KR20100026621A - 줌 렌즈 - Google Patents

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김범근
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 줌 렌즈는 입사광을 반사시킬 수 있는 프리즘 렌즈를 포함하는 제1렌즈군; 상기 제1렌즈군을 기준으로 상측으로 배치된 복수의 렌즈군을 포함하고, 상기 제1렌즈군의 프리즘 렌즈는 적어도 어느 일면이 곡률을 갖도록 형성된 것을 포함한다.
줌 렌즈

Description

줌 렌즈{Zoom Lens}
실시예는 고해상도 이미지 센서를 이용하는 카메라 모듈에 사용되는 줌 렌즈에 관한 것이다.
최근에 이미지 픽업 시스템(Image Pickup System)과 관련하여 통신단말기용 카메라 모듈, 디지탈 스틸 카메라(DSC, Digital Still Camera), 캠코더, PC 카메라(퍼스널 컴퓨터에 부속된 촬상장치) 등이 연구되고 있다. 이러한 이미지 픽업 시스템과 관련된 카메라 모듈이 상(image)을 얻기 위해 가장 중요한 구성요소는 상(image)을 결상하는 줌 렌즈이다.
실시예에 따른 줌 렌즈는 슬림(slim)하고, 수차 특성이 우수한 줌 렌즈를 제공한다.
실시예에 따른 줌 렌즈는 입사광을 반사시킬 수 있는 프리즘 렌즈를 포함하는 제1렌즈군; 상기 제1렌즈군을 기준으로 상측으로 배치된 복수의 렌즈군을 포함하고, 상기 제1렌즈군의 프리즘 렌즈는 적어도 어느 일면이 곡률을 갖도록 형성된 것을 포함한다.
실시예에 따른 줌 렌즈는 곡률이 형성된 프리즘 렌즈를 사용하고, 상기 프리즘 렌즈의 상면측에 조리개를 추가로 배치하여 슬림(slim)한 줌 렌즈를 설계할 수 있다.
또한, 주 광선의 광축에 대한 평행도(telecentricity)를 개선시킬 수 있는 메니스커스 타입의 렌즈를 삽입하여, 상면에 균일한 광량을 제공할 수 있다.
또한, 비구면 렌즈 및 이중렌즈를 사용하여, 각종 수차를 개선시킴으로써, 수차 특성이 우수한 줌 렌즈를 설계할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 줌 렌즈에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 광각(wide), 도 2는 중간(middle), 도 3은 망원(tele)에서의 실시예에 따른 줌 렌즈의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 줌 렌즈는 제1렌즈군(G1), 제2렌즈군(G2), 제3렌즈군(G3), 제4렌즈군(G4), 제5렌즈군(G5) 및 수광 소자(130)를 포함한다.
피사체 영상을 획득하기 위하여 피사체의 영상 정보에 해당되는 광은 상기 제1렌즈군(G1), 제2렌즈군(G2), 제3렌즈군(G3), 제4렌즈군(G4) 및 제5렌즈군(G5)을 통과하여 상기 수광 소자(130)에 입사된다.
그리고, 상기 제2렌즈군(G2) 및 제4렌즈군(G4)을 광축 방향으로 이동시킴으로써 줌(zoom)을 구현할 수 있다.
상기 제1렌즈군(G1)은 양(+)의 파워(power)를 가지며, 제1렌즈(10), 제1조리개(15) 및 제2렌즈(20)를 포함한다.
상기 제1렌즈(10)는 물체측 면(R1)과 상측 면(R2)에 곡률이 형성된 프리즘(prism)렌즈로 형성될 수 있다.
상기 제1렌즈(10)는 입사광을 반사시킬 수 있는 반사면을 포함하며, 입사광이 상기 반사면에 반사되어 입사광의 방향이 전환될 수 있다.
상기 제1렌즈(10)의 반사면은 입사광의 주광선을 90 °로 반사시켜, 입사되는 광을 제2렌즈(20)로 반사시킬 수 있다.
상기 제1렌즈(10)에 의해 상기 입사광의 방향을 전환할 수 있는 구조로 설계됨으로써, 슬림(slim)한 줌 렌즈를 설계할 수 있다.
이때, 상기 제1렌즈(10)의 물체측 면(R1)과 상측 면(R2)에 곡률을 형성함으로써, 프리즘 렌즈인 상기 제1렌즈(10)의 물체측에는 별도의 렌즈를 추가하지 않아도 된다.
상기 제1렌즈(10)의 물체측 면(R1)은 비구면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1렌즈(10)보다 상측에 상기 제1조리개(15)를 배치하여, 상기 제1렌즈(10)보다 상측에 배치된 렌즈들의 크기를 상기 제1렌즈(10)보다 작게 형성할 수 있다.
즉, 프리즘 렌즈인 상기 제1렌즈(10)의 가로 및 세로의 크기가 7 mm인 경우, 상기 제1렌즈(10)보다 상측에 배치된 렌즈의 크기를 7 mm 이내로 설계하여, 슬림(slim)한 광학계를 설계할 수 있다.
상기 제2렌즈(20)는 양면이 모두 비구면인 볼록렌즈로 형성되어, 상기 제1렌즈(10)에서 발생한 수차들을 제거할 수 있다.
이때, 상기 제1렌즈(10)와 제2렌즈(20) 간의 간격(d1)이 넓어질수록 색수차와 왜곡수차가 발생하기 때문에, 상기 제1렌즈(10)와 제2렌즈(20) 간의 간격(d1)은 다음의 조건식을 만족할 수 있다.
0.3 mm＜d1＜0.5 mm (1)
상기 조건식 (1)을 만족하는 줌 렌즈를 설계함으로써, 색수차 및 왜곡수차를 개선시킬 수 있다.
상기 제2렌즈군(G2)은 음(-)의 파워를 가지며, 제3렌즈(30), 제4렌즈(40) 및 제5렌즈(50)를 포함한다.
상기 제2렌즈군(G2)은 광축 방향으로 이동하여 줌 렌즈의 배율을 조절할 수 있다.
상기 제3렌즈(30)는 상기 제2렌즈(20)보다 상측에 배치되며, 상기 제4렌즈(40)와 제5렌즈(50)는 서로 접합된 이중렌즈로 형성되어 색수차를 보정할 수 있다.
이때, 상기 제3렌즈(30)와 제4렌즈(40)사이의 간격(d2)이 넓어질수록 광각(wide)에서의 구면수차 및 비점수차가 증가하기 때문에, 상기 제3렌즈(30)와 제4렌즈(40)사이의 간격(d2)은 다음의 조건식을 만족할 수 있다.
1.9 mm＜d2＜2.0 mm (2)
상기 제3렌즈군(G3)은 양(+)의 파워를 가지며, 제6렌즈(60) 및 제2조리개(65)를 포함한다.
상기 제5렌즈(50)보다 상측에 배치된 상기 제6렌즈(60)는 상기 제5렌즈(50)가 배치된 방향의 면이 비구면으로 형성될 수 있으며, 상측면에 오목면을 갖는 메니스커스(meniscus) 타입의 렌즈로 형성된다.
상기 제2조리개(65)는 상기 제6렌즈(60)보다 상측에 배치되며, 상기 제6렌즈(60)로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하여 초점거리(focus length)를 조절하는 기능을 수행한다.
상기 제4렌즈군(G4)은 양(+)의 파워를 가지며, 제7렌즈(70)를 포함한다.
상기 제6렌즈(60)보다 상측에 배치된 상기 제7렌즈(70)는 광축 방향으로 이동하여 줌 렌즈의 배율을 조절할 수 있으며, 동시에 초점조절의 기능도 수행할 수 있다.
또한, 상기 제7렌즈(70)의 상측면이 비구면으로 형성되어, 각종 수차를 보정할 수 있다.
상기 제5렌즈군(G5)은 음(-)의 파워를 가지며, 제8렌즈(80), 제9렌즈(90), 제10렌즈(100), 필터(110) 및 커버글래스(120)를 포함한다.
상기 제8렌즈(80)는 상기 제7렌즈(70)보다 상측에 배치되며, 상기 제8렌즈(80)와 상기 제9렌즈(90)는 서로 접합된 이중렌즈로 형성되어 색수차를 보정할 수 있다.
상기 제10렌즈(100)는 상측면에 볼록면을 갖는 메니스커스 타입의 렌즈로 형성되어, 상기 수광 소자(130)에 입사되는 광을 평행광으로 만들어줄 수 있다.
즉, 상기 제10렌즈(100)에 의해 주 광선의 광축에 대한 평행도(telecentricity)를 개선시킴으로써, 상면(R25)에 균일한 광량이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제6렌즈(60)가 상측면에 오목면을 갖는 메니스커스 타입의 렌즈로 형성되어, 상기 제9렌즈(90)의 상측면부터 상면(R25)까지의 간격이 넓어져, 상기 제10렌즈(100)가 삽입될 공간이 형성될 수 있다.
상기 필터(110)는 적외선 차단 필터(IR cut filter)로 이루어질 수 있다.
상기 적외선 차단 필터는 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 상기 수광 소자(130)에 전달되지 않도록 차단시키는 기능을 한다.
즉, 적외선 차단 필터는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출되도록하는 구조를 가진다.
상기 커버글래스(120)는 상기 수광 조사(130)로 유입되는 불순물의 유입을 막아줄 수 있다.
그리고, 상기 수광 소자(130)는 피사체 영상에 대응하는 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서로 이루어질 수 있으며, 상기 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 이루어질 수 있다.
실시예에 따른 줌 렌즈는 다음의 표 1과 같은 광학적 특징을 가진다.
렌즈면 곡률반경(mm) 두께(mm) 굴절율(n) 아베수(v) 비고
R1* -190 7 1.755 27.6
R2 18.93 0.4816
R3 ∞ 0.2 제1조리개
R4* 9.3094 1.7498 1.487 70.4
R5* -12.9169 0.7
R6 68.0949 1.0739 1.539201 65.4
R7 4.9155 1.9325
R8 -9.8428 1.2212 1.501527 62.4
R9 4.7812 0.9092 1.744 44.7 접합면
R10 18.6514 5.43
R11* 7.7404 2 1.755 27.6
R12 9.9884 0.2273
R13 ∞ 8.35 제2조리개
R14 13.3469 1.3256 1.487 70.4
R15* -12.4949 2.98
R16 20.7129 1.4668 1.742566 28.1
R17 4.3254 1.8488 1.62 60.3 접합면
R18 -21.9810 4.3879
R19 -3.4187 0.5 1.755 27.6
R20 -3.6840 2.9975
R21 ∞ 0.5 1.487 70.4 필터
R22 ∞ 0.2186 필터
R23 ∞ 0.5 1.487 70.4 커버글래스
R24 ∞ 0.9908 커버글래스
R25 ∞ 0.0085 센서
(* 표시는 비구면을 나타낸다)
상기 표 1은 광각(wide)에서의 광학적 특징이며, 상기 표 1에 표기한 두께는 각 렌즈면에서 다음 렌즈면까지의 거리를 나타낸다.
이때, 프리즘 렌즈인 상기 제1렌즈(10)의 굴절율(N1) 및 아베수(V1)는 표 1에 한정되지 않고, 다음의 조건식을 만족시킬 수 있다.
1.7＜N1＜2.0 (3)
25＜V1＜30 (4)
상기의 굴절율(N1) 및 아베수(V1)에 관한 조건식을 만족함으로써, 색수차를 양호하게 보정할 수 있다.
그리고, 상기 제10렌즈(100)에서 빛이 입사되는 면인 R19면의 곡률반경(CR19) 및 상기 제10렌즈(100)의 두께(T19)는 표 1에 한정되지 않고, 다음의 조건을 만족시킬 수 있다.
-3.6 mm＜CR19＜-3.4 mm (5)
0.45 mm＜T19＜0.55 mm (6)
상기 조건식 (5)을 만족시킴으로써, 평행도(telecentricity)를 개선시킬 수 있어, 상면(R25)에 균일한 광량이 제공될 수 있으며, 또한 구면수차도 개선시킬 수 있다.
또한, 상기 조건식 (6)를 만족시킴으로써, 색수차 및 코마수차를 개선시킬 수 있다.
아래의 표 2는 실시예의 비구면 렌즈에 대한 비구면 계수 값이다.
렌즈면 A1 A2 A3 A4
R1 -0.1066×10-3 0.1081×10-4 -0.2582×10-6 0.2491×10-8
R4 0.1016×10-2 -0.5496×10-4 0.2091×10-5 -0.5083×10-7
R5 0.1299×10-2 -0.4518×10-4 0.1587×10-5 -0.3922×10-7
R11 -0.4793×10-3 -0.1799×10-4 0.4410×10-5 -0.9808×10-6
R15 0.1757×10-3 -0.6346×10-5 0.4717×10-6 -0.1744×10-7
실시예의 비구면 렌즈에 대한 표 2의 비구면 계수 값은 다음의 수학식 1으로부터 얻을 수 있다.
Figure 112008062026727-PAT00001
Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
C : 렌즈의 기본 곡률
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
K : 코닉 상수(Conic constant)
A1, A2, A3, A4, A5 : 비구면 계수(Aspheric constant)
아래의 표 3은 광각(wide), 중간(middle), 망원(tele)에서의 초점거리(focal length) 및 각 렌즈군 간의 거리를 도시하고 있다.
렌즈면 Wide Middle Tele
R5~R6 0.7 (mm) 4.124 (mm) 5.43 (mm)
R10~R11 5.43 (mm) 2.017 (mm) 0.7 (mm)
R13~R14 8.35 (mm) 4.96 (mm) 2.36 (mm)
R15~R16 2.98 (mm) 6.382 (mm) 8.98 (mm)
초점거리 6.9 (mm) 12.95 (mm) 18.999 (mm)
그리고, 본 실시예에서 상기 제1렌즈군(G1)은 108.624 mm, 상기 제2렌즈군(G2)은 -27.089 mm, 상기 제3렌즈군(G3)은 25.071 mm, 상기 제4렌즈군(G4)은 42.028 mm, 상기 제5렌즈군(G5)은 -53.276 mm의 초점거리를 가지도록 설계하였다.
도 4는 실시예에 따른 줌 렌즈에서 각 렌즈군의 위치에 따른 초점거리를 도시한 그래프이다.
도 4에 도시된 그래프의 세로축은 실시예에 따른 줌 렌즈의 초점거리를 의미하며, 각 렌즈군의 위치에 따라 광각에서 망원으로 초점거리가 변하는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 제2렌즈군(G2)과 제4렌즈군(G4)의 이동에 따라 광각에서 망원으로 초점거리가 변하는 것을 알 수 있다.
이때, 각 렌즈군의 표기는 주요면(principle plane; PP)에 따라 표기하였다.
도 5 내지 도 13은 실시예에 따른 줌 렌즈의 수차 특성, TV 왜곡(Distortion) 및 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 광각(wide)에서의 수차특성이고, 도 6은 중간(middle)에서의 수차특성이며, 도 7은 망원(tele)에서의 수차특성을 도시한 그래프이다.
상기 수차특성은 구면수차(Longitudinal Spherical Aber.), 비점수차(Astigmatic Field Curves) 및 왜곡수차(Distortion)를 측정한 그래프이다.
그리고, 도 8은 광각(wide)에서의 TV 왜곡이고, 도 9은 중간(middle)에서의 TV 왜곡이며, 도 10은 망원(tele)에서의 TV 왜곡을 도시하였다.
상기 TV 왜곡(distortion)은 물체가 광학계를 통과한 후 광학계의 수차 중, 왜곡(distortion)에 의해 상(image)이 일그러지는 현상을 의미한다.
상기 도 8 내지 도 10에서는 횡축 FOV(Horizontal Field of View)와 종축 FOV(Vertical Field of View)에 따라 실제상(Ideal Image)과 줌 렌즈에 의해 형성된 상(Image)을 도시하였다.
그리고, 도 11은 광각(wide)에서의 MTF 특성이고, 도 12은 중간(middle)에서의 MTF 특성이며, 도 13은 망원(tele)에서의 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
상기 MTF 특성은 밀리미터당 사이클의 공간주파수(cycles/mm)의 변화에 의존하는 MTF 특성을 측정한 그래프를 도시하였다.
MTF란 원래의 피사체 표면에서 출발한 빛이 렌즈를 통과한 후 맺힌 상과의 차이를 계산한 비율치로서, MTF 값이 '1'인 경우가 가장 이상적이며, MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다.
도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, MTF 값이 높게 나타나기 때문에 실시예에 따른 줌 렌즈는 광학성능이 우수한 것을 알 수 있다.
이상의 실시예에 따른 줌 렌즈는 곡률이 형성된 프리즘 렌즈를 사용하고, 상기 프리즘 렌즈의 상면측에 조리개를 추가로 배치하여 슬림(slim)한 줌 렌즈를 설계할 수 있다.
또한, 주 광선의 광축에 대한 평행도(telecentricity)를 개선시킬 수 있는 메니스커스 타입의 렌즈를 삽입하여, 상면에 균일한 광량을 제공할 수 있다.
또한, 비구면 렌즈 및 이중렌즈를 사용하여, 각종 수차를 개선시킴으로써, 수차 특성이 우수한 줌 렌즈를 설계할 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.
도 1은 광각(wide), 도 2는 중간(middle), 도 3은 망원(tele)에서의 실시예에 따른 줌 렌즈의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 줌 렌즈에서 각 렌즈군의 위치에 따른 초점거리를 도시한 그래프이다.
도 5 내지 도 13은 실시예에 따른 줌 렌즈의 수차 특성, TV 왜곡(Distortion) 및 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 도시한 그래프이다.

Claims (14)

  1. 입사광을 반사시킬 수 있는 프리즘 렌즈를 포함하는 제1렌즈군;
    상기 제1렌즈군을 기준으로 상측으로 배치된 복수의 렌즈군을 포함하고,
    상기 제1렌즈군의 프리즘 렌즈는 적어도 어느 일면이 곡률을 갖도록 형성되는 줌 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈군은 상기 프리즘 렌즈보다 상측에 배치된 조리개를 포함하는 줌 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1렌즈군을 기준으로 상측으로 배치된 복수의 렌즈군은,
    상기 제1렌즈군보다 상측에 배치된 제2렌즈군;
    상기 제2렌즈군보다 상측에 배치된 제3렌즈군;
    상기 제3렌즈군보다 상측에 배치된 제4렌즈군; 및
    상기 제4렌즈군보다 상측에 배치된 제5렌즈군을 포함하는 줌 렌즈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1렌즈군, 제3렌즈군 및 제4렌즈군은 양(+)의 파워(power)를 가지고,
    상기 제2렌즈군 및 제5렌즈군은 음(-)의 파워를 가지는 줌 렌즈.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제2렌즈군 및 제4렌즈군의 이동으로 배율을 조절할 수 있는 줌 렌즈.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제1렌즈군은 프리즘 렌즈인 제1렌즈 및 제2렌즈를 포함하고,
    상기 제2렌즈군은 제3렌즈, 제4렌즈 및 제5렌즈를 포함하고,
    상기 제3렌즈군은 제6렌즈를 포함하고,
    상기 제4렌즈군은 제7렌즈를 포함하며,
    상기 제5렌즈군은 제8렌즈, 제9렌즈 및 제10렌즈를 포함하는 줌 렌즈.
  7. 제 6항에 있어서,
    프리즘 렌즈인 상기 제1렌즈에서, 빛이 입사되는 면과 상측면에 곡률이 형성된 것을 포함하는 줌 렌즈.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제2렌즈군은 상기 제4렌즈와 제5렌즈를 접합한 이중렌즈를 포함하고,
    상기 제5렌즈군은 상기 제8렌즈와 제9렌즈를 접합한 이중렌즈를 포함하는 줌 렌즈.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제1렌즈와 제2렌즈 사이에는 제1조리개가 배치되고,
    상기 제6렌즈와 제7렌즈 사이에는 제2조리개가 배치되는 것을 포함하는 줌 렌즈.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제6렌즈에서 입사광이 입사되는 면과 상기 제2렌즈 및 제7렌즈의 상측면은 비구면인 것을 포함하는 줌 렌즈.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 제6렌즈는 상측면에 오목면을 갖는 메니스커스(meniscus) 타입의 렌즈이고, 상기 제10렌즈는 상측면에 볼록면을 갖는 메니스커스 타입의 렌즈인 것을 포함하는 줌 렌즈.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 제1렌즈와 제2렌즈 사이의 간격(d1)과 상기 제3렌즈와 제4렌즈 사이의 간격(d2)은,
    0.3 mm＜d1＜0.5 mm (1)
    1.9 mm＜d2＜2.0 mm (2)
    의 조건식을 만족하는 줌 렌즈.
  13. 제 6항에 있어서,
    상기 제1렌즈의 굴절율(N1) 및 아베수(V1)는,
    1.7＜N1＜2.0 (3)
    25＜V1＜30 (4)
    의 조건식을 만족하는 줌 렌즈.
  14. 제 6항에 있어서,
    상기 제10렌즈에서 빛이 입사되는 면의 곡률반경(CR19) 및 상기 제10렌즈의 두께(T19)는,
    -3.6 mm＜CR19＜-3.4 mm (5)
    0.45 mm＜T19＜0.55 mm (6)
    의 조건식을 만족하는 줌 렌즈.
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