KR20160053158A - 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 - Google Patents

가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 및 감시용 카메라에 적용할 수 있고 가시광선 및 근적외선 대역에서도 우수한 광학 성능을 발휘하는 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템에 관한 것으로, 물체측으로부터 순서대로 양면이 구면이고 초점거리가 음수이며 물체측으로 볼록하고 상측으로 오목한 매니스커스 타입이고, 물체측 면(111)의 곡률반경이 상측 면(112)의 곡률반경보다 큰 제1 유리 렌즈(L1)와; 초점거리가 음수이고 물체측으로 오목하고 상측으로 볼록하며 굴절률이 1.6 이상의 재질로 형성된 양면이 비구면인 제2 플라스틱 렌즈(L2)와; 조리개(160)와; 초점거리가 음수 또는 양수이고 물체측으로 볼록하고 상측으로 오목한 매니스커스 타입이고, 굴절률이 1.6 이상의 재질로 형성된 양면이 비구면인 제3 플라스틱 렌즈(L3)와; 양면이 구면이고 초점거리가 양수이며 물체측으로 볼록하고 상측으로 볼록하며, 아베수 50 이상의 재질로 형성된 제4 유리 렌즈(L4); 및 양면이 구면이고 초점거리가 음수이며 물체측으로 오목하고 상측으로 볼록한 매니스커스 타입이고, 굴절률이 1.6 이상이고 아베수 30 이하의 재질로 형성된 제5 유리 렌즈(L5);를 포함하며; 상기 제4 유리 렌즈(L4)와 제5 유리 렌즈(L5)는 접합되어 파장별 색수차보정을 하며; 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.3 <│K1/Kt│< 0.8
0.01 <│K2/Kt│< 0.5
0.01 <│K3/Kt│< 0.5
0.7 <│K4/Kt│< 1.3
0.1 <│K5/Kt│< 0.6
여기서, K1은 제1 유리 렌즈의 굴절능이고, K2는 제2 플라스틱 렌즈의 굴절능이고, K3는 제3 플라스틱 렌즈의 굴절능이고, K4는 제4 유리 렌즈의 굴절능이고, K5는 제5 유리 렌즈의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.

Description

가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템{WIDE ANGLE LENS SYSTEM FOR VISIBLE RAY AND NEAR INFRARED RAYS}
본 발명은 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 및 감시용 카메라에 적용할 수 있고 가시광선 및 근적외선 대역에서도 우수한 광학 성능을 발휘하는 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 CCTV 이동통신 단말기나 컴퓨터, 노트북, 그리고 차량 등에는 주변의 영상 정보를 보여주거나 촬영 등을 할 수 있도록 카메라가 장착된다. 이동통신 단말기의 슬림화 경향이나 컴퓨터나 노트북 등의 소형화 경향에 따라 카메라도 소형 경량이면서 높은 화질을 갖는 것이 요구되고 있고, 차량 카메라 등에 있어서도 운전자의 시야를 가리지 않고 미관을 해치지 않도록 하기 위해 소형 경량이면서 고화질의 카메라가 요구되고 있다. 또한, 이러한 카메라는 큰 화각을 갖도록 하여 가능한 한 광범위한 영상 정보를 얻을 수 있어야 한다.
도 1은 종래의 광각 렌즈 시스템을 도시하는 도면이다.
이러한 광각 렌즈 시스템은 물체 측으로부터 순서대로 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 조리개(AS), 제4 렌즈(L4), 제5 렌즈(L5) 및 제6 렌즈(L6)가 배치된다. 제6 렌즈(6)와 결상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등의 광학 필터(OF)가 배치된다.
제1 렌즈(L1) 및 제2 렌즈(L2)는 물체 측으로 볼록한 매니스커스(Meniscus) 형상을 갖고, 물체측 면(1, 3)의 곡률반경은 상측 면(2, 4)의 곡률반경보다 크다.
제3 렌즈(L3)는 물체측 면(5)이 물체 측으로 볼록하고 상측 면(6)이 상 측으로 볼록하게 형성된다.
제4 렌즈(L4)는 물체측 면(7)이 물체 측으로 오목하고 상측 면(8)이 상 측으로 오목하게 형성된다.
제5 렌즈(L5)는 제4 렌즈(L4)와 접합되어 하나의 렌즈군을 형성한다. 제5 렌즈(L5)는 물체측 면(9)이 물체 측으로 볼록하고 상측 면(10)이 상 측으로 볼록하게 형성된다. 제6 렌즈(L6)는 물체측 면(11)이 물체 측으로 볼록하고 상측 면(12)이 상 측으로 볼록하게 형성된다.
이러한 종래의 광각 렌즈 시스템은 광각을 구현하기 위해 6매의 구면 유리 렌즈 및 비구면 유리 렌즈를 혼합하여 만들어진다. 혹서기에 차량 내부 및 외부의 가혹한 온도조건에서 동일한 해상도를 보증하기 위해서는 적어도 5 내지 6매의 유리 렌즈를 사용해야 한다.
이러한 광각 렌즈 시스템은 유리 재질의 특성으로 인해 해상도의 변화가 적은 장점이 있으나, 고해상도를 구현하기 위해서는 유리 렌즈의 매수를 증가시켜야 한다. 또한, 제작단가를 줄이기 위해서는 구면의 유리 렌즈로만 구성되어야 하는데, 이 경우 광각 렌즈 시스템의 해상도 증가에 한계가 발생한다.
해상도를 높이고 렌즈 수를 줄이기 위해 플라스틱 렌즈의 수를 늘릴 경우, 차량 및 외부 감시 환경의 가혹한 온도조건에서 플라스틱 재질의 온도변화에 따른 굴절률 변화로 인해 해상도의 변화가 발생하여 만족한 결과를 얻지 못하게 된다.
또한, 이러한 광각 렌즈 시스템은 적외선 영역에서 광학 성능이 현저히 떨어져서 별도의 초점 조절 없이는 400~950nm의 파장 대역을 포함하는 가시광선 영역과 근적외선 영역 모두에서 피사체를 만족할 만한 해상도로 촬상할 수 없는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이 한국 등록특허 제 10-1356403 호이다.
상기 선행특허는 개구 조리개; 상기 개구 조리개를 기준으로 물체측에 위치하며, 전체적으로 양의 굴절력을 갖는 물체측 렌즈군; 및 상기 개구 조리개를 기준으로 상측에 위치하며, 전체적으로 양의 굴절력을 갖는 상측 렌즈군;을 포함하며, 상기 물체측 렌즈군과 상측 렌즈군의 초점거리에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하는 것을 특징으로 함으로써,{(조건식 1) 2 ＜ FO/FI ＜ 10, 여기서, FO는 물체측 렌즈군의 초점거리(FO＞0)이고, FI는 상측 렌즈군의 초점거리(FI＞0)임}, 광학계의 소형화가 가능하면서도 넓은 화각과 적은 왜곡을 갖는 광각 렌즈 시스템을 제공할 수 있다.
그러나, 선행특허는 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템에 있어서, 물체측으로부터 순서대로 부의 굴절력을 가지며 양면이 구면이고 물체 측으로 볼록한 매니스커스 타입의 제1 유리 렌즈; 정의 굴절력을 가지며 물체 측으로 오목하고 적어도 한 면이 비구면인 매니스커스 타입의 제2 플라스틱 렌즈; 정의 굴절력을 가지며 적어도 한 면이 비구면인 제3 플라스틱 렌즈; 조리개; 정의 굴절력을 가지며 아베수 50 이상의 재질로 형성되고 양면이 구면이고 양면 볼록 형태의 제4 유리 렌즈; 부의 굴절력을 가지며 굴절률이 1.6 이상의 재질로 형성되고 양면이 오목하고 적어도 한 면이 비구면인 제5 플라스틱 렌즈;를 포함함으로써, 유리 렌즈의 사용을 2매 이내로 제한하여 제작비용을 절감할 수 있고, 가시광선 영역과 근적외선 영역 모두에서 피사체를 고해상도로 촬상함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있다.
그러나, 선행특허는 열을 발산하는 센서 쪽에 플라스틱 렌즈가 배치되기에, 센서로부터 발산되는 열에 의해 플라스틱 렌즈 또는 코팅막이 변형되어 해상도의 저하를 초래할 수 있다는 문제가 있다.
또한, 3매의 플라스틱 렌즈를 사용하거나, 3매의 플라스틱 렌즈와 1매의 폴리머 렌즈를 사용하기에 초기 개발 제조단가가 높아진다는 문제가 있다.
1. 한국 등록특허 제 10-1356403 호 "가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템" (등록일자 : 2014. 01. 22.)
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 유리 렌즈의 사용을 3매로 제한하여 초기 개발비용을 절감하면서, 가시광선 영역과 근적외선 영역 모두에서 피사체를 고해상도로 촬상할 수 있고 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있으며, 센서로부터 발산되는 열에 의한 해상도 저하를 방지할 수 있으며, 초기 개발 비용이 상대적으로 적은 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
물체측으로부터 순서대로 양면이 구면이고 초점거리가 음수이며 물체측으로 볼록하고 상측으로 오목한 매니스커스 타입이고, 물체측 면의 곡률반경이 상측 면의 곡률반경보다 큰 제1 유리 렌즈와; 초점거리가 음수이고 물체측으로 오목하고 상측으로 볼록하며 굴절률이 1.6 이상의 재질로 형성된 양면이 비구면인 제2 플라스틱 렌즈와; 조리개와; 초점거리가 음수 또는 양수이고 물체측으로 볼록하고 상측으로 오목한 매니스커스 타입이고, 굴절률이 1.6 이상의 재질로 형성된 양면이 비구면인 제3 플라스틱 렌즈와; 양면이 구면이고 초점거리가 양수이며 물체측으로 볼록하고 상측으로 볼록하며, 아베수 50 이상의 재질로 형성된 제4 유리 렌즈; 및 양면이 구면이고 초점거리가 음수이며 물체측으로 오목하고 상측으로 볼록한 매니스커스 타입이고, 굴절률이 1.6 이상이고 아베수 30 이하의 재질로 형성된 제5 유리 렌즈를 포함하며; 상기 제4 유리 렌즈와 제5 유리 렌즈는 접합되어 파장별 색수차보정을 하며; 다음의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
0.3 <│K1/Kt│< 0.8
0.01 <│K2/Kt│< 0.5
0.01 <│K3/Kt│< 0.5
0.7 <│K4/Kt│< 1.3
0.1 <│K5/Kt│< 0.6
여기서, K1은 제1 유리 렌즈의 굴절능이고, K2는 제2 플라스틱 렌즈의 굴절능이고, K3는 제3 플라스틱 렌즈의 굴절능이고, K4는 제4 유리 렌즈의 굴절능이고, K5는 제5 유리 렌즈의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템은 가시광선 영역과 근적외선 영역 모두에서 피사체를 고해상도로 촬상함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 센서 쪽으로부터의 2매의 렌즈가 유리로 되어 있어, 센서로부터 발생된 열에 의해 플라스틱 렌즈가 변형되는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 플라스틱 렌즈를 2매로 제한하여 온도 보상을 함과 동시에 초기 개발 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 광각 렌즈 시스템 도시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도.
도 3b 내지 도 3d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프.
도 3e 내지 도 3g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프.
도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도.
도 4b 내지 도 4d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프.
도 4e 내지 도 4g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프.
도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도.
도 5b 내지 도 5d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제3 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프.
도 5e 내지 도 5g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제3 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프.
이하, 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템을 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도이며, 도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도이며, 도 3b 내지 도 3d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이며, 도 3e 내지 도 3g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이며, 도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도이며, 도 4b 내지 도 4d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이며, 도 4e 내지 도 4g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이며, 도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템 구성도이며, 도 5b 내지 도 5d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제3 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이며, 도 5e 내지 도 5g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제3 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템은 물체측으로부터 순서대로 제1 유리 렌즈(L1), 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3), 조리개(160), 제4 유리 렌즈(L4), 제5 유리 렌즈(L5)를 포함한다. 제1 유리 렌즈(L1), 제2 플라스틱 렌즈(L2)는 제1 렌즈군을 형성하고, 제3 플라스틱 렌즈(L3), 제4 유리 렌즈(L4)와 제5 유리 렌즈(L5)는 제2 렌즈군을 형성한다.
제1 유리 렌즈(L1)는 물체 측에 가장 가까이 위치하는 렌즈이다. 제1 유리 렌즈(L1)는 부의 굴절력을 가지며 물체측으로 볼록한 매니스커스 타입으로 형성된다. 제1 유리 렌즈(L1)는 외부환경에 가장 가까이 위치하고, 외부 긁힘과 습도 등에 견디고 광각의 빛을 수렴하기 위해 유리 재질로 형성된다. 제1 유리 렌즈(L1)는 양면이 구면이며 초점거리가 음수인 매니스커스 타입이고, 물체측 면(111)의 곡률반경은 상측 면(112)의 곡률반경보다 크다.
제2 플라스틱 렌즈(L2)는 제1 유리 렌즈(L1)의 다음에 위치한다. 제2 플라스틱 렌즈(L2)는 물체 측으로 오목하고 양면이 비구면인 렌즈로서 플라스틱 재질로 형성된다. 제2 플라스틱 렌즈(L2)는 제1 유리 렌즈(L1)에서 입사된 광의 각도를 줄여줘서 조리개(160) 다음에 구비된 렌즈에 용이하게 결상될 수 있도록 한다. 또한, 제2 플라스틱 렌즈(L2)는 빛을 조리개에 수직화시켜 고해상도를 구현할 수 있게 한다. 또한, 제2 플라스틱 렌즈(L2)는 고해상도를 구현하기 위해 1.6 이상의 굴절률을 갖는 재질로 형성되어 온도 변화에 둔감하게 제작하는 것이 바람직하다. 도면부호 121은 제2 플라스틱 렌즈(L2)의 물체측 면을 나타내고, 122는 제2 플라스틱 렌즈(L2)의 상측 면을 나타낸다.
제2 플라스틱 렌즈(L2)의 다음에는 조리개(160)가 위치한다. 조리개(160)는 구멍의 크기를 조절하여 렌즈를 통과하는 빛의 양을 조절한다.
제3 플라스틱 렌즈(L3)는 제2 플라스틱 렌즈(L2)의 다음에 위치한다. 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 양면이 비구면이며 플라스틱 재질로 형성된다. 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 물체 측으로 볼록한 매니스커스 타입으로 형성된다. 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 제1 유리 렌즈(L1)에서 입사된 광의 각도를 줄여줘서 다음에 구비된 렌즈에 용이하게 결상될 수 있도록 한다. 또한, 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 초점거리가 음수 또는 양수이고 고해상도를 구현하기 위해 1.6 이상의 굴절률을 갖는 재질로 형성되어 온도 변화에 둔감하게 제작하는 것이 바람직하다. 도면부호 131은 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 물체측 면을 나타내고, 132는 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 상측 면을 나타낸다.
제3 플라스틱 렌즈(L3) 다음에는 제4 유리 렌즈(L4)가 위치한다. 제4 유리 렌즈(L4)는 정의 굴절력을 가지며 양면 볼록형태의 유리 재질로 형성된다. 제4 유리 렌즈(L4)는 양면 구면인 렌즈로 제작되어, 제작 단가를 낮추고 조립을 용이하게 할 수 있다. 제4 유리 렌즈(L4)는 전체적인 파장별 색수차를 보정하기 위해 아베수(Abbe's number) 50 이상의 유리 렌즈로 제작되는 것이 바람직하다. 아베수는 광학유리의 빛의 분산에 관한 성질을 나타내는 수로, 아베수가 클수록 색분산이 적게 일어나서 선명한 화상을 얻을 수 있다. 도면부호 141은 제4 유리 렌즈(L4)의 물체측 면을 나타내고, 142는 제4 유리 렌즈(L4)의 상측 면을 나타낸다.
제5 유리 렌즈(L5)는 제4 유리 렌즈(L4)의 다음에 위치한다. 제5 유리 렌즈(L5)는 부의 굴절력을 가진다. 제5 유리 렌즈(L5)는 물체측으로 오목한 매니스커스 타입으로 형성 된다. 제5 유리 렌즈(L5)는 최종적으로 고해상도를 구현하기 위해 1.6 이상의 고굴절률을 갖는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 도면부호 151은 제5 유리 렌즈(L5)의 물체측 면을 나타내고, 152는 제5 유리 렌즈(L5)의 상측 면을 나타낸다.
여기서, 제4 유리 렌즈(L4)와 제5 유리 렌즈(L5)는 접합되어 있어 색수차 보정을 통해 색수차를 감소시킨다.
또한, 제5 유리 렌즈(L5)와 결상면(180) 사이에는 광학 필터(170)가 위치될 수 있다. 광학 필터(170)는 적외선 필터, 커버 글래스 등이 사용될 수 있으며, 이러한 광학 필터(170)는 광학적 성능에 영향을 미치지 않는 것으로 본다.
본 발명의 광각 렌즈 시스템에서, 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 굴절능이 낮은 것이 바람직하다. 굴절능은 1/초점거리(f)로서 렌즈의 파워를 의미한다. 굴절능이 크다는 것은 빛을 꺾어주는 힘이 좋다는 것을 의미한다. 플라스틱 재질의 렌즈에 많은 파워를 줄 경우 온도 변화에 따라 초점거리 등이 달라질 수 있어 상대적으로 온도에 따른 많은 해상도 변화가 발생하게 된다. 따라서, 외부 환경에 비교적 가까이 위치하고 플라스틱 재질인 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)에는 전체 렌즈 시스템의 굴절능에서 낮은 굴절능이 부여되어 온도에 따른 해상도 변화를 최소로 한다.
또한, 본 발명의 광각 렌즈 시스템에서, 제4 유리 렌즈(L4)는 각 렌즈 중에서 굴절능이 가장 높은 것이 바람직하다. 유리 재질은 온도에 따른 변화율이 플라스틱의 수십분의 1로 온도 변화에 따른 신뢰성이 우수하다. 플라스틱 재질의 렌즈에 많은 파워를 줄 경우 온도 변화에 따라 초점거리 등이 달라질 수 있어 상대적으로 온도에 따른 많은 해상도 변화가 발생하게 된다. 따라서, 본 발명의 광각 렌즈 시스템에선, 5개의 렌즈 중에서 유리 재질로 형성되는 제4 유리 렌즈(L4)에 가장 높은 굴절능이 부여된다.
또한, 제4 유리 렌즈(L4)는 아베수 50 이상의 유리 렌즈로 제작되고, 가장 높은 굴절능을 가져서 온도 변화에 따른 해상도 변화를 최소화할 수 있다.
또한, 제2 플라스틱 렌즈(L2) 및 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 양면이 비구면인 플라스틱 재질로 형성된다. 외부 환경과 비교적 가까이 위치하는 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 낮은 굴절능을 가져서 온도에 따른 해상도 변화를 최소로 한다. 외부 환경으로부터 가장 멀리 있으면서 결상면(180)과 가장 가까운 제5 유리 렌즈(L5)는 1.6 이상의 고굴절률을 가져서 렌즈 시스템의 해상도를 높일 수 있다.
본 발명의 광각 렌즈 시스템은 제1 유리 렌즈(L1), 제4 유리 렌즈(L4)와 제5 유리 렌즈(L5)의 3매의 유리 렌즈만을 사용하고, 양면이 모두 구면으로 되어 제작 단가를 줄일 수 있다. 제1 유리 렌즈(L1)는 외부 환경과 직접 맞닿는 최외각에 위치하므로 상대적으로 내구성이 강한 유리를 사용하여 스크래치 및 습도 등에 대해 효율적으로 대응할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 광각 렌즈 시스템은 전체 5매의 렌즈로 구성되고 유리 렌즈의 사용을 3매로 제한하여 초기 개발비용을 절감하면서, 광각의 고해상도를 구현함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 광각 렌즈 시스템은 전체 5매의 렌즈로 광각의 고해상도를 구현함으로써 근적외선 영역(700~950nm)에서도 초점 조절없이 우수한 해상도로 촬상이 가능한 장점이 있다.
이하에서는, 본 발명의 광각 렌즈 시스템의 제1 내지 제4 실시예를 설명하기로 한다.
제1 실시예
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 도 3b 내지 도 3d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이다. 도 3e 내지 도 3g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이다.
다음은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 설계 데이터를 나타낸다.
렌즈 면 곡률반경 두께 국절률 아베수 초점거리 굴절능
제1 유리렌즈 제1면 100.000 0.595 1.52249 59.5 -6.61938 0.433914
제2면 3.980 2.861
제2 플라스틱렌즈 제1면 -5.639 2.856 1.642506 22.5 20.61628 0.167343
제2면 -4.739 3.580
제3 플라스틱렌즈 제1면 12.730 1.351 1.642506 22.5 -24.8457 0.138857
제2면 6.788 0.230
제4 유리렌즈 제1면 5.293 2.411 1.617998 63.4 3.479906 0.991406
제2면 -2.992 0
제5 유리렌즈 제1면 -2.992 1.146 1.784721 25.7 -11.0969 0.270546
제2면 -4.987
여기서, F넘버는 1.96, 전체 초점거리는 3.45mm, 화각은 126°이다.
초점거리는 제4 유리 렌즈(L4)가 가장 짧다. 따라서, 제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능이 가장 높다. 굴절능은 초점거리의 역수이다. 제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능에 비해 다른 렌즈의 굴절능이 높아지면 온도에 민감한 렌즈 시스템이 되어 바람직하지 않다.
│Kn/Kt│는 각각의 렌즈의 굴절능을 전체 렌즈의 굴절능으로 나눈 값에 절대값을 취한 것으로서, 전체 렌즈의 굴절능 대비 각각의 렌즈의 굴절능의 비를 나타낸다.
제1 유리 렌즈(L1)의 굴절능은 다음의 조건식 1을 만족한다.
0.3 <│K1/Kt│< 0.8 [조건식 1]
여기서, K1은 제1 유리 렌즈(L1)의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.
제2 플라스틱 렌즈(L2)의 굴절능은 다음의 조건식 2를 만족한다.
0.01 <│K2/Kt│< 0.5 [조건식 2]
여기서, K2는 제2 플라스틱 렌즈(L2)의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.
제3 플라스틱 렌즈(L3)의 굴절능은 다음의 조건식 3을 만족한다.
0.01 <│K3/Kt│< 0.5 [조건식 3]
여기서, K3는 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.
제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능은 다음의 조건식 4을 만족한다.
0.7 <│K4/Kt│< 1.3 [조건식 4]
여기서, K4는 제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.
제5 유리 렌즈(L5)의 굴절능은 다음의 조건식 5를 만족한다.
0.1 <│K5/Kt│< 0.6 [조건식 5]
여기서, K5는 제5 유리 렌즈(L5)의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.
상기 조건식 1 내지 5로부터, 제1 유리 렌즈(L1), 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3), 제5 유리 렌즈(L5)의 굴절능은 전체 렌즈 시스템의 굴절능에서 낮은 비율을 차지함을 알 수 있다. 또한, 제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능은 전체 렌즈 시스템의 굴절능에서 높은 비율을 차지함을 알 수 있다. 이는 상대적으로 제1 유리 렌즈(L1), 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3), 제5 유리 렌즈(L5)에 낮은 굴절능을 부여하여 온도 변화에 따른 해상도 변화를 줄이기 위함이다.
본 실시예에서 사용되는 비구면에 관한 사항은 다음의 수학식 1로부터 얻어진다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, Z: 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리이며, Y: 광축에 수직인 방향으로의 거리이며, c: 렌즈의 정점에서 곡률 반경(r)의 역수이며, K: 코닉(Conic) 상수이며, A, B, C, D, E, F: 비구면 계수이다.
본 실시예에서 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 양면은 모두 비구면으로 형성된다. 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 코닉 상수와 비구면 계수는 다음과 같다.
구분 제2 플라스틱렌즈 제3 플라스틱렌즈
제1면 제2면 제1면 제2면
K 0 0.3726398 0 0
A4 0.001145 0.003434 0.008996 0.00991
A6 1.12E-05 -3.87E-05 -0.00031 -7.00E-05
A8 -3.08E-06 7.43E-07 -4.35E-05 -6.31E-05
A10 -4.91E-08 3.05E-07 4.81E-06 3.83E-06
도 3b, 도 3c 및 도 3d는 가시광선 영역의 각각의 온도(20℃, 80℃, -20℃)에서 렌즈 시스템의 해상도 그래프를 나타낸다.
그래프에서 가로축은 공간주파수(Spatial Frequency)를 나타내고, 이러한 공간주파수의 값이 높을수록 높은 해상도를 나타낸다. 예를 들어, 가로축의 가장 높은 값 160은 1mm 안에 블랙과 화이트의 화소쌍(1 cycle)이 160개 들어 있다는 의미이다.
세로축은 변조전달함수(Modulation Transfer Function; MTF)를 나타내고, 이는 화소쌍을 분해할 수 있는 정도를 나타낸다. 변조전달함수는 렌즈계가 공간주파수를 얼마나 잘 통과시켜 상 면으로 전달하는지를 나타내는 함수이다. 어떠한 화상(여러 종류의 공간주파수)이 렌즈계를 통과한 후, 상 면에서 같은 밝기로 재현되면 변조전달 함수의 값은 "1"이 되고, 상 면에서 화상이 완전히 사라지면 "0"이 된다.
또한, 그래프에서 선의 색깔, 직선, 점선 등은 각각의 위치 마다의 해상도를 나타낸다. 예를 들어, 그래프에서 파란색 실선은 렌즈의 중심으로 들어오는 빛의 해상도이고, 초록색은 22.05°(반각)로 들어오는 빛, 빨간색은 44.10°(반각)로 들어오는 빛, 노란색은 63.00°(반각)로 들어오는 빛을 나타낸다. 이러한 선의 색깔은 대표적인 4개 지점(0°, 22.05°, 44.10°, 63.00°)에서 렌즈로 유입되는 빛을 나타낸다.
도 3b 내지 도 3d를 살펴보면, 20℃에서 광각 렌즈 시스템의 해상도가 80℃, -20℃에서도 비슷하게 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광각 렌즈 시스템은 전체 렌즈의 매수를 줄이면서 유리 렌즈의 사용을 2매로 제한하여 제작비용을 절감할 수 있다. 또한, 광각의 고해상도를 실현함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있다.
제2 실시예
도 4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 도 4b 내지 도 4d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이다. 도 4e 내지 도 4g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이다.
다음은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 설계 데이터를 나타낸다.
렌즈 면 곡률반경 두께 굴절률 아베수 초점거리 굴절능
제1 유리렌즈 제1면 100.000 0.590 1.768422 49.3 -5.8876 0.614852
제2면 4.317 2.231
제2 플라스틱렌즈 제1면 -3.774 1.991 1.533436 55.7 143.3064 0.025261
제2면 -4.255 3.206
제3 플라스틱렌즈 제1면 7.282 3.538 1.632413 23.3 56.76925 0.063767
제2면 7.415 0.174
제4 유리렌즈 제1면 4.938 2.333 1.618 63.4 3.373318 1.073127
제2면 -2.957 0
제5 유리렌즈 제1면 -2.957 0.585 1.805195 25.5 -7.52382 0.481138
제2면 -6.285
여기서, F넘버는 1.99, 전체 초점거리는 3.62mm, 화각은 127°이다.
초점거리는 제4 유리 렌즈(L4)가 가장 짧다. 따라서, 제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능이 가장 높다. 또한, 각각의 렌즈의 굴절능은 상기 조건식 1 내지 5를 만족한다.
본 실시예에서 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 양면은 모두 비구면으로 형성된다. 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 코닉 상수와 비구면 계수는 다음과 같다.
구분 제2 플라스틱렌즈 제3 플라스틱렌즈
제1면 제2면 제1면 제2면
K 0 -0.9305721 0 0
A4 0.004106 0.004054 0.003712 0.004303
A6 0.000222 -2.31E-05 -0.00014 5.73E-05
A8 -1.56E-05 2.06E-06 2.70E-06 -5.36E-06
A10 1.18E-06 4.37E-08 2.43E-07 -2.88E-07
도 4b, 도 4c 및 도 4d는 가시광선 영역의 각각의 온도(20℃, 80℃, -20℃)에서 렌즈 시스템의 해상도 그래프를 나타낸다.
그래프에서 선의 색깔, 직선, 점선 등은 각각의 위치 마다의 해상도를 나타낸다. 예를 들어, 그래프에서 파란색 실선은 렌즈의 중심으로 들어오는 빛의 해상도이고, 초록색은 22.52°(반각)로 들어오는 빛, 빨간색은 43.05°(반각)로 들어오는 빛, 노란색은 61.50°(반각)로 들어오는 빛을 나타낸다.
도 4b 내지 도 4d를 살펴보면, 20℃에서 광각 렌즈 시스템의 해상도가 80℃, -20℃에서도 비슷하게 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광각 렌즈 시스템은 전체 렌즈의 매수를 줄이면서 유리 렌즈의 사용을 2매로 제한하여 제작비용을 절감할 수 있다. 또한, 광각의 고해상도를 실현함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있다.
도 4e, 도 4f 및 도 4g는 근적외선 영역의 각각의 온도(20℃, 80℃, -20℃)에서 렌즈 시스템의 해상도 그래프를 나타낸다.
도 4e 내지 도 4g를 살펴보면, 근적외선 영역의 20℃에서 광각 렌즈 시스템의 해상도가 80℃, -20℃에서도 충분히 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광각 렌즈 시스템은 근적외선 영역에서도 별도의 초점 조절없이 우수한 해상도를 유지함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있다.
제3 실시예
도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 도 5b 내지 도 5d는 가시광선 영역에서 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이다. 도 5e 내지 도 5g는 근적외선 영역에서 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 온도에 따른 해상도 그래프이다.
다음은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 렌즈 시스템의 설계 데이터를 나타낸다.
렌즈 면 곡률반경 두께 굴절률 아베수 초점거리 굴절능
제1 유리렌즈 제1면 144.527 0.496 1.496998 81.6 -8.29224 0.443788
제2면 4.002 2.867
제2 플라스틱렌즈 제1면 -5.212 3.512 1.642506 22.5 -75.8863 0.048494
제2면 -7.374 0.649
제3 플라스틱렌즈 제1면 8.523 3.703 1.642506 22.5 -3714.08 0.000991
제2면 7.049 0.221
제4 유리렌즈 제1면 5.152 2.187 1.617998 63.4 3.280336 1.121836
제2면 -2.800 0
제5 유리렌즈 제1면 -2.800 0.839 1.805189 25.5 -9.44275 0.389717
제2면 -5.026
여기서, F넘버는 1.97, 전체 초점거리는 3.68mm, 화각은 125°이다.
초점거리는 제4 유리 렌즈(L4)가 가장 짧다. 따라서, 제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능이 가장 높다. 또한, 각각의 렌즈의 굴절능은 상기 조건식 1 내지 5를 만족한다.
본 실시예에서 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 양면은 모두 비구면으로 형성된다. 제2 플라스틱 렌즈(L2), 제3 플라스틱 렌즈(L3)의 코닉 상수와 비구면 계수는 다음과 같다.
구분 제2 플라스틱렌즈 제3 플라스틱렌즈
제1면 제2면 제1면 제2면
K 0 0 0 0
A4 0.002892 0.014461 0.014888 0.005717
A6 -0.00013 -0.00189 -0.00236 2.51E-05
A8 -1.29E-05 0.000143 0.000251 -7.48E-06
A10 1.26E-06 -4.74E-06 -1.23E-05 -4.42E-08
그래프에서 선의 색깔, 직선, 점선 등은 각각의 위치 마다의 해상도를 나타낸다. 예를 들어, 그래프에서 파란색 실선은 렌즈의 중심으로 들어오는 빛의 해상도이고, 초록색은 21.00°(반각)로 들어오는 빛, 빨간색은 42.00°(반각)로 들어오는 빛, 노란색은 60°(반각)로 들어오는 빛을 나타낸다.
도 5b 내지 도 5d를 살펴보면, 20℃에서 광각 렌즈 시스템의 해상도가 80℃, -20℃에서도 비슷하게 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광각 렌즈 시스템은 전체 렌즈의 매수를 줄이면서 유리 렌즈의 사용을 2매로 제한하여 제작비용을 절감할 수 있다. 또한, 광각의 고해상도를 실현함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있다.
도 5e, 도 5f 및 도 5g는 근적외선 영역의 각각의 온도(20℃, 80℃, -20℃)에서 렌즈 시스템의 해상도 그래프를 나타낸다.
도 5e 내지 도 5g를 살펴보면, 근적외선 영역의 20에서 광각 렌즈 시스템의 해상도가 80℃, -20℃에서도 충분히 유지됨을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템은 가시광선 영역과 근적외선 영역 모두에서 피사체를 고해상도로 촬상함과 동시에 폭넓은 온도 변화(-20℃~80℃)에서도 해상도를 보증할 수 있다. 또한, 센서 쪽으로부터의 2매의 렌즈가 유리로 되어 있어, 센서로부터 발생된 열에 의해 플라스틱 렌즈가 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 플라스틱 렌즈를 2매로 제한하여 온도 보상을 함과 동시에 초기 개발 비용을 절감할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
111, 121, 131, 141, 151: 물체측 면
112, 122, 132, 142, 152: 상측 면 160 : 조리개
170 : 광학 필터 180 : 결상면
L1 : 제1 유리 렌즈 L2 : 제2 플라스틱 렌즈
L3 : 제3 플라스틱 렌즈 L4 : 제4 유리 렌즈
L5 : 제5 유리 렌즈

Claims (4)

  1. 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템에 있어서,
    물체측으로부터 순서대로 양면이 구면이고 초점거리가 음수이며 물체측으로 볼록하고 상측으로 오목한 매니스커스 타입이고, 물체측 면(111)의 곡률반경이 상측 면(112)의 곡률반경보다 큰 제1 유리 렌즈(L1)와;
    초점거리가 음수이고 물체측으로 오목하고 상측으로 볼록하며 굴절률이 1.6 이상의 재질로 형성된 양면이 비구면인 제2 플라스틱 렌즈(L2)와;
    조리개(160)와;
    초점거리가 음수 또는 양수이고 물체측으로 볼록하고 상측으로 오목한 매니스커스 타입이고, 굴절률이 1.6 이상의 재질로 형성된 양면이 비구면인 제3 플라스틱 렌즈(L3)와;
    양면이 구면이고 초점거리가 양수이며 물체측으로 볼록하고 상측으로 볼록하며, 아베수 50 이상의 재질로 형성된 제4 유리 렌즈(L4); 및
    양면이 구면이고 초점거리가 음수이며 물체측으로 오목하고 상측으로 볼록한 매니스커스 타입이고, 굴절률이 1.6 이상이고 아베수 30 이하의 재질로 형성된 제5 유리 렌즈(L5);를 포함하며;
    상기 제4 유리 렌즈(L4)와 제5 유리 렌즈(L5)는 접합되어 파장별 색수차보정을 하며;
    다음의 조건을 만족하는 가시광선 및 근적외선용 광각렌즈 시스템.
    0.3 <│K1/Kt│< 0.8
    0.01 <│K2/Kt│< 0.5
    0.01 <│K3/Kt│< 0.5
    0.7 <│K4/Kt│< 1.3
    0.1 <│K5/Kt│< 0.6
    여기서, K1은 제1 유리 렌즈의 굴절능이고, K2는 제2 플라스틱 렌즈의 굴절능이고, K3는 제3 플라스틱 렌즈의 굴절능이고, K4는 제4 유리 렌즈의 굴절능이고, K5는 제5 유리 렌즈의 굴절능이고, Kt는 전체 렌즈계의 굴절능이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 유리 렌즈(L4)와 제5 유리 렌즈(L5)는 아베수 30 이상의 차이가 나는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 렌즈 중에서 제4 유리 렌즈(L4)의 굴절능이 가장 높은 것을 특징으로 하는 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 플라스틱 렌즈(L2)와 제3 플라스틱 렌즈(L3)는 고굴절의 플라스틱 소재로 제작되어 온도 변화에 둔감한 것을 특징으로 하는 가시광선 및 근적외선용 광각 렌즈 시스템.
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