KR20220018235A - 고화소 광각 모바일 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 모바일 광학계를 제공한다. 본 발명에 따른 모바일 광학계는, 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열되고, 조건식 0.7 < BFL/EPD < 1.2 (BFL: 제6 렌즈(L6)의 제2 면(상측 면)에서 센서면 까지의 광축상 거리(mm), EPD: 입사동(유효개구)의 직경(Entrance Pupil Diameter)(mm))을 만족할 수 있다.
본 발명에 따르면, 120도 정도의 광각을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 20 메가 이상의 고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현하는 소형 모바일 광학계를 제공할 수 있다.

Description

고화소 광각 모바일 광학계{WIDE ANGLE MOBILE OPTICAL SYSTEM FOR HIGH DENSITY PIXEL}

본 발명은 스마트폰 등의 모바일 기기에 탑재되는 고화소 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 고화소 이미지센서에 적합한 높은 해상력과 광각을 구현할 수 있는 모바일 광학계에 관한 것이다.

최근 휴대용 스마트기기 뿐만 아니라 자동차, 드론(drone) 등의 운행기기에도 카메라가 기본 사양으로 장착됨에 따라 소형 모바일 광학계의 수요가 급증하고 있고 기술적 요구사항도 갈수록 다양화되고 있다.

광학계의 기술적 요구사항은 일반적으로 해상도, 크기, 화각 등으로 구분될 수 있으며, 종래에는 고해상도, 소형화에 대한 요구가 큰 비중을 차지하였으나 최근에는 광각에 대한 요구도 점차 커지고 있다.

그런데 광학계는 화각이 클수록 수차 보정이 어려워서 고해상도를 구현하기 어렵고, 광각을 구현하려면 적절한 수차 보정을 위하여 렌즈 매수를 늘려야 하고 렌즈 매수가 늘어나면 소형화가 어렵기 때문에 모든 기술적 요구사항을 완벽하게 충족하는 광학계를 설계하는 것은 매우 어려운 것이 현실이다.

특히 최근 들어 스마트 기기에 20메가 이상의 고화소 이미지센서를 장착하는 경우가 늘어남에 따라 렌즈 매수를 최소화하여 전장을 줄이면서도 고화소 이미지센서에 대응하여 고해상도와 광각을 구현할 수 있는 최적의 광학계를 개발할 필요가 있다.

대한민국 등록특허 제10-2020032호(2019.09.10 공고)

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 광각을 확보하면서도 고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현할 수 있고 광학 전장을 최소화할 수 있는 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈; 정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열되고, 조건식 0.7 < BFL/EPD < 1.2 (BFL: 제6 렌즈(L6)의 제2 면(상측 면)에서 센서면 까지의 광축상 거리(mm), EPD: 입사동(유효개구)의 직경(Entrance Pupil Diameter) (mm))을 만족하는 광학계를 제공한다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 0.4 < (S21/S22) / (S11/S12) < 0.8 (S11: 제1 렌즈의 제1 면의 SAG값(mm), S12: 제1 렌즈의 제2 면의 SAG값, S21: 제2 렌즈의 제1 면의 SAG값. S22: 제2 렌즈의 제2 면의 SAG값)을 만족하는 광학계를 제공한다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 |V4-V1| < 5.0 (V4: 제4 렌즈의 아베 수, V1: 제1 렌즈의 아베 수)를 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 15 < ET56 / CT56 < 35 (ET56: 제5 렌즈의 제2 면의 유효경 끝단과 제6 렌즈의 제1 면의 유효경 끝단 간의 광축 방향의 직선거리(mm), CT56: 제5 렌즈와 제6 렌즈 사이의 광축상 거리(mm))을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈의 사이에 조리개가 배치되고, 조건식 0.5 < Td_BS / f < 0.8 (Td_BS: 제1 렌즈의 제1 면에서 조리개까지의 광축상 거리(mm). f: 광학계 전체의 초점 거리(mm))을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 3.4 < FOV / AOI < 4.2 (FOV: 화각(°), AOI: 최외곽 필드에서 주광선의 센서 입사각(CRA) (°))을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 1.0 < |f4 / f| < 3.0 및 1.0 < f / f5 < 3.0 (f: 광학계 전체의 초점거리(mm), f4: 제4 렌즈(L4)의 초점거리(mm), f5: 제5 렌즈(L5)의 초점거리(mm))을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 0.6 < TTL / 2Y < 1.2 (TTL: 광학계의 전장(mm), 2Y: 이미지센서의 대각 길이(mm))을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 1 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목한 면을 포함하고, 상기 제2 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며, 상기 제3 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며, 상기 제4 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며, 상기 제5 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며, 상기 제6 렌즈의 물체측면은 근축 영역에서 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목하며, 상기 제6 렌즈의 물체측면 또는 상측면에는 적어도 하나의 변곡점이 형성될 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 각각 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 120도 정도의 광각을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 20 메가 이상의 고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현하는 소형 모바일 광학계를 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 4는 SAG 및 ET56을 나타낸 참고도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 광학계는 도 1a, 도 2a, 및 도 3a에 나타낸 바와 같이, 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈(L1) 내지 제6 렌즈(L6)를 포함한다.

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈(L1)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 물체측으로 볼록하고, 상측면은 물체측으로 오목한 면을 포함할 수 있다.

제2 렌즈(L2)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록한 렌즈일 수 있다.

제3 렌즈(L3)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록한 렌즈일 있다.

제4 렌즈(L4)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록한 렌즈일 수 있다.

제5 렌즈(L5)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면은 상측으로 오목하고, 상측면은 상측으로 볼록한 렌즈일 수 있다.

제6 렌즈(L6)는 부의 굴절력을 가지며, 근축 영역에서 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목할 수 있다. 또한 제6 렌즈(L6)의 물체측면 또는 상측면에는 적어도 하나의 변곡점이 형성될 수 있다.

한편 제1 내지 제6 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6)의 양면은 모두 비구면인 것이 바람직하다. 다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 제1 내지 제6 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6)의 각 렌즈면 중에서 적어도 하나는 구면일 수도 있다.

조리개(STOP)는 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)의 사이에 배치될 수 있다. 또한 제6렌즈(L6)와 이미지센서의 사이에는 렌즈필터(LF) 등이 배치될 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 120도 정도의 광각을 구현하는 한편 20M 이상의 고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현하기 위하여 다음의 조건식 1 내지 9를 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 1>

0.7 < BFL/EPD < 1.2

BFL: 제6 렌즈(L6)의 제2 면(상측 면)에서 센서면 까지의 광축상 거리(mm)

EPD: 입사동(유효개구)의 직경(Entrance Pupil Diameter)(mm)

위 조건식 1에서, BFL/EPD 값이 상한을 초과하면 광각이면서 밝은 렌즈를 구성하기가 어려워지고, 하한보다 작으면 공차에 대한 민감도가 증가하여 높은 수율을 확보하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.

<조건식 2>

0.4 < (S21/S22) / (S11/S12) < 0.8

S11: 제1 렌즈(L1)의 제1 면(물체측 면)의 SAG값.

S12: 제1 렌즈(L1)의 제2 면(상측 면)의 SAG값.

S21: 제2 렌즈(L2)의 제1 면(물체측면)의 SAG값.

S22: 제2 렌즈(L2)의 제2 면(상측 면)의 SAG값.

(SAG 값은, 도 4에 예시한 바와 같이, 해당 렌즈면의 중심 정점과 유효경 끝단 간의 광축 방향의 직선거리(mm)를 의미함)

위 조건식 2에서, (S21/S22)/(S11/S12) 값이 상한을 초과하면 렌즈의 중심두께 공간을 확보하기가 어려워 제작하기 어려워지고, 하한보다 작으면 넓은 시야각을 확보하기가 어려워진다.

<조건식 3>

0.5 < Td_BS / f < 0.8

Td_BS: 제1 렌즈(L1)의 제1 면(물체측 면)에서 조리개까지의 광축상 거리(mm).

f: 광학계 전체의 초점 거리(mm).

위 조건식 3에서, Td_BS/f 값이 상한을 초과하면 광학계 전체의 밸런스가 적절하지 않아 성능확보가 어려워지고, 하한보다 작으면 현재 렌즈의 파워 구성을 유지하면서 성능확보를 하기가 어려워진다

<조건식 4>

0.6 < TTL / 2Y < 1.2

TTL: 광학계의 전장(mm).

2Y: 이미지센서의 대각 길이(mm).

위 조건식 4에서, TTL/2Y 값이 상한을 초과하면 전장이 너무 길어져서 모바일용 센서에 사용하기에 적합하지 않으며, 하한보다 작으면 높은 성능을 구현하기가 어려워진다.

<조건식 5>

3.4 < FOV / AOI < 4.2

FOV: 화각(°)

AOI: 최외곽 필드(Full field)에서 주광선의 센서 입사각(CRA, Chief Ray Angle) (°)

위 조건식 5에서, FOV/AOI 값이 상한을 초과하면 해당 광학계는 모바일용 렌즈에 일반적으로 사용되는 센서를 사용하기에 적합하지 않으며, 하한보다 작으면 넓은 시야각을 확보하기가 어려워진다.

<조건식 6>

1.0 < f / f5 < 3.0

f: 광학계 전체의 초점거리(mm).

f5: 제5 렌즈(L5)의 초점거리(mm).

위 조건식 6에서, f/f5 값이 상한을 초과하면 광학계의 전장을 짧게 구성하기가 어려워져서 모바일용 렌즈에 적합하지 않게 되며, 하한보다 작으면 렌즈의 굴절력이 부족하여 고성능 확보가 어려워진다.

<조건식 7>

|V4-V1| < 5.0

V4: 제4 렌즈(L4)의 아베 수

V1: 제1 렌즈(L1)의 아베 수

위 조건식 7에서, |V4-V1| 값이 해당 범위를 초과하게 되면, 본 발명의 실시예에 따른 광학계 구성에서 굴절력의 밸런스가 적절하지 않아 성능확보가 어려워진다.

<조건식 8>

15 < ET56 / CT56 < 35

ET56: 제5 렌즈(L5)의 제2 면(상측면)의 유효경 끝단과 제6 렌즈(L6)의 제1 면(물체측면)의 유효경 끝단 간의 광축방향의 직선거리(mm). (도 4 참조)

CT56: 제5 렌즈(L5)와 제6 렌즈(L6) 사이의 광축상 거리(mm).

위 조건식 8에서, ET56/CT56 값이 상한을 초과하면 광학계 구성을 위한 공간 확보가 어려워지고, 하한보다 작으면 CRA를 만족하기 위한 굴절각을 확보하기 어려워진다.

<조건식 9>

1.0 < |f4 / f| < 3.0

f4: 제4 렌즈(L4)의 초점거리(mm).

f: 광학계 전체의 초점거리(mm).

위 조건식 9에서, |f4/f| 값이 상한을 초과하면 렌즈의 굴절력이 부족하여 고성능 확보가 어려워지고, 하한보다 작으면 광학계의 전장을 짧게 구성하기 어려워져서 모바일용 렌즈에 적합하지 않은 문제가 발생한다.

아래의 표 1은 전술한 조건식 1 내지 조건식 9를 모두 만족하는 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 광학계의 구체적인 설계 스펙을 예시한 것이다.

[표 1]

표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예 별 데이터는 다음과 같으며, 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예의 광학계 구성은 각각 도 1a, 도 2a, 도 3a에 도시된 바와 같다.

아래의 표 2는 제1 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙 - 각 렌즈의 곡률반경(mm), 두께(mm), 렌즈간격(mm), 굴절률(Nd), 아베 수(Vd) 등 -을 나타낸 것이고, 표 3은 제1 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제6 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 2] 제1 실시예의 설계 스펙

[표 3] 제1 실시예의 비구면계수

또한 아래의 표 4는 제2 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표5는 제2 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제6 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 4] 제2 실시예의 설계 스펙

[표 5] 제2 실시예의 비구면 계수

또한 아래의 표 6은 제3 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표7은 제3 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제6 렌즈(L1, L2, L3, L4, L5, L6)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 6] 제3 실시예의 설계 스펙

[표 7] 제3 실시예의 비구면 계수

한편 각 실시예에서 비구면 렌즈의 형상은 아래의 수학식을 통해 산출될 수 있다.

[수학식]

위 수학식에서, Z는 렌즈의 정점부터 광축 방향으로의 거리이고, h는 광축에 수직방향으로의 거리이며, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이며, K는 Conic 상수이며, A4, A6, A8, A10, A12, A14, A16, A18, A20 은 각각 비구면 계수로서 표 3, 표 5 및 표 7에 예시한 바와 같다.

한편 도 1b, 도 2b, 도 3b는 각각 제1, 제2, 제3 실시예에 따른 광학계의 수차도를 나타낸 것으로서, 이를 통해 각 실시예에서 비점수차 및 왜곡수차가 양호한 것을 확인할 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면 120도 정도의 광각을 구현하면서도 전장(TTL)이 최소화된 고화소용 광학계를 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.

L1: 제1 렌즈 L2: 제2 렌즈 L3: 제3 렌즈
L4: 제 4렌즈 L5: 제5 렌즈 L6: 제6 렌즈
STOP: 조리개 LF: 렌즈필터

Claims (10)

1. 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈;
   정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈;
   정의 굴절력을 가지는 제3 렌즈;
   부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈;
   정의 굴절력을 가지는 제5 렌즈;
   부의 굴절력을 가지는 제6 렌즈
   를 포함하고,
   상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 물체측에서부터 상측으로 순서대로 배열되고, 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   0.7 < BFL/EPD < 1.2
   (BFL: 제6 렌즈(L6)의 제2 면(상측 면)에서 센서면 까지의 광축상 거리(mm), EPD: 입사동(유효개구)의 직경(Entrance Pupil Diameter)(mm))
2. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   0.4 < (S21/S22) / (S11/S12) < 0.8
   (S11: 제1 렌즈의 제1 면의 SAG값(mm), S12: 제1 렌즈의 제2 면의 SAG값, S21: 제2 렌즈의 제1 면의 SAG값. S22: 제2 렌즈의 제2 면의 SAG값)
3. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   |V4-V1| < 5.0
   (V4: 제4 렌즈의 아베 수, V1: 제1 렌즈)의 아베 수)
4. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   15 < ET56 / CT56 < 35
   (ET56: 제5 렌즈의 제2 면의 유효경 끝단과 제6 렌즈의 제1 면의 유효경 끝단 간의 광축 방향의 직선거리(mm), CT56: 제5 렌즈와 제6 렌즈 사이의 광축상 거리(mm))
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈의 사이에 조리개가 배치되고, 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   0.5 < Td_BS / f < 0.8
   (Td_BS: 제1 렌즈의 제1 면에서 조리개까지의 광축상 거리(mm). f: 광학계 전체의 초점 거리(mm))
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   3.4 < FOV / AOI < 4.2
   (FOV: 화각(°), AOI: 최외곽 필드에서 주광선의 센서 입사각(CRA) (°))
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   1.0 < |f4 / f| < 3.0
   1.0 < f / f5 < 3.0
   (f: 광학계 전체의 초점거리(mm), f4: 제4 렌즈(L4)의 초점거리(mm), f5: 제5 렌즈(L5)의 초점거리(mm))
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   0.6 < TTL / 2Y < 1.2
   (TTL: 광학계의 전장(mm), 2Y: 이미지센서의 대각 길이(mm))
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 1 렌즈의 물체측면은 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목한 면을 포함하고,
   상기 제2 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며,
   상기 제3 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며,
   상기 제4 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며,
   상기 제5 렌즈의 물체측면은 상측으로 오목하고 상측면은 상측으로 볼록하며,
   상기 제6 렌즈의 물체측면은 근축 영역에서 물체측으로 볼록하고 상측면은 물체측으로 오목하며, 상기 제6 렌즈의 물체측면 또는 상측면에는 적어도 하나의 변곡점이 형성되고,
   상기 제2 렌즈와 상기 제3 렌즈의 사이에 조리개가 배치된 것을 특징으로 하는 광학계
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈 및 제6 렌즈는 각각 적어도 하나의 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.

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