KR102299461B1 - 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 비구면 오목면(S1); 상기 오목면을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 비구면 볼록면(S2)을 갖는 렌즈를포함하되,
상기 오목면(S1)과 볼록면(S2)은,
<식 1>

,
[표 1]

(여기서, K는 원추곡면 계수, A,B,C,D는 비구면 계수, y는 렌즈에 입사되는 광선의 높이, c는 렌즈 곡률임) 및
[표 2]

의 관계로 특정되며, 화각이 40도급인 것을 특징으로 한다.

Description

이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계{Angle of view 40-degree far-infrared optical system with uniform resolution for each image area}

본 발명은 이미지 영상 영역별 균일한 해상도(MTF, Modulation Transfer Function)를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계에 관한 것으로, 특히 렌즈의 면을 비구면으로 형성하여 이미지 영상 영역별 해상도 편차가 5% 미만으로 균일한 영상 제공이 가능한 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계에 관한 것이다.

장파장 적외선은 8㎛~12㎛ 파장대의 광으로서 인간이 내는 적외선의 파장대를 포함한다.

상기 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 실정이며 더욱이, 화재감시 기기에 적용하는 광각 렌즈의 경우 소형 형태의 형상을 지니고 있어야 하는데, 이를 직가공하는 것은 현실적으로 어려우므로 새로운 렌즈가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점 및 필요성에 의해 창안된 것으로, 이미지 영상 영역별 5% 미만의 해상도 편차를 갖고 있어 균일한 영상을 제공 및 중심부와 외곽부 모두 선명한 영상을 볼 수 있으며, 기존 게르마늄 렌즈 대비 생산단가를 낮춰 대량생산이 가능하여 다양한 산업분야에 적용가능한 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계 제공을 목적으로 한다.

한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계는 상술한 목적을 달성하기 위하여 피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 비구면 오목면(S1), 상기 오목면을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 비구면 볼록면(S2)을 갖는 렌즈를포함할 수 있다.

바람직하게 상기 오목면(S1)과 볼록면(S2)은,

<식 1>

,

[표 1]

(여기서, K는 원추곡면 계수, A,B,C,D는 비구면 계수, y는 렌즈에 입사되는 광선의 높이, c는 렌즈 곡률임) 및

[표 2]

관계로 특정되며, 화각이 40도급일 수 있다.

바람직하게 상기 렌즈는 칼코지나이드로 이루어질 수 있으며, 상기 렌즈는 8~12㎛ 대역의 원적외선을 투과할 수 있다.

바람직하게 상기 40도급 원적외선 광학계는 중심부 영상과 외곽부 영상의 해상도 편차가 5%미만일 수 있다.

바람직하게 상기 40도급 원적외선 광학계는 유효초점거리가 5.68㎜일 수 있다.

본 발명은 이미지 영상 영역별 5% 미만의 해상도 편차를 갖고 있어 균일한 영상을 제공 및 중심부와 외곽부 모두 선명한 영상을 볼 수 있으며, 기존 게르마늄 렌즈 대비 생산단가를 낮춰 대량생산이 가능하여 다양한 산업분야에 적용가능한 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 원적외선 광학계의 구조를 나타내는 구성도 이다.
도 2는 도 1에 도시된 원적외선 광학계의 광 추적 분석도이다.
도 3은 도 1에 도시된 원적외선 광학계의 해상도를 나타내는 MTF(Modulation Transfer Function)을 분석한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 원적외선 광학계의 종 구면수차(a), 비점수차(b) 및 왜곡수차(c)에 관한 수차 해석 그래프다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 원적외선 광학계의 구조를 나타내는 구성도, 도 2는 도 1에 도시된 원적외선 광학계의 광 추적 분석도, 도 3은 도 1에 도시된 원적외선 광학계의 해상도를 나타내는 MTF(Modulation Transfer Function)을 분석한 그래프이며, 도 4는 도 1에 도시된 원적외선 광학계의 종 구면수차(a), 비점수차(b) 및 왜곡수차(c)에 관한 수차 해석 그래프다.

상기 도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계는 피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 비구면 오목면(S1) 및 상기 오목면을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 비구면 볼록면(S2)을 갖는 렌즈를 포함한다.

이때, 상기 오목면(S1)과 볼록면(S2)은 상술한 바와 같이 비구면으로 이루어며, 이를 통해 이미지 영역별 해상도 편차를 최소화할 수 있다.

한편, 상기 오목면(S1)과 볼록면(S2)은 하기 식 1, 표 1 및 2에 의해 특정되며, 본 발명의 일실시 예에 따른 원적외선 광학계는 화각이 40도급인 것을 특징으로 한다.

<식 1>

,

면	원추곡면 계수 (K)	비구면 계수
		A	B	C	D
S1	0	-0.264790E-01	-0.375447E-03	0.775689E-04	-0.104715E-04
S2	0	-0.803592E-04	-0.980812E-05	0.510877E-06	-0.149058E-07

이때, K는 원추곡면 계수, A,B,C,D는 비구면 계수, y는 렌즈에 입사되는 광선의 높이, c는 렌즈 곡률을 의미한다.

면	곡률반경 (1/c)	렌즈두께 (d)	소재 정보
			굴절률 (n)	아베수 (v)
S1	-13.53mm	6.00mm	2.61	108.53
S2	-6.94mm

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 렌즈의 초점거리는 5.68㎜인 것을 특징으로 하며 이때,상기 초점거리는 하기 <식 2>에 의해 산출된다.

<식 2>

여기서 f'은 렌즈의 초점거리를 의미하며, y는 사용센서의 대각길이를 의미하는 것으로 이때, y는 하기 <식 3>에 의해 산출된 값이며, θ값은 40°이다.

<식 3>

한편, 상기 아베수(v)는 하기 <식 4>에 의해 산출된다.

이때, 상기 Nr은 상기 렌즈의 파장 10㎛ 에서의 굴절율을 의미하며, NL은 상기 렌즈의 8㎛ 에서의 굴절율을 의미하고, N1은 상기 렌즈의 파장 12㎛에서의 굴절율을 의미한다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계는 상기 렌즈가 칼코지나이드(Chalcogenide)로 이루어지며 이때, 상기 칼코지나이드는 8~12㎛ 대역의 원적외선을 투과하는 소재이다.

이를 통해 게르마늄(Germanium) 기반 렌즈에 비해 제작 원가를 절감할 수 있고 대량생산이 가능하다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계는 하기 표 3과 같은 사양을 갖는다.

구분				사양
센서	배열			80 × 80
	픽셀 크기			34㎛
	센서 대각 길이(=이미지 크기)			3.8467mm
	보호 유리		소재	Si
			두께	0.65mm
			수광면 까지 거리	1.30mm
파장대역				8~12㎛
유효초점거리(EFL)				5.6844mm
후초점거리(BFL)				7.2384mm
광학계 전체 길이				13.6984mm
화각				27.56°(H) × 27.56°(V) × 39.21°(D)
F/#				1.20
MTF @ 15lp/mm		0.0 Field		58.2%
		0.7F (Tan. / Sag.)		59.8% / 61.2%
		1.0F (Tan. / Sag.)		58.4% / 59.1%
Distortion		Optical		-5.00%
		TV		-1.27%

한편, 상기 도 2 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계는 거의 모든 필드에서 상들의 값이 중심축에 인접하게 나타나고 있어 각종 수차의 보정 상태가 양호함을 나타내고 있으며, MTF(Modulation Transfer Function)를 만족하고 있음을 확인할 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 일실시 예에 따른 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계는 이미지 영상 영역별 5% 미만의 해상도 편차를 갖고 있어 균일한 영상을 제공 및 중심부와 외곽부 모두 선명한 영상을 볼 수 있으며, 기존 게르마늄 렌즈 대비 생산단가를 낮춰 대량생산이 가능하여 다양한 산업분야에 적용가능한 우수한 효과가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

Claims (5)

1. 피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 비구면 오목면(S1);
   상기 오목면을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 비구면 볼록면(S2)을 갖는 렌즈를포함하되,
   상기 오목면(S1)과 볼록면(S2)은,
   
   <식 1>
   

   

   ,
   
   [표 1]
   

   

   
   (여기서, K는 원추곡면 계수, A,B,C,D는 비구면 계수, y는 렌즈에 입사되는 광선의 높이, c는 렌즈 곡률임) 및
   [표 2]
   

   

   관계로 특정되며, 화각이 40도급이고 유효초점거리가 5.68㎜인 것을 특징으로 하는 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 렌즈는 칼코지나이드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 렌즈는 8~12㎛ 대역의 원적외선을 투과하는 것을 특징으로 하는 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 40도급 원적외선 광학계는 중심부 영상과 외곽부 영상의 해상도 편차가 5%미만인 것을 특징으로 하는 이미지 영상 영역별 균일한 해상도를 갖는 화각 40도급 원적외선 광학계.
   
5. 삭제

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