KR20140103607A - 렌즈 검사 장치 - Google Patents
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Abstract
렌즈 검사 장치가 개시된다. 광선을 발생시키는 광원(light source); 상기 광선을 측정광선과 기준광선으로 나누는 빔스플리터(beam splitter); 상기 측정광선이 통과되는 피검렌즈; 상기 피검렌즈를 수용하는 매칭액(matching liquid); 상기 기준광선의 진행 방향을 변경하는 기준거울(reference mirror); 상기 측정광선과 상기 기준광선에 의한 간섭무늬를 픽셀 단위로 검출하는 이미지 센서(image sensor); 및 상기 간섭무늬를 이용하여 상기 피검렌즈의 성형 상태를 검사하는 검사부를 포함하고, 상기 매칭액의 굴절률은, 상기 검사부가 상기 이미지 센서 상에서 검출되는 상기 간섭무늬의 간격을 측정할 수 있도록, 상기 피검렌즈의 굴절률과 최소한의 차이를 가지는 것을 특징으로 하는 렌즈 검사 장치가 제공된다.
Description
본 발명은 렌즈 검사 장치에 관한 것이다.
카메라 모듈(CCM: COMPACT CAMERA MODULE)은 PDA, 스마트폰을 비롯한 휴대용 이동통신 기기와 토이 카메라(TOY CAMERA) 등의 다양한 IT 기기에 적용될 수 있다. 최근에는 소비자의 다양한 취향에 맞추어 소형의 카메라 모듈이 장착된 기기가 개발되고 있다. 이런 소형 카메라 모듈에는 플라스틱을 금형으로 사출 성형(Injection Molding)하여 제작하는 사출 성형 렌즈가 주로 사용될 수 있다.
이러한 플라스틱 성형 렌즈는, 유리 연마 렌즈에 비해 비구면 렌즈의 제작성이 뛰어나고 저렴하지만, 굴절률의 분포가 불안정해 렌즈 내부에 불균질성을 일으키는 경우가 많다. 렌즈 내부의 굴절률의 불균질성은 광학 특성에 큰 영향을 미쳐, 결상 성능을 열화 시키는 원인이 될 우려가 있다.
렌즈 성형 상태는 간섭무늬를 통하여 검사될 수 있다. 간섭무늬 분석은 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광경로(Optical Path)를 이동한 후 합쳐질 때 두 개의 광이 지난 거리차(Optical Path Difference)에 따라 빛이 밝고 어두운 형태로 표현되는 광 간섭 신호를 이용하는 방법이다. 간섭무늬는 CCD 카메라와 같은 촬영장치를 통해 검출될 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0126017호(2010.12.01)에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 렌즈의 성형 상태를 측정할 수 있는 렌즈 검사 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광선을 발생시키는 광원(light source); 상기 광선을 측정광선과 기준광선으로 나누는 빔스플리터(beam splitter); 상기 측정광선이 통과되는 피검렌즈; 상기 피검렌즈를 수용하는 매칭액(matching liquid); 상기 기준광선의 진행 방향을 변경하는 기준거울(reference mirror); 상기 측정광선과 상기 기준광선에 의한 간섭무늬를 픽셀 단위로 검출하는 이미지 센서(image sensor); 및 상기 간섭무늬를 이용하여 상기 피검렌즈의 성형 상태를 검사하는 검사부를 포함하고, 상기 매칭액의 굴절률은, 상기 검사부가 상기 이미지 센서 상에서 검출되는 상기 간섭무늬의 간격을 측정할 수 있도록, 상기 피검렌즈의 굴절률과 최소한의 차이를 가지는 것을 특징으로 하는 렌즈 검사 장치가 제공된다.
상기 매칭액과 상기 피검렌즈와의 굴절률 차는 다음의 조건식 1을 만족할 수 있다.
[조건식 1]
. 여기서, △n: 상기 매칭액과 상기 피검렌즈의 굴절률 차, λ: 상기 광선의 파장, △t: 상기 이미지 센서 한 픽셀의 대각선 방향에 해당하는 상기 피검렌즈의 두께 차의 최대값.
상기 매칭액과 상기 피검렌즈와의 굴절률 차는 다음의 조건식 2를 더 만족할 수 있다.
[조건식 2]
상기 피검렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다.
상기 검사부는, 상기 간섭무늬로부터 상기 피검렌즈의 대칭성을 검사할 수 있다.
상기 검사부는, 상기 간섭무늬로부터 상기 피검렌즈의 실제 굴절률 분포를 검사할 수 있다.
상기 검사부는, 상기 간섭무늬의 세기로부터 위상정보를 산출하고, 상기 위상정보로부터 상기 피검렌즈의 성형 상태를 검사할 수 있다.
상기 매칭액과 상기 피검렌즈와의 굴절률 차는 다음의 조건식 3을 만족할 수 있다.
[조건식 3]
상기 매칭액과 상기 피검렌즈와의 굴절률 차는 다음의 조건식 4를 더 만족할 수 있다.
[조건식 4]
상기 측정광선을 반사하여 상기 측정광선이 상기 피검렌즈를 재통과하도록, 상기 피검렌즈와 이격되어 설치되는 반사경을 더 포함할 수 있다.
상기 매칭액과 상기 피검렌즈와의 굴절률 차는 다음의 조건식 5를 만족할 수 있다.
[조건식 5]
상기 매칭액과 상기 피검렌즈와의 굴절률 차는 다음의 조건식 6을 만족할 수 있다.
[조건식 6]
본 발명의 실시예에 따르면, 렌즈의 성형 상태를 용이하게 검사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 검사 장치를 위한 광간섭계를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 검사 장치의 이미지 센서를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 검사 장치를 위한 광간섭계를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 검사 장치의 이미지 센서를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 검사 장치를 위한 광간섭계를 나타낸 도면.
본 발명에 따른 렌즈 검사 장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 검사 장치를 위한 광간섭계를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 검사 장치(100)는 광원(110), 빔스플리터(120), 피검렌즈(130), 매칭액(140), 기준거울(150), 이미지 센서(160) 및 검사부(170)를 포함할 수 있다.
이 경우, 매칭액(140)과 피검렌즈(130)의 굴절률 차는 검사부(170)가 간섭무늬의 간격을 측정할 수 있게 하는 최소값일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 필요에 따라서 거울(M)과 스플리터(S)를 더 포함할 수 있다.
광원(110)은 광선을 발생시키는 장치이다.
빔스플리터(120)는 광원(110)에서 발생된 광선의 경로를 분리시키는 장치이다. 이 경우, 광원(110)의 광선은 측정광선과 기준광선으로 나누어질 수 있다. 기준광선은 피검렌즈(130)를 통과하지 않는 광선이고 측정광선은 피검렌즈(130)를 통과하는 광선이다. 기준광선과 측정광선은 피검렌즈(130)를 통과하는 길이만큼 광경로차를 가질 수 있다.
피검렌즈(130)는 성형 상태를 검사하고자 하는 대상이 되는 렌즈로서, 비구면 렌즈일 수 있다. 피검렌즈(130)가 비구면 렌즈의 경우 파면(wavefront)이 구면 렌즈의 파면과 상이하게 나타날 수 있다. 즉, 파면수차가 생길 수 있다. 비구면 렌즈의 파면수차가 큰 경우에는 간섭무늬가 조밀하게 나타나는 부분이 발생할 수 있다.
이와 같은 조밀한 간섭무늬를 완화시킬 수 있도록 매칭액(140)과 피검렌즈(130)의 굴절률 차이를 조정할 수 있다.
매칭액(140)은 피검렌즈(130)를 수용하는 액체이다. 피검렌즈(130)의 성형 상태를 검사하기 위하여 필요한 간섭무늬를 검출하는 경우, 매칭액(140)의 굴절률에 따라 간섭무늬의 간격이 달라질 수 있다. 이에 대하여 후술하기로 한다.
기준거울(150)은 기준광선의 진행 방향을 변경하는 장치로서 빔스플리터(120)를 통해 분리되는 기준광선을 대향하여 설치될 수 있다. 기준광선은 기준거울(150)에서 반사되어 빔스플리터(120)로 되돌아오고, 빔스플리터(120)에 의하여 후술할 이미지 센서(160)로 들어가게 된다.
이미지 센서(160)는 카메라 내부에 존재하는 소자로서 영상을 입력할 수 있다. 이미지 센서(160)는 픽셀 단위로 영상을 입력할 수 있다. 즉, 측정광선과 기준광선에 의한 간섭무늬를 픽셀 단위로 검출할 수 있다.
검사부(170)는 이미지 센서(160)에서 검출된 간섭무늬를 분석하여 피검렌즈(130)의 성형 상태를 검사할 수 있다. 검사부(170)는 간섭무늬의 대칭성으로부터 피검렌즈(130)의 성형 상태 대칭성을 검사할 수 있다. 또한, 피검렌즈(130)의 실제 굴절률 대칭성도 검사할 수 있다.
검사부(170)는 간섭무늬로부터 피검렌즈(130)의 실제 굴절률 분포를 검사할 수 있다. 이 경우, 검사부(170)는 간섭무늬의 세기로부터 위상정보를 산출하고, 위상정보로부터 굴절률 분포를 검사할 수 있다.
I(x,y) = I0(x,y) cosΦ(x, y),
Φ(x, y) = OPD / λ
여기서 OPD 는 광경로차(Optical Path Difference)이다. 위상정보는 피검렌즈(130) 굴절률과 두께의 정보로 나타나므로, 결과적으로 굴절률 분포가 측정될 수 있다.
매칭액(140)의 굴절률은 검사부(170)가 간섭무늬를 측정할 수 있을 정도로 피검렌즈(130)와 이론적인 굴절률 차이를 가진다. 매칭액(140)의 굴절률은, 검사부(170)가 이미지 센서(160) 상에서 검출되는 간섭무늬의 간격을 측정할 수 있도록, 피검렌즈(130)의 굴절률과 최소한의 차이를 가질 수 있다.
매칭액(140)의 굴절률이 피검렌즈(130)의 굴절률과 동일한 경우 간섭무늬가 검출되지 않으며, 매칭액(140)의 굴절률이 피검렌즈(130)의 굴절률과 차이가 크면 간섭무늬가 너무 조밀하게 나타나므로 검사부(170)가 간섭무늬 간격을 측정할 수 없다.
따라서, 매칭액(140)의 굴절률은 검사부(170)가 이미지 센서(160) 상에서 검출되는 간섭무늬의 간격을 측정할 수 있을 정도로 피검렌즈(130)의 굴절률과 작은 차이를 가져야 간섭무늬 측정이 가능해진다.
이 경우, 간섭무늬의 측정을 가능하게 하는 매칭액(140)의 굴절률과 피검렌즈(130)의 굴절률 차이는 다음의 조건식 1을을 만족할 수 있다.
[조건식 1]
여기서, △n: 상기 매칭액(140)과 상기 피검렌즈(130)의 굴절률 차의 절대값, λ: 상기 광선의 파장, △t: 상기 이미지 센서(160) 한 픽셀의 대각선 방향에 해당하는 상기 피검렌즈(130)의 두께 차의 최대값이다.
매칭액(140)과 상기 피검렌즈(130)와의 굴절률 차가 조건식 1을 만족하면 공간적으로 일정한 간격으로 배치되는 픽셀에서만 빛의 세기를 기록하는 디지털 이미지 센서(160)를 이용하여 간섭무늬를 해석할 때 픽셀 사이의 간섭무늬 간격이 너무 조밀해져 측정이 어려워지는 에일리어싱(Aliasing) 현상 없이 간섭무늬를 제대로 분석할 수 있다.
피검렌즈(130)의 굴절률을 n, 매칭액(140)의 굴절률을 n'라고 한다면, △n=|n-n'|가 된다. △t 는 이미지 센서(160)의 픽셀 단위로 간섭무늬가 검출되고, 각 픽셀 단위로 샘플링 된 간섭무늬에 해당하는 피검렌즈(130)의 두께 차이가 된다.
매칭액(140)의 굴절률이 조건식 1을 만족할 때, 이미지 센서(160) 한 픽셀의 대각선 방향 길이로 검출되는 간섭무늬가 측정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 검사 장치(100)의 이미지 센서(160)를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 검사 장치(100)의 피검렌즈(130)를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 매칭액(140)의 굴절률과 피검렌즈(130)의 굴절률 차이는 다음이 조건식 2를 더 만족할 수 있다.
[조건식 2]
여기서, p: 상기 이미지 센서(160)의 픽셀 피치(pixel pitch), M: 상기 이미지 센서(160)의 배율, △d: 상기 렌즈의 1mm 당 두께 최대 변화량이다.
즉, △t는 다음과 같은 식을 만족한다.
예를 들어, 1mm 당 렌즈의 두께 최대 변화량이 2.75mm이고, 픽셀 피치가 3㎛, 배율이 5배인 경우, 광선의 파장이 633㎚이라고 한다면, △t는 2.33이 되므로, 조건식 1에 의하여 △n 은 0.136 이하가 될 수 있다.
이 경우, 매칭액(140)의 굴절률과 피검렌즈(130) 굴절률의 차이는 0을 초과하고 0.136 이하가 되어야 검사부(170)가 간섭무늬 측정을 할 수 있다. 상기 조건에서는 측정 대상물의 굴절률이 일정하다는 것을 가정하고 있다.
이미지 센서(160)의 한 픽셀 당 검출되는 간섭무늬에 해당하는 피검렌즈(130)의 굴절률이 미소하게 변화하는 경우, 매칭액(140)과 피검렌즈(130)와의 굴절률 차는 다음의 조건식 3을 만족할 수 있다.
[조건식 3]
여기서, △ δ: 상기 이미지 센서(160) 한 픽셀의 대각선 방향에 해당하는 상기 피검렌즈(130)의 굴절률 차이다.
피검렌즈(130) 내 굴절률 변화가 크면 이로 인한 위상변화도 커져서 측정이 가능한 굴절률 차이를 계산할 때 피검렌즈(130) 자체의 굴절률 변화에 의한 위상변화까지 고려해야 한다.
조건식 3은 이렇게 굴절률 변화가 큰 경우에 측정이 제대로 이루어지기 위한 매칭액(140)과 피검렌즈(130)와의 굴절률 차를 나타낸다.
매칭액(140)과 상기 피검렌즈(130)와의 굴절률 차는 다음의 조건식 4를 더 만족할 수 있다.
[조건식 4]
여기서, △d'는 상기 렌즈의 1mm 당 굴절률 최대 변화량이다.
예를 들어, 상술한 예에서 mm당 최대 굴절률 변화량이 0.1인 경우, △δ는 8.49가 되므로, △n은 조건식 3에 의하여 0.14 이하여야 한다.
이 경우, 다음과 같은 수식이 성립될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 검사 장치(100)를 위한 광간섭계를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 검사 장치(100)는 반사경(180)을 더 포함할 수 있다. 즉, 반사경(180)은 측정광선을 반사하여 측정광선이 상기 피검렌즈(130)를 재통과하도록, 피검렌즈(130)와 이격되어 설치될 수 있다.
이 경우, 측정광선은 피검렌즈(130)를 두 번 통과하기 때문에 광경로차를 이용함에 있어 이를 감안해야 한다.
매칭액(140)과 피검렌즈(130)와의 굴절률 차는 다음의 조건식 5을 만족할 수 있다.
[조건식 5]
여기서, △n: 상기 매칭액(140)과 상기 피검렌즈(130)의 굴절률 차의 절대값, λ: 상기 광선의 파장, △t: 상기 이미지 센서(160) 한 픽셀의 대각선 방향에 해당하는 상기 피검렌즈(130)의 두께 차 최대값이다.
상술한 바와 같이, 피검렌즈(130)를 두 번 통과하므로 한 번 통과하는 경우에서 2를 더 나누어주는 것이다.
이미지 센서(160)의 한 픽셀 당 검출되는 간섭무늬에 해당하는 피검렌즈(130)의 굴절률이 미소하게 변화하는 경우, 다음의 조건식 6을 만족할 수 있다.
[조건식 6]
이는 피검렌즈(130)를 두 번 통과하는 광경로차를 감안한 것이다. 매칭액(140)과 피검렌즈(130)와의 굴절률 차가 조건식 6을 만족하면 정상적인 측정이 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이, 매칭액의 굴절률을 피검렌즈의 굴절률과 차이를 두되, 양 굴절률의 차이가 검사부가 간섭무늬 간격을 측정할 수 있는 한계 이내로 되는 경우에는, 피검렌즈의 파면수차가 지나치게 큰 경우라 하더라도 간섭무늬 간격이 검사부가 측정할 정도로 넓어질 수 있으므로 간섭무늬 분석이 가능해질 수 있다. 검사부가 간섭무늬 분석을 할 수 있다면, 피검렌즈의 성형 상태를 용이하게 검사할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 렌즈 검사 장치
110: 광원
120: 빔스플리터
130: 피검렌즈
140: 매칭액
150: 기준거울
160: 이미지 센서
170: 검사부
110: 광원
120: 빔스플리터
130: 피검렌즈
140: 매칭액
150: 기준거울
160: 이미지 센서
170: 검사부
Claims (12)
- 광선을 발생시키는 광원(light source);
상기 광선을 측정광선과 기준광선으로 나누는 빔스플리터(beam splitter);
상기 측정광선이 통과되는 피검렌즈;
상기 피검렌즈를 수용하는 매칭액(matching liquid);
상기 기준광선의 진행 방향을 변경하는 기준거울(reference mirror);
상기 측정광선과 상기 기준광선에 의한 간섭무늬를 픽셀 단위로 검출하는 이미지 센서(image sensor); 및
상기 간섭무늬에 의하여 상기 피검렌즈의 성형 상태를 검사하는 검사부를 포함하고,
상기 매칭액의 굴절률은, 상기 검사부가 상기 이미지 센서 상에서 검출되는 상기 간섭무늬의 간격을 측정할 수 있도록 상기 피검렌즈의 굴절률과 차이를 가지는 것을 특징으로 하는 렌즈 검사 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 피검렌즈는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 렌즈 검사 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 검사부는, 상기 간섭무늬로부터 상기 피검렌즈의 대칭성을 검사하는 것을 특징으로 하는 렌즈 검사 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 검사부는, 상기 간섭무늬로부터 상기 피검렌즈의 실제 굴절률 분포를 검사하는 것을 특징으로 하는 렌즈 검사 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 검사부는, 상기 간섭무늬의 세기로부터 위상정보를 산출하고, 상기 위상정보로부터 상기 피검렌즈의 성형 상태를 검사하는 것을 특징으로 하는 렌즈 검사 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광선을 기준광선과 측정광선으로 나누는 빔스플리터(splitter); 및
상기 측정광선을 반사하여 상기 측정광선이 상기 피검렌즈를 재통과하도록, 상기 피검렌즈와 이격되어 설치되는 반사경을 더 포함하는 렌즈 검사 장치.
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KR102211315B1 (ko) * | 2020-12-14 | 2021-02-03 | 주식회사 케이알앤디 | 광학 시스템 검사 장치 |
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2013
- 2013-02-18 KR KR1020130017194A patent/KR20140103607A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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