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KR20140008183A - 소형 광각 광학계 - Google Patents

소형 광각 광학계 Download PDF

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KR20140008183A
KR20140008183A KR1020120075603A KR20120075603A KR20140008183A KR 20140008183 A KR20140008183 A KR 20140008183A KR 1020120075603 A KR1020120075603 A KR 1020120075603A KR 20120075603 A KR20120075603 A KR 20120075603A KR 20140008183 A KR20140008183 A KR 20140008183A
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Abstract

본 발명은 소형 광각 광학계에 관한 것이다.
본 발명의 소형 광각 광학계는, 음의 굴절력을 가지며, 근축 부근에서 물체측으로 오목하며 외곽으로 갈수록 볼록해지는 형상이고, 물체측면에 코팅층이 형성된 제1 렌즈; 양의 굴절력을 가지며, 물체측면이 오목하고 상측면이 볼록한 형상의 제2 렌즈; 양의 굴절력을 가지며, 양측면이 볼록한 형상의 제3 렌즈;를 포함한다.

Description

소형 광각 광학계{Wide field-of-view optics}
본 발명은 소형 광각 광학계에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 3매의 렌즈만으로 광각 구현이 가능하도록 한 소형 광각 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 단말기, PDA 및 스마트폰과 같은 이동 통신 수단은 그 사용량이 증대되고 통신 기술을 통해 제공되는 서비스가 다양해짐에 따라 기본적인 통신 기능 외에 다양한 형태의 부가 기능이 탑재되고 있다.
이와 같은 휴대용 IT 기기 외에도 최근에는 자동차 제작시 운전자의 시야 확보를 위한 보조 수단 또는 운전 보조 수단으로 카메라 장착이 늘어나고 있으며, 장착 위치에 따라 전방 촬영용 카메라와 후방 촬영용 카메라로 구분될 수 있으며, 사용 목적에 따라 감시용 또는 시인용 카메라와 센싱용 카메라로 구분될 수 있다.
이러한 자동차용 카메라를 구성하는 광학계는 전방 감시에 의한 영상 출력을 위해서 망원의 화각을 가지는 것이 바람직하며, 후방 감시에 의한 영상 출력을 위해서는 광각을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
자동차의 기능 향상과 멀티미디어의 복합화에 따라 자동차의 전방 뿐만 아니라 후방도 카메라를 이용한 감시와 센싱이 이루어지도록 하고 있으며, 자동차에 내장 또는 부가된 디스플레이 장치의 발달로 인해 고해상도의 광학계가 요구되고 있다.
카메라 광학계의 고해상도와 가격적인 경쟁력을 만족시키기 위해서는 비교적 가격이 고가인 글라스 렌즈를 배제하고 단가가 비교적 저렴한 플라스틱 소재의 렌즈 사용이 선행되어야 한다. 그러나, 종래의 광학계는 자동차 전방과 후방의 촬영 영상에서 선명한 화질을 구현하기 위해서 글라스 렌즈를 채용한 광학계가 제작되고 있으며, 이에 따라 단가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 글라스 렌즈 외에 플라스틱 렌즈를 이용할 경우에는 화질과 수차의 보상을 위하여 통상 4매 이상이 렌즈가 사용되어야 함으로써, 소형의 광학계를 구성하기 어려운 단점이 있다.
일본국 공개특허공보 제JP 2006-133270호
따라서, 본 발명은 종래 카메라용 광학계에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 3매의 플라스틱 렌즈를 이용하여 광학계를 구성함과 아울러 플라스틱 렌즈만으로 안정적인 광각의 광학 성능이 구현되도록 한 소형 광각 광학계가 제공됨에 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 음의 굴절력을 가지며, 근축 부근에서 물체측으로 오목하며 외곽으로 갈수록 볼록해지는 형상이고, 물체측면에 코팅층이 형성된 제1 렌즈; 양의 굴절력을 가지며, 물체측면이 오목하고 상측면이 볼록한 형상의 제2 렌즈; 양의 굴절력을 가지며, 양측면이 볼록한 형상의 제3 렌즈;를 포함하는 소형 광각 광학계가 제공됨에 의해서 달성된다.
상기 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에는 상기 광학계를 경유하는 광 중에서 불필요한 광을 차단하는 개구 조리개가 구비될 수 있다.
또한, 상기 광학계는 수차 보정과 MTF 성능에 대하여 다음의 조건식을 만족한다.
[조건식] D2 / R2 > 0.98
여기서, D2는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 간격이고, R2는 제1 렌즈 상측면의 곡률반경이다.
또한, 상기 코팅층은 굴절률이 상기 제1 렌즈와 동일 또는 유사한 굴절률을 갖는 유기 재질로 형성되며, 상기 코팅층은, 열경화 또는 UV 경화 가능한 아크릴계 수지 재질로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는, 양면의 비구면인 플라스틱 렌즈로 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소형 광각 광학계는 3매의 플라스틱 렌즈를 이용하여 광학계 전방의 렌즈 전면에 유기 물질을 이용한 코팅층을 형성함으로써, 최소한의 플라스틱 렌즈만으로 내구성이 향상된 광학계를 구성할 수 있는 장점이 있으며, 플라스틱 렌즈의 구성만으로 글라스 렌즈로 구성된 광학계와 유사한 해상도를 유지할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 광각 광학계는 광학계의 소형화를 만족시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소형 광각 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도
도 2는 도 1에 도시된 광학계의 MTF 그래프.
도 3은 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 비점수차 및 왜곡수차도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 광학계의 MTF 그래프.
도 6은 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 비점수차 및 왜곡수차도.
본 발명에 따른 소형 광각 광학계의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
다만, 이하의 각 실시예별 렌즈 구성도에서 렌즈의 두께, 크기, 형상은 본 발명의 상세한 설명을 위하여 다소 과장되게 도시하였으며, 특히 렌즈 구성도에서 제시된 구면 또는 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지는 않는다.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 소형 광각 광학계를 도시한 렌즈 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소형 광각 광학계는 물체측으로부터 순서대로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1)와, 물체측면이 오목하고 상측면이 볼록한 형상으로 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와, 양측면이 볼록한 형상으로 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성될 수 있으며, 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 사이에는 개구 조리개(AS)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 제3 렌즈(L3)와 상(像)면(9) 사이에는 광학계를 경유하는 광 중에 과도한 적외선을 차단하기 위한 적외선 필터나 적외선 필터가 코팅된 커버 글라스로 구성된 광학적 필터(OF)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 제1 렌즈(L1)는 근축 부근에서 물체측으로 오목하며, 외곽으로 갈수록 볼록해지는 형상으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 소형 광각 광학계는 조리개(AS)가 제2 렌즈(L2)의 후방, 즉 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 사이에 위치함에 의해서 넓은 화각을 확보하는 데 유리함과 아울러 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 전방에 조리개(AS)가 위치함에 따라 구면 수차 보정이 유리할 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈(L1)는 물체측면에 유기 물질에 의한 코팅층이 형성되어 렌즈의 표면 강도를 향상시킴에 의해서 내구성을 높일 수 있다. 즉, 플라스틱 렌즈의 재질 상 글라스 렌즈에 비해 표면 강도가 약할 수 밖에 없기 때문에 외부로 노출될 가능성이 높은 제1 렌즈(L1)의 표면에 유기 물질로 구성된 코팅층을 형성함으로써, 표면 강도를 향상시켜 렌즈의 내구성이 증가되도록 할 수 있다.
이때, 상기 제1 렌즈(L1)는 비구면 플라스틱 재질로 구성되어 굴절률이 1.55 이하의 굴절률로 구성됨이 바람직하며, 제1 렌즈(L1)의 물체측면에 코팅층을 형성하는 유기 물질은 표면 강도를 향상시킬 수 있는 아크릴계 수지로 형성됨이 바람직하다. 또한, 아크릴계 수지 외에 열경화 또는 UV 경화를 통해 경화됨과 동시에 코팅층을 형성할 수 있는 재료 중 하나로 구성될 수도 있다.
또한, 제1 렌즈(L1)의 물체측면에 형성된 아크릴계 코팅층은 무반사(AR) 코팅층으로 형성될 수 있음에 따라 상기 아크릴계 코팅층은 제1 렌즈(L1)와 굴절률 차이가 작게 형성됨이 바람직하다. 따라서, 아크릴계 코팅층의 굴절률도 1.55 내외의 굴절률을 갖도록 함이 바람직하다.
한편, 본 발명에 채용되는 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 소형의 광학계를 구성해야 함과 아울러 광각의 구현이 가능하도록 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)가 모두 렌즈의 가공이 용이한 플라스틱 렌즈로 형성됨으로써, 광학계의 경량화와 가공성이 향상되고 제조원가를 절감할 수 있다.
또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 각 렌즈가 가지는 굴절면, 즉 각 렌즈의 양면이 비구면으로 형성하여 각종 수차의 보정이 용이하도록 할 수 있고, 렌즈의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 광학계는 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)를 각각 음, 양, 양의 굴절력을 갖도록 배치하고 각각의 렌즈의 양면을 성형이 용이한 비구면으로 하여 광학계의 해상력을 향상시키고, 비점 수차와 왜곡 특성을 개선함과 아울러 조리개(AS)를 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 사이에 배치하여 제3 렌즈(L3)의 크기를 감소시킴에 의한 소형의 광학계 형성이 가능할 수 있도록 한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 소형 광각 광학계 하에서 다음의 조건식의 작용효과에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
[조건식] D2 / R2 > 0.98
여기서, D2는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 간격이고, R2는 제1 렌즈 상측면의 곡률반경이다.
상기 조건식은 본 발명에 따른 광학계의 성능, 즉 해상도 조건을 향상시키기 위한 수차 보정과 MTF 성능에 대한 조건식이다.
상기 조건식은 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)의 간격 조절에 의해 굴절률 차이가 최소화되도록 함에 의해서 렌즈 간의 수차와 MTF 성능이 보완되어 해상도를 향상시켜 광학적 성능이 보장되도록 할 수 있다.
또한, 상기 조건식의 조건을 만족하기 위해서 각 렌즈들을 동일한 재질의 플라스틱 렌즈들로 구성함에 의해서 렌즈의 제작 단가를 낮출 수 있으며, 상기 조건식의 하한을 벗어나게 되면 광학계 주변부에서 광의 짤림 현상이 발생되어 주변 광량비의 손실이 발생되어 주변부가 어두워지고, 해상도가 급격히 저하될 수 있다.
이하에서, 구체적인 수치 실시예를 통해 본 발명에 따른 소형 광각 광학계를 좀 더 자세하게 살펴보기로 한다.
이하의 제1 실시예와 제2 실시예는 모두 전술한 바와 같이, 물체측으로부터 근축 부근에서 물측으로 오목하고 외곽으로 갈수록 볼록해지는 형상으로 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1)와, 물체측면이 오목하고 상측면이 볼록한 형상으로 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와, 양측면이 볼록한 형상으로 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성될 수 있으며, 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 사이에는 개구 조리개(AS)가 설치된다.
또한, 상기 제3 렌즈(L3)와 상(像)면(9) 사이에는 적외선 필터나 적외선 필터가 코팅된 커버 글라스로 구성된 광학적 필터(OF)가 구비된다.
또한, 상기 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 양면이 비구면인 플라스틱 렌즈로 구성된다.
한편, 이하의 각 실시예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수(K)와 비구면 계수(A,B,C,D,E,F)에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E+02은 102을, E-02는 10-2을 나타낸다.
Figure pat00001
여기서, Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
c : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경(r)의 역수
K : 코닉(Conic) 상수
A,B,C,D,E,F : 비구면 계수
[제1 실시예]
하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소형 광각 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 광학계의 MTF 그래프이고, 도 3은 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 비점수차 및 왜곡수차도이다.
제1 실시예의 경우, 전체 초점 거리(f)는 1.55㎜이고, 화각(HFOV)은 135°이며, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이의 간격은 2.91㎜이다.
또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 모두 플라스틱 렌즈로 구성된다.
Figure pat00002
표 1에서 면 번호 앞의 * 표시는 비구면을 나타내며, 제1 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 양면은 비구면이다.
또한, 수학식 1에 의한 제1 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 2와 같다.
Figure pat00003
[제2 실시예]
하기의 표 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시된 광학계의 MTF 그래프이고, 도 6은 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 비점수차 및 왜곡수차도이다.
제2 실시예의 경우, 전체 초점 거리(f)는 1.41㎜이고, 화각(HFOV)은 135°이며, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이의 간격은 3.27㎜이다.
또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 모두 플라스틱 렌즈로 구성된다.
Figure pat00004
표 3에서 면 번호 앞의 * 표시는 비구면을 나타내며, 제2 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 양면은 비구면이다.
또한, 수학식 1에 의한 제2 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 4와 같다.
Figure pat00005
한편, 상기 제1 내지 제2 실시예에 대한 조건식의 값은 다음의 표 5과 같다.
Figure pat00006
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
L1. 제1 렌즈
L2. 제2 렌즈
L3. 제3 렌즈
AS. 개구 조리개
OF. 광학적 필터
1, 2, 3, 4...8, 9. 면 번호

Claims (6)

  1. 음의 굴절력을 가지며, 근축 부근에서 물체측으로 오목하며 외곽으로 갈수록 볼록해지는 형상이고, 물체측면에 코팅층이 형성된 제1 렌즈;
    양의 굴절력을 가지며, 물체측면이 오목하고 상측면이 볼록한 형상의 제2 렌즈;
    양의 굴절력을 가지며, 양측면이 볼록한 형상의 제3 렌즈;
    를 포함하는 소형 광각 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에는 상기 광학계를 경유하는 광 중에서 불필요한 광을 차단하는 개구 조리개가 구비된 소형 광각 광학계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학계는 수차 보정과 MTF 성능에 대하여 다음의 조건식을 만족하는 소형 광각 광학계
    [조건식] D2/R2 > 0.98
    여기서, D2는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 간격,
    R2는 제1 렌즈 상측면의 곡률반경
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 굴절률이 상기 제1 렌즈와 동일 또는 유사한 굴절률을 갖는 유기 재질로 형성된 소형 광각 광학계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코팅층은, 열경화 또는 UV 경화 가능한 아크릴계 수지 재질로 형성된 소형 광각 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는, 양면의 비구면인 플라스틱 렌즈로 구성된 소형 광각 광학계.
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