KR102048002B1 - 텔레센트릭 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계는 물체(object)측으로부터 상측(image)으로 광축을 따라 순차적으로 배열되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 초점 거리는 전체 초점 거리보다 작다.

Description

텔레센트릭 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈{TELECENTRIC OPTICAL SYSTEM AND CAMERA MODULE FOR COMPRISING THE SAME}

본 발명은 카메라 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 텔레센트릭 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈에 관한 것이다.

텔레센트릭 광학계(telecentric optical system)는 입사동과 출사동 중 어느 하나가 무한원에 있는 광학계를 의미한다. 텔레센트릭 광학계는 물체면 또는 상면에 오차가 있더라도 촬영되는 상의 크기의 오차를 작게할 수 있고, 먼 거리를 촬영할 수 있어, 윤곽 투영기나 물체의 치수 측정기 등에 사용될 수 있다.

텔레센트릭 광학계를 구현하기 위하여, 줌렌즈를 사용하거나, 초점 거리가 길고 시스템의 전장이 긴 구조를 채택하고 있다. 이러한 경우, 광학계의 치수가 커져 소형으로 구현하기가 어려워지며, 화각이 작아지는 문제가 있다.

한편, 모바일 기술의 발전에 따라, 모바일용 카메라에서도 텔레센트릭 성능이 요구되고 있다. 일반적인 모바일용 광학계는 CRA(Chief Ray Angle)가 25 내지 30°로 텔레센트릭 성능을 얻기 어려운 구조이다.

따라서, 광각 및 텔레센트릭을 동시에 만족시키면서도 소형으로 구현할 수 있는 텔레센트릭 광학계가 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 텔레센트릭 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계는 물체(object)측으로부터 상측(image)으로 광축을 따라 순차적으로 배열되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 초점 거리는 전체 초점 거리보다 작다.

상기 제3 렌즈와 상기 제4 렌즈 간의 거리는 상기 제4 렌즈의 유효경보다 크게 설정될 수 있다.

CRA(Chief Ray Angle)는 10° 이하이고, FOV(Field of View)는 65° 이상일 수 있다.

상측의 0.5F에 도달하는 CRA에 대한 상측의 1.0F에 도달하는 CRA의 비는 2 이하일 수 있다.

상측의 0.0F에 도달하는 광량에 대한 상측의 1.0F에 도달하는 광량의 비는 0.8 내지 1일 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 모듈은 인쇄회로기판, 상기 인쇄회로기판 상에 장착되는 이미지 센서, 상기 이미지 센서 상에 형성되는 필터, 그리고 상기 필터 상에 형성되며, 물체(object)측으로부터 상측(image)으로 순차적으로 위치하는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 초점 거리는 전체 초점 거리보다 작은 텔레센트릭 광학계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 광각 및 텔레센트릭 성능을 동시에 만족시키는 텔레센트릭 광학계를 얻을 수 있다. 또한, 줌렌즈를 사용하지 않고도 텔레센트릭 성능을 얻을 수 있어, 텔레센트릭 광학계를 소형으로 구현할 수 있다. 이에 따라, 모바일 기기에도 텔레센트릭 기능을 포함하는 카메라 모듈을 적용할 수 있다. 또한, 상면의 주변부의 밝기를 중심부의 밝기와 유사한 수준으로 얻을 수 있다. 또한, 높은 광학 성능을 얻을 수 있다.

도 1은 모바일용 카메라 모듈의 일 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 카메라 모듈을 나타낸다.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계의 성능을 나타내는 MTF(Modulation Transfer Function) 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

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. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 모바일용 카메라 모듈의 일 예를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 모바일용 카메라 모듈(100)은 물체측(object side)으로부터 상측(image side)으로 광축을 따라 순차적으로 배열된 렌즈(110), 렌즈(120), 렌즈(130), 렌즈(140), 필터(150) 및 이미지 센서(160)를 포함한다.

물체(object)의 영상 정보에 해당하는 광은 렌즈(110), 렌즈(120), 렌즈(130), 렌즈(140) 및 필터(150)를 통과하여 이미지 센서(160)에 입사된다.

모바일용 광학계는 4매의 렌즈를 포함하고 있어, 소형의 모바일용 광학계를 구현할 수 있다.

다만, 이러한 구조에서는 CRA(Chief Ray Angle)가 25 내지 30°이므로, 텔레센트릭 성능을 얻기 어렵다.

CRA는 상면에 도달하는 빛의 각도를 나타낸다. CRA가 0°에 가까울수록 빛이 상면에 평행하게 도달하는 것을 의미하므로, 텔레센트릭 성능이 높아지게 된다. 일반적으로 CRA가 10° 이하이면, 텔레센트릭 성능이 양호한 광학계인 것으로 평가된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 모바일용 광학계로부터 렌즈의 종류, 초점 거리 등을 조절하여 소형의 텔레센트릭 광학계를 얻고자 한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계를 포함하는 카메라 모듈을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 카메라 모듈은(200)은 텔레센트릭 광학계(210), 필터(220), 이미지 센서(230) 및 인쇄회로기판(미도시)을 포함한다.

인쇄회로기판 상에 이미지 센서(230)가 장착되며, 이미지 센서(230) 상에 필터(220)가 형성되며, 필터(220) 상에 텔레센트릭 광학계(210)가 형성된다.

이미지 센서(230)는 와이어(wire)에 의하여 인쇄회로기판과 연결될 수 있다. 이미지 센서(230)는, 예를 들면 CCD(Charge-Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 센서일 수 있다.

필터(220)는 IR(Infrared) 필터일 수 있다. 필터(220)는 카메라 모듈(200) 내에 입사되는 광으로부터 근적외선, 예를 들면 파장이 700nm 내지 1100nm인 빛을 차단할 수 있다.

필터(220) 및 텔레센트릭 광학계(210)는 렌즈 홀더(미도시) 내에 내장되며, 지지될 수 있다.

텔레센트릭 광학계(210)는 물체(object) 측으로부터 상(image)측으로 광축(X)을 따라 순차적으로 배열되는 렌즈(212), 렌즈(214), 렌즈(216) 및 렌즈(218)를 포함한다. 설명의 편의상, 렌즈(212)는 제1 렌즈(212), 렌즈(214)는 제2 렌즈(214), 렌즈(216)는 제3 렌즈(216), 렌즈(218)은 제 4렌즈(218)와 혼용될 수 있다.

여기서, 제1 렌즈(212)는 음(-)의 굴절력을 가지며, 제1 렌즈의 초점 거리(f1)은 텔레센트릭 광학계(210)의 전체 초점 거리(f)보다 작게 설정된다.

제1 렌즈의 초점 거리(f1)를 전체 초점 거리(f) 보다 작게 설정하면, 상면에 무한대의 상점이 맺히는 텔레센트릭 성능을 구현할 수 있다. 또한, 제1 렌즈(212)가 음(-)의 굴절력을 가지도록 설정하면, 화각이 넓어지므로, 기존의 텔레센트릭 광학계에서 화각이 작아지는 문제를 해결할 수 있다.

한편, 제3 렌즈(216)와 제4 렌즈(218) 간의 거리(D3_4)는 제4 렌즈(218)의 유효경(L4)의 크기보다 크게 설정될 수 있다. 이에 따라, 빛이 상면에 거의 평행하게 도달하며, CRA가 최소화되어, 텔레센트릭 성능을 높일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계는, CRA가 10° 이하, 바람직하게는 2° 이하이고, FOV(Field of View)는 65° 이상이다.

이에 따라, 줌렌즈를 사용하지 않고도 텔레센트릭 성능과 광각 성능을 동시에 만족시키는 소형의 텔레센트릭 광학계를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계는, 상측의 0.5F(field), 즉 상측의 중심부와 주변부 사이에 도달하는 CRA에 대하여 상측의 1.0F, 즉 상측의 주변부에 도달하는 CRA의 비가 2 이하이다. 그리고, 상측의 0.0F, 즉 상측의 중심부에 도달하는 상하광선 간의 각도(θ1)에 대하여 상측의 1.0F에 도달하는 상하광선 간의 각도(θ2)의 비는 0.8 내지 1이다.

이에 따라, 상측의 주변부 및 중심부에 도달하는 광량의 차가 크지 않아, 주변부에서도 선명한 이미지를 얻을 수 있다.

표 1은 일반적인 모바일용 광학계와 본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계의 성능 차를 비교한 표이다.

성능	도 1의 광학계	도 2의 광학계
CRA	25 내지 30°	10° 이하
FOV	65° 이상	65° 이상
θ2/ θ1	약 0.5	0.8 내지 1

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 텔레센트릭 성능과 광각 성능을 동시에 만족시키고, 주변부에서도 선명한 이미지를 얻을 수 있으며, 소형으로 구현이 가능한 텔레센트릭 광학계를 얻을 수 있다.

표 2는 본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계에 대하여 필드 별 광량을 시뮬레이션한 결과이고, 표 3은 필드 별 CRA를 시뮬레이션한 결과이다. 여기서, 필드(field)는 상의 중심부를 0.0F로 설정하고, 상의 주변부를 1.0F로 설정하여 상대적으로 나타낸 값이다. 그리고, 필드 별 광량은 상의 주변부의 광량을 100으로 두었을 때의 상대적인 값이다.

Field	상대 광량
0.00	100.0
0.19	98.8
0.29	97.4
0.39	95.4
0.48	93.0
0.58	90.4
0.68	87.9
0.77	86.0
0.87	85.6
0.97	85.3
1.00	84.2

Field	CRA
0.00	0.00000
0.2	0.93434
0.3	1.34573
0.4	1.68588
0.5	1.92058
0.6	2.00002
0.7	1.84694
0.8	1.34214
0.9	0.32048
1.0	1.99974

표 2를 참조하면, 중심부의 광량에 대한 주변부의 광량의 비는 0.8 내지 1임을 알 수 있다. 표 3을 참조하면, 상면에서의 CRA는 2°이하임을 알 수 있다.

도 3 및 4는 본 발명의 실시예에 따른 텔레센트릭 광학계의 성능을 나타내는 MTF(Modulation Transfer Function) 그래프이다. 도 3은 상면의 0.0F 내지 0.5F 사이의 MTF 데이터를 나타내고, 도 4는 상면의 0.6F 내지 1.0F 사이의 MTF 데이터를 나타낸다.

도 3 및 4를 참조하면, 중심부(0.0F 내지 0.5F)에서 주변부(0.6F 내지 1.0F)로 갈수록, MTF가 낮아짐을 알 수 있다. 다만, 바퀴살형 패턴(sagital, 점선) 및 원형 패턴(tangential, 실선) 모두 100lp/mm에서도 최소 40%의 modulation을 유지할 수 있으며, 140lp/mm에서 최소 20%의 modulation을 유지할 수 있음을 알 수 있다.

이로부터 100lp/mm에서 20%의 modulation을 가지는 일반적인 모바일용 광학계에 비하여 높은 광학 성능을 가짐을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

200: 카메라 모듈
210: 텔레센트릭 광학계
220: 필터
230: 이미지 센서

Claims (7)

1. 물체(object)측으로부터 상측(image)으로 광축을 따라 순차적으로 배열되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며,
   상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 초점 거리는 전체 초점 거리보다 작고,
   상기 상측의 0.5F에 도달하는 CRA에 대한 상기 상측의 1.0F에 도달하는 CRA의 비는 2 이하인 텔레센트릭 광학계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제3 렌즈와 상기 제4 렌즈 간의 거리는 상기 제4 렌즈의 유효경보다 크게 설정되는 텔레센트릭 광학계.
3. 제1항에 있어서,
   CRA(Chief Ray Angle)는 10° 이하이고, FOV(Field of View)는 65° 이상인 텔레센트릭 광학계.
4. 삭제
5. 물체(object)측으로부터 상측(image)으로 광축을 따라 순차적으로 배열되는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며,
   상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 초점 거리는 전체 초점 거리보다 작고,
   상기 상측의 0.0F에 도달하는 광량에 대한 상기 상측의 1.0F에 도달하는 광량의 비는 0.8 내지 1인 텔레센트릭 광학계.
6. 인쇄회로기판,
   상기 인쇄회로기판 상에 장착되는 이미지 센서,
   상기 이미지 센서 상에 형성되는 필터, 그리고
   상기 필터 상에 형성되며, 물체(object)측으로부터 상측(image)으로 순차적으로 위치하는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 초점 거리는 전체 초점 거리보다 작고, 상기 상측의 0.5F에 도달하는 CRA에 대한 상기 상측의 1.0F에 도달하는 CRA의 비는 2 이하인 텔레센트릭 광학계
   를 포함하는 카메라 모듈.
7. 인쇄회로기판,
   상기 인쇄회로기판 상에 장착되는 이미지 센서,
   상기 이미지 센서 상에 형성되는 필터, 그리고
   상기 필터 상에 형성되며, 물체(object)측으로부터 상측(image)으로 순차적으로 위치하는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 초점 거리는 전체 초점 거리보다 작고, 상기 상측의 0.0F에 도달하는 광량에 대한 상기 상측의 1.0F에 도달하는 광량의 비는 0.8 내지 1인 텔레센트릭 광학계
   를 포함하는 카메라 모듈.

Images