KR20190128900A - 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈 및 그 카메라 렌즈를 포함하는 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 12㎛ 픽셀 피치 센서에 적용되는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈 및 그 카메라 렌즈를 포함하는 광학계에 관한 것으로서, 피사체로부터 이미지측 방향으로 조리개와 렌즈 1매 그리고 FPA 윈도우로 구성되어 있으며, 렌즈는 양면이 비구면으로 형성되어 있다. 또한 고성능을 위해 굴절률이 크고, 분산이 작으며, 저가격을 위해 몰딩 성형이 가능한 재질로 구성되어 카메라의 소형화에 장점이 있는 광학 렌즈 및 광학계이다.

Description

이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈 및 그 카메라 렌즈를 포함하는 광학계{Long-Wavelength Infrared Camera Lens for Image Sensor and Optical System including the Camera Lens}

본 발명은 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈 및 그 카메라 렌즈를 포함하는 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형화 그리고 저비용을 만족할 수 있는 12㎛ 픽셀 피치(pixel pitch, 또는 픽셀 간격) 이미지 센서에 적용될 수 있는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈 및 그 카메라 렌즈를 포함하는 광학계에 관한 것이다.

이미지 센서는 피사체 정보를 검지(檢知)하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품으로서, 촬상관(撮像管)과 고체 이미지 센서로 크게 나눌 수 있으며 전자에는 비디콘, 플럼비콘 등이 있고, 후자에는 금속산화물반도체(MOS), 전하결합소자(CCD) 등이 있다.

이들은 렌즈와 함께 사용되어 텔레비전 카메라, 디지털 카메라 또는 장파장 적외선 카메라 등을 구성함으로써 입체적인 피사체나 평면적인 피사체를 촬영한다.

특히, 8~15㎛의 파장대의 광을 이용하는 장파장 적외선 카메라는 야간에 인간이나 동물이 발산하는 적외선뿐만 아니라 산업용으로 전자부품에서 발생하는 적외선을 감지하여 촬영할 수 있다.

이에 따라, 장파장 적외선 카메라는 차량용 나이트 비전, 야간정찰용 무인항공기, 산업용 비파괴검사 등에 사용될 수 있다.

이러한 다양한 분야에 장파장 적외선 카메라가 적용되면서, 카메라용 이미지 센서의 픽셀 피치(화소 하나가 가지는 면적)는 최근 몇 년 동안 12㎛(정사각형의 1변 기준)까지 작아지게 되었다.

이와 더불어, 자연스럽게 렌즈의 소형화와 저비용화에 대한 요구가 증대되어 왔다.

선행문헌 1 : 한국등록특허공보 제10-1777661호(2017.09.06)

본 발명은 전술한 필요성을 충족하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 소형화와 저비용화가 가능하고 12㎛ 정도의 미세한 픽셀 피치를 가지는 이미지 센서에 사용 가능하도록 수차 보정이 이루어진 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈 및 그 카메라 렌즈를 포함하는 광학계를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈는,

피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 오목한 제1 면(S1); 및,

상기 제1 면(S1)을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 볼록한 제2 면(S2)을 포함하는 메니스커스 형태의 렌즈로서,

상기 렌즈는 양의 굴절률을 가지며, 상기 제1 면(S1)과 제2 면(S2)의 곡률반경과 초점거리는 [수식 1]을 만족하고,

상기 렌즈의 굴절률과 분산율은 [수식 2]를 만족하는 것을 특징으로 한다.

[수식 1]

-100 < R1 <-15

-20 < R2 < -5

R1 < R2

3 < f < 10

R1 : 제1 면의 곡률반경

R2 : 제2 면의 곡률반경

f : 기준파장 10㎛에서 렌즈의 초점거리

[수식 2]

v=(n10 - 1) / (n08 - n12)

2.5 < n10 < 2.9

100 < v < 170

n10 : 기준파장 10㎛에서 렌즈의 굴절률

n08 : 기준파장 8㎛에서 렌즈의 굴절률

n12 : 기준파장 12㎛에서 렌즈의 굴절률

상기 렌즈의 제1 면과 제2 면이 모두 비구면으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈는 적어도 하나의 회절면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 렌즈는 몰드 성형용 광학소재로 이루어지지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라는,

피사체로부터 이미지면을 향해,

조리개;

전술한 렌즈;

상기 제2 면으로부터 이격되게 설치되는 적외선 필터; 및,

상기 적외선 필터를 통과한 광을 통해 피사체를 결상하는 상기 이미지면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 조리개의 위치가 렌즈의 제1 면으로부터 피사체측 방향으로 5mm 이하에 위치에 있거나 렌즈 오목면에 위치에 있는 것을 특징으로 한다.

후초점 거리가 4mm 이상인 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 몰딩 성형이 가능한 렌즈 1매로 12㎛ 픽셀 피치의 특성을 가지는 이미지 센서에 적용되는 것에 의해 소형화와 저비용화가 가능하므로 다양한 분야에 적용될 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 상면만곡 및 왜곡 수차 그래프이다
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 광선수차(ray aberration)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 변조전달함수(MTF : Modulation Transfer Function)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 주변광량비(Relative Illumination)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 몰딩 성형용 도면을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 광학계를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 상면만곡 및 왜곡 수차 그래프이다
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 광선수차(ray aberration)를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 변조전달함수(MTF : Modulation Transfer Function)를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 주변광량비(Relative Illumination)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 대한 몰딩 성형용 도면을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예는 12㎛ 픽셀 피치 특성을 가지는 이미지 센서를 대상으로 하였으나, 다른 크기를 가지는 픽셀 피치의 이미지 센서를 대상으로 하는 것 또한 가능하다.

먼저, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈의 구성을 나타내는 광학계의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 피사체(OBJ)로부터 이미지면(IMG, 또는 센서면) 방향으로 조리개(10), 렌즈(20), FPA 윈도우(30, Focal Plane Array window, 또는 "초점면 배열 윈도우")를 순차적으로 포함한다.

렌즈는 메니스커스 타입 형태로서, 제1 면(S1)은 오목면, 제2 면(S2)는 볼록면을 가지며, 전체적으로 양의 굴절률을 가지고 양면은 비구면으로 형성되어 있다.

렌즈가 비구면으로 형성됨으로써, 피사체의 한층 정밀한 결상이 가능하게 되고 렌즈의 개수를 줄일 수 있다.

렌즈(20)는 광학 성능이 좋아지도록 굴절률이 크고 분산이 작으며, 몰딩 성형이 가능한 재질이 적용된다.

상기 몰딩 성형이 가능한 재질은 글라스나 플라스틱이 채택될 수 있으며, 공지된 일반적인 몰딩 소재가 가능하다.

조리개(10) 위치는 렌즈(20)의 앞면, 즉 렌즈(20)와 피사체(OBJ) 사이에 위치해 있으며, 입사된 광이 렌즈의 어느 부분을 통해 굴절할지를 결정한다.

FPA 윈도우(30)는 이미지 센서 보호를 위해 적용될 수 있다.

이러한 구성에서, 렌즈는 다음 조건을 만족한다.

-100 < R1 <-15

-20 < R2 < -5

R1 < R2

3 < f < 10

2.5 < n10 < 2.9

100 < v < 170

여기서 v = (n10 - 1) / (n08 - n12)이다.

또한, R1은 제1 면(S1)의 곡률반경이고, R2는 제2 면(S2)의 곡률반경이며, 앞에 음(-)의 부호는 곡률중심이 렌즈 정점의 왼쪽에 있다는 것을 나타내고, f는 기준파장 10㎛에서 렌즈의 초점거리를 나타낸다.

또한, n10은 기준파장 10㎛에서 렌즈의 굴절률, n08은 기준파장 8㎛에서 렌즈의 굴절률, n12는 기준파장 12㎛에서 렌즈의 굴절률이다.

후초점 거리는 도 1에서 제2 면(S2)의 정점과 이미지면(IMG) 사이의 거리를 나타내며, 중간에 적외선 필터(30)가 개재되므로 4mm 이상 두는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 비구면 형상은 다음 <수식 1>을 만족한다.

<수식 1>

여기서, z는 광축 방향의 좌표이고 , r은 광축 방향에 수직한 좌표이다.

또한, c는 곡률 반경의 역수(곡률)이며, k는 코닉 상수를, A, B, C, D, E, F는 비구면 계수를 나타낸다.

이와 같이 렌즈 1매로 소정의 효과를 나타내므로 소형화가 가능하고 저비용화를 이룰 수 있다.

또한, 상기 렌즈의 제1 면(S1)과 제2 면(S2) 중 적어도 하나는 회절면을 포함할 수 있다.

이를 통해, 색수차를 줄여서 성능을 한 단계 올릴 수 있다.

또한, 도 6과 도 12의 타원 부분으로 도시한 바와 같이, 몰딩 성형된 렌즈의 유효경을 벗어나는 가장자리 부분에서 1mm 이상의 평면 부분을 갖는 것이 바람직하다.

이는 주변 구조와의 결합을 위한 기구물(미도시)을 설치하기 위한 부분이다.

또한, 상기 조리개(10)의 위치가 렌즈(20)의 제1 면(S1)으로부터 피사체측 방향으로 5mm 이하에 위치에 있거나 렌즈(20)의 제1 면(S1)에 위치하는 것이 바람직하다.

이는, 조리개(10)가 렌즈(20)에 가까울수록 렌즈(10)의 크기를 소형화할 수 있기 때문이다.

이하 다양한 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

<제1 실시예 >

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 광학계를 도시하고 있다.

f=5mm, f number=1.2, 후초점 거리 6.971mm

[표 1]

여기서, 제1 면(S1)과 제2 면(S2)에 대응하는 비구면 계수는 아래의 표 2와 같다.

[표 2]

이러한 렌즈에 대해 도 2는 도 1에 대한 상면만곡과 왜곡 수차를 나타내며, 도 3은 도 1에 대해 피사체 거리가 무한대에서 각각의 수차를 포함하는 광선수차(ray aberration)를 나타낸 것으로 0°, 8.47°, 14.11°, 16.65°, 19.75°, 22.32°, 28.22°인 광축상에서 나타낸 것이다.

도 4는 도 1에 대해 콘트라스타와 해상도를 나타내는 변조전달함수(MTF : Modulation Transfer Function) 그래프를 나타낸 것으로, 12㎛ 픽셀 피치에 맞춰 42 cycle/mm의 공간주파수까지 보여준다.

도 5는 도 1에 대해 광축을 기준으로 비축에서의 광량의 차이를 보여주는 주변광량비(Relative Illumination)를 나타낸 그래프이다.

도 6은 도 1에 대해 몰딩 성형 제작이 가능하도록 공차가 반영된 제작 도면이다.

<제2 실시예 >

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 12㎛ 픽셀 피치 이미지 센서용 장파장 적외선 광학계를 도시하고 있다.

f=6.8mm, f number=1.2, 후초점 거리 7.644mm

[표 3]

여기서, 제1 면(S1)과 제2 면(S2)에 대응하는 비구면 계수는 아래의 표 4와 같다.

[표 4]

이러한 렌즈에 대해 도 8은 도 7에 대한 상면만곡과 왜곡 수차를 나타내며, 도 9는 도 3에 대해 피사체 거리가 무한대에서 각각의 수차를 포함하는 광선수차(ray aberration)를 나타낸 것으로 0°, 6.17°, 10.28°, 12.18°, 14.32°, 16.28°, 20.45°인 광축상에서 나타낸 것이다.

도 10은 도 7에 대해 콘트라스타와 해상도를 나타내는 변조전달함수(MTF : Modulation Transfer Function) 그래프를 나타낸 것으로, 12㎛ 픽셀 피치에 맞춰 42 cycle/mm의 공간주파수까지 보여준다.

도 11은 도 7에 대하여 광축을 기준으로 비축에서의 광량의 차이를 보여주는 주변광량비(Relative Illumination)를 나타낸 그래프이다.

도 12는 도 7에 대해 몰딩 성형 제작이 가능하도록 공차가 반영된 제작 도면이다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 몰딩 성형이 가능한 렌즈 1매로 12㎛ 픽셀 피치의 이미지 센서를 포함하는 장파장 적외선 카메라에 적용될 수 있어 소형화와 저비용화를 유도할 수 있으므로 다양한 분야에 적용될 수 있다는 이점이 있다.

본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (7)

1. 피사체로부터 입사되는 광을 1차적으로 굴절시키는 오목한 제1 면(S1); 및,
   상기 제1 면(S1)을 통과한 광을 2차적으로 굴절시키는 볼록한 제2 면(S2)을 포함하는 메니스커스 형태의 렌즈로서,
   상기 렌즈는 양의 굴절률을 가지며, 상기 제1 면(S1)과 제2 면(S2)의 곡률반경과 초점거리는 [수식 1]을 만족하고,
   상기 렌즈의 굴절률과 분산율은 [수식 2]를 만족하는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈.
   [수식 1]
   -100 < R1 <-15
   -20 < R2 < -5
   R1 < R2
   3 < f < 10
   R1 : 제1 면의 곡률반경
   R2 : 제2 면의 곡률반경
   f : 기준파장 10㎛에서 렌즈의 초점거리
   [수식 2]
   v=(n10 - 1) / (n08 - n12)
   2.5 < n10 < 2.9
   100 < v < 170
   n10 : 기준파장 10㎛에서 렌즈의 굴절률
   n08 : 기준파장 8㎛에서 렌즈의 굴절률
   n12 : 기준파장 12㎛에서 렌즈의 굴절률
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 면과 제2 면이 모두 비구면으로 구성된 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 렌즈는 적어도 하나의 회절면을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈는 몰드 성형용 광학소재로 이루어지지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈.
   
5. 피사체로부터 이미지면을 향해,
   조리개;
   제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 렌즈;
   상기 제2 면으로부터 이격되게 설치되는 적외선 필터; 및,
   상기 적외선 필터를 통과한 광을 통해 피사체를 결상하는 상기 이미지면을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈를 포함하는 광학계.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 조리개의 위치가 렌즈의 제1 면으로부터 피사체측 방향으로 5mm 이하에 위치에 있거나 렌즈 오목면에 위치에 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈를 포함하는 광학계.
   
7. 제5항에 있어서,
   후초점 거리가 4mm 이상인 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 장파장 적외선 카메라 렌즈를 포함하는 광학계.
   

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