KR20210069069A - 광학 조립체, 광학 기기 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 렌즈 유닛(10) 및 제2 렌즈 유닛(20)을 포함하는 광학 조립체(100)로서, 중간 이미지 평면(2)은 제1 렌즈 유닛과 제2 렌즈 유닛 사이에 한정되고, 제1 렌즈 유닛(10)은 제1 이미지 평면(1)으로부터의 이미지를 중간 이미지 평면(2)에서 확대된 실제 중간 이미지로 이미지화하도록 배열되고, 제1 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로의 전체는 제1 이미지 평면에서 제1 입구 영역(11)을 한정하고 중간 이미지 평면에서 제1 출구 영역(12)을 한정하며, 제2 렌즈 유닛(20)은 중간 이미지 평면(2)으로부터의 이미지를 제2 이미지 평면(3)에서 확대된 실제 이미지로 이미지화하도록 배열되고, 제2 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로의 전체는 중간 이미지 평면에서 제2 입구 영역(21)을 한정하고 제2 이미지 평면에서 제2 출구 영역(22)을 한정하며, 및 제2 입구 영역(21)은 제1 출구 영역의 제1 부분을 포함하고 제1 출구 영역의 제2 부분을 제외하는, 광학 조립체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 광학 조립체 및 방법을 포함하는 광학 기기에 관한 것이다.

Description

광학 조립체, 광학 기기 및 방법

본 발명은 광학 조립체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 광학 조립체를 포함하는 광학 기기 및 광학 기기의 해상도를 증가시키는 방법에 관한 것이다.

패시브 광학 기기는 분해능과 밝기 인식 측면에서 눈의 기능을 확장시킨다. 밝기 차이, 넓게 분포된 공간 위치 및 물체의 색상 차이가 빛 정보 패킷(packets)으로 압축되는데, 충분한 에너지에 의해 먼 거리로 이동할 때 망원경으로 수신되고 전개될 수 있으며, 2-차원 이미지 정보로 표시될 수 있다. 매우 작은 공간으로 압축된 밝기, 공간 및 색상 정보가 현미경에 의해 추가로 사용될 수 있다.

육안의 분해능에 있어서, 25cm 거리는 기존의 가시 범위 또는 기준 가시 범위로 간주된다. 본원에서 눈은 오랜 시간 동안 최상의 공간 해상도를 얻을 수 있다. 물체를 눈 가까이에서 25~10cm 사이에 두면 짧은 시간 동안 더 나은 공간 해상도를 얻을 수 있다. 편안한 눈과 더 먼 거리에서, 수 미터에서 무한대까지 인간의 눈의 일반적인 각 해상도는 1분(angular minute) 이다.

수동 광학 기기는 서로 다른 목적들로 제조된다. 이들의 성능 특성은 기본적으로 각 응용 분야에 최적화되어 있다. 예를 들어, 망원경이나 현미경의 배율은 광학 기기의 각도 해상도가 사람의 눈의 해상도와 일치할 때까지 유용하게 증가될 수 있다. 이것을 유용 배율(useful magnification)이라고 한다. 반면에 시각적 대비가 너무 낮아지는 과도한 배율을 데드 배율(dead magnification)이라고 한다. 망원경, 사진 카메라 및 현미경과 같은 고전적인 이미징 시스템은 기본적으로 특수 렌즈, 특수 접안 렌즈 및/또는 이미지 센서의 구조를 가지고 있는데, 망원 렌즈 또는 천체 렌즈는 특히 거리를 늘리는데 적합하며 매크로 렌즈, 마이크로 렌즈 및 나노 렌즈는 광학 정보의 압축을 증가시키기 위해 특별히 조정된다.

대물 렌즈와 접안 렌즈/저장 매체 사이에 초점 거리 확장-광학계(소위 익스텐더(extenders)), 이미지 릴레이 광학계(소위 릴레이 광학계) 및 투영 렌즈가 투영 현미경에 장착될 수 있다. 이 모든 경우에 품질, 즉 이미지의 해상도와 대비가 감소한다. 이러한 방식으로 이미지 섹션이 축소, 즉 보이는 대상이 확대될 수 있지만 이는 이미지 선명도와 디테일의 풍부함을 희생시킨다.

본 발명의 목적은 광학 해상도가 개선될 수 있는 대체 장치, 대체 방법을 각각 제공하는 것이다.

이 과제는 청구항 1항에 기재된 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항들로 기재된다.

본 발명은 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛을 포함하는 광학 조립체에 관한 것이다. 중간 이미지 평면은 제1 렌즈 유닛과 제2 렌즈 유닛 사이에 한정된다. 제1 렌즈 유닛은 제1 이미지 평면으로부터의 이미지를 중간 이미지 평면에서 확대된 실제 중간 이미지로 이미지화하도록 구성된다. 제1 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로들의 세트는 제1 이미지 평면에서 제1 입구 영역을 한정하고 중간 이미지 평면에서 제1 출구 영역을 한정한다.

제2 렌즈 유닛은 중간 이미지 평면으로부터의 이미지를 제2 이미지 평면에서 확대된 실제 이미지로 이미지화하도록 구성된다. 제2 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로 세트는 중간 이미지 평면에서 제2 입구 영역을 한정하고 제2 이미지 평면에서 제2 출구 영역을 한정한다. 제2 입구 영역은 제1 출구 영역의 제1 부분을 포함하고 제1 출구 영역의 제2 부분을 제외한다.

제1 이미지 평면은 제1 렌즈 유닛의 입구 측에 있고 제2 이미지 평면은 제2 렌즈 유닛의 출구 측에 있다. 광축은 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛을 통해 광학 조립체의 입구 측으로부터 광학 조립체의 출구 측으로 연장될 수 있다. 이 경우, 제1 이미지 평면, 제2 이미지 평면 및 중간 이미지 평면은 광축에 실질적으로 수직일 수 있다. 제1 이미지 평면의 이미지는 이미지화될 물체에 의해 형성될 수 있거나, 차례로 본 발명에 따른 광학 조립체의 상부에 있는 광학 시스템에 의해 생성된 실제 중간 이미지일 수 있다. 제2 이미지 평면에 형성된 확대된 실제 이미지는 원하는 증가된 해상도를 갖는다. 제2 이미지 평면에서 생성된 이 확대된 실제 이미지는 추가 하부 광학 요소들에 의해 추가로 확대되거나 접안 렌즈를 통해 보이거나 이미지 센서로 캡처될 수 있다.

제1 렌즈 유닛은 제1 입구 개구 및 1보다 큰 제1 배율을 가지며, 둘 다 제1 렌즈 유닛을 통과한 가능한 빔 경로에 영향을 미친다. 유사하게, 제2 렌즈 유닛은 제2 입구 개구 및 1보다 큰 제2 배율을 가지며, 둘 다 제2 렌즈 유닛을 통과한 가능한 빔 경로에 영향을 미친다. 제1 및 제2 입구 영역, 및 제1 및 제2 출구 영역은 이들이 한정되는 각 평면 내의 평면 영역이다. 제1 출구 영역 및 제2 입구 영역은 모두 중간 이미지 평면에서 한정된다. 본 발명에 따른 광학 조립체의 특징은 제1 출구 영역의 일부만이 제2 입구 영역에 의해 중첩된다는 것이다. 이 겹치는 영역에서 말하자면 세부적으로 확대할 수 있다. 제2 렌즈 유닛의 개방을 통해 중간 이미지의 섹션에 속하는 광선만 들어간다. 즉, 소위 릴레이 광학계와 달리 전체 중간 이미지는 후속 제2 렌즈 유닛에 포함되지 않으며 두 렌즈 유닛 모두에서 확대된다.

가장 간단한 경우, 렌즈 유닛들은 단일 렌즈로 구성될 수 있다. 렌즈 유닛은 거울을 요소로 포함할 수도 있다.

제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛은 각각 렌즈 그룹으로 구성될 수 있다. 두 개의 렌즈 유닛 및 가능한 다른 광학 요소들은 공통 외부 튜브에 통합될 수 있다. 이러한 외부 튜브는, 예를 들어, 광학 조립체 내의 미광을 최소화하기 위해 내부에 홈이 있거나 검게될 수 있다. 특히, 제1 출구 영역의 제2 부분으로부터의 간접 광선 경로가 제2 렌즈 유닛의 입구 개구로 들어가는 것을 방지하는 요소가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 여러 광학 조립체의 캐스케이드형(cascade-like) 배열이 가능하며, 이는 또한 실시예와 관련하여 이하 더 설명될 것이다. 제1 렌즈 유닛 앞에 추가 렌즈 유닛을 적절히 배치하면, 추가 렌즈 유닛의 출구 영역은 추가 렌즈 유닛 및 제1 렌즈 유닛이 본 발명에 따른 추가 광학 조립체를 형성하는 방식으로 제1 이미지 평면에 대해 위치될 수 있고, 추가 렌즈 유닛은 추가 광학 조립체의 제1 렌즈 유닛의 역할을 하고, 최초-언급된 광학 조립체의 제1 렌즈 유닛은 추가 광학 조립체의 제2 렌즈 유닛의 역할을 한다. 본 발명에 따른 광학 조립체는 다중 프로젝션 모듈이라고 할 수 있는데, 이는 실제 중간 이미지(투영)를 적어도 두 번, 즉 중간 이미지 평면과 제2 이미지 평면에서 생성하기 때문이다.

본 발명자가 인식한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 조립체를 사용하면, 릴레이 광학계 및/또는 익스텐더에서 저해상도 또는 감소하는 콘트라스트와 같은 상술한 종래 기술의 단점이 물체를 확대할 때 발생하지 않는다; 반대로 원래 렌즈의 이미지 품질이 크게 향상된다.

광학 조립체의 일 실시예에서, 제1 렌즈 유닛은 제1 초점 거리를 갖고, 제2 렌즈 유닛은 제2 초점 거리를 갖는다. 제1 렌즈 유닛으로부터 중간 이미지 평면까지의 거리는 제1 이미지 폭을 한정하고, 제2 렌즈 유닛으로부터 제2 이미지 평면까지의 거리는 제2 이미지 폭을 한정한다. 실시예에 따르면, 제1 이미지 폭에 대한 제1 초점 거리의 비율은 1:10 내지 1:1000 범위이다. 대안으로, 또는 상기 특징과 결합하여, 제2 이미지 폭에 대한 제2 초점 길이의 비율은 1:10 내지 1:1000의 범위에있다.

초점 거리 대 이미지 폭 비율이 1:1 내지 1:2 범위인 릴레이 광학계와 달리, 본 발명의 실시예에 따르면 이미지 폭은 각각의 렌즈 유닛의 초점 거리보다 상당히 크다.

이미지 폭은 렌즈 유닛의 마지막 렌즈에서 생성된 실제 중간 이미지까지의 거리로 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 렌즈 유닛은 11mm의 초점 거리를 가질 수 있고 150mm의 이미지 폭으로 설계될 수 있는데, 즉, 초점 길이 대 이미지 폭 비율이 약 1:13.6 일 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 렌즈 유닛은 0.2mm의 매우 짧은 초점 거리를 가질 수 있으며 150mm의 이미지 폭으로 설계되어 1:750의 초점 거리 대 이미지 폭 비율을 가질 수 있다. 제2 렌즈 유닛은 제1 렌즈 유닛에 대한 예들 중 하나에 따라 초점 거리-대-초점 거리 비율을 가질 수 있다. 본 발명자는 이 실시예에 따른 이미지 품질이 특히 높다는 것을 인식했다.

일 실시예에 따르면, 제1 이미지 폭에 대한 제1 초점 길이의 비율 및/또는 제2 이미지 폭에 대한 제2 초점 길이의 비율은 1:40 이상이다. 본 발명자는 이 실시예에서 매우 높은 광학 품질을 유지하면서 1000 배를 초과하는 전체 조립체의 배율이 달성될 수 있다는 것을 인식했다. 이것은 특히 제1 이미지 폭에 대한 제1 초점 길이의 비율 및 제2 이미지 폭에 대한 제2 초점 길이의 비율이 모두 1:40 이상인 경우에 해당된다.

일 실시예에 따르면, 제1 및/또는 제2 렌즈 유닛은 무한 보정 렌즈의 구조를 갖는다.

특히, 제1 및/또는 제2 렌즈 유닛은 무한 보정 현미경 렌즈의 구조를 가질 수 있다. 무한 보정 렌즈란 다음 수차 중 하나 이상에 대해 무한대로 보정된 렌즈를 의미한다:

- 색수차,

- 구면 수차,

- 비점 수차,

- 코마(Coma).

특히, 상기 수차들 중 몇 개 또는 상기 수차들 모두가 실질적으로 무한대로 보정될 수 있다. 무한 보정은 보정이 렌즈 뒤의 모든 지점에 적용됨을 의미한다. 본 발명자는 이 실시예둘이 놀랍도록 높은 이미지 품질로 이어진다는 것을 인식했다. 본원에서 앞서 언급한 수차의 보정은 예상할 수 있는 특성에 영향을 미칠뿐만 아니라, -예를 들어, 명암 전환시 원치 않는 색 프린지(color fringes) 감소에서의 색수차 보정에서- 또한 놀랍게도 광학 조립체로 얻을 수 있는 해상도도 크게 향상된다.

무한 보정 디자인을 모두 갖춘 제1 및/또는 제2 렌즈 유닛을 통해 달성 가능한 해상도의 강력한 향상이 달성되었고, 초점 거리 대 이미지 거리의 비율도 1:40보다 크거나 같다.

일 실시예에 따르면, 제1 출구 영역의 제1 부분의 면적은 제1 출구 영역의 면적의 최대 10 분의 1이다.

이 실시예에 따르면, 제1 출구 영역의 제외된 제2 부분은 제2 렌즈 유닛에 의해 더 확대된 제2 입구 영역에 대응하는 제1 출구 영역의 제1 부분보다 훨씬 더 크다. 예를 들어, 제1 출구 영역의 제1 부분의 면적은 제1 출구 영역의 면적의 20 분의 1 이하일 수 있다.

일 실시예에서, 하나 이상의 추가 렌즈 유닛은 제2 렌즈 유닛에 인접하게 배열되고 하나 이상의 추가 렌즈 유닛은 중간 이미지 평면으로부터의 이미지를 추가 이미지 평면에서 확대된 실제 이미지로 이미지화하도록 배열된다. 이에 따라, 추가 대상 유닛을 통과하는 가능한 광선 경로의 전체는 중간 이미지 평면에서 추가 입구 영역을 한정하고 추가 이미지 평면에서 추가 출구 영역을 한정하며, 추가 입구 영역은 제1 입구 영역과 다르다.

이 실시예에서, 추가 렌즈 유닛은 다른 입구 영역으로 향하는 것을 제외하고는 제2 렌즈 유닛과 동일한 기능을 갖는다. 복수의 이러한 추가 렌즈 유닛들은 예를 들어, 곤충의 겹눈 방식으로 나란히 배열될 수 있다.

추가 렌즈 유닛 각각은 예를 들어, 단일 렌즈로 형성될 수 있다. 추가 입구 영역은 예를 들어, 육각형 배열로 배열될 수 있는데, 따라서 추가 입구 영역들은 서로 약간 겹치거나 가장자리의 제2 입구 영역과 약간 겹칠 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 출구 영역의 큰 부분 또는 전체 제1 출구 영역으로부터의 이미지 부분들이 기록될 수 있고, 평행하게 작동하는 복수의 추가 렌즈 유닛을 통해 간격없이 더 확대될 수 있다.

광학 조립체의 이 실시예는, 예를 들어, 추가 렌즈 유닛이 각각 별도의 이미지 센서 앞에 배열되는 광학 기기에 통합될 수 있다. 제2 렌즈 유닛 및 추가 렌즈 유닛은 각각 마이크로 렌즈 어레이에서 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로 형성될 수 있으며, 이러한 마이크로 렌즈 어레이는 100 개 내지 1000 개의 개별 마이크로 렌즈, 즉 병렬로 배열된 추가 렌즈 유닛을 포함할 수 있다.

광학 조립체의 일 실시예에서, 제1 렌즈 유닛은 중간 이미지 평면의 영역에서 제1 렌즈 유닛의 상이한 반경 영역에 의해 형성되는 초점이 제1 렌즈 유닛의 광축 방향으로 500 나노미터 미만 떨어져 있도록 구성되고, 바람직하게는 50 나노미터 미만으로 떨어져 있도록 구성된다.

대안으로, 또는 상기 제1 렌즈 유닛의 설계와 조합하여, 제2 렌즈 유닛은 제2 렌즈 유닛의 광축 방향으로 제2 이미지 평면의 영역에서 제2 렌즈 유닛의 서로 다른 방사형 영역에 의해 형성된 초점이 500 나노미터 미만으로 떨어져 있도록 설계되고, 바람직하게는 50 나노미터 미만으로 떨어져 있도록 설계된다.

렌즈 유닛의 초점이 떨어지는 영역의 광축 방향의 범위, 즉, 근축 초점, 중심 영역 초점 및 에지 광선 초점이 있는 영역의 범위는 구면 수차의 척도이다.

이 실시예에서, 제1 렌즈 유닛 및/또는 제2 렌즈 유닛의 구면 수차는 높거나 매우 높은 정도로 보정된다. 본 발명자는 본 발명에 따른 광학 조립체로의 배열에서 개별 렌즈 요소의 낮은 구면 수차에 의해 이미지의 품질이 놀랍게도 크게 개선된다는 것을 인식했다.

낮은 구면 수차는 적절한 모양의 비구면 렌즈 또는 렌즈 유닛에 내장된 하나 이상의 적절한 모양의 비구면 렌즈를 구비한 렌즈 그룹에 의해 달성될 수 있다.

구면 수차를 보정하는 또 다른 방법은 광선이 수렴하거나 발산하는 렌즈 유닛의 한 지점에서 평평하고 평행한 표면에 의해 두께 및 굴절률로 한정되는 수차 보정 평면을 통합하는 것이다.

본 발명자는 초점이 50 나노미터보다 더 가깝게, 즉 일반적으로 이미지화되는 파장의 1/10보다 더 가까운 정도까지 구면 수차에 대한 렌즈 유닛의 최적화도 인지하였는데, 놀랍게도 본 발명의 광학 조립체에 의한 이미지 품질의 추가 증가로 이어진다.

또한, 이 실시예에서 뿐만 아니라 다른 실시예에서도 색수차가 보정될 수 있다. 이 보정은 소위 무한대 보정으로 구현될 수 있는데, 즉, 보정이 렌즈 뒤의 모든 지점에 적용되는 방식이다. 일 실시예에서, 광학 조립체는 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛에 대한 공통 마운트(mount)를 갖는다.

광학 조립체의 일 실시예에서, 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛은 공통 광축에 평행하게 서로에 대해 이동 가능하다. 특히, 제1 렌즈 유닛과 제2 렌즈 유닛은 5mm 내지 5cm 범위 내에서 서로에 대해 변위 가능하다.

이 실시예에서, 상이한 물체 거리에 대해, 2개의 렌즈 유닛의 상호 위치가 조정되어 공통 중간 이미지 평면이 2개의 렌즈 유닛으로부터 적절한 거리에 놓일 수 있다.

광학 조립체의 일 실시예에서, 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛은 동일한 특성들을 갖는다.

이 실시예에서, 예를 들어, 동일한 디자인의 2개의 사전 제작된 렌즈 유닛이 서로의 뒤에 배열될 수 있다. 이는 특히 비용 효율적이고 간단한 광학 조립체 생산을 가능하게 한다.

광학 조립체의 일 실시예는 직렬로 배열된 3개 이상의 렌즈 유닛을 포함하고, 각각의 인접한 렌즈 유닛 쌍은 본 발명에 따른 광학 조립체를 형성하고, 특히, 적어도 한 쌍의 인접한 렌즈 유닛은 상기 실시예 중 하나에 따른 광학 조립체를 형성한다.

두 개의 렌즈 유닛으로 구성된 광학 조립체의 기본 요소는 캐스케이드로 확장될 수 있다. 캐스케이드의 각 단계에서 하나의 렌즈 유닛이 실제 이미지의 일부를 확대하고 한정된 거리로 투사하는데, 다음 렌즈 유닛이 이 실제 이미지의 한 부분을 한정된 거리로 다시 투사하고, 이는 캐스케이딩 시스템(cascading system)의 각 단계에서 반복된다. 마지막 투사 렌즈의 실제 이미지는 예를 들어, 수렴 렌즈 및/또는 접안 렌즈를 통해 저장 매체 또는 눈을 통해 물체의 현재 매우 확대되고 세부적인 이미지를 볼 수 있게 한다.

이 실시예는 특히 1,000 배 내지 10,000 배 범위의 총 배율에 적합하다.

광학 조립체의 실시예의 특징은 모순되지 않는 한 원하는대로 결합될 수 있다.

이 과제는 제12 항에 따른 광학 기기에 의해 추가로 해결된다.

본 발명에 따른 광학 기기는 본 발명에 따른 광학 조립체를 포함하고 이미지 센서 또는 접안경을 더 포함하며, 이미지 센서 또는 접안경은 제2 렌즈 유닛의 하부에 위치된다.

접안 렌즈를 사용하는 경우 고해상도 이미지를 눈으로 직접 볼 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 매트릭스에 배열된 감광성 검출기 요소를 가질 수 있다. 이러한 이미지 센서는 예를 들어, 소위 CCD(charge-coupled device) 센서의 형태로 상업적으로 이용 가능하다.

광학 기기의 일 실시예는 광학 조립체의 입구 측에 배치된 핀홀을 갖는다. 이 실시예에서, 핀홀은 가상 렌즈를 형성한다. 따라서 광학 기기의 제1 단계는 특정 물체 거리를 설정할 필요가 없는 핀홀 카메라(카메라 옵스큐라(camera obscura)) 방식으로 작동한다.

광학 기기의 일 실시예는 광학 조립체의 입력 측에 배치된 입력 렌즈를 더 포함한다.

이 실시예에 따른 광학 기기는 멀티스코프(multiscope) 기기라고 칭해진다. 입력-렌즈-다중투영-모듈-오클라(input-lens-multiprojection-module-ocular) 또는 렌즈-다중투영-모듈 이미지 센서(lens-multiprojection-module-image sensor)의 동일한 기본 구조로, 범용 수동 광학 기기가 구성될 수 있는데, 이는 천체, 망원, 매크로, 마이크로 및 나노 사진의 응용 분야에도 똑같이 적합하다. 이러한 맥락에서, 다중 투영 모듈은 본 발명에 따른 광학 조립체를 의미한다.

이 실시예의 간단한 기술적 실현으로서, 임의의 입력 렌즈, 투사 렌즈, 수렴 렌즈 및 접안 렌즈의 배열이 고려될 수 있으며, 개별 요소들은 광축을 따라 언급된 순서로 배열된다.

광학 기기의 일 실시예에서, 입력 렌즈는 망원 렌즈로 구성된다. 이 실시예는 더 먼 거리에 있는 물체를 촬영하는데 적합하다. 이 실시예에서, 초점 및 줌 설정을 위한 조정 요소는 망원 렌즈에 통합될 수 있다. 제1 및 제2 렌즈 요소를 갖는 후속 광학 조립체는 해상도의 추가 증가를 제공한다.

광학 기기의 일 실시예에서, 입력 렌즈는 90mm 이상의 입구 개구를 갖고 400mm 이상의 초점 거리를 갖는다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 광학 기기로 구성되고 입력 렌즈가 현미경 렌즈로 구성되는 광학 기기, 특히 현미경에 관한 것이다.

이 실시예는 이미지화될 물체에 매우 가깝게 입력 렌즈를 이동시키는데 특히 적합하다.

광학 기기, 특히 현미경의 일 실시예에서, 입력 렌즈는 6mm 이하의 입구 개구 및 10mm 이하의 초점 거리를 갖는다.

일 실시예에서, 광학 기기, 특히 현미경은 시료 캐리어 및 조명 유닛을 추가로 포함하고, 조명 유닛에서 시작하여 조명 유닛의 광선이 시료 캐리어의 한면을 비추고, 이어서 제1 및 제2 렌즈 유닛을 통과하고 마지막으로 이미지 센서에 충돌하는데, 포커싱 유닛에 장착된 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛은 포커싱을 위해 최대 50 나노미터 단계로 공동으로 변위가능하다.

현미경의 각각의 광학 기기의 실시예들의 특징들은 모순되지 않는 한 임의로 결합될 수 있다.

본 발명의 과제는 제20항에 따른 방법에 의해 추가로 해결된다.

본 발명에 따른 방법은 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛을 구비한 광학 기기에 의한 광학 이미징 방법이다. 제1 렌즈 유닛은 제1 이미지를 확대된 제1 중간 실제 이미지로 이미지화한다. 또한, 제2 렌즈 유닛은 제1 중간 실제 이미지의 일부 영역을 확대된 제2 중간 실제 이미지로 이미지화한다.

본 발명에 따른 광학 조립체 및 광학 기기 또는 현미경은 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 적합하다.

모든 실시예에서, 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛의 광학적 특성은 현미경 렌즈의 광학적 특성에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 렌즈 유닛의 잘 작동하는 조합이 하기에 기재되며, 각각 초점 거리(f)와 밀리미터 단위의 입구 조리개(D)를 특징으로 한다.

실시예 1은 제1 렌즈 유닛과 제2 렌즈 유닛이 동일한 특성을 갖는 실시예이다. 다섯 개의 표로 작성된 모든 실시예에서 렌즈 유닛의 입구 조리개(D)는 초점 거리(f)보다 훨씬 크다. 주어진 예에서 몫(D/f)은 약 3.7(실시예 1, 2, 4 및 5의 제1 렌즈 유닛 참조)에서 약 61(실시예 5의 제2 렌즈 유닛 참조) 범위이다.

본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 이하 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 의한 광학 조립체의 개략적이고 단순화된 사시도이다;
도 2는 본 발명에 의한 광학 기기의 일 실시예의 개략적이고 단순화된 단면도이다;
도 3은 본 발명에 의한 현미경의 개략적이고 단순화된 단면도이다;
도 4는 제2 렌즈 유닛 옆에 배열된 추가 렌즈 유닛을 구비한 실시예의 개략적이고 단순화된 도면이다.

도 1은 제1 렌즈 유닛(10) 및 제2 렌즈 유닛(20)을 포함하는 본 발명에 따른 광학 조립체(100)를 도시한다. 두 렌즈 유닛을 통과하는 광축(4)이 도시된다. 제1 이미지 평면(1)은 제1 렌즈 유닛의 입력 측에 한정되고, 중간 이미지 평면(2)은 두 렌즈 유닛 사이에 한정되고, 제2 이미지 평면(3)은 제2 렌즈 유닛의 출력 측에 한정된다. 언급된 평면은 광학 이미징 특성들과 제1 및 제2 렌즈 유닛의 상호 위치에 의해 위치가 한정되는 가상 평면이다. 제1 렌즈 유닛(10)은 제1 이미지 평면(1)으로부터의 이미지를 중간 이미지 평면(2)에서 확대된 실제 중간 이미지로 이미지화하도록 배열된다.

제1 렌즈 유닛을 통해 가능한 광선 경로의 전체는 일종의 입구 원뿔(entrance cone)에 놓여 있으며, 이는 점선으로 표시되고 제1 이미지 평면과 교차하여 제1 평면 입구 영역(11)을 한정한다. 유사하게, 중간 이미지 평면에서 가능한 광선 경로를 갖는 출구 원뿔은 제1 평면 출구 영역(12)을 한정한다.

제2 렌즈 유닛(20)은 중간 이미지 평면(2)으로부터의 이미지를 제2 이미지 평면(3)에서 확대된 실제 이미지로 매핑(mapping)하도록 배열된다.

이에 따라, 제2 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로의 전체는 또한 점선으로 표시된 일종의 입구 원뿔을 한정하고 중간 이미지 평면과 교차하는 제2 평면 입구 영역(21)을 한정한다. 유사하게, 제2 평면 출구 영역(22)이 제2 이미지 평면에 한정된다.

제2 입구 영역(21)은 도면에서 좌측 상단에서 우측 하단으로 비스듬하게 빗금쳐진 제1 출구 영역의 제1 부분을 포함하고, 제1 출구 영역의 제2 부분을 제외한다. 제2 제외 영역은 왼쪽 하단에서 오른쪽 상단으로 비스듬하게 빗금쳐진다. 이미징 단계를 명확히하기 위해, 제1 입구 영역(11) 및 제1 출구 영역(12)은 동일한 방식으로 빗금쳐지고, 제2 입구 영역(21) 및 제2 출구 영역(22)은 동일한 방식으로 빗금쳐진다. 이 빗금은 이미지 내용을 나타내지 않는다. 광축(4)의 화살표는 이미지의 방향을 나타낸다.

도 2는 광학 기기의 실시예를 통한 개략적인 단면을 도시한다. 광학 조립체(100)는 중괄호로 표시된 섹션에 위치된다.

제1 이미지 평면(1), 제2 이미지 평면(3), 중간 이미지 평면(2) 및 다른 평면의 위치는 각각 점선으로 표시된다.

실제 이미지 또는 중간 이미지뿐만 아니라 이미지들 및 중간 이미지의 섹션들은 각각의 평면에서 화살표로 표시되며 화살표 방향은 이미지의 위치를 나타낸다. 물체면에서 관찰된 물체(60)는 제1 이미지면(1)에서 입력 렌즈(30)에 의해 이미지화된다.

이 이미지(62)의 섹션(63)은 제1 렌즈 유닛(10)에 의해 중간 이미지 평면(2)으로 이미지화된다. 중간 이미지 평면에서 이미지(64)의 섹션(65)은 다시 제2 렌즈 유닛(20)에 의해 제2 이미지 평면(3)으로 이미지화된다. 여기에 형성된 이미지(66)는 수렴 렌즈(40)를 통해 이미지 센서 평면(51)으로 이미지화되며, 그 뒤에 이미지 센서(50), 예를 들어, CCD 센서가 배치된다.

도시된 도면은 배율이 맞지 않을 수 있다. 특히, 광학 요소들(10, 20, 30, 40)의 광축(4) 방향으로의 연장은 상당히 클 수 있다.

예를 들어, 고려중인 물체(60)는 0.5m에서 무한대의 거리에 있을 수 있다. 입력 렌즈(30)는 예를 들어, 90mm 이상의 입력 조리개를 가질 수 있다. 예를 들어, 입력 렌즈(30)는 400mm 이상의 초점 거리를 가질 수 있다. 제1 렌즈 유닛(10)과 제2 렌즈 유닛(20)은 모두 예를 들어, 현미경 렌즈의 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 렌즈 유닛(10) 및 제2 렌즈 유닛(20)은 동일한 디자인이고 6mm 이하의 입력 조리개를 가지며 10mm 이하의 초점 거리를 가질 수 있다.

도 3은 도 2와 유사한 현미경(300)의 실시예를 도시한다. 여기서, 입력 렌즈(30)는 현미경 렌즈이다. 따라서, 촬상 물체(60)에서 입력 렌즈까지의 거리는 입력 렌즈의 직경에 비해 작다. 예를 들어, 입력 렌즈(30)는 6mm 이하의 입력 조리개를 가질 수 있고 10mm 이하의 초점 거리를 가질 수 있다. 광학 조립체(100), 수렴 렌즈(40) 및 이미지 센서(50)는 도 2에 도시된 것과 동일한 방식으로 구성될 수 있다.

도 4는 하나 이상의 추가 렌즈 유닛이 제2 렌즈 유닛 옆에 배열되는 실시예를 도시한다. 이 도면에 두 개의 추가 렌즈 유닛(20',20'')이 도시된다. 이들은 제2 렌즈 유닛(20)과 동일한 기능을 갖지만, 각각은 다른 추가 입구 영역(21',21'')을 추가 이미지 평면(3',3'')에서 추가 출구 영역(22',22'') 상에 매핑한다. 도시된 경우, 입구 영역(21')은 입구 영역(21',21'')으로부터 공간적으로 분리된다. 입구 영역(21)과 입구 영역(21'')은 부분적으로 겹친다. 이미지 평면(3,3', 3'')은 이 도면과 같이 공간에서 다른 위치와 방향을 가질 수 있지만 동일한 평면일 수도 있다.

참조 기호 목록
1 제1 이미지 평면
2 중간 이미지 평면
3 제2 이미지 평면
3', 3'' 추가 이미지 평면들
4 광축
10 제1 렌즈 유닛
11 제1 입구 영역
12 제1 출구 영역
20 제2 렌즈 유닛
20', 20'' 추가 렌즈 유닛들
21 제2 입구 영역
21', 21'' 추가 입구 영역들
22 제2 출구 영역
22', 22'' 추가 출구 영역들
30 입력 렌즈
40 공동 렌즈
50 이미지 센서
51 이미지 센서 평면
60 물체
61 물체 평면
62 제1 이미지 평면의 실제 이미지
63 실제 이미지(62)의 일부
64 중간 이미지 평면의 실제 중간 이미지
65 실제 중간 이미지(64)의 일부
66 제2 이미지 평면의 실제 이미지
67 실제 이미지(66)의 일부
68 이미지 센서 평면의 실제 이미지
100 광학 조립체
200 광학 기기
300 현미경

Claims (20)

1. 제1 렌즈 유닛(10) 및 제2 렌즈 유닛(20)을 포함하는 광학 조립체(100)로서,
   중간 이미지 평면(2)은 제1 렌즈 유닛과 제2 렌즈 유닛 사이에 한정되고, 제1 렌즈 유닛(10)은 제1 이미지 평면(1)으로부터의 이미지를 중간 이미지 평면(2)에서 확대된 실제 중간 이미지로 이미지화하도록 배열되고, 제1 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로의 전체는 제1 이미지 평면에서 제1 입구 영역(11)을 한정하고 중간 이미지 평면에서 제1 출구 영역(12)을 한정하며,
   제2 렌즈 유닛(20)은 중간 이미지 평면(2)으로부터의 이미지를 제2 이미지 평면(3)에서 확대된 실제 이미지로 이미지화하도록 배열되고,
   제2 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로의 전체는 중간 이미지 평면에서 제2 입구 영역(21)을 한정하고 제2 이미지 평면에서 제2 출구 영역(22)을 한정하며, 및
   제2 입구 영역(21)은 제1 출구 영역의 제1 부분을 포함하고 제1 출구 영역의 제2 부분을 제외하는, 광학 조립체.
   
2. 제1항에 있어서, 제1 렌즈 유닛은 제1 초점 거리를 갖고, 제2 렌즈 유닛은 제2 초점 거리를 가지며, 제1 렌즈 유닛으로부터 중간 이미지 평면까지의 거리는 제1 이미지 폭(first image width)을 한정하고, 제2 렌즈 유닛으로부터 제2 이미지 평면까지의 거리는 제2 이미지 폭을 한정하고, 제1 이미지 폭에 대한 제1 초점 길이의 비율 및/또는 제2 이미지 폭에 대한 제2 초점 길이의 비율은 1:10 내지 1:1000의 범위인, 광학 조립체.
   
3. 제2항에 있어서, 제1 이미지 폭에 대한 제1 초점 길이의 비율 및/또는 제2 이미지 폭에 대한 제2 초점 길이의 비율은 1:40 이상인, 광학 조립체.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 렌즈 유닛은 무한 보정 렌즈의 구조를 갖는, 광학 조립체.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 출구 영역의 제1 부분의 면적은 제1 출구 영역 면적의 최대 1/10인, 광학 조립체.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 추가 렌즈 유닛이 제2 렌즈 유닛에 인접하게 배열되고 하나 이상의 추가 렌즈 유닛은 중간 이미지 평면(2)의 이미지를 추가 이미지 평면(3', 3'')에서 확대된 실제 이미지로 이미지화하도록 배열되고, 추가 렌즈 유닛을 통과한 가능한 광선 경로의 전체는 중간 이미지 평면에서 추가 입구 영역(21', 21'')을 한정하고 추가 이미지 평면에서 추가 출구 영역(22', 22'')을 한정하며, 추가 입구 영역(21', 21'')은 제1 입구 영역(21)과 다른, 광학 조립체.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 렌즈 유닛(10)은 제1 렌즈 유닛의 서로 다른 방사상 영역에 의해 형성된 초점이 제1 렌즈 유닛의 광축 방향으로 중간 이미지 평면(2)의 영역에서 500 나노미터 미만, 특히 50 나노미터 미만의 간격으로 떨어져 있도록 구성되고/구성되거나 제2 렌즈 유닛(20)은 제2 렌즈 유닛의 서로 다른 방사상 영역에 의해 형성된 초점이 제2 렌즈 유닛의 광축 방향으로 제2 이미지 평면(3) 영역에서 500 나노미터 미만, 특히 50 나노미터 미만의 간격으로 떨어져 있도록 구성되는, 광학 조립체.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 조립체는 제1 렌즈 유닛(10) 및 제2 렌즈 유닛(20)에 대한 공통 마운트(common mount)를 포함하는, 광학 조립체.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 렌즈 유닛(10) 및 제2 렌즈 유닛(20)은 공통 광축(4)에 평행하게 서로에 대해 변위가능(displaceable)하고, 특히 5mm 내지 5cm 범위 내에서 서로에 대해 변위가능한, 광학 조립체.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 렌즈 유닛(10)과 제2 렌즈 유닛(20)은 동일한 특성들을 갖는, 광학 조립체.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 조립체는 직렬로 배열된 3개 이상의 렌즈 유닛(10, 20)을 포함하고, 각각의 인접한 렌즈 유닛(10, 20)의 쌍은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 조립체를 형성하는, 광학 조립체.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광학 조립체를 포함하는 광학 기기(200, 300)로서, 광학 기기는 이미지 센서(50) 또는 접안경을 더 포함하고, 이미지 센서 또는 접안경은 제2 렌즈 유닛의 하부에 있는, 광학 기기.
    
13. 제12항에 있어서, 광학 기기는 광학 조립체의 입구 측(entrance side)에 배치된 핀홀(pinhole)을 더 포함하는, 광학 기기.
    
14. 제12항에 있어서, 광학 기기는 광학 조립체의 입력 측(input side)에 배치된 입력 렌즈(30)를 더 포함하는, 광학 기기.
    
15. 제12항에 있어서, 입력 렌즈(30)는 망원 렌즈로 구성되는, 광학 기기.
    
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 입력 렌즈의 입구 조리개는 90mm 이상이고 초점 거리는 400mm 이상인, 광학 기기.
    
17. 제14항에 있어서, 입력 렌즈는 현미경 렌즈로 구성되는, 광학 기기.
    
18. 제14항 또는 제17항에 있어서, 입력 렌즈는 입구 조리개가 6mm 이하이고 초점 거리가 10mm 이하인, 광학 기기.
    
19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 광학 기기는 시료 캐리어(specimen carrier)와 조명 유닛을 더 포함하고, 조명 유닛에서 시작하여 조명 유닛의 광선이 시료 캐리어의 일측을 비추고, 제1 및 제2 렌즈 유닛을 통과하여 마지막으로 이미지 센서에 충돌하며, 포커싱 유닛에 장착된 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛은 포커싱을 위해 최대 50 나노미터 단계로 함께 변위될 수 있는, 광학 기기.
    
20. 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛을 갖는 광학 기기에 의한 광학 이미징 방법으로서, 제1 이미지는 제1 렌즈 유닛에 의해 확대된 제1 중간 실제 이미지로 이미지화되고, 제1 중간 실제 이미지의 일부 영역은 제2 렌즈 유닛에 의해 확대된 제2 중간 실제 이미지로 이미지화되는 광학 이미징 방법.

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