KR100771795B1

KR100771795B1 - 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계

Info

Publication number: KR100771795B1
Application number: KR1020060035606A
Authority: KR
Inventors: 김태영
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-10-30
Also published as: JP4702633B2; US20070247727A1; KR20070103812A; JP2007293335A

Abstract

초소형의 카메라 모듈에 장착할 수 있는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계가 제공된다.

본 발명에 의한 줌 광학계는, 적어도 하나 이상의 렌즈와, 상기 렌즈를 통하여 입사된 광의 경로를 변경시키는 프리즘을 구비하며, 전체적으로 음의 굴절력을 가지며 고정된 제1 렌즈군; 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 변배 수행시 이송되는 제2 렌즈군; 및 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈를 구비하여, 상기 제2 렌즈군의 변배 수행에 따른 상면(像面)의 보정을 행하며, 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 고정된 제3 렌즈군; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면 충분한 변배 성능을 확보할 수 있으면서도 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있고 각종 수차 특성이 우수하다는 효과가 있게 된다.

액체렌즈, 광학 줌, 광학계, 변배, 고해상도, 수차, MTF

Description

액체렌즈를 구비하는 줌 광학계{Zooming Optical System Having a Liquid Lens}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 줌 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도로서,

(a)는 망원단, (b)는 중간단, (c)는 광각단에서의 렌즈 구성도.

도 2는 도 1에 도시된 줌 광학계의 광각단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 3은 도 1에 도시된 줌 광학계의 중간단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 4는 도 1에 도시된 줌 광학계의 망원단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 5는 도 1에 도시된 줌 광학계의 광각단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 6은 도 1에 도시된 줌 광학계의 중간단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 7은 도 1에 도시된 줌 광학계의 망원단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 의한 줌 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도로서,

(a)는 망원단, (b)는 중간단, (c)는 광각단에서의 렌즈 구성도.

도 9는 도 8에 도시된 줌 광학계의 광각단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 10은 도 8에 도시된 줌 광학계의 중간단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 11은 도 8에 도시된 줌 광학계의 망원단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 12는 도 8에 도시된 줌 광학계의 광각단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 13은 도 8에 도시된 줌 광학계의 중간단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 14는 도 8에 도시된 줌 광학계의 망원단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 15는 본 발명의 제3 실시예에 의한 줌 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도로서,

(a)는 망원단, (b)는 중간단, (c)는 광각단에서의 렌즈 구성도.

도 16은 도 15에 도시된 줌 광학계의 광각단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 17은 도 15에 도시된 줌 광학계의 중간단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 18은 도 15에 도시된 줌 광학계의 망원단의 MTF 특성을 나타낸 그래프.

도 19는 도 15에 도시된 줌 광학계의 광각단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 20은 도 15에 도시된 줌 광학계의 중간단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

도 21은 도 15에 도시된 줌 광학계의 망원단에서의 각종 수차를 특성을 도시한 그래프로서,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡수차의 수차도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

LG1... 제1 렌즈군 LG2... 제2 렌즈군

LG3... 제3 렌즈군 LL... 액체렌즈

L1... 제1 렌즈 L2... 제2 렌즈

L3... 제3 렌즈 L4... 제4 렌즈

L5... 제5 렌즈 L6... 제6 렌즈

L7... 제7 렌즈 AS... 개구 조리개

IP... 상면(像面) P... 프리즘

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15... 면 번호

본 발명은 CCD 또는 CMOS와 같은 이미지 센서를 사용하는 카메라 모듈용 줌 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체렌즈를 사용하여 구동하는 렌즈군의 수가 적고, 소형이면서도 기구적 구조가 간단하며 고해상도를 얻을 수 있는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계에 관한 것이다.

일반적으로 카메라는 다수개의 렌즈를 구비하고 있으며 다수의 렌즈를 이동시켜 그 상대거리를 변화시킴으로써 광학 줌 기능, 자동 초점조정 기능, 접사 기능을 수행하도록 구성된다.

특히, 최근에는 카메라가 탑재된 이동통신단말기 또는 PDA(개인 휴대용 정보 단말기)가 등장하여 정지화상 및 동영상의 촬영이 가능해지게 되었으며, 고해상도 및 고화질의 촬영을 위해 카메라의 성능이 점차 개선되어 가고 있는 추세이다. 즉, 소비자의 기대에 부응하기 위하여 광학 줌 기능, 자동 초점조절 기능, 접사 기능 등을 갖춘 카메라 모듈이 장착된 이동통신단말기 등이 등장하고 있다.

그러나, 이러한 기능을 수행하기 위해서는 렌즈의 구동을 위한 구동수단이 필요하므로 소형화된 카메라 모듈을 얻기 어렵다는 문제점이 있다.

특히, 광학 줌 기능을 수행하기 위해서는 2개 이상의 렌즈군을 이송하여 변배와 초점 조정을 수행하여야 하므로, 렌즈 구동수단이 많이 필요하게 되어 소형화에 반할 뿐만 아니라, 기구적 제한이 크고, 중량이 증가하며 소비전력이 많이 필요하게 된다는 문제점이 있게 된다.

따라서, 1개의 렌즈군 만을 이송하여도 충분한 변배 성능과 고해상도를 얻을 수 있는 줌 광학계가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 렌즈군만을 이송시킴으로써 소형화가 가능하고 기구적인 제한, 전력소모 및 중량이 적은 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 박형의 이동통신단말기 등에 적용할 수 있도록 두께가 얇은 줌 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 적은 매수의 렌즈를 사용하면서도 고해상도의 구현이 가능하고 각종 수차의 특성이 우수하면서도 변배 성능이 우수한 줌 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 이동통신단말기와 같이 초소형화 및 낙하 신뢰성이 요구되는 제품에 장착될 수 있는 줌 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서 본 발명은 적어도 하나 이상의 렌즈와, 상기 렌즈를 통하여 입사된 광의 경로를 변경시키는 프리즘을 구비하며, 전체적으로 음의 굴절력을 가지며 고정된 제1 렌즈군; 전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 변배 수행시 이송되는 제2 렌즈군; 및 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈를 구비하여, 상기 제2 렌즈군의 변배 수행에 따른 상면(像面)의 보정을 행하며, 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 고정된 제3 렌즈군; 을 포함하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계를 제공한다.

바람직하게는, 상기 제2 렌즈군과 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 1을 만족할 수 있다.

[조건식 1] 1.0 ＜ F3/F2 ＜ 4.0

여기서, F3 : 제3 렌즈군의 전체 초점거리

F2 : 제2 렌즈군의 전체 초점거리

또한 바람직하게는, 상기 액체렌즈는 물체측으로부터 순서대로 물체측 커버렌즈, 상기 제1 액체로 이루어지는 제1 액체렌즈요소, 상기 제2 액체로 이루어지는 제2 액체렌즈요소 및 상측 커버렌즈를 포함하여 이루어지며, 상기 액체렌즈를 구성하는 상기 커버렌즈들의 형상에 관하여 다음의 조건식 2를 만족할 수 있다.

[조건식 2] 1.0 ＜ RC1/RC2 ＜ 2.3

여기서, RC1 : 물체측 커버렌즈의 물체측 면의 곡률반경

RC2 : 상측 커버렌즈의 상측 면 곡률반경

더욱 바람직하게는, 상기 제1 렌즈군은 물체측 가장 가까이 위치한 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈의 후단에 위치한 프리즘을 구비하며, 상기 제1 렌즈와 상기 프리즘에 관하여 다음의 조건식 3을 만족할 수 있다.

[조건식 3] 3.0 ＜ R2/t2 ＜ 5.0

여기서, R2 : 제1 렌즈의 상측면의 곡률 반경

t2 : 제1 렌즈의 상측면으로부터 프리즘까지의 거리

또한 바람직하게는, 상기 제1 렌즈군과 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 4를 만족할 수 있다.

[조건식 4] -4.0 ＜ F3/F1 ＜ -1.0

여기서, F3 : 제3 렌즈군의 전체 초점거리

F1 : 제1 렌즈군의 전체 초점거리

바람직하게는, 상기 제2 렌즈군과 상기 프리즘 사이에 다음의 조건식 5를 만족할 수 있다.

[조건식 5] 1.0 ＜ tpw/Fw ＜ 2.0

여기서, tpw : 광각단에서 프리즘으로부터 제2 렌즈군 첫번째 렌즈의 물체측 면까지의 거리

Fw : 광각단에서 줌 광학계의 전체 초점거리

이때, 상기 프리즘을 이루는 면은 평면 또는 곡면으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 렌즈군은 광각단으로부터 망원단으로의 변배시 상기 제1 렌즈군과의 간격이 감소하도록 이송되면서 변배를 수행할 수 있다.

다른 측면으로서 본 발명은, 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈를 통하여 입사된 광의 경로를 변경시키는 프리즘을 구비하며, 전체적으로 음의 굴절력을 가지며 고정된 제1 렌즈군; 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 구비하며, 광각단으로부터 망원단으로의 변배시 상기 제1 렌즈군과의 간격이 감소하도록 이송되면서 변배를 수행하는 제2 렌즈군; 및 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈와, 적어도 하나의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고, 상기 제2 렌즈군의 변배 수행에 따른 상면(像面)의 보정을 행하며, 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 고정된 제3 렌즈군; 을 포함하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 1, 도 8 및 도 15는 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 의한 줌 광학계의 렌즈 배치를 도시한 렌즈 구성도이다. 도면에서 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 도면에서 제시된 구면 및 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.

도 1, 도 8 및 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 줌 광학계는 물 체측으로부터 순서대로, 음의 굴절력을 가지며 고정된 제1 렌즈군(LG1)과, 양의 굴절력을 갖고 변배시 이송하는 제2 렌즈군(LG2)과, 액체렌즈(LL)와 상기 액체렌즈(LL)의 전단 또는 후단에 배치된 적어도 하나의 렌즈를 구비하고 양의 굴절력을 가지며 고정된 제3 렌즈군(LG3)으로 이루어진다.

이때, 제1 렌즈군(LG1)은 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1)와, 상기 제1 렌즈를 통하여 입사된 광의 경로를 변경시키는 프리즘(P)를 구비하며 변배시 고정된 위치를 상태를 유지한다. 또한, 제2 렌즈군(LG2)은 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)를 구비하며, 광각단에서 망원단으로 변배시 제1 렌즈군(LG1)과의 간격이 감소하도록 이송되면서 변배를 수행하게 된다.

그리고, 제3 렌즈군(LG3)은 상기 제2 렌즈군의 변배 수행에 따른 상면(像面)의 보정을 행하며 변배시 고정된 위치를 유지한다. 도 1을 참조하면, 제3 렌즈군(LG3)의 액체렌즈(LL)은 제1 액체로 이루어지는 제1 액체렌즈요소(L5)와, 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체로 이루어지는 제2 액체렌즈요소(L6)와, 상기 제1 액체렌즈요소(L5)의 물체측을 밀폐하는 물체측 커버렌즈(L4)와, 상기 제2 액체렌즈요소(L6)의 상측을 밀폐하는 상측 커버렌즈(L7)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 제1 액체 또는 제2 액체는 도전성 또는 유극성의 액체로 이루어지며, 인가되는 전압에 따라 제1 액체와 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하게 되며, 이러한 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 된다.

이러한 액체렌즈(LL)은 공지된 액체렌즈를 사용할 수 있으며, 제1 액체 또는 제2 액체의 재질 등은 본 발명의 사상을 구현할 수 있는 한 특별히 한정되지 않 는다.

또한, 본 발명에 의한 액체렌즈(LL)를 구비하는 줌 광학계는 물체측 커버렌즈(L4)와 상측 커버렌즈(L7)의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면을 구면 또는 비구면의 곡면으로 형성함으로써 소정의 광학적 특성을 구현하는데 필요한 렌즈의 매수를 줄일 수 있게 된다.

한편, 제1 렌즈군(LG1)에 프리즘(P)을 구비함으로써 광학계의 두께를 줄일 수 있게 된다. 즉, 제1 렌즈(L1)에서 입사된 광의 경로를 변경시킴으로써(예를 들어 90°), 제1 렌즈(L1)가 측면으로 돌출된 만큼의 공간을 이용하여 제2 렌즈군(LG2)의 이송을 위한 렌즈이송기구(미도시)를 장착할 수 있게 되어 얇은 두께의 카메라 모듈의 제작이 가능하게 된다는 이점이 있게 된다. 더욱이, 이동통신단말기나 PDA 등이 초박화가 됨에 따라 광학계의 전장을 충분히 확보할 수 없다는 문제가 있었으나, 프리즘(P)을 이용하여 광경로를 변경시킴으로써 초박형의 이동통신단말기 등에도 적용할 수 있다는 이점이 있게 된다.

또한, 프리즈(P)을 이루는 면 중의 일부를 구면 또는 비구면의 곡면으로 형성함으로써 적은 매수의 렌즈로 충분한 광학적 특성을 구현할 수 있다는 이점이 있게 된다(도 15 참조).

본 발명에 의한 줌 광학계는, 변배시 고정된 제1 렌즈군(LG1)을 통하여 피사체로부터의 광을 집광하고, 변배시 이송되는 제2 렌즈군(LG2)을 통하여 변배를 수행하며, 액체렌즈(LL)를 구비하는 제3 렌즈군(LG3)를 통하여 변배에 의한 상면 보정 및 각종 수차의 보정을 행하게 된다.

또한, 제3 렌즈군(LG2)에 액체렌즈(LL)를 배치함으로써, 제1 렌즈군(LG1) 또는 제2 렌즈군(LG2)에 액체렌즈(LL)가 배치되는 경우에 비해 낙하 신뢰성이 향상될 뿐만 아니라, 광각단 내지 망원단으로의 변배시 다른 렌즈군(LG1,LG2)의 기능에 비추어 최적화 설계가 가능하다는 이점이 있다.

이때, 액체렌즈(LL)를 구성하는 렌즈의 굴절면 중 적어도 하나에 적외선 차단 코팅 등을 하여 부품수를 최소화하고 광학계의 소형화를 이룰 수도 있다.

한편, 제3 렌즈군(LG3)의 뒤쪽에는 광학적 저역필터나 색 필터, 페이스 플레이트(face plate) 등에 대응하여 설계상 설치되는 커버 글래스(미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 상면(IP)은 각각의 렌즈가 형성하는 상을 수광하며, CCD 센서나 CMOS 센서 등의 고체촬상소자(광전변환소자)로 이루어진다.

이러한 특징을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 다음의 조건식을 만족한다.

[조건식 1] 1.0 ＜ F3/F2 ＜ 4.0

여기서, F3은 제3 렌즈군(LG3)의 전체 초점거리이고, F2는 제2 렌즈군(LG2)의 전체 초점거리이다.

조건식 1은 제2 렌즈군(LG2)과 제3 렌즈군(LG3)의 파워에 관한 항목으로서, 굴절능의 배분에 관한 것이다.

조건식 1의 상한을 넘어서면 제3 렌즈군(LG3)의 파워가 작아져서 배율 변화에 대한 상면 보상이 어려우며, 반대로 하한을 벗어나면 액체렌즈(LL) 부분의 곡률 반경이 너무 작아져 제작 민감도가 높아지게 된다.

또한, 제2 렌즈군(LG2)의 파워는 이송군의 위치변화량과 배율을 결정짓는 역할을 하기 때문에 양의 굴절력을 가지며 전체 굴절능 배분에서 밸런스를 맞추어 변배시 왜곡을 보정할 수 있다. 따라서, 조건식 1의 상한을 넘게 되면 제2 렌즈군(LG2)의 파워가 너무 커지게 되므로 전체적인 굴절능 밸런스가 깨져 왜곡수차의 변화가 커지게 되며, 하한을 벗어나면 이송군인 제2 렌즈군(LG2)의 위치변화량이 커져 시스템의 소형화에 불리하게 된다.

[조건식 2] 1.0 ＜ RC1 / RC2 ＜ 2.3

여기서, RC1은 액체렌즈(LL)의 물체측 커버렌즈에 해당하는 렌즈의 물체측 면의 곡률반경이고, RC2는 액체렌즈(LL)의 상측 커버렌즈에 해당하는 렌즈의 상측 면의 곡률반경이다.

조건식 2는 액체렌즈(LL)를 구성하는 커버렌즈의 형상에 관한 조건이다.

즉, 본 발명에 의한 줌 광학계는 물체측 커버렌즈와 상측 커버렌즈의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면을 구면 또는 비구면의 곡면으로 형성함으로써 소정의 광학적 특성을 구현하는데 필요한 렌즈의 매수를 줄일 수 있게 된다.

이때, 조건식 2의 상한을 벗어나면 액체렌즈(LL)의 파워가 작아져 배율변화에 대한 상면 보정 및 수차 보정이 어렵게 되고, 하한을 벗어나면 액체렌즈(LL)의 커버렌즈에 형성되는 곡면의 곡률반경이 너무 작게 되어 제작이 어렵게 된다.

[조건식 3] 3.0 ＜ R2 / t2 ＜ 5.0

여기서, R2는 제1 렌즈(L1)의 상측면의 곡률 반경이고, t2는 제1 렌즈(L1)의 상측 면으로부터 프리즘(P)까지의 거리이다.

조건식 3은 제1 렌즈(L1)와 프리즘(P)과의 관계를 규정하는 항목으로서, 조건식 3의 하한보다 작아지게 되면 제1 렌즈(L1)의 파워가 강해져 비네팅(vinetting) 현상이 발생하게 될 뿐만 아니라, 제1 렌즈(L1) 또는 프리즘(P)의 설치를 위한 기구적 공간이 부족하게 된다.

반대로, 조건식 3의 상한을 벗어나게 되면 프리즘(L1)과 제1 렌즈(L1) 사이의 거리가 멀어지게 되어 광학계의 소형화가 어려워진다.

[조건식 4] -4.0 ＜ F3/F1 ＜ -1.0

여기서, F3은 제3 렌즈군(LG3)의 전체 초점거리이고, F1은 제1 렌즈군(LG1)의 전체 초점거리이다.

조건식 4는 제1 렌즈군(LG1)과 제3 렌즈군(LG3)의 파워 배분에 관한 항목으로서, 조건식 4의 상한과 하한을 벗어나면 상면 만곡의 보정이 어렵게 된다.

또한 조건식 4는 제1 렌즈군(LG1)과 제3 렌즈군(LG3)의 파워 밸런스에 관한 항목이므로 조건식 4의 상한과 하한을 벗어나면 전체적인 굴절능 균형이 깨지게 되어 주변부 수차 발생을 억제하기 어렵게 된다.

[조건식 5] 1.0 ＜ tpw / Fw ＜ 2.0

여기서, tpw는 광각단에서 프리즘(P)으로부터 제2 렌즈군(LG2) 첫번째 렌즈의 물체측 면까지의 거리이고, Fw는 광각단에서 줌 광학계의 전체 초점거리이다.

조건식 5는 배율을 변화시키는 제2 렌즈군(LG2)과 프리즘(P) 사이의 조건식이다.

조건식 5의 상한을 넘어서면 광학계의 전장(total length)이 길어져 소형화가 어려워지며 제2 렌즈군(LG2)의 유효경이 커지게 되어 수차 보정 및 제작이 어려워진다.

반대로 조건식 5의 하한을 벗어나면 제3 렌즈군(LG3)의 유효경이 커지게 되어 구면 수차 및 주변 코마 수차의 보정이 어렵게 된다.

이하, 구체적인 수치 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.

이하의 제1 실시예 내지 제3 실시예는 모두 전술한 바와 같이, 물체측으로부터 순서대로, 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군(LG1)과, 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군(LG2)과, 액체렌즈(LL)와 상기 액체렌즈(LL)의 전단 또는 후단에 배치된 적어도 하나의 렌즈를 구비하고 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈군(LG3)으로 이루어지며, 개구 조리개(AS)는 제2 렌즈군(LG)과 함께 이송된다.

이때, 제1 렌즈군(LG1)은 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1)와, 상기 제1 렌즈를 통하여 입사된 광의 경로를 변경시키는 프리즘(P)를 구비하며 변배시 고정된 위치를 상태를 유지한다. 또한, 제2 렌즈군(LG2)은 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)를 구비하며, 변배 수행시 이송되어 초점거리를 변화시킨다.

이때, 본 발명에서 사용되는 액체렌즈(LL)은 공지된 액체렌즈를 사용할 수 있으며, 제1 액체 또는 제2 액체의 재질 등은 본 발명의 사상을 구현할 수 있는 한 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상면(IP)은 CCD, CMOS 등의 이미지 센서에 해당한다.

다만, 제1 실시예의 경우에는 액체렌즈(LL)의 전단에 하나의 렌즈(도 1의 L3)를 구비하고 있으나, 제2 실시예와 제3 실시예의 경우에는 액체렌즈(LL)의 후단에 하나의 렌즈(도 8의 L7, 도 15의 L7)를 구비하고 있다는 차이점이 있다.

이하의 각 실시예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E)에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E+01은 10¹을, E-02는 10^-2을 나타낸다.

Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리

Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리

r : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경

K : 코닉(Conic) 상수

A,B,C,D,E,F : 비구면 계수

[제1 실시예 ]

하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.

또한, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 줌 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도로서, (a)는 망원단, (b)는 중간단, (c)는 광각단에서의 렌즈 구성도를 나타내고, 도 2 내지 도 4는 각각 도 1에 도시된 줌 광학계의 광각단, 중간단, 망원단의 MTF 특성을 나타낸 그래프이고, 도 5 내지 도 7은 각각 도 1에 도시된 줌 광학계의 광각단, 중간단, 망원단에서의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차의 특성을 도시한 그래프이다.

이때, 이하의 실시예에서 비점수차도면의 "S"는 새지털(sagittal), "T"는 탄젠셜(tangential)을 나타낸다.

또한, 이하의 실시예에서 MTF(Modulation Transfer Function)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 2로 정의되는 값이다.

즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소하면 해상도가 떨어진다.

제1 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면으로부터 상면까지의 거리는 20.08㎜, 제1 렌즈군(LG1)의 초점거리(F1)는 -8.26㎜, 제2 렌즈군(LG2)의 초점거리(F2)는 7.74㎜, 제3 렌즈군(LG3)의 초점거리(F3)는 19.23㎜이다. 그리고, 제4 내지 제7 렌즈는 액체렌즈(LL)를 형성하며, 제5 렌즈(L5)는 절연액, 제6 렌즈(L6)는 전해액으로 이루어진다.

그리고, 광각단, 중간단, 망원단에서 전체 초점거리, F 넘버, 화각은 다음의 표 2와 같다.

표 1에서 ※는 각각 변배시 곡률반경이 변하면 굴절면의 곡률반경과, 면간 간격이 변하는 굴절면의 면간 간격을 나타내며, 변배에 따라 가변되는 값은 다음의 표 3과 같다.

또한, 표 1에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 코닉 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E)의 값은 다음의 표 4와 같다.

[제2 실시예 ]

하기의 표 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.

또한, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 의한 줌 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도로서, (a)는 망원단, (b)는 중간단, (c)는 광각단에서의 렌즈 구성도를 나타내고, 도 9 내지 도 11은 각각 도 8에 도시된 줌 광학계의 광각단, 중간단, 망원단의 MTF 특성을 나타낸 그래프이고, 도 12 내지 도 14는 각각 도 8에 도시된 줌 광학계의 광각단, 중간단, 망원단에서의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차의 특성을 도시한 그래프이다.

제2 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면으로부터 상면까지의 거리는 19.39㎜, 제1 렌즈군(LG1)의 초점거리(F1)는 -9.38㎜, 제2 렌즈군(LG2)의 초점거리(F2)는 7.74㎜, 제3 렌즈군(LG3)의 초점거리(F3)는 9.51㎜이다. 그리고, 제3 내지 제6 렌즈는 액체렌즈(LL)를 형성하며, 제4 렌즈(L4)는 절연액, 제5 렌즈(L5)는 전해액으로 이루어진다.

그리고, 광각단, 중간단, 망원단에서 전체 초점거리, F 넘버, 화각은 다음의 표 6과 같다.

한편, 표 5에서 ※는 각각 변배시 곡률반경이 변하면 굴절면의 곡률반경과, 면간 간격이 변하는 굴절면의 면간 간격을 나타내며, 변배에 따라 가변되는 값은 다음의 표 7과 같다.

또한, 표 5에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 코닉 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D)의 값은 다음의 표 8과 같다.

[제3 실시예 ]

하기의 표 9는 본 발명의 제3 실시예에 의한 수치예를 나타내고 있다.

또한, 도 15는 본 발명의 제3 실시예에 의한 줌 광학계의 렌즈 배치를 나타내는 렌즈 구성도로서, (a)는 망원단, (b)는 중간단, (c)는 광각단에서의 렌즈 구성도를 나타내고, 도 16 내지 도 18은 각각 도 15에 도시된 줌 광학계의 광각단, 중간단, 망원단의 MTF 특성을 나타낸 그래프이고, 도 19 내지 도 21는 각각 도 15에 도시된 줌 광학계의 광각단, 중간단, 망원단에서의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차의 특성을 도시한 그래프이다.

제3 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면으로부터 상면까지의 거리는 19.21㎜, 제1 렌즈군(LG1)의 초점거리(F1)는 -6.20㎜, 제2 렌즈군(LG2)의 초점거리(F2)는 5.44㎜, 제3 렌즈군(LG3)의 초점거리(F3)는 20.75㎜이다. 그리고, 제3 내지 제6 렌즈는 액체렌즈(LL)를 형성하며, 제4 렌즈(L4)는 절연액, 제5 렌즈(L5)는 전해액으로 이루어지며, 프리즘(P)의 면 중 일부면(3,4)는 곡면으로 이루어진다.

그리고, 광각단, 중간단, 망원단에서 전체 초점거리, F 넘버, 화각은 다음의 표 10과 같다.

한편, 표 9에서 ※는 각각 변배시 곡률반경이 변하면 굴절면의 곡률반경과, 면간 간격이 변하는 굴절면의 면간 간격을 나타내며, 변배에 따라 가변되는 값은 다음의 표 11과 같다.

또한, 표 9에서 *는 비구면을 나타내며, 식 1에 의한 코닉 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D)의 값은 다음의 표 12와 같다.

한편, 상기의 제1 내지 제3 실시예에 대한 조건식 1 내지 5의 값은 다음의 표 13과 같다.

상기의 표 13에서와 같이 본 발명의 제1 내지 제3 실시예는 조건식 1 내지 5를 만족하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

이상의 실시예를 통하여 본 발명에 의한 줌 광학계는 도 5 내지 7, 도 12 내지 14, 도 19 내지 21에 도시된 바와 같이 광각단, 중간단, 망원단에서 각종 수차의 특성이 우수하며, 도 2 내지 4, 도 9 내지 11, 도 16 내지 18에 도시된 바와 같이 광각단, 중간단, 망원단에서 MTF 특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계에 의하면 충분한 변배 성능의 확보와 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있고 각종 수차 특성이 우수하다는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 액체렌즈를 사용함으로써 하나의 렌즈 구동수단만 필요로 하므로 종래의 방식에 비해 기구적인 제한, 전력소비나 중량이 적으며, 조립 및 구동시에 발생하는 기울어짐 등의 문제점을 개선할 수 있게 된다.

그리고, 액체렌즈를 사용하여 상면 보정을 행하고, 프리즘을 통하여 광경로를 변경시킴으로써 초소형의 카메라 모듈에 적용할 수 있다는 효과가 있게 된다.

또한, 액체렌즈의 커버에 해당하는 렌즈의 굴절면 중 적어도 하나의 굴절면을 구면 또는 비구면의 곡면으로 형성함으로써 소정의 광학적 특성을 구현하는데 필요한 렌즈의 매수를 줄일 수 있어 광학계의 소형화를 이룰 수 있게 된다.

그리고, 프리즘의 면 중 일부를 곡면으로 형성함으로써 적은 렌즈 매수로도 광학적 특성의 개선이 가능하다는 효과가 있게 된다.

또한, 액체렌즈를 제3 렌즈군에 포함시킴으로써 낙하(충격) 신뢰성을 확보할 수 있어 이동통신단말기에 사용하는 경우에는 안정적인 사용이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims

적어도 하나 이상의 렌즈와, 상기 렌즈를 통하여 입사된 광의 경로를 변경시키는 프리즘을 구비하며, 전체적으로 음의 굴절력을 가지며 고정된 제1 렌즈군;

전체적으로 양의 굴절력을 가지며, 변배 수행시 이송되는 제2 렌즈군; 및

인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈를 구비하여, 상기 제2 렌즈군의 변배 수행에 따른 상면(像面)의 보정을 행하며, 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 고정된 제3 렌즈군;

을 포함하고,

상기 제2 렌즈군과 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 1] 1.0 ＜ F3/F2 ＜ 4.0

여기서, F3 : 제3 렌즈군의 전체 초점거리

F2 : 제2 렌즈군의 전체 초점거리
삭제
제1항에 있어서,

상기 액체렌즈는 물체측으로부터 순서대로 물체측 커버렌즈, 상기 제1 액체로 이루어지는 제1 액체렌즈요소, 상기 제2 액체로 이루어지는 제2 액체렌즈요소 및 상측 커버렌즈를 포함하여 이루어지며,

상기 액체렌즈를 구성하는 상기 커버렌즈들의 형상에 관하여 다음의 조건식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 2] 1.0 ＜ RC1/RC2 ＜ 2.3

여기서, RC1 : 물체측 커버렌즈의 물체측 면의 곡률반경

RC2 : 상측 커버렌즈의 상측 면 곡률반경
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 제1 렌즈군은 물체측 가장 가까이 위치한 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈의 후단에 위치한 프리즘을 구비하며,

상기 제1 렌즈와 상기 프리즘에 관하여 다음의 조건식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 3] 3.0 ＜ R2/t2 ＜ 5.0

여기서, R2 : 제1 렌즈의 상측면의 곡률 반경

t2 : 제1 렌즈의 상측면으로부터 프리즘까지의 거리
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 제1 렌즈군과 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 4] -4.0 ＜ F3/F1 ＜ -1.0

여기서, F3 : 제3 렌즈군의 전체 초점거리

F1 : 제1 렌즈군의 전체 초점거리
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 제2 렌즈군과 상기 프리즘 사이에 다음의 조건식 5를 만족하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 5] 1.0 ＜ tpw/Fw ＜ 2.0

여기서, tpw : 광각단에서 프리즘으로부터 제2 렌즈군 첫번째 렌즈의 물체측 면까지의 거리

Fw : 광각단에서 줌 광학계의 전체 초점거리
제1항에 있어서,

상기 프리즘을 이루는 면은 평면 또는 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제2 렌즈군은 광각단으로부터 망원단으로의 변배시 상기 제1 렌즈군과의 간격이 감소하도록 이송되면서 변배를 수행하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.
제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈를 통하여 입사된 광의 경로를 변경시키는 프리즘을 구비하며, 전체적으로 음의 굴절력을 가지며 고정된 제1 렌즈군;

양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 구비하며, 광각단으로부터 망원단으로의 변배시 상기 제1 렌즈군과의 간격이 감소하도록 이송되면서 변배를 수행하는 제2 렌즈군; 및

인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 도전성 또는 유극성의 제1 액체 및 상기 제1 액체와 서로 혼합되지 않는 제2 액체 사이에 형성되는 액체 경계면의 곡률반경이 변하고 상기 액체 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈와, 적어도 하나의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고, 상기 제2 렌즈군의 변배 수행에 따른 상면(像面)의 보정을 행하며, 전체적으로 양의 굴절력을 가지며 고정된 제3 렌즈군;

을 포함하고,

상기 제2 렌즈군과 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 1] 1.0 ＜ F3/F2 ＜ 4.0

여기서, F3 : 제3 렌즈군의 전체 초점거리

F2 : 제2 렌즈군의 전체 초점거리
제9항에 있어서,

상기 액체렌즈는 물체측으로부터 순서대로 물체측 커버렌즈, 상기 제1 액체로 이루어지는 제1 액체렌즈요소, 상기 제2 액체로 이루어지는 제2 액체렌즈요소 및 상측 커버렌즈를 포함하여 이루어지며,

상기 액체렌즈를 구성하는 상기 커버렌즈들의 형상에 관하여 다음의 조건식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 2] 1.0 ＜ RC1/RC2 ＜ 2.3

여기서, RC1 : 물체측 커버렌즈의 물체측 면의 곡률반경

RC2 : 상측 커버렌즈의 상측 면 곡률반경
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 제1 렌즈와 상기 프리즘에 관하여 다음의 조건식 3을 만족하고, 상기 제2 렌즈군과 상기 프리즘 사이에 다음의 조건식 5를 만족하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 3] 3.0 ＜ R2/t2 ＜ 5.0

[조건식 5] 1.0 ＜ tpw/Fw ＜ 2.0

여기서, R2 : 제1 렌즈의 상측면의 곡률 반경

t2 : 제1 렌즈의 상측면으로부터 프리즘까지의 거리

tpw : 광각단에서 프리즘으로부터 제2 렌즈군 첫번째 렌즈의 물체측 면까지의 거리

Fw : 광각단에서 줌 광학계의 전체 초점거리
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 제1 렌즈군과 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.

[조건식 4] -4.0 ＜ F3/F1 ＜ -1.0

여기서, F3 : 제3 렌즈군의 전체 초점거리

F1 : 제1 렌즈군의 전체 초점거리
제9항에 있어서,

상기 프리즘을 이루는 면은 평면 또는 곡면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 구비하는 줌 광학계.