KR102116801B1 - 광학계 - Google Patents

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Abstract

광학계가 개시된다. 광학계는 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈 및 제 4 렌즈를 포함하고, 아래의 수식1을 만족한다.
수식1
1.5<n2<1.55
20<v1<30
20<v3<30
여기서, n2는 상기 제 2 렌즈의 굴절률이고, v1은 상기 제 1 렌즈의 아베수이고, v3는 상기 제 3 렌즈의 아베수이다.

Description

광학계{OPTICAL SYSTEM}
실시예는 광학계에 관한 것이다.
최근 휴대전화기나 이동통신단말기에 CCD 또는 CMOS와 같은 고체 촬상소자를 이용한 콤팩트한 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라가 내장되고 있다. 이러한 촬상소자는 소형화되는 추세이고, 이에 따라 촬상소자에 사용되는 광학계도 고성능이면서 소형화가 요구되고 있다.
또한, 종래의 광학계는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈, 필터 및 수광소자를 포함한다. 이때, 상기 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈 및 제 4 렌즈는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 순서대로 배치된다. 또한, 상기 제1렌즈 및 제 3 렌즈는 양의 굴절력을 갖고, 상기 제 2 렌즈 및 제 4 렌즈는 음의 굴절력을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제 2 렌즈의 굴절력이 다른 렌즈의 굴절력보다 크게 설계될 수 있다.
상기 제 1 렌즈는 물체 측에 볼록한 면을 가지고, 상기 제 2 렌즈는 상 측 면에 오목한 면을 가질 수 있다. 상기 필터는 적외선 차단 필터 일 수 있으며, 상기 수광 소자는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
이와 같은 소형 광학계에 대해서, 한국 출원 번호 10-2007-0041825 등에 개시되어 있다.
실시예는 향상된 성능을 가지고, 작은 크기를 가지는 광학계를 제공하고자 한다.
시예에 따른 광학계는 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈 및 제 4 렌즈를 포함하고, 아래의 수식 1을 만족한다.
[수식 1]
1.5<n2<1.55
20<v1<30
20<v3<30
여기서, n2는 상기 제 2 렌즈의 굴절률이고, v1은 상기 제 1 렌즈의 아베수이고, v3는 상기 제 3 렌즈의 아베수이다.
일 실시예에 따른 광학계에서, 아래의 수식 3을 만족할 수 있다.
[수식 3]
0.8<f1/F<1.2
여기서, f1은 상기 제 1 렌즈의 유효초점거리이다.
일 실시예에서, 아래의 수식 4를 만족할 수 있다.
[수식 4]
│Φ2│＜│Φ1│＜│Φ3│＜│Φ4│
여기서, Φ1는 상기 제 1 렌즈의 굴절능이고, Φ2는 상기 제 2 렌즈의 굴절능이며, Φ3는 상기 제 3 렌즈의 굴절능이고, Φ4는 상기 제 4 렌즈의 굴절능이다.
일 실시예에 따른 광학계는 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈 사이에 배치되는 조리개를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈 및 상기 제 3 렌즈는 양의 굴절능을 가지고, 상기 제 4 렌즈는 음의 굴절능을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈, 상기 제 3 렌즈 및 상기 제 4 렌즈의 물체 측 면 및 상 측 면은 비구면일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 렌즈의 물체 측 면 및 상 측 면 중 적어도 일면에는 회전 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물체 측으로부터 상기 상 측 방향으로 상기 제 4 렌즈 다음에 필터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈, 상기 제 3 렌즈 및 상기 제 4 렌즈의 재질은 플라스틱을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 광학계는 위와 같이 설계될 때, 아래의 수식2를 만족할 수 있다.
수식2
1<TTL/F<1.3
여기서, TTL은 상기 제 1 렌즈의 물체 측면으로부터 상면까지의 거리이고, F는 전체 유효초점거리이다.
위와 같이, 상기 제 1 렌즈의 물체 측면으로부터 상면까지의 거리, 즉, 실시예에 따른 광학계의 전체 거리는 매우 작은 값을 가질 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 광학계는 작은 크기를 가지면서, 향상된 성능을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 소형 광학계의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 촬상 렌즈에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 소형 광학계의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 소형 광학계는 물체 측(object side)으로부터 상 측(image side)을 향해 순서대로, 제 1 렌즈(10), 조리개(15), 제 2 렌즈(20), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40), 필터(50) 및 수광 소자(60)를 포함한다.
피사체 영상을 획득하기 위하여 피사체의 영상 정보에 해당되는 광은 상기 제 1 렌즈(10), 조리개(15), 제 2 렌즈(20), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40) 및 필터(50)를 통과하여 상기 수광 소자(60)에 입사된다
상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20) 및 상기 제 3 렌즈(30)는 양(+)의 굴절능(power)을 가지고, 상기 제 4 렌즈(40)는 음(-)의 굴절능을 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20) 및 상기 제 3 렌즈(30) 중 적어도 하나의 렌즈의 일면에는 회절 패턴이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 회전 패턴에 의해 전체 광학계의 성능을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20), 상기 제 3 렌즈(30) 및 상기 제 4 렌즈(40)는 아래의 수식 4를 만족할 수 있다.
[수식 4]
│Φ2│＜│Φ1│＜│Φ3│＜│Φ4│
여기서, Φ1은 상기 제 1 렌즈(10)의 굴절능이고, Φ2는 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절능이며, Φ3는 상기 제 3 렌즈(30)의 굴절능이고, Φ4는 상기 제 4 렌즈(40)의 굴절능이다.
또한, 상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20), 상기 제 3 렌즈(30) 및 상기 제 4 렌즈(40)는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20), 상기 제 3 렌즈(30) 및 상기 제 4 렌즈(40)는 플라스틱으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1)은 볼록하고, 상기 제 1 렌즈(10)의 상 측 면(R2)은 오목할 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1) 및 상 측 면(R2)은 비구면일 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 렌즈(10)의 초점 거리는 다음의 수식 3을 만족할 수 있다.
[수식 3]
0.8＜f1/F＜1.2
여기서, f1은 상기 제 1 렌즈(10)의 유효초점거리이고, F는 실시예에 따른 소형 광학계의 전체 초점거리이다.
또한, 상기 제 1 렌즈(10)의 아베수(v1)는 약 20보다 더 클 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 렌즈(10)의 아베수(v1)는 약 20 내지 약 30일 수 있다.
상기 제 2 렌즈(20)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 2 렌즈(20)의 물체 측 면(R4)은 오목하고, 상기 제 2 렌즈(20)의 상 측 면(R5)은 볼록할 수 있다. 또한, 상기 제 2 렌즈(20)의 물체 측 면(R4) 및 상 측 면(R5)은 비구면일 수 있다.
상기 제 2 렌즈(20)의 굴절률(n2)은 약 1.5 내지 약 1.55일 수 있다. 더 자세하게, d선에서, 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절률(n2)은 약 1.5 내지 약 1.55일 수 있다.
상기 제 3 렌즈(30)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 3 렌즈(30)의 물체 측 면(R6)은 오목하고, 상기 제 3 렌즈(30)의 상 측 면(R7)은 볼록할 수 있다. 또한, 상기 제 3 렌즈(30)의 물체 측 면(R6) 및 상 측 면(R7)은 비구면일 수 있다.
상기 제 3 렌즈(30)의 아베수(v3)는 약 20보다 더 클 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 3 렌즈(30)의 아베수(v3)는 약 20 내지 약 30일 수 있다.
상기 제 4 렌즈(40)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 4 렌즈(40)의 물체 측 면(R8)은 오목하고, 상기 제 4 렌즈(40)의 상 측 면(R9)은 볼록할 수 있다. 또한, 상기 제 4 렌즈(40)의 물체 측 면(R8) 및 상 측 면(R9)은 비구면일 수 있다.
상기 조리개(15)는 상기 물체 측과 상기 제 1 렌즈(10) 사이 또는 상기 제 1 렌즈(10)와 상기 제 2 렌즈(20) 사이에 위치하여 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하여 초점거리(focus length)를 조절하는 기능을 수행한다.
상기 제 1 렌즈(10)와 상기 제 2 렌즈(20) 사이에 조리개(15)가 위치할 때는, 상기 조리개(15)와 대향하고, 상기 제 1 렌즈(10)와 상기 제 2 렌즈(20) 중 상기 조리개(15)와 가까운 렌즈 쪽의 일면에는 회절 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 상기 물체 측과 상기 제 1 렌즈(10) 사이에 조리개(15)가 위치할 때는, 상기 조리개(15)와 대향하는 상기 제 1 렌즈(10)의 일면에 회절 패턴이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 회전 패턴에 의해 전체 광학계의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 필터(50)는 적외선 차단 필터(50)(IR cut filter)로 이루어질 수 있다. 상기 적외선 차단 필터(50)는 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 상기 수광소자(60)에 전달되지 않도록 차단시키는 기능을 한다. 즉, 적외선 차단 필터(50)는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출되도록하는 구조를 가진다.
그리고, 상(像)이 맺히는 상기 수광 소자(60)는 피사체 영상에 대응하는 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서로 이루어질 수 있으며, 상기 이미지 센서는 CCD 또는 CMOS 센서로 이루어질 수 있다.
실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식 1을 만족한다.
[수식 1]
1.5<n2<1.55
20<v1<30
20<v3<30
여기서, n2는 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절률이고, v1은 상기 제 1 렌즈(10)의 아베수이고, v3는 상기 제 3 렌즈(30)의 아베수이다.
또한, 상기 수식 1에 더하여, 실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식 3을 더 만족할 수 있다.
[수식 3]
0.8<f1/F<1.2
여기서, f1은 상기 제 1 렌즈(10)의 유효초점거리이고, F는 실시예에 따른 소형 광학계의 전체 유효초점거리이다.
또한, 상기 수식 1 및 수식 3에 더하여, 실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식 4를 더 만족할 수 있다.
[수식 4]
│Φ2│＜│Φ1│＜│Φ3│＜│Φ4│
여기서, Φ1는 상기 제 1 렌즈(10)의 굴절능이고, Φ2는 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절능이며, Φ3은 상기 제 3 렌즈(30)의 굴절능이고, Φ4는 상기 제 4 렌즈(40)의 굴절능이다.
이에 따라서, 실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식 2를 만족시킬 수 있다.
[수식 2]
1<TTL/F<1.3
여기서, TTL은 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1)으로부터 상면(R12)까지의 거리이고, F는 전체 유효초점거리이다.
이와 같이, 실시예에 따른 소형 광학계는 전체 유효초점거리를 기준으로 낮은 TTL을 가질 수 있다. 즉, 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1)으로부터 상면(R12)까지의 거리, 즉, 실시예에 따른 광학계의 전체 거리는 매우 작은 값을 가질 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 광학계는 작은 크기를 가지면서, 향상된 성능을 가질 수 있다.
실험예
실험예에 따른 소형 광학계는 다음의 표 1과 같은 광학적 특징을 가졌다.
렌즈면 곡률반경(㎜) 두께(㎜) 굴절률 아베수 비고
R1* 1.4483 0.5579 1.614
 25.6
 제 1 렌즈
R2* 2.9091 0.1000
R3 ∞ 0.2862 조리개
R4* -27.9534 0.4349 1.531
 55.7
 제 2 렌즈
R5* -10.3253 0.4313
R6* -2.6915 0.3897 1.635
 23.9
 제 3 렌즈
R7* -1.2116 0.1000
R8* -3.6379 0.8000 1.614
 25.6
 제 4 렌즈
R9* 2.5221 0.1000
R10 ∞ 0.1000 1.516
 64.0
 필터
R11 ∞ 0.8000 필터
R12 ∞ 0 센서
(* 표시는 비구면을 나타낸다)상기 표 1에 표기한 두께는 각 렌즈면에서 다음 렌즈면까지의 거리를 나타낸다.
아래의 표 2는 실험예의 비구면 렌즈에 대한 비구면 계수 값이다.
렌즈면 K A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
R1 -0.138238 0.303517E-02 0.269654E-01 -.314009E-01 -.178142E-01 0.888292E-01 -.542516E-01 -.144955E-01
R2 -6.566021 0.216877E-01 0.507122E-02 0.596661E-02 -.844347E-01 0.108780E+00 -.297654E+00 -.454264E-01
R3 0.000000 -.100815E+00 -.113338E+00 0.549293E-01 -.659021E+00 0.962385E+00 -.233657E+00 -.802568E+00
R4 0.000000 -.604158E-01 -.147449E+00 0.367529E-01 -.210521E+00 0.499976E-01 -.340594E-01 0.301534E-01
R5 2.021276 -.106051E-01 -.220030E+00 0.227200E+00 -.953139E+00 0.133765E+01 -.468247E+00 -.687167E+00
R6 -0.452128 -.394564E-01 0.305900E-01 0.579595E-02 0.188514E-01 0.454216E-02 -.105829E-01 0.366590E-02
R7 -45.560111 -.451793E+00 0.345541E+00 -.440009E-01 -.250662E-01 -.606438E-02 0.762060E-02 -.125547E-02
R8 -20.406502 -.132970E+00 0.627776E-01 -.236669E-01 0.594938E-02 -.125003E-02 0.228990E-03 -.220231E-04
실험예의 비구면 렌즈에 대한 표 2의 비구면 계수 값은 다음의 수식6으로부터 얻을 수 있다.
[수식 6]
Figure 112019065096998-pat00001
Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
C : 렌즈의 기본 곡률
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
K : 코닉 상수(Conic constant)
A1, A2, A3, A4, A5 : 비구면 계수(Aspheric constant)
이와 같이, 실험예의 각 렌즈에 대한 비구면 형상이 결정되었다.
또한, 실험예에서는 아래의 표3과 같이, 각 렌즈가 설계되었다.
유효초점거리(㎜) 굴절률 아베수 굴절능(1/㎜)
제 1 렌즈 3.578 1.614 25.6 0.279
제 2 렌즈 30.465 1.531 55.7 0.032
제 3 렌즈 3.120 1.635 23.9 0.320
제 4 렌즈 -2.294 1.614 25.6 -0.436
실험예에 따른 소형 광학계가 위와 같이 설계되었을 때, 다음과 표 4와 같은 성능을 가질 수 있었다.
F 4.1
TTL 4.6
f1/F 0.87
TTL/F 1.12
이와 같이, 실험예에 따른 소형 광학계가 수식 1, 수식 3 내지 수식 4를 만족하는 경우, 수식 2를 만족하도록, ttl 및 F를 얻을 수 있다.따라서, 실시예에 따른 소형 광학계는 수식 1, 수식 3 내지 수식 4와 같이 설계되어, 작은 크기를 가지면서, 동시에 향상된 성능을 가질 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈 및 제 4 렌즈를 포함하고,
    상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈 및 상기 제 3 렌즈 중 적어도 하나의 일면에는 회절 패턴이 형성되고,
    상기 제 1 내지 제 4 렌즈 중, 상기 제 2 렌즈의 유효초점거리가 가장 크고, 상기 제 4 렌즈의 유효초점거리가 가장 작고,
    상기 제 1 렌즈는 상기 물체 측과 마주하는 제 1 면 및 상기 상 측과 마주하는 제 2 면을 포함하고,
    상기 제 2 렌즈는 상기 물체 측과 마주하는 제 3 면 및 상기 상 측과 마주하는 제 4 면을 포함하고,
    상기 제 1 면의 곡률 반경의 절대값은 상기 제 2 면의 곡률 반경의 절대값보다 작고,
    상기 제 3 면의 곡률 반경의 절대값은 상기 제 4 면의 곡률 반경의 절대값보다 크고,
    상기 제 3 면의 곡률 반경의 절대값은, 상기 제 1 및 제 2 면 각각의 곡률 반경의 절대값보다 큰 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 렌즈 중, 상기 제 2 렌즈는 가장 큰 아베수를 가지고 가장 작은 굴절률을 가지는 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 렌즈 중, 상기 제 3 렌즈는 가장 작은 아베수를 가지고 가장 큰 굴절률을 가지는 광학계.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈의 굴절률은 1.5보다 크고 1.55보다 작은 광학계.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 렌즈의 아베수는 20보다 크고 30보다 작은 광학계.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈의 아베수는 상기 제 4 렌즈의 아베수와 동일한 광학계.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈의 굴절률은 상기 제 4 렌즈의 굴절률과 동일한 광학계.
  8. 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈 및 제 4 렌즈를 포함하고,
    상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈 및 상기 제 3 렌즈 중 적어도 하나의 일면에는 회절 패턴이 형성되고,
    상기 제 1 내지 제 4 렌즈 중, 상기 제 2 렌즈의 유효초점거리가 가장 크고, 상기 제 4 렌즈의 유효초점거리가 가장 작고,
    상기 제 1 내지 제 4 렌즈는 하기 [수식]을 만족하는 광학계.
    [수식]
    │Φ2│＜│Φ1│＜│Φ3│＜│Φ4│
    여기서, Φ1는 상기 제 1 렌즈의 굴절능이고, Φ2는 상기 제 2 렌즈의 굴절능이며, Φ3는 상기 제 3 렌즈의 굴절능이고, Φ4는 상기 제 4 렌즈의 굴절능이다.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 렌즈는 상기 물체 측과 마주하는 제 5 면 및 상기 상 측과 마주하는 제 6 면을 포함하고,
    상기 제 4 렌즈는 상기 물체 측과 마주하는 제 7 면 및 상기 상 측과 마주하는 제 8 면을 포함하고,
    상기 제 5 면의 곡률 반경의 절대값은 상기 제 6 면의 곡률 반경의 절대값보다 크고,
    상기 제 7 면의 곡률 반경의 절대값은 상기 제 8 면의 곡률 반경의 절대값보다 크고,
    상기 제 7 면의 곡률 반경의 절대값은, 상기 제 5 및 제 6 면 각각의 곡률 반경의 절대값보다 큰 광학계.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 8 면 각각의 곡률 반경의 절대값 중에, 상기 제 3 면의 곡률 반경의 절대값이 가장 큰 광학계.
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