라는 성능이 우수하면서도 휴대성이 뛰어난 제품이 시장 경쟁력을 갖게된다. 특히 디지탈 카메라는 휴대용 정보 단말기의 보급에 부응하여 콤팩트(Compact)화가 중요한 요소이다.In general, a camera that has high performance and a high portability will have a competitive edge in the market. In particular, in the digital camera, compactization is an important factor in response to the spread of portable information terminals.
상기와 같은 종래기술에 따른 디지탈 카메라용 렌즈를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.When described with reference to the accompanying drawings, a lens for a digital camera according to the prior art as follows.
도 1은 종래기술에 따른 디지탈 카메라용 렌즈의 구성을 설명하기 위한 구성도로서, 음의 파워를 갖는 제 1 렌즈군(L11)과, 양의 파워를 갖는 제 2 렌즈군(L12)과, 오목렌즈 및 볼록렌즈의 조합인 제 3렌즈군(L13)과, 제 2 렌즈군(L12)과 제 3 렌즈군(L13) 사이에 광량 조절을 하는 조리개(14)와, 제 3 렌즈군(L13)과 결상면(16)사이에 위치하여 광학 저역통과 필터(OLPF : Optical Low Pass Filter)가 들어가는 광로차를 보상하는 더미 글라스(DG :Dummy Glass)(15)로 구성된다.1 is a configuration diagram for explaining the configuration of a lens for a digital camera according to the prior art, the first lens group L11 having negative power, the second lens group L12 having positive power, and the concave. A third lens group L13, which is a combination of a lens and a convex lens, an aperture 14 for adjusting the amount of light between the second lens group L12 and the third lens group L13, and a third lens group L13. And a dummy glass (DG) 15 positioned between the image forming surface 16 and compensating for an optical path difference into which an optical low pass filter (OLPF) enters.
이와 같이 구성된 종래기술에 따른 디지탈용 카메라 렌즈의 제 1 렌즈군(L11)은 강한 음의 파워를 갖고, 넓은 시야각을 확보하면서 충분한 후초점거리(BFL : Back Focal Length)를 확보하기 위하여 빛을 발산시키는 역할을 한다.The first lens group L11 of the digital camera lens according to the related art configured as described above has strong negative power and emits light to secure a sufficient back focal length (BFL) while ensuring a wide viewing angle. It plays a role.
제 2 렌즈군(L12)은 상기 제 1 렌즈군(L11)에 의해 발산되는 빛을 수렴시키고, 제 3 렌즈군(L13)은 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 구성되어 상기 제 1 렌즈군(L11) 및 제 2 렌즈군(L12)에 의해 발생하기 쉬운 음의 왜곡 수차와 상면만곡수차 및 색수차 등을 보정한다.The second lens group L12 converges the light emitted by the first lens group L11, and the third lens group L13 is composed of a combination of a concave lens and a convex lens, and thus the first lens group L11. And the distortion distortion, image curvature aberration, chromatic aberration, etc., which are likely to occur by the second lens group L12.
또한, 조리개(14)는 제 2 렌즈군(L12)과 제 3 렌즈군(L13) 사이에 위치하여 광량 조절을 하며, 더미 글라스는 제 3 렌즈군(L13)과 결상면(16)사이에 위치하여 광학 저역통과 필터에 의한 광학적인 패스를 보상한다.In addition, the aperture 14 is positioned between the second lens group L12 and the third lens group L13 to adjust the amount of light, and the dummy glass is positioned between the third lens group L13 and the imaging surface 16. To compensate for the optical pass by the optical lowpass filter.
종래기술에 따른 디지탈 카메라용 렌즈는 많은 렌즈 매수로 구성되기 때문에 광학전장의 크기의 문제로 박형화 및 콤팩트화의 실현이 불가능하다는 문제점이 발생된다.Since the lens for a digital camera according to the prior art is composed of a large number of lenses, there is a problem that it is impossible to realize thinning and compacting due to the problem of the size of the optical field.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 초박형의 구성을 갖으면서도 성능이 우수한 디지탈 카메라용 초박형 렌즈를 제공하는 데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an ultra-thin lens for a digital camera having excellent performance while having an ultra-thin configuration to solve the above problems.
도 1은 종래기술에 따른 디지탈 카메라용 렌즈의 구성을 설명하기 위한 구성도1 is a configuration diagram for explaining the configuration of a lens for a digital camera according to the prior art
도 2는 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈를 설명하기 위한 구성도2 is a block diagram for explaining an ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention.
도 3는 일반적인 평면판의 일측면에 회절광학소자가 적용되어 1차 회절광에 의한 빛의 집속상태를 보인 도면3 is a view showing a focused state of light by first-order diffracted light by applying a diffraction optical element to one side of a general flat plate
도 4은 본 발명에 따른 회절광학소자가 적용된 하이브리드(Hybrid) 타입의 렌즈에서 빛의 회절특성을 설명하기 위한 도면4 is a view for explaining the diffraction characteristics of light in a hybrid type lens to which the diffractive optical element according to the present invention is applied.
도 5a는 본 발명에 따른 구면수차에 대한 특성을 나타낸 그래프5A is a graph showing characteristics of spherical aberration according to the present invention.
도 5b는 본 발명에 따른 상곡만곡 수차에 대한 특성을 나타낸 그래프Figure 5b is a graph showing the characteristics for the curved curve aberration according to the present invention
도 5c는 본 발명에 따른 왜곡수차에 대한 특성을 나타낸 그래프5C is a graph showing characteristics of the distortion aberration according to the present invention.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
L1 : 제 1 렌즈군L2 : 제 2 렌즈군L1: first lens group L2: second lens group
7 : 조리개8 : 더미 글라스7: aperture 8: dummy glass
9 : 결상면9: imaging plane
본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈의 특징은 적어도 한면이 회절광학소자로 이루어진 오목 렌즈로 구성되는 제 1 렌즈군과, 적어도 한면이 회절광학소자로 이루어져 상기 제 1 렌즈군의 영상정보를 수렴시켜 주는 볼록 렌즈로 구성되는 제 2 렌즈군과, 상기 제 1 렌즈군과 제 2 렌즈군 사이에서 광량을 조절하는 조리개 및 상기 제 2 렌즈군과 결상면 사이에서 광학 저역통과 필터에 의한 광로차를 보상하는 광학 보상부로 구성됨에 있다.An ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention is characterized by converging image information of the first lens group, wherein at least one surface is composed of a concave lens composed of diffractive optical elements, and at least one surface is composed of diffractive optical elements. The main compensation compensates the optical path difference by the optical lens of the second lens group consisting of convex lenses, the aperture controlling the amount of light between the first lens group and the second lens group, and the optical lowpass filter between the second lens group and the imaging surface. It consists of an optical compensation unit.
이하, 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈를 설명하기 위한 구성도로써, 적어도 한면이 회절광학소자로 이루어진 오목 렌즈로 구성되는 제 1렌즈군(L1)과, 적어도 한면이 회절광학소자로 이루어진 볼록 렌즈로 구성되는 제 2 렌즈군(L2)과, 제 1 렌즈군(L1)과 제 2 렌즈군(L2) 사이에 위치하여 광량 조절을 하는 조리개(7)와, 제 2 렌즈군(L2)과 결상면(9)사이에 위치하여 광학 저역통과 필터(OLPF : Optical Low Pass Filter)가 들어가는 광로차를 보상하는 더미 글라스(DG :Dummy Glass)(8)로 구성된다.FIG. 2 is a schematic view illustrating an ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention, wherein at least one surface is formed of a concave lens composed of diffractive optical elements, and at least one surface is formed of a diffractive optical element. A second lens group L2 composed of a convex lens, an aperture 7 positioned between the first lens group L1 and a second lens group L2 to adjust the amount of light, and a second lens group L2. It is composed of a dummy glass (DG: DG) positioned between the image forming surface 9 and compensating for the optical path difference into which the optical low pass filter (OLPF) enters.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈의 동작을 설명하기 전에 상기 제 1, 2 렌즈군(L1)(L2)에 적어도 한면에 형성되어 있는 회절광학소자의 원리를 먼저 설명한다.Before explaining the operation of the ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention configured as described above, the principle of the diffractive optical element formed on at least one surface of the first and second lens groups L1 and L2 will be described first.
도 3은 일반적인 평면판의 일측면에 회절광학소자가 적용되어 1차 회절광에 의한 빛의 집속상태를 보인 도면이다.3 is a view showing a focused state of light by first-order diffracted light by applying a diffraction optical element to one side of a general flat plate.
여기서, 회절광학소자는 거시적으로는 평면이지만 양의 굴절력을 갖고 있어 ±1차 회절광만을 발생하고, 나머지 차수의 회절광을 배제하도록 설계된다.Here, the diffractive optical element is macroscopically flat but has a positive refractive power, so that only the first-order diffraction light is generated, and the diffraction light of the remaining orders is excluded.
이러한 특성은 기존의 렌즈가 음 또는 양의 굴절력을 갖도록 하기 위하여 곡율을 갖음에 비해 평면으로도 원하는 굴절력을 얻을 수 있다. 그러므로 렌즈계의 두께 및 크기를 소형화시키는데 매우 유리한 특성이 된다.This property can obtain a desired refractive power in the plane as compared to having a curvature in order to have a conventional lens has a negative or positive refractive power. Therefore, it becomes a very advantageous property in miniaturizing the thickness and size of the lens system.
상기와 같은 특성을 갖는 회절광학소자를 적용한 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈를 상세히 설명하면 다음과 같다.The ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention to which the diffractive optical element having the above characteristics is applied will be described in detail as follows.
제 1 렌즈군(L1)은 넓은 시야각 및 충분한 후촛점 거리(BFL : Back Focal Length)를 가지도록 음(-)의 파워를 갖는 오목렌즈 이고, 그 한면은 비구면이고, 적어도 한면은 회절광학소자가 설계되는데 회절광학소자면의 분산이 음의 부호를 갖고 있음으로 축상 색수차를 손쉽게 보정하면서도 파워의 일부를 부담함으로 렌즈의 형상을 어느정도 완만히 가져갈 수가 있다.The first lens group L1 is a concave lens having a negative power to have a wide viewing angle and a sufficient back focal length (BFL), one side of which is an aspherical surface, and at least one side of the first lens group L1 The design of the diffraction optical element has a negative sign so that it is possible to easily correct the axial chromatic aberration and to bear a part of the power to bring the shape of the lens to a certain degree.
또한, 볼록렌즈 형상의 제 2 렌즈군(L2)은 양(+)의 파워를 갖고 적어도 한 면이 비구면이고, 또한 적어도 한면이 회절광학소자로 구성되어 상기 오목렌즈 형상의 제 1 렌즈군(L1)에서 입사된 영상정보를 수렴시켜준다.Further, the second lens group L2 having a convex lens shape has positive power, at least one surface is an aspherical surface, and at least one surface is composed of diffractive optical elements, so that the first lens group L1 having the concave lens shape is formed. ) Converges the image information incident on.
그리고 도 4 와 같이 제 2 렌즈군(L2)의 전면 S3가 회절광학소자이고, 후면인 S4가 비구면으로 설계되면 회절광학면인 S3는 미크론 단위의 미세구조로 형성되어 있어 전면 S3에서 회절된 광이 후면 S4를 지나면서 굴절을 일으키게 되는데 소자의 특성상 회절이 전혀 안된 제 0차 회절광(m=0), 제 1차 회절광(m=±1), 제 2차 회절광(m=±2) 및 제 3차 이상의 고차 회절광으로 분리된다.As shown in FIG. 4, when the front surface S3 of the second lens group L2 is a diffractive optical element, and the rear surface S4 is designed as an aspheric surface, the diffraction optical surface S3 is formed in a microstructure in units of microns so that the light diffracted by the front surface S3 Refractivity is caused by passing through the rear surface S4, and due to the characteristics of the device, the zero-order diffracted light (m = 0), the first-order diffracted light (m = ± 1), and the second-order diffracted light (m = ± 2) ) And third order or higher order diffracted light.
이때, 회절광학소자의 격자 간격, 구조, 깊이 등을 조절하면 원하는 차수의 회절광을 극대로 하여 만들어 낼 수 있게 되는 것이다.At this time, if the grating spacing, structure, depth, etc. of the diffractive optical element is adjusted, the diffraction light of the desired order can be made to the maximum.
이러한 회절광학소자의 특성을 이용하면 굴절렌즈의 굴절력을 결정짓는 두께, 굴절률 및 곡율에 관계없이 격자의 형상만으로 충분히 큰 굴절률의 효과를 갖을 수 있는 것이며, 마치 비구면과 같이 많은 계수의 광학 소자의 위상항을 적절히 조절하면 수차보정에도 효과적이다.By using the characteristics of the diffractive optical element, it is possible to have a sufficiently large refractive index effect only by the shape of the grating, regardless of the thickness, refractive index, and curvature, which determines the refractive power of the refractive lens. Proper adjustment of the term is effective for aberration correction.
또한, L1과 L2는 플라스틱 몰딩을 통해 제조가능하므로 양산성이 향상되고, 제조원가가 저렴하다.In addition, since L1 and L2 can be manufactured through plastic molding, mass productivity is improved and manufacturing cost is low.
그리고, 조리개(7)는 제 1 렌즈군(L1)과 제 2 렌즈군(L2) 사이에서 광량을 조절해주고, 더미 글라스(8)는 제 2 렌즈군(L2)과 결상면(9) 사이에 위치하여 광학 저역통과 필터에 의한 광학적인 패스를 보상한다.The aperture 7 adjusts the amount of light between the first lens group L1 and the second lens group L2, and the dummy glass 8 is disposed between the second lens group L2 and the imaging surface 9. Position to compensate for the optical path by the optical lowpass filter.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈에서 제 1 렌즈군(L1)의 전면(S1)과 후면(S2), 조리개(7), 제 2 렌즈군(L1)의 전면(S3)과 후면(S4), 더미 글라스(8)의 전면(S5)과 후면(S6) 및 결상면(9)의 각각 렌즈면, 곡률반경, 공기간격, 굴절률 및 면의 특징에 대한 실시예는 표 1과 같고, 표 1의 각 렌즈면에 대한 비구면 및 DOE면의 계수는 표 2와 같다.In the ultra-thin lens for digital camera according to the present invention described above, the front (S1) and the rear (S2) of the first lens group (L1), the aperture (7), the front (S3) and the rear of the second lens group (L1) Examples of the characteristics of the lens surface, the radius of curvature, the air gap, the refractive index, and the surface of the front surface S5, the rear surface S6, and the imaging surface 9 of S4 and the dummy glass 8 are shown in Table 1, respectively. , Coefficients of aspherical surface and DOE surface for each lens surface of Table 1 are shown in Table 2.
상기 실시예에서 각각 데이터는 다음과 같은 의미를 갖는다.In the above embodiment, each data has the following meaning.
먼저, 비구면 렌즈(L1, L2)들은 다음과 같은 비구면 식에 의하여 정의된다.First, the aspherical lenses L1 and L2 are defined by the aspherical formula as follows.
여기서, X는 광축상으로부터 높이 Y에서의 비구면에 대한 세그(sag)값이고, R는 광축에서의 렌즈면의 곡률이고, K는 코닉(Conic) 상수이고, a1, a2, a3, a4, a5는 비구면 계수이다.Where X is a sag value for the aspherical surface at height Y from the optical axis, R is the curvature of the lens surface at the optical axis, K is a Conic constant, a1, a2, a3, a4, a5 Is aspherical coefficient.
그리고, 오브젝트 소스와 레퍼런스 소스광의 간섭에 의해 생성된 회절광학소자의 비구면 위상항(∮)을 표현하는 방정식은 다음과 같다.The equation for expressing the aspherical phase term of the diffractive optical element generated by the interference between the object source and the reference source light is as follows.
∮(Y) = C1Y2+ C2Y4+ C3Y6+ C4Y8+C5Y10 Y (Y) = C 1 Y 2 + C 2 Y 4 + C 3 Y 6 + C 4 Y 8 + C 5 Y 10
상기의 식에서 ∮는 광축으로부터 높이 Y지점에서의 위상를 나타내며, C1,C2,C3,C4,C5는 계수이다.In the above formula, 를 represents the phase at the height Y point from the optical axis, and C 1, C 2, C 3, C 4, C 5 are coefficients.
본 발명에서 기술된 비구면 및 회절광학소자는 모두 광축에 대하여 회전 대칭성을 갖고 있으므로 조립 및 조정이 매우 용이하다.Both the aspherical surface and the diffractive optical element described in the present invention have rotational symmetry with respect to the optical axis, and thus are very easy to assemble and adjust.
또한, 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈에서 전체 렌즈계의 초점거리(EFL : Effective Focal Length)와 제 1 렌즈군(L1)과 제 2 렌즈군(L2)이 가는 각 군의 초점거리를 각각 FG1과 FG2라고 할 때 다음과 같은 조건을 만족한다.In addition, in the ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention, the focal length (EFL: Effective Focal Length) of the entire lens system and the focal length of each group to which the first lens group L1 and the second lens group L2 go are respectively FG1. And FG2 satisfy the following conditions.
그리고, 제 1 렌즈군(L1)과 제 2 렌즈군(L2)에 사용되는 렌즈 면의 형상은 비구면과 회절격자면으로 구성되는 하이브리드 타입(Hybrid Type)이며, 특히, 회절격자면이 갖는 파워(DGP : Diffraction Grating Power)는 아래 조건을 만족한다.In addition, the shape of the lens surface used for the first lens group L1 and the second lens group L2 is a hybrid type including an aspherical surface and a diffraction grating surface. DGP: Diffraction Grating Power) meets the following conditions.
결국, 도 5a는 본 발명에 따른 구면수차에 대한 특성을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명에 따른 상곡만곡 수차에 대한 특성을 나타낸 그래프이고, 도 5c는 본 발명에 따른 왜곡수차에 대한 특성을 나타낸 그래프로써, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈의 구면수차, 상면만곡수차, 왜곡수차의 특성이 잘 보정되었음을 알 수 있다.As a result, Figure 5a is a graph showing the characteristics for the spherical aberration according to the present invention, Figure 5b is a graph showing the characteristics for the curved curve aberration according to the present invention, Figure 5c is a characteristic for the distortion aberration according to the present invention As shown in the graph, it can be seen that the characteristics of spherical aberration, image curvature aberration, and distortion aberration of the ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention configured as described above are well corrected.
본 발명에 따른 디지탈 카메라용 초박형 렌즈는 적은 맷수의 렌즈를 사용하면서도 수차보정 능력이 뛰어난 회절격자면의 사용으로 디지탈 카메라의 초소형 및 고성능화를 실현할 수 있다.The ultra-thin lens for a digital camera according to the present invention can realize the miniaturization and high performance of a digital camera by using a diffraction grating surface excellent in aberration correction capability while using a small number of lenses.
또한, 적은 맷수의 렌즈를 사용하기 때문에 재료비의 절감 및 조립성이 용이해지며, 생산성 및 가격 경쟁력이 높아진다.In addition, the use of a small number of lenses makes it easy to reduce material costs and assemble, and to increase productivity and price competitiveness.
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| KR1019970006694A KR19980069572A (en) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | Ultra Thin Lenses for Digital Cameras |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100874628B1 (en) * | 2000-08-07 | 2008-12-17 | 가부시키가이샤 엔프라스 | Imaging lens |
-
1997
- 1997-02-28 KR KR1019970006694A patent/KR19980069572A/en not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR100874628B1 (en) * | 2000-08-07 | 2008-12-17 | 가부시키가이샤 엔프라스 | Imaging lens |
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