KR20220084306A - 렌즈 광학계 - Google Patents

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KR20220084306A
KR20220084306A KR1020227014413A KR20227014413A KR20220084306A KR 20220084306 A KR20220084306 A KR 20220084306A KR 1020227014413 A KR1020227014413 A KR 1020227014413A KR 20227014413 A KR20227014413 A KR 20227014413A KR 20220084306 A KR20220084306 A KR 20220084306A
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Abstract

본 발명은 렌즈 광학계에 관한 것으로서, 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군; 포커싱을 수행하며, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군; 및 정의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군을 포함하되, 상기 제1 렌즈군에 포함된 렌즈 중 물체 측에서 가장 가까운 렌즈는 정의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고, 상기 제2 렌즈군은 1매의 렌즈만을 포함하고, 상기 제3 렌즈군에 포함된 렌즈 중 상 측에서 가장 가까운 렌즈는 부의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고, 상기 제2 렌즈군이 포커싱을 수행할 때, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제3 렌즈군은 고정되고, 1.8 이하의 F 넘버를 가지며, 13도 이상 18도 이하의 반화각을 가지는 렌즈 광학계이다.
본 발명에 따르면, 1매의 렌즈만으로 포커싱을 수행하여 포커싱 속도를 향상시키고, 포커싱 렌즈의 구동원에 대한 자유도를 향상시키고, 촬영물의 품질을 향상시킨 렌즈 광학계를 제공할 수 있다.

Description

렌즈 광학계
본 발명은 고속으로 포커싱을 수행하고 촬영물의 품질을 향상시킬 수 있는 렌즈 광학계에 관한 것이다.
이동성 및 휴대성이 향상된 촬영장치에 대한 요구가 높아짐에 따라, 기존의 DSLR(Digital Single Lens Reflex)에서 펜타 프리즘이나 반사 거울을 제거한 CSC(Compact System Camera)의 사용이 증가하고 있다. 그러나 CSC의 사용시에도 고화질의 촬영물을 얻기 위해서는 full-frame의 촬상 소자를 사용하는 교환 렌즈들의 사용이 수반되는데, 촬상 소자의 크기가 커질수록 교환 렌즈의 부피 및 무게가 증가하여 카메라의 휴대성을 저해하게 된다. 따라서 full-frame의 촬상 소자를 사용하더라도 렌즈 광학계의 부피 증가를 방지할 수 있도록 내부 초점 방식을 사용하여 총 길이를 고정적을 유지하는 렌즈 광학계가 제안되었다.
내부 초점 방식에 따라 포커싱 군의 렌즈를 이동시킴에 있어서, 포커싱 군을 구성하는 렌즈의 매수가 많은 경우 포커싱 군의 무게가 증가하여 포커싱 속도의 저하가 야기된다. 특히 CSC의 경우 사용의 편의성 확보를 위하여 오토 포커싱 기능을 채택하는 경우가 많은데, 이때 포커싱 속도의 저하는 촬영의 편의성 및 품질 저하로 이어진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 1매의 포커싱 렌즈를 구비하여 오토 포커싱 속도를 증가시키고, 아울러 각종 수차를 보정하여 촬영 품질을 향상시키는 렌즈 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는, 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군; 포커싱을 수행하며, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군; 및 정의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군을 포함하되, 상기 제1 렌즈군에 포함된 렌즈 중 물체 측에서 가장 가까운 렌즈는 정의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고, 상기 제2 렌즈군은 1매의 렌즈만을 포함하고, 상기 제3 렌즈군에 포함된 렌즈 중 상 측에서 가장 가까운 렌즈는 부의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고, 상기 제2 렌즈군이 포커싱을 수행할 때, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제3 렌즈군은 고정되고, 1.8 이하의 F 넘버를 가지며, 13도 이상 18도 이하의 반화각을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈군은 부의 굴절력을 갖는 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈군 또는 상기 제3 렌즈군 중 적어도 어느 하나는 조리개를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈군, 상기 제2 렌즈군 및 상기 제3 렌즈군에 포함되는 렌즈는 구면 렌즈일 수 있다.
또한, 상기 제3 렌즈군에 포함된 렌즈 중 상 측에서 가장 가까운 렌즈는, 상 측에 대해 볼록하게 형성될 수 있다.
또한, 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure pct00001
여기서, Df는 무한 물체 거리에서 최단 촬영 거리까지 포커싱할 때 상기 제2 렌즈군에 포함된 렌즈의 총 이동 거리이고, f2는 제2 렌즈군의 초점거리다.
또한, 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure pct00002
여기서, Dtotal은 상기 제1 렌즈군에서 물체 측에 제일 가까운 렌즈의 물체 측면에서부터 상기 제3 렌즈군에서 상 측에 제일 가까운 렌즈의 상 측면까지의 거리이고, f는 무한 물체 거리에서 렌즈 광학계 전체의 초점거리이다.
또한, 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure pct00003
여기서, nav는 렌즈 광학계에 포함된 모든 렌즈의 평균 굴절률이다.
또한, 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure pct00004
여기서, G2V는 상기 제1 렌즈군에서 물체 측으로부터 두번째 렌즈의 아베수이고, G3V는 상기 제1 렌즈군에서 물체 측으로부터 세번째 렌즈의 아베수이다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 렌즈 광학계는, 오토 포커싱 속도를 증가시키고, 총 길이를 짧게 유지하여 촬영 장치의 소형화를 달성하고, 각종 수차를 보정함으로써 촬영물의 높은 해상도를 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 횡수차도(ray fan)를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 횡수차도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 횡수차도를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방식은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 렌즈 광학계(100)는 물체 측(object side, O)에서 상 측(image side, I)을 향하여 순차적으로, 제1 렌즈군(G110), 제2 렌즈군(G120) 및 제3 렌즈군(G130)을 포함할 수 있다.
구체적으로 렌즈 광학계(100)는, 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군(G110), 포커싱을 수행하며, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군(G120) 및 정의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군(G130)을 포함하되, 상기 제1 렌즈군(G110)에 포함된 렌즈 중 물체 측(O)에서 가장 가까운 렌즈는 정의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고, 상기 제2 렌즈군(G120)은 1매의 렌즈만을 포함하고, 상기 제3 렌즈군(G130)에 포함된 렌즈 중 상 측(I)에서 가장 가까운 렌즈는 부의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고, 상기 제2 렌즈군(G120)이 포커싱을 수행할 때, 상기 제1 렌즈군(G110) 및 상기 제3 렌즈군(G130)은 고정되고, 1.8 이하의 F 넘버를 가지며, 13도 이상 18도 이하의 반화각을 가질 수 있다.
이하에서, “물체 측”은 피사체가 위치하는 방향을 나타내고, “상 측”은 상이 결상되는 면 즉, 상면(image plane, img)이 위치하는 방향을 나타낸다. 또한, 어느 하나의 렌즈에 있어서 “물체 측면”은 피사체가 위치하는 쪽의 렌즈 면을 의미하고, “상 측면”은 상면(img)이 위치하는 쪽의 렌즈면을 의미한다. 따라서 도면상에서 물체 측면은 좌측의 렌즈면을, 상 측면은 우측의 렌즈면을 나타낸다. 상면(img)은 촬상 소자면 또는 이미지 센서면일 수 있다.
아울러 설명의 편의상 이하에서는, 제1, 제2 및 제3 렌즈군(G110, G120, G130) 각각에 포함되는 렌즈들을 기술함에 있어, 물체 측(O)에서 상 측(I)으로 진행하며 배열의 전후(前後)를 결정한다. 예를 들어 제1 렌즈군(G110)의 첫번째 렌즈(111)는 제1 렌즈군(G110)에 포함되는 렌즈 중 물체 측(O)에 가장 가까이 배열된 렌즈이고, 마지막 렌즈(114)는 제1 렌즈군(G110)에 포함되는 렌즈 중 상 측(I)에 가장 가까이 배열된 렌즈를 의미한다. 도면 상에서 물체 측(O)을 좌측 또는 전방이라 칭하고, 상 측(I)을 우측 또는 후방이라 칭할 수 있다. 또한, 렌즈 광학계(100)를 구성하는 각 렌즈를 물체 측(O)에서 상 측(I)으로 진행함에 따라 각각 제1 렌즈, 제2 렌즈…제n 렌즈(n은 자연수)라 칭한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 제1 렌즈군(G110)은 제1렌즈 내지 제4 렌즈(111, 112, 113, 114)를 포함할 수 있다. 이때 제1 렌즈(111)는 정의 굴절력을 가지는 메니스커스 렌즈일 수 있다. 아울러 제2 렌즈(112) 및 제3 렌즈(113)는 접합될 수 있다. 제2 렌즈군(G120)은 제 5렌즈(121)를 포함할 수 있다. 제3 렌즈군(G130)은 제6렌즈 내지 제 10 렌즈(131, 132, 133, 134, 135)를 포함할 수 있다. 이때 제6 렌즈 및 제7 렌즈(131, 132)는 접합될 수 있으며, 제8 렌즈 및 제9 렌즈(133, 134)도 접합될 수 있다. 조리개(stp)는 제5 렌즈(121)와 제6 렌즈(131)의 사이에 형성될 수 있다.
렌즈 광학계의 제1 렌즈군(G110)은 정의 굴절력을 갖고, 적어도 1매 이상의 렌즈를 포함하며, 첫번째 렌즈로 정의 굴절력을 가지는 메니스커스 렌즈를 포함할 수 있다. 아울러 제1 렌즈군(G110)은 부의 굴절력을 갖는 접합 렌즈를 포함할 수 있다.
렌즈 광학계는 초점 거리보다 렌즈의 물리적 거리가 짧은 텔레포토 타입(telephoto type)으로 형성되기 위해, 정의 굴절력을 갖는 렌즈군과 부의 굴절력을 갖는 렌즈군의 조합을 포함한다. 부의 굴절력을 갖는 렌즈군은 포커싱(focusing)을 수행하는 제2 렌즈군(G120)이 된다.
상술한 바와 같이 제1 렌즈군(G110)이 정의 굴절력을 가짐으로써, 포커싱을 수행하는 제2 렌즈군(G120)의 구경이 작아질 수 있고 이를 통해 제2 렌즈군(G120)의 경량화가 이루어질 수 있다.
그러나 제2 렌즈군(G120)의 구경이 작아지더라도, 제2 렌즈군(G120)에 복수의 렌즈가 포함된다면 제2 렌즈군(G120)의 경량화 가능성은 낮아진다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계(100)의 제2 렌즈군(G120)은 1매의 렌즈만을 포함함으로써 경량화될 수 있다.
렌즈 광학계(100)의 포커싱은 제2 렌즈군(G120)이 물체 측(O) 및 상 측(I)으로 즉, 전후 방향으로 이동함으로써 수행되는데, 제2 렌즈군(G120)이 경량화되면 고속의 오토 포커싱(auto focusing)을 구현할 수 있다.
아울러 제2 렌즈군(G120)은 평오목 또는 양오목 형태의 렌즈를 포함할 수 있다. 평오목 또는 양오목 렌즈는 강한 부의 굴절력을 가짐으로써, 제2 렌즈군(G120)이 포커싱을 수행할 때 이동거리를 최소화하여 오토 포커싱의 속도를 극대화시킬 수 있다.
제3 렌즈군(G130)은 정의 굴절력을 갖고, 적어도 1매 이상의 렌즈를 포함하며, 마지막 렌즈(135)로 부의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈를 포함할 수 있다.
렌즈 광학계(100)에서 제3 렌즈군(G130)은 상면만곡을 보정하는 역할을 한다. 제3 렌즈군(G130)은 정의 굴절력을 갖기 때문에 상면(img)이 물체 측(O)을 향해 휘어지는 상면만곡수차가 발생하는데, 제3 렌즈군(G130)의 마지막 렌즈(135) 즉, 제3 렌즈군(G130)에 포함된 렌즈 중 상 측(I)에 가장 가까이 배치된 렌즈가 부의 굴절력을 갖도록 형성됨으로써 만곡수차를 보정할 수 있다. 상면만곡에 대하여는 이후 자세히 설명한다.
제1 렌즈군(G110)과 제3 렌즈군(G130)은, 제2 렌즈군(G120)이 전후로 이동하며 포커싱을 수행할 때 고정됨으로써, 렌즈 광학계(100)의 총 길이가 고정될 수 있다. 이와 같이 내부 포커싱 방식을 사용하여 렌즈 광학계(100)의 총 길이를 고정시킴으로써 렌즈 광학계(100)가 사용되는 촬영장치를 소형화할 수 있다.
렌즈 광학계(100)는 제1 렌즈군(G110) 또는 상기 제3 렌즈군(G130) 중 적어도 어느 하나에 조리개(stp)를 포함할 수 있다. 조리개(stp)는 렌즈로 들어오는 빛의 양을 결정하여, 렌즈의 유효 직경을 변화시키는 역할을 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면 제5 렌즈(121)과 제6 렌즈(131) 사이에 조리개(stp)가 배치될 수 있다. 이처럼 포커싱 군인 제2 렌즈군(G120)의 바로 뒤에 조리개(stp)가 위치하면 포커싱 군의 직경을 감소시킴으로써 오토 포커싱의 속도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 조리개(stp)의 위치는 이에 한할 것은 아니다. 만약, 조리개(stp)가 제2 렌즈군(G120)의 직전에 배치되면, 제2 렌즈군(G120) 및 제3 렌즈군(G130)의 구경을 감소시킬 수 있다.
렌즈 광학계(100)는 1.8 이하의 F 넘버를 가지며, 13도 이상 18도 이하의 반화각(half field of view)을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 렌즈 광학계(100)에 포함되는 렌즈는 모두 구면 렌즈로 형성될 수 있다. 이를 통해 비구면 렌즈를 사용할 때에 비해 제조 원가를 절감할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 렌즈 광학계(200)는 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군(G210), 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군(G220), 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈군(G230)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계(200)의 제1 렌즈군(G210)은 제1렌즈 내지 제4 렌즈(211, 212, 213, 214)를 포함할 수 있다. 이때 제1 렌즈(211)는 정의 굴절력을 가지는 메니스커스 렌즈일 수 있다. 아울러 제2 렌즈(212) 및 제3 렌즈(213)는 접합될 수 있다. 제2 렌즈군(G220)은 제5 렌즈(221)를 포함할 수 있다. 제3 렌즈군(G230)은 제6 렌즈 내지 제 10 렌즈(231, 232, 233, 234, 235)를 포함할 수 있다. 이때 제6 렌즈(231) 및 제7 렌즈(232)는 접합될 수 있으며, 제8 렌즈(233) 및 제9 렌즈(234)도 접합될 수 있다. 조리개(stp)는 제5 렌즈(221)와 제6 렌즈(231)의 사이에 형성될 수 있다. 이하에서는 제1 실시예와의 차이점을 중심으로 기술한다.
본 발명의 실시예에 따르면 제3 렌즈군(G230)에 포함된 렌즈 중 상 측(I)에서 가장 가까운 렌즈 즉, 제10 렌즈(235)는 상 측(I)에 대해 볼록하게 형성될 수 있다.
렌즈 광학계(200)에 포함되는 각 렌즈는 광을 완전히 투과시키지 못하고 부분 반사시킬 수 있다. 이와 같은 광의 부분 반사는 광의 투과면 양쪽의 굴절률 차이에서 기인하고, 주로 렌즈의 양 면 사이, 또는 인접한 서로 다른 렌즈와의 표면 사이에서 부분 반사된 빛들이 중첩되어 불필요한 상을 만들 수 있다. 이와 같이 불필요한 상이 형성되는 현상을 고스트(ghost) 현상이라고 하고, 고스트 현상은 촬영물의 품질 저하 요인이 된다.
촬상 소자를 보호하는 커버 글래스(cover glass)는 반사율이 높으므로, 촬상 소자와 가까이 위치한 제3 렌즈군(G230)의 마지막 렌즈(235)가 상 측(I)으로 평면이거나 또는 오목한 형상으로 형성되는 경우에는 상술한 바와 같은 고스트 현상이 심화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계(200)는 제3 렌즈군(G230)의 마지막 렌즈(235)를 상측으로 볼록한 형상으로 형성하여, 커버 글래스에서 반사된 빛을 퍼뜨려 줌으로써 촬영 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 렌즈 광학계(300)는 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군(G310), 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군(G320), 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈군(G330)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계(300)의 제1 렌즈군(G310)은 제1 렌즈 내지 제4 렌즈(311, 312, 313, 314)를 포함할 수 있다. 이때 제1 렌즈(311)는 정의 굴절력을 가진 메니스커스 렌즈일 수 있다. 아울러 제2 렌즈(312) 및 제3 렌즈(313)는 접합될 수 있다. 제2 렌즈군(G320)은 제5 렌즈(321)를 포함할 수 있다. 제3 렌즈군(G330)은 제6 렌즈 내지 제11 렌즈(331, 332, 333, 334, 335, 336)를 포함할 수 있다. 제6 렌즈(331) 및 제7 렌즈(332)는 접합될 수 있고, 제8 렌즈(333) 및 제9 렌즈(334)도 접합될 수 있다. 제3 렌즈군(G330)의 가장 마지막 렌즈인 제11 렌즈(336)는 상 측(I)으로 볼록한 형상으로 형성됨으로써 고스트 현상을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 제1 실시예, 제2 실시예 및 제3 실시예 각각에 있어서, 제3 렌즈군(G130, G230, G330)의 상 측(I)에는 적어도 하나의 촬상 소자(F1, F2, F3)가 구비될 수 있다. 촬상 소자(F1, F2, F3)는 커버 글라스, lowpass filter, IR-Cut filter 등이 사용될 수 있다. 이와 같은 광학 필터를 생략하고 렌즈 광학계(100, 200, 300)를 구성할 수도 있다. 피사체의 영상은 렌즈 광학계(100, 200, 300)에 포함된 렌즈들 각각을 통과하여 상면(img)에 입사된다. 이때 상면(img)은 촬상 소자 면 또는 이미지 센서 면일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계(100, 200, 300)는 다음 식을 만족할 수 있다. 이하 식들에 대해서는 도 1을 참조하여 설명하나, 다른 실시예에 따른 렌즈 광학계에도 적용될 수 있다.
[식 1]
Figure pct00005
여기서, Df는 무한 물체 거리에서 최단 촬영 거리까지 포커싱할 때 상기 제2 렌즈군(G120)에 포함된 렌즈의 총 이동 거리이고, f2는 제2 렌즈군(G120)의 초점거리이다.
(Df/f2)가 식 2의 하한값 미만인 경우, 포커싱 수행시 제2 렌즈군(G120)의 이동 거리가 지나치게 증가하여 오토 포커싱 속도가 저하된다. 반대로 (Df/f2)가 식 2의 상한값을 초과하는 경우, 포커싱 수행시 제2 렌즈군(G120)의 이동 거리가 지나치게 작아지게된다. 따라서 제2 렌즈군(G120)을 이동시키기 위해 극히 높은 정밀도를 가진 구동원을 사용해야하며, 일반적인 성능을 가진 구동원을 사용할 경우에는 오토 포커싱의 정밀도가 저하될 수 있다. 따라서 렌즈 광학계(100)는 식 1을 만족시킴으로써, 고속 오토 포커싱을 확보하는 동시에 제2 렌즈군(G120)의 구동원 선택의 자유도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 렌즈 광학계는 다음 식을 만족할 수 있다.
[식 2]
Figure pct00006
여기서, Dtotal은 상기 제1 렌즈군(G110)에서 물체 측(O)에 제일 가까운 렌즈의 물체 측면에서부터 상기 제3 렌즈군(G130)에서 상 측(I)에 제일 가까운 렌즈의 상 측면까지의 거리이고, f는 무한 물체 거리에서 렌즈 광학계(100) 전체의 초점거리이다.
(Dtotal/f)가 식 2의 상한값을 초과하는 경우, 렌즈 광학계(100)의 총 길이가 지나치게 길어지게 되어, 렌즈 광학계(100)의 소형화가 어려워진다. 반면, (Dtotal/f)가 식 2의 하한값 미만인 경우 초점거리가 너무 길어짐으로써 렌즈가 커지고 광학계의 전장길이(overall length)가 길어지므로 단소화하기 어려워진다.
본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계(100)는 다음 식을 만족할 수 있다.
[식 3]
Figure pct00007
여기서, nav는 렌즈 광학계(100)에 포함된 모든 렌즈의 평균 굴절률이다.
페츠발 상면만곡(Petzval curvature) 또는 상면만곡이란, 렌즈의 각 지점을 통과하는 광선의 굴절 각도가 상이하여, 평면의 피사체에 대한 상이 굽은 형상으로 형성되는 현상을 말한다. 즉, 렌즈의 중심부와 주변부의 초점이 맺히는 지점이 상이하게 형성되어, 평면의 피사체에 대한 초점면이 곡면을 이루는 것이다.
렌즈 광학계(100)를 구성하는 렌즈의 평균 굴절률이 증가할수록 페츠발 상면만곡을 감소시킬 수 있다. 다만 렌즈를 굴절률이 높은 소재로만 구성하면 제작 비용이 급격히 증가하게 된다. 반면, 굴절률이 낮은 소재의 렌즈를 사용하면 제작 비용 측면에서는 유리하지만 페츠발 상면만곡의 보정 효과가 미미하다. 따라서 상기 식 3은 페츠발 상면만곡의 보정 효과를 극대화하는 동시에 렌즈 광학계(100) 구성시 경제성도 확보할 수 있도록 렌즈의 평균 굴절률을 제한한다.
본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계(100)는 다음 식을 만족할 수 있다.
<식 4>
Figure pct00008
여기서, G2V는 상기 제1 렌즈군(G110)에서 물체 측(O)으로부터 두번째 렌즈의 아베수이고, G3V는 상기 제1 렌즈군(G110)에서 물체 측(O)으로부터 세번째 렌즈의 아베수이다.
아베수는 렌즈의 분산에 관한 성질을 수치화한 지표이다. 구체적으로 아베수는 분산능의 역수이고, 분산능은 빛을 분산시키는 매질의 능력을 나타낸다. 아베수가 높을수록 광이 렌즈를 통해 분산되는 양이 감소한다.
인접한 두 렌즈의 분산능의 차이가 클수록 색수차 감소 효과는 증가한다. 그러나 분산능이 작은 렌즈들은 굴절률도 낮은 경향성이 있어서, 렌즈 광학계(100)의 상면만곡 보정효과는 감소한다. │G2V-G3V│의 값이 식 4의 하한값 미만인 경우가 이에 해당한다.
반면, │G2V-G3V│의 값이 식 4의 상한값을 초과하는 경우는 두 렌즈의 분산능의 차이가 크지 않아 색수차 보정 효과가 미미하다.
본 발명에서는 다음과 같이 다양한 설계에 따른 실시예를 통해 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 이하에서, "f"는 전체 유효 초점거리(단위: mm), "FOV"는 화각(단위: ˚), "F/#"은 F 넘버, "Object"는 피사체, "Radius"는 곡률 반경(단위: mm), "Thick"는 렌즈의 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 공기층의 두께(단위: mm), "nd"는 굴절률, "vd"는 아베수를 나타낸다.
각 실시예에서 렌즈면 번호(1,2,3??n; n은 자연수)는 물체 측(O)으로부터 상 측(I)(I)으로 순차적으로 매겨진다. 각 도면에서는 설명의 편의상 제1 렌즈군, 제2 렌즈군 및 제3 렌즈군 각각의 가장 물체 측(O)에 위치한 렌즈의 물체 측면과 가장 상 측(I)에 있는 렌즈의 상 측면에 대해서만 렌즈면 번호를 표시한다.
<제1 실시예>
표 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계(100)의 설계 데이터를 나타낸 것이다. 제1 실시예의 유효 초점거리, F넘버, 화각은 다음과 같다.
f=84mm, F/1.44, FOV=28.8°
[표 1]
Figure pct00009
표 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계(100)에 있어서, 무한 물체거리(infinity), TL=0.89m인 경우에 대해, 각각 가변거리(D0, D1, D2, D3), 화각(FOV), F 넘버(F/#) 등의 데이터를 나타낸 표이다. 여기서, TL은 렌즈 광학계에서 최단 촬영거리를 나타낼 수 있다. 이하에서, "STOP"은 조리개의 유효 반경을 나타낸다. "in Air"는 광학 소자가 없는 경우, 렌즈 광학계의 가장 상측 렌즈의 상 측면에서 상면(img)까지의 거리를 나타낸다. 즉, "in Air"는 광학 소자가 없는 경우 후초점거리를 나타낼 수 있다. "EFL/MAG"는 유효초점거리(Effective Focal Length, EFL)와 배율(MAG)의 비를 나타낸다. "OAL"은 물체 측(O)에 가장 가까운 렌즈의 물체 측면에서부터 상면(img)까지의 광축상 거리를 나타낸다.
[표 2]
Figure pct00010
도 1은 상술한 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 광로도(optical layout)로서, 렌즈의 배치를 도시하고 있다. 도 2는 상술한 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 횡수차도(ray fan)를 도시한 도면이다. 이때 점선은 C-line, 실선은 D-line, 일점 파선은 F-line에 대한 횡수차를 나타낸다. C-line은 656.2800nm, D-line은 587.5600nm, F-line은 486.1300nm의 파장을 갖는다.
<제2 실시예>
표 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계(200)의 설계 데이터를 나타낸 것이다. 제2 실시예의 유효 초점거리, F넘버, 화각은 다음과 같다.
f=84mm, F/1.45, FOV=28.8°
[표 3]
Figure pct00011
표 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계(200)에 있어서, 무한 물체거리(infinity), TL=0.91m인 경우에 대해, 각각 가변거리(D0, D1, D2, D3), 화각(FOV), F 넘버(F/#) 등의 데이터를 나타낸 표이다.
[표 4]
Figure pct00012
도 3은 상술한 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 광로도(optical layout)로서, 렌즈의 배치를 도시하고 있다. 도 4는 상술한 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 횡수차도(ray fan)를 도시한 도면이다. 이때 점선은 C-line, 실선은 D-line, 일점 파선은 F-line에 대한 횡수차를 나타낸다.
<제3 실시예>
표 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계(300)의 설계 데이터를 나타낸 것이다. 제3 실시예의 유효 초점거리, F넘버, 화각은 다음과 같다.
f=85.86mm, F/1.47, FOV=28.9°
[표 5]
Figure pct00013
표 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계(300)에 있어서, 무한 물체거리(infinity), TL=0.91m인 경우에 대해, 각각 가변거리(D0, D1, D2, D3), 화각(FOV), F 넘버(F/#) 등의 데이터를 나타낸 표이다.
[표 6]
Figure pct00014
도 5는 상술한 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 광로도(optical layout)로서, 렌즈의 배치를 도시하고 있다. 도 6은 상술한 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 횡수차도(ray fan)를 도시한 도면이다. 이때 점선은 C-line, 실선은 D-line, 일점 파선은 F-line에 대한 횡수차를 나타낸다.
아래의 표 7은, 상술한 제1 실시예, 제2 실시예 및 제3 실시예의 렌즈 광학계(100, 200, 300)에 대하여, 식 1, 식 2 및 식 3을 계산한 결과를 나타낸 표이다.
[표 7]
Figure pct00015
표 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예, 제2 실시예 및 제3 실시예의 렌즈 광학계(100, 200, 300)는, 식 1, 식 2 및 식 3을 만족함을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군;
    포커싱을 수행하며, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군; 및
    정의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군을 포함하되,
    상기 제1 렌즈군에 포함된 렌즈 중 물체 측에서 가장 가까운 렌즈는 정의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고,
    상기 제2 렌즈군은 1매의 렌즈만을 포함하고,
    상기 제3 렌즈군에 포함된 렌즈 중 상 측에서 가장 가까운 렌즈는 부의 굴절력을 갖는 메니스커스(meniscus) 렌즈이고,
    상기 제2 렌즈군이 포커싱을 수행할 때, 상기 제1 렌즈군 및 상기 제3 렌즈군은 고정되고,
    1.8 이하의 F 넘버를 가지며, 13도 이상 18도 이하의 반화각을 갖는, 렌즈 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈군은 부의 굴절력을 갖는 접합 렌즈를 포함하는, 렌즈 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈군 또는 상기 제3 렌즈군 중 적어도 어느 하나는 조리개를 포함하는, 렌즈 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈군, 상기 제2 렌즈군 및 상기 제3 렌즈군에 포함되는 렌즈는 구면 렌즈인, 렌즈 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈군에 포함된 렌즈 중 상 측에서 가장 가까운 렌즈는, 상 측에 대해 볼록하게 형성되는, 렌즈 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는, 렌즈 광학계.
    <식>
    Figure pct00016

    여기서, Df는 무한 물체 거리에서 최단 촬영 거리까지 포커싱할 때 상기 제2 렌즈군에 포함된 렌즈의 총 이동 거리이고, f2는 제2 렌즈군의 초점거리다.
  7. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는, 렌즈 광학계.
    <식>
    Figure pct00017

    여기서, Dtotal은 상기 제1 렌즈군에서 물체 측에 제일 가까운 렌즈의 물체 측면에서부터 상기 제3 렌즈군에서 상 측에 제일 가까운 렌즈의 상 측면까지의 거리이고, f는 무한 물체 거리에서 렌즈 광학계 전체의 초점거리이다.
  8. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는, 렌즈 광학계.
    <식>
    Figure pct00018

    여기서, nav는 렌즈 광학계에 포함된 모든 렌즈의 평균 굴절률이다.
  9. 제1항에 있어서,
    다음 식을 만족하는, 렌즈 광학계.
    <식>
    Figure pct00019

    여기서, G2V는 상기 제1 렌즈군에서 물체 측으로부터 두번째 렌즈의 아베수이고, G3V는 상기 제1 렌즈군에서 물체 측으로부터 세번째 렌즈의 아베수이다.
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