KR20190005322A

KR20190005322A - 저조도 카메라용 광학계

Info

Publication number: KR20190005322A
Application number: KR1020170085796A
Authority: KR
Inventors: 박규흠
Original assignee: 주식회사 나오텍
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-16
Also published as: KR101970218B1

Abstract

급격한 저조도 변화 환경에서도 차선 등의 피사체 인식 속도를 빠르게 하는 광학계에 관한 발명. 본 발명의 저조도 카메라용 광학계는 물체(피사체)측에서 결상측으로 순차적으로 배열된 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 조리개(60), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 제5렌즈(50)를 포함한다. 제1렌즈(10)는, 물체측(O)으로 볼록면(12)을 갖고 결상측(I)으로 오목면(14)을 갖는 음의 배율 렌즈이다. 제2렌즈(20)는 상기 제1렌즈(10)로부터 결상측으로 일정 간격 이격되어 배치되고, 물체측으로 볼록면(22)을 갖고 결상측으로 오목면(24)을 갖는 음의 배율 렌즈이다. 조리개(60)는 상기 제2렌즈(20)를 통과하는 빛을 선택적으로 수렴하는 역할을 한다. 제3렌즈(30)는 물체측으로는 비구면의 오목면(32)을 갖고 결상측으로는 비구면의 볼록면(34)을 갖는 양의 배율의 비구면 렌즈이다. 제4렌즈(40)는 상기 제3렌즈(30)의 결상측에 간격을 두고 배치되는 구면렌즈로, 물체측으로 제1볼록면(42)을 갖고 결상측으로 제2볼록면(44)을 갖는 양의 배율 렌즈이다. 제5렌즈(50)는 제4렌즈(40)를 통과해 받은 상을 이미지 촬상소자(70)의 이미지면으로 전달하는 것으로 제4렌즈(40)와 접하는 접합형태의 구면 렌즈로서, 물체측으로 제4렌즈(40)와 접하는 제1오목면(52)을 가지며 결상측으로 제2오목면(54)을 갖는 양의 배율 렌즈이다.

Description

저조도 카메라용 광학계{OPTICAL SYSTEM FOR LOW LIGHT CAMERAS}

본 발명은 저조도 카메라용 광학계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LDWS(Lane Departure Warning System), LKAS(Lane Keeping Assistance System) 등 주변 광의 저조도 조건에서도 매우 뛰어난 F.#(F수)를 통해 차선 이탈 등에 대한 우수한 인식 능력을 발휘하는 저조도 카메라용 광학계에 관한 것이다.

LDWS 또는 LKAS용 카메라는 차량주행 중에 차선의 이탈을 감지하여 이를 운전자에게 알리거나(Lane Departure Warning System - LDWS), 해당 차량의 조향 장치를 강제로 조정하도록 신호를 전달하는(Lane Keeping Assistant System - LKAS) 역할을 하며, CMOS 카메라를 그 예로 들 수 있다.

일반적인 LDWS 또는 LKAS용 카메라는 F.#(F수 또는 F값)이 2.0 이상의 렌즈 즉, 2.0, 2.4, 2.8 가량의 시야각을 갖는 렌즈를 사용하는데, 이 때 F.#값이 클수록 수시로 변화하는 차량 주변의 밝기에 대한 반응속도가 떨어져 (민감도 저하) 주행 중 터널 진입 전후 또는 지하차도 진입 전후 또는 지하 주차장 진입 전후 등 저조도 환경에서 차선 이탈의 감지성능에 문제가 발생할 수 있어 사고의 원인이 될 수 있다.

아울러, 기존 카메라용 렌즈는 화소가 VGA 수준이고 F.#은 2.0 이상으로 광학계의 물리적인 크기와 카메라 크기의 한계 등으로 인해 고해상도에 필요한 성능 및 낮은 조도에 필요한 작은 F.#을 하나의 광학계에 동시에 수용하지 못하고 있다.

국내등록특허 10-1089326 (2011.12.2. 공고)

본 발명의 목적은 저조도에서도 민감도를 극대화할 수 있도록 F.#를 최소한으로 확보하여(F.# 1.6), 급격한 저조도 변화 환경에서도 차선 등의 피사체 인식 속도를 빠르게 하는 광학계를 제안하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 광학계는 다음과 같은 요소들을 포함할 수 있다.

-피사체 물체측을 향하는 볼록면을 갖고 물체의 상이 출사되는 결상측으로 오목면을 갖는 음의 배율의 제1렌즈,

-상기 제1렌즈로부터 결상측으로 이격되어 배치되고, 물체측으로 볼록면을 갖고 결상측으로 오목면을 갖는 음의 배율의 제2렌즈,

-상기 제2렌즈의 결상측으로 간격을 두고 배치되어, 상기 제2렌즈를 통과하는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개,

-상기 조리개에 결상측으로 간격을 두고 배치되는 비구면 렌즈로서, 물체측으로는 비구면의 오목면을 갖고 결상측으로는 비구면의 볼록면을 갖는 양의 배율의 제3렌즈,

-상기 제3렌즈의 결상측에 간격을 두고 배치되며 물체측으로 제1볼록면을 갖고 결상측으로 제2볼록면을 갖는 양의 배율의 제4렌즈,

-물체측으로 상기 제4렌즈와 접하는 제1오목면을 가지며 결상측으로 제2오목면을 갖는 양의 배율의 렌즈로, 상기 제4렌즈를 통과해 받은 상을 이미지면으로 전달하는 제5렌즈.

발명의 한 실시형태에 따르면, 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제4렌즈, 제5렌즈는 구면 렌즈 형태인 것이 바람직하다.

또한 상기 제1렌즈의 볼록면의 곡률은 오목면의 곡률보다 더 큰 것이 바람직하다.

또한 상기 제2렌즈의 볼록면의 곡률은 오목면의 곡률보다 더 작은 것이 바람직하다.

또한 상기 제3렌즈의 오목면의 비구면 계수값은, K: 1.694567, A: -.847009×10^-3, B: .340963×10^-4, C: -.183980×10^-4, D: -.229846×10^-5, E: 0.237510×10^-6이고, 볼록면의 비구면 계수값은, K: 0.482289, A: 0.122786×10^-2, B: -.917246×10^-4, C: 0.514139×10^-4, D: -.653113×10^-5 (단, K, A, B, C, D, E의 의미는 차례대로 코닉상수, 4차 계수, 6차 계수, 8차 계수, 10차 계수, 12차 계수임)가 되도록 제3렌즈를 형성하는 것이 바람직하다.

또한 상기 제4렌즈의 제1볼록면과 제2볼록면의 곡률은 동일한 것이 바람직하다.

또한 상기 제5렌즈의 제1오목면의 곡률은 제2오목면의 곡률보다 더 작은 것이 바람직하다.

또한 상기 제4렌즈와 상기 제5렌즈는, 제4렌즈의 제2볼록면이 제5렌즈의 제1오목면과 접촉되는 접합형태 렌즈인 것이 바람직하다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부 도면과 함께 이하에서 상세하게 설명하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

본 발명에 의하면, 저조도 환경에서도 카메라의 피사체 인식률과 주변 광량 급변에 따른 민감도를 확보하고 동시에 기존의 VGA 또는 HD 수준의 광학 성능을 Full HD 수준의 광학 성능으로 개량함으로써, 수시로 급변하는 주변 광량에서, 예컨대, 자동차용 LDWS, LKAS 등의 분야에서, 빠른 인식 및 고화질의 영상 재현 능력을 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 나타내는 도면
도 2는 도 1에 나타낸 광학계를 하우징에 조립한 어셈블리 형태의 제품 예시도
도 3a, 3b는 본 발명에 따른 광학계의 분해능을 나타내는 MTF 그래프
도 4는 본 발명에 따른 저조도 카메라용 광학계의 비점 수차 및 왜곡 수차 특성도

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광학계의 배열 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 저조도 카메라용 광학계는 좌측의 물체(피사체)측 'O'에서 우측의 결상측 'I'의 광축에 순차적으로 배열된 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 조리개(60), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 제5렌즈(50)를 포함한다. 각 구성에 관하여 구체적으로 설명한다.

제1렌즈(10)는, 물체측(O)으로 볼록면(12)을 갖고 결상측(I)으로 오목면(14)을 갖는 음의 배율 렌즈이다. 제1렌즈(10)는 물체측의 상을 받아들이고 그 다음의 렌즈(즉, 제2렌즈)로 전달하는 역할을 한다. 한 실시형태에서 제1렌즈(10)는 구면 렌즈이며, 볼록면(12)의 곡률은 10.800이고, 오목면(14)의 곡률은 4.120이다. 그리고 초점거리는 ―9.055624mm이다.

제2렌즈(20)는 상기 제1렌즈(10)로부터 결상측으로 일정 간격 이격되어 배치되고, 물체측으로 볼록면(22)을 갖고 결상측으로 오목면(24)을 갖는 음의 배율 렌즈이다. 제2렌즈(20)의 역할은 제1렌즈(100)로부터 받은 상을 조리개(60)의 직경에 맞게 모아주는 역할 및 다음 렌즈(제3렌즈)로 상을 전달하는 역할이다. 한 실시형태에서 제2렌즈(20)는 구면 렌즈이며, 제1렌즈(10)에서 이격된 거리는 1.68mm이고, 볼록면(22)의 곡률은 6.172, 오목면(24)의 곡률은 63.3826, 렌즈의 초점거리는 10.878343mm이다.

그 다음에 있는 조리개(60)는 상기 제2렌즈(20)의 결상측으로 간격을 두고 배치되어, 상기 제2렌즈(20)를 통과하는 빛을 선택적으로 수렴하는 역할을 한다. 한 실시형태에서 조리개(60)의 직경 D는 4.2mm이고, 제2렌즈(20)의 오목면(24)으로부터의 이격 거리는 0.11mm이다.

제3렌즈(30)는 상기 조리개(60)의 결상측에 간격을 두고 배치되는 비구면 렌즈이며, 물체측으로는 비구면의 오목면(32)을 갖고 결상측으로는 비구면의 볼록면(34)을 갖는 양의 배율의 비구면 렌즈이다. 한 실시형태에서 제3렌즈(30)의 오목면(32)의 비구면 계수값은, K: 1.694567, A: -.847009×10^-3, B: .340963×10^-4, C: -.183980×10^-4, D: -.229846×10^-5, E: 0.237510×10^-6이고, 볼록면(34)의 비구면 계수값은, K: 0.482289, A: 0.122786×10^-2, B: -.917246×10^-4, C: 0.514139×10^-4, D: -.653113×10^-5로 설정될 수 있다. 여기서, K, A, B, C, D, E의 의미는 차례대로 코닉상수, 4차 계수, 6차 계수, 8차 계수, 10차 계수, 12차 계수이다.

제4렌즈(40)는 상기 제3렌즈(30)의 결상측에 간격을 두고 배치되는 구면렌즈로, 물체측으로 제1볼록면(42)을 갖고 결상측으로 제2볼록면(44)을 갖는 양의 배율 렌즈이다. 제4렌즈(40)의 역할은 제3렌즈(30)에 전달된 상을 제5렌즈(50)로 전달하는 것이다. 한 실시형태에서 제3렌즈(30)의 볼록면(34)과의 간격은 0.1mm이고, 물체측의 제1볼록면(42)과 결상측의 제2볼록면(44)의 곡률은 둘 다 7.090이며, 촛점거리는 19.29598828mm이다.

제5렌즈(50)는 제4렌즈(40)와 접하는 접합형태의 구면 렌즈로서, 물체측으로 제4렌즈(40)와 접하는 제1오목면(52)을 가지며 결상측으로 제2오목면(54)을 갖는 양의 배율 렌즈이다. 제5렌즈(50)의 역할은 제4렌즈(40)를 통과해 받은 상을 이미지 촬상소자(70)의 이미지면으로 전달하는 것이다. 한 실시형태에서 제5렌즈(50)의 물체측의 제1오목면(52)과 결상측의 제2오목면(54)의 곡률은 각각 4.900, 13.036이고, 렌즈의 촛점거리는 -12.15809692mm이다.

도 1에서 최종적으로 제5렌즈(50)를 통과한 상은 이미지 촬상소자(70)의 이미지면에서 결상된다. 이미지 촬상소자(70)로는 본 발명의 출원 당시에 공지된 CCD 또는 CMOS 등을 사용할 수 있다.

아래의 표 1은 도 1에 나타낸 광학계의 주요 파라미터 값을 나타낸 것으로, 렌즈의 곡률반경, 중심 간격, 렌즈의 굴절률, 및 재질을 나타낸 것이다.

렌즈면	곡률 반경	중심간격	굴절률	재 질	비고
물체	무한	무한
1	10.8000	0.8000
2	4.1200	3.1537	1.772500	TAF1_HOYA
3	6.1721	1.2666
4	63.8260	0.1689	1.620409	BACD6_HOYA
5	무한	1.9870
6	-4.7800	2.8247	1.810000	K VC89
7	-4.1452	0.1000
8	7.0967	2.8768	1.772500	TAF1_HOYA
9	-4.9000	1.0000	1.846663	FDS90_HOYA
10	13.0361	0.4600
11	무한	0.4000	1.516798	BSC7_HOYA
12	무한	4.3219
상	무한	0.0042

한편, 본 발명에 따른 광학계의 기본 사양은 다음과 같다. 아래의 데이터는 광학계 설계 프로그램인 Code V로부터 추출된 데이터이다.

<INFINITE CONJUGATES>(물체가 무한대 있을 경우)

·Effective Focal Length(유효초점거리): 5.07 mm

·Back Focal Length(렌즈의 마지막면에서 이미지면까지의 거리): 2.5 mm

·Flange Focal Length(조립된 렌즈의 마지막면에서부터 이미지면까지의 거리): 1.77 mm

·F. No(렌즈의 밝기): 1.6

·IMAGE DISTORTION(이미지 왜곡): 2.5 %

·OAL(Over All Length, 전체길이): 16.97 mm

· PARAXIAL IMAGE(근축 이미지)

HEIGHT (Half): 4.14 mm

ANG (Half): 39.2 deg.

· ENTRANCE PUPIL(입사동)

DIAMETER: 3.08

THICKNESS: 3.49

· EXIT PUPIL(출사동)

DIAMETER: 9.07

THICKNESS: -12.3814

도 2는 도 1에 나타낸 광학계를 하우징(80) 내에 조립한 어셈블리 형태의 제품을 예시한다. 도 2에서 '82'는 위의 파라미터들 중 하나인 'Flange Focal Length'이고, '84'는 위의 파라미터들 중 하나인 'Back Focal Length'이다.

도 3a, 3b는 본 발명에 따른 광학계의 해상력(분해능)을 나타내는 MTF (Modulation Transfer Function) 그래프이다. 여기서, 각 색상별 점선과 실선은 상면의 x축과 y축을 의미하며, 이 그래프의 x축은 lp/mm (line pair per millimeter), y축은 분해능(%)을 의미한다. 분홍색을 예를 들면, 상측 주변부에 해당하는 영역의 해상력이며, 120 lp/mm 기준으로 30% 이상의 분해능을 가지므로, Full HD급이라 볼 수 있다.

MTF 그래프는, 이미지센서를 10개 등분으로 나누었을 때 중심부분 (axis) 부터 최외각부분인 1.0 field로 표시된다. 도 3a는 axis 부터 0.6 field 까지 나타낸 그래프이며, 도 3b는 0.7 field부터 1.0 field 까지 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 저조도 카메라용 광학계의 비점 수차(Astigmatic Aberration) 및 왜곡 수차(Distortion Aberration) 특성을 나타낸다. 도 4에서 좌측 그래프는 자오 상면 만곡(T: Tangential Field Curvature) 및 구결 상면 만곡(S: Sagittal Field Curvature)의 수차 특성을 도시화한 그래프이고, 오른쪽 그래프는 백분 왜곡(Distortion)을 도시화한 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 저조도 카메라용 광학계는 자오 상면 수차, 구결 상면 수차 및 백분 왜곡이 양호함을 나타내고 있다.

특히 도 4의 왼쪽에서 점선 곡선은 기대값이고 실선 곡선은 실측값으로, 실측값이 기대값에 근접해 있음을 알 수 있다. 또한 도 4의 오른쪽에 도시된 백분 왜곡을 도시화한 그래프에서 볼 수 있듯이 광학 왜곡특성을 나타내는 곡선이 -8% 이내로 설정되어, Y축에 거의 수렴함을 알 수 있다. 여기서, 광학 왜곡을 나타내는 곡선이 Y축에 수렴할수록 왜곡 특성은 양호해진다.

결과적으로, 도 1에 도시된 광학계의 구성 및 렌즈 배열로부터 광각의 시야각을 확보하고, 동시에 왜곡이 없는 광학 특성(TV Distortion -3% 이내)을 얻을 수 있다. 그 결과, 저조도에서도 저왜곡으로 실제 피사체의 형상에 근접하도록 하는 결상 성능을 발휘한다.

제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 조리개(60), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 제5렌즈(50), 조리개(60), 이미지 촬상소자(70), 하우징(80), 'Flange Focal Length'(82), 'Back Focal Length'(84)

Claims

피사체 물체측을 향하는 볼록면을 갖고 물체의 상이 출사되는 결상측으로 오목면을 갖는 음의 배율의 제1렌즈,
상기 제1렌즈로부터 결상측으로 이격되어 배치되고, 물체측으로 볼록면을 갖고 결상측으로 오목면을 갖는 음의 배율의 제2렌즈,
상기 제2렌즈의 결상측으로 간격을 두고 배치되어, 상기 제2렌즈를 통과하는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개,
상기 조리개에 결상측으로 간격을 두고 배치되는 비구면 렌즈로서, 물체측으로는 비구면의 오목면을 갖고 결상측으로는 비구면의 볼록면을 갖는 양의 배율의 제3렌즈,
상기 제3렌즈의 결상측에 간격을 두고 배치되며 물체측으로 제1볼록면을 갖고 결상측으로 제2볼록면을 갖는 양의 배율의 제4렌즈,
물체측으로 상기 제4렌즈와 접하는 제1오목면을 가지며 결상측으로 제2오목면을 갖는 양의 배율의 렌즈로, 상기 제4렌즈를 통과해 받은 상을 이미지면으로 전달하는 제5렌즈를 포함하는 저조도 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제4렌즈, 제5렌즈는 구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 저조도 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제1렌즈의 볼록면의 곡률은 오목면의 곡률보다 더 큰 것을 특징으로 하는 저조도 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제2렌즈의 볼록면의 곡률은 오목면의 곡률보다 더 작은 것을 특징으로 하는 저조도 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제3렌즈의 오목면의 비구면 계수값은, K: 1.694567, A: -.847009×10^-3, B: .340963×10^-4, C: -.183980×10^-4, D: -.229846×10^-5, E: 0.237510×10^-6이고, 볼록면의 비구면 계수값은, K: 0.482289, A: 0.122786×10^-2, B: -.917246×10^-4, C: 0.514139×10^-4, D: -.653113×10^-5 인 (단, K, A, B, C, D, E의 의미는 차례대로 코닉상수, 4차 계수, 6차 계수, 8차 계수, 10차 계수, 12차 계수임) 것을 특징으로 하는 저조도 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제4렌즈의 제1볼록면과 제2볼록면의 곡률은 동일한 것을 특징으로 하는 저조도 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제5렌즈의 제1오목면의 곡률은 제2오목면의 곡률보다 더 작은 것을 특징으로 하는 저조도 카메라용 광학계.
제1항에 있어서, 상기 제4렌즈와 상기 제5렌즈는,
제4렌즈의 제2볼록면이 제5렌즈의 제1오목면과 접촉되는 접합형태 렌즈인 것을 특징으로 하는 저조도 카메라용 광학계.