KR101750528B1 - 광시야각 렌즈 및 렌즈군 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광시야각 렌즈군은, 피사체로부터 빛을 집광하는 광시야각 렌즈군으로서, 하나의 평면상에 순차적으로 어안 렌즈 단면, 오목 렌즈 단면, 볼록 렌즈 단면이 배치되고, 상기 어안 렌즈 단면, 상기 오목 렌즈 단면, 상기 볼록 렌즈 단면의 중심을 연결하는 직선에 수직이며 상기 볼록 렌즈 단면으로부터 상기 오목 렌즈 단면의 반대 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축을 중심으로 상기 어안 렌즈 단면, 상기 오목 렌즈 단면, 상기 볼록 렌즈 단면을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈군인 것을 특징으로 한다.

Description

광시야각 렌즈 및 렌즈군{Wide angle lens and a group lens including the same}

본 발명은 폐쇄회로TV용 카메라(CCTV) 등에 적용될 수 있는 광시야각 렌즈 및 렌즈군에 관한 것으로서, 왜곡 없는 광시야각 이미지를 얻는 데 기여하는 렌즈 및 렌즈군에 관한 것이다.

일반적으로 카메라는 피사체에 반사된 빛을 렌즈를 통해 집광하여 특정한 위치에 이미지를 고정하는 장치다. 현재는 최초 카메라의 구조 중 필름이 디지털 이미지 센서로 대체된 디지털 카메라가 널리 사용되고 있다. 도 1을 참조하면 일반적인 디지털 카메라의 구조를 용이하게 이해할 수 있다.

한편, 보안용으로 사용되는 폐쇄회로(Closed Circuit) TV용 카메라는 하나의 카메라를 이용하여 넓은 영역을 감시할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 달성하기 위해 감시용으로 사용하는 카메라는 어안렌즈와 같은 광각 렌즈를 채용할 수 있다. 그러나 어안 렌즈에 의한 이미지는 왜곡이 심한 문제점이 있다. 한편, 광시야각 촬영의 목적을 달성하기 위한 카메라 구조의 다른 일례가 대한민국 공개특허 제2013-0037883호에 개시되어 있다.

상기 공개특허는 넓은 범위를 촬영할 수 있도록 카메라 렌즈에 반사구조를 이용하여 넓은 범위의 빛이 카메라 내로 집광 될 수 있는 구조를 채용하였다. 그런데 이와 같은 종래의 광시야각 카메라 구조는 넓은 범위를 촬영할 수 있는 장점이 있으나 치명적인 단점으로서 촬영되는 상이 왜곡되는 문제점이 있다. 따라서, 이와 같이 왜곡된 이미지를 보정 하기 위한 이미지처리 모듈이 추가되어야 하므로 구조적으로 복잡하며, 이미지처리 시간이 필요하므로 촬영시간과 최종 이미지 출력 시간에 지연이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 이미지 처리 모듈이 추가됨으로써 카메라 제조비용이 상승하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 광시야각 렌즈의 구조를 개선하여 그 렌즈를 통과하여 맺히는 이미지의 왜곡이 없으며 광시야각의 이미지를 얻는 데 기여할 수 있는 렌즈 및 렌즈군을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 광시야각 렌즈는, 피사체로부터 빛을 집광하는 광시야각 렌즈로서,

하나의 평면상에 어안 렌즈 단면이 배치되고, 상기 어안 렌즈 단면의 중심을 지나는 수평선에 수직이며 상기 어안 렌즈 단면으로부터 상기 수평선 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축을 중심으로 상기 어안 렌즈 단면을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 점에 특징이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광시야각 렌즈 는, 하나의 평면상에 오목 렌즈 단면이 배치되고, 상기 오목 렌즈 단면의 중심을 지나는 수평선에 수직이며 상기 오목 렌즈 단면으로부터 상기 수평선 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축을 중심으로 상기 오목 렌즈 단면을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 점에 특징이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광시야각 렌즈군은, 피사체로부터 빛을 집광하는 광시야각 렌즈군으로서,

하나의 평면상에 순차적으로 어안 렌즈 단면, 오목 렌즈 단면, 볼록 렌즈 단면이 배치되고, 상기 어안 렌즈 단면, 상기 오목 렌즈 단면, 상기 볼록 렌즈 단면의 중심을 연결하는 직선에 수직이며 상기 볼록 렌즈 단면으로부터 상기 오목 렌즈 단면의 반대 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축을 중심으로 상기 어안 렌즈 단면, 상기 오목 렌즈 단면, 상기 볼록 렌즈 단면을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈군인 점에 특징이 있다.

본 발명에 따른 광시야각 렌즈 및 렌즈군은, 초점이 맞는 왜곡 없는 이미지가 곡면에 형성됨으로써 혁신적으로 광시야각 촬영이 가능한 카메라를 제조하는 데 크게 기여하는 효과를 제공한다.

도 1은 일반적인 디지털 카메라의 원리를 보여주는 도면이다.
도 2는 실린더 렌즈가 이미지를 형성하는 원리를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 렌즈군의 배치 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ - Ⅳ 선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 렌즈군의 배치 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 렌즈군의 구성하는 렌즈의 입체적인 구조를 보여주는 분리 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 렌즈 구성을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 렌즈 구성을 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 렌즈군의 배치 구조를 보여주는 도면이다. 도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ - Ⅳ 선 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광시야각 렌즈군(이하 "렌즈군"이라 함)는 어안 렌즈(20)와, 오목 렌즈(30)와, 볼록 렌즈(40)를 포함한다.

상기 렌즈군은 피사체(100)로부터 반사되는 빛을 집광하는 역할을 한다. 본 발명의 렌즈군(a group lens)을 구성하는 렌즈는 복수의 렌즈를 포함한다. 본 발명의 렌즈군을 구성하는 렌즈는 막대 형상의 렌즈를 일정한 곡률로 휘어진 형태로 재가공한 형상이다.

막대 형상의 렌즈의 일 예로서 실린더 렌즈가 있다. 일반적으로 실린더 렌즈는 X축과 Y축의 반지름이 서로 다른 유형의 렌즈이다. 실린더 렌즈(200)는 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 반 원통 형태로 구성될 수 있다. 한편, 실린더 렌즈(200)는 원통형 형태로 제조될 수도 있다. 실린더 렌즈는 하나의 점을 기준으로 초점이 맞는 이미지를 형성하는 것이 아니라 하나의 선을 따라 초점이 맞는 이미지를 형성한다. 일반적으로 실린더 렌즈는 한 축 방향으로만 곡면이며, 다른 축 방향은 곡면이 아니기 때문에 한 축 방향으로만 빛이 집광 된다. 따라서, 도 2에 도시된 실린더 렌즈(200)는 Y축 방향으로 직선의 상을 형성한다. 피사체(100)에서 반사된 빛이 상기 실린더 렌즈를 통과하여 이미지 센서(300)에 상이 형성되는 원리는 도 2를 참조하여 용이하게 이해할 수 있다. 도 2를 참조하면 피사체(100)는 실린더 렌즈를 통과한 후 조리개(400)를 통과하여 이미지 센서(300)에 형성될 때 좌우 방향(X)으로는 대칭적으로 바뀐다. 한편, 실린더 렌즈를 통과한 피사체(100)가 이미지 센서(300)에 형성될 때 길이 방향(Y)으로는 대칭적으로 바뀌지 않는다.

본 발명에서는 이와 같은 막대 형상의 렌즈를 다시 한번 휘어진 형상으로 가공함으로써 X축 및 Y축 방향 모두 곡면으로 형성되도록 하여 종래의 렌즈에 비하여 현저하게 광시야각 이미지를 형성할 수 있는 렌즈를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 렌즈군은 왜곡이 없는 이미지를 형성하므로 폐쇄회로 카메라(CCTV)와 같은 장치에 적용될 경우 이미지 보정을 위한 소프트웨어가 필요하지 않으므로 제조 비용이 절감되고 빠른 이미지 처리가 가능한 장점이 있다.

본 발명에서 상기 렌즈군은 카메라의 원리상 바늘구멍에 대응하는 역할을 하는 구성요소이다. 특히, 통상적인 렌즈는 이미지를 하나의 초점에 형성하는 반면에, 본 발명에서 채용하는 상기 렌즈군은 이미지를 곡선상에 형성하도록 구성한 점에 특징이 있다. 즉, 본 발명에서 상기 렌즈군은 카메라 원리상 바늘구멍을 슬릿(slit) 형태로 연장한 것과 같은 역할을 한다. 따라서, 상기 렌즈군은 광시야각 이미지를 곡면상에 왜곡 없이 형성하는 작용을 한다. 즉, 상기 렌즈군은 슬릿 형태의 바늘구멍과 빛을 집약하는 렌즈 고유의 역할을 동시에 수행한다.

더 구체적으로 상기 어안 렌즈(20)와, 상기 오목 렌즈(30)와, 상기 볼록 렌즈(40)는 가상의 회전축(50)을 기준으로 어안 렌즈 단면(22), 오목 렌즈 단면(32), 볼록 렌즈 단면(42)이 일정한 각도 범위에서 회전되어 3차원 궤적으로 형성된 렌즈이다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 평면상에 상기 어안 렌즈 단면(22), 상기 오목 렌즈 단면(32), 상기 볼록 렌즈 단면(42)이 배치된 상태를 전제한다. 그리고 상기 볼록 렌즈 단면(42)으로부터 상기 오목 렌즈 단면(32)의 반대 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축(50)이 배치된 상태를 전제한다. 상기 회전축(50)은 상기 어안 렌즈 단면(22), 상기 오목 렌즈 단면(32), 상기 볼록 렌즈 단면(42)의 중심을 연결하는 직선에 수직인 가상의 축이다. 상기 어안 렌즈(20)는 상기 회전축(50)을 중심으로 상기 어안 렌즈 단면(22)을 일정 각도 범위만큼 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈다. 한편, 상기 오목 렌즈(30)는 상기 회전축(50)을 중심으로 상기 오목 렌즈 단면(32)을 일정 각도 범위만큼 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈다. 그리고 상기 볼록 렌즈(40)는 상기 회전축(50)을 중심으로 상기 볼록 렌즈 단면(42)을 일정 각도 범위만큼 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈다. 예컨대 도 3은 도 4에 도시된 렌즈 단면을 상기 회전축(50)을 기준으로 180° 범위에서 회전시켜 얻은 3차원 궤적으로 형성된 렌즈군의 배치 구조를 보여준다. 상기 어안 렌즈(20), 상기 오목 렌즈(30), 상기 볼록 렌즈(40)는 하나의 프레임 또는 경통(미도시)에 의해 하나의 렌즈 장치로 결합 될 수 있다. 상기 렌즈군에 의해 얻어지는 이미지는 곡면상에 형성됨으로써 왜곡되지 않는 이미지가 형성된다. 따라서 상기 렌즈군을 채용한 카메라를 제조하는 경우에는 이미지 센서(300)도 곡면 형태로 구성하여야 한다. 상기 이미지 센서(300)는 상기 렌즈군에 의해 형성된 이미지를 전기 신호로 출력한다. 상기 이미지 센서(300)의 전기 신호는 전류 또는 전압이 될 수 있다. 상기 이미지 센서(300)로는 CCD 센서 또는 CMOS 센서가 채용될 수 있다. 상기 이미지 센서(300)는 상기 렌즈군의 초점 거리에 대응하도록 곡면으로 형성된다. 상기 이미지 센서(300)는 미세한 크기의 이미지 센서를 곡면 형상의 부재 위에 부착하여 형성할 수 있다. 한편, 상기 이미지 센서(300)는 곡면 부재의 표면에 연속적인 반도체 제조 공정을 적용하여 CCD 또는 CMOS 회로를 직접 적층 형성할 수도 있다. 상기 이미지 센서(300)의 제조 공정은 공지된 반도체 제조 공정을 적용하여 구성할 수 있다.

이와 같이 상기 렌즈군에 의해 형성되는 왜곡 없는 이미지가 곡면 상에 형성되므로, 상기 이미지 센서(300)가 상기 렌즈군의 초점이 맞는 곡면에 대응하도록 곡면 형태로 구성될 경우, 상기 이미지 센서(300)에 형성되는 이미지가 실제 이미지에 비하여 왜곡되지 않게 된다. 또한, 상기 렌즈군이 상기 회전축(50)을 기준으로 회전체의 일부분인 3차원 형태로 휘어지도록 형성됨으로써 상기 렌즈군에 집광 되는 영역이 넓어져서 광시야각 촬영이 가능하다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 광시야각 렌즈군이 채용된 광시야각 카메라의 작용 효과를 예로 들어 본 발명에 따른 렌즈군의 작용 효과를 상세하게 서술하기로 한다.

먼저, 피사체(100)는 태양광이나 전등과 같은 광원에 의해 빛이 반사된다. 피사체(100)에서 반사된 빛은 상기 렌즈군을 통과한다. 상기 렌즈군은 상기 회전축(50)을 기준으로 상기 어안 렌즈 단면(22), 상기 오목 렌즈 단면(32), 상기 볼록 렌즈 단면(42) 및 상기 이미지 센서 단면(320)이 일정 각도 범위에서 회전되어 얻어지는 3차원 궤적으로 이루어지므로 상기 렌즈군을 통과한 이미지가 곡면상에 형성된다. 상기 렌즈군의 이미지에 대응한 곡면에 상기 이미지 센서(300)가 배치되어 있으므로 상기 렌즈군을 통과하여 형성된 이미지는 왜곡되지 않고 상기 이미지 센서(300)에 형성된다. 상기 이미지 센서(300)는 형성된 이미지 신호를 전기 신호로 출력하게 된다. 상기 이미지 센서(300)에서 출력된 전기 신호는 이미지 처리 모듈에서 사람이 볼 수 있는 이미지 형태로 변환되어 모니터나 기록 매체에 출력된다. 즉, 본 발명의 본질적인 특징은 상기 렌즈군에 의해 초점이 맞는 이미지가 곡면상에 형성되며 그 곡면에 대응하는 위치에 이미지 센서(300)가 배치됨으로써 왜곡 없는 이미지를 얻을 수 있다. 또한, 상기 렌즈군을 회전체의 일부분으로 가공함으로써 필요한 광시야각 촬영을 매우 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다. 한편, 상기 렌즈군은 도 5에 도시된 바와 같이 회전체로 가공함으로써 360° 전 범위 광시야각 촬영을 구현할 수 있다. 도 6은 도 5에 도시된 렌즈군을 구성하는 렌즈의 입체적인 구조를 보여주는 분리 사시도이다.

한편, 도 7과 도 8은 각각 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 렌즈 구성을 보여주는 도면이다. 도 7은 회전축(50)을 중심으로 어안 렌즈 단면(22)을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 이루어진 어안 렌즈(20)만을 포함하는 렌즈이다. 즉, 상기 어안 렌즈(20)는 회전축(50)을 기준으로 어안 렌즈 단면(22)이 일정한 각도 범위에서 회전되어 3차원 궤적으로 형성된 렌즈이다. 즉, 하나의 평면상에 상기 어안 렌즈 단면(22)이 배치된 상태를 전제한다. 그리고 상기 어안 렌즈 단면(22)의 중심을 지나는 수평선 방향으로 상기 어안 렌즈 단면(22)으로부터 이격 되며 상기 수평선에 수직인 가상의 회전축(50)이 배치된 상태를 전제한다. 상기 어안 렌즈(20)는 상기 회전축(50)을 중심으로 상기 어안 렌즈 단면(22)을 일정 각도 범위만큼 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈다.

한편, 도 8은 회전축(50)을 중심으로 오목 렌즈 단면(32)을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 이루어진 오목 렌즈(30)만을 포함하는 렌즈이다. 즉, 상기 오목 렌즈(30)는 회전축(50)을 기준으로 오목 렌즈 단면(22)이 일정한 각도 범위에서 회전되어 3차원 궤적으로 형성된 렌즈이다. 즉, 하나의 평면상에 상기 오목 렌즈 단면(32)이 배치된 상태를 전제한다. 그리고 상기 오목 렌즈 단면(32)의 중심을 지나는 수평선 방향으로 상기 오목 렌즈 단면(32)으로부터 이격 되며 상기 수평선에 수직인 가상의 회전축(50)이 배치된 상태를 전제한다. 상기 오목 렌즈(30)는 상기 회전축(50)을 중심으로 상기 오목 렌즈 단면(32)을 일정 각도 범위만큼 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈다.

도 7 및 도 8에 도시된 회전체의 일부 형상으로 구성된 렌즈는 도 4에 도시된 렌즈 단면들 중 각각 어안 렌즈 단면(22)과 오목 렌즈 단면(32)을 추출하여 상기 회전축(50)을 중심으로 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻은 3차원 궤적으로 이루어진 렌즈이다. 도 7 및 도 8에 도시된 렌즈는 단독으로 카메라 장치를 구성할 수 없으나 왜곡 없는 광시야각 이미지 생성에 중요한 역할을 수행할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 광시야각 렌즈 및 렌즈군을 채용한 카메라는 왜곡 없는 이미지가 곡면에 형성되며, 그 곡면에 대응하는 이미지 센서가 구비됨으로써 혁신적으로 광시야각 촬영이 가능한 효과를 제공한다.

이상, 바람직한 실시 예를 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

20 : 어안 렌즈
22 : 어안 렌즈 단면
30 : 오목 렌즈
32 : 오목 렌즈 단면
40 : 볼록 렌즈
44 : 볼록 렌즈 단면
50 : 회전축
100 : 피사체
200 : 실린더 렌즈
300 : 이미지 센서
320 : 이미지 센서 단면
400 : 조리개

Claims (3)

1. 피사체로부터 빛을 집광하는 광시야각 렌즈로서,
   하나의 평면상에 어안 렌즈 단면이 배치되고, 상기 어안 렌즈 단면의 중심을 지나는 수평선에 수직이며 상기 어안 렌즈 단면으로부터 상기 수평선 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축을 중심으로 상기 어안 렌즈 단면을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈인 것을 특징으로 하는 광시야각 렌즈.
2. 하나의 평면상에 오목 렌즈 단면이 배치되고, 상기 오목 렌즈 단면의 중심을 지나는 수평선에 수직이며 상기 오목 렌즈 단면으로부터 상기 수평선 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축을 중심으로 상기 오목 렌즈 단면을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈인 것을 특징으로 하는 광시야각 렌즈.
3. 피사체로부터 빛을 집광하는 광시야각 렌즈군으로서,
   하나의 평면상에 순차적으로 어안 렌즈 단면, 오목 렌즈 단면, 볼록 렌즈 단면이 배치되고, 상기 어안 렌즈 단면, 상기 오목 렌즈 단면, 상기 볼록 렌즈 단면의 중심을 연결하는 직선에 수직이며 상기 볼록 렌즈 단면으로부터 상기 오목 렌즈 단면의 반대 방향으로 이격 되도록 배치된 가상의 회전축을 중심으로 상기 어안 렌즈 단면, 상기 오목 렌즈 단면, 상기 볼록 렌즈 단면을 일정 각도 범위에서 회전시켜 얻어지는 3차원 궤적으로 형성된 렌즈인 것을 특징으로 하는 광시야각 렌즈군.

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