KR20140023552A

KR20140023552A - 광학계

Info

Publication number: KR20140023552A
Application number: KR1020120089538A
Authority: KR
Inventors: 김범근
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2014-02-27
Also published as: KR102012749B1

Abstract

실시예에 따른 광학계는 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈 및 제 5 렌즈를 포함하고, 아래의 수식 1 및 수식 2를 만족한다.
[수식 1]
|Sag 2/Sag 1|＜2
여기서, Sag 1은 상기 제 1 렌즈 물체 측 면의 Sag값이고, Sag 2는 상기 제 1 렌즈 상 측 면의 Sag값이다.
[수식 2]
|H5/Sag 5| >1
여기서, H5는 상기 제 5 렌즈의 상 측 면의 변곡점 높이이고, Sag 5는 상기 제 5 렌즈의 상 측 면의 변곡점에서의 Sag값이다.

Description

광학계{OPTICAL SYSTEM}

실시예는 광학계에 관한 것이다.

최근 휴대전화기나 이동통신단말기에 CCD 또는 CMOS와 같은 고체 촬상소자를 이용한 콤팩트한 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라가 내장되고 있다. 이러한 촬상소자는 소형화되는 추세이고, 이에 따라 촬상소자에 사용되는 광학계도 고성능이면서 소형화가 요구되고 있다.

또한, 종래의 광학계는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈, 필터 및 수광소자를 포함한다. 이때, 상기 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈 및 제4렌즈는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 순서대로 배치된다. 또한, 상기 제1렌즈 및 제3렌즈는 양의 굴절력을 갖고, 상기 제2렌즈 및 제4렌즈는 음의 굴절력을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제2렌즈의 굴절력이 다른 렌즈의 굴절력보다 크게 설계될 수 있다.

상기 제1렌즈는 물체 측에 볼록한 면을 가지고, 상기 제2렌즈는 상 측 면에 오목한 면을 가질 수 있다. 상기 필터는 적외선 차단 필터 일 수 있으며, 상기 수광 소자는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서일 수 있다.

이와 같은 소형 광학계에 대해서, 한국 출원 번호 10-2007-0041825 등에 개시되어 있다.

실시예는 향상된 성능을 가지고, 작은 크기를 가지는 광학계를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 광학계는 물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈 및 제 5 렌즈를 포함하고, 아래의 수식 1 및 수식 2를 만족한다.

[수식 1]

|Sag 2/Sag 1|＜2

여기서, Sag 1은 상기 제 1 렌즈 물체 측 면의 Sag값이고, Sag 2는 상기 제 1 렌즈 상 측 면의 Sag값이다.

[수식 2]

|H5/Sag 5| >1

여기서, H5는 상기 제 5 렌즈의 상 측 면의 변곡점 높이이고, Sag 5는 상기 제 5 렌즈의 상 측 면의 변곡점에서의 Sag값이다.

실시예에 따른 광학계는 위와 같이 설계될 때, 아래의 수식 1 및 수식 2를 만족할 수 있다.

[수식 1]

|Sag 2/Sag 1|＜2

[수식 2]

|H5/Sag 5| >1

이와 같이, 실시예에 따른 광학계는 상기 수식 1 및 수식 2를 만족하는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈 및 제 5 렌즈의 조합을 통해 광학계의 전장 거리를 줄임으로써, 작은 크기의 광학계를 구현할 수 있고, 향상된 성능을 가짐으로써, 고해상도의 광학계를 구현할 수 있다.

따라서, 실시예에 따른 광학계는 작은 크기를 가지면서, 향상된 성능을 가질 수 있다.

또한, 실시예에 따른 광학계는 렌즈 제작 및 조립 공차에 대한 민감도를 최고화하여 수율을 향상할 수 있다. 또한, 민감도에 따른 광학 수차 보정이 쉽다.

도 1은 실시예에 따른 소형 광학계의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 촬상 렌즈에 대하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 소형 광학계는 물체 측(object side)으로부터 상 측(image side)을 향해 순서대로, 조리개(5), 제 1 렌즈(10), 제 2 렌즈(20), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40), 제 5 렌즈(50), 필터(60) 및 수광 소자(70)를 포함한다.

피사체 영상을 획득하기 위하여 피사체의 영상 정보에 해당되는 광은 상기 제 1 렌즈(10), 조리개(15), 제 2 렌즈(20), 제 3 렌즈(30), 제 4 렌즈(40), 제 5 렌즈(50) 및 필터(60)를 통과하여 상기 수광 소자(70)에 입사된다.

상기 제 1 렌즈(10)는 양(+)의 굴절능(power)를 가지고, 상기 제 2 렌즈(20)는 양(+)의 굴절능을 가지고, 상기 제 3 렌즈(30)는 음(-)의 굴절능을 가질 수 있다.

또한, 상기 제 1 렌즈(10), 상기 제 2 렌즈(20), 상기 제 3 렌즈(30), 상기 제 4 렌즈(40) 및 상기 제 5 렌즈(50)는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다.

상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1)은 볼록하고, 상기 제 1 렌즈(10)의 상 측 면(R2)은 볼록 또는 오목하거나, 평면일 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1) 및 상 측 면(R2)은 비구면일 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측 면(R1) 또는 상 측 면(R2) 중 적어도 일면에는 회절 패턴이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 회절 패턴에 의해 전체 광하계의 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 제 2 렌즈(20)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 2 렌즈(20)의 물체 측 면(R3)은 볼록 또는 오목하거나, 평면일 수 있다. 상기 제 2 렌즈(20)의 상 측 면(R4)은 볼록할 수 있다. 또한, 상기 제 2 렌즈(20)의 물체 측 면(R3) 및 상 측 면(R4)은 구면 또는 비구면일 수 있다. 또한, 상기 제 2 렌즈(20)의 물체 측 면(R3) 또는 상 측 면(R4) 중 적어도 일면에는 회절 패턴이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 회절 패턴에 의해 전체 광하계의 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 제 1 렌즈(10) 및 상기 제 2 렌즈(20)는 다음의 수식 1을 만족할 수 있다.

[수식 1]

|Sag 2/Sag 1|＜2

상기 제 3 렌즈(30)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 3 렌즈(30)의 물체 측 면(R5)은 오목하고, 상기 제 3 렌즈(30)의 상 측 면(R6)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제 3 렌즈(30)는 양 오목 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 3 렌즈(30)의 물체 측 면(R5) 및 상 측 면(R6)은 구면 또는 비구면일 수 있다.

상기 제 4 렌즈(40)의 물체 측 면(R7)은 오목하고, 상기 제 4 렌즈(40)의 상 측 면(R8)은 볼록할 수 있다. 또한, 상기 제 4 렌즈(30)의 물체 측 면(R7) 및 상 측 면(R8)은 구면 또는 비구면일 수 있다.

상기 제 5 렌즈(40)는 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제 5 렌즈(50)의 물체 측 면(R9)은 오목하고, 상기 제 5 렌즈(50)의 상 측 면(R10)은 오목할 수 있다. 또한, 상기 제 5 렌즈(50)의 물체 측 면(R9) 및 상 측 면(R10)은 비구면일 수 있다.

또한, 상기 제 5 렌즈(50)는 적어도 하나 이상의 비구면 변곡점을 포함하여 형성된다.

이때, 상기 제 5 렌즈(50)의 물체 측 면(R9)에 하나 이상의 비구면 변곡점이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 5 렌즈(50)의 상 측 면(R10)에 하나 이상의 비구면 변곡점(CP)이 형성될 수 있다. 상기 제 5 렌즈(50)에 형성된 상기 비구면 변곡점은 수광소자(70)에 입사되는 주광선의 최대 사출각을 조절할 수 있다.

상기 제 5 렌즈(50)는 다음의 수식 2를 만족할 수 있다.

[수식 2]

|H5/Sag 5| >1

상 면(R13)인 상기 수광소자(70)가 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서인 경우, 각 픽셀에서 광량이 확보되는 각도가 있으며, 상기 각도가 다르면 광량이 확보되지 않아 화면의 주변부가 어두워지는 현상(shading)이 나타난다.

따라서, 본 실시예에서는, 상기 제 5 렌즈(40)의 상 측 면(R9)에 비구면 변곡점을 형성하여 주광선의 최대 사출각을 조절하므로써, 화면의 주변부가 어두워지는 현상을 방지할 수 있다.

상기 조리개(5)는 상기 제 1 렌즈(10)의 물체 측에 배치된다. 상기 조리개(5)는 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하여 초점거리(focus length)를 조절하는 기능을 수행한다.

상기 필터(60)는 적외선 차단 필터(60)(IR cut filter)로 이루어질 수 있다. 상기 적외선 차단 필터(60)는 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 상기 수광소자(400)에 전달되지 않도록 차단시키는 기능을 한다. 즉, 적외선 차단 필터(60)는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출되도록하는 구조를 가진다.

그리고, 상(像)이 맺히는 상기 수광 소자(70)는 피사체 영상에 대응하는 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서로 이루어질 수 있으며, 상기 이미지 센서는 CCD 또는 CMOS 센서로 이루어질 수 있다.

실시예에 따른 광학계는 수식 1 및 수식 2를 만족하기 때문에 렌즈 제작 및 조립 공차에 대한 민감도를 최고화하여 수율을 향상할 수 있다. 또한, 광학 수차를 최소화할 수 있다. 또한, 민감도에 따른 광학 수차 보정이 쉽다.

실험예

실험예에 따른 소형 광학계는 다음의 표 1과 같은 광학적 특징을 가졌다.

렌즈면	곡률반경(mm)	두께(mm)	굴절율	아베수
R1*	1.7602	0.4778	1.52996	55.8
R2*	6.8819	0.1096
R3*	826.9347	0.4654	1.52996	55.8
R4*	-2.6509	0.1000
R5*	-51.7029	0.3123	1.6355	23.9
R6*	2.7296	0.5923
R7*	-3.3014	0.6526	1.6355	23.9
R8*	-1.3669	0.1857
R9*	-24.3201	0.7539	1.6074	27.0
R10*	1.6155	0.1528

(* 표시는 비구면을 나타낸다)

상기 표 1에 표기한 두께는 각 렌즈면에서 다음 렌즈면까지의 거리를 나타낸다.

아래의 표 2는 실험예의 비구면 렌즈에 대한 비구면 계수 값이다.

렌즈면	K	A₁	A₂	A₃	A₄	A₅	A₆	A₇
R1	-0.468998	-0.839480E-02	-0.329970E-02	-0.172514E-01	-0.200125E-01	0.187048E-01	-0.111630E-01	0.337305E-02
R2	-47.472966	0.341098E-02	-0.368295E-01	0.391880E-01	-0.706071E-01	0.133495E-01	0.926919E-01	-0.516374E-01
R3	-90.000000	0.216091E-02	-0.369638E-01	0.450162E-01	-0.343921E-01	0.313653E-01	-0.663992E-02	0.263481E-02
R4	-16.332596	-0.134391E+00	-0.219895E-01	0.193249E+00	-0.378904E+00	0.337212E+00	-0.128732E+00	0.438157E-02
R5	0.000000	-0.177218E+00	-0.735123E-02	0.663009E-01	-0.418243E-01	0	0	0
R6	-14.982764	-0.272325E-01	-0.176853E-01	0.478164E-01	-0.151826E-01	-0.943559E-02	0.402685E-02	0.351546E-02
R7	-21.265594	-0.271565E-01	-0.455274E-01	0.157434E-01	-0.183885E-02	-0.207568E-01	0.213338E-01	-0.929986E-02
R8	-0.551179	0.708583E-01	-0.727808E-01	0.426824E-01	-0.937021E-02	-0.365863E-02	0.162240E-02	0.145249E-03
R9	-11.516494	-0.189588E+00	0.606970E-01	-0.673273E-02	-0.269353E-03	-0.274964E-03	0.131457E-03	-0.756473E-05
R10	-9.451886	-0.822532E-01	0.277286E-01	-0.731279E-02	0.103571E-02	-0.671332E-04	0.193491E-08	0.118837E-07

실험예의 비구면 렌즈에 대한 표 2의 비구면 계수 값은 다음의 수식3으로부터 얻을 수 있다.

수식3

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)

이와 같이, 실험예의 각 렌즈에 대한 비구면 형상이 결정되었다.

또한, 실험예에서는 아래의 표3과 같이, 각 렌즈가 설계되었다.

	유효초점거리(㎜)	굴절율	아베수	굴절능(1/㎜)
제 1 렌즈	4.294581	1.5299	55.8	0.233
제 2 렌즈	4.954786	1.5299	55.8	0.202
제 3 렌즈	-4.031232	1.6355	23.9	-0.248
제 4 렌즈	3.211801	1.6355	23.9	0.311
제 5 렌즈	-2.445798	1.6074	27.0	-0.409

실험예에 따른 소형 광학계가 위와 같이 설계되었을 때, 다음과 표 4와 같은 성능을 가질 수 있었다.

F	4.20
ttl	4.989
f1/F	1.022
ttl/F	1.187

이와 같이, 실험예에 따른 소형 광학계가 수식 1 및 수식 2를 만족하는 경우, 수식 3을 만족하도록, ttl 및 F를 얻을 수 있다.

따라서, 실시예에 따른 소형 광학계는 수식 1 및 수식 2와 같이 설계되어, 작은 크기를 가지면서, 동시에 향상된 성능을 가질 수 있다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예들을 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, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

물체 측으로부터 상 측으로 순차적으로 배치되는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈, 제 4 렌즈 및 제 5 렌즈를 포함하고,
아래의 수식 1을 만족하는 광학계.
[수식 1]
|Sag 2/Sag 1|＜2
여기서, Sag 1은 상기 제 1 렌즈 물체 측 면의 Sag값이고, Sag 2는 상기 제 1 렌즈 상 측 면의 Sag값이다.
제 1 항에 있어서, 아래의 수식 2를 더 만족하는 광학계.
[수식 2]
|H5/Sag 5| >1
여기서, H5는 상기 제 5 렌즈의 상 측 면의 변곡점 높이이고, Sag 5는 상기 제 5 렌즈의 상 측 면의 변곡점에서의 Sag값이다.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈는 양의 굴절력을 가지고, 상기 제 2 렌즈는 양의 굴절력을 가지고, 상기 제 3 렌즈는 음의 굴절력을 가지는 광학계.
제 1 항에 있어서, 상기 제 5 렌즈의 상 측 면은 변곡점을 포함하는 비구면인 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 물체 측으로부터 상기 상 측 방향으로 상기 제 5 렌즈 다음에 필터 및 수광 소자를 더 포함하는 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈 및 상기 제 2 렌즈 중 적어도 어느 한 렌즈의 일면에는 회절 패턴을 포함하는 광학계.