KR20120082741A - 촬상 광학계 - Google Patents

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KR20120082741A
KR20120082741A KR1020110004201A KR20110004201A KR20120082741A KR 20120082741 A KR20120082741 A KR 20120082741A KR 1020110004201 A KR1020110004201 A KR 1020110004201A KR 20110004201 A KR20110004201 A KR 20110004201A KR 20120082741 A KR20120082741 A KR 20120082741A
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imaging optical
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정진화
조용주
박일용
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삼성전기주식회사
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Abstract

촬상 광학계가 개시된다. 물체 측으로부터 순서대로, 양의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제1렌즈, 음의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제2렌즈, 양의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제3렌즈를 포함하고, 전체 광학계의 초점거리에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하며, 굴절률에 관하여 다음의 조건식 2를 만족하는 촬상 광학계가 제공된다.
[조건식 1] 1.47 < TL/f < 1.71
[조건식 2] Nd1-Nd2 < 0.08
여기서, TL: 상기 제1렌즈의 물체측면으로부터 상면까지의 거리
f: 전체 광학계의 초점거리
Nd1: 상기 제1렌즈의 d선에서의 굴절률
Nd2: 상기 제2렌즈의 d선에서의 굴절률

Description

촬상 광학계{OPTICAL SYSTEM FOR IMAGING}
본 발명은 촬상 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 단말기나 컴퓨터, 노트북, 그리고 차량 등에는 주변의 영상 정보를 보여주거나 촬영 등을 할 수 있도록 카메라가 장착되는데, 이동통신 단말기의 슬림화 경향이나 컴퓨터나 노트북 등의 소형화 경향에 따라 카메라도 소형 경량이면서도 높은 해상도를 갖는 것이 요구되고 있다.
이에 따라, 높은 해상도를 만족시키기 위해 여러 매의 렌즈를 이용하여 수차를 최소화하는 광학계가 사용되었으나, 종래의 광학계에는 굴절률 및 아베(abbe)수 차이가 큰 서로 다른 재질의 렌즈들이 이용됨으로써 가격이 높고 무거운 문제가 있다.
본 발명의 실시예들은 높은 해상도를 가지면서도 가볍고 가격이 저렴한 촬상 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물체 측으로부터 순서대로, 양의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제1렌즈, 음의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제2렌즈, 양의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제3렌즈를 포함하고, 전체 광학계의 초점거리에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하며, 굴절률에 관하여 다음의 조건식 2를 만족하는 촬상 광학계가 제공된다.
[조건식 1] 1.47 < TL/f < 1.71
[조건식 2] Nd1-Nd2 < 0.08
여기서, TL: 상기 제1렌즈의 물체측면으로부터 상면까지의 거리
f: 전체 광학계의 초점거리
Nd1: 상기 제1렌즈의 d선에서의 굴절률
Nd2: 상기 제2렌즈의 d선에서의 굴절률
상기 제2렌즈의 초점거리에 관하여 다음의 조건식 3을 만족할 수 있다.
[조건식 3] 3 < ｜f2/f｜< 12.1
여기서, f2: 상기 제2렌즈의 초점거리
상기 제1렌즈는 양면이 볼록하게 형성될 수 있다.
상기 제2렌즈는 상 측으로 볼록한 매니스커스 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제3렌즈는 물체 측으로 볼록하게 형성될 수 있다.
상기 제3렌즈에는 적어도 하나의 변곡점이 형성될 수 있다.
상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면은 비구면으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 굴절률 및 아베수 차이가 적은 유사한 재질의 플라스틱 렌즈로 높은 해상도를 가지는 경량의 촬상 광학계를 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계에서 MTF특성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계에서 수차를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계에서 MTF특성을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 촬상 광학계에서 수차를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도.
도 8는 본 발명의 제3 실시예에 따른 촬상 광학계에서 MTF특성을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 촬상 광학계에서 수차를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 촬상 광학계에서 MTF특성을 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 촬상 광학계에서 수차를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도.
도 14는 본 발명의 제5 실시예에 따른 촬상 광학계에서 MTF특성을 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명의 제5 실시예에 따른 촬상 광학계에서 수차를 나타낸 그래프.
이하에서 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계의 구성도이다.
우선, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 촬상 광학계에 관하여 설명한다. 한편, 본 발명의 제2 실시예 내지 제5 실시예에 따른 촬상 광학계도 제1 실시예의 광학계의 렌즈 구성과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.
렌즈 구성도에서, 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 광학계 구성도에서 제시된 구면 또는 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 촬상 광학계는 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2) 및 제3렌즈(L3)를 포함하여 이루어진다. 이 때, 제1렌즈(L1)는 물체 측을 향하며, 제3렌즈(L3)는 촬상소자(예를 들면, CCD 또는 CMOS)의 상면(Image Plane, IP)을 향하게 된다.
구체적으로, 본 실시예에서 제1렌즈(L1)는 양의 굴절력을 갖고 제2렌즈(L2)는 음의 굴절력을 갖고 제3렌즈(L3)는 양의 굴절력을 가지며, 물체 측으로부터 순서대로 배열된다. 그리고, 제1렌즈(L1) 내지 제3렌즈(L3)는 모두 플라스틱 재질로 이루어진다.
도 1에 나타난 바와 같이, 제1렌즈(L1)는 양면에 볼록하게 형성되고 제2렌즈(L2)는 상 측으로 볼록한 매니스커스(Meniscus) 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 제3렌즈(L3)는 물체 측으로 볼록하게 형성될 수 있다.
이 때, 제3렌즈(L3)에는 적어도 하나의 변곡점이 형성되어 텔레센트릭(telecentric) 조건 즉, 광학계에서는 상면으로 입사하는 주광선이 광축과 평행하게 되는 조건을 만족시킬 수 있다.
또한, 광학계의 굴절면이 구면으로 이루어짐으로 인해 발생하는 수차를 줄이기 위하여 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2) 및 제3렌즈(L3)의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면은 비구면으로 형성될 수 있다.
또한, 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2) 사이에는 빛의 양을 조절하는 조리개가 배치될 수 있으며, 제3 렌즈(L3)와 상면(IP) 사이에는 자외선 필터 등으로 이루어진 광학적 필터(OF)가 추가로 배치될 수 있다.
상술한 구조를 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 촬상 광학계는 상술한 구조적 특징과 더불어 다음의 조건식들을 만족하는 사양을 가지도록 형성됨으로써, 굴절률 및 아베수 차이가 적은 유사한 재질의 플라스틱 렌즈로 구성되어도 높은 해상도의 이미지를 구현할 수 있다.
[조건식 1] 1.47 < TL/f < 1.71
[조건식 2] Nd1-Nd2 < 0.08
여기서, TL: 상기 제1렌즈의 물체측면으로부터 상면까지의 거리
f: 전체 광학계의 초점거리
Nd1: 상기 제1렌즈의 d선에서의 굴절률
Nd2: 상기 제2렌즈의 d선에서의 굴절률
조건식 1은 전체 광학계의 길이에 대한 전체 광학계의 초점거리의 비율로서, 고해상도를 만족시키면서 광학계 전체의 길이를 작게 하기 위한 수단이다. 구체적으로, 조건식의 하한을 넘게 되면 전체 광학계의 길이가 너무 짧아 광학적 성능을 얻는 데에 불리하고, 반면에 상한을 넘게 되면 충분한 광학적 성능을 얻는 데에는 유리하지만 전체 광학계의 길이가 너무 길어지게 된다.
또한, 조건식 2는 제1렌즈의 d선에서의 굴절률과 제2렌즈의 d선에서의 굴절률의 차이로서, 렌즈 간의 굴절률 및 아베수 차이를 제한하는 수단이다. 이 때, 제3렌즈의 굴절률은 제1렌즈의 굴절률에 유사하게 맞추어진다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 촬상 광학계에서 제1렌즈 내지 제3렌즈는 유사한 재질의 플라스틱(굴절률 및 아베수가 유사함)으로 이루어질 수 있어서, 촬상 광학계의 제조비용을 절감하고 무게도 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 촬상 광학계는 다음의 조건식 3도 만족하도록 형성됨으로, 더욱 높은 광학적 성능을 확보할 수 있다.
[조건식 3] 3 < ｜f2/f｜< 12.1
여기서, f2: 상기 제2렌즈의 초점거리
조건식 3은 제2렌즈의 초점거리에 대한 전체 광학계 초점거리의 비율로서, 광학계 전체의 크기를 작게 유지하면서 우수한 화질을 확보하기 위한 수단이다.
이하에서는, 구체적인 수치가 제시된 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 구체적으로 살펴본다.
이 때, 본 발명의 각 실시예에서 사용되는 비구면에 관한 사항은 다음의 수학식 1로부터 얻어진다.
[수학식 1]
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: 비구면 계수
또한, MTF(Modulation Transfer Function)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 2로 정의되는 값이다.
[수학식 2]
Figure pat00002
즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다.
(실시예 1)
제1 실시예에서 상술한 조건식 1 내지 3을 만족하는 사양은 다음과 같다.
TL: 2.720, f: 1.817, f2: -19.838
Nd1: 1.53, Nd2: 1.53
그리고, 상기의 사양에 맞추어 설계된 렌즈의 반경 및 간격은 다음의 표 1과 같고, 비구면 계수의 값은 표 2와 같다.
면 번호 곡률반경 면 간격 굴절률 아베수
1 1.19372 0.4500 1.53 56 제1렌즈
2 -6.57631 0.0450 　 　
3 Infinity 0.221781 　 　 조리개
4 -0.47188 0.374000 1.53 56 제2렌즈
5 -0.63029 0.100000 　 　
6 0.84542 0.330000 1.53 56 제3렌즈
7 1.00429 0.197582 　 　
8 Infinity 0.300000 1.52 64 광학적 필터
9 Infinity 0.671737 　 　
면 번호 K A B C D
2 0.637089 -0.163498 0.294674 -2.74448 -2.85328
3 -9.000000 -0.305329 -3.63922 10.0859 0.0
5 0.052097 0.641512 0.591114 40.0976 -62.1830
6 0.117678 -0.945380 10.0089 -25.5899 47.2353
7 -14.443864 -0.0736954 0.370493 -0.522474 0.0820611
8 -9.000000 -0.410333 0.777240 -0.720580 0.192408
　도 2 내지 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 MTF특성 및 수차 특성이 우수한 촬상 광학계를 얻을 수 있다.
(실시예 2)
제2 실시예에서 상술한 조건식 1 내지 3을 만족하는 사양은 다음과 같다.
TL: 2.8, f: 1.806, f2: -20.000
Nd1: 1.53, Nd2: 1.53
그리고, 상기의 사양에 맞추어 설계된 렌즈의 반경 및 간격은 다음의 표 3과 같고, 비구면 계수의 값은 표 4와 같다.
면 번호 곡률반경 면 간격 굴절률 아베수
1 1.22213 0.454604 1.53 56 제1렌즈
2 -6.38098 0.045000 　 　
3 Infinity 0.239928 　 　 조리개
4 -0.47188 0.413615 1.53 56 제2렌즈
5 -0.64450 0.100000 　 　
6 0.85411 0.349270 1.53 56 제3렌즈
7 1.06839 0.197582 　 　
8 Infinity 0.300000 1.52 64 광학적 필터
9 Infinity 0.660898 　 　
면 번호 K A B C D
2 0.925841 -0.159313 0.250747 -2.79986 -2.33189
3 -9.000000 -0.292566 -3.57131 9.85174 0.0
5 0.083177 0.435681 2.00309 17.0544 24.2485
6 0.085730 -1.12747 9.62527 -25.3508 41.4965
7 -15.232372 -0.0879183 0.370493 -0.522474 0.0820611
8 -9.000000 -0.457506 0.829581 -0.780844 0.223587
　도 5 내지 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 MTF특성 및 수차 특성이 우수한 촬상 광학계를 얻을 수 있다.
(실시예 3)
제3 실시예에서 상술한 조건식 1 내지 3을 만족하는 사양은 다음과 같다.
TL: 2.632, f: 1.796, f2: -20.000
Nd1: 1.53, Nd2: 1.53
그리고, 상기의 사양에 맞추어 설계된 렌즈의 반경 및 간격은 다음의 표 5과 같고, 비구면 계수의 값은 표 6와 같다.
면 번호 곡률반경 면 간격 굴절률 아베수
1 1.09050 0.455309 1.53 56 제1렌즈
2 -6.79557 0.045000 　 　
3 Infinity 0.221656 　 　 조리개
4 -0.47188 0.363448 1.53 56 제2렌즈
5 　-0.62620 0.100000 　 　
6 0.93029 0.346344 1.53 56 제3렌즈
7 1.06855 0.100000 　 　
8 Infinity 0.300000 1.52 64 광학적 필터
9 Infinity 0.672383 　 　
면 번호 K A B C D
2 0.696088 -0.189944 0.168466 -2.17239 -5.22620
3 -9.000000 -0.339094 -3.40858 9.20882 0.0
5 0.053503 0.678475 2.67318 24.4380 9.18211
6 　0.172134 -0.715302 9.75194 -24.0579 51.9441
7 -16.956894 -0.192535 0.370493 -0.522474 0.0820611
8 -9.000000 -0.525401 0.791375 -0.784210 0.260483
　도 8 내지 도 9에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서는 MTF특성 및 수차 특성이 우수한 촬상 광학계를 얻을 수 있다.
(실시예 4)
제4 실시예에서 상술한 조건식 1 내지 3을 만족하는 사양은 다음과 같다.
TL: 2.82, f: 1.75, f2: -20.000
Nd1: 1.53, Nd2: 1.53
그리고, 상기의 사양에 맞추어 설계된 렌즈의 반경 및 간격은 다음의 표 7과 같고, 비구면 계수의 값은 표 8과 같다.
면 번호 곡률반경 면 간격 굴절률 아베수
1 　1.21185 0.456706 1.53 56 제1렌즈
2 　-6.70758 0.045000 　 　
3 Infinity 　0.245509 　 　 조리개
4 -0.47188 0.421640 1.53 56 제2렌즈
5 　-0.64743 0.100000 　 　
6 0.92156 　0.451144 1.53 56 제3렌즈
7 1.21736 0.100000 　 　
8 Infinity 0.300000 1.52 64 광학적 필터
9 Infinity 0.672383 　 　
면 번호 K A B C D
2 1.349145 -0.189279 0.231668 -3.05791 -2.45114
3 -9.000000 -0.314070 -3.76003 10.8667 0.0
5 　0.212360 0.0904385 6.70390 -26.9822 244.683
6 　　0.050368 -1.38157 9.67196 -25.0413 38.8380
7 -20.26533 -0.0917389 0.370493 -0.522474 0.0820611
8 -9.000000 -0.458852 0.735888 -0.637111 0.170369
　도 11 내지 도 12에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에서는 MTF특성 및 수차 특성이 우수한 촬상 광학계를 얻을 수 있다.
(실시예 5)
제5 실시예에서 상술한 조건식 1 내지 3을 만족하는 사양은 다음과 같다.
TL: 2.814, f: 1.65, f2: -19.9715
Nd1: 1.53, Nd2: 1.53
그리고, 상기의 사양에 맞추어 설계된 렌즈의 반경 및 간격은 다음의 표 9와 같고, 비구면 계수의 값은 표 10과 같다.
면 번호 곡률반경 면 간격 굴절률 아베수
1 1.30607 　0.456008 1.53 56 제1렌즈
2 　　-6.15045 0.045000 　 　
3 Infinity 　0.211656 　 　 조리개
4 -0.47188 　0.435888 1.53 56 제2렌즈
5 　-0.65267 0.100000 　 　
6 　0.76777 　0.368049 1.53 56 제3렌즈
7 　1.06725 0.197582 　 　
8 Infinity 0.300000 1.52 64 광학적 필터
9 Infinity 　0.612038 　 　
면 번호 K A B C D
2 　1.498510 -0.157493 0.566778 -4.30440 0.484941
3 -9.000000 -0.197974 -0.530245 18.9006 0.0
5 　0.176336 0.0440634 5.50542 -4.504520 61.2406
6 　　0.098100 -1.57416 10.0988 -25.5021 34.2424
7 -14.433267 -0.0614771 0.370493 -0.522474 0.0820611
8 -9.000000 -0.460614 0.881471 -0.825342 0.244095
　도 14 내지 도 15에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에서는 MTF특성 및 수차 특성이 우수한 촬상 광학계를 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
L1: 제1렌즈
L2: 제2렌즈
L3: 제3렌즈
OF: 광학적 필터
IP: 상면
1 내지 9: 면 번호

Claims (7)

  1. 물체 측으로부터 순서대로,
    양의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제1렌즈;
    음의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제2렌즈; 및
    양의 굴절력을 가지는 플라스틱 재질의 제3렌즈를 포함하고,
    전체 광학계의 초점거리에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하며, 굴절률에 관하여 다음의 조건식 2를 만족하는 촬상 광학계.
    [조건식 1] 1.47 < TL/f < 1.71
    [조건식 2] Nd1-Nd2 < 0.08
    여기서, TL: 상기 제1렌즈의 물체측면으로부터 상면까지의 거리
    f: 전체 광학계의 초점거리
    Nd1: 상기 제1렌즈의 d선에서의 굴절률
    Nd2: 상기 제2렌즈의 d선에서의 굴절률
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2렌즈의 초점거리에 관하여 다음의 조건식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
    [조건식 3] 3 < ｜f2/f｜< 12.1
    여기서, f2: 상기 제2렌즈의 초점거리
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1렌즈는 양면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2렌즈는 상 측으로 볼록한 매니스커스 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3렌즈는 물체 측으로 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
  6. 제5에 있어서,
    상기 제3렌즈에는 적어도 하나의 변곡점이 형성된 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면은 비구면으로 형성된 것을 특징으로 촬상 광학계.
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