KR20170073210A - 촬영 렌즈 광학계 - Google Patents

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Abstract

촬영 렌즈 광학계에 관해 개시되어 있다. 개시된 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차적으로 배열된 제1, 제2 및 제3 렌즈를 포함한다. 상기 제1 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 그의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈의 출사면의 외경(D3)(단위:mm)과 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이(ImgHMAX)는 조건식 2.6 ＜ D3 ＜ 3.0 을 만족할 수 있고, 조건식 1.3 ＜ ImgHMAX / D3 ＜ 1.5 을 더 만족할 수 있다. 상기 렌즈 광학계의 화각(FOV)은 75°＜ FOV ＜ 85°를 만족할 수 있다.

Description

촬영 렌즈 광학계{Photographic lens optical system}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카메라에 채용되는 렌즈 광학계에 관한 것이다.
최근, 씨모스 이미지센서(complementary metal oxide semiconductor image sensor)(CMOS 이미지센서) 및 전하 결합 소자(charge coupled device)(CCD)와 같은 고체 촬상 소자를 이용한 카메라의 보급 및 사용 분야가 급속도로 확대되고 있다. 카메라의 해상도를 높이기 위해 고체 촬상 소자의 화소 집적도는 높아지고 있다. 이와 함께 카메라에 내장되는 렌즈 광학계의 성능 개선을 통해 상기 카메라의 소형화 및 경량화도 진행되고 있다.
일반적으로 소형 카메라의 렌즈 광학계는 그 성능 확보를 위해 적어도 네 장 정도의 많은 렌즈를 사용한다. 예컨대, 고화소의 카메라 폰에 사용되는 렌즈 광학계의 경우, 4매 또는 5매 렌즈가 주류를 이루고 있다. 렌즈 광학계가 많은 렌즈를 포함할 경우, 화각 확대 및 수차 보정에 도움이 될 수 있으나, 렌즈 광학계의 소형화 및 경량화, 곧 카메라의 소형화 및 경량화는 어려울 수 있다. 또한, 기존의 카메라 폰에 사용되는 렌즈 광학계는 성능 향상을 위해 적어도 1매의 글라스(glass) 렌즈를 포함하는데, 글라스 렌즈는 제조 단가가 높을 뿐 아니라, 성형/가공 상의 제약 조건으로 인해 렌즈 광학계의 소형화를 어렵게 만든다.
소형이면서도 넓은 화각을 갖고 수차 보정 및 해상도 향상 등 다양한 측면에서 우수한 성능을 갖는 렌즈 광학계의 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 소형(초소형)이면서 동시에 넓은 화각 및 우수한 성능을 갖는 렌즈 광학계를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 소형(초소형)이면서 밝기 특성이 우수한 렌즈 광학계를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 글라스 렌즈의 배제를 통해 제조 비용을 절감할 수 있는 렌즈 광학계를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가지며, 상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 형상을 가지며, 상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 그의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 갖는 렌즈 광학계를 제공한다.
상기한 렌즈 광학계는 하기의 조건식(1) 내지 조건식(7) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
조건식(1) : 2.6 ＜ D3 ＜ 3.0
여기서, D3 (단위:mm)은 상기 제3 렌즈의 출사면의 외경이다.
조건식(2) : 1.3 ＜ ImgHMAX / D3 ＜ 1.5
여기서, ImgHMAX는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이이다.
조건식(3) : 75°＜ FOV ＜ 85°
여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각(θ)이다.
조건식(4) : 2.0 ＜ Fno ＜ 2.3
여기서, Fno는 상기 렌즈 광학계의 F-넘버(F-number)이다.
조건식(5) : 0.75 ＜ TTL / ImgH ＜ 0.83
여기서, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 유효 픽셀영역의 대각 길이이다.
조건식(6) : 0.55 ＜ f / ImgH ＜ 0.70
여기서, f는 상기 렌즈 광학계의 초점거리이고, ImgH는 상기 이미지센서의 유효 픽셀영역의 대각 길이이다.
조건식(7) : 1.55 ＜ (Nd2 + Nd3) / 2 ＜ 1.65
여기서, Nd2는 상기 제2 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd3은 상기 제3 렌즈의 굴절률을 나타낸다.
상기 제1 렌즈의 출사면은 상기 이미지센서 측으로 볼록할 수 있다.
상기 제1 렌즈의 출사면은 상기 이미지센서에 대하여 오목할 수 있다.
상기 제3 렌즈의 입사면의 중앙부는 상기 피사체 측으로 볼록하고 가장자리로 가면서 오목해질 수 있고, 상기 제3 렌즈의 출사면의 중앙부는 상기 이미지센서에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해질 수 있다.
상기 제1 내지 제3 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 렌즈는 플라스틱 렌즈일 수 있다.
상기 피사체와 상기 이미지센서 사이에 조리개가 구비될 수 있다.
상기 조리개는 상기 피사체와 상기 제1 렌즈 사이에 배치될 수 있다.
상기 피사체와 이미지센서 사이에 적외선 차단 수단이 더 구비될 수 있다.
상기 적외선 차단 수단은 상기 제3 렌즈와 상기 이미지센서 사이에 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈는 각각 정(+), 부(-), 정(+)의 굴절력을 가지며, 아래의 조건식들을 만족하는 렌즈 광학계가 제공된다.
조건식 : 2.6 ＜ D3 ＜ 3.0
조건식 : 1.3 ＜ ImgHMAX / D3 ＜ 1.5
조건식 : 75°＜ FOV ＜ 85°
조건식 : 2.0 ＜ Fno ＜ 2.3
여기서, D3 (단위:mm)은 상기 제3 렌즈의 출사면의 외경을 나타내고, ImgHMAX는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타내고, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각을 나타내고, Fno는 상기 렌즈 광학계의 F-넘버(F-number)를 나타낸다.
상기 렌즈 광학계는 아래 조건식들 중 적어도 하나를 더 만족할 수 있다.
조건식 : 0.75 ＜ TTL / ImgH ＜ 0.83
조건식 : 0.55 ＜ f / ImgH ＜ 0.70
조건식 : 1.55 ＜ (Nd2 + Nd3) / 2 ＜ 1.65
여기서, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 유효 픽셀영역의 대각 길이를 나타내고, f는 상기 렌즈 광학계의 초점거리를 나타내고, Nd2는 상기 제2 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd3은 상기 제3 렌즈의 굴절률을 나타낸다.
상기 제1 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록할 수 있다.
상기 제2 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록할 수 있다.
상기 제3 렌즈는 비구면 렌즈일 수 있다. 상기 제3 렌즈의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.
소형(초소형)이면서 동시에 넓은 화각 및 우수한 성능을 갖는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 소형(초소형)이면서 밝기 특성이 우수한 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계는 피사체에서 이미지센서 방향으로 순차로 배열된 정(+), 부(-), 정(+)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제3 렌즈를 포함하고, 상기한 조건식(1) 내지 조건식(7) 중 적어도 어느 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 짧은 전장, 큰 화각, 작은 외경 및 우수한 밝기 특성을 가질 수 있어서, 카메라의 소형/경량화 및 고성능화에 유리할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈를 플라스틱으로 제조하고 각 렌즈의 양면(입사면과 출사면)을 비구면으로 구성함으로써, 글라스(glass) 렌즈를 사용하는 경우보다 저비용으로 컴팩트하면서 성능이 우수한 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계의 주요 구성요소의 배치를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계에 사용되는 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이(ImgHMAX) 및 유효 픽셀영역의 대각 길이(ImgH)를 설명하기 위한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한(혹은, 유사한) 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 5는 각각 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계를 보여준다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 피사체(OBJ)와 피사체(OBJ)의 상이 맺히는 이미지센서(IMG) 사이에 피사체(OBJ) 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈(I), 제2 렌즈(Ⅱ) 및 제3 렌즈(Ⅲ)를 구비한다. 제1 렌즈(I)는 정(+)(positive)의 굴절력을 갖고, 그의 입사면(2*)은 피사체(OBJ) 측으로 볼록할 수 있다. 제1 렌즈(I)의 출사면(3*)은 이미지센서(IMG) 측으로 볼록하거나, 이미지센서(IMG)에 대하여 오목할 수 있다. 도 1 및 도 3 내지 도 5의 실시예에서 제1 렌즈(I)의 출사면(3*)은 이미지센서(IMG) 측으로 볼록하고, 도 2의 실시예에서 제1 렌즈(I)의 출사면(3*)은 이미지센서(IMG)에 대하여 오목하다. 도 2의 실시예에서 제1 렌즈(I)의 출사면(3*)의 중앙부(광축이 통과하는 영역)가 이미지센서(IMG)에 대하여 다소 오목할 수 있다. 도 1 및 도 3 내지 도 5의 실시예에서 제1 렌즈(I)는 양볼록 렌즈라고 할 수 있다. 제2 렌즈(Ⅱ)는 부(-)(negative)의 굴절력을 갖고, 이미지센서(IMG) 측으로 볼록한 메니스커스(meniscus) 형상을 가질 수 있다. 따라서, 제2 렌즈(Ⅱ)의 입사면(4*)과 출사면(5*)은 모두 이미지센서(IMG) 측으로 볼록할 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)는 정(+)의 굴절력을 갖고, 그의 입사면(6*)과 출사면(7*) 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)의 입사면(6*)은 중앙부에서 가장자리로 가면서 하나 혹은 복수의 변곡점을 가질 수 있고, 제3 렌즈(Ⅲ)의 출사면(7*)은 중앙부에서 가장자리로 가면서 하나의 변곡점을 가질 수 있다. 제3 렌즈(Ⅲ)의 입사면(6*)의 중앙부는 피사체(OBJ) 측으로 볼록하고 가장자리로 가면서 오목해질 수 있고, 출사면(7*)의 중앙부는 이미지센서(IMG)에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해질 수 있다. 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)는 모두 비구면 렌즈일 수 있다. 다시 말해, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)의 입사면(2*, 4*, 6*)과 출사면(3*, 5*, 7*)은 모두 비구면일 수 있다. 이러한 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)는 모두 플라스틱으로 제조될 수 있다.
조리개(S1)와 적외선 차단 수단(Ⅳ)이 더 구비될 수 있다. 조리개(S1)는 제1 렌즈(I)의 피사체(OBJ) 측에 구비될 수 있다. 즉, 조리개(S1)는 피사체(OBJ)와 제1 렌즈(I) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅳ)은 제3 렌즈(Ⅲ)와 이미지센서(IMG) 사이에 구비될 수 있다. 적외선 차단 수단(Ⅳ)은 적외선 차단 필터일 수 있다. 조리개(S1)와 적외선 차단 수단(Ⅳ)의 위치는 달라질 수 있다.
상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 다음의 조건식(1) 내지 조건식(7) 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.
조건식(1) : 2.6 ＜ D3 ＜ 3.0
조건식(2) : 1.3 ＜ ImgHMAX / D3 ＜ 1.5
여기서, D3 (단위:mm)은 제3 렌즈(Ⅲ)의 출사면(7*)의 외경이고, ImgHMAX는 이미지센서(IMG)의 최대 픽셀영역의 대각 길이이다.
조건식(1) 및 조건식(2)는 제3 렌즈(Ⅲ)의 출사면(7*)의 외경(D3) 및 이미지센서(IMG)의 최대 픽셀영역의 대각 길이(ImgHMAX)에 관련된다. 제3 렌즈(Ⅲ)는 세 개의 렌즈들(I∼Ⅲ) 중에서 가장 큰 외경을 갖기 때문에, 상기 렌즈 광학계의 외경은 D3에 의해 결정된다고 할 수 있다. 본원에서 D3은 3.0 mm 미만으로 비교적 작을 수 있고, ImgHMAX는 상대적으로 클 수 있다. 조건식(1) 및 조건식(2)를 만족할 때, 렌즈 광학계는 작은 외경을 가질 수 있고, 고화소 구현에 유리할 수 있다. 또한, 상기 렌즈 광학계는 작은 외경을 가지면서도 넓은 화각 특성 및 우수한 밝기 특성을 가질 수 있다. 넓은 화각 특성은 아래의 조건식(3)에서, 우수한 밝기 특성은 아래의 조건식(4)에서 설명한다.
조건식(3) : 75°＜ FOV ＜ 85°
여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각(angle of view)(θ)이다. 상기 화각은 상기 렌즈 광학계의 대각 화각(diagonal field of view)일 수 있다.
조건식(3)을 만족한다는 것은 3매의 렌즈 광학계로서는 큰 화각을 갖는다는 것을 의미할 수 있다. 일반적인 3매 렌즈의 경우, 60∼63°정도의 화각을 갖는다. 3매의 렌즈를 포함하면서(즉, 초소형이면서) 동시에 70°이상의 큰 화각을 갖는 광학계를 제조하는 것은 용이하지 않다. 그러나, 본 발명의 실시예에서는 설계 최적화를 통해서 소형(초소형)이면서 동시에 75°이상의 큰 화각을 갖는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
조건식(4) : 2.0 ＜ Fno ＜ 2.3
여기서, Fno는 상기 렌즈 광학계의 F-넘버(F-number)이다.
조건식(4)는 렌즈 광학계의 밝기와 관련된다. Fno는 렌즈 광학계의 유효 구경과 초점거리의 비에 해당되는 것으로, Fno가 낮을수록 렌즈 광학계의 밝기가 밝을 수 있다. 일반적인 3매 렌즈의 경우, 약 2.8 정도의 Fno를 갖는다. 그러나, 본 발명의 실시예에서는 설계 최적화를 통해서 2.3 이하의 Fno를 갖는 3매 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 실시예에 따르면, 소형(초소형)이면서 우수한 밝기 특성을 갖는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 이를 이용하면, 보다 밝은 영상을 용이하게 구현할 수 있다.
조건식(5) : 0.75 ＜ TTL / ImgH ＜ 0.83
여기서, TTL은 제1 렌즈(I)의 입사면(2*)에서 이미지센서(IMG)까지의 거리, 즉, 상기 렌즈 광학계의 전체 길이(전장)이고, ImgH는 이미지센서(IMG)의 유효 픽셀영역의 대각 길이이다.
조건식(5)는 이미지 사이즈(즉, ImgH) 대비 렌즈 광학계 전장(TTL)의 비율을 한정한다. 조건식(5)에서 TTL/ImgH 가 하한값(0.75)에 가까워질수록, 렌즈 광학계를 컴팩트화하는데 유리할 수 있다. 하지만, TTL/ImgH 가 하한값(0.75)보다 작아지는 경우, 구면수차 등 각종 수차가 커질 수 있다. 한편, TTL/ImgH 가 상한값(0.83)에 가까워질수록 수차 보정에는 유리할 수 있지만, 상한값(0.83)보다 커질 경우, 렌즈 광학계의 전체 길이가 길어지므로 컴팩트화가 어려워질 수 있다. 그러므로, TTL/ImgH 를 위와 같은 범위로 맞춰주는 것이 렌즈 광학계의 컴팩트화 및 성능 확보에 유리할 수 있다.
조건식(6) : 0.55 ＜ f / ImgH ＜ 0.70
여기서, f는 상기 렌즈 광학계 전체의 초점거리이고, ImgH는 이미지센서(IMG)의 유효 픽셀영역의 대각 길이이다.
조건식(6)은 이미지 사이즈(즉, ImgH) 대비 렌즈 광학계 초점거리(f)의 비율을 한정한다. 조건식(6)에서 f/ImgH 가 하한값(0.55)에 가까워지거나 그 이하인 경우, 초점거리가 짧은 광학계를 구현할 수 있지만, 수차 제어가 어려워질 수 있다. 반면, f/ImgH 가 상한값(0.70)에 가까워지거나 그 이상인 경우, 수차 제어는 용이해질 수 있지만, 초점거리를 최적화하기가 어려울 수 있다.
조건식(7) : 1.55 ＜ (Nd2 + Nd3) / 2 ＜ 1.65
여기서, Nd2는 제2 렌즈(Ⅱ)의 굴절률이고, Nd3은 제3 렌즈(Ⅲ)의 굴절률이다.
조건식(7)은 제2 렌즈(Ⅱ) 및 제3 렌즈(Ⅲ)의 소재에 대한 조건을 표현한 것이다. 조건식(7)을 만족한다는 것은 제2 및 제3 렌즈(Ⅱ, Ⅲ)로 저가의 플라스틱 렌즈를 적용할 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 소정의 비용 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 조건식(7)을 만족함으로써, 제2 및 제3 렌즈(Ⅱ, Ⅲ)의 굴절률 제어를 통해 코마수차 및 비점수차 등의 문제를 적절히 제어할 수 있다.
상기 조건식(2), 조건식(5), 조건식(6)에 포함된 ImgHMAX 및 ImgH가 의미하는 바를 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계에 사용되는 이미지센서(IMG)의 최대 픽셀영역의 대각 길이(ImgHMAX) 및 유효 픽셀영역의 대각 길이(ImgH)를 설명하기 위한 평면도이다. 도 6에서 R1은 렌즈 광학계의 최대 픽셀영역을 나타내고, R1'는 유효 픽셀영역을 나타내며, R2는 최대 이미지영역을 나타내고, R2'는 유효 이미지영역을 나타낸다. 최대 픽셀영역(R1)은 최대 센서영역이라 할 수 있고, 유효 픽셀영역(R1')은 유효 센서영역이라 할 수 있다. 최대 이미지영역(R2)은 렌즈 광학계에 의해 형성되는 이미지(image)의 최대 영역일 수 있다. 이미지영역(R2, R2')은 이미지서클이라고 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 픽셀영역(R1, R1')은 사각형(직사각형) 모양을 가질 수 있고, 이미지영역(R2, R2')은 원형일 수 있다. 유효 이미지영역(R2')의 지름은 최대 픽셀영역(R1)의 대각선 길이보다 작을 수 있다. 유효 이미지영역(R2')의 지름은 유효 픽셀영역(R1')의 대각선에 대응될 수 있고, 최대 이미지영역(R2)의 지름은 최대 픽셀영역(R1)의 대각선에 대응될 수 있다. 따라서, 유효 이미지영역(R2')의 지름에 해당하는 라인이 유효 픽셀영역(R1')의 대각 길이(ImgH)에 대응될 수 있고, 최대 이미지영역(R2)의 지름에 해당하는 라인이 최대 픽셀영역(R1)의 대각 길이(ImgHMAX)에 대응될 수 있다. 도 6에 도시된 픽셀영역(R1, R1') 및 이미지영역(R2, R2')의 모양과 사이즈는 예시적인 것이고 달라질 수 있다.
상기한 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 있어서, 조건식(1) 내지 조건식(7)의 값들은 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다. 표 1에서 D3의 단위는 ㎜이고, FOV(화각)의 단위는 °이다. 한편, 표 2는 표 1을 얻는데 필요한 변수들의 값을 정리한 것이다. 표 2에서 ImgHMAX, ImgH, TTL 및 f 값들의 단위는 ㎜이다.
구분 수식 제1 실시예 제2 실시예 제3 실시예 제4 실시예 제5 실시예
조건식(1) D3 2.791 2.861 2.758 2.778 2.841
조건식(2) ImgHMAX/D3 1.397 1.363 1.396 1.380 1.350
조건식(3) FOV 80.536 80.091 78.639 78.829 81.820
조건식(4) Fno 2.28 2.20 2.28 2.28 2.24
조건식(5) TTL/ImgH 0.7631 0.7631 0.8182 0.8287 0.7729
조건식(6) f/ImgH 0.622 0.624 0.632 0.635 0.606
조건식(7) (Nd2+Nd3)/2 1.595 1.595 1.595 1.595 1.595
제1 실시예 제2 실시예 제3 실시예 제4 실시예 제5 실시예
ImgHMAX 3.900 3.900 3.850 3.834 3.834
ImgH 3.630 3.630 3.630 3.584 3.584
TTL 2.770 2.770 2.970 2.970 2.770
f 2.257 2.266 2.292 2.276 2.171
Nd2 1.656 1.656 1.656 1.656 1.656
Nd3 1.533 1.533 1.533 1.533 1.533
표 1 및 표 2를 참조하면, 상기 제1 내지 제5 실시예의 렌즈 광학계는 조건식(1) 내지 조건식(7)을 만족하는 것을 알 수 있다.
한편, 상기한 구성을 가지는 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계에서 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)는, 그 형상 및 치수(dimension)을 고려했을 때, 플라스틱으로 제조할 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)는 모두 플라스틱 렌즈일 수 있다. 글라스(glass) 렌즈의 경우, 제조 단가가 높을 뿐 아니라 성형 상의 제약 조건으로 인해 렌즈 광학계의 소형화를 어렵게 하지만, 본원에서는 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)를 모두 플라스틱으로 제조할 수 있으므로, 그에 따른 다양한 이점을 기할 수 있다. 그러나 본원에서 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)의 재질이 플라스틱으로 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라서는, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ) 중 적어도 하나를 글라스로 제조할 수도 있다.
이하, 렌즈 데이터 및 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.
아래의 표 3 내지 표 7은 각각 도 1 내지 도 5의 렌즈 광학계를 구성하는 각 렌즈에 대한 곡률반경, 렌즈 두께 또는 렌즈 사이의 거리, 굴절률 및 아베수(Abbe number) 등을 나타낸다. 표 3 내지 표 7에서 R은 곡률반경, D는 렌즈 두께 또는 렌즈 간격 또는 인접한 구성요소 간의 간격, Nd는 d선(d-line)을 이용하여 측정한 렌즈의 굴절률, Vd는 d선(d-line)에 대한 렌즈의 아베수를 나타낸 것이다. 렌즈면 번호에서 *는 해당 렌즈면이 비구면임을 나타낸다. 그리고 R 값과 D 값의 단위는 ㎜이다.
제1 실시예 면 R D Nd Vd
S1 Infinity
I 2* 1.1060 0.4399 1.533 55.878
3* -26.0464 0.3029
Ⅱ 4* -1.0379 0.2583 1.656 21.474
5* -1.5000 0.3458
Ⅲ 6* 1.0506 0.5088 1.533 55.878
7* 0.9246 0.1560
Ⅳ 8 Infinity 0.3000
9 Infinity 0.4633
IMG Infinity -0.0050
제2 실시예 면 R D Nd Vd
S1 Infinity
I 2* 0.9815 0.4804 1.533 55.878
3* 10.7959 0.2576
Ⅱ 4* -1.1074 0.2591 1.656 21.474
5* -1.5917 0.3438
Ⅲ 6* 1.2731 0.5801 1.533 55.878
7* 1.0770 0.1190
Ⅳ 8 Infinity 0.3000
9 Infinity 0.4315
IMG Infinity -0.0015
제3 실시예 면 R D Nd Vd
S1 Infinity
I 2* 1.3966 0.6306 1.533 55.878
3* -1.3807 0.2191
Ⅱ 4* -0.7252 0.3923 1.656 21.474
5* -1.8088 0.1881
Ⅲ 6* 1.2177 0.6991 1.533 55.878
7* 1.1405 0.1107
Ⅳ 8 Infinity 0.2100
9 Infinity 0.5200
IMG Infinity 0.0000
제4 실시예 면 R D Nd Vd
S1 Infinity
I 2* 1.4230 0.6194 1.533 55.878
3* -1.5780 0.2335
Ⅱ 4* -0.7701 0.3951 1.656 21.474
5* -1.7967 0.2211
Ⅲ 6* 1.0612 0.6384 1.533 55.878
7* 1.0098 0.1324
Ⅳ 8 Infinity 0.2100
9 Infinity 0.5200
IMG Infinity 0.0000
제5 실시예 면 R D Nd Vd
S1 Infinity
I 2* 1.2445 0.4273 1.533 55.878
3* -2.9184 0.2384
Ⅱ 4* -0.8214 0.3432 1.656 21.474
5* -1.5122 0.3140
Ⅲ 6* 0.8394 0.4685 1.533 55.878
7* 0.8384 0.1686
Ⅳ 8 Infinity 0.2100
9 Infinity 0.6000
IMG Infinity 0.0000
한편, 도 1 내지 도 5에 각각 대응하는 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계의 F-넘버(Fno), 초점거리(f) 및 화각(FOV)을 다시 정리하면 아래의 표 8과 같다.
구 분 F-넘버(Fno) 초점거리(f) [mm] 화각(FOV) [°]
제1 실시예 2.28 2.257 80.536
제2 실시예 2.20 2.266 80.091
제3 실시예 2.28 2.292 78.639
제4 실시예 2.28 2.276 78.829
제5 실시예 2.24 2.171 81.820
또한, 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 각 렌즈의 비구면은 다음과 같은 비구면 방정식을 만족한다.
< 비구면 방정식 >
Figure pat00001
여기서, x는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리를, y는 광축에 수직한 방향으로의 거리를, c'은 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수(=1/r)를, K는 코닉 상수(conic constant)를 나타내고, A, B, C, D 및 E 는 비구면 계수를 나타낸다.
다음 표 9 내지 표 13은 각각 도 1 내지 도 5에 대응되는 제1 내지 제5 실시예에 따른 렌즈 시스템에서 비구면의 비구면 계수를 나타낸다. 즉, 표 9 내지 표 13은 각각 표 3 내지 표 7의 각 렌즈의 입사면(2*, 4*, 6*)과 출사면(3*, 5*, 7*)의 비구면 계수를 나타낸다.
면 K A B C D E
2* 0.2833 -0.1443 1.5492 -87.1043 1730.6604 -19299.8857
3* 1.1308 -0.3820 -3.4721 72.3239 -986.5311 7877.9835
4* 0.0437 -1.1231 4.0503 63.4716 -1500.5580 15064.4163
5* 0.1046 -1.3012 6.7396 -16.6790 -26.9713 592.8674
6* -9.3371 -0.5831 -0.1265 2.2850 -5.6496 8.0927
7* -3.7773 -0.4566 0.2169 0.6759 -2.0060 2.6280
면 K A B C D E
2* 0.4793 -0.1307 -0.3904 6.6904 -113.4496 816.7531
3* 1.1308 -0.5838 5.1350 -97.2316 932.9594 -5637.4790
4* 1.0069 -1.3202 9.0940 -89.8649 714.4641 -3541.6744
5* 1.1576 -1.2036 3.8338 19.6590 -337.6381 2367.0671
6* -2.5309 -1.1963 1.9267 -3.9965 9.7947 -18.6484
7* -1.9672 -0.5701 0.2890 0.6613 -2.0113 2.6317
면 K A B C D E
2* 0.4793 -0.1307 -0.3904 6.6904 -113.4496 816.7531
3* 1.1308 -0.5838 5.1350 -97.2316 932.9594 -5637.4790
4* 1.0069 -1.3202 9.0940 -89.8649 714.4641 -3541.6744
5* 1.1576 -1.2036 3.8338 19.6590 -337.6381 2367.0671
6* -2.5308 -1.1963 1.9267 -3.9965 9.7947 -18.6484
7* -1.9672 -2.0291 1.9403 8.3758 -48.0550 118.6176
면 K A B C D E
2* -0.7244 -0.1744 0.1831 -5.3471 -57.3524 1528.6685
3* -1.5204 -0.5215 -1.3164 37.6099 -491.5876 3661.9884
4* -2.5982 -1.1595 12.1834 -149.7079 1583.3996 -10950.9830
5* 3.1563 -1.2373 8.6005 -32.2613 86.7166 -71.0457
6* -6.7581 -1.4037 5.2125 -20.5296 61.1584 -118.9430
7* -4.6570 -0.4780 0.9018 -1.8478 3.0786 -3.6345
면 K A B C D E
2* -1.6425 -0.1362 -0.5683 -1.5508 -15.4603 81.8352
3* 0.0000 -0.7991 1.0774 -23.4041 181.8097 -771.5963
4* -2.4335 -1.2997 4.5982 35.9789 -914.2714 9905.0836
5* 1.2521 -1.0907 7.2161 -23.9611 73.6132 -119.0226
6* -6.9597 -0.4880 0.3711 -0.0926 -0.0569 0.0076
7* -4.8734 -0.2915 0.1655 -0.0021 -0.1032 0.0806
도 7은 본 발명의 제1 실시예(도 1)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 3의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차(longitudinal spherical aberration), 상면만곡(astigmatic field curvature) 및 왜곡(distortion)을 보여주는 수차도이다.
도 7의 (a)는 다양한 파장의 광에 대한 렌즈 광학계의 구면수차를 나타낸 것이고, (b)는 렌즈 광학계의 상면만곡, 즉 자오상면만곡(tangential field curvature)(T)과 구결상면만곡(sagittal field curvature)(S)을 나타낸 것이다. (a) 데이터를 얻기 위해 사용한 광의 파장은 650.0000nm, 610.0000nm, 555.0000nm, 510.0000nm, 470.0000nm 이었다. (b) 및 (c) 데이터를 얻기 위해 사용한 광의 파장은 555.0000nm 이었다. 이는 도 8 내지 도 11에서도 마찬가지이다.
도 8의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제2 실시예(도 2)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 4의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 9의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제3 실시예(도 3)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 5의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 10의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제4 실시예(도 4)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 6의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
도 11의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제5 실시예(도 5)에 따른 렌즈 광학계, 즉, 표 7의 수치를 갖는 렌즈 광학계의 종방향 구면수차, 상면만곡 및 왜곡을 보여주는 수차도이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 피사체(OBJ)에서 이미지센서(IMG) 방향으로 순차적으로 배열된 정(+), 부(-), 정(+)의 굴절력을 갖는 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)를 포함하고, 상기한 조건식(1) 내지 조건식(7) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다. 이러한 렌즈 광학계는 3매의 렌즈를 포함하여 짧은 전장을 가질 수 있고, 작은 유효 외경(예컨대, 3.0 mm 이하의 유효 외경)을 가질 수 있으며, 그와 동시에, 약 75°이상의 큰 화각을 가질 수 있고, 각종 수차를 용이하게 보정할 수 있다. 또한, 본 실시예들에 따른 렌즈 광학계는 3매의 소형(초소형) 광학계이면서도 2.3 이하의 낮은 F-넘버(Fno)를 갖기 때문에, 우수한 밝기 특성을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 소형(초소형)이면서도 큰 화각, 우수한 밝기 특성 및 고해상도를 얻을 수 있는 렌즈 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 제1 내지 제3 렌즈(I∼Ⅲ)를 플라스틱으로 제조하고 각 렌즈의 양면(입사면과 출사면) 중 적어도 하나를 비구면으로 구성함으로써, 글라스(glass) 렌즈를 사용하는 경우보다 저비용으로 컴팩트하면서 성능이 우수한 렌즈 광학계를 구현할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 광학계에서 렌즈들의 형상이 다소 변형되더라도 상기한 조건식(1) 내지 조건식(7) 중 적어도 하나를 만족하는 경우, 앞서 설명한 바와 같은 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 부가적으로, 적외선 차단 수단(Ⅳ)으로서 필터를 대신하여 차단막을 사용할 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 그 밖에도 다양한 변형예가 가능함을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
I : 제1 렌즈 Ⅱ : 제2 렌즈
Ⅲ : 제3 렌즈 Ⅳ : 적외선 차단 수단
OBJ : 피사체 S1 : 조리개
IMG : 이미지센서

Claims (15)

  1. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 상기 피사체 측으로 볼록한 입사면을 가지며,
    상기 제2 렌즈는 부(-)의 굴절력을 갖고 상기 이미지센서 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지며,
    상기 제3 렌즈는 정(+)의 굴절력을 갖고 그의 입사면과 출사면 중 적어도 하나는 중앙부에서 가장자리로 가면서 적어도 하나의 변곡점을 가지며,
    아래의 조건식들을 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식 : 2.6 ＜ D3 ＜ 3.0
    조건식 : 1.3 ＜ ImgHMAX / D3 ＜ 1.5
    여기서, D3 (단위:mm)은 상기 제3 렌즈의 출사면의 외경을 나타내고, ImgHMAX는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다음의 조건식을 더 만족하는 렌즈 광학계.
    75°＜ FOV ＜ 85°
    여기서, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각이다.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다음의 조건식을 더 만족하는 렌즈 광학계.
    2.0 ＜ Fno ＜ 2.3
    여기서, Fno는 상기 렌즈 광학계의 F-넘버(F-number)이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다음의 조건식을 더 만족하는 렌즈 광학계.
    0.75 ＜ TTL / ImgH ＜ 0.83
    여기서, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 유효 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다음의 조건식을 더 만족하는 렌즈 광학계.
    0.55 ＜ f / ImgH ＜ 0.70
    여기서, f는 상기 렌즈 광학계의 초점거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 유효 픽셀영역의 대각 길이를 나타낸다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    다음의 조건식을 더 만족하는 렌즈 광학계.
    1.55 ＜ (Nd2 + Nd3) / 2 ＜ 1.65
    여기서, Nd2는 상기 제2 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd3은 상기 제3 렌즈의 굴절률을 나타낸다.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 출사면은 상기 이미지센서 측으로 볼록한 렌즈 광학계.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 출사면은 상기 이미지센서에 대하여 오목한 렌즈 광학계.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 입사면의 중앙부는 상기 피사체 측으로 볼록하고 가장자리로 가면서 오목해지며,
    상기 제3 렌즈의 출사면의 중앙부는 상기 이미지센서에 대하여 오목하고 가장자리로 가면서 볼록해지는 렌즈 광학계.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 렌즈는 비구면 렌즈인 렌즈 광학계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 렌즈는 플라스틱 렌즈인 렌즈 광학계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 피사체와 상기 제1 렌즈 사이에 구비된 조리개를 더 포함하는 렌즈 광학계.
  13. 피사체와 상기 피사체의 상이 맺히는 이미지센서 사이에 상기 피사체 측으로부터 순차로 배열된 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 구비하되,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈는 각각 정(+), 부(-), 정(+)의 굴절력을 가지며,
    아래의 조건식들을 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식 : 2.6 ＜ D3 ＜ 3.0
    조건식 : 1.3 ＜ ImgHMAX / D3 ＜ 1.5
    조건식 : 75°＜ FOV ＜ 85°
    조건식 : 2.0 ＜ Fno ＜ 2.3
    여기서, D3 (단위:mm)은 상기 제3 렌즈의 출사면의 외경을 나타내고, ImgHMAX는 상기 이미지센서의 최대 픽셀영역의 대각 길이를 나타내고, FOV는 상기 렌즈 광학계의 화각을 나타내고, Fno는 상기 렌즈 광학계의 F-넘버(F-number)를 나타낸다.
  14. 제 13 항에 있어서,
    다음의 조건식들 중 적어도 하나를 더 만족하는 렌즈 광학계.
    조건식 : 0.75 ＜ TTL / ImgH ＜ 0.83
    조건식 : 0.55 ＜ f / ImgH ＜ 0.70
    조건식 : 1.55 ＜ (Nd2 + Nd3) / 2 ＜ 1.65
    여기서, TTL은 상기 제1 렌즈의 입사면에서 상기 이미지센서까지의 거리를 나타내고, ImgH는 상기 이미지센서의 유효 픽셀영역의 대각 길이를 나타내고, f는 상기 렌즈 광학계의 초점거리를 나타내고, Nd2는 상기 제2 렌즈의 굴절률을 나타내고, Nd3은 상기 제3 렌즈의 굴절률을 나타낸다.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 피사체 측으로 볼록하고,
    상기 제2 렌즈는 상기 이미지센서 측으로 볼록하며,
    상기 제3 렌즈는 비구면 렌즈인 렌즈 광학계.
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