JP5318895B2

JP5318895B2 - 撮像光学系

Info

Publication number: JP5318895B2
Application number: JP2011023671A
Authority: JP
Inventors: ユ・ホ・シク
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2031-02-07
Also published as: KR101218999B1; US20110310495A1; KR20110137627A; CN103792647A; US8264784B2; DE102011008994A1; JP2012003230A; CN102289051A; CN103792647B

Description

本発明は撮像光学系に関し、より詳細には、移動通信端末機、ＰＤＡなどに搭載されたり監視用カメラ及びデジタルカメラなどに適用される、広い画角を有するように４枚レンズで構成された撮像光学系に関する。

最近、イメージピックアップシステム（ＩｍａｇｅＰｉｃｋｕｐＳｙｓｔｅｍ）に係り、通信端末機用カメラモジュール、デジタルスチールカメラ（ＤＳＣ、ＤｉｇｉｔａｌＳｔｉｌｌＣａｍｅｒａ）、カムコーダ、ＰＣカメラ（パーソナルコンピューターに付属した撮像装置）などが研究されている。このようなイメージピックアップシステムが像（ｉｍａｇｅ）を得るためにもっとも重要な構成要素は像（ｉｍａｇｅ）を結像するレンズシステム、即ち撮像光学系である。

このような撮像光学系は解像度、画像の品質などにおいて高性能を要求するため、レンズの構成が複雑になっており、このように構成的または光学的に複雑になるにつれ大きさが増し、小型化及び薄型化に相反するという問題点がある。

例えば、モバイルフォンに搭載されるカメラモジュールはその装着性を高めるためにモジュール全体の小型化が必須条件である。しかし、これに用いられるＣＣＤやＣＭＯＳのイメージセンサーは高解像度であり、かつピクセルの大きさが縮小されつつあるため、これに応じるレンズシステムも小型化、薄型化を求められるだけでなく、高解像度や優れた光学性能などを満たさなければならない。

この際、３００万画素の撮像素子（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）を用いる場合には、３枚以下のレンズ構成でも光学的性能及び小型化を満足することができるが、５００万画素以上の高解像度の撮像素子（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ）に３枚以下のレンズが用いられる場合には、各レンズの屈折力を大きくする必要があるが、レンズの加工が難しくなるため、高性能及び小型化を同時に満足することが困難であるという問題点がある。また、４枚以上のレンズ構成にもかかわらず、球面レンズを用いる場合には、光学系の全体の長さが増加して小型化することが困難であるという問題点がある。また、４枚レンズ構成の光学系においては通常５５゜から６８゜の画角を有するように設計される場合には、良好な光学的特性を確保することができるが、６８゜を越える画角を有するように設計される場合には、敏感度が増加して収率の低下をもたらすという問題点がある。

従って、４枚レンズ構成を有する光学系において、小型化、光学的性能及び広い画角を同時に具現することができる技術が求められている。

米国特許第６４７６９８２号公報米国特許第７５３５６５８号公報

本発明は小型化が可能であり、諸収差及びテレセントリック特性のような光学的性能を良好に維持しながら、広い画角を有する４枚レンズ構成の撮像光学系を提供することを技術的課題とする。

上述の技術的課題を解決するための手段として本発明は、物体側から像面前方に向かって順に配置される、正の屈折力を有する両面が凸の第１レンズ；負の屈折力を有する両面が凹の第２レンズ；正の屈折力を有するメニスカス形状を有する第３レンズ；及び負の屈折力を有する両面が凹の第４レンズで構成され、前記第１レンズ及び前記第４レンズの屈折力に関して下記条件式１を満足し、前記第３レンズの形状に関して下記条件式３を満足することを特徴とする撮像光学系を提供する。
［条件式１］（ｆ１／ｆ４）＜−１．５１６
［条件式３］（ｔ５／Ｆ）＞０．２３５
（ｆ１：前記第１レンズの焦点距離、ｆ４：前記第４レンズの焦点距離、ｔ５：前記第３レンズの光軸上の厚さ、Ｆ：前記撮像光学の全体の焦点距離）

本発明の一実施形態は、前記第１レンズ及び前記第３レンズの形状に関して下記条件式２を満足することができる。

前記条件式２で、ｒ１は前記第１レンズの物体側面の曲率半径を表し、ｒ６は前記第３レンズの像側面の曲率半径を表す。

本発明の一実施形態は、前記第１レンズ及び前記第２レンズの材質に関して下記条件式４を満足することができる。

前記条件式４で、Ｖ１は前記第１レンズのアッベ数を表し、Ｖ２は前記第２レンズのアッベ数を表す。

本発明の一実施形態は、前記第１レンズから前記第４レンズの屈折力に関して下記条件式５から条件式８を満足することができる。

前記条件式５から条件式８で、ｆ１は前記第１レンズの焦点距離を表し、ｆ２は前記第２レンズの焦点距離を表し、ｆ３は前記第３レンズの焦点距離を表し、ｆ４は前記第４レンズの焦点距離を表し、Ｆは前記撮像光学系の全体の焦点距離を表す。
本発明の一実施形態は、前記第１レンズの物体側の前方に配置された開口絞りをさらに含むことができる。

本発明によると、撮像光学系の画角を広く形成すると同時に、球面収差、非点収差、歪曲、横収差の補正状態を良好に維持することによって、高解像度及び高鮮明度に優れた品質を有する画像を得ることができる効果がある。

本発明の第１実施例による撮像光学系のレンズ構成図である。図１に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフである。図１に図示された光学系の子午像面（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）及び球欠像面（Ｓａｇｉｔｔａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）で光軸上の相対フィールド高さ（ｒｅｌａｔｉｖｅｆｉｅｌｄｈｅｉｇｈｔ）が０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。本発明の第２実施例による撮像光学系のレンズ構成図である。図４に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフである。図４に図示された光学系の子午像面及び球欠像面で光軸上の相対フィールド高さが０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。本発明の第３実施例による撮像光学系のレンズ構成図である。図７に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフである。図７に図示された光学系の子午像面及び球欠像面で光軸上の相対フィールド高さが０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。本発明の第４実施例による撮像光学系のレンズ構成図である。図１０に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフである。図１０に図示された光学系の子午像面及び球欠像面で光軸上の相対フィールド高さが０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明の多様な実施形態をより詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができて、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は本発明が属する技術分野にて通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面に図示された構成要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張されることができる点に留意しなければならない。

図１は本発明による撮像光学系の第１実施例を図示したレンズ構成図である。以下のレンズ構成図で、レンズの厚さ、大きさ、形状は説明のために多少誇張して図示されており、特にレンズ構成図で提示された球面または非球面の形状は一例に提示されたものに過ぎず、この形状に限定されない。

一般的に、カメラモジュールは少なくとも一つのレンズ、内部に所定の空間が形成されてレンズを収容するハウジング、前記レンズによる結像面に対応するイメージセンサー、前記ハウジングの他端に固定設置され、その一面に前記イメージセンサーが装着されて前記イメージセンサーで感知されたイメージを処理するための回路基板などからなることができる。

本発明はこのようなカメラモジュールのうちマイクロカメラモジュールに用いられる撮像光学系に関するものである。

図１に図示されたように、本発明の一実施形態による撮像光学系は、正の屈折力を有する両面１、２が凸の第１レンズＬ１と、負の屈折力を有する両面３、４が凹の第２レンズＬ２と、正の屈折力を有しながらメニスカス形状を有する第３レンズＬ３及び負の屈折力を有する両面７、８が凹の第４レンズＬ４を含んで構成されることができる。これに加えて、本発明の一実施形態による撮像光学系は、第１レンズＬ１の物体側の前方に配置された開口絞り（未図示）をさらに含むことができる。

このようなレンズ構成は物体側から順に正、負、正及び負の屈折力を有する４個のレンズを配置し、屈折力を適切に配分することにより、小型化に有利である。

一番物体側に配置される前記第１レンズＬ１は、両面１、２を凸に形成して正の屈折力を有するようにすることによって、光学系の物体側で光学系全体の屈折力を調整するようにする。

前記第２レンズＬ２は、相対的に分散値が大きい（即ち、小さいアッベ数を有する）材質を用いて像側面４を凹に形成することによって、負の屈折力を有するようにし、その後方に配置される第３レンズＬ３及び第４レンズＬ４で色分散を補償することができるように構成する。

前記第３レンズＬ３は、像側面６が凸のメニスカス形状を有することによって、その前方に配置される第２レンズＬ２を通過した光を小さい入射角度で入射させ、レンズ面を広くして各フィールド別に重複されないように収差を改善することができるようにする。また、前記第３レンズＬ３は、像側面６の曲率半径を小さく形成することによって、テレセントリック特性を確保し、広い画角でも敏感度を鈍化させることができるように構成する。

一番像側に配置される前記第４レンズＬ４は、像側面が凹であり、変曲点を有する非球面に形成し、像面ＩＰに入射される光が像面に形成する入射角度を減少させることにより、ピクセルサイズが小さいイメージセンサーでも収差を減少させた優れた画質の映像を得ることができるようになる。さらに、第４レンズＬ４は、像側面８を凹に形成することで、像面方向に大きく突出されずバックフォーカスを短くすることができて、撮像レンズの全体長さの短縮化に有利な構成になる。また、前記第４レンズＬ４は、焦点距離を短くすることにより、曲率半径を小さく形成した前記第３レンズＬ３の像側面６とともにテレセントリック特性を確保して広い画角でも敏感度を鈍化させることができる。

上述の前記第１レンズＬ１から第４レンズＬ４が有する屈折面１〜８は、非球面に形成することによってレンズの解像力を向上させると同時に、歪曲収差、球面収差を減少させることができて、コンパクトで光学的特性に優れた光学系を具現することができる。

そして、本発明は一番物体側に露出されるレンズ面の面積が小さいため、開口絞りの位置を第１レンズＬ１の物体側の前方に配置させることによって異物の浸透などを管理することが容易であり、画角始点をレンズの一番上面に近く位置することによって、カメラモジュールを固定する外部機構物の窓（ｗｉｎｄｏｗ）を小型化することができる。また、高解像度に適用されるほどイメージセンサーのピクセルサイズはより減少されて、さらに明るい光学系（小さいＦナンバーを有するレンズ）が求められ、絞りが物体側の前方に位置することによって明るい光学系を製造することが容易である長所がある。

一方、前記第４レンズＬ４と像面ＩＰの間には赤外線フィルター、カバーガラスなどに対応する光学的フィルターＯＦが備えられる。

また、像面ＩＰはＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージセンサーの結像面に該当する。

このような全体的なレンズ構成において、次の条件式１から条件式８の作用効果に対して説明する。

前記条件式１で、ｆ１は前記第１レンズＬ１の焦点距離を表し、ｆ４は前記第４レンズＬ４の焦点距離を表す。

前記条件式１は、第１レンズＬ１の焦点距離と第４レンズＬ４の焦点距離の比を表したものであり、第１レンズＬ１及び第４レンズＬ４の屈折力に関する条件を規定するものである。

前記条件式１で規定した上限を外れる場合は、第４レンズＬ４の焦点距離を相対的に大きく形成する場合に該当されて、この場合テレセントリック特性及び色収差特性が劣化されて敏感度が増加するようになる。

前記条件式２で、ｒ１は前記第１レンズＬ１の物体側面の曲率半径を表し、ｒ６は前記第３レンズＬ３の像側面の曲率半径を表す。

前記条件式２は第１レンズＬ１の物体側面の曲率半径と第３レンズＬ３の像側面の曲率半径の比を表したものであり、第１レンズＬ１及び第３レンズＬ３の形状に関する条件を規定するものである。

前記条件式２で規定した上限を外れる場合は、第３レンズＬ３の像側面の曲率半径を相対的に大きく形成する場合に該当され、前記条件式１の上限を外れる場合と同様に光学系のテレセントリック特性及び色収差特性が劣化されて、敏感度が増加するようになる。

前記条件式３で、ｔ５は前記第３レンズＬ３の光軸上の厚さを表し、Ｆは前記撮像光学系の全体の焦点距離を表す。

前記条件式３は第３レンズＬ３の厚さと全体焦点距離の間の割合を表したものであり、第３レンズＬ３の形状に関する条件を規定するものである。

前記条件式３の下限を外れる場合、第３レンズＬ３の厚さが薄くなり、第３レンズＬ３の像側面の曲率半径を十分に小さく維持することが困難になるため、光学系のテレセントリック特性及び色収差特性が劣化され、敏感度が増加するようになる。

前記条件式４で、Ｖ１は前記第１レンズＬ１のアッベ数を表し、Ｖ２は前記第２レンズＬ２のアッベ数を表す。

前記条件式４は第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の材質に関する条件を規定するものであり、前記条件式４の下限を外れる場合は前記第２レンズＬ２のアッベ数が相対的に大きく（分散値が小さく）形成される場合であり、色分散補正が困難になる可能性がある。

前記条件式５から条件式８で、ｆ１は前記第１レンズＬ１の焦点距離を表し、ｆ２は前記第２レンズＬ２の焦点距離を表し、ｆ３は前記第３レンズＬ３の焦点距離を表し、ｆ４は前記第４レンズＬ４の焦点距離を表し、Ｆは前記撮像光学系全体の焦点距離を表す。

前記条件式５から条件式８は、夫々第１レンズＬ１から第４レンズＬ４の屈折力に関する条件を規定するものである。

前記条件式５から条件式８で規定された下限を外れる場合、球面収差または歪曲収差の補正が困難かつ、テレセントリック特性が低下する可能性があり、上限を外れる場合は色収差が増加して色収差の補正が困難になるため、小型化に不利になる。

以下、具体的な数値実施例を通じて本発明に対して説明する。

以下の実施例１から３は上述のように、正の屈折力を有する両面が凸の第１レンズＬ１と、負の屈折力を有する両面が凹の第２レンズＬ２と、正の屈折力を有しながらメニスカス形状を有する第３レンズＬ３及び負の屈折力を有する両面が凹の第４レンズＬ４を含んで、第１レンズＬ１の物体側の前方に開口絞りＳが備えられる。また、前記第４レンズＬ４と像面ＩＰの間には赤外線フィルター、カバーガラスなどに対応する光学的フィルターＯＦが備えられ、また、像面ＩＰはＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージセンサーの結像面に該当する。

以下の各実施例で用いられる非球面は公知の数式９から得られて、コーニック（Ｃｏｎｉｃ）定数Ｋ及び非球面係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに用いられる「Ｅ及びこれにつながる数字」は１０の累乗を表す。例えば、Ｅ＋０１は１０^１を、E−０２は１０^−２を表す。

Ｚ：レンズの頂点から光軸方向への距離
Ｙ：光軸に垂直方向への距離
ｃ：レンズの頂点での曲率半径ｒの逆数
Ｋ：コーニック（Ｃｏｎｉｃ）定数
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ：非球面係数

（第１実施例）
下記表１は、本発明の第１実施例による光学系の数値例を表している。また、図１は本発明の第１実施例による撮像光学系のレンズ構成図であり、図２は表１及び図１に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフであり、図３は表１及び図１に図示された光学系の子午像面（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）及び球欠像面（Ｓａｇｉｔｔａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）で光軸上の相対フィールド高さ（ｒｅｌａｔｉｖｅｆｉｅｌｄｈｅｉｇｈｔ）が０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。

第１実施例の場合、第１レンズＬ１の物体側面１から像面１１までの距離ＴＬは５．２５mmであり、光学系の全体の焦点距離Ｆは４．０４３７mm、第１レンズＬ１から第４レンズＬ４の焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は夫々２．９６５mm、-４．９６３mm、１．７９０mm及び-１．８０１mmである。

前記数式９による第１実施例の非球面係数の値は次の表２の通りである。

（第２実施例）
下記表３は本発明の第２実施例による光学系の数値例を表している。また、図４は本発明の第２実施例による撮像光学系のレンズ構成図であり、図５は表３及び図４に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフであり、図６は表３及び図４に図示された光学系の子午像面（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）及び球欠像面（Ｓａｇｉｔｔａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）で光軸上の相対フィールド高さ（ｒｅｌａｔｉｖｅｆｉｅｌｄｈｅｉｇｈｔ）が０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。

第２実施例の場合、第１レンズＬ１の物体側面１から像面１１までの距離ＴＬは５．４４７mmであり、光学系の全体の焦点距離Ｆは４．０４６５mm、第１レンズＬ１から第４レンズＬ４の焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は夫々２．７７１mm、−４．２６６mm、１．８３０mm及び−１．８２８mmである。

前記数式９による第２実施例の非球面係数の値は次の表４の通りである。

（第３実施例）
下記表５は本発明の第３実施例による光学系の数値例を表している。また、図７は本発明の第３実施例による撮像光学系のレンズ構成図であり、図８は表５及び図７に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフであり、図９は表５及び図７に図示された光学系の子午像面（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）及び球欠像面（Ｓａｇｉｔｔａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）で光軸上の相対フィールド高さ（ｒｅｌａｔｉｖｅｆｉｅｌｄｈｅｉｇｈｔ）が０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。

第３実施例の場合、第１レンズＬ１の物体側面１から像面１１までの距離ＴＬは５．４００mmであり、光学系の全体の焦点距離Ｆは４．１３７mm、第１レンズＬ１から第４レンズＬ４の焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は夫々２．９１０mm、−４．７３３mm、１．７６９mm及び−１．７４１mmである。

前記数式９による第３実施例の非球面係数の値は次の表６の通りである。

（第４実施例）
下記表７は本発明の第４実施例による光学系の数値例を表している。また、図１０は本発明の第４実施例による撮像光学系のレンズ構成図であり、図１１は表７及び図１０に図示された光学系の縦球面収差、非点収差及び歪曲を表す分析グラフであり、図１２は表７及び図１０に図示された光学系の子午像面（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）及び球欠像面（Ｓａｇｉｔｔａｌｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ）で光軸上の相対フィールド高さ（ｒｅｌａｔｉｖｅｆｉｅｌｄｈｅｉｇｈｔ）が０．０から１．０の領域での横収差を表す分析グラフである。

第４実施例の場合、第１レンズＬ１の物体側面１から像面１１までの距離ＴＬは５．４２３mmであり、光学系の全体の焦点距離Ｆは４．０４６mm、第１レンズＬ１から第４レンズＬ４の焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は夫々２．７６７mm、−４．２０４mm、１．６５４mm及び−１．６５８mmである。

前記数式９による第４実施例の非球面係数の値は次の表８の通りである。

以上の実施例を通じて図２、図３、図５、図６、図８、図９、図１１及び図１２に図示されたように、球面収差、非点収差、歪曲、横収差の補正状態が良好な光学系を得ることができるという点を確認することができる。

一方、前記の第１から第４実施例に対する条件式１から条件式８の値は次の表９の通りである。

上記表９のように本発明の第１から第４実施例は条件式１から８を満足していることを確認することができる。

本発明の詳細な説明にて、具体的な実施例に対して説明したが、本発明の範囲を外れない限度内で多様な変形が可能であることは勿論である。従って、本発明の範囲は上述の実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲及びこの特許請求の範囲と均等なものによって決まるべきである。

Ｌ１〜Ｌ４第１〜４レンズ
１〜９面番号
ＯＦ光学的フィルター
ＩＰ像面

Claims

物体側から像面前方に向かって順に配置される、
正の屈折力を有する両面が凸の第１レンズ；
負の屈折力を有する両面が凹の第２レンズ；
正の屈折力を有するメニスカス形状を有する第３レンズ；及び
負の屈折力を有する両面が凹の第４レンズで構成され、
前記第１レンズ及び前記第４レンズの屈折力に関して下記条件式１を満足し、前記第３レンズの形状に関して下記条件式３を満足することを特徴とする撮像光学系。
［条件式１］（ｆ１／ｆ４）＜−１．５１６
［条件式３］（ｔ５／Ｆ）＞０．２３５
（ｆ１：前記第１レンズの焦点距離、ｆ４：前記第４レンズの焦点距離、ｔ５：前記第３レンズの光軸上の厚さ、Ｆ：前記撮像光学の全体の焦点距離）
前記第１レンズ及び前記第３レンズの形状に関して下記条件式２を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。
［条件式２］（ｒ１／ｒ６）＜−２．０
（ｒ１：前記第１レンズの物体側面の曲率半径、ｒ６：前記第３レンズの像側面の曲率半径）
前記第１レンズ及び前記第２レンズの材質に関して下記条件式４を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
［条件式４］Ｖ１−Ｖ２＞２５
（Ｖ１：前記第１レンズのアッベ数、Ｖ２：前記第２レンズのアッベ数）
前記第１レンズから前記第４レンズの屈折力に関して下記条件式５から条件式８を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像光学系。
［条件式５］０．４＜（ｆ１／Ｆ）＜１．０
［条件式６］ −１．５＜（ｆ２／Ｆ）＜−０．７
［条件式７］０．１＜（ｆ３／Ｆ）＜０．７
［条件式８］ −０．７＜（ｆ４／Ｆ）＜−０．１
（ｆ１：前記第１レンズの焦点距離、ｆ２：前記第２レンズの焦点距離、ｆ３：前記第３レンズの焦点距離、ｆ４：前記第４レンズの焦点距離、Ｆ：前記撮像光学系の全体の焦点距離）
前記第１レンズの物体側の前方に配置された開口絞りをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像光学系。