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문제 정의
- 특히 고온 압축 성형이 알맞은 특성을 가지고 있어, 현존하는 적외선 광학계용 렌즈 소재 중 유일하게 PGM 가공이 가능한 것으로 최근 각광받고 있다.[3-4] 본 논문에서는 저렴한 비용의 적외선 광학계를 제작하기 위해 칼코게나이드 유리 소재의 렌즈로 구성된 광학계를 설계하고, PGM 방법과 SPDT 방법으로 가공한 렌즈들의 성능을 측정하여 비교해 보았다.
- 따라서 본 논문에서는 IG5 소재만을 사용하여 다양한 소재를 사용함에 따라 발생하는 렌즈의 제작단가 상승 요인을 최소화하고, 온도에 따른 굴절률 변화가 작다는 소재의 장점을 최대한 활용해 자체 비열화(athermalization)가 구현된 적외선 광학계를 설계하고자 한다. 자체 비열화를 구현하기 위해서는 특별한 보정자(compensator) 없이도 모든 운용온도 (-32 ~ 50℃)에서 일정 수준 이상의 성능을 발휘할 수 있도록 광학계가 설계되어야 한다.
제안 방법
- 그림 1(a)와 같이 쿠크 삼중렌즈(Cooke Triplet)를 변형한 형상으로 광학계를 설계하여, 안정적인 성능 발휘 및 자체비열화가 가능하도록 하였다. 그림 1(b)～(d)는 설계된 적외선 광학계의 상온에서의 성능을 나타낸다.
- 기준 공간주파수에서 변조전달함수의 성능은 상온에서 50% 이상이며, 모든 운용온도에서 자오(tangential) 방향의 성능이 20% 이상이 되도록 설계하였다.(그림 1(e)～(f) 참고) 운용목적에 따라 상면 최 외각에서의 왜곡수차는 0.5% 이하로 설계하였으며, 상면의 모든 높이에서 스폿(spot) RMS 크기는 18 ㎛ 이하로 검출기 1픽셀의 크기(25 ㎛)나 광학계 에어리 디스크(Airy Disk)의 크기(34 ㎛)보다 작게 설계하였다.
- 설계된 광학계의 성능을 최대한 향상시키기 위해 비구면 3개와 회절비구면 1개를 사용하였으며, 자체 비열화를 구현하여 보정자가 없어도 모든 운용온도에서 일정 수준 이상의 성능을 발휘할 수 있도록 설계하였다. PGM 가공의 정밀도 향상을 위해 프리폼 렌즈를 선제작하여 사용하였으며, PGM 가공 렌즈의 광학적 성능을 확인하기 위하여 동일한 렌즈를 기존의 가공법인 SPDT 방법으로도 제작하였다. 제작된 렌즈의 양면에는 BBAR 코팅을 적용하여 효과적으로 렌즈의 투과율을 증가시켰으며, 외부에 노출되는 면에는 환경내구성의 증가를 위해 BBAR 코팅이 아닌 D-AR 코팅을 적용하였다.
- 그림 1(b)～(d)는 설계된 적외선 광학계의 상온에서의 성능을 나타낸다. 기준 공간주파수에서 변조전달함수의 성능은 상온에서 50% 이상이며, 모든 운용온도에서 자오(tangential) 방향의 성능이 20% 이상이 되도록 설계하였다.(그림 1(e)～(f) 참고) 운용목적에 따라 상면 최 외각에서의 왜곡수차는 0.
- 광학계에 사용될 검출기는 프랑스 ULIS사의 파장대역이 8 ~ 12 ㎛인 VGA급 비냉각형 Nano640E를 선정하였다. 따라서 검출기에 의한 나이키스트 주파수(Nyquist Frequency)는 20 lp/mm가 되며, 이를 광학계 변조전달함수(MTF, Modulation Transfer Function)의 기준 공간주파수로 설정하였다.
- PGM 방법으로 가공한 렌즈의 성능을 확인하기 위해 SPDT 방법으로도 렌즈를 가공하였으며, 표 2는 각각의 방법으로 가공한 렌즈에 적용된 제작공차를 나타낸다. 렌즈 면의 제작공차로 구면에는 불균일도를, 비구면에는 형상정밀도를 각각 적용하였으며, 그림 2는 측정된 비구면의 형상정밀도를 나타낸다. 3개의 렌즈 중 직경이 작은 2개는 렌즈의 가공 방법과 무관하게 제작공차의 크기가 비슷하나, 직경이 가장 큰 렌즈는 PGM 가공 렌즈의 제작공차가 SPDT 가공 렌즈에 비해 큰 것을 확인할 수 있다.
- IG5 소재의 경우 사용 파장대역에서 60% 정도의 투과율을 가지므로, 투과율 향상을 위해 렌즈의 양 면에 비반사(Anti- Reflection) 코팅을 적용한다. 본 논문에서는 목적에 따라 2가지 종류의 비반사 코팅을 설계하여 사용하였는데, 외부에 노출되는 면에는 코팅박막의 환경내구성을 증가시킨 D-AR(Durable Anti-Reflection) 코팅을, 그 이외의 면에는 사용 파장대역의 평균 투과율을 최대로 증가시킨 BBAR(Broad Band Anti-Reflection) 코팅을 적용하였다. 2가지 종류의 코팅 모두 이온빔 보조 증착(ion-beam assisted deposition) 방법을 사용하여 제작하였으며, 미국의 국방규격인 MIL F 48616과 MIL STD 810을 적용하여 코팅의 환경내구성 평가를 수행하였다.
- 본 논문에서는 칼코게나이드 유리 소재인 IG5를 사용하여 적외선 광학계를 설계하였으며, PGM 방법으로 렌즈를 가공한 후 성능을 측정하였다. 설계된 광학계의 성능을 최대한 향상시키기 위해 비구면 3개와 회절비구면 1개를 사용하였으며, 자체 비열화를 구현하여 보정자가 없어도 모든 운용온도에서 일정 수준 이상의 성능을 발휘할 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 칼코게나이드 유리 소재인 IG5를 사용하여 적외선 광학계를 설계하였으며, PGM 방법으로 렌즈를 가공한 후 성능을 측정하였다. 설계된 광학계의 성능을 최대한 향상시키기 위해 비구면 3개와 회절비구면 1개를 사용하였으며, 자체 비열화를 구현하여 보정자가 없어도 모든 운용온도에서 일정 수준 이상의 성능을 발휘할 수 있도록 설계하였다. PGM 가공의 정밀도 향상을 위해 프리폼 렌즈를 선제작하여 사용하였으며, PGM 가공 렌즈의 광학적 성능을 확인하기 위하여 동일한 렌즈를 기존의 가공법인 SPDT 방법으로도 제작하였다.
- 그림 4는 제작이 완료된 PGM 가공 렌즈들의 실제 형상이며, 이들의 성능 평가를 위해 광학계의 변조전달함수 측정 및 최종 영상을 촬영하였다. 슬릿 주사방식의 측정장비를 사용하여 광학계의 광축에 대한 변조전달함수의 성능을 확인하였으며, 평가의 신뢰성 향상을 위해 SPDT 가공 렌즈들도 동일한 조건으로 시험을 진행하여 그 결과를 비교 분석하였다. 측정된 변조전달함수의 성능은 PGM 가공 렌즈 광학계보다 SPDT 가공 렌즈 광학계가 좋았으나, 그 차이는 그리 크지 않아 기준 공간주파수를 기준으로 할 때 두 광학계의 성능차이가 5% 이내임을 확인할 수 있었다.
- 따라서 PGM 가공 중 렌즈의 깨짐 현상이 발생하기 쉽다. 이를 개선하고자 양 면이 구면으로 구성된 프리폼(Preform) 렌즈를 제작하여 PGM 가공에 사용하였다. 프리폼 렌즈는 PGM 가공시 발생할 수 있는 금형 코어(Molding Core)와의 빈 공간(airgab)을 방지할 수 있는 최적의 형상을 가지고 있으며, 목표렌즈와 체적이 동일하도록 설계하였다.
- PGM 가공의 정밀도 향상을 위해 프리폼 렌즈를 선제작하여 사용하였으며, PGM 가공 렌즈의 광학적 성능을 확인하기 위하여 동일한 렌즈를 기존의 가공법인 SPDT 방법으로도 제작하였다. 제작된 렌즈의 양면에는 BBAR 코팅을 적용하여 효과적으로 렌즈의 투과율을 증가시켰으며, 외부에 노출되는 면에는 환경내구성의 증가를 위해 BBAR 코팅이 아닌 D-AR 코팅을 적용하였다. PGM 가공 렌즈와 SPDT 가공 렌즈로 구성한 광학계의 변조전달함수 측정 데이터와 촬영된 영상을 비교한 결과, PGM 가공 렌즈와 SPDT 가공 렌즈에 적용된 제작 공차의 차이에 의한 성능 변화는 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다.
- 일반적으로 구경 조리개(aperture stop)를 광학계의 1면에 설정하면 렌즈들의 직경을 최소화할 수 있으므로 광학계의 단가 하락을 기대할 수 있으나, 원활한 자체 비열화 구현을 위해 수차를 최소화할 수 있는 광학계의 3면에 구경조리개를 설정하였다. 총 4개의 비구면을 사용하여 상온에서의 성능을 최대화하였으며, 특히 광학계의 4면에는 회절비구면을 사용하여 색수차 보정에 사용했다. 설계된 회절면은 계단(step)의 높이가 약 6.
대상 데이터
- 광학계를 구성하는 렌즈들의 소재로는 독일의 VITRON사가 생산하는 칼코게나이드 유리인 IG5를 사용하였다. VITRON사가 생산하는 다른 칼코게나이드 유리 소재들과 달리 IG5는 비소(As) 성분을 포함하지 않아, PGM 가공 중 발생할 수 있는 환경안전성 문제를 원천적으로 차단할 수 있다는 장점이 있다.
- 표 1은 사용목적에 맞게 설정된 적외선 광학계의 사양으로, 이것을 기준으로 광학계를 설계하였다. 광학계에 사용될 검출기는 프랑스 ULIS사의 파장대역이 8 ~ 12 ㎛인 VGA급 비냉각형 Nano640E를 선정하였다. 따라서 검출기에 의한 나이키스트 주파수(Nyquist Frequency)는 20 lp/mm가 되며, 이를 광학계 변조전달함수(MTF, Modulation Transfer Function)의 기준 공간주파수로 설정하였다.
- 표 3은 적용된 환경내구성 시험 항목과 수행한 시험결과를 나타내며, 그림 3은 코팅의 종류에 따른 사용 파장대역의 투과율과 반사율을 나타낸다. 투과율 및 반사율 측정에는 직경 25 mm, 두께 1 mm의 시편을 사용하였으며, 사용 파장대역의 평균 투과율과 평균 반사율은 각각 D-AR이 93.2% 이상, 3.9% 이하, BBAR이 96.9% 이상, 0.5% 이하로 측정되었다.
이론/모형
- 본 논문에서는 목적에 따라 2가지 종류의 비반사 코팅을 설계하여 사용하였는데, 외부에 노출되는 면에는 코팅박막의 환경내구성을 증가시킨 D-AR(Durable Anti-Reflection) 코팅을, 그 이외의 면에는 사용 파장대역의 평균 투과율을 최대로 증가시킨 BBAR(Broad Band Anti-Reflection) 코팅을 적용하였다. 2가지 종류의 코팅 모두 이온빔 보조 증착(ion-beam assisted deposition) 방법을 사용하여 제작하였으며, 미국의 국방규격인 MIL F 48616과 MIL STD 810을 적용하여 코팅의 환경내구성 평가를 수행하였다. 표 3은 적용된 환경내구성 시험 항목과 수행한 시험결과를 나타내며, 그림 3은 코팅의 종류에 따른 사용 파장대역의 투과율과 반사율을 나타낸다.
성능/효과
- 측정된 변조전달함수의 성능은 PGM 가공 렌즈 광학계보다 SPDT 가공 렌즈 광학계가 좋았으나, 그 차이는 그리 크지 않아 기준 공간주파수를 기준으로 할 때 두 광학계의 성능차이가 5% 이내임을 확인할 수 있었다.(그림 5 참고) 또한 두 개의 광학계로 실제 외부 영상을 촬영하여 비교한 결과, 촬영된 영상의 차이를 육안으로 판별하기는 쉽지 않음을 확인할 수 있었다.(그림 6 참고) 따라서 직경이 가장 큰 렌즈에 적용된, 가공 방법에 따른 제작공차 차이에 의해 발생하는 광학계의 성능 변화는 우려할만한 양이 아닌 것을 확인할 수 있었다.
- (그림 5 참고) 또한 두 개의 광학계로 실제 외부 영상을 촬영하여 비교한 결과, 촬영된 영상의 차이를 육안으로 판별하기는 쉽지 않음을 확인할 수 있었다.(그림 6 참고) 따라서 직경이 가장 큰 렌즈에 적용된, 가공 방법에 따른 제작공차 차이에 의해 발생하는 광학계의 성능 변화는 우려할만한 양이 아닌 것을 확인할 수 있었다.
- 렌즈 면의 제작공차로 구면에는 불균일도를, 비구면에는 형상정밀도를 각각 적용하였으며, 그림 2는 측정된 비구면의 형상정밀도를 나타낸다. 3개의 렌즈 중 직경이 작은 2개는 렌즈의 가공 방법과 무관하게 제작공차의 크기가 비슷하나, 직경이 가장 큰 렌즈는 PGM 가공 렌즈의 제작공차가 SPDT 가공 렌즈에 비해 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 PGM 가공 렌즈로 구성된 광학계는 SPDT 가공 렌즈 광학계에 비해 상대적으로 광학적 성능이 떨어질 것으로 예상된다.
- 제작된 렌즈의 양면에는 BBAR 코팅을 적용하여 효과적으로 렌즈의 투과율을 증가시켰으며, 외부에 노출되는 면에는 환경내구성의 증가를 위해 BBAR 코팅이 아닌 D-AR 코팅을 적용하였다. PGM 가공 렌즈와 SPDT 가공 렌즈로 구성한 광학계의 변조전달함수 측정 데이터와 촬영된 영상을 비교한 결과, PGM 가공 렌즈와 SPDT 가공 렌즈에 적용된 제작 공차의 차이에 의한 성능 변화는 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 다양한 목적의 적외선 광학계에 PGM 가공 렌즈를 사용하면, SPDT 가공 렌즈와 비교해 큰 성능 차이가 없으면서도 저렴한 적외선 광학계의 제작이 가능할 것으로 기대된다.
- 3개의 렌즈 중 직경이 작은 2개는 렌즈의 가공 방법과 무관하게 제작공차의 크기가 비슷하나, 직경이 가장 큰 렌즈는 PGM 가공 렌즈의 제작공차가 SPDT 가공 렌즈에 비해 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 PGM 가공 렌즈로 구성된 광학계는 SPDT 가공 렌즈 광학계에 비해 상대적으로 광학적 성능이 떨어질 것으로 예상된다.
- 슬릿 주사방식의 측정장비를 사용하여 광학계의 광축에 대한 변조전달함수의 성능을 확인하였으며, 평가의 신뢰성 향상을 위해 SPDT 가공 렌즈들도 동일한 조건으로 시험을 진행하여 그 결과를 비교 분석하였다. 측정된 변조전달함수의 성능은 PGM 가공 렌즈 광학계보다 SPDT 가공 렌즈 광학계가 좋았으나, 그 차이는 그리 크지 않아 기준 공간주파수를 기준으로 할 때 두 광학계의 성능차이가 5% 이내임을 확인할 수 있었다.(그림 5 참고) 또한 두 개의 광학계로 실제 외부 영상을 촬영하여 비교한 결과, 촬영된 영상의 차이를 육안으로 판별하기는 쉽지 않음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- PGM 가공 렌즈와 SPDT 가공 렌즈로 구성한 광학계의 변조전달함수 측정 데이터와 촬영된 영상을 비교한 결과, PGM 가공 렌즈와 SPDT 가공 렌즈에 적용된 제작 공차의 차이에 의한 성능 변화는 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 다양한 목적의 적외선 광학계에 PGM 가공 렌즈를 사용하면, SPDT 가공 렌즈와 비교해 큰 성능 차이가 없으면서도 저렴한 적외선 광학계의 제작이 가능할 것으로 기대된다.
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