KR100694720B1

KR100694720B1 - 광각 렌즈 시스템

Info

Publication number: KR100694720B1
Application number: KR1020060008015A
Authority: KR
Inventors: 마사또시 히로세; 마사시 이소노
Original assignee: 코니카 미놀타 옵토 인코포레이티드
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-03-16
Also published as: US20060171042A1; CN100389337C; JP4821121B2; KR20060088033A; CN1821828A; US7304808B2; JP2006209028A

Abstract

광각 렌즈 시스템(wide-angle lens system)은 물체 쪽으로부터, (1)구형으로 형성된 양면을 갖고 물체 쪽으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 모양을 가지며 마이너스 광학 파워를 갖는 유리로 형성된 제1 렌즈 요소와, (2)화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제2 렌즈 요소와, (3)구경 조리개와, (4)화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제3 렌즈 요소를 포함하고, 광각 렌즈 시스템은 총 3개의 렌즈 요소들을 포함한다. 이는 우수한 광학 성능을 갖는 저렴하고 콤팩트한 초광각 렌즈 시스템을 제공하게 한다.

광각 렌즈 시스템, 고체 화상 감지기, 렌즈 요소, 구면렌즈, 비구면렌즈, 구경조리개, 유리 필터, 구면수차, 비점수차, 왜곡

Description

광각 렌즈 시스템 {WIDE-ANGLE LENS SYSTEM}

도1은 본 발명의 제1 실시예(예1)에 따른 광각 렌즈 시스템의 렌즈 구조도.

도2는 발명의 제2 실시예(예2)에 따른 광각 렌즈 시스템의 렌즈 구조도.

도3a는 예1에서 렌즈 시스템의 구면수차도.

도3b는 예1에서 렌즈 시스템의 비점수차도.

도3c는 예1에서 렌즈 시스템의 왜곡도.

도4a는 예2에서 렌즈 시스템의 구면수차도.

도4b는 예2에서 렌즈 시스템의 비점수차도.

도4c는 예2에서 렌즈 시스템의 왜곡도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

FL1: 제1 렌즈 요소

FL2: 제2 렌즈 요소

ST: 구경 조리개

FL3: 제3 렌즈 요소

GF: 유리 필터

본 발명은 콤팩트한 광각 렌즈 시스템, 더 구체적으로는 고체 화상 감지기(solid-state image sensor)를 위한 저렴하고 콤팩트한 초광각(super-wide-angle) 렌즈 시스템에 관한 것이다. 초광각 렌즈 시스템은 TV 전화, 비디오 인터콤(intercom), 감시 카메라, 차량용 카메라 등과 같은 디지털 화상 픽업 장치에 적합하고, 우수한 광학 성능을 가지며, 대략 170도의 전체 화각을 가진다.

고체 화상 감지기들을 위한 광각 렌즈 시스템들은 종래 널리 알려져 있다. 예를 들면, 일본 특허출원공개 평성6-34879호와 일본 특허출원공개 제2001-337268호는 3개의 렌즈 구조로 된 광각 렌즈 시스템을 개시한다. 그러나, 이들 광각 렌즈 시스템들은 초광각 영역들을 촬영하기에는 부족한 120도의 전체 화각을 갖고 있다.

한편 일본 특허출원공개 제2004-102162호는 대략 170도의 전체 화각으로 영역들을 촬영할 수 있는 초광각 렌즈 시스템을 개시한다. 그러나, 초광각 렌즈 시스템은 복잡한 구조와 매우 긴 전체 렌즈 길이를 갖고 총 8개나 되는 렌즈 요소들로 구성되어 있다.

상기 기술된 문제점을 고려하여, 본 발명이 이루어졌고, 본 발명의 목적은 탁월한 광학 성능을 갖는 저렴하고 콤팩트한 초광각 렌즈 시스템을 제공하는 것이 다.

상기 기술된 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일실시예에 따른 광각 렌즈 시스템은 (1)구형으로 형성된 양면을 갖고, 물체 쪽으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 모양을 가지며, 마이너스 광학 파워를 갖는 유리로 형성된 제1 렌즈 요소와, (2)화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제2 렌즈 요소와, (3)구경 조리개와, (4)화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제3 렌즈 요소를 물체 쪽으로부터 필수적으로 포함한다.

상기 기술된 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템은 (1)구형으로 형성된 양면을 갖고, 물체 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 가지며, 마이너스 광학 파워를 갖는 유리로 형성된 제1 렌즈 요소와, (2)하나 이상의 비구면인 면을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제2 렌즈 요소와, (3)구경 조리개와, (4)하나 이상의 비구면인 면을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제3 렌즈 요소를 물체 쪽으로부터 필수적으로 포함한다.

발명에 따른 상기 광각 렌즈 시스템에서, 바람직하게는 아래 조건식(1)이 만족된다:

2Ｗ＞ 150도 (1)

여기서 2Ｗ는 전체 화각을 나타낸다.

발명에 따른 상기 광각 렌즈 시스템에서, 바람직하게는 아래 조건식(2)이 만족된다:

1 ＜Ｔ3／Ｆ＜ 3.5 (2)

여기서 Ｔ3는 제2 렌즈 요소의 축 방향의 두께를 나타내고, Ｆ는 전체 시스템의 초점 거리를 나타낸다.

발명에 따른 상기 광각 렌즈 시스템에서, 바람직하게는 아래 조건식(3)이 만족된다:

－ 0.5 ＜Ｆ／Ｆ1 ＜－ 0.1 (3)

여기서 Ｆ는 전체 시스템의 초점 거리를 나타내고, Ｆ1은 제1 렌즈 요소의 초점 거리를 나타낸다.

본 발명은 우수한 광학 성능을 갖는 저렴하고 콤팩트한 광각 렌즈 시스템을 제공할 수 있다.

발명의 목적들과 특징들은 발명의 바람직한 실시예들에 관한 아래 설명으로부터 그리고 다음과 같은 첨부 도면들을 참조함으로써 보다 분명해질 것이다.

첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광각 렌즈 시스템의 실시예들에 대하여 기술한다. 이 문서에서 "파워"라는 용어는 초점 거리의 왕복으로 정의되는 양을 나타낸다.

도1 및 도2는 광학 단면으로 각각 제1 및 제2 실시예들의 초광각 렌즈 시스템들의 구조를 보여준다. 초광각 렌즈 시스템들은 각각 예를 들면 CCD와 같은 고체 화상 감지기에 광학 화상을 형성하는 초점 거리가 고정된 렌즈 요소이다. 초광각 렌즈 시스템들은 마이너스 광학 파워를 갖는 제1 렌즈 요소(FL1), 플러스 광학 파워를 갖는 제2 렌즈 요소(FL2), 구경 조리개(ST), 및 플러스 광학 파워를 갖는 제3 렌즈 요소(FL3)를 물체 쪽으로부터 언급된 순서로 각각 포함하고, 따라서 이에 포함된 렌즈 요소들의 수는 3개이다. 제3 렌즈 요소(FL3)의 화상 쪽에는 광학 저대역 필터(low pass filter) 등에 상응하는 평행면 평판 형태의 유리 필터(GF)가 배치된다.

더 구체적으로는, 제1 렌즈 요소(FL1)는 물체 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 마이너스 광학 파워를 갖는 유리 렌즈 요소이다. 제1 렌즈 요소(FL1)는 구형으로 형성된 양면을 가진다. 가장 물체 쪽에 위치한 렌즈의 면을 볼록한 형상으로 형성하는 것은 마이너스 광학 파워를 갖는 렌즈 요소에서 나타나는 왜곡을 교정해준다. 게다가, 가장 물체 쪽의 제1 렌즈 요소(FL1)를 유리 렌즈 요소로 형성하는 것은 온도 변화와 같은 환경 변화에 의해 야기되는 성능 저하를 감소시킨다. 게다가, 제1 렌즈 요소(FL1)를 구형의 유리 렌즈 요소로 형성하는 것은 비구면 유리 렌즈 요소로 형성하는 것보다 가격을 더 낮게 할 수 있다.

제2 렌즈 요소(FL2) 및 제3 렌즈 요소(FL3)는 각각 화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱 렌즈 요소이다. 제2 렌즈 요소(FL2) 및 제3 렌즈 요소(FL3)는 각각 비구면으로 형성된 양면을 갖고 있다. 제2 렌즈 요소(FL2) 및 제3 렌즈 요소(FL3)를 화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖도록 형성하는 것은 마이너스 광학 파워를 갖는 제1 렌즈 요소(FL1)에 나타나는 다양한 수차를 우수하게 교정해준다. 게다가, 제2 렌즈 요소(FL2) 및 제3 렌즈 요소(FL3) 각각을 하나 이상의 비구면인 면을 갖는 플라스틱 렌즈 요소로 형성하는 것은 구면의 유리 렌즈 요소로 형성하는 것보다 사용되 는 렌즈 요소들의 수를 더욱 극적으로 감소시킨다. 그러므로, 이는 전체 렌즈 길이를 더 짧게 하고, 또한 낮은 가격에 광각 렌즈 시스템을 제공하게 한다.

다음으로, 각각의 실시예의 광각 렌즈 시스템이 만족시키는 조건식들에 대하여 기술된다. 아래의 기술된 모든 조건식들을 동시에 만족시키는 것이 요구되지 않으며, 그러므로 상응하는 메카니즘(mechanism)이나 효과가 광학 구조에 따라 개별 조건식을 따로따로 만족시킴으로써 얻어질 수 있다. 광학 성능, 소형화, 조립 등의 관점에서 볼 때, 복수의 조건식들이 만족되는 것은 분명히 바람직하다.

(조건식1)

2Ｗ＞ 150도 (1)

여기서 2Ｗ 는 전체 화각을 나타낸다.

조건식(1)은 전체 화각에 대한 조건을 정의한다. 만약 조건식(1)이 만족되지 않는다면, 광범위를 촬영할 수 없고, 그 결과 초광각 렌즈 시스템으로서 역할을 하지 못한다.

(조건식2)

1 ＜Ｔ3／Ｆ＜ 3.5 (2)

조건식(2)은 렌즈 시스템의 전체 길이 및 제2 렌즈 요소(FL2)에 대한 수차 교정의 균형을 잡기 위한 조건을 정의한다. 만약 T3/F의 값이 식(2)의 하한값과 같거나 그보다 더 낮게 된다면, 렌즈 시스템의 전체 길이를 줄이는 이점이 생기나 그 결과 현저히 더 나쁜 수차(특히 필드(field)의 곡률과 왜곡)를 가져온다. 반면에 만약 T3/F의 값이 조건식(2)의 상한값과 같거나 그보다 더 높게 된다면, 광학 성능의 면에서 이점이 생기나 그 결과 렌즈 시스템의 전체 길이가 더 길게 된다. 아래 조건식(2a)을 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

1.5 ＜Ｔ3／Ｆ＜ 3 (2a)

조건식(3)

－ 0.5 ＜Ｆ／Ｆ1 ＜－ 0.1 (3)

조건식(3)은 렌즈 시스템의 전체 렌즈 길이 및 제1 렌즈 요소(FL1)에 대한 수차 교정의 균형을 잡기 위한 조건을 정의한다. 만약 F/F1의 값이 조건식(3)의 하한값과 같거나 그보다 더 낮게 된다면, 렌즈 시스템의 전체 길이를 줄이는 이점이 생기나 그 결과 현저히 더 나쁜 왜곡을 가져온다. 반면에, F/F1의 값이 식(3)의 상한값과 같거나 그보다 더 높게 된다면, 왜곡을 교정하는 데 이점이 생기나 그 결과 렌즈 시스템의 전체 길이가 더 길게 된다. 아래 조건식(3a)을 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

－ 0.3 ＜Ｆ／Ｆ1 ＜－ 0.2 (3a)

(예들)

이후 본 발명을 구체화한 화상 픽업 렌즈들의 실질적 예들이 이들의 구조 자료 및 다른 자료를 참조하여 상세히 기술된다. 아래에 제시된 예 1과 2는 각각 제 1 및 제2 실시예에 대응한다. 따라서, 제1 및 제2 실시예를 각각 나타내는 렌즈 구조도들(도1 및 도2)은 각각 예1 및 2에 상응하는 렌즈 구조를 보여준다.

각 예의 구조도에서, ri(i=1,2,3,...)는 물체 쪽으로부터 i번째 있는 면의 곡률 반경(mm 단위)을 나타낸다. di(i=1,2,3,...)는 물체 쪽으로부터 i번째 있는 면의 축 방향 거리(mm 단위)를 나타낸다. 그리고 ∑d는 광학 시스템의 전체 길이(mm 단위)를 나타낸다. Ni(i=1,2,3,...) 및 vi(i=1,2,3,...)는 물체 쪽으로부터 i번째 있는 광학 요소의 d선에 대한 굴절률(Nd) 및 아베수(Abbe number)(vd)를 각각 나타낸다. 전체 시스템의 초점 거리(f,mm단위) 및 F수(FNO)는 다른 자료와 함께 제시된다. 표1은 조건식들에 대응하는 값들을 보여준다.

각 예에서, 곡률 반경 ri가 별표(*)로 표시된 면은 비구면 형상을 갖는 굴절 광학 면이고, 비구면인 면의 형상을 나타내는 아래의 식(AS)에 의해 정의된다. 각 예의 비구면인 면의 자료는 다른 자료와 함께 제시된다.

......................(AS)

여기서

Ｘ(Ｈ)는 (정점에 대한)높이 Ｈ에서 광축 ＡＸ 방향의 변위를 나타내고,

Ｈ는 광축 ＡＸ 에 수직인 방향의 높이를 나타내고,

Ｃ는 패럭시얼(paraxial) 곡률(곡률 반경의 역수)를 나타내고,

ε는 이차곡면 변수를 나타내고,

Ａi는 ｉ번째의 비구면인 면 계수를 나타낸다.

도3a 내지 도3c는 예1에 대한 수차도들이다. 도4a 내지 도4c는 예2에 대한 수차도들이다. 도3a 및 도4a는 구면수차도를 보여준다. 도3b 및 도4b는 비점수차도를 보여준다. 도3c 및 도4c는 왜곡도를 보여준다.

구면수차도들에서, 실선 d는 d선에 대한 구면수차(mm단위)를, 1점 쇄선 g는 g선에 대한 구면수차(mm단위)를, 2점 쇄선 c는 c선에 대한 구면수차(mm단위)를, 그리고 파선 SC는 충족된 사인(sine)조건으로부터의 편차를 나타낸다. 수직 축은 구면수차도에서 F수(FNO)를 나타내고, 비점수차도와 왜곡도에서는 최대 화상 높이 Y’(mm단위)를 나타낸다. 비점수차도에서 파선 DM은 메리디오날(meridional) 면에서 d선에 대한 비점수차(mm단위)를 나타내고, 실선 DS는 사지탈(sagittal) 면에서 d선에 대한 비점수차(mm단위)를 나타낸다. 왜곡도에서 실선은 d선에 대한 왜곡(%단위)을 나타낸다.

(예1)

f=2.097

FNO=2.8

[곡률반경] [축 방향 거리] [굴절률] [아베수]

r1=66.638

d1=1.053 N1=1.58913 v1=61.25(FL1)

r2=4.898

d2=3.592

r3*=-6.435

d3=4.212 N2=1.52510 v2=56.38(FL2)

r4*=-3.405

d4=1.169

r5=∞(ST)

d5=1.091

r6*=-21.168

d6=1.976 N3=1.52510 v3=56.38(FL3)

r7*=-2.214

d7=1.000

r8=∞

d8=0.500 N4=1.51680 v4=64.20(GF)

r9=∞

∑d=14.593

[제3 면(r3)의 비구면인 면의 자료]

[제4 면(r4)의 비구면인 면의 자료]

[제6 면(r6)의 비구면인 면의 자료]

[제7 면(r7)의 비구면인 면의 자료]

(예2)

f=1.875

FNO=2.8

[곡률반경] [축 방향 거리] [굴절률] [아베수]

r1=30.486

d1=1.327 N1=1.72916 v1=54.67(FL1)

r2=4.779

d2=3.677

r3*=-6.646

d3=4.633 N2=1.52510 v2=56.38(FL2)

r4*=-3.158

d4=0.810

r5=∞(ST)

d5=1.195

r6*=-11.029

d6=1.978 N3=1.52510 v3=56.38(FL3)

r7*=-1.971

d7=1.000

r8=∞

d8=0.400 N4=1.51680 v4=64.20(GF)

r9=∞

∑d=15.019

[제3 면(r3)의 비구면인 면 자료]

[제4 면(r4)의 비구면인 면 자료]

[제6 면(r6)의 비구면인 면 자료]

[제7 면(r7)의 비구면인 면 자료]

각 예의 조건식들에 의해 정의된 변수들에 대응하는 값들이 아래에 제시된다.

[표1]

조건식	(1)	(2)	(3)
조건식	2W	T3/F	F/F1
예1	170.8도	2.01	-0.23
예2	167.5도	2.47	-0.24

각각의 예들에서, 광학적으로 작용하는 모든 면들은 굴절 광학 면들로 형성되나, 예를 들면 반사면들 또는 회절면들과 같은 굴절 광학면들 이외의 다른 면들로 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 3개의 렌즈 구조로 형성된 고체 화상 감지기를 위한 화상 픽업 렌즈 시스템으로서 우수한 광학 성능과 넓은 전체 화각을 가진 저렴하고 콤팩트한 초광각 렌즈 시스템을 달성할 수 있다. 따라서, TV 전화, 출입문 전화, 감시 카메라, 차량용 카메라 등과 같은 디지털 화상 픽업 장치의 화상 픽업 렌즈 시스템에 본 초광각 렌즈 시스템을 적용하면 이러한 디지털 화상 픽업 장치의 화각 확대, 기능 강화, 비용 절감, 및 소형화에 기여한다.

본 발명에 대해 많은 수정예 및 변형예들이 있을 수 있다는 것은 상기 기술로부터 분명하다. 그러므로, 본 발명이 상기 기술된 것들 이외의 다른 어떤 방법으로 구현될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims

구형으로 형성된 양면을 갖고, 물체 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 가지며, 마이너스 광학 파워를 갖는 유리로 형성된 제1 렌즈 요소와,

화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 제2 렌즈 요소와,

구경 조리개와,

화상 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 제3 렌즈 요소를 물체 쪽으로부터 필수적으로 포함하는 광각 렌즈 시스템.
제1항에 있어서, 2Ｗ가 전체 화각일 때 조건식 2Ｗ＞ 150도 를 만족하는 광각 렌즈 시스템.
제1항에 있어서, Ｔ3가 제2 렌즈 요소의 축 방향 두께이고, Ｆ가 전체 시스템의 초점 거리일 때 조건식 1 ＜Ｔ3／Ｆ＜ 3.5 을 만족하는 광각 렌즈 시스템.
제1항에 있어서, Ｆ가 전체 시스템의 초점 거리이고, Ｆ1이 제1 렌즈 요소의 초점 거리일 때 조건식 －0.5 ＜Ｆ／Ｆ1 ＜－0.1 을 만족하는 광각 렌즈 시스템.
구형으로 형성된 양면을 갖고, 물체 쪽으로 볼록한 메니스커스 모양을 가지 며, 마이너스 광학 파워를 갖는 유리로 형성된 제1 렌즈 요소와,

하나 이상의 비구면인 면을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제2 렌즈 요소와,

구경 조리개와,

하나 이상의 비구면인 면을 갖고 플러스 광학 파워를 갖는 플라스틱으로 형성된 제3 렌즈 요소를 물체 쪽으로부터 필수적으로 포함하는 광각 렌즈 시스템.
제5항에 있어서, 2Ｗ가 전체 화각일 때 조건식 2Ｗ＞ 150도 를 만족하는 광각 렌즈 시스템.
제5항에 있어서, Ｔ3가 제2 렌즈 요소의 축 방향 두께이고, Ｆ가 전체 시스템의 초점 거리일 때 조건식 1 ＜Ｔ3／Ｆ＜ 3.5 을 만족하는 광각 렌즈 시스템.
제5항에 있어서, Ｆ가 전체 시스템의 초점 거리이고, Ｆ1이 제1 렌즈 요소의 초점 거리일 때 조건식 －0.5 ＜Ｆ／Ｆ1 ＜－0.1 을 만족하는 광각 렌즈 시스템.