KR101887143B1 - 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라 및 카메라용 렌즈 - Google Patents

수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라 및 카메라용 렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라 및 카메라용 렌즈에 관한 것으로서, 몰드 성형용 광학소재로 이루어지며, 피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 오목면(R2); 및, 상기 오목면(R2)을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 볼록면(R3)을 포함하되, 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)은 아래 <식 1>, <표 1> 및 <표 2>의 관계에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 렌즈;
Figure 112016091086410-pat00010
<식 1>
<표 1>
Figure 112016091086410-pat00011

여기서, k는 원추곡면계수이고, A4, A6, A8 및 A10, A12는 비구면계수이며, h는 광축으로부터 오목면 또는 볼록면까지의 거리이며 c는 중심곡률을 나타냄;
<표 2>
Figure 112016091086410-pat00012

여기서, 곡률반경과 면두께는 ±0.5%의 허용범위를 가짐;
(오목면(R2)의 직경)/(볼록면(R3)의 직경)은 0.45(±0.5%의 허용범위)인 것을 특징으로 한다.

Description

수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라 및 카메라용 렌즈{Long-Wavelength Infrared Camera with 90 degree Angle of View and Lens for the Carera}
본 발명은 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라 및 카메라용 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 스마트 기기에 사용이 가능한 보급형 장파장 적외선(일명 "LWIR") 카메라 및 카메라용 렌즈에 관한 것이다.
장파장 적외선은 8㎛~12㎛ 파장대의 광으로서 인간이 내는 적외선의 파장대를 포함한다.
장파장 적외선 카메라는 야간에 인간이나 동물이 발생하는 적외선을 감지하여 촬상할 수 있는 카메라이다.
인간이나 동물의 체온은 310K 정도로 흑체 복사의 310K에서의 피크 파장이 8㎛~12㎛ 정도이다.
따라서, 인간 또는 동물이 내는 적외선 에너지를 장파장 적외선 카메라를 통해 인간이나 동물에 대한 존재 유무 및 영상 획득이 가능하다.
그러나, 국내의 경우 장파장 적외선 전용 렌즈와 장파장 적외선 카메라 시스템의 개발이 매우 더딘 편이어서 대부분 수입에 의존하고 있으며 매우 고가에 판매되고 있는 실정이다.
특히, 종래의 적외선 카메라는 게르마늄(Germanium) 렌즈를 기반으로 한 직가공 렌즈 위주로 제작이 되고 있어 제작원가가 높고 제조시간 또한 길 수밖에 없었다.
따라서, 게르마늄 렌즈는 주로 군수 분야에 적용되고 있으며, 민수 분야에서는 가격적인 문제로 인해 사용이 미미한 실정이다.
더욱이, 스마트 기기에 적용하는 렌즈의 경우 초소형 형태의 형상을 지니고 있어야 하므로, 이를 해결하기 위한 몰드 성형 렌즈가 요구되고 있다.
한국등록특허공보 제10-0916502 B1호 (2009.09.01)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 몰드 성형용 광학소재를 적용할 수 있으므로 기존 게르마늄 렌즈 대비 생산 단가를 낮추고 대량생산을 통해 민수 분야에도 쉽게 적용시킬 수 있는 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라 및 카메라용 렌즈를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 기존 게르마늄 소재의 광학기기에 비해 선명한 영상을 구현할 수 있어 각종 스마트 기기에 적용할 수 있는 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라 및 카메라용 렌즈를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라용 렌즈는,
몰드 성형용 광학소재로 이루어지며,
피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 오목면(R2); 및,
상기 오목면(R2)을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 볼록면(R3)을 포함하 되, 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)은 아래 <식 1>, <표 1> 및 <표 2>의 관계에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 렌즈로서;
Figure 112016091086410-pat00001
<식 1>
<표 1>
Figure 112016091086410-pat00002
여기서, k는 원추곡면계수이고, A4, A6, A8 및 A10, A12는 비구면계수이며, h는 광축으로부터 오목면 또는 볼록면까지의 거리이며 c는 중심곡률을 나타냄;
<표 2>
Figure 112016091086410-pat00003
여기서, 곡률반경과 면두께는 ±0.5%의 허용범위를 가짐;
(오목면(R2)의 직경)/(볼록면(R3)의 직경)은 0.45(±0.5%의 허용범위)임을 특징으로 한다.
상기 렌즈에는, 광축과 수직방향으로 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3) 사이에서 연장되는 에지부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
제2항에 있어서,
(오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC)/직경의 평균값)은 0.88(±0.5%의 허용범위)이고, (렌즈의 에지부 두께)/(상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC))는 0.57(±0.5%의 허용범위)인 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 렌즈.
본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라는,
조리개;
상기 렌즈;
상기 볼록면(R3)으로부터 이격되게 설치되는 적외선 필터; 및,
상기 적외선 필터를 통과한 광을 통해 피사체를 결상하는 센서면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조리개와 상기 오목면(R2) 사이의 거리는 0.13mm±0.5%, 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC)는 2.62mm±0.5%, 상기 볼록면(R3)으로부터 적외선 필터까지의 거리는 1.1934.0mm±0.5%, 적외선 필터의 두께는 0.725mm±0.5%, 상기 적외선 필터로부터 센서면까지의 거리는 0.615mm±0.5%이며, 상기 필터의 굴절율은 3.421이고 분산율은 2421.0인 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 스마트 기기용 광학계로서 1매 렌즈만으로도 생물 또는 사물의 탐지가 가능하여, 일반 핸드폰 뿐만 아니라 다양한 전자제품에 적용할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 몰딩에 의한 성형이 가능한 구조로 이루어져 제작이 용이하며 대량 생산이 가능하고 제조 단가가 저렴하다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 사시도이다.
도 2는 도 2의 광학계 구조를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 광 추적 분석도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 종 구면수차(longitudinal spherical abberration)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 비점수차(astigmatism)에 관한 수차 해석 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 왜곡수차(distortion)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 해상도를 나타내는 MTF(Modulation Transfer Function)을 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 스폿 다이어그램(spot diagram)을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라(1000)는, 조리개(100), 피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 오목면(R2) 및, 상기 오목면(R2)을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 볼록면(R3)을 포함하는 렌즈(200), 상기 볼록면(R3)으로부터 이격되게 설치되는 적외선 필터(300) 및, 상기 적외선 필터(300)를 통과한 광을 통해 피사체를 결상하는 센서면(400)을 포함한다.
먼저, 상기 볼록면(R3) 앞에 배치되는 조리개(100)는 본 발명의 광학계에 잡광이 들어오는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
상기 렌즈(200)는 전체적으로 양(+)의 굴절률을 갖으며 양면은 비구면이다.
상기 수평화각 90도의 렌즈(200)는 몰드 성형용 광학소재로 이루어진다.
몰드 성형용 광학소재는 글라스나 플라스틱 등으로 이루어지며, 기존 시장에 나와 있는 비슷한 종류의 소재보다 굴절률과 렌즈 투과 특성이 높은 것을 사용함으로써 초소구경 렌즈부터 중구경 렌즈까지 다양한 광학계 구성이 가능한 소재를 채택하는 것이 좋다.
예컨대, 본 발명의 광학계 설계에 적용된 렌즈 소재는 Ge27 .5-Sb13 .5-Se60 와 같은 몰드성형용 소재로서 2.5 이상의 굴절률과 파장 대역 12㎛까지 65% 이상의 높은 투과도를 가지는 소재가 사용될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 광학소재로 광학계를 구성하게 되면 기존 대비 선명한 영상을 구현할 수 있으며, 몰딩에 의한 성형이 가능하여 제작이 용이하고 제조단가가 저렴한 보안감시 보급형 LWIR 카메라 광학계를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라(1000)는 6400픽셀(센서)을 적용한 보급형 LWIR 1군 1매 광학 설계를 진행하였다.
본 발명의 광학계는 렌즈 중심부와 에지부(210)의 두께를 두껍게 하여 몰드 성형에 유리한 형태를 가지고 있다.
또한, 본 발명에 따른 렌즈(200)의 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)은 아래 <식 1>의 관계에 의해 규정된다.
Figure 112016091086410-pat00004
<식 1>
여기서, k는 원추곡면계수이고, A4, A6, A8 및 A10, A12는 비구면계수이며, h는 광축으로부터 오목면 또는 볼록면까지의 거리이며 c는 중심곡률을 나타낸다.
아래 <표 1>과 같이 비구면계수를 정하여 오목면(R2)과 볼록면(R3)을 규정한다.
<표 1>
Figure 112016091086410-pat00005
또한, 아래 <표 2>와 같이, 렌즈(200)의 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 곡률반경(RC)과 면두께(ST)를 설정하였으며, 굴절율(n)과 분산율(v1)을 정하였다.
상기 분산율(v1)은 아래의 식으로 정의된다.
v1= (n110-1)/(n108-n112) <식 2>
여기서, n110은 1매 렌즈의 파장 10㎛에서의 굴절율, n108은 1매 렌즈의 파장 8.0㎛에서의 굴절율, n112은 1매 렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율이며,
2.0<n110<3.0
<표 2>
Figure 112016091086410-pat00006
여기서, 곡률반경과 면두께는 ±0.5%의 허용범위를 가질 수 있다.
특히, (오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC)/직경의 평균값)은 0.88(±0.5%의 허용범위)이고, (렌즈의 에지부 두께)/(상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC))는 0.57(±0.5%의 허용범위)의 값을 가지므로, 화각 90도를 정확히 맞출 수 있게 된다.
또한, 렌즈 중심부와 에지부의 두께가 두꺼우므로 몰드 성형에 유리한 형태가 가능하게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 조리개와 상기 오목면(R2) 사이의 거리는 0.13mm±0.5%, 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC)는 2.62mm±0.5%, 상기 볼록면(R3)으로부터 적외선 필터까지의 거리는 1.1934.0mm±0.5%, 적외선 필터의 두께는 0.725mm±0.5%, 상기 적외선 필터로부터 센서면까지의 거리는 0.615mm±0.5%로 설정될 수 있다.
본 발명의 렌즈(200)에 두께 공차를 설정하게 되면, 제작되는 렌즈의 허용공차 이내로 제작이 가능하여 일정한 광학성능을 가진 렌즈를 제작할 수 있다.
또한, 렌즈(200)의 모서리 부분을 라운드 형태로 제작함으로써 광학계 조립 및 제작에 유리하게 할 수 있다.
한편, 상기 적외선 필터(300)의 굴절율은 3.421이고 분산율은 2421.0인 것이 적당하다.
이와 같은 조건을 통해, 소정의 화각이 얻어지는 동시에, 종방향 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차를 최소화할 수 있으며, 해상도를 나타내는 MTF(Modulation Transfer Functions)의 값에서 양호한 상태를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같은 구성에 기초하여 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라(1000)의 예시적인 일 실시예를 기재한다.
먼저, 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 렌즈(200)는 스마트기기에 적용할 수 있는 LWIR용 카메라 광학계의 렌즈로서, Ge27 .5-Sb13 .5-Se60로 이루어진 비산화물 적외선 광학유리를 적용하여 몰드 성형을 하였다.
또한, 상기 렌즈(200)의 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 곡률반경은 각각 -13.1807mm(비구면), -2.6572mm(비구면), 오목면(R2)의 직경은 1.84mm, 볼록면(R3)의 직경은 4.12mm로 설정하였다.
전체 렌즈(200)의 두께는 2.745mm로 형성하였다.
장착을 위해 광축과 수직으로 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)으로부터 연장되는 에지부(210)가 형성되며, 이를 고려할 때 전체 렌즈의 직경은 6.0mm 로 설정하였다.
상기 에지부(210)의 길이는 적절히 조정이 가능하다.
상기 에지부(210)의 모서리 부분에는 0.3~0.6mm의 라운드가 처리되어 있다.
렌즈(200)의 오목면(R2)과 볼록면(R3)은 위의 <식 1>과 <표 1> 및 <표 2>로부터 형성하였다.
또한, 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC)는 2.62mm로, 렌즈의 에지부 두께는 1.495로 각각 설정하였다.
또한, 상기 조리개(100)와 상기 오목면(R2) 사이의 거리는 0.13mm, 상기 볼록면(R3)으로부터 적외선 필터(300)까지의 거리는 1.1934mm, 적외선 필터(300)의 두께는 0.72mm, 상기 적외선 필터(300)로부터 센서면(400)까지의 거리는 0.615mm로 정하였다.
상기 적외선 필터(300)의 굴절율은 3.421이고 분산율은 2421.0인 것을 채택하였다.
또한, 상기 센서면(400)의 센서로는 80*80픽셀의 34㎛ 센서가 채택될 수 있다.
이와 같은 구성의 본 발명의 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라(1000)에 대하여 도 3 내지 도 8의 실험결과를 얻을 수 있었다.
도 3은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 광 추적 분석도이고, 도 4는 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 종 구면수차(longitudinal spherical abberration)를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 비점수차(astigmatism)에 관한 수차 해석 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 왜곡수차(distortion)를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 해상도를 나타내는 MTF(Modulation Transfer Function)을 분석한 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라의 스폿 다이어그램(spot diagram)을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라는 거의 모든 필드에서 상들의 값이 중심축에 인접하게 나타나고 있어 각종 수차의 보정 상태가 양호함을 나타내고 있음은 물론 MTF(광학적 요구성능/해상도)를 만족하고 있음을 나타내고 있다.
또한, 본 발명의 광학계의 주변 광량 비는 0.7Field 기준으로 85% 이상 확보하였으며, 왜곡률은 0.7Field 기준으로 27% 광학계 성능을 확보하고 있다.
그리고, 렌즈 직경이 6mm, 렌즈 두께는 2.8mm 이내로 제작이 가능하여 다양한 스마트기기(핸드폰, 노트북, 각종 전자기기 등)에 적용이 가능하다.
따라서, 본 발명은 비산화물 적외선 광학유리와 같은 몰드 성형용 광학소재를 적용하는 것이 충분히 가능하므로, 기존 게르마늄 렌즈 대비 생산 단가를 낮추고 대량생산을 통해 민수 분야에도 쉽게 적용시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 몰드 성형용 광학소재로 이루어지며,
    피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 오목면(R2); 및,
    상기 오목면(R2)을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 볼록면(R3)을 포함하 되, 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)은 아래 <식 1>, <표 1> 및 <표 2>의 관계에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 렌즈;
    Figure 112016091086410-pat00007
    <식 1>
    <표 1>
    Figure 112016091086410-pat00008

    여기서, k는 원추곡면계수이고, A4, A6, A8 및 A10, A12는 비구면계수이며, h는 광축으로부터 오목면 또는 볼록면까지의 거리이며 c는 중심곡률을 나타냄;
    <표 2>
    Figure 112016091086410-pat00009

    여기서, 곡률반경과 면두께는 ±0.5%의 허용범위를 가짐;
    (오목면(R2)의 직경)/(볼록면(R3)의 직경)은 0.45(±0.5%의 허용범위)임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈에는, 광축과 수직방향으로 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3) 사이에서 연장되는 에지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 렌즈.
  3. 제2항에 있어서,
    (오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC)/직경의 평균값)은 0.88(±0.5%의 허용범위)이고, (렌즈의 에지부 두께)/(상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC))는 0.57(±0.5%의 허용범위)인 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 렌즈.
  4. 조리개;
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 렌즈;
    상기 볼록면(R3)으로부터 이격되게 설치되는 적외선 필터; 및,
    상기 적외선 필터를 통과한 광을 통해 피사체를 결상하는 센서면을 포함하는 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 조리개와 상기 오목면(R2) 사이의 거리는 0.13mm±0.5%, 상기 오목면(R2)과 볼록면(R3)의 중심부 두께(TC)는 2.62mm±0.5%, 상기 볼록면(R3)으로부터 적외선 필터까지의 거리는 1.1934.0mm±0.5%, 적외선 필터의 두께는 0.725mm±0.5%, 상기 적외선 필터로부터 센서면까지의 거리는 0.615mm±0.5%이며, 상기 필터의 굴절율은 3.421이고 분산율은 2421.0인 것을 특징으로 하는 수평화각 90도의 장파장 적외선 카메라.
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