KR100916502B1 - 초소형 촬상 광학계 - Google Patents

Abstract

초소형 촬상 광학계를 제공한다.

본 발명은, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 형상을 갖는 제1 렌즈요소 ; 상기 제1 렌즈요소의 상측 면에 평면으로 이루어지는 물체측 면이 접합되고, 상측 면이 평면으로 이루어지는 제2 렌즈요소 ; 및 상기 제2 렌즈요소의 상측 면에 물체측 면이 접합되는 제3 렌즈요소 ; 를 포함하고, 상기 제1렌즈요소의 물체측 면과 상기 제3렌즈요소의 상측 면은 비구면으로 이루어지고, 상기 제3렌즈요소의 상측 면은 중심부에 상측으로 볼록하여 부의 굴절력을 가지며, 주변부에서 상측으로 오목하여 정의 굴절력을 갖도록 렌즈 유효경내에 변곡점을 형성한다.

본 발명에 의하면, 이미지 외곽에서의 심각한 비점수차 증가에 따른 주변부의 해상력의 저하를 개선하고, TV왜곡을 감소시켜 해상도를 높일 수 있고, 고온의 조립공정에서도 렌즈형상 및 광학적 특징으로 안정적으로 유지하면서 크기가 작고 저가의 광학계를 제조할 수 있다.

촬상, 광학계, 렌즈, TV왜곡, 차단막, 상면, 비구면

Description

초소형 촬상 광학계{Subminiature Optical System}

본 발명은 촬상 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동통신단말기, PDA 등에 탑재되어 주변부의 해상력을 높이고, 왜곡을 감소시켜 해상도를 높일 수 있고, 고온의 조립공정에서도 렌즈형상 및 광학적 특징으로 안정적으로 유지할 수 있으며, 유효화각 이외의 잡광을 효과적으로 차단하여 축외수차를 개선하고, 크기가 작고 저가의 광학계를 제조할 수 있는 초소형 촬상 광학계에 관한 것이다.

일반적으로, 이동통신단말기는 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 이동통신단말기, 즉 소위 카메라폰(camera phone 또는 camera mobile phone)이 크게 각광을 받고 있다.

특히, 최근에는 카메라폰에 탑재되는 촬상 광학계에 대하여 소형 / 경량화 / 저비용화가 강력하게 요구되고 있을 뿐만 아니라 CCD(전하결합소자)나 CMOS(보상금속반도체) 등의 이미지 센서의 픽셀 사이즈(pixel size)가 점점 작아짐에 따라 이 러한 이미지 센서를 사용하는 촬상 광학계에 대해서도 높은 해상도가 요청되고 있다.

그리고, 휴대폰 등의 소형기기에 장착되는 촬상 광학계는 소형화 / 저비용화를 만족시키기 위해 가능한 렌즈 매수를 줄여야 하지만 설계에 대한 자유도가 적어지고 광학성능을 만족하기 어렵다.

특히, 종래의 촬상 광학계는 일반적으로 렌즈 외의 공간에 광량 조절을 위한 조리개를 배치하여 구성하기 때문에, 소형화 / 경량화 측면에서 문제점이 지적되고 있다.

따라서, 고해상도이고 수차 성능이 우수하면서도 소형화 / 경량화가 가능한 초소형 촬상 광학계가 요구된다.

또한, 촬상 광학계를 이미지 센서가 탑재된 카메라모듈에 채용하는 과정에서 조립공정이 고온에서 이루어지는 경우, 플라스틱으로 이루어지는 렌즈의 형상이 변경되면서 광학적 특성이 변경되고, 이로 인하여 카메라 모듈의 광학특성을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 일 측면으로서 이미지 외곽에서의 심각한 비점수차 증가에 따른 주변부의 해상력의 저하를 개선하고, TV왜곡을 감소시켜 해상도를 높일 수 있는 초소형 촬상 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 다른 측면으로서 고온의 조립공정에서도 렌즈형상 및 광학적 특징으로 안정적으로 유지하면서 크기가 작고 저가의 광학계를 제조할 수 있는 초소형 촬상 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다

또한, 또 다른 측면으로서 유효화각 이외의 잡광을 효과적으로 차단하여 이미지의 화질을 향상시킬수 있는 촬상 광학계를 제공하는 것으로 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 형상을 갖는 제1 렌즈요소 ; 상기 제1 렌즈요소의 상측 면에 평면으로 이루어지는 물체측 면이 접합되고, 상측 면이 평면으로 이루어지는 제2 렌즈요소 ; 및 상기 제2 렌즈요소의 상측 면에 물체측 면이 접합되는 제3 렌즈요소 ; 를 포함하고, 상기 제1렌즈요소의 물체측 면과 상기 제3렌즈요소의 상측 면은 비구면으로 이루어지고, 상기 제3렌즈요소의 상측 면은 중심부에 상측으로 볼록하여 정의 굴절력을 가지며, 주변부에서 상측으로 오목하여 부의 굴절력을 갖도록 렌즈 유효경내에 변곡점을 형성함을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계를 제공한다.

바람직하게, 본 발명의 초소형 촬상 광학계는 다음의 조건식 1을 만족할때, Δsag/Δr = 0 을 만족하는 하는 점이 하나이상이다.

[조건식 1] r > 0.7*r_S2

여기서, r 는 광축에서의 반경이고, r_s2 는 제3렌즈요소의 상측면의 유효반경이며, sag 는 광축이 지나가는 점을 원점으로 하는 높이이다.

바람직하게, 상기 제1,3렌즈요소는 레플리카 방식에 의한 폴리머(Polymer)로 이루어질 수 있으며, 상기 제2렌즈요소는 글라스로 이루어진다.

더욱 바람직하게, 상기 제1,3렌즈요소는 고내열성 UV경화 폴리머 재질로 이루어진다.

바람직하게, 상기 제2렌즈요소는 상측면에 차단막을 구비한다.

더욱 바람직하게, 상기 차단막은 다음의 조건식 2를 만족한다.

[조건식 2] r_{W2 -} 0.01 < R < r_S2' - 0.02

여기서, r_W2 는 제2렌즈요소의 상측면의 유효반경이고, R 은 차단막에 형성되는 중앙공의 반경이며, r_S2' 는 제3렌즈요소의 상측면이 Δsag/Δr = 0 을 만족시키는 r값중 유효반경보다 큰 값이다.

바람직하게, 상기 제2렌즈요소는 물체측 면 또는 상측 면중 어느 하나에 필터부재가 구비된다.

본 발명에 의하면, 상면에 인접하는 렌즈의 상측면을 광축근방은 상측으로 볼록하고, 주변부에 가까워질수록 상측으로 오목한 형상을 갖춤으로서 이미지 외곽에서의 심각한 비점수차 증가에 따른 주변부의 해상력의 저하를 방지하고, TV왜곡을 감소시킬 수 있기 때문에, 촬상 광학계의 해상도를 종래에 비하여 현저히 높일 수 있다.

또한, 글라스 재질의 제2렌즈요소의 물체측 면과 상측 면에 내열성 UV경화 폴리머를 소재로 하여 제1,3렌즈요소를 구비함으로서, 고온의 조립공정에서도 렌즈형상 및 광학적 특징이 변경되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 광학계의 광학특성을 안정적으로 유지하면서 크기가 작고 저가의 광학계를 제조할 수 있다.

그리고, 제2렌즈요소의 상측면에 링형상의 차단막을 갖춤으로서 유효화각 이외의 잡광을 효과적으로 차단하여 플레어 현상을 현저히 줄일 수 있는 효과가 얻어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 초소형 촬상 광학계의 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 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 초소형 촬상 광학계는 물체측으로부터 순서대로, 제1 렌즈요소(L1)와, 제2 렌즈요소(L2)와, 및 제3렌즈요소(L3) 및 상면(IP)에 해당하는 이미지 센서(미도시)를 구비한다.

상기 제1 렌즈요소(L1)는 물체측 면(1)이 물체측으로 볼록한 형상으로 구비되며, 상기 제2 렌즈요소(L2)는 상기 제1 렌즈요소(L11)의 상측 면에 물체측 면(2)이 접합되고, 상기 제3 렌즈요소(L3)는 상기 제2 렌즈요소(L2)의 상측 면에 물체측 면(3)이 접합되어 전체적으로 3개의 렌즈요소로 구성된다.

본 발명의 실시예에서 상기 제1 렌즈요소(L1)의 물체측 면, 상기 제3 렌즈요소(L3)의 상측 면이 모두 비구면으로 이루어진다.

이때, 상기 제2 렌즈요소(L2)는 상측 면(3)에 광량 조절하면서 광을 차단하도록 링형상의 차단막(AS)을 구비할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 차단막(AS)이 제2 렌즈요소(L2)의 상측 면(3)에 구비되는 것을 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 차단막(AS)은 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr)과 같은 금속막으로 형성하는 것도 가능하지만, 블랙 포토 레지스트(Black Photo-Resist)와 같은 감광성 수지(Photo Resist) 조성물을 사용하여 글라스 기판에 해당하는 제2 렌즈요소(L2)의 물체측 면(2) 또는 상측 면(3)에 일체로 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, 감광성 수지란, 빛의 작용으로 분자구조에 변화가 일어나고 그 결과 물성 변화가 생기는 고분자 또는 고분자 조성물을 말한다.

이와 같은 감광성 수지의 구성성분은 폴리머(Polymer), 용제(Solvent), 감광제(Sensitizer)로 대표되며, 현상되는 형태에 따라 양성(Positive) 감광성 수지와 음성(Negative) 감광성 수지로 나뉜다. 양성 감광성 수지인 경우에는 노광된 영역이 현상 후 없어지고, 음성 감광성 수지인 경우 노광된 영역이 현상 후 남아있게 된다.

상기와 같이 제2 렌즈요소(L2)의 물체측 면(2) 또는 상측 면(3)에 감광성 수지층으로 차단막(AS)을 형성하는 경우, 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr)과 같은 금속막을 사용하는 것에 비해 제조 공정이 단순해진다.

구체적으로, 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr)과 같은 금속막으로 차단막(AS)을 형성하는 경우에는 금속막의 높은 소수성으로 인해서 UV 경화성 폴리머와의 접착력이 떨어지므로, 금속막 위에 별도의 접착막 형성이 필요하다.

반면에, 감광성 수지층으로 차단막(AS)을 형성하는 경우에는 감광성 수지의 높은 친수성으로 인해서 UV 경화성 폴리머와의 접착력이 우수하므로, 추가로 감광성 수지층 위에 접착막을 형성할 필요가 없어진다.

또한, 금속막으로 스탑(AS)을 형성하는 경우에는 노광, 금속막 증착, 금속막 제거의 순차적인 공정이 필요하나, 감광성 수지층으로 스탑(AS)을 형성하는 경우에는 감광성 수지의 특성상 노광 공정만으로도 스탑(AS)을 형성할 수 있어 제작 비용 및 시간을 단축할 수 있다.

한편, 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr)과 같은 금속막은 높은 반사율을 가지므로 차단막(AS)을 통과한 광(光)들이 다른 렌즈요소들에 의해 반사된 불필요한 광들을 다시 반사시켜 결과적으로 화상 저하를 가져오는 문제가 있는 반면에, 감광성 수지층은 일반적으로 가시광 영역에서 높은 광 흡수율을 가지므로, 상기와 같은 내부 전반사로 인한 화상 저하의 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 상기 이미지 센서는 상면(IP)에 대응하며, 제1 렌즈요소(L1), 제2렌즈소요(L3) 및 제3 렌즈요소(L3)를 통과한 광 이미지를 감지하여 전기적 신호로 변환시키도록 CCD(전하결합소자) 또는 CMOS(보상금속반도체) 등으로 이루어진다.

한편, 상기 제2 렌즈요소(L2)의 물체측 면 또는 상측 면에는 광학적 저역 필터나 색 필터등과 같은 필터부재가 설치될 수 있으며, 본 발명의 광학적 특성에는 원칙적으로 영향을 미치지 않는 것으로 한다.

본 발명에 의한 광학계는 제3렌즈요소(L3)의 상측 면이 광축 근방은 상측으로 볼록하다가 렌즈 경계면인 주변부에 가까워질 수록 상측으로 오목한 형상을 갖는 렌즈면으로 구성한다.

이에 따라, 물체측 면과 상측 면이 볼록한 1매 렌즈에서 발생하는 이미지 외곽의 심각한 비점수차 증가에 따른 주변부 해상력 저하를 개선함과 동시에 물체측 면이 오목한 매니스커스 렌즈에서 주로 발생되는 심각한 TV왜곡을 2%이하로 줄여 화상품질을 향상시킬 수 있다.

그리고, 상기 제2 렌즈요소(L2)는 도 1에서 물체측 면(2)과 상측 면(3)이 모두 평면을 이루는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 대량생산이 용이한 통상의 레플리카 방식을 적용하기 위해서는 상기 제2 렌즈요소(L2)는 각각 양면(물체측 면과 상측 면)이 평면으로 이루어지는 것이 바람 직하지만, 일반적인 접합렌즈 제조방법이 적용되는 경우에는 상기 제2 렌즈요소(L2)의 굴절면(상측 면과 물체측 면) 중 적어도 하나의 굴절면은 구면 또는 비구면의 곡면으로 형성될 수도 있다. 이와 같이, 굴절면 중 일부가 곡면으로 형성되는 경우에는 굴절면이 증가함으로써 설계 자유도가 향상되고 각종 광학적 특성이 우수한 광학계를 형성할 수 있다는 이점을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 의한 광학계는 렌즈 외의 공간에 유효화각이외의 잡광하는 차단막(AS)을 별도의 기구물로서 배치하는 것이 아니라, 제2 렌즈요소(L2)의 물체측 면(2) 또는 상측 면(3)에 구비함으로써, 렌즈의 높이/중량을 낮추거나 줄여 광학계의 소형화/경량화에 유리하며, 이러한 차단막을 광흡수율이 높은 감광성 수지로 구성하여 내부반사에 의한 고스트나 플레어의 발생을 사전에 차단할 수 있다.

본 발명에 의한 광학계는 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 렌즈요소(L2)의 물체측 면(2)과 상측 면(3)에 각각 제1 렌즈요소(L1)와 제2 렌즈요소(L3)가 각각 접합된다.

이때, 제1 렌즈요소(L1)는 글라스 재질의 글라스 기판으로 구비되어 그 물체측면과 상측면에 폴리머를 적층하는 레플리카 방식(replica method)을 이용하여 제1 렌즈요소(L1)와 제3 렌즈요소(L3)를 형성하며, 이러한 레플리카 방식을 이용하여 렌즈를 형성하게 되면 대량 생산이 용이하다는 이점이 있게 된다.

여기서, 상기 제1렌즈요소(L1)와 제3렌즈요소(L3)는 내열성이 우수한 UV경화 경화폴리머로 구성하고, 상기 제2렌즈요소(L2)를 글라스 재질로 구성하게 되면, 플라스틱 렌즈에 비해서는 내열성이 우수하고, 글라스 몰딩 렌즈에 비해서는 제조원 가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 광학계를 카메라 모듈에 적용하는 조립공정이 고온의 환경에서 이루어지는 경우, 제1,3렌즈요소(L1,L3)가 내열성 UV경화 폴리머로 이루어지기 때문에 열에 의하여 렌즈형상이 변경되고, 이로 인하여 광학적 특성이 변경되는 것을 근본적으로 예방할 수 있다.

이와 같은 전체적인 구성 하에서 다음의 조건식 1 및 2의 작용효과에 대해 살펴본다.

즉, 본 발명의 초소형 촬상 광학계는 다음의 조건식 1을 만족할 때, Δsag/Δr = 0 을 만족하는 점이 하나이상이다.

[조건식 1] r > 0.7* r _S2

여기서, r : 광축에서의 반경이고, r_s2 는 제3렌즈요소의 상측면의 유효반경이며, sag : 광축이 지나가는 점을 원점으로 하는 높이이다.

상기한 조건식 1이 만족되면, 이미지 센서의 상면에서 결상도는 이미지의 심각한 비점수차의 증가에 따른 주변부 해상력이 저하되는 것을 방지함과 동시에 이미지의 1F와 0.6F사이의 광학왜곡차이에 해당하는 TV왜곡을 2%이하로 줄임으로서 화상품질을 보다 현저히 향상시킬 수 있다.

또한, 조건식 2는 상기 제2렌즈요소(L2)의 상측 면에 구비되는 차단막(AS)에 관한 것이다.

[조건식 2] r _W2 - 0.01 < R < r _S2 ' - 0.02

여기서, r_W2 는 제2렌즈요소의 상측면의 유효반경이고, R 은 차단막에 형성되는 중앙공의 반경이며, r_S2' 는 제3렌즈요소의 상측면이 Δsag/Δr = 0 을 만족시키는 r값중 유효반경보다 큰 값이다.

이때, 상기 차단막(AS)에 형성된 중앙공의 반경이 조건식 2의 하한을 벗어나작은 구멍을 갖게 되면, 상면에 결상되는 이미지의 일부가 결상되지 못하는 화상불량을 초래하고, 이미지의 주변부가 어두워지게 된다.

반면에, 상기 차단막(AS)에 형성된 중앙공의 반경이 조건식 2의 상한을 벗어나 큰 구멍을 갖게 되면, 유효화각 이외의 잡광을 적절히 차단하지 못하여 심각한 플레어 현상을 초래한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 초소형 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 초소형 광학계의 제 수차도를 도시한 것으로, (a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다. 이하의 비점수차 도면에서 "S"는 새지털(sagital), "T"는 탄젠셜(tangential)을 나타낸다.

실시예에서 화각(畵角)은 60°, F 넘버(FNo)는 3.2이고, 유효초점거리는 1.09mm 이다.

이하의 표에서 곡률반경과 두께 또는 거리의 단위는 mm이다.

면번호	곡률반경	두께 또는 거리	굴절률	아베수	비고
*1	1.026009	0.175	1.4825	48.8	제1렌즈요소
2	∞	0.55		65.4	제2렌즈요소
3	∞	0.125	1.4825	48.8
*4	-0.79268	1.0			제3렌즈요소
5	-				상면

또한, 표 1에서 *는 비구면을 나타내며, 본 발명의 실시예의 경우 제1면(제1 렌즈요소(L1)의 물체측 면), 제4면(제3 렌즈요소(L3)의 상측 면)이 비구면이다.

이상의 실시예를 통하여, 도 2에 도시된 바와 같이 제 수차의 특성이 우수한 초소형 촬상 광학계를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 초소형 촬상 광학계의 렌즈구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡을 각각 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

L1 : 제1 렌즈요소 L2 : 제2 렌즈요소

L3 : 제3 렌즈요소 AS : 차단막

IP : 상면(像面) 1,2,3,4,5 : 면 번호

Claims (7)

1. 물체측 면이 물체측으로 볼록한 형상을 갖는 제1 렌즈요소 ;

   상기 제1 렌즈요소의 상측 면에 평면으로 이루어지는 물체측 면이 접합되고, 상측 면이 평면으로 이루어지는 제2 렌즈요소 ; 및

   상기 제2 렌즈요소의 상측 면에 물체측 면이 접합되는 제3 렌즈요소 ; 를 포함하고,

   상기 제1렌즈요소의 물체측 면과 상기 제3렌즈요소의 상측 면은 비구면으로 이루어지고, 상기 제3렌즈요소의 상측 면은 중심부에 상측으로 볼록하여 정의 굴절력을 가지며, 주변부에서 상측으로 오목하여 부의 굴절력을 갖도록 렌즈 유효경내에 변곡점을 형성함을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
2. 제1항에 있어서, 다음의 조건식 1을 만족할 때, Δsag/Δr = 0 을 만족하는 점이 하나이상임을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.

   [조건식 1] r > 0.7*r_S2

   여기서, r : 광축에서의 반경,

   r_s2 : 제3렌즈요소의 상측면의 유효반경

   sag : 광축이 지나가는 점을 원점으로 하는 높이
3. 제1항에 있어서, 상기 제1,3렌즈요소는 레플리카 방식에 의한 폴리 머(Polymer)로 이루어질 수 있으며, 상기 제2렌즈요소는 글라스로 이루어짐을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1,3렌즈요소는 고내열성 UV경화 폴리머 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈요소는 상측면에 차단막을 구비함을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.
6. 제5항에 있어서, 상기 차단막은 다음의 조건식 2를 만족함을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.

   [조건식 2] r_W2 - 0.01 < R < r_S2' - 0.02

   여기서, r_{W2 :} 제2렌즈요소의 상측면의 유효반경,

   R : 차단막에 형성되는 중앙공의 반경,

   r_S2' 는 제3렌즈요소의 상측면이 Δsag/Δr = 0 을 만족시키는 r값중 유효반경보다 큰 값
7. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈요소는 물체측 면 또는 상측 면중 어느 하나에 필터부재가 구비됨을 특징으로 하는 초소형 촬상 광학계.

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