KR101159688B1

KR101159688B1 - 엘이디 조명 광학 시스템

Info

Publication number: KR101159688B1
Application number: KR1020100053560A
Authority: KR
Inventors: 이상걸; 김영한
Original assignee: 파워옵틱스 주식회사
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2012-06-25
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: WO2011155757A3; WO2011155757A2; KR20110133903A

Abstract

본 발명은, 적외선 LED를 광원으로 하여 광학계를 LED광원과 결합하여 적외선 조명을 하고자 하는 화각을 광학계의 변배에 따라 조절 가능하게 한 조명 광학 시스템에 관한 것으로서, 이를 위한 구성은, 광축을 따라서 광원(LED) 측으로부터 조명하고자 하는 방향으로 순차적으로 다수의 렌즈 군을 구성하는 조명 시스템에 있어서, 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군(G1)과; 양의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈군(G2)과; 양의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군(G3);을 포함하여 구성하며, 상기 제 2 렌즈군(G2)의 위치 변화에 따른 초점 이동으로 화각을 변화하는 것을 특징으로 한다. 이에 의할 경우에는 피사체의 크기 및 피사체와의 거리 변화에 상응하는 조사 면적을 갖도록 할 수 있는 적외선 LED 조명 광학 시스템을 제공할 수 있어 조사 효율을 높일 수 있게 된다.

Description

엘이디 조명 광학 시스템 {LED Illuminating Optical System}

본 발명은 적외선 LED 조명 광학 시스템에 관한 것으로, 줌 기능이 있는 주야간 감시용 카메라와 연동하여 촬상용 광학계의 변배(zooming) 동작 시 피사체의 크기 및 거리에 따라서 야간 감시를 위한 구성인 적외선 조명의 조사 면적도 그에 맞게 조절해 줄 수 있는 LED 조명 광학 시스템에 관한 것이다.

실내 및 실외에 설치되는 감시용 카메라는 주간의 태양광 혹은 가시광선 영역의 인공 광원이 존재하는 경우 외에 야간이나 암실 같은 어두운 상황에서도 그 기능을 온전하게 수행하여야 한다. 이를 위해서 일반적으로 적외선 광원을 이용한 적외선 감시용 카메라가 사용되며, 이 경우 촬상용 카메라 모듈 주변에 원형으로 적외선 광원을 위치시키거나 외부에 적외선 조명 시스템을 따로 설치하는 방식을 주로 사용하고 있다. 하지만 기존의 감시 카메라 촬상용 광학 조명 시스템에서는 변배에 따른 피사체의 크기와 거리의 변화가 발생하며, 상기 방법으로는 적외선을 조사할 경우 발산각이 고정되어 있으므로 유동적인 피사체 범위에 상응하는 적절한 복사 조도 효율을 낼 수 없는 문제점이 있었다.

즉, 기존의 일반적인 야간 감시용 카메라에 사용되는 적외선 조명은 발산각이 고정되어 있기 때문에 근거리의 피사체를 조사할 경우에는 문제가 없지만, 야간 100m 이상의 원거리 피사체를 촬영할 경우 실제 촬상용 광학계가 수용하는 촬영 범위는 적외선 조명 시스템이 조사하는 면적의 극히 일부분이며, 촬영 범위 바깥쪽으로 불필요하게 조사되는 광이 많으므로 매우 비효율적이다.

또한, 야간 감시를 위해 필수적인 적외선 광원을 위해 다수의LED(Light Emitting Diode)가 사용되므로 감시용 카메라의 제조 단가가 높아지며, 무게와 부피가 증가하여 소형 광학계를 구성하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 감시용 카메라의 줌 기능으로 인한 피사체의 크기 및 거리의 변화에 상응하는 조사 면적을 갖도록 해줄 수 있는 적외선 LED 조명 광학 시스템을 제공하여 조사 효율을 높일 수 있고, 사용되는 광원(LED)의 개수를 줄여 제조 단가를 낮추고 소형으로 제작 가능하도록 하는 데 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 본 발명에 따른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 구성은, 광축을 따라서 광원 측으로부터 순차적으로 다수의 렌즈 군을 구성하는 조명 광학 시스템에 있어서, LED 광원과; 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군(G1)과; 양의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈군(G2); 및 양의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군(G3);을 포함하여 구성하며, 상기 제 2 렌즈군(G2)의 위치 변화에 따른 초점 이동으로 화각을 변화하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 하기 조건식 1을 만족하도록 하는 것을 특징으로 한다.

(조건식 1)

(여기에서 F(g1)은 제 1 렌즈군(G1)의 유효초점거리(Effective Focal Length)이고, EFL는 광학계 전체 유효초점거리(Effective Focal Length)이다.)

또는, 하기 조건식 2를 만족하는 것을 특징으로 한다.

(조건식 2)

(여기에서 D(2)는 조명각을 변경하기 위하여 이동하는 제 2 렌즈군(G2)의 이동 거리이고, T는 전체광학전장(optical total length)이다.)

또는, 하기 조건식 1 및 조건식 2를 동시에 만족하는 것을 특징으로 한다.

(조건식 1)

(조건식 2)

그리고, 상기 제 2 렌즈군이 이동 할 시 상기 제 1 렌즈군(G1)은 광원에서 나오는 광을 콜리메이션(Collimation)하기 위하여 광축 상에서 움직임을 갖지 않고 위치가 고정인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 렌즈군(G1)의 L1(제 1 렌즈), L2(제 2 렌즈) 모두 양의 굴절력을 갖고, 광원에 근접한 L1(제 1 렌즈)의 파워를 L2(제 2 렌즈)보다 크게 가져가 광손실을 적게 하도록 렌즈를 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 이상에서와 같이, 감시용 카메라의 줌 기능으로 인한 피사체의 크기 및 피사체와의 거리 변화에 상응하는 조사 면적을 갖도록 할 수 있는 적외선 LED 줌 플래시 조명 광학 시스템을 제공하여 조사 효율을 높일 수 있고, LED의 개수를 줄여 제조 단가를 낮추고 소형으로 제작 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 대표도, 실시 예 1에 있어서 구성도
도 2 는 본 발명의 실시 예 1에 있어서의 줌 위치 별 구성도
도 3 은 본 발명의 실시 예 1에 있어서의 줌 위치 별 화각 변화를 나타내는 도면

이하 본 발명에 따른 적외선 LED 조명 광학 시스템에서의 렌즈 구성 및 다양한 실험 조건식을 만족하는 렌즈군 및 각 렌즈의 특징을 첨부되는 도면, 조건식, 표, 수학식을 이용하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 있어서의 조명 광학 시스템 구성도, 도 2 는 본 발명의 실시 예에 있어서의 줌위치 별 구성도, 도 3 은 본 발명의 실시 예에 있어서의 줌위치 별 화각 변화를 나타내는 도면이다.

먼저 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 렌즈군 구성을 설명하면, 도시된 바와 같이, 광축을 따라서 광원(LED) 측으로부터 순차적으로 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군(G1), 양의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈군(G2), 양의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군(G3)을 포함하여 구성된다.

이 경우, 광원에서 나온 광은 제 1 렌즈군(G1)의 양의 굴절력에 의하여 1차 Collimation 되고, 제 2 렌즈군(G2)의 굴절력에 의하여 집광하게 된다. 제 2 렌즈군(G2)과 제 3 렌즈군(G3) 사이에서 집광된 광은 역시 양의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군(G3)에 의하여 콜리메이션(Collimation) 되거나, 제 3 렌즈군(G3)을 지나 초점을 맺은 후 넓게 발산된다.

이 경우, 일반적으로 120˚내지 140˚ 범위의 발산각을 갖는 광원(LED)에서 나오는 광이 상기 제 1 렌즈군(G1)을 통과하면서 최대한 평행광이 된다.

일반적으로 LED는 대부분 램버시안(Lambertian) 배광 분포를 갖고 그에 따른 반치폭(Full Width at Half Maximum)으로 LED의 발산각이 대략 120˚~140˚ 임을 알 수 있다. 이에 따라서, 광학계의 광효율을 높여주기 위해서는 넓은 발산각을 갖는 LED에서 나오는 광을 모아주는 역할을 하는 Collimator Lens가 필수적이다.

본 발명에서는, 상기 제 1 렌즈군(G1)을 이용하여 LED에서 나오는 광을 최대한 평행광을 만들어 주며, 렌즈의 높은 파워를 분배하기 위해 2매의 렌즈를 사용하여 Collimator 렌즈군을 형성하였다. 렌즈를 하나만 이용하여 Collimation 할 경우 렌즈의 과한 파워로 제작이 어려운 형상이 나타나게 된다.

이를 위하여 상기한 바와 같이 광로를 모아주기 위하여 제 1 렌즈군(G1)의 L1(제 1 렌즈), L2(제 2 렌즈) 모두 양의 굴절력을 갖고, 광원에 근접한 L1(제 1 렌즈)의 파워를 L2(제 2 렌즈)보다 크게 가져가 광손실을 최대한 적게 하도록 렌즈를 구성함이 바람직하다.

그리고, 상기 제 2 렌즈군(G2)을 이동시켜 전체 광학계를 통과하여 나오는 광의 발산각을 조절하게 된다. 이 경우, 광축 상에서 제 2 렌즈군(G2)의 피사체 전후 방향에 위치되는 제 1 렌즈군(G1) 및 제 3 렌즈군(G3)은 움직임을 갖지 않고 위치 고정되어 있다.

한편, 상기와 같은 렌즈 구성을 갖는 조명 광학 시스템에 있어서, 본 발명은 다음의 조건식 1을 만족할 수 있도록 렌즈를 제작함이 바람직하다.

(조건식 1)

여기에서 F(g1)은 제 1 렌즈군(G1)의 유효초점거리(Effective Focal Length)이고, EFL는 광학계 전체 유효초점거리(Effective Focal Length)이다.

상기 조건식 1에서 값이 하한치로 치우칠 경우 제 1 렌즈군(G1)의 높은 파워로 인하여 렌즈 형상 및 가공성에 문제가 발생하며, 그 값이 상한치로 치우칠 경우 LED에서 나오는 넓은 발산각의 광을 충분히 Collimation 할 수 없게 되므로 광학계의 광효율이 낮아지게 된다.

또한, 상기 구성을 갖는 줌렌즈에 있어서, 본 발명의 제 2 렌즈군(G2)의 이동거리는 다음의 조건식 2를 만족할 수 있도록 렌즈를 제작함이 바람직하다.

(조건식 2)

여기에서 D(2)는 조명각을 변경하기 위하여 이동하는 제 2 렌즈군(G2)의 이동 거리이고, T는 전체광학전장(optical total length)이다.

상기 조건식 2에서 값이 하한치로 치우칠 경우 광각단의 화각이 좁아지므로 일반적으로 65˚의 화각을 갖는 촬상계의 촬영 범위를 만족시킬 수 없게 된다. 또한, 그 값이 상한치로 치우칠 경우 광각단에서 굴절되어 상면 외부로 손실되는 광이 발생하거나, 전반사로 인하여 상면에 도달하지 않는 광이 발생하여 광학계의 광효율이 저하된다.

상기한 조건식 1 또는/및 조건식 2를 만족하는 특징을 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 각 렌즈의 데이터 값이 표 1 내지 표 3에 표시되어 있다. 여기에서, 표 1은 실시 예의 광학 데이타를 나타내고, 표 2는 실시 예의 줌 위치 별 거리를 나타내고, 표 3은 실시 예의 초점거리 및 화각을 나타낸다.

면 번호	곡률반경 (mm)	두께 및 거리	Glass Code
OBJ	Infinity	11
1	-30.0	12	922859.208
2	-18.722	0.5
3	Infinity	8	922859.208
4	-52.995	1
5	103.73	7	922859.208
6	-508.79	0.1
7	37.153	8	922859.208
8	150	*
9	Infinity	14	922859.208
10	-31.5

상기 [표1]에서는 각 면의 곡률반경, 두께 및 거리, 소재의 Glass Code로 굴절율 및 분산치를 표시하고 있다.

구 분	광각단(Wide)	중간단(Middle)	망원단(Tele)
8	6.2342	41.2342	49.2342

표 2는 표 1의 두께 및 거리에서 (*)표기 된 줌 위치 별 거리를 나타내고 표 3은 표 1에서 표 2로 구성된 실시 예의 줌 위치 별 초점거리 및 화각을 나타낸다.

구 분	광각단(Wide)	중간단(Middle)	망원단(Tele)
EFL	51.89	58.44	33.93
1/2 FOV	32.5	10	5

표 3을 참조하여 보면 광각단에서는 65°의 화각으로 가까운 촬영 범위를, 망원단에서는 10°의 좁은 화각으로 먼 거리의 촬영 범위를 조사하게 됨을 알 수 있다.

도 2는 상기 실시 예에 따른 줌 위치 별 구성도이고, 도 3은 줌 위치 별 화각 변화를 도시하고 있다.

도 2에 따른 줌 위치에 따라서 광각단(Wide), 중간단(Middle), 망원단(Tele)으로 구분이 가능하고, 도 3에서와 같이 제 2 렌즈군(G2)의 위치 변화에 따라 변배가 되는 것을 알 수 있다.

망원단에서는 제 1 렌즈군(G1)과 제 2 렌즈군(G2)에 의한 초점이 제 2 렌즈군(G2)과 제 3 렌즈군(G3) 사이에서 모이고, 광각단으로 갈수록 제 2 렌즈군(G2)의 위치 변화에 따른 초점의 이동으로 화각에 변화가 발생한다. 광각단에서는 제 3 렌즈군(G3)을 지나 초점이 맺힌 후 넓은 화각으로 발산하는 것을 알 수 있다.

상기 기술된 상세한 설명 및 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아닌 예시적인 것에 불과한 것으로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

L1: 제 1 렌즈 L2: 제 2 렌즈
L3: 제 3 렌즈 L4: 제 4 렌즈
L5: 제 5 렌즈 G1 : 제 1 렌즈군
G2 : 제 2 렌즈군 G3 : 제 3 렌즈군
LED: 발광 다이오드(Light Emitting Diode)

Claims

광축을 따라서 광원 측으로부터 순차적으로 다수의 렌즈 군을 구성하는 조명 광학 시스템에 있어서,
LED 광원과;
양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군(G1)과;
양의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈군(G2); 및
양의 굴절력을 갖는 제 3 렌즈군(G3);을 포함하여 구성하며,
상기 제 2 렌즈군(G2)의 위치 변화에 따른 초점 이동으로 화각을 변화하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 광학 시스템
제 1항에 있어서,
하기 조건식 1을 만족하도록 하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 광학 시스템
(조건식 1)
(여기에서 F(g1)은 제 1 렌즈군(G1)의 유효초점거리(Effective Focal Length)이고, EFL는 광학계 전체 유효초점거리(Effective Focal Length)이다.)
제 1항에 있어서,
하기 조건식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 광학 시스템

(조건식 2)
(여기에서 D(2)는 조명각을 변경하기 위하여 이동하는 제 2 렌즈군(G2)의 이동 거리이고, T는 전체광학전장(optical total length)이다.)
제 2항에 있어서
하기 조건식 2를 추가로 만족하도록 하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 광학 시스템

(조건식 2)
(여기에서 D(2)는 조명각을 변경하기 위하여 이동하는 제 2 렌즈군(G2)의 이동 거리이고, T는 전체광학전장(optical total length)이다.)
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈군(G2)의 광축을 따른 움직임 시 상기 제 1 렌즈군(G1)은 광원에서 나오는 광을 콜리메이션(Collimation)하기 위하여 광축 상에서 움직임을 갖지 않고 위치가 고정인 것을 특징으로 하는 LED 조명 광학 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제 1 렌즈군(G1)의 L1(제 1 렌즈), L2(제 2 렌즈) 모두 양의 굴절력을 갖고, 광원에 근접한 L1(제 1 렌즈)의 파워를 L2(제 2 렌즈)보다 크게 가져가 광손실을 적게 하도록 렌즈를 구성한 것을 특징으로 하는 LED 조명 광학 시스템