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문제 정의
- 본 논문에서는 flat field, aplanat 조건을 만족시키는 디지털 스틸 카메라용 광학계의 해를 다음과 같은 초기설계 조건을 이용하여 구하였다. 첫째, 임의의 설계변수인 곡률반경(1/곡률) 은 ±3 mm부터 ±50 mm까지 1 mm 간격으로 해를 조사하였다.
- 본 논문에서는 초기설계시 제 1면을 원추곡면화하여 구면수차를 보정하려고 한다. 조리개면과 일치하는 면에 원추곡면을 채용하면 구면수차에만 영향을 주고 다른 수차에는 영향을 주 지 않는다.
- 본 논문에서는 회절광학소자를 이용하여 기존의 retrofocus 형태보다 컴팩트한 디지털 스틸 카메라용 광학계를 설계하였다. 이러한 광학계를 설계하기 위해서 회절광학소자의 기본적인 원리와 색수차 보정 방법을 정성적으로 고찰하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 회절광학소자의 광학특성 및 색수차 보정에 대한 방법을 다루었으며, 컴팩트 디지털 스틸 카메라용 광학 계의 초기설계 데이터를 수치 해석적인 방법으로 구하였다. 그 리고, 초기설계 데이터를 바탕으로 1/4" CCD, 41만 화소 및 F/4에 적합한 컴팩트형 디지털 스틸 카메라용 광학계를 렌즈 설계 프로그램인 CODE-V 를 이용하여 최적 설계하였다.
- 본 연구에서는 회절광학소자의 광학특성 및 색수차 보정에 대한 방법을 다루었으며, 컴팩트 디지털 스틸 카메라용 광학 계의 초기설계 데이터를 수치 해석적인 방법으로 구하였다. 그 리고, 초기설계 데이터를 바탕으로 1/4" CCD, 41만 화소 및 F/4에 적합한 컴팩트형 디지털 스틸 카메라용 광학계를 렌즈 설계 프로그램인 CODE-V 를 이용하여 최적 설계하였다.
- 마지막으로, 최적화 설계과정에서 고차수차의 보정 외에도 설계 목표 사양에 적합하도록 광학계의 곡률반경, 각 면간 거 리, 비구면 계수 및 회절광학소자의 위상계수에 대해 구속조 건(constraints)을 설정하여 최적화하였다. 그리고, 첫 번째 소 자의 재질인 플라스틱 계열의 PMMA는 설계시 비구면의 형상이 매끄럽게 되도록 해야하고, 중심과 주변의 두께 차이가 크지 않도록 해야하며, 허용 공차를 크게 할 수 있도록 함으 로써 제조오차에 대한 성능의 안정성을 확보하도록 하였다.
- 첫째, 임의의 설계변수인 곡률반경(1/곡률) 은 ±3 mm부터 ±50 mm까지 1 mm 간격으로 해를 조사하였다. 둘째 , 제 1면과 제2면 사이의 거리는 0.5 mm에서 3 mm까 지 0.1mm 간격으로, 그리고 렌즈 사이의 간격은 0.5 mm에서 5 mm까지 0.1mm 간격으로 조사하였다. 셋째, 본 광학계가 telephoto 형태, 즉 첫 번째 렌즈가 (+) 굴절능을 갖고 두 번째 렌즈가 (_) 굴절능을 갖도록 곡률반경에 대한 해를 구하였다.
- mi 그러나, 좀더 컴팩트한 광학계를 요구하는 사양 에서는 (+) 굴절능과 (-) 굴절능으로 구성된 telephoto 형태가 보다 유리한데, 그 이유는 초점거리가 후초점거리(Back Focal Length : BFL) 보다 길다는 특징을 갖고 있기 때문이다. 따라서, 본 논문에서 설계하고자 하는 컴팩트 디지털 스틸 카메 라용 광학계의 구성은 (+) 굴절능을 갖는 렌즈 1매와 (-) 굴 절능을 갖는 렌즈 1매로 구성된 telephoto 형태의 광학계이다.
- 또한, 본 광학계의 전반부는 회절광학소자와 굴절광학소자가 결합된 hybrid 렌즈로 구성되며, 플라스틱 재질인 PMMA를 사용하고, 후반부는 순수한 굴절소자로서 구면 렌즈를 사용하 고자 한다. 회절광학소자의 재질로 광학유리 대신에 PMMA 를 사용하는 이유는 PMMA가 광학유리보다 가볍고, 금형에 의한 복제가 쉬워 대량생산이 가능하며 비구면등을 제작하는데 용이하기 때문이다.
- 마지막으로, 최적화 설계과정에서 고차수차의 보정 외에도 설계 목표 사양에 적합하도록 광학계의 곡률반경, 각 면간 거 리, 비구면 계수 및 회절광학소자의 위상계수에 대해 구속조 건(constraints)을 설정하여 최적화하였다. 그리고, 첫 번째 소 자의 재질인 플라스틱 계열의 PMMA는 설계시 비구면의 형상이 매끄럽게 되도록 해야하고, 중심과 주변의 두께 차이가 크지 않도록 해야하며, 허용 공차를 크게 할 수 있도록 함으 로써 제조오차에 대한 성능의 안정성을 확보하도록 하였다.
- 본 논문에서 설계한 디지털 스틸 카메라용 광학계는 부피, 무게, 수차 특성 등을 줄이기 위해 hybrid 플라스틱 렌즈 1매 와 순수한 굴절광학소자 1매로 이루어진 telephoto 형태로 구 성되었다. 최종적으로 설계된 디지털 스틸 카메라용 광학계의 초점거리는 3.
- 본 논문에서는 컴팩트한 디지털 스틸 카메라용 광학계를 설 계하는 것이 목적이므로, 광학계를 telephoto 형태로 구성하였으며, F/4이고, 주변광량비는 1.0 field에서 40% 이상, 그리고 공간 주파수 80 0/mm에서 MTF 값이 30% 이상이 되도록 목표치를 정하였다. 그리고, 왜곡수차는 사람의 눈이상의 왜 곡을 구별할 수 없을 정도인 ±2% 이내로 설정했고, 촬상소 자로서는 1/4인치 CCD를 사용하므로 최대 상고는 ±2.
- 본 연구에서는 회절광학소자의 광학특성 및 색수차 보정에 대한 방법을 다루었으며, 컴팩트 디지털 스틸 카메라용 광학 계의 초기설계 데이터를 수치 해석적인 방법으로 구하였다. 그 리고, 초기설계 데이터를 바탕으로 1/4" CCD, 41만 화소 및 F/4에 적합한 컴팩트형 디지털 스틸 카메라용 광학계를 렌즈 설계 프로그램인 CODE-V 를 이용하여 최적 설계하였다.
- 1mm 간격으로 조사하였다. 셋째, 본 광학계가 telephoto 형태, 즉 첫 번째 렌즈가 (+) 굴절능을 갖고 두 번째 렌즈가 (_) 굴절능을 갖도록 곡률반경에 대한 해를 구하였다.
- 앞 절에서 flat field, aplanat 조건을 만족시키는 디지털 스 틸 카메라용 광학계에 대한 초기설계 데이터를 수치 해석을 통해 얻었다. 이 광학계는 Seidel 3차 수차 내에서 구면수차, 코마 그리고 Petzval 상면만곡이 0이다.
- 본 논문에서는 회절광학소자를 이용하여 기존의 retrofocus 형태보다 컴팩트한 디지털 스틸 카메라용 광학계를 설계하였다. 이러한 광학계를 설계하기 위해서 회절광학소자의 기본적인 원리와 색수차 보정 방법을 정성적으로 고찰하였다. 컴팩 트 디지털 스틸 카메라용 광학계의 초기설계 데이터를 얻기 위한 기본적인 개념인 Gauss 괄호를 이용한 근축광선추적에 대해 언급했으며, 이러한 개념을 이용하여 수치 해석적인 방법으로 광학계에 대한 초기설계 데이터를 얻었다.
- 본 논문에서는 flat field, aplanat 조건을 만족시키는 디지털 스틸 카메라용 광학계의 해를 다음과 같은 초기설계 조건을 이용하여 구하였다. 첫째, 임의의 설계변수인 곡률반경(1/곡률) 은 ±3 mm부터 ±50 mm까지 1 mm 간격으로 해를 조사하였다. 둘째 , 제 1면과 제2면 사이의 거리는 0.
- 초기설계된 광학계는 구면수차, 코마, Petzval 상면만곡만이 보정되고 나머지 Seidel 3차 수차인 비점수차와 왜곡수차, 그리고 고차수차 및 색수차는 보정되어 있지 않다. 초기설계 과정에서 고려하지 않은 Seidel 3차 수차 및 색수차를 보정하기 위하여 최적화 설계과정에서는 제1면을 일반적인 비구면으로 비구면화하고, 제2면은 회절광학소자를 적용하여 색수차를 보 정하였다.
- 이러한 광학계를 설계하기 위해서 회절광학소자의 기본적인 원리와 색수차 보정 방법을 정성적으로 고찰하였다. 컴팩 트 디지털 스틸 카메라용 광학계의 초기설계 데이터를 얻기 위한 기본적인 개념인 Gauss 괄호를 이용한 근축광선추적에 대해 언급했으며, 이러한 개념을 이용하여 수치 해석적인 방법으로 광학계에 대한 초기설계 데이터를 얻었다. 그리고, 초 기설계 데이터를 바탕으로 1/4" CCD, 41만 화소 및 F/4에 적합한 컴팩트형 디지털 스틸 카메라용 광학계를 렌즈설계 프 로그램인 CODE-V를 이용하여 최적 설계하였다.
대상 데이터
- 1 nm(e-line)를 기준파장으로 설정하였다. 첫 번째 렌즈는 플라스틱 재질인 PMMA(zh=1.4936)이고, 두 번째 렌즈는 BK7("3=1.5187)으로 구성되어 있다. 그리고, n0=n 전형적인 telephoto 형식으로 서 (+) 굴절능을 갖는 렌즈와 (-) 굴절능을 갖는 렌즈 2매로 구성되어 있기 때문에 광학계의 전장을 짧게 하는데 매우 유 리하다. 또한, 사람의 눈에 시감도가 가장 높은 녹색, 즉,546.1 nm(e-line)를 기준파장으로 설정하였다. 첫 번째 렌즈는 플라스틱 재질인 PMMA(zh=1.
- 회절광학소자를 이용하여 설계된 컴팩트 디지털 스틸 카메 라용 광학계는 부피, 무게, 수차 특성 등을 줄이기 위해 hybrid 플라스틱 렌즈 1매와 순수한 굴절광학소자 1매로 이루 어진 telephoto 형태로 구성되었다. 최종적으로 설계된 디지털 스틸 카메라용 광학계는 전장이 5.
성능/효과
- 결과적으로 설계된 회절광학소자를 이용한 컴팩트형 디지털 스틸 카메라용 광학계는 기존의 디지털 스틸 카메라용 광학계 보다 컴팩트하며, 또한 모든 설계 사양을 만족하고 있다.
- 회절광학소자를 이용하여 설계된 컴팩트 디지털 스틸 카메 라용 광학계는 부피, 무게, 수차 특성 등을 줄이기 위해 hybrid 플라스틱 렌즈 1매와 순수한 굴절광학소자 1매로 이루 어진 telephoto 형태로 구성되었다. 최종적으로 설계된 디지털 스틸 카메라용 광학계는 전장이 5.19 mm로 기존의 디지털 스 틸 카메라용 광학계보다 매우 컴팩트하다.
- 본 논문에서 설계한 디지털 스틸 카메라용 광학계는 부피, 무게, 수차 특성 등을 줄이기 위해 hybrid 플라스틱 렌즈 1매 와 순수한 굴절광학소자 1매로 이루어진 telephoto 형태로 구 성되었다. 최종적으로 설계된 디지털 스틸 카메라용 광학계의 초점거리는 3.89mm, 전장이 5.19 mm로서 기존의 디지털 스 틸 카메라용 광학계보다 컴팩트함을 알 수 있었다. 또한, 본 광학계의 주변광량비, 수차특성 및 MTF 특성이 디지털 스틸 카메라용 광학계에서 요구하는 성능을 충분히 만족함을 알 수 있었으며, 현재 소형화, 경량화가 요구되는 차세대 화상통신용 광학계에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 표 2에서 보듯이 구면수차, 코마, 그리고 Petzval 상면만곡의 수차값이 0에 가까우므로 본 광학계가 flat field, aplanat 조건을 만족하고 있음을 알 수 있다.
- 표 4에서 볼 수 있듯이 회절광학소자의 굴절능은 굴절광학소자의 굴절능에 비해 매우 작고, 전체 광학계는 telephoto 형태라는 것을 알 수 있다. 표 5은 최적설계된 컴팩트 디지털 스틸 카메라용 광학 계의 설계사양이다.
후속연구
- 19 mm로서 기존의 디지털 스 틸 카메라용 광학계보다 컴팩트함을 알 수 있었다. 또한, 본 광학계의 주변광량비, 수차특성 및 MTF 특성이 디지털 스틸 카메라용 광학계에서 요구하는 성능을 충분히 만족함을 알 수 있었으며, 현재 소형화, 경량화가 요구되는 차세대 화상통신용 광학계에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
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