KR101089326B1

KR101089326B1 - 광각 카메라용 광학계

Info

Publication number: KR101089326B1
Application number: KR1020090099875A
Authority: KR
Inventors: 박규흠
Original assignee: 주식회사 나오텍
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-12-02
Also published as: KR20110042983A

Abstract

본 발명은 광각 카메라용 광학계에 관한 것으로서, 이 광각 카메라용 광학계는 물체측에 볼록면을 갖고, 상(像)측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈의 일정간격으로 이격되어 배열되고, 물체측으로 볼록면을 갖고, 상측으로 무한대 곡률을 갖는 제2 렌즈와, 상기 제2 렌즈의 상측 상에 구비되고, 상기 제2 렌즈로부터 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개와, 상기 조리개의 상측 상에 배열되고, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율 렌즈인 제3 렌즈 및 상기 제3 렌즈의 상측 상에 배열되고, 물체측으로 오목면을 갖고, 상측으로 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제4 렌즈를 포함한다. 본 발명에 의하면, 왜곡된 형상으로 보여지는 피사체 영상을 실체 피사체의 형상에 근접시킬 수 있다.

Description

광각 카메라용 광학계{OPTICAL SYSTEM FOR WIDE ANGLE CAMERA}

본 발명은 광각 카메라용 광학계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓은 시야각에 비해 주변부의 왜곡 효과가 우수한 광각 카메라용 광학계에 관한 것이다.

일반적인 광각 카메라(wide angle camera)는 화각(대각)이 85도가 넘는 렌즈를 사용하는 넓은 범위의 촬영에 적합한 카메라이며, CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 CCD 카메라 및 CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)를 이용한 CMOS 카메라를 그 예로 들 수 있다.

하지만, 일반적인 광각 카메라는 상술한 바와 같이 화각(대각)이 85도가 넘는 렌즈 즉, 85도 ~ 90도 가량의 화각을 갖는 제품은 왜곡수차에 의해 그 왜곡 값이 Optical Distortion 기준으로 -40%~-50% 가량 된다. 이 경우, 그 왜곡 값이 커 영상에서 볼 때, 영상 주변부에 위치하는 피사체가 휘어져 보이므로 정확한 피사체 확인이 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 왜곡된 형상으로 보여지는 피사체 영상을 실체 피사체의 형상에 근접시킬 수 있는 광각 카메라용 광학계를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광각 카메라용 광학계는 물체측에 볼록면을 갖고, 상(像)측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈의 일정간격으로 이격되어 배열되고, 물체측으로 볼록면을 갖고, 상측으로 무한대 곡률을 갖는 제2 렌즈와, 상기 제2 렌즈의 상측 상에 구비되고, 상기 제2 렌즈로부터 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개와, 상기 조리개의 상측 상에 배열되고, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율 렌즈인 제3 렌즈 및 상기 제3 렌즈의 상측 상에 배열되고, 물체측으로 오목면을 갖고, 상측으로 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제4 렌즈를 포함한다.

여기서, 상기 제1 렌즈는 비구면 렌즈로 구현되고, 상기 제1 렌즈의 볼록면은 중심부분이 무한대의 곡률을 가지며, 주변영역이 유한의 곡률을 갖는다. 이때, 상기 제1 렌즈의 볼록면의 비구면 계수값은, K: 0.000000, A: 0.669354E-02, B: -.510069E-03, C: 0.204051E-04, D: -.355027E-06, E: -.770581E-17이고, 상기 제1 렌즈의 오목면의 비구면 계수값은, K: -1.267777, A: 0.140382-01, B: 0.198786E-02, C: -.259906E-03, D: 0.249678E-04로 설정될 수 있다.

본 발명에 의하면, 광각의 시야각을 확보하고, 동시에 왜곡이 거의 없는 광학 특성을 제공함으로써, 왜곡된 형상으로 보여지는 피사체의 영상을 실제 피사체의 형상에 근접하도록 나타낼 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광각 카메라용 광학계의 배열상태를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 1에 도시된 'T'는 본 발명의 일실시예에 따른 광학계의 첫 번째 제1 렌즈(10)에서 마지막 제4 렌즈(40)까지의 거리를 일컫는 광학 전장을 의미하고, 'B'는 상기 제4 렌즈(40)의 볼록면(S8)에서 초점까지의 후면 초점거리(back focallength)를 의미하고, 본 실시예에서는 상기 T가 12.73mm이고, 상기 B가 3.15mm로 가정한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광각 카메라용 광학계는 순차적으로 배열된 제1 렌즈(10), 제2 렌즈(20), 제3 렌즈(30) 및 제4 렌즈(40)를 포함하며, 조리개(50), 윈도우 글라스(60) 및 이미지 촬상 소자(70)를 더 포함한다.

구체적으로, 상기 제1 렌즈(10)는 음(-)의 배율 렌즈로서, 물체측에 비구면인 볼록면(S1)을 갖고, 상(像)측으로는 오목면(S2)을 가지며, 재질로는 플라스틱 또는 유리재질로 구현될 수 있으나, 본 실시예에서는 양상성 및 경량화를 고려하여 플라스틱 재질로 구현된다. 특히 상기 제1 렌즈는 비구면 렌즈로서, 상기 제1 렌즈(10)의 볼록면(S1)을 정면에서 바라볼 때, 중심영역(C)과 주변영역으로 나눌 수 있다. 이때 중심영역(C)은 실질적으로 평면에 가까와 무한의 곡률을 가지며, 주변영역은 유한의 곡률을 갖는다. 즉, 중심 영역(C)과 주변 영역(P)의 곡률이 서로 다르게 형성함으로써, 왜곡된 형상으로 나타나는 피사체 영상을 실제 피사체의 형상에 근접하도록 나타내줄 수 있다.

상기 제2 렌즈(20)는 구면렌즈로서, 상기 물체측으로 볼록면(S2)을 갖고, 상측으로 무한대 곡률인 상(像)측면(S4)을 가지며, 재질로는 유리 재질로 이루어질 수 있다.

상기 제3 렌즈(30)는 양(+)의 굴절률을 갖는 구면 렌즈로서, 상기 물체측과 상기 상측에 각각 볼록면을 가지며, 재질로는 유리 재질로 이루어질 수 있다.

상기 제4 렌즈(40)는 양(+)의 굴절률을 갖는 구면 렌즈로서, 상기 물체측으로 오목면(S7)을 갖고, 상기 상측으로 볼록면(S8)을 가지며, 재질로는 유리 재질로 이루어질 수 있다.

상기 조리개(50)는 상기 제2 렌즈의 상(像)측 평면 상에 구비되어, 상기 제2 렌즈(20)로부터의 빛을 선택적으로 수렴한다.

상기 윈도우글라스(60)는 상기 제4 렌즈(40)의 상(像)측에 앞에 배치되어, 상기 이미지 촬상소자(70)를 보호하고, 상기 이미지 촬상소자(70)로의 이물질 유입 등을 차단한다.

상기 이미지 촬상소자(70)는 CCD 또는 CMOS 등을 포함한다.

상기 제1 렌즈(10)와 상기 제2 렌즈(20)는 일정간격으로 이격되어 배열되며, 상기 제2 렌즈(20)와 상기 제3 렌즈(30)는 상기 제1 렌즈(10)와 상기 제2 렌즈(20) 간의 일정 간격보다 작은 간격으로 이격되어 배열된다. 여기서, 상기 제1 렌즈(10)는 제1 렌즈(10)는 광각을 특징짓는 화각(시계각)을 결정하는 기능을 한다.

양(+)의 굴절력을 가지며, 구면렌즈인 상기 제3 렌즈(30)와 상기 제4 렌즈(40)는 상기 제3 렌즈(30)의 상측 볼록면(S6)과 상기 제4 렌즈(40)의 오목면(S7)이 면접촉되어, 접합 배열된다. 이러한 접합 배열에 의해 접합부 색수차를 보정하는 기능을 하게 된다.

이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 광각 카메라용 광학계를 구성하는 렌즈 구성들(10, 20, 30, 40)과 이 렌즈들(10, 20, 30, 40)의 배열 상태에 따라 광각의 시야각을 확보하고, 동시에 왜곡이 없는 광학 특성(TV Distortion -3% 이내)을 얻을 수 있다. 그 결과, 왜곡된 형상으로 보여지는 피사체 영상을 실제 피사체의 형상에 근접하도록 나타내준다.

특히 본 발명의 일실시예에 따른 광각 카메라용 광학계에서는, 물체측에 가장 근접한 상기 제1 렌즈(10)를 비구면 렌즈로 구성함으로써, 상기 비구면 렌즈를 통해 특정 형상 즉, 비선형 형상을 구현한다. 이를 통해 왜곡 수차(Distortion Aberration) 보정 상태를 양호하게 할 수 있다. 또한 제1 내지 제4 렌즈(10, 20, 30, 40) 중 제1 렌즈(10)를 플라스틱 재질로 제작하여, 양산성 및 경량화를 향상시킬 수 있다. 본 실시예에서는, 광각을 특정짓는 시계각(화각)을 90도로 선정하였다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에서는, 상기 제1 렌즈(10)의 비구면 구성과 제2 내지 제4 렌즈의 구면 구성을 통해 1매의 비구면 렌즈와 3매의 구면렌즈를 복합적으로 조립하여 구성하고, 적절한 배율의 분배 및 1매의 비구면 렌즈를 플라스틱 재질로 구성함으로써, 생산성 있는 렌즈의 선정으로 양산성 및 경량화를 향상시킬 수 있다.

이하에는 본 발명의 일실시예에 따른 광각 카메라용 광학계의 광학작용을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 광각 카메라용 광학계의 비구면 렌즈에 관한 새그(Sag)를 설명하기 위해 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 의한 광각 카메라용 광학계에 있어서, 구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광학에서의 높이가 Y인 경우 비구면에서 새그(Sag) Xa와 구면에서의 새그(Sag) Xo를 도시한 그래프이다.

비구면렌즈에서 새그 Xa와, 구면렌즈에서 새그 Xo를 비교하여 보면 다음의 수학식 1(구면렌즈의 경우)과 수학식 2(비구면렌즈의 경우)로 나타낼 수 있다.

여기서, C는 곡률(C=1/R; R은 렌즈의 반경), Y는 높이, K는 코닉 상수(conic constant)이고, AD/AE/AF/AG는 비구면 계수를 각각 나타낸다.

이러한 수학식과 앞서 설명한 렌즈들의 구성 및 렌즈들의 배열을 통해 광각의 시야각을 화복하고, 동시에 왜곡이 거의 없는 (TV Distortion -3% 이내) 광학 특성을 향상시킬 수 있다

아래의 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 데이터를 나타낸 것으로서, 렌즈의 곡률반경, 중심 간격, 렌즈의 굴절률 및 재질을 나타낸 것이다.

렌즈면	곡률 반경	중심간격	굴절률	재 질	비고
S1	100.0	0.7	1.53	Plastic	비구면
S2	2.5258	5.5			비구면
S3	3.9725	2.5761	1.69	Glass	구면
S4	Infinity	1.0533			조리개
S5	6.60	0.10	1.69	Glass	구면
S6	-2.9154	0.6
S7	-2.40	0.8	1.84	Glass	구면
S8	-6.60	0.8
S9	Infinity	1.6493	1.51	Glass	구면
S10	Infinity	-0.0982

여기서, 상기 렌즈면 S9는 도 1에 도시된 제4 렌즈(40)의 볼록면과 마주하는 윈도우글라스(60)의 제1 면이고, 상기 렌즈면 S10은 상기 제1 면의 반대측인 제2 면이다.

또한 제1 렌즈(10)의 S1(볼록면)와 S2(오목면)의 비구면 계수값은 아래와 같다.

S1: 100.0

ASP:

K: 0.000000

A: 0.669354E-02

B: -.510069E-03

C: 0.204051E-04

D: -.355027E-06

E: -.770581E-17

S2: 2.52584

ASP:

K: -1.267777

A: 0.140382-01

B: 0.198786E-02

C: -.259906E-03

D: 0.249678E-04

도 3은 광각 카메라용 광학계의 수차 특성을 나타낸 도면으로서, 도 3에서 좌측 그래프는 자오 상면 만곡(T: Tangential Field Curvature) 및 구결 상면 만곡(S: Sagittal Field Curvature)의 수차특성을 도시화한 그래프이고, 오른쪽 그래프는 백분 왜곡(Distortion)을 도시화한 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광각 카메라용 광학계는 자오 상면 수차, 구결 상면 수차 및 백분 왜곡이 양호함을 나타내고 있다. 특히 도 3의 오른쪽에 도시된 백분 왜곡을 도시화한 그래프에서 볼 수 있듯이 광학 왜곡특성을 나타내는 곡선이 -8% 이내로 설정되어, Y축에 거의 수렴함을 알 수 있다. 여기서, 광학 왜곡을 나타내는 곡선이 Y축에 수렴할수록 왜곡 특성은 양호해진다.

결과적으로, 도 1에 도시된 렌즈들의 구성 및 배열로부터 광각의 시야각을 확보하고, 동시에 왜곡이 없는 광학 특성(TV Distortion -3% 이내)을 얻을 수 있다. 그 결과, 왜곡된 형상으로 보여지는 피사체 영상을 실제 피사체의 형상에 근접하도록 나타내줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광각 카메라용 광학계의 배열상태를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 광각 카메라용 광학계의 비구면 렌즈에 관한 새그(Sag)를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 3은 광각 카메라용 광학계의 수차 특성을 나타낸 도면이다.

Claims

물체측에 볼록면을 갖고, 상(像)측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈인 제1 렌즈;

상기 제1 렌즈와 일정간격으로 이격되어 배열되고, 물체측으로 볼록면을 갖고, 상측으로 무한대 곡률을 갖는 제2 렌즈;

상기 제2 렌즈의 상측 상에 배열되고, 상기 제2 렌즈로부터 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개;

상기 조리개의 상측 상에 배열되고, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양의 배율 렌즈인 제3 렌즈; 및

상기 제3 렌즈의 상측 상에 배열되고, 물체측으로 오목면을 갖고, 상측으로 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제4 렌즈

를 포함하는 광각 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 비구면 렌즈인 것인 광각 카메라용 광학계.
제2항에 있어서, 상기 제1 렌즈의 볼록면은 중심부분이 무한의 곡률을 가지며, 주변영역이 유한의 곡률을 가지는 것인 광각 카메라용 광학계.
제2항에 있어서, 상기 제1 렌즈의 볼록면의 비구면 계수값은,

K: 0.000000, A: 0.669354E-02, B: -.510069E-03, C: 0.204051E-04, D: -.355027E-06, E: -.770581E-17이고,

상기 제1 렌즈의 오목면의 비구면 계수값은,

K: -1.267777, A: 0.140382-01, B: 0.198786E-02, C: -.259906E-03, D: 0.249678E-04인 것인 광각 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 플라스틱 재질인 것인 광각 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제2 내지 제4 렌즈는 유리 재질인 것인 광각 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제3 렌즈와 상기 제4 렌즈는 접합 배열되어 있는 것인 광각 카메라용 광학계.
제7항에 있어서, 상기 제3 렌즈의 볼록면과 상기 제4 렌즈의 오목면이 면접촉되어 있는 것인 광각 카메라용 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제1 렌즈의 볼록면 및 오목면의 각 곡률 반경은 100.0 및 2.5258이고,

상기 제2 렌즈의 볼록면의 곡률 반경은 3.9725이고,

상기 제3 렌즈의 물체측 볼록면과 상측 볼록면의 각 곡률 반경은 6.60 및 -2.9154이고,

상기 제4 렌즈의 오목면과 볼록면의 각 곡률 반경은 -2.40 및 -6.60인 것인 광각 카메라용 광학계.
제9항에 있어서,

상기 제1 렌즈의 굴절률은 1.53이고,

상기 제2 렌즈의 굴절률은 1.69이고,

상기 제3 렌즈의 굴절률은 1.69이고,

상기 제4 렌즈의 굴절률은 1.84인 것인 광각 카메라용 광학계.
제10항에 있어서, 상기 제4 렌즈의 상측 상에 배열되어, 물체측과 상측에 각각 무한대의 곡률을 갖는 윈도우 글라스를 더 포함하고,

상기 제4 렌즈의 볼록면과 마주하는 상기 윈도우 글라스의 면의 굴절률은 1.51인 것인 광각 카메라용 광학계.