KR101090010B1 - 편심 특성을 고려한 촬상 광학계 - Google Patents

편심 특성을 고려한 촬상 광학계 Download PDF

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    • G03B9/02—Diaphragms

Abstract

렌즈 제작시 발생할 수 있는 편심을 고려하여 편심이 발생하여도 우수한 화질의 영상을 획득할 수 있는 편심 특성을 고려한 촬상 광학계가 개시된다. 상기 촬상 광학계는, 물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는 복수의 렌즈를 포함하는 촬상 광학계에 있어서, 상기 상면에 가장 가까이 배치된 렌즈 및 상기 상면에 두번째로 가까이 배치된 렌즈는 편심(δ)의 크기가 0.003 ㎜인 경우 다음 조건식을 만족할 수 있다.
[조건식]
Figure 112011066149855-pat00011

(상기 조건식에서, r1, r2는 임의의 필드의 주변광선이 렌즈면을 통과하는 수평 위치, r3=(r1+r2)/2, Δ(rn:δ)=sag(rn+δ)-sag(rn), sag(rn): 렌즈면의 정점 대비 깊이)

Description

편심 특성을 고려한 촬상 광학계{OPTICAL SYSTEM CONSIDERING DECENTER CHARACTERISTIC}
본 발명은 촬상 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 렌즈 제작시 발생할 수 있는 편심을 고려하여 편심이 발생하여도 우수한 화질의 영상을 획득할 수 있는 편심 특성을 고려한 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.
최근 휴대폰과 같은 모바일 기기에 사용되는 영상모듈의 화소수는 5 백만 화소를 넘어 디지털 스틸 카메라 등에서 제공했던 8 백만 화소 이상까지 증가하고 있다. 그러나, 사용할 수 있는 공간의 크기가 제한되는 모바일 기기의 특성상 렌즈에 활용할 수 있는 공간의 크기는 화소수와 같이 증가하기 힘들며 오히려 지속적인 슬림화 요구가 강해 광학전장이 축소되고 있는 실정이다. 광학계의 전장을 줄일 경우 렌즈 두께나 렌즈간 간격의 제한 등으로 인해 렌즈면에 의해 광선이 굴절되는 굴절각이나 렌즈면 사이의 광경로가 광축과 이루는 각도가 커지게 되고 이런 특성은 공차에 대한 관용도가 악화될 수 있다. 이와 같이, 카메라 모듈의 슬림화와 고화소에 대한 요구는 상호 상충되는 성질을 갖고 있으며, 모바일 기기에 사용되는 소형 카메라 모듈의 화소수가 증가함에 따라 이 문제를 해결하는 것이 안정적인 성능의 광학계를 제조하는 것이 중요한 문제로 대두되고 있다.
이와 같이, 광학계 축소에 따라 민감도가 증가하기 때문에 요구 성능을 만족하기 위해서는 가공 정밀도 역시 증가해야하지만 정밀도 향상에는 일정한 한계가 있다. 따라서, 광학계 축소에 따라 원하는 성능 및 수율을 확보하기 위해서는 렌즈 설계 과정에서부터 외란요인 그 중에서도 특히 편심(Decenter)에 대한 민감도를 낮추는 설계가 요구되고 있다.
본 발명은, 복수의 렌즈로 이루어진 광학계에서, 편심 특성을 고려하여 상면측에 가까운 두 렌즈의 형상을 설계함으로써, 편심에 따른 화질저하를 최소화 할 수 있고 우수한 광학 특성을 갖는 광학계를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은,
물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는 복수의 렌즈를 포함하는 촬상 광학계에 있어서,
상기 상면에 가장 가까이 배치된 렌즈 및 상기 상면에 두번째로 가까이 배치된 렌즈는 편심(δ)의 크기가 0.003 ㎜인 경우, 다음 조건식을 만족하는 촬상 광학계를 제공한다.
[조건식]
Figure 112010003911627-pat00001
상기 조건식에서, r1, r2는 임의의 필드의 주변광선이 렌즈면을 통과하는 수평 위치를 나타내며, r3=(r1+r2)/2이고, Δ(rn:δ)=sag(rn+δ)-sag(rn)이고, 여기서 sag(rn)은 렌즈면의 정점(vertex) 대비 깊이를 나타낸다.
본 발명의 일실시형태에서, 상기 촬상 광학계는 물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는 제1 내지 제4 렌즈를 포함할 수 있으며, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈는 각각 정의 굴절력 및 음의 굴절력을 가질 수 있다.
본 발명의 일실시형태는, 상기 물체측에 가장 가까이 배치된 렌즈의 물체측 전방 또는 상면측 후방에 배치된 개구 조리개를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 렌즈로 이루어진 광학계에서 상면 측에 가까운 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 편심 특성을 고려하여 그 형상을 제작함으로써, 광학계의 편심에 따른 민감도를 감소시켜 우수한 화질의 영상을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 촬상 광학계의 렌즈구성 및 광경로도.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 렌즈에 편심이 발생하지 않는 경우와 렌즈에 편심이 발생한 경우의 디포커스 특징을 비교 도시한 도면.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 조건식을 설명하기 위한 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 촬상 광학계의 성능을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 촬상 광학계의 렌즈구성 및 광경로도이다.
도 1에 도시된 실시형태는 4 매의 렌즈를 포함하는 촬상 광학계의 일례를 도시한 것이나, 본 발명은 4 매 렌즈를 포함하는 촬상 광학계에 한정되지 않으며, 4 매 렌즈를 포함하는 실시형태에 대한 설명으로부터 3 매 또는 5 매, 또는 그 이상의 렌즈를 포함하는 촬상 광학계에 본 발명을 적용할 수 있다는 점은 당업자에 의해 자명한 것이라 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시형태는 상기 광학계는 물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는 제1 내지 제4 렌즈(L1 내지 L4)를 포함할 수 있다. 이러한 4 매 렌즈의 촬상 광학계는 다음과 같은 특성을 갖는다.
하나의 렌즈가 가질 수 있는 굴절력(power)을 정(+)과 부(-)의 값으로 표현하면, 4 매 렌즈의 굴절력 배치는 이론 상 총 16가지가 나올 수 있으나, 일반적으로 제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 갖고, 제2 렌즈(L2) 부의 굴절력을 갖도록 설계된다. 또한, 제3 및 제4 렌즈(L3, L4)는 설계의 선택에 따라 정 또는 부의 굴절력을 가질 수 있다. 따라서, 대부분의 4 매 렌즈를 포함하는 촬상 광학계에서 렌즈 배치는, (+)(-)(+)(+), (+)(-)(+)(-), (+)(-)(-)(+), (+)(-)(-)(-) 중 하나의 굴절력 배치를 갖는다.
더하여, 개구 조리개(stop)(S)의 위치에 의해서도 다양한 광학계가 정의 될 수 있으나, 모바일 기기에 사용되는 소형 카메라 모듈에 적용된 4 매 렌즈를 포함하는 촬상 광학계의 경우, 텔레센트릭(telecentric) 특성을 확보하고 광학 전장을 줄이기 위해 제1 렌즈(L1) 물체측 전방이나 상면측 후방, 즉 제1, 2 렌즈(L1, L2) 사이에 배치될 수 있다. 도 1의 실시형태는 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 개구 조리개(S)가 배치된 실시형태를 도시한다.
4 매 렌즈로 구성되며 개구 조리개가 제1 렌즈(L1)에 인접하여 배치되는 촬상 광학계에서는 동(pupil)에 가까운 제1, 2 렌즈(L1, L2)가 촬상 광학계의 전체적인 굴절능를 조정하는 기능을 담당하고, 상면에 가까운 제3, 4 렌즈(L3, L4)가 각 필드별 포커스의 위치를 나타내는 필드 만곡도(field curvature)나 이미지면에 입사하는 주 광선의 입사각도(Chief Ray Angle)를 조정하는 기능을 담당한다.
이러한 렌즈 배치를 갖는 촬상 광학계에서, 동(pupil)에 가까운 제1, 2 렌즈(L1, L2)에 수차가 발생할 경우 화면 전체적인 성능에 영향을 주지만, 상면에 가까운 제3, 4 렌즈(L3, L4)에 수차가 발생할 경우 화면의 일부분에서만 화질저하가 발생할 가능성이 크다. 일반적으로 사람의 시각은 이미지의 전체적인 화질보다는 화면의 일부분에서만 발생하는 상대적인 화질 저하에 민감한 특성을 갖는다. 이는, 촬영된 이미지가 전체적으로 어두운 경우보다 일부분만 어두운 경우가 더 시야에 잘 띄는 것과 같은 이치로 이해할 수 있다. 이와 같이, 사람의 시각이 갖는 특성 은 이미지의 부분적인 화질 저하에 더욱 예민할 수 있지만 전체 이미지을 모두 검사하는 것이 어려우므로 국소적인 화질 저하를 완벽히 검출하기란 쉽지 않다. 이런 사정을 감안할 때 설계 단계에서부터 부분적인 화질저하를 최소화 할 수 있도록 제3, 4 렌즈(L3, L4)를 외란 요인에 둔감하도록 설계 제작하는 것이 요구된다.
상기 외란 요인 중 하나가 렌즈의 가공 공정에서 필수적으로 뒤따르는, 렌즈의 편심(decenter)의 발생이다. 편심은 렌즈면의 정점(vertex)이 설계와 달리 틀어져서 렌즈의 굴절면 형상이 렌즈의 중심에서 대칭을 이루지 못하고 일측으로 치우치는 현상을 나타내는 용어로 당업계에 알려져 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 렌즈에 편심이 발생하지 않는 경우와 렌즈에 편심이 발생한 경우의 디포커스 특징을 비교 도시한 도면이다. 도 2의 (a) 및 (b)에서 각 곡선은 각 필드의 탄젠셜(tangential) 및 새지털(sagirral) 방향으로의 디포커스를 나타낸다.
도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 렌즈에 편심이 발생하지 않는 경우에는 실질적으로 상면에서 포커스가 이루어지는 것으로 나타나지만, 편심이 발생한 경우에는 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 광선이 만나는 렌즈 면의 면의 형상이 편심에 의해 변동되므로 상면의 전방 또는 후방에서 필드마다 다른 디포커스 특징을 갖는다. 따라서, 편심에 의한 렌즈 형상 변화를 제어할 수 있도록 렌즈가 설계되고 제작되면 편심에 따른 디포커스에 따른 화질의 민감도를 개선할 수 있다.
이러한 렌즈의 편심 발생에 따른 촬상 광학계의 민감도를 해소하기 위해, 본 발명은 제3 및 제4 렌즈의 굴절면의 형상에 대해, 편심(δ)의 크기가 0.003 ㎜인 경우 다음 조건식을 만족하도록 설계, 제작한다.
[조건식]
Figure 112010003911627-pat00002
상기 조건식에서, r1, r2는 임의의 필드의 주변광선이 렌즈면을 통과하는 수평 위치를 나타내며, r3=(r1+r2)/2이고, Δ(rn:δ)=sag(rn+δ)-sag(rn)이고, 여기서 sag(rn)은 렌즈면의 정점(vertex) 대비 깊이를 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 조건식을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 3은 상기 조건식에서 r1, r2 및 r3를 설명한다. 더욱 상세하게, 도 3은 0.8 필드(0.8F)로의 광경로가 제4 렌즈(L4)를 통과하는 일례를 도시한다. 도 3에 대한 설명은 임의의 필드 및 제3 렌즈(L3)에도 동일하게 적용할 수 있다. 도 3에서 0.8 필드로의 주변광선(marginal ray)이 제4 렌즈(L4)의 물체측 굴절면과 상면측 굴절면과 만나는 점의 수평위치를, 0.0 필드(0.0F)를 지나는 광축(A)을 기준으로 하여 r1, r2 및 r1', r2'로 정의한다. 또한, 각 굴절면과 주변광선이 만나는 점의 수평위치의 중점을 r3 및 r3'(미도시)로 정의 할 수 있다. 상기 조건식은 렌즈의 양 굴절면에 모두 적용될 수 있다. 즉, 도 3의 실시형태에서, 제4 렌즈의 물체측 굴절면에 대해서는 r1, r2 및 r3를 적용할 수 있으며, 제4 렌즈의 물체측 굴절면에 대해서는 r1, r2 및 r3 대신 r1', r2' 및 r3'를 적용할 수 있다.
도 4는 상기 조건식에서 편심(δ)을 정의한다. 전술한 바와 같이, 편심(δ)는 이상적인 렌즈 굴절면(LP)의 중심 위치에서 실제 제작된 렌즈 굴절면(LP')이 갖는 중심 위치까지의 거리로서 표현할 수 있다.
또한, 도 5는 상기 조건식에서 sag(rn)을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, sag(rn)은 rn의 수평 위치에서의 렌즈면과 렌즈 굴절면의 정점(vertex)(V) 간의 차, 즉 rn의 수평 위치에서의 렌즈면의 정점 대비 깊이를 나타낸다. 이러한, sag(rn) 정의를 이용하여, "Δ(rn:δ)=sag(rn+δ)-sag(rn)"라는 편심에 따른 렌즈면의 형상 변화를 나타내는 식을 정의할 수 있다.
상기 조건식은 렌즈의 편심(decenter: δ)에 따른 렌즈 굴절면의 형상변화로써 정의된 식으로, 편심(δ)의 크기가 0.003 ㎜인 경우 조건식의 값을 0.03보다 작게 함으로써, 렌즈 굴절면에서 렌즈 가공 과정에서 발생할 수 있는 편심에 의한 화질 변화의 민감도를 해소할 수 있다.
이하, 구체적인 수치 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.
이하의 실시예 1 및 2는 도 1에 도시된 것과 같은 렌즈의 형상을 가질 수 있으며, 특히 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1)와, 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2) 및 상기 조건식을 만족하는 양면을 갖는 제3 및 제4 렌즈(L3, L4)를 포함할 수 있다. 더하여, 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 개구 조리개(S)가 구비되고, 상기 제4 렌즈(L4)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등에 대응하는 광학적 필터(OF)가 구비되며, 또한, 상면(IP)은 CCD, CMOS 등의 이미지 센서에 해당한다.
또한, 이하의 각 실시예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어진다.
Figure 112010003911627-pat00003
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 광학계의 수치예를 나타내며, 표 2는 수학식 1에 의한 본 발명의 제1 실시예의 비구면 계수의 값을 나타낸다. 또한, 표 3은 본 발명의 제1 실시예에서 제3 렌즈 및 제4 렌즈의 각 굴절면에 적용된 조건식의 값을 주요 필드별로 정리한 것이다.
[표 1]
Figure 112010003911627-pat00004
상기 표 1에서 *은 비구면을 나타낸다.
[표 2]
Figure 112010003911627-pat00005
[표 3]
Figure 112010003911627-pat00006
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예는 각 주요필드에서 조건식 3을 만족하고 있음을 확인할 수 있다.
- 제2 실시예-
하기의 표 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내며, 표 5는 수학식 1에 의한 본 발명의 제2 실시예의 비구면 계수의 값을 나타낸다. 또한, 표 6은 본 발명의 제2 실시예에서 제3 렌즈 및 제4 렌즈의 각 굴절면에 적용된 조건식의 값을 주요 필드별로 정리한 것이다.
[표 4]
Figure 112010003911627-pat00007
상기 표 4에서 *은 비구면을 나타낸다.
[표 5]
Figure 112010003911627-pat00008

[표 6]
Figure 112010003911627-pat00009
상기 표 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예는 각 주요필드에서 조건식 3을 만족하고 있음을 확인할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 촬상 광학계의 성능을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 조건식을 적용하지 않은 통상적인 4 매 렌즈 구성의 촬상 광학계의 MTF 특성 및 민감도를 나타내며, 도 7은 전술한 본 발명의 제1 실시예(또는 제2 실시예)에 따른 촬상 광학계의 MTF 특성 및 민감도를 나타낸다. 도 6 및 도 7을 비교하면, 도 6의 (a) 및 도 7의 (b)에 도시된 것과 같이 공차가 반영되지 않은 명목성능(nomal MTF)에서는 큰 차이는 아니지만 약간의 성능 개선이 이루어짐을 확인할 수 있으며, 도 6의 (b) 및 도 7의 (b)에 도시된 것과 같이 공차가 반영되었을 때에는 0.0 필드 내지 0.8 필드의 영역에서 185 lp/mm 의 MTF가 0.2 보다 큰 조건을 만족활 확률은 약 20% 향상되는 것으로 나타난다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
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

Claims (3)

  1. 물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는 복수의 렌즈를 포함하는 촬상 광학계에 있어서,
    상기 상면에 가장 가까이 배치된 렌즈 및 상기 상면에 두번째로 가까이 배치된 렌즈는 편심(δ)의 크기가 0.003 ㎜인 경우 다음 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
    [조건식]
    Figure 112011066149855-pat00010

    (상기 조건식에서, r1, r2는 임의의 필드의 주변광선이 렌즈면을 통과하는 수평 위치, r3=(r1+r2)/2, Δ(rn:δ)=sag(rn+δ)-sag(rn), sag(rn): 렌즈면의 정점 대비 깊이)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는 물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는 제1 내지 제4 렌즈를 포함하며,
    상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈는 각각 정의 굴절력 및 음의 굴절력을 갖는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물체측에 가장 가까이 배치된 렌즈의 물체측 전방 또는 상면측 후방에 배치된 개구 조리개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
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