KR19990073022A - 핀홀 카메라용 광학계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크기와 부피를 최소화하여 협소한 공간에서 비밀리 촬영이 가능한 핀홀 카메라에 적용할 수 있도록 함과 동시에 근거리에서부터 원거리까지의 넓은 시계각(71。)과 구경비(F／2.3)로 수차보정상태가 양호한 핀홀 카메라용 광학계에 관한 것으로써, 종래의 광학계는 그 구조가 복잡하고 그 각각의 렌즈를 유리재질을 사용하므로써 제작비용이 상승하는 비경제적인 문제점과 제작공정의 복잡함으로 인한 제품의 생산성이 저하되고, 광학계의 부피가 크고 무게가 중량화됨에 따라 협소한 공간에는 설치하지 못하는 설치작업이 어려움이 많았었다.
따라서, 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계는 물체측으로부터 제1렌즈(10)는 물체측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로, 제2렌즈(20)는 물체측에 비구면을 갖고 상(像)측에는 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제3렌즈(30)는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제4렌즈(40)는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로 구성하고, 상기 제1렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성하여 광학계의 기구구조를 단순화함과 동시에 광학계의 전장길이를 짧게하고 플라스틱 비구면렌즈를 장착하여 광학계의 소형경량화를 이루도록 함은 물론 수차보정상태가 양호하고 제품의 제작비용을 절감시킬 뿐만 아니라 넓은 화각으로 물체의 선명한 상(像)을 얻을 수 있도록 하여 제품의 상품성 및 양산성을 향상시킨 것이다.

Description

핀홀 카메라용 광학계
본 발명은 핀홀 카메라용 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 크기와 부피를 최소화하여 협소한 공간에서 비밀리 촬영이 가능한 핀홀 카메라에 적용할 수 있도록 함과 동시에 근거리에서부터 원거리까지의 넓은 화각(71。)과 구경비(F／2.3)로 수차보정상태가 양호한 핀홀 카메라용 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 도어폰, 비디오폰 카메라 폐쇄회로(CCTV) 카메라 및 고체촬상소자(CCD)카메라에 사용되는 광학계는 일본국 및 국내 동업계 등에서 일반적으로 널리 사용되어 오고 있으며, 광학계의 내부에 설치되는 렌즈의 매수에 따라 5군 5매와 4군 4매로 구성되는데 이를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 5군 5매로 구성되는 광학계는 렌즈캡과 렌즈경통 사이에 조립되는 제1렌즈는 물체측에 볼록면을 갖는 음의 메니스커스(MENISCUS)형 렌즈로, 제2렌즈는 양의 메니스커스형 렌즈로, 제3렌즈는 상측에 볼록면을 갖는 음의 메니스커스형 렌즈로, 제4렌즈는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 콘벡스(CONVEX)형 렌즈로, 제5렌즈는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 콘케이브(CONCAVE)형 렌즈로 구성되어 있다.
따라서, 근거리(30cm)로부터 원거리(무한대)까지 넓은 화각(시계각:78。)으로 물체의 상을 광센서인 CCD에 보내 TV모니터로 선명한 영상을 얻을 수 있으면서도 가공작업과 조립과정이 용이하여 숙련자가 아니더라도 제품의 생산성을 높일 수가 있으므로 인건비 및 생산원가의 절감과 제품의 경쟁력을 향상시킬 수가 있었다.
다음으로는 4군 4매로 구성되는 광학계는 물체측으로부터 차례로 물체측에 볼록면을 갖는 음의 메니스커스형 제1군렌즈, 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 콘벡스형 제2군렌즈, 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 콘벡스형 제3군렌즈, 상측에 볼록면을 갖는 음의 메니스커스형 제4군렌즈로 구성되어 있다.
그러나, 이와 같이 종래의 카메라용 광학계는 그 구조가 복잡하고 이를 단순화시키기 위하여 4군 4매로 구성하였으나 이 또한 광학계의 부피가 상대적으로 커짐은 물론 그 각각의 음과 양의 렌즈를 유리로 제작하여 광학계의 전체적인 무게가 중량화되고, 협소한 공간에 설치시 설치공간의 확보 및 설치작업에 어려움과 제품의 대량생산에 의한 생산성이 저하되는 등의 문제점이 많았다.
또한, 그 각각의 음과 양의 렌즈를 고가의 유리로 제작하므로써 광학계의 제작시 제작비용이 상승하게 되는 등의 비경제적인 여러 가지 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로써, 본 발명의 목적은 물체측으로부터 첫 번째의 음의 배율렌즈가 조리개의 역할을 하도록 함과 동시에 플리스틱으로 이루어진 비구면렌즈를 장착하여 제작비용을 절감시킴은 물론 광학계의 구조를 단순화시키고 부피를 최소화하여 광학계의 소형경량화를 이루도록 할뿐만 아니라 원거리(30cm)부터 근거리(무한대)까지의 넓은 시계각(71。)과 구경비(F/2.3)로 수차보정상태가 양호한 핀홀 카메라용 광학계를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계의 배열상태도
도 2는 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계에 있어서, 구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우 비구면에서 새그(Sag) Xa와 구면에서의 새그(Sag)Xo를 도시한 그래프
도 3은 본 발명인 핀홀 카메라용 광학계 데이터의 수치특성을 나타낸 것으로,
(a)는 자오상면과 구결상면의 곡면수차를 각각 0.0, 0.5, 0.7, 1.0의 광축상에서 도시한 그래프이고,
(b)는 초점거리에 따른 자오상면만곡과 구결상면만곡의 굴절률을 도시한 그래프이며,
(c)는 본 발명에 의한 광학계의 백분왜곡을 도시한 그래프
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
가:광학계 10:제1렌즈
20:제2렌즈 30:제3렌즈
40:제4렌즈
이하, 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계를 첨부된 도면을 참조하여서 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계의 배열상태도이고, 도 2는 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계에 있어서, 비구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우 비구면에서 새그(Sag) Xa와 구면에서의 새그(Sag)Xo를 도시한 그래프이며, 도 3은 본 발명인 핀홀 카메라용 광학계 데이터의 수치특성을 나타낸 것으로, (a)는 자오상면과 구결상면의 곡면수차를 각각 0.0, 0.5, 0.7, 1.0의 광축상에서 도시한 그래프이고, (b)는 초점거리에 따른 자오상면만곡과 구결상면만곡의 굴절률을 도시한 그래프이며,(c)는 본 발명에 의한 광학계의 백분왜곡을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계는 수개의 음과 양의 구면렌즈가 복합적으로 조립되어 4군 4매로 구성되는 핀홀 카메라용 광학계(가)에 있어서, 상기 광학계(가)의 제1렌즈(10)는 물체측으로부터 물체측에 오목면을 갖는 음(-)의 배율렌즈로, 제2렌즈(20)는 물체측에 비구면을 갖고 상(像)측에는 볼록면을 갖는 양(+)의 배율렌즈로, 제3렌즈(30)는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양(+)의 배율렌즈로, 제4렌즈(40)는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 음(-)의 배율렌즈로 모두 4군 4매의 렌즈로 구성한다.
또한, 상기 양(+)의 배율렌즈로 이루어진 제3렌즈(30)와 음(-)의 배율렌즈로 이루어진 제4렌즈(40)는 간격링(도시되지 않음)을 설치하지 않고 상측에 볼록면을 갖는 제3렌즈(30)의 볼록면에 물체측에 오목면을 갖는 제4렌즈(40)의 오목면이 서로 면접촉되도록 맞닿아 간격을 유지하도록 설치한다.
즉, 3매의 구면렌즈(제1렌즈(10), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40))와 1매의 비구면렌즈(제2렌즈(20))를 복합적으로 조립하여 적절한 배율의 분배 및 생산성 있는 유리재질을 선정하여 양산성(量産性)을 고려하였다.
그리고, 비구면렌즈(제2렌즈(20)) 1매를 플라스틱으로 제작하여 양산성 및 경량화를 이루며, 수차보정-구면수차와 자오상면만곡(tangential field curvature)보정상태가 양호하도록 하고, 전장길이를 9.97mm, 구경비를 F/2.3, 시계각(화각:angle of view)을 71。으로 선정하여서 구성한다.
또, 상기 광학계(가)는 물체와의 초점거리를 fe, 후면 초점거리(back focal length)를 fb, 광학계(가)의 첫 번째 제1렌즈(10)에서 마지막 제4렌즈(40)까지의 거리를 T, 제2렌즈(20)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xo라 하면,
┏ fb／fe≥0.81
┃ Xa-Xo＜0
┗ T／fe≤2.40
의 조건을 만족하도록 구성한다.
한편, 상기 광학계(가)는 상기 제1렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성하여 별도의 조리개를 설치하지 않음으로 경통의 기구구조를 단순화시킴과 동시에 광학계(가)의 소형화를 이루게 한다.
이상과 같이 본 발명에 의한 핀홀 카메라용 광학계의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
광학계(가)를 3매의 구면렌즈(제1렌즈(10), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40))와 1매의 비구면렌즈(제2렌즈(20))로 구성하고, 상기한 구면렌즈중 물체측으로부터 첫 번째인 제1렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성하여 광학계의 기구구조를 단순화시킨 것이다.
또한, 광학계(가)의 전장길이가 9.97mm로 광학계(가)의 소형화를 이룰 수 있도록 함과 동시에 1매의 비구면렌즈(제2렌즈(20))를 플라스틱으로 제작하여 광학계(가)의 최대단점인 제작비용의 상승을 최대한 절감시킨 것이다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 비구면에서 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우, 비구면에서 Sag Xa와, 구면에서 Sag Xo를 비교하여 보면,
┏ 구면렌즈인 경우: Xo=CY2／｛1+(1-C2Y2)1/2｝
┗ 비구면렌즈인 경우:Xa=CY2／〔1+｛1-(K+1)C2Y2｝1/2〕+ADY4+AEY6+AFY8+AGY10
으로 표시된다.
여기서, C는 곡률(C=1／R;R은 렌즈의 반경), Y는 높이, K는 conic constant,그리고 AD, AE, AF,AG는 비구면계수를 나타낸다.
또한, 아래의 표1은 본 발명에 의한 광학계(가)의 데이터를 수치로 표시한 것으로 순서대로 면의 순서, 렌즈면의 곡률반경(Radious:R), 렌즈의 두께 및 다음면까지의 간격(D), 렌즈의 굴절률(Index:n)과 렌즈의 분산계수(υ)을 나타낸 것이다.
조건면의 순서 RADIOUS(R) 간격(D) 굴절률(n) 분산(υ) 비고
1 -2.547 1.48 1.49 57.9
2 -4.059 0.1 비구면
3 -13.225 1.5 1.697 55.5
4 -4.5 0.05
5 5.5 2.7 1.773 49.6
6 -5.5 0.03
7 -5.32 0.5 1.847 23.8
8 35.5 3.4
여기서, 비구면계수:K=0,AD=0.2922894E-2,AE=-0.9386028E-3,AF=0,AG=0이다.
이러한 본 발명은 내경을 투영측정기(PROFELE PROJECTOR)에서 측정한 유효경(dl:mm), 구면계(SPHEROMETER)로 전체 렌즈계의 초점거리 측정치를 fe, 후면 초점거리(back focal length)를 fb, 광학계(가)의 첫 번째 제1렌즈(10)에서 마지막 제4렌즈(40)까지의 거리를 T, 투영검사기에 의한 화각측정치 θ, 해상력측정치의 중심(CR)과 주변(PR)이 구경비(fe／dl=F／2.3), 제2렌즈(20)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xo라 하면,
┏ fb／fe≥0.81
┃ Xa-Xo＜0
┗T／fe≤2.40
의 조건을 만족하며, 상기한 조건이 만족되면 근거리에서 원거리까지 넓은 화각(시계각:θ=71。)으로 물체의 상(像)을 광센서인 고체촬상소자(CCD)로 보내 TV모니터로 선명한 영상을 얻을 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 물체측의 첫 번째 제1렌즈가 조리개의 역할을 하도록 구성하여 광학계의 기구구조를 단순화함과 동시에 광학계의 전장길이와 플라스틱 비구면렌즈를 장착하여 소형경량화를 이루도록 함은 물론 수차보정상태가 양호하고 제품의 제작비용을 절감시킬 뿐만 아니라 넓은 화각으로 물체의 선명한 상(像)을 얻을 수 있도록 하는 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

  1. 수개의 음과 양의 구면렌즈가 복합적으로 조립되어 4군 4매로 구성되는 핀홀 카메라용 광학계(가)에 있어서,
    상기 광학계(가)의 제1렌즈(10)는 물체측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로, 제2렌즈(20)는 물체측에 비구면을 갖고 상(像)측에는 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제3렌즈(30)는 물체측과 상측에 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈로, 제4렌즈(40)는 물체측과 상측에 오목면을 갖는 음의 배율렌즈로 구성하고, 상기 제1렌즈(10)가 조리개의 기능을 갖도록 구성한 것을 특징으로 하는 핀홀 카메라용 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계(가)는 물체와의 초점거리를 fe, 후면 초점거리(back focal length)를 fb, 광학계(가)의 첫 번째 제1렌즈(10)에서 마지막 제4렌즈(40)까지의 거리를 T, 제2렌즈(20)의 비구면인 면에서 기준구면의 새그(Sag)를 Xa, 비구면에 의한 새그(Sag)를 Xo라 하면, fb／fe≥0.81, Xa-Xo＜0, T／fe≤2.40의 조건을 만족하도록 구성한 것을 특징으로 하는 핀홀 카메라용 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 물체측에 비구면을 이루는 제2렌즈(20)는 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 핀홀 카메라용 광학계.
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