KR101933960B1

KR101933960B1 - 촬상 렌즈

Info

Publication number: KR101933960B1
Application number: KR1020110108227A
Authority: KR
Inventors: 이경환
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2019-04-05
Also published as: TWI585445B; TW201329494A; KR20130043998A; WO2013058534A1

Abstract

본 발명은 촬상 렌즈에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 촬상 렌즈는 물체측으로부터 순서대로, 양(+)의 굴절력을 가지며, 물체측면이 볼록한 제1렌즈; 음(-)의 굴절력을 가지고, 물체 방향으로 오목한 형상을 가지는 오목렌즈 형태인 제2렌즈; 양(+)의 굴절력을 가지며, 메니스커스(meniscus) 형태로 모든 면에 변곡점을 갖는 제3렌즈; 음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함한다.

Description

촬상 렌즈 { Imaging lens }

본 발명은 촬상 렌즈에 관한 것이다.

최근에 이미지 픽업 시스템(Image Pick-up System)과 관련하여 통신단말기용 카메라 모듈, 디지털 스틸 카메라(DSC; Digital Still Camera), 캠코더, PC 카메라(퍼스널 컴퓨터에 부속된 촬상장치) 등이 연구되고 있다. 이러한 이미지 픽업 시스템과 관련된 카메라 모듈이 상(image)을 얻기 위해 가장 중요한 구성요소는 상을 결상하는 렌즈이다.

최근, 컴팩트화 및 저가격화를 위해서 렌즈 매수를 3매 또는 4매 구성으로 있다.

배경기술인 한국공개특허 제2005-0014108에서 4매의 렌즈를 이용하여 컴팩트한 광학계를 구성하는 시도가 이루어진 바 있다.

이러한 4매의 렌즈는 가격면에서는 유리하지만, 만족스러운 광학 특성 또는 수차 특성을 갖고 있어야 하며, 고성능과 고해상도를 갖는 광학계의 구현이 요구되고 있다.

본 발명은 와이드 화각을 가지며 높은 성능의 고해상도를 갖고, 컴팩트한 촬상 렌즈를 구현할 수 있는 과제를 해결하는 것이다.

본 발명은,

물체측으로부터 순서대로,

양(+)의 굴절력을 가지며, 물체측면이 볼록한 제1렌즈;

음(-)의 굴절력을 가지고, 물체 방향으로 오목한 형상을 가지는 오목렌즈 형태인 제2렌즈;

양(+)의 굴절력을 가지며, 메니스커스(meniscus) 형태로 모든 면에 변곡점을 갖는 제3렌즈;

음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하는 촬상 렌즈가 제공된다.

그리고, 상기 제2렌즈는 상측면에 변곡점을 갖는다.

또, 상기 제1렌즈의 물체측면 앞단에 조리개가 위치된다.

또한, 상기 제4렌즈는 적어도 한 면 이상의 변곡점을 갖는다.

게다가, 상기 제1렌즈 내지 제4렌즈는 한 면 또는 양면 모두 비구면 형상을 갖는다.

더불어, 상기 촬상 렌즈의 전체초점거리를 f, 상기 제1,2,3,4렌즈의 초점거리를 f1,f2,f3,f4이라 할 때,

0.6 < │f/f2 │< 1, 1.2 < f/f3 < 1.8, 0.6 < │f/f4 │< 1, 0.3 < │f3/f4 │< 0.8, 0.8 < │f1/f2 │< 1.3, 0.8 < │f1/f │< 1.2, 1 < │f2/f │< 1.5, 0.85 < │f/f1 │< 1.15 중 하나 이상의 조건식을 만족한다.

또, 상기 제1렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제1렌즈 물체측면부터 상면까지의 광축상의 거리를 L이라 할 때,

1.2 < L/f1 < 1.4의 조건식을 만족한다.

그리고, 상기 제1렌즈 물체측면부터 상면까지의 광축상의 거리를 L이라 할 때,

4.3 < L < 4.5의 조건식을 만족한다.

또, Diagonal Field of View(화각)을 FOV이라 할 때, 70 < FOV < 90 의 조건식을 만족한다.

게다가, 상기 제1,2,3,4렌즈의 굴절률을 n1,n2,n3,n4이라 할 때, 1.6 < n2 < 1.7, 1.5 < n1 < 1.6, 1.5 < n3 < 1.6, 1.5 < n4 < 1.6의 조건식을 만족한다.

더불어, 상기 제1,2,3,4렌즈의 아베수를 V1,V2,V3,V4이라 할 때, 22 < V2 < 32, 50 < V1 < 60, 50 < V3 < 60, 50 < V4 < 60의 조건식을 만족한다.

또, F-number를 F/#이라 할 때, 2.0 < F/# < 3.0의 조건식을 만족한다.

그리고, 상기 제2렌즈의 물체측면과 상측면의 곡률 반경을 r3,r4라 할 때,

0 < (r3+r4)/(r3-r4) < 1의 조건식을 만족한다.

또한, 상기 제3렌즈 두 번째 면의 곡률반경을 L3R2, 상기 제4렌즈 두 번째 면의 곡률반경을 L4R2라 할 때,

L3R2 ＞ -1, L4R2 ＜ 1의 조건식을 만족한다.

본 발명은 와이드 화각을 가지며 높은 성능의 고해상도를 갖고, 컴팩트한 촬상 렌즈를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 카메라 렌즈 모듈의 구성도
도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예의 코마수차(Coma aberration)를 측정한 그래프
도 3은 본 발명의 실시예의 수차도를 도시한 그래프
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 줌위치에서 공간주파수에 대한 MTF(Modulation transfer function) 특성 및 줌위치에서 디포커싱 위치(Defocusing position)에 대한 MTF 특성을 보인 그래프

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 카메라 렌즈 모듈의 구성도이다.

본 발명에 따른 카메라 렌즈 모듈은 복수개의 렌즈들로 이루어진 촬상 렌즈가 광축(Z0)을 중심으로 하여 배치되어 있고, 도 1의 구성도에서, 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 구면 또는 비구면 형상은 일 실시예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 카메라 렌즈 모듈은 물체측으로부터 순서대로 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40), 필터(50) 및 수광소자(60)가 배치된 구성을 갖는다.

피사체의 영상 정보에 해당하는 광은 상기 제1렌즈(10), 제2렌즈(20), 제3렌즈(30), 제4렌즈(40) 및 필터(50)를 통과하여 상기 수광소자(60)에 입사된다.

여기서, 본 발명은 와이드 화각을 가지며 높은 성능의 고해상도를 갖고, 컴팩트한 촬상 렌즈를 구현할 수 있는 장점이 있다.

이하에서 각 렌즈의 구성을 설명함에 있어, "물체측면"이라 함은 광축을 기준으로 하여 물체측을 향하는 렌즈의 면을 의미하며, "상측면"이라 함은 광축을 기준으로 하여 촬상면을 향하는 렌즈의 면을 의미한다.

상기 제1렌즈(10)는 양(+)의 굴절력을 가지며, 물체측면(S1)이 볼록하게 형성된다.

그리고, 상기 제2렌즈(20)는 음(-)의 굴절력을 가지며, 물체방향으로 오목면을 갖는 오목렌즈이고, 상측면(S4)에 변곡점을 갖는다.

또, 상기 제1렌즈(10)의 물체측면(S1)의 앞단에는 별도의 조리개가 위치될 수 있다.

더불어, 상기 제3렌즈(30)는 양(+)의 굴절력을 가지며, 메니스커스(meniscus) 형태로 모든 면에 변곡점을 갖는다.

또한, 상기 제4렌즈(40)는 음(-)의 굴절력을 갖고, 적어도 한 면 이상의 변곡점을 갖는다.

그리고, 상기 제1렌즈(10) 내지 제4렌즈(40)는 한 면 또는 양면 모두 비구면 형상을 갖는다.

참고로, 도 1의 'S2'는 제1렌즈(10)의 상측면이고, 'S3'는 제2렌즈(20)의 물체측면이고, 'S5'는 제3렌즈(30)의 물체측면이고, 'S6'는 제3렌즈(30)의 상측면이고, 'S7'과 'S8'은 제4렌즈(40)의 물체측면과 상측면이고, 'S9'과 'S10'은 필터(50)의 물체측면과 상측면이다.

상기 필터(50)는 적외선 필터, 커버 글래스 등의 광학적 필터 중 적어도 어느 하나의 필터이다. 필터(50)로서, 적외선 필터가 적용되는 경우, 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 수광소자(60)에 전달되지 않도록 차단한다. 또한, 적외선 필터는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출시킨다.

상기 수광소자(60)는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서이다.

이하에서 설명되는 조건식 및 실시예는 작용효과를 상승시키는 바람직한 실시예로서, 본 발명은 반드시 이하의 조건들로 구성되어야 하는 것이 아님은 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 이하에서 설명되는 조건식들 중 일부의 조건식들만을 만족하는 것으로도 본 발명의 렌즈 구성은 상승된 작용효과를 가질 수 있을 것이다.

[조건식 1] 0.6 < │f/f2 │< 1, 1.2 < f/f3 < 1.8, 0.6 < │f/f4 │< 1

[조건식 2] 0.3 < │f3/f4 │< 0.8, 0.8 < │f1/f2 │< 1.3

[조건식 3] 0.8 < │f1/f │< 1.2, 1 < │f2/f │< 1.5

[조건식 4] 0.85 < │f/f1 │< 1.15

[조건식 5] 1.2 < L/f1 < 1.4

[조건식 6] 4.3 < L < 4.5

[조건식 7] 70 < FOV < 90

[조건식 8] 1.6 < n2 < 1.7, 1.5 < n1 < 1.6, 1.5 < n3 < 1.6, 1.5 < n4 < 1.6

[조건식 9] 22 < V2 < 32, 50 < V1 < 60, 50 < V3 < 60, 50 < V4 < 60

[조건식 10] 2.0 < F/# < 3.0

[조건식 11] 0 < (r3+r4)/(r3-r4) < 1

[조건식 12] L3R2 ＞ -1, L4R2 ＜ 1

상술된 조건식 및 후술된 실시예의 문자 및 숫자는 하기와 같이 정의된다.

f : 촬상 렌즈의 전체초점거리

f1,f2,f3,f4 : 제1,2,3,4렌즈의 초점거리

D12,D23,D34 : 광축상에서 제1,2렌즈, 제2,3렌즈, 제3,4렌즈의 간격

D1,D2,D3,D4 : 제1,2,3,4렌즈의 중심두께

L : 제1렌즈 물체측면부터 상면까지의 광축상의 거리

n1,n2,n3,n4 : 제1,2,3,4렌즈의 굴절률

V1,V2,V3,V4 : 제1,2,3,4렌즈의 아베수

bf2,bf3,bf4 : 제2,3,4렌즈의 상측면에서 상면까지의 광축상의 거리

FOV : Diagonal Field of View(화각)

L3R2 : 제3렌즈 두 번째 면의 곡률반경

L4R2 : 제4렌즈 두 번째 면의 곡률반경

F/# : F-number

r3,r4 : 제2렌즈의 물체측면과 상측면의 곡률 반경

조건식 8은 제1 내지 제4렌즈(10,20,30,40)의 굴절력을 규정한다. 제1 내지 제4렌즈(10,20,30,40)는 조건식 8에 의해 적절한 구면수차의 보정과 적절한 색수차를 갖는 굴절력을 갖는다.

조건식 9는 제1 내지 제4렌즈(10,20,30,40)의 아베수를 규정한다. 각 렌즈의 아베수의 규정은 색수차를 양호하게 보정하기 위한 조건이다.

이하, 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명의 작용효과를 살펴본다. 이하의 실시예에서 언급되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수 k 및 비구면 계수 A, B, C, D, E, F에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어 E+01은 10¹을, E-02는 10^-2를 나타낸다.

여기서, z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리

c : 렌즈의 기본 곡률

Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리

K : 코닉(Conic) 상수

A, B, C, D, E, F : 비구면 계수

[실시예]

다음 표 1은 상술한 조건식에 부합되는 실시예를 보여준다.

	실시예
f	2.8600
f1	3.1736
f2	-3.5966
f3	1.8987
f4	-2.9509
V1	56.5
V2	23.9
V3	56.5
V4	56.5
n1	1.5350
n2	1.6340
n3	1.5350
n4	1.5310
D12	0.377
D23	0.132
D34	0.100
D1	0.596
D2	0.348
D3	0.890
D4	0.530
L	4.360
f/f1	0.901
L/f1	1.374
bf2	3.387
bf3	2.907
bf4	1.917

표 1을 참조하면, │f/f1 │가 0.90로서 조건식 4에 부합되고, L/f1가 1.37로 조건식 5에 부합됨을 알 수 있다.

다음 표 2의 실시예는 표 1의 실시예에 비해 보다 구체적인 실시예를 보여준다.

면 번호	곡률반경(R)	두께 또는 거리(d)	굴절률(N)
Stop*	2.53	0.596	1.537
2*	-4.78	0.377
3*	-4.97	0.348	1.634
4*	4.43	0.132
5*	-4.63	0.890	1.537
6*	-0.89	0.100
7*	1.50	0.530	1.531
8*	0.67	0.953
9	Infinity	0.300	1.52
10	Infinity	0.118
image	Infinity	0.017

상기 표 2 및 이하 표 3에서 면 번호 옆에 병기된 *는 비구면을 나타낸다.

다음 표 3 및 표 4는 상기 표 2의 실시예에서 각 렌즈의 비구면 계수의 값은 나타낸다.

면 번호	k	A	B	C	D	E
1*	-3.9254	-0.0451	-0.0497	-0.1754	0.0800	-0.0711
2*	28.3069	-0.1739	0.0500	-0.3034	0.4228	-0.1819
3*	-22.1905	-0.4794	0.2440	-0.4502	1.0276	-0.5663
4*	-169.7252	-0.1200	0.0182	0.0848	-0.0510	0.0091
5*	-9.6926	0.0274	0.0265	-0.0356	0.0318	-0.0084
6*	-0.6198	0.1626	-0.0283	0.0129	0.0205	-0.0003

면 번호	k	3rd	4th	5th	6th	7th	8th	9th	10th	11th	12th
1*	-7.3113	-0.0854	-0.0280	-0.0265	0.0465	-0.0093	-0.0069	0.0020	-0.0003	0.0005	-0.0001
2*	-2.6912	-0.1566	-0.0249	0.1017	-0.0683	0.0234	-0.0039	-0.0003	-0.0003	0.0003	-0.0001

도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예의 코마수차(Coma aberration)를 측정한 그래프로서, 상면의 높이(field hight)에 따라 각 파장의 탄젠셜(tangential) 수차와 새저틀(sagittal) 수차를 측정한 그래프이다. 도 2a와 도 2b에서는 실험 결과를 보여주는 그래프가 양의 축과 음의 축에서 각각 X축에 근접할수록 코마수차 보정기능이 좋은 것으로 해석된다. 도 2a와 도 2b의 측정예들은 거의 모든 필드에서 상들의 값이 X축에 인접하게 나타나므로, 모두 우수한 코마수차 보정 기능을 보여주는 것으로 해석된다.

도 3은 본 발명의 실시예의 수차도를 도시한 그래프로서, 좌측에서부터 순서대로 종구면수차(longitudinal spherical aberration), 비점수차(astigmatic field curves), 왜곡수차(distortion)를 측정한 그래프이다.

도 3에서 Y축은 이미지의 크기를 의미하고, X측은 초점거리(mm 단위) 및 왜곡도(% 단위)를 의미한다. 도 3에서는 곡선들이 Y축에 접근될수록 수차 보정기능이 좋은 것으로 해석된다. 도시된 수차도에서는 거의 모든 필드에서 상들의 값이 Y축에 인접하게 나타나므로, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차가 모두 우수한 수치를 보여주고 있다.

즉, 종구면수차의 범위는 -0.029㎜ ~ +0.0125㎜이고, 비점수차의 범위는 -0.015㎜ ~ +0.01㎜이며, 왜곡수차의 범위는 -0.90㎜ ~ +0.15㎜이므로, 본 발명의 촬상 렌즈는 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차의 특성을 보정할 수 있고, 우수한 렌즈 특성을 갖음을 알 수 있다.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 줌위치에서 공간주파수에 대한 MTF(Modulation transfer function) 특성을 보인 그래프로, 밀리미터당 사이클의 공간주파수(cycle/mm)의 변화에 의존하는 MTF 특성을 측정하였다. 여기서, MTF 특성이란 원래의 피사체 표면에서 출발한 빛이 렌즈를 통과한 후 맺힌 상과의 차이를 계산한 비율치로서, MTF 값이 '1'인 경우가 가장 이상적이며, MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다.

도 4a를 참조하면, 줌위치에서 MTF 값이 높게 나타나기 때문에 실시예에 따른 촬상 렌즈는 광학성능이 우수한 것을 알 수 있다.

또한, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 줌위치에서 디포커싱 위치(Defocusing position)에 대한 MTF 특성을 보인 그래프로, 주파수가 143 c/mm으로 관통-초점(Through focus) MTF이다.

본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

물체측으로부터 순서대로,
양(+)의 굴절력을 가지며, 물체측면이 볼록한 제1렌즈;
음(-)의 굴절력을 가지고, 물체 방향으로 오목한 형상을 가지는 오목렌즈 형태인 제2렌즈;
양(+)의 굴절력을 가지며, 메니스커스(meniscus) 형태로 양면에 변곡점을 갖는 제3렌즈;
음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하며,
상기 제1렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제1렌즈의 물체측면부터 상면까지의 광축상의 거리를 L이라 할 때,
1.2 < L/f1 < 1.4의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제2렌즈는,
상측면에 변곡점을 갖는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1렌즈의 물체측면 앞단에,
조리개가 위치되는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제4렌즈는,
적어도 한 면에 변곡점을 갖는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1렌즈 내지 제4렌즈는,
한 면 또는 양면 모두 비구면 형상을 갖는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 촬상 렌즈의 전체초점거리를 f, 상기 제1,2,3,4렌즈의 초점거리를 f1,f2,f3,f4이라 할 때,
0.6 < │f/f2 │< 1, 1.2 < f/f3 < 1.8, 0.6 < │f/f4 │< 1, 0.3 < │f3/f4 │< 0.8, 0.8 < │f1/f2 │< 1.3, 0.8 < │f1/f │< 1.2, 1 < │f2/f │< 1.5, 0.85 < │f/f1 │< 1.15 중 하나 이상의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1렌즈 물체측면부터 상면까지의 광축상의 거리를 L이라 할 때,
4.3 < L < 4.5의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
Diagonal Field of View(화각)을 FOV이라 할 때,
70 < FOV < 90 의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1,2,3,4렌즈의 굴절률을 n1,n2,n3,n4이라 할 때,
1.6 < n2 < 1.7, 1.5 < n1 < 1.6, 1.5 < n3 < 1.6, 1.5 < n4 < 1.6의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제1,2,3,4렌즈의 아베수를 V1,V2,V3,V4이라 할 때,
22 < V2 < 32, 50 < V1 < 60, 50 < V3 < 60, 50 < V4 < 60의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
F-number를 F/#이라 할 때,
2.0 < F/# < 3.0의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제2렌즈의 물체측면과 상측면의 곡률 반경을 r3,r4라 할 때,
0 < (r3+r4)/(r3-r4) < 1의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 1 항에 있어서,
상기 제3렌즈의 상측면의 곡률반경을 L3R2, 상기 제4렌즈의 상측면의 곡률반경을 L4R2라 할 때,
L3R2 ＞ -1, L4R2 ＜ 1의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
물체측으로부터 순서대로,
양(+)의 굴절력을 가지며, 물체측면이 볼록한 제1렌즈;
음(-)의 굴절력을 가지고, 물체 방향으로 오목한 형상을 가지는 오목렌즈 형태인 제2렌즈;
양(+)의 굴절력을 가지며, 메니스커스(meniscus) 형태로 양면 모두가 변곡점을 갖는 제3렌즈;
음(-)의 굴절력을 갖는 제4렌즈를 포함하며,
상기 제1렌즈 물체측면부터 상면까지의 광축상의 거리를 L이라 할 때,
4.3 < L < 4.5의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 15 항에 있어서,
Diagonal Field of View(화각)을 FOV이라 할 때,
70 < FOV < 90 의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 15 항에 있어서,
상기 제1,2,3,4렌즈의 굴절률을 n1,n2,n3,n4이라 할 때,
1.6 < n2 < 1.7, 1.5 < n1 < 1.6, 1.5 < n3 < 1.6, 1.5 < n4 < 1.6의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.
제 15 항에 있어서,
상기 제2렌즈의 물체측면과 상측면의 곡률 반경을 r3,r4라 할 때,
0 < (r3+r4)/(r3-r4) < 1의 조건식을 만족하는 촬상 렌즈.