본 연구에서는 광학계의 굴절률, 중심두께 및 곡률반경에 대한 설계변수가 온도변화에 따라 1차 특성 및 결상성능에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고, 이로부터 온도보정 설계를 실시하였다. 광학설계 변수들을 각각의 사용온도에 해당되는 값으로 변경한 후, 기존의 coupling 및 ruler 설계 개념을 폰 카메라용 렌즈설계에 적용하여 온도보정을 고려한 설계방법을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 온도보정 설계개념을 4매 구성의 1/3.2" 5M 렌즈계에 최초로 적용하여 최적 설계한 결과, 폰 카메라용 렌즈에 대한 일반사양을 만족시키는 동시에 사용온도 $-10^{\circ}C{\sim}+60^{\circ}C$에서의 후초점거리 변화량에 대한 요구사양(${\Delta}BFL{\leq}10{\mu}m$)도 만족시켰다. 또한 최적 설계된 렌즈계의 전장(TTL)은 5.5 mm로 매우 컴팩트한 구성이다. 따라서 본 연구의 결과는 휴대폰 카메라 및 감시 카메라용 광학계 개발에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 광학계의 굴절률, 중심두께 및 곡률반경에 대한 설계변수가 온도변화에 따라 1차 특성 및 결상성능에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고, 이로부터 온도보정 설계를 실시하였다. 광학설계 변수들을 각각의 사용온도에 해당되는 값으로 변경한 후, 기존의 coupling 및 ruler 설계 개념을 폰 카메라용 렌즈설계에 적용하여 온도보정을 고려한 설계방법을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 온도보정 설계개념을 4매 구성의 1/3.2" 5M 렌즈계에 최초로 적용하여 최적 설계한 결과, 폰 카메라용 렌즈에 대한 일반사양을 만족시키는 동시에 사용온도 $-10^{\circ}C{\sim}+60^{\circ}C$에서의 후초점거리 변화량에 대한 요구사양(${\Delta}BFL{\leq}10{\mu}m$)도 만족시켰다. 또한 최적 설계된 렌즈계의 전장(TTL)은 5.5 mm로 매우 컴팩트한 구성이다. 따라서 본 연구의 결과는 휴대폰 카메라 및 감시 카메라용 광학계 개발에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
In this paper, we analysed what effect the design variables, such as refractive index, central thickness and radius of curvature, had on the first order properties and image quality of optical systems when temperature changed. The optical parameters were varied at each temperature, then the coupling...
In this paper, we analysed what effect the design variables, such as refractive index, central thickness and radius of curvature, had on the first order properties and image quality of optical systems when temperature changed. The optical parameters were varied at each temperature, then the coupling and ruler methods were used to design an athermalized lens for a phone camera. This concept was first used to design the lens for a 1/3.2" 5M phone camera. The designed lens satisfies all the specifications for a phone camera, and the variations of the back focal length(${\Delta}BFL$) are reduced to $10{\mu}m$ for a temperature range of $-10^{\circ}C$ to $+60^{\circ}C$. Also, the TTL of 5.5 mm results in a compact system. All design concepts and results discussed in this paper are expected to be useful in development for the phone and CCTV camera.
In this paper, we analysed what effect the design variables, such as refractive index, central thickness and radius of curvature, had on the first order properties and image quality of optical systems when temperature changed. The optical parameters were varied at each temperature, then the coupling and ruler methods were used to design an athermalized lens for a phone camera. This concept was first used to design the lens for a 1/3.2" 5M phone camera. The designed lens satisfies all the specifications for a phone camera, and the variations of the back focal length(${\Delta}BFL$) are reduced to $10{\mu}m$ for a temperature range of $-10^{\circ}C$ to $+60^{\circ}C$. Also, the TTL of 5.5 mm results in a compact system. All design concepts and results discussed in this paper are expected to be useful in development for the phone and CCTV camera.
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문제 정의
본 연구에서 온도보정을 위한 기본적인 설계 방법으로 광학계의 다중배치 구성을 표현하는 줌 개념을 이용하고자 한다. 줌 개념은 광학계를 멀티구성으로 설정하여 모든 줌 위치에서 성능을 최적화하고 정의할 수 있게 해준다.
본 연구에서는 온도보정을 고려하지 않고 설계된 광학계에 대해 온도에 따른 굴절률, 곡률반경, 중심두께 변화가 광학계의 성능에 미치는 영향을 분석한 후, 그 광학계를 온도보정 설계를 위한 초기설계 렌즈제원 및 목표 사양으로 설정하였다. 홀더 및 간격링과 같은 광기구적인 부품과 관계가 있는 공기간격의 변화는 허용공차 이내로 매우 작으므로 이들에 대한 온도보정은 여기서 다루지 않았다.
본 연구에서는 주변의 온도 변화에 의해 발생하는 초점거리 및 광학성능의 변화에 대해 이를 보정할 수 있는 광학계 설계 방법에 대해 논의하고자 한다. 많은 상업분야와 우주항공분야 제품들에서 온도 변화는 광학계에 환경적인 영향을 주는 중요한 요소들 중 하나이다.
본 연구에서는 휴대폰용 카메라모듈 제조공정 및 사용환경에서 흔히 발생하는 온도변화에 따른 카메라모듈의 문제점을 논하고 해결방법을 찾고자 한다. 카메라모듈 부품들 중에서 렌즈 및 기구부품이 온도변화에 대해 가장 민감하다.
본 절에서는 컴퓨터를 이용하여 온도보정을 고려한 설계 방법들에 대해 논의하고자 한다. 이 방법들을 명확하게 설명하기 위해서 특정 광학설계 S/W인 Code-V를 이용하였지만, 그 원리를 일반화하여 다른 광학설계 S/W에서도 실행할 수 있다.
많은 상업분야와 우주항공분야 제품들에서 온도 변화는 광학계에 환경적인 영향을 주는 중요한 요소들 중 하나이다. 주변 온도 변화가 폰 카메라용 광학계에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고, 더 나가서 기존의 coupling 및 ruler 설계 방법에 줌 개념을 도입하여폰 카메라용 렌즈설계에 최초로 적용함으로써 온도보정을 고려한 설계방법을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 광학계 내의 국소적인 온도변화는 무시하고 광학계 내부 및 외부에서 온도변화가 균일한 것으로 가정했다.
가설 설정
주변 온도 변화가 폰 카메라용 광학계에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고, 더 나가서 기존의 coupling 및 ruler 설계 방법에 줌 개념을 도입하여폰 카메라용 렌즈설계에 최초로 적용함으로써 온도보정을 고려한 설계방법을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 광학계 내의 국소적인 온도변화는 무시하고 광학계 내부 및 외부에서 온도변화가 균일한 것으로 가정했다.
제안 방법
따라서 온도보정 설계의 초기 단계에서 렌즈의 제조 및 조립공차를 적절하게 분산시키는 작업이 필요하다. 그리고 이미지센서에 입사하는 주광선의 입사각도 및 왜곡수차를 작게 하기 위해 네 번째 렌즈에 메니스커스형 비구면을 적용하여 요구사양을 만족하도록 하였다. 또한 온도에 대한 굴절률, 곡률반경 및 중심두께 변화를 최소화 하고 결상성능을 확보할 수 있도록 첫 번째 렌즈에 비구면 유리를 적용하였다.
그리고 이미지센서에 입사하는 주광선의 입사각도 및 왜곡수차를 작게 하기 위해 네 번째 렌즈에 메니스커스형 비구면을 적용하여 요구사양을 만족하도록 하였다. 또한 온도에 대한 굴절률, 곡률반경 및 중심두께 변화를 최소화 하고 결상성능을 확보할 수 있도록 첫 번째 렌즈에 비구면 유리를 적용하였다. 제 2절에서 연구한 온도보정설계 방법을 적용하여 온도변화에 따른 광학특성 변화를 최소화하였다.
본 연구에서는 온도보정을 고려한 최적화 설계방법인 coupling 및 ruler 방법을 기본 설계개념으로 설정하고, 이를 광학설계 S/W에 적용하여 온도보정을 고려한 설계방법을 제시하였다. 사용온도 각각에 해당되는 설계변수 값을 줌으로 설정하여 데이터를 입력하고 이러한 멀티구성에서 최적화를 진행하였다.
본 연구에서는 온도보정을 고려한 최적화 설계방법인 coupling 및 ruler 방법을 기본 설계개념으로 설정하고, 이를 광학설계 S/W에 적용하여 온도보정을 고려한 설계방법을 제시하였다. 사용온도 각각에 해당되는 설계변수 값을 줌으로 설정하여 데이터를 입력하고 이러한 멀티구성에서 최적화를 진행하였다. 두 방법을 적절히 이용하여 온도보정 최적설계된 렌즈의 결상 성능 및 BFL 변화량 개선효과가 뚜렷하게 있음을 확인하였다.
예를 들면 다음과 같이 설정할 수 있다. 실온도인 T = 25℃를 기준치로 잡고, 이를 줌 위치 2로 지정하여 광학계의 곡률반경(R), 중심두께(t), 굴절률(n) 및 비구면의 sag 값(Z) 등의 설계 변수들을 입력한다. 주변의 온도변화는 소자의 굴절률, 곡률반경, 중심두께 및 공기간격 등을 변화시킨다.
또한 온도에 대한 굴절률, 곡률반경 및 중심두께 변화를 최소화 하고 결상성능을 확보할 수 있도록 첫 번째 렌즈에 비구면 유리를 적용하였다. 제 2절에서 연구한 온도보정설계 방법을 적용하여 온도변화에 따른 광학특성 변화를 최소화하였다. 즉, 커플링 및 ruler 방법을 선택적으로 적용하고 최적화를 진행하여 렌즈의 BFL 및 결상성능 변화에 대한 온도보정 설계를 하였다.
홀더 및 간격링과 같은 광기구적인 부품과 관계가 있는 공기간격의 변화는 허용공차 이내로 매우 작으므로 이들에 대한 온도보정은 여기서 다루지 않았다. 제 2절에서 자세히 언급한 컴퓨터 모델링 개념을 이용하여 렌즈설계를 진행하고 광학성능을 분석하고자 한다.
제 2절에서 연구한 온도보정설계 방법을 적용하여 온도변화에 따른 광학특성 변화를 최소화하였다. 즉, 커플링 및 ruler 방법을 선택적으로 적용하고 최적화를 진행하여 렌즈의 BFL 및 결상성능 변화에 대한 온도보정 설계를 하였다.
Ruler 방법은 세 가지 단계의 과정으로 처리된다. 첫 번째 단계에서, 기준온도인 T = 25℃에서 얇은 단 렌즈의 제한조건인 EFL에 대해 온도보정을 만족하도록 수학적인 해를 입력한다. 커플링 방법과 마찬가지로 줌 위치를 3개로 구성하고 각각 온도에 해당되는 굴절률 값을 Code-V의 가상유리 기능을 이용하여 데이터를 입력한다.
이론/모형
양 끝단의 온도에 대해서는 다른 줌 위치 1, 3으로 각각 설정한다. 각각의 줌 위치에 해당되는 온도에 대한 굴절률의 정보를 Code-V의 가상유리(fictitious glasses)를 이용하여 입력한다. 줌 광학계를 최적화하기 전에 모든 설계변수들에 대해 다음의 식으로 스케일링 한다.
성능/효과
사용온도 각각에 해당되는 설계변수 값을 줌으로 설정하여 데이터를 입력하고 이러한 멀티구성에서 최적화를 진행하였다. 두 방법을 적절히 이용하여 온도보정 최적설계된 렌즈의 결상 성능 및 BFL 변화량 개선효과가 뚜렷하게 있음을 확인하였다.
본 개념을 4매 구성의 1/3.2'' 5M 렌즈계에 적용하여 최적 설계한 결과, 5M 고정초점용 렌즈의 사양과 성능을 만족시키는 동시에 사용온도 -10℃ ~ +60℃에서의 후초점거리 변화량(ΔBFL)과 결상성능에 대한 요구사항을 충족하는 광학계를 얻었다.
0 Field에서 자오광선의 MTF 값이 공간주파수 180 lp/mm에서 20%이지만 이는 센서의 모서리에 해당됨으로 카메라 영상에서 문제가 되지 않는다. 온도보정 설계된 렌즈의 수차 특성을 분석한 결과, 수차는 잘 보정되었으며 특히 왜곡수차는 -1.7% 이내로 보정되었으며, 사람의 시각적인 효과를 나타내는 TV-왜곡수차는 최대 -0.7%으로서 매우 작다. 그림 5에서 보듯이 이미지 센서에 입사하는 주광선의 입사각도(AOI)는 25.
표 2는 폰 카메라용 광학재질의 물성특성을 보여주고 있다. 온도에 대해 플라스틱 재질의 굴절률 변화(dn/dT )는 유리 재질보다 약 20 ~ 50배 크고, 선팽창계수(dl/dT )는 유리 재질보다 약 10배 정도 큼을 알 수 있다. 표 3은 광기구 부품용 재질의 물성표 및 온도에 따른 간격변화를 정리한 것이다.
후속연구
5 mm로서 매우 컴팩트하다. 본 연구에서 제시된 설계개념은 휴대폰 카메라 및 감시 카메라용 광학계 개발에 활용 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Coupling 방법이란?
Coupling 방법이란 온도 및 줌 위치에 대한 변수들을 상호관계 함수로 규정하고 온도변화에 따른 변수들의 변화량을 일정한 비율로 제어하여 변화시키는 방법을 말한다. 그림 2는 커플링 방법을 이용하여 초점거리에 대해 온도보정 설계된 얇은 단 렌즈(F/1.
고전적인 줌 광학계 역할은?
[11] 따라서 본 설계개념을 일반적인 줌 광학계와의 관계로 비교 설명할 수 있다. 고전적인 줌 광학계는 일부의 소자들이 고정되어 있는 상태에서 다른 소자들을 이동시켜 연속적으로 다른 배율을 얻을 수 있도록 해준다. 각각의 온도에 따라 줌 위치를 갖는 멀티 구성으로 광학계를 설정하는 이러한 설계 개념은 폰 카메라용 광학계의 온도보정 설계에 확장적용이 가능하다.
일반적인 광학계에 대해 온도 보정하는 방법 3가지는?
① 기구적인 수동 시스템 : 렌즈소자들을 직접적으로 이동시켜서 온도변화에 의한 광학특성 변화를 보상해 준다. 또한 렌즈를 캠이나 손잡이 등을 이용하여 간접적으로 움직여서 보상하는 경우도 포함이 된다.
② 기구적 또는 전자적인 능동 시스템 : 온도센서, 포커싱 센서, 전자모터 및 회로를 이용하여 온도보정 소자의 위치를 반복적으로 조정하여 온도에 따른 광학특성 변화를 보정하는 방법이다.
③ 광학적인 수동 시스템 : 광학계를 구성하는 재질들의 온도에 대한 특성 차이를 이용하여 보상한다. 광학계에서 온도변화에 의한 포커싱 변화를 보상할 수 있는 광학재질들을 적절하게 선택하고 조합하여 제거할 수 있다. 또한 회절광학소자의 기본적인 특성을 이용하여 온도 변화에 따른 굴절광학소자의 광학특성 변화를 보정할 수 있다.
참고문헌 (12)
J. W. Perry, J. Johnson, J. H. Jeffree, D. S. Grey, and D. S. Volosov, 'Fundamentals, Techniques and design,' in Handbook of Optics, vol. 1 (McGraw-Hill, New York, 1995)
H. Jamieson, 'Thermal effects in optical systems,' Opt. Eng., vol. 20, no. 2, pp. 156-160, 1981
L. Friedman, 'Thermo-optical analysis of two long-focallength aerial reconnaissance lenses,' Opt. Eng., vol. 20, no. 2, pp. 161-165, 1981
G. Kurbitz, 'Automatic active athermalization of infrared optical systems,' in Infrared Technology X VII, Proc. SPIE, vol. 1520, pp. 612-621, 1991
P. J. Rogers, 'Optics in hostile environments,' Proc. SPIE, vol. 1781, pp. 37-48, 1992
Y. Kanagawa, S. Wakabayashi, T. Tajime and T. Hashimoto, 'Multilens system design with an athermal chart,' Appl. Opt., vol. 33, no. 34, pp. 8009-8013, 1994
Y. Tamagawa and T. Tajime, 'Expansion of an athermal chart into a multilens system with thick lenses spaced apart,' Opt. Eng., vol. 35, no. 10, pp. 3001-3006, 1996
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