대형 적외선 우주 망원경 개발은 한극천문연구원의 중요 전략 목표의 하나로써 이를 성공시키기 위한 다양한 기술적 노력들이 전개되고 있다. 그 일환으로 한국천문연구원과 한국기초과학지원연구원은 정책 협동 과제로 한국기계연구원, (주) 아이쓰리시스템과 함께 우주용 적외선 냉각시스템을 개발하고 있다. 본 논문에서는 이렇게 개발중인 우주탑재용 적외선카메라 냉각시스템 시험모델의 광학계를 설계하기 위한 요구 조건을 도출하였으며, 그에 따라 $3.8\~4.8{\mu}m$ 적외선 대역에서 $15^{\circ}\times12^{\circ}$의 시야를 가지며 각분해능이 $0.047^{\circ}$인 단일 렌즈 카메라 시스템을 설계하였고, 앞으로 더 복잡한 광학계에 대한 기초로 활용하고자 한다.
대형 적외선 우주 망원경 개발은 한극천문연구원의 중요 전략 목표의 하나로써 이를 성공시키기 위한 다양한 기술적 노력들이 전개되고 있다. 그 일환으로 한국천문연구원과 한국기초과학지원연구원은 정책 협동 과제로 한국기계연구원, (주) 아이쓰리시스템과 함께 우주용 적외선 냉각시스템을 개발하고 있다. 본 논문에서는 이렇게 개발중인 우주탑재용 적외선카메라 냉각시스템 시험모델의 광학계를 설계하기 위한 요구 조건을 도출하였으며, 그에 따라 $3.8\~4.8{\mu}m$ 적외선 대역에서 $15^{\circ}\times12^{\circ}$의 시야를 가지며 각분해능이 $0.047^{\circ}$인 단일 렌즈 카메라 시스템을 설계하였고, 앞으로 더 복잡한 광학계에 대한 기초로 활용하고자 한다.
Many technical challenges are being tried for a large space infrared telescope, which is one of the major objectives of the Strategic Technology Road Map (STRM) of KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute), As one of these challenges, KASI and KBSI (Korea Basic Science Institute) have start...
Many technical challenges are being tried for a large space infrared telescope, which is one of the major objectives of the Strategic Technology Road Map (STRM) of KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute), As one of these challenges, KASI and KBSI (Korea Basic Science Institute) have started a cooperation project for developing a space infrared cryogenic system with KIMM (Korea Institute of Machinery as Materials) and i3system co. In this paper, we generate optical requirements for the Protomodel of Space Infrared Cryogenic System (PSICS), and design a single lens optical system with a bandpass of $3.8\~4.8{\mu}m$, a field of view of $15^{\circ}\times12^{\circ}$, and an angular resolution of $0.047^{\circ}$, to develop a further complex optical system.
Many technical challenges are being tried for a large space infrared telescope, which is one of the major objectives of the Strategic Technology Road Map (STRM) of KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute), As one of these challenges, KASI and KBSI (Korea Basic Science Institute) have started a cooperation project for developing a space infrared cryogenic system with KIMM (Korea Institute of Machinery as Materials) and i3system co. In this paper, we generate optical requirements for the Protomodel of Space Infrared Cryogenic System (PSICS), and design a single lens optical system with a bandpass of $3.8\~4.8{\mu}m$, a field of view of $15^{\circ}\times12^{\circ}$, and an angular resolution of $0.047^{\circ}$, to develop a further complex optical system.
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문제 정의
본 논문에서는 PSICS의 광학계 요구 조건 및 이에 따른 설계 결과, 잡광 제거용 배플의 설계 및 효과, 그리고 허용 오차 등에 대한 연구 결과를 기술하여 이후의 우주탑재용 적외선카메라 광학계 설 계의 참고가 되고자 한다.
우주탑재용 적외선카메라 냉각시스템 시험모델, PSICS는 미래의 적외선 우주망원경을 개발하기 위한 기초 기술을 축적하는 목적으로 개발되고 있으며, 한국천문연구원이 광학계와 총괄 시스템, 한 국기초과학지원연구원이 냉각기 시스템 , 한국기계연구원이 냉동기 시스템 , (주) 아이 쓰리 시스템이 적외선 센서와 전자부를 담당하여 순수 국내 기술로 제작되고 있다. 본 연구에서는 절대 온도 77K 의 극저온에서 근적외선 영역의 영상을 구현하기 위한 최소한의 광학계를 설계하였다. 센서의 잡음 레벨을 고려하여 영상 이미지를 구현할 때 필요한 광량을 계산하여 3.
가설 설정
이 계산에서 광학계의 온도(Topt)는 300K, 방출률(#")은 0.1, 투과율⑴ ens 5 Twindi Tjiiter)은 0.9, 검출기의 양자 효율(7?)은 0.7라고 가정하고, 관측 대상의 표면 온도(T旳)는 310K, 방출률(#)은 0.5라고 가정하였다. 그리고, 검출기 픽셀의 크기(Adet = 30 x 30μm)를 사용하여 4Q값을 F-비로 나타냈다.
15mm로 설정하여 1000회의 몬 테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 이 시뮬레이션에서 각 공차는 중심값에서 최대 오차 한계로 정규 분포를 가진다고 가정하였고, 모든 경우를 독립 변수로 계산하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 결과에 따르면 입사각이 3.
제안 방법
Cold box의 구조상 cold box 내벽에 1차 이하의 반사를 한 잡광은 적외선 센서에 도달할 수 없 기 때문에 cold bafHe은 2차 반사를 통한 잡광을 차단하도록 설계하였다. 따라서 센서에는 3차 이상의 잡광, 즉 적어도 3번은 cold box 내벽을 반사한 빛만 잡음으로써 센서에 도달하게 된다.
PSICS의 관측 조건으로는 해당 근적외선(3.8 ~ 4.8μm) 파장 영역에서 센서의 한 픽셀당 시야가 약 0.05degree, 즉 Im 전방 관측 대상의 적외선 영상을 약 1mm의 공간 분해능으로 획득하며, 이때 관측 대상에서 〜 30mK의 온도 차이를 신호 대 잡음비가 5 이상으로 하여 구별할 수 있도록 하였다. 그 밖에, 광학계는 최대한 간단하게 설계하여 시스템의 부피 및 비용을 줄이도록 한다.
그리고 요구되는 F-비를 맞추고 수차를 최소하기 위하여 Cold stop을 필터와 렌즈 사이에 배치하였다. 각 광 학면에는 1부터 9까지 번호를 부여하여 후에 공차 계산 시에 참고하도록 하였다. 각 광학면에 대한 설명은 다음과 같다: ① 렌즈 표면, ② 렌즈 밑면, ③ 윈도우 윗면, ④ 윈도우 밑면, ⑤ cold baffle, ⑥ old stop, ⑦ 필터 윗면, ⑧ 필터 밑면, ⑨ 센서.
신호대 잡음비를 5로 관측할 수 있는 한계를 온도의 변화 값으로 표시하였다. 광학계의 f-비가 2 (실선으로 표시), 4 (긴 점선), 6 (길고 짧은 점선), 8 (짧은 점선)인 경우에 대해 각각 계산하였다..
그림에서와 같이 평행광이 입사한다고 할 때 렌즈, 윈도우 및 필터를 적절하게 배치하였다. 그리고 요구되는 F-비를 맞추고 수차를 최소하기 위하여 Cold stop을 필터와 렌즈 사이에 배치하였다. 각 광 학면에는 1부터 9까지 번호를 부여하여 후에 공차 계산 시에 참고하도록 하였다.
0μm가 된다. 따라서, 이 파장대에서 상용으로 구할 수 있는 적외선 필터 의 사양에:따라 PSICS의 관측 파장대를 3.8 ~ 4.8μm으로 결정하였다.
먼저 관측 환경 및 관측 대상의 측면을 보자. 본 연구에서 제작하는 PSICS는 실험실 환경(온도 약 300K)에서 인간의 영상을(온도 약 310K) 관측하여 전체 시스템의 성능을 평가하는 것이 목적이므로, 인간의 흑체 복사 영상을 구하기 위한 적 절한 파장대를 사용하면 된다. 이 경우 관측 대상이 반사 또는 산란하는 태양 복사의 세기(intensity, #)와 관측 대상이 스스로 방출하는 흑체 복사의 세기(7bb, >)를 비교해야 한다.
본 연구에서는 절대 온도 77K 의 극저온에서 근적외선 영역의 영상을 구현하기 위한 최소한의 광학계를 설계하였다. 센서의 잡음 레벨을 고려하여 영상 이미지를 구현할 때 필요한 광량을 계산하여 3.8 〜 4.μm 적외선 대역에서 광학계의 구경 32mm, 15° x 12°의 시야, 그리고 각분해능이 0.047인 단일 렌즈 카메라 시스템을 설계하였다. 한편, 잡광을 제거하기 위해 잡광에 대한 광경로를 추적하고 이에 따른 배플을 설계하였 다.
한편 광부품에서의 오차는 곡률 반경 및 굴절 상수 등의 변화로 나타나는데, 일반적인 조건하에서는 기계적인 오차보다 영향이 크지 않다. 우리는 PSICS 광기 계부를 제작, 조립할 때 발생 가능한 공차의 오차 값을 0.15mm로 설정하여 1000회의 몬 테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 이 시뮬레이션에서 각 공차는 중심값에서 최대 오차 한계로 정규 분포를 가진다고 가정하였고, 모든 경우를 독립 변수로 계산하였다.
광학계 및 기계부를 제작, 조립할 때 필연적으로 공차가 발생하게 된다. 원래 공차 설계는 설계, 제작, 조립, 운용, 보관의 단계로 나눠서 수행하여야 하나, 본 장에서는 ZEMAX를 이용한 간단한 계 산을 통하여 PSICS 광학계의 허용 오차 한계를 구해보았다. 기계적인 오차는 기본적으로 제작/조립 시에 대부분 발생하는데 주로 광축 방향으로의 이동(shift)이나 광부품의 기울기(tilt)의 형태로 나타나며 그 최대값은 대개 0.
그림 2. 파장에 따른 태양의 복사 세기와 흑체 복사 세기의 비교. 실선은 표면 온도 310K인 흑체의 복사 세기를 보여주고, 긴 점선은 지구 표면에 있는 물체가 받는 태양의 복사 세기를 보여준다.
047인 단일 렌즈 카메라 시스템을 설계하였다. 한편, 잡광을 제거하기 위해 잡광에 대한 광경로를 추적하고 이에 따른 배플을 설계하였 다. 이 렇게 설계된 광학계는 센서 및 영상 분해능의 요구 조건을 만족하는 것으로 나타났다.
성능/효과
이 렇게 설계된 광학계는 센서 및 영상 분해능의 요구 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 그리고, 제작 및 조립 시의 공차 조건에 따른 허용 오차를 몬테카를로 시뮬레이션한 결과, 허용 공차 한계가 0.15mm로 계산되어, 주어진 제작 공차 0.1mm보다 크게 주어짐을 알 수 있었다.
이 시뮬레이션에서 각 공차는 중심값에서 최대 오차 한계로 정규 분포를 가진다고 가정하였고, 모든 경우를 독립 변수로 계산하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 결과에 따르면 입사각이 3.5°보다 작은 경우 센서의 한 픽셀 안에 광량의 80% 이상이 포함되며 입사각이3.5°보다 큰 경우도 센서의 두 픽셀 안에 광량의 70% 이상이 포함되는 것을 확인하였다.
한편, 잡광을 제거하기 위해 잡광에 대한 광경로를 추적하고 이에 따른 배플을 설계하였 다. 이 렇게 설계된 광학계는 센서 및 영상 분해능의 요구 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 그리고, 제작 및 조립 시의 공차 조건에 따른 허용 오차를 몬테카를로 시뮬레이션한 결과, 허용 공차 한계가 0.
8μm), 코마수차 및 기타 수차가 나타남을 알 수 있다. 이는 단일 렌즈를 사용했기 때문에 부득이한 결과이지만 cold stop을 사용하여 entrance pupil을 좁게 만듦으로써 가장 문제가 큰 코마수차를 상당히 줄 일 수 있었다.
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