KR100865338B1

KR100865338B1 - 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템

Info

Publication number: KR100865338B1
Application number: KR1020070013139A
Authority: KR
Inventors: 김홍민
Original assignee: 주식회사 옵토메카
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2008-10-24
Also published as: KR20080074302A

Abstract

본 발명은 소형 경량이면서도 고해상도를 얻을 수 있는 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템에 관한 것이다. 상기 렌즈 시스템은 물체측에서부터 상면측으로 순서대로, 물체측으로 볼록한 양의 굴절력을 갖는 메니스커스 형상의 제1 렌즈, 상면측으로 볼록한 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 및 상면측으로 오목한 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈의 6개의 렌즈면 중 적어도 4개의 렌즈면이 비구면 형상을 갖는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면 소형 경량이면서도 고해상도의 렌즈 시스템을 얻을 수 있어 초소형 광학 모듈에 적용할 수 있게 된다.

Description

초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템{Lens System for Super Slim Optical Module}

도1은 본 발명의 실시예 1에 관계되는 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.

도2는 실시예 1의 제1 렌즈의 상면측 렌즈면의 회절면 형상을 나타내는 그림이다.

도3은 실시예 1의 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템의 제 수차 (구면 수차, 비점 수차 및 왜곡)를 나타내는 수차도이다.

도4는 본 발명의 실시예 2에 관계되는 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.

도5는 실시예 2의 제1 렌즈의 상면측 렌즈면의 회절면 형상을 나타내는 그림이다.

도6은 실시예 2의 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템의 제 수차 (구면 수차, 비점 수차 및 왜곡)를 나타내는 수차도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

L1 ~ L3: 렌즈(lens) R1 ~ R9: 렌즈면(광학 면)의 곡률 반경

D1 ~ D9: 축상 면 간격 1: 개구조리개(stop)

2: 적외선 차단 필터(IR cut filter)

3: 촬상 소자

본 발명은 3매의 렌즈로 구성되는 전장 거리가 짧은 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템에 관한 것으로, 특히 고화소를 요구하는 휴대 단말기의 화상 획득에 매우 적합한 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템에 관한 것이다.

종래의 초소형 광학 모듈, 예컨대 초소형 카메라 모듈은, 비교적 낮은 수준의 해상도가 요구되어 촬상면의 사이즈(size)가 작은 촬상 소자와 결합되어 사용되는 경우와, 비교적 높은 수준의 해상도가 요구되어 촬상면의 사이즈가 큰 촬상 소자와 결합되어 사용되는 경우로 나뉜다.

낮은 수준의 해상도가 요구되는 경우에는 이미지 사이즈가 작고, 렌즈 시스템도 적은 매수의 렌즈로 구성되어 소형화 하는 것이 우선시 되었다. 이와 같은 촬상 소자에 적용되는 렌즈 시스템은 2매 이하의 렌즈 구성이라도 수차의 발생이 적어 사용하는데 문제가 없었다.

그러나 높은 수준의 해상도가 요구되는 경우에는 촬상 소자의 촬상면의 사이 즈가 커서, 4매 이상의 렌즈 구성을 사용해야만 광학적인 성능을 만족할 수 있었다. 이러한 경우 여러 매수의 렌즈를 사용하기 때문에 전장 길이가 길어지는 문제를 해결하기가 어려웠으며, 전장 길이를 줄이기 위해 3매의 렌즈 구성을 사용하는 경우에는 비교적 수차가 많이 발생하여, 요구 수준의 광학 성능을 만족하는데 한계가 있었다.

최근 들어 촬상 소자의 고화소화 및 촬상면의 소형화로 인해 카메라 모듈은 높은 수준의 광학 성능과 짧은 전장 길이를 요구하게 되어, 기존의 렌즈 시스템을 이용하였을 경우 상기 언급한 요구를 만족시키는 데 한계가 있다. 따라서, 본 발명은 높은 수준의 광학 성능과 짧은 전장을 갖는 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 물체측에서부터 상면측으로 순서대로, 물체측으로 볼록한 양의 굴절력을 갖는 메니스커스 형상의 제1 렌즈, 상면측으로 볼록한 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 및 상면측으로 오목한 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈의 6개의 렌즈면 중 적어도 4개의 렌즈면이 비구면 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 렌즈의 파워는 하기 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

0.5f < f₁ < 0.95f

여기서, f₁은 제1 렌즈의 초점 거리, f는 전체 렌즈 시스템의 유효 초점 거리를 나타내는 것이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 관해서는 도면을 참조하면서 설명한다.

도1에 나타내는 실시 형태(실시예 1의 것을 대표하여 표시)의 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템은, 물체측에서부터 순서대로, 물체측으로 볼록한 양의 굴절력을 갖는 메니스커스 형상의 제1 렌즈(L1), 상면측으로 볼록한 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2) 및 상면측으로 오목한 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)를 배열하여, 광축을 따라 입사된 광속이 촬상소자(3)에 효율적으로 집속되도록 한 렌즈 시스템이다.

또한 제1 렌즈의 물체측 또는 제1 렌즈와 제2 렌즈의 사이에 조리개(1)가 배치되고, 렌즈 시스템과 촬상소자(3) 사이에는 적외선 차단 필터(2)가 배치되어 있다.

또한 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈의 6개의 렌즈면 중 적어도 4개의 렌즈면은 다음의 비구면 식을 따른다.

여기서, Z는 광축으로부터 높이 r인 비구면상의 점으로부터 비구면 정점의 접평면 (광축에 수직의 평면)에 내린 수선의 길이, C는 렌즈면의 곡률 (C = 1/R), k는 코닉 상수, r은 광축으로부터의 높이, A₄, A₆, ..... , A₂₀은 4, 6,......20차 비구면 계수를 나타낸다.

본 발명의 실시 형태에 의한 작용을 보면, 렌즈 매수가 3매로 구성되는 것은 요구되는 적당한 수준의 광학 성능을 얻기 위한 필요한 매수이며, 제1 렌즈(L1)에 양의 굴절력을 매우 강하게 하는 것은 렌즈 시스템의 전장 길이를 최소화 하는 방법이다.

또한 제2 렌즈(L2)에 음의 굴절력을 갖게 하는 것은 제1 렌즈에 의해 급격히 굴절된 광속을 절절히 분산시켜 줌으로써 렌즈 시스템에 의한 이미지 사이즈가 촬상 소자의 촬상면 사이즈와 같아지도록 조절하는 기능을 한다.

또한 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)는 렌즈 시스템에 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡 등의 수차를 보정하고, 상면을 플랫(Flat)하게 하여 주변의 광학 성능을 향상시킬 수 있다.

바람직하게는 제1 렌즈의 파워는 하기 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

0.5f < f₁ < 0.95f

여기서, f₁은 제1 렌즈(L1)의 초점 거리, f는 전체 렌즈 시스템의 유효 초점 거리를 나타내는 것이다. 제1 렌즈(L1)에 양의 파워를 매우 강하게 하고 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)에 음의 파워를 갖게 하는 것은 전체 렌즈 시스템의 파워를 제1 렌즈(L1)에 부과하는 것이다.

f₁이 0.5f보다 큰 것은 렌즈 시스템을 3 매의 렌즈로 구성하기 위함이고, f₁이 0.95f보다 작은 것은 렌즈 시스템의 성능을 최대한 높이기 위함이다.

바람직하게는 제1 렌즈(L1)의 파워를 매우 강하게 하기 위해 제1 렌즈의 상면측 렌즈면에 회절면을 부여할 수 있다. 회절면은 다음의 위상 수식을 따른다.

여기서, Φ는 회절면에 의한 위상을 나타내며, r은 광축으로부터의 높이, C₂, C₄, ....., C₂₀은 2, 4,......, 20차 위상 계수를 나타낸다.

제1 렌즈(L1)의 상면측 렌즈면에 회절면을 부여함으로써, 제1 렌즈의 물체측 렌즈면의 곡률 반경(R1)을 작게 하지 않고도 제1 렌즈의 파워를 강하게 할 수 있으며, 회절면의 최대 장점인 색수차 보정 기능에 의해 전체 렌즈 시스템의 광학 성능을 극대화할 수 있다.

이와 같은 구성의 발명의 실시 형태에 의해, 적은 렌즈 매수를 이용하여, 전장이 짧고 소형인 렌즈 시스템을 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 근래의 고화소, 초소형 촬상소자에 적용할 수 있는 고성능의 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템을 제공할 수 있다.

실시예 1

실시예 1에 따른 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템의 개략적인 구성을 도1에 나타내었다.

이 렌즈 시스템의 구성은 실시 형태에서 설명한 방법을 따랐으며, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)의 모든 렌즈면이 비구면으로 구성되어 있고, 제1 렌즈의 상면측 렌즈면에 회절면을 부여하였다.

이 렌즈 시스템의 각 렌즈면의 곡률 반경(R), 각 렌즈의 중심 두께 및 각 렌즈면 간의 거리(D), 각 렌즈 재료의 d선에서의 굴절율(Nd) 및 아베수(Vd)를 표1에 표시하였다. 표에서 숫자는 물체측에서부터의 순번을 표시한 것이다. 또, 표2에는 각 렌즈면의 비구면 계수 및 제1 렌즈(L1)의 상면측 렌즈면의 위상 계수를 표시하였다.

면번호	Object	1	2	Stop 3	4	5	6	7	8	9
R (mm)	∞	1.2163	4.0569	∞	-1.1933	-1.3919	1.9697	1.3615	∞	∞
D (mm)	1200.00	0.4000	0.1005	0.5303	0.5385	0.6305	0.5505	0.6000	0.3000	0.3000
Nd		1.52279			1.52996		1.52996		1.51680
Vd		47.83			55.84		55.84		64.16

면 번호	1	2	4	5	6	7
k	0.132748248	0.715342318	0.312848458	-0.752751375	-17.11833872	-8.276406193
A4	0.010388789	-0.001900740	-0.085275892	-0.142645101	-0.164744689	-0.102435885
A6	-0.037974234	0.020029609	-0.160800883	0.348447409	0.077083981	0.033712067
A8	0.311127247	-0.236344983	1.060449774	-0.395610579	-0.016883202	-0.010527175
A10	-1.071306533	0.407318692	-1.525347117	0.623379457	-0.000165589	0.001871920
A12	1.776628465	-0.701694804	1.398339501	-0.36604094	0.000617267	-0.000203124
A14	-1.362922551	0.242167813	-2.65840074	0.055912699	-0.000047982	0.000003092
C2		-0.013645731
C4		0.003216568

도2는 실시예 1의 제1 렌즈(L1)의 상면측 회절면의 형상을 보여주고 있다. 횡축은 회절면의 광축에 대한 높이를, 종축은 회절면의 위상을 나타내고 있으며, 점선은 위상 수식에 의한 회절면의 위상을 나타내고, 실선은 실제 설계 중심 파장(587.6nm)에 대한 회절면의 형상을 보여주고 있다.

도3은 실시예 1의 전체 렌즈 시스템의 제 수차(구면 수차, 비점 수차, 왜곡)을 나타내는 수차도이다. 구면 수차도에는 설계 중심 파장(587.6nm) 및 주변 파장(656.3nm, 486.1nm)에 대한 각각의 구면 수차를 표시하였으며, 종축은 광축에 대한 출사동의 상대 높이를 나타낸다. 비점 수차도에는 세지탈 상면(S) 및 탄젠셜 상면(T)에 대한 비점 수차를 표시하였으며, 종축은 상면의 높이를 나타낸다. 이러한 수차도로부터 실시예 1의 렌즈 시스템의 광학 성능이 우수함을 유추할 수 있다.

실시예 1에서 f₁은 0.863f로서, 전술한 f₁의 조건식을 만족한다.

실시예 2

실시예 2에 따른 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템의 개략적인 구성을 도4에 나타내었다.

이 렌즈 시스템의 구성은 실시에 1의 형태와 거의 유사하며, 이에 대한 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에 관해서는 동일한 부호를 따랐고, 중복되는 설명은 생략한다.

실시예 2의 렌즈 시스템에 있어서도, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)의 모든 렌즈면이 비구면으로 구성되어 있고, 제1 렌즈의 상면측 렌즈면에 회절면을 부여하였다.

이 렌즈 시스템의 각 렌즈면의 곡률 반경(R), 각 렌즈의 중심 두께 및 각 렌즈면 간의 거리(D), 각 렌즈 재료의 d선에서의 굴절율(Nd) 및 아베수(Vd)를 표3에 표시하였다. 표에서 숫자는 물체측에서부터의 순번을 표시한 것이다. 또, 표4에는 각 렌즈면의 비구면 계수 및 제1 렌즈(L1)의 상면측 렌즈면의 위상 계수를 표시하였다.

면 번호	Object	1	2	Stop 3	4	5	6	7	8	9
R (mm)	∞	1.2906	4.8218	∞	-1.2854	-1.5783	1.5892	1.2260	∞	∞
D (mm)	1200.00	0.3000	0.1000	0.6742	0.5000	0.5258	0.6000	0.3500	0.3000	0.6000
Nd		1.52279			1.52996		1.52996		1.51680
Vd		47.83			55.84		55.84		64.16

면 번호	1	2	4	5	6	7
k	0.134807088	1.765924445	0.354117299	-0.060969083	-6.585977608	-5.005302999
A4	-0.004297004	-0.012078878	-0.129384884	-0.269502059	-0.309837388	-0.179512243
A6	-0.028260658	0.067643186	-0.033771999	0.613026407	0.193657511	0.089996556
A8	0.382834454	-0.495728248	1.030094700	-0.862520703	-0.058960966	-0.033988619
A10	-1.894296900	1.146041625	-2.084363084	1.242920150	-0.000750102	0.007458445
A12	3.721928226	-1.411581474	3.079831700	-0.793798459	0.005095234	-0.000979776
A14	-2.991857525	0.282136936	-2.644869333	0.175326641	-0.000859964	0.000054137
C2		-0.011154988
C4		0.001599858

도5는 실시예 2의 제1 렌즈(L1)의 상면측 회절면의 형상을 보여주고 있다. 또한 도6은 실시예 2의 전체 렌즈 시스템의 제 수차(구면 수차, 비점 수차, 왜곡)을 나타내는 수차도를 보여주고 있다. 이러한 수차도로부터 실시예 2의 렌즈 시스템의 광학 성능이 우수함을 유추할 수 있다.

실시예 1에서 f₁은 0.827f로서, 전술한 f₁의 조건식을 만족한다.

상기한 구성에 따르면, 3매의 적은 렌즈 매수를 이용하여, 전장이 짧고 소형인 렌즈 시스템을 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 근래의 고화소, 초소형 촬상소자에 적용할 수 있는 고성능의 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

물체측에서부터 상면측으로 순서대로, 물체측으로 볼록한 양의 굴절력을 갖는 메니스커스 형상의 제1 렌즈, 상면측으로 볼록한 음의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 및 상면측으로 오목한 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈를 포함하며,

상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈의 6개의 렌즈면 중 적어도 4개의 렌즈면이 비구면 형상을 갖고, 상기 제1 렌즈의 파워는 하기 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템.

0.5f < f₁ < 0.95f

여기서,

f₁: 제1 렌즈의 초점 거리

f: 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템의 유효 초점 거리
제1항에 있어서,

제1 렌즈의 물체측 또는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 개구조리개가 위치하는 것을 특징으로 하는 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템.
삭제
제1항에 있어서,

상기 제1 렌즈의 상면측 렌즈면이 회절면인 것을 특징으로 하는 초소형 광학 모듈용 렌즈 시스템.