KR100835108B1 - 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계 - Google Patents

카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계 Download PDF

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Abstract

초소형의 카메라 모듈에 장착할 수 있는 자동 초점조절 광학계가 제공된다.
본 발명에 의한 자동 초점조절광학계는, 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈와, 상기 액체렌즈의 물체측을 밀폐하는 제1 커버렌즈와, 상기 액체렌즈의 상측을 밀폐하는 제2 커버렌즈를 구비하는 액체 렌즈군; 상기 액체 렌즈군의 후방에 배치되며, 2매 이상의 렌즈를 구비하는 고체 렌즈군; 및 상기 액체 렌즈군 내부에 설치되는 개구 조리개: 를 포함하며, 상기 액체렌즈에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변함으로써 자동 초점조절이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 자동 초점조절 광학계에 의하면, 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있으며, 각종 수차의 특성이 우수하다는 효과가 있게 된다.
액체렌즈, 자동 초점조절, 광학계, 고해상도, 원거리, 초소형, 개구조리개

Description

카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계{Optical System for Autofocusing of Camera Module}
도 1(a) 내지 도 1(c)는 종래의 가변 초점렌즈의 간략화된 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 3(a)는 구면수차, 도 3(b)는 비점수차, 도 3(c)는 왜곡을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 5(a)는 구면수차, 도 5(b)는 비점수차, 도 5(c)는 왜곡을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 7(a)는 구면수차, 도 7(b)는 비점수차, 도 7(c)는 왜곡을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이다.
도 9는 도 8에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 9(a)는 구면수차, 도 9(b)는 비점수차, 도 9(c)는 왜곡을 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
CL1...제1 커버렌즈 CL2...제2 커버렌즈
LL1...제1 액체렌즈요소 LL2...제2 액체렌즈요소
LL...액체렌즈 H...하우징
LLG...액체렌즈군 L1...제1 렌즈
L2...제2 렌즈 L3...제3 렌즈
L4...제4 렌즈 SLG...고체렌즈군
OF...광학적 필터 IP...상면(像面)
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12... 면 번호
본 발명은 자동 초점조절 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인가되는 전압에 따라 곡률이 변화하는 액체렌즈를 사용하여 소형이면서도 고해상도를 얻을 수 있는 카메라모듈의 자동 초점조절 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 카메라는 다수개의 렌즈를 구비하고 있으며 각각의 렌즈를 이동시켜 그 상대거리를 변화시킴으로써 광학적인 초점거리를 조절하도록 구성된다. 최근 카메라가 탑재된 이동통신단말기가 등장하여 정지화상 및 동영상의 촬영이 가능해지게 되었으며, 고해상도 및 고화질의 촬영을 위해 카메라의 성능이 점차 개선되어 가고 있는 추세이다.
그러나, 이동통신단말기에 장착된 종래의 카메라 모듈은 고정 초점 방식을 채택하고 있어 특정 거리에서의 초점 조절이 불가능하여 화질의 선명도에 한계가 있다는 문제점이 발생한다. 따라서, 메가픽셀 이상의 카메라 모듈에서는 초점 기능이 필수적으로 요구된다.
이를 위해 자동초점 조절장치, 접사장치 및 광학 줌 장치 등을 구비한 카메라 모듈을 휴대전화에 적용할 필요성이 대두되었으나 종래 방식으로 제작된 카메라 모듈은 소형의 휴대전화에 탑재하는데 무리가 있었다.
즉, 종래의 방식은 이미지 센서와 렌즈간의 상대적인 거리를 변화시켜 초점조절 및/또는 줌 기능의 구동원으로서 DC모터를 사용하고 있으나, 다수의 감속기어를 서로 연결하여 렌즈간의 상대적인 거리를 변화시키는 것이므로 응답속도의 저하 및 회전속도의 편차로 인해 초점조절을 정밀하게 수행하기 위한 정확한 위치제어가 곤란하다. 더욱이, 부피가 크고 장치가 복잡하므로 휴대전화 등 소형 광학기기 내의 극도로 제한된 공간 속에서 초점조절 기능 등을 구현하기 어렵다는 문제점이 있 다.
또한, 고해상도를 얻기 위해서는 다수의 렌즈를 사용하게 되어 제작비가 높으며, 기계적 구동을 필요로 하기 때문에 전력소비가 크다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 가변초점 렌즈를 이용하여 자동 초점조절을 구현하는 방식이 제안된 바 있다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 PCT 국제공개번호 WO 03/069380에서 제안된 가변 초점 렌즈의 간략한 단면도이다.
도 1(a) 내지 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 상기의 가변 초점렌즈는 굴절률이 서로 다르고 액체 경계면(74)을 통해 접촉하는 비혼합성의 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)를 구비하며 실린더 벽을 갖는 실린더 형상의 유체 챔버(chamber)(65), 상기 실린더 벽의 내측에 배치된 유체 접촉층(contact layer)(70), 상기 유체 접촉층(70)에 의해 상기 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)와 분리되는 제1 전극(62), 및 상기 제2 유체(B)를 활성화시키는 제2 전극(72)을 포함한다.
여기서, 상기 제1 전극(62)은 실린더 형상으로서 절연층(insulating layer)(68)에 의해 코팅되고 금속성 물질로 만들어지며, 상기 제2 전극(72)은 유체 챔버(65)의 일측에 배치된다.
또한, 투명한 전방 요소(64)와 투명한 후방 요소(66)는 상기의 두 유체들을 수용하는 상기 유체 챔버(65)의 커버부분을 형성한다.
이와 같은 구성을 갖는 가변 초점렌즈의 작용은 다음과 같다.
상기 제1 전극(62)과 제2 전극(72) 사이에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 유체 접촉층은 제2 유체(B)보다 제1 유체(A)에 대해 높은 습윤성(wettability)을 가진다.
만약 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전압이 인가되면, 일렉트로웨팅 (electro-wetting) 현상에 의해 상기 제2 유체(B)에 의한 습윤성이 변하고, 도 1(a) 내지 도 1(c)에서와 같이 메니스커스(74)의 접촉각(Q1, Q2, Q3)이 변하게 된다.
따라서, 인가된 전압에 따라 메니스커스의 형상이 변하게 되고, 이를 이용하여 초점조절이 이루어지게 되는 것이다.
즉, 도 1(a) 내지 도 1(c)에 도시된 바와 같이 인가된 전압의 크기에 따라 제1 유체(B)에서 측정한 상기 메니스커스(74)와 유체 접촉층(70) 사이의 각도는 각각 대략 140°, 100°, 60° 등으로 변화하게 된다.
여기서, 도 1(a)는 큰 음의 굴절력(power), 도 1(b)는 작은 음의 굴절력, 도 1(c)는 양의 굴절력을 갖는 배치를 나타내고 있다.
이와 같이 유체를 이용한 가변 초점렌즈(이하 '액체렌즈'라 함)는 종래의 렌즈의 기계적 구동을 통해 초점을 조절하는 방식에 비해 소형화에 유리하다는 장점이 있다.
그러나, 액체렌즈만을 이용하는 경우에는 해상도가 대략 30만 화소급에 머무르게 되어 고해상도를 얻을 수 없으므로, 현재의 메카 픽셀 카메라에 적용하는 데 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있고 각종 수차의 특성이 우수한 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 개구조리개를 설치하기 위한 별도의 공간이 필요하지 않아 컴팩트한 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈와, 상기 액체렌즈의 물체측을 밀폐하는 제1 커버렌즈와, 상기 액체렌즈의 상측을 밀폐하는 제2 커버렌즈를 구비하는 액체 렌즈군; 상기 액체 렌즈군의 후방에 배치되며, 2매 이상의 렌즈를 구비하는 고체 렌즈군; 및 상기 액체 렌즈군 내부에 설치되는 개구 조리개: 를 포함하며, 상기 액체렌즈에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변함으로써 자동 초점조절이 이루어지는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계를 제공한다.
바람직하게, 상기 액체 렌즈군은 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 상기 고체 렌즈군은 물체측으로부터 순서대로, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈와, 음의 굴 절력을 갖는 제3 렌즈를 구비할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 액체 렌즈군은 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 상기 고체 렌즈군은 물체측으로부터 순서대로, 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈와, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈와, 음의 굴절력을 갖는 제4 렌즈를 구비할 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 제1 액체와 제2 액체 중에서 굴절률이 높은 액체는 물체측 가까이에 위치할 수 있다.
바람직하게, 상기 액체렌즈에 수용되는 상기 제1 액체와 제2 액체의 반경방향 외측을 밀폐하는 챔버는 상측으로 갈수록 넓어지는 형상을 가질 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 제1 커버렌즈와 상기 제2 커버렌즈 중 적어도 하나의 굴절면은 구면 또는 비구면의 곡률을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 커버렌즈의 물체측 면은 물체측으로 볼록한 형상을 가질 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 개구 조리개는 상기 제1 커버렌즈의 상측 면에 설치될 수 있다.
바람직하게, 상기 액체렌즈군은 상기 제1 커버렌즈의 물체측 면에 접합되는 제1 렌즈를 추가로 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 의한 자동 초점조절 광학계는 액체렌즈군의 전체 초점거리에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하거나, 상기 액체렌즈군에서 물체측 가장 가까이에 위치한 렌즈의 물체측 면의 곡률반경과 상기 액체렌즈의 액체경계면의 원거리에서의 곡률반경에 관하여 다음의 조건식 2를 만족할 수 있다.
[조건식 1] 0.1 ＜ |F1/F| ＜ 3.0
[조건식 2] 0.1 ＜ R1/RL ＜ 3
여기서, F1 : 원거리 초점 상태에서 액체렌즈군의 전체 초점거리
F : 원거리 초점 상태에서 전체 광학계의 초점거리
R1 : 물체측 가장 가까이에 위치한 렌즈의 물체측 면의 곡률반경
RL : 액체렌즈의 액체경계면의 원거리에서의 곡률반경
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2, 도 4, 도 6 및 도 8은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 도시한 렌즈 구성도이다. 도면에서 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 도면에서 제시된 구면 및 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.
도 2, 도 4, 도 6 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 의한 자동 초점조절 광학계는 물체측으로부터 순서대로, 액체렌즈(LL)를 구비하는 액체렌즈군(LLG)과 초점거리가 고정된 렌즈만을 포함하는 고체렌즈군(SLG)으로 이루어진다.
상기 액체렌즈군(LLG)은 액체렌즈(LL)에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변함으로써 자동 초점조절을 수행하게 되고, 고체렌즈군(SLG)은 비점수차, 왜곡수차, 상면 만곡 등 각종 수차를 보정하게 된다.
상기 액체렌즈군(LLG)은, 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면(도 2의 경우 3)의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈(LL)와, 상기 액체렌즈(LL)의 물체측을 밀폐하는 제1 커버렌즈(CL1)와, 상기 액체렌즈(LL)의 상측을 밀폐하는 제2 커버렌즈(CL2)를 구비한다. 이때, 상기 제1 액체는 액체렌즈(LL)의 물체측 또는 상측에 위치하고, 반대측에는 제2 액체가 위치한다. 이러한 제1 액체와 제2 액체의 위치에 관계없이 본 명세서에서는 편의상 액체렌즈(LL)의 물체측에 위치하는 액체에 의해 형성되는 렌즈요소를 제1 액체렌즈요소(LL1)라 하고, 액체렌즈(LL)의 상측에 위치하는 액체에 의해 형성되는 렌즈요소를 제2 액체렌즈요소(LL2)라 칭한다. 이러한 제1 및 제2 액체렌즈요소(LL1,LL2)는 하우징(H)으로 둘러싸인 챔버 내부에 위치하게 된다.
또한, 액체렌즈군(LLG)의 후방에는 2매 이상의 렌즈(L2,L3)를 구비하는 고체 렌즈군(SLG)이 위치한다. 이러한 고체렌즈군(SLG)은 도 3, 도 5 및 도 7에 도시된 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)와 같이 2매의 렌즈로 이루어질 수 있고, 도 9에 도시된 제2 내지 제4 렌즈(L2,L3,L4)와 같이 3매의 렌즈로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명에서 고체렌즈군(SLG)에 구비되는 렌즈의 개수는 2매 또는 3매로 한정되는 것은 아니며, 그 이상의 매수의 렌즈가 구비될 수도 있다. 또한,고체렌즈군(SLG)에 구비되는 렌즈는 복합렌즈나 적층렌즈로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 액체렌즈군(LLG)의 내부에는 불필요한 광을 차단하기 위한 개구조리개(AS)가 설치된다. 상기 개구조리개(AS)는 설치 용이성을 위하여 평면으로 이루어지는 굴절면, 예를 들어 제1 커버렌즈(CL1)의 상측 면(도 2의 2) 또는 제2 커버렌즈(CL2)의 물체측 면에 설치될 수 있다. 그러나, 본 발명에 의한 개구 조리개(AS)의 위치는 이에 한정되는 것은 아니며 도 6에 도시된 바와 같이 제1 커버렌즈(CL1)의 물체측 면(2)에 설치될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 일 측면에 따라 개구조리개(AS)를 액체렌즈군(LLG) 내부에 설치하는 경우, 개구조리개(AS)를 중심으로 하여 대칭구조를 갖는 광학계를 구성할 수 있게 되어 광학계의 컴팩트화와 수차 보정에 유리하다는 이점이 있게 된다.
또한, 개구 조리개(AS)를 액체렌즈(LL)의 액체경계면(도 2의 3)의 선단, 예를 들어 제1 커버렌즈(CL1)의 상측 면(도 2의 2)에 배치함으로써 주변부 해상력에 미치는 영향을 최소화할 수 있다는 효과를 얻을 수 있게 된다. 즉, 액체렌즈를 이용하는 자동 초점조절 광학계는 초점조절을 위한 기계적인 이송장치가 필요하지 않다는 이점이 있으나, 근거리 초점을 조절하는 경우 액체 경계면의 곡률 변화에 수반되어 상면 만곡 등의 주변부 해상력 저하가 추가적으로 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 최소화하기 위해 개구조리개(AS)의 위치를 곡률반경 변화부 전단에 둠으로써 전체 필드에서 해상력의 영향을 최소화할 수 있다는 이점을 얻을 수 있다.
한편, 챔버 내부에 구비되는 제1 액체와 제2 액체 중에서 굴절률이 높은 액체를 물체측 가까이에 위치시키는 것이 바람직하다. 즉, 굴절률이 높은 액체를 이용하여 물체측 가까이에 위치한 제1 액체렌즈요소(LL1)를 형성하는 경우에는 초기 액체 경계면의 형태가 물체측으로 볼록하기 때문에 근거리에서 자동초점을 맞추기 전에 물체측 가장 가까이에 위치한 제1 커버렌즈(CL1) 또는 제1 렌즈(도 6의 L1)의 곡률과 같은 방향을 이루기 때문에 수차 보정에 유리하게 된다.
또한, 상기 액체렌즈(LL)에 수용되는 제1 액체와 제2 액체의 반경방향 외측을 밀폐하도록 하우징(H)에 의해 형성되는 챔버는 상측(像側)으로 갈수록 넓어지는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이, 챔버가 상측으로 갈수록 넓어지는 형상을 가지면 잡광 등에 의한 플레어(flare) 현상을 방지할 수 있다는 이점이 있게 된다.
한편, 제1 커버렌즈(CL1)와 제2 커버렌즈(CL2)의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면을 구면 또는 비구면의 곡면으로 형성함으로써 소정의 광학적 특성을 구현하는데 필요한 렌즈의 매수를 줄일 수 있게 된다.
이때, 상기 제1 커버렌즈(CL1)의 물체측 면(1)은 구면수차의 보정이 용이하도록 물체측으로 볼록한 형상을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 전술한 바와 같이 액체렌즈(LL)의 초기 액체 경계면(3)이 물체측으로 볼록하게 구성된다는 점에서도, 상기 제1 커버렌즈(CL1)의 물체측 면(1)은 액체 경계면(도 2의 3)의 곡률과 같은 방향을 갖도록 물체측으로 볼록한 형상을 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 광학계의 해상도를 높이고 색수차 등의 각종 수차보정을 원활히 하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 커버렌즈(CL1)의 전단에 제1 렌즈(L1)가 설치될 수 있다. 이때 제1 렌즈(L1)는 상기 제1 커버렌즈(CL1)와 접합되어 구성될 수 있으며, 이러한 경우 제1 렌즈(L1)는 액체 경계면의 초기 곡률과 같은 방향을 갖도록 물체측 면이 물체측으로 볼록한 형상을 갖는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 측면에 의할 때, 도 2, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 액체 렌즈군(LLG)이 전체적으로 양의 굴절력을 갖도록 하고, 상기 고체 렌즈군(SLG)이 물체측으로부터 순서대로 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)를 구비하도록 구성할 수 있다.
이와는 달리, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 액체 렌즈군(LLG)이 전체적으로 양의 굴절력을 갖도록 하고, 상기 고체 렌즈군(SLG)이 물체측으로부터 순서대로 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)와 음의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(L4)를 구비하도록 구성할 수 있다.
그러나, 이러한 렌즈의 매수 또는 굴절력의 배치는 하나의 실시예로서 제시된 것에 불과하며, 광학계의 설계사양에 맞도록 다양한 형태의 광학계를 구성할 수 있다.
한편, 상면(IP)은 각각의 렌즈가 형성하는 상을 수광하며 CCD 센서나 CMOS 센서 등의 고체촬상소자(광전변환소자)로 이루어진다. 또한, 상면(IP)의 전단에는, 도 4에 도시된 바와 같이 커버 글래스, 적외선 필터 등에 대응하여 설계상 설치되는 광학적 필터(OF)가 구비될 수 있다.
이러한 특징을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 다음의 조건식을 만 족한다.
[조건식 1] 0.1 ＜ |F1/F| ＜ 3.0
여기서, F1은 원거리 초점 상태에서 액체렌즈군(LLG)의 전체 초점거리이고, F는 원거리 초점 상태에서 전체 광학계의 초점거리이다.
조건식 1는 액체렌즈군(LLG)의 굴절력에 관한 항목이다.
조건식 1의 상한을 벗어나면, 구면 수차 보정이 어려워 근거리에서 중심과 주변의 해상력 편차가 크게 발생할 수 있다는 문제가 있으며, 반대로 조건식 1의 하한을 벗어나면 액체 렌즈가 가질 수 있는 굴절능의 한계를 넘으므로 제작성이 떨어진다는 문제가 발생한다.
[조건식 2] 0.1 ＜ R1 / RL ＜ 3
여기서, R1은 물체측 가장 가까이에 위치한 렌즈(CL1 또는 도 6의 L1)의 물체측 면(1)의 곡률반경이고, RL은 액체렌즈(LL)의 액체경계면의 원거리에서의 곡률반경이다.
조건식 2는 물체측 가장 가까이에 위치한 렌즈의 형상에 관한 조건이다.
조건식 2의 상한을 벗어나면, 주변 수차 보정이 어려워 광학계 주변 성능의 저하가 발생한다는 문제가 있으며, 반대로 조건식 2의 하한을 벗어나면 액체 렌즈의 액체 경계면의 곡률반경의 값이 작아져 개구 조리개가 작아져야 하는 문제가 발생한다.
이하, 구체적인 수치 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.
이하의 제1 실시예 내지 제4 실시예는 모두 전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 자동 초점조절 광학계는 물체측으로부터 순서대로, 액체렌즈(LL)를 구비하는 액체렌즈군(LLG)과 초점거리가 고정된 렌즈만을 포함하는 고체렌즈군(SLG)을 포함하여 구성된다.
상기 액체렌즈군(LLG)은, 하우징(H)으로 둘러싸인 챔버 내부에 제1 및 제2 액체렌즈요소(LL1,LL2)가 수용된 액체렌즈(LL)와, 상기 액체렌즈(LL)의 물체측을 밀폐하는 제1 커버렌즈(CL1)와, 상기 액체렌즈(LL)의 상측을 밀폐하는 제2 커버렌즈(CL2)를 구비하며, 도 6에 도시된 제3 실시예의 경우 제1 커버렌즈(CL1)의 물체측에 제1 렌즈(L1)가 접합되어 설치된다.
또한, 액체렌즈군(LLG)의 후방에는 2매 이상의 렌즈로 이루어진 고체 렌즈군(SLG)이 위치한다.
그리고, 상기 액체렌즈군(LLG)의 내부에는 불필요한 광을 차단하기 위한 개구조리개(AS)가 설치된다. 또한, 고체렌즈군(SLG)과 상면(IP) 사이에는 도 4에 도시된 바와 같이 커버 글래스, 적외선 필터 등에 대응하여 설계상 설치되는 광학적 필터(OF)가 구비될 수 있으며, 이러한 광학적 필터(OF)는 원칙적으로 광학적 성능에 영향을 미치지 않는 것으로 본다.
이하의 각 실시예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E,F)에 사용되는 'E 및 이에 이어지 는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E+01은 101을, E-02는 10-2을 나타낸다.
Figure 112007018828255-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
[제1 실시예 ]
하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 3(a)는 구면수차, 도 3(b)는 비점수차, 도 3(c)는 왜곡을 나타낸다. 이하의 비점수차 그래프에서 "S"는 새지털(sagittal), "T"는 탄젠셜(tangential)을 나타낸다.
제1 실시예의 경우, F 넘버(FNo)는 3.0이고, 화각(畵角)은 원거리 초점상태에서 64.94°, 근거리 초점상태(10cm)에서 65.06°이고, 물체측 가장 가까이 위치한 렌즈(CL1)의 물체측 면(1)으로부터 상면(IP)까지의 거리(TTL)는 4.60㎜이고, 원거리 초점상태에서 광학계의 전체 초점거리(F)는 3.6㎜, 근거리 초점상태(10cm)에서 광학계의 전체 초점거리는 3.47㎜이다.
또한, 액체렌즈군(LLG)의 원거리에서의 초점거리(F1)는 3.5243㎜, 제2 렌즈(L2)의 초점거리는 8.4758㎜, 제3 렌즈(L3)의 초점거리는 -7.1882㎜이다. 불필요한 광을 차단하는 개구조리개(AS)는 제1 커버렌즈(CL1)의 상측 면(2)에 설치된다.
제1 실시예에서, 액체렌즈군(LLG)은 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 제1 커버렌즈(CL1), 하우징(H)으로 둘러싸인 챔버 내에 제1 액체렌즈요소(LL1)와 제2 액체렌즈요소(LL2)가 수용된 액체렌즈(LL), 제2 커버렌즈(CL2)로 이루어진다. 또한, 고체렌즈군(SLG)은 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와, 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)로 이루어진다.
Figure 112007018828255-pat00002
표 1에서 ※는 각각 변배시 곡률반경이 변하면 굴절면의 곡률반경과, 면간 간격이 변하는 굴절면의 면간 간격을 나타내며, 물체거리(초점거리)에 따라 가변되는 값은 다음의 표 2와 같다.
Figure 112007018828255-pat00003
또한, 표 1에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 코닉 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E)의 값은 다음의 표 3과 같다.
Figure 112007018828255-pat00004
[제2 실시예 ]
하기의 표 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 5(a)는 구면수차, 도 5(b)는 비점수차, 도 5(c)는 왜곡을 나타낸다.
제2 실시예의 경우, F 넘버(FNo)는 3.0이고, 화각(畵角)은 원거리 초점상태에서 62.92°, 근거리 초점상태(10cm)에서 63.04°이고, 물체측 가장 가까이 위치한 렌즈(CL1)의 물체측 면(1)으로부터 상면(IP)까지의 거리(TTL)는 4.25㎜이고, 원거리 초점상태에서 광학계의 전체 초점거리(F)는 3.65㎜, 근거리 초점상태(10cm)에서 광학계의 전체 초점거리는 3.48㎜이다.
또한, 액체렌즈군(LLG)의 원거리에서의 초점거리(F1)는 3.7095㎜, 제2 렌즈(L2)의 초점거리는 7.1825㎜, 제3 렌즈(L3)의 초점거리는 -4.4596㎜이다. 불필요한 광을 차단하는 개구조리개(AS)는 제1 커버렌즈(CL1)의 상측 면(2)에 설치된다.
제2 실시예에서, 액체렌즈군(LLG)은 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 제1 커버렌즈(CL1), 하우징(H)으로 둘러싸인 챔버 내에 제1 액체렌즈요소(LL1)와 제2 액체렌즈요소(LL2)가 수용된 액체렌즈(LL), 제2 커버렌즈(CL2)로 이루어진다. 또한, 고체렌즈군(SLG)은 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와, 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)로 이루어진다. 또한, 제3 렌즈(L3)와 상면(IP) 사이에는 커버 글래스, 적외선 필터 등에 대응하는 광학적 필터(OF)가 설치된다.
Figure 112007018828255-pat00005
표 4에서 ※는 각각 변배시 곡률반경이 변하면 굴절면의 곡률반경과, 면간 간격이 변하는 굴절면의 면간 간격을 나타내며, 물체거리(초점거리)에 따라 가변되는 값은 다음의 표 5와 같다.
Figure 112007018828255-pat00006
또한, 표 4에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 코닉 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E)의 값은 다음의 표 6과 같다.
Figure 112007018828255-pat00007
[제3 실시예 ]
하기의 표 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이고, 도 7은 도 6에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 7(a)는 구면수차, 도 7(b)는 비점수차, 도 7(c)는 왜곡을 나타낸다.
제3 실시예의 경우, F 넘버(FNo)는 3.0이고, 화각(畵角)은 원거리 초점상태에서 64.45°, 근거리 초점상태(10cm)에서 65.1°이고, 물체측 가장 가까이 위치한 렌즈(L1)의 물체측 면(1)으로부터 상면(IP)까지의 거리(TTL)는 4.92㎜이고, 원거리 초점상태에서 광학계의 전체 초점거리(F)는 3.61㎜, 근거리 초점상태(10cm)에서 광학계의 전체 초점거리는 3.48㎜이다.
또한, 액체렌즈군(LLG)의 원거리에서의 초점거리(F1)는 3.9057㎜, 제2 렌즈(L2)의 초점거리는 2.5726㎜, 제3 렌즈(L3)의 초점거리는 -2.5657㎜이다. 불필요한 광을 차단하는 개구조리개(AS)는 제1 렌즈(L1)의 상측 면(2)에 설치된다.
제3 실시예에서, 액체렌즈군(LLG)은 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 제1 렌즈(L1), 상기 제1 렌즈(L1)와 접합된 제1 커버렌즈(CL1), 하우징(H)으로 둘러싸인 챔버 내에 제1 액체렌즈요소(LL1)와 제2 액체렌즈요소(LL2)가 수용된 액체렌즈(LL), 제2 커버렌즈(CL2)로 이루어진다. 또한, 고체렌즈군(SLG)은 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와, 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)로 이루어진다.
Figure 112007018828255-pat00008
표 7에서 ※는 각각 변배시 곡률반경이 변하면 굴절면의 곡률반경과, 면간 간격이 변하는 굴절면의 면간 간격을 나타내며, 물체거리(초점거리)에 따라 가변되는 값은 다음의 표 8과 같다.
Figure 112007018828255-pat00009
또한, 표 7에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 코닉 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E)의 값은 다음의 표 9와 같다.
Figure 112007018828255-pat00010
[제4 실시예 ]
하기의 표 10은 본 발명의 제4 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 자동 초점조절 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도이고, 도 9는 도 8에 도시된 자동 초점조절 광학계의 각종 수차를 도시한 그래프로서, 도 9(a)는 구면수차, 도 9(b)는 비점수차, 도 9(c)는 왜곡을 나타낸다.
제4 실시예의 경우, F 넘버(FNo)는 3.0이고, 화각(畵角)은 원거리 초점상태에서 59°, 근거리 초점상태(10cm)에서 59.1°이고, 물체측 가장 가까이 위치한 렌즈(CL1)의 물체측 면(1)으로부터 상면(IP)까지의 거리(TTL)는 4.89㎜이고, 원거리 초점상태에서 광학계의 전체 초점거리(F)는 4.0283㎜, 근거리 초점상태(10cm)에서 광학계의 전체 초점거리는 3.8621㎜이다.
또한, 액체렌즈군(LLG)의 원거리에서의 초점거리(F1)는 3.5243㎜, 제2 렌즈(L2)의 초점거리는 -10.5246㎜, 제3 렌즈(L3)의 초점거리는 6.3962㎜, 제4 렌즈(L4)의 초점거리는 -7.1882㎜이다. 불필요한 광을 차단하는 개구조리개(AS)는 제1 커버렌즈(CL1)의 상측 면(2)에 설치된다.
제4 실시예에서, 액체렌즈군(LLG)은 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 제1 커버렌즈(CL1), 하우징(H)으로 둘러싸인 챔버 내에 제1 액체렌즈요소(LL1)와 제2 액체렌즈요소(LL2)가 수용된 액체렌즈(LL), 제2 커버렌즈(CL2)로 이루어진다. 또한, 고체렌즈군(SLG)은 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)와, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)와, 음의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(L4)로 이루어진다.
Figure 112007018828255-pat00011
표 10에서 ※는 각각 변배시 곡률반경이 변하면 굴절면의 곡률반경과, 면간 간격이 변하는 굴절면의 면간 간격을 나타내며, 물체거리(초점거리)에 따라 가변되는 값은 다음의 표 11과 같다.
Figure 112007018828255-pat00012
또한, 표 10에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 코닉 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E)의 값은 다음의 표 12와 같다.
Figure 112007018828255-pat00013
한편, 상기의 제1 내지 제4 실시예에 대한 조건식 1과 2의 값은 다음의 표 13과 같다.
Figure 112007018828255-pat00014
상기의 표 13에서와 같이 본 발명의 제1 실시예 내지 제4 실시예는 조건식 1과 2를 만족하고 있다는 것을 확인할 수 있다.
이상의 실시예를 통하여 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 자동 초점조절 광학계는 도 3(a) 내지 도 3(c), 도 5(a) 내지 도 5(c), 도 7(a) 내지 도 7(c) 및 도 9(a) 내지 도 9(c)에 도시된 바와 같이, 각종 수차의 특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 액체렌즈를 포함한 자동 초점조절 광학계에 의해 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있고 각종 수차 특성이 우수하다는 효과가 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 액체렌즈군 내부에 개구조리개를 배치함으로써, 개구조리개를 중심으로 하여 대칭구조를 갖는 광학계를 구성할 수 있게 되어 광학계의 컴팩트화와 수차 보정에 유리하다는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 개구 조리개 를 액체렌즈의 선단에 배치함으로써 주변부 해상력에 미치는 영향을 최소화할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 제1 커버렌즈와 제2 커버렌즈의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면을 구면 또는 비구면의 곡면으로 형성함으로써 소정의 광학적 특성을 구현하는데 필요한 렌즈의 매수를 줄일 수 있어 광학계의 소형화를 이룰 수 있게 된다.
한편, 챔버 내부에 구비되는 제1 액체와 제2 액체 중에서 굴절률이 높은 액체를 물체측 가까이에 위치시킴으로써 제1 커버렌즈의 물체측 면과 액체 경계면의 초기 곡률이 같은 방향을 이루게 하여 수차 보정을 효율적으로 수행할 수 있게 된다. 더욱이, 챔버가 상측(像側)으로 갈수록 넓어지는 형상을 갖도록 함으로써 잡광 등에 의한 플레어 현상을 방지할 수 있다는 효과가 있게 된다.
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 (12)

  1. 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈와, 상기 액체렌즈의 물체측을 밀폐하는 제1 커버렌즈와, 상기 액체렌즈의 상측을 밀폐하는 제2 커버렌즈를 구비하며, 전체적으로 양의 굴절력을 갖는 액체 렌즈군;
    상기 액체 렌즈군의 후방에 배치되며, 물체측으로부터 순서대로, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈와, 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈를 구비하는 고체 렌즈군; 및
    상기 액체 렌즈군 내부에 설치되는 개구 조리개:
    를 포함하며,
    상기 액체렌즈에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변함으로써 자동 초점조절이 이루어지는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  2. 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈와, 상기 액체렌즈의 물체측을 밀폐하는 제1 커버렌즈와, 상기 액체렌즈의 상측을 밀폐하는 제2 커버렌즈를 구비하며, 전체적으로 양의 굴절력을 갖는 액체 렌즈군;
    상기 액체 렌즈군의 후방에 배치되며, 물체측으로부터 순서대로, 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈와, 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈와, 음의 굴절력을 갖는 제4 렌즈를 구비하는 고체 렌즈군; 및
    상기 액체 렌즈군 내부에 설치되는 개구 조리개:
    를 포함하며,
    상기 액체렌즈에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변함으로써 자동 초점조절이 이루어지는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 액체와 제2 액체 중에서 굴절률이 높은 액체는 물체측 가까이에 위치하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액체렌즈에 수용되는 상기 제1 액체와 제2 액체의 반경방향 외측을 밀폐하는 챔버는 상측(像側)으로 갈수록 넓어지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 커버렌즈와 상기 제2 커버렌즈 중 적어도 하나의 굴절면은 곡률을 가지는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 커버렌즈와 상기 제2 커버렌즈 중 적어도 하나의 굴절면은 구면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 커버렌즈의 물체측 면은 물체측으로 볼록한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 개구 조리개는 상기 제1 커버렌즈의 상측 면에 설치되는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액체렌즈군은 상기 제1 커버렌즈의 물체측 면에 접합되는 제1 렌즈를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액체렌즈군의 전체 초점거리에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
    [조건식 1] 0.1 ＜ |F1/F| ＜ 3.0
    여기서, F1 : 원거리 초점 상태에서 액체렌즈군의 전체 초점거리
    F : 원거리 초점 상태에서 전체 광학계의 초점거리
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액체렌즈군에서 물체측 가장 가까이에 위치한 렌즈의 물체측 면의 곡률반경과 상기 액체렌즈의 액체경계면의 원거리에서의 곡률반경에 관하여 다음의 조건식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
    [조건식 2] 0.1 ＜ R1/RL ＜ 3
    여기서, R1 : 물체측 가장 가까이에 위치한 렌즈의 물체측 면의 곡률반경
    RL : 액체렌즈의 액체경계면의 원거리에서의 곡률반경
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