KR101214601B1 - 비열화 적외선 렌즈모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비열화 적외선 렌즈모듈에 관한 것으로, 2개 이상의 렌즈들을 갖는 광학계이고, 렌즈들은 셀렌화아연(ZnSe) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나의 재질로 이루어짐으로 인해 셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 배열되는 구조를 갖으며, 셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 배열되는 구조로 인해 넓은 온도범위에서 초점거리를 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

비열화 적외선 렌즈모듈{ATHERMALIZED INFRARED LENS MODULE}
본 발명은 비열화 적외선 렌즈모듈에 관한 것으로, 특히 온도변화에 따른 굴절률변화가 서로 다른 이종재질의 렌즈들을 배열하여 넓은 온도범위에서 초점거리의 변화를 최소화할 수 있는 비열화 적외선 렌즈모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 열영상 장비는 적외선 광학계로 구현된다. 적외선 광학계는 주로 규소(Si), 게르마늄(Ge), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe)과 같은 광학재료를 사용한다. 이러한 광학재료들은 온도에 따른 굴절률의 변화가 크고, 재료의 분산능이 가시광선 영역에서 사용하는 재료들에 비하여 상대적으로 작다.
그 뿐만 아니라 광학부품의 마운트와 경통과 같은 기구부품도 온도변화에 따라 수축 또는 팽창하기 때문에 고분해능 열영상 장비의 경우 온도변화는 결코 무시할 수 없는 요소이다.
다시 말하면 열영상 장비의 광학성능은 온도변화에 민감하기 때문에 상온 근처의 좁은 온도 영역에서 사용할 때는 큰 문제가 되지 않지만, 운용온도 범위가 넓은 경우에는 적절한 비열화(athermalization) 보상 시스템이 필요하다.
비열화 보상 방법은 크게 기계적인 방법과 광학적인 방법으로 구분할 수 있는데 기계적인 방법에는 수동식과 능동식이 있으며, 열영상 장비의 용도나 사용 온도 범위 또는 광학계의 구성에 따라 달라질 수 있다.
관련 선행기술로는 한국 공개특허공보 제10-2007-7025874호 "단순화된 줌잉 구조를 갖는 광역 광각 복합 줌"이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2007-7025874호 "단순화된 줌잉 구조를 갖는 광역 광각 복합 줌"
본 발명의 목적은 굴절률이 서로 다른 이종재질의 렌즈들을 배열하여 넓은 온도범위에서 초점거리의 변화를 최소화할 수 있는 비열화 적외선 렌즈모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 굴절률이 서로 다른 이종재질의 렌즈들을 배열하되, 적어도 1개 이상의 렌즈에 회절면을 형성하고. 적어도 1개 이상의 렌즈에 비구면을 형성함으로써, 색 수차를 최소화할 수 있고, 아울러 소요 렌즈의 매수를 줄일 수 있다.
즉, 본 발명은 2개 이상의 렌즈들을 갖는 광학계이고, 렌즈들은 셀렌화아연(ZnSe) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나의 재질로 이루어짐으로 인해 셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 배열되는 구조를 갖으며, 셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 배열되는 구조로 인해 넓은 온도범위에서 초점거리를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 물체 쪽으로부터 셀렌화아연 재질의 렌즈, 게르마늄 재질의 렌즈 및 셀렌화아연 재질의 렌즈가 순차로 배열될 수 있다.
상기 셀렌화아연 재질의 렌즈들은 회절면을 갖을 수 있다.
상기 게르마늄 재질의 렌즈는 비구면을 갖을 수 있다.
F수가 1.0~1.5 범위일 수 있다.
본 발명에 의하면, 굴절률이 서로 다른 이종재질의 렌즈들을 배열함으로 인해 넓은 온도범위에서 초점거리의 변화를 최소화할 수 있다. 또한, 적어도 1개 이상의 렌즈에 형성된 회절면에 의해 적외선렌즈에서 발생할 수 있는 색 수차를 최소화할 수 있다. 또한, 적어도 1개 이상의 렌즈에 형성된 비구면에 의해 더 효과적으로 색 수차를 최소화할 수 있고, 렌즈의 매수를 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 비열화 적외선 렌즈모듈의 광학계 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 비네팅(vignetting)을 나타낸 도면으로, 물체와의 거리가 무한대(Infinity)인 경우 및 15mm인 경우에 대한 도면이다.
도 3은 상대조도(Relative Illumination)를 나타낸 그래프도이다.
도 4a 및 도 4b는 물체와의 거리가 무한대에 대한 상면만곡(field curvature) 및 광선수차(ray aberration)를 각각 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 물체와의 거리가 15m에 대한 상면만곡(field curvature)(a) 및 광선수차(ray aberration)(b)를 각각 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 물체와의 거리가 무한대 및 15m에 대한 MTF를 각각 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 물체와의 거리가 무한대 및 15m에 대한 점 그래프이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 물체와의 거리가 무한대에 대한 -35℃, 20℃@REF, 55℃의 광학적 비열화를 각각 나타낸 그래프이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 물체와의 거리가 15m에 대한 -35℃, 20℃@REF, 55℃의 광학적 비열화를 각각 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 비열화 적외선 렌즈모듈은 물체 쪽으로부터 순서대로 배열된 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 렌즈(L1)는 물체측 전면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 후면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하며 전체적으로 음의 배율을 형성한 렌즈이다. 제1 렌즈(L1)의 후방에 배치되는 제2 렌즈(L2) 또한 물체측 전면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 후면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하며 전체적으로 음의 배율을 형성한 렌즈이다. 제2 렌즈(L2)의 후방에 배치되는 제3 렌즈(L3)는 전면과 후면이 볼록면을 형성한 렌즈로서 양의 굴절력을 갖는다.
제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)를 순차로 투과한 적외선은 검출기 윈도우(Detector Window)(W)을 거쳐 촬상소자의 수광면에 입사되고, 그 수광면 상에 물체의 이미지를 형성한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 적외선 렌즈모듈 광학계는 적어도 어느 하나의 렌즈가 다른 렌즈들과는 다른 재질을 갖는다. 즉, 본 발명의 광학계는 온도변화에 따른 굴절률변화, 즉 DT/DNDML 값이 다른 두 개의 재질을 사용하여 효과적으로 광학계의 비열화를 달성하고 있다. 여기서 DN은 온도변화의 양을 나타내고, DN은 굴절률의 변화의 양을 나타낸다. 즉, 본 발명의 광학계는 굴절률이 서로 다른 두 개의 재질을 사용함으로 인해 넓은 온도범위에서 초점거리를 최소화할 수 있으므로 효과적으로 광학계의 비열화를 달성한다.
예를 들면, 본 발명의 적외선렌즈 광학계는 셀렌화아연(ZnSe) 재질의 렌즈와 게르마늄(Ge) 재질의 렌즈를 적절히 배치하여 넓은 온도범위에서 초점거리변화를 최소화할 수 있다. 예를 들면, 제1 렌즈(L1)는 셀렌화아연 재질이고, 제2 렌즈(L2)는 게르마늄 재질이며, 제3 렌즈(L3)는 셀렌화아연 재질로 이루어짐으로써 넓은 온도범위에서 초점거리를 최소화할 수 있다.
셀렌화아연 재질의 제1 렌즈(L1), 게르마늄 재질의 제2 렌즈(L2), 셀렌화아연 재질의 제3 렌즈(L3)를 갖는 본 발명의 광학계의 일예로서, 스펙트럼 레인지(Spectral Range)가 7.5~13㎛일 수 있고, 실효 초점길이(Effective Focal Length)는 19.0mm일 수 있고, F수는 1.0~1.5 범위일 수 있는데 바람직하게는 1.2일 수 있고, 초점범위는 15mm~무한대(Infinity)(고정된 초점)일 수 있고, 순간시야(instantaneous field of view)가 1.29 mrad일 수 있다.
이때, F수가 1.0 미만이면, 렌즈들(L1, L2, L3)을 근접시켜 배치해야 하기 때문에 구면 수차의 보정이 어렵고, F수가 1.5를 초과하면, 렌즈들(L1, L2, L3)을 떨어뜨려 배치해야 하기 때문에 비점 수차가 커짐과 아울러 왜곡 수차의 보정도 어려울 수 있다.
셀렌화아연 재질의 제1 렌즈(L1), 게르마늄 재질의 제2 렌즈(L2), 셀렌화아연 재질의 제3 렌즈(L3)를 갖는 본 발명의 광학계에서, 제1 렌즈(L1)의 전면이 회절면(D1)이 되고, 제3 렌즈(L3)의 후면이 회절면(D2)이 됨으로써, 적외선렌즈에서 문제될 수 있는 색 수차를 최소화할 수 있다. 굴절률이 크고 색 수차가 발생하기 쉬운 제1 렌즈(L1) 및 제3 렌즈(L3)에 회절면(D1, D2)이 형성됨으로써 색 수차의 개선 효과를 크게 얻을 수 있다.
또한, 제2 렌즈(L2)의 전면이 비구면(A)으로 형성될 수 있다. 제2 렌즈(L2)의 전면이 비구면(A)이 됨으로써 시야각이 넓어져 적외선렌즈의 광학계의 렌즈 매수를 크게 줄일 수 있다.
도 2는 비네팅(vignetting)을 나타낸 도면으로서 물체와의 거리가 무한대(Infinity)인 경우 및 15mm인 경우를 나타낸 것이고, 도 3은 상대조도(Relative Illumination)를 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 물체와의 거리가 무한대에 대한 상면만곡(field curvature) 및 광선수차(ray aberration)를 각각 나타낸 것이고, 도 5a 및 도 5b는 물체와의 거리가 15m에 대한 상면만곡(field curvature)(a) 및 광선수차(ray aberration)(b)를 각각 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b는 물체와의 거리가 무한대 및 15m에 대한 MTF를 각각 나타낸 것이며, 검출기 픽셀 크기는 25μm로, 한계주파수는 20mm/cycles의 값을 가지며, 이때 MTF는 무한대의 경우 0.487 이상, 15m의 경우 0.426 이상의 값을 가진다.
도 7a 및 도 7b는 물체와의 거리가 무한대 및 15m에 대한 스폿 다이어그램 (Spot diagram)이다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 물체와의 거리가 무한대에 대한 -35℃, 20℃@REF, 55℃의 광학적 비열화를 각각 나타낸 것이며, 주변온도가 -35℃ ~ 55℃의 범위로 균일하게 변할 경우 광학계에서 발생되는 초점거리의 변화는 광학식 비열화가 적용되어 ± 28μm의 크기를 가진다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 물체와의 거리가 15m에 대한 -35℃, 20℃@REF, 55℃의 광학적 비열화를 각각 나타낸 것이며, 주변온도가 -35℃ ~ 55℃의 범위로 균일하게 변할 경우 광학계에서 발생되는 defocus의 크기는 광학식 비열화가 적용되어 ± 28.5μm의 크기를 가진다.
상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
L1: 제1 렌즈
L2: 제2 렌즈
L3: 제3 렌즈
W: 검출기 윈도우

Claims (5)

  1. 2개 이상의 렌즈들을 갖는 광학계이고,
    렌즈들은 셀렌화아연(ZnSe) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나의 재질로 이루어짐으로 인해 셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 조합하여 배열되는 구조를 갖으며,
    셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 조합하여 배열되는 구조로 인해 넓은 온도범위에서 초점거리를 최소화할 수 있고,
    물체 쪽으로부터 셀렌화아연 재질의 렌즈, 게르마늄 재질의 렌즈 및 셀렌화아연 재질의 렌즈가 순차로 배열되는 비열화 적외선 렌즈모듈.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 셀렌화아연 재질의 렌즈들은 회절면을 갖는 비열화 적외선 렌즈모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 게르마늄 재질의 렌즈는 비구면을 갖는 비열화 적외선 렌즈모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    F수가 1.0~1.5 범위인 비열화 적외선 렌즈모듈.
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