KR20180072975A - 촬상 광학계 - Google Patents

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KR20180072975A
KR20180072975A KR1020160176315A KR20160176315A KR20180072975A KR 20180072975 A KR20180072975 A KR 20180072975A KR 1020160176315 A KR1020160176315 A KR 1020160176315A KR 20160176315 A KR20160176315 A KR 20160176315A KR 20180072975 A KR20180072975 A KR 20180072975A
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김학철
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 정의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 오목한 제1 렌즈; 정의 굴절력을 갖고, 상측 면이 오목한 제2 렌즈; 제3 렌즈; 제4 렌즈 및 제5 렌즈;를 포함하며, 상기 제1 렌즈 내지 상기 제5 렌즈는 물체측으로부터 순서대로 배치될 수 있다.

Description

촬상 광학계{Optical system}
본 발명은 촬상 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 단말기, 컴퓨터 및 차량 등에서는 주변의 영상을 촬영할 수 있도록 카메라가 장착된다.
이동통신 단말기의 슬림화 경향에 따라, 카메라도 소형이면서 높은 화질을 갖는 것이 요구되고 있다.
한편, 차량용 카메라에 있어서도 운전자의 시야를 가리지 않고 미관을 해치지 않도록 소형이면서 고화질의 카메라가 요구되고 있다.
특히, 차량의 백미러에 사용되는 카메라의 경우 주행 중 후방 시야를 확보하기 위하여 선명한 영상을 촬영할 수 있어야 하므로, 고화질의 카메라가 요구된다.
또한, 차량에 사용되는 카메라는 조도가 낮은 야간에도 물체를 선명하게 촬영할 수 있어야 하므로, 작은 크기를 가지면서 가시광선 영역 및 근적외선 영역에서 모두 촬영이 가능한 렌즈 시스템이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 수차 개선 효과를 향상시킴과 아울러 고해상도를 구현할 수 있고, 조도가 낮은 환경에서도 촬영이 가능하며, 폭넓은 온도 변화에서도 해상도의 편차가 크지 않은 촬상 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 정의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 오목한 제1 렌즈; 정의 굴절력을 갖고, 상측 면이 오목한 제2 렌즈; 제3 렌즈; 제4 렌즈 및 제5 렌즈;를 포함하며, 상기 제1 렌즈 내지 상기 제5 렌즈는 물체측으로부터 순서대로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계에 의하면, 수차 개선 효과를 향상시킴과 아울러 고해상도를 구현할 수 있고, 조도가 낮은 환경에서도 촬영이 가능하며, 폭넓은 온도 변화에서도 해상도의 편차가 크지 않도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도이고,
도 2는 도 1에 도시된 촬상 광학계의 수차 특성을 나타낸 곡선이고,
도 3은 도 1에 도시된 촬상 광학계의 각 렌즈 특성을 나타낸 표이고,
도 4는 도 1에 도시된 촬상 광학계의 렌즈의 비구면 계수를 나타낸 표이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도이고,
도 6은 도 5에 도시된 촬상 광학계의 수차 특성을 나타낸 곡선이고,
도 7은 도 5에 도시된 촬상 광학계의 각 렌즈 특성을 나타낸 표이고,
도 8은 도 5에 도시된 촬상 광학계의 렌즈의 비구면 계수를 나타낸 표이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니한다.
예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하의 렌즈 구성도에서 렌즈의 두께, 크기 및 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 렌즈 구성도에서 제시된 구면 또는 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되는 것은 아니다.
제1 렌즈는 물체측에 가장 가까운 렌즈를 의미하고, 제5 렌즈는 이미지 센서에 가장 가까운 렌즈를 의미한다.
또한, 각각의 렌즈에서 제1 면은 물체측에 가까운 면(또는, 물체측 면)을 의미하고, 제2 면은 상측에 가까운 면(또는, 상측 면)을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 렌즈의 곡률 반지름(Radius), 두께(Thickness), Y(이미지 센서의 상면의 대각 길이의 1/2) 등에 대한 수치는 모두 ㎜ 단위이고, FOV(촬상 광학계의 화각)의 단위는 Degree 이다.
아울러, 각 렌즈의 형상에 대한 설명에서 일면이 볼록한 형상이라는 의미는 해당 면의 근축 영역 부분이 볼록하다는 의미이고, 일면이 오목한 형상이라는 의미는 해당 면의 근축 영역 부분이 오목하다는 의미이다. 따라서, 렌즈의 일면이 볼록한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 오목할 수 있다. 마찬가지로, 렌즈의 일면이 오목한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 볼록할 수 있다.
한편, 근축 영역(Paraxial Region)이라 함은 광축 근처의 매우 좁은 영역을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 5매의 렌즈를 포함한다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 물체측으로부터 순서대로 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 포함한다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계가 5매의 렌즈로만 구성되는 것은 아니며 필요에 따라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 촬상 광학계는 입사된 피사체의 상을 전기신호로 변환하기 위한 이미지 센서를 더 포함할 수 있다. 이미지 센서는 가시광선 영역뿐만 아니라 근적외선 영역에서도 물체를 촬영할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 촬상 광학계는 광량을 조절하기 위한 조리개를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 조리개는 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계를 구성하는 제1 렌즈 내지 제5 렌즈 중 일부는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있고, 나머지는 유리 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 유리 재질의 렌즈는 플라스틱 재질의 렌즈와 광학 특성이 다를 수 있다.
예를 들어, 제1 렌즈 내지 제4 렌즈는 유리 재질일 수 있고, 제5 렌즈는 플라스틱 재질일 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계를 구성하는 제1 렌즈 내지 제5 렌즈 중 일부는 구면 렌즈일 수 있고, 나머지는 비구면 렌즈일 수 있다.
일 예로, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 제1 면과 제2 면이 구면일 수 있고, 제5 렌즈는 적어도 하나의 비구면을 가질 수 있다.
제5 렌즈의 비구면은 수학식 1로 표현된다.
Figure pat00001
수학식 1에서 c는 렌즈의 곡률(곡률 반지름의 역수)이고, K는 코닉 상수이고, Y는 렌즈의 비구면 상의 임의의 점으로부터 광축까지의 거리를 나타낸다. 아울러, 상수 A ~ F는 비구면 계수를 의미한다. 그리고 Z는 렌즈의 비구면 상의 임의의 점으로부터 해당 비구면의 정점까지의 거리를 나타낸다.
제1 렌즈 내지 제5 렌즈로 구성된 촬상 광학계는 물체측으로부터 순서대로 정/정/부/정/부의 굴절력을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 아래의 조건식들을 만족할 수 있다.
[조건식 1] -6.5 < {(1/f)*(Y/tanθ)-1}*100 < -1.0
[조건식 2] TTL/(2Y) < 2.0
[조건식 3] -7.0 < R1/f < 5.0
[조건식 4] -0.5 < (R1+R2)/(R1-R2) < 5.5
[조건식 5] 0.1 < f/f1 < 0.6
[조건식 6] -2.5 < f/f3 < -1.0
[조건식 7] 1.5 < f/EPD < 2.4
[조건식 8] 5.0 < (T1+T2)/T3 < 12.0
[조건식 9] v5 < 24
조건식들에서 f는 촬상 광학계의 전체 초점거리이고, Y는 이미지 센서의 상면의 대각 길이의 1/2이고, θ는 촬상 광학계의 반화각이고, TTL은 제1 렌즈의 물체측 면으로부터 이미지 센서의 상면까지의 거리이고, R1은 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경이고, R2는 제1 렌즈의 상측 면의 곡률 반경이고, f1은 제1 렌즈의 초점거리이고, f3은 제3 렌즈의 초점거리이고, EPD는 촬상 광학계의 입사동의 직경이고, T1은 제1 렌즈의 두께이고, T2는 제2 렌즈의 두께이고, T3는 제3 렌즈의 두께이고, v5는 제5 렌즈의 아베수이다.
한편, 렌즈의 두께는 근축 영역에서의 두께를 의미한다.
다음에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계를 구성하는 제1 렌즈 내지 제5 렌즈를 설명한다.
제1 렌즈는 정의 굴절력을 가진다. 아울러, 제1 렌즈는 상측으로 볼록한 메니스커스 형상일 수 있다. 부연 설명하면, 제1 렌즈의 제1 면은 근축 영역에서 오목하고, 제2 면은 근축 영역에서 볼록한 형상일 수 있다.
제1 렌즈의 양면은 모두 구면일 수 있다.
제2 렌즈는 정의 굴절력을 가진다. 아울러, 제2 렌즈는 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상일 수 있다. 부연 설명하면, 제2 렌즈의 제1 면은 근축 영역에서 볼록하고, 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상일 수 있다.
제2 렌즈의 양면은 모두 구면일 수 있다.
제3 렌즈는 부의 굴절력을 가진다. 아울러, 제3 렌즈는 양면이 오목한 형상일 수 있다. 부연 설명하면, 제3 렌즈의 제1 면과 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상일 수 있다.
제3 렌즈의 양면은 모두 구면일 수 있다.
제4 렌즈는 정의 굴절력을 가진다. 아울러, 제4 렌즈는 상측으로 볼록한 메니스커스 형상일 수 있다. 부연 설명하면, 제4 렌즈의 제1 면은 근축 영역에서 오목하고, 제2 면은 근축 영역에서 볼록한 형상일 수 있다.
제4 렌즈의 양면은 모두 구면일 수 있다.
제5 렌즈는 부의 굴절력을 가진다. 아울러, 제5 렌즈는 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상일 수 있다. 부연 설명하면, 제5 렌즈의 제1 면은 근축 영역에서 볼록하고, 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상일 수 있다.
제5 렌즈는 제1 면 및 제2 면 중 적어도 한 면이 비구면일 수 있다. 예를 들어, 제5 렌즈의 양면은 모두 비구면일 수 있다.
위와 같이 구성된 촬상 광학계는 다수의 렌즈가 수차 보정 기능을 수행하므로 수차 개선 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상 광학계는 2.22 이하의 Fno(촬상 광학계의 밝기를 나타내는 상수)를 가지므로, 조도가 낮은 환경에서도 물체를 선명하게 촬영할 수 있다.
또한, 가시광선 영역 및 근적외선 영역 모두에서 물체를 선명하게 촬영할 수 있다.
아울러, 본 촬상 광학계는 제1 렌즈 내지 제4 렌즈를 구면 렌즈로 구성하므로 제작비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 촬상 광학계는 제1 렌즈 내지 제4 렌즈를 열팽창계수가 상대적으로 작은 유리 재질로 형성하므로, -40 ~ 80 ℃의 온도 범위에서도 일정한 해상도를 보증할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 온도 변화폭이 큰 환경에서도 높은 해상도를 구현할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계는 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120), 제3 렌즈(130), 제4 렌즈(140) 및 제5 렌즈(150)를 구비하는 광학계를 포함하고, 조리개(ST) 및 이미지 센서(160)를 더 포함할 수 있다.
각 렌즈의 렌즈 특성(곡률 반지름(Radius), 렌즈의 두께(Thickness) 또는 렌즈들 간의 거리, 굴절률(Index), 아베수(Abbe수))은 도 3에 도시된 표와 같다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계의 전체 초점거리(f)는 7.5 mm이고, Fno(촬상 광학계의 밝기를 나타내는 상수)는 2.22이며, 화각은 43.51°이다.
본 발명의 제1 실시예에서, 제1 렌즈(110)는 정의 굴절력을 가지며, 제1 렌즈(110)의 제1 면은 근축 영역에서 오목한 형상이고, 제1 렌즈(110)의 제2 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이다.
제2 렌즈(120)는 정의 굴절력을 가지며, 제2 렌즈(120)의 제1 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이고, 제2 렌즈(120)의 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상이다.
제3 렌즈(130)는 부의 굴절력을 가지며, 제3 렌즈(130)의 제1 면과 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상이다.
제4 렌즈(140)는 정의 굴절력을 가지며, 제4 렌즈(140)의 제1 면은 근축 영역에서 오목한 형상이고, 제2 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이다.
제5 렌즈(150)는 부의 굴절력을 가지며, 제5 렌즈(150)의 제1 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이고, 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상이다.
한편, 제5 렌즈(150)의 각 면은 도 4에 도시된 바와 같은 비구면 계수를 가진다. 예를 들어, 제5 렌즈(150)는 제1 면과 제2 면이 모두 비구면이고, 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120), 제3 렌즈(130) 및 제4 렌즈(140)는 제1 면과 제2 면이 모두 구면이다.
또한, 제1 렌즈(110) 내지 제4 렌즈(140)는 유리 재질로 형성되고, 제5 렌즈(150)는 플라스틱 재질로 형성된다.
그리고, 조리개(ST)는 제2 렌즈(120)와 제3 렌즈(130) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 이와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 2에 도시된 수차 특성을 가질 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계는 제1 렌즈(210), 제2 렌즈(220), 제3 렌즈(230), 제4 렌즈(240) 및 제5 렌즈(250)를 구비하는 광학계를 포함하고, 조리개(ST) 및 이미지 센서(260)를 더 포함할 수 있다.
각 렌즈의 렌즈 특성(곡률 반지름(Radius), 렌즈의 두께(Thickness) 또는 렌즈들 간의 거리, 굴절률(Index), 아베수(Abbe수))은 도 7에 도시된 표와 같다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계의 전체 초점거리(f)는 7.0 mm이고, Fno(촬상 광학계의 밝기를 나타내는 상수)는 2.06이며, 화각은 46.4°이다.
본 발명의 제2 실시예에서, 제1 렌즈(210)는 정의 굴절력을 가지며, 제1 렌즈(210)의 제1 면은 근축 영역에서 오목한 형상이고, 제1 렌즈(210)의 제2 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이다.
제2 렌즈(220)는 정의 굴절력을 가지며, 제2 렌즈(220)의 제1 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이고, 제2 렌즈(220)의 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상이다.
제3 렌즈(230)는 부의 굴절력을 가지며, 제3 렌즈(230)의 제1 면과 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상이다.
제4 렌즈(240)는 정의 굴절력을 가지며, 제4 렌즈(240)의 제1 면은 근축 영역에서 오목한 형상이고, 제2 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이다.
제5 렌즈(250)는 부의 굴절력을 가지며, 제5 렌즈(250)의 제1 면은 근축 영역에서 볼록한 형상이고, 제2 면은 근축 영역에서 오목한 형상이다.
한편, 제5 렌즈(250)의 각 면은 도 8에 도시된 바와 같은 비구면 계수를 가진다. 예를 들어, 제5 렌즈(250)는 제1 면과 제2 면이 모두 비구면이고, 제1 렌즈(210), 제2 렌즈(220), 제3 렌즈(230) 및 제4 렌즈(240)는 제1 면과 제2 면이 모두 구면이다.
또한, 제1 렌즈(210) 내지 제4 렌즈(240)는 유리 재질로 형성되고, 제5 렌즈(250)는 플라스틱 재질로 형성된다.
그리고, 조리개(ST)는 제2 렌즈(220)와 제3 렌즈(230) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 이와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 6에 도시된 수차 특성을 가질 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
110, 210: 제1 렌즈
120, 220: 제2 렌즈
130, 230: 제3 렌즈
140, 240: 제4 렌즈
150, 250: 제5 렌즈
160, 260: 이미지 센서

Claims (16)

  1. 물체측으로부터 순서대로 배치된,
    정의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 오목한 제1 렌즈;
    정의 굴절력을 갖고, 상측 면이 오목한 제2 렌즈;
    제3 렌즈;
    제4 렌즈 및
    제5 렌즈;를 포함하는 촬상 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 물체측 면과 상측 면이 구면이고, 상기 제5 렌즈는 물체측 면과 상측 면이 비구면인 촬상 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 상기 제4 렌즈는 유리 재질로 형성되고, 상기 제5 렌즈는 플라스틱 재질로 형성되는 촬상 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈는 부의 굴절력을 갖고, 물체측 면과 상측 면이 오목한 촬상 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제4 렌즈는 정의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 오목하고, 상측 면이 볼록한 촬상 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제5 렌즈는 부의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 볼록하고, 상측 면이 오목한 촬상 광학계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촬상 광학계의 전체 초점거리를 f, 이미지 센서의 상면의 대각길이의 절반을 Y, 상기 촬상 광학계의 반화각을 θ라 할 때,
    -6.5 < {(1/f)*(Y/tanθ)-1}*100 < -1.0를 만족하는 촬상 광학계.

  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 물체측 면으로부터 이미지 센서의 상면까지의 거리를 TTL, 상기 이미지 센서의 상면의 대각길이의 절반을 Y라 할 때,
    TTL/(2Y) < 2.0을 만족하는 촬상 광학계.

  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경을 R1, 상기 촬상 광학계의 전체 초점거리를 f라 할 때,
    -7.0 < R1/f < 5.0를 만족하는 촬상 광학계.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경을 R1, 상기 제1 렌즈의 상측 면의 곡률 반경을 R2라 할 때,
    -0.5 < (R1+R2)/(R1-R2) < 5.5를 만족하는 촬상 광학계.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촬상 광학계의 전체 초점거리를 f, 상기 제1 렌즈의 초점거리를 f1이라 할 때,
    0.1 < f/f1 < 0.6을 만족하는 촬상 광학계.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 촬상 광학계의 전체 초점거리를 f, 상기 촬상 광학계의 입사동 직경을 EPD라 할 때,
    1.5 < f/EPD < 2.4를 만족하는 촬상 광학계.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 두께를 T1, 상기 제2 렌즈의 두께를 T2, 상기 제3 렌즈의 두께를 T3라 할 때,
    5.0 < (T1+T2)/T3 < 12.0을 만족하는 촬상 광학계.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제5 렌즈의 아베수를 v5라 할 때,
    v5 < 24를 만족하는 촬상 광학계.
  15. 물체측으로부터 순서대로 배치된,
    정의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 오목한 제1 렌즈;
    정의 굴절력을 갖는 제2 렌즈;
    부의 굴절력을 갖는 제3 렌즈;
    정의 굴절력을 갖는 제4 렌즈 및
    부의 굴절력을 갖는 제5 렌즈;를 포함하며,
    상기 제5 렌즈는 플라스틱 재질로 형성되고, 물체측 면과 상측 면이 비구면인 촬상 광학계.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 상기 제4 렌즈의 재질은 상기 제5 렌즈와 광학 특성이 다른 재질이며, 상기 제1 렌즈 내지 상기 제4 렌즈는 물체측 면과 상측 면이 구면인 촬상 광학계.
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