KR20080022260A - 줌 렌즈 광학장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 줌 렌즈 광학 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 줌 렌즈 광학장치는, 입사 광 집속을 위한 입사 렌즈; 상기 입사 렌즈를 통과한 광의 광로를 변화시키는 반사형 초점 가변 미러; 상기 반사형 초점 가변 미러에 의해서 반사된 광 집속을 위한 중간 렌즈; 상기 중간 렌즈를 통과한 광을 투과시킴과 함께 그 초점을 가변시켜 주기 위한 투과형 초점 가변 회절 광학 소자; 상기 투과형 초점 가변 회절 광학 소자를 통과한 광의 집속을 위한 출사 렌즈; 및, 상기 출사 렌즈를 투과한 광로의 종단에 그 광로와 평행하게 배치되는 수광소자; 를 포함하여 슬림형 카메라 모듈 구현을 가능하게 한다.
카메라 모듈, 슬림, 줌 렌즈, 광학계

Description

줌 렌즈 광학장치{Optical Device With Zoom Lens}
도1은 종래의 광학 장치 구조를 나타낸 도면
도2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치 구조를 나타낸 도면
도3은 종래의 광학 장치가 휴대장치에 적용된 예를 나타낸 도면
도4는 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치가 휴대장치에 적용된 예를 나타낸 도면
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201,203,205: 렌즈 202: 반사형 초점 가변 미러
204: 투과형 초점 가변 회절 광학소자
206: 수광 소자
본 발명은 줌 렌즈 광학 장치에 관한 것이다.
일반적인 줌 렌즈 광학 장치에는 광학계의 배율을 변화시키기 위한 배리에이터(Variator)용 렌즈와 포커싱 역할을 하는 컴펀세이터(Compensator)용 렌즈가 장착된다. 종래의 광학계에서는 이들 렌즈를 기계적인 방법으로 구동하였다.
또 다른 구동방법으로서, MEMS 기술을 이용한 반사형 초점 가변 소자를 이용하는 방식도 있으나, 이 방식에 의해 구성된 줌 렌즈 광학계는 광학 설계의 자유도가 떨어져 불리하다. 즉, 반사형 초점 가변 소자의 경우 반사형이기 때문에 광의 입력 방향이 일정해야 하고, 반사형이기 때문에 입사면 측에 렌즈가 필수적으로 요구된다. MEMS 기술을 이용한 설계는 입사광의 입사 방향 자유도가 지극히 한정적이기 때문에 실제 휴대폰, PDA 등의 휴대 장치에 실장될 경우 두께에 큰 제약을 가져온다.
도1은 종래 광학 장치의 구조를 나타낸다.
광학 장치로 입사된 광은 배율을 높이기 위한 렌즈(101)를 통과하여, 제1 초점 가변 미러(102)에 의해 반사된다. 제1 초점 가변 미러(102)는 반사형 초점 가변 미러인데, 다수의 미러로 구성된 회절 소자로서 다수의 미러 각각을 제어함으로써 입사되는 광의 초점을 가변시켜 반사시키는 소자이다.
제1 초점 가변 미러(102)를 통과한 광은 렌즈(103)를 통과하여 제2 초점 가변 미러(104)에 의해 반사된다. 제1 초점 가변 미러(104)는 반사형 초점 가변 미러인데, 다수의 미러로 구성된 회절 소자로서 다수의 미러 각각을 제어함으로써 입사되는 광의 초점을 가변시켜 반사시키는 소자이다. 제2 초점 가변 미러(104)에 의해서 반사된 광은 렌즈(105)를 통과하여 수광 소자(106)로 입사된다.
도1에 도시된 바와 같은 종래 광학 장치에서는 입사광이 출사광과 동일 평면에 놓이고, 나머지 광학 소자들도 모두 동일한 평면 내에 놓이게 되어, x축 방향으로 소정의 두께 Ts가 반드시 요구되는 설계상의 한계를 갖는다. 통상적으로 x축 방향이 광학 장치가 장착될 휴대 장치의 두께 방향이 되기 때문에 결국 휴대 장치의 두께가 증가하게 된다. 특히, 줌 렌드 광학계를 이루기 위하여 반사형 초점 가변 미러(102, 104)를 2개 사용할 경우 수광 소자(106)가 y축과 평행하게 놓이게 되기 때문에 광학계 전체의 두께가 x축으로 두꺼워지게 된다.
최근 휴대폰이나, PDA에 사용되고 있는 카메라 모듈의 개발 방향의 초점은 카메라 모듈의 크기를 줄이는 데 있다. 종래의 AF(Auto Focusing) 및 줌 기능이 포함된 카메라 모듈은 렌즈의 기계적인 움직임으로 인해 신뢰성을 떨어뜨리고 렌즈의 이동범위를 확보하기 위해 부피가 커지게 커진다.
또한, MEMS 기술을 이용하여 설계된 카메라 모듈의 경우 그 설계 제약 사항으로 인해 부피를 줄이는데 한계가 있다. 위와 같은 카메라 모듈의 설계 제한을 극복하고, 카메라 모듈이 장착될 휴대 장치의 두께를 줄일 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 슬림 줌 렌즈 광학장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 휴대폰 등의 휴대 장치 내에 장착되면서도, 휴대 장치의 두께를 줄일 수 있는 카메라 모듈용 광학 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 MEMS 기술로 구현된 회절 소자를 이용하는 광학 장치에서, 그 설계적 제한을 극복할 수 있는 광학 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치는,
입사 광의 광로를 변화시키는 제 1 광학 소자; 상기 제 1 광학 소자에 의하 여 광로가 변경된 광을 투과 및 회절시켜 출사하는 제 2 광학 소자; 상기 제 2 광학 소자를 투과한 광로의 종단에 배치되는 수광소자; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치에서, 상기 제 1 광학 소자는 광 회절 및 반사를 이루는 반사형 초점 가변 미러인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치에서, 상기 제 2 광학 소자는 광 회절 및 투과를 이루는 투과형 초점 가변 회절 광학 소자인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치는, 입사 광 집속을 위한 입사 렌즈; 상기 입사 렌즈를 통과한 광의 광로를 변화시키는 반사형 초점 가변 미러; 상기 반사형 초점 가변 미러에 의해서 반사된 광 집속을 위한 중간 렌즈; 상기 중간 렌즈를 통과한 광을 투과시킴과 함께 그 초점을 가변시켜 주기 위한 투과형 초점 가변 회절 광학 소자; 상기 투과형 초점 가변 회절 광학 소자를 통과한 광의 집속을 위한 출사 렌즈; 및, 상기 출사 렌즈를 투과한 광로의 종단에 그 광로와 평행하게 배치되는 수광소자; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치에서, 상기 반사형 초점 가변 소자는 줌(zoom)을 위한 광 배율 조절 소자인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치에서, 상기 투과형 초점 가변 회절 광학 소자는 포커싱(focusing)을 위한 초점 조절 소자인 것을 특징으로 한 다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치에서, 상기 입사 렌즈에서 반사형 초점 가변 미러에 이르는 광로와, 상기 반사형 초점 가변 미러로부터 중간 렌즈, 투과형 초점 가변 회절 광학소자, 출사 렌즈 및 수광 소자에 이르는 광로는 서로 수직한 방향에 놓이는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치를 설명한다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치의 구조를 보여준다. 도2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치는 광 입사단으로부터 수광단(최종 출사단)까지의 광 경로상에, 입사 렌즈(201), 반사형 초점 가변 미러(202), 중간 렌즈(203), 투과형 초점 가변 회절 광학소자(204), 출사 렌즈(205), 수광 소자(206)가 배열된다. 광로에 대한 각 소자의 배열 관계는 설명과 이해를 돕기 위하여 도면에서 x축, y축, z축을 기준으로 표현하였다.
입사 렌즈(201)는 피사체의 상(광)에 해당되는 배율을 높이기 위하여 사용된다. 입사 렌즈(201)는 입사 광로에 대하여 직교하는 단면 방향(도면에서 x축 방향)에 놓인다. 입사 렌즈(201)와 반사형 초점 가변 미러(202)는 광 경로 상에서 광을 수직 방향으로 반사시키는 상대적 위치에 놓인다.
초점 가변 미러(202)는 입사 렌즈(201)를 통과한 광을 수직 방향(도면에서 y축 방향)으로 변화시킨다. 중간 렌즈(203)는 초점 가변 미러(202)에 의해서 수직 방향으로 경로가 변화된 광로에 대하여 직교하는 단면 방향(도면에서 y축 방향)에 놓인다.
중간 렌즈(203)를 통과한 광은 투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)에 입사된다. 투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)는 초점 가변 미러(202)에 의해서 수직 방향(y축 방향)으로 경로가 변화되고 중간 렌즈(203)를 통과한 광로에 대하여 직교하는 단면 방향(도면에서 y축 방향)에 놓인다.
투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)를 통과한 광은 출사 렌즈(205)에 입사된다. 출사 렌즈(205)는 반사형 초점 가변 미러(202)에 의해서 수직 방향(y축 방향)으로 경로가 변하되고 중간 렌즈(203) 및 투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)를 통과한 광로에 대하여 직교하는 단면 방향(y축 방향)에 놓인다.
출사 렌즈(205)를 통과한 광은 수광 소자(206)에 입사된다. 수광 소자(206)는 출사 렌즈(205)를 통과한 광로에 대하여 직교하는 단면 방향(y축 방향)에 놓인다.
도2에 나타내고 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 줌 렌즈 광학장치를 살펴보면, 입사 광을 반사형 초점 가변 미러(202)에 의해서 수직 방향으로 반사시키고, 수직 방향으로 경로가 변화된 광은 투과형 초점 가변 회절 광학소자(204)에 의해서 투과되어 종단의 수광 소자(206)에 입사되는 구조를 갖는다. 여기서 수광 소자(206)는 y축 방향, 즉 수직 방향으로 변화된 광 경로의 종단에 직교하는 단면 방향에 놓이게 되는 구조가 된다. 따라서, 줌 렌즈 광학장치(줌 렌즈 카메라 모듈)의 두께(Tr), 즉 x축 방향으로의 두께가 종래의 도1에 나타낸 두께(Ts) 보다 줄어들게 된다.
즉, 반사형 초점 가변 미러(202)와 투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)를 이용함으로써, 수광 소자(206)가 y축 방향에 놓이게 되고, 이에 따라 x축 방향의 두께(Tr)가 줄어들게 되는 것이다. 이러한 구조에 따르면 광학계의 구성 자유도에서 장점을 가질 수 있게 되는 것이다. 또한, 카메라 모듈(줌 렌즈 광학장치)의 형상이 한쪽에서 잘린 모양이 육면체 형상을 갖게 되어 휴대 장치에 장착될 때 더욱 유리하게 된다(후에 도4를 참조하여 설명될 것이다).
도2에 나타낸 광학계를 살펴본다. 입사 광은 입사 렌즈(201)를 통과하여 반사형 초점 가변 미러(202)에서 수직방향으로 광로가 변경된다. 입사 렌즈(201)는 피사체의 상에 대한 광 정보를 보다 풍부하게 획득하기 위하여 입사 광의 배율(증폭)을 높여준다. 반사형 초점 가변 미러(202)는 다수의 미러로 구성된 회절 소자로서 다수의 미러 각각을 제어함으로써 입사되는 광의 초점을 가변시켜 반사시키는 소자이다.
반사형 초점 가변 미러(202)를 통과한 광은 중간 렌즈(203)를 통과하여 투과형 초점 가변 회절 광학소자(204)를 통과한다 투과형 초점 가변 회절 광학소자(204)는 중간 렌즈(203)를 통과한 광을 투과시키며, 이는 회절 광학소자로 이루어지고, 광 투과시 회절 작용을 기반으로 그 초점을 가변시켜 준다.
투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)를 통과한 광은 출사 렌즈(205)를 통과하여 수광 소자(205)에 입사된다. 수광 소자(205)는 피사체로부터 획득하는 광 신호를 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체 영상에 해당되는 전기신호를 획득한다. 수광 소자(206)에 의해 변환된 전기 신호는 광학 장치가 장착되는 휴대폰 등의 단말 장치에서 처리된다.
종래에는 입사광의 광 경로와 광학 장치 내 및 출사광의 광 경로가 동일 평면(x축 방향 및 x축 방향) 내에 놓이고, 수광 센서가 x축의 종단에 놓였기 때문에 평면의 폭이 곧 광학 장치 두께(Ts)의 최소값을 제한하였다. 따라서, 광학 장치 및 광학 장치가 장착되는 휴대 장치의 두께를 줄이는데 한계가 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 광학 장치에 따르면, 입사광의 광 경로와, 광학 장치 내의 광 경로 및 출사광의 광 경로가 수직이기 때문에 설계 자유도를 확보할 수 있게 된다. 또한, 수광 센서(206)가 y축 방향에 놓이게 되므로 x축 방향으로 놓였던 기존의 구조에 비하여 그 두께(x축 방향의 두께)를 줄일 수 있게 된다. 따라서 슬림(slim)형의 카메라 모듈 구현이 보다 더 용이하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 반사형 초점 가변 미러(202)는 각각 별개로 제어가 가능한 다수의 미러로 구성되며, 입사한 광을 회절시켜, 필요에 따라 증폭을 하거나 자동 포커싱을 하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)는 내부 매질의 특성에 따라 광의 회절을 제어할 수 있는 광학 소자이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 반사형 초점 가변 미러(202)에 의한 1차 회절은 입사광의 배율을 증폭시키는 줌(zoom) 역할이고, 상기 투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)에 의한 2차 회절은 자동 포커싱(Auto Focusing)을 위한 회절이다.
실시예에 따라서는, 상기 반사형 초점 가변 미러(202)와 투과형 초점 가변 회절 광학 소자(204)의 역할이 위와 반대로 될 수 있다.
실시예에 따라서, 줌 기능이 필요없는 광학 장치의 경우에는 자동 포커싱을 하는 회절 소자 한 개만을 사용하여 광학 장치를 구성할 수도 있으며, 회절 소자들의 기능을 세분화하여 2개 이상의 회절 소자를 사용하여 광학 장치를 구성할 수도 있다.
도3은 종래의 광학 장치가 휴대 장치에 적용되는 예를 나타낸다.
도3에 도시된 바와 같이, 종래의 광학 장치(100)는 입사광, 광학 장치(100)의 광, 출사광의 광 경로가 모두 동일 평면(x축 방향) 내에 놓이는 데다가 출사광의 종단(x축 방향)에 수광 센서가 놓인다. 그러므로 그 평면의 폭이 곧 광학 장치의 두께(Ts)로 연결되기 때문에, 광학 장치(100)가 장착되는 휴대 장치(110) 등의 단말 장치의 두께를 줄이는데 한계가 있다.
도4는 본 발명에 따른 광학 장치가 휴대 장치에 적용되는 예를 나타낸다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 장치(200)에서는 출사광의 종단이 y축 방향에서 끝나는 구조이고, 그 종단(y축 방향)에 수광 센서가 놓이는 구조이기 때문에 휴대 장치(210)의 두께를 대폭 줄일 수 있다. 도4에 나타낸 바와 같이, 광학장치(200)를 포함하는 카메라 모듈의 형상이 한쪽에서 잘린 모양(도면에서는 상측 후면이 잘린 모양)이 육면체 형상을 갖게 되어 휴대 장치에 카메라 모듈이 장착될 때 설계 및 설치 자유도가 좋고 슬림화하는데도 장애가 그 만큼 줄어들게 된다.
본 발명의 광학 장치에 따르면 휴대폰 등의 휴대 장치 내에 장착되면서도, 휴대 장치의 두께를 대폭 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 장치는, MEMS 기술로 구현된 회절 소자를 이용하면서도, 그 회절 소자의 설계적 제한을 극복할 수 있는 광학 장치를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 입사 광의 광로를 변화시키는 제 1 광학 소자;
    상기 제 1 광학 소자에 의하여 광로가 변경된 광을 투과 및 회절시켜 출사하는 제 2 광학 소자;
    상기 제 2 광학 소자를 투과한 광로의 종단에 배치되는 수광소자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 줌 렌즈 광학장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광학 소자는 광 회절 및 반사를 이루는 반사형 초점 가변 미러인 것을 특징으로 하는 줌 렌즈 광학장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 광학 소자는 광 회절 및 투과를 이루는 투과형 초점 가변 회절 광학 소자인 것을 특징으로 하는 줌 렌즈 광학장치.
  4. 입사 광 집속을 위한 입사 렌즈;
    상기 입사 렌즈를 통과한 광의 광로를 변화시키는 반사형 초점 가변 미러;
    상기 반사형 초점 가변 미러에 의해서 반사된 광 집속을 위한 중간 렌즈;
    상기 중간 렌즈를 통과한 광을 투과시킴과 함께 그 초점을 가변시켜 주기 위한 투과형 초점 가변 회절 광학 소자;
    상기 투과형 초점 가변 회절 광학 소자를 통과한 광의 집속을 위한 출사 렌 즈; 및,
    상기 출사 렌즈를 투과한 광로의 종단에 그 광로와 평행하게 배치되는 수광소자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 줌 렌즈 광학장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 반사형 초점 가변 소자는 줌(zoom)을 위한 광 배율 조절 소자인 것을 특징으로 하는 줌 렌즈 광학장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 투과형 초점 가변 회절 광학 소자는 포커싱(focusing)을 위한 초점 조절 소자인 것을 특징으로 하는 줌 렌즈 광학장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 입사 렌즈에서 반사형 초점 가변 미러에 이르는 광로와, 상기 반사형 초점 가변 미러로부터 중간 렌즈, 투과형 초점 가변 회절 광학소자, 출사 렌즈 및 수광 소자에 이르는 광로는 서로 수직한 방향에 놓이는 것을 특징으로 하는 줌 렌즈 광학장치.
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