KR100567839B1 - 촬상용 렌즈 - Google Patents

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KR100567839B1
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사토시 도
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마일스톤 가부시키가이샤
사토시 도
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Abstract

다양한 수차가 양호하게 보정되고, 광학거리가 최대 6mm 정도이며, 충분한 백포커스가 확보되는 촬상용 렌즈가 제공된다. 이러한 촬상용 렌즈는 제 1 렌즈, 조리개, 제 2 렌즈로 구성되고, 물체측에서 상측을 향하여 상기 순서대로 배치된다. 제 1 렌즈는 메니스커스 형태에 물체측을 향하여 볼록면을 가지며 정의 굴절력을 갖는 수지제 렌즈이다. 제 2 렌즈는 메니스커스 형태에 상측을 향하여 볼록면을 가지며 정의 굴절력을 갖는 수지제 렌즈이다.

Description

촬상용 렌즈{LENS FOR IMAGE PICKUP}
도 1은 본 발명에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 2는 제 1 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 3은 제 1 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 왜곡수차 그래프,
도 4는 제 1 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 비점수차 그래프,
도 5는 제 1 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 색/구면수차 그래프,
도 6은 제 2 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 7은 제 2 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 왜곡수차 그래프,
도 8은 제 2 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 비점수차 그래프,
도 9는 제 2 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 색/구면수차 그래프,
도 10은 제 3 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 11은 제 3 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 왜곡수차 그래프,
도 12는 제 3 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 비점수차 그래프,
도 13은 제 3 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 색/구면수차 그래프,
도 14는 제 4 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 15는 제 4 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 왜곡수차 그래프,
도 16은 제 4 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 비점수차 그래프,
도 17은 제 4 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 색/구면수차 그래프,
도 18은 제 5 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 19는 제 5 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 왜곡수차 그래프,
도 20은 제 5 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 비점수차 그래프,
도 21은 제 5 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 색/구면수차 그래프,
도 22는 제 6 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 23은 제 6 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 왜곡수차 그래프,
도 24는 제 6 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 비점수차 그래프,
도 25는 제 6 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 색/구면수차 그래프,
도 26는 제 7 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 단면도,
도 27은 제 7 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 왜곡수차 그래프,
도 28는 제 7 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 비점수차 그래프,
도 29는 제 7 실시예에 따른 촬상용 렌즈의 색/구면수차 그래프이다.
본 발명은 촬상용 렌즈에 관한 것으로, 특히 CCD 또는 CMOS를 촬상소자로 사용하는 휴대전화와 퍼스널 컴퓨터를 위한 화상입력장치, 디지털 카메라, 감시용 CCD 카메라, 검사장치 등에 적용하기 적합한 촬상용 렌즈에 관한 것이다.
상기 촬상용 렌즈는 촬상용 렌즈의 물체측 입사면으로부터 촬상면(CCD 등의 결상면)까지의 거리로 정의되는 광학거리(optical length)가 짧아야 한다. 휴대전화를 예로 들었을 때, 광학거리는 최소한 휴대전화 본체의 두께보다 짧아야 한다. 반면, 촬상용 렌즈의 상(像)측 출사면으로부터 촬상면까지의 거리로 정의되는 백포커스(back focus)는 가능하면 긴 것이 바람직하다. 이것은 촬상용 렌즈와 촬상면 사이에 필터와 다른 부품들이 삽입될 필요가 있기 때문이다.
그 이외에도, 촬상용 렌즈는 상의 왜곡을 시각적으로 인식할 수 없고, 촬상소자(또한 "화소"라고도 불림)의 집적밀도에 의해 요구되는 만큼 충분한 정도로 다양한 수차들이 감소되도록 보정되는 것이 요구된다. 이하, "상의 왜곡을 시각적으로 인식할 수 없고, 촬상소자의 집적밀도에 의해 요구되는 만큼 충분한 정도로 다양한 수차들이 감소되도록 보정되는 것"을 간단히 "다양한 수차들이 충분히 보정된다" 등으로 표현한다. 다양한 수차가 충분히 보정된 화상은 "양호한 화상"이라고 표현될 것이다.
상기 요구를 충분히 만족시키는 촬상용 렌즈로서, 구성 렌즈의 수가 작고 광학 거리가 짧으며 소형으로 설계된 렌즈 시스템이 제안되었다. 그러나 이러한 렌즈 시스템들은, 비구면 성형 글래스를 사용하여 가격이 비싸고 가공상의 제약 때문에 광학거리를 짧게 하기 위해서 곡률반경을 작게 만들 수 없는 렌즈들을 채용해야 하한다. 또한 렌즈 시스템들은 짧은 광학거리를 얻기 위해 단일 렌즈를 사용하기도 하는데, 이 경우 수차들이 충분히 제거될 수 없다.
상기된 문제들을 해결하기 위한 촬상용 렌즈 중 하나는 적당한 길이의 백포커스와 넓은 필드 각(angle of field)을 가지고, 작은 왜곡 수차를 가진 2 렌즈의 두 그룹으로 구성된다(예컨대, 일본 특허 공개 2001-174701호). 또한 충분히 긴 백포커스와 적절하게 설정할 수 있는 물체측 렌즈와 상측 렌즈의 굴절력을 가지고, 제조하기 용이한 2 렌즈 두 그룹 형태를 가지는 촬상용 렌즈가 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 2000-321489호). 또한 소형, 경량이고, 텔레센트릭(telecentric) 특성이 양호하며, 비점 수차 보정 및 가공 조립이 용이한 촬상용 렌즈가 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 2002-267928호).
그러나 소형으로 설계된 휴대전화 본체에 탑재되는 촬상용 렌즈의 광학거리는 기껏해야 6mm 정도여야 하고, 또한 양호한 화상의 획득도 요구된다. 즉, 휴대전화들은 점점 더 얇아짐에 따라, 촬상용 렌즈가 상기 세 특허에 개시된 촬상용 렌즈보다 더 짧은 광학거리를 가지고 양호한 화상을 얻을 수 없다면 사용이 불가능해질 것이다.
본 발명의 목적은, 2.8 정도의 F 수를 갖는 반면, 두 개 정도의 작은 수의 렌즈들로 구성되고, 6mm의 짧은 광학거리를 가지며, 양호한 화상을 획득할 수 있는 촬상용 렌즈를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 모든 렌즈들(2개의 렌즈들)을 플라스틱 소재를 사용하여 본 발명의 촬상용 렌즈로 형성함으로써, 비용절감과 경량화를 달성할 수 있는 촬상용 렌즈를 제공하는 데 있다.
여기서 "플라스틱 소재"란 열과 압력 또는 그 양자 모두 하에서 소성변형(塑性變形)이 가능하여 렌즈 형상으로 성형할 수 있고, 가시광선을 통과시키는 고분자 물질이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 촬상용 렌즈는 물체측에서 상측을 향하여 배열된 제 1 렌즈(L1)와, 조리개(S1)와, 제 2 렌즈(L2)로 구성된다. 제 1 렌즈는(L1)는 물체측으로 볼록면이 향하는 메니스커스(meniscus) 형상의 정(正)의 굴절력을 가진 수지(resin) 렌즈이다. 제 2 렌즈는 상측으로 볼록면이 향하는 메니스커스(meniscus) 형상의 정의 굴절력을 가진 수지 렌즈이다.
또한, 이러한 촬상용 렌즈에서, 제 1 렌즈(L1)의 양면이 비구면이고, 제 2 렌즈(L2)의 양면 또한 비구면이며, 물체측 입사면(제 1 렌즈(L1)의 물체측 면)에서 촬상면 까지의 거리인 광학거리가 최대 6mm가 되게 형성된다.
본 발명의 바람직한 구성에서, 촬상용 렌즈는 다음의 조건을 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
여기서 f는 전체 렌즈 시스템의 초점거리이며, r5는 제 2 렌즈(L2)의 물체측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡률반경), r6는 제 2 렌즈(L2)의 상측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡률반경), d는 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상 면까지의 (공기 중) 거리, r1은 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡 률반경), r2는 제 1 렌즈(L1)의 상측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡률반경), D2는 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격이다.
이후, 오해가 생기지 않는 범위에서 r1, r2, r5, r6는 축상 곡률 반경 값을 의미하는 변수로 사용되고, 렌즈의 면을 식별하는 기호(예를 들면 제 1 렌즈의 물체측 면 등)로 사용된다.
상기 조건식 (1)은 제 2 렌즈(L2)의 제 1 면(축상 곡률 반경이 r5인 면)과 제 2 면(축상 곡률 반경이 r6인 면) 사이의 전체 렌즈의 초점 거리와 굴절력 배분을 규정한다. 만약 제 2 렌즈(L2)의 제 1 면 r5/f가 이 조건식 (1)의 하한보다 크다면, 렌즈 전체의 초점 거리 f는 실질적 목적을 만족시킨다. 결과적으로 구면수차, 코마수차의 증대 없이 제 2 면의 가공이 용이해진다. 만약 제 2 렌즈(L2)의 제 1 면 r5/f가 조건식 (1)의 하한보다 작다면, 렌즈 전체의 초점거리 f는 길어진다. 그러므로 제 2 면의 r6의 반경은 작게 만들어져야 한다. 이에 의하여, 구면수차, 코마수차가 증대됨에 따라, 제 2 면의 가공이 곤란해지는 사태가 발생한다.
만약 제 1 면 r5/f가 조건식 (1)의 상한을 초과하지 않는다면, 제 1 면 r5의 곡률 반경은 작아지고, 따라서 백포커스는 더 길어지며, 촬상면과 렌즈 사이에 커버 글래스, 적외선 차단 필터 등을 배치할 공간을 확보할 수 있다. 즉, 만약 제 1 면 r5/f가 조건식 (1)의 상한을 초과한다면, 제 1 면 r5의 곡률 반경은 증가하고, 결과적으로 백포커스는 짧아지며, 촬상면과 렌즈 사이에 커버 글래스, 적외선 차단 필터 등을 배치할 수 없는 사태가 발생하게 된다.
게다가, 만약 제 1 면 r5/f가 조건식 (1)의 상한을 초과하지 않는다면, 상면 최대 반경부(주변부)에 입사되는 광선의 각도는 적절하고, 따라서 CCD 또는 CMOS 장치에 장착된 마이크로 렌즈를 통하여 광선이 광 수집면으로 쉽게 입사될 수 있고, 화상 주변부의 그늘짐을 피할 수 있다. 즉, 만약 제 1 면 r5/f가 조건식 (1)의 상한을 초과한다면, 상면 최대 반경부(주변부)에 입사되는 광선의 각도는 가파르게 되고, 따라서 CCD 또는 CMOS에 장착된 마이크로렌즈를 통하여 광선이 광 수집면에 입사되기 어렵기 때문에, 화상의 주변부에 그늘이 지는 사태가 발생할 수 있다.
조건식 (2)는 양호한 화상을 유지하는 동안 충분히 긴 백포커스를 획득하기 위한 조건식이다. 이것은 제 2 렌즈의 제 1 면과 제 2 면의 곡률반경 r5, r6를 함께 변화시킴으로써, 렌즈 초점 거리의 변화 없이 수차들만을 변화시킬수 있으며, 작업에서는 이를 "벤딩(bending)"이라고 부른다. 렌즈의 초점 거리가 변화하지 않는다는 조건 하에 r5와 r6가 변화될 때, q = (r5 + r6)/(r5 - r6)로 나타내는 q 값은 렌즈 형상 인자(shape factor)로 명명되고 벤딩 정도를 나타내는 매개 변수(파라미터)가 된다. 파라미터 q는 대칭 렌즈(r5 = -r6)에 대하여 0이고, 렌즈가 더 비대칭적으로 됨에 따라 더 커진다; 이 파라미터는 대칭 렌즈의 편차 정도(비대칭 정도)를 나타낸다.
그러므로 상기 조건식 (2)는 제 2 렌즈의 벤딩 정도를 나타내는 파라미터 q가 3.0에서 19.0의 범위 내에 설정되어야 함을 의미한다.
다시 말하면, r5가 조건식 (2)의 상한을 초과하지 않는 정도의 곡률반경이라면, 구면수차, 비점수차의 자오면(子午面)이 너무 정(正)하게 됨 없이 양호한 화상을 얻을 수 있다. 만약 r6가 하한을 초과하지 않는 정도의 곡률반경이라면, 백포커 스가 너무 짧지 않으면서 CCD 상면의 입사광선은 적절하여, 마이크로렌즈에 의한 전반사(全反射) 때문에 주변부에 그늘이 지는 사태를 피할 수 있다. 또한 가공도 용이해 진다. 바꾸어 말하면, 만약 r5가 조건식 (2)의 상한을 초과하는 곡률반경이라면, 구면수차, 비점수차의 자오면이 너무 부(負)하게 되어 양호한 화상을 얻을 수 없다. 그리고 만약 r6가 하한을 초과하는 곡률반경이라면, 백포커스는 짧아지고 결과적으로 CCD 상면의 입사광선의 각도가 가파르게 되어, 마이크로렌즈에 의한 전반사가 주변부를 그늘지게 하는 사태가 발생할 수 있다.
상기 조건식 (3)은 렌즈 구경의 크기를 규정한다; 만약 d로 주어진 광행로 길이(제 1 렌즈(L1)의 물체측 면으로부터 촬상면까지의 공기중 거리)가 하한보다 작지 않다면, 제 1 렌즈와 제 2 렌즈의 두께가 두꺼워서 발생되는 문제는 없으며, 따라서 성형가공시 수지는 쉽게 다이를 통과하지 않는다. 또한 만약 광학거리 d가 상한을 초과하지 않는 정도의 길이라면, 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)의 외경을 증대시킬 필요가 없으며, 만약 주변 광량비(光量比)의 감소가 없다면, 렌즈 시스템은 쉽게 더 소형화 될 수 있다.
만약 d로 주어진 광행로 길이가 하한보다 더 작다면, 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)의 두께가 감소되고, 성형가공시 수지가 쉽게 다이를 통과하지 않아서 발생하는 문제는 없다. 또한 만약 광학거리 d가 상한을 초과한다면, 주변 광량비는 감소한다. 충분한 주변 광량을 확보하기 위하여, 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)의 외경은 커져야 한다. 렌즈 시스템의 외경도 동반하여 커져야 하므로, 결과적으로 렌즈 시스템을 더 소형화하는 것은 어렵게 된다.
상기 조건식 (4)는 제 1 렌즈(L1)의 상측 축상 곡률반경에 대한 물체측 축상 곡률반경의 비에 의하여 제 1 렌즈의 형태를 규정한다. 만약 제 1 렌즈(L1)의 r1이 증가되고 조건식 (4)의 하한이 초과된다면, 구면수차는 부가 아니고 코마 수차의 증가가 없어 보정이 쉽다. 또한 비구면 가공도 용이하다. 만약 제 1 렌즈(L1)의 r2가 작아져서 조건식 (4)의 하한이 초과된다면, 구면수차는 정이고 자오면의 비점수차는 작은 절대치로 정이 되며 코마수차 또한 감소되어, 보정은 쉽다. 또한 만약 제 1 렌즈(L1)의 r1이 작고 상한이 초과되지 않는다면, 구면수차는 작고 자오면의 비점수차 또한 작아서 보정은 쉽다. 만약 제 1 렌즈(L1)의 r2가 증가하고 상한이 초과되지 않는다면, 구면수차와, 자오면(meridional plane)과 시상면(sagittal plane)의 비점수차는 작고, 왜곡수차는 작은 절대치로 정이 되어 보정은 쉽다.
다시 말하면, 만약 제 1 렌즈(L1)의 r1이 작고 조건식 (4)의 하한이 초과되지 않는다면, 구면수차는 부가 되고 코마수차는 증가되어 보정은 어려워질 수 있다. 또한 비구면 가공도 어렵게 된다. 만약 제 1 렌즈(L1)의 r2가 크고 조건식 (4)의 하한이 초과되지 않는다면, 구면수차는 부가 되고 자오면의 비점수차는 큰 절대치로 부가 되며, 코마수차 또한 증가하여, 보정이 어려워지는 사태가 발생할 수 있다. 만약 제 1 렌즈(L1)의 r1이 증가하고 상한이 초과된다면, 구면수차는 증가하고 자오면의 비점수차 또한 증가하여, 보정이 어려워지는 사태가 발생할 수 있다. 만약 제 1 렌즈(L1)의 r2가 감소되고 상한이 초과된다면, 구면수차와, 자오면과 시상면의 비점수차는 모두 증가하고, 왜곡수차는 큰 절대치로 부가 되어, 보정이 어려워지는 사태가 발생할 수 있다.
상기 조건식 (5)는 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격 D2의 범위를 규정한다. 상기 조건식 (5)에 의하여 주어진 조건은 상면만곡수차(field curvature aberration)를 감소시키기 위한 조건이다. 만약 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격 D2가 하한보다 작지 않다면, 제 1 렌즈(L1)의 상측 면(곡률이 r2인 면)과 제 2 렌즈(L2)의 물체측 면(곡률이 r5인 면)은 조리개(aperture diaphragm)에 지나치게 가깝지는 않다. 그러므로 렌즈의 외경을 아주 작게 만들 필요가 없고, 금형가공은 쉬워진다. 또한 조리개의 삽입을 위한 공간을 확보할 수 있다. 그리고 만약 간격 D2가 상한을 초과하지 않는다면, 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면 r2와 제 2 렌즈(L2)의 제 1 면 r5의 렌즈 직경은 너무 크지 않고, 촬상용 렌즈는 소형화 될 수 있다. 또한 상면만곡수차는 너무 크지 않으며, 양호한 화상을 얻을 수 있다.
다시 말하면, 만약 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격 D2가 하한보다 작다면, 제 1 렌즈(L1)의 상측 면(곡률이 r2인 면)과 제 2 렌즈(L2)의 물체측 면(곡률이 r5인 면)은 조리개에 너무 가깝게 된다. 결과적으로 렌즈 외경은 작게 만들어져야 하고, 금형가공은 어렵게 된다. 게다가 조리개를 삽입하기 위한 공간을 확보할 수 없는 사태가 발생할 수 있다. 만약 간격 D2가 상한을 초과한다면, 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면 r2와 제 2 렌즈(L2)의 제 1 면 r5의 렌즈 직경이 너무 커져, 촬상용 렌즈를 소형화하기 어렵게 된다. 또한 상면만곡수차도 커져, 양호한 화상을 획득하기 어려워지는 사태가 발생할 수 있다.
상기된 조건식 (1)에서 (5)까지 5개의 조건들을 만족하는 렌즈 구성을 채용하여, 소형에 양호한 화상을 획득할 수 있고 광행로 길이가 최대 6mm인 컴팩트한 촬상용 렌즈가 제공될 수 있다.
앞서 말한 것들과 본 발명에 따른 또다른 목적과 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 보다 명확히 이해될 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 이 도면들은 단지 본 발명의 이해를 돕는 범위에서 구성요소들의 형태, 크기, 위치적 관계를 개략적으로 도시한 것이고, 이하 설명된 수치와 조건들은 단지 바람직한 예들일 뿐이다; 본 발명은 이러한 실시 형태에 의해 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 촬상용 렌즈의 형태를 도시한 도면이다. 도 1에서 정의된 면, 면 사이의 간격 등의 기호는 도 2, 도 6, 도 10, 도 14, 도 18, 도 22, 도 26에서 공통적으로 사용되었다.
물체측에서부터 연속되는 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈는 각각 L1과 L2로 표시된다. 촬상면을 구성하는 촬상소자는 10, 촬상면과 렌즈 시스템을 분리하는 커버 글래스는 12, 조리개는 S1으로 표시된다.
본 도면에 표시된 변수 ri(i=1,2,3,...,8)과 di(i=1,2,3,...,8) 등은 이하의 표 1 내지 표 7에 구체적 수치로 주어진다. 아래에 표시된 i는 물체측에서 상측을 향하여 배열된 각 렌즈의 면 번호 또는 렌즈의 두께 또는 렌즈 사이의 간격에 따라 정해진다.
즉, ri는 i번째 면의 축상 곡률반경, di는 i번째 면에서 i+1번째 면까지의 간격, Ni는 i번째 면과 i+1번째 면을 구성하는 렌즈 매질의 굴절율, νi는 i번째 면과 i+1번째 면을 구성하는 렌즈 매질의 아베수(Abbe number)이다.
광학거리(d)는 d1에서 d5까지 더하고 거기에 백포커스(bf)를 가산하여 얻어지는 값이다. 백포커스(bf)는 광축상 제 2 렌즈(L2)의 상측 면으로부터 촬상면까지의 거리이다. 그러나 백포커스(bf)는 제 2 렌즈(L2)와 촬상면 사이에 삽입된 커버 글래스를 제외하고 계측추정된다. 즉, 커버 글래스의 굴절율이 1보다 크기 때문에, 커버 글래스가 삽입된 상태에서 제 2 렌즈(L2)의 상측 면에서 촬상면까지의 기하학적인 거리는 커버 글래스가 없는 상태에서 보다 크다. 거리가 더 큰 정도는 삽입된 커버 글래스의 굴절율과 두께에 의존한다. 따라서 백포커스(bf)를 촬상용 렌즈의 고유의 값으로 정의하기 위해서, 커버 글래스의 존재여부를 고려하지 않고, 커버 글래스가 제거된 상태에서 측정된 값이 사용된다. 또한, 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=d2+d3+d4 이다.
비구면 데이터가 표 1 내지 표 7의 각각의 오른쪽 열에 면 번호와 함께 표시된다. 조리개(S1)의 두 면(r3, r4), 커버 글래스의 두 면(r7, r8)은 평면이고, 따라서 곡률 반경은 ∞로 표시되었다.
본 발명에서 사용된 비구면은 다음 식으로 기술된다.
Z = ch2/[1+[1-(1+k)c2h2]+1/2]+A0h4+B0h6+C0h8+D0h10
여기서 Z는 면정점(面頂点)에서 접평면(接平面)으로부터의 깊이이고, c는 광축 근방에서 면의 곡률, h는 광축으로부터의 높이, k는 원추정수(圓錐定數), A0는 4차 비구면계수, B0는 6차 비구면계수, C0는 8차 비구면계수, D0는 10차 비구면계수이다.
본 명세서 중 표 1 내지 표 7 각각에서, 비구면계수를 나타내는 수치를 지수 표시로 나타내었는데, 예를 들면 "e-1"은 "10의 -1승"을 의미한다. 또한 초점거리(f)로 표시한 값는 제 1 렌즈와 제 2 렌즈로 구성된 렌즈 시스템의 조합된 초점 거리이다.
이하, 제 1 실시예부터 제 7 실시예까지의 구성 렌즈의 곡률반경(밀리미터 단위), 렌즈 면 사이의 간격(밀리미터 단위), 렌즈 소재의 굴절율, 렌즈 소재의 아베수, 초점거리, 개구수, 비구면계수를 표로 나타내었다.
Figure 112004001138168-pat00001
Figure 112004001138168-pat00002
Figure 112004001138168-pat00003
Figure 112004001138168-pat00004
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이하, 제 1 내지 제 7 실시예를 도 2 내지 도 29를 참조하여 설명한다.
도 2, 도 6, 도 10, 도 14, 도 18, 도 22, 도 26은 렌즈 구성의 개략도를 도시하였다. 도 3, 도 7, 도 11, 도 15, 도 19, 도 23, 도 27은 왜곡수차 곡선을 도시하였고, 도 4, 도 8, 도 12, 도 16, 도 20, 도 24, 도 28은 비점수차 곡선을 도시하였으며, 도 5, 도 9, 도 13, 도 17, 도 21, 도 25, 도 29는 색/구면수차 곡선을 도시하였다.
왜곡수차 곡선은 광축으로부터의 거리(종축을 따라 상면에서 광축으로부터의 최대거리를 100으로 하여 백분율로 표시)에 대한 수차의 양(횡축에 정접조건의 불만족량을 백분율로 표시)을 보여준다. 비점수차 곡선은, 왜곡수차 곡선과 유사하게 광축으로부터의 거리에 대한 수차의 양(밀리미터 단위)을 횡축에 나타낸 것이다. 비점수차의 경우 자오면과 시상면에서의 수차량(밀리미터 단위)이 횡축에 도시된다. 색/구면수차 곡선은 입사거리(h)(F 수)에 대한 수차량(밀리미터 단위)을 횡축을 따라 도시하였다. 색/구면수차 곡선은 C 선(파장 656.3 nm의 광선), d 선(파장 587.6 nm의 광선), e 선(파장 546.1 nm의 광선), F 선(파장 486.1 nm의 광선), g 선(파장 435.8 nm의 광선)에 대한 수차량을 보여준다. 굴절율은 d 선(파장 587.6 nm의 광선)에 대한 굴절율을 나타낸다.
이하, 이러한 각 실시예들의 특징을 설명한다. 제 1 실시예에서 제 4 실시예까지에서는 모두 물체측에 볼록면이 향하는 메니스커스 형태의 정의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)에 ZEONEX E48R, 시클로올레핀(cycloolefin) 플라스틱(ZEONEX는 Nippon Zeon Co., Ltd.사의 등록상표이고, E48R은 상품번호임;이후 이 플라스틱은 간단하게 "ZEONEX"로 인용됨)이 사용되었다. 제 5 실시예에서는 제 1 렌즈(L1)에는 폴리탄산에스테르(polycarbonate)가, 제 2 렌즈(L2)에는 ZEONEX가 사용되었다. 제 6 실시예에서는 제 1 렌즈(L1)에는 ZEONEX가, 제 2 렌즈(L2)에는 폴리탄산에스테르(polycarbonate)가 사용되었다. 제 7 실시예에서는 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 모두에 폴리탄산에스테르(polycarbonate)가 사용되었다.
제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)의 양면은 비구면으로 형성되었다. 즉, 비구 면의 개수는 각 실시예마다 4개이었다.
제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2)의 소재였던 ZEONEX E48R의 아베수는 56이었고(d 선에 대한 굴절율은 1.53이었다), 폴리탄산에스테르(polycarbonate)의 아베수는 30 이었다(d 선에 대한 굴절율은 1.58 이었다). 시뮬레이션(simulation) 결과로부터, 이러한 렌즈 소재들의 아베수가 30에서 60의 범위 내에 있다면, 수차 등 렌즈 성능에서 실질적인 차이는 없다는 것을 알게 되었다. 즉, 아베 수가 상기 기술된 수치 범위 내에 있다면, 본 발명의 목적인 촬상용 렌즈의 다양한 수차들은 종래의 촬상용 렌즈들의 다양한 수차와 비교하여 만족스럽게 보정될 수 있다; 또한 최대 6mm의 광학거리를 갖는 촬상용 렌즈가 실현될 수 있다.
제 1 실시예에서 제 7 실시예까지 각 실시예에서, 렌즈 시스템과 촬상면 사이에 0.5mm 두께의 필터가 삽입되었다. 제 1 실시예와 제 5 실시예에서 이러한 필터의 소재는 (d 선에 대한 1.52의 굴절율을 가진) 아크릴(acrylic) 이었다. 제 2, 3, 4, 6, 7 실시예에서 이러한 필터의 소재는 (d 선에 대한 1.49의 굴절율을 가진) 유리였다. 이하 설명된 다양한 수차들은 이러한 필터의 존재를 전제하여 계산되었다.
제 1 실시예
(A) 렌즈 전체의 초점거리(f)는 f=3.718mm 이다.
(B) 제 2 렌즈(L2)의 물체측 곡률반경(r5)은 r5=-1.5132mm 이다.
(C) 제 2 렌즈(L2)의 상측 곡률반경(r6)은 r6=-0.9973mm 이다.
(D) 백포커스(bf)는 bf=2.671mm 이다.
(E) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 공기중 거리, 즉 광학거리(d)는 d=5.021mm 이다.
(F) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 곡률반경(r1)은 r1=1.1005mm 이다.
(G) 제 1 렌즈(L1)의 상측 곡률반경(r2)은 r2=0.9969mm 이다.
(H) 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=0.35mm 이다.
(I) 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)는 f1=8.68mm 이다.
(J) 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)는 f2=3.34mm 이다.
따라서 다음의 값이 얻어진다:
(1) ｜r5/f｜ = ｜-1.5132/3.718｜= 0.407,
(2) (r5+r6)/(r5-r6) = (1.5132+0.9973)/(1.5132-0.9973) = 4.866,
(3) d/f = 5.021/3.718 = 1.350,
(4) r1/r2 = 1.1005/0.9969 = 1.104, 및
(5) D2/f = 0.35/3.718 = 0.0941.
그러므로 제 1 실시예의 렌즈 시스템은 다음 조건식 (1)에서 (5)까지를 모두 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5+r6)/(r5-r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
이하, "조건식들"은 상기 5개의 조건식 (1)내지 (5)를 나타낸다.
조리개(S1)는 표 1에 표시된 것처럼 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면(상측 면)에서 후방 0.18mm의 위치(d2=0.18mm)에 제공된다. 개구수(F 수)는 2.8이고, 조합된 초점 거리(f)는 3.718mm 이다.
도 2는 제 1 실시예의 촬상용 렌즈의 단면도를 보여준다. 본 촬상용 렌즈의 광학거리는 5.021mm이고, 이 수치는 6mm 한도 이내의 수치이다. 백포커스는 2.671mm로 또한 충분히 길다.
도 3에 도시된 왜곡수차 곡선(20), 도 4에 도시된 비점수차 곡선(자오면에 대한 수차 곡선(22)과 시상면에 대한 수차 곡선(24)), 도 5에 도시된 색/구면수차 곡선(C선에 대한 수차곡선(26), d선에 대한 수차곡선(28), e선에 대한 수차곡선(30), F선에 대한 수차곡선(32), g선에 대한 수차곡선(34))은 각각 그래프로 도시된다.
도 3과 도 4에서 수차곡선의 종축은, 상의 높이를 광축으로부터의 거리의 백분율로 나타낸 것이다. 도 3과 도 4에서 100%, 85%, 80%, 70%, 50%, 30%는 각각 2.24mm, 1.90mm, 1.79mm, 1.56mm, 1.12mm, 0.67mm에 대응되는 값이다. 제 1 실시예에서, 상의 높이 2.24mm는 주광선이 렌즈 시스템에 입사되기 전의 광축에 대한 각도로 환산할 때 31.5°이다. 도 5의 수차곡선의 종축은 입사거리(h)(F 수)를 나타내고, 최대 F2.8에 대응된다. 도 5에서 횡축은 수차의 크기를 나타낸다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 왜곡수차량의 절대치는 1.76%에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때, 수차량의 절대치는 1.76% 이내이다.
상의 높이 60%(상의 높이 1.34mm) 위치에서 자오면에 대한 비점수차의 절대치는 0.0876mm에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때 수차량의 절대치는 0.0876mm 이내이다.
입사거리(h) 50%에서 g 선에 대한 색/구면수차의 절대치는 0.15mm에서 최대이고, 수차의 절대치는 0.15mm 이내이다.
제 2 실시예
(A) 렌즈 전체의 초점거리(f)는 f=3.800mm 이다.
(B) 제 2 렌즈(L2)의 물체측 곡률반경(r5)은 r5=-1.760mm 이다.
(C) 제 2 렌즈(L2)의 상측 곡률반경(r6)은 r6=-1.486mm 이다.
(D) 백포커스(bf)는 bf=1.831mm 이다.
(E) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 공기중 거리, 즉 광학거리(d)는 d=4.231mm 이다.
(F) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 곡률반경(r1)은 r1=1.020mm 이다.
(G) 제 1 렌즈(L1)의 상측 곡률반경(r2)은 r2=1.266mm 이다.
(H) 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=0.35mm 이다.
(I) 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)는 f1=3.94mm 이다.
(J) 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)는 f2=8.29mm 이다.
따라서 다음의 값이 얻어진다:
(1) ｜r5/f｜ = ｜-1.760/3.800｜= 0.463,
(2) (r5+r6)/(r5-r6) = (1.760+1.486)/(1.760-1.486) = 11.85,
(3) d/f = 4.231/3.800 = 1.1134,
(4) r1/r2 = 1.020/1.266 = 0.806, 및
(5) D2/f = 0.35/3.800 = 0.0921.
그러므로 제 2 실시예의 렌즈 시스템은 다음 조건식 (1)에서 (5)까지를 모두 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
조리개(S1)는 표 2에 표시된 것처럼 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면(상측 면)에서 후방 0.15mm의 위치(d2=0.15mm)에 제공된다. 개구수(F 수)는 2.8이고, 조합된 초점 거리(f)는 3.800mm 이다.
도 6은 제 2 실시예의 촬상용 렌즈의 단면도를 도시한다. 본 촬상용 렌즈의 광학거리는 4.231mm 이고, 이 수치는 6mm 한도 이내의 수치이다. 백포커스는 1.831mm로 또한 충분히 길다.
도 7에 도시된 왜곡수차 곡선(36), 도 8에 도시된 비점수차 곡선(자오면에 대한 수차 곡선(38)과 시상면에 대한 수차 곡선(40)), 도 9에 도시된 색/구면수차 곡선(C선에 대한 수차곡선(42), d선에 대한 수차곡선(44), e선에 대한 수차곡선(46), F선에 대한 수차곡선(48), g선에 대한 수차곡선(50))은 각각 그래프 로 도시된다. 도 7과 도 8에서 수차곡선의 종축은 상의 높이를 광축으로부터의 거리의 백분율로 나타낸 것이다; 100%, 85%, 80%, 70%, 50%, 30%는 각각 2.24mm, 1.91mm, 1.80mm, 1.58mm, 1.13mm, 0.68mm에 대응되는 값이다. 제 2 실시예에서, 상의 높이 2.24mm는 주광선이 렌즈 시스템에 입사되기 전의 광축에 대한 각도로 환산할 때 31.0°이다. 도 9의 수차곡선의 종축은 입사거리(h)(F 수)를 나타내고, 최대 F2.8에 대응된다. 도 9에서 횡축은 수차의 크기를 나타낸다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 왜곡수차량의 절대치는 2.46%에서 최대이고; 상의 높이가 2.24mm 이하일 때 수차량의 절대치는 2.46% 이내이다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 자오면에 대한 비점수차의 절대치는 0.0696mm에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때 수차량의 절대치는 0.0696mm 이내이다.
입사가리(h) 100%에서 g선에 대한 색/구면수차의 절대치는 0.12mm에서 최대이고, 수차의 절대치는 0.12mm 이내에 있다.
제 3 실시예
(A) 렌즈 전체의 초점거리(f)는 f=3.302mm 이다.
(B) 제 2 렌즈(L2)의 물체측 곡률반경(r5)은 r5=-1.976mm 이다.
(C) 제 2 렌즈(L2)의 상측 곡률반경(r6)은 r6=-1.154mm 이다.
(D) 백포커스(bf)는 bf=1.795mm 이다.
(E) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 공기중 거리, 즉 광학거리(d)는 d=4.145mm 이다.
(F) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 곡률반경(r1)은 r1=1.0546mm 이다.
(G) 제 1 렌즈(L1)의 상측 곡률반경(r2)은 r2=1.1658mm 이다.
(H) 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=0.30mm 이다.
(I) 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)는 f1=4.78mm 이다.
(J) 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)는 f2=3.78mm 이다.
따라서 다음의 값이 얻어진다:
(1) ｜r5/f｜ = ｜-1.976/3.302｜= 0.598,
(2) (r5 + r6)/(r5 - r6) = (1.976 + 1.154)/(1.976 - 1.154) = 3.808,
(3) d/f = 4.145/3.302 = 1.2553,
(4) r1/r2 = 1.0546/1.1658 = 0.905, 및
(5) D2/f = 0.3/3.302 = 0.0909.
그러므로 제 3 실시예의 렌즈 시스템은 다음 조건식 (1) 내지 (5)를 모두 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
조리개(S1)는 표 3에 표시된 것처럼 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면(상측 면)에서 후방 0.15mm의 위치(d2=0.15mm)에 제공된다. 개구수(F 수)는 2.8이고, 조합된 초점 거리(f)는 3.302mm 이다.
도 10은 제 3 실시예의 촬상용 렌즈의 단면도를 보여준다. 본 촬상용 렌즈의 광학거리는 4.145mm이고, 이 수치는 6mm 한도 이내의 수치이다. 백포커스는 1.795mm로 또한 충분히 길다.
도 11에 도시된 왜곡수차 곡선(52), 도 12에 도시된 비점수차 곡선(자오면에 대한 수차 곡선(54)과 시상면에 대한 수차 곡선(56)), 도 13에 도시된 색/구면수차 곡선(C선에 대한 수차곡선(58), d선에 대한 수차곡선(60), e선에 대한 수차곡선(62), F선에 대한 수차곡선(64), g선에 대한 수차곡선(66))은 각각 그래프로 도시된다.
도 11과 도 12에서 수차곡선의 종축은 상의 높이를 광축으로부터의 거리의 백분율로 나타낸 것이다; 100%, 85%, 80%, 70%, 50%, 30%는 각각 2.24mm, 1.91mm, 1.80mm, 1.58mm, 1.13mm, 0.68mm에 대응되는 값이다. 제 3 실시예에서, 상의 높이 2.25mm는 주광선이 렌즈 시스템에 입사되기 전의 광축에 대한 각도로 환산할 때 35.0°이다. 도 13의 수차곡선의 종축은 입사거리(h)(F 수)를 나타내고, 최대 F2.8에 대응된다. 도 13에서 횡축은 수차의 크기를 나타낸다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 왜곡수차량의 절대치는 2.65%에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 2.65% 이내에 있다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 자오면에 대한 비점수차의 절대치는 0.066mm에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 0.066mm 이내에 있다.
입사거리(h) 70%에서 g선에 대한 색/구면수차의 절대치는 0.102mm에서 최대이고, 수차의 절대치는 0.102mm 이내에 있다.
제 4 실시예
(A) 렌즈 전체의 초점거리(f)는 f=3.073mm 이다.
(B) 제 2 렌즈(L2)의 물체측 곡률반경(r5)은 r5=-1.838mm 이다.
(C) 제 2 렌즈(L2)의 상측 곡률반경(r6)은 r6=-1.073mm 이다.
(D) 백포커스(bf)는 bf=1.675mm 이다.
(E) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 공기중 거리, 즉 광학거리(d)는 d=3.864mm 이다.
(F) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 곡률반경(r1)은 r1=0.981mm 이다.
(G) 제 1 렌즈(L1)의 상측 곡률반경(r2)은 r2=1.084mm 이다.
(H) 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=0.279mm 이다.
(I) 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)는 f1=4.46mm 이다.
(J) 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)는 f2=3.51mm 이다.
따라서 다음의 값이 얻어진다:
(1) ｜r5/f｜ = ｜-1.838/3.073｜= 0.598,
(2) (r5 + r6)/(r5 - r6) = (1.838 + 1.073)/(1.838 - 1.073) = 3.805,
(3) d/f = 3.864/3.073 = 1.2574,
(4) r1/r2 = 0.981/1.084 = 0.905, 및
(5) D2/f = 0.279/3.073 = 0.0908.
그러므로 제 4 실시예의 렌즈 시스템은 다음 조건식 (1) 내지 (5)를 모두 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
조리개(S1)는 표 4에 표시된 것처럼 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면(상측 면)에서 후방 0.14mm의 위치(d2=0.14mm)에 제공된다. 개구수(F 수)는 2.8이고, 조합된 초점 거리(f)는 3.073mm 이다.
도 14는 제 4 실시예의 촬상용 렌즈의 단면도를 보여준다. 본 촬상용 렌즈의 광학거리는 3.864mm 이고, 이 수치는 6mm 한도 이내의 수치이다. 백포커스는 1.675mm로 또한 충분히 길다.
도 15에 도시된 왜곡수차 곡선(68), 도 16에 도시된 비점수차 곡선(자오면에 대한 수차 곡선(70)과 시상면에 대한 수차 곡선(72)), 도 17에 도시된 색/구면수차 곡선(C선에 대한 수차곡선(74), d선에 대한 수차곡선(76), e선에 대한 수차곡선(78), F선에 대한 수차곡선(80), g선에 대한 수차곡선(82))은 각각 그래프로 도시된다.
도 15와 도 16에서 수차곡선의 종축은 상의 높이를 광축으로부터의 거리의 백분율로 나타낸 것이다; 100%, 85%, 80%, 70%, 50%, 30%는 각각 1.80mm, 1.53mm, 1.44mm, 1.26mm, 0.90mm, 0.54mm에 대응되는 값이다. 제 4 실시예에서, 상의 높이 1.80mm는 주광선이 렌즈 시스템에 입사되기 전의 광축에 대한 각도로 환산할 때 31.0°에 해당한다. 도 17의 수차곡선의 종축은 입사거리(h)(F 수)를 나타내고, 최대 F2.8에 대응된다. 도 17에서 횡축은 수차의 크기를 나타낸다.
상의 높이 100%(상의 높이 1.80mm) 위치에서 왜곡수차량의 절대치는 1.83%에서 최대이고, 상의 높이가 1.80mm 이하일 때 수차량의 절대치는 1.83% 이내에 있다.
상의 높이 80%(상의 높이 1.44mm) 위치에서 자오면에 대한 비점수차의 절대치는 0.039mm에서 최대이고, 상의 높이가 1.80mm 이하일 때 수차량의 절대치는 0.039mm 이내에 있다.
입사거리(h) 70%에서 g선에 대한 색/구면수차의 절대치는 0.0924mm에서 최대이고, 수차의 절대치는 0.0924mm 이내에 있다.
제 5 실시예
(A) 렌즈 전체의 초점거리(f)는 f=3.797mm 이다.
(B) 제 2 렌즈(L2)의 물체측 곡률반경(r5)은 r5=-1.4365mm 이다.
(C) 제 2 렌즈(L2)의 상측 곡률반경(r6)은 r6=-1.0050mm 이다.
(D) 백포커스(bf)는 bf=2.678mm 이다.
(E) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 공기중 거리, 즉 광학거리(d)는 d=5.028mm 이다.
(F) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 곡률반경(r1)은 r1=1.1547mm 이다.
(G) 제 1 렌즈(L1)의 상측 곡률반경(r2)은 r2=1.0521mm 이다.
(H) 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=0.350mm 이다.
(I) 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)는 f1=7.84mm 이다.
(J) 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)는 f2=3.55mm 이다.
따라서 다음의 값이 얻어진다:
(1) ｜r5/f｜ = ｜-1.4365/3.797｜= 0.3783,
(2) (r5 + r6)/(r5 - r6) = (1.4365 + 1.0050)/(1.4365 - 1.0050) = 5.6582,
(3) d/f = 5.028/3.797 = 1.3242,
(4) r1/r2 = 1.1574/1.0521 = 1.1001, 및
(5) D2/f = 0.350/3.797 = 0.0922.
그러므로 제 5 실시예의 렌즈 시스템은 다음 조건식 (1) 내지 (5)를 모두 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
조리개(S1)는 표 5에 표시된 것처럼 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면(상측 면)에서 후방 0.18mm의 위치(d2=0.18mm)에 제공된다. 개구수(F 수)는 2.8이고, 조합된 초점 거리(f)는 3.797mm 이다.
도 18은 제 5 실시예의 촬상용 렌즈의 단면도를 보여준다. 본 촬상용 렌즈의 광학거리는 5.028mm 이고, 이 수치는 6mm 한도 이내의 수치이다. 백포커스는 2.678mm로 또한 충분히 길다.
도 19에 도시된 왜곡수차 곡선(84), 도 20에 도시된 비점수차 곡선(자오면에 대한 수차 곡선(86)과 시상면에 대한 수차 곡선(88)), 도 21은 색/구면수차 곡선(C선에 대한 수차곡선(90), d선에 대한 수차곡선(92), e선에 대한 수차곡선(94), F선에 대한 수차곡선(96), g선에 대한 수차곡선(98))은 각각 그래프로 도시된다.
도 19와 도 20에서 수차곡선의 종축은 상의 높이를 광축으로부터의 거리의 백분율로 나타낸 것이다; 100%, 85%, 80%, 70%, 50%, 30%는 각각 2.24mm, 1.90mm, 1.79mm, 1.57mm, 1.12mm, 0.67mm에 대응되는 값이다. 제 5 실시예에서, 상의 높이 2.24mm는 주광선이 렌즈 시스템에 입사되기 전의 광축에 대한 각도로 환산할 때 30.3°에 해당한다. 도 21의 수차곡선의 종축은 입사거리(h)(F 수)를 나타내고, 최대 F2.8에 대응된다. 도 21에서 횡축은 수차의 크기를 나타낸다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 왜곡수차량의 절대치는 0.83%에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 0.83% 이내에 있다.
상의 높이 60%(상의 높이 1.34mm) 위치에서 자오면에 대한 비점수차의 절대치는 0.103mm에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 1.103mm 이내에 있다.
입사거리(h) 100%에서 g선에 대한 색/구면수차의 절대치는 0.2608mm에서 최대이고, 수차의 절대치는 0.2608mm 이내에 있다.
제 6 실시예
(A) 렌즈 전체의 초점거리(f)는 f=3.799mm 이다.
(B) 제 2 렌즈(L2)의 물체측 곡률반경(r5)은 r5=-1.7322mm 이다.
(C) 제 2 렌즈(L2)의 상측 곡률반경(r6)은 r6=-1.5507mm 이다.
(D) 백포커스(bf)는 bf=1.835mm 이다.
(E) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 공기중 거리, 즉 광학거리(d)는 d=4.235mm 이다.
(F) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 곡률반경(r1)은 r1=1.005mm 이다.
(G) 제 1 렌즈(L1)의 상측 곡률반경(r2)은 r2=1.250mm 이다.
(H) 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=0.350mm 이다.
(I) 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)는 f1=3.84mm 이다.
(J) 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)는 f2=8.67mm 이다.
따라서 다음의 값이 얻어진다:
(1) ｜r5/f｜ = ｜-1.7322/3.799｜= 0.456,
(2) (r5 + r6)/(r5 - r6) = (1.7322 + 1.5507)/(1.7322 - 1.5507) = 18.09,
(3) d/f = 4.235/3.799 = 1.1148,
(4) r1/r2 = 1.005/1.250 = 0.804,
(5) D2/f = 0.350/3.799 = 0.0921.
그러므로 제 6 실시예의 렌즈 시스템은 다음 조건식 (1) 내지 (5)를 모두 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
조리개(S1)는 표 6에 표시된 것처럼 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면(상측 면)에서 후방 0.15mm의 위치(d2=0.15mm)에 제공된다. 개구수(F 수)는 2.8이고, 조합된 초점 거리(f)는 3.799mm 이다.
도 22는 제 6 실시예의 촬상용 렌즈의 단면도를 보여준다. 본 촬상용 렌즈의 광학거리는 4.235mm 이고, 이 수치는 6mm 한도 이내의 수치이다. 백포커스는 1.835mm로 또한 충분히 길다.
도 23에 도시된 왜곡수차 곡선(100), 도 24에 도시된 비점수차 곡선(자오면에 대한 수차 곡선(102)과 시상면에 대한 수차 곡선(104)), 도 25에 도시된 색/구면수차 곡선(C선에 대한 수차곡선(106), d선에 대한 수차곡선(108), e선에 대한 수차곡선(110), F선에 대한 수차곡선(112), g선에 대한 수차곡선(114))은 각각 그래프로 도시된다.
도 23과 도 24에서 수차곡선의 종축은 상의 높이를 광축으로부터의 거리의 백분율로 나타낸 것이다; 100%, 85%, 80%, 70%, 50%, 30%는 각각 2.24mm, 1.90mm, 1.79mm, 1.57mm, 1.12mm, 0.67mm에 대응되는 값이다. 제 6 실시예에서, 상의 높이 2.24mm는 주광선이 렌즈 시스템에 입사되기 전의 광축에 대한 각도로 환산할 때 30.8°에 해당한다. 도 25의 수차곡선의 종축은 입사거리(h)(F 수)를 나타내고, 최대 F2.8에 대응된다. 횡축은 수차의 크기를 나타낸다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 왜곡수차량의 절대치는 0.91%에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 0.91% 이내에 있다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 시상면에 대한 비점수차의 절대치는 0.056mm에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 0.056mm 이내에 있다.
입사거리(h) 100%에서 g 선에 대한 색/구면수차의 절대치는 0.129mm에서 최대이고, 수차의 절대치는 0.129mm 이내에 있다.
제 7 실시예
(A) 렌즈 전체의 초점거리(f)는 f=3.792mm 이다.
(B) 제 2 렌즈(L2)의 물체측 곡률반경(r5)은 r5=-1.9498mm 이다.
(C) 제 2 렌즈(L2)의 상측 곡률반경(r6)은 r6=-1.6027mm 이다.
(D) 백포커스(bf)는 bf=1.844mm 이다.
(E) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 공기중 거리, 즉 광학거리(d)는 d=4.244mm 이다.
(F) 제 1 렌즈(L1)의 물체측 곡률반경(r1)은 r1=1.0807mm 이다.
(G) 제 1 렌즈(L1)의 상측 곡률반경(r2)은 r2=1.2496mm 이다.
(H) 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격(D2)은 D2=0.350mm 이다.
(I) 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)는 f1=4.04mm 이다.
(J) 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)는 f2=7.69mm 이다.
따라서 다음의 값이 얻어진다:
(1) ｜r5/f｜ = ｜-1.9498/3.792｜= 0.5142,
(2) (r5+r6)/(r5-r6) = (1.9498+1.6027)/(1.9498-1.6027) = 10.2348,
(3) d/f = 4.244/3.792 = 1.1192,
(4) r1/r2 = 1.0807/1.2496 = 0.8648, 및
(5) D2/f = 0.350/3.792 = 0.0923.
그러므로 제 7 실시예의 렌즈 시스템은 다음 조건식 (1) 내지 (5)를 모두 만족한다.
0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
1.0 < d/f < 1.5 (3)
0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
0.08 < D2/f < 0.1 (5)
조리개(S1)는 표 7에 표시된 것처럼 제 1 렌즈(L1)의 제 2 면(상측 면)에서 후방 0.15mm의 위치(d2=0.15mm)에 제공된다. 개구수(F 수)는 2.8이고, 조합된 초점 거리(f)는 3.792mm 이다.
도 26은 제 7 실시예의 촬상용 렌즈의 단면도를 보여준다. 본 촬상용 렌즈의 광학거리는 4.244mm 이고, 이 수치는 6mm 한도 이내의 수치이다. 백포커스는 1.844mm로 또한 충분히 길다.
도 27에 도시된 왜곡수차 곡선(116), 도 28에 도시된 비점수차 곡선(자오면에 대한 수차 곡선(118)과 시상면에 대한 수차 곡선(120)), 도 29에 도시된 색/구면수차 곡선(C선에 대한 수차곡선(122), d선에 대한 수차곡선(124), e선에 대한 수차곡선(126), F선에 대한 수차곡선(128), g선에 대한 수차곡선(130))은 각각 그래프로 도시된다.
도 27과 도 28에서 수차곡선의 종축은 상의 높이를 광축으로부터의 거리의 백분율로 나타낸 것이다; 100%, 85%, 80%, 70%, 50%, 30%는 각각 2.24mm, 1.90mm, 1.79mm, 1.57mm, 1.12mm, 0.67mm에 대응되는 값이다. 제 7 실시예에서, 상의 높이 2.24mm는 주광선이 렌즈 시스템에 입사되기 전의 광축에 대한 각도로 환산할 때 30.8°에 해당한다. 도 29의 수차곡선의 종축은 입사거리(h)(F 수)를 나타내고, 최대 F2.8에 대응된다. 횡축은 수차의 크기를 나타낸다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 왜곡수차량의 절대치는 0.96%에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 0.96% 이내에 있다.
상의 높이 100%(상의 높이 2.24mm) 위치에서 시상면에 대한 비점수차의 절대치는 0.0693mm에서 최대이고, 상의 높이가 2.24mm 이하일 때는 수차량의 절대치는 0.0693mm 이내에 있다.
입사거리(h) 100%에서 g 선에 대한 색/구면수차의 절대치는 0.1993mm에서 최대이고, 수차의 절대치는 0.1993mm 이내에 있다.
이상의 모든 실시예들의 촬상용 렌즈는 CCD 또는 CMOS를 촬상소자로 사용하는 소형 카메라에 탑재되는 렌즈에 필요한 성능을 제공한다는 것을 알수 있었다.
그러므로 상기 본 발명의 촬상용 렌즈에 대한 설명으로부터 명확한 바와 같이, 촬상용 렌즈의 각 구성 렌즈들을 조건식 (1) 내지 (5)를 만족하도록 설계함으로써 본 발명에서 해결하고자 하는 문제들을 해결할 수 있다. 즉, 다양한 수차들이 양호하게 보정되고, 충분한 백포커스가 획득되며, 광학거리가 짧게 유지되는 촬상용 렌즈를 얻을 수 있다.
상기 설명된 실시예들에서, 플라스틱 소재 ZEONEX E48R가 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈에 사용되었다; 그러나 실시예에서 사용된 것과는 다른 플라스틱 이외에도, 실시예에서 설명된 다양한 조건들을 만족시키는 소재, 즉 유리나 제3의 물질 같은 플라스틱이 아닌 소재들도 물론 사용될 수 있다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에서는 다양한 수차들이 양호하게 보정되고, 광학거리가 최대 6mm(가장 긴 광학 길이를 갖는 제 5 실시예의 촬상용 렌즈의 경우 5.028mm) 정도이며, 전화기 등에 탑재하기 적절한 소형 CCD 카메라에 이용하기 적당한 촬상용 렌즈가 실현된다.
반면, 일본 특허 공개 제2001-174701호에 개시된, 적당한 길이의 백포커스와, 넓은 필드 앵글, 작은 왜곡수차를 가진 2군, 2개 렌즈로 구성된 촬상렌즈의 광 학거리는 최소의 광학거리를 가지는 실시예(상기 특허의 제 1 실시예)에서도 6.56mm 이다. 이 실시예에서, 물체측에 배치된 렌즈의 물체측 면에서 상측에 배치된 렌즈의 물체측 면까지의 거리는 2.9mm(렌즈 두께, 렌즈 간격 등을 더하여, 즉 1.30mm + 0.30mm + 0.20mm + 1.10mm = 2.9mm)이고, 백포커스는 3.66mm 이며, 그 합으로 광학거리는 6.56mm가 된다.
일본 특허 공개 제2000-321489호에 개시된, 충분히 긴 백포커스를 가지고, 물체측 렌즈와 상측 렌즈의 굴절력을 적절하게 설정할 수 있으며, 제조가 용이한 2군, 2개 렌즈로 구성된 촬상렌즈의 광학거리는 전체 실시예 중 최소의 광학거리를 가지는 실시예(상기 특허의 제 3 실시예)에서 11.179mm(렌즈 두께, 렌즈 간격 등을 더하여, 즉 1.15mm + 3.15mm + 1.25mm + 5.629mm = 11.179mm)이다.
일본 특허 공개 제2002-267928호에 개시된, 소형, 경량에 양호한 텔레센트릭 특성을 가지고 비점수차의 보정과 가공조립이 용이한 2군, 2개 렌즈로 구성된 촬상렌즈의 광학거리는 전체 실시예 중 최소의 광학거리를 가지는 실시예(상기 특허의 제 5 실시예)에서 5.92mm(렌즈 두께, 렌즈 간격 등을 더하여, 즉 0.80mm + 0.30mm + 0.20mm + 0.10mm + 1.30mm + 3.22mm = 5.92mm)이다. 그러나 상기 특허에 개시된 광학거리가 5.92mm인 촬상렌즈는 왜곡수차가 5% 정도이고, g선에 대한 구면수차 절대치가 0.2mm를 초과하며, 또한 비점수차도 0.2mm를 초과한다.(상기 특허의 도 10 참조). 이러한 왜곡수차, 구면수차, 비점수차 값은 본 발명의 제 1 내지 제 7 실시예에 설명된 촬상용 렌즈의 수차값들보다 훨씬 크다.
이렇게, 선행기술의 예들는 모두 광학거리가 6mm를 초과하거나, 광학거리가 6mm에 도달하지 않으면 수차들이 충분히 제거되지 못하여, 최근의 휴대전화 본체 등에 탑재되기에 적절하지 않다.
반면에, 본 발명의 촬상용 렌즈는 짧은 광학거리에도 불구하고 양호한 화상을 얻을 수 있고 적절한 백포커스를 확보할 수 있다. 즉, 본 발명의 촬상용 렌즈에 의하여, 상기 설명된 실시예 각각에서 0.5mm 정도 두께의 커버 글래스를 삽입하기에 충분한 길이의 백포커스가 확보된다. 구체적으로, 제 1 실시예에서는 2.671mm, 제 2 실시예에서는 1.831mm, 제 3 실시예에서는 1.795mm, 제 4 실시예에서는 1.675mm, 제 5 실시예에서는 2.678mm, 제 6 실시예에서는 1.835mm, 제 7 실시예에서는 1.844mm 길이의 백포커스가 확보되고, 이는 대략 0.5mm 정도 두께의 커버 글래스를 삽입하기에 충분하다.
또한 본 발명의 촬상용 렌즈로는 30에서 60 사이의 아베수를 가지는 소재로 형성된 렌즈들이 사용될 수 있고, 결론적으로 시클로올레핀(cycloolefin) 플라스틱 또는 폴리탄산에스테르(polycarbonate)가 렌즈 소재로 사용될 수 있다. 이로써 비싼 비구면 성형 글래스를 사용할 필요가 없고, 낮은 가격에서의 생산이 가능하다; 게다가 렌즈 무게도 감소된다.
이상 설명으로부터 본 발명의 촬상용 렌즈가 휴대전화, 개인용 컴퓨터 또는 디지털 카메라의 카메라 렌즈로뿐만 아니라 PDA(personal digital assistants)에 내재된 카메라 렌즈, 화상 인식 기능을 구비한 완구에 내재된 카메라 렌즈, 감시, 검사, 방범기기에 내재된 카메라 렌즈에도 사용될 수 있다는 것이 명확해졌다.

Claims (6)

  1. 제 1 렌즈(L1), 조리개(S1), 제 2 렌즈(L2)를 구비하고, 물체측에서 상측을 향하여 제 1 렌즈(L1), 조리개(S1), 제 2 렌즈(L2) 순으로 배열되며,
    제 1 렌즈(L1)는 물체측으로 볼록면이 향한 메니스커스(meniscus) 형태로 정(正)의 굴절력을 갖는 수지제 렌즈이고,
    제 2 렌즈(L2)는 상측으로 볼록면이 향한 메니스커스(meniscus) 형태로 정(正)의 굴절력을 가진 수지제 렌즈이며,
    상기 제 1 렌즈의 물체측 입사면에서 상면까지의 공기 중 거리가 최대 6mm인 것을 특징으로 하는 촬상용 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈(L1)의 양면(兩面)은 비구면이고, 상기 제 2 렌즈(L2)의 양면(兩面) 또한 비구면인 것을 특징으로 하는 촬상용 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서, 다음의 조건식을 만족하는 촬상용 렌즈.
    0.2 < ｜r5/f｜ < 3.1 (1)
    3.0 < (r5 + r6)/(r5 - r6) < 19.0 (2)
    1.0 < d/f < 1.5 (3)
    0.5 < r1/r2 < 2.0 (4)
    0.08 < D2/f < 0.1 (5)
    (f는 전체 렌즈 시스템의 초점거리; r5는 제 2 렌즈(L2)의 물체측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡률반경); r6는 제 2 렌즈(L2)의 상측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡률반경); d는 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 상면까지의 (공기 중) 거리; r1은 제 1 렌즈(L1)의 물체측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡률반경); r2는 제 1 렌즈(L1)의 상측 면의 광축 근방의 곡률반경(축상 곡률반경); D2는 제 1 렌즈(L1)와 제 2 렌즈(L2) 사이의 간격)
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈(L1)와 상기 제 2 렌즈(L2)는 30에서 60 사이의 아베수를 가지는 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상용 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈(L1)와 상기 제 2 렌즈(L2)는 시클로올레핀(cycloolefin) 또는 폴리탄산에스테르(polycarbonate)로 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상용 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서, 2.25mm 이하의 상의 높이에 대하여 왜곡수차의 크기가 3.00% 이내가 되도록 수차가 보정되는 것을 특징으로 하는 촬상용 렌즈.
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