KR100849827B1 - 초소형 촬상 광학계 - Google Patents

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한철엽
김영기
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Abstract

물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는, 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈; 음의 굴절력을 가지며 상측 면이 상측으로 오목한 제2 렌즈; 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈; 및 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈를 포함하며, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 플린트 계열의 물질로 구성되고 각각 하기 조건식 1 및 조건식 2를 만족하며, 상기 제1 렌즈의 물체측 전방에 개구 조리개가 구비되는 것을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계가 개시된다.
[조건식 1] 20 < V2 < 50
[조건식 2] 20 < V3 < 30
(V2: 상기 제2 렌즈의 아베수(Abbe number), V3: 상기 제3 렌즈의 아베수)
광학계, 렌즈 시스템, 렌즈, 플라스틱, 비구면, 초점거리, 곡률반경, 아베수(Abbe number)

Description

초소형 촬상 광학계{SUBMINIATURE OPTICAL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 초소형 촬상 광학계의 렌즈구성도.
도 2는 도 1에 도시된 제1 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡.
도 3은 도 1에 도시된 제1 실시예의 MTF 그래프.
도 4는 도 1에 도시된 제1 실시예의 횡색수차도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 초소형 촬상 광학계의 렌즈구성도.
도 6는 도 5에 도시된 제2 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,
(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡.
도 7은 도 4에 도시된 제2 실시예의 MTF 그래프.
도 8은 도 5에 도시된 제2 실시예의 횡색수차도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
L1...제1 렌즈 L2...제2 렌즈
L3...제3 렌즈 L4...제4 렌즈
S...개구 조리개 OF...광학적 필터
IP...상면
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12...면 번호
본 발명은 촬상 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동통신단말기, PDA 등에 탑재되거나, 감시용 카메라, 디지털 카메라 등에 사용되는 초소형 촬상 광학계에 관한 것이다.
최근에 이미지 픽업 시스템(Image Pickup System)과 관련하여 통신단말기용 카메라 모듈, 디지탈 스틸 카메라(DSC, Digital Still Camera), 캠코더, PC 카메라(퍼스털 컴퓨터에 부속된 촬상장치) 등이 연구되고 있다. 이러한 이미지 픽업 시스템이 상(image)을 얻기 위해 가장 중요한 구성요소는 상(image)을 결상하는 렌즈 시스템이다.
이러한 렌즈 시스템은 해상도, 화상의 품질 등에서 고성능을 요구하기 때문에 렌즈의 구성이 복잡해지고 있으나, 이와 같이 구성적으로 또는 광학적으로 복잡해지는 경우에는 크기가 증가하여 소형화 및 박형화에 반한다는 문제점이 있다.
예를 들어, 모바일 폰에 탑재되는 카메라 모듈은 그 장착성을 높이기 위해 모듈 전체의 소형화가 필수 조건이다. 또한, 이에 사용되는 CCD나 CMOS의 이미지 센서는 점점 고해상도이면서 픽셀의 크기가 축소되어 가고 있으며, 이에 대응하는 렌즈 시스템은 소형화, 박형화가 요구될 뿐만 아니라 고해상도, 우수한 광학성능 등이 충족되어야 한다.
이때, 300만 화소 촬상소자(CCD 또는 CMOS)를 사용하는 경우에는 3매 이하의 렌즈 구성으로도 광학적 성능 및 소형화를 만족할 수 있으나, 500만 화소 이상의 고해상도 촬상소자(CCD 또는 CMOS)에 3매 이하의 렌즈가 사용되는 경우에는 각 렌즈의 굴절력이 커져야 하고 그에 따라 렌즈의 가공이 어려워지기 때문에 고성능 및 소형화를 동시에 만족하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 4매 이상의 렌즈 구성에도 불구하고 구면렌즈를 사용하는 경우에는 광학계의 전체 길이가 증가하게 되어 소형화를 이루기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 초소형화 및 광학적 성능을 동시에 구현할 수 있는 초소형 카메라 모듈용 렌즈 시스템이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 4매의 렌즈만으로도 고해상도 및 초소형화를 구현할 수 있으며, 광학적 성능이 우수한 초소형 카메라 모듈용 렌즈 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 적어도 3매 이상의 플라스틱 렌즈를 사용함으로써 제조비가 적게 들고 대량생산이 가능하며 소형 경량의 초소형 카메라 모듈용 렌즈 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 일측면으로서 본 발명은,
물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는,
양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈;
음의 굴절력을 가지며 상측 면이 상측으로 오목한 제2 렌즈;
음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈; 및
양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈
를 포함하며, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 각각 하기 조건식 1 및 조건식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계를 제공한다.
[조건식 1] 20 < V2 < 50
[조건식 2] 20 < V3 < 30
(V2: 상기 제2 렌즈의 아베수(Abbe number), V3: 상기 제3 렌즈의 아베수)
바람직하게, 상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 각각 적어도 한면이 비구면으로 형성될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 플라스틱 렌즈이며, 상기 제2 렌즈는 글라스 렌즈로 구성될 수 있으며, 상기 제1 내지 제4 렌즈 모두는 플라스틱 렌즈로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 렌즈의 물체측 전방에 개구 조리개가 구비될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 초소형 촬상 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.
일반적으로, 카메라 모듈은 적어도 하나의 렌즈, 내부에 소정의 공간이 형성되어 렌즈를 수용하는 하우징, 상기 렌즈에 의한 결상면에 대응하는 이미지 센서, 상기 하우징의 타단에 고정설치 되며 그 일면에 상기 이미지 센서가 장착되어 상기 이미지 센서에서 감지된 이미지를 처리하기 위한 회로 기판 등으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 이러한 카메라 모듈 중 초소형의 카메라 모듈에 사용되는 초소형 촬상 광학계에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초소형 촬상 광학계는 양의 굴절력을 갖는(L1)와, 음의 굴절력을 갖고 상측 면이 상측으로 오목한 제2 렌즈(L2)와, 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)와, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(L4)를 포함하며, 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 개구 조리개(S)가 구비된다. 상기 제1, 3 및 4 렌즈(L1, L3, L4) 각각은 적어도 한 면이 비구면으로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1 내지 제4 렌즈(L1-L4) 중 적어도 3 매의 렌즈를 플라스틱 렌즈로 구성할 수 있으며, 비구면을 갖는 상기 제1, 3 및 4 렌즈(L1, L3, L4)를 플라스틱 렌즈로 구성하고, 제2 렌즈(L2)를 글라스 렌즈로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 내지 제4 렌즈(L1-L4) 모두를 플라스틱 렌즈로 구성할 수도 있다. 이를 통해 제조비를 절감하고 대량 생산이 가능하며 소형 경량의 광학계를 구현할 수 있는 이점이 있다. 특히, 비구면 렌즈를 사용함으로써 렌즈의 해상력을 향상시킴과 동시에 왜곡수차, 구면수차를 감소시킬 수 있으며, 컴팩트하고 광학적 특성이 우수한 광학계를 구현할 수 있게 된다.
한편, 상기 제4 렌즈(L4)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등에 대응하는 광학적 필터(OF)가 구비된다.
또한, 상면(IP)은 CCD, CMOS 등의 이미지 센서에 해당한다.
그리고, 본 발명은 개구 조리개의 위치를 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 배치시킴으로써 가장 물체측 노출되는 렌즈면의 면적이 작기 때문에 이물의 침투 등을 관리하는데 용이하고, 화각 시작점이 렌즈 가장 윗면에 가깝게 위치 함으로써 카메라 모듈을 고정하는 외부 기구물의 창(window)를 소형화할 수 있다. 또한 고해상도에 적용될수록 이미지 센서의 픽셀 사이즈는 더욱 감소하게 되어 더욱 더 밝은 광학계(작은 F 넘버를 갖는 렌즈)가 요구되어 지는데, 조리개가 물체측 전방에 위치함으로써 밝은 광학계를 제조하기에 용이한 장점이 있다.
이와 같은 전체적인 구성 하에서 다음의 조건식 1 및 조건식 2의 작용효과에 대해 살펴본다.
[조건식 1]
20 < V2 < 50
[조건식 2]
20 < V3 < 30
상기 조건식 2 및 조건식 3에서, V2는 제2 렌즈(L2)의 아베수(Abbe number)를 나타내며, V3는 제3 렌즈(L3)의 아베수를 나타낸다.
상기 조건식 2 및 조건식 3은 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 아베수에 관한 조건을 규정한다.
광학 물질(optical material)은 크게 2 종류로 나눌 수 있는데, 아베수가 50 이상인 크라운(Crown) 계열과 아베수가 50 미만인 플린트(Flint) 계열로 나눌 수 있다. 이 중 플린트 계열의 광학 물질은 대체로 아베수가 50 미만으로 색 분산이 큰 매질이다. 본 발명은 색 분산이 큰 플린트 계열의 매질을 물체측으로부터 2 번째 및 3번째에 위치한 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)에 음의 굴절력을 갖도록 사용함으로써 횡색수차를 개선할 수 있다. 또한 현재 알려진 광학물질 중에서 아베수가 20이하인 광학 물질은 존재하지 않는다.
이하, 구체적인 수치 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.
이하의 실시예 1 및 2은 모두 전술한 바와 같이, 양의 굴절력을 갖는(L1)와, 음의 굴절력을 갖고 상측 면이 상측으로 오목한 제2 렌즈(L2)와, 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)와, 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(L4)를 포함하며, 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 개구 조리개(S)가 구비된다. 또한, 상기 제4 렌즈(L4)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등에 대응하는 광학적 필터(OF)가 구비되고, 또한, 상면(IP)은 CCD, CMOS 등의 이미지 센서에 해당한다.
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 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E+01은 101을, E-02는 10-2을 나타낸다.
Figure 112007010987534-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, 이하의 각 실시예의 MTF 그래프에서 MTF(Modulation Transfer Function)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 2로 정의되는 값이다.
Figure 112007010987534-pat00002
즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소하면 해상도가 떨어진다.
- 제1 실시예 -
하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 초소형 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 2의 (a) 내지 (c)는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타낸다. 도 3은 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 MTF 그래프이다. 또한, 도 4는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 횡색수차도이다.
제1 실시예의 경우, F 넘버(FNo)는 2.85이고, 화각(畵角)은 60 도, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(12)까지의 거리(TL)는 5.95 ㎜, 광학계의 유효초점거리(f)는 4.8 ㎜이다. 또한, 제1 렌즈(L1), 제3 렌즈(L3) 및 제4 렌즈(L4)는 플라스틱 재질로 이루어지며, 제2 렌즈(L2)는 글라스 재질로 이루어진다.
Figure 112007010987534-pat00003
표 1에서 *는 비구면을 나타내며, 제1 실시예의 경우 제1 렌즈(L1)의 물체측과 상측 굴절면(2, 3), 제3 렌즈(L3)의 물체측과 상측 굴절면(6, 7), 제4 렌즈(L4)의 물체측과 상측 굴절면(8, 9)이 비구면으로 이루어진다.
수학식 1에 의한 제1 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 2와 같다.
Figure 112007010987534-pat00004
- 실시예 2 -
하기의 표 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 초소형 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 6의 (a) 내지 (c)는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타낸다. 도 7은 표 3 및 도 5에 도시된 광학계의 MTF 그래프이다. 또한, 도 8은 표 3 및 도 5에 도시된 광학계의 횡색수차도이다.
제2 실시예의 경우, F 넘버(FNo)는 2.8이고, 화각(畵角)은 61.5 도, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(12)까지의 거리(TL)는 5.83 ㎜, 광학계의 유효초점거리(f)는 4.81 ㎜이다. 또한, 제2 실시예의 경우, 제1 내지 제4 렌즈(L1-L4) 모두는 플라스틱 재질로 이루어진다.
Figure 112007010987534-pat00005
표 3에서 *는 비구면을 나타내며, 제2 실시예의 경우 제1 렌즈(L1)의 물체측과 상측 굴절면(2, 3), 제3 렌즈(L3)의 물체측과 상측 굴절면(6, 7), 제4 렌즈(L4)의 물체측과 상측 굴절면(8, 9)이 비구면으로 이루어진다.
수학식 1에 의한 제2 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 4와 같다.
Figure 112007010987534-pat00006
이상의 실시예를 통하여 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이 제 수차의 특성이 우수한 광학계를 얻을 수 있다는 점을 확인할 수 있다.
한편, 상기의 제1 내지 제2 실시예에 대한 조건식 1 내지 5의 값은 다음의 표 5와 같다.
제1 실시예 제2 실시예
조건식 1 27.38 23.42
조건식 2 27.3 27.3
상기의 표 5에서와 같이 본 발명의 제1 및 제2 실시예는 조건식 1 내지 5를 만족하고 있다는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, CCD나 CMOS 등의 이미지 센서를 이용하는 모바일폰용 카메라 등 초소형 광학기기에 적합하며, 광학계를 구성하는 렌즈 각각의 굴절면의 곡률반경을 조절하고 비구면을 사용함으로써 각종 수차를 최소화하고 고해상도, 고선명도의 화상을 얻을 수 있다는 효과가 있게 된다.
그리고, 다수의 플라스틱 렌즈를 사용함으로써 경량화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 제작이 용이하여 대량생산이 가능하고, 제조비용이 적게 든다는 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 (5)

  1. 물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는,
    양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈;
    음의 굴절력을 가지며 상측 면이 상측으로 오목한 제2 렌즈;
    음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈; 및
    양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈
    를 포함하며, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 플린트 계열의 물질로 구성되고 각각 하기 조건식 1 및 조건식 2를 만족하며, 상기 제1 렌즈의 물체측 전방에 개구 조리개가 구비되는 것을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
    [조건식 1] 20 < V2 < 50
    [조건식 2] 20 < V3 < 30
    (V2: 상기 제2 렌즈의 아베수(Abbe number), V3: 상기 제3 렌즈의 아베수)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈 각각은 적어도 한면이 비구면인 것을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 플라스틱 렌즈이며, 상기 제2 렌즈는 글라스 렌즈인 것을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 렌즈는 플라스틱 렌즈인 것을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
  5. 삭제
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