KR20170012246A - 광학 결상을 위한 렌즈 조립체 - Google Patents

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KR20170012246A
KR20170012246A KR1020167032526A KR20167032526A KR20170012246A KR 20170012246 A KR20170012246 A KR 20170012246A KR 1020167032526 A KR1020167032526 A KR 1020167032526A KR 20167032526 A KR20167032526 A KR 20167032526A KR 20170012246 A KR20170012246 A KR 20170012246A
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알렉산더 이바니소브
에두어드 트라이구보브
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델타 아이디 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 객체-측으로부터 영상 측으로의 순서로, 각각 객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제1 비구면 정 렌즈 소자와 제2 비구면 부 렌즈 소자를 포함하는 광학 결상 렌즈 조립체를 제공한다. 상기 광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은 (i) T < 1.2f, (ii) 1.1 < f/f1 < 1.5, (iii) -1.5 < f/f2 < -0.6, (iv) 0.2 < R1/f < 0.5, 및 (v) -0.25 < K1 < -0.05의 관계들을 만족하도록 구성될 수 있고, f는 상기 렌즈 조립체의 초점 거리이고, f1은 상기 제1 렌즈 소자의 초점 거리, f2는 상기 제2 렌즈 소자의 초점 거리, R1은 상기 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상의 곡률 반경이고, K1은 상기 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면의 원추곡면계수이고, T는 상기 광학 렌즈의 총 트랙 길이이다.

Description

광학 결상을 위한 렌즈 조립체{LENS ASSEMBLY FOR OPTICAL IMAGING}
본 발명은 결상을 위한 광학 렌즈 조립체 및 광학 결상 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 휴대용 결상 장치들 또는 휴대용 전자 장치들에 적용을 위한, 광학 결상용 소형 렌즈 조립체를 제공한다.
광학 결상 역량을 갖는 소형 전자 장치들의 발달로, 그에 상응하는 소형 결상 조립체들의 개발이 필요해지고 있다. 종래의 알려진 고해상도 소형 광학 렌즈 조립체들은 많은 수의 렌즈 소자들을 포함하기 때문에 광학 렌즈 조립체의 총 트랙 길이(track length)가 길어지고, 그에 따라 장치들의 크기도 결정된다. 또한, 종래의 조립체들은 일반적으로 구면 유리 렌즈들을 광학 소자들로서 의존하는데, 여기에는 색수차(chromatic aberration)를 정정하기 위한 이항요소(doublet)를 형성하도록 서로 부착된 두 개의 구형 유리 렌즈들이 포함된다. 이러한 종래의 배열 방식들에 따르면, 제조 요건이 복잡하고 및/또는 상대적으로 비용이 많이 든다.
이에 따라, 비교적 좁은 스펙트럼 범위에서 동작하며, 크기가 작으며 제조 효율을 달성하는 한편 영상의 품질을 유지하는 광학 결상 렌즈 조립체들의 필요성이 대두되었다.
본 발명은 결상용 광학 렌즈 조립체, 및 광학 결상 장치에 관한 것이다.
본 발명은 객체-측에서 영상 측으로의 순서로, 객체-측 표면 및 영상-측 표면을 포함하는 제1 비구면 정(positive) 렌즈 소자, 객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제2 비구면 부(negative) 렌즈 소자를 포함하는 광학 결상 렌즈 조립체를 제공한다.
본 발명의 목적을 위하여, f는 광학 결상 렌즈 조립체의 초점 거리(focal length), f1은 제1 렌즈 소자의 초점 거리, f2는 제2 렌즈 소자의 초점 거리, R1은 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상의 곡률 반경(radius curvature), K1은 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면의 원추곡면계수(conic), T1은 제1 렌즈 소자의 두께, T2는 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면과 제2 렌즈 소자의 객체-측 표면 사이의 거리, T3은 제2 렌즈 소자의 두께, T4는 제2 렌즈 소자의 영상-측 표면과 영상 표면 사이의 거리, 그리고 T는 광학 렌즈 조립체의 총 트랙 길이로서 T = T1 + T2 + T3 + T4이다.
T1, T2, T3, 및 T4는 광학 렌즈 조립체의 각각의 렌즈 표면들과 광축의 교차점들 사이의 측정된 거리들이다. R2는 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면상의 곡률 반경, K2는 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면의 원추곡면계수, Ta는 광학 렌즈 조립체의 총 두께로서 Ta = T1 + T2 + T3이다.
광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은 다음 관계들을 만족하도록 구성될 수 있다:
Figure pct00001
T < 1.2f;
Figure pct00002
1.1 < f/f1 < 1.5;
Figure pct00003
-1.5 < f/f2 < -0.6;
Figure pct00004
0.2 < R1/f < 0.5; 그리고
Figure pct00005
-0.25 < K1 < -0.05.
광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은 또한 하나 이상의 다음 관계들을 만족하도록 구성될 수 있다.
Figure pct00006
0.4 < Ta/f < 0.8;
Figure pct00007
0.5 < R2/f < 100; 그리고
Figure pct00008
2.5 < K2 < 50.
광학 결상 렌즈 조립체는 또한 객체 평면과 결상 표면 사이에 배치된 애퍼쳐 스톱(aperture stop)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 애퍼쳐 스톱은 객체 평면과 제1 렌즈 소자 사이에, 또는 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상에, 또는 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면상에, 또는 제1 및 제2 렌즈 소자들 사이에, 또는 제1 렌즈 소자 내에 배치될 수 있다.
광학 결상 렌즈 조립체는 제1 렌즈 소자와 객체 평면 사이에, 제1 렌즈 소자와 제2 렌즈 소자 사이에, 또는 제2 렌즈 소자와 영상 표면 사이에 배치된 적어도 하나의 평면-평행(plano-parallel) 렌즈 소자를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 영상 센서, 및 광학 결상 조립체를 포함하는 광학 결상 장치를 제공한다. 광학 결상 렌즈 조립체는 객체-측에서 영상 측으로의 순서로, 객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제1 비구면 정(positive) 렌즈 소자, 및 객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제2 비구면 부(negative) 렌즈 소자를 포함한다.
광학 결상 장치 내의 광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은 다음 관계들을 만족하도록 구성될 수 있다:
Figure pct00009
T < 1.2f;
Figure pct00010
< f/f1 < 1.5;
Figure pct00011
-1.5 < f/f2 < -0.6;
Figure pct00012
0.2 < R1/f < 0.5; 그리고
Figure pct00013
-0.25 < K1 < -0.05.
일 실시예에서, 광학 결상 장치 내의 광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은 또한, 하나 이상의 다음 관계들을 만족하도록 구성될 수 있다:
Figure pct00014
0.4 < Ta/f < 0.8;
Figure pct00015
0.5 < R2/f < 100; 그리고
Figure pct00016
2.5 < K2 < 50.
광학 결상 장치는 또한, 영상을 캡처하기 위해, 객체 평면을 조명하도록 구성된 조명원을 포함할 수 있다. 조명원은 근적외선 스펙트럼 내에서 160 nm 까지의 스펙트럼 대역폭 내의 파장들을 방출하도록 구성된 하나 이상의 발광 다이오드들을 포함할 수 있다. 광학 결상 장치의 특정 일 실시예에서, 스펙트럼 대역폭은 800 nm의 파장들을 포함한다.
광학 결상 장치의 일 실시예에서, 조명원은 제1 및 제2 단일 피크 파장 발광 다이오드들을 포함할 수 있는데, 제1 발광 다이오드는 760 nm의 파장들을 포함하는 제1 스펙트럼 대역폭 내의 파장들을 방출하고 제2 발광 다이오드는 850 nm의 파장들을 포함하는 제2 스펙트럼 대역폭 내의 파장들을 방출한다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 조립체를 도시한 것이다.
도 1b는 광학 조립체의 제1 실시예의 세부 광학 데이터를 도시한 것이다.
도 1d는 광학 조립체의 제1 실시예의 비구면 프로필 데이터를 제공한다.
도 1d, 1e 및 도 1f는 각각 광학 렌즈 조립체의 제1 실시예의 난시 곡선들(astigmatism curves), 왜곡 곡선(distortion curve), 및 변조 전달 함수(modulation transfer function)를 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 조립체를 도시한 것이다.
도 2b는 광학 조립체의 제2 실시예의 세부 광학 데이터를 도시한 것이다.
도 2c는 광학 조립체의 제2 실시예의 비구면 프로필 데이터를 제공한다.
도 2d, 2e 및 2f는 각각 광학 렌즈 조립체의 제2 실시예의 난시 곡선들, 왜곡 곡선 및 변조 전달 함수를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학 조립체를 도시한 것이다.
도 3b는 광학 조립체의 제3 실시예의 세부 광학 데이터를 도시한 것이다.
도 3c는 광학 조립체의 제3 실시예의 비구면 프로필 데이터를 제공한다.
도 3d, 3e 및 3f는 각각 광학 렌즈 조립체의 제3 실시예의 난시 곡선들, 왜곡 곡선 및 변조 전달 함수를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학 조립체를 도시한 것이다.
도 4b는 광학 조립체의 제4 실시예의 세부 광학 데이터를 도시한 것이다.
도 4c는 광학 조립체의 제4 실시예의 비구면 프로필 데이터를 제공하다.
도 4d, 4e 및 4f는 각각 광학 렌즈 조립체의 제4 실시예의 난시 곡선들, 왜곡 곡선 및 변조 전달 함수를 도시한 것이다.
본 발명은 감소된 개수의 광학 소자들을 구비한 결상용 광학 렌즈 조립체를 포함하며, 여기서 선택적으로 광학 소자들 중 하나 이상은 플라스틱일 수 있다.
본 발명의 광학 렌즈 조립체는 두 개의 광학 렌즈 소자들을 포함한다. 광학 렌즈 조립체는, 객체 측에서 영상 측으로의 순서로, (i) 볼록 객체-측 표면과 오목 영상-측 표면을 갖는 정(positive) 매니스커스 렌즈(즉, 주변의 두께보다 중앙의 두께가 더 큰 매니스커스 렌즈)를 포함하는 제1 비구면 정 렌즈 소자, 및 (ii) 제2 비구면 부(negative) 렌즈 소자를 포함한다.
광학 렌즈 조립체는 또한, (i) 객체와 제1 렌즈 소자 사이에, (ii) 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상에, (iii) 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면상에, (iv) 제1 및 제2 렌즈 소자들 사이에, 또는 (v) 제1 렌즈 소자 내에 위치한 애퍼쳐 스톱(aperture stop)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 렌즈 조립체들은 아래 파라미터들의 측면에서 이해될 수 있다. 광학 조립체의 초점 거리는 f이다. 제1 렌즈 소자의 초점 거리는 f1이다. 제2 렌즈 소자의 초점 거리는 f2이다. 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상의 곡률 반경은 R1이다. 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면의 원추곡면계수(즉, 원추곡면상수)은 K1이다. 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면상의 곡률 반경은 R2이다. 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면의 원추곡면계수는 K2이다. 광학 렌즈 조립체의 광축에서의 제1 렌즈 소자의 두께는 T1이다. 광학 렌즈 조립체의 광축 상의 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면과 제2 렌즈 소자의 객체-측 표면 사이의 거리는 T2이다. 광학 렌즈 조립체의 광축에서의 제2 렌즈 소자의 두께는 T3이다. 제2 렌즈 소자의 영상-측 표면과 영상 표면 사이의 거리는 T4이다. 렌즈 조립체의 광축상의 광 렌즈 조립체의 총 두께는 Ta이고, Ta = T1 + T2 + T3이다. 광학 렌즈 조립체의 총 트랙 길이(즉, 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면과 영상 표면 사이의 총 거리)는 T이고, T = T1 + T2 + T3 + T4이다. 상술한 모든 거리들은 광학 렌즈 조립체의 광축과 렌즈 표면들의 교차점들 사이의 거리들을 측정한 것임을 이해해야 할 것이다.
본 발명의 광학 렌즈 조립체는 다음과 같은 제한들을 만족하도록 구성될 수 있다:
Figure pct00017
T < 1.2f; ...제한 1
Figure pct00018
1.1 < f/f1 < 1.5; ...제한 2
Figure pct00019
-1.5 < f/f2 < -0.6; ...제한 3
Figure pct00020
0.2 < R1/f < 0.5; ...제한 4
Figure pct00021
-0.25 < K1 < -0.05. ...제한 5
본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 조립체는 영상 센서 상에, 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면으로부터 무한 거리에 위치한 객체, 또는 대안적으로 광학 무한대에 위치한 객체를 결상하도록 구성될 수 있다.
상술한 제한들에 따라 광학 조립체를 구성하면 종래의 비용적으로 효과적인 사출-성형 렌즈 제조 기술들을 사용하여 제조될 수 있는 소형의 효과적인 광학 렌즈 조립체가 제공된다는 것이 밝혀졌다.
또한, 본 발명에 따라 구성된 광학 렌즈 조립체는 다음을 달성하는 것이 밝혀졌다:
Figure pct00022
조리개값 F/2.4 또는 그 미만의 애퍼쳐들에 대한 회절 한계 영상 품질(즉, 입력 동공 직경들), 및 적어도 40도 까지의 객체 공간 내 시야각;
Figure pct00023
f = 4 mm일 때, 110 1p/mm (라인 쌍들/밀리미터당)에서 변조 전달 함수 MTF > 60%.
Figure pct00024
3% 미만의 낮은 기하학적 왜곡(geometrical distortion);
Figure pct00025
(근적외선(IR), 가시광선 또는 자외선 스펙트럼들 내의) 단일 피크 LED 로부터 조명하에서 영상을 캡처하는데 충분한 색수 교정. 달성된 색수 교정은 일반적으로, 근적외선(근 IR) 스펙트럼 내의 160 나노미터들(nm) 또는 그 미만의 영역에서의 스펙트럼 대역폭의 조명하에서 영상 캡처에 충분하다.
본 발명의 광학 렌즈 조립체는 또한 하나 이상의 다음 제한들을 만족하도록 구성될 수 있다.
Figure pct00026
0.4 < Ta/f < 0.8; ...제한 6
Figure pct00027
0.5 < R2/f < 100; ...제한 7
Figure pct00028
2.5 < K2 < 50. ...제한 8
상술한 제한들 2, 3 및 6을 만족하는 본 발명의 광학 렌즈 조립체를 구성하면 광학 렌즈 조립체의 총 트랙 길이(T)가 바람직하게는 유효 초점 거리(f) 미만으로 감소된다. 제한 4 및 제한 5를 만족하는 광학 렌즈 조립체를 구성하면 제1 렌즈 소자가 결상 시스템에 대한 충분한 굴절력을 제공하도록 하는 한편 색수차가 지나치게 커지는 것을 방지 하게 된다. 제한 10 및 제한 11을 만족하는 광학 렌즈 조립체를 구성하면, 제1 렌즈 소자는 제2 소자에 의해 추가 교정될 수 있는 정도로까지 난시를 감소시킴으로써 제2 렌즈 소자에 의한 시야 곡률 및 왜곡 교정을 향상시킨다.
제1 렌즈 소자와 제2 렌즈 소자의 굴절률들은 제1 소자가 제2 렌즈 소자보다 낮은 굴절률을 갖도록 각각 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 이는 제1 렌즈 소자는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 시클로-올레핀 공중합체(COC)로 제조하고, 및/또는 제2 렌즈 소자는 폴리카보네이트(PC) 또는 폴리스티렌(PS)으로 제조함으로써 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 두 렌즈 소자들 모두 같은 물질(가령, PMMA)로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 광학 렌즈 조립체는 하나 이상의 평면-평행 광학 소자들(및, 광학 창들 또는 광학 필터들을 포함할 수 있으나 여기에 제한되지 않는)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 평면-평행 소자들은 (i) 제1 렌즈 소자와 결상용 객체 사이에, (ii) 제1 렌즈 소자와 제2 렌즈 소자 사이에, 또는 (iii) 제2 렌즈 소자와 영상 센서 사이에 위치할 수 있다. 하나 이상의 평면-평행 소자들은 광학 렌즈 조립체의 일부로, 또는 렌즈 홀더(lens holder)에, 또는 영상 센서 패키징의 일부로 장착될 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 광학 렌즈 조립체들은 렌즈 소자들에 대한 물질들의 선택에 대한 민감도가 낮고, 대부분 광학 플라스틱들 뿐만 아니라 광학 유리 등의 기타 광학 물질들의 사용도 허용된다.
본 발명의 목적들을 위해, 광학 렌즈 조립체 내 제1 및 제2 렌즈 소자들의 비구면 프로필들은 아래 표현식(1)에 의해 정의될 수 있다:
Figure pct00029
여기서,
Figure pct00030
광축은 z 방향으로 놓인 것으로 가정한다;
Figure pct00031
z(r)은 표면상의 방사상 좌표(r)에서의 표면 새그(surface sag)이다 (즉, 축에서 거리(r)의, 꼭짓점으로부터의 표면의 변위의 z 성분이다);
Figure pct00032
c는 표면의 곡률이다 (즉,
Figure pct00033
);
Figure pct00034
K는 원추곡면계수(conic constant)이다; 그리고
Figure pct00035
계수들(Ai)은 c로 명시되는 축대칭 사면으로부터의 표면의 변위를 나타낸다.
그러나, 렌즈 소자들의 비구면 프로필들은 다른 적합한 표현 방식으로도 표현이 가능함을 이해해야 할 것이다.
이하, 본 발명의 특정 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 설명한다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 렌즈 조립체(100)를 도시한 것이다. 광학 렌즈 조립체(100)는 두 개의 렌즈 소자들, 즉, 객체 측에서 영상 측으로의 순서로, 제1 굴절률을 갖는 제1 플라스틱 렌즈 소자(110), 제2 굴절률을 갖는 제2 플라스틱 렌즈 소자(120), 및 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상에 배치된 애퍼쳐 스톱(130)을 포함한다. 제1 렌즈 소자(110)는 볼록 객체-측 표면(112) 및 오목 영상-측 표면(114)을 갖는 정 매니스커스 렌즈를 포함한다. 제2 렌즈 소자(120)는 비구면 객체-측 표면(116)과 비구면 영상-측 표면(118)을 갖는 부 렌즈 소자를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 렌즈 소자(120)는 부 광학력(negative optical power)을 갖고, 제1 굴절률은 제2 굴절률보다 낮다.
광학 렌즈 조립체(100)의 광축(o)에서의 제1 렌즈 소자(110)의 두께는 T1이다. 광축(o) 상에서의 제1 렌즈 소자(110)의 영상-측 표면(114)과 제2 렌즈 소자(120)의 객체-측 표면(116) 사이의 거리는 T2이다. 광축(o)상에서의 제2 렌즈 소자(120)의 두께는 T3이다. 제2 렌즈 소자의 영상-측 표면과 영상 표면(140) 사이의 거리는 T4이다. 광축(o)상에서의 광학 렌즈 조립체의 총 두께는 Ta(즉, T1 + T2 + T3)이다. 광축(o)상에서 측정한, 제1 렌즈 소자(110)의 객체-측 표면과 영상 표면(140) 사이의 총 거리는 T(즉, T1 + T2 + T3 + T4)이다. 영상 표면(140)은 도 1a에 도시되어 있지만, 반드시 광학 렌즈 조립체(100)의 소자가 아닐 수 있음을 이해해야 할 것이다.
도 1b는 상술한 제한 1 내지 5에 부합하도록 구성된 광학 렌즈 조립체(100)의 세부 광학 데이터를 도시한 것이다. 도 1c 에서는 광학 렌즈 조립체(100)의 비구면 프로필 데이터를 도시한 것으로, 비구면 프로필 데이터는 상술한 표현식(1)을 바탕으로 도출된 것이다.
도 1d, 1e 및 1f는 각각 광학 렌즈 조립체(100)의 난시 곡선들, 왜곡 곡선 및 변조 전달 함수를 도시한 것이다.
광학 렌즈 조립체(100)에 대한 데이터는 (i) 전체 렌즈 조립체의 유효 초점 거리(f)가 3.9 mm이고, (ii) 조리개값(focal number)이 F/2.4이고, (iii) 시야각(FOV)이 35°이고, (iv) 조명에 대한 파장들의 범위가 780 nm 내지 840 nm 사이인 것을 바탕으로 모델링되었다. 모델링된 광학 렌즈 조립체의 구체적인 제한들은 다음과 같았다:
Figure pct00036
f/f1 = 1.21;
Figure pct00037
f/f2 = -0.85;
Figure pct00038
Ta/f = 0.67;
Figure pct00039
T = 3.67;
Figure pct00040
T/f = 0.94;
Figure pct00041
R1/f = 0.33;
Figure pct00042
K1 = 0.18547;
R2/f = 1.78;
Figure pct00044
K2 = 22.411;
도 1d, 1e 및 1f 의 데이터에 따르면 본 발명의 제1 실시예는 (i) F/2.4의 조리개값 및 객체 공간 내의 시야각 35도를 갖는 애퍼쳐들에 대한 회절 한계 영상 품질(즉, 입력 동공 직경들), (ii) 110 lp/mm (라인 쌍들/밀리미터당)에서 변조 전달 함수 MTF > 60%, 및 (iii) 3% 미만의 낮은 기하학적 왜곡(geometrical distortion)을 달성한다.
도 2a에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 렌즈 조립체(200)를 도시하고 있다. 광학 렌즈 조립체(200)는 두 개의 렌즈 소자들, 즉, 객체 측에서부터 영상 측으로의 순서로: 제1 굴절률을 갖는 제1 플라스틱 렌즈 소자(210), 제2 굴절률을 갖는 제2 플라스틱 렌즈 소자(220), 및 제1 렌즈 소자(210)와 제2 렌즈 소자(220) 사이에 배치된 애퍼쳐 스톱(230)을 포함한다. 제1 렌즈 소자(210)는 볼록 객체-측 표면(212)과 오목 영상-측 표면(214)을 갖는 정 매니스커스 렌즈를 포함한다. 제2 렌즈 소자(220)는 비구면 객체-측 표면(216) 및 비구면 영상-측 표면(218)을 갖는 매니스커스 렌즈 소자를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 렌즈 소자(220)는 부 광학력(negative power)를 갖고, 제1 굴절률은 제2 굴절률보다 낮다.
광학 렌즈 조립체(200)의 광축(o)에서의 제1 렌즈 소자(210)의 두께는 T1이다. 광축(o)상에서의 제1 렌즈 소자(210)의 영상-측 표면(214)과 제2 렌즈 소자(220)의 객체-측 표면(216) 사이의 거리는 T2이다. 광축(o)에서의 제2 렌즈 소자(220)의 두께는 T3이다. 제2 렌즈 소자(220)의 영상-측 표면과 영상 표면(240) 사이의 거리는 T4이다. 광축(o)상에서의 광학 렌즈 조립체의 총 두께는 Ta(즉, T1 + T2 + T3)이다. 광축(o)상에서 측정된, 제1 렌즈 소자(210)의 객체-측 표면과 영상 표면(240) 사이의 총 거리는 T(즉, T1 + T2 + T3 + T4)이다. 영상 표면(240)이 도 2a에 도시되어 있지만, 이는 광학 렌즈 조립체(200)의 본질적인 소자가 아닐 수 있음을 이해해야 할 것이다.
도 2b에서는 상술한 제한 1 내지 제한 5에 부합하도록 구성된 광학 렌즈 조립체(200)의 세부 광학 데이터를 도시하고 있다. 도 2c에서는 광학 렌즈 조립체(200)의 비구면 프로필 데이터를 도시한 것으로, 비구면 프로필 데이터는 상술한 표현식(1)을 바탕으로 도출된 것이다.
도 2d, 2e 및 2f는 각각 광학 렌즈 조립체(200)의 난시 곡선들, 왜곡 곡선들 및 공간 주파수(spatial frequency)에 대응하는 변조 전달 함수의 변화를 도시한다.
광학 렌즈 조립체(200)에 대한 데이터는 (i) 전체 렌즈 조립체의 유효 초점 거리(f)가 4.0이고, (ii) 조리개값(focal number)이 F/2.1이고, (iii) 시야각(FOV)이 30°이고, (iv) 조명의 1차 파장이 810 nm인 것을 바탕으로 모델링되었다. 모델링된 광학 렌즈 조립체의 구체적인 제한들은 다음과 같았다:
Figure pct00045
f/f1 = 1.33;
Figure pct00046
f/f2 = -1.26;
Figure pct00047
Ta/f = 0.75;
Figure pct00048
T = 3.706;
Figure pct00049
T/f = 0.93;
Figure pct00050
R1/f = 0.32;
Figure pct00051
K1 = -0.3914;
Figure pct00052
R2/f = 2.43;
Figure pct00053
K2 = 13.2890;
도 2d, 2e 및 2f의 데이터에 따르면 본 발명의 제2 실시예는 (i) F/2.1 미만의 조리개값 및 객체 공간 내 시야각 30도 미만을 갖는 애퍼쳐들에 대한 회절 한계 영상 품질(즉, 입력 동공 직경들), (ii) 110 lp/mm (라인 쌍들/밀리미터당)에서, 변조 전달 함수 MTF > 60%, 및 (iii) 0.11% 미만의 낮은 기하학적 왜곡(geometrical distortion)을 달성한다.
도 3a에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학 렌즈 조립체(300)를 도시하고 있다. 광학 렌즈 조립체(300)는 두 개의 렌즈 소자들, 즉, 객체 측에서부터 영상 측으로의 순서로: 제1 굴절률을 갖는 제1 플라스틱 렌즈 소자(310), 제2 굴절률을 갖는 제2 플라스틱 렌즈 소자(320), 및 제1 렌즈 소자(310)의 객체-측 표면상에 배치된 애퍼쳐 스톱(330)을 포함한다. 제1 렌즈 소자(310)는 볼록 객체-측 표면(312)과 오목 영상-측 표면(314)을 갖는 정 매니스커스 렌즈를 포함한다. 제2 렌즈 소자(320)는 객체-측 표면(316) 및 비구면 영상-측 표면(318)을 갖는 렌즈 소자를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 렌즈 소자(320)는 부 광학력(negative power)를 갖고, 제1 굴절률은 제2 굴절률보다 낮다. 도시된 실시예에서, 평면-평행 필터(350)가 제2 렌즈 소자(320)와 영상 표면(340) 사이에 게재되고, 객체-측 표면(352)과 영상-측 표면(354)을 갖는다.
광학 렌즈 조립체(300)의 광축(o)에서의 제1 렌즈 소자(310)의 두께는 T1이다. 광축(o)상에서의 제1 렌즈 소자(310)의 영상-측 표면(314)과 제2 렌즈 소자(320)의 객체-측 표면(316) 사이의 거리는 T2이다. 광축(o)에서의 제2 렌즈 소자(320)의 두께는 T3이다. 제2 렌즈 소자(320)의 영상-측 표면과 영상 표면(340) 사이의 거리는 T4이다. 광축(o)상에서의 광학 렌즈 조립체의 총 두께는 Ta(즉, T1 + T2 + T3)이다. 광축(o)상에서 측정된, 제1 렌즈 소자(310)의 객체-측 표면과 영상 표면(340) 사이의 총 거리는 T(즉, T1 + T2 + T3 + T4)이다. 영상 표면(340)이 도 3a에 도시되어 있지만, 이는 광학 렌즈 조립체(300)의 본질적인 소자가 아닐 수 있음을 이해해야 할 것이다.
도 3b에서는 상술한 제한 1 내지 제한 5에 부합하도록 구성된 광학 렌즈 조립체(300)의 세부 광학 데이터를 도시하고 있다. 도 3c에서는 광학 렌즈 조립체(300)의 비구면 프로필 데이터를 도시한 것으로, 비구면 프로필 데이터는 상술한 표현식(1)을 바탕으로 도출된 것이다.
도 3d, 3e 및 3f는 각각 광학 렌즈 조립체(300)의 난시 곡선들, 왜곡 곡선들 및 공간 주파수(spatial frequency)에 대응하는 변조 전달 함수의 변화를 도시한다.
광학 렌즈 조립체(300)에 대한 데이터는 (i) 전체 렌즈 조립체의 유효 초점 거리(f')가 4.0이고, (ii) 조리개값(focal number)이 F/2.35이고, (iii) 시야각(FOV)이 35°이고, (iv) 조명의 1차 파장이 810 nm인 것을 바탕으로 모델링되었다. 모델링된 광학 렌즈 조립체의 구체적인 제한들은 다음과 같았다:
Figure pct00054
f/f1 = 1.35;
Figure pct00055
f/f2 = -0.98;
Figure pct00056
Ta/f = 0.61;
Figure pct00057
T = 3.771;
Figure pct00058
T/f = 0.94;
Figure pct00059
R1/f = 0.28;
Figure pct00060
K1 = -0.1651;
Figure pct00061
R2/f = 1.19;
Figure pct00062
K2 = 10.7151;
도 3d, 3e 및 3f 의 데이터에 따르면 본 발명의 제2 실시예는 광학 렌즈 조립체 내 평면-평행 광학 소자들을 비롯해, (i) F/2.35 미만의 조리개값 및 객체 공간 내 시야각 35도 미만을 갖는 애퍼쳐들에 대한 회절 한계 영상 품질(즉, 입력 동공 직경들), (ii) 110 lp/mm (라인 쌍들/밀리미터당)에서, 변조 전달 함수 MTF > 60%, 및 (iii) 1% 미만의 낮은 기하학적 왜곡(geometrical distortion)을 달성한다.
도 4a에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학 렌즈 조립체(400)를 도시하고 있다. 광학 렌즈 조립체(400)는 두 개의 렌즈 소자들, 즉, 객체 측에서부터 영상 측으로의 순서로: 제1 굴절률을 갖는 제1 아크릴 렌즈 소자(410), 제2 굴절률을 갖는 제2 아크릴 렌즈 소자(420), 및 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상에 배치된 애퍼쳐 스톱(430)을 포함한다. 제1 렌즈 소자(410)는 볼록 객체-측 표면(412)과 오목 영상-측 표면(414)을 갖는 정 매니스커스 렌즈를 포함한다. 제2 렌즈 소자(420)는 비구면 객체-측 표면(416) 및 비구면 영상-측 표면(418)을 갖는 부 렌즈 소자를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 렌즈 소자(420)는 부 광학력(negative power)를 갖고, 제1 굴절률은 제2 굴절률과 동일하다.
광학 렌즈 조립체(100)의 광축(o)에서의 제1 렌즈 소자(410)의 두께는 T1이다. 광축(o)상에서의 제1 렌즈 소자(410)의 영상-측 표면(414)과 제2 렌즈 소자(420)의 객체-측 표면(416) 사이의 거리는 T2이다. 광축(o)에서의 제2 렌즈 소자(420)의 두께는 T3이다. 제2 렌즈 소자의 영상-측 표면과 영상 표면(440) 사이의 거리는 T4이다. 광축(o)상에서의 광학 렌즈 조립체의 총 두께는 Ta(즉, T1 + T2 + T3)이다. 광축(o)상에서 측정된, 제1 렌즈 소자(410)의 객체-측 표면과 영상 표면(440) 사이의 총 거리는 T(즉, T1 + T2 + T3 + T4)이다. 영상 표면(440)이 도 4a에 도시되어 있지만, 이는 광학 렌즈 조립체(400)의 소자가 아닐 수 있음을 이해해야 할 것이다.
도 4b에서는 상술한 제한 1 내지 제한 5에 부합하도록 구성된 광학 렌즈 조립체(400)의 세부 광학 데이터를 도시하고 있다. 도 4c에서는 광학 렌즈 조립체(400)의 비구면 프로필 데이터를 도시한 것으로, 비구면 프로필 데이터는 상술한 표현식(1)을 바탕으로 도출된 것이다.
도 4d, 4e 및 4f는 각각 광학 렌즈 조립체(400)의 난시 곡선들, 왜곡 곡선들 및 변조 전달 함수를 도시한다.
광학 렌즈 조립체(400)에 대한 데이터는 (i) 전체 렌즈 조립체의 유효 초점 거리(f)가 3.9 mm이고, (ii) 조리개값(focal number)이 F/2.4이고, (iii) 시야각(FOV)이 35°이고, (iv) 조명에 대한 파장들의 범위가 780 nm 내지 840 nm 사이인 것을 바탕으로 모델링되었다. 모델링된 광학 렌즈 조립체의 구체적인 제한들은 다음과 같았다:
Figure pct00063
f/f1 = 1.21;
Figure pct00064
f/f2 = -0.83;
Figure pct00065
Ta/f = 0.67;
Figure pct00066
T = 3.67;
Figure pct00067
T/f = 0.94;
Figure pct00068
R1/f = 0.33;
Figure pct00069
K1 = -0.1380;
Figure pct00070
R2/f = 1.74;
Figure pct00071
K2 = 25.0935;
도 4d, 4e 및 4f 의 데이터에 따르면 본 발명의 제4 실시예는, (i) F/2.4의 조리개값 및 객체 공간 내 시야각 35도를 갖는 애퍼쳐들에 대한 회절 한계 영상 품질(즉, 입력 동공 직경들), (ii) 110 lp/mm (라인 쌍들/밀리미터당)에서, 변조 전달 함수 MTF > 60%, 및 (iii) 3% 미만의 낮은 기하학적 왜곡(geometrical distortion)을 달성한다.
이에 따라, 본 발명은 광학 결상을 위한, 소형 광학 렌즈 조립체들을 제공하며, 여기에는 휴대용 전자 장치들 내에 제공되는 것들을 포함한다. 광학 렌즈 조립체 내에 비구면 렌즈 소자들을 실시함으로써, 본 발명은 또한 종래의 사출-성형 기술들, 그에 따른 시간, 비용 및 노동 효율성을 사용하여 제조되거나 대량 생산될 수 있는 렌즈 조립체들을 가능케 한다.
본 발명은 또한 상술한 실시예들 중 어느 하나에 기술된 광학 렌즈 조립체, 및 영상 센서를 포함하는 광학 결상 장치를 포함한다. 광학 결상 장치 내 영상 센서는 영상 표면을 제공한다. 광학 결상 장치의 실시예들에서, 광학 렌즈 조립체에 대한 영상 센서의 위치는 광학 렌즈 조립체의 실시예들에서 상술한 영상 표면의 위치들과 일치한다 (가령, 영상 표면들(140, 240 및 340) 참조).
광학 결상 장치 내 광학 렌즈 조립체는 영상 센서 상에, 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면에서 무한 거리에 위치한 객체, 또는 대안적으로 광학 무한대에 위치한 객체를 결상하도록 구성될 수 있다.
광학 결상 장치는 또한 영상을 캡처하기 위한, 객체 평면을 조명하도록 구성된 조명원(및 그에 따라 객체 평면에 위치된 객체)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 조명원은 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 조명원은 160 nm 또는 그 미만의 영역 내의 광학 스펙트럼 대역폭 내에서만 파장들을 방출하도록 선택될 수 있다. 더 구체적인 일 실시예에서, 조명원은 근 IR 스펙트럼 내에서, 160 nm 또는 그 미만의 영역 내의 광학 스펙트럼 대역폭 내에서만 파장들을 방출하도록 선택될 수 있다. 또 다른 구체적인 일 실시예에서, 조명원은 대략 160 nm 또는 그 미만의 광학 스펙트럼 대역폭 내에서만 파장들을 방출하도록 선택될 수 있고, 여기서 광학 스펙트럼 대역폭은 810 nm의 파장들을 포함한다. 광학 결상 장치의 일 실시예에서, 조명원은 상술한 광학 스펙트럼 대역폭들 내의 파장들을 방출하도록 구성된 단일 피크 LED를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 조명원은 760 nm 및 850 nm의 영역에서 파장들을 방출하도록 각각 구성된 두 개의 단일 피크 파장 LED들을 포함할 수 있다. 또 다른 일 실시예에서, 조명원은 850 nm의 영역 내의 파장들을 방출하도록 구성된 단일 피크 LED를 포함할 수 있다. 대안적인 일 실시예에서, 조명원은 940 nm 내지 960 nm 사이의 파장들을 방출하도록 구성된 LED를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들에서, 광학 결상 장치는 모바일 폰들, 스마트 폰들, 개인 정보 단말기들(personal digital assistants), 태블릿들, 랩탑들, 또는 기타 헨드헬드 통신 장치들, 바코드 독출기들 및 웹 카메라들을 포함하나 여기에 제한되지 않는 휴대용 전자 장치들, 모바일 컴퓨팅 장치들 또는 모바일 통신 장치들 내에 실시될 수 있다. 소형 광학 렌즈 조립체는 본 발명이 특히 깊이 프로필들이 좁은 장치들에 적합하도록 한다. 특정 일 실시예에서, 본 발명에 따른 광학 결상 장치는 (모바일 폰, 랩탑 또는 태블릿의 정면 표면) 등의 외부 표면을 갖는 장치 하우징 내에 배치될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 장치 하우징의 외부 표면은 광학적으로 클리어(또는 투명)하거나 실질적으로 광학적으로 클리어(또는 실질적으로 투명)할 수 있다.
본 발명에 도시 및 기술된 실시예들은 단지 도시의 목적으로만 사용되었다. 당업자라면 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 범위 내에서 형태 및 세부적으로 다양하게 변경 가능함을 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 광학 결상 렌즈 조립체로서, 객체-측으로부터 영상-측으로의 순서로,
    객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제1 비구면 정 렌즈 소자; 및
    객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제2 비구면 부 렌즈 소자를 포함하고,
    상기 광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은,
    T < 1.2f;
    1.1 < f/f1 < 1.5;
    -1.5 < f/f2 < -0.6;
    0.2 < R1/f < 0.5; 및
    -0.25 < K1 < -0.05의 관계들을 만족하도록 구성되고,
    f는 상기 광학 결상 렌즈 조립체의 초점 거리이고, f1은 상기 제1 렌즈 소자의 초점 거리이고, f2는 상기 제2 렌즈 소자의 초점 거리이고, R1은 상기 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상의 곡률 반경이고, K1은 상기 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면의 원추곡면계수이고, T1은 상기 제1 렌즈 소자의 두께이고, T2는 상기 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면과 상기 제2 렌즈 소자의 객체-측 표면 사이의 거리이고, T3은 상기 제2 렌즈 소자의 두께이고, T4는 상기 제2 렌즈 소자의 영상-측 표면과 영상 표면 사이의 거리이고, T는 상기 광학 렌즈 조립체의 총 트랙 길이로서 T = T1 + T2 + T3 + T4 이고,
    T1, T2, T3 및 T4는 상기 광학 렌즈 조립체의 각각의 렌즈 표면들과 광축의 교차점들 사이의 측정된 거리들인 것을 특징으로 하는 광학 결상 렌즈 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은,
    0.4 < Ta/f < 0.8;
    0.5 < R2/f < 100; 및
    2.5 < K2 < 50 중 하나 이상의 관계들을 만족하도록 구성되고,
    R2는 상기 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면상의 곡률 반경이고, K2는 상기 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면의 원추곡면계수이고, Ta는 상기 광학 렌즈 조립체의 총 두께로서 Ta = T1 + T2 + T3인 것을 특징으로 하는 광학 결상 렌즈 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    객체 평면과 결상 표면 사이에 배치된 애퍼쳐 스톱을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 결상 렌즈 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 애퍼쳐 스톱은 상기 객체 평면 및 상기 제1 렌즈 소자 사이에, 상기 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상에, 또는 상기 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면상에, 또는 상기 제1 렌즈 소자와 제2 렌즈 소자 사이에, 또는 상기 제1 렌즈 소자 내에 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 결상 렌즈 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 소자와 상기 객체 평면 사이에, 또는 상기 제1 렌즈 소자와 상기 제2 렌즈 소자 사이에, 또는 상기 제2 렌즈 소자와 상기 영상 표면 사이에 배치된 적어도 하나의 평면-평행 렌즈 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 결상 렌즈 조립체.
  6. 광학 결상 장치로서,
    영상 센서; 및
    광학 결상 렌즈 조립체를 포함하고,
    상기 광학 결상 렌즈 조립체는, 객체-측으로부터 영상 측으로의 순서로,
    객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제1 비구면 정 렌즈 소자; 및
    객체-측 표면과 영상-측 표면을 포함하는 제2 비구면 부 렌즈 소자를 포함하고,
    상기 광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은,
    T < 1.2f;
    1.1 < f/f1 < 1.5;
    -1.5 < f/f2 < -0.6;
    0.2 < R1/f < 0.5; 및
    -0.25 < K1 < -0.05의 관계들을 만족하도록 구성되고,
    f는 상기 광학 결상 렌즈 조립체의 초점 거리이고, f1은 상기 제1 렌즈 소자의 초점 거리이고, f2는 상기 제2 렌즈 소자의 초점 거리이고, R1은 상기 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면상의 곡률 반경이고, K1은 상기 제1 렌즈 소자의 객체-측 표면의 원추곡면계수이고, T1은 상기 제1 렌즈 소자의 두께이고, T2는 상기 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면과 상기 제2 렌즈 소자의 객체-측 표면 사이의 거리이고, T3는 상기 제2 렌즈 소자의 두께이고, T4는 상기 제2 렌즈 소자의 영상-측 표면과 상기 영상 센서상에 배치된 영상 표면 사이의 거리이고, T는 상기 광학 렌즈 조립체의 총 트랙 길이로서 T = T1 + T2 + T3 + T4인 것을 특징으로 하는 광학 결상 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학 결상 렌즈 조립체의 소자들은,
    0.4 < Ta/f < 0.8;
    0.5 < R2/f < 100; 및
    2.5 < K2 < 50 중 하나 이상의 관계들을 만족하도록 구성되고,
    R2는 상기 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면상의 곡률 반경이고, K2는 상기 제1 렌즈 소자의 영상-측 표면의 원추곡면계수이고, Ta는 상기 광학 렌즈 조립체의 총 두께로서 Ta = T1 + T2 + T3인 것을 특징으로 하는 광학 결상 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    영상을 캡처하기 위해, 객체 평면을 조명하도록 구성된 조명원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 결상 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 조명원은 근적외선 스펙트럼 내에서 160 nm 까지의 스펙트럼 대역폭 내의 파장들을 방출하도록 구성된 하나 이상의 발광 다이오드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 결상 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스펙트럼 대역폭은 800 nm의 파장을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 결상 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 조명원은 단일 피크 파장의 제1 및 제2 발광 다이오드들을 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드는 760 nm의 파장을 포함하는 제1 스펙트럼 대역폭 내의 파장을 방출하고, 상기 제2 발광 다이오드는 850 nm의 파장을 포함하는 제2 스펙트럼 대역폭 내의 파장을 방출하는 것을 특징으로 하는 광학 결상 장치.
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