KR20130024633A - 광학계 - Google Patents

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KR20130024633A KR1020110088194A KR20110088194A KR20130024633A KR 20130024633 A KR20130024633 A KR 20130024633A KR 1020110088194 A KR1020110088194 A KR 1020110088194A KR 20110088194 A KR20110088194 A KR 20110088194A KR 20130024633 A KR20130024633 A KR 20130024633A
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Abstract

광학계가 개시된다. 광학계는 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈 및 제 5 렌즈를 포함하고, 아래의 수식1을 만족한다.
수식1
1.5<n2<1.55
50<v2<70
20<v3<30
여기서, n2는 상기 제 2 렌즈의 굴절율이고, v2는 상기 제 2 렌즈의 아베수이고, v3는 상기 제 3 렌즈의 아베수이다.

Description

광학계{OPTICAL SYSTEM}
실시예는 광학계에 관한 것이다.
최근 휴대전화기나 이동통신단말기에 CCD 또는 CMOS와 같은 고체 촬상소자를 이용한 콤팩트한 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라가 내장되고 있다. 이러한 촬상소자는 소형화되는 추세이고, 이에 따라 촬상소자에 사용되는 광학계도 고성능이면서 소형화가 요구되고 있다.
또한, 종래의 광학계는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈, 필터 및 수광소자를 포함한다. 이때, 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 순서대로 배치된다. 또한, 상기 제1렌즈 및 제3렌즈는 양의 굴절력을 갖고, 상기 제2렌즈 및 제4렌즈는 음의 굴절력을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제2렌즈의 굴절력이 다른 렌즈의 굴절력보다 크게 설계될 수 있다.
상기 제1렌즈는 물체 측에 볼록한 면을 가지고, 상기 제2렌즈는 상 측 면에 오목한 면을 가질 수 있다. 상기 필터는 적외선 차단 필터 일 수 있으며, 상기 수광 소자는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
이와 같은 소형 광학계에 대해서, 한국 출원 번호 10-2007-0041825 등에 개시되어 있다.
실시예는 향상된 성능을 가지고, 작은 크기를 가지는 광학계를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 광학계는 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈 및 제 5 렌즈를 포함하고, 아래의 수식1을 만족한다.
수식1
1.5<n2<1.55
50<v2<70
20<v3<30
여기서, n2는 상기 제 2 렌즈의 굴절율이고, v2는 상기 제 2 렌즈의 아베수이고, v3는 상기 제 3 렌즈의 아베수이다.
일 실시예에 따른 광학계에서, 아래의 수식3을 만족할 수 있다.
수식3
0.8<f1/F<1.2
여기서, f1은 상기 제 1 렌즈의 유효초점거리이다.
일 실시예에서, 아래의 수식4를 만족할 수 있다.
수식4
φ4>φ1>φ2
여기서, φ1는 상기 제 1 렌즈의 굴절능이고, φ2는 상기 제 2 렌즈의 굴절능이고, φ4는 상기 제 4 렌즈의 굴절능이다.
일 실시예에 따른 광학계는 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈 사이에 배치되는 조리개를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈 및 상기 제 4 렌즈는 양의 굴절능을 가지고, 상기 제 3 렌즈 및 상기 제 5 렌즈는 음의 굴절능을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈, 상기 제 3 렌즈, 상기 제 4 렌즈 및 상기 제 5 렌즈의 물체 측 면 및 상 측 면은 비구면일 수 있다.
실시예에 따른 광학계는 위와 같이 설계될 때, 아래의 수식2를 만족할 수 있다.
수식2
1<ttl/F<1.3
여기서, ttl은 상기 제 1 렌즈의 물체 측면으로부터 상면까지의 거리이고, F는 전체 유효초점거리이다.
위와 같이, 상기 제 1 렌즈의 물체 측면으로부터 상면까지의 거리, 즉, 실시예에 따른 광학계의 전체 거리는 매우 작은 값을 가질 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 광학계는 작은 크기를 가지면서, 향상된 성능을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 소형 광학계의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 촬상 렌즈에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 소형 광학계의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 소형 광학계는 물체 측(object side)으로부터 상 측(image side)을 향해 순서대로, 제 1 렌즈(10), 조리개(15), 제 2 렌즈(20), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40), 제 5 렌즈(50), 필터(60) 및 수광 소자(70)를 포함한다.
피사체 영상을 획득하기 위하여 피사체의 영상 정보에 해당되는 광은 상기 제 1 렌즈(10), 조리개(15), 제 2 렌즈(20), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40), 제 5 렌즈(50) 및 필터(60)를 통과하여 상기 수광 소자(70)에 입사된다.
상기 제 1 렌즈(10)는 양(+)의 굴절능(power)를 가지고, 상기 제 2 렌즈(20)는 양(+)의 굴절능을 가지고, 상기 제 3 렌즈(30)는 음(-)의 굴절능을 가지고, 상기 제 4 렌즈(40)는 양(+)의 굴절능을 가지고, 상기 제 5 렌즈(50)는 음(-)의 굴절능을 가질 수 있다.
이때, 상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20) 및 상기 제 4 렌즈(40)는 아래의 수식4를 만족할 수 있다.
수식4
φ4>φ1>φ2
여기서, φ1는 상기 제 1 렌즈(10)의 굴절능이고, φ2는 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절능이고, φ4는 상기 제 4 렌즈(40)의 굴절능이다.
또한, 상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20), 상기 제 3 렌즈(30), 상기 제 4 렌즈(40) 및 상기 제 5 렌즈(50)는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1)은 볼록하고, 상기 제 1 렌즈(10)의 상 측 면(R2)은 오목할 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1) 및 상 측 면(R2)은 비구면일 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 렌즈(10)의 초점 거리는 다음의 수식3을 만족할 수 있다.
수식3
0.8<f1/F<1.2
여기서, f1은 상기 제 1 렌즈(10)의 유효초점거리이고, F는 실시예에 따른 소형 광학계의 전체 초점거리이다.
더 자세하게, 상기 제 1 렌즈(10)의 초점 거리는 다음의 수식5를 만족할 수 있다.
수식5
0.9<f1/F<1.1
상기 제 2 렌즈(20)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 2 렌즈(20)의 물체 측 면(R4)은 오목하고, 상기 제 2 렌즈(20)의 상 측 면(R5)은 볼록할 수 있다. 또한, 상기 제 2 렌즈(20)의 물체 측 면(R4) 및 상 측 면(R5)은 비구면일 수 있다.
상기 제 2 렌즈(20)의 굴절율(n2)은 약 1.5 내지 약 1.55일 수 있다. 더 자세하게, d선에서, 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절율(n2)은 약 1.5 내지 약 1.55일 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절율(n2)은 약 1.54 내지 약 1.55일 수 있다.
또한, 상기 제 2 렌즈(20)의 아베수(v2)는 약 50보다 더 클 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 렌즈(20)의 아베수(v2)는 약 50 내지 약 70일 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 렌즈(20)의 아베수(v2)는 약 55 내지 약 65일 수 있다.
상기 제 3 렌즈(30)는 양 오목 형상을 가질 수 있다. 상기 제 3 렌즈(30)의 물체 측 면(R6)은 오목하고, 상기 제 3 렌즈(30)의 상 측 면(R7)은 오목할 수 있다. 또한, 상기 제 3 렌즈(30)의 물체 측 면(R6) 및 상 측 면(R7)은 비구면일 수 있다.
상기 제 3 렌즈(30)의 아베수(v3)는 약 20 내지 약 30일 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 3 렌즈(30)이 아베수(v3)는 약 23 내지 약 27일 수 있다.
상기 제 4 렌즈(40)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 4 렌즈(40)의 물체 측 면(R8)은 오목하고, 상기 제 4 렌즈(40)의 상 측 면(R9)은 볼록할 수 있다. 또한, 상기 제 4 렌즈(40)의 물체 측 면(R8) 및 상 측 면(R9)은 비구면일 수 있다.
상기 제 5 렌즈(50)는 적어도 하나 이상의 비구면 변곡점을 포함하여 형성된다.
이때, 상기 제 5 렌즈(50)의 물체 측 면(R10)에 하나 이상의 비구면 변곡점이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 5 렌즈(50)의 상 측 면(R11)에 하나 이상의 비구면 변곡점이 형성될 수 있다. 상기 제 5 렌즈(50)에 형성된 상기 비구면 변곡점은 수광소자(70)에 입사되는 주광선의 최대 사출각을 조절할 수 있다.
상 면(R14)인 상기 수광소자(70)가 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서인 경우, 각 픽셀에서 광량이 확보되는 각도가 있으며, 상기 각도가 다르면 광량이 확보되지 않아 화면의 주변부가 어두워지는 현상(shading)이 나타난다.
따라서, 본 실시예에서는, 상기 제 5 렌즈(50)의 상 측 면(R11)에 비구면 변곡점을 형성하여 주광선의 최대 사출각을 조절하므로써, 화면의 주변부가 어두워지는 현상을 방지할 수 있다.
상기 조리개(15)는 상기 제 1 렌즈(10) 및 상기 제 2 렌즈(20) 사이에 위치하여 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하여 초점거리(focus length)를 조절하는 기능을 수행한다.
상기 필터(60)는 적외선 차단 필터(60)(IR cut filter)로 이루어질 수 있다. 상기 적외선 차단 필터(60)는 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 상기 수광소자(400)에 전달되지 않도록 차단시키는 기능을 한다. 즉, 적외선 차단 필터(60)는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출되도록하는 구조를 가진다.
그리고, 상(像)이 맺히는 상기 수광 소자(70)는 피사체 영상에 대응하는 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서로 이루어질 수 있으며, 상기 이미지 센서는 CCD 또는 CMOS 센서로 이루어질 수 있다.
실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식1을 만족한다.
수식1
1.5<n2<1.55
50<v2<70
20<v3<30
여기서, n2는 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절율이고, v2는 상기 제 2 렌즈(20)의 아베수이고, v3는 상기 제 3 렌즈(30)의 아베수이다.
또한, 상기 수식1에 더하여, 실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식3를 더 만족할 수 있다.
수식3
0.8<f1/F<1.2
여기서, f1은 상기 제 1 렌즈(10)의 유효초점거리이고, F는 실시예에 따른 소형 광학계의 전체 유효초점거리이다.
또한, 상기 수식1 및 수식3에 더하여, 실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식3을 더 만족할 수 있다.
수식4
φ4>φ1>φ2
여기서, φ1는 상기 제 1 렌즈(10)의 굴절능이고, φ2는 상기 제 2 렌즈(20)의 굴절능이고, φ4는 상기 제 4 렌즈(40)의 굴절능이다.
이에 따라서, 실시예에 따른 소형 광학계는 아래의 수식2를 만족시킬 수 있다.
수식2
1<ttl/F<1.3
여기서, ttl은 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1)으로부터 상면(R14)까지의 거리이고, F는 전체 유효초점거리이다.
이와 같이, 실시예에 따른 소형 광학계는 전체 유효초점거리를 기준으로 낮은 ttl을 가질 수 있다. 즉, 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1)으로부터 상면(R14)까지의 거리, 즉, 실시예에 따른 광학계의 전체 거리는 매우 작은 값을 가질 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 광학계는 작은 크기를 가지면서, 향상된 성능을 가질 수 있다.
실험예
실험예에 따른 소형 광학계는 다음의 표 1과 같은 광학적 특징을 가졌다.
렌즈면 곡률반경(mm) 두께(mm) 굴절율 아베수 비고
R1* 1.324 0.673 1.53 56.3 제 1 렌즈
R2* 3.285 0.164
R3 ∞ 0.143 조리개
R4* -5.499 0.398 1.54
 56.1
 제 2 렌즈
R5* -2.708 0.100
R6* -12.545 0.481 1.63 23.4 제 3 렌즈
R7* 4.224 0.304
R8* -2.039 0.839 1.6
 27
 제 4 렌즈
R9* -1.038 0.229
R10* 3.758 0.472 1.61 25.6 제 5 렌즈
R11* 1.072 0.196
R12 ∞ 0.3 필터
R13 ∞ 0.687 필터
R14 ∞ 0 센서
(* 표시는 비구면을 나타낸다)
상기 표 1에 표기한 두께는 각 렌즈면에서 다음 렌즈면까지의 거리를 나타낸다.
아래의 표 2는 실험예의 비구면 렌즈에 대한 비구면 계수 값이다.
렌즈면 K A1 A2 A3 A4
R1 0.004796 0.008758 0.019205 -0.00038 -0.01079
R2 0.498626 0.028653 0.000117 0.026017 -0.04718
R4 11.3475 -0.00663 -0.05236 0.059919 -0.2176
R5 1.16745 -0.14522 0.055656 -0.00042 -0.29619
R6 222.36 -0.33446 0.0955 -0.39523 0.390843
R7 -44.0831 -0.03068 -0.02955 0.050967 -0.01891
R8 -2.43553 0.040339 -0.03418 0.082181 -0.02638
R9 -0.88112 0.093358 -0.06751 0.035123 -0.00412
R10 -176.444 -0.14135 0.054474 -0.00823 -0.00036
R11 -8.61241 -0.08503 0.023752 -0.00463 0.000543
실험예의 비구면 렌즈에 대한 표 2의 비구면 계수 값은 다음의 수식6으로부터 얻을 수 있다.
수식6
Figure pat00001
Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
C : 렌즈의 기본 곡률
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
K : 코닉 상수(Conic constant)
A1, A2, A3, A4, A5 : 비구면 계수(Aspheric constant)
이와 같이, 실험예의 각 렌즈에 대한 비구면 형상이 결정되었다.
또한, 실험예에서는 아래의 표3과 같이, 각 렌즈가 설계되었다.
유효초점거리(㎜) 굴절율 아베수 굴절능(1/㎜)
제 1 렌즈 3.705080 1.53 56.3 0.27
제 2 렌즈 9.33370 1.54 56.1 0.10
제 3 렌즈 -4.9383 1.63 23.4 -0.20
제 4 렌즈 2.6460 1.60 27.0 0.37
제 5 렌즈 -2.6156 1.61 26.4 -0.38
실험예에 따른 소형 광학계가 위와 같이 설계되었을 때, 다음과 표 4와 같은 성능을 가질 수 있었다.
F 2.4㎜
ttl 5.0㎜
f1/F 0.92
ttl/F 1.24
이와 같이, 실험예에 따른 소형 광학계가 수식1 및 수식3 내지 수식5를 만족하는 경우, 수식2를 만족하도록, ttl 및 F를 얻을 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 소형 광학계는 수식1 및 수식3 내지 수식5와 같이 설계되어, 작은 크기를 가지면서, 동시에 향상된 성능을 가질 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈 및 제 5 렌즈를 포함하고,
    아래의 수식1을 만족하는 광학계.
    수식1
    1.5<n2<1.55
    50<v2<70
    20<v3<30
    여기서, n2는 상기 제 2 렌즈의 굴절율이고, v2는 상기 제 2 렌즈의 아베수이고, v3는 상기 제 3 렌즈의 아베수이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 아래의 수식2를 만족하는 광학계.
    수식2
    1<ttl/F<1.3
    여기서, ttl은 상기 제 1 렌즈의 물체 측 면으로부터 상 측 면까지의 거리이고, F는 전체 유효초점거리이다.
  3. 제 2 항에 있어서, 아래의 수식3을 만족하는 광학계.
    수식3
    0.8<f1/F<1.2
    여기서, f1은 상기 제 1 렌즈의 유효초점거리이다.
  4. 제 3 항에 있어서, 아래의 수식4를 만족하는 광학계.
    수식4
    φ4>φ1>φ2
    여기서, φ1는 상기 제 1 렌즈의 굴절능이고, φ2는 상기 제 2 렌즈의 굴절능이고, φ4는 상기 제 4 렌즈의 굴절능이다.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈 사이에 배치되는 조리개를 더 포함하는 광학계.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈 및 상기 제 4 렌즈는 양의 굴절능을 가지고, 상기 제 3 렌즈 및 상기 제 5 렌즈는 음의 굴절능을 가지는 광학계.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈, 상기 제 2 렌즈, 상기 제 3 렌즈, 상기 제 4 렌즈 및 상기 제 5 렌즈의 물체 측 면 및 상 측 면은 비구면인 광학계.
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