KR102448450B1

KR102448450B1 - 초고화소 모바일 소형 광학계

Info

Publication number: KR102448450B1
Application number: KR1020200136835A
Authority: KR
Inventors: 김영현; 문준호; 최병석
Original assignee: (주)코아시아옵틱스
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-09-28
Also published as: KR20220040961A

Abstract

본 발명은 초고화소 모바일 광학계를 제공한다. 본 발명에 따른 모바일 광학계는, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제6 렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제7 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈, 제6 렌즈 및 제7렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 1.5 < |f1|/|f3| < 2 (f1: 제1 렌즈의 초점거리, f3: 제3 렌즈의 초점거리)의 조건식을 만족한다.
본 발명에 따르면, 100M급 이상의 초고화소에 대응하는 높은 해상력을 발휘할 수 있고, 7.0mm 이하의 짧은 전장(TTL)과 F넘버 2.0 이하의 밝은 성능을 구현할 수 있으므로 종래에 비하여 초고화소 이미지센서에 적합한 모바일 카메라용 소형 광학계를 제공할 수 있다.

Description

초고화소 모바일 소형 광학계{MOBILE SMALL OPTICAL SYSTEM FOR ULTRA-HIGH DENSITY PIXEL}

본 발명은 스마트기기 등에 탑재되는 초고화소 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 비교적 적은 렌즈를 사용하면서 초고화소에 대응하는 높은 해상력을 가지는 모바일 카메라용 광학계에 관한 것이다.

최근 들어 스마트기기, 휴대용 전자기기, 가전기기, 자동차 등에 카메라 모듈이 기본 사양으로 설치되는 추세이고, 액션캠, 드론, 360도 카메라, 가상현실(VR) 기기 등과 같은 다양한 제품에서 소형 카메라 모듈이 널리 사용되고 있다.

이와 같이 다양한 분야에서 카메라 모듈이 보편적으로 사용됨에 따라 카메라 모듈의 성능에 대한 요구수준도 갈수록 높아지고 있다.

이에 따라 최근에는 화소 수가 1억 800만개에 달하는 100Mega급의 초고화소 이미지센서까지 상용화되었다.

그런데 이와 같이 화소 수가 많아지면 이미지센서의 크기도 커져야 하고, 이미지센서가 커지면 광학계를 구성하는 렌즈의 크기도 커질 수밖에 없으므로 광학계를 효과적으로 설계하는 것이 어려워진다.

특히 초고화소에 대응하는 고해상도를 발휘하면서도 수차를 적절히 보정하기 위해서는 렌즈 매수를 늘려야 하는데, 렌즈 매수가 늘어나면 광학계의 소형화가 어려울 뿐만 아니라 F넘버가 커져서 밝은 렌즈를 구현하기가 어려워지는 등 모든 기술적 요구사항을 완벽하게 충족하는 광학계를 설계하는 것은 더욱 어려워진다.

따라서 광학계의 전장(TTL)을 최소화하면서도 초고화소의 이미지센서에 대응하여 고해상도를 발휘할 수 있고, 밝은 F넘버를 구현할 수 있는 최적의 광학계를 개발할 필요가 있다.

대한민국 등록특허 제10-2149983호(2020.08.31 공고)

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 초고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현할 수 있고 광학 전장을 최소화할 수 있는 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제6 렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제7 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈, 제6 렌즈 및 제7렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 1.5 < |f1|/|f3| < 2 (f1: 제1 렌즈의 초점거리, f3: 제3 렌즈의 초점거리)의 조건식을 만족하는 초고화소 모바일 소형 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 소형 광학계는, 0.2 < L123MDA / L7MD < 0.4 (L123MDA: 제 1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈의 최대 직경의 평균, L7MD: 제7 렌즈의 최대 직경)의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 광학계는, 0.2 < L12345TA / L7T < 0.5 (L12345TA: 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈의 중심 두께의 평균, L7T: 제7 렌즈의 중심 두께)의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 광학계는, 11 < FOV/TTL < 13 (FOV: 화각(°), TTL: 광학계의 전체 길이(mm))의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 광학계는, 1 < TTL / f < 2, 0.1 < (|f1|+|f2|) / (|f3|+|f4|) < 0.5 (TTL: 광학계의 전체 길이, f: 광학계 전체의 초점거리, f1: 제1 렌즈의 초점거리, f2: 제2 렌즈의 초점거리, f3: 제3 렌즈의 초점거리, f4: 제4 렌즈의 초점거리)의 조건식을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 광학계는, 30 < V2-V3 < 40 (V2: 제2 렌즈의 아베 수, V3: 제3 렌즈의 아베 수)의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 광학계는, 0.8 < Nd3/Nd6 < 1.2 (Nd3: 제3 렌즈의 굴절율, Nd6: 제6 렌즈의 굴절율)의 조건식을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 광학계는, 0 < Td23 / Td34 < 1 (Td23: 제2 렌즈와 제3 렌즈의 중심거리, Td34: 제3 렌즈와 제4 렌즈의 중심거리)의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제1 렌즈는 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈이고, 상기 제2 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈이고, 상기 제3 렌즈는 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈이고, 상기 제4 렌즈는 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 렌즈이고, 상기 제5 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈이고, 상기 제6 렌즈는 근축 영역에서 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈이고, 상기 제 7 렌즈는 근축 영역에서 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈이고, 상기 제7 렌즈의 물체측면 또는 상측면에는 적어도 하나의 변곡점이 형성될 수 있다. 이 경우 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈, 제6 렌즈 및 제7 렌즈는 각각 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 100M급 이상의 초고화소에 대응하는 높은 해상력을 발휘할 수 있고, 7.0mm 이하의 짧은 전장(TTL)과 F넘버 2.0 이하의 밝은 성능을 구현할 수 있으므로 종래에 비하여 초고화소 이미지센서에 적합한 모바일 카메라용 소형 광학계를 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저 도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도를 나타낸 것이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 광학계는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 바와 같이, 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈(L1) 내지 제7 렌즈(L7)를 포함한다. 조리개(STOP)는 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)의 사이에 배치될 수도 있고, 제1 렌즈(L1)의 앞쪽이나 주변에 배치될 수도 있다. 또한 제7 렌즈(L7)와 이미지센서의 사이에는 렌즈필터(LF)가 배치될 수도 있다.

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다.

제2 렌즈(L2)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈일 수 있다.

제3 렌즈(L3)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다.

제4 렌즈(L4)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 렌즈일 수 있다.

제5 렌즈(L5)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈일 수 있다.

제6 렌즈(L6)는 정의 굴절력을 가지며, 광축 부근의 근축 영역에서 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다. 또한 제6 렌즈(L6)의 물체측면은 근축 영역에서 볼록하되 근축 영역의 외곽에서 오목하게 형성될 수 있다. 또한 제6 렌즈(L6)의 상측면은 근축 영역에서 오목하되 근축 영역의 외곽에서 볼록하게 형성될 수 있다. 따라서 제6 렌즈(L6)의 렌즈면 중에서 적어도 하나의 렌즈면은 변곡점을 포함할 수 있다.

제 7 렌즈(L7)는 부의 굴절력을 가지며, 광축 부근의 근축 영역에서 물체측면이 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다. 또한 제7 렌즈(L7)의 물체측면은 근축 영역에서 볼록하되 근축 영역의 외곽에서 오목하게 형성될 수 있다. 또한 제7 렌즈(L7)의 상측면은 근축 영역에서 오목하되 근축 영역의 외곽에서 볼록하게 형성될 수 있다. 따라서 제7 렌즈(L7)의 렌즈면 중에서 적어도 하나의 렌즈면은 변곡점을 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 광학계를 구성하는 렌즈면 중에서 적어도 하나는 비구면일 수 있다. 후술하는 실시예에서는 모든 렌즈면을 비구면으로 형성하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 적어도 하나의 렌즈면은 구면으로 형성할 수도 있다.

한편 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 광학계는 초고화소에 적용할 수 있는 높은 해상력을 발휘하면서도 밝은 F넘버를 구현하고 광학계의 크기를 최소화하기 위하여 다음의 조건식 1 내지 9를 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 1>

1.5 < |f1|/|f3| < 2

f1: 제1 렌즈(L1)의 초점거리(mm)

f3: 제3 렌즈(L3)의 초점거리(mm)

위 조건식 1에서, |f1|/|f3| 값이 하한 보다 작으면 민감도가 자나치게 커지며 총 길이를 단축하는 것이 어려워지며, 상한보다 크면 렌즈 유닛의 굴절력이 지나치게 커지고 만곡 및 왜곡 수차를 보정하는 것이 어려워진다.

<조건식 2>

30 < V2-V3 < 40

V2: 제2 렌즈(L2)의 아베 수

V3: 제3 렌즈(L3)의 아베 수

위 조건식 2에서, V2-V3 값이 상한보다 크면 이미지면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA)을 확보하기 힘들어져 소형 광학계를 구성하기 어렵고, 하한보다 작으면 고가의 소재 사용으로 인한 단가 상승으로 이어져 제품의 가격 경쟁력 확보가 어려워진다.

<조건식 3>

1 < TTL / f < 2

TTL: 광학계의 전체 길이(mm)

f: 광학계 전체의 초점거리(mm)

위 조건식 3에서, TTL/f 값이 하한보다 작으면 광학적인 성능 확보가 어렵고, 상한보다 크면 광학계의 소형화가 어려워진다.

<조건식 4>

0.8 < Nd3/Nd6 < 1.2

Nd3: 제3 렌즈(L3)의 굴절율

Nd6: 제6 렌즈(L6)의 굴절율

위 조건식 4에서, |Nd3 - Nd6| 값이 상한 또는 하한을 벗어나면, 높은 해상도를 확보하기 어렵고 수차 개선에 어려워진다.

<조건식 5>

0.1 < (|f1|+|f2|) / (|f3|+|f4|) < 0.5

f1: 제1 렌즈(L1)의 초점거리(mm)

f2: 제2 렌즈(L2)의 초점거리(mm)

f3: 제3 렌즈(L3)의 초점거리(mm)

f4: 제4 렌즈(L4)의 초점거리(mm)

위 조건식 5에서, (|f1|+|f2|)/(|f3|+|f4|) 값이 상한 또는 하한을 벗어나게 되면 광학계의 파워구성이 어렵고, 기존 화각의 범위에서 벗어날 수 있다.

<조건식 6>

11 < FOV/TTL < 13

FOV: 화각(°)

TTL: 광학계의 전체 길이(mm)

위 조건식 6에서, FOV/TTL 값이 상한을 초과하면 렌즈의 적절한 굴절력 배분이 어려워 본상태의 렌즈 구성 유지가 어려워지고, 하한보다 작으면 광각 시스템의 확보가 어려워진다.

<조건식 7>

0 < Td23 / Td34 < 1

Td23: 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)의 중심거리(mm)

Td34: 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)의 중심거리(mm)

위 조건식 7에서, Td23/Td34 값이 하한보다 작거나 상한보다 크면 렌즈 단품을 제작하는데 어려움이 있고, 하한보다 작으면 렌즈의 굴절력이 부족하여 고성능 확보가 어려워진다.

<조건식 8>

0.2 < L123MDA / L7MD < 0.4

L123MDA: 제 1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 최대 직경의 평균(mm)

L7MD: 제7 렌즈(L7)의 최대 직경(mm)

위 조건식 8은 렌즈의 직경에 관한 것으로서, L123MDA/L7MD 값이 상한보다 크면 수차 보정이 어려울 뿐만 아니라 빛이 센서에 입사되는 입사각의 크기가 커져 제품화가 어려워지며, 하한보다 작으면 빛의 광량이 줄어들어 고성능의 광학계 구현이 어려워진다.

<조건식 9>

0.2 < L12345TA / L7T < 0.5

L12345TA: 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4) 및 제5 렌즈(L5)의 중심 두께의 평균(mm)

L7T: 제7 렌즈(L7)의 중심 두께(mm)

위 조건식 9는 렌즈의 중심 두께에 관한 것으로서, 소형 촬상 광학계를 구현하면서 수차를 최소화하기 위한 범위에 관한 것이다. 즉, L12345TA/L7T 값이 하한보다 작거나 상한보다 크면 양산을 위한 제품 구현이 어려워져 소형 촬상 광학계를 제작하기 어려워진다.

아래의 표 1은 전술한 조건식 1 내지 조건식 9를 모두 만족하는 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학계의 구체적인 설계 스펙을 예시한 것이다.

[표 1]

표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예 별 데이터는 다음과 같으며, 제1 실시예 및 제2 실시예의 광학계 구성은 각각 도 1a 및 도 2a에 도시된 바와 같다.

아래의 표 2는 제1 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙 - 각 렌즈의 곡률반경(mm), 두께(mm), 렌즈간격(mm), 굴절률(Nd), 아베 수(Vd) 등 -을 나타낸 것이고, 표 3은 제1 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제7 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 2] 제1 실시예의 설계 스펙

[표 3] 제1 실시예의 비구면계수

또한 아래의 표 4는 제2 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표 5는 제2 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제7 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 4] 제2 실시예의 설계 스펙

[표 5] 제2 실시예의 비구면 계수

한편 각 실시예에서 비구면 렌즈의 형상은 아래의 수학식을 통해 산출될 수 있다.

[수학식]

위 수학식에서, Z는 렌즈의 정점부터 광축 방향으로의 거리이고, h는 광축에 수직방향으로의 거리이며, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이며, K는 Conic 상수이며, A4, A6, A8, A10, A12, A14, A16, .... 은 각각 비구면 계수로서 표 3 및 표 5에 예시한 바와 같다.

한편 도 1b 및 도 2b는 각각 제1 및 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도를 나타낸 것으로서, 이를 통해 각 실시예에서 비점수차 및 왜곡수차가 양호한 것을 확인할 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 100메가급의 초고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도 성능을 발휘하면서도 전장(TTL)을 최소화한 광학계를 제공할 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: 제5 렌즈 L6: 제6 렌즈
L7: 제7 렌즈 STOP: 조리개 LF: 렌즈필터

Claims

정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈;
정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈;
부의 굴절력을 가지는 제3 렌즈;
부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈;
정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈;
정의 굴절력을 가지는 제6 렌즈;
부의 굴절력을 가지는 제7 렌즈
를 포함하고,
상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈, 제6 렌즈 및 제7렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
1.5 < |f1|/|f3| < 2
11 < FOV/TTL < 13
(f1: 제1 렌즈의 초점거리, f3: 제3 렌즈의 초점거리, FOV: 화각(°), TTL: 광학계의 전체 길이(mm))
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
0.2 < L123MDA / L7MD < 0.4
(L123MDA: 제 1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈의 최대 직경의 평균, L7MD: 제7 렌즈의 최대 직경)
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계
0.2 < L12345TA / L7T < 0.5
(L12345TA: 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈의 중심 두께의 평균, L7T: 제7 렌즈의 중심 두께)
삭제
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
1 < TTL / f < 2
0.1 < (|f1|+|f2|) / (|f3|+|f4|) < 0.5
(TTL: 광학계의 전체 길이, f: 광학계 전체의 초점거리, f1: 제1 렌즈의 초점거리, f2: 제2 렌즈의 초점거리, f3: 제3 렌즈의 초점거리, f4: 제4 렌즈의 초점거리)
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
30 < V2-V3 < 40
(V2: 제2 렌즈의 아베 수, V3: 제3 렌즈의 아베 수)
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
0.8 < Nd3/Nd6 < 1.2
(Nd3: 제3 렌즈의 굴절율, Nd6: 제6 렌즈의 굴절율)
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
0 < Td23 / Td34 < 1
(Td23: 제2 렌즈와 제3 렌즈의 중심거리, Td34: 제3 렌즈와 제4 렌즈의 중심거리)
정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 제1 렌즈;
정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 제2 렌즈;
부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 제3 렌즈;
부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 제4 렌즈;
정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 제5 렌즈;
정의 굴절력을 가지며, 근축 영역에서 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 제6 렌즈;
부의 굴절력을 가지며, 근축 영역에서 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목하며, 물체측면 또는 상측면에는 적어도 하나의 변곡점이 형성된 제7 렌즈
를 포함하고,
상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈, 제6 렌즈 및 제7렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
1.5 < |f1|/|f3| < 2
(f1: 제1 렌즈의 초점거리, f3: 제3 렌즈의 초점거리)
제9항에 있어서,
상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈, 제6 렌즈 및 제7 렌즈는 각각 적어도 하나의 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.