본 논문에서는 적외선 파장대에서 렌즈의 변조전달함수(MTF)를 칼날 주사방식으로 측정하는 적외선 MTF 측정장치를 구성하고 평가하였다. 측정장치는 물체부, 평행광을 만들어주는 시준부, 형성된 상을 분석하는 분석부로 나뉜다. 광원으로는 텅스텐필라멘트 광원을 사용하였으며 중적외선 영상을 검출하기 위해 MCT를 사용하였다. 이 장치를 사용하여 ZnSe 재질의 f 수가 5인 표준렌즈의 MTF를 중적외선 파장대인 $3{\sim}5{\mu}m$에서 측정하고 Zemax 프로그램을 통해 계산한 이론값과 측정값 차이를 비교하여 차단주파수(Cut-off frequency)인 50 1/mm까지 전구간에서 ${\pm}0.035$이내임을 확인하였다. 또한 측정값의 신뢰도를 확인하기 위한 A형 측정불확도를 계산한 결과 MTF의 대표 공간 주파수인 20 1/mm에서 0.002으로 동일한 조건 하에서 측정 시 측정값의 변화가 거의 없음을 알 수 있었다.
본 논문에서는 적외선 파장대에서 렌즈의 변조전달함수(MTF)를 칼날 주사방식으로 측정하는 적외선 MTF 측정장치를 구성하고 평가하였다. 측정장치는 물체부, 평행광을 만들어주는 시준부, 형성된 상을 분석하는 분석부로 나뉜다. 광원으로는 텅스텐 필라멘트 광원을 사용하였으며 중적외선 영상을 검출하기 위해 MCT를 사용하였다. 이 장치를 사용하여 ZnSe 재질의 f 수가 5인 표준렌즈의 MTF를 중적외선 파장대인 $3{\sim}5{\mu}m$에서 측정하고 Zemax 프로그램을 통해 계산한 이론값과 측정값 차이를 비교하여 차단주파수(Cut-off frequency)인 50 1/mm까지 전구간에서 ${\pm}0.035$이내임을 확인하였다. 또한 측정값의 신뢰도를 확인하기 위한 A형 측정불확도를 계산한 결과 MTF의 대표 공간 주파수인 20 1/mm에서 0.002으로 동일한 조건 하에서 측정 시 측정값의 변화가 거의 없음을 알 수 있었다.
In this paper, we developed a MTF (Modulation Transfer Function) measurement system using a knife-edge scanning method for infrared optics. It consists of an objective part to generate the target image, a collimator to make the beam parallel, and a detector to analyze the image. We used a tungsten f...
In this paper, we developed a MTF (Modulation Transfer Function) measurement system using a knife-edge scanning method for infrared optics. It consists of an objective part to generate the target image, a collimator to make the beam parallel, and a detector to analyze the image. We used a tungsten filament as the light source and MCT (Mercury Cadmium Telluride) to detect the mid-infrared(wavelength $3-5{\mu}m$) image. We measured the MTF of a standard lens (f=5, material ZnSe) to test this instrument and compared the result to the theoretical value calculated using the ZEMAX commercial software. It was found that the difference was within ${\pm}0.035$ at the cut-off frequency (50 1/mm). Also, we calculated the A-type measurement uncertainty to check the reliability of the measurement. The result showed only 0.002 at 20 1/mm in spatial frequency, which means very little variation in the MTF measurement under the same conditions.
In this paper, we developed a MTF (Modulation Transfer Function) measurement system using a knife-edge scanning method for infrared optics. It consists of an objective part to generate the target image, a collimator to make the beam parallel, and a detector to analyze the image. We used a tungsten filament as the light source and MCT (Mercury Cadmium Telluride) to detect the mid-infrared(wavelength $3-5{\mu}m$) image. We measured the MTF of a standard lens (f=5, material ZnSe) to test this instrument and compared the result to the theoretical value calculated using the ZEMAX commercial software. It was found that the difference was within ${\pm}0.035$ at the cut-off frequency (50 1/mm). Also, we calculated the A-type measurement uncertainty to check the reliability of the measurement. The result showed only 0.002 at 20 1/mm in spatial frequency, which means very little variation in the MTF measurement under the same conditions.
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문제 정의
A형 과 B형 불확도를 합쳐 합성 표준 불확도를 계산하여 MTF 결과의 신뢰 수준과 기준을 제시할 수 있다. 본 논문에서는 우선 A형 측정 불확도를 계산하였으며 추후 B형 측정 불확도를 계산하고 합성 표준 불확도를 계산하여 적외선 광학계 MTF 측정 장치의 기준을 제시하고자 한다. Table 2는 MTF를 연속적으로 측정한 결과를 토대로 A형 측정불확도를 계산한 결과이다.
본 논문에서는 적외선 광학계의 결상능력을 평가하기 위한 적외선 MTF 측정장치를 제작하고 측정불확도를 평가하였다. 측정방법으로는 칼날 주사 방법을 사용하였고 적외선 검출기로는 MCT(Mercury Cadium Telluride) 를 선택하였다.
본 논문에서는 중적외선 대역 적외선 광학계의 변조전달함수(MTF)를 칼날 주사방식으로 측정하는 방법을 제안하고 적외선 MTF 측정장치를 제작하고 측정소프트웨어도 프로그램 하였다. 이러한 측정장치의 성능을 평가하기 위해 f 수가 5인 표준렌즈를 사용하여 측정불확도를 구하였다.
제안 방법
3과 같이 적외선 광 검출기, 대물렌즈, 칼날과 칼날을 좌우이동 시키는 직선 스테이지(linear stage), 칼날을 회전시킬 수 있는 회전 스테이지(rotary stage), 검출기를 미세 조정 할 수 있는 직선 스테이지로 구성하였다. 검출기는 락인 앰프 (Lock-in amplifier)와 연결되어 물체부에 설치된 차퍼(chopper)와 연동시켜 물체에서 오는 신호만을 받아들이고 형광등이나 주변 물체에 대한 잡음을 제거하도록 하여 신호대 잡음 비를 높였다. 적외선을 검출하는 검출기로는 소자의 특성에 따라 냉각형과 비냉각형으로 구분 할 수도 있으나 크게 양자형과 열형으로 분류할 수 있는데 양자형은 반도체 재료들로서 액체 질소 온도(-193°C) 에서 작동한다는 단점이 있으나 효율이 좋으며 열형은 효율은 다소 떨어지지만 상온 에서 동작한다는 장점이 있다.
시준부는 초점거리가 1250 mm 이고 직경이 100 mm 인 비축 포물 반사경을 사용하여 물체 부에서 나온 빛을 평행광으로 만들도록 구성하였다. 결상부는 Fig. 3과 같이 적외선 광 검출기, 대물렌즈, 칼날과 칼날을 좌우이동 시키는 직선 스테이지(linear stage), 칼날을 회전시킬 수 있는 회전 스테이지(rotary stage), 검출기를 미세 조정 할 수 있는 직선 스테이지로 구성하였다. 검출기는 락인 앰프 (Lock-in amplifier)와 연결되어 물체부에 설치된 차퍼(chopper)와 연동시켜 물체에서 오는 신호만을 받아들이고 형광등이나 주변 물체에 대한 잡음을 제거하도록 하여 신호대 잡음 비를 높였다.
물체부는 텅스텐 필라멘트 광원을 사용하였으며 Fig. 2와 같이 3 ~ 5 μm 파장대를 주로 투과시키는 필터를 사용하여 중적외선용 카메라를 평가할 수 있도록 하였다.
F수에 따라 렌즈의 MTF 결과가 달라지므로 렌즈의 F수를 정확히 정해야 한다. 본 논문에서는 개구 크기를 10 mm가 되도록하여 표준렌즈의 F 수가 5가 되도록 조절하였다.
MTF를 측정할 경우 차단주파수(Cut – Off Frequency)는 #로 주어지는데 [8] 표준렌즈의 경우 차단주파수는 중심 파장 4 μm에서 50 1/mm로 계산되었다. 본 논문에서는 차단주 파수인 50 1/mm까지 MTF를 측정하고 그 결과를 이론값과 비교하였다. Table 1에서 보듯이 전반적으로 이론값과 측정 값의 차이는 ±0.
A형 측정불확도는 평균의 표준편차 s(q)로 표준편차인 s(qk)를 측정회수의 제곱근으로 나누어 구한다. 본 논문에서는 통계적 방법을 6번 연속측정으로 설정하고 A형 측정 불확도를 계산하였다. 자유도는 측정횟수에서 하나 뺀 값으로 주어지는데 최종적으로 합성 측정 불확도를 구할 경우 측정신뢰도를 구하기 위한 k 값을 산출는데 사용된다.
물체는 100 μm 폭과 3 mm 길이를 가지는 슬릿을 사용하였다. 시준부는 초점거리가 1250 mm 이고 직경이 100 mm 인 비축 포물 반사경을 사용하여 물체 부에서 나온 빛을 평행광으로 만들도록 구성하였다. 결상부는 Fig.
Figure 7은 볼로미터에서 나오는 영상으로 가운데 밝게 보이는 것이 슬릿의 상이며 왼쪽에 희미하게 어두운 부분이 칼날의 상이다. 칼날을 상의 초점에 정확히 위치시키거나 칼날의 방향을 슬릿 방향과 정확히 일치시키는 작업을 사람의 눈을 이용하게 되면 오차가 발생할 수 있으므로 이를 자동조정하는 프로그램을 개발하였다. Figure 8은 칼날을 상의 초점에 정확히 위치시키기 위한 자동초점(Auto focus) 프로그램이다.
Table 1은 Zemax 프로그램을 이용하여 계산한 이론값과 6번 연속측정을 통한 평균값의 차이를 서로 비교 분석한 표이다. 표준렌즈의 이론적 MTF를 구하기 위하여 Zygo 간섭계를 이용하여 앞 뒷면의 곡률반경을 측정하고 두께 게이지를 사용하여 두께를 측정한 결과를 Zemax 프로그램에 입력하였다. 사용되는 파장은 필터의 투과특성을 그대로 활용하였다.
한편 적외선은 초점이 어디에 맺히는지 육안으로 확인 할 수 없으므로 정확한 정렬을 위해 384 X 288 소자 갯수와 크기가 25 μm인 비냉각형 볼로미터(bolometer)를 MCT 와 같은 거리에 수직으로 위치시키고 45° 반사경을 이용하여 볼로미터와 MCT가 번갈아 가며 상을 받을 수 있게 하였다.
대상 데이터
대물렌즈는 한국표준과학연구원에서 직접 설계하고 제작하였다. Figure 4의 (a)는 대물렌즈의 단면 그림이며 Si 재질과 Ge 재질로 구성된 총 6장의 렌즈를 사용하였다. 제작된 대물렌즈의 성능을 평가하기 위해 적외선 간섭계(파장 3.
적외선을 검출하는 검출기로는 소자의 특성에 따라 냉각형과 비냉각형으로 구분 할 수도 있으나 크게 양자형과 열형으로 분류할 수 있는데 양자형은 반도체 재료들로서 액체 질소 온도(-193°C) 에서 작동한다는 단점이 있으나 효율이 좋으며 열형은 효율은 다소 떨어지지만 상온 에서 동작한다는 장점이 있다. [7] 본 장치에서는 적외선 광 검출기로 단일 소자형태인 가로, 세로 사이즈가 4 mm 크기의 액체 질소 냉각형 MCT(Mercury Cadium Telluride) 를 사용하였다. 한편 적외선은 초점이 어디에 맺히는지 육안으로 확인 할 수 없으므로 정확한 정렬을 위해 384 X 288 소자 갯수와 크기가 25 μm인 비냉각형 볼로미터(bolometer)를 MCT 와 같은 거리에 수직으로 위치시키고 45° 반사경을 이용하여 볼로미터와 MCT가 번갈아 가며 상을 받을 수 있게 하였다.
검출기 앞에는 8배 대물렌즈를 설치하여 결상부로 들어오는 상의 크기를 확대할 수 있도록 구성하였다. 대물렌즈는 한국표준과학연구원에서 직접 설계하고 제작하였다. Figure 4의 (a)는 대물렌즈의 단면 그림이며 Si 재질과 Ge 재질로 구성된 총 6장의 렌즈를 사용하였다.
물체는 100 μm 폭과 3 mm 길이를 가지는 슬릿을 사용하였다.
적외선 MTF 측정장치는 Fig. 1과 같이 기능에 따라서 물체부, 시준부, 결상부로 구성하였다. 물체부는 텅스텐 필라멘트 광원을 사용하였으며 Fig.
측정장치를 평가하기 위한 표준렌즈로는 재질이 ZnSe이고 구성된 초점거리가 50 mm, 직경이 50 mm인 평볼록렌즈를 사용하였다. ZnSe는 파장 550 nm ~ 18 μm의 범위에서 사용가능 하므로 이미 국내에서 MTF 측정 절차가 확립된 가시광 영역에서 측정한 결과를 활용할 수 있기 때문이다.
데이터처리
본 논문에서는 중적외선 대역 적외선 광학계의 변조전달함수(MTF)를 칼날 주사방식으로 측정하는 방법을 제안하고 적외선 MTF 측정장치를 제작하고 측정소프트웨어도 프로그램 하였다. 이러한 측정장치의 성능을 평가하기 위해 f 수가 5인 표준렌즈를 사용하여 측정불확도를 구하였다. 측정 결과 대표 공간주파수인 20 1/mm에서 MTF 측정 평균값의 표준 편차는 0.
Figure 4의 (a)는 대물렌즈의 단면 그림이며 Si 재질과 Ge 재질로 구성된 총 6장의 렌즈를 사용하였다. 제작된 대물렌즈의 성능을 평가하기 위해 적외선 간섭계(파장 3.36 ㎛)를 이용하여 파면 수차를 측정하였다. Figure 4의 (b)는 파면수차를 측정한 결과이다.
이론/모형
본 논문에서는 적외선 광학계의 결상능력을 평가하기 위한 적외선 MTF 측정장치를 제작하고 측정불확도를 평가하였다. 측정방법으로는 칼날 주사 방법을 사용하였고 적외선 검출기로는 MCT(Mercury Cadium Telluride) 를 선택하였다.칼날 주사방법은 칼날을 물체로 사용하고 칼날을 광축에 수직한 방향으로 주사하여 슬릿의 영상을 잘게 쪼개서 ESF (Edge Spread Function)을 구한 뒤 이를 미분하여 LSF(Line Spread Fucntion)을 계산하고 푸리에 변환하여 MTF를 구하는 방법이다.
성능/효과
Figure 4의 (b)는 파면수차를 측정한 결과이다. rms 값이 113 nm로 중적외선 대역 회절 한계인 266 nm rms 값보다 작은 값이므로 매우 정밀하게 설계 되고 조립됨을 알 수 있다. 따라서 대물렌즈가 MTF 측정에 거의 영향을 주시 않는 것을 알 수 있다.
또한 Zemax 프로그램을 이용하여 계산한 이론값과 연속측정을 통한 평균값의 차이를 서로 비교 분석한 결과 전반적으로 이론 값과 측정 값의 차이는 ±0.035 이내로 ISO에 따른 국제규격이 정하는 표준렌즈의 오차인 ±0.05 범위 이내임을 확인하였다.
Table 2는 대표되는 공간 주파수인 20 1/mm에서 A형 측정 불확도를 계산한 결과이다. 최종결과는 0.002으로 연속 측정에 대한 오차 값이 매우 작은 값을 알 수 있었으며 이를 통해 관측자의 변화 및 주변 환경의 변화가 측정값에 주는 영향은 미비함을 알 수 있다.
이러한 측정장치의 성능을 평가하기 위해 f 수가 5인 표준렌즈를 사용하여 측정불확도를 구하였다. 측정 결과 대표 공간주파수인 20 1/mm에서 MTF 측정 평균값의 표준 편차는 0.002으로 매우 작은 값을 보여 측정값의 변화가 거의 없음을 알 수 있었다. 또한 Zemax 프로그램을 이용하여 계산한 이론값과 연속측정을 통한 평균값의 차이를 서로 비교 분석한 결과 전반적으로 이론 값과 측정 값의 차이는 ±0.
후속연구
향후 모터의 이동량에 따른 불확도와 슬릿의 폭의 오차에 관한 불확도, 공간주파수 오차 등 장치의 다양한 부분에 대한 B형 불확도를 산출하여 본 논문에서 구한 A형 불확도와 함께 계산하여 최종적으로 합성 불확도를 계산할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반 광학계와 비교하였을 때, 열상장비에 사용되는 적외선 광학계의 특징은 무엇인가?
따라서 표적과 배경이 방출하는 고유한 복사 에너지 차이 (온도차이)를 검출하여 전기적 신호처리를 거친 뒤 영상 화하는 장치를 열상장비(thermal imaging system)이라고 부른다. [1] 이러한 열상장비에 들어가는 적외선 광학계는 일반 광학계와 달리, 빛의 유무나 세기를 관측하지 않고 복사량의 차이를 영상화하여 야간이나 시계가 불량한 대기층에서 표지를 탐지하게 된다.
열상장비란 무엇인가?
모든 물체는 물체 내부의 원자와 분자의 진동과 회전에 의해 자체적인 복사 에너지 즉 전자파를 방사하며 복사 이론에 따르면 에너지의 최대 방출 파장은 물체를 흑체(black body)로 가정하였을 때, 표면의 온도 및 상태와 상관관계를 갖는다. 따라서 표적과 배경이 방출하는 고유한 복사 에너지 차이 (온도차이)를 검출하여 전기적 신호처리를 거친 뒤 영상 화하는 장치를 열상장비(thermal imaging system)이라고 부른다. [1] 이러한 열상장비에 들어가는 적외선 광학계는 일반 광학계와 달리, 빛의 유무나 세기를 관측하지 않고 복사량의 차이를 영상화하여 야간이나 시계가 불량한 대기층에서 표지를 탐지하게 된다.
본 연구에서 제안하는 적외선 MTF 측정장치의 구조는 어떻게 구성되어 있는가?
본 논문에서는 적외선 파장대에서 렌즈의 변조전달함수(MTF)를 칼날 주사방식으로 측정하는 적외선 MTF 측정장치를 구성하고 평가하였다. 측정장치는 물체부, 평행광을 만들어주는 시준부, 형성된 상을 분석하는 분석부로 나뉜다. 광원으로는 텅스텐 필라멘트 광원을 사용하였으며 중적외선 영상을 검출하기 위해 MCT를 사용하였다.
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