KR102575936B1 - 고화소 소형 매크로 광학계 - Google Patents

고화소 소형 매크로 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고화소 소형 매크로 광학계를 제공한다. 본 발명에 따른 소형 매크로 광학계는, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 정 또는 부의 굴절력을 가지는 제3 렌즈를 포함하는 3매 렌즈 광학계이고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 조건식 35 < V1-V2 < 39 (V1: 제1 렌즈(L1)의 아베 수, V2: 제2 렌즈(L2)의 아베 수)을 만족할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고화소 이미지센서에 적용할 수 있는 높은 해상력 성능을 발휘할 뿐만 아니라 4.1mm 이하의 매우 짧은 전장(TTL)과 95도 이상의 광각을 구현하는 소형 매크로 광학계를 제공할 수 있다.

Description

고화소 소형 매크로 광학계{SMALL MACRO OPTICAL SYSTEM FOR HIGH DENSITY PIXEL IMAGIS SENSOR}
본 발명은 모바일 기기나 생체인증 장치 등에 탑재되는 소형 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 고화소 이미지센서에 대응하는 높은 해상력을 가지면서도 근접 촬영이 가능한 소형 매크로 광학계에 관한 것이다.
최근 휴대용 스마트기기 뿐만 아니라 자동차, 드론(drone) 등의 운행기기에도 카메라가 기본 사양으로 장착됨에 따라 소형 광학계의 수요가 급증하고 있고 기술적 요구사항도 갈수록 다양화되고 있다.
그런데 스마트폰 등에 설치되는 소형 카메라 모듈은 크기의 제한으로 인해 DSLR 카메라 등과 같은 다양한 기능을 구비하기는 어렵다.
이에 따라 소형 카메라 모듈의 근본적인 한계를 극복하고 사용자의 다양한 욕구를 충족시키기 위한 방안으로서 각각 다른 기능에 특화된 다수의 카메라 모듈을 스마트폰에 한꺼번에 장착하는 사례가 늘어나고 있다. 예를 들어, 일반용, 광각용, 망원용, 근접촬영(매크로)용, 심도용 등과 같이 각각 다른 기능에 특화된 카메라 모듈을 스마트폰에 장착하는 사례가 늘어나고 있다.
한편, 근접촬영을 위한 매크로 광학계는 주로 소형 물체나 식물을 촬영하는 용도로 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 지정맥, 홍채 등을 이용하는 생체 인증 장치에서도 사용되고 있다.
그런데 최근 수십 메가급 이상의 고화소 이미지 센서가 널리 보급되면서 고화소에 대한 사용자의 요구 수준도 매우 높아지고 있기 때문에 매크로 광학계의 경우에도 고화소 이미지센서에 적합한 광학계를 설계하는 것이 갈수록 중요해지고 있다.
공개특허 제10-2013-0051612호(2013.05.21 공개)
본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현하면서도 전장을 최소화하고 광각을 구현할 수 있는 소형 매크로 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 정 또는 부의 굴절력을 가지는 제3 렌즈를 포함하는 3매 렌즈 광학계이고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 35 < V1-V2 < 39 (V1: 제1 렌즈(L1)의 아베 수, V2: 제2 렌즈(L2)의 아베 수)의 조건식을 만족하는 소형 매크로 광학계를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 0 < (|f1|+|f2|) / |f3| < 0.2 (f1: 제1 렌즈(L1)의 초점거리(mm), f2: 제2 렌즈(L2)의 초점거리(mm), f3: 제3 렌즈(L3)의 초점거리(mm))의 조건식을 만족할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 21 < FOV / TTL < 27 (FOV: 광학계의 화각(°), TTL: 제1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 이미지센서 상면까지의 거리(mm))의 조건식을 만족할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 4.5 < Td12 / Td23 < 6 (Td12: 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 간의 중심거리(mm), Td23: 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 간의 중심거리(mm))의 조건식을 만족할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 1.1 < (CT1+CT2+CT3) / BFL < 1.3 (CT1: 제1 렌즈(L1)의 중심 두께(mm), CT2: 제2 렌즈(L2)의 중심 두께(mm), CT3: 제3 렌즈(L3)의 중심 두께(mm))의 조건식을 만족할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 상기 제1 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈이고, 제2 렌즈는 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 렌즈이고, 제3 렌즈는 근축 영역에서 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈이고, 물체측면과 상측면 중에서 적어도 하나의 면에 변곡점이 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고화소 이미지센서에 적용할 수 있는 높은 해상력 성능을 발휘할 뿐만 아니라 4.1mm 이하의 매우 짧은 전장(TTL)과 95도 이상의 광각을 구현하는 소형 매크로 광학계를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 수차도
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학계는 도 1, 도 3 및 도 5에 각각 나타낸 바와 같이, 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)를 포함하는 3매 렌즈 광학계이다. 제3 렌즈(L3)와 이미지센서의 사이에는 적외선 등을 차단하는 렌즈필터(LF)와 커버글래스(CG)가 설치될 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 고화소 이미지센서에 적용할 수 있는 높은 해상력을 발휘하면서도 광학계의 전장(TTL)을 최소화하고 광각을 구현하기 위하여 다음의 조건식 1 내지 5를 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.
<조건식 1>
1.1 < (CT1+CT2+CT3) / BFL < 1.3
CT1: 제1 렌즈(L1)의 중심 두께(mm)
CT2: 제2 렌즈(L2)의 중심 두께(mm)
CT3: 제3 렌즈(L3)의 중심 두께(mm)
BFL: 제3 렌즈(L3)의 상측 면에서 이미지센서 상면까지의 거리(mm)
위 조건식 1에서, (CT1+CT2+CT3)/BFL 값이 하한보다 작으면 렌즈 가공 및 조립성이 크게 저하되고, 상한보다 크면 광학계의 소형화 및 화각 확보가 어려워진다.
<조건식 2>
21 < FOV / TTL < 27
FOV: 광학계의 화각(°)
TTL: 제1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 이미지센서 상면까지의 거리(mm)
위 조건식 2에서, FOV/TTL 값이 상한을 초과하면 렌즈의 적절한 굴절력 배분이 어려워 본 발명에 따른 소형 매크로 광학계를 구성하기 어려워지고, 하한보다 작으면 광각을 확보하기 어려워진다.
<조건식 3>
35 < V1-V2 < 39
V1: 제1 렌즈(L1)의 아베 수
V2: 제2 렌즈(L2)의 아베 수
위 조건식 3에서, V1-V2 값이 상한보다 크면 이미지센서의 상면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA)을 확보하기 힘들어져 소형 광학계를 구성하기 어렵고, 하한보다 작으면 고가의 소재 사용으로 인한 단가 상승으로 이어져 제품의 가격 경쟁력을 확보하기 어려워진다.
<조건식 4>
4.5 < Td12 / Td23 < 6
Td12: 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 간의 중심거리(mm)
Td23: 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 간의 중심거리(mm)
위 조건식 4에서, Td12/Td23 값이 하한보다 작거나 상한보다 크면 렌즈 단품을 제작하는데 어려움이 있고, 하한보다 작으면 렌즈의 굴절력이 부족하여 고성능 확보가 어려워진다.
<조건식 5>
0 < (|f1|+|f2|) / |f3| < 0.2
f1: 제1 렌즈(L1)의 초점거리(mm)
f2: 제2 렌즈(L2)의 초점거리(mm)
f3: 제3 렌즈(L3)의 초점거리(mm)
위 조건식 5에서, (|f1|+|f2|)/|f3| 값이 상한 또는 하한을 벗어나면 매크로 광학계에 적합한 굴절력 배분과 화각을 구현하기 어려워진다.
이하에서는 전술한 조건식 1 내지 조건식 5를 만족하는 광학계의 여러 실시예를 설명한다.
제1 실시예
먼저 도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도이다.
제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈일 수 있다.
제2 렌즈(L2)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 렌즈일 수 있다.
제3 렌즈(L3)는 부의 굴절력을 가지며, 광축 부근의 근축 영역에서 물체측면이 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다. 또한 제3 렌즈(L3)의 물체측면은 근축 영역에서 볼록하되 근축 영역의 외곽에서 오목하게 형성될 수 있다. 또한 제3 렌즈(L3)의 상측면은 근축 영역에서 오목하되 근축 영역의 외곽에서 볼록하게 형성될 수 있다. 따라서 제3 렌즈(L3)의 렌즈면 중에서 적어도 하나의 렌즈면은 변곡점을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계에서 조리개(STOP)는 제1 렌즈(L1)의 물체측면에 배치될 수 있다. 다만 조리개(STOP)의 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 전장(TTL)은 4.06mm이고, 화각(FOV)은 95°이고, F-No는 2.66 이다.
또한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계를 구성하는 각 렌즈의 설계 스펙 - 각 렌즈의 곡률반경(mm), 두께(mm), 렌즈간격(mm), 굴절률(Nd), 아베 수(Vd) 등 -은 아래 표 1에 나타낸 바와 같다.
[표 1] 제1 실시예의 설계 스펙
[표 2] 제1 실시예의 비구면계수
또한 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 각 렌즈면은 모두 비구면으로 형성될 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 제1 내지 제3 렌즈의 전체 렌즈면 중에서 적어도 하나는 구면으로 형성할 수도 있다.
한편 각 렌즈면의 비구면 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, . . .은 각각 비구면 계수이다.
위의 표 2는 제1 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제3 렌즈(L1, L2, L3)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.
한편, 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계는 비점수차 및 왜곡 수차가 모두 양호한 것을 확인할 수 있다.
제2 실시예
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도이다.
제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈일 수 있다.
제2 렌즈(L2)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 렌즈일 수 있다.
제3 렌즈(L3)는 정의 굴절력을 가지며, 광축 부근의 근축 영역에서 물체측면이 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다. 또한 제3 렌즈(L3)의 물체측면은 근축 영역에서 볼록하되 근축 영역의 외곽에서 오목하게 형성될 수 있다. 또한 제3 렌즈(L3)의 상측면은 근축 영역에서 오목하되 근축 영역의 외곽에서 볼록하게 형성될 수 있다. 따라서 제3 렌즈(L3)의 렌즈면 중에서 적어도 하나의 렌즈면은 변곡점을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계에서 조리개(STOP)는 제1 렌즈(L1)의 물체측면에 배치될 수 있다. 다만 조리개(STOP)의 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 전장(TTL)은 4.05mm이고, 화각(FOV)은 95°이고, F-No는 2.67 이다.
또한 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계를 구성하는 각 렌즈의 설계 스펙은 아래 표 3에 나타낸 바와 같다.
[표 3] 제2 실시예의 설계 스펙
[표 4] 제2 실시예의 비구면 계수
본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 각 렌즈면은 모두 비구면으로 형성될 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 제1 내지 제3 렌즈의 전체 렌즈면 중에서 적어도 하나는 구면으로 형성할 수도 있다.
위의 표 4는 제2 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제3 렌즈(L1, L2, L3)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계는 비점수차 및 왜곡 수차가 모두 양호한 것을 확인할 수 있다.
제3 실시예
도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도이다.
제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈일 수 있다.
제2 렌즈(L2)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 렌즈일 수 있다.
제3 렌즈(L3)는 부의 굴절력을 가지며, 광축 부근의 근축 영역에서 물체측면이 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다. 또한 제3 렌즈(L3)의 물체측면은 근축 영역에서 볼록하되 근축 영역의 외곽에서 오목하게 형성될 수 있다. 또한 제3 렌즈(L3)의 상측면은 근축 영역에서 오목하되 근축 영역의 외곽에서 볼록하게 형성될 수 있다. 따라서 제3 렌즈(L3)의 렌즈면 중에서 적어도 하나의 렌즈면은 변곡점을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계에서 조리개(STOP)는 제1 렌즈(L1)의 물체측면에 배치될 수 있다. 다만 조리개(STOP)의 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 전장(TTL)은 3.65mm이고, 화각(FOV)은 95°이고, F-No는 2.52 이다.
또한 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계를 구성하는 각 렌즈의 설계 스펙은 아래 표 5에 나타낸 바와 같다.
[표 5] 제3 실시예의 설계 스펙
[표 6] 제3 실시예의 비구면 계수
본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 각 렌즈면은 모두 비구면으로 형성될 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 제1 내지 제3 렌즈의 전체 렌즈면 중에서 적어도 하나는 구면으로 형성할 수도 있다.
위의 표 6은 제3 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제3 렌즈(L1, L2, L3)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계는 비점수차 및 왜곡 수차가 모두 양호한 것을 확인할 수 있다.
아래의 표 7은 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것으로서, 이를 통해 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 광학계가 전술한 조건식 1 내지 조건식 5를 모두 만족하고 있음을 확인할 수 있다.
[표 7]
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 3매 렌즈를 사용하여 고화소 이미지센서에 적합한 고해상도 성능을 발휘하면서도 전장(TTL) 4.1mm 이하, 화각(FOV) 95° 이상을 갖는 소형 매크로 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
STOP: 조리개 LF: 렌즈필터 CG: 커버글래스

Claims (6)

  1. 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈;
    정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈;
    정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈;
    를 포함하는 3매 렌즈 광학계이고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 매크로 광학계.
    35 < V1-V2 < 39
    0 < (|f1|+|f2|) / |f3| < 0.2
    21 < FOV / TTL < 27
    (V1: 제1 렌즈(L1)의 아베 수, V2: 제2 렌즈(L2)의 아베 수, f1: 제1 렌즈(L1)의 초점거리(mm), f2: 제2 렌즈(L2)의 초점거리(mm), f3: 제3 렌즈(L3)의 초점거리(mm), FOV: 광학계의 화각(°), TTL: 제1 렌즈(L1)의 물체측 면에서 이미지센서 상면까지의 거리(mm))
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 매크로 광학계
    4.5 < Td12 / Td23 < 6
    (Td12: 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 간의 중심거리(mm), Td23: 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 간의 중심거리(mm))
  5. 제1항에 있어서,
    다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 매크로 광학계
    1.1 < (CT1+CT2+CT3) / BFL < 1.3
    (CT1: 제1 렌즈(L1)의 중심 두께(mm), CT2: 제2 렌즈(L2)의 중심 두께(mm), CT3: 제3 렌즈(L3)의 중심 두께(mm))
  6. 제1항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈이고,
    상기 제2 렌즈는 물체측면은 오목하고 상측면은 볼록한 렌즈이고,
    상기 제3 렌즈는 근축 영역에서 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목하며, 물체측면과 상측면 중에서 적어도 하나의 면에 변곡점이 형성된 렌즈인 것을 특징으로 하는 소형 매크로 광학계
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