KR102170696B1 - 줌렌즈계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수차를 양호하게 보정할 수 있는 줌렌즈계를 위하여, 본 발명의 일 관점에 따르면, 물체 측으로부터 이미지 측으로 순차적으로 배열된 정의 제1렌즈군, 부의 제2렌즈군, 조리개, 정의 제3렌즈군, 정의 제4렌즈군 및 정의 제5렌즈군을 포함하고, 상기 제2렌즈군, 상기 제3렌즈군 및 상기 제4렌즈군 각각의 이상분산성 ΔPct가 -0.1 이하인, 줌렌즈계를 제공한다.

Description

줌렌즈계{Zoom lens system}
본 발명의 실시예들은 줌렌즈계에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수차를 양호하게 보정할 수 있는 줌렌즈계에 관한 것이다.
CCD 또는 CMOS를 이용하여 영상을 구현하는 촬영 장치는 디지털로 전환됨에 따라 단위면적당 화소수가 급격히 증가하고 있다. 단위면적당 화소수가 증가함에 따라 디지털 촬영 장치에 채용되는 렌즈계에 대해 높은 광학 성능이 요구되고 있으며, 아울러 편의상의 이유로 소형화에 대한 요구도 점차 증대되고 있다.
렌즈계는 피사체가 가지는 작은 정보까지 선명하게 기록하기 위해서 화면 주변에서 발생하는 수차까지 양호하게 보정되어야 한다. 그러나, 고성능을 실현하기 위해서는 소형화를 이루기에 어려움이 있고, 소형화를 위해서는 제조 원가의 상승이 수반되므로 높은 광학 성능과 제조 비용을 같이 만족시키기에 어려움이 있다.
그러나 이러한 종래의 줌렌즈계에는 수차가 양호하게 보정되도록 할 경우에는 줌렌즈계의 전체적인 크기가 커진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 수차를 양호하게 보정할 수 있는 줌렌즈계를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 물체 측으로부터 이미지 측으로 순차적으로 배열된 정의 제1렌즈군, 부의 제2렌즈군, 조리개, 정의 제3렌즈군, 정의 제4렌즈군 및 정의 제5렌즈군을 포함하고, 상기 제2렌즈군, 상기 제3렌즈군 및 상기 제4렌즈군 각각의 이상분산성 ΔPct가 -0.1 이하인, 줌렌즈계가 제공된다.
이때, 상기 제1렌즈군과 상기 제2렌즈군 사이의 간격이 증가함에 따라 광각단에서 망원단으로 변배를 수행하도록 할 수 있다.
상기 제1렌즈군과 상기 제5렌즈군의 위치는 고정되도록 할 수 있다.
상기 조리개와 상기 제3렌즈군 사이의 간격은 광각단에서 망원단으로 변배를 수행함에 따라 좁아지다가 사전설정된 간격이 되면 고정되도록 할 수 있다.
상기 제2렌즈군, 상기 제3렌즈군 및 상기 제4렌즈군 중 적어도 어느 하나는 비구면을 갖는 렌즈를 포함하도록 할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 특허청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수차를 양호하게 보정할 수 있는 줌렌즈계를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광각단에서의 줌렌즈계를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 망원단에서의 줌렌즈계를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 3은 도 1의 광각단에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다.
도 4는 광각단과 망원단 사이의 제1중간단에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 광각단과 망원단 사이의 제2중간단에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 2의 망원단에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 줌렌즈계를 개략적으로 도시하는 개념도이다. 도 1의 경우에는 본 실시예에 따른 줌렌즈계가 광각단인 것을, 도 2의 경우에는 본 실시예에 따른 줌렌즈계가 망원단인 것을 도시하고 있다.
본 실시예에 따른 줌렌즈계는 물체(O) 측으로부터 이미지(I) 측으로 순차적으로 배열된 제1렌즈군(10), 제2렌즈군(20), 조리개(ST), 제3렌즈군(30), 제4렌즈군(40) 및 제5렌즈군(50)을 포함한다. 제5렌즈군(50)과 이미지면(IP) 사이에는 광학 필터나 페이스 플레이트와 같은 광학 블록(G)이 배치될 수 있다. 제1렌즈군(10)은 정의 굴절력을 갖고, 제2렌즈군(20)은 부의 굴절력을 가지며, 제3렌즈군(30) 내지 제5렌즈군(50)은 각각 정의 굴절력을 갖도록 할 수 있다.
제1렌즈군(10)은 도시된 것과 같이 제1렌즈(11) 내지 제4렌즈(14)를 포함하고, 제2렌즈군(20)은 제1렌즈(21) 내지 제3렌즈(23)를 포함하며, 제3렌즈군(30)은 제1렌즈(31) 내지 제3렌즈(33)를 포함하고, 제4렌즈군(40)은 제1렌즈(41) 내지 제3렌즈(43)를 포함하며, 제5렌즈군(50)은 한 개의 렌즈(50)를 포함할 수 있다. 이 경우 제1렌즈군(10)의 제1렌즈(11)와 제2렌즈(12), 제4렌즈군(40)의 제1렌즈(41)와 제2렌즈(42)는 접합렌즈일 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 줌렌즈계는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 제1렌즈군(10)과 제2렌즈군(20) 사이의 간격을 조절함으로써, 즉, 제2렌즈군(20)을 광축 상에서 이동시킴으로써 변배를 수행할 수 있다. 구체적으로, 제1렌즈군(10)과 제2렌즈군(20) 사이의 간격이 증가함에 따라 광각단에서 망원단으로 변배가 이루어지도록 할 수 있다. 아울러 광각단에서 망원단으로 변배를 수행함에 따라, 조리개(ST)와 제3렌즈군(30) 사이의 간격은 좁아지다가 사전설정된 간격이 되면 이후에는 고정되도록 할 수 있다.
이때, 제2렌즈군(20) 내지 제4렌즈군(50) 각각의 이상분산성 ΔPct가 -0.1 이하가 되도록 할 수 있다. 이를 통해 망원단에서의 축상 색수차의 보정이 더욱 용이하도록 할 수 있다. 만일 이 조건을 만족시키지 못하게 되면 망원단에서의 축상 색수차 보정이 곤란하게 되며, 그 결과 가시광선에 대해 포커싱이 이루어질 경우 대략 850nm 파장의 근적외선에 대해서는 포커싱이 이루어지지 않게 되고, 반대로 근적외선에 대해서 포커싱이 이루어질 경우 가시광선에 대해서는 포커싱이 이루어지지 않게 된다.
본 실시예에 따른 줌렌즈계는 이러한 조건을 만족시킴으로써, 가시광선에서 근적외선 영역까지의 색수차를 효과적으로 보정할 수 있다. 이에 따라 주간에는 가시광선을 이용해 촬상소자를 통해 이미지를 획득하고 야간에는 근적외선 등을 이용해 촬상소자를 통해 이미지를 획득하는 시스템에 본 실시예에 따른 줌렌즈계를 사용할 경우, 주야간 전환 시 포커스 틀어짐 등이 억제되어 주야간에 관계없이 고품질의 이미지를 획득하도록 할 수 있다. 특히 야간에 가로등 등 가시광선에 비추어지고 있는 장소와 근적외선이 투사되고 있는 장소 모두가 같은 촬영 범위에 있는 경우, 본 실시예에 따른 줌렌즈계를 이용할 시 가시광선을 통해 획득한 이미지와 근적외선을 통해 획득한 이미지가 모두 선명하도록 할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 줌렌즈계에 있어서 제1렌즈군(10)과 제5렌즈군(50)의 위치는 고정되도록 할 수 있다. 제1렌즈군(10)은 본 실시예에 따른 줌렌즈계의 물체(O) 방향의 최종 렌즈군이고 제5렌즈군(50)은 이미지(I) 방향의 최종 렌즈인바, 이러한 제1렌즈군(10)과 제5렌즈군(50)의 위치를 고정시킴으로써 변배나 포커싱 등의 과정에서 파티클 등의 불순물이 줌렌즈계 내부로 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이 광각단에서 망원단으로 변배를 수행함에 따라, 조리개(ST)와 제3렌즈군(30) 사이의 간격은 좁아지도록 할 수 있다. 이는 제1렌즈군(10)의 외경을 작게 하면서 줌렌즈계 전체 길이를 줄여, 줌렌즈계의 전체적인 크기를 소형화하기 위함이다. 줌렌즈계에 있어서 제1렌즈군(10)이 차지하는 중량비가 다른 렌즈군들이 차지하는 중량비에 비해 가장 크고, 줌렌즈계의 구성요소들 중 제1렌즈군(10)의 가격이 다른 렌즈군들의 가격보다 상대적으로 고가이다. 광각단에서 제3렌즈군(30)을 조리개(ST)로부터 이격시킴으로써 제1렌즈군(10)의 외경을 줄일 수 있으며, 이를 통해 줌렌즈계 전체의 사이즈를 줄이고 제조비용을 낮출 수 있다. 또한, 광각단에서 망원단으로 변배를 수행할 시 제2렌즈군(20) 외에 제3렌즈군(30)도 이동시킴으로써, 줌렌즈계 전체의 길이를 줄이면서도 줌렌즈계의 고배율화를 도모할 수 있다.
아울러, 망원단에 가까워짐에 따라 제3렌즈군(30)의 주밍 영향력이 낮아지기에, 광각단에서 망원단으로 변배를 수행할 시 조리개(ST)와 제3렌즈군(30) 사이의 간격이 좁아지다가, 사전설정된 간격이 되면 이후에는 고정되도록 하는 것을 고려할 수 있다. 망원단으로 갈수록 렌즈의 정밀한 위치 제어가 요구되는바, 따라서 망원단에 가까워진 경우 조리개(ST)와 제3렌즈군(30) 사이의 간격이 사전설정된 간격이 되면 이후에는 고정되도록 하는 것이, 렌즈의 위치 제어의 측면에서 바람직하다.
한편, 제2렌즈군(20) 내지 제4렌즈군(40) 중 적어도 어느 하나는 비구면을 갖는 렌즈를 포함하도록 할 수 있다. 이는 각종 수차를 양호하게 보정할 수 있도록 하기 위함이다. 제2렌즈군(20)의 비구면을 갖는 렌즈의 경우, 주로 광각단에서 주변부의 수차를 양호하게 보정하는 역할을 할 수 있다. 제3렌즈군(30)의 비구면을 갖는 렌즈의 경우, 주로 각 줌 대역, 특히 광각단에서 구면 수차를 보정하는 역할을 할 수 있다. 제4렌즈군(40)의 비구면을 갖는 렌즈는 주로 포커싱 거리에 의한 수차 변동을 억제하는 역할을 할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따른 줌렌즈계의 경우, 그 크기가 소형으로 유지되면서도 주변부까지의 수차를 양호하게 보정하며 고배율의 주밍이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 가시광선에서 근적외선 영역까지의 색수차를 효과적으로 보정할 수 있다. 이에 따라 주간에는 가시광선을 이용해 촬상소자를 통해 이미지를 획득하고 야간에는 근적외선 등을 이용해 촬상소자를 통해 이미지를 획득하는 시스템에 본 실시예에 따른 줌렌즈계를 사용할 경우, 주야간 전환 시 포커스 틀어짐 등이 억제되어 주야간에 관계없이 고품질의 이미지를 획득하도록 할 수 있다. 특히 야간에 가로등 등 가시광선에 비추어지고 있는 장소와 근적외선이 투사되고 있는 장소 모두가 같은 촬영 범위에 있는 경우, 본 실시예에 따른 줌렌즈계를 이용할 시 가시광선을 통해 획득한 이미지와 근적외선을 통해 획득한 이미지가 모두 선명하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 나오는 비구면(ASP)은, 광축방향을 x축으로 하고 광축방향에 대한 수직인 방향을 y축으로 할 때, 광선의 진행 방향을 정으로 하여 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112014057933589-pat00001
여기서 x는 렌즈의 정점으로부터 광축방향의 거리를, y는 각축에 대해 수직한 방향으로의 거리를, k는 코닉 상수(conic constant)를, A, B, C 및 D는 비구면 계수를, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수(1/R)를 의미한다.
다음 표 1 내지 표 3은 도 1 및 도 2에 도시된 줌렌즈계의 설계 데이터이다. 설계 데이터에서 S는 면번호, r은 곡률반경(단위: mm), d는 렌즈 중심 두께(단위: mm) 또는 렌즈와 렌즈 사이의 간격(단위: mm), nd는 굴절력, vd는 아베수를 의미한다.
S r d nd vd
1 80.106 1.00 1.83481 42.72
2 32.884 5.40 1.43700 95.10
3 -500.000 0.15
4 52.846 4.16 1.43700 95.10
5 INFINITY 0.15
6 26.815 4.16 1.43700 95.10
7 278.559 가변1
8 500.000(非) 0.80 1.88202 37.22
9 6.201(非) 3.49
10 -11.214 0.55 1.91082 35.25
11 50.933 0.15
12 23.669 2.34 1.94595 17.98
13 -23.669 가변2
14 INFINITY 가변3
15 12.127 4.72 1.43700 95.10
16 INFINITY 0.15
17 10.827(非) 3.081 1.49710 81.56
18 69.665(非) 0.15
19 9.991 0.55 1.80518 25.46
20 7.304 가변4
21 10.869(非) 4.70 1.49710 81.56
22 -7.354 0.55 1.91082 35.25
23 -13.398 가변5
24 -92.564 0.55 1.80420 46.50
25 5.378 4.45
26 12.771 2.73 1.51742 52.15
27 -8.952 1.56
28 INFINITY 1.30 1.51680 64.20
29 INFINITY 2.60
30 INFINITY 0.00
상기 표 1에서, S14는 조리개(ST)의 면번호이고, S28과 S29는 광학 블록(G)의 두 면들의 면번호이며, S30은 이미지면(IP)의 면번호이다. 상기 표 1에서 알 수 있는 것과 같이, S8, S9, S17, S18 및 S21의 면이 비구면이다.
표 2는 표 1에서 렌즈와 렌즈 사이의 거리가 가변인 것으로 표시된 가변1 내지 가변5의 구체적인 데이터로서, 줌렌즈계와 물체와의 거리가 무한대인 상황에서 초점거리와 그에 따른 조리개값에 있어서의 가변1 내지 가변5의 구체적인 데이터이다. 조리개값을 제외한 데이터의 단위는 mm이고, 가변조리개의 경우에는 반경을 의미한다.
초점거리 4.53 10.01 64.82 135.39
조리개값 1.68 3.11 4.54 4.99
가변1 0.660 11.415 29.460 32.955
가변2 33.792 23.037 4.992 1.497
가변3 4.585 1.000 1.000 1.000
가변4 4.434 6.917 3.608 8.243
가변5 1.208 2.311 5.619 0.984
가변조리개 7.30 4.65 3.15 2.95
이 경우 제2렌즈군(20), 제3렌즈군(30) 및 제4렌즈군(40)의 이상분산성 ΔPct는 -0.1475였다.
표 3은 도 1 및 도 2에 도시된 줌렌즈계의 비구면 계수를 나타낸다. 하기 표 3에서 E-m(m: 자연수)은 X 10-m을 의미한다.
S K A B C D
8 0 8.666744E-05 1.893946E-07 -4.499774E-08 3.551199E-10
9 -0.0302098 9.482509E-06 -8.073306E-07 4.875395E-07 -1.920177E-08
17 -0.0656973 -6.969207E-05 -2.679306E-07 -2.807476E-09 -7.187242E-11
18 0 6.097184E-05 4.296367E-07 0 0
21 -0.1766709 5.749103E-06 1.316685E-06 5.212678E-08 3.353991E-09
도 3은 도 1의 광각단(f=4.53)에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다. 도 4는 광각단과 망원단 사이의 제1중간단(f=10.01)에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다. 도 5는 광각단과 망원단 사이의 제2중간단(f=64.82)에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다. 그리고 도 6은 도 2의 망원단(f=135.39)에서의 줌렌즈계의 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡에 관한 수차정도를 보여주는 그래프이다.
종방향 구면수차와 비점수차는 435.84nm, 486.13nm, 546.07nm, 587.56nm, 656.28nm 및 850.00nm의 파장을 갖는 빛에 대해 도시되었으며, 왜곡은 587.56nm 파장을 갖는 빛에 대해 도시되었다. 비점수차에서 점선은 자오(tangential) 비점수차를, 실선은 구결(sagittal) 비점수차를 나타낸다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제1렌즈군 20: 제2렌즈군
30: 제3렌즈군 40: 제4렌즈군
50: 제5렌즈군 G: 광학 블록
ST: 조리개 IP: 이미지면

Claims (7)

  1. 물체 측으로부터 이미지 측으로 순차적으로 배열된 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈를 포함하는 정의 제1렌즈군과, 부의 제2렌즈군과, 조리개와, 정의 제3렌즈군과, 정의 제4렌즈군과, 정의 제5렌즈군을 포함하고,
    상기 제1렌즈군의 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈 및 상기 제4렌즈 각각의 아베수가, 상기 제2렌즈군, 상기 제3렌즈군, 상기 제4렌즈군 및 상기 제5렌즈군에 포함된 렌즈들 각각의 아베수 이상이며,
    상기 조리개와 상기 제3렌즈군 사이의 간격은 광각단에서 망원단으로 변배를 수행함에 따라 좁아지다가 사전설정된 간격이 되면 고정되는, 줌렌즈계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈군과 상기 제2렌즈군 사이의 간격이 증가함에 따라 광각단에서 망원단으로 변배를 수행하는, 줌렌즈계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈군과 상기 제5렌즈군의 위치는 고정된, 줌렌즈계.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈군, 상기 제3렌즈군 및 상기 제4렌즈군 중 적어도 어느 하나는 비구면을 갖는 렌즈를 포함하는, 줌렌즈계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈군은 제4렌즈, 제5렌즈, 제6렌즈 및 제7렌즈를 포함하는, 줌렌즈계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3렌즈군은 제8렌즈, 제9렌즈 및 제10렌즈를 포함하고, 상기 제8렌즈의 아베수는 상기 제1렌즈군의 상기 제2렌즈, 상기 제3렌즈 및 상기 제4렌즈 각각의 아베수와 같은, 줌렌즈계.
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