KR101452404B1 - 원적외선용 카메라 광학계 - Google Patents

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KR101452404B1
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lens
far
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infrared
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정석현
유재각
김민재
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Abstract

본 발명은 원적외선용 카메라 광학계로서, 물체로 향하는 제1 면이 상기 물체를 향하여 볼록한 메니스커스 렌즈로서 양(+) 의 굴절률을 갖고, 양면은 비구면인 제1 렌즈; 상기 제1 렌즈를 향하는 제3 면이 상기 제1 렌즈를 향하여 볼록한 메니스커스 렌즈로서 양(+) 의 굴절률을 갖고, 양면은 비구면인 제2 렌즈; 상기 제2 렌즈의 후방에 배치되고, 입사되는 광선 중 원적외선만을 통과시키는 적외선 필터를 포함하고, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 초점거리는 다음의 [수학식 1]을 만족하고, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 분산율은 다음의 [수학식 2]를 만족하는 원적외선용 카메라 광학계를 제공한다.
본 발명은, 1000미터 또는 그 이상의 거리에 위치하고 있는 생물 또는 사물의 탐지가 가능하고, 다양한 분야(야간 경계, 방법용 CCTV 등)에 적용할 수 있으며, 몰딩에 의한 성형이 가능한 구조로 이루어져, 제작이 용이하고 제조 단가가 저렴하다.

Description

원적외선용 카메라 광학계{Lens assembly for far infrared camera }
본 발명은 원적외선용 카메라 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 용도로의 적용이 가능하고 제조 단가가 낮은 원적외선용 카메라 광학계에 관한 것이다.
사람 및 동물 등 온도를 가지고 있는 물체는 중적외선 및 원적외선을 스스로 발생시킨다. 원적외선 카메라는 물체에서 발생되는 적외선을 촬영하므로 별도의 적외선 광원방사 장치가 필요 없이 촬영이 가능하고, 어두운 곳에서도 사용이 가능하다. 그러나 가시광선용으로 설계된 렌즈를 적외선 조건에서 사용하는 경우, 가시광선용 렌즈는 원적외선을 투과하지 못하기 때문에, 원적외선 전용의 렌즈를 필요로 한다.
또한, 일반적인 원적외선 전용의 렌즈는 근거리(예를 들어 20~30m)로 이격되어 있는 사물의 관찰 또는 촬영을 목적으로 하여 설계되는 경우가 대부분이다.
그러나, 원적외선을 이용한 관찰 또는 촬영 대상은 근거리에 위치하는 경우도 있지만, 그 이상의 거리에 위치되어 있는 경우가 대부분이므로, 종래의 원적외선용 렌즈는 중거리 또는 장거리에 위치되어 있는 물체의 식별에는 사용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 1000미터 또는 그 이상의 거리에 위치하고 있는 생물 또는 사물의 탐지가 가능한 원적외선용 카메라 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 분야(야간 경계, 방법용 CCTV 등)에 적용할 수 있는 원적외선용 카메라 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 몰딩에 의한 성형이 되도록 하여, 제작이 용이하고 제조 단가가 저렴한 원적외선용 카메라 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원적외선용 카메라 광학계로서, 몰딩에 의해 성형되고 물체로 향하는 제1 면이 상기 물체를 향하여 볼록한 메니스커스 렌즈로서 양(+) 의 굴절률을 갖고, 양면은 비구면이며, 회절광학소자인 제1 렌즈; 상기 제1 렌즈를 향하는 제3 면이 상기 제1 렌즈를 향하여 볼록한 메니스커스 렌즈로서 양(+) 의 굴절률을 갖고, 양면은 비구면인 제2 렌즈; 상기 제2 렌즈의 후방에 배치되고, 입사되는 광선 중 원적외선만을 통과시키는 적외선 필터를 포함하고, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 초점거리는 다음의 [수학식 1]을 만족하고, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 분산율은 다음의 [수학식 2]를 만족하는 원적외선용 카메라 광학계를 제공한다.
[수학식 1]
2.0<n10<3.0, 2.0<n210<3.0, 20<v1<200, 20<v2<200, f1<f2, 1.5<f2/f<3.5, 2.0<f2/f1<5.0
n110은 제1렌즈의 파장 10㎛에서의 굴절율,
n108은 제1렌즈의 파장 8㎛에서의 굴절율,
n112는 제1렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율,
n210은 제2렌즈의 파장 10㎛에서의 굴절율,
n208은 제2렌즈의 파장 8㎛에서의 굴절율,
n212는 제2렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율
[수학식 2]
v1= (n110-1)/(n108-n112), v2=(n210-1)/(n208-n212)
f는 기준 파장 10㎛에서의 제1 및 제2렌즈의 합성 초점거리,
f1은 기준파장 10㎛에서의 제1렌즈의 초점거리,
f2는 기준 파장 10㎛에서의 제2렌즈의 초점거리
상기 제1 렌즈의 전방으로 배치되는 조리개를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈의 제1 면상에 배치되는 조리개를 더 포함할 수 있다.
상기 제1렌즈의 상기 물체측과 대향되는 제1 면의 곡률반경이 상기 제2렌즈의 상기 제1렌즈와 대향되는 제3 면의 곡률반경보다 더 작을 수 있다.
상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 녹는점은 350℃ 미만일 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 1000미터 또는 그 이상의 거리에 위치하고 있는 생물 또는 사물의 탐지가 가능하다.
또한, 본 발명은 다양한 분야(야간 경계, 방법용 CCTV 등)에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 몰딩에 의한 성형이 가능한 구조로 이루어져, 제작이 용이하고 제조 단가가 저렴하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원적외선용 카메라 광학계의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 조리개 배치 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 원적외선용 카메라 광학계의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡도를 각각 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 원적외선용 카메라 광학계의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 원적외선용 카메라 광학계의 제1 렌즈의 회절 능력을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원적외선용 카메라 광학계의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원적외선용 카메라 광학계(100)는 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 원원적외선 필터(F)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 원적외선용 카메라 광학계(100)는 조리개를 더 포함할 수 있다.
우선, 본 발명의 구성 요소들인 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 원원적외선 필터(F) 및 조리개는 소정의 직경과 길이를 갖는 원통 형상의 경통(미도시) 내에 배치될 수 있다.
경통의 내부에는 렌즈와 필터가 고정되도록 하는 고정링 등이 배치될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 원적외선용 카메라 광학계(100)는 유효초점거리(EFL; Effective Focal Length)가 37.1mm 로 설정된다. 유효초점거리가 짧게 설정되면, 가까운 거리에 넓은 범위를 촬영할 수 있고, 길게 설정되면 화각은 좁아지고 멀리 촬영할 수 있게 된다. 상용화되어 있는 적외선 광학계의 유효촛점거리는 7.5mm, 19mm, 35mm, 50, 60mm 이다. 35mm 광학계에서 탐지거리는 사람 기준 950m이며 물체 기준 2550m 이다.
적외선 광학계에서는 35mm는 중장거리용으로 구분되므로, 본 실시예에 따른 렌즈는 37.1mm 광학계로서 35mm 광학계와 비교가 가능하므로, 중장거리용으로 구분될 수 있다.
경통의 내부 일단에서 타단으로 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2) 및 원적외선 필터(F)가 차례대로 배치된다.
제1 렌즈(L1)는 물체를 향하는 면이 볼록한 메니스커스(meniscus) 타입 볼록 렌즈로서, 양면 즉, 광이 입광하는 제1 면(R1)과 광이 투과되는 제2 면(R2)이 모두 비구면이다. 제1 렌즈(L1)는 양(+)의 굴절률을 갖는다.
여기서, 제1 렌즈(L1)는 회절 광학 소자(DOE; Diffractive optical element)를 적용하는 것이 바람직하다. 회절 광학 소자는 굴절(refraction) 또는 반사(reflection) 보다는 주기 구조(periodic structures)에 의한 회절(diffraction)을 이용하여 광을 모으는 광학 소자이다. 회절 광학 소자는 이 분야에서는 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서, 제1 렌즈(L1)에 대하여 회절 광학 소자를 적용하면, 분산률과 색수차를 보정할 수 있고, 이에 따라 보다 적은 비용으로 최적의 광학 설계를 진행할 수 있다.
제2 렌즈(L2)는 양면 즉, 광이 입광하는 제3 면(R3)과 광이 투과되는 제4 면(R4) 이 모두 비구면인 볼록렌즈이다.
제2 렌즈(L2)의 제3 면(R3)은 원적외선용 카메라 광학계(100)가 향하는 물체에 대하여 볼록하고, 제4 면(R4)은 초점이 맺히는 방향에 대하여 오목하며, 제2 렌즈(L2)는 메니스커스(meniscus) 타입 볼록 렌즈이다. 제2 렌즈(L2)는 양(+)의 굴절률을 갖는다.
여기서, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)의 제작에 사용되는 재질은 녹는점이 350℃미만인 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)의 스펙은 다음의 [수학식 1]과 [수학식 2]를 만족하는 것이 바람직하다.
Figure 112013099263186-pat00001
n110은 제1렌즈의 파장 10㎛에서의 굴절율,
n108은 제1렌즈의 파장 8㎛에서의 굴절율,
n112는 제1렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율,
n210은 제2렌즈의 파장 10㎛에서의 굴절율,
n208은 제2렌즈의 파장 8㎛에서의 굴절율,
n212는 제2렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율
Figure 112013099263186-pat00002
f는 기준 파장 10㎛에서의 제1 및 제2렌즈의 합성 초점거리,
f1은 기준파장 10㎛에서의 제1렌즈의 초점거리,
f2는 기준 파장 10㎛에서의 제2렌즈의 초점거리
제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)는 소정의 몰드를 사용하는 몰딩(molding) 공정에 의해 제작되는 것이 바람직하다. 몰딩에 의한 렌즈의 제작은 공개특허 2001-113041호에 개시되어 있는 바와 같이, 이 분야에서는 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 원적외선용 카메라 광학계(100)는 조리개(110)를 더 포함할 수 있다. 조리개(110)는 렌즈의 개구 정도가 변화될 수 있도록 구성되어 제1 렌즈(L1)로 입광되는 광의 광량을 필요에 따라 조절할 수 있다.
조리개(110)는 제1 렌즈(L1)의 전방으로 배치될 수 있다. 이때, 조리개(110)는 제1 렌즈(L1)의 제1 면(R1)과 소정의 이격 거리를 두고 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 조리개 배치 상태의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 2에서는 조리개의 배치 상태를 나타내기 위하여, 제1 렌즈(L1)와 조리개만을 도시하였다.
도 2를 참조하면, 조리개(110)는 제1 렌(L1)의 제1 면(R1) 상에 직접 배치될 수도 있다. 즉, 조리개(110)는 제1 면(R1)에 밀착하는 상태로 배치될 수도 있다.
조리개(110)가 제1 렌즈(L1) 상에 배치되면, 광학계의 구성이 단순화될 수 있고, 이에 따라 광학계의 성능이 향상될 수 있으며, 경통 제작 비용을 줄일 수 있다.
조리개는 이 분야에서는 널리 사용되는 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
원적외선 필터(F)는 제2 렌즈(L2)의 후방에 배치되어, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)를 통과한 광에서 적외선만이 투과될 수 있도록 한다. 적외선 중, 파장 0.75∼3㎛의 적외선은 근적외선, 3∼5㎛의 적외선은 중적외선, 8~13㎛의 적외선은 원적외선이라 한다. 여기서, 원적외선 필터(F)는 8㎛ 이상의 원적외선을 투과시키는 것이 바람직하다.
그리고, 원적외선 필터(F)는 균일한 두께로서, 그 양면 즉, 광이 입사하는 제5 면(R5)과 광이 투과하는 제6 면(R6)은 평면인 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 원적외선용 카메라 광학계의 각 광학면은 다음의 [표 1], [표 2] 및 [표 3]에 기재된 수치를 갖는 것이 바람직하다.
[표 1]은 원적외선용 카메라 광학계의 구성 요소들의 기본 데이터를 나타낸다.
기본 렌즈 데이터
면번호 곡률반경 면간격 굴절률 분산률
물체 무한 무한
R1 27.542(비구면) 9 2.6030 108.51
R2 33.018(비구면) 17.5
R3 34.871(비구면) 8.5 2.6030 108.51
R4 36.945(비구면) 10.50
R5 무한 1 4.0032 861.03
R6 무한 0.95
Image 무한 0.00
[표 2]는 본 발명에서 사용하는 제1 및 제2 렌wm의 비구면 계수값을 나타낸다.
비구면계수 K A B C D E
R1 -0.96858064 3.06256E-08 -1.88579E-08 -1.81448E-12 -2.39672E-13 0.000000
R2 2.27767551 -2.23190E-05 -6.76031E-08 -1.83804E-10 2.25032E-13 0.000000
R3 8.99186712 -5.34996E-05 -2.13007E-07 -3.79949E-09 2.26131E-11 -1.94310E-13
R4 2.37706145 -2.31676E-05 -2.44439E-07 -3.89447E-09 1.94350E-11 1.69542E-13
[표 3]은 본 발명에서 사용하는 제1 및 제2 렌즈 및 원적외선 필터의 회절계수값을 나타낸다.
R Coefficient
2 -0.386607E-03
4 0.162626E-06
6 0.129024E-08
8 -0.338199E-11
상기와 같이 구성된 본 발명의 성능은 도 2 내지 도 4에 기재된 바와 같다.
도 2는 도 1에 도시된 원적외선용 카메라 광학계의 구면 수차, 비점 수차 및 왜곡도를 각각 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 원적외선용 카메라 광학계의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 원적외선용 카메라 광학계의 제1 렌즈의 회절 능력을 나타내는 그래프이다.
상기와 같은 본 발명은, 1000미터 또는 그 이상의 거리에 위치하고 있는 생물 또는 사물의 탐지가 가능하고, 다양한 분야(야간 경계, 방법용 CCTV 등)에 적용할 수 있으며, 몰딩에 의한 성형이 가능한 구조로 이루어져, 제작이 용이하고 제조 단가가 저렴하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 원적외선용 카메라 광학계
L1: 제1 렌즈
L2: 제2 렌즈
F: 원적외선 필터

Claims (5)

  1. 원적외선용 카메라 광학계로서,
    몰딩에 의해 성형되고 물체로 향하는 제1 면이 상기 물체를 향하여 볼록한 메니스커스 렌즈로서 양(+) 의 굴절률을 갖고, 양면은 비구면이며, 회절광학소자인 제1 렌즈;
    상기 제1 렌즈를 향하는 제3 면이 상기 제1 렌즈를 향하여 볼록한 메니스커스 렌즈로서 양(+) 의 굴절률을 갖고, 양면은 비구면인 제2 렌즈;
    상기 제2 렌즈의 후방에 배치되고, 입사되는 광선 중 원적외선만을 통과시키는 적외선 필터를 포함하고,
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 초점거리는 다음의 [수학식 1]을 만족하고,
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 분산율은 다음의 [수학식 2]를 만족하는 원적외선용 카메라 광학계.
    [수학식 1]
    2.0<n110<3.0, 2.0<n210<3.0, 20<v1<200, 20<v2<200, f1<f2, 1.5<f2/f<3.5, 2.0<f2/f1<5.0
    n110은 제1렌즈의 파장 10㎛에서의 굴절율,
    n108은 제1렌즈의 파장 8㎛에서의 굴절율,
    n112는 제1렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율,
    n210은 제2렌즈의 파장 10㎛에서의 굴절율,
    n208은 제2렌즈의 파장 8㎛에서의 굴절율,
    n212는 제2렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율
    [수학식 2]
    v1= (n110-1)/(n108-n112), v2=(n210-1)/(n208-n212)
    f는 기준 파장 10㎛에서의 제1 및 제2렌즈의 합성 초점거리,
    f1은 기준파장 10㎛에서의 제1렌즈의 초점거리,
    f2는 기준 파장 10㎛에서의 제2렌즈의 초점거리
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 전방으로 배치되는 조리개를 더 포함하는 원적외선용 카메라 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 제1 면상에 배치되는 조리개를 더 포함하는 원적외선용 카메라 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈의 상기 물체측과 대향되는 제1 면의 곡률반경이 상기 제2렌즈의 상기 제1렌즈와 대향되는 제3 면의 곡률반경보다 더 작은 원적외선용 카메라 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 녹는점은 350℃ 미만인 원적외선 카메라용 광각 렌즈.
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