KR20220112018A - 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈 - Google Patents

광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈 Download PDF

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KR20220112018A
KR20220112018A KR1020210015490A KR20210015490A KR20220112018A KR 20220112018 A KR20220112018 A KR 20220112018A KR 1020210015490 A KR1020210015490 A KR 1020210015490A KR 20210015490 A KR20210015490 A KR 20210015490A KR 20220112018 A KR20220112018 A KR 20220112018A
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 카메라 모듈은 물체 측으로부터 광원 측 방향으로 광축을 따라 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 양의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지고, 상기 물체와 상기 제1 렌즈 사이, 상기 제1 및 제2 렌즈 사이, 상기 제2 및 제3 렌즈 사이, 상기 제3 렌즈와 상기 광원 사이에 조리개가 배치되지 않고 하기 수학식을 만족할 수 있다.
DH/TTL > 0.21
(DH는 상기 광원의 대각 길이(D)의 1/2이고, TTL은 상기 제1 렌즈의 물체 측 면에서 상기 광원의 상면까지의 상기 광축에서의 거리이다.)

Description

광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈{OPTICAL SYSTEM AND CAMERA MODULE INCLUDING THE SAME}
실시예는 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈에 관한 것이다.
카메라 모듈은 객체를 촬영하여 이미지 또는 동영상으로 저장하는 기능을 수행하며 다양한 어플리케이션에 장착되고 있다. 특히 카메라 모듈은 초소형으로 제작되어 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등의 휴대용 디바이스뿐만 아니라 드론, 차량 등에 적용되어 다양한 기능을 제공하고 있다.
최근에는 3차원 컨텐츠에 대한 수요 및 공급이 증가하고 있다. 이에 따라 카메라를 이용한 깊이 정보 파악으로 3차원 컨텐츠를 파악할 수 있는 다양한 기술들이 연구 및 개발되고 있다. 예를 들어, 깊이 정보를 파악할 수 있는 기술은 스테레오(Stereo) 카메라를 이용한 기술, 구조광(Structured light) 카메라를 이용한 기술, DFD(Depth from defocus) 카메라를 이용한 기술, TOF(Time of flight) 카메라 모듈을 이용한 기술 등이 있다.
먼저, 스테레오(Stereo) 카메라를 이용한 기술은 복수의 카메라, 예컨대 좌측 및 우측에 배치된 각각의 카메라를 통해 수신된 영상의 좌우 시차에서 발생하는 거리, 간격 등의 차이를 이용하여 깊이 정보를 생성하는 기술이다.
또한, 구조광(Structured light) 카메라를 이용한 기술은 설정된 패턴을 형성하도록 배치된 광원을 이용하여 깊이 정보를 생성하는 기술이며, DFD(Depth from defocus) 카메라를 이용한 기술은 초점의 흐려짐을 이용한 기술로 동일한 장면에서 촬영된 서로 다른 초점을 가지는 복수의 영상을 이용하여 깊이 정보를 생성하는 기술이다.
또한, TOF(Time of flight) 카메라는 광원에서 대상을 향해 방출한 광이 상기 대상에 반사되어 센서에 돌아오는 시간을 측정함으로써 상기 대상과의 거리를 계산하여 깊이 정보를 생성하는 기술이다. 이러한 TOF 카메라는 깊이 정보를 실시간으로 획득할 수 있는 장점이 있어 최근 주목받고 있다.
그러나, TOF 카메라는 상대적으로 높은 파장 대역의 광을 사용하여 안전상 문제가 있다. 자세하게, TOF 카메라에 사용되는 광은 일반적으로 적외선 파장 대역의 광을 사용하며, 상기 광이 사람의 민감한 부위, 예컨대 눈, 피부 등에 입사될 경우 각종 부상 및 질환을 유발할 수 있는 문제가 있다.
또한, TOF 카메라와 객체와의 거리가 멀수록 상기 객체에 도달하는 면적당 광 에너지가 감소하고, 이로 인해 상기 객체에 반사되어 되돌아오는 광 에너지 역시 감소할 수 있다. 이에 따라 객체에 대한 깊이 정보 정확도가 감소하는 문제가 있다.
또한, 상술한 바와 같이 객체가 먼거리에 위치할 경우, 상기 객체의 깊이 정보에 대한 정확도를 향상시키기 위해 보다 상기 객체를 향해 보다 강한 광을 방출시킬 수 있다. 그러나 이 경우 카메라의 소비 전력 증가에 대한 이슈, 안전성에 대한 문제점을 유발할 수 있다.
또한, 상기 TOF 카메라의 광원은 복수의 에미터를 가지는 발광소자를 포함하고, 상기 발광소자는 전방에 위치한 객체를 향해 출력광을 제공할 수 있다. 이때, 상기 발광소자에서 방출된 광은 상기 TOF 카메라로부터 방출되는 과정에 광 손실이 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 발광소자에서 방출된 광은 복수의 렌즈, 조리개 등의 구성에 의해 중심 및/또는 주변 필드에서 불필요하게 손실될 수 있다. 이에 따라, 상기 출력광에 의해 형성된 FOI(Field of illumination) 영역의 중심, 주변 필드에 제공된 광이 균일하지 않을 수 있다. 이로 인해, 중심 또는 주변 영역에 객체가 위치할 경우 객체의 깊이 정보에 대한 정확도가 저하될 수 있다.
따라서, 상술한 문제를 해결할 수 있는 새로운 카메라가 요구된다.
실시예는 광 손실을 최소화할 수 있는 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 객체에 대한 깊이 정보의 정확도를 향상시킬 수 있는 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 단순한 구조를 가지며 향상된 광학적 특성을 가지는 광학계 및 이를 포함하는 카메라 모듈을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 카메라 모듈은 물체 측으로부터 광원 측 방향으로 광축을 따라 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 양의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지고, 상기 물체와 상기 제1 렌즈 사이, 상기 제1 및 제2 렌즈 사이, 상기 제2 및 제3 렌즈 사이, 상기 제3 렌즈와 상기 광원 사이에 조리개가 배치되지 않고 하기 수학식을 만족할 수 있다.
DH/TTL > 0.21
(DH는 상기 광원의 대각 길이(D)의 1/2이고, TTL은 상기 제1 렌즈의 물체 측 면에서 상기 광원의 상면까지의 상기 광축에서의 거리이다.)
또한, 상기 광원은 상기 제3 렌즈와 마주하며 배치되고 광 방출을 위한 복수의 에미터(emitter)를 포함하고, 상기 복수의 에미터는 상기 광원의 중심 영역에 배치되는 제1 에미터 및 상기 광원의 주변 영역에 배치되는 제2 에미터를 포함하고, 상기 제1 및 제2 에미터에서 방출된 광의 발산각(divergence angle)은 서로 동일할 수 있다.
또한, 상기 제2 렌즈는 상기 광원 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제3 렌즈는 물체 측 면 및 광원 측 면 각각이 볼록한 형상을 가질 수 있다.
또한, 제3 렌즈의 유효경의 크기(CA; Clear Aperture)는 상기 제1 렌즈의 유효경의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기 광학계는 하기 수학식을 만족할 수 있다.
Figure pat00001
(θ는 상기 광원의 발산각의 1/2인 각도이다. 또한, θR2는 상기 광원의 상부 자오광선(Upper meridional ray)에 대한 각도(+Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR3는 상기 광원의 하부 자오광선(Lower meridional ray)에 대한 각도(-Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다. 또한, θR4는 상기 광원의 +X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(+X 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR5는 상기 광원의 -X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(-X 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다.)
또한, 상기 광학계의 CRA(Chief Ray Angle)는 3도(degree) 미만일 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈는 하기 수학식을 만족할 수 있다.
|f1| > |f3| > |f2|
(f1은 상기 제1 렌즈의 초점 거리이고, f2는 상기 제2 렌즈의 초점 거리이고, f3은 상기 제3 렌즈의 초점 거리이다.)
또한, 상기 제1 내지 제3 렌즈는 하기 수학식을 만족할 수 있다.
0.4 < L1_CT < L3_CT < L2_CT > 0.75
(L1_CT는 상기 제1 렌즈의 상기 광축에서의 중심 두께이고, L2_CT는 상기 제2 렌즈의 상기 광축에서의 중심 두께이고, L3_CT는 상기 제3 렌즈의 상기 광축에서의 중심 두께이다.)
또한, 실시예에 따른 카메라 모듈은 발광부 및 이미지 센서를 포함하는 수광부를 포함하고, 상기 발광부는 광원 및 상기 광원 상에 배치되며 복수의 렌즈를 포함하는 제1 렌즈부를 포함하고, 상기 제1 렌즈부는 물체 측으로부터 상기 광원 측 방향으로 광축을 따라 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 양의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지고, 상기 발광부는 조리개를 포함하지 않고, 하기 수학식을 만족할 수 있다.
DH/TTL > 0.21
(DH는 상기 광원의 대각 길이(D)의 1/2이고, TTL은 상기 제1 렌즈의 물체 측 면에서 상기 광원의 상면까지의 상기 광축에서의 거리이다.)
또한, 상기 발광부는 점 패턴 또는 면 패턴의 형상을 가지는 출력광을 방출할 수 있다.
또한, 상기 발광부는 상기 제1 렌즈부와 연결된 구동 부재를 더 포함하고, 상기 구동 부재는 상기 제1 렌즈부를 상기 광축 방향으로 이동시켜 상기 발광부에서 방출된 출력광의 형상을 점 패턴 또는 면 패턴으로 제어할 수 있다.
실시예에 따른 광학계 및 카메라 모듈은 향상된 광학 특성을 가질 수 있고, 슬림한 광학계를 구현할 수 있다. 이에 따라, 광학계를 포함하믄 발광부를 소형으로 구현할 수 있고 광원에서 방출된 광을 설정된 화각으로 균일하게 방출할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 광학계 및 카메라 모듈의 발광부는 조리개를 생략할 수 있다. 이에 따라, 상기 발광부 설계 시 조리개에 의해 손실되는 평행빔의 면적을 고려하지 않고, 상기 발광부를 설계할 수 있다. 또한, 상기 조리개가 생략됨에 따라 광원의 중심 필드 영역이 주변 필드 영역보다 오버 스펙으로 형성되는 것을 방지할 수 있고, 최소한의 광선만으로 상기 광원의 각 필드별(0 내지 1필드) 요구되는 개구수(NA)를 만족하도록 설계할 수 있다.
이에 따라, 상기 조리개가 생략된 광학계의 전체 TTL을 감소시킬 수 있고, 보다 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기 조리개가 생략됨에 따라 보다 다양한 설계를 적용할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 광학계 및 카메라 모듈은 객체에 대한 깊이 정보를 효과적으로 파악할 수 있고, 향상된 공간 해상도를 가질 수 있다. 자세하게, 실시예는 상기 제1 렌즈부의 위치를 제어하여, 상기 객체와의 거리에 대응되는 출력광을 제공할 수 있다. 일례로, 객체가 원거리에 위치할 경우 상기 제1 렌즈부의 위치를 제어하여 상기 객체에 점 패턴의 광을 제공할 수 있고, 객체가 근거리에 위치할 경우 상기 제1 렌즈부의 위치를 제어하여 상기 객체에 면 패턴의 광을 제공할 수 있다. 이에 따라, 실시예는 전방에 위치한 객체에 최적의 광을 제공할 수 있어, 객체에 대한 깊이 정보를 보다 효과적으로 파악할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 카메라 모듈의 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부 및 수광부의 구성도이다.
도 3은 실시예에 따른 광원의 일면을 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부가 생성하는 광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부의 배치를 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부의 배치를 나타낸 다른 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 출력광의 광 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 실시예에 따른 발광부에서 방출되는 광을 나타낸 개략도이다.
도 10은 실시예에 따른 제1 렌즈부의 광학계의 구성도이다.
도 11은 도 10에 따른 광학계의 수차도를 도시한 그래프이다.
도 12는 도 10에 따른 광학계의 기하광학적(Geometrical) MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 13 및 도 14는 실시예에 따른 카메라 모듈이 적용된 이동 단말기 및 차량의 사시도이다.
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 실시예에서 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 실시예들을 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 포함할 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 경우뿐만 아니라, 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 두 개의 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 실시예에 따른 카메라 모듈의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 카메라 모듈(1000)은 발광부(100) 및 수광부(300)를 포함할 수 있다.
상기 발광부(100)는 광을 방출할 수 있다. 상기 발광부(100)는 설정된 강도의 광을 설정된 방향으로 방출할 수 있다. 상기 발광부(100)는 가시광 내지 적외선 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 상기 발광부(100)는 광 신호를 형성할 수 있다. 상기 발광부(100)는 제어부(미도시)로부터 인가되는 신호에 의해 설정된 광 신호를 형성할 수 있다. 상기 발광부(100)는 인가되는 신호에 의해 펄스파(pulse wave)의 형태나 지속파(continuous wave)의 형태로 출력광 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 여기서, 상기 지속파는 사인파(sinusoid wave)나 사각파(squared wave)의 형태일 수 있다. 또한, 상기 광 신호는 객체에 입사되는 광 신호를 의미할 수 있다. 상기 발광부(100)가 출력하는 광 신호는 상기 카메라 모듈(1000)을 기준으로 출력광, 출력광 신호일 수 있고, 상기 발광부(100)가 출력하는 광은 상기 객체를 기준으로 입사광, 입사광 신호일 수 있다.
상기 발광부(100)는 상기 광 신호를 상기 객체에 소정의 노출 주기(integration time) 동안 조사할 수 있다. 여기서 상기 노출 주기는 1개의 프레임 주기를 의미할 수 있다. 일례로, 상기 카메라 모듈(1000)의 프레임 레이트(frame rater)가 30 FPS(Frame per second)인 경우 하나의 프레임의 주기는 1/30초일 수 있다.
상기 발광부(100)는 동일한 주파수를 가지는 복수의 광 신호를 출력할 수 있다. 또한, 상기 발광부(100)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 광 신호를 출력할 수 있다. 일례로, 상기 발광부(100)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 광 신호를 설정된 규칙으로 반복하여 출력할 수 있다. 또한, 상기 발광부(100)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 광 신호를 동시에 출력할 수 있다.
상기 수광부(300)는 상기 발광부(100)와 인접하게 배치될 수 있다. 일례로, 상기 수광부(300)는 상기 발광부(100)와 나란히 배치될 수 있다. 상기 수광부(300)는 광을 수광할 수 있다. 상기 수광부(300)는 상기 객체에 반사된 광, 예컨대 입력광을 감지할 수 있다. 자세하게, 상기 수광부(300)는 상기 발광부(100)에서 방출되어 상기 객체에 반사된 광을 감지할 수 있다. 상기 수광부(300)는 상기 발광부(100)가 방출한 광과 대응되는 파장 대역의 광을 감지할 수 있다.
상기 카메라 모듈(1000)은 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 발광부(100) 및 상기 수광부(300) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 상기 제어부는 상기 발광부(100) 및 상기 수광부(300) 중 적어도 하나의 구동을 제어할 수 있다. 일례로, 상기 제어부는 상기 발광부(100)를 제어하는 제1 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 제1 제어부는 상기 발광부(100)에 인가되는 광 신호를 제어할 수 있다. 상기 제1 제어부는 상기 광 신호의 세기, 주파수 패턴 등을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 발광부(100)를 제어하는 제2 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 제2 제어부는 상기 발광부(100)의 제1 렌즈부(130) 및 상기 광원(110) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 일례로, 상기 제2 제어부는 상기 구동 부재(150)에 인가되는 구동 신호를 제어할 수 있다. 또한, 상기 제2 제어부는 상기 광원(110)에 인가되는 구동 신호를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 카메라 모듈(1000)의 전방에 위치한 객체의 크기, 위치, 형태 등에 따라 상기 발광부(100)의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부는 상기 객체의 위치에 따라 방출되는 광의 강도, 광 패턴의 크기, 광 패턴의 형상 등을 제어할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나 상기 카메라 모듈(1000)은 결합부(미도시) 및 연결부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 결합부는 후술할 광학 기기와 연결될 수 있다. 상기 결합부는 회로기판 및 상기 회로기판 상에 배치되는 단자를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 단자는 상기 광학 기기와의 물리적, 전기적 연결을 위한 커넥터일 수 있다.
상기 연결부는 후술할 상기 카메라 모듈(1000)의 기판과 상기 결합부 사이에 배치될 수 있다. 상기 연결부는 상기 기판과 상기 결합부를 연결할 수 있다. 일례로, 상기 연결부는 연성 PCB(FBCB)를 포함할 수 있고, 상기 기판과 상기 결합부의 회로기판을 전기적으로 연결할 수 있다. 여기서 상기 기판은 상기 발광부(100)의 제1 기판 및 상기 수광부(300)의 제2 기판 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 카메라 모듈(1000)은 객체를 향해 광을 방출하고 객체에 반사되어 되돌아오는 광의 시간 또는 위상 차이를 바탕으로 객체의 깊이 정보를 산출하는 TOF(Time of flight) 카메라일 수 있다.
이하 도면을 참조하여 실시예에 따른 발광부 및 수광부에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부 및 수광부의 구성도이고, 도 3은 실시예에 따른 광원의 일면을 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부가 생성하는 광 신호를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부의 배치를 나타낸 도면이다. 또한, 도 6은 실시예에 따른 카메라 모듈에서 발광부의 배치를 나타낸 다른 도면이고, 도 7은 실시예에 따른 카메라 모듈의 광 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 상기 발광부(100)는 제1 기판(미도시) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 기판은 상기 발광부(100)를 지지할 수 있다. 상기 제1 기판은 상기 발광부(100)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 기판은 회로기판일 수 있다. 상기 제1 기판은 상기 발광부(100)에 전원을 공급하기 위한 배선층을 포함할 수 있고, 복수의 수지층으로 형성된 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)일 수 있다. 일례로, 상기 제1 기판은 리지드 PCB(Rigid PCB), 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB), RFPCB(Rigid Flexible PCB) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 기판은 글래스(glass), 수지, 에폭시 등을 포함하는 합성 수지를 포함할 수 있고, 열전도성이 우수한 세라믹(ceramic), 표면이 절연된 금속을 포함할 수 있다. 상기 제1 기판은 플레이트, 리드 프레임과 같은 형태를 가질 수 있으며 이에 대해 한정하지 않는다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1 기판 상에는 제너 다이오드, 변압 조절기 및 저항 등이 더 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지 않는다.
상기 제1 기판 상에는 절연층(미도시) 또는 보호층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 절연층 또는 보호층은 상기 제1 기판의 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면 상에 배치될 수 있다.
상기 발광부(100)는 광원(110) 및 제1 렌즈부(130)를 포함할 수 있다.
상기 광원(110)은 상기 제1 기판 상에 배치될 수 있다. 상기 광원(110)은 상기 제1 기판과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 광원(110)은 상기 제1 기판과 물리적으로 연결되며 직접 접촉할 수 있다.
상기 광원(110)은 발광소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(110)은 발광 다이오드(LED; Light Emitting diode), 광 방출을 위한 에미터(emitter)를 포함하는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL; Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 유기 발광 다이오드(OLED; Organic Light Emitting diode) 및 레이저 다이오드(LD; Laser diode) 중 적어도 하나의 발광소자를 포함할 수 있다.
상기 광원(110)은 하나 또는 복수의 발광소자를 포함할 수 있다.
일례로, 상기 광원(110)은 하나의 발광소자를 포함할 수 있다. 이 경우 하나의 발광소자는 광 방출을 위한 복수의 에미터(emitter)(111)를 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 발광소자의 일면에는 광을 방출하는 복수의 어퍼쳐(aperture)가 형성될 수 있고, 상기 발광소자에서 형성된 광은 상기 어퍼쳐를 통해 방출될 수 있다. 여기서 상기 에미터(111)는 상기 광원(110)에서 광을 방출하는 최소 단위로 정의할 수 있고, 상기 어퍼쳐를 의미할 수 있다. 상기 복수의 에미터(111)는 후술할 제1 렌즈부(130) 중 상기 광원(110)과 최인접하게 배치된 렌즈와 마주하고, 소정의 규칙을 가지며 배치될 수 있다.
또한, 상기 광원(110)은 복수의 발광소자를 포함할 수 있다. 이 경우 복수의 발광소자는 상기 제1 기판 상에 설정된 패턴을 따라 배치될 수 있다. 그리고, 상기 복수의 발광소자 각각은 광 방출을 위한 복수의 에미터(111)를 포함할 수 있다. 복수의 발광소자 각각에 배치된 복수의 에미터(111)는 소정의 규칙을 가지며 배치될 수 있다.
상기 광원(110)은 복수의 에미터 및/또는 복수의 발광소자를 개별적으로 제어하기 위한 복수의 채널을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 광원(110)은 복수의 에미터 및/또는 복수의 발광소자를 선택적으로 구동 및 제어할 수 있다.
상기 광원(110)은 설정된 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(110)의 어퍼쳐는 광 방출을 위한 설정된 크기 예컨대 직경을 가질 수 있다. 또한, 상기 광원(110)은 설정된 대각선 길이(D)를 가질 수 있다. 여기서 상기 광원(110)의 대각선 길이(D)는 상기 어퍼쳐가 형성된 상기 광원(110)의 일면의 유효 영역의 대각선 길이를 의미할 수 있다.
상기 광원(110)은 설정된 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 자세하게, 상기 광원(110)은 가시광 또는 적외선 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(110)은 약 380nm 내지 약 700nm 파장 대역의 가시광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 광원(110)은 약 700nm 내지 약 1mm 파장 대역의 적외선 광을 방출할 수 있다.
상기 광원(110)은 레이저 광을 방출할 수 있다. 자세하게, 상기 광원(110)의 발광소자는 상기 광원(110)의 상면에서 상기 제1 렌즈부(130)의 방향으로 복수의 레이저 광을 방출할 수 있다. 상기 광원(110)의 발광소자는 서로 동일하거나 다른 파장의 광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 광원(110)의 발광소자는 서로 동일하거나 다른 세기의 광을 방출할 수 있다.
상기 광원(110)은 설정된 광 신호를 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 4(a)를 참조하면, 상기 광원(110)은 일정한 주기로 광 펄스를 생성할 수 있다. 상기 광원(110)은 소정의 펄스 반복 주기(tmodulation)로 소정의 펄스 폭(tpulse)을 가지는 광 펄스를 생성할 수 있다.
또한, 도 4(b)를 참조하면, 상기 광원(110)은 일정 개수의 광 펄스를 그룹핑(grouping)하여 하나의 위상 펄스를 생성할 수 있다. 상기 광원(110)은 소정의 위상 펄스 주기(tphase)와 소정의 위상 펄스 폭(texposure, tillumination, tintegration)을 가지는 위상 펄스를 생성할 수 있다. 여기서, 하나의 위상 펄스 주기(tphase)는 하나의 서브 프레임에 대응할 수 있다. 서브 프레임(sub-frame)은 위상 프레임(phase frame)으로 불릴 수 있다. 위상 펄스 주기는 소정의 개수로 그룹핑 될 수 있다. 4개의 위상 펄스 주기(tphase)를 그룹핑하는 방식은 4-phase 방식으로 불릴 수 있다. 8개의 주기(tphase)를 그룹핑하는 것은 8-phase 방식으로 불릴 수 있다.
또한, 도 4(c)를 참조하면, 상기 광원(110)은 일정 개수의 위상 펄스를 그룹핑하여 하나의 프레임 펄스를 생성할 수 있다. 상기 광원(110)은 소정의 프레임 펄스 주기(tframe)와 소정의 프레임 펄스 폭(tphase group(sub-frame group))을 가지는 프레임 펄스를 생성할 수 있다. 여기서, 하나의 프레임 펄스 주기(tframe)는 하나의 프레임에 대응할 수 있다. 따라서, 10 FPS로 객체를 촬영하는 경우, 1초에 10번의 프레임 펄스 주기(tframe)가 반복될 수 있다. 4-pahse 방식에서, 하나의 프레임에는 4개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 4개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다. 8-phase 방식에서, 하나의 프레임에는 8개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 8개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다. 상기에서 설명을 위해, 광 펄스, 위상 펄스 및 프레임 펄스의 용어를 이용하였으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)과 이격되는 복수의 렌즈 및 상기 렌즈를 수용하는 하우징을 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈부(130)는 3매 이상의 렌즈, 예컨대 3매 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수의 렌즈는 유리(glass), 플라스틱(plastic) 중 적어도 하나의 재질로 제공될 수 있고, 서로 동일한 재질 또는 일부 다른 재질을 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광의 방출 경로 상에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제1 렌즈부(130)의 복수의 렌즈는 상기 광원(110)에서 방출된 광의 방출 경로 상에 배치될 수 있다. 상기 복수의 렌즈의 중심(광축)은 상기 광원(110)의 광축과 중첩될 수 있다.
상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광의 경로를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 확산, 산란, 굴절, 집광 등을 할 수 있다. 또한, 상기 제1 렌즈부(130)는 콜리메이팅(collimating) 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 콜리메이팅 할 수 있다. 여기서, 콜리메이팅은 광의 발산각을 감소시키는 것을 의미할 수 있고, 이상적으로 광이 수렴 또는 발산하지 않고 평행하게 진행하도록 만드는 것을 의미할 수 있다. 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 평행광으로 집광할 수 있다.
상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 수신하여 다양한 형태로 변형시킬 수 있다. 일례로, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 복수의 점 광원 형태(도 7(a))로 변형시킬 수 있다. 또 다른 예로, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상으로 변형시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 면 광원 형태(도 7(b))로 변형시킬 수 있다.
상기 출력광의 형태는 상기 제1 렌즈부(130)와 상기 광원(110) 사이의 간격에 따라 변화할 수 있다. 일례로, 상기 제1 렌즈부(130)의 초점이 상기 광원(110)에 배치될 경우 상기 출력광은 점 패턴의 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 렌즈부(130)의 초점이 상기 광원(110)으로부터 멀어질 경우 상기 출력광은 면 패턴의 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광이 객체에 직접적으로 조사되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광을 제어하여 사람의 눈, 피부 등과 같이 광에 민감한 영역에 광이 직접적으로 조사되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 방출된 광의 균일도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)의 복수의 에미터와 대응되는 영역에 광이 집중되는 핫스팟(hot spot)이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 발광부(100)는 제1 필터(170)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 필터(170)는 상기 광원(110)과 상기 제1 렌즈부(130) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 필터(170)는 설정된 파장 대역의 광을 통과시킬 수 있고, 이와 다른 파장 대역의 광을 필터링할 수 있다. 자세하게, 상기 제1 필터(170)는 상기 광원(110)에서 방출된 광 중 설정된 파장 대역의 광을 통과시킬 수 있고 이와 다른 파장 대역의 광을 차단할 수 있다.
또한, 상기 발광부(100)는 도 6과 같이 구동 부재(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 구동 부재(150)는 상기 제1 렌즈부(130) 상에 배치될 수 있다. 상기 구동 부재(150)는 상기 제1 렌즈부(130)와 연결될 수 있다. 일례로, 상기 구동 부재(150)는 상기 제1 렌즈부(130)의 하우징과 결합할 수 있다.
상기 구동 부재(150)는 상기 제1 렌즈부(130)를 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 구동 부재(150)는 상기 제1 렌즈부(130)의 전체 또는 상기 제1 렌즈부(130)에 포함된 복수의 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈를 이동시킬 수 있다. 상기 구동 부재(150)는 상기 제2 제어부로부터 인가되는 신호에 의해 상기 제1 렌즈부(130)를 광축(OA) 방향으로 이동시킬 수 있다.
상기 구동 부재(150)는 적어도 하나의 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 구동 부재(150)는 액추에이터로 VCM(Voice Coil Motor), 피에조 소자(Piezo-electric device), 형상 기억 합금, MEMS 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 구동 부재(150)는 상기 액추에이터의 구동력을 이용하여 상기 제1 렌즈부(130) 및/또는 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈의 위치를 제어할 수 있다.
상기 구동 부재(150)는 상기 광원(110) 및 상기 제1 렌즈부(130) 사이의 거리를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 구동 부재(150)는 상기 제1 렌즈부(130)를 상기 광원(110) 상에서 광축(OA)을 따라 이동시킬 수 있다. 또한, 상기 구동 부재(150)는 상기 복수의 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈를 상기 광원(110) 상에서 광축(OA)을 따라 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 광원(110)과 상기 제1 렌즈부(130) 사이의 거리는 증가 또는 감소할 수 있고, 상기 광원(110)에서 방출된 광의 경로, 출력광의 형상을 변경할 수 있다.
예를 들어, 상기 구동 부재(150)는 상기 광원(110)과 상기 콜리메이터 렌즈의 초점 사이의 간격을 제어할 수 있다. 자세하게, 상기 구동 부재(150)는 상기 콜리메이터 렌즈의 초점의 위치를 기준 위치로부터 이동 제어하여 방출된 광의 경로, 광 패턴의 형상, 크기 등을 제어할 수 있다. 상기 구동 부재(150)는 상기 콜리메이터 렌즈의 위치를 제어하여 광 패턴의 겉보기 크기(apparent source size)를 조절할 수 있다.
자세하게, 상기 광원(110) 및 상기 콜리메이터 렌즈의 초점 사이 간격에 따 라 상기 카메라 모듈(1000)의 전방에 위치한 객체에 적어도 하나의 점 패턴의 광 또는 면 패턴의 광을 조사할 수 있다.
상기 광원(110) 및 상기 콜리메이터 렌즈의 초점 사이의 간격에 따라 상기 점 패턴의 크기는 변화할 수 있다. 일례로, 상기 광원(110)과 상기 콜리메이터 렌즈의 초점이 가까워질수록 상기 점 패턴의 크기는 작아질 수 있다. 이때 상기 광원(110)이 상기 콜리메이터 렌즈의 초점 측에 위치할 경우 상기 점 패턴의 세기, 자세하게 광의 세기가 가장 클 수 있다.
또한, 상기 광원(110)과 상기 콜리메이터 렌즈의 초점이 멀어질수록 상기 점패턴의 크기는 증가할 수 있다. 이때, 상기 광원(110)과 상기 콜리메이터 렌즈의 초점이 보다 멀어질수록 상기 점 패턴의 크기는 보다 증가할 수 있고, 인접한 복수의 점 패턴이 오버랩될 수 있다. 또한, 상기 광원(110)과 상기 콜리메이터 렌즈의 초점이 보다 더 멀어질 경우 상기 점 패턴의 크기는 보다 더 증가할 수 있고, 상기 복수의 점 패턴이 오버랩되는 영역이 증가하여 면 패턴의 광인 면 조명으로 조정될 수 있다.
여기서, 점 패턴을 가지는 광은 도 7(a)와 같이 설정된 영역에 복수의 점 형태로 조사되는 광을 의미할 수 있고, 면(flood) 패턴을 가지는 광은 도 7(b)와 같이 설정된 영역에 전체적으로 조사되는 면 조명의 광을 의미할 수 있다.
또한, 상기 구동 부재(150)는 도 5와 같이 생략될 수 있다. 이 경우, 상기 광원(110) 및 상기 제1 렌즈부(130) 사이의 간격은 고정될 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(100) 및 상기 콜리메이터 렌즈의 초점 사이의 간격은 고정될 수 있다. 자세하게, 상기 광원(100)은 상기 콜리메이터 렌즈의 초점에 배치될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 수광부(300)는 제2 기판 상에 배치되며 이미지 센서(310) 및 제2 렌즈부(330)를 포함할 수 있다.
상기 제2 기판은 상기 수광부(300)를 지지할 수 있다. 상기 제2 기판은 상기 수광부(300)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 기판은 회로기판일 수 있다. 상기 제2 기판은 상기 발광부(100)에 전원을 공급하기 위한 배선층을 포함할 수 있고, 복수의 수지층으로 형성된 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)일 수 있다. 일례로, 상기 제2 기판은 리지드 PCB(Rigid PCB), 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB), RFPCB(Rigid Flexible PCB) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 기판은 글래스(glass), 수지, 에폭시 등을 포함하는 합성 수지를 포함할 수 있고, 열전도성이 우수한 세라믹(ceramic), 표면이 절연된 금속을 포함할 수 있다. 상기 제2 기판은 플레이트, 리드 프레임과 같은 형태를 가질 수 있으며 이에 대해 한정하지 않는다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제2 기판 상에는 제너 다이오드, 변압 조절기 및 저항 등이 더 배치될 수 있으며, 이에 대해 한정하지 않는다.
상기 제2 기판 상에는 절연층(미도시) 또는 보호층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 절연층 또는 보호층은 상기 제2 기판의 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면 상에 배치될 수 있다.
상기 이미지 센서(310)는 상기 제2 기판 상에 배치될 수 있다. 상기 이미지 센서(310)는 상기 제2 기판의 상면과 직접 접촉하며 상기 제2 기판과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 이미지 센서(310)는 상기 제2 기판과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 이미지 센서(310)는 광을 감지할 수 있다. 상기 이미지 센서(310)는 객체에 반사되어 상기 카메라 모듈(1000)에 입사된 광을 감지할 수 있다. 자세하게, 상기 이미지 센서(310)는 상기 발광부(100)에서 방출되어 상기 객체에 반사되어 입사되는 반사광을 감지할 수 있다. 상기 이미지 센서(310)는 상기 광원(110)에서 방출된 광과 대응되는 파장의 광을 감지할 수 있다. 일례로, 상기 이미지 센서(310)는 상기 광원(110)에서 방출된 적외선(Infrared ray; IR)을 감지할 수 있는 적외선 센서를 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서(310)는 후술할 제2 렌즈부(330)를 통해 입사된 광을 감지할 수 있다. 상기 이미지 센서(310)는 상기 광원(110)으로부터 방출되어 상기 객체에 반사된 광을 감지할 수 있고, 시간 또는 위상 차를 이용해 상기 객체의 깊이 정보를 감지할 수 있다.
상기 이미지 센서(310)는 상기 광원(110)과 다른 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 이미지 센서(310)의 광축과 상기 광원(110)의 광축(OA)은 서로 다 른 방향일 수 있다. 자세하게, 상기 이미지 센서(310)의 광축과 상기 광원(110)의 광축(OA)은 수직일 수 있다.
상기 제2 렌즈부(330)는 상기 이미지 센서(310) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 렌즈부(330)는 상기 이미지 센서(310)와 이격되며 적어도 하나의 렌즈 및 상기 렌즈를 수용하는 하우징을 포함할 수 있다. 상기 렌즈는 유리(glass), 플라스틱(plastic) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 렌즈부(330)는 상기 수광부(300)로 입사되는 광 경로 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 렌즈부(330)는 상기 광원(110)에서 방출되어 상기 객체에 반사된 광을 상기 이미지 센서(310) 방향으로 통과시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 렌즈부(330)는 광축이 상기 이미지 센서(310)의 광축과 대응될 수 있다.
상기 수광부(300)는 제2 필터(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 제2 필터는 상기 객체와 상기 이미지 센서(310) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 필터는 상기 이미지 센서(310) 및 상기 제2 렌즈부(330) 사이에 배치될 수 있다.
상기 제2 필터는 설정된 파장 대역의 광을 통과시키고, 이와 다른 파장 대역의 광을 필터링 할 수 있다. 자세하게, 상기 제2 필터는 상기 제2 렌즈부(330)를 통해 상기 수광부(300)에 입사된 광 중, 상기 광원(110)과 대응되는 파장의 광을 통과시킬 수 있고, 상기 광원(110)과 다른 파장 대역의 광을 차단할 수 있다.
도 8 및 도 9는 실시예에 따른 발광부에서 방출되는 광을 나타낸 개략도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예에 따른 광원(110)은 설정된 발산각(divergence angel)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(110)의 발산각(divergence angel)은 약 30도 이하일 수 있다. 자세하게, 상기 광원(110)의 발산각은 약 15도 내지 약 25도일 수 있다. 더 자세하게, 상기 어퍼쳐를 통해 방출되는 광의 발산각은 약 15도 내지 약 25도일 수 있다.
이때, 상기 광원(110)의 발산각은 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
수학식 1에서 θ는 상기 광원(110)의 발산각의 1/2인 각도이다. 또한, θR2는 상기 광원(110)의 상부 자오광선(Upper meridional ray)에 대한 각도(+Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR3는 상기 광원(110)의 하부 자오광선(Lower meridional ray)에 대한 각도(-Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다. 또한, θR4는 상기 광원(110)의 +X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(+X 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR5는 상기 광원(110)의 -X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(-X 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다.
자세하게, 상기 [수학식 1]은 주변 필드의 광 손실을 방지하거나 최소화하기 위해 하기와 같을 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
또한, 상기 제1 렌즈부(130)의 광학계의 설계 광량을 개구수(NA; numerical aperture)로 정의할 때, 필드별 광량(NAave)은 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00004
Figure pat00005
수학식 2에서 n은 굴절률을 의미하고, θ는 상기 광원의 발산각의 1/2인 각도이다. 또한, θR2는 상부 자오광선(Upper meridional ray)에 대한 각도(+Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR3는 하부 자오광선(Lower meridional ray)에 대한 각도(-Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다. 또한, θR4는 +X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(+X 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR5는 -X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(-X 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다.
또한, 상기 광원(110)은 상기 광원(110)의 중심 영역(CA)에 배치되는 제1 에미터 및 상기 광원(110)의 주변 영역(EA)에 배치되는 제2 에미터를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 에미터에서 방출되는 광의 발산각(divergence angle)은 서로 동일할 수 있다.
또한, 상기 발광부(100)의 제1 렌즈부(130)는 유효 초점 거리(EFL; Effective Focal Length)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈부(130)의 유효 초점 거리(EFL)는 약 340㎛ 내지 약 1050㎛ 일 수 있다. 자세하게, 상기 제1 렌즈부(130)의 유효 초점 거리(EFL)는 약 600㎛ 내지 약 1000㎛일 수 있다. 상기 제1 렌즈부(130)는 상술한 범위 내에서 고정된 유효 초점 거리를 가질 수 있다.
상기 발광부(100)는 상기 제1 렌즈부(130)에 의해 설정된 화각(FOI; Field Of Illumination)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(110)에서 방출된 광은 상기 제1 렌즈부(130)를 통과하여 설정된 FOI 각도를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 콜리메이팅 렌즈를 통과한 평행광의 경로를 제어하여 상기 출력광이 설정된 화각을 가지도록 할 수 있다. 상기 출력광의 FOI 각도는 약 120도 이하일 수 있다. 자세하게, 상기 출력광의 FOI 각도는 약 90도 이하일 수 있다. 상기 출력광의 FOI 각도는 약 60도 내지 약 90도일 수 있다.
상기 제1 렌즈부(130)는 설정된 주광선 입사각(CRA; Chief Ray Angle)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈부(130)의 CRA는 약 5도(degree) 미만일 수 있다. 자세하게, 상기 제1 렌즈부(130)의 CRA는 약 3도(degree) 미만일 수 있다. 여기서 CRA는 하기 수학식 3으로 정의할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00006
수학식 3에서 θR2는 상기 광원(110)의 상부 자오광선(Upper meridional ray)에 대한 각도(+Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR3는 상기 광원(110)의 하부 자오광선(Lower meridional ray)에 대한 각도(-Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다.
실시예에 따른 발광부(100)의 제1 렌즈부(130)는 조리개를 생략할 수 있다.
자세하게, 종래의 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110)에서 출사하는 광을 제어할 수 있는 조리개를 포함하며, 상기 조리개에 의해 상기 광원(110)의 중심 필드(0필드 영역)와 주변 필드(1필드 영역)의 개구수(NA)가 상이한 문제가 있다.
예를 들어, 상기 발광부(100)를 설계할 경우, 외부에서 상기 제1 렌즈부(130)에 평행빔이 입사되어 상기 광원(110)에 상이 결상되는 기준으로 설계를 진행한다.
이때, 상기 제1 렌즈부(130)가 조리개를 포함할 경우, 상기 조리개에 의해 입사 평행빔의 각도에 따라 상기 평행광의 면적이 변화할 수 있다. 이로 인해, 상기 광원(110)의 중심(중심 필드, 0필드 영역)에 맺히는 광의 개구수(NA) 값은 상기 광원(110)의 주변(주변 필드, 1필드 영역)에 맺히는 광의 개구수(NA)보다 큰 구조를 가지게 되었다.
따라서, 종래의 경우에는 상기 광원(110)의 주변 필드 특성, 예컨대 상기 주변 필드가 설정된 스펙(개구수(NA))을 만족하기 위한 설계가 진행되었으며 이로 인해 상기 광원(110)의 중심 필드의 개구수(NA)는 오버 스펙으로 설계되는 것이 필연적이였다.
또한, 상기 발광부(100)의 제1 렌즈부(130)가 조리개를 포함함에 따라 상기 제1 렌즈부(130)의 전체 TTL(Total track length)은 증가되는 문제가 있었다.
그러나, 실시예는 상술한 바와 같이 조리개를 생략할 수 있다. 자세하게, 상기 물체와 상기 제1 렌즈(131) 사이, 상기 제1 렌즈(131)와 상기 제2 렌즈(132) 사이, 상기 제2 렌즈(132)와 상기 제3 렌즈(133) 사이, 상기 제3 렌즈(133)와 상기 광원(110) 사이에 조리개가 배치되지 않을 수 있다.
이에 따라, 상기 발광부(100)의 제1 렌즈부(130)에 입사된 평행광은 상기 조리개를 지나지 않고 상점에 결상할 수 있다. 이 경우, 실시예는 상기 조리개가 생략되어 상기 입사된 광이 조리개에 의해 손실되는 평행빔의 면적을 고려할 필요가 없다.
즉, 실시예는 상기 조리개가 생략됨에 따라, 종래와 같이 중심 필드 영역이 오버 스펙으로 형성되는 것을 방지할 수 있고, 최소한의 광선만으로 상기 광원(110)의 각 필드별(0 내지 1필드) 요구되는 개구수(NA)를 만족하도록 설계를 진행할 수 있다.
따라서, 실시예는 상기 제1 렌즈부(130)의 전체 TTL을 감소시킬 수 있고, 보다 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기 조리개가 생략됨에 따라 보다 다양한 설계를 적용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여 실시예에 따른 제1 렌즈부(130)에 대한 광학계를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 10은 실시예에 따른 제1 렌즈부의 광학계의 구성도이고, 도 11은 도 10에 따른 광학계의 수차도를 도시한 그래프이다. 또한, 도 12는 도 10에 따른 광학계의 기하광학적(Geometrical) MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 실시예에 따른 제1 렌즈부(130)는 상기 광원(110) 상에 배치되는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈부(130)는 물체(객체)측으로부터 광원(110) 측 방향으로 순차적으로 배치되는 제1 렌즈(131), 제2 렌즈(132) 및 제3 렌즈(133)를 포함할 수 있다. 상기 제1 렌즈(131), 상기 제2 렌즈(132) 및 상기 제3 렌즈(133)는 상기 광원(110)의 광축(OA)을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈(131)는 상기 광원(110)과 가장 먼 거리에 위치한 렌즈일 수 있다. 또한, 상기 제3 렌즈(133)는 상기 광원(110)과 가장 인접한 거리에 위치한 렌즈일 수 있다.
상기 광원(110)에서 방출된 광은 상기 제3 렌즈(133), 상기 제2 렌즈(132) 및 상기 제1 렌즈(131)를 순차적으로 통과하여 객체를 향해 방출될 수 있다.
상기 복수의 렌즈 각각은 유효 영역 및 비유효 영역을 포함할 수 있다. 상기 유효 영역은 상기 제1 내지 제3 렌즈들(131, 132, 133) 각각에 입사된 광이 통과하는 영역일 수 있다. 즉, 상기 유효 영역은 입사된 광이 굴절되어 광학 특성을 구현하는 영역일 수 있다.
상기 비유효 영역은 상기 유효 영역 둘레에 배치될 수 있다. 상기 비유효 영역은 상기 광이 입사되지 않는 영역일 수 있다. 즉, 상기 비유효 영역은 상기 광학 특성과 무관한 영역일 수 있다. 또한, 상기 비유효 영역은 상기 렌즈를 수용하는 배럴(미도시) 등에 고정되는 영역일 수 있다.
상기 복수의 렌즈(131, 132, 133)와 상기 광원(110) 사이에는 제1 필터(170)가 배치될 수 있다. 상기 제1 필터(170)는 상기 제3 렌즈(133)와 상기 광원(110) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 필터(170)는 설정된 파장 대역의 광을 통과시킬 수 있고, 이와 다른 파장 대역의 광을 필터링할 수 있다. 자세하게, 상기 제1 필터(170)는 상기 광원(110)에서 방출된 광 중 설정된 파장 대역의 광을 통과시킬 수 있고 이와 다른 파장 대역의 광을 차단할 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈부(130)는 상술한 바와 같이 별도의 조리개를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈부(130)는 상기 제1 렌즈(131)와 객체 사이, 상기 복수의 렌즈들(131, 132, 133) 사이 또는 상기 제3 렌즈(133)와 상기 광원(110) 사이에 배치되는 조리개를 생략할 수 있다.
이하 복수의 렌즈들에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.
상기 제1 렌즈(131)는 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제1 렌즈(131)는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제1 렌즈(131)는 플라스틱 또는 글라스(glass) 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제1 렌즈(131)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다.
상기 제1 렌즈(131)는 물체 측 면으로 정의되는 제1 면(S1) 및 광원(110) 측 면으로 정의되는 제2 면(S2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 렌즈(131)의 제1 면(S1)은 볼록할 수 있고 제2 면(S2)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈(131)는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제1 렌즈(131)의 제1 면(S1)은 오목할 수 있고 제2 면(S2)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈(131)는 양 면이 오목한 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제1 렌즈(131)의 제1 면(S1)은 오목할 수 있고 제2 면(S2)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈(131)는 광 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 가르게, 상기 제1 렌즈(131)의 제1 면(S1)은 볼록할 수 있고 제2 면(S2)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈(131)는 양 면이 볼록한 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 면(S1) 및 상기 제2 면(S2) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 면(S1) 및 상기 제2 면(S2)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제2 렌즈(132)는 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제2 렌즈(132)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈(132)는 플라스틱 또는 글라스(glass) 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제2 렌즈(132)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다.
상기 제2 렌즈(132)는 물체 측 면으로 정의되는 제3 면(S3) 및 광원(110) 측 면으로 정의되는 제4 면(S4)을 포함할 수 있다. 상기 제3 면(S3)은 볼록할 수 있고, 상기 제4 면(S4)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제2 렌즈(132)는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제3 면(S3)은 볼록할 수 있고, 상기 제4 면(S4)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제2 렌즈(132)는 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제3 면(S3)은 오목할 수 있고, 상기 제4 면(S4)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제2 렌즈(132)는 광원(110) 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제3 면(S3)은 오목할 수 있고, 상기 제4 면(S4)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제2 렌즈(132)는 양면이 오목한 형상을 가질 수 있다.
상기 제3 면(S3) 및 상기 제4 면(S4) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 면(S3) 및 상기 제4 면(S4)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제3 렌즈(133)는 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제3 렌즈(133)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈(133)는 플라스틱 또는 글라스(glass) 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제3 렌즈(133)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다.
상기 제3 렌즈(133)는 물체 측 면으로 정의되는 제5 면(S5) 및 광원(110) 측 면으로 정의되는 제6 면(S6)을 포함할 수 있다. 상기 제5 면(S5)은 볼록할 수 있고, 상기 제5 면(S5)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제3 렌즈(133)는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제5 면(S5)은 볼록할 수 있고, 상기 제6 면(S6)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제3 렌즈(133)는 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제5 면(S5)은 오목할 수 있고, 상기 제6 면(S6)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제3 렌즈(133)는 광원(110) 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 상기 제5 면(S5)은 오목할 수 있고, 상기 제6 면(S6)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제3 렌즈(133)는 양면이 오목한 형상을 가질 수 있다.
상기 제5 면(S5) 및 상기 제6 면(S6) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제5 면(S5) 및 상기 제6 면(S6)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 렌즈(131, 132, 133)는 설정된 유효경 크기(CA; Clear Aperture)를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 렌즈(133)의 유효경 크기는 상기 제1 렌즈(131)의 유효경 크기보다 클 수 있다. 자세하게, 상기 제3 렌즈(133)의 물체 측 면(제5 면(S5)) 및 광원(110) 측 면(제6 면(S6))의 유효경의 크기는 상기 제1 렌즈(131)의 물체 측 면(제1 면(S1)) 및 광원(110) 측 면(제2 면(S2))의 유효경의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1 렌즈(131)의 유효경의 크기는 상기 제2 렌즈(132)의 유효경의 크기보다 클 수 있다. 자세하게, 상기 제1 렌즈(131)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 유효경의 크기는 상기 제2 렌즈(132)의 물체 측 면(제3 면(S3)) 및 광원(110) 측 면(제4 면(S4))의 유효경의 크기보다 클 수 있다. 또한, 상기 제1 렌즈(131)의 광원(110) 측 면(제2 면(S2))의 유효경의 크기는 상기 제1 내지 제6 면(S1, S2, S3, S4, S5, S6)의 유효경의 크기 중 가장 작을 수 있다.
실시예에 따른 광원(110) 및 제1 렌즈부(130)는 이하에서 설명되는 수학식 중 적어도 하나를 만족할 수 있다. 이에 따라, 실시예는 제1 렌즈부(130)의 전체 TTL(Total track length)을 감소시킬 수 있고, 상기 광원(110)의 각 필드별(0 내지 1필드)로 요구되는 개구수(NA)를 만족할 수 있다.
[수학식 4]
DH / TTL > 0.21
수학식 4에서 DH는 상기 광원(110)의 대각선 길이(D)의 1/2이고, TTL은 상기 광축(OA)에서 상기 제1 렌즈(131)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA) 방향 거리이다.
[수학식 5]
|f1| > |f3| > |f2|
수학식 5에서 f1은 상기 제1 렌즈의 초점 거리이고, f2는 상기 제2 렌즈의 초점 거리이고, f3은 상기 제3 렌즈의 초점 거리이다.
[수학식 6]
0.4 < L1_CT < L3_CT < L2_CT < 0.75
수학식 6에서 L1_CT는 제1 렌즈(131)의 광축(OA)에서의 중심 두께(mm)이고, L2_CT는 상기 제2 렌즈(132)의 광축(OA)에서의 중심 두께(mm)이고, L3_CT는 상기 제3 렌즈(133)의 광축(OA)에서의 중심 두께(mm)이다.
[수학식 7]
1 < d12 / d23 < 1.15
수학식 7에서 d12는 광축(OA)에서 상기 제1 렌즈(131)와 상기 제2 렌즈(132) 사이 간격(mm)이고, d23은 광축(OA)에서 상기 제2 렌즈(132)와 상기 제3 렌즈(133) 사이의 간격(mm)이다.
[수학식 8]
0.7 < d12 / L1_CT < 1
수학식 8에서 d12는 광축(OA)에서 상기 제1 렌즈(131)와 상기 제2 렌즈(132) 사이 간격(mm)이고, L1_CT는 제1 렌즈(131)의 광축(OA)에서의 중심 두께(mm)이다.
[수학식 9]
0.5 < d12 / L2_CT < 0.8
수학식 9에서 d12는 광축(OA)에서 상기 제1 렌즈(131)와 상기 제2 렌즈(132) 사이 간격(mm)이고, L2_CT는 제2 렌즈(132)의 광축(OA)에서의 중심 두께(mm)이다.
[수학식 10]
| L3_R1 / L3_R2| < | L1_R1 / L1_R2| < | L2_R1 / L2_R2|
수학식 10에서 L1_R1은 상기 제1 렌즈(131)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 곡률 반경(mm)이고, L1_R2는 제1 렌즈(131)의 광 측 면(제2 면(S2))의 곡률 반경이다.
또한, L2_R1은 상기 제2 렌즈(132)의 물체 측 면(제3 면(S3))의 곡률 반경(mm)이고, L2_R2는 제2 렌즈(132)의 광 측 면(제4 면(S4))의 곡률 반경이다.
또한, L3_R1은 상기 제3 렌즈(133)의 물체 측 면(제5 면(S5))의 곡률 반경(mm)이고, L3_R2는 제3 렌즈(133)의 광 측 면(제6 면(S6))의 곡률 반경이다.
[수학식 11]
0.34 < EFL < 1.05
수학식 11에서 EFL(Effective focal length)은 제1 렌즈부(130)의 유효 초점 거리(mm)이다.
[수학식 12]
TTL < 4
수학식 12에서 TTL(Total track length)은 상기 광축(OA)에서 상기 제1 렌즈(131)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA) 방향 거리이다.
[수학식 13]
0.5 < BFL < 1
수학식 13에서 BFL(Back focal length)은 광원(110)과 최인접한 제3 렌즈(133)의 광원 측 면의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA)에서의 거리이다.
[수학식 14]
60 ≤ FOI ≤ 120
수학식 14에서 FOI(Field Of Illumination)는 상기 광원(110)에서 방출되어 상기 제1 렌즈부(130)를 통과한 출력광의 각도(degree)를 의미할 수 있다.
[수학식 15]
0.95 < DH / BFL < 1.25
수학식 15에서 DH는 상기 광원(110)의 대각선 길이(D)의 1/2이고, BFL(Back focal length)은 광원(110)과 최인접한 제3 렌즈(133)의 광원 측 면의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA)에서의 거리이다.
[수학식 16]
4 < TTL / BFL < 5
수학식 16에서 TTL(Total track length)은 상기 광축(OA)에서 상기 제1 렌즈(131)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA) 방향 거리이고, BFL(Back focal length)은 광원(110)과 최인접한 제3 렌즈(133)의 광원 측 면의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA)에서의 거리이다.
[수학식 17]
0.2 < EFL / TTL < 0.3
수학식 17에서 EFL(Effective focal length)은 제1 렌즈부(130)의 유효 초점 거리(mm)이고, TTL(Total track length)은 상기 광축(OA)에서 상기 제1 렌즈(131)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA) 방향 거리이다.
[수학식 18]
0.95 < EFL / BFL < 1.3
수학식 18에서 EFL(Effective focal length)은 제1 렌즈부(130)의 유효 초점 거리(mm)이고, BFL(Back focal length)은 광원(110)과 최인접한 제3 렌즈(133)의 광원 측 면의 정점으로부터 상기 광원(110)의 상면까지의 광축(OA)에서의 거리이다.
렌즈 면 곡률 반경(R, mm) 두께 또는 간격(mm) 굴절률 아베수 유효 반경(mm)
제1 렌즈 제1 면 2.55 0.5126 1.635 20.37 0.7279
제2 면 0.907 0.4481 0.3553
제2 렌즈 제3 면 -2.609 0.6674 1.635 20.37 0.4879
제4 면 -0.719 0.4158 0.6609
제3 렌즈 제5 면 1.315 0.606 1.635 20.37 0.911
제6 면 -5.905 0.2407 0.9937
필터 infinity 0.21 1.514 54.48
infinity 0.2493
광원 0
표 1은 실시예에 따른 상기 제1 내지 제3 렌즈들(131, 132, 133)의 곡률 반경(Radius of Curvature), 각 렌즈의 두께(Thickness), 각 렌즈 사이의 중심 간격(distance), 굴절률(Refractive index), 아베수(Abbe's Number) 및 유효 반경(Semi-aperture)에 대한 것이다. 자세하게, 상기 표 1은 상기 발광부(100)의 출력광은이 점 패턴의 형태(도 7(a))를 가질 경우의 데이터에 대한 것이다.
도 1 및 표 1을 참조하면, 상기 제1 렌즈(131)는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제1 렌즈(131)의 제1 면(S1)은 볼록할 수 있고, 상기 제2 면(S2)은 오목할 수 있다. 상기 제1 렌즈(131)는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 렌즈(132)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈(132)의 제3 면(S3)은 오목할 수 있고, 상기 제4 면(S4)은 볼록할 수 있다. 상기 제2 렌즈(132)는 광원(110) 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제3 면(S3)은 비구면일 수 있고, 상기 제4 면(S4)은 비구면일 수 있다.
상기 제3 렌즈(133)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈(133)의 제5 면(S5)은 볼록할 수 있고, 상기 제6 면(S6)은 볼록할 수 있다. 상기 제3 렌즈(133)는 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다. 상기 제5 면(S5)은 비구면일 수 있고, 상기 제6 면(S6)은 비구면일 수 있다.
또한, 상기 광학계(1000)는 조리개를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 상기 물체와 상기 제1 렌즈(131) 사이, 상기 제1 및 제2 렌즈(131, 132) 사이, 상기 제2 및 제3 렌즈(132, 133) 사이, 상기 제3 렌즈(133)과 상기 광원(110) 사이에는 조리개가 배치되지 않을 수 있다.
실시예에 따른 제1 렌즈부(130)에서 각 렌즈면의 비구면 계수의 값은 하기 표 2와 같다.
제1 면 제2 면 제3 면 제4 면 제5 면 제6 면
K 9.8519 -18.462 -2.0868 -0.0912 -3.7463 -89.7083
A 8.05E-01 6.53E+00 -9.13E-01 -3.79E-01 2.95E-03 6.26E-01
B -2.62E+00 -8.73E+01 -1.39E+00 -1.68E+00 -1.05E+00 -3.05E+00
C 1.17E+01 2.45E+03 1.59E+01 3.36E+01 3.04E+00 5.65E+00
D -3.89E+01 -5.97E+04 7.56E+01 -3.77E+02 -1.38E+01 -7.34E+00
E 9.05E+01 1.06E+06 -1.22E+03 2.51E+03 4.77E+01 9.99E+00
F -1.24E+02 -1.23E+07 5.54E+03 -1.01E+04 -8.83E+01 -1.20E+01
G 6.24E+01 8.74E+07 -5.62E+03 2.44E+04 8.77E+01 8.99E+00
H 5.64E+01 -3.46E+08 -2.08E+04 -3.24E+04 -4.39E+01 -3.51E+00
J -6.70E+01 5.81E+08 4.04E+04 1.83E+04 8.37E+00 5.44E-01
실시예
D 1.65 mm
DH 0.825mm
f1 -2.5217 mm
f2 1.3739 mm
f3 1.7506 mm
EFL 0.8488 mm
TTL 3.3499
BFL 0.7 mm
FOI 80도
수학식 실시예
수학식 4 DH / TTL > 0.21 0.2463
수학식 5 |f1| > |f3| > |f2| 만족
수학식 6 0.4 < L1_CT < L3_CT < L2_CT < 0.75 만족
수학식 7 1 < d12 / d23 < 1.15 1.0777
수학식 8 0.7 < d12 / L1_CT < 1 0.8742
수학식 9 0.5 < d12 / L2_CT < 0.8 0.6714
수학식 10 | L3_R1 / L3_R2| < | L1_R1 / L1_R2| < | L2_R1 / L2_R2| 만족
수학식 11 0.34 < EFL < 1.05 0.8488
수학식 12 TTL < 4 3.3499
수학식 13 0.5 < BFL < 1 0.7
수학식 14 60 ≤ FOI ≤ 120 80
수학식 15 0.95 < DH / BFL < 1.25 1.1786
수학식 16 4 < TTL / BFL < 5 4.7856
수학식 17 0.2 < EFL / TTL < 0.3 0.2534
수학식 18 0.95 < EFL / BFL < 1.3 1.2126
표 3은 실시예에 따른 제1 렌즈부(130)에서 상술한 수학식들의 항목에 대한 것으로, 상기 광원(110)의 대각선 길이(D), 상기 제1 렌즈부(130)의 TTL(Total track length), BFL(Back focal length), EFL값, 상기 제1 내지 제3 렌즈들(131, 132, 133) 각각의 초점 거리(f1, f2, f3)에 대한 것이다.
또한, 표 4는 실시예에 따른 제1 렌즈부(130)에서 상술한 수학식 4 내지 수학식 18에 대한 결과 값에 대한 것이다.
표 4를 참조하면, 실시예에 따른 제1 렌즈부(130)는 수학식 4 내지 수학식 18 중 적어도 하나를 만족하는 것을 알 수 있다. 자세하게, 실시예에 따른 제1 렌즈부(130)는 상기 수학식 4 내지 수학식 18을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 발광부(100)가 구동 부재(150)를 포함하여 상기 제1 렌즈부(130)가 광축(OA) 방향으로 이동 가능하게 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 발광부(100)의 출력광은 면 패턴 형태(도 7(b))를 가질 수 있다.
자세하게, 상기 구동 부재(150)는 약 100㎛ 내지 약 200㎛ 범위 내에서 상기 제1 렌즈부(130)를 광축(OA) 방향으로 이동시킬 수 있다. 일례로, 상기 구동 부재(150)는 점 형태의 출력광에서 면 형태의 출력광으로 변화시킬 경우 상기 제1 렌즈부(130)를 150㎛ 이동시킬 수 있다.
이 경우, 상기 제3 렌즈(133)와 상기 광원(110) 사이의 간격(BFL)은 0.7mm에서 0.85mm로, 상기 제1 렌즈부(130)의 전체 TTL은 3.3499mm에서 3.4999mm로 변화할 수 있다. 상기 객체에는 면 패턴의 출력광이 제공될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 발광부(100)는 면 패턴의 출력광을 제공하는 경우에도 상기 수학식 4 내지 수학식 18을 모두 만족할 수 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 발광부(100)는 향상된 광학적 특성을 가지며 도 11 및 도 12와 같은 수차 특성, 기하광학적(Geometrical) MTF 특성을 가질 수 있다. 여기서, 도 11 및 도 12는 점 패턴의 출력광에 대한 수차 및 MTF 특성 그래프로, 도 11에서 X축은 초점 거리(mm) 및 왜곡도(%)를 나타낼 수 있고, Y축은 이미지의 높이(height)를 의미할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 발광부(100)는 조리개를 생략한 구조로 제공될 수 있다. 이에 따라, 최소한의 광선만으로 상기 광원(110)의 각 필드별(0 내지 1필드) 요구되는 개구수(NA)를 만족하도록 설계를 진행할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 중심 필드 영역이 주변 필드 영역보다 오버 스펙으로 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제1 렌즈부(130)의 전체 TTL을 감소시킬 수 있고, 상기 조리개가 생략됨에 따라 광학 특성 향상을 위한 보다 다양한 설계를 적용할 수 있다.
도 13 및 도 14는 실시예에 따른 카메라 모듈이 적용된 이동 단말기 및 차량의 사시도이다.
먼저 도 13을 참조하면, 실시예에 따른 카메라 모듈(1000)은 이동 단말기(2000)에 적용될 수 있다. 실시예에 따른 이동 단말기(2000)는 후면에 제1 카메라 모듈(10A), 제2 카메라 모듈(10B)이 배치될 수 있다.
상기 제1 카메라 모듈(10A)은 상술한 카메라 모듈로 발광부(100) 및 수광부(300)를 포함할 수 있다. 상기 제1 카메라 모듈(10A)은 TOF(Time of flight) 카메라일 수 있다.
상기 제2 카메라 모듈(10B)은 이미지 촬영 기능을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 카메라 모듈(10B)은 자동 초점(Auto focus), 줌(zoom) 기능 및 OIS 기능 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 카메라 모듈(10B)은 촬영 모드 또는 화상 통화 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지 영상 또는 동영상의 화상 프레임을 처리할 수 있다. 처리된 화상 프레임은 소정의 디스플레이부에 표시될 수 있으며 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 이동 단말기(2000)의 전면에도 카메라가 배치될 수 있다.
상기 이동 단말기(2000)의 후면에는 플래시 모듈(2030)이 배치될 수 있다. 상기 플래시 모듈(2030)은 내부에 광을 발광하는 발광소자를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다.
이에 따라, 사용자는 상기 이동 단말기(2000)를 이용하여 객체를 촬영 및 디스플레이할 수 있다. 또한, 사용자는 상기 제1 카메라 모듈(10A)을 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 효과적으로 파악할 수 있고, 상기 객체에 대한 깊이 정보를 실시간으로 감지할 수 있다.
또한, 도 14를 참조하면, 실시예에 따른 카메라 모듈(1000)은 차량(3000)에 적용될 수 있다.
실시예에 따른 차량(3000)은, 동력원에 의해 회전하는 바퀴(3210, 3230), 소정의 센서를 구비할 수 있다. 상기 센서는 카메라 센서(3100)를 포함할 수 있고, 상기 카메라 센서(3100)는 상술한 카메라 모듈(1000)을 포함하는 카메라 센서일 수 있다.
실시예에 따른 차량(3000)은, 전방 영상 또는 주변 영상을 촬영하는 카메라 센서(3100)를 통해 영상 정보 및 깊이 정보를 획득할 수 있고, 영상 및 깊이 정보를 이용하여 차선 미식별 상황을 판단하고 미식별시 가상 차선을 생성할 수 있다.
예를 들어, 카메라 센서(3100)는 차량(3000)의 전방을 촬영하여 전방 영상을 획득하고, 프로세서(미도시)는 이러한 전방 영상에 포함된 객체를 분석하여 영상 정보를 획득할 수 있다.
예를 들어, 카메라 센서(3100)가 촬영한 영상에 차선, 인접차량, 주행 방해물, 및 간접도로 표시물에 해당하는 중앙 분리대, 연석, 가로수 등의 객체를 촬영할 경우, 프로세서는 이러한 객체의 영상 정보뿐만 아니라 깊이 정보를 검출할 수있다. 즉, 실시예는 차량(3000)의 탑승자에게 객체에 대한 보다 구체적이고 정확한 정보를 제공할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
카메라 모듈: 1000
발광부: 100 광원: 110
제1 렌즈부: 130 제1 렌즈: 131
제2 렌즈: 132 제3 렌즈: 133
수광부: 300 이미지 센서: 310
제2 렌즈부: 330

Claims (12)

  1. 물체 측으로부터 광원 측 방향으로 광축을 따라 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고,
    상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 양의 굴절력을 가지고,
    상기 제1 렌즈는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지고,
    상기 물체와 상기 제1 렌즈 사이, 상기 제1 및 제2 렌즈 사이, 상기 제2 및 제3 렌즈 사이, 상기 제3 렌즈와 상기 광원 사이에 조리개가 배치되지 않고 하기 수학식을 만족하는 광학계.
    DH/TTL > 0.21
    (DH는 상기 광원의 대각 길이(D)의 1/2이고, TTL은 상기 제1 렌즈의 물체 측 면에서 상기 광원의 상면까지의 상기 광축에서의 거리이다.)
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 제3 렌즈와 마주하며 배치되고 광 방출을 위한 복수의 에미터(emitter)를 포함하고,
    상기 복수의 에미터는 상기 광원의 중심 영역에 배치되는 제1 에미터 및 상기 광원의 주변 영역에 배치되는 제2 에미터를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 에미터에서 방출된 광의 발산각(divergence angle)은 서로 동일한 광학계.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 광원 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지는 광학계.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈는 물체 측 면 및 광원 측 면 각각이 볼록한 형상을 가지는 광학계.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 유효경의 크기(CA; Clear Aperture)는 상기 제1 렌즈의 유효경의 크기보다 큰 광학계.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학계는 하기 수학식을 만족하는 광학계.
    Figure pat00007

    (θ는 상기 광원의 발산각의 1/2인 각도이다. 또한, θR2는 상부 자오광선(Upper meridional ray)에 대한 각도(+Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR3는 하부 자오광선(Lower meridional ray)에 대한 각도(-Y의 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다. 또한, θR4는 +X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(+X 비네팅 값(vignetting value))를 의미하고, θR5는 -X 새지털 광선(Sagittal Ray)에 대한 각도(-X 비네팅 값(vignetting value))를 의미한다.)
  7. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학계의 CRA(Chief Ray Angle)는 3도(degree) 미만인 광학계.
  8. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 렌즈는 하기 수학식을 만족하는 광학계.
    |f1| > |f3| > |f2|
    (f1은 상기 제1 렌즈의 초점 거리이고, f2는 상기 제2 렌즈의 초점 거리이고, f3은 상기 제3 렌즈의 초점 거리이다.)
  9. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 렌즈는 하기 수학식을 만족하는 광학계.
    0.4 < L1_CT < L3_CT < L2_CT > 0.75
    (L1_CT는 상기 제1 렌즈의 상기 광축에서의 중심 두께이고, L2_CT는 상기 제2 렌즈의 상기 광축에서의 중심 두께이고, L3_CT는 상기 제3 렌즈의 상기 광축에서의 중심 두께이다.)
  10. 발광부 및 이미지 센서를 포함하는 수광부를 포함하고,
    상기 발광부는,
    광원; 및
    상기 광원 상에 배치되며 복수의 렌즈를 포함하는 제1 렌즈부를 포함하고,
    상기 제1 렌즈부는,
    물체 측으로부터 상기 광원 측 방향으로 광축을 따라 배치되는 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 렌즈는 음의 굴절력을 가지고,
    상기 제2 렌즈 및 상기 제3 렌즈는 양의 굴절력을 가지고,
    상기 제1 렌즈는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가지고,
    상기 발광부는 조리개를 포함하지 않고, 하기 수학식을 만족하는 카메라 모듈.
    DH/TTL > 0.21
    (DH는 상기 광원의 대각 길이(D)의 1/2이고, TTL은 상기 제1 렌즈의 물체 측 면에서 상기 광원의 상면까지의 상기 광축에서의 거리이다.)
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 발광부는 점 패턴 또는 면 패턴의 형상을 가지는 출력광을 방출하는 카메라 모듈.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 제1 렌즈부와 연결된 구동 부재를 더 포함하고,
    상기 구동 부재는 상기 제1 렌즈부를 상기 광축 방향으로 이동시켜 상기 발광부에서 방출된 출력광의 형상을 점 패턴 또는 면 패턴으로 제어하는 카메라 모듈.
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