KR20200009837A - 렌즈 광학계 및 이를 포함한 촬영 장치 - Google Patents

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Abstract

렌즈 광학계 및 이를 포함한 촬영 장치가 개시된다.
개시된 렌즈 광학계는, 물체 측에서 상 측으로 순서대로 배열된 것으로, 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군; 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군; 및 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군;을 포함하고, 포커싱 시, 상기 제1렌즈군이 고정되고, 상기 제2렌즈군 및 제3렌즈군이 이동하고, 상기 제2렌즈군 또는 제3렌즈군에 조리개가 배치되고, 상기 조리개의 물체 측에 위치하는 렌즈의 상 측면과 상기 조리개의 상 측에 위치하는 렌즈의 물체 측면 중 적어도 하나가 오목한 형상을 가지고, 초점 거리가 f이고, 입사동 직경이 EPD일 때, 1≤(f/EPD)≤1.8이고, 25도 이상의 반화각을 가지며, 상기 제1렌즈군에 포함된 모든 렌즈가 구면 렌즈일 수 있다.

Description

렌즈 광학계 및 이를 포함한 촬영 장치{Lens optical system and photographing apparatus having the same}
예시적인 실시예는 렌즈 광학계 및 이를 포함한 촬영 장치에 관한 것이다.
최근에는 촬영 장치의 소형화, 절전 기능 등이 요구되고, CCD(Charge -Coupled Devices)형 이미지 센서 혹은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)형 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자를 이용한 촬영 장치의 소형화가 요구되고 있다. 이러한 촬영 장치에는 디지털 스틸 카메라, 비디오 카메라, 교환렌즈 카메라 등이 있다. 또한, 고체 촬상 소자를 이용한 촬영 장치는 소형화에 적합하므로 휴대 전화를 비롯한 소형의 정보 단말기 등에도 적용되고 있다. 사용자들은 고해상력, 광각화 등과 같은 고성능에 대한 요구를 가지고 있다. 또한, 카메라에 대한 소비자의 전문성이 지속적으로 높아지고 있어 광각 렌즈계나 망원 렌즈계와 같은 단초점 렌즈에 대한 수요가 늘어나고 있다.
다양한 실시예는 광각의 렌즈 광학계를 제공한다.
다양한 실시예는 광각의 렌즈 광학계를 포함하는 촬영 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 렌즈 광학계는, 물체 측에서 상 측으로 순서대로 배열된 것으로, 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군; 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군; 및 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군;을 포함하고, 포커싱 시, 상기 제1렌즈군이 고정되고, 상기 제2렌즈군 및 제3렌즈군이 이동하고, 상기 제2렌즈군 또는 제3렌즈군에 조리개가 배치되고, 상기 조리개의 물체 측에 위치하는 렌즈의 상 측면과 상기 조리개의 상 측에 위치하는 렌즈의 물체 측면 중 적어도 하나가 오목한 형상을 가지고, 초점 거리가 f이고, 입사동 직경이 EPD일 때, 1≤(f/EPD)≤1.8이고, 25도 이상의 반화각을 가지며, 상기 제1렌즈군에 포함된 모든 렌즈가 구면 렌즈일 수 있다.
상기 제3렌즈군이 적어도 하나의 비구면 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제3렌즈군의 가장 물체 측과 가장 상 측에 각각 비구면 렌즈가 배치될 수 있다.
상기 조리개의 바로 상 측에 위치한 렌즈 면이 비구면일 수 있다.
상기 제2렌즈군 및 제3렌즈군 중 적어도 하나가 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 렌즈 광학계가 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
0.05 ≤(D2i/f2) ≤0.3
여기서, D2i는 물체 거리가 무한대일 때, 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타내고, f 2는 제2렌즈군의 초점거리이다.
상기 렌즈 광학계가 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
0.9 ≤(D2i/D2n) ≤1.3
여기서, D 2i은 물체거리가 무한대일 때, 상기 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타내고, D 2n은 물체거리가 지근 거리일 때, 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타낸다.
상기 렌즈 광학계가 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure pat00001
여기서, Rfront는 상기 제2렌즈군의 가장 물체 측에 있는 렌즈의 물체 측면의 곡률 반경이고, f 2는 제 2렌즈군의 초점거리이다.
상기 렌즈 광학계가 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure pat00002
여기서, frear는 상기 조리개 바로 상 측에 위치한 렌즈의 초점거리이고, f 3는 제 3렌즈군의 초점거리이다.
상기 제2렌즈군의 가장 물체 측에 위치한 렌즈가 양볼록 렌즈일 수 있다.
상기 조리개의 바로 상 측에 위치하는 렌즈가 양오목 렌즈일 수 있다.
상기 조리개의 바로 물체 측에 위치하는 렌즈가 상 측을 향해 오목한 메니스커스 렌즈일 수 있다.
상기 제2렌즈군과 제3렌즈군이 각각 적어도 하나의 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제2렌즈군이 한 쌍 또는 두 쌍의 접합 렌즈를 포함하거나, 삼중 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제3렌즈군이 삼중 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 촬영 장치가, 렌즈 광학계 및 상기 렌즈 광학계에 의해 결상된 광을 수광하는 이미지 센서를 포함하고,
상기 렌즈 광학계가, 물체 측에서 상 측으로 순서대로 배열된 것으로, 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군; 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군; 및 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군;을 포함하고, 포커싱 시, 상기 제1렌즈군이 고정되고, 상기 제2렌즈군 및 제3렌즈군이 이동하고, 상기 제2렌즈군 또는 제3렌즈군에 조리개가 배치되고, 상기 조리개의 물체 측에 위치하는 렌즈의 상 측면과 상기 조리개의 상 측에 위치하는 렌즈의 물체 측면 중 적어도 하나가 오목한 형상을 가지고, 초점 거리가 f이고, 입사동 직경이 EPD일 때, 1≤(f/EPD)≤1.8이고, 25도 이상의 반화각을 가지며, 상기 제1렌즈군에 포함된 모든 렌즈가 구면 렌즈일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 렌즈 광학계는 광각의 화각을 구현할 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에 따른 렌즈 광학계에서는 비구면 렌즈를 적절히 배치하여 수차를 보정함과 아울러 제작 비용을 절감할 수 있도록 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시하고, 포커싱 동작을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 렌즈 광학계의 무한 물체 거리에 대한 수차도를 도시한 것이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시하고, 포커싱 동작을 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 렌즈 광학계의 무한 물체 거리에 대한 수차도를 도시한 것이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시하고, 포커싱 동작을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 렌즈 광학계의 무한 물체 거리에 대한 수차도를 도시한 것이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 촬영 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 예시적인 실시예에 따른 렌즈계 및 이를 포함한 촬영 장치에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들에 따른 장치는, 예를 들면, 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 이동 전화기(mobile phone), 영상 전화기, 전자책 리더기(e-book reader), 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 워크스테이션(workstation), 서버, PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 카메라(camera), 또는 웨어러블 장치(wearable device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 웨어러블 장치는 액세서리형(예: 시계, 반지, 팔찌, 발찌, 목걸이, 안경, 콘택트 렌즈, 또는 머리 착용형 장치(head-mounted-device(HMD)), 직물 또는 의류 일체형(예: 전자 의복), 신체 부착형(예: 스킨 패드(skin pad) 또는 문신), 또는 생체 이식형(예: implantable circuit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 장치는, 각종 의료기기(예: 각종 휴대용 의료측정기기(혈당 측정기, 심박 측정기, 혈압 측정기, 또는 체온 측정기 등), MRA(magnetic resonance angiography), MRI(magnetic resonance imaging), CT(computed tomography), 촬영기, 또는 초음파기 등), 네비게이션(navigation) 장치, 위성 항법 시스템(GNSS(global navigation satellite system)), EDR(event data recorder), FDR(flight data recorder), 자동차 인포테인먼트(infotainment) 장치, 선박용 전자 장비(예: 선박용 항법 장치, 자이로 콤파스 등), 항공 전자기기(avionics), 보안 기기, 차량용 헤드 유닛(head unit), 산업용 또는 가정용 로봇, 금융 기관의 ATM(automatic teller's machine), 상점의 POS(point of sales), 또는 사물 인터넷 장치(internet of things)(예: 전구, 각종 센서, 전기 또는 가스 미터기, 스프링클러 장치, 화재경보기, 온도조절기(thermostat), 가로등, 토스터(toaster), 운동기구, 온수탱크, 히터, 보일러 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1은 제1실시예에 따른 렌즈 광학계(100-1)를 개략적으로 도시한 것이다.
렌즈 광학계(100-1)는 상 측(image side)(I)에서 물체 측(object side)(O)으로 순서대로 배열된 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군(G11)과, 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군(G21), 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군(G31)을 포함한다. 포커싱시 제1렌즈군(G11)이 고정되고, 제2렌즈군(G21)과 제3렌즈군(G31)이 이동될 수 있다.
이하에서, 상 측(image side)(I)은 상이 결상되는 상면(image plane)(IMG)이 있는 방향을 나타내고, 물체 측(object side)(O)은 피사체가 있는 방향을 나타낼 수 있다. 또한, 렌즈의 "물체 측면"은, 예를 들면, 피사체가 있는 쪽의 렌즈 면으로 도면상 좌측 면을 의미하며, "상 측면"은 상면(image plane)이 있는 쪽의 렌즈 면으로 도면상 우측 면을 나타낼 수 있다. 상면(IMG)은 예를 들어, 촬상 소자 면, 이미지 센서 면 일 수 있다. 이미지 센서는 예를 들어, 씨모스 이미지 센서(CMOS, complementary metal oxide semiconductor) 또는 전하 결합 소자(CCD, charge coupled device)와 같은 센서를 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서는 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 피사체의 이미지를 전기적인 영상신호로 변환하는 소자일 수 있다.
다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 제1렌즈군(G11)이 정의 굴절력을 가지고 광을 발산시킴으로써 광각을 구현할 수 있다. 그리고, 제2렌즈군(G21)과 제3렌즈군(G31) 사이에 조리개(ST)가 배치될 수 있다. 제2렌즈군(G21)과 제3렌즈군(G31)은 조리개(ST)를 중심으로 좌우 대칭인 더블 가우스 타입의 렌즈 배열을 가질 수 있다.
무한대에서 지근 거리로 포커싱할 때, 제1렌즈군(G11)은 고정되어 있고, 제2렌즈군(G21)과 제3렌즈군(G31)은 독립적으로 이동할 수 있으며, 제2렌즈군과 제3렌즈군은 모두 상 측(I)에서 물체 측(O)으로 이동한다. 포커싱 시에 제1렌즈군(G11)이 고정되면, 제1렌즈군의 돌출로 인한 렌즈의 파손이나 손상을 줄일 수 있고, 전장의 증대를 방지하여 렌즈 광학계의 소형화에 기여할 수 있다.
일반적인 광각 렌즈 광학계는 가장 물체 측에 위치한 렌즈의 구경이 커지게 되며, 포커싱에 따른 수차 변화를 최소화하기 위해 가장 물체 측에 위치한 제1 렌즈군 내부에 비구면을 채용할 수 있다. 그러나, 비구면의 구경이 커지면 제작 비용이 많이 상승하기 때문에, 본 발명에서는 구경이 상대적으로 작은 제3 렌즈군에 비구면 렌즈를 구비한다. F 넘버가 작은 밝은 렌즈 광학계에서는 비구면 렌즈를 채용해야 충분한 해상력 성능과 작은 왜곡을 구현할 수 있다. 그러므로, 비구면을 채용하되 구경이 작은 조리개 뒤쪽에 위치한 제3렌즈군(G31)에 비구면을 채용하여 적은 비용으로 최대 해상력 성능을 얻을 수 있도록 한다. 중심 해상력 성능을 높이기 위해서 조리개(ST)의 바로 상 측에 위치한 렌즈의 물체 측면에 비구면을 채용할 수 있다. 또한, 비점수차, 왜곡 보정을 위해 제3렌즈군(G31)의 가장 상 측(I)에 비구면 렌즈를 배치할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1렌즈군(G11)은 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈(L11), 부의 굴절력을 가지는 제2렌즈(L21), 부의 굴절력을 가지는 제3렌즈(L31), 정의 굴절력을 가지는 제4렌즈(L41) 및 정의 굴절력을 가지는 제5렌즈(L51)를 포함할 수 있다. 제1렌즈(L11)는 물체 측(O)으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 제2렌즈(L21)는 양오목 렌즈일 수 있다. 제3렌즈(L31)는 양오목 렌즈일 수 있다. 제4렌즈(L41)는 일면이 평면일 수 있다. 제4렌즈(L41)는 예를 들어, 일면 볼록 렌즈일 수 있다. 제5렌즈(L51)는 양볼록 렌즈일 수 있다.
또한, 제1렌즈군(G11)은 구경이 커서 접합렌즈를 채용하기 어렵다.
각 실시예에서 구경이 큰 물체 측(O)에 접합렌즈와 비구면을 채용하지 않고 조리개의 상 측(I)의 구경이 작은 쪽에 비구면을 채용하여 해상력을 높일 수 있다. 즉, 제1렌즈군(G11)에 포함된 모든 렌즈가 구면 렌즈일 수 있다. 또한, 예를 들어, 제3렌즈군(G31)이 적어도 하나의 비구면 렌즈를 포함할 수 있다.
제2렌즈군(G21)은 정의 굴절력을 가지는 제6렌즈(L61), 정의 굴절력을 가지는 제7렌즈(L71), 부의 굴절력을 가지는 제8렌즈(L81), 및 정 또는 부의 굴절력을 가지는 제9렌즈(L91)를 포함할 수 있다. 제6렌즈(L61)는 양볼록 렌즈일 수 있다. 제7렌즈(L71)는 양볼록 렌즈이고, 제8렌즈(L81)는 양오목 렌즈이고, 제9렌즈(L91)는 상 측(I)으로 오목한 메니스커스 렌즈일 수 있다. 제2렌즈군(G21)이 적어도 하나의 접합 렌즈를 포함할 수 있다. 제2렌즈군(G21)이 삼중 접합 렌즈를 포함할 수 있다. 제7렌즈(L71), 제8렌즈(L81) 및 제9렌즈(L91)가 삼중 접합될 수 있다.
제3렌즈군(G31)은 부의 굴절력을 가지는 제10렌즈(L101), 정의 굴절력을 가지는 제11렌즈(L111), 부의 굴절력을 가지는 제12렌즈(L121), 및 정의 굴절력을 가지는 제13렌즈(L131)를 포함할 수 있다. 제3렌즈군(G31)은 적어도 하나의 접합 렌즈를 포함할 수 있다. 제3렌즈군(G31)은 제11렌즈(L111), 제12렌즈(L121), 제13렌즈(L131)가 접합된 3중 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
제10렌즈(L101)와 제13렌즈(L131)가 비구면 렌즈일 수 있다. 예를 들어, 제10렌즈(L101)와 제13렌즈(L131)가 양면 비구면 렌즈일 수 있다.
다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 25도 이상의 반화각을 가질 수 있다. 다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 예를 들어, 25도 내지 35 범위의 반화각을 가질 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 초점 거리가 f이고, 입사동 직경이 EPD일 때, 1≤(f/EPD)≤1.8 범위를 가질 수 있다.
도 3은 제2실시예에 따른 렌즈 광학계(100-2)를 도시한 것이다. 렌즈 광학계(100-2)는 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군(G12)과, 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군(G22), 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군(G32)을 포함한다. 포커싱시 제1렌즈군(G12)이 고정되고, 제2렌즈군(G22)과 제3렌즈군(G32)이 이동될 수 있다.
제1렌즈군(G12)은 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈(L12), 부의 굴절력을 가지는 제2렌즈(L22), 부의 굴절력을 가지는 제3렌즈(L32), 정의 굴절력을 가지는 제4렌즈(L42) 및 정의 굴절력을 가지는 제5렌즈(L52)를 포함할 수 있다. 제1렌즈(L12)는 물체 측(O)으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 제2렌즈(L22)는 양오목 렌즈일 수 있다. 제3렌즈(L32)는 일 면이 평면일 수 있다. 제3렌즈(L32)는 일평면 오목 렌즈일 수 있다. 제4렌즈(L42)는 상 측(I)을 향해 볼록한 메니스커스 렌즈일 수 있다. 제5렌즈(L52)는 물체 측(O)으로 볼록한 메니스커스 렌즈일 수 있다. 제1렌즈군(G12)에 포함된 모든 렌즈가 구면 렌즈일 수 있다.
제2렌즈군(G22)은 정의 굴절력을 가지는 제6렌즈(L62), 정의 굴절력을 가지는 제7렌즈(L72), 부의 굴절력을 가지는 제8렌즈(L82), 및 정 또는 부의 굴절력을 가지는 제9렌즈(L92)를 포함할 수 있다. 제6렌즈(L62)는 양볼록 렌즈일 수 있다. 제7렌즈(L72)는 양볼록 렌즈이고, 제8렌즈(L82)는 양오목 렌즈이고, 제9렌즈(L92)는 상 측(I)으로 오목한 메니스커스 렌즈일 수 있다. 제7렌즈(L72), 제8렌즈(L82), 제9렌즈(L92)가 삼중 접합될 수 있다. 제9렌즈(L92)의 상 측에 조리개(ST)가 구비될 수 있다.
제3렌즈군(G32)은 부의 굴절력을 가지는 제10렌즈(L102), 정의 굴절력을 가지는 제11렌즈(L112), 부의 굴절력을 가지는 제12렌즈(L122), 및 정의 굴절력을 가지는 제13렌즈(L132)를 포함할 수 있다. 제3렌즈군(G32)은 적어도 하나의 접합 렌즈를 포함할 수 있다. 제3렌즈군(G32)은 제10렌즈(L102), 제11렌즈(L112), 제12렌즈(L122)가 접합된 3중 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
제10렌즈(L102)와 제13렌즈(L132)가 비구면 렌즈일 수 있다.
도 5는 제3실시예에 따른 렌즈 광학계(100-3)를 도시한 것이다. 렌즈 광학계(100-3)는 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군(G13)과, 정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군(G23), 정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군(G33)을 포함한다. 포커싱시 제1렌즈군(G13)이 고정되고, 제2렌즈군(G23)과 제3렌즈군(G33)이 이동될 수 있다.
제1렌즈군(G13)은 부의 굴절력을 가지는 제1렌즈(L13), 부의 굴절력을 가지는 제2렌즈(L23), 부의 굴절력을 가지는 제3렌즈(L33), 정의 굴절력을 가지는 4렌즈(L43) 및 정의 굴절력을 가지는 제5렌즈(L53)를 포함할 수 있다. 제1렌즈(L13)는 물체 측(O)으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 제2렌즈(L23)는 물체 측(O)으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 제3렌즈(L33)는 양오목 렌즈일 수 있다. 제4렌즈(L43)는 일평면 볼록렌즈일 수 있다. 제5렌즈(L53)는 일평면 볼록렌즈일 수 있다. 제1렌즈군(G13)에 포함된 모든 렌즈가 구면 렌즈일 수 있다.
제2렌즈군(G23)은 정의 굴절력을 가지는 제6렌즈(L63), 정의 굴절력을 가지는 제7렌즈(L73), 부의 굴절력을 가지는 제8렌즈(L83)를 포함할 수 있다. 제6렌즈(L63)는 양볼록 렌즈일 수 있다. 제7렌즈(L73)는 양볼록 렌즈이고, 제8렌즈(L83)는 양오목 렌즈일 수 있다. 제7렌즈(L73)와 제8렌즈(L83)가 접합될 수 있다. 제8렌즈(L83)의 상 측에 조리개(ST)가 구비될 수 있다.
제3렌즈군(G33)은 부의 굴절력을 가지는 제9렌즈(L93), 정의 굴절력을 가지는 제10렌즈(L103), 부의 굴절력을 가지는 제11렌즈(L113), 및 정의 굴절력을 가지는 제12렌즈(L123)를 포함할 수 있다. 제3렌즈군(G33)은 적어도 하나의 접합 렌즈를 포함할 수 있다. 제3렌즈군(G33)은 제9렌즈(L93), 제10렌즈(L103), 제11렌즈(L113)가 접합된 3중 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
제9렌즈(L93)와 제12렌즈(L123)가 비구면 렌즈일 수 있다.
다양한 실시예에 따른 렌즈계는 다음 식을 만족할 수 있다. 이하 식들에 대해서는 도 1을 참조하여 설명하지만, 다른 실시예에 따른 렌즈계에도 적용될 수 있다.
0.05 ≤(D2i/f2) ≤0.3 <식 1>
여기서, D2i는 물체 거리가 무한대일 때, 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타내고, f 2는 제2렌즈군의 초점거리이다. 도 1에서 D2i는 제10렌즈(L101)의 상 측면의 정점과 조리개(ST) 사이의 간격을 나타낸다.
(D2i/f2)가 식 1의 하한 값보다 작으면 포커싱 시에 제2렌즈군(G21)과 제3렌즈군(G31)이 충돌할 수 있다. (D2i/f2)가 식 1의 하한 값보다 크면 렌즈 광학계의 크기가 너무 커질 수 있다.
다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 다음 식을 만족할 수 있다.
0.9 ≤(D2i/D2n) ≤1.3 <식 2>
여기서, D 2i은 물체거리가 무한대일 때, 상기 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타내고, D 2n은 물체거리가 지근 거리일 때, 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타낸다. 식 (2)를 만족할 때, 양호한 해상력 성능을 얻을 수 있다.
다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure pat00003
<식 3>
여기서, Rfront는 상기 제2렌즈군의 가장 물체 측에 있는 렌즈의 물체 측면의 곡률 반경이고, f 2는 제 2렌즈군의 초점거리이다.
식 3은 제3렌즈군의 구경을 줄이기 위한 조건이다. 본 발명에서는 제3렌즈군이 적어도 하나의 비구면 렌즈를 포함하며, 비구면 렌즈의 구경을 줄이면 렌즈 광학계의 제작 비용을 낮출 수 있다. (Rfront/f2)가 식 (3)의 하한치보다 작으면 제2렌즈군의 가장 물체 측에 있는 렌즈의 물체 측면의 곡률 반경이 너무 작아져서 광선의 굴절각 변화가 급격해지기 때문에 조립 민감도가 높아질 수 있다. (Rfront/f2)가 식 (3)의 상한치보다 크면, 제2렌즈군을 통과하는 광선이 충분히 수렴하지 않아, 제3렌즈군의 구경이 커질 수 있다.
다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure pat00004
<식 4>
여기서, frear는 상기 조리개 바로 상 측에 위치한 렌즈의 초점거리이고, f 3는 제 3렌즈군의 초점거리이다.
식 (4)는 구면수차를 보정하면서 가장 상 측 렌즈의 구경이 너무 커지지 않게 하기 위한 조건이다. 본 발명이 교환렌즈로 사용될 경우, 카메라 본체의 마운트 직경에 의해 가장 상 측 렌즈의 직경이 제한된다. 따라서, 구면수차가 보정되면서 가장 상 측 렌즈가 너무 커지지 않게 하기 위해 식 (4)의 조건이 필요하다. (frear/f3)이 식 (4)의 하한치보다 작으면 구면 수차가 충분히 보정되지 않으며, (frear/f3)이 식 (4)의 상한치를 넘으면 가장 상 측 렌즈의 구경이 커질 수 있다.
다음, 예시적인 실시예에 따른 렌즈 광학계에 사용되는 비구면의 정의를 나타내면 다음과 같다.
비구면 형상은 광축(OA) 방향을 z축으로 하고, 광축 방향에 대해 수직한 방향을 y축으로 할 때, 광선의 진행 방향을 정으로 하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다. 여기서, Z는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리를, Y는 광축에 대해 수직한 방향으로의 거리를, K는 코닉 상수(conic constant)를, A, B, C, D, E, F..는 비구면 계수를, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률 반경의 역수(1/R)를 각각 나타낸다.
Figure pat00005
<식 5>
본 발명에서는 다음과 같이 다양한 설계에 따른 수치 실시예를 통해 광학계를 구현할 수 있다. 이하에서, 유효 초점거리(EFL)는 mm 단위를 사용하며, 반화각(HFOV)은 degree의 단위를 사용하며, NA는 개구수를 나타낸다. Object는 피사체를 나타내고, R은 곡률 반경을, Dn은 렌즈의 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 공기 간격을 나타내는 것으로 mm 단위를 사용하며, nd는 굴절률을, vd는 아베수를, M은 배율을 나타낸다. 각 수치 실시예에서 렌즈면 번호(1,2,3..n;n은 자연수)는 물체측(O)으로부터 상 측(I)으로 순차적으로 일렬로 부쳐진다.
<제1 실시예>
도 1은 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계(100-1)를 도시한 것이며, 다음은 제1 수치 실시예의 설계 데이터를 나타낸 것이다.
f=35.95mm, Fno : 1.26, HFOV=32.0°
렌즈면 R Dn nd vd Note
object infinity D0
1 108.269 2.600 1.84666 23.78 제1렌즈군
고정
2 37.051 11.457
3 -447.303 2.600 1.49700 81.61
4 69.203 10.283
5 -64.685 2.600 1.64769 33.84
6 514.864 0.940
7 infinity 7.000 1.95375 32.32
8 -85.316 0.100
9 98.281 7.000 1.92286 20.88
10 -2693.667 D1
11 69.388 9.500 1.95375 32.32 제2렌즈군
이동
12 -233.918 0.100
13 306.528 11.870 1.69680 55.46
14 -45.988 2.600 1.72825 28.32
15 40.203 1.268
16 48.570 2.600 1.68893 31.16
17 25.059 11.140 1.72916 54.67
18 87.535 D2
ST infinity 6.356 제3렌즈군
이동
20* -68.138 2.600 1.68863 31.19
21* 33.507 0.100
22 33.232 15.310 1.49700 81.61
23 -22.000 1.800 1.64769 33.84
24 -314.137 0.100
25* 95.086 9.280 1.87795 37.30
26* -37.371 D3
27 infinity 2.500 1.51680 64.20 광학 소자
고정
28 infinity D4
IMG infinity D5
표 2는 제1 실시예에서의 비구면 계수를 나타낸 것이다.
ASP 20 21 25 26
K 11.748048 -9.737974 4.090067 -0.510213
A -1.991536E-05 1.274989E-05 -3.778486E-06 9.126003E-07
B 1.150651E-07 2.237320E-08 -3.217147E-09 -8.466546E-09
C -4.110757E-10 -1.448155E-10 1.157695E-11 5.178222E-11
D 6.569814E-13 1.978870E-13 9.468109E-15 -2.163232E-13
E -2.851665E-16 5.066990E-16
F 8.159395E-19 -5.817356E-19
G -1.152344E-21 -8.236829E-23
표 3은 제1 실시예에서의 무한 거리, 지근 거리인 경우에 대해 각각 가변 거리(DO,D1,D2,D3,D4,D5), 초점 거리(f), 배율(MAG), F 넘버(Fno), 반화각(HFOV)을 나타낸 것이다. 여기서, 지근 거리는 최대 배율을 가지는 거리를 나타낸다. OAL은 렌즈 광학계의 전장을 나타낸 것으로, 렌즈 광학계의 가장 물체 측 렌즈의 물체 측면에서부터 상면까지의 거리를 나타낸다.
항목 무한 거리 지근 거리
D0 infinity 179.816611
D1 6.614163 1.000000
D2 5.186486 3.847393
D3 35.994837 42.945781
D4 0.516256 0.543341
D5 -0.016256 -0.043341
in Air 38.143045 45.093990
f 35.955560
MAG 0.177073
HFOV 32.028 30.453
Fno 1.256 1.431
OAL 169.999486 169.997174
도 2는 무한 거리에서 제1실시예에 대한 횡수차도(ray fan)를 나타낸 것이다. 여기서, 점선은 656.2725NM 파장, 실선은 587.5618NM 파장, 일점 파선은 486.1327NM파장에 대한 횡수차를 나타낸다. 횡수차는 자오상면(Tangential)과 구결상면(Sagittal)에 대한 수차를 보여준다.
<제2 수치 실시예>
도 4는 제2 수치 실시예에 따른 렌즈 광학계(100-2)를 도시한 것이며, 다음은 제2 수치 실시예의 설계 데이터를 나타낸 것이다.
f=35.95mm, Fno : 1.26, HFOV=32.0°
렌즈면 R Dn nd vd Note
object infinity D0 　 　 　
1 98.831 2.600 1.84666 23.78 제1렌즈군
고정
2 37.690 10.729
3 887.680 2.600 1.45860 90.19
4 55.977 12.715
5 -55.977 2.600 1.58144 40.89
6 infinity 1.399
7 -331.014 7.000 1.95375 32.32
8 -72.053 0.100
9 85.665 6.000 1.92286 20.88
10 323.646 D1 　 　
11 71.438 9.500 1.95375 32.32 제2렌즈군
이동
12 -236.565 0.100
13 170.683 11.660 1.69680 55.46
14 -47.152 2.500 1.72825 28.32
15 24.410 8.750 1.72916 54.67
16 53.867 D2 　 　
17(ST) infinity 8.873 　 　 제3렌즈군
이동
18* -80.881 2.600 1.68863 31.19
19* 35.160 0.100
20 34.874 14.100 1.49700 81.61
21 -21.966 1.700 1.64769 33.84
22 448.723 0.106
23* 75.993 10.000 1.87795 37.30
24* -36.349 D3 　 　
25 infinity 2.500 1.51680 64.20 광학 소자
고정
26 infinity D4 　 　
IMG infinity D5 　 　 　
표 5는 제2 실시예에서의 비구면 계수를 나타낸 것이다.
ASP 18 19 23 24
K 17.337226 -11.354006 0.982850 -0.439003
A -2.695060E-05 6.570353E-06 -4.508560E-06 8.658752E-07
B 1.395119E-07 4.350517E-08 -3.817994E-09 -9.347864E-09
C -4.732276E-10 -1.846390E-10 1.891029E-11 6.360316E-11
D 7.044492E-13 2.277003E-13 1.395087E-15 -2.622001E-13
E 　 　 -3.178407E-16 5.513457E-16
F 　 　 9.147749E-19 -4.694431E-19
G 　 　 -1.076047E-21 -1.865569E-22
표 6은 제2 실시예에서 무한 거리, 지근 거리에 대해, 각각 가변 거리, 초점거리(f), 배율(MAG), F 넘버(Fno), 반화각을 나타낸 것이다. 표 6에서"in Air"는 광학 소자가 없는 경우에 렌즈 광학계의 가장 상 측 렌즈의 상 측면에서 촬상 소자(상면)까지의 거리를 의미하는 것으로, 광학 소자가 없는 경우의 후초점 거리를 나타낸다.
항목 무한 거리 지근 거리
D0 infinity 170.605554
D1 6.859763 0.999761
D2 6.412483 5.036284
D3 35.995754 43.231955
D4 0.519324 0.554071
D5 -0.019324 -0.054071
in Air 38.143963 45.380164
f 35.958824
MAG 0.185275
HFOV 32.025 30.509
Fno 1.262 1.443
OAL 168.000000 168.000000
도 4는 무한 거리에서 제2 실시예에 대한 횡수차도(ray fan)를 나타낸 것이다.
<제3 실시예>
도 5는 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계(100-3)를 도시한 것이며, 다음은 제3 실시예의 설계 데이터를 나타낸 것이다.
f=35.95mm, Fno:1.26, HFOV=32.0°
렌즈면 R Dn nd vd Note
object infinity D0 　 　 　
1 80.620 2.600 1.84666 23.78 제1렌즈군
고정
2 36.971 9.613
3 226.711 2.600 1.49700 81.61
4 48.616 13.386
5 -52.292 2.600 1.75520 27.53
6 312.793 1.408
7 infinity 7.500 2.00100 29.13
8 -72.149 0.100
9 98.512 6.000 1.92286 20.88
10 infinity D1 　 　
11 68.013 10.000 1.83481 42.72 제2렌즈군
이동
12 -244.282 0.100
13 68.095 13.210 1.71300 53.94
14 -52.201 2.500 1.72825 28.32
15 37.171 D2 　 　
16(ST) infinity 10.641 　 　 제3렌즈군
이동
17* -93.720 2.600 1.68863 31.19
18* 32.311 0.100
19 34.334 15.150 1.49700 81.61
20 -22.000 1.700 1.59270 35.45
21 963.293 0.100
22* 84.314 9.570 1.85343 40.54
23* -37.681 D3 　 　
24 infinity 2.500 1.51680 64.20 광학 소자
고정
25 infinity D4 　 　
IMG infinity D5 　 　 　
표 8은 제3 실시예에서의 비구면 계수를 나타낸 것이다.
ASP 17 18 22 23
K -3.378571 -11.593490 3.286256 -0.472800
A -3.752406E-05 1.059712E-05 -2.968122E-06 1.224110E-06
B 1.692010E-07 2.149157E-08 -8.169816E-09 -1.054896E-08
C -6.857060E-10 -1.091410E-10 3.128738E-11 6.441324E-11
D 1.390576E-12 1.185565E-13 -6.398702E-15 -2.469135E-13
E -1.189133E-15 　 -3.487114E-16 5.602042E-16
F 　 　 1.001273E-18 -6.187521E-19
G 　 　 -1.177006E-21 　
표 9는 제3 실시예에서의 무한 거리, 지근 거리에 대해 각각 가변 거리, 초점거리(f), 배율(MAG), F 넘버(Fno), 반화각(HFOV)을 나타낸 것이다.
항목 무한 거리 지근 거리
D0 infinity 175.678043
D1 6.795765 1.000000
D2 7.732498 6.565902
D3 35.985595 42.958030
D4 0.528568 0.562472
D5 -0.028568 -0.062472
in Air 38.133804 45.106239
f 35.962279
MAG 0.180120
HFOV 32.027 30.708
Fno 1.254 1.430
OAL 164.991858 165.001933
도 6은 무한 거리에서 제3 실시예에 대한 횡수차도(ray fan)를 나타낸 것이다.
다음은, 상기 제1 내지 제3 실시예가 각각 상기 식 1 내지 4를 만족시킴을 보여준 것이다.
　 제1실시예 제2실시예 제3실시예
식 (1) 0.139 0.176 0.207
식 (2) 1.131 1.099 1.068
식 (3) 0.833 0.825 0.766
식 (4) -0.625 -0.694 -0.68
도 7은 예시적인 실시예에 따른 렌즈 광학계(100)를 구비한 촬영 장치를 도시한 것이다. 렌즈 광학계(100)는 도 1, 도 3, 및 도 5를 참조하여 설명한 렌즈 계(100-1)(100-2)(100-3)와 실질적으로 동일하다. 촬영 장치는 렌즈 광학계(100)에 의해 결상된 광을 수광하는 이미지 센서(112)를 포함할 수 있다. 그리고, 피사체 상이 표시되는 표시부(115)가 구비될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 렌즈 광학계는 렌즈계의 내부의 일부 렌즈를 움직여서 포커싱하는 내부 초점 방식(inner focusing)을 채택하여 소형화를 구현할 수 있다. 또한, 내부 초점 방식을 사용함으로써 촬영 장치를 편리하게 휴대할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예는 개시된, 기술 내용의 설명 및 이해를 위해 제시된 것이며, 본 문서에서 기재된 기술의 범위를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 문서의 범위는, 본 문서의 기술적 사상에 근거한 모든 변경 또는 다양한 다른 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
G11,G12,G13:제1렌즈군, G21,G22,G32:제2렌즈군
G31,G32,G33:제3렌즈군
OD:광학 소자

Claims (16)

  1. 물체 측에서 상 측으로 순서대로 배열된 것으로,
    부의 굴절력을 가지는 제1렌즈군;
    정의 굴절력을 가지는 제2렌즈군; 및
    정의 굴절력을 가지는 제3렌즈군;을 포함하고,
    포커싱 시, 상기 제1렌즈군이 고정되고, 상기 제2렌즈군 및 제3렌즈군이 이동하고, 상기 제2렌즈군 또는 제3렌즈군에 조리개가 배치되고, 상기 조리개의 물체 측에 위치하는 렌즈의 상 측면과 상기 조리개의 상 측에 위치하는 렌즈의 물체 측면 중 적어도 하나가 오목한 형상을 가지고, 초점 거리가 f이고, 입사동 직경이 EPD일 때, 1≤(f/EPD)≤1.8이고, 25도 이상의 반화각을 가지며, 상기 제1렌즈군에 포함된 모든 렌즈가 구면 렌즈인 렌즈 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3렌즈군이 적어도 하나의 비구면 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3렌즈군의 가장 물체 측과 가장 상 측에 각각 비구면 렌즈가 배치된 렌즈 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조리개의 바로 상 측에 위치한 렌즈 면이 비구면인 렌즈 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈군 및 제3렌즈군 중 적어도 하나가 접합 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <식>
    0.05 ≤(D2i/f2) ≤0.3
    여기서, D2i는 물체 거리가 무한대일 때, 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타내고, f 2는 제2렌즈군의 초점거리이다.
  7. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <식>
    0.9 ≤(D2i/D2n) ≤1.3
    여기서, D 2i은 물체거리가 무한대일 때, 상기 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타내고, D 2n은 물체거리가 지근 거리일 때, 제2렌즈군의 가장 상 측에 있는 렌즈의 상 측면의 정점과 조리개 사이의 간격을 나타낸다.
  8. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <식>
    Figure pat00006

    여기서, Rfront는 상기 제2렌즈군의 가장 물체 측에 있는 렌즈의 물체 측면의 곡률 반경이고, f 2는 제 2렌즈군의 초점거리이다.
  9. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는 렌즈 광학계.
    <식>
    Figure pat00007

    여기서, frear는 상기 조리개 바로 상 측에 위치한 렌즈의 초점거리이고, f 3는 제 3렌즈군의 초점거리이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈군의 가장 물체 측에 위치한 렌즈가 양볼록 렌즈인 렌즈 광학계.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 조리개의 바로 상 측에 위치하는 렌즈가 양오목 렌즈인 렌즈 광학계.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 조리개의 바로 물체 측에 위치하는 렌즈가 상 측을 향해 오목한 메니스커스 렌즈인 렌즈 광학계.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈군과 제3렌즈군이 각각 적어도 하나의 접합 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2렌즈군이 한 쌍 또는 두 쌍의 접합 렌즈를 포함하거나, 삼중 접합 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제3렌즈군이 삼중 접합 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 렌즈 광학계; 및
    상기 렌즈 광학계에 의해 결상된 광을 수광하는 이미지 센서;를 포함하는 촬영 장치.
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