KR102209218B1

KR102209218B1 - 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계

Info

Publication number: KR102209218B1
Application number: KR1020170152228A
Authority: KR
Inventors: 김현규; 김정현
Original assignee: (주)토핀스
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2021-01-29
Also published as: WO2019098405A1; KR20190055862A

Abstract

본 발명은 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계에 관한 것으로, 광축을 따라 다수개로 배열된 렌즈들(L1 내지 L7)을 포함하며, 상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 0.9 ~ 1.7㎛ 파장대역을 수광하며, 검출기(D)와 인접한 상기 렌즈(L7)가 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하는 것을 특징으로 한다.

Description

원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계{Short Wave Infrared Camera Optical System for The Long Range Image Monitoring}

본 발명은 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가시광선용 영역에서 사용하는 CCD 카메라나 CMOS 카메라 보다 파장이 길기 때문에 안개 등 시정거리가 제한되는 상황에서 영상 획득시 더 유리하고, 단적외선 파장영역의 레이저빔으로 조명을 하게 되면 야간에도 저시정시에 영상 획득이 가능하므로, 저시정시에 주야간 영상획득이 가능한 최적의 영상장비를 제공할 수 있는 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계에 관한 것이다.

일반적으로, 원적외선(LWIR)은 8~13㎛의 파장대역의 광으로서 인간이 내는 적외선의 파장대를 포함한다. 원적외선 카메라는 야간에 인간이나 사물이 발생하는 적외선을 감지하여 촬상할 수 있는 카메라이다. 관련 선행기술로는 한국 등록특허공보 제10-1214601호 "비열화 적외선 렌즈모듈"이 있다.

중적외선(MWIR)은 파장대역이 3~8㎛인 적외선을 말한다. 중적외선 파장대역은 고온의 목표물 탐지에 유리하여 미사일 탐색기에 주로 이용된다. 협의로는 열 영상장비의 대기창으로 활용되는 3∼5㎛인 적외선을 지칭하기도 한다. 관련 선행기술로는 한국 공개특허공보 제10-2016-0141103호 "냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계"가 있다.

그러나 예를 들면, 원적외선(LWIR) 또는 중적외선(MWIR) 카메라가 레이저 요격장치에 장착된 경우, 안개 등 시정거리가 제한되는 상황에서 적으로부터 침투해오는 전방 상공의 드론을 탐지, 추적 및 요격을 위한 영상 획득에 문제가 있다.

한국 등록특허공보 제10-1214601호 "비열화 적외선 렌즈모듈" 한국 공개특허공보 제10-2016-0141103호 "냉각 열화상카메라 중적외선 10배율 연속줌 광학계"

본 발명의 목적은 안개 등 시정거리가 제한되는 상황에서도 영상 획득이 가능한 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 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 광축을 따라 다수개로 배열된 렌즈들(L1 내지 L7)을 포함하며, 상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 0.9 ~ 1.7㎛ 파장대역을 수광하며, 검출기(D)와 인접한 상기 렌즈(L7)가 광축을 따라 이동하며 상기 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하는 것을 특징으로 한다.

더 구체적으로, 상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 전면 및 후면이 각각 구면으로 형성될 수 있다.

상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 AR코팅(Anti-Reflective Coating)될 수 있다.

본 발명에 의하면, 가시광선용 영역에서 사용하는 CCD 카메라나 CMOS 카메라 보다 파장이 길기 때문에 안개 등 시정거리가 제한되는 상황에서 영상 획득시 더 유리하고, 단적외선 파장영역의 레이저빔으로 조명을 하게 되면 야간에도 저시정시에 영상 획득이 가능하므로, 저시정시에 주야간 영상획득이 가능한 최적의 영상장비을 제공한다. 따라서 예를 들면, 본 발명의 광학계가 레이저 요격장치에 장착되면 적으로부터 침투해오는 전방 상공의 드론을 탐지, 추적 및 요격할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2는 물체거리가 무한대에서의 변조전달함수(MTF)를 나타낸 그래프도이다.

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 같이, 본 발명의 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계는 광축을 따라 다수개로 배열된 렌즈들(L1 내지 L7)을 포함한다. 도면부호 D는 렌즈들(L1 내지 L7)이 수광한 광으로부터 이미지를 검출하는 검출기를 나타낸 것이다.

렌즈들(L1 내지 L7)은 단적외선(SWIR : Short Wave Infrared)을 수광하여 안개 등 시정거리가 제한되는 상황에서도 필요한 영상을 획득할 수 있도록 한다. 즉, 렌즈들(L1 내지 L7)은 0.9 ~ 1.7㎛ 파장대역의 단적외선(SWIR)을 수광하여 검출기(D)가 필요한 영상을 획득할 수 있도록 한다.

단적외선(SWIR)은 물체 자체에서 방출되는 중적외선(MWIR) 및 원적외선(LWIR) 빛과는 달리 물체로부터 양자(photons)가 반사되고 흡수되는 원리로 더 높은 해상도가 필요한 이미징에 우수한 대비(contrast)를 가지는 특성이 있으며, 렌즈들(L1 내지 L7)은 그 단적외선(SWIR)을 수광하여 검출기(D)가 필요한 영상을 획득할 수 있도록 한다.

검출기(D)는 0.9 ~ 1.7㎛ 파장의 단적외선(SWIR) 대역에서 사용 가능한 640 ×512 배열의 인듐갈륨비소(InGaAs : Indium Gallium Aresenide) 이미지센서를 가진다.

이와 같은 본 발명의 광학계는 시야각(FOV : Field of view)이 가로 1.83˚ ×세로 1.47˚이고, 검출기(D)의 1-픽셀 크기는 15㎛로 640×512 배열에서 검출면이 가로 9.60mm×세로 7.68mm의 크기를 가지며, 1-픽셀이 바라보는 순간 시야각(IFOV : Instante Field of view)은 0.1mrad의 값을 가진다.

적외선 광학계의 한계 분해능은 검출기(D)에 의해 결정되며, 이를 만족할 수 있도록 본 발명의 광학계의 F-수는 4.0을 가진다. F-수는 광학계 사양에 의해 결정되는 에어리 디스크(airy disk)의 크기를 고려하여 결정되며, 정리하면 표 1과 같다.

스펙트럼 레인지(Spectral Range)	0.9 ~ 1.7㎛
유효초점거리 (Effective Focal Length)	≥300.0mm
초점 범위(Focus Range)	20m ~ 무한대 @ 와이드 (20m ~ Infinity @ Wide)
F-수 (F-number)	4.0
시야각 @ 무한대 (Field of View @ Infinity )	≥1.83°×1.47°
순간시야각 @ 무한대 (Instantaneous Field of View @ Infinity )	≤0.1mrad
픽셀 포멧 (Pixel format)	640×512 픽셀(15㎛ 피치) (640×512 pixels(15㎛ pitch))

본 발명의 광학계는 최소물체거리인 20m로부터 무한대 영역에서 물체가 어느 위치에 놓이든 모두 초점 조절이 가능하며, 물체 거리 변화시에도 렌즈(L7)가 미세 이동하여 자동 포커스(Auto focu)가 되며, 물체거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스(Defocus)도 렌즈(L7)가 미세 이동하여 성능을 확보한다.

렌즈들(L1 내지 L7)은 크라운 재질과 플린트 재질을 혼합하여 이루어질 수 있고, AR코팅(Anti-Reflective Coating)되어 0.9~1.7μm 파장에 대한 투과율 저하를 최소화할 수 있다.

또한, 렌즈들(L1 내지 L7)은 물체와 대향하는 전면, 및 검출기(D)와 대향하는 후면 모두 구면(Sphere)으로 형성되어 제작 및 정렬의 용이성을 확보할 수 있다. 초점 조절 렌즈(L7)는 다른 렌즈들(L1 내지 L6)에 비해 무게가 가볍게 형성되어 이동을 수월하게 할 수 있다. 표 2는 바람직한 렌즈들(L1 내지 L7)의 곡률반경(Radius)을 표시한 것이다.

구 분		표면 타입 (Surface Type)	곡률반경(Radius) [mm]
L1	전면	구면(Sphere)	700.00
L1	후면	구면(Sphere)	115.41
L2	전면	구면(Sphere)	141.03
L2	후면	구면(Sphere)	-155.04
L3	전면	구면(Sphere)	-134.29
L3	후면	구면(Sphere)	-552.32
L4	전면	구면(Sphere)	217.23
L4	후면	구면(Sphere)	362.17
L5	전면	구면(Sphere)	188.39
L5	후면	구면(Sphere)	93.62
L6	전면	구면(Sphere)	103.10
L6	후면	구면(Sphere)	-144.58
L7	전면	구면(Sphere)	-278.89
L7	후면	구면(Sphere)	199.51

변조전달함수(MTF : Modulation Transfer Function)는 광학계를 통하여 물체를 바라볼 때 광학 모듈이 물체의 영상정보를 얼마나 선명하게 전달해 주는 정도를 규격화된 수치로 나타낸 것으로, 본 발명의 광학계에 대한, 물체거리가 무한대, 물체거리가 50m, 물체거리 20m에서의 변조전달함수(MTF) 성능이 분석되었고, 도 2는 물체거리가 무한대에서의 변조전달함수(MTF)를 나타낸 그래프도이다.

검출기(D) 한 픽셀 크기에 따라 공간 주파수가 결정되고, 해당 주파수에서의 변조전달함수(MTF) 결과를 확인하여 성능을 확인할 수 있다. 광학계가 가질 수 있는 최대 성능을 회절 한계라 하며 도면에서 점선으로 표시되었다.

또한, 빔직경은 각각의 픽셀로 입사되는 광선의 크기를 나타내는 것으로, 빔직경이 작을수록 수차가 적어 변조전달함수(MTF) 성능은 높아지게 된다. 일반적으로 물체가 흑백인 경우 최대 검출기(D) 기준 2-픽셀 크기를 기준으로 설계를 하여 렌즈들(L1 내지 L7)을 통하여 검출기(D)로 입사되는 광선들이 모두 2-픽셀 피치 내에 집광되도록 한다.

빔직경 및 변조전달함수(MTF) 성능을 픽셀 크기로 결정하는 이유는 검출기(D)에서 분해할 수 있는 최소한의 단위가 되기 때문이며, 1-픽셀 크기에 따라 다른 목표 변조전달함수(MTF) 성능 갖는다.

본 발명의 광학계에 대한, 물체거리가 무한대, 물체거리가 50m, 물체거리 20m에서의 스폿 다이어그램(Spot diagram)이 분석되었고, 그 결과 본 발명의 광학계는 모두 2-픽셀 내에 집광됨이 확인되었고, 변조전달함수(MTF) 결과와 함께 살펴보면 빔직경이 큰 경우 작은 경우에 비해 변조전달함수(MTF)도 조금 낮아짐이 확인되었다.

또한, 상질(像質)을 떨어뜨리는 수차 성분들을 제거하여도, 회절현상 등의 효과로 인해 물체상의 한 점이 이미지 면의 한 점으로 동일하게 결상되지는 않는다. 광선수차분석은 광선 패턴을 통해 이런한 문제점들을 확인하고, 파워 및 최적설계를 하는데 중요한 포인트가 된다. 이상적인 렌즈일수록 광선수차 그래프는 0(ZERO)으로 접근하게 되며, 파장의 특성에 따라 다른 두 파장의 기울기를 상쇄시키게 되면 광학적 성능이 보다 우수하게 된다. 추가적으로 종수차도를 통해 구면수차, 비점수차, 왜곡수차등의 각각의 3차 수차량들이 결상면에 미치는 영향을 직접적으로 확인할 수 있다.

또한, 왜곡수차는 무수차 광학계의 이상적인 상(像) 높이와 실제 설계된 광학계의 상 높이의 비선형적인 변화를 나타내는 것으로, 왜곡수차가 커지게 되면 상면의 형태가 일그러져 검출면의 형태와 다르게 된다. 이러한 왜곡수차는 광각 카메라에서 많이 나타나고 있으며, 본 발명의 광학계에 대한, 물체거리가 무한대, 물체거리가 50M, 물체거리가 20M에서의 왜곡수차가 분석되었다.

분석 결과, 왜곡수차 크기가 약 0.0035%로 영상 및 사진촬영 시 사용자가 크게 느낄 수 있는 왜곡수차의 크기가 아니고, 2차원 이미지 시뮬레이션(2-d image simulation)을 통하여 실제 영상 획득시 예측되는 결과 또한 원본과 비교하여도 무리가 없는 수준으로 확인되었다.

또한, 공차분석은 민감도 분석을 통해 이론적으로 설계된 광학계를 조립하거나 제작할 때 발생할 수 있는 성능 저하를 사전에 분석하는 것으로, 렌즈 시스템 설계에 인위적으로 제작 및 조립시 나타날 수 있는 오차를 사전에 인가하여 광학계의 성능 변화를 예측한다.

민감도 분석을 통해 오차허용범위를 해석하고 민감한 부분을 보완시켜 제작 양품율은 높이고 목표성능을 향상시키는 것으로, 민감도 분석을 통해 본 발명의 광학계에 대한 양산 수율이 분석되었다. 분석의 항목으로는 곡률, 굴절률, 두께, 면형상, 디센터. 기울기, 틸트, 그룹틸트, 그룹 디센터 등의 다양한 항목들을 통해 민감도가 분석되었다.

공차분석을 진행한 결과, 현재의 변조전달함수(MTF)에서 제작된 렌즈의 97.7%가 약 18.9% 정도의 성능 저하폭을 가지고 있는 것이 확인되었다. 설계치 기준 일반적으로 약 15~20%정도의 성능저하를 감안할 때 제작성에 큰 문제가 없는 것으로 확인되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 광학계는 가시광선용 영역에서 사용하는 CCD 카메라나 CMOS 카메라 보다 파장이 길기 때문에 안개 등 시정거리가 제한되는 상황에서 영상 획득시 더 유리하고, 단적외선 파장영역의 레이저빔으로 조명을 하게 되면 야간에도 저시정시에 영상 획득이 가능하므로, 저시정시에 주야간 영상획득이 가능한 최적의 영상장비를 제공할 수 있다. 따라서 예를 들면, 본 발명의 광학계가 레이저 요격장치에 장착되면 적으로부터 침투해오는 전방 상공의 드론을 탐지, 추적 및 요격할 수 있다.

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 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

L1 내지 L7 : 렌즈
D : 검출기

Claims

광축을 따라 다수개로 배열된 렌즈들(L1 내지 L7)을 포함하며,
상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 0.9 ~ 1.7㎛ 파장대역을 수광하며,
검출기(D)와 인접한 상기 렌즈(L7)가 광축을 따라 이동하며 물체의 거리 변화 및 온도 변화시 발생되는 디포커스를 보정하고,
상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 전면 및 후면이 각각 구면으로 형성되고,
상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 AR코팅(Anti-Reflective Coating)되고,
상기 렌즈들(L1 내지 L7)은 크라인 재질과 플린트 재질을 혼합하여 이루어고,
상기 렌즈(L1)의 곡률반경은 전면이 700.00mm이고, 후면은 115.41mm이며,
상기 렌즈(L2)의 곡률반경은 전면이 141.03mm이고, 후면은 -155.04mm이며,
상기 렌즈(L3)의 곡률반경은 전면이 -134.29mm이고, 후면은 -552.32mm이며,
상기 렌즈(L4)의 곡률반경은 전면이 217.23mm이고, 후면은 362.17mm이며,
상기 렌즈(L5)의 곡률반경은 전면이 188.39mm이고, 후면은 93.62mm이며,
상기 렌즈(L6)의 곡률반경은 전면이 103.10mm이고, 후면은 -144.58mm이며,
상기 렌즈(L7)의 곡률반경은 전면이 -278.89mm이고, 후면은 199.51mm인 것을 특징으로 하는 원거리 감시용 단적외선 카메라 광학계.
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