KR101691350B1 - 촬영 렌즈 광학계 - Google Patents

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Abstract

촬영 렌즈 광학계에 관해 개시되어 있다. 개시된 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차적으로 배열된 제1, 제2, 제3 및 제4 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제4 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면 볼록한 형태를 가질 수 있다. 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)(FOV_D)은 수학식 180°＜ FOV_D ＜ 220°를 만족할 수 있고, 상기 렌즈 광학계의 수직 화각(vertical field of view)(FOV_V)은 수학식 125°＜ FOV_V ＜ 155°를 만족할 수 있다.

Description

촬영 렌즈 광학계{Photographic lens optical system}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카메라에 채용되는 렌즈 광학계에 관한 것이다.
최근 전하 결합 소자(charge coupled device)(CCD)와 씨모스 이미지센서(complementary metal oxide semiconductor image sensor)(CMOS 이미지센서)와 같은 고체 촬상 소자를 이용한 카메라(이하, 카메라)의 보급이 급속하게 확대되고 있다. 카메라의 해상도를 높이기 위해 고체 촬상 소자의 화소 집적도는 높아지고 있다. 이와 함께 상기 카메라에 내장되는 렌즈 광학계의 성능 개선을 통해서 상기 카메라의 소형화 및 경량화도 진행되고 있다.
일반적인 차량용 카메라의 렌즈 광학계에서는 그 성능 확보를 위해 5매 이상의 많은 수의 렌즈를 사용한다. 그런데 렌즈 광학계가 많은 렌즈를 포함할 경우, 카메라의 소형화 및 경량화가 어려울 수 있다. 또한, 일반적인 차량용 카메라의 렌즈 광학계는 복수의 글라스(glass) 렌즈로 구성되므로, 제조 단가가 높은 문제가 있다. 소형이면서도 넓은 화각을 갖고 수차 보정도 용이한 렌즈 광학계의 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 소형화/경량화에 유리하고 넓은 화각 및 우수한 성능을 갖는 렌즈 광학계를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제조 비용을 절감할 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 및 제4 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가지며, 상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가지며, 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 형상을 가지며, 상기 제4 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면 볼록한 형태를 갖는 렌즈 광학계를 제공한다.
상기한 렌즈 광학계는 하기의 수학식 1 내지 4 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
<수학식 1>
180° ＜ FOV_D ＜ 220°, 125° ＜ FOV_V ＜ 155°
여기서, FOV_D는 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)이고, FOV_V는 상기 렌즈 광학계의 수직 화각(vertical field of view)이다.
<수학식 2>
0.5 ＜ (R5+R6)/(R6-R5) ＜ 1.5
여기서, R5는 상기 제3 렌즈의 입사면의 곡률반경이고, R6은 상기 제3 렌즈의 출사면의 곡률반경이다.
<수학식 3>
-3.5 ＜ SAG4 / SAG3 ＜ -2.5
여기서, SAG3은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이고, SAG4는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이다.
<수학식 4>
20 ＜ Vd3 ＜ 25
여기서, Vd3은 상기 제3 렌즈의 아베수(Abbe number)이다.
상기 렌즈 광학계는 위 수학식 1 내지 4 중 적어도 두 개를 만족할 수 있다.
상기 제1 렌즈의 출사면은 상기 피사체 측으로 볼록할 수 있다.
상기 제1 렌즈의 입사면과 출사면은 구면(spherical surface)일 수 있다.
상기 제2 내지 제4 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다.
상기 제2 렌즈의 입사면은 상기 피사체에 대하여 오목할 수 있다.
상기 제1 렌즈는 유리 렌즈일 수 있다.
상기 제2 내지 4 렌즈는 플라스틱 렌즈일 수 있다.
상기 피사체와 상기 이미지센서 사이에 조리개가 구비될 수 있다.
상기 조리개는 상기 제3 렌즈와 상기 제4 렌즈 사이에 구비될 수 있다.
상기 피사체와 상기 이미지센서 사이에 적외선 차단 수단이 더 구비될 수 있다.
상기 적외선 차단 수단은 상기 제4 렌즈와 상기 이미지센서 사이에 구비될 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 및 제4 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 각각 부(-), 부(-), 정(+), 정(+)의 굴절력을 가지며, 아래의 수학식 1을 만족하는 렌즈 광학계가 제공된다.
<수학식 1>
180° ＜ FOV_D ＜ 220°, 125° ＜ FOV_V ＜ 155°
여기서, FOV_D는 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)을 나타내고, FOV_V는 상기 렌즈 광학계의 수직 화각(vertical field of view)을 나타낸다.
상기 렌즈 광학계는 아래 수학식 2를 더 만족할 수 있다.
<수학식 2>
0.5 ＜ (R5+R6)/(R6-R5) ＜ 1.5
여기서, R5는 상기 제3 렌즈의 입사면의 곡률반경을 나타내고, R6은 상기 제3 렌즈의 출사면의 곡률반경을 나타낸다.
상기 렌즈 광학계는 아래 수학식 3을 더 만족할 수 있다.
<수학식 3>
-3.5 ＜ SAG4 / SAG3 ＜ -2.5
여기서, SAG3은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타내고, SAG4는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타낸다.
상기 렌즈 광학계는 아래 수학식 4를 더 만족할 수 있다.
<수학식 4>
20 ＜ Vd3 ＜ 25
여기서, Vd3은 상기 제3 렌즈의 아베수(Abbe number)이다.
상기 제1 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록한 렌즈일 수 있다.
상기 제2 렌즈는 양면 오목한 렌즈일 수 있다.
상기 제3 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록한 렌즈일 수 있다.
상기 제4 렌즈는 양면 볼록한 렌즈일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 구면 렌즈일 수 있다.
상기 제2 내지 4 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다.
상기 제1 렌즈는 유리 렌즈일 수 있다.
상기 제2 내지 4 렌즈는 플라스틱 렌즈일 수 있다.
상기 렌즈 광학계는 조리개 및/또는 적외선 차단 수단을 더 포함할 수 있다.
소형·경량이면서도 넓은 화각(초광각) 및 고해상도를 얻을 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차적으로 배열된 부(-), 부(-), 정(+), 정(+)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제4 렌즈를 포함하고, 상기한 수학식 1 내지 4 중 적어도 어느 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 비교적 짧은 전장을 가질 수 있고, 초광각(약 180°이상의 큰 화각)을 구현할 수 있으며, 각종 수차를 용이하게 보정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 소형·경량이면서도 큰 화각 및 고해상도를 얻을 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 유리 렌즈와 복수의 플라스틱 렌즈를 함께 사용함으로써, 복수의 유리 렌즈를 사용하는 경우보다 제조 비용을 절감할 수 있고, 광학계의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 주요 구성요소의 배치를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 주요 구성요소의 배치를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 주요 구성요소의 배치를 보여주는 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계의 센서영역 및 이미지영역을 보여주는 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계의 센서영역 및 이미지영역을 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)(FOV_D)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계의 수직 화각(vertical field of view)(FOV_V)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계에 사용되는 제2 렌즈의 입사면 및 출사면에서의 세지털 깊이(sagittal depth)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 10은 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) 및 제4 렌즈(Ⅳ)를 구비한다. 제1 렌즈(I)는 부(-)(negative)의 굴절력을 갖고, 그의 입사면(1)은 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 제1 렌즈(I)의 출사면(2)도 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 따라서, 제1 렌즈(I)는 피사체(OBJ) 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 렌즈일 수 있다. 제1 렌즈(I)의 입사면(1)의 곡률반경은 출사면(2)의 곡률반경보다 클 수 있다. 제2 렌즈(Ⅱ)는 부(-)(negative)의 굴절력을 갖고, 그의 출사면(4*)은 이미지센서(IMG)에 대하여 오목할 수 있다. 제2 렌즈(Ⅱ)의 입사면(3*)은 피사체(OBJ)에 대하여 오목할 수 있다. 따라서, 제2 렌즈(Ⅱ)는 양면(즉, 입사면(3*)과 출사면(4*))이 모두 오목한 렌즈일 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)는 정(+)(positive)의 굴절력을 갖고 피사체(OBJ) 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 렌즈일 수 있다. 즉, 제3 렌즈(Ⅲ)의 입사면(5*)과 출사면(6*)은 모두 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)의 입사면(5*)의 곡률반경은 출사면(6*)의 곡률반경보다 작을 수 있다. 제4 렌즈(Ⅳ)는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면(즉, 입사면(8*)과 출사면(9*))이 모두 볼록한 렌즈일 수 있다. 네 개의 렌즈(I∼Ⅳ) 중에서 제1 렌즈(I)의 외경이 가장 클 수 있다. 제1 렌즈(I)에서 제4 렌즈(Ⅳ)로 갈수록 렌즈 외경이 감소할 수 있다. 특히, 제2 렌즈(Ⅱ)의 외경은 제1 렌즈(I)의 출사면(2)의 유효경(즉, 유효 영역의 외경)보다 작을 수 있다.
제1 렌즈(I)의 입사면(1)과 출사면(2) 중 적어도 하나는 구면(spherical surface)일 수 있다. 제1 렌즈(I)의 입사면(1)과 출사면(2)이 모두 구면일 수 있다. 제1 렌즈(I)는 유리(glass)로 형성된 렌즈, 즉, 유리 렌즈일 수 있다. 제1 렌즈(I)는 렌즈 광학계에서 가장 바깥쪽에 위치하기 때문에, 렌즈 경통의 외부로 노출될 수 있다. 이러한 제1 렌즈(I)를 유리로 형성하면, 제1 렌즈(I)의 강도 향상 및 손상 방지 등의 측면에서 유리할 수 있다.
제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ) 중 적어도 하나는 비구면(aspherical) 렌즈일 수 있다. 다시 말해, 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ) 중 적어도 어느 한 렌즈의 입사면(3*, 5*, 8*)과 출사면(4*, 6*, 9*) 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다. 예컨대, 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ) 각각의 입사면(3*, 5*, 8*)과 출사면(4*, 6*, 9*)은 모두 비구면일 수 있다. 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ) 중 적어도 하나는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ)는 모두 플라스틱 렌즈일 수 있다. 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ)가 플라스틱 렌즈인 경우, 이들의 양면에 비구면을 용이하게 형성할 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ) 및 제4 렌즈(Ⅳ)에 정(+)의 굴절력을 분산 배치하고, 비구면을 갖는 세 개의 플라스틱 렌즈(즉, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ)를 사용하면, 각종 수차 보정 및 성능 향상이 용이할 수 있다. 또한, 플라스틱 렌즈는 글라스 렌즈에 비해 제조 단가가 낮고 제조/가공이 용이하기 때문에, 복수의 플라스틱 렌즈를 사용하면, 제조 비용을 낮출 수 있다.
피사체(OBJ)와 이미지센서(IMG) 사이에 조리개(S1) 및 적외선 차단 수단(Ⅴ)이 더 구비될 수 있다. 조리개(S1)는 제3 렌즈(Ⅲ)와 제4 렌즈(Ⅳ) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅴ)은 제4 렌즈(Ⅳ)와 이미지센서(IMG) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅴ)은 적외선 차단 필터일 수 있다. 조리개(S1)와 적외선 차단 수단(Ⅴ)의 위치는 달라질 수 있다.
상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 다음의 수학식 1 내지 4 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.
<수학식 1>
180° ＜ FOV_D ＜ 220°, 125° ＜ FOV_V ＜ 155°
여기서, FOV_D는 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)이고, FOV_V는 상기 렌즈 광학계의 수직 화각(vertical field of view)이다. 다시 말해, FOV_D는 상기 렌즈 광학계의 최대 상고(maximum image height)에 대응하는 화각(angle of view)을 의미하고, FOV_V는 상기 렌즈 광학계의 수직 상고(vertical image height)에 대응하는 화각(angle of view)을 의미한다. 이때, 상기 수직 상고(vertical image height)는 상기 최대 상고(maximum image height)의 0.7배에 해당될 수 있다. FOV_D 및 FOV_V에 대해서는 도 4a, 도 4b, 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계의 센서영역(R10) 및 이미지영역(R20)을 보여주는 평면도이다. 센서영역(R10)은 이미지센서(IMG)에 대응되는 영역일 수 있고, 이미지영역(R20)은 렌즈 광학계에 의해 형성되는 이미지(image)의 영역일 수 있다. 이미지영역(R20)은 '이미지서클'이라고 할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 센서영역(R10)은 사각형(직사각형) 모양을 가질 수 있고, 이미지영역(R20)은 원형일 수 있다. 이미지영역(R20)의 지름이 센서영역(R10)의 대각선보다 작거나 같을 때, 이미지영역(R20)의 지름에 해당하는 라인(편의상, '대각선'이라고 함)(D1)이 최대 상고(maximum image height)에 대응할 수 있다. 또한, 센서영역(R10)의 수직선(중앙수직선)(V1)이 수직 상고(vertical image height)에 대응할 수 있다. 이때, 상기 수직 상고(vertical image height)는 상기 최대 상고(maximum image height)의 0.7배에 해당될 수 있다. 다시 말해, 수직선(V1)의 길이는 대각선(D1) 길이의 0.7배에 해당될 수 있다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계의 센서영역(R10') 및 이미지영역(R20')을 보여주는 평면도이다. 도 4b를 참조하면, 이미지영역(R20')의 지름이 센서영역(R10')의 대각선보다 큰 경우, 센서영역(R10')의 대각선(D1')이 최대 상고(maximum image height)에 대응할 수 있다. 또한, 센서영역(R10')의 수직선(중앙수직선)(V1')이 수직 상고(vertical image height)에 대응할 수 있다. 상기 수직 상고(vertical image height)는 상기 최대 상고(maximum image height)의 0.7배에 해당될 수 있다.
수학식 1에서 FOV_D는 도 4a 및 도 4b의 대각선(D1, D1')에 대응하는 렌즈 광학계의 화각을 의미하고, FOV_V는 도 4a 및 도 4b의 수직선(V1, V1')에 대응하는 렌즈 광학계의 화각을 의미한다. 이는 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 도 5에서 참조부호 D는 도 4a 및 도 4b의 대각선(D1, D1')에 대응될 수 있고, 이에 대응되는 화각이 FOV_D 일 수 있다. 도 6에서 참조부호 V는 도 4a 및 도 4b의 수직선(V1, V1')에 대응될 수 있고, 이에 대응되는 화각이 FOV_V 일 수 있다.
수학식 1은 렌즈 광학계의 화각 조건을 나타낸 것으로, 대각 화각(FOV_D)이 180°∼ 220° 사이에 있을 때, 수직 화각(FOV_V)이 125°∼ 155° 사이에 있음을 한정한다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계가 대각 방향 및 수직 방향으로 넓은 화각을 갖는 초광각 렌즈계일 수 있음을 의미한다. 이러한 렌즈 광학계를 사용하면 180° 이상의 화각으로 촬영이 가능할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 차량용 광학계로 유용하게 적용될 수 있다.
<수학식 2>
0.5 ＜ (R5+R6)/(R6-R5) ＜ 1.5
여기서, R5는 제3 렌즈(Ⅲ)의 입사면(5*)의 곡률반경이고, R6은 제3 렌즈(Ⅲ)의 출사면(6*)의 곡률반경이다.
수학식 2는 제3 렌즈(Ⅲ)의 형상을 결정하기 위한 조건을 나타낸다. 본 발명의 실시예에서는 제3 렌즈(Ⅲ)의 출사면(6*)의 곡률반경(R6)을 입사면(5*)의 곡률반경(R5)보다 크게 하되, 수학식 2의 조건을 만족하도록 함으로써, 제3 렌즈(Ⅲ)를 이용한 수차 보정 및 성능 개선 특성 등을 최적화할 수 있다. 이러한 수학식 2를 만족할 때, 광각의 컴팩트한 광학계 제작에 유리할 수 있다.
<수학식 3>
-3.5 ＜ SAG4 / SAG3 ＜ -2.5
여기서, SAG3은 제2 렌즈(Ⅱ)의 입사면(3*)에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이고, SAG4는 제2 렌즈(Ⅱ)의 출사면(4*)에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이다. 다시 말해, SAG3은 입사면(3*)의 에지부(edge portion)에서 그려진 접평면으로부터 입사면(3*)의 정점까지의 광축 상의 거리이고, SAG4는 출사면(4*)의 에지부(edge portion)에서 그려진 접평면으로부터 출사면(4*)의 정점까지의 광축 상의 거리이다. 상기 에지부(edge portion)들은 각 면(3*, 4*)에서 유효 렌즈 영역(즉, 유효경 영역)의 끝 부분을 의미한다. 즉, SAG3 및 SAG4는 도 7에 표시한 바와 같을 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, SAG3은 음(-)의 값을 갖는다고 할 수 있고, 이 경우, SAG4는 양(+)의 값을 갖는다고 할 수 있다.
수학식 3은 제2 렌즈(Ⅱ)의 형상 조건을 나타낸 것으로, 제2 렌즈(Ⅱ)의 입사면(3*)에서의 세지털 깊이(SAG3)와 출사면(4*)에서의 세지털 깊이(SAG4) 사이의 특정한 관계를 한정한다. 제2 렌즈(Ⅱ)는 양오목 렌즈일 수 있고, 제2 렌즈(Ⅱ)의 출사면(4*)에서의 세지털 깊이(SAG4)의 절대값은 입사면(3*)에서의 세지털 깊이(SAG3)의 절대값보다 2.5배 내지 3.5배 정도 클 수 있다. 이러한 수학식 3을 만족하는 경우, 광각의 컴팩트한 광학계를 구현하는데 유리할 수 있고, 다양한 수차 보정 및 성능 향상에도 유리할 수 있다.
<수학식 4>
20 ＜ Vd3 ＜ 25
여기서, Vd3은 제3 렌즈(Ⅲ)의 아베수(Abbe number)이다. 상기 아베수(Vd3)는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 것이다.
수학식 4는 제3 렌즈(Ⅲ)의 재료에 관련된 것으로, 제3 렌즈(Ⅲ)가 20∼25 사이의 아베수를 갖는 재료로 구성된 것을 의미한다. 수학식 4는 제3 렌즈(Ⅲ)가 비교적 굴절률이 높은 고굴절 소재로 형성되었음을 의미할 수 있다. 플라스틱 소재의 경우, 아베수가 작을수록 굴절률이 높을 수 있다. 이러한 수학식 4는 렌즈 광학계의 색수차(chromatic aberration)를 줄이기 위한 조건일 수 있다. 수학식 4의 조건을 만족하는 경우, 축상 색수차(axial chromatic aberration) 및 배율 색수차(chromatic difference of magnification)의 보정 효과를 얻을 수 있고, 컴팩트한 광학계의 성능을 개선할 수 있다.
상기한 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 있어서, 수학식 1 내지 4의 값들은 아래의 표 1 내지 표 4에 나타낸 바와 같다. 아래의 표들에서 화각(FOV_D, FOV_V)의 단위는 °이고, R5, R6, SAG3 및 SAG4 값의 단위는 ㎜이다.
구분 FOV_D FOV_V 수학식 1
180°＜ FOV_D ＜ 220° 125°＜ FOV_V ＜ 155°
제1 실시예 187.72 134.84 만족 만족
제2 실시예 200.00 141.88 만족 만족
제3 실시예 208.00 144.87 만족 만족
구분 R5 R6 수학식 2
0.5＜(R5+R6)/(R6-R5)＜1.5
제1 실시예 1.4376 38.7306 1.077
제2 실시예 1.2557 13.2114 1.210
제3 실시예 1.3902 80.4795 1.035
구분 SAG3 SAG4 수학식 3
-3.5＜ SAG4/SAG3 ＜-2.5
제1 실시예 -0.350 1.156 -3.303
제2 실시예 -0.351 0.921 -2.624
제3 실시예 -0.401 1.224 -3.052
구분 Vd3 수학식 4
20 ＜ Vd3 ＜ 25
제1 실시예 22.43 만족
제2 실시예 22.43 만족
제3 실시예 22.43 만족
표 1 내지 표 4를 참조하면, 상기 제1 내지 제3 실시예의 렌즈 광학계는 수학식 1 내지 수학식 4를 만족하는 것을 알 수 있다.
한편, 상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계에서 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ)는, 그 형상 및 치수(dimension)을 고려했을 때, 플라스틱으로 제조할 수 있다. 즉, 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ)는 모두 플라스틱 렌즈일 수 있다. 플라스틱 렌즈는 제조 단가가 저렴하고, 성형/가공이 용이한 이점이 있다. 본원에서는 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ)를 모두 플라스틱으로 제조할 수 있으므로, 그에 따른 다양한 이점을 기할 수 있다. 그러나 본원에서 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ)의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라서는, 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ∼Ⅳ) 중 적어도 하나를 글라스(glass)로 제조할 수도 있다. 한편, 제1 렌즈(I)는 유리로 형성할 수 있지만, 경우에 따라서는, 플라스틱으로 형성할 수도 있다. 제1 렌즈(I)를 플라스틱으로 형성할 경우, 그 표면을 소정 물질로 코팅하여 사용할 수 있다.
이하, 렌즈 데이터 및 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.
아래의 표 5 내지 표 7은 각각 도 1 내지 도 3의 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈에 대한 곡률반경, 렌즈 두께 또는 렌즈 사이의 거리, 굴절률 및 아베수(Abbe number) 등을 나타낸다. 표 5 내지 표 7에서 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.
제1 실시예 면 R D Nd Vd
I 1 12.4620 0.6000 1.7162 53.9380
2 3.6530 2.7349
Ⅱ 3* -9.4999 0.7000 1.5340 55.8559
4* 0.8842 0.2654
Ⅲ 5* 1.4376 2.0000 1.6483 22.4336
6* 38.7306 0.4673
S1 Infinity 0.4111
Ⅳ 8* 4.5573 1.2700 1.5340 55.8559
9* -1.1162 0.0747
Ⅴ 10 Infinity 0.8000
11 Infinity 1.5988
IMG Infinity 0.0070
제2 실시예 면 R D Nd Vd
I 1 12.0732 0.6000 1.7162 53.9380
2 3.4298 2.6309
Ⅱ 3* -8.2186 0.6000 1.5340 55.8559
4* 0.8326 0.1336
Ⅲ 5* 1.2557 1.9986 1.6483 22.4336
6* 13.2114 0.4070
S1 Infinity 0.2741
Ⅳ 8* 3.9605 1.2269 1.5340 55.8559
9* -1.0214 0.0747
Ⅴ 10 Infinity 0.7000
11 Infinity 1.5864
IMG Infinity 0.0096
제3 실시예 면 R D Nd Vd
I 1 12.4790 0.6000 1.7162 53.9380
2 3.6510 2.7363
Ⅱ 3* -10.4642 0.7000 1.5340 55.8559
4* 0.8391 0.2736
Ⅲ 5* 1.3902 2.0000 1.6483 22.4336
6* 80.4795 0.4624
S1 Infinity 0.3333
Ⅳ 8* 4.9350 1.1800 1.5340 55.8559
9* -1.1014 0.0747
Ⅴ 10 Infinity 0.8000
11 Infinity 1.5870
IMG Infinity 0.0027
한편, 도 1 내지 도 3에 각각 대응하는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 초점거리(f) 및 화각(θ)은 아래의 표 8에 나타낸 바와 같다. 여기서, 화각(θ)은 수학식 1의 대각 화각(diagonal field of view)(FOV_D)에 대응된다.
구 분 초점거리(f) [mm] 화각(θ) [°]
제1 실시예 0.9 187.72
제2 실시예 0.88 200.00
제3 실시예 0.9 208.00
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 각 렌즈의 비구면은 수학식 5의 비구면 방정식을 만족한다.
<수학식 5>
Figure 112014102199539-pat00001
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 9 내지 표 11은 각각 도 1 내지 도 3에 대응되는 제1 내지 제3 실시예에 따른 렌즈 시스템에서 비구면의 비구면 계수를 나타낸다. 즉, 표 9 내지 표 11은 각각 표 5 내지 표 7의 입사면(3*, 5*, 8*)과 출사면(4*, 6*, 9*)의 비구면 계수를 나타낸다.
면 K A B C D E
3* 0.0000 -0.0021 0.0006 -0.0000 0.0000 -
4* -1.0546 -0.0204 -0.0035 -0.0017 0.0003 -
5* -0.6545 0.0234 -0.0035 0.0000 0.0005 -
6* 0.0000 0.1361 0.0093 0.0286 0.0287 -
8* 0.0000 -0.0541 0.1127 -0.0473 0.0098 -
9* -0.8900 0.0136 0.0294 -0.0223 0.0144 0.0050
면 K A B C D E
3* 0.0000 -0.0022 0.0005 0.0000 -0.0000 -
4* -1.3686 -0.0398 0.0000 -0.0003 0.0001 -
5* -0.7357 -0.0242 0.0075 0.0013 0.0001 -
6* 0.0000 0.2315 0.0466 0.1397 0.0943 -
8* 0.0000 -0.0238 0.2547 -0.2347 0.0943 -
9* -0.9546 0.0122 0.0865 -0.0866 0.0840 0.0050
면 K A B C D E
3* 0.0000 -0.0028 0.0005 -0.0000 -0.0000 -
4* -1.2133 -0.0270 -0.0002 -0.0009 0.0001 -
5* -0.6921 -0.0032 0.0016 0.0012 0.0001 -
6* 0.0000 0.1372 0.0486 0.0048 0.0479 -
8* 0.0000 -0.0495 0.1555 -0.0666 0.0104 -
9* -0.8895 0.0074 0.0627 -0.0650 0.0485 0.0050
도 8은 본 발명의 제1 실시예(도 1)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 5의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차(longitudinal spherical aberration), 상면만곡(astigmatic field curvature) 및 왜곡(distortion)을 보여주는 수차도이다.
도 8의 (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 435.8400nm, 486.1300nm, 546.0700nm, 587.5600nm, 656.2700nm이었다. (b) 및 (c) 데이터를 얻기 위해 사용한 광의 파장은 546.0700nm이었다. 이는 도 9 및 도 10에서도 마찬가지이다.
도 9의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제2 실시예(도 2)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 6의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 10의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제3 실시예(도 3)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 7의 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(-), 부(-), 정(+), 정(+)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ)를 포함하고, 상기한 수학식 1 내지 4 중 적어도 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 비교적 짧은 전장을 가질 수 있고, 초광각(약 180°이상의 큰 화각)을 구현할 수 있으며, 각종 수차를 용이하게 보정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 소형·경량이면서도 큰 화각 및 고해상도를 얻을 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 하나의 유리 렌즈와 복수의 플라스틱 렌즈를 함께 사용함으로써, 복수의 유리 렌즈를 사용하는 경우보다 제조 비용을 절감할 수 있고, 광학계의 성능 향상에 유리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 차량용 카메라의 렌즈 시스템에 적용될 수 있다. 예컨대, AVM(around view monitoring) 시스템이나 블랙박스 또는 후방 카메라 등 다양한 차량용 장치에 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계를 적용할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 컴팩트한 구조를 가지면서도 초광각을 갖고 우수한 수차 보정 특성을 갖기 때문에, 이러한 렌즈 광학계를 적용하면 상기한 차량용 장치의 성능 향상에 유리할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 차량용 장치 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 수학식 1 내지 4 중 적어도 하나를 만족하는 경우, 앞서 설명한 바와 같은 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 부가적으로, 적외선 차단 수단(Ⅴ)으로서 필터를 대신하여 차단막을 사용할 수도 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.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
I : 제1 렌즈 Ⅱ : 제2 렌즈
Ⅲ : 제3 렌즈 Ⅳ : 제4 렌즈
Ⅴ : 적외선 차단 수단 OBJ : 피사체
S1 : 조리개 IMG : 이미지센서

Claims (22)

  1. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가지며,
    상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가지며,
    상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지며,
    상기 제4 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면 볼록한 형태를 가지며,
    아래의 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    125° ＜ FOV_V ＜ 155°
    여기서, FOV_V는 상기 렌즈 광학계의 수직 화각(vertical field of view)을 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)(FOV_D)은 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    180° ＜ FOV_D ＜ 220°
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 입사면의 곡률반경(R5)과 상기 제3 렌즈의 출사면의 곡률반경(R6)은 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    0.5 ＜ (R5+R6)/(R6-R5) ＜ 1.5
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(SAG3)와 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(SAG4)는 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    -3.5 ＜ SAG4 / SAG3 ＜ -2.5
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 아베수(Vd3)는 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    20 ＜ Vd3 ＜ 25
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 광학계는 아래 수학식 중 적어도 두 개를 만족하는 렌즈 광학계.
    수학식 : 180° ＜ FOV_D ＜ 220°
    수학식 : 0.5 ＜ (R5+R6)/(R6-R5) ＜ 1.5
    수학식 : -3.5 ＜ SAG4 / SAG3 ＜ -2.5
    수학식 : 20 ＜ Vd3 ＜ 25
    여기서, FOV_D는 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)을, R5는 상기 제3 렌즈의 입사면의 곡률반경을, R6은 상기 제3 렌즈의 출사면의 곡률반경을, SAG3은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를, SAG4는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를, Vd3은 상기 제3 렌즈의 아베수를 나타낸다.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 출사면은 상기 피사체 측으로 볼록한 렌즈 광학계.
  9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 입사면과 출사면은 구면(spherical surface)인 렌즈 광학계.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 내지 제4 렌즈는 비구면 렌즈인 렌즈 광학계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 입사면은 상기 피사체에 대하여 오목한 렌즈 광학계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 유리 렌즈이고,
    상기 제2 내지 4 렌즈는 플라스틱 렌즈인 렌즈 광학계.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈와 상기 제4 렌즈 사이에 구비된 조리개를 더 포함하는 렌즈 광학계.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 렌즈와 상기 이미지센서 사이에 구비된 적외선 차단 수단을 더 포함하는 렌즈 광학계.
  15. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 각각 부(-), 부(-), 정(+), 정(+)의 굴절력을 가지며,
    아래의 수학식들을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    180° ＜ FOV_D ＜ 220°
    125° ＜ FOV_V ＜ 155°
    여기서, FOV_D는 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)을 나타내고, FOV_V는 상기 렌즈 광학계의 수직 화각(vertical field of view)을 나타낸다.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 입사면의 곡률반경(R5)과 상기 제3 렌즈의 출사면의 곡률반경(R6)은 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    0.5 ＜ (R5+R6)/(R6-R5) ＜ 1.5
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(SAG3)와 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(SAG4)는 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    -3.5 ＜ SAG4 / SAG3 ＜ -2.5
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 아베수(Vd3)는 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    20 ＜ Vd3 ＜ 25
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록하고,
    상기 제2 렌즈는 양면 오목하고,
    상기 제3 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록하며,
    상기 제4 렌즈는 양면 볼록한 렌즈 광학계.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 구면 렌즈이고,
    상기 제2 내지 4 렌즈는 비구면 렌즈인 렌즈 광학계.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 유리 렌즈이고,
    상기 제2 내지 4 렌즈는 플라스틱 렌즈인 렌즈 광학계.
  22. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가지며,
    상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서에 대하여 오목한 출사면을 가지며,
    상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지며,
    상기 제4 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면 볼록한 형태를 가지며,
    아래의 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <수학식>
    -3.5 ＜ SAG4 / SAG3 ＜ -2.5
    여기서, SAG3은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타내고, SAG4는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타낸다.
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