Expert Tips for (Mobile Camera) Compact Asphere Design

Expert Tips for Mobile Camera Compact Asphere Design

휴대폰 카메라를 위한 소형 비구면 렌즈 설계를 위한 팁

정밀한 공차를 가진 플라스틱 및 글래스 비구면 성형 렌즈를 통해 더욱 야심찬 휴대폰 카메라를 위한 소형 비구면 렌즈 설계가 가능해졌습니다. 아래에 소형 비구면 렌즈 설계를 위한 몇 가지 팁에 대해 알아보겠습니다.

구면은 제조가 쉽기 때문에 고전적인 렌즈 설계에 자주 사용됩니다. 그러나 구면에는 한계가 있으며, 이러한 한계 중 하나는 이미지를 형성할 때 입사 광선이 다른 지점에 초점을 맺게 하는 광학 효과인 구면 수차입니다. 이 효과로 인해 광학 시스템에서 완벽하지 않은 흐린 이미지가 발생할 수 있습니다. 반면 비구면은 빛을 작은 지점에 집중시켜 상대적으로 흐림 현상이 발생하지 않고 이미지의 품질이 향상됩니다.

구면은 만들기가 더 쉽지만, 일반적으로 비구면에 비해 이미지 흐림을 줄이기 위해 더 많은 구면이 필요합니다. 즉, 비구면 렌즈를 사용하여 여러 개의 구면 렌즈를 대체할 수 있으므로 더 작고 가벼우며 잠재적으로 생산 비용이 더 저렴한 장치를 만들 수 있습니다.

렌즈 시스템이 더욱 소형화되고 복잡해지고 이미지 해상도가 더욱 중요해짐에 따라 광학 시스템의 비구면이 점점 더 중요해지고 있습니다. 안타깝게도 기존의 비구면 설계 방식은 이러한 구성 요소를 제조하고 테스트하는 데 있어 내재적인 복잡성을 내포하고 있었습니다. 비구면 렌즈 설계를 강화하고 보다 효율적으로 작업하시려면 다음의 CODE V 설계 및 분석 팁을 사용해보십시오.

Combine Glass and Plastic Elements to Correct for Change in Lens Focus with Temperature

글라스와 플라스틱을 결합하여 온도에 따른 렌즈 초점 변화를 보정하십시오.

많은 광학 시스템은 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 동일한 휴대폰 카메라 모듈은 시카고의 혹독한 겨울과 화씨 90도 정도의 온도 차이가 나는 데스밸리의 뜨거운 여름 모두에서 우수한 이미지를 생성해야 합니다. 군사 및 항공 우주 분야용 광학 시스템은 훨씬 더 광범위한 온도 환경에서도 우수한 성능을 발휘해야합니다. 온도 변화는 소자의 반경, 두께, 굴절률, 공극 두께 등 광학 시스템의 많은 파라미터에 영향을 미칩니다. 온도 변화가 큰 광학 시스템을 설계하는 것은 복잡한 작업입니다. 이러한 광학 시스템을 설계하는 한 가지 요령은 글라스와 플라스틱을 결합하는 것입니다.

글라스 및 플라스틱은 다양한 열 특성을 가지고 있어 온도 범위에 걸쳐 초점을 유지할 수 있습니다. 온도에 따른 렌즈 초점의 변화(열 초점 이동)를 평가하려면 CODE V 매크로 함수 @MTF_PEAKFOC를 사용하십시오.

샘플 렌즈의 사양은 다음과 같습니다.

Best focus at 20C: -1.4 um
Best focus at 45C: 0.0 um
Best focus at 70C: 1.1 um
Thermal Focal Shift

= [(+1.1um) – (-1.4um)]/[70C-20C]
= 0.05um/degree

Use Macro-PLUS in CODE V for Effective Data Visualization

효과적인 데이터 시각화를 위해 CODE V Macro-PLUS를 활용하십시오.

소형 비구면 렌즈 설계에는 종종 100개 이상의 변수가 있으며, 성능은 복잡한 동공 및 필드 의존성을 가질 수 있습니다. 설계를 분석하려면 필드와 동공에 대한 정밀한 샘플링이 필요합니다. CODE V Macro-PLUS는 이러한 설계의 동작을 연구하기 위한 강력한 데이터 시각화 툴을 제공합니다.

Distill Data of Interest with Macro-PLUS

Macro-PLUS로 관심 데이터를 추출하십시오.

소형 비구면 렌즈 설계의 복잡성으로 인해 분석 결과를 이해하는 것은 어려운 작업이 될 수 있습니다. 예를 들어, through-focus MTF 플롯에는 아래 왼쪽 그림과 같이 총 30개의 커브가 포함되어 있습니다. 피크 초점과 필드 사이의 관계를 관찰하기가 어렵습니다. 이 경우 매크로를 사용하여 오른쪽 그림과 같이 피크 MTF 초점 대 필드를 플로팅할 수 있습니다. 매크로를 사용하면 훨씬 더 명확한 데이터 시각화를 제공합니다.

Macro-PLUS의 또 다른 훌륭한 응용 예시는 허용 오차 분석 결과를 요약하는 것입니다. 공차 분석은 누적 확률 플롯을 생성합니다. 소형 비구면 렌즈 설계와 같이 많은 필드가 필요한 경우 성능과 필드 간의 상관 관계를 파악하기가 어렵습니다. 예를 들어, 11개의 필드가 포함된 몬테 카를로 시상 및 접선 공차 분석(TOLMONTE)의 결과는 다음과 같습니다.

데이터의 해석력을 높이기 위해 Macro-PLUS를 사용하여 선택한 누적 확률을 필드와 비교하여 플로팅할 수 있습니다. 다음 그림은 70% 누적 확률과 상대 필드 간의 간단한 관계로 TOLMONTE의 결과를 추출한 것입니다.

Align Peak Foci to Improve Depth of Focus

피크 초점 정렬을 통해 초점의 심도를 향상하십시오.

고전적인 렌즈 설계의 경우, 최상의 초점은 일반적으로 Petzval 곡률로 정의된 곡면 이미지에 위치합니다. 반면, 소형 비구면 렌즈의 경우 최상의 초점이 고도의 비구면에 위치할 수 있습니다. 최적화 파일에 @MTF_PEAKFOC 함수를 포함시켜 피크 포커스를 평면으로 제한하면 디자인 초점 깊이가 향상됩니다. 일반적으로 초점 심도를 더 크게 설계하면 준공 시 성능이 향상되고 열 성능도 개선될 수 있습니다.

Perform Rapid Monte Carlo Analysis with Statistics

통계를 통해 몬테카를로 분석을 신속하게 진행하십시오.

몬테 카를로 분석을 사용하면 최적화 중에도 빌드된 성능을 계속 확인할 수 있습니다. 그러나 광선 추적 소형 비구면 시스템은 기존 시스템보다 훨씬 더 오래 걸리며 몬테 카를로 허용 오차도 훨씬 더 오래 걸립니다. 이러한 상황에서는 몬테 카를로 실행 횟수를 줄인 빠른 몬테 카를로 분석을 수행한 다음 Macro-PLUS 스크립트를 사용하여 몬테 카를로 결과의 통계를 계산할 수 있습니다. 이렇게 하면 최소한의 시도 횟수로 얻은 정보를 최대화할 수 있습니다. 아래 두 그림 (예: 빠른 통계적 몬테 카를로 연구)에서 볼 수 있듯이 5회만 시도해도 유용한 정보를 얻을 수 있습니다.

Evaluate Thermal Focal Shift Over Full Field

전체 필드에 대한 열 초점 이동 범위를 평가하십시오.

소형 비구면 렌즈 설계의 경우, 이러한 시스템의 복잡한 필드 종속성으로 인해 필드에 따라 최적의 초점이 크게 달라질 수 있습니다. 열 초점 이동도 시야각에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 왼쪽 그림과 같이 공칭 설계는 열 범위 전체에 걸쳐 MTF가 양호할 수 있지만, 오른쪽 그림과 같이 큰 필드 각도에서는 열 초점 이동이 크게 나타날 수 있습니다. 열 초점 이동은 온도 범위에 걸쳐 준공 시 설계 성능을 저하시킵니다. 전체 필드에서 열 초점 이동을 평가하면 불일치 및 다름의 정도를 줄일 수 있습니다.

Summary

요약

CODE V는 광학 엔지니어가 비구면 렌즈 설계를 통해 얻을 수 있는 고유한 이미지 품질과 비용 이점을 활용할 수 있는 설계 및 분석 기능을 제공합니다. 복잡하고 까다로운 설계 프로젝트에 대한 도움이 필요하신 경우, 광학 엔지니어링 서비스 팀(optics@synopsys.com)에 문의하십시오.