광학 폴리머 렌즈 기반 모바일 기기용 광각 카메라 설계
초록
최근 모바일 기기에서의 카메라 모듈은 고화질의 카메라 기능과 얇은 두께를 요구하는 슬림화 된 모바일 기기 제품들이 연구되고 있다. 이에 본 연구에서는 모바일 기기용 광각 카메라의 해상도 향상과 소형화 및 경량화를 목표로 광학계를 설계하고자 한다.
광학 설계 소프트웨어로 CODE V Version 11.5를 사용하며, 기존 특허 렌즈를 활용하여 목표 사양에 부합하게 초기 설계를 진행한다. 가볍고 투명성 및 내열성이 좋은 광학 폴리머(LBPS, COC, COP)를 기반으로 소재를 선정하였다. 해상도 평가를 위해 MTF(modulation transfer function)와 distortion grid, spot diagram을 측정하였다.
설계된 광학계의 분석 결과, 시야각 88°를 기준으로 MTF 계산값은 500cycles/mm에서 25%, distortion grid는 2.5% 이하로 일반적인 모바일 광각렌즈보다 향상된 값을 보여준다. spot diagram은 점 이미지가 작으며 모여 있어 우수한 성능이 확인되었다. 또한 가벼운 광학 폴리머 렌즈 활용과 전장 길이를 최소화하여 소형화 및 경량화를 실행하였다.
본 연구에서는 CODE V 소프트웨어를 사용하여 모바일 기기ì용 광각렌즈를 설계하였다. 스마트폰용 카메라 렌즈에 많이 적용되는 광학 폴리머와 유리 렌즈를 함께 사용함으로써 모바일 기기의 성능 향상 및 소재의 단점을 최소화한 하이브리드 렌즈 설계 가능성을 제시하였다.
Abstract
Recently, camera modules in mobile devices have been studied for slimmed down mobile device products that require high-definition camera functions and thin design. Therefore, in this study, we designed an optical system with the aim of improving resolution, miniaturizing, and lightening wide-angle cameras for mobile devices.
Code V Version 11.5 was used as optical design software, and the initial design was conducted utilizing existing patent lenses, to meet target specifications. The material was selected based on light, transparent, and heat-resistant optical polymers (LB-PS, COC, COP). The modulation transfer function (MTF), distortion grid, and spot diagram were measured for resolution evaluation.
Based on the analysis of the designed optical system, the calculated MTF was 500 cycles/mm, and the distortion grid was less than 2.5%, indicating an improvement over a typical mobile wide-angle lens. Spot diagrams, as small collection of point images, have been proven to have excellent performance. In addition, light optical polymer lenses were utilized, minimizing the entire length to reduce size and weight.
In this study, we designed wide-angle lenses for mobile devices using CODE V software. By using optical polymers and glass lenses, which are often applied to camera lenses for smartphones, the possibility of designing hybrid lenses that improve the performance of mobile devices is presented to minimize material disadvantages.
Keywords:
Optical polymer, Wide-angle lens, Mobile lens, High resolution키워드:
광학 폴리머, 광각 렌즈, 모바일 렌즈, 고해상도1. 서 론
스마트폰을 중심으로 모바일 기기에서 카메라 기능이 차지하는 비중이 급격히 증가하면서, 고화질 이미지를 위한 광학 성능 향상에 대한 기대감이 높아지고 있다.[1] 특히, 넓은 시야각을 제공하는 광각 카메라는 풍경 사진이나 단체 사진 촬영 시 필수적인 기능으로 자리매김하였다. 하지만 고화질 사진 촬영에 대한 소비자들의 요구가 증가하 면서 모바일 렌즈에 대한 성능 기준 또한 높아지고 있다. 고분해능, 낮은 F/수, 넓은 시야각과 함께 소형화 및 경량 화는 모바일 기기의 디자인 트렌드와 맞물려 필수적인 요구사항이다.[2] 기존의 유리 렌즈는 높은 굴절률과 투과율을 제공하지만 무겁고 제작 단가가 높아 모바일 기기에 적용하기 어려운 단점이 있다. 플라스틱 렌즈는 가볍고 저렴하지만 굴절률이 낮아 성능이 제한적일 수 있다. 문제를 해결하기 위해 다양한 렌즈 재료와 설계 기법에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 최근에는 광학 폴리머를 활용한 연구가 주목받고 있다.[3] 광학 폴리머는 가볍고 성형 성이 우수하여 다양한 형태의 렌즈를 제작할 수 있으며, 굴절률을 조절하여 광학 성능을 향상시킬 수 있다.[4] 본 연구에서는 광학 폴리머를 기반으로 모바일 기기용 광각 카메 라를 설계하고자 한다. 특히, 광학 폴리머로 LB-PS(low birefringence polystyrene)를 갖는 PS(polystyrene), COP(cyclo olefin polymer), COC(cyclic olefin copolymer) 등을 활용 하여 경량화 및 소형화에 최적화된 광학계를 설계하고,[5] 이를 통해 고해상도와 소형화 및 경량화를 동시에 확보하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 기존 특허 렌즈 US1049 1825B2를 기반으로 초기 설계를 진행하고,[6] 광학 설계 소프트웨어 Code V를 활용하여 최적화된 광학계를 도출할 것이다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 모바일 기기 카메 라의 소형화 및 경량화에 기여할 뿐만 아니라, 다양한 렌즈 재료를 활용한 하이브리드 렌즈 설계 분야의 발전에 기여할 것으로 기대된다.[7]
2. 방 법
2.1. 설계 사양
광학 설계 소프트웨어 Code V Version 11.5를 활용하여 본 논문에서는 모바일 기기용 광각 카메라에 적용할 다양한 카메라 사양과 소형화 및 경량화를 목표로 설계 사양을 Table 1과 같이 결정하였다.
Lens specifications
2.2. 소재 선정
렌즈를 포함한 광학 응용 분야에서 polystyrene(PS)는 복굴절률이 상당히 높아 광학소재로 잘 사용되지 않았다. 그러나 최근 고해상도를 위한 복굴절률이 매우 낮은 소재가 개발 되었다.[4] 광학 폴리머는 투명성과 내열성을 크게 향상시키며, 가볍고 저렴한 비용으로 인해 많은 광학 장치에 사용되고 있다. 특히 광학 폴리머는 스마트폰 카메라용 플라스틱 렌즈에 많이 적용되었다. 본 논문에서는 고해상 도와 소형화 및 경량화를 위해 스마트폰 카메라에 일반적 으로 사용되는 광학 폴리머인 COP(ZEONEX-K26R), COC(APL-5014CL)와 복굴절률이 매우 낮은 PS를 활용하여 설계하였다.[5] 또한 플라스틱 렌즈가 가진 온도 변화에 민감하고 스크래치 위험이 높은 단점은 유리 렌즈의 온도 안정성 및 높은 강도로 보완가능하다. 또한, 유리 렌즈가 가진 무겁고 가공이 어려우며 파손 위험이 높은 단점은 플라스틱 렌즈의 쉬운 사출성형으로 초박화, 경량화 및 대량생산이 가능한 장점을 가진다. 따라서 본 연구에서는 두소재의 특성을 조합한 하이브리드 렌즈로 설계하였다. 활용한 광학 폴리머 및 복굴절률이 매우 낮은 PS의 굴절률 및 아베수는 Table 2에 기록하였다.
Material nd and Vd
2.3. 초기 설계 및 최적화
특허 렌즈 US10491825B2를 활용하여 초기 설계를 진행하였다. 특허 광학계는 렌즈 6매로 구성되어 있으며 총 5매가 비구면으로 적용되었으며, F# number 2.82, field of view 90.2°, effective focal length 2.8 mm로 구성되어 있다 .[6] 광각 렌즈는 넓은 화각을 확보하기 위해 F# number 값이 상대적으로 크게 설계되어 렌즈를 통과하는 빛의 양이 줄어들어 어두운 환경에서 촬영 시 노이즈가 발생하거나 이미지가 흐릿해질 수 있으며 모바일 기기의 카메라 모듈 크기 또한 제한적이라 렌즈의 크기와 구성을 최소화해야 한다. 따라서 초기 설계를 바탕으로 목표 사양에 맞추어 설계 최적화를 진행하기 위해 Code V를 활용하여 진행하 였다. 본 논문에서의 광학계는 총 6매로 구성되며 수차를 보정하기 위해 초기 설계의 바탕이 된 특허 렌즈와 달리 6매 모두 비구면으로 적용하였으며, F# number 값을 1.7로 선정하였다. 또한 effective focal length가 짧아질수록 렌즈 시스템의 전체 크기를 줄일 수 있고, 피사계 심도가 깊어져 근거리부터 원거리까지 더 많은 영역을 선명하게 보기 위해 EFL 값을 0.8303mm로 선정하였다. 이때 최적화된 광학계의 MTF, distortion grid, spot diagram을 평가하고자 한다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 설계 결과
최종 설계된 광학계를 Fig. 1, Table 3 및 Table 4에 정리하였다. Fig. 1은 CODE V를 활용한 개략도이다. 최종 적으로 도출된 광학계의 전체적인 구조로 렌즈의 형상, 배치, 간격 등을 나타내었다. Table 3은 최적화된 렌즈 데이 터이며 렌즈의 곡률 반경, 두께, 굴절률 아베수 등이 기록 되어 있다. Table 4는 설계된 비구면 렌즈들의 비구면 계수를 기록하였다.
Optimized lens design data.
Optimized lens design data
Aspheric coefficients for the aspheric elements of the optical system
3.2. Modulation transfer function (MTF)
MTF는 광학계가 공간주파수를 얼마나 잘 결상 시키는 지에 대한 함수로서 광학계가 세부 사항을 선명하게 표현 할 수 있는지에 관한 정보를 나타내주는 지표이므로 광학 계의 성능을 측정하는 데 있어서 사용되는 중요한 측정 지표 중 하나이다. MTF 차트의 광선 추적은 각각 빨간색, 녹색, 파란색 선으로 표시된다. Fig. 2의 설계된 본 연구의 광학계는 공간주파수 250 cycles/mm에서 MTF 값이 0.6 정도이고 500 cycles/mm에서는 MTF 값이 0.25 정도 이기 때문에 Pixel Size가 1 µm인 영상소자를 분해 결상할 수 있는 성능을 가지는 것으로 판단된다.
Diffraction MTF.
3.3. 왜곡수차(distortion)
상의 일그러짐을 나타내는 왜곡수차 값은 최대한 작아야 한다. 이는 사진이나 영상의 품질에 직접적인 영향을 미쳐 이미지의 자연스러움을 해칠 수 있기 때문이다. 본 논문에서의 광학계는 Fig. 3의 결과를 통해 왜곡수차 값이 2.5% 이하이므로 일반적으로 설계된 모바일 광각렌즈 카메라와 유사한 수준의 왜곡 성능을 보임을 확인하였다.[8]
Optical distortion (a) Distortion grid; (b) Distortion data.
3.4. 스팟 다이어그램(spot diagram)
광학계의 성능을 시각적으로 나타내주는 그래프인 spot diagram은 초점이 한점으로 얼마나 잘 모였는지 나타내는 지표이다. 이때 점들이 작고 모여 있으면 해상력이 높으며, 점의 위치가 중심에서 벗어나 있으면 왜곡이 발생한 것을 의미한다. 본 논문에서의 광학계는 fig. 4에 나타난 spot diagram의 점들이 작고 모여 있으며 중심에 위치하므로 우수한 수치이다.[9]
4. 결 론
Code V Version 11.5를 활용하여 모바일 기기용 광각 렌즈를 설계하였다. 본 연구는 모바일 기기용 광각 카메라의 고해상도와 소형화 및 경량화를 위해 렌즈에 쓰일 소재로 기존 유리 렌즈의 한계를 극복하고자 광학 폴리머를 선택 하였다. 목표 사양에 맞추어 광학계를 설계하였으며, 성능은 MTF, distortion, spot diagram의 값을 통해 높은 해상 도와 낮은 왜곡수차를 확인하였다. 이는 고품질의 이미지를 얻을 수 있다는 것을 입증하였다. 본 연구 결과는 모바일 기기의 성능 향상에 기여할 뿐만 아니라 유리 렌즈와 다양한 광학 폴리머를 활용하여 장점을 조합하고 단점을 최소화한 하이브리드 렌즈 설계의 가능성을 제시하며, 향후 모바일 카메라 설계에 활용되길 고대한다.
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