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KR20030089634A - 렌즈계 및 그것을 가지는 촬상장치 - Google Patents

렌즈계 및 그것을 가지는 촬상장치 Download PDF

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KR20030089634A
KR20030089634A KR10-2003-0030838A KR20030030838A KR20030089634A KR 20030089634 A KR20030089634 A KR 20030089634A KR 20030030838 A KR20030030838 A KR 20030030838A KR 20030089634 A KR20030089634 A KR 20030089634A
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KR
South Korea
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lens
focal length
optical power
lens system
sides
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KR10-2003-0030838A
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Inventor
세키타마코토
Original Assignee
캐논 가부시끼가이샤
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Abstract

메니스커스 형상을 가지는 부의 광파워의 제 1렌즈와, 양면이 볼록한 형상을 형성하는 양의 광파워의 제 2렌즈와, 양면이 오목한 형상을 형성하는 부의 광파워의 제 3렌즈와, 양의 광파워의 제 4렌즈와, 양면이 볼록한 형상을 형성하는 부의 광파워의 제 5렌즈의 순서로 전방으로부터 후방으로 배치되는 렌즈계를 개시하고 있다. 렌즈 간격, 렌즈를 구성하는 재료 등이 명세되어 있고, 그에 의해 충분한 후방 초점거리를 유지하고, 사이즈가 작고, 비용이 적어, 광학성능면에서 만족스러운 렌즈계를 얻는다.

Description

렌즈계 및 그것을 가지는 촬상장치{LENS SYSTEM AND IMAGE PICKUP DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라 등의 촬상소자에 적합한 전체의 길이가 짧은 리트로 포커스형 렌즈에 관한 것이다.
최근에, CCD센서나 CMOS센서 등의 고체 촬상소자를 각각 가지는 다양한 비디오 카메라와 다양한 디지털 스틸 카메라가 개발되고 있다. 그러한 종류의 촬상소자에서는, 로우패스 필터와 컬러 필터 등의 다양한 유리재가 촬영렌즈의 후단과 촬상소자간에 배치되는 경우가 많다. 따라서, 초점거리와 비교하여, 후방의 초점거리를 길게 할 필요가 있다.
후방의 초점거리가 긴 렌즈의 타입으로서는, 리트로 포커스형 렌즈가 종래부터 알려져 왔다. 예를 들면, 5개의 렌즈로 구성된 리트로 포커스형 렌즈, 즉, 물체측을 향하는 부의 메니스커스 형상의 볼록면을 가지는 제 1렌즈, 양면이 볼록한 제 2렌즈, 양면이 오목한 제 3렌즈, 양의 굴절력을 가지는 제 4렌즈 및 양면이 볼록한 제 5렌즈의 순서로 물체측으로부터 배치되는 리트로 포커스형 렌즈는, 일본국 특개소 46-024194호공보에 개시되어 있다. 상기 공보에서의 수치 실시예에 의하면, 후방의 초점거리는 초점거리의 것보다 대략 1.3배가 된다.
또한, 최근에, 고체 촬상소자의 화소의 수가 증가하는 경향에 따라서, 촬영렌즈에 요구되는 성능이 매우 증가되어 왔다. 예를 들면, 일본국 특개소 63-081414호공보, 일본국 특개평 03-063613호공보, 일본국 특개평 10-213742호공보, 일본국 특개평 10-293246호공보, 일본국 특허 제 2001-100091호공보 등은, 높은 결상 성능과 긴 후방의 초점거리를 함께 얻을 수 있는 리트로 포커스형 렌즈를 개시하고 있으며, 상기 렌즈는 5개의 렌즈, 즉, 부의 렌즈, 양의 렌즈, 부의 렌즈, 양의 렌즈 및 양의 렌즈로 구성된다.
여기서, 5개의 렌즈, 즉, 부의 렌즈, 양의 렌즈, 부의 렌즈, 양의 렌즈 및 양의 렌즈의 구성일 경우, 제 1렌즈와 제 2렌즈간의 거리가 협소하여, 충분한 후방의 초점거리를 얻는 것이 곤란하다. 따라서, 후방 초점거리를 강제로 넓히는 경우, 제 1렌즈의 력은 강화되어, 수차보정이 곤란하고, 제 1렌즈의 평행 및 틸트 편심에 대한 성능열화의 민감도가 높게 된다. 역으로, 간격을 증가시키는 경우, 제 1렌즈의 외경이 증대되고 후방의 초점거리도 또한 증가한다. 따라서, 렌즈 전체의 사이즈가 증가하는 문제가 발생한다.
일본국 특개소 63-081414호공보와 일본국 특개평 10-293246호공보에 의하면, 제 1렌즈와 제 2렌즈간의 간격은 비교적 협소하여, 렌즈의 사이즈를 감소시키는데 유리하다. 그러나, 수차보정이 곤란하다.
또한, 제 2렌즈와 제 3렌즈간의 간격에 대하여는, 간격이 협소하면, 제 2렌즈와 제 3렌즈간에 조리개를 배치하는 것이 곤란하게 된다. 따라서, 충분한 사출동공거리를 얻을 수 없다. 역으로, 간격을 넓게 하는 경우, 렌즈 전체의 렌즈직경이 커져 축외 광속이 통과하는 높이가 상대적으로 높아진다. 그 결과, 축외수차의 보정이 곤란하게 되는 문제가 발생한다.
일본국 특개평 10-213742호공보와 일본국 특허 제 2001-100091호공보에 의하면, 조리개만을 배치하기에 충분한 간격은, 제 2렌즈와 제 3렌즈간에 유지되고 있다. 그러나, 기계적인 셔터유닛이 부가하여 배치되는 것을 고려하면, 충분한 간격을 유지한다고 말할 수 없다. 또한, 비디오카메라나 디지털 스틸 카메라의 경우, 후방의 초점거리를 길게 할 필요가 있다. 그러나, 필요 이상의 후방의 초점거리는, 촬영렌즈의 전체 길이가 길어지므로 바람직하지 않다.
일본국 특개평 03-063613호공보에 의하면, 후방의 초점거리는, 초점거리의 1.2배 이상 길다. 따라서, 촬영렌즈의 전체 길이에 대하여 문제가 있다. 또한, 5개의 렌즈, 즉, 부의 렌즈, 양의 렌즈, 부의 렌즈, 양의 렌즈, 양의 렌즈로 구성된 리트로 포커스형 렌즈는, 비구면을 이용하여 새로운 성능향상을 이루며, 예를 들면, 일본국 특개평 09-166748호공보에 제안되고 있다.
일본국 특개평 09-166748호공보에 의하면, 화상의 가장 근접한 측에 배치된 제 5렌즈의 한쪽면은, 비구면이 되도록 형성되고, 이에 의해 다양한 축외수차를 특히 만족하게 보정한다.
도 1은, 수치 실시예 1의 렌즈계의 렌즈 단면도를 도시한 도면.
도 2는, 수치 실시예 1의 렌즈계의 다양한 수차를 도시한 도면.
도 3은, 수치 실시예 2의 렌즈계의 렌즈 단면도를 도시한 도면.
도 4는, 수치 실시예 2의 렌즈계의 다양한 수차를 도시한 도면.
도 5는, 수치 실시예 3의 렌즈계의 렌즈 단면도를 도시한 도면.
도 6은, 수치 실시예 3의 렌즈계의 다양한 수차를 도시한 도면.
도 7은, 수치 실시예 4의 렌즈계의 렌즈 단면도를 도시한 도면.
도 8은, 수치 실시예 4의 렌즈계의 다양한 수차를 도시한 도면.
도 9는, 수치 실시예 5의 렌즈계의 렌즈 단면도를 도시한 도면.
도 10은, 수치 실시예 5의 렌즈계의 다양한 수차를 도시한 도면.
도 11은, 수치 실시예 6의 렌즈계의 렌즈 단면도를 도시한 도면.
도 12는, 수치 실시예 6의 렌즈계의 다양한 수차를 도시한 도면.
도 13은, 본 발명의 렌즈계를 이용한 촬상장치의 주요부의 개략도를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 카메라 본체 11 : 촬영광학계
12 : 파인더 13 : 스트로브 장치
14 : 측정창 15 : 액정 표시창
16 : 릴리즈 버튼 17 : 조작 스위치
본 발명의 목적은, 상기 언급한 종래의 결점을 개선하고, 충분한 후방의 초점거리를 유지하고, 사이즈가 작고, 비용이 적어, 광학성능에서 만족스러운 렌즈계를 제공하는데 있다.
상기 언급한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 측면에 의한 렌즈계는, 볼록면이 전방으로 향한 메니스커스 형상을 가진 부의 광파워(초점거리의 역수)의 제 1렌즈와, 양면이 볼록한 형상을 형성하는 양의 광파워의 제 2렌즈와, 조리개와, 양면이 오목한 형상을 형성하는 부의 광파워의 제 3렌즈와, 양의 광파워의 제 4렌즈와, 양면이 볼록한 형상을 형성하는 양의 광파워의 제 5렌즈의 순서로 전방(촬영렌즈의 경우에는 물체측)으로부터 후방(촬영렌즈의 경우에는 화상측)으로 배치되어 포함하는 렌즈계로서,
다음의 조건:
0.5 < DB/f < 0.8 (1)
nd2 < 1.7 (2)
0.8 < bf/f < 1.0 (3)
(조건 중,
DB는 제 2렌즈와 제 3렌즈간의 간격을 나타내고,
nd2는 제 2렌즈를 구성하는 재료의 굴절률을 나타내고,
bf는 후방의 초점거리를 나타내며,
f는 계 전체의 초점거리를 나타냄)을 만족하는 것을 특징으로 하는 렌즈계이다.
또한, 렌즈계의 다른 측면에서는, 다음의 조건:
0.6 < DA/f < 1.0 (4)
0.45 < fA/fB < 0.7 (5)
1.4 < f5/f4 < 2.0 (6)
(조건 중,
DA는 제 1렌즈와 제 2렌즈간의 간격을 나타내고,
fA는 제 1렌즈로부터 제 2렌즈까지의 전체 초점거리를 나타내고,
fB는 제 3렌즈로부터 제 5렌즈까지의 전체 초점거리를 나타내고,
f4는 제 4렌즈의 초점거리를 나타내고,
f5는 제 5렌즈의 초점거리를 나타냄)을 부가하여 만족하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의해 렌즈계와 그것을 이용하는 촬상장치를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1, 도 3, 도 5, 도 7, 도 9 및 도 11은, 각각 수치 실시예 1 내지 수치 실시예 6의 렌즈계의 렌즈 단면도이다. 도 2, 도 4, 도 6, 도 8, 도 10 및 도 12는, 각각의 수치 실시예의 렌즈계의 다양한 수차를 각각 도시한다.
본 실시예의 렌즈계는, 촬상장치를 이용한 촬영 렌즈계이다. 각각의 렌즈단면도에 있어서, 좌측은 물체측(전방)이고, 우측은 화상면측(후방)이다. 본 실시예에서는, 상기 설명한 바와 같이, 각각의 렌즈형상 등은, 5개의 렌즈는 5개의 군(5개의 군의 각각은 단일렌즈로 구성되는 렌즈구성)을 이용하는 렌즈구성에 따라서 설정된다. 따라서, 만족스러운 광학성능과 소형 및 간단한 구성을 가지는 저가의 리트로 포커스형 렌즈를 얻을 수 있다.
본 실시예에 의한 렌즈계는, 5개의 렌즈로 구성되고, 즉, 물체측을 향한 볼록면을 가지는 메니스커스 형상의 부의 굴절력(광파워=초점거리의 역수)의 제 1렌즈(L1)와, 양의 굴절력의 양면이 볼록한 제 2렌즈(L2)와, 조리개(SP)와, 부의 굴절력의 양면이 오목한 제 3렌즈(L3)와, 양의 굴절력의 제 4렌즈(L4)와, 양의 굴절력의 양면이 볼록한 제 5렌즈(L5)의 순서로 물체측으로부터 배치된다. 상기 제 4렌즈(L4)는, 수치 실시예 1, 4, 6에서 화상사이즈를 향하는 볼록면의 메니스커스 형상을 가지고, 수치 실시예 2, 3, 5에서 양면이 볼록한 형상을 가진다.
광학 로우패스 필터나 적외선 차단필터에 상당하는 유지블록(G)과, CCD센서나 CMOS센서로 구성되고 또한 렌즈계에 의해 형성된 화상을 수광하기 위한 감광성의 면(IP)을 포함하는 고체 촬상소자(광전자 변환소자)는, 렌즈계의 후방에 설치된다.
수치 실시예 1 내지 수치 실시예 3에서는, 제 2렌즈(L2)의 물체측면에 비구면이 배치된다. 수치 실시예 4에서는, 물체측면에 비구면이 배치된다. 따라서, 조리개(SP)의 근방에 비구면이 배치되면, 스크린 영역 전체에 영향을 주는 구면수차와 코마수차를 만족하게 보정할 수 있다.
또한, 수치 실시예 4에서 제 2렌즈(L2)의 재료는 플라스틱(합성수지)이어서, 비교적 저가의 제조가 가능하다.
수치 실시예 5, 6에서는, 제 3렌즈(L3)의 물체측면에 비구면이 배치된다. 제 2렌즈(L2)의 경우와 같이 조리개(SP)의 부근에 비구면이 배치되면, 스크린 영역 전체에 영향을 주는 구면수차와 코마수차를 만족하게 보정할 수 있다. 또한, 제2렌즈(L2)와 제 3렌즈(L3)간에 조리개(SP)가 배치되면, 최근의 촬상소자에 적합한 사출동공거리를 얻는다.
다음에, 상기 언급한 각각의 조건식의 기술적인 의미를 설명한다.
조건식 (1)은, 제 2렌즈(L2)와 제 3렌즈(L3)간의 간격에 관한 조건식이다. 상기 간격이 협소하여 하한(lower limit) 미만이 되면, 조리개(SP)를 배치하기가 곤란하게 된다. 따라서, 충분한 사출동공거리를 얻을 수 없다. 역으로, 상기 간격이 확대되어 상한(upper limit)을 초과하는 경우, 렌즈 전체의 렌즈직경이 확대되고, 축외 광속이 통과하는 높이가 상대적으로 높게 된다. 그 결과, 축외수차의 보정이 곤란하게 되는 문제가 발생한다.
조건식 (2)는, 제 2렌즈(L2)의 굴절률에 관한 조건식이고, 특히 제조비용이 저렴하고 굴절률이 낮은 유리재료의 상면만곡을 보정하는 관점에서, 사용가능한 상한을 나타낸다.
조건식 (3)은, 후방의 초점거리에 관한 조건식이다. 상기 후방의 초점거리가 증가하여 조건식의 상한을 초과하면, 전체 길이가 길어지고, 이에 의해 사이즈가 증가한다. 따라서, 제 1렌즈(L1)의 파워가 강해져, 왜곡수차를 보정하기가 곤란하다. 역으로, 후방의 초점거리가 축소되어 하한 미만이 되면, 적외선 차단필터와 같은 광학 로우패스 필터나 컬러 필터를 삽입하는 것이 곤란하게 된다.
조건식 (4)는, 제 1렌즈(L1)와 제 2렌즈(L2)간의 간격에 관한 조건식이다. 상기 간격이 협소하여 하한 미만이 되면, 충분한 후방의 초점거리를 얻기가 곤란하게 된다. 후방의 초점거리를 무리하게 연장하는 경우, 제 1렌즈(L1)의 파워가 강해져, 수차보정이 곤란하게 되고, 제 1렌즈(L1)의 평행 및 틸트 편심에 대한 성능열화의 민감도가 높게 된다. 역으로, 상기 간격이 확대되어 상한을 초과하면, 제 1렌즈(L1)의 외경이 증가하여 후방의 초점거리도 증가하게 된다. 따라서, 렌즈 전체의 사이즈가 증가하는 문제가 발생한다.
조건식 (5)는, 조리개(SP)를 사이에 둔 전방의 렌즈군의 초점거리와 후방의 렌즈군의 초점거리간의 비율에 관한 조건식이다. 상기 비율이 하한 미만이면, 상면만곡이 보정과잉이 되어 바람직하지 않다. 또한, 상기 비율이 상한을 초과하면, 전체 길이가 증가하게 되어 바람직하지 않다.
조건식 (6)은, 제 4렌즈(L4)의 초점길이와 제 5렌즈(L5)의 초점길이간의 비율에 관한 조건식이다. 상기 비율이 하한 미만이면, 왜곡이 보정부족이 되어 바람직하지 않다. 또한, 상기 비율이 상한을 초과하면, 상면만곡이 보정부족이 되어 바람직하지 않다.
다음에, 본 발명의 렌즈계를 촬영광학계로서 이용한 디지털 스틸 카메라(촬상장치)의 실시예를 도 13을 참조하여 설명한다. 도 13에서는, (10)은 카메라 본체를 나타내고, (11)은 본 발명의 렌즈계에 의해 구성된 촬영광학계를 나타내고, (12)는 피사체 화상을 관찰하기 위한 파인더를 나타낸다. 촬영광학계(11)에 의해 형성된 화상은, 광전자 변환소자(도시하지 않음)의 감광성의 면 위에 형성된다. 광전자 변환소자는 수광된 화상정보를 전자신호로 변환한다. (13)은 스트로브 장치를 나타내고, (14)는 측정창을 나타내고, (15)는 동작을 알리는 액정 표시창을 나타내고, (16)은 릴리즈 버튼을 나타내고, (17)은 다양한 모드를 전환하는 조작스위치를 나타낸다.
다음에, 수치 실시예 1 내지 수치 실시예 6의 수치 데이터를 나타낸다. 각각의 수치 실시예에서는, (i)는 물체측으로부터 광학면의 배치순서를 나타내고, (ri)는 i번째의 광학면(i번째 면)의 곡률의 반경을 나타내고, (di)는 i번째 면과 (i+1)번째 면 사이의 간격을 나타내고, (ni)와 (i) 각각은, d선에 대하여 i번째 광학부재의 재료의 굴절률과 아베수를 나타낸다.
또한, 화상의 가장 근접한 측에 배치된 2개의 면은, 유리블록(G)을 구성하는 면이다. (f)는 초점거리를 나타내고, (fno)는 F수를 나타내고, ω는 반화각을 나타낸다. 또한, (k)가 이심률로서 주어지면, B, C, D 및 E는, 비구면계수로서 주어지고, x는 기준으로 이용하는 광축으로부터 높이(h)의 위치에서 광축방향의 변위로서 주어지고, 비구면 형상은, 하기 식:
(식중, r은 곡률의 반경을 나타냄)에 의해 표시된다. 또한, 예를 들면, "D-Z"의 표시는 "10-Z"를 의미한다. 각각의 수치 실시예의 상기 언급한 조건식과의 대응을 표 1에 나타낸다.
하한 상한 수치실시예 1 수치실시예 2 수치실시예 3 수치실시예 4 수치실시예 5 수치실시예 6
조건식 (1) DB 3.055 3.017 3.233 3.293 3.121 2.946
f 5.000 4.502 5.501 6.234 5.000 5.501
DB/f 0.5 0.8 0.611 0.670 0.588 0.528 0.624 0.536
조건식 (2) nd2 1.7 1.69680 1.60970 1.58313 1.49171 1.69680 1.60311
조건식 (3) bf 4.196 4.098 4.725 5.706 4.335 4.439
f 5.000 4.502 5.501 6.234 5.000 5.501
bf/f 0.8 1.0 0.839 0.910 0.859 0.915 0.867 0.807
조건식 (4) DA 4.499 3.893 3.707 4.527 3.608 3.499
f 5.000 4.502 5.501 6.234 5.000 5.501
DA/f 0.6 1.0 0.900 0.865 0.674 0.726 0.722 0.636
조건식 (5) fA 4.852 4.476 5.046 5.446 5.363 5.363
fB 8.320 7.714 9.470 10.074 7.680 7.680
fA/fB 0.45 0.7 0.583 0.580 0.533 0.541 0.698 0.698
조건식 (6) f4 5.329 4.855 5.911 6.138 4.724 4.724
f5 8.720 9.154 8.586 8.769 8.967 8.967
f5/f4 1.4 2.0 1.636 1.885 1.452 1.429 1.898 1.898
상기 실시예에 의하면, 종래의 결점을 개선하고, 충분한 후방의 초점거리를 유지하고, 소형 및 저가인, 광학성능에서 만족스러운 렌즈계를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 볼록면이 전방으로 향한 메니스커스 형상을 가진 부의 광파워의 제 1렌즈와;
    양면이 볼록한 형상을 형성하는 양의 광파워의 제 2렌즈와;
    조리개와;
    양면이 오목한 형상을 형성하는 부의 광파워의 제 3렌즈와;
    양의 광파워의 제 4렌즈와;
    양면이 볼록한 형상을 형성하는 양의 광파워의 제 5렌즈와;
    를 포함하는 렌즈계로서,
    상기 제 1렌즈, 양면이 볼록한 형상을 형성하는 양의 광파워의 제 2렌즈, 조리개, 양면이 오목한 형상을 형성하는 부의 광파워의 제 3렌즈, 제 4렌즈 및 양면이 볼록한 형상을 가지는 양의 광파워의 제 5렌즈는, 전방으로부터 후방으로 차례로 배치되고,
    다음의 조건:
    0.5 < DB/f < 0.8,
    nd2 < 1.7,
    0.8 < bf/f < 1.0
    (조건 중, DB는 제 2렌즈와 제 3렌즈간의 간격을 나타내고, nd2는 제 2렌즈를 구성하는 재료의 굴절률을 나타내고, bf는 후방의 초점거리를 나타내며, f는 계 전체의 초점거리를 나타냄)을 만족하는 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  2. 제 1항에 있어서, 다음의 조건:
    0.6 < DA/f < 1.0,
    0.45 < fA/fB < 0.7,
    1.4 < f5/f4 < 2.0
    (조건 중, DA는 제 1렌즈와 제 2렌즈간의 간격을 나타내고, fA는 제 1렌즈로부터 제 2렌즈까지의 전체 초점거리를 나타내고, fB는 제 3렌즈로부터 제 5렌즈까지의 전체 초점거리를 나타내고, f4는 제 4렌즈의 초점거리를 나타내고, f5는 제 5렌즈의 초점거리를 나타냄)을 부가하여 만족하는 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  3. 제 1항에 있어서, 제 2렌즈의 적어도 한쪽 면은, 비구면으로 하는 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  4. 제 1항에 있어서, 제 3렌즈의 적어도 한쪽 면은, 비구면으로 하는 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  5. 제 1항에 있어서, 렌즈계는, 고체 촬상소자의 감광면 위에 화상을 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  6. 제 1항에 기재된 렌즈계와;
    상기 렌즈계에 의해 형성된 화상을 수광하는 고체 촬상소자와;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
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