KR102174471B1 - 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템 - Google Patents

스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 설계를 용이하게 할 수 있는 효과가 있는 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템에 관한 것으로, 물체(10) 측으로부터 나오는 광선들을 수용하는 전방 렌즈부(100), 상기 전방 렌즈부(100)의 후방에 위치하여 후방으로 전달되는 광량을 조절하는 조리개(200), 상기 조리개(200)의 후방에 위치해, 전달되는 광선을 굴절시키는 스마트폰 카메라가 위치한 후방 렌즈부(300) 및 상기 물체에 대응되는 상이 형성되는 이미지 센서(400)를 포함하되, 상기 조리개(200)의 직경은 아래 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112019025177152-pat00064

(여기서 D는 상기 조리개(200)의 직경, f는 상기 전방 렌즈부(100)의 초점거리, -w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 하방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도, w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 상방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도)

Description

스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템{Telecentric lens system for smartphone}
본 발명은 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템에 관한 것이다.
현대산업은 기술의 고도화로 인하여 자동화된 공정을 기반으로 다양한 제품들을 양산하고 있으며, 이에 따라 제품의 정보를 보다 정밀하게 측정할 수 있는 메커니즘 또한 요구되고 있다.
이러한 상황에서, 최소화된 원근법 오차(Perspective error)라는 주요한 이점을 지닌 텔레센트릭 렌즈는 반도체 리소그래피(Semiconductor lithography)와 머신비전(Machine vision)등 다양한 산업현장에 융화되어 제품정보를 획득해 줌으로써 제품의 품질을 향상시키는데 기여하고 있다.
한편, 스마트폰은 기술발전에 따라 이미지, 조도, 블루투스센서 등 각종 센서들의 집약체가 되었고, 카메라 또한 밝은 조리개 값을 지원하는 등의 성능이 극히 향상되어 일상생활에서도 보편적으로 사용되고 있다. 이에 따라 DSLR의 교환렌즈 방식과 같이 스마트폰 카메라 전단에 부착되는 렌즈들 또한 광각부터 망원, 내시경, 3D 입체렌즈 등 다양한 연출과 활용이 가능한 렌즈들이 시장을 형성하였으나, 스마트폰용의 텔레센트릭 렌즈는 제시되어 있지 않은 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0108651호(“유리병 검사 장치 및 텔레센트릭 렌즈 유닛”, 2013.10.24.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 목적은 스마트폰에 적용될 수 있는 텔레센트릭 렌즈 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템은, 물체 측으로부터 나오는 광선들을 수용하는 전방 렌즈부(100), 상기 전방 렌즈부(100)의 후방에 위치하여 후방으로 전달되는 광량을 조절하는 조리개(200), 상기 조리개(200)의 후방에 위치해, 전달되는 광선을 굴절시키는 후방 렌즈부(300) 및 상기 물체에 대응되는 상이 형성되는 이미지 센서(400)를 포함하되, 상기 조리개(200)의 직경은 아래 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112019025177152-pat00001
(여기서 D는 상기 조리개(200)의 직경, f는 상기 전방 렌즈부(100)의 초점거리, -w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 하방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도, w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 상방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도)
또한, 상기 전방 렌즈부(100)는 단일 렌즈, 이중 렌즈, 삼중 렌즈 또는 이들 렌즈들의 콤비네이션인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 후방 렌즈부(300)는 비구면 렌즈를 포함한 스마트폰 카메라 렌즈인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지 센서(400)의 크기와 측정 물체의 크기는, 상기 전방 렌즈부(100)와 상기 후방 렌즈부(300)의 상관관계에 의해서, 수학식 1을 통해 도출 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전방 렌즈부(100)와 상기 후방 렌즈부(300)의 초점거리 비율에 따라, 고정되어 있는 이미지 센서(400)의 크기와 대응하는 다양한 크기의 물체(10)를 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템에 의하면, 스마트폰에 적용될 수 있는 텔레센트릭 렌즈 시스템의 구체적인 수치를 용이하게 한정할 수 있어, 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 설계를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 개략도.
도 2는 도 1의 부분 확대도.
도 3 내지 7은 전방 렌즈부의 종류에 따라 변경된 본 발명의 개략도.
도 8은 도 3 내지 7에 도시된 실시예들의 오차율의 그래프.
도 9 내지 11은 각기 다른 구조인자를 지닌 렌즈들을 결합한 복합렌즈에 따라 변경된 본 발명의 개략도.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 개략도.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 개략도.
도 14는 본 발명의 제 4실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 배율관계에 따른 개략도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템은 전방 렌즈부(100), 조리개(200), 후방 렌즈부(300) 및 이미지 센서(400)를 포함할 수 있다.
도 1에서 좌측은 물체(Object) 방향이고, 우측은 상(Image) 방향이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전방 렌즈부(100)는 물체(10)측에서 나오는 광선을 수용하여 굴절시킬 수 있다.
도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에서 전방 렌즈부(100)는 단일개로 형성되나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 개수로 구성되는 전방 렌즈부가 있을 수 있으며 이에 관해서는 후술한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 조리개(200)는 전방 렌즈부(100)보다 상 방향, 즉 후방에 위치하여 전달되는 빛의 광량을 조절한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 후방 렌즈부(300)는 조리개(200)의 후방에 위치해 전달되는 광선을 굴절시키며, 후방 렌즈부(300)의 후방에 위치하는 이미지 센서(400)는 스마트폰의 렌즈가 위치해 상(Image)이 형성되는 부분으로, 후방 렌즈부(300)를 통과한 광선이 도달한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 후방 렌즈부(300)는 다수의 비구면으로 이뤄진 스마트폰 카메라 렌즈로 구성될 수 있다.
후방 렌즈부(300)가 비구면을 가지는 렌즈로 구성되는 이유는, 스마트폰 카메라 렌즈의 특성상 짧은 전장길이 안에 원하는 시야각을 담을 수 있도록 하기 위함이다. 이로 인해 이미지 센서(400)에 주광선이 입사하는 각도는 비축으로 갈수록 점점 증가하는데, 정해진 상측 수치구경 또한 존재하므로, 설계한 스마트폰 카메라 렌즈의 이미지 센서가 위치하는 초점면을 물체면 자리로 위치하게 역으로 정렬한 후 최대 활용 가능한 유효영역을 확보하는 것이 중요하다.
도 1에 도시된 조리개(200)의 직경인 D는 아래 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019025177152-pat00002
(여기서 D는 상기 조리개(200)의 직경, f는 상기 전방 렌즈부(100)의 초점거리, -w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 하방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도, w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 상방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도)
도 2는 상술한 수학식 1을 유도하기 위해, 도 1의 일부분(전방)을 확대 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 물체(10)의 높이
Figure 112019025177152-pat00003
만큼 떨어진 비축지점에서 발산하는 상방 주변광선(11)과 하방 주변광선(12)이 진행하는 광 경로와, 광축(13)과 평행을 이뤄 진행하는 주광선(14)을 확인할 수 있다.
텔레센트릭 렌즈는 주광선(14)이 렌즈 면을 통과한 뒤, 초점면에 위치한 조리개(200)의 중심을 통과하는 구조를 가지고 있는데, 이 때 상방 및 하방 주변광선(11, 12)의 근축광선추적을 이행하는데, 물체공간의 수치구경인 초기 사인각도는
Figure 112019025177152-pat00004
와
Figure 112019025177152-pat00005
로 설정하였고 각각의 부호는
Figure 112019025177152-pat00006
,
Figure 112019025177152-pat00007
이다.
또한 물체(10), 전방 렌즈부(100) 및 조리개(200)의 면간의 거리인 d는 부호가
Figure 112019025177152-pat00008
,
Figure 112019025177152-pat00009
,
Figure 112019025177152-pat00010
이고
Figure 112019025177152-pat00011
는 전방 렌즈부(100)의 마지막 정점에서 후방 초점자리에 위치한 조리개(200)까지의 거리다.
앞서 언급한 것을 토대로 상방 주변광선(11)의 입사고인
Figure 112019025177152-pat00012
와
Figure 112019025177152-pat00013
를 순차적으로 구할 수 있으며, 하방 주변광선(12)의 입사고인
Figure 112019025177152-pat00014
와
Figure 112019025177152-pat00015
을 순차적으로 구할 수 있다. 다음으로, 구하고자 하는
Figure 112019025177152-pat00016
와
Figure 112019025177152-pat00017
를 대수적인 계산과정을 통해 근사조건 없이 아래 수학식 2 및 3과 같이 전개할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019025177152-pat00018
[수학식 3]
Figure 112019025177152-pat00019
Figure 112019025177152-pat00020
와
Figure 112019025177152-pat00021
는 수학식 2 및 3을 통해 각각
Figure 112019025177152-pat00022
및
Figure 112019025177152-pat00023
로 정리할 수 있으며, 도 2에서 D는
Figure 112019025177152-pat00024
와
Figure 112019025177152-pat00025
합이므로,
Figure 112019025177152-pat00026
로 도출할 수 있고, 여기서
Figure 112019025177152-pat00027
는 전방 렌즈부(100)의 총 굴절능이다.
Figure 112019025177152-pat00028
는 유효초점거리인 f와 역수관계이기 때문에, 결과적으로 수학식 1이 유도된다.
다양한 전방 렌즈부(100)의 종류에 대해서 상술한 수학식 1을 검증하도록 한다. 먼저, 본 발명의 전방 렌즈부(100)는 단일 렌즈, 이중 렌즈, 삼중 렌즈, 쿠크 삼중 렌즈 또는 이중 가우스렌즈일 수 있으며, 이에 대해 도 3에 각각 도시되어 있다. 도 3에서 후방 렌즈부는 생략되어 있으며, 전방 렌즈부(100) 및 조리개(200)만이 도시되어 있다.
도 3, 4, 5 및 7에 각각 도시된 단일렌즈, 이중렌즈, 삼중렌즈, 이중 가우스렌즈의 경우 초점거리 f가 100mm이며, 도 6에 도시된 쿠크 삼중렌즈의 경우 초점거리 f가 50mm이다.
또한 매개변수의 기본 설정 조건은
Figure 112019025177152-pat00029
,
Figure 112019025177152-pat00030
,
Figure 112019025177152-pat00031
로 설정하였다.
도 8은 매개변수의 변화에 따라
Figure 112019025177152-pat00032
공식인 수학식 1을 통한 이론값과 시뮬레이터(CODE V)에서 광선추적을 통한 시뮬레이션 값의 오차율을 보여주는 것으로, 도 8에 도시된 그래프의 수평축은 매개변수의 값이고, 제약범위는 아래와 같다.
Figure 112019025177152-pat00033
,
Figure 112019025177152-pat00034
,
Figure 112019025177152-pat00035
매개변수들은 무한정 증가시킬 수 없는 렌즈의 유한성이 존재하기 때문에 이를 고려하여 범위가 결정되었으며, 도 8의 수직축은 오차율을 나타내고 있는데, 이는 아래 수학식 4를 통해 결정되었다.
[수학식 4]
Figure 112019025177152-pat00036
도 8에 도시된 오차율은 구체적으로 단일렌즈(도 8A)의 경우
Figure 112019025177152-pat00037
,
Figure 112019025177152-pat00038
,
Figure 112019025177152-pat00039
, 이중렌즈(도 8B)의 경우
Figure 112019025177152-pat00040
,
Figure 112019025177152-pat00041
,
Figure 112019025177152-pat00042
, 삼중렌즈(도 8C)의 경우
Figure 112019025177152-pat00043
,
Figure 112019025177152-pat00044
,
Figure 112019025177152-pat00045
, 쿠크 삼중렌즈(도 8D)의 경우
Figure 112019025177152-pat00046
,
Figure 112019025177152-pat00047
,
Figure 112019025177152-pat00048
, 이중 가우스 렌즈(도 8E)의 경우
Figure 112019025177152-pat00049
,
Figure 112019025177152-pat00050
,
Figure 112019025177152-pat00051
에서 1% 이하의 미소한 오차율을 보였다. 단, 도 8D의 경우 오차율이 급격하게 증가하는 구간이 있는데, 이는 렌즈의 유효구경을 벗어나 가장자리 구경 또는 그 이상으로 광선이 지나가면서 발생하는 것이다.
도 9 내지 11은 각기 다른 구조인자를 지닌 렌즈들을 결합한 복합렌즈로서, 전방 렌즈부(100)의 후방초점거리와 후방 렌즈부(300)의 전방초점거리에 조리개(200)가 위치한 이중 텔레센트릭 렌즈이며, 도 9는 쿠크 삼중렌즈와 이중 가우스렌즈, 도 10은 이중 가우스렌즈와 역 이중 가우스렌즈, 도 11은 이중렌즈와 삼중렌즈로 구성된다.
각 복합렌즈에 물체의 높이와 물체 측 수치구경을 설정하여, 초점거리 f 비율에 따른 상 높이와 상 측 수치구경 데이터를 확인했을 경우, 조리개(200)의 직경(D)의 시뮬레이션 값과 이론값을 비교해 수학식 1을 검증할 수 있으며, 이는 아래 표 2에 도시되어 있다.
Figure 112019025177152-pat00052
도 9에는
Figure 112019025177152-pat00053
로, 도 10에는
Figure 112019025177152-pat00054
, 도 11에는
Figure 112019025177152-pat00055
로 조건이 각각 다르게 설정되어 있고, 이에 따라 상측 렌즈(후방 렌즈부)의 마지막 정점과 초점면(조리개)까지의 거리가 도 9
Figure 112019025177152-pat00056
, 도 10
Figure 112019025177152-pat00057
, 도 11
Figure 112019025177152-pat00058
로 된다. 이는
Figure 112019025177152-pat00059
값을 기준으로
Figure 112019025177152-pat00060
만큼 변위가 발생하면
Figure 112019025177152-pat00061
값을 기준으로
Figure 112019025177152-pat00062
만큼 보상해서 초점면의 위치가 변경된다는 것이다.
도 1에 도시된 후방 렌즈부(300) 및 이미지 센서(400)는 아래 표 1의 조건을 만족할 수 있다.
Parameter Value
파장(Wavelength) 656~486 nm
초점거리(Focal length) 4.23 mm
F-Number 2.0
센서의 대각선 길이(diagonal) 5.71 mm
시야각(F.O.V) 68°
왜곡수차(Distortion) <3%
주변 광량비(Relative Illumination, RI) >40%
주광선 입사각(Chief Ray Angle, CRA) <35°
전장길이(Total track) <5.5 mm
단, 본 발명은 상술한 후방 렌즈부(300) 및 이미지 센서(400)의 조건을 표 1에 한정하지는 않으며 다양한 수치를 가지는 후방 렌즈부(300) 및 이미지 센서(400)가 있을 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템을 도시한 것이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템은, 전방 렌즈부(200)가 이중 렌즈(doublet)로 구성되어 있으며, 이를 통해 본 발명의 제2실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템의 축소배율과 물체, 전방 렌즈부(100), 조리개(200), 후방 렌즈부(300) 및 이미지 센서(400)의 설계사항이 변경된 것을 확인할 수 있다.
도 13에 도시된 본 발명의 제3실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템은, 도 1 및 도 2와는 광선의 경로가 다른 구조로서, 물체(10)가 위치한 부분에서만 광선이 광축(13)과 평행을 이룬다. 후방 렌즈부(300)가 위치한 스마트폰 카메라 렌즈에서는 기존의 방식과 마찬가지로 광축 평행도가 0°가 아닌데, 이는 이미지 센서(400)의 면적을 90% 이상 사용하기 위함이다.
도 14에 도시된 본 발명의 제4실시예에 의한 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템은, 스마트폰 카메라 렌즈가 위치한 후방 렌즈부(300)의 이미지 센서(400)가 고정되어 있기 때문에, 물상간의 상관관계에 의해서 측정할 수 있는 물체(10)의 크기를 확인한 것이다. 이는 상기 수학식 1과 배율관계식에 의거해서, 전방 렌즈부(100)와 후방 렌즈부(300)의 관계에 따라서 고정된 이미지 센서(400)의 크기에 대응하는 물체(10)의 크기를 보여준다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 물체
11 : 상방 주변광선
12 : 하방 주변광선
13 : 광축
14 : 주광선
100 : 전방 렌즈부
200 : 조리개
300 : 후방 렌즈부
400 : 이미지 센서

Claims (4)

  1. 물체 측으로부터 나오는 광선들을 수용하는 전방 렌즈부(100);
    상기 전방 렌즈부(100)의 후방에 위치하여 후방으로 전달되는 광량을 조절하는 조리개(200);
    상기 조리개(200)의 후방에 위치해, 전달되는 광선을 굴절시키는 후방 렌즈부(300); 및
    상기 물체에 대응되는 상이 형성되는 이미지 센서(400);를 포함하되,
    상기 조리개(200)의 직경은 아래 수학식 1을 만족하고,
    [수학식 1]
    Figure 112020109980878-pat00079

    (여기서 D는 상기 조리개(200)의 직경, f는 상기 전방 렌즈부(100)의 초점거리, -w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 하방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도, w0은 상기 전방 렌즈부(100)의 전방에 위치한 물체의 높이인 비축지점에서 상방으로 진행하는 주변광선과 주광선과의 각도)
    상기 전방 렌즈부(100)는 단일 렌즈, 이중 렌즈, 삼중 렌즈 또는 이들 렌즈들의 콤비네이션이며,
    상기 후방 렌즈부(300)는 다수의 비구면으로 이뤄진 스마트폰 카메라 렌즈로 구성되어 5.5mm 미만의 전장길이 안에 원하는 시야각을 담을 수 있으며,
    상기 수학식 1을 통한 D의 이론값과 시뮬레이터(CODE V)에서 광선추적을 통한 D의 시뮬레이션 값의 오차율은 아래 수학식 4를 통해 결정되며,
    [수학식 4]
    Figure 112020109980878-pat00080

    (여기서 e는 오차율, Dt는 수학식 1을 통한 D의 이론값, Ds는 시뮬레이터(CODE V)에서 광선추적을 통한 D의 시뮬레이션 값)
    상기 오차율은 단일렌즈의 경우
    Figure 112020109980878-pat00081
    ,
    Figure 112020109980878-pat00082
    ,
    Figure 112020109980878-pat00083
    에서, 이중렌즈의 경우
    Figure 112020109980878-pat00084
    ,
    Figure 112020109980878-pat00085
    ,
    Figure 112020109980878-pat00086
    에서, 삼중렌즈의 경우
    Figure 112020109980878-pat00087
    ,
    Figure 112020109980878-pat00088
    ,
    Figure 112020109980878-pat00089
    에서, 쿠크 삼중렌즈의 경우
    Figure 112020109980878-pat00090
    ,
    Figure 112020109980878-pat00091
    ,
    Figure 112020109980878-pat00092
    에서, 이중 가우스 렌즈의 경우
    Figure 112020109980878-pat00093
    ,
    Figure 112020109980878-pat00094
    ,
    Figure 112020109980878-pat00095
    에서 1% 이하이고,
    상기 전방 렌즈부(100)의 후방초점거리와 후방 렌즈부(300)의 전방초점거리에 조리개(200)가 위치한 이중 텔레센트릭 렌즈의 경우,
    Figure 112020109980878-pat00096
    값을 기준으로
    Figure 112020109980878-pat00097
    만큼 변위가 발생하면
    Figure 112020109980878-pat00098
    값을 기준으로
    Figure 112020109980878-pat00099
    만큼 보상해서 초점면의 위치가 변경되는 것을 특징으로 하는 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전방 렌즈부(100)와 상기 후방 렌즈부(300)의 초점거리 비율에 따라 고정되어 있는 이미지 센서(400)의 크기와 대응하는 다양한 크기의 물체(10)를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 스마트폰용 텔레센트릭 렌즈 시스템.

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