[논문]다중 구성을 이용한 내시경 및 대물렌즈 광학계 공차 민감도 최소화 설계 기술

정미숙

doi:10.3807/kjop.2021.32.6.259

초록
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최근 렌즈 가공 및 측정 기술의 발전에 따라 렌즈의 제작 조립 기술이 개선되었다. 그럼에도 불구하고 렌즈 제작 조립 기술의 상향에 따른 비용 및 제작 기간의 증가, 온도 및 진동 등의 사용 환경 의존도를 해결하지 못해 이에 따른 불안정해지는 성능 등을 극복하지 못하였다. 또한, 초정밀 광학계에서 효과적으로 민감도를 줄이는 방법은 다수의 보상자를 이용하는 방법인데, 특히 내시경 같은 초소형 렌즈의 경우 렌즈 경통 크기 제약으로 인하여 상거리 보상자 이외 추가적인 보상자 사용에 어려움이 있다. 따라서 렌즈 설계에 있어 공차에 대한 렌즈의 민감도를 최소화하는 것은 무엇보다도 중요한 기술인 바 이를 위한 노력이 필요하며, 렌즈 설계 소프트웨어에서도 민감도를 줄일 수 있는 기능들이 추가되는 추세이다. 본 논문에서는 우선 성능이 최적화된 설계를 도출하고, 이 설계의 민감도를 분석하여 민감도가 높은 요소들을 다중 구성(multi-configuration)에 적용한 뒤 다시 최적화함으로써 렌즈 민감도를 최소화하였으며 사례를 들어 다중 구성 방법이 민감도 저감에 매우 효과적임을 보여주었다.

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Recently, lens manufacturing and assembly technology has greatly improved. However, tight requirements of manufacturing and assembly lead to an increase in cost and manufacturing time, and in some cases the performance of an optical system may deteriorate depending on the operating environment's con...

Recently, lens manufacturing and assembly technology has greatly improved. However, tight requirements of manufacturing and assembly lead to an increase in cost and manufacturing time, and in some cases the performance of an optical system may deteriorate depending on the operating environment's conditions, such as temperature or vibration. In addition, the use of a compensator is an effective method to reduce sensitivity in an ultra-precision optical system, but in the case of a small lens, such as that in an endoscope, it is difficult to use a compensator due to the size limitation of the lens barrel. Therefore, minimizing lens sensitivity is the most important technology in lens design. For this reason, there have been various attempts to reduce the lens sensitivity, and there is a trend to add functions to reduce the sensitivity in the lens design S/W. In this paper, we introduce a design technology that minimizes lens sensitivity. We first design a lens with quite good performance, then analyze the sensitivity of this lens, make a multi-configuration with high-sensitivity element error, and then reoptimize it. We prove with an example that this design technique is very effective.

주제어

표/그림 (19)

표 Table 1. Multi-configuration
그림 Fig. 1. MTF of initial endoscope optical design.
그림 Fig. 2. MTF after improvement of lens decenter sensitivity.
그림 Fig. 3. Effect of lens sensitivity for tolerance improvement.
표 Table 2. Initial endoscope optical system lens data
표 Table 3. Lens data after sensitivity improvement
그림 Fig. 4. Objective lens layout.
그림 Fig. 5. RMS wavefront error of initial objective lens design.
그림 Fig. 6. MTF of initial objective lens.
표 Table 4. Lens data after optimization
표 Table 5. Tolerance values for manufacturing
그림 Fig. 7. Expected lens yield.
표 Table 6. Lens sensitivity for initial lens (criterion: RMS wavefront error)
표 Table 7. Lens data after sensitivity improvement
그림 Fig. 8. Objective lens layout after sensitivity improvement.
그림 Fig. 9. RMS wavefront error after sensitivity improvement.
그림 Fig. 10. MTF after sensitivity improvement.
그림 Fig. 11. Yield after sensitivity improvement.
표 Table 8. Lens sensitivity after sensitivity improvement

참고문헌 (5)

R. Bates, "Performance and tolerance sensitivity optimization of highly aspheric miniature camera lenses," Proc. SPIE 7793, 779302 (2010).
M. Isshiki, D. C. Sinclair, and S. Kaneko, "Lens design: global optimization of both performance and tolerance sensitivity," in International Optical Design Conference 2006 (Optical Society of America, 2006), paper TuA5.
I. Powell, "Employment of reverse optimization to relax manufacturing tolerances imposed on system constructional parameters associated with complex optical systems," Appl. Opt. 39, 2174-2183 (2000).

상세보기
ZEMAX, User manual of OpticStudio 21.3, (2021), p. 1603.
Synopsys, "User manual of CodeV 11.3: Optimization reference manual," (2019), p. 69.

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