KR102368123B1

KR102368123B1 - 광각 촬상 광학계

Info

Publication number: KR102368123B1
Application number: KR1020200034939A
Authority: KR
Inventors: 김영현; 문준호; 최병석
Original assignee: (주)코아시아옵틱스
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2022-02-28
Also published as: KR20210118553A

Abstract

본 발명은, 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목한 면을 포함하는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록한 제2 렌즈; 정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 제5 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열되고, 조건식 |R7|>30 및 |R12|>30 (R7: 제4 렌즈(L4)의 물체측면의 곡률반경, R12: 제6 렌즈(L6)의 상측면의 곡률반경)을 모두 만족하는 광학계를 제공한다.
본 발명에 따르면 수평 125도, 대각 150도의 광각 촬상 광학계를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 일부 렌즈면에 평면 또는 평면에 근접한 형상을 적용함으로써 조립성을 개선하고 조립 공차에 대한 민감도를 개선할 수 있다. 또한 온도 변화에 관계없이 일정한 해상력 성능을 구현할 수 있다.

Description

광각 촬상 광학계{WIDE ANGLE IMAGING LENS SYSTEM}

본 발명은 촬상 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 자동차, 드론, 휴대용 스마트 기기 등에 사용할 수 있는 광각 촬상 광학계에 관한 것이다.

최근 휴대용 스마트기기 뿐만 아니라 자동차, 드론(drone) 등의 운행기기에도 카메라가 기본 사양으로 장착됨에 따라 소형 광학계의 수요가 급증하고 있고 기술적 요구사항도 갈수록 다양화되고 있다.

광학계의 기술적 요구사항은 일반적으로 해상도, 크기, 화각 등으로 구분될 수 있으며, 종래에는 고해상도, 소형화에 대한 요구가 큰 비중을 차지하였으나 최근에는 광각에 대한 요구도 점차 커지고 있다.

그런데 광학계는 화각이 클수록 수차보정이 어려워서 고해상도를 구현하기 어려울 뿐만 아니라 광학계를 소형화 하는 데도 한계가 있기 때문에 모든 기술적 요구사항을 완벽하게 충족하는 광학계를 설계하는 것은 매우 어려운 것이 현실이다.

특히 자동차용 광학계는 진동, 습기, 고온, 혹한 등의 가혹조건에 지속적으로 노출될 수밖에 없으므로 온도변화에 따라 각 렌즈의 굴절율이 변하거나 진동으로 인해 렌즈 간격이나 위치가 미세하게 틀어짐에 따라 실제 성능이 설계 성능보다 저하될 수 있다. 따라서 이러한 현상을 적절히 보상하고 대비할 수 있는 최적의 광학계를 개발할 필요가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1558139호(2015.10.12 공고)

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 광각을 구현하면서도 광학계의 조립성을 개선하는 한편 조립공차에 대한 민감도를 개선하는 데 그 목적이 있다. 또한 주변온도의 변화에 관계없이 일정한 해상력을 발휘할 수 있는 온도보상 설계를 적용하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 양상은, 이러한 목적을 달성하기 위하여, 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목한 면을 포함하는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록한 제2 렌즈; 정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 제5 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열되고, 조건식 |R7|>30 및 |R12|>30 (R7: 제4 렌즈(L4)의 물체측면의 곡률반경, R12: 제6 렌즈(L6)의 상측면의 곡률반경)을 모두 만족하는 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서 상기 제4 렌즈(L4)의 상측면은 물체측으로 오목하고, 제6 렌즈(L6)의 물체측면은 상측으로 오목할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3) 및 제5 렌즈(L5)은 각각 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는 조건식 12 < HFOV / HIH < 15 및 6 < TTL / f < 11 (HFOV: 광학계의 수평 화각, HIH: 이미지 센서 수평 길이, f: 광학계 전체의 초점거리, TTL: 제1렌즈의 물체측면에서 상면까지의 길이)을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 0.15 < T4 / T5 < 0.7 및 0.8 < |R9| / |R10| < 1.3 (T4: 제4 렌즈(L4)의 중심두께, T5: 제5 렌즈(L5)의 중심두께, R9: 제5 렌즈(L5)의 물체측면의 곡률반경, R10: 제5 렌즈(L5)의 상측면의 곡률반경)을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 1.5 < |f6| / |f| < 3.5 및 0.08 < D5 / f < 0.2 (f: 광학계 전체의 초점거리, f6: 제 6렌즈의 초점거리, D5: 제5 렌즈(L5)와 제6 렌즈(L6)의 간격)을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 3 < |R1| / |R2| < 10 및 22 < V1-V2 < 30 (R1: 제1 렌즈(L1)의 물체측면의 곡률반경, R2: 제1 렌즈(L1)의 상측면의 곡률반경, V1: 제1 렌즈(L1)의 아베수, V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수)을 모두 만족할 수 있다.

본 발명에 따르면 수평 125도, 대각 150도의 광각 촬상 광학계를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 일부 렌즈면에 평면 또는 평면에 근접한 형상을 적용함으로써 조립성을 개선하고 조립 공차에 대한 민감도를 개선할 수 있다. 또한 온도 변화에 관계없이 일정한 해상력 성능을 구현할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 수차도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 광학계는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a에 나타낸 바와 같이, 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈(L1) 내지 제6 렌즈(L6)를 포함한다.

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈(L1)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 물체측으로 볼록하고, 상측면은 물체측으로 오목한 면을 포함할 수 있다.

제2 렌즈(L2)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록한 메니스커스 렌즈일 수 있다.

제3 렌즈(L3)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 렌즈일 수 있다.

제4 렌즈(L4)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 평면 또는 평면에 근접한 곡면이고, 상측면은 물체측으로 오목한 렌즈일 수 있다.

제4 렌즈(L4)의 물체측면은 도 1a에 나타낸 바와 같이 평면일 수도 있고, 도 2a에 나타낸 바와 같이 상측으로 오목하거나 도 3a에 나타낸 바와 같이 물체측으로 볼록한 곡면으로서 평면에 가까울 정도로 큰 곡률반경을 가질 수도 있다.

도 2a에 나타낸 제4 렌즈(L4)의 물체측면의 곡률반경은 -33.907(표 4 참조)이고, 도 3a에 나타낸 제4 렌즈(L4)의 물체측면의 곡률반경은 63.172(표 6 참조)이다. 본 발명의 실시예에 따른 광학계에서는 제4 렌즈(L4)의 물체측면의 곡률반경(R7)은 |R7|>30을 만족하는 것이 바람직하다.

제5 렌즈(L5)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 렌즈일 수 있다.

제6 렌즈(L6)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고. 상측면은 평면 또는 평면에 근접한 곡면일 수 있다.

제6 렌즈(L6)의 상측면은 도 1a에 나타낸 바와 같이 평면일 수도 있고, 도 2a 및 도 3a에 나타낸 바와 같이 물체측으로 오목한 곡면으로서 평면에 가까울 정도로 큰 곡률반경을 가질 수도 있다. 도 2a에 나타낸 제6 렌즈(L6)의 상측면의 곡률반경은 38.696(표 4 참조)이고, 도 3a에 나타낸 제6 렌즈(L6)의 상측면의 곡률반경은 35.474(표 6 참조)이다.

본 발명의 실시예에 따른 광학계에서는 제6 렌즈(L6)의 상측면의 곡률반경(R12)은 |R12|>30을 만족하는 것이 바람직하다.

한편 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 및 제5 렌즈(L5)의 양면은 모두 비구면인 것이 바람직하다. 다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제5 렌즈(L5)의 각 렌즈면 중에서 적어도 하나는 구면일 수도 있다.

조리개(STOP)는 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)의 사이에 배치될 수 있다. 또한 제6렌즈(L6)와 이미지센서의 사이에는 렌즈필터(LF)와 커버 글래스(CG)가 배치될 수 있다.

한편 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 광학계는 광각을 구현하고 광학계의 크기를 최소화하는 한편 조립성 개선과 조립공차에 대한 민감도를 개선하기 위하여 다음의 조건식 1 내지 10을 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 1>

12 < HFOV / HIH < 15

HFOV: 광학계의 수평 화각.

HIH: 이미지 센서 수평 길이.

위 조건식 1에서, HFOV/HIH 가 상한보다 크면 광축 주변부 광선의 결상이 어려워져서 성능 확보가 어렵고, 하한보다 작으면 표준치 이상의 시야각 확보가 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 2>

22 < V1-V2 < 30

V1: 제1 렌즈(L1)의 아베수.

V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수.

위 조건식 2에서, V1-V2가 상한보다 크면 이미지면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA)을 확보하기 힘들어져 소형 광학계를 구성하기 어렵고, 하한보다 작으면 고가의 소재 사용으로 인한 단가 상승으로 이어져 제품의 가격 경쟁력 확보가 어려운 문제가 있다.

<조건식 3>

0.15 < T4 / T5 < 0.7

T4: 제4 렌즈(L4)의 중심두께.

T5: 제5 렌즈(L5)의 중심두께.

위 조건식 3에서, T4/T5이 하한보다 작거나 상한보다 크면 렌즈 단품을 제작하는데 어려움이 있고, 렌즈 단품을 조립하는데 어려움이 있다.

<조건식 4>

6 < TTL / f < 11

f: 광학계 전체의 초점거리.

TTL: 제1렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이.

위 조건식 4에서, TTL/f이 하한보다 작으면 광학적인 성능 확보가 어렵고, 상한보다 크면 광학계의 소형화가 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 5>

1.5 < |f6| / |f| < 3.5

f: 광학계 전체의 초점거리.

f6: 제 6렌즈의 초점거리.

위 조건식 5에서, |f6|/|f|가 하한보다 작으면 색수차 보정이 어렵고, 하한보다 작거나 또는 상한보다 크면 곡률반경 변화로 인해 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있다.

<조건식 6>

0.8 < |R9| / |R10| < 1.3

R9: 제5 렌즈(L5)의 물체측면의 곡률반경.

R10: 제5 렌즈(L5)의 상측면의 곡률반경.

위 조건식 6에서, |R9|/|R10|이 하한보다 작거나 상한보다 크면 형상 가공이 어렵고 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있다.

<조건식 7>

3 < |R1| / |R2| < 10

R1: 제1 렌즈(L1)의 물체측면의 곡률반경.

R2: 제1 렌즈(L1)의 상측면의 곡률반경.

위 조건식 7에서, |R1|/|R2|이 상한보다 크면 상측면의 곡률반경이 작아지므로 형상 가공이 어려울 뿐만 아니라 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있고, 하한보다 작으면 광학적인 성능 확보와 소형화가 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 8>

0.08 < D5 / f < 0.2

D5: 제5 렌즈(L5)와 제6 렌즈(L6)의 간격.

f: 광학계 전체의 초점거리.

위 조건식 8에서, D5/f 가 하한보다 작으면 조립성이 저하되고, 상한보다 크면 광학적인 성능확보와 소형화가 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 9>

|R7|>30

R7: 제4 렌즈(L4)의 물체측면의 곡률반경

위 조건식 9에서, 하한보다 작으면 조립성이 저하되고 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있다.

<조건식 10>

|R12|>30

R12: 제6 렌즈(L6)의 상측면의 곡률반경

위 조건식 10에서, 하한보다 작으면 조립성이 저하되고 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있다.

아래의 표 1은 전술한 조건식 1 내지 조건식 10을 모두 만족하는 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 광학계의 구체적인 설계 스펙을 예시한 것이다.

[표 1]

상기 표 1의 값을 산출하는데 사용된 제1 실시예 내지 제3 실시예의 데이터는 아래 표 2 내지 표 7에 나타낸 바와 같으며, 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예의 광학계 구성은 각각 도 1a, 도 2a, 도 3a에 도시된 바와 같다.

먼저 아래의 표 2는 제1 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙 - 각 렌즈의 곡률반경, 두께, 렌즈간격, 굴절률, 아베수, 초점거리 -을 나타낸 것이고, 표 3은 제1 실시예에 따른 광학계의 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 및 제5 렌즈(L5)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 2] 제1 실시예의 설계 스펙

[표 3] 제1 실시예의 비구면계수

또한 아래의 표 4는 제2 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표5는 제2 실시예에 따른 광학계의 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 및 제5 렌즈(L5)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 4] 제2 실시예의 설계 스펙

[표 5] 제2 실시예의 비구면 계수

또한 아래의 표 6은 제3 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표7은 제3 실시예에 따른 광학계의 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 및 제5 렌즈(L5)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 6] 제3 실시예의 설계 스펙

[표 7] 제3 실시예의 비구면 계수

한편 각 실시예에서 비구면 렌즈의 형상은 아래의 수학식을 통해 산출될 수 있다.

[수학식]

위 수학식에서, Z는 렌즈의 정점부터 광축 방향으로의 거리이고, h는 광축에 수직방향으로의 거리이며, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이며, K는 Conic 상수이며, A, B, C, D, E, F는 각각 비구면 계수로서 표 3, 표 5 및 표 7에 예시한 바와 같다.

한편 도 1b, 도 2b, 도 3b는 각각 제1, 제2, 제3 실시예에 따른 광학계의 수차도를 나타낸 것으로서, 이를 통해 각 실시예에서 구면수차, 비점수차, 및 왜곡수차가 양호한 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 수평 120도 대각 150도 정도의 광각을 구현할 수 있고, 평면 또는 평면에 근접한 렌즈면을 적용하여 조립성을 개선하고 조립 공차에 대한 민감도를 개선함으로써 가혹 조건에서도 일정한 광학 성능을 발휘하는 광학계를 구현할 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: 제5 렌즈 L6: 제6 렌즈
STOP: 조리개 LF: 렌즈필터 CG: 커버 글래스

Claims

부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목한 면을 포함하는 제1 렌즈;
정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록한 제2 렌즈;
정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 제3 렌즈;
부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈;
정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 제5 렌즈;
부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈
를 포함하고,
상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열되고, 다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
|R7| > 30
|R12| > 30
0.8 < |R9| / |R10| < 1.3
0.15 < T4 / T5 < 0.7
(R7: 제4 렌즈(L4)의 물체측면의 곡률반경, R12: 제6 렌즈(L6)의 상측면의 곡률반경, R9: 제5 렌즈(L5)의 물체측면의 곡률반경, R10: 제5 렌즈(L5)의 상측면의 곡률반경, T4: 제4 렌즈(L4)의 중심두께, T5: 제5 렌즈(L5)의 중심두께)
제1항에 있어서,
상기 제4 렌즈(L4)의 상측면은 물체측으로 오목하고, 제6 렌즈(L6)의 물체측면은 상측으로 오목한 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3) 및 제5 렌즈(L5)은 각각 적어도 하나의 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
12 < HFOV / HIH < 15
6 < TTL / f < 11
(HFOV: 광학계의 수평 화각. HIH: 이미지 센서 수평 길이, f: 광학계 전체의 초점거리, TTL: 제1렌즈의 물체측면에서 상면까지의 길이)
삭제
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
1.5 < |f6| / |f| < 3.5
0.08 < D5 / f < 0.2
(f: 광학계 전체의 초점거리, f6: 제 6렌즈의 초점거리, D5: 제5 렌즈(L5)와 제6 렌즈(L6)의 간격)
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
3 < |R1| / |R2| < 10
22 < V1-V2 < 30
(R1: 제1 렌즈(L1)의 물체측면의 곡률반경, R2: 제1 렌즈(L1)의 상측면의 곡률반경, V1: 제1 렌즈(L1)의 아베수, V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수)