KR100330864B1 - 핀홀 카메라용 광학계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크기와 부피를 최소화하여 협소한 공간에서 비밀리 촬영이 가능한 핀홀 카메라에 적용할 수 있도록 함과 동시에 근거리에서부터 원거리까지의 넓은 시계각(71。)과 구경비(F/2.3)로 수차보정상태가 양호한 핀홀 카메라용 광학계에 관한 것이다.
본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계는 물체측으로부터 제 1 렌즈(10)는 물체측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로, 제 2 렌즈(20)는 물체측에 비구면을 갖고상(像)측에는 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제 3 렌즈(30)는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제 4 렌즈(40)는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로 구성되고, 상기 제 1 렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성된 것으로서, 이와 같은 본 발명에 따른 핀홀 카메라용 광학계는, 광학계의 기구구조를 단순화함과 동시에 광학계의 전장길이를 짧게 하고 플라스틱 비구면렌즈를 장착하여 광학계의 소형경량화를 이루도록 함은 물은 수차보정상태가 양호하고 제품의 제작비용을 절감시킬 뿐만 아니라 넓은 화각으로 물체의 선명한 상(像)을 얻을 수 있도록 하여 제품의 상품성 및 양산성을 향상시킨 것이다.

Description

핀홀 카메라용 광학계
본 발명은 핀홀 카메라용 광학계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 크기가 최소화되어 비밀 촬영을 위한 핀홀 카메라에 적용될 수 있으며, 근거리에서부터 원거리까지의 넓은 화각(71。)를 가지며 구경비(F/2.3)로 수차보정이 양호한 핀홀 카메라용 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 도어폰, 비디오폰 카메라, 폐쇄회로(CCTV)카메라 및 고체촬상소자(CCD)카메라 등에 사용되는 광학계는 일본 및 국내 동업계에서 일반적으로 널리 사용되어 오고 있는 바, 이들 광학계는 통상 렌즈의 매수에 따라 5군 5매와 4군 4매로 구성되는데 이들 각 광학계를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 5군 5매로 구성되는 광학계에 있어서, 렌즈캡과 렌즈경통 사이에 조립되는 제 1 렌즈는 물체측에 볼록면을 갖는 음의 메니스커스(MENISCUS)형 렌즈로, 제 2 렌즈는 양의 메니스커스형 렌즈로, 제 3 렌즈는 상측에 볼록면을 갖는 음의 메니스커스형 렌즈로, 제 4 렌즈는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 콘벡스(CONVEX)형 렌즈로, 제 5 렌즈는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 콘케이크(CONCAVE)형 렌즈로 구성되어 있다.
따라서, 근거리(30cm)로부터 원거리(무한대)까지 넓은 화각(시계각: 78。)으로 물체의 상을 광센서인 CCD에 보내 TV모니터로 선명한 영상을 얻을 수 있으면서도 가공작업과 조립과정이 용이하여 숙련자가 아니더라도 제품의 생산성을 높일 수 있으므로 인건비 및 생산원가의 절감과 제품의 경쟁력을 향상시킬 수가 있었다.
다음으로는 4군 4매로 구성되는 광학계는 물체측으로부터 차례로 물체측에 불록면을 갖는 음의 메니스커스형 제 1 군 렌즈, 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 콘벡스형 제 2 군 렌즈, 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 콘벡스형 제 3 군레즈, 상측에 볼록면을 갖는 음의 메니스커스형 제 4군 렌즈로 구성되어 있다.
그러나, 이상과 같은 종래 카메라용 광학계는 그 구조가 복잡하고 이를 단순화하기 위하여 4군 4매로 구성하였으나 이 또한 부피가 큰 것은 물론 그 각각의 음과 양의 렌즈가 유리로 제작되어 광학계의 전체 무게가 무겁고, 협소한 공간에 설치시 설치가 어려운 것은 물론이고 설치공간의 확보도 어려우며, 생산성이 떨어진다는 문제점을 안고 있었다.
또한, 그 각각의 음과 양의 렌즈가 고가의 유리로 제작됨에 따라 제작비용이 매우 높아 경제적이지도 못하다는 문제점도 있었다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술 광학계의 문제점이 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 물체측으로부터 첫 번째의 음의 배율렌즈가 조리개의 역할함과 동시에 플라스틱으로 이루어진 비구면렌즈가 장착되어 제작비용이 낮은 것은 물론이고 구조가 매우 단순하고 부피가 작아 광학계를 소형 경량화할 수 있으며 근거리(30cm)부터 원거리(무한대)까지의 넓은 시계각(71。)과 구경비(F/2.3)로 수차보정이 양호한 핀홀 카메라용 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 핀홀 카메라용 광학계의 배열상태도이고,
도 2는 본 발명에 따른 핀홀 카메라용 광학계에 있어서, 구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우 비구면에서 새그(Sag) Xa와 구면에서의 새그(Sag)Xo를 도시한 그래프이며,
도 3a 내지 3c는 각각 본 발명에 따른 핀홀 카메라용 광학계 데이터의 수치 특성을 나타낸 그래프들로서,
도 3a는 자오상면과 구결상면의 곡면수차를 각각 0, 0.5, 0.7, 1.0의 광축상에서 도시한 그래프,
도 3b는 초점거리에 따른 자오상면 만곡과 구결상면 만곡의 굴절률을 도시한 그래프,
도 3c는 본 발명에 의한 광학계의 백분 왜곡을 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
가 : 광학계 10 : 제 1 렌즈
20 : 제 2 렌즈 30 : 제 3 렌즈
40 : 제 4 렌즈
본 발명은, 수개의 음과 양의 구면렌즈가 복합적으로 조립되어 4군 4매로 구성되는 핀홀 카메라용 광학계에 있어서, 상기 광학계(가)의 제 1 렌즈(10)는 물체측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로, 제 2 렌즈(20)는 물체측에 비구면을 갖고 상(像)측에는 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제 3 렌즈(30)는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제 4 렌즈(40)는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로 구성하고, 상기 제 1 렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성하되, 물체와의 초점거리를 fe, 후면 초점거리(back focal length)를 fb, 제 1 렌즈(10)에서 마지막 제 4 렌즈(40)까지의 거리를 T, 제 2 렌즈(20)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xo라 정의할때,
의 조건을 만족하도록 구성되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
이상의 구성에 있어서, 상기 제 2 렌즈(20)는 플라스틱 재질인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계를 첨부된 도면을 참조하여서 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계의 배열상태도이고, 도 2는 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계에 있어서, 비구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우 비구면에서 새그(Sag) Xa와 구면에서의 새그(Sag)Xo를 도시한 그래프이며, 도 3은 본 발명인 핀홀 카메라용 광학계 데이터의 수치특성을 나타낸 것으로,(a)는 자오상면과 구결상면의 곡면수차를 각각 0.0, 0.5, 0.7, 1.0의 광축상에서 도시한 그래프이고, (b)는 초점거리에따른 자오상면만곡과 구결상면만곡의 굴절률을 도시한 그래프이며,(c)는 본 발명에 의한 광학계의 백분왜곡을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계느 수개의 음과 양의 구면렌즈가 복합적으로조립되어 4군 4매로 구성되는 핀홀 카메라용 광학계(가)에 있어서, 상기 광학계(가)의 제 1 렌즈(10)는 물체측으로부터 물체측에 오목면을 갖는 음(-)의 배율렌즈로, 제 2 렌즈(20)는 물체측에 비구면을 갖고 상(像)측에는 볼록면을 갖는 양(+)의배율렌즈로, 제 3 렌즈(30)는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양(+)의 배율렌즈로, 제 4 렌즈(40)는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 음(-)의 배율렌즈로 모두 4군 4매의 렌즈로 구성한다.
또한, 상기 양(+)의 배율렌즈로 이루어진 제 3 렌즈(30)와 음(-)의 배율렌즈로 이루어진 제 4렌즈(40)는 간격링(도시되지 않음)을 설치하지 않고 상측에 볼록 면을 갖는 제 3 렌즈(30)의 볼록면에 물체측에 오목면을 갖는 제 4 렌즈(40)의 오목면이 서로 면접촉되도록 맞닿아 간격을 유지하도록 설치한다.
즉, 3매의 구면렌즈(제 1 렌즈(10), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40))와 1매의 비구면렌즈(제 2 렌즈(20))를 복합적으로 조립하여적절한 배율의 분배 및 생산성 있는 유리재질을 선정하여 양산성(量産性)을 고려하였다.
그리고, 비구면렌즈(제 2 렌즈(20)) 1매를 플라스틱으로 제작하여 양산성 및경량화를 이루며, 수차보정-구면수차와 자오상면만곡(tangential field curvature)보정상태가 양호하도록 하고, 전장길이를 9.97mm, 구경비를 F/2.3, 시계각(화각:angle of view)을 71。으로 선정하여서 구성한다.
또, 상기 광학계(가)는 물체와의 초점거리를 fe, 후면 초점거리(back focal length)를 fb, 광학계(가)의 첫 번째 제 1 렌즈(10)에서 마지막 제 4 렌즈(40)까지의 거리를 T, 제 2 렌즈(20)의 비구면의 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xo라 하면,
의 조건을 만족하도록 구성한다.
한편, 상기 광학계(가)는 상기 제 1 렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성하여 별도의 조리개를 설치하지 않음으로 경통의 기구구조를 단순화시킴과 동시에 광학계(가)의 소형화를 이루게 한다.
이상과 같이 본 발명에 이한 핀홀 카메라용 광학계의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
광학계(가)를 3매의 구면렌즈(제 1 렌즈(10), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40))와 1매의 비구면렌즈(제 2 렌즈(20))로 구성하고, 상기한 구면렌즈중 물체측으로부터 첫 번째인 제 1 렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성하여 광학계의 기구구조를 단순화시킨 것이다.
또한, 광학계(가)의 전장길이가 9.97mm로 광학계(가)의 소형화를 이룰 수 있도록 함과 동시에 1매의 비구면렌즈(제 2 렌즈(20))를 플라스틱으로 제작하여 광학계(가)의 최대단점인 제작비용의 상승을 최대한 절감시킨 것이다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 비구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우, 비구면에서 Sag Xa와, 구면에서 ,Sag Xo를 비교하여 보면,
으로 표시된다.
여기서, C는 곡률(C=1/ R;R은 렌즈의 반경), Y는 높이, K는 conic constant, 그리고 AD, AE, AF, AG는 비구면계수를 나타낸다.
또한, 아래의 표 1은 본 발명에 의한 광학계(가)이 데이터를 수치로 표시한것으로 순서대로 면의 순서, 렌즈면의 곡률반경(Radious:R), 렌즈의 두께 및 다음면까지의 간격(D), 렌즈의 굴절률(Index:n)과 렌즈의 분산계수()를 나타낸 것이다.
[표 1]
이러한 본 발명은 내경을 투영측정기(PROFELE PROJECTOR)에서 측정한 유효경(dl:mm), 구면계(SPHEROMETER)로 전체 렌즈계의 초점거리 측정치를 fe, 후면 초점거리(back focal length)를 fb, 광학계(가)의 첫 번째 제 1 렌즈(10)에서 마지막 제 4 렌즈 (40)까지의 거리를 T, 투영검사기에 의한 화각측정치, 해상력측정치의 중심(CR)과 주변(PR)이 구경비(fe/dl=F/2.3), 제 2 렌즈(20)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에서 의한 새그(Sag)를 Xo라 하면,
의 조건을 만족하며, 상기한 조건이 만족되면 근거리에서 원거리까지 넓은화각(시계각;=71。)으로 물체의 상(像)을 광센서인 고체촬상소자(CCD)로 보내 TV모니터로 선명한 영상을 얻을 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 핀홀 카메라용 광학계는, 물체측의 첫 번째 제 1 렌즈가 조리개의 역할을 하도록 구성하여 광학계의 기구구조를 단순화함과 동시에 광학계의 전장길이와 플라스틱 비구면렌즈를 장착하여 소형경량화를 이루도록 함은 물론이고 수차보정상태가 양호하고 제품의 제작비용을 절감시킬 뿐만 아니라 넓은 화각으로 물체의 선명한 상(像)을 얻을 수 있도록 하는 매우 유용한 발명이 다

Claims (2)

  1. 수개의 음과 양이 구면렌즈가 복합적으로 조립되어 4군 4매로 구성되는 핀홀 카메라용 광학계에 있어서,
    상기 광학계(가)의 제 1 렌즈(10)는 물체측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로, 제 2 렌즈(20)는 물체측에 비구면을 갖고 상(像)측에는 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제 3 렌즈(30)는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제 4 렌즈(40)는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로 구성하고,
    상기 제 1 렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성하되,
    물체와의 초점거리를 fe, 후면 초점거리(back focal length)를 fb, 제 1 렌즈(10)에서 마지막 제 4 렌즈(40)까지의 거리를 T, 제 2 렌즈(20)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xo라 정의할 때,
    의 조건을 만족하도록 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 핀홀 카메라용 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈(20)는 플라스틱 재질인 것을 특징으로 하는 핀홀 카메라용 광학계.
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