KR20010082865A - 광학계 - Google Patents

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KR20010082865A
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박원희
최상경
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박원희
주식회사 세키노스코리아
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/34—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only
    • G02B9/36—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only arranged + -- +
    • G02B9/38—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only arranged + -- + both - components being meniscus
    • G02B9/40—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only arranged + -- + both - components being meniscus one - component being compound

Abstract

4매의 렌즈로 구성되는 광학계가 개시되어 있다. 물체측으로부터 상측으로 순차적으로, 제1 렌즈는 상기 물체측에 볼록면을 갖는 정의 메니스커스형 렌즈이다. 제2 렌즈는 상기 물체측 및 상측에 오목면을 갖는 부의 콘케이브형 렌즈이다. 제3 렌즈는 상기 물체측에 오목면을 갖는 부의 메니스커스형 렌즈이다. 제4 렌즈는 상기 물체측 및 상측에 볼록면을 갖는 정의 콘벡스형 렌즈이다. 광학계의 소형, 경량화를 달성할 수 있다.

Description

광학계{OPTICAL SYSTEM}
본 발명은 광학계에 관한 것으로서, 4매의 렌즈로 구성되는 광학계에 관한 것이다.
일반적으로, 렌즈는 다양한 용도로 사용된다. 예를 들면, 필름을 이용하여 물체를 정화상으로 촬영하는 스틸(still) 카메라와 동화상으로 촬영하는 무비 카메라, 필름을 사용하지 않고 물체를 아날로그 또는 디지털 정보로 기록하는 캠코더, 콤팩트 디스크에 기록된 정보를 독출하는 픽업(pick-up) 장치 그리고 실내에서 방문객을 확인하기 위한 비디오 폰 등에 사용된다. 또한 씨씨디(CCD : charge coupled device) 또는 씨모오스(CMOS : complementary metal-oxide semiconductor)를 포함하는 고체 촬상 소자용 카메라에도 사용되고, 최근에는 퍼스널 컴퓨터용 카메라 및 게임기용 카메라 등에도 사용된다.
상기 카메라들을 포함하는 광학 기기에는 일반적으로 5매 이상의 렌즈들로 구성되는 광학계를 사용한다. 상기 5매 이상의 렌즈를 갖는 광학계는 대한민국 특허 등록 제189064호 및 대한민국 특허 등록 제195316호에 개시되어 있다.
도 1은 종래의 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 물체측으로부터 순차적으로 제1 렌즈(100), 제2 렌즈(110), 제3 렌즈(120), 제4 렌즈(130) 및 제5 렌즈(140) 그리고 필터(150)를갖는 광학계(10)가 구비되어 있다.
상기 제1 렌즈(100)는 물체측에 볼록면을 갖는 정의(+) 메니스커스(meniscus)형 렌즈이고, 상기 제2 렌즈(110)는 상기 물체측 및 상측에 모두 볼록면을 갖는 정의 콘벡스(convex)형 렌즈이고, 상기 제3 렌즈(120)는 상기 물체측 및 상측에 모두 오목면을 갖는 부의(-) 콘케이브(concave)형 렌즈이고, 상기 제4 렌즈(130)는 상기 물체측에 오목면을 갖는 부의 메니스커스형 렌즈이고, 상기 제5 렌즈(140)는 상기 물체측 및 상측 모두 볼록면을 갖는 정의 콘벡스형 렌즈이다.
그리고 상기 제1 렌즈(100) 및 제2 렌즈(110) 그리고 제3 렌즈(120)는 서로 이격되게 설치되고, 상기 제2 렌즈(110)와 제3 렌즈(120) 사이에는 입사광의 양을 조절하는 조리개(160)가 설치된다. 상기 제3 렌즈(120) 및 제4 렌즈(130)는 서로 접하도록 설치되고, 상기 제4 렌즈(130)와 제5 렌즈(140)는 이격되게 설치된다.
상기 5매의 렌즈를 갖는 광학계(10)의 해상도를 나타내는 비점 수차, 왜곡 수차 및 색 수차는 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2c는 도1의 광학계에 대한 비점 수차, 왜곡 수차 및 색 수차에 대한 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 상기 광학계(10)의 비점 수차에 대한 그래프로써, 상기 비점 수차는 원추형으로 입사되는 광선이 비대칭으로 렌즈에 부딪힐 때 초점이 한 지점에 맺히지 않는 것을 말하는데, 상기 물체의 기하학적 수직면(T)과 상기 물체의 기하학적 수평면(S)의 차이가 -0.1 내지 0.1mm인 것을 확인할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 광학계(10)의 왜곡 수차에 대한 그래프로써, 상기 왜곡 수차는 상기 초점 앞에서는 볼록하게 보이고 초점 뒤에서는 오목하게 보이는 것을 말하는데, 상기 왜곡 수차가 -2.0% 이내인 것을 확인할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 광학계(10)의 색 수차에 대한 그래프로써, 상기 색 수차는 렌즈의 동일 지점을 통과하여 굴절되는 입사광이 서로 다른 파장을 가지기 때문에 동일 지점에서 각각 다른 각도로 굴절되는 것을 말하는데, 상기 색 수차에 대한 굴절율이 -0.01 이내인 것을 확인할 수 있다.
그리고 상기 광학계(10)의 공간 주파수에 대한 상의 밝기인 엠티에프(MTF : modulation transfer functions) 특성을 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 도 1의 광학계에 대한 엠티에프 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 엠티에프는 상의 밝기에 따라 단위 mm당 눈금수를 볼 수 있는 능력을 나타내는 것으로써, x축은 단위 mm당 눈금수를 나타내고, y축은 밝기를 나타낸다. ○는 이상적인 경우를 나타내는 그래프이고, +는 물체 크기의 50% 정도로 렌즈 전체면으로 입사광이 통과하는 경우를 나타내는 그래프이고, △는 물체 크기의 70% 정도로 렌즈 전체면으로 입사광이 통과하는 경우를 나타내는 그래프이고, □는 물체 크기의 100%가 렌즈 전체면으로 입사광이 통과하는 경우를 나타내는 그래프이다.
상기 5매의 렌즈를 갖는 광학계(10)의 특성은 전술한 바와 같다. 그러나 상기 광학계(10)는 상기 특성을 나타내기 위하여 5매 또는 5매 이상의 렌즈로 구성하여야 한다. 때문에 상기 광학계(10)의 전장이 길어짐으로써 소형화를 요구하는 최근의 추세에 적극적으로 대응하지 못하는 문제점이 있다. 그리고 상기 광학계(10)를 조립하기 위한 조립 공수가 늘어나기 때문에 상기 광학계(10)의 생산성이 저하되는 문제점이 있으며, 상기 광학계(10)를 구성하는 구성 부품의 개수가 많기 때문에 유지 보수 또한 용이하지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 5매 이상의 렌즈로 구성되는 광학계의 해상도를 포함하는 특성 보다 우수한 4매의 렌즈로 구성되는 광학계를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 광학계에 대한 비점 수차, 왜곡 수차 및 색 수차에 대한 그래프이다.
도 3은 도 1의 광학계에 대한 엠티에프의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4의 광학계에 대한 비점 수차, 왜곡 수차 및 색 수차에 대한 그래프이다.
도 6은 도 4의 광학계에 대한 엠티에프의 특성을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10, 40 : 광학계
100, 400 : 제1 렌즈
110, 410 : 제2 렌즈
120, 420 : 제3 렌즈
130, 430 : 제4 렌즈
140 : 제5 렌즈
150, 440 : 필터
160, 450 : 조리개
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광학계는, 물체측으로부터 상측으로 순차적으로, 상기 물체측에 볼록면을 갖는 정의 메니스커스형 제1 렌즈, 상기 물체측 및 상측에 오목면을 갖는 부의 콘케이브형 제2 렌즈, 상기 물체측에 오목면을 갖는 부의 메니스커스형 제3 렌즈 및 상기 물체측 및 상측에 볼록면을 갖는 정의 콘벡스형 제4 렌즈를 포함한다.
상기 광학계는 4매의 렌즈로 구성할 수 있고, 5 내지 13mm 정도의 길이를 갖도록 전장을 구성할 수 있기 때문에 소형, 경량화를 달성할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 물체측으로부터 상측에 순차적으로 제1 렌즈(400), 제2 렌즈(410), 제3 렌즈(420) 및 제4 렌즈(430) 그리고 필터(440)를 갖는 광학계(40)가구비되어 있다.
상기 제1 렌즈(400)는 물체측에 볼록면을 갖는 정의 메니스커스형 렌즈이고, 상기 제2 렌즈(410)는 상기 물체측 및 상측에 오목면을 갖는 부의 콘케이브형 렌즈이고, 상기 제3 렌즈(420)는 상기 물체측에 오목면을 갖는 부의 메니스커스형 렌즈이고, 상기 제4 렌즈(430)는 상기 물체측 및 상측에 볼록면을 갖는 정의 콘벡스형 렌즈이다. 그리고 상기 필터(440)는 가시광선 영역에서 600 내지 700nm 정도의 장파장 영역이 400 내지 600nm 정도의 단파장 영역 보다 상대적으로 양호한 감도를 갖도록 구성하는데, 적외선 차단 필터 등이 이에 해당한다.
상기 제1 렌즈(400)와 제2 렌즈(410)는 이격되게 설치하고, 상기 제2 렌즈(410)와 제3 렌즈(420)는 접하도록 설치되고, 상기 제3 렌즈(420)와 제4 렌즈(430)는 이격되게 설치한다. 그리고 상기 제1 렌즈(400)와 제2 렌즈(410) 사이에는 입사광의 양을 조절하기 위한 조리개(450)가 설치된다.
이와 같이 상기 광학계(40)는 4매의 렌즈로 구성되고, 5 내지 13mm 정도의 전장을 갖는다. 그리고 상기 광학계(40)는 초점 거리가 2mm 이상이고, 화각이 30° 이상이고, 상밝기가 1.5 이상이다.
그리고 상기 광학계(40)의 제1 렌즈(400), 제2 렌즈(410), 제3 렌즈(420) 및 제4 렌즈(430)의 굴절율을 L1, L2, L3및 L4로 나타내면 다음과 같다.
1.6 < L1< 1.9
1.7 < L2< 1.9
1.6 < L3< 1.9
1.6 < L4< 1.9
이에 따라 상기 광학계(40) 전체 굴절능을 P라 하고, 제1 렌즈(400)의 굴절능을 P1, 제 2 렌즈(410)의 굴절능을 P2, 제3 렌즈(420)의 굴절능을 P3, 제 4 렌즈(430)의 굴절능을 P4라 할 때 상기 광학계는 다음과 같은 조건을 만족한다.
0.9 <P1/P< 1.3
-1.5 <P2/P< -2.1
0.6 <P3/P< 1.1
0.5 <P4/P< 0.9
그리고 상기 광학계(40)의 전체 초점 거리를 f, 상기 광학계(40)의 전체 뒤초점거리를 fb, 상기 제1 렌즈(400)와 제2 렌즈(410) 중심축 사이의 간격을 d2, 상기 제2 렌즈(410)와 제3 렌즈(420)의 중심축 사이의 간격을 d4라 할 때 다음과 같은 조건을 만족한다.
0.5 <fb/f< 0.7
0.2 <d2/f< 0.7
0.1 <d4/f< 0.2
또한 상기 광학계(40)의 제1 렌즈(400), 제2 렌즈(410), 제3 렌즈(420) 및 제4 렌즈(430)의 분산 계수(아베수)를 ν1, ν2, ν3및 ν4로 나타내면 다음과 같다.
40 < ν1< 50
20 < ν2< 30
45 < ν3< 55
50 < ν4< 60
이에 따라 상기 광학계(40) 전체 분산 계수를 ν라 할 때, 상기 광학계(40)는 다음과 같은 조건을 만족한다.
0.2 < ν1/ν < 0.3
0.12 < ν2/ν < 0.2
0.22 < ν3/ν < 0.33
0.25 < ν4/ν < 0.35
전술한 조건을 만족하는 상기 광학계(40)의 제1 렌즈(400), 제2 렌즈(410), 제3 렌즈(420) 및 제4 렌즈(430)의 곡률(radius), 두께, 굴절율 및 분산 계수에 대한 구체적인 실시예는 하기의 표 1과 같이 나타난다.
구 분 곡 률 두 께(mm) 굴절율 분산 계수
제1 렌즈 물체측 5.035 1.4 1.8042 39.6
상측 53.384
제2 렌즈 물체측 -6.625 0.3 1.8051 25.2
상측 6.625
제3 렌즈 물체측 -10.57 1.2 1.7725 49.6
상측 -4.478
제4 렌즈 물체측 7.647 1.5 1.713 53.9
상측 -125.07
필 터 0.0 0.55 1.5168 64
그리고 제1 렌즈(400)와 제2 렌즈(410) 사이의 간격은 1.22mm, 제2 렌즈(410)와 제3 렌즈(420) 사이의 간격은 0.5857mm, 제3 렌즈(420)와 제4 렌즈(430) 사이의 간격은 0.1mm, 제4 렌즈(430)와 필터(440)의 간격은 1.0mm로 구성한다.
상기 구체적인 실시예에서 제시된 조건을 갖는 광학계(40)는 초점 거리가 7.7mm, 상밝기가 2.0, 화각이 50°로 나타난다.
상기 4매의 렌즈를 갖는 광학계(40)의 해상도를 나타내는 비점 수차, 왜곡 수차 및 색 수차는 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4의 광학계에 대한 비점 수차, 왜곡 수차 및 색 수차에 대한 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 상기 광학계(40)의 비점 수차에 대한 그래프로써, 상기 물체의 기하하적 수직면(T)과 상기 물체의 기하학적 수평면(S)의 차이가 -0.1 내지 0.1mm 이내인 것을 확인할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 광학계(40)의 왜곡 수차에 대한 그래프로써, 상기 왜곡 수차가 -2.0% 이내인 것을 확인할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 광학계(40)의 색 수차에 대한 그래프로써, 상기 색 수차에 대한 굴절율이 0.002 이내인 것을 확인할 수 있다.
그리고 상기 광학계의 엠티에프 특성을 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 도 4의 광학계에 대한 엠티에프의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, x축은 단위 mm당 눈금수를 나타내고, y축은 밝기를 나타낸다. ○는 이상적인 경우를 나타내는 그래프이고, +는 물체 크기의 50% 정도로 렌즈 전체면으로 입사광이 통과하는 경우를 나타내는 그래프이고, △는 물체 크기의 70% 정도로 렌즈 전체면으로 입사광이 통과하는 경우를 나타내는 그래프이고, □는 물체 크기의 100%가 렌즈 전체면으로 입사광이 통과하는 경우를 나타내는 그래프이다.
상기 4매의 렌즈를 갖는 광학계(40)의 특성은 전술한 바와 같다. 이는 종래의 5매의 렌즈를 갖는 광학계의 특성과 비교할 때 보다 양호한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예의 광학계(40)는 란탄 계열의 재질을 선택하고, 전술한 바와 같은 곡률, 두께, 굴절율 및 분산 계수 등을 갖도록 설계하여 구성함으로써, 엠티에프 특성을 향상시키고, 광학계의 소형화를 용이하게 달성할 수 있다.
이에 따라 상기 4매의 렌즈를 갖는 광학계(40)를 1/3인치, 1/4인치 또는 1/5인치 등의 씨씨디 또는 씨모오스를 포함하는 고체 촬상 소자용 카메라들에 적극적으로 활용할 수 있다. 즉, 상기 4매의 렌즈를 갖는 광학계(40)를 간격링 및 경통 등을 사용하여 모듈화시킴으로써 상기 고체 촬상 소자용 카메라들에 활용할 수 있다. 또한 소형화 추세에 있는 최근의 카메라들에도 적극적으로 활용할 수 있다. 또한 상기 제1 렌즈(400), 제2 렌즈(410), 제3 렌즈(420) 및 제4 렌즈(430)의 단면에만 코팅을 하더라도 99% 이상이 투과율을 나타내도록 구성할 수 있다.
이상에서와 같이 본 실시예의 4매의 렌즈를 갖는 광학계를 구성함으로써, 렌즈의 매수를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 광학계의 전장을 축소시킬 수 있기 때문에 소형화를 요구하는 최근의 추세에 적극적으로 대응할 수 있는 효과가 있다. 그리고 상기 광학계를 조립하기 위한 조립 공수를 단축시킴으로서 상기 광학계의 생산성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 또한 상기 광학계를 구성하는 구성 부품의 개수가 축소됨으로서 이에 따른 유지 보수를 용이하게 수행할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 물체측으로부터 상측으로 순차적으로, 상기 물체측에 볼록면을 갖는 정의 메니스커스형 제1 렌즈, 상기 물체측 및 상측에 오목면을 갖는 부의 콘케이브형 제2 렌즈, 상기 물체측에 오목면을 갖는 부의 메니스커스형 제3 렌즈 및 상기 물체측 및 상측에 볼록면을 갖는 정의 콘벡스형 제4 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계의 전장은 5 내지 13mm이고, 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈는 이격되게 설치되고, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈는 접하도록 설치되고, 상기 제3 렌즈와 제4 렌즈는 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈사이에 상기 제1 렌즈를 통하여 입사되는 입사광이 축외 광속을 조절하기 위한 조리개가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 광학계.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계는 초점 거리가 2mm 이상이고, 화각이 30° 이상이고, 상밝기가 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 광학계.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계는 하기의 조건 (1) 내지 (4)를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    0.9 <P1/P< 1.3 조건 (1)
    -1.5 <P2/P< -2.1 조건 (2)
    0.6 <P3/P< 1.1 조건 (3)
    0.5 <P4/P< 0.9 조건 (4)
    (여기서, P는 상기 광학계의 전체 굴절능을 나타내고, P1은 상기 제1 렌즈의 굴절능을, P2는 상기 제2 렌즈의 굴절능을, P3는 상기 제3 렌즈의 굴절능을, P4는 상기 제4 렌즈의 굴절능을 나타낸다.)
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계는 하기의 조건 (5) 내지 (7)을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    0.5 <fb/f< 0.7 조건 (5)
    0.2 <d2/f< 0.7 조건 (6)
    0.1 <d4/f< 0.2 조건 (7)
    (여기서, f는 상기 광학계의 전체 초점거리를 나타내고, fb는 상기 광학계 전체의 뒤초점거리를 나타내고, d2는 제1 렌즈와 제2 렌즈 중심축 사이의 간격을,d4는 제2 렌즈와 제3 렌즈 중심축 사이의 간격을 나타낸다.)
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계는 하기의 조건 (8) 내지 (11)을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
    0.2 <ν1/ν< 0.3 조건 (8)
    0.12 <ν2/ν< 0.2 조건 (9)
    0.22 <ν3/ν< 0.33 조건 (10)
    0.25 <ν4/ν< 0.35 조건 (11)
    (여기서, ν는 상기 광학계의 전체 분산 계수를 나타내고, ν1은 상기 제1 렌즈의 분산 계수를, ν2는 상기 제2 렌즈의 분산 계수를, ν3는 상기 제3 렌즈의 분산 계수를, ν4는 상기 제4 렌즈의 분산 계수를 나타낸다.)
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