KR101039105B1 - 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈에 관한 것이다.
본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈은 피사체에서 반사되는 빛을 수광하여 상을 포착하도록 한 제1렌즈부; 광축방향으로 제1렌즈부의 후측에 위치하여, 제1렌즈부가 수광한 상을 결상하도록 한 제2렌즈부; 상기 제2렌즈부가 제1렌즈부의 광축방향에 놓이게 서로를 고정하는 다수개의 고정바들; 상기 고정바들 사이에 슬라이드 방식으로 이동가능하게 설치되어 제1렌즈부와 제2렌즈부 사이를 광축방향으로 이동하며 상의 배율을 변환시키고 비열화를 보상하도록 한 제3렌즈부; 및 상기 제1렌즈부와 제2렌즈부 및 제3렌즈부를 가로질러 관통하게 설치되어 회전하는 나사봉과, 나사봉의 일단에 설치되는 구동모터로 이루어진 이동수단을 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해 배율변환과 온도변화에 의한 렌즈의 굴절률 변화 때문에 발생하는 초점이동량의 보정이 가능하여 100K의 온도변화시에도 초점조절이 가능한 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈이 제공된다.
적외선, 가시광선, 원적외선, 열에너지, 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈.

Description

열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈{THE DUAL FIELD OF VIEW LENS MODULE FOR THE THERMAL IMAGING CAMERA}
본 발명은 감시용, 산업용, 연구용, 의료용으로 사용되는 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈에 관한 것이다.
열화상카메라는 1970년대 야간전투를 위하여 군사목적으로 사용하기 시작하였으나, 근래에들어 민수용으로 사용하는 사례가 계속해서 증가하는 추세에 있다.
민수용으로 사용되는 열화상카메라는 감시용, 산업용, 연구용, 의료용으로 구분할 수 있으며 감시용의 경우에는 피사체에서 발생되는 적외선 흑백영상을 그대로 사용하고 있으나, 산업용, 연구용, 의료용은 피사체에서 발생되는 적외선 복사에너지를 온도차이로 표현하여 슈도칼라(흑백 영상의 각 화소에 각 명암도별로 색을 할당하여 표시하는방법으로 X선 영상, 초음파 영상 등에서필요한 특징을 잘 볼 수 있도록 하는 데 주로 사용한다)로 영상을 얻게되어 피사체에 대한 이차원 온도분포를 볼 수 있다.
이러한 온도분포는 냉난방 시스템 제작 및 설치시 에너지 손실을 최소화하는데 사용되거나, 제품검사 또는 열분포 최적화 시스템을 구현하기 위한 연구장비 또 는 의료용 체열진단기나 공황검색대에서 조류독감 및 신종플루에 감염되어 체온이 올라간 사람을 검색하는데 사용되고 있다.
열화상카메라는 적외선 검출기를 77K로 냉각하여 중적외선과 원적외선 대역에서 사용되는 냉각형과 적외선 검출기를 냉각하지 않고 원적외선 대역에서만 사용되는 비냉각형이 있다.
냉각형 열화상카메라는 적외선 검출기에 냉각기를 붙여서 사용하기 때문에 부피가 크고 약간의 진동과 소음이 있으나, 검출기의 성능이 좋아서 원거리 관측이나 고화질 구현이 가능한 반면, 비냉각형 열화상카메라는 냉각기가 필요없기 때문에 소형경량화가 가능하므로 좁은 공간에 장착하거나 휴대용으로 사용하기에 적합하여 최근 널리 보급되고 있는 대부분의 열화상카메라가 비냉각형으로 되어 있으나 냉각형 열화상카메라에 비해 관측거리, 고화질 구현이 힘들어 많은 연구가 있어왔다.
한국 공개특허공보 제10-2008-0100438호에는 물체측으로부터 차례로 제 1 내지 제 3 렌즈군을 구비하고, 주밍(zooming)시에 상기 제 1 및 제 3 렌즈군이 고정된 상태로, 상기 제 2 렌즈군이 이동되고, 상기 제 1 내지 제 3 렌즈군은 각각 황화 아연에 의해 형성된 적어도 하나의 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈 및 적외선카메라가 공개되어 있다.
한국 등록실용신안공보 제20-0393933호에는 물체측에 대하여 볼록면을 갖는 메니스커스형의 음의 배율 렌즈인 제1렌즈와, 물체측과 상측에 대하여 볼록면을 갖는 양의 배율렌즈인 제 2 렌즈와, 물체측과 상측에 대하여 볼록면을 갖는
양의 배율렌즈인 제 3 렌즈와, 물체측에 대하여 오목면을 갖는 메니스커스형의 음의 배율렌즈인 제4렌즈와, 상기 제 1 렌즈와 상기 제 2 렌즈 사이에 배치되는 고정조리개로 구성된 감시카메라용 렌즈에 있어서, 상기 제 1 렌즈, 제 2 렌즈, 제 3 렌즈 및 제 4 렌즈의 굴절율 및 분산계수를 소정 값으로 구성하는 가시광선 및 근적외선 감시카메라 렌즈가 공개되어 있다.
그러나, 상기와 같은 기존의 기술들은 배율변환이 힘들며 렌즈의 특성상 온도변화에 따른 광학계의 초점거리가 많이 변하게 되어 피사체의 화질이 선명하지 못한 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배율변환과 온도변화에 의한 렌즈의 굴절률 변화 때문에 발생하는 초점이동량의 보정이 가능하여 100K의 온도변화시에도 초점조절이 가능한 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈은 피사체와 대향하여 피사체에서 반사되는 빛을 수광하여 상을 포착하도록 한 제1렌즈부; 광축방향으로 제1렌즈부의 후측에 위치하여, 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력하는 적외선검출기로 제1렌즈부가 수광한 상을 결상하도록 한 제2렌즈부; 상기 제2렌즈부와 제1렌즈부를 가로질러 설치되어 제2렌즈부가 제1렌즈부의 광축방 향에 놓이게 서로를 고정하는 다수개의 고정바들; 상기 고정바들 사이에 슬라이드 방식으로 이동가능하게 설치되어 제1렌즈부와 제2렌즈부 사이에 위치하여, 제1렌즈부와 제2렌즈부 사이를 광축방향으로 이동하며 상의 배율을 변환시키고 비열화를 보상하도록 한 제3렌즈부; 및 상기 제1렌즈부와 제2렌즈부 및 제3렌즈부를 가로질러 관통하게 설치되어 회전하는 나사봉과, 나사봉의 일단에 설치되는 구동모터로 이루어져, 구동모터가 나사봉을 회전시킴에 의해 제3렌즈부가 나사봉의 나사를 타고 제1렌즈부와 제2렌즈부 사이를 이동할 수 있도록 한 이동수단을 포함하여 구성된다.
또, 상기 고정바들 중 일부는 판형상으로서 길이방향으로 1개 이상의 장공을 갖고, 제3렌즈의 외주면에는 그 장공에 끼워지는 돌기가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동모터는 구동정밀도 5㎛로 미세초점조정이 가능하도록 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 해결수단에 의한 본 발명은 배율변환과 온도변화에 의한 렌즈의 굴절률 변화 때문에 발생하는 초점이동량의 보정이 가능하여 100K의 온도변화시에도 초점조절이 가능한 효과가 있는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈의 Ge렌즈 개략도, 도 2는 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈의 사시도, 도 3은 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈의 제3렌즈부 상세도, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈로 촬상한 흑백(4A,5A) 및 슈도칼라(4B,5B) 영상이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈은 제1렌즈부(100)와, 제2렌즈부(200)와, 제3렌즈부(300)와, 다 수개의 고정바들(400,400')과, 이동수단(500)으로 구비된다.
상기 제1렌즈부(100)는 Ge렌즈(L1) 1매로 구성되며 피사체와 대향하여 피사체에서 반사되는 빛을 수광하여 상을 포착하도록 형성된다.
또, 제1렌즈부(100)의 Ge렌즈(L1)는 한쪽면이 비구면을 형성하도록 한다.
렌즈부(100)의 후측에 위치하여, 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력하는 적외선검출기(600)로 제1렌즈부(100)가 수광한 상을 결상하도록 형성된다.
또, 제2렌즈부(200)의 Ge렌즈(L2)를 제외한 Ge렌즈(L3,L4)는 한쪽면이 비구면을 형성하도록 한다.
상기 제3렌즈부(300)는 Ge렌즈(L5) 1매로 구성되며 고정바들(400) 사이에 슬라이드 방식으로 이동가능하게 설치되어 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이에 위치하여, 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이를 광축방향으로 이동하여 상의 배율을 변환시키고 비열화를 보상하도록 형성된다.
또, 제3렌즈부(300)의 Ge렌즈(L5)는 한쪽면이 비구면을 형성하도록 한다.
상기 각 렌즈부(100,200,300)의 Ge렌즈(L1,L2,L3,L4,L5)는 Zemax를 이용하여 설계하였으며 비냉각 열화상카메라의 경우에는 비냉각 열화상카메라의 특성 때문에 F-수가 1.0 ~1.5 정도의 범위로 Ge렌즈(L1,L2,L3,L4,L5)를 구성하는데 F-수가 작을수록 광학성능이 우수하다.
따라서, 본 발명에서는 F/1.04로 두 개의 시야각을 갖는 이중배율의 Ge렌즈(L1,L2,L3,L4,L5)를 구성하였으며, 자세한 Ge렌즈(L1,L2,L3,L4,L5)의 설계사양은 표1 과 같다.
표1. 본 발명의 열화상카메라의 Ge렌즈(L1,L2,L3,L4,L5) 설계사양
Items Design Result
Uncooled IR Detector 320x240, 25μm
Spectral Range [μm] 7.5 ~ 13.0
Reference Wavelength [μm] 10.6
Zoom ratio 3 : 1
Field of View [°] Narrow (X 3) 8 x 6
Wide (X 1) 24 x 18
Effective Focal Length [mm] Narrow (X 3) 55.0
Wide (X 1) 19.0
F-number 1.04
MTF ≥ 0.5
Transmission [%] 78.5
Overall length [mm] 132.83
이와 같은 Ge렌즈(L1,L2,L3,L4,L5)들은 온도변화에 따른 굴절률의 변화가 매우 크기 때문에 온도에 따른 광학계의 초점거리가 많이 변하게 되어 온도변화에 따른 비열화를 분석하여 보상을 하지 않을 경우에는 심각한 상의 흐림 현상이 나타나기 때문에 제3렌즈부(300)를 이동시켜 화질을 개선토록 하는 것이다.
상기 다 수개의 고정바들(400,400')은 제2렌즈부(200)와 제1렌즈부(100)를 가로질러 설치되어 제2렌즈부(200)가 제1렌즈부(100)의 광축방향에 놓이게 서로를 고정하도록 형성된다.
이때, 다 수개의 고정바들(400,400')은 제3렌즈부(300)가 광측방향으로 이동시에 제3렌즈부(300)를 지지하여 수평을 유지하는 역할을 한다.
또, 고정바들(400,400') 중 일부는 판형상으로 형성되고 길이방향으로 1개 이상의 장공(410)을 갖고, 제3렌즈부(300)의 외주면에는 그 장공(410)에 끼워지는 돌기(310)가 형성될 수도 있다.
상기 이동수단(510)은 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 및 제3렌즈부(300)를 가로질러 관통하게 설치되어 회전하는 나사봉(510)과, 나사봉(510)의 일단에 설치되는 구동모터(530)로 이루어져, 구동모터(530)가 나사봉(510)을 회전시킴에 의해 제3렌즈부(300)가 나사봉(510)의 나사를 타고 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이를 이동할 수 있도록 형성된다.
이때, 상기 구동모터(530)는 구동정밀도 5㎛로 미세초점조정이 가능하도록 하여 온도 변화에 따른 미세한 비열화 보상이 가능하다.
상기와 같은, 본 발명은 제3렌즈부(300)의 광측방향이동으로 배율변환과 온도변화에 의한 렌즈의 굴절률 변화에서 발생하는 초점이동량의 보정이 가능하기 때문에 100K의 온도변화시에도 초점조절이 가능한 것이다.
본 발명에 의해 냉난방 시스템 제작 및 설치시 에너지 손실을 최소화하는데 사용되거나, 제품검사 또는 열분포 최적화 시스템을 구현하기 위한 연구장비로 활용되고, 그 외에 의료용 체열진단기나 공항검색대에서 조류독감 또는 신종플루에 감염된 사람을 검색하는데 활용되는 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈의 Ge렌즈 개략도이다.
도 2는 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈의 제3렌즈부 상세도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈로 촬상한 흑백(4A,5A) 및 슈도칼라(4B,5B) 영상이다.
<도면의 간단한 설명>
100:제1렌즈 200:제2렌즈
300:제3렌즈 310:돌기
400,400':고정바 410:장공
500:이동수단 510:나사봉
530:구동모터 600:적외선검출기
L1,L2,L3,L4,L5:Ge렌즈

Claims (3)

  1. 피사체와 대향하여 피사체에서 반사되는 빛을 수광하여 상을 포착하도록 한 제1렌즈부(100);
    광축방향으로 제1렌즈부(100)의 후측에 위치하여, 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력하는 적외선검출기(600)로 제1렌즈부(100)가 수광한 상을 결상하도록 한 제2렌즈부(200);
    상기 제2렌즈부(200)와 제1렌즈부(100)를 가로질러 설치되어 제2렌즈부(200)가 제1렌즈부(100)의 광축방향에 놓이게 서로를 고정하는 다수개의 고정바들(400,400');
    상기 고정바들(400,400') 사이에 슬라이드 방식으로 이동가능하게 설치되어 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이에 위치하여, 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이를 광축방향으로 이동하며 상의 배율을 변환시키고 비열화를 보상하도록 한 제3렌즈부(300); 및
    상기 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 및 제3렌즈부(300)를 가로질러 관통하게 설치되어 회전하는 나사봉(510)과, 나사봉(510)의 일단에 설치되는 구동모터(530)로 이루어져, 구동모터(530)가 나사봉(510)을 회전시킴에 의해 제3렌즈부(300)가 나사봉(510)의 나사를 타고 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이를 이동할 수 있도록 한 이동수단(500)을 포함하여 구성된, 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정바들(400,400') 중 일부는 판형상으로서 길이방향으로 1개 이상의 장공(410)을 갖고, 제3렌즈부(300)의 외주면에는 그 장공(410)에 끼워지는 돌기(310)가 형성된 것을 특징으로 하는 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈.
  3. 제1항에 있어서, 구동모터(430)는 구동정밀도 5㎛로 미세초점조정이 가능하도록 이루어짐을 특징으로 하는 열화상카메라용 이중배율 렌즈모듈.
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