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문제 정의
- 본 논문에서는 480X6 배열의 원적외선 검출기를 이용하여 표적 획득 능력이 대폭 향상된 2세대 줌 열상장비를 설계 개발하였다. 고성능 열상장비로써 효율적으로 원거리야 간감시에 활용할 수 있도록 6.
- 전원부는 전원잡음을 제거하고 안정된 전원 전압을 공급한다. 서론 부분에서 기술한 바와 같이 열상 신호처리기는 기존에 개발된 전차 조준경용 열상센서와 상호 호환성을 갖도록 하여 영상 획득에 공통으로 활용하였으므로 본 논문에서 이에 대한 세부적인 언급은 생략한다. 그림 1은 원적외선 열상 센서의 기본 구성도이다.
제안 방법
- 3 Jim 파장대역을 검출할 수 있는 480X6 초점면배열 적외선 검출기를 사용하여 원적외선 줌 광학계를 설계하고 열상장비를 구현하였다 원적외선 줌 광학계의 최대 배율은 20배율이며 줌 비율은 3:1이다. -30℃ ~+55℃ 의 운용온도 범위에 대해 배율별로 초점이 변화하는 정도를 분석, 실험하여 주어진 운용온 도에서 2개의 구동 렌즈군만으로 자동 보상이 가능한 비열 화 방법을 제시하고 영상 획득으로 결과를 입증하였다.
- 결상렌즈1의 전면과 결상렌즈2의 후면, 연결렌즈2의 후면은 비구면으로 구성하였다. 결상렌즈에 의해 1차 초점이 맺히는 부분에 필드 stop을 설치하여 망원경 광학계에 의해 반사되는 Narcissus 현상을 최소화하였다. 주사광학계 자체의 초점조절 이 용이하도록 연결렌즈1과 연결렌즈2사이의 거리 및 필드 stop과 연결렌즈1사이의 거리를 충분히 확보하였다.
- 본 논문에서는 480X6 배열의 원적외선 검출기를 이용하여 표적 획득 능력이 대폭 향상된 2세대 줌 열상장비를 설계 개발하였다. 고성능 열상장비로써 효율적으로 원거리야 간감시에 활용할 수 있도록 6.7배~20배율의 3:1 줌 비율을 갖는 원적외선 줌 망원경을 구현하였다. 주사장치와 열상 신호처리기는 공통모듈 개념으로 설계하여 기존에 개발된 전 차 조준경용 열상센서와 상호 호환성을 갖도록 하였다.
- 0 mm로 설계하여 시스템의 부피를 전체적으로 줄일 수 있게 하였다. 또한 5배에서 15배의 배율을 바꾸기 위해 필요한 배율렌즈와 보정렌즈의 움직이는 행정 거리(stroke)를22.65 mm, 38.04 mm로 하고, 무한대 거리부터 100 m 표적까지 초점을 맞추는데 필요한 초점조절 렌즈의 이동거리는 고배율에서 0.9 mm, 저배율에서 0.1 mm로 설계하였다.
- 망원경 광학계를 구성하는 렌즈 매수는 총 5군 8매의 렌즈로 설계하였으며 사용된 비구면 렌즈의 수는 총 2매로 비교적 낮은 가공비를 사용하여 회절 한계에 가까운 우수한 광학적 성능을 보이도록 하였다. 대물렌즈는 Ge 재질을 사용하였으며 비네트(vignet)를 고려한 유효구경이 186.
- 따라서 이러한 defocus에 의한 성능저하를 개선할 적절한 줌 카메라의 비열화 보정이 필요함을 알 수 있다. 본 적외선 광 학계의 설계 및 제작에서는 광학계의 비열화 보상 방법으로 망원경 광학계의 시계 변화를 위해 움직이는 두 개의 배율 렌즈군에 추가적인 이동을 부가하여 온도에 따른 상면의 defocus를 제거하도록 하였으며, 온도센서와 적절한 온도 구간별로 계산된 두 렌즈군의 LUT(look-up table)를 이용하여 구현하였다.
- 설계된 야간 감시용 원적외선 줌 열상장비를 제작하고 평가하였다. 그림 5는 설계 및 구현된 야간 감시용 열상장비를 보여준다.
- 따라서 본 논문에서는 열상 신호처리기에 대한 세부적인 언급은 생략한다. 아울러 주사장치의 주사 효율을 증대시켜 16:9 양상비를 갖는 고화질 텔레비전(HDTV : high definition television)에도 시현이 가능토록 하였다. 기존 일반적인 TV 에는 수직 480 화소 수평 980 화소 즉, 47만 화소가 영상으로 시현되는데 비해 HDTV에의 영상 시현은 수직 480 화소, 수평 1300 화소로 62만 화소 이상 가능하다.
- 제2 렌즈군인 배율렌즈는 두 개의 음의 굴절능을 갖는 렌즈로 구성되며 광축을 따라 움직여 망원경의 배율을 바꾸는 역할을 한다. 이 렌즈군은 Ge보다 색 분산이 큰 ZnSe를 배율 렌즈1로 사용하여 망원경 광학계의 전체적인 색수차를 보정 하도록 하였다. 제3 렌즈군인 보정렌즈는 양의 굴절능을 갖는 Ge 렌즈로 배율렌즈의 광축이동에 따른 초점면의 이동을 보상한다.
- 제3 렌즈군인 보정렌즈는 양의 굴절능을 갖는 Ge 렌즈로 배율렌즈의 광축이동에 따른 초점면의 이동을 보상한다. 제4 렌즈군인 초점 렌즈는 양의 굴절능을 갖는 Ge렌즈로 물체까지의 거리 변화에 따라 초점을 맞추는 초점조절 렌즈의 역할을 하며 앞면에 비구면을 적용하여 줌 망원경의 구면수차 및 비축수차 보정을 하였다. 시준렌즈는 총 3매의 렌즈로 구성되며 2매는 Ge, 1매는 ZnSe이다.
- 7배~20배율의 3:1 줌 비율을 갖는 원적외선 줌 망원경을 구현하였다. 주사장치와 열상 신호처리기는 공통모듈 개념으로 설계하여 기존에 개발된 전 차 조준경용 열상센서와 상호 호환성을 갖도록 하였다. 따라서 본 논문에서는 열상 신호처리기에 대한 세부적인 언급은 생략한다.
- 효율적인 야간 감시를 위해서 7.7 Jim~ 10.3 Jim 파장대역을 검출할 수 있는 480X6 초점면배열 적외선 검출기를 사용하여 원적외선 줌 광학계를 설계하고 열상장비를 구현하였다 원적외선 줌 광학계의 최대 배율은 20배율이며 줌 비율은 3:1이다. -30℃ ~+55℃ 의 운용온도 범위에 대해 배율별로 초점이 변화하는 정도를 분석, 실험하여 주어진 운용온 도에서 2개의 구동 렌즈군만으로 자동 보상이 가능한 비열 화 방법을 제시하고 영상 획득으로 결과를 입증하였다.
대상 데이터
- 망원경 광학계를 구성하는 렌즈 매수는 총 5군 8매의 렌즈로 설계하였으며 사용된 비구면 렌즈의 수는 총 2매로 비교적 낮은 가공비를 사용하여 회절 한계에 가까운 우수한 광학적 성능을 보이도록 하였다. 대물렌즈는 Ge 재질을 사용하였으며 비네트(vignet)를 고려한 유효구경이 186.5 mm이다. 제2 렌즈군인 배율렌즈는 두 개의 음의 굴절능을 갖는 렌즈로 구성되며 광축을 따라 움직여 망원경의 배율을 바꾸는 역할을 한다.
- 제4 렌즈군인 초점 렌즈는 양의 굴절능을 갖는 Ge렌즈로 물체까지의 거리 변화에 따라 초점을 맞추는 초점조절 렌즈의 역할을 하며 앞면에 비구면을 적용하여 줌 망원경의 구면수차 및 비축수차 보정을 하였다. 시준렌즈는 총 3매의 렌즈로 구성되며 2매는 Ge, 1매는 ZnSe이다.
- 주사광학계의 광계통에서 결상렌즈1의 재질은 색수차를 보정하기 위하여 ZnSe로 하였으며, 나머지 렌즈는 Ge로 하였다. 결상렌즈1의 전면과 결상렌즈2의 후면, 연결렌즈2의 후면은 비구면으로 구성하였다.
성능/효과
- 그림 3은 설계된 망원경 광학계의 고배율에서의 변조전달 함수(MTF : modulation transfer function) 특성을 나타낸 것이다. MTF 분석값은 중심 시계뿐 아니라 최외곽 시계에서 거의 유사하며 18 cy/mm에서 MTF 0.4 정도로 회절한계 성능에 가까운 매우 우수한 광학성능을 보임을 알 수 있다. 한편 군사적 응용에 많이 사용되는 적외선 광학계는 일반적인 민수용 광학계와는 달리 영상의 성능저하 없이 매우 넓 은 온도범위 내에서 동작하도록 요구되며, 일반적인 열상센 서의 경우 동작 온도 범위가 -30℃에서 +55℃ 정도이다.
- 기존의 일반 TV 뿐 아니라 고화질의 HDTV에도 열 영상 시 현이 가능토록 주사장치를 설계하여 HDTV 이용시 기존의 47 만 화소에서 62만 화소로 고선명도 영상 시현이 가능하고 수평 시계각이 30% 증가하여 야간 감시에 탁월한 성능을 발휘 할 수 있다. 설계 및 제작된 원적외선 열상장비의 고배율에서 최소분해가능온도차(MRTD)를 측정한 결과, 2 cycles/mmd의 공간주파수에서 0.
- 04℃ 수준으 로 나타나 보다 세밀한 영상 정보 획득이 가능함을 알 수 있었다. 또 고배율에서 8 cycle/mrad의 공간 주파수까지 분해가 가능하고 그때의 MRTD 값이 0.23℃ 로 측정이 되어 원거리 표적 획득도 용이함을 알 수 있었다.
- 7배율의 저배율과 20배율의 고배 율에서 영상을 획득한 결과이다. 별도의 초점 조절 없이 장비 자체에서 자동 비열화 보상을 한 결과만으로 각각의 배율에서 초점의 흐림이나 성능 저하 없이 잘 작동함을 알 수 있다.
- 기존의 일반 TV 뿐 아니라 고화질의 HDTV에도 열 영상 시 현이 가능토록 주사장치를 설계하여 HDTV 이용시 기존의 47 만 화소에서 62만 화소로 고선명도 영상 시현이 가능하고 수평 시계각이 30% 증가하여 야간 감시에 탁월한 성능을 발휘 할 수 있다. 설계 및 제작된 원적외선 열상장비의 고배율에서 최소분해가능온도차(MRTD)를 측정한 결과, 2 cycles/mmd의 공간주파수에서 0.04 K 이하 및 8 cycles/mrad의 공간주파수에서 0.23 K의 우수한 결과를 보였다.
- 특히 열상장비의 성능을 종합적으로 나타내는 최소분해가능 온도차(MRTD : Minimun Resolvable Temperature Difference)를 측정한 결과 기존 세대 열상장비의 열 분해능이 2 cycle/mrad 의 공간 주파수에서 0.3 ℃ 내외였던 것에 비해, 이번에 개발된 고성능 2세대 열상장비는 설계값보다 작은 0.04℃ 수준으 로 나타나 보다 세밀한 영상 정보 획득이 가능함을 알 수 있었다. 또 고배율에서 8 cycle/mrad의 공간 주파수까지 분해가 가능하고 그때의 MRTD 값이 0.
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