KR102149983B1 - 초고화소 모바일 카메라 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 부의 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 배열되며, 조건식 6.0 < FOV / I.H < 8.5 (FOV: 광학계의 화각, I.H: 이미지 센서 대각 길이)을 만족하는 광학계를 제공한다.
본 발명에 따르면, 6매의 렌즈만으로 100M급의 초고화소에 대응하는 높은 해상력을 발휘할 수 있고, 7.0mm이하의 짧은 전장(TTL)과 F넘버 1.9 이하의 밝은 성능을 구현할 수 있으므로 종래에 비하여 초고화소 이미지센서에 적합한 모바일 카메라용 소형 광학계를 제공할 수 있다.

Description

초고화소 모바일 카메라 광학계{Mobile camera lens system for ultra-high density pixel}

본 발명은 스마트기기 등에 탑재되는 초고화소 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 비교적 적은 렌즈를 사용하면서 초고화소에 대응하는 높은 해상력을 가지는 모바일 카메라용 광학계에 관한 것이다.

최근 들어 스마트기기, 휴대용 전자기기, 가전기기, 자동차 등에 카메라모듈이 기본 사양으로 설치되는 추세이고, 액션캠, 드론, 360도 카메라, 가상현실(VR) 기기 등과 같은 다양한 제품에서 소형 카메라모듈이 널리 사용되고 있다.

이와 같이 다양한 분야에서 카메라모듈이 보편적으로 사용됨에 따라 카메라모듈의 성능에 대한 요구수준도 갈수록 높아지고 있다.

예를 들어 스마트폰을 중심으로 베젤리스 디자인이 확대되면서 카메라 탑재공간은 작아지는 반면에 소비자들은 더욱 밝고 선명한 이미지를 얻을 수 있는 고화소/고해상도 카메라를 갈수록 선호하고 있다.

이에 따라 스마트폰용 고화소 이미지센서의 수요가 급증하고 있으며, 최근에는 0.8㎛ 의 픽셀크기에 화소 수가 1억 800만개에 달하는 100Mega급의 초고화소 이미지센서까지 상용화되었다.

그런데 이와 같이 화소 수가 많아지면 이미지센서의 크기도 커져야 하고, 이미지센서가 커지면 광학계를 구성하는 렌즈의 크기도 커질 수밖에 없으므로 광학계를 효과적으로 설계하는 것이 어려워진다.

특히 초고화소에 대응하는 고해상도를 발휘하면서도 수차를 적절히 보정하기 위해서는 렌즈 매수를 늘려야 하는데, 렌즈 매수가 늘어나면 광학계의 소형화가 어려울 뿐만 아니라 F넘버가 커져서 밝은 렌즈를 구현하기가 어려워지는 등 모든 기술적 요구사항을 완벽하게 충족하는 광학계를 설계하는 것은 더욱 어려워진다.

따라서 렌즈 매수를 최소화하여 전장(TTL)을 줄이면서도 초고화소의 이미지센서에 대응하여 고해상도를 발휘할 수 있고, 밝은 F넘버를 구현할 수 있는 최적의 광학계를 개발할 필요가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1690479호(2016.12.28 공고)

본 발명은 이러한 배경에서 안출된 것으로서, 비교적 적은 매수의 렌즈를 사용하고 초고화소에 대응하는 높은 해상력과 밝은 F넘버를 구현하는 광학계를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 부의 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 배열되며, 조건식 6.0 < FOV / I.H < 8.5 (FOV: 광학계의 화각, I.H: 이미지 센서 대각 길이)을 만족하는 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는, 조건식 55 < V2+V3+V4 < 75 (V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수, V3: 제3 렌즈(L3)의 아베수, V4: 제4 렌즈(L4)의 아베수)을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제1 렌즈와 상기 제5 렌즈는, 조건식 0.9 < T1 / T5 < 1.1 (T1: 제1 렌즈(L1)의 중심두께, T5: 제5 렌즈(L5)의 중심두께)을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 1.0 < f / f5 < 1.5 (f: 광학계 전체 초점거리, f5: 제5 렌즈(L5)의 초점거리)을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계는, 조건식 0.1 < (V3-V2) / V4 < 0.7 (V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수, V3: 제3 렌즈(L3)의 아베수, V4: 제4 렌즈(L4)의 아베수)을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제1 렌즈는 양면 모두 비구면이고, 상기 제3렌즈는 물체측으로 오목한 메니스커스렌즈일 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제5 렌즈의 물체측 면은 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 광학계에서, 상기 제6 렌즈의 상측 면은 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 6매의 렌즈만으로 100M급의 초고화소에 대응하는 높은 해상력을 발휘할 수 있고, 7.0mm이하의 짧은 전장(TTL)과 F넘버 1.9 이하의 밝은 성능을 구현할 수 있으므로 종래에 비하여 초고화소 이미지센서에 적합한 모바일 카메라용 소형 광학계를 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초고화소용 광학계의 구성도
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초고화소용 광학계의 수차도
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초고화소용 광학계의 구성도
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초고화소용 광학계의 수차도
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 광학계의 비구면 렌즈 설계에 적용되는 비구면계수를 예시한 도면

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저 도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도를 나타낸 것이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도 및 수차도를 나타낸 것이다.

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

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 가지며, 양면 모두 비구면인 것이 바람직하다.

제2 렌즈(L2)는 부의 굴절력을 가진다.

제3 렌즈(L3)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측으로 오목한 메니스커스렌즈인 것이 바람직하다.

제4 렌즈(L4)는 부의 굴절력을 가진다.

제5 렌즈(L5)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측과 상측 양방향으로 볼록한 렌즈일 수 있다. 또한 제5 렌즈(L5)의 물체측 면은 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.

제6 렌즈(L6)는 부의 굴절력을 가지며, 상측 면은 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다.

제2 렌즈(L2) 내지 제6 렌즈(L6)의 각 렌즈면은 모두 비구면인 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 적어도 하나의 렌즈면은 구면일 수도 있다.

조리개(STOP)는 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3)의 사이에 배치하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 광학계는 초고화소에 적용할 수 있는 높은 해상력을 발휘하면서도 밝은 F넘버를 구현하고 광학계의 크기를 최소화하기 위하여 다음의 조건식 1 내지 5를 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 1>

6.0 < FOV / I.H < 8.5

FOV: 광학계의 화각(°).

I.H: 이미지센서의 대각 길이(mm).

위 조건식 1은 광학계의 화각과 이미지센서의 대각 길이에 관한 것으로서, FOV/I.H 이 상한보다 크면 광축 주변부 광선의 결상이 어려워져서 성능 확보가 어렵고, 하한보다 작으면 표준치 이상의 시야각 확보가 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 2>

55 < V2+V3+V4 < 75

V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수.

V3: 제3 렌즈(L3)의 아베수.

V4: 제4 렌즈(L4)의 아베수.

위 조건식 2는 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4)의 아베수에 관한 것으로서, V2+V3+V4 가 상한보다 크면 이미지면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA)을 확보하기 힘들어져 소형 광학계를 구성하기 어렵고, 하한보다 작으면 고가의 소재 사용으로 인한 단가 상승으로 이어져 제품의 가격 경쟁력 확보가 어려운 문제가 있다.

<조건식 3>

0.9 < T1 / T5 < 1.1

T1: 제1 렌즈(L1)의 중심두께(mm).

T5: 제5 렌즈(L5)의 중심두께(mm).

위 조건식 3은 제1렌즈(L1)와 제5렌즈(L5)의 중심두께에 관한 것으로서, T1/T5 가 상한보다 크면 광학계의 짧은 전장을 확보하기 어렵고, 하한보다 작으면 제5 렌즈(L5)의 굴절력이 너무 커서 왜곡수차와 색수차의 보정이 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 4>

1.0 < f / f5 < 1.5

f: 광학계 전체의 초점거리(mm).

f5: 제5 렌즈의 초점거리(mm).

위 조건식 4는 초점거리에 관한 것으로서, f/f5 가 상한보다 크면 이미지면에 입사하는 주광선의 입사각(CRA) 보정이 어렵고, 하한보다 작으면 넓은 시야각 확보와 초고화소를 만족하는 성능을 확보하기 어려워지는 문제가 있다.

<조건식 5>

0.1 < (V3-V2) / V4 < 0.7

V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수.

V3: 제3 렌즈(L3)의 아베수.

V4: 제4 렌즈(L4)의 아베수.

위 조건식 2는 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4)의 아베수에 관한 것으로서, (V3-V2)/V4 가 상한보다 크면 조리개 주변부의 굴절력이 저하되어 고해상도의 성능을 구현하기가 어렵고, 하한보다 작으면 색수차 및 왜곡 보정이 어려워지는 문제가 있다.

아래의 표 1은 전술한 조건식 1 내지 5를 모두 만족하는 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학계의 구체적인 설계 스펙을 예시한 것이다.

[표 1]

상기 표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예별 데이터는 다음과 같으며, 상기 실시예 1과 실시예 2에 대응하는 광학계의 구성은 각각 도 1a 및 도 2a에 도시된 바와 같다.

아래의 각 실시예의 데이터에서 Surface 넘버는 렌즈, 조리개(STOP), 필터(LF) 등의 면을 순서대로 나타낸 것이고, Y Radius는 렌즈의 곡률반경, Thickness는 렌즈의 두께 또는 간격(mm)이고, Nd는 렌즈 소재의 d-line(587.56nm)에서의 굴절율, Vd는 렌즈의 아베수이다.

<제1 실시예>

<제2 실시예>

제1 및 제2 실시예에서 각 렌즈의 비구면 형상은 아래의 수학식을 통해 산출될 수 있다.

<수학식>

위 식에서, Z는 렌즈의 정점부터 광축방향으로의 거리이고, h는 광축에 수직방향으로의 거리이며, C는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이며, K는 Conic 상수이며, A4,A6,A8,A10,A12,A14,A16,A18 은 각각 비구면 계수이다.

제1 실시예에 적용되는 비구면계수는 도 3에 예시한 바와 같고, 제2 실시예에 적용되는 비구면계수는 도 4에 예시한 바와 같다.

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

그리고 본 발명의 실시예에 따르면 초고화소에 대응하는 높은 해상력을 구현하면서도, 7.0mm이하의 짧은 전장(TTL)과 F넘버 1.9 이하의 밝은 성능을 구현할 수 있으므로 종래에 비하여 초고화소에 적합한 모바일 카메라용 소형 광학계를 구현할 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: 필터.

Claims (8)

1. 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈;
   부의 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 배열되며, 상기 제2 렌즈, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   55 < V2+V3+V4 < 75
   (V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수, V3: 제3 렌즈(L3)의 아베수, V4: 제4 렌즈(L4)의 아베수)
2. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   6.0 < FOV / I.H < 8.5
   (FOV: 광학계의 화각(°), I.H: 이미지센서의 대각 길이(mm))
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 렌즈와 상기 제5 렌즈는 다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   0.9 < T1 / T5 < 1.1
   (T1: 제1 렌즈(L1)의 중심두께, T5: 제5 렌즈(L5)의 중심두께)
4. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   1.0 < f / f5 < 1.5
   (f: 광학계 전체 초점거리, f5: 제5 렌즈(L5)의 초점거리)
5. 제1항에 있어서,
   다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   0.1 < (V3-V2) / V4 < 0.7
   (V2: 제2 렌즈(L2)의 아베수, V3: 제3 렌즈(L3)의 아베수, V4: 제4 렌즈(L4)의 아베수)
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 렌즈는 양면 모두 비구면이고, 상기 제3렌즈는 물체측으로 오목한 메니스커스렌즈인 것을 특징으로 하는 광학계.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제5 렌즈의 물체측 면은 적어도 하나의 변곡점을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제6 렌즈의 상측 면은 적어도 하나의 변곡점을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.

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