KR102528499B1 - 촬상 렌즈, 이를 포함하는 카메라 모듈 및 디지털 기기 - Google Patents

촬상 렌즈, 이를 포함하는 카메라 모듈 및 디지털 기기 Download PDF

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Abstract

실시예는 대상측으로부터 결상측으로 순서대로 배치되고 굴절력을 가지는 제1 렌즈 내지 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 결상측 방향의 제2 면에서, 곡률반경 R2에 대한 유효 반경 SD2의 비율 SD2/R2는 0.96 미만이고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 플라스틱으로 이루어진 촬상 렌즈를 제공한다.

Description

촬상 렌즈, 이를 포함하는 카메라 모듈 및 디지털 기기{IMAGE PICKUP LENS, CAMERA MODULE AND DIGITAL DEVICE INCLUDING THE SAME}
실시예는 촬상 렌즈에 관한 것이다.
종래의 필름 카메라는 CCD와 CMOS 등의 소형 고체 촬상 소자를 사용하는 휴대 단말기용 카메라 모듈, 디지털 스틸 카메라(DSC; Digital Still Camera), 캠코더, PC 카메라(퍼스널 컴퓨터에 부속된 촬상장치) 등으로 대체되고 있으며, 이러한 촬상 장치는 소형화, 박형화가 이루어지고 있다.
이러한 추세에 있어서, 소형화 촬상 장치에 탑재되는 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 수광소자의 소형화가 진행되고 있으나, 촬상 장치에서 가장 부피를 차지하는 부분은 촬상 렌즈 부분이다.
따라서, 상기 촬상 장치에서 소형화, 박형화에 가장 이슈가 되는 구성요소는 대상물의 상을 결상하는 촬상 렌즈이다.
여기서, 문제는 단순히 작은 촬상 렌즈를 구현하는 것뿐만이 아니라, 상기 수광소자의 고성능화에 대응하여 촬상 렌즈 또한 고성능인 것이 요구되고 있다. 그러나, 소형화된 촬상 렌즈는 필연적으로 수광소자와의 거리가 가까워지고, 이는 촬상 장치의 결상면에 대해 빛의 입사각도가 비스듬하게 입사되는 문제가 발생하여 촬상 렌즈의 집광성능이 충분히 발휘되지 않으며, 화상의 밝기가 화상 중앙부에서 주변부로 갈수록 극단적으로 변화할 수 있는 문제점을 수반하게 된다.
이러한 문제점을 감안하여 렌즈의 수를 증가시키면 활상 장치의 대형화가 불가피해지며, 가격적 측면에서도 문제가 있다.
따라서, 제조비용적 측면을 고려하면서 고성능의 촬상 렌즈를 구현하는 것이 요구된다.
실시예는 제조비용이 저렴하면서도 고성능의 촬상 렌즈를 제공하고자 한다.
실시예는 대상측으로부터 결상측으로 순서대로 배치되고 굴절력을 가지는 제1 렌즈 내지 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈의 결상측 방향의 제2 면에서, 곡률반경 R2에 대한 유효 반경 SD2의 비율 SD2/R2는 0.96 미만이고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 플라스틱으로 이루어진 촬상 렌즈를 제공한다.
제2 렌즈의 결상측 방향의 제2 면에서, 곡률반경 R4에 대한 유효 반경 SD4의 비율 SD4/R4는 0.96 미만일 수 있다.
제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 양의 굴절력을 가질 수 있다.
제2 렌즈의 대상측 방향의 제1 면의 유효 반경 SD3는 상기 SD2보다 작을 수 있다.
제3 렌즈의 굴절률은 1.61보다 크고, 1.66보다 작을 수 있다.
제3 렌즈의 아베수는 21보다 크고, 27보다 작을 수 있다.
제1 렌즈와 제2 렌즈 및 제4 렌즈의 굴절률은, 1.5 이상일 수 있다.
제1 렌즈와 제2 렌즈 및 제4 렌즈의 아베수는 50 이상일 수 있다.
제1 렌즈는 상기 상측 방향의 제2 면이 오목할 수 있다.
제2 렌즈는 상기 상측 방향의 제2 면이 오목할 수 있다.
제3 렌즈는 상기 대상측 방향으로 오목한 매니스커스 형상을 가질 수 있다.
촬상 렌즈는 제3 렌즈와 상기 제4 렌즈의 사이에 배치된 조리개를 더 포함할 수 있다.
조리개와 상기 제4 렌즈의 대상면 사이의 거리는 0.1 밀리미터 이하일 수 있다.
제4 렌즈는 양면이 볼록한 형상일 수 있다.
다른 실시예는 상술한 촬상 렌즈; 상기 촬상 렌즈를 통과한 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과하는 필터; 및 상기 필터를 투과한 빛을 수용하는 수광 소자를 포함하는 카메라 모듈을 제공한다.
수광 소자는 이미지 센서이고, 상기 이미지 센서의 단위 픽셀의 가로 및/또는 세로의 길이는 각각 2 마이크로 미터 이하일 수 있다.
또 다른 실시예는 상술한 카메라 모듈을 포함하는 디지털 기기를 제공한다.
실시예에 따른 촬상 렌즈는, 소형화되고 고성능을 가질 수 있다.
도 1은 촬상 렌즈의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 촬상 렌즈 내의 각각의 렌즈의 두께와 이격 거리를 나타내 도면이고,
도 3은 상술한 촬상 렌즈의 수차도를 도시한 그래프로서, 좌측에서부터 순서대로 종구면수차(longitudinal spherical aberration), 비점수차(astigmatic field curves), 왜곡수차(distortion)를 나타내는 그래프이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, '대상면'이라 함은 광축을 기준으로 하여 대상측(object side)을 향하는 렌즈의 면을 의미하며, '결상면'이라 함은 광축을 기준으로 하여 결상측(image side)을 향하는 렌즈의 면을 의미한다.
또한, 본 발명에서 렌즈의 "+ 파워"는 평행광을 수렴시키는 수렴 렌즈를 나타내며, 렌즈의 "- 파워"는 평행광을 발산시키는 발산 렌즈를 나타낸다.
도 1은 촬상 렌즈의 제1 실시예의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 촬상 렌즈의 제1 실시예는 대상측에서부터 결상측으로 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120), 제3 렌즈(130) 및 제4 렌즈(140)를 순서대로 포함한다. 제3 렌즈(130)와 제4 렌즈(140)의 사이에는 조리개(stop)가 배치될 수 있다. 그리고, 필터(150)와 커버 유리(cover glass, 160) 및 수광소자(170)가 순서대로 포함되어 카메라 모듈 내의 촬상 렌즈를 이룰 수 있다.
수광소자(170)는 이미지센서일 수 있으며, 이미지센서의 단위 픽셀의 가로 및/또는 세로의 길이는 2um(마이크로 미터) 이하일 수 있다. 상술한 실시예와 후술하는 실시예들은 화소 및/또는 화소수가 높은 카메라 모듈에 적용될 수 있는 촬상 렌즈를 제공할 수 있으며, 상술한 카메라 모듈은 화소 및/또는 화소수가 높은 이미지센서 또는 수광 소자를 포함할 수 있으며, 이 경우, 단위 픽셀의 가로 및/또는 세로길이는 2um 이하일 수 있다.
도 1에서, 'S11'은 제1 렌즈(110)의 대상면, 'S12'는 제1 렌즈(110)의 결상면이고, 'S21'은 제2 렌즈(120)의 대상면, 'S22'는 제2 렌즈(120)의 결상면이고, 'S31'은 제3 렌즈(130)의 대상면, 'S32'는 제3 렌즈(130)의 결상면이고, 'S41'은 제4 렌즈(140)의 대상면, 'S42'는 제4 렌즈(140)의 결상면이다.
상술한 'Sxy'는 후술하는 촬상 렌즈의 다른 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.
필터(150)는 적외선 필터(Infrared Ray Filter) 등의 평판 형상의 광학 부재가 배치되며, 커버 유리(160)는 광학 부재, 예를 들어 촬상면 보호용 커버유리일 수 있고, 수광소자(170)는 인쇄회로기판(미도시) 상에 적층되는 이미지 센서(image sensor)일 수 있다.
본 실시예에서 제1 렌즈(110)는 대상면(S11)이 볼록한 형상이고, 결상면(S12)의 중앙 영역이 오목할 수 있다. 제2 렌즈(120)는 대상면(S21)이 볼록한 형상이고, 결상면(S22)의 중앙 영역이 오목할 수 있되, 대상면(S21)과 결상면(S22) 중 적어도 하나는 비구면일 수 있다.
제3 렌즈(130)는 결상측 방향으로 볼록한 매니스커스(meniscus) 형상일 수 있고, 제4 렌즈(140)는 양면이 볼록한 형상일 수 있되 대상면(S41)과 결상면(S42)은 구면이거나 적어도 하나는 비구면일 수도 있다.
비구면이 렌즈들의 적어도 일면에 형성되면, 각종 수차, 예를 들면 구면 수차, 코마 수차 및 왜곡 수차 등의 보정에 우수할 수 있다.
렌즈들의 대상면들의 형상은 다음과 같다. 제1 렌즈(110)는 대상면(S11)이 볼록한 형상이고, 제2 렌즈(120)는 대상면(S21)이 볼록한 형상이고, 제3 렌즈(130)는 대상면(S31)이 오목한 형상이고, 제4 렌즈(140)는 대상면(S41)이 볼록한 형상일수 있다.
렌즈들의 결상면들의 형상은 다음과 같다. 제1 렌즈(110)는 결상면(S12)의 중앙 영역이 오목한 형상일 수 있고, 제2 렌즈(120)는 결상면(S22)의 중앙 영역이 오목한 형상일 수 있고, 제3 렌즈(130)는 결상면이 볼록한 형상이고, 제4 렌즈(140)는 결상면이 볼록한 형상일 수 있다.
표 1은 제1 렌즈(110) 내지 제4 렌즈(140)들의 각각의 결상면과 대상면의 곡률 반경과 유효 반경을 나타낸다.
곡률 반경이 큰 경우는 대상측의 표면이 오목하거나 볼록한 경우, 즉 곡률 반경이 -또는 +를 가지는 것을 고려하지 않은 곡률 반경의 절대 값의 크기를 고려한 것이다.
곡률 반경 유효 반경
제1 렌즈(110)의 대상면 12.4580 (R1) 4.6195 (SD1)
제1 렌즈(110)의 결상면 2.5461 (R2) 2.4088 (SD2)
제2 렌즈(120)의 대상면 -771.5782 (R3) 2.1500 (SD3)
제2 렌즈(120)의 결상면 1.7900 (R4) 1.2248 (SD4)
제3 렌즈(130)의 대상면 -2.1999 (R5) 1.1126 (SD5)
제3 렌즈(130)의 결상면 -1.5648 (R6) 1.2201 (SD6)
제4 렌즈(140)의 대상면 1.2491 (R7) 0.6014 (SD7)
제4 렌즈(140)의 결상면 -21.0821 (R8) 0.5818 (SD8)
제1 렌즈(110)의 결상면(S12)의 중앙 영역에 형성된 오목한 형상의 유효 반경(SD2)과 곡률 반경(R2)의 비율 SD2/R2는 0.96 미만일 수 있으며 예를 들면 0.946일 수 있고, 제2 렌즈(120)의 결상면(S22)의 중앙 영역에 형성된 오목한 형상의 유효 반경(SD4)과 곡률 반경(R4)의 비율 SD4/R4는 0.96 미만일 수 있으며 예를 들면 0.684일 수 있다.
촬상 렌즈의 해상도를 향상시키기 위하여 상술한 SD2/R2의 값과 SD4/R4의 값이 클수록 유리하나, 상술한 값들이 너무 크면 렌즈의 제조가 어려워질 수 있다.
또한, 제2 렌즈(120)의 대상측 방향의 대상면(S21)의 유효 반경(SD3)는 SD2보다 작을 수 있는데, 이때 제1 렌즈(S110)의 결상면(S12)의 유효 반경(SD2)에서 굴절된 빛이 모두 제2 렌즈(120)의 대상측 방향의 대상면(S21)의 유효 반경(SD3) 내로 향할 수 있다.
그리고, 제1 렌즈(110)의 결상면(S12)의 중앙 영역에 형성된 오목한 형상의 유효 반경(SD2)은 제2 렌즈(120)의 반경(D2)보다 클 수 있고, 제2 렌즈(120)의 결상면(S22)의 중앙 영역에 형성된 오목한 형상의 유효 반경(SD4)은 제3 렌즈(130)의 반경(D5)과 같거나 보다 클 수 있다.
여기서, 각 렌즈의 대상면과 결상면의 형상은 광축 부근에서의 형상을 가리키며, 각 렌즈의 대상면과 결상면이 변곡점을 가질 때 광축으로부터 먼 영역에서의 대상면과 결상면의 형상은 이와 다를 수 있다.
도 1에서, 제1 렌즈와 제2 렌즈(120)는 - 파워 배치를 가질 수 있으며, 보다 상세하게는 제1 렌즈(110)의 굴절력은 -0.1627이고, 제2 렌즈(120)의 굴절력은 -0.2980이다.
그리고, 제3 렌즈(130)와 제4 렌즈(140)는 + 파워 배치를 가질 수 있으며, 보다 상세하게는 제3 렌즈(130)의 굴절력은 0.2018이고, 제4 렌즈(140)의 굴절력은 0.4464일 수 있으며, 광학계 전체의 굴절력은 1.2816일 수 있되, 이에 한정하지는 않는다.
상술한 제1 렌즈(110) 내지 제4 렌즈(140)의 파워 배치는, 촬상 렌즈의 광학 성능 향상과 제조 비용의 절감 및 소형화를 기대할 수 있다.
본 실시예에서, 광학계 전체의 초점 거리 f는 0.7803일 수 있고, 제1 렌즈(110)의 초점 거리는 -6.1451일 수 있고, 제2 렌즈(120)의 초점 거리는 -3.3561일 수 있고, 제3 렌즈(130)의 초점 거리는 4.9550일 수 있고, 제4 렌즈(140)의 초점 거리는 2.2401일 수 있다.
표 2는 제1 렌즈(110) 내지 제4 렌즈(140)들의 각각의 굴절률과 아베수를 나타낸다.
굴절률 아베수
제1 렌즈(110) 1.5312 (n1) 56.0 (v1)
제2 렌즈(120) 1.5312 (n2) 56.0 (v2)
제3 렌즈(130) 1.6400 (n3) 23.0 (v3)
제4 렌즈(140) 1.5312 (n4) 56.0 (v4)
제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 및 제4 렌즈(140)는 모두 동일한 재질로 이루어지나 제3 렌즈(130)는 다른 재질로 이루어질 수 있으며, 제3 렌즈(130)의 굴절률(n3)은 d-line 기준으로 1.61보다 크고 1.66보다 작을 수 있으며 예를 들면 1.640일 수 있고, 제3 렌즈(130)의 아베 수(Abbe number)는 d-line 기준으로 21보다 크고 27보다 작을 수 있고 예를 들면 23일 수 있다.
색수차를 보정하기 위하여 렌즈들을 플라스틱으로 구성하되, 하나의 렌즈는 다른 조성의 플라스틱으로 제조할 수 있으며 본 실시예에서는 제3 렌즈(130)을 이종의 재료로 구성할 수 있다.
특히, 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 및 제4 렌즈(140)의 굴절률은 1.5 이상이고, 아베수는 50 이상일 수 있다.
렌즈들을 글래스 몰드로 형성하면 전이점이 비교적 높기 때문에 렌즈 형성을 위한 프레스 온도를 높게 설정해야 하므로, 금형에 변형이 생기기 쉬우나, 금형의 교환 횟수의 증가로 인한 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다. 플라스틱으로 렌즈를 제조하면 렌즈의 비구면화에 있어서 용이하며, 소형 렌즈의 제조에 유리하다.
도시되지는 않았으나, 각각의 렌즈는 표면에 반사 방지 또는 표면 경도 향상을 위해 코팅처리될 수 있다.
표 3은 각 렌즈면의 코닉상(k) 및 비구면계수(A 내지 G)이되, 비구면계수가 '0'인 영역은 표기하지 않는다.
K A B C D E F G
S11
S12
S21 115385.69652 0.482203E-02 -0.363358E-03 -0.211385E-03 0.132456E-03 -0.126899E-04 -0.155412E-05 0.250715R-06
S22 -0.700000 0.435557E-01 0.752831E-01 -0.658934E-01 0.231049E-01
S31 0.00000 0.247788E-01 -0.600760E-01 0.136809E-01 0.845221E-03 0.513095E-14
S32 -3.970271 -0.656390E-01 0.870401E-02 0.000000E+00
S41 0.757304 0.102758E+00 0.153662E+00 -0.399123E-01 -0.655213E-01
S42 0.00000 0.299541E+00 0.814631E+00 -0.163519E+1 0.458711E+01 0.331612E-15
도 2는 도 1의 촬상 렌즈 내의 각각의 렌즈의 두께와 이격 거리를 나타내 도면이다.
광축 상에서, 제1 렌즈(110)의 두께(t1)는 0.600 밀리미터(mm)이고, 제2 렌즈(120)의 두께(t2)는 0.725 밀리미터이고, 제3 렌즈(130)의 두께(t3)는 1.142 밀리미터이고, 제4 렌즈(140)의 두께(t4)는 0.670밀리미터이다.
그리고, 광축 상에서, 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120) 사이의 간격(d1)은 1.840 밀리미터이고, 제2 렌즈(120)와 제3 렌즈(130) 사이의 간격(d2)는 1.220 밀리미터이고, 제3 렌즈(130)와 조리개(stop) 사이의 간격(d3)은 1.400 밀리미터이고, 조리개와 제4 렌즈(140) 사이의 간격(d4)은 0.1 밀리미터 이하일 수 있으며 예를 들면 0.085 밀리미터일 수 있으며, 여기서 조리개와 제4 렌즈(140) 사이의 간격(d4)이 작을수록 촬상 렌즈의 해상력 향상에 유리할 수 있다.
도 3은 상술한 촬상 렌즈의 수차도를 도시한 그래프로서, 좌측에서부터 순서대로 종구면수차(longitudinal spherical aberration), 비점수차(astigmatic field curves), 왜곡수차(distortion)를 나타내는 그래프이다.
도 3에서, Y축은 이미지의 크기를 의미하고, X축은 초점거리(mm 단위) 및 왜곡도(% 단위)를 의미하며, 곡선들이 Y축에 접근될수록 수차 보정기능이 향상될 수 있다.
상술한 촬상 렌즈가 포함된 카메라 모듈은, 디지털 카메라나 스마트폰이나 노트북 및 테블렛(tablet) PC 등의 다양한 디지털 기기(digital device)에 내장될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 제1 렌즈 120: 제2 렌즈
130: 제3 렌즈 140: 제4 렌즈
150: 필터 160: 커버 유리
170: 수광소자

Claims (14)

  1. 굴절력을 가지는 플라스틱으로 단일(single) 렌즈 형상을 이루고 대상측으로부터 결상측으로 순서대로 배치되는 제1 렌즈 내지 제4 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지며 대상측 방향의 제1 면이 볼록하고, 상기 결상측 방향의 제2 면이 오목하고,
    상기 제2 렌즈는 상기 대상측 방향의 제1면은 볼록하고 상기 결상측 방향의 제2 면이 오목하고,
    상기 제1 렌즈의 상기 결상측 방향의 상기 제2 면에서, 곡률반경 R2에 대한 유효 반경 SD2의 비율 SD2/R2는 0.96 미만이고,
    상기 제3 렌즈는 상기 대상측 방향으로 오목한 매니스커스 형상을 가지는 촬상렌즈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 상기 결상측 방향의 상기 제2 면에서, 곡률반경 R4에 대한 유효 반경 SD4의 비율 SD4/R4는 0.96 미만인 촬상 렌즈.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 음의 굴절력을 가지고,
    상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 양의 굴절력을 가지는 촬상 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 상기 대상측 방향의 제1 면의 유효 반경 SD3는 상기 제1 렌즈의 상기 결상측 방향의 상기 제2면의 유효반경 SD2보다 작은 촬상 렌즈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 굴절률은 1.61보다 크고, 1.66보다 작은 촬상 렌즈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 아베수는 21보다 크고, 27보다 작은 촬상 렌즈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 및 제4 렌즈 각각의 굴절률은, 1.5 이상인 촬상 렌즈.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 및 제4 렌즈 각각의 아베수는 50 이상인 촬상 렌즈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 상기 제4 렌즈 서로 동일한 조성의 플라스틱으로 이루어지고,
    상기 제3 렌즈는 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 상기 제4 렌즈와 다른 조성의 플라스틱으로 이루어진 촬상 렌즈.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈와 상기 제4 렌즈의 사이에 배치된 조리개를 더 포함하는 촬상 렌즈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 조리개와 상기 제4 렌즈의 상기 대상측 방향의 제1 면 사이의 거리는 0.1 밀리미터 이하인 촬상 렌즈.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 촬상 렌즈;
    상기 촬상 렌즈를 통과한 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과하는 필터; 및
    상기 필터를 투과한 빛을 수용하는 수광 소자를 포함하는 카메라 모듈.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 수광 소자는 이미지 센서이고, 상기 이미지 센서의 단위 픽셀의 가로 및/또는 세로의 길이는 각각 2 마이크로 미터 이하인 카메라 모듈.
  14. 제13 항의 카메라 모듈을 포함하는 디지털 기기.
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