KR101773815B1

KR101773815B1 - 근접 초광각 소형 광학계

Info

Publication number: KR101773815B1
Application number: KR1020170030478A
Authority: KR
Inventors: 강진희; 최병석
Original assignee: (주)디오스텍
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2017-09-04

Abstract

본 발명은, 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 및 제3 렌즈군을 포함하고, 상기 제1 렌즈군은 음의 굴절력을 가지는 제1 렌즈(L1)와 양의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(L2)를 포함하고, 상기 제2 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(L3)와 음의 굴절력을 가지는 제4 렌즈(L4)를 포함하고 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 상기 제3 렌즈군은 양의 굴절력을 가진 제5 렌즈(L5)를 포함하는 근접 초광각 소형 광학계를 제공한다.
본 발명에 따르면, 대략 180도의 초광각을 구현하면서도 적절한 굴절력 배분을 통해 고해상도 이미지센서에 대응하는 높은 해상도를 구현할 수 있고, 광학계 전장과 렌즈매수를 최소화할 수 있다.

Description

근접 초광각 소형 광학계{Super wide small optical system for short object distance}

본 발명은 근접 초광각 소형 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 근접 거리에서 사물을 촬영하는 경우에 최대한 넓은 화각으로 최대한 많은 영상정보를 획득할 수 있는 근접 초광각 소형 광학계에 관한 것이다.

최근 휴대용 전자기기, 가전기기, 자동차 등에 카메라 기능이 기본 사양으로 적용되는 추세에 따라 카메라모듈의 수요가 급증하고 있고, 카메라모듈에 대한 기술적 요구도 갈수록 다양화되고 있다.

카메라모듈에 대한 기술적 요구사항은 대략적으로 해상도, 크기, 화각 등으로 구분할 수 있는데, 종래에는 고해상도, 소형화에 대한 요구가 큰 비중을 차지하였으나 최근에는 이에 더하여 보다 넓은 화각에 대한 요구도 점차 커지고 있다.

예를 들어 최근 고급 카메라 사용자들이 예술적인 표현을 얻기 위하여 180도 이상의 초광각 렌즈를 사용하는 경우가 늘어 나고 있고, 휴대용 전자기기의 사용자들도 어안렌즈 액세서리를 사용하는 경우가 늘어나고 있다.

그런데 광학계의 화각이 클수록 수차보정이 어렵기 때문에 고화소 이미지센서에 적용할 정도의 높은 해상력을 구현하기 어렵고, 광학계를 소형화하는 데도 한계가 있기 때문에 모든 기술적 요구사항을 충족하는 광학계를 설계하는 것이 쉽지 않은 문제가 있다.

한편 최근에는 냉장고 등과 같은 가전기기의 내부에 비치된 물품의 영상을 사용자가 외부에서 확인할 수 있도록 가전기기 등의 내부에 카메라모듈을 설치하는 경우가 있다.

이러한 경우에는 설치공간의 제약으로 인해 기본적으로 소형의 카메라모듈을 사용해야 하고, 근접한 물체의 영상을 최대한 많이 획득해야 하므로 초광각 광학계가 요구된다. 또한 사용자가 물체의 상태를 선명하게 확인할 수 있어야 하므로 고해상도 광학계가 요구된다.

그런데 앞서 설명한 바와 같이, 화각이 커질수록 광학계의 소형화 및 고해상도를 구현하기 어려우므로 렌즈의 매수, 렌즈 크기, 전장(TTL) 등을 최대한 줄여 광학계를 소형화하면서도 고해상도를 구현할 수 있고, 전자기기 등의 내부에 설치되는 경우를 대비하여 근거리 초점방식이면서 초광각을 구현할 수 있는 최적의 광학계를 개발할 필요가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0961124호(2010.06.07 공고)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 근거리 초점 방식이면서 대략 180도 전후의 초광각을 구현할 수 있고, 고화소 이미지센서에 적용 가능 할 정도의 높은 해상력을 가지며, 광학 전장을 최소화하고 렌즈 매수를 최소화한 근접 초광각 소형 광학계를 제공하는데 목적이 있다.

전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 및 제3 렌즈군을 포함하고, 상기 제1 렌즈군은 음의 굴절력을 가지는 제1 렌즈(L1)와 양의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(L2)를 포함하고, 상기 제2 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(L3)와 음의 굴절력을 가지는 제4 렌즈(L4)를 포함하고 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 상기 제3 렌즈군은 양의 굴절력을 가진 제5 렌즈(L5)를 포함하며, 조건식 -0.4 < f / Φ1 < 0.3, 0.8 < TTL / 2Y < 2.5, 100 < A / NA < 800 (f: 광학계 전체의 총초점거리, Φ1: 상기 제1 렌즈군의 총초점거리, TTL: 제1 렌즈의 첫면부터 이미지센서까지의 거리, 2Y: 이미지센서의 대각 사이즈, A: 반화각, NA: 렌즈의 밝기를 나타내는 개구수(Numerical Aperture))을 모두 만족하는 근접 초광각 소형 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 근접 초광각 소형 광학계에서, 상기 제1렌즈(L1)의 양면과 상기 제2렌즈(L2)의 양면은 모두 비구면일 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 근접 초광각 소형 광학계는, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈의 사이에는 조리개가 위치하고, 조건식 0.8 < TL23/TL1 < 1.6 (TL23; 조리개 면부터 이미지 센서까지의 거리, TL1: 제1 렌즈의 첫면부터 조리개까지의 거리)을 만족하도록 구성될 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 근접 초광각 소형 광학계에서, 상기 제2 렌즈군은 조건식 -40 < V4 - V3 < -20 (V3: 제3 렌즈의 분산치, V4: 제4 렌즈의 분산치)을 만족하도록 구성될 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 근접 초광각 소형 광학계에서, 상기 제3 렌즈군은 조건식 0 < f / Φ3 < 0.7 (f: 광학계 전체의 총초점거리, Φ3: 제3렌즈군의 총초점거리) 을 만족하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 대략 180도의 초광각을 구현하면서도 적절한 굴절력 배분을 통해 고해상도 이미지센서에 대응하는 높은 해상도를 구현할 수 있고, 광학계 전장과 렌즈매수를 최소화한 근접 초광각 소형 광학계를 제공할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도를 각각 나타낸 도면
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도를 각각 나타낸 도면
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도를 각각 나타낸 도면

이하 에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계는, 도 1a, 도 2a, 도 3a에 공통적으로 나타낸 바와 같이, 물체측에서부터 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 제3 렌즈군의 순으로 배열되며, 각 렌즈군은 하나 이상의 렌즈를 포함한다. 조리개는 제1 렌즈군과 제2 렌즈군의 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈군은 음의 굴절력을 가진 제1 렌즈(L1)와, 양의 굴절력을 가진 제2 렌즈(L2)를 포함하며, 물체측에서부터 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)가 순서대로 배치된다. 그리고 제1 렌즈(L1)의 양면과 제2 렌즈(L2)의 양면은 모두 비구면인 것이 바람직하다.

이와 같이 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)에 서로 반대의 굴절력을 배분하고 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)의 양면을 모두 비구면으로 구성하면, 광학계의 전장을 최대한 짧게 하면서도 높은 해상력 성능을 구현할 수 있어 소형 초광각 시스템을 구성하는 것이 가능해진다.

제2 렌즈군은 양의 굴절력을 가진 제3 렌즈(L3)와 음의 굴절력을 가지는 제4 렌즈(L4)를 포함하며, 물체측에서부터 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)가 순서대로 배치된다. 이때 제3 렌즈(L3)는 양면 볼록한 렌즈이고, 제4 렌즈(L4)는 양면 오목한 렌즈인 것이 바람직하다.

초광각을 구현하기 위해서는 매우 큰 굴절력이 필요한데, 본 발명의 실시예에 따르면 제2 렌즈군이 제1 렌즈군의 굴절력을 분담함으로써 보다 용이하게 초광각을 구현할 수 있다.

특히 제3렌즈와 제4렌즈에 분산치가 서로 다른 소재를 배치하고, 서로 반대의 굴절력을 배분함으로써 높은 굴절력 부담에도 불구하고 높은 해상력을 얻는 것이 가능해진다.

제3 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 양면 볼록한 제5 렌즈(L5)로 구성된다.

이상에서 설명한 제1 내지 제3 렌즈군의 모든 렌즈는 가공용이성, 형상자유도 등을 감안하여 플라스틱 렌즈를 사용하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계는 다음의 조건식들을 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

먼저 제1 렌즈군의 굴절력과 관련하여 다음의 조건식 1과 조건식 2를 만족하도록 구성된다.

<조건식 1>

100 < A / NA < 800

(A: 반화각, NA: 렌즈의 밝기를 나타내는 개구수(Numerical Aperture))

<조건식 2>

-0.4 < f / Φ1 < 0.3

(Φ1: 제1 렌즈군의 총초점거리, f: 광학계 전체의 총초점거리.)

위 조건식 1은 반화각과 개구수의 관계에 대한 것으로서, 상한을 초과하면 근거리 광학 성능을 확보하기 어렵고, 하한보다 작으면 약 180도의 초광각을 구현하기 어렵다.

위 조건식 2는 제1 렌즈군의 총초점거리에 관한 것으로서, 상한을 초과하면 굴절력(power) 부담이 커져서 수차 보정이 힘들어지고, 하한보다 작으면 후초점거리를 충분히 확보하기 어렵다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계는 색수차 보정을 위하여 다음의 조건식 3을 만족하도록 구성된다.

<조건식 3>

20 ＜(V1+V2)/2＜ 50

V1와 V2는 각각 제1렌즈와 제2렌즈의 아베 수.

위 조건식 3의 범위를 벗어나면 색수차 보정이 어려워지므로 고화소 이미지센서에 적용할 정도의 높은 해상력을 구현하기 어려운 문제가 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계는 다음의 조건식 4를 만족하도록 구성된다.

<조건식 4>

0.8 < TL23/TL1 < 1.6

TL23: 조리개 면부터 이미지 센서까지의 거리.

TL1: 제1 렌즈의 첫면부터 조리개까지의 거리.

위 조건식 4에서 상한을 초과하면 이미지면에 입사하는 주광선의 입사각인 CRA와 후초점거리 확보가 힘들어져 광학계의 소형화가 어렵고, 하한보다 값이 작으면 약 180도의 초광각을 구현하는 것이 어렵다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계는 색수차 보정에 관한 다음의 조건식 5를 만족하도록 구성된다.

<조건식 5>

-40 < V4 - V3 < -20

V3, V4는 각각 제3 렌즈와 제4렌즈의 분산치.

위 조건식 5의 범위를 벗어나면 색수차 보정이 어려워져 고화소용으로 사용가능할 정도의 해상력 성능을 구현하기 어려워진다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계는 제3 렌즈군과 관련하여 다음의 조건식 6을 만족하도록 구성된다.

<조건식 6>

0 < f / Φ3 < 0.7

Φ3: 제3 렌즈군의 총초점거리. f: 광학계 전체의 총초점거리.

상기 조건식 6은 제3 렌즈군의 총초점거리에 관한 식으로서, 상한을 초과하면 제3 렌즈군의 굴절력이 지나치게 커서 왜곡수차와 색수차가 커지고, 하한보다 작으면 굴절력 배분이 어려워서 5매 렌즈 광학계를 구성하기 어려운 문제가 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계는 다음의 조건식 7 을 만족하도록 구성된다.

<조건식7>

0.8 < TTL / 2Y < 2.5

TTL: 제1 렌즈의 첫면부터 이미지센서까지의 거리

2Y: 이미지센서의 대각 사이즈

위 조건식 7은 화각과 렌즈 전장에 관련된 것으로서, 하한보다 작으면 고화소용의 높은 해상력을 구현하기 힘들고, 상한보다 크면 약 180도의 초광각을 구현하기 어려울 뿐만 아니라 전장이 너무 길어져 소형 광학계를 구성하기 어려운 단점이 있다.

한편, 아래의 표 1은 전술한 렌즈의 구성과 조건식 1 내지 7을 만족하는 3가지 실시예의 설계 스펙에 대하여 성능 값 및 조건식에 대한 계산 값을 나타낸 것이다.

상기 표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예별 데이터는 다음과 같으며, 상기 제1 내지 제3 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계의 구성은 각각 도1a, 도 2a, 도 3a에 도시된 바와 같다.

여기서 Y Radius는 렌즈의 곡률반경, Thickness는 렌즈의 두께 및 공기간격, Nd 는 렌즈 소재의 d-line(587.56nm)에서의 굴절율, Vd 는 렌즈의 아베수이다.

<제 1 실시예>

<제 2 실시예>

<제 3 실시예>

한편 각 실시예에 나타난 비구면 계수는 비구면 형상에 관한 아래의 관계식에 적용되는 계수이다.

여기서, Z는 렌즈의 정점부터 광축방향으로의 거리, h는 광축에 수직방향으로의 거리, C는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수, K는 Conic 상수, A4,A6,A8,A10,A12,A14,A16,A18 은 각각 비구면 계수이다.

한편 도 1b, 도 2b, 및 도 3b는 각각 제1, 2, 3 실시예에 따른 근접 초광각 소형 광학계의 수차도를 나타낸 것으로서, 이를 통해 각 실시예에서 구면수차, 비점수차, 및 왜곡수차가 양호한 것을 확인할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

L1: 제1 렌즈 L2: 제2 렌즈
L3: 제3 렌즈 L4: 제 4렌즈
L5: 제 5렌즈 LF: 필터
STOP: 조리개

Claims

물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 및 제3 렌즈군을 포함하고,
상기 제1 렌즈군은 음의 굴절력을 가지는 제1 렌즈(L1)와 양의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(L2)를 포함하고,
상기 제2 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(L3)와 음의 굴절력을 가지는 제4 렌즈(L4)를 포함하고 전체적으로 양의 굴절력을 가지며,
상기 제3 렌즈군은 양의 굴절력을 가진 제5 렌즈(L5)를 포함하며,
다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 근접 초광각 소형 광학계.
-0.4 < f / Φ1 < 0.3
0.8 < TTL / 2Y < 2.5
100 < A / NA < 800
(f: 광학계 전체의 총초점거리, Φ1: 상기 제1 렌즈군의 총초점거리, TTL: 제1 렌즈의 첫면부터 이미지센서까지의 거리, 2Y: 이미지센서의 대각 사이즈, A: 반화각, NA: 렌즈의 밝기를 나타내는 개구수(Numerical Aperture))
제1항에 있어서,
상기 제1렌즈(L1)의 양면과 상기 제2렌즈(L2)의 양면은 모두 비구면인 것을 특징으로 하는 근접 초광각 소형 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈의 사이에 조리개가 위치하고, 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 근접 초광각 소형 광학계.
0.8 < TL23/TL1 < 1.6
(TL23; 조리개 면부터 이미지 센서까지의 거리, TL1: 제1 렌즈의 첫면부터 조리개까지의 거리)
제1항에 있어서,
상기 제2 렌즈군은 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 근접 초광각 소형 광학계.
-40 < V4 - V3 < -20
(V3: 제3 렌즈의 분산치, V4: 제4 렌즈의 분산치)
제1항에 있어서,
상기 제3 렌즈군은 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 근접 초광각 소형 광학계.
0 < f / Φ3 < 0.7
(f: 광학계 전체의 총초점거리, Φ3: 제3렌즈군의 총초점거리)
물체와 이미지센서 사이에 물체측에서부터 순서대로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈를 포함하되,
상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈는 서로 반대되는 굴절력을 가진 렌즈이며,
상기 제3 렌즈는 양의 굴절력을 가지는 양면 볼록한 렌즈이며,
상기 제4 렌즈는 음의 굴절력을 가지는 양면 오목한 렌즈이며,
상기 제5 렌즈는 양의 굴절력을 가지는 양면 볼록한 렌즈이며,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 근접 초광각 소형 광학계.
-0.4 < f / Φ1 < 0.3
0.8 < TTL / 2Y < 2.5
100 < A / NA < 800
(f: 광학계 전체의 총초점거리, Φ1: 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈를 포함하는 렌즈군의 총초점거리, TTL: 상기 제1 렌즈의 첫면부터 상기 이미지센서까지의 거리, 2Y: 이미지센서의 대각 사이즈, A: 반화각, NA: 렌즈의 밝기를 나타내는 개구수(Numerical Aperture))