KR20080100438A - 적외선 줌 렌즈 및 적외선 카메라 - Google Patents

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KR20080100438A
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infrared zoom
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치히로 히라이와
다츠야 이즈미
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스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

상의 밝기를 유지하면서, 소형으로, 저비용인 구성의 적외선 줌 렌즈 및 그 관련 기술을 제공한다. 이 적외선 줌 렌즈(1a)는, 황화 아연에 의해 형성된 제 1 내지 제 3 렌즈군(G1 ~ G3)을 구비하여 구성되어 있다. 제 1 렌즈군(G1)은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어, 정의 굴절력을 갖고 있다. 제 2 렌즈군(G2)은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어, 부의 굴절력을 갖고 있다. 제 3 렌즈군(G3)은 2장 이상의 렌즈로 구성되어, 렌즈군 전체로서 정의 굴절력을 갖음과 아울러, 상면측의 최종 렌즈로서 물체측으로 볼록면이 향하는 정의 메니커스 렌즈를 구비하고 있다. 주밍시에는 제 2 렌즈군(G2)이 광축을 따라 이동된다. 제 1 내지 제 3 렌즈군(G1 ~ G3) 중 적어도 하나의 렌즈면은 회절면으로 된다. 제 1 및 제 3 렌즈군(G1, G3)의 적어도 하나의 렌즈면은 비구면으로 된다.

Description

적외선 줌 렌즈 및 적외선 카메라{INFRARED ZOOM LENS AND INFRARED CAMERA}
본 발명은, 적외선 줌 렌즈(특히 원적외선 줌 렌즈) 및 적외선 카메라에 관한 것이다.
5군 렌즈 구성의 종래의 적외선 줌 렌즈가, 하기 특허 문헌 1에 개시되어 있다. 또한, 3군 렌즈 구성의 종래의 적외선 줌 렌즈가 하기 특허 문헌 2에 개시되어 있다. 어느 적외선 줌 렌즈에 있어서도, 렌즈의 재료로서 게르마늄이 사용되고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 공개 특허 평 10-213746 호 공보
특허 문헌 2 : 일본 공표 특허 제 2005-521918 호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1의 적외선 줌 렌즈에서는, 사용하고 있는 렌즈 매수가 많고, 렌즈계가 대형화하여, 카메라 전체의 소형화도 곤란하게 되어 버림과 아울러, 렌즈 재료에 고가의 게르마늄을 복수의 렌즈에서 이용하고 있기 때문에, 이 점에 의해서도 비용이 커지는 구성으로 되어 있다.
또한, 특허 문헌 2의 적외선 줌 렌즈에서는, 사용하고 있는 렌즈 매수는 적지만, 렌즈 재료로 게르마늄을 이용하고 있기 때문에, 고비용의 구성으로 되어 있다. 어느 렌즈계도 매우 고가의 재료인 게르마늄을 이용하고 있고, 렌즈뿐만 아니라 카메라의 저비용화의 장해로 되어 있다.
그런데, 황화 아연은 저비용의 적외선 투과 렌즈 재료이지만, 게르마늄에 비해서, 일반적으로 두께 증가에 의한 광량 손실의 증가가 원적외선 파장역(8 ~ 12㎛)에서 크다고 하는 특성이 있다(예컨대, 도 57 참조). 특히, 10㎛ 이상의 파장역에서는, 표면 반사에 의한 광량 손실보다도 재료의 내부 흡수에 의한 광량 손실의 영향이 커져, 투과율이 크게 저하되는 것이 알려지고 있다. 더해서 파장 분산도 크고, 원적외선 영역에서의 렌즈 재료로서는, 게르마늄에 비해 다루기 어렵다고 되어 있다. 또한, 주된 사용 용도인 나이트 비젼 시스템이나 방범 카메라에서는, 적외선 카메라로 수득한 상을 화상 처리하는 것에 의해 인간 인식 등의 판단을 하고 있고, 인식 성능 향상을 위해서는 충분한 해상도의 상을 얻는 것이 필요하다. 이 때문에, 렌즈 재료에 황화 아연을 이용하는 경우에는, 렌즈의 두께를 얇게 하여, 밝은 적외선 상을 얻을 필요가 있다.
또한, 차재용의 나이트 비젼에의 적용에 관련하여, 보통 헤드라이트의 조사범위는 30m 이지만, 야간 주행시에는 30 ~ 80 m의 범위에서 보행자를 인식할 수 있 있는 것이 바람직하다. 또한, 우천시는 노면이 미끄러지기 쉬워 제동 거리가 확대되기 때문에, 보다 멀리 인식할 수 있는 적외선 카메라가 적합하다. 이 때문에, 나이트 비젼용의 적외선 카메라는 망원 촬상이 가능한 것이 바라진다.
한편, 저속 주행시는 운전자가 먼 쪽의 보행자를 인지하고 나서, 회피 행동을 하더라도 충분히 시간에 대는 경우가 많다. 또한, 저속 주행시에 망원 카메라를 이용하면, 나이트 비젼이 필요 이상으로 먼 쪽의 보행자를 인식해 버려, 운전자의 오인식이나 오동작을 초래하는 경우가 있다. 또한, 곡선 주행시 등은 시야의 밖에 보행자가 있는 가능성이 높게 된다. 이 때문에, 저속 주행시는 촬상 시야가 넓은 광각 카메라를 이용하는 것이 바람직하다.
이상으로부터, 나이트 비젼용의 카메라에는, 망원 촬상과 광각 촬상의 양립이 요구되고 있다. 일반적으로 이 요구에 따른 것이 줌 렌즈 기능이며, 방법에는 디지털 줌 렌즈와 광학 줌 렌즈의 종류가 있지만, 나이트 비젼에 보행자 인식 알고리즘을 탑재하는 경우, 화질의 열화가 발생하지 않고, 밝기를 유지할 수 있고 충분한 해상도가 얻어지는 광학 줌 렌즈쪽이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 해결해야 할 과제는, 상의 밝기를 유지하면서, 소형으로, 저비용의 구성의 적외선 줌 렌즈 및 그 관련 기술을 제공하는 것이다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기의 과제를 해결하기 위해서, 제 1 발명은, 물체측으로부터 차례로, 제 1 내지 제 3 렌즈군을 구비하고, 주밍(zooming)시에 상기 제 1 및 제 3 렌즈군이 고정된 상태로, 상기 제 2 렌즈군이 이동되고, 상기 제 1 내지 제 3 렌즈군은 각각, 황화 아연에 의해 형성된 적어도 하나의 렌즈를 갖는다.
또한, 제 2 발명은, 제 1 발명에 따른 적외선 줌 렌즈에 있어서, 상기 제 1 렌즈군은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어, 정(正)의 굴절력을 갖고, 상기 제 2 렌즈군은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어, 부(負)의 굴절력을 갖고, 상기 제 3 렌즈군은 2장 이상의 렌즈로 구성되어, 렌즈군 전체로서 정의 굴절력을 갖음과 아울러, 상면(像面)측의 최종 렌즈로서 물체측으로 볼록면이 향하는 정의 메니커스 렌즈(Meniscus Lens)를 갖고, 상기 제 1 내지 제 3 렌즈군에 구비되는 모든 렌즈가, 황화 아연에 의해 형성되어 있다.
또한, 제 3 발명은, 제 1 또는 제 2 발명에 따른 적외선 줌 렌즈에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 렌즈군에 구비되는 적어도 하나의 렌즈면은 회절면으로 되어 있다.
또한, 제 4 발명은, 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 발명에 따른 적외선 줌 렌즈에 있어서, 상기 제 1 및 제 3 렌즈군에 구비되는 적어도 하나의 렌즈면은 비구면으로 되어 있다.
또한, 제 5 발명은, 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 발명에 따른 적외선 줌 렌즈에 있어서, 이하의 조건:
0.97 < f1/ft < 3.40
단, ft : 제 1 내지 제 3 렌즈군 전체의 최망원측의 촛점 거리
f1 : 제 1 렌즈군의 촛점 거리를 만족시킨다.
또한, 제 6 발명은 제 1 내지 제 5 중 어느 하나의 발명에 따른 적외선 줌 렌즈로서, 이하의 조건:
-1.25 < f2/ft < -0.34
단, ft : 제 1 내지 제 3 렌즈군 전체의 최망원측의 촛점 거리
f2 : 제 2 렌즈군의 촛점 거리를 만족시킨다.
또한, 제 7 발명은, 제 1 내지 제 6 중 어느 하나의 발명에 따른 적외선 줌 렌즈에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 렌즈군에 구비되는 모든 렌즈의 외경 Rd는, 이하의 관계식:
Rd < 40mm을 만족시킨다.
또한, 제 8 발명은, 제 1 내지 제 7 중 어느 하나의 발명에 따른 적외선 줌 렌즈에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 렌즈군에 구비되는 모든 렌즈의 중심 두께 Tm 및 에지 두께 Te는, 이하의 관계식:
1.5 mm < Tm < 8.0 mm
1.0 mm < Te < 8.0 mm을 만족시킨다.
또한, 제 9 발명은, 제 1 내지 제 8 중 어느 하나의 발명에 따른 적외선 줌 렌즈와, 상기 적외선 줌 렌즈에 의해서 결상된 상을 촬상하는 촬상 소자를 구비한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 렌즈 매수를 삭감하는 것, 및 모든 렌즈 재료에 황화 아연을 이용하는 것에 의해, 소형, 저비용이 도모할 수 있음과 아울러, 광투과율이 낮은 황화 아연을 렌즈 재료로 이용하는 것에 의해 상이 어둡게 되는 폐해를 억제할 수 있다. 그 결과, 소형, 저비용의 구성으로, 상이 밝은 적외선 줌 렌즈를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 1의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2은 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 1의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1 중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1 중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 광각시의 구성에 있어서의 파장 12㎛에 대한 MTF 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 2의 망원의 구성에 있어서의 파장 12㎛에 대한 MTF 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1의 광각시의 구성에 있어서의 파장 10㎛에 대한 MTF 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 2의 망원의 구성에 있어서의 파장 10㎛에 대한 MTF 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1의 광각시의 구성에 있어서의 파장 8㎛에 대한 MTF 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 2의 망원의 구성에 있어서의 파장 8㎛에 대한 MTF 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 1의 광각시의 구성에 있어서의 구면 수차 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 1의 광각시의 구성에 있어서의 비점 수차 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 1의 광각시의 구성에 있어서의 왜곡 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 2의 망원의 구성에 있어서의 구면 수차 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 2의 망원의 구성에 있어서의 비점 수차 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 도 2의 망원의 구성에 있어서의 왜곡 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17(a) 내지 도 17(c)는 도 1의 광각시의 구성에 있어서의 각 상 높이에 대응하는 횡 수차 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18(a) 내지 도 18(c)는 도 2의 망원의 구성에 있어서의 각 상 높이에 대응하는 횡 수차 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 2의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 2의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 21은 도 19중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 22는 도 19중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 3의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 3의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 25는 도 23중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 26은 도 23중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 27은 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 4의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 28은 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 4의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 29는 도 27중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 30은 도 27중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 31은 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 5의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 32는 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 실시예 5의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 33은 도 31중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 34는 도 31중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 35는 비교예 1의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 36은 비교예 1의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 37은 도 35중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 38은 도 35중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 39는 비교예 2의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 40는 비교예 2의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 41은 도 39중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 42는 도 39중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 43은 비교예 3의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 44는 비교예 3의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 45는 도 43중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 46은 도 43중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 47은 비교예 4의 광각시의 구성을 나타내는 도면이다.
도 48은 비교예 4의 망원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 49는 도 47중의 각 렌즈의 면 형상, 면 간격, 개구 반경 등을 나타내는 도면이다.
도 50은 도 47중의 비구면 렌즈, 회절 렌즈의 형상 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 51(a) 및 도 51(b)은 조건 1에 관한 실시예 및 비교예의 MTF 특성 등을 정리한 표를 나타내는 도면이다.
도 52(a) 및 도 52(b)은 조건 1에 관한 실시예 및 비교예의 MTF 특성 등을 정리한 표를 나타내는 도면이다.
도 53은 조건 1에 관한 실시예 및 비교예의 MTF 특성 등을 정리한 표를 나타 내는 도면이다.
도 54(a) 및 도 54(b)은 조건 2에 관한 실시예 및 비교예의 MTF 특성 등을 정리한 표를 나타내는 도면이다.
도 55(a) 및 도 55(b)은 조건 2에 관한 실시예 및 비교예의 MTF 특성 등을 정리한 표를 나타내는 도면이다.
도 56은 나이트 비젼의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 57은 황화 아연 렌즈(코팅 없는 경우)의 적외선 파장과 투과율의 관계를, 몇 개의 렌즈 두께에 대하여 나타낸 그래프이다.
부호의 설명
1a ~ 1e : 적외선 줌 렌즈 G1 : 제 1 렌즈군
G2 : 제 2 렌즈군 G3 : 제 3 렌즈군
L1 ~ L4 : 렌즈 Fi : 적외선 투과창
Id : 촬상 소자 21 : 적외선 카메라
23 : 표시부 25 : 제어부
<기본 구성>
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 1 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈의 기본 구성에 대하여 설명한다. 한편, 도 1은 광각시(위치 1)의 구성을 나타내고, 도 2는 망원시(위치 2)의 구성을 나타내고 있다. 또한, 여기서는 도 1 및 도 2의 적외선 줌 렌즈(1a)의 기본 구성에 대해서만 설명하는 것으로 하고, 그보다 상세한 구성에 관해서는 실시예 1에서 후술하는 것으로 한다.
이 적외선 줌 렌즈(1a)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 물체측으로부터 차례로, 황화 아연에 의해 형성된 제 1 내지 제 3 렌즈군(G1 ~ G3)을 구비하여 구성되어 있다. 제 1 렌즈군(G1)은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어, 정의 굴절력을 갖고 있다. 제 2 렌즈군(G2)은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어, 부의 굴절력을 갖고 있다. 제 3 렌즈군(G3)은 2장 이상의 렌즈로 구성되어, 렌즈군 전체로서 정의 굴절력을 갖음과 아울러, 상면측의 최종 렌즈로서 물체측으로 볼록면이 향하는 정의 메니커스 렌즈를 구비하고 있다. 주밍시에 제 1 및 제 3 렌즈군(G1, G3)이 고정된 상태로, 제 2 렌즈군(G2)이 광축을 따라 이동된다. 제 1 내지 제 3 렌즈군(G1 ~ G3)을 투과한 광(적외선)은, 적외선 투과창(Fi)을 통해서 촬상 소자(Id)의 수광면에 입사하여, 그 수광면 상에 상을 형성한다.
이와 같이, 렌즈 매수를 삭감하는 것, 및 모든 렌즈 재료에 황화 아연을 이용하는 것에 의해, 소형, 저비용을 도모할 수 있음과 아울러, 광투과율이 낮은 황화 아연을 렌즈재에 이용하는 것에 의해 상이 어둡게 되는 폐해를 억제할 수 있다. 그 결과, 소형, 저비용의 구성으로, 상이 밝은 적외선 줌 렌즈(1a)를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로는, 제 1 렌즈군(G1)은, 물체측으로 볼록면이 향하는 정의 메니커스 렌즈(L1)에 의해서 구성되어 있다. 제 2 렌즈군(G2)은 양 오목 렌즈(L2) 에 의해서 구성되어 있다. 제 3 렌즈군(G3)은 2개의 렌즈(L3, L4)에 의해서 구성되어 있다. 물체측의 렌즈(L3)은, 볼록면이 상측으로 향하는 부의 메니커스 렌즈이며, 상측의 렌즈(L4)(최종 렌즈)는, 볼록면이 물체측으로 향하는 정의 메니커스 렌즈이다.
또한, 제 1 내지 제 3 렌즈군(G1 ~ G3)에 구비되는 적어도 하나의 렌즈면은 회절면으로 되고, 이것에 의해서, 적외선 투과 렌즈에 있어서 문제가 되기 쉬운 색 수차를 효과적으로 개선할 수 있게 되어 있다. 예컨대, 도 1 및 도 2의 구성에서는, 제 2, 제 4 및 제 8 렌즈면이 회절면으로 되어 있다. 이와 같이, 선두 렌즈(L1)의 물체측면이 아니라, 상측면에 회절면을 설치하는 것에 의해, 회절면이 외부 환경에 노출되어 회절면에 먼지 등이 붙는 것을 방지할 수 있도록 되어 있다. 한편, 도 1 및 도 2에 나타낸 예에서는 합계 3면의 회절면이 설치되고 있지만, 광각 및 망원의 각 줌 렌즈 위치의 색 수차 보정용으로 1면씩, 합계 2면의 회절면으로 구성할 수도 있다.
또한, 제 1 및 제 3 렌즈군(G1, G3)에 구비되는 적어도 하나의 렌즈면은 비구면으로 되어 있다. 제 1 및 제 3 렌즈군(G1, G3)에 구비되는 렌즈(L1, L3, L4)는 구경이 커서 구면 수차가 생기기 쉽기 때문에, 이와 같이 비구면을 이용하는 것에 의해, 효과적으로 수차를 개선할 수 있다. 또한, 직경이 큰 렌즈에 비구면을 설치하는 것에 의해, 비구면의 형상 변화가 심함(팽창 정도)을 다른 렌즈에 설치하는 경우에 비하여 작게 할 수 있어, 금형 제작 및 렌즈 가공의 점에서 가공이 용이해 진다. 보다 구체적으로는, 제 1 내지 제 3 렌즈군(G1 ~ G3) 각각마다 적어도 하나의 비구면이 설치되고, 각 렌즈군(G1 ~ G3)마다 수차가 개선되도록 되어 있다. 예컨대, 도 1 및 도 2의 구성에서는, 제 3, 제 5 및 제 8 렌즈면이 비구면으로 되어 있다.
또한, 이 적외선 줌 렌즈(1a)의 F값은 1.1 정도로 설정되어 있다.
또한, 이 적외선 줌 렌즈(1a)의 줌 비율은 1.4 ~ 1.5 정도로 설정된다. 또한, 이 적외선 줌 렌즈(1a)는, 소정의 결상 성능을 실현하기 위해서, 이하의 2개의 파라미터 조건:
0.97 < f1/ft < 3.40 (1)
-1.25 < f2/ft < -0.34 (2)
단, ft : 제 1 내지 제 3 렌즈군(G1 ~ G3) 전체의 최망원측의 촛점 거리
f1 : 제 1 렌즈군(G1)의 촛점 거리
f2 : 제 2 렌즈군(G2)의 촛점 거리를 만족시키도록 구성되어 있다. 이 2개의 조건 (1), (2)을 만족시키는 것에 의해, 조밀한 구성을 채용하면서, 적외선 줌 렌즈(1a)의 망원시 및 광각시에서의 시야각내의 전역에서, 촬상용으로 수광되는 적외선의 모든 파장역(예컨대, 8 ~ 12㎛)에 대하여 충분한 결상 성능(예컨대, MTF 0.1 이상)을 얻을 수 있게 되어 있다(이 점에 관한 상세한 설명은, 실시예 및 비교예에 기초하여 후술한다). 이것에 의해서, 예컨대, 이 적외선 줌 렌즈(1a)를 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320×240의 촬상 소자(Id)와 조합하여, 해상도가 높은 적외선 화상을 얻을 수 있다.
이러한 구성의 렌즈(L1 ~ L4)는, 다음과 같이 하여 형성된다. 즉, 렌즈 형 상의 금형을 이용하여 황화 아연 원료 분말을 비산화성 분위기 중(예컨대, 진공, Ar 등의 불활성 가스 또는 이들의 조합 등)으로 열간 압축 성형함으로써 다결정 황화 아연 소결체인 렌즈(L1 ~ L4)를 얻는다. 이와 같이, 황화 아연을 이용한 금형 성형에 의해 렌즈(L1 ~ L4)를 제조함으로써 적외선 줌 렌즈(1a)의 재료 비용 및 가공 비용의 대폭적인 삭감을 도모할 수 있도록 되어 있다. 한편, 성형 후의 렌즈(L1 ~ L4)에 대한 연마, 감삭 등의 기계 가공을 하도록 하여도 좋다.
보다 구체적으로는, 상기의 황화 아연 원료 분말으로서는, 평균 입경 0.5 ~ 2㎛에서 순도 98% 이상의 분말을 이용한다. 또한, 열간 압축 성형의 여러 조건은, 온도 900 ~ 1100℃, 압력 15O ~ 8OO kg/㎠가 적당하다. 압력 유지 시간은, 평균적으로는 O.O5 ~ 1.5 시간이며, 온도 및 압력 조건과의 조합에 따라 적절히 조절된다.
여기서, 소정의 광학 성능을 갖는 적외선 줌 렌즈(1a)를 렌즈 형상의 금형을 이용한 열간 압축 성형에 의해 저비용으로 제조하기 위해서는, 렌즈(L1 ~ L4)의 외경이나 두께 등의 구성에 대하여, 그 성형에 적합한 구성을 채용해야 한다.
이 다결정 황화 아연 렌즈는 그 투과 특성을 향상시키거나, 그 표면을 외부 영향으로부터 보호하기 위해서 코팅을 실시하는 것도 유효하다. 그때의 코팅층의 재질이나 두께는 그 적외선 줌 렌즈의 사용 방법, 장소, 상황을 감안하여 적절히 선택된다.
우선, 렌즈(L1 ~ L4)의 외경 Rd에 대해서는, 렌즈(L1 ~ L4)의 외경 Rd를 크게 할수록 밝은 상이 얻어지지만, 외경 Rd가 확대할수록 렌즈 형상의 금형을 이용 한 열간 압축 성형시에 요구되는 프레스 기구의 압축력이 증대한다. 이 때문에, 가공 비용 등의 관점으로부터, 예컨대 화소 피치 25㎛의 촬상 소자(Id)와의 조합을 상정한 경우, 렌즈(L1 ~ L4)의 외경 Rd는, 이하의 관계식:
Rd < 40 mm (3)
을 만족시키도록 설정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해서, 렌즈 형상의 금형을 이용한 열간 압축 성형시의 프레스 기구의 압축력을 억제할 수 있기 때문에, 렌즈 가공을 위한 설비 비용을 억제할 수 있도록 되어 있다.
또한, 렌즈(L1 ~ L4)의 두께에 관해서는, 렌즈 형상의 금형을 이용한 열간 압축 성형시의 성형성(기계 강도, 가공 정밀도 등)을 확보하기 위해서는 어느 정도의 두께가 필요하는 한편, 두께가 커지면 렌즈 투과시의 광량 손실이 커짐과 아울러, 열간 압축 성형시에 렌즈(L1 ~ L4)의 두께 방향에 압축력의 분포가 생겨 두께 방향에 굴절률의 분포가 생기기 쉽게 된다. 이 때문에, 예컨대 화소 피치 25㎛의 촬상 소자(Id)와의 조합을 상정한 경우, 렌즈(L1 ~ L4)의 두께에 관해서는, 중심 두께 Tm 및 에지 두께 Te가 이하의 관계식:
1.5 mm < Tm < 8.0 mm (4)
1.0 mm < Te < 8.0 mm (5)
을 만족시키도록 설정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해서, 렌즈 형상의 금형을 이용한 열간 압축 성형시의 성형성을 확보하면서, 두께가 얇고 렌즈 투과시의 광량 손실이 억제된 적외선 줌 렌즈(1a)를 실현함과 아울러, 렌즈(L1 ~ L4)의 두께를 억제함으로써 열간 압축 성형시에 렌즈의 두께 방향에 압축력의 분포가 생 겨 두께 방향에 굴절률의 분포가 생기는 것을 방지할 수 있도록 되어 있다.
또한, 촬상 소자(Id)로서는, 8 ~ 12㎛ 대에 감도를 가진, 볼로미터, 서모파일, SOI 다이오드 등의 비냉각 열형 촬상 소자가 사용된다. 보통, 160×120, 320×240으로 한 화소수의 촬상 소자(Id)가 이용되지만, 화소 피치가 좁은(예컨대, 25㎛) 촬상 소자(Id)를 이용함으로써 적외선 줌 렌즈(1a)는, 제조상 바람직한 최대 직경 30 mm 정도가 된다.
(실시예)
이하에서는, 상기 실시예의 구체예로서 5개의 실시예 1 ~ 5에 대하여 기재한다. 실시예 1은 상기의 파라미터 조건 (1), (2)의 대략 중앙치에 대응하고 있고, 실시예 2, 3은 파라미터 조건 (1)의 대략 경계치에 대응하고 있고, 실시예 4, 5는 파라미터 조건 (2)의 대략 경계치에 대응하고 있다. 또한, 파라미터 조건 (1)에 대응하는 비교예 1, 2와 파라미터 조건 (2)에 대응하는 비교예 3, 4를 소개하여, 각 실시예 1 ~ 5와 비교예 1 ~ 4를 비교한다.
(실시예 1)
실시예 1에 따른 적외선 줌 렌즈(1a)는, 도 1 내지 도 4에 나타내는 구성을 갖고, f1/ft는 1.672, f2/ft는 -0.597, F값은 1.1, 시야각은 40도→22도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320× 240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값). 한편, 도 4에 나타내는 비구면, 회절면의 형상은, 그 파라미터를 다 음식:
Figure 112008062163314-PCT00001
Figure 112008062163314-PCT00002
에 대입하는 것에 의해 결정된다(이하 동일). 위 식에 있어서, Z는 비구면상의 점으로부터 비구면의 정점에 접하는 접평면에 내린 수선의 길이(mm)이며, y는 광축으로부터의 높이(mm)이며, K는 이심율이며, R는 근축 곡율 반경이며, A, B, C, D는 4차, 6차, 8차, 10차 비구면 계수이다. 또한, N은 굴절률이며, λ는 참조 파장의 값이며, C1 ~ C5는 회절면 계수이다. 한편, 회절 비구면의 면 형상은 위의 수학식 1, 2의 선형 결합에 의해서 주어진다.
이 실시예 1의 구성에 있어서의 시야각 내(광각시 : 0°, 8.71°, 14.97°/망원시 : 0°, 6.64°, 11.19°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 시상(矢狀), 접선의 MTF는, 도 5 내지 도 10에 나타내는 바와 같은 특성으로 되어 있다.
또한, 광각, 망원의 각 모드에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 구면 수차, 비점 수차, 왜곡은, 도 11 ~ 도 16에 나타내는 바와 같은 특성으로 되어 있 다.
또한, 시야각내(광각시 : 0°, 8.71°, 14.97°/망원시 : 0°, 6.64°, 11.19°)의 각 상 높이에 대응하는 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 횡 수차는, 도 17(a) 내지 도 17(c), 및 도 18(a) 내지 도 18(c)에 나타내는 바와 같은 특성으로 되어 있다(각 도면에 있어서 좌측이 접선, 우측이 시상에 대응하고 있다).
(실시예 2)
실시예 2에 따른 적외선 줌 렌즈(1b)은, 도 19 내지 도 22에 나타내는 구성을 갖고, f1/ft는 0.986, F값은 1.1, 시야각은 40도→29도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320× 240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 실시예 2의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 11.54°, 19.77°/망원시 : 0°, 8.75°, 14.50°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 51(b)에 기초하여 후술한다.
(실시예 3)
실시예 3에 따른 적외선 줌 렌즈(1c)는, 도 23 내지 도 26에 나타내는 구성을 갖고, f1/ft는 3.355, F값은 1.1, 시야각은 24도→18도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320×240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 실시예 3의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 6.94°, 11.83°/망원시 : 0°, 5.32°, 8.97°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 52(b)에 기초하여 후술한다.
(실시예 4)
실시예 4에 따른 적외선 줌 렌즈(1d)는, 도 27 내지 도 30에 나타내는 구성을 갖고, f2/ft는 -0.351, F값은 1.1, 시야각은 40도→29도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320× 240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 실시예 4의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 11.56°, 19.83°/망원시 : 0°, 8.77°, 14.57°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 54(b)에 기초하여 후술한다.
(실시예 5)
실시예 5에 따른 적외선 줌 렌즈(1e)는, 도 31 내지 도 34에 나타내는 구성을 갖고, f2/ft는 -1.236, F값은 1.1, 시야각은 27도→19도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320× 240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 실시예 5의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 7.79°, 13.54°/망원시 : 0°, 5.50°, 9.34°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 55(a)에 기초하여 후술한다.
(비교예 1)
비교예 1에 따른 적외선 줌 렌즈(2a)는, 도 35 내지 도 38에 나타내는 구성 을 갖고, f1/ft는 0.954, F값은 1.1, 시야각은 40도→29도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320× 240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 비교예 1의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 11.54°, 19.75°/망원시 : 0°, 8.74°, 14.49°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 51(a)에 기초하여 후술한다.
(비교예 2)
비교예 2에 따른 적외선 줌 렌즈(2b)는, 도 39 내지 도 42에 나타내는 구성을 갖고, f1/ft는 3.518, F값은 1.1, 시야각은 24도→18도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320× 240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 비교예 2의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 6.94°, 11.83°/망원시 : 0°, 5.32°, 8.97°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 53에 기초하여 후술한다.
(비교예 3)
비교예 3에 따른 적외선 줌 렌즈(2c)는, 도 43 내지 도 46에 나타내는 구성을 갖고, f2/ft는 -0.334, F값은 1.1, 시야각은 39도→29도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320× 240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 비교예 3의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 11.45°, 19.52°/망원시 : 0°, 8.75°, 14.50°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특 성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 54(a)에 기초하여 후술한다.
(비교예 4)
비교예 4에 따른 적외선 줌 렌즈(2d)는, 도 47 내지 도 50에 나타내는 구성을 갖고, f2/ft는 -1.276, F값은 1.1, 시야각은 27도→19도로 설정되어 있다(단, 시야각은 화소 피치 25㎛, 화소 크기 320×240의 촬상 소자와 조합한 경우의 값).
이 비교예 4의 구성에 있어서도, 시야각내(광각시 : 0°, 7.78°, 13.53°/망원시 : 0°, 5.50°, 9.34°)에 있어서의 파장 8㎛, 10㎛, 12㎛에 대한 MTF 특성 등을 조사하고 있고, 그 결과는 도 55(b)에 기초하여 후술한다.
(요약)
도 51(a), 도 51(b), 도 52(a), 도 52(b) 및 도 53은, 상기의 파라미터 조건 (1)에 대응하는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1, 2의 MTF 특성 등을 표에 정리한 것이고, 비교예 1, 실시예 2, 실시예 1, 실시예 3, 비교예 2의 차례로 게재하고 있다. 또한, 도 54(a), 도 54(b), 도 55(a) 및 도 55(b)은, 상기의 파라미터 조건 (2)에 대응하는 실시예 4, 5 및 비교예 3, 4의 MTF 특성 등을 표에 정리한 것이고, 비교예 4, 실시예 4, 실시예 5, 비교예 4의 차례로 게재하고 있다. 각 표 중의 MTF값은 공간 주파수 20 lp/mm에서의 값으로 되어 있다.
여기서, 8 ~ 12㎛의 파장대를 타겟으로 한 적외선 줌 렌즈의 광학 성능에 관한 평가 기준으로서는, 예컨대 화소 피치 25㎛의 촬상 소자(Id)와의 조합을 상정한 경우, 공간 주파수 20 lp/mm에서의 MTF가 0.1를 하회하면, 크게 화상의 콘트라스트가 저하되는 것을 경험적으로 알고 있다.
그래서, 광각으로부터 망원에 걸치는 모든 필드 각도 및 8 ~ 12㎛의 모든 파장에 있어서 MTF가 0.1 이상으로 되어 있는지 여부를 기준으로서, 상기의 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 4를 평가하는 것으로 한다. 그렇게 하면, 상기의 표에 나타내는 MTF 특성보다, f1/ft, f2/ft의 값이 상기 파라미터 조건 (1), (2)을 만족시키는 실시예 1 ~ 5에 대해서는, 광각으로부터 망원에 걸치는 모든 필드 각도 및 모든 파장에 있어서 0.1 이상의 MTF가 얻어지고 있지만, f1/ft, f2/ft의 값이 상기 파라미터 조건 (1), (2)를 만족시키지 않는 비교예 1 ~ 4에 대해서는, 광각으로부터 망원에 걸치는 어느 하나의 필드 각도 또는 파장에 의해서 0.1 이상의 MTF가 얻어지지 않는 부분이 생기고 있다. 이것으로부터, 광각으로부터 망원에 걸치는 모든 필드 각도 필드 각도든 파장에 있어서 0.1 이상의 MTF를 얻기 위해서는, 상기 파라미터 조건 (1), (2)을 만족시키도록, f1/ft 및 f2/ft의 값을 설정하면 바람직하다는 것을 알고 있다.
(적용예)
이하에서는, 본 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈(1a ~ 1e)가 차재용의 나이트 비젼에 적용된 경우에 대하여 설명한다. 이 나이트 비젼은, 도 56에 나타낸 바와 같이, 차량의 전단부 등에 설치된 적외선 카메라(21)와, 차 실내에서의 운전석에서 시인가능한 위치에 설치된 액정 표시 장치 등에 의해 이루어지는 표시부(23)와, 적 외선 카메라(21)가 촬상한 화상에 기초하여 화상 처리(콘트라스트에 기초하여 화상 중에서 인간을 추출하는 처리 등)를 행하여, 그 처리 결과에 기초하여 경고 화상 등을 표시부(23)에 표시시키는 제어부(25)를 구비하여 구성되어 있다. 변형예에서, 적외선 카메라(21)의 촬상 화상을 단지 표시부(23)에 표시하는 구성으로서도 좋다.
적외선 카메라(21)는, 상술의 적외선 줌 렌즈(1a ~ 1e), 적외선 투과창(Fi) 및 촬상 소자(Id)를 구비하여 구성되어 있고, 야간 등에 있어서 차량 전방의 물체(사람 등)가 발하는 적외선을 수광함으로써 차량 전방의 적외선 화상을 촬상한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈(1a ~ 1e)를 이용하여 나이트 비젼을 구성함으로써 제어부(25)에 의한 화상 처리에 의해서 적외선 화상 중에서 인간을 추출하는 데 필요한 고해상도로 밝고 콘트라스트도 높은 화상을 얻을 수 있다. 이것에 의해서, 예컨대, 야간이더라도 경치가 밝은 여름의 영상(여름 영상은 배경과 사람(보행자 등)과의 휘도 차이가 작게 된다)이더라도, 화상 처리에 의해 화상 중의 인간을 인식가능하게 할 수 있다. 또한, 적외선 줌 렌즈(1a ~ 1e)가 소형화에 적합하기 때문에, 적외선 카메라의 소형화를 도모할 수 있어, 용이하게 차량에 탑재가능한 나이트 비젼을 구성할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 적외선 줌 렌즈(1a ~ 1e)를 이용하는 것에 의해 줌 방식의 적외선 카메라(21)를 구성할 수 있기 때문에, 차량의 주행 상태에 따라 망원 모드와 광각 모드의 전환이 가능한 나이트 비젼을 구성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 물체측으로부터 차례로 제 1 내지 제 3 렌즈군을 구비하고,
    주밍(zooming)시에 상기 제 1 및 제 3 렌즈군이 고정된 상태로, 상기 제 2 렌즈군이 이동되고,
    상기 제 1 내지 제 3 렌즈군은 각각 황화 아연에 의해 형성된 적어도 하나의 렌즈를 갖는
    것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈군은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어 정(正)의 굴절력을 갖고,
    상기 제 2 렌즈군은 1 또는 2장의 렌즈로 구성되어 부(負)의 굴절력을 갖고,
    상기 제 3 렌즈군은 2장 이상의 렌즈로 구성되어, 렌즈군 전체로서 정의 굴절력을 갖음과 아울러, 상면측의 최종 렌즈로서 물체측으로 볼록면이 향하는 정의 메니커스 렌즈를 갖고,
    상기 제 1 내지 제 3 렌즈군이 갖는 모든 렌즈가 황화 아연에 의해 형성되어 있는
    것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 렌즈군에 구비되는 적어도 하나의 렌즈면은 회절면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 렌즈군에 구비되는 적어도 하나의 렌즈면은 비구면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이하의 조건:
    0.97 < f1/ft < 3.40
    단, ft : 제 1 내지 제 3 렌즈군 전체의 최망원측의 촛점 거리
    f1 : 제 1 렌즈군의 촛점 거리
    를 만족시키는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이하의 조건:
    -1.25 < f2/ft < -0.34
    단, ft : 제 1 내지 제 3 렌즈군 전체의 최망원측의 촛점 거리
    f2 : 제 2 렌즈군의 촛점 거리
    를 만족시키는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 렌즈군에 구비되는 모든 렌즈의 외경 Rd는, 이하의 관계식: Rd < 40mm을 만족시키는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 렌즈군에 구비되는 모든 렌즈의 중심 두께 Tm 및 에지 두께 Te는, 이하의 관계식:
    1.5 mm < Tm < 8.0 mm
    1.0 mm < Te < 8.0 mm
    을 만족시키는 것을 특징으로 하는 적외선 줌 렌즈.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 적외선 줌 렌즈와,
    상기 적외선 줌 렌즈에 의해서 결상된 상을 촬상하는 촬상 소자
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 카메라.
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