모바일 기기용 접이식 망원 카메라 렌즈 광학계 설계

2.1. 설계 및 측정 방법

본 연구에서는 Synopsys사의 CODE V Version 11.5 결상 광학 설계 소프트웨어를 사용하여 모바일 기기에 적용 가능한 접이식 망원 카메라 광학계의 설계 및 성능 평가를 하고자 한다. 모바일 기기용 카메라 렌즈는 고성능과 소형화가 동시에 요구되고 있어 요구되는 성능을 만족하기 위하여 광학계 구성에 수차 보정이 용이하고 대량생산에 유리한 비구면 렌즈를 채택하였다.^[8] 특히, 긴 초점거 리를 확보하고 고성능을 구현하기 위해 4매의 비구면 렌즈를 추가하여 광학계를 설계하였다.

접이식 카메라의 구조적 특징을 고려하여 폴디드 텔레 카메라 구조를 기반으로 설계를 진행하였다. 접이식 구조는 스마트폰의 두께를 최소화하면서 긴 초점거리를 확보 할 수 있다는 장점이 있지만, 광축의 변화에 따른 수차 발생 가능성이 높다는 단점도 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 광학 시뮬레이션을 통해 다양한 변수를 조절하며 최적의 광학 설계를 도출하였다. 이후 설계된 광학계의 성능 평가를 위해 이미지 가장자리의 왜곡 정도를 나타내는 지표로 이미지 품질에 직접적인 영향을 미치는 Distortion, 광학계의 해상력을 나타내는 지표로 공간 주파수에 따른 콘트라스트 감소를 나타내는 MTF (modulation transfer function) 및 광학계의 점 이미지 형성 능력을 나타내는 지표로 이미지의 선예도를 평가하는 데 사용되는 spot diagram을 측정하여 평가하고자 한다.

2.2. 설계 사양 및 조건

본 연구에서는 모바일 기기에 적용 가능한 고성능 망원 카메라를 구현을 목표로 접이식 망원 카메라 광학계를 설계하고자 하였다. 먼저 다수의 특허 및 문헌을 검토한 결과, Corephotonics사가 2022년 공개 출원한 PCT/IB2022/ 055745 특허의 구조 및 형태를 참고하여 설계하고자 하였 다.^[9] 해당 특허는 접이식 구조를 통해 컴팩트한 광학계를 구현하여 본 설계가 목표로 하는 사양과 성능 조건에 적용될 수 있다는 점에서 본 연구의 목적에 부합한 구조라 판단하였다.

설계 제약 조건 및 목표 사양으로 Table 1에서 제시된 바와 같이 모바일 기기의 두께 제한을 고려하여 두께를 9 mm 이내로 설정하였으며, 3.33 μm 크기의 화소를 기반 으로 높은 수광량과 소형화의 장점을 가진 5MP 1/2.36″ 이미지 센서에 대응하는 것을 목표로 두었다. 4매의 비구면 렌즈를 추가해 총 8매의 비구면 렌즈와 1매의 미러를 사용하여 EFL(effective focal length) 50 mm를 확보하였고 FOV(field of view)는 12°로 설정한 후 촬영된 사진에서 사람의 눈이 감지할 수 없는 수준의 왜곡수차량인 1% 이내의 왜곡수차를 만족하도록 하여 이미지 왜곡을 최소화 하도록 하였다. 또한 MTF를 광학계가 목표로 한 화소에 적용될 수 있도록 150 lp/mm의 모든 field에서 20% 이상을 만족하도록 설정하였다. 파장은 실제 광원 조건을 고려하여 Fraunhofer C, d 및 F-line인 656.28 nm, 587.56 nm, 486.13 nm을 사용하여 설계를 진행하였다.

Table 1.

Target specifications of folded telephoto camera lens

1. 최종 설계 결과

본 연구에서는 접이식 망원 카메라의 광학계를 설계하 였으며, 최종적으로 설계된 접이식 망원 카메라 광학계의 구성도를 Fig. 1에서 나타내었다. 설계 과정에서 4매의 비구면 렌즈를 순차적으로 배치한 후 1매의 미러를 사용하여 광로를 기울이는 방식을 채택함으로써 전체 광학계의 두께가 효율적으로 감소하였다. 이후 4매의 비구면 렌즈를 사용하여 초점거리와 이미지 센서의 크기를 고려한 최적화된 광학 성능을 구현하였으며, 설계 제원 및 비구면 계수의 값을 Table 2와 Table 3에서 나타내었다. 최적화 설계한 광학계의 EFL은 49.2775 mm로 목표 값인 50 mm에 매우 근접하게 설계되었으며 전체 광학계의 두께는 약 8.6 mm로 목표한 설계 조건을 충분히 만족하였다. 이는 설계된 광학계가 망원 기능을 갖추고 있으며 모바일 기기에 적합함을 보여준다.

Fig. 1.

Layout of optimized folded telephoto camera lens.

Table 2.

Design data of the optimized folded telephoto camera lens

Table 3.

Aspheric coefficients for the optimized folded telephoto camera lens

본 연구에서 설계한 광학계의 성능을 정량적으로 평가 하고, 그 결과를 바탕으로 광학계가 제시된 목표 사양을 만족하는지 확인하고자 distortion, MTF, spot diagram을 분석하였다.

2. Distortion 분석 및 평가

Fig. 2에서 설계한 광학계의 왜곡수차량을 나타내었다. 왜곡수차는 모든 field에서 약 0.3% 이하의 수준으로 목표 값인 1%보다 매우 낮은 우수한 결과를 보여주었다. 김 등^[10]의 연구에 따르면 왜곡수차가 모든 field에서 1% 이내를 만족하여 주변부 상에 발생하는 왜곡을 광학적으로 보정함으로써 소프트웨어 보정에 소모되는 전력을 줄일 수 있다는 연구가 있었다. 또한, 설계된 광학계의 왜곡 격자 무늬가 거의 직선에 가까운 형태를 보이며 기하학적 왜곡이 매우 작다는 것을 시각적으로 확인할 수 있다. 따라서 본 광학계는 왜곡이 최소화되어 일관되고 정확한 이미지를 형성할 수 있을 것이며, 고해상도 이미지가 요구되는 응용 분야에 적합한 성능을 제공할 수 있을 것으로 판단 된다.

Fig. 2.

Distortion (%) and distortion grid of optimized folded telephoto camera lens.

3. MTF 분석 및 평가

설계한 광학계의 MTF 특성 곡선을 Fig. 3에서 나타내 었다. 분석 결과, 150 lp/mm에서 nyquist frequency의 20% 이상의 MTF 값을 보여 목표 성능을 충족하며 우수한 해상력을 가지는 것을 확인할 수 있었다. Sun 등^[11]의 연구 에서 제시한 스마트폰용 접이식 광학계와 동일한 초점거리 및 공간 주파수 조건에서 본 설계는 약 10% 개선된 성능을 보였다. 본 결과는 광학계의 공간 주파수 특성을 정량적으로 평가하여 해상력을 검증했음을 보여주며 설계한 광학계가 다양한 응용 분야에 적합하고 선명한 이미지를 제공할 수 있음을 의미한다.

Fig. 3.

MTF characteristics of optimized folded telephoto camera lens.

4. Spot diagram 분석 및 평가

Fig. 4에서 설계된 광학계의 spot diagram을 나타내었다. 점 상이 작고 원형에 가까운 형태를 보이며 비대칭성이 거의 관찰되지 않아 코마수차가 적음을 확인하였으며, 높은 선예도를 가지는 것을 확인하였다. 본 결과에서 광학계의 결상 성능을 시각적으로 확인하여 설계된 광학계가 축상에서 왜곡 없이 선명한 점 이미지를 형성할 수 있는 결상 성능을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 4.

Spot diagram of optimized folded telephoto camera lens.

제시된 설계 사양 및 조건을 바탕으로, 모바일 기기의 두께를 고려하여 접이식 망원 카메라 광학계를 설계하였 으며, 설계된 광학계의 왜곡수차, MTF, spot diagram을 분석한 결과, 목표로 한 광학적 성능에 도달한 것을 확인하 였다. 본 연구 결과는 설계된 광학계가 다양한 광학 시스 템에 적용될 수 있는 가능성을 보여주며 향후 고성능 광학계 개발에 도움이 될 수 있을 것이라 사료된다.