KR20100004785A - 렌즈광학계 - Google Patents

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KR20100004785A
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Abstract

렌즈 광학계가 개시된다. 개시된 렌즈광학계는
피사체와 피사체의 상이 맺히는 촬상소자 사이에 피사체 측으로부터 순차로 배열되며, 피사체와 촬상소자 측에 각각 볼록면을 갖으며, 정의 굴절률을 갖는 제1렌즈, 피사체측에 오목면을 갖으며 촬상소자 측에 볼록면을 갖으며, 부의 굴절률을 갖는 제2렌즈 및 피사체와 촬상소자 측에 각각 변곡점을 갖으며 부의 굴절률을 갖는 제3렌즈를 구비하며, 제1렌즈 내지 제3렌즈는 입사면과 출사면이 모두 비구면이다.

Description

렌즈광학계{Photographic lens optical system}
본 발명은 광학장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체 촬상 소자를 갖는 카메라에 채용되는 3군 3장으로 이루어진 렌즈들을 구비하는 렌즈 광학계에 관한 것이다.
최근에는, 장치의 커버젼스 경향에 따라, 카메라가 셀룰러폰에 융합되어 카메라가 장착된 셀룰러폰이 널리 보급되고 있다. 셀룰러폰은 휴대하기 간편한 소형이므로 이에 융합되는 카메라도 소형 및 컴팩트하면서 고성능이어야 한다.
일반적으로, 카메라의 렌즈 광학계는 높은 광학 성능, 예를 들어 수차보정 및 성능을 확보하기 위해서, 구면(spherical)유리(glass)렌즈로 구성된다. 이처럼 높은 광학 성능을 확보하기 위해서 구면유리를 사용하는 경우에, 구면유리렌즈를 다수 사용해야 한다.
그런데, 오늘날에는 비구면 가공기술의 발달로 인하여 렌즈를 사출할 수 있는 사출기술 또한 발달하여 종래처럼 다수의 렌즈를 사용하지 않고도 높은 해상력을 구현하는 렌즈가 발달하게 되었다.
또한, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device)(CCD)와 씨모스 이미지 센 서(Complimentary Metal Oxide Semiconductor image sensor)(CMOS 이미지 센서)와 같은 고체 촬상 소자의 발달로 높은 화상을 구현할 수 있게 되었다. 따라서, 이들 고체촬상소자들이 소형화되고 있어, 여기에 채용되는 렌즈들도 필연적으로 소형화 및 컴팩트화의 요구가 된다.
하지만, 종래처럼 구면유리렌즈를 다수 사용하는 경우에는, 많은 렌즈를 사용함으로써 장치의 소형화 및 컴팩트화에 지장을 초래하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안한 것으로, 3군 3장의 렌즈를 이용함으로써 소형화 및 컴팩트화 할 수 있고, 가공비용을 줄일 수 있는 렌즈광학계를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 렌즈광학계는
피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 촬상소자 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열되며,
상기 피사체와 촬상소자 측에 각각 볼록면을 갖으며, 정의 굴절률을 갖는 제1렌즈;
상기 피사체측에 오목면을 갖으며 상기 촬상소자 측에 볼록면을 갖으며, 부의 굴절률을 갖는 제2렌즈; 및
상기 피사체와 촬상소자 측에 각각 변곡점을 갖으며 부의 굴절률을 갖는 제3렌즈;를 구비하며,
상기 제1렌즈 내지 제3렌즈는 입사면과 출사면이 모두 비구면이다.
본 발명에 따르면, 상기 제1렌즈의 초점거리(f1)와 전체광학계의 초점거리(f)사이에 다음 조건식이 성립하는 렌즈 광학계.
〈조건식〉
0.7〈 f1/f 〈 1.5
본 발명에 따르면, 상기 제1렌즈의 피사체측의 입사면 곡률반경(R1)과 제1렌즈의 촬상소자측의 출사면 곡률반경(R2)사이에 다음 조건식이 성립하는 렌즈 광하계.
〈조건식〉
-2.0 〈 (R1-R2)/(R1+R2) 〈-1.0
본 발명에 따르면, 상기 제3렌즈는 입사면의 중앙부는 상기 피사체 쪽으로 볼록하고 가장자리로 갈수록 오목해지며, 출사면의 중앙부는 상기 피사체쪽으로 오목하고 가장자리로 갈수록 볼록해진다.
본 발명에 따르면, 상기 제1렌즈와 제2렌즈 사이에 배치되어, 상기 제1렌즈로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 촬상소자의 앞쪽에 마련된 적외선 차단수단을 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈는 플라스틱으로 이루어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈 광학계는
첫째, 3군 3장의 비구면렌즈를 적용하여 광학계의 소형화를 구현할 수 있으며,
둘째, 렌즈를 플라스틱으로 제작하여 제조단가를 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 렌즈 광학계의 구성요소의 배열상태를 도시한 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계의 구성요소의 배열상태를 도시한 종단면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계의 구성요소의 배열상태를 도시한 종단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 렌즈 광학계들은 비구면을 포함하는 구성요소의 설계변수를 조정하였을 뿐, 구성요소의 동일성이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈광학계는 피사체(OBJ)와, 상기 피사체(OBJ)의 상이 맺히는 촬상소자(60)사이에, 상기 피사체(OBJ)측으로부터 차례로 배열된 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30)를 구비한다. 또한, 상기 피사체(OBJ)와 제1렌즈(10)사이에는 상기 피사체(OBJ)로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개(60)가 구비되어 있다. 상기 제3렌즈(30)와 촬상소자(50)사이에는 적외선 차단수단(40)이 더 구비될 수 있다. 상기 조리개(60)와 적외선 차단수단(40)의 배치 위치는 도 1 내지 도 3에 한정되는 것은 아니다. 상기 촬상소자(50)는 CCD센서 및 CMOS센서 등을 포함한다.
상기 제1렌즈(10)는 정[(+)Power]의 굴절률을 가지고, 상기 피사체(OBJ) 및 촬상소자(60) 양측으로 볼록하다. 상기 제2렌즈(20)는 부[(-)Power]의 굴절률을 가지고, 상기 촬상소자(50)측으로 볼록하다. 상기 제3렌즈(30)는 부[(-)Power]의 굴절률을 가지며, 상기 피사체(OBJ) 및 촬상소자(60)양측에 각각 변곡점을 가진다. 상기 제3렌즈(30)는 입사면의 중앙은 피사체쪽으로 볼록하며 가장자리로 갈수록 오목해지며, 출사면의 중앙은 피사체쪽으로 오목하며 가장자리로 갈수록 볼록해진다.
상기 제1렌즈(10), 제2렌즈(20) 및 제3렌즈(30)는 각각 입사면과 출사면이 모두 비구면이고, 플라스틱으로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 제2렌즈(20)와 제3렌즈(30)는 보정렌즈 역할을 한다.
상기 촬상소자(50)가 CCD나 CMOS인 경우에, 센서의 특성상 각 화소의 광선도에는 제약이 있으며, 화면의 주변부를 향해 주광선의 출사각이 크게 되는 현상(Vignetting)을 발생된다. 이 현상을 완화하기 위해서 상기 제3렌즈(30)의 상측면의 렌즈면 주변부를 상면측으로 불록면을 향하게 한 변곡 비구면으로 하여 주광선 최대 사출각이 26도 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 구면수차가 보정되며, 또한 복수의 비구면 변곡점을 설치하여 코마수차와 비점수차를 양호하게 보정할 수 있으며, 아울러 디스토션(distotion)의 보정도 양호하게 할 수 있다.
상기한 구성을 가지는 본 발명의 렌즈 광학계는 다음의 조건식 1 및 2 을 만족한다.
[조건식 1]
0.7〈 f1/f 〈 1.5
여기서, f1은 제1 렌즈(10)의 초점거리이고, f는 전체 광학계의 초점거리이다. 조건식 1은 렌즈계 전체의 구면수차를 안정하게 유지하기 위함과 렌즈계 전체를 컴팩트하게 유지하기 위한 조건이다. f1/f3 값이 최소치(0.7)이하이면 렌즈계는 컴팩트해지기는 하지만, 구면수차의 보정이 어려워진다. 반대로 f1/f3 값이 최대치(1.5)를 넘어서면 구면수차의 보정은 쉬워지나, 렌즈계전체를 컴팩트하게 줄일 수 가 없어진다. 따라서, 렌즈계가 조건식1을 만족함으로써 구면수차을 양호한 상태로 유지하면서 렌즈를 컴팩트하게 할 수 있다. 본 발명의 광학렌즈계는 제1렌즈(10)의 양면 볼록렌즈형상과 조건식1을 만족함으로써 촬영렌즈 전장(길이)를 짧게 할 수 있다.
[조건식 2]
-2.0 〈 (R1-R2)/(R1+R2) 〈-1.0
여기서, R1은 제1렌즈(10)의 피사체측의 입사면의 곡률반경이고, R2는 제1렌즈(10)의 촬상소자측의 출사면의 곡률반경이다.
조건식 2는 렌즈계 전체 컴팩트하게 유지하기 위한 조건이다.
(R1-R2)/(R1+R2)값이 최소치(-2.0)이하 이면 렌즈계는 소형화할 수 있으나, 각종 수차보정이 어려워진다. 반대로, (R1-R2)/(R1+R2)값이 최대치(-1.0)를 초과하면 렌즈계가 커지게 된다. 따라서, 렌즈두께가 조건식 2를 만족함으로써 소형화할 수 있다.
다음으로, 렌즈 데이터 및 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예 들에 따른 렌즈 광학계를 상세하게 설명한다.
아래의 표 1은 도1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 광학계를 구성하는 각 구성요소에 대한 광학데이터를 나타낸다.
Figure 112008048608840-PAT00001
표 1에서, r은 곡률 반경, t는 렌즈 두께, Nd는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률, Vd은 하기의 수학식 1에서 정의되는 아베수(Abbe's number)를 나타낸다. 표 1 및 표 2의 렌즈면 번호에서 *는 해당 렌즈면이 비구면임을 나타낸다. 곡률반경(r)과 렌즈두께(t)의 단위는 mm이다.
Figure 112008048608840-PAT00002
여기서, NF는 F선(f-line)을 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률을 나타내고, NC은 C선(C-line)를 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률을 나타낸 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 렌즈의 비구면은 다음의 수학식 2의 비구면방정식을 만족한다.
Figure 112008048608840-PAT00003
여기서, X는 렌즈의 정점으로부터 광 축 방향으로의 거리를 나타내고, Y는 광축에 수직한 방향으로의 거리를 나타내고, C'는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수(1/r)를 나타내고, K는 코닉 상수(conic constant)를 나타내고, A, B, C, D 및 E는 비구면 계수를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈광학계는 상기한 조건식1 및 2, 수학식1 및 2를 만족하면, 구경비(Fno)는 2.8이고, 초점거리(f)는 2.86mm를 이룬다.
아래의 표 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈에 대한 코닉상수(K) 및 비구면계수(A,B,C,D,E)를 나타낸다.
면 K A B C D E
1* -2.7167 0.0204 0.0894 -0.8482 2.3170 -3.3405
2* -218.9633 -0.1216 -0.1181 0.6953 -3.3100 5.9012
4* 0.1591 0.2475 -0.9896 5.0801 -1.4990 -4.6554
5* -0.6620 -0.4058 1.2523 -2.0316 2.8373 -0.4047
6* -9.1737 -0.3327 0.3041 -0.1353 -0.0006 0.0207
7* -4.3755 -0.2966 0.2034 -0.1001 0.0218 -0.0021
아래의 표 3은 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계를 구성하는 각 구성요소에 대한 광학데이터를 나타낸다.
Figure 112008048608840-PAT00004
표 3에서, r은 곡률 반경, t는 렌즈 두께, Nd는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률, Vd은 수학식 1에서 정의되는 아베수(Abbe's number)를 나타낸다. 표 3 및 표 4의 렌즈면 번호에서 *는 해당 렌즈면이 비구면임을 나타낸다. 곡률반경(r)과 렌즈두께(t)의 단위는 mm이다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 렌즈의 비구면은 상기한 수학식 2의 비구면방정식을 만족한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈광학계는 상기한 조건식1 및 2, 수학식1 및 2를 만족하면, 구경비(Fno)는 2.8이고, 초점거리(f)는 2.75mm를 이룬다.
아래의 표 4는 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈에 대한 코닉상수(K) 및 비구면계수(A,B,C,D,E)를 나타낸다.
면 K A B C D E
1* -2.7167 0.0230 0.1097 -1.1287 3.3456 -5.2341
2* -128.9633 -0.1375 -0.1449 0.9252 -4.7796 9.2461
4* 0.1591 0.2797 -1.2137 6.7605 -2.1645 -7.2942
5* -0.6620 -0.4587 1.5359 -2.7035 4.0971 -0.6341
6* -9.1737 0.3761 0.3729 -0.1800 -0.0009 0.0324
7* -4.3735 0.3352 0.2494 -0.1332 0.0314 -0.0033
아래의 표 5는 도 3에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계를 구성하는 각 구성요소에 대한 광학데이터를 나타낸다.
Figure 112008048608840-PAT00005
표 5에서, r은 곡률 반경, t는 렌즈 두께, Nd는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률, Vd은 수학식 1에서 정의되는 아베수(Abbe's number)를 나타낸다. 표 5 및 표 6의 렌즈면 번호에서 *는 해당 렌즈면이 비구면임을 나타낸다. 곡률반경(r)과 렌즈두께(t)의 단위는 mm이다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 렌즈의 비구면은 상기한 수학식 2의 비구면방정식을 만족한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈광학계는 상기한 조건식1 및 2, 수학식1 및 2를 만족하면, 구경비(Fno)는 2.8이고, 초점거리(f)는 3.60mm를 이룬다.
아래의 표 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈에 대한 코닉상수 및 비구면계수를 나타낸다.
면 K A B C D E
1* -3.4734 0.0071 0.0903 -1.1084 3.3402 -5.2591
2* -59.4499 -0.1468 -0.0981 0.9554 -5.0296 9.2404
4* 0.1809 0.2879 -0.9806 6.6310 -3.4198 -8.3887
5* -0.6490 -0.4744 1.6477 -2.7253 3.9948 -0.7237
6* -8.8960 -0.3753 0.3667 -0.1797 -0.0040 0.0304
7* -4.3748 -0.3322 0.2540 -0.1389 -0.0316 -0.0027
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 렌즈 광학계의 종방향 구면수차(Longitudinal spherical Aberration), 상면만곡(Astigmatic field curve) 및 왜곡(distotion)을 나타내는 분석 그래프이다.
도 4a는 다양한 파장의 광에 대한 렌즈 광학계의 종방향 구면수차(Longitudinal spherical Aberration)를 나타낸다. 즉, 파장이 435.8343mm, 486.1327mm, 546.0740mm, 587.5618mm, 656.2725mm인 광에 대한 구면수차를 나타낸 것이다.
도 4b는 파장 546.0740의 광에 대한 렌즈 광학계의 상면만곡(Astigmatic field curve), 즉, 자오상면 만곡(Tangential field curvature)(T)과 구결상면 만곡(Sagittal field curvature)(S)의 비점수차를 나타낸 것이다. 구결상면 만곡(S)은 실선으로 도시된 선이고, 자오상면 만곡(T)은 점선으로 도시된 선이다.
도 4c는 파장 546.0740의 광에 대한 백분왜곡(% distortion)을 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 광축 상의 상대 필드 높이(relative field height)가 1.0인 영역에서의 횡수차를 나타내는 분석 그래프이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 상대 필드 높이가 0.7인 영역에서의 횡수차를 나타내는 분석 그래프이고, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 상대 필드 높이가 0.5인 영역에서의 횡수차를 나타내는 분석 그래프이고, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 상대 필드 높이가 0.0일 때의 횡수차를 나타내는 분석 그래프이다. 도 5a 내지 도 8b에 도시된 횡 수차는 파장이 435.8343mm, 486.1327mm, 546.0740mm, 587.5618mm, 656.2725mm인 광에 대하여 측정한 것이다.
이러한 도 4a 내지 도 8b에 도시된 분석 그래프는 본 발명에 따른 비구면의 광학 렌즈계가 거의 모든 필드에서 상들의 값이 축에 인접하게 나타나고 있어, 구면수차, 비점수차, 백분왜곡, 횡수차의 보정상태가 양호함을 나타내고 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 렌즈 광학계의 구성요소의 배열상태를 도시한 종단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계의 구성요소의 배열상태를 도시한 종단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계의 구성요소의 배열상태를 도시한 종단면도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 렌즈 광학계의 종방향 구면수차(Longitudinal spherical Aberration), 상면만곡(Astigmatic field curve) 및 왜곡(distotion)을 나타내는 분석 그래프,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 광축 상의 상대 필드 높이(relative field height)가 1.0인 영역에서의 횡수차를 나타내는 분석 그래프,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 상대 필드 높이가 0.7인 영역에서의 횡수차를 나타내는 분석 그래프,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 상대 필드 높이가 0.5인 영역에서의 횡수차를 나타내는 분석 그래프,
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 렌즈 광학계의 자오상면 및 구결상면에서 상대 필드 높이가 0.0일 때의 횡수차를 나타내는 분석 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...제1렌즈 20...제2렌즈
30...제3렌즈 40...적외선차단수단
50...촬상소자 60...조리개
OBJ...피사체

Claims (7)

  1. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 촬상소자 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열되며,
    상기 피사체와 촬상소자 측에 각각 볼록면을 갖으며, 정의 굴절률을 갖는 제1렌즈;
    상기 피사체측에 오목면을 갖으며 상기 촬상소자 측에 볼록면을 갖으며, 부의 굴절률을 갖는 제2렌즈; 및
    상기 피사체와 촬상소자 측에 각각 변곡점을 갖으며 부의 굴절률을 갖는 제3렌즈;를 구비하며,
    상기 제1렌즈 내지 제3렌즈는 입사면과 출사면이 모두 비구면인 렌즈 광학계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈의 초점거리(f1)와 전체광학계의 초점거리(f)사이에 다음 조건식이 성립하는 렌즈 광학계.
    〈조건식〉
    0.7〈 f1/f 〈 1.5
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1렌즈의 피사체측의 입사면 곡률반경(R1)과 제1렌즈의 촬상소자측의 출사면 곡률반경(R2)사이에 다음 조건식이 성립하는 렌즈 광학계.
    〈조건식〉
    -2.0 〈 (R1-R2)/(R1+R2) 〈-1.0
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제3렌즈는 입사면의 중앙부는 상기 피사체 쪽으로 볼록하고 가장자리로 갈수록 오목해지며, 출사면의 중앙부는 상기 피사체쪽으로 오목하고 가장자리로 갈수록 볼록해지는 렌즈광학계.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈와 제2렌즈 사이에 배치되어, 상기 제1렌즈로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개를 더 구비하는 렌즈광학계.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 촬상소자의 앞쪽에 마련된 적외선 차단수단을 더 구비하는 렌즈광학계.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈는 플라스틱으로 이루어진 렌즈광학계.
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