KR20210151332A - 소형 망원 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되며, 조건식 0.6 < HFOV / TTL < 1.4 (HFOV: 광학계의 수평화각, TTL: 제1 렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이)을 만족하는 소형 망원 광학계를 제공한다.
본 발명에 따르면 수평 30도, 대각 33.3도의 화각을 갖는 소형 망원 광학계를 구현할 수 있다. 또한 일부 렌즈면에 평면 또는 평면에 근접한 형상을 적용함으로써 조립성을 개선하고 조립 공차에 대한 민감도를 개선할 수 있다. 또한 온도 변화에 관계없이 일정한 해상력 성능을 구현할 수 있다.

Description

소형 망원 광학계{SMALL TELEPHOTO OPTICAL LENS SYSTEM}

본 발명은 망원 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 자율주행 자동차 등에 사용할 수 있는 소형 망원 광학계에 관한 것이다.

일반적으로 자율주행 자동차에는 주변 환경을 실시간으로 인식하기 위하여 라이다(LiDAR), 카메라, 레이더, 레이저센서, 초음파센서 등의 장비가 설치된다.

최근에는 인공지능 기반의 영상분석 기술이 급속히 발전함에 따라 고가의 라이다(LiDAR)를 사용하는 대신, 카메라, 레이더, 초음파 센서 등만 이용하는 자율주행 기술이 많은 주목을 받고 있다.

예를 들어 테슬라(TESLA)에서 개발한 오토파일럿 시스템은 8대의 카메라를 이용하여 최대 250m 미터 범위까지 360도 영상을 촬영하고 실시간 영상 분석을 통해 주행 제어를 수행한다.

그런데 자율주행 자동차에 설치되는 다수의 카메라는 설치 위치나 감시 방향에 따라 요구 성능에 차이가 있다. 예를 들어 오토파일럿 시스템에서는 근거리 및 원거리의 상황을 종합적으로 감시하기 위하여 3대의 전방 카메라가 설치되는데, 구체적으로는 최대거리 60m의 광각 카메라, 최대거리 150m의 주 카메라, 최대거리 250m의 망원 카메라가 설치된다.

그런데 자동차용 카메라는 진동, 습기, 고온, 혹한 등의 가혹조건에 지속적으로 노출될 수밖에 없으므로 온도변화에 따라 광학계를 구성하는 각 렌즈의 굴절율이 변하거나 진동으로 인해 렌즈의 간격이나 위치가 미세하게 틀어짐에 따라 실제 성능이 설계 성능보다 저하될 수도 있다. 특히 자율주행 자동차에 설치되는 카메라의 경우에는 미세한 성능 저하로 인해 사고가 초래될 수 있으므로 설계 성능을 보다 안정적으로 발휘할 수 있어야 한다.

또한 일반적으로 망원 카메라는 광학계의 초점거리 대비 전장이 매우 크기 때문에 차량에 탑재할 경우 차량의 설계 자유도를 제한하는 요인이 될 수도 있다.

대한민국 등록특허 제10-1946262호(2019.02.11 공고)

본 발명은 이러한 문제를 개선하기 위한 것으로서, 자동차, 드론 등의 자율주행기기에 장착할 수 있는 소형 망원 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 광학계의 조립성을 개선하는 한편 조립공차에 대한 민감도를 개선하는 데 그 목적이 있다. 또한 주변온도의 변화에 관계없이 일정한 해상력을 발휘할 수 있는 온도보상 설계를 적용하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 양상은, 전술한 목적을 달성하기 위하여, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되며, 조건식 0.6 < HFOV / TTL < 1.4 (HFOV: 광학계의 수평화각, TTL: 제1 렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이)을 만족하는 소형 망원 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 조건식 3 < HFOV/HIH < 5 (HFOV: 광학계의 수평 화각, HIH: 이미지 센서 수평 길이)을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 조건식 10 < V1-V2 < 27 (V1: 제1 렌즈의 아베 수, V2: 제2 렌즈의 아베 수)을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 조건식 3 < D45 / T4 < 5 (D45: 제4 렌즈와 제5 렌즈의 간격, T4: 제4 렌즈의 두께)을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 조건식 2 < |FG1| / |f| < 6, 0.5 < |f6| / |f| < 1.5 및 1 < TTL / f < 2.5 (FG1: 제1 렌즈와 제2 렌즈의 합성 초점거리, f6: 제 6렌즈의 초점거리, f: 광학계 전체의 초점거리, TTL: 제1 렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이)을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 조건식 |R2| > 50 및 0.5 < |R3| / |R4| < 1.5 (R2: 제1 렌즈의 상측면의 곡률반경, R3: 제2 렌즈의 물체측면의 곡률반경, R4: 제2 렌즈의 상측면의 곡률반경)을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계에서, 상기 제1 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록하고, 상기 제2 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하며, 상기 제3 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 상측으로 볼록하며, 상기 제4 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 물체측으로 오목하며, 상기 제5 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계에서, 상기 제6 렌즈는 상측으로 볼록한 메니스커스 렌즈이고, 상기 제6 렌즈의 양면 중에서 적어도 하나는 비구면일 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계에서, 상기 제6 렌즈의 물체측면은 근축 영역에서 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목하며, 상기 제6 렌즈의 양면 중에서 적어도 하나는 비구면일 수 있다.

본 발명에 따르면 자동차, 드론 등에 탑재할 수 있는 전장 26mm 내외의 소형 망원 광학계를 구현할 수 있다. 또한 일부 렌즈면에 평면 또는 평면에 근접한 형상을 적용함으로써 조립성을 개선하고 조립 공차에 대한 민감도를 개선할 수 있다. 또한 온도 변화에 관계없이 일정한 해상력 성능을 구현할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 수차도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명은 자율주행 자동차, 드론 등에 탑재할 수 있는 소형 망원 광학계에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 소형 망원 광학계는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a에 나타낸 바와 같이, 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈 내지 제6 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6)를 포함한다.

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 물체측으로 볼록하고, 상측면은 평면을 포함하거나 평면에 가까울 정도로 큰 곡률반경을 가진 곡면을 포함할 수 있다.

제2 렌즈(L2)는 부의 굴절력을 가진다. 제2 렌즈(L2)는 도 1a에 나타낸 바와 같이 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 메니스커스 렌즈일 수도 있고, 도 2a 및 도 3a에 나타낸 바와 같이 양면이 오목한 렌즈일 수도 있다.

제3 렌즈(L3)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 렌즈일 수 있다.

제4 렌즈(L4)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 렌즈일 수 있다.

제5 렌즈(L5)는 정의 굴절력을 가지며, 도 1a에 나타낸 바와 같이 양면 볼록한 렌즈일 수도 있고, 도 2a 및 도 3a에 나타낸 바와 같이 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 메니스커스 렌즈일 수도 있다.

제6 렌즈(L6)는 부의 굴절력을 가지며, 도 1a에 나타낸 바와 같이 상측으로 볼록한 메니스커스 렌즈일 수도 있고, 도 2a 및 도 3a에 나타낸 바와 같이 근축 영역에서 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목할 수 있다.

한편 제1 내지 제5 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5)의 양면은 모두 구면이고, 제6 렌즈(L6)의 양면은 모두 비구면인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니므로 제6 렌즈(L6)의 양면 중에서 적어도 하나는 구면일 수도 있다.

조리개(STOP)는 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)의 사이에 배치될 수 있다. 또한 제6렌즈(L6)와 이미지센서의 사이에는 렌즈필터(LF)와 커버 글래스(CG)가 배치될 수도 있다.

한편 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 망원 광학계는 광학계의 크기를 최소화하고 밝은 F넘버를 구현하기 위하여 다음의 조건식 1 내지 9를 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 1>

2 < |FG1 | / |f| < 6

FG1: 제 1 렌즈군의 초점거리(제1 렌즈와 제2 렌즈의 합성 초점거리)

f: 광학계 전체의 초점거리.

위 조건식 1에서, |FG1 |/|f| 값이 하한 보다 작으면 민감도가 지나치게 커지고 광학계의 전장을 줄이는 것이 어려워지며, 상한보다 크면 렌즈 유닛의 굴절력이 지나치게 커져서 만곡 및 왜곡 수차를 보정하는 것이 어려워진다.

<조건식 2>

3 < HFOV / HIH < 5

HFOV: 광학계의 수평 화각.

HIH: 이미지센서의 수평 길이.

위 조건식 2에서, HFOV/HIH 값이 상한보다 크면 광축 주변부 광선의 결상이 어려워져서 성능 확보가 어렵고, 하한보다 작으면 표준치 이상의 시야각 확보가 어려워진다.

<조건식 3>

1 < TTL / f < 2.5

f: 광학계 전체의 초점거리.

TTL: 제1 렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이.

위 조건식 3에서, TTL/f 값이 하한보다 작으면 광학적인 성능 확보가 어렵고, 상한보다 크면 광학계의 소형화가 어려워지는 문제가 있다

<조건식 4>

|R2| > 50

R2: 제1 렌즈(L1)의 상측면의 곡률반경.

위 조건식 10에서, |R2|가 하한보다 작으면 조립성이 저하되고 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있다

<조건식 5>

0.5 < |R3| / |R4| < 1.5

R3: 제2 렌즈(L2)의 물체측면의 곡률반경.

R4: 제2 렌즈(L2)의 상측면의 곡률반경.

위 조건식 5에서, |R3|/|R4| 값이 하한보다 작거나 상한보다 크면 형상 가공이 어렵고, 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있다.

<조건식 6>

0.5 < |f6| / |f| < 1.5

f: 광학계 전체의 초점거리.

f6: 제6 렌즈의 초점거리

위 조건식 6에서, |f6|/|f| 값이 하한보다 작으면 색수차 보정이 어렵고, 하한보다 작거나 또는 상한보다 크면 곡률반경 변화로 인해 조립 공차에 대한 민감도가 급격히 커지는 문제가 있다.

<조건식 7>

10 < V1-V2 < 27

V1: 제1 렌즈의 아베 수.

V2: 제2 렌즈의 아베 수.

위 조건식 7에서, V1-V2 값이 상한보다 크면 이미지면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA)을 확보하기 힘들어져 소형 광학계를 구성하기 어렵고, 하한보다 작으면 고가의 소재 사용으로 인한 단가 상승으로 이어져 제품의 가격 경쟁력 확보가 어려운 문제가 있다.

<조건식 8>

0.6 < HFOV / TTL < 1.4

HFOV: 광학계의 수평 화각.

TTL: 제1 렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이

위 조건식 8에서, HFOV/TTL 값이 하한보다 작으면 광학계의 소형화가 어렵고, 상한보다 크면 광학적인 성능 확보가 어려워진다.

<조건식 9>

3 < D45 / T4 < 5

D45: 제4 렌즈와 제5 렌즈의 간격.

T4: 제4 렌즈의 두께

위 조건식 9에서, D45/T4 값이 상한 보다 크면 광학계의 소형화 및 렌즈 가공이 어렵고, 하한 보다 작으면 고성능 확보가 어려워진다.

아래의 표 1은 전술한 조건식 1 내지 조건식 9를 모두 만족하는 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 광학계의 구체적인 설계 스펙을 예시한 것이다.

[표 1]

표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예 별 데이터는 다음과 같으며, 상기 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예의 광학계 구성은 각각 도 1a, 도 2a 및 도 3a에 나타낸 바와 같다.

아래의 표 2는 제1 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙-각 렌즈의 곡률반경, 두께, 렌즈간격, 굴절률, 아베 수, 초점거리 등-을 나타낸 것이고, 표 3은 제1 실시예에 따른 광학계의 제6 렌즈(L6)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 2] 제1 실시예의 설계 스펙

[표 3] 제1 실시예의 비구면 계수

또한 아래의 표 4는 제2 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표 5는 제2 실시예에 따른 광학계의 제6 렌즈(L6)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 4] 제2 실시예의 설계 스펙

[표 5] 제2 실시예의 비구면 계수

또한 아래의 표 6은 제3 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표 7은 제3 실시예에 따른 광학계의 제6 렌즈(L6)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 6] 제3 실시예의 설계 스펙

[표 7] 제3 실시예의 비구면 계수

한편 제1 내지 제3 실시예에서 비구면 형상은 아래의 수학식을 통해 산출될 수 있다.

[수학식]

위 수학식에서, Z는 렌즈의 정점부터 광축 방향으로의 거리이고, h는 광축에 수직방향으로의 거리이며, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이며, K는 Conic 상수이며, A4, A6, A8, A10, A12, A14, A16, A18, A20 은 각각 비구면 계수로서 표 3, 표 5 및 표 7에 예시한 바와 같다.

한편 도 1b, 도 2b, 도 3b는 각각 제1, 제2, 제3 실시예에 따른 망원 광학계의 수차도를 나타낸 것으로서, 이를 통해 각 실시예에서 구면수차, 비점수차, 및 왜곡수차가 양호한 것을 확인할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면 자율주행 자동차, 드론 등에서 사용할 수 있는 수평 화각 30도, 대각 화각 33.3도의 소형 망원 광학계를 구현할 수 있고, 평면 또는 평면에 근접한 렌즈면을 적용하여 조립성을 개선하고 조립 공차에 대한 민감도를 개선함으로써 가혹 조건에서도 일정한 광학 성능을 발휘하는 광학계를 구현할 수 있다.

또한 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 망원 광학계는 전장(TTL)이 약 26mm 정도에 불과하므로 자율주행 자동차, 드론 등에 장착하여도 설계자유도를 크게 제한하지 않는다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

L1: 제1 렌즈 L2: 제2 렌즈 L3: 제3 렌즈
L4: 제 4렌즈 L5: 제5 렌즈 L6: 제6 렌즈
STOP: 조리개 LF: 필터 CG: 커버 글래스

Claims (9)

1. 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈;
   부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈;
   정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈;
   부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈;
   정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈;
   부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈
   를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되며, 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징을 하는 소형 망원 광학계.
   0.6 < HFOV / TTL < 1.4
   (HFOV: 광학계의 수평화각, TTL: 제1 렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이)
2. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
   3 < HFOV / HIH < 5
   (HFOV: 광학계의 수평 화각, HIH: 이미지 센서 수평 길이)
3. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
   10 < V1-V2 < 27
   (V1: 제1 렌즈의 아베 수, V2: 제2 렌즈의 아베 수)
4. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
   3 < D45 / T4 < 5
   (D45: 제4 렌즈와 제5 렌즈의 간격, T4: 제4 렌즈의 두께)
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
   2 < |FG1| / |f| < 6
   0.5 < |f6| / |f| < 1.5
   1 < TTL / f < 2.5
   (FG1: 제1 렌즈와 제2 렌즈의 합성 초점거리, f6: 제 6렌즈의 초점거리, f: 광학계 전체의 초점거리, TTL: 제1 렌즈의 물체측면에서 이미지센서의 상면까지의 길이)
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
   |R2| > 50
   0.5 < |R3| / |R4| < 1.5
   (R2: 제1 렌즈의 상측면의 곡률반경, R3: 제2 렌즈의 물체측면의 곡률반경, R4: 제2 렌즈의 상측면의 곡률반경)
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록하고,
   상기 제2 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하며,
   상기 제3 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 상측으로 볼록하며,
   상기 제4 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 물체측으로 오목하며,
   상기 제5 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록한 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계
8. 제7항에 있어서,
   상기 제6 렌즈는 상측으로 볼록한 메니스커스 렌즈이고, 상기 제6 렌즈의 양면 중에서 적어도 하나는 비구면인 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제6 렌즈의 물체측면은 근축 영역에서 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목하며, 상기 제6 렌즈의 양면 중에서 적어도 하나는 비구면인 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.

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