KR20120094311A - 모바일 카메라용 광학계 - Google Patents

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KR20120094311A
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lens
optical system
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mobile camera
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KR1020110013735A
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박일용
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 모바일 카메라용 광학계에 관한 것이다.
본 발명의 모바일 카메라용 광학계는 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 볼록한 형상의 제1 렌즈; 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 오목한 형상의 제2 렌즈; 및 양의 굴절력을 가지며 물체측 면에 적어도 하나의 변곡점을 갖는 제3 렌즈;를 포함하며, 상기 광학계는 화각 조건에 대하여 다음의 조건식 1을 만족하는 모바일 카메라용 광학계.
[조건식 1] Y/F < 0.65
여기서, Y : 상면(像面)의 대각 거리/2,
F : 광학계 전체의 초점거리

Description

모바일 카메라용 광학계{Mobile optical system for camera}
본 발명은 모바일 카메라용 광학계에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 3매의 플라스틱 렌즈로 구성된 소형의 모바일 카메라용 광학계에 관한 것이다.
최근에 이르러 이동통신 단말기, PDA 및 스마트폰과 같은 이동 통신 수단은 그 사용량이 증대되고 통신 기술을 통해 제공되는 서비스가 다양해짐에 따라 기본적인 통신 기능 외에 다양한 형태의 부가 기능이 탑재되고 있다.
그 중에서도 영상의 촬영이나 전송 및 화상 통화 등을 위해 이동 통신 수단에는 필수적으로 카메라 모듈이 실장되고, 카메라 모듈을 통해 촬영된 영상을 이용하여 다양한 서비스가 제공되거나 새로운 서비스가 속속 개발되고 있다.
특히 최근에는 카메라 모듈에 장착되는 렌즈군으로 이루어진 광학계에 대하여 소형화, 경량화, 저비용화가 요구되고 있고, CCD나 CMOS로 구성된 이미지센서의 픽셀 사이즈가 점차 작아짐에 따라 높은 해상도의 광학계가 요구되고 있는 실정이다.
이와 같이 광학계가 높은 해상도를 유지하기 위해서는 다수의 렌즈를 사용하여야 하고 광투과도 및 굴절률이 높은 유리(glass) 렌즈를 사용하여 광학계를 구성하는 것이 바람직하나, 이동 통신 수단에 탑재되는 광학계의 특성상 종래와 같은 광학계 설계로는 소형화와 저비용화의 조건을 만족시키기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 이동 통신 수단에 탑재되는 광학계는 소형화와 제조 단가 절감을 위하여 성형이 용이한 플라스틱 렌즈를 사용하고 가능한 렌즈 매수를 줄여야 하나, 광학 성능이 유리 렌즈에 비해 저하된 플라스틱 렌즈를 사용하기 때문에 일반적인 광학계의 설계로는 광학 성능을 만족시키기가 어렵고 렌즈 매수의 감소에 의해 광학계의 설계 자유도가 저하되는 단점이 있다.
한편, 일반적인 광학계의 설계로는 다수 매로 구성된 렌즈의 최전방에 조리개가 위치하도록 하고 다수의 렌즈를 순차적으로 배열하는 설계 방안이 채택되고 있으나, 이 경우 조리개의 단부를 경유하는 광에 의해 많은 수차를 유발하게 된다.
또한, 광학계의 최전방에 위치한 조리개가 물체측과 인접한 제1 렌즈와 거리가 멀어지게 되면 제1 렌즈의 사이즈가 커지게 되고, 광학계의 전장도 길어지게 됨으로써 광학 성능이 현저히 저하될 가능성이 있다.
따라서, 본 발명은 종래 카메라용 광학계에서 지적되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 광학계를 구성하는 렌즈를 최소의 매수로 구성하고, 각 렌즈를 모두 플라스틱 렌즈로 구성함으로써, 제조 비용을 절감하면서도 소형의 광학계가 구성될 수 있도록 한 모바일 카메라용 광학계가 제공됨에 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 볼록한 형상의 제1 렌즈; 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 오목한 형상의 제2 렌즈; 양의 굴절력을 가지며 물체측 면에 적어도 하나의 변곡점을 갖는 제3 렌즈;를 포함하는 모바일 카메라용 광학계가 제공됨에 의해서 달성된다.
이때, 상기 제2 렌즈는 중앙부의 두께가 두껍고 외곽으로 갈수록 두께가 얇게 구성됨이 바람직하며, 제1 렌즈 및 제3 렌즈와 다른 재질의 유동성이 우수한 레진으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 모바일용 광학계는 화각 조건에 대하여 다음의 조건식 1을 만족할 수 있다.
[조건식 1] Y/F < 0.65
여기서, Y : 상면(像面)의 대각 거리/2
F : 광학계 전체의 초점거리
또한, 본 발명의 광학계는 상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈의 양면이 모두 비구면으로 구성됨이 바람직하다.
이때, 상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는 모두 플라스틱 렌즈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에는 본 발명의 광학계를 경유하는 광 중에서 불필요한 광을 차단하는 개구 조리개가 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 광학계는 해상도에 대한 수차 보정에 대하여 다음의 조건식 2 및 조건식 3을 만족한다.
[조건식 2] 1.0 < F1/F < 3.0
[조건식 3] 1.0 < F2/F < 1.8
여기서, F : 광학계 전체의 초점거리,
F1 : 제1 렌즈의 초점거리,
F2 : 제2 렌즈의 초점거리
그리고, 본 발명의 광학계는 전체 광학계의 초점거리에 대한 제1 렌즈의 물체측 면 곡률반경의 비에 대하여 다음의 조건식 4를 만족한다.
[조건식 4] R2/F < 0.5
여기서, R2 : 제1 렌즈의 물체측 곡률반경,
F : 광학계 전체의 유효 초점거리
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 모바일 카메라용 광학계는 최소의 매수로 광학계가 구성됨에 따라 슬림화를 비롯하여 모바일 기기에 장착 가능한 소형의 광학계 구성이 용이한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 광학계를 구성하는 3매의 렌즈가 모두 플라스틱 렌즈로 구성됨으로써, 광확계의 제조 비용을 절감할 수 있으며, 광학계가 비구면의 렌즈로 제작되기 때문에 70도 이상의 넓은 화각을 가진 광학계 설계가 용이한 작용효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도.
도 2는 제1 실시예의 MTF 그래프.
도 3a 내지 도 3c는 각각 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸 수차도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도.
도 5는 제2 실시예의 MTF 그래프.
도 6a 내지 도 6c는 각각 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸 수차도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도.
도 8은 제3 실시예의 MTF 그래프.
도 9a 내지 도 9c는 각각 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸 수차도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도.
도 11은 제4 실시예의 MTF 그래프.
도 12a 내지 도 12c는 각각 표 75 및 도 10에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸 수차도.
본 발명에 따른 모바일 카메라용 광학계의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명에서 명확하게 이해될 것이다.
다만, 이하의 각 실시예별 렌즈 구성도에서 렌즈의 두께, 크기, 형상은 본 발명의 상세한 설명을 위하여 다소 과장되게 도시하였으며, 특히 렌즈 구성도에서 제시된 구면 또는 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 카메라용 광학계의 제1 실시예를 도시한 렌즈 구성도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모바일 카메라용 광학계는 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 볼록한 형상의 제1 렌즈(L1)와, 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 오목한 형상의 제2 렌즈(L2)와, 양의 굴절력을 가지며 물체측 면에 적어도 하나의 변곡점을 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성될 수 있으며, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이에는 개구 조리개(AS)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 제3 렌즈(L3)와 상(像)면(9) 사이에는 광학계를 경유하는 광 중에 과도한 적외선을 차단하기 위한 적외선 필터나 적외선 필터가 코팅된 커버 글라스로 구성된 광학적 필터(OF)가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 카메라용 광학계는 조리개(AS)를 제1 렌즈(L1)의 후방, 즉 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이에 위치시켜 광량의 확보가 용이하도록 함과 아울러 제1 렌즈(L1)의 크기를 축소시킬 수 있어 초소형 광학계의 구성이 가능할 수 있다.
한편, 본 발명에 채용되는 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 이동통신단말기에 주로 채용되는 소형의 카메라용 광학계를 구성하고 있음을 감안하여 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)가 모두 렌즈의 가공이 용이한 플라스틱 렌즈로 형성됨으로써, 광학계의 경량화와 가공성이 향상되고 제조원가를 절감할 수 있다.
또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 각 렌즈가 가지는 굴절면을 비구면으로 형성하여 각종 수차의 보정이 용이하도록 할 수 있으며, 렌즈의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 카메라용 광학계는 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)를 모두 양의 굴절력을 갖도록 배치하고 각각의 렌즈의 굴절면을 성형이 용이한 비구면으로 하여 광학계의 해상력을 향상시키고, 비점 수차와 왜곡 특성을 개선함과 아울러 조리개(AS)를 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이에 배치하여 제1 렌즈(L1)의 크기를 감소시킴에 의한 소형의 광학계 형성이 가능할 수 있도록 한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 광학계 하에서 다음의 조건식 1 내지 조건식 3의 작용효과에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
[조건식 1] Y/F > 0.65
여기서, Y 는 상(像)면의 대각 거리/2 이고, F는 광학계 전체의 유효 초점거리이다.
조건식 1은 광학계의 화각을 정의하기 위한 조건에 관한 것으로, 조건식 1의 하한을 벗어나는 경우에는 65°이상의 화각을 확보하기 어렵다.
[조건식 2] 1.0 < F1/F < 3.0
여기서, F1은 제1 렌즈의 초점거리이고, F는 광학계 전체의 유효 초점거리이다.
조건식 2는 제1 렌즈(L1)의 굴절력(power)를 규정하기 위한 조건이다. 상기 조건식 2의 상한을 넘게 되면 수차 보정에는 유리할 수 있으나, 파워가 과대해져 해상도 향상의 조건을 만족하기 어려울 뿐 만 아니라 제1 렌즈(L1)를 구성하고 있는 렌즈면의 곡률 반경이 작아져 가공이 어렵고, 광학계의 소형화를 만족하기 어렵다.
반대로 조건식 2의 하한을 벗어나게 되면 제1 렌즈의 굴절력이 커져서 구면수차의 보정이 어려운 문제점이 있다.
[조건식 3] 1.0 < F2/F < 1.8
여기서, F2는 제2 렌즈의 초점거리이고, F는 광학계 전체의 유효 초점거리이다.
상기 조건식 3은 제1 렌즈(L1)에 굴절력이 집중되는 것을 방지하고, 광학계를 구성하는 렌즈들에 고른 굴절력을 배분되도록 하기 위한 조건식이다.
상기 조건식 3의 상한을 넘게 되면 제1 렌즈의 굴절력이 과도하게 커지는 문제점이 있으며, 반대로 조건식 3의 하한을 벗어나게 되면 구면수차와 비점수차를 보정하기 어렵게 될 수 있다.
[조건식 4] R2/F < 0.5
여기서, R2는 제1 렌즈의 물체측 곡률반경이고, F는 광학계 전체의 유효 초점거리이다.
상기 조건식 4는 전체 광학계의 초점거리에 대한 제1 렌즈의 물체측 면 곡률반경의 비로서, 하한을 벗어나게 되면 물체측 면 주변부의 입사각도가 커지게 되어 수차가 커지고 해상력이 약화되는 문제점이 있다.
이하에서, 구체적인 수치 실시예를 통해 본 발명의 광학계를 좀 더 자세하게 살펴보면 다음과 같다.
이하의 제1 실시예 내지 제4 실시예는 모두 전술한 바와 같이, 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 볼록한 형상의 제1 렌즈(L1)와, 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 오목한 형상의 제2 렌즈(L2)와, 양의 굴절력을 가지며 물체측 면에 적어도 하나의 변곡점을 갖는 제3 렌즈(L3)로 구성될 수 있으며, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이에는 개구 조리개(AS)가 설치된다.
또한, 상기 제3 렌즈(L3)와 상(像)면(9) 사이에는 적외선 필터나 적외선 필터가 코팅된 커버 글라스로 구성된 광학적 필터(OF)가 구비된다.
한편, 이하의 각 실시예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수(K)와 비구면 계수(A,B,C,D,E,F)에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E+02은 102을, E-02는 10-2을 나타낸다.
Figure pat00001
여기서, Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리
c : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경(r)의 역수
K : 코닉(Conic) 상수
A,B,C,D,E,F : 비구면 계수
[제1 실시예]
하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도이고, 도 2는 제1 실시예의 MTF 그래프이고, 도 3a 내지 도 3c는 각각 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸다.
제1 실시예의 경우, 전체 광학계의 유효 초점거리(F)는 1.420㎜이고, 제1 렌즈의 초점거리(F1)는 2.632㎜이며, 제2 렌즈의 초점거리(F2)는 2.312㎜이다. 또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 모두 플라스틱 렌즈로 구성된다.
Figure pat00002
표 1에서 면 번호 앞의 * 표시는 비구면을 나타내며, 제1 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 모든 면은 비구면이다.
또한, 수학식 1에 의한 제1 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 2와 같다.
Figure pat00003
[제2 실시예]
하기의 표 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도이고, 도 5는 제2 실시예의 MTF 그래프이고, 도 6a 내지 도 6c는 각각 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸다.
제2 실시예의 경우, 전체 광학계의 유효 초점거리(F)는 1.420㎜이고, 제1 렌즈의 초점거리(F1)는 2.676㎜이며, 제2 렌즈의 초점거리(F2)는 2.108㎜이다. 또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 모두 플라스틱 렌즈로 구성된다.
Figure pat00004
표 3에서 면 번호 앞의 * 표시는 비구면을 나타내며, 제2 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 모든 면은 비구면이다.
또한, 수학식 1에 의한 제2 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 4와 같다.
Figure pat00005
[제3 실시예]
하기의 표 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도이고, 도 8은 제3 실시예의 MTF 그래프이고, 도 9a 내지 도 9c는 각각 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸다.
제3 실시예의 경우, 전체 광학계의 유효 초점거리(F)는 1.430㎜이고, 제1 렌즈의 초점거리(F1)는 2.700㎜이며, 제2 렌즈의 초점거리(F2)는 2.267㎜이다. 또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 모두 플라스틱 렌즈로 구성된다.
Figure pat00006
표 5에서 면 번호 앞의 * 표시는 비구면을 나타내며, 제3 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 모든 면은 비구면이다.
또한, 수학식 1에 의한 제3 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 6와 같다.
Figure pat00007
[제4 실시예]
하기의 표 7은 본 발명의 제4 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.
또한, 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 카메라용 광학계의 렌즈 배치를 나타낸 렌즈 구성도이고, 도 11은 제4 실시예의 MTF 그래프이고, 도 12a 내지 도 12c는 각각 표 75 및 도 10에 도시된 광학계의 구면수차와 비점수차 및 왜곡을 나타낸다.
제4 실시예의 경우, 전체 광학계의 유효 초점거리(F)는 1.430㎜이고, 제1 렌즈의 초점거리(F1)는 2.639㎜이며, 제2 렌즈의 초점거리(F2)는 2.312㎜이다. 또한, 제1 렌즈(L1) 내지 제3 렌즈(L3)는 모두 플라스틱 렌즈로 구성된다.
Figure pat00008
표 7에서 면 번호 앞의 * 표시는 비구면을 나타내며, 제4 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 제3 렌즈(L3)의 모든 면은 비구면이다.
또한, 수학식 1에 의한 제4 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 8와 같다.
Figure pat00009
이상의 실시예를 동하여 도 3, 도 6, 도 9, 및 도 12에 도시된 바와 같이 제 수차의 특성이 우수한 광학계를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 상기 제1 내지 제4 실시예에 대한 조건식 1과 조건식 2의 값은 다음의 표 9과 같다.
Figure pat00010
상기의 표 9에서와 같이 본 발명의 제1 실시예 내지 제4 실시예는 조건식 1 내지 조건식 3을 만족하고 있다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
L1. 제1 렌즈 L2. 제2 렌즈
L3. 제3 렌즈 AS. 개구 조리개
OF. 광학적 필터
1, 2, 3, 4...9, 10, 11. 면 번호

Claims (8)

  1. 양의 굴절력을 가지며 물체측으로 볼록한 형상의 제1 렌즈;
    양의 굴절력을 가지며 물체측으로 오목한 형상의 제2 렌즈; 및
    양의 굴절력을 가지며 물체측 면에 적어도 하나의 변곡점을 갖는 제3 렌즈;
    를 포함하며,
    상기 광학계는 화각 조건에 대하여 다음의 조건식 1을 만족하는 모바일 카메라용 광학계.
    [조건식 1] Y/F < 0.65
    여기서, Y : 상면(像面)의 대각 거리/2,
    F : 광학계 전체의 초점거리
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 중앙부의 두께가 두껍고 외곽으로 갈수록 두께가 얇게 구성되고, 레진 재질로 형성된 모바일 카메라용 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는, 양면이 모두 비구면으로 구성된 모바일 카메라용 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈는, 플라스틱 렌즈로 구성된 모바일 카메라용 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에는 상기 광학계를 경유하는 광 중에서 불필요한 광을 차단하는 개구 조리개가 구비된 모바일 카메라용 광학계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학계는 해상도에 대한 수차 보정에 대하여 다음의 조건식 2를 만족하는 모바일 카메라용 광학계.
    [조건식 2] 1.0 < F1/F < 3.0
    여기서, F : 광학계 전체의 초점거리,
    F1 : 제1 렌즈의 초점거리
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학계는 해상도에 대한 수차 보정에 대하여 다음의 조건식 3을 만족하는 모바일 카메라용 광학계.
    [조건식 3] 1.0 < F2/F < 1.8
    여기서, F : 광학계 전체의 초점거리,
    F2 : 제2 렌즈의 초점거리
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학계는 전체 광학계의 초점거리에 대한 제1 렌즈의 물체측 면 곡률반경의 비에 대하여 다음의 조건식 4를 만족하는 모바일 카메라용 광학계.
    [조건식 4] R2/F < 0.5
    여기서, R2 : 제1 렌즈의 물체측 곡률반경,
    F : 광학계 전체의 유효 초점거리

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