KR101527990B1 - 맞춤형 피사계 심도 광학계 및 콤팩트 패스트 렌즈 아키텍처 - Google Patents

Abstract

하나 이상의 고정 광학 소자(202)를 구비하는 고정 광학 유닛(200)이 제공된다. 상기 광학 유닛은 주어진 피사체 거리 및 상기 고정 광학 유닛으로부터 선택된 거리에 배치된 이미지 센서의 촬상면과 연관된 주어진 공간 주파수에 대한 변조 전달 함수(MTF)를 가지며, 상기 MTF는 선택된 이미지 거리에서 최대이고, 선택된 피사체 거리보다 짧은 이미지 거리에 대응하는 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위 내에서는 대략 최대 MTF로부터 소정 역치 이하로 감소하며, 선택된 피사체 거리보다 큰 이미지 거리에 대응하는 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위에 걸쳐서는 대략 최대 MTF로부터 감소하지만 소정 역치 이상으로 유지되도록 피사체 거리에 따라 변화한다. 상기 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위는 상기 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위보다 크다.

Description

맞춤형 피사계 심도 광학계 및 콤팩트 패스트 렌즈 아키텍처{CUSTOMIZED DEPTH OF FIELD OPTICAL SYSTEM AND COMPACT FAST LENS ARCHITECTURE}

본 출원은 2007년 11월 7일자로 출원된 미국 가출원 제61/002,262호와, 2008년 2월 8일자로 출원된 제61/027,355호의 우선권을 주장하고, 그의 개시 내용은 본원에 참조로 포함된다.

본 발명은 광학계에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 촬상 시스템 내의 고정된 위치에 배치되고, 특히 양호한 광학 품질을 유지하면서 콤팩트한 사이즈가 요구되는 촬상 용도에 있어서 맞춤형 피사계 심도(customized depth of field)를 제공하는 광학계에 관한 것이다.

근년에, 디지털 카메라의 인기는 계속해서 증가하고 있다. 이러한 성장은 특히 전화기나 개인 휴대 정보 단말기(PDA)와 같은 다른 소형 장치 내로의 탑재를 목적으로 하는 카메라, 카메라 모듈 또는 기타 촬상 기기에 있어서 그러하다. CCD 또는 CMOS 어레이와 같은 디지털 이미지 센서의 사용은 이들 기기의 지속적인 소형화를 가능하게 만들어왔다. 이미지 센서의 개선은 꾸준히 이루어지고 있으며, 보다 작은 화소 크기, 보다 많은 화소 개수, 보다 작은 전체 센서 면적, 보다 높은 신호대 잡음비(SNR), 및 보다 낮은 가격의 제공을 포함하고 있다. 이들 기기의 대부분에 있어서, 촬상 렌즈 시스템은 이미지를 센서 상에 포커싱시킨다. 센서와 화소 크기가 작아질수록, 그에 따른 렌즈의 개선이 필요해진다.

카메라 시장은 이들 센서에 대한 포커싱을 위해 사용되는 렌즈의 품질이 신속히 개선되지 않아도 주로 이미지 센서 내의 화소 개수에 의해 추진되어 왔다. 구식 촬상 시스템에서, 렌즈는 적당한 품질을 갖는 비교적 적은 개수의 화소에 상을 포커싱시킬 것이다. 보다 작은 화소를 갖는 신식 촬상 시스템에서 전체 이미지 센서 크기는 동일하게 유지되지만 구식 시스템에서와 동일한 렌즈 시스템이 신식 시스템에 사용된다고 가정하면, 신식 센서에 의해 검출될 수 있는 해상도는 높아지겠지만 렌즈 시스템의 분해능은 동일하게 유지될 것이다. 이 렌즈 시스템이 덜 조밀한 센서에 필요한 품질보다 높은 품질로 애초에 설계되지 않으면, 얻어지는 화상은 그 높은 본래 해상도에도 불구하고 결코 개선되지 않을 것이며, 실제로 이러한 경우가 흔하다. 보다 작은 화소의 센서는 상대적으로 덜 감광적인 영역을 갖게되고 그로인해 화소 밀도가 떨어지는 유사한 크기의 센서 어레이에 비해 광을 덜 모으기 때문에 전체 화질이 실제로 나빠질 수 있으며 노이즈가 더한 이미지를 제공할 수 있다. 최신의 적용에 있어서, 전체 센서 크기는 화소 크기와 함께 감소되고 있으며, 이는 더욱 더 엄격한 렌즈 시스템 요건을 야기한다.

콤팩트 카메라에 대한 많은 종전의 렌즈 설계에서는, 전체 카메라 크기를 가능한 한 작게 유지하기 위해 원렌즈 또는 투렌즈 시스템이 허용될 수 있었다. 상대적으로 낮은 화소 수를 갖는 이들 카메라로부터는 화질 열화가 예상되었기에, 이들 설계에서는 화질이 종종 악화되었다. 시간이 지날수록, 이미지 센서 내의 화소 수가 증가함에 따라 화질은 매우 중요한 측정기준(metric)이 되었다. 렌즈의 증가된 공간 분해능뿐 아니라 적절한 수차 보정이 화질을 현저히 개선시킬 수 있지만, 이는 원렌즈 또는 투렌즈 콤포넌트를 채택한 렌즈 시스템에서는 달성하기에 매우 어려워졌다. 따라서, 셋 이상의 렌즈 콤포넌트를 구비한 렌즈 시스템이 사용이 더 많이 확산되었다. 이는 렌즈 시스템의 비용 및 복잡성의 증가로 이어지며, 통상적으로 콤팩트성이 불량한 설계, 특히 렌즈 시스템에 주로 의존하는 전체 카메라 모듈의 높이에 의해 많은 잠재적 적용이 제한되므로 광축 방향으로 콤팩트성이 불량한 설계를 초래한다. 또한, 센서 어레이의 면적이 더 작아지므로, 센서에 도달하는 광량이 일반적으로 감소된다. 이를 보상하기 위해, 큰 센서를 갖는 카메라 또는 렌즈 크기에 대한 제약이 덜한 카메라에 사용되는 낮은 F넘버(F number: F/#)가 종종 콤팩트 카메라에 사용된다. 일반적으로 낮은 F/#는 주어진 초점 길이에 대해 조리개가 큰 경우이다. 이것이 집광 능력을 개선하고 그로인해 SNR을 개선시키지만, 이는 일반적으로 이미지의 피사계 심도에 대해 악영향을 미칠 뿐 아니라, 렌즈 시스템으로부터의 수차를 악화시킨다. 이들 제약 하에서 화질을 개선하기 위한 한가지 전술은 렌즈 시스템에 하나 이상의 비구면(aspheric surface)을 포함시키는 것이다. 이들 시스템에서 이러한 렌즈를 제조하는 비용 및 복잡성은 증가하겠지만, 그로 인한 화질 개선은 그만한 가치가 있을 수 있다.

전체 트랙 길이(TTL: total track length), 즉 광축을 따른 길이가 감소할수록, 전체 카메라 크기는 더 얇아지고 보다 다양한 용도를 가질 수 있다. 초소형 휴대용 기기에서도 사용되는 것은 분명하지만, 이들 카메라는 스크린에 내장된 랩탑 컴퓨터 카메라, 소형 보안 카메라, 및 기타와 같은 다른 장치에도 사용될 수 있다. 카메라의 크기가 작아질수록 이미지 특징을 유지하거나 심지어 개선시키는 것이 점점 시장에서 중요해지고 있다.

또한, 종래의 디지털 촬상 시스템에서, 하나 이상의 렌즈로 구성되는 광학계에 의해 수광되는 빛은 이미지 센서가 설치되는 이미지 평면상으로 지향된다. 수광되는 빛은 예를 들어 렌즈로부터 다양한 거리에 위치하는 하나 이상의 피사체에서 반사되거나 방출되는 빛일 수 있다. 이미지 센서는 이미지 평면상으로 지향되는 이미지를 검출하여 원 데이터(raw data)를 발생시키며, 상기 원 데이터는 저장 또는 보기(viewing)에 이용될 수 있는 이미지를 생산하도록 이미지 프로세서에 의해 처리될 수 있다. 일부 시스템에서, 원 이미지 데이터는 차후 데이터 처리를 위해 저장 및 송출될 수 있다. 그러나, 이러한 종래 시스템에서는, 작은 거리 범위 내에 위치한 피사체만이, 주어진 렌즈 위치, 즉 단수 또는 다수의 렌즈와 이미지 평면 사이의 주어진 거리에 대한 이미지 평면 상에 허용가능하게(acceptably) 초점이 맞는다. 피사계 심도로 공지되어 있는 이 피사체 거리 범위 밖에 위치한 피사체는 이미지 평면상으로 지향될 수 있지만, 허용가능하게 초점이 맞지 않으며 최종 이미지에서 흐릿하게 나타난다. 그 결과, 처리된 이미지 중의 일부 피사체는 초점이 맞은 상태로(in focus) 나타날 수 있는 반면에, 처리된 이미지 중의 다른 피사체는 렌즈로부터의 각 피사체의 거리에 따라 초점이 안맞은 상태로(out of focus) 나타난다.

이러한 종래의 디지털 촬상 시스템을 사용하여 다른 이미지 거리에 위치한 피사체를 포커싱시키려면, 촬상 시스템의 초점 길이를 변경시키기 위해 촬상 시스템 내에서 하나 이상의 렌즈가 이동해야 한다. 그러나, 이러한 광학계의 이동은 또한 기존에 초점이 맞은 것으로 나타난 피사체를 이제 초점이 안맞은 것으로 보이게 만든다. 따라서, 이미지 내의 피사체의 일부만이 렌즈 위치에 관계없이 초점이 맞은 것으로 나타날 것이다.

최근 들어, 디지털 촬상 시스템이 내장된 핸드폰 및 각종 기타 기기가 출시되고 있다. 이러한 기기는 보통, 크기 및 비용 제약으로 인해 이동 부품을 포함하는 것이 실용적이지 않기 때문에 광학면이 촬상 시스템 내의 고정된 위치에 유지될 것을 요구하며, 따라서 그 촬상 시스템은 고정 초점 범위를 갖는다. 통상적으로 사용되는 고정 초점 촬상 시스템은 표준 작동 구역으로 공지되어 있는 과초점 거리(hyperfocal distance)의 절반보다 먼 거리에 위치한 피사체에 대해 허용가능한 선명도(sharpness)를 갖는 이미지를 얻는다. 그러나, 과초점 거리의 절반보다 가까이 위치한 피사체에 대해서, 이미지 선명도는 허용될 수 없으며 피사체 거리가 가까울수록 급속히 악화된다.

이러한 기기에서의 촬상 시스템이 광범위한 피사체 거리에 걸쳐서 허용가능한 처리된 이미지를 제공할 수 있게 하기 위해, 공지된 해법은 이미지 평면상으로 지향되는 이미지를 흐릿하게 만드는 블러링(blurring) 광학면을 구비하도록 촬상 시스템을 개조하는 것이다. 블러링 광학면의 광학 특성이 알려져 있으므로, 흐릿한 이미지는 포커스 처리된 이미지를 얻도록 디지털 처리될 수 있다. 이미지의 블러링 및 후속 디지털 처리는 처리된 이미지가 허용가능하게 선명하게 나타나는 피사체 거리의 더 넓은 범위를 허용하며, 따라서 촬상 시스템의 피사계 심도를 확장시킨다.

그러나 블러링 소자의 존재는 또한 표준 작동 구역 내에 위치하는 피사체의 방향성 이미지를 흐릿하게 만든다. 그 결과, 이러한 피사체의 처리된 이미지의 선명도가 저하된다.

따라서 과초점 거리의 절반보다 가깝게 위치하는 피사체의 화질을 개선시키는 고정 초점 광학계를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 고정 광학 유닛은 하나 이상의 고정 광학 소자를 구비한다. 광학 유닛은 주어진 피사체 거리 및 상기 고정 광학 유닛으로부터 선택된 거리에 배치된 이미지 센서의 촬상면과 연관된 주어진 공간 주파수에 대한 변조 전달 함수(MTF: modulation transfer function)를 가지며, 상기 MTF는 선택된 이미지 거리에서 최대이고, 선택된 이미지 거리보다 짧은 이미지 거리에 대응하는 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위 내에서는 대략 최대 MTF로부터 소정 역치 이하로 감소하며, 선택된 이미지 거리보다 큰 이미지 거리에 대응하는 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위에서는 대략 최대 MTF로부터 감소하지만 소정 역치 이상으로 유지되도록 이미지 거리에 따라 변화한다. 상기 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위는 상기 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위보다 크다.

본 발명에 따른 다른 촬상 시스템은 전술한 고정 광학 유닛, 촬상면을 형성하고 광학 소자에 의해 촬상면에 투사된 광을 나타내는 원 데이터를 발생시키도록 작동가능한 이미지 센서, 및 MTF를 향상시키도록 원 데이터를 처리하도록 작동가능한 이미지 프로세서를 구비한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 고정 광학 유닛은 하나 이상의 고정 광학 소자를 구비한다. 광학 유닛은 피사체 공간 내의 주어진 위치 및 고정 광학 유닛으로부터 선택된 이미지 거리에 배치된 이미지 평면과 연관되는 주어진 공간 주파수에 대한 변조 전달 함수(MTF)를 특징으로 한다. 상기 MTF는 제1 이미지 거리에서 최대이고, 상기 제1 이미지 거리와 상기 제1 이미지 거리로부터의 제1 포커스 시프트를 나타내는 제2 이미지 거리 사이에서는 대략 최대 MTF로부터 적어도 소정 역치로 감소하며, 상기 제1 이미지 거리와 상기 제1 이미지 거리로부터의 제2 포커스 시프트를 나타내는 제3 이미지 거리 사이에서는 대략 최대 MTF로부터 감소하지만 소정 역치 이상으로 유지되도록, MTF는 이미지 거리에 따라 비대칭적으로 변화한다. 제1 포커스 시프트와 제2 포커스 시프트는 방향이 반대이다. 제1 포커스 시프트와 제2 포커스 시프트 중 하나의 포커스 시프트는 다른 포커스 시프트보다 크기가 크다.

본 발명의 추가 태양에 따르면, 렌즈 시스템은 광축을 따라서 피사체측으로부터 이미지측으로 순서대로 연속하여 고정되는 이하의 것들, 즉 결합 스톱(coupled stop)의 제1 부재, 제1 렌즈 콤포넌트, 결합 스톱의 제2 부재, 제2 렌즈 콤포넌트, 및 제3 렌즈 콤포넌트를 구비하며, 여기에서 모두 세 개의 피사체측 렌즈 표면과 모두 세 개의 이미지측 렌즈 표면은 비구면이고, 제1 렌즈 콤포넌트는 포지티브 굴절력(positive refractive power)을 구비하며, 제1 렌즈 콤포넌트의 피사체측을 향한 표면은 볼록한 형상을 갖고 제1 렌즈 콤포넌트의 이미지측을 향한 표면은 광축 근처에서 오목한 형상을 가지며, 제2 렌즈 콤포넌트는 반월(meniscus) 형상 및 네거티브 굴절력(negative refractive power)을 갖고, 제2 렌즈 콤포넌트의 피사체측을 향한 표면은 오목한 형상을 가지며 제2 렌즈 콤포넌트의 이미지측을 향한 표면은 볼록한 형상을 갖고, 제3 렌즈 콤포넌트의 피사체측을 향한 표면은 광축 근처에서 볼록한 형상을 가지며 제3 렌즈 콤포넌트의 이미지측을 향한 표면은 광축 근처에서 오목한 형상을 갖고, 이미지 서클(image circle) 직경에 대한 렌즈 시스템의 전체 트랙 길이의 비율은 약 0.95 미만이다.

본 발명의 이 태양에 따르면, 렌즈는 약 2.6 미만의 F/#를 특징으로 할 수 있다. 렌즈는 약 +/-25도 내지 약 +/-40도의 시야를 특징으로 할 수 있다. 렌즈는 약 +/-30도 내지 약 +/-35도의 시야를 특징으로 할 수 있다. 렌즈는 약 2.4의 F/#를 특징으로 할 수 있으며, 주어진 피사체 거리 및 상기 렌즈 시스템으로부터의 이미지 거리에서의 이미지 평면과 연관된 주어진 공간 주파수에 대한 변조 전달 함수(MTF)를 가질 수 있고, 상기 MTF는 과초점 거리에 대응하는 선택된 제1 이미지 거리에서 약 0.4보다 큰 최대값을 갖고 약 250mm의 피사체 거리에 대응하는 선택된 제2 이미지 거리에서 대략 최대값으로부터 약 0.25보다 큰 낮은 값으로 감소되도록 변화한다. 모두 세 개의 렌즈 콤포넌트는 플라스틱으로 제조될 수 있다. 상기 제3 렌즈 콤포넌트의 피사체측을 향한 표면과 상기 제3 렌즈 콤포넌트의 이미지측을 향한 표면의 기본 곡률은 실질적으로 유사하다. 상기 제2 렌즈 콤포넌트와 제3 렌즈 콤포넌트 사이에 조리개가 구비될 수 있다. 렌즈는 약 2.4의 F/#를 특징으로 할 수 있으며, 추가로 약 4mm 미만의 전체 트랙 길이를 특징으로 하고, 약 4.2mm를 초과하는 이미지 높이를 생성한다. 모두 세 개의 렌즈 콤포넌트의 굴절율은 약 1.5 내지 1.65의 범위 안에 있을 수 있으며, 상기 제1 렌즈 콤포넌트 및 제3 렌즈 콤포넌트는 약 50 내지 60의 아베 수(Abbe number)를 가질 수 있고, 제2 렌즈 콤포넌트는 약 20 내지 30의 아베 수를 가질 수 있다.

본 명세서에 기재되는 촬상 렌즈 시스템의 실시예는 통상적으로, 광축을 따라서 측정할 때 특히 콤팩트하며, 일반적으로는 적은 수의 콤포넌트 또는 요소를 사용한다. 이로 인해 렌즈 시스템은 저렴하게 제조될 수 있고 카메라 폰이나 PDA와 같은 소형 기기 내의 카메라 모듈에 사용하기에 특히 적합할 수 있다. 모두 비구면적인 렌즈 표면의 사용에 의해 높은 광학 성능이 달성된다.

본 발명의 상기 태양, 특징 및 장점은 후술하는 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조할 때 더 이해될 것이다.

도 1은 공지된 디지털 촬상 시스템의 일 예를 도시하는 블록선도이다.
도 2는 포커싱 소자만을 갖는 광학계에 있어서 쓰루 포커스(through-focus) 변조 전달 함수(TF-MTF) 곡선의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 3은 블러링 소자를 구비하는 광학계에 있어서 다양한 이미지 거리에서의 피사체 촬상의 예를 도시하는 광로도(ray diagram)이다.
도 4는 블러링 소자를 구비하는 광학계에 있어서 TF-MTF 곡선의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 광학계에 있어서 TF-MTF 곡선의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 디지털 촬상 시스템의 일 예를 도시하는 블록선도이다.
도 7은 예시적인 렌즈 시스템의 일 실시예의 단면도이다.
도 8은 추가 조리개를 포함하는 예시적인 렌즈 시스템의 일 실시예의 단면도이다.
도 9는 도 8의 렌즈 시스템의 실시예의 광로도를 사용한 TTL/이미지 서클 비율의 도시도이다.
도 10은 도 8의 렌즈 시스템의 실시예의 왜곡(distortion)을 도시하는 도면이다.
도 11은 도 8의 렌즈 시스템의 실시예에 있어서의 상대 조도를 도시하는 도면이다.
도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는 다양한 피사체 거리에서 도 8의 렌즈 시스템의 실시예의 다색(polychromatic) MTF를 도시하는 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 주어진 공간 주파수에서 다양한 화각에서 도 8의 렌즈 시스템의 실시예의 다색 TF-MTF를 도시하는 도면이다.
도 14는 예시적인 렌즈 시스템의 일 실시예의 단면도이다.
도 15는 도 14의 렌즈 시스템의 실시예의 광로도를 사용한 TTL/이미지 서클 비율의 도시도이다.
도 16a 내지 도 16c는 도 14의 렌즈 시스템의 실시예의 왜곡 성능을 도시하는 것으로, 도 16a는 상면 만곡(field curvature)을 도시하고, 도 16b는 동일 렌즈 시스템의 실시예의 왜곡을 도시하며, 도 16c는 동일 렌즈 시스템의 색 포커스 시프트를 도시하는 도면이다.
도 17은 도 14의 렌즈 시스템의 실시예에 있어서의 상대 조도를 도시하는 도면이다.
도18a, 도 18b 및 도 18c는 다양한 피사체 거리에서 도 14의 렌즈 시스템의 실시예의 다색 MTF를 도시하는 도면이다.
도 19는 주어진 공간 주파수에서 다양한 화각에서 도 14의 렌즈 시스템의 실시예의 다색 TF-MTF를 도시하는 도면이다.
도 20은 예시적인 렌즈 시스템의 일 실시예의 단면도이다.
도 21은 도 20의 렌즈 시스템의 실시예의 광로도를 사용한 TTL/이미지 서클 비율의 도시도이다.
도 22a 내지 도 22c는 도 20의 렌즈 시스템의 실시예의 왜곡 성능을 도시하는 것으로, 도 22a는 상면 만곡을 도시하고, 도 22b는 동일 렌즈 시스템의 실시예의 왜곡을 도시하며, 도 22c는 동일 렌즈 시스템의 색 포커스 시프트를 도시하는 도면이다.
도 23은 도 20의 렌즈 시스템의 실시예에 있어서의 상대 조도를 도시하는 도면이다.
도 24a, 도 24b 및 도 24c는 다양한 피사체 거리에서 도 20의 렌즈 시스템의 실시예의 다색 MTF를 도시하는 도면이다.
도 25는 주어진 공간 주파수에서 다양한 화각에서 도 20의 렌즈 시스템의 실시예의 다색 TF-MTF를 도시하는 도면이다.

도 1은 공지된 디지털 촬상 시스템(100)의 일 예를 도시하는 블록선도이다. 디지털 촬상 시스템(100)은 광학계(101), 이미지 센서(110) 및 이미지 프로세서(120)를 구비한다.

광학계(101)는 광학계로부터 피사체 거리(OD: object distance)에 위치하는 피사체(O: object)로부터 반사되거나 이 피사체에 의해 방출되는 광을 수광한다. 광학계는 조리개(101) 및 여러 개의 광학 소자 또는 광학면(102, ..., 109)을 구비한다. 광학면(102, ..., 109) 중 하나 이상은 포커싱 기능을 제공하기 위해 포지티브 파워를 가질 수 있다. 다른 광학면(102, ..., 109)은 블러링 기능과 같은 다른 기능 또는 네거티브 파워를 가질 수 있다. 다른 광학면(102, ..., 109)은 광학 수차 또는 색 수차 보정과 같은 추가 기능을 제공할 수 있다. 광학면(102, ..., 109)은 단지 예시적인 목적으로 볼록 렌즈로서 도시되어 있다. 광학면(102, ..., 109)은 예를 들어, 오목형, 반월형 및 비구면형 곡률을 포함하는 다른 형상을 가질 수도 있다. 실제로, 각각의 광학 소자는 굴절 소자일 수 있거나, 또는 예를 들어 하나 이상의 드랍-인 마스크(drop-in masks), 원형 대칭 또는 원형 비대칭 위상 마스크, 또는 원형 대칭 또는 원형 비대칭 비구면 렌즈를 포함할 수 있는 회절 소자일 수 있다.

도시된 예에서, 이미지 센서(110)는 이미지 표면(112)에서 광학계(101)에 의해 지향된(directed) 광을 캡처하고, 이 캡처된 광을 캡처된 광을 나타내는 원 데이터로 변환시키며, 원 데이터를 이미지 프로세서(120)로 송출한다. 이미지 센서는 예를 들어 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD) 또는 CMOS 디지털 이미지 센서일 수 있다.

이미지 프로세서(120)는 이미지 센서(110)로부터 수신된 원 데이터를 처리하여 처리된 이미지를 발생시키며, 상기 처리된 이미지는 예를 들어 메모리 소자 또는 디스플레이 장치에 출력될 수 있다.

광학계(101)로부터 주어진 피사체 거리(OD)에 피사체(O)가 위치하고, 포커싱된 이미지(I)가 광학계(101)로부터 거리(ID)까지 지향된다. 이미지 센서(110)의 이미지 표면(112)도 광학계(101)로부터 거리(ID)에 위치할 때, 가능한 가장 선명한 이미지가 이미지 센서(110) 상으로 지향된다. 피사체(O)가 광학계(101)에 가깝게 또는 광학계(101)로부터 멀리 이동하지만 이미지 표면의 위치는 변화되지 않으면[또는 역으로, 이미지 표면은 이동하지만 피사체(O)는 광학계(101)로부터 동일한 거리에 유지되면], 투사되는 이미지의 선명도가 감소한다. 피사체(O)[또는 이미지 표면(112)]의 충분히 작은 이동에 대해, 이미지의 선명도는 허용가능한 공차 내로 유지되는 바, 즉 이미지 평면상으로 지향된 이미지는 이미지 프로세서가 허용가능한 처리된 이미지를 제공하기에 충분한 선명도를 갖는다. 이미지 선명도가 이 공차 내로 유지되는 피사체 거리의 범위를 피사계 심도(depth of field)라고 지칭한다. 마찬가지로, 이미지 선명도가 공차 내로 유지되면서 이미지 표면(112)이 이동될 수 있는 거리의 범위를 초점 심도(depth of focus)라고 지칭한다.

도 2는 축상에(on-axis) 위치한 이미지 센서(110)에 대한 공지된 광학계(101)의 TF-MTF 곡선을 도시한다. 상기 TF-MTF 곡선은 광의 주어진 파장에 대해 도시된 것이며, 일반적으로 파장 변화에 따라 시프트될 것이다. TF-MTF는 이미지 표면(112)과 광학계(101) 사이의 거리의 함수로서 이미지 선명도의 지표이다. TF-MTF 곡선이 포커스 시프트의 함수로서, 즉 이미지 거리의 함수로서 도시되어 있지만, 피사체 거리의 함수로서 유사한 곡선이 발생될 수도 있다.

도 2에 도시된 TF-MTF 곡선은 본질적으로 종(bell) 형상이며, 렌즈가 포커싱된 것으로 생각되는, 즉 포커스 시프트가 제로인 선택된 피사체 거리 C에서 피크를 이룬다. 예를 들어, 광학계는 선택된 피사체 거리 C가 과초점 거리이도록 포커싱될 수 있다. TF-MTF의 값은 포지티브 포커스 시프트에 있어서, 즉 피사체 거리의 증가 또는 이미지 거리의 감소에 따라 감소하지만, 선택된 피사체 거리 D까지 적어도 모든 피사체 거리에 있어서 적어도 0.3 이상으로 유지된다. TF-MTF의 값은 또한 포커스 시프트의 감소에 따라, 즉 피사체 거리의 감소 또는 이미지 거리의 증가에 따라 감소하지만, 선택된 피사체 거리 B보다 큰 피사체 거리에 대응하는 포커스 시프트에 있어서는 0.3 이상으로 유지된다. TF-MTF는 이후 포커스 시프트가 추가 감소하면 더욱 신속하게 감속하여 그 값이 선택된 피사체 거리 A보다 큰 피사체 거리에 대응하는 포커스 시프트에서 최소 허용치보다 낮아진다. 일 예로서, 피사체 거리 C가 과초점 거리일 때, 피사체 거리 D는 통상 +∞이고, 피사체 거리 B는 통상 과초점 거리의 절반이며, 피사체 거리 A는 통상 과초점 거리의 1/4이다. MTF 값이 소정 역치 아래로 떨어지면, 이미지 콘트라스트가 소실되고 일반적으로는 후처리를 통해서 회복될 수 없다. 예를 들어, 최소 허용가능한 TF-MTF 값은 0.1일 수 있지만, 주어진 후처리 기술에서는 그보다 크거나 작은 값이 바람직할 수도 있다.

도 3은 공지된 광학계(111)에 대한 블러링 기능의 추가 효과를 도시한다. 통상, 도 1 및 도 2에서와 같이 선명하게 포커싱된 광학계(101)에서, 피사체 거리 OD2에 위치한 피사체(O2)는 이미지 표면(112)에 포커싱된다. 피사체 거리 OD1에서 피사계 심도 외부에 위치하는 피사체(01)는 광학계로부터 피사체(02)보다 멀리 위치한다. 따라서, 포커싱 광학면은 촬상 평면 전방의 이미지 거리 ID1에서 이미지(I1)를 형성한다. 피사체 거리 OD3에서 피사계 심도 외부에 위치하는 피사체(03)는 광학계에 대해 피사체(02)보다 가깝게 위치한다. 따라서, 촬상면은 이론적으로 촬상 평면(112)의 후방에 나타날 이미지 거리 ID3에서 이미지(I3)를 형성한다.

광학계(111)에서 블러링의 효과는 피사체(01, 02, 03) 각각으로부터 나오는 각종 광선의 초점 거리를 변경시킴으로써 이미지(I1, I2, I3)의 각각이 그 각각의 초점면(focal plane)에서 신장되도록 초래한다. 예를 들어, 피사체(02)로부터 나오는 각종 광선이 차지하는 경로는, 모든 광선이 촬상 평면에 포커싱되는 대신에 일부 광선은 이제 촬상 평면의 전방에 포커싱되고 일부 광선이 이제 촬상 평면 후방에 포커싱되도록 블러링 기능에 의해 변경된다. 또한, 피사체(01, 03)로부터 나오는 광선의 경로는 이들 피사체의 각각으로부터 나오는 광선의 일부가 이제 촬상 평면에 포커싱되도록 블러링 광학면에 의해 각각 유사하게 변경된다. 즉, 블러링 표면을 추가함으로써, 광학계의 점 확산 함수(point spread function: PSF)가 확대되어, 피사체(01, 02, 03)가 각각 대응하는 원 데이터가 이미지 프로세서에 의해 처리된 후 도 1에 도시되는 이미지(I1, I2, I3)로 회복되는(restored) 블러링된 이미지로서 촬상 평면(112) 상으로 지향된다.

도 4는 공지된 광학계(111)에 블러링 기능이 포함될 때 축상 이미지 센서에서의 주어진 광 파장에 대한 TF-MTF 곡선을 도시하고 있다. TF-MTF가 최소 허용 값(예를 들면, 0.1) 이상에 있는 이미지 거리의 범위가 증가되어, 즉 광학계의 초점 심도가 증가되어, TF-MTF의 값은 선택된 피사체 거리 A보다 가까운 일부 피사체 거리에서도 허용될 수 있다. 그러나, 선택된 피사체 거리 B보다 큰 피사체 거리에서의 TF-MTF의 값은 동일한 피사체 거리 범위에 있어서 도 2에 도시된 것보다 작다. 그 결과, 블러링 광학면은 표준 작동 구역, 즉 TF-MTF가 0.3보다 큰 도 2에 도시된 피사체 거리의 범위 내에 위치한 피사체의 이미지의 선명도를 저하시킨다.

문제를 해결하기 위해, 본 명세서에 개시된 실시예는, 맞춤형 피사계 심도를 갖고 적어도 전술한 공지의 광학계에 존재하는 역효과를 감소시키는 광학계를 제공한다.

도 5는 특히 주어진 광 파장에 대해서, 시야의 중심과 같은 시야 내의 주어진 위치에 대해서, 및 이미지 센서의 나이키스트(Nyquist) 주파수의 약 절반 또는 이미지 센서의 나이키스트 주파수의 약 절반의 공간 주파수와 같은 주어진 공간 주파수에 대해서 일 실시예에 따른 광학계의 TF-MTF 곡선의 일 예를 도시한다. 피사체 거리 B와 D 사이의 피사체 거리에 대해서, TF-MTF 곡선은 동일한 피사체 거리 범위에 대해 도 2에 도시된 것과 형상이 유사하다. 이 피사체 거리 범위에서의 TF-MTF의 값은 역치인 0.3 이상이지만, 동일한 구역에 대한 도 2의 것보다 약간 낮다. 또한, 피사체 거리 D보다 긴 피사체 거리에 대해서, TF-MTF는 제로에 가깝게 떨어진다. 또한, 피사체 거리 A와 B 사이의 피사체 거리에 대해서, TF-MTF는 약 0.2로 감소할 뿐이다. 더욱이, 피사체 거리 A보다 짧은 피사체 거리에 대해서, TF-MTF는 약 -0.08mm의 포커스 시프트로 낮아져 0.1 이상으로 유지된다. 따라서 광학계에 가깝게 위치한 피사체의 이미지 선명도는 도 2에 도시된 TF-MFT 곡선에 의해 생성된 것과 비교할 때 개선되며, 표준 작동 구역에 위치한 피사체의 이미지 선명도는 따라서 도 4에 도시된 곡선의 것과 비교할 때 개선된다. 그 결과, 피사계 심도는 표준 작동 구역에서의 선명도를 희생시키지 않고 광학계에 더 가까운 거리를 포함하도록 맞춤화된다.

도 6은 광학계(202)가 도 5에 도시된 TF-MTF 곡선을 제공하도록 설계되는 여섯 개의 광학면(204, ..., 209)뿐 아니라 조리개(201)를 구비하는 광학계(200)의 일 예를 도시한다. 도 6에 도시된 광학 소자(204, ..., 209)의 형상은 본 발명에 따른 광학계의 일 실시예의 한 예일 뿐이다. 도 6에 도시된 광학면의 일부 또는 전부를 구비하는 것을 포함하는, 본 발명에 따른 광학 소자 및 조리개의 다른 구성도 있을 수 있다.

도 6에 도시된 광학계(200)에 대해서, 모든 광학면의 광학 설계 계수 및 조리개와 함께, 렌즈를 제조할 수 있는 재료가 후술하듯이 표 1 및 표 2에 제공된다:

[표 1]

[표 2]

(ZEMAX 비구면 계수 및 형태)

여기에서, 표면 0은 피사체에 해당하고, L1은 표면(204, 205)을 포함하는 제1 렌즈에 해당하며, L2는 표면(206, 207)을 포함하는 제2 렌즈에 해당하고, L3은 표면(208, 209)을 포함하는 제3 렌즈에 해당하며, APS는 구경 조리개(aperture stop)(201)에 해당하고, IRF는 적외선 필터(214)에 해당하며, CG는 센서 커버 글래스(216)에 해당하고, IMG는 검출기 이미지 평면(212)에 해당한다. 물론, 맞춤형 초점 심도를 실현하는 다른 구성이 달성될 수도 있다.

렌즈를 생성하는데 사용되는 플라스틱은 임의의 적절한 플라스틱, 예를 들면 Zeon Chemical Company에 의해 생산되는 E48R, 아크릴, PMMA, 일본 소재의 Osaka Gas Chemicals Co., Ltd에서 시판하는 OKP4 등과 같은 폴리카보네이트일 수 있다. 표 1에서의 렌즈 재료는 모두 플라스틱으로 나타나 있지만, 예를 들어 유리와 같은 다른 적합한 재료가 사용될 수도 있다. 또한, 각각의 렌즈는 그 소망 성능에 따라 다른 재료로 제조될 수 있다. 렌즈는 선택된 재료에 대한 임의의 적절한 방법에 따라, 예를 들면 사출 성형, 유리 성형, 복제, 웨이퍼 레벨 제작 등에 의해 제조될 수 있다. 또한, 적외선 필터(214)와 커버 글래스(216)는 뉴욕주 엘름스포드(Elmsford) 소재의 SCHOTT North America, Inc.가 시판중인 N-BK7 또는 D263T와 같은 적절한 적외선 필터링 재료로 제조될 수 있다.

촬상 시스템(200)은 또한, 도 1의 이미지 센서(110)의 이미지 평면과 유사한 방식으로 기능할 수 있는 이미지 평면(212)을 갖는 이미지 센서(210)를 구비한다. 이미지 프로세서(220)도 제공되는 바, 이미지 프로세서는 광학계(202)와 연관된 점 확산 함수(PSF)를 디컨볼루션(deconvolution)함으로써 이미지 센서(210)로부터 수신된 원 데이터를 처리하여 처리된 이미지(processed image)를 얻어낸다. 본 발명의 이 태양에 따라 설계된 광학계를 사용하면, 표준 작동 구역 내에 위치한 처리된 이미지의 선명도를 크게 희생하지 않고서도 피사체 거리 A보다 짧은 피사체 거리에서 허용가능하게 선명한 처리된 이미지가 얻어진다.

도 5에 도시된 TF-MTF 곡선을 제공하는 광학면을 얻기 위해, 3단계 설계 계획이 채택될 수도 있다. 설계로서 고정 초점 길이 광학계가 개시 설계로서 사용되고, 이는 바람직한 크기 및 재료를 사용하여 소정 초점 길이를 제공하는 광학면을 갖는다. 다음으로, 광학계의 설계는 피사계 심도를 맞춤화시키도록 수정된다. 구체적으로, 렌즈 조리개에 가장 가깝게 위치하는 광학면의 처짐(sag)에 왜곡이 도입된다. 일 예로서, 왜곡은 광축으로부터 반경방향 거리(R)의 함수 및 광축으로부터의 각도(θ)의 함수일 수 있다. 이러한 함수는 f(R,θ)= a×(R⁴-R¹⁶)의 관계 또는 f(R,θ)= a×R²×cos(θ)의 관계를 가질 수 있다. 피사계 심도가 확장 피사계 심도(extended depth of field: EDOF)를 제공하는 식으로 맞춤화될 때, 그 결과적인 광학계는 도 4에 도시된 것과 유사한 TF-MTF 곡선을 가질 수 있다.

이후, 광학면은 결과적인 광학계가 도 5에 도시된 TF-MTF 곡선을 제공하도록 소정의 조건에 따라 최적화된다. 부과되는 최적화 조건은 TF-MTF 곡선이 최대값을 갖는 초점 거리에 과초점 거리(F)가 위치하도록 요구하는 것을 포함할 수 있다. 최적화 조건은 TF-MTF 곡선이 선택된 피사체 거리 A, B, D에서 각각의 소정 값을 갖도록 요구하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, TF-MTF 곡선은 선택된 피사체 거리 B가 과초점 거리의 절반에 설정되고, 선택된 피사체 거리 A가 과초점 거리의 1/4에 설정되며, 및/또는 선택된 피사체 거리 D가 무한대의 피사체 거리 +∞에 설정될 때 각각의 소정 값을 갖도록 요구될 수도 있다. 이러한 조건의 부과는 상이한 중량을 할당함으로써 이루어질 수 있다. TF-MTF가 +0.03mm와 같은 소정 양보다 큰 포지티브 포커스 시프트에서 거의 제로로 감소되도록 보장하기 위해 제로 포커싱 알고리즘 또한 사용될 수 있다. 대안적으로, 최적화의 조건은 TF-MTF가 +0.03mm 이상의 포지티브 포커스 시프트에서 제로에 접근하는 추가 제약 하에 선택된 피사체 거리(A, B, D)의 각각에서 가능한 최고의 TF-MTF 값을 갖는 것을 포함할 수도 있다. 추가 제약은 TF-MTF가 선택된 피사체 거리 A보다 가까운 피사체 거리의 범위에서 0.1 이상의 값을 갖도록 요구하는 것을 포함할 수 있다. 여기에서는 표준 최적화 프로그램이 사용될 수 있다. 예를 들면, ZEMAX 또는 Code V와 같은 종래의 공지된 광학 설계 프로그램에서 반복법(iterative procedures)이 사용될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 디지털 촬상 시스템은, 도 5에 도시된 TF-MTF를 제공하고 "정상(regular) 모드"와 "매크로(macro) 모드"로 지칭되는 두 가지 작동 모드를 갖는 고정 포커스 광학계를 구비한다. TF-MTF가 역치 이상에 있는 거리에 위치한 피사체에 대해서, 촬상 시스템은 이미지 프로세서가 전술한 표준 방식으로 작동하는 정상 모드로 작동한다. 일 예로서, 정상 모드는 TF-MTF가 소정 값 이상이거나 최대 TF-MTF 값의 적어도 50%인 피사체 거리 범위 내에 있는 피사체에 대해 사용될 수 있다.

TF-MTF가 역치 이하인 거리에 위치한 피사체에 대해서는, 이미지 프로세서가 이미지의 TF-MTF를 그 선명도가 증가하도록 북돋우는 매크로 모드가 사용된다. 일 예로서, 매크로 모드는 -20미크론 내지 약 -80미크론, 즉 -0.02 내지 -0.08mm의 포커스 시프트 범위에 사용될 수 있다. 도 5가 도시하듯이, 이 범위에서 TF-MTF는 -20미크론의 포커스 시프트에서의 약 0.25로부터 -80미크론의 포커스 시프트에서의 약0.12로 감소한다. 일 실시예에서, 이들 포커스 시프트는 50cm 내지 10cm의 피사체 거리에 대응할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 광학계는 도 5에 도시된 것과 유사한 TF-MTF를 제공하지만, 더 높은 피크값을 갖는다. TF-MTF 곡선 하의 면적은 이러한 수정에도 변화하지 않기 때문에, 결과적인 TF-MTF 곡선은 최대값 근처에서 보다 좁은 피크를 가지며 따라서 촬상 시스템이 정상 모드로 작동하는 피사체 거리의 범위가 감소된다.

추가 대안으로서, 도 5에 도시된 것과 유사한 TF-MTF 곡선을 갖지만 F-넘버가 감소된 개구를 갖는 고정 포커스 광학계가 제공된다. 통상적으로, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 곡선을 생성하는데 사용되는 고정 광학계의 개구는 2.8의 F-넘버를 갖는다. F-넘버를 예를 들어 2.4로 또는 1.75로 낮게 감소시킴으로써, 결과적인 촬상 시스템의 감도가 TF-MTF 곡선의 폭을 통해서 증가되는 바, 즉 촬상 시스템이 정상적으로 작동하는 피사체 거리의 범위가 감소할 수 있다.

또 다른 대안으로서, 촬상 시스템의 피사계 심도는 축소 피사계 심도(RDOF)를 제공하도록 맞춤화된다. 즉, 표준 작동 범위(즉, TF-MTF 곡선이 0.3 이상의 값을 갖는 포커스 시프트의 범위)의 폭이 도 5에 도시된 곡선에 비해 감소되고 따라서 TF-MTF 곡선이 0.1보다 크게 유지되는 포커스 시프트의 범위가 증가한다. 촬상 시스템은 또한 전술한 두 가지 모드로 작동한다. 따라서, 피사계 심도가 감소해도, 촬상 시스템의 전체 감도는 증가한다.

일 예로서, 도 5에 도시된 것과 유사하지만 더 높고 더 좁은 피크를 갖는 TF-MTF 곡선을 제공하도록 광학계가 수정된 VGA(video graphics array) 카메라가 사용될 수 있다. 종래의 VGA 카메라는 15cm 내지 무한대의 피사체 거리의 표준 작동 구역을 갖지만, 수정된 VGA 카메라는 종래의 VGA 카메라보다 큰 감도를 갖고 40cm 내지 무한대의 피사체 거리에서 정상 모드로 작동한다. 또한, 수정된 VGA 카메라는 15cm 내지 40cm의 피사체 거리에서 매크로 모드로 작동한다. 매크로 모드에서 TF-MTF의 증가는 이들 거리에서 종래의 VGA 카메라에 의해 제공되는 것보다 큰 감도를 제공한다.

다른 대안으로서, 수정된 VGA 카메라의 개구의 F-넘버는 또한 VGA 카메라의 감도를 더 증가시키기 위해 전술한 방식으로 감소될 수도 있다. 이러한 VGA 카메라는 50cm 내지 무한대의 피사체 거리에서는 정상 모드로 작동하고 30cm 내지 50cm의 피사체 거리에서는 매크로 모드로 작동할 수 있다.

또 다른 대안으로서, 웨이퍼 레벨 카메라를 사용하여 상기 수정예 중 하나 이상이 실시될 수 있다. 이러한 웨이퍼 레벨 카메라는 도 5에 도시된 TF-MTF 곡선 또는 전술한 그 수정예 중 하나를 제공하도록 패터닝 및 에칭되는 굴절 및/또는 회절 광학면을 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 렌즈 시스템의 일 실시예의 단면도이다. 이 실시예에서, 피사체측은 좌측에 배치되고, 세 개의 렌즈 콤포넌트가 광축을 따라서 순서대로 배치된다. 렌즈 콤포넌트의 이미지측에는, 커버 글래스가 이미지 센서 위에 표시된다. 피사체측에서 제1 렌즈 소자의 전방에 조리개가 배치된다.

후술하는 상세한 설명에 관한 용어 "렌즈 소자" 및 "렌즈 콤포넌트"에 대해 이제 정의할 것이다. 본 명세서에서 "렌즈 소자"라는 용어는, 촬상 렌즈의 광축을 적어도 대체로 가로질러 배치되는 두 개의 대향하는 굴절 표면을 갖는 굴절 재료의 단일 투명 매스(single transparent mass)로서 정의된다. 본 명세서에서 "렌즈 콤포넌트"라는 용어는 (a) 렌즈 소자의 이미지 형성 특성 계산시에 그 간격이 무시될 수 없도록 임의의 인접한 렌즈 소자로부터 멀리 이격 배치된 단일의 렌즈 소자로서 또는 (b) 상이한 렌즈 소자의 인접한 렌즈 표면 사이의 간격이 둘 이상의 렌즈 소자의 이미지 형성 특성 계산시에 무시될 수 있을 정도로 너무 작아서 완전한 전체 접촉 또는 전체적인 밀착 상태에 있는 둘 이상의 렌즈 소자로서 정의된다. 따라서, 일부 렌즈 소자는 렌즈 콤포넌트일 수도 있다. 그러므로, "렌즈 소자" 및 "렌즈 콤포넌트"라는 용어는 상호 배타적인 용어로 간주되지 않아야 한다. 실제로, 이들 용어는 "렌즈 콤포넌트"에 대한 정의의 (a) 부분에 따라 단일 렌즈 소자를 설명하는데 자주 사용될 수 있다.

상기 "렌즈 콤포넌트" 및 "렌즈 소자"의 정의에 따라, 후술하는 본 발명의 촬상 렌즈 시스템의 실시예에서는, 모든 렌즈 소자가 렌즈 콤포넌트일 수도 있다. 따라서, 본 발명은 렌즈 소자 측면에서 또는 렌즈 콤포넌트 측면에서 다양하게 설명될 수 있다.

도 7에는 본 발명의 렌즈 시스템을 사용하는 예시적인 촬상 기기(302), 여기에서는 카메라가 도시되어 있다. 피사체측에서 시작하여, 먼저 조리개(304), 렌즈 소자(306), 렌즈 소자(308), 렌즈 소자(310), 적외선 필터(312), 이미지 센서용 커버 글래스(314), 및 이미지 센서(316)가 순서대로 배치된다. 조리개(304)와 모두 세 개의 렌즈 소자(306, 308, 310)는 광축(318) 주위에서 반경방향으로 대칭적이다. 조리개(304)는 렌즈 소자(306)의 피사체측에 배치된다. 이 배치에서, 렌즈 시스템의 전체 트랙 길이는 작게 유지될 수 있을 뿐 아니라, 큰 F/#가 가능하게 하고, 센서에서 이미지 표면에 도달하는 광선 각도를 최소화할 수 있다. 피사체측으로부터 첫 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(306)는 포지티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(306)는 렌즈 시스템의 광학 파워의 많은 것을 떠맡는다. 렌즈 소자(306)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(306a)은 전체 표면에 걸쳐서 볼록한 형상을 갖는다. 렌즈 소자(306)의 이미지측 제2 표면(306b)은 광축 근처에서 오목하고 렌즈의 주변 근처에서 약간 볼록해지는 형상을 갖는다. 피사체측으로부터 두 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(308)는 네거티브 굴절력을 가지며, 대체로 반월형 형상을 갖는다. 렌즈 소자(308)는 주로 색 수차 및 기타 수차를 보정하는데 사용된다. 렌즈 소자(308)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(308a)은 오목한 형상이다. 렌즈 소자(308)의 이미지측 제2 표면(308b)은 볼록한 형상을 갖는다. 피사체측으로부터 세 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(310)는 네거티브 굴절력 부분 및 포지티브 굴절력 부분을 갖는 바, 광축 근처의 부위는 약간의 포지티브 굴절력을 갖고 주변을 향한 부위는 네거티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(310)는 주로 시야 보정기(field corrector)로서 작용한다. 렌즈 소자(310)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(310a)은 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 볼록한 형상은 광축 근처에 제공된다. 렌즈 소자(310)의 이미지측 제2 표면(310b) 역시 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 오목한 형상은 광축 근처에 제공된다. 일 실시예에서, 이 렌즈 소자(310) 상의 양 표면의 중심의 곡률 반경은 동일하다. 적외선 필터 표면(312a, 312b)뿐 아니라 커버 글래스 표면(314a, 314b)은 모두 실질적으로 평탄하다.

최근 단락에 기술된 모두 여섯 개의 렌즈 소자 표면은 비구면 형상이며, 비구면 렌즈의 형상을 설명하기 위해 당업계에서 통상 다른 방정식이 사용되지만 하기 새그 높이 방정식을 만족시킬 수 있으며,

(방정식 1)

여기에서 Z는 반경방향 거리에서 비구면 렌즈 표면 상의 한 점으로부터 그려진 라인의 처짐 높이(mm)이고, Y는 광축으로부터 비구면 표면 정점의 접선 평면까지의 반경방향 거리(mm)이며, C는 광축에 가까운 비구면 렌즈 표면의 곡률이고, K는 원추곡면 계수이며, Ai는 i 번째 비구면 계수이다.

이 특정 실시예에서, 렌즈 소자(306, 308, 310)의 각각은 플라스틱 재료로 제조되지만, 하나 이상의 소자에 대해서는 대신에 광학 유리가 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 여기에서, 렌즈 소자(306, 308, 310)는 플라스틱으로 제조된다. 일 실시예에서, 렌즈 소자(306, 310)는 약 1.53의 굴절율과 약 55.5의 아베 수를 갖는 동일한 재료로 제조되는 반면, 렌즈 소자(308)는 약 1.63의 굴절율과 약 23.3의 아베 수(분산 특징)를 갖는 다른 재료로 제조된다. 이들 재료가 렌즈 설계에 대해 적절한 보상을 제공하지만, 유사한 굴절율 및 아베 수를 갖는 다른 다양한 시판되는 재료가 이 설계에 사용될 수 있다. 또한, 적외선 필터(312)와 센서 커버 글래스(314)는 기능적 용도를 갖지만, 이미지 평면의 적절한 포커스 포지셔닝이 제공되면 촬상 기기의 동등한 광학적 거동을 위해 절대적으로 요구되는 것은 아니며, 따라서 다른 실시예에서는 하나 또는 둘 다 제거될 수 있을 것으로 생각된다.

표 3은 도 7에 도시된 촬상 시스템의 각종 표면에 대한 데이터를 열거하며, 피사체측으로부터 순서대로 표면, 표면의 곡률 반경, 다음 표면까지의 광축(318)을 따른 거리, 및 존재할 경우 그 표면에서 개시 사용되는 재료[굴절율(nd) 및 아베 수(vd)로 특정됨]를 열거한다. 또한, 초점 길이, F/#, 화각, TTL, 및 TTL-대-이미지 크기 또는 높이 또는 서클 비율(이하, TTL/이미지 높이 비율)과 같은 전체적으로 시스템의 다른 값들이 표시된다. 조리개(304)와 제1 렌즈 소자 표면(306a) 사이의 거리가 네거티브해도, 조리개는 렌즈 소자(306)의 피사체측에 배치됨에 유의해야 한다. 표면(306a)의 곡률은 광축에 가장 가까운 표면(306a) 부분이 조리개를 통해서 돌출하도록 충분히 높다.

[표 3]

도 7에서의 실시예에 대한 렌즈 데이터, F/#: 2.4, f=3.4mm, FOV 33.4°, TTL 3.93mm, TTL/이미지 서클 0.88

또한 (TTL/이미지 크기) 비율이 표 3에 열거되어 있음에 유의해야 한다. 이미지 크기는 선택된 시야로부터 산출된다. 이 특정 설계는 4.48mm의 대각선 크기를 갖는 장방형 어레이를 갖는 이미지 센서(즉, 1.75미크론의 화소 크기를 갖는 3메가픽셀 센서)를 이미지화하도록 최적화되었다. 동일 렌즈 설계는 보다 적은 화소(예를 들면, 2메가픽셀) 및 유사한 1.75미크론 또는 약간 큰 화소 피치를 갖는 센서와 함께 사용되어 유사하거나 개선된 성능을 달성할 수 있다. 이미지 크기는 모든 화소가 조명되도록 이 정도 크기여야 하지만, 이것이 취약한 콘트라스트 및 카메라의 좁은 시야를 초래할 수 있으므로 이보다 많이 크지는 않아야 한다. 당업자에게 공지되어 있듯이, (TTL/이미지 크기) 비율은 보통 1보다 크며, 결과적인 이미지에 허용될 수 없는 수차를 초래하지 않으면서 이 값 아래로 내려가는 것은 매우 곤란하다. 0.90 미만의 (TTL/이미지 크기)는 매우 공격적인 것이다. 이 실시예에서, (TTL/이미지 크기)는 0.88이다. 이미지 센서 크기가 측방향으로 계속 축소됨에 따라, 작은 (TTL/이미지 크기) 비율의 달성은 광축을 따라서 극히 얇은 촬상 기기를 가능하게 할 것이다.

렌즈를 생성하는데 사용되는 플라스틱은 임의의 적절한 플라스틱, 예를 들면 Zeon Chemical Company에 의해 생산되는 E48R, 일본 소재의 Osaka Gas Chemicals Co., Ltd에서 시판하는 OKP4, 아크릴, PMMA 등과 같은 폴리카보네이트일 수 있다. 표 3에서의 렌즈 재료는 모두 플라스틱으로 나타나 있지만, 예를 들어 유리와 같은 다른 적합한 재료가 사용될 수도 있다. 또한, 각각의 렌즈는 그 소망 성능에 따라 다른 재료로 제조될 수 있다. 렌즈는 선택된 재료에 대한 임의의 적절한 방법에 따라, 예를 들면 사출 성형, 유리 성형, 복제, 웨이퍼 레벨 제작 등에 의해 제조될 수 있다.

표 4는 방정식 1에 따른 각각의 비구면에 대한 비구면 계수를 열거한다. 통상, 짝수 비구면에 대해 i가 홀수일 때 홀수항 Ai은 0이지만(Ai=0), 표면(307, 308)의 경우에 이는 그렇지 않다. 또한, 렌즈 시스템에 대해서, 이하의 조건도 충족되는 바: fi/f < 0.8, 여기에서 fi는 제1 렌즈 소자(6)의 초점 길이이고, f는 전체 렌즈 시스템의 초점 길이이다. 이 실시예의 렌즈 시스템은 이 조건을 fi/f≒0.65로서 수행한다. 이는 시스템의 제1 렌즈 소자에서 비교적 높은 정도의 광학 파워에 해당한다. 이는 렌즈 시스템의 TTL을 작게 유지하는데 도움이 된다.

[표 4]

도 7에서의 실시예에 대한 비구면 계수 (ZEMAX 비구면 계수 및 형태)

이제 용어 "결합 조리개(coupled aperture)"에 대해 정의할 것이다. 대부분의 렌즈 시스템에서, 시스템을 통과하는 빛은 피사체 상의 임의의 주어진 지점으로부터 이미지에 도달하는 광선 다발의 크기를 제한하는 단일 조리개에 의해 제어된다. 잘 보정된 렌즈 시스템에 있어서, 조리개는 따라서 시스템을 통해서 허용될 수 있는 광의 최대 각도를 묘사함으로써 렌즈의 시야(field of view)를 제한한다. 도 7에서의 조리개(304)는 이 기능에 기여한다. 도 7의 렌즈 소자의 극히 콤팩트하고 공격적으로 비구면적인 보정 때문에, 큰 화각에서의 광선은 덜 양호하게 보정되며, 화각이 작은 광선에 비해서 주변으로의 점 확산 기능이 클 수 있다. 제1 렌즈(306) 이후의 제2 조리개(322)는 전체적으로 시스템용 스톱으로서 작용하는데 실질적으로 기여하며, 따라서 제1 조리개와 함께 렌즈의 F/#에 영향을 미친다. 따라서, 결합 조리개(319)의 제1 소자(304) 및 제2 소자(322)는 각각 렌즈 시스템(302)용 스톱 기능에 기여한다.

도 8은 대체 실시예의 단면도이다. 도 8은 촬상 기기(320)를 표시한다. 이 실시예에서 렌즈 소자 및 그 포지셔닝은 도 7에 도시된 실시예의 그것과 유사하다. 주요 차이점은 역시 광축(318)에 대해 반경방향으로 대칭적인 제3 조리개의 추가이다. 이 조리개(324)는 이차 조리개(secondary aperture)로서 작용하며, 제3 렌즈 소자(310)의 피사체측 근처에 배치된다. 렌즈 소자의 서로에 대한 상대 위치 및 이미지 센서에 대한 상대 위치는 촬상 기기(320)에서 촬상 기기(302)에 비해 변경되지 않지만, 이 실시예에서 제3 조리개의 위치는 표면(308)의 이미지측으로부터 0.14mm 뒤에 있다.

제3 조리개(324)가 이미지 센서에 부딪힐 광의 일부를 차단하지만, 시스템을 전체적으로 통과하는 광량(amount of light)은 약간 감소할 뿐이다. 상대 및 전체 조도가 약간 감소될 뿐이고 시야가 도 7의 촬상 기기에 비해 도 8의 촬상 기기에서 변하지 않기 때문에, 이 조리개는 시스템의 구경 조리개로서 정의될 수 없다. 그럼에도 불구하고, 이차 조리개의 존재로 인해 화질 개선이 있게된다. 시스템을 통과하고 이미지의 콘트라스트에 악영향을 미칠 수 있는 미광(迷光: stray light)은 감소될 것이다. 상기 및 기타 효과는 조도의 상당한 감소없이 이차 조리개를 포함함으로써 개선될 수 있다.

도 9는 렌즈 시스템의 촬상 특성을 나타내기 위해 예시적 광선을 추가하는, 전술한 실시예의 단면도의 단순화 버전을 도시한다. TTL 및 이미지 서클 크기 또한 도시되어 있다.

도 10은 도 8의 렌즈 시스템의 몇몇 파장에서의 왜곡 값을 도시한다. 당업자라면 알 수 있듯이, 렌즈 시스템이 극히 콤팩트해도, 수차가 잘 보상될 수 있다.

도 11은 이미지 센서를 때리는 광의 상대 조도를 도 7의 이미지 장치(2)에 대한 Y 높이의 함수로서 도시한다. 이미지의 주변을 향한 조도의 감소는 임의의 렌즈 시스템에서 정상적인 것이며, 도시된 곡선은 많은 유사한 카메라 모듈에서 보편적인 것이다. 도 8의 이미지 장치(20)에서의 상대 조도는 이미지 장치(2)의 그것과 거의 동일하며, 도시되지는 않았지만 이는 또한 도 8의 실시예에서의 이차 조리개가 시스템을 통과하는 광속(light flux)에 대해 작은 효과만을 가짐을 확증해준다.

전술했듯이, 렌즈의 공간 해상도를 측정하는데 사용되는 통상적인 측정기준은 MTF(변조 전달 함수)이며, 이는 다양한 공간 주파수에서 렌즈 시스템의 분해가능한 콘트라스트를 대략 정량화한다. MTF는 상이한 광 파장, 피사체 거리, 및 화각에서 측정 또는 계산되는 것이 보통이다. 도 12a 내지 도 12d는 8m, 1m, 0.5m 및 0.3m의 피사체 거리에서 도 8에 도시된 렌즈 시스템의 실시예의 다색 MTF를 각각 플롯 도시한다. 각각의 그래프에서, 각각의 선은 상이한 화각에서 필요 거리에서 피사체로부터의 MTF를 나타낸다. 각각의 피사체 거리에서, 주어진 화각에서의 MTF는 1.0의 최대치(주어진 공간 주파수에서 풀 콘트라스트에서의 분해)로부터 낮은 값으로 떨어지는 경향이 있는 바, 이는 보다 미세하고 미세한 디테일, 즉 보다 높은 공간 주파수 성분을 갖는 디테일로 분해되는 능력의 전반적인 손실을 나타낸다. 기울기가 얕은 MTF는 보다 급격하게 하락하는 MTF 값을 갖는 이미지에 비해 보다 "초점이 맞은(in focus)"것 같은 이미지에 해당될 것이다.

도 12a 내지 도 12d에 도시된 MTF 곡선은 다색 MTF 플롯이다. 이 곡선에 의하면, 여러가지 상이한 광 파장의 MTF 값이 시스템에 대해 독립적으로 계산되고 중량 인자와 함께 추가되며 공간 주파수가 제로일 때 다색 MTF가 여전히 1이도록 표준화됨을 의미한다. 도 12a 내지 도 12d를 계산하는데 사용되는 파장 및 그 대응하는 중량 인자는 표 5에 열거되어 있다. 파장 및 중량 인자의 임의의 조합이 사용될 수 있지만, 소정의 이미지 센서 범위에 적절히 걸쳐있는 파장 세트를 선택하고 센서 파장 반응에 대해 또는 아마도 사람 눈의 파장 반응에 대해 양호하게 대응하는 중량 인자를 갖는 것이 일반적이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 표 5에서의 중량은 동일할 수 있다. 다른 실시예에서는, 약 486, 588 및 656nm에서의 보다 적은 파장이 대략 동일한 중량에 부여되어 가시광선 스펙트럼에서의 반응을 근사화시킬 수 있다. 당업자에게 자명한 다른 조합이 사용될 수도 있다.

[표 5]

다색 MTF를 계산하는데 사용되는 파장 및 중량

이 형태의 MTF 데이터는 유용하지만, 렌즈 시스템의 품질 평가에 있어서 항상 직관적으로 명백한 결과를 제공하지는 않는다. 종종 MTF 데이터는 TF-MTF 그래프 형태로 플롯 도시된다. MTF 대 공간 주파수를 도시하는 대신에, MTF가 주어진 곡선에 대해 고정된 파장 및 공간 주파수를 갖는 이미지 거리에 대해 플롯 도시된다. 이미지 거리는 시스템의 이미지 평면으로부터 이격된 거리로서 정의되며, 렌즈 시스템을 통한 피사체 거리로부터 계산될 수 있다. 예시적인 TF-MTF 그래프를 도 13a에서 볼 수 있다. 이는 표 5의 동일한 파장 및 중량 인자를 갖는 다색 MTF이다. z=0에서 플롯 상의 이미지 거리는 보통 피사체가 과초점 거리에 있는 이미지 초점면에 대응하도록 선택되고; 수직 축 우측의 이미지 거리는 렌즈로부터 이 거리보다 멀리 있는 피사체에 대응하며 수직 축 좌측의 이미지 거리는 보다 가까운 피사체에 대응한다.

도 13a 및 도 13b는 71 cycles/mm 공간 주파수에서 접선방향 및 시상(sagittal) 광선 양자에 대한 다수의 상이한 화각에 대해 플롯 도시한 것이다. 이 주파수는 이미지 평면에서 사용될 수 있는 하나의 가능한 이미지 센서의 나이키스트/4 주파수(N/4)를 매치시키기 위해 선택되었지만, 이미지 센서의 정확한 형태는 본 발명에 중요하지 않다. 예를 들어, 본 실시예에 개시된 렌즈 설계는 약 1.75미크론의 화소 피치를 갖는 센서에 사용될 수 있다. TF-MTF 플롯은 수직 축에 대해 비대칭적일 수 있다. 이 플롯이 특히 렌즈 시스템에 대해 과초점 거리보다 가까운 피사체를 나타내는 수직 축의 좌측으로 넓을 때, 이는 렌즈의 분해능이 광범위한 피사체 거리에 걸쳐서 양호하거나 즉 렌즈의 피사계 심도가 깊음을 나타낸다.

본 명세서에 개시된 렌즈 세트 실시예 및 그 변형예는, 공통적으로 양도되어 계류중이고 그 전체가 본 명세서에 원용되는 2007년 11월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/001,988호 및 2007년 11월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/002,262호에 개시된 것과 같은 확장형 또는 맞춤형 피사계 심도 기술을 포함할 수 있다. 이를 위해, 렌즈 아키텍처는, 공통적으로 양도되어 계류중이고 그 전체가 본 명세서에 원용되는 2008년 1월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/970427호에 개시된 것과 같은, 후속 이미지 처리를 사용하여 보정될 수 있는 약간의 종방향 수차(회절 수차와 색 수차 양자를 포함)를 갖는 다소 흐릿한 이미지를 생성할 수 있다.

도 13b는 도 13a에 도시된 것과 동일하지만 명료함을 위해 높은 화각이 제거된 데이터를 플롯 도시한다.

도 14는 본 발명의 렌즈 시스템의 일 실시예의 단면도이다. 이 실시예에서, 렌즈 시스템은 1.4미크론의 화소 크기를 갖는 것이 바람직한 5메가픽셀 이미지 센서와 함께 사용될 수 있다. 이 형태의 대표적인 이미지 센서는 2592개의 수평 화소, 3.6288mm의 수평 센서 폭, 1944개의 수직 화소, 2.7216mm의 수직 센서 폭, 및 4.536mm의 센서 대각선 또는 이미지 서클을 구비할 수 있다. 대안적으로, 렌즈 시스템은 1.75미크론 화소 크기를 갖는 것이 바람직한 3메가픽셀 이미지 센서와 함께 사용될 수 있다. 이 형태의 대표적인 이미지 센서는 2048개의 수평 화소, 3.584mm의 수평 센서 폭, 1536개의 수직 화소, 2.688mm의 수직 센서 폭, 및 4.48mm의 센서 대각선 또는 이미지 서클을 구비할 수 있다. 따라서, 렌즈 시스템에 의해 생성되는 이미지 서클은 조도 및 왜곡 결함을 최소화하기 위해 적어도 센서 대각선 만큼 커야한다.

도 14에는 본 실시예의 렌즈 시스템을 사용하는 예시적인 촬상 기기(400), 여기에서는 카메라가 도시되어 있다. 여기에서, 피사체측은 좌측에 위치하고, 네 개의 렌즈 콤포넌트는 광축을 따라서 순서대로 배치된다. 렌즈 콤포넌트의 이미지측에서, 이미지 센서 이에는 커버 글래스가 배치된다(도시되지 않음). 피사체측의 제1 렌즈 소자의 전방에는 구경 조리개가 배치된다. 피사체측에서 시작하여, 먼저 제1 조리개(404), 렌즈 소자(406), 조리개(420), 렌즈 소자(408), 조리개(422), 렌즈 소자(410), 조리개(424), 렌즈 소자(411), 적외선 필터(412), 및 이미지 센서(416)가 순서대로 배치된다. 모두 네 개의 조리개(404, 420, 422, 424)와 모두 네 개의 렌즈 소자(406, 408, 410, 411)는 광축(418) 주위에서 반경방향으로 대칭적이다. 후자의 세 개의 조리개(420, 422, 424)의 기능은 렌즈 소자(406, 408, 410, 411)가 보유되는 배럴(도시되지 않음)에 의해 제공될 수 있다.

피사체측으로부터 첫 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(406)는 포지티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(406)는 렌즈 시스템의 광학 파워의 많은 것을 떠맡는다. 렌즈 소자(406)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(406a)은 전체 표면에 걸쳐서 볼록한 형상이다. 렌즈 소자(406)의 이미지측 제2 표면(406b)은 렌즈의 주변 근처에서 약간 볼록해지고 광축 근처에서 오목한 형상을 갖는다. 피사체측으로부터 두 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(408)는 네거티브 굴절력을 가지며 대체로 반원 형상을 갖는다. 렌즈 소자(408)는 주로 색 수차 및 기타 수차를 보정하는데 사용된다. 렌즈 소자(408)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(408a)은 오목한 형상이다. 렌즈 소자(408)의 이미지측 제2 표면(408b)은 볼록한 형상을 갖는다.

피사체측으로부터 세 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(410)는 네거티브 굴절력 부분 및 포지티브 굴절력 부분을 갖는 바, 광축 근처의 부위는 약간의 포지티브 굴절력을 갖고 주변을 향한 부위는 네거티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(410)는 주로 시야 보정기로서 작용한다. 렌즈 소자(410)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(410a)은 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 볼록한 형상은 광축 근처에 제공된다. 렌즈 소자(410)의 이미지측 제2 표면(410b) 역시 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 오목한 형상은 광축 근처에 제공된다. 일 실시예에서, 이 렌즈 소자(410) 상의 양 표면의 중심의 곡률 반경은 유사하다. 예를 들어, 이하의 표 6은 렌즈 소자(410)의 양면(410a, 410b)의 광축 근처에서의 곡률 반경은 서로의 약 20% 이내에 있음을 나타낸다.

피사체측으로부터 네 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(411)는 네거티브 굴절력 부분 및 포지티브 굴절력 부분을 갖는 바, 광축 근처의 부위는 약간의 포지티브 굴절력을 갖고 주변을 향한 부위는 네거티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(411)는 주로 추가 시야 보정기로서 작용한다. 렌즈 소자(411)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(411a)은 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 볼록한 형상은 광축 근처에 제공된다. 렌즈 소자(411)의 이미지측 제2 표면(411b) 역시 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 오목한 형상은 광축 근처에 제공된다. 일 실시예에서, 이 렌즈 소자(411) 상의 양 표면의 중심의 곡률 반경도 유사하다. 예를 들어, 이하의 표 6은 렌즈 소자(411)의 양면(411a, 411b)의 광축 근처에서의 곡률 반경은 서로의 약 20% 이내에 있음을 나타낸다. 적외선 필터 표면(412a, 412b)뿐 아니라 커버 글래스 표면(도시되지 않음)은 모두 실질적으로 평탄하다.

이 특정 실시예에서, 렌즈 소자(406, 408, 410, 411)의 각각은 플라스틱 재료로 제조되지만, 하나 이상의 소자에 대해서는 대신에 광학 유리가 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 여기에서, 렌즈 소자(406, 408, 410, 411)는 플라스틱으로 제조된다. 일 실시예에서, 렌즈 소자(406, 410, 411)는 약 1.53의 굴절율과 약 55.6의 아베 수를 갖는 플라스틱이 바람직한 동일한 재료로 제조되는 반면, 렌즈 소자(408)는 약 1.63의 굴절율과 약 23.3의 아베 수를 갖는 플라스틱이 바람직한 다른 재료로 제조된다. 전술한 재료는 적절한 굴절율 및 분산값을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서는, Zeon Chemical Company로부터의 F52R 재료가 이 설계에 적당할 수 있다. 이들 재료가 렌즈 설계에 대해 적절한 보상을 제공하지만, 유사한 굴절율 및 아베 수를 갖는 다른 시판되는 재료가 대신에 사용될 수 있다. 또한, 적외선 필터(412)와 센서 커버 글래스(도시되지 않음)는 기능적 용도를 갖지만, 이미지 평면의 적절한 포커스 포지셔닝이 제공되면 촬상 기기의 동등한 광학적 거동을 위해 절대적으로 요구되는 것은 아니며, 따라서 다른 실시예에서는 하나 또는 둘 다 제거될 수 있을 것으로 생각된다. 상이한 센서 패키지 및 상이한 카메라 모듈은 별개의 적외선 필터 및 커버 글래스 소자를 사용할 수 있는 반면, 다른 것들은 예를 들어 하나 이상의 다른 표면(예를 들면, 렌즈 또는 커버 글래스)에 적외선 필터 코팅을 적용함으로써 이들 소자를 조합할 수 있다. 제공된 설계 및 재료 선택에 의하면, 렌즈 시스템의 전체 트랙 길이는 보다 작게 유지될 수 있을 뿐 아니라, 낮은 F/#를 가능하게 하고, 센서에서 이미지 표면에 도달하는 광선 각도를 최소화시킬 수 있다.

도 14에 도시된 광학계(400)에 대해서, 모든 광학면의 광학 설계 계수 및 조리개와 함께, 렌즈를 제조할 수 있는 재료가 후술하듯이 표 6 및 표 7에 제공된다:

[표 6]

도 14에서의 실시예에 대한 렌즈 데이터: F/#: 2.4, f=3.36mm, FOV=33.9도, TTL=4.025mm, TTL/이미지 서클=0.89

[표 7]

도 14에서의 실시예에 대한 비구면 계수 (ZEMAX 비구면 계수 및 형태)

도 15는 도 14의 렌즈 시스템의 촬상 특성을 나타내기 위해 예시적 광선을 추가하는, 도 14의 실시예의 단면도의 단순화 버전을 도시한다.

도 16a는 상면 만곡을 도시하고, 도 16b는 도 14의 렌즈 시스템의 여러 파장에서의 왜곡 값을 도시한다. 당업자라면 알 수 있듯이, 렌즈 시스템이 극히 콤팩트해도, 수차가 잘 보상되었다. 본 실시예에 의해 달성되는 다른 성능 장점은 개선된 색 수차 성능이다. 전술했듯이, 개선된 피사계 심도 성능은 이미지 센서 데이터의 후처리를 통해서 달성될 수 있다. 이러한 처리는 색 포커스 시프트가 도 16c에 도시하듯이 제어되면 보다 효과적일 수 있다. 색 포커스 시프트는 가시광선 스펙트럼을 가로질러 35미크론 이하로 제한된다. 플라스틱 렌즈를 사용하는 종래의 렌즈 설계는 통상 60미크론을 초과하는 색 포커스 시프트를 보인다. 따라서, 수차(회절 수차 및 색 수차를 둘 다 포함)는 공통 양도되고 계류중인 2008년 1월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/970427호에 개시된 것과 같은 후속 이미지 처리를 사용하여 보정될 수 있다.

도 17은 이미지 센서를 때리는 광의 상대 조도를 도 14의 이미지 장치에 대한 Y 높이의 함수로서 도시한다. 도시된 곡선은 도 7의 이미지 장치에 대해 도 11에 도시된 것과 유사하며, 또한 유사한 콤팩트 카메라 모듈에서 통상적인 것이다.

도 18a 내지 도 18c는 1m, 0.5m 및 0.3m의 피사체 거리에서 도 14에 도시된 렌즈 시스템의 실시예의 다색 MTF 성능을 각각 플롯 도시한다. 각각의 그래프에서, 각각의 선은 상이한 화각에서 필요 거리에서 피사체로부터의 MTF를 나타낸다. 도 18a 내지 도 18c를 계산하는데 사용되는 파장 및 그 대응하는 중량 인자는 표 5에 열거되어 있다. 도 18a 내지 도 18c의 플롯의 각각에서의 수평 축은 약 나이키스트/4(또는 1.4미크론 이미지 센서 화소 크기에 대해 약 179 cycles/mm)까지의 공간 주파수를 도시한다.

도 19는 나이키스트/2 또는 약 89 cycles/mm 공간 주파수에서 접선방향 및 시상 광선 양자에 대한 다수의 상이한 화각에 대해 플롯 도시한, 도 14에 도시된 렌즈 시스템에 대한 TF-MTF 그래프를 도시한다. 특히, 이 TF-MTF 플롯은 전술한 것과 동일한 비대칭 속성을 도시한다. 즉, 0mm 포커스 시프트에서의 곡률 피크에도 불구하고, 0mm의 좌측에서 MTF 곡선 아래의 면적은 0mm의 우측에서 MTF 곡선 아래의 면적보다 크다. 이를 나타내기 위해, 약 -0.04mm의 포커스 시프트에서의 MTF 곡선은 약 0.2 내지 0.3이다. 그에 비해, 약 +0.04mm의 포커스 시프트에서의 MTF 곡선은 실질적으로 약 0.2 이하이다.

도 20은 본 발명의 렌즈 시스템의 일 실시예의 단면도이다. 이 실시예에서, 렌즈 시스템은 1.75미크론 화소 크기를 갖는 것이 바람직한 5메가픽셀 이미지 센서와 함께 사용될 수 있다. 이 형태의 대표적인 이미지 센서는 2592개의 수평 화소, 4.536mm의 수평 센서 폭, 1944개의 수직 화소, 3.402mm의 수직 센서 폭, 및 5.67mm의 센서 대각선을 구비할 수 있다. 따라서, 렌즈 시스템에 의해 생성되는 이미지 서클은 조도 및 왜곡 결함을 최소화하기 위해 적어도 센서 대각선 만큼 커야한다.

도 20에서, 피사체측은 좌측에 배치되고, 네 개의 렌즈 콤포넌트가 광축을 따라서 순서대로 배치된다. 렌즈 콤포넌트의 이미지측에는, 적외선 필터와 커버 글래스가 이미지 센서 위에 배치된다. 피사체측에서 제1 렌즈 소자의 전방에 조리개가 배치된다.

본 실시예의 렌즈 시스템을 사용하는 예시적인 촬상 기기(500), 여기에서는 카메라가 도시되어 있다. 피사체측에서 시작하여, 조리개(예를 들면, 배플 또는 햇빛 가리개)(504)와 스톱(520), 렌즈 소자(506), 렌즈 소자(508), 렌즈 소자(510), 조리개(522), 렌즈 소자(511), 적외선 필터(512), 이미지 센서용 커버 글래스(514), 및 이미지 센서(516)가 순서대로 배치된다. 세 개의 조리개(504, 520, 522)와 모두 네 개의 렌즈 소자(506, 508, 510, 511)는 광축(518) 주위에서 반경방향으로 대칭적이다.

피사체측으로부터 첫 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(506)는 포지티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(506)는 렌즈 시스템의 광학 파워의 많은 것을 떠맡는다. 렌즈 소자(506)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(506a)은 전체 표면에 걸쳐서 볼록한 형상이다. 렌즈 소자(506)의 이미지측 제2 표면(506b)은 광축 근처에서 약간 볼록하고 렌즈의 주변 근처에서 약간 더 볼록해지는 형상을 갖는다. 피사체측으로부터 두 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(508)는 네거티브 굴절력을 가지며 대체로 반원 형상을 갖는다. 렌즈 소자(508)는 주로 색 수차 및 기타 수차를 보정하는데 사용된다. 렌즈 소자(508)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(508a)은 오목한 형상이다. 렌즈 소자(508)의 이미지측 제2 표면(508b)은 볼록한 형상을 갖는다.

피사체측으로부터 세 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(510)는 네거티브 굴절력 부분 및 포지티브 굴절력 부분을 갖는 바, 광축 근처의 부위는 약간의 포지티브 굴절력을 갖고 주변을 향한 부위는 네거티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(510)는 주로 시야 보정기로서 작용한다. 렌즈 소자(510)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(510a)은 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 볼록한 형상은 광축 근처에 제공된다. 렌즈 소자(510)의 이미지측 제2 표면(510b) 역시 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 오목한 형상은 광축 근처에 제공된다. 일 실시예에서, 이 렌즈 소자(510) 상의 양 표면의 중심의 곡률 반경은 유사하다. 예를 들어, 이하의 표 8은 렌즈 소자(510)의 양면(510a, 510b)의 광축 근처에서의 곡률 반경은 서로의 약 26% 이내에 있음을 나타낸다.

피사체측으로부터 네 번째 렌즈 소자인 렌즈 소자(511)는 네거티브 굴절력 부분 및 포지티브 굴절력 부분을 갖는 바, 광축 근처의 부위는 약간의 포지티브 굴절력을 갖고 주변을 향한 부위는 네거티브 굴절력을 갖는다. 렌즈 소자(511)는 주로 추가 시야 보정기로서 작용한다. 렌즈 소자(511)의 피사체측에 가장 가까운 표면인 표면(511a)은 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 볼록한 형상은 광축 근처에 제공된다. 렌즈 소자(511)의 이미지측 제2 표면(511b) 역시 볼록한 형상과 오목한 형상을 둘 다 포함하며, 오목한 형상은 광축 근처에 제공된다. 일 실시예에서, 이 렌즈 소자(511) 상의 양 표면의 중심의 곡률 반경은 유사하다. 예를 들어, 이하의 표 8은 렌즈 소자(511)의 양면(511a, 511b)의 광축 근처에서의 곡률 반경은 서로의 약 38% 이내에 있음을 나타낸다. 적외선 필터 표면(512a, 512b)뿐 아니라 커버 글래스 표면(514a, 514b)은 모두 실질적으로 평탄하다.

이 특정 실시예에서, 렌즈 소자(506, 508, 510, 511)의 각각은 플라스틱 재료로 제조되지만, 하나 이상의 소자에 대해서는 대신에 광학 유리가 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 여기에서, 렌즈 소자(506, 508, 510, 511)는 플라스틱으로 제조된다. 일 실시예에서, 렌즈 소자(506, 510, 511)는 약 1.53의 굴절율과 약 55.5의 아베 수를 갖는 플라스틱이 바람직한 동일한 재료로 제조되는 반면, 렌즈 소자(508)는 약 1.63의 굴절율과 약 23.3의 아베 수를 갖는 플라스틱이 바람직한 다른 재료로 제조된다. 전술한 재료는 적절한 굴절율 및 분산값을 제공할 수 있다. 이들 재료가 렌즈 설계에 대해 적절한 보상을 제공하지만, 유사한 굴절율 및 아베 수를 갖는 다른 시판되는 재료가 이 설계에서 대신 사용될 수 있다. 또한, 적외선 필터(512)와 센서 커버 글래스(514)는 기능적 용도를 갖지만, 이미지 평면의 적절한 포커스 포지셔닝이 제공되면 촬상 기기의 동등한 광학적 거동을 위해 절대적으로 요구되는 것은 아니며, 따라서 다른 실시예에서는 하나 또는 둘 다 제거되거나 다른 소자와 조합될 수 있을 것으로 생각된다. 조리개(504, 520)는 렌즈 소자(506)의 피사체측에 배치되고, 조리개(522)는 제3 렌즈 소자(510) 이후에 배치된다. 제공된 설계 및 재료 선택에 의하면, 렌즈 시스템의 전체 트랙 길이는 보다 작게 유지될 수 있을 뿐 아니라, 낮은 F/#를 가능하게 하고, 센서에서 이미지 표면에 도달하는 광선 각도를 최소화시킬 수 있다.

도 20에 도시된 광학계(500)에 대해서, 모든 광학면의 광학 설계 계수 및 조리개와 함께, 렌즈를 제조할 수 있는 재료가 후술하듯이 표 8 및 표 9에 제공된다:

[표 8]

도 20에서의 실시예에 대한 렌즈 데이터: F/#: 2.7, f=4.36mm, FOV=33.5도, TTL=5.1366mm, TTL/이미지 서클=0.91

[표 9]

도 20에서의 실시예에 대한 비구면 계수 (ZEMAX 비구면 계수 및 형태)

도 21은 도 20의 렌즈 시스템의 촬상 특성을 나타내기 위해 예시적 광선을 추가하는, 도 14의 실시예의 단면도의 단순화 버전을 도시한다.

도 22a는 상면 만곡을 도시하고, 도 22b는 도 20의 렌즈 시스템의 여러 파장에서의 왜곡 값을 도시한다. 또한, 색 포커스 시프트는 약 45미크론 이하로 제한된다.

도 23은 이미지 센서를 때리는 광의 상대 조도를 도 20의 이미지 장치에 대한 Y 높이의 함수로서 도시한다. 도시된 곡선은 도 7 및 도 14의 이미지 장치에 대해 도 11 및 도 17에 도시된 것과 유사하며, 또한 많은 유사한 콤팩트 카메라 모듈에서 통상적인 것이다.

도 24a 내지 도 24c는 1m, 0.5m 및 0.3m의 피사체 거리에서 도 20에 도시된 렌즈 시스템의 실시예의 다색 MTF 성능을 각각 플롯 도시한다. 각각의 그래프에서, 각각의 선은 상이한 화각에서 필요 거리에서 피사체로부터의 MTF를 나타낸다. 도 18a 내지 도 18c를 계산하는데 사용되는 파장 및 그 대응하는 중량 인자는 앞서 표 5에 열거되어 있다. 도 18a 내지 도 18c의 플롯의 각각에서의 수평 축은 약 나이키스트/4(또는 1.75미크론 이미지 센서 화소 크기에 대해 약 142 cycles/mm)까지의 공간 주파수를 도시한다.

도 25는 나이키스트/2 또는 약 71 cycles/mm 공간 주파수에서 접선방향 및 시상 광선 양자에 대한 다수의 상이한 화각에 대해 플롯 도시한, 도 20에 도시된 렌즈 시스템에 대한 TF-MTF 그래프를 도시한다. 특히, 이 TF-MTF 플롯은 전술한 것과 동일한 비대칭 속성을 도시한다. 즉, 0mm 포커스 시프트에서의 곡률 피크에도 불구하고, 0mm의 좌측에서 MTF 곡선 아래의 면적은 0mm의 우측에서 MTF 곡선 아래의 면적보다 크다. 이를 나타내기 위해, 약 -0.04mm의 포커스 시프트에서의 MTF 곡선은 약 0.25 내지 0.35이다. 그에 비해, 약 +0.04mm의 포커스 시프트에서의 MTF 곡선은 실질적으로 약 0.3 이하이다.

본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 본 발명의 원리 및 적용을 예시한 것일 뿐임을 알아야 한다. 따라서, 예시적 실시예에 대한 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 취지 및 범위 안에서 다른 구성이 도출될 수 있음을 알아야 한다.

Claims (41)

1. 하나 이상의 고정 광학 소자를 구비하는 고정 광학 유닛이며,
   상기 광학 유닛은 주어진 피사체 거리 및 상기 고정 광학 유닛으로부터 선택된 거리에 배치된 이미지 센서의 촬상면과 연관된 주어진 공간 주파수에 대한 변조 전달 함수(MTF)를 가지며,
   상기 MTF는 선택된 이미지 거리에서 최대이고 선택된 이미지 거리보다 짧은 이미지 거리에 대응하는 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위 이내에서 최대 MTF로부터 소정 역치 이하로 감소하며 선택된 이미지 거리보다 큰 이미지 거리에 대응하는 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위에서는 최대 MTF로부터 감소하지만 소정 역치 이상으로 유지되도록, 이미지 거리에 따라 변화하고,
   상기 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위는 상기 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위보다 크고,
   상기 고정 광학 유닛은 2.8 미만의 F/#를 갖고, 이미지 서클 직경에 대한 고정 광학 유닛의 전체 트랙 길이의 비율은 0.95 미만이며, 고정 광학 유닛의 색 포커스 시프트는 가시광선 스펙트럼을 가로질러 45미크론 이하로 제한되는
   고정 광학 유닛.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소정 역치는 0.1인
   고정 광학 유닛.
3. 제1항에 있어서,
   상기 주어진 공간 주파수는 이미지 센서의 나이키스트 주파수의 절반인
   고정 광학 유닛.
4. 제1항에 있어서,
   상기 주어진 공간 주파수는 이미지 센서의 나이키스트 주파수의 1/4인
   고정 광학 유닛.
5. 제1항에 있어서,
   상기 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위는 선택된 이미지 거리에서부터 무한대에 위치한 피사체가 포커싱되는 이미지 거리까지 연장되는
   고정 광학 유닛.
6. 제1항에 있어서,
   상기 선택된 이미지 거리는 과초점 거리인
   고정 광학 유닛.
7. 제6항에 있어서,
   상기 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위는 선택된 이미지 거리에서부터 상기 과초점 거리의 1/4 이상까지 연장되는
   고정 광학 유닛.
8. 제6항에 있어서,
   상기 MTF는 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위의 특정 부분 내에서 실질적으로 일정하고, 상기 특정 부분에서의 최대 네거티브 포커스 시프트는 과초점 거리의 1/4 이하인
   고정 광학 유닛.
9. 제1항에 있어서,
   상기 MTF는 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위의 특정 부분 내에서 실질적으로 일정하고, 상기 특정 부분에서의 최대 네거티브 포커스 시프트는 선택된 네거티브 포커스 시프트 이하인
   고정 광학 유닛.
10. 제1항에 있어서,
    상기 MTF는 0.03mm보다 큰 포지티브 포커스 시프트에 대해 제로를 향해 감소하는
    고정 광학 유닛.
11. 제1항에 있어서,
    상기 고정 광학 소자들 중 하나는 그 안에 왜곡을 갖는 표면을 구비하는
    고정 광학 유닛.
12. 제11항에 있어서,
    상기 왜곡은 광축으로부터의 반경방향 거리 R 및 광축으로부터의 각도 θ의 함수로서 변화하는
    고정 광학 유닛.
13. 제11항에 있어서,
    상기 왜곡은 f(R,θ)= a×(R⁴-R¹⁶)의 관계에 따라 변화하며, R은 광축으로부터의 반경방향 거리이고, θ는 광축으로부터의 각도인
    고정 광학 유닛.
14. 제11항에 있어서,
    상기 왜곡은 f(R,θ)= a×R²×cos(θ)의 관계에 따라 변화하며, R은 광축으로부터의 반경방향 거리이고, θ는 광축으로부터의 각도인
    고정 광학 유닛.
15. 제11항에 있어서,
    렌즈 스톱 조리개를 더 포함하며, 상기 표면은 상기 렌즈 스톱 조리개에 가장 근접한 왜곡을 갖는
    고정 광학 유닛.
16. 제1항에 있어서,
    상기 MTF는 0.5의 최대값을 가지며, 상기 MTF는 -30㎛ 포커스 시프트에서 0.25 이하인
    고정 광학 유닛.
17. 제1항에 있어서,
    상기 MTF는 0.6 이상의 최대값을 가지며, 상기 MTF는 -30㎛보다 더 네거티브한 포커스 시프트에서 0.25 이하인
    고정 광학 유닛.
18. 제1항에 있어서,
    상기 고정 광학 유닛의 F-넘버는 2.4 이하인
    고정 광학 유닛.
19. 제18항에 있어서,
    상기 고정 광학 유닛의 F-넘버는 1.9 이상인
    고정 광학 유닛.
20. 제18항에 있어서,
    상기 고정 광학 유닛의 F-넘버는 1.75 이상인
    고정 광학 유닛.
21. 제1항에 있어서,
    상기 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위의 제1 서브-범위와 상기 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위의 제2 서브-범위가 감소함에 따라, 상기 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위와 상기 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위는 증가하고, 상기 포지티브 포커스 시프트의 제1 범위의 제1 서브-범위와 상기 네거티브 포커스 시프트의 제2 범위의 제2 서브-범위는 각각 MTF가 최대 MTF로부터 추가의 소정 역치로 감소되는 서브-범위이며, 상기 추가의 소정 역치는 상기 소정 역치보다 큰
    고정 광학 유닛.
22. 제21항에 있어서,
    상기 소정 역치는 0.1이고, 상기 추가의 소정 역치는 0.3인
    고정 광학 유닛.
23. 촬상 시스템이며,
    제1항의 고정 광학 유닛,
    촬상면을 형성하는 이미지 센서로서, 광학 소자에 의해 상기 촬상면에 투사되는 광을 나타내는 원 데이터를 발생시키도록 작동가능한 이미지 센서, 및
    상기 원 데이터를 처리하여 MTF를 증가시키도록 작동가능한 이미지 프로세서를 포함하는
    촬상 시스템.
24. 제23항에 있어서,
    상기 이미지 프로세서는 MTF가 0.25 이하인 포커스 시프트에서 MTF를 증가시키도록 작동가능한
    촬상 시스템.
25. 제23항에 있어서,
    상기 이미지 프로세서는 MTF가 0.125 이상인 포커스 시프트에서 MTF를 증가시키도록 작동가능한
    촬상 시스템.
26. 제23항에 있어서,
    상기 촬상 시스템은 15cm 내지 무한대의 피사계 심도를 갖는 비디오 그래픽 어레이(VGA) 카메라이며, 상기 이미지 프로세서는 15cm 내지 40cm의 피사체 거리에 대응하는 이미지 거리에서 MTF를 증가시키도록 작동가능한
    촬상 시스템.
27. 제23항에 있어서,
    상기 촬상 시스템은 15cm 내지 무한대의 피사계 심도를 갖는 비디오 그래픽 어레이(VGA) 카메라이며, 상기 이미지 프로세서는 30cm 내지 50cm의 피사체 거리에 대응하는 이미지 거리에서 MTF를 증가시키도록 작동가능한
    촬상 시스템.
28. 하나 이상의 고정 광학 소자를 구비하는 고정 광학 유닛에 있어서,
    피사체 공간 내의 주어진 위치 및 상기 고정 광학 유닛으로부터 선택된 이미지 거리에 배치된 이미지 평면과 연관되는 주어진 공간 주파수에 대한 변조 전달 함수(MTF)로서, 상기 MTF는 제1 이미지 거리에서 최대이고 상기 제1 이미지 거리와 상기 제1 이미지 거리로부터의 제1 포커스 시프트를 나타내는 제2 이미지 거리 사이에서는 최대 MTF로부터 적어도 소정 역치를 향해 감소하며 상기 제1 이미지 거리와 상기 제1 이미지 거리로부터의 제2 포커스 시프트를 나타내는 제3 이미지 거리 사이에서는 최대 MTF로부터 감소하지만 소정 역치 이상으로 유지되도록, 이미지 거리에 따라 비대칭적으로 변화하고, 상기 제1 포커스 시프트와 상기 제2 포커스 시프트는 방향이 반대이며, 상기 제1 포커스 시프트와 상기 제2 포커스 시프트 중 하나의 포커스 시프트는 다른 포커스 시프트보다 크기가 큰 변조 전달 함수(MTF)를 특징으로 하고,
    상기 고정 광학 유닛은 2.8 미만의 F/#를 갖고, 이미지 서클 직경에 대한 고정 광학 유닛의 전체 트랙 길이의 비율은 0.95 미만이며, 고정 광학 유닛의 색 포커스 시프트는 가시광선 스펙트럼을 가로질러 45미크론 이하로 제한되는
    고정 광학 유닛.
29. 제28항에 있어서,
    상기 소정 역치는 0.1인 것을 특징으로 하는
    고정 광학 유닛.
30. 제28항에 있어서,
    상기 MTF는 제2 이미지 거리에서 실질적으로 제로로 감소되는 것을 특징으로 하는
    고정 광학 유닛.
31. 삭제
32. 삭제
33. 삭제
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