KR101093491B1

KR101093491B1 - 광각 카메라용 광학계

Info

Publication number: KR101093491B1
Application number: KR1020090055158A
Authority: KR
Inventors: 이준호; 손영관
Original assignee: (주)위오
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-12-13
Also published as: KR20100136832A

Abstract

본 발명은 광각 카메라용 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 협소한 공간에서도 장착이 용이하고, 광학 성능이 향상된 광각 카메라용 광학계를 제공하는 것이다.

이를 위한 본 발명은 양측이 구면이고, 물체측(Object)으로 볼록면과 상측(Image plane)으로 오목면을 갖는 음(-)의 배율의 제 1렌즈와, 양측이 비구면이고, 물체측으로 볼록면과 상측으로는 오목면을 갖는 음(-)의 배율로, 상기 볼록면이 상기 제 1렌즈의 오목면에 접촉되게 배열되는 제 2렌즈와, 양측이 비구면이고, 물체측으로 오목면과 상측으로 볼록면을 갖는 양(+)의 배율로, 상기 제 2렌즈와 일정 거리 이격되게 배열되는 제 3렌즈와, 양측이 비구면이고, 상측으로 볼록면을 갖는 양(+)의 배율의 제 4렌즈와, 양측이 구면이고, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양(+)의 배율의 제 5렌즈와, 양측이 구면이고, 물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음(-)의 배율의 제 6렌즈의 순서로 물체측으로부터 상측으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

광각, 카메라, 광학계, 구면렌즈, 비구면렌즈

Description

광각 카메라용 광학계{Optical system for wide angle camera}

본 발명은 광각 카메라용 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 주로 차량 안전시스템, 특히 후방카메라에 적용되며, 협소한 공간에서도 장착이 용이하고, 주변 광량의 확보가 우수한 것으로써 카메라 제품의 경량, 소형화, 차량의 디자인 경쟁력 및 고품질 영상 등을 실현할 수 있는 광각 카메라용 광학계에 관한 것이다.

일반적으로 광각 카메라는 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 CCD 카메라 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 CMOS 카메라와 같이 넓은 범위의 촬영에 적합한 카메라를 나타내는 데, 이러한 광각 카메라에는 보통 화각이 85도 이상인 렌즈가 사용된다.

구면렌즈를 사용하는 광학계 제품의 경우, 전체 광학계 길이(Total track)에 대한 소형화 문제, 필드(field)에서 요구되는 광각렌즈의 미실현, 수차보정 문제, 특히 상면만곡이나 왜곡수차의 보정, 그리고 주변광량의 저하 등의 문제점이 있어, 이를 보정하기 위하여 비구면 렌즈 광학계를 이용한 제품이 사용되었으나, 카메라의 광학성능을 크게 향상시키기에 아직 역부족이라는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 공개특허공보 공개번호 특2003- 90957에는 구면 렌즈와 비구면 렌즈로 조합 배열된 광각 카메라용 광학계를 제시하고 있다. 동 공보에는 6매의 순차 배열된 광학 렌즈에서 네 번째 배열된 제 4렌즈를 비구면 렌즈로 한 것으로, 즉 5매의 구면렌즈 및 1매의 비구면 렌즈로 조합 배열된 광각 카메라용 광학계에 대한 기술이 공개되어 있다.

그러나, 상기 선행 공보에 공개된 광각 카메라용 광학계 역시 상면만곡, 코마수차, 구면수차, 왜곡수차 등에서의 수차 보정 문제가 여전히 개선되지 않고 있는 실정이다.

따라서, 협소한 공간에서도 장착이 용이하고, 주변 광량의 확보가 우수한 렌즈를 개발함으로써, 카메라 제품의 경량, 소형화, 차량의 디자인 경쟁력 및 고품질 영상을 실현할 수 있도록 하기 위한 새로운 방안이 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 주로 차량 안전시스템, 특히 후방카메라에 적용되며, 협소한 공간에서도 장착이 용이하고, 주변 광량의 확보가 우수한 것으로써 카메라 제품의 경량, 소형화, 차량의 디자인 경쟁력 및 고품질 영상 등을 실현할 수 있음과 동시에 광학 수차가 향상된 광각 카메라용 광학계를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 양측이 구면이고, 물체측(Object)으로 볼록면과 상측(Image plane)으로 오목면을 갖는 음(-)의 배율의 제 1렌즈; 양측이 비구면이고, 물체측으로 볼록면과 상측으로는 오목면을 갖는 음(-)의 배율로, 상기 볼록면이 상기 제 1렌즈의 오목면에 접촉되게 배열되는 제 2렌즈; 양측이 비구면이고, 물체측으로 오목면과 상측으로 볼록면을 갖는 양(+)의 배율로, 상기 제 2렌즈와 일정 거리 이격되게 배열되는 제 3렌즈; 상기 제 3렌즈로부터의 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개; 양측이 비구면이고, 상측으로 볼록면을 갖는 양(+)의 배율의 제 4렌즈; 양측이 구면이고, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양(+)의 배율의 제 5렌즈; 및 양측이 구면이고, 물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음(-)의 배율의 제 6렌즈의 순서로 배열된다.

이 때, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈가 플라스틱 비구면 렌즈인 것이 바람직할 수 있다.

여기서, 제 6렌즈는 곡률이 R44에서 R123.8의 범위 내에서 선택적으로 교체 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.

전체 광학계의 초점거리를 f, 후면 초점거리를 B라 할 때, 0≤B/f(1.23595)≤2.20인 조건을 만족하고, 상기 제 3렌즈의 비구면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xo, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xa라 하면, Xa - Xo > 0인 조건을 만족하며, 상기 제 1렌즈에서 마지막 제 6렌즈까지의 거리를 T, 전체 광학계의 초점거리를 f라 할 때, T/f ≤ 7.22인 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 전체 광학계의 초점거리를 f, 후면 초점거리를 B라 할 때, 0≤B/f(1.240)≤2.29인 조건을 만족하고, 상기 제 3렌즈의 비구면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xo, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xa라 하면, Xa - Xo > 0인 조건을 만족하며, 상기 제 1렌즈에서 마지막 제 6렌즈까지의 거리를 T, 전체 광학계의 초점거리를 f라 할 때, T/f ≤ 7.0089인 조건을 만족하는 것이 좋을 수 있다.

특히, 상기 제 2렌즈와 제 3렌즈는 1.8 ~ 2.3mm로 서로 이격 배치되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 광각 카메라용 광학계에 따르면, 협소한 공간에도 장착이 용이하게 함은 물론 설치 제품의 디자인 경쟁력 향상에도 도움이 되고, 부차적인 소프트웨어(Software) 보정 개발 작업비용, 기간 및 Load 등을 경감시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 광학 수차가 종래에 비하여 현저히 개선되어 렌즈의 중심과 주변의 밝 기차이를 해소하고, 넓은 화각과 수차 보정을 통해 물체의 선명한 상을 얻을 수 있으며, 제품의 소형화, 경량화 및 생산원가의 절감 등을 실현할 수 있다는 등의 추가적인 장점도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광각 카메라용 광학계의 배열상태를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광각 카메라용 광학계는 물체면(Object Plane)에 볼록면(Convex)을 갖고 상면(Imager Plane)으로는 오목 면(Concave)을 갖는 음(-)의 배율인 제 1렌즈(10); 양측이 비구면이고 음(-)의 배율인 제 2렌즈(20); 물체측에 오목면과 상측에 볼록면을 갖고 양측이 비구면이며 양(+)의 배율인 제 3렌즈(30); 제 3렌즈로부터의 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개(70); 양측이 비구면이고 양(+)의 배율인 제 4렌즈(40); 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양(+)의 배율인 제 5렌즈(50); 및 물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음(-)의 배율을 갖는 제 6렌즈(60) 및 선택적으로 구성할 수 있는 필터(적외선 차단필터(IR cut-off filter)), 근적외선 투과필터(NIR), 특정파장대역 투과 필터(BAND-PASS FILTER)) 등을 포함한다.

여기서 제1렌즈(10)와 비구면인 제2렌즈(20)는 렌즈와 렌즈간 접촉면이 서로 밀착(Edge Contact)되는 것이 바람직하고, 비구면인 제2렌즈(20)와 비구면인 제3렌즈(30)는 일정간격으로 이격 배열되며, 비구면인 제3렌즈(30)의 상측면(R6)에는 조리개(70)가 배열되는 것이 좋을 수 있다.

또한, 비구면인 제 3렌즈(30)와 비구면인 제 4렌즈(40)는 일정간격으로 이격 배열되고, 구면이면서 양(+)의 배율을 갖는 제5렌즈(50)와 음(-)의 배율을 갖는 제6렌즈(60)사이가 일정간격으로 이격 배열되는 것이 바람직할 수 있는데, 여기에 선택적 필터 구성을 위한 윈도우 글라스(80)와 제 6렌즈(60)의 사이 또한 모서리 접촉(Edge contact)되어 일정간격으로 배열되는 것이 좋을 수 있다.

이 때, 촬상소자(90)는 CMOS 및 CCD Imager 등을 포함하며, 촬상소자(90)의 상부에 윈도우 글라스(80)가 부착되는 것이 가능하다.

또한, 입사동 위치(Entrance Pupil Position)가 3.038mm이며, 출사동 위치(Exit Pupil Position)는 4.97mm, 후면 초점거리(Back focal length)가 2.20mm, 초점거리(Focal length)가 1.78mm로 설계되는 것이 좋을 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 3매의 구면렌즈와 3매의 비구면 렌즈 및 윈도우 글라스(Window Glass, 80)를 조합 배열하여 적절한 배율 분배 및 생산성 있는 재질을 선정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 광각 카메라용 광학계는, 구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우, 비구면에서 새그(Sag) Xo를 비교하여 보면 다음 수학식과 같다.

여기서 곡률 C는 곡률(C=1/R;R는 렌즈의 곡률반경), Y는 높이, K는 코닉상수 (Conic constant) 및 AD,AE,AF,AG는 비구면 계수를 각각 나타낸다.

이하, <표 1> 및 <표 2>는 본 발명에 따른 일 실시예 및 다른 실시예에 의한 광학계의 데이터를 나타낸 것으로써, 렌즈의 곡률반경, 중심간격, 렌즈의 굴절률 및 렌즈의 분산계수 등을 나타내는 것이다.

[표 1]
▶ 1차 발명에 따른 광학계의 데이터

도 3 내지 도 7은 본 발명에 일 실시예에 따른 광각 카메라용 광학계의 수차 특성을 나타낸 도면으로써, 자오상면 수차와 구결상면 수차를 각각 광축상에서 도 시화하였으며, 또한, 자오상면 만곡(T: Tangential Field Curvature), 구결상면 만곡(S:Sagital Field Curvature) 및 백분왜곡(Distortion)을 도시화하였다.

[표 2]

▶ 2차 발명에 따른 광학계의 데이터

또한, 도 8 내지 도 12는 본 발명에 다른 실시예에 따른 광각 카메라용 광학계의 수차 특성을 나타낸 도면으로써, 도 3 내지 도 7과 마찬가지로, 자오상면 수차와 구결상면 수차를 각각 광축상에서 도시화하였으며, 또한, 자오상면 만곡(T: Tangential Field Curvature), 구결상면 만곡(S:Sagital Field Curvature) 및 백분왜곡(Distortion)도 도시화하였다.

1차 기본발명과 2차 기본발명은 제 6렌즈의 곡률만을 서로 다르게 변경한 것을 제외하고는 각 렌즈 간의 배치와 각 렌즈의 광학 데이터는 동일하게 구성한 것 이다. 즉, 2차 기본발명은 1차 기본발명에서 제 6렌즈를 제외한 나머지 렌즈는 동일한 조건으로 구성 및 배치하고 제 6렌즈의 곡률만을 R123.8에서 R44로 변경한 것이다.

제 6렌즈의 곡률을 서로 다르게 변경한 1차 기본발명과 2차 기본발명은 미세한 수치의 차이를 갖는다.

즉, 도 3 내지 도 7에 도시된 1차 기본발명의 광학 수차와 도 8 내지 도 12에 도시된 2차 기본발명의 광학 수차를 비교해 보면, 먼저 비점수차 곡률의 경우 1차 발명은 -12.15, 2차 발명은 -10.60로 1.55의 차이가 있다. 상면만곡의 경우에는 1차 발명 3.91, 2차 발명 2.97로 0.94의 차이를 보이고, 구면수차의 경우 1차 발명 -2.57, 2차 발명 -2.1로 0.47의 차이를 보인다. 마지막으로 왜곡수차는 1차 발명 2차 발명이 각각 -34.32%, -32.90%로 1.42%의 차이가 난다.

이와 같이, 본 발명에 따른 구성은 제6렌즈의 곡률이 서로 다르더라도 광학 수차들이 아주 미세한 차이로 허용할 수 있는 범위를 만족하는 것으로, 즉 본 발명의 조건을 대부분 동시에 만족하는 것으로 신제품 개발 비용 절감 및 제품 공용화를 통한 생산원가 절감까지 실현되는 이점이 있게 된다.

한편, 광학계에서 왜곡수차는 상 거리와 물체거리가 비슷할 때 최소가 될 수 있다. 따라서, 일반적인 광학계에서는 렌즈의 형상과 굴절능의 배치 및 조리개의 위치 등을 조정함으로써 왜곡수차를 보정하는 것이 가능하다.

이에 본 발명은 양(+)의 배율을 갖는 플라스틱 비구면 제 3렌즈 및 제 4렌즈 와 음(-)의 배율을 갖는 플라스틱 비구면 제2렌즈를 배치함으로써 구면수차 및 자 오상면 수차의 양호한 보정 상태를 가져다 줄 수 있으며, 또한 중심뿐만 아니라 주변의 밝기도 향상시키는 것이 가능하다.

다시 말해, 본 발명은 3매의 구면렌즈와 양(+)의 굴절률을 가진 3매의 플라스틱 비구면 렌즈(3D, 5D,7D)를 배치함으로써 구면수차 및 자오상면수차를 보정하여 광학성능을 향상시킬 수 있도록 하였다.

이와 같은 본 발명은 본 발명의 종래 기술에서 언급한 5매의 구면렌즈 및 1매의 비구면렌즈(D5)로 조합 배열된 종래의 광학계(이하, ‘종래기술’ 이라 한다)와 광학성능을 비교하면 아래와 같다.

여기서, 도 16 내지 도 18은 상기 종래기술에 따른 광학계의 자오상면 만곡(T)과 구결상면 만곡(S)의 비점수차, 구면수차 및 백분왜곡을 도시한 것이다.

우선 왜곡수차는 종래기술이 66.53%이고 본원발명은 32.91%로 33.63%의 차이를 보인다. 그리고 코마수차는 종래기술이 -50.2, 본원발명이 -0.36로 -49.84의 차이를 가지고, 구면수차는 종래기술이 -1.88, 본원발명이 -2.57로 0.69의 차이를 가진다. 또한 상면만곡은 종래기술이 -66.53, 본원발명이 -2.98로 -63.55의 차이가 나고, 비점수차는 종래기술이 -177.67, 본원발명이 -10.6로 -167.07의 차이를 확인 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 종래기술에 비하여 모든 수차에서 광학성능이 현저히 향상된 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에서는 종래기술의 광각 카메라용 광학계의 문제점을 구면 및 비구면 렌즈의 매 수와 조합 배열을 착안하여 광학 성능을 향상시켰으나, 설계 과 정에서 제 2렌즈와 제 3렌즈가 배치된 이격 거리에 따라 물리적인 수차의 차이가 있음을 알아냈다.

이때, 최적의 이격거리 설정은 렌즈 설계 시 가장 문제가 되는 수차를 고려하여 설계가 된다. 제 2렌즈와 제 3렌즈의 이격거리가 짧아지면 비점수차. 구면수차, 코마수차가 심해지고, 이격거리가 길어지면 코마수차가 심해지므로 최적의 이격거리를 두어 수차를 줄이는 효과를 발휘할 수 있도록 하였다. 이러한 최적의 효과를 발휘하는 제 2렌즈와 제 3렌즈의 이격거리는 2.0~2.1mm이며, 가장 바람직하게는 2.05mm 이다.

도 13 내지 15는 제 2렌즈와 제 3렌즈의이격 거리가 1.8mm 이하인 경우(Case1), 제 2렌즈와 제 3렌즈의 이격거리가 2.05mm인 경우(Case2), 제 2렌즈와 제 3렌즈의 이격거리가 2.3mm 이상인 경우(Case3)에 대한 각각의 왜곡수차, 비점수차 , 구면수차 및 코마수차 등의 광학성능을 비교한 그래프이다. 즉, 본 발명에 따른 최적의 이격거리(Case2)가 그 밖의 범위의 이격거리(Case1)(Case2)보다 광학성능이 현저히 향상된 것을 비교한 그래프이다.

우선 왜곡수차의 경우는 Case1, 2, 3 이 각각 -33.15%, -32.89%, -33.51%의 수차 값을 가진다. 각 결과 값을 비교해 보면 왜곡수차는 큰 변화가 없다는 것을 알 수 있는데, 이로써 왜곡수차가 렌즈 사이의 거리에 큰 영향이 미치지 않음을 확인 할 수 있다.

또한, 상면만곡 역시 Case1, 2, 3 이 각각 2.98, 2.97, 2.98로 왜곡수차와 마찬가지로 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다.

그러나 비점수차의 경우에는 Case1 이 -21.73, Case2 -10.56, Case3 -1.50 로 Case1일 때 비점수차가 가장 심해지고 Case 3로 갈수록, 즉 렌즈와의 거리가 멀어질수록 비점수차는 감소하였다.

구면수차는 Case1, 2, 3이 각각 -4.42, -2.57, -1.21로 비점수차와 마찬가지로 제 2렌즈와 제 3렌즈의 거리가 멀어질수록 수차가 줄어든다. 코마수차 경우는 Case1이 -12.79 Case2가 -0.36, Case3은 8.87 로 최적의 이격거리를 둔 경우의 수차 값이 현저히 줄었다.

Case1은 전반적으로 Case2 보다 수차가 심해진다는 것을 알 수 있는데, 그 이유는 빛의 비네팅으로 인해 빛 손실이 생기기 때문이다. 그리고 Case3은 Case2 보다 코마수차, 상면만곡, 왜곡수차는 더 심해졌지만 구면수차 및 비점수차는 더 좋아졌다. 그러나 더 좋아진 경우의 수차는 각 수차들 간의 격차가 심하기 때문에 제 2렌즈와 제 3렌즈의 이격거리를 2.0~2.1mm로 최적의 이격거리를 두는 것이 전체적인 광학 성능이 향상될 수 있음을 알 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 전체 렌즈의 조합에서 구면렌즈와 비구면렌즈와의 조합배열과 제 2렌즈와 제 3렌즈의 최적의 거리로 이격 배열되도록 개선하여 전체적인 광학성능을 향상시킬 수 있게 되었다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이 며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.

도 2는 도 1의 광각 카메라용 광학계의 비구면 렌즈에 관한 새그(Sag)를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광각 카메라용 광학계의 수차특성을 나타낸 도면이다.

도 8 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광각 카메라용 광학계의 수차특성을 나타낸 도면이다.

도 13 내지 도 15는 본 발명의 제 2렌즈와 제 3렌즈의 이격거리에 따른 광학계의 수차특성을 나타낸 도면이다.

도 16 내지 도 18은 종래기술에 따른 광각 카메라용 광학계의 수차특성을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 제 1렌즈 20 : 제 2렌즈

30 : 제 3렌즈 40 : 제 4렌즈

50 : 제 5렌즈 60 : 제 6렌즈

70 : 조리개 80 : 윈도우글라스(window glass)

90 : 촬상소자

Claims

양측이 구면이고, 물체측(Object)으로 볼록면과 상측(Image plane)으로 오목면을 갖는 음(-)의 배율의 제 1렌즈;

양측이 비구면이고, 물체측으로 볼록면과 상측으로는 오목면을 갖는 음(-)의 배율로, 상기 볼록면이 상기 제 1렌즈의 오목면에 접촉되게 배열되는 제 2렌즈;

양측이 비구면이고, 물체측으로 오목면과 상측으로 볼록면을 갖는 양(+)의 배율로, 상기 제 2렌즈와 일정 거리 이격되게 배열되는 제 3렌즈;

양측이 비구면이고, 상측으로 볼록면을 갖는 양(+)의 배율의 제 4렌즈;

양측이 구면이고, 물체측과 상측에 각각 볼록면을 갖는 양(+)의 배율의 제 5렌즈; 및

양측이 구면이고, 물체측과 상측으로 각각 오목면을 갖는 음(-)의 배율의 제 6렌즈의 순서로 배열되는 것을 특징으로 하는 광각 카메라용 광학계.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2렌즈, 제 3렌즈 및 제 4렌즈는 플라스틱 비구면 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 광각 카메라용 광학계.
제 1 항에 있어서, 비구면인 상기 제 3렌즈의 볼록면에 조리개가 접촉되게 더 배열되는 것을 특징으로 하는 광각 카메라용 광학계.
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제 1 항에 있어서, 상기 제 2렌즈와 제 3렌즈의 이격 거리는 1.8 ~ 2.3mm인 것을 특징으로 하는 광각 카메라용 광학계.
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