상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 대략 "U" 형상을 가지며, 그 하부로부터는 하방향으로 연장하여 피씨비에 접속되는 다수의 레그가 제공되는 패키지; 상기 패키지 내측 저부에 제공되어 그로 입사되는 이미지 광을 감지하는 다수의 수광 소자; 및 상기 하우징 내측으로 삽입 체결되며, 입사 광선의 방향을 따라 제1비구면 및 제2비구면을 포함하는 비구면 렌즈가 형성되고, 상기 제1 또는 제2비구면에는 적외선 차단을 위한 적외선 차단 필터가 박막 코팅되는 커버를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 모듈을 제공한다.
상기 커버의 양측에는 상기 패키지와의 체결을 위한 돌기가 각각 형성되고, 상기 패키지의 내벽 양측 부근에는 각각 상기 대응하는 돌기가 탄성적으로 삽입되는 그루브가 형성되는 브라켓이 각각 형성된다.
본 발명의 특징으로서, 상기 커버는 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylemetacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌 (polystyrene) 중의 어느 하나의 재료로 사출 성형된다.
상기 자외선 차단 필터는 진공 증착법에 의해 상기 비구면 렌즈의 상면 또는 저면에 다수의 박막층으로 증착되며, 상기 진공 증착은 5 × 10-5내지 4 × 10-6Torr의 압력, 90도 내지 110도의 온도 환경에서 수행된다.
본 발명의 특징으로서, 상기 박막층의 재료는 크롬 산화물, 철 산화물, 고굴절률 재료인 세륨 산화물, 티탄 산화물, 지르코늄 산화물, 또는 저굴절률 재료인 실리콘 산화물, 마그네슘 불화물 중의 적어도 어느 둘 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 다수의 박막층은 상기 고굴절률 재료 중의 어느 하나와 상기 저굴절률 재료 중의 어느 하나가 번갈아 증착된다.
상기 커버의, 상기 다수의 수광 소자와 대면하는 부위에는 식:
단, z : 광선 진행 방향으로의 거리, cv: 1/R (R; Radius), cc: 원추 상수(conic constant), AS3 ...... AS10 :비구면 계수를 만족하는 비구면 렌즈가 형성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 4에는 본 발명에 따른 이미지 센싱 모듈(200)이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 모듈(200)은 대략 "U" 형상을 가지는 패키지(210)를 포함한다. 패키지(210)의 하부로부터는 다수의 레그(215)가 하방향으로 연장하여 피씨비(미도시)에 접속된다. 패키지(210)의 내측 저부에는 다수의 수광 소자(220)가 매트릭스 형상으로 제공되어 그로 입사되는 이미지 광을 감지한다.
패키지(210) 내측으로는 수광 소자를 보호하기 위한 커버(230)가 삽입 체결된다. 즉, 패키지(210) 내에 매트릭스로 배열된 다수의 수광 소자(220)를 포함하는 이미지 센서의 수광면을 보호하기 위해, 상기 수광면 상부에는 투명 보호 커버(230)가 제공된다.
커버(230)의 양측에는 패키지(210)와의 체결을 위한 돌기(232)가 각각 형성되고, 패키지(210)의 내벽 양측 부근에는 각각 대응하는 돌기(232)가 탄성적으로 삽입되는 그루브(212)가 형성되는 브라켓(214)이 각각 형성된다. 따라서, 커버(230)는 패키지(210) 내로/로부터 소정 탄성을 가지고 삽입/분리될 수 있다.
커버(230)의 중앙부에는 입사 광선의 방향을 따라 제1비구면(241) 및 제2비구면(242)을 포함하는 비구면 렌즈(240)가 형성된다. 비구면 렌즈(240)는 식:
--------------- (A)
단, z : 광선 진행 방향으로의 거리, cv: 1/R (R; Radius), cc: 원추 상수(conic constant), AS3 ...... AS10 :비구면 계수를 만족하도록 하여 그 촬상 성능이 향상되도록 한다.
이때, 렌즈(240)의 두께 및 뒤초점거리는 컴팩트하도록 최대한 작게 설계한다. 바람직하게는, 뒤초점거리 ≤ 10mm, 초점거리 ≤ 10mm를 만족하도록 설계하는 것이 좋다.
식 (A)을 만족하는 렌즈(240)의 설계는 대체로 다음과 같은 순서로 진행된다. 첫째, 주어진 조건, 즉, 규격 사항 및 요구되는 성능을 검토한다. 이는, 요구되는 목적, 조명되는 파장, 유효초점거리, F#, 경통 길이, 분해능 등을 고려해야 함을 의미한다. 둘째, 각 요소의 굴절능과 요소 간의 간격을 결정하여 시스템을 구축한다. 셋째, 각 요소로써의 렌즈의 두께를 부여하여 각 면의 곡률을 결정한다. 두께 및 각 면의 곡률이 설정되면, 가우스(Gauss) 광선 추적, 자이델(Seidel) 1차 파면 수차를 계산하여 최적 설계에 접근한다. 넷째, 각 면에 비구면 계수를 사용, 유한 광선 추적을 하여 광선 수차, ray-fan, encircled energy, spot diagram 또는 MTF를 계산하여 최적 설계를 한다. 요구되는 수차 특성, 또는 결상 성능이 만족되면 최적화 과정이 마무리된다.
예를 들면, 식 (A)에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 비구면 렌즈의 설계 사양의 예시로써,
곡률 반경 |
두 께 |
유효경 |
재질 |
S1면 |
3.2739 |
3.6 |
4.8 |
PMMA(PolymethylMetacrylate) |
S2면 |
-5,308 |
2.4 |
4.2 |
공기 |
와 같은 데이터를 얻을 수 있다.
이때, 뒤초점거리는 2.4mm, 화각 50도, 그리고, 각 비구면 계수는 S1면에 있어서: cc=0, AS4=0.010947, AS6= -0.008495, AS8=0.00255, AS10= -0.00264이며, S2면에 대해서는: cc=5.36, AS4=0.016757, AS6=0.004785, AS8=0.00408, AS10= -0.080961로 셋팅된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 또는 제2비구면(241, 242)에는 적외선 차단을 위한, 도 5에 확대 도시된 바와 같이, 적외선 차단 필터(250)가 박막 코팅된다. 이는, 이미지 센서의 고체 촬상 소자(220)의 단파장 광감도 특성을 높이기 위하여 장파장광의 투과를 줄이기 위한 것이다.
이때, 즉, 플라스틱 재질 상에 코팅을 하는 경우, 플라스틱 재료의 포화 흡수율, 선팬창계수, 인장 강도 등의 물성에 따라 렌즈(240)가 변형될 수 있기 때문에, 렌즈(240)의 전광선 투과율 향상과 색감도 향상을 위해, 적절한 박막(250)이 코팅되어야 한다. 적외선 차단 필터(250)는 글라스 렌즈에는 형성시키는 것은 공지되어 있으나, 플라스틱 렌즈 상에 형성시키는 것은 현재까지 기술적으로 개시되지 않았다는 점에서 이는 본 발명의 특징 중의 하나임을 알 수 있다. 즉, 종래에는, 글라스 렌즈의 전이 온도는 약 500도이고, 플라스틱 렌즈의 전이 온도는 약 100도인데, 코팅 재료의 특성을 나타내기 위해서는 100도 이상 코터(coater)를 가동시켜야 하기 때문에, 진공 증착으로 박막 코팅을 함에 있어 플라스틱 렌즈를 사용하는 거의 불가능했다.
또한, 플라스틱 재료와 박막 재료 간의 상이한 결합력 때문에 응력이 발생한다. 상기 플라스틱 및 박막 재료가 가지고 있는 고유 응력, 각 재료 간의 다른 열팽창계수에 의해 발생되는 열응력 외에, 증착된 박막 재료가 수축하려는 압축 응력과 늘어나려는 인장 응력으로 구별할 수 있다. 따라서, 전술한 점을 고려하여 박막 재료 및 증착 조건을 설정해야 한다.
도 5를 참조하면, 제2비구면(242)에 적외선 차단 필터(250)가 증착된 상태가 도시되어 있다. 이때, 전술한 바와 같이, 플라스틱 렌즈의 전이 온도, 즉, 융점은 대략 섭씨 100도 정도이기 때문에, 박막을 진공 증착하는 경우에 렌즈(240)가 상기 전이 온도 부근의 환경을 견딜 수 있도록 본 발명에 의한 합성수지재의 재질 및 박막의 재질은 엄선된다. 즉, 본 발명의 특징으로서, 커버(240)는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylemetacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌 (polystyrene) 중의 어느 하나의 재료로 사출 성형된다.
자외선 차단 필터(250)는 진공 증착법에 의해 비구면 렌즈(240)의 제1 또는 제2비구면(241, 242)에 다수의 박막층으로 증착된다. 이때, 상기 진공 증착은 5 × 10-5내지 4 × 10-6Torr의 압력, 및 90도 내지 110도의 온도 환경에서 수행된다.
본 발명의 특징으로서, 상기 박막층의 재료는 크롬 산화물, 철 산화물, 고굴절률 재료인 세륨 산화물, 티탄 산화물, 지르코늄 산화물, 또는 저굴절률 재료인 실리콘 산화물, 마그네슘 불화물 중의 적어도 어느 둘 이상이 쓰인다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 다수의 박막층은 상기 고굴절률 재료 중의 어느 하나와 상기 저굴절률 재료 중의 어느 하나가 번갈아 증착된다. 대체적으로는 약 30층 이상의 박막이 코팅되어야 한다.
전술한 바와 같이, 진공 증착기 내의 압력은 5.0 × 10-5Torr - 4.0 × 10-6Torr로 유지하고, 기판의 온도를 100도 정도로 유지하여, 고굴절률을 갖는 재료와 저굴절률을 갖는 재료의 상호 반복층을 형성하여 박막을 증착시킨다.
도 6에는 상기와 같이 적외선 차단 필터(250)가 비구면 렌즈(240) 상에 증착된 경우의 향상된 감도 특성을 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 가시광선의 파장 영역인 400 - 700nm 부분의 감도가 거의 균일하게 나타나고 있으며, 690nm 이상의 장파장대 영역은 거의 투과하지 못함을 볼 수 있다. 더욱 상세하게는, 대략 가시광선 영역 전반에 걸친 400 - 650nm 의 파장대에서는 85% 이상의 투과율을 보이고 있으며, 670 ± 10nm의 영역에서는 50%의 투과율을, 690 - 1100nm의 파장대에서는 3% 이하의 투과율을 보인다.
도 5를 참조하며, 적외선 차단 필터(250)의 두께는 상기와 같은 균일한 광감도를 갖기 위해 다음과 같은 조건을 만족할 필요가 있다.
단, ni는 i번째 층의 굴절률, di는 i번째 층의 두께이다. 이는, 전술한 바 있지만, 적외선 차단 필터(250)를 형성하는 박막이 대략 30여 개의 레이어(layer)로 구성되며, 이때, 도 6에 도시된 정도의 광감도를 갖기 위해 요구되는 최소 사양 및 최대 사양에 대응하는 최종 박막의 두께가 된다.