KR102127743B1 - 도트 사이트 광학계 - Google Patents

Abstract

도트 사이트 광학계가 개시된다. 본 발명의 도트 사이트 광학계는, 엘이디 광을 출사하는 광원; 및 도트 사이트의 하우징 내부에 마련되어 광원에서 입사되는 광을 반사시켜 평행빔으로 사용자의 눈으로 들어가게 하는 이중 접합 렌즈를 포함하고, 이중 접합 렌즈는 광원과 마주보도록 하우징 내부에 마련되는 오목 렌즈 및 오목 렌즈에 접합 결합되어 렌즈 반사부를 마련하는 볼록 렌즈를 포함하고, 광원은 이중 접합 렌즈의 가장자리인 광축 상에 위치되고, 이중 접합 렌즈의 광축 아래 부분이 제거된 것을 특징으로 한다.

Description

도트 사이트 광학계{OPTICAL SYSTEM FOR DOT SIGHT}

본 발명은, 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이중 접합렌즈를 사용하고 쇄기형(Wedge type) 형상을 이루도록 함으로써 레드 도트(Red Dot)에 의한 보다 우수한 조준점 구현 및 사물의 상(Image) 성능을 구현할 수 있는 도트 사이트 광학계에 관한 것이다.

기존 도트 사이트(Dot Sight) 광학계의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 기본적으로 렌즈(100)를 기울여서 바디 하우징(200)에 장착하는 방법이기 때문에 렌즈의 기울임 효과에 의한 문제점들이 발생하게 된다.

즉, 렌즈를 기울게 되면 렌즈의 두께 효과로 인하여 사물의 상이 일 방향으로 이동되어 보이는 현상이 발생(도면 2 참고)하게 되어 레드 도트(Red dot) 조준점과 사물의 상이 불일치하게 되는 갭 오차가 발생하게 된다. 레드 도트란 엘이디 광이 렌즈에서 반사되어 눈에서 시인되는 현상을 말한다(엘이디 광원은 주로 적색으로 사용하기 때문에 일반적으로 붉은 점처럼 시인됨으로 레드 도트로 불리움).

즉, 렌즈를 기울이지 않고 설계된 경우, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 도트 사이트의 렌즈 창(300)을 통하여 선 형태의 사물(400)을 보았을 때 사물(400)과 사물(400)의 상 간에 어긋남이 없다. 하지만, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 렌즈(100)가 기울어져서 설계된 경우 렌즈 창(300)의 상이 사물(400)과 어긋나 보이는 현상의 문제가 생기게 된다. 이 효과는 일정 두께를 가진 평판 유리를 기울여서 사물을 볼 때의 효과와 동일한 원리라고 할 수 있다.

또한 렌즈(100)를 기울임으로써 아주 작은 양이 될 수 있지만 레드 도트의 키스톤 왜곡(Keystone Distortion)이 발생될 수 있다. 키스톤 왜곡이란 임의로 광학계를 기울이게 되면 기울이는 방향으로 아래위의 상 크기가 달라지는 현상을 말한다.

도 3의 (a)에 도시된 사각 격자 형태의 사물(500)을 기울인 렌즈를 통하여 볼 경우, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 키스톤 왜곡을 가진 사물의 상(600)과 같이 보일 수 있다.

또한 렌즈를 기울이게 되면 수차 성능에도 좋지 않은 영향을 주게 되기 때문에 상(사물의 상 및 엘이디 반사광의 상)의 결상 성능 저하가 발생한다.

전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

한국등록특허공보 제10-1440057호(주식회사 유텍, 이종민) 2014. 09. 03.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 쇄기형이면서 이중 접합렌즈를 사용하여 엘이디 반사광인 레드 도트에 대한 시차 발생을 최소화하고, 사물의 상이 선명하면서 왜곡 없이 1배율로 시인될 수 있는 최적의 렌즈 곡률 부여 방법과 제품의 콤팩트 디자인에 적절이 부합될 수 있는 도트 사이트 광학계를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 엘이디 광을 출사하는 광원; 및 도트 사이트의 하우징 내부에 마련되어 상기 광원에서 입사되는 광을 반사시켜 평행빔으로 사용자의 눈으로 들어가게 하는 이중 접합 렌즈를 포함하고, 상기 이중 접합 렌즈는 상기 광원과 마주보도록 상기 하우징 내부에 마련되는 오목 렌즈 및 상기 오목 렌즈에 접합 결합되어 렌즈 반사부를 마련하는 볼록 렌즈를 포함하고, 상기 광원은 상기 이중 접합 렌즈의 가장자리인 광축 상에 위치되고, 상기 이중 접합 렌즈의 광축 아래 부분이 제거된 도트 사이트 광학계가 제공될 수 있다.

상기 이중 접합 렌즈에는 결합 가이드 홈이 마련되고, 상기 결합 가이드 홈은 상기 하우징에 마련된 돌출부에 끼워 맞춤 결합될 수 있다.

상기 이중 접합 렌즈에 BK7 재질을 적용하고, 상기 오목 렌즈의 초점거리를 f라고 하고, 상기 엘이디 광의 입사 방향을 기준으로 상기 이중 접합 렌즈가 R1, R2, R3 순서의 곡률을 가진다고 하면, R2/f 의 최적치로서 V1이라고 하면, V1=1.56 이 되고, V1-0.05 < R2/f < V1+0.1 또는 1.51 < R2/f < 1.66 의 범위를 가지고, R2/R1의 최적치로서 V2이라고 하면, V2=1.50 이 되고, V2-0.05 < R2/R1 < V2+0.1 또는 1.45 < R2/R1 < 1.60 의 범위를 가지고, 1.0 < R3/R1 < 1.1 의 범위를 갖는 식을 구비할 수 있다.

상기 이중 접합 렌즈는 굴절률 n을 갖는 재질로 마련되고, R2/f의 최적치로서 V1이라고 하면, V1= -0.19*n+1.85가 되고, V1-0.05 < R2/f < V1+0.1의 범위를 가지고, R2/R1의 최적치로서 V2이라고 하면, V2= -0.51*n+2.27이 되고, V2-0.05 < R2/R1 < V2+0.1 의 범위를 가지고, 1.0 < R3/R1 < 1.1 의 범위를 가질 수 있다.

상기 엘이디 광원은 상기 오목 렌즈의 초점 거리에 위치하게 될 수 있다.

상기 이중 접합 렌즈는 상기 오목 렌즈와 상기 볼록 렌즈가 접합된 이중 접합 원판 렌즈를 상기 광축으로부터 h만큼 떨어진 위치까지의 직경(Φ)으로 절단하여 마련되고, -0.3 < h/Φ < 0.2 의 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 이중 접합 렌즈가 광원과 마주보도록 하우징 내부에 마련되는 오목 렌즈 및 오목 렌즈에 접합 결합되어 렌즈 반사부를 마련하는 볼록 렌즈를 포함하고, 광원이 이중 접합 렌즈의 가장자리인 광축 상에 위치되고, 이중 접합 렌즈의 광축 아래 부분이 제거됨으로써 엘이디 반사광인 레드 도트에 대한 시차 발생을 최소화하고, 사물의 상이 선명하면서 왜곡 없이 1배율로 시인될 수 있는 최적의 렌즈 곡률를 부여할 수 있고, 디자인을 콤팩트하게 마련할 수 있다.

도 1은 종래 방식의 도트 사이트 광학계의 개념도이다.
도 2는 렌즈에 의한 상 이동 현상을 표현한 도면이다.
도 3은 키스톤 왜곡 현상을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 실시 예에 따른 도트 사이트 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시 예의 실제 적용도이다.
도 6은 본 실시 예에 적용된 이중 접합 렌즈의 광 투과도이다.
도 7은 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈의 설계에 대한 부호를 표기한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈의 설계 실시 예시에 대한 도표이다.
도 9는 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈의 설계에 대한 렌즈 절단도이다.
도 10은 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈에 결합 가이드 홈이 마련된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 4는 본 실시 예에 따른 도트 사이트 광학계를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 실시 예의 실제 적용도이고, 도 6은 본 실시 예에 적용된 이중 접합 렌즈의 광 투과도이고, 도 7은 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈의 설계에 대한 부호를 표기한 도면이고, 도 8은 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈의 설계 실시 예시에 대한 도표이고, 도 9는 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈의 설계에 대한 렌즈 절단도이고, 도 10은 도 1에 도시된 이중 접합 렌즈에 결합 가이드 홈이 마련된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 도트 사이트 광학계는, 하우징(10)과, 하우징(10)에 마련되며 엘이디 광을 출사하는 광원(20)과, 도트 사이트의 하우징(10) 내부에 마련되어 광원(20)에서 입사되는 광을 반사시켜 평행빔(40)으로 사용자의 눈으로 들어가게 하는 이중 접합 렌즈(30)를 구비한다.

하우징(10)은, 도트 사이트의 외형을 이루는 바디로써 그 내부에는 광원(20)과 이중 접합 렌즈(30)가 마련될 수 있다.

본 실시 예에서 하우징(10)의 내벽에는 이중 접합 렌즈(30)에 마련된 결합 가이드 홈(34)이 끼워 맞춤 결합되는 돌출부가 마련될 수 있다.

광원(20)은, 이중 접합 렌즈(30)로 엘이디 광을 출사하고 이중 접합 렌즈(30)로 입사되는 엘이디 광은 이중 접합 렌즈(30)로부터 반사된 후 평행빔(40)이 되어 사용자의 눈으로 들어오게 됨으로서 조준점인 레드 도트(Red dot)로 인식될 수 있다.

본 실시 예에서 광원(20)은 엘이디 소자를 포함한다.

또한 본 실시 예에서 광원(20)은 이중 접합 렌즈(30)의 광축에 있으면서 엘이디 광의 반사 역할을 하는 이중 접합 렌즈(30)의 오목 렌즈(31)의 초점 위치에 있을 수 있다.

나아가 본 실시 예에서 광원(20)인 엘이디 소자는 650nm 정도에 해당하는 적색광을 보통 많이 사용하지만 520nm 정도의 녹색 및 기타 가시광 파장 영역의 광원(20)을 사용할 수도 있다.

이중 접합 렌즈(30)는, 광원(20)을 가장자리 위치로 포함하는 형태로 일측 부분만 절단하여 사용하게 되는 도 5처럼 사용하게 되어 쐐기 형상을 가질 수 있다.

본 실시 예에 따른 이중 접합 렌즈(30)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 광원(20)과 마주보도록 하우징(10) 내부에 마련되는 오목 렌즈(31)와, 오목 렌즈(31)에 접합 결합되는 볼록 렌즈(32)와, 오목 렌즈(31)와 볼록 렌즈(32)가 접하는 영역에 마련되는 렌즈 반사부(33)와, 오목 렌즈(31)와 볼록 렌즈(32)에 마련되어 하우징(10)에 마련된 돌출부에 끼워 맞춤 결합되는 결합 가이드 홈(34)을 포함한다.

본 실시 예의 이중 접합 렌즈(30)는 비록 일측 부분만 잘려서 사용된 쐐기 형상의 렌즈로 구성된 구조가 되었지만, 렌즈가 기울여진 형태가 아닌 수직 정립된 구조이며, 광원(20)이 이중 접합 렌즈(30)의 광축 상에 위치하면서 오목 렌즈(31)의 초점에 정확히 위치되어야 하는 도트 사이트용 렌즈 광학계로 볼 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 사물로부터 입사된 빔이 1배율로 렌즈를 투과되도록 하기 위하여서는 이중 접합 렌즈(30)의 전체 파워(굴절력)는 제로(0)가 되도록 렌즈 구성이 되어야 하며, 빔이 렌즈를 투과하여도 렌즈가 없는 경우와 마찬가지로 빔 상태가 달라지지 않아야 한다.

그러므로 평형빔이 이중 접합 렌즈(30)를 입사한 후 투과하였다면, 출사된 빔도 평행빔(40)이 되어야 한다.

도 5에 도시된 바와 같이 광원(20)으로부터 발산된 엘이디 광이 오목 렌즈(31)로부터 반사되어 평행으로 출사되어야 하고, 도 6에 도시된 바와 같이 사물로부터 출발된 평행빔(40)이 이중 접합 렌즈(30)로 입사된 후 또한 평행이 되어 출사되도록 적절한 렌즈 설계가 되어야 한다.

전술한 기능을 갖는 이중 접합 렌즈(30)의 설계를 위하여서는 렌즈면의 곡률, 두께, 유리 재질의 굴절률 등의 설계 변수들을 적절히 최적화하여 구현하게 되는데, 다음의 공식들을 만족하는 곡률을 적용하게 되면 바람직한 설계 성능의 구현이 가능하게 됨으로 유용한 설계 수단으로 활용될 수 있다.

구현된 공식들은 설계 변수들을 여러 가지 수치로 변화시키면서 최적으로 설계한 여러 데이타들을 종합하여 최종 도출된 결과라고 할 수 있다.

도 7에서 렌즈 G1, G2의 재질에 BK7을 동일하게 적용할 경우, 오목렌즈인 G1 렌즈의 초점거리(EFL 또는 Effective Focal Length)를 f라고 하면 다음과 같은 범위의 식을 만족하며, 전술한 초점거리 f는 G1 렌즈의 반사면(R2면)까지 포함되어 도출된 값이다. 본 실시 예에 적용되는 BK7 글래스는 독일 scott사의 소재로 보로실리케이트와 크라운 유리들의 장점을 혼합해놓은 소재이다.

R2/f 의 최적치로서 V1이라고 하면, V1=1.56 이 적절하며, V1-0.05 < R2/f < V1+0.1 의 범위가 바람직하다.

또는 1.51 < R2/f < 1.66 의 범위가 바람직하다고 할 수 있다.

따라서 f가 결정되면 R2에 대한 적절한 범위의 값을 알 수 있다.

R2/R1 의 최적치로서 V2라고 하면, V2=1.50 이 적절하며, V2-0.05 < R2/R1 < V2+0.1 의 범위가 바람직하다.

또는 1.45 < R2/R1 < 1.60 의 범위가 바람직하다고 할 수 있다.

따라서 R2가 결정되면 R1에 대한 적절한 범위의 값도 알 수 있다.

도 7의 G1, G2가 접합된 상태의 전체 렌즈 파워는 0에 가까우므로 R1과 R3는 서로 평행한 수준의 곡률을 가지기 때문에 다음과 같은 범위를 가져야 바람직하다고 할 수 있다.

1.0 < R3/R1 < 1.1가 된다.

따라서 R1이 결정되면 R3에 대한 적절한 범위의 값도 알 수 있다.

도 7의 렌즈 G1, G2가 특정 재질이 아닌 임의의 굴절률 n을 가질 경우, G1 렌즈의 초점거리(EFL 또는 Effective Focal Length)를 f라고 하면 다음과 같은 범위의 식을 만족하며, 전술한 초점거리 f는 G1 렌즈의 반사면(R2면)까지 포함되어 도출된 값이다.

R2/f 의 최적치로서 V1이라고 하면, V1= -0.19*n+1.85가 적절하며, V1-0.05 < R2/f < V1+0.1 의 범위가 바람직하다.

따라서 f가 결정되면 R2에 대한 적절한 범위의 값을 알 수 있다.

R2/R1 의 최적치로서 V2라고 하면, V2= -0.51*n+2.27 이 적절하며, V2-0.05 < R2/R1 < V2+0.1 의 범위가 바람직하다.

따라서 R2가 결정되면 R1에 대한 적절한 범위의 값도 알 수 있다.

도 7의 G1, G2 가 접합된 상태의 전체 렌즈 파워는 0에 가까우므로 R1과 R3는 서로 평행한 수준의 곡률을 가지기 때문에 다음과 같은 범위를 가져야 바람직하다고 할 수 있다.

1.0 < R3/R1 < 1.1 가 된다.

따라서 R1이 결정되면 R3에 대한 적절한 범위의 값도 알 수 있다.

전술한 기능을 갖는 이중 접합 렌즈(30)의 설계 예시가 도 8에 기재되어 있다.

도 8에서 이중 접합 렌즈(30) 중의 오목렌즈(G1 렌즈)는 초점거리(EFL) f=95mm

를 적용하였고, 접합된 전체 렌즈의 파워는 제로로서 초점거리가 거의 무한대(초점

이 맺히지 않음)가 되도록 설계되었으므로 사물의 상을 1배율로 볼 수 있는 도트 사이트 광학계가 구현되었다고 할 수 있으며, 전술한 곡률 관련된 공식들을 잘 만족하고 있으므로 엘이디 반사광에 대한 시차의 최소화 및 사물에 대한 수차 최소화로 인하여 선명한 상이 구현되었다고 할 수 있다.

도 9는 이중 접합 원판 렌즈(50)를 광축으로부터 h만큼 떨어진 위치까지의 직경(Φ)으로 절단하여 이중 접합 렌즈(30)가 마련된 것이 도시되어 있다.

즉 이중 접합 원판 렌즈(50)의 일부인 원형 형상의 이중 접합 렌즈(30)를 렌즈 광축으로부터 h 만큼 떨어진 위치까지의 직경(Φ)으로 잘라낸 것이 도시되어 있다.

다양한 제품 디자인에 맞도록 렌즈를 절단하여 내기 위하여서는 도 9와 같이 이중 접합 원판 렌즈(50)의 직경 절반(D/2) 보다 더 큰 직경(Φ)으로 잘라낼 수 있지만, 더 작은 직경으로도 잘라 낼 수 있기 때문에 h는 양의 값은 물론 음의 값을 가질 수도 있으며, 적절한 제품 디자인이 되기 위하여서는 -0.3 < h/Φ < 0.2 의 범위가 바람직하다고 할 수 있다.

또한 본 실시에에 있어서 도 10에서와 같이 쇄기형 이중 접합 렌즈(30)를 원형으로 잘라서 하우징(10)에 장착하고자 할 경우, 일반 렌즈와 같은 회전대칭성이 없기 때문에 정확한 조립이 어려울 수 있다. 본 실시 예는 이를 고려하여 렌즈의 가장자리에 결합 가이드 홈(34)음 만들고, 하우징(10) 내 조립될 위치에 돌출부(그림 생략)를 만들게 되면, 끼움에 의한 용이한 조립이 가능할 수 있으므로 유용한 조립 수단이 될 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시예는 이중 접합 렌즈가 광원과 마주보도록 하우징 내부에 마련되는 오목 렌즈 및 오목 렌즈에 접합 결합되어 렌즈 반사부를 마련하는 볼록 렌즈를 포함하고, 광원이 이중 접합 렌즈의 가장자리인 광축 상에 위치되고, 이중 접합 렌즈의 광축 아래 부분이 제거됨으로써 엘이디 반사광인 레드 도트에 대한 시차 발생을 최소화하고, 사물의 상이 선명하면서 왜곡 없이 1배율로 시인될 수 있는 최적의 렌즈 곡률를 부여할 수 있고, 디자인을 콤팩트하게 마련할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 하우징 20 : 광원
30 : 이중 접합 렌즈 31 : 오목 렌즈
32 : 볼록 렌즈 33 : 렌즈 반사부
34 : 결합 가이드 홈 40 : 평행빔
50 : 이중 접합 원판 렌즈 100 : 렌즈
200 : 바디 하우징 300 : 렌즈 창
400 : 선 형태의 사물 500 : 사각 격자 형태의 사물
600 : 키스톤 왜곡을 가진 사물의 상

Claims (6)

1. 엘이디 광을 출사하는 광원; 및
   도트 사이트의 하우징 내부에 마련되어 상기 광원에서 입사되는 광을 반사시켜 평행빔으로 사용자의 눈으로 들어가게 하는 이중 접합 렌즈를 포함하고,
   상기 이중 접합 렌즈는 상기 광원과 마주보도록 상기 하우징 내부에 마련되는 오목 렌즈 및 상기 오목 렌즈에 접합 결합되어 렌즈 반사부를 마련하는 볼록 렌즈를 포함하고,
   상기 광원은 상기 이중 접합 렌즈의 가장자리인 광축 상에 위치되고,
   상기 이중 접합 렌즈의 광축 아래 부분이 제거되고,
   상기 이중 접합 렌즈는 상기 오목 렌즈와 상기 볼록 렌즈가 접합된 이중 접합 원판 렌즈를 상기 광축으로부터 h만큼 떨어진 위치까지의 직경(Φ)으로 절단하여 마련되고, -0.3 < h/Φ < 0.2 의 범위를 갖는 도트 사이트 광학계.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 이중 접합 렌즈에는 결합 가이드 홈이 마련되고,
   상기 결합 가이드 홈은 상기 하우징에 마련된 돌출부에 끼워 맞춤 결합되는 도트 사이트 광학계.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 이중 접합 렌즈에 BK7 재질을 적용하고,
   상기 오목 렌즈의 초점거리를 f라고 하고, 상기 엘이디 광의 입사 방향을 기준으로 상기 이중 접합 렌즈가 R1, R2, R3 순서의 곡률을 가진다고 하면,
   R2/f 의 최적치로서 V1이라고 하면, V1=1.56 이 되고,
   V1-0.05 < R2/f < V1+0.1 또는 1.51 < R2/f < 1.66 의 범위를 가지고,
   R2/R1의 최적치로서 V2이라고 하면, V2=1.50 이 되고,
   V2-0.05 < R2/R1 < V2+0.1 또는 1.45 < R2/R1 < 1.60 의 범위를 가지고,
   1.0 < R3/R1 < 1.1 의 범위를 갖는 식을 구비한 도트 사이트 광학계.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 이중 접합 렌즈는 굴절률 n을 갖는 재질로 마련되고,
   R2/f의 최적치로서 V1이라고 하면, V1= -0.19*n+1.85가 되고,
   V1-0.05 < R2/f < V1+0.1의 범위를 가지고,
   R2/R1의 최적치로서 V2이라고 하면, V2= -0.51*n+2.27이 되고,
   V2-0.05 < R2/R1 < V2+0.1 의 범위를 가지고,
   1.0 < R3/R1 < 1.1 의 범위를 갖는 도트 사이트 광학계.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 엘이디 광원은 상기 오목 렌즈의 초점 거리에 위치하게 되는 도트 사이트 광학계.
6. 삭제

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