KR20150006173A - Diffraction optical element and optical device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 균일한 회절광학소자에 관한 것이다.The present invention relates to a diffractive optical element in which the diffraction efficiency according to the wavelength and the incident angle is uniform.
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. The diffractive optical element (DOE) is opposite in the way that the chromatic aberration appears in comparison with the refractive optical system having the same sign power. This is due to the physical phenomenon in which the chromatic aberration for the light beam of the reference wavelength is expressed in the opposite direction on the refracting surface and the diffractive surface in the optical system.
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.The diffractive optical element has a merit that the aberration correction is easier than the conventional refractive optical system and the height of the lens assembly can be lowered so that it can be downsized and the price of the product due to the reduction in the number of lenses can be reduced.
그러나, 이와 같이 회절광학소자는 입사광의 파장대 및 렌즈의 입사각도에 따라 회절효율 차이가 발생하고, 그 결과 색번짐(Flare) 현상이 발생하여 이미지의 성능을 저하시키는 문제가 있다.However, in the diffractive optical element, the diffraction efficiency difference is generated according to the wavelength range of the incident light and the incidence angle of the lens, and as a result, a phenomenon of color unevenness (Flare) occurs and the performance of the image is deteriorated.
이를 해소하기 위하여 회절광학소자를 복수 개 적층하여 회절효율을 개선한 기술들이 개발되고 있으나, 단매의 회절광학소자만으로는 파장 및 입사각도에 따른 회절효율 차이를 개선하지 못하고 있다.Techniques have been developed to improve the diffraction efficiency by stacking a plurality of diffractive optical elements in order to solve this problem. However, the single diffractive optical element does not improve the diffraction efficiency difference according to the wavelength and the incident angle.
본 발명은 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 유사한 회절광학소자를 제공한다.The present invention provides a diffractive optical element having a similar diffraction efficiency according to a wavelength and an incident angle.
본 발명은 단매의 회절광학소자로 설계하여 박막인 회절광학소자를 제공한다.The present invention provides a diffractive optical element which is designed as a single diffractive optical element and is a thin film.
본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는, 적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자로서, 상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 상기 중심부에 형성된 제1회절패턴의 높이(ho)는 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 가장자리에 형성된 제2회절패턴의 높이(h1)는 하기 수학식 2를 만족한다.A diffractive optical element according to an embodiment of the present invention is a diffractive optical element having a diffraction pattern formed on at least one surface thereof, the height of the diffraction pattern changing from the central portion of the one surface to the edge, The height h o satisfies the following expression ( 1 ), and the height h 1 of the second diffraction pattern formed on the edge satisfies the following expression (2).
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2]&Quot; (2) "
(여기서, nd는 회절광학소자의 굴절율이고, 750nm≤λ1≤950nm, 250nm≤λ2≤450nm 이다.)(Where n d is the refractive index of the diffractive optical element, 750 nm? 1? 950 nm, 250 nm? 2 450 nm).
본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 제1회절패턴의 높이와 상기 제2회절패턴의 높이의 차는 600nm 내지 1400nm인 회절광학소자.In the diffractive optical element according to an embodiment of the present invention, the difference between the height of the first diffraction pattern and the height of the second diffraction pattern is 600 nm to 1400 nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 회절패턴의 높이(hr)는 하기 수학식 3을 만족한다.In the diffractive optical element according to an embodiment of the present invention, the height (hr) of the diffraction pattern changing from the central portion to the edge of the one surface satisfies the following expression (3).
[수학식 3]&Quot; (3) "
(여기서, ho는 제1회절패턴의 높이이고, h1은 제2회절패턴의 높이이고, reff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.)(Where ho is the height of the first diffraction pattern, h1 is the height of the second diffraction pattern, reff is the radius of the effective diameter, r is the radius of the diffraction pattern, and?
본 발명에 따르면, 단매의 회절광학소자만으로도 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 유사하게 제어할 수 있다.According to the present invention, it is possible to similarly control the diffraction efficiency according to the wavelength and the incident angle with only a single diffraction optical element.
또한, DOE 광학계에서 회절 효율 차이로 인해 발생하는 필드별 색 차이(색편차)를 감소시켜 모든 영역에 대해 균일광을 구현할 수 있다.In addition, it is possible to reduce the color difference (color deviation) of each field caused by the diffraction efficiency difference in the DOE optical system, thereby realizing uniform light for all the regions.
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.1 is a side view of a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a graph showing the slope of the diffraction pattern height varying according to the constant? Changing in Equation 3,
3 is a view for explaining the wavelength dependency of the diffractive optical element according to an embodiment of the present invention,
4 is a diagram for explaining the wavelength dependency of the diffractive optical element having the same height as the diffraction pattern,
5 is a side view and a plan view of a diffractive optical element according to another embodiment of the present invention,
6 is a view showing a synthesized shape of an aspherical lens of the diffractive optical element of the present invention,
FIG. 7 is a graph showing the primary light efficiency of the diffractive optical element shown in FIG. 4,
8 is a graph showing a primary light efficiency of a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention,
FIG. 9 is an image taken by an optical device including the diffractive optical element shown in FIG. 4,
10 is an image taken by an optical device including a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention,
11 is a video image taken using a conventional optical device.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.Terms including ordinals, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms.
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.The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as a first component, and similarly, the first component may also be referred to as a second component.
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.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, .
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
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.In the present invention, the terms "comprising" or "having ", and the like, specify that the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the drawings are to be construed as illustrative and not restrictive.
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.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings, wherein like or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도이고, 도 2는 수학식 3의 상수(γ) 변화에 따라 회절패턴 높이가 변화하는 기울기를 보여주는 그래프이다.FIG. 1 is a side view of a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing a slope of a diffraction pattern height varying according to a constant γ change in Equation 3. FIG.
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.Referring to FIG. 1, an
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.The height of the
중심부에서의 회절패턴(이하 제1회절패턴, 101)의 높이(ho)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(ho)는 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 제2회절패턴의 높이(h1)는 하기 수학식 2를 만족하도록 설계될 수 있다.The height h o of the diffraction pattern at the center (hereinafter referred to as the first diffraction pattern 101) is formed to be higher than the height of the diffraction pattern at the edge (hereinafter referred to as the second diffraction pattern h 1 ). In addition, the
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2]&Quot; (2) "
여기서, nd는 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.Here, n d is the refractive index (1.5 to 1.6) of the diffractive optical element, and 750 nm? 1? 950 nm and 250 nm? 2? 450 nm. At this time, when the range of? 1 and? 2 is satisfied, the diffraction efficiency can be controlled to be approximately in the entire visible light region.
이때, λ1의 범위와 λ2의 범위는 입사광의 1차광 회절효율이 0.5 이상이 되도록 설계된다. 따라서, 회절광학소자의 굴절률(nd)이 1.5인 경우 제1회절패턴의 높이(ho)는 1500nm 내지 1900nm이고, 상기 제2회절패턴의 높이(h1)는 500nm 내지 900nm일 수 있으며, 제1회절패턴의 높이(ho)와 상기 제2회절패턴의 높이(h1)의 차는 600nm 내지 1400nm일 수 있다.In this case, the range of? 1 and the range of? 2 are designed so that the first-order light diffraction efficiency of the incident light is 0.5 or more. Therefore, when the refractive index n d of the diffractive optical element is 1.5, the height h o of the first diffraction pattern may be 1500 nm to 1900 nm and the height h 1 of the second diffraction pattern may be 500 nm to 900 nm, The difference between the height (h o ) of the first diffraction pattern and the height (h 1 ) of the second diffraction pattern may be between 600 nm and 1400 nm.
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.Therefore, the long wavelength band light has high diffraction efficiency at the center of the diffractive optical element and low diffraction efficiency at the edge of the diffractive optical element. On the other hand, the light of a short wavelength band has a high diffraction efficiency at the edge of the diffractive optical element and a low diffractive efficiency at the center of the diffractive optical element. As a result, the total diffraction efficiencies of the long wavelength and short wavelength passing through the diffractive optical element can be controlled to be similar to each other.
회절광학소자의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 각 회절패턴(102, 103)의 높이(hr)는 하기 수학식 3을 만족하도록 설계된다.The height h r of the
[수학식 3]&Quot; (3) "
여기서, ho는 제1회절패턴(101)의 높이이고, h1은 제2회절패턴(104)의 높이이고, reff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.Here, h o is the height of the
따라서, 제1회절패턴(101)과 제2회절패턴(104) 사이에 배치된 복수 개의 회절패턴(102, 103)은 수학식 3에 의해 정의되는 높이를 갖게 된다. Therefore, the plurality of
일반적으로 회절광학소자는 회절효과를 갖는 유효반경(reff)을 갖고 그 외측은 패턴가공을 위한 가공경으로 정의된다. 따라서, 제2회절패턴(104)은 유효경의 끝단에 배치된(최외측에 배치된) 회절패턴으로 정의된다.Generally, the diffractive optical element has an effective radius r eff with a diffraction effect, and the outside thereof is defined as a working diameter for pattern processing. Therefore, the
수학식 3에서 γ는 기울기 상수로서, γ의 크기에 따라 회절패턴 높이의 기울기가 결정된다. 아래 표 1은 제1회절패턴의 높이(ho)가 1500nm이고 제2회절패턴의 높이(h1)가 400nm인 경우, γ의 변화에 따라 변화되는 회절패턴의 높이를 표시하였다.In Equation (3),? Is a slope constant, and the slope of the diffraction pattern height is determined according to the magnitude of?. Table 1 below shows the height of the diffraction pattern which varies with the change of? When the height (h o ) of the first diffraction pattern is 1500 nm and the height (h 1 ) of the second diffraction pattern is 400 nm.
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(hr)로 정의될 수 있다.Referring to FIG. 2 and Table 1, it can be seen that when the value of y is 0.5, the height of the pattern decreases sharply toward the outer ring, but when the value of y is 1, the height of the pattern decreases gently with a nearly linear slope . That is, Equation (3) can be defined as the slope (h r ) of the diffraction pattern height.
이때, γ의 범위는 0.1≤γ≤3를 만족한다. γ이 0.1 미만이거나 3을 초과하는 경우에는 회절패턴의 높이가 급격하게 감소되어 회절패턴의 가공이 어려운 문제가 있다.At this time, the range of? Satisfies 0.1??? 3. When? is less than 0.1 or exceeds 3, the height of the diffraction pattern is drastically reduced, which makes it difficult to process the diffraction pattern.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 회절패턴의 높이가 동일한 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a view for explaining the wavelength dependency of the diffractive optical element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view for explaining the wavelength dependency of the diffractive optical element having the same diffractive pattern height.
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.Referring to FIG. 3, in the diffractive optical element according to the embodiment of the present invention, the height of the diffraction pattern decreases from the central portion C to the edge E. In addition, as described above, the diffraction efficiency of a relatively long wavelength is increased at the center portion and the diffraction efficiency of a relatively short wavelength is increased at the edge.
따라서, 중심부를 통과한 600~700nm의 적색광(R1)과 500~600nm의 녹색광(G1)과 400~500nm의 청색광(B1)의 효율은 하기 관계식 1을 만족하게 된다.Therefore, the efficiency of the
[관계식 1][Relation 1]
R1＞G1＞B1R1> 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.That is, the first-order diffraction efficiency of the red light is the best in the central portion, and the first-order diffraction efficiency of the blue light is the lowest. Conversely, the efficiency of the red light (R 2) of 600 to 700 nm passing through the edge, the green light (G 2) of 500 to 600 nm and the blue light (B 2) of 400 to 500 nm satisfies the following relational expression (2).
[관계식 2][Relation 2]
R2＜G2＜B2R2 < G2 < B2
따라서, 회절광학소자를 통과한 적색광, 녹색광, 청색광의 총 회절효율은 거의 유사하게 조절될 수 있다. Therefore, the total diffraction efficiency of red light, green light, and blue light passing through the diffractive optical element can be adjusted to be almost similar.
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. However, in the case where the heights h 2 of the diffraction patterns are all formed as shown in FIG. 4, the efficiency of the light of the wavelength band corresponding to the design wavelength is maximized, but the light of the remaining wavelengths other than the wavelength there is a problem.
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.If the design wavelength is green with a wavelength of 546 nm, only the efficiency of the green light at the center or at the edge is good (G3 >> R3 = B3, G4 >> R4 = B4). In such a diffractive optical element, a color fading phenomenon occurs due to a difference in diffraction efficiency depending on a wavelength.
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. Referring again to FIG. 3, the diffractive optical element according to the present invention has a low dependence on the incident angle. For example, assuming the first light incident at the first angle and the second light incident at the second angle, when the diffraction efficiency of the first light is high at the center portion, the diffraction efficiency If the efficiency of the second light at the center portion is low, the height of the diffraction pattern becomes higher at the other edge. Therefore, the first-order diffraction efficiency according to the incident angle is controlled to be substantially similar.
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.That is, in the case where the wavelength changes and the incident angle changes, the high or low efficiency portion is compensated at the other region (edge) in the partial region (center portion) by the height change of the diffraction pattern, The total diffraction efficiency of the light can be similarly controlled.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도 및 평면도이고, 도 6은 본 발명의 회절광학소자가 비구면 렌즈의 합성된 형상을 보여주는 도면이다.FIG. 5 is a side view and a plan view of a diffractive optical element according to another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view showing a synthesized shape of an aspherical lens of the diffractive optical element of the present invention.
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.Referring to FIG. 5, in the diffractive optical element according to another embodiment of the present invention, the peak of the diffraction pattern is designed to be lowered from the center to the edge, so that the height gradually decreases. This is the same as that in Fig. 1, the height of the pattern is reduced by changing the valley d1 of the diffraction pattern. At this time, each diffraction pattern is formed into a ring shape (r 1 , r 2 ).
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.Referring to FIG. 6, the diffractive
도 7은 도 4에 도시한 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the primary light efficiency of the diffractive optical element shown in FIG. 4, and FIG. 8 is a graph showing the primary light efficiency of the diffractive optical element according to an embodiment of the present invention.
이때, 도 8의 1차광 회절효율(η)은 하기 수학식 4에 의해 산출된 결과를 시뮬레이션 한 결과이다.At this time, the primary light diffraction efficiency (?) Of FIG. 8 is the result of simulating the result calculated by the following equation (4).
[수학식 4]&Quot; (4) "
여기서, λ는 입사광의 파장이고, n1은 회절광학소자의 굴절율이고, n2는 공기의 굴절율이고, θ2는 광의 입사각도이고, m은 회절 차수이다.Here,? Is the wavelength of the incident light, n 1 is the refractive index of the diffractive optical element, n 2 is the refractive index of the air,? 2 is the incident angle of light, m is the diffraction order.
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. Referring to FIG. 7, the diffraction optical element (see FIG. 4) having a constant diffraction pattern height has the maximum efficiency at a design wavelength (for example, 546 nm, G) Can be seen to fall sharply.
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.Also, it can be seen that it shows an abrupt change according to the incident angle. The difference in efficiency depending on the wavelength difference efficiency and the incident angle causes a problem of color blurring. At this time, the dotted lines Bn, Gn, and Rn are lights other than the first-order light and act as noise in the actual image.
이에 반해, 도 8과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는 파장대별 1차광 회절효율이 거의 유사한 것을 알 수 있다. In contrast, as shown in FIG. 8, the diffraction optical element according to an embodiment of the present invention has substantially the same first-order diffraction efficiency for each wavelength band.
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. Specifically, the first-order light diffraction efficiencies of the red wavelength (R), the green wavelength (G) and the blue wavelength (B) are all uniformly distributed between 0.6 and 0.8, and the red wavelength (R) And the diffraction efficiency difference between the blue wavelengths B is 0.2 or less.
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.The angle of the light incident on the diffraction element may be perpendicular (0 degrees) to the diffraction element, or may have a predetermined angle. However, according to an embodiment of the present invention, there is almost no change in efficiency at an angle of view of 0 to 40 degrees.
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.Therefore, the diffraction efficiency is 0.6 or more and the diffraction efficiency difference in each wavelength band is 0.2 or less in the entire visible light region, so that the wavelength dependency and the incident angle dependence of the diffractive optical element are alleviated, and the problem of color blur is effectively solved.
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. Furthermore, since the diffractive optical element according to the present invention is designed in a single-layer structure instead of a stacked-type element in which a plurality of diffraction patterns are stacked, it is possible to design a thin-film diffractive optical element. Therefore, it is possible to realize a compact optical system including the same.
또한, 이러한 회절광학소자는 통신 단말용 카메라 모듈, 디지털 스틸 카메라, 캠코더와 같은 다양한 광학기기에 적용될 수 있다.
Such a diffractive optical element can be applied to various optical devices such as a camera module for a communication terminal, a digital still camera, and a camcorder.
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.Fig. 9 is an image taken by an optical device including the diffractive optical element shown in Fig. 4, Fig. 10 is an image taken by an optical device including a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention, 11 is a video image taken using a conventional optical device.
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.Referring to FIG. 9, in the image obtained by using an optical device (e.g., a camera module) equipped with a diffraction optical element having the same diffraction pattern height, purple color variation was observed in the center field (0.1 F) F), blue coloring was observed. It can be seen that the color variation is very large when compared with the image of FIG. 11 using the refractive optical system.
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.On the other hand, as shown in FIG. 10, in the image obtained by using the optical device equipped with the diffractive optical element according to the embodiment of the present invention, the color difference between the center field (0.1F) and the outline (0.7F) . It can be seen that the problem of color casting is greatly alleviated as compared with the image of FIG. 11 using a refractive optical system.
10: 광학회절소자
100: 회절패턴10: Optical diffraction element
100: diffraction pattern
Claims (4)
상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고,
상기 중심부에 형성된 제1회절패턴의 높이(ho)는 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 가장자리에 형성된 제2회절패턴의 높이(h1)는 하기 수학식 2를 만족하는 회절광학소자.
[수학식 1]
[수학식 2]
(여기서, nd는 회절광학소자의 굴절율이고, 750nm≤λ1≤950nm, 250nm≤λ2≤450nm 이다.)
A diffractive optical element having a diffraction pattern formed on at least one surface thereof,
The height of the diffraction pattern changes from the central portion of the one surface to the edge,
Wherein a height h o of the first diffraction pattern formed at the center portion satisfies the following expression ( 1 ), and a height h 1 of the second diffraction pattern formed at the edge satisfies the following expression (2).
[Equation 1]
&Quot; (2) "
(Where n d is the refractive index of the diffractive optical element, 750 nm? 1? 950 nm, 250 nm? 2 450 nm).
단층인 회절광학소자.
The method according to claim 1,
A single-layer diffractive optical element.
상기 제1회절패턴의 높이와 상기 제2회절패턴의 높이의 차는 600nm 내지 1400nm인 회절광학소자.
The method according to claim 1,
Wherein a difference between a height of the first diffraction pattern and a height of the second diffraction pattern is 600 nm to 1400 nm.
상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 회절패턴의 높이(hr)는 하기 수학식 3을 만족하는 회절광학소자.
[수학식 3]
(여기서, ho는 제1회절패턴의 높이이고, h1은 제2회절패턴의 높이이고, reff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.)The method according to claim 1,
And a height (hr) of the diffraction pattern varying from the central portion of the one surface to the edge increases as the following expression (3) is satisfied.
&Quot; (3) "
(Where ho is the height of the first diffraction pattern, h1 is the height of the second diffraction pattern, reff is the radius of the effective diameter, r is the radius of the diffraction pattern, and?
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