KR20190130982A

KR20190130982A - 광학 렌즈 시스템 및 이미징 시스템

Info

Publication number: KR20190130982A
Application number: KR1020190057058A
Authority: KR
Inventors: 마르크스 드사우어; 아힘 지르켈; 야콥 블라이셔; 슈테판 알브레히트
Original assignee: 라이카 카메라 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2019-11-25
Also published as: TW202006415A; US20190377159A1; US11099354B2; CN110488456A; TWI796477B; CN110488456B; DE102018111669A1

Abstract

본 발명은 카메라용 광학 렌즈 시스템으로, 물체 측의 단부로부터 상 측의 단부까지 순서대로, 정의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈 및 부의 굴절력을 갖는 제 4 렌즈를 포함하고, 상기 제 2 및 제 3 렌즈는 각각 메니스커스 렌즈들로 디자인되고, 상기 제 2 렌즈의 물체 측의 표면은 볼록하고, 상기 제 3 렌즈의 물체 측의 표면은 오목하고, 상기 제 2 렌즈의 물체 측의 표면의 곡률 반경(L2R1) 및 상기 제 3 렌즈의 상 측의 표면의 곡률 반경(L3R2)이 조건 -1.4 < L2R1/L3R2 < -0.7을 만족하고, 상기 제 2 렌즈의 상 측의 표면의 곡률 반경(L2R2) 및 상기 제 3 렌즈의 물체 측의 표면의 곡률 반경(L3R1)이 조건 -1.8 < L2R2/L3R1 < -1.0을 만족하는 렌즈 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 행 및 열로 배열되는 복수의 감광 요소를 갖는 이미지 센서를 가지고, 전술한 광학 렌즈 시스템을 가지는 이미징 시스템에 관한 것이다.

Description

광학 렌즈 시스템 및 이미징 시스템{OPTICAL LENS SYSTEM AND IMAGING SYSTEM}

본 발명은 카메라용 광학 렌즈 시스템에 관한 것이다.

기술 개발로 인해, 휴대폰, 특히 소위 스마트폰, 또는 휴대용 컴퓨터, 특히 소위 태블릿 컴퓨터와 같은 모바일 장치는 일반적으로 하나의 카메라 또는 복수의 카메라까지 갖추고 있다. 소형화의 증가는 더욱 작은 이미지 센서를 야기하고, 렌즈 시스템 또는 대물 렌즈(objective)도 컴팩트한 디자인을 가질 것을 요구한다.

상기 모바일 장치의 혁신적인 장비 특징은, 3D 이미징 시스템을 갖추고 있어, 3 차원 이미지, 즉 측면 이미지 정보 이외에 깊이 정보까지 포함하는 이미지가 생성될 수 있다는 것이다. 3 차원 이미지를 생성하기 위한 접근법은, 업스트림 대물 렌즈 또는 렌즈 시스템을 가지고, TOF(time of flight) 프로세스를 사용하여 획득된 깊이 정보로 장면의 깊이 이미지를 생성하는 3D 이미지 센서를 사용하는 것을 포함한다. 이러한 3D 이미지 센서는 TOF 센서라고도 한다. TOF 센서의 예로, PMD 센서(PMD = photonic mixing device, 광자 혼합 장치)라고도 불리는 광자 혼합 검출기가 있다. 깊이 정보를 획득하기 위해, 기록되어야 하는 장면은, 파장이 전형적으로 적외선 범위인 광 펄스에 의해 조명되고, 이 광 펄스의 깊이-의존 비행 시간(depth-dependent time of flight)은 3D 이미지 센서의 공간 해상도로 결정된다. 다색 3D 이미지를 생성하기 위해서, 2D 이미지 센서에 의해, 특히 고해상도의 2D 이미지 센서에 의해 생성된 장면의 다색 2D 이미지와, 3D 이미지 센서에 의해 생성된 관련 3D 이미지가 서로에 대해 적용될 수 있다.

이미지 센서의 업스트림(upstream)에 배치된 대물 렌즈 또는 렌즈 시스템은, 고품질의 3 차원 이미징 시스템을 위해 높은 렌즈 속도와 동시에 큰 피사계 심도(depth of field)를 가져야 하고, 이러한 디자인은 가능한 한 컴팩트해야 한다.

그러나 높은 렌즈 속도와 높은 피사계 심도는 그러한 대물 렌즈에 대해 모순되는 요구를 나타낸다. 따라서, 종래의 렌즈 시스템 또는 대물 렌즈는 통상적으로 큰 피사계 심도에 대한 요구를 만족시키기 위해 상대적으로 낮은 렌즈 속도를 갖는다. 더 높은 렌즈 속도를 갖는 렌즈 시스템들은 네 개 이상의 렌즈를 포함하므로, 가능한 한 컴팩트해야 하는 디자인에 대한 요구를 만족시키지 못한다.

네 개의 렌즈를 갖는 렌즈 시스템은 미국 특허 제 7,274,518 B1호 및 미국 특허 제 2010/0309367 A1호에 공지되어 있으며, 물체(object) 측의 단부로부터 상(image) 측의 단부까지 순서대로, 정(positive)의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈, 부(negative)의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈 및 부의 굴절력을 갖는 제 4 렌즈가 개시되어 있다. 미국 특허 제 2014/0184880 A1호에는, 처음의 세 개의 렌즈가 정의 굴절력을 가지고, 네 번째 렌즈가 부의 굴절력을 가지는, 네 개의 렌즈를 갖는 렌즈 시스템이 공지되어 있다.

본 발명의 목적은 높은 렌즈 속도와, 높은 피사계 심도와, 컴팩트한 디자인을 동시에 갖는 렌즈 시스템을 제공하는 것이다.

이는 제 1 항의 특징을 갖는 광학 렌즈 시스템에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 카메라용 광학 렌즈 시스템은 정확히 네 개의 렌즈를 포함하고, 물체 측의 단부로부터 상 측의 단부까지 순서대로, 정의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈 및 부의 굴절력을 갖는 제 4 렌즈를 포함하고, 상기 제 2 및 제 3 렌즈는 각각 메니스커스(meniscus) 렌즈로 디자인되고, 상기 제 2 렌즈의 물체 측의 표면은 볼록하고, 상기 제 3 렌즈의 물체 측의 표면은 오목하고, 상기 제 2 렌즈의 물체 측의 표면의 곡률 반경(radius of curvature)(L2R1) 및 상기 제 3 렌즈의 상 측의 표면의 곡률 반경(L3R2)이 조건 -1.4 < L2R1/L3R2 < -0.7, 특히 -1.2 < L2R1/L3R2 < -0.8을 만족하고, 상기 제 2 렌즈의 상 측의 표면의 곡률 반경(L2R2) 및 제 3 렌즈의 물체 측의 표면의 곡률 반경(L3R1)이 조건 -1.8 < L2R2/L3R1 < -1.0, 특히 -1.6 < L2R2/L3R1 < -1.2를 만족한다. 렌즈들은 유리하게는 광축을 따라, 렌즈 시스템의 물체 측으로부터 상 측으로의 렌즈 시스템의 광로를 따르는 빛의 전파 방향에 관한 상기 순서대로 배열된다. 빔 제한 구경 조리개(beam-limiting aperture diaphragm)는 상기 제 1 렌즈의 영역에 배치될 수 있으며, 구경 조리개는 상기 제 1 렌즈의 초점면(focal plane) 내에 또는 그 앞에 위치할 수 있다. 또한, 평행 평판(planoparallel plate)은 상기 제 4 렌즈의 뒤에 배치될 수 있으며, 평행 평판은 대역 제거 필터로 구성될 수 있다. 이 대역 제거 필터의 특성은 저역 통과 필터, 고역 통과 필터 또는 대역 통과 필터로 구성될 수 있으며, 대역 제거 필터는 특히, 적외선 광에 대해 투과성이 있고, 가시광을 차단할 수 있다. 메니스커스 렌즈는 한 면이 볼록하게 만곡되고, 다른 면이 오목하게 만곡된 렌즈로 이해된다.

각 렌즈의 굴절률은, 적어도 800과 1000 nm사이의 파장 범위에서, 유리하게는 1.6 이상이다. 렌즈들은 광학 유리 또는 플라스틱, 예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystyrene), 시클로올레핀 (공)중합체(cycloolefin (co)polymer) 또는 다른 적합한 플라스틱으로부터 제조될 수 있다. 렌즈에 있어서 굴절률이 높은 재료의 사용은, 굴절률이 낮은 렌즈 재료와 비교하여, 렌즈 표면 상에 입사각을 작게 하므로, 수차가 감소될 수 있다.

교대로 정의 굴절력과 부의 굴절력을 갖는 렌즈들이 일반적으로 서로의 뒤에 배치되는 종래 기술에 따른 렌즈 시스템과 달리, 본 발명에 따른 렌즈 시스템은 높은 렌즈 속도와 동시에, 매우 컴팩트한 디자인을 갖는다. 본 발명에 따른 렌즈 시스템은 제 4 렌즈 만이, 특히 상면(image field)의 만곡 및 왜곡을 보정할 수 있도록, 부의 굴절력을 가진다.

적어도 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈에 대해 정의 굴절력의 캐리어로서 메니스커스 렌즈들을 사용하면, 양면 볼록(biconvex) 렌즈와 비교하여, 제조 공차(production tolerances)에 대한, 특히 표면 공차 또는 조정 공차, 예를 들어 틸팅 공차 또는 센터링 공차에 대한 감도가 감소된다. 따라서, 작은 에프스톱(f-stop) 및 컴팩트한 치수의 본 발명에 따른 렌즈 시스템을, 정당한 노력으로 높고 재현 가능한 품질로 제조하는 것이 가능해진다.

제 2 렌즈의 물체 측의 표면의 곡률 반경(L2R1) 및 제 3 렌즈의 상 측의 표면의 곡률 반경(L3R2)에 대한 상기 조건으로 인해, 제 2 렌즈와 제 3 렌즈는 함께 대략 대칭적인 “에어 렌즈(air lens)”를 형성하여, 비대칭적인 아티팩트(artifact), 예를 들어 코마(coma) 또는 왜곡의 보정을 가능하게 한다.

제 2 렌즈의 상 측의 표면의 곡률 반경(L2R2) 및 제 3 렌즈의 물체 측의 표면의 곡률 반경(L3R1)에 대한 상기 조건으로 인해, 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 서로 마주하는 표면들은, 비대칭적인 광로로 인해 약간 약화되었지만, 여전히 일정한 대칭을 갖는다.

본 발명에 따른 렌즈 시스템은 협대역 광, 특히 모노크롬(monochrome) 광, 특히 적외선 광에 사용하기에 특히 적합하다. 이러한 점에서, 원칙적으로 부의 굴절력을 갖는 상이한 렌즈 재료들 및 렌즈들의 사용을 필요로 하는 색수차의 보정을 생략하는 것이 가능하다. 그러므로, 본 발명에 따른 렌즈 시스템 또는 대물 렌즈는 3D 이미지 센서, 특히 3D TOF 이미지 센서에 대해 사용하기에 특히 적합하다.

본 발명의 유리한 실시예에 따르면, 각 렌즈는 적어도 하나의 비구면 곡면(aspherically curved surface)을 갖는다. 바람직하게는, 각 렌즈의 양 표면은 비구면으로 만곡된다. 적어도 하나의 렌즈 표면의 비구면 만곡은 렌즈 속도, 피사계 심도 및 컴팩트함(compactness)을 극대화하는 본 발명의 목적을 지지한다.

본 발명의 특히 유리한 실시예에 따르면, 렌즈 시스템은, 렌즈 시스템에 의해 생성된 물체의 상의 디포커스(defocus)에 의해 야기된 블러(blur)를 적어도 부분적으로 보상하도록, 치수화된 구면 수차를 갖는다. 그러므로, 종래의 렌즈 시스템과는 달리, 구면 수차는 적어도 완전히 보정되지는 않지만, 오히려 표적 방식(targeted manner)으로 도입되어, 장면이 넓은 깊이 영역(wide depth zone)에 걸쳐 있어 기록된 장면의 일부가 렌즈 시스템의 초점에 있지 않음에 기인하는, 이러한 구면 수차에 의해 블러(blur)가 보상 될 수 있다.

따라서, 디포커스(defocus)라고 불리는 렌즈 시스템의 상 측의 수차는, 렌즈 시스템의 물체 측의 상이한 물체 거리들에 의한 결과이며, 특히 상기 3D 이미징 시스템에서의 응용에서 큰 깊이 영역을 갖는 물체들로는 거의 회피될 수 없다. 원칙적으로, 목적은, 미리 정의된 물체 거리 영역(object distance zone)은, 예를 들어, 무한대로부터 1 μm까지, 바람직하게는 0.5 μm까지, 특히 바람직하게는 0.25 μm까지는, 허용 가능한 이미지 선명도로 이미징될 수 있는 것이다. 특히 상기 부분 보상은, 특히 축 방향, 즉 광축 상에 있으며, 상기 물체 거리 영역 내에 위치하는 물점(object point)에 대해 상 측에서의 착란원(circle of confusion)의 반경이 12 μm보다 크지 않은 것으로 이해된다. 특히 본원과 관련하여, 상 측에서 착란원의 반경은 RMS(Root Mean Square, 제곱 평균 제곱근)의 방법, 즉 RMS 스폿 반경(RMS spot radius)에 따라 결정된 반경으로 이해된다. RMS 스폿 반경은 원칙적으로, 물점에서 나오는 모든 광선을 포함할 수 있는, 즉 매우 먼 외부의 광선 또한 포함할 수 있는, 기하학적으로 결정된 착락원의 반경보다 작다. 따라서, 상기 렌즈 시스템의 도움으로, 물점들이 미리 정의된 물체 거리 영역 내에 위치한 물체 또는 장면은 상평면(image plane) 내에 또는 그 곳에 배치된 이미지 센서에 여전히 허용 가능한 이미지 선명도로 이미징 될 수 있다.

또한, 제 1 렌즈는 유리하게는, 메니스커스 렌즈로 구성된다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시예에 따르면, 제 2 렌즈의 굴절력은 제 1 렌즈 및 제 3 렌즈의 굴절력보다 크다. 따라서, 제 2 렌즈는 렌즈 시스템에서 가장 높은 굴절력을 갖는다. 이에 따라, 제조 공차에 대한 감도, 특히 전술한 제조 공차들에 대한 감도가 더욱 감소된다.

제 1 렌즈의 굴절력은 유리하게는, 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 굴절력보다 작다. 이에 의하여, 제조 공차에 대한 감도, 특히 전술한 제조 공차들에 대한 감도는 마찬가지로 감소된다. 더 높은 굴절력은 입사 광선의 더 큰 편향을 초래하므로, 제조 공차에 대한 더 높은 감도를 초래하고, 이와 관련하여, 구경 조리개에 더 가까이 배치된 렌즈들은 더 큰 조도를 수반하기 때문에 더 민감해지게 된다.

또 다른 유리한 실시예에 따르면, 제 1 렌즈의 초점 거리(f1) 및 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)는 조건 4.0 < f1/f = < 6.5을 만족한다.

또한, 제 2 렌즈의 초점 거리(f2) 및 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)는 조건 1.0 < f2/f < 2.0을 만족하는 것이 유리하다.

또 다른 유리한 실시예에 따르면, 제 3 렌즈의 초점 거리(f3) 및 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)는 조건 2.0 < f3/f =< 3.5을 만족한다.

또한, 제 4 렌즈의 초점 거리(f4) 및 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)는 조건 -12.0 < f4/f < -6.0을 만족하는 것이 유리하다.

최종적으로, 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 공통 초점 거리(f23) 및 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)가 조건 0.9 < f23/f <1.3을 만족하는 것이 유리하다.

제조 공차에 대한 감도, 특히 전술한 제조 공차들에 대한 감도와 관련하여, 각 렌즈의 굴절력의 유리한 밸런싱(balancing)은, 렌즈 시스템의 총 초점 거리에 대한 각 렌즈의 초점 거리의 비율에 관해 전술한 조건들에 의하여 달성된다.

제 2 렌즈 및 제 3 렌즈는 유리하게는, 렌즈 시스템의 총 굴절력에 가장 큰 기여를 한다. 따라서, 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 공통 초점 거리(f23)는 렌즈 시스템의 총 초점 거리에 대략적으로 상응한다.

또 다른 유리한 실시예에 따르면, 제 1 렌즈의 물체 측의 표면은 볼록하다. 제 1 렌즈의 상 측의 표면은 바람직하게는 오목하다.

렌즈 시스템의 설치 길이(L) 및 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)는 유리하게는, 조건 L/f < 1.1을 만족시킨다. 설치 길이(L)는 제 1 렌즈의 물체 측의 표면과 제 4 렌즈의 상 측의 표면의 정점들 사이의 거리로서 이해된다. 본 발명에 따른 렌즈 시스템의 컴팩트함은, 렌즈 시스템의 초점 거리가 궁극적으로 조정 가능하기 때문에, 그것의 총 초점 거리와 독립적으로, 설치 길이 및 총 초점 거리 사이의 비율의 표시에 의해 특징지어 질 수 있다.

모든 렌즈들은, 유리하게는, 서로로부터 고정된 거리로 배치되고, 서로에 대해 이동 가능하지 않다. 따라서, 렌즈 시스템은 고정된 초점 거리를 가지며, 줌 대물렌즈(zoom objective)로 구성되지 않는다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시예에 따르면, 렌즈 시스템은 사출 동공(exit pupil)의 한 점에서 파면 수차(wavefront aberration)(W(p, A))를 가진다. 파면 수차는 직교 제르니케 프린지 다항식(orthogonal Zernike Fringe polynomials)(Pi(p, A)) 및 관련 계수 Z _i (또는 "Zi"로도 나타냄)의 합으로, 다음 식과 같이 나타낸다.

여기서 p는 노름 동공 높이(normed pupil height)이고, A는 방위각이고, 디포커스는 계수 Z4 및 다항식 2p ² - 1; 3차 구면 수차는 계수 Z9 및 다항식 6p ⁴ - 6p ² + 1; 5차 구면 수차는 계수 Z16 및 다항식 20p ⁶ - 30p ⁴ + 12p ² - 1; 7차 구면 수차는 계수 Z25 및 다항식 70p ⁸ - 140p ⁶ + 90p ⁴ - 20p ² + 1; 9차 구면 수차는 계수 Z36 및 다항식 252p ¹⁰ - 630p ⁸ + 560p ⁶ - 210p ⁴ + 30p ² - 1; 11차 구면 수차는 계수 Z37 및 다항식 924p ¹² - 2772p ¹⁰ + 3150p ⁸ - 1680p ⁶ + 420p ⁴ - 42p ² + 1; 으로 나타내며, 다음 두 조건 중 적어도 하나가 만족되고,

1.0 <

< 1.9

및

0.35 <

< 0.70

특히, 축방향 화소(axial picture element) 및/또는 무한에 있는(at infinity) 물체에 대해서는 특히 두 조건이 모두 만족된다. 노름 동공 높이(p)는 무차원이며, W와 Zi는 파장의 단위로 나타낸다. 구면 수차는 렌즈 시스템의 이러한 구성에 의해 더 낮아지고, 더 높은 차수의 구면 수차는 디포커스에 대해 균형을 이루게 되어, 가능한 한 큰 피사계 심도가 얻어진다.

또한 본 발명은, 전술한 실시예 중 하나에 따른 광학 렌즈 시스템과, 행 및 열로 배열되는 복수의 감광 요소를 갖는 이미지 센서를 갖는 이미징 시스템에 관한 것이다. 상기 이미지 센서는 유리하게는 3D 이미지 센서, 특히 3D TOF 이미지 센서이다. 렌즈 시스템 및 이미지 센서는 바람직하게는 적외선, 특히 협대역, 특히 800 내지 1000nm의 파장을 갖는 모노크롬, 적외선 광에 적합하다. 이미징 시스템은 광 펄스, 특히 적외선 범위인 광 펄스를 전송하는 데 적합한 전송(transmission) 광원을 더 포함할 수 있다. 전송 광원의 제어는 3D 이미지 센서의 제어부를 통해 이루어질 수 있으므로. 광 펄스의 비행 시간(time of flight)이 픽셀 단위로, 즉 모든 감광 요소에 대해 각각 공간적으로 결정될 수 있다.

이미지 센서의 크기 및 렌즈 시스템의 특성 파라미터는, 이미지 센서의 코너들에서 화각의 절반이 +/- 33° 이상인 것에 해당하는, 전체 화각이 66° 이상이 되도록, 서로 조정될 수 있다. F값(f-number)은 바람직하게는 1.5보다 작다.

주광선의 각도, 즉 수직선에 대한 이미지 센서의 표면 상의 광선의 입사각은, 전체 상면(image field)에 대해 최대 32°가 된다. 그러므로, 감광 요소 마이크로렌즈들이 전면에 배치된 이미지 센서의 사용에도 최적의 감도가 보장된다.

이미지 센서와 렌즈 시스템 사이의 거리는 유리하게는, 변경 불가능한 것이다. 따라서, 초점이 고정된 이미징 시스템이 된다.

본 발명의 유리한 실시예에 따르면, 렌즈 시스템은 감광 요소의 표면을 고려하여 치수화된 구면 수차를 가지고, 이로써 구면 수차는 렌즈 시스템에 의해 생성된 물체의 상의 초점에 의해 야기된 블러를 보상하며, 미리 정의된 물체 거리 영역 내에서 이미지 센서 상의 물점으로부터 발산하는 광선을 이미징함으로써 생성된 광점(light spot)의 표면이 실질적으로 감광 요소의 표면보다 크지 않도록 한다. 광점 및 감광 요소의 표면들은, 특히, 광점의 광에너지의 3 분의 1 이상, 바람직하게는 절반 이상, 특히 바람직하게는 3 분의 2 이상이 광점의 중심 입사로 감광 요소에 입사되도록, 서로 관련될 수 있다. 상기 조건은 특히, 무한대와 1 m, 바람직하게는 0.5 m, 특히 바람직하게는 0.25 m 사이의 물체 거리 영역에서 만족된다.

대체적으로 또는 부가적으로, 미리 정의된 물체 거리 영역 내의 광점의 표면이 실질적으로 감광 요소의 표면보다 크지 않은 조건은, 예를 들어, 광점의 착란원의 반경, 특히 전술한 RMS 스폿 반경이, 12 μm보다 크지 않고, 감광 요소의 엣지 길이(edge length)가 14 μm인 경우에도 만족될 수 있다. 따라서, 렌즈 시스템의 블러 및 이미지 센서의 픽셀 크기, 즉 이미지 센서의 해상도는, 이상적으로 서로에게 적응된다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시예들은, 종속항, 상세한 설명 및 도면으로부터 얻어진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 렌즈 속도와, 높은 피사계 심도와, 컴팩트한 디자인을 동시에 갖는 렌즈 시스템을 제공할 수 있다.

이하에서 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 렌즈 시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1의 렌즈 시스템의 가로 수차의 다이어그램이다.
도 3은 도 1의 렌즈 시스템의 그 외의 수차의 다이어그램이다.
도 4는 도 1의 광로의 일부 단면을 통한 종단면도이다.
도 5는 제 2 실시예에 따른 렌즈 시스템을 나타낸다.
도 6은 도 5의 렌즈 시스템의 가로 수차의 다이어그램이다.
도 7은 도 5의 렌즈 시스템의 그 외의 수차의 다이어그램이다.
동일하거나 유사한 구성 요소는 도면에서 동일한 참조 번호로 제공된다.

도 1은 제 1 실시예에 따른 네 개의 굴절 렌즈 요소를 갖는 광학 렌즈 시스템을 도시한다. 렌즈 시스템의 상평면(image plane)(B)은 수직선으로 나타내지만, 물체 평면(O)은 도면의 영역 밖에 있다. 렌즈 시스템의 상이한 요소들의 배치는, 물체 측으로부터 상(image) 측으로 진행하는 광로의 광 전파 방향에서, “앞에 있는” 또는 “뒤에 있는”과 같이 상대적인 위치 표시와 함께 나타낸다.

렌즈 시스템은 정의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈(L1), 정의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈(L2), 정의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈(L3) 및 부의 굴절력을 갖는 제 4 렌즈(L4)로 구성된다. 제 1 렌즈(L1)는 구경 조리개(A)에 의해 둘러싸여 있다. 평행 평판(P)은 제 4 렌즈(L4) 뒤에 있는 상부/커버 유리로서 제공된다. 평행 평판(P)은 가시 광선에 대한 대역 제거 필터로 구성될 수 있으며, 그에 따라 적외선 광만이 투과될 수 있다.

모든 렌즈(L1~L4)는 하나의 볼록한 면과 하나의 오목한 면을 갖는 메니스커스 렌즈로 구성된다. 제 1, 제 2 및 제 4 렌즈(L1, L2, L4)는 물체 측의 표면(F11, F21, F41)이 볼록하고, 상 측의 표면(F12, F22, F42)이 오목하도록 배치된다. 제 3 렌즈(L3)는 반대로, 물체 측의 표면(F31)이 오목하고, 상 측의 표면(F32)이 볼록하도록 배치된다.

렌즈(L1~L4)는 플라스틱으로 제조되고, 굴절률이 1.661이고, 아베수(Abbe number)가 20.4이다. 제 1 실시예에 따른 렌즈 시스템은 총 초점 거리(f)가 2.62 mm이고, F값(f-number)이 1.25이고, 제 1 렌즈(L1)의 물체 측의 표면의 정점(vertex)과 제 4 렌즈(L4)의 상 측의 정점 사이를 측정한 설치 길이(L)는 2.66 mm이고, 상의 높이는 1.97 mm이고, 화각의 절반이 35.5°이다.

평행 평판은 유리로 제조되고, 굴절률이 1.523이고, 아베수가 54.5이다. 모든 렌즈(L1~L4)의 표면은 비구면이다.

상기 식은 광축(OA)에 대하여 수직으로 높이(h)를 가지는 점에서, 광축 OA와 평행한 각 렌즈 표면의 새그(sag)(z)에 대해 적용된다. 여기서, r0는 정점 곡률 반경이고, k는 원뿔 상수(conical constant)이고, a4, a6,..., a16 는 비구면 계수이다.

표 1은 제 1 실시예에 따른 렌즈 시스템에 대응하는 구조 데이터로, 렌즈 시스템에 존재하는 표면은 순서대로 0부터 12까지 연속적으로 번호를 매긴다. 렌즈 시스템의 서로 다른 요소들간의 연관성은 표에 기인하며, 먼저 물체 측의 표면이 표시되고, 이어서 모든 렌즈(L1~L4)에 대해서 상 측의 표면이 표시되고, 추가적으로 도 1의 대응 참조 번호는 괄호 안에 나열되어 있다. 두께(d)는 그 다음 표면으로부터 각 표면의 간격을 나타낸다. 반경(r0), 두께(d) 및 초점 거리는 각각 mm로 표시된다. 원뿔 상수(k)는 모든 렌즈(L1~L4)에 대해서 0과 같다.

렌즈들(L1~L4)의 표면(2~9)에 대한 비구면 계수 a4, a6,..., a16는 다음의 표 2에 나타낸다.

도 1에 따른 렌즈 시스템은 사출 동공(exit pupil)의 한 점에서 파면 수차(wavefront aberration) W(p, A)를 가진다. 파면 수차는 직교 제르니케 프린지 다항식 Pi(p, A) 및 관련 계수 Z _i (또는 Zi)의 합으로, 다음 식과 같이 나타낸다.

여기서 p는 노름 동공 높이(normed pupil height)이고, A는 방위각(azimuthal angle)이다. 따라서 p는 0과 1 사이의 값을 가질 수 있고, A는 0과 2π 사이의 값을 가질 수 있다. 파면 수차 W와 그에 따른 계수 Z _i (또는 Zi)는 파장의 단위로 나타난다. 축의 상점(axial image point) 및 무한의 물체에 대해, 제르니케 프린지 계수 Z1 내지 Z37의 값과 관련 다항식 P _i 는 표 3에 주어진다.

제르니케 프린지 계수 Z _i 는 수치적 수단으로 계산되었다. 렌즈 시스템의 회전 대칭 디자인으로 인해 계수 Z1, Z4, Z9, Z16, Z25, Z36 및 Z36에 대한 축의 상점만이 원칙적으로 0이 아닌 값을 가져야 하지만, 0이 아닌 또 다른 계수들, 즉 Z17과 Z18이 표 3과 대응되는 표 6에 나타난다. 그러나 이들의 값은 전술한 회전 대칭 계수들의 값보다 몇 배 더 작다. 이는 부정확한 계산, 특히 부정확한 반올림에 의한 것이다.

도 2에서, x 및 y 방향에서 노름 동공 좌표(normed pupil coordinates)에 대한 가로 수차 ex, ey는 μm의 단위로 나타난다.

도 3a에서, 구면 수차는 노름 동공 좌표에 의존하여(mm의 단위로) 나타낸다; 도 3b에서, 비점수차(astigmatism)는 화각의 절반(도(degree)의 단위로)에 의존하여(mm의 단위로) 나타낸다; 도 3c에서, 왜곡은 화각의 절반(도의 단위로)에 의존하여(퍼센트로) 나타난다.

도 4에서, 0, 0.25, 0.5, 0.75, 및 1의 노름 동공 높이를 갖고 서로 다른 교차 평면에서 교차하는 서로 다른 광선들이 도시된다. 교차 평면들은 관련 동공 좌표에 의해 번호가 매겨진 수직선들로 도시된다. 교차 평면들은 75 μm의 초점 거리 영역 내에 위치한다. 관련된 광선들이 광축 OA에 극히 근접하여 위치하기 때문에, 동공 높이 0에 대한 실제 교차점은 인식될 수 없다는 것을 주의해야 한다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 렌즈 시스템이 도 5에 도시되어 있다. 도 5의 렌즈 시스템의 구성적인 실시예는 도 1의 렌즈 시스템의 설계 실시예와 다르지 않기 때문에, 이 점에 있어서는 도 1과 관련해 상응하는 설명이 참조된다.

도 1에 따른 실시예와 달리, 렌즈들(L1~L4)은 유리로 제조되고, 굴절률이 1.743이고, 아베수가 49.3이다. 도 5에 따른 렌즈 시스템은 총 초점 거리(f)가 2.54이고, F값(f-number)이 1.25이고, 설치 길이가 2.61mm이고, 상의 높이(image height)가 1.97mm이고, 화각의 절반이 35.5°이다.

도 5의 렌즈 시스템에 대응하는 구조 데이터는 표 4에 나타나 있고, 관련 비구면 계수(a4, a6,..., a16)는 표 5에 나타나 있어며, 값과 그들의 단위는 표 1 및 표 2에 나타난 것과 대응한다. 모든 렌즈들(L1~L4)에 대한 원뿔 상수(k)는 0과 같다.

파면 수차 W(p, A)는 제 1 실시예와 유사한 방식으로, 제르니케 프린지 다항식 Pi 및 표 6에 따른 대응되는 계수 Z _i 의 합으로 설명된다.

도 6과 도 7a 내지 7c의 다이어그램은, 도 2와 도 3a 내지 3c의 다이어그램와 유사한 방식으로, 가로 수차, 구면 수차, 비점수차 및 왜곡을 도시한다.

두 개의 상기 실시예 중 어느 하나에 따른 렌즈 시스템이 이미징 시스템의 요소로 사용되면, 상응하는 이미지 센서, 특히 3D 이미지 센서가 상평면(image plane)(B)에 배치될 수 있다.

전술한 두 개의 실시예는, 디포커스에 의해 야기된 상의 블러를 적어도 부분적으로 보상하여 매우 큰 물체 거리 영역에 걸쳐 허용 가능한 이미지 선명도를 얻도록 사용될 수 있는 구면 수차의 도입을 목표로 하는, 본 발명에 따른 렌즈 시스템에 대한 두 개의 예시적인 실시예를 나타낸다. 초점 거리가 고정된 이미징 시스템, 특히 3D TOF 이미지 센서와 함께 사용되는3D 이미징 시스템은 높은 렌즈 속도, 큰 피사계 심도 및 컴팩트한 디자인을 가진 렌즈 시스템으로 구현될 수 있다.

예시적인 렌즈 시스템들은 800 내지 1000 nm의 파장 범위에 최적화되어 있다. 계산은 890 nm의 파장에 대해 이루어졌다.

본 발명에 따른 렌즈 시스템의 두 개의 실시예의 구조 데이터 및 추가 파라미터는 단지 예시에 불과하다. 상이한 구조 데이터 및 추가 파라미터를 갖는 렌즈 시스템들 또한 본 발명에 의해 커버될 수 있음이 이해된다.

본 발명에 따른 렌즈 시스템의 도움으로, 특히 전술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 렌즈 시스템의 도움으로, F값(f-number)이 1.58 또는 그 이상인 공지의 렌즈 시스템에 대해 F값이 21% 감소될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 렌즈 시스템은 종래의 렌즈 시스템에 비해 1.6배의 렌즈 속도를 가진다. 이미지 센서의 신호-대-잡음 비(signal-to-noise ratio)는 렌즈 속도의 증가에 의해 개선된다.

이는 특히 이미지 센서의 픽셀 크기를, 종래의 3D 이미징 시스템에서 관례적인 17.5 μm에서, 14 μm로 줄이는 데 사용될 수 있어, 종래의 3D 이미징 시스템과 관련하여 상당히 더 컴팩트한 3D 이미지 센서가 사용될 수 있다. 이미징 시스템은 종래의 이미징 시스템에 비해 최대 31% 축소될 수 있는, 렌즈 시스템의 컴팩트한 설치 길이로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 렌즈 시스템은 예를 들어, 휴대폰 또는 태블릿 컴퓨터와 같은 모바일 장치들에 설치하기에 특히 적합하다.

A 구경 조리개(aperture diaphragm)
B 상평면(image plane)
F11 제 1 렌즈의 물체 측의 표면
F12 제 1 렌즈의 상 측의 표면
F21 제 2 렌즈의 물체 측의 표면
F22 제 2 렌즈의 상 측의 표면
F31 제 3 렌즈의 물체 측의 표면
F32 제 3 렌즈의 상 측의 표면
F41 제 4 렌즈의 물체 측의 표면
F42 제 4 렌즈의 상 측의 표면
L 렌즈 시스템의 설치 길이
L1 제 1 렌즈
L2 제 2 렌즈
L3 제 3 렌즈
L4 제 4 렌즈
O 물체 평면
OA 광축
P 평행 평판

Claims

정확히 네 개의 렌즈들(L1, L2, L3, L4)을 포함하는 카메라용 광학 렌즈 시스템으로서,
물체(object) 측의 단부로부터 상(image) 측의 단부까지 순서대로, 정(positive)의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈(L1), 정의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈(L2), 정의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈(L3) 및 부(negative)의 굴절력을 갖는 제 4 렌즈(L4)를 포함하고,
상기 제 2 렌즈(L2) 및 상기 제 3 렌즈(L3)는 각각 메니스커스(meniscus) 렌즈로 디자인되고,
상기 제 2 렌즈(L2)의 물체 측의 표면(F21)은 볼록하고, 상기 제 3 렌즈(L3)의 물체 측의 표면(F31)은 오목하고,
상기 제 2 렌즈(L2)의 물체 측의 표면(F21)의 곡률 반경(L2R1) 및 상기 제 3 렌즈(L3)의 상 측의 표면(F32)의 곡률 반경(L3R2)이 조건 -1.4 < L2R1/L3R2 <-0.7을 만족하고,
상기 제 2 렌즈(L2)의 상 측의 표면(F22)의 곡률 반경(L2R2) 및 상기 제 3 렌즈(L3)의 물체 측의 표면(F31)의 곡률 반경(L3R1)이 조건 -1.8 < L2R2/L3R1 < -1.0을 만족하는, 렌즈 시스템.
제 1 항에 있어서,
각각의 상기 렌즈(L1~L4)는 적어도 하나의 비구면 곡면(F11~F42)을 갖는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈(L1)는 메니스커스 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈(L2)의 굴절력이 상기 제 1 렌즈(L1)의 굴절력 및 상기 제 3 렌즈(L3)의 굴절력보다 큰 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈(L1)의 굴절력이 상기 제 2 렌즈(L2)의 굴절력 및 상기 제 3 렌즈(L3)의 굴절력보다 작은 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈(L1)의 초점 거리(f1) 및 상기 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)가 조건 4.0 < f1/f < 6.5을 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈(L2)의 초점 거리(f2) 및 상기 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)가 조건 1.0 < f2/f < 2.0을 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 3 렌즈(L3)의 초점 거리(f3) 및 상기 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)가 조건 2.0 < f3/f < 3.5을 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 4 렌즈(L4)의 초점 거리(f4) 및 상기 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)가 조건 -12.0 < f4/f < -6.0을 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈(L2) 및 상기 제 3 렌즈(L3)의 공통 초점 거리(f23) 및 상기 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)가 조건 0.9 < f23/f < 1.3을 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈(L1)의 물체 측의 표면(F11)이 볼록한 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
설치 길이(L) 및 상기 렌즈 시스템의 총 초점 거리(f)가 조건 L/f < 1.1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
모든 상기 렌즈들(L1~L4)은 서로 고정된 거리의 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈 시스템에 의해 생성된 물체의 상의 디포커스(defocus)에 의해 야기된 블러(blur)를 적어도 부분적으로 보상하도록 치수화된 구면 수차를 갖는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
사출 동공(exit pupil)의 한 점에서 파면 수차(wavefront aberration) W(p, A)를 가지며,
파면 수차는 직교 제르니케 프린지(orthogonal Zernike Fringe) 다항식 P _i (p, A) 및 관련 계수 Z _i 의 합인

의 형태로 나타나고,
p는 노름 동공 높이(normed pupil height)이고, A는 방위각이며;
상기 디포커스는 계수 Z4 및 다항식 2p² - 1; 3차 구면 수차는 계수 Z9 및 다항식 6p⁴ - 6p² + 1; 5차 구면 수차는 계수 Z16 및 다항식 20p⁶ - 30p⁴ + 12p² - 1; 7차 구면 수차는 계수 Z25 및 다항식 70p⁸ - 140p⁶ + 90p⁴ - 20p² + 1; 9차 구면 수차는 계수 Z36 및 다항식 252p¹⁰ - 630p⁸ + 560p⁶ - 210p⁴ + 30p² - 1; 11차 구면 수차는 계수 Z37 및 다항식 924p¹² - 2772p¹⁰ + 3150p⁸ - 1680p⁶ + 420p⁴ - 42p² + 1; 으로 나타내며,
다음 두 조건 1.0 <
< 1.9 및 0.35 <
< 0.70 중 적어도 어느 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈(L2)의 물체 측의 표면(F21)의 곡률 반경(L2R1) 및 상기 제 3 렌즈(L3)의 상 측의 표면(F32)의 곡률 반경(L3R2)이 조건 -1.2 < L2R1/L3R2 < -0.8을 만족하고,
상기 제 2 렌즈(L2)의 상 측의 표면(F22)의 곡률 반경(L2R2) 및 상기 제 3 렌즈(L3)의 물체 측의 표면(F31)의 곡률 반경(L3R1)이 조건 -1.6 < L2R2/L3R1 < -1.2을 만족하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 시스템.
행 및 열로 배열되는 복수의 감광 요소를 갖는 이미지 센서를 가지고,
제 1 항 중 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 광학 렌즈 시스템을 가지는, 이미징 시스템.
제 17항에 따른 이미징 시스템에 있어서,
상기 이미지 센서와 상기 렌즈 시스템 사이의 거리를 변경할 수 없는 것을 특징으로 하는, 이미징 시스템.
제 17 항 또는 제 18항에 따른 이미징 시스템에 있어서,
상기 감광 요소의 표면을 고려하여 치수화된 구면 수차를 가짐으로써, 상기 구면 수차는 렌즈 시스템에 의해 생성된 물체의 상의 디포커스에 의해 야기된 블러를 보상하여, 미리 정의된 물체 거리 영역 내에서 상기 이미지 센서 상의 물점(object point)으로부터 발산하는 광선을 이미징함으로써 생성된 광점(light spot)의 표면은 실질적으로 상기 감광 요소의 표면보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 이미징 시스템.