KR101741602B1

KR101741602B1 - 고배율 연속줌 원적외선 광학계

Info

Publication number: KR101741602B1
Application number: KR1020150048836A
Authority: KR
Inventors: 김현규
Original assignee: (주)토핀스
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2017-05-31
Also published as: KR20150136991A

Abstract

본 발명은 고배율 연속줌 원적외선 광학계에 관한 것으로, 물체와 대향하며 상기 물체의 원적외선을 수광하여 상을 포착하는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈의 후측 광축방향을 따라 배율렌즈, 고정렌즈, 보상렌즈, 결상렌즈가 순차로 배열되는 구조를 갖는 광학계이며, 상기 배율렌즈는 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하고, 상기 보상렌즈는 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하고, 상기 결상렌즈는 상기 대물렌즈가 수광한 상을 결상하며, 상기 결상렌즈의 후측 광축방향을 따라 위치하여 상기 결상렌즈가 결상한 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력하는 원적외선 비냉각 검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고배율 연속줌 원적외선 광학계{LONG WAVELENGTH INFRARED OPTICAL ZOOM LENS SYSTEM WITH HIGH MAGNIFICATION}

본 발명은 고배율 연속줌 원적외선 광학계에 관한 것으로, 초점조절과 영상획득이 탁월한 등의 기능을 갖는 고배율 연속줌 원적외선 광학계에 관한 것이다.

원적외선은 8㎛~13㎛의 파장대의 광으로서 인간이 내는 적외선의 파장대를 포함한다. 원적외선 카메라는 야간에 인간이나 사물이 발생하는 적외선을 감지하여 촬상할 수 있는 카메라이다.

인간이나 동물의 체온은 310K 정도로 흑체복사(black-body radiation)의 310K에서의 피크 파장이 8~13㎛ 정도이다. 따라서, 인간이나 사물이 내는 원적외선을 원적외선 카메라로 포착하면 그 존재를 알 수 있다.

관련 선행기술로는 한국 등록특허공보 제10-1265436호 "비냉각 열화상카메라용 연속줌 렌즈모듈"이 있다.

본 발명의 목적은 초점조절과 영상획득이 탁월한 등의 기능을 갖는 고배율 연속줌 원적외선 광학계를 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 물체와 대향하며 상기 물체의 원적외선을 수광하여 상을 포착하는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈의 후측 광축방향을 따라 배율렌즈, 고정렌즈, 보상렌즈, 결상렌즈가 순차로 배열되는 구조를 갖는 광학계이며, 상기 배율렌즈는 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하고, 상기 보상렌즈는 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하고, 상기 결상렌즈는 상기 대물렌즈가 수광한 상을 결상하며, 상기 결상렌즈의 후측 광축방향을 따라 위치하여 상기 결상렌즈가 결상한 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력하는 원적외선 비냉각 검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더 구체적으로, 상기 대물렌즈, 상기 배율렌즈 및 상기 보상렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지고, 상기 결상렌즈는 셀렌화아연 재질로 이루어지며, 상기 고정렌즈는 제1 및 제2 렌즈가 한쌍을 이루어 구성되되, 상기 제1 렌즈는 셀렌화아연으로 이루어지고, 상기 제2 렌즈는 게르마늄 재질로 이루어질 수 있다.

상기 대물렌즈, 상기 배율렌즈, 상기 고정렌즈, 상기 보상렌즈 및 상기 결상렌즈의 굴절능 분포는 P-N-P-P-P 일 수 있다.

본 발명에 의하면, 최소 물체거리는 광시야(wide)에서 2 m로소, 최소 물체거리부터 무한대 영역의 중간 어느 위치에 물체가 놓이더라도 모두 초점 조절이 가능하다. 또한, 최소 물체거리를 짧게 하더라도 영상 획득이 탁월하다.

도 1은 본 발명의 고배율 연속줌 원적외선 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에서 배율렌즈와 보상렌즈의 줌 궤적을 나타낸 그래프로서, (a)는 배율렌즈와 보상렌즈의 줌 궤적, (b)는 배율렌즈의 줌 궤적, (c)는 보상렌즈의 줌 궤적을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 수차 특성을 나타낸 그래프로서, (a)는 광시야위치(wide field position), (b)는 협시야위치(narrow field position)를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 광선 수차를 나타낸 그래프로서, (a)는 광시야위치(wide field position), (b)는 협시야위치(narrow field position)를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 조전달함수( Modulation Transfer Function, MTF)를 나타낸 그래프로서, (a)는 광시야위치(wide field position), (b)는 협시야위치(narrow field position)를 나타낸다.
도 6은 본 발명에서 줌위치별 물체거리 변화에 따라 이동되는 보상렌즈의 초점 조절 궤적을 나타낸 그래프로서, (a)는 광시야위치(wide field position), (b)는 협시야위치(narrow field position)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 온도변화에 따른 디포커스(defocus)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 온도변화에 따른 보상렌즈 비열화 보상 축상 변위를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비열화된 디포커스를 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.

도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 고배율 연속줌 원적외선 광학계는 5군으로 구성된다. 본 발명은 물체(피사체)가 위치하는 좌측으로부터 적외선검출기(60)가 위치하는 우측을 향해 대물렌즈(10), 배율렌즈(20), 고정렌즈(30), 보상렌즈(40), 결상렌즈(50)가 순차로 배열되는 구조이다.

적외선검출기(60)는 640 × 480 배열의 원적외선 비냉각 검출기이며 이하, 원적외선 비냉각 검출기(60)라고 한다. 본 발명은 6배율을 갖는 원적외선 광학계이다. 본 발명의 유효초점거리는 30mm에서 180mm까지 변화되며, 초점거리 30mm인 경우 광시야위치(wide field position), 180 mm인 경우 협시야위치(narrow field position)으로 할 때 광시야(wide)와 협시야(narrow)에서의 시야각은 각각 가로 20.56°× 세로 15.42° 와 가로 3.46° × 세로 2.60°를 갖는다.

원적외선 비냉각 검출기(60)의 1-픽셀 크기는 17㎛로 640 × 480 배열에서 가로 10.88 mm × 세로 8.16 mm의 크기를 가지며, 검출기(60) 1-픽셀이 바라보는 시야각은 광시야(wide)에서 0.561 mrad이고, 협시야(narrow)에서 0.094 mrad의 값을 갖는다.

스펙트럼 레인지	7.7 ~ 12.8㎛
유효초점거리	30.0 ~ 180.0 mm
F-수	1.4
시야각 @ 무한대	광시야 : 20.56°× 세로 15.42° 협시야 : 3.46° × 세로 2.60°
순간시야 @ 무한대	광시야 : 0.561 mrad 협시야 : 0.094 mrad
픽셀 포멧	640 × 480 픽셀(17.0㎛ 피치)

표 2는 배율별 시야각이다.

배율	시야각(°)			EFL(mm)	EPD(mm)	F-수	Note
배율	가로	세로	대각	EFL(mm)	EPD(mm)	F-수	Note
1	20.56	15.42	25.69	30.0	21.43	1.4	광시야
2	10.36	7.77	12.95	60.0	42.86	1.4
3	6.92	5.19	8.65	90.0	64.29	1.4
4	5.19	3.89	6.49	120.0	85.71	1.4
5	4.15	3.12	5.19	150.0	107.41	1.4
6	3.46	2.60	4.33	180.0	128.57	1.4	협시야

본 발명은 광학계의 한계 분해능이 원적외선 비냉각 검출기(60)에 의해 결정되므로, 요구되는 광학계의 성능은 회절한계를 만족하도록 설계되었고, 광학계의 F/수는 모든 줌배율에서 F/1.4를 가지는데 이는 에어리 원반(airy disk) 크기를 고려하여 결정되었다.

대물렌즈(10)는 물체와 대향하며 물체의 원적외선을 수광하여 상을 포착하고, 배율렌즈(20)는 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하며, 보상렌즈(40)는 광축을 따라 이동하며 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정 즉, 초점 조절하고, 결상렌즈(50)는 대물렌즈(10)가 수광한 상을 결상한다. 원적외선 비냉각 검출기(60)는 결상렌즈(50)의 후측 광축방향을 따라 위치하여 결상렌즈(50)가 결상한 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력한다. 배율렌즈(20)와 보상렌즈(40)의 축상 이동은 수동 또는 모터 등에 의한 자동으로 이루어질 수 있다.

대물렌즈(10), 배율렌즈(20), 고정렌즈(30), 보상렌즈(40) 및 결상렌즈(50)의 굴절능 분포는 P-N-P-P-P 형태를 갖는다. 최소 물체거리는 광시야(wide)에서 2 m로 최소 물체거리부터 무한대 영역의 중간 어느 위치에 물체가 놓이더라도 모두 초점 조절이 가능하다.

또한, 보상렌즈(40)가 광축을 따라 이동하며 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정함으로 인해, 최소 물체거리를 짧게 하더라도 영상 획득이 탁월하다.

렌즈들(10~50)은 게르마늄(Ge) 또는 셀렌화아연(ZnSe) 재질로 이루어진다. 대물렌즈(10), 배율렌즈(20) 및 보상렌즈(40)는 게르마늄 재질로 이루어지고, 결상렌즈(50)는 셀렌화아연 재질로 이루어진다. 결상렌즈(50)는 2개의 렌즈가 한쌍을 이루어 구성되며 그 렌즈들 모두 셀렌화아연 재질로 이루어진다. 고정렌즈(30)는 제1 및 제2 렌즈(31)(33)가 한쌍을 이루어 구성되되, 제1 렌즈(31)는 셀렌화아연으로 이루어지고, 제2 렌즈(33)는 게르마늄 재질로 이루어진다.

본 발명은 배율렌즈(20)가 배율 변환을 위해 축상 이동되고, 보상렌즈(40)가 배율 변환시 성능 보상과 물체 거리 및 온도 변화에 따라 발생되는 디포커스(defocus)를 보정하는 가변 파라미터이므로, 도 2에서 배율렌즈(20)와 보상렌즈(40)의 이동 궤적을 줌 배율별로 나타내었다.

적외선 광학계의 경우 한정된 광학 재질과 렌즈 매수의 제한으로 최적화시 색수차와 광선 수차를 모두 줄이는데 한계가 있으므로 처음 최적화시 비축수차를 줄이는데 중점을 두며 그 후 종 색수차와 횡 생수차를 주로 줄이게 된다. 이에 본 발명은 최적화가 진행됨에 따라 광선 수차 또한 무시할 수 없으므로 어느 정도의 색수차는 허용하며 최종 설계되었다. 설계에 대한 광선 수차는 에어리 원반(airy disk)이 원적외선 비냉각 검출기(60) 1-픽셀 내에 최대한 집광되고 최종 설계된 줌렌즈의 수차 특성을 도 3 및 도 4에 나타내었다.

광학계의 성능의 한 가지 척도로 사용되는 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)는 도 5에 나타내었다. 결과를 나타내는 광학계의 필드는 검출면의 크기를 이용하였고 전체 줌 배율에 대해 검출면의 중심과 대각 크기 기준 40%, 60%, 80%, 100%로 총 5 곳의 필드를 이용하였다.

왜곡수차는 광시야(wide)에서 가장 크며 배럴 형태로 -2.82%의 값을 갖는 것이 확인되었다. MTF는 원적외선 비냉각 검출기(60)의 사양에 맞춰 29 cycles/mm에서 모든 필드에 대해 광시야(wide)에서 0.372 이상, 협시야(narrow)에서 0.338 이상 이상의 결과를 가진다.

주변 광량비는 전체 필드와 파장에 대한 값을 모두 정리하고 최종적으로 파장에 대한 평균값을 취하여 각 필드별로 살펴보면 무한 물점인 경우 광시야위치(wide field position)의 최외각 필드에서 99.2%를 보이며 협시야위치(narrow field position)의 최외각 필드에서 99%의 값을 가진다.

최적 설계 과정에서 온도는 20℃로 이때의 성능을 기준으로 광학계의 운영 온도 범위에 대해 줌렌즈에서 발생되는 디포커스(defocus)를 도 7에 나타내었고, 이를 보상하기 위해 보상렌즈(40)의 이동 범위와 보상 후 줌렌즈가 갖는 디포커스(defocus)를 각각 도 8과 도 9에 나타내었다.

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.

10: 대물렌즈
20: 배율렌즈
30: 고정렌즈
40: 보상렌즈
50: 결상렌즈
60: 원적외선 비냉각 검출기

Claims

물체와 대향하며 상기 물체의 원적외선을 수광하여 상을 포착하는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈의 후측 광축방향을 따라 배율렌즈, 고정렌즈, 보상렌즈, 결상렌즈가 순차로 배열되는 구조이며,
상기 배율렌즈는 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하고,
상기 보상렌즈는 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하고,
상기 결상렌즈는 상기 대물렌즈가 수광한 상을 결상하고,
상기 대물렌즈, 상기 배율렌즈, 상기 고정렌즈, 상기 보상렌즈 및 상기 결상렌즈의 굴절능 분포는 P-N-P-P-P이며,
상기 결상렌즈의 후측 광축방향을 따라 위치하여 상기 결상렌즈가 결상한 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력하는 원적외선 비냉각 검출기를 포함하고,
상기 대물렌즈, 상기 배율렌즈 및 상기 보상렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지고, 상기 결상렌즈는 셀렌화아연 재질로 이루어지며, 상기 고정렌즈는 제1 및 제2 렌즈가 한쌍을 이루어 구성되되 상기 제1 렌즈는 셀렌화아연으로 이루어지고, 상기 제2 렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지며,
상기 원적외선 비냉각 검출기는 1-픽셀 크기가 17㎛로서 640 × 480 배열에서 가로 10.88 mm × 세로 8.16 mm의 크기를 갖는 광학계이며,
상기 광학계는 6배율을 갖는 원적외선 광학계로서 유효초점거리가 30mm에서 180mm까지 변화되고, F/수는 모든 상기 배열에서 F/1.4를 갖는 것을 특징으로 하는 고배율 연속줌 원적외선 광학계.
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