KR101127907B1 - 비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계 및 상기 광학계를 포함하는 열영상장비 - Google Patents

비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계 및 상기 광학계를 포함하는 열영상장비 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광범위한 관심지역의 감시 및 이벤트 탐지를 목적으로 하는 열영상장비와, 이러한 열영상장비에 적용 가능한 비대칭 광각 적외선 광학계에 관한 것으로서, 실린더렌즈나 토릭렌즈와 같은 비균등렌즈를 이용하여 적외선 광학계를 구성함으로써, 수평방향으로는 100°이상의 넓은 시계(視界)를 제공하고, 수직방향으로는 수평방향보다 고배율을 적용하여 해상도를 증가시킴으로써, 종래 구성의 열영상장비나 적외선 광학계에 비해 광대역 감시 및 이벤트 탐지 능력이 현저히 향상되도록 함에 특징이 있다.

Description

비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계 및 상기 광학계를 포함하는 열영상장비{An asymmetric wide angle infrared optical system in which anamorphic lenses are applied and a thermal observation device having the optical system}
본 발명은, 어안 형태의 광각 렌즈와 함께, 실린더렌즈나 토릭렌즈와 같은 비균등렌즈로 적외선 광학계를 구성함으로써, 수평방향으로는 100°이상의 넓은 시계(視界)를 제공하고, 수직방향으로는 수평방향보다 높은 해상도를 제공하여, 종래보다 광대역 감시 능력 및 이벤트 탐지 능력을 현저히 향상시킨, 비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계 및 상기 광학계를 포함하는 열영상장비에 관한 것이다.
일반적으로 광각(廣角) 카메라는, 사용하는 파장대역에 따라 가시광 광각 카메라와 적외선 광각 카메라로 분류할 수 있다.
이들 중, 태양광이 있는 낮에 사용하는 가시광 광각 카메라는, 주요 시설물 감시, 영화 제작, 기록용 파노라마 영상의 촬영 등, 다양한 분야에서 오랫동안, 여러 가지 용도로 이용되어 왔다.
이에 대해, 적외선 광각 카메라는, 1990년대에 상업화를 목적으로 개발되기 시작했는데, 제공가능한 시계(視界)는 40°～50°정도였다. 이후, 관심지역에 대한 야간 감시나 정찰 등을 위한 군사용 장비로 이용되기 시작하면서, 더욱더 넓은 지역에 대해 감시와 이벤트 탐지가 이루어질 수 있는, 매우 넓은 시계를 갖는 적외선 광각 카메라에 대한 수요가 급증하고 있다.
일반적으로 적외선 광각 카메라에 이용되는 광학계는, 어안(fisheye) 형태의 회전대칭형 광각 렌즈를 포함하여 구성되며, 수평방향과 수직방향의 배율이 동일하다. 따라서 광학계의 시계가 넓을수록 수평방향과 수직방향의 공간 해상도는 둘 다 떨어지게 된다. 이와 반대로, 광학계의 배율이 클수록(높을수록) 공간 해상도는 좋아져 탐지능력은 좋아지지만, 고배율일수록 상대적으로 시계(視界)는 좁아져, 넓은 지역을 감시하기가 어렵다.
이러한 이유로, 적외선 광학계가 적용된 군사용 장비는, 공간 해상도가 낮은 대신에 넓은 지역을 감시할 수 있는 저배율 구조와, 감시 지역의 범위가 협소한 대신에 공간 해상도는 높은 고배율 구조를 둘 다 구비함으로써, 이러한 저배율 구조와 고배율 구조를 상호 보완적으로 운용할 수 있는 이중 구조로 이루어져 있다.
한편, 적외선은 가시광선보다 파장이 길기 때문에, 여러 가지 배율로 적외선 광학계를 설계한다는 것은 무척이나 까다롭고, 특히 F/2.0보다 작은 F수(F number)에 대해 100°이상의 광각 시계를 제공하여 10.0㎜ 정도의 상면(像面)을 제공할 수 있는 설계 기술은 국내에 없는 실정이다.
따라서 본 발명은, 수평방향으로는 100°이상의 넓은 시계를 제공하고, 수직방향으로는 수평방향보다 고배율을 적용하여 해상도를 증가시킴으로써, 종래 구성의 열영상장비나 적외선 광학계에 비해, 광대역 감시 능력 및 이벤트 탐지 능력이 현저히 향상되도록 구성한 광각 적외선 광학계 및 열영상장비를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제가 해결될 수 있도록 구성되는 본 발명의 광각 적외선 광학계 및 이러한 적외선 광학계를 포함하는 열영상장비(thermal observation device)는, 수평방향에 대해서는 100° 이상의 넓은 시계를 제공함과 아울러, 수직방향에 대해서는 수평방향보다 높은 배율을 갖도록, 어안 형태의 광각 렌즈가 구비되는 광각 적외선 광학계에 비균등렌즈를 적용함으로써, 광범위한 관심지역에 대한 감시 및 이벤트 탐지 능력을 향상시킨, 비대칭 광각 적외선 광학계 및 열영상장비를 제공하는데 특징이 있다.
여기서, 본 발명에서 이용되는 비균등렌즈(anamorphic lens)는, 면대칭은 있으나 회전대칭성은 없는 광학면(아나모르픽면(面))을 갖는 렌즈로서, 렌즈의 단면에 따라 초점거리가 달라지며, 토릭(toric)렌즈나 실린더(cylinder)렌즈를 예로 들 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 비대칭 광각 적외선 광학계는, 광학계의 입사 광량을 제한하기 위해, 광학계의 최후단(最後端)인 상면(像面) 앞에 구경 스톱이 놓이고, 9매의 렌즈로 이루어지는 제1, 제2, 제3 렌즈군이 F/2.0에 배치될 수 있다.
또한, 9매의 렌즈 중 6매의 렌즈에 대해서는, 온도 변화에 따른 굴절률의 변화량이 적은 황화 아연(ZnS)이나 셀렌화 아연(zinc selenide, ZnSe) 등의 아연 계열 재질을 적용하고, 나머지 3매의 렌즈에 대해서는, 광학적 결상(結像) 성능 및 투과율 성능의 확보를 위해, 실리콘(Si) 계열 재질을 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 구경 스톱 앞에 배치하는 제3 렌즈군은, 토릭렌즈를 포함한 4개의 렌즈로 구성하고, 제3 렌즈군 앞에 배치하는 제2 렌즈군은, 실린더렌즈를 포함한 4개의 렌즈로 구성하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 구성되는 본 발명의 비대칭 광각 적외선 광학계 및 이러한 광학계가 적용된 열영상장비에 의하면, 어안 형태의 광각 렌즈와 함께 비균등렌즈가 적용됨에 따라, 적외선 파장대역에서, 수평방향으로는 100° 이상의 광각 시계(視界)를 확보함과 아울러, 수평방향보다 수직방향의 배율이 증가한 고해상도의 비대칭 영상을 제공할 수 있다. 따라서 더 넓은 지역에 대한 감시와 이벤트 탐지가 용이하게 행해질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계의 구성을 나타내는 Y-Z평면 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계의 구성을 나타내는 X-Z평면 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계의 시계(視界)에 따른 다파장 변조전달함수(MTF: Modulation Transfer Function)의 성능을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계의 상면(像面, image surface)의 일정영역에 집속되는 에너지(encircled energy)의 백분율 성능을 나타내는 그래프.
이하, 첨부도면에 의거하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 비균등렌즈가 적용된 비대칭 광각 적외선 광학계에 대해 상세히 설명한다.
우선, 첨부된 도 1은, 본 발명의 일 예에 따른 비대칭 광각 적외선 광학계를 Y-Z평면을 따라 단면한 단면도이고, 도 2는 X-Z평면을 따라 단면한 단면도이다.
이들 도면에 나타나 있듯이, 본 발명의 일 예에 따른 비대칭 광각 적외선 광학계는, 총 9매의 렌즈(1～9)와 구경 스톱(10)으로 이루어져 있는데, 렌즈의 매수는 필요에 따라 가감될 수 있다.
먼저, 도시하지 않은 열영상장비의 최외측(즉, 피사체에 가까운 대물부측)에 위치되는 제1 렌즈군(A)은, 넓은 시계를 제공하는데 유리하도록, 어안(fisheye) 형태로 된 하나의 구면렌즈(1)로 이루어져 있다.
이 구면렌즈(1)는 실리콘 재질로 이루어져 있으며, 본 실시예에 따른 비대칭 광각 적외선 광학계에서 대물렌즈 역할을 수행한다.
다음으로, 제1 렌즈군(A) 뒤에 배치되는 제2 렌즈군(B)은, 총 4매의 렌즈로 이루어져 있는데, 이들 중 비균등렌즈(4)만 실리콘 재질로 되어 있을 뿐, 나머지 3매의 렌즈는 온도 변화에 따른 굴절률의 변화량이 적은 아연(zinc) 계열 재질로 이루어져 있다.
또한, 비균등렌즈(4)로서, 앞면이 실린더면으로 가공된 실린더렌즈를 이용하여, 적외선 광학계의 X-축(axis) 및 Y-축 방향의 배율을 각기 다르게 하였다.
또한, 비균등렌즈(4)의 앞뒤로 인접하여 배치되는 비구면렌즈(3)(4)의 앞면은 구면(球面)으로 제작하고, 뒷면은 비구면으로 제작함으로써, 본 실시예에 따른 비대칭 광각 적외선 광학계의 수차 보정 능력을 최적화하였다.
다음으로, 제2 렌즈군(B) 뒤에 배치되는 제3 렌즈군(C)은, 제2 렌즈군(B)과 마찬가지로 총 4매의 렌즈로 구성되는데, 이들 중 구경 스톱(10)에 가장 가까이 배치되는 최후미의 비구면렌즈(9)만 실리콘 재질로 되어 있을 뿐, 나머지 3매의 렌즈는 아연 계열 재질로 이루어져 있다. 구체적으로, 제3 렌즈군(C)의 가장 앞쪽에 배치되는 비균등렌즈(6)와 그 뒤에 인접하여 배치되는 구면렌즈(7)는 셀렌화 아연 재질로 이루어져 있고, 구면렌즈(7) 뒤에 배치되는 비구면렌즈(8)는 황화 아연 재질로 이루어져 있다.
또한, 비균등렌즈(6)로서, 앞면이 토릭(toric)면으로 가공된 토릭렌즈를 이용하여, 열영상장비나 비대칭 광각 적외선 광학계의 목표 배율을 광학적으로 보정할 수 있도록 함으로써, 렌즈의 사용 매수를 최소화하였다.
또한, 구면렌즈(7) 뒤에 배치되는 비구면렌즈(8)의 뒷면과, 최후미 비구면렌즈(9)의 앞면을 비구면으로 제작하여 수차 보정 능력을 최적화하였는데, 특히 구면렌즈(7) 뒤에 배치되는 비구면렌즈(8)의 비구면 계수를 다른 비구면렌즈(3)(5)(9)의 비구면 계수보다 크게 설정함으로써 수차 보정 능력을 극대화하였으며, 광축 방향으로의 상면(像面) 이동에 따른 초점 벗어남(defocus) 민감도를 상대적으로 크게 하여 복수의 렌즈가 정확히 위치에 조립될 수 있도록 하는 조정자로서의 역할도 겸하게 하였다.
Figure 112011087161144-pat00001
상기 표 1은, 상술한 실시예에서 언급된 각(各) 렌즈의 앞뒷면 형상 및 광학 재질을 정리하여 나타낸 테이블로서, 각각의 렌즈(1～9)는, 렌즈의 두께와 표면 형상에 따라, 앞뒤로 인접해 있는 다른 렌즈와의 사이에 적절한 간격을 두고 배치되어 있다.
다음으로, 도 3은 본 실시예에 따른 비대칭 광각 적외선 광학계의 시계에 따른 다파장 변조전달함수(MTF: Modulation Transfer Function)의 성능을 나타낸 그래프이고, 도 4는 상면(像面)의 일정영역에 집속되는 에너지(encircled energy)의 백분율 성능을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 3을 통해, 9매의 렌즈(1～9)로 이루어진 본 실시예의 비대칭 광각 적외선 광학계는, 광학계의 분해능이 회절 한계(diffraction limited) 수준으로 설계되었음을 알 수 있다.
또한, 첨부된 도 4를 통해, 현재 널리 사용되고 있는 적외선 검출기의 픽셀 하나 크기인 15㎛ 영역에, 전체 에너지의 60% 이상이 집속됨을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 광각 적외선 광학계 및 이를 포함하여 구성되는 열영상장비에 의하면, 어안 형태로 된 하나의 구면렌즈(1)로 이루어진 제1 렌즈군(A)과, 구면렌즈(2) 뒤쪽에 놓인 2개의 비구면렌즈(3)(5) 사이에 실린더렌즈(4)가 배치된 제2 렌즈군(B)과, 제일 앞쪽에 토릭렌즈(6)가 배치됨과 아울러 그 뒤쪽에 하나의 구면렌즈(7)와 2개의 비구면렌즈(8)(9)가 차례대로 배치되어 있는 제3 렌즈군(C)에 의해, 수평방향으로는 100°이상의 넓은 시계를 제공할 수 있고, 수직방향으로는 수평방향보다 고배율을 적용하여 해상도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 종래 구성의 열영상장비나 광각 적외선 광학계에 비해, 광대역 감시 및 이벤트 탐지 능력이 현저히 향상될 수 있다.
1...구면렌즈 2...구면렌즈
3...비구면렌즈 4...실린더렌즈
5...비구면렌즈 6...토릭렌즈
7...구면렌즈 8...비구면렌즈
9...비구면렌즈 10...구경 스톱
A...제1 렌즈군 B...제2 렌즈군
C...제3 렌즈군

Claims (6)

  1. 9매의 렌즈로 이루어지는 제1, 제2, 제3 렌즈군이 F/2.0에 배치된 비대칭 광각 적외선 광학계로서,
    상기 제1 렌즈군은, 어안 형태로 된 1매의 구면렌즈로 구성되고,
    상기 제2 렌즈군은, 1매의 비균등렌즈와 1매의 구면렌즈와 2매의 비구면렌즈로 구성되며,
    상기 제3 렌즈군은, 1매의 비균등렌즈와 1매의 구면렌즈와 2매의 비구면렌즈로 구성되고,
    광학계의 입사 광량을 제한하기 위해, 광학계의 최후단인 상면(像面) 앞에 구경 스톱이 배치되는 것을 특징으로 하는 비대칭 광각 적외선 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈군에 속하는 비균등렌즈는 실리콘재질의 실린더(cylinder)렌즈이고,
    상기 제3 렌즈군에 속하는 비균등렌즈는 셀렌화 아연 재질로 된 토릭(toric)렌즈인 것을 특징으로 하는 비대칭 광각 적외선 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 렌즈군에 속하는 2매의 비구면렌즈는 인접하여 배치되며,
    상기 구경 스톱으로부터 더 멀리 떨어져서 배치되는 비구면렌즈의 비구면 계수가 상기 구경 스톱 가까이에 배치되는 비구면렌즈의 비구면 계수보다 더 큰 것을 특징으로 하는 비대칭 광각 적외선 광학계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 비대칭 광각 적외선 광학계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열영상장비.
  5. 삭제
  6. 삭제
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