KR20230043734A - Design method for tolerance sensitivity reduction of 6P mobile lens system, apparatus and computer program for performing the design method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법, 이를 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모바일용 광학계를 설계하는, 방법, 장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.The present invention relates to a design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system, an apparatus and a computer program for performing the same, and more particularly, to a method, apparatus and computer program for designing an optical system for a mobile.
최근 스마트폰 사용자의 수요 수준이 증가함에 따라 초소형 슬림화와 동시에 고성능의 이미지 센서와 고해상도의 렌즈가 요구되고 있다. 특히, 제조 과정에서 발생하는 공차 민감도 또한 증가하게 되어 제작 과정에서 비용이 증가하는 문제가 지속적으로 발생하고 있다. 이에 따라 민감도 저감 설계에 대한 방향을 모색하고 진행함으로써 렌즈 제작 생산성을 향상시켜 제작 비용을 절감할 수 있고 렌즈 시스템의 성능을 최대로 끌어 올리고 원하는 성능을 벗어나지 않는 범위 내에서 관리되어야 하므로 이를 만족하기 위해서는 각 렌즈의 공차를 적절하게 설정하는 것이 필요하다. 또한, 설계된 렌즈를 제작하기 전에 공차 분석을 하고 수율 등을 예상함으로써 실제로 제작할 렌즈의 성능을 예측할 수 있다.Recently, as the demand level of smartphone users increases, ultra-small and slim, high-performance image sensors and high-resolution lenses are required. In particular, sensitivity to tolerances generated in the manufacturing process is also increased, so that the problem of increasing cost in the manufacturing process continues to occur. Accordingly, by seeking and proceeding with the direction of the sensitivity reduction design, it is possible to reduce manufacturing cost by improving lens production productivity, maximize the performance of the lens system, and manage it within the range of desired performance. In order to satisfy this, It is necessary to properly set the tolerance of each lens. In addition, the performance of the lens to be actually manufactured can be predicted by performing tolerance analysis and estimating the yield before manufacturing the designed lens.
도 1은 MTF를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 공차를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining MTF, and FIG. 2 is a diagram for explaining tolerance.
공차란, 렌즈를 생산할 때 변수와 조정 변수의 허용 치수 변화를 결정하는 것으로 허용 범위는 렌즈를 제작하는 업체의 생산 능력에 따르는 값이다. 만약, 설계자가 공차를 지나치게 작게 설정한다면, 제작 비용이 증가할 수 있으며 생산 수율 또한 떨어질 것이다. 따라서, 설계를 할 때, 적절한 공차를 설정하여야 원하는 성능 목표를 만족할 것이며 제조와 조립의 비용을 최소화할 수 있을 것이다.Tolerance is a value that determines the permissible dimensional change of variables and adjustment variables when producing lenses, and the permissible range is a value according to the production capacity of the company that manufactures the lens. If the designer sets the tolerance too small, the manufacturing cost may increase and the production yield may also decrease. Therefore, when designing, appropriate tolerances must be set to ensure desired performance targets are met and manufacturing and assembly costs can be minimized.
적절한 공차의 설정은 대량 생산에 있어서 비용 절감을 위해서 필수적인 요소로 작용한다. 따라서, 공차 분석과 설정을 통하여 성능과 비용 간의 균형을 이룰 수 있도록 하는 것이 중요하다. 적절한 공차 할당을 위해서는 공차에 대한 분석이 필요하게 된다. 공차를 분석하는 방법은 크게 3 가지로 나눌 수 있다. 첫째, WC(worst case) model이다. WC model의 경우 가장 단순하고 기본적으로 많이 사용되는 공차 분석 중 하나이다. 설계된 렌즈 데이터로부터 주어진 각각의 공차를 공차 영역 내에서 공차의 값이 분산되는 것을 고려하지 않고 단순히 더하거나 빼는 방법이다. 둘째, RSS(root sum of the square) model이다. 이는 제조 공정에서의 오차는 해당 범위 내에서 독립적이며 정규분포를 이룬다고 가정하고 성능의 변화에 대한 함수를 정의하여 표현하는 방법이다. 세번째 방법으로 몬테카를로(monte carlo) 시뮬레이션이 있다. 몬테카를로 시뮬레이션이란, 렌즈 시스템의 변수에 대하여 허용 공차 내의 범위에 임의의 오차를 발생시켜 임의의 수치에 의해 만들어진 광학계의 제작 성능과 설계 성능을 분석하는 방법이다.Setting an appropriate tolerance acts as an essential factor for cost reduction in mass production. Therefore, it is important to achieve a balance between performance and cost through tolerance analysis and setting. An analysis of the tolerances is necessary for proper tolerance allocation. Tolerance analysis methods can be largely divided into three types. First, it is the worst case (WC) model. The WC model is one of the simplest and most basic tolerance analyzes. This is a method of simply adding or subtracting each tolerance given from the designed lens data without considering the dispersion of tolerance values within the tolerance range. Second, it is a root sum of the square (RSS) model. This is a method of defining and expressing a function for the change in performance, assuming that the errors in the manufacturing process are independent within the corresponding range and form a normal distribution. A third method is a Monte Carlo simulation. Monte Carlo simulation is a method of analyzing the manufacturing performance and design performance of an optical system made by arbitrary values by generating random errors within the range of allowable tolerances with respect to the variables of the lens system.
그리고, 설계 성능은 광학계에 사용되는 광학소자들의 치수가 기준 치수일 때의 기본 성능을 의미한다. 다시 말해서 광학계의 허용 공차를 적용하기 전의 이론적인 성능을 뜻한다. 반면, 제작 성능이란 정해진 규격 범위 사이에 광학소자들 각각의 치수가 존재할 때의 성능을 말하며 광학계에 허용 공차를 적용한 이후의 실제적인 성능을 의미한다. 그러므로, 설계 성능과 제작 성능은 서로 다른 값을 말한다.Further, the design performance means basic performance when the dimensions of optical elements used in the optical system are standard dimensions. In other words, it refers to the theoretical performance before applying the tolerance of the optical system. On the other hand, manufacturing performance refers to performance when each dimension of optical elements exists within a set standard range, and refers to actual performance after applying tolerances to the optical system. Therefore, design performance and fabrication performance refer to different values.
그리고, 공차 민감도 분석은 일반적으로 광학계에 대해 MTF를 기준으로 다양한 설계 변수의 민감도를 손쉽게 분석할 수 있으며 그에 대한 결상 광학계의 성능 분포도를 구할 수 있다. 민감도 분석이란 이론적으로 설계된 광학계에 제작 및 조립에 대한 오차를 인위적으로 적용하여 광학계의 성능 변화를 해석하는 것이다. 즉, 렌즈를 제작할 때, 곡률 반경 오차, 렌즈를 조립할 때의 중심 위치(decenter) 오차 및 렌즈의 틸트(tilt) 오차 등에 대해서 광학계의 성능이 얼마나 민감하게 반응하는지를 해석하는 것을 말한다. 이러한 오차 허용을 통해 제작 단가를 최소화하면서 목표 성능을 만족하도록 렌즈 설계 시 허용되는 오차의 변화를 결정한다. 만약 높은 정밀도를 요구하는 렌즈 설계에 대해 공차를 크게 설정할 경우 원하는 성능을 만족하지 못하게 될 것이다. 그러므로 적절한 공차를 설정하고 최대한 공차에 대한 영향을 최소화할 수 있도록 설계하는 것이 일반적이다.In addition, tolerance sensitivity analysis can generally easily analyze the sensitivity of various design variables based on the MTF for the optical system, and obtain a performance distribution of the imaging optical system. Sensitivity analysis is to analyze the performance change of the optical system by artificially applying manufacturing and assembly errors to the theoretically designed optical system. That is, it refers to analyzing how sensitively the performance of an optical system responds to an error in the radius of curvature when manufacturing a lens, a center position error when assembling a lens, and a tilt error of a lens. Through this error tolerance, the allowable change in error is determined when designing the lens to satisfy the target performance while minimizing the manufacturing cost. If a large tolerance is set for a lens design that requires high precision, the desired performance will not be satisfied. Therefore, it is common to set appropriate tolerances and design to minimize the effect on tolerances as much as possible.
Code-V 의 공차 분석에는 TOR(MTF 와 RMS 공차분석), TOD(주광선의 왜곡 수차에 대한 공차 분석), TOL(근축 광학량과 3 차 수차에 대한 공차 분석)의 3 가지 방법이 있다. 이 중에서 TOR 은 광선 추적을 통해 얻은 데이터를 사용하여 공차로 취급하는 각 파라미터와 파면을 연결한 것으로 MTF 나 RMS 파면 수차에 대해 제조 및 조립 오차의 영향을 직접 계산하여 매우 빠르게 광학계의 공차를 분석할 수 있는 방법이다. 그리고 Code-V 에서 조립과 조정 과정을 시뮬레이션 하기 위해 보상기(compensators)를 사용할 수 있으며 Code-V 공차로 정의할 수 있는 모든 파라미터는 보상기가 될 수 있다. 이때 보상기는 광학 성능은 유지하면서 공차를 크게 가져갈 수 있게 하여 조립과 정렬 시 공차에 의한 성능의 변화를 최소화하는 역할을 한다.Tolerance analysis of Code-V has three methods: TOR (tolerance analysis for MTF and RMS), TOD (tolerance analysis for principal ray distortion aberration), and TOL (tolerance analysis for paraxial optical quantity and third-order aberration). Among them, TOR connects each parameter treated as tolerance using data obtained through ray tracing and the wavefront. It can analyze the tolerance of the optical system very quickly by directly calculating the effect of manufacturing and assembly errors on the MTF or RMS wavefront aberration. way you can In addition, compensators can be used to simulate the assembly and adjustment process in Code-V, and all parameters that can be defined as Code-V tolerances can be compensators. At this time, the compensator serves to minimize the change in performance due to tolerance during assembly and alignment by enabling a large tolerance while maintaining optical performance.
TOR 의 2 가지 계산 방법 중 하나는 민감도 모드(sensitivity mode)로 지정된 공차에 의한 시스템의 성능 공차를 확인하는 것이며, 다른 하나는 역민감도 모드(inverse mode)로 지정된 성능 변화량에 대한 공차의 수준 및 시스템의 성능 공차를 확인한 것이다. 역민감도 모드의 경우 공차에 대한 정보가 없을 때 활용하는 방법이다. Code-V 에서 이와 같은 방법을 통해 광학계의 성능에 대해 다양한 MTF 및 RMS 값의 확률적인 정보를 제공한다.One of the two calculation methods of TOR is to check the performance tolerance of the system by the tolerance specified as the sensitivity mode, and the other is to check the tolerance level and system for the performance variation specified as the inverse mode. It confirmed the performance tolerance of . In the case of the inverse sensitivity mode, it is a method used when there is no information about the tolerance. Code-V provides probabilistic information of various MTF and RMS values for the performance of the optical system through this method.
TOR은 MTF 대 공차 항목의 변화 ΔP는 아래의 [수학식 1]으로 계산한다.TOR is calculated by the following [Equation 1] as the change in MTF versus tolerance item ΔP.
TOR은 RMS 파면수차 대 공차항목의 변화 ΔP는 아래의 [수학식 2]으로 계산한다.TOR is the RMS wavefront aberration versus change in tolerance item ΔP is calculated by [Equation 2] below.
여기서, TOR은 각 필드에서 각각의 공차와 보상기에 대한 A와 B 계수를 결정하며 C 계수는 기본 성능에 해당하며 MTF 또는 RMS2(편차)의 정규(nominal, ΔP=0)값이다. 도 1은 MTF 대 공차 항목의 변화 ΔP에 대한 그래프이다. 여기서, 회전대칭 공차의 경우 MTF 곡선이 항상 공차 값의 중심에 있는 것은 아니다. 그리고, 회전 비대칭 공차의 경우 MTF 곡선은 일반적으로 공차 값의 중심에 있다.Here, TOR determines A and B coefficients for each tolerance and compensator in each field, and C coefficient corresponds to the basic performance and is the normal (nominal, ΔP=0) value of MTF or RMS 2 (deviation). 1 is a graph of MTF versus change ΔP in tolerance terms. Here, in the case of rotationally symmetrical tolerances, the MTF curve is not always at the center of tolerance values. And, in the case of rotationally asymmetric tolerance, the MTF curve is generally centered on the tolerance value.
제작 성능을 고려하여 렌즈를 설계하기 위해 사용되는 공차는 아래와 같다. 면에 대한 공차에는 곡률반경(r), 굴절률(n), 두께(t) 등이 있고 렌즈에 대한 공차로는 두께편차(edge thickness)가 있으며 렌즈 정렬과 관계되는 공차로는 편심(decenter)와 틸트(tilt) 등이 있다. 아래의 내용은 본 발명에서 사용된 공차의 종류를 나타내고 있으며, 그 각각은 다음과 같이 정의되고 괄호 안의 내용은 Code-V 프로그램에 대한 명령어를 말한다.The tolerances used to design lenses considering manufacturing performance are as follows. Tolerances for surfaces include radius of curvature (r), index of refraction (n), and thickness (t). Tolerances for lenses include edge thickness. Tolerances related to lens alignment include eccentricity and tilt, etc. The following content shows the types of tolerances used in the present invention, each of which is defined as follows, and the content in parentheses refers to a command for the Code-V program.
(1) Delta refractive index(DLN): 면의 굴절률에 대한 허용오차(1) Delta refractive index (DLN): Tolerance for the refractive index of a surface
(2) Abbe-number delta(DLV) : 면의 Abbe-number에 대한 허용오차(2) Abbe-number delta (DLV): Tolerance for Abbe-number of face
(3) Lens thickness(DLT) : 유리, 공기의 두께에 대한 허용오차(도 2의 (a))(3) Lens thickness (DLT): Tolerance for the thickness of glass and air (Fig. 2 (a))
(4) Surface decenter(DLY) : 렌즈와 광축 사이 편심의 허용오차(도 2의 (b))(4) Surface decenter (DLY): Tolerance of eccentricity between lens and optical axis (Fig. 2 (b))
(5) Surface tilt(DLA) : 렌즈면의 tilt에 대한 허용 오차(도 2의 (c))(5) Surface tilt (DLA): Tolerance for the tilt of the lens surface (Fig. 2 (c))
(6) Lens group decenter(DSY) : 렌즈 decenter에 대한 허용오차(도 2의 (d))(6) Lens group decenter (DSY): Tolerance for lens decenter ((d) in FIG. 2)
(7) Axial displacement(DSZ) : z-축상 이동량에 대한 허용오차(도 2의 (e))(7) Axial displacement (DSZ): Tolerance for the amount of movement on the z-axis ((e) in FIG. 2)
(8) Lend group tilt(BTY) : 렌즈의 tilt에 대한 허용오차(도 2의 (f))(8) Lend group tilt (BTY): Tolerance for lens tilt (Fig. 2 (f))
(9) Zernike Sag(ZFR) : 유효구경 전체에 대한 fringe 파장에서의 surface sag 에 대한 허용 오차(9) Zernike Sag (ZFR): Tolerance for surface sag at the fringe wavelength over the entire effective aperture
그리고, MTF(Modualtion Transfer Function)는 광학 시스템의 성능을 일반적인 수치로 나타낼 때 사용하는 지표이다. MTF 수치란 피사체의 원본이 광학계를 통과하여 실제로 이미지에 맺히는 상으로 표현될 수 있는 정도를 나타낸 값을 의미하며. 이상적인 렌즈의 경우 MTF 수치는 1이 된다. MTF 수치는 렌즈의 해상력과 콘트라스트 성능을 객관적인 수치로 표시하며 대부분의 경우 MTF 수치가 높은 렌즈가 뛰어난 이미지를 보여준다. MTF를 나타내는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으나 공간 주파수에 대한 MTF 그래프로 나타내는 것이 일반적이다. 공간 주파수[line pair per mm]에서 line pair는 선과 여백의 쌍을 말한다. 예를 들어, 40lp/mm는 1mm 속에 40개의 선이 들어가는 것을 의미한다. 광학 장비 중에는 MTF 값을 측정할 수 있는 장비가 있는데, 이 측정은 보통 표준으로 사용할 수 있는 기준 chart를 가지고 측정한다. 막대의 조밀한 정도, 즉 공간 주파수에 따라 MTF 값이 달라지게 되며 가로, 세로 방향에 따라서 서로 다른 값을 가지게 된다. 일반적으로 가운데 촘촘한 부분에서 '1'에 가까운 MTF 값을 갖는 렌즈가 있다면 그 렌즈는 상의 세밀한 부분을 잘 묘사할 수 있는 분해 능력이 뛰어난 렌즈임을 의미한다.And, the MTF (Modualtion Transfer Function) is an indicator used to express the performance of an optical system as a general numerical value. The MTF value indicates the degree to which the original of the subject can pass through the optical system and be expressed as an image that is actually formed on the image. For an ideal lens, the MTF value would be 1. The MTF number indicates the resolving power and contrast performance of a lens as an objective number, and in most cases, a lens with a high MTF number shows excellent images. There may be several ways to represent the MTF, but it is common to represent it as an MTF graph for spatial frequencies. At spatial frequency [line pair per mm], a line pair is a pair of lines and spaces. For example, 40 lp/mm means 40 lines in 1 mm. Among optical equipment, there is equipment that can measure the MTF value, and this measurement is usually measured with a reference chart that can be used as a standard. The MTF value varies depending on the degree of density of the bar, that is, the spatial frequency, and has different values depending on the horizontal and vertical directions. In general, if there is a lens with an MTF value close to '1' in the dense central part, it means that the lens is a lens with excellent resolution capable of depicting fine parts of the image well.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 공차 민감도가 감소하면서도 예상 생산 수율이 증가하는 6P 모바일 광학계를 설계하는, 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법, 이를 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a design method for reducing the tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system, a device for performing the same, and a computer program for designing a 6P mobile optical system in which the tolerance sensitivity is reduced while the expected production yield is increased.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Other non-specified objects of the present invention may be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and effects thereof.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법은, 미리 설정된 설계 목표 광학계를 이용하여 6P 모바일 광학계 기반의 기초 광학계를 설정하는 단계; 상기 기초 광학계의 성능을 평가하는 단계; 상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석하는 단계; 상기 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 상기 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재 변경을 통해 상기 기초 광학계를 재설계하여 재설계 광학계를 획득하는 단계; 상기 재설계 광학계의 성능을 평가하는 단계; 상기 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 이용하여 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계에 대한 예상 생산 수율과 왜곡(distortion) 변화를 분석하는 단계; 및 상기 재설계 광학계에 대한 공차 민감도, 예상 생산 수율 및 왜곡 변화의 분석 결과를 토대로 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 결과를 이용하여 상기 재설계 광학계를 재설계하여 최종 광학계를 획득하는 단계;를 포함한다.A design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above technical problem includes setting a basic optical system based on a 6P mobile optical system using a preset design target optical system; Evaluating performance of the basic optical system; analyzing tolerance sensitivity of the basic optical system; Acquiring a redesigned optical system by redesigning the basic optical system by changing a material for at least one lens of the basic optical system based on a tolerance sensitivity analysis result of the basic optical system; Evaluating performance of the redesigned optical system; Analyzing tolerance sensitivity of the redesigned optical system and analyzing expected production yield and distortion change for the basic optical system and the redesigned optical system using Monte Carlo simulation; And redesigning the redesigned optical system using a tolerance sensitivity result according to a change in refractive index of at least one lens of the redesigned optical system based on the analysis result of tolerance sensitivity, expected production yield, and distortion change for the redesigned optical system. Acquiring a final optical system; includes.
여기서, 상기 설계 목표 광학계는, 화소가 13.2M이고, F/#이 1.9이며, 화각이 78°이고, EFL(Effective Focal Length)이 3.51mm이며, 6개의 렌즈를 포함하는 광학계일 수 있다.Here, the design target optical system may have pixels of 13.2M, an F/# of 1.9, an angle of view of 78°, an effective focal length (EFL) of 3.51mm, and an optical system including six lenses.
여기서, 상기 기초 광학계 성능 평가 단계는, 상기 설계 목표 광학계를 기반으로, 수차 분석, MTF(Modulation Transfer Function) 성능 평가 및 주변광량비(Relative Illumination, RI) 분석을 수행하여 상기 기초 광학계의 성능을 평가하는 것으로 이루어지며, 상기 기초 광학계 공차 민감도 분석 단계는, 형상 민감도, 단품 민감도 및 조립 민감도에 대한 상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석하는 것으로 이루어질 수 있다.Here, in the basic optical system performance evaluation step, based on the design target optical system, aberration analysis, MTF (Modulation Transfer Function) performance evaluation, and relative illumination (RI) analysis are performed to evaluate the performance of the basic optical system The step of analyzing tolerance sensitivity of the basic optical system may include analyzing tolerance sensitivity of the basic optical system for shape sensitivity, unit sensitivity, and assembly sensitivity.
여기서, 상기 기초 광학계 성능 평가 단계는, 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 포함하는 수차를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 수차 분석을 수행하고, 공간 주파수를 1101p/mm으로 하여 MTF를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 MTF 성능 평가를 수행하며, 상면의 중심에 대한 외곽의 어두운 정도를 나타내는 주변광량비(RI)를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 주변광량비(RI) 분석을 수행하는 것으로 이루어지며, 상기 기초 광학계 공차 민감도 분석 단계는, Zernike Sag에 대한 민감도를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 형상 민감도를 분석하고, 렌즈 두께(lens thickness), 면 편심(surface decenter) 및 면 틸트(surface tilt)를 기반으로 상기 기초 광학계에 대한 단품 민감도를 분석하며, 렌즈 편심(lens decenter), 렌즈 틸트(lens tilt) 및 축상 이동량(axial displacement)을 기반으로 상기 기초 광학계의 조립 민감도를 분석하는 것으로 이루어질 수 있다.Here, the basic optical system performance evaluation step performs aberration analysis on the basic optical system by analyzing aberrations including spherical aberration, astigmatism, and distortion aberration, and analyzes the MTF with a spatial frequency of 1101p/mm to obtain the basic The MTF performance evaluation for the optical system is performed, and the peripheral luminance ratio (RI) indicating the degree of darkness of the outer center of the image surface is analyzed to perform the RI analysis for the basic optical system. In the basic optical system tolerance sensitivity analysis step, the sensitivity to Zernike Sag is analyzed to analyze the shape sensitivity to the basic optical system, and based on lens thickness, surface decenter, and surface tilt Sensitivity of a single unit of the basic optical system may be analyzed, and assembly sensitivity of the basic optical system may be analyzed based on lens decenter, lens tilt, and axial displacement.
여기서, 상기 재설계 광학계 획득 단계는, 상기 기초 광학계의 소재의 굴절률과 아베수에 대한 민감도를 분석하고, 소재의 굴절율과 아베수에 대한 민감도 분석 결과를 토대로 상기 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재를 굴절률이 높은 소재로 변경하여 상기 기초 광학계를 재설계하는 것으로 이루어질 수 있다.Here, in the redesigned optical system acquisition step, the sensitivity to the refractive index and Abbe number of the material of the basic optical system is analyzed, and the sensitivity to the refractive index and Abbe number of the material is analyzed for at least one lens of the basic optical system. The basic optical system may be redesigned by changing the material to a material having a high refractive index.
여기서, 상기 재설계 광학계 성능 평가 단계는, 수차 분석, MTF 성능 평가 및 주변광량비(RI) 분석을 수행하여 상기 재설계 광학계의 성능을 평가하는 것으로 이루어지며, 상기 재설계 광학계 공차 민감도 분석 단계는, 상기 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 MTF 변화량 30% 이상으로 확인된 공차에 대해 상기 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 광축의 횡방향에 대해서 진행하도록 설정되고 공간 주파수를 1101p/mm으로 하는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 MTF 30%를 기준으로 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계 각각에 대한 예상 생산 수율을 분석하며, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계 각각에 대한 왜곡 변화를 분석하는 것으로 이루어질 수 있다.Here, the performance evaluation step of the redesigned optical system consists of evaluating the performance of the redesigned optical system by performing aberration analysis, MTF performance evaluation, and RI analysis, and the redesigned optical system tolerance sensitivity analysis step comprises: , Tolerance sensitivity of the redesigned optical system is analyzed for tolerances identified as MTF variation of 30% or more based on the tolerance sensitivity analysis result for the basic optical system, and is set to proceed in the transverse direction of the optical axis, and the spatial frequency is 1101p / mm The expected production yield for each of the basic optical system and the redesigned optical system is analyzed based on an MTF of 30% using Monte Carlo simulation with This can be done by analyzing
여기서, 상기 최종 광학계 획득 단계는, 상이한 굴절률을 가지는 소재를 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 적용하여 굴절률의 변화에 대한 공차 민감도 변화를 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 비교하고, 비교 결과를 토대로 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈를 굴절률이 높은 소재로 변경하여 상기 최종 광학계를 획득하는 것으로 이루어질 수 있다.Here, in the final optical system acquisition step, a material having a different refractive index is applied to at least one lens of the redesigned optical system, and a change in tolerance sensitivity to a change in refractive index is compared using a Monte Carlo simulation, and the redesign is performed based on the comparison result. The final optical system may be obtained by changing at least one lens of the design optical system to a material having a high refractive index.
여기서, 상기 최종 광학계 획득 단계는, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 MTF 30%를 기준으로 상기 기초 광학계와 서로 상이한 굴절률을 가지는 복수개의 소재가 각각 적용된 복수개의 상기 재설계 광학계 각각에 대한 예상 생산 수율과 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 변화를 비교하는 것으로 이루어질 수 있다.Here, in the final optical system acquisition step, the expected production yield and refractive index change for each of the plurality of redesigned optical systems to which a plurality of materials having refractive indices different from those of the basic optical system are applied based on an MTF of 30% using Monte Carlo simulation. It can be made by comparing tolerance sensitivity changes according to .
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장되어 상기한 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시킨다.A computer program according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above technical problem is stored in a computer readable storage medium and executes any one of the design methods for reducing the tolerance sensitivity of the 6P mobile optical system on a computer.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치는, 6P 모바일 광학계의 공차 민감도 저감을 위한 설계를 수행하는 설계 장치로서, 6P 모바일 광학계의 공차 민감도 저감을 위한 설계를 수행하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 프로그램에 따라 6P 모바일 광학계의 공차 민감도 저감을 위한 설계를 수행하기 위한 동작을 수행하는 하나 이상의 프로세서;를 포함하며, 상기 프로세서는, 미리 설정된 설계 목표 광학계를 이용하여 6P 모바일 광학계 기반의 기초 광학계를 설정하고, 상기 기초 광학계의 성능을 평가하며, 상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 상기 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 상기 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재 변경을 통해 상기 기초 광학계를 재설계하여 재설계 광학계를 획득하며, 상기 재설계 광학계의 성능을 평가하고, 상기 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 이용하여 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계에 대한 예상 생산 수율과 왜곡(distortion) 변화를 분석하며, 상기 재설계 광학계에 대한 공차 민감도, 예상 생산 수율 및 왜곡 변화의 분석 결과를 토대로 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 결과를 이용하여 상기 재설계 광학계를 재설계하여 최종 광학계를 획득한다.A design device for reducing the tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above technical problem is a design device for performing a design for reducing the tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system. a memory storing one or more programs for performing a design for reducing sensitivity; and one or more processors performing an operation for performing a design for tolerance sensitivity reduction of a 6P mobile optical system according to the one or more programs stored in the memory, wherein the processor performs a 6P optical system using a preset design target optical system. A basic optical system based on a mobile optical system is set, performance of the basic optical system is evaluated, tolerance sensitivity of the basic optical system is analyzed, and at least one lens of the basic optical system is analyzed based on a tolerance sensitivity analysis result for the basic optical system. The basic optical system is redesigned through material change to obtain a redesigned optical system, the performance of the redesigned optical system is evaluated, tolerance sensitivity of the redesigned optical system is analyzed, and Monte Carlo simulation is used to obtain the redesigned optical system. Analyzing the expected production yield and distortion change for the basic optical system and the redesigned optical system, and at least one of the redesigned optical system based on the analysis results of tolerance sensitivity, expected production yield and distortion change for the redesigned optical system. A final optical system is obtained by redesigning the redesigned optical system using a tolerance sensitivity result according to a change in the refractive index of the lens.
여기서, 상기 설계 목표 광학계는, 화소가 13.2M이고, F/#이 1.9이며, 화각이 78°이고, EFL(Effective Focal Length)이 3.51mm이며, 6개의 렌즈를 포함하는 광학계일 수 있다.Here, the design target optical system may have pixels of 13.2M, an F/# of 1.9, an angle of view of 78°, an effective focal length (EFL) of 3.51mm, and an optical system including six lenses.
여기서, 상기 프로세서는, 상기 설계 목표 광학계를 기반으로, 수차 분석, MTF(Modulation Transfer Function) 성능 평가 및 주변광량비(Relative Illumination, RI) 분석을 수행하여 상기 기초 광학계의 성능을 평가하며, 형상 민감도, 단품 민감도 및 조립 민감도에 대한 상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석할 수 있다.Here, the processor evaluates the performance of the basic optical system by performing aberration analysis, MTF (Modulation Transfer Function) performance evaluation, and Relative Illumination (RI) analysis based on the design target optical system, and shape sensitivity , it is possible to analyze the tolerance sensitivity of the basic optical system for single-unit sensitivity and assembly sensitivity.
여기서, 상기 프로세서는, 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 포함하는 수차를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 수차 분석을 수행하고, 공간 주파수를 1101p/mm으로 하여 MTF를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 MTF 성능 평가를 수행하며, 상면의 중심에 대한 외곽의 어두운 정도를 나타내는 주변광량비(RI)를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 주변광량비(RI) 분석을 수행하고, Zernike Sag에 대한 민감도를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 형상 민감도를 분석하고, 렌즈 두께(lens thickness), 면 편심(surface decenter) 및 면 틸트(surface tilt)를 기반으로 상기 기초 광학계에 대한 단품 민감도를 분석하며, 렌즈 편심(lens decenter), 렌즈 틸트(lens tilt) 및 축상 이동량(axial displacement)을 기반으로 상기 기초 광학계의 조립 민감도를 분석할 수 있다.Here, the processor performs aberration analysis on the basic optical system by analyzing aberrations including spherical aberration, astigmatism, and distortion aberration, and analyzes the MTF with a spatial frequency of 1101p/mm to obtain the MTF for the basic optical system Perform performance evaluation, analyze the ambient light ratio (RI) for the basic optical system by analyzing the ambient light ratio (RI), which indicates the degree of darkness of the outside of the center of the image, and analyze the sensitivity to Zernike Sag Analyze the shape sensitivity of the basic optical system, and analyze the unit sensitivity of the basic optical system based on lens thickness, surface decenter, and surface tilt, and lens decenter ), lens tilt and axial displacement, it is possible to analyze the assembly sensitivity of the basic optical system.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법, 이를 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램에 의하면, 공차 민감도가 감소하면서도 예상 생산 수율이 증가하는 6P 모바일 광학계를 설계함으로써, 적절한 굴절률의 재료를 선택하면 허용 오차 민감도를 줄이고 광학 설계의 성능을 향상시키고, 공차 민감도 감소로 인한 수율 증가로 제작 비용을 절감할 수 있다.According to a design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention, a device for performing the same, and a computer program, by designing a 6P mobile optical system in which tolerance sensitivity is reduced while expected production yield is increased, Material selection can reduce tolerance sensitivity, improve the performance of optical designs, and reduce manufacturing costs through increased yield due to reduced tolerance sensitivity.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 MTF를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 공차를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 설계 목표 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 lay-out을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 비구면 계수를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 수차 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 field별 MTF 성능 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 MTF curve를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 주변광량비 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공차의 종류와 적용 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 면 틸트(surface tilt)(DLA)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 그룹 틸트(lens group tilt)(BTY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 그룹 편심(lens group decenter)(DSY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 이동량(displacement)(DSZ)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 Zernike coefficient z8에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 Zernike coefficient z9에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 소재의 굴절률에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 소재의 아베수에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 lay-out을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 비구면 계수를 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 수차 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 26은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 field별 MTF 성능 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 27은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 MTF curve를 나타내는 도면이다.
도 28은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 주변광량비 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 29는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 그룹 편심(lens group decenter)(DSY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 30은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈 #1 편심(lens #1 decenter)에 대한 field별 MTF 변화량 및 편차를 나타내는 도면이다.
도 31은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 그룹 틸트(lens group tilt)(BTY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 32는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 이동량(displacement)(DSZ)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 33은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 Zernike coefficient z8에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 34는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 Zernike coefficient z9에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.
도 35는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 field별 몬테카를로 시뮬레이션 비교 결과를 나타내는 도면이다.
도 36은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계와 재설계 광학계의 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 37은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공차 민감도에 대한 왜곡 변화량을 나타내는 도면이다.
도 38은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EP계열의 소재별 굴절률 및 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 39는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EP소재별 굴절률 및 예상 생산 수율을 나타내는 도면이다.1 is a diagram for explaining MTF.
2 is a diagram for explaining tolerances.
3 is a block diagram illustrating a design device for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining a design target optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining the layout of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a diagram for explaining lens characteristics of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
8 is a diagram for explaining the lens aspheric coefficient of the basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing results of aberration analysis of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing MTF performance evaluation results for each field according to a preferred embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing an MTF curve of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing the result of analyzing the ambient light ratio of the basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
13 is a diagram for explaining types and application ranges of tolerances according to a preferred embodiment of the present invention.
14 is a diagram showing MTF sensitivity to surface tilt (DLA) of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
15 is a diagram showing MTF sensitivity to lens group tilt (BTY) of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
16 is a diagram showing MTF sensitivity to lens group decenter (DSY) of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
17 is a diagram showing MTF sensitivity to displacement (DSZ) of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
18 is a diagram showing MTF sensitivity to Zernike coefficient z8 of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
19 is a diagram showing MTF sensitivity to Zernike coefficient z9 of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
20 is a diagram showing the MTF sensitivity to the refractive index of each material according to a preferred embodiment of the present invention.
21 is a diagram showing the MTF sensitivity to the Abbe number of each material according to a preferred embodiment of the present invention.
22 is a diagram for explaining lens characteristics of a redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
23 is a diagram for explaining the layout of a redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
24 is a diagram for explaining lens aspheric coefficients of a redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
25 is a diagram showing the results of aberration analysis of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
26 is a diagram showing MTF performance evaluation results for each field of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
27 is a diagram showing an MTF curve of a redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
28 is a diagram showing the result of analyzing the ambient light ratio of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
29 is a diagram showing MTF sensitivity to lens group decenter (DSY) of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
30 is a diagram showing MTF variation and deviation for each field with respect to
31 is a diagram showing MTF sensitivity to lens group tilt (BTY) of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
32 is a diagram showing MTF sensitivity to displacement (DSZ) of a redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
33 is a diagram showing MTF sensitivity to Zernike coefficient z8 of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
34 is a diagram showing MTF sensitivity to Zernike coefficient z9 of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
35 is a diagram showing Monte Carlo simulation comparison results for each field according to a preferred embodiment of the present invention.
36 is a diagram showing Monte Carlo simulation results of a basic optical system and a redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
37 is a diagram showing a distortion change amount with respect to tolerance sensitivity according to a preferred embodiment of the present invention.
38 is a diagram showing refractive indices and Monte Carlo simulation results for each EP series material according to a preferred embodiment of the present invention.
39 is a diagram showing the refractive index and expected production yield for each EP material according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete, and are common in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the knowledgeable person of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예컨대, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예컨대, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In this specification, identification codes (e.g., a, b, c, etc.) for each step are used for convenience of explanation, and identification codes do not describe the order of each step, and each step is clearly a specific order in context. Unless specified, it may occur in a different order from the specified order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예컨대, 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성 요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.In this specification, expressions such as “has”, “can have”, “includes” or “can include” indicate the existence of a corresponding feature (eg, numerical value, function, operation, or component such as a part). indicated, and does not preclude the presence of additional features.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법, 이를 수행하는 장치 및 컴퓨터 프로그램의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to the present invention, a device for performing the same, and a preferred embodiment of a computer program will be described in detail.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치에 대하여 설명한다.First, with reference to FIG. 3, a design apparatus for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치를 설명하기 위한 블록도이다.3 is a block diagram illustrating a design device for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치(이하 '설계 장치'라 한다)(100)는 공차 민감도가 감소하면서도 예상 생산 수율이 증가하는 6P 모바일 광학계를 설계한다.Referring to FIG. 3, a design device (hereinafter referred to as a 'design device') 100 for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention is a 6P mobile with reduced tolerance sensitivity and increased expected production yield. design the optics.
즉, 본 발명은 6P 모바일 광학계에 대해 굴절률이 다른 소재에 대한 공차 민감도를 비교하여 굴절률이 높은 소재를 사용함으로써, 공차 민감도가 감소하면서 예상 생산 수율이 선형적으로 증가하는 결과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 적절한 굴절률의 재료를 선택하면 허용 오차 민감도를 줄이고 광학 설계의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 공차 민감도 감소로 인한 수율 증가로 제작 비용을 절감할 수 있다.That is, the present invention compares the tolerance sensitivities of materials having different refractive indices for the 6P mobile optical system and uses a material having a high refractive index, thereby obtaining a result in which the expected production yield increases linearly while the tolerance sensitivities decrease. Accordingly, the present invention can reduce the tolerance sensitivity and improve the performance of optical design by selecting a material having an appropriate refractive index. In addition, the present invention can reduce the manufacturing cost due to the increase in yield due to the decrease in tolerance sensitivity.
이를 위해, 설계 장치(100)는 하나 이상의 프로세서(110), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130) 및 통신 버스(150)를 포함할 수 있다.To this end, the
프로세서(110)는 설계 장치(100)가 동작하도록 제어할 수 있다. 예컨대, 프로세서(110)는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)에 저장된 하나 이상의 프로그램(131)을 실행할 수 있다. 하나 이상의 프로그램(131)은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(110)에 의해 실행되는 경우 설계 장치(100)로 하여금 6P 모바일 광학계의 공차 민감도 저감을 위한 설계를 수행하기 위한 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.The
컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)는 6P 모바일 광학계의 공차 민감도 저감을 위한 설계를 수행하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)에 저장된 프로그램(131)은 프로세서(110)에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스들, 광학 디스크 저장 디바이스들, 플래시 메모리 디바이스들, 그 밖에 설계 장치(100)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.The computer-readable storage medium 130 is configured to store computer-executable instructions or program code, program data, and/or other suitable form of information for performing a design for tolerance sensitivity reduction of a 6P mobile optical system. The
통신 버스(150)는 프로세서(110), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)를 포함하여 설계 장치(100)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결한다.The
설계 장치(100)는 또한 하나 이상의 입출력 장치를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(170) 및 하나 이상의 통신 인터페이스(190)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(170) 및 통신 인터페이스(190)는 통신 버스(150)에 연결된다. 입출력 장치(도시하지 않음)는 입출력 인터페이스(170)를 통해 설계 장치(100)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다.
그러면, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법에 대하여 설명한다.Next, a design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 .
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 설계 장치(100)의 프로세서(110)는 미리 설정된 설계 목표 광학계를 이용하여 6P 모바일 광학계 기반의 기초 광학계를 설정할 수 있다(S110).Referring to FIG. 4 , the
여기서, 설계 목표 광학계는 화소가 13.2M이고, F/#이 1.9이며, 화각이 78°이고, EFL(Effective Focal Length)이 3.51mm이며, 6개의 렌즈를 포함하는 광학계일 수 있다.Here, the design target optical system may have pixels of 13.2M, an F/# of 1.9, an angle of view of 78°, an effective focal length (EFL) of 3.51mm, and an optical system including six lenses.
그런 다음, 프로세서(110)는 기초 광학계의 성능을 평가할 수 있다(S120).Then, the
즉, 프로세서(110)는 설계 목표 광학계를 기반으로, 수차 분석, MTF(Modulation Transfer Function) 성능 평가 및 주변광량비(Relative Illumination, RI) 분석을 수행하여 기초 광학계의 성능을 평가할 수 있다.That is, the
보다 자세히 설명하면, 프로세서(110)는 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 포함하는 수차를 분석하여 기초 광학계에 대한 수차 분석을 수행할 수 있다.More specifically, the
그리고, 프로세서(110)는 공간 주파수를 1101p/mm으로 하여 MTF를 분석하여 기초 광학계에 대한 MTF 성능 평가를 수행할 수 있다.In addition, the
그리고, 프로세서(110)는 상면의 중심에 대한 외곽의 어두운 정도를 나타내는 주변광량비(RI)를 분석하여 기초 광학계에 대한 주변광량비(RI) 분석을 수행할 수 있다.In addition, the
그런 다음, 프로세서(110)는 기초 광학계의 공차 민감도를 분석할 수 있다(S130).Then, the
즉, 프로세서(110)는 형상 민감도, 단품 민감도 및 조립 민감도에 대한 기초 광학계의 공차 민감도를 분석할 수 있다.That is, the
보다 자세히 설명하면, 프로세서(110)는 Zernike Sag에 대한 민감도를 분석하여 기초 광학계에 대한 형상 민감도를 분석할 수 있다.In more detail, the
그리고, 프로세서(110)는 렌즈 두께(lens thickness), 면 편심(surface decenter) 및 면 틸트(surface tilt)를 기반으로 기초 광학계에 대한 단품 민감도를 분석할 수 있다.In addition, the
그리고, 프로세서(110)는 렌즈 편심(lens decenter), 렌즈 틸트(lens tilt) 및 축상 이동량(axial displacement)을 기반으로 기초 광학계의 조립 민감도를 분석할 수 있다.Also, the
그런 다음, 프로세서(110)는 기초 광학계를 재설계하여 재설계 광학계를 획득할 수 있다(S150).Then, the
즉, 프로세서(110)는 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재 변경을 통해 기초 광학계를 재설계하여 재설계 광학계를 획득할 수 있다.That is, the
보다 자세히 설명하면, 프로세서(110)는 기초 광학계의 소재의 굴절률과 아베수에 대한 민감도를 분석할 수 있다.In more detail, the
그리고, 프로세서(110)는 소재의 굴절율과 아베수에 대한 민감도 분석 결과를 토대로 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재를 굴절률이 높은 소재로 변경하여 기초 광학계를 재설계할 수 있다.Further, the
그런 다음, 프로세서(110)는 재설계 광학계의 성능을 평가할 수 있다(S150).Then, the
즉, 프로세서(110)는 수차 분석, MTF 성능 평가 및 주변광량비(RI) 분석을 수행하여 재설계 광학계의 성능을 평가할 수 있다.That is, the
그런 다음, 프로세서(110)는 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 기초 광학계와 재설계 광학계에 대한 예상 생산 수율과 왜곡 변화를 분석할 수 있다(S160).Then, the
즉, 프로세서(110)는 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석할 수 있다.That is, the
보다 자세히 설명하면, 프로세서(110)는 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 MTF 변화량 30% 이상으로 확인된 공차에 대해 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석할 수 있다.In more detail, the
또한, 프로세서(110)는 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 이용하여 기초 광학계와 재설계 광학계에 대한 예상 생산 수율과 왜곡(distortion) 변화를 분석할 수 있다.In addition, the
보다 자세히 설명하면, 프로세서(110)는 광축의 횡방향에 대해서 진행하도록 설정되고 공간 주파수를 1101p/mm으로 하는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 MTF 30%를 기준으로 기초 광학계와 재설계 광학계 각각에 대한 예상 생산 수율을 분석할 수 있다.In more detail, the
그리고, 프로세서(110)는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 기초 광학계와 재설계 광학계 각각에 대한 왜곡 변화를 분석할 수 있다.Also, the
이후, 프로세서(110)는 재설계 광학계를 재설계하여 최종 광학계를 획득할 수 있다(S170).Thereafter, the
즉, 프로세서(110)는 재설계 광학계에 대한 공차 민감도, 예상 생산 수율 및 왜곡 변화의 분석 결과를 토대로 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 결과를 이용하여 재설계 광학계를 재설계하여 최종 광학계를 획득할 수 있다.That is, the
보다 자세히 설명하면, 프로세서(110)는 상이한 굴절률을 가지는 소재를 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 적용하여 굴절률의 변화에 대한 공차 민감도 변화를 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 비교할 수 있다.More specifically, the
예컨대, 프로세서(110)는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 MTF 30%를 기준으로 기초 광학계와 서로 상이한 굴절률을 가지는 복수개의 소재가 각각 적용된 복수개의 재설계 광학계 각각에 대한 예상 생산 수율과 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 변화를 비교할 수 있다.For example, the
그리고, 프로세서(110)는 비교 결과를 토대로 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈를 굴절률이 높은 소재로 변경하여 최종 광학계를 획득할 수 있다.Also, the
그러면, 도 5 내지 도 39를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법의 일례에 대하여 설명한다.Next, an example of a design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 39 .
A. 기초 광학계 재현 및 최적화A. Basic optics reproduction and optimization
본 발명에서는 모바일 광학계 특허 중에서 1.9의 낮은 F/#와 안정적인 수차 성능 및 공차 민감도가 적은 플라스틱 6매 특허를 기초 광학계로 선정하여 이를 재현하고, MTF(modulation transfer function)성능과 주변광량비(Relative Illumination, RI) 등을 확인하고, MTF 변화량에 따른 공차 민감도를 분석한다.In the present invention, among the mobile optical system patents, a low F/# of 1.9, stable aberration performance, and low
A-1. 기초 광학계 재현 및 최적화A-1. Basic optics reproduction and optimization
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 설계 목표 광학계를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 lay-out을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 비구면 계수를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a design target optical system according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 6 is a view for explaining the layout of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a view for explaining the present invention. is a diagram for explaining lens characteristics of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a diagram for explaining lens aspheric coefficients of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명에서는 13.2M 화소에 해당하는 스마트폰 카메라 광학계 설계를 목표로 한다. 반도체 기술 발전으로 고집적도의 CMOS image sensor(CIS)에 따라 고사양을 목표로 하는 렌즈의 수요 또한 증가하고 있다. 따라서 F/#는 1.9를 가지도록 하며 화각은 넓은 범위의 화각을 갖도록 78˚로 설계하여 EFL은 3.51mm로 결정한다. 또한 전체 길이는 4.52mm로 하여 모바일 카메라에 사용할 수 있도록 렌즈 설계 목표를 설정하고 설계를 진행한다. 설계 목표의 자세한 사항은 도 5와 같다.The present invention aims to design a smartphone camera optical system corresponding to 13.2M pixels. With the development of semiconductor technology, the demand for lenses targeting high specifications is also increasing according to the high-density CMOS image sensor (CIS). Therefore, F/# is set to 1.9, and the angle of view is designed to be 78˚ to have a wide range of angles of view, and the EFL is determined to be 3.51mm. In addition, the overall length is set to 4.52mm, and the lens design goal is set so that it can be used for mobile cameras, and the design is progressed. Details of the design goal are shown in FIG. 5 .
13M 카메라 렌즈를 설계하기 위해서 선택한 CIS는 Sony사의 1/3인치 S5K3J1SX를 선택한다. 이 센서는 1080p HD를 30fps와 60fps에서 비디오 촬영을 지원하며 Full 해상도의 4K 고화질의 성능을 갖고 있다. 4224(H) x 3136(V)의 유효 픽셀수를 갖고 있으며 픽셀 하나의 pitch가 1.12um x 1.12um의 크기를 갖는다. 전체 image plane의 크기는 4.73mm x 3.51mm 이다.The CIS chosen to design the 13M camera lens chose Sony's 1/3-inch S5K3J1SX. This sensor supports 1080p HD video shooting at 30fps and 60fps and has full resolution 4K high-definition performance. It has the effective number of pixels of 4224(H) x 3136(V) and the pitch of one pixel has the size of 1.12um x 1.12um. The size of the entire image plane is 4.73mm x 3.51mm.
본 발명은 미국공개특허 제2018-0203208호에 개시된 광학계(이하 '특허 광학계'라 한다)를 이용하여 기초 광학계를 설정한다. 특허 광학계는 플라스틱 6매의 렌즈로 이루어져 있으며 센서의 앞 부분에 IR cutoff filter를 함께 설계하여 모바일 카메라에 적합하도록 설계되었다. 그리고 모든 면이 비구면의 형상을 갖는 렌즈로 설계되었다. 해당 특허 광학계는 surface #1에 양(+), #2에는 음(-) 그리고 surface #5와 #6이 각각 양(+), 음(-)의 안정적인 파워를 가지는 대표적인 광학계이다.The present invention sets a basic optical system using the optical system disclosed in US Patent Publication No. 2018-0203208 (hereinafter referred to as 'patent optical system'). The patented optical system consists of 6 plastic lenses and is designed to be suitable for mobile cameras by designing an IR cutoff filter in front of the sensor. And all surfaces are designed as a lens having an aspherical shape. The patented optical system is a representative optical system that has stable power of positive (+) on
최근 모바일 광학계는 저조도에서의 촬영을 위해 낮은 F/#와 초소형 광학계를 위해 EFL(effective focal length)과 TTL(total track length)의 최소화하는 방향으로 개발 중에 있다. 따라서 본 발명에서도 F/#가 1.9로 낮으면서 EFL 또한 3.5mm로 낮은 특허 광학계를 선택하여 최적화를 진행한다.Recently, a mobile optical system is being developed in a direction of minimizing an effective focal length (EFL) and a total track length (TTL) for a low F/# and a compact optical system for shooting in low light. Therefore, in the present invention, optimization is performed by selecting a patented optical system having a low F/# of 1.9 and a low EFL of 3.5 mm.
그리고 OAL(overall all length)를 4.7mm 이하로 고정하였으며 렌즈는 최소 두께 0.2mm, conic constant(k) 또한 90 이하로 설정한다. Sensor와의 CRA를 위해 AOI(angle of incident)를 각각 설정하고 그 외에 distortion과 LSA(lens surface angle), FBL(flange back length) 등을 기준으로 최적화를 진행한다.In addition, the OAL (overall all length) is fixed to 4.7 mm or less, the minimum thickness of the lens is 0.2 mm, and the conic constant (k) is also set to 90 or less. AOI (angle of incident) is set for CRA with the sensor, and optimization is performed based on distortion, LSA (lens surface angle), and FBL (flange back length).
도 6은 특허 광학계를 최적화하여 획득한 기초 광학계의 lay-out이다. 최적화를 하면서 ray tracing error를 최소화하기 위해 surface #2, #4 #8에 비네팅을 설정한다.6 is a layout of the basic optical system obtained by optimizing the patented optical system. Set vignetting on
도 7은 기초 광학계, 즉 초기 설계된 lens의 1차적 특성에 관한 data이다. 총 6개의 플라스틱 렌즈의 양면을 비구면과 Qcon-비구면으로 구성한다. F/#는 1.92로 특허 광학계 대비 큰 변화가 없으며 TTL은 4.52mm로 모바일 카메라 광학계로 충분히 사용할 수 있도록 설계한다.7 is data on the primary characteristics of a basic optical system, that is, an initially designed lens. Both sides of a total of six plastic lenses are composed of an aspheric surface and a Qcon-aspheric surface. F/# is 1.92, which does not change significantly compared to the patented optical system, and TTL is 4.52mm, which is designed to be sufficiently used as a mobile camera optical system.
기초 광학계에 사용된 소재는 IR-cutoff filter를 제외한 모든 렌즈는 플라스틱으로 lens #1과 lens #3은 APL5514로 굴절률이 작은 소재를 사용하고 나머지는 모두 Mitsubishi사의 EP계열의 굴절률이 큰 소재를 사용한다.The material used in the basic optical system is plastic for all lenses except for the IR-cutoff filter.
IR-cutoff filter는 'D263T'로 glass 소재를 사용하여 센서에 가시광선을 제외한 다른 빛이 들어가는 것을 방지하도록 구성한다. 또한 실제 생산 및 조립 과정에서 발생하는 오차를 반영하기 위해 이미지 높이 2.90mm보다 0.1mm 여유 공간을 적용하여 3.0mm를 기준으로 설계한다.The IR-cutoff filter is 'D263T' and is configured to prevent light other than visible light from entering the sensor by using a glass material. In addition, in order to reflect errors that occur during actual production and assembly, the design is based on 3.0mm by applying an extra space of 0.1mm rather than the image height of 2.90mm.
도 8은 기초 광학계의 비구면 계수를 나타낸 것으로 lens #1 ~ lens #4는 16차 계수로, lens #5와 lens #6는 Qcon asphere을 사용하여 비구면 20차 계수까지 적용한다.8 shows aspheric coefficients of the basic optical system.
A-2. 성능 평가A-2. performance evaluation
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 수차 분석 결과를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 field별 MTF 성능 평가 결과를 나타내는 도면이며, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 MTF curve를 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 주변광량비 분석 결과를 나타내는 도면이며, 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공차의 종류와 적용 범위를 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 면 틸트(surface tilt)(DLA)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이며, 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 그룹 틸트(lens group tilt)(BTY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이고, 도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 렌즈 그룹 편심(lens group decenter)(DSY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이며, 도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 이동량(displacement)(DSZ)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이고, 도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 Zernike coefficient z8에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이며, 도 19는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계의 Zernike coefficient z9에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.9 is a diagram showing the aberration analysis result of the basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 10 is a diagram showing the MTF performance evaluation result for each field according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. Figure 12 is a diagram showing the MTF curve of the basic optical system according to a preferred embodiment, Figure 12 is a view showing the ambient light ratio analysis result of the basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 13 is a view showing the 14 is a diagram showing the MTF sensitivity to surface tilt (DLA) of a basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a diagram showing the MTF sensitivity to lens group tilt (BTY) of the basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. ) (DSY), Figure 17 is a diagram showing the MTF sensitivity to the displacement (DSZ) of the basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 18 is a diagram showing the preferred embodiment of the present invention 19 is a diagram showing the MTF sensitivity to Zernike coefficient z9 of the basic optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
성능 평가는 Code-V를 사용하여 도 5에 도시한 광학적 설계 목표를 만족하는지에 대하여 수차 분석 및 MTF 성능 평가, 주변광량비를 검토하고 각각의 형상 민감도, 단품 민감도, 조립 민감도에 대한 공차 민감도 분석을 진행한다.For performance evaluation, aberration analysis, MTF performance evaluation, and ambient light ratio are reviewed to determine whether the optical design goal shown in FIG. 5 is satisfied using Code-V, and tolerance sensitivity analysis for each shape sensitivity, unit sensitivity, and assembly sensitivity is performed. proceed with
A-2-1. 수차 분석A-2-1. aberration analysis
도 9는 구면수차와 비점수차, 왜곡수차를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing spherical aberration, astigmatism, and distortion aberration.
구면수차와 비점수차는 모든 파장 영역에서 0.1 이내로 안정적인 수차를 보이며 왜곡수차는 2% 이내로 성능을 만족하며 TV-distortion은 약 0.25%로 성능 사양의 1% 이내를 만족하고 있다. 여기서 TV-distortion은 full field distortion에서 0.6 field distortion을 뺀 값의 절반이며, 이미지의 단변 대비 대각에서의 상의 휨 정도로 화면상의 왜곡을 나타낸다.Spherical aberration and astigmatism show stable aberration within 0.1 in all wavelength ranges, distortion aberration satisfies the performance within 2%, and TV-distortion satisfies within 1% of the performance specification at about 0.25%. Here, TV-distortion is half the value obtained by subtracting 0.6 field distortion from full field distortion, and represents distortion on the screen by the degree of warping of the image on the diagonal compared to the short side of the image.
일반적으로 optical distortion을 사용하는데 모바일 카메라 광학계에서는 TV-distortion을 주로 사용한다. 이는 다른 광학계에서는 렌즈의 앞면의 곡률만을 군으로 여겨 상을 맺기 때문에 휘어진 형상의 왜곡이 생기지만, 모바일 카메라 광학계는 렌즈의 앞, 뒷면의 곡률을 하나의 군으로 여겨 상을 맺기 때문에 서로 상쇄가 되어 TV-distortion이 1% 이내이면 사람의 눈에는 왜곡이 거의 없는 평면처럼 상이 맺히게 보인다.In general, optical distortion is used, but TV-distortion is mainly used in mobile camera optics. In other optical systems, distortion of the curved shape occurs because only the curvature of the front of the lens is regarded as a group and the image is formed. If the TV-distortion is within 1%, the human eye sees the image as a flat plane with little distortion.
A-2-2. MTF(Modulation Transfer Function)A-2-2. MTF (Modulation Transfer Function)
렌즈의 성능을 평가할 때 주로 사용하는 수치는 MTF이다. 센서의 포맷이 1/3인치의 경우, Nyquist frequency = 1 / (2 × Pixel Size) = 446lp/mm이고 기준 공간 주파수는 Nyquist/4 = 1115lp/mm 임을 확인할 수 있다.The most commonly used number to evaluate the performance of a lens is the MTF. When the format of the sensor is 1/3 inch, it can be confirmed that Nyquist frequency = 1 / (2 × Pixel Size) = 446lp/mm and the reference spatial frequency is Nyquist/4 = 1115lp/mm.
일반적으로 성능 평가를 위한 공간 주파수는 '5'의 단위로 입력을 하므로 본 발명에서도 110lp/mm를 기준으로 평가한다. 도 10은 은 모든 field가 Nyquist/4인 110[lp/mm]에서 50% 이상의 MTF를 갖는 것을 확인할 수 있다.In general, since the spatial frequency for performance evaluation is input in units of '5', it is evaluated based on 110 lp/mm in the present invention. 10 confirms that all fields have an MTF of 50% or more at 110 [lp/mm], which is Nyquist/4.
X축에 표현된 공간 주파수의 값이 클수록 1mm 이내에 들어오는 밝고 어두운 line pair의 수가 많음을 의미한다. 따라서 MTF가 큰 렌즈의 경우 해상력이 좋아지게 된다.The larger the value of the spatial frequency expressed on the X-axis, the greater the number of light and dark line pairs coming within 1 mm. Therefore, in the case of a lens with a large MTF, resolution is improved.
도 11은 MTF 성능의 MTF curve를 나타낸 것이며 그래프에서 점선과 실선은 각각 sagittal 방향과 tangential 방향에서의 MTF 성능 값으로 그 차이를 뜻하는 비점수차가 존재하지만 그 비율은 작기 때문에 전체 성능에 큰 영향을 주지 않는다고 볼 수 있다.11 shows the MTF curve of MTF performance. In the graph, the dotted line and the solid line are MTF performance values in the sagittal direction and the tangential direction, respectively. It can be seen that it does not give
A-2-3. 주변광량비(Relative Illumination, RI)A-2-3. Relative Illumination (RI)
주변광량비(RI)는 상면의 중심에 대한 외곽의 어두운 정도를 말한다. 축상의 출사동 면적에 대한 비축상의 출사동 면적의 비로 계산을 하며 단위는 [%]이고 계산 결과는 도 12와 같으며 full field까지 모두 20% 이상의 성능 사양을 만족하는 것을 볼 수 있다. 여기서 1.1F는 이미지 높이를 0.1mm 더 크게 여유분을 준 것으로 주변광량비(RI)의 선형성을 확인하기 위함이므로 실제로 성능에 영향은 없다.The ambient light ratio (RI) refers to the degree of darkness of the periphery of the center of the top surface. It is calculated as the ratio of the exit pupil area on the off-axis to the exit pupil area on the axis, and the unit is [%], and the calculation result is shown in FIG. Here, 1.1F gives an extra margin of 0.1mm to the image height, and since it is to check the linearity of the RI, there is no effect on performance.
A-3. 공차 민감도 분석A-3. Tolerance Sensitivity Analysis
민감도 분석은 설계된 렌즈의 여러 값들 중에서 특정 값에 공차를 선언해 주어 공차에 대해서 MTF의 변화가 얼마나 일어나는지 확인하는 것이다. 공차에 의해서 성능이 크게 좌우된다면, 민감도가 크게 나타날 것이다. 이러한 민감도를 확인하기 위해서 공차의 범위를 설정해 주어야 한다. 본 발명에서는 MTF 변화량 30%의 민감도를 기준으로 공차 민감도를 분석한다.Sensitivity analysis is to determine how much the MTF changes with respect to the tolerance by declaring a tolerance for a specific value among various values of the designed lens. If the performance is greatly influenced by the tolerance, the sensitivity will be large. To check this sensitivity, a tolerance range must be set. In the present invention, the tolerance sensitivity is analyzed based on the sensitivity of 30% of the MTF change amount.
본 발명에 사용된 공차의 종류와 범위는 도 13과 같다.The types and ranges of tolerances used in the present invention are shown in FIG. 13 .
형상 민감도의 경우 Zernike Sag에 대한 민감도를 분석하며 단품 민감도로 렌즈의 두께와 면의 편심(decenter)과 틸트(tilt)를 고려하여 설정한다. 지막으로 조립 민감도로 렌즈의 편심(decenter)과 틸트(tilt) 및 축상의 이동량의 범위를 설정하여 공차 민감도를 확인한다. 여기서 편심과 틸트는 광학계의 x, y, z축 방향으로 각각 동시에 발생할 수 있지만 렌즈의 대칭성으로 광축의 tangential방향만 공차에 고려하여 분석한다.In the case of shape sensitivity, the sensitivity to Zernike Sag is analyzed, and the sensitivity of a single product is set by considering the thickness of the lens and the decenter and tilt of the surface. Lastly, the tolerance sensitivity is confirmed by setting the range of the eccentricity, tilt, and axial movement of the lens as the assembly sensitivity. Here, eccentricity and tilt can occur simultaneously in the x, y, and z-axis directions of the optical system, but due to the symmetry of the lens, only the tangential direction of the optical axis is considered for tolerance.
도 14와 도 15는 각 렌즈와 면의 틸트(tilt)에 대한 MTF 변화량으로 확인한 민감도이며 렌즈 면의 틸트의 경우 surface #1, #5 의 민감도가 상대적으로 높으며 렌즈의 경우 lens #1의 민감도가 높은 것을 알 수 있다.14 and 15 are the sensitivities confirmed by the MTF change amount for the tilt of each lens and surface. In the case of the tilt of the lens surface, the sensitivity of
도 16은 각 렌즈의 편심(decenter)에 대한 MTF 변화량으로 민감도를 확인한 결과이다. MTF 변화량 30%를 기준으로 lens #1과 lens #2의 민감도가 높은 것으로 확인되며 lens #5의 경우 1.0 field만 높은 것을 알 수 있다.16 is a result of confirming the sensitivity with the amount of MTF variation for each lens' eccentricity. Based on the MTF variation of 30%, it is confirmed that the sensitivity of
도 17은 렌즈의 z-축상의 이동량에 대한 MTF 변화량으로 확인한 민감도이며 lens #2의 결과가 높은 것을 확인할 수 있다.17 is the sensitivity confirmed by the amount of MTF change with respect to the amount of movement on the z-axis of the lens, and it can be seen that the result of
도 18과 도 19는 field별로 각각의 공차에 따른 MTF 변화량을 기준으로 민감도를 확인한 결과이다. Zernike coefficient z8 & z9의 결과를 보면 상대적으로 가장 높은 민감도를 보이며 최대 50% MTF 변화량을 확인할 수 있다. 전체적으로 Zernike sag 공차 민감도 결과를 볼 때, z4 ~ z7 coefficient의 비점수차와 코마수차에 대한 민감도는 MTF 변화량 10% 내외로 확인되지만, z8, z9 coefficient의 구면수차는 1번면에서 5번면까지 민감도의 변화량이 30% 보다 높게 확인된다.18 and 19 show the result of confirming the sensitivity based on the MTF change amount according to each tolerance for each field. Looking at the results of Zernike coefficient z8 & z9, it shows the relatively highest sensitivity and can confirm the maximum 50% MTF change. Overall, when looking at the Zernike sag tolerance sensitivity results, the sensitivity to astigmatism and coma aberration of the z4 ~ z7 coefficients is confirmed to be around 10% of the MTF change, but the spherical aberration of the z8 and z9 coefficients is the change in sensitivity from the 1st surface to the 5th surface found to be higher than 30%.
지금까지 앞에서 정의하고 설정한 공차에 대해서 특허 광학계의 성능만 고려하여 최적화를 진행한 기초 광학계의 민감도를 분석하였다. 총 8가지 공차 중, Zernike Sag 공차 민감도 결과를 볼 때, z4 ~ z7 coefficient의 비점수차와 코마수차에 대한 민감도는 MTF 변화량 10% 내외로 확인되지만 z8, z9 coefficient의 구면수차는 surface #1에서 surface #5까지 민감도의 변화량이 30% 보다 높게 확인된다. 또한 렌즈 그룹의 편심(decenter)과 각 렌즈와 렌즈 면의 틸트(tilt), 렌즈의 두께, displacement에서 MTF 변화량 30% 이상의 민감도가 확인되며 그만큼 공차 민감도에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.So far, the sensitivity of the basic optical system, which has been optimized by considering only the performance of the patented optical system, has been analyzed for the tolerances defined and set above. Among the total 8 tolerances, when looking at the Zernike Sag tolerance sensitivity results, the sensitivity to astigmatism and coma aberration of z4 ~ z7 coefficients was confirmed to be around 10% of the MTF change, but the spherical aberration of z8 and z9 coefficients was found to be from
다음 B장에서는 위의 7가지 공차에 대해 전체 field별 MTF 변화량을 30% 이내로 줄여 공차 민감도를 저감 설계를 진행하며 MTF 변화량에 대한 공차 민감도 및 distortion 민감도를 비교한다. 그리고 보다 정량적인 평가를 위하여 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 예상 생산 수율을 비교 분석한다. 또한 굴절률의 변화에 따른 민감도의 영향을 분석하기 위하여 EP계열의 모든 소재를 적용하여 광학계를 재설계함으로써 민감도에 대한 영향을 알아본다.In the next chapter B, the tolerance sensitivity is reduced by reducing the MTF variation per field to within 30% for the above 7 tolerances, and the tolerance sensitivity and distortion sensitivity for the MTF variation are compared. And, for more quantitative evaluation, the expected production yield using Monte Carlo simulation is compared and analyzed. In addition, in order to analyze the effect of sensitivity according to the change of refractive index, the effect on sensitivity is investigated by redesigning the optical system by applying all materials of the EP series.
B. 공차 민감도 저감 설계와 분석B. Tolerance Sensitivity Reduction Design and Analysis
본 장에서는 기초 설계된 렌즈의 공차 민감도 분석 결과를 바탕으로 각각의 공차에 대한 민감도를 저감하기 위한 최적화 설계를 진행한다. 기초 광학계의 설계 성능을 그대로 유지하거나 일부 개선 시킴과 동시에 공차 민감도를 저감하기 위해 영향을 줄 수 있는 인자를 확인하면서 최적화한다.In this chapter, based on the results of tolerance sensitivity analysis of the basic designed lens, an optimization design is conducted to reduce the sensitivity for each tolerance. While maintaining the design performance of the basic optical system as it is or partially improving it, in order to reduce the tolerance sensitivity, factors that can have an effect are identified and optimized.
B-1 장에서는 소재의 민감도 분석을 통한 저감 설계의 방향 설정 및 재설계 광학계의 특성에 대해 알아보으며 B-2와 B-3 장에서는 재설계 광학계의 성능을 평가하고 공차 민감도 결과에 대해 분석하고 기초 광학계의 결과와 비교한다. B-4 장에서는 공차 민감도에 대한 정량적인 평가를 위하여 Code-V 내 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 예상 생산 수율을 비교 평가하고 B-5 장에서는 공차에 따른 distortion 변화량을 확인한다.In Chapter B-1, the direction of the reduction design through material sensitivity analysis and the characteristics of the redesigned optical system are studied. In Chapters B-2 and B-3, the performance of the redesigned optical system is evaluated and the tolerance sensitivity results are analyzed. and compare with the results of the basic optical system. Chapter B-4 compares and evaluates the expected production yield using Monte Carlo simulation in Code-V for quantitative evaluation of tolerance sensitivity, and Chapter B-5 checks the amount of distortion change according to tolerance.
마지막으로 B-6 장에서는 소재의 굴절률 변화에 따른 민감도를 분석하기 위하여 EP 계열의 모든 소재와 데이터 유효성 확인을 위하여 가상의 소재를 설정하여 최적화를 진행하여 비교함으로써 굴절률 변화가 민감도에 미치는 영향을 분석한다.Lastly, in chapter B-6, in order to analyze the sensitivity according to the change in the refractive index of the material, the effect of the change in the refractive index on the sensitivity is analyzed by setting all materials in the EP series and virtual materials to verify data validity, performing optimization, and comparing them. do.
B-1. 최적화 설계된 렌즈계 분석B-1. Optimally designed lens system analysis
도 20은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 소재의 굴절률에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이고, 도 21은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 소재의 아베수에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이며, 도 22는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 23은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 lay-out을 설명하기 위한 도면이며, 도 24는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 비구면 계수를 설명하기 위한 도면이다.20 is a diagram showing the MTF sensitivity to the refractive index of each material according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 21 is a diagram showing the MTF sensitivity to the Abbe number of each material according to a preferred embodiment of the present invention. 22 is a view for explaining lens characteristics of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 23 is a view for explaining the layout of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention. is a diagram for explaining the lens aspheric coefficient of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
전장에서 기술한 민감도 분석을 통해서 얻어진 결과를 바탕으로 기초 광학계에 대한 최적화를 진행한다. 앞의 민감도 중에서 가장 큰 영향을 미쳤던 lens group tilt 와 decenter 그리고 lens thickness 에 대한 설계 데이터 분석을 진행한다. 기초 광학계와 같이 F/#가 낮은 광학계의 경우, 동일한 TTL에 대한 광량을 충분히 확보하기 위하여 하광선을 열어주면서 입사각이 커지게 되는데 그에 따라 lens #1 의 power가 커지면서 민감도가 커지게 되는데 이를 확인하기 위하여 기초 광학계 소재의 굴절률과 아베수에 대한 민감도를 분석한다.Based on the results obtained through the sensitivity analysis described in the previous chapter, the basic optical system is optimized. Design data analysis for lens group tilt and decenter and lens thickness, which had the greatest impact among the above sensitivities, is conducted. In the case of an optical system with a low F/#, such as the basic optical system, the angle of incidence increases while opening the falling light to ensure sufficient light quantity for the same TTL. As a result, the power of
예상대로 도 20과 같이, Lens #1 의 민감도가 가장 높았으며 다음으로 lens #5 의 민감도가 높은 것을 확인할 수 있다. 도 21은 각 소재의 아베수에 대한 민감도를 비교한 결과로 굴절률의 민감도보다는 낮은 수준의 변화량을 보이며 상대적으로 lens #5 와 lens #6 에서 약 5%의 MTF 변화를 확인할 수 있다.As expected, as shown in FIG. 20, it can be seen that
이와 같은 결과를 바탕으로 최적화를 진행하기 전, 민감도가 높은 lens #1의 경우 변경되는 요소에 따라 전체 광학계의 TTL의 변화에 큰 영향을 미치므로 크게 변수를 제한하지 않았다. 다음으로 민감도가 높은 lens #5와 상대적으로 민감도가 낮은 lens #2의 소재에 대해 각각 EP9000의 굴절률이 높은 소재를 적용하여 최적화를 진행하면서 민감도의 변화를 확인하였으며 이때, lens #5에만 적용한 경우의 민감도가 가장 낮을 것을 알 수 있다.Before proceeding with optimization based on these results, in the case of
또한 lens #1과 lens #2의 power를 균등히 배분하기 위하여 각각의 렌즈의 두께를 조절하고 radius을 값을 제한하였다. 또한 surface #6의 곡률 면을 음(-)에서 양(+)으로 바꿔주었다. 또한 각 렌즈 면의 곡률 반경을 같은 경향성을 갖고 변화를 시키는 bending을 통하여 구면 수차를 줄일 수 있도록 설계를 진행한다.In addition, in order to equally distribute the power of
Conic constant가 큰 절대값을 가지는 경우, MTF에서 계산상의 오차가 크게 발생할 수 있으므로, 이에 대한 제한 조건을 걸어 설계한다. 기초 설계된 렌즈에서 곡률 반경의 절대 값이 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 각 렌즈를 이루는 면들의 곡률이 같은 경향성을 가지고 바뀌므로 bending의 특성을 설정하여 공차에 대한 민감도를 줄인 것을 확인할 수 있다.If the conic constant has a large absolute value, a large calculation error may occur in the MTF, so design with restrictions on it. It can be confirmed that the absolute value of the radius of curvature is reduced in the basic design lens, and since the curvature of the surfaces constituting each lens changes with the same tendency, it can be confirmed that the tolerance sensitivity is reduced by setting the bending characteristics.
또한 렌즈의 두께를 조절하면서 power를 맞추어 설계한다. 그리고 기초 설계와 최적화 설계된 렌즈의 형상을 비교할 경우 기초 광학계와 차이는 크게 나타나지 않지만 각각의 비구면계수와 thickness 그리고 radius 등의 변화로 최적화를 통해 공차에 대한 민감도가 저감 설계가 완성하였다.In addition, it is designed according to the power while adjusting the thickness of the lens. In addition, when comparing the shape of the basic design and the optimally designed lens, there is no significant difference from the basic optical system, but the sensitivity to tolerance is reduced through optimization with changes in each aspheric coefficient, thickness, and radius.
도 22는 최적화를 통해 재설계된 광학계의 특성을 나타낸다.22 shows the characteristics of the optical system redesigned through optimization.
도 23은 재설계된 광학계의 lay-out을 나타내며 최적화를 진행하면서 surface #2의 y semi-aperture를 0.94mm, surface #6의 y semi-aperture를 0.71mm, surface #8의 y semi-aperture를 0.97mm로 비네팅을 주면서 설계한다.23 shows the layout of the redesigned optical system, and while optimizing, the y semi-aperture of
재설계된 광학계의 비구면 계수는 도 24와 같이 surface #2 ~ #7에 대해 비구면 계수는 14 차항까지 설정하며 surface #8 ~ #9의 경우 16 차까지 추가 설정한다. 그리고 surface #10 ~ #13의 경우 Qcon 비구면으로 비구면 계수 20 차까지 설정하여 최적화 설계를 진행한다.As shown in FIG. 24, the aspheric coefficient of the redesigned optical system is set to the 14th order for
B-2. 최적화 설계된 렌즈계의 성능 평가 및 분석B-2. Performance evaluation and analysis of optimized designed lens system
B-2-1. 수차 분석B-2-1. aberration analysis
도 25는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 수차 분석 결과를 나타내는 도면이다.25 is a diagram showing the results of aberration analysis of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
전장에서 언급한 바와 같이 마찬가지로 구면수차와 비점수차 그리고 왜곡수차에 대한 도 25를 보면 구면 수차는 0.05mm 이내로 기초 광학계보다 작은 값을 가지며, 비점수차 meridional curve와 sagittal curve의 곡률차이가 초기 설계와 거의 유사한 것으로 나타난다. 그리고 왜곡수차의 경우 2% 이내로 설계 성능을 만족함을 확인할 수 있다.25 for spherical aberration, astigmatism and distortion aberration, as mentioned in the previous chapter, spherical aberration has a smaller value than the basic optical system within 0.05mm, and the curvature difference between the astigmatism meridional curve and the sagittal curve is almost identical to that of the initial design. appear similar. In addition, it can be confirmed that the distortion aberration satisfies the design performance within 2%.
B-2-2. MTF(Modulation Transfer Function)B-2-2. MTF (Modulation Transfer Function)
도 26은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 field별 MTF 성능 평가 결과를 나타내는 도면이고, 도 27은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 MTF curve를 나타내는 도면이다.26 is a diagram showing MTF performance evaluation results for each field of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 27 is a diagram showing the MTF curve of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
재설계된 광학계의 MTF 성능 분석 결과는 다음과 같다. 도 26의 경우 field별 MTF 성능을 나타낸 그래프로 기초 광학계 대비 유사한 수준으로 확인된다.The MTF performance analysis results of the redesigned optical system are as follows. In the case of FIG. 26, a graph showing MTF performance for each field is confirmed at a similar level compared to the basic optical system.
도 27의 image sensor 위치에 따른 MTF 변화량 또한 1.0 field를 제외한 모든 field에서 field curvature 3um 이하의 결과를 보인다.The MTF change amount according to the image sensor position in FIG. 27 also shows a field curvature of 3 μm or less in all fields except for the 1.0 field.
B-2-3. 주변광량비(Relative Illumination, RI)B-2-3. Relative Illumination (RI)
도 28은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 주변광량비 분석 결과를 나타내는 도면이다.28 is a diagram showing the result of analyzing the ambient light ratio of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
재설계된 광학계의 주변광량비(RI)은 도 28과 같으며 모든 field가 선형성을 보이며 감소하고 전체 20% 이상의 성능 사양을 만족하는 것을 볼 수 있다. 여기서 1.1F는 이미지 높이를 0.1mm 더 크게 여유분을 준 것이므로 실제로 성능에 영향은 없다. 또한 field별 RI 변화량도 10% 이내로 안정적인 수치를 갖는다.The peripheral light ratio (RI) of the redesigned optical system is as shown in FIG. Here, 1.1F gives an extra margin of 0.1mm to the image height, so there is no effect on performance. In addition, the RI variation by field has a stable value within 10%.
B-3. 공차 민감도 분석 및 비교B-3. Tolerance sensitivity analysis and comparison
도 29는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 그룹 편심(lens group decenter)(DSY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이고, 도 30은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈 #1 편심(lens #1 decenter)에 대한 field별 MTF 변화량 및 편차를 나타내는 도면이며, 도 31은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 렌즈 그룹 틸트(lens group tilt)(BTY)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이고, 도 32는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 이동량(displacement)(DSZ)에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이며, 도 33은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 Zernike coefficient z8에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이고, 도 34는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재설계 광학계의 Zernike coefficient z9에 대한 MTF 민감도를 나타내는 도면이다.FIG. 29 is a diagram showing MTF sensitivity to lens group decenter (DSY) of the redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 30 is a diagram showing the eccentricity of
최적화 후 재설계된 광학계의 공차 민감도를 분석한다. 전장에서 검토한 총 7가지 중 MTF 변화량 30% 이상으로 확인된 lens group decenter 및 tilt, lens displacement, Zernike coefficient z8, z9 구면수차에 대해 추가 분석한 결과를 도 29 내지 도 34에서 확인할 수 있다.After optimization, the tolerance sensitivity of the redesigned optical system is analyzed. 29 to 34 show the results of additional analysis on lens group decenter, tilt, lens displacement, Zernike coefficient z8, and z9 spherical aberration, which were confirmed to have an MTF change of 30% or more among a total of seven types reviewed in the battlefield.
도 29는 각 렌즈의 편심(decenter)에 대한 MTF 변화량으로 민감도를 확인한 결과이며 기초 광학계의 민감도와 비교할 때, 전체 영역에서 MTF의 변화량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 특히 lens #1에서 40% 이상의 민감도가 30% 이내로 감소한 것이 특징적이다.29 is the result of confirming the sensitivity with the MTF variation for each lens' eccentricity, and compared to the sensitivity of the basic optical system, it can be seen that the MTF variation decreases in the entire area. In particular, it is characteristic that the sensitivity of over 40% in
다음으로 lens group decenter에 대한 민감도를 실제 광학계에 대해 lens #1에 5um의 공차를 적용하여 변화량을 확인하면서 기초 광학계와 비교한다. 도 30에서 볼 때 꺾은 선 그래프의 MTF score는 기초 광학계 대비 재설계된 광학계가 0.3 field를 제외한 모든 field에서 약 5% 높은 것으로 확인되며 막대 그래프의 공차에 따른 MTF 변화량 또한 모든 field에서 낮은 것을 확인할 수 있다.Next, the sensitivity for the lens group decenter is compared with the basic optical system while checking the amount of change by applying a tolerance of 5um to
도 31의 lens group tilt에 대한 결과는 기초 광학계의 민감도 최대 48%와 비교할 때 감소한 것을 알 수 있으며, 도 32의 displacement에 대한 결과로 1.0F를 제외한 전체 영역에서 MTF 변화량은 감소한 것을 알 수 있다.It can be seen that the result of the lens group tilt in FIG. 31 is reduced compared to the maximum sensitivity of the basic optical system of 48%, and as a result of the displacement in FIG.
도 33과 도 34에서와 같이 Zernike Sag z8 & z9 coefficient의 구면수차에 대한 MTF 민감도를 기초 광학계와 비교할 때, surface #1, #5에서 5% 이내의 MTF 변화량이 소폭 감소된 것으로 확인할 수 있다.As shown in FIGS. 33 and 34, when comparing the MTF sensitivity to spherical aberration of the Zernike Sag z8 & z9 coefficient with the basic optical system, it can be confirmed that the MTF variation within 5% is slightly reduced in
B-4. 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션B-4. Monte Carlo simulation
도 35는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 field별 몬테카를로 시뮬레이션 비교 결과를 나타내는 도면이고, 도 36은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기초 광학계와 재설계 광학계의 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.35 is a diagram showing comparison results of Monte Carlo simulation for each field according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 36 is a diagram showing Monte Carlo simulation results of a basic optical system and a redesigned optical system according to a preferred embodiment of the present invention.
앞에서 확인한 공차 민감도의 변화를 보다 정량적으로 평가하고 비교하기위하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 재설계된 광학계를 재평가한다.In order to more quantitatively evaluate and compare the change in tolerance sensitivity identified above, the redesigned optical system is re-evaluated through Monte Carlo simulation.
몬테카를로(Monte Carlo)는 수학적인 결과를 얻기 위해 반복적으로 무작위 샘플링의 방법을 이용하는 넓은 범위의 컴퓨터 알고리즘이다. 이 알고리즘의 본질적인 생각은 결정론적일 수도 있는 문제를 해결하기 위해 무작위성을 이용하는 것이다. 이 방법은 보통 물리나 수학 문제를 해결하는 데 쓰이며, 주로 최적화, 수치적 통합, 확률 분포로부터의 도출 등에서 주로 사용된다.Monte Carlo is a wide range of computer algorithms that use the method of iterative random sampling to obtain mathematical results. The essential idea of this algorithm is to use randomness to solve problems that may be deterministic. This method is usually used to solve physics or mathematical problems, and is mainly used in optimization, numerical integration, and derivation from probability distributions.
렌즈 설계 프로그램인 Code-V에서도 몬테카를로 시뮬레이션을 제공하며 이를 바탕으로 공차 민감도에 대한 MTF 예상 생산 수율을 알아볼 수 있다. 먼저 광축의 횡방향에 대해서 진행하도록 설정하며 주파수는 Nyquist/4, 110lp/mm로 진행하며 시뮬레이션 횟수는 1000번으로 시행한다.Code-V, a lens design program, also provides Monte Carlo simulation, and based on this, you can find out the MTF expected production yield for tolerance sensitivity. First, it is set to proceed in the transverse direction of the optical axis, and the frequency proceeds at Nyquist/4, 110lp/mm, and the number of simulations is performed at 1000 times.
도 35는 기초 광학계와 재설계 광학계의 MTF 30% 기준에 대한 생산 수율을 나타내며 두 광학계의 차이도 확인할 수 있다.35 shows the production yield of the basic optical system and the redesigned optical system based on the MTF of 30%, and the difference between the two optical systems can also be confirmed.
도 36은 몬테카를로 시물레이션(Monte Carlo simulation)을 통해 기초 광학계와 재설계 광학계의 field별 MTF에 따른 예상 생산 수율을 비교한 그래프이다. 여기서 x-축은 MTF 값을 말하며 y-축은 생산 수율을 뜻한다. MTF 30%를 기준으로 평가할 때 field별 예상 생산 수율은 편차를 갖지만 전체 수율을 평가할 때 기초 광학계 대비 재설계된 광학계가 7% 향상된 결과를 보인다.36 is a graph comparing expected production yield according to MTF for each field of a basic optical system and a redesigned optical system through Monte Carlo simulation. Here, the x-axis refers to the MTF value and the y-axis refers to the production yield. When evaluated based on the MTF of 30%, the expected production yield by field varies, but when evaluating the overall yield, the redesigned optical system shows a 7% improvement compared to the basic optical system.
B-5. 공차 민감도에 대한 Distortion 분석B-5. Distortion analysis for tolerance sensitivity
도 37은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공차 민감도에 대한 왜곡 변화량을 나타내는 도면이다.37 is a diagram showing a distortion change amount with respect to tolerance sensitivity according to a preferred embodiment of the present invention.
본 장에서는 공차 민감도에 따른 field별 distortion 변화량을 분석한다. 먼저 각각의 공차 민감도에 따른 distortion의 변화량을 Code-V 내에서 바로 구할 수 없기 때문에 앞장에서 Monte Carlo simulation을 통해 얻어진 각각의 광학계를 바탕으로 field별 distortion을 확인하고 기초 광학계와 재설계된 광학계의 결과를 비교 분석한다.In this chapter, the amount of distortion change per field according to tolerance sensitivity is analyzed. First of all, since the amount of distortion change according to each tolerance sensitivity cannot be directly obtained in Code-V, distortion by field is checked based on each optical system obtained through Monte Carlo simulation in the previous chapter, and the results of the basic optical system and the redesigned optical system are analyzed. do comparative analysis
Monte Carlo simulation에서 만든 임의의 광학계 100개를 sequence로 만들고 각각의 광학계에 대해 distortion을 확인하며 각 field에 대한 distortion의 산포를 도 37과 같이 box plot으로 나타난다.100 random optical systems made in Monte Carlo simulation are made into a sequence, distortion is checked for each optical system, and the distribution of distortion for each field is shown as a box plot as shown in FIG. 37.
기초 광학계와 비교할 때, 재설계된 광학계의 distortion 변화는 크게 다르지 않으며 0.3% 이내의 편차를 확인할 수 있으며 앞장에서 확인한 결과와 동일하게 field가 증가함에 따라 distortion 값 또한 커지는 것을 다시 한번 확인할 수 있다.Compared to the basic optical system, the distortion change of the redesigned optical system is not very different, and the deviation within 0.3% can be confirmed. As the result confirmed in the previous chapter, it can be confirmed once again that the distortion value also increases as the field increases.
지금까지 재설계된 광학계를 바탕으로 공차 민감도의 결과를 비교 분석하였으며 기초 광학계 대비 렌즈의 편심과 틸트 등의 공차에 대해 MTF 변화량이 감소하는 결과를 통해 공차 민감도가 저감된 것을 확인할 수 있었고 보다 정량적인 평가를 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 확인할 결과 MTF 30% 기준으로 예상 생산 수율은 재설계된 광학계가 약 7% 개선될 것으로 예상되는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 distortion에 대한 민감도의 결과도 기초 광학계와 비교할 때 분포의 크기도 0.3% 이하의 편차를 가지는 것을 확인할 수 있었다.Based on the redesigned optical system, the results of the tolerance sensitivity were compared and analyzed, and it was confirmed that the tolerance sensitivity was reduced through the result of the decrease in MTF variation for tolerances such as eccentricity and tilt of the lens compared to the basic optical system, and a more quantitative evaluation. As a result of checking through Monte Carlo simulation, it was confirmed that the redesigned optical system is expected to improve the expected production yield by about 7% based on the MTF of 30%. In addition, it was confirmed that the size of the distribution has a deviation of less than 0.3% compared to the basic optical system in the result of sensitivity to distortion.
다음 장에서는 재설계된 광학계의 lens #5에 사용된 굴절률이 높은 소재인 EP9000을 대체할 수 있는 기타 소재를 검토해보고 다양한 소재에서의 공차 민감도 또한 비교 분석하여 굴절률의 변화가 공차 민감도에 미치는 영향을 추가로 알아본다.In the next chapter, other materials that can replace EP9000, a material with a high refractive index used in
B-6. 굴절률에 따른 민감도 분석B-6. Sensitivity analysis according to refractive index
도 38은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EP계열의 소재별 굴절률 및 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 39는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EP소재별 굴절률 및 예상 생산 수율을 나타내는 도면이다.38 is a diagram showing the refractive index and Monte Carlo simulation results for each EP material according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 39 is a diagram showing the refractive index and expected production yield for each EP material according to a preferred embodiment of the present invention.
본 장에서는 앞에서 확인한 결과를 바탕으로 소재 변경을 통한 굴절률의 변화로 공차 민감도에 대한 영향을 비교 분석한다.In this chapter, based on the results confirmed above, the effect of the refractive index change through material change on the tolerance sensitivity is compared and analyzed.
B-6-1. 플라스틱 소재의 특성B-6-1. Characteristics of plastic materials
플라스틱 소재는 가벼운 무게와 높은 충격의 내구성 및 glass 보다 더 다양한 구성이 가능하며 저렴한 가격이 특징이다. 플라스틱 소재의 대부분은 사출 금형으로 제작되는데 금형의 제조 비용은 크지만 대량 생산으로 극복할 수 있다. 지속적으로 모바일 광학계의 성능이 고성능화가 되면서 센서의 화소 크기가 작아짐에 따라 갈수록 작고 환경 내구성에 강한 가볍고 저렴한 조건 등을 시장에서 요구하고 있기 때문에 치열한 시장 경쟁에 따른 원가 절감 요구 등이 작용함에 따라 렌즈 소재로 플라스틱 재질에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.Plastic materials are characterized by light weight, high impact durability, more diverse configurations than glass, and low price. Most of the plastic materials are produced by injection molds. The manufacturing cost of molds is high, but it can be overcome by mass production. As the performance of the mobile optical system continues to improve and the pixel size of the sensor becomes smaller, the market demands light and inexpensive conditions that are more and more resistant to environmental durability. As a result, development of plastic materials is actively progressing.
플라스틱 소재 중에서 재설계 광학계에 사용된 EP계열의 소재는 일본의 Mitsubishi gas chemical사에서 생산하는 제품으로 상대적으로 높은 굴절률과 투명도, 온도 저항에 뛰어난 특징을 가지고 있다.Among plastic materials, the EP series material used in the redesigned optical system is a product produced by Mitsubishi gas chemical in Japan, and has excellent characteristics in terms of relatively high refractive index, transparency, and temperature resistance.
여기서 굴절률이 1.6 이상의 다양한 소재에 대해 재설계된 광학계를 다시 해석하고 최적화를 진행함으로써 이때 공차 민감도의 변화를 확인하고 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 비교 분석한다.Here, the redesigned optical system for various materials with a refractive index of 1.6 or more is reinterpreted and optimized, and at this time, the change in tolerance sensitivity is confirmed and compared and analyzed through Monte Carlo simulation.
B-6-2. 소재 변경에 따른 민감도 분석B-6-2. Sensitivity analysis according to material change
앞서 확인한 다양한 플라스틱 소재 중 재설계된 광학계에 사용된 EP9000 소재 외 다른 굴절률의 소재를 사용하여 광학계를 재설계함으로써 굴절률의 변화에 대한 공차 민감도 변화를 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 비교한다.Among the various plastic materials identified above, by redesigning the optical system using a material with a different refractive index other than the EP9000 material used in the redesigned optical system, the change in tolerance sensitivity to the change in refractive index is compared through Monte Carlo simulation.
먼저 재설계된 광학계의 lens #5의 EP9000을 EP5000 ~ EP8000 까지 변경하면서 설계 목표에 따라 최적화를 진행하고 그 결과를 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 기초 광학계(EP4500)와 재설계된 광학계(EP9000)를 비교한다. 또한 가상의 소재인 EPSP1 ~ EPSP4를 각각 적용함으로써 더 높은 굴절률을 적용하였을 때의 변화도 함께 분석한다.First, the EP9000 of
도 38은 EP계열의 소재별 굴절률에 따른 민감도 변화를 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 확인한 결과이다.38 is a result of confirming the sensitivity change according to the refractive index of each material in the EP series through Monte Carlo simulation.
여기서 사용한 몬테카를로 시뮬레이션은 각각의 field에 대해 MTF 30%를 기준으로 설정하고 그 때의 소재별 예상 생산 수율을 비교한 결과이다. 기초 광학계의 lens #5에 사용한 EP4500을 기준으로 굴절률이 높은 EP 계열의 소재를 적용함에 따라 공차 민감도가 감소하면서 예상 생산 수율이 증가하는 것을 확인할 수 있으며 각각의 소재의 굴절률 차이는 약 0.01이다.The Monte Carlo simulation used here is the result of setting an MTF of 30% as a standard for each field and comparing the expected production yield by material at that time. Based on the EP4500 used for
도 39는 EP 소재별 굴절률 및 예상 생산 수율을 그래프로 나타낸 결과이며 굴절률이 높은 소재를 사용함에 따라 공차 민감도가 감소하면서 예상 생산 수율이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 데이터 유효성 확인을 위하여 가상의 소재로 임의로 생성한 EPSP1 ~ EPSP4를 적용하였을 때의 수율은 증가하지만 증가하는 기울기가 완만해지면서 감소할 수 있는 가능성도 나타나는 것으로 확인할 수 있다.39 is a graph showing the refractive index and expected production yield for each EP material, and it can be seen that the expected production yield increases while tolerance sensitivity decreases as a material with a high refractive index is used. In addition, it can be confirmed that the yield increases when EPSP1 to EPSP4 randomly generated as virtual materials are applied to confirm data validity, but there is also a possibility that the yield may decrease as the increasing slope becomes gentle.
C. 정리C. theorem
모바일 광학계의 수요가 급격히 증가하고 그에 따라 지속적인 성장과 기술 개발로 점차 고성능화가 되면서 렌즈 설계에 대해 원하는 성능을 만족하면서 생산에서 발생하는 비용을 절감하기 위한 공차 민감도 분석이 반드시 필요하다. 본 발명에서는 모바일 광학계의 공차 민감도를 줄이기 위하여 고굴절 소재를 사용하여 저감 설계를 진행하면서 목표한 설계의 기준에 따라 기초 광학계의 변화를 최소화하였다.As the demand for mobile optics rapidly increases, and as a result, higher performance is gradually achieved through continuous growth and technology development, tolerance sensitivity analysis is essential to reduce production costs while satisfying desired performance for lens design. In the present invention, in order to reduce the tolerance sensitivity of the mobile optical system, a reduction design is performed using a high refractive index material, and the change in the basic optical system is minimized according to the target design standard.
먼저 6P 비구면 특허 광학계를 선정하여 설계의 목표에 따라 1/3 인치 pixel size 1.12um의 센서를 기준으로 F-number 1.9, EFL 3.5mm로 고정하여 최적화를 진행하여 기존의 특허 광학계 보다 MTF 성능과 field curvature, RI 가 개선된 광학계를 얻을 수 있으며 이를 본 발명에 따른 기초 광학계로 설정한다.First, a 6P aspherical patented optical system was selected and optimized by fixing it to F-number 1.9 and EFL 3.5mm based on a 1/3-inch pixel size 1.12um sensor according to the design goal, resulting in MTF performance and field better than the existing patented optical system. An optical system with improved curvature and RI can be obtained, and this is set as the basic optical system according to the present invention.
기초 광학계의 공차 민감도 분석 결과 tilt, decenter, surface sag 등의 공차에서 목표로 설정한 MTF 변화량 30%보다 높은 수준의 결과를 확인하였다. 그 중 decenter와 tilt, displacement 공차에 대한 민감도가 상대적으로 높게 나타났으며 특히 lens #1과 surface #1에서 상대적으로 높은 수준의 민감도를 보였다. 이러한 공차 민감도를 줄이기 위하여 본 발명에서는 플라스틱 소재에 대한 민감도 분석을 통해 소재의 굴절률 및 아베수의 민감도를 파악하고 민감도가 높은 lens #5와 민감도가 낮은 lens #2를 비교한 결과, 가장 성능이 안정적이며 민감도가 낮은 lens #5에 대해 소재 변경을 통해 저감 설계를 진행하였으며 lens #5의 EP4500 소재를 상대적으로 굴절률이 큰 EP9000의 소재로 변경하면서 기초 광학계와 유사 수준의 MTF 와 수차 성능을 갖도록 재설계하였다. 재설계된 광학계의 공차 민감도를 기초 광학계와 비교할 때, decenter와 tilt, Zernike Sag z8 & z9 에서 MTF 변화량이 개선되는 것을 확인하였고 실제 광학계 시스템에 decenter를 적용한 경우에도 재설계 광학계의 MTF 변화량과 field curvature가 개선된 것을 확인할 수 있었다.As a result of the tolerance sensitivity analysis of the basic optical system, it was confirmed that the tolerance of tilt, decenter, surface sag, etc. was higher than the target MTF variation of 30%. Among them, the sensitivity to decenter, tilt, and displacement tolerances was relatively high, and in particular,
공차 민감도의 영향을 보다 정량적으로 확인하기 위하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 각각의 공차를 모두 적용한 예상 생산 수율을 비교한 결과, MTF 30%를 기준으로 기초 광학계 대비 재설계된 광학계에서 약 7% 이상의 수율 개선 효과를 확인할 수 있었다. 또한 distortion에 대한 민감도 검토 결과 기초 광학계 대비 재설계된 광학계의 편차가 0.3% 이내의 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.In order to more quantitatively confirm the effect of tolerance sensitivity, Monte Carlo simulation was used to compare expected production yields with all tolerances applied. I was able to confirm. In addition, as a result of examining the sensitivity to distortion, it was confirmed that the deviation of the redesigned optical system compared to the basic optical system had a value of less than 0.3%.
그리고 굴절률이 다른 소재가 공차 민감도에 미치는 영향을 다양한 소재를 바탕으로 상관관계를 확인하기 위하여 EP 계열의 소재를 재설계된 광학계 lens #5에 각각 적용하여 공차 민감도에 따른 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 비교하였으며 그 결과 굴절률이 높은 소재를 사용함에 따라 민감도가 감소하면서 예상 생산 수율이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.In addition, in order to confirm the correlation of the effect of materials with different refractive indices on tolerance sensitivity based on various materials, EP-type materials were applied to the redesigned optical
또한 데이터 유효성 확인을 위하여 가상의 소재로 임의로 생성한 EPSP1 ~ EPSP4를 적용하였을 때의 결과는 수율이 증가하지만 증가하는 기울기가 완만해지면서 감소할 수 있는 가능성도 나타나는 것으로 확인할 수 있었다. 따라서 적절한 굴절률의 재료를 선택하면 허용 오차 민감도를 줄이고 광학 설계의 성능을 개선하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.In addition, it was confirmed that the results of applying randomly generated EPSP1 to EPSP4 as virtual materials for data validation showed that the yield increased, but the possibility of decreasing as the increasing slope became gentle appeared. Therefore, selecting a material with an appropriate refractive index is expected to contribute to reducing tolerance sensitivity and improving the performance of optical design.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.Operations according to the present embodiments may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer readable storage medium. A computer readable storage medium refers to any medium that participates in providing instructions to a processor for execution. A computer readable storage medium may include program instructions, data files, data structures, or combinations thereof. For example, there may be a magnetic medium, an optical recording medium, a memory, and the like. The computer program may be distributed over networked computer systems so that computer readable codes are stored and executed in a distributed manner. Functional programs, codes, and code segments for implementing this embodiment may be easily inferred by programmers in the art to which this embodiment belongs.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.These embodiments are for explaining the technical idea of this embodiment, and the scope of the technical idea of this embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.
100 : 설계 장치,
110 : 프로세서,
130 : 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체,
131 : 프로그램,
150 : 통신 버스,
170 : 입출력 인터페이스,
190 : 통신 인터페이스100: design device,
110: processor,
130: computer readable storage medium,
131: program,
150: communication bus,
170: input/output interface,
190: communication interface
Claims (13)
상기 기초 광학계의 성능을 평가하는 단계;
상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석하는 단계;
상기 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 상기 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재 변경을 통해 상기 기초 광학계를 재설계하여 재설계 광학계를 획득하는 단계;
상기 재설계 광학계의 성능을 평가하는 단계;
상기 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 이용하여 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계에 대한 예상 생산 수율과 왜곡(distortion) 변화를 분석하는 단계; 및
상기 재설계 광학계에 대한 공차 민감도, 예상 생산 수율 및 왜곡 변화의 분석 결과를 토대로 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 결과를 이용하여 상기 재설계 광학계를 재설계하여 최종 광학계를 획득하는 단계;
를 포함하는 6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.Setting a basic optical system based on a 6P mobile optical system using a preset design target optical system;
Evaluating performance of the basic optical system;
analyzing tolerance sensitivity of the basic optical system;
Acquiring a redesigned optical system by redesigning the basic optical system by changing a material for at least one lens of the basic optical system based on a tolerance sensitivity analysis result for the basic optical system;
Evaluating performance of the redesigned optical system;
Analyzing tolerance sensitivity of the redesigned optical system and analyzing expected production yield and distortion change for the basic optical system and the redesigned optical system using Monte Carlo simulation; and
The redesigned optical system is redesigned using the tolerance sensitivity result according to the refractive index change of at least one lens of the redesigned optical system based on the analysis result of the tolerance sensitivity, expected production yield, and distortion change of the redesigned optical system. Acquiring an optical system;
A design method for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system comprising a.
상기 설계 목표 광학계는,
화소가 13.2M이고, F/#이 1.9이며, 화각이 78°이고, EFL(Effective Focal Length)이 3.51mm이며, 6개의 렌즈를 포함하는 광학계인,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.In paragraph 1,
The design target optical system,
The pixel is 13.2M, the F/# is 1.9, the angle of view is 78 °, the EFL (Effective Focal Length) is 3.51mm, and the optical system includes 6 lenses,
A design method for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 기초 광학계 성능 평가 단계는,
상기 설계 목표 광학계를 기반으로, 수차 분석, MTF(Modulation Transfer Function) 성능 평가 및 주변광량비(Relative Illumination, RI) 분석을 수행하여 상기 기초 광학계의 성능을 평가하는 것으로 이루어지며,
상기 기초 광학계 공차 민감도 분석 단계는,
형상 민감도, 단품 민감도 및 조립 민감도에 대한 상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석하는 것으로 이루어지는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.In paragraph 2,
In the basic optical system performance evaluation step,
Based on the design target optical system, it consists of evaluating the performance of the basic optical system by performing aberration analysis, MTF (Modulation Transfer Function) performance evaluation, and Relative Illumination (RI) analysis,
The basic optical system tolerance sensitivity analysis step,
Consisting of analyzing the tolerance sensitivity of the basic optical system for shape sensitivity, unit sensitivity and assembly sensitivity,
A design method for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 기초 광학계 성능 평가 단계는,
구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 포함하는 수차를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 수차 분석을 수행하고, 공간 주파수를 1101p/mm으로 하여 MTF를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 MTF 성능 평가를 수행하며, 상면의 중심에 대한 외곽의 어두운 정도를 나타내는 주변광량비(RI)를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 주변광량비(RI) 분석을 수행하는 것으로 이루어지며,
상기 기초 광학계 공차 민감도 분석 단계는,
Zernike Sag에 대한 민감도를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 형상 민감도를 분석하고, 렌즈 두께(lens thickness), 면 편심(surface decenter) 및 면 틸트(surface tilt)를 기반으로 상기 기초 광학계에 대한 단품 민감도를 분석하며, 렌즈 편심(lens decenter), 렌즈 틸트(lens tilt) 및 축상 이동량(axial displacement)을 기반으로 상기 기초 광학계의 조립 민감도를 분석하는 것으로 이루어지는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.In paragraph 3,
In the basic optical system performance evaluation step,
Performing aberration analysis on the basic optical system by analyzing aberrations including spherical aberration, astigmatism and distortion aberration, and analyzing MTF with a spatial frequency of 1101p/mm to evaluate MTF performance of the basic optical system, It consists of analyzing the ambient light ratio (RI) for the basic optical system by analyzing the ambient light ratio (RI) indicating the degree of darkness of the outer edge with respect to the center of the upper surface,
The basic optical system tolerance sensitivity analysis step,
By analyzing the sensitivity to Zernike Sag, the shape sensitivity of the basic optical system is analyzed, and the unit sensitivity of the basic optical system based on lens thickness, surface decenter, and surface tilt and analyzing the assembly sensitivity of the basic optical system based on lens decenter, lens tilt and axial displacement,
A design method for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 재설계 광학계 획득 단계는,
상기 기초 광학계의 소재의 굴절률과 아베수에 대한 민감도를 분석하고, 소재의 굴절율과 아베수에 대한 민감도 분석 결과를 토대로 상기 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재를 굴절률이 높은 소재로 변경하여 상기 기초 광학계를 재설계하는 것으로 이루어지는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.In paragraph 3,
The step of acquiring the redesigned optical system,
Analyzing the sensitivity to the refractive index and Abbe number of the material of the basic optical system, and changing the material for at least one lens of the basic optical system to a material having a high refractive index based on the analysis result of the sensitivity to the refractive index and Abbe number of the material Consisting of redesigning the basic optical system,
A design method for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 재설계 광학계 성능 평가 단계는,
수차 분석, MTF 성능 평가 및 주변광량비(RI) 분석을 수행하여 상기 재설계 광학계의 성능을 평가하는 것으로 이루어지며,
상기 재설계 광학계 공차 민감도 분석 단계는,
상기 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 MTF 변화량 30% 이상으로 확인된 공차에 대해 상기 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 광축의 횡방향에 대해서 진행하도록 설정되고 공간 주파수를 1101p/mm으로 하는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 MTF 30%를 기준으로 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계 각각에 대한 예상 생산 수율을 분석하며, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계 각각에 대한 왜곡 변화를 분석하는 것으로 이루어지는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.In paragraph 5,
In the performance evaluation step of the redesigned optical system,
It consists of evaluating the performance of the redesigned optical system by performing aberration analysis, MTF performance evaluation, and ambient light ratio (RI) analysis,
The redesign optical system tolerance sensitivity analysis step,
Based on the tolerance sensitivity analysis result for the basic optical system, the tolerance sensitivity of the redesigned optical system is analyzed for the tolerance identified as MTF variation of 30% or more, and set to proceed in the transverse direction of the optical axis, and the spatial frequency is set to 1101p/mm The expected production yield for each of the basic optical system and the redesigned optical system is analyzed based on the MTF of 30% using Monte Carlo simulation, and the distortion change for each of the basic optical system and the redesigned optical system is analyzed using Monte Carlo simulation. consisting of doing
A design method for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 최종 광학계 획득 단계는,
상이한 굴절률을 가지는 소재를 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 적용하여 굴절률의 변화에 대한 공차 민감도 변화를 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 비교하고, 비교 결과를 토대로 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈를 굴절률이 높은 소재로 변경하여 상기 최종 광학계를 획득하는 것으로 이루어지는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.In paragraph 6,
The final optical system acquisition step,
A material having a different refractive index is applied to at least one lens of the redesigned optical system, and a change in tolerance sensitivity to a change in refractive index is compared using a Monte Carlo simulation, and at least one lens of the redesigned optical system is selected based on the comparison result. Consisting of changing to this high material to obtain the final optical system,
A design method for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 최종 광학계 획득 단계는,
몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 MTF 30%를 기준으로 상기 기초 광학계와 서로 상이한 굴절률을 가지는 복수개의 소재가 각각 적용된 복수개의 상기 재설계 광학계 각각에 대한 예상 생산 수율과 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 변화를 비교하는 것으로 이루어지는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 방법.In paragraph 7,
The final optical system acquisition step,
Using Monte Carlo simulation, based on MTF of 30%, the expected production yield for each of the plurality of redesigned optical systems to which a plurality of materials having different refractive indices from the basic optical system are applied, respectively, and a change in tolerance sensitivity according to a change in refractive index are compared. made up,
A design method for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
6P 모바일 광학계의 공차 민감도 저감을 위한 설계를 수행하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리; 및
상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 프로그램에 따라 6P 모바일 광학계의 공차 민감도 저감을 위한 설계를 수행하기 위한 동작을 수행하는 하나 이상의 프로세서;
를 포함하며,
상기 프로세서는,
미리 설정된 설계 목표 광학계를 이용하여 6P 모바일 광학계 기반의 기초 광학계를 설정하고,
상기 기초 광학계의 성능을 평가하며,
상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석하고,
상기 기초 광학계에 대한 공차 민감도 분석 결과를 토대로 상기 기초 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 소재 변경을 통해 상기 기초 광학계를 재설계하여 재설계 광학계를 획득하며,
상기 재설계 광학계의 성능을 평가하고,
상기 재설계 광학계의 공차 민감도를 분석하고, 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 이용하여 상기 기초 광학계와 상기 재설계 광학계에 대한 예상 생산 수율과 왜곡(distortion) 변화를 분석하며,
상기 재설계 광학계에 대한 공차 민감도, 예상 생산 수율 및 왜곡 변화의 분석 결과를 토대로 상기 재설계 광학계의 적어도 하나의 렌즈에 대한 굴절률 변화에 따른 공차 민감도 결과를 이용하여 상기 재설계 광학계를 재설계하여 최종 광학계를 획득하는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치.As a design device that performs a design for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system,
a memory for storing one or more programs for performing a design for reducing tolerance sensitivity of a 6P mobile optical system; and
one or more processors performing an operation for performing a design for tolerance sensitivity reduction of a 6P mobile optical system according to the one or more programs stored in the memory;
Including,
the processor,
Set up a basic optical system based on a 6P mobile optical system using a preset design target optical system,
Evaluate the performance of the basic optical system,
Analyzing tolerance sensitivity of the basic optical system;
Obtaining a redesigned optical system by redesigning the basic optical system by changing a material for at least one lens of the basic optical system based on a tolerance sensitivity analysis result for the basic optical system;
Evaluate the performance of the redesigned optical system,
Analyzing tolerance sensitivity of the redesigned optical system, analyzing expected production yield and distortion change for the basic optical system and the redesigned optical system using Monte Carlo simulation,
The redesigned optical system is redesigned using the tolerance sensitivity result according to the refractive index change of at least one lens of the redesigned optical system based on the analysis result of the tolerance sensitivity, expected production yield, and distortion change of the redesigned optical system. Acquiring optics,
A design device for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 설계 목표 광학계는,
화소가 13.2M이고, F/#이 1.9이며, 화각이 78°이고, EFL(Effective Focal Length)이 3.51mm이며, 6개의 렌즈를 포함하는 광학계인,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치.In paragraph 10,
The design target optical system,
The pixel is 13.2M, the F/# is 1.9, the angle of view is 78 °, the EFL (Effective Focal Length) is 3.51mm, and the optical system includes 6 lenses,
A design device for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 프로세서는,
상기 설계 목표 광학계를 기반으로, 수차 분석, MTF(Modulation Transfer Function) 성능 평가 및 주변광량비(Relative Illumination, RI) 분석을 수행하여 상기 기초 광학계의 성능을 평가하며,
형상 민감도, 단품 민감도 및 조립 민감도에 대한 상기 기초 광학계의 공차 민감도를 분석하는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치.In paragraph 11,
the processor,
Based on the design target optical system, aberration analysis, MTF (Modulation Transfer Function) performance evaluation, and relative illumination (RI) analysis are performed to evaluate the performance of the basic optical system,
Analyzing the tolerance sensitivity of the basic optical system for shape sensitivity, unit sensitivity and assembly sensitivity,
A design device for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
상기 프로세서는,
구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 포함하는 수차를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 수차 분석을 수행하고, 공간 주파수를 1101p/mm으로 하여 MTF를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 MTF 성능 평가를 수행하며, 상면의 중심에 대한 외곽의 어두운 정도를 나타내는 주변광량비(RI)를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 주변광량비(RI) 분석을 수행하고,
Zernike Sag에 대한 민감도를 분석하여 상기 기초 광학계에 대한 형상 민감도를 분석하고, 렌즈 두께(lens thickness), 면 편심(surface decenter) 및 면 틸트(surface tilt)를 기반으로 상기 기초 광학계에 대한 단품 민감도를 분석하며, 렌즈 편심(lens decenter), 렌즈 틸트(lens tilt) 및 축상 이동량(axial displacement)을 기반으로 상기 기초 광학계의 조립 민감도를 분석하는,
6P 모바일 광학계 공차 민감도 저감을 위한 설계 장치.
In paragraph 12,
the processor,
Performing aberration analysis on the basic optical system by analyzing aberrations including spherical aberration, astigmatism and distortion aberration, and analyzing MTF with a spatial frequency of 1101p/mm to evaluate MTF performance of the basic optical system, By analyzing the ambient light ratio (RI) indicating the degree of darkness of the outer edge of the center of the upper surface, performing the peripheral light ratio (RI) analysis on the basic optical system,
By analyzing the sensitivity to Zernike Sag, the shape sensitivity of the basic optical system is analyzed, and the unit sensitivity of the basic optical system based on lens thickness, surface decenter, and surface tilt Analyzing the assembly sensitivity of the basic optical system based on lens decenter, lens tilt and axial displacement,
A design device for reducing tolerance sensitivity of 6P mobile optics.
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
CN117891069A (en) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Optical system optimization design method for reducing refractive index error sensitivity |
-
2022
- 2022-09-20 KR KR1020220118774A patent/KR20230043734A/en unknown
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117891069A (en) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Optical system optimization design method for reducing refractive index error sensitivity |
CN117891069B (en) * | 2024-03-14 | 2024-05-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Optical system optimization design method for reducing refractive index error sensitivity |
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