KR101290518B1 - 적외선 광학 렌즈계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광축을 따라 물체측으로부터 이미지측으로의 순서대로, 결정성 소재를 포함하는 제1 렌즈, 및 비결정성 유리 소재를 포함하며 몰딩 가공된 제2 렌즈를 구비하며, 제1 렌즈의 굴절율은 제2 렌즈의 굴절율 보다 큰 적외선 광학 렌즈계에 관한 것이다.

Description

적외선 광학 렌즈계{Infrared optical lens system}
본 발명은 적외선 광학 렌즈계에 관한 것이다.
모든 물체는 절대온도 0K 이상에서 적외선을 방사한다. 이와 같은 적외선을 이용한 적외선 감시 카메라 시스템은 다양한 분야에 활용되고 있다. 예컨대, 대형 공장 또는 산에서 발생할 수 있는 화재를 감시하는 데 이용될 수 있으며, 인플루엔자와 같은 의심환자의 체온을 확인함으로써 전염병의 확산을 막는데 사용될 수 있다. 또한, 군사용으로 제작되어 국경 지역에서의 감시 활동에도 사용될 수 있다.
다양한 분야에 적외선 감시 카메라 시스템이 적용되면서, 소형화 및 고성능화 요구가 점차 증대됨과 동시에 제조 비용이 저렴한 적외선 광학 렌즈계에 대한 요구가 증대되고 있다.
본 발명의 일실시예는, 고성능이면서 저렴하게 제작 가능한 적외선 광학 렌즈계에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광축을 따라 물체측으로부터 이미지측으로의 순서대로, 결정성 소재를 포함하는 제1 렌즈; 및 비결정성 유리 소재를 포함하며, 몰딩 가공된 제2 렌즈;를 구비하며, 상기 제1 렌즈의 굴절율은 상기 제2 렌즈의 굴절율 보다 큰 적외선 광학 렌즈계를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 적외선 광학 렌즈계의 초점거리는 50mm ~ 150mm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 렌즈는 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 렌즈는 하나의 비구면을 포함하며, 상기 비구면은 상기 제1 렌즈의 이미지측 면에 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 렌즈는 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 렌즈의 이미지측 면이 비구면일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 렌즈의 이미지 측에 배치되는 제3 렌즈;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제3 렌즈는 비결정계 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 렌즈의 굴절율은 3.2 ~ 4.1 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 렌즈의 굴절율은 2.45 ~ 2.65 일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 결정성 소재 및 비결정성 유리 소재를 이용하고 제1 렌즈의 굴절율이 제2 렌즈의 굴절율 보다 크게 형성함으로써 저 비용으로 고성능이며 초점거리가 50 mm ~ 150mm인 망원의 적외선 광학 렌즈계를 구현할 수 있다.
또한, 제1 렌즈 및 제2 렌즈 중 적어도 어느 하나에 에 적어도 1면의 비구면을 구비함으로써 수차를 용이하게 보정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 필드별 코마 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차, 및 왜곡 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 상대 조도로서 주변 광량비를 나타낸 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 초점 이동에 따른 MTF(modulation transfer function) 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계를 개략적으로 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 필드별 코마 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 8은 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차, 및 왜곡 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 9는 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 상대 조도로서 주변 광량비를 나타낸 것이다.
도 10은 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 초점 이동에 따른 MTF(modulation transfer function) 그래프를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계를 개략적으로 나타낸다.
도 12는 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 필드별 코마 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 13은 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 종방향 구면수차, 비점 수차, 및 왜곡 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다.
도 14는 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 상대 조도로서 주변 광량비를 나타낸 것이다.
도 15는 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계의 초점 이동에 따른 MTF(modulation transfer function) 그래프를 나타낸 것이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1, 도 6 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계를 도시한 것이다.
도면들을 참조하면, 적외선 광학 렌즈계(1,2,3)는 물체(O)측으로부터 이미지(I)측의 순서로 제1 렌즈(10) 및 제2 렌즈(20)를 포함하며, 제3 렌즈(30)를 더 포함할 수 있다. 제1 렌즈(10)의 물체측 면에는 조리개(ST)가 포함될 수 있다.
제1 렌즈(10)는 제2 렌즈(20)와 서로 다른 소재를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 렌즈(10) 적외선을 투과하는 결정성 소재를 포함하며, 제2 렌즈(20)는 적외선을 투과하는 비결정성 유리 소재를 포함할 수 있다. 제3 렌즈(30)도 비결정성 유지 소재를 포함할 수 있으며, 제2 렌즈(20) 및 제3 렌즈(30) 중 적어도 어느 하나는 몰딩 가공을 통해 형성될 수 있다.
결정성 소재로는 게르마늄(Germanium), 셀렌화 아연(ZnSe), 황화 아연(ZnS), 사파이어(sapphire), 및 실리콘(silicon)으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 비결정성 유리 소재로는 아모퍼스 머트리얼사(Amorphours Materials 社)의 AMTIR(모델명) 또는 유미코어사(Umicore 社)의 GASIR(모델명)를 포함할 수 있다.
본 발명의 비교예로서 만약, 게르마늄과 같은 결정성 소재만으로 렌즈계를 구성한다면, 컴팩트한 렌즈계를 용이하게 구성할 수 있으나 색수차를 완벽하게 제거하기 어렵고, 색수차를 제거하기 위해서는 비구면을 많이 사용해야 하지만 렌즈의 성능이 안정적으로 유지되기 어렵고, 비용이 크게 증가하는 문제가 있다. 반면에, 만약 비결정성 유리 소재만으로 렌즈계를 구성한다면 제작이 용이할 수 있으나 광학적 성능이 크게 저하되어 열영상을 구현하기 어렵고 색수차를 줄이기 위해 회절판과 같은 광학 부재가 별도로 구비되어야 한다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면 광학적 특성이 우수한 결정성 소재의 제1 렌즈(10), 및 몰딩 공정이 가능하여 비교적 저렴한 가격으로 제작이 가능한 제2 렌즈(20) 또는/및 제2,3 렌즈(20, 30)를 사용함으로써, 회절판과 같은 보조적 광학 부재를 구비하지 않고서도 높은 광학적 성능을 유지하면서도 제작 비용을 낮출 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(1,2,3)의 초점거리는 50mm ~ 150mm로서, 망원의 렌즈계를 구현할 수 있다.
제1 렌즈(10)는 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 렌즈(10)의 이미지측 면을 비구면으로 형성함으로써 망원 렌즈계로서 나타날 수 있는 큰 구면 수차를 안정적으로 제거할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예로 이미지측 면 및 물체측면을 모두 비구면으로 형성할 수도 있다.
제2 렌즈(20)는 적어도 하나의 비구면을 포함할 수 있다. 제2 렌즈(20)는 적어도 하나의 비구면을 포함으로써 코마 수차를 제거할 수 있다. 예컨대, 제2 렌즈(20)의 이미지측 면을 비구면으로 형성하거나, 물체측 면 및 이미지측 면을 모두 비구면으로 형성할 수 있다.
제1 렌즈(10)의 굴절율은 제2 렌즈(20)의 굴절율 보다 크게 형성될 수 있다. 예컨대, 10μm의 파장을 기준으로 제1 렌즈(10)의 굴절율은 약 3.2 ~ 4.1 이고, 제2 렌즈(20)의 굴절율은 2.45 ~ 2.65 이 되도록 제1 렌즈(10)와 제2 렌즈(20)의 굴절율을 서로 다르게 형성함으로써 렌즈의 색수차를 용이하게 제거할 수 있다.
제1 렌즈(10)의 굴절율이 제2 렌즈(20)의 굴절율 보다 높기 때문에 적외선 광학 렌즈계(1,2,3)을 콤팩트하게 구성할 수 있다. 제1 렌즈(10)의 굴절율이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 후면초점거리(BFL)가 짧아지게 되며, 제2 렌즈(20)가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 색수차를 용이하게 보정하기 어렵고 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
상술한 바와 같이 굴절율이 서로 다른 소재를 사용함으로써 회절판과 같은 보조적 광학 부재를 구비하지 않고서도 색수차가 제거된 높은 광학적 성능을 구비하는 적외선 광학 렌즈계(1,2,3)를 제공할 수 있음은 앞서 언급한 바와 같다. 또한, 비결정성 유리 소재를 사용함으로써 몰딩을 제2 렌즈(20) 및/또는 제3 렌즈(30)의 제작 시간 및 비용을 크게 낮출 수 있다.
본 발명의 실시예에 나오는 비구면의 정의를 나타내면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(1,2,3)의 비구면 형상은 광축 방향을 x축으로 하고, 광축 방향에 대해 수직한 방향을 y축으로 할 때, 광선의 진행 방향을 정으로 하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다. 여기서, x는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리를, y는 광축에 대해 수직한 방향으로의 거리를, k는 코닉 상수(conic constant)를, a4, a6, a8은 비구면 계수를, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률 반경의 역수(1/R)를 각각 나타낸다.
Figure 112011090700765-pat00001

다음은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(1,2,3)의 설계 데이터를 나타낸다. 이하에서, Sn는 면 번호를, R은 곡률반경을, D는 렌즈 중심 두께 또는 렌즈와 렌즈 사이의 간격을 나타내며, f는 적외선 광학 렌즈계(1,2,3) 의 전체 초점거리를 나타낸다.
<제1 실시예>
표 1은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(1)의 설계 데이터를 나타내고, 표 2는 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계(1)의 비구면 계수를 나타낸다.
본 실시예에서 제1 렌즈(10)는 게르마늄을 포함하며, 제2 렌즈(20)는 GASIR1을 포함한다. 한편, 제1 렌즈(10)은 정의 굴절력을 갖고, 제2 렌즈(20)는 부의 굴절력을 가질 수 있으며, 조리개(ST)는 제1 렌즈(10)의 물체측에 위치한다.
f: 100mm
Fno:1.4
# R D material
s1 (ST) 63.4919 7 germanium
s2* 75.6267 58.6
s3 59.0332 3.5 GASIR1
s4* 47.8040 25.5
# a4 a6 a8
2 2.6402E-08 3.0932E-12 1.9245E-16
4 5.0617E-06 3.4459E-09 3.2245E-11
도 2는 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계(1)의 필드별 코마 수차에 관한 수차도를 도시한 것이고, 도 3은 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계(1)의 종방향 구면수차, 비점 수차, 및 왜곡 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다. 도 4는 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계(1)의 상대 조도로서 주변 광량비를 나타내고, 도 5는 도 1에 도시된 적외선 광학 렌즈계(1)의 초점 이동에 따른 MTF(modulation transfer function) 그래프를 나타낸 것이다. 도 3의 비점수차 필드 곡선(astigmatic field curve)에서 점선은 자오(tangential) 비점 수차를 실선은 구결(sagittal) 비점 수차를 나타낸다.
표 2 및 도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(1)의 제1 렌즈(10)는 이미지측 면만을 비구면으로 형성하였다. 제1 렌즈(10)에 비구면을 1면만 사용하더라도 구면 수차를 효과적으로 제거할 수 있다.
<제2 실시예>
표 3은 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(2)의 설계 데이터를 나타내고, 표 4는 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계(2)의 비구면 계수를 나타낸다.
본 실시예에서 제1 렌즈(10)는 게르마늄을 포함하며, 제2 렌즈(20)는 AMTIR4을 포함한다. 한편, 제1 렌즈(10)은 정의 굴절력을 갖고, 제2 렌즈(20)는 부의 굴절력을 갖을 수 있으며, 조리개(ST)는 제1 렌즈(10)의 물체측에 위치한다.
f: 133mm
Fno:1.6
# R D material
s1 (ST) 68.1520 8 germanium
s2* 84.5692 56.7203
s3* -49.6157 4 AMTIR4
s4* -108.2201 32.2797 　
# a4 a6 a8
2 1.1178E-08 9.3737E-13 8.9592E-17
3 4.4592E-05 6.1558E-08 -
4 4.5073E-05 1.8437E-08 3.0997E-12
도 7은 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계(2)의 필드별 코마 수차에 관한 수차도를 도시한 것이고, 도 8은 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계(2)의 종방향 구면수차, 비점 수차, 및 왜곡 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다. 도 9는 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계(2)의 상대 조도로서 주변 광량비를 나타내고, 도 10은 도 6에 도시된 적외선 광학 렌즈계(2)의 초점 이동에 따른 MTF(modulation transfer function) 그래프를 나타낸 것이다. 도 8의 비점수차 필드 곡선(astigmatic field curve)에서 점선은 자오(tangential) 비점 수차를 실선은 구결(sagittal) 비점 수차를 나타낸다.
표 4 및 도 7 내지 도 10를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(2)의 제1 렌즈(10)는 이미지측 면만을 비구면으로 형성하였다. 제1 렌즈(10)에 비구면을 1면만 사용하더라도 구면 수차를 효과적으로 제거할 수 있다.
<제3 실시예>
표 5는 도 11에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(3)의 설계 데이터를 나타내고, 표 6는 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계(3)의 비구면 계수를 나타낸다.
본 실시예에서 제1 렌즈(10)는 게르마늄을 포함하며, 제2 렌즈(20)는 GASIR1을 포함하고, 제3 렌즈(30)은 AMTIR4을 포함한다. 한편, 제1 렌즈(10)은 정의 굴절력을 갖고, 제2 렌즈(20)는 부의 굴절력을 가질 수 있으며, 제3 렌즈(30)는 정의 굴절력을 가질 수 있다. 조리개(ST)는 제1 렌즈(10)의 물체측에 위치한다.
f: 70mm
Fno:1.4
# R D material
s1 (ST) 48.3326 7 germanium
s2* 58.8275 26.8593
s3 45.2899 3.5 GASIR1
s4* 29.2733 13.9418
s5 191.2567 4 AMTIR4
S6 -233.1996 16
# a4 a6 a8
2 1.3109E-09 -4.1293E-12 -3.8003E-15
4 1.703E-06 8.7791E-09 4.9059E-11
도 12는 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계(3)의 필드별 코마 수차에 관한 수차도를 도시한 것이고, 도 13은 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계(3)의 종방향 구면수차, 비점 수차, 및 왜곡 수차에 관한 수차도를 도시한 것이다. 도 14는 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계(3)의 상대 조도로서 주변 광량비를 나타내고, 도 15는 도 11에 도시된 적외선 광학 렌즈계(3)의 초점 이동에 따른 MTF(modulation transfer function) 그래프를 나타낸 것이다. 도 13의 비점수차 필드 곡선(astigmatic field curve)에서 점선은 자오(tangential) 비점 수차를 실선은 구결(sagittal) 비점 수차를 나타낸다.
표 6 및 도 12 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(3)의 제1 렌즈(10)는 이미지측 면만을 비구면으로 형성하였다. 제1 렌즈(10)에 비구면을 1면만 사용하더라도 구면 수차를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 광학 렌즈계(3)는 제3 렌즈(30)를 더 포함함으로써 해상력을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 광학 렌즈계(1,2,3)는 피사체에서 방출하는 적외선, 예컨대 8 ~ 12 μm 파장 대역의 원적외선을 감지하며, 검출기를 통해 영상화될 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1,2,3: 적외선 광학 렌즈계
ST: 조리개
10: 제1 렌즈
20: 제2 렌즈
30: 제3 렌즈

Claims (10)

  1. 광축을 따라 물체측으로부터 이미지측으로의 순서대로,
    결정성 소재를 포함하는 제1 렌즈; 및
    비결정성 유리 소재로 구성되고 몰딩 가공된 제2 렌즈;를 구비하며,
    상기 제1 렌즈의 굴절율은 상기 제2 렌즈의 굴절율 보다 크며, 상기 제2 렌즈의 굴절율은 2.45~ 2.65인, 적외선 광학 렌즈계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 광학 렌즈계의 초점거리는 50mm ~ 150mm인 적외선 광학 렌즈계.
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 적어도 하나의 비구면을 포함하는 적외선 광학 렌즈계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 하나의 비구면을 포함하며, 상기 비구면은 상기 제1 렌즈의 이미지측 면에 형성된 적외선 광학 렌즈계.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 적어도 하나의 비구면을 포함하는 적외선 광학 렌즈계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 이미지측 면이 비구면인 적외선 광학 렌즈계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈의 이미지 측에 배치되는 제3 렌즈;를 더 포함하는 적외선 광학 렌즈계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 렌즈는 비결정계 소재를 포함하는 적외선 광학 렌즈계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 굴절율은 3.2 ~ 4.1 인 적외선 광학 렌즈계.
  10. 삭제
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