KR100838662B1 - Optical system for thermal sensing device of ultra compact using aspherical - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계에 관한 것으로서, 열적외선의 투과를 통하여 열을 감지하거나 검출하기 위한 열감지장치용 광학계에 있어서, 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 상측에 음의 굴절력을 갖는 비구면의 오목면을 형성하며 전체적으로 양[(+)Power]의 배율을 갖는 제1렌즈와; 상기 제1렌즈의 후방에 배치되되 물체측에 음의 굴절력을 갖는 비구면의 오목면을 형성하고 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하며 전체적으로 양[(+)Power]의 배율을 갖는 제2렌즈와; 상기 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 배치하되 상기 제1렌즈에 근접되게 밀착 배열하며, 상기 제1렌즈로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개를 포함하는 기술구성이 개시된다.The present invention relates to an optical system for an ultra-small thermal sensor using an aspherical surface, in the optical system for a thermal sensor for detecting or detecting heat through the transmission of thermal infrared rays, to form a convex surface having a positive refractive power on the object side A first lens forming an aspherical concave surface having negative refractive power on the image side and having a positive magnification of the whole; A second lens disposed behind the first lens and having a concave surface having an aspherical surface having negative refractive power on an object side, a convex surface having a positive refractive power on an image side, and having a positive magnification as a whole; A lens; Disclosed is a technical configuration including an aperture disposed between the first lens and the second lens, in close proximity to the first lens, and including an aperture for selectively converging light incident from the first lens.
본 발명에 의하면, 제1렌즈 및 제2렌즈의 비구면으로 배열하되 열적외선이 입사되는 법선방향으로 배열하고 고굴절의 물성특성을 이용함으로써 보다 안정된 광학성능과 더불어 열적외선 투과율을 크게 향상시킬 수 있고 열감지의 정확성을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 화질의 향상 및 밝기의 증대를 이끌어내는 유용한 효과를 발휘하며, 광학전장 17.2mm, 구경비 F/1.0, 시계각 40.6도의 광학성능을 갖게 된다.According to the present invention, by arranging in the aspherical surface of the first lens and the second lens, but arranged in the normal direction in which thermal infrared rays are incident, and using the high refractive physical property, the thermal infrared transmittance can be greatly improved and thermal infrared transmittance can be greatly improved. Not only can the accuracy of the detection be expected, it also has a useful effect that leads to the improvement of the image quality and the increase of the brightness. It has the optical performance of 17.2mm of optical length, F / 1.0 of aspect ratio and 40.6 degrees of viewing angle.
Description
도 1은 본 발명에 의한 초소형 열감지장치용 광학계의 배열상태를 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view showing an arrangement of an optical system for a micro thermal sensor according to the present invention.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 초소형 열감지장치용 광학계의 비구면 렌즈에 관한 새그(Sag)를 설명하기 위해 나타낸 도면.2 (a) and 2 (b) are diagrams for explaining a sag of an aspherical lens of the optical system for an ultra-small thermal sensor according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 초소형 열감지장치용 광학계의 열적외선 추적 분석도.Figure 3 is a thermal infrared trace analysis of the optical system for the ultra-small heat detection apparatus according to the present invention.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 의한 초소형 열감지장치용 광학계의 광학특성을 나타낸 분석 그래프로서,4 to 8 is an analysis graph showing the optical characteristics of the optical system for the ultra-small thermal sensor according to the present invention,
도 4는 자오상면 만곡과 구결상면 만곡을 여러 광축상에서 나타낸 그래프이고,Figure 4 is a graph showing the meridional surface curvature and curvature image surface curvature on various optical axes,
도 5는 비점수차에 관한 수차해석 그래프이고,5 is a graph of aberration analysis regarding astigmatism,
도 6은 화면의 일그러짐 현상을 백분률로 나타낸 그래프이고,6 is a graph showing the distortion of the screen in percentage;
도 7은 색수차를 나타낸 그래프이고,7 is a graph illustrating chromatic aberration,
도 8은 해상도를 의미하는 MTF(Modulation Transfer Functions)의 광학성능을 분석한 그래프.Figure 8 is a graph analyzing the optical performance of MTF (Modulation Transfer Functions) meaning the resolution.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
110: 제1렌즈 120: 제2렌즈110: first lens 120: second lens
130: 조리개 140: 커버글라스130: aperture 140: cover glass
150: 열감지센서150: thermal sensor
본 발명은 열적외선 검출을 통해 차량용이나 감시카메라용 또는 국방용 등 아주 광범위하게 사용할 수 있는 초소형 열감지장치용 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비구면을 이용하고 렌즈의 형상 및 배열을 개선함으로써 광학적 성능의 향상을 구현할 수 있도록 하되 기존보다 안정된 광학성능의 발휘는 물론 열감지의 정확성을 기할 수 있도록 하고 화질의 향상 및 밝기의 증대를 구현할 수 있도록 하며 장치의 초소형화를 추구할 수 있도록 한 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계에 관한 것이다.The present invention relates to an optical system for an ultra-small heat detection device that can be used very widely, such as for vehicles, surveillance cameras, or defense through thermal infrared detection, and more particularly, by using an aspherical surface and improving the shape and arrangement of the lens. Aspheric surface is designed to realize the improved performance, but to provide more stable optical performance, better thermal detection accuracy, higher image quality and higher brightness, and to pursue the miniaturization of the device. It relates to an optical system for an ultra-small heat sensing device used.
일반적으로 광학계는 적용되는 장치 및 기기의 성능을 특정짓는 기능을 하는 아주 중요한 장치의 구성요소이다.In general, the optical system is a component of a very important device that functions to characterize the performance of the device and the device to which it is applied.
이러한 광학계는 1매의 일반렌즈로 구성되기도 하지만, 최근에는 기술발달에 의해 렌즈 자체에서 발생되는 수차를 제거하거나 보상하기 위한 기능성 렌즈들이 개발됨에 따라 이들 다수를 적절하게 조합하여 구성하는 복합적 렌즈 광학계가 많 이 적용되고 있다.This optical system is composed of a single normal lens, but recently, as the development of functional lenses for eliminating or compensating aberration generated in the lens itself due to the development of technology, a complex lens optical system that appropriately combines many of them is developed. Many have been applied.
특히, 장치의 소형화 및 화질 개선을 우선과제로 하는 디지털 카메라분야에서는 이러한 기능성 렌즈 광학계가 이미 그 대세를 이루고 있다 할 것이며, 적외선 투과를 통한 적외선 열을 감지함으로써 인체나 물체의 열을 감지/검출하는 열감지장치분야에서도 그 기능성 향상을 위하여 복합적 렌즈 광학계의 접목을 시도하고 있으며, 이러한 열감지장치로는 감시카메라나 비접촉 열측정기 또는 적외선 검출기 등을 그 예시로 들 수 있다.In particular, in the field of digital cameras, where the priority is to miniaturize devices and improve image quality, such functional lens optical systems are already becoming the mainstream, and by detecting infrared heat through infrared transmission, it is possible to detect / detect heat of a human body or an object. In the field of thermal sensing devices, attempts have been made to incorporate complex lens optical systems to improve the functionality thereof. Examples of such thermal sensing apparatuses include surveillance cameras, non-contact thermometers, and infrared detectors.
그런데, 종래기술에 의한 열감지장치용 광학계는, 렌즈의 매수가 많이 사용되거나 렌즈의 형상이 주로 구면 광학계에 국한되어 광학계의 소형화는 물론 기능성 향상을 위한 화질개선 및 카메라 밝기 등 제한적 요소가 많았다.By the way, the optical system for a thermal sensing device according to the prior art has a large number of lenses, or the shape of the lens is mainly limited to the spherical optical system, so that there are many limited factors such as miniaturization of the optical system as well as improvement in image quality and camera brightness.
이러한 상기 문제점들을 해결하고자 본 출원인은 특허출원 제10-2005-86526호에서 렌즈의 매수를 줄이고 고굴절 렌즈를 적용하는 기술을 제안한 바 있다.In order to solve these problems, the present applicant has proposed a technique of applying a high refractive lens and reducing the number of lenses in Patent Application No. 10-2005-86526.
하지만, 열감지장치용 광학계의 렌즈 제작시 여전히 연마방식(Polishing Methode)에 의한 제작이 이루어지는 문제점이 있을 뿐더러 고굴절 특성을 위한 열감지장치용 렌즈의 재질이 아연이나 황 등 중금속을 다량 함유하는 재질의 구성을 이루고 있으므로 광학계의 제작시간이 길어지거나 중금속의 노출을 피할 수 없는 작업환경을 갖게 되는 문제점이 있었다.However, when manufacturing the lens of the thermal sensor optical system, there is still a problem that the manufacturing method by the polishing method (Polishing Methode), and the material of the thermal sensor lens for high refractive properties containing a large amount of heavy metals such as zinc or sulfur. As a result, the manufacturing time of the optical system is long or there is a problem in that there is a work environment in which exposure of heavy metals is inevitable.
또한, 최근에는 광학계의 기능성 향상을 위하여 고굴절 특수렌즈의 적용이 많이 이루어지고 있는 실정인데, 고굴절을 위한 렌즈의 소재원가가 고가이고 연마에 의한 가공을 행하므로 광학계의 제작단가가 높아져 사용범위가 극히 제한될 우 려가 높고 대량생산이 불가능한 문제점을 지니고 있다.In addition, in recent years, high refractive index special lenses have been applied to improve the functionality of the optical system. However, since the material cost of the lens for high refractive index is high and the processing by polishing is performed, the manufacturing cost of the optical system is high and the use range is extremely high. There is a high possibility of being limited and mass production is impossible.
본 발명이 목적으로 하는 바는 비구면을 이용하고 렌즈의 형상 및 배열을 개선함으로써 광학적 성능의 향상을 구현할 수 있도록 하되 기존보다 안정된 광학성능의 발휘는 물론 열감지의 정확성을 기할 수 있도록 하고 화질의 향상 및 밝기의 증대를 구현할 수 있도록 하며 광학전장을 줄여 장치의 초소형화를 추구할 수 있도록 하는 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계를 제공하는데 있다.The object of the present invention is to use the aspherical surface and to improve the shape and arrangement of the lens to realize the improvement of optical performance, but to achieve a more stable optical performance than the conventional as well as the accuracy of thermal detection and to improve the image quality And to provide an optical system for an ultra-small thermal sensing device using an aspherical surface to enable the increase in brightness and to reduce the optical field to pursue the miniaturization of the device.
또한, 본 발명은 광학계를 구성함에 있어 기존 연마가공에 의한 렌즈 생산방식을 배제하고 성형 가공된 렌즈를 적용함으로써 중금속의 노출을 피하는 친환경적인 작업환경을 구축할 수 있도록 하고 시장이 요구하는 광학계의 대량생산 및 원가절감효과 등의 부가적인 이익을 기대할 수 있도록 하는 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계를 제공하는데 있다.In addition, the present invention in the construction of the optical system to eliminate the lens production method by the conventional polishing process by applying a molded lens to create an environment-friendly working environment to avoid the exposure of heavy metals and a large amount of optical system required by the market The present invention provides an optical system for an ultra-small thermal sensing device using aspherical surface that can expect additional benefits such as production and cost saving effect.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열적외선의 투과를 통하여 열을 감지하거나 검출하기 위한 열감지장치용 광학계에 있어서, 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 상측에 음의 굴절력을 갖는 비구면의 오목면을 형성하며 전체적으로 양[(+)Power]의 배율을 갖는 제1렌즈와; 상기 제1렌즈의 후방에 배치되되 물체측에 음의 굴절력을 갖는 비구면의 오목면을 형성하고 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하며 전체적으로 양[(+)Power]의 배율을 갖는 제2렌즈와; 상기 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 배치하되 상기 제1렌즈에 근접되게 밀착 배열하며, 상기 제1렌즈로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object in the optical system for detecting or detecting heat through the transmission of thermal infrared rays, forming a convex surface having a positive refractive power on the object side and negative refractive power on the upper side A first lens forming a concave surface having an aspherical surface having a total power of positive [(+) Power]; A second lens disposed behind the first lens and having a concave surface having an aspherical surface having negative refractive power on an object side, a convex surface having a positive refractive power on an image side, and having a positive magnification as a whole; A lens; The diaphragm may be disposed between the first lens and the second lens, and arranged closely to the first lens, and include an aperture to selectively converge light incident from the first lens.
이때, 상기 제1렌즈 및 제2렌즈는 고굴절률을 가지며 열적외선의 투과율이 좋은 칼코겐화물(chalcogenide) 렌즈로 구성함이 바람직하며, 특히 게르마늄(Ge)-셀레늄(Se)-텔루륨(Te)계 칼코겐화물 렌즈나 게르마늄(Ge)-비소(As)-셀레늄(Se)계 칼코겐화물 렌즈 또는 게르마늄(Ge)-비소(As)-셀레늄(Se)-텔루륨(Te)계 칼코겐화물 렌즈 중에서 선택된 어느 하나로 구성되게 한다.In this case, the first lens and the second lens are preferably composed of a chalcogenide lens having a high refractive index and a good thermal infrared transmittance, and in particular, germanium (Ge) -selenium (Se) -tellurium (Te). ) Chalcogenide Lens or Germanium (Ge) -arsenic (As) -Selenium (Se) Chalcogenide Lens or Germanium (Ge) -arsenic (As) -Selenium (Se) -Telium (Te) Chalcogen It is composed of any one selected from the cargo lens.
이하, 첨부된 도면 및 도표를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings and diagrams.
도 1은 본 발명에 따른 소형 열감지장치용 렌즈 광학계의 배열상태를 나타낸 도면이다.1 is a view showing the arrangement of the lens optical system for a small thermal sensor according to the present invention.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계는 비구면을 이용하고 열적외선이 입사되는 법선 방향으로 렌즈를 배열시켜 투과율 향상 및 밝기의 증대를 구현할 수 있도록 한 것으로, 물체측과 상기 물체의 상이 맺히는 상측 사이에 2매의 비구면렌즈(110)(120)로 형성되는 렌즈계와, 조리개(130)와, 커버글라스(140)와, 열감지센서(150)가 구비되는 구성으로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the optical system for an ultra-small heat sensing device using an aspherical surface according to the present invention uses an aspherical surface and arranges lenses in a normal direction in which thermal infrared rays are incident to improve transmittance and increase brightness. A lens system formed of two
상기 렌즈계는 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R1)을 형성하고 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R2)을 형성하며 전체적으로 양[(+)Power]의 배율을 갖는 제1렌즈(110)와, 상기 제1렌즈(110)의 후방에 배치되되 물체측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R3)을 형성하고 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R4)을 형성하며 전체적으로 양[(+)Power]의 배율을 갖는 제2렌즈(120)의 순차 배열로 이루어진다.The lens system forms a convex surface R1 having positive refractive power on an object side, and a concave surface R2 having negative refractive power on an image side, and includes a first lens having a positive ((+) Power] power as a whole. And a concave surface R3 disposed on the rear side of the
이때, 상기 제1렌즈(110)는 오목면인 제2면(R2)을 비구면으로 하는 비구면 렌즈로 구성하며, 상기 제2렌즈(120)는 오목면인 제3면(R3)을 비구면으로 하는 비구면 렌즈로 구성되게 한다.At this time, the
상기 제1렌즈(110) 및 제2렌즈(120)는 열적외선의 빛을 조정할 수 있도록 고굴절의 특성을 갖는 특수렌즈로 구성함이 바람직하며, 특히 고굴절 특성을 발휘하면서 성형으로 제작할 수 있는 물성특성을 가질 뿐만 아니라 중금속 노출이 없고 저가인 칼코겐화물(chalcogenide) 렌즈를 사용토록 함이 바람직하다.The
더욱 구체적으로, 상기 제1렌즈(110) 및 제2렌즈(120)는 게르마늄(Ge)-셀레늄(Se)-텔루륨(Te)계 칼코겐화물 렌즈, 게르마늄-비소(As)-셀레늄계 칼코겐화물 렌즈, 게르마늄-비소-셀레늄-텔루륨계 칼코겐화물 렌즈 등에서 선택된 어느 하나로 구성될 수 있고, 유미코어(Umicore)사의 성형광학렌즈인 GASIR렌즈를 사용할 수도 있다. 여기서, 본 발명은 상기한 예시에 특별히 한정된다 할 수 없으며 상술한 특성을 발휘하는 렌즈의 다양한 적용이 수행될 수 있음은 자명하다 할 것이다.More specifically, the
또한, 상기 제1렌즈(110) 및 제2렌즈(120)는 각각 게르마늄(Ge)소재에 의한 렌즈, 규소(Si)소재에 의한 렌즈, 갈륨비소(GaAs)에 의한 렌즈 중에서 어느 하나를 선택하여 사용할 수도 있다.In addition, each of the
여기서, 상기 제1렌즈(110) 및 제2렌즈(120)는 렌즈의 형상 개선과 함께 상호 마주하는 면으로 비구면을 형성함에 의해 구면수차 및 디스토션(distortion)을 보정함과 동시에 광학계의 전체적인 배율을 조정하는 기능을 하도록 하면서 화질의 향상 및 밝기의 증대효과를 발휘할 수 있도록 한 것이며, 열감지를 위한 적외선의 굴절률 및 투과율을 고려하여 배열함으로써 적외선 열을 정확하게 감지할 수 있도록 한 것이다.In this case, the
상기 제2렌즈(120)는 열감지센서(150)측으로 입사되는 적외선을 조정하는 기능도 함께 하는 것이다.The
상기 조리개(130)는 상기 제1렌즈(110)와 제2렌즈(120)의 사이에 배치하되 상기 제1렌즈(110)에 근접되게 밀착 배열하며, 상기 제1렌즈(110)로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴토록 한 것이다.The
상기 커버글라스(140)는 양면(R5,R6)이 플랜(plane)형인 평면구성의 유리렌즈로 구성한 것으로 상기 제2렌즈(120)의 후방에 배치하되 제2렌즈(120)에 근접 배열되게 하며, 상측의 앞에 배치되는 열감지센서(150)의 보호 및 센서측으로의 이물질 유입 등을 방지하는 기능을 하도록 한 것이다.The
이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계는 렌즈의 적절한 분배 및 배열과 생산성있는 재질의 선정으로 전반적인 배율과 양산성을 만족시킬 수 있도록 구성하였고, 특히 광학전장 17.2mm, 구경비 F/1.0, 시계각(화각) 40.6도의 광학성능을 발휘하도록 구성하였으며, 다음의 조건들을 만족하도록 설계하였다.The optical system for the ultra-small heat sensing device using the aspherical surface according to the present invention having such a configuration was configured to satisfy the overall magnification and mass productivity by appropriately distributing and arranging the lens and selecting a productive material. It was designed to show optical performance of aperture ratio F / 1.0 and field of view (40.6 degrees), and it was designed to satisfy the following conditions.
[조건 1][Condition 1]
0.55 ≤ B/f ≤ 1.640.55 ≤ B / f ≤ 1.64
여기서, 상기 제1렌즈(110) 및 제2렌즈(120)의 렌즈계의 초점거리(focal length)를 f라 하고, 상기 제2렌즈(120)의 제4면(R4)에서 초점까지의 후면 초점거리(back focal length)를 B라 한다.Here, the focal length of the lens system of the
[조건 2][Condition 2]
T/f ≤ 1.9T / f ≤ 1.9
여기서, 렌즈계의 첫 번째 제1렌즈(110)의 물체측 중심에서 두 번째 제2렌즈(120)의 상측 중심까지의 거리를 광학전장 T라 하고, 전체 렌즈계의 초점거리를 f라 한다.Here, the distance from the object-side center of the first
[조건 3][Condition 3]
Xo1 - Xa1 < 0 [제1렌즈의 비구면(R2)]Xo1-Xa1 <0 [Aspherical Surface R2 of First Lens]
Xo2 - Xa2 < 0 [제2렌즈의 비구면(R3)]Xo2-Xa2 <0 [Aspherical Surface (R3) of Second Lens]
여기서, 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광축에서의 높이가 Y인 경우를 기준으로 하며, 기준 구면 새그(Sag)의 절대값을 Xo라 하고, 기준 비구면 새그(Sag)의 절대값을 Xa라 한다.Here, the height at the optical axis is Y on the plane where the curvature on the optical axis of the reference spherical surface is C (= 1 / R), and the absolute value of the reference spherical sag is Xo, and the reference aspherical sag ( The absolute value of Sag) is called Xa.
상술한 바와 같은 이러한 본 발명에 의한 초소형 열감지장치용 광학계의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the optical system for a micro thermal sensor according to the present invention as described above is as follows.
도 2는 기준구면의 광축상의 곡률이 C(=1/R)인 면에서 광학에서의 높이가 Y인 경우 비구면에서 새그(Sag) Xa와 구면에서의 새그(Sag) Xo를 도시한 도면으로 서, 구면렌즈에서 새그(Sag) Xo와, 비구면렌즈에서 새그(Sag) Xa는 다음의 수학식 1과 수학식 2로 나타낼 수 있다.FIG. 2 is a diagram showing Sag Xa in the aspherical surface and Sag Xo in the spherical surface when the height of the optical is Y in the plane where the curvature on the optical axis of the reference sphere is C (= 1 / R). , Sag Xo in the spherical lens and Sag Xa in the aspherical lens may be represented by
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2][Equation 2]
여기서, C는 곡률(C=1/R ; R은 렌즈의 반경), Y는 높이, K는 코닉 상수(conic constant)이고, AD, AE, AF, AG는 비구면계수를 각각 나타낸다.Where C is the curvature (C = 1 / R; R is the radius of the lens), Y is the height, K is the conic constant, and AD, AE, AF, and AG represent aspherical coefficients, respectively.
다음의 표 1은 상술한 구성 및 조건에 의해 구성되는 본 발명의 실시예에 의한 광학계에 대해서 곡률반경, 중심간격, 굴절률, 분산율 등을 분석한 결과를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the results of analyzing the radius of curvature, the center interval, the refractive index, the dispersion ratio, etc. of the optical system according to the embodiment of the present invention configured by the above-described configuration and conditions.
[표 1] 본 발명의 실시예에 의한 열감지장치용 광학계의 데이터Table 1 Data of the optical system for heat sensing apparatus according to the embodiment of the present invention
여기서, 비구면의 구성인 제2면(R2)의 K = 0.0, AD = 7.97331e-05, AE = 7.96154e-08이며,Here, K = 0.0, AD = 7.97331e-05, AE = 7.96154e-08 of the second surface R2, which is an aspherical structure,
제3면(R3)의 K = 0.0, AD = -5.14594e-04, AE = -5.91326e-06이다.K = 0.0, AD = −5.14594e-04, AE = −5.91326e-06 on the third surface R3.
이러한 본 발명은 투영측정기(PROFELE PROJECTOR)를 통해 측정한 해상력 측 정치와, 유효경(dl:mm)과, 화각측정치와, 구면계(SPHEROMETER)로 전체 렌즈계의 초점거리 f, 후면 초점거리 B, 렌즈계의 첫 번째 제1렌즈(110)에서 두 번째 제2렌즈(120)까지의 거리 T, 구면에 의한 새그 Xo, 비구면에 의한 새그 Xa를 분석하여 보면, 광학계의 렌즈 형상과 렌즈 배열 등이 상기한 바와 같은 조건 1, 2, 3을 만족시키고 있음을 알 수 있다.The present invention is a focal length f, rear focal length B of the entire lens system by the resolution measurement, the effective diameter (dl: mm), the angle of view measurement, the spherometer (SPHEROMETER) measured by the PROFELE PROJECTOR Analyzing the distance T from the first
즉, [조건 1] 0.55 ≤ B/f ≤ 1.64와; [조건 2] T/f ≤ 1.9과; [조건 3] Xo1 - Xa1 < 0 [제1렌즈의 비구면(R2)], Xo2 - Xa2 < 0 [제2렌즈의 비구면(R3)]을 만족시키고 있다.Namely, [condition 1] 0.55 ≦ B / f ≦ 1.64; [Condition 2] T / f ≦ 1.9; [Condition 3] Xo1-Xa1 <0 [aspherical surface R2 of the first lens] and Xo2-Xa2 <0 [aspherical surface R3 of the second lens] are satisfied.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계는 광학전장 17.2mm, 구경비 F/1.0, 시계각 40.6도의 광학성능을 발휘하게 되며, 열적외선의 투과율 향상에 따른 밝기의 증대 및 화질을 개선할 수 있는 특성을 지니게 될 뿐만 아니라 장치의 초소형화(Ultra compact)를 가능하게 한다.As described above, the optical system for the ultra-small heat sensing device using the aspherical surface according to the present invention exhibits optical performance of 17.2 mm optical field length, F / 1.0 of an aspect ratio, and 40.6 degrees of viewing angle, and increases brightness by improving transmittance of thermal infrared rays. And not only have the characteristics to improve the image quality, but also enables ultra compact of the device (Ultra compact).
한편, 도 3은 본 발명에 의한 초소형 열감지장치용 광학계의 열적외선 추적 분석도를 나타낸 것이고, 도 4 내지 도 8은 본 발명에 의한 초소형 열감지장치용 광학계의 광학특성을 나타낸 분석 그래프이다.On the other hand, Figure 3 shows a thermal infrared trace analysis diagram of the optical system for the ultra-small thermal sensor according to the present invention, Figures 4 to 8 is an analysis graph showing the optical characteristics of the optical system for the micro-thermal sensor according to the present invention.
여기서, 도 4는 수차특성을 도시한 것으로 자오상면 만곡과 구결상면 만곡을 0.50, 0.71, 1.00인 광축상에서 나타낸 것이고, 도 5는 비점수차에 관한 수차해석이고, 도 6은 화면이 곡선으로 휘어 보이는 정도(왜곡수차)에 대한 것이고, 도 7은 색수차를 나타낸 것이며, 도 8은 해상도를 의미하는 MTF(Modulation Transfer Functions)의 광학성능을 분석한 것이다.Here, FIG. 4 illustrates aberration characteristics, and the meridian image curvature and the curvature image curvature are shown on the optical axis of 0.50, 0.71, and 1.00, FIG. 5 is an aberration analysis regarding astigmatism, and FIG. It is about the degree (distortion aberration), Figure 7 shows the chromatic aberration, Figure 8 is an analysis of the optical performance of MTF (Modulation Transfer Functions), which means the resolution.
이러한 도 3 내지 도 8에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 비구면을 이용한 열감지장치용 광학계는 거의 모든 필드에서 상들의 값이 중심축에 인접하게 나타나고 있어 구면수차나 자오상면 수차 및 색수차의 보정 상태가 양호함을 나타내고 있음은 물론 MTF(광학적 요구성능/해상도)를 만족하고 있음을 나타내고 있다.As shown in FIGS. 3 to 8, in the optical system for the heat detection apparatus using the aspherical surface according to the present invention, the values of the images are shown adjacent to the central axis in almost all fields, thereby correcting spherical aberration, meridian aberration, and chromatic aberration. Not only shows good quality, but also satisfies MTF (optical required performance / resolution).
따라서, 본 발명은 열적외선이 입사되는 법선 방향으로 렌즈를 배열시킨 구조 및 제1렌즈의 오목면과 제2렌즈의 오목면을 비구면으로 하는 구성, 고굴절의 물성특성을 갖는 특수한 렌즈를 배열함으로써 중심뿐만 아니라 주변의 밝기를 더욱 향상시킬 수 있게 하며 화질 향상은 물론 초소형화 구현을 가능하게 하는 효과를 발휘하게 되는 것이다.Accordingly, the present invention provides a structure in which the lenses are arranged in the normal direction in which thermal infrared rays are incident, the concave surface of the first lens and the concave surface of the second lens are aspherical surfaces, and the special lens having the high refractive property characteristics is arranged in the center. In addition, the brightness of the surroundings can be further improved, and the image quality will be improved and the effect of miniaturization will be realized.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계는 열감지센서를 보호하기 위한 커버글라스를 포함하여 제1렌즈 및 제2렌즈의 비구면으로 배열하되 열적외선이 입사되는 법선방향으로 배열하고 고굴절의 물성특성을 이용함으로써 보다 안정된 광학성능과 더불어 열적외선 투과율을 크게 향상시킬 수 있고 열감지의 정확성을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 화질의 향상 및 밝기의 증대를 이끌어내는 유용한 효과를 발휘하며, 광학전장 17.2mm, 구경비 F/1.0, 시계각 40.6도의 광학성능을 갖게 된다.As described above, the optical system for the ultra-small thermal sensor using the aspherical surface according to the present invention is arranged in the aspherical surface of the first lens and the second lens, including the cover glass for protecting the thermal sensor, but the normal infrared ray direction is incident. By using the high refractive index and high refractive properties, it is possible to not only improve the optical performance, but also greatly improve the thermal infrared transmittance, expect the accuracy of thermal detection, and also have the useful effect of improving the image quality and increasing the brightness. It has optical performance of 17.2mm of optical length, F / 1.0 of aperture ratio and 40.6 degrees of clock angle.
또한, 본 광학계는 기존에 비해 광학전장이 축소되므로 장치의 초소형화를 가능하게 하고 응용범위를 넓힐 수 있으며 저가의 광학계를 제공할 수 있다.In addition, since the optical field is reduced in comparison with the conventional optical system, it is possible to miniaturize the device, widen the application range, and provide an inexpensive optical system.
나아가, 본 광학계의 구성에 의하면, 기존 연마가공에 의한 렌즈 생산방식보다는 주로 성형 가공된 렌즈의 구성 및 중금속 재질의 사용을 배제한 구성으로 중금속의 노출을 피하는 친환경적인 작업환경을 구축할 수 있을 뿐만 아니라 고굴절 특성을 갖는 비구면 및 렌즈의 성형으로 시장이 요구하는 광학계의 대량생산 및 원가절감효과 등의 부가적인 이익을 기대할 수 있는 유용함을 제공한다.Furthermore, according to the configuration of the optical system, it is possible to establish an environment-friendly working environment that avoids exposure to heavy metals by excluding the use of heavy metal materials and the configuration of the lens that is mainly molded, rather than the lens production method by conventional polishing processing. The molding of aspherical surfaces and lenses having high refractive characteristics provides usefulness that can expect additional benefits such as mass production and cost reduction effect of the optical system required by the market.
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