KR101676425B1

KR101676425B1 - 촬상 렌즈

Info

Publication number: KR101676425B1
Application number: KR1020160002237A
Authority: KR
Inventors: 권덕근
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2016-11-15
Also published as: KR20160010627A

Abstract

실시 예는 플레어 현상이 줄어들고 민감도가 감소하는 특성을 가지며 수차특성이 우수한 촬상 렌즈에 관한 것으로, 물체측으로부터 순서대로, 양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈; 음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈; 양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 양(+)의 굴절력을 갖는 제4렌즈; 및 음(-)의 굴절력을 갖는 제5렌즈를 포함하며, 상기 제1렌즈 및 상기 제3렌즈는 물체측면이 볼록하게 형성된다.

Description

촬상 렌즈{Imaging lens}

본 발명은 촬상 렌즈에 관한 것으로서, 특히 고해상도 이미지 센서를 이용하는 카메라 모듈에 적합하며 플레어 현상이 줄어들고 민감도가 감소하는 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.

종래 5매의 렌즈를 이용하여 고해상도의 촬상 렌즈를 구성하는 시도가 이루어진 바 있다. 5매의 렌즈는 각각 양(+)의 굴절력을 갖는 렌즈와 음(-)의 굴절력을 갖는 렌즈로 구성된다. 예를 들어, 물체측으로부터 순서대로 PNNPN(+--+-), PNPNN(+-+--) 또는 PPNPN(++-+-)의 구조로 촬상 렌즈를 구성하였다. 그런데, 위와 같은 구조의 촬상 모듈은 경우에 따라 만족스러운 광학 특성 혹은 수차 특성을 나타내지 못하고 있으며, 이에 새로운 파워 구조의 고해상도 촬상 렌즈가 요구되고 있다.

본 발명은 새로운 파워 구조를 갖는 촬상 렌즈를 제공하되, 플레어 현상이 줄어들고 민감도가 감소하는 특성을 가지며 수차특성이 우수한 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; 양(+)의 굴절력을 갖는 제4렌즈; 및 음(-)의 굴절력을 갖는 제5렌즈를 포함하며, 상기 제1렌즈 및 상기 제3렌즈는 물체측면이 볼록하게 형성된다.

본 실시예에 의한 촬상 렌즈는 제1렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈가 양(+)의 파워를 갖고, 제2렌즈 및 제5렌즈가 음(-)의 파워를 갖는 렌즈로 형성되는 것으로서 PNPPN의 파워구조인 촬상 렌즈를 제공한다.

또한, 제3렌즈는 물체측면이 볼록하게 형성되어, 수차특성이 우수하면서도 플레어 현상이 줄어들고 민감도가 감소하는 촬상 렌즈를 구현할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 의한 촬상 렌즈의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수차특성을 보인 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 코마수차를 보인 그래프이다.
도 4는 본 실시예에 의한 민감도 감소 특성을 보인 그래프이다.
도 5는 본 실시예에 의한 플레어 현상 감소 특성을 보인 도면이다.

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 발명의 카메라 렌즈 모듈은 물체측으로부터 순서대로 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 제5렌즈(50), 필터(60) 및 수광소자(70)가 배치된 구성을 갖는다.

피사체의 영상 정보에 해당하는 광은 상기 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 제5렌즈(50) 및 필터(60)를 통과하여 상기 수광소자(70)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. 제1렌즈(10)의 물체측면(S1)은 조리개의 역할을 할 수 있으며, 이 경우 본 실시예의 촬상 렌즈는 별도의 조리개를 필요로 하지 않는다. 제2렌즈(20)는 음(-)의 굴절력을 가지며, 물체측면(S3)이 볼록하게 형성된다.

제3렌즈(30), 제4렌즈(40) 및 제5렌즈(50)는 물체측면과 상측면이 모두 비구면으로 구성된다. 제3렌즈(30)와 제4렌즈(40)는 양(+)의 굴절력을 가지며, 제5렌즈(50)는 음(-)의 굴절력을 갖는다.

도시된 바와 같이, 제3렌즈(30)는 물체측면(S5)이 볼록하게 형성된 메니스커스(meniscus) 형태이다. 그리고, 제3렌즈(30)의 굴절력은 나머지 렌즈들의 굴절력보다 작게 형성된다. 제3렌즈(30)가 물체측면(S5)이 볼록하게 형성됨으로써, 화상이 번지는 플레어 현상이 줄어들고, 렌즈의 민감도가 감소하는 효과가 나타난다.

상기 제4렌즈(40)는 물체측면(S7)이 오목하게 형성된 메니스커스 형태이고, 제5렌즈(50)는 물체측면(S9)이 볼록하게 형성된 메니스커스 형태이다.

여기서, 제5렌즈(50)는 물체측면(S9)과 상측면(S10) 양면이 모두 변곡점을 갖는 비구면 형태이다. 도시된 바와 같이, 제5렌즈(50)의 상측면(S10)은 광축(Z0)을 중심으로 한 중심부에서 주변을 향함에 따라 상측으로 휘어지고, 다시 광축(Z0)에서 멀어지는 주변부에서 최외각 영역을 향함에 따라 물체측으로 휘어져 비구면 변곡점을 형성한다.

제5렌즈(50)에 형성된 비구면 변곡점은 수광소자(70)에 입사되는 주광선의 최대 사출각을 조정할 수 있다. 그리고, 제5렌즈(40)의 물체측면(S9)과 상측면(S10)에 형성된 비구면 변곡점은 주광선의 최대 사출각을 조정하여, 화면의 주변부가 어두워지는 현상(shading)을 방지한다.

상기 필터(60)는 적외선 필터, 커버 글래스 등의 광학적 필터 중 적어도 어느 하나의 필터이다. 필터(60)로서, 적외선 필터가 적용되는 경우, 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 수광소자(70)에 전달되지 않도록 차단한다. 또한, 적외선 필터는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출시킨다.

상기 수광소자(70)는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서이다.

상기 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 제5렌즈(50)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] 3 < L1R1 < 7

[조건식 2] L3R1 > 1

[조건식 3] L3R2 > 1

[조건식 4] 0.5 < f1/f < 1.5

[조건식 5] 0.5 < T/f < 1.5

[조건식 6] 1.6 < N2 < 1.7

[조건식 7] 1.5 < N1, N3, N4, N5 < 1.6

[조건식 8] 20 < V2 < 30

[조건식 9] 50 < V1, V3, V4, V5 < 60

여기서, L1R1 : 제1렌즈의 물체측면 반경

L3R1 : 제3렌즈의 물체측면 반경

L3R2 : 제3렌즈의 상측면 반경

f : 촬상 렌즈의 전체초점거리

f1 : 제1렌즈의 초점거리

T : 제1렌즈의 물체측면으로부터 결상면까지의 거리

N1~N5 : 제1렌즈~제5렌즈의 굴절률

V1~V5 : 제1렌즈~제5렌즈의 아베수

조건식 1은 제1렌즈(10)의 물체측면(S1) 곡률반경을 규정하고, 조건식 2와 3은 제3렌즈(30)의 양면 곡률반경을 규정한다. 곡률반경의 규정은 렌즈의 형상에 관한 조건이며, 코마수차 및 비점수차의 보정과 제작공차를 줄이기 위한 것이다.

조건식 4는 제1렌즈(10)의 굴절력을 규정한다. 제1렌즈(10)는 조건식 4에 의해 적절한 구면수차의 보정과 적절한 색수차를 갖는 굴절력을 갖는다. 조건식 5는 전체 광학계의 광축방향의 치수를 규정하는 것으로서, 초소형 렌즈에 대한 조건과 적절한 수차 보정에 대한 조건이다.

조건식 6과 7은 각 렌즈의 굴절률을 규정하며, 조건식 8과 9는 각 렌즈의 아베수를 규정한다. 각 렌즈의 굴절률과 아베수의 규정은 색수차를 양호하게 보정하기 위한 조건이다.

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	4.75
f1	4.04
f2	-4.55
f3	9.58
f4	3.13
f5	-3.23
f1/f	0.85
T	6.73
T/f	1.42
N1	1.533
V1	56.5
N2	1.62
V2	26
N3, N4, N5	1.533
V3, V4, V5	56.5
L1R1	5.60
L3R1	3.20
L3R2	8.00

상기 표 1은 상술한 조건식에 부합되는 실시예를 보여준다.

표 1을 참조하면, L1R1이 5.60으로서 조건식 1에 부합됨을 알 수 있고, L3R1이 3.20이고 L3R2가 8.00으로서 각각 조건식 2와 3에 부합됨을 알 수 있다. 또한, f1/f가 0.85로서 조건식 4에 부합됨을 알 수 있고, T/f가 1.42로서 조건식 5에 부합됨을 알 수 있다. 또한, 각 렌즈의 굴절률 N1~N5는 조건식 6과 7에 부합되고, 각 렌즈의 아베수 V1~V5는 조건식 8과 9에 부합됨을 알 수 있다.

면 번호	곡률반경(R)	두께 또는 거리(d)	굴절률(N)
1*	5.6	0.9	1.53
2*	-3.5	0.27
3*	9.4	0.40	1.61
4*	2.1	0.30
5*	3.2	0.55	1.53
6*	8.0	0.62
7*	-2.8	1.0	1.53
8*	-1.2	0.1
9*	3.4	0.78	1.53
10*	1.1	0.70
11	8	0.3	1.52
12	8	0.80
image	8	0.01

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	-0.278840E-01	-0.115063E-01	-0.314565E-02	0.436500 E-02	-0.364702E-02	0
2*	0	-0.691104E-02	-0.212701E-01	0.124050 E-01	-0.861190E-02	0.297906 E-02	0
3*	0	-0.193793E-01	0.103822 E-01	-0.133796E-02	-0.148393E-02	0.104056 E-02	0
4*	-4.310108	-0.198769E-01	0.309275 E-01	-0.153250E-01	0.316803 E-02	-0.164905E-04	0
5*	0	-0.508923E-01	0.134434 E-01	-0.118161E-02	0	0	0
6*	0	-0.184251E-01	0.197696 E-02	0.142627 E-03	0	0	0
7*	-8.536520	-0.287370E-01	0.202006 E-01	-0.841387E-02	0.244085 E-02	-0.357293E-03	0
8*	-1.771588	0.303330 E-01	-0.176527E-01	0.367535 E-02	0.161459 E-03	-0.760293E-04	0
9*	-53.45174	-0.127200E-02	-0.878231E-02	0.148096 E-02	-0.792305E-05	-0.165005E-04	0.915831 E-06
10*	-5.030395	-0.213867E-01	0.309764 E-02	-0.604438E-03	0.690919 E-04	-0.372236E-05	0.467587 E-07

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

도 4는 본 실시예에 의한 민감도 감소 특성을 보인 그래프이고, 도 5는 본 실시예에 의한 플레어 현상 감소 특성을 보인 도면이다. 도 4 및 5는 본 발명에서 제3렌즈(30)의 물체측면(S5)이 볼록하게 형성됨으로써 민감도가 감소하고 플레어 현상이 줄어드는 것을 보여주기 위해, 제3렌즈(30)의 물체측면(S5)이 오목하게 형성되는 경우와 볼록하게 형성되는 경우를 비교하여 예시하였다.

도 4a는 제3렌즈(30)의 물체측면(S5)이 오목한 경우의 렌즈 면에서의 공차 분석을 보여주며, 도 4b는 본 발명에 따라 제3렌즈(30)의 물체측면(S5)이 볼록한 경우의 렌즈 면에서의 공차 분석을 보여준다. 두 도면을 비교하면, 도 4a에서보다 도 4b에서 해상도(MTF;Modulation Transfer Function) 변화량이 적은 것을 알 수 있다. 즉, 제3렌즈(30)가 물체측면(S5)이 볼록한 메니스커스 형태를 가짐으로써, 제3렌즈(30)의 물체측면이 오목한 형태에 비해 민감도가 감소 됨을 알 수 있다.

도 5a는 제3렌즈(30)의 물체측면(S5)이 오목한 경우 이미지 센서에서의 광선 분포의 예를 보여주며, 도 5b는 본 발명에 따라 제3렌즈(30)의 물체측면(S5)이 볼록한 경우 이미지 센서에서의 광선 분포의 예를 보여준다. 두 도면을 비교하면, 도 5a에서보다 도 5b에서 광선 분포가 잘 분산되며, 이에 따라 본 발명과 같이 제3렌즈(30)의 물체측면이 볼록한 형태에서 피사체에 없는 상이 맺히는 고스트(ghost) 현상 혹은 플레어 현상이 크게 줄어드는 것을 알 수 있다.

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.

10 : 제1렌즈 20 : 제2렌즈
30 : 제3렌즈 40 : 제4렌즈
50 : 제5렌즈 60 : 필터
70 : 수광소자

Claims

물체측으로부터 순서대로,
양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈;
음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈;
양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈;
양(+)의 굴절력을 갖는 제4렌즈; 및
음(-)의 굴절력을 갖는 제5렌즈를 포함하며,
상기 제1렌즈 및 상기 제3렌즈는 물체측면이 볼록하게 형성되고,
상기 제3렌즈의 굴절력은 나머지 렌즈의 굴절력보다 작은 촬상 렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 제3렌즈, 제4렌즈 및 제5렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 비구면인 촬상 렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 제4렌즈는 물체측면이 오목하게 형성된 촬상 렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 제5렌즈는 물체측면과 상측면에 모두 변곡점을 갖는 촬상 렌즈.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3렌즈, 제4렌즈 및 제5렌즈는 메니스커스(meniscus) 형태의 렌즈인 촬상 렌즈.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제1렌즈의 물체측면 반경을 L1R1이라 할 때,
3 < L1R1 < 7
의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 제3렌즈의 물체측면 반경을 L3R1이라 할 때,
L3R1 > 1
의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항 또는 제 8항에 있어서,
상기 제3렌즈의 상측면 반경을 L3R2라 할 때,
L3R2 > 1
의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 촬상 렌즈의 전체초점거리를 f, 상기 제1렌즈의 초점거리를 f1이라 할 때,
0.5 < f1/f < 1.5
의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항 또는 제 10항에 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.
제 1항에 있어서,
상기 제2렌즈의 굴절력을 N2라 할 때,
1.6 < N2 < 1.7
의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항 또는 제 12항에 있어서,
상기 제1렌즈의 굴절력을 N1, 제3렌즈의 굴절력을 N3, 제4렌즈의 굴절력을 N4, 제5렌즈의 굴절력을 N5라 할 때,
1.5 < N1, N3, N4, N5 < 1.6
의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 제2렌즈의 아베수를 V2라 할 때,
20 < V2 < 30
의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항 또는 제 14항에 있어서,
상기 제1렌즈의 아베수를 V1, 제3렌즈의 아베수를 V3, 제4렌즈의 아베수를 V4, 제5렌즈의 아베수를 V5라 할 때,
50 < V1, V3, V4, V5 < 60의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1항에 있어서,
상기 제5렌즈는 물체측면으로 볼록하게 형성된 촬상 렌즈.
물체측으로부터 순서대로,
양(+)의 굴절력을 갖는 제1렌즈;
음(-)의 굴절력을 갖는 제2렌즈;
양(+)의 굴절력을 갖는 제3렌즈;
양(+)의 굴절력을 갖는 제4렌즈; 및
음(-)의 굴절력을 갖는 제5렌즈를 포함하며,
상기 제2렌즈 및 제3렌즈는 물체측면이 볼록하게 형성되고,
상기 제3렌즈의 굴절력은 나머지 렌즈의 굴절력보다 작은 촬상 렌즈.