KR20080105935A - Convertible lens and hyperspectral imaging system having the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 일반적인 카메라의 화각을 이해하기 위한 개념도.1 is a conceptual diagram for understanding the angle of view of a conventional general camera.
도 2는 렌즈의 앞에 초다중분광 필터를 장착하는 종래의 제1 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.2 is a conceptual diagram of a hypermultispectral imaging system of a first conventional embodiment in which an ultramultispectral filter is mounted in front of a lens;
도 3은 렌즈와 카메라 몸체 사이에 초다중분광 필터를 장착하는 종래의 제2 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.3 is a conceptual diagram of an ultramultispectral imaging system of a second conventional embodiment in which an ultramultispectral filter is mounted between a lens and a camera body;
도 4는 광각 렌즈와 릴레이 렌즈의 사이에 초다중분광 필터를 장착하는 종래의 제3 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.4 is a conceptual diagram of an ultramultispectral imaging system of a third conventional embodiment in which an ultramultispectral filter is mounted between a wide-angle lens and a relay lens;
도 5는 변환 렌즈를 사용하는 본 발명의 실시예의 초다중분광 영상 시스템의 개념도.5 is a conceptual diagram of an ultramultispectral imaging system of an embodiment of the present invention using a conversion lens.
도 6은 본 발명의 실시예의 기본 렌즈의 구조와 광선의 경로를 보여주는 그래프.6 is a graph showing the structure and the path of the light beam of the basic lens of the embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예의 기본 렌즈의 변조전달함수 특성.7 is a modulation transfer function characteristic of the basic lens of the embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 실시예의 기본 렌즈의 왜곡 특성.8 is a distortion characteristic of the basic lens of the embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시예의 변환 렌즈의 구조와 광선의 경로를 보여주는 그래프.9 is a graph showing the structure and the path of the light beam of the conversion lens of the embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시예의 변환 렌즈의 변조전달함수 특성.10 is a modulation transfer function characteristic of the conversion lens of the embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 실시예의 변환 렌즈의 왜곡 특성.11 is a distortion characteristic of a conversion lens of the embodiment of the present invention.
본 발명은 두 가지의 화각을 갖는 변환 렌즈 및 이를 이용하는 초다중분광 영상시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 렌즈의 전면에 초다중분광 필터를 장착하여도 비네팅이 발생하지 않는 장초점의 렌즈와 이 장초점의 렌즈의 앞에 초다중분광 필터를 장착하고, 그 앞에 다시 어댑터 렌즈를 장착하여 넓은 화각을 얻으면서도 비네팅이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 변환 렌즈 및 이 변환 렌즈를 사용하는 초다중분광 영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a conversion lens having two angles of view and an ultra-multispectral imaging system using the same. More particularly, a lens with a long focal length that does not generate vignetting even when an ultramultispectral filter is mounted on the front of the lens A conversion lens and an ultra-multispectral imaging system using the conversion lens, characterized in that an ultra-multispectral filter is mounted in front of a long focal length lens, and an adapter lens is mounted in front of it to obtain a wide angle of view and no vignetting occurs. The purpose is to provide.
현재 다중분광 영상 센서(multi-spectral imaging sensor) 혹은 초다중분광 영상 센서(hyperspectral imaging sensor)는 인공위성에 장착되어 농작물이나 초목의 분류, 수분 부족이나 특정 병충해 등에 의한 질병 진단 등의 목적으로 널리 사용되고 있으며, 해양의 플랑크톤 분포 등을 측정하기 위하여도 사용되고 있고, 미용이나 피부과학적 진단을 위하여 화상 카메라 기반의 영상 센서도 사용되고 있다. 그런데 다중분광 영상 센서는 단지 몇 개의 미리 정해진 파장에 대한 영상만을 취득하므로 획득할 수 있는 유익한 정보의 양이 제한된다. 따라서, 좀더 정밀한 진단을 위해서는 초다중분광 영상(Hyper-spectral imaging) 센서가 사용되고 있다.Currently, multi-spectral imaging sensors or hyperspectral imaging sensors are installed in satellites and are widely used for sorting crops or vegetation, diagnosing diseases caused by lack of moisture or certain pests. In addition, it is used to measure the distribution of plankton in the ocean, and image camera based image sensors are also used for cosmetic and dermatological diagnosis. The multispectral image sensor, however, only acquires images for a few predetermined wavelengths, thus limiting the amount of beneficial information that can be obtained. Therefore, a hyper-spectral imaging sensor is used for more precise diagnosis.
회전하는 필터 휠(rotating filter wheel)을 주로 사용하는 다중분광 영상 시스템과 달리 초다중분광 영상 센서는 회절격자(diffraction grating)나, 음향광학적인 변조 필터(acousto-optical tunable filter: AOTF) 혹은 액정 가변 필터(Liquid Crystal Tunable Filter: LCTF)를 사용한다. 그 중에서도 특히 LCTF는 가시광선 영역이나 근적외선 영역에서 특히 가장 경쟁력을 가지고 있는 기술이라고 할 수 있다. 본 명세서는 액정가변필터를 중심으로 기술하지만 동일한 기술이 음향광학적 가변 필터를 사용하는 초다중분광 영상 시스템에도 적용될 수 있다.Unlike multispectral imaging systems, which rely primarily on rotating filter wheels, hyperspectral imaging sensors are known as diffraction gratings, acoustic-optical tunable filters (AOTFs), or liquid crystal variables. A Liquid Crystal Tunable Filter (LCTF) is used. Among them, LCTF is one of the most competitive technologies in the visible and near infrared range. Although the present specification describes a liquid crystal variable filter, the same technique may be applied to an ultra-multispectral imaging system using an acoustooptic variable filter.
도 1은 일반적인 화상 카메라의 화각(Field of View: FOV)을 이해하기 위한 도면이다. 화상 카메라는 그 내부에 CCD 혹은 CMOS 이미지 센서(102)를 포함하는 카메라 몸체(104)와 렌즈(106)를 포함한다. 왜곡이 없는 이상적인 화상 카메라에 의한 영상의 획득 과정은 바늘구멍 사진기(pinhole camera)로 근사할 수 있다. 렌즈(106)의 마디점(nodal point) N은 바로 이 바늘구멍의 위치에 해당하는 점이다. 렌즈(106)의 마디점에서 이미지 센서(102)까지의 거리는 대략 렌즈의 유효초점거리(effective focal length) fL와 일치한다. 또한 이미지 센서는 가로변의 길이가 W, 세로 변의 길이가 H인 직사각형의 모양으로 W: H는 4: 3, 16: 9 혹은 1: 1 등의 비율을 갖는다. 이 이미지 센서의 대각 방향의 길이 와 렌즈의 초점거리 fL에 의하여 카메라의 화각 2q는 수학식 1과 같이 주어진다.1 is a view for understanding a field of view (FOV) of a general image camera. The image camera includes a
초다중분광 영상을 얻는 종래의 제1 실시 예는 도2에 예시한 바와 같이 화상 카메라의 앞에 액정가변필터(208)를 장착하여 액정가변필터에 의하여 선택된 어느 파장대의 영상을 얻는 것이다. 액정가변필터(208)는 카메라 렌즈(206)의 필터와 동일한 마운트(mount)를 가지고 있는 것이 보통이므로 용이하게 카메라에 장착될 수 있다. 그런데 액정가변필터는 그 내부에 여러 장의 액정 및 편광판 등을 포함하고 있기 때문에 상당한 두께 L을 가지고 있다. 또한 액정가변필터의 투명한 창(clear aperture: CA)의 직경 A는 그다지 크지 않으며, 투명한 창의 직경이 커짐에 따라 액정가변필터의 가격이 가파르게 상승한다. 투명한 창의 직경이 렌즈의 화각에 비하여 충분히 크지 않은 액정가변필터를 카메라 앞에 장착하면 마치 원통형 파이프를 통해 경치를 바라보는 것처럼 시야가 제한되는 비네팅(vignetting) 현상이 발생한다. 렌즈 앞에 액정가변필터를 장착하고도 비네팅이 발생하지 않도록 하기 위해서는 렌즈의 화각이 좁은 장초점 렌즈(long focal length lens)를 사용하여야 한다. 예를 들어 투명한 창의 직경 A가 20mm이고 두께 L이 50mm인 액정가변필터를 1/2-inch CCD 카메라와 사용하기 위해서는 렌즈의 화각이 10 이내로 좁아야 한다. 그런데 이와 같이 화각이 좁게 되면 어느 정도 크기를 가지는 피사체의 영상을 획득하기 위하여 초다중분광 영상 시스템과 피사체와의 거리를 충분히 띄워 놓아야 하므로 사용하기에 불편하다.According to the first exemplary embodiment of obtaining a hyperspectral image, a liquid
초다중분광필터를 사용하면서 넓은 화각을 얻기 위한 종래의 제2 실시 예가 도 3에 도시 되어 있다. 종래의 제2 실시 예에서는 광각 렌즈(306)와 카메라 몸체(304)의 사이에 초다중분광 필터(308)를 장착한다. 그런데 초다중분광 필터의 두 께 때문에 렌즈와 이미지 센서와의 거리가 매우 멀어지게 되므로 제2 실시 예에서 사용되는 렌즈(306)는 유효초점거리(effective focal length) fL보다 후방정점초점거리(back flange) fB가 매우 긴 리트로 포커스(retrofocus) 타입의 렌즈이어야 한다. 이와 같은 렌즈에서는 도3에 예시한 바와 같이 대개 전방 마디점(front nodal point: F.N.)과 후방 마디점(rear nodal point: R.N.)이 멀리 떨어져 있는 것이 보통이다. 이와 같은 방식에서는 비네팅이 발생하지 않지만, 유효초점거리에 비하여 후방정점초점거리 또는 백 플랜지가 극단적으로 큰 렌즈는 구하기도 매우 어렵고, 설계하기도 어렵다는 단점이 있다.A second conventional embodiment for obtaining a wide angle of view while using an ultra-multispectral filter is shown in FIG. 3. In the second conventional embodiment, the
한편 도4에 도시한 종래의 제3 실시 예에서는 일반적인 광각 렌즈의 뒤에 초다중분광 필터를 장착한다. 그러면 광각 렌즈에 의한 영상면(image plane: 410)이 초다중분광 필터(408) 내에 형성되고, 이 영상면(410)을 다시 릴레이 렌즈(relay lens: 418)를 사용하여 카메라 몸체 내의 이미지 센서(402)로 전달하는 구조를 가지고 있다. 이와 같은 구조에서는 비네팅의 염려가 적을 뿐만 아니라 일반적인 back flange를 가지는 광각 렌즈를 사용할 수 있으므로 초다중분광 영상 시스템을 구축하는데 있어서 선택의 여지가 많다. 그러나 릴레이 렌즈는 많은 수의 렌즈 요소(414, 416)를 가지는 대칭형의 구조를 가지게 되므로 길이가 길게 되므로 전체 영상 시스템의 크기가 커지게 되며, 렌즈부의 전체 하중이 크게 되게 기계적인 스트레스를 줄 수 있다. 따라서 좁은 장소에 설치하여야 하거나 자동차/항공기 등 이동식의 초다중분광 영상 시스템을 구축하는데 있어서 장애요인이 된다. 또한 릴레 이 렌즈는 대개 상당히 고가이므로 저가형의 초다중분광 영상 시스템을 구축하기에 어려움이 있다.On the other hand, in the third embodiment of the related art shown in FIG. 4, an ultra-multispectral filter is mounted behind a general wide-angle lens. An
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 전체 크기가 크지 않고, 비네팅이 발생하지 않도록 변환 렌즈를 사용하는 초다중분광 영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an ultra-multispectral imaging system using a conversion lens so that the overall size is not large and vignetting does not occur.
이하, 도 5 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 상세하게 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초다중분광 영상 시스템을 보여준다. 본 발명의 실시 예에서는 비네팅이 발생하지 않는 장초점의 렌즈(506)와 이 렌즈의 앞에 장착된 초다중분광 필터(508) 및 이 초다중분광 필터의 앞에 장착 및 탈착을 할 수 있는 어댑터(adapter) 렌즈(520)로 구성된다. 이러한 시스템 구성이 도 4의 릴레이 렌즈를 사용하는 시스템 구성과 유사하게 보일 수 있지만 여러 가지 점에서 차이가 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5 to 11. 5 shows an ultramultispectral imaging system according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, a long-
첫번째로, 도 4의 영상 시스템은 광각 렌즈(406)에 의한 단 한가지의 화각을 가지지만, 도 5의 영상 시스템은 기본 렌즈(506)에 의한 좁은 화각 및 어댑터 렌즈를 장착하였을 때의 넓은 화각을 선택적으로 사용할 수 있다.First, the imaging system of FIG. 4 has only one field of view by the wide-
두 번째로, 구성상으로 본 발명의 기본 렌즈(506)는 자체적으로 상을 형성할 수 있는 결상 렌즈(focal lens)로서 그 내부에 다수의 렌즈 요소(lens elements)와 조리개(stop)를 포함하고 있다. 그러나, 어댑터 렌즈(520)는 비결상 렌즈(afocal lens)로 자체적으로 상을 형성할 수 없으며, 그 내부에 조리개를 가지고 있지 않다. 그러나 도 4의 영상 시스템의 광각 렌즈(406) 및 릴레이 렌즈(418)는 모두 결상 렌즈이며, 그 내부에 독립적으로 다수의 렌즈 요소 및 조리개를 구비하고 있다. 특히, 일반적인 릴레이 렌즈는 물체 거리와 상 거리가 동일한 1: 1 배율의 유한공액(finite-conjugate) 렌즈인 것이 보통이다. 특히, 어댑터 렌즈는 릴레이 렌즈에 비하여 훨씬 적은 매수의 렌즈 요소로 구현이 가능하다는 장점이 있다.Secondly, the
세 번째로, 릴레이 렌즈를 사용하는 방식에서는 피사체의 상이 초다중분광 필터(410)안에 맺혀지고, 이 상을 다시 릴레이 렌즈를 사용하여 이미지 센서로 전달하는 구조를 가지고 있다. 그런데 액정가변필터와 같은 복잡한 구조를 갖는 초다중분광 필터는 그 내부구조가 복잡하며, 그 내부에 포함된 다수의 액정들은 자체적으로 결함을 가질 수 있으며, 이는 육안으로 쉽게 확인할 수 있다. 예를 들어, 액정가변 초다중분광 필터를 동작시킨 상태에서 육안으로 관찰하면, 마치 선글라스를 쓰고 보는 것처럼 어느 특정 파장의 색깔로 영상이 보이게 되며, 그 내부의 액정 결함이 있을 경우 유리창에 얼룩이 묻은 것처럼 깨끗하지 못한 영상을 얻게 된다. 따라서 릴레이 렌즈로 액정가변필터 내의 영상면을 포착하는 경우 필터 내의 결함이 그대로 이미지 센서로 전달되어 그 내부의 결함이 최종적인 영상으로 출력되게 된다. 하지만, 본 발명의 변환 렌즈에서는 어댑터 렌즈 자체적으로 상을 형상하지 않으므로 이미지 센서(502)에 포착되는 광선들이 초다중분광 필터(508)를 통과할 때에 그 필터 내부에 결함이 있었다고 하더라도 최종적인 영상에서는 그 결함이 보이지 않는다. 이것은 마치 안경에 얼룩이 묻었다고 하더라도 우리가 그것을 보지 못하는 것과 동일한 현상이다.Thirdly, in the method of using a relay lens, an image of a subject is enclosed in the
이와 같은 여러 가지 점에서 릴레이 렌즈를 사용하는 종래의 실시 예와 변환 렌즈를 사용하는 본 발명의 실시 예가 서로 확연히 다른 것을 알 수 있다.In this respect, it can be seen that the conventional embodiment using the relay lens and the embodiment of the present invention using the conversion lens are significantly different from each other.
도 6은 본 발명의 구체적인 실시 예에서 기본 렌즈의 광학적 구조와 광선의 경로를 보여준다. 본 실시예의 기본 렌즈는 물체쪽에서부터 조리개와 5장의 렌즈 요소로 구성되어 있다. 조리개의 바로 뒤에 위치하는 첫번째 렌즈 요소는 평볼록 렌즈 요소(plano-convex lens element)로서, 볼록면이 물체쪽을 향하고 있다. 두 번째 렌즈 요소는 포지티브 메니스커스 렌즈 요소(positive meniscus lens element)로서, 볼록면이 물체쪽을 향하고 있다. 세 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소(biconcave lens element)이다. 네 번째 렌즈 요소는 네가티브 메니스커스 렌즈 요소(negative meniscus lens element)로서, 그 오목면이 상쪽을 향하고 있다. 다섯번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소이다.6 illustrates an optical structure and a path of a light beam of a basic lens in a specific embodiment of the present invention. The basic lens of this embodiment is composed of an aperture and five lens elements from the object side. The first lens element, located just behind the iris, is a plano-convex lens element with the convex surface facing towards the object. The second lens element is a positive meniscus lens element with the convex surface facing towards the object. The third lens element is a biconcave lens element. The fourth lens element is a negative meniscus lens element, the concave surface of which faces upward. The fifth lens element is a biconvex lens element.
표 1은 구체적인 실시 예를 보여준다. 카메라의 이미지 센서는 1/2-inch CCD 센서라고 가정하였다. 따라서 이미지 센서의 대각 방향의 길이 D는 8mm이다. 또한 카메라의 마운트(mount)는 CS-mount로 가정하였다. 또한 초다중분광 필터는 가시광선 영역에서 동작하는 액정가변필터로서, 20mm 직경을 가지는 투명한 창(clear aperture)을 가지며, 이 필터의 두께 L은 50mm이다. 설계에 사용된 렌즈들은 모두 용이하게 구할 수 있는 광학적 유리만으로 구성되어 있다. 표1에 나타낸 기본 렌즈는 화각이 10이며, F수(F-number)는 2.0이다.Table 1 shows a specific embodiment. The image sensor of the camera is assumed to be a 1 / 2-inch CCD sensor. Therefore, the length D in the diagonal direction of the image sensor is 8 mm. The mount of the camera is also assumed to be CS-mount. In addition, the ultra-multispectral filter is a liquid crystal variable filter operating in the visible light region, having a transparent aperture having a diameter of 20 mm, and the thickness L of the filter is 50 mm. The lenses used in the design all consist of optical glass that is readily available. The basic lens shown in Table 1 has an angle of view of 10 and an F-number of 2.0.
도 7은 표1의 기본 렌즈의 변조전달함수(modulation transfer function)이며, VGA급 렌즈로서 충분한 해상도를 가진 것을 알 수 있다. 도 8은 이 렌즈의 왜곡을 보여주며, 왜곡이 1% 이내로 매우 양호한 것을 알 수 있다.7 is a modulation transfer function of the basic lens of Table 1, and it can be seen that the VGA-type lens has sufficient resolution. 8 shows the distortion of this lens, and it can be seen that the distortion is very good, within 1%.
한편 도 9는 어댑터 렌즈를 포함하는 전체 변환 렌즈의 광학적 구조 및 광선의 경로를 보여준다. 초다중분광 필터를 굴절률이 1.5이고 두께가 50mm인 유리판이라고 가정할 때 광학적 경로(optical path length)는 75mm이다. 따라서 도 9에서 초다중분광 필터는 두께 75mm의 공기로 모델링 되었다. 어댑터 렌즈는 조리개 없이 세 장의 렌즈 요소만으로 구성되어 있다. 물체쪽에서부터 첫번째로 위치하는 렌즈 요소는 평오목 렌즈 요소(plano-concave lens element)이며, 오목면이 상쪽을 향하고 있다. 두 번째 렌즈 요소는 양오목 렌즈 요소이며, 세 번째 렌즈 요소는 양볼록 렌즈 요소이다. 표 2는 어댑터 렌즈와 기본 요소를 포함하는 전체 변환 렌즈의 구체적인 실시 예를 보여준다. 이 변환 렌즈의 화각은 35이며, F수는 2.8이다.Meanwhile, FIG. 9 shows the optical structure and the light path of the entire conversion lens including the adapter lens. The optical path length is 75 mm assuming the ultra-multispectral filter is a glass plate having a refractive index of 1.5 and a thickness of 50 mm. Therefore, in FIG. 9, the multispectral filter is modeled as air having a thickness of 75 mm. The adapter lens consists of only three lens elements with no aperture. The first lens element located from the object side is a plano-concave lens element with a concave surface pointing upwards. The second lens element is a biconvex lens element, and the third lens element is a biconvex lens element. Table 2 shows a specific embodiment of the overall conversion lens including the adapter lens and the base element. This conversion lens has an angle of view of 35 and an F number of 2.8.
도 10은 표 2의 변환 렌즈의 변조전달함수이며, VGA급 렌즈로서 충분한 해상도를 가진 것을 알 수 있다. 도 11은 이 렌즈의 왜곡을 보여주며, 왜곡이 1% 이내로 매우 양호한 것을 알 수 있다.10 is a modulation transfer function of the conversion lens of Table 2, and it can be seen that the VGA-type lens has sufficient resolution. Fig. 11 shows the distortion of this lens, and it can be seen that the distortion is very good within 1%.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 상세히 기술하였다. 하지만, 상세한 설명 및 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서도 다양한 변화 및 수정이 가능함은 그 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.Preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description and the embodiments of the present invention are merely exemplary, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
본 발명은 종래의 광각 렌즈와 릴레이 렌즈를 사용하는 초다중분광 영상 시스템에 비하여 구조가 간단하고, 초다중분광 필터 내부의 광학적 결함이 최종 영상에서 보이지 않으며, 두 가지의 화각을 선택할 수 있는 변환 렌즈 및 이를 이용하는 초다중분광 영상 시스템을 제공한다.The present invention is simpler in structure than the conventional multi-spectral imaging system using a wide-angle lens and a relay lens, the optical defect inside the ultra-multispectral filter is not visible in the final image, and a conversion lens capable of selecting two angles of view And it provides an ultra-multispectral imaging system using the same.
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