KR0170672B1 - 줌렌즈 광학계 - Google Patents

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Abstract

줌(zoom)렌즈 광학계가 개시되어 있다.
이 광학계는 양의 파우어를 가지며 물체에 대한 상을 결상하는 초점거리 F1을 가지는 제1렌즈유니트(1)와, 음의 파우어를 가지며 제1렌즈유니트(1)와 동일 광축을 이동하여 제1렌즈유니트(1)에 의한 상의 크기를 가변시킬 수 있도록 움직가능하게 설치되고 초점거리 F2를 가지는 제2렌즈유니트(2)와, 양의 파우어를 가지며 제2렌즈유니트(2)에 의하여 가변된 상을 전달하도록 공간적으로 고정 설치된 초점거리 F3을 가지는 제3렌즈유니트(3)와, 양의 파우어를 가지며 광축을 이동하여 제2렌즈유니트(2)의 이동에 따른 상점이동을 보상함과 동시에 변화에 대응하여 포커싱하도록 광축을 따라 움직가능하게 설치되는 초점거리 F4를 가지는 제4렌즈유니트(4)를 구비하고, 다음식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.8│F2Fw│1.3
1.0│F1F3│1.6
2.7│F4F2│4.7
16.3TL/Fw19.3
여기서, FW는 광각단에서의 줌렌즈유니트의 초점거리이며, TL은 줌렌즈유니트의 첫면에서 상면까지의 거리이다.

Description

줌(zoom)렌즈 광학계
제1도는 본 발명에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단에서의 광학적 배치를 보인 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 줌렌즈 광학계의 중간단에서의 광학적 배치를 보인 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단에서의 광학적 배치를 보인 단면도.
제4도 내지 제8도는 제1도에 도시한 광각단을 나타낸 줌렌즈 광학계의 수차를 나타낸 수차특성도.
제9도 내지 제13도는 제2도에 도시한 광각단을 나타낸 줌렌즈 광학계의 수차를 나타낸 수차특성도.
제14도 내지 제18도는 제3도에 도시한 광각단을 나타낸 줌렌즈 광학계의 수차를 나타낸 수차특성도.
제19도는 제1도 내지 제3도에 도시한 렌즈의 제12면과 제17면의 비구면계수를 설명하기 위한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제1렌즈유니트 2 : 제2렌즈유니트
3 : 제3렌즈유니트 4 : 제4렌즈유니트
5, 6, 7 : 자오상면 수차 8 : Z축에서의 구결상면 수차도
9 : Y축에서의 구결상면 수차도 10 : 자오상면 만곡
11 : 구결상면 만곡 12 : 배율 색수차
13 : 퍼센트 왜곡
본 발명은 사진기와 비데오 카메라에 적합한 줌(zoom) 렌즈 광학계에 관한 것으로서, 상세하게는 광학성능 향상, 고 배율 가변비 실현 및 전체길이가 대폭 축소되도록 구성된 줌렌즈 광학계에 관한 것이다.
일반적으로, 스틸 카메라나 비데오 카메라에 채용된 줌렌즈는 우수한 광학성능, 대구경, 고변배비(高變倍比)를 가지면서도 소형화가 요구되고 있다. 그러나 줌렌즈의 대구경, 고변배비화는 증가되는 수차를 보정하기 위해 렌즈매수가 증가하게 되어 그 소형화가 어려웠다. 이를 개선하기 위하여 본 출원인은 대한민국 특허출원 제93-29590호와, 제93-29591호, 제93-29592호를 통하여 '비구면 렌즈를 사용한 광학계'를 개시한 바 있다. 이 개시된 발명은 언급한 문제들을 부분적으로 해소할 수 있으나, 소형화를 달성하는데 그 한계가 있었다.
따라서, 본 발명은 개시된 비구면 렌즈를 사용한 광학계의 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 우수한 광학 성능을 가지며, 고변배, 대구경비 실현 및 소형의 줌렌즈 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 물체쪽에서 순차로 배치된, 1매의 부의 메니스커스렌즈와 2매의 정의 메니스커스렌즈를 구비하여 양의 파우어를 가지며, 물체에 대한 상을 결상하는 제1렌즈유니트와;1매의 부의 메니스커스렌즈와 1매의 오목렌즈 및 1매의 볼록렌즈를 구비하여 음의 파우어를 가지며, 움직가능하게 설치되어 상기 제1렌즈유니트와 동일 광축 상에서 이동하여 상기 제1렌즈유니트에 의한 상의 크기를 가변시킬 수 있도록 된 제2렌즈유니트와;1매의 비구면 볼록렌즈와 1매의 메니스커스렌즈를 구비하여 양의 파우어를 가지며, 공간적으로 고정 설치되며 상기 제2렌즈유니트에 의하여 가변된 상을 전달하는 제3렌즈유니트와;1매의 메니스커스렌즈와 1매의 비구면 볼록렌즈를 구비하여 양의 파우어를 가지며, 광축을 따라 움직가능하게 설치되어 상기 제2렌즈유니트의 이동에 따른 상점이동을 보상함과 동시에 변화에 대응하여 포커싱하는 제4렌즈유니트;를 포함하며, 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계.
조건식
0.8│F2/Fw│1.3
1.0│F1/F3│1.6
2.7│F4/F2│4.7
16.3TL/Fw19.3
여기서, F1: 제1렌즈유니트의 초점거리, F2: 제2렌즈유니트의 초점거리, F3: 제3렌즈유니트의 초점거리 F4: 제4렌즈유니트의 초점거리 FW: 광각단에서의 줌렌즈 초점거리, TL: 줌렌즈 첫면에서 상면까지의 거리이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
제1도 내지 제3도는 본 발명에 따른 줌렌즈 광학계의 광학적 구성을 보인 배치도이다. 도면을 참조하여 그 구성을 살펴 보면, 다음과 같다.
물체쪽으로부터 제1렌즈유니트(1), 제2렌즈유니트(2), 제3렌즈유니트(3) 및 제4렌즈유니트(4)로 이루어져 있다.
상기 제1렌즈유니트(1)는 입사되는 광을 소정의 각으로 수렴하도록 양의 파우어를 가지며, 물체쪽으로부터 순차로 1매의 부(負)의 메니스커스렌즈와 2매의 정(正)의 메니스커스렌즈를 구비한다.
상기 제2렌즈유니트(2)는 상기 제1렌즈유니트(1)와 동일 광축상에 위치하고 입사되는 상의 크기를 가변시킬 수 있도록 움직가능하게 설치된다. 이 제2렌즈유니트(2)는 음의 파우어를 가지며, 1매의 음의 메니스커스렌즈와, 1매의 오목렌즈 및 1매의 볼록렌즈를 구비한다.
상기 제3렌즈유니트(3)는 상기 제2렌즈유니트(2)에 의하여 가변된 상을 전달하도록 공간적으로 고정 설치되며 양의 파우어를 가지도록 1매의 비구면볼록렌즈와 1매의 메니스커스렌즈를 구비한다.
상기 제4렌즈유니트(4)는 상기 제3렌즈유니트(3)를 통과한 상을 보정하도록 1매의 메니스커스렌즈와 1매의 비구면 볼록렌즈를 구비한 양의 파우어를 가지는 렌즈유니트이다. 이 제4렌즈유니트(4)는 광축을 따라 움직이면서 변배작용에 따른 상점이동보정과 물체거리 변화에 따른 포커싱 작용을 한다.
이 렌즈유니트들을 이루는 각 렌즈에 대한 곡률반경과, 렌즈 사이의 거리, 굴절률 및 분산은 표 1에 나타내었다.
비구면 1
비구면 계수 D=-0.6427831×10
E=0
F=0
G=0
x=-0.39738
비구면 2
비구면 계수 D=0.2638673×10
E=0
F=0
G=0
x=-493.35980
또한, 줌렌즈의 초소형화와 더불어 변배에 따른 수차변동을 최소화하기 위하여 줌렌즈 광학계는 다음의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
0.8│F/Fw│1.3 (1)
1.0│F/F│1.6 (2)
2.7│F/F│4.7 (3)
16.3T/F19.3 (4)
여기서, F는 각 렌즈유니트의 초점거리(i=1, 2, 3, 4)이고, F는 광각단에서의 줌렌즈 초점거리이며, T은 줌렌즈 첫면에서 상면까지의 거리이다.
식(1)은 상기 제2렌즈유니트(2)의 파우어에 대한 조건으로 하한을 넘어서면 상기 제2렌즈유니트(2)의 파우어가 강해져서 상면만곡이 지나치게 보정되는 보정 과다가 되고, 상한을 넘어서면 줌 범위를 얻기위한 제2렌즈유니트(2)의 이동량이 증가하게 되어 전체 광학계가 길어져서 소형화하기가 힘들다.
식(2)는 공간적으로 고정 배치된 제1렌즈유니트(1)와 제3렌즈유니트(3)의 파우어비에 대한 것으로서, 하한을 넘어서면 제1렌즈유니트(1)의 파우어가 강해져서 망원단에서 구면수차가 보정부족이 되고, 상한을 넘어서면 상기 제1 및 제3렌즈유니트(1, 3)의 간격이 변배를 위한 제2렌즈유니트(2)의 이동에 비해 지나치게 길어져, 소형화에 비효율적이다.
식(3)은 상기 제2렌즈유니트(1)와 상기 제4렌즈유니트(4)의 파우어비에 대한 것으로, 하한을 넘어서면 제4렌즈유니트(4)의 파우어가 강해져서 줌 동작중 수차변동을 조정하기 어려우며 상한을 넘어서면 상기 제4렌즈유니트(4)의 이동량이 증가하여 전체길이가 길어진다.
식(4)는 광학계의 전체 길이에 대한 조건식으로 하한을 넘어서면 변배 범위를 증가시키기가 어렵고, 상한을 넘어서면 전체길이가 길어져서 소형화에 문제가 된다.
제3렌즈유니트(3)를 이루는 일 볼록렌즈의 입사쪽면은 비구면으로 비구면1로 나타내었고, 제4렌즈유니트(4)를 이루는 일 볼록렌즈의 출사쪽면은 비구면으로 비구면2로 나타내었다. 비구면에서 D, E, F, G는 비구면 계수로서 다음과 같이 주어지며, 구면에 대한 비구면의 그래프를 제19도를 통하여 도시하였다.
여기서, XA는 광축방향으로 기준원추면에서 벗어난 양 즉, 비구면의 사지탈을 나타낸 것이고, R은 렌즈의 반경, Y는 광축에서부터의 높이를 나타낸 것이다. 또한, AG, AF, AE, AD는 비구면계수를 나타낸 것이다.
도시한 도면 중 제1도는 광각단인 경우 각 렌즈유니트의 광학적 배치를 보인 단면도이다. 또한 제2도는 중간단인 경우이고, 제3도는 망원단인 경우의 각 렌즈유니트의 광학적 배치를 보인 렌즈 단면도이다. 여기서, 미설명된 도면부호 R11은 조리개를 나타낸 것으로서, 제1렌즈유니트(1) 및 제2렌즈유니트(2)를 통과한 광중 수차에 의하여 비정상적인 광경로를 가지는 광을 차단하는 기능을 한다.
줌렌즈의 구경은 F/1.6 내지 F/2.4 로 대구경화를 실현할 수 있다.
제4도 내지 제8도 각각은 제1도에 대응하는 광각단에서 줌렘즈 광학계의 각 수차를 도시한 수차도이다.
제4도는 각기 파장이 다른 광에 대한 광학계의 자오선(종) 방향으로의 구면수차를 나타낸다. 즉 0.50상면, 0.71상면, 1.00상면 각각에 대하여 파장이 0.5876μm인 광에 대한 구면수차(5), 0.4861μm인 광에 대한 구면수차(6) 및 0.6563μm인 광에 대한 구면수차(7)를 도시하였다.
제5도는 각각 0.50상면, 0.71상면, 1.00상면에서의 구결선(횡)방향 즉, Z방향으로서의 구면수차(8)와, Y방향으로의 구면수차(9)를 나타내며, 제6도는 0.00상면에서의 구결선(횡)방향으로의 각 파장에 대한 구면수차를 나타내었다.
그리고 제7도는 상면 만곡(field curvature) 즉 자오상면 만곡(T:tangential field curvature;10)과 구결상면 만곡(S:sagital field curvature:11)를 나타내었고, 제8도는 배율색(lateral color)수차(12)와 퍼센트 왜곡(percent distortion:13)를 각각 나타내고 있다.
제9도 내지 제13도 각각은 제2도에 대응하는 중간단에서 줌렌즈 광학계의 각 수차를 도시한 수차도이다. 이 수차도에 대한 설명은 제4도 내지 제8도를 통하여 언급한 바와 같으며, 동일 수차도에 대하여 동일 부호를 사용하였다.
또한, 제14도 내지 제18도 각각은 제3도에 대응하는 망원단에서 줌렌즈 광학계의 각 수차를 도시한 수차도이다. 이 수차도에 대한 설명은 제4도 내지 제8도를 통하여 언급한 바와 같으며, 동일 수차도에 대하여 동일 부호를 사용하였다.
따라서, 본 발명에 따른 줌렌즈 광학계는 줌비 16배의 고 변배로서 촬영범위를 확대할 수 있고, F/1.6에서 F/2.4의 대구경화로 비교적 어두운 피사체도 촬영이 가능하다. 또한, 전체 광학계의 소형 경량화, 양호한 수차보정, 비구면 줌렌즈 2매의 도입으로 렌즈 매수의 감소, 텔레센트릭(telecentric)에 가까운 광학계를 구성할 수 있다. 따라서 촬상소자(CCD)에서의 색번짐 현상을 방지할 수 있다. 또한, 제3 및 제4렌즈유니트에 결합렌즈를 사용하여 간단한 기구 구조를 설계할 수 있다.

Claims (1)

  1. 물체쪽에서 순차로 배치된, 1매의 부의 메니스커스렌즈와 2매의 정의 메니스커스렌즈를 구비하여 양의 파우어를 가지며, 물체에 대한 상을 결상하는 제1렌즈유니트와;1매의 부의 메니스커스렌즈와 1매의 오목렌즈 및 1매의 볼록렌즈를 구비하여 음의 파우어를 가지며 움직가능하게 설치되어 상기 제1렌즈유니트와 동일 광축 상에서 이동하여 상기 제1렌즈유니트에 의한 상의 크기를 가변시킬 수 있도록 된 제2렌즈유니트와;1매의 비구면 볼록렌즈와 1매의 메니스커스렌즈를 구비하여 양의 파우어를 가지며 공간적으로 고정 설치되며 상기 제2렌즈유니트에 의하여 가변된 상을 전달하는 제3렌즈유니트와;1매의 메니스커스렌즈와 1매의 비구면 볼록렌즈를 구비하여 양의 파우어를 가지며 광축을 따라 움직가능하게 설치되어 상기 제2렌즈유니트의 이동에 따른 상점이동을 보상함과 동시에 변화에 대응하여 포커싱하는 제4렌즈유니트;를 포함하며, 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계.
    조건식
    0.8│F2/Fw│1.3
    1.0│F1/F3│1.6
    2.7│F4/F2│4.7
    16.3TL/Fw19.3
    여기서, F1: 제1렌즈유니트의 초점거리, F2: 제2렌즈유니트의 초점거리, F3: 제3렌즈유니트의 초점거리 F4: 제4렌즈유니트의 초점거리 FW: 광각단에서의 줌렌즈 초점거리, TL: 줌렌즈 첫면에서 상면까지의 거리이다.
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