KR101830765B1 - 초슬림 소형 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초슬림 소형 광학계를 개시한다. 본 발명에 따른 광학계는, 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 및 제3 렌즈군을 포함하고, 상기 제1 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제1 렌즈(L1)와 음의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(L2)를 포함하고 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 상기 제2 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(L3)를 포함하며, 상기 제3 렌즈군은 서로 반대되는 굴절력을 가지는 제4렌즈(L4)와 제5렌즈(L5)를 포함하며, TTL은 상기 제1 렌즈의 첫면부터 이미지센서까지의 거리, 2Y는 이미지센서에 맺히는 이미지의 직경, V4는 상기 제4 렌즈의 분산치, V5는 상기 제5 렌즈의 분산치, f4 를 상기 제4렌즈(L4)의 초점거리, f5를 상기 제5렌즈(L5)의 초점거리라고 할 때 다음의 조건식 0.3 < TTL / 2Y < 1.5, 20 < V5-V4 < 50, 및 -5 < f4 / f5 < 0 을 모두 만족한다.
본 발명에 따르면, 종래에 비해 광학계 전장을 획기적으로 줄이면서도 충분한 후초점거리를 확보할 수 있어 고화소 이미지센서에 대응하는 높은 해상도를 구현할 수 있다. 또한 형상자유도가 높은 비구면 플라스틱 렌즈를 주로 사용함으로써 광학계 경량화할 수 있고 양산성을 개선하여 제조단가를 낮출 수 있다.

Description

초슬림 소형 광학계{Super-slim small optical system}

본 발명은 스마트폰, 태블릿(tablet) PC, 웨어러블(wearable)기기 등의 스마트 기기(smart device)에 탑재되는 초슬림 소형 광학계에 관한 것이다.

최근 스마트폰 등 스마트 기기의 판매 경쟁이 치열해지면서 스마트기기의 슬림(slim)화 경향이 뚜렷해지고 있고, 이러한 추세로 인해 스마트기기에 장착되는 카메라모듈의 크기도 점차 소형화, 슬림화되고 있다.

그런데 스마트기기에서는 카메라모듈의 성능도 매우 중요한 사양으로 여겨지고 있으며, 이에 따라 최근의 카메라모듈은 소형화 요구는 물론이고 예를 들어 800만 이상의 고화소 이미지센서에 적용할 수 있는 고해상도 요구를 모두 충족시켜야 한다.

카메라모듈은 다수 렌즈를 포함하는 광학계와 광학계를 통해 입사된 빛을 전기적 신호로 변환하는 이미지센서로 이루어지므로, 카메라모듈의 소형화, 슬림화를 위해서는 이미지센서의 소형화와 광학계의 소형화가 동시에 이루어져야 한다.

그런데 반도체 기술의 발전으로 인해 CCD(Charged Coupled Device) 이미지센서, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서 등의 소형화, 고화소화는 상당한 수준으로 발전하였으나, 광학계의 경우에는 아직까지 스마트기기의 슬림화 속도를 따라가지 못하고 있다.

즉, 광학계를 소형화하기 위해서는 렌즈의 매수, 렌즈 크기, 전장(TTL) 등을 최대한 줄이면서도 고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현할 수 있어야 하는데, 종래의 광학계는 전장이 길어서 최근 출시되는 초슬림(예, 두께 6mm 미만) 스마트폰에는 적용하기 어려운 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1171517호(2012.08.06 공고)

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 광학 전장을 획기적으로 줄임으로써 최근의 초슬림 스마트기기에 적용할 수 있고 고화소 이미지센서에 대응하는 높은 해상도를 구현할 수 있는 초슬림 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 광학계를 경량화하고 생산비용을 절감하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 및 제3 렌즈군을 포함하고, 상기 제1 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제1 렌즈(L1)와 음의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(L2)를 포함하고 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 상기 제2 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(L3)를 포함하며, 상기 제3 렌즈군은 서로 반대되는 굴절력을 가지는 제4렌즈(L4)와 제5렌즈(L5)를 포함하며, TTL은 상기 제1 렌즈의 첫면부터 이미지센서까지의 거리, 2Y는 이미지센서에 맺히는 이미지의 직경, V4는 상기 제4 렌즈의 분산치, V5는 상기 제5 렌즈의 분산치, f4 는 상기 제4렌즈(L4)의 초점거리, f5는 상기 제5렌즈(L5)의 초점거리라고 할 때, 조건식 0.3 < TTL/2Y < 1.5, 20 < V5-V4 < 50, 및 -5 < f4/f5 < 0 을 모두 만족하는 초슬림 소형 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 초슬림 소형 광학계는, Φ1을 상기 제1렌즈군의 총 초점거리, Φ2 를 상기 제2렌즈군의 총 초점거리, f를 렌즈 전체의 총 초점거리라고 할 때, 조건식 0.6 < f/Φ1 < 1.0, 및 0 < f/Φ2 < 0.7 을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 초슬림 소형 광학계는, R4를 제2렌즈의 제2면 곡률반경, f4를 제4렌즈의 초점거리, R6을 제3렌즈의 제2면 곡률반경, CT3을 제3렌즈의 중심두께라고 할 때, 조건식 R4/f4 > 0 , 및 -40.0 < R6/CT3 < -5.0 을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 초슬림 소형 광학계에서, 상기 제1 렌즈(L1)은 양면 볼록렌즈이고, 상기 제2렌즈(L2)는 상측으로 오목한 볼록한 메니스커스 렌즈이며, 상기 제1렌즈(L1) 와 상기 제2렌즈(L2)의 4개 렌즈면은 모두 비구면이고, 상기 제4렌즈(L4) 또는 상기 제5렌즈(L5)는 적어도 하나의 변곡점을 가지는 비구면을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래에 비해 광학계 전장을 획기적으로 줄이면서도 충분한 후초점거리를 확보할 수 있어 고화소 이미지센서에 대응하는 높은 해상도를 구현할 수 있다. 또한 형상자유도가 높은 비구면 플라스틱 렌즈를 주로 사용함으로써 광학계 경량화할 수 있고 양산성을 개선하여 제조단가를 낮출 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 초슬림 광학계는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a에 공통적으로 나타낸 바와 같이, 물체측에서부터 상측으로 조리개, 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 제3 렌즈군의 순으로 배열되며, 각 렌즈군은 하나 이상의 렌즈를 포함한다.

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈군은 전체적으로 강한 양의 굴절력을 가지며, 물체측에서부터 양의 굴절력을 가진 제1 렌즈(L1)와, 음의 굴절력을 가진 제2 렌즈(L2)를 포함한다.

제1렌즈(L1)는 양면이 볼록한 렌즈이고, 제2렌즈(L2)는 상측으로 오목한 메니스커스 렌즈일 수 있다.

제1 렌즈군에서는 제1렌즈(L1) 및 제2 렌즈(L2)의 4개 렌즈면을 모두 비구면으로 구성하는 것이 바람직하며, 이렇게 하면 렌즈 밝기와 해상력을 높일 수 있다. 특히 본 발명의 실시예에서는 렌즈 밝기인 F넘버가 1.9 ~ 2.2 정도에 이르므로 종래에 비해 훨씬 밝은 초슬림 소형 광학계를 구현할 수 있다.

제2 렌즈군은 제1 렌즈군의 굴절력을 분담하기 위한 것으로서 제1 렌즈군에 비해 다소 약한 양의 굴절력을 갖는 제3렌즈(L3)를 포함한다. 제3렌즈(L3)는 상측으로 볼록한 메니스커스 렌즈일 수 있다.

제3 렌즈군은 이미지센서에 대한 입사각 조절, 수차보정 등을 통해 짧은 광학계 전장에서 고화소용 높은 해상도를 구현하는 역할을 하며, 서로 반대되는 굴절력을 갖는 제4렌즈(L4)와 제5렌즈(L5)를 포함한다. 예를 들어 제4렌즈(L4)는 음의 굴절력을 갖고, 제5렌즈(L5)는 양의 굴절력을 가질 수 있다.

제2 렌즈군 및 제3렌즈군의 모든 렌즈면은 비구면 또는 구면이 선택적으로 적용될 수 있으나, 짧은 전장에 고화소용 높은 해상도를 구현하고, 주변필드의 왜곡수차를 적게 하기 위해서는 제3 렌즈군의 제4렌즈(L4)와 제5렌즈(L5)의 렌즈면 중에서 적어도 하나는 하나 이상의 변곡점을 포함하는 비구면인 것이 바람직하다.

또한 제1 내지 제3 렌즈군의 모든 렌즈는 가공용이성, 형상자유도 등을 감안하여 플라스틱 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 초슬림 소형 광학계는 기본적으로 다음의 조건식 1을 만족한다.

< 조건식 1>

0.3 < TTL/2Y < 1.5

TTL: 제1 렌즈의 첫면부터 이미지센서까지의 거리.

2Y: 이미지센서에 맺히는 이미지의 직경.

만일 TTL/2Y 이 하한보다 작으면 고화소용의 높은 해상력을 구현하기 힘들고, TTL/2Y 이 상한보다 크면 전장이 너무 길어져 최근의 초슬림 스마트기기에 적용하기 어려워진다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 광학계의 제1렌즈군은 제2렌즈군에 비해 강한 양의 굴절력을 가지며, 이로 인해 초슬림 소형 시스템을 구현하는 것이 가능해지고 광학계의 전장이 짧아져도 후초점거리(마지막 렌즈면에서부터 이미지센서까지의 거리)의 여유를 충분히 확보할 수 있어 기구 구성이나 설계가 보다 용이해지는 이점이 있다.

구체적으로 제1 렌즈군의 굴절력과 제2 렌즈군의 굴절력은 각각 다음의 조건식2와 조건식 3을 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 2>

0.6 < f/Φ1 < 1.0

Φ1: 제1렌즈군의 총초점거리.

f: 렌즈 전체의 총초점거리.

만일 f / Φ1 이 상한을 초과하면 굴절력(power) 부담이 너무 커져서 수차 보정이 어려워지고, 하한보다 작으면 후초점거리를 충분히 확보하기 어려워서 광학계 구성이 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 3>

0 < f/Φ2 < 0.7

Φ2: 제2렌즈군의 총초점거리.

f: 렌즈 전체의 총초점거리.

만일 f/Φ2 이 상한을 초과하면 제2렌즈군의 굴절력이 너무 커져 왜곡수차와 색수차가 커지고, 하한보다 작으면 제1렌즈군과의 적절한 굴절력 분담이 이루어지지 않으므로 5매 렌즈만으로 초슬림 소형 광학계를 구성하기 힘들어지는 문제가 있다.

한편 제3 렌즈군의 제4렌즈(L4) 와 제5렌즈(L5)는 서로 반대되는 굴절력을 가짐으로써 이미지면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA)을 작게 하는 효과를 발휘하여 짧은 전장에 불구하고 높은 해상도를 구현할 수 있고 효과적인 수차보정이 가능하게 하는 역할을 한다.

이를 위해 제4렌즈(L4) 와 제5렌즈(L5)는 다음의 조건식 4와 조건식 5를 모두 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 4>

-5 < f4/f5 < 0

f4: 제4렌즈 (L4) 초점거리.

f5: 제5렌즈 (L5) 초점거리.

만일 f4/f5 가 상한을 초과하면 이미지센서면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA)과 충분한 후초점거리를 확보하기 어렵고, 하한보다 값이 작으면 짧은 전장을 구현하기 어렵기 때문에 최근의 초슬림 스마트기기에 적용할 수 있는 초슬림 광학계를 구현하기 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 5>

20 < V5-V4 < 50

V4: 제4 렌즈의 분산치.

V5: 제5 렌즈의 분산치.

V5-V4는 색수차 보정에 관한 것으로서, 위 범위를 벗어나면 색수차 보정이 어려워지므로 고화소 이미지센서에 적용할 정도의 높은 해상력을 구현하기 어려운 문제가 있다.

이 밖에도 본 발명의 실시예에 따른 초슬림 광학계는 다음의 조건식 6과 조건식 7을 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 6>

-40.0 < R6/CT3 < -5.0

R6: 제3렌즈의 제2면 곡률반경.

CT3: 제3렌즈의 중심두께,

만일 R6/CT3 이 상한을 초과하면 후초점거리를 충분히 확보하기 어려워지고, 하한보다 작으면 광학계의 짧은 전장을 구현하기 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 7>

R4/f4 > 0

R4: 제2렌즈의 제2면의 곡률반경.

f4: 제4렌즈의 초점거리.

만일 R4/f4 이 하한보다 작으면 굴절력(power) 부담이 너무 커져서 수차보정이 어려워지는 문제가 있다.

아래의 표 1은 전술한 렌즈의 구성과 상기 조건식 1 내지 7을 모두 만족하는 3가지 실시예의 설계 스펙을 나타낸 것이다.

위 표 1에 나타낸 3가지 실시예 데이터는 모두 이미지센서에 맺히는 이미지의 직경(2Y)이 1인 것으로 가정하여 산출한 데이터이다.

상기 표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예별 데이터는 다음과 같으며, 제1 내지 제3 실시예에 따른 초슬림 소형 광학계의 구성은 각각 도1a, 도 2a, 및 도 3a에 도시된 바와 같다.

다음의 각 실시예에서, Surface 넘버 2 내지 11은 각각 제1 렌즈(L1) 내지 제5렌즈(L5)의 각 렌즈면을 순서대로 나타낸 것이고, Y Radius는 렌즈의 곡률반경, Thickness 는 렌즈의 두께 또는 간격이고, Nd 는 렌즈 소재의 d-line(587.56nm)에서의 굴절율, Vd 는 렌즈의 아베수이다.

<제 1 실시예>

<제2 실시예>

<제3 실시예>

위 제1 내지 제3 실시예에 나타낸, A4,A6,A8,A10,A12,A14,A16,A18 은 각각 비구면 계수이고, K는 Conic 상수로서, 비구면 형상에 관한 아래의 관계식에 적용되는 계수이다.

여기서, Z는 렌즈의 정점부터 광축방향으로의 거리, h는 광축에 수직방향으로의 거리, C는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이다.

한편 도 1b, 도 2b, 및 도 3b는 각각 제1, 2, 3 실시예에 따른 초슬림 소형 광학계의 수차도를 나타낸 것으로서, 이를 통해 각 실시예에서 구면수차, 비점수차, 및 왜곡수차가 양호한 것을 확인할 수 있다.

특히 본 발명에 따르면 광학계 전장(TTL)을 4mm 대까지 줄이면서도 800만 화소 이상의 고화소에 대응하는 높은 해상도를 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

L1: 제1 렌즈 L2: 제2 렌즈
L3: 제3 렌즈 L4: 제 4렌즈
L5: 제 5렌즈 LF: 필터
STOP: 조리개

Claims (4)

1. 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈군, 제2 렌즈군, 및 제3 렌즈군을 포함하고,
   상기 제1 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제1 렌즈(L1)와 음의 굴절력을 가지는 제2 렌즈(L2)를 포함하고, 상기 제1 렌즈군은 전체적으로 양의 굴절력을 가지되 상기 제2 렌즈군보다 강한 양의 굴절력을 가지며,
   상기 제2 렌즈군은 양의 굴절력을 가지는 제3 렌즈(L3)를 포함하며,
   상기 제3 렌즈군은 음의 굴절력을 가지는 제4렌즈(L4)와 양의 굴절력을 가지는 제5렌즈(L5)를 포함하며,
   TTL은 상기 제1 렌즈의 첫면부터 이미지센서까지의 거리, 2Y는 이미지센서에 맺히는 이미지의 직경, V4는 상기 제4 렌즈의 분산치, V5는 상기 제5 렌즈의 분산치, f4 는 상기 제4렌즈(L4)의 초점거리, f5는 상기 제5렌즈(L5)의 초점거리, R4는 제2렌즈(L2)의 제2면 곡률반경, R6은 제3렌즈(L3)의 제2면 곡률반경, CT3은 제3렌즈(L3)의 중심두께라고 할 때, 다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 초슬림 소형 광학계
   0.3 < TTL / 2Y < 1.5
   20 < V5-V4 < 50
   -5 < f4 / f5 < 0
   R4/f4 > 0
   -40.0 < R6/CT3 < -5.0
2. 제1항에 있어서,
   Φ1은 상기 제1렌즈군의 총 초점거리, Φ2 는 상기 제2렌즈군의 총 초점거리, f는 렌즈 전체의 총 초점거리라고 할 때, 다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 초슬림 소형 광학계
   0.6 < f/Φ1 < 1.0
   0 < f/Φ2 < 0.7
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2렌즈(L2)는 상측으로 오목한 볼록한 메니스커스 렌즈이며,
   상기 제1렌즈(L1) 와 상기 제2렌즈(L2)의 4개 렌즈면은 모두 비구면이고, 상기 제4렌즈(L4) 또는 상기 제5렌즈(L5)는 적어도 하나의 변곡점을 가지는 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 초슬림 소형 광학계

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