KR101586024B1

KR101586024B1 - 촬상 렌즈

Info

Publication number: KR101586024B1
Application number: KR1020090066391A
Authority: KR
Inventors: 이정열
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2016-01-15
Also published as: KR20110008850A

Abstract

고해상도 이미지 센서를 이용하는 카메라 모듈에 장착되는 초소형 촬상 렌즈에 관한 것이다. 상기 촬상 렌즈는 물체측으로부터 순서대로, 양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈; 음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈; 양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 및 음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하며, 상기 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 조리개가 위치한다.

렌즈, 촬상, 굴절력, 조리개, 필터, 이미지 센서, 비구면, 메니스커스

Description

촬상 렌즈{Imaging lens}

본 발명은 촬상 렌즈에 관한 것으로서, 특히 고해상도 이미지 센서를 이용하는 카메라 모듈에 장착되는 초소형 촬상 렌즈에 관한 것이다.

최근에 이미지 픽업 시스템(Image Pick-up System)과 관련하여 통신단말기용 카메라 모듈, 디지털 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 상을 결상하는 촬상 렌즈이다.

촬상 렌즈는 렌즈의 매수 및 렌즈의 형태, 초점거리, 굴절률, 아베수 등을 다양하게 설계하여 원하는 화각 및 해상도를 구현한다. 즉, 촬상 렌즈는 적용되는 대상체에 따라 다양하게 응용되고 있다. 촬상 렌즈를 원하는 바로 설계함에 있어 렌즈의 성능은 보다 안정적으로 유지되어야 한다.

본 발명은 렌즈 성능을 고도로 안정화시키고, 향상된 수차특성을 갖는 고해상도 초소형 촬상 렌즈를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 렌즈는 물체측으로부터 순서대로, 양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈; 음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈; 양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 및 음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하며, 상기 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 조리개가 위치한다.

4매의 렌즈 파워를 PNPN(+-+-)으로 배치하여 초소형의 고화소 렌즈 모듈을 제공할 수 있으며, 조리개를 제2렌즈의 앞쪽에 배치하여 왜곡 보정이 우수하고 렌즈 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 촬상 렌즈를 제공한다.

또한, 조리개의 위치를 [조건식 4]에서와 같이 제2렌즈의 앞쪽에 근접 배치함으로써, 고화소 렌즈 모듈에서 렌즈 성능을 더욱 안정적으로 유지하는 촬상 렌즈를 제공한다. 본 발명에서 제공되는 실시예는 수차특성이 매우 우수하고 양호한 수차 보정능력을 보여준다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 실시예에 의한 카메라 렌즈 모듈의 구성도로서, 광축(Z0)을 중심으로 하여 렌즈의 배치상태를 예시한 측면 구성도이다. 도 1의 구성도에서, 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 구면 또는 비구면 형상은 일 실시예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 카메라 렌즈 모듈은 물체측으로부터 순서대로 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 필터(50) 및 수광소자(60)가 배치된 구성을 갖는다.

피사체의 영상 정보에 해당하는 광은 상기 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40) 및 필터(50)를 통과하여 상기 수광소자(60)에 입사된다.

이하에서 각 렌즈의 구성을 설명함에 있어, "물체측면"이라 함은 광축을 기준으로 하여 물체측을 향하는 렌즈의 면을 의미하며, "상측면"이라 함은 광축을 기준으로 하여 촬상면을 향하는 렌즈의 면을 의미한다.

제1렌즈(10)는 양(+)의 굴절력을 가지며, 물체측면(S1)이 볼록하게 형성된다. 제2렌즈(20)는 음(-)의 굴절력을 가지며, 물체측면(S4)과 상측면(S5)이 모두 오목하게 형성된다. 그리고, 제1렌즈(10)와 제2렌즈(20) 사이에는 조리개(STOP)가 위치한다. 바람직하게는, 조리개(STOP)는 제1렌즈(10)의 상측면(S2)에 비해 제2렌즈(20)의 물체측면(S4)에 가까이 위치한다.

도시된 실시예에서 제2렌즈(20)의 물체측면(S4)은 매우 높은 굴절률로 오목하게 형성된다. 그리고, 조리개(STOP)의 위치가 후술되는 조건식 및 실시예에 의해 제2렌즈(20)의 물체측면(S4)에 근접하여 배치된다. 이와 같은 구성에 의하면, 왜곡 보정이 우수한 동시에 렌즈 성능을 매우 안정적으로 유지할 수 있다.

제3렌즈(30)는 양(+)의 굴절력을 가지며, 물체측면(S6)이 오목한 메니스커스(meniscus) 형태의 렌즈이다. 제4렌즈(40)는 음(-)의 굴절력을 가지며, 물체측면(S8)이 볼록한 메니스커스 형태의 렌즈이다.

여기서, 제4렌즈(40)는 양면이 모두 변곡점을 갖는 비구면 형태이다. 도시된 바와 같이, 제4렌즈(40)의 상측면(S9)은 광축(Z0)을 중심으로 한 중심부에서 주변을 향함에 따라 상측으로 휘어지고, 다시 광축(Z0)에서 멀어지는 주변부에서 최외 각 영역을 향함에 따라 물체측으로 휘어져 비구면 변곡점을 형성한다.

제4렌즈(40)에 형성된 비구면 변곡점은 수광소자(60)에 입사되는 주광선의 최대 사출각을 조정할 수 있다. 그리고, 제4렌즈(40)의 물체측면(S8)과 상측면(S9)에 형성된 비구면 변곡점은 주광선의 최대 사출각을 조정하여, 화면의 주변부가 어두워지는 현상(shading)을 방지한다.

상기 필터(50)는 적외선 필터, 커버 글래스 등의 광학적 필터 중 적어도 어느 하나의 필터이다. 필터(50)로서, 적외선 필터가 적용되는 경우, 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 수광소자(60)에 전달되지 않도록 차단한다. 또한, 적외선 필터는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출시킨다.

상기 수광소자(60)는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서이다.

상기 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40)는 후술하는 실시예에서와 같이 비구면 렌즈를 사용함으로써, 렌즈의 해상력을 향상시키고 수차특성이 우수한 장점을 취할 수 있다.

이하에서 설명되는 조건식 및 실시예는 작용효과를 상승시키는 바람직한 실시예로서, 본 발명은 반드시 이하의 조건들로 구성되어야 하는 것이 아님은 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 이하에서 설명되는 조건식들 중 일부의 조건식들만을 만족하는 것으로도 본 발명의 렌즈 구성은 상승된 작용효과를 가질 수 있을 것이다.

[조건식 1] 0.5 < f1/f < 1.5

[조건식 2] -1.5 < f2/f < -0.5

[조건식 3] 0.5 < ∑T/f < 1.5

[조건식 4] 2 < d2/d3 < 8

[조건식 5] 0.2 < bf/f < 0.5

여기서, f : 촬상 렌즈의 전체초점거리

f1 : 제1렌즈의 초점거리

f2 : 제2렌즈의 초점거리

∑T : 제1렌즈의 물체측면으로부터 결상면까지의 거리

d2 : 제1렌즈의 상측면으로부터 상기 조리개까지

d3 : 조리개로부터 상기 제2렌즈의 물체측면까지의 거리

bf : 제4렌즈의 상측면으로부터 결상면까지의 거리

조건식 1과 2는 제1렌즈(10)의 굴절력과 제2렌즈(20)의 굴절력을 규정한다. 제1렌즈(10)와 제2렌즈(20)는 조건식 1과 2에 의해 적절한 구면수차의 보정과 적절한 색수차를 갖는 굴절력을 갖는다. 조건식 3은 전체 광학계의 광축방향의 치수를 규정하는 것으로서, 초소형 렌즈에 대한 조건과 적절한 수차 보정에 대한 조건이다.

조건식 4와 조건식 5는 조리개의 위치(S3)를 규정한다. 조건식 4를 참조하면, 조리개(STOP)는 기본적으로 제1렌즈(10)의 상측면(S2)에 비해 제2렌즈(20)의 물체측면(S4)에 2배 이상 가까이 위치한다. 조건식 4와 5를 만족하는 한도 내에서, 조리개(STOP)의 위치(S3)가 제2렌즈(20)에 가까울수록, 또는, 조리개(STOP)가 광학 계의 중심부에 가까울수록 렌즈 성능이 보다 안정적으로 구현된다.

이하, 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명의 작용효과를 살펴본다. 이하의 실시예에서 언급되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수 k 및 비구면 계수 A, B, C, D, E, F에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어 E+01은 10¹을, E-02는 10^-2를 나타낸다.

여기서, z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리

c : 렌즈의 기본 곡률

Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리

K : 코닉(Conic) 상수

A, B, C, D, E, F : 비구면 계수

[실시예]

	실시예
f	4.35
f1	3.2505
f2	-5.4244
f3	1.8347
f4	-2.0780
f1/f	0.747
∑T	5.5
∑T/f	1.26
d2	0.15
d3	0.02
d2/d3	7.5
Bf	1.89

상기 표 1은 상술한 조건식에 부합되는 실시예를 보여준다.

표 1을 참조하면, f1/f가 0.747로서 조건식 1에 부합됨을 알 수 있고, f2/f가 -1.247로서 조건식 2에 부합됨을 알 수 있고, ∑T/f가 1.26으로서 조건식 3에 부합됨을 알 수 있고, d2/d3가 7.5로서 조건식 4에 부합됨을 알 수 있고, Bf/f가 0.4345로서 조건식 5에 부합됨을 알 수 있다. 특히, 위 실시예에서 조리개(STOP)의 위치(S3)가 제2렌즈(20)의 물체측면(S4)에 매우 근접됨은 물론, 전체 광학계에서 중심부에 가까운 위치에 위치함을 알 수 있다. 이는 본 실시예의 촬상 렌즈가 렌즈 성능이 매우 안정적임을 의미한다.

면 번호	곡률반경(R)	두께 또는 거리(d)	굴절률(N)
1*	1.57	0.7	1.53
2*	14.55	0.15
3 stop	∞	0.02
4*	-55.55	0.35	1.61
5*	3.55	0.75
6*	-2.34	1.04	1.53
7*	-0.79	0.15
8*	36.32	0.4	1.53
9*	1.06	0.77
10	∞	0.3	1.53
11	∞	0.77
image	∞	0.06

상기 표 2에서 면 번호 옆에 병기된 *는 비구면을 나타낸다.

표 2의 실시예는 표 1의 실시예에 비해 보다 구체적인 실시예를 보여준다.

그리고, 표 2의 실시예에서 각 렌즈의 비구면 계수의 값은 다음의 표 3과 같다.

면 번호	k	A	B	C	D	E	F
1*	-0.125800	0.022432	-0.012502	0.09321	-0.141405	0.127804	-0.04126
2*	0	0.0404864	-0.006306	0.020487	-0.046358	0	0
4*	0	0.0302448	-0.0102585	-0.300037	0.7649432	-0.853334	0.025356
5*	4.234675	0.0573070	-0.0362689	0.074805	-0.190018	0.151944	0.027700
6*	2.614519	-0.0119960	-0.0399270	-0.010109	0.0609055	-0.008665	-0.004902
7*	-3.716436	-0.2009983	0.1283497	-0.088193	0.0183575	0.011293	-0.003772
8*	-8.39785241E+017	-0.0602964	-0.0184367	0.0300750	-0.0110296	0.0017842	-0.000111
9*	-8.986216	-0.08309047	0.0238778	-0.0052735	0.00067512	-2.816517E-05	-1.531881E-06

도 2는 위 실시예에 따른 수차도를 도시한 그래프로서, 좌측에서부터 순서대로 구면수차(longitudinal spherical aberration), 비점수차(astigmatic field curves), 왜곡수차(distortion)를 측정한 그래프이다.

도 2에서 Y축은 이미지의 크기를 의미하고, X측은 초점거리(mm 단위) 및 왜곡도(% 단위)를 의미한다. 도 2에서는 곡선들이 Y축에 접근될수록 수차 보정기능이 좋은 것으로 해석된다. 도시된 수차도에서는 거의 모든 필드에서 상들의 값이 Y축에 인접하게 나타나므로, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차가 모두 우수한 수치를 보여주고 있다.

도 3은 코마수차(Coma aberration)를 측정한 그래프로서, 도 3의 (a)와 (b)는 상면의 높이(field hight)에 따라 각 파장의 탄젠셜(tangential) 수차와 새저틀(sagittal) 수차를 측정한 그래프이다. 도 3에서는 실험 결과를 보여주는 그래프가 양의 축과 음의 축에서 각각 X축에 근접할수록 코마수차 보정기능이 좋은 것으로 해석된다. 도 3의 측정예들은 거의 모든 필드에서 상들의 값이 X축에 인접하게 나타나므로, 모두 우수한 코마수차 보정 기능을 보여주는 것으로 해석된다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 실시예에 의한 촬상 렌즈의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수차특성을 보인 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코마수차를 보인 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 제1렌즈 20 : 제2렌즈

30 : 제3렌즈 40 : 제4렌즈

50 : 필터 60 : 수광소자

Claims

물체측으로부터 순서대로,

양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈;

음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈;

양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 및

음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하며,

상기 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 조리개가 위치하며, 상기 조리개는 상기 제1렌즈의 상측면에 비해 상기 제2렌즈의 물체측면에 가까이 위치한 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제2렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 오목하게 형성된 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제3렌즈는 물체측면이 오목하게 형성된 메니스커스(meniscus) 형태인 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제4렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 변곡점을 갖는 비구면 형태인 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 촬상 렌즈의 전체초점거리를 f, 상기 제1렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제2렌즈의 초점거리를 f2라 할 때,

0.5 < f1/f < 1.5

-1.5 < f2/f < -0.5

의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 촬상 렌즈의 전체 초점거리를 f, 상기 제1렌즈의 물체측면으로부터 결상면까지의 거리를 ∑T라 할 때,

0.5 < ∑T/f < 1.5

의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 제1렌즈의 상측면으로부터 상기 조리개까지의 거리를 d2, 상기 조리개로부터 상기 제2렌즈의 물체측면까지의 거리를 d3라 할 때,

2 < d2/d3 < 8

의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제4렌즈의 상측면으로부터 결상면까지의 거리를 bf, 상기 촬상 렌즈의 전체 초점거리를 f라 할 때,

0.2 < bf/f < 0.5

의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
물체측으로부터 순서대로,

양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈;

음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈;

양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 및

음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하며,

상기 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 조리개가 위치하며,

상기 촬상 렌즈의 전체초점거리를 f, 상기 제1렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제2렌즈의 초점거리를 f2라 할 때,

0.5 < f1/f < 1.5

-1.5 < f2/f < -0.5

의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 10 항에 있어서,

상기 촬상 렌즈의 전체 초점거리를 f, 상기 제1렌즈의 물체측면으로부터 결상면까지의 거리를 ∑T라 할 때,

0.5 < ∑T/f < 1.5

의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
물체측으로부터 순서대로,

양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈;

음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈;

양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 및

음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하며,

상기 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 조리개가 위치하며,

상기 제1렌즈의 상측면으로부터 상기 조리개까지의 거리를 d2, 상기 조리개로부터 상기 제2렌즈의 물체측면까지의 거리를 d3라 할 때,

2 < d2/d3 < 8

의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.