WO2018101520A1 - 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계 - Google Patents

영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계 Download PDF

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WO2018101520A1
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image distortion
rear surface
optical system
curvature
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김현규
김정현
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(주)토핀스
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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 far-infrared wide viewing angle optical system with minimized image distortion, and more particularly to a far-infrared wide viewing angle optical system capable of minimizing the shape change of an object due to image distortion with an image distortion of less than 2%.
  • 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.
  • An object of the present invention is to provide a far-infrared wide viewing angle optical system that minimizes image distortion due to image distortion with an image distortion rate of less than 2%, and minimizes image distortion without using a driving motor due to a change in focal length. .
  • the present invention for achieving the above object comprises four lenses (L1) (L2) (L3) (L4) arranged in sequence from the object side, each of the lenses (L1) (L2) (L3) ( L4) forms an aspherical surface to minimize image distortion, and the aspherical surface is the front surface S1 of the lens L1, the front surface S1 and the rear surface S2 of the lens L2, and the rear surface of the lens L3. S2 and the rear surface S2 of the lens L4.
  • a diffraction pattern is further formed on the rear surface S2 of the lens L3 on which the aspherical surface is formed and the rear surface S2 of the lens L4 to change the focal length within a temperature range of -40 ° C to 60 ° C. Can be minimized.
  • the radius of curvature of the front surface S1 of the lens L1 is 38.94 mm
  • the radius of curvature of the rear surface S2 is 19.87 mm
  • the radius of curvature of the front surface S1 of the lens L2 is 21.67 mm
  • the rear surface ( The radius of curvature of S2) is 30.27mm
  • the radius of curvature of the front surface S1 of the lens L3 is -145.29mm
  • the radius of curvature of the rear surface S2 is -81.87mm
  • the radius of curvature of S1) may be -260.36mm
  • the radius of curvature of the rear surface S2 may be -21.70mm.
  • the lens L1 may be made of germanium, and the lenses L2, L3, and L4 may be made of zinc selenide.
  • an optical system having a wide viewing angle having a horizontal viewing angle of 90 degrees or more virtually no image distortion phenomenon, and even when used in a wide temperature range, power supply is not required because the driving motor is not required, and the life is long. That is, the present invention has an advantage that when the image distortion rate is less than 2%, it is an image distortion of a range that is unrecognizable to a person and thus looks like a real object.
  • FIG. 1 is a view showing a far-infrared wide viewing angle optical system minimized image distortion of the present invention.
  • LSA LONGITUDINAL SPHERICAL ABER
  • field curvature field curvature
  • distortion with respect to infinity of an object respectively.
  • FIG. 3 shows LSA (LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), field curvature, and distortion for a distance of 5 m from an object, respectively.
  • Figure 4 shows the MTF for the distance to the object infinity.
  • 5 shows an MTF for a distance of 5 m from an object.
  • the far-infrared wide viewing angle optical system (hereinafter referred to as "the optical system of the present invention") of which the image distortion of the present invention is minimized is composed of four lenses L1 to L4, and the object (subject) side
  • the first lens L1, the second lens L2, the third lens L3, and the fourth lens L4 are sequentially arranged.
  • the first lens L1 is a lens having a convex surface having a positive refractive power on the object-side front surface S1, a concave surface having a negative refractive power on the rear surface S2, and a negative magnification as a whole.
  • the second lens L2 disposed behind the first lens L1 also forms a convex surface having a positive refractive power on the object-side front surface S1 and a concave surface having a negative refractive power on the rear surface S2. It is a lens that has a negative magnification.
  • the third lens L3 disposed behind the second lens L2 forms a concave surface having a negative refractive power on the object-side front surface S1 and a convex surface having a positive refractive power on the rear surface S2. It is a lens that has a positive magnification.
  • the fourth lens L4 disposed behind the third lens L3 forms a concave surface having a negative refractive power on the object-side front surface S1 and a convex surface having a positive refractive power on the rear surface S2. It is a lens that has a positive magnification.
  • 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 lens L1 to L4 has an aspherical surface. That is, the front surface S1 of the lens L1, the front surface S1 and the rear surface S2 of the lens L2, the rear surface S2 of the lens L3 and the rear surface S2 of the lens L4 are formed as aspherical surfaces. do.
  • a diffraction pattern may be formed on the rear surface S2 of the lens L3 and the rear surface S2 of the lens L4.
  • the diffraction pattern is formed on the aspherical surface of the rear surface S2 of the lens L3 and the rear surface S2 of the lens L4, and may be formed in various forms, for example, may be formed in a concentric shape.
  • Such an optical system of the present invention has a front surface S1 of the lens L1, a front surface S1 and a rear surface S2 of the lens L2, a rear surface S2 of the lens L3, and a rear surface S2 of the lens L4.
  • Image distortion is minimized by forming the aspherical surface, and a diffraction pattern is further formed on the aspherical surface of the rear surface S2 of the lens L3 and the rear surface S2 of the lens L4, so that the temperature range is -40 ° C to 60 ° C.
  • the change in focal length is minimized within.
  • the radius of curvature of the front surface S1 of the lens L1 is 38.94 mm
  • the radius of curvature of the rear surface S2 is 19.87 mm
  • the front surface S1 of the lens L2 is formed.
  • the radius of curvature is 21.67mm
  • the radius of curvature of the rear surface S2 is 30.27mm
  • the radius of curvature of the front surface S1 of the lens L3 is -145.29mm
  • the radius of curvature of the rear surface S2 is -81.87mm
  • the lens ( The radius of curvature of the front surface S1 of L4) is -260.36mm and the radius of curvature of the rear surface S2 can be formed to be -21.70mm, thereby reducing the shape change of the object due to the image distortion with an image distortion of less than 2%. Can be further minimized.
  • the optical system of the present invention is an optical system having a horizontal viewing angle of 90 degrees or more, almost no image distortion, and even when used in a wide temperature range, a power supply is not required because the driving motor is not required and the life is long. You can get it. That is, the optical system of the present invention has an advantage in that when the image distortion is less than 2%, it is an image distortion of a range that is unrecognizable to a person and thus looks like a real object.
  • the lens L1 facing the object is made of germanium (Ge) material
  • the lenses L2, L3, and L4 are made of zinc selenide (ZnSe) material, and the image distortion and- Minimization of the change in focal length within the temperature range of 40 ° C. to 60 ° C. can be more effectively achieved.
  • the optical system of the present invention has a spectral range of 8.0 to 12.0 ⁇ m, an effective focal length of 7.05 mm, an F number of 1.2, and a focal range of 5 mm to infinity (fixed focus). ) And the field of view is 93.0 ° ⁇ 75.0 ° or more.
  • Pixel Format is 1024 ⁇ 768 pixels (15.0 ⁇ m pitch).
  • the lenses L1 to L4 must be arranged in close proximity or in a dropping manner, thereby making it difficult to minimize image distortion and change in focal length within a temperature range of -40 ° C to 60 ° C.
  • LSA LONGITUDINAL SPHERICAL ABER
  • field curvature field curvature
  • distortion with respect to infinity of an object respectively.
  • FIG. 3 shows LSA (LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), field curvature, and distortion for a distance of 5 m from an object, respectively.
  • Figure 4 shows the MTF for the distance to the object infinity.
  • 5 shows an MTF for a distance of 5 m from an object.

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Abstract

본 발명은 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계에 관한 것으로, 물체 측으로부터 순차로 배열된 4개의 렌즈들(L1)(L2)(L3)(L4)을 포함하며, 상기 각 렌즈들(L1)(L2)(L3)(L4)은 비구면을 형성하여 영상왜곡을 최소화하고, 상기 비구면은 상기 렌즈(L1)의 전면(S1), 상기 렌즈(L2)의 전면(S1) 및 후면(S2), 상기 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 상기 렌즈(L4)의 후면(S2)에 형성되는 것을 특징으로 하며, 영상왜곡율이 2% 미만으로 영상왜곡에 의한 물체의 형상 변화를 최소화할 수 있다.

Description

영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계
본 발명은 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계에 관한 것으로, 특히 영상왜곡율이 2% 미만으로 영상왜곡에 의한 물체의 형상 변화를 최소화할 수 있는 원적외선 광시야각 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 제10-1554130호 "고해상도 광시야각 원적외선 광학계"가 있다. 상기 선행기술을 포함한 수평시야각이 90도 이상의 기존의 원적외선 광시야각 렌즈모듈은 영상왜곡율이 10% 이상으로 영상왜곡에 의한 물체의 형상이 과다하게 왜곡되어 실물과 다르게 보이는 문제가 있고, 원적외선 렌즈 재질의 특성상 온도 변화시 초점거리 변화를 보상하기 위해 구동모터를 사용하여야 하기 때문에 전력공급이 필요하다.
본 발명의 목적은 영상왜곡율이 2% 미만으로 영상왜곡에 의한 물체의 형상 변화를 최소화하고, 초점거리 변화가 최소화되어 구동모터를 사용할 필요가 없는 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 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 물체 측으로부터 순차로 배열된 4개의 렌즈들(L1)(L2)(L3)(L4)을 포함하며, 상기 각 렌즈들(L1)(L2)(L3)(L4)은 비구면을 형성하여 영상왜곡을 최소화하고, 상기 비구면은 상기 렌즈(L1)의 전면(S1), 상기 렌즈(L2)의 전면(S1) 및 후면(S2), 상기 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 상기 렌즈(L4)의 후면(S2)에 형성되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 비구면이 형성된 상기 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 상기 렌즈(L4)의 후면(S2)에는 회절패턴이 더 형성되어 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화를 최소화할 수 있다.
상기 렌즈(L1)의 전면(S1)의 곡률반경이 38.94mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 19.87mm 이며, 상기 렌즈(L2)의 전면(S1)의 곡률반경이 21.67mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 30.27mm 이며, 상기 렌즈(L3)의 전면(S1)의 곡률반경이 -145.29mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 -81.87mm 이며, 상기 렌즈(L4)의 전면(S1)의 곡률반경이 -260.36mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 -21.70mm 일 수 있다.
상기 렌즈(L1)는 게르마늄 재질로 이루어지고, 상기 렌즈들(L2)(L3)(L4)은 셀렌화아연 재질으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 수평시야각이 90도 이상의 광시야각을 갖는 광학계로서 영상왜곡 현상이 거의 없으며, 넓은 온도범위에서 사용하더라도 구동모터가 필요없기 때문에 전력공급이 필요없고, 수명이 길다는 효과가 있다. 즉, 본 발명은 영상왜곡률이 2% 미만인 경우에 사람이 인지할 수 없는 범위의 영상왜곡이어서 실물과 같은 형상으로 보이게 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계를 나타낸 도면이다.
도 2는 물체와의 거리가 무한대(Infinity)에 대한 LSA(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 상면만곡(field curvature), 왜곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 3은 물체와의 거리가 5m에 대한 LSA(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 상면만곡(field curvature), 왜곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 4는 물체와의 거리가 무한대에 대한 MTF를 나타낸 것이다.
도 5는 물체와의 거리가 5m에 대한 MTF를 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 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계(이하, "본 발명의 광학계"라고 한다)는 4개의 렌즈들(L1~L4)로 이루어지고, 물체(피사체) 측으로부터 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3), 제4 렌즈(L4)가 순차로 배열된다.
제1 렌즈(L1)는 물체측 전면(S1)을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고, 후면(S2)을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하며 전체적으로 음의 배율을 형성한 렌즈이다.
제1 렌즈(L1)의 후방에 배치되는 제2 렌즈(L2) 또한 물체측 전면(S1)을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고, 후면(S2)을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하며 전체적으로 음의 배율을 형성한 렌즈이다.
제2 렌즈(L2)의 후방에 배치되는 제3 렌즈(L3)는 물체측 전면(S1)을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하고, 후면(S2)을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하며 전체적으로 양의 배율을 형성한 렌즈이다.
제3 렌즈(L3)의 후방에 배치되는 제4 렌즈(L4)는 물체측 전면(S1)을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하고, 후면(S2)을 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 비구면을 갖는다. 즉, 렌즈(L1)의 전면(S1), 렌즈(L2)의 전면(S1) 및 후면(S2), 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 렌즈(L4)의 후면(S2)이 비구면으로 형성된다.
이러한 구성에서, 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 렌즈(L4)의 후면(S2)에는 회절패턴이 형성될 수 있다. 회절패턴은 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 렌즈(L4)의 후면(S2)의 비구면 상에 형성되고, 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 예를 들면 동심원 형태 등으로 형성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 광학계는 렌즈(L1)의 전면(S1), 렌즈(L2)의 전면(S1) 및 후면(S2), 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 렌즈(L4)의 후면(S2)이 비구면으로 형성됨으로써 영상왜곡이 최소화되고, 또한 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 렌즈(L4)의 후면(S2)의 비구면에 회절패턴이 더 형성됨으로써 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화가 최소화된다.
특히, 본 발명의 광학계는 렌즈(L1)의 전면(S1)의 곡률반경(Radius of Curvature)이 38.94mm 이고 후면(S2)의 곡률반경은 19.87mm 이며, 렌즈(L2)의 전면(S1)의 곡률반경이 21.67mm 이고 후면(S2)의 곡률반경은 30.27mm 이며, 렌즈(L3)의 전면(S1)의 곡률반경이 -145.29mm 이고 후면(S2)의 곡률반경은 -81.87mm 이며, 렌즈(L4)의 전면(S1)의 곡률반경은 -260.36mm 이고 후면(S2)의 곡률반경은 -21.70mm 으로 형성될 수 있고, 이에 의해 영상왜곡율이 2% 미만으로 영상왜곡에 의한 물체의 형상 변화를 더 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 광학계는 수평시야각이 90도 이상의 광시야각을 갖는 광학계로서 영상왜곡 현상이 거의 없으며, 넓은 온도범위에서 사용하더라도 구동모터가 필요없기 때문에 전력공급이 필요없고, 수명이 길다는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명의 광학계는 영상왜곡률이 2% 미만인 경우에 사람이 인지할 수 없는 범위의 영상왜곡이어서 실물과 같은 형상으로 보이게 되는 장점이 있다.
이때, 본 발명의 광학계는 물체와 대향하는 렌즈(L1)는 게르마늄(Ge) 재질을 이루고, 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 광학계는 스펙트럼 레인지(Spectral Range)가 8.0 ~ 12.0㎛이고, 실효 초점길이(Effectiv Focal Length)는 7.05mm이며, F수는 1.2이고, 초점범위는 5mm~무한대(Infinity)(고정된 초점)이고, 시야(field of view)가 93.0°× 75.0°이상 이다. 픽셀 포멧(Pixel Format)은 1024 × 768 pixels(15.0㎛ pitch) 이다.
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), 상면만곡(field curvature), 왜곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 3은 물체와의 거리가 5m에 대한 LSA(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER), 상면만곡(field curvature), 왜곡(distortion)을 각각 나타낸 것이다.
도 4는 물체와의 거리가 무한대에 대한 MTF를 나타낸 것이다.
도 5는 물체와의 거리가 5m에 대한 MTF를 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 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 물체 측으로부터 순차로 배열된 4개의 렌즈들(L1)(L2)(L3)(L4)을 포함하며,
    상기 각 렌즈들(L1)(L2)(L3)(L4)은 비구면을 형성하여 영상왜곡을 최소화하고,
    상기 비구면은 상기 렌즈(L1)의 전면(S1), 상기 렌즈(L2)의 전면(S1) 및 후면(S2), 상기 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 상기 렌즈(L4)의 후면(S2)에 형성되는 것을 특징으로 하는 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비구면이 형성된 상기 렌즈(L3)의 후면(S2) 및 상기 렌즈(L4)의 후면(S2)에는 회절패턴이 더 형성되어 -40℃ ~ 60℃의 온도 범위 내에서 초점거리의 변화를 최소화하는 것을 특징으로 하는 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 렌즈(L1)의 전면(S1)의 곡률반경이 38.94mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 19.87mm 이며,
    상기 렌즈(L2)의 전면(S1)의 곡률반경이 21.67mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 30.27mm 이며,
    상기 렌즈(L3)의 전면(S1)의 곡률반경이 -145.29mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 -81.87mm 이며,
    상기 렌즈(L4)의 전면(S1)의 곡률반경이 -260.36mm 이고, 후면(S2)의 곡률반경은 -21.70mm 인 것을 특징으로 하는 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈(L1)는 게르마늄 재질로 이루어지고, 상기 렌즈들(L2)(L3)(L4)은 셀렌화아연 재질으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계.
PCT/KR2016/014218 2016-12-02 2016-12-06 영상왜곡이 최소화된 원적외선 광시야각 광학계 WO2018101520A1 (ko)

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