KR101320270B1 - 촬상 광학계 - Google Patents

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KR101320270B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 물체측으로부터 순서대로,
양의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 제1 렌즈; 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈; 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈; 음의 굴절력을 갖고, 상측 면이 상측으로 볼록한 제4 렌즈 및 음의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 제5 렌즈;를 포함할 수 있다.

Description

촬상 광학계{Optical System}
본 발명은 촬상 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고해상도, 경량화 및 저비용의 요구를 만족하는 촬상 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신 단말기나 컴퓨터, 노트북 또는 차량 등에는 주변의 영상 정보를 보여주거나 촬영 등을 할 수 있도록 카메라가 장착되는데, 이동통신 단말기의 슬림화 경향이나 컴퓨터나 노트북 등의 소형화 경향에 따라 카메라도 소형 경량이면서도 높은 화질을 보유할 것이 요구되고 있다.
따라서, 광학계도 해상도 및 화상의 품질 등에서 고성능이 요구되기 때문에 광학계를 구성하는 렌즈의 구성이 복잡해지고 있으며, 이와 같이 구성적으로 또는 광학적으로 복잡해지는 경우에는 광학계 자체의 크기가 증가하여 소형화 및 박형화에 반한다는 문제점이 있다.
또한, 고해상도 요구가 커지면서 이미지 센서의 픽셀 사이즈 또한 점점 작아지고 있으므로 이에 대응하는 렌즈 시스템은 소형화 및 박형화가 요구될 뿐만 아니라 고해상도 및 우수한 광학성능 등이 충족되어야 한다.
따라서 소형화, 박형화 및 상기 광학적 성능을 동시에 구현할 수 있는 촬상 광학계에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 목적은 고해상도뿐만 아니라 소형화, 박형화 및 저비용의 요구를 만족시킬 수 있는 촬상 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 물체측으로부터 순서대로,
양의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 제1 렌즈; 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈; 음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈; 음의 굴절력을 갖고, 상측 면이 상측으로 볼록한 제4 렌즈 및 음의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 제5 렌즈;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 하기 조건식 1 내지 조건식 3 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
[조건식 1] TL / F < 1.5
[조건식 2] 0.4 < F1 / F < 1.2
[조건식 3] |V2-V3| > 25
(TL: 제1 렌즈의 물체측 면부터 상면까지의 거리, F: 전체 광학계의 초점거리, F1: 제1 렌즈의 초점거리, V2: 제2 렌즈의 아베수, V3: 제3 렌즈의 아베수)
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계는 상기 제1 렌즈의 물체측 전방에 배치되는 조리개를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계의 상기 제1 렌즈 내지 상기 제5 렌즈는 모두 비구면 렌즈일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 광학계의 상기 제1 렌즈 내지 상기 제5 렌즈는 모두 플라스틱 재질일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 촬상 광학계에 의하면, 광학계를 구성하는 렌즈 각각의 굴절면의 곡률반경을 조절하고 비구면을 사용함으로써 각종 수차를 최소화하고 고해상도 및 고선명도의 화상을 얻을 수 있으며, 5매의 플라스틱 렌즈를 사용함으로써 경량화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 제작이 용이하여 대량생산이 가능하고, 제조비용을 경감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도.
도 2는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 MTF 그래프.
도 3의 (a) 내지 (c)는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 제 수차도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도.
도 5는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 MTF 그래프.
도 6의 (a) 내지 (c)는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 제 수차도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도.
도 8는 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 MTF 그래프.
도 9의 (a) 내지 (c)는 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 제 수차도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시 예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 구성도이다.
이하의 렌즈 구성도에서 렌즈의 두께, 크기 및 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 렌즈 구성도에서 제시된 구면 또는 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 카메라 모듈은 적어도 하나의 렌즈, 내부에 소정의 공간이 형성되어 렌즈를 수용하는 하우징, 상기 렌즈에 의한 결상면에 대응하는 이미지 센서 및 상기 하우징의 타단에 고정 설치되며 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 촬상 광학계에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 촬상 광학계는, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4) 및 제5 렌즈(L5)를 포함할 수 있고, 선택적으로 광학적 필터(OF)와 조리개(AS)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 도 1에 도시된 IP는 상면(Image plane)을 나타낸다.
상기 제1 렌즈(L1) 내지 상기 제5 렌즈(L5)는 물체측으로부터 상면(IP) 전방까지 순서대로 배치될 수 있다. 이러한 렌즈 구성은 물체측으로부터 차례로 양, 양, 음, 음 및 음 의 굴절력을 갖는 렌즈를 배치하여 굴절력을 적절히 배분함으로써 소형화에 유리하다.
본 발명의 제1 실시예에서, 상기 제1 렌즈(L1) 내지 상기 제5 렌즈(L5)는 플라스틱 재질로 구현될 수 있다.
소형 카메라 모듈에 적용되는 소형 이미지 센서는 촬상면 사이즈가 작기 때문에 전계의 초점 거리를 비교적으로 짧게 하여야 하므로 각 렌즈의 곡률 반경이나 외경이 상당히 작아져 버린다.
따라서, 제작이 힘든 연마 가공에 의해 제조하는 글래스 렌즈와 비교하면, 모든 렌즈를 사출 성형에 의해 제조되는 플라스틱 렌즈로 구성함으로써, 곡률 반경이나 외경이 작은 렌즈라도 저렴하게 대량 생산이 가능해진다. 또한, 플라스틱 렌즈는 프레스 온도를 낮게 할 수 있으므로, 성형 금형의 마모를 억제할 수 있고, 그 결과 성형 금형의 교환 횟수나 유지 보수 횟수를 감소시켜 비용 절감을 도모할 수 있다.
상기 제1 렌즈(L1)는 상기 촬상 광학계에서 물체측에 가장 가깝게 배치될 수 있다.
상기 제1 렌즈(L1)는 양의 굴절력을 가질 수 있으며, 물체측 면(2)이 물체측으로 볼록한 형상일 수 있으며, 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)과 상측 면(3) 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다.
그러나 필요에 따라 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)과 상측 면(3) 모두가 비구면일 수 있다.
또한, 상기 제2 렌즈(L2)는 양의 굴절력을 가질 수 있으며, 상기 제1 렌즈(L1)와 마찬가지로 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.
상기 제2 렌즈(L2)의 물체측 면(4)은 오목 형상일 수 있고, 상측 면(5)은 상측으로 볼록한 형상일 수 있다. 아울러, 상기 제2 렌즈(L2)의 물체측 면(4)과 상측 면(5) 중 적어도 하나는 비구면일 수 있으며, 필요에 따라 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)과 상측 면(3) 모두가 비구면일 수 있다.
상기 제3 렌즈(L3)는 음의 굴절력을 가질 수 있으며, 상기 제4 렌즈(L4)는 음의 굴절력을 가질 수 있고, 상측 면(9)이 상측으로 볼록하게 형성될 수 있다.
또한, 가장 상측에 배치되는 상기 제5 렌즈(L5)는 음의 굴절력을 가질 수 있으며, 물체측 면(10)이 물체측으로 볼록한 형상이고, 상측 면(11)이 적어도 하나의 변곡점을 갖도록 형성함으로써, 상면(IP)으로 입사되는 광이 상면(IP)에 형성하는 입사각도를 감소시킴으로써 픽셀 사이즈가 작은 이미지 센서에서도 수차를 감소시킨 우수한 화질의 영상을 획득할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제1 렌즈(L1) 내지 상기 제5 렌즈(L5)는 적어도 한 면이 비구면을 갖도록 함으로써 렌즈의 해상력을 향상시킴과 동시에 왜곡수차 및 구면수차를 감소시킬 수 있으며 컴팩트하고 광학적 특성이 우수한 광학계를 구현할 수 있게 된다.
여기서, 상기 제5 렌즈(L5)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스등의 광학적 필터(OF)가 설치될 수 있으며, 이러한 광학적 필터(OF)는 원칙적으로 광학적 성능에 영향을 미치지 않는 것으로 본다.
또한, 상기 상면(IP)은 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal Oxide Semicondictor) 등의 촬상 소자의 결상면에 해당한다.
조리개(AS)는 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 배치될 수 있다.
상기 조리개(AS)는 상기 촬상 광학계로 입사되는 광량을 조절하여 이미지 센서의 해상도를 향상시킬 수 있다.
고해상도에 적용될수록 이미지 센서의 픽셀 사이즈는 더욱 감소하게 되어 더욱더 밝은 광학계(작은 F 넘버를 갖는 렌즈)가 요구되어 지는데, 상기 조리개(AS)가 물체측 전방에 위치함으로써 밝은 광학계를 제조하기에 용이한 장점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 조리개(AS)가 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 필요에 따라 상기 제1 렌즈(L1)와 상기 제2 렌즈(L2) 사이에 배치될 수 있다.
이와 같은 전체적인 구성 하에서 다음의 조건식 1 내지 조건식 3의 작용 및 효과에 대해 살펴본다.
[조건식 1]
TL / F < 1.5
상기 조건식 1은 전체 광학계의 길이에 대한 조건을 규정한다.
상기 조건식 1에서, 상기 TL 은 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(IP)까지의 광축상 거리를 나타내며, 상기 F는 전체 광학계의 초점거리를 나타낸다.
상기 조건식 1의 상한을 벗어나면 충분한 광학적 성능을 얻는 데에는 유리하지만, 전체 광학계의 길이가 너무 길어지게 되므로 소형화 요구를 만족시킬 수 없게 된다.
따라서, 조건식 1의 조건을 유지하여 광학계의 소형화를 유지할 수 있다.
[조건식 2]
0.4 < F1 / F < 1.2
상기 조건식 2는 제1 렌즈(L1)의 굴절력에 관한 조건을 규정한 것으로, 전체 광학계의 초점거리에 대한 제1 렌즈(L1)의 초점거리의 비를 나타낸다.
상기 조건식 2에서, 상기 F1은 상기 제1 렌즈(L1)의 초점거리를 나타내고, 상기 F는 전체 광학계의 초점거리를 나타낸다.
상기 조건식 2의 상한을 벗어나면 굴절력이 약해짐으로 말미암아 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)에서 출발한 광선이 광축과 만나는 위치가 멀어지게 되어 슬림한 광학계를 구현할 수 없게 되며, 환경에 따른 민감도 또한 증가하게 되고, 색수차가 증가하여 색수차 보정이 어려워지게 된다.
상기 조건식 2의 하한을 벗어나면 굴절력이 커져 종구면수차 보정이 어려워지게 되므로 화질의 저하를 초래하게 된다.
[조건식 3]
| V2 - V3 | > 25
상기 조건식 3은 상기 제2 렌즈(L2) 및 상기 제3 렌즈(L3)의 분산에 관련된 조건을 규정한 것으로, 상기 조건식 3에서 상기 V2는 상기 제2 렌즈(L2)의 아베수를 나타내고, 상기 V3는 상기 제3 렌즈(L3)의 아베수를 나타낸다.
상기 조건식 3의 범위를 벗어나는 경우 제 수차도, 즉 종구면수차, 비점수차 및 왜곡수차가 증가하게 되며, MTF 특성이 나빠질 수 있다.
이하에서는, 구체적인 수치를 적용함으로써 각 실시예에 따른 촬상 광학계에 관하여 구체적으로 살펴본다.
이하의 제1 실시예 내지 제3 실시예는 모두 전술한 바와 같이, 물체측으로부터 순서대로 양의 굴절력을 가지며 물체측 면(2)이 물체측으로 볼록한 형태의 제1 렌즈(L1)와, 양의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(L2)와, 음의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(L3)와, 음의 굴절력을 가지며 상측 면(9)이 상측으로 볼록한 형태의 제4 렌즈(L4) 및 음의 굴절력을 가지며 물체측 면(10)이 물체측으로 볼록한 형태의 제5 렌즈(L5)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 조리개(AS)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제5 렌즈(L5)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등에 대응하는 광학적 필터(OF)가 구비되고, 상기 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)에 사용되는 'e 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, e+01은 101 을, e-02는 10-2 을 나타낸다.
Figure 112011096458839-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 : 비구면 계수
또한, 이하의 각 실시 예의 MTF 그래프에서 MTF(Modulation transfer Funcrion)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 2로 정의되는 값이다.
Figure 112011096458839-pat00002
즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소하면 해상도가 떨어진다.
하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 2는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 MTF 그래프이다. 또한, 도 3의 (a) 내지 (c)는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타낸다.
제1 실시예의 경우, 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(IP)까지의 거리(TL)는 6.663 ㎜, 광학계의 유효초점거리(F)는 5.265 ㎜, 제1 렌즈(L1)의 초점거리(F1)는 4.010 ㎜이다.
또한, 상기 제1 렌즈(L1) 내지 상기 제5 렌즈(L5)는 플라스틱 재질로 제작되었으며, 모든 렌즈의 굴절면은 비구면으로 구현되었다.
Figure 112011096458839-pat00003
수학식 1에 의한 제1 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 2와 같다.
Figure 112011096458839-pat00004
하기의 표 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 5는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 MTF 그래프이다. 또한, 도 6의 (a) 내지 (c)는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타낸다.
제2 실시예의 경우, 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(IP)까지의 거리(TL)는 6.684 ㎜, 광학계의 유효초점거리(F)는 5.244 ㎜, 제1 렌즈(L1)의 초점거리(F1)은 4.070 ㎜이다.
또한, 상기 제1 렌즈(L1) 내지 상기 제5 렌즈(L5)는 플라스틱 재질로 제작되었으며, 모든 렌즈의 굴절면은 비구면으로 구현되었다.
Figure 112011096458839-pat00005
수학식 1에 의한 제2 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 4와 같다.
Figure 112011096458839-pat00006
하기의 표 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 8는 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 MTF 그래프이다. 또한, 도 9의 (a) 내지 (c)는 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 제 수차도를 나타낸다.
제3 실시예의 경우, 상기 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(IP)까지의 거리(TL)는 6.714 ㎜, 광학계의 유효초점거리(F)는 5.295 ㎜, 제1 렌즈(L1)의 초점거리(F1)은 4.059 ㎜이다.
또한, 상기 제1 렌즈(L1) 내지 제5 렌즈(L5)는 플라스틱 재질로 제작되었으며, 모든 렌즈의 굴절면은 비구면으로 구현되었다.
Figure 112011096458839-pat00007
수학식 1에 의한 제3 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 6과 같다.
Figure 112011096458839-pat00008
한편, 상기의 제1 내지 제3 실시예에 대한 조건식 1 내지 3의 값은 다음의 표 7과 같다.
제1 실시예 제2 실시예 제3 실시예
조건식 1 1.266 1.275 1.268
조건식 2 0.761 0.776 0.767
조건식 3 30.5 30.5 30.5
상기의 표 7에서와 같이 본 발명의 제1 내지 제3 실시예는 조건식 1 내지 3을 만족하고 있다는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
L1: 제1 렌즈 L2: 제2 렌즈
L3: 제3 렌즈 L4: 제4 렌즈
L5: 제5 렌즈 AS: 조리개
OF: 광학적 필터 IP: 상면
1: 조리개의 면번호 2 내지 13: 제1 내지 제5 렌즈의 면번호

Claims (5)

  1. 물체측으로부터 순서대로,
    양의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 제1 렌즈;
    양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈;
    음의 굴절력을 갖는 제3 렌즈;
    음의 굴절력을 갖고, 상측 면이 상측으로 볼록한 제4 렌즈 및
    음의 굴절력을 갖고, 물체측 면이 물체측으로 볼록한 제5 렌즈;를 포함하는 촬상 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    하기 조건식 1 내지 조건식 3 중 적어도 하나를 만족하는 촬상 광학계.
    [조건식 1] TL / F < 1.5
    [조건식 2] 0.4 < F1 / F < 1.2
    [조건식 3] |V2-V3| > 25
    (TL: 제1 렌즈의 물체측 면부터 상면까지의 거리, F: 전체 광학계의 초점거리, F1: 제1 렌즈의 초점거리, V2: 제2 렌즈의 아베수, V3: 제3 렌즈의 아베수)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 물체측 전방에 배치되는 조리개를 더 포함하는 촬상 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 상기 제5 렌즈는 모두 비구면 렌즈인 촬상 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 상기 제5 렌즈는 모두 플라스틱 재질인 촬상 광학계.
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