KR20180090571A - 광학 장치 - Google Patents

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KR20180090571A
KR20180090571A KR1020170015577A KR20170015577A KR20180090571A KR 20180090571 A KR20180090571 A KR 20180090571A KR 1020170015577 A KR1020170015577 A KR 1020170015577A KR 20170015577 A KR20170015577 A KR 20170015577A KR 20180090571 A KR20180090571 A KR 20180090571A
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박종명
김보람
이상근
이재덕
진원혁
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엘지전자 주식회사
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Abstract

종래의 열화상 광학 장치가 갖는 비용 증가의 문제를 해결하기 위해 피사체에서 출사된 빛을 수광하고 수광된 빛을 반사하는 제1 형상의 반사 렌즈 및 상기 렌즈에서 반사된 빛의 광 경로에 구비되어 상기 반사된 빛 중 적외선 영역의 파장에 대한 이미지를 획득하는 적외선 디텍터(Detector)를 포함하는 광학 장치를 제공한다.

Description

광학 장치{OPTICAL DEVICE}
본 발명은 열화상 또는 실화상 중 적어도 하나를 획득하는 광학 장치에 관한 것이다.
카메라는 광학 성질을 이용하여 피사체의 이미지를 획득하는 장치를 말한다. 카메라는 인식하는 빛의 파장 영역을 기준으로 실화상 카메라와 열화상 카메라로 구분한다. 실화상 카메라는 피사체에 반사된 가시광선 영역의 빛을 인식하여 이미지를 얻는 장치를 말하고, 열화상 카메라는 피사체에서 출사된 적외선 영역의 빛을 인식하여 이미지를 얻는 장치를 말한다.
사람의 눈에 보이는 가시광선 영역의 빛을 촬영하는 실화상 카메라는 피사체의 경계 및 색상을 인지하기에 적절하다.
한편 열원으로서의 물체는 온도에 대응하는 파장의 빛을 방출한다. 특히, 적외선 파장의 빛을 측정하는 열화상 카메라는 일반적으로 관심있는 피사체의 온도를 파악하기에 적절하다.
열화상 카메라와 실화상 카메라는 상기와 같은 목적으로 각각 사용된다.
열화상의 경우 피사체의 온도 상태를 파악할 수 있으나 물체의 경계를 명확하게 표시하는 것은 아니어서 사용자 인식 측면에서 단점이 존재한다.
이러한 문제를 해결하여 열화상에 실화상의 경계를 입혀 양 이미지를 적절히 합성한 복합 이미지를 생성하는 장치가 존재한다. 즉, 복합 이미지는 열화상과 실화상을 하나의 이미지로 보여준다.
이미지를 획득할 때에는 렌즈와 디텍터(Detector)가 사용된다.
렌즈는 피사체에서 출사 또는 피사체에 반사된 빛을 적절히 굴절 또는 반사시켜 원하는 특정 위치에 상이 맺히도록 한다.
디텍터는 렌즈에 의해 맺힌 피사체의 상을 인식하여 이미지화 시킨다.
피사체에서 출사 또는 피사체에 반사된 빛은 렌즈를 통과하며 굴절된다. 굴절 렌즈에 있어서, 렌즈의 재질 및 기하학적 형상에 따라 굴절되는 정도가 달라지며, 이는 굴절율로 정의된다. 굴절율에 따라 초점 거리 및 상의 위치 등이 달라지므로 장치의 목적 및 조건에 맞는 적절한 굴절율의 렌즈의 구비가 요구된다.
굴절율은 파장에 따라 달라진다. 즉, 동일한 재질 및 기하학적 형상을 갖는 렌즈를 통과하는 빛도 파장에 따라 굴절율이 달라진다. 이는 결국 파장에 따른 초점 거리의 차이를 가져오고 결과적으로 상이 선명하지 못한 결과를 가져온다. 이를 색수차라고 한다.
두 파장이 각각 가시광선 영역과 적외선 영역에 각각 속하는 경우와 같이 파장의 차이가 상대적으로 큰 경우 색수차 이상의 문제가 발생한다. 즉, 굴절율 차이가 상대적으로 매우 크게 발생하여 두 파장에 대한 초점 거리가 크고 결과적으로 일 지점에 상이 맺히게 할 수 없다.
따라서, 가시광선 파장 및 적외선 파장을 모두 수광하여 효과적으로 실화상 및 열화상이 맺히도록 하는 굴절 렌즈의 구현은 어렵다.
본 발명은 전술한 문제인 종래의 열화상 광학 장치가 갖는 비용 증가의 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 열화상 카메라를 통해 획득한 열화상 및 실화상 카메라를 통해 획득한 실화상을 획득하여 복합 이미지를 얻을 때 발생하는 오차를 제거하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 피사체에서 출사된 빛을 수광하고 수광된 빛을 반사하는 제1 형상의 반사 렌즈 및 상기 렌즈에서 반사된 빛의 광 경로에 구비되어 상기 반사된 빛 중 적외선 영역의 파장에 대한 이미지를 획득하는 적외선 디텍터(Detector)를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사 렌즈의 제1 형상은 비구면 형상을 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 비구면 형상은 코닉(Conic) 상수와 폴리노미얼(Polynomial) 계수를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사 렌즈는 금(Gold), 은(Silver) 또는 알루미늄(Aluminum) 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사 렌즈는, 제1 형상의 반사부 및 상기 반사부에 결합하여 반사면을 형성하는 제1 물질의 코팅 레이어를 포함하고, 상기 제1 물질은 금, 은 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 피사체에서 출사된 빛의 광 경로와 상기 반사 렌즈의 광축은 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사 렌즈의 반사면은 자오적 평면에 대칭이고, 상기 자오적 평면에 수직하고 상기 반사 렌즈의 광축을 포함하는 제1 평면에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 피사체에서 출사되거나 피사체에 반사된 빛을 수광하고 수광된 빛을 반사하는 제1 형상의 반사 렌즈, 상기 반사 렌즈에 반사된 빛 중 적외선 영역의 파장을 제1 경로로 반사시키고, 가시광선 영역의 파장을 제2 경로로 투과시키는 빔 스플리터(Beam Spliter), 상기 제1 경로의 일측에 구비되어 상기 반사된 빛의 적외선 영역의 파장에 대한 이미지를 획득하는 적외선 디텍터(Detector) 및 상기 제2 경로의 일측에 구비되어 상기 투과된 빛의 가시광선 영역의 파장에 대한 이미지를 획득하는 가시광선 디텍터를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사 렌즈의 제1 형상은 비구면 형상을 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 비구면 형상은 코닉(Conic) 상수와 폴리노미얼(Polynomial) 계수를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사 렌즈는 유전체를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사 렌즈는, 제1 형상의 반사부 및 상기 반사부에 결합하여 반사면을 형성하는 제2 물질의 코팅 레이어를 포함하고, 상기 제2 물질은 은(Silver) 또는 알루미늄(Aluminum) 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 반사부는 유리를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 피사체에서 출사되거나 상기 피사체에 반사된 빛의 광 경로와 상기 반사 렌즈의 광축은 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광학 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 피사체와 상기 반사 렌즈 사이의 광 경로의 일 지점에 구비되어 상기 반사 렌즈, 상기 적외선 디텍터 및 상기 가시광선 디텍터로의 이물질 유입을 차단하는 커버 윈도우를 더 포함하고, 상기 커버 윈도우는 황화 아연(Zinc Sulfide), 셀렌화 아연(Zinc Selenide), 플루오르화 칼슘(Calcium Fluoride), 플루오르화 마그네슘(Magnesium Fluoride) 및 사파이어(Sapphire)를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 광학 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 적은 비용으로 적외선 광학 장치를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 하나의 렌즈로 적외선 광학 모듈의 역할 및 가시광선 광학 모듈의 역할을 동시에 수행하는 광학 장치를 동시에 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 적은 비용으로 적외선 광학 모듈의 역할 및 가시광선 광학 모듈의 역할을 동시에 수행하는 광학 장치를 동시에 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 광학 장치가 외부로부터 이물질이 유입되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 복합 이미지를 얻기 위한 광학 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명과 관련된 광학 장치의 일 실시 예를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명과 관련된 광학 장치의 일 실시 예를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명과 관련된 제1 형상의 반사 렌즈에 관한 Spot Size에 관한 실험 값이다.
도 5는 본 발명과 관련된 제1 형상의 반사 렌즈에 관한 MTF에 관한 실험 값이다.
도 6은 본 발명과 관련된 제1 형상의 반사 렌즈에 관한 수차도이다.
도 7은 본 발명과 관련된 반사 렌즈의 단면에 대한 개념도이다.
도 8은 주요 금속 별 빛 반사율에 관한 그래프이다.
도 9는 본 발명과 관련된 광학 장치의 또 다른 일 실시 예를 나타내는 모식도이다.
도 10은 'Bob Fischer'에 의한 주요 재질별 빛 투과율 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
카메라는 광학 성질을 이용하여 피사체의 이미지를 획득하는 장치를 말한다. 카메라는 인식하는 빛의 파장 영역을 기준으로 실화상 카메라와 열화상 카메라로 구분한다. 실화상 카메라는 피사체에 반사된 가시광선 영역의 빛을 인식하여 이미지를 얻는 장치를 말하고, 열화상 카메라는 피사체에서 출사된 적외선 영역의 빛을 인식하여 이미지를 얻는 장치를 말한다.
사람의 눈에 보이는 가시광선 영역의 빛을 촬영하는 실화상 카메라는 피사체의 경계 및 색상을 인지하기에 적절하다.
한편 열원으로서의 물체는 온도에 대응하는 파장의 빛을 방출한다. 특히, 적외선 파장의 빛을 측정하는 열화상 카메라는 일반적으로 관심있는 피사체의 온도를 파악하기에 적절하다.
열화상 카메라와 실화상 카메라는 상기와 같은 목적으로 각각 사용된다.
열화상의 경우 피사체의 온도 상태를 파악할 수 있으나 물체의 경계를 명확하게 표시하는 것은 아니어서 사용자 인식 측면에서 단점이 존재한다.
이러한 문제를 해결하여 열화상에 실화상의 경계를 입혀 양 이미지를 적절히 합성한 복합 이미지를 생성하는 장치가 존재한다. 즉, 복합 이미지는 열화상과 실화상을 하나의 이미지로 보여준다.
이미지를 획득할 때에는 렌즈와 디텍터(Detector)가 사용된다.
렌즈는 피사체에서 출사 또는 피사체에 반사된 빛을 적절히 굴절 또는 반사시켜 원하는 특정 위치에 상이 맺히도록 한다.
디텍터는 렌즈에 의해 맺힌 피사체의 상을 인식하여 이미지화 시킨다.
피사체에서 출사 또는 피사체에 반사된 빛은 렌즈를 통과하며 굴절된다. 굴절 렌즈에 있어서, 렌즈의 재질 및 기하학적 형상에 따라 굴절되는 정도가 달라지며, 이는 굴절율로 정의된다. 굴절율에 따라 초점 거리 및 상의 위치 등이 달라지므로 장치의 목적 및 조건에 맞는 적절한 굴절율의 렌즈의 구비가 요구된다.
굴절율은 파장에 따라 달라진다. 즉, 동일한 재질 및 기하학적 형상을 갖는 렌즈를 통과하는 빛도 파장에 따라 굴절율이 달라진다. 이는 결국 파장에 따른 초점 거리의 차이를 가져오고 결과적으로 상이 선명하지 못한 결과를 가져온다. 이를 색수차라고 한다.
두 파장이 각각 가시광선 영역과 적외선 영역에 각각 속하는 경우와 같이 파장의 차이가 상대적으로 큰 경우 색수차 이상의 문제가 발생한다. 즉, 굴절율 차이가 상대적으로 매우 크게 발생하여 두 파장에 대한 초점 거리가 크고 결과적으로 일 지점에 상이 맺히게 할 수 없다.
따라서, 가시광선 파장 및 적외선 파장을 모두 수광하여 효과적으로 실화상 및 열화상이 맺히도록 하는 굴절 렌즈의 구현은 어렵다.
도 1은 종래의 복합 이미지를 얻기 위한 광학 장치(200)의 모식도이다.
상기 한계점으로 인해 복합 이미지를 얻기 위한 종래의 광학 장치(200)는 적외선 광학 모듈(220)과 가시광선 광학 모듈(210)을 별도로 구비한다. 즉, 적외선 광학 모듈(220)은 적외선 수광을 위한 굴절 렌즈(221) 및 적외선 디텍터(222)를 구비하고, 가시광선 광학 모듈(210)은 가시광선 수광을 위한 굴절 렌즈(211) 및 가시광선 디텍터(212)를 구비하여 열화상(223)과 실화상(213)을 독립적으로 획득한다.
획득된 열화상(223)과 실화상(213)은 합성되어 복합 이미지가 생성된다.
하지만 이러한 종래의 광학 장치(200)는 아래와 같은 단점을 가진다.
첫째로, 비용의 증가 문제가 있다.
열화상(223) 광학 장치(200)에 있어서 적절한 위치에 상이 맺히도록 하기 위해서는 이를 만족하는 투과율 및 굴절률을 갖는 소재의 굴절 렌즈가 필요하다. 이러한 소재로는 일반적으로 규소(Silicon; Si) 또는 저마늄(Germanium; Ge) 등이 있다. 이러한 소재들은 일반 가시광 렌즈에서 사용되는 플라스틱 또는 유리와 같은 소재보다 비싸다.
둘째로, 정확하지 못한 복합 이미지가 획득된다.
하나의 광학 장치(200)에 구비된 적외선 광학 모듈(220)과 가시광선 광학 모듈(210)에 있어서, 열화상(223)을 얻는 적외선 광학 모듈(220)의 광학 경로(233)와 실화상(213)을 얻는 가시광선 광학 모듈(210)의 광학 경로(232)는 서로 일치하지 않으므로 정확하게는 서로 다른 피사체(231)의 이미지라 할 수 있다.
이러한 차이는 실화상(213)과 열화상(223)을 복합 이미지로 변환할 때 오차 내지 노이즈를 발생시킨다.
도 2는 본 발명과 관련된 광학 장치(100)의 일 실시 예를 나타내는 모식도이다.
전술한 바와 같이 굴절 렌즈를 이용한 카메라 장치는 파장에 따라 굴절률이 달라지며 이러한 굴절률의 차이는 상기와 같은 단점을 갖게 된다.
따라서 본 발명은 수광한 빛을 굴절시키지 않고 반사 시켜 디텍터로 보내는 반사 렌즈(110)를 제안한다.
빛을 반사시키는 반사 렌즈(110)의 경우 굴절의 법칙이 아닌 반사의 법칙을 따르기 때문에 빛의 파장의 차이 또는 렌즈의 재질에 따른 투과율 또는 굴절률 차이는 고려할 필요가 없다.
즉, 굴절 렌즈와 달리 투과한 빛이 아닌 반사한 빛을 사용하므로 반사 렌즈(110)의 반사면(1101)의 형상 및 재질만 고려하면 족하다. 광학적으로 이러한 조건을 만족하는 반사 렌즈(110)는 제1 형상을 갖는 것으로 정의한다. 제1 형상이라 함은 반사 렌즈(110), 특히 반사면(1101)의 기하학적 형상을 의미한다.
이때 반사면(1101)은 높은 반사율을 가지는 재질로 구성될 것을 요건으로 한다. 반사면(1101)의 재질과 관련된 설명은 후술한다.
반사 렌즈(110)를 사용하여 이미지(121)를 획득하는 경우, 특히, 굴절 렌즈의 가격이 비싼 적외선 광학 장치의 굴절 렌즈를 대체할 수 있어 비용의 감소를 기대할 수 있다.
따라서 본 발명 특징이 적용된 광학 장치(100)는 적외선 광학 장치로서 역할을 수행할 수 있다.
반사 렌즈(110)는 피사체(311)로부터 반사 렌즈(110)까지로의 광 경로, 즉 주광선(112)이 반사 렌즈(110)의 광축(111)과 일치하거나 포함하지 않도록 구비된다. 즉, 반사 렌즈(110)의 특성상 광축(111) 상에 피사체(311)가 구비되는 경우 디텍터(120)의 위치가 부적절해 지므로 이를 피해야 한다.
적외선 광학 장치로서 사용되는 본 발명 광학 장치(100)에는 적외선 디텍터(120)가 구비된다. 주광선이 반사 렌즈(110)에 반사되기 이전의 경로를 입사 경로(112), 반사 렌즈(110)에 반사된 이후의 광 경로를 반사 경로(113)라고 할 때, 적외선 디텍터(120)는 반사 경로(113)의 일측에 구비될 수 있다.
열화상을 획득하는 적외선 디텍터(120)로서 마이크로 보로-미터(Micro Boro-meter)를 예로 들 수 있다.
도 3은 본 발명과 관련된 광학 장치의 일 실시 예를 나타내는 모식도이다.
제1 형상은 비구면 형상을 가질 수 있다. 특히, 제1 형상은 코닉상수와 폴리노미얼 계수를 갖는 비구면 형상을 가질 수 있다.
즉, 제1 형상은 아래와 같은 식을 포함하는 기하학적 형상의 적어도 일부가 될 수 있다.
Figure pat00001
c=1/R, R:반지름, c:곡률반경
Figure pat00002
k: 코닉 상수
(k=0, a1=a2=a3=…=0 일 때 구면)
(k=-1, a1=a2=a3=…=0 일 때 포물면)
(k<-1, a1=a2=a3=…=0 일 때 쌍곡면)
a1, a2, a3, … :비구면 계수
제1 형상은 특히 토릭면을 포함할 수 있다.
특히, 상기 반사 렌즈(110)의 특징에 의해 반사 렌즈(110)의 제1 형상은 주광선(112) 및 광축(111)을 포함하는 자오적 평면(tangential　plane)에 대칭인 형상을 띤다.
반면, 자오적 평면에 수직하고 광축(111)을 포함하는 제1 평면에 대해서는 비대칭의 형상을 띨 수 있다. 즉, 제1 형상은 코닉상수와 폴리노미얼 계수를 갖는 기하학적 형상을 광축(111)에 대해 회전시킨 형상 중 회전축의 중심을 포함하지 않는 일부 영역이 될 수 있다. 회전축의 중심을 포함하지 않는 일부 영역은 회전축으로부터 자오적 평면을 포함하고 회전축에 수직인 방향(x또는 y 방향이 될 수 있다.)으로 거리 d를 가질 수 있다.
또는 경우에 따라 자오적 평면 및 제1 평면에 대해 모두 비대칭 형상을 띨 수도 있다.
도 4은 본 발명과 관련된 제1 형상의 반사 렌즈에 관한 Spot Size에 관한 실험 값이다. 도 5는 본 발명과 관련된 제1 형상의 반사 렌즈에 관한 MTF에 관한 실험 값이다. 도 6은 본 발명과 관련된 제1 형상의 반사 렌즈에 관한 수차도이다.
상기 실험 값들은 광학 설계 소프트웨어인 'CODE 5'에 의한 것이다.
보는 바와 같이, 본 반사 렌즈는 적절한 설계라고 할 수 있다.
도 7은 본 발명과 관련된 반사 렌즈(110)의 단면에 대한 개념도이다.
적외선 광학 장치로서 사용되는 광학 장치(100)에 구비되는 반사 렌즈(110)는 적외선 파장을 반사시킬 수 있는 제1 물질을 포함할 수 있다.
반사 렌즈(110)는 단일 제1 물질을 포함하는 일체형으로 형성될 수도 있고, 제1 형상의 반사면(1101)을 갖는 반사부(1102)에 제1 물질의 코팅 레이어(1103)가 결합하여 반사 렌즈(110)를 구성할 수도 있다. 이때 반사부(1102)는 빛이 반사되는 상대물의 역할만 제공하며 투과하는 성질의 것이 아니므로 반사부(1102)의 소재는 반사 효율에 영향을 미치지 않는다. 따라서 제1 형상을 갖는 반사부(1102)의 재질은 반사 효과에 있어서는 제한 없이 선택 가능하다. 이러한 코팅 방식은 반사부(1102)의 물질 선택의 폭이 넓어진다는 점에서 비용의 감소를 기대할 수 있으며, 장치의 무게 및 내구성도 유동적으로 선택 가능하다는 장점이 있다.
반사부(1102)와 코팅 레이어(1103) 결합의 반사 렌즈(110)를 구성하는 경우, 제1 물질의 코팅 레이어(1103)는 금속 또는 유전체 물질을 포함할 수 있다.
제1 물질이 금속인 경우, 제1 형상의 반사면(1101)을 갖는 반사부(1102)에 박막 코팅 또는 도금 등의 방식으로 코팅 레이어(1103)가 입혀질 수 있다. 이때의 박막 코팅은 후막 코팅을 포함할 수 있다.
금속으로서의 제1 물질은 반사율이 뛰어난 물질이 될 수 있다.
도 8은 주요 금속 별 빛 반사율에 관한 그래프이다.
상기 그래프를 통해 알 수 있듯이, 제1 물질은 금, 은 또는 알루미늄이 적절한 선택이 될 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 제1 물질이 유전체인 경우, 제1 형상의 반사부(1102)에 박막 코팅 방식으로 코팅 레이어(1103)가 입혀질 수 있다. 제1 물질이 유전체인 경우에는 박막 코팅은 다층 코팅 방식으로 형성되어 적외선 파장을 포함하는 빛을 효과적으로 반사할 수 있다.
제1 물질의 반사 렌즈(110)는 종래의 광학 장치(200)에 사용되는 규소 또는 저마늄과 같은 고가의 굴절 렌즈를 대체함으로써 비용을 감소시킬 수 있다.
도 9는 본 발명과 관련된 광학 장치(100)의 또 다른 일 실시 예를 나타내는 모식도이다.
본 발명과 같이 굴절 렌즈를 반사 렌즈(110)를 대체하는 경우 파장에 관계 없이 초점 거리 또는 상의 거리를 정할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 효과는 적외선 영역의 파장뿐만 아니라 가시광선 영역의 파장을 동시에 수광하여 열화상과 실화상을 모두 획득하는 광학 장치(100)의 구성이 가능하다.
반사 렌즈(110)의 특성에 의해, 제1 형상의 반사 렌즈(110)는 적외선 영역의 파장 및 가시광선 영역의 파장에 무관하게 동일한 초점 거리 및 상의 위치를 가질 수 있다. 이는 하나의 렌즈로 열화상 및 실화상을 획득할 수 있음을 의미한다 즉, 도 1에서 설명한 종래의 복합 이미지 획득 광학 장치(200)의 두 번째 문제를 해결할 수 있다.
다만, 이미지(121, 131)를 획득하는 적외선 디텍터(120)와 가시광선 디텍터(130)는 구분되므로, 반사된 적외선과 반사된 가시광선은 구분되어 디텍터에 인식되어야 한다.
빔 스플리터(140)는 반사 렌즈(110)와 디텍터(120, 130)의 광 경로 사이인 반사 경로(113) 상의 일 지점에 구비된다.
빔 스플리터(140)는 적외선 영역의 파장은 적외선 디텍터(120)로 반사시키고, 가시광선 영역의 파장은 가시광선 디텍터(130)로 투과시킨다. 즉, 빔 스플리터(140)는 반사 렌즈(110)를 통해 반사된 빛 중 적외선 영역은 제1 경로(141)로 반사하고, 가시광선 영역은 제2 경로(142)로 투과시켜 파장을 선택적으로 반사 또는 투과시킨다.
제1 경로(141)의 일측에는 적외선 디텍터(120)가, 제2 경로(142)의 일측에는 가시광선 디텍터(130)가 구비될 수 있다. 상기 제2 경로(142)는 반사 렌즈(110)에 반사된 광 경로(113)가 그대로 직진한 경로가 될 수 있다. 경우에 따라 제2 경로(142)도 장치의 공간의 제약 등에 의해 추가적으로 반사되어 가시광선 디텍터(130)에 상이 맺히도록 구비될 수도 있다.
빔 스플리터(140)는 글래스 소재를 포함할 수 있고, 이러한 글래스 소재는 입사면에서 적외선 영역 파장이 반사가 잘되고 투과는 잘 안되는 성질을 가지므로 적외선 디텍터(120)가 제1 경로(141)의 일측에 구비되는 것이 적절하다.
본 실시 예의 광학 장치(100)에 의해 오차가 없는 열화상 및 실화상을 획득할 수 잇다.
이때, 적외선 파장 및 가시광선 파장을 모두 적절히 반사하기 위한 반사 렌즈(110) 또는 반사 렌즈(110)의 코팅 레이어(1103, 도 7참조)의 물질이 문제될 수 있다. 열화상 및 실화상을 모두 얻기 위한 광학 장치(100)에 구비된 반사 렌즈(110) 또는 반사 렌즈(110)의 코팅 레이어(1103, 도 7참조)의 물질을 제2 물질로 정의한다.
전술한 바와 같이 적외선 파장만을 이용하는 광학 장치(100)의 반사 렌즈(110)을 구성하는 제1 물질은 적외선 파장을 잘 반사하는 금, 은 또는 알루미늄 소재를 포함할 수 있다. 반면, 본 실시 예의 제2 물질은 적외선 및 가시광선 파장을 모두 반사하기 위해서 은 또는 알루미늄으로 소재가 제한될 수 있다. 도 8과 같이 금 소재의 경우 파란색 영역의 가시광선을 적절히 반사하지 못하기 때문이다.
또는 빔 스플리터(140)의 빛 입사면에 유전체 코팅이 될 수도 있다. 유전체는 빔 스플리터(140)에 다층 박막 코팅 방식에 의해 결합할 수 있다. 다층 박막 코팅 방식의 유전체 코팅이 구비되는 경우 상기 경로와 같이 적외선 영역 파장을 제1 경로(141)로 반사시키고, 가시광선 영역 파장을 제2 경로(142)로 투과시킬 수 있다.
커버 윈도우(150)는 광학계에 이물질이 유입되거나 외부로부터 손상되는 것을 방지한다. 커버 윈도우(150)는 피사체(311)와 반사 렌즈(110)의 사이의 광 경로인 입사 경로(112) 일 지점에 구비된다. 커버 윈도우(150)는 광학적으로 투과성을 가져 피사체(311)에서 출사된 또는 피사체(311)에 반사된 빛이 반사 렌즈(110)에 도달하여야 한다.
커버 윈도우(150)의 재질에 따라 파장대별 투과 정도가 다르다. 실화상 광학 장치(100)에 사용되는 유리 또는 투명 플라스틱 등의 물질은 적외선 파장의 빛을 통과하지 못한다. 따라서 상기 도 2의 실시 예의 광학 장치(100)의 경우에는 적외선 파장의 빛을, 도 9의 실시 예의 경우에는 적외선 파장 및 가시광선 파장의 빛을 모두 투과할 수 있는 적절한 커버 윈도우(150)의 소재 선택이 요구된다.
도 10은 'Bob Fischer'에 의한 주요 재질별 빛 투과율 그래프이다.
플루오르화 마그네슘(Magnesium Fluoride), 플루오르화 칼슘(Calcium Flouride), 셀렌화 아연(Zinc Selenide) 및 황화 아연(Zinc Sulfide)는 380nm~780nm 범위의 가시광선부터 8um~14um 범위의 원적외선 파장까지 넓은 범위에 대해 높은 투과율을 나타내므로 커버 윈도우의 적절한 소재가 될 수 있다.
그래프에는 포함되지 않았지만, 쿼츠(Quartz)도 커버 윈도우(150, 도 9 참조)의 적절한 물질로서 사용될 수 있다.
한편, 상기 수치들은 코팅되지 않은 상태의 물질들에 대한 결과 값이므로 커버 윈도우에 무반사 코팅을 통해 투과율을 더 증가시킬 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 광학 장치 110: 반사 렌즈
1101: 반사면 1102: 반사부
1103: 코팅 레이어 111: 반사 렌즈 광축
112: 주광선, 입사 경로 113: 반사 경로
120: 적외선 디텍터 121: 열화상
130: 가시광선 디텍터 131: 실화상
140: 빔 스플리터 141: 제1 경로
142: 제2 경로 150: 커버 윈도우
200: 종래 광학 장치 210: 종래 가시광선 광학 모듈
211: 종래 가시광선 굴절 렌즈 212: 종래 가시광선 디텍터
213: 실화상 220: 종래 적외선 광학 모듈
221: 종래 적외선 굴절 렌즈 222: 종래 적외선 디텍터
223: 열화상 231: 피사체
232: 가시광선 광학 경로 233: 적외선 광학 경로
311: 피사체

Claims (15)

  1. 피사체에서 출사된 빛을 수광하고 수광된 빛을 반사하는 제1 형상의 반사 렌즈; 및
    상기 렌즈에서 반사된 빛의 광 경로에 구비되어 상기 반사된 빛 중 적외선 영역의 파장에 대한 이미지를 획득하는 적외선 디텍터(Detector)를 포함하는 광학 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈의 제1 형상은 비구면 형상을 포함하는 광학 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 비구면 형상은 코닉(Conic) 상수와 폴리노미얼(Polynomial) 계수를 포함하는 광학 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈는 금(Gold), 은(Silver) 또는 알루미늄(Aluminum) 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈는,
    제1 형상의 반사부; 및
    상기 반사부에 결합하여 반사면을 형성하는 제1 물질의 코팅 레이어를 포함하고,
    상기 제1 물질은 금, 은 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 피사체에서 출사된 빛의 광 경로와 상기 반사 렌즈의 광축은 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈의 반사면은 자오적 평면에 대칭이고, 상기 자오적 평면에 수직하고 상기 반사 렌즈의 광축을 포함하는 제1 평면에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 피사체에서 출사되거나 피사체에 반사된 빛을 수광하고 수광된 빛을 반사하는 제1 형상의 반사 렌즈;
    상기 반사 렌즈에 반사된 빛 중 적외선 영역의 파장을 제1 경로로 반사시키고, 가시광선 영역의 파장을 제2 경로로 투과시키는 빔 스플리터(Beam Spliter);
    상기 제1 경로의 일측에 구비되어 상기 반사된 빛의 적외선 영역의 파장에 대한 이미지를 획득하는 적외선 디텍터(Detector); 및
    상기 제2 경로의 일측에 구비되어 상기 투과된 빛의 가시광선 영역의 파장에 대한 이미지를 획득하는 가시광선 디텍터를 포함하는 광학 장치.
  9. 제8 항에 대하여,
    상기 반사 렌즈의 제1 형상은 비구면 형상을 포함하는 광학 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 비구면 형상은 코닉(Conic) 상수와 폴리노미얼(Polynomial) 계수를 포함하는 광학 장치.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈는 유전체를 포함하는 광학 장치.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 반사 렌즈는,
    제1 형상의 반사부; 및
    상기 반사부에 결합하여 반사면을 형성하는 제2 물질의 코팅 레이어를 포함하고,
    상기 제2 물질은 은(Silver) 또는 알루미늄(Aluminum) 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 반사부는 유리를 포함하는 광학 장치.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 피사체에서 출사되거나 상기 피사체에 반사된 빛의 광 경로와 상기 반사 렌즈의 광축은 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 피사체와 상기 반사 렌즈 사이의 광 경로의 일 지점에 구비되어 상기 반사 렌즈, 상기 적외선 디텍터 및 상기 가시광선 디텍터로의 이물질 유입을 차단하는 커버 윈도우를 더 포함하고,
    상기 커버 윈도우는 황화 아연(Zinc Sulfide), 셀렌화 아연(Zinc Selenide), 플루오르화 칼슘(Calcium Fluoride), 플루오르화 마그네슘(Magnesium Fluoride) 및 사파이어(Sapphire)를 포함하는 광학 장치.
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