KR20210004685A - 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치 - Google Patents

Abstract

실시 예에 따른 렌즈 모듈은 물체측으로부터 이미지측으로 순서대로 배치되고, 굴절력을 가지는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 양의 굴절력을 가지며, 상기 제1 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고, 상기 제1 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며, 상기 제2 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고, 상기 제2 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며, 상기 제1 렌즈의 초점거리는 상기 제2 렌즈의 초점 거리의 3배 이상이다.

Description

렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치{THE LENS MODULE AND CAMERA DEVICE COMPRISING THE SAME}

실시 예는 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치에 관한 것이다.

열화상 카메라는 의료용 또는 상업용으로 다양하게 활용되고 있다. 특히 열화상 카메라의 경우 야간 감시 센서로 활용되거나, 체열 진단과 같이 활용 범위가 광범위한 것이 특징이다.

일반적으로 감시용 카메라로 사용되는 CCD(Charge-Coupled Device Camera)는 가시광선 렌즈를 이용하여 피사체의 상을 추출하고 가시광선 렌즈로부터 입력되는 광학 상을 CCD 센서가 광전 변환하여 출력 가능한 디지털 CCD 화상신호를 생성하여 화상을 획득한다. 이러한 CCD카메라는 야간 화상 획득이 불가하여 그 활용 범위의 한계가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 적외선 렌즈를 이용하는 열화상 카메라의 활용이 확대되고 있다.

열화상 카메라는 야간에 빛이 전혀 없는 상태에서도 화상을 획득하는데 적외선 렌즈로부터 입력되는 광화상을 센서가 광전 변환하여 외부 출력 장치에서 출력되도록 디지털 열화상 신호를 생성하는 기능을 수행한다.

한편, 현재까지 열화상 카메라용 렌즈로 주로 사용되는 소재는 칼코게나이드 글라스(Chalcogenide glass) 소재의 PGM (Precision Glass Molding) 가공된 렌즈를 포함할 수 있다. 바람직하게, 렌즈부(110)는 열영상 카메라용 렌즈 소재이며, Chalcogenide(Ge-As-Se, Ge-Ab-Se), Germanium(Ge), Zinc Selenide(ZnSe), Silicon(Si), Sapphire, Zinc Sulfide(ZnS, CVD 공법), 및 Sintered-ZnS 등이 있다.

하지만, Silicon(Si)의 경우, 특수한 경우에 한정되어 사용되어 왔다. 예를 들어, Silicon(Si)은 센서의 픽셀 사이즈가 작거나(예를 들어, 픽셀 사이즈가 12um 내지 17um 사이인 경우), 센서의 해상도가 낮은 경우(예를 들어, 80*60 또는 160*120인 경우)에 한정되어 사용되었다.

이는, Silicon(Si)의 흡수율과 관련되어 있으며, 흡수율이 다른 소재들보다 높기 때문에 렌즈의 두께를 크게 가져갈 수 없으므로 렌즈의 직경이 작고 두께가 얇은 경우에만 사용될 수 있었다.

이에 따라, 센서의 픽셀 사이즈가 크거나(17um 이상), 해상도가 높은 경우(320*240 이상급)에도 사용 가능한 열화상 카메라용 Silicon(Si)의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

실시 예에서는 센서의 픽셀 사이즈가 17um 이상인 경우에도 광학적 성능(MTF)이 우수한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 실시 예에서는 QVGA(Quarter Video Graphic Array) 해상도뿐 아니라, 이 이상의 고해상도에서도 우수한 광학적 성능을 가진 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 실시 예에서는 2매의 렌즈를 사용하여 최적의 광학성 성능을 가질 수 있는 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 실시 예에서는 파장에 따라 발생하는 굴절률 차이를 최소화하여 색수차 제거에 효과적인 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 실시 예에서는 렌즈의 지경이나 렌즈의 두께를 최소화하면서 두께로 인해 발생하는 투과율 저하를 최소화할 수 있는 프레넬(fresnel) 형상의 실리콘 렌즈를 포함한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있도록 한다.

본 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

실시 예에 따른 렌즈 모듈은 물체측으로부터 이미지측으로 순서대로 배치되고, 굴절력을 가지는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 양의 굴절력을 가지며, 상기 제1 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고, 상기 제1 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며, 상기 제2 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고, 상기 제2 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며, 상기 제1 렌즈의 초점거리는 상기 제2 렌즈의 초점 거리의 3배 이상이다.

또한, 실시 예에 따른 렌즈 모듈은 물체측으로부터 이미지측으로 순서대로 배치되고, 굴절력을 가지는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는, 8um 내지 12um 파장에서의 빛을 QVGA(Quarter Video Graphic Array)급 이상의 해상도를 가진 센서로 전달하며, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 실리콘을 포함한다.

또한, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈 각각의 두께는 0.1 mm 내지 0.6mm 범위를 가진다.

또한, 0.020 ≤ Dt/Ds ≤ 500이고, 상기 Dt는 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 각각의 중심 두께이고, 상기 Ds는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 통과한 빛이 결상되는 센서의 대각선 길이이다.

또한, 상기 센서의 대각선 길이는 2mm 내지 10mm 범위를 가진다.

또한, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈를 포함하는 광학계의 화각은 20° 내지 30°이다.

또한, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈를 포함하는 광학계의 F넘버는 1.0 내지 1.2이다.

또한, 상기 제1 렌즈는 복수의 돌출부를 포함하는 제1 프레넬 패턴을 포함하고, 상기 제2 렌즈는 복수의 돌출부를 포함하는 제2 프레넬 패턴을 포함하며, 상기 제1 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부의 높이는 서로 동일하고, 상기 제2 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부의 높이는 서로 동일하다.

또한, 상기 제1 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 각각의 폭은 서로 다르고, 상기 제1 프레넬 패턴의 복수의 돌출부는 상기 제1 렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 점차 폭이 감소한다.

또한, 상기 제2 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 각각의 폭은 서로 다르고, 상기 제2 프레넬 패턴의 복수의 돌출부는 상기 제2 렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 점차 폭이 감소한다.

또한, 상기 제1 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 및 상기 제2 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 각각의 높이는 0.02 내지 0.1mm 범위를 가진다.

또한, 0.017 ≤ Dv/Dt ≤ 500이고, 상기 Dv는 상기 제1 프레넬 패턴 및 제2 프레넬 패턴 각각의 돌출부의 높이이고, Dt는 제1 렌즈 및 제2 렌즈 각각의 중심 두께이다.

또한, 상기 제1 프레넬 패턴의 복수의 돌출부의 제1 구배는 ±0° 내지 FOV/2°범위를 가지고, 상기 제2 프레넬 패턴의 복수의 돌출부의 제2 구배는 ±0° 내지 FOV°범위를 가진다.

또한, 상기 제1 구배는 0° 내지 15°범위를 가지고, 상기 제2 구배는 0° 내지 30° 범위를 가진다.

또한, 상기 제1 프레넬 패턴의 복수의 돌출부의 모서리 부분 및 상기 제2 프레넬 패턴의 복수의 돌출부으 모서리 부분의 곡률 반경은 0.1um 내지 10um 범위를 가진다.

또한, 상기 제1 렌즈의 상기 물체측의 면의 제곱평균제곱근 표면 거칠기 및 상기 제2 렌즈의 상기 물체측의 면의 제곱평균제곱근 표면 거칠기는 각각 150nm 이하이다.

한편, 실시 예에 따른 카메라 장치는 렌즈 홀더; 상기 렌즈 홀더의 일측에 결합되는 렌즈부; 및 상기 렌즈 홀더의 타측에 결합되는 센서부;를 포함하며, 상기 렌즈부는, 물체측으로부터 이미지측으로 순서대로 배치되고, 굴절력을 가지는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 양의 굴절력을 가지며, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 각각의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈의 각각의 이미지측의 면은 플랫하며, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈는, 8um 내지 12um 파장에서의 빛을 통과시키고, 상기 센서부는, QVGA(Quarter Video Graphic Array)급 이상의 해상도를 가진 센서를 포함하며, 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 실리콘을 포함한다.

또한, 상기 센서는, 마이크로볼로미터를 포함한다.

실시 예에 의하면, 센서의 픽셀 사이즈가 17um 이상이거나, QVGA(Quarter Video Graphic Array) 해상도뿐 아니라, 이 이상의 고해상도에서도 적용 가능한 실리콘 렌즈를 제공할 수 있으며, 이에 따라 비교 예에서의 열화상 카메라용 렌즈 대비 가격을 절감할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면 실리콘을 이용하여 렌즈를 제작함에 따라 파장대별 굴절률 차이를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 색수차를 제거하여 광학적 성능(MTF)이 우수한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면 열화상 카메라에 적용 가능한 프레넬 형상의 실리콘 렌즈를 설계 및 제작함에 따라, 센서의 사이즈가 커짐에 따라 발생하는 렌즈의 직경 또는 두께의 증가를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 광 투과율 저하를 해결하여 광학적 성능(MTF)이 우수한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면, 2매의 렌즈만을 사용하여 열화상 카메라용 렌즈를 제공하며, 이때 상기 2매의 렌즈의 4개의 면 중 2개의 면만을 이용하여 적외선 파장 대역의 결상이 가능하도록 함으로써, 렌즈의 제작 용이성을 확보할 수 있으며, 이에 따른 제조 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 카메라 모듈의 외형을 나타내는 사시도이다.
도 2는 실리콘의 파장에 따른 두께별 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 카메라 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 렌즈부의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 5는 실시 예에 따른 제1 및 제2 렌즈의 사시도이고, 도 6은 도 5의 A-A' 라인을 따른 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 설계 도면이다.
도 7은 실시 예에 따른 돌출부의 모서리 부분을 확대한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 제1 실시 예에 따른 광학계의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 제2 실시 예에 따른 광학계의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 제3 실시 예에 따른 광학계의 특성을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 카메라 모듈의 외형을 나타내는 사시도이고, 도 2는 실리콘의 파장에 따른 두께별 흡수율을 나타낸 그래프이며, 도 3은 도 1에 도시된 카메라 모듈의 분해 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 카메라 모듈은 렌즈부(100), 렌즈 홀더(200) 및 센서부(300)를 포함한다. 또한, 카메라 모듈은 센서부(300)를 통해 획득되는 이미지 신호를 처리하는 처리 소자(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 다만, 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 이들 중 적어도 어느 하나의 구성은 생략되거나 서로 상하 배치 관계가 변경될 수 있다.

렌즈부(100)는 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 센서부(300)에 광 신호를 전달할 수 있다. 렌즈부(100)는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 이때, 렌즈부(100)에 포함되는 복수의 렌즈들은 하나의 광학계를 형성하고, 센서부(300)의 광축을 중심으로 정렬되어 배치될 수 있다.

이때, 렌즈부(110)는 피사체에서 발생하는 적외선 파장 대역을 검출하기 위한 적외선 대역의 렌즈들을 포함할 수 있다.

즉, 실시 예에 따른 카메라 모듈(100)는 열화상 카메라 모듈이다. 이에 따라, 렌즈부(100)를 구성하는 렌즈들은 피사체에서 발생하는 적외선 복사를 감지하기 위해, 일반적인 카메라 모듈에서 사용되는 가시광 대역의 렌즈가 아닌 적외선 복사 에너지 파장 대역을 통과하면서 가시광 대역은 통과되지 않는 물질로 구성된 렌즈를 사용할 수 있다. 또한, 렌즈부(100)에는 반사 코팅층이 형성될 수 있고, 이에 따라 적외선 복사 에너지의 반사를 방지하면서 상기 적외선 복사 에너지가 모두 통과되도록 할 수 있다.

한편, 피사체로부터 방출되는 적외선을 투과시키기 위한 렌즈 재질에는 칼코게나이드 글라스(Chalcogenide glass) 소재의 PGM (Precision Glass Molding) 가공된 렌즈를 포함할 수 있다. 피사체로부터 방출되는 적외선을 투과시키기 위한 렌즈 재질에는 Chalcogenide(Ge-As-Se, Ge-Ab-Se), Germanium(Ge), Zinc Selenide(ZnSe), Silicon(Si), Sapphire, Zinc Sulfide(ZnS, CVD 공법), 및 Sintered-ZnS 등의 재질을 포함할 수 있다.

이때, 상기 렌즈부(100)는 적외선 파장 대역에서 파장에 따른 굴절률 차이가 없어야 한다. 상기 렌즈부(100)가 적외선 파장 대역에서 파장에 따른 굴절률 차이를 가지는 재질로 형성되는 경우, 이에 따른 색수차가 발생하여 선명한 이미지를 획득할 수 없다. 예를 들어, 파장에 따른 굴절률 차이가 큰 경우, 피사체에 대하여 파장에 따른 결상 위치가 서로 다르게 나타날 수 있다.

여기에서, 적외선 파장 대역을 통과시킬 수 있는 렌즈부(100)의 재질에 따른 파장별 굴절률을 보면 표1과 같다.

	silicon	ZnS	chalcogenide	Ge
8um	3.4158	2.2234	2.7831	4.0048
10um	3.4150	2.2026	2.7776	4.0025
12um	3.4145	2.1686	2.7772	4.0012
파장별 굴절률 차이	0.0013	0.0547	0.0059	0.0036

상기와 같이, 열화상 카메라에 적용되는 렌즈부(100)의 소재로 사용될 수 있는 물질 중 파장별 굴절률 차이가 가장 작은 재질은 Silicon(Si)이다.

이에 따라, 실시 예에서는 Silicon(Si) 재질로 상기 렌즈부(100)를 구성하여, 파장별 굴절률 차이를 최소화하고, 이에 따른 색수차를 제거하여 광학 성능을 향상시킬 수 있도록 한다.

다만, Silicon(Si)은 소재 특성 상 두께에 따라 광 흡수율이 증가하며, 이로 인해 렌즈의 두께가 증가할수록 정상적인 광 감지가 어려운 문제점이 있다.

이때, Silicon(Si)의 파장에 따른 광 흡수 계수를 보면 표 2와 같다.

파장(um)	흡수 계수(α, 1/cm)
7.748	0.373
8.855	0.994
10.33	1.22
12.396	1.72

또한, 도 2를 참조하면, Silicon(Si)은 두께에 따라 파장별 흡수율이 다르게 나타난다. 이때, Silicon(Si)의 두께에 따른 파장별 흡수율을 보면 표 3과 같다.

silicon thickness(mm)	흡수율 (8.855um)	흡수율 (10.330um)	흡수율 (12.396um)	평균 흡수율
0	0.00%	0.00%	0.00%	0.00%
0.1	0.99%	1.21%	1.71%	1.30%
0.2	1.97%	2.41%	3.38%	2.59%
0.3	2.94%	3.59%	5.03%	3.85%
0.4	3.90%	4.76%	6.65%	5.10%
0.5	4.85%	5.92%	8.24%	6.34%
0.6	5.79%	7.06%	9.81%	7.55%
0.7	6.72%	8.19%	11.34%	8.75%
0.8	7.64%	9.30%	12.86%	9.93%
0.9	8.56%	10.40%	14.34%	11.10%
1.0	9.46%	11.49%	15.80%	12.25%
1.1	10.36%	12.56%	17.24%	13.38%
1.2	11.24%	13.62%	18.65%	14.50%
1.3	12.12%	14.67%	20.04%	15.61%
1.4	12.99%	15.70%	21.40%	16.70%
1.5	13.85%	16.72%	22.74%	17.77%
2.0	18.03%	21.65%	29.11%	22.93%
2.5	22.00%	26.29%	34.95%	27.75%
3.0	25.78%	30.65%	40.31%	32.25%

표 3에서와 같이, 렌즈부(100)를 구성하는 렌즈의 재질로 Silicon(Si)이 사용되는 경우, 상기 Silicon(Si) 렌즈의 두께가 1mm 이상이 되면, 평균 흡수율이 12% 이상으로 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이때, Silicon(Si) 렌즈의 표면에 이상적인 AR(Anti-reflection)을 하더라도, 이론적인 광 투과율이 88% 수준을 가지게 된다. 그리고, 상기 광 투과율은 상기 렌즈부(100)를 구성하는 Silicon(Si) 렌즈의 매수에 따라 추가 감소하며, 예를 들어 2매의 Silicon(Si) 렌즈를 사용하여 렌즈부(100)를 구성한 경우, 77% 정도의 광 투과율이 나올 수 있다.

이에 따라, 실시 예에서의 렌즈부(100)를 구성하는 각 렌즈의 두께(T)는 0.1mm 내지 0.6mm 범위를 가지도록 한다. 즉, 상기 렌즈부(100)를 구성하는 각 렌즈의 두께(T)가 0.6mm를 초과하는 경우, 이에 따른 광 흡수율이 증가하게 되며, 이로 인해 광학성 성능(MTF)이 감소하여 선명한 이미지를 획득할 수 없다.

상기 렌즈부(100)를 구성하는 렌즈의 구체적인 구조에 대해서는 하기에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.

한편, 렌즈부(100)는 전방에 렌즈를 보호하기 위한 적외선 투과 윈도우(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 적외선 투과 윈도우는 CaF2, BaF2 또는 폴리에틸렌(Polyethylene) 등의 재질로 제작될 수 있다.

바람직하게, 렌즈부(100)는 내부에 수용 공간을 포함하는 렌즈 배럴(도시하지 않음)과, 상기 렌즈 배럴에 회전 결합되는 렌즈 어셈블리(도시하지 않음)와, 상기 렌즈 어셈블리의 상부를 덮는 적외선 투과 윈도우를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 한편, 렌즈 배럴과 렌즈 어셈블리이 회전 결합를 가지는 것은 예시적인 것이며 접착제를 이용한 방식 등의 다른 방식으로도 결합될 수 있을 것이다.

렌즈 홀더(200)는 렌즈부(100)와 결합되어 렌즈부(100)를 지지하고, 센서부(300)와 결합될 수 있다. 또한, 렌즈 홀더(200)는 렌즈부(100) 및 센서부(300)가 수용될 수 있는 공간을 구비할 수 있다.

이를 위해, 렌즈 홀더(200)는 렌즈부(100)가 수용되는 제1 수용 공간(210)과, 상기 센서부(300)가 수용되는 제2 수용 공간(220)을 포함할 수 있다.

한편, 렌즈 홀더(200)는 내주면에 나선형 구조를 포함할 수 있다. 또한, 렌즈부(100)도 외주면에 상기 렌즈 홀더(200)에 대응하는 나선형 구조를 포함할 수 있으며, 이에 따라 렌즈 홀더(200)와 렌즈부(100)는 상호 회전 결합할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 렌즈 홀더(200)와 렌즈부(100)는 접착제(예를 들어, 에폭시 등의 접착용 수지)를 통해 결합되거나, 렌즈 홀더(200)와 상기 렌즈부(100)를 구성하는 렌즈 배럴이 일체형으로 형성될 수도 있을 것이다.

센서부(300)는 하우징(310), 상기 하우징(310) 상에 배치되는 기판(320) 및 상기 기판(320) 상에 실장되는 센서(330)를 포함할 수 있다. 하우징(310)은 내부에 수용 공간을 포함할 수 있다. 하우징(310)은 렌즈 홀더(200)에 결합될 수 있다. 하우징(310)의 수용 공간 내에는 기판(320)이 배치될 수 있다. 기판(320) 상에는 센서(330)가 배치될 수 있다.

즉, 센서부(300)는 렌즈 홀더(200)와 결합될 수 있고, 렌즈부(100)를 통과한 적외선 신호(또는 적외선 복사 에너지)를 이미지 신호로 변환할 수 있다. 이를 위해, 센서부(300)를 구성하는 센서(330)는 적외선 복사 에너지에 대하여 감응하는 수광 소자를 포함할 수 있다. 즉, 센서(330)는 적외선 복사 에너지에 대응하는 에너지를 검출할 수 있다. 바람직하게, 센서(330)는 렌즈부(100)를 통과한 적외선 복사 에너지의 결과를 전기적 신호로 만들어주는 기능을 할 수 있다.

이를 위한 센서부(300)의 센서(330)는 렌즈부(100)를 통해 투과된 적외선으로부터 피사체의 온도를 감지하여 대응하는 물리적 특성 변화(아날로그 신호)를 출력한다. 이와 같은 센서(330)는 마이크로볼로미터 어레이(MBA: MicroBolometer Array)가 사용될 수 있다.

센서부(300)를 구성하는 기판(320)은 렌즈 홀더(200)의 하부에 배치될 수 있다. 그리고, 기판(320) 상에는 이미지 처리 소자(도시하지 않음) 및 제어 소자(도시하지 않음)와 함께 각 구성간의 전기 신호의 전달을 위한 배선을 포함할 수 있다. 또한, 기판(320)에는 카메라 모듈의 외부의 전원 또는 기타 다른 장치(예를 들어, 애플리케이션 프로세서)와 전기적으로 연결하기 위한 커넥터(미도시)가 연결될 수 있다. 기판(320)은 RFPCB(Rigid Flexible Printed Circuit Board)로 구성될 수 있고, 카메라 모듈이 장착되는 공간이 요구하는 바에 따라 벤딩(bending)될 수 있으나, 실시 예는 이에 한정되지 않는다.

한편, 센서부(300)의 기판(320) 상에 배치되는 이미지 합성 소자(도시하지 않음)는 센서(330)의 출력 신호를 수신하고, 이를 이미지 처리(예를 들어, 보간, 프레임 합성 등)를 수행하는 이미지 프로세서일 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 렌즈부의 내부 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이다.

도 4를 참조하면, 렌즈부(100)는 물체 측(object side)으로부터 이미지 측(image side)을 향해 순서대로, 조리개(110), 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)를 포함한다.

피사체 영상을 획득하기 위하여, 피사체의 영상 정보에 대응하는 광은 상기 조리개(110), 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)를 통과하여 상기 센서부(300)에 입사된다.

조리개(110)는 광학계의 맨 앞단에 배치될 수 있고, 조리개 구동부(미도시)의 구동신호에 의해 개폐되어 개구부의 크기를 조절할 수 있다.

제1 렌즈(120)는 8um 내지 12um 파장에서의 빛의 결상을 위해 양(+)의 굴절능을 가진다.

제1 렌즈(120)는 실리콘으로 형성될 수 있다.

제1 렌즈(120)의 물체 측(object side)의 면(S1)은 볼록하고, 제1 렌즈(120)의 이미지 측(image side)의 면(S2)은 플랫할 수 있다.

바람직하게, 제1 렌즈(120)의 물체 측(object side)의 면(S1)은 프레넬 형상을 가진 광학 배율면일 수 있고, 제1 렌즈(120)의 이미지 측(image side)의 면(S2)의 곡률은 무한대일 수 있다. 즉, 제1 렌즈(120)는 복수의 면(S1, S2)을 포함하며, 이 복수의 면(S1, S2) 중 물체 측(object side)의 면(S1)만을 광학 배율면으로 사용한다. 이에 따라, 제1 렌즈(120)의 이미지 측(image side)의 면은 광축에 대하여 수직한 플랫한 면일 수 있다.

제2 렌즈(130)는 8um 내지 12um 파장에서의 빛의 결상을 위해 양(+)의 굴절능을 가진다.

제2 렌즈(130)는 실리콘으로 형성될 수 있다.

제2 렌즈(130)의 물체 측(object side)의 면(S3)은 볼록하고, 제2 렌즈(130)의 이미지 측(image side)의 면(S4)은 플랫할 수 있다.

바람직하게, 제2 렌즈(130)의 물체 측(object side)의 면(S3)은 프레넬 형상을 가진 광학 배율면일 수 있고, 제2 렌즈(130)의 이미지 측(image side)의 면(S4)의 곡률은 무한대일 수 있다. 즉, 제2 렌즈(130)는 복수의 면(S3, S4)을 포함하며, 이 복수의 면(S3, S4) 중 물체 측(object side)의 면(S3)만을 광학 배율면으로 사용한다. 이에 따라, 제2 렌즈(130)의 이미지 측(image side)의 면(S4)은 광축에 대하여 수직한 플랫한 면일 수 있다.

이때, 제1 렌즈(120)의 굴절능은 상기 제2 렌즈(130)의 굴절능보다 작을 수 있다.

또한, 제1 렌즈(120)의 초점거리는 상기 제2 렌즈(130)의 초점거리보다 클 수 있다. 바람직하게, 제1 렌즈(120)의 초점거리는 제2 렌즈(130)의 초점거리 대비 적어도 3배 이상 클 수 있다.

즉, 제1 렌즈(120)와 제2 렌즈(130)의 초점거리의 관계는 식1과 같다.

[식1]

f1 ≥ (3*f2), 여기에서 f1은 제1 렌즈(120)의 초점거리이고, f2는 제2 렌즈(130)의 초점거리이다.

이때, 제1 렌즈(120)의 초점 거리(f1)가 제2 렌즈(130)의 초점 거리(f2)의 3배보다 작은 경우, 광학적 성능을 만족할 수 있는 렌즈를 설계하기 어려우며, 이를 위해서 렌즈 매수를 추가해야 한다. 그리고, 렌즈 매수가 추가되는 경우, 이로 인한 투과율이 감소하고, 제작 비용이 상승하는 문제가 있다.

따라서, 실시 예에서의 제1 렌즈(120)의 초점 거리(f1)가 제2 렌즈(130)의 초점 거리(f2)의 3배 이상이 되도록 한다.

한편, 실시 예에서의 광학계의 TTL은 22 내지 33mm 범위를 가질 수 있다. 여기에서, TTL은 광학계의 총 길이를 의미할 수 있다. 바람직하게, TTL은 제1 렌즈(120)의 물체 측(object side)의 면으로부터 센서부(300)의 이미지면(예를 들어, 이미지 결상면)까지의 길이를 의미할 수 있다.

이때, 실시 예에서의 센서부(300)를 구성하는 센서(330)의 해상도는 QVGA급 이상일 수 있다. 다시 말해서, 실시 예에서의 광학계는 QVGA급 이상의 해상도를 가진 센서(330)에 대해서도 높은 광학적 성능(MTF)을 가질 수 있다.

이에 따라, 센서(330)의 대각선 길이는 2mm 내지 10mm 범위를 가질 수 있다. 즉, 센서부(300)의 대각선 길이는 2.4mm, 3.6mm, 4.8mm, 6.8mm 및 10mm 중 어느 하나일 수 있다.

그리고, 실시 예에서의 광학계의 TTL과 상기 센서(330)의 대각선 길이(Ds)는 다음의 식2와 같은 관계를 가질 수 있다.

[식2]

0.070 ≤ Ds/TTL ≤ 0.500

또한, 실시 예에서의 렌즈부(100)를 포함하는 광학계의 화각(FOV: Field of View)는 20° 내지 30°일 수 있으며, F-Number는 1.0 내지 1.2 사이의 범위를 가질 수 있다.

여기에서, F-Number는 렌즈나 반사경의 구경비의 역수를 의미하며, 이는 광학계의 밝기를 나타내는 기준으로 사용된다.

이때, F-Number는 다음의 식3과 같을 수 있다.

[식3]

여기에서, F는 F-Number이고, f는 광학계의 초점 거리이며, D는 입사 눈동자의 지름이다. 그리고, 상기 F-Number는 작을수록 밝고, 이미지 측(image side)에서의 조도는 F의 제곱에 반비례한다. 또한, F-Number는 초점의 심도와 관계될 수 있고, F-Number가 클수록 초점의 심도도 클 수 있다.

이때, 실시 예에서의 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)는 실리콘 재질로 형성된다. 상기 실리콘을 이용하여 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)를 각각 제조하는 경우, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 두께가 증가할수록 흡수율이 증가하게 된다.

이에 따라, 실시 예에서의 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 각각의 두께는 0.1mm 내지 0.6mm 범위를 가지도록 한다. 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 두께가 0.6mm보다 큰 경우, 광 흡수율이 증가하며, 이로 인해 광학성 성능(MTF)이 감소하여 선명한 이미지를 획득할 수 없다.

따라서, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 각각의 두께는 0.1mm 내지 0.6mm 범위를 가지도록 한다.

도 5는 실시 예에 따른 제1 및 제2 렌즈의 사시도이고, 도 6은 도 5의 A-A' 라인을 따른 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 설계 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 물체 측(object side)의 면(S1, S3)은 광학 배율면이고, 이의 반대면(이미지 측의 면, S2, S4)는 플랫면일 수 있다.

또한, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)는 실리콘으로 형성되며, 상기 실리콘 재질의 특성에 따른 흡수율 감소를 방지하기 위하여, 프레넬 형상을 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 물체 측(object side)의 면(S1, S3)은 프레넬 형상을 가진다.

즉, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)는 프레넬 렌즈이다. 프레넬 렌즈는 집광 렌즈의 일종이며, 렌즈의 두께를 줄이기 위하여 몇 개의 일정한 두께를 가진 고리 모양의 렌즈로 구성된 것을 말한다.

도 6에서와 같이, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 물체 측(object side)의 면(S1, S3)에는 프레넬 패턴이 형성될 수 있다. 여기에서, 프레넬 패턴은 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 물체측의 면에 형성되는 그루브(groove)일 수 있다.

여기에서, 상기 프레넬 패턴은 실리콘 웨이퍼의 일면을 에칭하여 형성될 수 있다. 상기 프레넬 패턴은 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 각각의 중심축(CP)을 기준으로 다수의 동심원 형태로 형성될 수 있으며, 이는 돌출부라고도 할 수 있다. 이하에서는, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 물체측 면(S1, S2)에 형성된 프레넬 패턴을 돌출부라 칭하기로 한다.

이때, 도면상에의 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에는 중심축(CP)을 기준으로 돌출부가 5개인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)가 가지는 돌출부의 수는 실시 예에 따라 더 증가할 수 있으며, 이와 반대로 감소할 수도 있을 것이다.

한편, 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)가 포함되는 것으로 기재하였다. 다만 명확하게는, 제1 렌즈(120)는 복수의 돌출부(G1, G2, G3, G4)를 포함하는 제1 프레넬 패턴을 포함할 수 있고, 이와 마찬가지로 제2 렌즈(130)는 복수의 돌출부(G1, G2, G3, G4)를 포함하는 제2 프레넬 패턴을 포함할 수 있다.

즉, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 복수의 돌출부의 높이(Dv)는 모두 동일할 수 있다. 또한, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서, 상기 복수의 돌출부가 가지는 폭은 서로 다를 수 있다. 다시 말해서, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에는 서로 동일한 높이를 가지면서, 중심축(CP)으로부터 멀어질수록 폭이 감소하는 복수의 돌출부를 포함한 프레넬 패턴이 형성될 수 있다.

즉, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)는 각각 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)를 포함할 수 있다.

그리고, 제1 렌즈(120)는 제1 돌출부(G1)가 가지는 제1 폭(W1), 제2 돌출부(G2)가 가지는 제2 폭(W2), 제3 돌출부(G3)가 가지는 제3 폭(W3) 및 제4 돌출부(G4)가 가지는 제4 폭(Wn)은 각각 다를 수 있다.

이때, 제1 렌즈(120)에서의 각각의 돌출부가 가지는 상기 제1 내지 제4 폭(W1, W2, W3, Wn)은 다음의 식4와 같은 관계를 가질 수 있다.

[식4]

W1 > W2 > W3 > Wn

즉, 제1 렌즈(120)의 제1 돌출부(G1)는 중심축(CP)을 둘러싸며 배치되고, 제1 렌즈(120)의 제2 돌출부(G2)는 제1 렌즈(120)의 제1 돌출부(G1)의 주위를 둘러싸며 배치되며, 제1 렌즈(120)의 제3 돌출부(G3)는 제1 렌즈(120)의 제2 돌출부(G2)의 주위를 둘러싸며 배치되고, 제1 렌즈(120)의 제4 돌출부(G4)는 제1 렌즈(120)의 제3 돌출부(G3)의 주위를 둘러싸며 배치될 수 있다. 이때, 제1 렌즈(120)에서의 상기 각각의 돌출부가 가지는 폭은 중심축(CP)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.

즉, 중심축(CP)에서 가장 인접하게 배치된 제1 렌즈(120)의 제1 돌출부(G1)의 폭이 가장 크다. 그리고, 상기 제1 렌즈(120)에서의 각각의 돌출부는 상기 중심축(CP)에서 멀어질수록 폭이 점차 감소하여, 상기 중심축(CP)에서 가장 멀게 배치된 제1 렌즈(120)의 제4 돌출부(G4)의 폭이 가장 작을 수 있다.

또한, 상기 제1 렌즈(120)에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)가 가지는 각각의 높이(Dv)는 모두 동일할 수 있다.

이와 마찬가지로, 제2 렌즈(130)는 제1 돌출부(G1)가 가지는 제1 폭(W1), 제2 돌출부(G2)가 가지는 제2 폭(W2), 제3 돌출부(G3)가 가지는 제3 폭(W3) 및 제4 돌출부(G4)가 가지는 제4 폭(Wn)은 각각 다를 수 있다.

이때, 제2 렌즈(130)에서의 각각의 돌출부가 가지는 상기 제1 내지 제4 폭(W1, W2, W3, Wn)은 다음의 식5와 같은 관계를 가질 수 있다.

[식5]

W1 > W2 > W3 > Wn

즉, 제2 렌즈(130)의 제1 돌출부(G1)는 중심축(CP)을 둘러싸며 배치되고, 제2 렌즈(130)의 제2 돌출부(G2)는 제2 렌즈(130)의 제1 돌출부(G1)의 주위를 둘러싸며 배치되며, 제2 렌즈(130)의 제3 돌출부(G3)는 제2 렌즈(130)의 제2 돌출부(G2)의 주위를 둘러싸며 배치되고, 제2 렌즈(130)의 제4 돌출부(G4)는 제2 렌즈(130)의 제3 돌출부(G3)의 주위를 둘러싸며 배치될 수 있다. 이때, 제2 렌즈(130)에서의 상기 각각의 돌출부가 가지는 폭은 중심축(CP)으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 즉, 중심축(CP)에서 가장 인접하게 배치된 제2 렌즈(130)의 제1 돌출부(G1)의 폭이 가장 크다. 그리고, 상기 제2 렌즈(130)에서의 각각의 돌출부는 상기 중심축(CP)에서 멀어질수록 폭이 점차 감소하여, 상기 중심축(CP)에서 가장 멀게 배치된 제2 렌즈(130)의 제4 돌출부(G4)의 폭이 가장 작을 수 있다.

또한, 제2 렌즈(130)에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)가 가지는 각각의 높이(Dv)는 모두 동일할 수 있다.

한편, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)의 높이(Dv)는 0.02mm 내지 0.1mm 범위를 가질 수 있다.

이때, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)의 높이(Dv)와, 렌즈 중심에서의 두께(Dt)는 다음의 식6과 같은 관계를 가질 수 있다.

[식6]

0.017 ≤Dv/Dt ≤ 0.500

또한, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)는 일정 구배(draft angle, θ)를 가진다. 즉, 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각은 이웃하는 돌출부와의 경계부 상에 배치되는 경계면(GS)을 포함한다. 그리고, 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 상기 경계면(GS)이 중심축(CP)에 대하여 이루는 각을 구배(draft angle, θ)라 정의할 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(draft angle, θ)는 상기 광학계가 가지는 화각에 의해 결정될 수 있다.

바람직하게, 제1 렌즈(120)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 ±0° 내지 FOV/2를 가진다.

또한, 제2 렌즈(130)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 ±0° 내지 FOV를 가진다.

이때, 실시 예에서의 상기 FOV는 20° 내지 30°이다.

이에 따라, 제1 렌즈(120)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 다음의 식 7을 만족할 수 있다.

[식7]

0°≤ θ ≤ 15°

또한, 제2 렌즈(130)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 다음의 식 8을 만족할 수 있다.

[식8]

0°≤ θ ≤ 30°

한편, 도 6에서의 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 중심축(CP)과 평행한 0°로 도시되었다.

또한, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 모서리 부분은 일정 곡률 반경(R)을 가진다.

도 7은 실시 예에 따른 돌출부의 모서리 부분을 확대한 도면이다.

도 7을 참조하면, 상기 모서리 부분은 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각을 기준으로 최상단에 위치한 제1 부분(R1) 및 최하단에 위치한 제2 부분(R2)을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 제1 부분(R1)은 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 모서리 부분을 의미할 수 있다. 그리고, 상기 제2 부분(R2)은 이웃하는 돌출부와 연결되는 모서리 부분을 의미할 수 있다.

그리고, 상기 제1 부분(R1) 및 상기 제2 부분(R2) 각각의 곡률 반경(R)은 0.1um 내지 10um 범위를 가질 수 있다.

한편, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 상기 물체 측(object side)의 면(S1, S3)의 제곱평균제곱근 표면 거칠기 값(Rq: roughness RMS 값)은 TIS(Total Integrated Scatter)가 5% 이하가 되도록 150nm 이하일 수 있다.

이와 같은 실시 예에 따른 광학계의 특성을 정리하면 다음과 같다.

실시 예에서의 렌즈부는 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)를 포함한다.

그리고, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각은 8um 내지 12um 파장에서의 빛의 결상을 위해 양(+)의 굴절능을 가진다.

이때, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)는 실리콘으로 형성되며, QVGA(Quarter Video Graphic Array)급 이상의 해상도를 가진 센서로 광을 전달할 수 있다.

그리고, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각의 물체측의 면은 프레넬 형상을 가진 프레넬 패턴이 형성되고, 이미지측의 면은 플랫할 수 있다.

또한, 제1 렌즈(120)의 굴절능은 상기 제2 렌즈(130)의 굴절능보다 작을 수 있다.

또한, 제1 렌즈(120)의 초점거리는 상기 제2 렌즈(130)의 초점거리보다 클 수 있다. 바람직하게, 제1 렌즈(120)의 초점거리는 제2 렌즈(130)의 초점거리 대비 적어도 3배 이상 클 수 있다.

한편, 실시 예에서의 광학계의 TTL은 22 내지 33mm 범위를 가질 수 있다. 여기에서, TTL은 광학계의 총 길이를 의미할 수 있다. 바람직하게, TTL은 제1 렌즈(120)의 물체 측(object side)의 면으로부터 센서(330)의 이미지면(예를 들어, 이미지 결상면)까지의 길이를 의미할 수 있다.

이때, 실시 예에서의 센서부(300)를 구성하는 센서(330)의 해상도는 QVGA급 이상일 수 있다. 다시 말해서, 실시 예에서의 광학계는 QVGA급 이상의 해상도를 가진 센서(330)에 대해서도 높은 광학적 성능(MTF)을 가질 수 있다.

이에 따라, 센서(330)의 대각선 길이는 2mm 내지 10mm 범위를 가질 수 있다. 즉, 센서부(300)의 대각선 길이는 2.4mm, 3.6mm, 4.8mm, 6.8mm 및 10mm 중 어느 하나일 수 있다.

그리고, 실시 예에서의 광학계의 TTL과 상기 센서(330)의 대각선 길이(Ds)는 0.070 ≤ Ds/TTL ≤ 0.500를 만족할 수 있다.

또한, 실시 예에서의 렌즈부(100)를 포함하는 광학계의 화각(FOV: Field of View)는 20° 내지 30°일 수 있으며, F-Number는 1.0 내지 1.2 사이의 범위를 가질 수 있다.

실시 예에서의 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 각각의 두께는 0.1mm 내지 0.6mm 범위를 가질 수 있다.

한편, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 물체측의 면에는 복수의 돌출부를 포함한 프레넬 패턴이 형성된다. 즉, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 물체측의 면에는 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)가 형성될 수 있다.

그리고, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 제1 돌출부(G1)가 가지는 제1 폭(W1), 제2 돌출부(G2)가 가지는 제2 폭(W2), 제3 돌출부(G3)가 가지는 제3 폭(W3) 및 제4 돌출부(G4)가 가지는 제4 폭(Wn)은 각각 다를 수 있다.

즉, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 복수의 돌출부는 중심축(CP)으로부터 멀어질수록 폭이 점차 감소할 수 있다.

또한, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)가 가지는 각각의 높이(Dv)는 모두 동일할 수 있다.

상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)의 높이(Dv)는 0.02mm 내지 0.1mm 범위를 가질 수 있다.

이때, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130) 각각에서의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4)의 높이(Dv)와, 렌즈 중심에서의 두께(Dt)는 0.017 ≤Dv/Dt ≤ 0.500를 만족할 수 있다.

또한, 제1 렌즈(120)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 ±0° 내지 FOV/2를 가진다. 즉, 제1 렌즈(120)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 0°≤ θ ≤ 15°를 만족할 수 있다.

또한, 제2 렌즈(130)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 ±0° 내지 FOV를 가진다. 제2 렌즈(130)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 구배(θ)는 0°≤ θ ≤ 30°를 만족할 수 있다.

또한, 상기 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 상기 제1 내지 제4 돌출부(G1, G2, G3, G4) 각각의 모서리 부분은 곡률 반경(R)은 0.1um 내지 10um 범위를 가질 수 있다.

한편, 제1 렌즈(120) 및 제2 렌즈(130)의 상기 물체 측(object side)의 면(S1, S3)의 제곱평균제곱근 표면 거칠기 값(Rq: roughness RMS 값)은 TIS(Total Integrated Scatter)가 5% 이하가 되도록 150nm 이하일 수 있다.

이와 같은 실시 예에 의하면, 센서의 픽셀 사이즈가 17um 이상이거나, QVGA(Quarter Video Graphic Array) 해상도뿐 아니라, 이 이상의 고해상도에서도 적용 가능한 실리콘 렌즈를 제공할 수 있으며, 이에 따라 비교 예에서의 열화상 카메라용 렌즈 대비 가격을 절감할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면 실리콘을 이용하여 렌즈를 제작함에 따라 파장대별 굴절률 차이를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 색수차를 제거하여 광학적 성능(MTF)이 우수한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면 열화상 카메라에 적용 가능한 프레넬 형상의 실리콘 렌즈를 설계 및 제작함에 따라, 센서의 사이즈가 커짐에 따라 발생하는 렌즈의 직경 또는 두께의 증가를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 광 투과율 저하를 해결하여 광학적 성능(MTF)이 우수한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면, 2매의 렌즈만을 사용하여 열화상 카메라용 렌즈를 제공하며, 이때 상기 2매의 렌즈의 4개의 면 중 2개의 면만을 이용하여 적외선 파장 대역의 결상이 가능하도록 함으로써, 렌즈의 제작 용이성을 확보할 수 있으며, 이에 따른 제조 비용을 절감할 수 있다.

이하에서는 카메라 모듈의 화각에 따른 광학계의 설계 수치 예에 대해 설명하기로 한다.

[실시 예 1]

하기의 표 4 및 표 5는 제1 실시 예에 의한 수치 예를 나타내고 있다.

실시 예 1에서의 F 넘버는 1.0이고, 렌즈부의 화각은 24.6°이며, 이에 따른 왜곡수차(distortion)은 10%이다.

상기 표4 및 표5에서 #는 면 번호를 의미한다. 즉, 0은 오브젝트 면을 의미하고, 1은 조리개 면을 의미하며, 2는 제1 렌즈(120)의 물체측 면을 의미하고, 3은 제1 렌즈(120)의 이미지측의 면을 의미하며, 4는 제2 렌즈(130)의 물체측 면을 의미하고, 5는 제2 렌즈(130)의 이미지측의 면을 의미하며, 6은 센서부(300)의 센서(330) 앞단에 배치되는 커버 윈도우 일면을 의미하고, 7은 커버 윈도위의 타면을 의미하고, 8은 센서(330)의 이미지 결상면을 의미한다.

이때, 상기 0 내지 8번의 면 중 2번 면 및 4번 면만이 비구면이고, 나머지 다른 면들은 플랫한 면일 수 있다.

즉, 상기 2번 면은 제1 렌즈(120)의 프레넬 패턴이 형성된 물체측의 면이고, 상기 4번 면은 제2 렌즈(130)의 프레넬 패턴이 형성된 물체측의 면이다.

표 4는 각각의 면의 곡률(corvature) 및 두께(thickness) 및 재질(glass), 반경(semi-diameter)의 수치를 보여준다.

또한, 표 5는 상기 0 내지 8번의 면 중 비구면인 2번 및 4번 면의 비구면 계수의 값을 나타낸다.

이때, 비구면 계수의 값은 아래의 식 9와 같은 비구면 수식의 상수 값일 수 있다

[식 9]

식 9에서 k는 conic 값이다.

도 8a 및 도 8b는 제1 실시 예에 따른 광학계의 특성을 나타낸 그래프이다.

도 8a는 위에서부터 순서대로 표 4에 의해 나타나는 광 결상 경로와 이에 따른 광학적 성능(MTF)을 나타낸 그래프이다.

도 8b는 위에서부터 순서대로 표 4에 의한 렌즈의 수차도를 도시한 그래프이며, 위에서부터 순서대로 구면 수차(field curvature)와 왜곡수차(distortion), 종구면 수차(longitudinal aberration)를 나타내는 그래프이다. 여기에서, 파랑색의 그래프는 10um 파장에 대한 특성이고, 녹색의 그래프는 12um 파장에 대한 특성이며, 붉은 색의 그래프는 8um 파장에 대한 그래프이다. 여기에서, Y축은 이미지의 크기를 의미하고, X축은 초점거리(mm 단위) 및 왜곡도(% 단위)를 의미하며, 곡선들이 Y축에 접근될수록 수차 보정기능이 향상될 수 있다.

[실시 예 2]

하기의 표 6 및 표 7은 제2 실시 예에 의한 수치 예를 나타내고 있다.

실시 예 2에서의 F 넘버는 1.1이고, 렌즈부의 화각은 26.2°이며, 이에 따른 왜곡수차(distortion)은 8%이다.

상기 표6에서 #는 면 번호를 의미하며, 구체적으로 0은 오브젝트 면을 의미하고, 1은 조리개 면을 의미하며, 2는 제1 렌즈(120)의 물체측 면을 의미하고, 3은 제1 렌즈(120)의 이미지측의 면을 의미하며, 4는 제2 렌즈(130)의 물체측 면을 의미하고, 5는 제2 렌즈(130)의 이미지측의 면을 의미하며, 6은 센서부(300)의 센서(330) 앞단에 배치되는 커버 윈도우 일면을 의미하고, 7은 커버 윈도위의 타면을 의미하고, 8은 센서(330)의 이미지 결상면을 의미한다.

이때, 상기 0 내지 8번의 면 중 2번 면 및 4번 면만이 비구면이고, 나머지 다른 면들은 플랫한 면일 수 있다. 즉, 상기 2번 면은 제1 렌즈(120)의 프레넬 패턴이 형성된 물체측의 면이고, 상기 4번 면은 제2 렌즈(130)의 프레넬 패턴이 형성된 물체측의 면이다.

표 6는 각각의 면의 곡률(corvature) 및 두께(thickness) 및 재질(glass), 반경(semi-diameter)의 수치를 보여준다. 또한, 표 7은 상기 0 내지 8번의 면 중 비구면인 2번 및 4번 면의 비구면 계수의 값을 나타낸다.

도 9a 및 도 9b는 제2 실시 예에 따른 광학계의 특성을 나타낸 그래프이다.

도 9a는 위에서부터 순서대로 표 6 및 표 7에 의해 나타나는 광 결상 경로와 이에 따른 광학적 성능(MTF)을 나타낸 그래프이다.

도 9b는 위에서부터 순서대로 표 6 및 표 7에 의한 렌즈의 수차도를 도시한 그래프이며, 위에서부터 순서대로 구면 수차(field curvature)와 왜곡수차(distortion), 종구면 수차(longitudinal aberration)를 나타내는 그래프이다. 여기에서, 파랑색의 그래프는 10um 파장에 대한 특성이고, 녹색의 그래프는 12um 파장에 대한 특성이며, 붉은 색의 그래프는 8um 파장에 대한 그래프이다. 여기에서, Y축은 이미지의 크기를 의미하고, X축은 초점거리(mm 단위) 및 왜곡도(% 단위)를 의미하며, 곡선들이 Y축에 접근될수록 수차 보정기능이 향상될 수 있다.

[실시 예 3]

하기의 표 8 및 표 9는 제3 실시 예에 의한 수치 예를 나타내고 있다.

실시 예 3에서의 F 넘버는 1.2이고, 렌즈부의 화각은 25.6°이며, 이에 따른 왜곡수차(distortion)은 9%이다.

상기 표8에서 #는 면 번호를 의미하며, 구체적으로 0은 오브젝트 면을 의미하고, 1은 조리개 면을 의미하며, 2는 제1 렌즈(120)의 물체측 면을 의미하고, 3은 제1 렌즈(120)의 이미지측의 면을 의미하며, 4는 제2 렌즈(130)의 물체측 면을 의미하고, 5는 제2 렌즈(130)의 이미지측의 면을 의미하며, 6은 센서부(300)의 센서(330) 앞단에 배치되는 커버 윈도우 일면을 의미하고, 7은 커버 윈도위의 타면을 의미하고, 8은 센서(330)의 이미지 결상면을 의미한다.

이때, 상기 0 내지 8번의 면 중 2번 면 및 4번 면만이 비구면이고, 나머지 다른 면들은 플랫한 면일 수 있다. 즉, 상기 2번 면은 제1 렌즈(120)의 프레넬 패턴이 형성된 물체측의 면이고, 상기 4번 면은 제2 렌즈(130)의 프레넬 패턴이 형성된 물체측의 면이다.

표 8은 각각의 면의 곡률(corvature) 및 두께(thickness) 및 재질(glass), 반경(semi-diameter)의 수치를 보여준다. 또한, 표 9는 상기 0 내지 8번의 면 중 비구면인 2번 및 4번 면의 비구면 계수의 값을 나타낸다.

도 10a 및 도 10b는 제3 실시 예에 따른 광학계의 특성을 나타낸 그래프이다.

도 10a는 위에서부터 순서대로 표 8 및 표 9에 의해 나타나는 광 결상 경로와 이에 따른 광학적 성능(MTF)을 나타낸 그래프이다.

도 10b는 위에서부터 순서대로 표 8 및 표 9에 의한 렌즈의 수차도를 도시한 그래프이며, 위에서부터 순서대로 구면 수차(field curvature)와 왜곡수차(distortion), 종구면 수차(longitudinal aberration)를 나타내는 그래프이다. 여기에서, 파랑색의 그래프는 10um 파장에 대한 특성이고, 녹색의 그래프는 12um 파장에 대한 특성이며, 붉은 색의 그래프는 8um 파장에 대한 그래프이다. 여기에서, Y축은 이미지의 크기를 의미하고, X축은 초점거리(mm 단위) 및 왜곡도(% 단위)를 의미하며, 곡선들이 Y축에 접근될수록 수차 보정기능이 향상될 수 있다.

실시 예에 의하면, 센서의 픽셀 사이즈가 17um 이상이거나, QVGA(Quarter Video Graphic Array) 해상도뿐 아니라, 이 이상의 고해상도에서도 적용 가능한 실리콘 렌즈를 제공할 수 있으며, 이에 따라 비교 예에서의 열화상 카메라용 렌즈 대비 가격을 절감할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면 실리콘을 이용하여 렌즈를 제작함에 따라 파장대별 굴절률 차이를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 색수차를 제거하여 광학적 성능(MTF)이 우수한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면 열화상 카메라에 적용 가능한 프레넬 형상의 실리콘 렌즈를 설계 및 제작함에 따라, 센서의 사이즈가 커짐에 따라 발생하는 렌즈의 직경 또는 두께의 증가를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 광 투과율 저하를 해결하여 광학적 성능(MTF)이 우수한 렌즈 모듈 및 이를 포함하는 카메라 장치를 제공할 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면, 2매의 렌즈만을 사용하여 열화상 카메라용 렌즈를 제공하며, 이때 상기 2매의 렌즈의 4개의 면 중 2개의 면만을 이용하여 적외선 파장 대역의 결상이 가능하도록 함으로써, 렌즈의 제작 용이성을 확보할 수 있으며, 이에 따른 제조 비용을 절감할 수 있다.

Claims (20)

1. 물체측으로부터 이미지측으로 순서대로 배치되고, 굴절력을 가지는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하고,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 양의 굴절력을 가지며,
   상기 제1 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고,
   상기 제1 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며,
   상기 제2 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고,
   상기 제2 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며,
   상기 제1 렌즈의 초점거리는 상기 제2 렌즈의 초점 거리의 3배 이상인
   렌즈 모듈.
2. 물체측으로부터 이미지측으로 순서대로 배치되고, 굴절력을 가지는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하고,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는,
   8um 내지 12um 파장에서의 빛을 QVGA(Quarter Video Graphic Array)급 이상의 해상도를 가진 센서로 전달하며,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 실리콘을 포함하는
   렌즈 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는,
   실리콘을 포함하는
   렌즈 모듈.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 양의 굴절력을 가지며,
   상기 제1 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고,
   상기 제1 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며,
   상기 제2 렌즈의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고,
   상기 제2 렌즈의 이미지측의 면은 플랫하며,
   상기 제1 렌즈의 초점거리는 상기 제2 렌즈의 초점 거리의 3배 이상인
   렌즈 모듈.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈 각각의 두께는 0.1 mm 내지 0.6mm 범위를 가지는
   렌즈 모듈.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   0.020 ≤ Dt/Ds ≤ 500이고,
   상기 Dt는 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 각각의 중심 두께이고,
   상기 Ds는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 통과한 빛이 결상되는 센서의 대각선 길이인
   렌즈 모듈.
7. 제6항에 있어서,
   상기 센서의 대각선 길이는 2mm 내지 10mm 범위를 가지는
   렌즈 모듈.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈를 포함하는 광학계의 화각은 20° 내지 30°인
   렌즈 모듈.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈를 포함하는 광학계의 F넘버는 1.0 내지 1.2인
   렌즈 모듈.
10. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 복수의 돌출부를 포함하는 제1 프레넬 패턴을 포함하고,
    상기 제2 렌즈는 복수의 돌출부를 포함하는 제2 프레넬 패턴을 포함하며,
    상기 제1 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부의 높이는 서로 동일하고,
    상기 제2 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부의 높이는 서로 동일한
    렌즈 모듈.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 각각의 폭은 서로 다르고,
    상기 제1 프레넬 패턴의 복수의 돌출부는 상기 제1 렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 점차 폭이 감소하는
    렌즈 모듈.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 각각의 폭은 서로 다르고,
    상기 제2 프레넬 패턴의 복수의 돌출부는 상기 제2 렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 점차 폭이 감소하는
    렌즈 모듈.
13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 및 상기 제2 프레넬 패턴을 구성하는 복수의 돌출부 각각의 높이는 0.02 내지 0.1mm 범위를 가지는
    렌즈 모듈.
14. 제10항에 있어서,
    0.017 ≤ Dv/Dt ≤ 500이고,
    상기 Dv는 상기 제1 프레넬 패턴 및 제2 프레넬 패턴 각각의 돌출부의 높이이고, Dt는 제1 렌즈 및 제2 렌즈 각각의 중심 두께인
    렌즈 모듈.
15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 프레넬 패턴의 복수의 돌출부의 제1 구배는 ±0° 내지 FOV/2°범위를 가지고,
    상기 제2 프레넬 패턴의 복수의 돌출부의 제2 구배는 ±0° 내지 FOV°범위를 가지는
    렌즈 모듈.
16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 구배는 0° 내지 15°범위를 가지고,
    상기 제2 구배는 0° 내지 30° 범위를 가지는
    렌즈 모듈.
17. 제10항에 있어서,
    상기 제1 프레넬 패턴의 복수의 돌출부의 모서리 부분 및 상기 제2 프레넬 패턴의 복수의 돌출부으 모서리 부분의 곡률 반경은 0.1um 내지 10um 범위를 가지는
    렌즈 모듈.
18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 상기 물체측의 면의 제곱평균제곱근 표면 거칠기 및 상기 제2 렌즈의 상기 물체측의 면의 제곱평균제곱근 표면 거칠기는 각각 150nm 이하인
    렌즈 모듈.
19. 렌즈 홀더;
    상기 렌즈 홀더의 일측에 결합되는 렌즈부; 및
    상기 렌즈 홀더의 타측에 결합되는 센서부;를 포함하며,
    상기 렌즈부는,
    물체측으로부터 이미지측으로 순서대로 배치되고, 굴절력을 가지는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 양의 굴절력을 가지며,
    상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 각각의 물체측의 면은 상기 물체측 방향으로 돌출된 프레넬 패턴이 배치되고,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈의 각각의 이미지측의 면은 플랫하며,
    상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈는,
    8um 내지 12um 파장에서의 빛을 통과시키고,
    상기 센서부는,
    QVGA(Quarter Video Graphic Array)급 이상의 해상도를 가진 센서를 포함하며,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는 실리콘을 포함하는
    카메라 장치.
20. 제19항에 있어서,
    상기 센서는,
    마이크로볼로미터를 포함하는
    카메라 장치.

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