KR100768867B1 - 단초점 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적은 렌즈 매수이면서 고성능의 콤팩트한 렌즈계를 실현할 수 있는 단초점 렌즈를 제공함을 과제로 하며, 이를 위해 물체측으로부터 순서대로 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 정의 파워의 제 1 렌즈(G1)와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 오목면 형상으로 한 부의 메니스커스 렌즈의 제 2 렌즈(G2)와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 비구면 렌즈의 제 3 렌즈(G3)를 구비한다. 또한, 소정의 조건식을 충족시켜 콤팩트성을 확보하면서 각 렌즈의 초재의 최적화를 꾀함으로써 3장이라는 적은 렌즈 매수이면서 고성능의 콤팩트한 렌즈계를 실현한다.
단초점 렌즈

Description

단초점 렌즈{SINGLE FOCUS LENS}
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 단초점 렌즈의 제 1 구성예를 나타내며, 제 1 실시예에 대응하는 렌즈 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 단초점 렌즈의 제 2 구성예를 나타내며, 제 2 실시예에 대응하는 렌즈 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예에 의한 단초점 렌즈의 기본적인 렌즈 데이터를 나타낸 도면이다.
도 4는 제 1 실시예에 의한 단초점 렌즈의 비구면에 관한 데이터를 나타낸 도면이다.
도 5는 제 2 실시예에 의한 단초점 렌즈의 기본적인 렌즈 데이터를 나타낸 도면이다.
도 6은 제 2 실시예에 의한 단초점 렌즈의 비구면에 관한 데이터를 나타낸 도면이다.
도 7은 조건식에 관한 값을 각 실시예에 대해서 정리하여 나타낸 도면이다.
도 8은 제 1 실시예에 의한 단초점 렌즈의 모든 수차를 나타낸 수차도이며, (A)는 구면수차, (B)는 비점수차, (C)는 디스토션을 나타낸다.
도 9는 제 2 실시예에 의한 단초점 렌즈의 모든 수차를 나타낸 수차도이며, (A)는 구면수차, (B)는 비점수차, (C)는 디스토션을 나타낸다.
[부호의 설명]
GC : 광학부재 G1 : 제 1 렌즈,
G2 : 제 2 렌즈 G3 : 제 3 렌즈,
St : 조리개 Z1 : 광축
Ri : 물체측으로부터 제 i 번째 렌즈면의 곡률반경
Di : 물체측으로부터 제 i 번째와 제i+1번째 렌즈면의 면간격
본 발명은 촬상 기능을 가진 소형 기기, 예컨대, 카메라 부착 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistant),및 디지털 스틸 카메라 등에 바람직하게 사용되는 단초점 렌즈에 관한 것이다.
디지털 스틸 카메라 등의 촬상 기기에는 CCD(Charge Coupled Device : 전하 결합 소자)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 촬상 소자가 사용되고 있다. 최근, 이러한 촬상 소자는 현저하게 소형화가 진행되고 있다. 따라서, 촬상 기기 본체 및 그것에 탑재되는 렌즈에도 소형, 경량화가 요청되고 있다. 또한, 최근에는 고화질을 달성하기 위해서 화소수가 많은 촬상 소자가 개발되고 있고, 거기에 따른 렌즈계에도 보다 고해상이며 고콘트라스트한 성능이 요구되고 있다.
이러한 촬상 기기에 사용될 수 있는 촬상 렌즈로서는, 예컨대, 이하의 특허문헌1에 기재된 것이 있다. 이 특허문헌1에는 물체측으로부터 순서대로 제 1 ∼ 제 3 렌즈로 구성된 3장 구성의 촬상 렌즈가 기재되어 있다. 이 촬상 렌즈에서는 제 1 렌즈의 파워가 작고, 또한, 개구조리개는 제 2 렌즈와 제 3 렌즈의 사이에 배치되어 있다.
[특허문헌1] 일본 특허 공개 평10-48516호 공보
상술한 바와 같이, 최근의 촬상 소자는 소형화 및 고화소화가 진행되고 있고, 그것에 따라, 촬상 렌즈에는 높은 해상성능과 구성의 컴팩트화가 요청되고 있다. 상기 특허문헌1에 기재된 촬상 렌즈는 3장 구성이라는 적은 매수이며 어느 정도의 성능과 콤팩트성을 실현하고 있지만, 이것보다도 더욱 콤팩트하고 고성능의 렌즈계의 개발이 기대되고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 적은 렌즈 매수이면서, 고성능의 콤팩트한 렌즈계를 실현할 수 있는 단초점 렌즈를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 단초점 렌즈는 물체측으로부터 순서대로 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 정의 파워의 제 1 렌즈와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 오목면 형상으로 한 부의 메니스커스 렌즈의 제 2 렌즈와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 비구면 렌즈의 제 3 렌즈를 구비하고, 또한, 이하의 조건을 만 족하도록 구성되어 있다.
1.5 > f1/f > 0.6 …… (1)
69 < νdA …… (2)
55 < νdB < 59 …… (3)
1.55 > NdA …… (4)
1.55 > NdB > 1.48 …… (5)
1.8 > L/D …… (6)
0.30 < RA/f < 0.40 …… (7)
단,
f : 전체의 촛점거리
f1 : 제 1 렌즈의 촛점거리
νdA : 제 1 렌즈의 아베수
νdB : 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 아베수
NdA : 제 1 렌즈의 d선에 있어서의 굴절율
NdB : 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 d선에 있어서의 굴절율
RA : 제 1 렌즈의 물체측의 면의 근축곡률반경
L : 제 1 렌즈의 물체측의 면으로부터 결상위치까지의 광축상의 거리
D : 최대 상 높이
본 발명에 의한 단초점 렌즈는 광축상에 있어서 제 1 렌즈 상측의 면보다도 물체측에 배치된 조리개를 더 구비하고 있어도 좋다.
본 발명에 의한 단초점 렌즈에서는 조건식 (1), (6), 및 (7)을 만족하여 콤팩트성을 확보하면서, 조건식 (2), (3), (4), 및 (5)를 만족하여 각 렌즈의 초재(vitreous material)를 적절한 것으로 함으로써 3장이라는 적은 렌즈 매수이면서, 고성능의 콤팩트한 렌즈계가 실현된다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조해서 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 단초점 렌즈의 제 1 구성예를 나타낸다. 이 구성예는 후술하는 제 1 수치 실시예(도 3, 도 4)의 렌즈 구성에 대응하고 있다. 또한, 도 2는 제 2 구성예를 나타내고 있다. 도 2의 구성예는 후술하는 제 2 수치 실시예(도 5, 도 6)의 렌즈 구성에 대응하고 있다. 또한, 도 1,도 2에 있어서, 부호 Ri는 최 물체측의 구성 요소의 면을 1번째로 하여, 상측(결상측)을 향함에 따라 순차 증가하도록 해서 부호를 첨부한 i번째(i = 1 ∼ 8) 면의 곡률반경을 나타낸다. 부호 Di는 i번째의 면과 i+1번째의 면의 광축(Z1)상의 면간격을 나타낸다. 또한, 각 구성예 모두 기본적인 구성은 같으므로 이하에서는 도 1에 도시된 단초점 렌즈의 구성을 기본으로 하여 설명한다.
이 단초점 렌즈는 촬상 기능을 가진 소형의 기기, 예컨대, PDA, 비디오 카메라, 및 디지털 스틸 카메라 등에 탑재되어서 적절하게 사용되는 것이다. 이 단초점 렌즈는 광축(Z1)에 걸쳐 물체측으로부터 순서대로 제 1 렌즈(G1)와, 제 2 렌즈(G2)와, 제 3 렌즈(G3)를 구비하고 있다. 개구 조리개(St)는 광축(Z1)상에 있어서 제 1 렌즈(G1)의 상측의 면보다도 물체측에 배치되어 있다. 바람직하게는 광축(Z1)상에 있어서 제 1 렌즈(G1)의 물체측의 면과 상측의 면의 사이에 배치되어 있으면 좋다.
이 단초점 렌즈의 결상면(촬상면)에는 도시되지 않은 CCD 등의 촬상 소자가 배치된다. 제 3 렌즈(G3)와 촬상면의 사이에는 렌즈를 장착하는 카메라측의 구성에 따라 다양한 광학부재(GC)가 배치되어 있어도 좋다. 예컨대, 촬상면 보호용의 커버 유리나 각종 광학 필터 등의 평판상의 광학부재(GC)가 배치되어 있어도 좋다.
제 1 렌즈(G1)는 유리 재료로 이루어지는 비구면 렌즈인 것이 바람직하다. 제 2 렌즈(G2) 및 제 3 렌즈(G3)는 플라스틱 재료로 이루어지는 비구면 렌즈인 것이 바람직하다. 제 1 렌즈(G1)는 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 정의 파워를 갖고 있다. 제 2 렌즈(G2)는 근축상에 있어서 물체측의 면을 오목면 형상으로 한 부의 메니스커스 렌즈로 되어 있다. 제 3 렌즈(G3)는 근축상에 있어서 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 비구면 렌즈로 되어 있다.
제 3 렌즈(G3)의 물체측의 면은 주변을 향하여 정의 파워가 약해지는 형상인 것이 바람직하다. 제 3 렌즈(G3)의 상측의 면은 근축상에 있어서 상측에 오목면 형상이며, 주변을 향하여 부의 파워가 약해지고, 또한, 주변에서 정의 파워로 회전하는 형상인 것이 바람직하다.
이 단초점 렌즈는 이하의 조건식을 만족하고 있다. 단, f는 전체의 촛점거리, f1은 제 1 렌즈(G1)의 촛점거리, νdA는 제 1 렌즈(G1)의 아베수, νdB는 제 2 렌즈(G2) 및 제 3 렌즈(G3)의 아베수, NdA는 제 1 렌즈(G1)의 d선에 있어서의 굴절율, NdB는 제 2 렌즈(G2) 및 제 3 렌즈(G3)의 d선에 있어서의 굴절율, RA는 제 1 렌즈(G1)의 물체측의 면의 근축 곡률반경, L은 제 1 렌즈(G1)의 물체측의 면으로부터 결상위치까지의 광축상의 거리, D는 최대 상 높이를 나타낸다. 또한, L에 대해 서는 커버 유리 등의 광학부재(GC)의 두께를 공기 환산한 값으로 한다.
1.5 > f1/f > 0.6 …… (1)
69 < νdA …… (2)
55 < νdB < 59 …… (3)
1.55 > NdA …… (4)
1.55 > NdB > 1.48 …… (5)
1.8 > L/D …… (6)
0.30 < RA/f < 0.40 …… (7)
이어서, 이상과 같이 구성된 단초점 렌즈의 작용 및 효과를 설명한다.
이 단초점 렌즈에서는 이하에 설명하는 바와 같이 조건식 (1), (6), 및 (7)을 만족해서 콤팩트성을 확보하면서 조건식 (2), (3), (4), 및 (5)을 만족하여 각 렌즈의 초재의 굴절율 및 분산 특성을 최적화함으로써, 3장이라는 적은 렌즈 매수이면서 고성능의 콤팩트한 렌즈가 실현된다.
조건식(1)은 제 1 렌즈(G1)의 촛점거리에 관한 것으로, 이 수치범위를 상회하면 전장이 지나치게 길어지고, 밑돌면 동공이 지나치게 짧아져 바람직하지 못하다. 조건식(6)은 광축(Z1)상의 광학 전장(L)과 최대 상 높이(D)의 비를 나타내는 것으로, 이 수치범위를 상회하면 렌즈계 전체를 충분히 콤팩트한 것으로 할 수 없다. 조건식(7)은 제 1 렌즈(G1) 전면(前面)의 곡률반경에 관한 것으로, 이 수치범위를 상회하면 렌즈 전장을 짧게 하는 것이 곤란해지고, 밑돌면 구면수차, 상면 만곡의 보정이 곤란하게 되므로 바람직하지 못하다. 이 단초점 렌즈에서는 제 1 렌 즈(G1) 전면의 곡률반경을 작게 해서 비교적 파워를 크게 함으로써 전장의 단축화가 의도되어 있다.
조건식 (2), (4)는 제 1 렌즈(G1)의 초재의 특성에 관한 것으로, 이 조건을 충족시키도록 정의 파워를 가진 제 1 렌즈(G1)에 아베수가 크고 굴절율이 작은 초재를 이용함으로써, 색수차, 상면 만곡을 양호하게 보정할 수 있다. 조건식 (3), (5)는 제 2 렌즈(G2) 및 제 3 렌즈(G3)의 초재의 특성에 관한 것으로, 이 수치 범위내에 있게 되면 제 1 렌즈(G1)와의 조합으로 색수차, 상면 만곡에 대해서 필요 충분한 성능을 얻을 수 있다. 또한, 제 2 렌즈(G2) 및 제 3 렌즈(G3)의 초재로서, 아크릴 수지, 또는 시클로올레핀 폴리머라는 저렴하고 입수성이 좋으며 광학적으로 안정(저왜곡 등)한 재료를 선택할 수 있다.
또한, 이 단초점 렌즈에서는 개구 조리개(St)를 광축(Z1)상에 있어서 제 1 렌즈(G1)의 상측의 면보다도 물체측, 보다 바람직하게는 광축(Z1)상에 있어서 제 1 렌즈(G1)의 물체측의 면과 상측의 면 사이에 배치함으로써 개구 조리개(St)도 포함시킨 전장을 단축화할 수 있다. 또한, 이 단초점 렌즈에서는 각 렌즈에 비구면을 적절히 사용함으로써 큰 수차 보정 효과를 얻을 수 있다. 특히, 제 3 렌즈(G3)의 비구면 형상에 관해서 근축 형상과 주변 형상을 적절한 것으로 함으로써 상면 만곡의 보정을 비롯하여 수차 보정에 관해서 보다 큰 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 단초점 렌즈에 의하면 소정의 조건식을 충족시켜서 각 렌즈의 초재의 최적화나 파워 배분의 최적화 등을 행하도록 했으므로 3장이라는 적은 렌즈 매수이면서 고성능 및 콤팩트한 렌즈계를 실현할 수 있다.
[실시예]
이어서, 본 실시형태에 의한 단초점 렌즈의 구체적인 수치 실시예에 대해서 설명한다. 이하에서는 2개의 수치 실시예(제 1 실시예, 제 2 실시예)를 정리해서 설명한다.
도 3, 도 4는 도 1에 도시된 단초점 렌즈의 구성에 대응하는 구체적인 렌즈 데이터(제 1 실시예)를 나타내고 있다. 특히, 도 3은 그 기본적인 렌즈 데이터를 나타내고, 도 4는 비구면에 관한 데이터를 나타낸다. 또한, 도 5, 도 6은 도 2에 도시된 단초점 렌즈의 구성에 대응하는 구체적인 렌즈 데이터(제 2 실시예)를 나타내고 있다. 특히, 도 5는 그 기본적인 렌즈 데이터를 나타내고, 도 6은 비구면에 관한 데이터를 나타낸다.
도 3, 도 5에 도시된 렌즈 데이터에 있어서의 면번호(Si) 란에는 각 실시예에 의한 단초점 렌즈에 대해서 최 물체측의 구성 요소의 면을 1번째로 하여, 상측을 향함에 따라 순차 증가하도록 해서 부호를 붙인 i번째(i = 1 ∼ 8) 면의 번호를 나타내고 있다. 곡률반경(Ri)의 란에는 도 1, 도 2에 있어서 부여한 부호 Ri에 대응시켜서 물체측으로부터 i번째 면의 곡률반경의 값을 나타낸다. 면간격(Di)의 란에 대해서도 마찬가지로 물체측으로부터 i번째 면(Si)과 i+1번째 면(Si+1)의 광축상의 간격을 나타낸다. 곡률반경(Ri) 및 면간격(Di)의 값의 단위는 밀리미터(㎜)이다. Ndj, νdj의 란에는 각각, 광학부재(GC)도 포함시키고, 물체측으로부터 j번째(j = 1 ∼ 4) 광학요소의 d선(파장 : 587.6㎚)에 대한 굴절율 및 아베수의 값을 나타낸다. 또한, 도 3, 도 5에는 모든 데이터로서 전계의 근축 촛점거리f(㎜), F넘버(FNO.), 및 화각(2ω)(ω : 반화각)의 값에 대해서도 나타낸다.
또한, 제 1 실시예에 의한 단초점 렌즈에 있어서, 개구 조리개(St)는 광축(Z1)상에 있어서 제 1 렌즈(G1)의 물체측의 면으로부터 상면측으로 0.15㎜의 위치에 배치되어 있다. 제 2 실시예에 의한 단초점 렌즈에서는 개구 조리개(St)가 광축(Z1)상에 있어서 제 1 렌즈(G1)의 물체측의 면으로부터 상면측으로 O.1㎜의 위치에 배치되어 있다.
도 3, 도 5의 각 렌즈 데이터에 있어서, 면번호의 좌측에 부여된 기호 「*」는 그 렌즈면이 비구면 형상임을 나타낸다. 각 실시예에 의한 모든 단초점 렌즈에 있어서, 제 1 렌즈(G1), 제 2 렌즈(G2) 및 제 3 렌즈(G3)의 양면이 모두 비구면 형상으로 되어 있다. 도 3, 도 5의 기본 렌즈 데이터에는 이들 비구면의 곡률반경으로서, 광축 근방의 곡률반경의 수치를 나타내고 있다.
도 4, 도 6는 제 1, 2 실시예에 의한 단초점 렌즈에 있어서의 비구면 데이터를 나타낸다. 비구면 데이터로서 나타낸 수치에 있어서, 기호 "E"는 그 다음에 이어지는 수치가 10을 밑수로 한 "파워 인덱스(power index)"인 것을 나타내고, 그 10을 밑수로 한 지수함수로 나타내어지는 수치가 "E" 앞의 수치에 승산되는 것을 나타낸다. 예컨대, 「1.0E-02」이면, 「1.0×1O-2」인 것을 나타낸다.
비구면 데이터로서는 이하의 식(A)에 의해 표현되는 비구면 형상의 식에 있어서의 각 계수 Ai, K의 값을 기록한다. Z는 보다 상세하게는 광축으로부터 높이 h 의 위치에 있는 비구면상의 점으로부터 비구면 정점의 접평면(광축에 수직인 평면)에 내린 수선의 길이(㎜)를 나타낸다. 각 실시예에 의한 모든 단초점 렌즈에 있어서, 각 비구면이 비구면 계수로서 짝수차의 계수 A4, A6, A8, A10과 홀수차의 계수 A3, A5, A7, A9를 효과적으로 사용하여 표현되어 있다.
Z = Cㆍh2 / {1+(1-KㆍC2ㆍh2)1/2}+A3ㆍh3+A4ㆍh4+A5ㆍh5+A6ㆍh6+A7ㆍh7+A8ㆍh8+A9ㆍh9+A10ㆍh10……(A)
단,
Z : 비구면의 깊이(㎜)
h : 광축으로부터 렌즈면까지의 거리(높이)(㎜)
K : 이심율
C : 근축곡률 = 1/R(R : 근축곡률반경)
Ai : 제 i 차의 비구면계수
도 7은 상기 각 조건식에 관한 값을 각 실시예에 대해서 정리한 것을 나타낸다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 실시예의 값이 각 조건식의 수치 범위내로 되어 있다.
도 8(A) ∼ 도 8(C)는 제 1 실시예에 의한 단초점 렌즈에 있어서의 구면수차, 비점수차, 및 디스토션(왜곡 수차)을 나타낸다. 각 수차도에는 d선을 기준파장으로 한 수차를 나타내지만, 구면 수차도에는 g선(파장 : 435.8nm), C선(파장 : 656.3nm)에 관한 수차도 나타낸다. 비점 수차도에 있어서, 실선은 사지탈 방향(sagittal direction), 파선은 탄젠셜 방향(tangential direction)의 수차를 나타낸다. ω는 반화각을 나타낸다. 마찬가지로, 제 2 실시예에 의한 단초점 렌즈에 대한 모든 수차를 도 9(A) ∼ 도 9(C)에 나타낸다.
이상의 각 수치 데이터 및 각 수차도로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 실시예에 대해서, 적은 렌즈 매수이면서, 양호하게 수차 보정이 되어, 콤팩트한 렌즈계가 실현되어 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태 및 각 실시예에 한정되지 않고 다양한 변형 실시가 가능하다. 예컨대, 각 렌즈 성분의 곡률반경, 면간격, 및 굴절율의 값 등은 상기 각 수치 실시예로 제시한 값에 한정되지 않고, 다른 값을 취할 수 있다.
본 발명의 단초점 렌즈에 의하면, 물체측으로부터 순서대로, 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 정의 파워의 제 1 렌즈와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 오목면 형상으로 한 부의 메니스커스 렌즈의 제 2 렌즈와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 비구면 렌즈의 제 3 렌즈를 구비하고, 또한, 소정의 조건식을 충족시켜서 콤팩트성을 확보하면서 각 렌즈의 초재의 최적화를 꾀하도록 했으므로, 3장이라는 적은 렌즈 매수이면서, 고성능의 콤팩트한 렌즈계를 실현할 수 있다.

Claims (2)

  1. 물체측으로부터 순서대로 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 정의 파워의 제 1 렌즈와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 오목면 형상으로 한 부의 메니스커스 렌즈의 제 2 렌즈와, 근축상에 있어서 물체측의 면을 볼록면 형상으로 한 비구면 렌즈의 제 3 렌즈를 구비하고; 또한, 이하의 조건을 만족하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 단초점 렌즈.
    1.5 > f1/f > 0.6 …… (1)
    69 < νdA …… (2)
    55 < νdB < 59 …… (3)
    1.55 > NdA …… (4)
    1.55 > NdB > 1.48 …… (5)
    1.8 > L/D …… (6)
    0.30 < RA/f < 0.40 …… (7)
    단,
    f : 전체의 촛점거리
    f1 : 제 1 렌즈의 촛점거리
    νdA : 제 1 렌즈의 아베수
    νdB : 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 아베수
    NdA : 제 1 렌즈의 d선에 있어서의 굴절율
    NdB : 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 d선에 있어서의 굴절율
    RA : 제 1 렌즈의 물체측의 면의 근축곡률반경
    L : 제 1 렌즈의 물체측의 면으로부터 결상위치까지의 광축상의 거리
    D : 최대 상 높이
  2. 제 1 항에 있어서,
    광축상에 있어서 상기 제 1 렌즈의 상측의 면보다도 물체측에 배치된 조리개를 더 구비한 것을 특징으로 하는 단초점 렌즈.
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