KR100346247B1 - Ｃｍｏｓ／ｃｃｄ 센서 광학 장치 - Google Patents

Abstract

CMOS/CCD용 광학계에 관해 개시되어 있다. 본 발명은 동일한 광축 상에 제1 내지 제4 렌즈로 구성되는 CMOS/CCD용 광학계에 있어서, 상기 제1 내지 제4 렌즈 중 선택된 어느 하나의 렌즈의 한 면은 곡률 반경이 무한대이면서 그 전면에 적외선 차단 막이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계를 제공하고, 동일한 광축을 갖는 제1 내지 제4 굴절 렌즈와 적외선 차단을 위한 광학적 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계를 제공한다. 특히, 상기 제3 렌즈의 경우, 양면의 곡률반경의 차이 값이 기존의 것에 비해 상대적으로 커서 렌즈 가공 공정과 조립 공정이 용이하며 상기 적외선 차단 막이 평면 상태로 구비되어 있어 상기 막에 입사하는 평행 입사광은 모두 동일한 입사각을 갖게 되므로 영상의중심부와 주변부의 칼라 특성의 상이함에 따른 화질 저하를 방지할 수 있고, 칼라 영상이 정상적으로 재현되지 않는 문제점을 해소할 수 있다.

Description

ＣＭＯＳ／ＣＣＤ 센서 광학 장치{Optical apparatus for CMOS/CCD sensor}

본 발명은 복수개의 렌즈로 구성된 광학계에 관한 것으로써, 자세하게는 CMOS/CCD용 광학계에 관한 것이다.

CMOS(complementary Metal Oxide Semiconductor) 광학계는 피사체로부터 빛을 받아서 내부에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화하여 디지털 형태의 화상 신호를 출력하는 광학계이다. 그리고 CCD(charge coupled device) 광학계는 피사체로부터 빛을 받아서 아날로그 형태의 화상 신호를 출력하는 광학계이다.

도 1은 종래 기술에 의한 CCD 광학계의 일예를 나타낸 것으로써, 참조번호 8은 광축을 나타내고, 10, 12, 14 및 16은 각각 순차적으로 배열된 제1 내지 제4 렌즈를 나타내며, 참조번호 20은 제1 내지 제4 렌즈(10, 12, 14, 16)에 입사되는 광을 제한하는 조리개(aperture)를 나타낸다.

도 1에 도시한 종래 기술은 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.

첫째, 제4 렌즈(16)의 제2 굴절면에 적외선 차단 막(22)이 형성되어 있으나, 이는 오목 내지 볼록한 형상의 구면에 적외선 차단 막이 형성된 것으로 피사체로부터 들어오는 광에 대해 서로 다른 입사각을 나타낸다. 이에 따라, 상기 차단 막의 각 영역에서 적외선 흡수율이 달라져서 결상면에 맺히는 상의 칼라 특성이 달라진다. 즉, 상의 중심부와 주변부의 칼라 특성이 상이해져서 영상의 전체적인 질이 저하되고, 재현성도 떨어진다.

둘째, 제3 렌즈(14)의 경우, 동일한 부호의 곡률 반경을 가지며, 양 면의 곡률 반경도 거의 같음을 알 수 있다. 이런 경우는 렌즈 양면의 중심을 일치시키기 위한 센터링(centering) 공정이 어려워진다. 즉, 렌즈의 가공이 어려워진다. 따라서, 렌즈의 생산성도 낮아질 뿐만 아니라 양산 수율도 저하된다. 또, 고도의 전문성이 요구되기 때문에 그에 따른 비용이 증가로 인해 제품 가격이 높아지게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서 렌즈 가공, 특히 센터링 공정을 간단하게 하고, 제조비용을 낮추면서 영상의 질을 개선시킬 수 있는 CMOS/CCD용 카메라 렌즈를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 CCD용 광학계의 단면도이다.

도 2 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 CMOS/CCD용 광학계의 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

L:광학계

L1 내지 L5:제1 내지 제5 렌즈

S: 조리개 F:적외선 차단막

40:광축

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 동일한 광축 상에 제1 내지 제4 렌즈로 구성되는 CMOS/CCD용 광학계에 있어서, 상기 제1 내지 제4 렌즈 중 선택된 어느 하나의 렌즈의 한 면은 곡률 반경이 무한대이면서 그 전면에 적외선 차단 막이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계를 제공한다.

여기서, 상기 한 면은 상기 제4 렌즈의 제2 굴절면이다.

상기 제1 내지 제4 렌즈 사이에 다음 렌즈에 입사되는 광을 제한하는 조리개가 구비되어 있다.

상기 제3 렌즈의 제1 및 제2 굴절면의 곡률 반경, R1 및 R2 사이에 다음 관계가 성립한다.

｜｜R1｜-｜R2｜｜≥11. 2 (R1 및 R2>0 또는 R1 및 R2<0 일 때)

또한, 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 동일한 광축을 갖는 제1 내지 제4 굴절 렌즈와 적외선 차단을 위한 광학적 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계를 제공한다.

여기서, 상기 광학적 수단은 상기 제1 내지 제4 렌즈 사이에 구비되어 있는 것으로, 한 면에 적외선 차단막이 코팅되어 있고, 양쪽면의 곡률 반경이 무한대인 렌즈이다.

상기 제 1 렌즈는 양면이 볼록한 볼록 렌즈 및 메니스커스 렌즈 중 어느 하나이고, 상기 제 2 렌즈는 양면이 오목한 오목렌즈이며, 상기 제3 렌즈는 피사체 쪽에 오목한 면을 갖는 메니스커스형 렌즈이고, 상기 제4 렌즈는 피사체 쪽에 볼록한 면을 갖는 메니스커스형 렌즈 및 양면이 볼록한 볼록렌즈 중 어느 하나이며, 상기 제 1 렌즈 내지 제 4 렌즈로 이루어진 제품의 전체 길이를 감소시키도록 상기 제 2 렌즈와 상기 제 3 렌즈는 맞닿아 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 CMOS/CCD 센서 광학 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 예컨대, 도면에 도시한 렌즈의 곡률 반경은 실제 제작된 렌즈의 그것보다 도시하는 과정에서 크거나 작아질 수 있다. 또한, 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

하기의 본 발명의 실시예에 의한 광학계는 폐쇄회로(CCTV)에 사용되는 감시카메라, 일반 가정의 방문객을 집의 내부에서 확인하는 도어 폰, 일반 전화기를 사용할 경우 송화자와 수화자의 이미지를 촬영하여 전송하는 비디오 폰, 피사체의 동영상을 촬영하는 비디오 카메라, 일반 카메라, 송화자와 수화자의 이미지를 전송하는 이미지폰으로써 핸드폰, 화상 회의용 카메라, 스캐닝을 위한 PC(personal computer)카메라 등에 적용될 수 있다.

<제1 실시예>

도 2를 참조하면, 참조번호 40은 광축을 나타내고, 참조부호 L1, L2, L3, L4 및 L5는 각각 상기 광학계를 구성하는 제1 내지 제5 렌즈를 나타낸다. 참조부호 S는 조리개를 나타내고, F는 제5 렌즈(L5)의 제1 면에 구비된 적외선 차단 막이다. 제5 렌즈(L5)는 그 자체가 적외선 차단 수단이 된다. 제1 렌즈(L1)는 피사체 방향으로 볼록한 메니스커스(Meniscus) 형 렌즈로써, 피사체로부터 들어오는 광을 조리개(S) 측으로 수렴시키는 렌즈이다. 조리개(S)는 피사체로부터 들어와 제1 렌즈(L1)를 통과한 광의 양을 한정하여 제2 렌즈(L2)로 전달하는 역할을 한다. 조리개(S)는 제1 렌즈(L1) 뒤에 구비된 것으로 도시하였으나, 제1 렌즈(L1)의 앞에 위치해도 무방하다. 음의 파워를 갖는 상기 제2 렌즈(L2)는 조리개(S)로부터 전달된 광을 제3 렌즈(L3)측으로 발산시키는 오목렌즈이다. 제3 렌즈(L3)는 양의 파워를 갖는, 결상면을 향해 볼록한 메니스커스 렌즈로써, 제2 렌즈(L2)로부터 들어온 광을 제4 렌즈(L4)로 수렴시키는 렌즈이다. 제3 렌즈(L3)의 제1 및 제2 굴절면의 곡률 반경 특성을 다음과 같다.

즉, 제3 렌즈(L3)의 제1 및 제2 굴절면의 곡률 반경을 R1 및 R2라 하면 다음의 수학식이 성립한다.

계속해서, 제4 렌즈(L4)는 양의 파워를 갖는, 피사체 방향으로 볼록한 메니스커스형 렌즈로써, 제3 렌즈(L3)로부터 들어온 광을 제5 렌즈(L5), 곧 적외선 차단 수단에 수렴시킨다. 제5 렌즈(L5)는 제1 및 제2 면의 곡률이 무한대인 렌즈로써, 한면에 적외선 차단 막(F)이 형성된 평면 렌즈이다. 적외선 차단 막(F)은 제5 렌즈(L5)의 제2 면에 구비할 수도 있다. 제5 렌즈(L5)는 제4 렌즈(L4)로부터 입사되는 광의 스펙트럼 중에서 CCD 내지 CMOS 센서의 칼라 감도(sensitivity)에 적당한 광만을 투과되도록 하여 CCD/CMOS용 광학계에 적합한 화각과 화면 밝기를 향상시킨 구경비를 갖고 수차 보정상태가 양호한 컬러 영상을 이미지 센서에 맺히도록 한다.

결과적으로, 도 2에 도시한 CCD/COMS용 광학계는 다음과 같은 광학적 특성을 갖는다.

구경비 : f/1.5∼f/3.2

화 각 :50°(±10°)

초점거리 : 8.0mm(±2mm)

후면초점거리 : 4.5mm(±1.5)mm

제1 렌즈(L1)의 제1 면과 제5 렌즈(L5)의 제2 면사이의 거리:7.5mm(±2.0mm)

전장 길이 : 7.5mm(±2.0)

또한 도 2에 도시한 광학계의 초점 거리를 f라 하고, 후면 초점 거리를 fb라 하면, 또 도 2의 광학계의 제1 렌즈(L1)의 제1 면의 정점에서 제5 렌즈(L5)의 제2 면의 정점까지의 거리를 D라 하면, 다음과 같은 수학식이 성립한다.

1.0≤f/fb≤3.0, 0.5≤D/f≤1.6

또, 아래의 표 1은 도 2에 도시한 광학계를 구성하는 광학 요소, 즉 각 렌즈 및 조리개의 각 면의 광학적 특성을 나타낸 것이다.

여기서, XX의 허용 범위는 곡률 반경의 경우, 01∼99, 굴절률의 경우 40∼95, 분산 계수의 경우 X는 1∼9이다. 따라서, 제1 렌즈(L1)의 경우, 제1 면의 곡률 반경 범위는 +4.01∼+4.99, 굴절률의 범위는 1.40∼1.95, 분산 계수는 40.1∼49.9정도가 된다.

면번호	곡률 반경(mm)	두께(mm)	굴절률	분산계수(v)	비고
1	+4.XX	1.40	1.XX	4X.X	제1 렌즈
2	+27.XX	0.05	1.00	0.0	〃
3	--	1.03	1.00	0.0	조리개
4	-6.XX	0.30	1.XX	2X.X	제2 렌즈
5	+6.XX	0.61	1.00	0.0	〃
6	-17.XX	1.20	1.XX	4X.X	제3 렌즈
7	-4.XX	0.10	1.00	0.0	〃
8	+6.XX	1.50	1.XX	5X.X	제4 렌즈
9	+17.XX	0.36	1.00	0.0	〃
10	--	0.70	1.XX	5X.X	제5 렌즈
11	--	4.52	1.00	0.0	〃

표 1의 면 번호 중 1 번과 2번은 제1 렌즈(L1)의 제1 및 제2 면을 나타낸다. 그리고 3번은 조리개를 나타낸다. 상기 면 부호중 4번과 5번은 제 2 렌즈(L2)의 제1 및 제2 면을 각각 가리킨다. 또, 6번과 7번 면은 제3 렌즈(12)의 제1 및 제2 면을 각각 가리킨다. 8번과 9번 면은 제 4 렌즈(L4)의 제1 및 제2 면을 나타낸다. 그리고 10번과 1번 면은 제5 렌즈(L5)의 제1 및 제2 면을 나타낸다.

표 1에서 분산 계수는 빛의 스펙트럼을 넓게 분산시키는 특성을 나타낸 값으로서 분산 계수의 값이 작을수록 빛을 넓게 퍼트리는 것을 의미한다.

<제2 실시예>

제5 렌즈(L5)는 제1 렌즈(L1)앞이나 제1 내지 제4 렌즈(L1, L2, L3, L4) 사이에 구비될 수 있는데, 제2 실시예는 도 3에 도시한 바와 같이, 제5 렌즈(L5)가 조리개(S)와 제2 렌즈(L2) 사이에 구비되어 있는 경우이다.

<제3 실시예>

도 4에 도시한 바와 같이, 제5 렌즈(L5)가 제1 렌즈(L1)앞에 구비된 경우이다.

<제4 실시예>

제1 내지 제3 실시예와 달리 제5 렌즈(L5)를 배제한 경우로써, 도 5에 도시한 바와 같이, 구성 렌즈중 어느 한 렌즈의 한 면의 곡률반경이 무한대인 경우이다. 도 5에는 제4 렌즈(L4)의 제2 면의 곡률 반경이 무한대인 것으로 도시되어 있으나, 제4 렌즈(L4)의 제1 면의 곡률 반경이 무한대로 될 수도 있다. 또, 제1 내지 제3 렌즈(L1, L2, L3)중 선택된 어느 하나의 렌즈의 한 면의 곡률반경이 무한대가 될 수도 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기 보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 2 내지 도 5에 도시한 광학계에서 적어도 하나를 렌즈를 제거하거나 추가할 수 있을 것이며, 조리개의 위치를 제1 렌즈 및 제2 렌즈 사이에만 위치시키지 않고, 제1 내지 제5 렌즈 사이의 어느 위치에도 위치시킬 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이, 제2 및 제3 렌즈를 직접 접촉시킴으로써 제품 전체의 길이를 매우 짧게 할 수 있는 효과가 있다. 또, 종래의 CCD 렌즈에 비해 렌즈 가공이 용이하다. 즉, 제1 내지 제4 렌즈 중에서 제3 렌즈는 제1 굴절면과 제2 굴절면의 곡률 반경 차이가 종래의 그것에 비해 훨씬 크다. 이러한 사실은 렌즈 양면의 중심을 일치시키기 위한 렌즈 가공 공정, 곧 센터링(centering) 공정이 보다 용이해짐을 의미하는 것으로, 렌즈 가공 공정이 종래에 비해 용이하여 숙련자가 아니더라도 가공이 가능하다는 것을 의미한다. 이에 따라 제품의 생산성을 높일 수 있고, 인건비 절감에 따른 제조 단가를 줄일 수 있으므로, 가격이나 품질면에서 제품 경쟁력이 향상된다.

또한, 본 발명은 적외선 차단을 위한 수단이 평면 형태로 구비되어 있다. 따라서, 평행 입사광에 대해 영역에 관계없이 동일한 입사각이 주어지므로, 입사각의 상이함에 따른 적외선 흡수율의 상이함으로 인해 나타나는 종래의 문제점을 해소할 수 있어 보다 선명한 화질을 얻을 수 있다.

Claims (10)

1. 동일한 광축 상에 제1 내지 제4 렌즈로 구성되는 CMOS/CCD용 광학계에 있어서,

   상기 제1 내지 제4 렌즈 중 선택된 어느 하나의 렌즈의 한 면은 곡률 반경이 무한대이면서 그 전면에 적외선 차단 막이 코팅되어 있고, 상기 제3 렌즈의 제1 및 제2 굴절면의 곡률 반경을 각각 R1 및 R2라 할 때, R1 및 R2는 다음 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.

   ｜｜R1｜-｜R2｜｜≥11. 2{이때, R1 및 R2>0 또는 R1 및 R2<0}
2. 제 1 항에 있어서, 상기 한 면은 상기 제4 렌즈의 제2 굴절면인 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 렌즈 사이에 다음 렌즈에 입사되는 광을 제한하는 조리개가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서, 상기 조리개는 상기 제1 렌즈 앞에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.
6. 동일한 광축을 갖는 제1 내지 제4 굴절 렌즈와 적외선 차단을 위한 광학적 수단으로 구성되어 있으되, 상기 제3 렌즈의 제1 및 제2 굴절면의 곡률 반경을 각각 R1 및 R2라 할 때, R1 및 R2 사이에는 다음과 같은 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.

   ｜｜R1｜-｜R2｜｜≥11. 2 {이때, R1 및 R2>0 또는 R1 및 R2<0}
7. 제 6 항에 있어서, 상기 광학적 수단은 상기 제1 내지 제4 렌즈 사이에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 광학적 수단은 한 면에 적외선 차단막이 코팅되어 있고, 양쪽면의 곡률 반경이 무한대인 렌즈인 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 양면이 볼록한 볼록 렌즈 및 메니스커스 렌즈 중 어느 하나이고, 상기 제 2 렌즈는 양면이 오목한 오목렌즈이며, 상기 제3 렌즈는 피사체 쪽에 오목한 면을 갖는 메니스커스형 렌즈이고, 상기 제4 렌즈는 피사체 쪽에 볼록한 면을 갖는 메니스커스형 렌즈 및 양면이 볼록한 볼록렌즈 중 어느 하나이며, 상기 제 1 렌즈 내지 제 4 렌즈로 이루어진 제품의 전체 길이를 감소시키도록 상기 제 2 렌즈와 상기 제 3 렌즈는 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 광학적 수단은 상기 제4 렌즈 뒤에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 CMOS/CCD용 광학계.