KR101235579B1 - Infrared microscope lens module - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적외선 현미경 렌즈모듈에 관한 것으로, 특히 적외선 현미경 렌즈모듈의 광학계를 구성하는 모든 렌즈들이 게르마늄(Ge) 재질로 이루어짐으로써 원적외선 및 중적외선의 동시 사용이 가능하며 물체의 이미지를 효과적으로 얻을 수 있는 적외선 현미경 렌즈모듈에 관한 것이다.
The present invention relates to an infrared microscope lens module, and in particular, since all the lenses constituting the optical system of the infrared microscope lens module are made of germanium (Ge) material, simultaneous use of far infrared rays and mid infrared rays is possible, and an image of an object can be effectively obtained. An infrared microscope lens module.
일반적으로, 적외선 현미경 렌즈모듈은 적외선 파장영역에서 물체에서 발생되는 복사에너지에 의해 물체의 이미지를 얻는다. 통상 얻어지는 적외선 렌즈모듈은 공간분해능이 수 마이크로미터에 달해서 미소 물체를 확대하여 영상을 얻는 것은 한계가 있다, 따라서 미소 물체를 확대하기 위한 적외선렌즈의 개발이 요구된다. 특히, MEMS 소자, 고집적회로, LED 칩과 같이 크기가 작은 물체에서 발생되는 복사 에너지를 이용한 확대된 영상을 얻기 위하여 아주 작은 공간분해능을 갖도록 적외선 현미경 광학계를 설계하였다.In general, the infrared microscope lens module obtains an image of the object by the radiation energy generated by the object in the infrared wavelength region. In general, the obtained infrared lens module has a spatial resolution of several micrometers, and thus there is a limit in obtaining an image by enlarging a micro object. Therefore, the development of an infrared lens for enlarging the micro object is required. In particular, the infrared microscope optical system was designed to have a very small spatial resolution in order to obtain an enlarged image using radiant energy generated from a small object such as a MEMS device, an integrated circuit, and an LED chip.
관련 선행기술로는 한국 공개특허공보 제10-2012-0006631호 "적외선렌즈 현미경"이 있다. 상기 선행기술은 물체의 확대 이미지를 얻는 적외선 대물렌즈군과 대물렌즈군을 통해 입사되는 빛을 모아 결상시키는 적외선 튜브렌즈군으로 구성된다.Related prior arts include Korean Patent Publication No. 10-2012-0006631 "Infrared Lens Microscope". The prior art includes an infrared objective lens group for obtaining an enlarged image of an object and an infrared tube lens group for collecting and imaging light incident through the objective lens group.
그러나 이와 같이 구성되는 상기 선행기술은 대물렌즈군과 튜브렌즈군으로 이루어지므로 렌즈의 매수가 많아 구조가 복잡하고, 물체와 대물렌즈군 사이의 작동거리(working distance)가 짧아 물체의 확대 이미지를 충분히 얻는 데 미흡하며, 중적외선만을 통과시키므로 사용 기능에 한계가 있다.
However, the prior art configured as described above is composed of the objective lens group and the tube lens group, so the number of lenses is complicated, and the structure is complicated, and the working distance between the object and the objective lens group is short, so that an enlarged image of the object is sufficiently obtained. Inadequate to obtain, only the mid-infrared light passes, so there is a limit to the use function.
본 발명의 목적은 적외선 현미경 렌즈모듈의 광학계를 구성하는 모든 렌즈들이 게르마늄(Ge) 재질로 이루어짐으로써 원적외선 및 중적외선의 동시 사용이 가능하여 물체의 이미지를 효과적으로 얻을 수 있는 적외선 현미경 렌즈모듈을 제공하는 데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an infrared microscope lens module that can be used for the simultaneous use of far-infrared and mid-infrared light by all the lenses constituting the optical system of the infrared microscope lens module to obtain an image of the object effectively. There is.
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.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the particular embodiments that are described. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention, There will be.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 물체 쪽으로부터 순서대로 배열되는 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)를 갖는 광학계를 포함하고, 상기 제1 렌즈(L1), 상기 제2 렌즈(L2), 상기 제3 렌즈(L3)는 모두 게르마늄(Ge) 재질로 이루어지며, 원적외선 및 중적외선을 동시 투과하는 것을 특징한다.The present invention for achieving the above object comprises an optical system having a first lens (L1), a second lens (L2), a third lens (L3) arranged in order from the object side, the first lens (L1) The second lens L2 and the third lens L3 are each made of germanium (Ge), and are characterized by simultaneously transmitting far-infrared and mid-infrared rays.
구체적으로, 상기 제1 렌즈(L1)와 물체와의 작동거리(D)는 10~15mm 일 수 있다.Specifically, the working distance D between the first lens L1 and the object may be 10 to 15 mm.
상기 제1 렌즈(L1)에서 물체의 반대측 후면(B)은 비구면으로 형성될 수 있다.An opposite rear surface B of the object in the first lens L1 may be formed as an aspherical surface.
상기 제2 렌즈(L2)에서 물체측과 대향하는 전면(F)은 비구면으로 형성될 수 있다.The front surface F facing the object side in the second lens L2 may be formed as an aspherical surface.
상기 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진 상기 제1 렌즈(L1), 상기 제2 렌즈(L2), 상기 제3 렌즈(L3)를 갖는 상기 광학계의 F수는 1.2 이하일 수 있다.The number of F of the optical system including the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 made of the germanium (Ge) material may be 1.2 or less.
상기 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진 상기 제1 렌즈(L1), 상기 제2 렌즈(L2), 상기 제3 렌즈(L3)를 갖는 상기 광학계는 3~5㎛ 의 중적외선과 8~14㎛ 의 원적외선을 동시 투과할 수 있다.
The optical system having the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 made of the germanium (Ge) material may have a medium infrared ray of 3 to 5 μm and a far infrared ray of 8 to 14 μm. Can be transmitted simultaneously.
본 발명에 의하면, 적외선 현미경 렌즈모듈의 광학계를 구성하는 모든 렌즈들이 게르마늄(Ge) 재질로 이루어짐으로써 원적외선 및 중적외선의 동시 사용이 가능하여 조명이 없는 어느 곳에서도 물체의 이미지를 효과적으로 얻을 수 있다. 또한, 물체와의 작동거리가 충분하기 때문에 물체의 확대 이미지를 효과적으로 얻을 수 있고, 비구면의 사용으로 인해 시야각이 넓어 렌즈의 매수를 효과적으로 줄일 수 있고 이로 인해 구조의 간단성 및 경량성, 경제성 등을 얻을 수 있다.
According to the present invention, since all the lenses constituting the optical system of the infrared microscope lens module are made of germanium (Ge), simultaneous use of far infrared rays and mid infrared rays is possible, so that an image of an object can be effectively obtained anywhere without illumination. In addition, since the working distance from the object is sufficient, an enlarged image of the object can be effectively obtained, and the use of an aspherical surface allows a wide viewing angle to effectively reduce the number of lenses, thereby simplifying the structure, light weight, and economic efficiency. You can get it.
도 1은 본 발명의 적외선 현미경 렌즈모듈의 광학계 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 MTF(modulation transfer function)를 나타낸 그래프이다.
도 3은 스루 포커스 MTF(Through Focus MTF)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 엔서클드 에너지(Encircled energy)를 나타낸 점 그래프이다.
도 5는 스루 포커스 점 그래프이다.
도 6은 왜곡(Distortion)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 열 분석을 나타낸 그래프이다.
도 8은 물체거리(Object distance)에 대한 포커스를 나타낸 그래프이다.1 is a view showing the optical system structure of the infrared microscope lens module of the present invention.
2 is a graph showing a MTF (modulation transfer function).
3 is a graph illustrating through focus MTF.
4 is a dot graph showing an encircled energy.
5 is a through focus point graph.
6 is a graph illustrating distortion.
7 is a graph showing thermal analysis.
8 is a graph illustrating a focus on an object distance.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like elements in the figures are denoted by the same reference numerals wherever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 적외선렌즈 현미경은 물체 쪽으로부터 순서대로 배열된 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)를 포함하여 구성된다. 즉, 본 발명의 적외선렌즈 현미경의 광학계는 3개의 렌즈(L1, L2, L3)로 이루어진 간단한 구조를 갖는다.As shown in Fig. 1, the infrared lens microscope of the present invention comprises a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 arranged in order from the object side. That is, the optical system of the infrared lens microscope of this invention has the simple structure which consists of three lenses L1, L2, and L3.
제1 렌즈(L1)는 물체측 전면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하고 후면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하며 전체적으로 양의 배율을 형성한 렌즈이다. 제1 렌즈(L1)의 후방에 배치되는 제2 렌즈(L2)는 전면과 후면이 모두 볼록면이고, 제2 렌즈(L2)의 후방에 배치되는 제3 렌즈(L3)는 물체측 전면을 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 후면을 음의 굴절력을 갖는 오목면을 형성하며 전체적으로 음의 배율을 형성한 렌즈이다.The first lens L1 is a lens in which a concave surface having a negative refractive power is formed on a front surface of an object side, a convex surface having a positive refractive power is formed on a rear surface thereof, and a positive magnification is generally formed. Both the front and rear surfaces of the second lens L2 disposed behind the first lens L1 are convex, and the third lens L3 disposed behind the second lens L2 faces both the object-side front surface. It is a lens that forms a convex surface having a refractive power of and a concave surface having a negative refractive power of the rear surface, and has a negative magnification as a whole.
이때, 제1 렌즈(L1)는 물체의 반대측 후면(B)이 비구면으로 형성될 수 있고, 제2 렌즈(L2) 또한 물체측과 대향하는 전면(F)이 비구면으로 형성될 수 있으며, 이와 같이 제1 렌즈(L1)의 후면(B)과 제2 렌즈(L2)의 전면(F)이 비구면으로 형성됨으로써 시야각이 넓어져 적외선렌즈 현미경을 이루는 광학계의 렌즈 매수를 크게 줄일 수 있다.In this case, the first lens L1 may have an aspherical rear surface B on the opposite side of the object, and the second lens L2 may also have a front surface F facing the object side as an aspherical surface. As the rear surface B of the first lens L1 and the front surface F of the second lens L2 are formed as an aspherical surface, the viewing angle is widened, thereby greatly reducing the number of lenses of the optical system forming the infrared lens microscope.
제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)를 순차로 투과한 적외선은 적외선 투과창(W)을 거쳐 촬상소자(Image Plane)의 수광면에 입사되고, 그 수광면 상에 물체의 이미지를 형성한다.Infrared light that is sequentially transmitted through the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 is incident on the light receiving surface of the image plane through the infrared transmission window W, and receives the light. Form an image of the object on the face.
이와 같은 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)는 고굴절의 물성특성을 갖는 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진다. 이처럼 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)는 적외선 특히, 원적외선 및 중적외선의 굴절을 같이(together) 유도하며, 특히 입사되는 원적외선 및 중적외선을 중심과 주변으로 굴절시켜 원적외선 및 중적외선 열의 정확한 감지를 수행할 수 있어 조명이 없는 어느 곳에서도 물체의 이미지를 효과적으로 얻을 수 있도록 한다.The first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 are made of germanium (Ge) material having high refractive property. As described above, the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 made of germanium (Ge) induce the refraction of infrared rays, in particular, far infrared rays and mid infrared rays, and in particular, incident far infrared rays And by refracting the mid-infrared to the center and the periphery, it is possible to perform accurate detection of far-infrared and mid-infrared heat, so that the image of the object can be effectively obtained anywhere without illumination.
적외선에서, 중적외선의 파장대역은 1.5~5.6㎛ 이고, 원적외선 파장대역은 5.6~1000㎛ 이며, 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진 본 발명의 광학계는 3~5㎛ 의 중적외선과 8~14㎛ 의 원적외선을 동시 투과하여 동시 사용이 가능하므로 조명이 없는 어느 곳에서도 물체의 이미지를 효과적으로 얻을 수 있다.In the infrared, the wavelength range of the mid-infrared is 1.5 ~ 5.6㎛, the far infrared wavelength band is 5.6 ~ 1000㎛, the optical system of the present invention made of germanium (Ge) material is 3 ~ 5㎛ mid-infrared and 8 ~ 14㎛ Simultaneous transmission of far-infrared rays allows simultaneous use, so that an image of an object can be effectively obtained from anywhere without lighting.
이와 같이 게르마늄(Ge) 재질로 이루어져 원적외선 및 중적외선의 동시 사용이 가능한 본 발명의 광학계는 물체와 제1 렌즈(L1)의 작동거리(working distance)(D)가 10~15mm 로 충분히 짧기 때문에 물체의 확대 이미지를 효과적으로 얻을 수 있다. 물체와 제1 렌즈(L1)의 작동거리(D)가 10mm 미만이면 거리가 짧아 물체의 확대 이미지를 효과적으로 얻는 데 문제가 있고, 작동거리(D)가 15mm를 초과하면 그 효과가 미미하기 때문에 의미가 없다.As described above, the optical system of the present invention, which is made of germanium (Ge) and enables simultaneous use of far-infrared and mid-infrared, has a short working distance (D) between the object and the first lens L1 of 10 to 15 mm. The enlarged image of can be obtained effectively. If the working distance (D) of the object and the first lens (L1) is less than 10mm, the distance is short, so there is a problem in effectively obtaining an enlarged image of the object. There is no.
이와 같은 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)를 갖는 본 발명의 적외선렌즈 현미경 광학계의 일예로서, 스팩트럼 범위(Spectral Range)가 7.5~13㎛ 일 수 있고, 작동거리(D)는 12mm 일 수 있으며, 실효 초점길이(Effective Focal Length)가 60.21mm@무한(infinity) 일 수 있고, F수는 1.2일 수 있다. 또한, 적외선 투과창(W)인 윈도우를 제외한 총 렌즈(L1, L2, L3)의 무게가 25.6g 일 수 있다.As an example of the infrared lens microscope optical system of the present invention having the first lens (L1), the second lens (L2), and the third lens (L3) made of such a germanium (Ge) material, the spectral range is 7.5 13 μm, the working distance D may be 12 mm, the effective focal length may be 60.21 mm @ infinity, and the F number may be 1.2. In addition, the weight of the total lenses L1, L2, and L3 excluding the window that is the infrared transmission window W may be 25.6 g.
도 2는 MTF(modulation transfer function)를 나타낸 것이며, 검출기 픽셀 크기는 23.5μm로, 한계주파수는 21.3 mm/cycles의 값을 가지며, 이때 MTF는 0.497 이상의 값을 가진다.Figure 2 shows a modulation transfer function (MTF), the detector pixel size is 23.5μm, the limit frequency has a value of 21.3 mm / cycles, where the MTF has a value of 0.497 or more.
도 3은 스루 포커스 MTF(Through Focus MTF)를 나타낸 것이며, MTF 성능 0.497 기준 약 80% 이상 되는 depth of focus는 약 50μm이다. 도 4는 스폿 다이어그램 (Spot diagram)을 나타낸 것이다.3 illustrates a through focus MTF, and a depth of focus of about 80% or more based on 0.497 MTF performance is about 50 μm. 4 shows a spot diagram.
도 5는 스루 포커스 스폿 다이어그램(Through focus spot diagram)을 나타낸 것이고, 도 6은 왜곡(Distortion)을 나타낸 것이다.FIG. 5 shows a through focus spot diagram, and FIG. 6 shows distortion.
도 7은 열 분석을 나타낸 것이며, 주변온도가 -35℃ ~ 55℃의 범위로 균일하게 변할 경우 광학계에서 발생되는 defocus와 이를 보상하기 위한 물체거리 변화량을 보여준다. 도 8은 물체거리(Object distance)에 대한 포커스를 나타낸 것이며, Depth of field에 따른 depth of focus를 보여준다.
FIG. 7 shows a thermal analysis, and shows the defocus generated in the optical system when the ambient temperature is uniformly changed in the range of −35 ° C. to 55 ° C. and the amount of change in object distance to compensate for this. 8 illustrates a focus on an object distance, and shows a depth of focus according to a depth of field.
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.
The present invention has been described with reference to the preferred embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains to the detailed description of the present invention and other forms of embodiments within the essential technical scope of the present invention. Could be. Here, the essential technical scope of the present invention is shown in the claims, and all differences within the equivalent range will be construed as being included in the present invention.
L1: 제1 렌즈
L2: 제2 렌즈
L3: 제3 렌즈
W: 적외선 투과창L1: first lens
L2: second lens
L3: third lens
W: infrared transmission window
Claims (6)
상기 제1 렌즈(L1), 상기 제2 렌즈(L2), 상기 제3 렌즈(L3)는 게르마늄(Ge) 재질로 이루어지며, 원적외선 및 중적외선을 동시 투과하고, 상기 제1 렌즈(L1)와 물체와의 작동거리(D)는 10~15mm이고, 상기 제1 렌즈(L1)에서 물체의 반대측 후면(B)은 비구면으로 형성되고, 상기 제2 렌즈(L2)에서 물체측과 대향하는 전면(F)은 비구면으로 형성되며, 상기 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진 상기 제1 렌즈(L1), 상기 제2 렌즈(L2), 상기 제3 렌즈(L3)를 갖는 상기 광학계의 F수는 1.0 ~ 4.0 범위인 적외선 현미경 렌즈모듈.
In the infrared microscope lens module comprising an optical system having a first lens (L1), a second lens (L2), a third lens (L3) arranged in order from the object side,
The first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 are made of germanium (Ge) material, and simultaneously transmit far infrared rays and mid infrared rays, and the first lens L1 and the first lens L1. The working distance D from the object is 10 to 15 mm, and the rear side B of the object in the first lens L1 is formed as an aspherical surface, and the front side facing the object side in the second lens L2 ( F) is formed as an aspherical surface, the number of F of the optical system having the first lens (L1), the second lens (L2), the third lens (L3) made of the germanium (Ge) material is 1.0 ~ 4.0 Infrared microscope lens module.
상기 게르마늄(Ge) 재질로 이루어진 상기 제1 렌즈(L1), 상기 제2 렌즈(L2), 상기 제3 렌즈(L3)를 갖는 상기 광학계는 3~5㎛ 의 중적외선과 8~14㎛의 원적외선을 동시 투과하는 적외선 현미경 렌즈모듈.
The method according to claim 1,
The optical system having the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 made of the germanium (Ge) material may have a medium infrared ray of 3 to 5 μm and a far infrared ray of 8 to 14 μm. Infrared microscope lens module that transmits simultaneously.
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