KR20130082440A - 전환 가능한 초점거리를 갖는 카메라 모듈 - Google Patents

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KR20130082440A
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우도 슈아우스
요세프 스타우브
링리 왕
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요스. 쉬나이더 옵티쉬 베르케 게엠베하
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Abstract

본 발명은 이미지 센서(108)에 대상을 묘사하기 위한 카메라 모듈에 관한 것이다. 상기 카메라 모듈은 2개 이상의 캐리어 플레이트(104, 112)를 포함하며, 일측 캐리어 플레이트(104) 상에는 복수의 기본 렌즈계(106)가 배치되고 제2 캐리어 플레이트(112) 상에는 복수의 렌즈계 부착부(114)가 배치된다. 캐리어 플레이트(104, 112)들은 2개의 평면에 적층 배치되며, 그리고 광로에 다양한 기본 렌즈계들 및/또는 부착부들을 포지셔닝 하고 그에 따라 서로 조합할 수 있도록 하기 위해 수평으로 변위될 수 있다. 예컨대 6개의 기본 렌즈계와 4개의 텔레네거티브 렌즈계 부착부를 포함하는 제안되는 해결 방법의 바람직한 실시예는 예컨대 이산 전환 가능한 30개의 상이한 초점거리를 실현할 수 있게 한다. 그럼으로써 소형 치수를 이용한 준줌 기능을 달성할 수 있다. 제안되는 시스템은 탁월한 묘사 성능을 나타낼 수 있다.

Description

전환 가능한 초점거리를 갖는 카메라 모듈{CAMERA MODULE HAVING A SWITCHABLE FOCAL LENGTH}
본 발명은 이미지 센서 상에 대상을 묘사하기 위해 전환 가능한 초점거리를 갖는 카메라 모듈에 관한 것이다.
특히 이동 무선 장치(무선 전화기)를 위한 광학 모듈의 개발 경향은 점차 가능한 평평한 구조를 지향하고 있다. 이 경우 특히 수 배의 광학 줌의 구현도 점차 개발자 작업의 핵심이 되고 있다. 그러나 모듈의 가능한 평평한 구성에 대해 설정되어 지속적으로 증가하는 요건은 초점거리의 가변성과 관련하여 지금까지 이용되던 장치 및 시스템을 제한하고 있다.
최초 언급한 유형의 공지된 시스템(US 2008/0049334 A)에서는 줌 기능을 갖춘 광학 시스템이 기재된다. 기재된 시스템은 이미지 측의 광학 축을 90도만큼 이미지 센서의 방향으로 편향시키는 전반사 프리즘(total reflection prism)을 갖는 제1 고정식 렌즈 그룹을 포함한다. 제1 렌즈 그룹은 포지티브(positive)이다. 이미지 센서의 방향으로 광학 축 상에서 프리즘 후방에는 3개의 추가 렌즈 그룹이 배치된다. 제4 광학 그룹도 마찬가지로 고정식이다. 줌은 이동 가능한 제2 및 제3 렌즈 그룹에 의해 구현된다. 그러나 이와 같은 광학 시스템의 배치 구조에서 특히 평평한 구조의 구현은 제한된다.
또 다른 공보(US 2008/0007623)는 2개의 평면에 적층 배치되는 2개의 캐리어 플레이트를 포함하는 카메라 모듈을 기재하고 있다. 각각의 캐리어 플레이트는 서로 대칭을 이루면서 고정 배치되는 4개의 렌즈를 포함하며, 이들 렌즈는 서로 일치한다. 이동 장치(shift device)를 통해서는 이미지 센서의 4개의 정의된 영역에서 4개의 광로의 집속이 이루어진다. 이 경우 광로는 다양한 컬러 필터를 통과하여 연장되며, 그럼으로써 이미지 센서의 4개의 영역 상에는 단색 이미지들만이 묘사된다. 이처럼 4개의 이미지는 신호 처리 시스템 내에서 전자적 방식으로 합성되어 높은 분해능의 컬러 이미지를 형성한다.
US 7,495,852 B2에서는 서로 조합될 수 있는 복수의 렌즈의 어셈블리를 포함하는, 특히 이동 전화기를 위한 줌 렌즈계(zoom lens system)가 기재된다. 렌즈들은 촬영 장치(카메라)의 광학 축에 대해 수직 방향으로 이동하는 것을 통해 광학 축 내로 삽입되거나, 다시 상기 광학 축으로부터 제거될 수도 있다. 이 경우 바람직하게는 개별 렌즈들 또는 복수의 렌즈는 복수의 평면에 광학 축에 대해 평행하게 배치되는 렌즈 어레이들 내에 고정 배치된다. 렌즈계의 다양한 초점거리는 적층 배치되는 렌즈 어레이들 중 하나 이상의 렌즈 어레이로부터 동시에 각각의 렌즈가 광학 축 내로 삽입됨으로써 구현된다. 장치는 상기 방식으로 광학 축 내에서 다양한 렌즈 조합이 구현될 수 있는 방식으로 구성된다. 시스템의 집속은 광학 축을 따라 이동을 실행할 수 있는 특정한 렌즈 그룹에 의해 이루어진다. 이용되는 렌즈들 또는 가능한 렌즈 조합의 광학 특성과 그에 따라 달성될 수 있는 초점거리에 대한 상세한 정보는 전술한 미국 공보에는 개시되어 있지 않다. 그러나 개별 렌즈들을 다양한 렌즈 조합으로 조합할 경우, 묘사 특성(imaging characteristics)은 만족스럽지 않은 것으로 추정되고 있다. 또한, 렌즈계의 전체 길이가 상대적으로 길며, 그로 인해 제안되는 렌즈계는 무선 전화기에는 결코 적합하지 못하다.
또한, 포토 기능을 포함하는 수많은 이동 무선 장치는 거의 고정 초점거리만을 보유하는데, 그 이유는 2 이상의 줌 인수(zoom factor)를 갖는 줌 렌즈계는 상대적으로 큰 전체 높이를 나타내기 때문이다. "줌잉(zooming)"은 고정 초점거리를 이용하는 포토 기능의 경우 전자 방식으로 이루어지며, 이런 점은 묘사 성능(imaging performance)을 매우 강하게 감소시킨다. 따라서 일반적으로 640 x 480 픽셀의 분해능에 상응하는 VGA 분해능을 갖는 카메라는 예컨대 3메가픽셀 카메라로 구성된다. 이 경우 VGA(비디오 그래픽 어레이)는 이미지 분해능 및 색상 수(color number)(색상 비트 심도)뿐 아니라 반복 주파수의 소정의 조합을 정의하는 컴퓨터 그래픽스 표준(computer graphics standard)을 나타내며, 대개 원래는 이용할 수 없었던 더욱 높은 픽셀 심도 또는 색상 분해능(최대 32비트까지)이 이용된다.
본 발명의 목적은 소형의 치수를 갖는 카메라 모듈에 있어서, 묘사 품질이 우수한 조건에서 다수의 이산 전환 가능한 초점거리를 구현하는 상기 카메라 모듈을 제공하는 것에 있다.
상기 목적은 독립 청구항들의 특징들을 갖는 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 개선 실시예들은 종속항들에 교시되어 있다. 모든 청구항들의 말뜻은 본원으로써 참조를 통해 본 명세서의 내용을 형성한다.
본 발명은 이미지 센서 상에 대상을 묘사하기 위한 카메라 모듈에 관한 것이며, 광은 대상과 이미지 센서 사이의 광로를 통과하고, 카메라 모듈은 하기 사항들을 포함한다.
a) 2개 이상의 캐리어 플레이트가 구비되되,
a1) 제1 캐리어 플레이트는 광학 축을 갖는 복수의 기본 렌즈계를 지지하고;
a2) 제2 캐리어 플레이트는 복수의 렌즈계 부착부(lens-system attachment)를 지지하고;
b) 각각의 캐리어 플레이트는 광학 축에 대해 직각으로 배향되는 우선 평면(preferred plane)을 포함하고;
c) 캐리어 플레이트들은 다양한 기본 렌즈계 또는 렌즈계 부착부가 광로 내에 포지셔닝 될 수 있는 방식으로 자체의 위치가 가변될 수 있고;
d) 캐리어 플레이트들은 광로 내에서 적층 배치되고;
e) 기본 렌즈계들과 렌즈계 부착부들은, 광로 내에서
e1) 기본 렌즈계만으로 구성되거나, 또는
e2) 렌즈계 부착부를 포함하여 기본 렌즈계로 구성되는
다양한 렌즈 조합의 포지셔닝을 통해, 다양한 초점거리를 갖는 복수의 묘사용 광학 시스템이 형성되되, 이들 광학 시스템은 이미지 센서 상에 대상을 묘사하기에 적합한 방식으로 형성되며;
f) 기본 렌즈계들과 렌즈계 부착부들은, 캐리어 플레이트들 중 일측 캐리어 플레이트 상에 제공되는 기본 렌즈계 또는 렌즈계 부착부의 개수보다 상기 방식으로 더욱 많은 렌즈 조합이 다양한 초점거리를 구비하여 구현되는 방식으로 형성된다.
이런 경우 예컨대 일측 캐리어 플레이트 상에 복수의 기본 렌즈계를 예컨대 서로 일렬로 대칭을 이루는 방식으로 배치하고 제2 캐리어 플레이트 상에도 복수의 렌즈계 부착부를 동일한 방식으로 배치하는 것이 적절하다.
캐리어 플레이트들의 위치의 변경은 전형적으로, 캐리어 플레이트들이 다른 기본 렌즈계 또는 다른 렌즈계 부착부를 광로 내에 배치하기 위해 자체의 우선 평면 내에서 변위됨으로써 이루어진다.
광학 요건에 부합하게 조정하기 위해 기본 렌즈계들은 서로 다른 높이 레벨에서 캐리어 플레이트 내로 삽입 고정된다. 부착부들은 규칙적으로 모두 동일한 높이 레벨에서 자체의 캐리어 플레이트 내에 고정된다.
예컨대 6개의 기본 렌즈계와 4개의 텔레네거티브(tele-negative) 렌즈계 부착부를 포함하는 제안되는 해결 방법의 바람직한 실시예는 예컨대 이산 전환 가능한 30개의 상이한 초점거리의 구현을 가능하게 한다. 그럼으로써 소형 치수를 이용한 준줌(quasi-zoom)을 달성할 수 있다. 제안되는 시스템은 탁월한 묘사 성능을 나타낼 수 있다.
바람직하게는 카메라 모듈은 대상으로 향해 있는 광 유입 장치(light entry device)를 포함해야 하며, 이 광 유입 장치를 통해서는 대상으로부터 발생하는 광이 카메라 모듈 내로 유입된다. 이 경우 광 유입 장치는 광학적으로 중립 투명 플레이트(neutral transparent plate)로서 형성되는 것이 적절하다. 이는 예컨대 단순한 보호 유리일 수 있다.
바람직한 실시예에 따라 카메라 모듈은 대상 측면으로부터 개시되는 방식으로, 다시 말하면 좌측에서 우측 방향으로, 하기 렌즈들로 구성되는 기본 렌즈계를 포함할 수 있다.
a) 렌즈의 평면 표면이 대상 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제1 평볼록 렌즈(plane-convex lens);
b) 렌즈의 평면 표면이 이미지 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제2 평오목 렌즈(plane-concave lens);
c) 조리개; 및
d) 렌즈의 평면 표면이 이미지 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제3 평오목 렌즈.
전형적으로 제1 및 제2 렌즈는 서로 접합된다.
바람직하게는 기재된 광학 모듈의 구현은 목표하는 콤팩트성을 유지하면서 가능한 적은 수의 렌즈를 포함하는 구성만을 요구한다. 이는 기본 렌즈계의 제1 접합 부재(cement element)를 위한 고굴절 재료(highly-refractive material)(ne > 1.65)을 선택하는 것을 통해 달성될 수 있었다. 또한, 기본 렌즈계 내로 평면 표면을 삽입하는 것을 통해 비용을 최적화하고 공차를 제거할 수 있었다.
또한, 바람직하게는 렌즈계 부착부는 텔레네거티브 광학 특성을 포함한다. 일반적으로 텔레네거티브는 기본 렌즈계의 초점거리를 연장시키기 위해 네거티브 굴절력을 가지면서 기본 렌즈계에 후속하여 위치하는 어셈블리이다.
텔레네거티브 렌즈계 부착부의 바람직한 실시예는 대상 측면으로부터 개시되는 방식으로, 다시 말하면 좌측에서 우측 방향으로 하기 렌즈들, 즉
a) 제1 양오목 렌즈(bi-concave lens)와,
b) 대개 포지티브인 제2 메니스커스 렌즈로
구성되며, 메니스커스 렌즈의 오목 표면은 대상 측면의 반대 방향으로 향해 있다.
텔레네거티브 부착부들은 바람직하게는 해당하는 아베 수(Abbe number)가 가능한 큰 차이를 나타내도록 하는 접합 부재로만 구성된다. 바람직하게는 제1 양오목 렌즈와 제2 메니스커스 렌즈의 아베 수는 1.5의 인수 이상만큼 차이를 나타내야 한다. 그럼으로써 접합된 표면의 반경이 크게 유지될 수 있다. 달리 말하면, 접합된 표면은 조금만 만곡된다. 이는 재차 제2 포지티브 렌즈가 가장자리에서도 충분한 두께를 갖는다는 장점이 있다.
바람직하게는 캐리어 플레이트는 상면도에서 특히 장방형 형태 또는 원형을 나타내고, 캐리어 플레이트의 위치 변경은 캐리어 플레이트의 평면에서 선형 변위에 의해, 그리고/또는 회전 운동에 의해 이루어진다. 다시 말하면, 캐리어 플레이트들은 장방형이지만, 예컨대 원형 디스크로서도 구성될 수 있다. 캐리어 플레이트가 원형 디스크로서 구성되는 경우, 광로 내 목표하는 렌즈 조합(기본 렌즈계 또는 렌즈계 부착부들)의 삽입은 대응하는 캐리어 플레이트의 제어되는 회전 운동에 의해 이루어진다.
두 캐리어 플레이트는 서로 다른 평면에 배치되며, 다시 말해 위에는 기본 렌즈계가 배치되고 그 아래에는 렌즈계 부착부들을 포함한 캐리어 플레이트가 배치된다. 캐리어 플레이트 각각은 광학 축에 대해 직각으로 이동 또는 변위될 수 있다. 캐리어 플레이트들의 상호 간 이동 가능성은, 기본 렌즈계의 각각만을, 또는 렌즈계 부착부들 중 하나의 렌즈계 부착부와 조합하여 기본 렌즈계를 광로 내로 삽입할 수 있도록 형성된다.
부착부 없이 광로 내로 기본 렌즈계만을 삽입하는 점은, 렌즈계 부착부들을 포함하는 캐리어 플레이트가 광로로부터 완전하게 유출 이동되는 방식으로 이루어질 수 있다. 또는, 제2 캐리어 플레이트에는 캐리어 플레이트를 통한 빔의 장애물 없는 광학 중립 통과를 가능하게 하는 공백 위치(blank position)(예: 보어)가 형성된다.
또한, 특히 간단하게는 묘사 시스템(imaging system)의 집속은 광학 축을 따라 실행되는 이미지 센서의 위치 변경에 의해 가능해진다. 이러한 기능성은 오늘날 수많은 무선 전화기에 이미 제공되어 있다.
추가적인 상세 내용 및 특징들은 종속항들과 결부되어 바람직한 실시예들의 하기 설명으로부터 제시된다. 여기서 각각의 특징들은 그 자체 단독적으로만, 또는 다수가 서로 조합되어 구현될 수 있다. 본원의 목적을 달성하기 위한 가능성은 실시예들에만 국한되지 않는다. 따라서 예컨대 영역 명세 값은 항상 모든 (언급되지 않은) 중간값들과 모든 생각할 수 있는 부분 간격을 포함한다.
본 발명에 의하면, 소형의 치수를 갖는 카메라 모듈에 있어서, 묘사 품질이 우수한 조건에서 다수의 이산 전환 가능한 초점거리를 구현하는 상기 카메라 모듈을 제공할 수 있다.
실시예들은 도들에 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우 특히 2개의 기본 렌즈계의 렌즈 조합 또는 각각의 텔레네거티브 부착부를 포함하는 상기 2개의 기본 렌즈계의 렌즈 조합이 개략적으로 도시되어 있다. 추가의 렌즈 조합 또는 텔레네거티브 부착부들에 대해서는 각각 광학 데이터만이 도표로 기재되어 있다. 이 경우 개별 도들에서 동일한 도면 부호는 동일하거나, 또는 기능이 동일하거나, 또는 그 기능과 관련하여 서로 상응하는 부재들을 나타낸다.
도 1은 2개의 평면에 각각 배치되는, 6개의 기본 렌즈계로 이루어진 렌즈 어레이와 4개의 텔레네거티브 부착부로 이루어진 렌즈 어레이를 포함하는 카메라 모듈의 바람직한 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 8㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 배치 구조를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2에 따른 기본 렌즈계의 상대 조도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2에 따른 기본 렌즈계의 왜곡률을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 2에 따른 기본 렌즈계의 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 2에 따른 기본 렌즈계의 변조율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 제1 텔레네거티브 부착부(TN1)를 포함하는 도 2에 따른 8㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 배치 구조를 도시한 개략도이다.
도 8은 도 7에 따른 렌즈 배치 구조의 상대 조도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 7에 따른 렌즈 배치 구조의 왜곡률을 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 7에 따른 렌즈 배치 구조의 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 7에 따른 렌즈 배치 구조의 변조율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 12㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 배치 구조를 도시한 개략도이다.
도 13은 도 12에 따른 기본 렌즈계의 상대 조도를 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 12에 따른 기본 렌즈계의 왜곡률을 나타낸 그래프이다.
도 15는 도 12에 따른 기본 렌즈계의 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 도 12에 따른 기본 렌즈계의 변조율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 제2 텔레네거티브 부착부(TN2)를 포함하는 도 12에 따른 12㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 배치 구조를 도시한 개략도이다.
도 18은 도 17에 따른 렌즈 배치 구조의 상대 조도를 나타낸 그래프이다.
도 19는 도 17에 따른 렌즈 배치 구조의 왜곡률을 나타낸 그래프이다.
도 20은 도 17에 따른 렌즈 배치 구조의 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 21은 도 17에 따른 렌즈 배치 구조의 변조율을 나타낸 그래프이다.
6개의 제안된 기본 렌즈계와 4개의 텔레네거티브 부착부(TN1 내지 TN4)의 렌즈 조합의 제원은 표 2 내지 11a에 나열되어 있다.
표 1은 기본 렌즈계들로, 또는 기본 렌즈계와 렌즈계 부착부로 이루어진 조합으로 구현될 수 있는 초점거리를 나열한 목록이다.
표 1a는 기본 렌즈계의 최종 표면과 렌즈계 부착부의 제1 표면 사이의 에어갭(air gap)을 나열한 목록이다.
표 2는 6㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 2a는 6㎜ 기본 렌즈계의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 3은 7㎜ 기본 렌즈계의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 3a는 7㎜ 기본 렌즈계의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 4는 8㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 4a는 8㎜ 기본 렌즈계의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 5는 10㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 5a는 10㎜ 기본 렌즈계의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 6은 12㎜ 기본 렌즈계의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 6a는 12㎜ 기본 렌즈계의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 7은 15㎜ 기본 렌즈계의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 7a는 15㎜ 기본 렌즈계의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 8은 제1 텔레네거티브 부착부(TN1)의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 8a는 제1 텔레네거티브 부착부(TN1)의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 9는 제2 텔레네거티브 부착부(TN2)의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 9a는 제2 텔레네거티브 부착부(TN2)의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 10은 제3 텔레네거티브 부착부(TN3)의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 10a는 제3 텔레네거티브 부착부(TN3)의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
표 11은 제4 텔레네거티브 부착부(TN4)의 렌즈 조합의 반경, 두께 내지 에어갭, 굴절률 및 아베 수를 나열한 목록이다.
표 11은 제4 텔레네거티브 부착부(TN1)의 비구면 데이터를 나열한 목록이다.
6개의 기본 렌즈계와 4개의 텔레네거티브 렌즈계 부착부를 포함하는 제안되는 해결 방법의 바람직한 실시예는 예컨대 5.99㎜ 내지 21.012㎜의 범위에서 이산 전환 가능한 30개의 상이한 초점거리의 구현을 가능하게 한다. 그럼으로써 최대 19㎜까지의 각도점(angular point)을 갖는 (6㎜의 이미지 센서의 대각선에 상응하는) 1/3" 이미지 센서를 위한 3.5배의 준줌을 달성할 수 있다. 다시 말하면, 제1 렌즈 상단(lens top)으로부터 기록 매체(이미지 센서)까지의 간격은 최대 19㎜이다. 렌즈의 지름은 최대 6㎜이다.
이를 위해 도표 1에는 실시예로서 언급한 상기 6개의 기본 렌즈계를 이용하거나, 예시에 따른 4개의 텔레네거티브 렌즈계 부착부와 상기 기본 렌즈계의 조합을 이용하여 달성할 수 있는 구체적인 초점거리가 기재되어 있다.
모든 기본 렌즈계는 3.5의 최대 초점 비율을 갖는다. 렌즈계 부착부와 기본 렌즈계의 조합 시 최대 초점 비율은, 각각의 렌즈계 부착부와의 조합을 통해 구현되는 연장 계수(lengthening factor)와 3.5의 초점 비율의 곱으로 계산된다.
예컨대 텔레네거티브 부착부(TN1)와 8㎜ 기본 렌즈계의 조합 시 결과는 하기와 같다.
8㎜ 기본 렌즈계의 초점거리: 8.022㎜,
TN1과 조합 시 초점거리: 8.516㎜,
연장 계수: 8.516/8.022 = 1.06,
결과에 따른 초점 비율: 1.06 x 3.5 = 3.71.
도 1에 개략적으로 도시된 카메라 모듈(100)은 광학 중립 투명 플레이트로 구성되는 광 유입 장치(102)와, 6개의 기본 렌즈계(106)를 포함하고 장방형 판형 캐리어 부재(캐리어 플레이트)(104)로 구성되는 렌즈 어레이와, 이미지 센서(108)(대개 CMOS 또는 CCD 센서)를 포함한다. 6개의 기본 렌즈계(106)는 다양한 초점거리를 제공하고 선형으로 일렬로 캐리어 플레이트(104) 내로 삽입 고정된다.
렌즈(106)들 사이에는 각각 소정의 간격이 존재하며, 이런 간격들은 대개 크기가 동일하다. 기본 렌즈계(106)를 포함하는 캐리어 플레이트(104)는 수평 이동 기능(110)(1D 이동)을 포함하고, 카메라 모듈(100)의 길이 방향으로 [광학 축(118)에 대해 수직으로] 변위될 수 있다. 변위는, 6개의 상이한 기본 렌즈계(106) 중 각각의 기본 렌즈계가 카메라 모듈(100)의 이미지 센서(108)와 광 유입 장치(102) 사이의 에어갭 내로 삽입되는 방식으로 이루어진다.
또한, 카메라 모듈(100)은 내부에 4개의 텔레네거티브 부착부(114)가 배치되는 제2 캐리어 플레이트(112)를 포함한다. 4개의 텔레네거티브 부착부(114)는 마찬가지로 다양한 광학 특성을 제공하며, 선형으로 일렬로 캐리어 플레이트(112) 내로 삽입 고정된다. 4개의 텔레네거티브 부착부(114) 모두는 캐리어 플레이트 상에서 일 평면에서 선형으로 일렬로 동일 높이에 고정 배치된다. 4개의 텔레네거티브 부착부(114)를 포함하는 캐리어 플레이트(112)는 수평 이동 기능(116)(1D 이동)을 포함하고, 카메라 모듈(100)의 길이 방향으로 변위될 수 있다. 변위는 4개의 상이한 텔레네거티브 부착부(114) 중 각각의 텔레네거티브 부착부가 카메라 모듈(100)의 이미지 센서(108)와 능동적으로 이용되는 기본 렌즈계(106) 사이의 광학 축(118) 내로 삽입되는 방식으로 이루어진다. 캐리어 플레이트(104, 112)들의 이동 기능(110, 116)은, 캐리어 플레이트(104)의 각각의 기본 렌즈계(106)가 캐리어 플레이트(112)의 각각의 텔레네거티브 부착부(114)와 조합될 수 있거나, 또는 각각의 기본 렌즈계(106)가, 광학 축(118) 내로 텔레네거티브 부착부(114)의 삽입 없이, 이미지 센서(108) 상에 대상을 묘사하기 위해 이용될 수 있는 방식으로 형성된다.
4개의 텔레네거티브 부착부(114)와 다르게, 6개의 기본 렌즈계(106)는, 4개의 텔레네거티브 부착부(114)와의 조합과 관련하여 광학 요건을 구현하기 위해 [광학 축(118)을 따라서] 서로 다른 높이에 고정되는 방식으로 캐리어 플레이트(104) 내로 삽입된다.
각각의 능동 렌즈 조합의 집속을 위해, 이미지 센서(108)는 이동 기능(120)을 구비하여 형성되고, 상기 이동 기능은 광학 축(118)을 따라 실행되는 이미지 센서 이동을 가능하게 한다.
카메라 모듈(100)의 기재된 구성을 기반으로, 30개의 상이한 초점거리(도표 1 참조)를 구현할 수 있고, 그에 따라 다양한 크기의 단계로 이산 전환 가능한 줌을 생성할 수 있다. 이 경우 이동 기능(110, 116, 118)의 작동은 대개 전자 방식으로 이루어지지만, 기계적인 작동도 생각해볼 수 있다.
도 2, 도 7, 도 12 및 도 17에는 특히 제안되는 카메라 모듈의 이동 기능에 의해 구현될 수 있으면서, 각각 텔레네거티브 부착부(TN1 또는 TN2)를 포함하지 않거나 그 텔레네거티브 부착부와 조합되는 2개의 실시예의 렌즈 조합이 도시되어 있다. 상기 도들에 도시된 렌즈 조합은 동일하지만 그 렌즈 조합으로 달성되는 초점거리와 관련해서는 서로 차이를 보이는 기본 구성을 갖는 실시예를 나타낸다. 또한, 대응하는 광학 데이터가 도표 1 내지 11a에 기재되어 있는 모든 추가의 렌즈 조합도 상기와 같은 동일한 기본 구성을 포함한다.
기본 렌즈계 및 텔레네거티브 부착부에 대해 여기서, 그리고 도표들에서 설명되는 실시예들은 실시예일 뿐이다. 또한, (동일한 기본 원리로) 또 다른 초점거리 및 또 다른 준줌 값을 갖는 카메라 모듈도 구현될 수 있다. 예컨대 도표 내 초점거리 및 반경에 대한 모든 치수는 다양한 적용에 대해 기본적으로 측정될 수 있다.
도 2, 도 7, 도 12 및 도 17에 따른 개략도에서는 각각 대상(미도시)이 좌측에 위치하고 이미지 센서(108)(미도시)는 우측에 위치한다.
이처럼 4가지 실시예에서 카메라 모듈(100)의 삽입 가능한 기본 렌즈계(106)의 렌즈 조합은 대상 측면에서 이미지 센서(108) 쪽 방향의 순서로, 다시 말해 좌측에서 우측 방향으로 각각 하기의 부재들로 구성된다.
a) 렌즈(202)의 평면 표면(204)이 대상 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제1 평볼록 렌즈(202);
b) 렌즈의 평면 표면(204)이 이미지 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제2 평오목 렌즈(206);
c) 조리개(212); 및
d) 렌즈(216)의 평면 표면(214)이 이미지 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제3 평오목 렌즈(216).
이미지 센서의 직전에는 항상 IR 차단 필터 또는 저역 통과 필터, 또는 상기 두 필터의 기능을 충족하는 투명 플레이트(222)가 배치된다.
도 7 및 도 17에서 삽입된 렌즈계 부착부(114)는 텔레네거티브 광학 특성을 제공하며, 대상 측면으로부터 개시되는 방식으로, 다시 말해 좌측에서 우측 방향으로 각각 하기의 렌즈로, 즉
a) 제1 양오목 렌즈(702)와,
b) 제2 메니스커스 렌즈(706)로 구성되며,
메니스커스 렌즈(706)의 오목 표면(708)은 대상 측면의 반대 방향으로 향해 있다.
부착부의 최종 표면과 그 후방에 배치되는 투명 플레이트(222) 사이의 에어갭은 종종 1㎜이다.
각각의 기본 렌즈계(106)의 제1 및 제2 렌즈는 서로 접합되어 이중 렌즈(doublet)를 형성한다. 마찬가지로 각각의 텔레네거티브 렌즈계 부착부(114)의 두 렌즈(702, 706)도 이중 렌즈를 형성한다.
렌즈계 부착부(114)들의 렌즈들의 지름은 최대 6㎜이다.
각각의 기본 렌즈계(106)의 제2 및 제3 렌즈의 표면(208 및 218)은 비구면 표면을 포함한다.
이와 동일한 사항은 각각의 텔레네거티브 부착부의 제1 렌즈(702)의 표면(700)에 대해서도 적용된다.
도 2, 도 7, 도 12 및 도 17에 따른 실시예들의 렌즈들의 개별 표면들에 대한 정확한 정보는 표 4, 표 6, 표 8 및 표 9에 각각 대응하는 도면 부호와 함께 나열되어 있다.
도 3 내지 도 6에는 도 2의 실시예에 따른 8㎜ 기본 렌즈계의 몇 가지 특성 파라미터가 그래프로 도시되어 있다.
도 3에는 도 2에 따른 8㎜ 기본 렌즈계에 대한 중심과 비교되는 이미지의 상대 조도가 도시되어 있다. x 축은 3.5의 초점 비율 조건에서 확대되는 이미지의 중심의 상대 편차를 지시한다.
도 4에는 도 2의 실시예에 따른 기본 렌즈계의 왜곡률이 이상적인 이미지 크기의 편차의 백분율(%)로 도시되어 있다. 양의 값은 베개 모양의 왜곡률을 특징화하는 반면에, 음의 값은 통(barrel) 형태의 왜곡률에 관한 것이다. x 축은 3.5의 초점 비율 조건에서 확대되는 이미지의 중심의 상대 편차를 지시한다.
도 5에는 도 2의 실시예에 따른 기본 렌즈계에 대해 백분율(%) 단위의 투과도의 파형이 파장에 따라 그래프로 도시되어 있다.
도 6에는 상대적인 이미지 크기의 함수로서 도 2의 투영 렌즈계의 분해능(변조율)이 도시되어 있다. x 축은 3.5의 초점 비율 조건에서 이미지의 중심의 상대 편차를 지시한다. 이용되는 파장의 가중치는 다음과 같다. - 19.8%를 갖는 555㎚, 23.7%를 갖는 655㎚, 22.2%를 갖는 605㎚, 15.7%를 갖는 505㎚, 12.1%를 갖는 455㎚ 및 6.7%를 갖는 405㎚. 계산은 ㎜당 25개, 50개 및 100개의 선 쌍(LP/㎜)의 공간 주파수로 실시하였다. 실선은 각각 반경 방향으로 연장되는 선 쌍들의 분해능을 나타내고, 파선은 접선으로 연장되는 선 쌍들의 분해능을 나타낸다. y 축 상에는 3.5의 초점 비율(k) 조건에서 변조 전달 함수가 도시되어 있다.
이와 유사하게 도 3 내지 도 6과 관련한 앞의 설명은 도 8 내지 도 11, 도 13 내지 도 16 및 도 18 내지 도 21에 대해서도 각각 적용되며, 도 8 내지 도 11에 대한 최대 초점 비율 및 도 18 내지 도 21에 대한 최대 초점 비율 각각은 대응하는 연장 계수(앞 부분 참조)를 기반으로 한다.
도 3 내지 도 6에 도시된 것처럼, 제안되는 기본 렌즈계는 탁월한 묘사 특성을 갖는다.
도표 1에는 실시예들로서 언급한 6개의 기본 렌즈계로, 또는 4개의 예시에 따른 텔레네거티브 렌즈계 부착부와 상기 기본 렌즈계의 조합으로 구현될 수 있는 초점거리들이 기재되어 있다. 여기서 초점 비율은 3.5이다.
표 2 내지 표 11a에는 6개의 기본 렌즈계 모두와, 4개의 렌즈계 부착부 모두의 각각의 반경, 두께 내지 에어갭, 초점 비율 및 아베 수가 나열되어 있다. 마찬가지로 상기 도표에는 대응하는 비구면 데이터도 제시되어 있다.
비구면 렌즈의 표면은 일반적으로 하기 공식으로 계산될 수 있다.
Figure pct00001
상기 식에서,
- z는 축에 수직을 이루는 평면과 관련한 상승 높이(㎜)를, 다시 말하면, 광학 축에 수직으로, 다시 말하면 광학 축의 방향으로 이루어지는 평면의 편차의 방향을 지시한다.
- c는 이른바 정점의 곡률(vertex curvature)을 지시한다. 정점의 곡률은 볼록하거나 오목한 렌즈 표면의 곡률을 설명하며, 반경의 반비례 값으로 산출된다.
- y는 광학 축으로부터의 간격(㎜)을 지시한다. y는 반경방향 좌표(radial coordinate)이다.
- K는 이른바 원추 상수(conic constant)를 지시한다.
- A4, A6, A8, A10, A12는 비구면 렌즈의 표면을 설명하기 위해 함수의 다항식 전개의 계수에 해당하는 이른바 비구면 계수를 나타낸다.
바람직하게는 설명한 광학 모듈의 구현은 목표하는 콤팩트성을 유지하면서 가능한 한 적은 수의 렌즈를 포함하는 구성만을 요구한다는 장점이 있다. 이는 기본 렌즈계의 제1 접합 부재를 위한 고굴절 재료(ne > 1.65)을 선택하는 것을 통해 달성될 수 있었다. 또한, 기본 렌즈계 내로 평면 표면을 삽입하는 것을 통해 비용을 최적화하고 공차를 제거할 수 있었다.
텔레네거티브 부착부들은 바람직하게는 해당하는 아베 수가 가능한 한 큰 차이를 나타내도록 하는 접합 부재로만 구성된다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
100: 카메라 모듈
102: 광 유입 장치(light entry device)
104: 기본 렌즈계용 캐리어 플레이트
106: 기본 렌즈계
108: 이미지 센서
110: 기본 렌즈계에 대한 이동 기능(수평)
112: 텔레네거티브 부착부용 캐리어 플레이트
114: 텔레네거티브 부착부
116: 텔레네거티브 부착부에 대한 이동 기능(수평)
118: 광학 축
120: 이미지 센서에 대한 이동 기능
200: 렌즈(202)의 제1 표면
202: 기본 렌즈계의 제1 렌즈
204: 렌즈(202)의 제2 표면 / 렌즈(206)의 제1 표면
206: 기본 렌즈계의 제2 렌즈
208: 렌즈(206)의 제2 표면
212: 조리개
214: 렌즈(216)의 제1 표면
216: 기본 렌즈계의 제3 렌즈
218: 렌즈(216)의 제2 표면
220: 투명 플레이트(222)의 제1 표면
222: 이미지 센서의 투명 플레이트
224: 투명 플레이트(222)의 제2 표면
700: 렌즈(702)의 제1 표면
702: 렌즈계 부착부의 제1 렌즈
704: 렌즈(702)의 제2 표면 / 렌즈(706)의 제1 표면
706: 렌즈계 부착부의 제2 렌즈
708: 렌즈(706)의 제2 표면

Claims (9)

  1. 이미지 센서(108)에 대상을 묘사하기 위한 카메라 모듈에 있어서,
    광은 대상과 이미지 센서(108) 사이의 광로를 통과하고, 상기 카메라 모듈은 하기 사항, 즉
    a) 2개 이상의 캐리어 플레이트(104, 112)가 구비되되,
    a1) 제1 캐리어 플레이트(104)는 광학 축(118)을 가지면서 복수의 렌즈로 구성되는 복수의 기본 렌즈계(106)를 지지하고;
    a2) 제2 캐리어 플레이트(112)는 복수의 렌즈로 구성되는 복수의 렌즈계 부착부(114)를 지지하고;
    b) 각각의 캐리어 플레이트(104, 112)는 광학 축(118)에 대해 직각으로 배향되는 우선 평면을 포함하고;
    c) 상기 캐리어 플레이트(104, 112)들은 다양한 기본 렌즈계(106) 또는 렌즈계 부착부(114)가 광로 내에 포지셔닝 될 수 있는 방식으로 상기 우선 평면에서 자체의 위치가 가변될 수 있고;
    d) 상기 캐리어 플레이트(104, 112)들은 광로 내에서 적층 배치되고;
    e) 상기 기본 렌즈계(106)들과 렌즈계 부착부(114)들은, 광로 내에서
    e1) 기본 렌즈계(106)만으로 구성되거나, 또는
    e2) 렌즈계 부착부(114)를 포함하여 기본 렌즈계(106)로 구성되는
    다양한 렌즈 조합의 포지셔닝을 통해, 다양한 초점거리를 갖는 복수의 묘사용 광학 시스템이 형성되되, 이들 광학 시스템은 상기 이미지 센서(108) 상에 대상을 묘사하기에 적합한 방식으로 형성되며;
    f) 상기 기본 렌즈계(106)들과 렌즈계 부착부(114)들은, 기본 렌즈계와 렌즈계 부착부로 구성되는 다양한 렌즈 조합이 초점 거리를 달성하되, 다양한 초점거리를 갖는 렌즈 조합의 개수가 상기 캐리어 플레이트(104, 112)들 중 일측 캐리어 플레이트 상에 제공되는 기본 렌즈계(106) 또는 렌즈계 부착부(114)의 개수를 초과하는 방식으로 형성되는
    사항들을 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기본 렌즈계(106)는 대상 측면으로부터 개시되는 방식으로 하기 렌즈들, 즉
    a) 렌즈(202)의 평면 표면(204)이 대상 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제1 평볼록 렌즈(202)와,
    b) 렌즈(206)의 평면 표면(204)이 이미지 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제2 평오목 렌즈(206)와,
    c) 조리개(212)와,
    d) 렌즈(216)의 평면 표면(214)이 이미지 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제3 평오목 렌즈(216)로
    구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 평볼록 렌즈(202)는 1.65 이상의 굴절률을 갖는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈계 부착부(114)는 텔레네거티브 광학 특성을 보유하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈계 부착부(114)는 대상 측면으로부터 개시되는 방식으로 하기 렌즈들, 즉
    a) 제1 양오목 렌즈(702)와,
    b) 메니스커스 렌즈(706)의 오목 표면(708)이 대상 측면의 반대 방향으로 향해 있는 제2 메니스커스 렌즈(706)로 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 양오목 렌즈(702) 및 제2 메니스커스 렌즈(706)의 아베 수는 1.5의 인수만큼 차이를 나타내는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 집속은 광학 축(118)을 따라 실행되는 이미지 센서(108)의 위치 변경에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 기본 렌즈계(106)의 제1 대상 측 렌즈 표면(200)과 이미지 센서(108) 사이의 간격은 최대 19㎜인 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 기본 렌즈계(106)들 및 렌즈계 부착부(114)들의 렌즈들의 지름은 최대 6인 것을 특징으로 하는 카메라 모듈.
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