광선 역추적 방식을 이용한 구면 수차제거 비구면 렌즈의 설계 및 제작에 관한 연구 Research on the Ray Reverse Tracing Method for Spherical Aberration-Free Aspherical Lens Design and Manufacturing원문보기
대부분의 광학계는 고기능, 고품질 광학계의 필요성과 소형화의 추세로 인하여 구면 렌즈 광학계에서 비구면 렌즈(Aspherical lens) 광학계로 변화되고 있는 추세이다. 또한 광학 렌즈에서 요구되는 가장 중요한 기능은 실물과 동일한 고품질의 형상을 구현하는 광학적 역할이다. 그러나 렌즈의 특성 중에 이러한 역할을 저해하는 요소로서 ...
대부분의 광학계는 고기능, 고품질 광학계의 필요성과 소형화의 추세로 인하여 구면 렌즈 광학계에서 비구면 렌즈(Aspherical lens) 광학계로 변화되고 있는 추세이다. 또한 광학 렌즈에서 요구되는 가장 중요한 기능은 실물과 동일한 고품질의 형상을 구현하는 광학적 역할이다. 그러나 렌즈의 특성 중에 이러한 역할을 저해하는 요소로서 수차(Aberration)가 존재한다. 본 연구에서는 비구면 렌즈의 설계에 있어서 광선 역추적 방식(Ray reverse tracing method)을 고안하고 이 방법을 이용하여 구면수차를 보정 또는 제거함과 동시에 비구면 렌즈를 설계하는 방법을 제안하고 있다. 광선 역추적 방법은 광학 시스템 설계에 널리 사용되고 있는 광선 추적방법에 스넬의 법칙과 구면수차의 제거를 포함하는 설계 알고리즘을 적용한 것을 특징으로 하고 있다. 이 방법은 렌즈의 굴절률과 초점거리 만을 이용하여 구면 수차가 제거된 비구면 렌즈의 설계가 가능하다. 제안한 설계 방법의 생산기술적 활용을 도모하기 위하여 렌즈의 설계와 제작을 위한 일련의 과정을 PC상에서 쉽게 구현할 수 있도록 설계모듈과 가공모듈로 구성된 CAM 프로그램으로 통합 개발하였다. 설계 모듈에서는 본 논문에서 제안하고 있는 설계 알고리즘을 이용하고 있으며 그 결과값은 비구면 렌즈의 형상 데이터로 출력이 이루어진다. 가공모듈에서는 설계모듈의 결과 데이터에 기본적인 공구 정보를 추가하여 렌즈의 제작에 필요한 공구 경로 생성이 이루어지도록 구성하였다. 따라서 설계에서 제작에 이르는 일련의 과정이 CAM 프로그램으로 통합 개발됨으로써 개발기간을 단축과 효율성을 증대시켰다. 본 연구에서 제안하는 설계방법의 타당성과 신뢰성을 판단하기 위해 개발된 프로그램을 이용하여 구면수차가 제거된 비구면 렌즈를 설계 및 제작하였으며 제작된 렌즈의 결상성능과 집광성능을 측정하였다. 여기에 사용된 측정장치는 구면수차의 발생량과 영향을 정량적으로 개량할 수 있도록 자체적으로 측정장치를 고안하고 제작하여 측정에 사용하였다. 최근에 다품종 소량생산 추세 하에서 다양한 종류의 광학렌즈가 사용되고 있으며, 특히 비구면 렌즈의 경우에는 정확한 렌즈의 설계정보, 즉 형상정보가 제공되지 않을 경우에는 광학적 특성을 정의하는 것이 불가능하게 되며 동일한 렌즈의 제작 마저 극히 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 임의의 형상을 가지는 비구면 렌즈를 대상으로 역공학 방법을 적용함으로써 비구면 렌즈의 형상설계정보를 추적하는 방식을 제안하고, 이의 실효성을 확인하였다. 비구면 렌즈의 형상정보를 도출하는 방법은 비구면 렌즈의 설계, 생산 분야를 포함한 성능평가와 관련하여 유효하게 활용 가능한 것으로 판단되며 비구면 렌즈의 개발기간 단축 등의 효과 역시 기대할 수 있다.
대부분의 광학계는 고기능, 고품질 광학계의 필요성과 소형화의 추세로 인하여 구면 렌즈 광학계에서 비구면 렌즈(Aspherical lens) 광학계로 변화되고 있는 추세이다. 또한 광학 렌즈에서 요구되는 가장 중요한 기능은 실물과 동일한 고품질의 형상을 구현하는 광학적 역할이다. 그러나 렌즈의 특성 중에 이러한 역할을 저해하는 요소로서 수차(Aberration)가 존재한다. 본 연구에서는 비구면 렌즈의 설계에 있어서 광선 역추적 방식(Ray reverse tracing method)을 고안하고 이 방법을 이용하여 구면수차를 보정 또는 제거함과 동시에 비구면 렌즈를 설계하는 방법을 제안하고 있다. 광선 역추적 방법은 광학 시스템 설계에 널리 사용되고 있는 광선 추적방법에 스넬의 법칙과 구면수차의 제거를 포함하는 설계 알고리즘을 적용한 것을 특징으로 하고 있다. 이 방법은 렌즈의 굴절률과 초점거리 만을 이용하여 구면 수차가 제거된 비구면 렌즈의 설계가 가능하다. 제안한 설계 방법의 생산기술적 활용을 도모하기 위하여 렌즈의 설계와 제작을 위한 일련의 과정을 PC상에서 쉽게 구현할 수 있도록 설계모듈과 가공모듈로 구성된 CAM 프로그램으로 통합 개발하였다. 설계 모듈에서는 본 논문에서 제안하고 있는 설계 알고리즘을 이용하고 있으며 그 결과값은 비구면 렌즈의 형상 데이터로 출력이 이루어진다. 가공모듈에서는 설계모듈의 결과 데이터에 기본적인 공구 정보를 추가하여 렌즈의 제작에 필요한 공구 경로 생성이 이루어지도록 구성하였다. 따라서 설계에서 제작에 이르는 일련의 과정이 CAM 프로그램으로 통합 개발됨으로써 개발기간을 단축과 효율성을 증대시켰다. 본 연구에서 제안하는 설계방법의 타당성과 신뢰성을 판단하기 위해 개발된 프로그램을 이용하여 구면수차가 제거된 비구면 렌즈를 설계 및 제작하였으며 제작된 렌즈의 결상성능과 집광성능을 측정하였다. 여기에 사용된 측정장치는 구면수차의 발생량과 영향을 정량적으로 개량할 수 있도록 자체적으로 측정장치를 고안하고 제작하여 측정에 사용하였다. 최근에 다품종 소량생산 추세 하에서 다양한 종류의 광학렌즈가 사용되고 있으며, 특히 비구면 렌즈의 경우에는 정확한 렌즈의 설계정보, 즉 형상정보가 제공되지 않을 경우에는 광학적 특성을 정의하는 것이 불가능하게 되며 동일한 렌즈의 제작 마저 극히 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 임의의 형상을 가지는 비구면 렌즈를 대상으로 역공학 방법을 적용함으로써 비구면 렌즈의 형상설계정보를 추적하는 방식을 제안하고, 이의 실효성을 확인하였다. 비구면 렌즈의 형상정보를 도출하는 방법은 비구면 렌즈의 설계, 생산 분야를 포함한 성능평가와 관련하여 유효하게 활용 가능한 것으로 판단되며 비구면 렌즈의 개발기간 단축 등의 효과 역시 기대할 수 있다.
At present, most optical systems change from using spherical lens to aspherical lens due to the trend of system micronization and necessity of high-function and high quality. The most important function required from optical lens is their optical role that embodies high precision image exactly the s...
At present, most optical systems change from using spherical lens to aspherical lens due to the trend of system micronization and necessity of high-function and high quality. The most important function required from optical lens is their optical role that embodies high precision image exactly the same as real object. But there is an undesirable factor in lens characteristics so called aberration that hinders lens features. Thus, based on this background, this research presents aspherical lens design and manufacturing technology for aspherical lens. In this study, aberration-free aspherical lens design method named ray reverse tracing method is introduced. Ray reverse tracing method includes Snell’s law and a design algorithm for eliminating spherical aberration, which were excluded in ray reverse tracing method. From the result, it is possible to design aberration-free aspherical lens with the focal length and refractive index only by use of the ray reverse tracing method. Furthermore, in order to realize design method which is suggested in this study on PC and machine aspherical lens, CAM program is developed. CAM program consists of design module for spherical aberration-free aspherical lens design and machining module for creating tool path. For the purposed of estimating reasonability and reliability of design method, spherical aberration-free aspherical lenses and spherical lenses are designed and machined by using CAM program. Extent of Spherical aberration and its influence are investigated by measuring image formation efficiency and light concentrating efficiency of machined lenses. Moreover, the design formula for aspheric lenses is needed in almost all of the design, manufacture and measuring processes. If the structural design information used in the design formula is not known, application of arbitrary aspheric lens is difficult. Therefore, in this research, the method of extracting shape design data on arbitrary aspherical lens by reverse engineering is suggested to provide for small quantity batch production tendency and increase application.
At present, most optical systems change from using spherical lens to aspherical lens due to the trend of system micronization and necessity of high-function and high quality. The most important function required from optical lens is their optical role that embodies high precision image exactly the same as real object. But there is an undesirable factor in lens characteristics so called aberration that hinders lens features. Thus, based on this background, this research presents aspherical lens design and manufacturing technology for aspherical lens. In this study, aberration-free aspherical lens design method named ray reverse tracing method is introduced. Ray reverse tracing method includes Snell’s law and a design algorithm for eliminating spherical aberration, which were excluded in ray reverse tracing method. From the result, it is possible to design aberration-free aspherical lens with the focal length and refractive index only by use of the ray reverse tracing method. Furthermore, in order to realize design method which is suggested in this study on PC and machine aspherical lens, CAM program is developed. CAM program consists of design module for spherical aberration-free aspherical lens design and machining module for creating tool path. For the purposed of estimating reasonability and reliability of design method, spherical aberration-free aspherical lenses and spherical lenses are designed and machined by using CAM program. Extent of Spherical aberration and its influence are investigated by measuring image formation efficiency and light concentrating efficiency of machined lenses. Moreover, the design formula for aspheric lenses is needed in almost all of the design, manufacture and measuring processes. If the structural design information used in the design formula is not known, application of arbitrary aspheric lens is difficult. Therefore, in this research, the method of extracting shape design data on arbitrary aspherical lens by reverse engineering is suggested to provide for small quantity batch production tendency and increase application.
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