KR20160137830A - 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열영상 장비의 적외선 광학계가 게르마늄과 칼코게나이드 렌즈 조합을 통해 넓은 온도범위에서 초점거리가 안정적으로 유지되는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈에 관한 것으로서, 제 1렌즈, 제 2렌즈, 제 3렌즈와 제 4렌즈로 이루어지는 렌즈계 및 상기 제 2렌즈와 제 3렌즈 사이에 배치되는 조리개를 포함하며, 상기 제 1렌즈는 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R1)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R2)이 형성되며, 전체적으로는 음의 배율로 형성되고, 상기 제 2렌즈는 상기 제 1렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R3)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R4)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되며, 상기 제 3렌즈는 상기 제 2렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R5)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R6)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되고, 상기 제 4렌즈는 상기 제 3렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R7)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R8)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되며, 상기 제 1렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지고, 상기 제 2렌즈, 제 3렌즈 및 제 4렌즈는 칼코게나이드 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

광시야 비열화 적외선 렌즈모듈{Wide Viewing Athermalized Infrared Lens Module}
본 발명은 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열영상 장비의 적외선 광학계가 게르마늄과 칼코게나이드 렌즈 조합을 통해 넓은 온도범위에서 초점거리가 안정적으로 유지되는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 열영상 장비는 사람이나 물체가 방출하는 적외선을 감지하여 영상으로 보여주는 장비로서, 이를 통해 야간이나 빛이 없는 곳에서 사람이나 물체의 위치 및 동태가 파악될 수 있다.
다만, 적외선은 일반 유리렌즈로는 투과율이 낮아 집광이 불량하여, 게르마늄(Ge), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe) 등의 재질로 이루어진 적외선 전용 렌즈가 채용되는데, 이러한 적외선 렌즈들은 온도에 따른 굴절률 변화가 크고 재료의 분산능이 가시광선 영역에서 사용하는 재료들에 비하여 상대적으로 작은 특징이 있다.
즉, 열영상 장비의 광학성능은 온도변화에 민감하기 때문에, 상온 근처의 좁은 온도 영역에서 사용할 때는 큰 문제가 되지 않지만, 구동온도 범위가 넓은 경우에는 비열화 보상이 요구되며, 비열화 보상 방법에는 기계적인 방법과 기능성 렌즈의 조합으로 보상하는 광학적인 방법이 있다.
KR 10-1214601 B1 2012.12.14.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 재질과 면 형상이 다른 렌즈 조합을 통해 넓은 온도범위에서 초점거리의 변동이 작고, 수차가 최소화되는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈은, 제 1렌즈, 제 2렌즈, 제 3렌즈와 제 4렌즈로 이루어지는 렌즈계 및 상기 제 2렌즈와 제 3렌즈 사이에 배치되는 조리개를 포함하며, 상기 제 1렌즈는 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R1)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R2)이 형성되며, 전체적으로는 음의 배율로 형성되고, 상기 제 2렌즈는 상기 제 1렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R3)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R4)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되며, 상기 제 3렌즈는 상기 제 2렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R5)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R6)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되고, 상기 제 4렌즈는 상기 제 3렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R7)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R8)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되며, 상기 제 1렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지고, 상기 제 2렌즈, 제 3렌즈 및 제 4렌즈는 칼코게나이드 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈은, 상기 제 2렌즈, 제 3렌즈 및 제 4렌즈로 게르마늄(Ge)-셀레늄(Se)-텔루륨(Te)계 칼코겐화물 렌즈, 게르마늄-비소(As)-셀레늄계 칼코겐화물 렌즈 또는 게르마늄-비소-셀레늄-텔루륨계 칼코겐화물 렌즈가 선택적으로 채용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈은, 상기 제 1렌즈가 물체측 볼록면(R1)이 구면으로 이루어지고, 상기 볼록면(R1)을 제외한 제 1렌즈의 상측 오목면(R2)과 잔여 렌즈의 양면(R3 ~ R8)은 모두 비구면으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈은, 아래의 조건 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[조건 1]
Zo1 > 0 [제 1렌즈의 구면(R1)]
Za2 > 0 [제 1렌즈의 비구면(R2)]
Za3 > 0 [제 2렌즈의 비구면(R3)]
Za5 < 0 [제 3렌즈의 비구면(R5)]
Za6 < 0 [제 3렌즈의 비구면(R6)]
Za8 < 0 [제 4렌즈의 비구면(R8)]
아울러, 본 발명의 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈은, F수가 1.0~1.5 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈에 의하면, 게르마늄 재질로 이루어지는 제 1렌즈와 칼코게나이드 재질로 이루어지는 제 2렌즈, 제 3렌즈 및 제 4렌즈를 통해 넓은 온도범위에서 초점거리의 변화가 최소화되고, 각 렌즈의 형상과 굴절력의 조합을 통해 색수차 등의 수차가 최소화되므로, 본 발명의 활용성 및 이를 채용한 장비의 이용 편의성이 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 렌즈 배열상태를 나타낸 개요도.
도 2는 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 일 실시 예에 대한 온도별 MTF 곡선을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 일 실시 예에 대한 광선수차(ray aberration)를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 일 실시 예에 대한 스폿 다이어그램을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 일 실시 예에 대한 왜곡수차를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 일 실시 예에 대한 MTF 곡선을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 집광상태를 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 렌즈 배열상태를 나타낸 개요도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 적외선 렌즈모듈은 제 1렌즈(10), 제 2렌즈(20), 제 3렌즈(30)와 제 4렌즈(40)로 이루어지는 렌즈계 및 상기 제 2렌즈(20)와 제 3렌즈(30) 사이에 배치되는 조리개(50)를 포함하여 구성된다.
상기 제 1렌즈(10)는 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R1)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R2)이 형성되며, 전체적으로는 음의 배율로 형성된다.
또한, 제 1렌즈(10)는 열적외선의 빛을 조정할 수 있도록 고굴절의 특성을 갖는 것이 바람직하고, 외부 환경에 노출되는 특성상 충격에 강하며, 가공시 중금속 노출이 없는 게르마늄(Germanium) 렌즈를 채용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2렌즈(20)는 상기 제 1렌즈(10)의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R3)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R4)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성된다.
상기 제 3렌즈(30)는 상기 제 2렌즈(20)의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R5)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R6)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성된다.
상기 제 4렌즈(40)는 상기 제 3렌즈(30)의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R7)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R8)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성된다.
상기 제 2렌즈(20), 제 3렌즈(30) 및 제 4렌즈(40)는 칼코겐과 게르마늄 등을 화합한 칼코게나이드(chalcogenide) 렌즈를 채용하는데, 상기 칼코게나이드 또한 고굴절 렌즈로서 열적외선의 빛을 조정할 수 있으며, 특히 가격이 저렴하고 가공성이 우수하여, 본 발명의 렌즈모듈을 채용한 열영상 장비의 제작비용을 낮출 수 있는 잇점이 있다.
구체적으로, 상기 제 2렌즈(20), 제 3렌즈(30) 및 제 4렌즈(40)로는 게르마늄(Ge)-셀레늄(Se)-텔루륨(Te)계 칼코겐화물 렌즈, 게르마늄-비소(As)-셀레늄계 칼코겐화물 렌즈 또는 게르마늄-비소-셀레늄-텔루륨계 칼코겐화물 렌즈가 선택적으로 채용될 수 있다.
상기 조리개(50)는 상기 제 2렌즈(20)와 제 3렌즈(30)의 사이에 배치되되 상기 제 3렌즈(30)에 근접되게 배치되며, 상기 제 2렌즈(20)로부터 입사되는 빛이 선택적으로 수렴되도록 하는 기능을 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 렌즈모듈의 설계에 대해 상술한다.
상기 제 1렌즈(10)의 물체측 볼록면(R1)은 구면으로 이루어지고, 상기 물체측 볼록면(R1)을 제외한 제 1렌즈(10)의 상측 오목면(R2)과 잔여 렌즈의 양면(R3 ~ R8)은 모두 비구면으로 이루어진다.
또한, F수(유효초점거리/입사동크기)가 1.0 미만이면 각 렌즈들(10, 20, 30, 40)의 직경이 커지므로 수차의 보정이 어렵고, 1.5를 초과하면 각 렌즈들(10, 20, 30, 40)의 구경이 작아져 수자의 보정은 쉬워지나 센서에서 필요로 하는 빛을 집광하기가 어렵게 된다. 따라서 본 발명의 렌즈모듈은 F수가 1.0~1.5 범위 내에 있도록 렌즈설계가 이루어진다.
한편, 제1렌즈의 구면(R1)은 아래의 수학식 1로 계산된 새그(sag) Zo 값이, 그외의 렌즈 비구면(R2 ~ R8)은 수학식 2로 계산된 새그 Za 값이, 다음의 조건 1을 만족하도록 설계가 이루어진다.
[조건 1]
Zo1 > 0 [제 1렌즈의 구면(R1)]
Za2 > 0 [제 1렌즈의 비구면(R2)]
Za3 > 0 [제 2렌즈의 비구면(R3)]
Za5 < 0 [제 3렌즈의 비구면(R5)]
Za6 < 0 [제 3렌즈의 비구면(R6)]
Za8 < 0 [제 4렌즈의 비구면(R8)]
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, C는 곡률(C=1/R, R은 렌즈의 곡률반경), Y는 렌즈높이, A, B, C', D는 렌즈 재질에 따라 결정되는 비구면 계수를 각각 나타낸다.
또한, 다음의 표 1은 상기 조건 1을 만족하는 렌즈모듈의 기본데이터로서, 광학전장(OAL): 53 mm, 구경비(FNO): F/1.3, 초점거리(f): 5.44 mm, 수평화각(w): 90°로 하며, 제 1렌즈(10)로는 중국 Success Infrared사에서 제작한 게르마늄 렌즈에 대한 굴절률(Nd)과 제 2렌즈(20), 제 3렌즈(30), 제 4렌즈(40)로는 칼코게나이드 렌즈로서 독일의 Vitron사가 개발한 IG6렌즈에 대한 굴절률(Nd)을 채용하였다.
아울러, 표 2는 표 1의 렌즈모듈 중 비구면의 계수 값이다.
렌즈면 곡률반경(R) 두께, 간격(d) 굴절률(Nd) 비고
제1면(R1) 45.777 3.50 4.003073 구면
제2면(R2) 20.185 14.77 - 비구면
제3면(R3) 23.948 8.69 2.778100 비구면
제4면(R4) 83.720 7.48 - 비구면
조리개 - 1.94 - -
제5면(R5) -11.669 5.09 2.778100 비구면
제6면(R6) -11.657 2.53 - 비구면
제7면(R7) 82.448 9.00 2.778100 비구면
제8면(R8) -33.273 5.00 - 비구면
렌즈면 A B C' D
제2면(R2) -0.293058E-04 0.424897E-07 -0.123090E-09 -
제3면(R3) -0.211321E-04 -0.367776E-08 -0.122402E-09 -
제4면(R4) -0.159484E-04 -0.376906E-07 0.446695E-10 -
제5면(R5) -0.272702E-03 0.437197E-05 -0.248986E-07 -
제6면(R6) 0.114156E-03 -0.105147E-06 0.842029E-08 -
제7면(R7) 0.204030E-03 -0.177893E-05 0.100941E-07 -0.340879E-10
제8면(R8) 0.122776E-03 -0.851284E-07 -0.669398E-08 0.231370E-10
도 2 내지 도 7은 상기 표 1과 표 2의 값으로 이루어진 렌즈모듈에 대한 광학특성을 나타낸 분석 그래프이다.
구체적으로, 도 2는 물체거리를 무한대로 하여 산출한 온도별 MTF 곡선을 나타낸 것으로서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 -32도와 +43도에서 한계주파수가 29mm/cycles일 때 MTF 값이 약 0.32 이상이고, 이는 사양에 만족하는 MTF 값인 0.4의 80% 수준의 이상에 해당하는 값이며, 넓은 온도범위에서 해상도가 양호한 영상을 획득할 수 있음을 나타낸다.
도 3은 물체거리를 무한대로 하여 산출한 광선수차(ray aberration)를 나타낸 것으로서, 자오상면 만곡과 구결상면 만곡을 40.00°, 54.09°인 광축 상에서 나타낸 것이다.
도 4는 물체거리를 무한대로 하여 산출한 스폿 다이어그램을 나타낸 것으로서, 각종 수차를 종합적으로 나타낸 것이며, 광선을 추적하기 위해 입사동을 수백 또는 수천 개의 그물눈(mesh)으로 나누고, 물체상의 한 점에서 각각의 그물눈으로 광선을 추적하여 각각의 광선의 위치를 상면 상에 점(sopt)으로 표시한 것이다. 도 4에서 중심 3개의 원은 각각 필드에 대한 스폿 다이어그램을 나타내며, 중심으로부터 분산되는 점이 많을수록 수차가 커짐을 의미한다.
도 5는 물체거리를 무한대로 하여 산출한 왜곡수차를 나타낸 것으로서, 화면이 곡선으로 휘어 보이는 정도를 나타낸 것이다.
도 6은 물체거리를 무한대로 하여 산출한 해상도의 MTF(Modulation Transfer Functions)곡선을 나타낸 것으로서, 검출기 픽셀 크기를 17μm하고 한계주파수를 29mm/cycles로 하였을 때 MTF값이 0.411로 산출되는데, 통상 0.4 이상의 값을 가지면 해상도가 양호한 것으로 인정된다.
도 3 내지 도 6에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 렌즈모듈은 거의 모든 필드에서 상들의 값이 중심축에 인접하게 나타나고 있어, 구면수차, 자오상면 수차 및 색수차의 보정 상태가 양호하고, 적정 해상도를 가짐을 나타낸다.
아울러, 도 7은 본 발명에 따른 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈의 집광상태를 도시한 도면으로서, 본 발명의 렌즈모듈은 광각, 비점수차, 상면만곡 및 왜곡수차 최소화하기 유리한 렌즈형태인 이중 가우스렌즈 형태를 변형한 구조로 제공된다. 여기서, 도면부호 a,b는 각각 이미징 센서 및 센서 보호 윈도우를 나타낸다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
10: 제 1렌즈
20: 제 2렌즈
30: 제 3렌즈
40: 제 4렌즈
50: 조리개

Claims (5)

  1. 제 1렌즈, 제 2렌즈, 제 3렌즈와 제 4렌즈로 이루어지는 렌즈계 및 상기 제 2렌즈와 제 3렌즈 사이에 배치되는 조리개를 포함하며,
    상기 제 1렌즈는 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R1)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R2)이 형성되며, 전체적으로는 음의 배율로 형성되고,
    상기 제 2렌즈는 상기 제 1렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R3)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R4)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되며,
    상기 제 3렌즈는 상기 제 2렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R5)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R6)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되고,
    상기 제 4렌즈는 상기 제 3렌즈의 후방에 배치된 상태에서 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면(R7)이 형성되고, 상측에 음의 굴절력을 갖는 오목면(R8)이 형성되며, 전체적으로는 양의 배율로 형성되며,
    상기 제 1렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지고, 상기 제 2렌즈, 제 3렌즈 및 제 4렌즈는 칼코게나이드 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2렌즈, 제 3렌즈 및 제 4렌즈로는 게르마늄(Ge)-셀레늄(Se)-텔루륨(Te)계 칼코겐화물 렌즈, 게르마늄-비소(As)-셀레늄계 칼코겐화물 렌즈 또는 게르마늄-비소-셀레늄-텔루륨계 칼코겐화물 렌즈가 선택적으로 채용되는 것을 특징으로 하는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1렌즈는 물체측 볼록면(R1)이 구면으로 이루어지고, 상기 볼록면(R1)을 제외한 제 1렌즈의 상측 오목면(R2)과 잔여 렌즈의 양면(R3 ~ R8)은 모두 비구면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈.
  4. 제 3항에 있어서,
    아래의 조건 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈.
    [조건 1]
    Zo1 > 0 [제1렌즈의 구면(R1)]
    Za2 > 0 [제1렌즈의 비구면(R2)]
    Za3 > 0 [제2렌즈의 비구면(R3)]
    Za5 < 0 [제3렌즈의 비구면(R5)]
    Za6 < 0 [제3렌즈의 비구면(R6)]
    Za8 < 0 [제4렌즈의 비구면(R8)]
    여기서, Zo은 구면의 새그 값을 나타내고 Za는 비구면의 새그 값을 나타낸다.
  5. 제 4항에 있어서,
    F수가 1.0~1.5 범위에 있는 것을 특징으로 하는 광시야 비열화 적외선 렌즈모듈.
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