지향성적외선방해장비의 정렬 정밀도를 높히고 중량을 감소시키기 위해 적용된 적외선 카메라-레이저 공통광학계 구조에서 영상 성능 저하를 야기시키는 레이저빔 열 영향성을 분석하였다. 높은 에너지 밀도를 가지는 레이저빔이 광부품에 흡수되면 열이 발생하고 온도가 상승한다. 공통광학계 광부품 표면에서 발생한 열은 시스템 투과율을 감소시켜 적외선 카메라의 영상 품질을 저하시킬 수 있다. 지향성적외선방해장비의 운용개념을 고려하여 파장 $4{\mu}m$, 출력 3 W의 레이저빔이 10초간 미러(알루미늄, 실리카글래스, 실리콘) 및 렌즈(사파이어, 셀레늄화아연, 실리콘, 게르마늄) 재료에 조사되는 상황을 가정하여 온도 분포를 계산하였다. 계산 결과, 미러 재료로는 실리카 글래스, 렌즈 재료로는 사파이어의 온도 상승이 상대적으로 컸고, 재료 온도 분포에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 재료의 레이저빔 흡수율과 열전도도임을 확인하였다. 결론적으로 적외선 카메라-레이저 공통광학계에 사용하는 광부품은 흡수율이 낮고 열전도도가 높은 특성을 갖도록 선정되어야 광부품 온도 상승에 의한 적외선 카메라의 영상 품질 저하를 방지할 수 있다.
지향성적외선방해장비의 정렬 정밀도를 높히고 중량을 감소시키기 위해 적용된 적외선 카메라-레이저 공통광학계 구조에서 영상 성능 저하를 야기시키는 레이저빔 열 영향성을 분석하였다. 높은 에너지 밀도를 가지는 레이저빔이 광부품에 흡수되면 열이 발생하고 온도가 상승한다. 공통광학계 광부품 표면에서 발생한 열은 시스템 투과율을 감소시켜 적외선 카메라의 영상 품질을 저하시킬 수 있다. 지향성적외선방해장비의 운용개념을 고려하여 파장 $4{\mu}m$, 출력 3 W의 레이저빔이 10초간 미러(알루미늄, 실리카 글래스, 실리콘) 및 렌즈(사파이어, 셀레늄화아연, 실리콘, 게르마늄) 재료에 조사되는 상황을 가정하여 온도 분포를 계산하였다. 계산 결과, 미러 재료로는 실리카 글래스, 렌즈 재료로는 사파이어의 온도 상승이 상대적으로 컸고, 재료 온도 분포에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 재료의 레이저빔 흡수율과 열전도도임을 확인하였다. 결론적으로 적외선 카메라-레이저 공통광학계에 사용하는 광부품은 흡수율이 낮고 열전도도가 높은 특성을 갖도록 선정되어야 광부품 온도 상승에 의한 적외선 카메라의 영상 품질 저하를 방지할 수 있다.
An infrared camera and laser common-path optical system is applied to DIRCM (directional infrared countermeasures), to increase boresighting accuracy and decrease weight. Thermal effects of a laser beam in a common-path optical system are analyzed and evaluated, to predict any degradation in image q...
An infrared camera and laser common-path optical system is applied to DIRCM (directional infrared countermeasures), to increase boresighting accuracy and decrease weight. Thermal effects of a laser beam in a common-path optical system are analyzed and evaluated, to predict any degradation in image quality. A laser beam with high energy density is absorbed by and heats the optical components, and then the surface temperature of the optical components increases. The heated optical components of the common-path optical system decrease system transmittance, which can degrade image quality. For analysis, the assumed simulation condition is that the laser is incident for 10 seconds on the mirror (aluminum, silica glass, silicon) and lens (sapphire, zinc selenide, silicon, germanium) materials, and the surface temperature distribution of each material is calculated. The wavelength of the laser beam is $4{\mu}m$ and its output power is 3 W. According to the results of the calculations, the surface temperature of silica glass for the mirror material and sapphire for the lens material is higher than for other materials; the main reason for the temperature increase is the absorption coefficient and thermal conductivity of the material. Consequently, materials for the optical components with high thermal conductivity and low absorption coefficient can reduce the image-quality degradation due to laser-beam thermal effects in an infrared camera and laser common-path optical system.
An infrared camera and laser common-path optical system is applied to DIRCM (directional infrared countermeasures), to increase boresighting accuracy and decrease weight. Thermal effects of a laser beam in a common-path optical system are analyzed and evaluated, to predict any degradation in image quality. A laser beam with high energy density is absorbed by and heats the optical components, and then the surface temperature of the optical components increases. The heated optical components of the common-path optical system decrease system transmittance, which can degrade image quality. For analysis, the assumed simulation condition is that the laser is incident for 10 seconds on the mirror (aluminum, silica glass, silicon) and lens (sapphire, zinc selenide, silicon, germanium) materials, and the surface temperature distribution of each material is calculated. The wavelength of the laser beam is $4{\mu}m$ and its output power is 3 W. According to the results of the calculations, the surface temperature of silica glass for the mirror material and sapphire for the lens material is higher than for other materials; the main reason for the temperature increase is the absorption coefficient and thermal conductivity of the material. Consequently, materials for the optical components with high thermal conductivity and low absorption coefficient can reduce the image-quality degradation due to laser-beam thermal effects in an infrared camera and laser common-path optical system.
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문제 정의
본 논문에서는 적외선 광학계의 광부품으로 많이 사용되는 재료를 대상으로 열해석을 수행하여 적외선 카메라-레이저 공통광학계에서 레이저빔에 의해 야기되는 열문제를 예측하고 그 영향을 최소화 할 수 있는 방안을 연구하였다.
지향성적외선방해장비(DIRCM, Directional Infrared Countermeasures)는 항공기 및 헬리콥터 등의 공중 플랫폼에 가장 큰 위협이 되는 휴대용적외선유도탄(MANPADS, Man-portable Air Defence System)에 대응하기 위하여 개발되었다. 지향성 적외선방해장비는 휴대용적외선유도탄을 탐지, 추적하고 코드화된 레이저 빔을 조사하여 휴대용적외선유도탄의 탐색기를 기만하는 장비로, 공격해오는 휴대용적외선유도탄을 탐 지, 추적하는 중적외선 대역 카메라와 레이저 빔을 조사하여 탐색기를 기만하는 레이저로 구성된다[1,2].
가설 설정
미러의 반사율과 렌즈의 투과율은 각각 97%로 보수적으로 설정하였으며, 열해석은 유한요소해석(Finite Element Method) 방법을 적용했고 대류에 의한 영향성은 제외했다. 또한 지향성적외선방해장비와 휴대용적외선유도탄의 교전시간을 고려하여 레이저가 10초 동안 조사되는 상황을 가정하여 분석을 수행하였다.
제안 방법
적외선 카메라-레이저 공통광학계 구조에서 광부품 재료에 따른 열 영향성을 분석하였다. 미러와 렌즈에 레이저빔이 조사되는 상황을 모델링 하여 시간적, 공간적 온도 분포를 계산하였다. 온도 분포 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 재료의 흡수율과 열전도도임을 확인하였다.
파장 4 µm, 출력 3 W의 연속파 레이저(continuous Wave Laser)가 가로, 세로 각 20 mm, 두께 2 mm의 정사각형 미러와 렌즈에 입사되는 상황을 모사했다. 미러의 반사율과 렌즈의 투과율은 각각 97%로 보수적으로 설정하였으며, 열해석은 유한요소해석(Finite Element Method) 방법을 적용했고 대류에 의한 영향성은 제외했다. 또한 지향성적외선방해장비와 휴대용적외선유도탄의 교전시간을 고려하여 레이저가 10초 동안 조사되는 상황을 가정하여 분석을 수행하였다.
적외선 카메라 렌즈 재료로 많이 사용되는 실리콘, 게르마늄, 셀레늄화아연, 사파이어 네 가지 재료를 후보군으로 하여 레이저빔이 투과하는 조건에서 열해석을 수행하였다. 미러의 경우 반사 후 남은 에너지는 표면에서 모두 흡수되는 것으로 가정했지만 렌즈는 투과 과정에서 재료에 따라 흡수 계수가 다르므로 흡수되는 양상도 일정하지 않다.
적외선 카메라-레이저 공통광학계 구조에서 광부품 재료에 따른 열 영향성을 분석하였다. 미러와 렌즈에 레이저빔이 조사되는 상황을 모델링 하여 시간적, 공간적 온도 분포를 계산하였다.
적외선 카메라의 미러 재료로 보편적으로 사용되는 알루미늄, 실리카 글래스, 실리콘 세 가지 재료를 후보군으로 하여 열해석을 수행하였다. 세 물질의 열전도도, 비열, 밀도 특성은 표 1과 같다[12].
파장 4 µm, 출력 3 W의 연속파 레이저(continuous Wave Laser)가 가로, 세로 각 20 mm, 두께 2 mm의 정사각형 미러와 렌즈에 입사되는 상황을 모사했다.
대상 데이터
레이저빔은 광속분리기를 통해 송광부로 전달되어 광학창 밖으로 조사되며, 광학창을 통해 입사된 중적외선 신호는 광속분리기를 통해 적외선 카메라로 전달된다. 적외선카메라 검출기의 잡음등가온도차(Net Equivalent Temperature Difference)는 24 mk이며, 시스템 총 투과율은 50%로 시스템 잡음등가온도차는 48 mK이다.
성능/효과
미러와 렌즈에 레이저빔이 조사되는 상황을 모델링 하여 시간적, 공간적 온도 분포를 계산하였다. 온도 분포 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 재료의 흡수율과 열전도도임을 확인하였다. 흡수율이 높고 열전도도가 낮으면 좁은 영역에 더 많은 레이저빔이 흡수되기 때문에 상대적으로 온도가 더 높아진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이저빔 중심에 휴대용적외선유도탄을 위치시키는 방법은?
휴대용적외선유도탄의 눈에 해당하는 탐색기가 레이저빔의 중심에서 멀어지면 레이저빔 밀도가 낮아져 기만효율이 저하된다. 레이저빔 중심에 휴대용적외선유도탄을 위치시키기 위해서는 적외선 카메라의 추적 중심과 레이저빔의 중심이 일치해야 한다. 이를 위해 각각의 레이저와 적외선 카메라 사이 정렬 오차를 줄이는 것이 중요하다.
레이저빔으로 인한 간섭 문제를 해결하는 방법은?
8 µm) 내에 위치하기 때문에 레이저빔 중 일부가 광학계 내에서 되 반사 되어 적외선 카메라에 영향을 줄 수 있다. 이 문제는 적절한 밴드 패스 필터를 적용하거나 되반사를 피하는 광학 설계를 통해 해결이 가능하다고 판단된다[5].
지향성 적외선방해장비란?
지향성적외선방해장비(DIRCM, Directional Infrared Countermeasures)는 항공기 및 헬리콥터 등의 공중 플랫폼에 가장 큰 위협이 되는 휴대용적외선유도탄(MANPADS, Man-portable Air Defence System)에 대응하기 위하여 개발되었다. 지향성 적외선방해장비는 휴대용적외선유도탄을 탐지, 추적하고 코드화된 레이저 빔을 조사하여 휴대용적외선유도탄의 탐색기를 기만하는 장비로, 공격해오는 휴대용적외선유도탄을 탐 지, 추적하는 중적외선 대역 카메라와 레이저 빔을 조사하여 탐색기를 기만하는 레이저로 구성된다[1,2]. 다양한 위협에 대응하기 위하여 일반적으로 근적외선 대역과 중적외선 대역 두 종류의 레이저를 사용한다[3,4].
참고문헌 (12)
C. Willers and M. Willers, "Simulating the DIRCM engagement: component and system level performance," Proc. SPIE 8543, 85430M (2012).
D. Maltese, J. Robineau, J. Audren, J. Aragones, and C. Sailliot, "Countering MANPADS: study of new concepts and applications," Proc. SPIE 6203, 62030G (2006).
A. Godard, M. Raybaut, T. Schmid, M. Lefebvre, A. Michel, C. Oudart, S. Teixeira, and M. Pealat, "Development of a compact frequency conversion module for airborne countermeasures," Proc. SPIE 7836, 78360G (2010).
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S. T. Yang, M. J. Matthews, S. Elhadj, D. Cooke, G. M. Guss, V. G. Draggoo, and P. J Wegner, "Comparing the use of mid-infrared versus far-infrared lasers for mitigating damage growth on fused silica," Appl. Opt. 49, 2606-2616 (2010).
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O. Riou, S. Berrebi, and P. Bremond, "Non uniformity correction and thermal drift compensation of thermal infrared camera," Proc. SPIE 5405, 294-302 (2004).
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S. T. Yang, M. J. Matthews, S. Elhadj, D. Cooke, G. M. Guss, V. G. Draggoo, and P. J. Wegner, "Comparing the use of mid-infrared versus far-onfrared lasers for mitigating damage growth on fused silica," Appl. Opt. 49, 2606-2616 (2010).
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