KR20240050810A

KR20240050810A - 송신 광학계, 센서 시스템 및 라이다 장치

Info

Publication number: KR20240050810A
Application number: KR1020220130664A
Authority: KR
Inventors: 김진영; 이창혁
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사; 현대모비스 주식회사
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-19

Abstract

발명의 실시예에 개시된 송신 광학계는 물체측에 가장 인접한 제1 렌즈; 광원에 가장 인접한 n번째 렌즈(n은 6 이하이다); 및 상기 제1 렌즈와 상기 n번째 렌즈 사이에 배치되며 광축으로 정렬된 복수의 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈는 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지며, 상기 n번째 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며, 상기 n번째 렌즈로부터 물체측으로 n-1번째 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며, 상기 제1 렌즈는 유리 재질이며, 상기 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 구면 형상이며, 상기 n번째 렌즈는 유리 재질이며, 상기 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 비구면 형상일 수 있다.

Description

송신 광학계, 센서 시스템 및 라이다 장치{TRANSMISSION OPTICAL SYSTEM, SENSOR SYSTEM AND RADAR DEVICE}

실시예는 송신 광학계 및 이를 갖는 센서 시스템에 대한 것이다.

실시예는 라이다(LIDAR: Light detection and ranging)용 송신 광학계 및 이를 갖는 장치에 대한 것이다.

발명의 실시 예는 라이다용 송신 광학계 및 시스템을 갖는 이동체에 관한 것이다.

ADAS(Advanced Driving Assistance System)란 운전자를 운전을 보조하기 위한 첨단 운전자 보조 시스템으로서, 전방의 상황을 센싱하고, 센싱된 결과에 기초하여 상황을 판단하고, 상황 판단에 기초하여 차량의 거동을 제어하는 것으로 구성된다. 예를 들어, ADAS 센서 장치는 전방의 차량을 감지하고, 차선을 인식한다. 이후 목표 차 선이나 목표 속도 및 전방의 타겟이 판단되면, 차량의 ESC(Electrical Stability Control), EMS(Engine Management System), MDPS(Motor Driven Power Steering) 등이 제어된다. 대표적으로, ADAS는 자동 주차 시스템, 저속 시내 주행 보조 시스템, 사각 지대 경고 시스템 등으로 구현될 수 있다.

최근 자율 주행 자동차에 대한 관심이 증대됨에 따라 그 핵심 부품인 라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging) 센서에 대한 수요가 커지고 있다. 현재 라이다는 고사양의 고가 차량용으로만 사용되고 있지만 제조비용의 절감으로 일반 차량용으로도 적용될 것으로 예상된다.

초소형 및 초경량 라이다 기술은 무인 이동기기의 센서로서 사용될 뿐만 아니라 지구지형 및 환경관측 등을 위한 위성 및 우주항공 분야, 무인자동차, 공장 및 조선소 등에서 활용되는 트랜스포터, 크레인, 로봇 등에 활용이 가능하고, 육상과 항공 및 해양 산업 분야의 통합적 접근을 통해 이동기기간 복합 또는 협력 운용 형태로도 등장할 전망이므로, 초소형 및 초경량 라이다를 구현하기 위한 초소형 및 초경량 라이다용 광학계의 개발이 시급한 상황이다.

실시예는 광학 특성이 향상된 송신 광학계 및 이를 갖는 센서 시스템을 제공하고자 한다.

실시예는 광각의 송신 광학계 및 이를 갖는 센서 시스템을 제공하고자 한다.

실시예는 열 보상 특성이 향상된 송신 광학계, 센서 시스템 및 라이다 장치를 제공하고자 한다.

발명의 실시예에 따른 송신 광학계는 물체측에 가장 인접한 제1 렌즈; 광원에 가장 인접한 n번째 렌즈(n은 6 이하이다); 및 상기 제1 렌즈와 상기 n번째 렌즈 사이에 배치되며 광축으로 정렬된 복수의 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈는 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지며, 상기 n번째 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며, 상기 n번째 렌즈로부터 물체측으로 n-1번째 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며, 상기 제1 렌즈는 유리 재질이며, 상기 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 구면 형상이며, 상기 n번째 렌즈는 유리 재질이며, 상기 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 비구면 형상일 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 광원은 890nm 내지 960nm 범위의 광을 발생시킬 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제2 렌즈는 광축에서 플랫한 물체측 면과 오목한 형상의 광원측 면을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제3 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며, 상기 제3 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제4 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제3 렌즈는 상기 광축에서 양면이 구면 형상을 가지며, 상기 제4 렌즈는 상기 광축에서 양면이 비구면 형상을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 갖고, 상기 n번째 렌즈는 양의 굴절력을 갖고, 상기 복수의 렌즈는 양의 굴절력을 갖는 렌즈 매수가 음의 굴절력을 갖는 렌즈 매수보다 많을 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈의 물체측 면은 광학계의 렌즈들 중 최대 유효경을 가지며, 상기 제1 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제2 렌즈의 광원측 면은 광학계의 렌즈들 중 최소 유효경을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 n번째 렌즈의 광원측 면의 유효경은 CAn2이고, 상기 n번째 렌즈의 중심 두께는 CTn이며, 수학식: CAn2/2 < CTn을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈의 물체측 면에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리는 TTL이며, 상기 광원의 대각 길이는 LsH이며, 수학식: 10 < TTL / LsH < 30을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈의 물체측 면에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리는 TTL이며, 상기 n번째 렌즈의 광원측 면의 중심에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리는 BFL이며, 수학식: 3 < TTL / BFL < 13을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 따른 송신 광학계는 물체측에서 광원을 향해 광축으로 정렬된 제1 내지 제5 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지며, 상기 제5 렌즈는 양의 굴절력을 가지며, 상기 제1 내지 제3 렌즈는 물체측 면과 광원측 면이 구면 형상을 가지며, 상기 제4 및 제5 렌즈는 유리 재질이며 물체측 면과 광원측 면이 비구면 형상을 가지며, 상기 제1 렌즈의 물체측 면의 유효경은 CA11이며, 상기 제1 렌즈의 중심 두께는 CT1이며, 수학식: 5 < CA11/CT1 < 15을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2 렌즈의 중심 두께는 CT2이며, 상기 제5 렌즈의 중심 두께는 CT5이며, 수학식: 0 < CT5 / (CT1+CT2) < 3을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2,3렌즈 사이의 중심 간격은 CG2이며, 수학식: 0 < CT5 / CG2 < 1을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1,3렌즈의 d-line에서의 굴절률은 n1,n3이고, 상기 제1,3렌즈의 아베수는 v1,v3이며, 수학식: (v3*n3) < (v1*n1)을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2 렌즈는 음의 굴절력을 가지며, 상기 제3,4 렌즈는 양의 굴절력을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, CT5는 상기 제5 렌즈의 중심 두께이며, CT4는 상기 제4 렌즈의 중심 두께이며, TTL은 상기 제1 렌즈의 물체측 면의 중심에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리이며, 수학식: (CT4+CT5) < TTL/3을 만족할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈는 상기 광축에서 볼록한 물체측 면과 오목한 광원측 면을 포함하며, 상기 제1 렌즈의 물체측 면의 유효경은 상기 제1 내지 제5 렌즈의 물체측 면과 광원측 면의 유효경 중 최대일 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2 렌즈는 플랫한 물체측 면과 오목한 광원측 면을 가지며, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈 사이의 중심 간격은 상기 제1 내지 제5 렌즈들 사이의 중심 간격 중 최대일 수 있다.

발명의 실시 예에 따른 라이다 장치는 광원과, 물체측에서 광원측을 향해 제1 광축으로 정렬된 제1 내지 제5 렌즈를 갖는 송신 광학계; 및 상기 이미지 센서와, 물체측에서 상기 이미지 센서를 향해 제2 광축으로 정렬된 제6 내지 제10 렌즈를 갖는 수신 광학계를 포함하며, 상기 수신 광학계는 상기 제6 내지 제10 렌즈들 중 어느 한 면이 구면인 렌즈와 어느 한 면이 비구면인 렌즈 사이에 배치된 광학 필터를 포함하며, 상기 제1 렌즈와 상기 제6 렌즈 각각은 제1 및 제2 광축에서 물체측을 향해 볼록한 메니스커스형상을 가지며, 상기 제5 렌즈와 상기 제10 렌즈 각각은 제1 및 제2 광축에서 양면이 볼록한 형상을 갖고, 상기 제1 및 제2 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 비구면 형상을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제3 및 제4 렌즈는 제1 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며, 상기 제8 및 제9 렌즈는 제2 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 내지 제3 렌즈 각각과 상기 제6 내지 제8 렌즈 각각은 물체측 면과 그 반대측 면 중 적어도 하나가 구면인 렌즈이며, 상기 제4 렌즈와 상기 제9 렌즈는 물체측 면과 그 반대측 면이 비구면 형상을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 수신 광학계는 상기 광학 필터의 물체측 면의 둘레에 배치된 조리개를 포함할 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 광원은 890nm 내지 960nm 범위의 광을 발생시키며, 상기 광학 필터는 상기 890nm 내지 960nm 범위의 광을 투과시키는 밴드패스필터일 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 내지 제5 렌즈와 상기 제6 내지 제10 렌즈는 모두 유리 재질일 수 있다.

발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1,2 렌즈와 상기 제6,7 렌즈는 음의 굴절력을 갖고, 상기 제3 내지 제5 렌즈와 상기 제8 내지 제10 렌즈는 양의 굴절력을 가질 수 있다.

실시예에 의하면, 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 발명의 라이다 송신 광학계는 송신 광학계로부터 방출된 광의 추출 효율을 극대화할 수 있다.

발명의 라이다 송신 광학계는 저온 내지 고온의 온도 범위에서 양호한 광학 성을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 송신 광학계에 포함된 복수의 렌즈들은 설정된 재질, 굴절력, 및 굴절률을 가질 수 있다. 이에 따라, 온도 변화에 따른 각 렌즈의 굴절률이 변화되고, 이로 인해 각 렌즈의 초점 거리가 변화할 경우, 글라스 몰드 렌즈와 글라스 렌즈에 의해 상호 보상할 수 있다. 즉, 상기 송신 광학계는 저온 내지 고온의 온도 범위에서 굴절력에 대한 배분을 효과적으로 수행할 수 있고, 저온 내지 고온의 온도 범위에서 광학 특성이 변화하는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 광학계 및 센서 시스템은 다양한 온도 범위에서 향상된 광학 특성을 유지할 수 있다.

발명의 라이다 송신 광학계는 렌즈들은 설정된 두께, 굴절력 및 인접한 렌즈와의 간격을 가질 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 광학계 및 센서 시스템은 설정된 화각 범위에서 향상된 MTF 특성, 수차 제어 특성, 해상도 특성 등을 가질 수 있고, 화각의 주변부에서 양호한 광학 성능을 가질 수 있다.

실시예에 따른 송신 광학계 및 센서 시스템은 글라스 몰드 렌즈와 유리 렌즈의 혼합을 통해 설정된 화각을 만족하며 우수한 광학 특성을 구현할 수 있다. 이로 인해 상기 광학계는 보다 슬림한 차량용 센서 시스템을 제공할 있다. 따라서, 상기 광학계 및 센서 시스템은 다양한 어플리케이션 및 장치 등에 제공될 수 있고, 가혹한 온도 환경, 예를 들어 차량의 외부에 노출되거나 또는 여름철 고온의 차량 내부에서도 우수한 광학 특성을 가질 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 라이다의 송신 광학계의 측 단면도이다.
도 2는 도 1의 송신 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표이다.
도 3은 도 1의 송신 광학계에서 렌즈들의 비구면 계수를 나타낸 표이다.
도 4는 도 1의 송신 광학계에서 온도에 따른 각 렌즈의 굴절률 변화를 비교한 표이다.
도 5은 도 1의 송신 광학계에서 저온, 상온 및 고온의 온도에 따른 회절 MTF(Modulation Transfer Function)의 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 송신 광학계의 저온에서의 수차 특성에 대한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1의 송신 광학계의 상온에서의 수차 특성에 대한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1의 송신 광학계의 고온에서의 수차 특성에 대한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1의 송신 광학계를 갖는 센서 시스템을 나타낸 블록 구성도이다.
도 10은 도 9의 센서 시스템의 수신 광학계를 나타낸 측 단면도이다.
도 11은 발명의 센서 시스템을 갖는 차량에서 물체를 측정하는 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 발명의 센서 시스템을 갖는 차량에서의 주변 감시 예를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

발명의 설명에 있어서, "물체측 면"은 광축(OA)을 기준으로 물체측을 향하는 렌즈의 면을 의미할 수 있고, "센서측 면"은 광축을 기준으로 촬상 면(이미지 센서)을 향하는 렌즈의 면이며, "광원측 면"은 광축을 기준으로 광원을 향하는 렌즈의 면을 의미할 수 있다. 상기 렌즈의 일면이 볼록하다는 것은 광축 또는 근축 영역(Paraxial region)에서 볼록한 형상을 의미할 수 있고, 렌즈의 일면이 오목하다는 것은 광축 또는 근축 영역에서의 오목한 형상을 의미할 수 있다. 렌즈 데이터에 대한 표에 기재된 곡률 반경, 중심 두께, 렌즈 사이의 광축 간격은 광축에서의 값(단위, mm)을 의미할 수 있다. 수직 방향은 광축과 수직인 방향을 의미할 수 있고, 렌즈 또는 렌즈면의 끝단은 입사된 광이 통과하는 렌즈의 유효 영역의 끝단을 의미할 수 있다. 렌즈면의 유효경의 크기는 측정 방법 등에 따라 최대 ±0.4 mm 정도의 측정 오차를 가질 수 있다. 상기 근축 영역이라 함은 광축 근처의 매우 좁은 영역을 의미하며, 광축(OA)으로부터 광선이 떨어지는 거리가 거의 0인 영역이다. 이하, 광축이라는 의미는 각 렌즈의 중심이거나 광축 근처의 매우 좁은 영역을 포함할 수 있다.

도 1은 발명의 송신 광학계를 나타낸 측 단면도이다.

도 1을 참조하면, 송신 광학계(110) 및 이를 갖는 센서 시스템은 차량 내부 또는 외부에 장착되어, 운전자 감시 또는 외부 물체나 차선을 센싱할 수 있다. 상기 렌즈들의 재질은 유리 또는 플라스틱이 선택될 수 있으며, 선팽창 계수는 유리 재질이 플라스틱 재질보다 작다. 온도 변화에 따라 초점 결상 위치가 변화되는 것을 억제하기 위해 유리 재질의 렌즈를 채용하고 있다. 그러나, 구면의 유리 렌즈들로 광학계를 구성할 경우, 렌즈 매수를 줄이는 데 한계가 있고, 사이즈 감소 및 중량 경감에 한계가 있다.

발명의 실시 예의 송신 광학계(110)는 구면 렌즈와 비구면 렌즈를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 구면 렌즈는 렌즈의 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나가 구면인 렌즈이다. 상기 비구면 렌즈는 렌즈의 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나가 비구면인 렌즈이다. 상기 송신 광학계(110)는 구면의 유리 렌즈와 비 구면의 유리 렌즈를 포함할 수 있다. 또한 비구면 렌즈를 채용하므로, 광학계(110)는 전체 길이(TTL)이 줄어들 수 있고, 비구면 렌즈로 인해 구면 수차, 색 수차와 같은 다양한 수차에 대해 양호한 보정이 가능할 수 있다. 또한 비구면 렌즈들은 주변부의 왜곡 부분을 최소화시켜 줄 수 있다.

상기 광학계(110)는 n개의 렌즈를 포함할 수 있으며, n 번째 렌즈는 이미지 센서(151)에 인접한 마지막 렌즈이며, n-1번째 렌즈는 마지막 렌즈에 가장 인접한 렌즈일 수 있다. 상기 n은 4 이상의 정수이며, 예컨대 4 내지 7 범위이거나 4내지 6 범위일 수 있다. 상기 n개의 렌즈에서 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 비율은 3:1, 4:1, 3:2, 2:3, 3:3, 5:2, 또는 4:2 중 어느 하나일 수 있다.

상기 송신 광학계(110)는 첫번째 렌즈가 유리 재질의 렌즈들로 이루어질 수 있다. 상기 유리 재질은 외부 온도 변화에 따른 팽창과 수축 변화량이 적고, 표면이 잘 긁히지 않아 표면 손상을 방지할 수 있다. 이에 따라 광학계(110)에서 물체측 렌즈들은 구면 렌즈이고, 광원측 렌즈(들)은 비구면 렌즈로 배치할 수 있다.

상기 광학계(110) 내에서 상기 광원(116)에 가장 가까운 적어도 하나의 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다. 예컨대, 상기 광원(116)에 가장 가까운 적어도 두 매의 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있으며, 바람직하게 상기 광원(116)에 인접한 적어도 2매의 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다. 즉, 광학계(110)에서 n번째와 n-1 번째 렌즈들은 비구면 렌즈로 배치되므로, 광원(116)의 출사측 광들에 대해 다양한 경로로 방출할 수 있다. 상기 비구면 렌즈는 유리 재질이 사출 성형된 글라스 몰드일 수 있다.

상기 광학계(110) 내에서 물체에 가장 가까운 적어도 두 매의 렌즈는 유리 재질일 수 있다. 상기 물체에 가장 가까운 2매 이상의 렌즈 예컨대, 2매 내지 4매의 렌즈는 유리 재질일 수 있다. 상기 유리 재질의 렌즈들이 온도 변화에 따른 수축과 팽창의 변화율이 플라스틱 재질보다 작으므로, 상기 렌즈 배럴 내에서 외부에 인접한 영역에 유리 재질의 렌즈들을 배치할 수 있다.

상기 각 렌즈는 물체측(object side) 면과 광원측(light source side) 면을 가질 수 있다. 상기 렌즈들은 물체측 구면과 광원측 구면의 렌즈와, 물체측 비구면과 광원측 비구면의 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 광학계는 비구면의 렌즈 매수는 구면 렌즈 매수보다 작을 수 있다. 상기 광학계(110)는 비구면의 렌즈들을 광원(116)에 인접하게 배치하므로, 다양하게 굴절된 광을 제공할 수 있다. 상기 구면 렌즈들은 유리 재질이며, 비구면 렌즈들은 글라스 몰드 재질일 수 있다.

상기 광학계(110)의 렌즈들 중에서 최대 굴절률을 갖는 렌즈는 구면 렌즈일 수 있으며, 최대 아베수를 갖는 렌즈는 구면 렌즈일 수 있다. 이에 따라 최대 굴절률을 갖는 렌즈가 물체측에 배치되므로, 두 번째 이후의 렌즈의 곡률 반경의 변경이 용이하고 중심 두께를 증가시켜 줄 수 있다.

상기 광학계(110) 내에서 최대 유효경을 갖는 렌즈는 물체측에 가장 가깝게 위치하며, 유리 재질이며 구면 렌즈일 수 있다. 상기 광학계(110) 내에서 최소 유효경을 갖는 렌즈는 조리개(ST)와 상기 물체측에 가장 가까운 렌즈 사이에 위치하며, 유리 렌즈일 수 있다. 또한 상기 비구면 렌즈들의 유효경 평균은 상기 구면 렌즈들의 유효경 평균보다 작을 수 있다. 여기서, 상기 렌즈의 유효경은 각 렌즈의 물체측 면의 유효경과 광원측 면의 유효경의 평균 값이다.

상기 렌즈들(111-115) 각각은 유효 영역 및 비유효 영역을 포함할 수 있다. 상기 유효 영역은 상기 렌즈들 각각에 입사된 광이 통과하는 영역일 수 있다. 즉, 상기 유효 영역은 입사된 광이 굴절되어 광학 특성을 구현하는 유효한 영역 또는 유효경으로 정의될 수 있다. 상기 비유효 영역은 상기 유효 영역의 둘레에 배치될 수 있다. 상기 비유효 영역은 상기 복수의 렌즈들에서 유효한 광이 입사되지 않는 영역일 수 있다. 즉, 상기 비유효 영역은 상기 광학 특성과 무관한 영역일 수 있다. 또한, 상기 비유효 영역의 단부는 상기 렌즈를 수용하는 렌즈 배럴(미도시) 등에 고정되는 영역일 수 있다.

상기 광학계(110)의 렌즈들 중에서 최대 중심 두께를 갖는 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있고, 최대 에지 두께를 갖는 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다. 이에 따라 다양한 굴절면을 제공할 수 있고, 주변부까지 광학 성능을 개선시켜 줄 수 있다. 상기 비구면 렌즈들의 중심 두께는 상기 구면 렌즈들의 중심 두께보다 클 수 있다. 이러한 비구면 렌즈들이 상기 광원(116)에 인접하게 배치되어, 레이저 광을 물체측 렌즈들의 전 영역까지 굴절시켜 줄 수 있다.

상기 광학계(110) 내에서 TTL(Total top length)는 LsH 보다 10배 초과 예컨대, 10배 초과 및 20배 이하일 수 있다. 상기 TTL(Total track length )은 상기 첫 번째 렌즈의 물체측 면의 중심으로부터 광원(116)의 상면까지의 광축(OA)에서의 거리이다. 상기 LsH는 상기 광원(116)의 중심에서 대각선 끝단까지의 거리이거나 상기 광원(116)의 최대 대각 길이의 1/2이다. 또한 상기 광학계(110) 내에서 각각의 렌즈의 유효경은 상기 광원(116)의 대각선 길이보다 클 수 있다.

상기 광학계(110) 내에서 유효 초점 거리(EFL)는 10mm 이하 및 화각(FOV)은 100도 초과 또는 120±10도로 제공하여, 차량용 센서 시스템에서 표준 송신 광학계로 제공할 수 있다. 예컨대, 실시 예에 따른 송신 광학계 및 센서 시스템은 차량 실내 또는 실외에 구비되는 ADAS(Advanced Driving Assistance System)용 센싱 장치에 적용될 수 있다.

상기 광학계(110)는 TTL/(2*LsH)의 조건이 5 이상 예컨대, 5 내지 10 범위일 수 있다. 이에 따라 광축(OA)을 따라 각 렌즈의 중심 두께는 증가시키고 상기 광원(116)의 사이즈는 줄여줄 수 있어, 차량용 렌즈 광학계를 제공할 수 있다. 또한 차량용 카메라에 사용되기 위해 자동차용 전장부품의 온도 신뢰성 평가기준이 되는 온도 범위 즉, -40℃ 내지 +120℃에서 온도 보정이 적용되어야 한다. 즉, 온도의 변화에 따라 렌즈가 팽창하거나 수축할 때에도 렌즈의 초점이 설정 범위 이내를 유지하도록 렌즈를 구성하여야 한다. 전체 유효 초점거리(EFL)가 10 mm 이하 예컨대, 1 mm 내지 10 mm 범위 또는 1 mm 내지 5 mm 범위가 되고 전술한 온도 보정이 가능한 유리 재질의 렌즈들로 구성할 수 있다. 상기 광학계(110)는 유효 초점거리를 짧게 하여 광각을 구현할 수 있다.

상기 광학계(110) 내에서 양(+)의 굴절력을 갖는 렌즈 매수는 음(-)의 굴절력을 갖는 렌즈 매수와 같거나 많을 수 있다. 양(+)의 굴절력을 갖는 렌즈 매수는 전체 렌즈 매수에 비해 50% 이상일 수 있다. 상기 음의 굴절력을 갖는 렌즈들의 굴절률 평균은 상기 양의 굴절력을 갖는 렌즈들의 평균 보다 클 수 있다. 이에 따라 양의 굴절력를 갖는 렌즈들의 분산 값은 음의 굴절력을 갖는 렌즈들의 분산 값보다 클 수 있다. 이러한 광학계(110)는 유리 재질의 구면 렌즈와 비구면 렌즈가 혼합되므로, 광학 성능 저하를 방지할 수 있다.

상기 광학계(110) 내에서 물체측에 가장 가까운 렌즈의 유효경은 상기 광원(116)에 가장 가까운 렌즈의 유효경 보다 클 수 있다. 이에 따라 광학계의 밝기를 제어할 수 있다. 상기 각 렌즈들의 유효경 크기를 제어함으로써, 상기 광학계(110)는 입사하는 광을 제어하여 해상력, 온도 변화에 따른 광학 특성 저하를 보상할 수 있으며, 색수차 제어 특성을 개선시킬 수 있다. 상기 렌즈들의 유효경을 조절함으로써, 상기 광학계(110)의 소형화가 가능한 효과가 있다.

상기 광학계(110)는 광축(OA)을 따라 물체측에서 광원측을 향해 정렬된, 제1렌즈(111), 제2 렌즈(112), 제3 렌즈(113), 제4 렌즈(114), 및 제5 렌즈(115)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제5 렌즈(111,112,113,114,115)는 렌즈부로 정의할 수 있다. 광원(116)은 레이저 빔을 발생시키고, 상기 레이저 빔은 890nm 내지 960nm 범위 또는 940nm ±10nm일 수 있다.

곡률 반경을 절대 값으로 설명하면, 상기 광학계(110) 내에서 광축(OA)을 기준으로 최소 곡률 반경을 갖는 렌즈 면은 구면들 중 제1 또는 제2 렌즈(111,112)의 광원측 면일 수 있다. 이에 따라 제1 렌즈(111)와 제2 렌즈(112) 사이의 중심 간격 또는 제2 렌즈(112)와 제3 렌즈(113) 사이의 중심 간격을 이격시켜 줄 수 있다. 상기 광학계(110) 내에서 최대 곡률 반경을 갖는 렌즈 면은 구면들 중 제2 렌즈(114)의 물체측 면일 수 있다. 상기 각 렌즈들의 곡률 반경을 조절하여, 광축에서 유효 영역의 끝단까지 즉, 전 필드에서 CRA(Chief ray angle)를 0.5도 이하로 최소화하여 송신 효율을 극대화시켜 줄 수 있다. 여기서, 상기 CRA가 클수록 송신 광학계(110)의 광원(116)의 중심을 기준으로 발산 각(Divergence angel)의 비대칭이 증가하게 되고, 이로 인해 송신 효율이 저감될 수 있다.

상기 광학계(110) 또는 센서 시스템은 광원(116)을 포함할 수 있다. 상기 광원(116)은 레이저 광의 파장을 발생하며, 상기 레이저 광은 890nm 내지 960nm 범위 또는 940nm ±10nm 범위일 수 있다. 상기 광원(116)은 InGaAs/GaAs 기반의 반도체 다이오드 레이저(Semiconductor diode laser)로 구현될 수 있고, 고출력(high power)의 레이저 광을 방출할 수 있다. 상기 광원(116)은 단일 이미터 및/또는 다중 이미터를 포함할 수 있다. 상기 광원(116)은 선광원 또는 점광원 형태로 레이저 광을 발생하게 된다.

여기서, 상기 광원(116)의 길이는 상기 광축(OA)에 직교하는 대각선 방향의 최대 길이이며, 여기서, 상기 광원(116)의 길이보다 큰 유효경을 갖는 렌즈 매수는 4매 내지 6매이며, 상기 광원(116)의 길이보다 작은 유효경을 갖는 렌즈 매수는 없을 수 있다.

상기 광학계(110)는 조리개(ST: Stop)를 포함할 수 있다. 상기 조리개(ST)는 상기 광학계(110)에서 출사되는 광량을 조절할 수 있다. 상기 조리개(ST)는 제3 렌즈(113)와 제4 렌즈(114) 사이의 둘레에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)는 구면의 제3 렌즈(113)와 비구면의 제4 렌즈(114) 사이에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)는 제3 렌즈(113)의 광원측 구면과 상기 제4 렌즈(114)의 물체측 비구면 사이에 배치될 수 있다.

상기 조리개(ST)와 상기 광원(116) 사이에는 적어도 2매의 렌즈가 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 제4,5 렌즈(114,115)는 상기 조리개(ST) 와 상기 광원(116) 사이에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST) 와 상기 광원(116) 사이에는 비구면 렌즈가 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)는 상기 제3 렌즈(113)의 광원측 구면과 제4 렌즈(114)의 물체측 비구면 사이에 배치될 수 있다.

물체와 상기 조리개(ST) 사이에 배치되는 렌즈들에 있어서, 상기 제2 렌즈(112)에서 상기 조리개(ST)로 갈수록 렌즈 면의 유효경이 증가하는 경향이 있다. 상기 조리개(ST)와 상기 광원(116) 사이에 배치되는 렌즈 면들에 있어서, 상기 조리개(ST)에서 광원(116)을 향해 상기 렌즈 면들의 유효경이 감소하는 경향이 있다. 상기 렌즈 면들의 유효경이 증가하거나 감소하는 경향이 있다는 의미는 상기 렌즈 면들의 유효경이 증가하거나 감소하는 경우만 의미하지는 않는다. 예컨대, 상기 조리개(ST)에서 상기 광원측을 향해 상기 렌즈 면들의 유효경이 증가하다가 감소하는 경우도 포함한다.

상기 조리개(ST)가 배치된 렌즈 면은 상기 광학계(110)의 광량을 보다 효율적으로 조절하고 가이드하기 위함이다. 실시예와 같이 상기 조리개(ST)가 제3 렌즈(113)의 광원측 면에 배치될 수 있다. 이와 다르게, 상기 조리개(ST)는 상기 제2 렌즈(112)의 물체측 면 또는 광원측 면의 둘레에 배치될 수 있다. 이와 다르게, 상기 복수의 렌즈들 중 선택되는 적어도 하나의 렌즈 예컨대, 제3 렌즈(113)의 물체측 면 또는 광원측 면이 조리개 역할을 수행할 수 있다. 상기 조리개(ST)는 송신 광학계(110) 내에서 제거될 수 있다.

실시예의 광학계(110)에서 렌즈부(110)의 렌즈들의 굴절률 합은 8 이상 예컨대, 8 내지 12 범위이며, 상기 굴절률 평균은 1.70 내지 1.80 범위일 수 있다. 상기 렌즈들 각각의 아베수 합은 200 이하 예컨대, 130 내지 200 범위이며, 아베수의 평균은 50 이하 예컨대, 25 내지 50 범위일 수 있다. 상기 광학계(100) 내에서 상기 렌즈들의 굴절률을 조절하여, -45 내지 120도까지의 온도 변화에 대한 송신 효율의 저하를 방지하며 열 보상을 최적화할 수 있다. 또한 상기 렌즈들의 아베수를 조절하여, 파장에 따른 송신 효율의 편차를 최소화할 수 있다.

전체 렌즈의 중심 두께 합은 15mm 이상 예컨대, 15mm 내지 25mm 범위이며 중심 두께들의 평균은 3.9mm 이하 예컨대, 2.9mm 내지 3.9mm 범위일 수 있다. 광축(OA)에서의 렌즈들 사이의 중심 간격들의 합은 15 mm 이상 예컨대, 15 mm 내지 30 mm 범위이고 상기 렌즈의 중심 두께 합보다 클 수 있다. 또한 광학계(110)의 각 렌즈 면들의 유효 경의 평균 값은 20mm 이하 예컨대, 10mm 내지 20mm 범위로 제공할 수 있다. 상기 광학계(110)는 상기 렌즈들의 두께를 조절하여, -45도 내지 120도까지의 온도 변화에 대한 광학 성능의 저하를 방지하며 열 보상을 최적화할 수 있다.

발명의 실시 예에 따른 광학계에서 화각은 100도 초과 예컨대, 110도 내지 130도의 범위일 수 있다. 광학계 또는 카메라 모듈의 F 넘버는 1.2 이하, 예컨대, 0.7 내지 1.2 범위 또는 0.7 내지 0.9 범위일 수 있다. 상기 광원(116)의 대각선 길이는 6.80mm±0.5mm일 수 있으며, 수직 방향의 센서 높이보다 클 수 있다. 발명은 유리 렌즈들을 적층하여 온도 변화에 따라 초점 결상 위치가 변화하는 것을 억제할 수 있고, 비구면 렌즈를 제공하여 다양한 수차를 보정하는 차량용 라이다 장치로 제공할 수 있다.

실시예는 라이다 장치에 적용되는 광학계이므로, 상기 제1 렌즈(111)가 유리 재질로 제공할 수 있다. 이는 유리 재질이 플라스틱 재질 대비 스크래치에 강하고 외부 온도에 민감하지 않은 장점을 갖고 있다. 차량 내부에 배치되거나 이물질에 의한 스크래치를 보다 효과적으로 방지하기 위해 유리 렌즈를 제1 렌즈(111)로 사용하고, 외부 이물질이 쌓이지 않도록 제1 렌즈(111)의 물체측 면은 볼록한 형상을 가질 수 있다. 상기 라이다 장치는 차량 운행 시 물체까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성을 감지할 수 있다. 이러한 라이다 장치는 첨단운전자 지원시스템(ADAS)용으로 사용될 수 있다.

실시 예에 따른 광학계(110)는 광의 경로를 변경하기 위한 반사 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 반사부재는 출사 광을 렌즈들 방향으로 반사하는 프리즘으로 구현될 수 있다. 이하, 실시 예에 따른 광학계를 상세하게 설명하기로 한다.

발명의 실시 예에 따른 광학계에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 실시예에 따른 라이다의 송신 광학계의 측 단면도이며, 도 2는 도 1의 송신 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표이고, 도 3은 도 1의 송신 광학계에서 렌즈들의 비구면 계수를 나타낸 표이며, 도 4는 도 1의 송신 광학계에서 온도에 따른 각 렌즈의 굴절률 변화를 비교한 표이고, 도 5은 도 1의 송신 광학계에서 저온, 상온 및 고온의 온도에 따른 회절 MTF(Modulation Transfer Function)의 데이터를 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 1의 송신 광학계의 저온에서의 수차 특성에 대한 데이터를 나타낸 그래프이며, 도 7은 도 1의 송신 광학계의 상온에서의 수차 특성에 대한 데이터를 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 1의 송신 광학계의 고온에서의 수차 특성에 대한 데이터를 나타낸 그래프이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 광학계(110)는 제1 렌즈(111) 내지 제5 렌즈(115)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제5 렌즈들(111~115)은 상기 광학계(110)의 광축(OA)을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 광원(116)에서 발생된 레이저 광은 제5 렌즈(115), 제4 렌즈(114), 제3 렌즈(113), 제2 렌즈(112) 및 제1 렌즈(111)를 통해 출사될 수 있다. 상기 조리개(ST)는 상기 제3 렌즈(113)의 광원측 면의 둘레에 배치될 수 있다.

상기 제1 렌즈(111)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)는 음(-)의 굴절력일 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)는 플라스틱 재질 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 예컨대 유리 재질일 수 있다. 상기 유리 재질의 제1 렌즈(111)는 주변 환경에 따른 온도 변화에 따른 중심 위치와 곡률 반경 등의 변화를 줄여줄 수 있으며, 광학계(110)의 출사측 면을 보호할 수 있다.

광축을 기준으로 상기 제1 렌즈(111)의 물체측 제1 면(S1)은 볼록하며, 광원측 제2 면(S2)은 오목할 수 있다. 상기 제1 면(S1)과 상기 제2 면(S2)은 구면을 가질 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)는 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 광축(OA)에서 상기 제1 면(S1)은 오목한 형상을 가질 수 있고, 상기 제2 면(S2)은 볼록한 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 면(S1)이 볼록하고 상기 제2 면(S2)은 오목하므로, 출사되는 광을 광축(OA)과 멀어지는 방향으로 굴절시켜 줄 수 있으며, 제1,2렌즈(111,112) 사이의 간격을 줄여줄 수 있고, 상기 제2렌즈(112)의 유효경을 줄여줄 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)의 렌즈 면의 형상에 의해 제2 렌즈(112)의 광원측 면의 유효경을 물체측 면의 유효경보다 작게 설계할 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)의 제1 면(S1)은 광축(OA)에서 유효 영역의 끝단 즉, 에지까지 임계점(Critical point) 없이 제공될 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)의 제2 면(S2)은 임계점 없이 제공될 수 있다.

상기 제1 렌즈(111)의 굴절률이 n1인 경우, n1> 1.7 또는 2.0 >n1> 1.75의 조건을 만족할 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)의 굴절률(n1)이 다른 렌즈들에 비해 높으므로, 제1렌즈(111)의 제1 면(S1)의 곡률 반경의 커질 수 있으며, 렌즈 제작이 용이할 수 있다. 상기 제1 렌즈(111)의 굴절률(n1)이 상기 조건보다 작은 경우, 제1,2 렌즈(111,112)의 굴절력을 증가시켜 주기 위해 렌즈 면을 급격하게 오목하거나 볼록하게 형성해야 하며, 이 경우 렌즈 제작이 용이하지 않고 렌즈 불량률도 높아지고 수율 저하의 원인이 될 수 있다.

상기 제2 렌즈(112)는 상기 제1 렌즈(111)와 상기 제3 렌즈(113) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 렌즈(112)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈(112)는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈(112)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 유리 재질로 제공될 수 있다.

광축(OA)을 기준으로 상기 제2 렌즈(112)의 물체측 제3 면(S3)은 플랫하며, 광원측 제4 면(S4)은 오목할 수 있다. 상기 제4 면(S4)은 구면일 수 있다. 상기 제4 면(S4)는 광축(OA)에서 유효 영역의 끝단까지 임계점 없이 제공될 수 있다. 이와 다르게, 상기 제3 면(S3)은 볼록하고, 상기 제4 면(S4)는 오목한 형상일 수 있다. 이와 다르게, 제2 렌즈(112)는 양면이 오목한 형상일 수 있다.

상기 제2 렌즈(112)의 굴절률이 n2인 경우, n2> 1.7 또는 2.0 >n2> 1.75의 조건을 만족할 수 있다. 상기 제2 렌즈(112)의 굴절률(n2)이 다른 렌즈들에 비해 높으므로, 제2 렌즈(112)의 제3 면(S3)의 곡률 반경의 커질 수 있으며, 렌즈 제작이 용이할 수 있다.

상기 제2 렌즈(112)의 광원측 제4 면(S4)이 오목하고 곡률 반경이 작으므로, 상기 제2 렌즈(112)와 상기 제3 렌즈(113) 사이의 중심 간격이 이격될 수 있다. 또한 상기 제2 렌즈(112)의 제3 면(S3)의 곡률 반경이 L2R1이고, 제4 면(S4)의 곡률 반경이 L2R2인 경우, L2R1 > L2R2의 조건을 만족할 수 있다. 이 조건을 만족할 경우, 제3,4 면(S3,S4)에 의해 출사되는 광을 효율적으로 굴절시켜 주어, 상기 제3 내지 제5 렌즈(114~115)의 유효경이 증가되지 않도록 할 수 있고, TTL을 축소시켜 줄 수 있다. 만약, L2R1 < L2R2의 조건인 경우, 제2 렌즈(112)의 물체측 면에서 수차가 많이 발생하고 광원측 면에서 광의 굴절 효율이 저하될 수 있고, 후방 렌즈들의 유효경이 증가되고 TTL도 커질 수 있다.

상기 제3 렌즈(113)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈(113)는 양(+)의 굴절력일 수 있다. 상기 제3 렌즈(113)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 유리 재질일 수 있다.

광축을 기준으로 상기 제3 렌즈(113)의 물체측 제5 면(S5)은 볼록하고, 광원측 제6 면(S6)은 볼록할 수 있다. 상기 제3 렌즈(113)는 광축(OA)에서 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다. 상기 제5 면(S5) 및 상기 제6 면(S6) 중 적어도 하나 또는 모두는 구면일 수 있다. 상기 제5 면(S5) 및 상기 제6 면(S6) 중 적어도 하나 또는 모두는 광축(OA)에서 유효 영역의 끝단까지 임계점 없이 제공될 수 있다. 이와 다르게, 상기 제3 렌즈(113)은 물체측 또는 광원측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 또는 상기 제3 렌즈(113)는 광축에서 양면이 오목한 형상을 가질 수 있다.

상기 제3 렌즈(113)의 굴절률이 n3인 경우, n3 < n1, n3 < n2의 조건을 만족할 수 있다. 상기 제3 렌즈(113)의 아베수가 v3인 경우, v3 < v1, v3 < v2의 조건을 만족할 수 있다.

조리개(ST)는 상기 제3 렌즈(113)의 광원측 제6 면(S6)의 둘레에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)의 물체측에 인접한 상기 제3 렌즈(113)가 양의 굴절력(F3 > 0)을 가지므로, 상기 제3 렌즈(113)는 출사되는 광을 광축 방향으로 굴절시켜 줄 수 있고, 상기 제3 렌즈(113)의 광원측 또는 후방측 렌즈들의 유효경이 증가되는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라 제3 렌즈(113)에 의해 광학계의 중량별 수율(yield by weight)의 저하를 방지하고 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다. 여기서, 상기 조리개(ST)의 광원측에 배치된 제4,5 렌즈(114,115)의 초점 거리는 양의 값을 가질 수 있으며, 화각 범위 내에서 TTL을 줄여줄 수 있다.

상기 제3 렌즈(113)의 광원측 제6 면(S6)이 볼록한 형상을 가지므로, 상기 제3 렌즈(113)의 광원측에 배치된 상기 광학 필터(155)의 유효경은 상기 제3 렌즈(113)의 제6 면(S6)의 유효경보다 클 수 있다.

상기 제4 렌즈(114)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제4 렌즈(114)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제4 렌즈(114)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 유리 재질로 제공될 수 있다. 상기 제4 렌즈(114)는 사출 성형된 글라스 몰드일 수 있다.

광축을 기준으로 상기 제4 렌즈(114)의 물체측 제7 면(S7)은 볼록하며, 광원측 제8 면(S8)은 볼록할 수 있다. 상기 제4 렌즈(114)는 양면이 볼록할 수 있다. 상기 제7 면(S7) 및 상기 제8 면(S8) 중 적어도 하나 또는 모두는 비구면일 수 있다. 상기 제7,8 면(S7,S8)의 비구면 계수는 도 3의 L4의 S1 및 S2로 제공될 수 있다.

상기 제7 면(S7)은 광축(OA)에서 유효 영역의 끝단까지 임계점을 가질 수 있다. 상기 제8 면(S8)은 광축(OA)에서 유효 영역의 끝단까지 임계점 없이 제공될 수 있다. 상기 제7 면(S7)과 상기 제8 면(S8)은 모두 임계점이 없거나 임계점을 가질 수 있다. 여기서, 상기 임계점은 광축(OA) 및 상기 광축(OA)의 수직인 방향에 대한 기울기 값의 부호가 양(+)에서 음(-)으로 또는 음(-)에서 양(+)으로 변하는 지점으로, 기울기 값이 0인 지점을 의미할 수 있다. 또한 상기 임계점은 렌즈 면을 지나는 접선의 기울기 값이 커지다고 작아지는 지점 또는 작아지다가 커지는 지점일 수 있다. 이와 다르게, 상기 제4 렌즈(114)는 물체측 또는 광원측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 광축(OA)에서 상기 제4 렌즈(114)는 양면이 오목한 형상을 가질 수 있다.

상기 제5 렌즈(115)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제5 렌즈(115)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제5 렌즈(115)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 유리 재질로 제공될 수 있다. 상기 제5 렌즈(115)는 사출 성형된 글라스 몰드일 수 있다.

광축을 기준으로 상기 제5 렌즈(115)의 물체측 제9 면(S9)은 볼록하며, 광원측 제10 면(S10)은 볼록할 수 있다. 상기 제5 렌즈(115)는 양면이 볼록할 수 있다. 상기 제9 면(S9) 및 상기 제10 면(S10) 중 적어도 하나 또는 모두는 비구면일 수 있다. 상기 제9,10 면(S9,S10)의 비구면 계수는 도 3의 L5의 L1 및 L2로 제공될 수 있다.

상기 제9,10 면(S9,S10) 중 적어도 하나는 광축(OA)에서 유효 영역의 끝단까지 임계점을 가질 수 있다. 상기 제9 면(S9)과 상기 제10 면(S10)은 모두 임계점이 없을 수 있다. 이와 다르게, 상기 제5 렌즈(115)는 물체측 또는 광원측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 광축(OA)에서 상기 제5 렌즈(115)는 양면이 오목한 형상을 가질 수 있다.

상기 제5 렌즈(115)의 유효경은 상기 제4 렌즈(114)의 유효경보다 작을 수 있다. 상기 제5 렌즈(115)는 상기 제1,2 렌즈(111,112)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지며, 상기 제1,2렌즈(111,112)의 아베수보다 낮은 아베수를 가질 수 있다.

상기 제3 렌즈(113), 상기 제4 렌즈(114) 및 상기 제5 렌즈(115)는 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있으며, 모두 양의 굴절력을 가질 수 있다. 또한 상기 제3 렌즈(113), 상기 제4 렌즈(114) 및 상기 제5 렌즈(115)는 상기 제1,2 렌즈(111,112)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지며, 상기 제1,2렌즈(111,112)의 아베수보다 낮은 아베수를 가질 수 있다. 상기 제4,5 렌즈(114,115)의 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나는 자유 곡면 즉, 비회전 대칭 곡면을 가질 수 있다.

상기 제5 렌즈(115)는 광원(116)에 가장 인접한 비구면 렌즈일 수 있다. 2매 이상의 비구면 렌즈가 광원(116)에 인접하게 배치함으로써, 비구면을 갖는 렌즈 면에 의해 구면 수차와 색 수차 등의 수차를 개선할 수 있다.

음의 굴절력을 갖는 렌즈들은 제1 렌즈 그룹이며, 양의 굴절력을 갖는 렌즈들은 제2 렌즈 그룹일 경우, 상기 조리개(ST)는 상기 제2 렌즈 그룹 내에 배치될 수 있다.

상기 조리개(ST)는 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나가 구면인 제1 렌즈 그룹과, 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나가 비구면인 제2 렌즈 그룹 사이에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)는 사출 성형되지 않는 렌즈들을 갖는 제1 렌즈 그룹과, 사출 성형된 렌즈들을 갖는 제2 렌즈 그룹 사이에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)는 상기 조리개(ST)의 물체측에 배치된 렌즈들을 갖는 제1 렌즈 그룹과, 상기 광학 필터(155)의 광원측에 배치된 렌즈들을 갖는 제2 렌즈 그룹 사이에 배치될 수 있다.

도 1 및 도 2와 같이, 상기 제1 내지 제5 렌즈 (111~115)의 중심 두께는 CT1~CT5으로 나타내며, 각 렌즈의 유효 영역의 끝단인 에지 두께는 ET1~ET5으로 나타내며, 인접한 두 렌즈 사이의 중심 간격(Center gap)은 CG1~CG4으로 나타낸다.

상기 제1 내지 제5 렌즈 (111~115)는 하기 조건을 만족할 수 있다.

조건1: CT2 < CT1 < CT3

조건2: CT4 < CT5 < (CT3+CT4)

조건3: CT4-CT3 < CT2

조건4: ET3 < ET2 < ET1

조건5: ET4 < ET3 < ET5 < CT5

조건6: CT2 < CT1 < ET2 < ET1

조건7: CG1 < CT4 < CT5 < CG2

조건8: CG3 < CT1 < CG4 < CG1

상기 제5 렌즈(115)의 중심 두께(CT5)는 렌즈들 중에서 최대이며, 제2 렌즈(112)의 중심 두께(CT2)는 렌즈들 중에서 최소이다. 최대 중심 두께는 최소 중심 두께의 2배 이상 예컨대, 3배 이상일 수 있으며, 최대 중심 두께와 최소 중심 두께의 차이는 4 mm 이상일 수 있다. 즉, 구면 재질의 렌즈들은 중심 두께를 얇게 제공하더라도, 광학 성능의 저하가 발생되지 않을 수 있고, 센서 시스템의 두께를 슬림하게 제공할 수 있다.

인접한 렌즈들 사이의 중심 간격(CG)를 설명하면, 상기 제2렌즈(112) 및 제3 렌즈(113) 사이의 중심 간격(CG2)은 최대이며 제1,2 렌즈(111,112) 사이의 중심 간격(CG1)보다 크다. 제3,4 렌즈(113,114) 사이의 중심 간격(CG3)은 상기 렌즈들 간격 중에서 최소일 수 있다. 여기서, 최대 중심 간격과 최소 중심 간격의 차이는 5mm 이상 예컨대, 5mm 내지 8mm 범위일 수 있다. 또한 렌즈들 사이의 최대 중심 간격이 각 렌즈의 최대 중심 두께보다 크게 제공해 줌으로써, 비구면 렌즈들 사이의 중심 간격을 증가하지 않는 송신 광학계를 제공할 수 있다. 또한 렌즈들 사이의 최대 중심 간격이 각 렌즈의 최소 중심 두께보다 크게 제공되므로, 광 경로를 제어할 수 있다.

유효경에 대해 설명하면, 최대 유효경을 갖는 렌즈는 물체에 가장 가까운 제1 렌즈(111)일 수 있다. 최대 유효경을 갖는 렌즈는 유리 재질의 구면 렌즈일 수 있다. 최대 유효경을 갖는 렌즈 면은 제1 렌즈(111)의 제1 면(S1)일 수 있다. 최소 유효경을 갖는 렌즈는 상기 제1 렌즈(111)에 인접한 제2 렌즈(112)일 수 있다. 최소 유효경을 갖는 렌즈 면은 상기 제2 렌즈(112)의 제4 면(S4)일 수 있으며, 상기 제1 면(S1)의 70% 미만일 수 있다.

상기 제1 내지 제5 렌즈(111-115) 각각의 유효경은 상기 광원(116)의 대각 길이보다 클 수 있다. 여기서, 상기 제1 내지 제3 렌즈 (111~113)의 중심 두께의 합은 상기 제4,5 렌즈(114,115)의 중심 두께의 합보다 작을 수 있다. 상기 제1 내지 제3 렌즈 (111-113)의 유효경 평균은 상기 제4,5 렌즈(114,115)의 유효경 평균보다 클 수 있다. 상기 제4,5 렌즈(114,115)는 비구면을 갖고, 입사된 광을 구면 렌즈로 가이드할 수 있다.

도 2는 도 1의 실시 예의 광학계의 렌즈 데이터의 예이다. 도 2와 같이, 제1 내지 제5 렌즈 들(111,112,113,114,115)의 광축(OA)에서의 곡률 반경(Radius of Curvature), 렌즈의 중심 두께(Thickness), 렌즈들 사이의 중심 간격(distance), d-line에서의 굴절률(Refractive index), 아베수(Abbe's Number) 및 유효반경의 크기를 설정할 수 있다.

도 3과 같이, 실시예의 렌즈들 중 제4,5 렌즈(114,115)의 렌즈면은 30차 비구면 계수를 가진 비구면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제4,5 렌즈(114,115)의 물체측 면과 광원측 면은 30차 비구면 계수를 가지는 렌즈면일 수 있다. 상기와 같이 30차 비구면 계수를 가진 비구면은(“0”이 아닌 수치) 주변부의 비구면 형상을 특히 크게 변화시킬 수 있기 때문에 화각(FOV)의 주변부의 광학 성능을 양호하게 보정할 수 있다.

상기 제1,2 렌즈(111,112)의 초점 거리(F1,F2)는 음의 굴절력을 가지며, 상기 제3,4,5 렌즈(113,114,115)의 초점 거리(F3,F4,F5)는 양의 굴절력을 가질 수 있다.

또한 인접하여 배치되는 렌즈인 상기 제2 렌즈(112)와 상기 제3 렌즈(113)는 하기 조건을 만족할 수 있다.

조건 1: 양의 굴절력을 가진 렌즈의 굴절률 < 음의 굴절력을 가진 렌즈의 굴절률

조건 2: 양의 굴절력을 가진 렌즈의 분산값 > 음의 굴절력을 가진 렌즈의 분산값

여기서, 렌즈들 중에서 제2 렌즈(112)는 음의 굴절력을 갖고, 제3 렌즈(113)는 양의 굴절력을 가짐에 따라, 상기 조건 1,2에 의하면 상기 제3 렌즈의 굴절률이 상기 제2 렌즈의 굴절률보다 작고, 상기 제3 렌즈의 분산값이 상기 제2 렌즈의 분산값보다 크다. 구면 렌즈에서 발생되는 색수차는 구면 렌즈로 보정할 수 있다. 또한, 연속해서 배치되는 구면 렌즈인 상기 제2 렌즈(112)와 상기 제3 렌즈(113) 사이의 굴절률 차이가 0.1 이상 0.15 이하, 아베수 차이가 10 이상 20 이하를 만족시킴으로써, 구면 렌즈에서 발생하는 색 수차를 구면 렌즈로 보상할 수 있다.

광학계는 색 수차가 발생하며, 연속하여 배치된 비구면 렌즈들을 사용하여 색수차를 보정한다. 저온에서 고온까지의 온도가 변화함에 따라 렌즈가 수축 및 팽창을 반복한다. 같은 소재의 렌즈들은 온도 변화에 따른 렌즈 특성 변화량이 동일하므로, 온도가 변화하더라도 같은 소재의 렌즈끼리 색 수차를 보정하는 것이 효과적이다. 예컨대, 도 4와 같이, 렌즈 배럴 또는 송신 광학계의 온도가 -40도에서 90도까지 변화할 경우, d-line에서의 제1 내지 제4 렌즈의 굴절률은 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 따라서, 발명의 실시예에서 상기 제4 렌즈(114) 및 상기 제5 렌즈(115)는 유리 소재의 구면 렌즈에서 발생하는 색 수차를 보정할 수 있다.

초점 거리를 절대 값으로 비교하면, 상기 제4 렌즈(114)의 초점 거리는 렌즈들 중에서 최대이며, 20 이상 및 40 이하일 수 있다. 이에 따라 광학계에서 설정된 화각 범위에서 향상된 MTF 특성, 수차 제어 특성 등을 가질 수 있고, 양호한 광학 성능을 가질 수 있다.

도 5는 도 1의 광학계에서 저온, 상온 및 고온에서의 회절(Diffraction) MTF(Modulation transfer function)를 나타낸 그래프로서, 공간 주파수(spatial frequency)에 따른 휘도 비(modulation)를 나타낸 그래프이다. 도 5와 같이, 발명의 실시 예에서 상온을 기준으로 저온 또는 고온과의 MTF의 편차는 10% 미만 즉, 7% 이하일 수 있다. 여기서, 각각의 MTF 곡선은 0.000 mm에서 3.550mm까지 0.340mm 단위로 측정하였다.

도 6 내지 도 8은 도 1의 광학계에서 저온, 상온 및 고온에서의 수차 특성을 나타낸 그래프다. 도 6 내지 도 8의 수차 그래프에서 좌측에서 우측 방향으로 구면 수차(Longitudinal Spherical Aberration), 비점 수차(Astigmatic Field Curves), 왜곡 수차(Distortion)를 측정한 그래프이다. 도 6 내지 도 8에서 X축은 초점 거리(mm) 및 왜곡도(%)를 나타낼 수 있고, Y축은 이미지의 높이(height)를 의미할 수 있다. 또한, 구면 수차에 대한 그래프는 약 930nm, 약 940nm, 약 950nm 파장 대역의 광에 대한 그래프이며, 비점 수차 및 왜곡 수차에 대한 그래프는 약 940nm 파장 대역의 광에 대한 그래프이다. 도 6 내지 도 8의 수차도에서는 저온, 상온 및 고온에서의 각 곡선들이 Y축에 근접할 수록 수차 보정 기능이 좋은 것으로 해석할 수 있다. 여기서, 저온은 -20도 이하의 예컨대, -20 내지 -50도 범위이며, 상온은 22도±5도 범위 또는 18도 내지 27도 범위이며, 고온은 85도 이상 예컨대, 85도 내지 120도의 범위일 수 있다. 이에 따라 도 6 내지 도 8의 저온에서 고온까지 휘도 비(modulation)의 저하가 10% 미만 예컨대, 5% 이하이거나, 거의 변경되지 않음을 알 수 있다.

온도에 따른 MTF 편차는 표 1과 같다.

온도	MTF 편차
-45	87.500
22	88.300
90	87.700

표 2은 제1실시 예에 따른 광학계에서 상온, 저온 및 고온에서의 EFL, BFL, F넘버(F#), TTL 및 화각(FOV)와 같은 광학 특성의 변화를 비교하였으며, 상온을 기준으로 저온의 광학 특성의 변화율 5% 이하 예컨대, 3%이하 또는 2% 이하로 나타남을 알 수 있으며, 상온을 기준으로 저온의 광학 특성의 변화율이 5% 이하 예컨대, 3% 이하 또는 2% 이하로 나타남을 알 수 있다.

	상온	저온	고온	저온/상온	고온/상온
EFL(F)	3.173	3.171	3.171	100.06%	100.00%
BFL	6.120	6.125	6.135	99.92%	100.16%
F#	0.802	0.802	0.803	100.00%	100.12%
TTL	50.970	51.028	51.087	99.89%	100.12%
FOV	62.658	62.687	62.708	99.95%	100.03%

따라서, 표 2와 같이, 저온에서 고온까지의 온도 변화에 따른 광학 특성의 변화 예컨대, 유효초점거리(EFL)의 변화율, TTL, BFL, F 넘버(F#), 화각(FOV)의 변화율이 10% 이하 즉, 5% 이하 예컨대, 0 ~ 5% 범위임을 알 수 있다. 이는 적어도 한 매 또는 두 매 이상의 비구면 렌즈를 사용하더라도, 비구면 렌즈에 대한 온도보상이 가능하게 설계하여, 광학 특성의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다. 상기에 개시된 실시 예의 광학계는 색수차, 왜곡 수차 등의 수차 특성을 효과적으로 제어할 수 있고, 화각(FOV)의 중심부와 주변부에서도 양호한 광학 성능을 가질 수 있다.

발명의 실시 예에 따른 송신 광학계는 차량용 광학계의 특성을 고려하여 저온에서 고온까지 광학 성능의 저하를 방지할 수 있다. 예컨대, 상온에서 렌즈를 설계한 다음 각 렌즈의 파워 조합을 고려하여 온도별 굴절률 변화계수인 dn/dt의 값을 조립하고, 상기 렌즈의 굴절률에 따른 온도계수(dn/dt)의 값과 저온, 상온 및 고온에 따라 두께 변수에 대한 디포커스(defocus)를 5㎛ 이하로 설정할 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 내지 제3 렌즈(111,112,113)은 구면의 유리 재질이며, 상기 제4,5 렌즈(114,115)는 비구면의 유리 재질이다.

상기에 개시된 실시 예에 따른 광학계(110)는 이하에서 설명되는 수학식들 중 적어도 하나 또는 둘 이상을 만족할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 광학계(110)는 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광학계(110)가 적어도 하나의 수학식을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 색수차, 왜곡 수차 등의 수차 특성을 효과적으로 제어할 수 있고, 화각(FOV)의 중심부와 주변부에서도 양호한 광학 성능을 가질 수 있다. 또한, 상기 광학계(110)는 향상된 해상력을 가질 수 있다. 또한, 수학식들에 기재된 렌즈의 광축(OA)에서의 두께, 인접한 렌즈들의 광축(OA)에서의 간격이 의미하는 것은 상기에 개시된 실시 예를 참조할 수 있다.

[수학식 1]

0 < CT1 / CT2 < 3

CT1은 제1 렌즈(111)의 중심 두께이며, CT2는 제2 렌즈의 중심 두께이다. 수학식 1에서 상기 제1 렌즈(111)의 중심 두께(CT1)와 상기 제2 렌즈(112)의 중심 두께(CT2)를 설정해 주어, 제1 렌즈(111)의 강성 저하를 방지할 수 있고, 수차에 영향을 주는 요소를 제어할 수 있다. 바람직하게, 수학식 1은 1 < CT1 / CT2 < 3을 만족할 수 있다.

[수학식 2]

5 < CA11/CT1 < 15

CA11는 상기 제1 렌즈(111)의 물체측 면(S1)의 유효경이다. 수학식 2에서 상기 제1 렌즈(111)의 중심 두께(CT1)과 제1 렌즈(111)의 물체측 면(S1)의 유효경(CA11)을 설정해 줄 수 있으며, 이를 만족할 경우, 유리 재질의 렌즈의 강도 및 광학적 특성 저하를 방지할 수 있다. 만약, 수학식 1의 범위보다 낮은 경우, 렌즈가 파손되거나 출사 효율이 저하될 수 있고, 상기 범위보다 큰 경우 TTL이 증가하게 되고 광학계의 중량이 무거워질 수 있다. 바람직하게, 수학식 2는 7 < CA11/CT1 < 12를 만족할 수 있다.

[수학식 3]

0 < CT5 / CT4 < 3

CT4는 제4 렌즈(114)의 중심 두께이며, CT5는 제5 렌즈(115)의 중심 두께이다. 수학식 3에서 제5 렌즈(115)의 중심 두께(CT5)와 제4 렌즈(114)의 중심 두께(CT4)를 설정해 줄 수 있어, 저온에서 고온까지 온도 변화에 따라 열 보상을 최적화할 수 있고, 광학 성능의 저하를 방지할 수 있다. 바람직하게, 수학식 3는 1 < CT5/CT4 < 2를 만족할 수 있다.

[수학식 3-1]

0 < CT5 / CT3 < 3

CT3은 제3 렌즈의 중심 두께이다. 수학식 3-1에서 제3,5 렌즈(113,115)의 중심 두께(CT3,CT5)를 설정해 주어, 광원측 렌즈들로부터 굴절된 광을 물체를 향해 가이드해 줄 수 있다. 바람직하게, 수학식 3-1는 1 < CT5/CT3 < 2를 만족할 수 있다. 이에 따라 광원(116)에 가장 인접한 제5 렌즈(115)는 중심 두께(CT5)를 두껍게 하고 유효경을 크게 증가하지 않고, 물체측 렌즈들로 광을 굴절시켜 줄 수 있다.

[수학식 4]

0 < CT5 / (CT1+CT2) < 3

수학식 4에서 제5 렌즈(115)의 중심 두께(CT5)를 제1,2 렌즈(111,112)의 중심 두께(CT1,CT2)의 합보다 크게 설정해 주어, 물체측 렌즈를 통해 굴절된 광을 가이드해 줄 수 있다. 바람직하게, 수학식 4는 1 < CT5/(CT1+CT2) < 2.5를 만족할 수 있다. 이에 따라 광원(116)에 가장 인접한 제5 렌즈(115)는 중심 두께(CT5)를 두껍게 하고 유효경을 크게 증가하지 않을 수 있다.

[수학식 5]

0 < CT5 / CG2 < 1

CG2는 상기 제2,3 렌즈(112,113) 사이의 중심 간격이다. 수학식 5에서 제2,3 렌즈(112,113) 사이의 중심 간격(CG2)을 제5 렌즈(115)의 중심 두께(CT5)보다 크게 설정해 주어, 상기 제2 렌즈(112)는 오목한 광원측 면과 최소 유효경을 갖는 렌즈로 설정할 수 있다. 또한 상기 제3 렌즈(113)의 유효경을 상기 제2 렌즈(112)의 유효경보다 증가시켜 줄 수 있다.

[수학식 6]

0 < CG1 / CG4 < 1.5

CG1는 상기 제1,2 렌즈(111,112) 사이의 중심 간격이며, CG4는 제4,5 렌즈(114,115) 사이의 중심 간격이다. 수학식 6에서 제1,2 렌즈(111,112) 사이의 중심 간격(CG1)과 제4,5 렌즈(114,115)의 중심 간격(CG4)을 설정해 주어, 구면 렌즈들 사이의 중심 간격과 비구면 렌즈들 사이의 중심 간격을 설정해 줄 수 있다. 바람직하게, 0.5 < CG1 / CG4 < 1을 만족할 수 있다.

[수학식 7]

0 < CG2 / CG4 < 1

수학식 7에서 제2,3 렌즈(112,113) 사이의 중심 간격(CG2)을 제4,5 렌즈(114,115)의 중심 간격(CG4)보다 크게 설정해 주어, 물체측 구면 렌즈들 사이의 중심 간격에 의해 광원측 비구면 렌즈들 사이의 중심 간격을 줄여줄 수 있다. 바람직하게, 0.2 < CG2 / CG4 < 0.8을 만족할 수 있다.

[수학식 8]

0.5 < CG2 / (CT1+CG1+CT2) < 1.5

수학식 8에서 제2,3 렌즈(112,113) 사이의 중심 간격(CG2)을 제1 렌즈(111)의 물체측 면에서 상기 제2 렌즈(112)의 광원측 면 사이의 광축 거리보다 크게 설정할 수 있다. 이에 따라 상기 제1렌즈(111)의 물체측 면의 유효경은 최대로 설정하고 상기 제2 렌즈(112)는 오목한 광원측 면과 최소 유효경을 갖는 렌즈로 설정할 수 있다. 바람직하게, 1 < CG2 / (CT1+CG1+CT2) < 1.5를 만족할 수 있다.

[수학식 10]

1.70 < n1

n1는 제1 렌즈(111)의 d-line에서의 굴절률이다. 수학식 10에서 제1 렌즈(111)의 굴절률을 높게 설정해 주어, 광학계의 3차 수차(자이델 수차) 감소에 영향을 주는 요소를 조절할 수 있으며, TTL이 다소 길어지면서 발생할 수 있는 수차를 감소할 수 있다. 수학식 10은 바람직하게, 1.75 < n1 < 2.1 를 만족할 수 있다. 수학식 10의 하한치보다 낮게 설계될 경우, 수차를 감소시켜 시키는 성능을 얻을 수 있고, 상기 제1 렌즈의 굴절력이 약해져서 빛을 효율적으로 모으지 못하여 광학계의 성능이 떨어질 수 있다. 수학식 10의 상한치보다 높게 설계될 경우, 재료를 구하기 힘들어지는 단점이 있다. 또한 제1 렌즈(111)의 굴절률이 수학식 4의 하한치보다 낮게 설계될 경우, 제1,2렌즈의 굴절력을 증가하기 위해, 제1,2 렌즈의 곡률 반경을 증가될 수 있다.

[수학식 10-1]

1.7 < Aver(n1:n5) < 1.8

Aver(n1:n5)는 제1 내지 제5 렌즈의 d-line에서의 굴절률 값들의 평균이다. 수학식 10-1를 만족할 경우, 광학계(110)는 TTL의 영향을 억제할 수 있다.

[수학식 10-2]

GMn_Aver < GLn_Aver

GLn_Aver은 구면 유리 렌즈들의 d-line에서의 굴절률 값들의 평균이며, GMn_Aver는 비구면 유리 렌즈들의 d-line에서의 굴절률 값들의 평균이다. 상기 구면 렌즈는 사출 성형하지 않는 유리 재질의 렌즈이며, 상기 비구면 렌즈는 글라스 몰드의 유리 재질의 렌즈이다. 굴절률이 높은 구면 렌즈들이 비구면 렌즈의 물체측에 위치하여, 색 분산을 증가시켜 줄 수 있다.

[수학식 11]

0 < n1/n3 < 1.5

n1,n3는 제1,3 렌즈(111,113)의 d-line에서의 굴절률이다. 수학식 11에서 상기 제1 렌즈(111)의 굴절률을 상기 제3 렌즈(113)의 굴절률 차이를 줄여주어, 유리 재질의 렌즈들에 의한 색 분산의 저하를 방지할 수 있다. 바람직하게, 수학식 11은 1 < n1/n3 < 1.3를 만족할 수 있다.

[수학식 12]

1 < n3/n4 < 1.5

n3,n4는 제3,4 렌즈(113,114)의 d-line에서의 굴절률이다. 수학식 12에서 상기 제3 렌즈(113)의 굴절률을 상기 제4 렌즈(114)의 굴절률보다 높게 설정해 주어, 구면 재질의 렌즈들에 의한 색 분산과 비구면 렌즈들에 의한 색 분산을 조절할 수 있다. 바람직하게, 수학식 12는 1 < n3/n4 < 1.2를 만족할 수 있다.

[수학식 13]

(v4*n4) < (v1*n1)

n1,n4는 제1,4 렌즈(111,114)의 d-line에서의 굴절률이며, v1,v4는 제1,4 렌즈의 아베수이다. 수학식 13에서 상기 제1,4 렌즈(111,114)의 굴절률과 아베수의 곱을 상기 제4 렌즈(114)의 굴절률과 아베수의 곱보다 높게 크게 설정해 주어, 구면 재질의 렌즈들에 의한 색 분산과 비구면 렌즈들에 의한 색 분산을 조절할 수 있다.

[수학식 14]

SD < TD

SD는 조리개(ST)에서 상기 광원(116)의 표면까지의 광축 거리이며, TD는 상기 제1 렌즈(111)의 물체측 면에서 상기 제5 렌즈(115)의 센서측 면까지의 광축 거리이다. 광학계가 수학식 14를 만족할 경우, 조리개(ST)를 서로 다른 두 렌즈 사이에 위치시켜 줄 수 있다.

[수학식 14-1]

CA11/2 < (CT_n+CT_n-1) < CA11

CT_n는 광원(116)에 인접한 n 번째 렌즈의 중심 두께이며, CT_n-1는 n-1번째 렌즈의 중심 두께를 나타내며, CA11은 상기 제1 렌즈의 유효경이다. 수학식 14-1에서 광원(116)에 인접한 n번째 렌즈와 n-1번째의 중심 두께의 합을 설정해 주어, 출사된 광 경로를 조절할 수 있다. 상기 n번째 렌즈는 제5 렌즈이며, 상기 n-1번째 렌즈는 제4 렌즈일 수 있다.

[수학식 14-2]

10 mm < (CT_n+CT_n-1) < TTL/3

TTL은 상기 제1 렌즈(111)의 물체측 면의 중심에서 광원(116)의 표면까지의 광축 거리이다. 수학식 14-2에서 상기 광학 필터(155)와 상기 광원(116) 사이의 광축 거리를 전체 광축 길이(TTL)의 1/3 미만으로 설정해 줄 수 있다. 이에 따라 상온대비 저온 및 고온에서의 출사각이 시프트되는 문제를 최소화할 수 있다. 바람직하게, 10 mm < (CT_n+CT_n-1) < TTL/3를 만족할 수 있다.

[수학식 15]

CAn2/2 < CTn

CAn2는 n 렌즈의 광원측 유효경이며, CTn는 n번째 렌즈의 중심 두께이다. 수학식 15를 만족할 경우, n번째 렌즈의 유효경이 n번째 렌즈의 중심 두께와 대비하여 크지 않도록 설정할 수 있다.

[수학식 16]

CA52/2 < CG2 < CA11

CA52는 제5 렌즈의 광원측 유효경이며, CG2는 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이의 중심 간격이며, CA11는 제1 렌즈의 물체측 면의 유효경이다. 수학식 16을 만족할 경우, 제2,3 렌즈 사이의 중심 간격을 증가시키고 제5 렌즈의 유효경이 증가되지 않도록 설정할 수 있다.

[수학식 17]

CA11/2 < CG1+CG2

수학식 17에서 제1 렌즈의 물체측 면의 유효경과 제1,2 렌즈 사이의 중심 간격, 및 제2,3렌즈 사이의 중심 간격을 설정해 줄 수 있으며, 이를 만족할 경우, 구면 렌즈들의 렌즈 매수를 줄여줄 수 있다.

[수학식 18]

1 < CA11 / CA21 < 5

CA11은 상기 제1 렌즈(111)의 제1 면(S1)의 유효경을 의미하고, CA21은 상기 제2 렌즈(112)의 제3 면(S3)의 유효경을 의미한다. 수학식 18을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 출사되는 광을 제어할 수 있으며 수차에 영향을 주는 요소를 설정할 수 있으며, 바람직하게, 1 < CA11 / CA21 < 2.5를 만족할 수 있다.

[수학식 19]

0 < CA22 / CA31 < 1.5

CA22는 상기 제2 렌즈(112)의 제4 면(S4)의 유효경을 의미하고, CA31는 상기 제3 렌즈(113)의 제5 면(S5)의 유효경을 의미한다. 수학식 19를 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 출사되는 광 경로를 제어할 수 있고, 상기 제2 렌즈(112)의 광원측 면을 오목한 형상으로 설정할 수 있다. 바람직하게, 수학식 19는 0.5 < CA22 / CA31 < 1를 만족할 수 있다.

[수학식 20]

0.5 < CA42 / CA51 < 2

CA42는 상기 제4 렌즈(114)의 제8 면(S8)의 유효경을 의미하고, CA51는 상기 제5 렌즈(115)의 제9 면(S9)의 유효경을 의미한다. 수학식 20을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 상기 제4 렌즈(114) 및 제5 렌즈(115)를 통해 출사되는 광 경로를 설정할 수 있다. 수학식 20은 바람직하게, 1 < CA42 / CA51 < 1.5를 만족할 수 있다.

[수학식 21]

1 < CA11 / CA51 < 5

CA11는 상기 제1 렌즈(111)의 제1 면(S1)의 유효경을 의미한다. 광학계(110)가 수학식 21을 만족할 경우, 첫 번째 렌즈인 구면 렌즈의 출사량을 증가시켜 주고 마지막 렌즈인 비구면 렌즈에서의 광의 경로를 설정할 할 수 있다. 수학식 21은 바람직하게, 1 < CA11 / CA51 < 2.5를 만족할 수 있다.

[수학식 22]

1 < CG2 / (CT2+CT3) < 3

CG2는 제2,3 렌즈 사이의 중심 간격이며, CT2,CT3은 제2,3렌즈의 중심 두께이다. 수학식 22을 만족할 경우, 상기 제2 렌즈(112)의 광원측 면의 오목한 곡률 반경을 설정할 수 있고, 제2,3렌즈(112,113) 사이의 광 경로를 설정할 수 있다. 바람직하게, 1 < CG2 / (CT2+CT3) < 2를 만족할 수 있다.

[수학식 23]

0 < CG4 / (CT4+CT5) < 1

CG4는 제4,5 렌즈 사이의 중심 간격이며, CT4,CT5은 제4,5렌즈의 중심 두께이다. 수학식 23을 만족할 경우, 상기 제4 렌즈(114)의 광원측 면의 곡률 반경을 줄이고, 제4,5렌즈(114,115) 사이의 중심 간격에 따른 광 경로를 설정할 수 있다. 바람직하게, 0 < CG4 / (CT4+CT5) < 0.7를 만족할 수 있다.

[수학식 24]

1 < CG_max / CG4 < 4

CG_max는 광학계 내의 렌즈들 사이의 중심 간격 중 최대를 의미한다. 수학식 24를 만족할 경우, 렌즈들 사이의 최대 중심 간격이 상기 제4 렌즈(114)와 상기 제5 렌즈(115) 사이의 중심 간격 보다 물체측에 위치시켜 주어, 상기 제4 렌즈(114)의 크기가 증가되는 것을 억제할 수 있다. 바람직하게, 1.5 < CG_max / CG4 < 3를 만족할 수 있다.

[수학식 25]

1 < CT5 / BFL < 4

CT5는 제5 렌즈의 중심 두께이고, BFL은 마지막 렌즈의 광원측 면의 중심에서 광원(116)까지의 광축 거리이다. 즉, BFL은 제5 렌즈(115)의 광원측 면의 중심에서 광원(116)까지의 광축 거리이다. 수학식 25를 만족할 경우, 출사된 광은 제5 렌즈(115)에 의해 제4 렌즈(104)의 전 영역으로 전달될 수 있다. 바람직하게, 1 < CT5 / BFL < 2를 만족할 수 있다.

[수학식 26]

0 < CG3 / CT5 < 1.5

CG3은 제3,4 렌즈 사이의 중심 간격을 의미하며, CT5는 제5 렌즈의 중심 두께이다. 수학식 26을 만족할 경우, 제5 렌즈(115)의 유효경을 조절할 수 있다. 바람직하게, 0.1 < CG3 / CT5 < 0.6를 만족할 수 있다.

[수학식 27]

0 < CG4 / CT5 < 1

CG4은 제4,5 렌즈 사이의 중심 간격을 의미하며, CT5는 제5 렌즈의 중심 두께이다. 수학식 27을 만족할 경우, 제5 렌즈(115)의 유효경을 조절할 수 있고 진행하는 광의 수차 특성을 개선시켜 줄 수 있다. 바람직하게, 0.2 < CG4 / CT5 < 0.7를 만족할 수 있다.

[수학식 28]

0 < |L5R2| / CT5 < 5

L5R2는 제5 렌즈의 광원측 면의 곡률 반경이다. 수학식 28을 만족할 경우, 제5 렌즈(115)의 굴절력을 제어하며 광학 성능을 개선시켜 줄 수 있다.

[수학식 29]

0 < |L5R2| / L5R1 < 5

L5R1는 제5 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경이다. 수학식 29을 만족할 경우, 제5 렌즈(115)의 굴절력을 제어하며 광학 성능을 개선시켜 줄 수 있다.

[수학식 30]

0 < L1R1 / L1R2 < 5

L1R1는 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경이며, L1R2는 제1 렌즈의 광원측 면의 곡률 반경이다. 수학식 30을 만족할 경우, 제1 렌즈(111)의 굴절력을 제어하며 광학 성능을 개선시켜 줄 수 있다.

[수학식 31]

500 < |L2R1| / L2R2

L2R1는 제2 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경이며, L2R2는 제2 렌즈의 광원측 면의 곡률 반경이다. 수학식 31을 만족할 경우, 제2 렌즈(112)의 굴절력을 제어하며 광학 성능을 개선시켜 줄 수 있으며, 상기 제2 렌즈(112)의 광원측 렌즈들의 유효경을 조절할 수 있다. 상기 제2 렌즈(112)의 물체측 면을 플랫하게 할 경우, 렌즈 가공이 용이할 수 있다.

[수학식 32]

0 < CT_Max / CG_Max < 2

수학식 32에서 렌즈들 중 최대 중심 두께(CT_Max)와 인접한 렌즈들 사이의 최대 간격(CT_Max)을 설정해 줄 수 있다. 수학식 32를 만족할 경우, 광학계는 설정된 화각의 초점거리에서 양호한 광학 성능을 가질 수 있고, TTL을 축소시켜 줄 수 있다. 바람직하게, 0 < CT_Max / CG_Max < 1를 만족할 수 있다.

[수학식 33]

0 < ΣCT / ΣCG < 2

ΣCT는 렌즈들의 중심 두께의 합이며, ΣCG는 인접한 렌즈들 사이의 간격들의 합이다. 수학식 33을 만족할 경우, 광학계는 설정된 화각에서 초점거리에서 양호한 광학 성능을 가질 수 있고, TTL을 축소시켜 줄 수 있다. 바람직하게, 1 < ΣCT / ΣCG < 1.5를 만족할 수 있다.

[수학식 34]

5 < ΣIndex < 15

ΣIndex는 복수의 렌즈 각각의 d-line에서의 굴절률들의 합을 의미한다. 수학식 34를 만족할 경우, 비구면 렌즈와 구면 재질의 렌즈가 혼합된 광학계(110)에서 TTL을 제어할 수 있다. 또한 구면 재질의 렌즈 매수가 비구면 재질의 렌즈 매수보다 많은 경우, TTL과 굴절률의 합을 설정할 수 있다. 수학식 34는 바람직하게, 5 < ΣIndex < 10를 만족할 수 있다.

[수학식 35]

10 < ΣAbbe / ΣIndex < 50

ΣAbbe는 상기 복수의 렌즈 각각의 아베수(Abbe’s number)의 합을 의미한다. 수학식 35을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 향상된 수차 특성 및 해상력을 가질 수 있다. 수학식 35를 렌즈들의 아베스 합과 굴절률의 합을 설정해 주어, 광학 특성을 제어할 수 있으며, 바람직하게 10 < ΣAbb / ΣIndex < 30를 만족할 수 있다.

[수학식 36]

50 < ΣCT*n < 150

ΣCT는 복수의 렌즈의 중심 두께의 합이며, n은 광학계의 렌즈 매수이다. 수학식 36을 만족할 경우, TTL를 제어할 수 있다. 바람직하게, 80 < ΣCT*n < 130를 만족할 수 있다.

[수학식 37]

0 < ΣCT / ΣET < 2

ΣCT는 렌즈들의 중심 두께의 합이며, ΣET는 렌즈들의 유효 영역의 끝단 즉, 에지 두께들의 합이다. 수학식 37을 만족할 경우, 광학계는 설정된 화각에서 초점거리에서 양호한 광학 성능을 가질 수 있고, TTL을 축소시켜 줄 수 있다. 수학식 37은 바람직하게, 0.5 < ΣCT / ΣET < 1.5를 만족할 수 있다.

[수학식 38]

1 < CA11 / CA_Min < 5

CA11는 제1 렌즈의 물체측 제1 면(S1)의 유효경이며, CA_Min은 렌즈들의 물체측 면들과 광원측 면들 중 최소 유효경을 나타낸다. 수학식 38을 만족할 경우, 광학계는 입사광 제어, 광학 성능 유지하며 보다 슬림한 모듈을 제공할 수 있다. 수학식 38은 바람직하게, 1 < CA11 / CA_Min < 3를 만족할 수 있다. 여기서, CA11는 최대 유효경일 수 있으며, 상기 제2 렌즈(112)의 광원측 면은 최소 유효경일 수 있다.

[수학식 38-1]

1 < CA_Max / CA_Min < 5

CA_Max는 렌즈들의 물체측 면들과 광원측 면들 중 최대 유효경을 나타낸다. 수학식 39를 만족할 경우, 광학계는 광학 성능을 유지하며 슬림하고 컴팩트한 구조를 위한 크기를 설정할 수 있다. 수학식 39는 바람직하게, 1 < CA_Max / CA_Min < 3를 만족할 수 있다.

[수학식 39]

0 < CG2 / CA12 < 2

CG2는 제2,3렌즈 사이의 중심 간격이며, CA12는 제1 렌즈의 광원측 면의 유효경이다. 수학식 39를 만족할 경우, 구면 렌즈들의 입사 광을 조절할 수 있다. 수학식 39는 바람직하게, 0 < CG2 / CA12 < 1를 만족할 수 있다.

[수학식 40]

1 < CA_Max / CA_Aver < 3

CA_Aver는 렌즈들의 물체측 면들과 광원측 면들의 유효경의 평균을 나타낸다. 수학식 40을 만족할 경우, 광학계는 광학 성능을 유지하며 슬림하고 컴팩트한 센서 장치를 설정할 수 있다. 수학식 40은 바람직하게, 1 < CA_Max / CA_Aver < 2를 만족할 수 있다.

[수학식 41]

0.1 < CA_min / CA_Aver < 2

수학식 41를 만족할 경우, 광학계는 광학 성능을 유지하며 슬림하고 컴팩트한 센서 장치를 설정할 수 있다. 수학식 41은 바람직하게, 0.5 < CA_min / CA_Aver < 1를 만족할 수 있다.

[수학식 42]

1 < CA_max / (2*LsH) < 6

수학식 42는 최대 유효경(CA_Max)과 광원의 대각선 길이(2*LsH)로 설정할 수 있으며, 이를 만족할 경우, 광학계는 양호한 광학 성능을 유지할 수 있으며 슬림하고 컴팩트한 센서 장치를 설정할 수 있다. 수학식 42는 바람직하게, 3 < CA_max / (2*LsH) < 4.5를 만족할 수 있다.

[수학식 42-1]

1 < TD / CA_Max < 4

TD는 제1 렌즈의 물체측 면의 중심에서 마지막 렌즈의 광원측 면의 중심까지의 광축 거리이다. 수학식 42-1을 만족할 경우, 렌즈들의 전체 광축 거리와 최대 유효경을 설정할 수 있어, 양호한 광학 성능을 위한 크기를 설정할 수 있다. 수학식 42-1은 바람직하게, 1 < TD / CA_Max < 3를 만족할 수 있다.

[수학식 43]

0 < F / |L5R2| < 1

F는 광학계의 유효 초점 거리이며, L5S2는 제5 렌즈의 광원측 면의 곡률 반경이다. 수학식 43를 만족할 경우, 유효 초점 거리와 마지막 비구면 렌즈의 광원측 면의 곡률 반경을 설정해 주어, 광학계 축소, 예컨대 TTL에 대한 영향을 조절할 수 있다. 수학식 43는 바람직하게, 0 < F / |L5R2| < 0.5를 만족할 수 있다.

[수학식 44]

0 < F / L1R1 < 1

수학식 44에서 광학계의 유효 초점 거리와 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경을 설정해 주어, 출사 광과 TTL에 대한 영향을 조절할 수 있다. 수학식 44는 바람직하게, 0 < F / L1R1 < 0.5를 만족할 수 있다.

[수학식 45]

0 < EPD / |L5R2| < 1

EPD는 상기 광학계(110)의 입사동(Entrance Pupil)의 크기(mm)를 의미하고, L5R2는 상기 제5 렌즈의 광원측 면의 곡률 반경을 의미한다. 실시예에 따른 광학계(110)가 수학식 45를 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 입사광을 제어할 수 있다. 바람직하게, 0 < EPD / |L5R2| < 0.5의 조건을 만족할 수 있다.

[수학식 46]

0 < EPD / L1R1 < 1

수학식 46에서 광학계(110)의 입사동(Entrance Pupil)의 크기와 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률 반경을 설정해 줄 수 있고, 이를 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 출사광을 제어할 수 있다. 바람직하게, 0 < EPD / L1R1 < 0.5의 조건을 만족할 수 있다.

[수학식 47]

0 < ｜F1 / F2｜ < 10

F1은 제1 렌즈의 초점 거리이며, F2은 제2 렌즈의 초점 거리이다. 수학식 47을 만족할 경우, 제1,2 렌즈의 굴절력을 제어할 수 있으며, TTL 및 유효초점거리(EFL)에 영향을 줄 수 있다. 바람직하게, 0 < ｜F1 / F2｜ < 2를 만족할 수 있다.

[수학식 48]

0 < ｜F1｜ / F < 10

수학식 48에서 제1 렌즈의 초점 거리와 광학계의 유효 초점 거리를 설정할 수 있으며, 제1 렌즈의 굴절력을 제어할 수 있다.

[수학식 49]

0 < ｜F1/F5｜ < 10

수학식 49에서 제1,5 렌즈의 초점 거리를 설정할 수 있으며, 제1,5 렌즈의 굴절력을 제어할 수 있다. 바람직하게, 0 < ｜F1/F5｜ < 5를 만족할 수 있다.

[수학식 49-1] F5 <｜F1｜ < F3

[수학식 49-2] F3 < F4

[수학식 49-3] 2*｜F2｜ < F4

수학식 49-1 내지 49-3에서 F1,F2,F3,F4,F5는 제1 내지 제5 렌즈의 초점 거리이며, 구면 렌즈의 초점 거리부터 마지막 비구면 렌즈의 초점 거리를 조절하여 비구면 렌즈의 유효 영역으로 광을 가이드할 수 있다.

여기서, F1은 -10mm 이하 예컨대, -10mm 내지 -30mm 범위이다. F2는 -5mm 이하 예컨대, -5mm 내지 -20mm 범위이다. F3은 15mm 이상 예컨대, 15mm 내지 30mm 범위이다. F4는 16mm 이상 예컨대, 16mm 내지 40mm 범위이다. F5는 5mm 이상 예컨대, 5mm 내지 17mm 범위이다. 상기 각 렌즈들의 각 초점 거리의 밸런스는 온도 변화에 의하는 핀트 위치의 차이를 억제할 수 있다. 이에 따라 렌즈들의 광학 특성이 온도 변화에 의해 저하되는 것을 억제할 수 있다.

여기서, 상기 조리개(ST)는 제3 렌즈(113)의 물체측 면에 배치된다. 조리개(ST)보다 광원측 면에 배치되고 조리개(ST)와 가장 인접하게 배치되는 렌즈의 초점거리는 0보다 크다. 본 발명의 실시예에서 상기 제3 렌즈(113)의 초점거리인 F3가 0보다 크게 설계되어야 한다. 이 경우, 상기 제3 렌즈(113)가 빛을 모아주어 상기 제3 렌즈(113)보다 더 광원과 가깝게 배치되는 렌즈들인 제 4 렌즈 내지 제5 렌즈의 유효경이 커지는 것을 방지할 수 있고, TTL이 길어지는 것을 방지할 수 있어 송신 광학계의 소형화가 가능하다. 이 경우, 화각(FOV) 100도 초과 예컨대, 110도 내지 130도에서 광각의 광학계를 제공할 할 수 있다.

[수학식 50]

Po2 * Po3 < 0

Po2는 제2 렌즈의 굴절력 값이며, Po3는 제3 렌즈의 굴절력 값이다. 즉, 제2,3렌즈의 굴절력은 서로 반대되는 굴절력을 갖고 있어, 수차를 개선할 수 있으며, 비구면 렌즈로 광을 효과적으로 가이드할 수 있다. Po2 * Po3 > 0의 조건인 경우, 두 렌즈에서의 색수차의 개선 효과가 크게 나타나지 않는다.

[수학식 51]

20mm < TTL < 60mm

TTL(Total track length)은 상기 제1 렌즈(111)의 제1 면(S1)의 중심에서 상기 광원(116)의 상면까지의 광축(OA)에서의 거리(mm)를 의미한다. 수학식 51에서 TTL을 20 mm 초과 및 60 mm 미만이 되도록 설정하여, 차량용 광학계를 제공할 수 있다. 수학식 51는 바람직하게, 30mm < TTL < 55mm 를 만족하거나 TD < TTL의 조건을 만족할 수 있다.

[수학식 52]

2mm < LsH < 20mm

수학식 52는 광원(116)의 대각 크기(2*LsH)를 설정할 수 있으며, 차량용 센서 사이즈를 갖는 광학계를 제공할 수 있다. 수학식 52는 바람직하게, 2mm < LsH < 5mm 를 만족할 수 있다.

[수학식 53]

1.5mm < BFL < 7mm

수학식 53에서 BFL(Back focal length)은 1.5 mm 초과 및 7mm 미만으로 설정하여, 커버 글라스(153)의 설치 공간을 확보할 수 있고 광원(116)과 마지막 렌즈 사이의 간격을 통해 구성 요소들의 조립성을 개선하며 결합 신뢰성을 개선할 수 있다. 수학식 53는 바람직하게, 5mm < BFL < 7mm 를 만족할 수 있다. 상기 BFL이 수학식 53의 범위 미만인 경우, 광원에서 출사된 일부 광이 출사되지 못하여 해상도 저하의 원이 될 수 있다. 상기 BFL이 수학식 53의 범위를 초과하는 경우 잡광이 출사되어 광학계의 수차 특성이 저하될 수 있다.

[수학식 54]

1mm < F < 10mm

수학식 54는 전체 초점 거리(F)를 차량용 광학계에 맞게 설정할 수 있다. 수학식 54는 1mm < F < 5mm를 만족할 수 있다.

[수학식 55]

100 < FOV

수학식 55에서 FOV(Field of view)는 상기 광학계(110)의 화각(Degree)을 의미하며, 100도 초과의 화각(F0V)을 갖는 차량용 광학계를 제공할 수 있다. 상기 FOV는 바람직하게, 110 ≤ FOV ≤ 130를 만족할 수 있다.

수학식 55에서 화각에 의해 차량용 광학계의 범위를 설정할 수 있다. 수평 방향의 광원 길이는 6.80mm±0.5mm를 기준으로 한다. 또한 수학식 55를 만족할 경우, 상온 대비 고온으로 온도가 변화할 때 유효초점 거리의 변화율과 화각의 변화율은 5% 이하 예컨대, 0 내지 5%로 설정해 줄 수 있다. 또한 광학계(110) 내에 비구면 렌즈를 2매 이상을 구면 렌즈와 혼합하여 사용하더라도, 유리 재질의 비구면 렌즈에 의해 온도 보상과 수차 보정을 통해 광학 특성의 저하를 방지할 수 있다.

[수학식 56]

1 < TTL / CA_max < 7

수학식 56에서 CA_max는 상기 복수의 렌즈들의 물체측 면 및 광원측 면 중 가장 큰 유효경(mm)를 의미하며, TTL(Total track length)은 상기 제1 렌즈의 제1 면(S1)의 정점으로부터 상기 광원(116)의 상면까지의 광축(OA)에서의 거리(mm)를 의미한다. 수학식 56는 광학계의 전체 광축 길이와 최대 유효 경의 관계를 설정하여, 개선된 차량용 광학계를 제공할 수 있다. 수학식 56는 바람직하게, 1 < TTL / CA_max < 3를 만족할 수 있다.

[수학식 57]

10 < TTL / LsH < 30

수학식 57는 광학계의 전체 광축 길이(TTL)와 광원(116)의 광축에서 대각 방향의 길이(LsH)를 설정할 수 있다. 실시예에 따른 광학계(110)가 수학식 57를 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 차량용 광원(116)의 적용을 위한 TTL을 가질 수 있어, 보다 개선된 화질을 제공할 수 있다. 수학식 57는 바람직하게, 10 < TTL / LsH < 20를 만족할 수 있다.

[수학식 58]

0 < BFL / LsH < 3

수학식 58은 광원(116)와 마지막 렌즈 간의 광축 간격과 광원(116)의 광축에서 대각 방향의 길이를 설정할 수 있다. 실시예에 따른 광학계(110)가 수학식 58을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 차량용 광원(116)의 크기를 적용하기 위한 BFL(Back focal length)을 확보할 수 있고, 마지막 렌즈와 광원(116) 사이의 간격을 설정할 수 있고, 화각(FOV)에서 양호한 광학 특성을 가질 수 있다. 수학식 58은 바람직하게, 1 < BFL / LsH < 2를 만족할 수 있다.

[수학식 59]

1 < TTL / BFL < 15

수학식 59는 광학계의 전체 광축 길이(TTL), 및 상기 광원(116)와 마지막 렌즈 사이의 광축 간격(BFL)를 설정할 수 있다. 실시예에 따른 광학계(110)가 수학식 59을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 BFL을 확보할 수 있다. 수학식 59는 바람직하게, 3 < TTL / BFL < 13를 만족할 수 있다.

[수학식 60]

10 < TTL/F < 30

수학식 60는 광학계(110)의 전체 초점 거리(F)와 전체 광축 길이(TTL)를 설정할 수 있다. 이에 따라 운전자 지원시스템용 광학계를 제공할 수 있다. 수학식 60는 바람직하게, 10 ≤ TTL/F < 25 또는 12 < TTL/F < 20를 만족할 수 있다. 실시예에 따른 광학계(110)가 수학식 60을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 설정된 TTL 범위에서 적절한 초점 거리를 가질 수 있고, 저온에서 고온으로 온도가 변화함에도 적절한 초점 거리를 유지하며 결상이 될 수 있는 광학계를 제공한다. 수학식 60의 하한치 미만인 경우, 렌즈들의 굴절력을 증가시켜야 할 필요가 있어, 구면수차 또는 왜곡 수차의 보정이 어려워지며, 수학식 60의 상한치 초과인 경우, 렌즈들이 유효경이나 TTL이 길어지게 되어, 촬상 렌즈계가 대형화되는 문제가 발생될 수 있다.

[수학식 61]

0 < F / BFL < 3

수학식 61은 광학계(110)의 전체 초점 거리(F), 상기 광원(116)와 마지막 렌즈 사이의 광축 간격(BFL)를 설정할 수 있다. 실시예에 따른 광학계(110)가 수학식 61을 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 설정된 화각을 가지며 적절한 초점 거리를 가질 수 있고, 차량용 광학계를 제공될 수 있다. 또한, 상기 광학계(110)는 마지막 렌즈와 광원(116) 사이의 간격을 최소화할 수 있어 화각(FOV)에서 양호한 광학 특성을 가질 수 있다. 수학식 61은 바람직하게, 0 < F / BFL < 1를 만족할 수 있다.

[수학식 62]

0.5 < F / LsH < 1.5

수학식 62은 상기 광학계(110)의 전체 초점 거리(F,mm)와 상기 광원(116)의 광축에서 대각선 길이(LsH)를 설정할 수 있다. 이러한 광학계(110)는 차량용 광원(116)의 크기에서 향상된 수차 특성을 가질 수 있다. 수학식 62은 바람직하게, 0.7 < F / LsH < 1를 만족할 수 있다.

[수학식 63]

0.5 < F / EPD < 1.5

수학식 63은 상기 광학계(110)의 전체 초점 거리(F)와 입사동 크기를 설정할 수 있다. 이에 따라 광학계의 전체 밝기를 제어할 수 있다. 수학식 63은 바람직하게, 0.5 < F / EPD < 1를 만족할 수 있다.

[수학식 64]

0 < EPD/LsH/FOV < 0.2

수학식 64은 입사동 크기(EPD), 이미지 센서의 최대 대각선 길이의 1/2의 길이(LsH), 및 화각의 관계를 설정할 수 있다. 이에 따라 광학계의 전체 크기 및 밝기를 제어할 수 있다. 수학식 64은 바람직하게, 0 < EPD/LsH/FOV < 0.1를 만족할 수 있다.

[수학식 65]

100 < FOV / F# < 200

수학식 65은 광학계의 화각과 F 넘버(F#)의 관계를 설정할 수 있다. 수학식 65은 바람직하게, 120 < FOV / F# < 170를 만족할 수 있다. 여기서, F#는 1.2 이하로 제공하여, 밝은 화상을 제공할 수 있다.

[수학식 66]

50 < (CT_Max+CG_Max)*n < 150

[수학식 67]

800 < (FOV*TTL)/n

바람직하게, 수학식 67은 화각과 렌즈 매수(n)에 따라, 1000 < (FOV*TTL)/n < 1500의 조건을 만족할 수 있다.

[수학식 68]

FOV < (TTL*n)

[수학식 69]

1 < (TD/CA_Max)*n < 20

[수학식 70]

0 < (CA52/CA22)/(CA11/CA22) < 1

수학식 66 내지 70에서 n은 전체 렌즈 매수이며, 전체 렌즈 매수에 따라 렌즈의 최대 중심 두께(CT_Max), 최대 중심 간격(CG_max), FOV, TTL, 렌즈들의 광축 거리(TD), 제5 렌즈의 광원측 면의 유효경(CA52), 제1 렌즈의 물체측 면의 유효경, 제2 렌즈의 광원측 면의 유효경 등과의 관계를 설정할 수 있다. 이에 따라 6매 이하의 렌즈를 갖는 광학계의 색 수차, 해상력, 크기 등을 제어할 수 있다.

[수학식 71]

수학식 71에서 Z는 Sag로 비구면 상의 임의의 위치로부터 상기 비구면의 정점까지의 광축 방향의 거리를 의미할 수 있다. 상기 Y는 비구면 상의 임의의 위치로부터 광축까지의 광축에 수직인 방향으로의 거리를 의미할 수 있다. 상기 c는 렌즈의 곡률을 의미할 수 있고, K는 코닉 상수를 의미할 수 있다. 또한, A, B, C, D, E,F는 비구면 계수(Aspheric constant)를 의미할 수 있다.

실시예에 따른 광학계(110)는 수학식 1 내지 수학식 70 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 수학식을 만족할 수 있다. 이 경우, 상기 광학계(110)는 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 광학계(110)가 수학식 1 내지 수학식 35 중 적어도 하나 또는/및 수학식 36 내지 70 중 적어도 하나를 만족할 경우, 상기 광학계(110)는 향상된 해상력을 가지며, 수차 및 왜곡 특성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 광학계(110)는 차량용 광원(116)를 적용하기 위한 BFL(Back focal length)을 확보할 수 있고, 온도 변화에 따른 광학 특성 저하를 보상할 수 있으며, 마지막 렌즈와 광원(116) 사이의 간격을 최소화할 수 있어 화각(FOV) 내에서 양호한 광학 성능을 가질 수 있다.

표 3는 실시 예의 광학계(110)에서 상술한 수학식들의 항목에 대한 것으로, 상기 광학계(110)의 TTL(Total track length)(mm), BFL(Back focal length), 유효초점 거리(F), LsH, 유효경(CA), 각 렌즈들의 중심 두께들의 합, 인접한 렌즈들 간의 중심 간격들의 합, TTL(mm), 아베수의 합, 굴절률의 합, 제1 면(S1)에서 제10 면(S10)까지의 광축 거리인 TD(mm), 상기 제1 내지 제5 렌즈 들 각각의 초점 거리(F1,F2,F3,F4,F5), 화각(FOV), 에지 두께(ET), F 넘버 등에 대한 것이다.

항목	값	항목	값
F	3.172	ET1	4.3714
F1	-16.259	ET2	3.9290
F2	-10.471	ET3	3.0256
F3	25.649	ET4	3.6363
F4	28.358	ET5	5.6766
F5	12.631	FOV	125.374
ΣIndex	8.854	EPD	3.952
ΣAbbe	159.800	BFL	6.125
ΣCT	23.302	TD	44.903
ΣCG	21.601	LsH	3.400
TTL	51.028	SD	26.844
F-number	0.803

표 4는 실시 예의 광학계(110)에서 상술한 수학식 1 내지 수학식 35에 대한 결과 값에 대한 것이다. 표 4를 참조하면, 광학계(110)는 수학식 1 내지 수학식 35 중 적어도 하나, 두 개 이상 또는 세 개 이상을 만족하는 것을 알 수 있다. 자세하게, 실시예에 따른 광학계(110)는 상기 수학식 1 내지 수학식 35를 모두 만족하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 광학계(110)는 화각(FOV) 내에서 양호한 광학 성능을 가질 수 있고 우수한 광학 특성을 가질 수 있다.

수학식		값
1	0 < CT1 / CT2 < 3	1.731
2	5 < CA11/CT1 < 15	9.269
3	0 < CT5 / CT4 < 3	1.323
4	0 < CT5 / (CT1+CT2) < 3	1.999
5	0 < CT5 / CG2 < 1	0.837
6	0 < CG1 / CG4 < 1.5	0.710
7	0 < CG2 / CG4 < 1	0.397
8	0.5 < CG2 / (CT1+CG1+CT2) < 1.5	1.023
9	5 < TTL/CT_AVER < 25	10.949
10	1.70 < n1	1.808
11	0 < n1/n3 <1.5	1.014
12	0 < n3/n4 <1.5	1.071
13	(v3n3) < (v1n1)	만족
14	SD < TD	만족
15	CAn2/2 < CTn	만족
16	CA5/2 < CG2 < CA11	만족
17	CA11/2 < CG1+CG2	만족
18	1 < CA11 / CA21 < 5	1.702
19	0 < CA22 / CA31 < 1.5	0.726
20	0.5 < CA42 / CA51 < 2	1.235
21	1 < CA11/CA52 < 5	1.746
22	1 < CG2 / (CT2+CT3) < 3	1.555
23	0 < CG4 /(CT4+CT5) < 1	0.270
24	1 < CG_Max / CG4 < 4	2.520
25	1 < CT5 / BFL < 4	1.339
26	0 < CG3 / CT5 < 1.5	0.296
27	0 < CG4 / CT5 < 1	0.474
28	0 < \|L5R2\| / CT5 < 5	2.567
29	0 < \|L5R2\| / L5R1 < 5	1.789
30	0 < L1R1/L1R2 < 3	3.136
31	500 < \|L2R1\| / L2R2	만족
32	0 < CT_Max / CG_Max < 2	0.837
33	0 < ∑CT / ∑CG < 2	1.079
34	5 < ∑Index <15	8.854
35	10 < ∑Abbe / ∑Index <50	18.048

표 5는 실시 예의 광학계(110)에서 상술한 수학식 36 내지 수학식 70에 대한 결과 값에 대한 것이다. 표 5를 참조하면, 광학계(110)는 수학식 36 내지 수학식 70 중 적어도 하나, 두 개 이상 또는 세 개 이상을 만족하는 것을 알 수 있다. 자세하게, 실시예에 따른 광학계(110)는 상기 수학식 1 내지 수학식 70을 모두 만족하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 광학계(110)는 화각(FOV) 내에서 양호한 광학 성능을 가질 수 있고 우수한 광학 특성을 가질 수 있다.

수학식		값
36	50 < ∑CT*n < 159	116.511
37	0 < ΣCT / ΣET < 2	1.129
38	1 < CA11 / CA_Min < 5	2.024
39	1 < CG2 / CA12 < 5	0.649
40	1 < CA_Max / CA_Aver < 3	1.497
41	0.1 < CA_Min / CA_Aver < 2	0.747
42	1 < CA_Max / (2*LsH) < 6	3.544
43	0 < F / \|L5R2\| < 1	0.151
44	0 < F / L1R1 < 1	0.120
45	0 < EPD / \|L5R2\|< 1	0.188
46	0 < EPD / L1R1 < 1	0.150
47	0 < ｜F1 / F2｜ < 10	1.553
48	1 <｜ F1｜ / F < 10	5.126
49	0 < \|F1 / F5\| < 10	1.287
50	Po2 * Po3 < 0	0.573
51	20 < TTL <60	51.028
52	2 < LsH <20	3.400
53	1.5 < BFL < 7	6.125
54	1 < F < 10	3.172
55	100 < FOV	125.374
56	1 < TTL / CA_Max < 7	2.117
57	10 < TTL / LsH < 30	15.008
58	0 < BFL / LsH < 3	1.801
59	1 < TTL / BFL < 15	8.331
60	10 < TTL / F < 30	16.087
61	0 < F / BFL < 3	0.518
62	0.5 < F / LsH < 1.5	0.933
63	0.5 < F / EPD < 1.5	0.803
64	0 < EPD/LsH/FOV < 0.2	0.009
65	100 < FOV / F# <200	156.216
66	50 < (CT_Max+CG_Max)*n < 150	90.009
67	800 < (FOV*TTL)/n	1279.508
68	FOV < (TTL*n)	만족
69	1 < (TD / CA_max) *n < 20	9.316
70	0 < (CA52/CA22) / (CA11/CA21) < 1	0.681

도 9은 발명의 실시 예에 따른 송신 광학계를 갖는 센서 시스템의 블록 구성도이다.

도 9를 참조하면, 센서 장치는 제어부(10), 광원 구동부(20), 송신 광학계(30), 상기에 개시된 수신 광학계(50) 및 신호 처리부(60)를 포함한다.

상기 제어부(10)는 신호의 송신 및 수신 신호를 제어하며, 송/수신된 신호를 기초로 자율 주행 모듈, 인공 지능 모듈, 드론, 로봇, 증강 현실 장치, 가상 현상 장치, 5G와 6G 등의 통신 서비스와 관련된 장치와 연계할 수 있다.

상기 광원 구동부(20)는 송신 광학계(30) 내에 포함된 광원에 전원을 공급하여 구동시켜 준다. 상기 광원은 선광원 또는 점광원 형태로 레이저 광을 발생하게 된다. 상기 광원 구동부(20)는 주행 환경 정보에 따라 상기 광원에 공급되는 구동 전류를 조절하거나 가변시켜 줄 수 있다. 상기 주행 환경 정보는 주행 구간의 지형 정보, 교통 혼잡 정보, 날씨 등을 포함할 수 있다.

상기 광원으로부터 발생되는 레이저 광의 파장은 890nm 내지 960nm 범위 또는 940nm ±10nm 범위일 수 있다. 레이저 광원은 InGaAs/GaAs 기반의 반도체 다이오드 레이저(Semiconductor diode laser)로 구현될 수 있고, 고출력(high power)의 레이저 광을 방출할 수 있다. 상기 광원은 단일 이미터 및/또는 다중 이미터를 포함할 수 있다.

상기 송신 광학계(30)은 광원으로부터 발생된 레이저 광을 오브젝트(40)로 송신하게 되며, 상기 오브젝트(40)에서 반사된 광은 수신 광학계(50)로 수신된다. 상기 수신 광학계(50)는 다수의 광 센서들로 구성될 수 있으며, 상기 광 센서는 포토다이오드를 이용하여 수신된 광을 전기적인 신호로 변환하게 된다. 즉, 이미지 센서는 매트릭스 타입으로 배열되어 수평 방향과 수직 방향 각각에서 스캐닝된 오브젝트로부터 수신된 광을 전류로 변환하게 된다.

신호 처리부(60)는 상기 수신 광학계(50)의 출력을 전압으로 변환하여 증폭한 다음, 상기 증폭된 신호를 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 디지털 신호로 변환하게 된다. 상기 신호 처리부(60)는 디지털 데이터를 TOF(Time of flight) 알고리즘 또는 위상 시프트(phase-shift) 알고리즘으로 분석하여 오브젝트(40)과의 거리, 오브젝트 형상을 감지하게 된다.

상기 제어부(10)는 제어유닛(ECU) 또는 네트워크를 통해 차량의 속도 정보와 노면 상태 정보를 수신할 수 있다. 제어부(10)는 네트워크를 통해 주행 환경 정보를 수신할 수 있다. 주행 환경 정보는 주행 구간의지형 정보, 교통 혼잡 정보, 날씨 등을 포함할 수 있다. 제어부(10)는 차량의 속도, 차량이 주행하는 도로의 노면 상태, 및 주행 환경 정보 중 하나 이상에 기초하여 게인을 조정할 수 있고, 오브젝트와의 거리, 오브젝트의 형상 정보를 포함하는 센서 데이터를 자유 주행 장치에 제공할 수 있다.

도 10은 발명의 실시 예에 따른 수신 광학계를 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 수신 광학계(100)는 물체측에서 이미지 센서(151)까지 순차적으로 배열된 제6 내지 제10 렌즈(101,102,103,104,105)를 포함할 수 있다.

상기 제6 내지 제10 렌즈(101,102,103,104,105)는 물체측을 기준으로 도 1의 송신 광학계(110)의 제1 내지 제5 렌즈(111,112,113,114,115)와 대칭되는 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 제6 렌즈(101)는 물체측을 기준으로 상기 제1 렌즈(111)와 대칭되며, 상기 제7 렌즈(102)는 물체측을 기준으로 상기 제2 렌즈(112)와 대칭되며, 상기 제8 렌즈(103)는 물체측을 기준으로 상기 제3 렌즈(113)와 대칭되며, 상기 제9 렌즈(104)는 물체측을 기준으로 상기 제4 렌즈(114)와 대칭되며, 상기 제10 렌즈(105)는 물체측을 기준으로 상기 제5 렌즈(115)와 대칭되는 형상일 수 있다.

또한 상기 제1 내지 제3 렌즈(111,112,113)와 상기 제6 내지 제8 렌즈(101,102,103)은 글라스 재질이며, 사출 성형되지 않는 구면 렌즈이다. 또한 상기 제4, 5 렌즈(114,115)와 상기 제9,10 렌즈(104,105)은 글라스 재질이며, 사출 성형된 비구면 렌즈이다. 즉, 상기 제1 내지 제5 렌즈(111,112,113,114,115)와 상기 제6 내지 제10 렌즈(101,102,103,104,105)는 각 렌즈의 재질이 서로 대칭된다.

또한 상기 제2 렌즈(112)와 상기 제3 렌즈(103) 사이에 배치된 조리개(ST)의 위치는 제8,9 렌즈(108,109) 사이에 배치된 조리개(ST)와 대응된다. 상기 송신 광학계(110)의 조리개는 제2 조리개, 상기 수신 광학계(100)의 조리개는 제1 조리개로 정의할 수 있다.

상기 제6 렌즈(101)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제6 렌즈(101)는 음(-)의 굴절력일 수 있다. 상기 제6 렌즈(101)는 플라스틱 재질 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 예컨대 유리 재질일 수 있다. 상기 유리 재질의 제6 렌즈(101)는 주변 환경에 따른 온도 변화에 따른 중심 위치와 곡률 반경 등의 변화를 줄여줄 수 있으며, 수신 광학계(100)의 입사측 면을 보호할 수 있다.

광축을 기준으로 상기 제6 렌즈(101)의 물체측 면은 볼록하며, 센서측 면은 오목할 수 있다. 상기 제6 렌즈(101)의 물체측 면과 광원측 면은 구면을 가질 수 있다. 상기 제6 렌즈(101)는 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다.

상기 제7 렌즈(102)는 상기 제6 렌즈(101)와 상기 제8 렌즈(103) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제7 렌즈(102)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제7 렌즈(102)는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제7 렌즈(102)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 유리 재질로 제공될 수 있다. 광축(OA)을 기준으로 상기 제7 렌즈(102)의 물체측 면은 플랫하며, 광원측 면은 오목할 수 있다. 상기 광원측 면은 구면일 수 있다. 상기 제7 렌즈(102)의 광원측 면이 오목하고 곡률 반경이 작으므로, 상기 제7 렌즈(102)와 상기 제8 렌즈(103) 사이의 중심 간격이 이격될 수 있다.

상기 제8 렌즈(103)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제8 렌즈(103)는 양(+)의 굴절력일 수 있다. 상기 제8 렌즈(103)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 유리 재질일 수 있다. 광축을 기준으로 상기 제8 렌즈(103)의 물체측 면은 볼록하고, 광원측 면은 볼록할 수 있다. 상기 제8 렌즈(103)는 광축(OA)에서 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다. 상기 제8 렌즈(103)의 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나 또는 모두는 구면일 수 있다. 조리개(ST)는 상기 제8 렌즈(103)의 광원측 면의 둘레에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)의 물체측에 인접한 상기 제8 렌즈(103)가 양의 굴절력을 가질 수 있어, 제9 렌즈(104)의 유효경이 증가되는 것을 억제할 수 있다.

상기 제9 렌즈(104)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제9 렌즈(104)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제9 렌즈(104)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 유리 재질로 제공될 수 있다. 상기 제9 렌즈(104)는 사출 성형될 수 있다. 광축을 기준으로 상기 제9 렌즈(104)의 물체측 면은 볼록하며, 광원측 면은 볼록할 수 있다. 상기 제9 렌즈(104)는 양면이 볼록할 수 있다. 상기 제9 렌즈(104)의 물체측 면과 광원측 면은 비구면일 수 있다.

상기 제10 렌즈(105)는 광축(OA)에서 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제10 렌즈(105)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제10 렌즈(105)는 플라스틱 또는 유리(glass) 재질을 포함할 수 있으며, 유리 재질로 제공될 수 있다. 상기 제10 렌즈(105)는 사출 성형될 수 있다. 광축을 기준으로 상기 제10 렌즈(105)의 물체측 면은 볼록하며, 광원측 면은 볼록할 수 있다. 상기 제10 렌즈(105)는 양면이 볼록할 수 있다. 상기 제10 렌즈(105)의 물체측 면과 광원측 면은 비구면일 수 있다. 상기 제10 렌즈(105)의 유효경은 상기 제9 렌즈(104)의 유효경보다 작을 수 있다. 상기 제10 렌즈(105)는 상기 제6,7 렌즈(101,102)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지며, 상기 제6,7렌즈(101,102)의 아베수보다 낮은 아베수를 가질 수 있다.

상기 광학 필터(155)와 상기 이미지 센서(151) 사이에는 적어도 2매의 렌즈가 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 제9,10 렌즈(104,105)는 상기 광학 필터(155)와 상기 이미지 센서(151) 사이에 배치될 수 있다. 상기 광학 필터(155)와 상기 이미지 센서(151) 사이에는 비구면 렌즈가 배치될 수 있다. 상기 광학 필터(155)는 구면의 제8 렌즈(103)와 비구면의 제9 렌즈(104) 사이에 배치될 수 있다. 상기 광학 필터(155)는 상기 제8 렌즈(103)의 센서측 구면과 제9 렌즈(104)의 물체측 비구면 사이에 배치될 수 있다. 상기 광학 필터(155)는 890nm 내지 960nm 범위 또는 940nm ±10nm의 레이저 빔을 통과시키는 밴드 패스 필터일 수 있다. 상기 광학 필터(155)는 라이다 장치의 송신 광학계에서 송신한 레이저 빔에 대응하는 파장의 빛은 통과시키고, 나머지 주변광에 해당하는 빛은 차단시킬 수 있다.

음의 굴절력을 갖는 렌즈들은 제1 렌즈 그룹이며, 양의 굴절력을 갖는 렌즈들은 제2 렌즈 그룹일 경우, 상기 조리개(ST)와 상기 광학 필터(155)는 상기 제2 렌즈 그룹 내에 배치될 수 있다.

상기 조리개(ST)와 상기 광학 필터(155)는 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나가 구면인 제1 렌즈 그룹과, 물체측 면과 광원측 면 중 적어도 하나가 비구면인 제2 렌즈 그룹 사이에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)와 상기 광학 필터(155)는 사출 성형되지 않는 렌즈들을 갖는 제1 렌즈 그룹과, 사출 성형된 렌즈들을 갖는 제2 렌즈 그룹 사이에 배치될 수 있다. 상기 조리개(ST)와 상기 광학 필터(155)는 상기 조리개(ST)의 물체측에 배치된 렌즈들을 갖는 제1 렌즈 그룹과, 상기 광학 필터(155)의 광원측에 배치된 렌즈들을 갖는 제2 렌즈 그룹 사이에 배치될 수 있다.

커버 글라스(153)는 상기 제10 렌즈(105)와 상기 이미지 센서(151) 사이에 배치되며, 상기 이미지 센서(151)의 상부를 보호하며 상기 이미지 센서(151)의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다. 상기 커버 글라스(153)는 제거될 수 있다. 상기 커버 글라스(153)는 보호 글라스일 수 있다.

상기 이미지 센서(151)는 상기 렌즈들을 순차적으로 통과한 광을 감지할 수 있다. 상기 이미지 센서(151)는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등 입사되는 광을 감지할 수 있는 소자를 포함할 수 있다.

상기 제8 렌즈(103), 상기 제9 렌즈(104) 및 상기 제10 렌즈(105)는 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있으며, 모두 양의 굴절력을 가질 수 있다. 또한 상기 제8 렌즈(103), 상기 제9 렌즈(104) 및 상기 제10 렌즈(105)는 상기 제6,7 렌즈(101,102)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지며, 상기 제6,7렌즈(101,102)의 아베수보다 낮은 아베수를 가질 수 있다.

상기 제10 렌즈(105)는 이미지 센서(151)에 가장 인접한 비구면 렌즈일 수 있다. 2매 이상의 비구면 렌즈가 이미지 센서(151)에 인접하게 배치될 수 있다.

상기 제1 내지 제5 렌즈(111,112,113,114,115)의 각 렌즈 면의 형상은 상기 제6 내지 제10 렌즈(101,102,103,104,105)의 각 렌즈 면의 형상과 대칭될 수 있다. 이에 따라 송신 광학계(110)로부터 방출된 레이저 광은 물체에 반사된 후 수신 광학계(100)의 수신되는 수신 효율이 높아질 수 있다.

도 11은 발명의 센서 시스템을 갖는 차량에서 물체를 측정하는 예를 나타낸 도면이며, 도 12는 발명의 센서 시스템을 갖는 차량에서의 주변 감시 예를 나타낸 도면이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 센서 시스템을 갖는 차량(202)은 광원에 의해 생성된 레이저 광(201)을 타겟 장면을 향하여 투영하는 송신 광학계, 및 그 타겟 또는 대상(210)으로부터 반사된 광(203)을 수신하는 수신 광학계를 포함한다. 또한, 센서 시스템은 라이다 시스템을 포함하며, 상기 라이다 시스템은 전형적으로, 반사광으로부터 대상(106)에 대한 거리 정보를 연산하는 제어기, 및 원하는 범위와 시야(FOV) 내의 정적 패턴일 수 있는 광의 특정 패턴을 스캐닝하거나 제공할 수 있는 소자도 포함한다. 송수신 광학계는 수신된 신호 광을 라이다 시스템 범위와 FOV 내에 있는 주변 환경의 지점별 3차원 지도를 나타내는 측정값으로 변환하는 데 사용된다.

LIDAR용 수신 광학계 및 신호 처리부는 광원으로부터 방출되는 광 펄스의 비행시간 측정값에 기초하여 범위 정보를 계산한다. 또한, 특정 범위에 연관된 타겟 면에 장면을 조명하고 소스와 및 프로젝터 시스템의 특정 설계에 기초하는 광 빔 프로파일에 관하여 알려져 있는 정보가 반사면에 관한 위치 정보를 결정하는 데 사용되어 완전한 x,y,z, 또는 장면의 3차원 픽처를 생성하게 된다. 다시 말하면, 주변 환경의 지점별 3D 맵은 LIDAR 시스템의 시야 내에서 소스에서 수신기까지의 조명을 반사하는 모든 표면으로부터의 위치 정보를 나타내는 측정 데이터의 모음을 나타낸다. 이러한 방식으로, LIDAR 시스템의 시야에서 물체의 3D 표현을 취득한다.

또한 자동차(202)에 대한 전형적인 주변 감지 LIDAR 시스템(200)의 2차원 시야와 범위 요건을 나타내는 개략도를 도시한다. 예를 들어, 적응형 순항 제어 기능은 "서라운드 뷰" 시야와 범위(206)를 보는 측면에 비해 좁은 시야를 갖지만, 긴 거리 범위 요건을 갖는 시야와 범위(204)를 요구할 수 있다. 일반적으로, 자동차의 센서 기능들은 LIDAR, 레이더, 카메라, 및 초음파 센서의 조합에 의해 가능해질 수 있다. 주변 환경에 대한 정보를 생성하는 이들 센서 데이터의 조합을 종종 "센서 융합"이라고 한다.

본 발명은 자율 주행 또는 자가 운전, 또는 운전자 보조형 차량에 대해 LIDAR이 널리 사용되는 자동차의 맥락에서 LIDAR 시스템을 설명하고 있지만, 실시예들이 임의의 차량에 적용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 다른 유형의 차량에는, 로봇, 트랙터, 트럭, 비행기, 무인 항공기, 보트, 선박 등이 포함될 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

제1 렌즈: 111 제2 렌즈: 112
제3 렌즈: 113 제4 렌즈: 114
제5 렌즈: 115 광학계: 110
광원: 116
이미지 센서: 151 커버 글라스: 153
광학 필터: 155

Claims

물체측에 가장 인접한 제1 렌즈;
광원에 가장 인접한 n번째 렌즈(n은 6 이하이다); 및
상기 제1 렌즈와 상기 n번째 렌즈 사이에 배치되며 광축으로 정렬된 복수의 렌즈를 포함하며,
상기 제1 렌즈는 물체측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지며,
상기 n번째 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며,
상기 n번째 렌즈로부터 물체측으로 n-1번째 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며,
상기 제1 렌즈는 유리 재질이며, 상기 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 구면 형상이며,
상기 n번째 렌즈는 유리 재질이며, 상기 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 비구면 형상인 송신 광학계.
제1 항에 있어서,
상기 광원은 890nm 내지 960nm 범위의 광을 발생시키는 송신 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제1 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제2 렌즈는 광축에서 플랫한 물체측 면과 오목한 형상의 광원측 면을 갖는 송신 광학계.
제3 항에 있어서,
상기 제2 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제3 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며,
상기 제3 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제4 렌즈는 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지는 송신 광학계.
제4 항에 있어서,
상기 제3 렌즈는 상기 광축에서 양면이 구면 형상을 가지며,
상기 제4 렌즈는 상기 광축에서 양면이 비구면 형상을 갖는 송신 광학계.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 갖고,
상기 n번째 렌즈는 양의 굴절력을 갖고,
상기 복수의 렌즈는 양의 굴절력을 갖는 렌즈 매수가 음의 굴절력을 갖는 렌즈 매수보다 많은 송신 광학계.
제6 항에 있어서,
상기 제1 렌즈의 물체측 면은 광학계의 렌즈들 중 최대 유효경을 가지며,
상기 제1 렌즈로부터 광원측으로 배치된 제2 렌즈의 광원측 면은 광학계의 렌즈들 중 최소 유효경을 갖는 송신 광학계.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 n번째 렌즈의 광원측 면의 유효경은 CAn2이고,
상기 n번째 렌즈의 중심 두께는 CTn이며,
수학식: CAn2/2 < CTn
을 만족하는 송신 광학계.
제8 항에 있어서,
상기 제1 렌즈의 물체측 면에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리는 TTL이며,
상기 광원의 대각 길이는 LsH이며,
수학식: 10 < TTL / LsH < 30
을 만족하는 송신 광학계.
제8 항에 있어서,
상기 제1 렌즈의 물체측 면에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리는 TTL이며,
상기 n번째 렌즈의 광원측 면의 중심에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리는 BFL이며,
수학식: 3 < TTL / BFL < 13
을 만족하는 송신 광학계.
물체측에서 광원을 향해 광축으로 정렬된 제1 내지 제5 렌즈를 포함하며,
상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지며,
상기 제5 렌즈는 양의 굴절력을 가지며,
상기 제1 내지 제3 렌즈는 물체측 면과 광원측 면이 구면 형상을 가지며,
상기 제4 및 제5 렌즈는 유리 재질이며 물체측 면과 광원측 면이 비구면 형상을 가지며,
상기 제1 렌즈의 물체측 면의 유효경은 CA11이며,
상기 제1 렌즈의 중심 두께는 CT1이며,
수학식: 5 < CA11/CT1 < 15
을 만족하는 송신 광학계.
제11 항에 있어서,
상기 제2 렌즈의 중심 두께는 CT2이며,
상기 제5 렌즈의 중심 두께는 CT5이며,
수학식: 0 < CT5 / (CT1+CT2) < 3
을 만족하는 송신 광학계.
제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 제2,3렌즈 사이의 중심 간격은 CG2이며,
수학식: 0 < CT5 / CG2 < 1을 만족하는 송신 광학계.
제11 항 또는 제12항에 있어서,
상기 제1,3렌즈의 d-line에서의 굴절률은 n1,n3이고,
상기 제1,3렌즈의 아베수는 v1,v3이며,
수학식: (v3*n3) < (v1*n1)
을 만족하는 송신 광학계.
제11 항 또는 제12항에 있어서,
상기 제2 렌즈는 음의 굴절력을 가지며,
상기 제3,4 렌즈는 양의 굴절력을 갖는 송신 광학계.
제11 항 또는 제12항에 있어서,
CT5는 상기 제5 렌즈의 중심 두께이며,
CT4는 상기 제4 렌즈의 중심 두께이며,
TTL은 상기 제1 렌즈의 물체측 면의 중심에서 상기 광원의 표면까지의 광축 거리이며,
수학식: (CT4+CT5) < TTL/3
을 만족하는 송신 광학계.
제11 항 또는 제12항에 있어서,
상기 제1 렌즈는 상기 광축에서 볼록한 물체측 면과 오목한 광원측 면을 포함하며,
상기 제1 렌즈의 물체측 면의 유효경은 상기 제1 내지 제5 렌즈의 물체측 면과 광원측 면의 유효경 중 최대인 송신 광학계.
제17 항에 있어서,
상기 제2 렌즈는 플랫한 물체측 면과 오목한 광원측 면을 가지며,
상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈 사이의 중심 간격은 상기 제1 내지 제5 렌즈들 사이의 중심 간격 중 최대인 송신 광학계.
광원과, 물체측에서 광원측을 향해 제1 광축으로 정렬된 제1 내지 제5 렌즈를 갖는 송신 광학계; 및
상기 이미지 센서와, 물체측에서 상기 이미지 센서를 향해 제2 광축으로 정렬된 제6 내지 제10 렌즈를 갖는 수신 광학계를 포함하며,
상기 수신 광학계는 상기 제6 내지 제10 렌즈들 중 어느 한 면이 구면인 렌즈와 어느 한 면이 비구면인 렌즈 사이에 배치된 광학 필터를 포함하며,
상기 제1 렌즈와 상기 제6 렌즈 각각은 제1 및 제2 광축에서 물체측을 향해 볼록한 메니스커스형상을 가지며,
상기 제5 렌즈와 상기 제10 렌즈 각각은 제1 및 제2 광축에서 양면이 볼록한 형상을 갖고, 상기 제1 및 제2 광축에서 물체측 면과 광원측 면이 비구면 형상을 갖는 라이다 장치.
제19항에 있어서,
상기 제3 및 제4 렌즈는 제1 광축에서 양면이 볼록한 형상을 가지며,
상기 제8 및 제9렌즈는 제2 광축에서 양면이 볼록한 형상을 갖는 라이다 장치.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 렌즈 각각과 상기 제6 내지 제8 렌즈 각각은 물체측 면과 그 반대측 면 중 적어도 하나가 구면인 렌즈이며,
상기 제4 렌즈와 상기 제9 렌즈는 물체측 면과 그 반대측 면이 비구면 형상을 갖는 라이다 장치.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 수신 광학계는 상기 광학 필터의 물체측 면의 둘레에 배치된 조리개를 포함하는 라이다 장치.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 광원은 890nm 내지 960nm 범위의 광을 발생시키며,
상기 광학 필터는 상기 890nm 내지 960nm 범위의 광을 투과시키는 밴드패스필터인 라이다 장치.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 제1 내지 제5 렌즈와 상기 제6 내지 제10 렌즈는 모두 유리 재질인 라이다 장치.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 제1,2 렌즈와 상기 제6,7 렌즈는 음의 굴절력을 갖고,
상기 제3 내지 제5 렌즈와 상기 제8 내지 제10 렌즈는 양의 굴절력을 갖는 라이다 장치.