KR100290832B1 - 망원타입박형줌렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유한 거리에서 물체의 거리 위치에 상관없이 동일 크기의 상(Image)이 촬영될 수 있도록 한 망원타입의 줌렌즈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 정의 굴절력을 갖고 3 매의 렌즈로 구성되는 제1 렌즈군과, 부의 굴절력을 갖고 광축을 따라 이동함으로써 변배작용을 하는 제2 렌즈군과, 정의 굴절력을 갖고 적어도 3 매 이상의 렌즈로 구성되어 상면에 대하여 고정되는 제3 렌즈군과, 정의 굴절력을 갖고 적어도 2 매 이상의 렌즈로 구성되어 변배시 발생하는 상면 변동과 포커싱 보정을 위하여 광축을 따라 전후 왕복운동하는 제4 렌즈군을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 4군 구성의 마스터(Master) 이동방식을 채용함으로써 사용범위 전영역에서 수차특성이 양호하고 광학 성능이 안정된다.

Description

망원타입 박형 줌렌즈(Compact Zoom Lens Of Telephoto Type)

본 발명은 홍채인식용 광학계에 관한 것으로, 특히 유한 거리에서 물체의 거리 위치에 상관없이 동일 크기의 상(Image)이 촬영될 수 있도록 한 망원타입의 줌렌즈에 관한 것이다.

최근, 개인식별(Identification Card; 이하 ″ID″라 함) 카드 또는 비밀번호 등을 이용한 보안장비가 보편적으로 이용되고 있으나, 이들 보안장비는 복제, 도용의 위험에 항상 노출되어 있으며, 암호의 공개 등에 의한 엄청난 경제적 손실을 가져오게 되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하고자, 사람의 신체적인 특성을 이용하는 바이오 매트릭스(Biometrics) 인식기술들이 시큐리티(Security) 산업에서 활용되고 있다. 최근에는, 지문인식, 음성인식, 손바닥 인식 및 홍채인식 등의 인식시스템을 이용하여 개인의 신원을 확인하는 장치등이 지속적으로 연구·개발되고 있는 추세에 있다. 이러한 바이오 메트릭스 기술이 적용된 인식시스템은 기존의 단점들을 보완할수 있을 뿐만 아니라 에러율이 상당히 낮아 단기간 내에 보편적인 방범·방재 시스템에 적용될 것으로 전망되고 있다.

한편, 홍채인식 시스템의 현황은 인식 시스템을 구성하는 요소 기술 및 핵심 부품의 개발상태가 현재로써는 미흡한 실정이다. 특히, 광학계는 홍채인식 시스템의 핵심부품으로서 기존의 단초점 표준망원렌즈를 채용할 경우 렌즈부를 포함한 주변 광학계가 필요 이상으로 커지는 단점이 있으며 사용범위 전영역에서 포커싱을 하기 위해서는 초점심도가 길어져야 하므로 이를 실현하기 위해서는 렌즈계가 어두워질 수밖에 없는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 사용범위 전영역에서 안정된 성능을 확보하도록 한 망원타입 박형 줌렌즈를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형화가 가능하도록 한 망원타입 박형 줌렌즈를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈를 도시한 종단면도.

도 2는 도 1에 도시된 망원타입 박형 줌렌즈에서 각 렌즈들의 곡률반경과 각 렌즈들의 두께 및 공기간격을 나타내는 종단면도.

도 3은 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈에서 와이드단을 나타내는 종단면도.

도 4는 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈에서 미들단을 나타내는 종단면도.

도 5는 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈에서 텔레단을 나타내는 종단면도.

도 6는 도 3과 같은 와이드단에서의 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 나타내는 특성도.

도 7는 도 4와 같은 미들단에서의 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 나타내는 특성도.

도 8은 도 5와 같은 텔레단에서의 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 나타내는 특성도.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

10 : 제1 렌즈군 20 : 제2 렌즈군

28 : 조리개 30 : 제3 렌즈군

40 : 제4 렌즈군 60 : 상면

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 정의 굴절력을 갖고 3 매의 렌즈로 구성되는 제1 렌즈군과, 부의 굴절력을 갖고 광축을 따라 이동함으로써 변배작용을 하는 제2 렌즈군과, 정의 굴절력을 갖고 적어도 3 매 이상의 렌즈로 구성되어 상면에 대하여 고정되는 제3 렌즈군과, 정의 굴절력을 갖고 적어도 2 매 이상의 렌즈로 구성되어 변배시 발생하는 상면 변동과 포커싱 보정을 위하여 광축을 따라 전후 왕복운동하는 제4 렌즈군을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적들 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명 하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 정(正)의 굴절력을 갖고 물체측으로부터 각각 부(負), 정(正) 및 정(正)의 굴절력을 가지는 3 매의 구면렌즈로 구성되며 상면(60)에 대하여 고정되는 제1 렌즈군(10)과, 부(負)의 굴절력을 갖고 제1 렌즈군으로부터 각각 부(負), 부(負)의 굴절력을 가지는 2 매의 구면렌즈로 구성되어 광축을 따라 이동함으로써 변배작용을 하는 제2 렌즈군(20)과, 정(正)의 굴절력을 갖고 제2 렌즈군으로부터 각각 정(正), 부(負) 및 정(正)의 굴절력을 가지는 3 매의 구면렌즈로 구성되며 변배에 관계없이 상면(60)에 대하여 고정되는 제3 렌즈군(30)과, 정(正)의 굴절력을 갖고 제3 렌즈군으로부터 각각 정(正), 부(負)의 굴절력을 가지는 2 매의 구면렌즈로 구성되며 제2 렌즈군(20)이 광축을 따라 직선운동함에 따라 광축 상에서 전후 왕복운동함으로써 변배시 발생되는 상면변동과 포커싱 보정을 행하는 제4 렌즈군(40)을 구비한다.

제1 렌즈군(10)은 부의 굴절력을 가지는 물체측으로 볼록한 형상의 단 렌즈(12), 정의 굴절력을 가지는 양볼록 형상의 단 렌즈(14)가 접합되어진 접합렌즈(Doublet) 및 정의 굴절력을 가지고 물체측으로 볼록한 메니스커스(Meniscus) 형상의 단 렌즈(16)로 구성되어 전체적으로 정의 굴절력을 가지게 된다. 이 제1 렌즈군(10)은 상면(60)에 대하여 고정되어 있다. 제2 렌즈군(20)은 부의 굴절력을 가지는 물체측으로 오목한 2 매의 양오목 구면렌즈(22,24)로 구성되어 전체적으로 부의 굴절력을 가지게 된다. 제2 렌즈군(20)은 광축방향으로 직선운동함으로써 줌밍(Zooming)하게 된다. 제3 렌즈군(30)은 수차보정을 위해 최소 3 매 이상의 구면렌즈로 구성된다. 실제로, 제3 렌즈군(30)은 정의 굴절력을 가지고 물체측으로 볼록한 매니스커스 형상의 단 렌즈(32)와, 상호 에지(edge) 접합되고 각각 부의 굴절력과 정의 굴절력을 가지는 렌즈들(34,36)이 조합되어 전체적으로 정의 굴절력을 가지게 된다. 이 제3 렌즈군(30)은 상면(60)에 대하여 고정되어 있다. 제4 렌즈군(40)은 색수차 보정 및 수차의 균형을 유지하기 위해 각각 정의 굴절력을 가지는 렌즈(42)와 음의 굴절력을 가지는 렌즈(44)가 접합되어진 접합렌즈로 이루어지며 전체적으로 정의 굴절력을 가지게 된다. 제4 렌즈군(40)은 제2 렌즈군(20)이 광축방향으로 직선운동하여 줌밍함에 따라 발생되는 상면변동을 보정함과 아울러 포커싱을 하기 위하여 광축방향으로 전후 왕복운동하게 된다.

본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 제2 렌즈군(20)과 제3 렌즈군(30) 사이에 고정되는 조리개(Iris)(28)를 추가로 구비한다. 조리개(28)는 제3 렌즈군(30)에 유입되는 광빔의 광량을 조절하게 된다.

본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 다음의 수학식1 내지 수학식4의 조건식을 만족하도록 구성되어 있다.

1.0 〈 | F1/FW | 〈 2.0

여기에서, F1은 제1 렌즈군(10)의 초점거리(Focal length)를 나타내고 FW는 와이드 단에서 전계의 초점거리를 나타낸다. 수학식 1은 제1 렌즈군(10)의 굴절력에 관한 조건으로써, 제1 렌즈군(10)의 굴절력이 강해지게 되면 망원(Tele)측에서의 축상 구면 수차의 보정이 어려워지게 된다. 반대로, 제1 렌즈군(10)의 굴절력이 약해지게 되면 제1 렌즈군(10)과 제2 렌즈군(20) 사이의 공기 간격이 필요 이상으로 길어지게 되어 광학 전장이 늘어나는 단점이 있다.

0.15 〈 | F2/FW | 〈 0.45

여기에서, F2는 제2 렌즈군(20)의 초점거리를 나타낸다. 수학식2는 제2 렌즈군(20)의 굴절력에 관한 조건으로써, 하한치(0.15)를 넘어 제2 렌즈군(20)의 굴절력이 강해지게 되면 줌렌즈 전체를 소형화하는데 유리하지만 페츠발합(Petzval Sum)이 부의 방향으로 증가하고 상면 만곡(비점수차)가 크게 되는 단점이 있다. 반면에 상한치(0.45)를 넘어 제2 렌즈군(20)의 굴절력이 약해지면 줌밍에 따른 수차변동은 작아지나 소정의 줌비를 얻기 위해서는 이동량을 증가 시켜야 하므로 줌 렌즈의 전장이 길어지게 된다.

1.1 〈 | F3/FW | 〈 1.9

여기에서, F3은 제3 렌즈군(30)의 초점거리를 나타낸다. 수학식3은 제3 렌즈군(30)의 굴절력에 관한 조건으로써, 제3 렌즈군(30)의 굴절력이 강해지면 구면수차 보정에 따른 코마수차 발생이 증가함과 아울러, 제4 렌즈군(40)의 굴절력이 약해져야 하므로 제4 렌즈군(40)의 이동량이 증가하게 된다.

0.5 〈 | F4/FW |〈 1.0

여기에서, F4는 제4 렌즈군(40)의 초점거리를 나타낸다. 수학식4는 제4 렌즈군(40)의 굴절력에 관한 것으로서, 제4 렌즈군(40)의 굴절력이 너무 강해지면 후초점 거리(Back Focal Length)는 짧아지나 줌밍에 따른 수차의 변동이 커지게 되고, 반대로 상한치(1.0) 이상이 되어 제4 렌즈군(40)의 굴절력이 약해지게 되면 이동량이 증가하게 되어 줌 렌즈의 광학 전장이 길어지게 된다.

본 발명의 수치 실시예로서, 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈에 있어서 전게의 초점거리 f는 f=1.0∼11.2mm, 밝기 Fno는 Fno=3.22(와이드단에서), 화각 2ω는 2ω=32.63°∼38.23°이다. 도 2에서 각 렌즈들의 곡류반경(R1∼R19), 각 렌즈의 두께 및 공기간격(t1∼t18), 및 각 렌즈의 굴절률은 다음의 표1과 같다.

	곡률반경(R)	두께/공기간격(t)(mm)	굴절률(Index)
1	3.14399	0.04727	1.82415
2	1.04152	0.245805	1.703667
3	-18.47737	0.010504
4	1.00213	0.179627	1.70367
5	2.86457	A
6	-11.52341	0.042018	1.76165
7	0.61504	0.030938
8	-1.19751	0.042018	1.76165
9	0.57092	B
10	IRIS	0.078784
11	0.58562	0.070905	1.70367
12	1.65130	0.055195
13	0.95801	0.042018	1.82415
14	0.45484	0.027515
15	5.05003	0.062502	1.70367
16	-1.18175	C
17	1.25528	0.149164	1.70367
18	-0.42018	0.04018	1.82415
19	-0.79939	0.005252
20	0.0	0.039392	1.51097
21	0.0	D

여기에서, A는 제1 렌즈군(10)과 제2 렌즈군(20)의 공기 간격, B는 제2 렌즈군(20)과 제3 렌즈군(30) 사이의 공기간격, C는 제3 렌즈군(30)과 제4 렌즈군(40) 사이의 공기간격 그리고 D는 제4 렌즈군(40)과 상면(60)의 공기간격이다.

본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 물체의 위치별 일정한 크기의 홍채를 촬영하기 위해 와이드 단, 미들단, 텔레단으로 배율이 조절된다. 이를 상세히 설명하면, 홍채가 비교적 먼거리에 위치할 경우에 도 5와 같은 텔레(Tele) 단을 이용하여 홍채를 촬영하게 되며, 비교적 가까운 거리에 홍채가 위치할 경우에는 도 3과 같은 와이드단(Wide)단을 이용하여 홍채의 특정부위(즉, 홍채인식 시스템에서 필요로 하는 홍채의 일부분)를 촬영하게 된다. 각 단에서 제2 및 제4 렌즈군(20,40)의 동작에 대해서 설명하면 다음과 같다. 제2 렌즈군(20)은 광축방향으로 이동되어 줌밍동작을 수행하게 된다. 즉, 도 3과 같은 와이드 단에서 제2 렌즈군(20)은 물체측으로 이동되어 비교적 가까운 거리에 있는 물체(즉, 홍채)를 촬영할수 있도록 배율을 조절하게 된다. 한편, 도 5와 같은 텔레 단에서 제2 렌즈군(20)은 물체의 반대측(즉, 제3 렌즈군측)으로 이동되어 물체의 특정부위를 촬영할수 있도록 배율을 조절하게 된다. 제4 렌즈군(40)은 제2 렌즈군(20)의 줌밍동작에 대응하여 상면 변동을 보정함과 동시에 포커싱동작을 수행하게 된다. 즉, 도 3의 와이드 단에서 제4 렌즈군(40)은 제2 렌즈군(20)의 줌밍동작에 대응하도록 물체측으로 이동되어 상면(고체 촬상소자)(60)에 물체가 결상되도록 포커싱 동작을 수행하게 됨과 아울러, 제2 렌즈군(20)의 줌밍에 대응하도록 색수차 보정 및 수차의 균형을 이루게 된다. 한편, 도 5의 텔레 단에서 제4 렌즈군(40)은 제2 렌즈군(20)의 줌밍동작에 대응하여 물체의 반대측으로 이동되어 상면(60)에 물체가 결상되도록 포커싱 동작을 수행함과 아울러, 제2 렌즈군(20)의 줌밍에 대응하도록 색수차 보정 및 수차의 균형을 이루게 된다.

도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같은 와이드(Wide), 미들(Middle) 및 텔리(Tele) 각 단에서의 줌 위치별 공기간격 A, B, C 및 D의 수치 실시예는 표 2와 같다.

각각의 단에서의 공기간격(즉, 줌위치별 공기간격)의 수치실시예

초점거리(f)	A	B	C	D
Fw	0.68086	0.49860	0.33271	0.98904
Fm	0.82504	0.35441	0.28395	1.03780
Ft	1.03959	0.13986	1.02759	0.29416

여기에서, Fw는 와이드 단에서의 전계의 초점거리, Fm은 미들 단에서의 전계의 초점거리, Ft는 텔레 단에서의 전계의 초점거리를 의미한다.

와이드, 미들 및 텔레단에서의 수차특성은 각각 도 6, 도 7 및 도 8과 같다.

도 6 내지 도 8에 있어서, 구면수차는 입사광의 서로 다른 파장(880.0nm, 790nm, 720nm)에 따른 특성을 나타내고, 비점수차는 입사광의 서로 직교하는 방향(탄젠셜 T, 세지털 S)에 대한 특성을 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 망원타입 박형 줌렌즈는 4군 구성의 마스터(Master) 이동방식을 채용함으로써 사용범위 전영역에서 수차특성이 양호하고 광학 성능이 안정된다. 이에 따라, 본 발명의 망원타입 박형 줌렌즈를 홍채 인식 전용의 광학계에 적용할 경우 일반 망원타입의 표준 줌렌즈에 비해 줌배율을 크게 하면서도 광학전장을 대폭 줄일 수 있게 된다. 나아가, 본 발명의 망원타입 박형 줌렌즈는 홍채인식 시스템뿐만 아니라 중요 보안시설은 물론, 현금 자동 입출금기 등에 적용되어 기존의 ID 카드나 비밀번호 사용에 따른 복제 또는 도용의 위험을 방지할 수 있게 되며 의료 장비 등에 부착되어 홍채 영상을 자동 분석한 뒤, 인체의 질병을 진단, 영양 상태 및 처방 결과까지 출력되는 홍채 인식 진단 시스템 등에 적용될 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자 라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (3)

1. 상면에 대하여 고정되고 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군과,

   부의 굴절력을 갖고 광축을 따라 이동함으로써 변배작용을 하는 제2 렌즈군과,

   상기 제 2 렌즈군으로부터 각각 저의 굴절력을 갖는 렌즈와 부의 굴절력을 갖는 렌즈 및 저의 굴절력을 가지는 3 매의 렌즈를 포함하여 정의 굴절력을 갖고 상면에 대하여 고정되는 제3 렌즈군과,

   정의 굴절력을 갖고 적어도 2 매 이상의 렌즈로 구성되어 변배시 발생하는 상면 변동과 포커싱 보정을 위하여 상기 광축을 따라 전후 왕복운동하는 제4 렌즈군을 구비하고

   상기 각 렌즈군의 굴절력은 아래의 조건들을 만족하는 것을 특징으로 하는 망원타입 박형 줌렌즈.

   1.0 < | F1/FW | < 2.0

   0.15 < | F2/FW | < 0.45

   1.1 < | F3/FW | < 1.9

   0.5 < | F4/FW | < 1.0

   여기서, F1은 상기 제 1렌즈군의 초점거리를, F2는 상기 제2 렌즈군의 초점거리를, F3은 상기 제3 렌즈군의 초점거리를 그리고 F4는 상기 제 4 렌즈군의 초점거리를 각각 의미하고 FW는 와이드단에서 전계의 초점거리를 의미함.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 순차적으로 각각 부의 굴절력을 갖는 렌즈와, 2 매의 정의 굴절력을 갖는 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 망원타입 박형 줌렌즈.
3. 제 1 항에 있어서,

   제2 렌즈군은 상기 제1 렌즈군으로부터 각각 부의 굴절력을 가지는 2 매의 구면렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 망원타입 박형 줌렌즈.