KR101111188B1 - 3매 촬상 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모바일 기기 탑재용 촬상 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3매의 렌즈로 구성된 모바일 기기 탑재용 촬상 렌즈에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 모바일 기기 탑재용 촬상 렌즈는 물체측으로부터 순서대로 배치된 제1렌즈와, 제2렌즈와, 제3렌즈를 가지며, 상기 제1렌즈는 볼록면이 물체측을 향하는 양의 파워를 가지는 메니스커스 렌즈이며, 상기 제2렌즈는 오목면이 물체측을 향하고 0의 파워를 가지는 메니스커스 렌즈이며, 상기 제3렌즈는 양 혹은 음의 파워를 가지는 렌즈이며, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈의 렌즈면에서 상기 제2렌즈는 적어도 한면이 비구면이고, 제3렌즈는 양면이 모두 비구면이며, 상기 제3렌즈의 상기 비구면에는 하나 또는 복수의 변곡점을 가지는 촬상렌즈로 이루어진다.

본 발명에 따른 촬상 렌즈는 비구면을 이루면서도 제2렌즈의 파워가 0이 되도록 구성되어, 결상면에서 초점이 벌어지는 것을 방지할 수 있게 된다.

렌즈, 양면 비구면, 메니스커스

Description

3매 촬상 렌즈{THREE PIECES CAMERA LENS}

본 발명은 모바일 기기 탑재용 촬상 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3매의 렌즈로 구성된 모바일 기기 탑재용 촬상 렌즈에 관한 것이다.

최근, 퍼스널 컴퓨터의 일반 가정 등으로의 보급에 따라 화상정보를 퍼스널 컴퓨터에 입력할 수 있는 디지털 스틸 카메라(digital still camera)(이하, 디지털 카메라라고 함)가 급속히 보급되고 있다. 또한, 휴대전화의 고기능화에 따라 소형의 촬상 모듈을 탑재한 카메라 부착 휴대전화도 급속히 보급되고 있다. 기타, PDA 등의 소형의 정보 단말기기에 있어서도 촬상 모듈을 탑재한 것이 보급되고 있다.

이들 촬상 기능을 갖춘 기기에서는, CCD(Charge Coupled Device:전하결합소자)나 CMOS(Complementary Metal 0xide Semiconductor) 등의 촬상 소자가 사용되어 있다. 이들 촬상 소자는 최근, 대단히 소형화가 진행되고 있다. 그 때문에, CCD 등의 촬상 소자를 사용한 촬상 기기에 있어서, 기기본체 및 그것에 탑재되는 렌즈에도 소형 경량화가 요구되고 있다. 또한, 최근에는 고화질을 달성하기 위해서 화소수가 많은 촬상 소자가 개발되어 있고, 이에 따라 렌즈계에도 보다 고해상이고 고콘트라스트(contrast)의 성능이 요구되고 있다.

상술한 바와 같이, 최근의 촬상 소자는 소형화 및 고화소화가 진행되고 있고, 이에 따라 특히 디지털 카메라용의 촬상 렌즈에는 높은 해상성능과 구성의 컴팩트화가 요구되고 있다. 한편, 카메라 부착 휴대전화 등의 소형의 정보 단말기기용의 촬상 렌즈에는 종래, 가격면과 컴팩트성이 주로 요구되고 있었지만, 최근에는 카메라 부착 휴대전화 등에 있어서도 촬상 소자의 고화소화가 진행되는 경향이 있고, 예를 들면 100만 화소이상의 메가픽셀 대응의 것이 실용화되어 성능면에 대한 요구도 높아지고 있다. 이 때문에, 가격면, 성능면 및 컴팩트성을 종합적으로 고려한 다종의 다양한 렌즈의 개발이 요망되고 있다.

이러한 요구에 대해서는, 예를 들면 컴팩트화 및 저가격화를 도모하기 위해서 렌즈 매수를 3매 또는 4매 구성으로 하고, 고성능화를 도모하기 위해서 비구면을 적극적으로 사용하는 것이 생각된다. 이 경우, 비구면은 컴팩트화 및 고성능화에 기여하지만, 제조상의 관점에서 불리하고 가격이 높아지기 쉬우므로, 그 사용은 제조성을 충분히 고려한 것으로 하는 것이 바람직하다.

일반적으로 3매 구성의 렌즈에서는 성능면에서는 휴대용 모듈 카메라에는 충분해도 디지털 카메라용으로서는 성능면에서 불충분해지기 쉽다. 또한, 4매 구성의 렌즈에서는 3매 구성에 비해서 성능을 향상시킬 수는 있지만, 가격면 및 컴팩트성의 점에서 불리해지기 쉽다.

고화소에 대응한 소형의 정보 단말기기용의 촬상 렌즈로서, 종래에는 유리 렌즈 1매(1g)와 플라스틱 렌즈 2매(2p)로 이루어지는 3매 구성의 렌즈계가 개발되어 있다.

상술한 종래의 렌즈계는 제1 렌즈가 구면 형상을 가지며, 제3 렌즈가 메니스커스(meniscus) 형상을 가지는 렌즈가 채용되었다.

그렇지만, 가격면에서 유리 렌즈보다는 플라스틱 렌즈로 구성되면서도 성능면에서도 고성능이고, 최근의 소형화의 요구에 부응할 수 있는 적은 렌즈 매수의 렌즈계가 요망되고 있다.

이에 따라 출원인이 선출원한 대한민국 특허 출원 10-2007-9092호에서는 플라스틱 렌즈로 구성되면서도 적은 렌즈 매수로 비구면을 유효하게 사용함으로써, 고성능이고 매우 컴팩트한 렌즈계를 개시하고 있다. 이 렌즈계는 제1렌즈가 볼록면이 물체측을 향하는 양의 파워를 가지는 메니스커스 렌즈이며, 제2렌즈는 오목면이 물체측을 향하는 양의 파워를 가지는 메니스커스 렌즈이며, 상기 제3렌즈는 음의 파워를 가지는 렌즈이며, 변곡점이 존재한다. 이러한 렌즈계는 적은 매수에 비해 비교적 뛰어난 성능을 나타내지만 가공 오차에 의해서도 초점이 디센터되어 매우 정밀한 가공이 요구되는 문제가 있었다.

이에 따라, 가공 오차에 의해 발생할 수 있는 초점의 디센터화 문제를 해결할 수 있는 새로운 렌즈계에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 플라스틱 렌즈로 구성되면서도 적은 렌즈 매수로 비구면을 유효하게 사용함으로써, 고성능이고 매우 컴팩트한 렌즈계를 실현할 수 있는 되는 촬상 렌즈를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 가공 오차에 의해서 초점이 디센터되는 문제를 해결할 수 있는 콤펙트형 촬상 렌즈를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 촬상렌즈는

물체측으로부터 순서대로 배치된 제1렌즈와, 제2렌즈와, 제3렌즈를 가지며,

상기 제1렌즈는 볼록면이 물체측을 향하는 양의 파워를 가지는 메니스커스 렌즈이며,

상기 제2렌즈는 오목면이 물체측을 향하는 0의 파워를 가지는 메니스커스 렌즈이며,

상기 제3렌즈는 양 혹은 음의 파워를 가지는 렌즈이며,

상기 제1렌즈는 양면이 모두 비구면, 상기 제2렌즈는 적어도 한면 이상이 비구면을 가지고 있고, 제3렌즈는 양면이 모두 비구면이며,

상기 제3렌즈의 상기 비구면에는 하나 또는 복수의 변곡점을 가지는 것을 특 징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제2렌즈는 파워가 0 이며, 특히 상기 제2렌즈는 근축영역이 0의 파워를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 바람직한 실시에 있어서, 상기 제2렌즈는 근축 영역이 0의 파워를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 제2렌즈는 하기의 식을 충족하여 파워가 0으로 제조될 수 있다.

φ2 =1/f =(n2-1)[(1/R21)-(1/R22)+(t(n2-1)/(R21R22n2))]=0 ㆍㆍㆍ(1)

여기서, φ2은 제2렌즈의 파워이며, n2는 제2렌즈의 굴절율, R21은 제2렌즈의 R1, R22은 제2렌즈의 R2이다.

본 발명에 있어서, 촬상 렌즈는 상기 제1렌즈는 파워에 관해서는 하기 (2)의 조건식을 만족시키고, 반경에 관해서는 하기(3)의 조건식을 만족시키고, 전체 렌즈계는 광축을 따라 아베수에 관해서는 하기 (4), (5)의 조건식을 만족하도록 구성된다.

0.5 < f1/F < 2.0 ㆍㆍㆍ(2)

0.2 < R1/F < 1.0 ㆍㆍㆍ(3)

Vmax/Vmin ㆍㆍㆍ(4)

L2의 아베수는 20 < Vd2 < 45 ㆍㆍㆍ(5)

단, 여기서, F는 전체 광학계의 초점거리를 나타매고, f1은 제1렌즈의 초점거리이며, f2는 제2렌즈의 초점거리이며, R1은 제1렌즈의 S1의 반경(Radius)이며, R2는 제1렌즈의 S2의 반경(Radius)이며, υd1은 제1렌즈의 d-선에 대한 아베수이 며, υd2는 제2렌즈의 d-선에 대한 아베수이며, υd3은 제3렌즈의 d-선에 대한 아베수이며, Vmax는 각 렌즈의 아베수 중에서 최대의 아베수이며, Vmin은 각 렌즈의 아베수 중에서 최소의 아베수이다. 조건식(2)은, 구면수차를 안정적으로 유지하고 렌즈계 전체를 콤팩트하게 유지하기 위한 조건으로서, 하한을 밑돌면 렌즈계는 콤팩트하게 할 수 있으나, 구면수차의 보정이 어려워진다. 또한, 상한을 초과하면, 반대로 구면수차의 보정은 용이해지지만, 렌즈계 전체를 콤팩트하게 구성할 수 없게 된다. 이 조건식을 만족함으로써, 구면수차를 양호한 상태로 유지하면서, 렌즈계를 콤팩트하게 할 수 있다. 본 발명에서는 제 1 렌즈를 볼록면이 물체측을 향하는 양의 메니스커스 렌즈로 하고, 그 양쪽의 렌즈면 중 적어도 하나의 렌즈면이 비구면으로 되어 있으며 가능하고, 이러한 구성과 조건식(2)을 만족함으로써, 촬상렌즈의 전체 길이를 더욱 짧게 할 수 있다.

다음으로, 조건식(3)도 렌즈계 전체가 콤팩트하게 유지되는 모바일 촬상렌즈, 특히 휴대전화기 탑재용 카메라에 채용되는 촬상렌즈에 대해서는, 렌즈계 전체를 짧게 유지하면서도, 어떤 특성들을 유지하는 것이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 조건식(3)를 만족하도록 광학계를 설정하는 것이 바람직하다. 조건식(3)의 상한 또는 하한을 밑돌면 화각을 결정하는 제1렌즈의 특성상 전체적인 모바일 광학계의 표준 화각(60도~65도 사이)을 형성하기 힘들어 실제 응용분야에 적용하기 어렵게 된다.

조건식(4)과 (5)는 전체 렌즈계와 제 2 렌즈의 아베수를 조절하여 축상의 색수차 및 축외의 색수차를 안정적으로 유지하기 위한 조건이다. 제2렌즈의 아베수를 저아베수를 사용함으로써 종색수차(axial color)를 줄이는 것이 용이하다. 종색수차가 작아지면 광학 성능이라 할 수 있는 MTF의 Level이 높아짐은 물론이다.

또한, 본 발명에 있어서, 제3렌즈는 양면이 비구면으로 이루어지고, 상기 제3렌즈의 상기 비구면에는 하나 또는 복수의 변곡점을 가지도록 형성되어, 코마수차(coma aberration)와 비점수차(astigmatic aberration)를 양호하게 보정하고, 아울러 왜곡(distortion)도 양호하게 보정할 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 제3렌즈의 상면측 렌즈면의 주변부가 상면측을 향해 볼록한면이 되도록 변곡 비구면으로 하고, 근축영역의 파워를 0로 유지하면서, 센서면에 주광선이 입사는 각도를 30도 이하가 되도록 하여, 가공 오차에 의한 초점의 디센터와 화면 주변부에 생기는 섀딩을 방지하는 보정이 이루어진다. 상기 제2렌즈는 상기 조건식(1)에 따라서, 파워가 0을 형성할 수 있으며, 수차를 보정하면서도 초점의 디센터를 방지하게 된다.

상기와 같이 본 발명은 모발일용 렌즈로 적합한 작은 전장의 3군 3매로 이루어진 렌즈를 제공한다. 본 발명에 따른 모발일용 렌즈는 제2렌즈의 파워가 0으로 이루어져 있어, 렌즈 초점의 디센터를 감소시키는 효과가 있으며, 또한 적은 매수의 렌즈를 이용하면서도 고화소에 대응되는 화면을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.

또한, 이하의 기재에 있어서, 각 렌즈의 파워나 각 렌즈면의 요철형상으로 언급할 때는, 원칙적으로 광축상의 상태를 나타내는 것으로 한다. 도 1에 나타내는 실시형태의 촬상렌즈는, 물체측으로부터 순차적으로 물체측의 면을 볼록면 형상으로 하며, 양면 비구면 형상으로 하며, 양의 파워를 갖는 메니스커스 형상의 제1렌즈(L1)와, 조리개(2)와, 물체측의 면을 오목면 형상으로 하며, 양면 비구면 형상으로 하며, 파워를 갖고 있지 않은 메니스커스 형상의 제2렌즈(L2)와, 양면을 비구면 형상으로 하며, 양 혹은 음의 파워를 가지면서, 광축에 수직인 직선과 평행한 접선이 한 개 존재하는 제3렌즈(L3)를 구비하고, 광축(X)을 따라 입사하는 광선을 촬상소자(촬상면)(3)의 결상 위치(P)에 효율 좋게 포커싱시키도록 한 촬상렌즈이다.

또한, 상기 조리개(2)는 제1렌즈(L1)의 상측 면 혹은 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2) 사이에 배치되고, 촬상렌즈와 촬상소자(3) 사이에는 커버 유리(1)가 배치되어 있다.

또한, 제3렌즈(L3)는 양면을 비구면 형상으로 하며, 광축에 수직인 직선과 평행한 접선이 한 개 존재하도록 하는 형상을 가진다. 여기서, 제3렌즈(L3)의 물체측 면은 직선과 유사한 형태를 가지며, 상측 면은 갈매기 형태를 가진다.

또한, 상기 제1렌즈(L1) 내지 제3렌즈(L3)로 이루어진 본 발명의 촬상렌즈는 이하의 조건식으로 이루어진다.

φ2=1/f =(n2-1)[(1/R21)-(1/R22)+(t(n2-1)/(R21R22n2))]=0 ㆍㆍㆍ(1)

여기서, φ2은 제2렌즈의 파워이며, n2는 제2렌즈의 굴절율, R21은 제2렌즈의 물체측 곡률, R22은 제2렌즈의 상측 곡률이다.

또한, 하기 조건식으로 이루어진다.

0.5 < f1/F < 2.0 ㆍㆍㆍ(2)

0.2 < R1/F < 1.0 ㆍㆍㆍ(3)

Vmax/Vmin > 1.5 ㆍㆍㆍ(4)

L2의 아베수는 20 < Vd2 < 45 ㆍㆍㆍ(5)

단, 여기서, F는 전체 광학계의 초점거리를 나타내고, f1은 제1렌즈의 초점거리이며, f2는 제2렌즈의 초점거리이며, R1은 제1렌즈의 물체측의 반경(Radius)이며, R2는 제1렌즈의 상측의 반경(Radius)이며, υd1은 제1렌즈의 d-선에 대한 아베수이며, υd2는 제2렌즈의 d-선에 대한 아베수이며, υd3은 제3렌즈의 d-선에 대한 아베수이며, Vmax는 각 렌즈의 아베수 중에서 최대의 아베수이며, Vmin은 각 렌즈의 아베수 중에서 최소의 아베수이다. 또한, 본 발명의 촬상 렌즈는 상기 제1렌즈(L1) 내지 상기 제3렌즈(L3)의 렌즈재가 모두 플라스틱 재료로 됨으로써, 저가격화를 도모하면서도 비구면을 유효하게 사용하고, 휴대용 모듈 카메라뿐만 아니라 디지털 카메라에까지 대응 가능한 높은 광학성능이 얻어진다.

다음에 본 실시형태에 의한 작용 효과를 설명한다.

3장의 렌즈 중, 제1렌즈(L1)의 양의 파워를 비교적 강하게 함으로써, 렌즈 전체의 길이를 짧게 할 수 있다. 또한, 제1렌즈(L1)는 양면 비구면 렌즈로서, 이러한 수차보정기능을 갖는 렌즈를 설치함으로써, 상면 만곡이나 구면수차를 비롯한 각 수차를 양호한 것으로 할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 촬상렌즈에 있어서는, 상기 제1렌즈(L1)와 상기 제2렌 즈(L2) 사이에 조리개(2)가 배치되는데, 제1렌즈(L1)와 제2렌즈(L2) 사이의 축상 공기 간격으로서, 조리개 기구를 배치하기 위해서 충분한 공간을 확보하여야 한다.

또한, 본 실시형태의 촬상렌즈에 있어서, 제2렌즈(L2) 및 제3렌즈(L3) 사이에 위치하는 공기 렌즈의 양면이 서로 따르는 형상으로 되어 있고, 중심곡률반경의 부호도 마이너스(물체측 방향으로 오목)로 되도록 구성되어 있다. 이와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 제2렌즈(L2)의 적어도 한면 이상이 비구면형상과 제3렌즈(L3) 사이에 위치하는 공기 렌즈의 양면의 비구면 형상에 착안하고, 이들 면의 비구면의 중심곡률반경의 크기 관계 및 극점의 높이위치관계를 상기와 같이 규정함으로써, 렌즈를 3장으로 구성하여 렌즈계의 전체 길이를 단축하여도, 상면 만곡을 양호하게 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 촬상렌즈로서는 여러가지 형태의 변경이 가능하다. 예컨대 각 렌즈의 곡률반경, 렌즈 간격(혹은 렌즈 두께) 및 비구면의 형상을 적절히 변경하는 것이 가능하다.

또한, 렌즈 재료로 플라스틱재를 이용하여 구성함으로써 경량화와 동시에 비용 저감을 도모할 수 있다. 또한, 제1렌즈(L1) 내지 제3렌즈(L3)의 양면을 모두 비구면으로 함으로써, 다수의 면에서 수차보정을 행하여, 광학성능의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.

실시예 1

F= 2.85 mm에서, 제1렌즈는 f1=2.52 mm, 물체측 R1=0.9138, 아베수는 55.7이 며, 제2렌즈의 아베수는 30을 가지며, n₂=1.5825, R₂₁=-0.7873, R₂₂=-0.9332, t=0.395이며, 물체면의 비구면 데이타는 K: 0, A:-0.358496E+00, B: 0.336939E+00, C: -0.440029E+01, D: 0.319775E+02, E: -0.647972E+02 이고, 상측의 비구면데이타는 K: -1.915107, A: -0.727058E+00, B: 0.146879E+01, C: -0.299527E+01, D : 0.662200E+01, E -0.473026E+01를 가진다. 제3렌즈는 아베수 55.7을 가지고 있다.

여기서, 렌즈의 비구면 형상은 하기의 비구면 식으로 나타낸다.

여기서, Z는 SAG량을 나타내며 , 렌즈면의 광축상에서의 곡률을 C, 원추계수를 K, 4차부터12차까지의 비구면 계수를 각각 A,B,C,D,E로 하고 있으며 곡률(C)와 곡률반경(R)의 관계는 C=1/R의 관계에 있는 것으로 한다.

비교실시예 1

제3렌즈와 다른 조건들은 실시예 1과 동일하게 유지하고, 제2렌즈의 아베수를 55.7로 유지한 렌즈계의 수차도를 측정하여, 도 4에 나타내었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촬상렌즈의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 렌즈계의 종색수차, 상면만곡수차 및 왜곡수차에 관한 수차도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈계의 상높이 0F, 0.4F, 0.6F, 0.8F, 1.0F 에 대한 Tangential(좌측도), Sagittal(우측도)의 coma 수차에 관한 수차도이다.

도 4는 본 발명의 비교실시예에 따른 종색수차, 상면만곡수차 및 왜곡수차에 관한 수차도이다.

Claims (6)

1. 물체측으로부터 순서대로 배치된 제1렌즈, 제2렌즈 및 제3렌즈를 구비한 촬상렌즈에 있어서,

   상기 제1렌즈는 양면이 비구면이고 볼록면이 물체측을 향하는 양의 파워를 가진 메니스커스 렌즈이고,

   상기 제2렌즈는 적어도 한 면이 비구면이고 오목면이 물체측을 향하는 0의 파워를 가진 메니스커스 렌즈이고,

   상기 제3렌즈는 양면이 비구면이고 양 또는 음의 파워를 가진 렌즈이고,

   상기 제3렌즈의 물체측 면과 상측 면에는 하나 또는 복수의 변곡점이 존재하고,

   상기 렌즈들을 하기 조건식 (1) 내지 (5)를 만족하도록 구성된 것을 특징으로 하는 촬상렌즈:

   φ2=1/f=(n2-1)[(1/R21)-(1/R22)+(t(n2-1)/(R21R22n2))]=0 (1)

   0.5 < f1/F < 2.0 (2)

   0.2 < R1/F < 1.0 (3)

   Vmax/Vmin > 1.5 (4)

   20 < υd2 < 45 (5)

   여기서 φ2는 제2렌즈의 파워, n2는 제2렌즈의 굴절률, R21은 제2렌즈의 물체측 면의 곡률, R22은 제2렌즈의 상측 면의 곡률, F는 전체 광학계의 초점거리, f1은 제1렌즈의 초점거리, R1은 제1렌즈의 물체측 면의 반경, υd2는 제2렌즈의 d-선에 대한 아베수, Vmax는 각 렌즈의 아베수 중 최대 아베수, Vmin은 각 렌즈의 아베수 중 최소 아베수이다.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈는 근축영역이 0의 파워를 가지는 것을 특징으로 하는 촬상렌즈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2렌즈는 근축에서 afocal 광학계(무초점 광학계)의 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 촬상렌즈.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 센서면에 주광선의 입사각은 30도 이하인 것을 특징으로 하는 촬상렌즈.

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