WO2016163707A1 - 고해상도 광시야각 원적외선 광학계 - Google Patents

고해상도 광시야각 원적외선 광학계 Download PDF

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WO2016163707A1
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lens
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김현규
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    • G02B9/34—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only

Definitions

  • the present invention relates to a high resolution wide viewing angle far infrared optical system, and more particularly, to a high resolution wide viewing angle far infrared optical system which minimizes image distortion and a change in focal length within a temperature range of -40 ° C to 60 ° C.
  • Far-infrared light is a light band of 8 micrometers-13 micrometers, and includes the wavelength band of the infrared rays which a human produces.
  • Far-infrared cameras are cameras that can detect and capture infrared rays generated by humans or objects at night.
  • the body temperature of humans and animals is about 310K, and the peak wavelength at 310K of black-body radiation is about 8 to 13 ⁇ m. Therefore, if the far infrared rays emitted by humans or objects are captured by the far infrared camera, their existence can be known.
  • Korean Patent Publication No. 10-1214601 "Undegraded Infrared Lens Module”.
  • the prior art is an optical system having two or more lenses, and since the lenses are made of one of zinc selenide (ZnSe) and germanium (Ge), a zinc selenide lens and a germanium lens are arranged. Since the zinc selenide lens and the germanium lens structure is arranged to minimize the focal length over a wide temperature range.
  • An object of the present invention is to provide a high resolution wide viewing angle far infrared optical system that can minimize image distortion.
  • Another object of the present invention is to provide a high resolution wide viewing angle far-infrared optical system capable of minimizing a change in focal length within a temperature range of -40 ° C to 60 ° C.
  • the present invention for achieving the above object comprises a plurality of lenses, each lens is characterized in that to minimize the image distortion by forming an aspherical surface.
  • two or more of the lenses may further form a diffraction pattern to minimize a change in focal length within a temperature range of -40 ° C to 60 ° C.
  • the diffraction pattern may be formed on the aspheric surface.
  • the aspherical lenses may be arranged in a row from an object, and the diffraction pattern and the aspherical lenses may be arranged in a row after the lenses having the aspherical surface.
  • the lens facing the object may be made of germanium and the remaining lenses may be made of zinc selenide.
  • image distortion can be minimized by forming lenses aspheric, and two or more of the lenses further form a diffraction pattern, thereby minimizing a change in focal length within a temperature range of -40 ° C to 60 ° C. Can be.
  • FIG. 1 is a view showing a high resolution wide viewing angle far-infrared optical system of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates LSA (LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), astigmatic field curvature, and distortion for an infinity of an object, respectively.
  • Figure 3 shows the ray aberration of the distance from the object to infinity (Infinity).
  • LSA LONGITUDINAL SPHERICAL ABER
  • astigmatic field curvature a distance of 5 m from an object, respectively.
  • FIG. 5 shows a ray aberration for a distance of 5 m from an object.
  • Figure 6 shows the MTF for the distance to the object infinity.
  • the high resolution wide viewing angle far infrared optical system of the present invention includes a plurality of lenses.
  • the optical system of the present invention may be composed of four lenses L1 to L4, and the first lens L1, the second lens L2, the third lens L3, The fourth lens L4 is arranged in sequence.
  • the first lens L1 is a lens in which a convex surface having a positive refractive power is formed on the front surface of the object side, and a concave surface having a negative refractive power is formed on the rear surface of the object, and a negative magnification is generally formed.
  • the second lens L2 disposed behind the first lens L1 also forms a convex surface having a positive refractive power on the front of the object side, and a concave surface having a negative refractive power on the rear of the object side, and generally has a negative magnification. It is formed lens.
  • the third lens L3 disposed behind the second lens L2 forms a concave surface having a negative refractive power on the front of the object side, and a convex surface having a positive refractive power on the rear of the object side, and forms a positive magnification as a whole.
  • the fourth lens L4 disposed behind the third lens L3 forms a concave surface having a negative refractive power on the front of the object side, and a convex surface having a positive refractive power on the rear of the object side, and forms a positive magnification as a whole.
  • Infrared light sequentially transmitted through the first lens L1, the second lens L2, the third lens L3, and the fourth lens L4 passes through a detector window W and receives the light receiving surface of the image pickup device. Incident on the light-receiving surface to form an image of the object.
  • each of the lenses L1 to L4 has an aspherical surface S.
  • the aspherical surface S is formed on the convex surface having positive refractive power in each of the lenses L1 to L4. That is, the convex surface having positive refractive power in each of the lenses L1 to L4 is an aspherical surface S.
  • the first lens L1 is formed with an aspherical surface S having a positive refractive power
  • the second lens L2 is formed with an aspheric surface S having a positive refractive power
  • the third lens L3 is formed with an aspherical surface S.
  • the rear surface having the positive refractive power is formed as an aspherical surface S
  • the rear surface having the positive refractive power is also formed as an aspherical surface S in the fourth lens L4.
  • a diffraction pattern (not shown) is further formed on two or more of the lenses.
  • the diffraction pattern is preferably formed in the third lens L3 and the fourth lens L4.
  • the diffraction pattern is formed on the aspherical surface S of the third lens L3 and the fourth lens L4. That is, the diffraction pattern is formed on the aspherical surface S of the third lens L3 and the fourth lens L4 having positive refractive power.
  • the diffraction pattern may be formed in various forms on the aspherical surfaces of the third lens L3 and the fourth lens L4, for example, may be formed in a concentric shape.
  • the optical system of the present invention minimizes image distortion by forming convex surfaces of the four lenses L1 to L4 having positive refractive power as an aspherical surface S, and at least two of the lenses L1 to L4. Since the lenses L3 and L4 further form a diffraction pattern on the aspherical surface S, the change in focal length is minimized within a temperature range of -40 ° C to 60 ° C.
  • the spectral range may be 7.7-12.8 ⁇ m
  • the effective focal length may be 6.25 mm
  • the F number may be preferably 1.2
  • the focal range May be 5 mm to infinity (fixed focus) and the instantaneous field of view may be 2.236 mrad.
  • FIG. 2 illustrates LSA (LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), astigmatic field curvature, and distortion for an infinity of an object, respectively.
  • FIG. 3 shows a ray aberration with respect to an infinity of an object
  • FIG. 4 shows LSA (LONGITUDINAL SPHERICAL ABER) and astigmatic field curvature with a distance of 5 m from an object. ) And distortion.
  • LSA LONGITUDINAL SPHERICAL ABER
  • FIG. 5 shows a ray aberration for a distance of 5 m from an object
  • FIG. 6 shows an MTF for an infinite distance from an object
  • FIG. 7 shows an MTF for a distance of 5 m from an object. It is shown.
  • FIG. 8 shows through focus MTFs of -35 ° C., 20 ° C., and 55 ° C. for Infinity with respect to Infinity
  • FIG. 9 shows -35 for 5 m with distance from the object. Through focus MTFs of ° C, 20 ° C and 55 ° C are shown, respectively.
  • FIG. 10 shows relative illumination ratios of -35 ° C., 20 ° C., and 55 ° C. to Infinity with respect to Infinity
  • FIG. 9 shows -35 ° C. for 5 m with distance from the object. The relative illumination ratios of 20 ° C. and 55 ° C. are shown.
  • FIG. 11 illustrates a defocus of an object at an infinity distance
  • FIG. 12 illustrates a defocus of a distance from an object at 5 m.

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Abstract

본 발명은 고해상도 광시야각 원적외선 광학계에 관한 것으로, 다수개의 렌즈들을 포함하며, 상기 각 렌즈들은 비구면을 형성하여 영상왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 렌즈들 중 2개 이상의 렌즈들은 회절패턴을 더 형성하여 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화를 최소화할 수 있다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 13.07.2016]　고해상도 광시야각 원적외선 광학계
본 발명은 고해상도 광시야각 원적외선 광학계에 관한 것으로, 특히 영상왜곡과 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화를 최소화 하는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계에 관한 것이다.
원적외선은 8㎛~13㎛의 파장대의 광으로서 인간이 내는 적외선의 파장대를 포함한다. 원적외선 카메라는 야간에 인간이나 사물이 발생하는 적외선을 감지하여 촬상할 수 있는 카메라이다.
인간이나 동물의 체온은 310K 정도로 흑체복사(black-body radiation)의 310K에서의 피크 파장이 8~13㎛ 정도이다. 따라서, 인간이나 사물이 내는 원적외선을 원적외선 카메라로 포착하면 그 존재를 알 수 있다.
관련 선행기술로는 한국 등록특허공보 제10-1214601호 "비열화 적외선 렌즈모듈"이 있다. 상기 선행기술은 2개 이상의 렌즈들을 갖는 광학계이고, 렌즈들은 셀렌화아연(ZnSe) 또는 게르마늄(Ge) 중 어느 하나의 재질로 이루어짐으로 인해 셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 배열되는 구조를 갖으며, 셀렌화아연 재질의 렌즈와 게르마늄 재질의 렌즈가 배열되는 구조로 인해 넓은 온도범위에서 초점거리를 최소화한다.
본 발명의 목적은 영상왜곡을 최소화할 수 있는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화를 최소화 할 수 있는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수개의 렌즈들을 포함하며, 상기 각 렌즈들은 비구면을 형성하여 영상왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 렌즈들 중 2개 이상의 렌즈들은 회절패턴을 더 형성하여 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화를 최소화할 수 있다.
상기 회절패턴은 상기 비구면에 형성될 수 있다.
상기 비구면이 형성된 렌즈들은 물체로부터 일렬로 배열되고, 상기 회절패턴과 비구면이 형성된 렌즈들은 상기 비구면이 형성된 상기 렌즈들 다음에 일렬로 배열될 수 있다.
상기 렌즈들 중 물체와 대향하는 렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지고 그 나머지 렌즈들은 셀렌화아연 재질으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 렌즈들이 비구면을 형성함으로써 영상왜곡이 최소화될 수 있고, 렌즈들 중 2개 이상의 렌즈들이 회절패턴을 더 형성함으로써 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화가 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 고해상도 광시야각 원적외선 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2는 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 LSA(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 비점수차 상면만곡(astigmatic field curvature), 외곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 3은 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 광선수차(ray aberration)를 나타낸 것이다.
도 4는 물체와의 거리가 5m에 대한 LSA(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 비점수차 상면만곡(astigmatic field curvature), 외곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 5은 물체와의 거리가 5m에 대한 광선수차(ray aberration)를 나타낸 것이다.
도 6은 물체와의 거리가 무한대에 대한 MTF를 나타낸 것이다.
도 7은 물체와의 거리가 5m에 대한 MTF를 나타낸 것이다.
도 8은 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 스루 포커스 MTF(through focus MTF)를 각각 나타낸 것이다.
도 9는 물체와의 거리가 5m에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 스루 포커스 MTF(thㅁrough focus MTF)를 각각 나타낸 것이다.
도 10은 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 주변광량비(relative illumination)를 각각 나타낸 것이다.
도 9는 물체와의 거리가 5m에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 주변광량비(relative illumination)를 각각 나타낸 것이다.
도 11은 물체와의 거리가 무한대에 대한 디포거스(defocus)를 나타낸 것이다.
도 12는 물체와의 거리가 5m에 대한 디포거스(defocus)를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 고해상도 광시야각 원적외선 광학계(이하, "본 발명의 광학계"라고 한다)는 다수개의 렌즈들을 포함하여 이루어진다. 예를 들면, 본 발명의 광학계는 4개의 렌즈들(L1~L4)로 이루어질 수 있고, 물체(피사체) 쪽으로부터 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4)가 순차로 배열된다.
제1 렌즈(L1)는 물체측 전면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 후면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하며 전체적으로 음의 배율을 형성한 렌즈이다.
*제1 렌즈(L1)의 후방에 배치되는 제2 렌즈(L2) 또한 물체측 전면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 후면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하며 전체적으로 음의 배율을 형성한 렌즈이다.
제2 렌즈(L2)의 후방에 배치되는 제3 렌즈(L3)는 물체측 전면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하고 후면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하며 전체적으로 양의 배율을 형성한 렌즈이다.
제3 렌즈(L3)의 후방에 배치되는 제4 렌즈(L4)는 물체측 전면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하고 후면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하며 전체적으로 양의 배율을 형성한 렌즈이다.
제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4)를 순차로 투과한 적외선은 검출기 윈도우(Detector Window)(W)을 거쳐 촬상소자의 수광면에 입사되고, 그 수광면 상에 물체의 이미지를 형성한다.
이와 같은 본 발명의 광학계는 각 렌즈들(L1~L4)이 비구면(S)을 갖는다. 바람직하게는 비구면(S)이 각 렌즈들(L1~L4)에서 양의 굴절력을 갖는 볼록면에 형성된다. 즉, 각 렌즈들(L1~L4)에서 양의 굴절력을 갖는 볼록면이 비구면(S)이다.
제1 렌즈(L1)는 양의 굴절력을 갖는 전면이 비구면(S)으로 형성되고, 제2 렌즈(L2)는 양의 굴절력을 갖는 전면이 비구면(S)으로 형성되고, 제3 렌즈(L3)은 양의 굴절력을 갖는 후면이 비구면(S)으로 형성되고, 제4 렌즈(L4)도 양의 굴절력을 갖는 후면이 비구면(S)으로 형성된다.
이러한 구성에서, 렌즈들 중 2개 이상의 렌즈들에는 회절패턴(미도시)이 더 형성된다. 예를 들면, 회절패턴은 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)에 형성됨이 바람직하다. 이때, 회절패턴은 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)의 비구면(S) 상에 형성된다. 즉, 회절패턴은 양의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)의 비구면(S)에 형성된다. 회절패턴은 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4)의 비구면에 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 예를 들면, 동심원 형태 등으로 형성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 광학계는 4개의 렌즈들(L1~L4)이 양의 굴절력을 갖는 볼록면이 비구면(S)으로 형성됨으로써 영상왜곡이 최소화되고, 또한 렌즈들(L1~L4) 중 2개 이상의 렌즈들(L3,L4)이 비구면(S)에 회절패턴을 더 형성함으로써 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화가 최소화된다.
이때, 본 발명의 광학계는 물체와 대향하는 렌즈(L1)는 게르마늄(Ge) 재질을 이루고, 그 나머지 렌즈들(L2,L3,L4)은 셀렌화아연(ZnSe) 재질을 이루어, 영상왜곡 및 40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화의 최소화가 더 효과적으로 달성될 수 있도록 한다.
본 발명의 광학계의 일예로서, 스펙트럼 레인지(Spectral Range)가 7.7~12.8㎛일 수 있고, 실효 초점길이(Effectiv Focal Length)는 6.25mm일 수 있고, F수는 바람직하게 1.2일 수 있고, 초점범위는 5mm~무한대(Infinity)(고정된 초점)일 수 있고, 순간시야(instantaneous field of view)가 2.236 mrad일 수 있다.
이때, F수가 1.2 미만이거나 초과하면 렌즈들(L1~L4)을 근접 배열하거나 떨어뜨려 배열해야 하기 때문에 영상왜곡 및 40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화의 최소화하는데 어려움이 있다.
도 2는 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 LSA(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 비점수차 상면만곡(astigmatic field curvature), 외곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 3은 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 광선수차(ray aberration)를 나타낸 것이고, 도 4는 물체와의 거리가 5m에 대한 LSA(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 비점수차 상면만곡(astigmatic field curvature), 외곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 5은 물체와의 거리가 5m에 대한 광선수차(ray aberration)를 나타낸 것이고, 도 6은 물체와의 거리가 무한대에 대한 MTF를 나타낸 것이고, 도 7은 물체와의 거리가 5m에 대한 MTF를 나타낸 것이다.
도 8은 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 스루 포커스 MTF(through focus MTF)를 각각 나타낸 것이고, 도 9는 물체와의 거리가 5m에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 스루 포커스 MTF(through focus MTF)를 각각 나타낸 것이다.
도 10은 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 주변광량비(relative illumination)를 각각 나타낸 것이고, 도 9는 물체와의 거리가 5m에 대한 -35℃, 20℃, 55℃의 주변광량비(relative illumination)를 각각 나타낸 것이다.
도 11은 물체와의 거리가 무한대에 대한 디포거스(defocus)를 나타낸 것이고, 도 12는 물체와의 거리가 5m에 대한 디포거스(defocus)를 나타낸 것이다.
상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 다수개의 렌즈들을 포함하며,
    상기 각 렌즈들은 비구면을 형성하여 영상왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 하는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈들 중 2개 이상의 렌즈들은 회절패턴을 더 형성하여 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화를 최소화하는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회절패턴은 상기 비구면에 형성되는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 비구면이 형성된 렌즈들은 물체로부터 일렬로 배열되고, 상기 회절패턴과 비구면이 형성된 렌즈들은 상기 비구면이 형성된 상기 렌즈들 다음에 일렬로 배열되는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈들 중 물체와 대향하는 렌즈는 게르마늄 재질로 이루어지고 그 나머지 렌즈들은 셀렌화아연 재질으로 이루어지는 고해상도 광시야각 원적외선 광학계.
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