KR100477978B1

KR100477978B1 - 광각 카메라용 광학계

Info

Publication number: KR100477978B1
Application number: KR10-2002-0028850A
Authority: KR
Inventors: 장요셉
Original assignee: 장요셉
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2005-03-23
Also published as: KR20030090957A

Abstract

본 발명은 광각 카메라용 광학계에 관한 것으로서, 특히 협소한 공간에 장착이 용이한 주변광량의 확보가 우수한 광각 카메라용 광학계에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 물체측에 볼록면을 갖고 상측으로는 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제1 렌즈 및 제2 렌즈와, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제3 렌즈와, 상기 제3 렌즈로부터의 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개와, 물체측에 오목면을 갖고 상측으로는 볼록면을 가지며, 양측이 비구면인 양의 배율렌즈인 제4 렌즈와, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제5 렌즈 및 물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제6 렌즈로 구성된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 협소한 공간에 장착이 용이하며, 이와 동시에 광학성능을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.

Description

광각 카메라용 광학계{OPTICAL SYSTEM FOR WIDE ANGLE CAMERA}

광각 카메라는 화각이 85°가 넘는 렌즈를 사용하는 것으로, 넓은 범위의 촬영에 적합한 카메라 이다. 이러한 예로는 CCD를 이용한 CCD 카메라 및 CMOS를 이용한 CMOS 카메라를 들 수 있다.

상기 카메라에 사용되는 렌즈는 유리 재질로 제작되어 비용이 상승하는 문제점이 있었으며, 또한 상면만곡이나 왜곡이 생기기 쉬워 주변광량이 현저하게 저하(30% 내지 60% 미만)되어 이로써 광학성능을 저하시키는 문제점이 있고, 특히 CMOS 카메라에는 주변광량이 70% 이상인 렌즈가 사용됨으로 CMOS 카메라에 적합한 렌즈가 현재까지 개발되지 않았다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 협소한 공간에 장착이 용이하며, 이와 동시에 광학성능을 향상시킬 수 있는 광각 카메라용 광학계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주변광량비가 90% 이상으로 설계된 광각 카메라용 광학계로서 렌즈의 중심과 주변의 밝기차이를 해소할 수 있어 CCD 및 CMOS 카메라에 사용할 수 있는 광각 카메라용 광학계를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 광각 카메라용 광학계의 광학전장이 24.50mm인 것을 17.45mm로 광학전장을 축소시킨 광각 카메라용 광학계를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 넓은 화각과 수차보정이 양호한 광각 카메라용 광학계를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다수개의 음과 양의 구면렌즈가 복합적으로 조립는 광각 카메라용 광학계에 있어서, 물체측에 볼록면을 갖고 상측으로는 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제1 렌즈 및 제2 렌즈와, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제3 렌즈와, 상기 제3 렌즈로부터의 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개와, 물체측에 오목면을 갖고 상측으로는 볼록면을 가지며, 양측이 비구면인 양의 배율렌즈인 제4 렌즈와, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제5 렌즈 및 물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제6 렌즈로 구성된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 광각 카메라용 광학계의 배열상태를 나타낸 도면으로서, 물체측에 볼록면을 갖고 상측으로는 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제1 렌즈(10) 및 제2 렌즈(20)와, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제3 렌즈(30)와, 상기 제3 렌즈(30)로부터의 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개(70)와, 물체측에 오목면을 갖고 상측으로는 볼록면을 갖으며, 양측이 비구면인 양의 배율렌즈인 제4 렌즈(40)와, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제5 렌즈(50)와, 물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제6 렌즈(60) 및 영상정보를 입력하는 촬상소자(90)로 구성된다.

여기서, 제1 렌즈(10) 내지 제3 렌즈(30)는 렌즈와 렌즈가 밀착되어 나란히 배열되며, 상기 제3 렌즈(30)와 제4 렌즈(40)는 일정간격으로 이격되어 배열된다.

또한, 양(+)의 굴절력을 갖는 제5 렌즈(50)와 음(-)의 굴절력을 갖는 제6 렌즈(60)는 서로 면접촉되도록 맞닿아 있으며, 상기 제4 렌즈(40)와 맞닿은 위치에 조리개(70)가 배열된다.

여기서, 상기 촬상소자(90)는 CCD 및 CMOS 등을 포함하며, 상기 촬영소자(90)의 상부에 윈도우 글라스(80)가 부착되는 것을 특징으로 한다.

상기 5매의 구면렌즈((10), (20), (30), (50), (60))와 1매의 비구면렌즈 (40)를 복합적으로 조립하여 적절한 배율의 분배 및 생산성 있는 유리재질을 선정하여 양산성을 고려하였다.

그리고, 비구면렌즈(40) 1매를 플라스틱으로 제작하여 양산성 및 경량화를 이루며, 수차보정-구면수차와 자오상면만곡(tangential field curvature)보정상태가 양호하도록 하고, 전장길이 17.45mm, 구경비 F/2.0, 시계각(화각)을 150°로 선정하여서 구성하였다.

여기서, 상기 전체 렌즈계의 초점거리를 f, 후면 초점거리(back focal length)를 B, 광학계의 첫 번째 제1 렌즈(10)에서 마지막 제6 렌즈(60)까지의 거리를 T, 제4 렌즈(40)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xo라 할 때,

1.1 ≤ B／f ≤2.5

Xa-Xo ＞ 0

T／f ≤6.05

의 조건을 만족하도록 구성한다.

이상과 같은 본 발명에 의한 광각 카메라용 광학계의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

광학계의 전장길이가 17.45mm로 광학계의 소형화를 이룰 수 있도록 함과 동시에 1매의 비구면렌즈(40)를 플라스틱으로 제작하여 제작비용의 상승을 절감시켰다.

도 2는 본 발명에 의한 광각 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 그래프이다.

도시된 바와 같이 비구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우, 비구면에서 새그 Xa와, 구면에서 새그 Xo를 비교하여 보면 다음과 같다.

구면렌즈인 경우 : Xo=CY²／｛1+(1-C²Y²)^1/2｝

비구면렌즈인 경우 : Xa=CY²／〔1+｛1-(K+1)C²Y²｝^1/2〕+ADY ⁴+AEY⁶+AFY⁸+AGY¹⁰

으로 표시된다.

여기서, C는 곡률(C=1／R;R은 렌즈의 반경), Y는 높이, K는 코닉 상수 (conic constant), 및 AD, AE, AF, AG는 비구면계수를 각각 나타낸다.

아래의 표 1은 본 발명에 의한 광학계의 데이터를 나타낸 것으로서, 렌즈의 곡률반경, 중심 간격, 렌즈의 굴절률 및 렌즈의 분산계수를 나타내는 것이다.

여기서, 렌즈면 8의 K = 13.7442, AD = -0.7503911E-02, AE = -0.6654387E-03, AF = -0.4488295E-03, AG = 0.3402781E-03이며, 렌즈면 9의 K = -0.43933, AD = -0.6852725E-03, AE = -0.8424579E-03, AF = 0.1431682E-04, AG = -0.1829575E-04이다.

이러한 본 발명은 내경을 투영측정기(PROFELE PROJECTOR)에서 측정한 유효경(dl : mm), 구면계(SPHEROMETER)로 전체 렌즈계의 초점거리 측정치를 f, 후면 초점거리를 B, 광학계의 첫 번째 제1 렌즈(10)에서 마지막 제6 렌즈(60)까지의 거리를 T, 투영검사기에 의한 화각측정치 θ, 해상력측정치의 중심(CR)과 주변(PR)이 구경비(f/dl=F/2.0), 제4 렌즈(40)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그를 Xa, 비구면에 의한 새그를 Xo라 할 때,

1.1 ≤ B／f ≤2.5

Xa-Xo ＞ 0

T／f ≤6.05

의 조건을 만족한다.

따라서, 상기 조건이 만족되면 넓은 화각(θ= 150°)으로 물체의 상을 촬상소자로 보내므로 넓은 시야범위를 확보할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 광각 카메라용 광학계의 수차 특성을 나타낸 도면으로서, 자오상면 수차와 구결상면 수차를 각각 광축 상에 0, 0.5, 0.7, 1.0 영역에서 도시화 하였으며, 자오상면 만곡(T : Tangential Field Curvature) 및 구결 상면 만곡(S : Sagittal Field Curvature), 백분 왜곡(DISTORTION)을 도시화하였다.

광학계에서 왜곡 수차는 상 거리와 물체 거리가 비슷할 때 최소가 된다. 그리하여, 일반적인 광학계에서는 렌즈의 형상과 굴절능의 배치 및 조리개의 위치를 조정하여 왜곡 수차를 보정하고 있다.

이에 본 발명은 양(+)의 굴절력을 가진 플라스틱 비구면 렌즈(40)를 배치함으로써 구면수차 및 자오상면 수차의 보정 상태가 양호하고, 중심뿐만 아니라 주변의 밝기를 향상시킬 수 있다.

또한, 주변광량비를 90%이상 확보함으로써 렌즈의 중심과 주변의 밝기차이를 해소할 수 있어 물체의 선명한 상을 얻을 수 있으며, 넓은 화각과 수차보정이 양호하다는 잇점이 있다.

그리고, 플라스틱 비구면 렌즈를 장착함으로서 경량화 및 렌즈의 제작 비용을 절감시키는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른광각 카메라용 광학계의 배열상태를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 광각 카메라용 광학계의 비구면 렌즈에 관한 새그(Sag)를 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 광각 카메라용 광학계의 수차 특성을 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 제1 렌즈 20 : 제2 렌즈

30 : 제3 렌즈 40 : 제4 렌즈

50 : 제5 렌즈 60 : 제6 렌즈

70 : 조리개 80 : 윈도우 글라스

90 : 촬상소자

Claims

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다수개의 음과 양의 구면렌즈가 복합적으로 조립되는 광각 카메라용 광학계에 있어서,

물체측에 볼록면을 갖고 상측으로는 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제1 렌즈 및 제2 렌즈;

물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제3 렌즈;

상기 제3 렌즈로부터의 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개;

물체측에 오목면을 갖고 상측으로는 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제4 렌즈;

물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제5 렌즈; 및

물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제6 렌즈로 구성되는데,

상기 렌즈들 중 상기 제4 렌즈만이 양측이 비구면으로 형성된 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하며,

전체 렌즈계의 초점 거리를 f, 후면 초점 거리를 B라 할 때, 1.1 ≤ B/f ≤2.5 인 조건을 만족하고, 상기 제4 렌즈의 비구면이 물체의 위치에 대응하는 입사면에 형성되고 상기 비구면에서 기준 구면의 새그(Sag)를 Xo, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xa라 하면, Xa - Xo ＞ 0 인 조건을 만족하며, 광학계의 첫번째 렌즈면에서 마지막 렌즈면까지의 거리를 T, 전체 렌즈계의 초점 거리를 f라 할 때, T／f ≤6.05인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 광각 카메라용 광학계.
청구항 4항에 있어서, 상기 비구면을 이루는 제4 렌즈는 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광각 카메라용 광학계.