KR100665176B1 - 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계 - Google Patents

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Abstract

회절면과 굴절면을 구비하는 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계가 제공된다.
본 발명은, 렌즈 기판(lens substrate); 상기 렌즈 기판의 물체측 면에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소; 상기 렌즈 기판의 상측 면에 형성되며 회절면을 구비하는 제2 렌즈 요소; 및 상기 제2 렌즈 요소의 회절면에 적층되며 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소; 를 포함하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 제공한다.
본 발명에 의하면, 초소형 광학계의 구현이 가능하고 효과적으로 화각을 보정하여 회절면에 입사하는 광의 각도를 줄임으로써 회절효율이 높아지고 고차 회절광이 제거되어 화질이 개선된다는 효과를 얻을 수 있다.
웨이퍼 렌즈, 광학계, 초소형, 회절효율, 굴절면, 고해상도

Description

웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계{Wafer Scale Lens and Optical System Having The Same}
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 의한 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계의 렌즈구성도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 광학계의 부분 확대도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계의 렌즈구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제2 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 6은 도 4에 도시된 제2 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계의 렌즈구성도이다.
도 8은 도 7에 도시된 제3 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 9는 도 7에 도시된 제3 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 대한 비교예에 의한 광학계의 렌즈구성도이다.
도 11은 도 10에 도시된 비교예의 제 수차도를 도시한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.
도 12는 도 10에 도시된 비교예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
S1...제1 렌즈 기판 S2...제2 렌즈 기판
L1...제1 렌즈 요소 L2...제2 렌즈 요소
L3...제3 렌즈 요소 L4...제4 렌즈 요소
L5... 제5 렌즈 요소 LG1...제1 웨이퍼 스케일 렌즈
LG2... 제2 웨이퍼 스케일 렌즈 IP...상면
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10...면 번호
본 발명은 촬상광학계에 사용되는 웨이퍼 스케일의 렌즈 및 이를 구비하는 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회절면과 굴절면을 이용하여 우수한 광학적 성능을 구현할 수 있는 광학계에 관한 것이다.
일반적으로, 모바일폰은 초기에는 통신수단의 기능만을 가졌다. 하지만 그 사용이 증대됨에 따라 사진촬영 또는 화상 전송 내지 통신 등 요구되는 서비스가 다양해지고 있으며, 이에 따라 그 기능과 서비스가 진화를 거듭하고 있다. 최근에는 디지털 카메라 기술과 모바일폰 기술을 융합시킨 확장된 새로운 개념의 모바일 폰, 즉 소위 카메라폰(camera phone 또는 camera mobile phone)이 크게 각광을 받고 있다. 더 나아가 디지털 캠코더 기술을 모바일폰 기술에 융합시켜 수 십분 이상의 동화상 멀티미디어를 저장, 전송할 수 있는 소위 캠코더 모바일폰(camcorder mobile phone 또는 camcorder phone)도 개발되고 있다.
이러한 모바일폰 뿐만 아니라 컴퓨터가 대중화 보편화되면서 화상채팅이나 화상회의를 위해 피씨(PC) 카메라도 급속히 보급되어 대중화되고 있다. 또한, 일반 스틸카메라 또한 디지털 카메라로 급속히 대체되고 있다.
이러한 카메라들은 통상적으로 그 특성상 카메라 장치가 소형이며 경량일 것이 요구된다. 이를 위하여 종래에는 플라스틱 또는 글래스 재질의 렌즈를 이용한 광학계가 사용되었으나, 이러한 초소형의 광학계 구현에 한계가 있었다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 하나의 렌즈 기판에 다수의 렌즈를 동시에 형성하는 레플리카법(replica method)을 사용하여 렌즈 및 광학계를 형성하는 방법이 제안되어 왔으나, 렌즈기판에 형성되는 폴리머의 두께에 한계가 있어 효율적인 광학계를 구현하는데 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 렌즈기판에 회절면과 굴절면을 동시에 형성하여 효율적으로 수차를 보정할 수 있는 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 회절면에 입사되는 광의 각도를 줄임으로써 효과적으로 넓은 화각을 효과적으로 보정하고 이를 통하여 높은 회절효율과 고화질을 실현할 수 있는 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 회절면을 통과한 광을 다시 확산시켜 광학계의 크기를 줄일 수 있는 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 레플리카법을 이용하여 초소형의 광학계를 구현함과 동시에 대량생산에 효율적인 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 일측면으로서, 렌즈 기판(lens substrate); 상기 렌즈 기판의 물체측 면에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소; 상기 렌즈 기판의 상측 면에 형성되며 회절면을 구비하는 제2 렌즈 요소; 및 상기 제2 렌즈 요소의 회절면에 적층되며 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소; 를 포함하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 제공한다.
이때, 상기 제1 렌즈 요소의 광축상의 두께는 180㎛ 이상인 것이 바람직하며, 상기 제3 렌즈 요소는 강한 음의 굴절력을 갖도록 외곽부의 최대 두께가 150㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 렌즈 요소의 회절면은 평면 또는 곡면으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 렌즈 요소와 제3 렌즈 요소의 굴절률의 차이는 0.1 이상이다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2 렌즈 요소의 굴절률은 1.58 이상이고 제3 렌즈 요소의 굴절률은 1.48 이하이다.
또한, 상기 렌즈 기판의 면 또는 제1 내지 제3 렌즈 요소의 면은 적외선 차단 코팅이 이루어질 수 있다.
다른 측면으로서 본 발명은, 제1 렌즈 기판(lens substrate)과, 상기 제1 렌즈 기판의 물체측 면에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소와, 상기 제1 렌즈 기판의 상측 면에 형성되며 회절면을 구비하는 제2 렌즈 요소와, 상기 제2 렌즈 요소의 회절면에 적층되며 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소를 구비하는 제1 웨이퍼 스케일 렌즈; 상기 제1 웨이퍼 스케일 렌즈의 후방에 설치되며, 제2 렌즈 기판(lens substrate)과, 상기 제2 렌즈 기판의 물체측 면에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈 요소와, 상기 제2 렌즈 기판의 상측 면에 형성되며 각각의 필드별로 수차를 보정하는 제5 렌즈 요소를 구비하는 제2 웨이퍼 스케일 렌즈; 및 상기 제2 웨이퍼 스케일 렌즈에서 결상된 이미지를 감지하는 이미지 센서;를 포함하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계를 제공한다.
이때, 상기 제1 렌즈 요소의 광축상의 두께는 180㎛ 이상인 것이 바람직하며, 상기 제3 렌즈 요소는 강한 음의 굴절력을 갖도록 외곽부의 최대 두께가 150㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 렌즈 요소의 회절면은 평면 또는 곡면으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 렌즈 요소와 제3 렌즈 요소의 굴절률의 차이는 0.1 이상이다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2 렌즈 요소의 굴절률은 1.58 이상이고 제3 렌즈 요소의 굴절률은 1.48 이하이다.
본 발명은 레플리카법을 이용하여 렌즈 기판에 굴절면과 회절면을 동시에 형성하여 색수차를 보정함과 동시에 회절면에 입사하는 광의 각도를 줄여 회절효율을 높이고 고차 회절광을 게거함으로써 고화질을 실현할 수 있는 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계를 실현하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명에 의한 웨이퍼 렌즈를 구비하는 광학계의 제1 실시예를 도시한 렌즈 구성도이다. 이하의 렌즈 구성도에서, 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 렌즈 구성도에서 제시된 구면 또는 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 실시예에 의한 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계는 물체측으로부터 순서대로, 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)와, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)와 상면(IP)에 해당하는 이미지 센서(미도시)를 구비한다.
상기 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)는 제1 렌즈 기판(lens substrate)(S1)과, 상기 제1 렌즈 기판(S1)의 물체측 면(2)에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소(L1)와, 상기 제1 렌즈 기판(S1)의 상측 면(3)에 형성되며 회절면(4)을 구비하는 제2 렌즈 요소(L2)와, 상기 제2 렌즈 요소(L2)의 회절면(4)에 적층되며 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소(L3)를 구비한다. 즉, 상기 제2 렌즈 요소(L2)는 회절광학소자(DOE, Diffractive Optical Element)에 해당한다.
또한, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)는 제2 렌즈 기판(lens substrate)(S2)과, 상기 제2 렌즈 기판(S2)의 물체측 면(7)에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈 요소(L4)와, 상기 제2 렌즈 기판(S2)의 상측 면(8)에 형성되며 각각의 필드별로 수차를 보정하는 제5 렌즈 요소(L5)를 구비한다.
또한, 상기 이미지 센서는 상면(IP)에 위치하며, 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1) 및 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)를 통과한 광 이미지를 감지하여 전기적 신호로 변환시키도록 CCD 또는 CMOS 등으로 이루어진다.
또한, 제1 렌즈 기판(S1)의 물체측 면(2)에는 개구 조리개(미도시)가 설치된다.
한편, 상기 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)의 뒤쪽에는 광학적 저역 필터나 색 필터, 페이스 플레이트(face plate) 등에 대응하여 적외선 필터와 커버 글래스(cover glass) 등이 설치될 수 있으며, 본 발명의 광학적 특성에는 원칙적으로 영향을 미치지 않는 것으로 한다.
본 발명에 의한 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 렌즈 기판(S1)의 물체측 면(2)에 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소(L1)가 형성되며, 상측 면(3)에 회절광학소자로 이루어진 제2 렌즈 요소(L2)가 형성되며, 상기 제2 렌즈 요소(L2)의 회절면(4)에 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소(L3)가 형성된다.
이와 같이, 하나의 렌즈 기판에 굴절면과 회절면을 동시에 구비하도록 하여 색수차를 효율적으로 보정할 수 있도록 한다.
또한, 상기 제1 렌즈 요소(L1)는 광축상에서 180㎛ 이상의 두께(H1)를 갖도록 형성된다.
종래에는 레플리카 법에 의해 렌즈 요소를 제작할 때, 폴리머의 수축 등으로 인하여 폴리머의 높이(두께), 즉 새그(sag)가 50㎛ 이하로 제한되어 강한 굴절력을 갖는 광학계를 구현하기 어려웠다.
그러나, 본 발명은 제1 렌즈 요소(L1)의 두께를 크게 함으로써 강한 양의 굴절력을 갖는 렌즈 요소를 제공한다.
이와 같이, 두께가 큰 렌즈 요소의 제작은 두께가 작은 폴리머 층을 다수 형성함으로써 형성될 수 있을 것이나, 이에 한정되지는 않는다.
이와 같이, 제1 렌즈 요소(L1)의 광축상의 두께(H1)를 크게 함으로써 강한 굴절력을 제공할 수 있게 된다.
이를 통하여 큰 화각을 효율적으로 보정하여 회절광학소자, 즉 제2 렌즈 요소(L2)에 입사되는 광의 각도를 줄임으로써 회절광학소자의 회절효율을 높일 수 있게 되고, 또한 이미지 센서에서 노이즈로 작용하는 고차 회절광이 제거되어 화질이 개선된다는 이점을 얻을 수 있게 된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 렌즈 기판(S1)의 상측 면(3)에 형성되는 회절광학소자, 즉 제2 렌즈 요소(L2)는 평면 또는 곡면에 요철패턴의 회절면(4)이 구비된다.
특히, 기본면이 곡면을 이루고 여기에 회절광학소자가 형성되는 경우에는 굴절면이 하나 증가하는 효과를 얻을 수 있으므로 효율적인 광학계를 구현할 수 있다는 이점을 얻을 수 있게 된다.
상기 회절면(4)은 제1 렌즈 기판(S1)에 적층되는 폴리머에 의해 일체로 형성되며, 상기 회절면(4)이 경화된 후에 상기 회절면(4) 위에 제3 렌즈 요소(L3)가 형성된다.
한편, 도 1b의 회절격자의 격자 높이(H3)는 요철 패턴의 오목부와 볼록부의 고저차에 해당하는 것으로서, 이러한 격자 높이(H3)는 이웃하는 렌즈 요소(L2,L3)의 굴절률의 차에 의해 결정된다.
일반적으로, 동일한 광학적 기능을 갖는 회절광학소자의 요철패턴을 고려하는 경우, 격자의 높이(H3)는 이웃하는 렌즈 요소(L2,L3) 사이의 굴절률의 차이에 반비례한다. 즉, 이웃하는 렌즈 요소(L2,L3) 사이의 굴절률 차를 크게 하면 격자 높이를 낮게 할 수 있다.
이때, 요철 패턴의 가공 정밀도와 가공성을 고려하면 요철 패턴의 격자 높이 (H3)는 낮은 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계는 이러한 요철 높이를 낮추기 위하여 제2 렌즈요소(L2)와 제3 렌즈 요소(L3)의 굴절률의 차이는 1.0 이상인 것이 바람직하다.
또한, 제2 렌즈 요소(L2)와 제3 렌즈 요소(L3)에 사용되는 폴리머의 재질을 고려할 때, 상기 제2 렌즈 요소(L2)의 굴절률은 1.58 이상인 것이 바람직하며, 제3 렌즈 요소(L3)의 굴절률은 1.48 이하인 것이 바람직하다.
제3 렌즈 요소(L3)는 회절면(4)에 형성되며 음의 굴절력을 갖는다.
이와 같이, 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소(L3)를 형성함으로써, 제3 렌즈 요소(L3)를 통과한 빛을 다시 확산시킴으로써 광학계의 크기를 줄일 수 있게 된다.
이와 같이 광학계의 초소형화를 위하여 상기 제3 렌즈 요소(L3)는 가급적 강한 음의 굴절력을 갖는 것이 바람직하며, 이를 위하여 상기 제3 렌즈 요소(L3)의 외곽부의 최대 두께(높이)(H2)는 150㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계는 제2 렌즈 기판(lens substrate)(S2)에 형성되며, 제4 렌즈 요소(L4)와 제5 렌즈 요소(L5)를 구비하는 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)를 구비한다.
상기 제4 렌즈 요소(L4)는 상기 제2 렌즈 기판(S2)의 물체측 면(7)에 양의 굴절력을 갖도록 형성되어 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)의 제3 렌즈 요소(L3)에서 확 산된 빛을 다시 모아주는 역할을 한다.
또한, 상기 제5 렌즈 요소(L5)는 상기 제2 렌즈 기판(S2)의 상측 면(8)에 형성되며 각각의 필드별로 수차를 보정하는 기능을 수행한다.
한편, 상기 제1 렌즈 기판(S1), 제2 렌즈 기판(S2), 제1 내지 제5 렌즈 요소(L1,L2,L3,L4,L5)의 면에는 적외선 코팅이 될 수 있고, 이러한 경우에는 적외선 필터가 별도로 구비되지 않아도 된다는 이점을 얻을 수 있다.
이하, 구체적인 수치 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.
이하의 실시예 1 내지 3과 비교예는 모두 전술한 바와 같이, 물체측으로부터 순서대로, 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)와, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)와 상면(IP)에 해당하는 이미지 센서(미도시)를 구비한다.
이때, 상기 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)는 제1 렌즈 기판(lens substrate)(S1)과, 상기 제1 렌즈 기판(S1)의 물체측 면(2)에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소(L1)와, 상기 제1 렌즈 기판(S1)의 상측 면(3)에 형성되며 회절면(4)을 구비하는 제2 렌즈 요소(L2)와, 상기 제2 렌즈 요소(L2)의 회절면(4)에 적층되며 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소(L3)를 구비하며, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)는 제2 렌즈 기판(lens substrate)(S2)과, 상기 제2 렌즈 기판(S2)의 물체측 면(7)에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈 요소(L4)와, 상기 제2 렌즈 기판(S2)의 상측 면(8)에 형성되며 각각의 필드별로 수차를 보정하는 제5 렌즈 요소(L5)를 구비한다.
또한, 상기 이미지 센서는 상면(IP)에 위치하고, 제1 렌즈 기판(S1)의 물체측 면(2)에는 개구 조리개(미도시)가 설치되며, 상기 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등으로 이루어지는 광학적필터가 구비될 수 있다.
이하의 각 실시예 및 비교예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C)에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E+01은 101을, E-02는 10-2을 나타낸다.
Figure 112005025931166-pat00001
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
또한, 각각의 실시예 및 비교예에서 제4면은 회절광학소자에 의한 회절면으로서, 위상항은 다음의 수학식 2로부터 얻어진다.
Figure 112005025931166-pat00002
Φ : 높이 Y 에서의 위상
λ : 광의 파장
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
a1, a2, a3, a4, a5, a6 : 위상항의 계수
(실시예 1)
하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 1b는 제1 웨이퍼 스케일 렌즈의 확대도이고, 도 2a 내지 2c는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 3은 제1 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
또한, 이하의 비점수차도면의 "S"는 새지털(sagital), "T"는 탄젠셜(tangential)을 나타낸다.
여기서, MTF(Modulation Transfer Function)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 3으로 정의되는 값이다.
Figure 112005025931166-pat00003
즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소하면 해상도가 떨어진다.
제1 실시예는 F 넘버(FNo)가 2.8이고, 화각(畵角)은 60도, 제1 렌즈 요소의 물체측면(1)로부터 상면까지의 거리(이하 'TL'이라 함)는 3.28㎜, 광학계의 유효초점거리(f)는 2.76㎜, 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)의 초점거리(f1)는 3.52㎜, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)의 초점거리(f2)는 7.01㎜이고, 상고(image height)는 3.2㎜, 화소수는 640×480이며, 픽셀 크기는 4㎛이다.
Figure 112005025931166-pat00004
여기서, 제4면의 회절면은 수학식 2에 의해 얻어지며, 각각의 계수는 다음과 같다.
a1, : -0.183372E-01 a2, : -0.593600E-01
a3, : 0.266720E-02 a4, : 0.105593E+01
a5 : -0.215752E+01 a6 : 0.129605E+01
또한, 표 1에서 *는 비구면을 나타내며, 실시예 1의 경우 제1면(제1 렌즈 요소의 물체측 면), 제5면(제3 렌즈 요소의 상측 면), 제6면(제4 렌즈 요소의 물체측면) 및 제9면(제5 렌즈 요소의 상측 면)이 비구면이다.
수학식 1에 의한 실시예 1의 비구면 계수의 값은 다음의 표 2와 같다.
Figure 112005025931166-pat00005
(실시예 2)
하기의 표 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 5a 내지 5c는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 6은 제2 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
제2 실시예는 F 넘버(FNo)가 2.8이고, 화각(畵角)은 60도, TL은 3.28㎜, 광학계의 유효초점거리(f)는 2.76㎜, 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)의 초점거리(f1)는 3.53㎜, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)의 초점거리(f2)는 6.76㎜이고, 상고(image height)는 3.2㎜, 화소수는 640×480이며, 픽셀 크기는 4㎛이다.
Figure 112005025931166-pat00006
여기서, 제4면의 회절면은 수학식 2에 의해 얻어지며, 각각의 계수는 다음과 같다.
a1, : -0.025648 a2, : -0.080843
a3, : 0.014690 a4, : 1.085626
a5 : -2.181123 a6 : 1.444613
또한, 표 3에서 *는 비구면을 나타내며, 실시예 2의 경우 제1면(제1 렌즈 요소의 물체측 면), 제5면(제3 렌즈 요소의 상측 면), 제6면(제4 렌즈 요소의 물체측면) 및 제9면(제5 렌즈 요소의 상측 면)이 비구면이다.
수학식 1에 의한 실시예 2의 비구면 계수의 값은 다음의 표 4와 같다.
Figure 112005025931166-pat00007
(실시예 3)
하기의 표 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 8a 내지 8c는 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 9는 제3 실시예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
제3 실시예는 F 넘버(FNo)가 2.8이고, 화각(畵角)은 60도, TL은 3.36㎜, 광학계의 유효초점거리(f)는 2.76㎜, 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)의 초점거리(f1)는 3.68㎜, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)의 초점거리(f2)는 6.99㎜이고, 상고(image height)는 3.2㎜, 화소수는 640×480이며, 픽셀 크기는 4㎛이다.
Figure 112005025931166-pat00008
여기서, 제4면의 회절면은 수학식 2에 의해 얻어지며, 각각의 계수는 다음과 같다.
a1, : -0.02 a2, : 0
a3, : 0 a4, : 0
a5 : 0 a6 : 0
또한, 표 5에서 *는 비구면을 나타내며, 제3 실시예의 경우 제1면(제1 렌즈 요소의 물체측 면), 제5면(제3 렌즈 요소의 상측 면), 제6면(제4 렌즈 요소의 물체측면) 및 제9면(제5 렌즈 요소의 상측 면)이 비구면이다.
수학식 1에 의한 제3 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 6과 같다.
Figure 112005025931166-pat00009
(비교예)
본 비교예는 초점거리, TL, 화각, F 넘버 등의 광학적 조건을 실시예 3과 유사하게 하고 다만 제1 렌즈 요소(L1)의 두께(H1)와 제2 렌즈 요소(L2)의 두께(H2)를 작게한 경우이다.
하기의 표 7은 본 발명의 비교예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 10은 비교예에 의한 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈구성도이고, 도 11a 내지 11c는 표 7 및 도 10에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타내며, 도 12는 비교예의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
비교예는 F 넘버(FNo)가 2.8이고, 화각(畵角)은 60도, TL은 3.37㎜, 광학계의 유효초점거리(f)는 2.74㎜, 제1 웨이퍼 스케일 렌즈(LG1)의 초점거리(f1)는 3.70㎜, 제2 웨이퍼 스케일 렌즈(LG2)의 초점거리(f2)는 6.60㎜이고, 상고(image height)는 3.2㎜, 화소수는 640×480이며, 픽셀 크기는 4㎛이다.
Figure 112005025931166-pat00010
여기서, 제4면의 회절면은 수학식 2에 의해 얻어지며, 각각의 계수는 다음과 같다.
a1, : -0.0145 a2, : -0.0739
a3, : 0.0895 a4, : 0
a5 : 0 a6 : 0
또한, 표 7에서 *는 비구면을 나타내며, 비교예의 경우 제1면(제1 렌즈 요소의 물체측 면), 제5면(제3 렌즈 요소의 상측 면), 제6면(제4 렌즈 요소의 물체측면) 및 제9면(제5 렌즈 요소의 상측 면)이 비구면이다.
수학식 1에 의한 비교예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 8과 같다.
Figure 112005025931166-pat00011
이상의 실시예를 통하여 도 2, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이 제 수차의 특성이 우수한 광학계를 얻을 수 있으며, 도 3, 도 6 및 도 9에 도시된 바와 같이 MTF 특성이 우수하고 고해상도를 구현할 수 있는 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 제3 실시예에 비해, 제1 렌즈 요소의 두께(H1)와 제2 렌즈 요소(H2)의 두께(H2)가 작은 비교예의 경우에는, 도 11에서와 같이, 제 수차의 특성이 열악해지고, 특히 도 12에서와 같이 MTF 특성이 크게 나빠지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 웨이퍼 스케일 렌즈 및 이를 구비하는 광학계는 회절면과 굴절면을 적절히 배치함과 동시에, 제1 렌즈 요소의 두께(H1)와 제2 렌즈 요소(H2)의 두께(H2)를 크게 함으로써, 제 수차 특성 및 MTF 특성이 우수한 광학계를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 하나의 렌즈기판에 회절면과 굴절면을 동시에 형성하여 효율적으로 수차를 보정할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1 렌즈 요소의 광축상의 두께를 크게 함으로써 회절면에 입사되는 광의 각도를 줄이며, 이를 통하여 넓은 화각을 효과적으로 보정하고 높은 회절효율을 구현함과 동시에 고차의 회절광을 제거함으로써 고화질을 실현할 수 있다는 유리한 효과가 있게 된다.
그리고, 회절면을 통과한 광을 효과적으로 확산시킬 수 있도록 제3 렌즈 요소의 굴절력을 크게 함으로써, 광학계의 크기를 줄일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제3 렌즈 요소를 투과한 광을 다시 모아주는 제4 렌즈 요소와 각각의 필드별로 제 수차를 보정하는 제5 렌즈 요소를 구비함으로써 효율적인 광학계를 구현할 수 있게 된다.
나아가, 레플리카법을 이용하여 웨이퍼 스케일로 렌즈를 제작함으로써 초소형의 광학계를 구현함과 동시에 대량생산에 적합하다는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (13)

  1. 렌즈 기판(lens substrate);
    상기 렌즈 기판의 물체측 면에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소;
    상기 렌즈 기판의 상측 면에 형성되며 회절면을 구비하는 제2 렌즈 요소; 및
    상기 제2 렌즈 요소의 회절면에 적층되며 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소;
    를 포함하는 웨이퍼 스케일 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 요소의 광축상의 두께는 180㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈 요소는 강한 음의 굴절력을 갖도록 외곽부의 최대 두께가 150㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 요소의 회절면은 평면 또는 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 웨이퍼 스케일 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 요소와 제3 렌즈 요소의 굴절률의 차이는 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 요소의 굴절률은 1.58 이상이고 제3 렌즈 요소의 굴절률은 1.48 이하인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 기판의 면 또는 제1 내지 제3 렌즈 요소의 면은 적외선 차단 코팅이 이루어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈.
  8. 제1 렌즈 기판(lens substrate)과, 상기 제1 렌즈 기판의 물체측 면에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 요소와, 상기 제1 렌즈 기판의 상측 면에 형성되며 회절면을 구비하는 제2 렌즈 요소와, 상기 제2 렌즈 요소의 회절면에 적층되며 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 요소를 구비하는 제1 웨이퍼 스케일 렌즈;
    상기 제1 웨이퍼 스케일 렌즈의 후방에 설치되며, 제2 렌즈 기판(lens substrate)과, 상기 제2 렌즈 기판의 물체측 면에 형성되며 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈 요소와, 상기 제2 렌즈 기판의 상측 면에 형성되며 각각의 필드별로 수차를 보정하는 제5 렌즈 요소를 구비하는 제2 웨이퍼 스케일 렌즈; 및
    상기 제2 웨이퍼 스케일 렌즈에서 결상된 이미지를 감지하는 이미지 센서;
    를 포함하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 요소의 광축상의 두께는 180㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제3 렌즈 요소는 강한 음의 굴절력을 갖도록 외곽부의 최대 두께가 150㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 요소의 회절면은 평면 또는 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 요소와 제3 렌즈 요소의 굴절률의 차이는 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 렌즈 요소의 굴절률은 1.58 이상이고 제3 렌즈 요소의 굴절률은 1.48 이하인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 스케일 렌즈를 구비하는 광학계.
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