KR100906842B1 - 광학계 - Google Patents

Abstract

광학계가 제공된다. 본 발명은 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제2렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 물체측으로부터 상측으로 순차적으로 포함하며, C10=0, │R8│>│R7│(단, C10은 제4렌즈의 상측면의 곡률, R7은 제3렌즈의 상측면의 곡률반경, R8은 제4렌즈의 물체측면의 곡률반경)의 조건식을 만족한다. 본 발명에 의하면 별도의 적외선 필터를 구비하지 구비하지 않으면서 적외선 차단이 수행되며 고해상도를 구현할 수 있다는 효과가 있다.

광학계, 렌즈, 광학 시스템, 왜곡수차, 굴절력, 적외선필터, 초점, 아베수.

Description

광학계 {Optical system}

도 1 및 도 2는 종래 광학계의 구조를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구조를 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수차 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 제1렌즈 200 제2렌즈

300 제3렌즈 400 제4렌즈

401 제4-1렌즈성분 402 제4-2렌즈성분

500 상면 S 조리개

본 발명은 광학계에 관한 것이다.

최근 휴대전화기나 이동통신단말기에 CCD(Charged Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)와 같은 고체 촬상소자를 이용한 콤팩트한 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라가 내장되고 있다. 이러한 촬상소 자는 소형화되는 추세이고, 이에 따라 촬상소자에 사용되는 광학계도 고성능이면서 소형화가 요구되고 있다.

요즘 고화소의 광학계에 요구되는 스펙이 높아지면서 광학계를 구성하는 렌즈의 매수가 증가하게 되고, 이에 따라 제작비용이 상승하고 있다. 이처럼 광학계에 많은 매수의 렌즈들이 사용되면서, 유리 재질의 렌즈가 사용되는 경우에는 광학계의 부피와 길이가 증가하게 되므로 제품의 경박단소화에 걸림돌이 되고 있는 실정이다.

도 1 및 도 2는 종래 광학계의 구조를 보여주는 도면이다.

도 1에서 종래 광학계는 물체측으로부터 상측으로 순차적으로 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈(L1), 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈(L2), 양면이 모두 비구면이고 상측면의 최대 새그(sag) 값이 렌즈면의 정점보다 큰 제3렌즈(L3), 양면이 모두 비구면이고 물체측면의 최대 새그 값이 렌즈면의 정점보다 큰 제4렌즈(L4)와, 적외선 차단 기능을 하는 적외선필터(IR)를 포함하여 구성된다.

도 1의 종래 광학계는 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

R_3R>R_4F>0 (종래식1)

PH_3R>PH_4F (종래식2)

여기서, R_3R는 제3렌즈(L3)의 광축에서의 상측면의 곡률반경이고, R_4F는 제4렌즈(L4)의 광축에서의 물체측면의 곡률반경이고, PH_3R은 제3렌즈(L3)의 상측면에서 의 최대 새그 데이터이고, PH_4F는 제4렌즈(L4)의 물체측면에서의 최대 새그 데이터이다.

한편, 도 2에서 종래 광학계는 물체측 가장 가까이에 개구조리개(SA)가 배치되고, 이후 물체측으로부터 상면측 전방까지 순서대로 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈(L11), 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈(L22), 정의 굴절력을 갖는 제3렌즈(L33) 및 부의 굴절력을 갖는 제4렌즈(L44)를 포함하며, 제1렌즈(L11) 내지 제4렌즈(L44)의 굴절면 중에서 적어도 3개의 굴절면이 비구면으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 도 2의 종래 광학계에서 적어도 3매의 렌즈는 플라스틱 재질로 구성된다.

도 2의 종래 광학계는 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

0.4<f1/F<0.7 (종래식3)

TL/F<1.4 (종래식4)

여기서 f1은 제1렌즈(L11)의 유효초점거리이고, F는 렌즈시스템 전체의 유효초점거리이고, TL은 개구조리개로부터 상면까지의 거리이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래 고화소의 촬상소자를 갖는 소형 단말기에 사용되는 광학계는 보통 4매의 렌즈로 구성되나, 렌즈의 굴절력 배치가 한정적이고, 후초점거리(Back Focal Length)의 길이가 충분히 확보되지 않아서 왜곡수차의 보정 및 적외선 필터의 삽입이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 별도의 적외선 필터를 사용하지 않으면서 고 해상도를 얻을 수 있고, 소형으로 제작하기에 적합하며 제작비용을 줄일 수 있는 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제2렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 물체측으로부터 상측으로 순차적으로 포함하며, C10=0, │R8│>│R7│(단, C10은 제4렌즈의 상측면의 곡률, R7은 제3렌즈의 상측면의 곡률반경, R8은 제4렌즈의 물체측면의 곡률반경)의 조건식을 만족한다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구조를 보여주는 도면이다. 도 3에서 1번부터 10번까지의 번호는 렌즈 각각의 면 번호를 나타낸다. 본 발명의 광학계는 제1렌즈(100), 제2렌즈(200), 제3렌즈(300), 제4렌즈(400)를 물체측으로부 터 상측으로 순차적으로 포함한다.

제1렌즈(100)는 정의 굴절력을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서 제1렌즈(100)는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 도 3에서 제1렌즈(100)는 물체측면이 볼록하게 형성되어 있다.

제2렌즈(200)는 정의 굴절력을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서 제2렌즈(200)는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 도 3에서 제2렌즈(200)는 상측면이 볼록하고, 물체측면이 오목하게 형성되어 있다.

제3렌즈(300)는 부의 굴절력을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서 제3렌즈(300)는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 도 3에서 제3렌즈(300)는 상측면이 오목하게 형성되어 있다.

제4렌즈(400)는 부의 굴절력을 갖는다. 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 제4렌즈(400)는 물체측에 위치하는 제4-1렌즈성분(401)과 상측에 위치하는 제4-2렌즈성분(402)이 접합된 구조로 되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제4-1렌즈 성분(401)은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.

조리개(S)는 제1렌즈(100)와 제2렌즈(200) 사이에 위치하여 광량을 조절하고 불필요한 광을 차단시키는 역할을 한다.

본 발명에서 광학계는 다음 조건식을 만족한다.

C10=0 (1)

│R8│>│R7│ (2)

식 (1), (2)에서 C10은 제4렌즈(400)의 상측면(10)의 곡률, 즉 제4렌즈(400) 의 상측면(10)의 곡률반경의 역수이다. 또한, R7은 제3렌즈(300)의 상측면(7)의 곡률반경, R8은 제4렌즈(400)의 물체측면(8)의 곡률반경이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 제4렌즈(400)는 제4-1렌즈성분(401)과 제4-2렌즈성분(402)이 접합되어 있는 구조로 되어 있다. 이때, 제4-2렌즈성분(402)은 양면이 평면일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 제4렌즈(400)의 상측면(10)에는 적외선 컷오프 코팅(IR cutoff coating) 처리가 될 수 있다. 본 발명에서는 제4렌즈(400)의 상측면(10)에 적외선 컷오프 코팅이 됨으로써, 별도의 적외선 필터가 없어도 적외선 차단 및 결상이 수행될 수 있다.

일반적으로, 광학계에서는 적외선을 차단하기 위한 적외선 필터가 구비되어야 한다. 그러나, 본 발명에서는 전술한 바와 같이, 곡률반경이 무한대인 제4렌즈(400)의 상측면(10)에 적외선 컷오프 코팅 처리를 함으로써, 별도의 적외선 필터가 필요치 않게 된다. 이에 따라 본 발명에서는 후초점거리(Back Focal Length)를 충분히 확보하지 않아도 되므로 전체 광학계의 크기를 소형화할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에서 광학계는 다음 조건식을 만족할 수 있다.

0.8<f1/F<1.00 (3)

식 (3)에서 f1은 제1렌즈(100)의 유효초점거리, F는 렌즈 전체 광학계의 유효초점거리이다.

OAL/F<1.30 (4)

식 (4)에서 OAL은 제1렌즈의 물체측 정점(Vertex point)으로부터 상면까지의 광축상의 거리, F는 렌즈 전체 광학계의 유효초점거리이다.

본 발명의 일 실시예에서 제4렌즈(400)의 제4-1렌즈성분(401)은 다음 조건식을 만족할 수 있다.

1.50<n_4d<1.60 (5)

식 (5)에서 n_4d는 제4-1렌즈성분(401)의 d선에서의 굴절율이다.

27<v_4d<40 (6)

식 (6)에서 v_4d는 제4-1렌즈성분(401)의 d선에서의 아베수이다.

보통 광학계에서는 피사체를 촬상시에 입력되는 상이한 종류의 파장을 갖는 입사광의 영향으로 피사체의 모양이나 형태가 변형되는 다양한 종류의 수차가 발생한다. 예를 들면 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차 등의 수차가 발생되는데, 이와 같은 수차의 발생을 억제할 수 있도록 광학계를 설계하여야 한다.

여기서, 구면수차(Spherical aberration)란 렌즈 또는 구면거울 등에서 피사체의 상을 만들 때 빛의 파장에 의거하여 파사체의 상을 완전히 재현할 수 없는 색수차가 발생하는 현상을 말하는 것으로서, 이와 같은 색수차를 제외한 나머지 수차를 넓은 의미의 구면수차라고 하고, 광축상(光軸上)의 한 점에서 나온 광선속으로 만들어지는 상점(像點)이 다르게 나타나는 수차를 좁은 뜻의 구면수차라고 한다.

또한, 비점수차(Astigmatism)는 넓은 뜻의 구면수차 중의 하나로서, 주축에 서 떨어져 있는 물점(物點)의 상(像)이 완전한 점이 되지 않고 고리 모양 또는 방사상(放射狀)으로 흐릿해지는 현상을 말한다.

또한, 왜곡수차(Distortion)란 피사체의 직선 부분이 휘어져서 결상되는 현상으로 피사체가 실패처럼 안쪽으로 휘거나, 술통처럼 바깥쪽으로 휘어 나타나는 것으로서, 피사체각 부분의 배율은 거리에 비례하여 증가하지만, 전체적인 상은 비례하여 변하지 못하기 때문에 일어나는 현상이다.

도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수차 그래프가 도시되어 있다.

다음 [표 1]은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 데이터를 나타낸 표이다.

[표 1]

No.	곡률반경	d	Nd	Vd
1**	1.54450	0.9400	1.530	55.87
2**	4.34918	0.1000
3	무한대	0.7573
4**	-1.17549	0.9800	1.530	55.87
5**	-1.02799	0.2227
6**	28.58971	0.9500	1.530	55.87
7**	2.52683	0.3000
8**	-139.68938	0.1300	1.516	29.17
9	무한대	0.3000	1.523	39.07
10	무한대

[표 1]에서 No는 면번호, d는 렌즈면 간격, Nd는 d선에 대한 굴절률, Vd는 아베수를 각각 나타내고, 면번호의 **표시는 비구면 렌즈를 나타낸다.

본 발명에서 비구면 정의식은 다음과 같다.

(단, z는 광학면의 정점으로부터 광축에 따른 거리, y는 광축에 수직한 방향으로의 거리, c는 광학면의 정점에서의 곡률반경, K는 코닉 계수(conic coefficient), D, E, F, G, H, I, J...는 비구면 계수임)

다음 [표 2]는 본 발명의 제1실시예에 따른 각 비구면에 대한 비구면 계수를 나타낸 표이다.

[표 2]

No.	k	D	E	F	G	H
1	0.200427	-0.553401E-04	-0.381749E-02	0.718627E-02	-0.494564E-02
2	3.520415	0.830812E-02	-0.132236E-01
4	-1.058717	-0.204597E+00	0.217776E+00	-0.862033E+00	0.126894E+01	-0.837300E+00
5	-0.495234	0.888336E-01	-0.355312E-01	0.524882E-01	-0.227258E-01	0.863553E-02
6	-80.013214	-0.820626E-02	0.803874E-02	-0.183292E-02	0.200422E-03	-0.929528E-05
7	-15.801008	-0.319191E-01	0.561034E-02	-0.455346E-03	0.147159E-04	-0.107906E-05
8	0.000000	-0.923632E-03	0.117585E-02	-0.131088E-03

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수차 그래프이다.

도 4 (a)는 구면수차(Spherical aberration)를 도시한 그래프이고, 도 4 (b)는 비점수차(Astigmatism)를 도시한 그래프이고, 도 4 (c)는 왜곡수차(Distortion)를 도시한 그래프이다.

도 4에서는 빛의 각 파장에 따른 수차 그래프를 색으로 구분하여 도시하고 있다. 즉, 도 4에서 파장이 656.2725[nM]인 경우는 붉은색으로 표시되어 있고, 파장이 587.5618[nM]인 경우는 초록색으로 표시되어 있고, 파장이 572.0000[nM]인 경우는 하늘색으로 표시되어 있고, 파장이 546.0740[nM]인 경우는 파란색으로 표시되어 있고, 파장이 435.8343[nM]인 경우는 보라색으로 표시되어 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 별도의 적외선 필터를 구비하지 구비하지 않으면서 적외선 차단이 수행되며 고해상도를 구현할 수 있고, 제작비용을 줄일 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 후초점거리(Back Focal Length)를 충분히 확보하지 않아도 되므로 전체 광학계의 크기를 소형화할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈,

   정의 굴절력을 갖는 제2렌즈,

   부의 굴절력을 갖는 제3렌즈,

   부의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 물체측으로부터 상측으로 순차적으로 포함하며,

   C10=0, │R8│>│R7│

   (단, C10은 제4렌즈의 상측면의 곡률, R7은 제3렌즈의 상측면의 곡률반경, R8은 제4렌즈의 물체측면의 곡률반경)

   0.8<f1/F<1.00

   (단, f1은 제1렌즈의 유효초점거리, F는 렌즈 전체 광학계의 유효초점거리)

   의 조건식을 만족하는 광학계.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,

   상기 제4렌즈의 상측면에 적외선 컷오프 코팅(IR cutoff coating) 처리가 되어 있는 광학계.
8. 제5항에 있어서,

   OAL/F<1.30

   (단, OAL은 제1렌즈의 물체측 정점(Vertex point)으로부터 상면까지의 광축상의 거리, F는 렌즈 전체 광학계의 유효초점거리)

   의 조건식을 만족하는 광학계.
9. 제5항에 있어서,

   1.50<n_4d<1.60

   (단, n_4d는 제4-1렌즈성분의 d선에서의 굴절율)

   의 조건식을 만족하는 광학계.
10. 제5항에 있어서,

    27<v_4d<40

    (단, v_4d는 제4-1렌즈성분의 d선에서의 아베수)

    의 조건식을 만족하는 광학계.
11. 제5항에 있어서,

    상기 제1렌즈 내지 제3렌즈 중 어느 하나는 플라스틱 재질로 구성되는 광학계.
12. 제5항에 있어서,

    상기 제1렌즈는 물체측면이 볼록하게 형성되는 광학계.
13. 제5항에 있어서,

    상기 제2렌즈는 상측면이 볼록하게 형성되는 광학계.
14. 제13항에 있어서,

    상기 제2렌즈는 물체측면이 오목하게 형성되는 광학계.
15. 제5항에 있어서,

    상기 제3렌즈는 상측면이 오목하게 형성되는 광학계.

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