KR101235579B1

KR101235579B1 - 적외선 현미경 렌즈모듈

Info

Publication number: KR101235579B1
Application number: KR1020120079888A
Authority: KR
Inventors: 김현규; 옥창민
Original assignee: (주)토핀스
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2013-03-12

Abstract

본 발명은 적외선 현미경 렌즈모듈에 관한 것으로, 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 게르마늄(Ge) 재질로 이루어지며, 원적외선 및 중적외선을 동시 투과하는 것을 특징한다.

Description

적외선 현미경 렌즈모듈{INFRARED MICROSCOPE LENS MODULE}

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.

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.

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.

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.

한국 공개특허공보 제10-2012-0006631호 "적외선렌즈 현미경"

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.

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 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.

구체적으로, 상기 제1 렌즈(L1)와 물체와의 작동거리(D)는 10~15mm 일 수 있다.

상기 제1 렌즈(L1)에서 물체의 반대측 후면(B)은 비구면으로 형성될 수 있다.

상기 제2 렌즈(L2)에서 물체측과 대향하는 전면(F)은 비구면으로 형성될 수 있다.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 5는 스루 포커스 스폿 다이어그램(Through focus spot diagram)을 나타낸 것이고, 도 6은 왜곡(Distortion)을 나타낸 것이다.

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.

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.

L1: 제1 렌즈
L2: 제2 렌즈
L3: 제3 렌즈
W: 적외선 투과창

Claims

물체 쪽으로부터 순서대로 배열되는 제1 렌즈(L1), 제2 렌즈(L2), 제3 렌즈(L3)를 갖는 광학계를 포함하는 적외선 현미경 렌즈모듈에 있어서,
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.
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제1 항에 있어서,
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.