KR101671451B1 - 촬영 렌즈 광학계 - Google Patents

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KR101671451B1
KR101671451B1 KR1020160028086A KR20160028086A KR101671451B1 KR 101671451 B1 KR101671451 B1 KR 101671451B1 KR 1020160028086 A KR1020160028086 A KR 1020160028086A KR 20160028086 A KR20160028086 A KR 20160028086A KR 101671451 B1 KR101671451 B1 KR 101671451B1
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image sensor
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김동영
안치호
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Abstract

촬영 렌즈 광학계에 관해 개시되어 있다. 개시된 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차적으로 배열된 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 가질 수 있고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈는 정(+)의 굴절력을 가질 수 있고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 가질 수 있고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 가질 수 있다. 상기 제4 렌즈는 정(+)의 굴절력을 가질 수 있고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 가질 수 있다. 상기 제5 렌즈는 부(-)의 굴절력을 가질 수 있고 상기 피사체에 대하여 오목한 입사면을 가질 수 있다. 상기 렌즈 광학계는 조건식 100°＜ FOV ＜ 200° 및 조건식 1 ＜ TTL / ImgH ＜ 2 중 적어도 하나를 만족할 수 있다. 여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각을 나타내고, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내며, ImgH는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다.

Description

촬영 렌즈 광학계{Photographic lens optical system}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카메라에 채용되는 렌즈 광학계에 관한 것이다.
최근, 씨모스 이미지센서(complementary metal oxide semiconductor image sensor)(CMOS 이미지센서) 및 전하 결합 소자(charge coupled device)(CCD)와 같은 고체 촬상 소자를 이용한 카메라의 보급 및 사용 분야가 급속도로 확대되고 있다. 자동차 분야에서 전방 감시 기능, 후방 감시 기능, 차선 인식, 자율 주행 등 다양한 목적을 위한 카메라 및 광학계가 요구되고 있다. 또한, 드론(drone)이나 레저 스포츠용 캠코더와 같은 다양한 액션캠(action cam)이 개발되면서, 이와 관련된 카메라 및 광학계의 수요도 늘어나고 있다.
차량용 카메라나 액션캠에 사용되는 렌즈 광학계는 외부 환경에 많이 노출되기 때문에 고신뢰성이 요구된다. 이에 기존 렌즈 광학계에서는 신뢰성이 높은 구면 글라스 렌즈를 많이 사용하고 있다. 그러나 구면 글라스 렌즈는 광학 설계의 자유도가 낮기 때문에, 이를 적용하여 광학계를 구성할 경우, 렌즈의 매수가 증가하고 가격이 상승한다. 또한, 많은 수의 렌즈를 사용하기 때문에, 컴팩트한 광학계 구성이 어려울 수 있다. 특히, 차량용 카메라나 액션캠의 경우, 넓은 범위의 감시/촬영 기능을 수행하기 위해서는, 화각이 넓은 렌즈 광학계를 사용하는 것이 바람직한데, 기존의 기술로는, 넓은 화각을 가지면서도 전장이 짧은 소형(초소형)의 광학계를 구현하기가 어려울 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 광각(초광각)을 가지면서도 전장이 짧은 캠팩트한 렌즈 광학계를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비구면의 글라스 렌즈를 적용하여 기존의 구면 글라스 렌즈로 인한 문제점들을 해결할 수 있는 렌즈 광학계를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가지며, 상기 제2 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가지며, 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 가지며, 상기 제4 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 가지며, 상기 제5 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 피사체에 대하여 오목한 입사면을 갖는 렌즈 광학계를 제공한다.
상기한 렌즈 광학계는 하기의 조건식(1) 내지 조건식(6) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
조건식(1) : 100°＜ FOV ＜ 200°
여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각이다.
조건식(2) : 1 ＜ TTL / ImgH ＜ 2
여기서, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다.
조건식(3) : 0 ≤ TL4L5 ≤ 0.03
여기서, TL4L5 (단위:mm)는 상기 제4 렌즈와 제5 렌즈 사이의 거리이다.
조건식(4) : 0.15 ＜ (TL1 + TL2 + TL1L2) / OAL ＜ 0.4
여기서, TL1은 상기 제1 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL2는 상기 제2 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL1L2는 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 나타내고, OAL은 상기 제1 렌즈의 입사면의 중심에서 상기 제5 렌즈의 출사면의 중심까지의 거리를 나타낸다.
조건식(5) : 0.7 ＜ Nd1 / Nd5 ＜ 0.95
여기서, Nd1은 상기 제1 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd5는 상기 제5 렌즈의 굴절률을 나타낸다.
조건식(6) : 2 ＜ Abv1 / Abv5 ＜ 4
여기서, Abv1은 상기 제1 렌즈의 아베수(Abbe number)를 나타내고, Abv5는 상기 제5 렌즈의 아베수를 나타낸다.
상기 제4 렌즈와 제5 렌즈는 상호 접합하여 하나의 접합 렌즈를 구성할 수 있다. 상기 접합 렌즈는 정(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 접합 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다.
상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다.
상기 제1 렌즈의 입사면은 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.
상기 제1 렌즈의 입사면의 중앙부는 상기 피사체에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해질 수 있다.
상기 제2 렌즈의 출사면은 상기 피사체 측으로 볼록할 수 있다.
상기 제1 내지 제5 렌즈는 글라스 렌즈일 수 있다.
상기 피사체와 이미지센서 사이에 조리개가 더 구비될 수 있다.
상기 조리개는 상기 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에 배치될 수 있다.
상기 피사체와 이미지센서 사이에 적외선 차단 수단이 더 구비될 수 있다.
상기 적외선 차단 수단은 상기 제5 렌즈와 상기 이미지센서 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈는 각각 부(-), 정(+), 정(+), 정(+), 부(-)의 굴절력을 가지며, 상기 제1 렌즈는 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 갖는 비구면 렌즈이고, 상기 제2 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 갖는 비구면 렌즈이고, 상기 제3 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 갖는 비구면 렌즈이고, 상기 제4 렌즈와 제5 렌즈는 상호 접합하여 하나의 접합 렌즈를 구성하고, 상기 접합 렌즈는 정(+)의 굴절력을 가지며, 상기 접합 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면인 렌즈 광학계가 제공된다.
상기 렌즈 광학계의 화각은 약 100°보다 클 수 있고, 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리는 약 8 mm 보다 작을 수 있다.
상기 렌즈 광학계는 하기의 조건식(1) 내지 조건식(6) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
조건식(1) : 100°＜ FOV ＜ 200°
조건식(2) : 1 ＜ TTL / ImgH ＜ 2
조건식(3) : 0 ≤ TL4L5 ≤ 0.03
조건식(4) : 0.15 ＜ (TL1 + TL2 + TL1L2) / OAL ＜ 0.4
조건식(5) : 0.7 ＜ Nd1 / Nd5 ＜ 0.95
조건식(6) : 2 ＜ Abv1 / Abv5 ＜ 4
여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각을 나타내고, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타내고, TL4L5 (단위:mm)는 상기 제4 렌즈와 제5 렌즈 사이의 거리를 나타내고, TL1은 상기 제1 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL2는 상기 제2 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL1L2는 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 나타내고, OAL은 상기 제1 렌즈의 입사면의 중심에서 상기 제5 렌즈의 출사면의 중심까지의 거리를 나타내고, Nd1은 상기 제1 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd5는 상기 제5 렌즈의 굴절률을 나타내고, Abv1은 상기 제1 렌즈의 아베수(Abbe number)를 나타내고, Abv5는 상기 제5 렌즈의 아베수를 나타낸다.
상기 제1 내지 제5 렌즈는 글라스 렌즈일 수 있다.
상기 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에 조리개가 더 구비될 수 있다.
상기 제5 렌즈와 이미지센서 사이에 적외선 차단 수단이 더 구비될 수 있다.
기존 차량용 렌즈나 액션캠(action cam) 렌즈와 달리, 광각(초광각)의 화각을 가지면서도 동시에 짧은 전장을 갖는 컴팩트한 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 고신뢰성을 가지면서 고성능/고해상도를 용이하게 확보할 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차적으로 배열된 부(-), 정(+), 정(+), 정(+), 부(-)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제5 렌즈를 포함하고, 상기한 조건식(1) 내지 조건식(6) 중에서 적어도 어느 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 넓은 화각 및 짧은 전장을 갖고 각종 수차를 용이하게(양호하게) 보정할 수 있으므로, 카메라의 고성능화 및 소형화/경량화에 유리할 수 있다. 특히, 상기 제1 내지 제5 렌즈 중 적어도 하나에 비구면 글라스(glass) 렌즈를 적용함으로써, 고신뢰성을 확보함과 동시에 우수한 성능을 용이하게 확보할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 주요 구성요소의 배치를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한(혹은, 유사한) 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계를 보여준다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 피사체(OBJ)와 피사체(OBJ)의 상이 맺히는 이미지센서(IMG) 사이에 피사체(OBJ) 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈(I), 제2 렌즈(Ⅱ), 제3 렌즈(Ⅲ), 제4 렌즈(Ⅳ) 및 제5 렌즈(Ⅴ)를 구비한다. 제1 렌즈(I)는 부(-)(negative)의 굴절력을 가질 수 있다. 제1 렌즈(I)의 입사면(1*)은 그의 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다. 제1 렌즈(I)의 입사면(1*)의 중앙부는 피사체(OBJ)에 대하여 오목할 수 있고, 가장자리로 가면서 볼록해질 수 있다. 제1 렌즈(I)의 출사면(2*)은 이미지센서(IMG)에 대하여 오목할 수 있다. 제2 렌즈(Ⅱ)는 정(+)(positive)의 굴절력을 가질 수 있고, 피사체(OBJ) 측으로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 제2 렌즈(Ⅱ)의 입사면(3*)은 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있고, 제2 렌즈(Ⅱ)의 출사면(4*)도 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 따라서, 제2 렌즈(Ⅱ)는 피사체(OBJ) 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 렌즈일 수 있다.
제3 렌즈(Ⅲ)는 정(+)의 굴절력을 가질 수 있고, 이미지센서(IMG) 측으로 볼록한 출사면(7*)을 가질 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)의 입사면(6*)은 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 따라서, 제3 렌즈(Ⅲ)는 양면(즉, 입사면(6*)과 출사면(7*))이 모두 볼록한 렌즈, 즉, 양볼록 렌즈일 수 있다. 이 경우, 입사면(6*)의 곡률반경의 절대값은 출사면(7*)의 곡률반경의 절대값보다 클 수 있다.
제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ) 중 적어도 하나는 비구면 렌즈일 수 있다. 다시 말해, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ) 중 적어도 어느 한 렌즈의 입사면(1*, 3*, 6*)과 출사면(2*, 4*, 7*)은 비구면일 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ) 각각의 입사면(1*, 3*, 6*)과 출사면(2*, 4*, 7*)은 모두 비구면일 수 있다.
제4 렌즈(Ⅳ)는 정(+)의 굴절력을 가질 수 있고, 이미지센서(IMG) 측으로 볼록한 출사면(9)을 가질 수 있다. 제4 렌즈(Ⅳ)의 입사면(8*)은 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 제5 렌즈(Ⅴ)는 부(-)의 굴절력을 가질 수 있고, 이미지센서(IMG) 측으로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 제5 렌즈(Ⅴ)의 입사면(10)과 출사면(11*)은 이미지센서(IMG) 측으로 볼록할 수 있다. 제5 렌즈(Ⅴ)의 출사면(11*)의 곡률반경의 절대값이 입사면(10)의 곡률반경의 절대값보다 클 수 있다.
제4 렌즈(Ⅳ)와 제5 렌즈(Ⅴ)는 상호 접합하여 하나의 접합 렌즈(CL1)를 구성할 수 있다. 이 경우, 제4 렌즈(Ⅳ)와 제5 렌즈(Ⅴ) 사이의 간격은 0 이거나 0에 가까울 수 있다. 또한, 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9)과 제5 렌즈(Ⅴ)의 입사면(10)은 실질적으로 동일한 면(접합면)이거나 상호 매우 근접한 면일 수 있다. 제4 렌즈(Ⅳ)와 제5 렌즈(Ⅴ)로 구성된 접합 렌즈(CL1)는 정(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 접합 렌즈(CL1)의 입사면(8*), 즉, 제4 렌즈(Ⅳ)의 입사면(8*)과 접합 렌즈(CL1)의 출사면(11*), 즉, 제5 렌즈(Ⅴ)의 출사면(11*) 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다. 예컨대, 접합 렌즈(CL1)의 입사면(8*)과 출사면(11*)은 모두 비구면일 수 있다. 한편, 제4 렌즈(Ⅳ)와 제5 렌즈(Ⅴ) 사이의 접합면(즉, 9/10)은 구면일 수 있다. 다시 말해, 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9)과 제5 렌즈(Ⅴ)의 입사면(10)은 구면일 수 있다.
제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ) 중 적어도 하나는 글라스 렌즈일 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)는 모두 글라스 렌즈일 수 있다. 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ) 각각은 적어도 하나의 비구면을 가질 수 있으므로, 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)는 '비구면 글라스 렌즈'일 수 있다. 이 경우, 몰딩(molding) 가능한 글라스 소재를 사용해서 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)를 제작할 수 있다. 이와 같이, 비구면 글라스 렌즈를 사용하면, 글라스 렌즈의 고신뢰성 특성을 확보할 수 있고, 동시에 비구면에 의한 장점(성능 개선, 전장 축소, 소형화 등)을 실현할 수 있다.
제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ) 중에서 제1 렌즈(I)의 외경이 가장 클 수 있고, 제3 렌즈(Ⅲ)의 외경이 가장 작을 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)에서 제4 렌즈(Ⅳ), 제5 렌즈(Ⅴ)로 갈수록 외경이 점차 커질 수 있다. 제2 렌즈(Ⅱ)의 외경은 제1 렌즈(I)보다는 상당히 작을 수 있고, 제3 렌즈(Ⅲ)보다는 다소 클 수 있다.
피사체(OBJ)와 이미지센서(IMG) 사이에 조리개(S1) 및 적외선 차단 수단(Ⅵ)이 더 구비될 수 있다. 조리개(S1)는 제2 렌즈(Ⅱ)와 제3 렌즈(Ⅲ) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅵ)은 제5 렌즈(Ⅴ)와 이미지센서(IMG) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅵ)은 적외선 차단 필터일 수 있다. 경우에 따라, 조리개(S1)와 적외선 차단 수단(Ⅵ)의 위치는 달라질 수 있다.
상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 다음의 조건식(1) 내지 조건식(6) 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.
조건식(1) : 100°＜ FOV ＜ 200°
여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각(angle of view)이다. 상기 화각은 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)일 수 있다.
조건식(2) : 1 ＜ TTL / ImgH ＜ 2
여기서, TTL은 제1 렌즈(I)의 입사면(1*)에서 이미지센서(IMG)까지의 거리, 즉, 상기 렌즈 광학계의 전체 길이(전장)를 나타내고, ImgH는 이미지센서(IMG)의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다. 상기 TTL은 광축을 따라 측정된 거리이다. 다시 말해, TTL은 제1 렌즈(I)의 입사면(1*)의 중앙부에서 이미지센서(IMG)의 중앙부까지의 직선거리일 수 있다. 한편, 상기 ImgH는 이미지센서(IMG)의 최대 대각 길이일 수 있다.
조건식(1) 및 조건식(2)를 만족한다는 것은, 본 실시예에 따른 렌즈 광학계가 넓은 화각(광각/초광각)을 가지면서도, 이와 동시에, 짧은 전장(TTL)을 갖는다는 것을 의미한다. 예컨대, 상기 렌즈 광학계의 화각(FOV)은 약 100°이상 또는 약 120°이상일 수 있고, 전장(TTL)은 약 10 mm 이하 또는 약 8 mm 이하일 수 있다. 또한, ImgH 대비 TTL이 그리 크지 않기 때문에, 조건식(2)를 만족할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따르면, 광각(초광각)의 화각을 가지면서도 전장이 짧은 컴팩트한 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
조건식(2)에서 TTL/ImgH 가 하한값(1)에 가까워질수록, 렌즈 광학계를 컴팩트화하는데 유리할 수 있다. 하지만, TTL/ImgH 가 하한값(1)보다 작아지는 경우, 구면수차 등 각종 수차가 커질 수 있다. 한편, TTL/ImgH 가 상한값(2)에 가까워질수록 수차 보정에는 유리할 수 있지만, 상한값(2)보다 커질 경우, 렌즈 광학계의 전체 길이가 길어지므로 컴팩트화가 어려워질 수 있다. 그러므로, TTL/ImgH 를 위와 같은 범위로 맞춰주는 것이 렌즈 광학계의 컴팩트화 및 성능 확보에 유리할 수 있다.
조건식(3) : 0 ≤ TL4L5 ≤ 0.03
여기서, TL4L5 (단위:mm)는 제4 렌즈(Ⅳ)와 제5 렌즈(Ⅴ) 사이의 거리이다. TL4L5는 광축을 따라 측정된 거리이다. 즉, 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9)의 중앙부와 제5 렌즈(Ⅴ)의 입사면(10)의 중앙부 사이의 직선거리이다.
조건식(3)은 제4 렌즈(Ⅳ)와 제5 렌즈(Ⅴ)가 하나의 접합 렌즈(CL1)를 구성하거나 접합 렌즈와 유사하게 근접하여 있음을 의미한다. 상기 렌즈 광학계의 수차를 최소화하고 전장(TTL)을 축소하기 위해, 제4 렌즈(Ⅳ)와 제5 렌즈(Ⅴ)를 상호 접합시키거나, 매우 근접하게 배치할 수 있다. 한편, 접합 렌즈(CL1)의 입사면(8*)과 출사면(11*)에 비구면을 적용함으로써, 짧은 전장(TTL)에서도 우수한 성능을 확보하는데 유리할 수 있다.
조건식(4) : 0.15 ＜ (TL1 + TL2 + TL1L2) / OAL ＜ 0.4
여기서, TL1은 제1 렌즈(I)의 중심 두께를 나타내고, TL2는 제2 렌즈(Ⅱ)의 중심 두께를 나타내고, TL1L2는 제1 렌즈(I)와 제2 렌즈(Ⅱ) 사이의 거리를 나타내고, OAL은 제1 렌즈(I)의 입사면(1*)의 중심에서 제5 렌즈(Ⅴ)의 출사면(11*)의 중심까지의 거리를 나타낸다. 상기 TL1, TL2, TL1L2 및 OAL은 광축을 따라 측정된 거리이다.
조건식(4)는 렌즈계의 길이(OAL) 대비 제1 렌즈(I)와 제2 렌즈(Ⅱ) 사이의 총 길이(즉, TL1+TL2+TL1L2)의 비를 한정한 것으로, 광각(초광각)의 화각 및 짧은 전장(TTL)을 가지면서도 우수한 성능을 확보하기 위해서는 조건식(4)를 만족하는 것이 바람직할 수 있다. 다시 말해, 조건식(4)를 만족할 때, 조건식(1) 및 (2)의 광각 및 짧은 전장 특성을 확보하면서 동시에 우수한 성능을 확보하는데 유리할 수 있다.
조건식(5) : 0.7 ＜ Nd1 / Nd5 ＜ 0.95
여기서, Nd1은 제1 렌즈(I)의 굴절률을 나타내고, Nd5는 제5 렌즈(Ⅴ)의 굴절률을 나타낸다. Nd1 및 Nd5는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 것이다.
조건식(5)는 제1 렌즈(I) 및 제5 렌즈(Ⅴ)의 소재에 대한 조건을 표현한 것이다. 제1 렌즈(I)로는 저굴절 렌즈를 사용할 수 있고, 제5 렌즈(Ⅴ)로는 고굴절 렌즈를 사용할 수 있다. 여기서, '저굴절' 및 '고굴절'이라는 용어는 상대적인 용어일 수 있다. 즉, 제1 렌즈(I)의 굴절률이 제5 렌즈(Ⅴ)의 굴절률보다 상대적으로 작을 수 있다. 이러한 조건을 만족할 때, 렌즈 광학계의 화각을 넓히는데 유리할 수 있다. 또한, 조건식(5)를 만족함으로써, 제1 및 제5 렌즈(I, Ⅴ)의 굴절률 제어를 통해 코마수차 및 비점수차 등의 문제를 적절히 제어할 수 있다.
조건식(6) : 2 ＜ Abv1 / Abv5 ＜ 4
여기서, Abv1은 제1 렌즈(I)의 아베수(Abbe number)를 나타내고, Abv5는 제5 렌즈(Ⅴ)의 아베수를 나타낸다. Abv1 및 Abv5는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 것이다.
조건식(6)은 제1 렌즈(I) 및 제5 렌즈(Ⅴ)의 아베수 조건을 한정한 것으로, 제1 렌즈(I)에 상대적으로 높은 아베수를 갖는 재료를 적용하고, 제5 렌즈(Ⅴ)에 상대적으로 낮은 아베수를 갖는 재료를 적용할 수 있다. 조건식(6)은 렌즈 광학계의 색수차(chromatic aberration)를 줄이기 위한 조건일 수 있다. 조건식(6)을 만족함으로써, 광각(초광각) 렌즈계에서 발생할 수 있는 색수차를 최소화할 수 있고, 우수한 성능을 용이하게 확보할 수 있다.
상기한 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 있어서, 조건식(1) 내지 조건식(6)의 값들은 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다. 표 1에서 FOV(화각)의 단위는 °이고, TL4L5의 단위는 ㎜이다. 한편, 표 2는 표 1을 얻는데 필요한 변수들의 값을 정리한 것이다. 표 2에서 TTL, ImgH, TL1, TL2, TL1L2, TL4L5 및 OAL 값들의 단위는 ㎜이다.
Figure 112016022676307-pat00001
Figure 112016022676307-pat00002
표 1 및 표 2를 참조하면, 상기 제1 내지 제3 실시예의 렌즈 광학계는 조건식(1) 내지 조건식(6)을 만족하는 것을 알 수 있다.
한편, 상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계에서 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ) 중 적어도 하나는 몰딩 가능한 글라스(glass) 소재로 제조할 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)는 모두 몰딩 가능한 글라스 소재로 제조할 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)는 모두 글라스 렌즈일 수 있다. 이러한 글라스 렌즈를 사용할 경우, 플라스틱을 사용하는 경우보다 고신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 글라스 렌즈에 비구면을 적용할 수 있기 때문에, 비구면에 의한 다양한 효과, 예를 들어, 전장 축소, 컴팩트화, 수차 보정, 고성능화 등의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 본원에서 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)의 재질이 글라스로 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라서는, 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ) 중 적어도 하나를 플라스틱으로 제조할 수도 있다.
이하, 렌즈 데이터 및 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.
아래의 표 3 내지 표 5는 각각 도 1 내지 도 3의 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈에 대한 곡률반경, 렌즈 두께 또는 렌즈 사이의 거리, 굴절률 및 아베수 등을 나타낸다. 표 3 내지 표 5에서 R은 곡률반경, D는 렌즈 두께 또는 렌즈 간격 또는 인접한 구성요소 간의 간격, Nd는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률, Vd는 d선(d-line)에 대한 렌즈의 아베수를 나타낸 것이다. 렌즈면 번호에서 *는 해당 렌즈면이 비구면임을 나타낸다. 그리고 R 값과 D 값의 단위는 ㎜이다.
Figure 112016022676307-pat00003
Figure 112016022676307-pat00004
Figure 112016022676307-pat00005
한편, 도 1 내지 도 3에 각각 대응하는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 F-넘버(Fno), 초점거리(f) 및 화각(FOV)을 정리하면 아래의 표 6과 같다.
Figure 112016022676307-pat00006
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 각 렌즈의 비구면은 다음과 같은 비구면 방정식을 만족한다.
< 비구면 방정식 >
Figure 112016022676307-pat00007
여기서, x는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리를, y는 광축에 수직한 방향으로의 거리를, c'은 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수(=1/r)를, K는 코닉 상수(conic constant)를 나타내고, A, B, C, D 및 E 는 비구면 계수를 나타낸다.
다음 표 7 내지 표 9는 각각 도 1 내지 도 3에 대응되는 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 시스템에서 비구면의 비구면 계수를 나타낸다. 즉, 표 7 내지 표 9는 각각 표 3 내지 표 5의 렌즈의 입사면(1*, 3*, 6*, 8*)과 출사면(2*, 4*, 7*, 11*)의 비구면 계수를 나타낸다.
Figure 112016022676307-pat00008
Figure 112016022676307-pat00009
Figure 112016022676307-pat00010
도 4는 본 발명의 제1 실시예(도 1)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 3의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차(longitudinal spherical aberration), 상면만곡(astigmatic field curvature) 및 왜곡(distortion)을 보여주는 수차도이다.
도 4의 (a)는 다양한 파장의 광에 대한 렌즈 광학계의 구면수차를 나타낸 것이고, (b)는 렌즈 광학계의 상면만곡, 즉 자오상면만곡(tangential field curvature)(T)과 구결상면만곡(sagittal field curvature)(S)을 나타낸 것이다. (a) 데이터를 얻기 위해 사용한 광의 파장은 656.2725nm, 587.5618nm, 546.0740nm, 486.1327nm, 435.8343nm 이었다. (b) 및 (c) 데이터를 얻기 위해 사용한 파장은 546.0740nm 이었다. 이는 도 5 및 도 6에서도 마찬가지이다.
도 5의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제2 실시예(도 2)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 4의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 6의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제3 실시예(도 3)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 5의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 피사체(OBJ)에서 이미지센서(IMG) 방향으로 순차적으로 배열된 부(-), 정(+), 정(+), 정(+), 부(-)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)를 포함하고, 상기한 조건식(1) 내지 조건식(6) 중 적어도 어느 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 넓은 화각(광각/초광각) 및 짧은 전장을 가질 수 있고, 각종 수차를 용이하게(양호하게) 보정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 소형(초소형)이면서도 넓은 화각(광각/초광각)을 갖고 고성능 및 고해상도를 얻을 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 제1 내지 제5 렌즈(I∼Ⅴ)를 글라스로 제조하고 각 렌즈(I∼Ⅴ)의 양면(입사면과 출사면) 중 적어도 하나에 비구면을 적용함으로써, 렌즈 광학계의 신뢰성 및 성능을 개선할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 차량용 카메라의 렌즈 시스템에 적용될 수 있다. 예컨대, 블랙박스, AVM(around view monitoring) 시스템 또는 후방 카메라 등 다양한 차량용 장치에 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계를 적용할 수 있다. 또한, 상기 렌즈 광학계는 드론이나 레저 스포츠용 캠코더와 같은 다양한 액션캠(action cam)에 적용될 수 있다. 그 밖에도, 상기 렌즈 광학계는 다양한 감시용 카메라에 적용될 수 있다. 차량용 카메라나 액션캠(action cam) 등은 외부 환경에 많이 노출되기 때문에, 신뢰성이 높은 광학계가 필요할 수 있다. 또한, 기기의 소형화(컴팩트화) 및 경량화 등에 의해 전장이 짧은 컴팩트한 광학계를 필요로 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 고신뢰성, 넓은 화각, 짧은 전장, 우수한 성능 등 다양한 요구조건을 만족할 수 있고, 차량용 카메라, 액션캠, 감시용 카메라 등 다양한 분야에 유리하게 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 전술한 분야 이외에 다른 분야에도 다양하게 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 렌즈들의 형상이 다소 변형되더라도 상기한 조건식(1) 내지 조건식(6) 중 적어도 하나를 만족하는 경우, 앞서 설명한 바와 같은 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 조건식(1) 내지 조건식(6) 중 적어도 일부를 만족하지 않더라도, 렌즈들의 파워 배치, 형상 조건 및 기타 조건들을 만족할 때, 앞서 설명한 바와 같은 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 부가적으로, 적외선 차단 수단(Ⅵ)으로서 필터를 대신하여 차단막을 사용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그 밖에도 다양한 변형예가 가능함을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
I : 제1 렌즈 Ⅱ : 제2 렌즈
Ⅲ : 제3 렌즈 Ⅳ : 제4 렌즈
Ⅴ : 제5 렌즈 CL1 : 접합 렌즈
Ⅵ : 적외선 차단 수단 OBJ : 피사체
S1 : 조리개 IMG : 이미지센서

Claims (21)

  1. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가지며, 상기 제1 렌즈의 입사면은 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 갖고,
    아래의 조건식들을 모두 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식(1) : 100°＜ FOV ＜ 200°
    조건식(2) : 1 ＜ TTL / ImgH ＜ 2
    여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각을 나타내고, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다음의 조건식을 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식(3) : 0 ≤ TL4L5 ≤ 0.03
    여기서, TL4L5 (단위:mm)는 상기 제4 렌즈와 제5 렌즈 사이의 거리이다.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    다음의 조건식을 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식(4) : 0.15 ＜ (TL1 + TL2 + TL1L2) / OAL ＜ 0.4
    여기서, TL1은 상기 제1 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL2는 상기 제2 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL1L2는 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 나타내고, OAL은 상기 제1 렌즈의 입사면의 중심에서 상기 제5 렌즈의 출사면의 중심까지의 거리를 나타낸다.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    다음의 조건식을 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식(5) : 0.7 ＜ Nd1 / Nd5 ＜ 0.95
    여기서, Nd1은 상기 제1 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd5는 상기 제5 렌즈의 굴절률을 나타낸다.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    다음의 조건식을 더 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식(6) : 2 ＜ Abv1 / Abv5 ＜ 4
    여기서, Abv1은 상기 제1 렌즈의 아베수(Abbe number)를 나타내고, Abv5는 상기 제5 렌즈의 아베수를 나타낸다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 렌즈와 제5 렌즈는 상호 접합하여 하나의 접합 렌즈를 구성하고,
    상기 접합 렌즈는 정(+)의 굴절력을 가지며,
    상기 접합 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면인 렌즈 광학계.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈는 비구면 렌즈인 렌즈 광학계.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 입사면의 중앙부는 상기 피사체에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해지는 렌즈 광학계.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 출사면은 상기 피사체 측으로 볼록한 렌즈 광학계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 렌즈는 글라스 렌즈인 렌즈 광학계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈 사이에 구비된 조리개를 더 포함하는 렌즈 광학계.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제5 렌즈와 상기 이미지센서 사이에 구비된 적외선 차단 수단을 더 포함하는 렌즈 광학계.
  14. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈는 각각 부(-), 정(+), 정(+), 정(+), 부(-)의 굴절력을 가지며,
    상기 제1 렌즈는 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 갖는 비구면 렌즈이고, 상기 제1 렌즈의 입사면은 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 갖고, 상기 제2 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 갖는 비구면 렌즈이고, 상기 제3 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 갖는 비구면 렌즈이고, 상기 제4 렌즈와 제5 렌즈는 상호 접합하여 하나의 접합 렌즈를 구성하고, 상기 접합 렌즈는 정(+)의 굴절력을 가지며, 상기 접합 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면인 렌즈 광학계.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 렌즈 광학계의 화각은 100°보다 크고, 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리는 8 mm 보다 작은 렌즈 광학계.
  16. 제 14 항에 있어서,
    다음의 조건식들 중 적어도 하나를 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식(1) : 100°＜ FOV ＜ 200°
    조건식(2) : 1 ＜ TTL / ImgH ＜ 2
    여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각을 나타내고, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다.
  17. 제 14 내지 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 조건식들 중 적어도 하나를 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식 : 0.15 ＜ (TL1 + TL2 + TL1L2) / OAL ＜ 0.4
    조건식 : 0.7 ＜ Nd1 / Nd5 ＜ 0.95
    조건식 : 2 ＜ Abv1 / Abv5 ＜ 4
    여기서, TL1은 상기 제1 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL2는 상기 제2 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL1L2는 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 나타내고, OAL은 상기 제1 렌즈의 입사면의 중심에서 상기 제5 렌즈의 출사면의 중심까지의 거리를 나타내고, Nd1은 상기 제1 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd5는 상기 제5 렌즈의 굴절률을 나타내고, Abv1은 상기 제1 렌즈의 아베수(Abbe number)를 나타내고, Abv5는 상기 제5 렌즈의 아베수를 나타낸다.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 렌즈는 글라스 렌즈인 렌즈 광학계.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고,
    상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고,
    상기 제4 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고,
    상기 제5 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖는 렌즈 광학계.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가지며,
    상기 제3 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 가지며,
    상기 제4 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록한 출사면을 가지며,
    상기 제5 렌즈는 상기 피사체에 대하여 오목한 입사면을 가지는 렌즈 광학계.
  21. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가지며,
    아래의 조건식들을 모두 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식 : 100°＜ FOV ＜ 200°
    조건식 : 1 ＜ TTL / ImgH ＜ 2
    조건식 : 0.15 ＜ (TL1 + TL2 + TL1L2) / OAL ＜ 0.25
    여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각을 나타내고, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타내고, TL1은 상기 제1 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL2는 상기 제2 렌즈의 중심 두께를 나타내고, TL1L2는 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 나타내고, OAL은 상기 제1 렌즈의 입사면의 중심에서 상기 제5 렌즈의 출사면의 중심까지의 거리를 나타낸다.
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