KR19980049229A

KR19980049229A - 줌렌즈 광학계

Info

Publication number: KR19980049229A
Application number: KR1019960067904A
Authority: KR
Inventors: 김문현
Original assignee: 이대원; 삼성항공산업 주식회사
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1998-09-15
Also published as: GB2320583A; GB2320583B; US5886828A; GB9724825D0

Abstract

물체측으로부터, 정의 굴절력을 가지며, 1매의 오목렌즈와 1매의 볼록렌즈가 접하되어 있고, 적어도 2매의 물체측으로 볼록한 렌즈를 포함하는 제1 렌즈군과; 부의 굴절력을 가지고, 물체측에서 상측으로 이동시켜 변배를 행하는 제2 렌즈군과; 정의 굴절력을 가지며, 적어도 1매의 양볼록인 비구면렌즈와 적어도 1매의 볼록렌즈와, 오목렌즈를 포함하는 제3 렌즈군과; 물체측에서 상측으로 이동시켜 변배를 수행하고, 포커싱을 수행하며, 1매의 오목렌즈와 2매의 볼록렌즈로 구성되고, 정의 굴절력을 가진 제4 렌즈군을 포함하여 이루어지며, 전체적으로 소형화가 가능하고, 고배율과 대구경비이면서 긴 후초점거리를 실현할 수 있으며, 동시에 전 줌영역에서 대단히 우수한 수차보정을 달성하여 하이비젼 텔레비젼 해상도에 대응가능토록 주변상의 해상력이 100본/m 이상 되는 시스템이 실현가능한 줌렌즈 광학계를 제공한다.

Description

줌렌즈 광학계

이 발명은 줌렌즈 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 색분해 프리즘이 들어갈 정도의 긴 후초점거리와 화소수가 많은 촬상소자를 이용한 전자 카메라에 적용 가능한 광학적 성능을 가지면서 고배율로서 대구경비이며, 하이버젼용으로도 사용가능한 정도의 고해상력을 가진 줌렌즈 광학계에 관한 것이다.

일반적으로 전자 카메라는 촬상면적이 작은 촬상관이나 촬상소자를 이용하여 피사체의 상을 경상하며, 상기 결상된 상을 전기적 신호를 변환시킨다.

상기와 같은 이유로 인해 전자 카메라는 촬영 렌즈로 밝은 렌즈를 사용하며, 상기 촬영 렌즈와 촬상소자 사이에 광학적 로우패스필터(low-pass filter), 적외선 컷 필터(cut-filter) 등의 광학부재나 빨강, 초록, 파랑의 삼원색의 각각의 화상이 각각의 촬상소자에 결상시키는 삼판식 전자 카메라와 같이 각각의 촬상소자에 광속을 유도시키는 색분해 프리즘(prism) 등의 광학소자의 사용이 필요하게 된다.

그래서 상기 전자 카메라는 색분해 프리즘과 같은 광학소자의 사용을 위해 초점거리에 비해 긴 후초점거리가 요구된다.

더욱이 전자 카메라는 동화상의 촬영이 많아짐에 따라 촬영 렌즈도 고배율의 줌렌즈 사용이 일반화되어 상기 줌렌즈의 사용을 만족시키는 렌즈계로서 물체측으로부터 고정된 정의 굴절력을 가진 제1 렌즈군과 변배시 광축을 따라 움직이는 부의 굴절력을 가진 제2 렌즈군과 변배시 상면을 일정하게 유지하기 위해 광축을 따라 움직이고 부의 굴절력을 가진 제3 렌즈군과 고정된 정의 굴절력을 가진 제4 렌즈군으로서 결상시키는 4군 줌렌즈가 널리 알려져 있다.

또한, 최근의 전자 카메라는 포터싱을 전기적 모터 등에 의하여 경우가 증가함에 따라 종래의 제1 렌즈군의 조출로서 생기는 크기나 무게 등에 대한 제약이 생기게 되어 광학계의 전장도 일정하게 유지하면서 좀더 가벼운 렌즈군을 구동시켜 모터의 소형화가 가능하며 제1 렌즈군 이외의 군으로 포커싱(focusing)함으로써 전체적으로 소형화할 수 있는 이른바 인너포커스(inner focus)방식이 일반화 되었다.

상기와 같은 인너포커스 방식을 사용하는 4군 줌렌즈 타입으로는 다음과 같은 특허가 알려져 있다.

일본 특허 출원 소 63-44614와, 일본 특허 출원 소 61-178917과, 일본 특허 출원 소 63-123009와, 일본 특허 출원 소 3-259209와, 일본 특허 출원 평 5-72474와, 일본 특허 출원 평 7-270684와, 일본 특허 출원 평 8-5920이 있다.

상기 일본에서 출원된 특허에서 소 63-44614와, 평 3-259209와, 평 8-5920은 물체측으로부터 고정되어 있고 정의 굴절력을 가진 제1 렌즈군과, 변배시 이동되며 부의 굴절력을 가진 제2, 제3 렌즈군과, 고정되어 있고 정의 굴절력을 가진 제4 렌즈군의 군 줌렌즈로 구성되어 있다.

그러나 상기 일본 특허 출원 소 63-44614와, 일본 특허 출원 평 3-259209는 잔존수차량이 커서 고해상도의 성능을 만족시키기 어렵고, 후 초점거리도 다소 짧은 문제점이 있다.

그리고, 일본 특허 출원 평 8-5920은 후 초점이거나 광학적 성능면에서 상기 소 63-44614와, 평 3-259209보다 우수하지만 변배군의 매수가 많아 변배시 강한 구동력이 요구되어야 하고, 망원단에서 제2 렌즈군과 제3 렌즈군 즉, 변배군과 보상군의 간격이 짧아 기구적으로 구현하기 대단히 복잡한 구조인 문제점이 있다.

상기 소 63-123009와, 소 61-178917과, 평 7-270684와, 평 5-72474는 고정된 제1 렌즈군과, 변배를 행하는 제2 렌즈군과 고정된 제3 렌즈군과 보상과 포커싱을 병행하는 제4 렌즈군으로 이루어져 있다.

그러나 상기 소 63-123009와, 소 61-178917과, 평 7-270684는 잔존수차량이 커서 고해상도를 구현하기 어렵고, 상기 평 7-270684는 상기 제2 렌즈군과 제4 렌즈군의 렌즈매수가 많아 구동하기 힘든 문제점이 있다.

그리고 상기 평 5-72474는 비교적 간단한 구성으로 광학적 성능은 우수한 편이나 구경비가 F2.0정도로 다수 작고, 양면 비구면렌즈 2매를 채용하여 생산시 어려움이 예상된다.

따라서, 이 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비교적 간단한 구성으로 촬상관이나 고체 촬상소자 등을 이용한 전자 카메라 특히 하이비젼 텔레비젼에 적용 가능한 정도의 화소수가 많은 촬상소자에 적합한 고해상도의 광학적 성능을 가지면서 각종 필터의 등의 광학부재나 광로분할용 색분해 프리즘 등의 광학소자를 렌즈와 촬상소자 사이에 삽입가능하고, 후초점거리가 긴 줌렌즈 광학계를 제공하기 위한 것이다.

도 1의 (a)는 이 발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단의 구성도이고,

(b)는 이 발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단의 구성도이고,

도 2의 (a)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단의 구성도이고,

(b)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단의 구성도이고,

도 3의 (a)는 이발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단에서의 수차도이고,

(b)는 이 발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단에서의 수차도이고,

도 4의 (a)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단에서의 수차도이고,

(b)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단에서의 수차도이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서의 이 발명은, 물체측으로부터, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군과; 부의 굴절력을 가진 제2 렌즈군과; 정의 굴절력을 가진 제3 렌즈군과; 정의 굴절력을 가진 제4 렌즈군을 포함하여 이루어지며, 다음의 수학식을 만족한다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

[수학식 5]

상기한 수학식에 있어서, BFw는 광각단에서의 후초점거리, fw는 광각단에서의 초점거리, f1는 제1 렌즈군의 초점거리, f2는 제2 렌즈군의 초점거리, f3는 제3 렌즈군의 초점거리, f4는 제4 렌즈군의 초점거리, va는 제1 렌즈군의 분산치 평균이다.

상기한 구성에 의하여, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 설명한다.

도 1의 (a)는 이 발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단의 구성도이고, (b)는 이 발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단의 구성도이고, 도 2의 (a)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단의 구성도이고, (b)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단의 구성도이고, 도 3의 (a)는 이발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단에서의 수차도이고, (b)는 이 발명의 제1 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단에서의 수차도이고, 도 4의 (a)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 광각단에서의 수차도이고, (b)는 이 발명의 제2 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 망원단에서의 수차도이다.

첨부한 도 1, 도 2를 참조로 하여 이 발명의 실시예에 따른 구성을 살펴보면 다음과 같다.

물체측으로부터 정의 굴절력을 가지고 4매의 렌즈로 구성된 제1 렌즈군(1)과; 부의 굴절력을 가지고, 3매의 렌즈로 구성되어 물체측에서 상측으로 이동시켜 변배를 행하는 제2 렌즈군(2)과; 정의 굴절력을 가진 제3 렌즈군(3)과; 물체측에서 상측으로 이동시켜 변배를 수행하고, 포커싱을 수행하며, 정의 굴절력을 가진 제4 렌즈군(4)을 포함하여 이루어진다.

상기에서 제1 렌즈군(1)은 1매의 오목렌즈와 1매의 볼록렌즈가 접합되어 있으며, 적어도 2매의 물체측으로 볼록인 렌즈를 가지며, 상기 제3 렌즈군(3)은 적어도 1매의 양볼록인 비구면렌즈와 적어도 1매의 볼록렌즈와, 오목렌즈로 구성되고, 상기 제4 렌즈군(4)은 1매의 오목렌즈와 2매의 볼록렌즈로 구성된다.

첨부한 도 1과 도 2를 참조로 하여 이 발명의 줌렌즈 광학계를 설명한다.

이 발명의 줌렌즈 광학계는 제2 렌즈군(2)를 이동시켜 변배 즉, 줌밍을 수행하고, 상기 제2 렌즈군(2)의 줌밍에 따라 발생되는 상면의 이동을 제4 렌즈군(4)을 이동시켜 보상하고, 상기 제4 렌즈군(4)을 이용하여 포커싱을 수행함으로써 비교적 간단한 구성으로 8배이상의 고배율을 가능케 한다.

그리고, 제1 렌즈군(1)은 분산치가 높은 렌즈이므로 고해상도에 필요한 작은 배율색수차의 조건을 만족시킨다.

제3 렌즈군(3)은 강한 부의 굴절력을 가진 오목렌즈를 위치시킴으로써, 충분히 긴 후초점거리과 촬상소자라는 결상매체 사용할 때 문제시되는 텔레센트릭(telescentric) 즉, 주변상에서 입사되는 광속의 주광선이 촬상소자에 직각으로 입사되는 것을 위해 출사동위치를 가능한 촬상소자에서 멀게 하여야 하는데 이것을 가능하게 한다.

그리고 이 발명의 줌렌즈 광학계는 제2 렌즈군(2)과 제4 렌즈군(4)의 매수를 최소화하여 줌밍시나 포커싱시 가능한 신속하고 가볍게 한다.

상기의 제2 렌즈군(2)과 제4 렌즈군(4)의 매수에 있어서, 첨부한 도 1의 제1 실시예에 따른 이 발명의 상기 제2 렌즈군(2)의 매수는 3매이고, 상기 제4 렌즈군(4)의 매수는 3매이고, 첨부한 도 2에 따른 제2 실시예에서의 제2 렌즈군(2)의 매수는 3매이고, 제4 렌즈군(4)의 매수는 3매이다.

또, 이 발명의 줌렌즈 광학계는 상기 제3 렌즈군(3)에 비구면렌즈를 위치시켜 구면수차 등의 제수차를 보정한다.

상기 수학식 1, 2, 3, 4, 5를 설명한다.

상기 수학식 1은 광학계의 후초점거리를 규제한 식으로서,가 하한을 초과하게 되면, 후초점거리가 짧아져 색분해 프리즘 등의 배치가 불가능하게 되거나 텔레센트릭 조건이 깨지게 되며,가 상한을 초과하면, 후초점거리가 길어져 상기 제4 렌즈군(4)의 크기가 커지게 되어 포커싱하기 어려워진다.

상기 수학식 2는 상기 제1 렌즈군(1)의 굴절력에 관한 식으로서,가 하한을 초과하면 굴절력이 너무 강해져서 망원단에서 제수차 보정이 어렵게 되고,가 상한을 초과하게 되면, 전장이 길어지게 되어 소형화가 불가능하게 된다.

상기 수학식 3은 상기 제2 렌즈군(2)의 굴절력에 관한 식으로서,가 하한을 초과하게 되면, 콤팩트(compact)화는 가능하나 상면만곡 등의 수차보정이 어렵다.

상기 수학식 4는 상기 제3 렌즈군(3)과 제4 렌즈군(4)의 굴절력에 관한 식으로 전체 광학계를 소형화하고, 후초점거리과 출사동거리를 길게 하면서 광학적 성능을 유지시키는 역할을 한다.

상기 수학식 4는가 하한을 초과하면 상기 제3 렌즈군(3)의 초점거리가 너무 짧아져 변배시켜 포커싱시 구면수차 변동보정이 곤란하고, 후초점거리를 길게 하지 못하며,가 상한을 초과하면 상기 제3 렌즈군(3)의 굴절력이 약해져서 상기 제3 렌즈군(3)에서 출사되는 광의 발산도가 커지게 되어 상기 제4 렌즈군(4)의 크기가 커지게 되므로 포커싱하기가 어렵다.

상기 수학식 5는 전체 광학계의 색수차 보정에 관한 식으로서, va가 하한을 초과하면, 광각단의 축상색수차 및 배율색수차 보정이 어렵고 고해상도의 성능을 내기 어려우며, va가 상한을 초과하면, 생산빈도가 대단히 낮은 소재로서 소재비가 월등히 높아지게 된다.

상기한 조건을 만족하여 이루어지는 이 발명의 실시예에 따른 줌렌즈 광학계의 비구면계에 관한 렌즈의 정점부터 광축 방향으로의 거리는 다음의 수학식 6에 의해 표현될 수있다.

[수학식 6]

X : 렌즈의 정점부터 광축 방향으로의 거리

y : 광축에 수직 방향으로의 거리

c : 렌즈의 정점에 있어서의 곡률 반경의 역수

k : 코닉(Conic) 상수

A₄, A₆, A₈, A₁₀: 비구면 계수

상기한 수학식 1 내지 수학식 6을 만족한, 이 발명의 줌렌즈 광학계의 제1 실시예에 대한 실시예 값은 표 1과 같다.

다음의 제1, 제2 실시예에 있어서, r은 굴절면의 곡률 반경, d는 렌즈의 두께 또는 렌즈간의 거리, nd는 렌즈의 d-line굴절률, vd는 렌즈의 아베수이며, 제1 실시예에서의 화각은 50.92°~6.75°이고, 조리개값(Fno)은 1.74~1.80이고, 초점거리(f)는 6.67~50.87이며, 제2 실시예에서의 화각은 51.20°~6.75°이고, 조리개값(Fno)은 1.44~1.54이고, 초점거리(f)는 8.90~67.50이다.

[표 1]

상기 표 1에 있어서, A, B, C, D는 변배시의 가변되는 렌즈간의 거리이며, 비구면 19에 '*' 표시된 면은 비구면을 나타내고, 변배시의 A, B, C, D의 값은 표 2과 같다.

상기 비구면 19의 비구면계수와 코닉상수값은 코닉상수(k)는 -0.8764004667191E+02이고, 비구면 A₄는 -0.4020140177956E-04, A₆은 0.8936184893342E-06, A₈은 -0.8610212505523E-08, A₁₀은 0.3612366674970E-10이다.

[표 2]

상기한 수학식 1 내지 5를 만족한, 이 발명의 줌렌즈 광학계의 제2 실시예에 대한 실시예 값은 표 3과 같다.

[표 3]

상기 표 3에 있어서, A, B, C, BF는 변배시의 가변되는 렌즈간의 거리이며, 비구면 21에 '*' 표시된 면은 비구면을 나타내고, 변배시의 A, B, C, D의 값은 표 4과 같다.

상기 비구면 21의 비구면계수와 코닉상수값은 코닉상수(k)는 -0.3195429749389E+02이고, 비구면 A₄는 -0.9110618017821E-05, A₆은 0.7881080822642E-07, A₈은 -0.2635666603128E-09, A₁₀은 0.3838177651254E-12이다.

[표 4]

이 발명은 전체적으로 소형화가 가능하고, 고배율과 대구경비이면서 긴 후초점거리를 실현할 수 있으며, 동시에 전 줌영역에서 대단히 우수한 수차보정을 달성하여 하이비젼 텔레비젼 해상도에 대응가능토록 주변상의 해상력이 100본/m 이상 되는 시스템이 실현가능한 줌렌즈 광학계를 제공한다.

Claims

물체측으로부터, 정의 굴절력을 가지며, 1매의 오목렌즈와 1매의 볼록렌즈가 접하되어 있고, 적어도 2매의 물체측으로 볼록한 렌즈를 포함하는 제1 렌즈군과;

부의 굴절력을 가지고, 물체측에서 상측으로 이동시켜 변배를 행하는 제2 렌즈군과;

정의 굴절력을 가지며, 적어도 1매의 양볼록인 비구면렌즈와 적어도 1매의 볼록렌즈와, 오목렌즈를 포함하는 제3 렌즈군과;

물체측에서 상측으로 이동시켜 변배를 수행하고, 포커싱을 수행하며, 1매의 오목렌즈와 2매의 볼록렌즈로 구성되고, 정의 굴절력을 가진 제4 렌즈군을 포함하여 이루어진 줌렌즈 광학계.
청구항 1에 있어서, 상기한 제2 렌즈군은

물체측으로부터, 첫번째 면이 오목이고 1매인 오목렌즈와 서로 접합된 양오목렌즈와 양볼록렌즈를 포함하여 이루어지는 줌렌즈 광학계.
청구항 1에 있어서, 상기한 제3 렌즈군은

비구면렌즈의 상측면이 비구면이고, 물체측이 구면인 것이 특징인 줌렌즈 광학계.
청구항 1에 있어서, 다음의 수학식을 만족하는 것이 특징인 줌렌즈 광학계.

상기의 수학식에서 BFw는 광각단에서의 후초점거리, fw는 광각단에서의 초점거리, f1는 제1 렌즈군의 초점거리, f2는 제2 렌즈군의 초점거리, f3는 제3 렌즈군의 초점거리, f4는 제4 렌즈군의 초점거리, va는 제1 렌즈군의 분산치 평균이다.