[국내논문]안광학기기에 사용되는 바이프리즘원리와 슈미트 프리즘을 이용한 군사 거리측정기용 스코프 개발 Developement of Scope for Military Rangefinder Using Schmidt Prism and Biprism Theory of Optometric Instrument원문보기
목적: 병사들이 간편하게 휴대할 수 있는 거리측정기 개발을 위하여 바이프리즘의 원리를 이용한 신개념 거리측정기를 도입하고, 그 기술을 구체적으로 실현하기 위하여 바이프리즘이 이동할 수 있는 공간을 충분히 확보할 수 있는 광학설계를 수행하여 군사 거리측정기용 스코프를 개발하고자 한다. 방법: 바이프리즘이 이동할 수 있는 충분한 공간 확보와, 2가지 바이프리즘을 서로 쉽게 교환할 수 있도록 한다는 2가지 목표를 실현할 수 있는 다양한 초기조건을 설정한 후, 광학계의 유한광선수차들을 최소화 할 수 있도록 CodeV 광학설계 프로그램을 이용하여 최적화하였다. 결과: 2가지의 바이프리즘을 교환할 수 있도록 하는 바이프리즘 하우징을 설계하였다. 바이프리즘이 움직이기 위한 공간을 확보할 수 있도록 하는 정립프리즘으로는 슈미트 프리즘이 적당한 것으로 나타났다. 슈미트 프리즘의 면길이(face length)는 16.5 mm가 적당하였다. 슈미트 프리즘과 바이프리즘을 포함한 광학계를 설계하여 유한광선수차를 최소화 시켰다. 결론: 면길이(face length) 16.5 mm를 가지는 슈미트 프리즘과 바이프리즘을 사용하여 약 +5X의 스코프를 광학적 거리 측정기용으로 개발하였다. 이 스코프는 유효 시야 각${\pm}3.6^{\circ}$를 가지는 광학계가 되었으며, 유한광선 수차는 ${\pm}8.95^{\prime}$ 이내로 잘 제어되어져 있다.
목적: 병사들이 간편하게 휴대할 수 있는 거리측정기 개발을 위하여 바이프리즘의 원리를 이용한 신개념 거리측정기를 도입하고, 그 기술을 구체적으로 실현하기 위하여 바이프리즘이 이동할 수 있는 공간을 충분히 확보할 수 있는 광학설계를 수행하여 군사 거리측정기용 스코프를 개발하고자 한다. 방법: 바이프리즘이 이동할 수 있는 충분한 공간 확보와, 2가지 바이프리즘을 서로 쉽게 교환할 수 있도록 한다는 2가지 목표를 실현할 수 있는 다양한 초기조건을 설정한 후, 광학계의 유한광선수차들을 최소화 할 수 있도록 CodeV 광학설계 프로그램을 이용하여 최적화하였다. 결과: 2가지의 바이프리즘을 교환할 수 있도록 하는 바이프리즘 하우징을 설계하였다. 바이프리즘이 움직이기 위한 공간을 확보할 수 있도록 하는 정립프리즘으로는 슈미트 프리즘이 적당한 것으로 나타났다. 슈미트 프리즘의 면길이(face length)는 16.5 mm가 적당하였다. 슈미트 프리즘과 바이프리즘을 포함한 광학계를 설계하여 유한광선수차를 최소화 시켰다. 결론: 면길이(face length) 16.5 mm를 가지는 슈미트 프리즘과 바이프리즘을 사용하여 약 +5X의 스코프를 광학적 거리 측정기용으로 개발하였다. 이 스코프는 유효 시야 각 ${\pm}3.6^{\circ}$를 가지는 광학계가 되었으며, 유한광선 수차는 ${\pm}8.95^{\prime}$ 이내로 잘 제어되어져 있다.
Purpose: The new-type rangefinder, which is using the biprism principle, is introduced to develop the range finder which can be easily carried by soldiers, and in order to realize those technologies specifically, we try to develop a scope for military rangefinder by doing optical design which can se...
Purpose: The new-type rangefinder, which is using the biprism principle, is introduced to develop the range finder which can be easily carried by soldiers, and in order to realize those technologies specifically, we try to develop a scope for military rangefinder by doing optical design which can secure enough space to move the biprism. Methods: After setting up the verious initial condition to realize two kinds of goals, that are the securement of enough space to move the biprism and the easy-exchangeability of two kinds of biprisms, and then the optical system was optimized by using optical design program CodeV in order to minimize the finite ray aberrations. Results: We designed the biprism housing to makes it possible to swap the two kinds of biprisms. It was appeared that the Schmidt prism is suitable as erecting prism which can make sure the space to move the biprism. 16.5 mm was good for the face length of Schmidt prism. The optical system with a Schmidt prism and a biprism was designed, and the finite ray aberrations was minimized. Conclusions: We developed a 5X scope for an optical rangefinder using a biprism and a Schmidt prism with 16.5 mm face length. This scope is valid for the optical system which has the effective field angle of ${\pm}3.6^{\circ}$, and the finite ray aberrations are well controlled within the ${\pm}8.95^{\prime}$.
Purpose: The new-type rangefinder, which is using the biprism principle, is introduced to develop the range finder which can be easily carried by soldiers, and in order to realize those technologies specifically, we try to develop a scope for military rangefinder by doing optical design which can secure enough space to move the biprism. Methods: After setting up the verious initial condition to realize two kinds of goals, that are the securement of enough space to move the biprism and the easy-exchangeability of two kinds of biprisms, and then the optical system was optimized by using optical design program CodeV in order to minimize the finite ray aberrations. Results: We designed the biprism housing to makes it possible to swap the two kinds of biprisms. It was appeared that the Schmidt prism is suitable as erecting prism which can make sure the space to move the biprism. 16.5 mm was good for the face length of Schmidt prism. The optical system with a Schmidt prism and a biprism was designed, and the finite ray aberrations was minimized. Conclusions: We developed a 5X scope for an optical rangefinder using a biprism and a Schmidt prism with 16.5 mm face length. This scope is valid for the optical system which has the effective field angle of ${\pm}3.6^{\circ}$, and the finite ray aberrations are well controlled within the ${\pm}8.95^{\prime}$.
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문제 정의
6 ctrad인 1가지의 바이프리즘을 사용하게 될 경우 사람을 기준으로 하면 150~450 m 이고, 탱크를 기준으로 하면 200~600 m 정도의 범위를 측정할 수 있으므로 거리측정 범위가 상당히 부족하게 된다.[8,9] 이러한 문제점을 보완하기 위하여 2가지의 바이프리즘을 사용하여야 하는 것으로 제안된 바 있으므로,[8] 경통 내부에서 2가지의 바이프리즘을 수시로 교환하면서 거리를 측정할 수 있는 바이프리즘 홀더를 고안하여 제시하고자 한다.
[8] 이에 관한 해결방안으로 듀얼 바이프리즘 구동 장치를 새롭게 고안하여 설계 장착한 더 진보된 실용적인 거리측정기용 스코프를 개발 하였다.
그러므로 본 연구에서는 군사의 휴대용 거리측정기개발을 위하여 각막곡률계, 세극등현미경 등에서 이용되는 바이프리즘의 원리를 이용한 신개념 거리측정기를 도입하고, 그 기술을 구체적으로 실현하기 위하여 바이프리즘이 이동할 수 있는 공간을 확보할 수 있는 정립프리즘을 도입하고 그에 맞는 광학설계를 수행하여 군사 거리측정기용 스코프를 개발하고자 한다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 앞서 최근에 제안되었던 “케라토미터의 바이프리즘 원리를 이용한 골프거리 측정기에 관한 연구”에서 소개된 신개념 거리측정기를 군사용 거리 측정기에 응용하고자 한다.
제안 방법
5배의 배율을 만족하는 스코프가 되도록 하기 위해 주광선의 최대 시야각(field angle)을 3.6o×5=18ο가 되도록 하였고, 출사측 시야각은 −3.6o 가 되도록 최적화를 진행하였다.
접안렌즈 초자는 양산했을 때 대중적으로 보급이 가능하도록 하기 위하여 가시광선 영역에서 색수차가 잘 제거되고, 초자를 쉽게 구할 수 있는 BK7, SF2로 구성되도록 하였다.[15,16] 렌즈의 두께는 최적화에 민감하지 않기 때문에 제작 가능성을 고려하여 고정 값으로 하여 최적화 하였다. 이렇게 최적화 설계 되어진 접안렌즈의 설계 데이터 및 1차 광학량을 Table 3에 나타냈으며 광선 추적도는 Fig.
거리측정 범위를 충분히 넓히기 위하여 2가지의 바이프리즘을 수시로 교환하면서 거리를 측정하기 위하여 Fig. 2와 같은 장치를 고안 하였다. Fig.
3에서와 같이 바이프리즘이 좌우로 움직일 수 있는 공간의 범위를 축소시켜 거리측정범위를 좁게 만드는 효과가 발생한다. 그러므로 이러한 문제점을 개선하기 위하여 정립프리즘 내부에서 광로를 가장 짧게 할 수 있는 슈미트 프리즘을 도입하여 망원경을 설계하고자 한다.[10] 슈미트 프리즘은 다른 정립 프리즘에 비하여 광로를 적게 차지하므로 면길이가 길어지더라도 광로가 길어지는 효과가 어느 정도 상쇄되어 바이프리즘이 왕복할 수 있는 공간을 확보하기 용이하다.
8 mm로 하여 설계를 진행하였다. 대물렌즈는 크라운 계열의 BK7, 플린트 계열의 SF2를 사용하여 색수차보정에 많이 사용되는 조합으로 하여 양산가격을 고려하여 제품출시 시 가격경쟁력이 있도록 하였다. Table 1에서의 초기 설계조건인 유효초점거리 125 mm가 되게 하였으며, 슈미트 프리즘의 후면에 에칭해서 새겨 넣을 레티클 면이 오도록 하여 설계하였다.
또한 망원경 내부에서 바이프리즘이 움직이는 위치들이 측정거리로 환산되므로 바이프리즘이 망원경 내부에서 최대한 긴 거리를 왕복할 수 있어야 거리측정범위가 넓어지므로 바이프리즘이 움직일 수 있는 공간의 확보를 위해서, Fig. 1에서와 같이 대물렌즈의 주점으로부터 최소한 10~92 mm 이상의 범위를 바이프리즘이 왕복하면서 움직일 수 있도록 조건을 설정하였다. 그러므로 이러한 조건을 만족하는 적절한 정립프리즘을 구상하여야 한다.
2의 빗금과 같이 a와 b영역에 배치 한 후 b 영역의 바이프리즘만 이용하고 나머지 부분의 광로를 차단한다. 만약 a 영역에 있는 바이프리즘을 이용하기를 원하면 a, b영역에 있는 바이프리즘을 우측으로 밀어서 b, c 영역으로 밀어서 움직이게 되면 a 영역에 있는 바이프리즘이 b 영역으로 움직이게 되어 a 영역에 있던 바이프리즘을 사용할 수 있게 구상하고 3D로 바이프리즘 하우징을 설계하였다.
이러한 점을 고려하여 대물렌즈의 초점거리를 임의로 125 mm로 설정하였다. 망원경의 배율이 크면 멀리 있는 물체가 크게 보이므로 거리측정에 용이한 반면, 상의 선명도가 나빠지고 흔들림이 심하므로 사용자의 요구에 따라 5배로 설정하였다. 이러한 조건을 만족할 수 있는 대물렌즈 및 접안렌즈를 CodeV 광학설계 프로그램을 이용하여 설계 한다.
본 연구에서 우리는 면길이 16.5 mm를 가지는 슈미트 프리즘을 사용하여 약 +5×의 스코프를 광학적 거리 측정기용으로 설계 개발하였다.
상기 슈미트 프리즘을 고려한 대물렌즈를 설계하여야 하기 때문에 실제 설계에서는 슈미트 프리즘의 기하학적 길이의, 전 후면의 곡률반경이 무한대인, 초자블락을 사용하여 설계를 하여야 한다. 슈미트 프리즘 블락은 양산시대중적으로 보급이 가능한 BK7로 하였으며, 기하학적으로 계산된 광로는 46.
상기 슈미트 프리즘을 고려한 대물렌즈를 설계하여야 하기 때문에 실제 설계에서는 슈미트 프리즘의 기하학적 길이의, 전 후면의 곡률반경이 무한대인, 초자블락을 사용하여 설계를 하여야 한다. 슈미트 프리즘 블락은 양산시대중적으로 보급이 가능한 BK7로 하였으며, 기하학적으로 계산된 광로는 46.8 mm로 계산되기 때문에 블락의 두께를 46.8 mm로 하여 설계를 진행하였다. 대물렌즈는 크라운 계열의 BK7, 플린트 계열의 SF2를 사용하여 색수차보정에 많이 사용되는 조합으로 하여 양산가격을 고려하여 제품출시 시 가격경쟁력이 있도록 하였다.
실제적인 광학계인 대물렌즈, 접안렌즈, 슈미트 프리즘의 설계 데이터 및 이들이 조합된 광학계의 설계 성능을 상세하게 기술하였다. 실제 응용 분야의 사용자의 요구를 반영하기 위하여 스코프의 배율을 5X로 하는 대물부 접안부 렌즈를 새롭게 설계하였다.
앞에서 설계된 대물렌즈 광학계와 접안렌즈를 통합하여 전체 광학계를 구성하였다. 접안렌즈는 설계 시 레티클 위치가 오른쪽에 있도록 설계되었기 때문에 대물렌즈 광학계와 통합할 때 접안렌즈의 렌즈 데이터를 역으로 하여 통합하여야 한다.
여기서 거리측정기의 경통은 휴대하기 간편하게 너무 커지지 않아야 하며, 망원경으로 측정대상 관찰 시 너무 어둡지 않을 정도의 바이프리즘 면적을 확보하기 위하여 바이프리즘 1개의 면적을 15.4×8 mm2로 정하였고 이 면적 3개를 Fig. 2와 같이 넣게 되면 망원경 경통 내경 31 mm에 거의 가득 찰 수 있도록 설정하였다.
망원경의 배율이 크면 멀리 있는 물체가 크게 보이므로 거리측정에 용이한 반면, 상의 선명도가 나빠지고 흔들림이 심하므로 사용자의 요구에 따라 5배로 설정하였다. 이러한 조건을 만족할 수 있는 대물렌즈 및 접안렌즈를 CodeV 광학설계 프로그램을 이용하여 설계 한다.[11]
이전연구에서 제안된 거리측정용 스코프에서는 적절한 정립프리즘을 도출하지 못하였기 때문에 정립프리즘을 도입하지 않고 실험의 결과를 도출 하였으나 본 연구는 적절한 정립프리즘인 슈미트 프리즘을 이용한 결과를 도출 하였다.[8] 또한 기존의 다른 스코프에서는 상을 정립시키기 위하여 릴레이 렌즈를 사용하게 되는데 이는 바이프리즘이 이동할 수 있는 공간은 확보가 가능하지만 스코프의 전체 길이가 대물렌즈 초점거리의 약 2.
6o 가 되도록 최적화를 진행하였다. 접안렌즈 초자는 양산했을 때 대중적으로 보급이 가능하도록 하기 위하여 가시광선 영역에서 색수차가 잘 제거되고, 초자를 쉽게 구할 수 있는 BK7, SF2로 구성되도록 하였다.[15,16] 렌즈의 두께는 최적화에 민감하지 않기 때문에 제작 가능성을 고려하여 고정 값으로 하여 최적화 하였다.
접안렌즈는 양산했을 때 대중적으로 보급이 가능하도록 하기 위하여 쌍둥이 더블렛이 대칭으로 배치[14]되도록 하였으며 Table 1에서 주어진 조건을 만족하도록 초점거리 25 mm가 되도록 하였다. 5배의 배율을 만족하는 스코프가 되도록 하기 위해 주광선의 최대 시야각(field angle)을 3.
성능/효과
3 mm 일 때 대물렌즈와 정립프리즘 사이의 공간이 18 mm밖에 없어 바이프리즘이 움직이기에 매우 좁다는 것을 알 수 있다.[18] 이들 연구에 반하여 본 연구에서는 대물렌즈의 초점거리가 125 mm 일 때 바이프리즘이 이동할 수 있는 공간인 대물렌즈에서 정립프리즘 까지의 거리가 89.7 mm 로 타 연구에 비하여 매우 긴 바이프리즘 이동거리를 성공적으로 확보하였다.
넷째, 이전연구에서 해결하지 못하였던 정립프리즘의 문제를 면길이 16.5 mm인 슈미트 프리즘을 이용하여 해결하였다.
면길이 16.5 mm의 슈미트 프리즘이 적절한 크기인지를 확인하기 위하여 바이프리즘의 유효면적인 14.4×8 mm2 의 대각선 길이인 16.473 mm의 직경을 가지는 대물렌즈에 시야각 3.6o 로 입사하는 광선속의 유효직경을 확인해 본 결과 Fig. 4에서와 같이 정립프리즘의 전후면에서 각각 15.873 mm과 15.636 mm 정도의 직경이 되어 대부분의 광선속이 정립프리즘으로 입사할 수 있으므로 면길이 16.5 mm의 슈미트 프리즘을 정립프리즘으로 사용하는 것이 적절하다는 것을 알 수 있다.
5 mm를 가지는 슈미트 프리즘을 사용하여 약 +5×의 스코프를 광학적 거리 측정기용으로 설계 개발하였다. 새로 설계되어진 스코프는 유효 시야각 3.6o 를 가지는 광학계가 되었으며, 바이프리즘의 이동 범위를 최대 92 mm를 가질 수 있도록 설계되어져 있기 때문에 어떠한 다른 정립 프리즘을 사용한 광학계보다 광학적 거리측정기에 적합한 광학계로 판단된다. 약 +5X의 배율을 가지면서 유한광선 수차는 8.
셋째, 바이프리즘이 이동할 수 있는 공간인 대물렌즈에서 정립프리즘 까지의 거리가 89.7 mm로 타 연구에 비하여 매우 긴 바이프리즘 이동거리를 성공적으로 확보하였다.
첫째, 이전연구에서 후속연구의 필요성으로 언급되었던 하나의 장비로 근거리 원거리 측정이 가능하도록 하는 것을 해결하였다.[8] 이에 관한 해결방안으로 듀얼 바이프리즘 구동 장치를 새롭게 고안하여 설계 장착한 더 진보된 실용적인 거리측정기용 스코프를 개발 하였다.
참고문헌 (18)
Nam DH. Gun, 1st Ed. Seoul: Planetmedia, 2014;82-183.
You YW, Kim BR, Yang U, Kim DY. Weapon Bible, 1st Ed. Seoul: Planetmedia, 2013;12-68.
Bumryul. For an example of the scope sighting method, 2011. http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogIdbumryul&logNo100137606158, (05 May 2015).
Kim HJ, Jun HG, Kim DH, Lee SH, Choi KS. A study on the development of a distance measuring instrument using laser. Proceedings of the Korea Institute of Signal Processing and Systems Conference(KISPS). 2001;2(1):85-88.
Yoo BH, Shin BS, Chang WS, Kim JG, Whang KH. Development of range finder using long wavelength laser. Report of International Joint Research Project(Project No.1350009303). Ministry of Science & Technology. 2004; August:11-23.
Park SH, Lee DH. Development on a Relay Lens Type Scope with 70 mm Eye Relief. J Korean Ophthalmic Opt Soc. 2009;14(3):29-35.
Park SH, Lee DH. Development on a Roofed Pechan Prism Type Scope with Long Eye Relief. J Korean Ophthalmic Opt Soc. 2010;15(3):247-255.
Cha JW. Study on golf range finder by using biprism theory of keratometer. J Korean Ophthalmic Opt Soc. 2013;18(4):495-501.
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