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KR102059945B1 - Diffraction optical element and optical device including the same - Google Patents

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KR102059945B1
KR102059945B1 KR1020130072621A KR20130072621A KR102059945B1 KR 102059945 B1 KR102059945 B1 KR 102059945B1 KR 1020130072621 A KR1020130072621 A KR 1020130072621A KR 20130072621 A KR20130072621 A KR 20130072621A KR 102059945 B1 KR102059945 B1 KR 102059945B1
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diffraction
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optical element
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이도원
이상훈
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자로서, 상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 상기 중심부에 형성된 제1회절패턴의 높이와 상기 가장자리에 형성된 제2회절패턴의 높이는 상이한 회절광학소자 및 이를 포함하는 광학장치를 개시한다.The present invention is a diffractive optical element having a diffraction pattern formed on at least one surface, the height of the diffraction pattern is changed from the center of the one surface to the edge, the height of the first diffraction pattern formed in the center and the second diffraction pattern formed on the edge Discloses diffractive optical elements having different heights and optical devices including the same.

Description

회절광학소자 및 이를 포함하는 광학장치{DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL DEVICE INCLUDING THE SAME}Diffraction optical element and optical device including the same {DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 균일한 회절광학소자에 관한 것이다.The present invention relates to a diffractive optical element having a uniform diffraction efficiency according to the wavelength and the incident angle.

회절광학소자(diffractive optical element: DOE)는 동일한 부호의 파워를 가진 굴절 광학계에 비하여 색수차가 나타나는 방식이 반대이다. 이는 광학계 중의 굴절면과 회절면에서는 기준 파장의 광선에 대한 색수차가 역방향에서 발현되는 물리현상 때문이다. Diffractive optical elements (DOEs) have the opposite method of chromatic aberration as compared to refractive optical systems having the same power. This is because of the physical phenomenon in which chromatic aberration with respect to the light of the reference wavelength is expressed in the reverse direction on the refractive surface and the diffraction surface in the optical system.

회절광학소자는 기존 굴절 광학계보다 수차 보정이 용이하여 렌즈 어셈블리의 높이를 낮출 수 있어 소형화가 가능해지고, 렌즈 매수 저감에 따른 제품의 가격을 다운시킬 수 있는 장점이 있다.Diffraction optical elements are easier to correct aberrations than conventional refractive optics, so that the height of the lens assembly can be lowered, which makes it possible to miniaturize and reduce the price of the product according to the reduction in the number of lenses.

그러나, 이와 같이 회절광학소자는 입사광의 파장대 및 렌즈의 입사각도에 따라 회절효율 차이가 발생하고, 그 결과 색번짐(Flare) 현상이 발생하여 이미지의 성능을 저하시키는 문제가 있다.However, the diffraction optical element has a problem in that the diffraction efficiency difference occurs according to the wavelength range of the incident light and the incident angle of the lens, and as a result, a color phenomena occurs, thereby degrading the performance of the image.

이를 해소하기 위하여 회절광학소자를 복수 개 적층하여 회절효율을 개선한 기술들이 개발되고 있으나, 단매(단일층)의 회절광학소자만으로는 파장 및 입사각도에 따른 회절효율 차이를 개선하지 못하고 있다.In order to solve this problem, technologies for improving diffraction efficiency by stacking a plurality of diffractive optical devices have been developed. However, a single diffraction optical device alone does not improve the diffraction efficiency difference according to the wavelength and the incident angle.

본 발명은 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 유사한 회절광학소자를 제공한다.The present invention provides a diffractive optical element having a similar diffraction efficiency according to wavelength and incident angle.

본 발명은 단매의 회절광학소자로 설계하여 박막인 회절광학소자를 제공한다.The present invention is designed as a single diffraction optical element to provide a diffraction optical element that is a thin film.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는, 적어도 일면에 회절패턴이 형성되고, 상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 상기 중심부에 형성된 제1회절패턴의 높이와 상기 가장자리에 형성된 제2회절패턴의 높이는 상이하게 형성된다.In the diffraction optical element according to the embodiment of the present invention, a diffraction pattern is formed on at least one surface, and the height of the diffraction pattern is changed from the center of the one surface to the edge, and the height of the first diffraction pattern formed on the center and the The height of the second diffraction pattern formed at the edge is formed differently.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 제1회절패턴의 높이와 상기 제2회절패턴의 높이의 차는 600nm 내지 1400nm이다.In the diffractive optical device according to the embodiment of the present invention, the difference between the height of the first diffraction pattern and the height of the second diffraction pattern is 600 nm to 1400 nm.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 제1회절패턴의 높이는 상기 제2회절패턴의 높이보다 높게 형성된다.In the diffractive optical device according to the embodiment of the present invention, the height of the first diffraction pattern is formed higher than the height of the second diffraction pattern.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 제1회절패턴의 높이는 1500nm 내지 1900nm이고, 상기 제2회절패턴의 높이는 500nm 내지 900nm로 형성된다.In the diffractive optical device according to the embodiment of the present invention, the height of the first diffraction pattern is 1500 nm to 1900 nm, and the height of the second diffraction pattern is 500 nm to 900 nm.

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 제1회절패턴의 높이(ho)는 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 제2회절패턴의 높이(h1)는 하기 수학식 2를 만족한다.In a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention, the height h o of the first diffraction pattern satisfies Equation 1 below, and the height h 1 of the second diffraction pattern is expressed by Equation 2 below. Satisfies.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013056369546-pat00001
Figure 112013056369546-pat00001

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112013056369546-pat00002
Figure 112013056369546-pat00002

(여기서, nd는 회절광학소자의 굴절율이고, 750nm≤λ1≤950nm, 250nm≤λ2≤450nm 이다.)(Where n d is the refractive index of the diffractive optical element, and is 750 nm ≦ λ 1 ≦ 950 nm and 250 nm ≦ λ 2 ≦ 450 nm).

본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자에서, 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 회절패턴의 높이(hr)는 하기 수학식 3을 만족한다.In the diffractive optical device according to the embodiment of the present invention, the height h r of the diffraction pattern that changes from the center of the one surface to the edge satisfies Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112013056369546-pat00003
Figure 112013056369546-pat00003

(여기서, ho는 제1회절패턴의 높이이고, h1은 제2회절패턴의 높이이고, reff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.)Where h o is the height of the first diffraction pattern, h 1 is the height of the second diffraction pattern, r eff is the radius of the effective diameter, r is the radius of the diffraction pattern, and γ is 0.1≤γ≤3 .)

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자는, 적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자이고, 상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 상기 중심부를 통과한 적색광(R1), 녹색광(G1), 청색광(B1)의 1차광 회절효율은 하기 관계식 1을 만족하며, 상기 가장자리를 통과한 적색광(R2), 녹색광(G2), 청색광(B2)의 1차광 회절효율은 하기 관계식 2를 만족한다.A diffraction optical element according to another embodiment of the present invention is a diffraction optical element having a diffraction pattern formed on at least one surface thereof, and the height of the diffraction pattern changes from the center of the one surface toward the edge and passes through the center of the red light (R1). ), The primary light diffraction efficiency of the green light (G1), blue light (B1) satisfies the following equation 1, the primary light diffraction efficiency of the red light (R2), green light (G2), blue light (B2) passing through the edge is Satisfies relation 2.

[관계식 1][Relationship 1]

R1>G1>B1R1 > G1 > B1

[관계식 2][Relationship 2]

R2<G2<B2R2 <G2 <B2

본 발명에 따르면, 단매의 회절광학소자만으로도 파장 및 입사각도에 따른 회절효율이 유사하게 제어할 수 있다.According to the present invention, the diffraction efficiency according to the wavelength and the angle of incidence can be similarly controlled only by the diffraction optical element of a single medium.

또한, DOE 광학계에서 회절 효율 차이로 인해 발생하는 필드별 색 차이(색편차)를 감소시켜 모든 영역에 대해 균일광(백색광)을 구현할 수 있다.In addition, uniform color light (white light) can be implemented for all areas by reducing color difference (color deviation) for each field caused by the diffraction efficiency difference in the DOE optical system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도이고,
도 2는 수학식 3의 상수(γ) 변화에 따라 회절패턴 높이가 변화하는 기울기를 보여주는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 회절패턴의 높이가 동일한 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도 및 평면도이고,
도 6은 본 발명의 회절광학소자가 비구면 렌즈의 합성된 형상을 보여주는 도면이고,
도 7은 도 4에 도시한 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이고,
도 9는 도 4에 도시한 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이며,
도 11은 기존 광학장치를 이용하여 촬영한 영상 이미지이다.
1 is a side view of a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a graph showing a slope in which a diffraction pattern height changes according to a change in the constant γ of Equation 3;
3 is a view for explaining the wavelength dependence of the diffractive optical element according to an embodiment of the present invention,
4 is a view for explaining wavelength dependence of a diffraction optical element having the same height of a diffraction pattern,
5 is a side view and a plan view of a diffractive optical element according to another embodiment of the present invention;
6 is a view showing the synthesized shape of the aspherical lens in the diffraction optical element of the present invention,
7 is a graph showing the primary light efficiency of the diffractive optical element shown in FIG.
8 is a graph showing the primary light efficiency of the diffractive optical device according to the embodiment of the present invention,
FIG. 9 is an image image photographed by an optical apparatus including the diffractive optical element shown in FIG. 4.
10 is an image taken by an optical device including a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention,
11 is a video image photographed using an existing optical device.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the terms "comprises" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.In addition, it is to be understood that the accompanying drawings in the present invention are shown enlarged or reduced for convenience of description.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. Like reference numerals designate like elements throughout, and duplicate descriptions thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도이고, 도 2는 수학식 3의 상수(γ) 변화에 따라 회절패턴 높이가 변화하는 기울기를 보여주는 그래프이다.1 is a side view of a diffractive optical device according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing a slope in which a diffraction pattern height changes according to a change in Equation (3).

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학회절소자(10)는 적어도 일면에 복수 개의 회절패턴(100)이 형성된다. 이러한 회절패턴(100)은 톱니 형상(Fresnel DOE 형상)일 수 있으며 입사되는 광(L1)을 회절시켜 0차광(L2), 1차광(L3), 2차광 등으로 회절시킨다. 이 중 1차광이 굴절광학계와 유사하다. 따라서, 이하에서는 회절효율은 1차광의 회절효율로 설명한다.Referring to FIG. 1, the optical diffraction element 10 according to the exemplary embodiment of the present invention has a plurality of diffraction patterns 100 formed on at least one surface thereof. The diffraction pattern 100 may have a sawtooth shape (Fresnel DOE shape), and diffracts incident light L1 into zero order light L2, primary light L3, and secondary light. Primary light is similar to the refractive optical system. Therefore, the diffraction efficiency is described below as the diffraction efficiency of the primary light.

회절패턴(100)의 높이는 회절광학소자의 중심부(C)에서 가장자리(E)로 갈수록 연속 또는 불연속적으로 변화한다. 이때 회절패턴(100)의 높이는 중심부에서 가장자리로 갈수록 낮아지게 설계되거나 또는 반대로 중심부에서 가장자리로 갈수록 높아지게 설계될 수도 있다. 이하에서는 회절패턴(100)의 높이는 중심부에서 가장자리로 갈수록 낮아지게 설계된 것으로 설명하며, 회절패턴의 높이는 톱니형상 패턴의 피크(d2)와 밸리(d1) 사이의 거리로 정의한다.The height of the diffraction pattern 100 changes continuously or discontinuously from the center C of the diffractive optical element to the edge E. FIG. In this case, the height of the diffraction pattern 100 may be designed to be lower from the center to the edge, or conversely, may be designed to be higher from the center to the edge. Hereinafter, the height of the diffraction pattern 100 will be described as being designed to be lowered from the center to the edge, and the height of the diffraction pattern is defined as the distance between the peak d2 and the valley d1 of the sawtooth pattern.

중심부에서의 회절패턴(이하 제1회절패턴, 101)의 높이(ho)는 가장자리에서의 회절패턴(이하 제2회절패턴, h1)의 높이보다 높게 형성된다. 또한, 제1회절패턴(101)과 제2회절패턴(104) 사이의 회절패턴(102, 103)은 연속적으로 높이가 감소한다. 제1회절패턴의 높이(ho)는 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 제2회절패턴의 높이(h1)는 하기 수학식 2를 만족하도록 설계될 수 있다.The height h o of the diffraction pattern (hereinafter referred to as first diffraction pattern 101) at the center portion is formed higher than the height of the diffraction pattern (hereinafter referred to as second diffraction pattern h 1 ) at the edge. Further, the diffraction patterns 102 and 103 between the first diffraction pattern 101 and the second diffraction pattern 104 continuously decrease in height. The height h o of the first diffraction pattern satisfies Equation 1 below, and the height h 1 of the second diffraction pattern satisfies Equation 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013056369546-pat00004
Figure 112013056369546-pat00004

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112013056369546-pat00005
Figure 112013056369546-pat00005

여기서, nd는 회절광학소자의 굴절율(1.5~1.6)이고, 750nm≤λ1≤950nm, 250nm≤λ2≤450nm 이다. 이때, λ1 과 λ2의 범위를 만족하는 경우 가시광 전 영역에서 회절효율을 근사하게 조절할 수 있다. λ1 과 λ2의 범위는 반복적인 실험을 통해 도출하였다.Where n d is the refractive index of the diffractive optical element (1.5 to 1.6), and is 750 nm ≦ λ 1 ≦ 950 nm and 250 nm ≦ λ 2 ≦ 450 nm. In this case, when the range of λ 1 and λ 2 is satisfied, the diffraction efficiency may be approximately adjusted in the entire visible light region. The ranges of λ 1 and λ 2 were derived through repeated experiments.

이때, λ1의 범위와 λ2의 범위는 입사광의 1차광 회절효율이 0.5 이상이 되도록 설계된다. 따라서, 회절광학소자의 굴절률(nd)이 1.5인 경우 제1회절패턴의 높이(ho)는 1500nm 내지 1900nm이고, 상기 제2회절패턴의 높이(h1)는 500nm 내지 900nm일 수 있으며, 제1회절패턴의 높이(ho)와 상기 제2회절패턴의 높이(h1)의 차는 600nm 내지 1400nm일 수 있다.At this time, the range of lambda 1 and the range of lambda 2 are designed such that the primary light diffraction efficiency of the incident light becomes 0.5 or more. Accordingly, when the refractive index n d of the diffractive optical element is 1.5, the height h o of the first diffraction pattern may be 1500 nm to 1900 nm, and the height h 1 of the second diffraction pattern may be 500 nm to 900 nm. The difference between the height h o of the first diffraction pattern and the height h 1 of the second diffraction pattern may be 600 nm to 1400 nm.

따라서, 장파장대의 광은 회절광학소자의 중심부에서 높은 회절효율을 갖고 회절광학소자의 가장자리에서 낮은 회절효율을 갖는다. 반대로, 단파장대의 광은 회절광학소자의 가장자리에서 높은 회절효율을 갖고 회절광학소자의 중심부에서 낮은 회절효율을 갖는다. 그 결과, 회절광학소자를 통과한 장파장과 단파장의 전체 회절효율은 서로 유사해지도록 제어될 수 있다.Therefore, the long wavelength light has a high diffraction efficiency at the center of the diffractive optical element and a low diffraction efficiency at the edge of the diffractive optical element. On the contrary, light having a short wavelength has high diffraction efficiency at the edge of the diffractive optical element and low diffraction efficiency at the center of the diffractive optical element. As a result, the total diffraction efficiency of the long wavelength and the short wavelength passing through the diffractive optical element can be controlled to be similar to each other.

회절광학소자의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 각 회절패턴(102, 103)의 높이(hr)는 하기 수학식 3을 만족하도록 설계된다.The heights h r of the diffraction patterns 102 and 103, which change from the center of the diffractive optical element toward the edges, are designed to satisfy the following equation (3).

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112013056369546-pat00006
Figure 112013056369546-pat00006

여기서, ho는 제1회절패턴(101)의 높이이고, h1은 제2회절패턴(104)의 높이이고, reff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.Here, h o is the height of the first diffraction pattern 101, h 1 is the height of the second diffraction pattern 104, r eff is the radius of the effective diameter, r is the radius of the diffraction pattern, γ is 0.1 ≤ γ ≤ 3.

따라서, 제1회절패턴(101)과 제2회절패턴(104) 사이에 배치된 복수 개의 회절패턴(102, 103)은 수학식 3에 의해 정의되는 높이를 갖게 된다. Therefore, the plurality of diffraction patterns 102 and 103 disposed between the first diffraction pattern 101 and the second diffraction pattern 104 have a height defined by Equation (3).

일반적으로 회절광학소자는 회절효과를 갖는 유효반경(reff)을 갖고 그 외측은 패턴가공을 위한 가공경으로 정의된다. 따라서, 제2회절패턴(104)은 유효경의 끝단에 배치된(최외측에 배치된) 회절패턴으로 정의된다.In general, a diffractive optical element has an effective radius (r eff ) having a diffraction effect, and the outside thereof is defined as a machining diameter for pattern processing. Therefore, the second diffraction pattern 104 is defined as a diffraction pattern disposed at the end of the effective mirror (outermost).

수학식 3에서 γ는 기울기 상수로서, γ의 크기에 따라 회절패턴 높이의 기울기가 결정된다. 아래 표 1은 제1회절패턴의 높이(ho)가 1500nm이고 제2회절패턴의 높이(h1)가 400nm인 경우, γ의 변화에 따라 변화되는 회절패턴의 높이를 표시하였다.In Equation 3, γ is a slope constant, and the slope of the height of the diffraction pattern is determined according to the size of γ. Table 1 below shows the height of the diffraction pattern that changes according to the change of γ when the height h o of the first diffraction pattern is 1500 nm and the height h 1 of the second diffraction pattern is 400 nm.

γγ Ring 1Ring 1 Ring 2Ring 2 Ring 3Ring 3 Ring 4Ring 4 Ring 5Ring 5 1One 15001500 10531053 855855 696696 553553 0.90.9 15001500 10011001 820820 671671 539539 0.80.8 15001500 963963 783783 644644 524524 0.70.7 15001500 913913 743743 617617 509509 0.60.6 15001500 858858 702702 589589 494494 0.50.5 15001500 797797 548548 560560 479479

도 2와 표 1을 참고하면, γ 값이 0.5인 경우에는 외측 링으로 갈수록 패턴의 높이가 급격히 감소하나 γ값이 1인 경우에는 거의 직선 기울기로 완만하게 패턴의 높이가 감소함을 알 수 있다. 즉, 수학식 3은 회절패턴 높이의 기울기(hr)로 정의될 수 있다.Referring to FIG. 2 and Table 1, when the value of γ is 0.5, the height of the pattern decreases rapidly toward the outer ring, but when the value of γ is 1, the height of the pattern decreases smoothly with a nearly straight slope. . That is, Equation 3 may be defined as the slope h r of the height of the diffraction pattern.

이때, γ의 범위는 0.1≤γ≤3를 만족한다. γ이 0.1 미만이거나 3을 초과하는 경우에는 회절패턴의 높이가 급격하게 감소되어 회절패턴의 가공이 어려운 문제가 있다.At this time, the range of gamma satisfies 0.1≤γ≤3. If γ is less than 0.1 or more than 3, the height of the diffraction pattern is drastically reduced, which makes it difficult to process the diffraction pattern.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 회절패턴의 높이가 동일한 회절광학소자의 파장 의존성을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the wavelength dependence of the diffractive optical device according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a view for explaining the wavelength dependency of the diffraction optical device having the same height of the diffraction pattern.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는 중심부(C)에서 가장자리(E)로 갈수록 회절패턴의 높이가 감소한다. 또한, 전술한 바와 같이 중심부에서는 상대적으로 장파장의 회절효율이 커지며 가장자리에서는 상대적으로 단파장의 회절효율이 커지게 된다.Referring to FIG. 3, in the diffractive optical element according to the exemplary embodiment of the present invention, the height of the diffraction pattern decreases from the center portion C to the edge portion E. FIG. In addition, as described above, the diffraction efficiency of the long wavelength is relatively increased at the center portion, and the diffraction efficiency of the short wavelength is relatively increased at the edge portion.

따라서, 중심부를 통과한 600~700nm의 적색광(R1)과 500~600nm의 녹색광(G1)과 400~500nm의 청색광(B1)의 효율은 하기 관계식 1을 만족하게 된다.Therefore, the efficiency of 600-700 nm red light (R1), 500-600 nm green light (G1) and 400-500 nm blue light (B1) passing through the center satisfy the following equation 1.

[관계식 1][Relationship 1]

R1>G1>B1R1 > G1 > B1

즉, 중심부에서는 적색광의 1차광 회절효율이 가장 좋으며, 청색광의 1차광 회절효율이 가장 낮게 된다. 그러나, 이와 반대로 가장자리를 통과한 600~700nm의 적색광(R2)과 500~600nm의 녹색광(G2)과 400~500nm의 청색광(B2)의 효율은 하기 관계식 2를 만족하게 된다.That is, the primary light diffraction efficiency of the red light is the best and the primary light diffraction efficiency of the blue light is the lowest in the center portion. However, on the contrary, the efficiency of the red light R2 of 600-700 nm, the green light G2 of 500-600 nm, and the blue light B2 of 400-500 nm that pass through the edges satisfy the following Equation 2.

[관계식 2][Relationship 2]

R2<G2<B2R2 <G2 <B2

따라서, 회절광학소자를 통과한 적색광, 녹색광, 청색광의 총 회절효율은 거의 유사하게 조절될 수 있다. Therefore, the total diffraction efficiency of the red light, the green light, and the blue light passing through the diffractive optical element can be adjusted almost similarly.

그러나, 도 4와 같이 회절패턴의 높이(h2)가 모두 동일하게 형성되는 경우에는 설계파장에 해당하는 파장대의 광은 효율이 최대가 되나 그 이외의 나머지 파장대의 광은 회절효율이 매우 낮게 되는 문제가 있다. However, when the height h 2 of the diffraction pattern is formed to be the same as shown in FIG. 4, the light of the wavelength band corresponding to the design wavelength has the maximum efficiency, but the light of the other wavelength bands has very low diffraction efficiency. there is a problem.

만약, 설계파장이 546nm의 녹색광이라면 중심부에서나 가장자리에서나 녹색광의 효율만이 좋게 된다 (G3≫R3=B3, G4≫R4=B4). 이러한 회절광학소자는 파장에 따른 회절효율이 차이로 인해 색번짐(Flare) 현상이 나타난다.If the design wavelength is 546nm green light, only the efficiency of green light at the center or at the edge is good (G3 »R3 = B3, G4» R4 = B4). The diffraction optical device has a flare phenomenon due to the difference in diffraction efficiency according to the wavelength.

다시 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 회절광학소자는 입사 각도에 대한 의존성이 낮아지게 된다. 예를 들면, 제1각도로 입사하는 제1광과 제2각도로 입사하는 제2광을 가정하면, 제1광이 중심부에서 회절효율이 높은 경우 회절패턴의 높이가 다른 가장자리 부근에서는 회절효율이 낮아지게 되며, 제2광은 중심부에서 효율이 낮다면 회절패턴의 높이가 다른 가장자리에서 높아지게 된다. 따라서, 입사각에 따른 1차광 회절효율은 거의 유사하게 제어된다. Referring back to FIG. 3, the diffraction optical element according to the present invention becomes less dependent on the incident angle. For example, assuming the first light incident at the first angle and the second light incident at the second angle, when the first light has a high diffraction efficiency at the center, the diffraction efficiency is near the edge where the height of the diffraction pattern is different. If the second light has low efficiency at the center, the height of the diffraction pattern is increased at the other edge. Therefore, the primary light diffraction efficiency according to the incident angle is controlled almost similarly.

즉, 파장이 변화하는 경우와 입사각도가 변화하는 경우, 회절패턴의 높이 변화에 의해 일부 영역(중심부)에서 효율이 높거나 낮은 부분을 다른 영역(가장자리)에서 보상해 줌으로써 회절광학소자를 통과하는 광의 전체 회절효율을 유사하게 제어할 수 있는 것이다.In other words, when the wavelength is changed and the incident angle is changed, the high or low efficiency is compensated in the other region (edge) by the change of the height of the diffraction pattern to pass through the diffraction optical element. The total diffraction efficiency of the light can be similarly controlled.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자의 측면도 및 평면도이고, 도 6은 본 발명의 회절광학소자가 비구면 렌즈의 합성된 형상을 보여주는 도면이다.5 is a side view and a plan view of a diffractive optical device according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view showing a synthesized shape of an aspherical lens of the diffractive optical device of the present invention.

도 5를 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회절광학소자는 회절패턴의 피크가 중심부에서 가장자리로 갈수록 낮아지도록 설계됨으로써 높이가 점점 낮아지게 된다. 이는, 도 1에서 회절패턴의 밸리(d1)가 변화함으로써 패턴의 높이가 줄어들게 되는 것과 동일하다. 이때, 각 회절패턴은 링 형상(r1, r2)으로 형성된다.Referring to FIG. 5, the diffractive optical element according to another exemplary embodiment of the present invention is designed such that the peak of the diffraction pattern is lowered from the center to the edge, and the height thereof becomes gradually lower. This is the same as the height of the pattern is reduced by changing the valley d1 of the diffraction pattern in FIG. 1. At this time, each diffraction pattern is formed in a ring shape (r 1 , r 2 ).

도 6을 참고하면, 회절광학소자(10)는 비구면 렌즈(20)의 일면에 형성될 수 있다. 비구면 렌즈(20)는 볼록렌즈일 수도 있고 오목렌즈일 수도 있다. 따라서, 회절광학소자(10)에 의해 굴절광학계에서 발생하는 색수차를 효과적으로 보정할 수 있다.Referring to FIG. 6, the diffractive optical element 10 may be formed on one surface of the aspherical lens 20. The aspherical lens 20 may be a convex lens or a concave lens. Therefore, the chromatic aberration generated in the refractive optical system can be effectively corrected by the diffractive optical element 10.

도 7은 도 4에 도시한 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자의 1차광 효율을 보여주는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the primary light efficiency of the diffractive optical device shown in FIG. 4, and FIG. 8 is a graph showing the primary light efficiency of the diffractive optical device according to an embodiment of the present invention.

이때, 도 8의 1차광 회절효율(η)은 하기 수학식 4에 의해 산출된 결과를 시뮬레이션 한 결과이다.At this time, the primary light diffraction efficiency η of FIG. 8 is a result of simulating the result calculated by Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112013056369546-pat00007
Figure 112013056369546-pat00007

여기서, λ는 입사광의 파장이고, n1은 회절광학소자의 굴절율이고, n2는 공기의 굴절율이고, θ2는 광의 입사각도이고, m은 회절 차수이다.Is the wavelength of incident light, n 1 is the refractive index of the diffractive optical element, n 2 is the refractive index of air, θ 2 is the incident angle of light, m is the diffraction order.

도 7을 참고하면, 회절패턴의 높이가 일정하게 형성된 회절광학소자(도 4 참조)는 설계파장(예: 546nm, G)에서는 최대효율을 가지나 설계파장 이외의 파장대(B)에서는 0.6 이하로 효율이 급격히 떨어지는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 7, a diffractive optical element (see FIG. 4) having a constant height of a diffraction pattern has a maximum efficiency at a design wavelength (eg, 546 nm, G), but is less than 0.6 at a wavelength band B other than the design wavelength. You can see this fall sharply.

또한, 입사각에 따라서도 급격한 변화를 보임을 알 수 있다. 이러한 파장대별 효율차 및 입사각에 따른 효율차는 색번짐 문제를 야기시킨다. 이때, 점선(Bn, Gn, Rn)은 1차광 이외의 광으로 실제 영상에서 노이즈로 작용한다.In addition, it can be seen that the sharp change according to the incident angle. The efficiency difference according to the wavelength band and the incident angle causes color blur problem. At this time, the dotted lines Bn, Gn, and Rn are light other than the primary light and act as noise in the actual image.

이에 반해, 도 8과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자는 파장대별 1차광 회절효율이 거의 유사한 것을 알 수 있다. On the contrary, as shown in FIG. 8, the diffraction optical element according to the exemplary embodiment of the present invention has almost similar primary light diffraction efficiency for each wavelength band.

구체적으로는 적색 파장(R), 녹색 파장(G), 청색 파장(B)의 광의 1차광 회절효율이 모두 0.6과 0.8 사이에 균일하게 위치하고 있으며, 적색 파장(R), 녹색 파장(G), 청색 파장(B) 간의 회절효율 차이도 0.2 이하임을 알 수 있다. Specifically, the primary light diffraction efficiency of the light having the red wavelength (R), the green wavelength (G), and the blue wavelength (B) is all uniformly located between 0.6 and 0.8, and the red wavelength (R), the green wavelength (G), It can be seen that the diffraction efficiency difference between the blue wavelengths B is also 0.2 or less.

회절소자에 입사되는 광의 각도는 회절소자에 수직하거나(0도), 소정의 각도를 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 0도 내지 40도의 화각에서 효율 변화도 거의 없음을 알 수 있다.The angle of light incident on the diffraction element may be perpendicular to the diffraction element (0 degrees), or may have a predetermined angle. However, according to the exemplary embodiment of the present invention, it can be seen that there is almost no change in efficiency at an angle of view of 0 degrees to 40 degrees.

따라서, 가시광 전 영역에서 회절효율이 0.6 이상이며 각 파장대의 회절효율 차도 0.2 이하이므로, 회절광학소자의 파장 의존성 및 입사각 의존성이 완화되어 색번짐 문제가 효과적으로 해결되었음을 알 수 있다.Therefore, since the diffraction efficiency is 0.6 or more in the entire visible light region and the diffraction efficiency difference of each wavelength band is 0.2 or less, the wavelength dependence and the incident angle dependence of the diffractive optical element are alleviated, so that the color bleeding problem can be effectively solved.

더욱이 본 발명에 따른 회절광학소자는 복수의 회절패턴이 적층된 적층형 소자가 아니라 단층 구조로 설계되므로 박막의 회절광학소자 설계가 가능해진다. 따라서, 이를 포함하는 소형 광학계를 실현할 수 있다. Furthermore, the diffractive optical element according to the present invention is designed as a single layer structure, rather than a stacked element in which a plurality of diffraction patterns are stacked, so that the diffraction optical element can be designed in a thin film. Therefore, a compact optical system including the same can be realized.

또한, 이러한 회절광학소자는 통신 단말용 카메라 모듈, 디지털 스틸 카메라, 캠코더와 같은 다양한 광학기기에 적용될 수 있다.
In addition, the diffractive optical element may be applied to various optical devices such as a camera module for a communication terminal, a digital still camera, and a camcorder.

도 9는 도 4에 도시한 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자를 포함하는 광학장치에서 촬영된 영상 이미지이며, 도 11은 기존 광학장치를 이용하여 촬영한 영상 이미지이다.FIG. 9 is an image image photographed by the optical apparatus including the diffractive optical element shown in FIG. 4, and FIG. 10 is an image image photographed by the optical apparatus including the diffractive optical element according to an embodiment of the present invention. 11 is a video image taken using the existing optical device.

도 9를 참고하면, 회절패턴의 높이가 동일한 회절광학소자가 장착된 광학장치(예: 카메라 모듈)을 이용하여 촬영한 영상 이미지는 중심필드(0.1F)에서 자주색의 색번짐이 관찰되었으며 외곽(0.7F)에서는 청색의 색번짐이 관찰되었다. 이는 굴절 광학계를 이용한 도 11의 이미지와 비교할 때 색번짐이 매우 큼을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, purple color bleeding was observed in an image image photographed using an optical device (eg, a camera module) equipped with a diffraction optical element having the same height of a diffraction pattern, and an outer color (0.7). In F), blue color bleeding was observed. This can be seen that the color blur is very large when compared with the image of FIG. 11 using the refractive optical system.

이에 반해, 도 10과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 회절광학소자가 장착된 광학장치를 이용하여 촬영한 영상 이미지는 중심필드(0.1F)와 외곽(0.7F)에서의 색상 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 이는 굴절 광학계를 이용한 도 11의 이미지와 비교할 때 색번짐 문제가 크게 완화되었음을 알 수 있다.On the contrary, as shown in FIG. 10, the image image photographed using the optical device equipped with the diffractive optical element according to the exemplary embodiment does not have a large color difference in the center field (0.1F) and the outer (0.7F). It can be seen. It can be seen that the color bleeding problem is greatly alleviated when compared with the image of FIG. 11 using the refractive optical system.

Claims (14)

적어도 일면에 회절패턴이 형성된 회절광학소자로서,
상기 회절패턴의 높이는 상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하고, 상기 중심부에 형성된 돔 형상의 제1회절패턴의 높이와 상기 가장자리에 형성된 제2회절패턴의 높이는 상이하고,
상기 돔 형상의 제1 회절패턴의 높이는 가장 이웃한 회절패턴의 높이보다 높고,
상기 제1회절패턴의 높이(ho)는 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 제2회절패턴의 높이(h1)는 하기 수학식 2를 만족하는 회절광학소자.
[수학식 1]
Figure 112019074921580-pat00025

[수학식 2]
Figure 112019074921580-pat00026

(여기서, nd는 회절광학소자의 굴절율이고, 750nm≤λ1≤950nm, 250nm≤λ2≤450nm 이다.)
A diffractive optical element having a diffraction pattern formed on at least one surface,
The height of the diffraction pattern is changed from the center of the one surface toward the edge, the height of the dome-shaped first diffraction pattern formed in the center and the height of the second diffraction pattern formed on the edge is different,
The height of the first diffraction pattern of the dome shape is higher than the height of the neighboring diffraction pattern,
The height h o of the first diffraction pattern satisfies Equation 1 below, and the height h 1 of the second diffraction pattern satisfies Equation 2 below.
[Equation 1]
Figure 112019074921580-pat00025

[Equation 2]
Figure 112019074921580-pat00026

(Where n d is the refractive index of the diffractive optical element, and is 750 nm ≦ λ 1 ≦ 950 nm and 250 nm ≦ λ 2 ≦ 450 nm).
제1항에 있어서,
단층인 회절광학소자.
The method of claim 1,
Diffraction optical element that is a single layer.
제1항에 있어서,
상기 제1회절패턴의 높이와 상기 제2회절패턴의 높이의 차는 600nm 내지 1400nm인 회절광학소자.
The method of claim 1,
The difference between the height of the first diffraction pattern and the height of the second diffraction pattern is 600nm to 1400nm.
제1항에 있어서,
상기 제1회절패턴의 높이는 상기 제2회절패턴의 높이보다 높은 회절광학소자.
The method of claim 1,
The height of the first diffraction pattern is higher than the height of the second diffraction pattern.
제4항에 있어서,
상기 제1회절패턴의 높이는 1500nm 내지 1900nm이고, 상기 제2회절패턴의 높이는 500nm 내지 900nm인 회절광학소자.
The method of claim 4, wherein
The height of the first diffraction pattern is 1500nm to 1900nm, the height of the second diffraction pattern is 500nm to 900nm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 회절패턴의 높이(hr)는 하기 수학식 3을 만족하는 회절광학소자.
[수학식 3]
Figure 112013056369546-pat00010

(여기서, ho는 제1회절패턴의 높이이고, h1은 제2회절패턴의 높이이고, reff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.)
The method of claim 1,
The height (h r ) of the diffraction pattern that changes from the center of the one surface to the edge satisfies the following equation (3).
[Equation 3]
Figure 112013056369546-pat00010

Where h o is the height of the first diffraction pattern, h 1 is the height of the second diffraction pattern, r eff is the radius of the effective diameter, r is the radius of the diffraction pattern, and γ is 0.1≤γ≤3 .)
제1항에 있어서,
상기 중심부를 통과한 적색광(R1), 녹색광(G1), 청색광(B1)의 1차광 회절효율은 하기 관계식 1을 만족하며,
상기 가장자리를 통과한 적색광(R2), 녹색광(G2), 청색광(B2)의 1차광 회절효율은 하기 관계식 2를 만족하는 회절광학소자.
[관계식 1]
R1>G1>B1
[관계식 2]
R2<G2<B2
The method of claim 1,
The primary light diffraction efficiency of the red light (R1), green light (G1), blue light (B1) passing through the center satisfies the following relation 1,
The first optical diffraction efficiency of the red light (R2), green light (G2), blue light (B2) passing through the edge satisfies the following equation (2).
[Relationship 1]
R1 > G1 > B1
[Relationship 2]
R2 <G2 <B2
제8항에 있어서,
상기 중심부에 형성된 제1회절패턴의 높이는 상기 가장자리에 형성된 제2회절패턴의 높이보다 높은 회절광학소자.
The method of claim 8,
The height of the first diffraction pattern formed in the center is higher than the height of the second diffraction pattern formed on the edge.
삭제delete 제9항에 있어서,
상기 일면의 중심부에서 가장자리로 갈수록 변화하는 회절패턴의 높이(hr)는 하기 수학식 3을 만족하는 회절광학소자.
[수학식 3]
Figure 112013056369546-pat00013

(여기서, ho는 제1회절패턴의 높이이고, h1은 제2회절패턴의 높이이고, reff는 유효경의 반경이고, r은 해당 회절패턴의 반경이고, γ는 0.1≤γ≤3이다.)
The method of claim 9,
The height (h r ) of the diffraction pattern that changes from the center of the one surface to the edge satisfies the following equation (3).
[Equation 3]
Figure 112013056369546-pat00013

Where h o is the height of the first diffraction pattern, h 1 is the height of the second diffraction pattern, r eff is the radius of the effective diameter, r is the radius of the diffraction pattern, and γ is 0.1≤γ≤3 .)
제8항에 있어서,
상기 적색광은 600~700nm 파장대의 광이고, 녹색광은 500~600nm의 광이고, 청색광은 400~500nm 파장대의 광인 회절광학소자.
The method of claim 8,
The red light is a light of 600 ~ 700nm wavelength band, the green light is a light of 500 ~ 600nm, the blue light is a light of the wavelength band 400 ~ 500nm.
제1항 내지 제5항, 제7항 내지 제9항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 회절광학소자를 포함하는 광학계.
An optical system comprising the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 5, 7 to 9, 11 and 12.
제1항 내지 제5항, 제7항 내지 제9항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 회절광학소자를 포함하는 광학장치.An optical device comprising the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 5, 7 to 9, 11 and 12.
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