KR100277210B1 - Infrared afocal zoom telescope - Google Patents
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Abstract
본 광학계는 7.5μm∼11.0μm의 원적외선 파장대역에 사용되는 열상장비용 무초점 줌 망원경 광학계로, 배율을 2.0배에서 8.1배까지 연속적으로 가변할 수 있으며, 모든 배율에서 회절한계 성능을 만족시키는 광학적 성능을 갖는다. 망원경 광학계는 5개의 렌즈군에 총 9매의 렌즈로 구성되며, 줌 대물부는 텔리포토 형태로 설계되어 f수가 1.3으로 작고 초점거리에 비하여 장비의 길이가 매우 짧다. 색수차 보정을 위하여 총 9매의 렌즈중 1매의 재질만 ZnSe를 사용하고, 나머지 렌즈는 모두 Ge재질로 사용하였으며, 9매의 렌즈 총 18면의 곡률중에서 수차보정을 위하여 1면만 비구면으로 형성하고, 나머지 면은 모두 구면을 사용한다. 또한 초점조절렌즈를 줌밍(zooming)렌즈 후방에 배치하므로써, 물체까지의 거리에 따라 초점조절 렌즈를 조절하여도, 모든 배율에서 초점이 맞음과 동시에 수차변동이 작다는 특징을 가진다.This optical system is a focal zoom telescope optical system for thermal imaging equipment used in the far infrared wavelength band of 7.5μm to 11.0μm, and it can continuously change the magnification from 2.0 to 8.1 times and satisfy the diffraction limit performance at all magnifications. Has performance. The telescope optical system consists of nine lenses in five lens groups, and the zoom objective is designed in the form of a telephoto so that the number of f is small at 1.3 and the length of the equipment is very short compared to the focal length. For the chromatic aberration correction, ZnSe is used for only one material out of the nine lenses, and all the other lenses are made of Ge, and only one surface is formed as an aspheric surface for aberration correction among the total curvature of nine lenses for nine lenses. , All other faces are spherical. In addition, since the focusing lens is disposed behind the zooming lens, even if the focusing lens is adjusted according to the distance to the object, the focusing lens is focused at all magnifications and the aberration fluctuation is small.
Description
본 발명은 원적외선 영역에서 우수한 성능의 회절한계(diffraction limited)를 가지며, 배율을 연속적으로 변화시킬 수 있는 열상장비용 무초점 줌 망원경 광학계에 관한 것이다.The present invention relates to a focal zoom telescope optical system for thermal imaging equipment having a diffraction limit of excellent performance in the far infrared region and capable of continuously changing the magnification.
종래의 8μm 내지 12μm 파장대역의 적외선 줌 망원경의 줌 대물부는 통상 4렌즈군으로 구성되고 있으며, 4개의 렌즈군 각각은 줌 렌즈 기능을 위한 고유의 역할을 수행한다. 각 렌즈군의 굴절능 배치는 보통 +,-,-,+ 또는 +,-,+,+의 형태중 하나로 설계되며, 각 렌즈군은 설계에 따라 한 개 또는 여러개의 렌즈로 구성될 수 있다.The zoom objective of the infrared zoom telescope of the conventional 8μm to 12μm wavelength band is generally composed of four lens groups, each of the four lens groups plays a unique role for the zoom lens function. The refractive power arrangement of each lens group is usually designed in one of the forms of +,-,-, + or +,-, +, +, and each lens group can be composed of one or several lenses according to the design.
이러한 4:1 이상의 줌비를 가지는 종래의 적외선 줌 망원경은 시스템의 전체 길이가 비교적 길다. 또한 수차보정을 위하여 렌즈 매수가 많아지거나, 비구면이나 회절면을 많이 사용하여야 하기 때문에 렌즈의 가공이 어렵고 제작 비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있다. 또한 변조 전달함수(MTF)의 값이 시계(視界)의 중심부근에서는 우수한 성능의 값을 가지지만, 가장자리로 갈수록 그 성능이 급격하게 떨어진다는 단점도 가지고 있다.Conventional infrared zoom telescopes with such 4: 1 or higher zoom ratios have a relatively long overall length of the system. In addition, since the number of lenses is increased, or aspherical or diffractive surfaces must be used for aberration correction, processing of the lens is difficult and manufacturing costs are high. In addition, although the value of the modulation transfer function (MTF) has a good performance value near the center of the field of view, the performance has a disadvantage in that the performance sharply decreases toward the edge.
따라서 본 발명의 목적은 수차변동이 적게 하기 위하여, 광학요소의 재질선택과 구면의 형태 및 배치를 적절하게 함으로써, 수차변동이 적은 무초점 줌 망원경 광학계를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an afocal zoom telescope optical system with low aberration fluctuations by appropriately selecting material of the optical element and proper shape and arrangement of spherical surfaces in order to reduce aberration fluctuations.
본 발명의 또 다른 목적은, 2배 내지 8.1배 까지의 배율변환이 가능하고, 모든 배율에서 회절한계의 광학적 성능을 가지는 적외선 무초점 망원경 광학계를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an infrared focal telescope optical system capable of 2 to 8.1 times magnification conversion and having optical performance of diffraction limit at all magnifications.
도 1은 본 발명에 의한 줌 망원경 광학계에 있어서, 고배율인 8.1배에서의 광학요소의 배치를 보이는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the arrangement of an optical element at 8.1 times the magnification of the zoom telescope optical system according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 줌 망원경 광학계에 있어서, 중간배율인 5배에서의 광학 요소의 배치를 나타내는 단면도이다.Fig. 2 is a cross-sectional view showing the arrangement of optical elements at 5 times magnification in the zoom telescope optical system according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 줌 망원경 광학계에 있어서, 저배율인 2.0배에서 광학 요소의 배치를 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing the arrangement of the optical elements at 2.0 times the low magnification in the zoom telescope optical system according to the present invention.
도 4는 고배율인 8.1배인 경우에 본 발명에 의한 줌 망원경 광학계의 중심파장(9μm)에 대한 축상 변조 전달 함수를 나타낸다.4 shows an on-axis modulation transfer function with respect to the center wavelength (9 μm) of the zoom telescope optical system according to the present invention when the magnification is 8.1 times.
이하에서 본 발명에 의한 적외선 무초점 줌 망원경 광학계의 구성과 작용을, 실시예를 나타내는 첨부도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the infrared focus free zoom telescope optical system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings showing an embodiment.
본 발명에 의한 광학계는 5개의 렌즈군, 총 9매의 렌즈로 구성되며, 줌 대물부는 렌즈계의 전방볼록면으로부터 상면까지의 거리가 초점거리보다 짧은 텔리포토(telephoto)형태로 설계되므로써, f수가 1.3으로 작고 초점거리에 비하여 전장 길이가 매우 짧다. 망원경의 대물부는 4개의 렌즈군으로 이루어져 줌밍 역할을 담당하고, 접안렌즈는 1개의 렌즈군으로 구성된다. 본 발명인 적외선 줌 망원경을 구성하는 광학계의 특징은 다음과 같다.The optical system according to the present invention is composed of five lens groups and a total of nine lenses, and the zoom objective portion is designed in a telephoto form in which the distance from the front convex surface of the lens system to the image surface is shorter than the focal length. Small at 1.3 and very short in overall length compared to the focal length. The objective part of the telescope is composed of four lens groups to play a zooming role, and the eyepiece is composed of one lens group. Features of the optical system constituting the infrared zoom telescope according to the present invention are as follows.
제 1 렌즈군은 줌 대물부의 제일 앞에 놓이며, 양의 굴절능을 가지는 단일의 렌즈 1이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 렌즈의 직경은 약 Φ174mm로서 망원경을 구성하는 렌즈들 중 가장 크며, 그 크기와 무게, 장비의 밀폐 등을 고려하여 고정된다. 또한 이 렌즈는 고배율에서 상대적으로 큰 구경을 사용함으로 인하여 발생하는 구면수차를 줄이기 위하여 의도적으로 구면수차를 과 보정(over-corrected)하도록 설계되었다.The first lens group is placed in front of the zoom objective and is a single lens 1 having positive refractive power. As can be seen in the figure, the diameter of the lens is about Φ174mm, the largest of the lenses constituting the telescope, and is fixed in consideration of the size and weight, sealing of equipment, and the like. The lens is also designed to intentionally over-correct spherical aberration to reduce spherical aberration resulting from the use of relatively large apertures at high magnification.
제 2 렌즈군은 두 개의 음의 굴절능을 가지는 단일 렌즈 2와 3으로 구성된다. 이 렌즈군의 주된 역할은 광축을 따라 움직이며 망원경의 배율을 바꾸는 것이며, 이 때 렌즈 2와 3의 상대적 거리는 고정된다. 이 렌즈군은 고배율에서 구면수차가 덜 보정(under-corrected)되도록 설계되므로써, 제 1 렌즈군의 과 보정된 구면수차를 보상하게 된다. 또한 렌즈 2의 재료는, 시스템 전체의 색수차 보정을 위하여, 다른 렌즈들보다 색분산이 큰 ZnSe를 사용하고, 나머지 8매의 렌즈는 모두 Ge재질을 사용하였다. 적외선 영역에서 사용되는 광학계는 가시광선에 비해서 넓은 파장대역을 사용하기 때문에 색수차의 보정이 중요한 문제로 대두된다. 따라서 본 적외선 줌 망원경에서도 색수차 보정을 위하여 음의 굴절능을 가지는 렌즈 2에 분산계수가 큰 ZnSe렌즈를 사용하였고, 나머지는 Ge렌즈를 사용한다. 여기서 색수차 보정을 위한 ZnSe렌즈는 반드시 렌즈 2에 한정되는 것은 아니지만, 렌즈 2에 사용하는 것이 색수차 보정에 가장 효율적이다.The second lens group is composed of
제 3 렌즈군은 양의 굴절능을 가지는 단일렌즈이며, 제 2 렌즈군과 마찬가지로 광축을 따라 움직이며 배율의 변화에 따른 초점면의 이동을 보상한다.The third lens group is a single lens having positive refractive power and, like the second lens group, moves along the optical axis and compensates for the movement of the focal plane according to the change in magnification.
제 4 렌즈군은 양의 굴절능을 가지는 두 개의 단일렌즈 5, 6으로 구성된다. 이 렌즈군은 물체까지의 거리변화에 따라 초점을 맞추는 초점조절 렌즈의 역할을 하며, 5와 6 사이의 상대적 거리는 고정된다. 즉 초점조절 렌즈가 줌밍 렌즈 후방에 배치되므로 초점조절 렌즈를 조절하여도 모든 배율에서 초점이 맞음과 동시에 수차변동이 작다는 특징을 가진다. 또한 본 적외선 줌 망원경은 통상의 구면수차뿐 아니라, 큰 텔레포토비(telephoto ratio)로 인한 비교적 큰 비축수차를 보정하기 위하여, 렌즈 5의 물체측 면을 비구면으로 설계하고, 나머지 모든 면(17면)은 모두 구면으로 형성시킨다. 이때 비구면 렌즈는 반드시 렌즈 5에 한정되지는 않지만, 전술한 비축수차 및 구면수차를 효과적으로 보정하기 위해서는, 비구면을 광학계의 조리개(stop)나 동공(pupil)으로부터 멀리 떨어진 면에 적용할 필요가 있기 때문에, 이러한 관점에서 렌즈 5의 물체측 면을 비구면으로 형성하는 것이 가장 효과적이다.The fourth lens group is composed of two
제 5 렌즈군은 세 개의 단일 렌즈 7, 8, 9로 구성되며 줌 대물부에 의하여 초점면에 맺힌 상(像)을 시준하여 무초점 망원경계의 접안렌즈의 역할을 한다.The fifth lens group is composed of three
이상과 같이 본 발명에 의한 적외선 줌 망원경은 구경이 174mm가 됨에도 불구하고 망원경 전체의 길이가 309mm내외로 작고 콤팩트하며, 망원경의 광학적 성능도 도 4의 다파장 변조전달함수에서 볼 수 있듯이 회절한계에 가까운 성능을 가지게 된다.As described above, although the infrared zoom telescope according to the present invention has a caliber of 174 mm, the overall length of the telescope is small and compact in and around 309 mm, and the optical performance of the telescope is also shown in the diffraction limit as shown in the multi-wavelength modulation transfer function of FIG. You will have close performance.
또한 다수의 렌즈중 하나를 분산계수가 큰 ZnSe로 제작하여 색수차를 보정하고, 하나의 렌즈면만을 비구면으로 하여 광학계의 구면수차 및 비축수차를 간단하게 보정하므로써, 저렴하고 간단하면서도 광학성능이 우수한 적외선 줌 망원경을 제공할 수 있다.In addition, by incorporating ZnSe with a large dispersion coefficient, one of many lenses corrects chromatic aberration, and by simply correcting spherical aberration and axle of optical system by using only one lens surface as an aspherical surface, it is inexpensive, simple and has excellent optical performance. Can provide a telescope
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