KR101436329B1

KR101436329B1 - 광각 소형 줌 광학계

Info

Publication number: KR101436329B1
Application number: KR1020080077060A
Authority: KR
Inventors: 고정휘
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2014-09-01
Also published as: KR20100018342A

Abstract

줌 광학계가 개시된다. 개시된 줌 광학계는 물체측으로부터 순서대로, 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군과; 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군과; 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군;을 포함하며, 광각단에서 망원단으로 변배시 상기 제2렌즈군이 물체측으로 이동하며, 하기의 조건식을 만족한다.

3.5<f_t/f_w<4.5

3.0<dwt/(f_t/f_w)<4.0

여기서, f_t,f_w,dwt는 각각 망원단의 초점거리, 광각단의 초점거리, 광각단에서 망원단으로 변배시 상기 제2렌즈군의 이동거리를 의미한다.

Description

광각 소형 줌 광학계{Wide field-of-view and compact zoom optics}

개시된 줌 광학계는 소형 컴팩트화 된 구조이면서 넓은 화각 및 고배율이 가능한 광각 줌 광학계에 관한 것이다.

최근 CCD (Charge Coupled Device)나 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)와 같은 촬상 소자를 이용한 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더와 같은 결상광학기기가 급속히 확대 보급되고 있는 실정이다. 이러한 결상광학기기는 점차 배율이 커지고 화각이 넓어지는 고성능화가 요구되며 이와 함께 저가격화 및 소형 경량화가 추진되고 있는 바, 이에 채용된 줌렌즈에 있어서도 고성능, 소형 경량화 및 저가격화가 요구된다.

더 나아가 최근 디지털 카메라의 사용자가 증가되면서 기존의 광학계보다 좀더 광각이면서 고배율인 줌 광학계에 대한 수요가 늘고 있다. 광각의 경우 렌즈 사이즈 증가와 왜곡수차 증가로 소형화에 어려움이 있어, 이를 해결하기 위한 다양한 설계안들이 연구되고 있다.

상술한 필요성에 따라, 본 발명의 실시예들은 소형화되고 광각 및 고배율을 구현하는 줌 광학계를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 줌 광학계는, 물체측으로부터 순서대로, 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군과; 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군과; 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군;을 포함하며, 광각단에서 망원단으로 변배시 상기 제2렌즈군이 물체측으로 이동하며, 하기의 조건식을 만족한다.

3.5<f_t/f_w<4.5

3.0<dwt/(f_t/f_w)<4.0

상기 제1렌즈군을 구성하는 렌즈 중 적어도 한 면이 비구면으로 될 수 있다.

상기 제1렌즈군은 1매의 부렌즈와 1매의 정렌즈로 구성되고, 상기 부렌즈의 적어도 한 면이 비구면으로 될 수 있다. 또한, 상기 부렌즈는 굴절률이 1.8보다 작은 재질로 형성될 수 있다.

상기 제2렌즈군을 구성하는 렌즈 중 적어도 한 면이 비구면으로 될 수 있다.

상기 제2렌즈군은 정렌즈와 부렌즈가 접합된 접합렌즈를 포함할 수 있다.

상기 제2렌즈군은 각각 정, 정, 부, 정의 굴절력을 갖는 4매의 렌즈로 구성될 수 있다.

상기 제3렌즈군은 단렌즈 구성일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 줌 광학계는 다음 식을 만족할 수 있다.

1.5<D_t/f_t<2.5

여기서, D_t는 망원단에서, 제1렌즈군의 물체측 첫번째 면에서 상면까지의 거리이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 줌 광학계는 다음 식을 만족할 수 있다.

-3.0<F1g/fw<-2.0

여기서, F1g는 제1렌즈군의 초점거리이다.

본 발명의 실시예에 따른 광각 줌 광학계는 구성 렌즈의 매수가 적고, 소형화 된 구조를 가지며, 저비용으로 고배율 및 광화각의 렌즈 시스템을 구현하고 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 줌 광학계의 광각단, 중간단 및 망원단에서의 광학적 배치를 보이는 도면이다. 도면을 참조하면, 줌 광학계는 물체(OBJ)쪽으로부터 순서대로 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군(100-1), 정의 굴절력을 가지 는 제2렌즈군(200-1), 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군(300-1)을 포함한다.

본 발명의 실시예에 의한 줌 광학계는 배율이 다음 식을 만족하도록 구성된다.

3.0<f_t/f_w<4.5

여기서, f_w는 광각단의 초점거리이고, f_t는 망원단의 초점거리이다

본 발명의 실시예에 의한 줌 광학계는 광각단에서 망원단으로 변배시 제2렌즈군(200-1)이 물체측으로 이동하며, 구체적으로는, 제1렌즈군(100-1)과 제2렌즈군(200-1)의 간격이 감소하고, 제2렌즈군(200-1)은 물체측으로 이동하며, 제2렌즈군(200-1)과 제3렌즈군(300-1)의 간격은 증가한다. 광각단에서 망원단으로 변배시, 제2렌즈군(200-1)의 이동거리를 dwt라고 할 때, 본 발명의 실시예의 줌 광학계는 다음 식을 만족한다.

3.0<dwt/(f_t/f_w)<4.0

이 조건식은 광각단에서 망원단으로 변배시 제2렌즈군(200-1)의 이동거리를 배율에 대한 비에 관한 것으로, 상기 식의 값이 하한치를 벗어나면, 제2렌즈군(200-1) 전체 초점거리가 짧아 수차 보정이 어려우며, 상한치를 벗어나면 제2렌즈군(200-1) 이동량이 증가하여 줌 광학계가 커지는 단점이 있다.

본 발명의 실시예의 줌 광학계는 다음 식을 더 만족하도록 구성될 수 있다.

1.5<D_t/f_t<2.5

여기서, D_t는 망원단에서의 전장, 즉, 제1렌즈군의 물체측 첫번째 면에서 상면까지의 거리이다.

이 식은 망원단에서 줌 광학계의 전장을 초점거리의 비로 나타낸 것으로, 상기 식의 값이 하한치를 벗어나면 줌 광학계 전장이 짧아서 수차 보정이 어려워 성능상에 문제가 있으며, 상한치를 벗어나면 줌 광학계 전장이 증가하여 소형화하기에 어려움이 있다.

-3.0<F1g/fw<-2.0

여기서, F1g는 제1렌즈군의 초점거리이다.

이 식은 제1렌즈군(100-1)의 초점거리를 광각단에서의 초점거리에 대한 비로 나타낸 것으로, 상기 식의 값이 하한치를 벗어나면 제1렌즈군(100-1)의 초점거리가 증가하므로 제1렌즈군(100-1)의 이동량이 증가하게 되어 소형화가 어려우며, 상한치를 벗어나면, 제1렌즈군(100-1)의 초점거리가 감소하여 제1렌즈군(100-1)의 수차보정이 어려운 단점이 있을 수 있다.

보다 구체적으로 렌즈 구성을 살펴보면 다음과 같다.

제1렌즈군(100-1)은 두 매의 렌즈로 구성되며 예를 들어 부의 굴절력을 갖는 제1렌즈(110-1), 정의 굴절력을 갖는 제2렌즈(120-1)를 포함한다. 제1렌즈군(100-1)을 구성하는 렌즈의 적어도 한 면 이상이 비구면으로 되어 있으며, 예를 들어 제1렌즈(110-1)가 비구면을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 제1렌즈(110-1)는 굴절률이 1.8 미만인 재질로 형성될 수 있다.

제1렌즈군(100-1)의 이러한 구성은 왜곡 수차 제어와 소형화를 위한 것이다. 제1렌즈군(100-1)의 렌즈 매수를 3매 이상으로 하는 경우 원가 및 수납 크기에 악영향을 미치며, 또한, 부렌즈인 제1렌즈(110-1)의 굴절률이 1.805를 넘는 경우 비용이 상승하게 된다.

제2렌즈군(200-1)은 배율을 담당하는 렌즈군으로, 고배율을 구현하도록, 4매의 렌즈로 구성될 수 있다. 제2렌즈군(200-1)은 예를 들어, 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈(210-1), 정의 굴절력을 가지는 제4렌즈(220-1), 부의 굴절력을 가지는 제5렌즈(230-1), 정의 굴절력을 가지는 제6렌즈(240-1)로 구성되며, 수차 제어를 용이하게 구현하는 구성을 채택하고 있다. 제2렌즈군(200-1)은 적어도 하나의 접합렌즈를 포함하며, 예를 들어, 제4렌즈(220-1) 및 제5렌즈(230-1)가 접합렌즈를 이루는 구성일 수 있다. 이는 색수차 제어를 위한 것이다. 또한, 제2렌즈군(200-1)을 구성하는 렌즈 중 적어도 어느 하나의 렌즈는 비구면을 포함하도록 구성되며, 예를 들어 제2렌즈군(200-1)의 물체측 첫번째 렌즈의 제3렌즈(210-1)의 물체측 면이 비구면으로 구성될 수 있다. 이는 구면수차 제어를 위한 것이다. 또한, 제2렌즈군(200-1)의 렌즈 매수가 4매를 초과하는 경우 원가가 증가되고 수납 크기를 줄이는 데도 저해 요인이 된다.

제3렌즈군(300-1)은 예를 들어 정의 굴절력을 가지는 제7렌즈(310-1)로 구성될 수 있다. 제3렌즈군(300-1)이 2매 이상의 렌즈로 구성될 경우에 물체 거리에 따른 상면의 위치 제어시 무게에 따른 모터 용량 및 배터리에 영향이 있어서 단렌즈로 구성이 되는 것이 좋으며, 이것이 수납 크기를 줄이기에도 유리하다.

이하, 본 발명에 따른 광각 줌 광학계의 여러 가지 실시예들의 구체적인 렌즈 데이터들을 기술한다. 본 발명의 실시예들에서 나타나는 비구면(ASP)의 정의는 다음과 같다.

여기서, x는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리이고, y는 광축에 대해 수직한 방향으로의 거리이며, K는 코닉상수(conic constant), A,B,C,D는 비구면계수, c'은 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수(1/R)이다.

이하에서, f는 줌 광학계 전체의 합성초점거리를, Fno는 F수를, 2ω는 화각을 나타낸다. 또한, STO는 조리개 면을 의미하며, ASP는 비구면임을 나타낸다. 각 실시예에서 렌즈간 가변거리를 D1,D2,D3로 나타낸다. 그리고 각 실시예별로 각 구성요소의 참조번호에 실시예 번호를 연계하여 표시하였다.

<제1실시예>

도 1은 제1실시예에 따른 줌 광학계를 도시한 것으로, 제1렌즈군(100-1)은 제1렌즈(110-1) 및 제2렌즈(120-1)로 구성되고, 제2렌즈군(200-1)은 제3, 제4, 제 5, 제6렌즈(210-1)(220-1)(230-1)(240-1)로 구성되며 제3렌즈군(300-1)은 제7렌즈(310-1)로 구성되며, 도면부호 410,420은 각각 적외선필터, 카바글라스를 나타낸다.

다음은 제1실시예의 렌즈데이터이다.

	광각단	중간단	망원단
f	4.36	9.60	17.24
Fno	2.89	4.30	6.32
2ω	85.6	41.3	23.5

면 곡률반경 두께 굴절률(nd) 아베수(vd)

obj

1:(ASP 1) 601.927 1.270 1.768140 46.70

2: (ASP 2) 5.212 1.930

3: 8.454 1.980 1.92286 20.88

4: 14.934 D1

5:STO (ASP 5) 5.128 1.322 1.743300 49.33

6: 46.728 0.120

7: 11.707 1.148 1.690996 54.70

8: -10.002 0.610 1.688930 31.16

9: 3.882 0.271

10: 19.247 0.975 1.620409 60.34

11: -21.039 D2

12: -98.813 1.376 1.850446 40.40

13: (ASP 13) -12.750 D3

14: INFINITY 0.300 1.516798 64.20

15: INFINITY 0.300

16: INFINITY 0.500 1.516798 64.20

17: INFINITY 0.460

ASP 1

K:-188501.8602

A:0.461147E-04 B:0.361075E-06 C:-.101610E-07 D:0.723390E-10

ASP 2

K: -1.237544

A:0.547531E-03 B:0.920109E-05 C:-.170119E-06 D:0.285161E-08

ASP 5

K: -0.424416

A:-.237097E-03 B:0.194508E-04 C:-.559988E-05 D:0.490200E-06

ASP 13

K: -1.525313

A:0.199658E-03 B:0.514580E-06 C:-.117487E-06 D:0.000000E+00

광각단 중간단 망원단

D1 15.480 5.435 1.586

D2 3.955 10.691 19.320

D3 3.521 2.922 2.424

도 2a 및 도 2b는 제1실시예에 따른 줌 광학계의 광각단 및 망원단에서의 종방향 구면 수차, 상면 만곡(astigmatic field curvature), 왜곡 수차를 나타낸 것이다. 종방향 구면수차는 파장이 656.28(nm), 587.56(nm), 546.07(nm), 486.13(nm), 435.84(nm)인 광에 대해 각각 나타내었고, 상면 만곡은 파장 546.07(nm)인 광에 대해 자오상면 만곡(T: tangential field curvature)과 구결상면 만곡(S: sagittal field curvature)을 나타내며, 왜곡은 파장 546.07(nm)인 광에 대해 나타내고 있다.

<제2실시예>

도 3은 제2실시예에 따른 줌 광학계를 도시한 것으로, 제1렌즈군(100-2)은 제1렌즈(110-2) 및 제2렌즈(120-2)로 구성되고, 제2렌즈군(200-2)은 제3, 제4, 제5, 제6렌즈(210-2)(220-2)(230-2)(240-2)로 구성되며 제3렌즈군(300-2)은 제7렌즈(310-1)로 구성되며, 도면부호 410,420은 각각 적외선필터, 카바글라스를 나타낸 다.

다음은 제2실시예의 렌즈데이터이다.

	광각단	중간단	망원단
f	4.40	9.68	17.38
Fno	2.88	4.28	6.31
2ω	85.2	40.9	23.3

면 곡률반경 두께 굴절률(nd) 아베수(vd)

obj

1:(ASP 1) 601.927 1.230 1.76814 46.70

2: (ASP 2) 5.197 2.043

3: 8.630 1.909 1.92286 20.88

4: 15.300 D1

5:STO (ASP 5) 5.173 1.343 1.77250 49.62

6: 79.110 0.120

7: 9.661 1.142 1.63464 54.70

8: -13.475 0.600 1.75718 31.42

9: 3.900 0.278

10: 21.902 0.998 1.54395 70.40

11: -14.004 D2

12: -78.793 1.342 1.88555 38.68

13: (ASP 13) -13.014 D3

14: INFINITY 0.300 1.516798 64.20

15: INFINITY 0.300

16: INFINITY 0.500 1.516798 64.20

17: INFINITY 0.460

ASP 1

K: -193373.8756

A:0.751509E-04 B:-.878692E-06 C:0.715171E-08 D:-.561449E-11

ASP 2

K: -1.231902

A:0.566066E-03 B:0.987602E-05 C:-.323746E-06 D:0.595660E-08

ASP 5

K: -0.403129

A:-.211944E-03 B:0.187405E-04 C:-.490574E-05 D:0.421495E-06

ASP 13

K: -1.545588

A:0.182290E-03 B:0.778199E-06 C:-.117681E-06 D:0.000000E+00

광각단 중간단 망원단

D1 15.519 5.379 1.566

D2 4.033 10.610 19.281

D3 3.405 2.925 2.429

도 4a 및 도 4b는 제2실시예에 따른 줌 광학계의 광각단 및 망원단에서의 종방향 구면 수차, 상면 만곡(astigmatic field curvature), 왜곡 수차를 나타낸 것이다. 종방향 구면수차는 파장이 656.28(nm), 587.56(nm), 546.07(nm), 486.13(nm), 435.84(nm)인 광에 대해 각각 나타내었고, 상면 만곡은 파장 546.07(nm)인 광에 대해 자오상면 만곡(T: tangential field curvature)과 구결상면 만곡(S: sagittal field curvature)을 나타내며, 왜곡은 파장 546.07(nm)인 광에 대해 나타내고 있다.

<제3실시예>

도 5은 제3실시예에 따른 줌 광학계를 도시한 것으로, 제1렌즈군(100-3)은 제1렌즈(110-3) 및 제2렌즈(120-3)로 구성되고, 제2렌즈군(200-3)은 제3, 제4, 제5, 제6렌즈(210-3)(220-3)(230-3)(240-3)로 구성되며 제3렌즈군(300-3)은 제7렌즈(310-3)로 구성되며, 도면부호 410,420은 각각 적외선필터, 카바글라스를 나타낸다.

다음은 제3실시예의 렌즈데이터이다.

	광각단	중간단	망원단
f	4.40	9.68	17.38
Fno	2.87	4.27	6.28
2ω	85.2	40.9	23.3

면 곡률반경 두께 굴절률(nd) 아베수(vd)

obj

1:(ASP 1) 601.927 1.189 1.76814 46.70

2: (ASP 2) 5.214 2.033

3: 8.611 1.885 1.927130 21.39

4: 15.296 D1

5:STO(ASP 5) 5.367 1.332 1.77250 49.62

6: 123.640 0.120

7: 8.872 1.216 1.62242 59.82

8: -8.587 0.600 1.73260 33.43

9: 3.912 0.299

10: 42.676 0.992 1.50421 79.55

11: -11.378 D2

12: -98.076 1.334 1.88300 40.81

13: (ASP 13) -13.243 D3

14: INFINITY 0.300 1.516798 64.20

15: INFINITY 0.300

16: INFINITY 0.500 1.516798 64.20

17: INFINITY 0.460

ASP 1

K: -181412.9526

A: 0.988477E-04 B:-.162445E-05 C:0.165900E-07 D:-.578454E-10

ASP 2

K: -1.211209

A: 0.579982E-03 B:0.918345E-05 C:-.311125E-06 D:0.546015E-08

ASP 5

K: -0.389986

A: -.197395E-03 B:0.164203E-04 C:-.406990E-05 D:0.367109E-06

ASP 13

K: -1.631052

A: 0.173235E-03 B:0.549587E-06 C:-.966626E-07 D:0.000000E+00

광각단 중간단 망원단

D1 15.636 5.416 1.566

D2 3.910 10.503 19.165

D3 3.416 2.927 2.432

도 6a 및 도 6b는 제2실시예에 따른 줌 광학계의 광각단 및 망원단에서의 종방향 구면 수차, 상면 만곡(astigmatic field curvature), 왜곡 수차를 나타낸 것이다. 종방향 구면수차는 파장이 656.28(nm), 587.56(nm), 546.07(nm), 486.13(nm), 435.84(nm)인 광에 대해 각각 나타내었고, 상면 만곡은 파장 546.07(nm)인 광에 대해 자오상면 만곡(T: tangential field curvature)과 구결상면 만곡(S: sagittal field curvature)을 나타내며, 왜곡은 파장 546.07(nm)인 광에 대해 나타내고 있다.

다음은 상기 실시예들이 수학식 1 내지 4의 조건식을 만족함을 보인 것이며 그에 상응한 값은 아래와 같다.

	제1실시예	제2실시예	제3실시예
조건식 1	3.95	3.95	3.95
조건식 2	3.62	3.62	3.62
조건식 3	2.08	2.063	2.056
조건식 4	-2.677	-2.634	-2.666

본 발명의 줌 광학계는 상술한 렌즈 구성을 통해 소형화되면서도 고배율과 광각을 구현하여 우수한 광학 성능을 가진다.

이러한 본원 발명인 광각 줌 광학계는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 줌 광학계의 광각단, 중간단 및 망원단에서의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

도 2a 및 도 2b 각각은 본 발명의 제1실시예에 따른 줌 광학계의 광각단 및 망원단에서의 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보인 수차도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 줌 광학계의 광각단, 중간단 및 망원단에서의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

도 4a 및 도 4b 각각은 본 발명의 제2실시예에 따른 줌 광학계의 광각단 및 망원단에서의 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보인 수차도이다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 의한 줌 광학계의 광각단, 중간단 및 망원단에서의 광학적 배치를 보이는 도면이다.

도 6a 및 도 6b 각각은 본 발명의 제3실시예에 따른 줌 광학계의 광각단 및 망원단에서의 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보인 수차도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100-1,100-2,100-3...제1렌즈군 200-1,200-2,200-3...제2렌즈군

300-1,300-2,300-3...제3렌즈군

Claims

물체측으로부터 순서대로,

부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군과;

정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군과;

정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군;을 포함하며,

광각단에서 망원단으로 변배시 상기 제2렌즈군이 물체측으로 이동하며, 하기의 조건식을 만족하는 줌 광학계.

3.5<f_t/f_w<4.5

3.0<dwt/(f_t/f_w)<4.0

여기서, f_t,f_w,dwt는 각각 망원단의 초점거리, 광각단의 초점거리, 광각단에서 망원단으로 변배시 상기 제2렌즈군의 이동거리를 의미한다.
제1항에 있어서,

상기 제1렌즈군을 구성하는 렌즈 중 적어도 한 면이 비구면인 줌 광학계.
제2항에 있어서,

상기 제1렌즈군은 1매의 부렌즈와 1매의 정렌즈로 구성되고,

상기 부렌즈의 적어도 한 면이 비구면으로 된 줌 광학계.
제3항에 있어서,

상기 부렌즈는 굴절률이 1.8보다 작은 재질로 형성된 줌 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제2렌즈군을 구성하는 렌즈 중 적어도 한 면이 비구면인 줌 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제2렌즈군은 정렌즈와 부렌즈가 접합된 접합렌즈를 포함하는 줌 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제2렌즈군은 각각 정, 정, 부, 정의 굴절력을 갖는 4매의 렌즈로 구성된 줌 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제3렌즈군은 단렌즈 구성인 줌 광학계.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

하기의 조건식을 더 만족하는 줌 광학계.

1.5<D_t/f_t<2.5

여기서, D_t는 망원단에서, 제1렌즈군의 물체측 첫번째 면에서 상면까지의 거리이다.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

하기의 조건식을 더 만족하는 줌 광학계.

-3.0<F1g/fw<-2.0

여기서, F1g는 제1렌즈군의 초점거리이다.