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회절광학을 이용한 적외선 광학계 설계 및 BSP를 이용한 성능 평가, 분석
Design and Analysis of Infrared Diffractive Optical Systems Using Beam Synthesis Propagation 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.24 no.4, 2013년, pp.189 - 195  

공현배 (LIG 넥스원(주)) ,  조두진 (아주대학교 물리학과)

초록
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본 논문에서는 두 매의 BD-2 렌즈와 비구면 회절 광학을 포함하는 F/1.2, 시야각 $15.2^{\circ}$와 $8-14{\mu}m$의 원적외선 파장대역을 가지는 광학계를 설계하였다. 이 광학계는 uncooled camera에 사용될 수 있으며, 광학계의 분석은 BSP로 진행되었다. 회절광학은 주어진 두께를 가지는 물리적인 면으로 취급하였으며, 분석결과를 출사동공법과 같은 기존 방법들에 의한 것과 회절차수 합성법에 의한 것과 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

An F/1.2 infrared optical system that involves two aspheric BD-2 lenses and an aspheric diffractive surface was designed over $8-14{\mu}m$ with a field angle of $15.2^{\circ}$. The system may be used in uncooled cameras and is analyzed using beam synthesis propagation (BSP). Th...

주제어

#회절광학   #비구면광학   #적외선광학   #광시스템설계   #빔합성전파  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 3 μm의 그리드 간격과 1025 × 1025의 그리드 크기, BWE 0.4의 조건으로 BSP 수행 후 얻은 PSF 데이터를 MATLAB을 이용하여 MTF로 변환 후 CODE V의 BSP 방법에 의한 MTF와 임의로 선택된 주파수(12, 24, 36 lp/mm)에서 비교하였다.
  • CODE V의 BSP 분석 후 MTF를 산출하기 위한 조건들의 타당성 확보를 위해 별도로 MATLAB의 FFT를 이용하여 MTF를 산출하는 과정과 비교 검토하였다. 3 μm의 그리드 간격과 1025 × 1025의 그리드 크기, BWE 0.
  • 8 μm, 그리드 전체크기는 1024 × 1024로 설정하였다. CODE V의 BSP 분석은 standard, enhanced, high의 3가지 정확도 수준 설정 기능을 제공하는데 본 논문에서는 0.1의 기본값을 가지는 standard를 사용하였으며, 빔릿들이 얼마나 많은 수차를 축적하고 있는지 확인하기 위한 임계값을 나타내는 BWE(Beamlet wavefront error)는 0.8로 설정하였다.
  • 또한 각 면의 쟈이델 수차에 있어서 CC(Conic Constant)와 fourth-order coefficient는 동일한 효과를 가지기 때문에 동시에 적용시키지 않았으며, 모두 CC를 사용하였다. Window를 제외한 각면에 CC가 적용된 상태에서 8차까지의 고차 비구면 계수들을 변수로 지정하여 RMS Spot Size 방법을 이용하여 Spot size를 감소시켰으며, 각 비구면 계수들은 코마수차, 비점수차, 페츠발 수차, 왜곡수차를 줄여주는데 기여하였다. 비구면을 포함하는 광학설계는 일반 구면 광학설계에 비하여 많은 수의 광선을 필요로 하기 때문에 시야각은 0, 0.
  • 각 면에 대한 최적화는 EFL(=19 mm), BFL(13.6 mm), 전장길이(32.6 mm)를 최종단계까지 구속조건으로 적용시켰으며, 물체에서 가까운 면부터 순차적으로 진행하며 시야각을 점진적으로 증가시켰다. 조리개에 해당하는 첫 번째 비구면은 3차 코마, 비점수차와 왜곡수차에 영향을 주지 못하기 때문에 구면수차에 대해서만 가중치를 적용시켰다.
  • 조리개에 해당하는 첫 번째 비구면은 3차 코마, 비점수차와 왜곡수차에 영향을 주지 못하기 때문에 구면수차에 대해서만 가중치를 적용시켰다. 또한 각 면의 쟈이델 수차에 있어서 CC(Conic Constant)와 fourth-order coefficient는 동일한 효과를 가지기 때문에 동시에 적용시키지 않았으며, 모두 CC를 사용하였다. Window를 제외한 각면에 CC가 적용된 상태에서 8차까지의 고차 비구면 계수들을 변수로 지정하여 RMS Spot Size 방법을 이용하여 Spot size를 감소시켰으며, 각 비구면 계수들은 코마수차, 비점수차, 페츠발 수차, 왜곡수차를 줄여주는데 기여하였다.
  • 본 논문에서는 2개의 BD-2 렌즈와 Window로 구성된 시야각 15.2°, F/1.2의 회절면을 포함하는 적외선 광학계를 광학 설계 프로그램인 CODE V와 OSLO를 이용하여 설계하였으며 두 번째 렌즈에 위치한 12개의 zone을 가진 회절면은 비구면 기판위에 입혀진 것으로 블레이즈 두께를 갖는 물리적인 면으로 취급하였다.
  • Window를 제외한 각면에 CC가 적용된 상태에서 8차까지의 고차 비구면 계수들을 변수로 지정하여 RMS Spot Size 방법을 이용하여 Spot size를 감소시켰으며, 각 비구면 계수들은 코마수차, 비점수차, 페츠발 수차, 왜곡수차를 줄여주는데 기여하였다. 비구면을 포함하는 광학설계는 일반 구면 광학설계에 비하여 많은 수의 광선을 필요로 하기 때문에 시야각은 0, 0.7, 0.85, 0.9, 1 시야각을 사용하였다.
  • 6 mm)를 최종단계까지 구속조건으로 적용시켰으며, 물체에서 가까운 면부터 순차적으로 진행하며 시야각을 점진적으로 증가시켰다. 조리개에 해당하는 첫 번째 비구면은 3차 코마, 비점수차와 왜곡수차에 영향을 주지 못하기 때문에 구면수차에 대해서만 가중치를 적용시켰다. 또한 각 면의 쟈이델 수차에 있어서 CC(Conic Constant)와 fourth-order coefficient는 동일한 효과를 가지기 때문에 동시에 적용시키지 않았으며, 모두 CC를 사용하였다.
  • 2의 회절면을 포함하는 적외선 광학계를 광학 설계 프로그램인 CODE V와 OSLO를 이용하여 설계하였으며 두 번째 렌즈에 위치한 12개의 zone을 가진 회절면은 비구면 기판위에 입혀진 것으로 블레이즈 두께를 갖는 물리적인 면으로 취급하였다. 회절효과를 매우 정확하게 분석하는 BSP 방법을 이용하여 광학계의 성능을 DOE, UDS 및 SDOM에 의한 MTF와 비교하고 분석하였다.

대상 데이터

  • 본 논문에서 취급한 것은 그림 1에 보인 2개의 BD-2 비구면 렌즈와 실리콘 재질의 Window로 구성된 시야각 15.2°, 중심파장 10,500 nm를 가지는 적외선 광학계이다[8].
  • 분석 조건은 빔릿의 갯수를 결정하며 입사동을 분할하는 광선의 수 70개, 그리드 간격 5.8 μm, 그리드 전체크기는 1024 × 1024로 설정하였다.
  • 최적화된 광학계의 면 속성은 표 1과 같다. 파장대역은 8,000 nm, 10,000 nm, 10,500 nm, 12,000 nm, 14,000 nm를 사용하였으며, 중심파장에서의 굴절률은 2.6003이다. 또한 네 번째 면의 회절면은 그림 2에 보인 바와 같이 3329.

데이터처리

  • 그림 1의 적외선 광학계에 대하여 CODE V를 이용하여 BSP 분석을 수행하였다. 분석 조건은 빔릿의 갯수를 결정하며 입사동을 분할하는 광선의 수 70개, 그리드 간격 5.

이론/모형

  • 광학계 설계 및 최적화는 CODE V와 OSLO[11]를 이용하여 진행하였으며, 광학계의 조리개는 외부 보호창에 붙는 잡티들이 상에 주는 영향을 최소화하기 위하여 첫 번째 면에 위치하였으며, 이는 첫 번째 렌즈의 크기를 줄여주는데도 기여한다. 렌즈의 나머지 면들은 모두 비구면으로 구성되어 있으며, 마지막 면은 Kinoform DOE가 비구면과 같이 위치되어 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
회절렌즈의 어떠한 특징 때문에 군사용, 자동차, 보안 등의 분야에서 관심을 끌고 잇는가? 다른 광학계와 비교하여 적외선 광학계는 색수차의 영향을 덜 받지만, 높은 회절효율에 의해 회절 광학을 적용하기에 용이하므로 그 적용사례가 증가하고 있다. 적외선의 특징을 이용하여 군사용, 자동차 산업, 보안 분야 등의 상업적 영역에서 많은 관심을 끌고 있다.
현대의 고성능 렌즈설계에 있어서 회절렌즈의 사용이 필수시 되는 이유는? 현대의 고성능 렌즈설계에 있어서 회절렌즈의 사용은 필수시 되고 있다. 이는 회절렌즈가 음의 고분산 특성을 가지므로 적은 수의 렌즈로도 색수차를 보정하여 광학계의 성능을 향상 시킬 수 있기 때문이다[1]. 다른 광학계와 비교하여 적외선 광학계는 색수차의 영향을 덜 받지만, 높은 회절효율에 의해 회절 광학을 적용하기에 용이하므로 그 적용사례가 증가하고 있다.
CODE V의 BSP 분석은 무엇에 기초를 두고 있는가? CODE V의 BSP 분석은 파동방정식의 선형성에 기초를 두고 있으며, 입력 광학장(Optical field) 또는 빔(Beam)을 많은 수의 빔릿(Beamlet)의 합성으로 근사한다. 광선추적법을 이용하여 각각의 빔릿을 진행시킨 다음, 그들을 합성하여 진행된 빔을 얻게 된다.
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참고문헌 (12)

  1. D. C. O'Shea, T. J. Suleski, A. D. Kathman, and D. W. Prather, Diffractive Optics : Design, Fabrication, and Test (SPIE Press, Bellingham, USA, 2004). 

  2. M. D. Thorpe, R. P. Jonas, and S. Szapiel, "Modeling of polychromatic MTF losses due to secondary effects in diffractive lenses," Proc. SPIE 6667, 66670E1-66670E12 (2007). 

  3. H. Sauer, P. Chavel, and G. Erdei, "Diffractive optical elements in hybrid lenses: modeling and design by zone decomposition," Appl. Opt. 38, 6482-6486 (1999). 

    상세보기 crossref

  4. H. Zhang, H. Liu, Z. Lu, and H. Zhang, "Modified phase function model for kinoform lenses," Appl. Opt. 47, 4055-4060 (2008). 

    상세보기 crossref

  5. CODE V, Optical Research Associates, Inc., California, USA. 

  6. ASAP, Breault Research Associates, Inc., Arizona, USA. 

  7. H. S. Lee, "Lens design involving diffractive optics and performance evaluation and analysis using Beam Synthesis Propagation." M.S. Thesis, Ajou University (2010). 

  8. G. Curatu, "Design and fabrication of low-cost thermal imaging optics using precision chalcogenide glass molding," Proc. SPIE 7060, 706008-1 (2008). 

  9. J. M. Geary, Introduction to Lens Design (Willmann-Bell, Inc. Virginia, USA, 2002) p. 205. 

  10. H. S. Lee, C. Seog Rim, and J. H. Jo, "The comparison and the analysis of the optical performances between the single and the symmetrical double DOE lenses," Korean J. Opt. Photon. (Hankook Kwanghak Hoeji) 13, 258-265 (2002). 

    원문보기 상세보기 crossref

  11. OSLO, Lambda Research Corporation, Littleton, MA, USA. 

  12. H. B. Kong, "Design and analysis of infrared diffractive optical systems using beam synthesis propagation," M.S. Thesis, Ajou University (2012). 

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