KR20080014692A

KR20080014692A - 광각 대물 렌즈 시스템 및 카메라

Info

Publication number: KR20080014692A
Application number: KR1020070080627A
Authority: KR
Inventors: 베르너 랑; 미하엘 비츠케; 클라우스 엑켈; 토마스 레인하드
Original assignee: 메크라 랑 게엠베하 운트 코 카게
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2008-02-14
Also published as: KR20080014691A; JP2008102493A; US7697210B2; US7995281B2; EP1927877A1; EP1927876A1; US20100091379A1; JP2008122922A; US20080037138A1

Abstract

본원 발명의 광각(wide-angle) 대물 렌즈 시스템은, 120°± 10°의 대각 화각(diagonal field angle) α에 걸쳐 피사체로부터 광을 수집하기 위한 입사 구경(entrance aperture)(4)를 가진 제1 렌즈 그룹(2); 상기 제1 렌즈 그룹의 뒤에 배치된 광학 조리개(6); 및 상기 광학 조리개(6) 뒤에 배치되고, 상기 제1 렌즈 그룹(2)으로부터 상기 광학 조리개(6)를 통해 통과한 광을 투사하여 촬상면(10)에 충돌시키며, 이미지 왜곡(image distortion)이 5% 미만, 양호하게는 3% 미만인, 제2 렌즈 그룹(8)을 포함한다.

입사 구경, 광학 조리개, 촬상면, 광각 대물 렌즈

Description

광각 대물 렌즈 시스템 및 카메라 {WIDE-ANGLE OBJECTIVE LENS SYSTEM AND CAMERA}

본 발명은 광각 대물 렌즈 시스템 및 이러한 광각 대물 렌즈 시스템을 구비한 광각 카메라에 관한 것이다.

오늘날, 자동차 특히 화물차의 경우, 차량 주위의 영역을 감시할 목적으로 더욱 많은 카메라를 설치하고 있다. 이러한 목적에 부합하는 유형의 파노라마 카메라들을 차량에 단단히 부착함으로써, 상기 카메라들은 넓은 시각 또는 광각의 시야를 확보할 수 있다. 이 목적을 위해, 비교적 저렴한 광각 렌즈 시스템을 구비한 카메라를 통상적으로 설치하고 있다.

이러한 광각 대물 렌즈는 100°이상의 매우 넓은 시야각을 확보한다. 그렇지만, 이러한 넓은 시각, 즉 이러한 확장된 시각은 디스플레이된 이미지의 외측 가장자리에 상당한 왜곡이 생기고 휘도가 감소되는 댓가를 치러야 한다. "왜곡(distortion)" 또는 "이미지 왜곡(image distortion)"이란, 피사체의 가장자리 영역에서의 직선이 생성된 이미지에서는 곡선으로 나타나는 것을 말한다. 배럴형 왜곡(barrel-shaped distortion)과 쿠션형 왜곡(cushion-shaped distortion)을 구 별하는 것이 중요하다. 광각 렌즈는 일반적으로 배럴형 왜곡을 포지티브 모양으로 표현된 것으로 본다. 도 3에는 포지티브 이미지 왜곡과 네거티브 이미지 왜곡의 예가 도시되어 있다. 이미지 왜곡은 으로 표현되며, 여기서 y'는 왜곡 없는 이미지의 높이를 나타내고 y는 수차(aberration)가 있는 이미지의 높이를 나타낸다. 일반적으로, 방사상의 왜곡(radial distortion)만이, 즉 방사상의 거리를 따른 길이의 변화만이 고려된다. 본 출원에서 왜곡에 대한 %값은 이러한 방사상의 이미지 왜곡을 나타낸다.

대물 렌즈 특히 광각 대물 렌즈를 사용하는 경우, 생성된 이미지에는 자이델 오차 이론에 언급되어 있는 "자이델 7 수차(Seven Seidel Aberrations)"로 알려진 에러 또는 수차의 중복(multiplicity)이 발생한다. 이 자이델 7 수차를 3그룹으로 조합할 수 있다.

Ⅰ) 초점 수차

a) 구면 수차(근축광선(paraxial rays) 및 주변광선(marginal rays)에서의 차이)

b) 코마(길게 늘어진 광 패치(light patching))

c) 비점수차(astigmatism)(포인트에서의 초점 선(focal lines)의 형성)

Ⅱ) 위치 수차

d) 상면만곡(field cruvature)(이미지 수신기의 곡면의 결과)

e) 왜곡(볼록형 또는 오목형 윤곽 또는 배럴형 윤곽 또는 쿠션형 윤곽)

Ⅲ) 컬러 수차

f) 세로 컬러 수차

g) 가로 컬러 수차

대물 렌즈 시스템의 각각의 렌즈는 유리의 종류, 2 렌즈 표면의 반경으로 표현된 곡률, 및 렌즈의 두께와 같은 다양한 속성을 갖는다. 대물 렌즈 시스템에서 복수의 렌즈의 배치는, 하나의 렌즈와 다른 렌즈 사이의 분리 거리(separation distance), 조리개의 위치, 및 백 포커스, 즉 기록된 이미지의 면에 대한 최종 렌즈 표면의 거리에 의해 특징지어지게 된다. 이러한 특징은 파라미터 또는 자유도로 알려져 있다. 이론적으로, 각각의 이러한 자유도를 이미지 수차를 보정하는데 투입할 수 있다. 이와는 대조적으로, 각각의 자유도는 모든 이미지 수차에 참가한다. 광학 소프트웨어의 종래의 사용에 의하면, 각각의 단일의 렌즈 표면에 대한 비례 이미지 수차(propotionate image aberration)를 계산할 수 있다.

이하, 적절한 예를 이용하여 광학 설계자의 작업 방법에 대해 설명한다. 이 예를 매우 중요한 데, 왜냐하면 광학 설계자가 어떻게 진행하는지에 대한 개념을 나타내고, 광학 설계자의 창조성이 결정되는 것을 보여주기 때문이다. 최소한의 8 독립 시스템 파라미터를 이용하여 자이델 7 수차를 보정하는 것이 가능하다. 초점 거리 역시 그러한 파라미터이다. 트리플렛(triplet), 즉 3 렌즈 대물 렌즈 시스템이, 원리가 관련있는 한, 이러한 보정에 충분하다. 트리플렛은 통상적으로, 예를 들어 크라운 유리(crown glass)로 만들어진 2개의 수렴하는 외부 부재, 및 플린트 유리(flint glass)로 만들어진 하나의 내부 발산 부재로 제작된다. 이러한 조립은 6 반경 및 개개의 렌즈 사이의 2 거리를 제공한다. 시작하기에 앞서, 광학 설계자는 유리의 유형, 렌즈의 두께, 렌즈들 사이의 분리 거리 및 유리 표면의 곡률 반경과 같은 광학 시스템 파라미터를 모은다. 6 렌즈 표면이 있고 각각이 최종 이미지의 전체 수차에 얼마만큼 기여하는 정도를 결정할 수 있다. 주어진 경우에 있어서 제1 렌즈의 제2 표면의 반경이 구면수차 및 색수차를 생성하고, 제3 렌즈의 반경이 코마 및 비점수차를 생생하는 것을 매우 간단하게 결정할 수 있다.

광학 설계자는 이러한 수차를 어떻게 보정할 것인지에 대해 결정해야 한다. 광학 설계자는 구면수차를 보정하기 위해 제1 렌즈의 곡률을 변경하려 할 수도 있다. 그렇지만, 상기 제1 렌즈의 곡률 역시 초점 거리에 대해 결정되며 상기 초점 거리는 변경되어서는 안 된다. 곡률의 변화는 구면수차를 감소시킬 수 있지만 동시에 코마가 증가될 수도 있다. 광학 설계자는 또한 에러 감도를 향상시키기 위해 이러한 보정을 복수의 시스템 파라미터에 분배할 것인지를 결정할 수 있다. 소정의 수차를 보정하기 위해 특정의 파라미터를 바로 결정한 경우, 상기 특정의 파라미터가 렌즈 시스템의 제조 동안 허용 공차 또는 통과 범위(clearance range)를 벗어나 있으면 문제가 된다. 또는, 상기 통과 범위가 너무 좁게 정해져 있어 렌즈 시스템의 제조 시에 관찰되지 않는지를 판단할 수 있다.

광학 설계자는 남아 있는 광학 수차가 충분히 작은 포인트까지 시스템 파라미터를 변형시킬 것이다. 추가의 단계에서, 광학 설계자는 각각의 이미지 수차를 서로 다른 자유도로 동시에 보정하려 할 것이다. 이때 다양한 렌즈 표면에 대해 이러한 보정이 수행될 수 있으므로 전체 시스템은 더 이상 불안정하지 않게 된다. 특정한 제한 내에서, 광학 설계자는 각각의 선택된 조합이 전체 보정에 대한 4번째의 다른 관점을 초래하더라도, 유리의 형태 및 만곡도(degrees of curvature)를 상세히 설명할 것이다. 트리플렛이 미리 정해진 요건에 가깝게 되어 있는 그러한 구성으로 되어 있다면, 광학 설계자는 예를 들어 이미지의 가장자리에서의 비점수차가 거의 흐려졌지만 내부 시야에서 중요한 역할을 수행하도록 나타나는 것으로 판단할 수 있다. 이 점에서, 새로운 문제에 직면하게 된다. 위에서 약술한 자이델 7 수차는 불행하게도 단 하나의 광학 수차가 아니다. 자이델의 수차를 "3차의 이미지 수차(Image aberrations of the Third Order)"라고 한다. 논리적으로, 더 높은 차수의 더 많은 수차가 존재한다. 이것들 중 가장 중요한 것은 5차 및 7차의 수차이다. 이러한 수차 그룹은 일반적으로 제1 그룹, "3차" 수차가 적절하게 보정될 때 직면하게 될 뿐이다.

이론적으로는, 피사체에 존재하는 매우 작은 포인트가 매우 작은 포인트에 다시 매핑된다. 실제에 있어서는, 이것은 상기 광학 수차 때문에 발생하지 않는다. 포인트는 포인트로서 재생되지 않을 것이며 오히려 휘도가 다양하게 분포한 작은 디스크(small disk)로서 재생될 것이다. 이러한 디스크를 소정 직경 이하로 처리하자마자, 이미지 에러는 분명하게 된다. 이에 대한 설명은 매우 간단하다. 실제, 이러한 수차는 계속적으로 유효하지만, 남아 있는 3차의 수차가 작은 경우에만 주목받는다.

주어진 예, 즉 필드에서의 비점수차를 여전히 볼 수 있는 "트리플렛 예(Triplet Example)"에서는, 이러한 더 높은 차수의 이미지 수차의 효과가 나타난다. 5차 및 7차의 에러 또는 수차를 보상하기 위해, 정해진 그리고 전체적으로 통제된 잔여의 자이델 이미지 수차를 사용할 수 있다. 이것은 자연스럽게 한정된 수치이고, 시야각 및/또는 조리개 열림(iris opening)이 작은 경우에 트리플렛은 수용가능한 화질(image quality)을 가질 것이다.

렌즈 등의 수 및 구성에 의해 정해진 광학 시스템은 제한된 보정 가능성을 제공한다는 것에 유의하는 것이 중요하다. 이것은 바꿔 말하면, 복잡한 광학 소프트웨어 및 컴퓨터 파워를 구비하여도, 경험 있는 광학 설계자만이 "올바른" 시작 파라미터를 선택할 것임을 의미한다.

컴퓨터, 소프트웨어 및 수치적 방법을 사용하여 광학 수차를 감소시킨다. 이러한 설비 및 절차를 적용하여 광학 시스템을 최적화한다. 이러한 대량의 데이터는 그 자체의 문제를 야기시킨다. 결과적으로, 전문가 또는 광학 설계자의 작업은 더 쉬워지지 않는다. 오히려 컴퓨터의 도움으로 광학 설계자는 더 많은 파라미터를 고려할 수 있고 더 빠르고 더 높은 보정성으로 계산을 수행할 수 있다.

광학 시스템의 설계 파라미터(렌즈 곡률, 렌즈 두께, 분리 거리, 굴절률 등)의 수와 상기 광학 수차의 보정도(degree of correction) 사이에는 소정의 관계가 있다. 자유도가 더 높고 설계 파라미터가 더 많을수록, 그에 따라 광학 설계자는 시스템의 보정도를 더욱 높일 수 있다. 광학 설계자가 더 많은 수의 광학 소자를 사용하면, 보정도를 더 우수하게 얻을 수 있다. 그렇지만, 이것은 상당한 비용을 초래하며, 더욱이 시스템은 제조 단계의 통과 또는 중량의 증가의 부분에 강하게 반발할 수도 있다.

이때 광학 시스템의 설계자는 주어진 구조의 기본적인 광학적 발전성에 대해 매우 높은 이해를 가지고 있어야만 한다. 모든 구조 또는 설계는 처음의 밑그림에 따라 촤적화 시스템 또는 계획을 필요로 한다. 그 구조가 수차에 대한 정교한 보상에 적절하지 않다면, 광학 설계자는 저품질의 생산품을 얻게 될 것이다.

6 렌즈 대물 시스템은 10 자유 렌즈 표면(반경), 렌즈 간 4 분리 거리를 가진 6 렌즈 두께(렌즈 당 하나)를 갖는다. 또한, 각종의 유리는 고려해야 할 그 자체의 굴절률 및 분산 수(dispersin number)를 갖는다. 또한, 조리개의 정확한 위치가 결정되어야만 한다. 이러한 36 파라미터, 즉 36 자유도와 함께, 광학 설계자는 60 이상의 서로 다른 이미지 수차를 보정해야만 한다. 각각의 파라미터는 10,000 개별값과 같은 것을 제공할 수 있으므로 파라미터 변화마다 약 6,000개의 서로 다른 광 경로(ray path)를 계산해야만 한다.

이러한 36 자유도 또는 파라미터는 또한 전체적으로 독립적이지 않다. 일부는 조합되어야만 하고, 다른 일부는 다른 파라미터에 의해 강하게 제한받는다. 따라서, 36 자유도는 20 정도의 것으로 감소되고, 이에 의해 작업은 훨씬 더 복잡하게 된다. 주어진 조건 및 상황을 고려해서, 수천개의 설계 결과가 아니라면, 수백의 설계 모두가 원하는 솔루션 또는 설계에 매우 가깝거나 유사하다는 것은 놀랄만한 것이 아니다. 거의 초당 10.000 렌즈 표면을 계산할 수 있는 고속의 컴퓨터 및 소프트웨어를 이용한 상기 6 렌즈 대물 시스템의 완전한 평가는 10년이 걸린다.

분명하게도, 이러한 절차는 실행할 수 없다는 것이다. 끝없는 선택의 연속 에 대한 최적의 솔루션을 찾아내기 위해서는, 광학 설계자가 디스플레이된 이미지의 최종적인 화질 상의 이미지 수차의 모든 효과에 대한 타고난 인식을 가져야만 한다. 또한, 광학 설계자는 화질의 이러한 요소을 알기 위해, 원하는 광학 시스템의 특징을 생성할 수 있는 능력을 가져야만 한다.

차량에 관한 인접 주변의 파노라마 전개를 위해 광각 대물 렌즈를 적용한 경우에는, 첫째, 카메라들이 통상적으로 차량에 단단하게 부착되기 때문에 가능한 가장 넓은 시야각을 확보할 수 있는 능력을 갖추어야 하고, 둘째, 반드시 나타나게 되는 이미지 수차는 이러한 광각 렌즈 시스템의 시야 내의 장애물의 인식을 약화시켜야 한다. 또한, 광각 대물 렌즈 시스템은 자동차에서 사용하기에는 너무 고가일 것이기 때문에 너무 복잡하게 설계될 수 없다.

그러므로 본 발명의 목적은 시야각 내의 장애 또는 장애물의 검출을 약화시키지 않는 이미지 수차 또는 에러를 갖는, 경제적인 광각 대물 렌즈를 이용하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이러한 광각 대물 렌즈 시스템을 구비한 카메라를 제공하는 것이다.

이러한 목적들은 청구항 제1항, 제4항, 제21항 및 제40항에 따른 광각 대물 렌즈 시스템에 의해 달성된다.

이와 같이 광각 렌즈를 설치하기 때문에, 이에 대응해서 광각 카메라를 차량의 외부에 설치하고, 광각 렌즈 카메라들은 각각 보호 커버를 구비해야만 할 필요가 있다. 광각 카메라의 광학 촬영 시스템의 광학 특성 및 속성을 변화시키기 않기 위해, 이러한 보호 커버는 종래부터 쉘(shell) 또는 돔형으로 설계되어 있다. 이러한 쉘형 또는 돔형의 보호 커버의 비용은 높은데, 보호 커버의 광학 특성과 보호되어야 할 광각 렌즈의 광학 특성이 간섭하지 않아야만 한다는 고려할 때는 특히 그러하다.

상기 보호판이 평평한 투명판으로 구성되어 있기 때문에, 이러한 형성은 근본적으로 저렴하다. 그렇지만, 광학 소자로서 포함되어 있기 때문에 광학 렌즈의 계산 시에 상기 평평한 투명판은 고려되어야만 한다. 이러한 이유로, 놀랍게도, 본 발명에 있어서 이러한 추가의 총비용은 종래의 쉘형 보호 커버를 사용할 때에 따른 비용보다 낮은 것으로 판명되었다.

양호하게, 평행한 평판의 광학 효과는 평판 그 자체가 광학 렌즈의 계산 시 훨씬 더 편리하게 하기 때문에 이 보호 커버는 각 평평한 측 상에 평행 표면을 갖고 있다.

유리는 우수한 광학 속성을 가지고 있고 더욱이 환경에도 매우 내성이 강하기 때문에, 유리는 상기 보호판용 재료로서 그 자체가 우수하게 적응한다. 고려되어야 할 사항은, 상기 보호판의 직경의 범위가 일반적으로 5cm이고 이에 따라 유리의 공지된 파손 특성은 아무런 역할을 하지 못한다는 것이다.

발명자는 광각 대물 렌즈를 자동체 설치할 때 생기는 근본적인 문제는 이러한 렌즈에 고유한 이미지 왜곡임을 인식하고 있었다. 즉 이미지 왜곡은 시야 내에 있는 장애물에 대한 신속하고 쉬운 인식을 저하시킨다. 그러므로 118°의 대각 화각을 갖는 광각 대물 렌즈 시스템을 구비한 본 발명에 따르면, 광각 렌즈 시스템 자체에 의해 10% 미만으로 양호하게는 5% 미만으로 왜곡이 감소된다. 142°의 대각 화각을 갖는 광각 대물 렌즈 시스템을 사용하면 광각 렌즈 시스템 자체에 의해 17% 미만으로 양호하게는 15% 미만으로 왜곡이 감소된다. 본 발명의 자동차의 설치 범주는 비용 때문에 복잡하고 정교한 광각 렌즈 시스템의 설치는 제외하지만, 그럼에도 상기 왜곡에 대한 보정은 포착된 이미지의 전자 데이터 처리를 통해서가 아닌 렌즈 시스템의 적절한 설계에 의해 수행된다. 놀랍게도, 이것은 수용할만한 낮은 비용으로 가능하다는 것이 실험에 의해 밝혀졌다.

본 발명의 한 관점에 따르면, 비구면 렌즈(aspherical lens)를 사용하여 이 미지 왜곡을 주로 감소시킨다. 양호하게는 상기 비구면 렌즈를 오목-볼록 이중 비구면(concave-convex bi-aspherical)으로 설계해서 이미지 센서에 인접한 광각 대물 렌즈 시스템 내의 마지막 렌즈로서 위치시키는데, 즉 이미지 센서의 초점면 또는 이미지 수신면 바로 앞에 위치시킨다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 대물 렌즈 시스템의 광학 조립 길이 또는 기하학적 길이는 118°의 대각 화각을 갖는 광각 대물 렌즈 시스템에 있어서 18mm±5mm로 제한되며 142°의 대각 화각을 갖는 광각 대물 렌즈 시스템에 있어서는 21mm±5mm로 제한된다. 이것은 첫째, 단순한 설계를 강력히 요구하고 둘째, 자동차에 충분히 설치할 수 있 정도로 콤팩트한 광각 대물 렌즈 시스템을 생산한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 광각 대물 렌즈 시스템은 기껏해야 5 렌즈로 구성되는데, 제1 렌즈 그룹은 기껏해야 3 렌즈로 구성되고 제2 렌즈 그룹은 기껏해야 2 렌즈로 구성된다. 렌즈의 수에 따라, 대물 렌즈의 복잡성과 그에 따른 그 가격과 이미지 수차를 보정하기 위한 적절한 가능성 사이의 만족할만한 타협이 이루어진다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 118°의 대각 화각을 갖는 광각 렌즈 시스템을 사용하면, 입사 구경(entrance length)으로부터 측정된 조리개는 렌즈 시스템의 전체 광학 설치 길이의 60%±10%에 위치한다. 142°의 대각 화각을 갖는 광각 렌즈 시스템을 사용하면, 조리개는 렌즈 시스템의 전체 광학 설치 길이의 75%±10%에 위치한다. 이러한 조리개의 위치는 생성된 수차를 감소시키는 데 감소시키는데 특히 이로우며, 적은 수의 제공된 렌즈를 고려하면 이미지 왜곡을 감소시키는 데 특히 이롭다는 것이 실험으로 밝혀졌다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 제1 렌즈 그룹과 제2 렌즈 그룹의 렌즈들을 어떠한 스페이서 소자(spacer elelment) 없이 서로 직접 접촉해서 위치시킨다. 이 방법에서, 조립의 특별한 만족할만한 길이가 얻어지며, 즉 렌즈 시스템의 전체 치수를 감축시킨다. 또한 상기 분리 거리는 존재하지 않기 때문에, 더욱 우수한 방식으로 통과(clearance)가 유지된다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 광학 조리개는 118°의 대각 화각을 갖는 광각 대물 렌즈 시스템에 있어서 1.26mm±0.5mm의 직경을 가지며 142°의 대각 화각을 갖는 광각 대물 렌즈 시스템에 있어서는 0.85mm±0.5mm의 직경을 갖는다. 이러한 치수는 특히 이미지 왜곡의 감소를 개선한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 제1 렌즈 그룹은 3 렌즈를 포함하고 제2 렌즈 그룹은 2 렌즈를 포함한다. 이러한 개별 렌즈의 조합, 그 위치 및 치수는 매우 넓은 시야를 확보하는 효과를 가지며 동시에 매우 작은 왜곡도(degree of distortion)를 생성한다. 이미지 수차의 모든 나머지는 허용가능한 한계 내에 유지된다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 제14항 및 제31항에 따른 5 렌즈의 치수는 각각, 본 발명에 따른 광각 대물 렌즈 시스템의 왜곡의 감소 및 그외 광학 특성과 관련해서 만족할만한 결과를 제공한다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 조리개에는 원통형 보링(cylindrical boring) 내에 원형 개구가 생성된다. 이러한 방식에 의해, 원뿔형으로 구멍 뚤린 조리개 개구 내에서 스쳐 지나가는 입사광(grazing incident light)으로 인한 교란 반사가 회피된다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 종래의 구형 또는 돔형의 전면 커버 때신, 평평하고 투명한 전면 보호판을 대물 렌즈에 제공한다. 이것은 광각 대물 렌즈 시스템의 계산 시에 상기 보호판의 광학 특성을 고려해야 할 필요성이 있다는 것을 나타낸다. 그렇지만, 이와 관련하여 상승된 비용은 전술한 구형 또는 돔형의 렌즈 커버의 비용과 비교해 볼 때 상기 평평하고 투명한 보호판의 비용이 낮춰지기 때문에 훨씬 더 보상된다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 제1 그룹의 제1 렌즈는 특히 필드 만곡(field curvature)이나 이미지 돌출(image bulging)의 보정을 위해 설계된다. 이러한 보정에 의해, 광각 대물 렌즈 시스템의 공간적으로 굽은 촬상면은 이미지 센서의 평면(plane surface)에 적합된다. 바꿔 말하면, 이에 의해 이미지 왜곡이 보정되어 최소화된다.

부가적인 종속항들은 본 발명의 관점을 더욱 이롭하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 추가의 설명, 특징 및 이점은 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 양호한 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 분명하게 될 것이다.

본 발명의 구성에 따르면, 비용이 저렴하고, 이미지 왜곡이 보정되어 최소화되는 광각 대물 렌즈 시스템 및 이것을 구비한 카메라를 제공할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 예시적 실시예를 도시한다. 도 1은 본 발명에 따른 광각 대물 렌즈 시스템을 구비한 광각 카메라를 도시하며, 대물 렌즈 시스템의 광축을 따르는 세로 단면도를 도시하고 있다. 도 2는 도 1에 따른 광각 대물 렌즈 시스템을 통한는 광의 경로를 도시하며, α 및 α/2로 각각 표시된 다양한 시각을 망라하여 도시되어 있다.

타겟 피사체(도 1 및 도 2의 우측에 있으나 도시되어 있지 않음)로부터의 광은 입사 구경(4)을 갖는 제1 렌즈 그룹(2)에 진입하도록 필드 각 α로 수렴한다. 포착될, 즉 예를 들어 사진으로 찍을 피사체로부터 입사광의 방향의 뒤를 이어, 제1 렌즈 그룹(2)의 뒤에 광학 조리개(6)가 위치한다. 차례로, 광학 조리개(6)의 뒤에 제2 렌즈 그룹(8)이 제공된다. 제2 렌즈 그룹(8)에 이어 평평한 촬상면(10) 또는 초점면(10)에 복수의 픽셀을 가진 CCD-센서(10)의 형태로 전자 이미지 포착 유닛이 설치되어 있다. CCD-센서(12)와 제2 렌즈 그룹(8) 사이에는 IR-컷 필터(14)(IR=적외선)가 설치되어 있다. IR 레이(ray)는 상기 IR-컷 필터를 통해 필터링되며, 이것은 화질의 저하를 초래하게 된다. 이것은, IR 레이의 높은 비율이 존재하기 때문에 컬러 카메라의 경우 컬러의 표시에 있어서 특히 그러하며, 컬러 효과는 질이 감소된다.

제1 렌즈 그룹(2)은 제1 렌즈(16-1), 제2 렌즈(16-2) 및 제3 렌즈(16-3)를 포함한다. 제2 렌즈 그룹(8)은 제4 렌즈(16-4) 및 제5 렌즈(16-5)를 포함한다. 제1 렌즈 그룹의 제1 렌즈(16-1), 제2 렌즈(16-2) 및 제3 렌즈(16-3)는 서로 직접 접촉하여 위치하며, 이들 렌즈 사이에는 분리 거리 또는 스페이서 소자가 제공되어 있지 않다. 마찬가지로, 제4 렌즈(16-4) 및 제5 렌즈(16-5) 역시 동일한 방식으로 인접하고 있다. 이 경우, 더 큰 제5 렌즈(16-5)가 더 작은 제4 렌즈(16-4)를 위한 홀더(holder)로서 기능한다. 모든 5개의 렌즈(16-1 내지 16-5)는 렌즈 리테이너(lens retainer)(18)에 의해 적소에 유지되고 있다. 렌즈 리테이너(18)는 상기 5 렌즈(16-1 내지 16-5)를 방사 림(radial rims)에서 붙잡거나 접촉한다. 렌즈 리테이너(18)의 좌측 개구는 또한 입사 구경(4)의 크기를 규정한다.

광학 조리개(6)는 제4 렌즈(16-4)의 전면에 바로 이웃하여 위치한다. 광학 조리개(6)는 제3 렌즈(16-3)와 제4 렌즈(16-4) 사이의 공간에 렌즈 리테이너(18)의 형상으로 형성되어 있다. 광학 조리개(6)는 광축 OA를 가로질러 연장하는 렌즈 리테이너(18)의 일부에 형성되어 있다. 렌즈 리테이너(18)의 상기 일부는 광학 조리개(6)의 입사 구경(4)을 형성하는 원통형 형상으로 된 블라인드 보링(blind boring)(20)을 포함한다. 상기 원통형 블라인드 보링(20)의 하부에는 출구 포트(exit port)(24)를 형성하는 제2 보링(23)이 형성되어 있고 상기 출구 포트(24)에 의해 광학 조리개 배치를 통해 광이 통과할 수 있다. 블라인드 보링(20)의 직경은 제2 보링(23)의 직경보다 크다. 블라인드 보링(20)과 제2 보링(23)은 상기 렌즈 리테이너(18)에서 대물 렌즈 시스템의 광축 OA를 대칭으로 일주하도록 설계되어 있다. 상기 출구 포트(24)는 상기 제4 렌즈(16-4)의 전면에 바로 이웃하여 위치하며 그 직경에 의해 광학 조리개(6)의 크기 또는 직경이 결정된다. 공통의 원뿔형 형상 대신 상기 블라인드 보링(20)의 원통형 형상에 의해, 원하지 않는 반사를 일으키는, 광학 조리개(6)를 통해 스쳐 지나가는 광의 투과가 회피된다.

이하에서는 본 발명의 2 실시예에 있어서의 특정한 데이터 및 명백한 광학 파라미터에 대해 설명한다. 상기 2 실시예의 구조는 도 1 및 도 2가 2 실시예의 대표일 수 있도록 매우 유사하다.

제1 실시예에서 제1 렌즈(16-1)는 볼록-오목형이고, 이하의 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 렌즈 표면의 곡률에 대해 R₁₁ 및 R₁₂의 반경을 갖는다. 제2 렌즈(16-2)는 마찬가지로 볼록-오목형이고 제1 반경 R₂₁ 및 제2 반경 R₂₂을 갖는다. 제3 렌즈는 양면볼록형이고 제1 반경 R₃₁ 및 제2 반경R₃₂을 갖는다. 제4 렌즈도 양면볼록형이고 R₄₁ 및 R₄₂로 표시된 각각의 반경을 갖는다. 제5 렌즈는 오목-볼록형의 이중 비구면 렌즈이다. 5 렌즈(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5)의 두께, 직경, 및 굴절률뿐만 아니라 그 분리 거리는 이하의 표 1에 나타나 있다.

표 1

표 3에 주어진 제5 렌즈(16-5)의 직경은 유효 광학 직경이다.

제1 실시예의 제5 렌즈(16-5)의 비구면 계수 "c" 및 원추형 상수 K는 이하의 표 2에 주어져 있다.

표 2

원형 입사 구경(4)는 14mm의 직경을 가지며 광학 조리개(6)는 1.26mm의 직경 을 갖는다.

제2 실시예에서 제1 렌즈(16-1)는 볼록-오목형이고, 이하의 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 렌즈 표면의 곡률에 대해 R₁₁ 및 R₁₂의 반경을 갖는다. 제2 렌즈(16-2)는 마찬가지로 볼록-오목형이고 제1 반경 R₂₁ 및 제2 반경 R₂₂을 갖는다. 제3 렌즈는 평면볼록형이고 제1 반경 R₃₁ 및 제2 반경R₃₂을 갖는다. 제4 렌즈도 양면볼록형이고 R₄₁ 및 R₄₂로 표시된 각각의 반경을 갖는다. 제5 렌즈는 오목-볼록형의 이중 비구면 렌즈이다. 5 렌즈(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5)의 두께, 직경, 및 굴절률뿐만 아니라 그 분리 거리는 이하의 표 3에 나타나 있다.

표 3

표 3에 주어진 제5 렌즈(16-5)의 직경은 유효 광학 직경이다. 3차원 피사체로서의 제5 렌즈(16-5)의 직경은 7mm이다.

제2 실시예의 제5 렌즈(16-5)의 비구면 계수 "c" 및 원추형 상수 K는 이하의 표 4에서 알 수 있다.

표 4

제2 실시예에서, 원형 입사 구경(4)는 15.6mm의 직경을 가지며 광학 조리개(6)는 0.85mm의 직경을 갖는다.

제5 렌즈(16-5)의 비구면 표면(aspherical surfaces)의 수학적 표시와 관련해서는, 제1 실시예 및 제2 실시예에 있어서 텍스트북:

, Bauelement der Optik, Taschenbuch for Technischen Optik, Vol.5, published 1987, pages 145ff를 참조하라.

제1 실시예 및 제2 실시예에서, 제5 렌즈(16-5)는 플라스틱으로 구성되고 하나의 단편(piece)으로 구성된다. 제5 렌즈(16-5)는 렌즈 성분(26) 및 홀딩 수단(28)을 포함한다. 렌즈 성분(26)은 비구면 오목-볼록 렌즈를 포함하고, 이것은 제5 렌즈(16-5)의 광학 기능을 제공한다. 홀딩 수단(28)은 그 자체가 렌즈 성분(26)에서 멀어지도록 원형으로 연장하도록 되어 있는데, 이에 의해 단면에 있어 서(도 1 참조), 상기 홀딩 수단(28)이 2개의 T형 소자로 구성되고, 이 2개의 T형 소자는 렌즈 성분(26)의 림으로부터 위아래 양방향으로 연장한다(도 1 참조). 따라서, 홀딩 수단(28)은 사각형의 단면을 가진 원형의, 환형으로 된 제1 섹션(28-1)을 포함하며, 상기 제1 섹션은 그 자체가 렌즈 성분(26)의 림에 직접 연결되어 있다. 제1 섹션(28-1)의 외측에는 사각형의 단면을 가진 원통형 제2 섹션(28-2)이 부착되어 있다. 제2 섹션(28-2)은 제1 섹션(28-1)에 가로로 배치되어 있다. 홀딩 수단(28)의 제2 섹션(28-2)은 렌즈 지지 구조체(18)와 접촉한다. 환형의 제1 섹션(28-1)은 제4 렌즈(16-4)를 위한 지지 표면으로서 기능한다. 그러므로 제4 렌즈(16-4)는 제5 렌즈(16-5)와 이들 사이의 스페이서 소자 없이 직접 접촉하고, 제4 렌즈(16-4)는 제5 렌즈(16-5)의 환형의 제1 섹션(28-1)에 접촉한다. 광학 조리개(6)의 출구 포트(24)를 둘러싸는 렌즈 리테이너(18)의 일부는 제4 렌즈(16-4)를 유지하고 지지한다. 또한, 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈(16-1, 16-2, 16-3)는 그들의 림 주변에서 서로 지지하며 렌즈 홀더 또는 렌즈 리테이너(18)에 의해 방사 방향으로 더욱 지지된다.

외관상 평행판(30) 형태의 투명 보호 커버가 제1 렌즈(16-1)의 전면에 바로 이웃하여 배치된다. 상기 평행판(30)은 광각 대물 렌즈를 주변의 영향으로부터 보호한다. 종래의 카메라를 위한 통상적인 수단, 즉 구형의 또는 돔형의 전면 커버 대신, 상기 표면이 투명한 평행한 판(30)을 사용하면, 광각 렌즈의 계산 시에 상기 투명 보호판(30)의 광학 특성을 고려해야만 한다. 그렇지만, 그 비용을 전술한 구형 보호 투명 커버의 비용과 비교해 보면, 상기 표면이 평행한 판(30)은 근본적으 로 비용이 낮기 때문에 이러한 종래의 비용을 완전히 보상한다.

도 2는 도 1에 도시된 실시예의 광학 기능도를 도시하며 본 발명에 따른 광각 대물 렌즈 시스템의 광축 OA를 따라 5 렌즈(16-1 내지 16-5)의 배치를 도시하고 있다. 도 2에는, 광각 대물 렌즈 시스템의 광학 구조 길이, 즉 제1 렌즈(16-1)의 전방 가장자리와 이미지 센서(12)의 촬상면 또는 초점면(10) 사이의 거리가 도시되어 있다. 본 발명의 제1 실시예의 경우에는 광학 구조 길이가 18mm이고 제2 실시예의 경우에는 광학 구조 길이가 21.4mm이다.

도 2에는 5개의 서로 다른 시야각 α에 대한 레이의 경로(32-1 내지 32-5)가 도시되어 있다. 최대 시야각 α는 레이의 경로(32-1)로 도시되어 있다. 설명의 편의상, 도 2에는 α/2에 대한 심볼만이 도시되어 있으며, 이것은 광축 OA와 각각의 입사 레이 경로(32-i) 사이의 각도이다. 또한, 도 2에는 개개의 렌즈(16-1 내지 16-5)의 두께 및 방사량이 도시되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전자 이미지 포착 유닛 시스템을 구비한 광각 카메라의 구체예에 대한 단면도이다.

도 2는 다양한 노출 각도로부터의 광 경로를 나타내는 도 1의 구체예의 광학 기능도이다.

도 3은 자이델 수차 중 하나로서 묘사된 왜곡의 개략도이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명

A 필드각

OBL 광학 구조 길이

OA 광축

2 제1 렌즈 그룹

4 입사 구경

6 광학 조리개

8 제2 렌즈 그룹

10 촬상면

12 이미지 센서

14 IR-컷 필터

16-1 제1 렌즈

16-2 제2 렌즈

16-3 제3 렌즈

16-4 제4 렌즈

16-5 제5 렌즈

18 렌즈 리테이닝 홀더2

20 18에서의 블라인드 보링

22 중간 구경(조리개 앞)

23 제2 보링

24 출구 개구

26 렌즈의 개별 성분

28 렌즈 홀더

28-1 28을 위한 제1 홀더

28-2 28을 위한 제2 홀더

30 투명 보호 전면 커버

32-1 레이(ray)의 경로

Claims

특히 자동차 분야에서의 광각 카메라에 사용되는 광각 대물 렌즈 시스템에 있어서,

복수의 렌즈(16-i)를 구비한 광각 대물 렌즈; 및

상기 광각 대물 렌즈 앞에 설치된 투명 보호 평판(30)

을 포함하는 광각 대물 렌즈 시스템.
제1항에 있어서,

상기 투명 보호 평판(30)은 표면이 평행한 판(parallel surfaced plate)(30)인, 광각 카메라.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 투명 보호 평판(30)은 유리판인, 광각 카메라.
제1항에 있어서,

118°± 10°의 대각 화각(diagonal field angle) α에 걸쳐 피사체로부터 광을 수집하기 위한 입사 구경(entrance aperture)(4)을 가진 제1 렌즈 그룹(2);

상기 제1 렌즈 그룹의 뒤에 배치된 광학 조리개(6); 및

상기 광학 조리개(6) 뒤에 배치되고, 상기 제1 렌즈 그룹(2)으로부터 상기 광학 조리개(6)를 통해 통과한 광을 투사하여 촬상면(10)에 충돌시키며, 이미지 왜곡(image distortion)이 5% 미만, 양호하게는 3% 미만인, 제2 렌즈 그룹(8)

을 포함하는 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

상기 제2 렌즈 그룹(8)은 상기 이미지 왜곡을 보정하기 위한 비구면 렌즈(aspherical lens)(16-5)를 포함하는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제3항에 있어서,

상기 비구면 렌즈(16-5)는 이중 비구면 렌즈(biaspheric lens)인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제5항에 있어서,

상기 비구면 렌즈는 오목-볼록형 곡률(concave-convex curvature)을 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

최대 5개의 렌즈(16-i)를 갖는 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

상기 제1 렌즈 그룹(2)은 최대 3개의 렌즈(16-1, 16-2, 16-3)를 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

상기 제2 렌즈 그룹은 최대 2개의 렌즈(16-4, 16-5)를 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

상기 광각 대물 렌즈 시스템의 광학 구조 길이(optical construction length)(OBL)는 18.0mm ± 5mm인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

상기 입사 구경(4)에 대한 상기 광학 조리개(6)의 위치는 상기 광학 구조 길이(OBL)의 60%±10%인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

상기 광학 조리개(6)는 1.26mm±0.5mm의 직경을 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항에 있어서,

상기 제1 렌즈 그룹(2)은 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈(16-1, 16-2, 16-3)를 포함하고, 상기 제2 렌즈 그룹(6)은 제4 렌즈 및 제5 렌즈(16-4, 16-5)를 포함하며,

상기 제1 렌즈(16-1)는 제1 반경(R₁₁)이 11.6mm±δ%이고 제2 반경(R₁₂)이 -5.2mm±δ%인 볼록-오목형이며,

상기 제2 렌즈(16-2)는 제1 반경(R₂₁)이 45.2mm±δ%이고 제2 반경(R₂₂)이 -6.1mm±δ%인 볼록-오목형이며,

상기 제3 렌즈(16-3)는 제1 반경(R₃₁)이 44.9mm±δ%이고 제2 반경(R₃₂)이 10.9mm±δ%인 양면볼록형(biconvex)이며,

상기 제4 렌즈(16-4)는 제1 반경(R₄₁)이 4.3mm±δ%이고 제2 반경(R₄₂)이 7.8mm±δ%인 양면볼록형이며,

제5 렌즈(16-5)는 오목-볼록형 이중 비구면(concave-ocnvex biasphere)이며,

δ%는 1%와 15% 사이의 범위에 있고 양호하게는 1%와 5% 사이에 있는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제1 렌즈(16-1)의 굴절률은 1.79인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제2 렌즈(16-2)의 굴절률은 1.77인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제3 렌즈(16-3)의 굴절률은 1.84인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제4 렌즈(16-4)의 굴절률은 1.77인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제5 렌즈(16-5)의 굴절률은 1.53인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제4 렌즈(16-4)는 특히 이미지의 비정상적인 일그러짐(aberrational swelling) 또는 뒤틀림(cruvature)을 보정하도록 설계되어 있는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제1항에 있어서,

142°± 10°의 대각 화각 α에 걸쳐 피사체로부터 광을 수집하기 위한 입사 구경(4)를 가진 제1 렌즈 그룹(2);

상기 제1 렌즈 그룹의 뒤에 배치된 광학 조리개(6); 및

상기 광학 조리개(6) 뒤에 배치되고, 상기 제1 렌즈 그룹(2)으로부터 상기 광학 조리개(6)를 통해 통과한 광을 투사하여 촬상면(image surface)(10)에 충돌시키며, 이미지 왜곡이 17% 미만, 양호하게는 15% 미만인, 제2 렌즈 그룹(8)

을 포함하는 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 제2 렌즈 그룹(8)은 상기 이미지 왜곡을 보정하기 위한 비구면 렌즈(16-5)를 포함하는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 비구면 렌즈(16-5)는 이중 비구면 렌즈(biaspheric lens)인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제23항에 있어서,

상기 비구면 렌즈는 오목-볼록형 곡률(concave-convex curvature)을 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

최대 5개의 렌즈(16-i)를 갖는 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 제1 렌즈 그룹(2)은 최대 3개의 렌즈(16-1, 16-2, 16-3)를 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 제2 렌즈 그룹은 최대 2개의 렌즈(16-4, 16-5)를 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 광각 대물 렌즈 시스템의 광학 구조 길이(optical ocnstruction length)(OBL)는 21.4mm ± 5mm인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 입사 구경(4)에 대한 광학 조리개(6)의 위치는 상기 광학 구조 길이(OBL)의 75%±10%인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 광학 조리개(6)는 0.85mm±0.5mm의 직경을 갖는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제21항에 있어서,

상기 제1 렌즈 그룹(2)은 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈(16-1, 16-2, 16-3)를 포함하고, 상기 제2 렌즈 그룹(6)은 제4 렌즈 및 제5 렌즈(16-4, 16-5)를 포함하며,

상기 제1 렌즈(16-1)는 제1 반경(R₁₁)이 13.7mm±δ%이고 제2 반경(R₁₂)이 -4.7mm±δ%인 볼록-오목형이며,

상기 제2 렌즈(16-2)는 제1 반경(R₂₁)이 153.4mm±δ%이고 제2 반경(R₂₂)이 -6.0mm±δ%인 볼록-오목형이며,

상기 제3 렌즈(16-3)는 제1 반경(R₃₁)이 ∞이고 제2 반경(R₃₂)이 8.5mm±δ%인 평탄-오목형이며,

상기 제4 렌즈(16-4)는 제1 반경(R₄₁)이 6.8mm±δ%이고 제2 반경(R₄₂)이 4.2mm±δ%인 양면볼록형(biconvex)이며,

제5 렌즈(16-5)는 오목-볼록형 이중 비구면(concave-ocnvex biasphere)이며,

δ%는 1%와 15% 사이의 범위에 있고 양호하게는 1%와 5% 사이에 있는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제31항에 있어서,

상기 제1 렌즈(16-1)의 굴절률은 1.77인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제31항에 있어서,

상기 제2 렌즈(16-2)의 굴절률은 1.79인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제31항에 있어서,

상기 제3 렌즈(16-3)의 굴절률은 1.85인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제31항에 있어서,

상기 제4 렌즈(16-4)의 굴절률은 1.75인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제31항에 있어서,

상기 제5 렌즈(16-5)의 굴절률은 1.53인, 광각 대물 렌즈 시스템.
제31항에 있어서,

상기 제4 렌즈(16-4)는 특히 이미지의 비정상적인 일그러짐 또는 뒤틀림을 보정하도록 설계되어 있는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항 또는 제21항에 있어서,

상기 제1 렌즈 그룹(2) 내의 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈(16-1, 16-2, 16-3) 및/또는 상기 제2 렌즈 그룹(8) 내의 제4 렌즈, 제5 렌즈(16-4, 16-5)는 렌즈들 사이의 스페이서 소자(spacer element) 없이 서로 간접적으로 연속 접촉하는, 광각 대물 렌즈 시스템.
제4항 또는 제21항에 있어서,

상기 광학 조리개(6)는 렌즈 홀더(18)의 원통형 보링(cylindrical boring)(20)으로 구성되고 상기 원통형 보링(20)의 하부에 조리개 구멍이 있으며, 상기 원통형 보링의 직경은 상기 조리개의 직경보다 큰, 광각 대물 렌즈 시스템.
자동차 및 화물차의 인접 주변을 감시하기 위한 광각 카메라에 있어서,

광각 대물 렌즈 시스템을 갖는 전자 이미지 캡처 유닛(12)을 포함하며,

상기 전자 이미지 캡처 유닛(12)에 의해 포착된 이미지들의 수차(aberrations)를 상기 광각 대물 렌즈 시스템으로 보정하는, 광각 카메라.
제40항에 있어서,

상기 광각 대물 렌즈 시스템은 제1항, 제4항 또는 제21항 중 어느 한 항에 따른 광각 대물 렌즈 시스템인, 광각 카메라.
제40항에 있어서,

상기 전자 이미지 캡처 유닛(12)의 앞에 IR-필터(14)를 설치한, 광각 카메라.