KR102582509B1

KR102582509B1 - 촬상 광학계

Info

Publication number: KR102582509B1
Application number: KR1020220152819A
Authority: KR
Inventors: 손주화
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2023-09-25
Also published as: KR20230142392A; KR102471336B1; KR20170130335A; KR102279303B1; KR20210090591A; KR20220159318A

Abstract

본 발명의 촬상 광학계는 물체 측으로부터 상면 방향으로 순서대로 배치되는, 굴절력을 갖는 제1렌즈; 굴절력을 가지며 물체 측면이 오목한 형상인 제2렌즈; 굴절력을 가지며 물체 측면이 오목한 형상인 제3렌즈; 굴절력을 가지며 양면이 오목한 형상인 제4렌즈; 및 굴절력을 가지며, 상 측면에 변곡점이 형성되는 제5렌즈;를 포함한다.

Description

촬상 광학계{Optical Imaging System}

본 발명은 5매 렌즈로 구성된 촬상 광학계에 관한 것이다.

휴대용 단말기의 카메라에 장착되는 촬상 광학계는 다수의 렌즈를 포함한다. 고해상도의 촬상 광학계는 다수의 렌즈로 구현할 수 있다. 예를 들어, 5매의 렌즈로 구성되는 촬상 광학계는 3매 또는 4매 렌즈로 구성되는 촬상 광학계보다 높은 해상도를 구현할 수 있다.

그러나 촬상 광학계를 구성하는 렌즈의 매수가 증가하면 촬상 광학계의 전체 길이(TTL:Total Track Length)가 길어지므로 소형 휴대용 단말기에 탑재하기 어렵다. 따라서, 5매의 렌즈로 구성되면서도 전체 길이가 짧은 촬상 광학계의 개발이 필요하다.

KR

2013-0038631

A

US

2014-0285907

A1

US

7864454

B1

본 발명은 전체 길이가 짧은 촬상 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 촬상 광학계는 물체 측으로부터 상면 방향으로 순서대로 배치되는, 굴절력을 갖는 제1렌즈; 굴절력을 가지며 물체 측면이 오목한 형상인 제2렌즈; 굴절력을 가지며 물체 측면이 오목한 형상인 제3렌즈; 굴절력을 가지며 양면이 오목한 형상인 제4렌즈; 및 굴절력을 가지며, 상 측면에 변곡점이 형성되는 제5렌즈;를 포함한다.

본 발명은 소형 단말기에 탑재할 수 있는 고해상도의 촬상 광학계를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 2는 도 1에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 3은 도 1에 도시된 촬상 광학계의 MTF를 나타낸 그래프
도 4는 도 1에 도시된 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표
도 5는 도 1에 도시된 촬상 광학계의 비구면 값을 나타낸 표
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 7은 도 6에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 8은 도 6에 도시된 촬상 광학계의 MTF를 나타낸 그래프
도 9는 도 6에 도시된 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표
도 10은 도 6에 도시된 촬상 광학계의 비구면 값을 나타낸 표
도 11은 본 발명의 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 12는 도 11에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 13은 도 11에 도시된 촬상 광학계의 MTF를 나타낸 그래프
도 14는 도 11에 도시된 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표
도 15는 도 11에 도시된 촬상 광학계의 비구면 값을 나타낸 표

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.

아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

아울러, 본 명세서에서 제1렌즈는 물체(또는 피사체)와 가장 가까운 렌즈를 의미하고, 제5렌즈는 상면(또는 이미지 센서)과 가장 가까운 렌즈를 의미한다. 본 명세서에서 렌즈의 곡률 반지름(Radius), 두께(Thickness), TTL, ImgH(상면의 대각길이의 1/2), 초점거리의 단위는 모두 ㎜ 단위이다. 아울러, 렌즈의 두께, 렌즈 간의 간격, TTL은 렌즈의 광축에서의 거리이다. 아울러, 렌즈의 형상에 대한 설명에서 일면이 볼록한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 볼록하다는 의미이고, 일면이 오목한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 오목하다는 의미이다. 따라서, 렌즈의 일면이 볼록한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 오목할 수 있다. 마찬가지로, 렌즈의 일면이 오목한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 볼록할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 렌즈의 물체 측면이라 함은 해당 렌즈에서 물체와 가장 가까운 면을 의미하고, 렌즈의 상 측면이라 함은 해당 렌즈에서 상면과 가장 가까운 면을 의미한다.

촬상 광학계는 복수의 렌즈로 이루어지는 광학계를 포함한다. 예를 들어, 촬상 광학계의 광학계는 굴절력을 갖는 5매의 렌즈로 이루어진다. 그러나 촬상 광학계가 굴절력을 갖는 렌즈만으로 구성되는 것은 아니다. 예를 들어, 촬상 광학계는 광량을 조절하기 위한 조리개(stop)를 포함할 수 있다. 또한, 촬상 광학계는 적외선을 차단하기 위한 적외선 차단 필터를 포함할 수 있다. 또한, 촬상 광학계는 광학계를 통해 입사된 피사체의 상을 전기신호로 변환하기 위한 이미지 센서(즉, 촬상 소자)를 더 포함할 수 있다. 또한, 촬상 광학계는 렌즈와 렌즈 사이의 거리를 조정하기 위한 간격 유지 부재를 더 포함할 수 있다.

제1렌즈 내지 제5렌즈는 공기와 다른 굴절률을 갖는 재질로 이루어진다. 예를 들어, 제1렌즈 내지 제5렌즈는 플라스틱 또는 유리 재질로 이루어진다. 제1렌즈 내지 제5렌즈 중 적어도 하나는 비구면 형상을 갖는다. 예를 들어, 제1렌즈 내지 제5렌즈 중 제5렌즈만이 비구면 형상일 수 있다. 또한, 제1렌즈 내지 제5렌즈는 적어도 하나의 면이 비구면 형상일 수 있다. 여기서, 각 렌즈의 비구면은 수학식 1로 표현된다.

수학식 1에서 c는 해당 렌즈의 곡률 반지름의 역수이고, K는 코닉 상수이고, r은 비구면 상의 임의의 점으로부터 광축까지의 거리이고, A ~ J는 비구면 상수이고, Z(또는 SAG)는 비구면 상의 임의의 점으로부터 해당 비구면의 정점까지의 광축 방향으로의 높이이다.

촬상 광학계는 5매의 렌즈, 필터, 이미지 센서, 조리개를 포함한다. 다음에서는 전술된 구성들을 설명한다.

제1렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제1렌즈는 정의 굴절력을 가진다.

제1렌즈는 적어도 일면이 볼록한 형상이다. 예를 들어, 제1렌즈는 물체 측면(object-side surface)이 볼록한 형상이다.

제1렌즈는 비구면을 포함한다. 예를 들어, 제1렌즈는 양면이 모두 비구면일 수 있다. 제1렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제1렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제1렌즈의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다.

제2렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제2렌즈는 부의 굴절력을 가진다.

제2렌즈는 매니스커스 형상이다. 예를 들어, 제2렌즈는 물체 측면 오목한 형상일 수 있다.

제2렌즈는 비구면을 포함한다. 예를 들어, 제2렌즈는 상 측면(image-side surface)이 비구면일 수 있다. 제2렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제2렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제2렌즈의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2렌즈는 유리 재질로 제작될 수도 있다.

제2렌즈는 고굴절률의 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제2렌즈의 굴절률은 1.60 이상일 수 있다. 제2렌즈는 작은 아베수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2렌즈의 아베수는 30 이하일 수 있다. 이와 같이 구성된 제2렌즈는 제1렌즈에 의한 색수차를 효과적으로 개선할 수 있다.

제3렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제3렌즈는 정의 굴절력을 가진다.

제3렌즈는 매니스커스 형상이다. 예를 들어, 제3렌즈는 물체 측면이 오목한 형상일 수 있다.

제3렌즈는 비구면을 포함한다. 예를 들어, 제3렌즈는 양면이 모두 비구면일 수 있다. 제3렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제3렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제3렌즈의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제3렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다.

제4렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제4렌즈는 부의 굴절력을 가진다.

제4렌즈는 매니스커스 형상이다. 예를 들어, 제4렌즈는 물체 측면이 오목한 형상일 수 있다.

제4렌즈는 렌즈의 가장자리가 일 측으로 급격하게 휘어진 형상일 수 있다. 예를 들어, 제4렌즈의 물체 측면 가장자리의 SAG는 0.4 ~ 0.43 ㎜이고, 상 측면 가장자리의 SAG는 0.48 ~ 0.6 ㎜이다.

제4렌즈는 비구면을 포함한다. 예를 들어, 제4렌즈는 양면이 모두 비구면일 수 있다. 제4렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제4렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제4렌즈의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제4렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다.

제4렌즈는 고굴절률의 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제4렌즈의 굴절률은 1.60 이상일 수 있다. 제4렌즈는 작은 아베수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제4렌즈의 아베수는 30 이하일 수 있다.

제5렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제5렌즈는 부의 굴절력을 가진다.

제5렌즈는 매니스커스 형상일 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈는 상 측면이 오목한 형상일 수 있다.

제5렌즈는 렌즈의 가장자리가 일 측으로 휘어진 형상일 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈의 물체 측면 가장자리의 SAG는 0.15 ~ 0.28 ㎜이다.

제5렌즈는 변곡점을 갖는 형상일 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈의 상 측면에는 변곡점이 형성될 수 있다.

제5렌즈는 비구면을 포함한다. 예를 들어, 제5렌즈는 양면이 모두 비구면일 수 있다. 제5렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제5렌즈의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제5렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다.

필터는 제1렌즈 내지 제5렌즈를 통해 입사되는 입사광으로부터 일부 파장을 차단한다. 예를 들어, 필터는 입사광의 적외선 파장을 차단할 수 있다.

필터는 얇게 제작될 수 있다. 이를 위해 필터는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.

이미지 센서는 1300 M(메가 픽셀)의 고해상도를 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서를 구성하는 픽셀의 단위크기는 1.12 ㎛ 이하일 수 있다.

조리개는 렌즈로 입사되는 광량을 조정하도록 배치된다. 예를 들어, 조리개는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이 또는 제1렌즈의 물체 측에 배치된다.

촬상 광학계는 아래의 조건식들을 만족할 수 있다.

[조건식] TTL ≤ 3.80 [㎜]

[조건식] TTL/(ImgH*2) ≤ 0.65

[조건식] 80 < FOV

[조건식] G12 < 0.031 [㎜]

[조건식] G12/G34 ≤ 0.061

[조건식] 0.10 < Df < 0.12 [㎜]

[조건식] 55.0 < Vf < 60.0

[조건식] Df/ImgH < 0.04

[조건식] Df/(TTL*ImgH) < 0.01 [1/㎜]

상기 조건식에서 상기 조건식에서 TTL은 상기 제1렌즈의 물체 측면으로부터 상기 상면까지의 거리이고, ImgH는 상기 상면의 대각길이의 1/2이고, FOV는 상기 촬상 광학계의 최대 화각이고, G12는 상기 제1렌즈의 상 측면으로부터 상기 제2렌즈의 물체 측면까지의 거리이고, G34는 상기 제3렌즈의 상 측면으로부터 상기 제4렌즈의 물체 측면까지의 거리이고, Df는 상기 필터의 두께이고, Vf는 상기 필터의 아베수이다.

상기 조건식들을 만족하는 촬상 광학계는 소형화가 용이하여 소형 단말기에 탑재할 수 있다. 아울러, 상기 조건식을 만족하는 촬상 광학계는 고해상도를 구현이 가능하다.

다음에서는 여러 실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 제1실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

촬상 광학계(100)는 제1렌즈(110), 제2렌즈(120), 제3렌즈(130), 제4렌즈(140), 제5렌즈(150)로 구성되는 광학계를 포함한다. 아울러, 촬상 광학계(100)는 필터(160), 이미지 센서(170), 조리개(ST)를 포함한다.

본 실시 예에서, 제1렌즈(110)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제2렌즈(120)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(130)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제4렌즈(140)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제5렌즈(150)는 부의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 조리개(ST)는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이에 배치된다.

위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 수차 특성 및 MTF 특성을 나타낸다. 도 4 및 도 5는 제1실시 예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 특성 및 비구면 특성을 나타내는 표이다.

표 4에서 알 수 있듯이, 촬상 광학계의 유효 반지름(effective radius)은 제1렌즈로부터 조리개로 갈수록 작아지다가 조리개로부터 상면으로 갈수록 점차 커진다. 촬상 광학계의 최대 유효 반지름은 3.0626으로 상면 중심으로부터 모서리까지의 길이(ImgH)보다 크다.

도 6을 참조하여 제2실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

촬상 광학계(200)는 제1렌즈(210), 제2렌즈(220), 제3렌즈(230), 제4렌즈(240), 제5렌즈(250)로 구성되는 광학계를 포함한다. 아울러, 촬상 광학계(200)는 필터(260), 이미지 센서(270), 조리개(ST)를 포함한다.

본 실시 예에서, 제1렌즈(210)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제2렌즈(220)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(230)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제4렌즈(240)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제5렌즈(250)는 부의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 조리개(ST)는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이에 배치된다.

위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 수차 특성 및 MTF 특성을 나타낸다. 도 9 및 도 10은 제2실시 예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 특성 및 비구면 특성을 나타내는 표이다.

표 9에서 알 수 있듯이, 촬상 광학계의 유효 반지름(effective radius)은 제1렌즈로부터 조리개로 갈수록 작아지다가 조리개로부터 상면으로 갈수록 점차 커진다. 촬상 광학계의 최대 유효 반지름은 3.0466으로 상면 중심으로부터 모서리까지의 길이(ImgH)보다 크다.

도 11을 참조하여 제3실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

촬상 광학계(300)는 제1렌즈(310), 제2렌즈(320), 제3렌즈(330), 제4렌즈(340), 제5렌즈(350)로 구성되는 광학계를 포함한다. 아울러, 촬상 광학계(300)는 필터(360), 이미지 센서(370), 조리개(ST)를 포함한다.

본 실시 예에서, 제1렌즈(310)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제2렌즈(320)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(330)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제4렌즈(340)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제5렌즈(350)는 부의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 조리개(ST)는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이에 배치된다.

위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같은 수차 특성 및 MTF 특성을 나타낸다. 도 14 및 도 15는 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 특성 및 비구면 특성을 나타내는 표이다.

표 14에서 알 수 있듯이, 촬상 광학계의 유효 반지름(effective radius)은 제1렌즈로부터 제2렌즈의 상 측면으로 갈수록 작아지다가 제3렌즈의 물체 측면으로부터 상면으로 갈수록 점차 커진다. 촬상 광학계의 최대 유효 반지름은 3.0467로 상면 중심으로부터 모서리까지의 길이(ImgH)보다 크다.

표 1은 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 광학 특성을 나타낸다. 촬상 광학계의 전체 초점거리(f)는 대체로 3.10 ~ 3.45 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제1렌즈의 초점거리(f1)는 대체로 2.0 ~ 2.3 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제2렌즈의 초점거리(f2)는 대체로 -3.9 ~ -4.3 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제3렌즈의 초점거리(f3)는 대체로 13.0 ~ 20.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제4렌즈의 초점거리(f4)는 대체로 -12.0 ~ -17.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제5렌즈의 초점거리(f5)는 대체로 -9.0 ~ -21.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 광학계의 전체 길이는 대체로 3.80 이하에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계의 최대화각은 대체로 80 이상에서 정해질 수 있다.

표 2는 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 조건식 값을 나타낸다.

표 2에서 알 수 있듯이, 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계는 조건식을 만족한다.

본 발명은 이상에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

100, 200, 300 촬상 광학계
110, 210, 310 제1렌즈
120, 220, 320 제2렌즈
130, 230, 330 제3렌즈
140, 240, 340 제4렌즈
150, 250, 350 제5렌즈
160, 260, 360 (적외선 차단) 필터
170, 270, 370 이미지 센서 또는 상면

Claims

정의 굴절력을 갖는 제1렌즈;
부의 굴절력을 갖는 제2렌즈;
굴절력을 가지며 물체 측면이 오목한 형상인 제3렌즈;
굴절력을 갖는 제4렌즈; 및
부의 굴절력을 가지며 상 측면에 변곡점이 형성되는 제5렌즈;
를 포함하고,
상기 제1렌즈 내지 제5렌즈는 물체 측으로부터 순차적으로 배치되고,
전체 초점거리(f)가 3.10 mm ~ 3.45 mm 범위에서 결정되고 하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
80° < FOV
제1항에 있어서,
상기 제1렌즈는 물체 측면이 볼록한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제2렌즈는 상 측면이 오목한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제3렌즈는 정의 굴절력을 갖는 촬상 광학계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제4렌즈는 물체 측면이 오목한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제5렌즈는 물체 측면이 볼록한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제5렌즈는 상 측면이 오목한 형상인 촬상 광학계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2렌즈는 굴절률이 1.6 이상인 촬상 광학계.