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문제 정의
- 본 논문에서는 현재 우리나라의 (주)쎄트렉아이와 말레이시아의 ATSB社가 공동으로 개발 중인 200kg 급 소형 지구관측 위성 RazakSAT (前 MACSAT》)의 주탑재체인 MAC (Medium-sized Aperture Camera)2] 비행모델 개발과정에서 적용한 MTF 측정, 실험 장치, MTF 계산을 위한 노이즈 제거, MTF를 이용한 초점면부 정렬 등에 대해 논하고, 실제 지상에서 측정된 MAC 비행모델의 음향진동시험 후의 카메라 시스템 MTF 결과를 정리한다. (MAC 시스템 및 광학계에 대한 전반적인 사항은 이미 소개된 바 있다.
제안 방법
- MAC 비행모델의 초점면부 조립 후, RazakSAT 인증모델과 조립하여 음향 진동시험을 한국항공우주연구원에서 실시하였다. 이전 모델인 MAC 인증모델의 경우, 진동시험 후 부경이틀어지는 문제가 있었으나 MAC 구조물의 보강 후 비행모델에서는 이런 문제가 발생하지 않았다.
- 5). MACVIEWER 상에서 선형 구동기를 구동시켜 칼날을 광축에 수직 방향으로주사시켜 임의의 픽셀에서 날퍼짐함수 데이터를 측정하였고, 이렇게 얻은 날퍼짐함수를 미분하여선 퍼짐 함수를 계산하였다(그림 6).
- MAC의 CCD에 맺힌 칼날의 상을 잡기 위해 MACVIEWER 라는 프로그램을 자체 제작하여 CCD에서 받아들이는 광량을 디지털 숫자로 표시하였다(그림 5). MACVIEWER 상에서 선형 구동기를 구동시켜 칼날을 광축에 수직 방향으로주사시켜 임의의 픽셀에서 날퍼짐함수 데이터를 측정하였고, 이렇게 얻은 날퍼짐함수를 미분하여선 퍼짐 함수를 계산하였다(그림 6).
- MAC의 시스템 MTF 측정 방법이 정립된 후, 이를 이용하여 초점면부(Focal Plane Assembly) 를 최적의 초점에 정렬하였다. MACe 전 채널이 같은 광학계를 이용하는 방식을 이용한다.
- MAC의 초점면부를 정렬한 후, 초점면부의 채널별, 광축 및 비축 시야별 MTF를 측정하였다. 그림 13은 CCD 상에서 측정된 총 15 곳의 위치를 보여준다.
- 5 m 급 지구관측 카메라 MAC의 비행모델의 시스템 MTF를 지상 광학실 환경에서 측정하였다. 구경 450 mm의 카세그레인 시준기를 만들어 MAC에 평행빔을 입사시키고, 시준기의 초점에서 칼날주사방법을 이용하여 MTF 곡선을 추출하였다. 날퍼짐함수는 (따라서 MTF 곡선은) 환경적 요인, 특히 공기유동과 진동에 민감함을 알 수 있었다.
- 노이즈를 줄이는 방법으로 날퍼짐함수에 대한 fitting 과 smoothing 을 이용하였다. Fitting 은 hyperbolic tangent 함수를 이용하였는데, 날퍼짐 함수의 전체적인 형상을 잘 따라가지 못 함을 알 수 있다(그림 7).
- 최적의 초점을 찾는 방법으로는 MAC 초점 근처에 초점면부를 놓고, 칼날 주사 위치를 시준기의 축상에서 이동시키면서 각 위치마다 MTF를 측정한 후 특정 주파수상에서 가장 좋은 MTF를 주는 칼날의 축상 위치를 찾았다. 시준기와 MAC의 초점거리를 이용한 전체 광학계의 종배율로 MAC 초점면부가 축상으로 움직여야 할 거리를 계산하였다. 그림 11은 시준기 초점 근처에서 MACVIEWER와 선형모터를 이용하여.
- 시준기의 주/부 반사경은 한국표준과학연구원에서 RMS 파면오차 1/24λ의 정밀도로가공/측정하였고 2 쎄트렉아이에서 광학/광기계설계, 조립 및 정렬을 담당하였다.6) 그림 3은 완성된 시준기의 RMS 파면오차가 HeNe 633nm 파장에서 0.
- 이와 동일한 방식으로 상하좌우 4곳에서의 MTF를 측정하여 초점면부의 기울기를 조절하여최적의 위치에 초점면부를 정렬하였다.
- 칼날주사에 의한 날퍼짐함수의 형상에서 노이즈를 줄이기 위해 날퍼짐함수의 fitting 및 smoothing 등을 적용하였는데, smoothing이 더 적합함을 알 수 있었다. 정립된 MTF 측정방법을 이용하여 MAC 초점면부를 정렬하였다. MAC 초점면부의 정 렬/조립 후, MAC 비행모델의 음향진동시험을 거치고 다시 시스템 MTF를 측정하였는데, 채널 별 (5개 채널), 주요시야 별 (채널 당 3개) MTF 측정에서 모두 지상요구 조건을 만족 시킴을 확인하였다.
- 예정이다. 지상의 알려진 대비(contrast)가 큰 표적 등을 사용하여 날퍼짐함수/점퍼짐함수등을 구하고, 지상에서의 MTF 계산법과 유사한방식으로 시스템 MTF를 구한다.》향후 이와 유사한 지구관측 카메라를 개발 시, 더 향상된 지상에서의 위성용 광학탑재체 MTF 성능 측정을 위해 방진 시스템을 갖춘 열진공 챔버 등 측정환경 개선이 필요하다.
- 이전모델인 인증모델의 MTF 측정 시에는 초점거리가 4m인 비축포물면경 (off-axis paraboloid)을 이용하였다. 초점거리 때문에 시준기와 광원사이가 4m 가량 떨어져 있어야 했기 때문에 공기유동 등에 의한 노이즈 문제로 카세그레인 (Gassegrain) 방식 시준기를 국내에서 설계/제작하여 사용하였다.
- 초점을 맞추었다. 최적의 초점을 찾는 방법으로는 MAC 초점 근처에 초점면부를 놓고, 칼날 주사 위치를 시준기의 축상에서 이동시키면서 각 위치마다 MTF를 측정한 후 특정 주파수상에서 가장 좋은 MTF를 주는 칼날의 축상 위치를 찾았다. 시준기와 MAC의 초점거리를 이용한 전체 광학계의 종배율로 MAC 초점면부가 축상으로 움직여야 할 거리를 계산하였다.
- 광원은 600W 쿼츠-텅스텐-할로겐 램프를 이용하였다. 측정 환경은 방진 시스템을 갖춘 열진공 챔버 안에서의 시험이 이상적이나, 아직 국내에는 기반 시설이 갖춰져 있지 않는 관계로 본 실험은 15℃의 항온항습 광학실에서 수행하였다.
- 해상도 2.5 m 급 지구관측 카메라 MAC의 비행모델의 시스템 MTF를 지상 광학실 환경에서 측정하였다. 구경 450 mm의 카세그레인 시준기를 만들어 MAC에 평행빔을 입사시키고, 시준기의 초점에서 칼날주사방법을 이용하여 MTF 곡선을 추출하였다.
대상 데이터
- 공기의 유동에 의한 효과를 최소화하기 위해 텐트를 2중으로 설치하였다. 광원은 600W 쿼츠-텅스텐-할로겐 램프를 이용하였다. 측정 환경은 방진 시스템을 갖춘 열진공 챔버 안에서의 시험이 이상적이나, 아직 국내에는 기반 시설이 갖춰져 있지 않는 관계로 본 실험은 15℃의 항온항습 광학실에서 수행하였다.
- 칼날주사방식을 이용한 MAC 비행모델의 시스템 MTF를 측정하기 위해서 그림 2와 같은 구경 450 mm 크기의 시준기를 사용하였다. 이전모델인 인증모델의 MTF 측정 시에는 초점거리가 4m인 비축포물면경 (off-axis paraboloid)을 이용하였다.
성능/효과
- 정립된 MTF 측정방법을 이용하여 MAC 초점면부를 정렬하였다. MAC 초점면부의 정 렬/조립 후, MAC 비행모델의 음향진동시험을 거치고 다시 시스템 MTF를 측정하였는데, 채널 별 (5개 채널), 주요시야 별 (채널 당 3개) MTF 측정에서 모두 지상요구 조건을 만족 시킴을 확인하였다.
- 그림 14와 그림 15는 각각 PAN 채널과 MS2 채널중앙에서의 MTF 곡선을 보여준다. 각각 나이퀴스트 주파수보다 약간 높은 주파수에서도 지상에서의 카메라 시스템 MTF 요구조건 (모든 시야에서 PAN≥8%, MS≥15%)을 만족함을 알 수 있다.
- 구경 450 mm의 카세그레인 시준기를 만들어 MAC에 평행빔을 입사시키고, 시준기의 초점에서 칼날주사방법을 이용하여 MTF 곡선을 추출하였다. 날퍼짐함수는 (따라서 MTF 곡선은) 환경적 요인, 특히 공기유동과 진동에 민감함을 알 수 있었다. 칼날주사에 의한 날퍼짐함수의 형상에서 노이즈를 줄이기 위해 날퍼짐함수의 fitting 및 smoothing 등을 적용하였는데, smoothing이 더 적합함을 알 수 있었다.
- 이전 모델인 MAC 인증모델의 경우, 진동시험 후 부경이틀어지는 문제가 있었으나 MAC 구조물의 보강 후 비행모델에서는 이런 문제가 발생하지 않았다. 또한, MTF 측정 결과도 FM acceptance acoustic test 전과 후의 결과가 거의 변화가 없는 것으로 측정되었다. (시험 전 0.
- 칼날주사시험에서는 측정 시, 시준기 (collimator) 에 의한 MTF 저하를 최소화 하기위해 회절한계 (diffraction-limited) 성능을 가지고, 시험하고자 하는 카메라보다 최소한 같거나 큰 구경의 시준기를 이용한다. 또한, 시준기의 초점길이가 시험하고자 하는 카메라의 초점길이 보다 길면 길수록 시준기의 초점에서 움직이는 칼날의 진동 등에 의한 노이즈를 카메라의 CCD 상에서 최소화하는데 유리하다.
- 날퍼짐함수는 (따라서 MTF 곡선은) 환경적 요인, 특히 공기유동과 진동에 민감함을 알 수 있었다. 칼날주사에 의한 날퍼짐함수의 형상에서 노이즈를 줄이기 위해 날퍼짐함수의 fitting 및 smoothing 등을 적용하였는데, smoothing이 더 적합함을 알 수 있었다. 정립된 MTF 측정방법을 이용하여 MAC 초점면부를 정렬하였다.
후속연구
- 지상의 알려진 대비(contrast)가 큰 표적 등을 사용하여 날퍼짐함수/점퍼짐함수등을 구하고, 지상에서의 MTF 계산법과 유사한방식으로 시스템 MTF를 구한다.》향후 이와 유사한 지구관측 카메라를 개발 시, 더 향상된 지상에서의 위성용 광학탑재체 MTF 성능 측정을 위해 방진 시스템을 갖춘 열진공 챔버 등 측정환경 개선이 필요하다.
- 규모는 작으나 실제로 MAC 비행모델의 MTF 측정 방법을 정립함으로써, MAC에서의 경험이 향후 이와 유사한 위성용 지구관측 카메라의 국내 개발 시, MTF 측정에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.
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