KR102609163B1

KR102609163B1 - 촬상 광학계

Info

Publication number: KR102609163B1
Application number: KR1020230089103A
Authority: KR
Inventors: 이태윤; 조용주
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2023-07-10
Publication date: 2023-12-05
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: KR20230110462A

Abstract

본 발명의 촬상 광학계는 물체 측으로부터 상면 방향으로 순서대로 배치되는 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 굴절력을 갖는 제4렌즈; 굴절력을 갖는 제5렌즈; 및 정의 굴절력을 가지며, 상 측면이 볼록한 형상인 제6렌즈;를 포함한다.

Description

촬상 광학계{Optical Imaging System}

본 발명은 5매 이상의 렌즈로 구성되는 망원용 촬상 광학계에 관한 것이다.

원거리 촬영이 가능한 망원용 광학계는 상당한 크기를 갖는다. 예를 들어, 망원용 광학계는 광학계 전체 길이(TL)에 대한 전체 초점거리(f)의 비(TL/f)가 1 이상이다. 때문에, 망원용 광학계는 휴대 단말기 등과 같은 소형 전자제품에는 탑재하기 어렵다.

KR

2016-0016931

A

JP

2009-294527

A

US

2013-0021678

A1

본 발명은 원거리 촬영이 가능하면서도 소형 단말기에 탑재될 수 있는 촬상 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 촬상 광학계는 물체 측으로부터 순차적으로 배치되는, 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제4렌즈; 및 정의 굴절력을 갖는 제5렌즈;를 포함하고, 조건식 0.7 < TL/f < 1.0 을 만족한다.

상기 조건식에서 TL은 상기 제1렌즈의 물체 측면으로부터 상면까지의 거리이고, f는 촬상 광학계의 전체 초점거리이다.

본 발명은 원거리 촬영이 가능하면서도 소형 단말기에 탑재될 수 있는 촬상 광학계를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 2는 도 1에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 3은 도 1에 도시된 촬상 광학계의 비구면 특성을 나타낸 표
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 5는 도 4에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 6은 도 5에 도시된 촬상 광학계의 비구면 특성을 나타낸 표
도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 8은 도 7에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 9는 도 7에 도시된 촬상 광학계의 비구면 특성을 나타낸 표
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 촬상 광학계가 탑재된 휴대 단말기의 배면도
도 11은 도 10에 도시된 휴대 단말기의 단면도

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.

아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

아울러, 본 명세서에서 제1렌즈는 물체(또는 피사체)와 가장 가까운 렌즈를 의미하고, 제6렌즈는 상면(또는 이미지 센서)과 가장 가까운 렌즈를 의미한다. 본 명세서에서 렌즈의 곡률 반지름(Radius), 두께(Thickness), TL, IMG HT(상면의 대각길이의 1/2), 초점거리의 단위는 모두 ㎜ 단위이다. 아울러, 렌즈의 두께, 렌즈 간의 간격, TL은 렌즈의 광축에서의 거리이다. 아울러, 렌즈의 형상에 대한 설명에서 일면이 볼록한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 볼록하다는 의미이고, 일면이 오목한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 오목하다는 의미이다. 따라서, 렌즈의 일면이 볼록한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 오목할 수 있다. 마찬가지로, 렌즈의 일면이 오목한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 볼록할 수 있다.

촬상 광학계는 2개의 렌즈 군을 포함한다. 예를 들어, 촬상 광학계는 제1렌즈 군과 제2렌즈 군으로 구성된다.

제1렌즈 군은 복수의 렌즈로 구성된다. 예를 들어, 제1렌즈 군은 3매 렌즈로 구성되거나 4매 렌즈로 구성될 수 있다.

전자의 경우, 제1렌즈 군은 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈로 구성된다. 제1렌즈는 물체 측면이 볼록한 형상이고, 제2렌즈는 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이고, 제3렌즈는 상 측면이 오목한 형상이다.

후자의 경우, 제1렌즈 군은 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제2렌즈, 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈, 정의 굴절력을 갖는 제4렌즈로 구성된다. 제1렌즈는 물체 측면이 볼록한 형상이고, 제2렌즈는 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이고, 제3렌즈는 양면이 오목한 형상이고, 제4렌즈는 양면이 볼록한 형상이다.

제1렌즈 군은 비구면 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 제1렌즈 군을 구성하는 모든 렌즈들은 적어도 일면이 비구면일 수 있다. 제1렌즈 군은 플라스틱 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 제1렌즈 군을 구성하는 모든 렌즈들은 플라스틱으로 제작될 수 있다.

제2렌즈 군은 복수의 렌즈로 구성된다. 예를 들어, 제2렌즈 군은 부의 굴절력을 갖는 렌즈와 정의 굴절력을 갖는 렌즈로 구성될 수 있다. 여기서, 부의 굴절력을 갖는 렌즈는 양면이 오목한 형상이고, 정의 굴절력을 갖는 렌즈는 양면이 볼록한 형상일 수 있다.

제2렌즈 군은 비구면 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 제2렌즈 군을 구성하는 모든 렌즈들은 적어도 일면이 비구면일 수 있다. 제2렌즈 군은 플라스틱 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 제2렌즈 군을 구성하는 모든 렌즈들은 플라스틱으로 제작될 수 있다.

촬상 광학계에서 렌즈의 비구면은 수학식 1로 표현될 수 있다.

수학식 1에서 c는 해당 렌즈의 곡률 반지름의 역수이고, k는 코닉 상수이고, r은 비구면 상의 임의의 점으로부터 광축까지의 거리이고, A ~ J는 비구면 상수이고, Z(또는 SAG)는 비구면 상의 임의의 점으로부터 해당 비구면의 정점까지의 광축 방향으로의 높이이다.

촬상 광학계는 필터, 이미지 센서, 조리개를 더 포함한다.

필터는 제2렌즈 군의 최후방 렌즈와 이미지 센서 사이에 배치된다. 필터는 선명한 화상이 구현될 수 있도록 일부 파장의 빛을 차단할 수 있다. 예를 들어, 필터는 적외선 파장의 빛을 차단할 수 있다.

이미지 센서는 상면을 형성한다. 예를 들어, 이미지 센서의 표면은 상면을 형성할 수 있다.

조리개는 렌즈로 입사되는 광량을 조정하도록 배치된다. 예를 들어, 조리개는 제2렌즈와 제3렌즈 사이에 배치될 수 있다.

촬상 광학계는 아래의 조건식들을 만족할 수 있다.

[조건식 1] 0.7 < TL/f < 1.0

[조건식 2] 0.9 < d1G2G < 1.7

[조건식 3] -2.5 < f/f2 < -0.5

[조건식 4] -3.5 < f/f3 < -0.4

[조건식 4] 1.6 < Ndi < 1.75

[조건식 6] 0.3 < tanθ < 0.5

[조건식 7] -1.0 < f1G/f2G < -0.2

[조건식 8] TL/f1 < 2.0

상기 조건식에서 TL은 제1렌즈의 물체 측면으로부터 상면까지의 거리이고, f는 촬상 광학계의 전체 초점거리이고, d1G2G는 제1렌즈 군에서 상면과 가장 인접한 렌즈의 상 측면으로부터 상기 제2렌즈 군에서 물체 측과 가장 인접한 렌즈의 물체 측면까지의 거리이고, f1은 제1렌즈의 초점거리이고, f2은 제2렌즈의 초점거리이고, f3은 제3렌즈의 초점거리이고, Ndi는 상면에 가장 인접하게 배치되는 렌즈의 굴절률이고, θ는 촬상 광학계의 반화각이고, f1G는 상기 제1렌즈 군의 합성 초점거리이고, f2G는 상기 제2렌즈 군의 합성 초점거리이다.

조건식 1은 촬상 광학계의 소형화를 위한 조건이다. 예를 들어, 조건식 1의 상한값을 벗어나는 촬상 광학계는 소형화가 어려워 휴대용 단말기에 탑재가 어렵고, 조건식 1의 하한값을 벗어나는 촬상 광학계는 제작이 어렵다.

조건식 2는 망원용 광학계를 구성하기 위한 설계조건이다. 예를 들어, 조건식 2의 하한값을 벗어나는 촬상 광학계는 초점거리가 짧아져 망원용 카메라에 탑재하기 어렵고, 조건식 2의 상한값을 벗어나는 촬상 광학계는 광학계의 전체 길이(TL)가 커져 소형화가 어렵다.

조건식 3은 고해상도의 촬상 광학계를 구현하기 위한 제2렌즈의 설계조건이다. 예를 들어, 조건식 3의 수치범위를 벗어나는 제2렌즈는 촬상 광학계의 비점수차를 증가시켜 화상의 열화를 야기할 수 있다.

조건식 4는 고해상도의 촬상 광학계를 구현하기 위한 제3렌즈의 설계조건이다. 예를 들어, 조건식 4의 수치범위를 벗어나는 제3렌즈는 촬상 광학계의 비점수차를 증가시켜 화상의 열화를 야기할 수 있다.

조건식 5는 고해상도의 촬상 광학계를 위한 상면과 가장 인접한 렌즈의 설계조건이다. 예를 들어, 조건식 5의 수치범위를 만족하는 렌즈는 26 이하의 낮은 아베수를 가지므로, 비점수차, 종색수차, 배율수차의 보정에 유리하다.

조건식 6은 망원용 촬상 광학계를 구성하기 위한 화각의 범위이고, 조건식 7은 고해상도의 촬상 광학계를 위한 F No.의 수치범위이다.

조건식 8은 촬상 광학계의 수차보정을 위한 제1렌즈 군과 상면 만곡 보정을 위한 제1렌즈 군 간의 적정 초점비율을 제안한 것이다.

다음에서는 여러 실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 제1실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

촬상 광학계(100)는 제1렌즈 군(1G)과 제2렌즈 군(2G)으로 구성된다.

제1렌즈 군(1G)은 제1렌즈(110), 제2렌즈(120), 제3렌즈(130)를 포함한다.

제1렌즈(110)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 제2렌즈(120)는 부의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(130)는 부의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다.

제2렌즈 군(2G)은 제4렌즈(140), 제5렌즈(150)를 포함한다.

제4렌즈(140)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 아울러, 제4렌즈(140)는 상 측면에 변곡점이 형성되는 형상이다. 예를 들어, 제4렌즈(140)의 상 측면은 광축 부근에서 오목하고 가장자리에서 볼록한 형상일 수 있다. 제5렌즈(150)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 아울러, 제5렌즈(150)는 물체 측면에 변곡점이 형성되는 형상이다.

촬상 광학계(100)는 필터(170), 이미지 센서(180), 조리개(ST)를 더 포함한다. 필터(170)는 제5렌즈(150)와 이미지 센서(180) 사이에 배치되고, 조리개(ST)는 제2렌즈(120)와 제3렌즈(130) 사이에 배치된다.

위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 2에 도시된 바와 같은 수차 특성을 나타낸다. 도 3은 본 실시 예에 따른 촬상 광학계의 비구면 특성을 나타낸다. 본 실시 예에 따른 촬상 광학계(100)의 렌즈 특성은 표 1과 같다.

도 4를 참조하여 제2실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

촬상 광학계(200)는 제1렌즈 군(1G)과 제2렌즈 군(2G)으로 구성된다.

제1렌즈 군(1G)은 제1렌즈(210), 제2렌즈(220), 제3렌즈(230)를 포함한다.

제1렌즈(210)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제2렌즈(220)는 부의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(230)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다.

*제2렌즈 군(2G)은 제4렌즈(240), 제5렌즈(250)를 포함한다.

제4렌즈(240)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 아울러, 제4렌즈(240)는 상 측면에 변곡점이 형성되는 형상이다. 예를 들어, 제4렌즈(240)의 상 측면은 광축 부근에서 오목하고 가장자리에서 볼록한 형상일 수 있다. 제5렌즈(250)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 아울러, 제5렌즈(250)는 물체 측면에 변곡점이 형성되는 형상이다.

촬상 광학계(200)는 필터(270), 이미지 센서(280), 조리개(ST)를 더 포함한다. 필터(270)는 제5렌즈(250)와 이미지 센서(280) 사이에 배치되고, 조리개(ST)는 제2렌즈(220)와 제3렌즈(230) 사이에 배치된다.

위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 5에 도시된 바와 같은 수차 특성을 나타낸다. 도 6은 본 실시 예에 따른 촬상 광학계의 비구면 특성을 나타낸다. 본 실시 예에 따른 촬상 광학계(200)의 렌즈 특성은 표 2와 같다.

도 7을 참조하여 제3실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

촬상 광학계(300)는 제1렌즈 군(1G)과 제2렌즈 군(2G)으로 구성된다.

제1렌즈 군(1G)은 제1렌즈(310), 제2렌즈(320), 제3렌즈(330), 제4렌즈(340)를 포함한다.

제1렌즈(310)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제2렌즈(320)는 부의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(330)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제4렌즈(340)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다.

제2렌즈 군(2G)은 제5렌즈(350), 제6렌즈(360)를 포함한다.

제5렌즈(350)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 아울러, 제5렌즈(350)는 상 측면에 변곡점이 형성되는 형상이다. 예를 들어, 제5렌즈(350)의 상 측면은 광축 부근에서 오목하고 가장자리에서 볼록한 형상일 수 있다. 제6렌즈(360)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 아울러, 제6렌즈(360)는 물체 측면에 변곡점이 형성되는 형상이다.

촬상 광학계(300)는 필터(370), 이미지 센서(380), 조리개(ST)를 더 포함한다. 필터(370)는 제6렌즈(360)와 이미지 센서(380) 사이에 배치되고, 조리개(ST)는 제2렌즈(320)와 제3렌즈(330) 사이에 배치된다.

위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 8에 도시된 바와 같은 수차 특성을 나타낸다. 도 9는 본 실시 예에 따른 촬상 광학계의 비구면 특성을 나타낸다. 본 실시 예에 따른 촬상 광학계(300)의 렌즈 특성은 표 3과 같다.

표 4는 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 조건식 값을 나타낸다.

다음에서는 도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 촬상 광학계가 탑재된 휴대 단말기를 설명한다.

휴대 단말기(10)는 복수의 카메라 모듈(20, 30)을 포함한다. 제1카메라 모듈(20)은 근거리의 피사체를 촬영하도록 구성된 제1촬상 광학계(101)를 포함하고, 제2카메라 모듈(30)은 원거리의 피사체를 촬영하도록 구성된 제2촬상 광학계(100, 200, 300)를 포함한다.

제1촬상 광학계(101)는 다수의 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 제1촬상 광학계(101)는 4매 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 제1촬상 광학계(101)는 근거리에 위치한 물체들을 일체로 촬영할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 제1촬상 광학계(101)는 50도 이상의 넓은 화각을 가질 수 있으며, TL/f 비가 1.0 이상일 수 있다.

제2촬상 광학계(100, 200, 300)는 다수의 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 제2촬상 광학계(100, 200, 300)는 5매 이상의 렌즈로 구성될 수 있다. 제2촬상 광학계(100, 200, 300)는 전술된 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계 중 어느 하나일 수 있다. 제2촬상 광학계(100, 200, 300)는 원거리에 위치한 물체를 촬영할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 제2촬상 광학계(100, 200, 300)는 50도 이하의 화각을 가질 수 있으며, TL/f 비가 1.0 미만일 수 있다.

제1촬상 광학계(101) 및 제2촬상 광학계(100, 200, 300)는 대체로 동일한 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1촬상 광학계(101)의 전체 길이(L1)는 제2촬상 광학계(100, 200, 300)의 전체 길이(L2)와 대체로 동일할 수 있다. 또는, 제1촬상 광학계(101)의 전체 길이(L1)에 대한 제2촬상 광학계(100, 200, 300)의 전체 길이(L2)의 비(L1/L2)는 0.8 ~ 1.0 일 수 있다. 또는, 제2촬상 광학계(100, 200, 300)의 전체 길이(L2)에 대한 휴대 단말기(10)의 두께(h)의 비(L2/h)는 0.8 이하일 수 있다.

본 발명은 이상에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

100, 200, 300 촬상 광학계
110, 210, 310 제1렌즈
120, 220, 320 제2렌즈
130, 230, 330 제3렌즈
140, 240, 340 제4렌즈
150, 250, 350 제5렌즈
360 제6렌즈
170, 270, 370 (적외선 차단) 필터
180, 280, 380 이미지 센서 또는 상면
1G 제1렌즈 군
2G 제2렌즈 군

Claims

굴절력을 갖는 제1렌즈;
부의 굴절력을 갖는 제2렌즈;
물체 측면이 오목한 형상인 제3렌즈;
물체 측면이 볼록한 형상인 제4렌즈;
굴절력을 갖는 제5렌즈; 및
정의 굴절력을 갖는 제6렌즈;
를 포함하고,
상기 제1렌즈 내지 상기 제6렌즈는 물체 측으로부터 순차적으로 배치되고,
상기 제1렌즈의 상 측면 또는 상기 제2렌즈의 물체 측면은 오목한 형상이고,
하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
0.7 < TL/f < 1.0
(상기 조건식에서 TL은 상기 제1렌즈의 물체 측면으로부터 상면까지의 거리이고, f는 상기 촬상 광학계의 전체 초점거리이다)
제1항에 있어서,
상기 제1렌즈는 물체 측면이 볼록한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제2렌즈는 상 측면이 오목한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제3렌즈는 상 측면이 볼록한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제5렌즈는 상 측면이 오목한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
상기 제6렌즈는 상 측면이 볼록한 형상인 촬상 광학계.
제1항에 있어서,
하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
-2.5 < f/f2 < -0.5
(상기 조건식에서 f2는 상기 제2렌즈의 초점거리이다)
제1항에 있어서,
하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
-3.5 < f/f3 < -0.4
(상기 조건식에서 f3은 상기 제3렌즈의 초점거리이다)