KR100921146B1 - 렌즈 모듈 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 렌즈 모듈은 오목 렌즈를 포함하는 음의 배율의 제1렌즈군; 볼록 렌즈를 포함하는 양의 배율의 제2렌즈군; 및 적어도 한 면이 비구면인 두 개의 렌즈를 포함하는 양의 배율의 제3렌즈군을 포함한다.
렌즈 모듈

Description

렌즈 모듈{Lens Module}
실시예는 고해상도 이미지 센서를 이용하는 카메라 모듈에 사용되는 렌즈 모듈에 관한 것이다.
최근에 이미지 픽업 시스템(Image Pickup System)과 관련하여 통신단말기용 카메라 모듈, 디지탈 스틸 카메라(DSC, Digital Still Camera), 캠코더, PC 카메라(퍼스널 컴퓨터에 부속된 촬상장치) 등이 연구되고 있다. 이러한 이미지 픽업 시스템과 관련된 카메라 모듈이 상(image)을 얻기 위해 가장 중요한 구성요소는 상(image)을 결상하는 렌즈 모듈이다.
이미지 픽업 시스템은 해상도 및 화상의 품질에서 고성능을 요구하기 때문에 렌즈의 구성이 복잡해지고 있으나, 구성적 및 광학적으로 복잡해지는 경우에는 그 크기가 증가하여 소형화 및 박형화가 어렵다.
실시예에 따른 렌즈 모듈은 오목 렌즈를 포함하는 음의 배율의 제1렌즈군; 볼록 렌즈를 포함하는 양의 배율의 제2렌즈군; 및 적어도 한 면이 비구면인 두 개의 렌즈를 포함하는 양의 배율의 제3렌즈군을 포함한다.
적외선 차단 필터를 포함한 5개의 렌즈만을 사용하여 렌즈 모듈의 전장(높이)를 짧게 설계하고, 비구면 렌즈를 사용하여 구면수차, 코마수차, 비점수차를 보정할 수 있다.
제2렌즈군과 제3렌즈군 사이에 조리개를 배치하여 수차를 줄이고, MTF 값을 높일 수 있다.
실시예에 따른 렌즈 모듈은 오목 렌즈를 포함하는 음의 배율의 제1렌즈군; 볼록 렌즈를 포함하는 양의 배율의 제2렌즈군; 및 적어도 한 면이 비구면인 두 개의 렌즈를 포함하는 양의 배율의 제3렌즈군을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 렌즈 모듈에 대하여 상세히 설 명한다.
도 1은 실시예에 따른 렌즈 모듈의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 렌즈 모듈은 제1렌즈군(100), 제2렌즈군(200), 제3렌즈군(300) 및 수광 소자(400)를 포함하여 이루어진다.
피사체 영상을 획득하기 위하여 피사체의 영상 정보에 해당되는 광은 상기 제1렌즈군(100), 제2렌즈군(200) 및 제3렌즈군(300)을 통과하여 상기 수광소자(400)에 입사된다.
상기 제1렌즈군(100)은 고정되어 있으며, 상기 제2렌즈군(200) 및 제3렌즈군(300)을 광축 방향으로 이동시킴으로써, 줌(zooming) 기능 및 보정(compensator) 기능을 구현할 수 있다.
음의 배율을 가지는 상기 제1렌즈군(100)은 부((-)power)의 굴절율을 가지는 오목렌즈인 제1렌즈(10)로 이루어진다.
이때 상기 제1렌즈(10)는 구면 렌즈이며, 유리(glass)로 형성될 수 있다.
양의 배율을 가지는 상기 제2렌즈군(200)은 정((+)power)의 굴절율을 가지는 볼록렌즈인 제2렌즈(20)로 이루어지며, 렌즈 모듈의 줌비를 조절한다.
이때, 상기 제2렌즈(20)는 적어도 한 면이 비구면인 렌즈를 사용하며, 유리(glass)로 형성될 수 있다.
양의 배율을 가지는 상기 제3렌즈군(300)은 조리개(25), 정의 굴절율을 가지는 제3렌즈(30), 부의 굴절율을 가지는 제4렌즈(40) 및 필터(50)로 이루어질 수 있 다.
즉, 상기 필터(50)를 포함하여 총 5개의 렌즈로 이루어지기 때문에, 렌즈 모듈의 전장(높이)가 짧아질 수 있으며, 이로 인해 렌즈 모듈의 소형화를 구현할 수 있다.
상기 조리개(25)는 상기 제2렌즈(20)와 제3렌즈(30) 사이에 배치되며, 상기 제2렌즈(20)로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하여 초점거리(focus length)를 조절하는 기능을 수행한다.
상기 조리개(25)를 상기 제2렌즈(20)와 제3렌즈(30) 사이에 배치함으로써, 오류(error)를 줄이고, MTF(Modulation Transfer Function) 값을 높일 수 있다.
상기 필터(50)는 적외선 차단 필터(IR Cut Filter)로 이루어질 수 있다.
상기 적외선 차단 필터는 외부의 빛으로부터 방출되는 복사열이 상기 수광 소자(400)에 전달되지 않도록 차단시키는 기능을 한다.
즉, 상기 적외선 차단 필터는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출되도록하는 구조를 가진다.
상기 제3렌즈군(300)은 상기 제2렌즈군(200)과 함께 렌즈 모듈의 줌비를 조절하며, 상의 초점(focus)를 조절한다.
이때, 상기 제3렌즈(30) 및 제4렌즈(40)는 적어도 한 면이 비구면이다.
또한, 상기 제3렌즈(30)는 E48R 플라스틱 재질의 렌즈를 사용할 수 있으며, 상기 제4렌즈(40)는 OKP4 플라스틱 재질의 렌즈를 사용할 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 렌즈(10, 20)는 유리(glass)로 형성되고, 상기 제3 및 제4 렌즈(30, 40)는 플라스틱 렌즈로 형성된다.
상기 제2렌즈(20), 제3렌즈(30) 및 제4렌즈(40)의 적어도 한 면이 비구면으로 이루어지기 때문에 구면수차(spherical aberration), 코마수차(comatic aberration), 비점수차(astigmatism)를 보정할 수 있다.
또한, 상기 제2렌즈군(200) 및 제3렌즈군(300)은 보정(compensator)의 역할을 할 수 있다.
그리고, 상기 수광 소자(400)는 피사체 영상에 대응하는 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서로 이루어질 수 있으며, 상기 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 이루어질 수 있다.
이러한 구조로 이루어지기 때문에, 프리즘 또는 거울과 같은 반사재료를 써서 광 경로를 꺾지 않고 렌즈 모듈을 형성할 수 있다.
또한, 적은 수의 렌즈로 3배 줌 광학계를 구현할 수 있으므로, 줌 성능은 유지하면서 렌즈 모듈의 소형화를 구현할 수 있다.
또한 상기 제1렌즈군(100)을 부((-)power)의 굴절율을 가지는 상기 제1렌즈(10) 하나로 형성함으로써, 렌즈의 직경을 줄임과 동시에 상기 제2렌즈군(200)의 렌즈 직경 또한 줄일 수 있다.
실시예에 따른 렌즈 모듈은 다음의 표 1과 같은 광학적 특징을 가진다.
렌즈면 표면타입 곡률반경(mm) 두께(mm) 굴절율(n) 분산율(v) 비고
R1 구면 -4.90825 0.3 1.581391 42.3
R2 구면 12.13189 3.752316
R3 비구면 4 0.818757 1.525373 66.6
R4 비구면 -4.63828 0.870655
R5 구면 ∞ 0.2 조리개
R6 비구면 4 1.033292 E48R
R7 비구면 12.52624 1.836336
R8 비구면 439500.9 0.778289 OKP4
R9 비구면 6.618702 0.26273
R10 구면 ∞ 0.3 필터(BK7_SCH0)
R11 구면 ∞ 0.888234 필터
R12 구면 ∞ -0.0406 센서
실시예에 따른 렌즈의 굴절율(n) 및 분산율(v)은 표 1에 한정되지 않고, 다음의 조건을 만족시킬 수 있다.
1.55≤n≤1.60, 41.3≤v≤43.3 [제1렌즈]
1.50≤n≤1.55, 65.6≤v≤67.6 [제2렌즈]
아래의 표 2는 실시예의 비구면 렌즈에 대한 비구면 계수 값이다.
렌즈면 K A B C D E
R3 -1.524406 -0.119917×10-2 -0.108222×10-2 0.697329×10-3 0.209966×10-4 -0.334660×10-4
R4 0.039069 -0.489148×10-3 0.194719×10-2 -0.673325×10-3 0.269720×10-3 -0.495928×10-4
R6 -3.411930 -0.113371×10-1 0.348094×10-2 -0.333041×10-2 0 0
R7 -236.543816 -0.239977×10-1 -0.520868×10-2 -0.667667×10-3 0 0
R8 -0.281357×1023 -0.917262×10-1 -0.768503×10-2 -0.143324×10-2 -0.137262×10-2 0
R9 -6.017441 -0.665839×10-1 0.640548×10-2 -0.121609×10-2 -0.101682×10-2 0.200651×10-3
실시예의 비구면 렌즈에 대한 표 2의 비구면 계수 값은 다음의 수학식 1로부터 얻을 수 있다.
Z=cY2/[1+{1-(K+1)c2Y2}1/2] +A1Y4+A2Y6+A3Y8+A4Y10+…
Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
c : 렌즈의 기본곡률
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
r : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경
K : 코닉 상수(Conic constant)
A1, A2, A3, A4 : 비구면 계수(Aspheric constant)
즉, 상기의 굴절율(n), 분산율(v) 조건을 만족하는 상기 제 1렌즈(10) 및 제2렌즈(20)와 상기의 비구면 계수 값을 갖는 제3렌즈(30) 및 제4렌즈(40)를 사용함으로써, 구면수차, 코마수차 및 비점수차를 보정할 수 있다.
아래의 표 3은 실시예의 각 렌즈에 대한 초점거리(focus length; FL) 및 직경(Length; L)을 도시하고 있다.
렌즈 렌즈면 초점거리(FL) 직경(L)
제1렌즈 R1~R2 -5.2524 mm 3.9148 mm (L1)
제2렌즈 R3~R4 4.5419 mm 3.3436 mm (L2)
제3렌즈 R6~R7 10.6264 mm 2.5512 mm (L3)
제4렌즈 R8~R9 -10.8725 mm 3.0556 mm (L4)
필터 R10~R11 ∞ 3.4903 mm (L5)
실시예에 따른 렌즈의 초점거리(focus length; FL)는 표 2에 한정되지 않고, 다음의 조건을 만족시킬 수 있다.
-5.3＜FL＜-5.2 [제1렌즈]
4.5＜FL＜4.6 [제2렌즈]
-11＜FL＜-10.8 [제4렌즈]
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 줌 동작을 보여준다.
도 2는 와이드 줌(Wide zoom), 도 3은 미들 줌(Middle zoom), 도 4는 텔레 줌(Tele zoom)이 이루어질 때 각각의 렌즈군들의 위치와 광로를 보여주고 있다.
아래의 표 4는 와이드 줌, 미들 줌, 텔레 줌이 이루어질 때 제1 렌즈군(100), 제2렌즈군(200), 제3렌즈군(300) 간의 거리를 도시하고 있다.
렌즈면 Wide zoom Middle zoom Tele zoom
R2~R3 3.75231 (mm) 2.7664 (mm) 0.2 (mm)
R4~R5 0.87065 (mm) 1.75606 (mm) 0.2 (mm)
R12 -0.0406 (mm) -0.02371 (mm) -0.00177 (mm)
이때, 이미지 센서인 렌즈면 R12도 미세하게 움직이지만, 이는 이동거리가 ±0.05의 범위내에 있으므로, 렌즈 모듈의 광학특성에는 영향을 미치지 않는다.
아래의 표 5는 와이드 줌, 미들 줌, 텔레 줌이 이루어질 때 제1 렌즈군(100), 제2렌즈군(200), 제3렌즈군(300) 간의 이동거리를 도시하고 있다.
줌 위치 배율 제1렌즈군 제2렌즈군 제3렌즈군
와이드 줌 1 0 0 0
미들 줌 1.25 0 -0.969 -0.0836
텔레 줌 3 0 -3.5136 -4.1842
상기 제1렌즈군(100)은 고정되어 있으므로, 와이드 줌, 미들 줌 및 텔레 줌일 때 모두 이동거리는 0 mm이다.
실시예에 따른 각 렌즈군의 이동거리는 표 5에 한정되지 않고, 다음의 조건을 만족시킬 수 있다.
-1.0＜미들 줌 이동거리＜-0.9 [제2렌즈군]
-0.1＜미들 줌 이동거리＜-0.05 [제3렌즈군]
-3.6＜텔레 줌 이동거리＜-3.4 [제2렌즈군]
-4.5＜텔레 줌 이동거리＜-4.0 [제3렌즈군]
아래의 표 6은 실시예에 따른 각 렌즈군의 초점거리 및 두께를 도시하고 있다.
렌즈군 렌즈면 초점거리 두께
제1렌즈군 R1~R2 -5.25 mm 0.3 mm
제2렌즈군 R3~R4 4.54 mm 0.81 mm
제3렌즈군 R6~R11 32.84 mm 4.21 mm
아래의 표 7은 실시예에 따른 각 줌 위치에 따른 전장길이(overall length; OL) 및 주광선각도(Chief Ray Angle; CRA)를 도시하고 있다.
줌 위치 전장길이(OL) 주광선각도(CRA)
와이드 줌 10.1524 mm -24.1911 °
미들 줌 10.0519 mm -26.3347 °
텔레 줌 5.9294 mm -16.3745 °
상기 표 7에 도시된 바와 같이, 상기 와이드 줌, 미들 줌 및 텔레 줌이 이루어질 때의 전장길이로 미루어 보아, 실시예에 따른 렌즈 모듈은 전장길이가 11 mm인 소형 광학계를 구현할 수 있다.
실시예에 따른 줌 동작시, 렌즈 모듈이 와이드 줌이 이루어질 때, 유효초점거리(effective focal length; EFL)는 3.2 mm이고, 후면초점거리(back focal length; BFL)는 0.8882 mm, 앞초점거리(front focal length)는 0.0989 mm, F넘버(F-number)는 3.6, 상의 높이(H)는 2.4 mm, 반화각은 36.87 도이다.
그리고, 렌즈 모듈이 미들 줌이 이루어질 때, 유효초점거리(EFL)는 4 mm이고, 후면초점거리(BFL)는 0.9719 mm, 앞초점거리는 -1.0777 mm, F넘버는 4, 상의 높이(H)는 2.4 mm, 반화각은 30.9637 도이다.
그리고, 렌즈 모듈이 텔레 줌이 이루어질 때, 유효초점거리(EFL)는 9.6001 mm이고, 후면초점거리(BFL)는 5.0725 mm, 앞초점거리는 -10.5385 mm, F넘버는 4.5, 상의 높이(H)는 2.4 mm, 반화각은 14.0361 도이다.
즉, 실시예에서 렌즈 모듈은 상의 높이(H)가 2.4 mm로서 1/4 인치(inch) 크기의 센서에 적용될 수 있다.
또한, 유효초점거리는 와이드 줌에서 3.2 mm, 텔레 줌에서 9.6001 mm를 가지기 때문에 실시예에 따른 렌즈 모듈은 3배 줌을 가질 수 있다.
도 5 내지 도 13은 실시예에 따른 렌즈 모듈의 수차 특성 및 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 와이드 줌 기능을 수행할 때의 수차 특성이며, 도 6 및 도 7은 와이드 줌이 이루어질 때의 MTF 특성이다.
도 8은 미들 줌 기능을 수행할 때의 수차 특성이며, 도 9 및 도 10은 미들 줌이 이루어질 때의 MTF 특성이다.
도 11은 텔레 줌 기능을 수행할 때의 수차 특성이며, 도 12 및 도 13은 텔레 줌이 이루어질 때의 MTF 특성이다.
상기 수차 특성은 구면수차(Longitudinal Spherical Aber.), 비점수차(Astigmatic Field Curves) 및 왜곡수차(Distortion)를 측정한 그래프가 도시되어 있으며, 도 5, 도 8 및 도 11에 도시된 바와 같이, 거의 모든 필드에서 상들의 값이 축에 인접하게 나타나므로, 실시예에 따른 렌즈 모듈은 수차 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
그리고, 도 6, 도 7, 도 9, 도 10, 도 12 및 도 13에 도시된 상기 MTF 특성은 밀리미터당 사이클의 공간주파수(cycles/mm)의 변화에 의존하는 MTF 특성을 측정한 그래프를 도시하였다.
MTF란 원래의 피사체 표면에서 출발한 빛이 렌즈를 통과한 후 맺힌 상과의 차이를 계산한 비율치로서, MTF 값이 '1'인 경우가 가장 이상적이며, MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다.
도 6, 도 7, 도 9, 도 10, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, MTF 값이 높게 나타나기 때문에 실시예에 따른 렌즈 모듈은 광학성능이 우수한 것을 알 수 있다.
이상의 실시예에 따른 렌즈 모듈은 적외선 차단 필터를 포함한 5개의 렌즈만을 사용하여 렌즈 모듈의 전장(높이)를 짧게 설계하고, 비구면 렌즈를 사용하여 구면수차, 코마수차, 비점수차를 보정할 수 있다.
또한, 제2렌즈군과 제3렌즈군 사이에 조리개를 배치하여 수차 특성이 우수하고, MTF 특성이 우수하여 고해상도의 렌즈 모듈을 구현할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 렌즈 모듈의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 줌 동작을 보여준다.
도 5 내지 도 13은 실시예에 따른 렌즈 모듈의 수차 특성 및 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 도시한 그래프이다.

Claims (10)

  1. 음의 배율을 가지며, 제1렌즈를 포함하는 제1렌즈군;
    양의 배율을 가지며, 제2렌즈를 포함하는 제2렌즈군; 및
    양의 배율을 가지며, 조리개, 제3렌즈, 제4렌즈 및 필터를 포함하는 제3렌즈군을 포함하며,
    와이드줌(Wide zoom)에서 텔레줌(Tele zoom)으로 줌(zoom)동작 및 보정(compensator) 기능을 수행시, 상기 제2렌즈군과 제3렌즈군은 물체측으로 이동하는 것을 포함하는 렌즈 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈 및 제4렌즈는 부((-)power)의 굴절력을 갖고, 상기 제2렌즈 및 제3렌즈는 정((+)power)의 굴절력을 갖는 것을 포함하는 렌즈 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 조리개는 상기 제2렌즈 및 제3렌즈 사이에 배치되는 것을 포함하는 렌즈 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    광을 전기신호로 변환하는 수광소자를 포함하는 렌즈 모듈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈의 물체측면 및 상측면은 모두 비구면인 것을 포함하는 렌즈 모듈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4 렌즈는 적어도 한면이 비구면인 것을 포함하는 렌즈 모듈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 렌즈는 유리(glass) 재질의 렌즈이고,
    상기 제3렌즈는 E48R 플라스틱 재질의 렌즈이며,
    상기 제4렌즈는 OKP4 플라스틱 재질의 렌즈인 것을 포함하는 렌즈 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈 및 제2렌즈 각각의 굴절율(n) 및 분산율(v)은 아래의 범위에 해당하는 것을 포함하는 렌즈 모듈.
    1.55≤n≤1.60, 41.3≤v≤43.3 [제1렌즈]
    1.50≤n≤1.55, 65.6≤v≤67.6 [제2렌즈]
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제4렌즈 각각의 초점거리(focus length;FL)는 아래의 범위에 해당하는 것을 포함하는 렌즈 모듈.
    -5.3＜FL＜-5.2 [제1렌즈]
    4.5＜FL＜4.6 [제2렌즈]
    -11＜FL＜-10.8 [제4렌즈]
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2렌즈군 및 제3렌즈군이 광축 방향으로 이동하여 와이드 줌, 미들 줌 및 텔레 줌 기능이 수행될 수 있으며,
    상기 와이드 줌에서 미들 줌이 이루어질 때, 각 렌즈군의 이동거리는 다음 범위를 만족하며,
    -1.0＜미들 줌 이동거리＜-0.9 [제2렌즈군]
    -0.1＜미들 줌 이동거리＜-0.05 [제3렌즈군]
    상기 와이드 줌에서 미들 줌이 이루어질 때, 각 렌즈군의 이동거리는 다음 범위를 만족하는 렌즈 모듈.
    -3.6＜텔레 줌 이동거리＜-3.4 [제2렌즈군]
    -4.5＜텔레 줌 이동거리＜-4.0 [제3렌즈군]
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