KR100927606B1

KR100927606B1 - 초소형 고해상도 촬상 렌즈 조립체

Info

Publication number: KR100927606B1
Application number: KR1020070121873A
Authority: KR
Inventors: 최순철
Original assignee: 주식회사 세코닉스
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-11-23
Also published as: KR20090055115A

Abstract

본 발명은 초소형 고해상도 촬상 렌즈 조립체에 관한 것으로서, 피사체와 상면 사이에 배치된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 포함하는 초소형 고해상도 촬상 렌즈 조립체에 있어서, 상기 제1 렌즈는 양의 굴절능을 가지며, 상기 제2 렌즈는 음의 굴절능을 가지며, 상기 제1 렌즈의 전면과 상기 제2 렌즈의 후면은 구면이며, 상기 1렌즈와 상기 제2렌즈는 광학유리 재질로서 상호 접합되어 있으며 접합면은 실질적으로 평면이고, 상기 제3 렌즈, 상기 제4 렌즈 및 상기 제5 렌즈 모두 플라스틱 재질이며 각각의 렌즈는 적어도 한면이 비구면인 것인 특징으로 하는 렌즈 조립체를 제공한다.

본 발명에 따르면, 고해상도에서도 주변부 성능을 양호하게 유지할 수 있다.

촬상 렌즈, 색수차, 굴절능, 고해상도, 초소형

Description

초소형 고해상도 촬상 렌즈 조립체{High Resolution Lens Assembly}

본 발명은 고체촬상소자(Charged Coupled Device; CCD) 및 상보성금속반도체(Complementarly Metal Oxide Semiconduct; CMOS)를 사용하는 소형의 카메라에 적용되는 촬영렌즈에 관한 것으로서, 구체적으로는 특히 고해상도에서도 양호한 주변부 성능을 발휘하는 초소형 고해상도 촬상 렌즈 조립체에 관한 것이다.

최근 들어 디지털 카메라 기술과 모바일폰 기술을 융합시킨 확장된 새로운 개념의 모바일 폰, 즉 소위 카메라폰(camera phone 또는 camera mobile phone)이 크게 각광을 받고 있다. 더 나아가 디지털 캠코더 기술을 모바일폰 기술에 융합시켜 수 십분 이상의 동화상 멀티미디어를 저장, 전송할 수 있는 소위 캠코더 모바일폰(camcorder mobilephone 또는 camcorder phone)의 개발도 시도되고 있다.

모바일폰뿐 아니라 디지털 카메라 및 PC 카메라 등의 수요도 급증하고 있는데, 이러한 카메라들은 대부분은 고체촬상소자 및 상보성금속반도체를 사용하는 소형의 카메라들로서, 이러한 소형의 촬상장치에 적합한 초소형 촬상렌즈 및 렌즈 조립체에 대한 연구 및 개발이 계속 진행되어 왔다.

한 예로서, 한국특허번호 제10-0428242호에는 도 1에 도시된 바와 같이, 물 체 측의 조리개 후방으로부터 상면(10) 전방까지, 차례로 제1 렌즈(G1), 제2 렌즈(G2), 제3 렌즈(G3) 및 제4 렌즈(G4)를 배치하되, 상기 제1 렌즈(G1)는 정(플러스)의 굴절력을 갖고, 상기 제2 렌즈(G2)는 음(마이너스)의 굴절력을 갖고, 상기 제3 렌즈(G3)는 적어도 일 면이 비구면으로, 정(플러스)의 굴절력을 갖고, 상기 제4 렌즈(G4)는 적어도 일 면이 비구면으로, 정(플러스)의 굴절력을 가지며, 상기 제3 렌즈(G3)와 상기 제4 렌즈(G4) 중 적어도 하나는 플라스틱렌즈로 구성된 렌즈 조립체를 개시하고 있다.

위와 같이 구성된 렌즈 조립체는 소형 경량이면서도 고해상도를 얻을 수 있는 효과가 있고, 이에 의해 촬영렌즈의 제조효율을 높이고, 촬영렌즈의 단가를 낮추어 디지털 기술이 적용된 카메라를 고화질이면서도 소형경량으로 제조할 수 있게 할 뿐만 아니라, 카메라의 가격을 끌어내리는 데 이바지하며, 아울러, 상면쪽에 가장 근접하게 배치된 제4 렌즈(G4)(G4)가 플러스 굴절력을 가짐으로써 화상면으로 투사되는 주광선의 각도를 줄여 화상면의 중심과 주변부의 색감도 차이를 줄인 효과가 있다고 기재되어 있다.

또 다른 예로서, 한국특허번호 제10-00000호는 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 렌즈로 구성되되, 제1 렌즈(G1') 및 제2 렌즈(G2')를 접합하여 가공함으로써 렌즈 조립체의 광로를 짧게 하여 더욱 소형화된 렌즈 조립체를 개시하고 있다.

그런데, 이러한 4매의 렌즈를 기본으로 하는 렌즈 조립체는 색수차(종색수차)가 잘 보정되어 있으나 예컨대, 센서의 픽셀 사이즈가 1.75㎛이하로 작아 질 경우 성능이 다소 부족하다.

여기서 종색수차는 파장별 초점(focus) 위치 차이를 의미하는데, 예컨대 2매의 글래스 렌즈와 2매의 플라스틱 렌즈로 구성된 렌즈 조립체(2P2G로 약칭함)의 경우, 파장 650nm와 파장 470nm에 대한 종색수차가 30㎛ 에 달한다.

도 3은 전술한 종래 기술에 따른 렌즈 조립체의 비점수차도인데, 에 도시된 바와 같이, 렌즈의 주변부에서 수차량이 커져서 주변부의 광학적 성능 저하가 급격히 발생함을 알 수 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여, 렌즈 해상도가 높아져 픽셀 사이즈가 작아져도 렌즈 주변부를 포함한 렌즈의 전반적 성능이 양호하게 발휘 될 수 있는 렌즈 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 렌즈 조립체는 물체 측으로부터 상면까지, 차례로 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4) 및 제5 렌즈(L5)를 배치하되, 상기 제1 렌즈(L1)는 양(플러스)의 굴절력을 갖고, 상기 제2 렌즈(L2)는 음(마이너스)의 굴절력을 갖고, 상기 제3 렌즈(L3)는 적어도 일 면이 비구면으로서 정(플러스)의 굴절력을 갖고, 상기 제4 렌즈는 비구면으로서 전체적으로는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제5 렌즈(L5)는 적어도 일 면이 비구면으로, 정(플러스)의 굴절력을 가진다. 상기 제3 렌즈(L3) 내지 상기 제5 렌즈(G5) 중 적어도 하나는 플라스틱렌즈로 구성된 렌즈 조립체를 개시하고 있다.

해상도를 높이기 위해 제1 렌즈(L1)는 플러스로 그와 함께 제2 렌즈(L2)는 마이너스로 구성한다. 또한, 제3 렌즈(L3)와 제5 렌즈(L5)는 둘 다 플러스 굴절력을 갖도록 하며, 제4 렌즈는 중앙부가 굴절능이 약하며 주변부가 음의 굴절능을 가지며 제3렌즈와 제5렌즈보다 굴절율이 높고 아베수가 낮도록 하여 해상도를 좋게 한다.

특히 제4 렌즈는 그 중심부는 매우 약한 굴절력을 가지며 주변부로 갈수록 음의 굴절력의 가지도록 구성된다. 이러한 형상을 가짐으로써 비점수차를 보정하여 렌즈 주변부의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

상기 제5 렌즈(L5)와 상면(10) 사이에 적외선 차단을 위한 적외선 필터(20)를 더 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 고해상도(예컨대, 픽셀 사이즈가 1.75㎛ 이하)에서도, 렌즈의 길이를 줄이고 주변부 성능을 높이는 초소형 렌즈 조립체를 제공할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 렌즈 조립체의 구성에 대한 용이한 이해를 위하여 우선 4매의 렌즈로 조립된 렌즈 조립체에 대한 구성을 도 2을 참조하여 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 렌즈 조립체의 광로를 줄이기 위하여, 제1 렌즈(G1')과 제2 렌즈(G2')이 상호 접합되어 있을 수 있다.

도 2의 실시예에서 제1 및 제2 렌즈의 구성은 도 3에 도시된 바와 같으며, 구체적인 수치는 다음과 같다.

제1 렌즈

전면 곡률반경 : 1.9mm, 후면 radius : infinity, 중심두께 : 0.5mm, 외경 : Φ2.5mm

제2 렌즈

전면 곡률반경 : infinity, 후면 radius : 3.9mm, 중심두께 : 0.1mm, 외경 : Φ2.5mm

표 1은 도 2에 도시된 실시예의 렌즈 데이타이다.

Surface(면번호)	RDY(곡률반경)	THI(두께)	Nd(굴절률)	Vd(아베수)
OBJ	INFINITY	INFINITY
1	1.90000	0.500000	1.883	40.8
2	INFINITY	0.100000	1.923	20.9
3	3.90000	0.100000
STO	INFINITY	0.944813
5(*)	-1.73110	0.419073	1.531	55.8
6(*)	-1.96679	0.255822
7(*)	1.25920	0.568848	1.531	55.8
8(*)	1.12184	0.650000
9	INFINITY	0.300000	1.517	64.2
10	INFINITY	0.261445
IMG	INFINITY

(OBJ : 물체면; STO : 조리개; IMG : 상면(image); Infinity : 평면)

비구면 계수는 다음의 표 2와 같다.

S5	K
	-2.104119
	A	B	C	D	E	F
	-.270644E-02	-.154638E+00	-.518016E+00	0.796820E+00	0.152296E+00	-.270954E+00
S6	K
	-6.217451
	A	B	C	D	E	F
	-.375272E+00	0.497518E+00	-.592576E+00	0.164247E+00	0.339056E+00	-.163195E+00
S7	K
	-7.000000
	A	B	C	D	E	F
	-.224558E+00	0.547025E-01	0.474057E-02	-.411883E-02	0.165911E-02	-.309039E-03
S8	K
	-4.232665
	A	B	C	D	E	F
	-.169631E+00	0.567504E-01	-.165578E-01	0.219399E-02	-.107957E-03	-.185273E-05

본 실시예에 따른 렌즈 조립체의 비구면 방정식은 다음의 수학식 1과 같다.

여기서 X는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 휨량(sag), Y는 광축에서부터 높이, R은 렌즈의 정점에 있어서의 곡률반경, K는 코닉(Conic) 상수, A,B,C,D,E,F는 각각 제 4차, 제6차, 제8차, 제10차, 제12차, 제14차 비구면 계수를 나타낸다.

도 2에 도시된 렌즈 조립체에서 굴절능(power)의 분포는 제1 및 제2 유리 접합렌즈가 대부분의 굴절능을 담당하고 제3 렌즈와 제4 렌즈는 수차보정 역할을 하므로 굴절능이 매우 약하다. 실시예에서 전체 굴절능은 0.28이고 유리 접합렌즈의 굴절능은 0.26, 제3 렌즈 굴절능은 -0.01 이고, 제4 렌즈 굴절능은 0.02이다.

즉 제1 및 제2 유리 접합렌즈의 굴절능이 전체 굴절능의 91% 이다.

한편, 조리개와 관련하여 통상의 렌즈에서 조리개(STOP)의 위치는 일반적으로 렌즈의 중앙에 위치하는 것이 유리하다. 하지만 조리개를 중앙에 위치시킬 경우 주광선각도(CRA, chief ray angle)에 불리하게 되며 이를 극복하기 위해서는 렌즈의 길이가 길어지는 단점이 있으나, 불필요한 광들을 차단하는 데 유리하고 제작 공차에 둔감한 장점이 있다. 따라서 조리개의 위치를 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이에 위치시켜 제작공차에 대한 민감도를 줄이면서도 CRA를 25도 정도로 이하로 하고 길이를 단축할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈 조립체를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 렌즈 조립체는 종래의 제3 렌즈(G3 또는 G3') 및 제4 렌즈(G4 또는 G4')에 대응하는 제3 렌즈(L3) 및 제5 렌즈(L5) 사이에, 굴절율이 높고 분산값이 큰 비구면 플라스틱 렌즈(L4)를 추가하여 성능을 올리고 렌즈 길이를 줄였다.

본 발명에 따른 렌즈 조립체는 물체 측의 조리개 후방으로부터 상면 전방까지, 차례로 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4) 및 제5 렌즈(L5)를 배치하되, 상기 제1 렌즈(L1)는 양(플러스)의 굴절력을 갖고, 상기 제2 렌즈(L2)는 음(마이너스)의 굴절력을 갖고, 상기 제3 렌즈(L3)는 적어도 일 면이 비구면으로서 정(플러스)의 굴절력을 갖고, 상기 제4 렌즈는 비구면으로서 전체적으로는 음의 굴절력을 가지고, 상기 제5 렌즈(L5)는 적어도 일 면이 비구면으로, 정(플러스)의 굴절력을 가진다. 상기 제3 렌즈(L3) 내지 상기 제5 렌즈(G5) 중 적어도 하나는 플라스틱렌즈로 구성됨이 바람직하다.

색수차를 보정하기 위해 제1 렌즈(L1)는 플러스로 그와 함께 제2 렌즈(L2)는 마이너스로 구성한다. 또한, 제3 렌즈(L3)와 제5 렌즈(L5)는 둘 다 플러스 굴절력을 갖도록 하여 주광선의 각도를 최소화시킴으로써 왜곡수차를 보정하고 화상의 중심과 주변의 색감도를 좋게 한다.

본 발명에서 유리 렌즈의 재료를 달리하여 색수차를 잘 보정할 수 있다. 본 발명에서 제1 렌즈와 제2 렌즈는 렌즈 조립체의 광로 길이를 줄이는 데 유리하도록 높은 굴절율을 갖는 재료를 선정하였고 색수차 보정에 유리하도록 아베 수(abbe number)가 차이가 나는 재료를 선정하였다.

특히 본 발명의 주된 기술적 요지인 제4 렌즈(L4)는 굴절률이 높고 분산값이 큰 비구면 플라스틱 렌즈로써, 성능 및 광로 길이를 줄이는데 효과적이다.

제4 렌즈의 중심부는 실질적으로 평면형상이고 주변부로 갈수록 음의 굴절력의 가지도록 구성된다. 이러한 형상을 가짐으로써 비점수차를 보정하여 렌즈 주변부의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

다음의 수학식 2 및 수학식 3은 각각 본 발명에 따른 제4 렌즈(L4)에 대한 ASP 방정식 및 제5 렌즈(L5)에 대한 SPS ODD(odd-asphere surface) 방정식이다.

여기서, z는 z축으로의 평면평행선(평행면)으로의 감소율,

c는 평면극의 곡률(CUP)

k는 원뿔계수(K)이다. 따라서,

k=0 : 구

-1<k<0 : - 광축위의 장축의 타원면(장구)

k= -1 : 포물선

k<-1 : 쌍곡면

또한, k=

, (e 는 이심률임)

k>0 일 때, 편구면이며, 그 표면은 그 미러축(mirror axis)에 대한 타원 회전으로 생성됨.

k=

: 이때 e 는 산출된 타원의 이심률.

A,B,C,D,E,F,G,H,J 는 각각 4차, 6차, 8차, 10차, 12차, 14차, 16차, 18차 20차 변형계수이며, 순뿔면

에 대하여, A=B=C=D=E=F=G=H=J=0 이다.

이때, z는 z축으로의 평면평행선(평행면)으로의 감소율

c는 평면꼭지점의 곡률(CUY)

k는 원뿔상수 (k=

, 이때 e= 이심률)

k>1 평구면(원뿔곡선아님)

k=0 구

-1<k<0 광축위의 장축의 타원면

k=-1 포물면

k<-1 쌍곡선

:

의 상수 (최대값 30)

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈 조립체의 렌즈 데이터는 다음과 같다.

< 렌즈 data >

RDY THI Nd Vd

OBJ: INFINITY INFINITY

1: 2.28630 0.700000 1.729160 54.6735

2: INFINITY 0.100000 1.922860 20.8804 : 접합면

3: 7.88226 0.070000

STO: INFINITY 1.057871

5: -2.48384 0.506904 1.53113 55.8

SPS ODD:

K: 1.3675E+00 AR3: -5.4046E-02 AR4: -2.7173E-02

AR5: 1.6143E-03 AR6: 1.0148E-02 AR7: 5.0961E-02

AR8: -4.7091E-02 AR9: -2.7070E-02 AR10: 8.9637E-02

AR11: -1.1025E-02 AR12: 3.5085E-03 AR13: 1.0577E-02

AR14: -2.6297E-02

7: -6.82869 0.1

SPS ODD:

K: -7.3615E+01 AR3: -9.0434E-02 AR4: -2.8235E-01

AR5: 3.2103E-02 AR6: 2.4563E-01 AR7: 2.8705E-03

AR8: -1.6574E-01 AR9: 4.1175E-03 AR10: 3.5423E-02

AR11: -2.1225E-03 AR12: 4.1774E-02 AR13: -1.5858E-03

AR14: -1.6183E-02

8: 8.15950 0.469953 1.632 23.6

ASP:

K : -61.315227

IC : YES CUF: 0.000000

A:-.167525E-01 B:-.298327E-01 C:0.168429E-01 D:-.112899E-01

E:0.316019E-02 F:-.336593E-03 G:0.000000E+00 H:0.000000E+00

J:0.000000E+00

9: 6.07112 0.100000

ASP:

K : -13.429105

IC : YES CUF: 0.000000

A:-.220384E-01 B:-.313728E-02 C:-.878776E-03 D:0.415119E-03

E:-.249643E-04 F:-.216580E-05 G:0.000000E+00 H:0.000000E+00

J :0.000000E+00

10: 1.25719 0.813027 1.53113 55.8

SPS ODD:

K: -3.5370E+00 AR3: -4.2024E-02 AR4: -1.9005E-01

AR5: 3.5600E-02 AR6: 3.6904E-02 AR7: 2.9296E-03

AR8: -1.3694E-03 AR9: -1.5758E-03 AR10: -1.1169E-03

AR11: 3.1601E-06 AR12: 2.4672E-04 AR13: 6.1133E-05

AR14: -3.4130E-05

11: 1.54145 0.329135

SPS ODD:

K: -3.9893E+00 AR3: 1.2215E-02 AR4: -1.5638E-01

AR5: 3.8383E-02 AR6: 2.4374E-02 AR7: -5.9060E-03

AR8: -5.3823E-03 AR9: 9.8806E-04 AR10: 4.9698E-04

AR11: 3.4969E-05 AR12: -3.7514E-05 AR13: -9.5277E-06

AR14: 1.7466E-06

12: INFINITY 0.300000 1.5168 64.1673

13: INFINITY 0.903934

> IMG: INFINITY 0.000000

본 발명의 실시예에서,

제1렌즈와 제2렌즈의 합친 굴절능(P₁₂) 절대치 │P₁₂ │= 0.219

제3렌즈의 굴절능(P₃) 절대치 │P₃ │= 0.131

제4렌즈의 굴절능(P₄) 절대치 │P₄ │= 0.025

제5렌즈의 굴절능(P₅) 절대치 │P₅ │= 0.156

제4렌즈는 약한 굴절능을 가지며 주변부로 갈수록 렌즈가 두꺼워 지면서 (-) 굴절능을 가진다. 특히 제1렌즈와 제2렌즈의 합친 굴절능(P₁₂) 절대치보다 1/3 수준의 굴절능을 갖게 하여 중앙부의 굴절능에 영향을 작게 주면서 주변부의 성능을 개선하는 역할을 한다.

또한 제4렌즈의 굴절율과 아베수를 제3렌즈와 제4렌즈와 달리하여 종색수차를 개선하는 효과가 있다. 제4렌즈는 굴절율(Nd) 1.632이며 아베수(Vd)는 23.6 이고, 제3렌즈와 제5렌즈는 같이 굴절율(Nd) 1.53113 이며 아베수(Vd)는 55.8 이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈 조립체의 광학 성능을 나타내는 비점수차도이다.

도 5에서 실선은 구결면(sagital plane), 점선은 자오면(tangential plane)을 각각 나타낸다. 도 5를 도 3과 비교하여 볼 때, 종래의 렌즈 조립체에 비하여 본 발명의 렌즈 조립체의 주변부 성능 상향이 뚜렷하게 나타나고 있음을 잘 알 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성을 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래의 렌즈 조립체를 도시한 도면.

도 2는 종래의 다른 형태의 렌즈 조립체를 도시한 도면.

도 3은 종래의 렌즈 조립체에 대한 비점수차도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈 조립체를 도시한 도면.

도 5는 도 4에 도시된 렌즈 조립체의 비점수차도.

Claims

피사체와 상면 사이에 배치된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈를 포함하는 초소형 고해상도 촬상 렌즈 조립체에 있어서

상기 제1 렌즈는 양의 굴절능을 가지며, 상기 제2 렌즈는 음의 굴절능을 가지며, 상기 제1 렌즈의 전면과 상기 제2 렌즈의 후면은 구면이며, 상기 1렌즈와 상기 제2렌즈는 광학유리 재질로서 상호 접합되어 있으며 접합면은 실질적으로 평면이고,

상기 제3 렌즈, 상기 제4 렌즈 및 상기 제5 렌즈 모두 플라스틱 재질이며 각각의 렌즈는 적어도 한면이 비구면인 것인 특징으로 하는 렌즈 조립체.
제1항에 있어서,

상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈의 굴절능의 절대치의 합은 상기 제4 렌즈 의 굴절능의 절대치의 2배보다 큰 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
제1항에 있어서,

상기 제4 렌즈는 상기 제3, 및 5 렌즈에 비하여 굴절률이 높고 아베수가 작은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
제1항에 있어서,

상기 제5 렌즈와 상기 상면 사이에 적외선 필터가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체.
초소형 고해상도 촬상 렌즈 조립체를 제작하는 방법에 있어서,

높은 굴절능을 가지며, 물체로부터의 반사되는 빛의 굴절을 담당하는 하나 이상의 렌즈를 배치하는 단계와, 축외수차 보정을 위한 렌즈를 배치하는 단계와,

주광선의 각도를 줄이며 상면 만곡 수차를 보정하는 렌즈를 배치하는 단계와, 색수차 보정을 담당하여 주변부의 광학 성능 저하를 담당하는 렌즈를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체 제작 방법.
제5항에 있어서, 상기 높은 굴절력을 가지는 렌즈를 배치하는 단계는,

양의 굴절능을 가지는 제1 렌즈를 배치하는 단계와,

음의 굴절능을 가지는 제2 렌즈를 배치하는 단계와,

상기 제1 및 제2 렌즈를 상호 접합하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈 조립체 제작 방법.