KR102476794B1

KR102476794B1 - 적외선 줌 광학모듈

Info

Publication number: KR102476794B1
Application number: KR1020200134058A
Authority: KR
Inventors: 옥창민
Original assignee: 엘아이지넥스원 주식회사
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-12-12
Also published as: KR20220050406A

Abstract

본 발명에서는 전체 줌 배율에서 원적외선 대역에 적용 가능하도록 낮은 F/수를 유지하고, 광선수차를 최소화하여 회절한계 성능을 만족하며, 고배율의 구현이 가능한 적외선 줌 광학모듈이 소개된다.

Description

적외선 줌 광학모듈 {INFRARED ZOOM LENS MODULE}

본 발명은 주야간 감시용 CCTV, 산업용, 의료용 비냉각 열상장비, 군용 감시정찰 등에 사용되는 비냉각 열상장비의 적외선 줌 광학모듈에 관한 것이다.

열화상카메라는 감시용, 산업용, 연구용, 의료용으로 구분할 수 있으며 감시용의 경우에는 피사체에서 발생되는 적외선 흑백영상을 그대로 사용하고 있으나, 산업용, 연구용, 의료용은 피사체에서 발생되는 적외선 복사에너지를 온도차이로 표현하여 슈도칼라로 영상을 얻게되어 피사체에 대한 이차원 온도분포를 볼 수 있다.

이러한 온도분포는 냉난방 시스템 제작 및 설치시 에너지 손실을 최소화하는데 사용되거나, 제품검사 또는 열분포 최적화 시스템을 구현하기 위한 연구장비 또는 의료용 체열진단기나 공황검색대에서 조류독감 및 신종플루에 감염되어 체온이 올라간 사람을 검색하는데 사용되고 있다.

열화상카메라는 적외선 검출기를 77K로 냉각하여 중적외선과 원적외선 대역에서 사용되는 냉각형과 적외선 검출기를 냉각하지 않고 원적외선 대역에서만 사용되는 비냉각형이 있다.

냉각형 열화상카메라는 적외선 검출기에 냉각기를 붙여서 사용하기 때문에 부피가 크고 약간의 진동과 소음이 있으나, 검출기의 성능이 좋아서 원거리 관측이나 고화질 구현이 가능한 반면, 비냉각형 열화상카메라는 냉각기가 필요없기 때문에 소형경량화가 가능하므로 좁은 공간에 장착하거나 휴대용으로 사용하기에 적합하여 최근 널리 보급되고 있다. 다만, 비냉각형 열화상카메라는 냉각형 열화상카메라에 비해 관측거리, 고화질 구현에 제한이 발생되는 문제가 있다.

즉, 종래에는 원적외선 열상장비에 적용하기 위해 광학계의 F수는 f/2.0 이하로 제한된다. 통상적으로 적외선 줌렌즈 광학계는 기계보정식 4렌즈군으로 구성되나 작은 F/수를 유지하며 줌 배율을 올릴 수 없어 줌비가 길어질수록 광학계 길이도 길어지는 문제가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2006-0014962 A (2006.02.16)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전체 줌 배율에서 원적외선 대역에 적용 가능하도록 낮은 F/수를 유지하고, 광선수차를 최소화하여 회절한계 성능을 만족하며, 고배율의 구현이 가능한 적외선 줌 광학모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈은 탐지하고자 하는 물체측으로부터 제1렌즈군, 제2렌즈군, 제3렌즈군, 제4렌즈군, 제5렌즈군이 순차적으로 나열되며, 제1렌즈군은 양의 굴절능을 가지는 제1렌즈와 제2렌즈를 포함하여 고정 배치되고, 제2렌즈군은 음의 굴절능을 가지며 광축을 따라 이동 가능하게 마련되는 단일렌즈로 이루어짐으로써 이동 위치에 따라 배율을 변화시키며, 제3렌즈군은 양의 굴절능을 가지는 제3렌즈와 제4렌즈를 포함하여 고정 배치되며, 제3렌즈와 제4렌즈 중 하나가 하이브리드 렌즈로 이루어지고, 제4렌즈군은 양의 굴절능을 가지고 광축을 따라 이동 가능하게 마련되는 단일렌즈로 이루어짐으로써, 배율 변화에 따른 보정 및 물체까지의 거리 변화에 따른 초점조절을 하며, 제5렌즈군은 양의 굴절능을 가지고 단일 하이브리드 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 한다.

제1렌즈군을 이루는 제1렌즈는 물체측을 향하는 제1물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제1상측면이 오목하게 형성되며, 제2렌즈는 물체측을 향하는 제2물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제2상측면이 오목하게 형성된 것을 특징으로 한다.

제2렌즈군을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제3물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제3상측면이 오목하게 형성된 것을 특징으로 한다.

제3렌즈군을 이루는 제3렌즈는 물체측을 향하는 제4물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제4상측면이 오목하게 형성되며, 제4렌즈는 물체측을 향하는 제5물체측면이 오목하게 형성되고 물체측의 반대측인 제5상측면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 한다.

제4렌즈군을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제6물체측면과 물체측의 반대측인 제6상측면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 한다.

제5렌즈군을 이루는 하이브리드렌즈는 물체측을 향하는 제7물체측면과 물체측의 반대측인 제7상측면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 한다.

제2렌즈군을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제3물체측면이 비구면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제3렌즈군을 이루는 제3렌즈는 물체측을 향하는 제4물체측면이 회절 비구면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제4렌즈군을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제6물체측면이 비구면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제5렌즈군을 이루는 하이브리드렌즈는 물체측의 반대측인 제7상측면이 회절 비구면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제1렌즈군을 이루는 제1렌즈, 제2렌즈군을 이루는 단일렌즈, 제3렌즈군을 이루는 제4렌즈, 제4렌즈군을 이루는 단일렌즈는 셀렌화아연(ZnSe) 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제1렌즈군을 이루는 제2렌즈, 제3렌즈군을 이루는 제3렌즈, 제5렌즈군을 이루는 하이브리드렌즈는 게르마늄(Ge) 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 적외선 줌 광학모듈은 전체 줌 배율에서 원적외선 대역에 적용 가능하도록 낮은 F/수를 유지하고, 광선수차를 최소화하여 회절한계 성능을 만족하며, 고배율의 구현이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈의 저배율 상태에서 각 렌즈군의 배치를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈의 고배율 상태에서 각 렌즈군의 배치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈에서 배율 변환시 제2렌즈군과 제4렌즈군의 이동 궤적을 나타낸 도면.
도 4는 저배율(1.0배율) 상태에서 광학계가 갖는 배경잡음과 회절효율이 고려된 MTF 그래프.
도 5는 고배율(10.0배율) 상태에서 광학계가 갖는 배경잡음과 회절효율이 고려된 MTF 그래프.
도 6은 저배율(1.0배율) 상태에서 광학계가 갖는 수차특성을 나타낸 도면.
도 7은 고배율(10.0배율) 상태에서 광학계가 갖는 수차특성을 나타낸 도면.
도 8은 제3렌즈군의 제3렌즈에서 물체측을 향하는 제4물체측면에 적용된 회절광학소자 면 형상을 나타낸 도면.
도 9는 5렌즈군을 이루는 단일 하이브리드렌즈에서 물체측의 반대측인 제7상측면에 적용된 회절광학소자 면 형상을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 줌 광학모듈에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈은 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, 탐지하고자 하는 물체측으로부터 제1렌즈군(100), 제2렌즈군(200), 제3렌즈군(300), 제4렌즈군(400), 제5렌즈군(500)이 순차적으로 나열된다.

도 1은 시야각 54.22° X 42.01°에 해당되는 기본배율(1.0배율) 상태에서 각 렌즈군의 배치를 나타낸 것이며, 도 2는 시야각 5.86° X 4.40°해당하는 고배율(10.0) 상태에서 각 렌즈군의 배치를 나타낸 것이다.

즉, 본 발명은 제1렌즈군(100), 제2렌즈군(200), 제3렌즈군(300), 제4렌즈군(400)으로 이루어지는 기계보정식 확장형 4군 줌에서 확장군인 제5렌즈군(500)이 더해져 5군으로 구성된다.

여기서, 제1렌즈군(100)은 양의 굴절능을 가지는 제1렌즈(110)와 제2렌즈(120)를 포함하여 고정 배치된다.

제2렌즈군(200)은 음의 굴절능을 가지며 광축을 따라 이동 가능하게 마련되는 단일렌즈로 이루어짐으로써 이동 위치에 따라 배율을 변화시킨다.

제3렌즈군(300)은 양의 굴절능을 가지는 제3렌즈(310)와 제4렌즈(320)를 포함하여 고정 배치되며, 제3렌즈(310)와 제4렌즈(320) 중 하나가 하이브리드 렌즈로 이루어진다.

제4렌즈군(400)은 양의 굴절능을 가지고 광축을 따라 이동 가능하게 마련되는 단일렌즈로 이루어짐으로써, 배율 변화에 따른 보정 및 물체까지의 거리 변화에 따른 초점조절을 한다.

제5렌즈군(500)은 양의 굴절능을 가지고 단일 하이브리드 렌즈로 이루어져 고정 배치된다.

이러한 각 렌즈군은 통상적인 케이스에 설치될 수 있으며, 제2렌즈군(200)과 제4렌즈군(400)은 모터의 구동에 의해 광축을 따라 이동될 수 있다.

본 발명의 적외선 줌 광학모듈은 비냉각 열상장비에 적용될 수 있다. 여기서, 원적외선 비냉각 열상장비에 적용되기 위해서는 광학계의 F/수가 F/2.0 이하로 제한되는데, 본 발명은 F/수를 유지하면서 배율을 확보하여 광선수차를 최소화하고 회절한계 성능을 만족한다. 또한, 제1렌즈군(100)과 제5렌즈군(500)이 최전방(물체측)과 최후방(물체측의 반대방향)에 고정 배치되고, 제1렌즈군(100)과 제5렌즈군(500) 사이에서 제2렌즈군(200)과 제4렌즈군(400)이 광축을 따라 이동되는 구조를 이룸에 따라 전체 배율 구간에서 광학계의 길이가 유지된다.

상세하게, 제1렌즈군(100)을 이루는 제1렌즈는 물체측을 향하는 제1물체측면(R1)이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제1상측면(R2)이 오목하게 형성되며, 제2렌즈(120)는 물체측을 향하는 제2물체측면(R3)이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제2상측면(R4)이 오목하게 형성된다.

제2렌즈군(200)을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제3물체측면(R5)이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제3상측면(R6)이 오목하게 형성된다. 또한, 제2렌즈군(200)을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제3물체측면(R5)이 비구면을 포함한다.

제3렌즈군(300)을 이루는 제3렌즈(310)는 물체측을 향하는 제4물체측면(R7)이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제4상측면(R8)이 오목하게 형성되며, 제4렌즈(320)는 물체측을 향하는 제5물체측면(R9)이 오목하게 형성되고 물체측의 반대측인 제5상측면(R10)이 볼록하게 형성된다. 여기서, 제3렌즈군(300)을 이루는 제3렌즈(310)는 물체측을 향하는 제4물체측면(R7)이 회절 비구면을 포함하며, 하이브리드렌즈로 구성될 수 있다.

제4렌즈군(400)을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제6물체측면(R11)과 물체측의 반대측인 제6상측면(R12)이 볼록하게 형성된다. 여기서, 제4렌즈군(400)을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제6물체측면(R11)이 비구면을 포함한다.

제5렌즈군(500)을 이루는 하이브리드렌즈는 물체측을 향하는 제7물체측면(R13)과 물체측의 반대측인 제7상측면(R14)이 볼록하게 형성된다. 여기서, 제5렌즈군(500)을 이루는 하이브리드렌즈는 물체측의 반대측인 제7상측면(R14)이 회절 비구면을 포함한다.

이처럼, 각 렌즈군의 각 렌즈 형상과 더불어, 비구면과 회절 비구면의 특수한 면의 렌즈를 사용하고 배열함으로써 주간 및 야간의 환경변화에도 인식품질이 유지되며, 광역대 파장을 폭 넓게 사용 가능하다.

즉, 제2렌즈군(200)을 이루는 단일렌즈와 제4렌즈군(400)을 이루는 단일렌즈에 포함되는 비구면은 렌즈와 같이 구면에서 약간 벗어난 곡면을 가지는 형태를 말하며, 중심부에서 주변부로 점진적으로 편평해지는 면 형태를 가진다. 비구면을 가질 경우 중심부의 곡률보다 주변부의 곡률의 낮아져서, 중심부의 굴절율과 주변부의 굴절율이 달라지게 된다.

제3렌즈군(300)을 이루는 제3렌즈(310)와 제5렌즈군(500)을 이루는 하이브리드렌즈에 포함되는 회절 비구면은 비구면에 톱니와 같은 2차원, 3차원의 회절무늬가 새겨진 면을 의미한다.

한편, 제1렌즈군(100)을 이루는 제1렌즈(110), 제2렌즈군(200)을 이루는 단일렌즈, 제3렌즈군(300)을 이루는 제4렌즈(320), 제4렌즈군(400)을 이루는 단일렌즈는 셀렌화아연(ZnSe) 성분을 포함할 수 있다.

또한, 제1렌즈군(100)을 이루는 제2렌즈(120), 제3렌즈군(300)을 이루는 제3렌즈(310), 제5렌즈군(500)을 이루는 하이브리드렌즈는 게르마늄(Ge) 성분을 포함할 수 있다.

이를 통해, 본 발명의 광학모듈에서 초점거리의 변화가 최소화되도록 할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈은 도 3에 도시된 바와 같이, 제2렌즈군(200)과 제4렌즈군(400)이 이동될 수 있으며, 제2렌즈군(200)의 이동 궤적에 따라 배율이 변환되고, 제4렌즈군(400)의 이동 궤적에 따라 배율 변환에 따른 초점이 보상된다.

본 발명에 따른 광학계의 설계 제원은 다음의 표 1과 같다.

여기서, A는 비구면(Aspheric surface), D는 회절면(Diffractive surface)이다. 또한, S1은 렌즈가 받아들이는 빛이 통과되는 기구의 홀이고, S2, S3은 검출기 윈도우(Detector Window)(W)이며, S4는 수광면 상에 맺히는 물체의 상면이다.

즉, 제1렌즈군(100), 제2렌즈군(200), 제3렌즈군(300), 제4렌즈군(400), 제5렌즈군(500)을 순차적으로 투과한 적외선은 검출기 윈도우를 거쳐 촬상소자의 수광면에 입사되어 물체의 이미지가 맺히게 된다.

본 발명에 따른 각 렌즈군의 굴절능은 표 2와 같다.

한편, 제3렌즈군(300)을 이루는 제3렌즈(310)와 제5렌즈군(500)을 이루는 하이브리드렌즈의 사양은 다음의 표 3과 같다.

이에 따라, 본 발명의 적외선 줌 광학모듈은 기준배율인 1.0 배율에서 10.0배율까지 광범위한 배율을 연속적으로 가변할 수 있으며, 이대 광학계의 F수는 F/1.4가 유지된다. 또한, 설계 파장 범위는 7.7㎛에서 12.7㎛로 비냉각 열상장비에 적용 가능하다.

한편, 도 4 내지 도 5는 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈의 MTF 성능을 나타낸 그래프이다.

MTF(Modulation Transfer Function)는 렌즈의 성능 평가 방법의 하나로 주기적인 흑백의 수직 띠를 촬영하여, 그 컨트라스트의 저하를 이미지의 주기 또는 그 역수인 공간 주파수(spatial frequency)의 관수로 나타내는 것이다. MTF 성능을 나타낸 그래프에서 세로축은 표준화된 변조 전달 함수값이고, 가로축은 분해능(cy/mm)을 나타낸다.

여기서, 도 4은 기준배율인 1.0배율에서 MTF를 나태낸 것이고, 도 5는 10.0배율에서 MTF를 나타낸 것으로, 모든 범위에 대해 성능이 유지되어 고배율로 증대되더라도 광학 성능이 유지됨을 알 수 있다.

도 6 내지 7은 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈의 왜곡수차를 나타낸 그래프이다.

여기서, 도 6은 기준배율이 1.0배율, 도 7은 10.0배율에서 종구면수차(LSA;LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 비점수차 상면만곡(astigmatic field curvature), 왜곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.

한편, 도 8 내지 9는 본 발명에 따른 적외선 줌 광학모듈에서 하이브리드렌즈에 적용된 회절 광학소자 형상이다. 즉, 제3렌즈군(300)을 이루는 제3렌즈(310)의 물체측을 향하는 제4물체측면(R7)과 제5렌즈군(500)을 이루는 단일 하이브리드렌즈의 물체측의 반대측인 제7상측면(R14)에 적용된 회절 광학소자 형상을 나타낸 것이다.

이와 같이, 본 발명은 비냉각 열상장비에 적용할 수 있는 전체 배율 범위에서 F/1.4를 만족하며 줌 배율10X의 구현이 가능한 광학계를 구성한다. 또한, 본 발명은 전체 배율범위에 걸쳐 연속적으로 변화가 가능하며, 제3렌즈군(300)과 제5렌즈군(500)에 적용된 하이브리드렌즈에 의해 수차가 효과적으로 억제되어 회절한계 성능을 갖는다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100:제1렌즈군 110:제1렌즈
120:제2렌즈 200:제2렌즈군
300:제3렌즈군 310:제3렌즈
320:제4렌즈 400:제4렌즈군
500:제5렌즈군

Claims

탐지하고자 하는 물체측으로부터 제1렌즈군, 제2렌즈군, 제3렌즈군, 제4렌즈군, 제5렌즈군이 순차적으로 나열되며,
제1렌즈군은 양의 굴절능을 가지는 제1렌즈와 제2렌즈를 포함하여 고정 배치되고,
제2렌즈군은 음의 굴절능을 가지며 광축을 따라 이동 가능하게 마련되는 단일렌즈로 이루어짐으로써 이동 위치에 따라 배율을 변화시키며, 물체측을 향하는 제3물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제3상측면이 오목하게 형성되며,
제3렌즈군은 양의 굴절능을 가지는 제3렌즈와 제4렌즈를 포함하여 고정 배치되고, 제3렌즈와 제4렌즈 중 하나가 하이브리드 렌즈로 이루어지며,
제4렌즈군은 양의 굴절능을 가지고 광축을 따라 이동 가능하게 마련되는 단일렌즈로 이루어짐으로써, 배율 변화에 따른 보정 및 물체까지의 거리 변화에 따른 초점조절을 하며,
제5렌즈군은 양의 굴절능을 가지고 단일 하이브리드 렌즈로 이루어져 고정 배치된 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제1렌즈군을 이루는 제1렌즈는 물체측을 향하는 제1물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제1상측면이 오목하게 형성되며,
제2렌즈는 물체측을 향하는 제2물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제2상측면이 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
삭제
청구항 1에 있어서,
제3렌즈군을 이루는 제3렌즈는 물체측을 향하는 제4물체측면이 볼록하게 형성되고 물체측의 반대측인 제4상측면이 오목하게 형성되며,
제4렌즈는 물체측을 향하는 제5물체측면이 오목하게 형성되고 물체측의 반대측인 제5상측면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제4렌즈군을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제6물체측면과 물체측의 반대측인 제6상측면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제5렌즈군을 이루는 하이브리드렌즈는 물체측을 향하는 제7물체측면과 물체측의 반대측인 제7상측면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제2렌즈군을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제3물체측면이 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제3렌즈군을 이루는 제3렌즈는 물체측을 향하는 제4물체측면이 회절 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제4렌즈군을 이루는 단일렌즈는 물체측을 향하는 제6물체측면이 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제5렌즈군을 이루는 하이브리드렌즈는 물체측의 반대측인 제7상측면이 회절 비구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제1렌즈군을 이루는 제1렌즈, 제2렌즈군을 이루는 단일렌즈, 제3렌즈군을 이루는 제4렌즈, 제4렌즈군을 이루는 단일렌즈는 셀렌화아연(ZnSe) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.
청구항 1에 있어서,
제1렌즈군을 이루는 제2렌즈, 제3렌즈군을 이루는 제3렌즈, 제5렌즈군을 이루는 하이브리드렌즈는 게르마늄(Ge) 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 광학모듈.