KR20110032997A - 웨이퍼-레벨 초점심도확장 렌즈 모듈 및 이를 구비한 촬상 장치 - Google Patents

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Abstract

웨이퍼-레벨 초점심도확장(Extended Depth Of Field, EDOF) 렌즈 모듈 및 이를 구비한 촬상 장치가 개시된다. 웨이퍼-레벨 초점심도확장 렌즈 모듈은 소정의 간격으로 이격되어 적층되어 있는 복수의 웨이퍼 스케일 렌즈를 포함한다. 그리고 이 복수의 웨이퍼 스케일 렌즈는 최적화 비구면 렌즈로부터 프로파일이 수정된 유효 렌즈를 포함하는데, 중심 영역을 통과하는 광(ray)은 무한대의 상을 중심으로 결상되도록 하고 외곽 영역을 통과하는 광은 접사거리(Macro)에 있는 상을 중심으로 결상되도록 유효 렌즈의 프로파일이 수정된다. 예를 들어, 수정된 유효 렌즈는 최적화 비구면 렌즈로부터 렌즈 형상의 변화가 없는 제1 부분, 음의 오차를 갖는 제2 부분, 및 양의 오차를 갖는 제3 부분이 유효 렌즈의 중심으로부터 외곽 방향으로 순차적으로 정의될 수 있다.

Description

웨이퍼-레벨 초점심도확장 렌즈 모듈 및 이를 구비한 촬상 장치{Wafer-level lenses module with an extended depth of field and imaging device including the lenses module}
촬상 광학계에 관한 것으로, 보다 구체적으로 웨이퍼-레벨 초점심도확장(Extended Depth Of Field, EDOF) 렌즈 모듈과 이를 구비한 촬상 장치에 관한 것이다.
디지털 기술이 발달함에 따라서 디지털 컨버젼스(digital convergence) 현상이 급속도로 확산되고 있다. 디지털 컨버젼스가 가장 활발하게 진행되고 있는 분야는 미디어와 통신 분야인데, 이러한 디지털 컨버젼스 제품의 대표적인 예가 디지털 카메라나 디지털 캠코더 등의 촬상 장치가 모바일 폰에 결합된 소위 '카메라 폰'이다. 디지털 카메라 등의 촬상 장치는 모바일 폰 이외에도 랩탑 컴퓨터(laptop computer)나 PDA(Personal Digital Assistant) 등과 같은 다른 모바일 전자기기에도 널리 장착되고 있다.
촬상 장치를 구비한 모바일 전자기기들이 소형화, 박형화, 또한 보편화되고 있기 때문에, 작고 가벼우며 또한 저렴한 촬상 장치에 대한 요구는 끓임 없이 증가하고 있다. 특히, 모바일 전자기기에는 촬상 장치뿐만 아니라 다른 디지털 전자기기(예컨대, MP3 플레이어나 동영상 재생기, 디엠비(DMB) 텔레비전 등)들도 함께 융합되고 있어서, 작고 저렴한 촬상 장치에 대한 요구는 더욱 증가되고 있다. 보다 작고 저렴한 촬상 장치를 제조하기 위한 한 가지 방법은 포함되는 부품의 수를 줄이거나 또는 부품 제조를 개별 제작 후 조립으로부터 일괄 공정 방식으로 제작하는 것이다. 웨이퍼-레벨 촬상 장치는 촬상 장치에 대한 이러한 요구를 충족시키기 위하여 고안된 것이다. 웨이퍼-레벨 촬상 장치의 촬상 광학계는 일면 또는 양면에 렌즈가 부착되어 있는 투명 기판들의 적층 구조물인 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈을 포함한다.
한편, 현재 모바일 기기용 카메라에서는 촬상 광학계의 초점 거리를 변화시켜서 자동 초점(auto-focus) 기능이나 접사 기능 등을 제공하기 위하여, 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor, VCM)를 이용하는 방법이 널리 사용되고 있다. 이 방법에 의하면, VCM을 이용하여 렌즈와 센서 사이의 간격을 조절함으로써 촬상 광학계의 초점 거리를 변화시킨다. 하지만, VCM이라는 추가 부품으로 인하여 가격이 상승할 수가 있을 뿐만 아니라 렌즈들의 이동을 위한 공간의 확보 문제로 인하여 촬상 장치의 크기를 줄이는데 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위하여, VCM 등과 같은 추가 부품을 사용하지 않고 렌즈와 알고리즘만으로 자동 초점 기능 등을 대신하는 디지털 자동 초점(digital auto-focus) 방식이 제안되었다. 디지털 자동 초점 기술로는 예컨대, 디포커싱(defocusing)을 통하여 초점심도를 확장시키는 방법이 제안되었는데, 이러한 초점심도확장 렌즈 모듈(EDOF lenses module)은 모바일 기기용 촬상 장치를 비롯하여 캠코더(camcorder), 현미경, 보안용 카메라 등 많은 광학 응용 제품에 사용될 수 있다.
EDOF 렌즈 모듈은 확장된 초점 거리를 갖기 때문에 다소 선명도가 떨어지더라도 보다 넓은 범위에서 일정 수준 이상의 이미지가 결상되도록 한다. 그리고 디지털 이미지 처리 기술을 이용하여 결상된 이미지의 선명도를 복원한다. 이러한 EDOF 렌즈 모듈은 렌즈 설계와 이미지 처리를 위한 알고리즘 설계가 상호 트레이드-오프(trade-off) 관계가 있어서, 상호간에 적절한 균형이 필요하다. 예를 들어, 렌즈가 잘 설계되면 알고리즘이 가벼워 처리 속도가 빠르지만, 렌즈 설계에는 여러 가지 제약 조건이 있어서 우수한 설계를 하기가 쉽지 않다.
알고리즘을 통해 EDOF 특성을 구현하기 위해서는 파장(RGB)별, 필드(이미지 센서에서의 위치)별, 피사체와의 거리(무한, 접사 등)별로 PSF(Point Spread Function) 사이즈가 일정해야 하며, 그 형태도 동일해야 한다. 예를 들어, 파장별 초점 거리는 단파장(가시광선의 경우에 청색(blue))은 짧고 장파장(가시광선의 경우에 적색(red))은 길어서 양파장의 스폿 사이즈(spot size)가 유사한 정도를 갖는 영역이 충분하지 않다는 점이 우수한 렌즈 설계를 제한한다. 그리고 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈은 그 전체 크기가 작을 뿐만 아니라 렌즈들 사이의 거리가 짧기 때문에, 이를 구비하는 모바일 기기용 카메라는 초점 거리가 짧아서 특히 피사체와의 거리가 가까운 접사에서 화질이 떨어지는 문제가 있다.
부품을 추가하지 않으면서도 파장이나 피사체와의 거리에 상관없이 우수한 화질을 제공할 수 있으며, 5메가급 웨이퍼-레벨 촬상 장치에 적합한 웨이퍼-레벨 초점심도확장(Extended Depth Of Field, EDOF) 렌즈 모듈 및 이를 구비한 촬상 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 웨이퍼-레벨 초점심도확장(Extended Depth Of Field, EDOF) 렌즈 모듈은 소정의 간격으로 이격되어 적층되어 있는 복수의 웨이퍼 스케일 렌즈를 포함한다. 그리고 이 복수의 웨이퍼 스케일 렌즈는 최적화 비구면 렌즈로부터 프로파일이 수정된 유효 렌즈를 포함하는데, 중심 영역을 통과하는 광(ray)은 무한대의 상을 중심으로 결상되도록 하고 외곽 영역을 통과하는 광은 접사거리(Macro)에 있는 상을 중심으로 결상되도록 유효 렌즈의 프로파일이 수정된다.
예를 들어, 수정된 유효 렌즈는 최적화 비구면 렌즈로부터 렌즈 형상의 변화가 없는 제1 부분, 음의 오차를 갖는 제2 부분, 및 양의 오차를 갖는 제3 부분이 유효 렌즈의 중심으로부터 외곽 방향으로 순차적으로 정의될 수 있다. 이 경우에, 제1 부분은 유효 렌즈의 면적의 10%이내이고, 제2 부분은 유효 렌즈의 면적의 40~50% 범위 사이일 수 있다. 그리고 제2 부분에서의 음의 오차는 -0.03㎛ 내지 -0.15㎛ 범위 이내이고, 제3 부분에서의 양의 오차는 음의 오차의 8배 이상, 예컨대 가시광선 파장 범위의 3배의 크기 사이의 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서는 모바일 기기용 초점심도 확장 렌즈를 설계하는 방법을 제공한다. 이 방법에 따라 설계된 초점심도 확장 렌즈는 최적화 비구면 함수에 따라 설계된 유효 렌즈에 소정의 형상 오차를 적용한 프로파일을 가지는데, 형상 오차는 최적화 비구면 렌즈로부터 렌즈 형상의 변화가 없는 제1 부분, 음의 오차를 갖는 제2 부분, 및 양의 오차를 갖는 제3 부분이 유효 렌즈의 중심으로부터 외곽 방향으로 순차적으로 정의될 수 있도록 한다. 예를 들어, 제1 부분은 유효 렌즈의 면적의 10%이내이고, 제2 부분은 유효 렌즈의 면적의 40~50% 범위 사이일 수 있다. 그리고 제2 부분에서의 음의 오차는 -0.03㎛ 내지 -0.15㎛ 범위 이내이고, 제3 부분에서의 양의 오차는 음의 오차의 8배 이상일 수 있다.
EDOF 렌즈를 포함하는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈은 필터를 사용하지 않으므로, 추가적인 부품의 제조비용이 들지 않는다. 그리고 최적화된 비구면 렌즈 모듈에서 1번 렌즈의 한 면만을 수정하고 또한 변형 프로파일이 한 프로파일의 변수를 사용하므로, 구현에 따른 금형의 제조비용이 적게 될 뿐만 아니라 필요한 금형을 제조하기가 용이하다. 뿐만 아니라, 회절 광학 렌즈(Diffractive Optical Element, DOE)와 같은 불연속 경계를 갖지 않아서, 경계면에서의 빛의 산란이 없다.
도 1은 모바일 기기에 구비될 수 있는 촬상 장치의 형상의 일례를 보여 주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 촬상 장치를 XX' 라인을 따라 절취한 단면도의 일례이다.
도 3은 일 실시예에 따른 EDOF 렌즈를 설계하기 위한 초점 위치(focal position)의 분포의 일례를 보여 주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 유효 렌즈의 프로파일을 수정하는데 이용되는 오차 함수의 일례를 보여 주는 그래프이다.
도 5는 최적화된 렌즈 모듈의 1번 렌즈의 처음 면의 프로파일, 이를 수정하기 위한 오차 함수의 프로파일, 및 1번 렌즈의 처음 면에 오차 함수를 인가하여 만들어지는 1번 렌즈의 처음 면의 최종 프로파일을 함께 도시한 도면이다.
도 6은 최적화 비구면 렌즈와 EDOF 렌즈 각각을 통과한 광(ray)의 초점 위치를 보여 주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
최근 작고 저렴한 촬상 장치에 대한 요구를 충족시키기 위한 하나의 방법으로서, 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈이 촬상 장치에 채용되고 있다. 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈은 웨이퍼 스케일 렌즈들의 적층 구조물을 포함한다. 웨이퍼 스케일 렌즈들은 경통 내에 끼워지는 것이 아니라 스페이서(spacer)에 의하여 서로 이격되어 고정될 수 있으며, 이 경우에 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈의 렌즈면들 사이의 간격은 고정되어 있다. 이러한 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈에서는 수백만 화소급(최근에는 5백만 화소급)의 고화질 이미지를 제공할 수 있도록 최소 3매 이상의 웨이퍼 스케일 렌즈가 적층되는 구조(렌즈면의 관점에서 볼 때는 5개 이상)가 일반적으로 사용되고 있다. 이하, 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈의 구조에 관하여 먼저 설명한다.
도 1은 모바일 기기에 구비될 수 있는 촬상 장치의 형상의 일례를 보여 주는 사시도이고, 도 2는 도 1의 촬상 장치를 XX' 라인을 따라 절취한 단면도의 일례이다. 도 1 및 도 2에서 촬상 장치를 구성하는 구성요소들의 크기, 형상, 두께 등은 설명의 편의를 위해 다소 과장되게 도시되었다. 그리고 촬상 장치에 포함되는 기판의 매수(3매)도 예시적인 것으로서, 여기에만 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 촬상 장치는 웨이퍼 스케일 렌즈(10, 20, 30)가 복수 개가 적층되어 있는 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈을 포함한다. 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈은 전체적으로 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 이 경우에 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈을 구성하는 각각의 웨이퍼 스케일 렌즈(10, 20, 30)의 평면 모양은 사각형 형상을 갖는다. 다만, 웨이퍼 스케일 렌즈(10, 20, 30)를 구성하는 렌즈 요소들 각각 및 전체 렌즈 요소들은 광학 축(optical axis)을 중심으로 모든 회전 각에 대하여 그 형상이 같은 실린더형 대칭 구조(cylindrical symmetry structure)를 갖는다.
3매의 웨이퍼 스케일 렌즈(10, 20, 30)들 각각은 투명한 재질로 형성된 투명 기판(12, 22, 32) 및 이 투명 기판(12, 22, 32)의 일면 또는 양면에 형성된 렌즈 요소들(14, 24, 26, 34, 36)을 포함한다. 또는, 최상측의 웨이퍼 스케일 렌즈(10)와 같이, 투명 기판(12)과 렌즈 요소(14)는 서로 일체로 형성될 수도 있다. 렌즈 요소들(14, 24, 26, 34, 36)의 재질에는 특별한 제한은 없는데, 예컨대 전부 폴리머로 제조되거나 또는 일부는 글래스로 제조되고 나머지 일부는 폴리머로 제조될 수 있다. 그리고 최상측의 웨이퍼 스케일 렌즈(10)는 수신되는 광량을 조절하기 위한 구경 조리개(aperture stop, 18)를 더 포함할 수 있다. 구경 조리개(18)는 크롬(Cr)막과 같은 불투명한 금속막으로 형성되거나 또는 포토레지스터 등의 불투명 재질로 만들어질 수 있다.
웨이퍼 스케일 렌즈(10, 20, 30)들은 스페이서(spacer, 40)에 의하여 서로 소정의 간격으로 이격되어 있다. 스페이서(40)는 웨이퍼 스케일 렌즈들(10, 20, 30) 사이의 간격을 이격시킬 뿐만 아니라 웨이퍼 스케일 렌즈(30)와 이미지 센서(60) 사이의 간격을 소정의 크기로 유지하기 위해서도 스페이서(40)가 이용될 수 있다. 이 경우에, 스페이서(40)는 웨이퍼 스케일 렌즈(30)와 이미지 센서(60)를 보호하기 위한 커버 글래스(cover glass, 50) 사이에 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 스페이서(40)의 크기에 대해서는 특별한 제한이 없으며, 촬상 장치의 전체 두께나 촬상 광학계로서의 초점 거리 등을 고려하여 적절하게 결정된다. 다만, 스페이서(40)는 사각형 형상의 웨이퍼 스케일 렌즈(10, 20, 30) 및 커버 글래스(50)의 가장자리를 따라서 형성될 수 있다는 점에 유의할 필요가 있다.
스페이서들(40)에 의하여 서로 소정의 거리만큼 이격되어 있는 렌즈 요소들(14, 24, 26, 34, 36)의 전부 또는 일부는 각각 소정 형상의 비구면 프로파일을 가질 수 있다. 물론, 이 경우에 렌즈 요소들(14, 24, 26, 34, 36) 각각의 프로파일은 서로 밀접하게 연관되어 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 통상적으로, 주어진 조건(예컨대, 개구(aperture)의 크기나 렌즈면의 개수, 렌즈면들 사이의 거리, 이미지 센서의 크기나 화소수 등) 하에서 이미지 센서(60)에서 원하는 수준 이상의 영상이 결상될 수 있도록 렌즈 요소들(14, 16, 24, 26, 34, 36) 각각의 비구면 프로파일이 결정된다(이하, 이러한 품질 수준을 만족하는 것으로서 렌즈면을 통과한 모든 광(ray)의 초점이 이미지 센서(60)에 거의 정확하게 위치(예컨대, 렌즈면의 거의 모든 위치에서 디포커싱 정도가 0.01mm 이하)하며, 초점심도 확장이 고려되지 않은 렌즈면의 프로파일을 나타내는 식을 '최적화 비구면 함수'라고 한다).
그런데 이러한 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈을 구성하는 렌즈 요소들(14, 24, 26, 34, 36)의 최적화 비구면 함수는 통상적으로 소정 범위 내의 피사체를 고려하여 설계된다. 즉, 피사체가 미리 설정된 임의의 거리 범위 이내(이상적인 위치) 또는 소정의 거리 이상이 되는 범위에 위치할 경우에, 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈을 이용하여 우수한 화질의 이미지를 얻을 수 있도록 렌즈 요소들(14, 24, 26, 34, 36)의 프로파일이 설계된다. 만일, 피사체가 설정된 범위를 벗어나서 위치하면, 이미지의 화질은 떨어질 수 밖에 없다.
이 경우에, 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈이 갖는 구조적인 제한(상대적으로 큰 개구의 크기 및/또는 상대적으로 짧은 렌즈들 사이의 간격 등)으로 인하여 먼 거리가 우선 초점이 되도록 설계된 경우에, 이미지 센서(60)에 결상되는 이미지는 피사체와의 거리가 멀 경우(예컨대, 무한대)보다는 가까워질 경우(접사)에 화질이 더 좋지 않다. 그 결과, 렌즈 모듈에 의해 이미지 센서(60)에 결상되는 이미지는, 피사체가 가까워질수록 이미지의 해상도를 나타내는 수준이 이상적인 경우보다 나빠지게 될 뿐만 아니라, 위치별 결상되는 스폿 사이즈(spot size)도 일부 위치에서는 증가하여 이상적인 위치에 비해 큰 차이를 나타낸다.
피사체와의 거리가 가까운 경우(예컨대, 접사)에도 일정한 수준 이상의 해상도와 일정한 크기 이하의 스폿 사이즈를 갖는 이미지가 결상될 수 있도록, 일 실시예에 따른 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈에서는 유효 렌즈(effective lens)의 프로파일을 수정한다. 유효 렌즈의 프로파일을 수정함으로써, 초점 심도(Depth of Field, DOF)는 증가하지만 접사에서도 무한대에서와 마찬가지로 상대적으로 우수한 화질의 영상을 얻을 수 있다. 여기서, '유효 렌즈'란 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈에서 개구(aperture)에 인접한 렌즈 요소들 중의 적어도 하나를 가리킨다(예컨대, 도 2에 도시된 웨이퍼-레벨 렌즈 모듈의 경우에는 구경 조리개(18)에 인접한 렌즈 요소(14, 24)가 유효 렌즈일 수 있다). 그리고 '프로파일을 수정한다'는 것은 최적화 비구면 함수에 오차 함수(error function)를 더하여 렌즈면의 프로파일을 변경하는 것을 가리킨다. 그 결과, 수학식 1에 표시되어 있는 것과 같이, 수정된 유효 렌즈(즉, EDOF 렌즈)의 비구면 함수는 최적화 비구면 함수(Z)와 오차 함수(E)의 합으로 나타낼 수 있다. 그리고 최적화 비구면 함수는 수학식 2로 나타내고, 오차 함수는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, c는 렌즈의 기본 곡률(basic curvature), k는 원추 계수(conic constant), A와 a는 각각 최적화 비구면 함수와 오차 함수의 비구면 보정 계수(aspheric deformation constant)이다.
수학식 3과 같은 오차 함수는 다음과 같은 원리에 기초하여 얻을 수 있다. 수학식 2와 같은 최적화 비구면 함수에서 렌즈의 중심 및 외곽 부분의 프로파일에 주로 영향을 주는 비구면 보정 계수는 A4, A6, A8, A10, A12이며, 그 이후에 나타나는 비구면 보정 계수 A14, A16 등은 최외곽(유효 렌즈의 반지름(r)ㅧ0.9 이상의 범위)의 프로파일에 주로 영향을 미친다. 따라서 프로파일을 수정할 때, A14, A16 등과 같이 고차의 비구면 보정 계수는 고정시킨다. 그리고 무한대의 상은 원래 화질이 우수하므로 렌즈의 중심 부분에 대해서도 프로파일을 수정하지 않는다(따라서, c와 k는 '0'이다). 그 결과, A4, A6, A8, A10, A12 변수를 제어하여, 유효 렌즈의 프로파일을 수정한다.
도 3은 일 실시예에 따른 EDOF 렌즈를 설계하기 위한 초점 위치(focal position)의 분포의 일례를 보여 주는 도면이다. 도 3에서 가로축은 렌즈의 중심으로부터 거리 즉, 반경(R)을 나타내며, 세로축은 이미지 센서의 결상면(이하, '이미지 면'이라 한다)을 기준으로 한 초점의 위치(디포커싱 정도)를 나타낸다. 도 3을 참조하면, EDOF 렌즈를 포함하는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈에서는 렌즈의 중심 영역(예컨대, R이 0.4mm 이하)에서는 초점 거리가 더 짧고(즉, 초점이 이미지 면의 앞에 위치한다), 렌즈의 외곽 영역(예컨대, R이 0.5mm에서 0.7mm 사이)에서는 초점 거리가 더 길다(즉, 초점이 이미지 면의 뒤에 위치한다).
이러한 초점 위치의 분포를 얻기 위하여, 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈에서는 렌즈의 중심 영역을 통과하는 광(ray)은 무한대(Infinity)의 상을 중심으로 결상되도록 하고 렌즈의 외곽 영역을 통과하는 광은 접사거리(Macro)에 있는 상을 중심으로 결상되도록 유효 렌즈의 프로파일을 수정할 수 있다. 유효 렌즈의 프로파일 수정은 렌즈면 1개만 변형하거나 또는 2개의 렌즈면을 모두 변형할 수도 있는데, 전자의 경우가 보다 계산이 간단하고 오차 프로파일이 덜 복잡하여 설계가 용이할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에서 예시된 것과 같은 초점 위치의 분포를 얻기 위하여 유효 렌즈의 프로파일을 수정하는데 이용되는 오차 함수의 일례를 보여 주는 그래프이다. 도 4a 및 도 4b는 모두 도 2에 도시된 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈의 최상측 웨이퍼 스케일 렌즈(1번 렌즈)에 더해지는 형상 오차의 프로파일일 수 있다(즉, 유효 렌즈가 도 2의 렌즈 모듈의 최상측 웨이퍼 스케일 렌즈의 렌즈 요소이다).
오차 함수가 전술한 수학식 3과 같이 표현될 경우에, 오차 함수의 비구면 보정 계수(a)는, 도 4a와 같은 오차 함수의 경우에는 a4 = -0.00135, a6 = -0.00046, a8 = -0.03982, a10 = 0.31237, a12 = -0.4130이고, 도 4b와 같은 오차 함수의 경우에는 a4 = -0.00156, a6 = -0.04368, a8 = 0.27797, a10 = -0.51322, a12 = 0.32131 일 수 있다. 이러한 오차 함수는 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 오차 함수는 인가되는 오차의 방향을 기준으로 하여 크게 3개의 부분, 즉 오차가 각각 0, 음(negative), 및 양(positive)인 부분으로 구분할 수 있다.
보다 구체적으로, 첫 번째 부분은 오차 함수(E)의 값(새그(sag))이 0에 해당되는 제1 영역으로서, 유효 렌즈의 중심부에 해당된다. 즉, 유효 렌즈의 중심부에서는 최적의 비구면 함수를 따르는 렌즈면의 프로파일에 대한 수정을 하지 않는다. 이러한 중심부는 유효 렌즈의 중심을 기준으로 면적이 약 10% 이내, 바람직하게는 약 7% 이내에 해당되는 부분일 수 있다.
두 번째 부분은 오차 함수(E)의 값이 음(negative)의 값에 해당되는 제2 영역으로서, 유효 렌즈의 중간부에 해당된다. 즉, 유효 렌즈의 중간부에서는 최적의 비구면 함수를 따르는 렌즈면의 프로파일에 대하여 음의 오차를 인가한다. 인가되는 오차는 약 -0.03㎛ 내지 -0.15㎛ 범위 이내일 수 있다. 중간부는 유효 렌즈의 중심을 기준으로 중심부의 바깥쪽에 고리(도넛) 형상을 가지는데, 면적이 약 40-50%에 해당되는 부분일 수 있다.
세 번째 부분은 오차 함수(E)의 값이 양(positive)의 값에 해당되는 제3 영역으로서, 유효 렌즈의 외곽부에 해당된다. 즉, 유효 렌즈의 외곽부에서는 최적의 비구면 함수를 따르는 렌즈면의 프로파일에 대하여 양의 오차를 인가한다. 인가되는 오차는 중간부에서 인가되는 오차에 비하여 약 8배 이상이 되며, 사용파장의 3배의 크기를 가질 수 있다. 예컨대, 외곽부에 인가되는 오차는 가시광선을 기준으로 할 경우에, 약 0.5㎛ 내지 1.2㎛ 범위 이내일 수 있다. 외곽부는 유효 렌즈의 중심부와 중간부를 제외한 나머지 부분으로서, 중간부의 바깥쪽에 역시 고리(도넛) 형상을 가질 수 있다.
도 5는 최적화된 렌즈 모듈의 1번 렌즈의 처음 면의 프로파일(①), 이를 수정하기 위한 오차 함수의 프로파일(②), 및 1번 렌즈의 처음 면에 오차 함수를 인가하여 만들어지는 1번 렌즈의 처음 면의 최종 프로파일, 즉 수정된 프로파일(③)을 함께 도시한 도면이다. 여기서, 1번 렌즈의 처음 면의 프로파일(①)은 도 2에 도시된 렌즈면의 프로파일이고, 오차 함수의 프로파일(②)은 도 4b에 도시되어 있는 오차 함수의 프로파일일 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈은 유효 렌즈(도 2의 최상측 웨이퍼 스케일 렌즈로서 EDOF 렌즈이다)의 프로파일이 수정된 프로파일(③)을 가진다.
도 6은 이러한 EDOF 렌즈를 통과한 광(ray)의 초점 위치를 보여 주는 도면이다. 도 6에서는 설명의 편의를 위하여, 최적화 비구면 렌즈를 통과한 광의 초점 위치도 함께 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 최적화 비구면 렌즈를 갖는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈을 이용할 경우에는, 유효 렌즈의 대부분의 위치를 통과한 광의 초점이 상대적으로 좁은 범위 내에 위치한다는 것을 알 수 있다. 반면, 일 실시예에 따른 EDOF 렌즈를 갖는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈을 이용할 경우에는, 유효 렌즈를 통과한 광의 디포커싱 정도는 약 20㎛ 범위 이내인 것을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예에 불과할 뿐, 이 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 기술 사상은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해서만 특정되어야 한다. 따라서 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예는 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
10, 20, 30 : 웨이퍼 스케일 렌즈
12, 22, 32 : 투명 기판
14, 16, 24, 26, 34, 36 : 렌즈 요소
40 : 스페이서
50 : 커버 글래스
60 : 이미지 센서

Claims (17)

  1. 소정의 간격으로 이격되어 적층되어 있는 복수의 웨이퍼 스케일 렌즈를 포함하고,
    상기 복수의 웨이퍼 스케일 렌즈는, 중심 영역을 통과하는 광(ray)은 무한대의 상을 중심으로 결상되도록 하고 외곽 영역을 통과하는 광은 접사거리(Macro)에 있는 상을 중심으로 결상되도록, 최적화 비구면 렌즈로부터 프로파일이 수정된 유효 렌즈를 포함하는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유효 렌즈는 상기 최적화 비구면 렌즈로부터 렌즈 형상의 변화가 없는 제1 부분, 음의 오차를 갖는 제2 부분, 및 양의 오차를 갖는 제3 부분이 상기 유효 렌즈의 중심으로부터 외곽 방향으로 순차적으로 정의될 수 있는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 부분은 상기 유효 렌즈의 면적의 10%이내이고, 상기 제2 부분은 상기 유효 렌즈의 면적의 40~50% 범위 사이인 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 부분에서의 음의 오차는 -0.03㎛ 내지 -0.15㎛ 범위 이내이고, 상기 제3 부분에서의 양의 오차는 상기 음의 오차의 8배 이상인 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 부분에서의 양의 오차는 가시광선 파장 범위의 3배의 크기 사이의 값을 갖는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    최적화 비구면 렌즈로부터 프로파일이 수정된 상기 유효 렌즈는 1개의 렌즈면만 프로파일이 수정된 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수정된 유효 렌즈를 통과한 광의 초점 위치는 20㎛ 이내에 분포하는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유효 렌즈의 프로파일을 수정하기 위하여 상기 최적화 비구면 렌즈에 적용되는 오차 함수(E)는 하기 수학식으로 표현되는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
    Figure pat00004

    여기서, r은 상기 유효 렌즈의 반경이고, a는 상기 오차 함수의 비구면 보정 계수(aspheric deformation constant)로서, a4 = -0.00135, a6 = -0.00046, a8 = -0.03982, a10 = 0.31237, a12 = -0.4130이다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유효 렌즈의 프로파일을 수정하기 위하여 상기 최적화 비구면 렌즈에 적용되는 오차 함수(E)는 하기 수학식으로 표현되는 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
    Figure pat00005

    여기서, r은 상기 유효 렌즈의 반경이고, a는 상기 오차 함수의 비구면 보정 계수(aspheric deformation constant)로서, a4 = -0.00156, a6 = -0.04368, a8 = 0.27797, a10 = -0.51322, a12 = 0.32131이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 최적화 비구면 렌즈는 5백만 화소급으로 설계된 렌즈인 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈.
  11. 제1항의 웨이퍼 레벨 렌즈 모듈을 포함하는 촬상 장치.
  12. 모바일 기기용 초점심도 확장 렌즈를 설계하는 방법에 있어서,
    상기 초점심도 확장 렌즈는 최적화 비구면 함수에 따라 설계된 유효 렌즈에 소정의 형상 오차를 적용한 프로파일을 가지며,
    상기 형상 오차는 상기 최적화 비구면 렌즈로부터 렌즈 형상의 변화가 없는 제1 부분, 음의 오차를 갖는 제2 부분, 및 양의 오차를 갖는 제3 부분이 상기 유효 렌즈의 중심으로부터 외곽 방향으로 순차적으로 정의될 수 있는 초점심도 확장 렌즈의 설계 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 부분은 상기 유효 렌즈의 면적의 10%이내이고, 상기 제2 부분은 상기 유효 렌즈의 면적의 40~50% 범위 사이인 초점심도 확장 렌즈의 설계 방법.
  14. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 부분에서의 음의 오차는 -0.03㎛ 내지 -0.15㎛ 범위 이내이고, 상기 제3 부분에서의 양의 오차는 상기 음의 오차의 8배 이상인 초점심도 확장 렌즈의 설계 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 초점심도 확장 렌즈를 통과한 광의 초점 위치는 20㎛ 이내에 분포하도록 상기 형상 오차를 적용하는 초점심도 확장 렌즈의 설계 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 최적화 비구면 함수는 하기 수학식 (M-1)으로 표현되고, 상기 형상 오차는 하기 수학식 (M-2)의 오차 함수를 따르는 초점심도 확장 렌즈의 설계 방법.
    Figure pat00006
    (M-1)
    Figure pat00007
    (M-2)
    여기서, r은 상기 유효 렌즈의 반경, c는 기본 곡률(basic curvature), k는 원추 계수(conic constant)이고, A와 a는 각각 상기 최적화 비구면 함수와 상기 오차 함수의 비구면 보정 계수(aspheric deformation constant)로서, a4 = -0.00135, a6 = -0.00046, a8 = -0.03982, a10 = 0.31237, a12 = -0.4130이다.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 최적화 비구면 함수는 하기 수학식 (M-3)으로 표현되고, 상기 형상 오차는 하기 수학식 (M-4)의 오차 함수를 따르는 초점심도 확장 렌즈의 설계 방법.
    Figure pat00008
    (M-3)
    Figure pat00009
    (M-4)
    여기서, r은 상기 유효 렌즈의 반경, c는 기본 곡률(basic curvature), k는 원추 계수(conic constant)이고, A와 a는 각각 상기 최적화 비구면 함수와 상기 오차 함수의 비구면 보정 계수(aspheric deformation constant)로서, a4 = -0.00156, a6 = -0.04368, a8 = 0.27797, a10 = -0.51322, a12 = 0.32131이다.
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