KR101841200B1 - 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계 - Google Patents

냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계에 관한 것으로, 물체와 대향하며 상기 물체의 중적외선을 수광하여 상을 포착하는 대물렌즈군; 및 상기 대물렌즈군의 후측 광축방향을 따라 배율렌즈군, 보상렌즈군, 고정렌즈군, 릴레이렌즈군이 순차로 배열되는 구조를 갖는 광학계이며, 상기 배율렌즈군은 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하고, 상기 보상렌즈군은 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하며, 상기 배율렌즈군은 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 배율렌즈로 이루어지고, 상기 보상렌즈군은 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 보상렌즈로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계{COOLED THERMAL IMAGING CAMERA MWIR ×10 MAGNIFICATION CONTINUOUS ZOOM OPTICALS SYSTEM}
본 발명은 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계에 관한 것으로, 특히 초점조절과 영상획득이 탁월한 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계에 관한 것이다.
일반적으로, 냉각형 적외선 광학계는 비냉각형 적외선 광학계와는 달리 열 방사에 민감한 검출기가 필요하다. 이 검출기의 민감도를 증가시키기 위하여 온도를 극저온까지 냉각시키며 냉각실드(cold shield)라는 내부 실드(shield)로 둘러싸져 있다. 이런 특징 때문에 냉각형 적외선 광학계의 스톱(stop)은 냉각실드 내부의 냉각스톱(cold stop)이 되고, 검출기는 냉각스톱의 구경을 통해서만 물체를 볼 수 있게 된다. 관련 선행기술로는 한국 공개특허공보 제10-2006-0071219호 "냉각 검출기를 사용하는 적외선 광학계의 광 차단기"가 있다.
적원선은 파장대역에 따라 근적외선, 중적외선, 원적외선으로 나뉘며, 중적외선(MWIR)은 파장대역이 3~8㎛인 적외선을 말한다. 중적외선 파장 영역은 고온의 목표물 탐지에 유리하여 미사일 탐색기에 주로 이용된다. 협의로는 열 영상장비의 대기창으로 활용되는 3∼5㎛인 적외선을 지칭하기도 한다.
한국 공개특허공보 제10-2006-0071219호 "냉각 검출기를 사용하는 적외선 광학계의 광 차단기"
본 발명의 목적은 초점조절과 영상획득이 탁월한 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 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 중적외선을 수광하여 상을 포착하는 대물렌즈군; 및 상기 대물렌즈군의 후측 광축방향을 따라 배율렌즈군, 보상렌즈군, 고정렌즈군, 릴레이렌즈군이 순차로 배열되는 구조를 갖는 광학계이며, 상기 배율렌즈군은 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하고, 상기 보상렌즈군은 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하며, 상기 배율렌즈군은 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 배율렌즈로 이루어지고, 상기 보상렌즈군은 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 보상렌즈로 이루어진 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 대물렌즈군 및 상기 고정렌즈군은 1매의 렌즈로 이루어지고, 상기 릴레이렌즈군은 2매의 제1 및 제2 릴레이렌즈로 이루어질 수 있다.
상기 대물렌즈군, 상기 배율렌즈군의 제1 배율렌즈, 상기 보상렌즈군의 제1 보상렌즈, 상기 고정렌즈군 및 상기 릴레이렌즈군의 제2 릴레이렌즈는 실리콘 재질로 이루어지고, 상기 배율렌즈군의 제2 배율렌즈, 상기 보상렌즈군의 제2 보상렌즈 및 상기 릴레이렌즈군의 제1 릴레이렌즈는 게르마늄 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 초점조절과 영상획득이 탁월하다. 즉, 1배율 광시야(56.0mm)에서 10배율 협시야(560.0mm)까지 모두 초점 조절이 가능하고 영상 획득이 탁월하다.
도 1은 본 발명의 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계의 줌 궤적을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에서 10배율(협시야위치)에 대한 렌즈군 위치를 나타낸 도면이다. 대물 영역(Object Range)은 560mm이다.
도 4는 본 발명에서 7배율 대한 렌즈군 위치를 나타낸 도면이다. 대물 영역(Object Range)은 392mm이다.
도 5는 본 발명에서 3배율 대한 렌즈군 위치를 나타낸 도면이다. 대물 영역(Object Range)은 168mm이다.
도 6은 본 발명에서 1배율 대한 렌즈군 위치를 나타낸 도면이다. 대물 영역(Object Range)은 56mm이다.
도 7은 10배율에 대한 스폿 디아그램(Spot diagram)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 7배율에 대한 스폿 디아그램(Spot diagram)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 3배율에 대한 스폿 디아그램(Spot diagram)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 1배율에 대한 스폿 디아그램(Spot diagram)을 나타낸 그래프이다.
도 11은 10배율에 대한 광선수차(Ray aberration plot)를 나타낸 그래프이다.
도 12는 7배율에 대한 광선수차(Ray aberration plot)를 나타낸 그래프이다.
도 13은 3배율에 대한 광선수차(Ray aberration plot)를 나타낸 그래프이다.
도 14는 1배율에 대한 광선수차(Ray aberration plot)를 나타낸 그래프이다.
도 15는 10배율에 대한 수차 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16은 7배율에 대한 수차 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 3배율에 대한 수차 특성을 나타낸 그래프이다.
도 18은 1배율에 대한 수차 특성을 나타낸 그래프이다.
도 19는 10배율에 대한 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)를 나타낸 그래프이다.
도 20은 7배율에 대한 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)를 나타낸 그래프이다.
도 21은 3배율에 대한 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)를 나타낸 그래프이다.
도 22는 1배율에 대한 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)를 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 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계는 5군으로 구성된다. 본 발명은 물체(피사체)가 위치하는 좌측으로부터 냉각검출기(70)가 위치하는 우측을 향해 1군의 대물렌즈군(10), 2군의 배율렌즈군(20), 3군의 보상렌즈군(30), 4군의 고정렌즈군(40), 5군의 릴레이렌즈군(50) 및 적외선필터(60)가 순차로 배열되는 구조이다.
대물렌즈군(10)과 고정렌즈군(40)은 1매의 렌즈로 이루어지고, 릴레이렌즈군(50)은 서로 거리가 고정된 2매의 제1 및 제2 릴레이렌즈(51)(53)로 이루어진다. 배율렌즈군(20)은 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 배율렌즈(21)(23)로 이루어지고, 보상렌즈군(30)도 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 보상렌즈(31)(33)로 이루어진다. 적외선필터(60)는 3∼5㎛ 중적외선만을 통과시킨다.
본 발명은 유효초점거리는 56.0에서 560.0mm까지 변화되며, 초점거리 56.0mm인 경우 광시야위치(wide field position), 560.0mm인 경우 협시야위치(narrow field position)으로 할 때 광시야(wide)와 협시야(narrow)에서의 시야각은 각각 가로 9.80°× 세로 7.35° 와 가로 0.98° × 세로 0.74°를 갖는다.
냉각 검출기(70)의 1-픽셀 크기는 15㎛로 640 × 512 배열을 가지며, 냉각 검출기(60) 1-픽셀이 바라보는 시야각은 광시야(wide)에서 0.267 mrad이고, 협시야(narrow)에서 0.027 mrad의 값을 갖는다.
스펙트럼 레인지 3 ~ 5㎛
유효초점거리 56.0 ~ 560.0 mm
F-수 4.0 @ 광시야 - 협시야 위치
시야각 @ 무한대 광시야 : 가로 9.80°× 세로 7.35°
협시야 : 가로 0.98° × 세로 0.74°
순간시야 @ 무한대 광시야 : 0.267 mrad
협시야 : 0.027 mrad
픽셀 포멧 640 × 512 픽셀(15.0㎛ 피치)
본 발명은 광학계의 한계 분해능이 냉각 검출기(70)에 의해 결정되므로, 요구되는 광학계의 성능은 회절한계를 만족하도록 설계되었고, 광학계의 F/수는 모든 줌배율에서 F/4.0를 가지는데 이는 에어리 원반(airy disk) 크기를 고려하여 결정되었다.
대물렌즈군(10)은 물체와 대향하며 물체의 중적외선을 수광하여 상을 포착하고, 배율렌즈군(20)은 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하며, 보상렌즈군(30)은 광축을 따라 이동하며 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정 즉, 초점 조절하고, 릴레이렌즈군(50)은 고정렌즈군(40)의 상을 릴레이하여 또 상을 만든다. 냉각 검출기(70)는 적외선필터(60)의 후측 광축방향을 따라 위치하여 냉각스톱(cold stop)의 상을 디지털 영상신호로 변환하여 출력한다. 배율렌즈군(20)과 보상렌즈군(30)의 축상 이동은 수동 또는 모터 등에 의한 자동으로 이루어질 수 있다.
대물렌즈군(10), 배율렌즈군(20), 보상렌즈군(30), 고정렌즈군(40) 및 릴레이렌즈군(50)의 굴절능 분포는 P-N-P-P-P 형태를 갖는다. 최소 물체거리는 광시야(wide)에서 56.0m로 최소 물체거리부터 협시야 560.0mm 중간 어느 위치에 물체가 놓이더라도 모두 초점 조절이 가능하다.
또한, 보상렌즈군(30)이 광축을 따라 이동하며 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정함으로 인해, 최소 물체거리를 짧게 하더라도 영상 획득이 탁월하다.
렌즈군들(10~50)은 실리콘(Silicon) 또는 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진다. 대물렌즈군(10), 배율렌즈군(20)의 제1 배율렌즈(21), 보상렌즈군(30)의 제1 보상렌즈(31), 고정렌즈군(40) 및 릴레이렌즈군(50)의 제2 릴레이렌즈(53)는 실리콘 재질로 이루어지고, 배율렌즈군(20)의 제2 배율렌즈(23), 보상렌즈군(30)의 제2 보상렌즈(33) 및 릴레이렌즈군(50)의 제1 릴레이렌즈(51)는 게르마늄 재질로 이루어진다.
대물렌즈군(10)은 물체측 전면이 볼록면이고 후면이 오목면으로 전체적으로 양의 배율을 형성한다. 배율렌즈군(20)은 제1 배율렌즈(21)가 물체측 전면이 볼록면이고 후면이 오목면이며 제2 배율렌즈(23)가 전후면이 오목면으로 전체적으로 음의 배율을 형성한다.
보상렌즈군(30)은 제1 보상렌즈(31)가 물체측 전면이 볼록면이고 후면이 오목면이며 제2 보상렌즈(33)가 전면이 오목면이고 후면이 볼록면으로 전체적으로 양의 배율을 형성한다. 고정렌즈(40)는 물체측 전면이 오목면이고 후면이 볼록면으로 전체적으로 양의 배율을 형성한다. 릴레이렌즈군(50)은 전체적으로 양의 배율을 형성한다.
본 발명은 배율렌즈군(20)이 배율 변환을 위해 축상 이동되고, 보상렌즈군(30)이 배율 변환시 성능 보상과 물체 거리 및 온도 변화에 따라 발생되는 디포커스(defocus)를 보정하는 가변 파라미터이다.
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 냉각 검출기(60) 1-픽셀 내에 최대한 집광되고 최종 설계된 줌렌즈의 수차 특성을 도 11 내지 도 18에 나타내었다.
광학계의 성능의 한 가지 척도로 사용되는 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)는 도 19 내지 도 22에 나타내었다.
한편, 도 7 내지 도 10은 10배율, 7배율, 3배율, 1배율에 대한 스폿 디아그램(Spot diagram)을 각각 나타낸 그래프이다.
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: 대물렌즈군
20: 배율렌즈군
30: 보상렌즈군
40: 고정렌즈군
50: 릴레이렌즈군
60: 적외선필터
70: 냉각 검출기

Claims (3)

  1. 물체와 대향하며 상기 물체의 중적외선을 수광하여 상을 포착하는 대물렌즈군; 및
    상기 대물렌즈군의 후측 광축방향을 따라 배율렌즈군, 보상렌즈군, 고정렌즈군, 릴레이렌즈군이 순차로 배열되는 구조를 갖는 광학계이며,
    상기 배율렌즈군은 광축방향을 따라 이동하며 상의 배율을 변환하고,
    상기 보상렌즈군은 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하며,
    상기 배율렌즈군은 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 배율렌즈로 이루어지고,
    상기 보상렌즈군은 서로 거리가 고정되어 함께 광축을 따라 이동하는 2매의 제1 및 제2 보상렌즈로 이루어지고,
    상기 대물렌즈군 및 상기 고정렌즈군은 1매의 렌즈로 이루어지고, 상기 릴레이렌즈군은 2매의 제1 및 제2 릴레이렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 대물렌즈군, 상기 배율렌즈군의 제1 배율렌즈, 상기 보상렌즈군의 제1 보상렌즈, 상기 고정렌즈군 및 상기 릴레이렌즈군의 제2 릴레이렌즈는 실리콘 재질로 이루어지고,
    상기 배율렌즈군의 제2 배율렌즈, 상기 보상렌즈군의 제2 보상렌즈 및 상기 릴레이렌즈군의 제1 릴레이렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지는 냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계.
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