KR102448469B1

KR102448469B1 - 고화소 모바일 소형 망원 광학계

Info

Publication number: KR102448469B1
Application number: KR1020200136836A
Authority: KR
Inventors: 김영현; 문준호; 최병석
Original assignee: (주)코아시아옵틱스
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-09-28
Also published as: KR20220040962A

Abstract

본 발명은 고화소 모바일용 소형 망원 광학계를 제공한다. 본 발명에 따른 소형 망원 광학계는, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 0.01 <(R1/R4)/f < 0.05 (R1: 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률반경, R4: 제2 렌즈의 상측 면의 곡률반경)의 조건식을 만족한다.
본 발명에 따르면, 8메가 급의 고화소 이미지센서에 대해 높은 해상력 성능을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 렌즈 매수를 최소화함으로써 전장 6mm 정도의 소형 망원 광학계를 구현할 수 있다.

Description

고화소 모바일 소형 망원 광학계{MOBILE SMALL TELEPHOTO OPTICAL SYSTEM FOR HIGH DENSITY PIXEL}

본 발명은 망원 광학계에 관한 것으로서, 구체적으로는 스마트폰 등의 모바일 기기에 사용할 수 있는 고화소용 소형 망원 광학계에 관한 것이다.

최근 휴대용 스마트기기 뿐만 아니라 자동차, 드론(drone) 등의 운행기기에도 카메라가 기본 사양으로 장착됨에 따라 소형 광학계의 수요가 급증하고 있고 기술적 요구사항도 갈수록 다양화되고 있다.

그런데 스마트폰 등에 설치되는 소형 카메라 모듈은 크기의 제한으로 인해 DSLR 카메라 등과 같은 다양한 기능을 구비하기는 어렵다.

최근에는 이러한 소형 카메라 모듈의 근본적인 한계를 극복하고 사용자의 다양한 욕구를 충족시키기 위한 방안으로서 각각 다른 기능에 특화된 다수의 카메라 모듈을 스마트폰에 한꺼번에 장착하는 사례가 늘어나고 있다. 예를 들어, 일반용, 광각용, 망원용, 심도용 등과 같이 각각 다른 기능에 특화된 카메라 모듈을 스마트폰에 장착하는 사례가 늘어나고 있다.

그런데 일반적으로 망원용 카메라는 광학계의 초점거리 대비 전장이 크기 때문에 스마트폰에 탑재할 경우 스마트폰의 설계 자유도를 제한하는 요인이 될 수도 있다.

따라서 스마트폰에 사용되는 고화소 이미지센서에 대응하는 성능을 발휘하면서도 광학계의 전장을 최소화할 수 있는 소형 망원 광학계를 개발할 필요가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2020-62042호(2020.06.03 공개)

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 스마트폰 등에 장착할 수 있는 고화소용 소형 망원 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제3 렌즈; 부의 굴절력을 가지는 제4 렌즈를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 0.01 <(R1/R4)/f < 0.05 (R1: 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률반경, R4: 제2 렌즈의 상측 면의 곡률반경)의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 0.1 <T3/Td34 < 0.7 (T3: 제3 렌즈의 두께, Td34: 제3 렌즈와 제4 렌즈의 중심거리)의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 3 < FOV/TTL < 7 (FOV: 화각(°), TTL: 광학계의 전장(mm))의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 13 < HFOV / HIH < 17 (HFOV: 수평화각(°), HIH: 수평상고(mm))의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 0.7 < TTL / f < 1 (TTL: 광학계의 전체길이, f: 광학계 전체의 초점거리)의 조건식을 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계는, 0.2 < |f1| / |f| < 0.8, -1.0 < f1/f2 < 0, 30 < V1-V2 < 40 (f: 광학계 전체의 초점거리, f1: 제1 렌즈의 초점거리, f2: 제2 렌즈의 초점거리, V1: 제1 렌즈의 아베 수, V2: 제2 렌즈의 아베 수)의 조건식을 모두 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 소형 망원 광학계에서, 상기 1 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈이고, 상기 2 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 오목한 렌즈이고, 상기 3 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 오목한 렌즈이고, 상기 4 렌즈는 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 렌즈이며, 조리개는 상기 제1 렌즈의 앞쪽이나 주변에 배치될 수 있다. 또한 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 각각 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 8메가 급의 고화소 이미지센서에 대해 높은 해상력 성능을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 렌즈 매수를 최소화함으로써 전장 6mm 정도의 소형 망원 광학계를 구현할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계의 수차도
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 구성도
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계의 수차도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

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

본 발명의 실시예에 따른 광학계는 도 1a 및 도 2a에 나타낸 바와 같이, 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열된 제1 렌즈(L1) 내지 제4 렌즈(L4)를 포함한다.

구체적으로 살펴보면, 제1 렌즈(L1)는 정의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈일 수 있다.

제2 렌즈(L2)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 오목한 렌즈일 수 있다.

제3 렌즈(L3)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 오목한 렌즈일 수 있다.

제4 렌즈(L4)는 부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 볼복하고 상측면은 오목한 렌즈일 수 있다.

한편 제1 내지 제4 렌즈(L1, L2, L3, L4)의 양면은 모두 비구면인 것이 바람직하다. 다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 제1 내지 제4 렌즈(L1, L2, L3, L4)의 각 렌즈면 중에서 적어도 하나는 구면일 수도 있다.

조리개(STOP)는 제1 렌즈(L1)의 앞쪽 또는 주변에 배치될 수 있다. 또한 제4렌즈(L4)와 이미지센서의 사이에는 렌즈필터(LF) 등이 배치될 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 8메가급의 고화소 이미지센서에 대응하는 고해상도를 구현하고 전장을 최소화하기 위하여 다음의 조건식 1 내지 8을 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

<조건식 1>

0.2 < |f1| / |f| < 0.8

f: 광학계 전체의 초점거리(mm)

f1: 제1 렌즈(L1)의 초점거리(mm)

위 조건식 1은 광학계 전체의 초점거리와 제1 렌즈(L1)의 초점거리에 관한 것으로서, |f1|/|f| 값이 상한보다 크면 렌즈 유닛의 굴절력이 지나치게 커지고 만곡 및 왜곡 수차를 보정하는 것이 어려우며, 하한보다 작으면 민감도가 지나치게 커지고 총 길이를 단축하는 것이 어려워진다.

<조건식 2>

30 < V1-V2 < 40

V1: 제1 렌즈의 아베 수

V2: 제2 렌즈의 아베 수

위 조건식 2는 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)의 아베 수에 관한 것으로서, V1-V2 값이 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 어려워진다.

<조건식 3>

0.7 < TTL / f < 1

TTL: 광학계의 전체길이(mm)

f: 광학계 전체의 초점거리(mm)

위 조건식 3은 광학계 전체의 길이와 초점거리에 관한 것으로서, TTL/f 값이 하한보다 작으면 광학적인 성능 확보가 어렵고, 상한보다 크면 광학계의 소형화가 어려워진다.

<조건식 4>

-1.0 < f1/f2 < 0

f1: 제1 렌즈(L1)의 초점거리(mm)

f2: 제2 렌즈(L2)의 초점거리(mm)

위 조건식 4는 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)의 초점 거리에 관한 것으로서, f1/f2 값이 상한 또는 하한을 벗어나게 되면, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 파워 구성을 유지하면서 성능확보를 하기가 어려워진다.

<조건식 5>

13 < HFOV / HIH < 17

HFOV: 수평 화각(°)

HIH: 수평상고(mm)

위 조건식 5는 광학계의 수평화각과 수평상고에 관한 것으로서, HFOV/HIH 값이 상한보다 크면 광축 주변부 광선의 결상이 어려워져서 성능 확보가 어렵고 하한보다 작으면 표준치 이상의 시야각 확보가 어려워진다.

<조건식 6>

3 < FOV/TTL < 7

FOV: 대각 화각(°)

TTL: 광학계의 전장(mm)

위 조건식 6은 광학계의 화각과 전장에 관한 것으로서, FOV/TTL 값이 상한을 초과하면 렌즈의 적절한 굴절력 배분이 어려워 본상태의 렌즈 구성 유지가 어려워지고, 하한보다 작으면 망원 시스템의 확보가 어려워진다.

<조건식 7>

0.1 < T3 /Td34 < 0.7

T3: 제3 렌즈(L3)의 두께(mm)

Td34: 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)의 중심거리(mm)

위 조건식 7은 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)에 관한 것으로서, T3/Td34 값이 하한보다 작거나 상한보다 크면 렌즈 단품을 제작하는데 어려움이 있고, 하한보다 작으면 렌즈의 굴절력이 부족하여 고성능 확보가 어려워진다.

<조건식 8>

0.01 < (R1/R4) / f < 0.05

R1: 제1 렌즈(L1)의 물체측 면의 곡률반경(mm)

R4: 제2 렌즈(L2)의 상측 면의 곡률반경(mm)

위 조건식 8은 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)에 관한 것으로서, (R1/R4)/f 값이 상한보다 크면 멀리 있는 물체를 볼 수 있게 하는 망원렌즈의 특성이 없어질 뿐만 아니라 왜곡 및 수차의 보정이 어려워지고, 하한보다 작으면 광학계의 크기가 커져 소형화가 어려워진다,

아래의 표 1은 전술한 조건식 1 내지 조건식 7을 모두 만족하는 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 광학계의 구체적인 설계 스펙을 예시한 것이다.

[표 1]

표 1의 값을 산출하는데 제공된 각 실시예 별 데이터는 다음과 같으며, 제1 실시예 및 제2 실시예의 광학계 구성은 각각 도 1a 및 도 2a에 도시된 바와 같다.

아래의 표 2는 제1 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙 - 각 렌즈의 곡률반경(mm), 두께(mm), 렌즈간격(mm), 굴절률(Nd), 아베 수(Vd) 등 -을 나타낸 것이고, 표 3은 제1 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제4 렌즈(L1, L2, L3, L4)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 2] 제1 실시예의 설계 스펙

[표 3] 제1 실시예의 비구면계수

또한 아래의 표 4는 제2 실시예에 따른 광학계의 설계 스펙을 나타낸 것이고, 표5는 제2 실시예에 따른 광학계의 제1 내지 제4 렌즈(L1, L2, L3, L4)의 각 렌즈면에 적용되는 비구면 계수를 나타낸 것이다.

[표 4] 제2 실시예의 설계 스펙

[표 5] 제2 실시예의 비구면 계수

한편 각 실시예에서 비구면 렌즈의 형상은 아래의 수학식을 통해 산출될 수 있다.

[수학식]

위 수학식에서, Z는 렌즈의 정점부터 광축 방향으로의 거리이고, h는 광축에 수직방향으로의 거리이며, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경의 역수이며, K는 Conic 상수이며, A4, A6, A8, A10, A12, A14, A16, .... 은 각각 비구면 계수로서 표 3 및 표 5에 예시한 바와 같다.

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

그리고 본 발명의 실시예에 따르면 8메가 급의 고화소 이미지센서에 사용할 수 있고 전장(TTL)이 6mm 정도로 최소화된 모바일용 소형 망원 광학계를 제공할 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 STOP: 조리개 LF: 렌즈필터

Claims

정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈;
부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈;
부의 굴절력을 가지며, 물체측면과 상측면이 모두 오목한 제3 렌즈;
부의 굴절력을 가지며, 물체측면은 볼록하고 상측면은 오목한 제4 렌즈;
를 포함하고, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 물체 측에서부터 상 측으로 순서대로 배열되고, 다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
0.01 < (R1/R4) / f < 0.05
0.1 < T3 /Td34 < 0.7
(R1: 제1 렌즈의 물체측 면의 곡률반경, R4: 제2 렌즈의 상측 면의 곡률반경, T3: 제3 렌즈의 두께, Td34: 제3 렌즈와 제4 렌즈의 중심거리)
삭제
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
3 < FOV/TTL < 7
(FOV: 대각 화각(°), TTL: 광학계의 전장(mm))
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
13 < HFOV / HIH < 17
(HFOV: 수평화각(°), HIH: 수평상고(mm))
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
0.7 < TTL / f < 1
(TTL: 광학계의 전체길이, f: 광학계 전체의 초점거리)
제1항에 있어서,
다음의 조건식을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.
0.2 < |f1| / |f| < 0.8
-1.0 < f1/f2 < 0
30 < V1-V2 < 40
(f: 광학계 전체의 초점거리, f1: 제1 렌즈의 초점거리, f2: 제2 렌즈의 초점거리, V1: 제1 렌즈의 아베 수, V2: 제2 렌즈의 아베 수)
제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 볼록한 렌즈이고,
상기 제 2 렌즈는 물체측면과 상측면이 모두 오목한 렌즈이며,
조리개는 상기 제1 렌즈의 앞쪽이나 주변에 배치된 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계
제7항에 있어서,
상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈는 각각 적어도 하나의 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 망원 광학계.