물체거리가 변하여도 배율과 상면이 고정되는 이중 가우스 광학계의 설계 Double-Gauss Optical System Design with Fixed Magnification and Image Surface Independent of Object Distance원문보기
일반적으로 광학계의 물체거리가 변하면 배율이 변하게 된다. 본 논문에서는 일반적인 이중 가우스(double-Gauss) 형태의 광학계에서 조리개를 기준으로 조리개 앞쪽에 위치한 렌즈군과 조리개 뒷쪽 렌즈군을 광축 방향으로 독립적으로 평행하게 이동하여 물체거리에 따라 배율과 상면이 고정되는 광학계를 제안하고 설계하였다. 이러한 광학계는 전방시현장치(head-up display, HUD), 두부장착디스플레이(head-mounted display, HMD) 등의 투사 광학계에 물체거리의 변화에 따라 상 크기가 변화하지 않도록 하여 전방시현장치 또는 두부장착디스플레이에서 초점 조절(focusing) 시에 화각이 변하지 않도록 하였다. 또한 반도체 칩과 IC회로기판을 연결하는 와이어(wire)의 상태를 검사하는 과정에서 검사장비가 위 아래로 움직여서 물체거리가 변해도 광학계의 배율이 변하지 않도록 하여 고속검사가 가능할 수 있도록 별도 영상 처리를 시스템적으로 생략할 수 있었다. 본 논문에서 가우스 괄호법(Gaussian bracket method)을 이용하여 원하는 사양을 만족하도록 각 군의 이동량을 구해서 배율과 상면이 고정되도록 하였다. 초기 설계를 진행한 후, 최적화는 광학 설계 프로그램인 시놉시스(Synopsys)를 사용하였다.
일반적으로 광학계의 물체거리가 변하면 배율이 변하게 된다. 본 논문에서는 일반적인 이중 가우스(double-Gauss) 형태의 광학계에서 조리개를 기준으로 조리개 앞쪽에 위치한 렌즈군과 조리개 뒷쪽 렌즈군을 광축 방향으로 독립적으로 평행하게 이동하여 물체거리에 따라 배율과 상면이 고정되는 광학계를 제안하고 설계하였다. 이러한 광학계는 전방시현장치(head-up display, HUD), 두부장착디스플레이(head-mounted display, HMD) 등의 투사 광학계에 물체거리의 변화에 따라 상 크기가 변화하지 않도록 하여 전방시현장치 또는 두부장착디스플레이에서 초점 조절(focusing) 시에 화각이 변하지 않도록 하였다. 또한 반도체 칩과 IC 회로기판을 연결하는 와이어(wire)의 상태를 검사하는 과정에서 검사장비가 위 아래로 움직여서 물체거리가 변해도 광학계의 배율이 변하지 않도록 하여 고속검사가 가능할 수 있도록 별도 영상 처리를 시스템적으로 생략할 수 있었다. 본 논문에서 가우스 괄호법(Gaussian bracket method)을 이용하여 원하는 사양을 만족하도록 각 군의 이동량을 구해서 배율과 상면이 고정되도록 하였다. 초기 설계를 진행한 후, 최적화는 광학 설계 프로그램인 시놉시스(Synopsys)를 사용하였다.
A change in object distance would generally change the magnification of an optical system. In this paper, we have proposed and designed a double-Gauss optical system with a fixed magnification and image surface regardless of any change in object distance, according to moving the lens groups a little...
A change in object distance would generally change the magnification of an optical system. In this paper, we have proposed and designed a double-Gauss optical system with a fixed magnification and image surface regardless of any change in object distance, according to moving the lens groups a little bit to the front and rear of the stop, independently parallel to the direction of the optical axis. By maintaining a constant size of image formation in spite of various object-distance changes in a projection system such as a head-up display (HUD) or head-mounted display (HMD), we can prevent the field of view from changing while focusing in an HUD or HMD. Also, to check precisely the state of the wiring that connects semiconductor chips and IC circuit boards, we can keep the magnification of the optical system constant, even when the object distance changes due to vertical movement along the optical axis of a testing device. Additionally, if we use this double-Gauss optical system as a vision system in the testing process of lots of electronic boards in a manufacturing system, since we can systematically eliminate additional image processing for visual enhancement of image quality, we can dramatically reduce the testing time for a fast test process. Also, the Gaussian bracket method was used to find the moving distance of each group, to achieve the desired specifications and fix magnification and image surface simultaneously. After the initial design, the optimization of the optical system was performed using the Synopsys optical design software.
A change in object distance would generally change the magnification of an optical system. In this paper, we have proposed and designed a double-Gauss optical system with a fixed magnification and image surface regardless of any change in object distance, according to moving the lens groups a little bit to the front and rear of the stop, independently parallel to the direction of the optical axis. By maintaining a constant size of image formation in spite of various object-distance changes in a projection system such as a head-up display (HUD) or head-mounted display (HMD), we can prevent the field of view from changing while focusing in an HUD or HMD. Also, to check precisely the state of the wiring that connects semiconductor chips and IC circuit boards, we can keep the magnification of the optical system constant, even when the object distance changes due to vertical movement along the optical axis of a testing device. Additionally, if we use this double-Gauss optical system as a vision system in the testing process of lots of electronic boards in a manufacturing system, since we can systematically eliminate additional image processing for visual enhancement of image quality, we can dramatically reduce the testing time for a fast test process. Also, the Gaussian bracket method was used to find the moving distance of each group, to achieve the desired specifications and fix magnification and image surface simultaneously. After the initial design, the optimization of the optical system was performed using the Synopsys optical design software.
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문제 정의
이때 물체거리가 변하면서도 배율이 고정되어야 한다. 그러므로 본 논문에서는 물체거리가 변하여도 배율과 상면이 고정되는 이중 가우스 광학계의 설계에 대해 논의하고자 한다.
하지만 이렇게 줌 구조를 이용한 투사 광학계는 화각 변화(zooming) 시에 물체 크기가 변하게 되므로 전방시현장치 광학계 관점에서는 영상 크기가 변하여 시도 조절 단계에서 화각이 변하는 부작용이 발생한다. 그러므로, 본 연구에서는 각 군을 이동하여 물체 거리가 변하게 하면서도 배율이 고정되어 투사 화면의 크기가 바뀌지 않는 광학계를 설계하고자 한다.
가설 설정
그러므로, 주어진 특허로부터 본 연구에서 주어진 광학계에 적용하기 위해서는 광학계를 축소해야 한다. JP2003-043351A의 광학계는 NA가 낮지만, 광학 설계를 통해 사양을 만족하도록 설계하게 될 것이다.
또한 화면 중심부와 주변부의 밝기차이가 적어야 하므로 상측 텔레센트릭을 만족하도록 상면에서의 주광선 각도(chief ray angle, CRA)을 2도 이하로 설계하였다. 상측 텔레센트릭을 만족하게 되면, 물체거리의 변화에 따른 배율의 변화가 없다.
제안 방법
한편 이중 가우스 형태의 광학계는 조리개를 중심으로 좌우 대칭인 광학계이므로, 수차 보정이 쉽기 때문에 대구경 광학계에 많이 채용된다. 그러나, 본 연구에서는 물체거리가가변되어야 하므로, 이중 가우스 광학계의 조리개 앞쪽 렌즈군과 뒤쪽 렌즈군으로 분할하여 두 개의 군이 상대적으로 이동하는 줌 구조를 채용한다. 이때 물체거리가 변하면서도 배율이 고정되어야 한다.
상을 화면에 투사하는 광학계와 함께 쓰일 경우 시도조절이 가능하며, 관측 대상의 위치에 따라 상의 크기가 축소되거나 확대되는 현상을 막기위해 물체거리의 변화에 따른 일정한 배율을 갖고 상면을 고정하는 광학계를 줌 방식으로 설계하였다. 보다 빠른 최적화를 위해서 초기 설계로 목표 제원과 같이 유한 물점을 기준으로 하는 광학계를 선택하였다.
설계 파장은 C-line, d-line, e-line, F-line, g-line으로 하였고, 설계 기준파장은 e-line으로 두었다. 최적화 시 유한물점을 기준으로 물체거리가 10 mm 전후로 움직였을 때 물체가 4.17배 확대될 수 있도록 최적화를 진행했으며, 설계 목표인 NA 0.25 이상이 되도록 하였다. 한편 투사광학계의 경우에는 화면 중심뿐 아니라 주변부에도 어느정도 높은 성능이 요구되기 때문에 화면 주변부에 필드가중치를 적절히 분배하였다.
대상 데이터
본 광학계는 상면에 소형 영상 패널이 위치하며 물체면은 투사 화면이 된다. 이 때 투사 화면이 물체거리의 변화에 따른 해상력 성능의 차이가 적어야 하며, 왜곡이 적어서 별도영상처리가 필요없는 것이 좋다.
설계 간 사용된 소재는 6매 모두 고굴절 소재로 물체 거리변화에 따른 전체적인 수차를 줄이기 위해 사용되었다. 그림5는 위에서부터 차례로 zoom 1, zoom 2, zoom 3의 종수차도이며, 각 그림의 왼쪽부터 차례대로 종구면수차, 비점수차, 왜곡을 나타낸 것이다.
2 lp/mm가 되어야 한다. 한편 연구에서 사용된 설계 S/W는 시놉시스(Synopsys)[5]이며, 광학계의 초기값은 일본 특허 JP2003-043351A의 실시예 1번을 사용하였다. 물체 측에서 제 1번면부터 제 5번면 까지 양의 굴절능 갖고 제 7번 면으로 부터 제 11번면 까지 양의 굴절능을 같는 더블 가우스 형태로 구성되어 입사된 광선들을 상면에 결상 시킨다.
성능/효과
하지만, 기구 설계 단계에서는 조리개 직경을 고정하여 설계하는 것이 편리하므로, 최종설계에서 조리개 경은 고정하였다. 따라서 물체거리 변화 시, NA가 변하게 되며 밝기가 가장 어두운 곳을 기준으로 NA가 0.25 이상을 만족하도록 했으며, 표 6에서 보는 것처럼 NA가 가장 작은 zoom 1에서 0.25 이상임을 확인할 수 있다. 그림 4는 1군과 2군에 대해 상면으로부터 상대적인 이동량을 그린 줌 궤적으로서 표 8을 이용해 계산하여 그린 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전방시현장치가 주목받는 배경은?
2015년 한국 도로교통공단 교통사고통계에 따르면 전체 사망사고의 68.5%가 안전운전 불이행으로 나타났으며, 이 중 스마트폰, 네비게이션 등 IT제품의 대중화로 인해 전방에서 시선을 분산시키게 되면서 교통사고로 이어지는 사례가 증가하고 있다[3]. 이러한 교통사고를 예방하기 위해 운전자의 시선 분산을 최소화 하면서 도로교통정보 및 차량운행정보를 효율적으로 전달 할 수 있는 전방시현장치가 주목받고 있다.
자동차의 속력에 따라 전방시현장치는 어떻게 동작해야 하는가?
한편 자동차가 보편화 됨에 따라 고령 운전자의 경우 노화에 따른 신체적, 정신적 기능감소로 인해 운전 수행에 취약하며, 특히 시력이 저하된 고령운전자가 그렇지 않은 운전자에 비해 교통 사고 경험이 6배 더 많다[4]. 특히 자동차의 속력이 달라지게 되면, 전방시현장치에 의해 구현된 허상(virtual image)의 거리가 조정되어야 운전자에게 편리하다. 전방시현장치에서 허상 거리 변화를 구현하는 방법은 여러 가지가 있지만, 가장 쉽게 구현할 수 있는 방법은 전방시현장치의 소형 영상 소자를 움직이는 것이다.
줌 광학계란?
줌 광학계는 광학기술에 있어 지속적으로 발전을 보인 분야 중 하나로 초점거리(effective focal length, EFL)과 배율이 연속적으로 변하고 상면이 유지되는 광학계를 말한다[1]. 이러한 광학계는 카메라나 캠코더에 주로 사용된다.
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