KR20130073878A

KR20130073878A - 프로젝션 렌즈

Info

Publication number: KR20130073878A
Application number: KR1020127027870A
Authority: KR
Inventors: 발레리 바실리에비치 코조도이
Original assignee: 자크리토에 악시오네르노에 오브슈체스트보 “임펄스”
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2013-07-03
Also published as: EA020369B1; WO2011136690A1; EP2565695A1; UA105284C2; CN102870029A; JP2013525857A; RU2433433C1; EA201290133A1; US20120206823A1; US8451550B2

Abstract

프로젝션 렌즈는 물체에서부터 이미지까지 광학 방사의 통로를 따라 순차적으로 배치된 엔트런스 퓨필 및 5개의 광학 구성 요소들을 포함하는데, 여기서 제1의 구성 요소는 물체에 대하여 오목한 표면에 맞닿는 네거티브 배율이고, 네거티브 및 포지티브 메니스커스로 접합되며, 제2의 구성 요소는 물체 측에 맞닿는 오목한 표면을 갖는 포지티브 메니스커스이고, 제3의 구성 요소는 양쪽이 볼록한 렌즈이며, 제4의 구성 요소는 이미지 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 포지티브 메니스커스이고, 제5의 구성 요소는 이미지에 대하여 오목한 표면에 맞닿는 네거티브이며, 양쪽이 볼록하고 양쪽이 오목한 렌즈들로 접합된다.
기술적 목적은 상대 애퍼쳐(1:1,8)가 증가되고, 이미지 가장 자리 필드에서의 밝기가 중앙에서의 밝기(0,91)에 대비하여 개선되며, 렌즈에 의해 형성된 이미지에 네거티브 왜곡의 요구된 값이 제공되고(-3%), 이미지 품질이 개선되며, 렌즈 작동의 조건이 한정된 거리에 위치된 물체를 위해 제공되는 것이다.

Description

프로젝션 렌즈{PROJECTION LENS}

본 발명은 광학 기기들(optical instruments)의 엔지니어링에 관한 것이고, 구체적으로는 프로젝션 렌즈들(projection lenses)에 관한 것이며, 예를 들어 CCD 매트릭스로의 엑스레이 이미지 증폭기(intensifier) 또는 다른 이미지 증폭기의 출력 윈도우에 형성되는 엑스레이 이미지 전달(transfer) 디바이스들에서 사용될 수 있다.

리모트 엔트런스 퓨필(remote entrance pupil)을 갖는 하이-애퍼쳐 하이드로렌즈(high-aperture hydrolens)는 물체(object)에서 이미지까지 광학 방사(optical radiation)의 통로를 따라 순차적으로 배열된, 프로젝션 렌즈 및 6개의 렌즈들 전면에 있는 리모트 엔트런스 퓨필로 구성되는 것으로 알려져 있는데(certificate of authorship SU1642426A1, published on 15.04.1991, bull. №14), 이때 6개의 렌즈들 중 제1 및 제3의 렌즈들은 물체 측(object side)에 맞닿는 오목한(concave) 표면들을 갖는 포지티브 메니스커스(positive menisci)이고, 제2의 렌즈는 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 네거티브 메니스커스(negative menisci)이고, 제4 및 제5의 렌즈들은 양쪽이 볼록(biconvex)하며, 제6의 렌즈는 양쪽이 오목(biconcave)한데, 이때 제5 및 제6의 렌즈들은 서로 접합되어 있다(cemented together).

이러한 [프로젝션] 렌즈는 다음의 장점들을 갖는다: 렌즈 전면에 있는 리모트 엔트런스 퓨필, 만족스러운 이미지 사이즈. 하지만 상대 애퍼쳐 사이즈가 충분하지 않고, 이미지 내의 광 분배(light distribution)가 불량하며, 수용성 매 질(aqueous media)에 놓여지는(placed) 유한한 컨쥬게이트 모드(conjugates mode)에서의 동작인 어플리케이션의 조건, 뿐만 아니라 이미지 품질도 불충분하다.

리모트 엔트런스 퓨필을 갖는 [프로젝션 렌즈]는 발명 특허(2004년 03월 10일에 공개된 RU2225628C2)로부터 알려져 있으며, 물체에서 이미지까지 광학 방사의 통로를 따라 순차적으로 배열된 4개의 광학 구성 요소들로 구성되는데, 이들 중 제1의 구성 요소는, 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 가지며, 서로 접합된 양쪽이 오목하고 양쪽이 볼록한 렌즈들을 포함하는 네거티브 배율이고, 제2의 구성 요소는 양쪽이 볼록하고, 제3의 구성 요소는, 이미지 측에 맞닿는 오목한 표면들을 가지며, 서로 접합된 양쪽이 오목하고 양쪽이 볼록한 렌즈들을 포함하는 포지티브 배율이며, 제4의 구성 요소는 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 네거티브 메니스커스이다.

프로젝션 렌즈의 장점은 큰 이미지 사이즈, 작은 치수(dimensions), 및 프로젝션 렌즈 전면에 있는 리모트 엔트런스 퓨필이다.

프로젝션 렌즈의 단점은 이미지 중앙에서의 밝기(brigtness) 대비 이미지 가장 자리(edge)의 밝기의 낮은 비율(ratio), 상대 애퍼쳐의 작은 사이즈, 엑스레이 이미지 증폭기의 포지티브 왜곡(distortion)의 보정(correction)을 위해 불충분한 네거티브 왜곡의 값, 무한하게 멀리 떨어진 물체(infinitely remote object)에 대한 [프로젝션 렌즈]의 작동, 및 불충분한 이미지 품질이다.

본 발명을 통해 상대 애퍼쳐의 증가, 중앙에서의 밝기 대비 시야의 가장 자리에서의 밝기 개선, 프로젝션 렌즈에 의해 형성된 이미지에 네거티브 왜곡의 요구되는 값의 공급, 이미지 품질 개선, 및 유한한 거리에 위치된 물체에 대한 렌즈의 작동 조건을 제공하고자 한다.

청구된 렌즈에서, 전체적인 기술적 목적이 달성된다: 상대 애퍼쳐 증가, 중앙에서의 밝기 대비 시야(field of view)의 가장 자리에서의 밝기 개선, 프로젝션 렌즈에 의해 형성된 이미지에 네거티브 왜곡의 요구되는 값의 공급(provision), 이미지 품질 개선{변조(modulation)의 최소 값은 공간 주파수에서 시야 중 임의의 포인트에 대해 증가됨}, 및 유한한 거리에 위치된 물체에 대한 렌즈의 작동 조건이 제공된다.

물체에서 이미지 리모트 엔트런스 퓨필까지 광학 방사의 통로를 따라 순차적으로 배열된, 두 개의 렌즈들로 접합되고 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 제1의 네거티브 구성 요소, 제2의 포지티브 구성 요소, 및 이미지 측에 맞닿는 볼록한 표면들을 가지며 양쪽이 볼록하고 양쪽이 오목한 렌즈들로 접합된 제3의 구성 요소를 포함하는 프로젝션 렌즈에 대한 기술적 목적은, 제1의 구성 요소는 네거티브 및 포지티브 메니스커스로 접합되고, 제2의 구성 요소는 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 포지티브 메니스커스이고, 제3의 구성 요소는 네거티브이며, 두 개의 여분의 포지티브 렌즈들은 제2 및 제3의 구성 요소들 사이에 삽입되는데, 여기서 첫 번째 구성 요소는 양쪽이 볼록하고, 두 번째 구성 요소는 이미지에 대한 오목한 표면에 맞닿는 메니스커스인 사실을 통해 달성된다.

본 발명의 본질(essence) 및 상업적 어플리케이션의 가능성(potential)은 도 1 내지 도 4에 도시되는 특정 실시예의 예시에 의해 설명된다.

렌즈의 청구된 실시예로 인해, 상대 애퍼쳐는 증가(프로토타입에 있어서 1:12에서부터, 청구된 솔루션에 있어서 1:1,8까지)되고, 중앙과 비교하여 이미지 가장 자리 필드에서의 밝기는 개선된다(프로토타입에 있어서 0,85에서부터 청구된 솔루션에 있어서 0,91까지). 프로젝션 렌즈에 의해 형성된 이미지에서, 네거티브 왜곡의 요구된 값이 제공된다(프로토타입에 있어서 1,7%에서부터 청구된 솔루션에 있어서 -3%까지). 이미지 품질은 개선된다(공간 주파수 65에서, 시야의 임의의 포인트에 대하여 최소 변조의 값은 프로토타입에 있어서 0,13 라인 페어/밀리 미터이고, 청구된 솔루션에 있어서 0,42임). 렌즈 작동의 조건이, 물체가 한정된 거리에 위치될 때{패럭시얼 선형 배율 상수 (paraxial linear magnification factor)는 0,25}, 제공된다.

도 1은 제안된 렌즈 장치(lens arrangement)의 광학 트레인(optical train)을 도시하는 도면.
도 2는 프로젝션 렌즈에 대한 주파수-콘트라스트(frequency-contrast) 곡선(curves)을 도시하는 도면.
도 3은 물체의 사이즈에 따른 밝기에 대한 이미지의 플롯을 도시하는 도면.
도 4는 물체의 사이즈에 따른 이미지 왜곡의 플롯을 도시하는 도면.

도 1에 도시된 바와 같이, 물체(9)에서부터 이미지(10)까지 광학 방사의 통로를 따라 렌즈는 순차적으로 배치된 엔트런스 퓨필(1), 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 가지며 네거티브(2) 및 포지티브(3) 메니스커스로 접합된 제1의 네거티브 구성 요소, 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 가지며 포지티브 메니스커스인 제2의 구성 요소(4), 및 이미지 측에 맞닿는 오목한 표면들을 가지며, 두 개의 렌즈들, 즉 양쪽이 볼록한 렌즈(7) 및 양쪽이 오목한 렌즈(8)로부터 접합된 제3의 네거티브 구성 요소를 포함하며, 제2의 구성 요소(4)와 제3의 구성 요소(7, 8) 사이에 두 개의 추가적인 포지티브 렌즈들이 배치되는데, 여기서 렌즈(5)는 양쪽이 볼록하고, 렌즈(6)는 이미지 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 메니스커스이다.

도 2는 기본 파장(fundamental wavelength)이 575 나노 미터인 500 나노 미터 내지 600 나노 미터에 이르는 스펙트럼 범위에 대하여 청구된 렌즈의 주파수-콘트라스트 곡선들을 도시하는데, 이는 2개의 시야에 대한 이미지에서의 공간적인 해상도(spatial resolution)에 따른 콘트라스트 비(contrast ratio)(T)의 값을 특징으로 한다: 상기 2개의 시야는 최대 시야 및 최대 시야의 중앙(centre), 0, 7로서, 최대 시야 및 최대 필드의 0, 7에 대해, 자오선(meridional) 및 화살형(segittal) 섹션에 대하여 두 개의 곡선들로 표현됨. 수직 축(T)는 콘트라스트(변조) 비의 값을 특징으로 하고, 수평 축(N), 라인 페어/밀리 미터(line pairs/mm)는 밀리 미터 당 라인 페어에 의한 이미지에서의 공간적인 해상도를 특징으로 한다. 플롯은 5개의 곡선들을 도시하는데, 곡선(1)은 시야의 중앙을 나타내고(물체의 사이즈는 0 밀리 미터), 곡선들(2S 및 2T)은 시야의 0, 7을 나타내며(물체의 사이즈는 10, 5 밀리 미터), 곡선들(3S 및 3T)은 시야의 가장 자리를 나타내는데(물체의 사이즈는 15 밀리 미터), 문자(S)는 곡선을 화살형 섹션에서 기인하는 것으로 여기며, 문자( T)는 넓은 레이 빔(broad ray beams)의 자오선 섹션에서 기인하는 것으로 여긴다.

도 3은 물체 사이즈에 따른 이미지 상대 밝기에 의한 렌즈를 특징으로 하는 곡선을 도시한다. 수직 축(RI)은 상대 밝기의 값을 정의하고, 수평 축은 밀리 미터 단위의 물체 사이즈(Y)를 정의한다. 플롯은, Y에서 물체 사이즈가 15 밀리 미터이고, 이미지의 밝기가 시야의 중앙으로부터 0, 91임(Y는 0 밀리 미터와 동일)을 도시하는데, 여기서 상대 밝기는 최대이고, 1과 동일하다.

도 4는 렌즈의 설계 변형(design variant)에 대한 물체 사이즈에 따른 이미지 왜곡의 플롯을 도시한다. 수직 축(Y)은, 밀리 미터 단위의 물체 사이즈의 동시적인 증가에 따라 전체 시야에 걸쳐 높은 이미지 품질을 유지하는 것을 허용한다. 수평 축(D)은 퍼센트로 표현되는 이미지 왜곡의 값을 명시한다. 플롯은, 이미지 왜곡의 최대값이 15 밀리 미터인 시야 가장 자리에 대해 3%임을 도시하며, 이는 엑스레이 이미지 증폭기의 포지티브 왜곡을 보상하는 것을 허용한다.

렌즈는 다음과 같이 동작한다: 물체(9)로부터 광학 방사는, 상대 애퍼쳐의 사이즈를 한정하는 엔트런스 퓨필(1)과 렌즈들(2 내지 8)을 순차적으로 통과하고, 이미지(10)에 초점이 맞춰진다. 이미지 수신기로서, CCD 매트릭스, 및 포토필름 등이 적용될 수 있다.

물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖고 네거티브(2) 및 포지티브(3) 메니스커스로 접합된 네거티브 렌즈, 및 동시에 이미지 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖고 양쪽이 볼록(7)하고 양쪽이 오목(8)한 렌즈들로부터 접합된 네거티브 배율의 렌즈들의 실현(realization)은 색 수차(chromatic aberrations), 구면 수차(shperical aberration), 난시(astigmatism) 및 시야의 곡률(curvature)에 대한 보정을 개선하는 것을 허용한다. 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 포지티브 메니스커스인 렌즈(4)의 실현, 및 양쪽이 볼록한 여분의 포지티브 렌즈(5)와 이미지에 대한 오목한 표면과 맞닿는 메니스커스의 모양을 갖는 렌즈(6)의 삽입은 고차 수차들(high order aberrations)의 감소의 조건 하에 상대 애퍼쳐를 정교하게 만드는 것(elaborate)을 허용한다. 설명된 작용(action)의 전체(totality)는, 프로젝션에서 작동 조건에 대한 렌즈의 동시적인 변이들(transitions)과 함께, 비네팅(vignetting)을 감소시킬 가능성을 초래하고, 따라서 전체 이미지 필드의, 그리고 가장 자리에서의 밝기의 분배(distribution)를 개선시킨다. 하지만, 엔트런스 퓨필의 상대 오프셋은 증가되었고{렌즈 포커스에 대한 제1의 렌즈의 엔트런스 퓨필의 제거 비(ratio of removal of entrance pupil of the first lens to lens focus)}, 여기서 프로토타입(prototype)에 대하여 7/50=0,14이고, 청구된 것에 있어서 렌즈에 대하여 5/14,7=0,34이다.

본 발명은, 예를 들어 이미지 전송 디바이스들에 사용될 수 있는데, 여기서 이미지는 엑스레이 이미지 증폭기 또는 CCD 매트릭스를 기반으로 한 다른 이미지 증폭기의 출력 윈도우에서 형성된다. 렌즈의 청구된 실시예로 인해, 상대 애퍼쳐는 증가(프로토타입에 있어서 1:12에서부터, 청구된 솔루션에 있어서 1:1,8까지)되고, 중앙과 비교하여 이미지 가장 자리 필드에서의 밝기는 개선된다(프로토타입에 있어서 0,85에서부터 청구된 솔루션에 있어서 0,91까지). 프로젝션 렌즈에 의해 형성된 이미지에서, 네거티브 왜곡의 요구된 값이 제공된다(프로토타입에 있어서 1,7%에서부터 청구된 솔루션에 있어서 -3%까지). 이미지 품질은 개선된다(공간 주파수 65에서, 시야의 임의의 포인트에 대하여 최소 변조의 값은 프로토타입에 있어서 0,13 라인 페어/밀리 미터이고, 청구된 솔루션에 있어서 0,42임). 렌즈 작동의 조건이, 물체가 한정된 거리에 위치될 때{패럭시얼 선형 배율 상수 (paraxial linear magnification factor)는 0,25}, 제공된다.

1 : 엔트런스 퓨필 2 : 네거티브 메니스커스
3 : 포지티브 메니스커스 4 : 제2의 구성 요소
5, 7 : 양쪽이 볼록한 렌즈 6, 8 : 양쪽이 오목한 렌즈
9 : 물체 10 : 이미지

Claims

프로젝션 렌즈에 있어서,
물체에서부터 이미지까지 광학 방사의 통로를 따라 순차적으로 배치된 엔트런스 퓨필, 두 개의 렌즈들로 접합되며 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 제1의 네거티브 구성 요소, 제2의 포지티브 구성 요소, 및 이미지 측에 맞닿는 오목한 표면들을 가지며 양쪽이 볼록하고 양쪽이 오목한 렌즈들로 접합된 제3의 구성 요소를 포함하는데,
여기서 제1의 구성 요소는 네거티브 및 포지티브 메니스커스로 접합되고, 제2의 구성 요소는 물체 측에 맞닿는 오목한 표면들을 갖는 포지티브 메니스커스이고, 제3의 구성 요소는 네거티브이며, 제2 및 제3의 구성 요소 사이에 여분의 두 개의 포지티브 렌즈들이 삽입되는데, 이 중 첫 번째 렌즈는 양쪽이 볼록하고, 두 번째 렌즈는 이미지에 대하여 오목한 표면에 맞닿는 메니스커스인,
프로젝션 렌즈.