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KR100616616B1 - 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계 - Google Patents

카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계 Download PDF

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KR100616616B1
KR100616616B1 KR1020040069726A KR20040069726A KR100616616B1 KR 100616616 B1 KR100616616 B1 KR 100616616B1 KR 1020040069726 A KR1020040069726 A KR 1020040069726A KR 20040069726 A KR20040069726 A KR 20040069726A KR 100616616 B1 KR100616616 B1 KR 100616616B1
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lens
lens group
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camera module
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김영준
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 자동 초점조절 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인가되는 전압에 따라 곡률이 변화하는 액체렌즈를 사용하여 소형이면서도 고해상도를 얻을 수 있는 카메라모듈의 자동 초점조절 광학계에 관한 것이다.
본 발명은 곡률이 변하는 액체렌즈를 구비하고 플러스의 광학적 파워를 가지는 제1 렌즈군; 플러스의 광학적 파워를 가지는 제2 렌즈군; 및 마이너스의 광학적 파워를 가지는 제3 렌즈군; 을 포함하며, 상기 액체렌즈의 굴절능(D)에 관하여 -7 〈 D 〈 35 를 만족하며, 렌즈전계의 광축방향치수에 관하여 oal/f 〈 2.0 (단, oal : 개구조리개로부터 상면까지의 거리, f : 렌즈전계의 합성 초점거리), 상기 제1 렌즈군의 파워에 관하여 0.85〈 f1/f〈 1.5 (단, f1 : 제1 렌즈군의 합성 초점거리) 및 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 2.0〈 ｜f3/f｜〈 5.5 (단, f3 : 제3 렌즈군의 합성 초점거리)를 만족하는 자동 초점조절 광학계를 제공한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 액체렌즈를 포함한 자동 초점조절 광학계에 의해 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있으며, 소비전력이 적다는 효과가 있게 된다.
액체렌즈, 자동 초점조절, 광학계, 고해상도

Description

카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계{Optical System for Autofocusing of Camera Module}
도 1은 종래의 초점 조절기능이 없는 카메라모듈의 간략화된 사시도이다.
도 2(a), 2(b) 및 2(c)는 종래의 가변 초점렌즈의 간략화된 단면도이다.
도 3A 및 3B는 각각 종래의 광학계의 원거리 및 근거리에 대한 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 광학계의 렌즈 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 광학계의 구면수차, 비점수차, 왜곡의 특성을 도시한 그래프이다.
도 6A 및 6B는 각각 본 발명의 일 실시예에 의한 광학계의 원거리 및 근거리에 대한 MTF 특성을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
LG1...제1 렌즈군 LG2...제2 렌즈군
LG3...제3 렌즈군 110...제1 렌즈
120...액체렌즈(제2 렌즈) 130...제3 렌즈
210...제4렌즈 310...제5 렌즈
1...조리개 개구면 2,3,4,5,6,7,8,9,10...렌즈의 면
11,12...필터의 면 13...상면
본 발명은 자동 초점조절 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인가되는 전압에 따라 곡률이 변화하는 액체렌즈를 사용하여 소형이면서도 고해상도를 얻을 수 있는 카메라모듈의 자동 초점조절 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 카메라는 다수개의 렌즈를 구비하고 있으며 각각의 렌즈를 이동시켜 그 상대거리를 변화시킴으로써 광학적인 초점거리를 조절하도록 구성된다. 최근 카메라가 탑재된 휴대전화가 등장하여 휴대전화에 의해 정지화상 및 동영상의 촬영이 가능해지게 되었으며, 고해상도 및 고화질의 촬영을 위해 카메라의 성능이 점차 개선되어 가고 있는 추세이다.
도 1은 초점조절 기능이 없는 종래의 카메라 모듈의 사시도이다.
도 1과 같은 종래의 카메라 모듈은 이미지 센서(54) 및 필터는 하우징(51) 하부에 조립되고, 렌즈 배럴(52) 내에는 다수의 렌즈가 장착된다.
상기 렌즈 배럴(52)은, 상기 하우징(51)의 내주면과 상기 렌즈 배럴(52)의 외주면에 형성된 나사산을 이용하여 렌즈 어레이(53)와 상기 이미지 센서(54)의 초점을 맞춘 후, 에폭시 등을 통하여 상기 하우징(51)에 고정된다.
그러나, 이와 같은 고정 초점 방식은 특정 거리에서의 초점 조절이 불가능하여 화질의 선명도에 한계가 있다는 문제점이 발생한다.
따라서, 메가픽셀 이상의 카메라 모듈에서는 초점 기능이 필수적으로 요구된다.
이를 위해 자동초점 조절장치, 접사장치 및 광학 줌 장치 등을 구비한 카메라 모듈을 휴대전화에 적용할 필요성이 대두되었으나 종래 방식으로 제작된 카메라 모듈은 소형의 휴대전화에 탑재하는데 무리가 있었다.
즉, 종래의 방식은 이미지 센서와 렌즈간의 상대적인 거리를 변화시켜 초점조절 및/또는 줌 기능의 구동원으로서 DC모터를 사용하고 있으나, 다수의 감속기어를 서로 연결하여 렌즈간의 상대적인 거리를 변화시키는 것이므로 응답속도의 저하 및 회전속도의 편차로 인해 초점조절을 정밀하게 수행하기 위한 정확한 위치제어가 곤란하다. 더욱이, 부피가 크고 장치가 복잡하므로 휴대전화 등 소형 광학기기 내의 극도로 제한된 공간 속에서 초점조절 기능 등을 구현하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 고해상도를 얻기 위해서는 다수의 렌즈를 사용하게 되어 제작비가 높으며, 기계적 구동을 필요로 하기 때문에 전력소비가 크다는 문제점이 있다.
한편, PCT 국제공개번호 WO 03/069380에서는 가변 초점렌즈를 개시하고 있다.
도 2는 WO 03/069380의 실시예로서 제안된 가변 초점의 간략한 단면도이다.
도 2에서와 같이 상기의 가변 초점렌즈는 굴절율이 서로 다르고 메니스커스(meniscus)(74)를 통해 접촉하는 비혼합성의 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)를 구비하며 실린더 벽을 갖는 실린더 형상의 유체 챔버(chamber)(65), 상기 실린더 벽의 내측에 배치된 유체 접촉층(contact layer)(70), 상기 유체 접촉층(70)에 의해 상기 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)와 분리되는 제1 전극(62), 및 상기 제2 유체(B)를 활성화시키는 제2 전극(72)를 포함한다.
여기서, 상기 제1 전극(62)은 실린더 형상으로서 절연층(insulating layer)(68)에 의해 코팅되고 금속성 물질로 만들어지며, 상기 제2 전극(72)은 유체 챔버(65)의 일측에 배치된다.
또한, 투명한 전방 요소(64)와 투명한 후방 요소(66)는 상기의 두 유체들을 수용하는 상기 유체 챔버(65)의 커버부분을 형성한다.
이와 같은 구성을 갖는 가변 초점렌즈의 작용은 다음과 같다.
상기 제1 전극(62)과 제2 전극(72) 사이에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 유체 접촉층은 제2 유체(B)보다 제1 유체(A)에 대해 높은 습윤성(wettability)을 가진다.
만약 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전압이 인가되면, 일렉트로웨팅 (electrowetting) 때문에, 상기 제2 유체(B)에 의한 습윤성이 변하고, 도 2에서와 같이 메니스커스(74)의 접촉각(Q1, Q2, Q3)이 변하게 된다.
따라서, 인가된 전압에 따라 메니스커스의 형상이 변화게 되고, 이를 이용하여 초점조절이 이루어지게 되는 것이다.
즉, 도 2(a), 2(b) 및 2(c)에서와 같이 인가된 전압의 크기에 따라 제1 유체(B)에서 측정한 상기 메니스커스(74)와 유체 접촉층(70) 사이의 각도는 각각 대략 140°, 100°, 60° 등으로 변화하게 된다.
여기서, 도 2(a)는 높은 음의 파워(power), 도 2(b)는 낮은 음의 파워, 도 2(c)는 양의 파워를 갖는 배치를 나타내고 있다.
이와 같이 유체를 이용한 가변 초점렌즈(이하 '액체렌즈'라 함)는 종래의 렌즈의 기계적 구동을 통해 초점을 조절하는 방식에 비해 소형화에 유리하다는 장점이 있다.
그러나, 액체렌즈만을 이용하는 경우에는 해상도가 대략 30만 화소급에 머무르게 되어 고해상도를 얻을 수 없으므로, 현재의 메가 픽셀(mega pixel) 카메라에 적용하는 데 한계가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 고해상도를 얻을 수 있으면서도, 소형화가 가능한 자동 초점조절 광학계에 대한 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있는 카메라모듈의 자동 초점조절 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 카메라 폰과 같이 초소형의 카메라모듈이 요구되는 경우에 파워를 집중시킴으로써 광학계의 효율을 최대화하고 전체 광학계의 길이를 짧게 할 수 있는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전력소비가 적은 자동 초점조절 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 물체측으로부터 순서대로, 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 서로 다른 액체간에 형성되는 경계면의 곡률이 변하고 상기 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈, 및 상기 액체렌즈의 상측 또는 물체측 커버에 대응하며 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 비구면 렌즈를 구비하고, 플러스의 광학적 파워를 가지는 제1 렌즈군; 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고, 플러스의 광학적 파워를 가지는 제2 렌즈군; 및 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고, 마이너스의 광학적 파워를 가지는 제3 렌즈군; 을 포함하며, 상기 액체렌즈의 경계면의 곡률이 변함으로써 자동 초점조절이 이루어지는 자동 초점조절 광학계를 제공한다.
바람직하게는 상기 액체렌즈의 굴절능에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하는 자동 초점조절 광학계를 제공한다.
(조건식 1)
-7 〈 D 〈 35
D : 상기 액체렌즈의 곡률이 변하는 면의 굴절능(단위:디옵터)
또한 바람직하게는, 상기 렌즈군 전체의 광축방향치수에 관하여 다음의 조건식 2를 추가로 만족하는 자동 초점조절 광학계를 제공한다.
(조건식 2)
oal/f 〈 2.0
oal : 개구조리개로부터 상면까지의 거리
f : 렌즈전계의 합성 초점거리
더욱 바람직하게는, 상기 제1 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 3을 추가로 만족하는 자동 초점조절 광학계를 제공한다.
(조건식 3)
0.85〈 f1/f〈 1.5
f1 : 제1 렌즈군의 합성 초점거리
또한, 상기 자동 초점조절 광학계는 상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 4를 추가로 만족하는 것이 바람직하다.
(조건식 4)
2.0〈 ｜f3/f｜〈 5.5
f3 : 제3 렌즈군의 합성 초점거리
또한 바람직하게는, 상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 순서대로 상기 액체 렌즈의 물체측 커버면에 해당하는 제1 렌즈, 상기 액체렌즈로 이루어지는 제2 렌즈 및 상기 액체렌즈의 상측 커버면에 해당하는 제3 렌즈로 구성된다.
한편, 상기 자동 초점조절 광학계에서 개구조리개는 물체측 가장 가까이에 배치되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 자동 초점조절 광학계의 일 실시예를 도시한 렌즈의 구성도이다. 도면에서 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시되었으며, 특히 도면에서 제시된 구면 및 비구면의 형상은 일 예로 제시되었을 뿐 이 형상에 한정되지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동 초점조절 광학계는 물체측의 가장 가까이에 불필요한 광을 제거하기 위한 개구 조리개(1)를 배치하고, 이후 물체측으로부터 순서대로, 액체렌즈 및 상기 액체렌즈의 상측 또는 물체측 커버에 대응하며 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 비구면 렌즈를 구비하고 플러스의 광학적 파워를 가지는 제1 렌즈군(LG1), 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고 플러스의 광학적 파워를 가지는 제2 렌즈군(LG2), 및 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고 마이너스의 광학적 파워를 가지는 제3 렌즈군으로 이루어진다.
여기서, 광학계의 조리개(1)를 곡률 변화부인 제1 렌즈군(LG1) 앞에 배치함으로써, 피사체 위치 변화에 따른 자동 초점조절을 하기 위한 제1 렌즈군(LG1) 내 의 곡률 변화가 전체 필드(field)에 미치게 되는 디포커스(defocus) 양을 최소할 수 있게 된다.
한편, 제1 렌즈군(LG1)은, 물체측으로부터 순서대로, 정의 굴절력을 가지며 물체측면(2)이 볼록하고 상측면(3)이 편평한 제1 렌즈(110), 물체측면(3) 및 상측면(5)이 편평하고 그 사이에 곡률이 변하는 면(4)을 가진 제2 렌즈(120), 및 부의 굴절력을 가지며 물체측면(5)이 편평하고 상측면(6)이 오목한 제3 렌즈(130)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 렌즈(120)는 인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 서로 다른 액체간에 형성되는 경계면(4)의 곡률이 변하고 상기 경계면(4)이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈로 이루어진다.
즉, 액체렌즈로 이루어지는 상기 제2 렌즈(120)는 경계면(4)을 전후로 하여 두 개의 렌즈(120A, 120B)로 나뉘며, 도 2에 도시된 바와 같이 인가되는 전압에 따라 경계면(4)의 곡률이 변하게 되고, 이로 인해 자동 초점조절이 이루어지게 되는 것이다.
이때, 상기 제1 렌즈(110) 및 제3 렌즈(130)는 상기 제2 렌즈(120)의 커버 부분을 형성할 수 있다.
이와 같은 액체렌즈인 제2 렌즈(120)를 도입함으로써 인가되는 전압에 따라 자동으로 초점조절이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 액체렌즈를 제1 렌즈군(LG1)에 포함시킴으로써, 후술하는 바와 같이 제1 렌즈군의 파워를 크게하여 광학계의 파워를 최대화하고 전체 광학계의 길 이를 짧게 할 수 있게 되고, 따라서 소형의 카메라 모듈에서 자동 초점조절이 가능하게 된다는 유리한 효과가 있게 된다.
또한, 제2 렌즈군(LG2)은 정의 굴절력을 가지며 상측면(8)이 볼록한 제5 렌즈(210)을 포함하며, 제3 렌즈군(LG3)은 부의 굴절력을 가지며 상측면(10)이 오목한 제6 렌즈(310)를 포함한다.
한편, 렌즈의 뒤쪽에는 광학적 저역필터나 색 필터, 페이스 플레이트(face plate) 등에 대응하여 설계상 설치되는 유리블록(glass block)(400), 및 CCD 센서나 CMOS 센서 등으로 이루어지고 렌즈가 형성하는 상을 수광하는 감광면(500)을 구비한 고체촬상소자(광전변환소자)가 마련되어 있다.
이러한 특징을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 다음의 조건을 만족한다.
(조건식 1)
-7 〈 D 〈 35
여기서, D는 자동으로 곡률이 변하는 면(4)의 굴절능이며 단위는 디옵터(Diopter)이다.
위의 조건식 1은 광학계의 파워(power)에 관한 항목이다.
만약, 조건식 1을 만족하지 않고 상한을 넘게 되면 광학계의 파워(power) 배치가 제대로 되지 않아, 제2 렌즈군(LG2)와 제3 렌즈군(LG3)의 파워 배치가 달라져 서 근접에 대한 수차특성이 좋지 않게 된다.
(조건식 2)
oal/f 〈 2.0
여기서, oal은 개구조리개면(1)으로부터 상면(13)까지의 거리(overall length)이고, f는 광학계 전체의 초점거리이다.
조건식 2는 렌즈전체의 길이(광학계의 길이)를 규정하는 것으로, 소형화에 관한 조건이다.
즉, 조건식 2의 상한을 넘으면 수차보정이라는 측면에서 유리한 반면, 광학계의 길이가 너무 길어져서 소형 광학기기, 예를 들어 카메라폰 또는 PDA에 안착할 수 없게 된다.
(조건식 3)
0.85〈 f1/f〈 1.5
여기서, f1은 제 1렌즈군(LG1)의 초점거리이고, f는 광학계 전체의 초점거리이다.
조건식 3은 제1 렌즈군(LG1)의 파워에 관한 항목으로서 곡률 변화부인 제1 렌즈군(LG1)의 파워를 전체 파워와 비슷하게 주어 구면수차를 보정하는 데 효과적이다.
만약, 상한을 넘어서 f1이 커지면 제2 렌즈군(LG2)과 제3 렌즈군(LG3)의 파 워도 커지지 않을 수 없어서 색수차가 커지게 된다. 반대로, 하한을 넘어서 f1이 작아지면 제1 렌즈군(LG1)의 파워가 과대하게 되어 구면수차, 코마수차가 커지며, 제1 렌즈군(LG1)을 구성하고 있는 렌즈 구면의 곡률반경이 작아져서 가공이 곤란하게 된다.
(조건식 4)
2.0〈 ｜f3/f｜〈 5.5
여기서, f3은 제3 렌즈군(LG3)의 초점거리이고, f는 광학계 전체의 초점거리이다.
조건식 4는 제3 렌즈군(LG3)의 파워에 관한 항목으로서, 제1 렌즈군(LG1)과 제2 렌즈군(LG2)이 플러스 파워를 가지므로 제3 렌즈군(LG3)에 마이너스 파워를 주어 상측으로 입사하는 광선의 각도를 작게 해준다.
만약, 상한을 넘어서 파워가 작아지면 렌즈 전체계의 망원비가 악화되어 소형화가 곤란해지고, 하한을 넘으면 소형화에는 유리하지만 주변부의 텔레센트릭성, 왜곡수차에 대하여 불리하게 된다.
이상과 같이, 액체렌즈를 제1 렌즈군(LG1)에 포함시킴으로써 제1 렌즈군(LG1)의 파워를 크게하여 광학계의 효율을 최대화하고 전체 광학계의 길이를 짧게 할 수 있게 되고, 따라서 카메라 폰과 같이 초소형의 카메라모듈에 적용할 수 있다는 유리한 효과를 얻을 수 있게 된다.
한편, 각 군의 곡률 반경에 대한 항목은 다음과 같다.
(조건식 5)
0.3 ＜ r2/f ＜ 0.8
여기서, r2는 제2면의 곡률 반경이고, f는 광학계 전체의 초점거리이다.
조건식 5는 제1 렌즈군(LG1)의 형상을 규정짓는 요소로서, 구면수차, 코마수차를 기본적으로 보정하는 의미를 갖는다. 상한과 하한을 넘게 되면 광학계의 구면수차 및 왜곡수차의 특성이 나빠져서 제2 렌즈군(LG2)과 제3 렌즈군(LG3)에서 보정할 수 없게 된다.
(조건식 6)
1.0 ＜ ｜r6/f｜ ＜ 0.8
여기서, r6은 제6면의 곡률 반경이고, f는 광학계 전체의 초점거리이다.
조건식 6 역시 렌즈의 형상을 규정짓는 요소로서, 상한과 하한을 넘게 되면 광학계의 구면수차 및 비점수차의 특성이 나빠져서 제2 렌즈군(LG2)과 제3 렌즈군(LG3)에서 보정할 수 없게 된다.
(조건식 7)
0.15 ＜ ｜r7/f｜ ＜ 1.0
여기서, r7은 제7면의 곡률 반경이고, f는 광학계 전체의 초점거리이다.
조건식 7은 제2 렌즈군(LG2)의 형상을 규정짓는 요소로서, 상한과 하한을 넘게 되면 광학계의 구면수차 및 왜곡수차의 특성이 안좋아지게 된다.
또한, 상한을 넘으면 축외주광선각도가 지나치게 작아지고, 제3렌즈군(LG3)에서는 수정 불가능하기 때문에 텔레센트릭성이 악화돼 버린다. 하한을 넘으면 텔레센트릭성의 면에서는 유리한데, 축외코마플레어가 증대하여 성능이 악화된다.
(조건식 8)
0.4 ＜ ｜r10/f｜ ＜ 3.0
여기서, r10은 제10면의 곡률 반경이고, f는 광학계 전체의 초점거리이다.
조건식 8은 제3 렌즈군(LG3)의 축상광다발 부근의 형상에 관한 조건으로, 후면에 마이너스의 파워를 갖게 하는 것을 의미한다.
조건식 8의 상한을 넘으면 후면의 마이너스 파워가 작아져서 소형화에 불리하게 되며, 반대로 하한을 넘으면 주변부 형상과의 차가 커지고 화면 중심으로부터 주변부의 성능변화가 커지며 촬상면으로의 입사각이 커지게 되어 바람직하지 않다.
또한, 상한과 하한을 넘게 되면 광학계의 왜곡수차 및 비점수차의 특성이 나빠져 보정할 수 없게 된다.
이하에서는, 이러한 조건식 1 내지 8을 만족하도록 구현되는 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동초점 렌즈의 F 넘버(FNO)는 2.6이고, 초점거리 f는 4.7㎜의 값을 가지며, 화각(field angle, 2ω)은 64°의 값을 가진다.
표 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈를 구성하는 각 렌즈의 실시예값이 기재되어 있다.
여기서, f는 초점거리를 나타내며, r은 렌즈면의 곡률반경, d는 렌즈의 두께 또는 렌즈면 간의 거리를 나타내며, nd는 굴절률을 표시한다. 한편, 길이를 나타내는 값의 단위는 ㎜이다.
면 번호 곡률반경(r) 두께 또는 거리(t) 굴절률(nd)
1 ∞ 0.100000
* 2 2.73318 0.850000 1.530
3 ∞ 0.357000 1.350
※ 4 -14.10900 0.143000 1.450
5 ∞ 0.550000 1.530
* 6 -21.51935 0.748070
* 7 -0.96679 0.650000 1.608
* 8 -1.04457 0.100000
* 9 4.05002 1.320015 1.530
* 10 2.24942 0.822980
11 ∞ 0.550000 1.517
12 ∞ 0.677388
상면 ∞ 0.000000
표 1에서, ※는 곡률이 가변인 면을 나타내고, 물체의 거리에 따른 제 4면의 곡률 반경은 다음의 표 2와 같다.
물체의 거리 제 4면의 곡률 반경
무한대(∞) -14.109
50㎝ -27.959
10㎝ 31.368
표 2에 나타난 바와 같이 액체렌즈를 사용하는 경우 액체렌즈의 곡률 반경변화에 의해 자동 초점조절이 이루어지므로 초근접 촬영이 가능해진다. 따라서 휴대전화에 장착된 카메라 모듈을 통하여 지문인식이나 문자 인식이 가능하다는 이점이 있다.
즉, 코드 서비스(신문, 잡지 등에 바코드 처럼 생긴 특수문자에 카메라를 갖다대면 휴대전화에 관련정보가 표시되는 서비스)를 한층 발전시킬 수 있으며, 더 나아가 스캐너 기능을 구현할 수도 있다.
한편, *는 비구면을 나타내며, 비구면 계수를 위한 식은 다음과 같다.
Figure 112004039713821-pat00001
Z : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
Y : 광축에 수직 방향으로의 거리
c : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경의 역수(1/R)
K : 코닉(Conic) 상수
A,B,C,D,E,F : 비구면 계수
이러한 수학식 1에 따라 산출되는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 비구면 계수는 다음의 표 3과 같으며, 도 4에 도시된 상기의 실시예에서는 제1 렌즈군(LG1) 제1 렌즈(110)의 물체측면(2), 제1 렌즈군(LG1) 제3 렌즈(130)의 상측면(6), 제2 렌즈군(LG2) 제4 렌즈(210)의 물체측면(7)과 상측면(8) 및 제3 렌즈군(LG3) 제5 렌즈(310)의 물체측면(9)과 상측면(10)이 비구면이다.
제2면의 비구면계수 제6면의 비구면계수 제7면의 비구면계수
K 0.36587438 -0.04646980 -1.03434747
A -2.045245 0.000000 -0.848127
B 7.74796E-03 -1.82173E-02 3.06269E-02
C 8.44950E-03 1.19808E-02 8.01190E-03
D -1.29965E-02 -2.67056E-02 6.48158E-02
E 8.14267E-03 2.54854E-02 -2.95118E-02
F -1.42054E-03 -5.82323E-03 3.69651E-03
제8면의 비구면계수 제9면의 비구면계수 제10면의 비구면계수
K -0.95733078 0.24691222 0.44455811
A -2.483518 -4.816340 -11.908208
B -1.09113E-01 -2.09989E-02 -3.38090E-02
C 5.38957E-02 1.36530E-02 1.33252E-02
D 1.30828E-02 -4.36719E-03 -2.78504E-03
E -6.80272E-03 6.59467E-04 2.79674E-04
F 5.75392E-04 -3.97278E-05 -1.16410E-05
도 5에는 이러한 실시예값으로 이루어지는 본 발명의 실시예에 따른 구면수차, 비점수차, 왜곡의 특성이 도시되어 있다.
한편, 도 6에는 이러한 실시예값으로 이루어지는 본 발명의 실시예에 의한 광학계 MTF 특성이 도시되어 있으며, 도 6A는 원거리, 도 6B는 근거리에 대한 MTF특성을 나타내고 있다.
도 6A 및 6B를 참조하면, f0는 상고(렌즈의 중심으로부터의 거리)가 0일 때 밀리미터당 공간주파수의 MTF 변화를 나타내며, f1은 0.6 필드, f2는 0.8 필드, f3과 f4는 1.0 필드일 때 밀리미터당 공간주파수의 MTF 변화를 각각 나타내고 있다. 또한, T는 원심원상(tangential)의 MTF, R은 방사원상의 MTF를 나타낸다.
여기서, MTF(Modulation Transfer Function)는 밀리미터당 사이클의 공간주파수에 의존하며, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 다음의 수학식 2로 정의되는 값이다.
Figure 112004039713821-pat00002
즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이며 MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다.
한편, 도 3A 및 3B는 각각 액체렌즈를 제2 또는 제3 렌즈군에 장착했을 때 원거리와 근거리에 대한 MTF 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3A 및 3B를 참조하면, h0는 상고(렌즈의 중심으로부터의 거리)가 0일 때 밀리미터당 공간주파수의 MTF 변화를 나타내며, h1은 0.6 필드, h2는 0.8 필드, h3 는 1.0 필드일 때 밀리미터당 공간주파수의 MTF 변화를 각각 나타내고 있다. 전체적으로, 상고가 0(h0)일 때, 공간주파수의 변화에 관계없이 MTF가 가장 높으며, 1.0 필드(h3)일 때 MTF가 가장 낮다.
도 3의 MTF 그래프로부터 공간주파수의 값이 커질수록 MTF가 급격히 감소하는 것을 알 수 있으며, MTF 값이 감소할수록 투사광학계가 구현할 수 있는 영상의 해상도가 떨어지게 된다.
특히, 도 3B의 근거리 MTF 그래프에 나타난 바와 같이, 1.0 필드일 때 원심원상(tangential)의 MTF 값이 급격히 감소하므로 해상도가 크게 떨어지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 액체렌즈(120)를 제1 렌즈군에 도입하면 도 6B에서와 같이 1.0 필드의 원심원상(tangential)의 MTF 값이 급격히 감소하는 것을 막을 수 있게 된다.
즉, 도 3에서와 같이 액체렌즈를 제2 렌즈군 또는 제3 렌즈군에 장착하는 경우에는 1.0 필드 근처에서 해상도가 급격히 감소하므로, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 액체렌즈를 제1 렌즈군에 장착하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자동 초점조절 광학계는 고콘트라스트비와 고해상도를 실현할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 액체렌즈를 포함한 자동 초점조절 광학계에 의해 소형화가 가능하면서도 고해상도를 얻을 수 있다는 효과가 있게 된다.
특히, 액체렌즈를 제1 렌즈군에 포함시킴으로써 제1 렌즈군의 파워를 크게하여 광학계의 효율을 최대화하고 전체 광학계의 길이를 짧게 할 수 있게 되고, 따라서 카메라 폰과 같이 초소형의 카메라모듈에 적용할 수 있다는 유리한 효과가 있게 된다.
또한, 본 발명은 액체렌즈를 사용함으로써 종래의 기계적 구동방식에 비해 전력소비가 적으며, 근접 촬영이 가능하여 코드 서비스(code service)에 유리하며 나아가 스캔 기능에도 적용할 수 있다는 효과가 있게 된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.
특히, 본 발명은 주로 자동 초점조절에 관하여 설명하였지만, 광학적 줌 기능을 갖는 카메라모듈의 광학계에도 적용할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 물체측으로부터 순서대로,
    인가되는 전압에 따라 내부에 포함된 서로 다른 액체간에 형성되는 경계면의 곡률이 변하고 상기 경계면이 굴절면의 역할을 수행하는 액체렌즈, 및 상기 액체렌즈의 상측 또는 물체측 커버에 대응하며 적어도 1개의 굴절면이 비구면인 비구면 렌즈를 구비하고, 플러스의 광학적 파워를 가지는 제1 렌즈군;
    적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고, 플러스의 광학적 파워를 가지는 제2 렌즈군; 및
    적어도 1개의 굴절면이 비구면인 렌즈를 구비하고, 마이너스의 광학적 파워를 가지는 제3 렌즈군;
    을 포함하며,
    상기 액체렌즈의 경계면의 곡률이 변함으로써 자동 초점조절이 이루어지는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체렌즈의 굴절능에 관하여 다음의 조건식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
    (조건식 1)
    -7 〈 D 〈 35
    D : 상기 액체렌즈의 곡률이 변하는 면의 굴절능(단위:디옵터)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈군 전체의 광축방향치수에 관하여 다음의 조건식 2를 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
    (조건식 2)
    oal/f 〈 2.0
    oal : 개구조리개로부터 상면까지의 거리
    f : 렌즈전계의 합성 초점거리
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 3을 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
    (조건식 3)
    0.85〈 f1/f〈 1.5
    f1 : 제1 렌즈군의 합성 초점거리
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 렌즈군의 파워에 관하여 다음의 조건식 4를 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
    (조건식 4)
    2.0〈 ｜f3/f｜〈 5.5
    f3 : 제3 렌즈군의 합성 초점거리
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 순서대로 상기 액체렌즈의 물체측 커버면에 해당하는 제1 렌즈, 상기 액체렌즈로 이루어지는 제2 렌즈 및 상기 액체렌즈의 상측 커버면에 해당하는 제3 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    물체측 가장 가까이에 개구조리개를 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라 모듈의 자동 초점조절 광학계.
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