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문제 정의
- 그러면 온도변화가 열영상 광학계에 발생시키는 defocus를 알아보기로 하자. 여기서는 개념을 쉽게 파악하기 위해서 단일 렌즈를 가지고 설명하고자 한다.
- 다음은 온도변화에 따른 광학계 경통의 팽창수축에 의한 초점거리의 변화를 알아보기로 하자. 단일 렌즈와 초점면 사이가 경통의 팽창수축에 따라 선형으로 길이가 변한다고 가정하면 경통에 의한 초점거리의 변화는 단순히 다음과 같은 관계식을 만족하게된다:
- 비열화 줌 궤적을 적용한 시험 결과가 만족스럽지 못할 경우 이에 대한 원인은 여러 가지로 추측할 수 있겠으나 과거 광학계 설계와 시험을 통한 경험을 바탕으로 예측해 볼 때 설계에 관련된 변수와 제작 변수의 불일치에서 오는 경우가 많으며 이런 경우는 줌 궤적을 그대로 유지하고 전체적인 궤적의 off-set 만을 보정하는 방법으로 충분히 수정되리라 판단된다. 따라서 본 시험에서는 이에 대한 판단 기준량을 결정하기 위하여 비열화 시험의 최 저온인 -32℃에 대한 영상 확인 작업이 끝난 후 초점조절 렌즈인 대물렌즈를 앞·뒤로 움직이며 영상이 개선되는 방향을 파악한다. 이와 같은 과정에서 파악된 방향은 추후 시험을 위한 비열화 줌 궤적의 off-set 방향이 되며 그 양은 장비를 온도 시험기에서 꺼낸 뒤 최초 장비를 입고할 때 표시해 두었던 기준점으로부터 대물렌즈가 얼마나 이동하였는지를 계측함으로써 알 수 있다.
- 본 연구에서는 넓은 운용온도 범위에서도 열영상 장비의 광학성능이 유지될 수 있도록 비열화 보상을 시도하였다. 열영상 광학계에 사용되는 적외선 광학재료의 온도변화에 따른 굴절율 변화가 광학성능에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 이론적으로 조사하였다.
- 본 장에서는 온도변화가 열영상 광학계의 성능에 미치는 영향을 알아보기로 한다. 서론에서 언급한바와 같이 적외선 광학재료는 온도에 따른 굴절율의 변화가 가시광선 광학재료에 비하여 크다는 점에 유의하여야 한다.
- 비열화 시험 목적은 시뮬레이션을 통하여 계산된 비열화 보정값이 실제 제작된 열영상 광학계에 적용 가능한지 여부에 대한 판단과 분석에서는 예상치 못했던 여러 가지 주변요소들을 파악하는데 있다.
- 열영상 광학계에 사용되는 적외선 광학재료의 온도변화에 따른 굴절율 변화가 광학성능에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 이론적으로 조사하였다. 그리고 열영상 광학계의 비열화 이론을 토대로 연구시제에 대한 비열화 시뮬레이션을 수행하였다.
제안 방법
- 이때 저온 시험에 대비하여 제습을 함께 병행한다. +55℃로 장비가 안정화 된 후 장비를 동작시켜 광학계의 줌 궤적이 고배율과 저배율로 이동할 때 시준기에서 제공되는 표적의 선명도를 관찰한다. 이때 열 영상의 선명도가 떨어진다 해도 장비에 대해서는 별도의 조작을 가하지 않으며 오직 배율 변환을 통한 각 배율에서의 영상만을 확인한다.
- 광학계 성능에 심각한 악 영향을 미치는 이와 같은 온도에 따른 영상의 defocus* 보정하기 위하여 각 온도와 배율에 따른 배율렌즈와 보정렌즈의 최적위치를 구하는 시뮬레이션을 수행하였다. 물론 모든 다른 광학계와 마찬가지로 최초 시스템을 설계하는 기준 온도는 20℃이었으며 이를 기준으로 +방향과 -방향으로 온도 변화량 ΔT를 주어가며 비열화 보상 줌 궤적을 구하였다.
- 열영상 광학계에 사용되는 적외선 광학재료의 온도변화에 따른 굴절율 변화가 광학성능에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 이론적으로 조사하였다. 그리고 열영상 광학계의 비열화 이론을 토대로 연구시제에 대한 비열화 시뮬레이션을 수행하였다.
- 기계적 능동식 비열화를 구현하기 위해서는 최적 설계된 광학계에 대하여 민감도를 분석하여 최적 초점조정 요소를 선정하고, 광학계 설계 프로그램인 Code-V를 이용하여 온도 및 배율에 따른 초점 이동량을 계산한다. 열영상 광학계의 온도 및 배율에 따른 초점 이동량, 즉 defocus는 열영상 장비의 영상의 질 저하를 유발시키므로, 이를 제거해 주어야 한다.
- 갈수록 그 성능이 많이 저하된다. 따라서 SIGMA2100을 이용한 줌 궤적의 비열화 시뮬레이션은 온도구간을 5℃로 나누어 계산하였으며, 각 온도별로 두 렌즈의 위치를 최적화할 때 성능에 대한 판단기준은 각 파장에 대한 축상 RMS spot이 가장 작게 되는 위치로 정하였다.
- 비열화 보상을 위한 줌 궤적은 +55℃에서 -30℃까지 5℃ 단위의 표로 구성되어 있다. 따라서 매 5℃ 줌궤적에 대하여 ±2~3℃ 한도 내에서 하나의 궤적을 선택하도록 설계하였다.
- 검출기 픽셀(pixel) 한 개의 크기는 가로, 세로 각각 30μm이며 90%의 fill factor를 갖는다. 따라서 시계를 결정하는 검출기의 크기는 가로, 세로 각각 9.6 mm 및 7.2mm이며, 대물구경의 크기를 줄이기 위해 콜드 쉴드의 F-numbei는 F/2.5로 하였다.
- 내에서 정확하게 이루어져야 한다. 따라서 이러한 비열화 보상을 위해 본 줌 광학계에서는 배율 전환을 위해 움직이는 배율렌즈와 보정렌즈의 줌 궤적을 온도 구간 별로 마련하여 온도센서를 통해 읽어들이는 온도의 궤적으로 두 렌즈를 움직이도록 하는 방법을 채택하였다.
- 일단 초점조정이 시작되면 조정 메시지가 소멸되거나 원 또는 근 초점 조정 제한범위에 도달할 때까지 계속된다. 렌즈이동의 제한을 위해 사용된 스위치는 대물렌즈 기구물에 의해 작동되며, 스위치 신호가 발생하면 인터럽트가 발생하여 모터구동을 정지시키도록 하였다.
- 물론 모든 다른 광학계와 마찬가지로 최초 시스템을 설계하는 기준 온도는 20℃이었으며 이를 기준으로 +방향과 -방향으로 온도 변화량 ΔT를 주어가며 비열화 보상 줌 궤적을 구하였다. 이때 모든 줌 배율에 대한 시뮬레이션은 방대한 데이타량 및 시간에 대한 소요로 대표성을 가지는 배율인 20배, 15배, 10배, 5배, 1배에 대해서만 실시하였다.
- 본 연구시제의 비열화 시뮬레이션을 위해 먼저 배율렌즈와 보정렌즈의 이동에 따른 영상의 defocus 민감도(sensitivity)를 분석하였다.
- 본 연구에 사용된 열상장비는 줌 광학계로서 배율변환을 위한 배율렌즈와 보정렌즈를 갖고 있으며, 이 두 렌즈는 각각 별도의 모터에 의해서 광축방향의 미소변위가 가능하도록 설계되어 있다.[5] 그러므로 본 장비의 경우는 기계적 능동식 비열화(mechanical active athermalization)를 구현하는데 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
- 비열화 보상에 대한 보완시험을 위해 마지막 시험 온도인 -32℃ 영상을 관찰 한 후 대물렌즈를 앞·뒤로 움직여 영상이 개선되는지에 대한 확인시험을 실시하였다. 시험 결과 줌렌즈를 움직임에 따라 영상이 다소 개선되는 결과를 얻기는 하였으나 눈에 띄는 효과는 아니었다.
- 비열화 시험은 2차에 걸쳐 수행되었으며, 1차는 비열화가 보상된 줌 궤적을 전자적으로 내장하여 열영상 장비 운용온도에 따라 자동적으로 배율렌즈와 보정렌즈가 보상된 줌궤적에 따라 이동하도록 조치하였다. 그리고 2차 시험은 비열화 보상이 전혀 되지 않은 줌 궤적을 그대로 사용하여 1차 시험과 같은 방법으로 수행하였다.
- 비열화 시험은 열영상 장비의 운용온도(+55℃-32℃) 범위내에서 2회에 걸쳐 진행하였으며, 1차 시험은 비열화 보상을 위한 구동 프로그램을 내장한 상태에서 20℃ ±20℃ 범위 내에서는 10℃ 간격으로 그 외 범위 내에서는 5℃ 간격으로 시험하였다. 2차 시험은 비열화 보상을 하지 않은 싱태에서 10℃ 간격으로 시험하였다.
- 시험기 내의 온도는 밖에서 자동 및 수동으로 제어 할 수있으며 챔버 내의 온도에 대한 확인은 시준기의 온도 제어를 위해 사용되는 controller의 온도센서를 통해 보여지는 온도와 시험기 제어판의 온도 차이를 비교하였다. 시험을 진행하면서 온도를 비교하여 본 결과 둘 사이에는 1~2℃ 정도 차이가 났으며 이는 온도 센서 위치의 차이와 자체 교정에 의한 차이로 판단되며 비열화 시험에는 지장이 없는 차이이다.
- 앞에서도 언급한 바와 같이 비열화 1차 시험에서는 시뮬레이션을 통하여 얻어진 줌 궤적이 적용된 연구시제의 온도 변화에 따른 열 영상을 관찰하였으며, 2차 시험에서는 비열화 되기 전의 열 영상을 관찰하였다. 2차 시험 결과 비열화를 적용하기 전의 열 영상을 분석하여 보면 온도 변화에 따라 영상이 흐려지는 정도가 전체적으로 그리 심각하지는 않았다.
- 또한 저온에 대한 비열화 시험은 계산된 -30℃를 요구되는 최저 온도인 -32℃까지 적용하여 실시하였다. 온도구간은 시험에 소요되는 시간을 절약하기 위하여 광학계 설계의 기준이 되는 +2℃를 중심으로 ±20℃ 근처에서는 ΔT= 10℃로 나누어 시험을 실시하였으며, 그 외의 온도범위에 대해서는 ΔT=5℃로 나누어 시험하였다. 또한 각각의 온도에서 다음 온도 구간으로 이동하는데 소요되는 시간 간격은 2시간으로 설정하여 1시간 30분은 장비가 온도에 적응하는 시간으로 나머지 30분은 열 영상을 관찰하는 시간으로 할애하였다.
- 위와 같은 검출기 사양을 바탕으로 광학계는 넓은 시계가 확보되어 전반적인 상황 인식에 유리하며 표적의 세밀한 관측까지도 가능한 줌(zoom) 방식으로 구성하였다. 특별히 줌 광학계의 줌 비 (zoom ratio)는 통상적인 3~4 정도를 대폭 확장하여 최대배율 20배, 최저배율 1배인 줌 비 20:1의 광학계로 설계하여 최저배율의 시계 40°×30°에서 최대배율의 시계 2° × 1.
- 물론 모든 다른 광학계와 마찬가지로 최초 시스템을 설계하는 기준 온도는 20℃이었으며 이를 기준으로 +방향과 -방향으로 온도 변화량 ΔT를 주어가며 비열화 보상 줌 궤적을 구하였다. 이때 모든 줌 배율에 대한 시뮬레이션은 방대한 데이타량 및 시간에 대한 소요로 대표성을 가지는 배율인 20배, 15배, 10배, 5배, 1배에 대해서만 실시하였다.
- 줌 광학계의 민감도는 배율렌즈와 보정렌즈를 1.0 mm 씩 이동시킬 때 상면에서 영상의 defocus에 미치는 변화량을 구하여 분석하였으며 계산된 값은 아래의 표 2와 같다. 표에서 수치의 단위는 λ/mm이다.
- 가능한 줌(zoom) 방식으로 구성하였다. 특별히 줌 광학계의 줌 비 (zoom ratio)는 통상적인 3~4 정도를 대폭 확장하여 최대배율 20배, 최저배율 1배인 줌 비 20:1의 광학계로 설계하여 최저배율의 시계 40°×30°에서 최대배율의 시계 2° × 1.5°가 보장되도록 하였다.
- 비열화 시뮬레이션을 통하여 계산된 줌 궤적을 열영상 장비에 적용하여 온도에 따른 열 영상의 변화를 관찰 한 결과 대체로 우수한 보정 효과를 얻을 수 있었다. 표적은 1배율과 20배율을 동시에 판단할 수 있는 표적이 적당치 않아 관심의 대상인 고배율에 비중을 두어 표적을 선택하였으며 저배율에서는 +20℃ 영상과 비교하는 정도로 기준을 삼았다. 다만 +55℃에서는 검출기의 불균일 보상을 위한 보정값이 적당하지 않아 영상이 포화되어 제대로 된 영상을 얻을 수 없었으며 실질적인 비열화 시험은 +50℃에서부터 이루어졌다.
대상 데이터
- 본 비열화 분석 및 실험을 위해 연구된 장비는 줌 비 20:1의 적외선 줌 광학계가 장착된 3~5μm 파장대역의 열영상 장비 연구시제이다. 장비에 사용된 검출기는 320×240 초점면배열(FPA:focal plane array) 검출기로 HgCdTe 재질이다.
- 본 시험에 사용된 줌 광학계 구동장치는 87C196KB 마이크로 컨트롤러와 스텝모터로 구성되며, 비열화 보상에 필요한 광학계 내부 온도 정보는 DALLAS사의 DS1620 디지털 온도센서를 이용하여 획득한다. 제어용 컴퓨터인 87C196KB 마이크로 컨트롤러에 탑재되는 광학계 구동 프로그램은 배율변환, 초점조절과 같은 렌즈구동과 온도측정, 줌궤적 선택과 같은 비열화 보상관련 루틴 등으로 구성된다.
- 비열화 보상을 위한 온도 구간별 줌 궤적의 시뮬레이션을 위해 SIGMA2100이라는 광학계 설계 소프트웨어를 사용하였으며 온도변화에 따른 렌즈재질의 굴절율 변화량 및 팽창율은 제작에 사용되는 렌즈재질의 공급 회사(Eagle-Picher Technologies 사)로부터 제공받은 자료를 이용하였다. 또한 렌즈와 렌즈를 연결하는 기구 프레임은 알루미늄으로 시뮬레이션 하였으며 SIGMA2100에서 제공되는 기본값을 사용하였다.
- 비열화 시험에 사용된 온도 시험기는 국방과학연구소 환경시험장에 있는 고도시험 겸용 장비로 가로 1.5 m, 세로 1.5 m이며, 열영상 장비 및 시준기의 배치는 그림 6과 같다. 그리고 실제 비열화 시험을 위한 장비의 배치 장면은 그림 7과 같다.
- 광학계의 내부 온도를 측정하는 루틴이다. 사용된 센서는 DALLAS사의 DS1620 디지털 온도센서로서 -55℃에서 +125℃ 범위를 측정할 수 있으며, 측정오차는 0.5℃이다. DS1620 온도센서는 측정된 데이터를 9 bit 길이로 직렬 전송하며, 상위 bit는 부호를 나타낸다.
- 연구시제이다. 장비에 사용된 검출기는 320×240 초점면배열(FPA:focal plane array) 검출기로 HgCdTe 재질이다. 검출기 픽셀(pixel) 한 개의 크기는 가로, 세로 각각 30μm이며 90%의 fill factor를 갖는다.
성능/효과
- 그 결과 운용온도가 상온(20℃)에서 멀어질수록 광학성능이 현저히 저하됨을 확인하였다. 1차 시험과 2차 시험에서 얻어진 영상을 비교한 결과 -32℃~+50℃ 온도범위에서 보상된 줌궤적이 만족할 만한 영상을 제공한다는 것을 확인하였다.
- 전의 열 영상을 관찰하였다. 2차 시험 결과 비열화를 적용하기 전의 열 영상을 분석하여 보면 온도 변화에 따라 영상이 흐려지는 정도가 전체적으로 그리 심각하지는 않았다. 따라서 언뜻 생각하면 비열화 줌 궤적을 적용할 필요 없이 단순한 초점조절 렌즈의 이동을 통하여 온도에 따라 영상의 흐려짐을 보정 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 2차 시험은 비열화 보상이 전혀 되지 않은 줌 궤적을 그대로 사용하여 1차 시험과 같은 방법으로 수행하였다. 그 결과 운용온도가 상온(20℃)에서 멀어질수록 광학성능이 현저히 저하됨을 확인하였다. 1차 시험과 2차 시험에서 얻어진 영상을 비교한 결과 -32℃~+50℃ 온도범위에서 보상된 줌궤적이 만족할 만한 영상을 제공한다는 것을 확인하였다.
- 또한 두 렌즈의 민감도 부호가 역전됨으로서 고배율의 경우와 달리 렌즈를 반대 방향으로 이동시켜야 고배율과 같은 방향의 defocus 변화를 얻을 수 있다. 마지막으로 저배율의 경우 배율렌즈와 보정렌즈의 민감도가 고배율 만큼은 좋지 않으나 중배율처럼 심각한 상황은 아니며 두렌즈의 적절한 조합을 통해 defocus 보상이 가능하나 전체적인 상황이 여의치 않다면 보정렌즈 단독으로도 비열화 보상이 가능할 것으로 판단된다. 이들에 대한 이해를 돕기 위해 앞의 표를 그림으로 다시 표현해보면 그림 2와 같다.
- 얻었다. 비열화 시뮬레이션을 통하여 계산된 줌 궤적을 열영상 장비에 적용하여 온도에 따른 열 영상의 변화를 관찰 한 결과 대체로 우수한 보정 효과를 얻을 수 있었다. 표적은 1배율과 20배율을 동시에 판단할 수 있는 표적이 적당치 않아 관심의 대상인 고배율에 비중을 두어 표적을 선택하였으며 저배율에서는 +20℃ 영상과 비교하는 정도로 기준을 삼았다.
- 비열화 시험을 실시한 결과 만족스러운 보상 결과를 얻었다. 비열화 시뮬레이션을 통하여 계산된 줌 궤적을 열영상 장비에 적용하여 온도에 따른 열 영상의 변화를 관찰 한 결과 대체로 우수한 보정 효과를 얻을 수 있었다.
- 이러한 보상량은 그리 큰 수치는 아니며 시뮬레이션 적용 결과 또한 그 온도에서 최상의 영상이라고는 할 수 없으나 온도 변화에 대한 영상의 defocus가 거의 개선된 우수한 결과라고 보여진다. 시뮬레이션을 통해 계산된 줌 궤적의 적용이 효과적으로 광학계의 비열화를 달성할 수 있음을 확인하는 시험이었다.
- 개선되는지에 대한 확인시험을 실시하였다. 시험 결과 줌렌즈를 움직임에 따라 영상이 다소 개선되는 결과를 얻기는 하였으나 눈에 띄는 효과는 아니었다. 영상이 최대한으로 개선되었을 때 대물렌즈가 이동한 거리 및 방향은 배율렌즈 방향을 향하여 약 -0.
- 시험 결과 줌렌즈를 움직임에 따라 영상이 다소 개선되는 결과를 얻기는 하였으나 눈에 띄는 효과는 아니었다. 영상이 최대한으로 개선되었을 때 대물렌즈가 이동한 거리 및 방향은 배율렌즈 방향을 향하여 약 -0.14 mm 움직였으며 민감도 분석 결과를 바탕으로 계산해 보면 상면에서 0.52 mm의 defocus에 해당하는 양으로 배율렌즈의 경우 0.24 mm, 보정렌즈의 경우 0.67 mm를 움직여야 보상되는 defocus 양이다. 이러한 보상량은 그리 큰 수치는 아니며 시뮬레이션 적용 결과 또한 그 온도에서 최상의 영상이라고는 할 수 없으나 온도 변화에 대한 영상의 defocus가 거의 개선된 우수한 결과라고 보여진다.
- 위 계산결과에서 보듯이 defocus에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 온도변화에 따른 굴절율 변화에 기인하는 것으로 나타났으며, 온도 10℃ 변화에 의해 defocus가 수백 μm 생기므로 defocus를 반드시 보상해주어야 한다.
- 위의 표 2로부터 알 수 있듯이 배율렌즈를 1.0 mm 이동시켰을 때 상면에서 defocus의 변화량이 3.0333 λ/mm로 민감도가 매우 큰 것을 알 수 있으며 보정렌즈에 대한 defocus 민감도도 1.0705 λ/mm로 작지 않음을 알 수 있다. 따라서 온도변화에 따른 영상의 defocus를 보정 할 경우 배율렌즈 단독에 대한 보상이 가능하며, 때에 따라서는 두 렌즈의 조합으로도 가능함을 알 수 있다.
- 67 mm를 움직여야 보상되는 defocus 양이다. 이러한 보상량은 그리 큰 수치는 아니며 시뮬레이션 적용 결과 또한 그 온도에서 최상의 영상이라고는 할 수 없으나 온도 변화에 대한 영상의 defocus가 거의 개선된 우수한 결과라고 보여진다. 시뮬레이션을 통해 계산된 줌 궤적의 적용이 효과적으로 광학계의 비열화를 달성할 수 있음을 확인하는 시험이었다.
- 또한 보정렌즈도 마찬가지여서 역시 궤적의 역전이 발생하며 배율렌즈와는 반대로 줌 궤적이 이동한다. 이러한 현상은 앞의 민감도 분석에서 예측되었던 일로 표 2의 defocus 민감도 분석 결과를 보면 배율렌즈와 보정렌즈 모두 중배율 근처에서 1 mm 이동에 대한 defocus의 민감도가 반대 부호로 바뀌는 것을 알 수 있다. 이는 온도 변화에 의해 발생되는 일정한 defocus에 대해 고배율과 저배율에서 기준 줌 위치에 대해 각기 다른 방향으로 렌즈가 움직여야 비열화 보상이 이루어짐을 의미한다.
후속연구
- 이는 온도 변화에 의해 발생되는 일정한 defocus에 대해 고배율과 저배율에서 기준 줌 위치에 대해 각기 다른 방향으로 렌즈가 움직여야 비열화 보상이 이루어짐을 의미한다. 이와 같은 결과는 추후에 비열화를 위한 줌 궤적을 마련하여 실제 구동하는데는 별다른 문제점은 없으나, 줌 궤적의 역전이 발생하는 바로 그 배율에 대해서는 물리적으로 어떤 일이 발생할지는 또 다른 시뮬레이션을 통해 검증해야만 할 것이다.
- 따라서 본 시험에서는 이에 대한 판단 기준량을 결정하기 위하여 비열화 시험의 최 저온인 -32℃에 대한 영상 확인 작업이 끝난 후 초점조절 렌즈인 대물렌즈를 앞·뒤로 움직이며 영상이 개선되는 방향을 파악한다. 이와 같은 과정에서 파악된 방향은 추후 시험을 위한 비열화 줌 궤적의 off-set 방향이 되며 그 양은 장비를 온도 시험기에서 꺼낸 뒤 최초 장비를 입고할 때 표시해 두었던 기준점으로부터 대물렌즈가 얼마나 이동하였는지를 계측함으로써 알 수 있다. 즉, 대물렌즈의 민감도에 대한 배율렌즈와 보정렌즈의 민감도 비율을 알고 그 방향을 정확하게 안다면 대물렌즈의 이동을 통하여 확보한 데이타를 배율렌즈나 보정렌즈의 이동량으로 환산할 수 있다.
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