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문제 정의
- 본 논문에서는 비열화를 구현하기 위해 각 렌즈의 배율을 이용하여 민감도를 계산하여, 민감도가 높은 렌즈를 선택하여 이동시켰다. 각 렌즈의 배율을 이용하여 5매의 렌즈의 민감도를 계산하는 식은 다음과 같다.
제안 방법
- 2번 렌즈와 3번 렌즈는 Y축과 X축의 곡률이 서로 다르기 때문에 이동시 광축이 틀어져 해상력의 저하가 우려되므로 배제하였다. 4번 렌즈와 5번 렌즈 모두 적합하였으나 민감도가 클수록 BFL 변화에 따른 보상자의 이동량이 적어지므로 4번 렌즈와 5번 렌즈의 민감도를 분석하였다. 그 결과 5번 렌즈가 4번 렌즈보다 민감도가 높기 때문에 5번째 렌즈를 보상자로 선택하였다.
- 5번째 렌즈를 온도에 따른 BFL 변화량을 계산하여 이동한 후 MTF 해상력을 확인하였다. Table 7에서 보는 것처럼 최저 -32℃에서 보상전 MTF 해상력은 331 p/mm에서 X방향은 10% 미만 이였으며, Y방향도 20% 미만의 낮은 해상력을 보였다.
- Militaiy 규격(MIE-810E)에 따라 -32℃~55 ℃ 온도 변화 시 BFL(back focal length) 변화량을 분석하여 비 열화를 확인하였다. 온도에 따른 BFL 변화량 보상 렌즈의 선택 기준은 5매의 렌즈 각각의 배율을 계산하여 배율이 높은 렌즈를 선택하였다.
- Military 규격에 따라 -32℃~55℃의 온도 변화에 따른 BFL 변화량을 각 렌즈의 배율을 이용하여 분석하였다. 민감도 클수록 BFL 변화에 따른 보상자의 이동량이 적어지므로 민감도가 큰 5번 렌즈를 선택하여 MTF 해상력을 분석하였다.
- Table 3에 아나모픽 렌즈가 없는 광학계[13)와 아나모픽렌즈를 적용한 최종 설계된 광학계의 탐지거리를 비교 분석하였다. A가 아나모픽 렌즈를 적용해서 설계한 열상 광학계,B는 동일한 구속조건으로 설계한 열상 광학계로, 아나모픽 렌즈가 적용되지 않은 광학계이다.
- SSCAM을 이용하였다. 광학계는 Code-V를 이용하여 설계 및 분석 작업을 수행하였다.
- 분석하여 나타내었다. 나르시서스 분석 기준은 파장영역이 3700 nm~4800 nm 이고, detector의 온도는 -195.9℃ (77.3 K), 광학계를 구성할 수 있도록 기구물의 housing과 scene background 온도는 20 ℃(293.2 K)로 하였으며 cold stop면은 상면 앞면인 15면이고, cold stop diametei는 4.8mm이며, scene full angular subtense는 0.25131 rad, 면당반사율은 1% 기준으로 분석하였다. 아나모픽 렌즈를 사용하지 않는 광학계[13]의 나르시서스는 1, 2, 4, 5, 8면의 NIR(narcissus intensity ratio)값이 1이었으며, NITD (narcissus induced temperature difference) 값은 1.
- 동일한 초점거리의 CCTV와 광학적 성능이 같도록 열상초자와 아나모픽 렌즈를 적용한 열상 광학계를 설계하였다. 설계한 아나모픽 열상 광학계의 전장은 76 mm로, 동일한 조건으로 설계한 아나모픽 렌즈를 적용하지 않는 열상광학계의 전장이 90 mm인 것과 비교했을 때 시스템전반적인 부피가 감소함을 확인하였다.
- 945 ℃ 이하이면 나르시서스에 의해 이미지를 구별할 수 없음을 의미한다. 따라서 NITD 값이 작을수록 좋고, 나르시서스에 의한 이미지 결함을 줄이기 위해서 아나모픽 렌즈를 적용하여 나르시서스의 양과 NITD값을 줄였다. 그 결과 아나모픽 렌즈를 적용한 광학계의 Nim는 감소하여 1.
- 렌즈의 수는 아나모픽 렌즈를 감안하여 5매로 하였으며 광학계 크기를 줄이기 위해 렌즈의 첫 번째 면에서 상면까지의 거리를 100 mm로 제한하였다. 검출기는 Scorpio사의 MWK508을 사용했으며 화소 수는 640 × 480, 화소 크기는 15 μm × 15 μm 이다.
- 민감도 클수록 BFL 변화에 따른 보상자의 이동량이 적어지므로 민감도가 큰 5번 렌즈를 선택하여 MTF 해상력을 분석하였다. 최저 -32℃와 최고 55℃에서는 보상 후 X, Y 방향 모두 구속조건 25%이상의 해상력을 얻음을 확인하였다.
- 3%가 되도록 비반사 코팅을 하는 방법이며, 두 번째로는 광학계를 구성하는 렌즈들의 형상과 배치를 조정하여 반사된 검출기의 상이 최소가 되게 하는 방법이 있다[10,11]. 본 연구에서는 후자의 방법을 이용하여 나르시서스를 줄였다.
- 확인하였다. 온도에 따른 BFL 변화량 보상 렌즈의 선택 기준은 5매의 렌즈 각각의 배율을 계산하여 배율이 높은 렌즈를 선택하였다. 각 렌즈의 배율과 민감도를 계산하여 Table 5에 제시하였다.
- 줌 렌즈 또는 다초점 렌즈는 가격이 비씨므로 단초점 렌즈를 선호하는 점을 고려하여 현재 시판되고 있는 B사의 BW58J-1000 제품을 비교대상 CCTV로 설정하였다. 초점거리는 선호도가 높은 화각 50-60° 에 맞추어 초점거리를 6 mm로 설정하였으며, 열상광학계는 검출기 사이즈가 2배가 되기 때문에 12 mm로 하였다.
- A가 아나모픽 렌즈를 적용해서 설계한 열상 광학계,B는 동일한 구속조건으로 설계한 열상 광학계로, 아나모픽 렌즈가 적용되지 않은 광학계이다. 탐지거리는 관측자의 인식정도를 탐지(detection), 인지(recognition), 식별(identification)으로 나눠서 비교하였다.
- 비열화의 성능 분석이 필요하다. 탐지거리는 표적의 상태, 대기조건, 카메라 자체 성능, 관측자의 관측정도를 통합적으로 분석하여 결정한다. 이 요소들은 탐지거리 산출에 직접 영향을 주는 변수로서 각 구성 요소의 정확한 특성 분석은 산출 결과의 정확도와 밀접한 관계가 있다.
대상 데이터
- 거리를 100 mm로 제한하였다. 검출기는 Scorpio사의 MWK508을 사용했으며 화소 수는 640 × 480, 화소 크기는 15 μm × 15 μm 이다. 한계 분해능은 331 p/mm로 제한하였다.
- 4번 렌즈와 5번 렌즈 모두 적합하였으나 민감도가 클수록 BFL 변화에 따른 보상자의 이동량이 적어지므로 4번 렌즈와 5번 렌즈의 민감도를 분석하였다. 그 결과 5번 렌즈가 4번 렌즈보다 민감도가 높기 때문에 5번째 렌즈를 보상자로 선택하였다. Table 6에 온도에 따른 BFL 변화량 및 이동량을 계산하였다.
- 열상 광학계의 설계 조건을 Table 1에 제시하였다. 냉각형 열상 광학계는 일반 가시영역 광학계와는 달리 검출기의 탐지도가 떨어지는 단점 있기 때문에 초자 투과율을 높이기 위해 Si, ZnS, ZnSe를 사용하였다. 탐지도가 높은 냉각형 검출기를 사용해야 하므로 대물렌즈의 f-number를 4로 제한하였다[7].
- 따른 초점거리는 6 mm가 된다. 줌 렌즈 또는 다초점 렌즈는 가격이 비씨므로 단초점 렌즈를 선호하는 점을 고려하여 현재 시판되고 있는 B사의 BW58J-1000 제품을 비교대상 CCTV로 설정하였다. 초점거리는 선호도가 높은 화각 50-60° 에 맞추어 초점거리를 6 mm로 설정하였으며, 열상광학계는 검출기 사이즈가 2배가 되기 때문에 12 mm로 하였다.
- 한계 분해능은 331 p/mm로 제한하였다. 파장영역은 4.8 μm, 4.2 μm, 3.7 μm을 사용하였다.
데이터처리
- 열상 카메라의 탐지거리 분석은 전용 소프트웨어인 NVTherm을 이용하였고, CCTV의 탐지거리 분석은 전용소프트웨어인 SSCAM을 이용하였다. 광학계는 Code-V를 이용하여 설계 및 분석 작업을 수행하였다.
성능/효과
- Table 7에서 보는 것처럼 최저 -32℃에서 보상전 MTF 해상력은 331 p/mm에서 X방향은 10% 미만 이였으며, Y방향도 20% 미만의 낮은 해상력을 보였다. 5번째 렌즈로 보상한 후 MTF는 331 p/mm에서 X방향과 Y방향 모두 구속조건이 25%이상의 MTF를 갖는 것을 확인하였다.
- Fig. 4에서처럼 광선수차는 ±0.015이내로 크기를 설정하였을 때 대부분의 광선이 2 pixel 안에 들어오므로 성능을 만족함을 확인하였다.
- 본 논문에서 설정한 SOFRADIR사의 SCORPIO MWK508 검출기의 전자 처리부분의 화소수는 640x480이며 화소 크기는 15 μm × 15 μm 이므로 공간 주파수는 l/(2p)로 계산될 경우 331 p/mm 가 한계 분해능이 된다. Fig. 5에서 보듯이 공간주파수 331 p/mm에서 full field까지 모든 field가 25% 이상으로 설계구속 조건을 만족함을 확인하였다.
- 광선수차역시 대부분의 광선의 2 pixel 크기 안에 들어옴을 확인하였다. MTF 분석 결과, 공간주파수 331 p/mm에서 full field 까지 25% 이상을 보여 구속 조건을 만족하였다.
- Table 2에 제시한 설계한 열상 광학계의 성능을 살펴보면, 초점거리는 열상 광학계의 검출기 크기가 2배되는 점을 고려하여 일반 CCTV의 초점거리 6 mm에 대응되도록 Y축 방향이 12 mm, X축 방향이 36 mm으로 수평: 수직 초점거리의 비가 3:1을 만족하였다. 냉각형 검출기를 사용함에 따라 enumber는 4를 만족하였으며 광학계 전장은 76 mm로, 동일한 초점거리를 갖는 아나모픽 렌즈를 적용하지 않은 광학계보다 시스템 전반적인 부피가 감소하였다[13].
- 따라서 NITD 값이 작을수록 좋고, 나르시서스에 의한 이미지 결함을 줄이기 위해서 아나모픽 렌즈를 적용하여 나르시서스의 양과 NITD값을 줄였다. 그 결과 아나모픽 렌즈를 적용한 광학계의 Nim는 감소하여 1.666 ℃였고, 4면을 제외한 나머지 면들의 NIR값이 감소하였다.
- 비가 3:1을 만족하였다. 냉각형 검출기를 사용함에 따라 enumber는 4를 만족하였으며 광학계 전장은 76 mm로, 동일한 초점거리를 갖는 아나모픽 렌즈를 적용하지 않은 광학계보다 시스템 전반적인 부피가 감소하였다[13].
- 5에 광학계 성능을 나타내는 MTF(modulation transfer function) 결과를 나타내었다. 본 논문에서 설정한 SOFRADIR사의 SCORPIO MWK508 검출기의 전자 처리부분의 화소수는 640x480이며 화소 크기는 15 μm × 15 μm 이므로 공간 주파수는 l/(2p)로 계산될 경우 331 p/mm 가 한계 분해능이 된다. Fig.
- 73 km였다. 본 논문에서 제시한 아나모픽 렌즈를 적용해서 설계한 열상 광학계에서는 2.90 km로 더 원거리까지 감지할 수 있음을 확인하였다. 인지거리 및 식별 거리도 아나모픽 렌즈를 적용해서 설계한 열상 광학계가 더 원거리까지 인식할 수 있음을 알 수 있다.
- 설계한 아나모픽 열상 광학계의 전장은 76 mm로, 동일한 조건으로 설계한 아나모픽 렌즈를 적용하지 않는 열상광학계의 전장이 90 mm인 것과 비교했을 때 시스템전반적인 부피가 감소함을 확인하였다. 종구면 수차는 2 pixel 크기보다 작게 나타났으며 왜곡수차는 10% 이내로 CCTV용으로 사용하는데 적합한 성능을 보였다.
- 수평: 수직 초점거리의 비가 3:1인 아나모픽 렌즈를 적용해서 설계한 열상광학계는 일반 CCTV와 아나모픽 렌즈가 없는 열상 광학계보다 더 긴 탐지거리를 볼 수 있음을 확인하였다. 열상광학계에서 자주 나타나는 상의 번짐 현상인 나르시서스를 분석한 결과, 아나모픽 렌즈를 적용하여 설계한열상 광학계의 4면을 제외한 나머지 면들의 나르시서스가 감소하였다.
- 열상광학계에서 자주 나타나는 상의 번짐 현상인 나르시서스를 분석한 결과, 아나모픽 렌즈를 적용하여 설계한열상 광학계의 4면을 제외한 나머지 면들의 나르시서스가 감소하였다. 배경과 물체의 온도 차를 줄여 검출이 용이하게 하도록 NITD값도 1.
- 019 mm가 된다. 이 양은 2 pixel 크기보다 작기 때문에 성능에 문제가 없으며 왜곡수차는 10% 이내로써 CCTV용으로 사용하는데 문제가 없음을 확인하였다.
- 설계한 아나모픽 열상 광학계의 전장은 76 mm로, 동일한 조건으로 설계한 아나모픽 렌즈를 적용하지 않는 열상광학계의 전장이 90 mm인 것과 비교했을 때 시스템전반적인 부피가 감소함을 확인하였다. 종구면 수차는 2 pixel 크기보다 작게 나타났으며 왜곡수차는 10% 이내로 CCTV용으로 사용하는데 적합한 성능을 보였다. 광선수차역시 대부분의 광선의 2 pixel 크기 안에 들어옴을 확인하였다.
- 민감도 클수록 BFL 변화에 따른 보상자의 이동량이 적어지므로 민감도가 큰 5번 렌즈를 선택하여 MTF 해상력을 분석하였다. 최저 -32℃와 최고 55℃에서는 보상 후 X, Y 방향 모두 구속조건 25%이상의 해상력을 얻음을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구의 결과를 이용하여 좁은 시야로 인한 시력장애를 가진 저시력자에게 아나모픽 렌즈를 적용한 안경렌즈로 교정한다면 더 넓은 시야의 확보를 얻을 수 있으리라 예상된다.
- 좁은 시야로 인해 시력장애를 갖는 저시력자에게 아나모픽 렌즈의 특성을 적용한 안경렌즈를 처방하면 더 넓은 시야를 확보하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
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