KR20130066490A - 결상 광학계 및 촬상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결상 광학계 및 촬상 장치에 관한 것으로, 본 실시예에 관한 결상 광학계는, 피사체에서 방출되는 원적외선을 상면에 결상시키는 결상 광학계로서, 상기 원적외선을 굴절 투과시키는 투과 광학 소자와, 상기 원적외선을 표면 반사면에서 반사시키는 반사 광학 소자를 구비한다.

Description

결상 광학계 및 촬상 장치{Imaging optical system and photographing apparatus}
본 발명은 결상 광학계 및 촬상 장치에 관한 것으로서, 특히 원적외선을 상면에 결상하는 결상 광학계 및 이를 구비하는 촬상 장치에 관한 것이다.
피사체가 발하는 원적외선을 검출하여 촬영하는 촬상 장치(이하, 원적외선 카메라라고 한다.)가 알려져 있다. 원적외선 카메라는 피사체 자체가 발광체로서 인식되기 때문에 외부의 광원이 없는 상태에서도 피사체를 인식할 수 있다. 따라서 원적외선 카메라는 야간에도 피사체에게 들키지 않고 촬영을 수행할 수 있다. 이와 같은 특성으로 인해 원적외선 카메라는 주로 방범 카메라 및 공항에서의 검역을 위한 발열 검사 등의 용도로 이용되고 있다.
이와 같은 원적외선 카메라에 사용되는 결상 광학계에는, 주로 피사체로부터의 원적외선을 상면에 결상하는 렌즈가 사용되었다. 원적외선 카메라에 사용되는 렌즈는 원적외선에 대해 충분한 투과율을 가진 재료로 제작될 필요가 있다. 예를 들면 이와 같은 성질을 가진 재료로서는 게르마늄이 대표적이다. 따라서 게르마늄 렌즈를 사용한 원적외선 카메라가 제안되어 왔다.
JP 2003-295052A, 2003.10.15.
원적외선에 대해 충분한 투과율을 가진 소재는 고가의 것이 많다. 따라서, 보다 저렴한 소재로 광학계를 구성할 필요가 있다. 예를 들면, 저렴한 재료로 결상 광학계를 구성하는 방법 중 하나로, 렌즈 대신 반사면을 사용하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 곡률을 가진 광학면을 모두 반사면으로 구성하는 경우 장치 전체의 사이즈가 커진다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 비용과 크기가 균형을 이루는 신규 및 개량된 원적외선용 결상 광학계 및 촬상 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 피사체에서 방출되는 원적외선을 상면에 결상시키는 결상 광학계로서, 상기 원적외선을 굴절 투과시키는 투과 광학 소자와, 상기 원적외선을 표면 반사면에서 반사시키는 반사 광학 소자를 구비하는 결상 광학계를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 의하면, 상기 표면 반사면의 형상은 자유곡면일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 결상 광학계는 중간 결상을 하지 않을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 피사체에서 상기 상면까지의 광경로는 1 계통일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 투과 광학 소자는 상기 피사체에서 상기 결상 광학계로의 입사광의 입사면으로서 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 투과 광학 소자는 상기 결상 광학계에 포함되는 광학 소자 중 가장 상면측에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 피사체에서 방출되는 원적외선을 상면에 결상시키는 결상 광학계로서, 상기 원적외선을 굴절 투과시키는 투과 광학 소자와, 상기 원적외선을 표면 반사면에서 반사시키는 반사 광학 소자를 구비하는 결상 광학계을 구비하는 촬상 장치를 제공한다.
상기와 같은 실시예들에 따르면, 비용과 크기가 균형을 이루는 신규 및 개량된 원적외선용 결상 광학계 및 촬상 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 결상 광학계의 구성을 도시한 광선도이다.
도 2는 도 1의 결상 광학계의 각 구성 요소의 배치를 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 관한 결상 광학계의 구성을 도시한 광선도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 관한 결상 광학계의 구성을 도시한 광선도이다.
도 5는 도 1의 결상 광학계를 구비하는 촬상 장치의 단면 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
본 발명의 실시예들에 관한 결상 광학계는, 원적외선에 대해 충분한 투과율을 가진 투과 광학 소자와, 원적외선을 반사하는 반사 광학 소자를 적절하게 배치함으로써 장치 전체의 크기와 비용이 균형을 이루는 결상 광학계를 실현하고자 하는 것이다.
원적외선에 대한 투과율이 높은 소재는 일반적으로 고가의 것이 많다. 따라서 광학 장치의 저비용화에 큰 방해가 되어 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위해 반사면만으로 광학계를 구성하는 경우에는 유효 광속을 차단하여 비네팅(vignetting) 현상이 발생하지 않도록 하기 위하여, 각 반사면은 전후의 반사면에 대해 어느 정도의 거리를 두고 배치된다. 따라서, 광학계의 크기가 커지는 경향이 있어, 광학 장치의 소형화에 큰 장해가 되고 있다.
후술하는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 관한 결상 광학계는 투과 광학 소자와 반사 광학 소자를 구비한다. 따라서, 비용과 크기가 균형을 이루는 광학계를 실현할 수 있다. 이와 같은 투과 광학 소자와 반사 광학 소자의 배치 방법은 다양할 수 있는데, 이하에서는 제1 내지 제3 실시예에서 각각의 예들을 나타내기로 한다.
<제1 실시예>
이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 관한 결상 광학계(10)의 구성에 관하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 결상 광학계(10)의 구성을 도시한 광선도이고, 도 2는 도 1의 결상 광학계(10)의 각 구성 요소의 배치를 설명하기 위한 설명도이다.
(구성)
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 관한 결상 광학계(10)는 투과 광학 소자(11)와 반사 광학 소자(13)를 구비한다. 투과 광학 소자(11)는 결상 광학계(10)에 포함되는 광학 소자 중 가장 피사체측에 배치된다. 투과 광학 소자(11)는 원적외선(파장: 8 μm~14 μm)을 투과시키는 재질로 구성된다. 예를 들면, 이와 같은 성질을 가진 재질의 일례로서는 게르마늄(Ge)이 있다. 투과 광학 소자(11)는 반사 광학 소자(13) 측으로 원적외선을 투과시킨다. 투과 광학 소자(11)의 면 형상은 회전 대칭 비구면일 수 있다.
반사 광학 소자(13)는 표면 반사면(S3)을 구비한다. 반사 광학 소자(13)는 투과 광학 소자(11)로부터 입사되는 광을 반사하여 이미지 센서(17) 상에 결상시킨다. 반사 광학 소자(13)는, 예를 들면 사출 성형한 수지의 표면에 알루미늄 등의 금속을 코팅함으로써 형성되는 표면 반사면(S3)을 가진다. 표면 반사면(S3)의 면 형상은 자유곡면일 수 있다.
이미지 센서(17)의 전방에는 센서 보호창(15)이 배치될 수 있다. 또한, 본 실시예의 결상 광학계(10)는 피사체로부터 이미지 센서(17)의 광경로상에서 중간 결상을 하지 않을 수 있다. 또한, 피사체에서 이미지 센서(17)까지의 광경로는 1 계통일 수 있다. 즉, 피사체에서 방출되어 이미지 센서(17)에서 결상되는 동안 피사체에서 방출된 광은 분리되지 않을 수 있으며, 따라서 이미지 센서(17)에 결상되는 광의 세기가 약화되는 것을 방지할 수 있다.
(광학 소자의 배치)
도 2 및 하기 표 1을 참조하면, 투과 광학 소자(11)의 피사체측 면을 입사창 제1 면(S1), 투과 광학 소자(11)의 다른 면을 입사창 제2 면(S2)으로 정의한다. 이때, 입사창 제1 면(S1)과 광축의 교점을 절대 좌표계의 원점으로 한다. 또한, 광축을 포함한 직선을 Z축, 광축을 포함한 평면 내에서 Z축과 직교하는 직선을 Y축으로 정의한다.
또한, 반사 광학 소자(13)의 반사면을 표면 반사면(S3)으로 하고, 센서 보호창(15)에서 결상 광학계(10)로부터 입사되는 광측의 면을 센서 보호창 제1 면(S4), 센서 보호창(15)의 이미지 센서(17)측 면을 센서 보호창 제2 면(S5)으로 한다. 또한, 이미지 센서(17)의 입사광측 면을 센서면(S6)으로 한다. 이때 입사창 제1 면(S1), 입사창 제2 면(S2), 표면 반사면(S3), 센서 보호창 제1 면(S4), 센서 보호창 제2 면(S5) 및 센서면(S6)의 각 면에 대해 국소 좌표계를 정의하여 그 위치 및 방향을 나타낸다. 표 1은 도 2에 의해 정의된 국소 좌표계의 원점 위치와 국소 좌표계의 Z축 방향 코사인을 절대 좌표계로 나타낸다.
Figure pat00001
이때, 투과 광학 소자(11)의 회전 대칭 비구면은 하기 수학식 1에 의해 표시된다. 표 2는 입사면(S1)과 출사면(S2)의 비구면 계수를 나타낸다. 즉, 수학식 1에 표 2의 계수를 대입함으로써 입사면(S1)과 출사면(S2)의 면 형상이 결정된다.
Figure pat00002
Figure pat00003
또한, 반사 광학 소자(13)의 표면 반사면(S3)의 자유곡면은 하기 수학식 2 및 표 3에 의해 표시된다. 구체적으로 수학식 2에 의해 정의된 자유곡면식에 표 3의 자유곡면 계수를 대입함으로써 표면 반사면(S3)의 면 형상이 결정된다. 하기 표 3은 자유곡면 계수의 값이 "0"이 아닌 부분에 대해서만 나타낸 것이다. 즉, 표 3에 나타내지 않은 자유곡면 계수의 값은 "0"이다.
Figure pat00004
Figure pat00005
<제2 실시예>
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 관한 결상 광학계(20)의 구성에 관하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 관한 결상 광학계(20)의 구성을 도시한 광선도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 관한 결상 광학계(20)는 제1 반사 광학 소자(23), 제2 반사 광학 소자(25) 및 투과 광학 소자(27)를 구비한다. 제1 반사 광학 소자(23)는 입사창(21)으로부터 입사되는 원적외선을 제2 반사 광학 소자(25) 측으로 반사하는 제1 표면 반사면(S23)을 구비한다. 제2 반사 광학 소자(25)는 제1 반사 광학 소자(23)에 의해 반사된 원적외선을 투과 광학 소자(27)측으로 반사하는 제2 표면 반사면(S25)을 구비한다.
제1 반사 광학 소자(23)는, 예를 들면 사출 성형한 수지의 표면에 알루미늄 등의 금속을 코팅함으로써 형성되는 제1 표면 반사면(S23)을 구비할 수 있다. 또한, 제2 반사 광학 소자(25)는 동일하게 사출 성형한 수지의 표면에 알루미늄 등의 금속을 코팅함으로써 형성되는 제2 표면 반사면(S25)을 구비할 수 있다. 제1 표면 반사면(S23) 및 제2 표면 반사면(S25)의 면 형상은 자유곡면일 수 있다.
투과 광학 소자(27)는 원적외선(파장: 8 μm~14 μm)을 투과시키는 소재로 구성될 수 있다. 예를 들면 이와 같은 성질을 가진 소재의 일예로 게르마늄(Ge)을 들 수 있다. 투과 광학 소자(27)는 이미지 센서(17) 측으로 원적외선을 투과시킨다. 투과 광학 소자(27)의 면 형상은 회전 대칭 비구면일 수 있다. 투과 광학 소자(27)는 결상 광학계(20)에 포함되는 광학 소자 중 가장 이미지 센서(17)측에 배치될 수 있다.
이미지 센서(17)의 전방에는 센서 보호창(15)이 배치될 수 있다. 또한, 본 실시예의 결상 광학계(20)는, 피사체에서 이미지 센서(17)까지의 광경로상에서 중간 결상을 하지 않을 수 있다.
<제3 실시예>
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 관한 결상 광학계(30)의 구성에 관하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 관한 결상 광학계(30)의 구성을 도시한 광선도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 관한 결상 광학계(30)는 제1 반사 광학 소자(33), 제2 반사 광학 소자(35) 및 투과 광학 소자(37)를 구비한다. 제1 반사 광학 소자(33)는 입사창(31)에서 입사되는 원적외선을 제2 반사 광학 소자(35) 측으로 반사하는 제1 표면 반사면(S33)을 구비한다. 제2 반사 광학 소자(35)는 제1 반사 광학 소자(33)에 의해 반사된 원적외선을 투과 광학 소자(37) 측으로 반사하는 제2 표면 반사면(S35)을 가진다.
제1 반사 광학 소자(33)는, 예를 들면 사출 성형한 수지의 표면에 알루미늄 등의 금속을 코팅함으로써 형성되는 제1 표면 반사면(S33)을 구비할 수 있다. 또한, 제2 반사 광학 소자(35)는 동일하게 사출 성형한 수지의 표면에 알루미늄 등의 금속을 코팅함으로써 형성되는 제2 표면 반사면(S35)을 구비할 수 있다. 제1 표면 반사면(S33) 및 제2 표면 반사면(S35)의 면 형상은 자유곡면일 수 있다.
투과 광학 소자(37)는 원적외선(파장: 8 μm~14 μm)을 투과시키는 소재로 구성될 수 있다. 예를 들면 이와 같은 성질을 가진 소재의 일예로 게르마늄(Ge)을 들 수 있다. 투과 광학 소자(37)는 이미지 센서(17) 측으로 원적외선을 투과시킨다. 투과 광학 소자(37)의 면 형상은 회전 대칭 비구면일 수 있다. 투과 광학 소자(37)는 결상 광학계(30)에 포함되는 광학 소자 중 가장 이미지 센서(17)측에 배치될 수 있다.
이미지 센서(17)의 전방에는 센서 보호창(15)이 배치될 수 있다. 또한, 본 실시예의 결상 광학계(20)는, 피사체에서 이미지 센서(17)까지의 광경로상에서 중간 결상을 하지 않을 수 있다. 또한, 피사체 중심에서 이미지 센서(17)의 중심을 연결하는 광축은 교차하지 않으며, 일 평면 내에 배치될 수 있다.
(촬상 장치의 구성)
이하에서는, 도 5를 참조하면 본 발명의 제1 실시예에 관한 결상 광학계(10)를 구비하는 촬상 장치(100)의 구성에 관하여 설명한다. 도 5는 도 1의 결상 광학계(10)를 구비하는 촬상 장치(100)의 단면 사시도이다. 또한, 여기에서는 본 발명의 제1 실시예에 관한 결상 광학계(10)를 구비하는 촬상 장치(100)의 구성에 관하여 설명하지만, 본 발명의 제2 실시예에 관한 결상 광학계(20) 및 제3 실시예에 관한 결상 광학계(30)에 대해서도 동일하게 적용되므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 케이스 내에 상술한 결상 광학계(10)의 구성을 배치함으로써 촬상 장치(100)를 구성한다. 촬상 장치(100)는 투과 광학 소자(11), 반사 광학 소자(13), 센서 보호창(15) 및 이미지 센서(17)를 구비한다. 각 구성 요소의 배치는, 제1 실시예에 관한 결상 광학계(10)에 관한 도면에서 상술한 바와 같다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10, 20: 30: 결상 광학계
11, 27, 37: 투과 광학 소자
13, 23, 25, 33, 35: 반사 광학 소자
S3, S23, S25, S33, S35: 표면 반사면
100: 촬상 장치

Claims (7)

  1. 피사체에서 방출되는 원적외선을 상면에 결상시키는 결상 광학계로서,
    상기 원적외선을 굴절 투과시키는 투과 광학 소자;
    상기 원적외선을 표면 반사면에서 반사시키는 반사 광학 소자;를 구비하는 결상 광학계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 표면 반사면의 형상은 자유곡면인 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    중간 결상을 하지 않는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 피사체에서 상기 상면까지의 광경로는 1 계통인 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 투과 광학 소자는 상기 피사체에서 상기 결상 광학계로의 입사광의 입사면으로서 배치되는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 투과 광학 소자는 상기 결상 광학계에 포함되는 광학 소자 중 가장 상면측에 배치되는 것을 특징으로 하는 결상 광학계.
  7. 피사체에서 방출되는 원적외선을 상면에 결상시키는 결상 광학계로서,
    상기 원적외선을 굴절 투과시키는 투과 광학 소자;
    상기 원적외선을 표면 반사면에서 반사시키는 반사 광학 소자;를 구비하는 결상 광학계을 구비하는 촬상 장치.
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