KR20090080447A - 줌렌즈 - Google Patents

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KR20090080447A
KR20090080447A KR1020080006378A KR20080006378A KR20090080447A KR 20090080447 A KR20090080447 A KR 20090080447A KR 1020080006378 A KR1020080006378 A KR 1020080006378A KR 20080006378 A KR20080006378 A KR 20080006378A KR 20090080447 A KR20090080447 A KR 20090080447A
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zoom lens
zoom
refractive power
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KR1020080006378A
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슈쉬킨 아이하르
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면 물체측으로부터 상(像)면측을 향해 순서대로, 음의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제1 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제2 렌즈와, 양의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈는 접합되어 접합 렌즈를 이루며, 전체적으로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 유닛; 양의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제4 렌즈와, 양면이 볼록한 제5 렌즈와, 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제5 렌즈와 상기 제6 렌즈는 접합되어 양의 굴절력을 갖는 접합 렌즈를 이루며, 전체적으로 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 유닛; 및 양의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제7 렌즈로 이루어진 제3 렌즈 유닛을 포함하고, 적어도 상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛은 변배(變倍) 동작을 위해 광축을 따라 이동 가능하도록 설계되는 줌렌즈가 제공된다.
줌렌즈, 변배 동작, 비구면, 굴절력.

Description

줌렌즈{Zoom lens}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광축 상에 배열된 렌즈 유닛의 이동에 따라 배율 변화가 가능한 줌렌즈에 관한 것이다.
최근 CCD, CMOS 등의 고체 촬상 소자를 이용한 디지털 스틸 카메라, 비디오 카메라 등의 촬상 장치가 실생활에 많이 보급되고 있다. 이에 따라 수요자들은 보다 고화질, 고해상도를 갖는 촬상 장치를 선호하고 있으며, 이러한 추세에 맞추어 고화질화, 고변배화, 광각화, 컴팩트화, 저코스트화가 가능한 줌렌즈가 특히 요구되고 있다.
그러나 종래의 문헌들을 통해 제안된 줌렌즈는 위의 요구를 충분히 만족시키지 못하는 문제점이 있었다. 종래 기술에 의하면, 예를 들어 고화질화, 고변배화, 광각화에 대한 요구는 만족시키지만 줌렌즈의 크기, 부피, 개수를 줄이지 못해 컴팩트화, 저코스트화에 대한 요구는 만족시키지 못하는 한계가 있었다. 물론 줌렌즈의 크기, 부피, 개수 등을 줄임을 통해 컴팩트화, 저코스트화에 대한 요구는 만족 시키지만, 반대로 고변배화, 광각화에 대한 요구는 만족시키지 못하는 예도 많았다.
결국, 고변배화, 광각화는 소형화, 저코스트화와 일반적으로 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있는 기술적 요구라고 볼 수 있다. 따라서, 상술한 다양한 기술적 요구들을 최대한 조화롭게 만족시킬 수 있는 줌렌즈의 개발이 절실한 상황이라 할 것이다.
따라서, 본 발명은 적은 매수의 렌즈로 컴팩트하게 제작되면서도 고변배비, 광각화, 고화질화를 구현할 수 있는 줌렌즈를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 보다 우수한 광학 특성(광선 수차, 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차 등)을 갖는 줌렌즈를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물체측으로부터 상(像)면측을 향해 순서대로, 음의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제1 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제2 렌즈와, 양의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈는 접합되어 접합 렌즈를 이루며, 전체적으로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 유닛; 양의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제4 렌즈와, 양면이 볼록한 제5 렌즈와, 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제5 렌즈와 상기 제6 렌즈는 접합되어 양의 굴절력을 갖는 접합 렌즈를 이루며, 전체적으로 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 유닛; 및 양의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제7 렌즈로 이루어진 제3 렌즈 유닛을 포함하고, 적어도 상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛은 변배(變倍) 동작을 위해 광축을 따라 이동 가능하도록 설계되는 줌렌즈가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3 렌즈 유닛을 구성하는 렌즈 중 어느 하나의 렌즈의 일면은 비구면(aspheric surface)으로 제작될 수 있다. 이때, 상기 비구면은 제1 렌즈의 상기 물체측을 향하는 면일 수 있다.
여기서, 상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛 사이에는 조리개(aperture stop)가 위치하되, 상기 조리개는 상기 제2 렌즈 유닛과 고정된 간격을 유지할 수 있도록 상기 변배 동작시 상기 제2 렌즈 유닛과 일체로 움직일 수 있다.
여기서, 상기 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우, 상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제1 렌즈 유닛이 상기 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소되고, 상기 제2 렌즈 유닛과 상기 제3 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제2 렌즈 유닛이 상기 물체측을 향하여 이동함에 따라 증가되고, 상기 제3 렌즈 유닛은 상기 상면측 간에 고정된 간격을 유지한다.
여기서, 상기 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우, 상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제1 렌즈 유닛이 상기 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소되고, 상기 제2 렌즈 유닛과 상기 제3 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제2 렌즈 유닛이 상기 물체측을 향하여 이동함에 따라 증가되고, 상기 제3 렌즈 유닛과 상기 상면측 간의 간격은 상기 제3 렌즈 유닛이 상기 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소된다.
여기서, 상기 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우, 상기 광각단에서의 초점거리(fW)와 상기 망원단에서의 초점거리(fT) 간의 관계가 조건식 2.6 < fT/fW < 3을 만족할 수 있다.
여기서, 상기 줌렌즈는 광각단(wide angle end)과 망원단(telephoto end) 사이에서 상기 줌렌즈의 F넘버(Fn)가 2.8 ~ 5의 값을 가지고, 상기 줌렌즈의 화각(2ω)이 71.6°~ 20°의 각도을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 줌렌즈에 의하면, 적은 매수의 렌즈로 컴팩트하게 제작되면서도 고변배비, 광각화, 고화질화를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 보다 우수한 광학 특성(광선 수차, 구면 수차, 상 면 만곡, 왜곡 수차 등)을 갖는 줌렌즈를 제작할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이 다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2 는 도 1의 줌렌즈가 변배 동작을 수행할 때 광각단, 중간단, 망원단에서의 각 렌즈 유닛의 위치를 예시한 도면이다.
이하, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈에 관한 설명을 함에 있어서, 도 3, 도 6 및 도 9에 예시된 각 실시 형태에 따른 렌즈 데이터를 함께 참조하기로 한다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈는 물체측으로부터 상(像)면측을 향해 제1 렌즈 유닛(110), 제2 렌즈 유닛(120) 및 제3 렌즈 유닛(130)의 순서대로 배치된다.
이때, 도 1 및 도 2에서는 상면측(도면의 식별부호 IP 참조) 전방의 고정된 위치에 적외선 필터(IR Filter)를 더 배치하고 있지만, 이는 본 발명에 따른 줌렌즈의 구성과는 무관하게, 단지 가시광이 아닌 적외광을 필터링하기 위한 부수적이고 공지의 구성요소에 불과하므로 본 명세서를 통해 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한 여기서, 물체측(object plane)과 상면측(image plane, 도면의 식별부호 IP 참조)이란 용어는 줌렌즈가 응용되는 광학장치/광학분야에 따라 다르게 해석되어져야 하는 상대적 개념임은 자명하다. 예를 들어, 줌렌즈가 디지털 스틸 카메라와 같은 촬상 장치에 응용되는 경우, 물체측은 촬상 방향에 놓인 피사체의 위치를 의미하고, 상면측은 피사체가 촬상됨에 따라 얻어진 영상 정보가 실제로 결상될 위치를 의미한다. 이와 달리, 줌렌즈가 핸드폰용 모바일 프로젝터에 응용되는 경우, 물체측은 투사 방향에 놓인 스크린의 위치를 의미하고, 상면측은 투사 전의 영상 정보가 결상되어 있는 위치(예를 들어, 광변조기의 위치)를 의미하게 될 것이다. 다만, 본 명세서를 통해서는 그 설명의 편의를 위하여 전자의 경우만을 중심으로 설명할 것인바, 광의 진행방향은 물체측(즉, 피사체)에서 상면측을 향하는 것으로 가정한다. 이하, 각 렌즈 유닛의 구성을 상세히 설명한다.
제1 렌즈 유닛(110)은 음의 굴절력을 가지며 상면측을 향하는 면이 오목한 제1 렌즈(111)와, 음의 굴절력을 가지며 상면측을 향하는 면이 오목한 제2 렌즈(112)와, 양의 굴절력을 가지며 상면측을 향하는 면이 오목한 제3 렌즈(113)를 포함한다. 이때, 제2 렌즈(112)와 제3 렌즈(113)는 접합됨으로서 하나의 접합 렌즈를 구성하며, 제1 렌즈 유닛(110)은 전체적으로 음의 굴절력을 갖는다. 여기서, 렌즈가 양의 굴절력을 갖는다는 것은 일반적으로 렌즈로 들어온 빛의 발산 각도가 렌즈를 통과하면서 축소됨을 의미하며, 렌즈가 음의 굴절력을 갖는다는 것은 일반적으로 렌즈로 들어온 빛의 발산 각도가 렌즈를 통과하면서 확대됨을 의미한다.
제2 렌즈 유닛(120)은 양의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제4 렌즈(121)와, 양면이 오목한 제5 렌즈(122)와, 상면측을 향하는 면이 오목한 제6 렌즈(123)을 포함한다. 이때, 제5 렌즈(122)와 제6 렌즈(123)는 접합됨으로써 양의 굴절력을 가지는 하나의 접합 렌즈를 구성하며, 제2 렌즈 유닛(120)은 전체적으로 양의 굴절력을 갖는다.
제3 렌즈 유닛(130)은 양의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제7 렌즈(131)로 구성된다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈를 구성하는 제1 렌즈(111) 내지 제7 렌즈(131) 중 어느 하나의 렌즈는 일면이 비구면(aspheric surface)으로 제작될 수 있다. 도 3, 도 6, 도 9의 렌즈 데이터에서는 제1 렌즈(111)의 물체측을 향하는 면이 비구면(각 렌즈 데이터에서 * 표시 참조)으로 제작되는 것으로 예시하고 있지만, 반드시 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다. 이와 같이, 줌렌즈를 구성하는 렌즈들 중 어느 하나의 렌즈의 일면을 비구면으로 제작하면, 비구면이 갖는 우수한 광학 특성에 따라 구면 수차 등의 문제를 크게 개선할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 줌렌즈에서 적어도 제1 렌즈 유닛(110)과 제2 렌즈 유닛(120)은 줌렌즈가 변배(變倍) 동작을 수행할 수 있게 광축을 따라 이동 가능하도록 설계된다. 특히, 제1 렌즈 유닛(110)과 제2 렌즈 유닛(120) 사이에 위치한 조리개(aperture stop)(도면의 식별부호 SP 참조)는 제2 렌즈 유닛(120) 간에 고정 간격을 유지하면서 줌렌즈의 변배 동작시 제2 렌즈 유닛(120)과 일체로 움직이도록 설계되어 있다. 다만, 제3 렌즈 유닛(130)도 본 발명에 따른 줌렌즈가 변배 동작을 수행할 때, 광축을 따라 이동 가능하도록 설계될 수 있으며, 이는 후술할 도 6 및 도 9의 렌즈 데이터의 설명을 통해 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 2에는 도 1에 도시된 줌렌즈가 광각단(wide angle end) -> 중간단(middle end) -> 망원단(telephoto end)으로 변배됨에 따른 각 렌즈 유닛의 위치 변화가 도시되고 있다. 이를 도 3, 도 6, 도 9에 제시된 렌즈 데이터를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 2 및 도 3을 참조하면, 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우, 제1 렌즈 유닛(110)과 제2 렌즈 유 닛(120) 간의 간격은 제1 렌즈 유닛(110)이 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소되고, 제2 렌즈 유닛(120)과 제3 렌즈 유닛(130) 간의 간격은 제2 렌즈 유닛(120)이 물체측을 향하여 이동함에 따라 증가된다. 이때, 제3 렌즈 유닛(130)은 상면측 간에 고정된 간격을 유지한다.
예를 들어, 도 3의 렌즈 데이터에서 하단에 기재된 'Variable data'를 살펴보면, 광각단에서 망원단으로 변배시 제1 렌즈 유닛(110)과 제2 렌즈 유닛(120) 간의 간격(d5)은 17.45mm에서 0.32mm로 감소하고, 제2 렌즈 유닛(120)과 제3 렌즈 유닛(130) 간의 간격(d11)은 4.91mm에서 12.27mm로 증가한다. 다만, 제3 렌즈 유닛(140)과 상면측(도 1 및 도 2의 식별부호 IP 참조) 간의 간격(d13 + d14 + d15)은 고정 간격인 2.2mm를 유지함을 확인할 수 있다.
다음으로 도 2, 도 6 및 도 9를 참조하면, 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우, 제1 렌즈 유닛(110)과 제2 렌즈 유닛(120) 간의 간격은 제1 렌즈 유닛(110)이 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소되고, 제2 렌즈 유닛(120)과 제3 렌즈 유닛(130) 간의 간격은 제2 렌즈 유닛(120)이 물체측을 향하여 이동함에 따라 증가되며, 제3 렌즈 유닛(130)과 상면측 간의 간격은 제3 렌즈 유닛(130)이 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소된다.
예를 들어, 도 6 및 도 9의 렌즈 데이터에서 하단에 기재된 'Variable data'를 살펴보면, 광각단에서 망원단으로 변배시 제1 렌즈 유닛(110)과 제2 렌즈 유닛(120) 간의 간격(d5)은 16.97mm에서 0.29mm로, 13.16mm에서 0.58mm로 각각 감소하고, 제2 렌즈 유닛(120)과 제3 렌즈 유닛(130) 간의 간격(d11)은 3.53mm에서 11.5mm로, 3.21mm에서 10.32mm로 각각 증가하며, 제3 렌즈 유닛(140)과 상면측 전방에 고정 배치된 적외선 필터(200) 간의 간격(d13)은 1.05mm에서 0.03mm로, 1.05mm에서 0.11mm로 각각 감소됨을 확인할 수 있다.
이와 같은 도 3, 도 6 및 도 9의 렌즈 데이터를 종합적으로 고려할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈는 광각단에서 망원단으로 변배시 대략 2.6 < fT/fW < 3의 관계를 만족하며(도 3, 도 6, 도 9의 렌즈 데이터에서 'EFL'참조), 광각단과 망원단 사이에서 그 F넘버가 2.8 ~ 5의 값을 가진다(도 3, 도 6, 도 9의 렌즈 데이터의 'FNO'참조). 여기서, fT는 망원단에서의 초점 거리를, fW는 광각단에서의 초점 거리를 나타낸다.
또한, 도 3, 도 6, 도 9의 렌즈 데이터에서 화각(2ω)은 각각 71.6°~ 25°, 56°~ 20°, 54°~ 20.6°의 각도 범위를 가지므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈는 화각(2ω)(혹은 FOV, Field of View)을 기준으로 할 때, 적어도 2.62(=54°/20.6°)배 ~ 2.86(=71.6°/25°)배의 변배비를 구현해내고 있음을 확인할 수 있다.
이외에도 도 3, 도 6 및 도 9의 렌즈 데이터에는 렌즈의 각 곡면에서의 곡률 반경('RDY'의 r1 ~ r12 참조), 렌즈 두께 또는 렌즈 간의 간격('THI'의 d1 ~ d15 참조), 제1 내지 제7 렌즈 그리고 적외선 필터에 관한 굴절 계수('Nd'의 N1 ~ N8 참조) 및 아베수('Vd'의 V1 ~ V8 참조)가 제시되고 있으며, 이는 특별히 설명하지 않더라도 당업자라면 충분히 이해할 수 있을 만큼 도 3, 도 6, 도9의 렌즈 데이터를 통하여 구체적으로 개시되어지고 있는 바, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 각각 광각단, 중간단, 망원단에 있는 경우 화각의 변화에 따른 광선 수차를 나타낸 도면이고, 도 7a는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 각각 광각단, 중간단, 망원단에 있는 경우 화각의 변화에 따른 광선 수차를 나타낸 도면이며, 도 10a는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 각각 광각단, 중간단, 망원단에 있는 경우 화각의 변화에 따른 광선 수차를 나타낸 도면이다.
이때, 각 그래프 상의 청색선은 그 파장이 435.83nm인 청색광의 경우를 나타낸 것이고, 녹색선은 그 파장이 587.56nm인 녹색광의 경우를 나타낸 것이며, 적색선은 그 파장이 656.27nm인 적색광의 경우를 예로 들어 나타낸 것이다. 이와 같이 청색선, 녹색선, 적색선이 지시하는 바는 이하 설명할 도 5a 내지 도 5c, 도 8a 내지 도 8c, 도 11a 내지 도 11c에서도 동일하다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 도 3의 렌즈 데이터에 따른 도 1의 줌렌즈는 광각단으로부터 망원단으로의 변화와 관계없이 그 광선 수차(ray aberration)가 0.05mm(즉, 50㎛)에 훨씬 못 미침을 확인할 수 있다. 일반적인 카메라 시스템 또는 프로젝션 시스템에 있어서의 1픽셀에 해당하는 화소의 크기가 약 30 ~ 50㎛인 점을 감안하였을 때, 이는 무시할 수 있을 정도의 작은 값이므로 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈의 광학 성능이 상당히 우수하다는 것을 보여주는 것이다.
더불어, 도 7a 내지 도 7c에서는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따 라 각각 광각단(도 7a의 경우), 중간단(도 7b의 경우), 망원단(도 7c의 경우)에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 그래프가, 도 10a 내지 도 10c에서는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 각각 광각단(도 10a의 경우), 중간단(도 10b의 경우), 망원단(도 10c의 경우)에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 그래프가 도시되고 있다.
도 7a 내지 도 7c 그리고 도 10a 내지 도 10c의 경우에도 본 발명에 따른 줌렌즈는 광각단으로부터 망원단으로의 변화시 그 광선 수차가 0.025mm(즉, 25㎛)에도 훨씬 못 미치는 값을 나타내고 있어, 본 발명의 줌렌즈는 광선 수차의 특성면에서 볼때 매우 우수한 광학 성능을 나타낸다고 볼 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 각각 광각단, 중간단, 망원단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면이고, 도 8a 내지 도 8c는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 각각 광각단, 중간단, 망원단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면이고, 도 11a 내지 도 11c는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 각각 광각단, 중간단, 망원단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 5a 내지 도 5c에서 각각 첫번째로 도시된 그래프는 구면 수차(spherical aberration) 중에서도 특히 종방향(longitudinal direction)에서의 구면 수차를 나타낸 것이다. 구면 수차란 렌즈를 통과한 광속(light stream)이 동 일한 위치에 결상되지 못하고 초점을 벗어난 다른 위치에 분산되어 결상되기 때문에 발생하는 수차로서, 초점으로부터 얼마만큼 벗어난 거리에 결상되었는지로 평가된다.
따라서, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 종방향의 구면 수차(longitudinal spherical aberration)에 관한 그래프를 살펴보면, 특히 광각단과 중간단의 경우 초점을 기준으로 대략 0.05mm 내에서 모든 광속이 결상되고 있어 매우 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있으며, 망원단의 경우에도 대략적으로 0.2mm 내외에서 모든 광속이 결상되고 있다는 점에서 적정 수준의 성능은 유지하고 있다고 볼 수 있다.
아울러, 도 6의 렌즈 데이터에 따라 도 1에 도시된 줌렌즈가 갖는 종방향의 구면 수차의 경우(도 8a 내지 도 8c에서 각각 첫번째로 도시된 그래프를 참조)와, 도 9의 렌즈 데이터에 따라 후술할 도 1에 도시된 줌렌즈가 갖는 종방향의 구면 수차의 경우(도 11a 내지 도 11c에서 각각 첫번째로 도시된 그래프를 참조)에도 위와 비슷하거나 보다 나은 성능을 나타내고 있음을 쉽게 확인할 수 있을 것이다.
다음으로, 도 5a 내지 도 5c에서 각각 두번째로 도시된 그래프는 상면 만곡(curvature of field)을 나타낸 것이다. 상면 만곡은 렌즈를 거친 빛이 임의의 일면에 맺힐 때 평면으로 결상되지 않고 곡면의 형태로 결상되는 현상을 나타낸다. 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 줌렌즈의 상면 만곡을 살펴보면 대략 0.5mm 내외의 값을 나타내므로, 사람의 시각으로는 거의 인식하지 못할 정도의 만곡이 일어나 는 것에 불과하다는 것을 확인할 수 있다.
이 역시, 도 6의 렌즈 데이터에 따라 도 1에 도시된 줌렌즈에 의한 상면 만곡의 경우(도 8a 내지 도 8c에서 각각 두번째로 도시된 그래프를 참조)와, 도 19의 렌즈 데이터에 따라 후술할 도 1에 도시된 줌렌즈에 의한 상면 만곡의 경우(도 11a 내지 도 11c에서 각각 두번째로 도시된 그래프를 참조)에도 위와 비슷하거나 보다 나은 성능을 나타내고 있음을 쉽게 확인할 수 있다.
다음으로, 도 5a 내지 도 5c에서 각각 세번째로 도시된 그래프는 왜곡 수차(distortion aberration)을 나타낸 것이다. 왜곡 수차는 렌즈의 위치별 배율의 차이에 의해 발생한다. 이상적인 렌즈의 경우는 그 중심으로부터 외각 방향으로의 위치별 배율이 일정(즉, 곡률이 일정)할 것이 요구되나, 실제 제작된 렌즈는 가공상의 오차, 광의 입사 방향(각도) 등의 다양한 요인에 인하여 위치별 배율이 조금씩 달라지게 된다. 이때, 왜곡 수차가 + 값을 가지면 화면의 각 모서리가 오목하게 보이게 되며, 왜곡 수차가 -값을 가지면 화면의 각 모서리가 볼록해 보이게 된다. 이러한 왜곡(볼록 또는 오목하게 보임)을 사람이 눈을 통해 인식할 수 있으려면 그 왜곡 수차가 최소한 ±3%를 초과되어야 한다. 따라서, 도 5a 내지 도 5c의 경우 그 왜곡 수차가 평균적으로 ±2% ~ ±5% 범위 내에서 변화되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈는 왜곡 수차에 관하여 적정 수준의 성능은 유지하고 있다고 볼 것이다.
이는 도 6의 렌즈 데이터에 따라 도 1에 도시된 줌렌즈에 의한 왜곡 수차의 경우(도 8a 내지 도 8c에서 각각 세번째로 도시된 그래프를 참조)와, 도 9의 렌즈 데이터에 따라 후술할 도 1에 도시된 줌렌즈에 의한 왜곡 수차의 경우(도 11a 내지 도 11c에서 각각 세번째로 도시된 그래프를 참조)에도 위와 비슷한 성능을 나타내고 있음을 쉽게 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 총 7개의 렌즈만을 이용하면서도, 우수한 광학 특성(광선 수차, 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차 등)을 갖는 줌렌즈를 제작할 수 있었다.
또한, 도 3, 도 6 및 도 9에 직접적으로 제시된 렌즈 데이터만을 종합적으로 고려해본다 하더라도, 본 발명은 광각단에서 망원단으로의 변배시, 대략적으로 2.6 < fT/fW < 3의 관계를 만족시키며, F넘버(Fn)가 2.8 ~ 5 범위의 값을 가지고, 화각(2ω)이 71.6°~ 20°의 각도 범위를 가짐으로써, 약 2.6 ~ 2.9 배의 변배비를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은 줌렌즈를 포함한 전체 광학 시스템의 크기(도 3, 도 6 및 도 9의 길이 성분의 총합 참조)도 30mm 정도에 지나지 않아, 광학 시스템의 컴팩트화, 소형화 측면에서도 매우 우수한 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 줌렌즈의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 줌렌즈가 변배 동작을 수행할 때 광각단, 중간단, 망원단에서의 각 렌즈 유닛의 위치를 예시한 도면.
도 3은 도 1의 줌렌즈에 있어 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 렌즈 데이터를 나타낸 도면.
도 4a는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 광각단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 4b는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 중간단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 4c는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 망원단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 5a는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 광각단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 5b는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 중간단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 5c는 도 1의 줌렌즈가 도 3의 렌즈 데이터에 따라 망원단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 6은 도 1의 줌렌즈에 있어 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 렌즈 데이터를 나타낸 도면.
도 7a는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 광각단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 7b는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 중간단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 7c는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 망원단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 8a는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 광각단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 8b는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 중간단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 8c는 도 1의 줌렌즈가 도 6의 렌즈 데이터에 따라 망원단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 9는 도 1의 줌렌즈에 있어 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 렌즈 데이터를 나타낸 도면.
도 10a는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 광각단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 10b는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 중간단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 10c는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 망원단에 있는 경우의 광선 수차를 나타낸 도면.
도 11a는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 광각단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 11b는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 중간단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
도 11c는 도 1의 줌렌즈가 도 9의 렌즈 데이터에 따라 망원단에 있는 경우의 구면 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 제1 렌즈 유닛 111 : 제1 렌즈
112 : 제2 렌즈 113 : 제3 렌즈
120 : 제2 렌즈 유닛 121 : 제4 렌즈
122 : 제5 렌즈 123 : 제6 렌즈
130 : 제3 렌즈 유닛 131 : 제7 렌즈

Claims (8)

  1. 물체측으로부터 상(像)면측을 향해 순서대로,
    음의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제1 렌즈와, 음의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제2 렌즈와, 양의 굴절력을 가지며 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈는 접합되어 접합 렌즈를 이루며, 전체적으로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 유닛;
    양의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제4 렌즈와, 양면이 볼록한 제5 렌즈와, 상기 상면측을 향하는 면이 오목한 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제5 렌즈와 상기 제6 렌즈는 접합되어 양의 굴절력을 갖는 접합 렌즈를 이루며, 전체적으로 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 유닛; 및
    양의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제7 렌즈로 이루어진 제3 렌즈 유닛을 포함하고,
    적어도 상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛은 변배(變倍) 동작을 위해 광축을 따라 이동 가능하도록 설계되는 줌렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 렌즈 유닛을 구성하는 렌즈 중 어느 하나의 렌즈의 일면 은 비구면(aspheric surface)으로 제작되는 것을 특징으로 하는 줌렌즈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비구면은 제1 렌즈의 상기 물체측을 향하는 면인 것을 특징으로 하는 줌렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛 사이에는 조리개(aperture stop)가 위치하되,
    상기 조리개는 상기 제2 렌즈 유닛과 고정된 간격을 유지할 수 있도록 상기 변배 동작시 상기 제2 렌즈 유닛과 일체로 움직이는 것을 특징으로 하는 줌렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우,
    상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제1 렌즈 유닛이 상기 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소되고, 상기 제2 렌즈 유닛과 상기 제3 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제2 렌즈 유닛이 상기 물체측을 향하여 이동함에 따라 증가되고, 상기 제3 렌즈 유닛은 상기 상면측 간에 고정된 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 줌렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우,
    상기 제1 렌즈 유닛과 상기 제2 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제1 렌즈 유닛이 상기 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소되고, 상기 제2 렌즈 유닛과 상기 제3 렌즈 유닛 간의 간격은 상기 제2 렌즈 유닛이 상기 물체측을 향하여 이동함에 따라 증가되고, 상기 제3 렌즈 유닛과 상기 상면측 간의 간격은 상기 제3 렌즈 유닛이 상기 상면측을 향하여 이동함에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는 줌렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 줌렌즈가 광각단(wide angle end)에서 망원단(telephoto end)으로 변배(變倍)되는 경우,
    상기 광각단에서의 초점거리(fW)와 상기 망원단에서의 초점거리(fT) 간의 관 계가 조건식 2.6 < fT/fW < 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 줌렌즈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 줌렌즈는 광각단(wide angle end)과 망원단(telephoto end) 사이에서 상기 줌렌즈의 F넘버(Fn)가 2.8 ~ 5의 값을 가지고, 상기 줌렌즈의 화각(2ω)이 71.6°~ 20°의 각도을 갖는 것을 특징으로 하는 줌렌즈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017160092A3 (ko) * 2016-03-18 2018-09-07 주식회사 에이스솔루텍 촬영 렌즈 광학계
CN109358408A (zh) * 2018-11-23 2019-02-19 广东奥普特科技股份有限公司 一种大视场宽工作距离高分辨率机器视觉镜头

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