KR102138577B1

KR102138577B1 - 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계.

Info

Publication number: KR102138577B1
Application number: KR1020190001153A
Authority: KR
Inventors: 정경서; 최현태; 이수경
Original assignee: (주)에이지광학
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2020-07-28
Also published as: KR20200085072A

Abstract

본 발명은 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계에 관한 것으로, 초저분산 비구면 글래스 렌즈 및 양오목 비구면 글래스 렌즈를 포함하며, 상 전달을 통해 결상 기능을 수행하는 제1 광학군, 변배(zooming) 기능을 수행하는 제2 광학군, 릴레이 렌즈를 포함하는 제3 광학군, 포커싱 렌즈를 포함하는 제4 광학군, 및 필터부를 포함하여, 상기 제1 내지 제4 광학군 및 필터부가 순차적으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

Description

무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계.{ZOOM LENS MODULE FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE}

본 발명은 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인항공기에 탑재하여 선명한 영상정보를 획득할 수 있도록 소형화한 줌 렌즈 광학계에 관한 것이다.

무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle)는 드론(drone)이라 불리기도 하며, 조종사가 탑승하지 않고 지정된 임무를 수행할 수 있도록 제작한 비행체를 말한다. 조종사가 탑승하지 않기 때문에 무인항공기는 위성 및 관성 항법 장치를 통해 지상의 조종자가 설정한 경로, 고도, 및 속도로 이동하거나, 무인항공기 내에 탑재된 제어시스템에 의하여 위치나 자세, 방향 등을 제어하여 비행하게 된다.

이러한 무인항공기는 주변 영상을 무인항공기를 원격으로 조종하는 조종사에게 전송하기 위한 운항용 카메라를 기본적으로 구비하고 있으며, 정밀 영상취득을 위한 장치를 부가적으로 설치하면 정밀한 영상을 취득할 수 있는 영상취득시스템 구성이 가능하다.

일반적으로 정밀 영상 취득 장비는 광학 렌즈를 이용하여 구성되며, 이에 따른 피사계 심도(Depth Of Field)의 특성을 나타내며, 광학 렌즈의 성능에 일정한 광각에서 영상을 취득하게 된다. 그런데 빠르게 이동하는 무인항공기에서는 영상을 취득하는 시간 동안에 카메라의 이동이 발생하기 때문에 피사체의 초점을 맞추기 힘들고 넓은 영역에서의 이미지 정보를 얻기 어려운 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 연구가 진행되고 있는데, 예를 들면, 대한민국 등록특허공보 10-0745509호에서는 일반적인 카메라에 광각 및 고변배 줌 렌즈를 채용하여 정, 부, 정, 부, 정의 5군 타입으로 광각 및 고변배 줌을 실현하고 있다. 상기 문헌에서는 광각과 고변배비를 동시에 실현할 때 발생되는 수차를 제3 렌즈군 및 제4 렌즈군을 통해 억제함으로써 고성능의 줌 렌즈를 제공하고 있다.

그러나 이러한 종래기술에서 사용되는 카메라는 무인항공기 카메라에 적용하기에는 광각 및 초점이 충분하지 못하여 빠르게 이동하는 무인항공기에서 취득할 수 있는 영상정보의 양이 부족한 문제가 있다.

본 출원인은 대한민국 공개특허공보 10-2018-0070948호를 통하여 무인항공기에 탑재할 수 있는 초광각 렌즈 모듈을 개시한 바 있으나, 무인항공기와 같은 흔들림과 이동이 발생하는 환경에서 고화질의 영상정보를 획득하기 위해서는 더 많은 개선이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 10-0745509호 대한민국 공개특허공보 10-2018-0070948호

본 발명은 상기와 같은 종래기술을 감안하여 안출된 것으로, 무인항공기에 장착할 수 있는 카메라 렌즈 모듈로서 먼 거리의 물체도 식별이 가능하도록 5배의 줌 기능을 갖도록 하였으며, 줌 렌즈 모듈 안에 무인항공기에 설치가 용이하도록 소형, 경량화된 자동 조리개(auto IRIS)를 적용함으로써 무인항공기의 운항 중 원거리의 물체 및 사물에 대해서도 양질의 이미지 정보를 취득할 수 있는 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 5군의 광학군에 12매의 렌즈 및 필터를 사용함으로써 줌렌즈 광학계의 길이를 축소시키고, 비구면 렌즈로 사용함으로써 줌 렌즈 광학계의 성능을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 조리개의 3군 광학계에 자동 조리개 및 광학적 흔들림 방지 장치(OIS, Optical Image Stabilizer)를 적용시킴으로써 광학적 흔들림 방지 기능을 부가하여 비행 중 흔들림 없는 선명한 영상을 얻을 수 있는 줌 렌즈 광학계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 모듈은 초저분산 비구면 글래스 렌즈 및 양오목 비구면 글래스 렌즈를 포함하며, 상 전달을 통해 결상 기능을 수행하는 제1 광학군, 변배(zooming) 기능을 수행하는 제2 광학군, 릴레이 렌즈를 포함하는 제3 광학군, 포커싱 렌즈를 포함하는 제4 광학군, 및 필터부를 포함하여, 상기 제1 내지 제4 광학군 및 필터부가 순차적으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 줌 렌즈 광학계는 광학적 흔들림 방지 장치(OIS, Optical Image Stabilizer) 또는 자동 조리개(auto IRIS) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 광학적 흔들림 방지 장치 또는 자동 조리개 중 어느 하나 또는 이들의 조합은 제2 렌즈군 및 제3 렌즈군의 사이에 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1 광학군(100), 제3 광학군(400), 및 제4 광학군(500)은 각각 1매의 비구면 렌즈를 포함하며, 또한, 상기 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계는 12매 렌즈 및 필터를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 줌 렌즈 모듈은 무인항공기에 장착할 수 있는 카메라 렌즈 모듈로서 줌 렌즈 모듈을 적용함으로써 무인항공기의 운항 중 원거리의 물체 및 사물에 대한 양질의 이미지 정보를 취득할 수 있는 효과를 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 줌렌즈 광학계에 의하면 줌렌즈 광학계는 5군의 광학군에 12매 렌즈 및 필터를 사용함으로써 줌렌즈 광학계의 길이를 축소시키고, 비구면 렌즈의 사용 및 조리개의 3군 광학계에 Iris 및 OIS를 적용함으로써 광학적 흔들림 방지 기능을 부가하여 비행 중 흔들림 없는 선명한 영상을 얻을 수 있는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계의 구조를 나타낸 측면도로서 줌인 상태(a) 및 줌아웃 상태(b)를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계를 모듈화한 구조를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광학적 흔들림 방지 장치 및 자동 조리개 어셈블리의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 5는 광학적 흔들림 방지 장치 및 자동 조리개 어셈블리가 장착된 줌 렌즈 모듈로서 광각용(a) 및 망원용(b) 줌 렌즈 모듈의 단면도이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 모듈은 도 1에 도시한 바와 같은 구조로 이루어진다. 도 1에서 일점쇄선 및 각 색상 선은 피사체의 상을 나타내는 광 경로이다.

상기 줌 렌즈 모듈은 초저분산 비구면 글래스 렌즈 및 양오목 비구면 글래스 렌즈를 포함함으로써 줌 렌즈 광학계의 전체 길이를 줄일 수 있기 때문에 무인항공기와 같이 소형화된 줌 렌즈 모듈이 요구되는 경우 유효한 효과를 나타낸다.

상기 줌 렌즈 모듈은 상 전달을 통해 결상 기능을 수행하는 제1 광학군(100), 변배(zooming) 기능을 수행하는 제2 광학군(200), 릴레이 렌즈를 포함하는 제3 광학군(400), 포커싱 렌즈를 포함하는 제4 광학군(500) 및 필터부(600)로 이루어져 5군의 광학군으로 이루어지며, 총 12매 렌즈 및 필터를 포함하여 광학계를 형성하게 된다. 또한, 피사체에 대하여 상기 제1 내지 제4 광학군 및 필터부가 순차적으로 배열되는 구조를 가지고 있다.

즉, 상기 제1 광학군(100)은 피사체의 상을 전달하는 결상 기능을 수행하며, 상기 제2 렌즈군(200)은 변배 기능을 통해 배율을 변환하는 기능을 수행하고, 상기 제3 렌즈군(400)은 조리개와 소정의 간격으로 이격되어 설치되며 릴레이 렌즈를 이용하여 변배에 의한 피사체의 상을 전달하는 기능을 수행하며, 상기 제4 렌즈군(500)은 포커싱 기능을 수행하며, 마지막으로 상기 필터부(600)를 통과하여 상이 전달되게 된다.

상기 제1 광학군(100)은 제1 렌즈(GL1), 제2 렌즈(GL2) 및 제3 렌즈(GM3)로 구성되는데, 상기 제3 렌즈(GM3)는 비구면 렌즈로 이루어진다. 이때, 상기 제1 렌즈(GL1)는 음의 굴절력을 가지며, 제2 렌즈(GL2)는 양의 굴절력을 가지고, 상기 제1 렌즈(GL1)를 투과한 광을 상기 제3 렌즈(GL3)로 입사시킴으로써 상기 제1 광학군(100)은 피사체의 상을 제2 광학군(200)에 전달하게 된다.

또한, 상기 제2 광학군(200)은 제4렌즈(GL4), 제5렌즈(GL5) 및 제6렌즈(GL6)로 이루어지는데, 상기 제4렌즈(GL4)는 음의 굴절력을 가지며, 제5렌즈(GL5) 및 제6렌즈(GL6)는 서로 접합되어 구성되되 음의 굴절력을 가지게 된다. 이러한 렌즈의 배열에 의해 상기 제2 광학군(200)은 변배 기능을 수행하게 된다.

상기 제2 광학군(200)에 의해 변배된 상은 제3 광학군(400)에 전달된다. 상기 제3 광학군(400)은 자동 조리개(auto IRIS) 및 양의 굴절력을 가지는 제7 렌즈(GM7) 및 음의 굴절력을 가지는 제8 렌즈(GM8)로 이루어진다. 이때, 상기 제7 렌즈(GM7)로는 비구면 렌즈를 사용한다. 상기 비구면 렌즈 1매는 일반적으로 구면 렌즈 2 내지 3매의 역할을 수행할 수 있으므로 상기 비구면 렌즈의 적용에 의해 줌 렌즈 광학계의 길이가 축소될 수 있다.

상기 제3 광학군(400)을 통과한 상은 포커싱 렌즈로 이루어진 제4 광학군(500)에 전달된다. 상기 제4 광학군(500)은 양의 굴절력을 가지는 제9 렌즈(GM9) 및 서로 접합되어 양의 굴절력을 가지는 제10 렌즈(GL10)과 제11 렌즈(GL11)로 이루어진다. 상기 제4 광학군(500)은 변배 또는 피사체의 거리 변화에 따른 포커싱 기능을 수행하기 위한 것이다. 또한, 상기 제9 렌즈(GM9)는 비구면 렌즈를 사용함으로써 줌 렌즈 광학계의 길이를 축소하게 된다.

상기 제4 광학군(500)을 통과한 상은 제5 광학군에 해당하는 필터부(600)에 전달된다. 상기 필터부(600)는 보상 렌즈의 역할을 하며 상기 제4 광학군(500)으로부터 전달된 광을 수렴하여 최종 수차를 보정하는 기능을 수행한다. 이를 위하여 음의 굴절력을 가지는 제12 렌즈(GL12) 및 필터로 이루어진다.

상기 줌 렌즈 광학계는 피사체와의 거리에 따라 제2 광학군이 이동하면서 줌아웃 상태(도 1(a)) 및 줌인 상태(도 1(b))를 구현할 수 있다. 또한, 제1 광학군(100), 제3 광학군(400), 및 제4 광학군(500)에는 각각 1매의 비구면 렌즈를 포함함으로써 줌 렌즈 광학계의 전체 길이를 짧게 하고, 광학적 흔들림 방지 장치(OIS, Optical Image Stabilizer) 및 자동 조리개(auto IRIS)를 적용함으로써 짧은 길이의 줌 렌즈 광학계를 사용하더라도 무인항공기가 비행 중 촬영할 때 흔들림 없는 선명한 영상을 얻을 수 있는 효과를 나타낸다. 이때, 상기 비구면 렌즈는 초저분산 비구면 글래스 렌즈 및 양오목 비구면 글래스 렌즈 중에서 선택되는 비구면 렌즈를 사용할 수 있으며, 상기 줌 렌즈 광학계는 전체적으로 상기 초저분산 비구면 글래스 렌즈 및 양오목 비구면 글래스 렌즈를 포함하는 구조로 이루어진다.

일 실시예에서 상기 줌 렌즈 모듈을 구성하는 12매의 렌즈는 표 1과 같은 굴절율, 아베수 및 유효 초점 거리(Effective Focal Length)는 다음과 같다.

순서	항목	굴절율(Nd)	아베수(Vd)	EFL
1	GL1	1.84666±0.0005	23.78±0.70%	-30.319158
2	GL2	1.51680±0.0005	64.20±0.70%	32.071271
3	GM3	1.69008±0.0005	52.79±0.70%	21.115709
4	GL4	1.883000±0.0005	40.80±0.70%	-7.413907
5	GL5	1.8042±0.0005	46.5±0.70%	-4.822192
6	GL6	1.922860±0.0005	20.88±0.70	7.476291
7	GM7	1.69008±0.0005	52.79±0.70%	11.185146
8	GL8	1.922860±0.0005	20.88±0.70%	-28.351633
9	GM9	1.51483±0.0005	63.33±0.70%	16.049283
10	GL10	1.48749±0.0005	70.45±0.70%	9.598075
11	GL11	1.90366±0.0005	31.32±0.70%	-10.395279
12	GL12	1.51680±0.0005	64.20±0.70%	-40.47197

상기와 같은 광학적 특성을 가지는 12매의 렌즈를 조합하여 광학계를 구성하면 본 발명에서 목적하는 무인항공기 탑재가 가능한 줌 렌즈 광학 모듈을 제작할 수 있는 것으로 나타났다.

이러한 줌 렌즈 광학계를 광학 모듈에 적용하면 도 2와 같은 광학 모듈을 형성할 수 있다. 즉, 상기 줌 렌즈 모듈은 전방 렌즈통(front barrel)을 제1 렌즈군(100)으로 하고, 줌 렌즈통(zoom barrel)을 제2 렌즈군(200)으로 하며, 포커스 렌즈통(focus barrel)을 제3 렌즈군(400)으로 하고, 후방 렌즈통(real barrel)을 제4 렌즈군(500), 상기 후방 렌즈통 내에 설치되는 필터부(미도시)로 하여 순차적으로 배치된다.

본 발명의 줌 렌즈 모듈은 광학적 흔들림 방지 장치 및 자동 조리개를 포함함으로써 높은 수준의 이미지 정보를 얻을 수 있게 되는데, 상기 광학적 흔들림 방지 및 자동 조리개(300)는 제2 렌즈군(200) 및 제3 렌즈군(400) 사이에 위치하여 줌 렌즈 모듈의 이미지 정보 취득 효율을 향상시키게 된다.

또한, 상기 제4 렌즈군(500)에는 FPCB(flexible PCB)(610)에 장착된 포토인터럽터(620)가 부착되어 광로(光路)를 차단함으로써 물체의 검출, 위치의 검출, 계수 등을 할 수 있도록 한다.

또한, 제1 렌즈군(100) 및 제3 렌즈군(400)에는 각각 스테핑 모터(STP)가 장착되어 펄스 신호를 줄 때마다 일정한 각도씩 회전함으로써 고품질의 이미지 정보를 획득할 수 있게 된다. 상기 스테핑 모터는 제1 렌즈군(100)에 장착되는 줌 STM(zoom STM)(710) 및 제3 렌즈군(400)에 장착되는 포커스 STM(focus STM)(720)으로 이루어진다.

본 발명의 줌 렌즈 모듈은 도 3에 도시된 바와 같이 소형 줌 렌즈 모듈로 제조할 수 있다. 상기 줌 렌즈 모듈은 폭이 4 내지 4.5㎝, 길이가 5㎝ 정도의 크기로 제조되며, 약 36g의 경량으로 제작되기 때문에 무인 항공기에 장착하더라도 전체 하중에 영향을 미치지 않아 무인 항공기의 장거리 비행을 가능하게 한다. 또한, 상기 줌 렌즈 모듈은 높은 화각과 8M의 고해상도, 광각을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 줌 렌즈 모듈에 장착되는 광학적 흔들림 방지 장치 및 자동 조리개는 어셈블리 형태로 따로 제작되어 장착될 수 있다. 이 경우 도 4에서와 같이 자동 조리개(310)와 광학적 흔들림 방지 장치(340)의 사이에 렌즈(320) 및 스페이서(330)를 구비함으로써 조리개를 통하여 들어오는 이미지 정보를 렌즈를 통해 광학적 흔들림 방지 장치로 보냄으로써 하나의 어셈블리를 통해 이미지 정보의 흔들림을 보정할 수 있게 된다.

상기 어셈블리가 장착되는 줌 렌즈 모듈은 도 5에 도시된 바와 같이, 광각용(도 5(a)) 및 망원용(도 5(b))에 따라 렌즈군의 배치를 조절하여 제조할 수 있다.

따라서 본 발명의 줌 렌즈 광학계는 모듈화함으로써 무인항공기에 탑재할 수 있을 정도로 소형 및 경량이면서도 종래의 줌 렌즈 모듈에 비해 향상된 이미지 정보 획득 성능을 나타낼 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100 : 제1 렌즈군 200 : 제2 렌즈군
300 : IRIS 및 OIS 400 : 제3 렌즈군
500 : 제4 렌즈군 600 : 필터부
310 : IRIS 320 : 렌즈
330 : 스페이서 340 : OIS
610 : FPCB 620 : 포토인터럽터
710 : 줌 STM 720 : 포커스 STM
800 : 샤프트 핀 900 : PCB

Claims

초저분산 비구면 글래스 렌즈 및 양오목 비구면 글래스 렌즈를 포함하며,
상 전달을 통해 결상 기능을 수행하는 제1 광학군, 변배(zooming) 기능을 수행하는 제2 광학군, 릴레이 렌즈를 포함하는 제3 광학군, 포커싱 렌즈를 포함하는 제4 광학군, 및 필터부를 포함하여, 상기 제1 내지 제4 광학군 및 필터부가 순차적으로 배열되며,
상기 제1 광학군(100), 제3 광학군(400), 및 제4 광학군(500)은 각각 1매의 비구면 렌즈를 포함하며,
12매 렌즈 및 필터를 포함하며,
상기 제1 광학군은 굴절율이 1.84666±0.0005, 아베수가 23.78±0.70%인 제1 렌즈(GL1), 굴절율이 1.51680±0.0005, 아베수가 64.20±0.70%인 제2 렌즈(GL2), 및 굴절율이 1.69008±0.0005, 아베수가 52.79±0.70%인 제3 렌즈(GM3)로 이루어지며,
상기 제2 광학군은 굴절율이 1.883000±0.0005, 아베수가 40.80±0.70%인 제4 렌즈(GL4), 굴절율이 1.8042±0.0005, 아베수가 46.5±0.70%인 제5 렌즈(GL5), 및 굴절율이 1.922860±0.0005, 아베수가 20.88±0.70%인 제6 렌즈(GL6)로 이루어지며,
상기 제3 광학군은 굴절율이 1.69008±0.0005, 아베수가 52.79±0.70%인 제7 렌즈(GM7) 및 굴절율이 1.922860±0.0005, 아베수가 20.88±0.70%인 제8 렌즈(GL8)로 이루어지며,
상기 제4 광학군은 굴절율이 1.51483±0.0005, 아베수가 63.33±0.70%인 제9 렌즈(GM9), 굴절율이 1.48749±0.0005, 아베수가 70.45±0.70%인 제10 렌즈(GL10), 굴절율이 1.90366±0.0005, 아베수가 31.32±0.70%인 제11 렌즈(GL11)로 이루어지며,
상기 필터부는 굴절율이 1.51680±0.0005, 아베수가 64.20±0.70%인 제12 렌즈(GL12) 및 필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계.
청구항 1에 있어서,
상기 줌 렌즈 광학계는 광학적 흔들림 방지 장치(OIS, Optical Image Stabilizer) 또는 자동 조리개(auto IRIS) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계.
청구항 2에 있어서,
상기 광학적 흔들림 방지 장치 또는 자동 조리개 어셈블리 중 어느 하나 또는 이들의 조합은 제2 렌즈군 및 제3 렌즈군의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 무인항공기 탑재용 줌 렌즈 광학계.
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