WO2022031017A1 - 광학계 - Google Patents

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WO2022031017A1
WO2022031017A1 PCT/KR2021/010246 KR2021010246W WO2022031017A1 WO 2022031017 A1 WO2022031017 A1 WO 2022031017A1 KR 2021010246 W KR2021010246 W KR 2021010246W WO 2022031017 A1 WO2022031017 A1 WO 2022031017A1
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WO
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lens
lenses
optical system
equation
image
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PCT/KR2021/010246
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English (en)
French (fr)
Inventor
권영만
문성민
정진관
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LG Innotek Co Ltd
Original Assignee
LG Innotek Co Ltd
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Publication date
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Priority to US18/019,596 priority patent/US12607829B2/en
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Priority to CN202180054539.3A priority patent/CN116097146B/zh
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0015—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design
    • G02B13/002—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface
    • G02B13/0045—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface having five or more lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0055—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras employing a special optical element
    • G02B13/0065—Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras employing a special optical element having a beam-folding prism or mirror
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/60—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having five components only
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B30/00—Camera modules comprising integrated lens units and imaging units, specially adapted for being embedded in other devices, e.g. mobile phones or vehicles

Definitions

  • Embodiments of the invention are directed to optics for improved optical performance.
  • the camera module captures an object and stores it as an image or video, and is installed in various applications.
  • the camera module is produced in a very small size and is applied to not only portable devices such as smartphones, tablet PCs, and laptops, but also drones and vehicles to provide various functions.
  • the optical system of the camera module may include an imaging lens that forms an image and an image sensor that converts the formed image into an electrical signal.
  • the camera module may perform an autofocus (AF) function of aligning the focal lengths of the lenses by automatically adjusting the distance between the image sensor and the imaging lens, and a distant object through a zoom lens It is possible to perform a zooming function of zooming up or zooming out by increasing or decreasing the magnification of .
  • AF autofocus
  • the camera module employs image stabilization (IS) technology to correct or prevent image stabilization due to camera movement caused by an unstable fixing device or a user's movement.
  • IS image stabilization
  • the most important element for this camera module to obtain an image is an imaging lens that forms an image.
  • Recently, interest in high performance such as high image quality and high resolution is increasing, and research on an optical system including a plurality of lenses is being conducted in order to realize this. For example, research using a plurality of imaging lenses having positive (+) or negative (-) refractive power to implement a high-performance optical system is being conducted.
  • the entire optical system may increase, and it is difficult to derive excellent optical and aberration characteristics.
  • the embodiment is intended to provide an optical system with improved optical properties.
  • the embodiment is intended to provide an optical system with improved telephoto performance.
  • An optical system includes an optical path changing member and a plurality of lenses sequentially arranged along an optical axis from an object side to an image side direction, wherein the optical path changing member includes a reflector or a prism, and the plurality of The distance between the lenses does not change, and the lens closest to the image side among the plurality of lenses has an effective aperture larger than that of the other lenses.
  • the plurality of lenses may include first to fifth lenses sequentially disposed along an optical axis from the object side to the image side direction.
  • the size of the effective aperture of each of the first lens and the fifth lens may satisfy Equation 1 below.
  • CA11 means the size of the effective aperture of the object-side surface of the first lens
  • CA12 means the size of the effective aperture of the image-side surface of the first lens
  • CA51 represents the size of the effective aperture of the image side of the first lens. It means the size of the effective aperture of the object side of the lens
  • CA52 means the size of the effective aperture of the image side of the fifth lens.
  • the size of the effective aperture of the first lens may be the largest among the sizes of the effective aperture of the first to fourth lenses.
  • BFL back focus length
  • CA is the size of the effective aperture of the object-side surface or the image-side surface of one lens selected from among the first to fifth lenses.
  • TTL total track length
  • the effective focal length (EFL) of the optical system may be greater than 10 mm.
  • the optical system may have an F-number less than 3.8.
  • a chief ray incident angle (CRA) of the optical system may be less than 40.
  • the first lens may have positive refractive power.
  • the fifth lens may have positive refractive power.
  • the object-side surface of the third lens may have an inflection point.
  • An optical system includes an optical path changing member, a plurality of lenses, and an image sensor sequentially arranged along an optical axis from an object side to an image side, wherein the optical path changing member includes a reflector or a prism,
  • the optical path changing member includes a reflector or a prism
  • ImgH means a value of 1/2 of the diagonal length of the effective area of the image sensor.
  • An optical system may have improved optical properties.
  • the optical system may include the plurality of lenses, and the effective aperture of the last lens closest to the image sensor may be larger than the effective aperture of the first lens closest to the object side.
  • the effective aperture of the last lens may be the largest among the plurality of lenses, and accordingly, improved optical properties may be obtained when designing a zoom lens having image sensors of various sizes, such as small to large.
  • the optical system according to an embodiment of the present invention can minimize or prevent occurrence of a phenomenon such as flare and ghost.
  • the optical system may have a relatively small BFL (Back Focus Length) value. Accordingly, it is possible to minimize or prevent the light incident on the optical system from being reflected by the structure between the last lens and the image sensor.
  • the optical system can easily correct a CRA (Chief Ray Angle) value, so that the optical system can have improved optical properties.
  • CRA Choef Ray Angle
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a graph illustrating an aberration diagram of an optical system according to an embodiment.
  • a component when it is described that a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also with the component It may also include a case of 'connected', 'coupled' or 'connected' due to another element between the other elements.
  • the top (above) or under (below) is not only when two components are in direct contact with each other, but also when one or more or Also includes cases where another component is formed or disposed between two components.
  • upper (upper) or lower (lower) when expressed as "upper (upper) or lower (lower)", a meaning of not only an upper direction but also a lower direction based on one component may be included.
  • the convex surface of the lens may mean that the lens surface of the region corresponding to the optical axis has a convex shape
  • the concave lens surface means that the lens surface of the region corresponding to the optical axis has a concave shape
  • object-side surface may mean a surface of the lens that faces the object side with respect to the optical axis
  • image-side surface may mean a surface of the lens that faces the imaging surface with respect to the optical axis.
  • the vertical direction may mean a direction perpendicular to the optical axis
  • the end of the lens or the lens surface may mean the end of the effective area of the lens through which the incident light passes.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical system according to an embodiment
  • FIG. 2 is a graph illustrating an aberration diagram of an optical system according to an embodiment.
  • an optical system 1000 may include a plurality of lenses.
  • the optical system 1000 may include four or more lenses.
  • the optical system 1000 may include five or more lenses.
  • the optical system 1000 includes a first lens 110 , a second lens 120 , a third lens 130 , a fourth lens 140 , and a fifth lens 150 sequentially arranged from the object side to the image side direction. ) may be included.
  • the optical system 1000 may include a filter 500 and an image sensor 300 in an upward direction of the plurality of lenses 110 , 120 , 130 , 140 , and 150 .
  • the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 , and 150 may be sequentially disposed along the optical axis of the optical system 1000 .
  • the light corresponding to the image information of the object may pass through the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 sequentially and be incident on the image sensor 300 .
  • the optical system 1000 may further include a light path changing member 50 .
  • the light path changing member 50 may change the path of the light by reflecting the light incident from the outside.
  • the light path changing member 50 may include a reflector and a prism.
  • the light path changing member 50 may include a right-angle prism.
  • the light path changing member 50 may change the path of the light by reflecting the path of the incident light at an angle of 90 degrees.
  • the light path changing member 50 may be disposed closer to the object side than the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 .
  • the optical path changing member 50 may change the path of the light in a set direction by reflecting the light incident from the outside. That is, the light path changing member 50 may change the path of the light incident on the light path changing member 50 in the directions of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 , and 150 .
  • Each of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 may include an effective area and an ineffective area.
  • the effective area may be an area through which light incident on the lens passes. That is, the effective region may be a region in which incident light is refracted to realize optical properties.
  • the ineffective area may be disposed around the effective area.
  • the ineffective area may be an area to which the light is not incident. That is, the ineffective region may be a region independent of the optical characteristic. Also, the ineffective region may be a region fixed to a barrel (not shown) for accommodating the lens.
  • the optical system 1000 according to an embodiment of the present invention may include an aperture 200 for adjusting the amount of incident light.
  • the aperture 200 may be disposed between two lenses selected from among the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 .
  • the aperture 200 may be disposed between the first lens 110 and the second lens 120 .
  • At least one of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 may function as an aperture.
  • one lens surface selected from among the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 may serve as an diaphragm for controlling the amount of light incident on the optical system 1000 .
  • the filter 500 may include at least one of an infrared filter and an optical filter such as a cover glass.
  • the filter 500 may pass light of a set wavelength band and filter light of a different wavelength band.
  • radiant heat emitted from external light may be blocked from being transmitted to the image sensor 300 .
  • the filter 500 may transmit visible light and reflect infrared light.
  • the image sensor 300 may detect light.
  • the image sensor 300 may detect light that has sequentially passed through the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 .
  • the image sensor 300 may include a charge coupled device (CCD) or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS).
  • CCD charge coupled device
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • the first lens 110 may have positive (+) refractive power.
  • the first lens 110 may include a plastic or glass material.
  • the first lens 110 may be made of a plastic material.
  • the first lens 110 may include a first surface S1 defined as an object side surface and a second surface S2 defined as an image side surface.
  • the first surface S1 may be convex
  • the second surface S2 may be convex. That is, the first lens 110 may have a shape in which both surfaces are convex.
  • At least one of the first surface S1 and the second surface S2 may be an aspherical surface.
  • both the first surface S1 and the second surface S2 may be aspherical.
  • the second lens 120 may have negative (-) refractive power.
  • the second lens 120 may include a plastic or glass material.
  • the second lens 120 may be made of a plastic material.
  • the second lens 120 may include a third surface S3 defined as an object side surface and a fourth surface S4 defined as an image side surface.
  • the third surface S3 may be concave, and the fourth surface S4 may be convex. That is, the second lens 120 may have a meniscus shape convex toward the image.
  • At least one of the third surface S3 and the fourth surface S4 may be an aspherical surface.
  • both the third surface S3 and the fourth surface S4 may be aspherical.
  • the third lens 130 may have negative (-) refractive power.
  • the third lens 130 may include a plastic or glass material.
  • the third lens 130 may be made of a plastic material.
  • the third lens 130 may include a fifth surface S5 defined as an object side surface and a sixth surface S6 defined as an image side surface.
  • the fifth surface S5 may be concave
  • the sixth surface S6 may be concave. That is, the third lens 130 may have a shape in which both surfaces are concave.
  • the third lens 130 may have an inflection point.
  • an inflection point may be formed on the fifth surface S5 of the third lens 130 .
  • At least one of the fifth surface S5 and the sixth surface S6 may be an aspherical surface.
  • both the fifth surface S5 and the sixth surface S6 may be aspherical.
  • the fourth lens 140 may have positive (+) refractive power.
  • the fourth lens 140 may include a plastic or glass material.
  • the fourth lens 140 may be made of a plastic material.
  • the fourth lens 140 may include a seventh surface S7 defined as an object side surface and an eighth surface S8 defined as an image side surface.
  • the seventh surface S7 may be convex, and the eighth surface S8 may be concave. That is, the fourth lens 140 may have a meniscus shape convex toward the object.
  • At least one of the seventh surface S7 and the eighth surface S8 may be an aspherical surface.
  • both the seventh surface S7 and the eighth surface S8 may be aspherical.
  • the fifth lens 150 may have positive (+) refractive power.
  • the fifth lens 150 may include a plastic or glass material.
  • the fifth lens 150 may be made of a plastic material.
  • the fifth lens 150 may include a ninth surface S9 defined as an object side surface and a tenth surface S10 defined as an image side surface.
  • the ninth surface S9 may be convex, and the ninth surface S9 may be concave. That is, the fifth lens 150 may have a meniscus shape convex toward the object.
  • At least one of the ninth surface S9 and the tenth surface S10 may be an aspherical surface.
  • both the ninth surface S9 and the tenth surface S10 may be aspherical.
  • the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 may have a set clear aperture.
  • each of the first to tenth surfaces S1 , S2 , S3 , S4 , S5 , S6 , S7 , S8 , S9 , and S10 may have a set effective aperture.
  • the fifth lens 150 closest to the image sensor 300 may have a larger effective aperture than the first to fourth lenses 110 , 120 , 130 and 140 .
  • the effective apertures of the ninth surface S9 and the tenth surface S10 of the fifth lens 150 are the first to eighth surfaces S1, S2, S3, S4, S5, S6, and S7. , may have an effective aperture larger than S8).
  • the first lens 110 may have the largest effective aperture among the first to fourth lenses 110 , 120 , 130 and 140 .
  • the effective apertures of the first surface S1 and the second surface S2 of the first lens 110 are those of the third to eighth surfaces S3, S4, S5, S6, S7, and S8. It may be larger than the effective aperture.
  • the second lens 120 may have a larger effective aperture than the third lens 130 and the fourth lens 140 .
  • the effective apertures of the third and fourth surfaces S3 and S4 of the second lens 120 are the fifth to eighth surfaces S5 and S6 of the third and fourth lenses 130 and 140 . , may be larger than the effective aperture of S7, S8).
  • the effective aperture of the fourth lens 140 may be larger than the effective aperture of the third lens 130 .
  • the effective apertures of the seventh surface S7 and the eighth surface S8 of the fourth lens 140 are the fifth surface S5 and the sixth surface S6 of the third lens 130 . may be larger than the effective aperture of
  • the optical system 1000 according to an embodiment of the present invention may satisfy at least one of the following equations. Accordingly, when the optical system 1000 according to the embodiment satisfies at least one of the following equations, it may have improved optical properties.
  • CA11 denotes the size of the effective aperture of the object-side surface (first surface S1) of the first lens 110
  • CA12 denotes the image-side surface (second surface S1) of the first lens 110. It means the size of the effective aperture of the surface (S2)).
  • CA51 denotes the size of the effective aperture of the object-side surface (the ninth surface S9) of the fifth lens 150
  • CA52 denotes the image-side surface (the tenth surface (10th surface) of the fifth lens 150). It means the size of the effective aperture of S10)).
  • the effective aperture of the first lens 110 and the effective aperture of the fifth lens 150 may satisfy Equation 1-1 below.
  • the effective aperture of the first lens 110 and the effective aperture of the fifth lens 150 may satisfy Equation 1-2 below.
  • CA means the size of the effective aperture of the object-side surface or the image-side surface of any one of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 , and 150 .
  • BFL refers to a distance in the optical axis direction from the image side surface (the tenth surface S10 ) of the fifth lens 150 to the image sensor 300 .
  • the effective aperture and BFL of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 may satisfy Equation 2-1 below.
  • the effective aperture and BFL of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 may satisfy Equation 2-2 below.
  • a total track length means a distance in the optical axis direction from the object-side surface (the first surface S1 ) of the first lens 110 to the image sensor 300 .
  • ImgH means 1/2 of the diagonal length of the effective area of the image sensor 300 . That is, the ImgH denotes a vertical distance from the optical axis of the upper surface of the image sensor 300 to one field area.
  • the ImgH and the BFL may satisfy Equation 4-1 below.
  • EFL means an effective focal length of the optical system 1000 .
  • F-number means a numerical value representing the brightness of the optical system.
  • CRA Chief Ray Angle
  • CT1 denotes a central thickness of the first lens 110
  • CT5 denotes a central thickness of the fifth lens 150 .
  • f1 to f5 denote focal lengths of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 , and 150 , respectively.
  • the absolute value of the focal length f5 of the fifth lens 150 may be greater than the sum of the absolute values of the focal lengths f1, f2, f3, and f4 of the first to fourth lenses 110, 1201, 130, 140. have.
  • Equation 10 f5 denotes a focal length of the fifth lens 150 , and EFL denotes an effective focal length of the optical system 1000 .
  • Z is Sag, which may mean a distance in the optical axis direction from an arbitrary position on the aspherical surface to the vertex of the aspherical surface.
  • the Y may mean a distance in a direction perpendicular to the optical axis from an arbitrary position on the aspherical surface to the optical axis.
  • c may mean the curvature of the lens
  • K may mean the conic constant.
  • A, B, C, D, E, and F may mean an aspheric constant.
  • the optical system 1000 may satisfy at least one of Equations 1 to 9.
  • the optical system 1000 may have improved optical properties.
  • a characteristic degradation phenomenon that occurs when the light incident on the optical system 1000 is reflected by a device accommodating the optical system 1000, for example, a flare It is possible to prevent a phenomenon such as flare or ghost from occurring.
  • Table 1 shows data of lenses according to an embodiment of the present invention.
  • lens noodle radius of curvature thickness/distance effective caliber refractive index Abbesu first lens side 1 4.043 1.5 1.55 1.5345 55.677 2nd side -8.1302 0.1324 1.4863638 second lens 3rd side -7.3286 1.5 1.416846 1.6397 23.262 side 4 -384.7888 0.8503 1.3826056 third lens page 5 17.482107 1.5 1.3135073 1.5345 55.677 page 6 3.8785 0.116989268 1.3031867 4th lens page 7 3.4444726 1.5 1.3192926 1.6397 23.262 page 8 3.2521355 0.667342341 1.3771759 5th lens page 9 6.2858121 0.5016011 1.5669996 1.5345 55.677 page 10 6.2822957 1.5378562
  • Table 2 below shows the characteristics of the optical system and lenses according to the embodiment of the present invention.
  • Table 1 shows the radius of curvature of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 , the thickness of each lens mm (thickness), the distance between each lens mm (distance), refractive index (Refractive index), Abbe's number).
  • refractive indices of the first lens 110 , the third lens 130 , and the fifth lens 150 may be the same, and the second lens 120 and the fourth lens
  • the refractive indices of (140) may be equal to each other. In this case, the refractive indices of the first lens 110 , the third lens 130 , and the fifth lens 150 may be smaller than the refractive indices of the second lens 120 and the fourth lens 140 .
  • the Abbe numbers of the first lens 110 , the third lens 130 , and the fifth lens 150 may be the same, and the Abbe numbers of the second lens 120 and the fourth lens 140 may be the same.
  • the numbers may be equal to each other.
  • the Abbe numbers of the first lens 110 , the third lens 130 , and the fifth lens 150 may be greater than the Abbe numbers of the second lens 120 and the fourth lens 140 . have.
  • Table 2 is for the characteristics of the optical system 1000 according to the embodiment.
  • the total track length (TTL) of Table 2 is from the vertex of the object-side surface (first surface S1) of the first lens 110.
  • the optical axis distance (mm) to the upper surface of the image sensor 300, and the EFL (Effective Focal Length) is the focal length (mm) of the optical system 1000 including the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 , 150 .
  • the back focus length (BFL) may mean a distance (mm) in the optical axis direction from the image side surface (the tenth surface S10 ) of the fifth lens 150 to the image sensor 300 , f1 to Each of f5 may mean a focal length (mm) of each of the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 and 150 .
  • the fifth lens 150 may have the largest focal length value among the first to fifth lenses 110 , 120 , 130 , 140 , and 150 .
  • Table 3 shows the values of the aspheric coefficients of each lens in the optical system 1000 according to the embodiment.
  • Table 4 shows the values of Equations 1 to 10 applied to the optical system according to the embodiment of the present invention.
  • Table 4 shows the values of the optical system 1000 for the above-described equations. Referring to Table 4, it can be seen that the optical system 1000 according to the embodiment satisfies at least one of Equations 1 to 9. In detail, it can be seen that the optical system 1000 satisfies all of Equations 1 to 10. Accordingly, the optical system 1000 according to the embodiment may have an aberration characteristic as shown in FIG. 2 .
  • FIG. 2 is a graph showing an aberration diagram of the optical system 1000 according to the embodiment, in which Longitudinal Spherical Aberration, Astigmatic Field Curves, and Distortion are measured from left to right. It is a graph. In FIG.
  • the X-axis may indicate a focal length (mm) and distortion (%)
  • the Y-axis may indicate the height of an image.
  • the graph for spherical aberration is a graph for light in the wavelength bands of 435 nm, 486 nm, 546 nm, 587 nm, and 656.3 nm
  • the graph for astigmatism and distortion aberration is a graph for light in the 546 nm wavelength band.
  • the optical system 1000 according to an embodiment of the present invention may have improved optical properties.
  • the effective aperture of the fifth lens 150 closest to the image sensor 300 is larger than the effective aperture of the first lens 110 closest to the object side, thereby improving optical properties.
  • the effective aperture of the fifth lens 150 is the largest among the plurality of lenses, it is possible to have improved optical characteristics when designing a zoom lens having the image sensor 300 of various sizes, such as small to large.
  • the optical system 1000 is applied as a telephoto lens, improved optical properties may be obtained.
  • the optical system may have improved optical properties by having a relatively small back focus length (BFL) value.
  • BFL back focus length
  • the optical system 1000 may have improved optical properties by easily correcting a CRA value, for example, an angle of light passing through the fifth lens 150 and incident on the image sensor 300 .

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Abstract

발명의 실시예에 개시된 광학계는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 광축을 따라 순차적으로 배치되는 광 경로 변경 부재 및 복수의 렌즈를 포함하고, 상기 광 경로 변경 부재는 반사경 또는 프리즘을 포함하고, 상기 복수의 렌즈의 간격은 변화하지 않고, 상기 복수의 렌즈 중 상기 상 측과 가장 인접한 렌즈는 나머지 렌즈보다 큰 유효 구경을 가질 수 있다.

Description

광학계
발명의 실시예는 향상된 광학 성능을 위한 광학계에 대한 것이다.
카메라 모듈은 객체를 촬영하여 이미지 또는 동영상으로 저장하는 기능을 수행하며 다양한 어플리케이션에 장착되고 있다. 특히 카메라 모듈은 초소형으로 제작되어 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등의 휴대용 디바이스 뿐만 아니라 드론, 차량 등에 적용되어 다양한 기능을 제공하고 있다. 예를 들어, 카메라 모듈의 광학계는 상(image)를 결상하는 촬상 렌즈, 결상된 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이때, 상기 카메라 모듈은 이미지 센서와 촬상 렌즈 사이의 간격을 자동 조절하여 렌즈의 초점거리를 정렬하는 오토포커스(autofocus, AF) 기능을 수행할 수 있고, 줌 렌즈(zoom lens)를 통해 원거리의 객체의 배율을 증가 또는 감소시켜 촬영하는 줌 업(zoom up) 또는 줌 아웃(zoom out)의 주밍(zooming) 기능을 수행할 수 있다. 또한, 카메라 모듈은 영상 흔들림 방지(image stabilization, IS)기술을 채용하여 불안정한 고정장치 혹은 사용자의 움직임에 기인한 카메라의 움직임으로 인한 영상의 흔들림을 보정하거나 방지하는 기술이 채용되고 있다. 이러한 카메라 모듈이 상(image)을 얻기 위해 가장 중요한 요소는 상(image)을 결상하는 촬상 렌즈이다. 최근 고화질, 고해상도 등 고성능에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 구현하기 위해 복수의 렌즈를 포함하는 광학계에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 고성능의 광학계 구현을 위해 양(+) 또는 음(-)의 굴절력을 가지는 복수의 촬상 렌즈를 이용한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 복수의 렌즈를 포함할 경우 광학계 전체가 증가할 수 있고, 우수한 광학적 특성, 수차 특성을 도출하기 어려운 문제점이 있다.
상기 광학계에서 후방 초점 길이(Back Focus Length; BFL)가 길어질 경우, 상기 광학계에 입사된 광은 상기 광학계를 포함하는 기구물 내면에 반사되어 플레어(Flare) 또는 고스트(Ghost) 등의 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 문제를 해결할 수 있는 새로운 광학계가 요구된다.
실시예는 광학 특성이 향상된 광학계를 제공하고자 한다.
실시예는 망원 성능이 향상된 광학계를 제공하고자 한다.
발명의 실시예에 따른 광학계는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 광축을 따라 순차적으로 배치되는 광 경로 변경 부재 및 복수의 렌즈를 포함하고, 상기 광 경로 변경 부재는 반사경 또는 프리즘을 포함하고, 상기 복수의 렌즈의 간격은 변화하지 않고, 상기 복수의 렌즈 중 상기 상 측과 가장 인접한 렌즈는 나머지 렌즈보다 큰 유효 구경을 가진다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 복수의 렌즈는 상기 물체 측으로부터 상기 상 측 방향으로 광축을 따라 순차적으로 배치되는 제1 내지 제5 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 제1 렌즈 및 상기 제5 렌즈 각각의 유효 구경의 크기는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
0.8 < CA11 / CA51 < 2
0.8 < CA12 / CA52 < 2
(수학식 1에서 CA11은 상기 제1 렌즈의 물체 측 면의 유효 구경의 크기를 의미하고, CA12는 상기 제1 렌즈의 상 측 면의 유효 구경의 크기를 의미한다. 또한, CA51은 상기 제5 렌즈의 물체 측 면의 유효 구경의 크기를 의미하고, CA52는 상기 제5 렌즈의 상 측 면의 유효 구경의 크기를 의미한다.)
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈의 유효 구경의 크기는 상기 제1 내지 제4 렌즈의 유효 구경의 크기 중 가장 클 수 있다. 상기 제5 렌즈의 상 측 면에서 이미지 센서까지의 광축 방향 거리를 BFL(Back focus length)로 정의할 때, 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
0 < CA / BFL < 1
(수학식 2에서 CA는 상기 제1 내지 제5 렌즈 중 선택되는 하나의 렌즈의 물체 측 면 또는 상 측 면의 유효 구경의 크기이다.)
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 렌즈의 물체 측 면으로부터 상기 이미지 센서까지의 광축 방향 거리를 TTL(Total track length)로 정의할 때, 하기 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
3 < TTL / BFL < 4.5
발명의 실시 예에 의하면, 상기 광학계의 유효 초점 거리(EFL)는 10mm보다 클 수 있다. 상기 광학계는 3.8보다 작은 F-number를 가질 수 있다. 상기 광학계의 주광선 입사각(CRA)은 40보다 작을 수 있다. 상기 제1 렌즈는 양의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제5 렌즈는 양의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈의 물체 측 면은 변곡점을 가질 수 있다.
발명의 실시예에 따른 광학계는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 광축을 따라 순차적으로 배치되는 광 경로 변경 부재, 복수의 렌즈 및 이미지 센서를 포함하고, 상기 광 경로 변경 부재는 반사경 또는 프리즘을 포함하고, 상기 복수의 렌즈의 간격은 변화하지 않고, 상기 복수의 렌즈 중 상기 이미지 센서와 가장 인접한 렌즈의 상 측 면에서 상기 이미지 센서까지의 광축 방향 거리를 BFL(Back focus length)로 정의할 때, 하기 수학식 4를 만족할 수 있다.
[수학식 4]
0.5 < ImgH / BFL < 1.5
(수학식 4에서 ImgH는 상기 이미지 센서의 유효 영역의 대각 방향 길이의 1/2 값을 의미한다.)
발명의 실시예에 따른 광학계는 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 광학계는 상기 복수의 렌즈들을 포함하며 상기 이미지 센서와 최인접한 마지막 렌즈의 유효 구경이 물체 측에 가장 인접한 첫번째 렌즈의 유효 구경보다 클 수 있다. 특히, 상기 마지막 렌즈의 유효 구경은 상기 복수의 렌즈들 중 가장 클 수 있고, 이에 따라 소형 내지 대형 등 다양한 크기의 이미지 센서를 가지는 줌 렌즈 설계 시 향상된 광학 특성을 가질 수 있다.
발명의 실시예에 따른 광학계는 플레어(flare), 고스트(ghost) 등의 현상이 발생하는 것을 최소화 또는 방지할 수 있다. 자세하게, 상기 광학계는 상대적으로 작은 BFL(Back Focus Length) 값을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 광학계에 입사된 광이 상기 마지막 렌즈와 상기 이미지 센서 사이의 구조물에 반사되는 것을 최소화 또는 방지할 수 있다. 또한, 상기 광학계는 CRA(Chief Ray Angle) 값을 용이하게 보정할 수 있어 향상된 광학 특성을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광학계의 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른 광학계의 수차도를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
발명의 설명에서 렌즈의 면이 볼록하다는 것은 광축과 대응되는 영역의 렌즈 면이 볼록한 형상을 가지는 것을 의미할 수 있고, 렌즈의 면이 오목하다는 것은 광축과 대응되는 영역의 렌즈 면이 오목한 형상을 가지는 것을 의미할 수 있다. 또한, "물체 측 면"은 광축을 기준으로 물체 측을 향하는 렌즈의 면을 의미할 수 있고, "상 측 면"은 광축을 기준으로 촬상면을 향하는 렌즈의 면을 의미할 수 있다. 또한, 수직 방향은 광축과 수직인 방향을 의미할 수 있고, 렌즈 또는 렌즈면의 끝단은 입사된 광이 통과하는 렌즈의 유효 영역의 최 끝단을 의미할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광학계의 구성도이고, 도 2는 실시예에 따른 광학계의 수차도를 도시한 그래프이다.
도 1를 참조하면, 발명의 실시예에 따른 광학계(1000)는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광학계(1000)는 4매 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 광학계(1000)는 5매 이상의 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광학계(1000)는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 순차적으로 배치되는 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120), 제3 렌즈(130), 제4 렌즈(140), 제5 렌즈(150)를 포함할 수 있다. 상기 광학계(1000)는 복수의 렌즈(110,120,130,140,150)의 상측 방향으로 필터(500) 및 이미지 센서(300)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)은 상기 광학계(1000)의 광축을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 물체의 영상 정보에 해당하는 광은 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)을 순차적으로 통과하여 상기 이미지 센서(300)에 입사될 수 있다.
상기 광학계(1000)는 광 경로 변경 부재(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 광 경로 변경 부재(50)는 외부에서 입사된 광을 반사시켜 광의 경로를 변경할 수 있다. 상기 광 경로 변경 부재(50)는 반사경, 프리즘을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 광 경로 변경 부재(50)는 직각 프리즘을 포함할 수 있다. 상기 광 경로 변경 부재(50)가 직각 프리즘을 포함할 경우, 상기 광 경로 변경 부재(50)는 입사광의 경로를 90도의 각도로 반사시켜 광의 경로를 변경할 수 있다. 상기 광 경로 변경 부재(50)는 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)보다 물체 측과 인접하게 배치될 수 있다. 즉, 상기 광학계(1000)는 물체 측으로부터 상 측 방향으로 광축(OA)을 따라 순차적으로 배치되는 광 경로 변경 부재(50), 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120), 제3 렌즈(130), 제4 렌즈(140), 제5 렌즈(150), 필터(500) 및 이미지 센서(300)를 포함할 수 있다. 상기 광 경로 변경 부재(50)는 외부에서 입사된 광을 반사시켜 광의 경로를 설정된 방향으로 변경할 수 있다. 즉, 상기 광 경로 변경 부재(50)는 상기 광 경로 변경 부재(50)에 입사된 광의 경로를 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 방향으로 변경할 수 있다.
상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 각각은 유효 영역 및 비유효 영역을 포함할 수 있다. 상기 유효 영역은 렌즈에 입사된 광이 통과하는 영역일 수 있다. 즉, 상기 유효 영역은 입사된 광이 굴절되어 광학 특성을 구현하는 영역일 수 있다. 상기 비유효 영역은 상기 유효 영역 둘레에 배치될 수 있다. 상기 비유효 영역은 상기 광이 입사되지 않는 영역일 수 있다. 즉, 상기 비유효 영역은 상기 광학 특성과 무관한 영역일 수 있다. 또한, 상기 비유효 영역은 상기 렌즈를 수용하는 배럴(미도시) 등에 고정되는 영역일 수 있다. 발명의 실시예에 따른 광학계(1000)는 입사되는 광량을 조절하기 위한 조리개(200)를 포함할 수 있다. 상기 조리개(200)는 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 중 선택되는 두 렌즈 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 조리개(200)는 상기 제1 렌즈(110) 및 상기 제2 렌즈(120) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 중 적어도 하나의 렌즈는 조리개 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 중 선택되는 하나의 렌즈 면은 상기 광학계(1000)에 입사되는 광량을 조절하는 조리개 역할을 수행할 수 있다.
상기 필터(500)는 적외선 필터, 커버 글래스 등의 광학적 필터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 필터(500)는 설정된 파장 대역의 광을 통과시키고, 이와 다른 파장 대역의 광을 필터링할 수 있다. 상기 필터(500)가 적외선 필터를 포함할 경우 외부 광으로부터 방출되는 복사열이 상기 이미지 센서(300)에 전달되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 상기 필터(500)는 가시광선을 투과할 수 있고 적외선을 반사시킬 수 있다.
상기 이미지 센서(300)는 광을 감지할 수 있다. 자세하게, 상기 이미지 센서(300)는 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)을 순차적으로 통과한 광을 감지할 수 있다. 상기 이미지 센서(300)는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등을 포함할 수 있다.
이하, 상기 복수의 렌즈에 대해 자세히 설명한다.
상기 제1 렌즈(110)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제1 렌즈(110)는 플라스틱 또는 글라스(glass) 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제1 렌즈(110)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다. 상기 제1 렌즈(110)는 물체 측 면으로 정의되는 제1 면(S1) 및 상 측 면으로 정의되는 제2 면(S2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 면(S1)은 볼록할 수 있고, 상기 제2 면(S2)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제1 렌즈(110)는 양면이 볼록한 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 면(S1) 및 상기 제2 면(S2) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 면(S1) 및 상기 제2 면(S2)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제2 렌즈(120)는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제2 렌즈(120)는 플라스틱 또는 글라스 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제2 렌즈(120)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다. 상기 제2 렌즈(120)는 물체 측 면으로 정의되는 제3 면(S3) 및 상 측 면으로 정의되는 제4 면(S4)을 포함할 수 있다. 상기 제3 면(S3)은 오목할 수 있고, 상기 제4 면(S4)은 볼록할 수 있다. 즉, 상기 제2 렌즈(120)는 상 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제3 면(S3) 및 상기 제4 면(S4) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 면(S3) 및 상기 제4 면(S4)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제3 렌즈(130)는 음(-)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제3 렌즈(130)는 플라스틱 또는 글라스 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제3 렌즈(130)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다. 상기 제3 렌즈(130)는 물체 측 면으로 정의되는 제5 면(S5) 및 상 측 면으로 정의되는 제6 면(S6)을 포함할 수 있다. 상기 제5 면(S5)은 오목할 수 있고, 상기 제6 면(S6)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제3 렌즈(130)는 양면이 오목한 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제3 렌즈(130)는 변곡점을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제3 렌즈(130)의 제5 면(S5)에는 변곡점이 형성될 수 있다. 상기 제5 면(S5) 및 상기 제6 면(S6) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제5 면(S5) 및 상기 제6 면(S6)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제4 렌즈(140)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제4 렌즈(140)는 플라스틱 또는 글라스 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제4 렌즈(140)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다. 상기 제4 렌즈(140)는 물체 측 면으로 정의되는 제7 면(S7) 및 상 측 면으로 정의되는 제8 면(S8)을 포함할 수 있다. 상기 제7 면(S7)은 볼록할 수 있고, 상기 제8 면(S8)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제4 렌즈(140)는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제7 면(S7) 및 상기 제8 면(S8) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제7 면(S7) 및 상기 제8 면(S8)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제5 렌즈(150)는 양(+)의 굴절력을 가질 수 있다. 상기 제5 렌즈(150)는 플라스틱 또는 글라스 재질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제5 렌즈(150)는 플라스틱 재질로 제공될 수 있다. 상기 제5 렌즈(150)는 물체 측 면으로 정의되는 제9 면(S9) 및 상 측 면으로 정의되는 제10 면(S10)을 포함할 수 있다. 상기 제9 면(S9)은 볼록할 수 있고, 상기 제9 면(S9)은 오목할 수 있다. 즉, 상기 제5 렌즈(150)는 물체 측으로 볼록한 메니스커스 형상을 가질 수 있다. 상기 제9 면(S9) 및 상기 제10 면(S10) 중 적어도 하나의 면은 비구면일 수 있다. 예를 들어, 상기 제9 면(S9) 및 상기 제10 면(S10)은 모두 비구면일 수 있다.
상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)은 설정된 유효 구경(Clear aperture)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제10 면들(S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10) 각각은 설정된 유효 구경을 가질 수 있다.
상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 중 상기 이미지 센서(300)와 가장 인접한 상기 제5 렌즈(150)는 상기 제1 내지 제4 렌즈들(110,120,130,140)보다 큰 유효 구경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제5 렌즈(150)의 제9 면(S9) 및 제10 면(S10)의 유효 구경은 상기 제1 내지 제8 면들(S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8)보다 큰 유효 구경을 가질 수 있다. 상기 제1 렌즈(110)는 상기 제1 내지 제4 렌즈들(110,120,130,140) 중 가장 큰 유효 구경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 렌즈(110)의 제1 면(S1) 및 제2 면(S2)의 유효 구경은 상기 제3 내지 제8 면들(S3,S4,S5,S6,S7,S8)의 유효 구경보다 클 수 있다.
상기 제2 렌즈(120)는 상기 제3 렌즈(130) 및 상기 제4 렌즈(140)보다 큰 유효 구경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 렌즈(120)의 제3 면(S3) 및 제4 면(S4)의 유효 구경은 상기 제3 및 제4 렌즈(130,140)의 제5 내지 제8 면(S5,S6,S7,S8)의 유효 구경보다 클 수 있다. 상기 제4 렌즈(140)의 유효 구경은 상기 제3 렌즈(130)의 유효 구경보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제4 렌즈(140)의 제7 면(S7) 및 제8 면(S8)의 유효 구경은 상기 제3 렌즈(130)의 제5 면(S5) 및 제6 면(S6)의 유효 구경보다 클 수 있다.
발명의 실시예에 따른 광학계(1000)는 이하에서 설명되는 수학식 중 적어도 하나를 만족할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 광학계(1000)가 하기 수학식들 중 적어도 하나를 만족할 경우 향상된 광학 특성을 가질 수 있다.
[수학식 1]
0.8 < CA11 / CA51 < 2
0.8 < CA12 / CA52 < 2
수학식 1에서 CA11은 상기 제1 렌즈(110)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 유효 구경의 크기를 의미하고, CA12는 상기 제1 렌즈(110)의 상 측 면(제2 면(S2))의 유효 구경의 크기를 의미한다. 또한, CA51은 상기 제5 렌즈(150)의 물체 측 면(제9 면(S9))의 유효 구경의 크기를 의미하고, CA52는 상기 제5 렌즈(150)의 상 측 면(제10 면(S10))의 유효 구경의 크기를 의미한다.
자세하게, 상기 제1 렌즈(110)의 유효 구경 및 상기 제5 렌즈(150)의 유효 구경은 하기 수학식 1-1를 만족할 수 있다.
[수학식 1-1]
0.8 < CA11 / CA51 < 1.8
0.8 < CA12 / CA52 < 1.8
보다 자세하게, 상기 제1 렌즈(110)의 유효 구경 및 상기 제5 렌즈(150)의 유효 구경은 하기 수학식 1-2를 만족할 수 있다.
[수학식 1-2]
0.8 < CA11 / CA51 < 1.5
0.8 < CA12 / CA52 < 1.5
[수학식 2]
0 < CA / BFL < 1
수학식 2에서 CA는 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 중 선택되는 어느 하나의 렌즈의 물체 측 면 또는 상 측 면의 유효 구경의 크기를 의미한다. 또한, BFL(Back focus length)은 상기 제5 렌즈(150)의 상 측 면(제10 면(S10))에서 이미지 센서(300)까지의 광축 방향 거리를 의미한다.
자세하게, 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)의 유효 구경과 BFL은 하기 수학식 2-1를 만족할 수 있다.
[수학식 2-1]
0.3 < CA / BFL < 1
더 자세하게, 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)의 유효 구경과 BFL은 하기 수학식 2-2을 만족할 수 있다.
[수학식 2-2]
0.3 < CA / BFL < 0.8
[수학식 3]
3 < TTL / BFL < 5
수학식 3에서 TTL(Total track length)는 상기 제1 렌즈(110)의 물체 측 면(제1 면(S1))으로부터 상기 이미지 센서(300)까지의 광축 방향 거리를 의미한다.
[수학식 4]
0.5 < ImgH / BFL < 1.5
수학식 4에서 ImgH는 상기 이미지 센서(300)의 유효 영역의 대각 방향 길이의 1/2 값을 의미한다. 즉, 상기 ImgH는 상기 이미지 센서(300)의 상면의 광축에서 1 필드(field) 영역까지의 수직 방향 거리를 의미한다.
더 자세하게, 상기 ImgH 및 상기 BFL은 하기 수학식 4-1를 만족할 수 있다.
[수학식 4-1]
0.5 < ImgH / BFL < 1
[수학식 5]
EFL > 10mm
수학식 5에서 EFL은 상기 광학계(1000)의 유효 초점 거리를 의미한다.
[수학식 6]
F-number < 3.8
수학식 6에서 F-number는 광학계의 밝기를 나타내는 수치를 의미한다.
[수학식 7]
CRA < 40
수학식 7에서 CRA(Chief Ray Angle)는 상기 이미지 센서(300)에 입사하는 주광선의 입사각도를 의미한다.
[수학식 8]
2 < CT1 / CT5 < 4
수학식 8에서 CT1은 제1 렌즈(110)의 중심 두께를 의미하고, CT5는 제5 렌즈(150)의 중심 두께를 의미한다.
[수학식 9]
|f5| > |f1|+|f2|+|f3|+|f4|
수학식 9에서 f1 내지 f5는 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 각각의 초점 거리를 의미한다. 상기 제5렌즈(150)의 초점 거리(f5)의 절대 값은 상기 제1 내지 제4렌즈(110,1201,130,140)의 초점 거리(f1,f2,f3,f4)들의 절대 값 합보다 클 수 있다.
[수학식 10]
20 < f5 / EFL < 50
수학식 10에서 f5는 제5 렌즈(150)의 초점 거리를 의미하고, EFL는 상기 광학계(1000)의 유효 초점 거리를 의미한다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2021010246-appb-img-000001
수학식 10에서 Z는 Sag로 비구면 상의 임의의 위치로부터 상기 비구면의 정점까지의 광축 방향의 거리를 의미할 수 있다. 상기 Y는 비구면 상의 임의의 위치로부터 광축까지의 광축에 수직인 방향으로의 거리를 의미할 수 있다. 상기 c는 렌즈의 곡률을 의미할 수 있고, K는 코닉 상수를 의미할 수 있다. 상기 A, B, C, D, E,F는 비구면 계수(Aspheric constant)를 의미할 수 있다.
실시예에 따른 광학계(1000)는 수학식 1 내지 수학식 9 중 적어도 하나의 수학식을 만족할 수 있다. 이 경우, 상기 광학계(1000)는 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 광학계(1000)가 상술한 수학식들 중 적어도 하나를 만족할 경우, 상기 광학계(1000)에 입사된 광이 상기 광학계(1000)를 수용하는 기구물에 반사되어 발생하는 특성 저하 현상, 예컨대 플레어(flare) 또는 고스트(ghost) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
표 1은 발명의 실시 예에 따른 렌즈들의 데이터를 나타낸다.
렌즈 면 곡률 반경 두께/거리 유효 구경 굴절률 아베수
제1 렌즈 제1 면 4.043 1.5 1.55 1.5345 55.677
제2 면 -8.1302 0.1324 1.4863638
제2 렌즈 제3 면 -7.3286 1.5 1.416846 1.6397 23.262
제4 면 -384.7888 0.8503 1.3826056
제3 렌즈 제5 면 17.482107 1.5 1.3135073 1.5345 55.677
제6 면 3.8785 0.116989268 1.3031867
제4 렌즈 제7 면 3.4444726 1.5 1.3192926 1.6397 23.262
제8 면 3.2521355 0.667342341 1.3771759
제5 렌즈 제9 면 6.2858121 0.5016011 1.5669996 1.5345 55.677
제10 면 6.2822957 1.5378562
하기 표 2는 발명의 실시 예에 따른 광학계 및 렌즈들의 특성을 나타낸다.
항목 실시예
TTL 11.08676
F-number 3.4647
EFL 10.7407
BFL 2.818
ImgH 2.051
f1 5.256428
f2 -11.58088
f3 -9.65706
f4 43.734218
f5 428.46201
표 1은 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)의 곡률 반경, 각 렌즈의 두께(mm)(thickness), 각 렌즈 사이의 거리(mm)(distance), 굴절률(Refractive index), 아베수(Abbe's Number)에 대한 것이다. 표 1을 참조하면, 상기 제1 렌즈(110), 상기 제3 렌즈(130) 및 상기 제5 렌즈(150)의 굴절률은 서로 동일할 수 있고, 상기 제2 렌즈(120) 및 상기 제4 렌즈(140)의 굴절률은 서로 동일할 수 있다. 이때, 상기 제1 렌즈(110), 상기 제3 렌즈(130) 및 상기 제5 렌즈(150)의 굴절률은 상기 제2 렌즈(120) 및 상기 제4 렌즈(140)의 굴절률보다 작을 수 있다.
상기 제1 렌즈(110), 상기 제3 렌즈(130) 및 상기 제5 렌즈(150)의 아베수는 서로 동일할 수 있고, 상기 제2 렌즈(120) 및 상기 제4 렌즈(140)의 아베수는 서로 동일할 수 있다. 이때, 상기 제1 렌즈(110), 상기 제3 렌즈(130) 및 상기 제5 렌즈(150)의 아베수는 상기 제2 렌즈(120) 및 상기 제4 렌즈(140)의 아베수보다 클 수 있다.
표 2는 실시예에 따른 광학계(1000)의 특성에 대한 것으로, 표 2의 TTL(Total track length)은 상기 제1 렌즈(110)의 물체 측 면(제1 면(S1))의 정점으로부터 상기 이미지 센서(300)의 상면까지의 광축 상 거리(mm)이고, EFL(Effective Focal Length)은 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150)을 포함하는 상기 광학계(1000)의 초점 거리(mm)를 의미할 수 있다. 그리고, BFL(Back focus length)은 상기 제5 렌즈(150)의 상 측 면(제10 면(S10))에서 이미지 센서(300)까지의 광축 방향 거리(mm)를 의미할 수 있고, f1 내지 f5 각각은 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 각각의 초점 거리(mm)를 의미할 수 있다. 표 2를 참조하면, 상기 제5 렌즈(150)는 상기 제1 내지 제5 렌즈들(110,120,130,140,150) 중 가장 큰 초점 거리 값을 가질 수 있다.
실시예에 따른 광학계(1000)에서 각 렌즈의 비구면 계수의 값은 표 3과 같다.
K A B C D E F G H J
제1 면 -4.624774 -0.226312E-02 0.489390E-02 -0.509701E-02 0.217648E-02 -0.566567E-03 0.558957E-04 0.000000E+00 0.000000E+00 0.00000E+00
제2 면 0.000000 -0.419606E-01 0.604368E-01 -0.470338E-01 0.138559E-01 0.375169E-03 -0.122076E-02 0.278259E-03 -0.204382E-04 0.000000E+00
제3 면 -7.463160 -0.232627E-01 0.527822E-01 -0.444088E-01 0.151247E-01 -0.146984E-02 -0.296560E-03 0.625074E-04 0.000000E+00 0.00000E+00
제4 면 -99.000000 0.119356E-02 0.445158E-0 -0.108605E-01 0.641443E-02 -0.599468E-03 -0.179139E-02 0.109799E-02 -0.196984E-03 0.000000E+00
제5 면 -99.000000 0.214541E-02 -0.365989E-01 0.624896E-01 -0. 628915E-01 0.298347E-01 -0. 531098E-02 0.000000E+00 0.000000E+00 0.000000E+00
제6 면 -44.256666 0.637372E-01 -0. 995684E-01 0.171046E+00 -0. 906703E-01 -0. 160399E+00 0.293791E+00 -0. 198733E+00 0.636119E-01 -0. 805047E-02
제7 면 -99.000000 0.114492E+00 -0. 318890E+00 0.628853E+00 -0. 788570E+00 0.602565E+00 -0. 270609E+00 0.651563E-01 -0. 643303E-02 0.000000E+00
제8 면 0.684650 -0.230664E-01 -0.204520E-01 0.756834E-01 -0. 120926E+00 0.106326E+00 -0.524879E-01 0.135195E-01 -0. 139956E-02 0.000000E+00
제9 면 0.000000 0.000000E+00 0.000000E+00 0.000000E+00 0.000000E+00
제10 면 0.000000 0.000000E+00 0.000000E+00 0.000000E+00 0.000000E+00
표 4는 발명의 실시 예에 따른 광학계에 적용된 수학식 1 내지 10의 값들을 나타낸다.
수학식 실시예
수학식 1 0.8 < CA11 / CA51 < 2
0.8 < CA12 / CA52 < 2		 CA11 / CA51 = 0.989
CA12 / CA52 = 0.966
수학식 2 0 < CA / BFL < 1 제1 내지 제5 렌즈 모두 만족
수학식 3 3 < TTL / BFL < 5 TTL / BFL = 3.93
수학식 4 0.5 < ImgH / BFL < 1.5 ImgH / BFL = 0.727
수학식 5 EFL > 10mm 만족
수학식 6 F-number < 3.8 만족
수학식 7 CRA < 40 < 40
수학식 8 2 < CT1 / CT5 < 4 CT1 / CT5 = 2.99
수학식 9 |f5| > |f1|+|f2|+|f3|+|f4| 428.462 > 80.969
수학식 10 20 < f5 / EFL < 50 f5 / EFL = 39.891
표 4는 상술한 수학식들에 대한 상기 광학계(1000)의 값이다. 표 4를 참조하면, 실시예에 따른 광학계(1000)는 수학식 1 내지 수학식 9 중 적어도 하나를 만족하는 것을 알 수 있다. 자세하게, 상기 광학계(1000)는 수학식 1 내지 수학식 10을 모두 만족하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 광학계(1000)는 도 2와 같은 수차 특성을 가질 수 있다. 자세하게, 도 2는 실시예에 따른 광학계(1000)의 수차도를 도시한 그래프로 좌측에서 우측 방향으로 구면 수차(Longitudinal Spherical Aberration), 비점 수차(Astigmatic Field Curves), 왜곡 수차(Distorion)를 측정한 그래프이다. 도 2에서 X축은 초점 거리(mm) 및 왜곡도(%)를 나타낼 수 있고, Y축은 이미지의 높이(height)를 의미할 수 있다. 또한, 구면 수차에 대한 그래프는 435nm, 486nm, 546nm, 587nm, 656.3nm 파장 대역의 광에 대한 그래프이며, 비점 수차 및 왜곡 수차에 대한 그래프는 546nm 파장 대역의 광에 대한 그래프이다. 발명의 실시예에 따른 광학계(1000)는 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 광학계(1000)는 상기 이미지 센서(300)와 가장 인접한 제5 렌즈(150)의 유효 구경이 상기 물체 측에 가장 인접한 제1 렌즈(110)의 유효 구경보다 크게 형성하여 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 특히, 상기 복수의 렌즈들 중 상기 제5 렌즈(150)의 유효 구경이 가장 큼에 따라, 소형 내지 대형 등 다양한 크기의 이미지 센서(300)를 가지는 줌 렌즈 설계 시 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기 광학계(1000)를 망원 렌즈(telephoto lens)로 적용할 경우, 향상된 광학 특성을 가질 수 있다.
상기 광학계는 상대적으로 작은 BFL(Back Focus Length) 값을 가져 향상된 광학 특성을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 이미지 센서(300)와 상기 제5 렌즈(150) 사이의 간격(BFL)이 상대적으로 작은 값을 가짐에 따라, 상기 광학계(1000)에 입사된 광이 상기 제5 렌즈(150)와 상기 이미지 센서(300) 사이의 구조물에 반사되는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 광학계(1000)는 CRA 값, 예컨대 상기 제5 렌즈(150)를 통과하여 상기 이미지 센서(300)에 입사하는 광의 각도를 용이하게 보정하여 향상된 광학 특성을 가질 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 물체 측으로부터 상 측 방향으로 광축을 따라 순차적으로 배치되는 광 경로 변경 부재 및 복수의 렌즈를 포함하고,
    상기 광 경로 변경 부재는 반사경 또는 프리즘을 포함하고,
    상기 복수의 렌즈의 간격은 변화하지 않고,
    상기 복수의 렌즈 중 상기 상 측과 가장 인접한 렌즈는 나머지 렌즈보다 큰 유효 구경을 가지는 광학계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈는,
    상기 물체 측으로부터 상기 상 측 방향으로 광축을 따라 순차적으로 배치되는 제1 내지 제5 렌즈를 포함하는 광학계.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제5 렌즈 각각의 유효 구경의 크기는 하기 수학식 1을 만족하는 광학계.
    [수학식 1]
    0.8 < CA11 / CA51 < 2
    0.8 < CA12 / CA52 < 2
    (수학식 1에서 CA11은 상기 제1 렌즈의 물체 측 면의 유효 구경의 크기를 의미하고, CA12는 상기 제1 렌즈의 상 측 면의 유효 구경의 크기를 의미한다. 또한, CA51은 상기 제5 렌즈의 물체 측 면의 유효 구경의 크기를 의미하고, CA52는 상기 제5 렌즈의 상 측 면의 유효 구경의 크기를 의미한다.)
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 유효 구경의 크기는 상기 제1 내지 제4 렌즈의 유효 구경의 크기 중 가장 큰 광학계.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제5 렌즈의 상 측 면에서 이미지 센서까지의 광축 방향 거리를 BFL(Back focus length)로 정의할 때, 하기 수학식 2를 만족하는 광학계.
    [수학식 2]
    0 < CA / BFL < 1
    (수학식 2에서 CA는 상기 제1 내지 제5 렌즈 중 선택되는 하나의 렌즈의 물체 측 면 또는 상 측 면의 유효 구경의 크기이다.)
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 물체 측 면으로부터 상기 이미지 센서까지의 광축 방향 거리를 TTL(Total track length)로 정의할 때, 하기 수학식 3을 만족하는 광학계.
    [수학식 3]
    3 < TTL / BFL < 4.5
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 광학계의 유효 초점 거리(EFL)는 10mm보다 큰 광학계.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 광학계는 3.8보다 작은 F-number를 가지는 광학계.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 광학계의 주광선 입사각(CRA)은 40보다 작은 광학계.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 양의 굴절력을 가지는 광학계.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 제5 렌즈는 양의 굴절력을 가지는 광학계.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 물체 측 면은 변곡점을 가지는 광학계.
  13. 물체 측으로부터 상 측 방향으로 광축을 따라 순차적으로 배치되는 광 경로 변경 부재, 복수의 렌즈; 및
    이미지 센서를 포함하고,
    상기 광 경로 변경 부재는 반사경 또는 프리즘을 포함하고,
    상기 복수의 렌즈의 간격은 변화하지 않고,
    상기 복수의 렌즈 중 상기 이미지 센서와 가장 인접한 렌즈의 상 측 면에서 상기 이미지 센서까지의 광축 방향 거리를 BFL(Back focus length)로 정의할 때, 하기 수학식 4를 만족하는 광학계.
    [수학식 4]
    0.5 < ImgH / BFL < 1.5
    (수학식 4에서 ImgH는 상기 이미지 센서의 유효 영역의 대각 방향 길이의 1/2 값을 의미한다.)
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