KR20140089007A

KR20140089007A - 촬영 렌즈 광학계

Info

Publication number: KR20140089007A
Application number: KR1020120158540A
Authority: KR
Inventors: 안치호; 조재훈; 김지은; 강찬구; 김세진
Original assignee: 주식회사 코렌
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2014-07-14
Also published as: US20140184895A1; KR101425793B1; US9134514B2

Abstract

촬영 렌즈 광학계에 관해 개시되어 있다. 개시된 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차적으로 배열된 제1, 제2, 제3 및 제4 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면 볼록할 수 있다. 상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 양면 오목할 수 있다. 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 메니스커스 렌즈일 수 있다. 상기 제4 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 그의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다. 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)(SAG1)와 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)(SAG2)는 수학식 ｜SAG1｜＞｜SAG2｜을 만족할 수 있다. 또한, 상기 렌즈 광학계의 화각(θ)은 수학식 0.9 ＜｜tan(θ/2)｜＜ 1.2 을 만족할 수 있다.

Description

촬영 렌즈 광학계{Photographic lens optical system}

본 발명은 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카메라에 채용되는 렌즈 광학계에 관한 것이다.

최근 전하 결합 소자(charge coupled device)(CCD)와 씨모스 이미지센서(complementary metal oxide semiconductor image sensor)(CMOS 이미지센서)와 같은 고체 촬상 소자를 이용한 카메라(이하, 카메라)의 보급이 급속하게 확대되고 있다.

카메라의 해상도를 높이기 위해 고체 촬상 소자의 화소 집적도는 높아지고 있다. 이와 함께 상기 카메라에 내장되는 렌즈 광학계의 성능 개선을 통해서 상기 카메라의 소형화 및 경량화도 진행되고 있다.

일반적인 카메라의 렌즈 광학계에서는 성능 확보를 위해, 예컨대, 화각(angle of view) 확보 및 수차 보정 등을 위해 많은 수의 렌즈를 사용하는 것이 유리하다. 그런데 렌즈 광학계가 많은 렌즈를 포함할 경우, 카메라의 소형화 및 경량화가 어려울 수 있다.

기존의 카메라 폰에 사용되는 렌즈 광학계의 경우, 60∼63°정도의 화각을 갖는 것이 일반적이다. 또한, 종래의 광각 렌즈계의 경우, 피사체에 가까운 첫 번째 렌즈의 크기가 가장 큰 것이 일반적이다.

소형이면서도 넓은 화각을 갖고 수차 보정도 용이한 렌즈 광학계의 개발이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 소형화/경량화에 유리하고 넓은 화각 및 우수한 성능을 갖는 렌즈 광학계를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면 볼록하며, 상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 양면 오목하며, 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 형상을 가지며, 상기 제4 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 그의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면인 렌즈 광학계를 제공한다.

상기한 렌즈 광학계는 하기의 수학식 1 내지 3 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.

<수학식 1>

｜SAG1｜＞｜SAG2｜

여기서, SAG1은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이고, SAG2는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이다.

<수학식 2>

0.9 ＜｜tan(θ/2)｜＜ 1.2

여기서, θ는 상기 렌즈 광학계의 화각이다.

<수학식 3>

1.1 ＜｜R1 / R2｜＜ 1.8

여기서, R1은 상기 제1 렌즈의 입사면의 곡률반경이고, R2는 상기 제1 렌즈의 출사면의 곡률반경이다.

상기한 렌즈 광학계는 하기의 수학식 4-1 또는 4-2를 더 만족할 수 있다.

<수학식 4-1>

1.3 ＜ f / D4 ＜ 1.7, BFL ＞ 1.5

여기서, f는 상기 렌즈 광학계 전체의 초점거리이고, D4는 상기 제4 렌즈의 출사면의 유효 반경이고, BFL은 상기 제4 렌즈의 출사면에서 상기 이미지센서까지의 거리이다.

<수학식 4-2>

1.0 ＜ f / D4 ＜ 1.3, BFL ＜ 1.5

상기 제1 내지 제3 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 렌즈일 수 있다.

상기 제1 내지 제3 렌즈 중 적어도 한 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다.

상기 제4 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.

상기 제4 렌즈의 입사면의 중앙부는 상기 피사체 측으로 볼록하고 가장자리로 가면서 오목해질 수 있다.

상기 제4 렌즈의 출사면의 중앙부는 상기 이미지센서에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해질 수 있다.

상기 제2, 제3 및 제4 렌즈는 수차 보정 렌즈일 수 있다.

상기 피사체와 상기 이미지센서 사이에 조리개가 구비될 수 있다.

상기 조리개는 상기 피사체와 상기 제1 렌즈 사이에 배치될 수 있다.

상기 피사체와 상기 이미지센서 사이에 적외선 차단 수단이 더 구비될 수 있다.

상기 적외선 차단 수단은 상기 제4 렌즈와 상기 이미지센서 사이에 구비될 수 있다.

상기 제1 내지 제4 렌즈 중 적어도 하나는 플라스틱 렌즈일 수 있다.

상기 렌즈 광학계의 화각(θ)은 약 85°이상일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 각각 정(+), 부(-), 정(+), 부(-)의 굴절력을 가지며, 아래의 수학식들을 만족하는 렌즈 광학계가 제공된다.

수학식 : ｜SAG1｜＞｜SAG2｜

수학식 : ｜R1｜＞｜R2｜

여기서, SAG1은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타내고, SAG2는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타내고, R1은 상기 제1 렌즈의 입사면의 곡률반경을 나타내고, R2는 상기 제1 렌즈의 출사면의 곡률반경을 나타낸다.

상기 렌즈 광학계는 아래 수학식 4-1을 더 만족할 수 있다.

<수학식 4-1>

1.3 ＜ f / D4 ＜ 1.7, BFL ＞ 1.5

여기서, f는 상기 렌즈 광학계의 초점거리를, D4는 상기 제4 렌즈의 출사면의 유효 반경을, BFL은 상기 제4 렌즈의 출사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타낸다.

상기 렌즈 광학계는 아래 수학식 4-2를 더 만족할 수 있다.

<수학식 4-2>

1.0 ＜ f / D4 ＜ 1.3, BFL ＜ 1.5

상기 제1 렌즈는 양면 볼록한 렌즈일 수 있다.

상기 제2 렌즈는 양면 오목한 렌즈일 수 있다.

상기 제3 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록한 렌즈일 수 있다.

상기 제4 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다. 상기 제4 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.

상기 렌즈 광학계의 화각(θ)은 약 85°이상일 수 있다.

소형·경량이면서도 넓은 화각 및 고해상도를 얻을 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차적으로 배열된 정(+), 부(-), 정(+), 부(-)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제4 렌즈를 포함하고, 상기한 수학식 1 내지 3 중 적어도 어느 하나 및/또는 수학식 4-1 및 4-2 중 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 짧은 전장, 큰 화각 및 작은 외경을 가질 수 있어서, 카메라의 소형/경량화 및 고성능화에 유리할 수 있다.

또한, 상기 제1 내지 제4 렌즈를 플라스틱으로 제조하고 각 렌즈의 양면(입사면과 출사면)을 비구면으로 구성함으로써, 글라스(glass) 렌즈를 사용하는 경우보다 저비용으로 컴팩트하면서 성능이 우수한 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.

도 1 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계의 주요 구성요소의 배치를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계에 사용되는 제2 렌즈의 입사면 및 출사면에서의 세지털 깊이(sagittal depth)(SAG)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한(혹은, 유사한) 구성요소들을 나타낸다.

도 1 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계를 보여준다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 피사체(OBJ)와 피사체(OBJ)의 상이 맺히는 이미지센서(IMG) 사이에 피사체(OBJ) 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈(I), 제2 렌즈(Ⅱ), 제3 렌즈(Ⅲ) 및 제4 렌즈(Ⅳ)를 구비한다. 제1 렌즈(I)는 정(+)(positive)의 굴절력을 갖고, 그의 입사면(2*)은 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 제1 렌즈(I)의 출사면(3*)은 이미지센서(IMG) 측으로 볼록할 수 있다. 따라서, 제1 렌즈(I)는 양볼록 렌즈일 수 있다. 제2 렌즈(Ⅱ)는 부(-)(negative)의 굴절력을 갖고, 양면(즉, 입사면(4*)과 출사면(5*))이 모두 오목한 렌즈일 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)는 정(+)의 굴절력을 갖고 이미지센서(IMG) 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 렌즈일 수 있다. 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ) 중 적어도 하나는 비구면 렌즈일 수 있다. 다시 말해, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ) 중 적어도 어느 한 렌즈의 입사면(2*, 4*, 6*)과 출사면(3*, 5*, 7*) 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ) 각각의 입사면(2*, 4*, 6*)과 출사면(3*, 5*, 7*)은 모두 비구면일 수 있다. 제4 렌즈(Ⅳ)는 부(-)의 굴절력을 가질 수 있고, 제4 렌즈(Ⅳ)의 입사면(8*)과 출사면(9*) 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다. 예컨대, 제4 렌즈(Ⅳ)의 입사면(8*)과 출사면(9*) 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 갖는 비구면일 수 있다. 제4 렌즈(Ⅳ)의 입사면(8*)의 중앙부는 피사체(OBJ) 측으로 볼록하고 가장자리로 가면서 오목해질 수 있고, 출사면(9*)의 중앙부는 이미지센서(IMG)에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해질 수 있다. 제1 렌즈(I)는 강한 정(+)의 굴절력을 가질 수 있고, 제2 내지 제4 렌즈(Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ)는 수차 보정 렌즈로서 기능할 수 있다.

조리개(S1)와 적외선 차단 수단(Ⅴ)이 더 구비될 수 있다. 조리개(S1)는 제1 렌즈(I)의 피사체(OBJ) 측에 구비될 수 있다. 즉, 조리개(S1)는 피사체(OBJ)와 제1 렌즈(I) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅴ)은 제4 렌즈(Ⅳ)와 이미지센서(IMG) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅴ)은 적외선 차단 필터일 수 있다. 조리개(S1)와 적외선 차단 수단(Ⅴ)의 위치는 달라질 수 있다.

상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 다음의 수학식 1 내지 3 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.

<수학식 1>

｜SAG1｜＞｜SAG2｜

여기서, SAG1은 제2 렌즈(Ⅱ)의 입사면(4*)에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이고, SAG2는 제2 렌즈(Ⅱ)의 출사면(5*)에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)이다. 다시 말해, SAG1은 입사면(4*)의 에지부(edge portion)에서 그려진 접평면으로부터 입사면(4*)의 정점까지의 광축 상의 거리이고, SAG2는 출사면(5*)의 에지부(edge portion)에서 그려진 접평면으로부터 출사면(5*)의 정점까지의 광축 상의 거리이다. 상기 에지부(edge portion)들은 각 면(4*, 5*)에서 유효 렌즈 영역(즉, 유효경 영역)의 끝 부분을 의미한다. 즉, SAG1 및 SAG2는 도 6에 표시한 바와 같을 수 있다.

수학식 1은 제2 렌즈(Ⅱ)의 형상 조건을 나타낸 것으로, 제2 렌즈(Ⅱ)의 입사면(4*)에서의 세지털 깊이(SAG1)가 출사면(5*)에서의 세지털 깊이(SAG2)보다 크다는 것을 의미한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 수학식 "1.0 ＜｜SAG1 / SAG2｜＜ 12" 를 만족할 수 있다. 이러한 수학식(수학식 1)을 만족하는 경우, 본 발명에서 요구되는 광각의 컴팩트한 광학계를 구현할 수 있다.

<수학식 2>

0.9 ＜｜tan(θ/2)｜＜ 1.2

여기서, θ는 상기 렌즈 광학계의 화각이다.

수학식 2는 렌즈 광학계의 화각을 결정하기 위한 조건을 나타낸다. 수학식 2에서 ｜tan(θ/2)｜가 하한값(0.9) 이하인 경우, 구면수차 및 코마수차는 작아질 수 있지만, 화각 또한 작아진다. 반면, ｜tan(θ/2)｜가 상한값(1.2) 이상인 경우, 화각 확장에 유리하지만, 구면수차 및 코마수차가 커질 수 있다. 수학식 2의 조건을 만족하는 경우, 구면수차 및 코마수차를 양호한 상태로 유지하면서도 넓은 화각, 예컨대, 약 85°이상의 화각을 얻을 수 있다.

<수학식 3>

1.1 ＜｜R1 / R2｜＜ 1.8

여기서, R1은 제1 렌즈(I)의 입사면(2*)의 곡률반경이고, R2는 제1 렌즈(I)의 출사면(3*)의 곡률반경이다.

수학식 3은 제1 렌즈(I)의 형상 조건을 나타낸 것으로, 기본적으로 제1 렌즈(I)의 입사면(2*)의 곡률반경(R1)의 절대값이 출사면(3*)의 곡률반경(R2)의 절대값보다 크다는 것을 의미한다. 통상의 렌즈계에서는 첫 번째 렌즈(양볼록 렌즈)의 입사면의 곡률반경의 절대값이 출사면의 곡률반경의 절대값보다 작은 것이 일반적이다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 그 반대이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에서는 ｜R1 / R2｜이 1.1∼1.8 정도의 값을 가질 수 있다. 이러한 수학식 3이 만족할 때, 광각의 컴팩트한 광학계 제작이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 다음의 수학식 4-1 또는 수학식 4-2를 만족할 수 있다.

<수학식 4-1>

1.3 ＜ f / D4 ＜ 1.7, BFL ＞ 1.5

<수학식 4-2>

1.0 ＜ f / D4 ＜ 1.3, BFL ＜ 1.5

여기서, f는 상기 렌즈 광학계 전체의 초점거리이고, D4는 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9*)의 유효 반경(즉, Y축으로의 semi-aperture)이고, BFL은 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9*)에서 이미지센서(IMG) 까지의 거리이다. 상기 BFL은 광축 상에서의 길이이다.

도 1 내지 도 3의 실시예, 즉, 제1 내지 제3 실시예는 상기한 수학식 4-1을 만족하고, 도 4 및 도 5의 실시예, 즉, 제4 및 제5의 실시예는 상기한 수학식 4-2를 만족한다.

수학식 4-1 및 4-2는 렌즈 광학계의 외경 및 길이를 제어하기 위한 조건을 나타낸다. 더 구체적으로는, 수학식 4-1 및 4-2는 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9*)의 외경 및 제4 렌즈(Ⅳ)에서 이미지센서(IMG) 까지의 길이를 제어하기 위한 조건식이다. 또한, 수학식 4-1 및 4-2는 렌즈 광학계의 화각과도 관련된다. 화각이 커지면, 렌즈 광학계가 컴팩트해지면서 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9*)의 외경(즉, D4×2)이 작아지는 대신에 BFL이 증가할 수 있다. 반면, 화각이 작아지면, 렌즈 광학계를 컴팩트화 하기 어려워지고 제4 렌즈(Ⅳ)의 출사면(9*)의 외경(즉, D4×2)이 커지는 대신에 BFL이 감소할 수 있다. BFL이 1.5 보다 큰 경우, "1.3 ＜ f / D4 ＜ 1.7"을 만족할 때, 렌즈 광학계의 전체 길이 및 외경을 줄이는데 유리할 수 있다(도 1 내지 도 3). 반면, BFL이 1.5 보다 작은 경우, "1.0 ＜ f / D4 ＜ 1.3"을 만족할 때, 렌즈 광학계의 전체 길이 및 외경을 줄이는데 유리할 수 있다(도 4 및 도 5).

상기한 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 있어서, 수학식 1 내지 3의 값들은 아래의 표 1 내지 표 3에 나타낸 바와 같다. 아래의 표들에서 SAG1, SAG2, R1 및 R2 값의 단위는 ㎜이고, 화각(θ)의 단위는 °이다.

구분	SAG1	SAG2	수학식 1 (｜SAG1｜＞｜SAG2｜)	1.0＜｜SAG1/SAG2｜＜12
제1 실시예	0.085	0.024	만족	3.542
제2 실시예	0.111	0.010	만족	11.10
제3 실시예	0.098	0.022	만족	4.455
제4 실시예	0.078	0.061	만족	1.279
제5 실시예	0.078	0.063	만족	1.238

구분	θ	수학식 2 (0.9＜｜tan(θ/2)｜＜1.2)
제1 실시예	85.0	0.91
제2 실시예	88.6	0.97
제3 실시예	87.1	0.95
제4 실시예	89.0	0.98
제5 실시예	89.0	0.98

구분	R1	R2	수학식 3 (1.1＜｜R1/R2｜＜1.8)
제1 실시예	3.608	-2.852	1.265
제2 실시예	3.999	-2.418	1.654
제3 실시예	3.479	-2.534	1.373
제4 실시예	3.277	-2.009	1.631
제5 실시예	3.261	-2.013	1.620

표 1 내지 표 3을 참조하면, 상기 제1 내지 제5 실시예의 렌즈 광학계는 수학식 1 내지 수학식 3을 만족하는 것을 알 수 있다.

본 발명의 제1 내지 제3 실시예(도 1 내지 도 3)에 있어서, 수학식 4-1의 값들은 아래의 표 4에 나타낸 바와 같다. 또한, 본 발명의 제4 및 제5 실시예(도 4 및 도 5)에 있어서, 수학식 4-2의 값들은 아래의 표 5에 나타낸 바와 같다. 표 4 및 표 5에서 f, D4 및 BFL 값의 단위는 ㎜이다.

구분	f	D4	수학식 4-1
구분	f	D4	1.3＜ f/D4 ＜1.7	BFL ＞1.5
제1 실시예	3.160	1.95	1.621	1.80
제2 실시예	2.962	2.10	1.410	1.64
제3 실시예	3.044	2.10	1.450	1.67

구분	f	D4	수학식 4-2
구분	f	D4	1.0＜ f/D4 ＜1.3	BFL＜ 1.5
제4 실시예	2.946	2.35	1.254	1.43
제5 실시예	2.868	2.35	1.220	1.39

표 4 및 표 5를 참조하면, 상기 제1 내지 제3 실시예의 렌즈 광학계는 수학식 4-1을 만족하고, 상기 제4 및 제5 실시예의 렌즈 광학계는 수학식 4-2를 만족하는 것을 알 수 있다.

한편, 상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계에서 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ)는, 그 형상 및 치수(dimension)을 고려했을 때, 플라스틱으로 제조할 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ)는 모두 플라스틱 렌즈일 수 있다. 글라스(glass) 렌즈의 경우, 제조 단가가 높을 뿐 아니라 성형 상의 제약 조건으로 인해 렌즈 광학계의 소형화를 어렵게 하지만, 본원에서는 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ)를 모두 플라스틱으로 제조할 수 있으므로, 그에 따른 다양한 이점을 기할 수 있다. 그러나 본원에서 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ)의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라서는, 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ) 중 적어도 하나를 글라스로 제조할 수도 있다.

이하, 렌즈 데이터 및 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

아래의 표 6 내지 표 10은 각각 도 1 내지 도 5의 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈에 대한 곡률반경, 렌즈 두께 또는 렌즈 사이의 거리, 굴절률 및 아베(abbe) 상수 등을 나타낸다. 표 6 내지 표 10에서 R은 곡률반경, D는 렌즈 두께 또는 렌즈 간격 또는 인접한 구성요소 간의 간격, Nd는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률, Vd는 d선(d-line)에 대한 렌즈의 아베수를 나타낸 것이다. 렌즈면 번호에서 *는 해당 렌즈면이 비구면임을 나타낸다. 그리고 R 값과 D 값의 단위는 ㎜이다.

제1 실시예	면	R	D	Nd	Vd
	S1	infinity
I	2*	3.608	0.616	1.546	56.092
I	3*	-2.852	0.236
Ⅱ	4*	-400.000	0.323	1.638	23.524
Ⅱ	5*	3.847	0.266
Ⅲ	6*	-1.379	0.747	1.546	56.092
Ⅲ	7*	-0.775	0.040
Ⅳ	8*	2.113	0.550	1.534	55.855
Ⅳ	9*	0.845	0.600
Ⅴ	10	infinity	0.300	1.518	64.197
Ⅴ	11	infinity	0.899
	IMG	infinity

제2 실시예	면	R	D	Nd	Vd
	S1	infinity
I	2*	3.999	0.600	1.546	56.092
I	3*	-2.418	0.265
Ⅱ	4*	-7.858	0.374	1.638	23.524
Ⅱ	5*	4.300	0.196
Ⅲ	6*	-1.939	0.832	1.546	56.092
Ⅲ	7*	-0.845	0.040
Ⅳ	8*	1.727	0.550	1.534	55.855
Ⅳ	9*	0.775	0.600
Ⅴ	10	infinity	0.300	1.518	64.197
Ⅴ	11	infinity	0.734
	IMG	infinity

제3 실시예	면	R	D	Nd	Vd
	S1	infinity
I	2*	3.479	0.600	1.546	56.092
I	3*	-2.534	0.241
Ⅱ	4*	-7.609	0.351	1.638	23.524
Ⅱ	5*	4.951	0.235
Ⅲ	6*	-1.715	0.777	1.546	56.092
Ⅲ	7*	-0.859	0.040
Ⅳ	8*	1.723	0.550	1.534	55.855
Ⅳ	9*	0.794	0.600
Ⅴ	10	infinity	0.300	1.518	64.197
Ⅴ	11	infinity	0.766
	IMG	infinity

제4 실시예	면	R	D	Nd	Vd
	S1	infinity
I	2*	3.277	0.662	1.547	56.093
I	3*	-2.009	0.164
Ⅱ	4*	-8.961	0.288	1.639	23.525
Ⅱ	5*	4.044	0.304
Ⅲ	6*	-1.946	0.895	1.547	56.093
Ⅲ	7*	-1.031	0.044
Ⅳ	8*	1.509	0.566	1.534	55.856
Ⅳ	9*	0.779	0.600
Ⅴ	10	infinity	0.300	1.519	64.197
Ⅴ	11	infinity	0.535
	IMG	infinity

제5 실시예	면	R	D	Nd	Vd
	S1	infinity
I	2*	3.2606	0.6856	1.547	56.093
I	3*	-2.0127	0.1468
Ⅱ	4*	-9.0357	0.3257	1.639	23.525
Ⅱ	5*	4.1016	0.2795
Ⅲ	6*	-1.9422	0.8772	1.547	56.093
Ⅲ	7*	-1.0862	0.1021
Ⅳ	8*	1.3247	0.5190	1.534	55.856
Ⅳ	9*	0.7749	0.6000
Ⅴ	10	infinity	0.3000	1.519	64.197
Ⅴ	11	infinity	0.4893
	IMG	infinity

한편, 도 1 내지 도 5에 각각 대응하는 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계의 초점거리(f) 및 화각(θ)은 아래의 표 11에 나타낸 바와 같다.

구 분	초점거리(f) [mm]	화각(θ) [°]
제1 실시예	3.160	85.0
제2 실시예	2.962	88.6
제3 실시예	3.044	87.1
제4 실시예	2.946	89.0
제5 실시예	2.868	89.0

또한, 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 각 렌즈의 비구면은 수학식 5의 비구면 방정식을 만족한다.

<수학식 5>

여기서, x는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리를, y는 광축에 수직한 방향으로의 거리를, c'은 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수(=1/r)를, K는 코닉 상수(conic constant)를 나타내고, A, B, C, D 및 E 는 비구면 계수를 나타낸다.

다음 표 12 내지 표 16은 각각 도 1 내지 도 5에 대응되는 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 시스템에서 비구면의 비구면 계수를 나타낸다. 즉, 표 12 내지 표 16은 각각 표 6 내지 표 10의 각 렌즈의 입사면(2*, 4*, 6*, 8*)과 출사면(3*, 5*, 7*, 9*)의 비구면 계수를 나타낸다.

면	K	A	B	C	D	E
2*	-59.7269	0.0569	-0.4450	0.5674	-1.0567	1.1287
3*	0.0000	-0.3219	0.1640	-0.2137	0.1099	-
4*	0.0000	-0.4362	-0.0665	0.6662	-0.3853	-
5*	0.0000	-0.1698	0.0486	0.1081	-0.1350	-
6*	-0.6192	0.2929	-0.1859	0.2331	-0.1638	-
7*	-3.4919	-0.2560	0.2944	-0.2468	0.1687	-0.0387
8*	-0.5693	-0.2097	0.0653	-0.0125	-0.0016	0.0004
9*	-5.6365	-0.1063	0.0468	-0.0205	0.0063	-0.0012

면	K	A	B	C	D	E
2*	-103.0850	0.0762	-0.5933	0.8557	-1.3775	1.1287
3*	0.0000	-0.2835	0.0814	-0.0752	-0.0335	-
4*	86.2472	-0.4146	0.0399	0.5678	-0.2984	-
5*	0.0000	-0.1528	0.0241	0.0982	-0.0989	-
6*	-6.1027	0.2006	-0.2245	0.2126	-0.1033	-
7*	-3.4413	-0.2172	0.2442	-0.2176	0.1607	-0.0403
8*	-3.5677	-0.1881	0.0814	-0.0243	0.0039	-0.0004
9*	-4.2173	-0.1159	0.0570	-0.0237	0.0064	-0.0009

면	K	A	B	C	D	E
2*	-72.8887	0.0969	-0.6064	0.8455	-1.3488	1.1287
3*	0.0000	-0.2813	0.0582	-0.0203	-0.0696	-
4*	87.3984	-0.3624	0.1043	0.3756	-0.0888	-
5*	-72.1638	-0.0563	-0.0156	0.0866	-0.0807	-
6*	-2.3395	0.2278	-0.2097	0.1911	-0.1027	-
7*	-3.4291	-0.2053	0.2397	-0.2136	0.1605	-0.0406
8*	-4.2526	-0.1778	0.0790	-0.0242	0.0039	-0.0002
9*	-4.3650	-0.1154	0.0568	-0.0237	0.0063	-0.0009

면	K	A	B	C	D	E
2*	-67.9505	0.1175	-0.6494	0.8913	-1.3824	1.1287
3*	-2.0090	-0.265	0.0947	0.0587	-0.2450	-
4*	95.6557	-0.2826	0.1885	0.2726	-0.2129	-
5*	-59.5203	0.0224	-0.0887	0.1286	-0.0817	-
6*	-1.6537	0.1754	-0.2661	0.2372	-0.1095	-
7*	-3.7708	-0.2221	0.2534	-0.2391	0.1402	-0.0255
8*	-3.6567	-0.2059	0.0729	-0.0133	0.0015	-8.7961e-005
9*	-2.9943	-0.1557	0.0837	-0.0329	0.0077	-0.0008

면	K	A	B	C	D	E
2*	-67.4521	0.1255	-0.6323	0.8967	-1.3604	1.1287
3*	0.0000	-0.2528	0.0981	0.0778	-0.2618	-
4*	94.2683	-0.2835	0.1871	0.2594	-0.2412	-
5*	-59.0846	0.0243	-0.0875	0.1288	-0.0810	-
6*	-1.5475	0.1752	-0.2602	0.2437	-0.1028	-
7*	-4.0812	-0.2214	0.2541	-0.2390	0.1398	-0.0259
8*	-2.3005	-0.2100	0.0707	-0.0133	0.0015	-9.8404e-005
9*	-2.5670	-0.1577	0.0846	-0.0328	0.0077	-0.0099

도 7은 본 발명의 제1 실시예(도 1)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 6의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차(longitudinal spherical aberration), 상면만곡(astigmatic field curvature) 및 왜곡(distortion)을 보여주는 수차도이다.

도 7의 (a)는 다양한 파장의 광에 대한 렌즈 광학계의 구면수차를 나타낸 것이고, (b)는 렌즈 광학계의 상면만곡, 즉 자오상면만곡(tangential field curvature)(T)과 구결상면만곡(sagittal field curvature)(S)을 나타낸 것이다. (a) 데이터를 얻기 위해 사용한 광의 파장은 435.8343nm, 486.1327nm, 546.0740nm, 587.5618nm, 656.2725nm이었다. (b) 및 (c) 데이터를 얻기 위해 사용한 광의 파장은 546.0740nm이었다. 이는 도 8 내지 도 11에서도 마찬가지이다.

도 8의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제2 실시예(도 2)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 7의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.

도 9의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제3 실시예(도 3)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 8의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.

도 10의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제4 실시예(도 4)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 9의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.

도 11의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제5 실시예(도 5)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 10의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 피사체(OBJ)에서 이미지센서(IMG) 방향으로 순차적으로 배열된 정(+), 부(-), 정(+), 부(-)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ)를 포함하고, 상기한 수학식 1 내지 3 중 적어도 하나 및/또는 수학식 4-1 및 4-2 중 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 네 개의 렌즈를 포함하면서도, 짧은 전장 및 작은 유효 외경(예컨대, 4.0 mm 정도의 유효 외경)을 가질 수 있고, 약 85°이상의 큰 화각을 가질 수 있으며, 각종 수차를 용이하게 보정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 소형·경량이면서도 큰 화각 및 고해상도를 얻을 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 제1 내지 제4 렌즈(I∼Ⅳ)를 플라스틱으로 제조하고 각 렌즈의 양면(입사면과 출사면) 중 적어도 하나를 비구면으로 구성함으로써, 글라스(glass) 렌즈를 사용하는 경우보다 저비용으로 컴팩트하면서 성능이 우수한 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 렌즈들의 형상이 다소 변형되더라도 상기한 수학식 1 내지 3 중 적어도 하나 및/또는 수학식 4-1 및 4-2 중 하나를 만족하는 경우, 앞서 설명한 바와 같은 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 부가적으로, 적외선 차단 수단(Ⅴ)으로서 필터를 대신하여 차단막을 사용할 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 그 밖에도 다양한 변형예가 가능함을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
I : 제1 렌즈 Ⅱ : 제2 렌즈
Ⅲ : 제3 렌즈 Ⅳ : 제4 렌즈
Ⅴ : 적외선 차단 수단 OBJ : 피사체
S1 : 조리개 IMG : 이미지센서

Claims

피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하되,
상기 제1 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 양면 볼록하며,
상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 양면 오목하며,
상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지며,
상기 제4 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 그의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면이며,
아래의 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
<수학식>
｜SAG1｜＞｜SAG2｜
여기서, SAG1은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타내고, SAG2는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타낸다.
제 1 항에 있어서,
상기 렌즈 광학계의 화각(θ)은 다음 수학식을 만족하는 렌즈 광학계.
<수학식>
0.9 ＜｜tan(θ/2)｜＜ 1.2
제 1 항에 있어서,
상기 제1 렌즈의 입사면의 곡률반경(R1)과 상기 제1 렌즈의 출사면의 곡률반경(R2) 사이에 다음 수학식이 성립하는 렌즈 광학계.
<수학식>
1.1 ＜｜R1 / R2｜＜ 1.8
제 2 항에 있어서,
상기 제1 렌즈의 입사면의 곡률반경(R1)과 상기 제1 렌즈의 출사면의 곡률반경(R2) 사이에 다음 수학식이 성립하는 렌즈 광학계.
<수학식>
1.1 ＜｜R1 / R2｜＜ 1.8
제 1 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈 광학계의 초점거리(f)와 상기 제4 렌즈의 출사면의 유효 반경(D4) 및 상기 제4 렌즈의 출사면에서 상기 이미지센서까지의 거리(BFL) 사이에 다음 수학식들이 성립하는 렌즈 광학계.
<수학식>
1.3 ＜ f / D4 ＜ 1.7
BFL ＞ 1.5
제 1 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈 광학계의 초점거리(f)와 상기 제4 렌즈의 출사면의 유효 반경(D4) 및 상기 제4 렌즈의 출사면에서 상기 이미지센서까지의 거리(BFL) 사이에 다음 수학식이 성립하는 렌즈 광학계.
<수학식>
1.0 ＜ f / D4 ＜ 1.3
BFL ＜ 1.5
제 1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 렌즈 중 적어도 하나는 비구면 렌즈인 렌즈 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 렌즈 중 적어도 한 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 비구면인 렌즈 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 제4 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 갖는 렌즈 광학계.
제 9 항에 있어서,
상기 제4 렌즈의 입사면의 중앙부는 상기 피사체 측으로 볼록하고 가장자리로 가면서 오목해지며,
상기 제4 렌즈의 출사면의 중앙부는 상기 이미지센서에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해지는 렌즈 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 피사체와 상기 제1 렌즈 사이에 구비된 조리개를 더 포함하는 렌즈 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 제4 렌즈와 상기 이미지센서 사이에 구비된 적외선 차단 수단을 더 포함하는 렌즈 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 렌즈 중 적어도 하나는 플라스틱 렌즈인 렌즈 광학계.
피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 구비하되,
상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 각각 정(+), 부(-), 정(+), 부(-)의 굴절력을 가지며,
아래의 수학식들을 만족하는 렌즈 광학계.
수학식 : ｜SAG1｜＞｜SAG2｜
수학식 : ｜R1｜＞｜R2｜
여기서, SAG1은 상기 제2 렌즈의 입사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타내고, SAG2는 상기 제2 렌즈의 출사면에서 광축에 따른 세지털 깊이(sagittal depth)를 나타내고, R1은 상기 제1 렌즈의 입사면의 곡률반경을 나타내고, R2는 상기 제1 렌즈의 출사면의 곡률반경을 나타낸다.
제 14 항에 있어서,
상기 렌즈 광학계는 아래 수학식들을 더 만족하는 렌즈 광학계.
<수학식>
1.3 ＜ f / D4 ＜ 1.7
BFL ＞ 1.5
여기서, f는 상기 렌즈 광학계의 초점거리를, D4는 상기 제4 렌즈의 출사면의 유효 반경을, BFL은 상기 제4 렌즈의 출사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타낸다.
제 14 항에 있어서,
상기 렌즈 광학계는 아래 수학식들을 더 만족하는 렌즈 광학계.
<수학식>
1.0 ＜ f / D4 ＜ 1.3
BFL ＜ 1.5
여기서, f는 상기 렌즈 광학계의 초점거리를, D4는 상기 제4 렌즈의 출사면의 유효 반경을, BFL은 상기 제4 렌즈의 출사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타낸다.
제 14 항에 있어서,
상기 제1 렌즈는 양면 볼록하고,
상기 제2 렌즈는 양면 오목하고,
상기 제3 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록하며,
상기 제4 렌즈는 비구면 렌즈인 렌즈 광학계.
제 14 내지 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈 광학계의 화각(θ)은 85°이상인 렌즈 광학계.