KR101358646B1 - 근 적외선용 밝은 렌즈 및 상기 근 적외선용 밝은 렌즈를 사용하는 모션 캡쳐용 카메라 - Google Patents

근 적외선용 밝은 렌즈 및 상기 근 적외선용 밝은 렌즈를 사용하는 모션 캡쳐용 카메라 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구면 렌즈와 비구면 렌즈를 적절하게 조합하여 수차보정을 이루면서도 작은 F-number를 확보하고 화각이 넓은 근 적외선용 밝은 렌즈를 개시(introduce)한다. 상기 근 적외선용 밝은 렌즈는, 대상물체 쪽으로부터 상 쪽으로 순차적으로 배열되는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈 및 조리개를 구비한다. 상기 제1렌즈는 부의 굴절력을 가지며 촬영하고자 하는 대상물체 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 렌즈이다. 상기 제2렌즈는 정의 굴절력을 가진 적어도 하나의 비구면을 포함하는 렌즈이다. 상기 제3렌즈는 정의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형 이거나 양볼록형의 렌즈이다. 제4렌즈는 부의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 오목한 메니스커스형의 렌즈이다. 상기 조리개는 상기 제2렌즈 및 상기 제3렌즈의 사이에 배치된다. 여기서 상기 제1렌즈의 초점거리(f1)와 상기 제2렌즈의 초점거리(f2)는
Figure 112012052208194-pat00010
의 관계를 만족한다.

Description

근 적외선용 밝은 렌즈 및 상기 근 적외선용 밝은 렌즈를 사용하는 모션 캡쳐용 카메라 {Fast Lens for near infrared ray and camera using the lens}
본 발명은 밝은 렌즈에 관한 것으로, 특히, 구면 렌즈와 비구면 렌즈를 이용하여 매우 밝으면서도 수차보정의 특성이 뛰어나며 카메라 내부의 열에 대해서도 성능의 변화가 없는 근 적외선 영역에서 사용 가능한 근 적외선용 밝은 렌즈에 관한 것이다.
일반적인 가시광선 및 근 적외선 감시카메라 렌즈는 다군 다매의 렌즈로 구성되어, 주간에는 가시광선 파장 대역을 이용하여 피사체를 촬영하고, 야간에는 가로등과 같은 별도의 조명장치를 이용하여 피사체를 촬영한다. 야간에 가로등이 설치된 곳에서 감시카메라를 사용하는 경우, 카메라가 노출됨으로써 효용성이 떨어지고 전력 소비 면에서도 경제적이지 못하다.
최근에는 밝은 곳뿐만 아니라 어두운 곳에서도 감시에 사용 가능한 카메라 기술의 발달로 사람의 눈에 잘 띄지 않는 근 적외선 발광다이오드로 조명된 사물을 관찰하고 있으며, 대다수의 감시 카메라가 이 방법을 사용하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 구면 렌즈와 비구면 렌즈를 적절하게 조합하여 수차보정을 이루면서도 작은 F-number를 확보하고 화각이 넓은 근 적외선용 밝은 렌즈를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 근 적외선용 밝은 렌즈를 사용하는 모션 캡쳐(motion capture)용 카메라를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 면(one aspect)에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈는, 대상물체 쪽으로부터 상 쪽으로 순차적으로 배열되는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈 및 조리개를 구비한다. 상기 제1렌즈는 부의 굴절력을 가지며 촬영하고자 하는 대상물체 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 렌즈이다. 상기 제2렌즈는 정의 굴절력을 가진 적어도 하나의 비구면을 포함하는 렌즈이다. 상기 제3렌즈는 정의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 렌즈이다. 제4렌즈는 부의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 오목한 메니스커스형의 렌즈이다. 상기 조리개는 상기 제2렌즈 및 상기 제3렌즈의 사이에 배치된다. 여기서 상기 제1렌즈의 초점거리(f1)와 상기 제2렌즈의 초점거리(f2)는
Figure 112012052208194-pat00001
의 관계를 만족한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 면(another aspect)에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈는, 대상물체 쪽으로부터 상 쪽으로 순차적으로 배열되는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈 및 조리개를 구비한다. 상기 제1렌즈는 부의 굴절력을 가지며 촬영하고자 하는 대상물체 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 렌즈이다. 상기 제2렌즈는 정의 굴절력을 가진 적어도 하나의 비구면을 포함하는 렌즈이다. 상기 제3렌즈는 정의 굴절력을 가지고 촬영하고자 하는 대상물체 쪽으로 향하는 면 및 상이 형성되는 쪽으로 향하는 면이 각각 볼록한 렌즈이다. 상기 제4렌즈는 부의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽으로 향하는 면이 오목한 메니스커스형의 렌즈이다. 상기 조리개는 상기 제2렌즈 및 상기 제3렌즈의 사이에 배치된다. 여기서 상기 제1렌즈의 초점거리(f1)와 상기 제2렌즈의 초점거리(f2)는
Figure 112012052208194-pat00002
의 관계를 만족한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 모션 캡쳐용 카메라는, 상기 근 적외선 밝은 렌즈를 모션 캡쳐용 카메라이다.
본 발명에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈를 사용하는 경우, 장시간 촬영에도 성능의 변화가 거의 없으므로, 동적인 피사체의 촬영 및 원근감이 필요한 모션 캡쳐용 카메라의 촬영 렌즈로 적합하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈의 일 실시 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈의 다른 일 실시 예를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 수차도이다.
도 4는 도 2에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 수차도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 이하에서 사용하게 될 용어에 대하여 설명한다.
햇빛이나 발열체로부터 방출되는 빛을 스펙트럼으로 분산시켰을 때 적색 스펙트럼의 끝보다 바깥쪽에 있는 것이 적외선이며, 적외선은 가시광선보다 파장이 긴데, 그 중에서 파장이 가장 짧은 0.75~3㎛인 것을 근 적외선(near infrared ray)이라 한다.
조리개는 렌즈를 통과하는 빛의 양을 조절하는 기구이다. 렌즈의 초점거리를 조리개의 직경으로 나눈 수치를 F-number라고 하는데, F-number가 작을수록 렌즈를 통과하는 광량이 늘고 클수록 통과하는 광량이 적어진다. 조리개를 완전히 여는 것을 최대개방조리개라고 하고 이때의 F-number를 개방 F-number라고 한다. 개방 F-number가 작은 렌즈를 밝은 렌즈(fast lens) 또는 대구경 렌즈라고 하고 F-number가 큰 렌즈를 어두운 렌즈(slow lens)라고 한다.
이하에서 설명할 본 발명은 근 적외선용 카메라에 사용되는 밝은 렌즈에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈의 일 실시 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈(100)는 근 적외선 영역에서 사용 가능한 것으로, 대상물체로부터 상이 형성되는 방향으로 순차적으로 배열된 4개의 렌즈로 구성된다.
제1렌즈(L1)는 부(-)의 굴절력을 가지며 촬영하고자 하는 대상물체 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스(meniscus)형의 유리 렌즈이다. 제2렌즈(L2)는 정(+)의 굴절력을 가진 적어도 하나의 비구면을 포함하는 플라스틱 렌즈이다. 제3렌즈(L3)는 정(+)의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스 형의 유리 렌즈이다. 제4렌즈(L4)는 부(-)의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 오목한 메니스커스형의 플라스틱 렌즈이다.
제2렌즈(L2) 및 제3렌즈(L3)의 사이에 조리개(ST)가 설치된다.
도 2는 본 발명에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈의 다른 일 실시 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 근 적외선용 밝은 렌즈(200)는 근 적외선 영역에서 사용 가능한 것으로, 대상물체로부터 상이 형성되는 방향으로 순차적으로 배열된 4개의 렌즈로 구성된다.
제1렌즈(L1)는 부(-)의 굴절력을 가지며 촬영하고자 하는 대상물체 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 유리 렌즈이다. 제2렌즈(L2)는 정(+)의 굴절력을 가진 적어도 하나의 비구면을 포함하는 플라스틱 렌즈이다. 제3렌즈(L3)는 정(+)의 굴절력을 가지고 촬영하고자 하는 대상물체 쪽으로 향하는 면 및 상이 형성되는 쪽으로 향하는 면이 각각 볼록한 유리 렌즈이다. 제4렌즈(L4)는 부(-)의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽으로 향하는 면이 오목한 메니스커스형의 플라스틱 렌즈이다.
제2렌즈(L2) 및 제3렌즈(L3)의 사이에 조리개(ST)가 설치된다.
도 1 및 도 2에 도시된 제2렌즈(L2) 및 제4렌즈(L4)의 비구면에는 변곡점이 존재한다. 비구면은 구면이 갖지 못한 수차 보정능력이 있는데, 비구면의 수차보정 능력을 극대화하기 위해서는 형상의 자유도를 높여야 한다. 플라스틱 수지로 만들어진 렌즈는 금형으로 사출하기 때문에 변곡점을 갖는 비구면을 생산하는 것이 가능하며, 본 발명에서는 플라스틱 렌즈의 이러한 특징을 활용한 것이다.
도 1 및 도 2에 표시된 영문자 R은 렌즈 곡률반경을 의미하고, D는 렌즈의 두께(D1, D3, D6, D8) 또는 렌즈와 렌즈 사이의 거리(D2, D4, D7)를 의미한다. DG1 ~ DG3은 필터를 설계할 때 사용되는 것으로 더미 글래스(Dummy Glass)이다.
또한 도 1 및 도 2에 도시된 아라비아 숫자는 렌즈의 면 번호이다.
이하에서는 도 1 및 도 2에 도시된 밝은 렌즈에 사용되는 렌즈들의 초점거리에 대하여 설명한다.
제1렌즈의 초점거리(f1)와 제2렌즈의 초점거리(f2)는 수학식 1과 같은 조건을 만족한다.
Figure 112012052208194-pat00003
제1렌즈의 초점거리(f1)와 제2렌즈의 초점거리(f2)의 비(f1/f2)가 -1.3보다 적을 경우에는, 전체적인 초점거리가 감소하면서 화각이 증가하고 주변주의 수차보정이 어렵게 된다. 입사동의 크기는 작아져서 초점거리가 줄어들었음에도 F-number는 오히려 커지게 된다.
반대로 제1렌즈의 초점거리(f1)와 제2렌즈의 초점거리(f2)의 비(f1/f2)가 -1.1보다 클 경우에는, 전체적인 초점거리가 증가하고 화각이 줄어들면서 주변부의 수차보정은 용이하나 주변 광량이 줄어들고 상면으로 입사하는 주광선의 각도가 증가하여 촬상소자가 가지는 CRA(Chief Ray Angle)의 특성을 맞추기가 어려워진다.
제4렌즈의 초점거리(f4)와 상기 밝은 렌즈를 사용하는 전체 광학계의 초점거리(ft)는 수학식 2와 같은 조건을 만족한다.
Figure 112012052208194-pat00004
제4렌즈의 초점거리(f4)와 카메라 전체 광학계의 초점거리(ft)의 비(f4/ft)가 -11보다 적은 경우에는, 촬영 렌즈의 초점거리가 증가해서 F-number도 커지고 화각도 감소하여 밝은 렌즈로서의 역할을 기대하기 힘들게 된다.
반대로 제4렌즈의 초점거리(f4)와 카메라 전체 광학계의 초점거리(ft)의 비(f4/ft)가 -9보다 클 경우에는, 제4렌즈의 굴절력이 증가하게 되므로, 플라스틱의 재질을 사용한 광학계 구성의 경우에는 온도에 따른 변화량이 전체 광학계에 영향을 주어 성능의 변화를 일으키게 된다.
수학식 1 및 수학식 2를 참조하면, 제2렌즈와 제4렌즈는 굴절력이 낮으면서 수차보정에 사용되고 있기 때문에 온도에 따른 굴절력의 변화가 전체 시스템에 미치는 영향이 작으므로, 재질을 플라스틱으로 하는 것이 바람직하다. 플라스틱 비구면 렌즈의 경우 유리 렌즈에 비해 가격이 저렴하고 변곡점이 존재하는 자유로운 형상의 구현이 가능하기 때문에 광학적 성능 측면에서도 유리하다.
제3렌즈의 굴절력(NL3)은 1.80보다 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다. 제3렌즈의 굴절력(NL3)이 1.80보다 작은 경우, 상 측면의 곡률반경이 작아지게 되어 상면 만곡이 증가하고 가공이 어렵거나 가공성이 떨어져서 생산성이 나빠지는 문제가 발생한다.
온도에 따라 물질은 굴절력이 변화하는데, 재질에 따라서 그 값에는 차이가 있다. 따라서 온도가 증가하거나 감소하면 광학계의 초점거리가 증가하거나 줄어들게 되어, 상면에 초점이 맞지 않는 현상이 발생한다. 본 발명에서는 온도가 변하면 렌즈 간에 서로 보상이 되도록 4개의 렌즈의 배열을 정하였다.
상기와 같은 조건을 만족하는 본 발명에 따른 밝은 렌즈는, 근 적외선용이면서도 비구면 렌즈의 사용으로 밝은 렌즈의 구현이 가능하고, 상기에 설명한 바와 같이 적절한 온도 보상을 고려하여 4개의 렌즈를 순차적으로 배열하였으므로, 장시간의 촬영에도 성능의 변화가 최소가 된다.
아래의 표1은 도 1에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 광학데이터이며, 전체 광학 시스템의 초점거리는 3.43mm, F-number 1.12, 화각은 86.6° 그리고 파장은 850nm이다. *는 비구면을 표시한다.
면번호 곡률반경 두께, 거리 굴절력(nd) 분산치(vd)
1 7.2000 1.5000 1.62299 58.12
2 3.5807 4.6334
3* 9.3926 0.8000 1.53240 56.00
4* -16.4249 0.1000
5 Infinity 0.8147
6 -99.1590 2.5681 1.88300 40.80
7 -4.1498 0.1000
8* 2.7672 0.9878 1.63278 23.30
9* 2.1278 1.5000
10 Infinity 0.5000 1.52300 54.50
11 Infinity 0.2000
12 Infinity 0.5000 1.52300 54.50
13 Infinity 0.5000
표 2는 도 2에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 광학데이터이며, 전체 광학 시스템의 초점거리는 3.37mm, F-number는 1.11, 화각은 87.1° 그리고 파장은 850nm이다. *는 비구면을 표시한다.
면번호 곡률반경 두께, 거리 굴절력(nd) 분산치(vd)
1 7.2000 1.5000 1.62299 58.12
2 3.5100 4.8400
3* 8.1600 0.8000 1.53240 56.00
4* -20.0420 0.1100
5 Infinity 0.9600
6 338.9800 2.3500 1.88300 40.80
7 -4.2600 0.1000
8* 2.6800 0.9300 1.63278 23.30
9* 2.0400 1.5000
10 Infinity 0.5000
11 Infinity 0.4585
12 Infinity 0.5000 1.52300 54.50
13 Infinity 0.0400
표 3은 도 1에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 비구면의 계수이다.
3면 4면 8면 9면
k 0.000000 0.000000 -1.053331 -0.761349
A4 -.154070E-01 -.939450E-02 -.222069E-02 0.398262E-02
A6 0.184739E-02 0.152868E-02 -.117674E-02 -.399472E-02
A8 -.490413E-03 -.566647E-03 -.173287E-03 0.185954E-03
A10 -.265812E-03 0.120912E-03 0.160336E-04 0.112171E-04
A12 0.137196E-03 0.741812E-05 -.641394E-07 -.442421E-16
A14 -.145095E-04 -.465652E-06 0.216227E-18 -.711805E-19
표 4는 도 2에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 비구면의 계수이다.
3면 4면 8면 9면
k 0.000000 0.000000 -1.113778 -0.978917
A4 -.138427E-01 -.809019E-02 -.280786E-02 0.677913E-02
A6 0.139824E-02 0.746546E-03 -.126334E-02 -.464039E-02
A8 -.367340E-03 -.339279E-03 -.223661E-03 0.294231E-03
A10 -.285369E-03 0.854491E-04 0.213733E-04 0.778827E-05
A12 0.137196E-03 0.741812E-05 -.641394E-07 0.548157E-15
A14 -.145095E-04 -.465652E-06 0.406378E-18 -.343797E-18
표 5는 도 1 및 도 2에 도시된 실시 예에서의 렌즈의 실제 값을 나타낸다.
조건식 실시예1(도 1) 실시예 2(도 2)
Figure 112012052208194-pat00005
 -1.197 -1.183
Figure 112012052208194-pat00006
 -10.599 -9.240
NL3 > 1.80 1.883 1.883
도 3은 도 1에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 수차도이다.
도 4는 도 2에 도시된 근 적외선용 밝은 렌즈의 수차도이다.
도 3 및 도 4에는 좌측의 종구면 수차 그래프(longitudinal spherical aber) 중간의 비점수차 그래프(astigmatic field curves) 및 우측의 왜구수차(distortion)가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 밝은 렌즈는 수차의 보정상태가 양호하고, 중앙부분뿐만 아니라 주변부의 해상도도 적합함을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
L1: 제1렌즈 L2: 제2렌즈
L3: 제3렌즈 L4: 제4렌즈
1~13: 렌즈의 면 번호

Claims (7)

  1. 근 적외선 영역에서 사용 가능한 근 적외선용 밝은 렌즈에 있어서,
    대상물체 쪽으로부터 상 쪽으로 순차적으로 배열되며,
    부의 굴절력을 가지며 촬영하고자 하는 대상물체 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 제1렌즈;
    정의 굴절력을 가진 적어도 하나의 비구면을 포함하는 제2렌즈;
    정의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 제3렌즈;
    부의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽을 향하는 면이 오목한 메니스커스형의 제4렌즈; 및
    상기 제2렌즈 및 상기 제3렌즈의 사이에 배치된 조리개;를 포함하며,
    상기 제1렌즈의 초점거리(f1)와 상기 제2렌즈의 초점거리(f2)는
    Figure 112012052208194-pat00007

    의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 근 적외선용 밝은 렌즈.
  2. 근 적외선 영역에서 사용 가능한 근 적외선용 밝은 렌즈에 있어서,
    대상물체 쪽으로부터 상 쪽으로 순차적으로 배열되며,
    부의 굴절력을 가지며 촬영하고자 하는 대상물체 쪽을 향하는 면이 볼록한 메니스커스형의 제1렌즈;
    정의 굴절력을 가진 적어도 하나의 비구면을 포함하는 제2렌즈;
    정의 굴절력을 가지고 촬영하고자 하는 대상물체 쪽으로 향하는 면 및 상이 형성되는 쪽으로 향하는 면이 각각 볼록한 제3렌즈;
    부의 굴절력을 가지고 상이 형성되는 쪽으로 향하는 면이 오목한 메니스커스형의 제4렌즈; 및
    상기 제2렌즈 및 상기 제3렌즈의 사이에 배치된 조리개;를 포함하며,
    상기 제1렌즈의 초점거리(f1)와 상기 제2렌즈의 초점거리(f2)는
    Figure 112012052208194-pat00008

    의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 근 적외선용 밝은 렌즈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제4렌즈의 초점거리(f4)와 카메라 전체 광학계의 초점거리(ft)는
    Figure 112013079409322-pat00009

    의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 근 적외선용 밝은 렌즈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3렌즈의 굴절력(NL3)은 1.80보다 큰 것을 특징으로 하는 근 적외선용 밝은 렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2렌즈 및 상기 제4렌즈는 재질이 플라스틱이고, 상기 제1렌즈 및 상기 제3렌즈는 재질이 유리인 것을 특징으로 하는 근 적외선용 밝은 렌즈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2렌즈 및 상기 제4렌즈의 비구면에는 변곡점이 존재하는 것을 특징으로 하는 근 적외선용 밝은 렌즈.
  7. 제6항에 기재된 근 적외선용 밝은 렌즈를 사용하는 모션 캡쳐용 카메라.
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