KR100915204B1

KR100915204B1 - 변환 렌즈 및 이를 이용하는 초다중분광 영상 시스템

Info

Publication number: KR100915204B1
Application number: KR1020070054136A
Authority: KR
Inventors: 권경일; 최영호
Original assignee: 호남대학교 산학협력단
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2009-09-02
Also published as: KR20080105935A

Abstract

본 발명은 종래의 광각 렌즈와 릴레이 렌즈를 사용하는 초다중분광 영상 시스템에 비하여 구조가 간단하고, 초다중분광 필터 내부의 광학적 결함이 최종 영상에서 보이지 않으며, 두 가지의 화각을 선택할 수 있는 변환 렌즈 및 이를 이용하는 초다중분광 영상 시스템을 제공한다.

Description

변환 렌즈 및 이를 이용하는 초다중분광 영상 시스템{CONVERTIBLE LENS AND HYPERSPECTRAL IMAGING SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 두 가지의 화각을 갖는 변환 렌즈 및 이를 이용하는 초다중분광 영상시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 렌즈의 전면에 초다중분광 필터를 장착하여도 비네팅이 발생하지 않는 장초점의 렌즈와 이 장초점 렌즈의 앞에 초다중분광 필터를 장착하고, 그 앞에 다시 어댑터 렌즈를 장착하여 넓은 화각을 얻으면서도 비네팅이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 변환 렌즈 및 이 변환 렌즈를 사용하는 초다중분광 영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

현재 다중분광 영상 센서(multi-spectral imaging sensor) 혹은 초다중분광 영상 센서(hyperspectral imaging sensor)는 인공위성에 장착되어 농작물이나 초목의 분류, 수분 부족이나 특정 병충해 등에 의한 질병 진단 등의 목적으로 널리 사용되고 있으며, 해양의 플랑크톤 분포 등을 측정하기 위하여도 사용되고 있고, 미용이나 피부과학적 진단을 위하여 화상 카메라 기반의 영상 센서도 사용되고 있다. 그런데 다중분광 영상 센서는 단지 몇 개의 미리 정해진 파장에 대한 영상만을 취득하므로 획득할 수 있는 유익한 정보의 양이 제한된다. 따라서, 좀더 정밀한 진단을 위해서는 초다중분광 영상(Hyper-spectral imaging) 센서가 사용되고 있다.

회전하는 필터 휠(rotating filter wheel)을 주로 사용하는 다중분광 영상 시스템과 달리 초다중분광 영상 센서는 회절격자(diffraction grating)나, 음향광학적인 변조 필터(acousto-optical tunable filter: AOTF) 혹은 액정 가변 필터(Liquid Crystal Tunable Filter: LCTF)를 사용한다. 그 중에서도 특히 LCTF는 가시광선 영역이나 근적외선 영역에서 가장 경쟁력을 가지고 있는 기술이라고 할 수 있다. 본 명세서는 액정가변필터를 중심으로 기술하지만 동일한 기술이 음향광학적 가변 필터를 사용하는 초다중분광 영상 시스템에도 적용될 수 있다.

도 1은 일반적인 화상 카메라의 화각(Field of View: FOV)을 이해하기 위한 도면이다. 화상 카메라는 그 내부에 CCD 혹은 CMOS 이미지 센서(102)를 포함하는 카메라 몸체(104)와 렌즈(106)를 포함한다. 왜곡이 없는 이상적인 화상 카메라에 의한 영상의 획득 과정은 바늘구멍 사진기(pinhole camera)로 근사할 수 있다. 렌즈(106)의 마디점(nodal point) N은 바로 이 바늘구멍의 위치에 해당하는 점이다. 렌즈(106)의 마디점에서 이미지 센서(102)까지의 거리는 대략 렌즈의 유효초점거리(effective focal length) f_L와 일치한다. 또한 이미지 센서는 가로변의 길이가 W, 세로 변의 길이가 H인 직사각형의 모양으로 W: H는 4: 3, 16: 9 혹은 1: 1 등의 비율을 갖는다. 이 이미지 센서의 대각 방향의 길이 와 렌즈의 초점거리 f_L에 의하여 카메라의 화각 2θ는 수학식 1과 같이 주어진다.

초다중분광 영상을 얻는 종래의 제1 실시 예는 도2에 예시한 바와 같이 화상 카메라의 앞에 액정가변필터(208)를 장착하여 액정가변필터에 의하여 선택된 어느 파장대의 영상을 얻는 것이다. 액정가변필터(208)는 카메라 렌즈(206)의 필터와 동일한 마운트(mount)를 가지고 있는 것이 보통이므로 용이하게 카메라에 장착될 수 있다. 그런데 액정가변필터는 그 내부에 여러 장의 액정 및 편광판 등을 포함하고 있기 때문에 상당한 두께 L을 가지고 있다. 또한 액정가변필터의 투명한 창(clear aperture: CA)의 직경 A는 그다지 크지 않으며, 투명한 창의 직경이 커짐에 따라 액정가변필터의 가격이 가파르게 상승한다. 투명한 창의 직경이 렌즈의 화각에 비하여 충분히 크지 않은 액정가변필터를 카메라 앞에 장착하면 마치 원통형 파이프를 통해 경치를 바라보는 것처럼 시야가 제한되는 비네팅(vignetting) 현상이 발생한다. 렌즈 앞에 액정가변필터를 장착하고도 비네팅이 발생하지 않도록 하기 위해서는 렌즈의 화각이 좁은 장초점 렌즈(long focal length lens)를 사용하여야 한다. 예를 들어 투명한 창의 직경 A가 20mm이고 두께 L이 50mm인 액정가변필터를 1/2-inch CCD 카메라와 사용하기 위해서는 렌즈의 화각이 10° 이내로 좁아야 한다. 그런데 이와 같이 화각이 좁게 되면 어느 정도 크기를 가지는 피사체의 영상을 획득하기 위하여 초다중분광 영상 시스템과 피사체와의 거리를 충분히 띄워 놓아야 하므로 사용하기에 불편하다.

초다중분광필터를 사용하면서 넓은 화각을 얻기 위한 종래의 제2 실시 예가 도 3에 도시 되어 있다. 종래의 제2 실시 예에서는 광각 렌즈(306)와 카메라 몸체(304)의 사이에 초다중분광 필터(308)를 장착한다. 그런데 초다중분광 필터의 두께 때문에 렌즈와 이미지 센서와의 거리가 매우 멀어지게 되므로 제2 실시 예에서 사용되는 렌즈(306)는 유효초점거리(effective focal length) f_L보다 후방정점초점거리(back flange) f_B가 매우 긴 리트로 포커스(retrofocus) 타입의 렌즈이어야 한다. 이와 같은 렌즈에서는 도3에 예시한 바와 같이 대개 전방 마디점(front nodal point: F.N.)과 후방 마디점(rear nodal point: R.N.)이 멀리 떨어져 있는 것이 보통이다. 이와 같은 방식에서는 비네팅이 발생하지 않지만, 유효초점거리에 비하여 후방정점초점거리 또는 백 플랜지가 극단적으로 큰 렌즈는 구하기도 매우 어렵고, 설계하기도 어렵다는 단점이 있다.

한편 도4에 도시한 종래의 제3 실시 예에서는 일반적인 광각 렌즈의 뒤에 초다중분광 필터를 장착한다. 그러면 광각 렌즈에 의한 영상면(image plane: 410)이 초다중분광 필터(408) 내에 형성되고, 이 영상면(410)을 다시 릴레이 렌즈(relay lens: 418)를 사용하여 카메라 몸체 내의 이미지 센서(402)로 전달하는 구조를 가지고 있다. 이와 같은 구조에서는 비네팅의 염려가 적을 뿐만 아니라 일반적인 back flange를 가지는 광각 렌즈를 사용할 수 있으므로 초다중분광 영상 시스템을 구축하는데 있어서 선택의 여지가 많다. 그러나 릴레이 렌즈는 많은 수의 렌즈 요소(414, 416)를 가지는 대칭형의 구조를 가져서 길이가 길게 되므로 전체 영상 시스템의 크기가 커지게 되며, 렌즈부의 전체 하중이 크게 되므로 영상시스템에 기계적인 스트레스를 줄 수 있다. 따라서 좁은 장소에 설치하여야 하거나 자동차/항공기 등 이동식의 초다중분광 영상 시스템을 구축하는데 있어서 장애요인이 된다. 또한 릴레이 렌즈는 대개 상당히 고가이므로 저가형의 초다중분광 영상 시스템을 구축하기에 어려움이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 전체 크기가 크지 않고, 비네팅이 발생하지 않도록 변환 렌즈를 사용하는 초다중분광 영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 도 5 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 상세하게 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초다중분광 영상 시스템을 보여준다. 본 발명의 실시 예에서는 비네팅이 발생하지 않는 장초점의 렌즈(506)와 이 렌즈의 앞에 장착된 초다중분광 필터(508) 및 이 초다중분광 필터의 앞에 장착 및 탈착을 할 수 있는 어댑터(adapter) 렌즈(520)로 구성된다. 이러한 시스템 구성이 도 4의 릴레이 렌즈를 사용하는 시스템 구성과 유사하게 보일 수 있지만 여러 가지 점에서 차이가 있다.

첫번째로, 도 4의 영상 시스템은 광각 렌즈(406)에 의한 단 한가지의 화각을 가지지만, 도 5의 영상 시스템은 기본 렌즈(506)에 의한 좁은 화각 및 어댑터 렌즈를 장착하였을 때의 넓은 화각을 선택적으로 사용할 수 있다.

두 번째로, 구성상으로 본 발명의 기본 렌즈(506)는 자체적으로 상을 형성할 수 있는 결상 렌즈(focal lens)로서 그 내부에 다수의 렌즈 요소(lens elements)와 조리개(stop)를 포함하고 있다. 그러나, 어댑터 렌즈(520)는 비결상 렌즈(afocal lens)로 자체적으로 상을 형성할 수 없으며, 그 내부에 조리개를 가지고 있지 않다. 그러나 도 4의 영상 시스템의 광각 렌즈(406) 및 릴레이 렌즈(418)는 모두 결상 렌즈이며, 그 내부에 독립적으로 다수의 렌즈 요소 및 조리개를 구비하고 있다. 특히, 일반적인 릴레이 렌즈는 물체 거리와 상 거리가 동일한 1: 1 배율의 유한공액(finite-conjugate) 렌즈인 것이 보통이다. 특히, 어댑터 렌즈는 릴레이 렌즈에 비하여 훨씬 적은 매수의 렌즈 요소로 구현이 가능하다는 장점이 있다.

세 번째로, 릴레이 렌즈를 사용하는 방식에서는 피사체의 상이 초다중분광 필터(410)안에 맺혀지고, 이 상을 다시 릴레이 렌즈를 사용하여 이미지 센서로 전달하는 구조를 가지고 있다. 그런데 액정가변필터와 같은 복잡한 구조를 갖는 초다중분광 필터는 그 내부구조가 복잡하며, 그 내부에 포함된 다수의 액정들은 자체적으로 결함을 가질 수 있으며, 이는 육안으로 쉽게 확인할 수 있다. 예를 들어, 액정가변 초다중분광 필터를 동작시킨 상태에서 육안으로 관찰하면, 마치 선글라스를 쓰고 보는 것처럼 어느 특정 파장의 색깔로 영상이 보이게 되며, 그 내부의 액정 결함이 있을 경우 유리창에 얼룩이 묻은 것처럼 깨끗하지 못한 영상을 얻게 된다. 따라서 릴레이 렌즈로 액정가변필터 내의 영상면을 포착하는 경우 필터 내의 결함이 그대로 이미지 센서로 전달되어 그 내부의 결함이 최종적인 영상으로 출력되게 된다. 하지만, 본 발명의 변환 렌즈에서는 어댑터 렌즈 자체적으로 상을 형상하지 않으므로 이미지 센서(502)에 포착되는 광선들이 초다중분광 필터(508)를 통과할 때에 그 필터 내부에 결함이 있었다고 하더라도 최종적인 영상에서는 그 결함이 보이지 않는다. 이것은 마치 안경에 얼룩이 묻었다고 하더라도 우리가 그것을 보지 못하는 것과 동일한 현상이다.

이와 같은 여러 가지 점에서 릴레이 렌즈를 사용하는 종래의 실시 예와 변환 렌즈를 사용하는 본 발명의 실시 예가 서로 확연히 다른 것을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 구체적인 실시 예에서 기본 렌즈의 광학적 구조와 광선의 경로를 보여준다. 본 실시예의 기본 렌즈는 물체쪽에서부터 조리개와 5장의 렌즈 요소로 구성되어 있다. 조리개의 바로 뒤에 위치하는 첫번째 렌즈 요소는 평볼록 렌즈 요소(plano-convex lens element)로서, 볼록면이 물체쪽을 향하고 있다. 두 번째 렌즈 요소는 포지티브 메니스커스 렌즈 요소(positive meniscus lens element)로서, 볼록면이 물체쪽을 향하고 있다. 세 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소(biconcave lens element)이다. 네 번째 렌즈 요소는 네가티브 메니스커스 렌즈 요소(negative meniscus lens element)로서, 그 오목면이 상쪽을 향하고 있다. 다섯번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소이다.

표 1은 구체적인 실시 예를 보여준다. 카메라의 이미지 센서는 1/2-inch CCD 센서라고 가정하였다. 따라서 이미지 센서의 대각 방향의 길이 D는 8mm이다. 또한 카메라의 마운트(mount)는 CS-mount로 가정하였다. 또한 초다중분광 필터는 가시광선 영역에서 동작하는 액정가변필터로서, 20mm 직경을 가지는 투명한 창(clear aperture)을 가지며, 이 필터의 두께 L은 50mm이다. 설계에 사용된 렌즈들은 모두 용이하게 구할 수 있는 광학적 유리만으로 구성되어 있다. 표1에 나타낸 기본 렌즈는 화각이 10°이며, F수(F-number)는 2.0이다.

surface number	comment	radius	thickness	index	Abbe number	semi-diameter
object		infinity	infinity
stop	Iris	infinity	3.000			10.000
2	Lens 1	30.580	5.070	1.4875	70.41	13.000
3		infinity	3.104			13.000
4	Lens 2	25.288	4.850	1.4875	70.41	13.000
5		277.311	2.769			13.000
6	Lens 3	-118.714	6.000	1.7552	27.51	13.000
7		145.509	2.890			13.000
8	Lens 4	196.002	5.910	1.6398	34.56	10.000
9		14.579	4.399			10.000
10	Lens 5	27.383	6.000	1.7440	44.77	10.000
111		-63.162	16.045			10.000
image	CCD	infinity	0.000			4.020

도 7은 표1의 기본 렌즈의 변조전달함수(modulation transfer function)이며, VGA급 렌즈로서 충분한 해상도를 가진 것을 알 수 있다. 도 8은 이 렌즈의 왜곡을 보여주며, 왜곡이 1% 이내로 매우 양호한 것을 알 수 있다.

한편 도 9는 어댑터 렌즈를 포함하는 전체 변환 렌즈의 광학적 구조 및 광선의 경로를 보여준다. 초다중분광 필터를 굴절률이 1.5이고 두께가 50mm인 유리판이라고 가정할 때 광학적 경로(optical path length)는 75mm이다. 따라서 도 9에서 초다중분광 필터는 두께 75mm의 공기로 모델링 되었다. 어댑터 렌즈는 조리개 없이 세 장의 렌즈 요소만으로 구성되어 있다. 물체쪽에서부터 첫번째로 위치하는 렌즈 요소는 평오목 렌즈 요소(plano-concave lens element)이며, 오목면이 상쪽을 향하고 있다. 두 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소이며, 세 번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소이다. 표 2는 어댑터 렌즈와 기본 렌즈를 포함하는 전체 변환 렌즈의 구체적인 실시 예를 보여준다. 이 변환 렌즈의 화각은 35°이며, F수는 2.8이다.

surface number	comment	radius	thickness	index	Abbe number	semi-diameter
object		infinity	infinity
1	Lens A	infinity	3.000	1.5891	61.16	13.000
2		21.335	4.380			9.600
3	Lens B	-22.439	9.144	1.5891	61.16	9.600
4		102.904	1.748			13.000
5	Lens C	461.338	10.000	1.5688	56.34	13.000
6		-23.449	47.718			13.000
7	Filter	infinity	75.000			10.000
8		infinity	10.000			10.000
stop	Iris	infinity	3.000			10.000
10	Lens 1	30.580	5.070	1.4875	70.41	13.000
11		infinity	3.104			13.000
12	Lens 2	25.288	4.850	1.4875	70.41	13.000
13		277.311	2.769			13.000
14	Lens 3	-118.714	6.000	1.7552	27.51	13.000
15		145.509	2.890			13.000
16	Lens 4	196.002	5.910	1.6398	34.56	10.000
17		14.579	4.399			10.000
18	Lens 5	27.383	6.000	1.7440	44.77	10.000
19		-63.162	25.018			10.000
image	CCD	infinity	0.000			4.025

도 10은 표 2의 변환 렌즈의 변조전달함수이며, VGA급 렌즈로서 충분한 해상도를 가진 것을 알 수 있다. 도 11은 이 렌즈의 왜곡을 보여주며, 왜곡이 1% 이내로 매우 양호한 것을 알 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 상세히 기술하였다. 하지만, 상세한 설명 및 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서도 다양한 변화 및 수정이 가능함은 그 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

도 1은 종래의 일반적인 카메라의 화각을 이해하기 위한 개념도.

도 2는 렌즈의 앞에 초다중분광 필터를 장착하는 종래의 제1 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.

도 3은 렌즈와 카메라 몸체 사이에 초다중분광 필터를 장착하는 종래의 제2 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.

도 4는 광각 렌즈와 릴레이 렌즈의 사이에 초다중분광 필터를 장착하는 종래의 제3 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.

도 5는 변환 렌즈를 사용하는 본 발명의 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.

도 6은 본 발명의 실시예의 기본 렌즈의 구조와 광선의 경로를 보여주는 도면.

도 7은 본 발명의 실시예의 기본 렌즈의 변조전달함수 특성.

도 8은 본 발명의 실시예의 기본 렌즈의 왜곡 특성.

도 9는 본 발명의 실시예의 변환 렌즈의 구조와 광선의 경로를 보여주는 도면.

도 10은 본 발명의 실시예의 변환 렌즈의 변조전달함수 특성.

도 11은 본 발명의 실시예의 변환 렌즈의 왜곡 특성.

Claims

초다중분광 영상 시스템에 있어서,

상기 초다중 분광 영상 시스템은 물체쪽으로부터 어댑터 렌즈와 초다중 분광 필터와 기본 렌즈와 그 내부에 이미지 센서를 포함하는 카메라 몸체로 구성되되,

상기 기본 렌즈는 다수의 렌즈 요소와 조리개를 포함하는 결상 렌즈이며,

상기 초다중 분광 필터는 광축 방향으로 투명한 창을 가지고,

상기 어댑터 렌즈는 조리개를 포함하지 않는 비결상 렌즈이며,

상기 어댑터 렌즈는 상기 초다중 분광 필터에 탈착이 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 초다중분광 영상 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 기본 렌즈는 물체쪽에서부터 조리개와 5장의 렌즈 요소로 구성되되, 조리개의 바로 뒤에 위치하는 첫번째 렌즈 요소는 평볼록 렌즈 요소(plano-convex lens element)로서 볼록면이 물체쪽을 향하고, 두번째 렌즈 요소는 포지티브 메니스커스 렌즈 요소(positive meniscus lens element)로서 볼록면이 물체쪽을 향하고, 세 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소(biconcave lens element)이고, 네 번째 렌즈 요소는 네가티브 메니스커스 렌즈 요소(negative meniscus lens element)로서 그 오목면이 상쪽을 향하고, 다섯번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소인 것을 특징으로 하는 초다중분광 영상 시스템.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 어댑터 렌즈는 조리개 없이 세 장의 렌즈 요소만으로 구성되되, 물체쪽에서부터 첫번째로 위치하는 렌즈 요소는 평오목 렌즈 요소(plano-concave lens element)로서 오목면이 상쪽을 향하고, 두 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소이며, 세 번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소인 것을 특징으로 하는 초다중분광 영상 시스템.
삭제
삭제
기본 렌즈와 어댑터 렌즈를 포함하는 변환 렌즈에 있어서,

상기 기본 렌즈는 다수의 렌즈 요소와 조리개를 포함하는 결상 렌즈이되,

상기 기본 렌즈의 조리개는 물체쪽에 가장 가까운 쪽에 위치하고, 상기 조리개에서 상쪽으로 다수의 렌즈 요소가 배치되며,

상기 어댑터 렌즈는 조리개를 포함하지 않는 비결상 렌즈이되,

상기 기본 렌즈와 어댑터 렌즈는 광축 방향으로 일정한 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 변환 렌즈.
제 7항에 있어서,

상기 조리개의 바로 뒤에 위치하는 첫번째 렌즈 요소는 평볼록 렌즈 요소로서 볼록면이 물체쪽을 향하고, 두번째 렌즈 요소는 포지티브 메니스커스 렌즈 요소로서 볼록면이 물체쪽을 향하고, 세 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소이고, 네 번째 렌즈 요소는 네가티브 메니스커스 렌즈 요소로서 그 오목면이 상쪽을 향하고, 다섯번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소인 것을 특징으로 하는 변환 렌즈.
제 7항에 있어서,

상기 어댑터 렌즈는 조리개 없이 세 장의 렌즈 요소만으로 구성되되,

물체쪽에서부터 첫번째로 위치하는 렌즈 요소는 평오목 렌즈 요소로서 오목면이 상쪽을 향하고, 두 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소이며, 세 번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소인 것을 특징으로 하는 변환 렌즈.