JP7411664B2 - 光学系およびこれを含むカメラモジュール - Google Patents

Description

本発明はカメラモジュールに関し、より詳細には光学系およびこれを含むカメラモジュールに関する。

３次元コンテンツはゲーム、文化だけでなく教育、製造、自律走行などの多くの分野で適用されており、３次元コンテンツを獲得するために深さ情報（Ｄｅｐｔｈ Ｍａｐ）が必要である。深さ情報は空間上の距離を表す情報であり、２次元映像の一地点に対して他の地点の遠近情報を示す。

深さ情報を獲得する方法として、ＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ）構造光を客体に投射する方式、ステレオカメラを利用する方式、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式などが利用されている。ＴＯＦ方式によると、飛行時間、すなわち光を発射して反射してくる時間を測定することによって物体との距離を計算する。ＴｏＦ方式の最も大きい長所は、３次元空間に対する距離情報をリアルタイムに速やかに提供するという点にある。また、使用者が別途のアルゴリズム適用やハードウェア的補正をしなくても正確な距離情報を得ることができる。また、非常に近い被写体を測定したり動く被写体を測定しても正確な深さ情報を獲得することができる。

一方、携帯端末およびこれに内蔵されるカメラの技術が発達するにつれて、携帯端末内にもＴｏＦ機能を有するカメラモジュールを内蔵しようとする試みがあるが、携帯端末内の設計の制約によって、スリム化、低消費電力および軽量化を満足させながらも高解像度の光学性能を得ることは難しい問題がある。

本発明が達成しようとする技術的課題は光学系およびこれを含むカメラモジュールを提供するところにある。

本発明の一実施形態に係る光学系は、物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像（ｉｍａｇｅ）側に順次配列される第１レンズ、第２レンズ、第３レンズおよび第４レンズを含み、ｆ値が１．７以下であり、前記ｆ値に対するＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｏｐ Ｌｅｎｇｔｈ）の比（ＴＴＬ／ｆ値）が２．１～３である。

前記第１レンズおよび前記第３レンズそれぞれは正のパワーを有し、前記第４レンズは負のパワーを有することができる。

前記第１レンズの焦点距離ｆ１に対する前記第３レンズの焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）は０．５～１．５であり得る。

前記第１レンズは膨らんだ物側面および凹んだ像側面を含み、前記第３レンズは凹んだ物側面および膨らんだ像側面を含み、前記第４レンズは膨らんだ物側面および凹んだ像側面を含むことができる。

前記ｆ値が１．５以下であり、前記ｆ値に対するＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｏｐ Ｌｅｎｇｔｈ）の比（ＴＴＬ／ｆ値）が２．４～３であり得る。

前記ｆ値が１．４以下であり、前記ｆ値に対するＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｏｐ Ｌｅｎｇｔｈ）の比（ＴＴＬ／ｆ値）が２．６～２．９であり得る。

前記第１レンズの像側面および前記第２レンズの物側面間の第１距離、前記第２レンズの像側面および前記第３レンズの物側面間の第２距離および前記第３レンズの像側面および前記第４レンズの物側面間の第３距離のうち前記第３距離が最も短くてもよい。

前記第１レンズの第１屈折率、前記第２レンズの第２屈折率、前記第３レンズの第３屈折率および前記第４レンズの第４屈折率のうち前記第３屈折率が最も大きくてもよい。

前記第４レンズの物側面および像側面のうち少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。

本発明の一実施形態に係るカメラモジュールは、イメージセンサ、前記イメージセンサ上に配置されたフィルタ、そして前記フィルタ上に配置された光学系を含み、前記光学系は物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像側（ｉｍａｇｅ）に順次配列される第１レンズ、第２レンズ、第３レンズおよび第４レンズを含み、ｆ値が１．７以下であり、前記ｆ値に対するＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｏｐ Ｌｅｎｇｔｈ）の比（ＴＴＬ／ｆ値）が２．１～３である。

客体に光を出力する光出力部、前記光出力部で出力されて前記客体から反射した後、前記光学系および前記フィルタを通過して、前記イメージセンサに受信された光を利用して前記客体の深さ情報を抽出する映像処理部を含み、前記映像処理部は前記光出力部で出力された光および前記イメージセンサに受信された光間の位相差を利用して前記客体の深さ情報を抽出することができる。

前記フィルタは所定の規則でチルティングされ、前記フィルタのチルティングによって前記イメージセンサに受信される光の経路は所定の規則でシフトされ得る。

本発明の実施形態によると、低照度環境でも高い解像力を有し、小型で具現できる光学系およびカメラモジュールを得ることができる。本発明の実施形態に係るカメラモジュールはＴｏＦ機能を具現するために適用されてもよい。

本発明の第１実施形態に係る光学系の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光学系の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光学系の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る光学系の断面図である。 本発明の第５実施形態に係る光学系の断面図である。 第１～第５実施形態に係る光学系の球面収差（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖｅｓ）および歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を測定したグラフである。 第１～第５実施形態に係る光学系の球面収差（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖｅｓ）および歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を測定したグラフである。 第１～第５実施形態に係る光学系の球面収差（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖｅｓ）および歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を測定したグラフである。 第１～第５実施形態に係る光学系の球面収差（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖｅｓ）および歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を測定したグラフである。 第１～第５実施形態に係る光学系の球面収差（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖｅｓ）および歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を測定したグラフである。 本発明の一実施形態に係る光学系が適用されるカメラモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態に係る深さ情報を抽出するカメラモジュールのブロック図を示す。 本発明の実施形態に係る電気信号生成過程を説明するための図面である。 ４個の位相映像を利用してＴｏＦ ＩＲ映像または深さ映像を得る方法の一例を簡略に図示する。 チルティング部による入力光信号の光経路変更を説明するための図面である。 イメージセンサ内でサブピクセル単位でピクセルを移動させて入力光データ補間を説明するための図面である。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。

ただし、本発明の技術思想は説明される一部の実施形態に限定されるものではなく互いに異なる多様な形態で具現され得、本発明の技術思想範囲内であれば、実施形態間にその構成要素の中の一つ以上を選択的に結合、置換して使うことができる。

また、本発明の実施形態で使われる用語（技術および科学的用語を含む）は、明白に特に定義されて記述されない限り、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に一般的に理解され得る意味で解釈され得、辞書に定義された用語のように一般的に使われる用語は関連技術の文脈上の意味を考慮してその意味を解釈することができるであろう。

また、本発明の実施形態で使われた用語は実施形態を説明するためのものであり本発明を制限しようとするものではない。

本明細書で、単数型は文面で特に言及しない限り複数型も含むことができ、「Ａおよび（と）Ｂ、Ｃのうち少なくとも一つ（または一つ以上）」と記載される場合、Ａ、Ｂ、Ｃで組み合わせできるすべての組み合わせのうち一つ以上を含むことができる。

また、本発明の実施形態の構成要素を説明するにおいて、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）等の用語を使うことができる。

このような用語はその構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、その用語によって該当構成要素の本質や順番または順序などに限定されない。

そして、ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結、結合または接続される場合だけでなく、その構成要素とその他の構成要素の間にあるさらに他の構成要素によって「連結」、「結合」または「接続」される場合も含むことができる。

また、各構成要素の「上（うえ）または下（した）」に形成または配置されるものとして記載される場合、上（うえ）または下（した）は二つの構成要素が互いに直接接触する場合だけでなく一つ以上のさらに他の構成要素が二つの構成要素の間に形成または配置される場合も含む。また、「上（うえ）または下（した）」と表現される場合、一つの構成要素を基準として上側方向だけでなく下側方向の意味も含み得る。

本発明の実施形態に係る光学系は物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像（ｉｍａｇｅ）側に順次配列される第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、および第４レンズを含み、ｆ値が１．７以下であり、ｆ値に対するＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｏｐ Ｌｅｎｇｔｈ）の比（ＴＴＬ／ｆ値）が２．１～３である。そして、第１レンズおよび第３レンズそれぞれは正のパワーを有し、第４レンズは負のパワーを有することができる。各レンズのパワーは各レンズの焦点距離の逆数で表すことができる。このような光学系は低照度環境でも優秀な結像性能を有することができ、色収差を補正することができ、歪曲（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）も良好に補正することができる。

一方、本発明の実施形態に係る光学系は第１レンズの焦点距離ｆ１に対する前記第３レンズの焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）が０．５～１．５であり得る。これによると、光学系を小型化することができ、色収差も良好に維持することができ、歪曲（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）も良好に補正することができる。

また、本発明の実施形態に係る光学系は第１レンズの像側面および第２レンズの物側面間の第１距離、第２レンズの像側面および第３レンズの物側面間の第２距離および第３レンズの像側面および第４レンズの物側面間の第３距離のうち第３距離が最も短くてもよい。第３レンズの像側面を膨らんだ形状に、第４レンズの物側面を膨らんだ形状に設計することによって第３距離が最も短く形成される。これによって光学系のＴＴＬは減らし、解像力を向上させる効果がある。そして、第１レンズの第１屈折率、第２レンズの第２屈折率、第３レンズの第４屈折率および第４レンズの第４屈折率のうち第３屈折率が最も大きくてもよい。これに伴い、第３レンズの敏感度が少なくなるので、第３レンズの製作時に製作公差が広くなり得る。

図１は、本発明の第１実施形態に係る光学系の断面図である。表１は第１実施形態に係る４枚のレンズの光学特性を示す。第１実施形態で全体有効焦点距離ＥＦＬは２．２７６５ｍｍであり、ＴＴＬは３．７ｍｍであり、Ｆ値は１．３９である。表２～３は第１実施形態に係る光学系を構成する各レンズに対するコーニック定数および非球面係数を表す。

図１を参照すると、光学系１００は物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像（ｉｍａｇｅ）側に順次配列される第１レンズ１１０、第２レンズ１２０、第３レンズ１３０および第４レンズ１４０を含む。イメージセンサ１０上にフィルタ２０が配置され、フィルタ２０上に光学系１００が配置され得る。

物体（ｏｂｊｅｃｔ）から反射した光は光学系１００の第１レンズ～第４レンズ１１０～１４０およびフィルタ２０を順次通過してイメージセンサ１０に受信される。

フィルタ２０はＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタであり得る。フィルタ２０はカメラモジュール内に入射する光から近赤外線、例えば波長が７００ｎｍ～１１００ｎｍである光を遮断することができる。そして、イメージセンサ１０はワイヤー（ｗｉｒｅ）によって印刷回路基板と連結され得る。

本発明の第１実施形態に係る光学系１００はｆ値が１．７以下、好ましくは１．５以下、さらに好ましくは１．４以下であり、ｆ値に対するＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｏｐ Ｌｅｎｇｔｈ）の比（ＴＴＬ／ｆ値）は２．１～３、好ましくは２．４～３、さらに好ましくは２．６～２．９である。例えば、第１実施形態に係る光学系１００のｆ値は１．３９であり、ＴＴＬは３．７であり、ＴＴＬ／ｆ値は２．６６であり得る。

ここで、ｆ値は絞りの有効直径Ｄに対するレンズの焦点距離ｆの比（ｆ／Ｄ）を意味し得る。これに伴い、ｆ値は小さくなるほど絞りの直径およびレンズの直径は大きくなり得、光が集まる量は多くなり得る。これに反し、ｆ値が大きくなるほど絞りの直径およびレンズの直径を小さくなり得、光が集まる量は少なくなり得る。

ＴＴＬ（Ｔｏｔａｌ Ｔｏｐ Ｌｅｎｇｔｈ）は像が結ばれるイメージセンサ１０から光学系１００の一番目の面までの距離を意味する。ここであり、ＴＴＬは像が結ばれるイメージセンサ１０から第１レンズ１１０の物側面１１２までの距離を意味し得る。

ＴＴＬ／ｆ値が２．１未満であれば、光学系が構成され難かしかったり性能が低下し得るため低照度環境での適用が困難であり得、ＴＴＬ／ｆ値が３を超過すると光学系のサイズが大きくなって携帯端末への適用が難しくなり得る。

本発明の第１実施形態に係る光学系１００において、第１レンズ１１０は正（＋）のパワーを有する。これに伴い、第１レンズ１１０は光学系１００によって要求される屈折力の一部を提供することができる。第１レンズ１１０の物側面１１２は膨らんでおり、像側面１１４は凹んでいてもよい。すなわち、第１レンズ１１０はメニスカス形状であり得る。第１レンズ１１０の物側面１１２が膨らんでいると、第１レンズ１１０の屈折力が強化され得る。第１レンズ１１０の物側面１１２と像側面１１４が膨らんだ両膨らみ形状も可能であるが、第１レンズ１１０の像側面１１４が凹んでいるときに光の分散力が強くなって解像度が向上し得る。

本発明の第１実施形態に係る光学系１００において、第２レンズ１２０は負（－）のパワーを有し、第２レンズ１２０の物側面１２２は凹んでおり、像側面１２４は凹んでいてもよい。このように、第２レンズ１２０は両凹み形状であり得る。

本発明の第１実施形態に係る光学系１００において、第３レンズ１３０は正（＋）のパワーを有し、第３レンズ１３０の物側面１３２は凹んでおり、像側面１３４は膨らんでいてもよい。このように、第３レンズ１３０はメニスカス形状であり得、第３レンズ１３０の物側面１３２および像側面１３４のうち少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。この時、第３レンズ１３０の厚さは第２レンズ１２０の厚さより大きくてもよい。

本発明の第１実施形態に係る光学系１００において、第４レンズ１４０は負（－）のパワーを有し、第４レンズ１４０の物側面１４２は膨らんでおり、像側面１４４は凹んでいてもよい。そして、第４レンズ１４０の物側面１４２の曲率半径の絶対値は像側面１４４の曲率半径の絶対値より大きくてもよい。ここで、第４レンズ１４０の物側面１４２および像側面１４４のうち光軸との交点以外の位置に少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。ここで、変曲点は有効半径内でのレンズ断面の形状の曲線において、非球面頂点の接平面が光軸と垂直な非球面上の点を意味する。これに伴い、イメージセンサ１０に受信される主光線の最大射出角を調節することができるため、画面の周辺部が暗くなる現象を防止することができる。

第１レンズ１１０～第４レンズ１５０のうち少なくとも一つはプラスチック材質であり得る。これに伴い、軽量であり、製造原価が安い光学系を具現することができる。

一方、第１レンズ１１０と第２レンズ１２０の間には絞り（図示されず）がさらに配置されてもよい。絞りは入射する光を選択的に収斂して焦点距離を調節することができる。

この時、第１レンズ１１０の焦点距離ｆ１は０．５ｍｍ～１０ｍｍであり得る。第１レンズ１１０の焦点距離ｆ１が０．５ｍｍ未満の場合、レンズ敏感度が高いため製作が困難であり得、１０ｍｍを超過する場合、レンズ屈折能が足りないため収差の補正が困難であり得る。そして、第３レンズ１３０の焦点距離の絶対値は第２レンズ１２０の焦点距離の絶対値より大きくてもよい。もし、第３レンズ１３０の焦点距離の絶対値が第２レンズ１２０の焦点距離の絶対値と同一または小さい場合、レンズ屈折能の比が崩れて解像度を合わせるのが困難となり得る。

第１レンズ１１０の焦点距離ｆ１に対する第３レンズ１３０の焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）は０．５～１．５であり得る。例えば、第１実施形態で第１レンズ１１０の焦点距離ｆ１に対する第３レンズ１３０の焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）は１．０８であり得る。第１レンズ１１０の焦点距離ｆ１に対する第３レンズ１３０の焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）が０．５未満であると光学系１００の全体の大きさが大きくなり得、１．５を超過すると解像度が低くなり得る。

また、第１レンズ１１０の像側面１１４および第２レンズ１２０の物側面１２２間の第１距離、第２レンズ１２０の像側面１２４および第３レンズ１３０の物側面１３２間の第２距離および第３レンズ１３０の像側面１３４および第４レンズ１４０の物側面１４２間の第３距離とする時、第３距離は０．２ｍｍより小さくてもよく、第１距離、第２距離および第３距離のうち第３距離が最も短くてもよい。すなわち、表１を参照すると、第３距離は０．１ｍｍであって、第１距離および第２距離より短くてもよい。

また、第１レンズ１１０の第１屈折率、第２レンズ１２０の第２屈折率、第３レンズ１３０の第３屈折率および第４レンズ１４０の第４屈折率のうち第３屈折率が最も大きくてもよい。すなわち、表１を参照すると、第３レンズ１３０のインデックス定数は１．６６１であって、第４レンズ１４０とともに最も大きい屈折率を有することが分かる。

ここで、厚さ（ｍｍ）は各レンズ面から次のレンズ面までの距離を表す。すなわち、第１レンズ１１０の物側面１１２に記載された厚さは第１レンズ１１０の物側面１１２から像側面１１４までの距離を表す。そして、第１レンズ１１０の像側面１１４に記載された厚さは第１レンズ１１０の像側面１１４から第２レンズ１２０の物側面１２２までの距離を表す。インデックス定数はｄ線（ｄ－ｌｉｎｅ）を利用して測定したレンズの屈折率を意味する。

図２は、本発明の第２実施形態に係る光学系の断面図である。表４は第２実施形態に係る４枚のレンズの光学特性を示す。第２実施形態で全体有効焦点距離ＥＦＬは２．７３ｍｍであり、ＴＴＬは３．７５ｍｍであり、Ｆ値は１．３９である。表５～６は第２実施形態に係る光学系を構成する各レンズに対するコーニック定数および非球面係数を示す。図１の第１実施形態と同一内容については重複した説明を省略する。図２を参照すると、光学系２００は物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像（ｉｍａｇｅ）側に順次配列される第１レンズ２１０、第２レンズ２２０、第３レンズ２３０および第４レンズ２４０を含む。イメージセンサ１０上にフィルタ２０が配置され、フィルタ２０上に光学系２００が配置され得る。

物体（ｏｂｊｅｃｔ）から反射した光は光学系２００の第１レンズ～第４レンズ２１０～２４０およびフィルタ２０を順次通過してイメージセンサ１０に受信される。

本発明の第２実施形態に係る光学系２００のｆ値は１．３９であり、ＴＴＬは３．７５であり、ＴＴＬ／ｆ値は２．６９であり得る。

本発明の第２実施形態に係る光学系２００において、第１レンズ２１０は正（＋）のパワーを有する。これに伴い、第１レンズ２１０は光学系２００によって要求される屈折力の一部を提供することができる。第１レンズ２１０の物側面２１２は膨らんでおり、像側面２１４は凹んでいてもよい。すなわち、第１レンズ２１０はメニスカス形状であり得る。第１レンズ２１０の物側面２１２が膨らんでいると、第１レンズ２１０の屈折力が強化され得る。

本発明の第２実施形態に係る光学系２００において、第２レンズ２２０は正（＋）のパワーを有し、第２レンズ２２０の物側面２２２は膨らんでおり、像側面２２４は凹んでいてもよい。

本発明の第２実施形態に係る光学系２００において、第３レンズ２３０は正（＋）のパワーを有し、第３レンズ２３０の物側面２３２は凹んでおり、像側面２３４は膨らんでいてもよい。このように、第３レンズ２３０はメニスカス形状であり得、第３レンズ２３０の物側面２３２および像側面２３４のうち少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。この時、第３レンズ２３０の厚さは第２レンズ２２０の厚さより大きくてもよい。

本発明の第２実施形態に係る光学系２００において、第４レンズ２４０は負（－）のパワーを有し、第４レンズ２４０の物側面２４２は膨らんでおり、像側面２４４は凹んでいてもよい。そして、第４レンズ２４０の物側面２４２の曲率半径の絶対値は像側面２４４の曲率半径の絶対値より大きくてもよい。ここで、第４レンズ２４０の物側面２４２および像側面２４４のうち光軸との交点以外の位置に少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。

この時、第１レンズ２１０の焦点距離ｆ１は０．５ｍｍ～１０ｍｍであり得、第３レンズ２３０の焦点距離の絶対値は第２レンズ２２０の焦点距離の絶対値より大きくてもよい。第２実施形態で第１レンズ２１０の焦点距離ｆ１に対する第３レンズ２３０の焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）は０．５９であり得る。

また、表４を参照すると、第３距離は０．２ｍｍ以下、例えば０．０７ｍｍであり得、第１距離および第２距離より短くてもよい。

また、表４を参照すると、第３レンズ２３０のインデックス定数は１．６６１であり、第４レンズ２４０とともに最も大きい屈折率を有することが分かる。

図３は、本発明の第３実施形態に係る光学系の断面図である。表７は第３実施形態に係る４枚のレンズの光学特性を示す。第３実施形態で全体有効焦点距離ＥＦＬは２．７３ｍｍであり、ＴＴＬは３．７５ｍｍであり、Ｆ値は１．３９である。表８～９は第３実施形態に係る光学系を構成する各レンズに対するコーニック定数および非球面係数を示す。図１の第１実施形態と同一内容については重複した説明を省略する。図３を参照すると、光学系３００は物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像（ｉｍａｇｅ）側に順次配列される第１レンズ３１０、第２レンズ３２０、第３レンズ３３０および第４レンズ３４０を含む。イメージセンサ１０上にフィルタ２０が配置され、フィルタ２０上に光学系３００が配置され得る。

物体（ｏｂｊｅｃｔ）から反射した光は光学系３００の第１レンズ～第４レンズ３１０～３４０およびフィルタ２０を順次通過してイメージセンサ１０に受信される。

本発明の第３実施形態に係る光学系３００のｆ値は１．３９であり、ＴＴＬは３．７５であり、ＴＴＬ／ｆ値は２．６９であり得る。

本発明の第３実施形態に係る光学系３００において、第１レンズ３１０は正（＋）のパワーを有する。これに伴い、第１レンズ３１０は光学系３００によって要求される屈折力の一部を提供することができる。第１レンズ３１０の物側面３１２は膨らんでおり、像側面３１４は凹んでいてもよい。すなわち、第１レンズ３１０はメニスカス形状であり得る。第１レンズ３１０の物側面３１２が膨らんでいると、第１レンズ３１０の屈折力が強化され得る。

本発明の第３実施形態に係る光学系３００において、第２レンズ３２０は正（＋）のパワーを有し、第２レンズ３２０の物側面３２２は膨らんでおり、像側面３２４は凹んでいてもよい。

本発明の第３実施形態に係る光学系３００において、第３レンズ３３０は正（＋）のパワーを有し、第３レンズ３３０の物側面３３２は凹んでおり、像側面３３４は膨らんでいてもよい。このように、第３レンズ３３０はメニスカス形状であり得、第３レンズ３３０の物側面３３２および像側面３３４のうち少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。この時、第３レンズ３３０の厚さは第２レンズ３２０の厚さより大きくてもよい。

本発明の第３実施形態に係る光学系３００において、第４レンズ３４０は負（－）のパワーを有し、第４レンズ３４０の物側面３４２は膨らんでおり、像側面３４４は凹んでいてもよい。そして、第４レンズ３４０の物側面３４２の曲率半径の絶対値は像側面３４４の曲率半径の絶対値より大きくてもよい。ここで、第４レンズ３４０の物側面３４２および像側面３４４のうち光軸との交点以外の位置に少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。

この時、第１レンズ３１０の焦点距離ｆ１は０．５ｍｍ～１０ｍｍであり得、第３レンズ３３０の焦点距離の絶対値は第２レンズ３２０の焦点距離の絶対値より大きくてもよい。第３実施形態で第１レンズ３１０の焦点距離ｆ１に対する第３レンズ３３０の焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）は１．０２であり得る。

また、表７を参照すると、第３距離は０．２ｍｍ以下、例えば０．０７ｍｍであり得、第１距離および第２距離より短くてもよい。

また、表７を参照すると、第３レンズ３３０のインデックス定数は１．６６１であり、第４レンズ３４０とともに最も大きい屈折率を有することが分かる。

図４は、本発明の第４実施形態に係る光学系の断面図である。表１０は第４実施形態に係る４枚のレンズの光学特性を示す。第４実施形態で全体有効焦点距離ＥＦＬは３ｍｍであり、ＴＴＬは３．９２ｍｍであり、Ｆ値は１．３９である。表１１～１２は第４実施形態に係る光学系を構成する各レンズに対するコーニック定数および非球面係数を示す。図１の第１実施形態と同一内容については重複した説明を省略する。図４を参照すると、光学系４００は物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像（ｉｍａｇｅ）側に順次配列される第１レンズ４１０、第２レンズ４２０、第３レンズ４３０および第４レンズ４４０を含む。イメージセンサ１０上にフィルタ２０が配置され、フィルタ２０上に光学系４００が配置され得る。

物体（ｏｂｊｅｃｔ）から反射した光は光学系４００の第１レンズ～第４レンズ４１０～４４０およびフィルタ２０を順次通過してイメージセンサ１０に受信される。

本発明の第４実施形態に係る光学系４００のｆ値は１．３９であり、ＴＴＬは３．９２であり、ＴＴＬ／ｆ値は３であり得る。

本発明の第４実施形態に係る光学系４００において、第１レンズ４１０は正（＋）のパワーを有する。これに伴い、第１レンズ４１０は光学系４００によって要求される屈折力の一部を提供することができる。第１レンズ４１０の物側面４１２は膨らんでおり、像側面４１４は凹んでいてもよい。すなわち、第１レンズ４１０はメニスカス形状であり得る。第１レンズ４１０の物側面４１２が膨らんでいると、第１レンズ４１０の屈折力が強化され得る。

本発明の第４実施形態に係る光学系４００において、第２レンズ４２０は負（－）のパワーを有し、第２レンズ４２０の物側面４２２は凹んでおり、像側面４２４は凹んでいてもよい。

本発明の第４実施形態に係る光学系４００において、第３レンズ４３０は正（＋）のパワーを有し、第３レンズ４３０の物側面４３２は凹んでおり、像側面４３４は膨らんでいてもよい。このように、第３レンズ４３０はメニスカス形状であり得、第３レンズ４３０の物側面４３２および像側面４３４のうち少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。この時、第３レンズ４３０の厚さは第２レンズ４２０の厚さより大きくてもよい。

本発明の第４実施形態に係る光学系４００において、第４レンズ４４０は負（－）のパワーを有し、第４レンズ４４０の物側面４４２は膨らんでおり、像側面４４４は凹んでいてもよい。そして、第４レンズ４４０の物側面４４２の曲率半径の絶対値は像側面４４４の曲率半径の絶対値より大きくてもよい。ここで、第４レンズ４４０の物側面４４２および像側面４４４のうち光軸との交点以外の位置に少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。

この時、第１レンズ４１０の焦点距離ｆ１は０．５ｍｍ～１０ｍｍであり得、第３レンズ４３０の焦点距離の絶対値は第２レンズ４２０の焦点距離の絶対値より大きくてもよい。第４実施形態で第１レンズ４１０の焦点距離ｆ１に対する第３レンズ４３０の焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）は１．２３であり得る。

また、表１０を参照すると、第３距離は０．２ｍｍ以下、例えば０．１ｍｍであり得、第１距離および第２距離と同一または短くてもよい。

また、表１０を参照すると、第３レンズ４３０のインデックス定数は１．６６１であり、第１レンズ４１０および第２レンズ４２０とともに最も大きい屈折率を有することが分かる。

図５は、本発明の第５実施形態に係る光学系の断面図である。表１３は第５実施形態に係る４枚のレンズの光学特性を示す。第５実施形態で全体有効焦点距離ＥＦＬは２．３０５ｍｍであり、ＴＴＬは３．７ｍｍであり、Ｆ値は１．３９である。表１４～１５は第５実施形態に係る光学系を構成する各レンズに対するコーニック定数および非球面係数を示す。図１の第１実施形態と同一内容については重複した説明を省略する。図５を参照すると、光学系５００は物体（ｏｂｊｅｃｔ）側から像（ｉｍａｇｅ）側に順次配列される第１レンズ５１０、第２レンズ５２０、第３レンズ５３０および第４レンズ５４０を含む。イメージセンサ１０上にフィルタ２０が配置され、フィルタ２０上に光学系５００が配置され得る。

物体（ｏｂｊｅｃｔ）から反射した光は光学系５００の第１レンズ～第４レンズ５１０～５４０およびフィルタ２０を順次通過してイメージセンサ１０に受信される。

本発明の第５実施形態に係る光学系５００のｆ値は１．３９であり、ＴＴＬは３．７であり、ＴＴＬ／ｆ値は２．６６であり得る。

本発明の第５実施形態に係る光学系５００において、第１レンズ５１０は正（＋）のパワーを有する。これに伴い、第１レンズ５１０は光学系５００によって要求される屈折力の一部を提供することができる。第１レンズ５１０の物側面５１２は膨らんでおり、像側面５１４は凹んでいてもよい。すなわち、第１レンズ５１０はメニスカス形状であり得る。第１レンズ５１０の物側面５１２が膨らんでいると、第１レンズ５１０の屈折力が強化され得る。

本発明の第５実施形態に係る光学系５００において、第２レンズ５２０は負（－）のパワーを有し、第２レンズ５２０の物側面５２２は凹んでおり、像側面５２４は膨らんでいてもよい。

本発明の第５実施形態に係る光学系５００において、第３レンズ５３０は正（＋）のパワーを有し、第３レンズ５３０の物側面５３２は凹んでおり、像側面５３４は膨らんでいてもよい。このように、第３レンズ５３０はメニスカス形状であり得、第３レンズ５３０の物側面５３２および像側面５３４のうち少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。この時、第３レンズ５３０の厚さは第２レンズ５２０の厚さより大きくてもよい。

本発明の第５実施形態に係る光学系５００において、第４レンズ５４０は負（－）のパワーを有し、第４レンズ５４０の物側面５４２は膨らんでおり、像側面５４４は凹んでいてもよい。そして、第４レンズ５４０の物側面５４２の曲率半径の絶対値は像側面５４４の曲率半径の絶対値より大きくてもよい。ここで、第４レンズ５４０の物側面５４２および像側面５４４のうち光軸との交点以外の位置に少なくとも一つは少なくとも一つの変曲点を含むことができる。

この時、第１レンズ５１０の焦点距離ｆ１は０．５ｍｍ～１０ｍｍであり得、第３レンズ４３０の焦点距離の絶対値は第２レンズ５２０の焦点距離の絶対値より大きくてもよい。第５実施形態で第１レンズ５１０の焦点距離ｆ１に対する第３レンズ５３０の焦点距離ｆ３の比（ｆ３／ｆ１）は０．６１であり得る。

また、表１３を参照すると、第３距離は０．２ｍｍ以下、例えば０．１ｍｍであり得、第１距離および第２距離より短くてもよい。

また、表１３を参照すると、第３レンズ５３０のインデックス定数は１．６６１であり、第４レンズ５４０とともに最も大きい屈折率を有することが分かる。

図６～１０は第１～第５実施形態に係る光学系の球面収差（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、非点収差（Ａｓｔｉｇｍａｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖｅｓ）および歪曲収差（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を測定したグラフである。図６ａは第１実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する球面収差を測定したグラフであり、図６ｂは第１実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する非点収差を測定したグラフであり、図６ｃは第１実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する歪曲収差を測定したグラフである。

図７ａは第２実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する球面収差を測定したグラフであり、図７ｂは第２実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する非点収差を測定したグラフであり、図７ｃは第２実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する歪曲収差を測定したグラフである。

図８ａは第３実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する球面収差を測定したグラフであり、図８ｂは第３実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する非点収差を測定したグラフであり、図８ｃは第３実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する歪曲収差を測定したグラフである。

図９ａは第４実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する球面収差を測定したグラフであり、図９ｂは第４実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する非点収差を測定したグラフであり、図９ｃは第４実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する歪曲収差を測定したグラフである。

図１０ａは第５実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する球面収差を測定したグラフであり、図１０ｂは第５実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する非点収差を測定したグラフであり、図１０ｃは第５実施形態に係る光学系で８４０ｎｍ、８５０ｎｍ、８６０ｎｍ波長の光に対する歪曲収差を測定したグラフである。

球面収差は各波長による球面収差を示し、非点収差は上面の高さによるタンジェンシャル面（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｐｌａｎｅ）とサジタル面（ｓａｇｉｔａｌ ｐｌａｎｅ）の収差特性を示し、歪曲収差は上面の高さによる歪曲度を示す。図６～１０を参照すると、球面収差は波長にかかわらず－０．０８ｍｍ～０．０８ｍｍ以内にあることが分かり、非点収差は波長にかかわらず－０．２ｍｍ～０．２ｍｍ以内にあることが分かり、歪曲収差は波長にかかわらず－２％～２％以内にあることが分かる。

これに伴い、本発明の実施形態に係る光学系は収差特性が優秀であることが分かる。

一方、本発明の実施形態に係る光学系はカメラモジュールに適用され得る。図１１は本発明の一実施形態に係る光学系が適用されるカメラモジュールの断面図である。

図１１を参照すると、カメラモジュール１１００はレンズアセンブリ１１１０、イメージセンサ１１２０および印刷回路基板１１３０を含む。ここで、レンズアセンブリ１１１０は光学系１１１２、レンズバレル１１１４、レンズホルダー１１１６およびＩＲフィルタ１１１８を含むことができる。光学系１１１２は図１～５の本発明の実施形態に係る光学系に対応し得、ＩＲフィルタ１１１８は図１～５のフィルタ２０に対応し得る。イメージセンサ１１２０は図１～５のイメージセンサ１０に対応し得る。

光学系１１１２を構成する複数枚のレンズは中心軸を基準として整列され得る。ここで、中心軸は光学系の光軸（Ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ）と同一であり得る。

レンズバレル１１１４はレンズホルダー１１１６と結合され、内部にレンズを収容できる空間が設けられ得る。レンズバレル１１１４は光学系１１１２を構成する複数枚のレンズと回転結合され得るが、これは例示的なものであり、接着剤（例えば、エポキシ（ｅｐｏｘｙ）等の接着用樹脂）を利用した方式などの他の方式で結合されてもよい。

レンズホルダー１１１６はレンズバレル１１１４と結合されてレンズバレル１１１４を支持し、イメージセンサ１１２０が搭載された印刷回路基板１１３０に結合され得る。レンズホルダー１１１６によってレンズバレル１１１４の下部にＩＲフィルタ１１１８が付着され得る空間が形成され得る。レンズホルダー１１１６の内周面には螺旋状のパターンが形成され得、これと同様に外周面に螺旋状のパターンが形成されたレンズバレル１１１４と回転結合することができる。しかし、これは例示的なものであり、レンズホルダー１１１６とレンズバレル１１１４は接着剤を通じて結合されたり、レンズホルダー１１１６とレンズバレル１１１４が一体型で形成されてもよい。

レンズホルダー１１１６はレンズバレル１１１４と結合される上部ホルダー１１１６－１およびイメージセンサ１１２０が搭載された印刷回路基板１１３０と結合される下部ホルダー１１１６－２に区分され得、上部ホルダー１１１６－１および下部ホルダー１１１６－２は一体型で形成されたり、互いに分離された構造で形成された後に締結または結合されたり、互いに分離されて離隔した構造を有してもよい。この時、上部ホルダー１１１６－１の直径は下部ホルダー１１１６－２の直径より小さく形成され得る。

このようなカメラモジュールは深さ情報を抽出するカメラモジュールであってもよい。

図１２は、本発明の一実施形態に係る深さ情報を抽出するカメラモジュールのブロック図を示す。

図１２を参照すると、カメラモジュール１２００は光出力部１２１０、レンズ部１２２０、イメージセンサ１２３０、チルティング部１２４０および映像処理部１２５０を含む。本発明の実施形態に係るカメラモジュール１２００はＴｏＦ機能を利用して深さ情報を抽出するため、本明細書でＴｏＦカメラ装置またはＴｏＦカメラモジュールと混用され得る。

光出力部１２１０は出力光信号を生成した後に客体に照射する。この時、光出力部１２１０はパルス波（ｐｕｌｓｅ ｗａｖｅ）の形態や持続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）の形態で出力光信号を生成して出力することができる。持続波はサイン波（ｓｉｎｕｓｏｉｄ ｗａｖｅ）や四角波（ｓｑｕａｒｅｄ ｗａｖｅ）の形態であり得る。出力光信号をパルス波や持続波の形態で生成することによって、カメラモジュール１２００は光出力部１２１０から出力された出力光信号と客体から反射した後にカメラモジュール１２００に入力された入力光信号の間の位相差を検出することができる。本明細書で、出力光は光出力部１２１０から出力されて客体に入射する光を意味し、入力光は光出力部１２１０から出力されて客体に到達して客体から反射した後にカメラ装置１２００に入力される光を意味し得る。客体の立場では、出力光は入射光となり得、入力光は反射光となり得る。

光出力部１２１０は生成された出力光信号を所定の露出周期の間客体に照射する。ここで、露出周期とは、１個のフレーム周期を意味する。複数のフレームを生成する場合、設定された露出周期が繰り返される。例えば、カメラ装置１２００が２０ＦＰＳで客体を撮影する場合、露出周期は１／２０〔ｓｅｃ〕となる。そして１００個のフレームを生成する場合、露出周期は１００回繰り返され得る。

光出力部１２１０は互いに異なる周波数を有する複数の出力光信号を生成することができる。光出力部１２１０は互いに異なる周波数を有する複数の出力光信号を順次繰り返して生成することができる。または光出力部１２１０は互いに異なる周波数を有する複数の出力光信号を同時に生成してもよい。

このために、光出力部１２１０は光を生成する光源１２１２と光を変調する光変調部１２１４を含むことができる。

まず、光源１２１２は光を生成する。光源１２１２が生成する光は波長が７７０～３０００ｎｍである赤外線であり得、波長が３８０～７７０ｎｍである可視光線であってもよい。光源１２１２は発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）を利用することができ、複数の発光ダイオードが一定のパターンにより配列された形態を有することができる。それだけでなく、光源１２１２は有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＯＬＥＤ）やレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）を含んでもよい。または光源１２１２はＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）であってもよい。ＶＣＳＥＬは電気信号を光信号に変えるレーザーダイオードの一つであり、約８００～１０００ｎｍの波長、例えば約８５０ｎｍまたは約９４０ｎｍ波長を使うことができる。

光源１２１２は一定の時間間隔で点滅（ｏｎ／ｏｆｆ）を繰り返してパルス波形態や持続波形態の出力光信号を生成する。一定の時間間隔は出力光信号の周波数であり得る。光源の点滅は光変調部１２１４により制御され得る。

光変調部１２１４は光源１２１２の点滅を制御して光源１２１２が持続波やパルス波形態の出力光信号を生成するように制御する。光変調部１２１４は周波数変調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）やパルス変調（ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等を通して光源１２１２が持続波やパルス波形態の出力光信号を生成するように制御することができる。

一方、レンズ部１２２０は客体から反射した入力光信号を集光してイメージセンサ１２３０に伝達する。ここで、レンズ部１２２０は図１１のレンズアセンブリ１１１０に対応し得、光学系およびＩＲフィルタを含むことができる。ここで、光学系は図１～５で例示する本発明の実施形態に係る光学系であり得、ＩＲフィルタは図１～５で図示されたフィルタ２０であり得る。

イメージセンサ１２３０はレンズ部１２２０を通じて集光された入力光信号を利用して電気信号を生成する。

イメージセンサ１２３０は光出力部１２１０の点滅周期と同期化されて入力光信号を検出することができる。具体的には、イメージセンサ１２３０は光出力部１２１０から出力された出力光信号と同相（ｉｎ ｐｈａｓｅ）および異相（ｏｕｔ ｐｈａｓｅ）でそれぞれ光を検出することができる。すなわち、イメージセンサ１２３０は光源がオンになっている時間に入射光信号を吸収する段階と光源がオフになっている時間に入射光信号を吸収する段階を繰り返し遂行できる。

次に、イメージセンサ１２３０は互いに異なる位相差を有する複数の参照信号（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ）を利用して各参照信号に対応する電気信号を生成することができる。参照信号の周波数は光出力部１２１０から出力された出力光信号の周波数と同一に設定され得る。したがって、光出力部１２１０が複数の周波数で出力光信号を生成する場合、イメージセンサ１２３０は各周波数に対応する複数の参照信号を利用して電気信号を生成する。電気信号は各参照信号に対応する電荷量や電圧に関する情報を含むことができる。

図１３は、本発明の実施形態に係る電気信号生成過程を説明するための図面である。図１３に示された通り、本発明の実施形態に係る参照信号は４個Ｃ１～Ｃ４であり得る。各参照信号Ｃ１～Ｃ４は出力光信号、すなわち客体の立場で入射光信号と同一の周波数を有するものの、互いに９０度位相差を有することができる。４個の参照信号のうち一つＣ１は出力光信号と同一の位相を有することができる。入力光信号、すなわち客体の立場で反射光信号は出力光信号が客体に入射された後に反射して帰ってくる距離だけ位相が遅延する。イメージセンサ１２３０は入力光信号と各参照信号をそれぞれミキシング（ｍｉｘｉｎｇ）する。そうすると、イメージセンサ１２３０は図１３の陰影部分に対応する電気信号を各参照信号別に生成することができる。

他の実施形態として、露出時間の間複数の周波数で出力光信号が生成された場合、イメージセンサ１２３０は複数の周波数による入力光信号を吸収する。例えば、周波数ｆ１とｆ２で出力光信号が生成され、複数の参照信号は９０度の位相差を有すると仮定する。そうすると、入力光信号も周波数ｆ１とｆ２を有するため、周波数がｆ１である入力光信号とこれに対応する４個の参照信号を通じて４個の電気信号が生成され得る。そして、周波数がｆ２である入力光信号とこれに対応する４個の参照信号を通じて４個の電気信号が生成され得る。したがって、電気信号は合計８個か生成され得る。

イメージセンサ１２３０は複数のピクセルがグリッドの形態で配列された構造で構成され得る。イメージセンサ１２３０はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサであり得、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサであってもよい。また、イメージセンサ１２３０は被写体に反射する赤外線光を受け入れて時間または位相差を利用して距離を測定するＴｏＦセンサを含むことができる。

映像処理部１２５０はイメージセンサ１２３０から受信した電気信号を利用して出力光と入力光の間の位相差を計算し、位相差を利用して客体とカメラモジュール１２００の間の距離を計算する。

具体的には、映像処理部１２５０は電気信号の電荷量情報を利用して出力光と入力光の間の位相差を計算することができる。

前記で詳察した通り、出力光信号の周波数ごとに電気信号は４個か生成され得る。したがって、映像処理部１２５０は以下の数学式１を利用して出力光信号と入力光信号の間の位相差ｔｄを計算することができる。

ここで、Ｑ_１～Ｑ_４は４個の電気信号それぞれの電荷充電量である。Ｑ_１は出力光信号と同一の位相の基準信号に対応する電気信号の電荷量である。Ｑ_２は出力光信号より位相が１８０度遅い基準信号に対応する電気信号の電荷量である。Ｑ_３は出力光信号より位相が９０度遅い基準信号に対応する電気信号の電荷量である。Ｑ_４は出力光信号より位相が２７０度遅い基準信号に対応する電気信号の電荷量である。

そうすると、映像処理部１２５０は出力光信号と入力光信号の位相差を利用して客体とカメラモジュール１２００の間の距離を計算することができる。この時、映像処理部１２５０は以下の数学式２を利用して客体とカメラモジュール１２００の間の距離ｄを計算することができる。

ここで、ｃは光の速度であり、ｆは出力光の周波数である。

図１４は、４個の位相映像を利用してＴｏＦ ＩＲ映像または深さ映像を得る方法の一例を簡略に図示する。

図１４を参照すると、ｐｈａｓｅ ０°に対する位相映像（１）、ｐｈａｓｅ ９０°に対する位相映像（２）、ｐｈａｓｅ １８０°に対する位相映像（３）およびｐｈａｓｅ ２７０°に対する位相映像（４）を順次抽出して深さ映像（ｄｅｐｔｈ ｉｍａｇｅ）１を獲得し、ｐｈａｓｅ ０°に対する位相映像（５）、ｐｈａｓｅ ９０°に対する位相映像（６）、ｐｈａｓｅ １８０°に対する位相映像（７）およびｐｈａｓｅ ２７０°に対する位相映像（８）を再び順次抽出して深さ映像（ｄｅｐｔｈ ｉｍａｇｅ）２を獲得することができる。

一方、本発明の実施形態に係るカメラモジュールは深さ映像の解像度を高めるために、スーパーレゾリューション（Ｓｕｐｅｒ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ、ＳＲ）技法を利用してもよい。ＳＲ技法は複数の低解像映像から高解像映像を得る技法であり、ＳＲ技法の数学的モデルは数学式３のように表すことができる。

ここで、１≦ｋ≦ｐであり、ｐは低解像映像の個数であり、ｙ_ｋは低解像映像（＝［ｙ_ｋ、１、ｙ_ｋ、２、．．．、ｙ_ｋ、Ｍ］^Ｔ、ここで、Ｍ＝Ｎ_１＊Ｎ_２）であり、Ｄ_ｋはダウンサンプリング（ｄｏｗｎ ｓａｍｐｌｉｎｇ）マトリクスであり、Ｂ_ｋは光学ブラー（ｂｌｕｒ）マトリクス、Ｍ_ｋは映像歪曲（ｗａｒｐｉｎｇ）マトリクス、ｘは高解像映像（＝［ｘ_１、ｘ_２、．．．、ｘ_Ｎ］^Ｔ、ここで、Ｎ＝Ｌ_１Ｎ_１＊Ｌ_２Ｎ_２）、ｎ_ｋはノイズを表す。すなわち、ＳＲ技法によると、ｙｋに推定された解像度劣化要素の逆関数を適用してｘを推定する技術を意味する。ＳＲ技法は統計的方式とマルチフレーム方式に大別され、マルチフレーム方式は空間分割方式と時間分割方式に大別され得る。

深さ情報抽出にＳＲ技法を適用するために、映像処理部１２５０はイメージセンサ１２３０から受信した電気信号を利用して複数の低解像サブフレームを生成した後、複数の低解像サブフレームを利用して複数の低解像深さ情報を抽出することができる。そして、複数の低解像深さ情報のピクセル値を再配列して高解像深さ情報を抽出することができる。

ここで、高解像とは低解像より高い解像度を表す相対的な意味である。

ここで、サブフレームとは、いずれか一つの露出周期および参照信号に対応した電気信号から生成されるイメージデータを意味し得る。例えば、第１露出周期、すなわち一つの映像フレームで８個の参照信号を通じて電気信号が生成される場合、８個のサブフレームが生成され得、開始フレーム（ｓｔａｒｔ ｏｆ ｆｒａｍｅ）が１個さらに生成され得る。本明細書で、サブフレームはイメージデータ、サブフレームイメージデータなどと混用され得る。

または深さ情報抽出に本発明の実施形態に係るＳＲ技法を適用するために、映像処理部１２５０はイメージセンサ１２３０から受信した電気信号を利用して複数の低解像サブフレームを生成した後、複数の低解像サブフレームのピクセル値を再配列して複数の高解像サブフレームを生成することができる。そして、高解像サブフレームを利用して高解像深さ情報を抽出することができる。

このために、ピクセルシフト（ｐｉｘｅｌ ｓｈｉｆｔ）技術を利用することができる。すなわち、ピクセルシフト技術を利用してサブフレーム別にサブピクセルだけシフトされた複数枚のイメージデータを獲得した後、サブフレーム別にＳＲ技法を適用して複数の高解像サブフレームイメージデータを獲得し、これらを利用して高解像の深さイメージを抽出することができる。ピクセルシフトのために、本発明の一実施形態に係るカメラ装置１２００はチルティング部１２４０をさらに含む。

再び図１２を参照すると、チルティング部１２４０は出力光信号または入力光信号のうち少なくとも一つの光経路をイメージセンサ１２３０のサブピクセル単位で変更する。ここで、サブピクセルは０ピクセルより大きく１ピクセルより小さい単位であり得る。

チルティング部１２４０は映像フレーム別に出力光信号または入力光信号のうち少なくとも一つの光経路を変更する。前述した通り、一つの露出周期ごとに１個の映像フレームが生成され得る。したがって、チルティング部１２４０は一つの露出周期が終了すると、出力光信号または入力光信号のうち少なくとも一つの光経路を変更する。

チルティング部１２４０はイメージセンサ１２３０を基準としてサブピクセル単位だけ出力光信号または入力光信号のうち少なくとも一つの光経路を変更する。この時、チルティング部１２４０は現在の光経路を基準として出力光信号または入力光信号のうち少なくとも一つの光経路を上、下、左、右のうちいずれか一つの方向に変更する。

図１５（ａ）はチルティング部による入力光信号の光経路変更を説明するための図面であり、図１５（ｂ）はイメージセンサ内でサブピクセル単位でピクセルを移動させて入力光データ補間を説明するための図面である。

図１５の（ａ）で実線で表示された部分は入力光信号の現在の光経路を示し、点線で示された部分は変更された光経路を示す。現在の光経路に対応する露出周期が終了すると、チルティング部１２４０は入力光信号の光経路を点線のように変更することができる。そうすると、入力光信号の経路は現在の光経路からサブピクセルだけ移動する。例えば、図１５の（ａ）でのように、チルティング部１２４０が現在の光経路を０．１７３度右側に移動させると、イメージセンサ１２３０に入射する入力光信号は右側にサブピクセルだけ移動することができる。

本発明の実施形態によると、チルティング部１２４０は基準位置から時計回り方向に入力光信号の光経路を変更することができる。例えば、図１５の（ｂ）に示された通り、チルティング部１２４０は第１露出周期が終了した後、第２露出周期に入力光信号の光経路をイメージセンサ１２３０基準サブピクセルだけ右側に移動させる。そして、チルティング部１２４０は第３露出周期に入力光信号の光経路をイメージセンサ部１２３０基準サブピクセルだけ右側に移動させる。そして、チルティング部１２４０は第４露出周期に入力光信号の光経路をイメージセンサ部１２３０基準サブピクセルだけ右側に移動させる。そして、チルティング部１２４０は第５露出周期に入力光信号の光経路をイメージセンサ部１２３０基準サブピクセルだけ下側に移動させる。このような方法で、チルティング部１２４０は複数の露出周期で入力光信号の光経路をサブピクセル単位で移動させることができる。これは出力光信号の光経路を移動させる時も同一に適用され得るところ、詳細な説明は省略することにする。また、光経路の変更パターンが時計回り方向であるのは一例に過ぎず、反時計回り方向であってもよい。このように、チルティング部１２４０がサブピクセル単位で入力光信号の光経路を移動させる場合、サブピクセル単位で情報が補間され得るため、一つの周期内に４個の位相信号を同時に受信する場合にも高い解像度を維持することが可能である。

ここで、図１５（ａ）のように、一実施形態によると、チルティング部１２４０はＩＲフィルタの傾きを制御する方法で入力光信号をシフトさせ、これに伴い、サブピクセルだけシフトされたデータを得ることができる。このために、チルティング部１２４０はＩＲフィルタと直接または間接に連結されるアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）を含むことができ、アクチュエータはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、ＶＣＭ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ）および圧電素子のうち少なくとも一つを含むことができる。

ただし、これに制限されるものではなく、図１５（ｂ）で説明するイメージセンサ内でサブピクセル単位でピクセルを移動させて入力光データを補間する方法はソフトウェア的に具現されてもよい。

本発明の実施形態に係るカメラモジュールはスマートフォン、タブレットＰＣ、ラップトップ（ｌａｐｔｏｐ）コンピュータ、ＰＤＡなどの携帯端末に内蔵され得る。

以上、実施形態を中心に説明したがこれは単に例示に過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特性を逸脱しない範囲で以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であることが分かるであろう。例えば、実施形態に具体的に示された各構成要素は変形して実施できるものである。そして、このような変形と応用に関係した差異点は、添付された特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (9)

1. 物体側から像側に順次配列される第１レンズ、第２レンズ、第３レンズおよび第４レンズからなる光学系であって、
   前記第１レンズは、正のパワーを有し、膨らんだ物側面および凹んだ像側面を含み、
   前記第２レンズは、負のパワーを有し、凹んだ物側面を含み、
   前記第３レンズは、正のパワーを有し、凹んだ物側面および膨らんだ像側面を含み、
   前記第４レンズは、負のパワーを有し、膨らんだ物側面および凹んだ像側面を含み、
   ｆ値が１．５以下であり、
   前記ｆ値に対するＴＴＬ（Total Top Length）の比（ＴＴＬ／ｆ値）が２．４～３である、光学系。
2. 前記第１レンズの焦点距離（ｆ１）に対する前記第３レンズの焦点距離（ｆ３）の比（ｆ３／ｆ１）は、０．５～１．５である、請求項１に記載の光学系。
3. 前記ｆ値が１．４以下であり、
   前記ＴＴＬ／ｆ値が２．６～２．９である、請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記第１レンズの像側面と前記第２レンズの物側面との間の第１距離、前記第２レンズの像側面と前記第３レンズの物側面との間の第２距離、および前記第３レンズの像側面と前記第４レンズの物側面との間の第３距離のうち、前記第３距離が最も短く、前記第３距離は、０．１ｍｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の光学系。
5. 前記第１レンズの第１屈折率、前記第２レンズの第２屈折率、前記第３レンズの第３屈折率および前記第４レンズの第４屈折率のうち前記第３屈折率が最も大きい、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学系。
6. 前記第４レンズの物側面および像側面のうち少なくとも一つ、および前記第３レンズの物側面および像側面のうち少なくとも一つは、それぞれ少なくとも一つの変曲点を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記第３レンズの厚さは、前記第２レンズの厚さより大きい、請求項１～６のいずれか一項に記載の光学系。
8. 前記第４レンズの物側面の曲率半径の絶対値は、前記第４レンズの像側面の曲率半径の絶対値より大きく、
   前記第３レンズの焦点距離の絶対値は、前記第２レンズの焦点距離の絶対値より大きい、請求項１～７のいずれか一項に記載の光学系。
9. イメージセンサと、
   前記イメージセンサ上に配置されたフィルタと、
   前記フィルタ上に配置された光学系を含み、
   前記光学系は物体側から像側に順次配列される第１レンズ、第２レンズ、第３レンズおよび第４レンズからなる光学系であって、
   前記第１レンズは、正のパワーを有し、膨らんだ物側面および凹んだ像側面を含み、
   前記第２レンズは、負のパワーを有し、凹んだ物側面を含み、
   前記第３レンズは、正のパワーを有し、凹んだ物側面および膨らんだ像側面を含み、
   前記第４レンズは、負のパワーを有し、膨らんだ物側面および凹んだ像側面を含み、
   ｆ値が１．５以下であり、
   前記ｆ値に対するＴＴＬ（Total Top Length）の比（ＴＴＬ／ｆ値）が２．４～３である、カメラモジュール。

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