KR101846021B1 - 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계에 있어서, 탐지하고자 하는 물체측을 향하여 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 포함하는 제1 렌즈군 및 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함하고, 물체측을 향하여 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군의 순서로 배열되며, 제3 렌즈 및 제4 렌즈 들 중 적어도 하나는 하이브리드 렌즈이며 수차를 효과적으로 억제하여 회절한계 성능을 가질 수 있는 적외선 광학계가 개시된다.

Description

하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계{Infrared Optical System Using Hybrid Lens}
본 발명은 적외선 광학계에 관한 것으로, 특히 비냉각 열상장비에 있어서, 영상왜곡과 초점거리의 변화를 최소화 할 수 있는 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계에 관한 것이다.
일반적으로, 열영상 장비는 적외선 광학계로 구현된다. 냉각 또는 비냉각 열상장비에 적용 가능한 고정초점을 갖는 적외선 광학계에서 광시야각에 대해 왜곡수차를 최소화하면서 광선수차를 최소화하여 회절한계 성능을 만족하며 광학식 비열화를 적용하여 온도변화에 따른 상면이동(defocus)을 최소화하는 것에 제약이 따른다.
그 뿐만 아니라 광학부품의 마운트와 경통과 같은 기구부품도 온도변화에 따라 수축 또는 팽창하기 때문에 고 분해능 열영상 장비의 경우 온도변화는 결코 무시할 수 없는 요소이다.
다시 말하면 열영상 장비의 광학성능은 온도변화에 민감하기 때문에 상온 근처의 좁은 온도 영역에서 사용할 때는 큰 문제가 되지 않지만, 운용온도 범위가 넓은 경우에는 적절한 비열화(athermalization) 보상 시스템이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계에 있어서, 탐지하고자 하는 물체측을 향하여 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 포함하는 제1 렌즈군 및 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함하고, 물체측을 향하여 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군의 순서로 배열되며, 제3 렌즈 및 제4 렌즈 들 중 적어도 하나는 하이브리드 렌즈이며 수차를 효과적으로 억제하여 회절한계 성능을 가질 수 있는 적외선 광학계를 제공하는데 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 유형에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계는, 탐지하고자 하는 물체측을 향하여 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 포함하는 제1 렌즈군 및 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함하고, 물체측을 향하여 제1 렌즈군 및 제2 렌즈군의 순서로 배열되며, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈 들 중 적어도 하나는 하이브리드 렌즈이다.
여기서, 제1 렌즈 내지 제2 렌즈는 상기 물체측을 향하는 물체측면과 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면을 포함한다.
여기서, 제1 렌즈는 상기 물체측을 향하는 제1 물체측면은 볼록하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제1 상측면은 오목하게 형성되며, 상기 제1 물체측면의 곡률반경은 상기 제1 상측면의 곡률반경보다 크다.
여기서, 제2 렌즈는 상기 물체측을 향하는 제2 물체측면은 볼록하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제2 상측면은 오목하게 형성되며, 제2 물체측면의 곡률반경은 상기 제1 물체측면의 곡률반경보다 크고, 상기 제2 상측면의 곡률반경은 상기 제1 상측면의 곡률반경보다 크다.
또한, 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 각각 제1 하이브리드 렌즈와 제2 하이브리드 렌즈이며, 상기 제1 하이브리드 렌즈와 상기 제2 하이브리드 렌즈는 각각 렌즈 중심을 기준으로 비구면에 회절면이 결합된 형상을 포함한다.
여기서, 제1 하이브리드 렌즈는, 상기 물체측을 향하는 제3 물체측면은 오목하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제3 상측면은 볼록하게 형성되는 메니스커스 형태이며, 상기 제3 물체측면의 곡률반경은 상기 제3 상측면의 곡률반경보다 크다.
여기서, 제1 하이브리드 렌즈는 제3 물체측면과 상기 제3 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면이며, 상기 비구면에 상기 회절면을 포함한다.
여기서, 제2 하이브리드 렌즈는 상기 물체측을 향하는 제4 물체측면과 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제4 상측면이 볼록하게 형성되는 양볼록 형태이며, 상기 제4 물체측면의 곡률반경은 상기 제4 상측면의 곡률반경보다 크다.
여기서, 제2 하이브리드 렌즈는 상기 제4 물체측면과 상기 제4 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면이며, 상기 비구면에 상기 회절면을 포함한다.
여기서, 제1 렌즈는 게르마늄(Ge) 성분을 포함하고, 제2 렌즈는 셀렌화아연(ZnSe) 성분을 포함한다.
여기서, 제2 렌즈군의 상기 하이브리드 렌즈들은 칼코게나이드 화합물을 포함한다.
여기서, 제1 렌즈는 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군의 렌즈들 중 가장 큰 굴절률을 갖는다.
본 발명에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계에 의하면, 광학식 비열화가 적용된 고정 초점식 적외선 광학계를 제공함으로써 영상을 획득하기 위해서 동작 온도 범위 내에서 별도의 초점 조절 기능이 필요하지 않다.
또한, 90°×67.5°의 시야범위에 대하여 왜곡수차가 2% 이하로 설계되어 왜곡되지 않은 광 시야범위의 영상을 획득할 수 있다.
또한, 왜곡수차 보정 및 고정 초점 광학계의 광학식 비열화를 구현함과 동시에 하이브리드 렌즈를 이용하여 수차를 효과적으로 억제하여 회절한계 성능을 가질 수 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈의 형상을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈에 적용된 회절 광학소자 형상이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈의 점확산함수(PSF, Point Spread Function)를 비교한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 MTF 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 설계된 왜곡수차를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 온도 변화에 따른 상면이동(defocus)을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 관련된 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계(10)는 제1 렌즈군(100) 및 제2 렌즈군(200)을 포함하며, 제1 렌즈군(100)은 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)를 포함하고, 제2 렌즈군(200)은 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)를 포함한다.
물체(피사체)측으로부터 제1 렌즈군(100) 및 제2 렌즈군(200) 순서로 배열되며, 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4)가 순차로 배열된다.
제1 렌즈군(100)은 탐지하고자 하는 물체측을 향하여 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1) 및 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)를 포함하고, 제2 렌즈군(200)은 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3) 및 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(L4)를 포함한다.
상기 물체측을 향하여 상기 제1 렌즈군(100) 및 상기 제2 렌즈군(200)의 순서로 배열되며, 제3 렌즈(L3) 및 상기 제4 렌즈(L4)들 중 적어도 하나는 하이브리드 렌즈이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계(10)는 광시야각을 갖는 고정 초점식 광학식 비열화가 적용된 광학계이다. 광학계에서는 주위 온도가 변화하면, 광학부품과 경통은 열팽창이 발생되며, 유리의 굴절률도 온도에 따라 변화한다. 이에 따라 광학계의 초점거리, 배율 등의 근축광학적 물리량과 광학수차의 변화가 발생한다. 비열화는 여러 부품에서 발생하는 열적 특성변화를 서로 상쇄되도록 하거나 외부에서의 제어를 통하여 온도에 따른 결상특성의 변화가 없도록 하는 것으로, 온도 변화에 따른 상면이동(defocus)을 최소화할 수 있다. 상면이동(defocus)은 광학계가 이상적인 결상에서 벗어나서 생기는 상의 편차이다.
광학계는 광학의 반사, 굴절 등의 현상을 이용하여 물체의 상을 만드는 것을 목적으로 하는 장치이다. 빛의 반사나 굴절을 이용해서 물체의 상(像)을 만들거나 빛에너지를 전송(傳送)하기 위해 반사경, 렌즈, 프리즘 등으로 이루어진다.
제1 렌즈군(100)은 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1) 및 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(L2)를 포함한다.
제1 렌즈(L1) 내지 제2 렌즈(L2)는 상기 물체측을 향하는 물체측면과 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면을 포함한다.
제1 렌즈(L1)는 물체측을 향하는 제1 물체측면(S1)은 볼록하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제1 상측면(S2)은 오목하게 형성되며, 상기 제1 물체측면(S1)의 곡률반경은 상기 제1 상측면(S2)의 곡률반경보다 크다.
음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(L1)는, 상기 제1 렌즈를 통과한 빛이 법선의 반대방향으로 굴절된다. 빛의 위상 속도(phase velocity)는 진공에서의 빛의 속도 c보다 빠르거나 음의 값을 가져도 문제가 되지 않는다. 따라서 굴절률 n은 1보다 작은 값도 가능하고, 음의 값을 가질 수도 있는데 이 때 스넬의 법칙에 따라 Sine 값이 마이너스가 되어 법선의 반대방향으로 꺾이게 된다. 적외선이나 전자파 영역에서는 음의 굴절률을 갖는 메타물질이 존재한다.
제1 렌즈(L1)의 후방에 배치되는 제2 렌즈(L2) 또한 물체측을 향하는 제2 물체측면(S3)은 볼록하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제2 상측면(S4)은 오목하게 형성되며, 제2 물체측면(S3)의 곡률반경은 제1 물체측면(S1)의 곡률반경보다 크고, 제2 상측면(S4)의 곡률반경은 제1 상측면의 곡률반경(S2)보다 크다.
제2 렌즈군(200)은 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3) 및 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(L4)를 포함한다.
제2 렌즈(L2)의 후방에 배치되는 제3 렌즈(L3)는 물체측을 향하는 제3 물체측면(S5)은 오목하게 형성되고, 물체측의 반대측인 상을 향하는 제3 상측면(S6)은 볼록하게 형성되는 메니스커스 형태이며, 제3 물체측면(S5)의 곡률반경은 상기 제3 상측면(S6)의 곡률반경보다 크다.
제3 렌즈(L3)의 후방에 배치되는 제4 렌즈(L4)는 물체측을 향하는 제4 물체측면(S7)과 물체측의 반대측인 상을 향하는 제4 상측면(S8)이 볼록하게 형성되는 양볼록 형태이며, 제4 물체측면(S7)의 곡률반경은 제4 상측면(S8)의 곡률반경보다 크다.
본 발명에 따른 실시예는 다음의 표 1과 같다.
Figure 112017121865836-pat00001
여기서, A는 비구면(aspheric surface), D는 회절면(diffractive surface)이다.
이러한 표 1에 따라 실시되는 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계(10)의 전체적인 광학계의 초점거리는 90°×67.5°의 시야각을 갖도록 5.44 mm이고, 설계 파장 범위는 7.7㎛에서 12.7㎛로 비냉각 열상장비에 적용할 수 있도록 설계된다.
제1 렌즈(L1)의 재질은 게르마늄(Germanium)으로 S1에서 비구면을 포함하고 초점거리는 -17.31 mm를 가진다.
제2 렌즈(L2)의 재질은 셀렌화아연(ZnSe)로 S2에서 비구면을 포함하고 초점거리는 73.81 mm를 가진다.
제3 렌즈(L3)의 재질은 칼코게나이드 화합물인 As40Se60의 구성을 갖고, 바람직하게는 IRG26으로 이루어지며, S6에서 비구면과 회절면이 포함된 하이브리드 렌즈로 초점거리는 64.85 mm를 가진다.
제4 렌즈(L4)의 재질은 칼코게나이드 화합물인 As40Se60의 구성을 갖고, 바람직하게는 IRG26으로 이루어지며, S8에서 비구면과 회절면이 포함된 하이브리드 렌즈로 초점거리는 15.82 mm를 가진다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계(10)는 제1 렌즈군(100) 및 제2 렌즈군(200)을 포함하며, 제1 렌즈군(100)은 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2)를 포함하고, 제2 렌즈군(200)의 렌즈들은 하이브리드 렌즈들을 포함하여 배열된다. 제2 렌즈군(200)의 상기 하이브리드 렌즈들은 제1 하이브리드 렌즈(H1)와 제2 하이브리드 렌즈(H2)이며, 렌즈 중심을 기준으로 비구면에 적어도 일부 회절면이 결합된 형상을 포함한다.
일반적으로 하이브리드 렌즈(Hybrid Lens)는, 회절광학소자 렌즈(Diffractive Optical Element Lens)의 일종이며, 회절광학소자 렌즈는 도 2에서 보는 바와 같이 렌즈 표면에 임의의 피치와 임의의 깊이로 형성된 회절면을 형성하여 빛을 회절시킬 수 있는 렌즈이다.
이러한 회절광학소자 렌즈는 LD, LSU(Laser Scanning Unit), CD, DVD 등의 콜리메이트 렌즈(레이저에서 분산 또는 집중해 있는 광선을 시준화(視準化)된 또는 평행한 광선으로 변환해 주는 렌즈)로, 프로젝트 TV 등의 디스플레이용 광학 렌즈로, 광통신용 커넥터 렌즈 등으로 매우 널리 사용하고 있으며, 크기는 대부분 직경이 약 1 mm 내외, 두께가 몇 ㎛에 지나지 않는 마이크로 렌즈이다.
그리고 종래에는 이와 같은 회절광학소자 렌즈의 재질을 유리재 또는 합성수지재 등으로써 전체를 하나의 재질로 형성하는 것이 보통이었으나, 근래에는 이중의 재질로써 만드는 하이브리드 렌즈를 사용하게 되었으며, 하이브리드 렌즈의 장점은 온도변화에 따른 특성 열화가 적으며, 경량화 시킬 수 있고, 개구수(開口數)가 높게 만들 수 있으며, 제품 원가를 낮출 수 있다.
제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제1 하이브리드 렌즈(H1), 제2 하이브리드 렌즈(H2)를 순차로 투과한 적외선은 검출기 윈도우(Detector Window)(W)를 거쳐 촬상소자의 수광면에 입사되고, 그 수광면 상에 물체의 이미지가 맺힌다.
본 발명에 실시예에 따른 광학 및 기구 재질 물성치는 다음의 표 2와 같다.
Figure 112017121865836-pat00002
제1 하이브리드 렌즈(H1)의 재질은 칼코게나이드 화합물인 As40Se60의 구성을 갖고, 바람직하게는 IRG26으로 이루어지며, 비구면과 회절면이 포함된 하이브리드 렌즈로 초점거리는 64.85 mm를 가진다.
제1 하이브리드 렌즈(H1)는, 물체측으로 오목한 메니스커스 형태이고, 물체측면과 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면이며, 상측면에 상기 회절면을 포함한다.
제2 하이브리드 렌즈(H2)의 재질은 칼코게나이드 화합물인 As40Se60의 구성을 갖고, 바람직하게는 IRG26으로 이루어지며, 비구면과 회절면이 포함된 하이브리드 렌즈로 초점거리는 15.82 mm를 가진다.
제2 하이브리드 렌즈(H2)는 양볼록 형태이고, 물체측면과 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면이며, 상측면에 상기 회절면을 포함한다.
제1 렌즈(L1)의 재질은 게르마늄(Germanium)으로 S1에서 비구면을 포함하고 초점거리는 -17.31 mm를 가진다.
제1 렌즈(L1)는 제1 렌즈군 및 제2 렌즈군의 렌즈들 중 가장 큰 굴절률을 갖는다.
제2 렌즈(L2)의 재질은 셀렌화아연(ZnSe)로 S2에서 비구면을 포함하고 초점거리는 73.81 mm를 가진다.
열상장비의 광학 재질의 이상적 특징은 먼저 굴절률이 커야 한다. 굴절률이 클수록 같은 굴절능(power)을 갖기 위한 렌즈면의 곡률 반경(radius of curvature)이 커도 되므로 수차가 상대적으로 작아질 수 있다. 또한, 열분산(thermal dispersion)이 작아야 한다. 넓은 범위의 사용온도 조건에서 사용하려면 온도에 따른 굴절율의 변화 즉, 열분산(thermal dispersion)이 작아야 온도에 따른 수차의 불균형(aberration unbalancing)과 초점거리 변화가 적어 광학계 성능에 영향을 미치지 않는다. 또한, 분산(dispersion)과 흡수(absorption) 가 작을수록 좋다. 사용하는 파장 범위가 넓으므로 색수차(chromatic aberration)보정을 위해서는 분산(dispersion)이 적을수록 좋으며, 그 파장대역에서의 흡수(absorption) 또한 적어야 한다. 그 밖에도 긁힘이나 마모에 견디기 위해서는 표면의 경도가 높아야 하며, 기계적인 강도가 클수록 진동 충격에 견디면서도 렌즈가 얇아질 수 있다. 또한, 무반사(Anti-Reflection) 코팅이 용이하고 내구성이 좋아야 한다. 굴절율이 커짐에 따라 렌즈 표면에서의 반사가 커지므로 무반사(Anti-Reflection) 코팅이 용이하고 광학박막의 내구성이 좋아야 하며, 외부 환경조건에 견디기 위해서는 물이나 습기에 대한 용해도가 작아야 한다.
제1 렌즈(L1)의 재질로 사용될 수 있는 게르마늄(Germanium)은 적외선 초자 중 가장 일반적으로 사용되는 물질이다. 게르마늄은 원적외선에서는 색수차 보정렌즈(achromatic doublet)의 크라운(crown)또는 볼록(positive) 재질로 중적외선에서는 색수차 보정 렌즈의 플린트(flint) 또는 오목(negative) 재질로 쓸 수 있다. 이런 편차는 두 파장 영역에서 분산의 특징이 다르기 때문이다. 중적외선에서 게르마늄은 흡수(absorption)가 더 낮고 굴절률은 좀 더 크게 변하게 된다. 그러므로 더 큰 분산(dispersion)이 생기게 된다. 색수차 보정렌즈 (achromatic doublet)의 음의 굴절력(power) 재질(element)로 바람직하다. 게르마늄의 광학적 성질에는 아주 중요한 두 가지 변수(parameters)가 있다. 그 첫 번째는 게르마늄의 굴절률은 4.0 이상으로 이런 높은 굴절능(power) 때문에 아주 큰 구경으로도 사용할 수 있다. 따라서 더 높은 굴절률은 수차(aberrations)를 더 쉽게 줄일 수 있다. 또 다른 주요한 변수는 온도 변화에 대한 굴절률의 변화 dn/dt 이다. 게르마늄의 dn/dt는 404.0×10-6/K 이다. 이는 BK7 glass 같은 일반적인 유리 재질과 비교하면 404.0×10-6/K는 아주 큰 값 이다. 404.0×10-6/K는 온도의 함수로 아주 크게 초점(focus)을 이동(shift) 시키는 큰 원인이 된다. 그래서 이런 흐릿한 초점(defocus)이 일반적으로 매우 크고 따라서 이런 광학계들에 비열화(athermalization)가 필요하게 된다. 게르마늄은 결정(crystalline) 재질로 다결정 형태(polycrystalline form)혹은 단결정 형태(monocrystalline form)로 성장된 것이다. 단결정 형태의 게르마늄이 현재의 열영상 시스템에는 더 적합하다.
제2 렌즈(L2)의 재질로 사용될 수 있는 징크 세라나이드(Zinc Selenide, ZnSe)는 징크 설파이드(Zinc sulfide, ZnS)와 유사하다. ZnS는 중적외선과 원적외선 모두에서 공통적으로 사용할 수 있는 물질이다. 외관의 색이 아주 많이 변한다. 일반적으로 가시광에서는 어두운 노란색으로 투명하다. ZnS 재료 성장의 가장 일반적이고 공통된 과정은 CVD(chemical vapor deposition)다. 징크 세라나이드(Zinc Selenide, ZnSe)는 ZnS보다는 약간 더 굴절률이 크고 구조적으로는 좀더 약하다. 이런 이유 때문에, 외부적인 내구성을 좋게 하기 위해 더 두꺼운 ZnSe 물질이 되도록 ZnS의 얇은 층(thin layer)을 쌓아서 사용할 수 있다.
이외에도, calcium fluoride, barium fluoride, sodium fluoride, sodium fluoride, lithium fluoride, potassium bromide 등의 다른 사용할 수 있는 물질들이 있다. 이런 물질들은 자외선부터 중적외선까지 사용할 수 있다.
일반적으로, Ge, Si, ZnS와 ZnSe 같은 적외선 물질에 대한 광학적 제조 방법은 glass optics와 유사하다. 몇 가지 결정 물질은 흡수성이 있다. 이런 물질들은 습도로부터의 손상을 방지하도록 적당한 coat를 하는 것이 필요하고 그래서 하우징에 종종 드라이 나이트로겐 퍼지(dry nitrogen purged)가 필요하게 된다. 적외선 물질들은 일반적으로 아주 높은 굴절률을 갖고 있고 따라서 무반사(anti-reflection) 코팅이 필요 하다.
본 발명에 실시예에 따른 하이브리드 렌즈의 사양은 다음의 표 3과 같다.
Figure 112017121865836-pat00003
제1 하이브리드 렌즈(H1)의 재질은 칼코게나이드 화합물인 As40Se60의 구성을 갖고, 바람직하게는 IRG26으로 이루어지며, 비구면과 회절면이 포함된 하이브리드 렌즈로 초점거리는 64.85 mm를 가진다.
제2 하이브리드 렌즈(H2)의 재질은 칼코게나이드 화합물인 As40Se60의 구성을 갖고, 바람직하게는 IRG26으로 이루어지며, 비구면과 회절면이 포함된 하이브리드 렌즈로 초점거리는 15.82 mm를 가진다.
제1 하이브리드 렌즈(H1), 제2 하이브리드 렌즈(H2)의 형상은 도 3a 및 도 3b에서 상세히 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈의 형상을 나타낸 도면이다.
하이브리드 렌즈는 키노폼(kinoform) 형태의 표면 양각(surface relief)이 비구면과 함께 이루어지므로 일반적인 렌즈와는 다른 면 형상을 갖는다. 키노폼(kinoform) 회절링은 위상이 1λ 변할 경우 하나씩 생겨나며 각각의 회절링을 기준으로한 zone은 초점을 갖는 렌즈로 간주되며 hybrid 렌즈에서 각각의 zone을 통과하는 빛이 동일한 위상으로 도달하기 위해서는 위상 지연이 2π의 정수배가 되어야 한다. 이상적으로 만들어진 것은 물체의 재생에 기여하는 회절파만이 생기기 때문에 매우 밝은 재생상을 얻을 수 있다.
도 3a는 제1 하이브리드 렌즈(H1)의 후면(S6)의 회절면의 형상을 나타낸 도면이다.
제1 하이브리드 렌즈(H1)는 회전대칭성을 갖는 광학계에서 렌즈 중심을 기준으로 반경에 대한 비구면과 회절면이 결합된 면 형상을 나타낸다.
회절링 깊이는 5.76 ㎛로 붉은선으로 나타나고, 8배 확대하면 초록선의 형태로 표현된다.
도 3b는 제2 하이브리드 렌즈(H2)의 후면(S8)의 회절면의 형상을 나타낸 도면이다.
제2 하이브리드 렌즈(H2)는 회전대칭성을 갖는 광학계에서 렌즈 중심을 기준으로 반경에 대한 비구면과 회절면이 결합된 면 형상을 나타낸다.
회절링 깊이는 5.76 ㎛로 붉은선으로 나타나고, 19배 확대하면 초록선의 형태로 표현된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈에 적용된 회절 광학소자 형상이다.
도 4a는 제1 하이브리드 렌즈(H1)의 후면(S6)에 적용된 회절 광학소자 형상이고, 도 4b는 제2 하이브리드 렌즈(H2)의 후면(S8)에 적용된 회절 광학소자 형상이다.
하이브리드 렌즈의 면 형상은 수학식 1을 통해 설계하여 얻을 수 있다.
Figure 112017121865836-pat00004
여기에서, ZAsphere는 비구면 형상을 설계한 식이고, H2는 회절면 형상을 설계한 식으로, ZHybrid는 비구면과 회절면을 결합한 형상으로 설계된다. 비구면의 표면은 구형(또는 원추형으로 기술된 비구면)의 표면으로부터 편차의 다항식의 확장으로 설계된다. 비구면 표면 모델은 비구면을 설명하기 위해 방사형 좌표의 짝수 배수만을 사용한다.
여기서, k는 원뿔 상수, C는 곡률 반경, ρ는 렌즈 단위의 방사 광선 좌표이며 x는 광축에 수평하는 점과의거리, y는 광축에 수직하는 점과의 거리, An은 n차의 비구면 계수이며 무한대이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 렌즈의 점확산함수(PSF, Point Spread Function)를 비교한 도면이다.
하이브리드 렌즈는 회절광학소자에서 광경로의 변화에 의한 파면의 위상 또는 진폭을 조절하는 위상 및 진폭 변조 소자로 음의 분산 특성을 가지므로 단파장보다는 장파장 대역에서 변화가 큰 특징을 가진다.
기본적인 렌즈가 갖는 굴절광학소자인 경우 양의 분산 특성을 가지며 굴절률이 파장의 함수로 정의되기 때문에 서로 다른 재질을 조합하여 색수차를 제어한다. 하지만 하이브리드 렌즈의 경우 굴절광학소자에 회절광학소자를 적용하여, 이 경우 굴절소자가 갖는 양의 분산과 회절소자가 갖는 음의 분산 특성을 동시에 가지므로 다른 색수차 특성을 가진다.
여기서, 색수차는 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 생기는 수차이다. 긴 파장의 빛일수록 렌즈를 통과한 뒤에 다른 빛보다 초점이 렌즈에서 먼 쪽으로 맺히기 때문에 일어나는 현상으로, 광학기기에 사용하는 렌즈를 만들 때에는 이를 보정하기 위해 여러 개의 렌즈를 결합한다.
유리의 굴절률은 일반 투명물질과 마찬가지로 빛의 파장이 길어짐에 따라 차차 작아지므로, 렌즈를 통해 물체의 상을 맺게 하면 물체의 색(빛의 파장)에 따라 상의 위치나 배율이 달라진다. 이 현상이 색수차인데, 색수차를 가진 렌즈를 통해 백색광을 보면 빨강에 가까운 긴 파장의 빛일수록 초점이 렌즈에서 먼 곳에, 보라에 가까운 짧은 파장의 빛일수록 렌즈와 가까운 곳에 초점이 맺히므로 덜 선명해 보인다.
도 5의 (a)는 일반적인 굴절광학소자가 갖는 점확산함수(PSF, Point Spread Function)를 나타낸 것이다. 일반적인 굴절광학소자의 경우, 굴절에 의한 실상만을 갖는다.
도 5의 (b)는 하이브리드 렌즈가 갖는 점확산함수(PSF, Point Spread Function)를 나타낸 것이다. 하이브리드 렌즈의 경우, 굴절에 의한 실상과 회절에 의한 회절상 두 가지를 동시에 갖는다.
또한, (a)와 (b)의 반치전폭(FWHM)을 비교해보면 하이브리드 렌즈의 반치전폭(FWHM)이 더 작고, 이에 따라 더 높은 광학계 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
하이브리드 렌즈는 굴절과 회절의 특성을 모두 가지고 있어 광학 소자에서 발생되는 색 수차와 구면 수차를 한 장의 하이브리드 렌즈만으로 최소화 가능하다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 MTF 성능을 나타낸 그래프이다.
변조 전달 함수(MTF: Modulation Transfer Function)는 렌즈의 성능 평가 방법의 하나로 주기적인 흑백의 수직 띠를 촬영하여, 그 컨트라스트의 저하를, 이미지의 주기 또는 그 역수인 공간 주파수(spatial frequency)의 관수로 나타내는 것이다. 수직 띠가 거칠면 흑과 백이 확실하게 식별되지만, 세밀하게 되어 렌즈의 해상 한계를 초과하면, 흑과 백이 식별되지 않게 되고 회색으로 보이게 된다. 이와 같은 컨트라스트의 재현률(contrast reproducibility)을 MTF라고 한다. 종래의 렌즈 평가에서는 해상도에 중점을 두었으나, 이것은 한계치를 나타내는 것뿐이고 렌즈의 전체적인 평가는 되지 않으므로, 최근에는 MTF에 의한 평가가 일반적이다.
변조 전달 함수 특성을 나타낸 그래프에서 세로축은 표준화된 변조 전달 함수값이며, 가로축은 분해능(cy/mm)을 나타낸다.
도 6a는 하이브리드 렌즈가 갖는 회절 현상에 의해 발생되는 배경 잡음을 고려하여 설계한 MTF 를 나타낸다. 영상잡음에 의한 MTF 성능 저하를 감안하더라도 분해능 29 cycles/㎜의 모든 시야범위에서 45% 이상의 값을 가진다.
도 6b는 광학계의 온도가 -35℃인 경우의 광학계 MTF를 나타낸다. 광학계의 온도가 균일(uniform)하게 -35로 변한 경우 광학계 MTF 성능 변화를 살펴보면, 도 6a에 나타낸 MTF설계 결과와 비교할 때, 온도가 변하더라도 모든 시야범위에 대해 성능이 유지되고 있음을 알 수 있다.
도 6c는 광학계의 온도가 55℃인 경우의 광학계 MTF를 나타낸다. 광학계의 온도가 균일(uniform)하게 55℃로 변한 경우 광학계 MTF 성능 변화를 살펴보면, 도 6a에 나타낸 MTF설계 결과와 비교할 때, 온도가 변하더라도 모든 시야범위에 대해 성능이 유지되고 있음을 알 수 있다.
도 6b 및 도 6c를 통하여, 본 발명의 실시 예에 따른 대물 광학계는, 저온(-35)와 고온(+55)에서도 모든 시야각에서 MTF가 45% 이상을 만족함을 알 수 있다. 따라서 온도 변화에 따른 MTF 성능저하 없이 광학 성능이 유지됨을 예측할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 설계된 왜곡수차를 나타낸 그래프이다.
도 7에서는 화각이 90도 이상 일 때, 왜곡 수차가 ±5% 이내(실시예 -2%)의 값에 드는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계는 90도 이상의 광각에서 분해능 및 비열화 수차 보정이 우수함을 알 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 90°×67.5°의 광 시야범위를 가지며 온도 변화에 의한 성능 저하가 없는 적외선 광학계를 제공할 수 있다. 또한 왜곡되지 않은 광 시야범위의 영상을 획득할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계의 온도 변화에 따른 상면이동(defocus)을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, -35℃ ~ 55℃의 동작 온도 범위에서 온도변화에 따른 광학계가 갖는 상면이동(defocus)은 -3.7㎛ ~ 6.2㎛로 총 9.9㎛ 변화량을 가진다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계는 광선수차를 최소화하여 회절한계 성능을 만족하면서 광학식 비열화를 적용하여 온도변화에 따른 상면이동(defocus)을 최소화 할 수 있음을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
10: 하이브리드 렌즈를 이용한 적외선 광학계
100: 제1 렌즈군
200: 제2 렌즈군
L1: 제1 렌즈
L2: 제2 렌즈
L3: 제3 렌즈
L4: 제4 렌즈
H1: 제1 하이브리드 렌즈
H2: 제2 하이브리드 렌즈

Claims (12)

  1. 탐지하고자 하는 물체측으로부터 음의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈를 포함하는 제1 렌즈군; 및
    양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 제4 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함하고,
    상기 물체측으로부터 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군의 순서로 배열되며,
    상기 제1 렌즈 내지 제2 렌즈는 상기 물체측을 향하는 물체측면과 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면을 포함하고,
    상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 각각 제1 하이브리드 렌즈와 제2 하이브리드 렌즈이며, 상기 제1 하이브리드 렌즈와 상기 제2 하이브리드 렌즈는 각각 렌즈 중심을 기준으로 비구면에 적어도 일부 회절면이 결합된 형상을 포함하되,
    상기 회절면은 키노폼 형태인 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 물체측을 향하는 제1 물체측면은 볼록하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제1 상측면은 오목하게 형성되며, 상기 제1 물체측면의 곡률반경의 절대값은 상기 제1 상측면의 곡률반경의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는 상기 물체측을 향하는 제2 물체측면은 볼록하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제2 상측면은 오목하게 형성되며,
    상기 제2 물체측면의 곡률반경의 절대값은 상기 제1 물체측면의 곡률반경의 절대값보다 크고, 상기 제2 상측면의 곡률반경의 절대값은 상기 제1 상측면의 곡률반경의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하이브리드 렌즈는, 상기 물체측을 향하는 제3 물체측면은 오목하게 형성되고, 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제3 상측면은 볼록하게 형성되는 메니스커스 형태이며, 상기 제3 물체측면의 곡률반경의 절대값은 상기 제3 상측면의 곡률반경의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 하이브리드 렌즈는,
    상기 제3 물체측면과 상기 제3 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면이며, 상기 비구면에 상기 회절면을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 하이브리드 렌즈는, 상기 물체측을 향하는 제4 물체측면과 상기 물체측의 반대측인 상을 향하는 제4 상측면이 볼록하게 형성되는 양볼록 형태이며, 상기 제4 물체측면의 곡률반경의 절대값은 상기 제4 상측면의 곡률반경의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 하이브리드 렌즈는,
    상기 제4 물체측면과 상기 제4 상측면 중 적어도 하나의 면이 비구면이며, 상기 비구면에 상기 회절면을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 게르마늄(Ge) 성분을 포함하고,
    상기 제2 렌즈는 셀렌화아연(ZnSe) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈군의 상기 하이브리드 렌즈들은 칼코게나이드 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군의 렌즈들 중 가장 큰 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 광학계.
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