KR20110048247A

KR20110048247A - 촬상 광학계

Info

Publication number: KR20110048247A
Application number: KR1020090104974A
Authority: KR
Inventors: 박일용
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-11
Also published as: US8189274B2; CN102053343A; CN104375262A; US20110102912A1

Abstract

이동통신단말기, PDA 등에 탑재되거나, 감시용 카메라, 디지털 카메라 등에 사용되는 촬상 광학계가 개시된다. 상기 촬상 광학계는, 물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제1 렌즈; 부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제2 렌즈; 정의 굴절력을 가지며 메니스커스 형상을 갖는 제3 렌즈; 및 물체측 면이 오목한 제4 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 촬상 광학계는 상기 제4 렌즈의 형상에 관하여 하기 조건식 1을 만족할 수 있다.

[조건식 1] 10 < | R8 / F | < 50

(R8: 상기 제4 렌즈의 물체측 면의 곡률반경, F: 상기 촬상 광학계 전체의 초점거리)

광학계, 렌즈 시스템, 렌즈, 플라스틱, 비구면, 초점거리, 곡률반경

Description

촬상 광학계{OPTICAL SYSTEM}

본 발명은 촬상 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동통신단말기, PDA 등에 탑재되거나, 감시용 카메라, 디지털 카메라 등에 사용되는 촬상 광학계에 관한 것이다.

최근에 이미지 픽업 시스템(Image Pickup System)과 관련하여 통신단말기용 카메라 모듈, 디지탈 스틸 카메라(DSC, Digital Still Camera), 캠코더, PC 카메라(퍼스털 컴퓨터에 부속된 촬상장치) 등이 연구되고 있다. 이러한 이미지 픽업 시스템이 상(image)을 얻기 위해 가장 중요한 구성요소는 상(image)을 결상하는 렌즈 시스템이다.

이러한 렌즈 시스템은 해상도, 화상의 품질 등에서 고성능을 요구하기 때문에 렌즈의 구성이 복잡해지고 있으나, 이와 같이 구성적으로 또는 광학적으로 복잡해지는 경우에는 크기가 증가하여 소형화 및 박형화에 반한다는 문제점이 있다.

예를 들어, 모바일 폰에 탑재되는 카메라 모듈은 그 장착성을 높이기 위해 모듈 전체의 소형화가 필수 조건이다. 또한, 이에 사용되는 CCD나 CMOS의 이미지 센서는 점점 고해상도이면서 픽셀의 크기가 축소되어 가고 있으며, 이에 대응하는 렌즈 시스템은 소형화, 박형화가 요구될 뿐만 아니라 고해상도, 우수한 광학성능 등이 충족되어야 한다.

이때, 300만 화소 촬상소자(CCD 또는 CMOS)를 사용하는 경우에는 3매 이하의 렌즈 구성으로도 광학적 성능 및 소형화를 만족할 수 있으나, 500만 화소 이상의 고해상도 촬상소자(CCD 또는 CMOS)에 3매 이하의 렌즈가 사용되는 경우에는 각 렌즈의 굴절력이 커져야 하고 그에 따라 렌즈의 가공이 어려워지기 때문에 고성능 및 소형화를 동시에 만족하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 4매 이상의 렌즈 구성에도 불구하고 구면렌즈를 사용하는 경우에는 광학계의 전체 길이가 증가하게 되어 소형화를 이루기 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 초소형화 및 광학적 성능을 동시에 구현할 수 있는 초소형 카메라 모듈용 렌즈 시스템이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 4매의 렌즈만으로도 고해상도 및 초소형화를 구현할 수 있으며, 광학적 성능이 우수한 촬상 광학계를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 적어도 3매 이상의 플라스틱 렌즈를 사용함으로써 제조비가 적게 들고 대량생산이 가능하며 소형 경량의 촬상 광학계를 제공함을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 500만 화소 이상의 고해상도의 카메라 모듈에 적합한 촬상 광학계를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는,

정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제1 렌즈;

부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제2 렌즈;

정의 굴절력을 가지며 메니스커스 형상을 갖는 제3 렌즈; 및

물체측 면이 오목한 제4 렌즈

를 포함하는 촬상 광학계를 제공한다.

본 발명의 일실시형태는, 상기 제4 렌즈의 형상에 관하여 하기 조건식 1을 만족할 수 있다.

[조건식 1] 10 < | R8 / F | < 50

상기 조건식 1에서, R8은 상기 제4 렌즈의 물체측 면의 곡률반경을 의미하며, F는 본 발명의 일실시형태에 따른 촬상 광학계 전체의 초점거리를 의미한다.

본 발명의 일실시형태는, 상기 제1, 2 및 4 렌즈의 굴절력에 관하여 하기 조건식 2 내지 4를 각각 만족할 수 있다.

[조건식 2] 0.4 < f1 / F < 0.8

[조건식 3] 0.6 < | f2 / F | < 1.2

[조건식 4] 0.4 < | f4 / F | < 0.8

상기 조건식 2 내지 4에서, F는 본 발명의 일실시형태에 따른 촬상 광학계 전체의 초점거리를 의미하며, f1, f2 및 f4는 각각 상기 제1, 2 및 4 렌즈의 초점거리를 의미한다.

본 발명의 일실시형태에서, 상기 제1 내지 제4 렌즈는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있으며, 비구면 렌즈가 채용될 수 있다. 또한 본 발명의 일실시형태는 상기 제1 렌즈의 물체측 전방에 배치된 개구 조리개를 더 포함할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, CCD나 CMOS 등의 이미지 센서를 이용하는 모바일폰용 카메라 등 초소형 광학기기에 적합하며, 광학계를 구성하는 렌즈 각각의 굴절면의 곡률반경을 조절하고 비구면을 사용함으로써 각종 수차를 최소화하고 고해상도, 고선명도의 화상을 얻을 수 있다는 효과가 있게 된다.

그리고, 다수의 플라스틱 렌즈를 사용함으로써 경량화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 제작이 용이하여 대량생산이 가능하고, 제조비용이 절감되는 효과가 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 촬상 광학계의 제1 실시예를 도시한 렌즈 구성도이다. 이하의 렌즈 구성도에서, 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 렌즈 구성도에서 제시된 구면 또는 비구면의 형 상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 촬상 광학계는 정의 굴절력을 가지며 양 굴절면(2, 3)이 볼록한 형태를 갖는 제1 렌즈(L1)와, 부의 굴절력을 가지며 양 굴절면(4, 5)이 오목한 형태를 갖는 제2 렌즈(L2)와, 정의 굴절력을 갖고 메니스커스 형상의 제3 렌즈(L3)와, 물체측 굴절면(8)이 오목한 형태를 갖는 제4 렌즈(L4)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 본 발명의 일실시형태에 따른 촬상 광학계는 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 배치된 개구 조리개(S)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시형태에서, 제1 내지 제4 렌즈(L1-L4)는 플라스틱 재질로 형성될 수 있으며, 비구면 렌즈로 형성될 수 있다. 플라스틱 재질의 렌즈는 사출 성형에 의해 제조되므로 곡률 반경이나 외경이 작은 렌즈라도 저렴하게 대량 생산이 가능하며 프레스 온도를 낮게 할 수 있으므로 성형 금형의 마모를 억제할 수 있어 성형 금형의 교환 횟수나 유지보수 횟수를 감소시킴으로써 연마 가공이 필요한 글라스 재질의 렌즈에 비해 비용 절감을 도모할 수 있다.

여기서, 플라스틱 재질이라는 용어는, 플라스틱 재료를 모재로 하여 그 표면에 반사 방지나 표면 경도 향상을 목적으로 한 코팅 처리를 행한 경우를 포함하는 의미로 이해될 수 있다. 또한, 온도 변화에 따른 플라스틱 렌즈의 굴절률 변화를 억제하기 위해 플라스틱 재료 중에 무기 미립자를 혼합한 경우로 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

한편, 상기 제4 렌즈(L4)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등에 대응하는 광학적 필터(OF)가 구비된다.

또한, 상면(IP)은 CCD, CMOS 등의 이미지 센서의 결상면에 해당한다.

본 발명의 일실시형태에 의한 촬상 광학계에서는 조리개를 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 배치하고, 광학계를 구성하는 렌즈들의 굴절능의 배분이 물체측으로부터 정의 굴절력, 부의 굴절력, 정의 굴절력이 되도록 구성함으로써 굴절능 배분에 의해 결정되는 상면 만곡 특성이 우수하다. 또한, 4 매의 렌즈를 비구면 렌즈로 구현함으로써 렌즈의 해상력을 향상시킴과 동시에 왜곡수차, 구면수차를 감소시킬 수 있으며, 컴팩트하고 광학적 특성이 우수한 광학계를 구현할 수 있게 된다.

또한, 개구 조리개(S) 위치를 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 배치시킴으로써 조리개의 후방에 배치된 렌즈의 유효경 크기를 제한할 수 있으며, 출사동 위치를 상측 마지막 면으로부터 물측으로 멀리 위치시킬 수 있으므로 출사각을 낮출 수 있고 전체 광학계 길이를 짧게할 수 있는 이점이 있다.

이와 같은 전체적인 구성 하에서 다음의 조건식 1 내지 4의 작용효과에 대해 살펴본다.

[조건식 1]

10 < | R8 / F | < 50

상기 조건식 1에서, R8는 제4 렌즈(L4)의 물체측 굴절면의 굴절률을 나타내며, F는 광학계 전체의 초점거리를 나타낸다.

상기 조건식 1은 전체 광학계의 초점거리(F)에 대한 제4 렌즈(L4)의 물체측면 곡률반경(R8)의 비를 나타낸 것으로써, 제4 렌즈(L4)의 형상에 관련된 조건을 규정하는 것이다.

상기 조건식 1의 상한 및 하한을 광하계의 텐레센트릭 특성 및 왜곡수차 특성이 열화된다.

[조건식 2]

0.4 < f1 / F < 0.8

상기 조건식 2에서, f1은 상기 제1 렌즈(L1)의 초점거리를 나타내며, F는 광학계 전체의 초점거리를 나타낸다.

상기 조건식 2는 제1 렌즈(L1)의 초점 거리(f1)와 광학계 전체의 초점 거리(F) 사이의 관계를 나타내는 것으로써, 제1 렌즈(L1)의 굴절력에 관한 조건을 규정하는 것이다.

상기 조건식 2의 하한을 벗어나면 굴절력이 커져서 구면수차의 보정이 어려워지며, 상기 조건식 2의 상한을 벗어나면 색수차가 증가한다.

[조건식 3]

0.6 < | f2 / F | < 1.2

상기 조건식 3에서, f2은 상기 제2 렌즈(L3)의 초점거리를, F는 광학계 전체의 초점거리를 나타낸다.

상기 조건식 3은 제2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)와 광학계 전체의 초점 거리(F) 사이의 관계를 나타내는 것으로써, 제2 렌즈(L2)의 굴절력에 관한 조건을 규정하는 것이다.

상기 조건식 2와 유사하게, 상기 조건식 3의 하한을 벗어나면 제2 렌즈(L2)의 굴절력이 증가하여 구면수차의 보정이 어렵게 되며, 상기 조건식 3의 상한을 벗어나면 색수차가 증가하여 축상 색수차 보정이 어려워지게 된다.

[조건식 4]

0.4 < | f4 / F | < 0.8

상기 조건식 4에서, f4은 상기 제4 렌즈(L4)의 초점거리를, F는 광학계 전체의 초점거리를 나타낸다.

상기 조건식 4은 제4 렌즈(L4)의 초점거리(f4)와 광학계 전체의 초점 거리(F) 사이의 관계를 나타내는 것으로써, 제4 렌즈(L4)의 굴절력에 관한 조건을 규정하는 것이다.

상기 조건식 4의 하한을 벗어나면 텔레센트릭 특성이 저하되고 왜곡수차의 보정이 어려워지며, 상기 조건식 4의 상한을 벗어나게 되면 제4 렌즈(L4)의 굴절력이 저하되어 소형화 특성을 만족시키기 어려워진다.

이하, 구체적인 수치 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.

이하의 실시예 1 내지 4은 모두 전술한 바와 같이, 정의 굴절력을 가지며 양 면이 볼록한 제1 렌즈(L1)와, 부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제2 렌즈(L2)와, 정의 굴절력을 가지며 메니스커스 형상을 갖는 제3 렌즈(L3) 및 물체측 면이 오목한 제4 렌즈(L4)를 포함하며, 제1 렌즈(L1)의 물체측 전방에 개구 조리개(S)가 구비된다. 또한, 상기 제4 렌즈(L4)와 상면(IP) 사이에는 적외선 필터, 커버 글래스 등에 대응하는 광학적 필터(OF)가 구비되고, 또한, 상면(IP)은 CCD, CMOS 등의 이미지 센서의 결상면에 해당한다.

이하의 각 실시예에서 사용되는 비구면은 공지의 수학식 1로부터 얻어지며, 코닉(Conic) 상수(K) 및 비구면 계수(A,B,C,D,E,F)에 사용되는 'E 및 이에 이어지는 숫자'는 10의 거듭제곱을 나타낸다. 예를 들어, E+01은 10¹을, E-02는 10^-2을 나타낸다.

Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리

Y : 광축에 수직인 방향으로의 거리

c : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경(r)의 역수

K : 코닉(Conic) 상수

A,B,C,D,E,F : 비구면 계수

또한, 이하의 각 실시예의 MTF 그래프에서 MTF(Modulation Transfer Function)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 2로 정의되는 값이다.

즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소하면 해상도가 떨어진다.

- 제1 실시예 -

하기의 표 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 2는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 MTF 그래프이며, 도 3의 (a) 내지 (c)는 표 1 및 도 1에 도시된 광학계의 제 수차도이다.

제1 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(12)까지의 거리(TL)는 4.45 ㎜, 광학계의 전체의 초점거리(F)는 3.790 ㎜이다.

상기 수학식 1에 의한 제1 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 2와 같다.

- 제2 실시예 -

하기의 표 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 5는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 MTF 그래프이며, 도 6의 (a) 내지 (c)는 표 3 및 도 4에 도시된 광학계의 제 수차도이다.

제2 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(12)까지의 거리(TL)는 4.45 ㎜, 광학계의 전체의 초점거리(F)는 3.775 ㎜이다.

상기 수학식 1에 의한 제2 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 4와 같다.

- 제3 실시예 -

하기의 표 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 8은 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 MTF 그래프이며, 도 9의 (a) 내지 (c)는 표 5 및 도 7에 도시된 광학계의 제 수차도이다.

제3 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(12)까지의 거리(TL)는 4.43 ㎜, 광학계의 전체의 초점거리(F)는 3.8000 ㎜이다.

상기 수학식 1에 의한 제3 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 6과 같다.

- 제4 실시예 -

하기의 표 7은 본 발명의 제4 실시예에 의한 광학계의 수치예를 나타내고 있다. 또한, 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도이고, 도 11은 표 7 및 도 10에 도시된 광학계의 MTF 그래프이며, 도 12의 (a) 내지 (c)는 표 7 및 도 10에 도시된 광학계의 제 수차도이다.

제4 실시예의 경우, 제1 렌즈(L1)의 물체측 면(2)으로부터 상면(12)까지의 거리(TL)는 4.45 ㎜, 광학계의 전체의 초점거리(F)는 3.790 ㎜이다.

상기 수학식 1에 의한 제4 실시예의 비구면 계수의 값은 다음의 표 6과 같다.

이상의 실시예를 통하여 도 2, 도 5, 도 8 및 도 11에 도시된 바와 같이 해상력이 우수하며, 도 3, 도 6, 도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이 제 수차의 특성이 우수한 광학계를 얻을 수 있다는 점을 확인할 수 있다.

한편, 상기의 제1 내지 제4 실시예에 대한 조건식 1 내지 3의 값은 다음의 표 9와 같다.

	제1 실시예	제2 실시예	제3 실시예	제4 실시예
조건식 1	30.343	30.464	26.316	30.343
조건식 2	0.662	0.652	0.664	0.663
조건식 3	1.031	1.008	1.083	1.046
조건식 4	0.640	0.636	0.642	0.644

상기의 표 9에서와 같이 본 발명의 제1 내지 제4 실시예는 조건식 1 내지 4를 만족하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도.

도 2는 도 1에 도시된 제1 실시예의 MTF 그래프.

도 3은 도 1에 도시된 제1 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도.

도 5는 도 4에 도시된 제2 실시예의 MTF 그래프.

도 6은 도 4에 도시된 제2 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도.

도 8은 도 7에 도시된 제3 실시예의 MTF 그래프.

도 9는 도 7에 도시된 제3 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡.

도 10은 본 발명의 제4 실시예에 의한 촬상 광학계의 렌즈구성도.

도 11은 도 10에 도시된 제4 실시예의 MTF 그래프.

도 12는 도 10에 도시된 제4 실시예의 제 수차도를 도시한 것으로,

(a)는 구면수차, (b)는 비점수차, (c)는 왜곡.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

L1...제1 렌즈 L2...제2 렌즈

L3...제3 렌즈 L4...제4 렌즈

S...개구 조리개 OF...광학적 필터

IP...상면

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12...면 번호

Claims

물체측으로부터 상면 전방까지 순서대로 배치되는,

정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제1 렌즈;

부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제2 렌즈;

정의 굴절력을 가지며 메니스커스 형상을 갖는 제3 렌즈; 및

물체측 면이 오목한 제4 렌즈

를 포함하는 촬상 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제4 렌즈의 형상에 관하여 하기 조건식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.

[조건식 1] 10 < | R8 / F | < 50

(R8: 상기 제4 렌즈의 물체측 면의 곡률반경, F: 상기 촬상 광학계 전체의 초점거리)
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 렌즈의 굴절력에 관하여 하기 조건식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.

[조건식 2] 0.4 < f1 / F < 0.8

(f1: 상기 제1 렌즈의 초점거리, F: 상기 촬상 광학계 전체의 초점거리)
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2 렌즈의 굴절력에 관하여 하기 조건식 3를 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.

[조건식 3] 0.6 < | f2 / F | < 1.2

(f2: 상기 제2 렌즈의 초점거리, F: 상기 촬상 광학계 전체의 초점거리)
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제4 렌즈의 굴절력에 관하여 하기 조건식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.

[조건식 4] 0.4 < | f4 / F | < 0.8

(f4: 상기 제4 렌즈의 초점거리, F: 상기 촬상 광학계 전체의 초점거리)
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 내지 제4 렌즈는 플라스틱 재질인 것을 특징으로 하는 촬상 광하계.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 내지 제4 렌즈는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제1 렌즈의 물체측 전방에 배치된 개구 조리개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.