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광기구적 자동 비열화가 적용된 비정형 적외선 광각 카메라
Anamorphic Infrared Camera with Wide Field of View and Optomechanical Automatic Athermalization Mechanism 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.26 no.4, 2015년, pp.187 - 194  

김현숙 (국방과학연구소) ,  옥창민 (토핀스(주))

초록
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비정형(anamorphic) 렌즈가 적용된 적외선 광각 카메라 광학계를 제안하고 제작을 통해 그 유용성을 입증하였다. 개발된 적외선 카메라는 비정형 렌즈를 이용하여 수평방향에 대해서는 100도 이상의 넓은 시계를 제공하면서 수직방향에 대해서는 수평시계보다 큰 배율을 갖게 함으로써 증가된 해상도를 통해 장비의 광역 감시 및 탐지 능력을 동시에 향상시키는 특징을 갖는다. 또한 광기구적 자동 비열화 방법을 제안하고 시스템에 적용하여 그 성능 및 활용성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A system of infrared camera optics with wide field of view and anamorphic lenses is proposed, and its validity verified through manufacture. The infrared camera produced provides a wide field of view of over 100 degrees in the horizontal direction, and an even greater magnification in the vertical d...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 초광각 적외선 카메라 광학계 제작에는 실린더 렌즈와 토릭 렌즈 같은 비정형 렌즈의 정밀 가공이 요구되며 과거 국내에서는 이와 같은 렌즈를 적외선 광학재질로 가공하여 적용한 사례가 없는 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 적외선 재질에 대한 비정형 렌즈의 국내 가공을 위해 많은 노력을 하였으며 여러 번의 시행착오 끝에 Fig. 12와 같은 형상 오차를 갖는 렌즈를 제작하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 렌즈의 형상 오차는 PV 1.
  • 본 연구에서는 점광원 표적 탐지를 목적으로 하는 적외선 광각 카메라의 탐지 성능을 향상시키고자 비정형 렌즈를 광로 중에 사용하여 수평시계와 수직시계에 대한 배율을 다르게 가져감으로써 광역감시를 위한 수평방향에 대해서는 넓은 시계을 제공하면서 수직방향에 대해서는 수평시계보다 큰 배율을 갖게 하여 증가된 해상도를 통해 장비의 감시 및 탐지 능력을 동시에 향상시키는 초광각 적외선 카메라 광학계를 제안하고 설계하였다. 또한 적외선 카메라의 운용온도변화에 따라 발생하는 영상 흐림 현상을 해소하기 위하여 광학설계 성능에 의해 이루어지는 광학보정식 비열화 방법과 테프론 구조물의 열 팽창/수축 현상을 이용한 기계보정식 비열화 방법을 결합한 광기구적 자동 비열화 방법 제안하고 온도시험을 통해 그 성능 및 유용성을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 점광원(point soure) 표적 탐지를 목적으로 하는 적외선 광각 카메라의 탐지 성능을 향사시키고자 비정형 렌즈를[1] 광로 중에 사용하여 수평시계와 수직시계에 대한 배율을 다르게 가져감으로써 광역감시를 위한 수평방향에 대해서는 넓은 시계을 제공하면서 수직방향에 대해서는 수평시계보다 큰 배율을 갖게 함으로써 증가된 해상도를 통해 장비의 감시 및 탐지 능력을 동시에 향상시키는 초광각(ultra wide field of view) 적외선 카메라 광학계를 제안하고 설계하였다. 또한 적외선 카메라의 운용온도 변화에 따라 발생하는 영상 흐림(image bluring) 현상을 해소하기 위한 광기구적자동 비열화(opto-mechanical automatic athermalization) 방안을 제안하고 온도시험을 통해 그 성능 및 유용성을 확인하였다.
  • 본 초광각 적외선 카메라 광학계는 광역감시 목적으로 설계되었으며 관심 표적의 크기가 1-픽셀 크기 수준이다. 따라서 응용 목적상 점광원 표적에 대해 어느 정도의 에너지가 1-픽셀에 모이는지를 판단하는 지표가 필요하며 본 설계에서는 이를 위한 성능 지표로 에너지 구경(encircled energy)을[11] 사용하였다.
  • 또한 모터를 이용하여 초점을 맞추는 기계적 능동방식을 적용하기에는 모터 구동에 소요되는 시간이 필요하고 구현에 필요한 공간 확보의 제한으로 접근이 어려운 상태였다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 초기에 진행하던 광학보정식 비열화방법과 기구물의 열팽창 계수 차이를 이용한 수동적 기계보정식 비열화 방법을 혼합한 광기구적 자동 비열화 방법을 개발하게 되었다. 이에 대한 설계 개념은 Fig.

가설 설정

  • 7. Concept of athermalization for IR optics.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초광각 적외선 카메라 광학계는 무엇으로 구성되는가? Figure 2는 초광각 적외선 카메라 광학계에 대한 설계 결과이다. 광학계는 총 2군 9매의 렌즈로 구성되며 대물부와결상부로 나뉜다. 대물렌즈를 포함하는 대물부는 fish-eye[1,10]형태로 구성하여 광시계 구현에 유리하도록 하였으며, L6, L7, L8, L9으로 구성되는 결상부는 대물부로부터 일정거리를 유지하도록 배치함으로써 광기구적 자동 비열화 구현을 위한 공간을 충분히 확보하도록 하였다.
적외선 광각 카메라를 이용하여 특정 이벤트를 탐지하려고 할 때, 적외선 광각 카메라의 단점은 무엇인가? 적외선 광각 카메라를 이용하여 광범위한 지역을 감시하고 섬광 획득과 같은 특정 이벤트를 탐지하고자 할 때 광각 카메라의 특성상 고배율 카메라에 비해 해상도가 많이 떨어지며 이로 인한 탐지능력 저하가 발생한다. 이를 극복하기 위한 광학적 접근으로는 화소수가 증가된 검출기를 사용하여 광학시계는 유지하면서 카메라의 배율을 증가시키는 방법이 있다.
초광각 적외선 카메라 광학계 제작 시 렌즈에는 어떤 가공이 요구되는가? 본 초광각 적외선 카메라 광학계 제작에는 실린더 렌즈와 토릭 렌즈 같은 비정형 렌즈의 정밀 가공이 요구되며 과거 국내에서는 이와 같은 렌즈를 적외선 광학재질로 가공하여 적용한 사례가 없는 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 적외선 재질에 대한 비정형 렌즈의 국내 가공을 위해 많은 노력을 하였으며 여러 번의 시행착오 끝에 Fig.
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참고문헌 (16)

  1. W. J. Smith, Modern Optical Engineering, 4th ed. (McGraw-Hill Companies, Inc., USA, 2008). 

  2. R. Hartmann and W. J. Smith, "Infrared optical design and fabrication," Proc. SPIE CR38 (1991). 

  3. P. J. Rogers, "Athermalized FLIR optics," Proc. SPIE 1354, 742-751 (1990). 

  4. R. Simmons, "Athermalisation of a fast infrared telescope objective," Proc. SPIE 3429, 11-18 (1995). 

  5. G. C. Holst, Testing and Evaluation of Infrared Imaging Systems (SPIE Optical Engineering Press, 2008), p. 211. 

  6. C. L. Wyatt, Radiometric System Design (Macmillan Publishing Company, 1987), pp. 81-85. 

  7. G. C. Holst, Testing and Evaluation of Infrared Imaging Systems (SPIE Optical Engineering Press, 2008), p. 142. 

  8. G. Poropat, "Effect of system point spread function, apparent size, and detector instantaneous field of view on the infrared image contrast of small objects," Opt. Eng. 32, 2598-2607 (1993). 

  9. V. Samson, F. Champagnat, and J. Giovannelli, "Point target detection and subpixel position estimation in optical imagery," Appl. Opt. 43, 257-263 (2004). 

  10. W. J. Smith, Modern Lens Design, 2nd ed. (McGraw-Hill Companies, Inc., USA, 2005). 

  11. P. R. Minarik, F. R. Seiter, D. L. Bohlin, S. S. Yoo, and J. J. Kramer, Efficient Calculation of Ensquared Energy in an Imaging System, USPC Class 382103 (2008). 

  12. R. D. Hudson, Infrared System Engineering (John Willy & Sons, 1969), pp. 417-437. 

  13. R. G. Drigger, P. Cox, and T. Edwards, Introduction to Infrared and Electro-Optical Systems (Artech House, Inc., 1999), p. 10. 

  14. R. E. Fischer, B. Tadic-Galeb, and P. R. Yoder, Optical System Design, 2nd ed. (McGraw-Hill Companies, Inc., USA, 2008). 

  15. D. Heshmaty-Manesh and G. Y. Haig, "Lens tolerancing by desk-top computer," Appl. Opt. 25, 1268-1270 (1986). 

  16. "Code V reference manual," vol. 3, Optical Research Associates (2014). 

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