KR100758291B1 - 굴절형 소형 줌렌즈 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체 측으로부터 총 파워가 부의 굴절력이고 빛을 반사시키는 면을 가지는 광학부품을 포함하는 제1 렌즈군, 총 파워가 부의 굴절력인 제2 렌즈군, 조리개, 총 파워가 정의 굴절력인 제3 렌즈군, 총 파워가 정의 굴절력인 제4 렌즈군을 포함하며, 상기 제2 렌즈군, 상기 제3 렌즈군, 상기 제4렌즈군 중에서 적어도 하나의 렌즈군을 이동하여 배율을 변화시키고, 물체거리가 원거리와 근거리로 이동할 때 초점조절을 하기 위해서는 상기 제2 렌즈군을 이동시키며, 변배시 및 초점조절시 렌즈가 이동하더라도 첫 번째 렌즈부터 이미지 면까지의 거리가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 간단한 구조의 광학계 임에도 불구하고 근거리에서 원거리까지 오토 포커싱을 했을 때, 높은 해상력 성능이 유지되는 효과가 있으며, 작은 사이즈를 구현해 내는 것이 가능해진다.

줌렌즈, 굴절형

Description

굴절형 소형 줌렌즈 광학계{Refraction type small zoom lens optical system}

도 1a는 광각(wide)일 때 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성을 나타낸 도면

도 1b는 텔레(tele)일 때 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성을 나타낸 도면

도 2a는 광각(wide)일 때 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도

도 2b는 텔레(tele)일 때 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 굴절 광학계의 적용 예시도

도 4a는 광각(wide)일 때 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성을 나타낸 도면

도 4b는 텔레(tele)일 때 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성을 나타낸 도면

도 5a는 광각(wide)일 때 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도

도 5b는 텔레(tele)일 때 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 굴절 광학계의 적용 예시도

본 발명은 모바일 광학계를 비롯하여 소형 이동기기에 적용하기 위한 굴절형 소형 줌렌즈 광학계에 관한 것이다.

일반적으로 고해상도의 굴절형 줌렌즈 광학계에는 다음의 두 가지 기술동향이 있다. 첫째는 고해상력의 성능을 가지지만 광학계의 구성이 복잡하거나 사이즈가 큰 경우이고, 둘째는 사이즈가 작고 광학계의 구성이 간단하긴 하지만 특정 물체거리에서만 높은 해상력을 가지는 경우이다.

종래 굴절형 줌렌즈 광학계에는 예를 들어 일본공개특허 제2004-334070호나 미국등록특허 제7,085,070호에 개시된 시스템이 있다. 상기 두 개의 시스템은 기존의 굴절형 줌렌즈에 비해 3배 정도의 배율이 나오면서도 사이즈가 작고 렌즈 구성이 간단한 장점을 가진다.

그러나 다음과 같은 몇 가지의 기술적인 문제점도 가지는 것으로 나타났다.

첫째는 줌렌즈 광학계의 사이즈가 크다는 점이다. TTL 을 광학적인 전장이라고 하고, fw을 광학계가 가장 광각일 때의 초점거리라고 할 때, 상기 두 개의 광학계는 TTL/fw 의 값이 10~12 정도의 값을 갖는 것으로 나타났다. 그런데 최근에는 TTL/fw 의 값이 6~7.5 정도인 작은 사이즈가 기술적으로 요구되고 있다.

둘째는 해상력 성능이 아직도 미흡하다는 점이다. 즉, 특정 물체거리에서만 해상력 성능이 좋고 근거리에서 원거리로 오토 포커싱을 하면 해상력 성능이 떨어지는 제한적인 성능을 가지고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 메가급에도 적용 가능할 정도의 해상력을 가지고, 근거리에서 원거리로 오토 포커싱을 할 때 높은 해상력 성능이 그대로 유지되면서, TTL/fw 의 값이 6~7.5 정도의 값이 나올 정도로 작은 사이즈를 구현할 수 있는 굴절형 줌렌즈 광학계를 제공하는데 목적이 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 물체 측으로부터 총 파워가 부의 굴절력이고 빛을 반사시키는 면을 가지는 광학부품을 포함하는 제1 렌즈군, 총 파워가 부의 굴절력인 제2 렌즈군, 조리개, 총 파워가 정의 굴절력인 제3 렌즈군, 총 파워가 정의 굴절력인 제4 렌즈군을 포함하며, 상기 제2 렌즈군과 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군을 이동하여 배율을 변화시키는 변배의 효과를 갖고, 물체거리가 원거리와 근거리로 이동할 때 초점조절을 하기 위해서는 상기 제2 렌즈군을 이동시키며, 변배시 및 초점조절시 렌즈가 이동하더라도 상기 제1 렌즈군의 첫 번째 렌즈부터 이미지 면까지의 거리가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계를 제공한다.

이때 상기 제1 렌즈군에는 비구면으로 형성되어 있는 렌즈면이 적어도 1개 이상이 포함되어 있는 것이 바람직하다.

상기 제2 렌즈군에는 정의 굴절력의 렌즈와 부의 굴절력의 렌즈가 포함되는 것이 바람직하다.

상기 제4 렌즈군은 1매의 렌즈로 구성되어져 있으며 적어도 1개 이상의 비구면을 포함하는 것이 바람직하며, 플라스틱 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 줌렌즈 광학계는, TTL 을 제1 렌즈군의 가장 물체측 면부터 이미지 면까지의 광축상의 거리라고 하고, fw를 광학계가 가장 광각일 때의 초점거리라고 할 때, 1 < TTL / fw < 7 의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

또한 상기 줌렌즈 광학계는 상기 제4 렌즈군의 총초점거리를 f4 라 할 때, 0 < fw/f4 < 1 의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 줌렌즈 광학계는, 전체 파워를 부,부,정,정 구조, 즉 앞쪽에 부의 파워를 배치하고 뒤쪽에 정의 파워를 배치함으로써, 레트로 포커스 타입의 구조를 갖는다. 이러한 레트로 포커스 타입의 구조는 센서에 입사하는 주광선의 입사각인 CRA 값을 줄여주고, 후초점거리인 BFL 을 길게 하여 기구적인 구성을 용이하게 해주는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

먼저 제1 렌즈군은 부의 굴절력을 가지고 빛을 반사시키는 기능을 하는 광학부품을 포함한다.

이와 같이 제1 렌즈군에 빛을 반사시키는 기능을 하는 광학부품(예, 프리즘, 반사경 등)을 포함시킨 구조에서는, 제1 렌즈군의 파워가 정의 굴절력이면 제2 렌즈군으로 입사하는 광속이 발산하는 구조가 되어서 렌즈 유효경이 커지고, 그에 따라 렌즈 외경도 커지므로 전체 사이즈를 줄이기가 힘들어 질뿐 아니라 비축수차가 커지므로 해상력 성능도 나빠지는 문제점이 있다.

만일 제1 렌즈군이 정의 굴절력이면 제2 렌즈군으로 입사하는 광속이 발산하는 구조가 되는데 이렇게 발산하는 광속을 수렴시키기 위해서는 제3 렌즈군의 정의 굴절력이 더욱 세져야 한다.

그런데 그렇게 되면 수차가 너무 많이 발생하여서 높은 해상력 성능을 낼 수 없다는 문제점이 있다. 구조적으로 제3 렌즈군은 배율을 변화시키는 변배 군이므로 강한 정의 굴절력을 가지는데 거기다 더욱 강한 정의 굴절력이 요구된다면 파워가 너무 세져서 큰 수차가 발생할 수밖에 없기 때문이다.

그리고 제1 렌즈군에 포함되어 있는 빛을 반사시키는 기능을 하는 광학부품에서 빛을 반사시키는 면이 전반사의 원리로 반사시키는 경우에는 제1 렌즈군의 파워가 반사율과 밀접한 관련이 있다.

만약 제1 렌즈군이 정의 굴절력이면 반사되는 면으로 입사하는 빛의 입사각 이 작아져서 일부 빛은 반사시키지 못할 가능성이 있다. 따라서 빛을 반사시키는 광학부품의 반사율을 높이기 위해서라도 제1 렌즈군의 파워는 부의 굴절력이 되어야 한다.

한편, 제1 렌즈군에는 비구면으로 형성되어 있는 렌즈면이 적어도 1개 이상이 포함되어 있다. 그것은 제1 렌즈군으로 입사하는 광속은 렌즈 유효경의 큰 면적을 차지하고 입사하는 광속이므로 적어도 1면의 비구면을 가지면 광학 성능을 높일 수 있고, 전장을 짧게 하는 것이 용이해지기 때문이다.

제2 렌즈군은 부의 굴절력이면서 초점조절을 하기 위해 움직이는 오토 포커싱 군이다. 이것은 제3 렌즈군이 배율을 변화시키기 위한 변배군이므로 강한 정의 굴절력을 갖고 있는 것과 관계가 깊다.

즉, 제3 렌즈군은 강한 정의 굴절력으로 인해 가장 큰 수차를 발생시키는 렌즈군이다. 원거리에서 근거리로 이동을 하면 렌즈 수차들이 변화를 하게 되는데 이때도 가장 많은 수차의 변화를 겪는 것이 변배군이다.

따라서 오토 포커싱 렌즈군(제2 렌즈군)은 이러한 근거리 이동에 따른 가장 많은 수차의 변화를 가지고 오는 렌즈군인 변배군(제3 렌즈군)의 수차를 효과적으로 보정해야 한다.

이때 변배군인 제3 렌즈군이 조리개 뒤쪽에 있으므로 조리개 뒤쪽부분의 수차의 변화가 커짐을 알 수 있고, 따라서 광학 설계적으로 조리개 앞쪽의 수차를 변 화시킴으로써 수차보정을 하는 것이 가장 효과적이다.

따라서 오토 포커싱하는 렌즈군으로서 조리개 앞쪽에 위치하는 제2 렌즈군의 위치를 앞뒤로 이동함으로써 변배군(제3 렌즈군)의 수차를 효과적으로 보정할 수 있고, 그에 따라서 원거리에서 근거리로 초점 조절을 하더라도 성능이 유지되는 효과를 얻을 수 있다.

또한 제2 렌즈군을 정의 굴절력의 렌즈와 부의 굴절력의 렌즈를 포함하도록 하여 자체를 텔레포토 타입으로 구성하면, 전장을 짧게 하면서 높은 해상력 성능이 나오게 하고, 오토 포커싱할 때 성능을 유지할 수 있다.

제3 렌즈군은 배율을 변화시키는 기능을 하는 변배군으로서 강한 정의 파워를 갖고 있다. 제3 렌즈군은 변배를 하기 위해서 강한 정의 파워를 가질 수밖에 없지만 조리개 근처에 제3 렌즈군을 배치시키면 수차가 크게 발생하지 않아 높은 성능이 가능하다.

제4 렌즈군은 약한 정의 굴절력을 가지는 렌즈군으로서, 제3 렌즈군의 강한 정의 굴절력의 부담을 분배시키는 역할을 한다. 또한 상기 제4 렌즈군은 렌즈 구성상 큰 파워를 갖는 렌즈군이 아니기 때문에 작은 수차를 발생시키는 렌즈군이다.

따라서 1매의 렌즈로도 충분한 기능을 할 수 있고, 또 1매로 구성을 하는 것이 전체 전장 사이즈를 줄이는데도 효과적이다.

또한 제4 렌즈군은 광속이 렌즈 유효경의 넓은 부분을 지나가므로 적어도 1 면 이상의 비구면을 이용하면 짧은 전장임에도 좋은 성능을 낼 수 있다.

또한 소재의 특성에 의한 성능의 변화보다 면 형상에 의한 성능변화가 심한 제4 렌즈군의 위치에 렌즈 소재를 플라스틱으로 하는 것이 유리하다. 그것은 비구면 렌즈의 형상 자유도를 높여서 더욱 높은 해상력 성능의 실현이 가능하도록 해주기 때문이다.

한편, 제4 렌즈군은 다음의 수식을 만족할 수 있어야 한다.

0 < fw / f4 < 1

여기서 fw 는 줌렌즈 광학계가 가장 광각일 때의 초점거리이고, f4는 제4 렌즈군의 총초점거리이다.

fw/f4의 값이 상기 조건식의 하한보다 작으면 제3 렌즈군의 파워부담을 분배시키는 기능을 제대로 하지 못하고, 상한보다 크면 제4 렌즈군에 너무 큰 파워가 실리게 되어 수차 보정이 어려워진다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 줌렌즈 광학계는 작은 사이즈의 광학계에 적용하기 위한 것이기 때문에 전장인 TTL 에 관해 다음의 수식을 만족할 수 있어야 한다.

1 < TTL / fw < 7

여기서 TTL은 제1 렌즈군의 가장 물체측면부터 이미지면까지의 광축상의 거리이고, fw 는 줌렌즈 광학계가 가장 광각일 때의 초점거리이다.

TTL/fw의 값이 상기 조건식의 하한보다 작으면 광학적인 성능확보가 어렵고 충분한 배율을 얻기 힘들어진다. 또한 이 값의 상한보다 값이 크면 사이즈가 지나치게 커져서 작은 사이즈의 광학계에 적용하기가 힘들어진다.

아래의 두 가지 실시예는 전술한 구성을 가지는 줌렌즈 광학계에 대한 것이다.

먼저 각 실시예에 나타나는 각 부호에 대한 설명은 다음과 같다. 실시예의 비구면형상은 다음의 식의 계수 값으로 나타내어 질 것이다.

여기서 Z 값은 렌즈의 정점부터 광축방향으로의 거리이고, R 은 광축에 수직방향으로의 거리이며, C는 렌즈 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이며, a₁ 은 conic 상수이며, a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉,a₁₀는 각각 비구면 계수 값이다.

fw 는 줌렌즈 광학계가 가장 광각일 때의 초점거리이고, ft 는 텔레 위치에서의 초점거리이다. f4 는 제4 렌즈군의 총초점거리이고, TTL 은 광학계의 첫면부터 이미지 면까지의 광축상의 거리이다. Y 값은 상고 높이로써 센서의 대각사이즈의 절반 크기를 나타낸다. R은 렌즈의 곡률반경이고, D는 렌즈의 두께 및 공기간격이고, Nd 는 렌즈 소재의 d-line 의 굴절율, vd는 렌즈 소재의 아베수이다.

아래의 표 1은 전술한 구성으로 이루어진 줌렌즈 광학계의 제1 실시예와 제2 실시예의 설계스펙을 나타낸 것이다.

< 표 1 >

상기 표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예별 데이터는 다음과 같다.

제1 실시예

<표 2>

< 표 3 >

< 표 4 >

여기서 표 2는 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈의 R, D, Nd, vd 값을 나타낸 것이고, 표 3은 제1 실시예의 비구면 계수값이고, 표 4는 제1 실시예의 줌 위치별 거리간격 데이터이다.

제2 실시예

<표 5>

<표 6>

<표 7>

여기서 표 5는 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈의 R, D, Nd, vd 값을 나타낸 것이고, 표 6은 제2 실시예의 비구면 계수값이고, 표 7은 제2 실시예의 줌 위치별 거리간격 데이터이다.

한편, 제1 실시예에 따른 광학계의 형상은 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있고 구체적으로는 도 3에 도시된 바와 같은 형상을 가질 수 있다. 제2 실시예에 따른 광학계의 형상은 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있고 구체적으로는 도 6에 도시된 바와 같은 형상을 가질 수 있다.

여기서 도 1a 및 도 4a는 각각 제1 및 제2 실시예에서 광각(wide)일 때의 광학계 형상을 나타낸 것이고, 도 1b 및 도 4b는 각각 제1 및 제2 실시예에서 텔레(tele)일 때의 광학계 형상을 나타낸 것이다.

또한 도 2a 및 도 2b는 각각 광각일 때와 텔레일 때의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도를 나타낸 것이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 광각일 때와 텔레일 때의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도를 나타낸 것이다.

본 발명은 모바일 등 소형기기에 적용할 수 있는 굴절형 줌렌즈에서 작은 사이즈와 적은 매수의 렌즈임에도 불구하고, 근거리에서 원거리까지 AF 작동을 했을 때 높은 해상력 성능이 유지되는 효과를 얻을 수 있고, 또한 사이즈도 기존의 기술보다 더욱 작게 하는 효과를 얻을 수 있었다.

이것은 굴절력이 큰 변배군의 수차를 효율적으로 보정해주는 제2 렌즈 군을 오토 포커싱군으로 구성함으로써 근거리에서 원거리로 오토 포커싱을 할 때 높은 해상력 성능이 그대로 유지되도록 하였고, 제2 렌즈군을 텔레포토 타입으로 배치함으로써 짧은 전장과 높은 해상력을 가능하도록 하였기 때문이다.

또한 광속의 유효면적이 넓은 제1 렌즈군과 제4 렌즈군에 각각 적어도 1면 이상의 비구면을 구성함으로써 높은 해상력 성능과 짧은 전장을 가능하게 하였기 때문이다.

또한 제4 렌즈군에 약한 정의 파워를 배치함으로써 변배군(제3 렌즈군)의 큰 굴절력의 부담을 덜어 줌으로써 높은 해상력 성능을 가능하게 하였고, 1매의 플라스틱 소재를 사용함으로써 설계 자유도를 높여서 더욱 높은 성능과 작은 사이즈의 구현이 가능하게 하였기 때문이다.

Claims (7)

1. 물체 측으로부터 총 파워가 부의 굴절력이고 빛을 반사시키는 면을 가지는 광학부품을 포함하는 제1 렌즈군, 총 파워가 부의 굴절력인 제2 렌즈군, 조리개, 총 파워가 정의 굴절력인 제3 렌즈군, 총 파워가 정의 굴절력인 제4 렌즈군을 포함하며,

   상기 제2 렌즈군과 상기 제3 렌즈군과 상기 제4 렌즈군을 이동하여 배율을 변화시키는 변배의 효과를 갖고, 물체거리가 원거리와 근거리로 이동할 때 상기 제2렌즈군을 이동시켜 자동 초점조절을 수행하며,

   상기 조리개는 변배시에 상기 제3렌즈군과 함께 이동하고, 변배시 및 초점조절시 렌즈가 이동하더라도 상기 제1 렌즈군의 첫 번째 렌즈부터 이미지 면까지의 거리가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 렌즈군에는 비구면으로 형성되어 있는 렌즈면이 적어도 1개 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 렌즈군에는 정의 굴절력의 렌즈와 부의 굴절력의 렌즈가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계
4. 제1항에 있어서,

   상기 제4 렌즈군은 1매의 렌즈로 구성되어져 있으며 적어도 1개 이상의 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계
5. 제4항에 있어서,

   상기 제4 렌즈군은 플라스틱 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계
6. 제1항에 있어서,

   TTL 을 상기 제1 렌즈군의 가장 물체측면부터 이미지면까지의 광축상의 거리라고 하고, fw 는 광학계가 가장 광각일 때의 초점거리라고 할 때, 다음의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계

   1 < TTL / fw < 7
7. 제1항에 있어서,

   fw 는 광학계가 가장 광각일때의 초점거리이고, f4 는 상기 제4 렌즈군의 총초점거리라 할 때 다음의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 줌렌즈 광학계

   0 < fw/f4 < 1

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