항공용 전자 광학 타겟팅 시스템을 위한 중적외선 광학계를 설계하였다. 본 광학계는 이중 시야를 갖도록 설계되었으며, 빔 축소 전단 광학계, 줌 렌즈 그룹, 릴레이 렌즈 그룹, 콜드스탑 공액 광학계 및 냉각 적외선 검출기로 구성된다. 적외선 검출기는 단일 화소의 크기가 $15{\times}15{\mu}m$ 인 $1280{\times}1024$ 화소 배열을 가지며 잡음을 최소화하기 위하여, f/5.3의 냉각 콜드스탑이 적용된 제품으로 선정하였다. 이중 시야 ($1.50^{\circ}{\times}1.20^{\circ}$, $5.40^{\circ}{\times}4.23^{\circ}$)는 두 개의 렌즈를 삽입하는 방식으로 구현했으며, 줌 배율 변경 시 모든 시야에 걸쳐 f/5.3의 콜드스탑의 효율을 유지하도록 설계하였다. 열 효과가 이미지에 미치는 영향을 조사하기 위해 비열화 및 나르시서스 분석을 수행하였으며, 비열화 분석은 $-55{\sim}50^{\circ}C$의 작동 온도를 기준으로 초점 이동과 잔여 고차 파면 수차에 조사하였고 제르니케 다항식을 이용한 민감도 분석을 수행하여 최적의 보상자를 선정하였다. 선정된 보상자의 최적 이동을 고려한 MTF해상력을 확인한 결과, 작동 온도 전 구간에 걸쳐 요구조건인 33 lp/mm에서 축상 10% 이상의 성능을 유지하는 것을 확인하였으며, 나르시서스 분석 결과, NITD (Narcissus Induced Temperature Difference) 값이 $1.5^{\circ}C$ 이하가 되도록 설계 된 것을 확인하였다.
항공용 전자 광학 타겟팅 시스템을 위한 중적외선 광학계를 설계하였다. 본 광학계는 이중 시야를 갖도록 설계되었으며, 빔 축소 전단 광학계, 줌 렌즈 그룹, 릴레이 렌즈 그룹, 콜드스탑 공액 광학계 및 냉각 적외선 검출기로 구성된다. 적외선 검출기는 단일 화소의 크기가 $15{\times}15{\mu}m$ 인 $1280{\times}1024$ 화소 배열을 가지며 잡음을 최소화하기 위하여, f/5.3의 냉각 콜드스탑이 적용된 제품으로 선정하였다. 이중 시야 ($1.50^{\circ}{\times}1.20^{\circ}$, $5.40^{\circ}{\times}4.23^{\circ}$)는 두 개의 렌즈를 삽입하는 방식으로 구현했으며, 줌 배율 변경 시 모든 시야에 걸쳐 f/5.3의 콜드스탑의 효율을 유지하도록 설계하였다. 열 효과가 이미지에 미치는 영향을 조사하기 위해 비열화 및 나르시서스 분석을 수행하였으며, 비열화 분석은 $-55{\sim}50^{\circ}C$의 작동 온도를 기준으로 초점 이동과 잔여 고차 파면 수차에 조사하였고 제르니케 다항식을 이용한 민감도 분석을 수행하여 최적의 보상자를 선정하였다. 선정된 보상자의 최적 이동을 고려한 MTF 해상력을 확인한 결과, 작동 온도 전 구간에 걸쳐 요구조건인 33 lp/mm에서 축상 10% 이상의 성능을 유지하는 것을 확인하였으며, 나르시서스 분석 결과, NITD (Narcissus Induced Temperature Difference) 값이 $1.5^{\circ}C$ 이하가 되도록 설계 된 것을 확인하였다.
We have designed a mid-infrared optical system for an airborne electro-optical targeting system. The mid-IR optical system is a dual-field-of-view (FOV) optics for an airborne electro-optical targeting system. The optics consists of a beam-reducer, a zoom lens group, a relay lens group, a cold stop ...
We have designed a mid-infrared optical system for an airborne electro-optical targeting system. The mid-IR optical system is a dual-field-of-view (FOV) optics for an airborne electro-optical targeting system. The optics consists of a beam-reducer, a zoom lens group, a relay lens group, a cold stop conjugation optics, and an IR detector. The IR detector is an f/5.3 cooled detector with a resolution of $1280{\times}1024$ square pixels, with a pixel size of $15{\times}15{\mu}m$. The optics provides two stepwise FOVs ($1.50^{\circ}{\times}1.20^{\circ}$ and $5.40^{\circ}{\times}4.23^{\circ}$) by the insertion of two lenses into the zoom lens group. The IR optical system was designed in such a way that the working f-number (f/5.3) of the cold stop internally provided by the IR detector is maintained over the entire FOV when changing the zoom. We performed two analyses to investigate thermal effects on the image quality: athermalization analysis and Narcissus analysis. Athermalization analysis investigated the image focus shift and residual high-order wavefront aberrations as the working temperature changes from $-55^{\circ}C$ to $50^{\circ}C$. We first identified the best compensator for the thermal focus drift, using the Zernike polynomial decomposition method. With the selected compensator, the optics was shown to maintain the on-axis MTF at the Nyquist frequency of the detector over 10%, throughout the temperature range. Narcissus analysis investigated the existence of the thermal ghost images of the cold detector formed by the optics itself, which is quantified by the Narcissus Induced Temperature Difference (NITD). The reported design was shown to have an NITD of less than $1.5^{\circ}C$.
We have designed a mid-infrared optical system for an airborne electro-optical targeting system. The mid-IR optical system is a dual-field-of-view (FOV) optics for an airborne electro-optical targeting system. The optics consists of a beam-reducer, a zoom lens group, a relay lens group, a cold stop conjugation optics, and an IR detector. The IR detector is an f/5.3 cooled detector with a resolution of $1280{\times}1024$ square pixels, with a pixel size of $15{\times}15{\mu}m$. The optics provides two stepwise FOVs ($1.50^{\circ}{\times}1.20^{\circ}$ and $5.40^{\circ}{\times}4.23^{\circ}$) by the insertion of two lenses into the zoom lens group. The IR optical system was designed in such a way that the working f-number (f/5.3) of the cold stop internally provided by the IR detector is maintained over the entire FOV when changing the zoom. We performed two analyses to investigate thermal effects on the image quality: athermalization analysis and Narcissus analysis. Athermalization analysis investigated the image focus shift and residual high-order wavefront aberrations as the working temperature changes from $-55^{\circ}C$ to $50^{\circ}C$. We first identified the best compensator for the thermal focus drift, using the Zernike polynomial decomposition method. With the selected compensator, the optics was shown to maintain the on-axis MTF at the Nyquist frequency of the detector over 10%, throughout the temperature range. Narcissus analysis investigated the existence of the thermal ghost images of the cold detector formed by the optics itself, which is quantified by the Narcissus Induced Temperature Difference (NITD). The reported design was shown to have an NITD of less than $1.5^{\circ}C$.
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문제 정의
광학계에서 온도 변화로 인한 초점거리 변화의 발생에 대하여 단일렌즈를 통해 개념을 설명하고자 한다. 대개 온도변화에 따른 광학계의 초점거리 변화는 렌즈의 굴절률, 곡률반경, 두께의 변화 그리고 경통의 팽창 또는 수축에 의한 경우를 생각할 수 있는데 렌즈의 두께변화에 관련된 계수는 초점거리에 미치는 영향이 매우 작기 때문에 고려대상에서 제외된다.
본 논문에서는 이중시야 중적외선 광학계의 비열화 및 나르시서스를 분석하였다. 2장에서는 비열화 및 나르시서스 분석에 대한 이론적 배경을 설명하고, 3장에서는 중적외선 광학계의 나르시서스 분석과 비열화 분석을 통한 광학계 성능에 대해 서술하였다.
가설 설정
A 3D drawing of a mid-IR detector[6] and its coldstop conjugation in an optics layout. (a) Mid-IR detector design[6] , (b) Schematic optical layout of an IR optics with a cold-stopped detector.
제안 방법
또한 최소 제곱법(least-squares fitting)을 이용한 회귀직선의 계수(기울기)를 구하고 광학계의 움직임에 따른 제르니케 계수 변화율 추출하여, 최소 제곱 회귀직선의 기울기인 민감도 값을 구하며, 초점조절 이동량의 변화량이 크고 기구적으로 움직이기 쉬운 렌즈를 보상자로 선정한다. 다음 그림 6은 렌즈 이동에 대한 변수와 민감도를 구하기 위한 최소 제곱 회귀직선의 기울기에 대하여 정리하였다.
5℃ 이하가 되도록 설계된 것을 확인하였다. 또한, 비열화 분석 시 보상자를 정하기 위한 민감도 분석을 수행하였으며, 요구사항에 따라 -55~50℃의 온도 변화에서의 비열화를 수행하였다. 비열화 후 MTF 해상력을 확인한 결과 보상자 렌즈를 통해 광학계 요구조건인 33 lp/mm 에서 광축 상 10% 이상의 성능을 유지하는 것을 확인하였다.
민감도 조사는 주요 조립 오차인 축상 변위 오차(△z, 단위: mm) 및 기울기 오차(△θx , △θy, 단위: mrad)에 대하여 수행되었다.
보통의 경우 열 영상 장비의 운용 온도는 -32~55℃ 범위에서 비열화 분석을 진행하지만[14] , 본 논문은 센서 개발 요구조건에 따라 -55~50℃의 온도 변화 시 초점 이동 변화량을 분석하여 비열화 분석 및 보상자 이동량 설정을 진행하였다. 표 3에 온도 변화에 따른 각 시야 별 초점 이동량과 이를 보상하기 위한 보상자 렌즈 그룹의 필요 이동량을 정리하여 놓았다.
본 논문의 분석 대상 중적외선 광학계는 전자 광학 타겟팅을 위해 이중 시야를 가지도록 설계되었으며, 빔 축소 전단 광학계, 줌 렌즈 그룹, 릴레이 렌즈 그룹, 콜드스탑 공액 광학계 및 냉각 적외선 검출기로 구성된다. 적외선 검출기는 단일 화소의 크기가 15 × 15 µm 인 1280 × 1024 화소 배열을 가지며, 적외선 잡음을 최소화하기 위하여 f/5.
분석은 파장 영역 3.6~4.9 µm 이고, 검출기 온도는 -195.9℃ (77.3 K), 하우징과 배경온도는 -20℃ (293.2 K)로 설정하여 진행하였다.
비열화를 진행하기 전 설계된 광학계의 온도 변화에 따른 초점 이동 변화에 따라 보정을 하기 위한 보상자를 선정하기 위해 민감도 분석을 수행하게 된다. 민감도 분석은 각 광학 요소에 축상 변위 또는 비축상 변위에 변화를 주어 제르니케 (Zernike) 계수의 변화가 선형적임을 이용한 각 계수의 변화율을 추정하는 것이다.
9 µm의 중적외선 대역에서 검출기 잡음 최소화를 위하여, 극저온으로 냉각된 듀어(dewar) 내에 적외선 검출기를 설치하고, 추가적으로 적외선 광 잡음을 최소화하기 위해 듀어 내에 콜드 스탑(coldstop)을 설치한다. 선명한 이미지 획득을 위하여 적외선 광학계는 듀어 내에 설치된 콜드 스탑이 모든 시야에 대하여 100% 효율을 가지도록 콜드 스탑과 조리개 또는 입사동과 공액 관계를 가지도록 설계한다. 그림 1에 중적외선에 사용되는 냉각형 적외선 검출기의 구조와 이에 설치된 콜드 스탑의 개념적 광학 배치 구성을 보여주고 있다.
이중 시야 (1.50° × 1.20°, 5.40° × 4.32°)는 두 개의 렌즈를 삽입하는 방식으로 구현했으며, 줌 배율 변경 시 전 시야에 걸쳐 f/5.3의 콜드 스탑의 효율을 유지하도록 설계하였다.
초점 이동 변화를 제거하는 방법으로, 본 논문에서는 기계적 능동식 비열화 방법을 선택하여 진행하였다. 기계적 능동식 방법은 광학계 내에 렌즈를 이동시켜 보정하는 방법이며, 온도변화에 따라 발생하는 초점 이동을 정하여 광학계 성능을 유지시킨다.
, 본 논문은 센서 개발 요구조건에 따라 -55~50℃의 온도 변화 시 초점 이동 변화량을 분석하여 비열화 분석 및 보상자 이동량 설정을 진행하였다. 표 3에 온도 변화에 따른 각 시야 별 초점 이동량과 이를 보상하기 위한 보상자 렌즈 그룹의 필요 이동량을 정리하여 놓았다. 광시야 모드 보다는 협시야 모드에서 초점 이동량도 많이 발생하고, 이에 대응하는 보상자 이동량도 크다.
대상 데이터
본 적외선 광학계 분석에 앞서 비열화를 위한 민감도 조사 및 보상자 선정을 진행하였다. 민감도 조사는 주요 조립 오차인 축상 변위 오차(△z, 단위: mm) 및 기울기 오차(△θx , △θy, 단위: mrad)에 대하여 수행되었다.
본 중적외선 광학계의 검출기는 1280 × 1024의 해상도를 가지고 픽셀의 크기는 가로, 세로 15 µm이며, 검출기의 크기는 가로 19.2 mm, 세로 15.3 mm 이고 f-number는 5.3이다.
분석 대상 적외선 광학계는 BaF2, MgF2, ZnS, Si, Ge 와 같은 광학재료들로 구성되어있다. 이러한 광학재료들은 온도에 따른 굴절률의 변화가 크고, 가시광 대역의 재료들에 비해 재료의 분산능이 상대적으로 작으며 광학계의 하우징이나 마운트 등 기구부품도 온도변화에 따라 수축 팽창하기 때문에 적외선 광학계는 비열화 분석이 필요하다.
적외선 검출기는 단일 화소의 크기가 15 × 15 µm 인 1280 × 1024 화소 배열을 가지며, 적외선 잡음을 최소화하기 위하여 f/5.3의 냉각 콜드 스탑이 적용된 제품으로 선정하였다.
성능/효과
본 연구에서 이중시야 중적외선 광학계의 비열화 및 나르시서스 분석을 시도한 결과 넓은 운용 온도 범위를 갖는 적외선 광학계는 가장 큰 변수가 온도변화에 따른 굴절률 변화이며, 광학계 성능에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 분석 대상의 중적외선 광학계의 나르시서스 분석 결과 NITD 값이 목표 사양인 1.
본 연구에서 이중시야 중적외선 광학계의 비열화 및 나르시서스 분석을 시도한 결과 넓은 운용 온도 범위를 갖는 적외선 광학계는 가장 큰 변수가 온도변화에 따른 굴절률 변화이며, 광학계 성능에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 분석 대상의 중적외선 광학계의 나르시서스 분석 결과 NITD 값이 목표 사양인 1.5℃ 이하가 되도록 설계된 것을 확인하였다. 또한, 비열화 분석 시 보상자를 정하기 위한 민감도 분석을 수행하였으며, 요구사항에 따라 -55~50℃의 온도 변화에서의 비열화를 수행하였다.
또한, 비열화 분석 시 보상자를 정하기 위한 민감도 분석을 수행하였으며, 요구사항에 따라 -55~50℃의 온도 변화에서의 비열화를 수행하였다. 비열화 후 MTF 해상력을 확인한 결과 보상자 렌즈를 통해 광학계 요구조건인 33 lp/mm 에서 광축 상 10% 이상의 성능을 유지하는 것을 확인하였다.
앞서 그림 8에 표현되어 있듯이, 민감도 해석 및 렌즈 이동 구현의 편이성을 모두 고려하여, 렌즈 그룹 (IR L3 및 IR L4)을 비열화 보상자로 선정하였으며, 추가의 해석 결과 렌즈 그룹의 축상 이동에 대하여 초점 이동이 선형적으로 발생하고, 추가의 수차 발생량도 크지 않음을 확인하였다. 그림 9는 보상자 렌즈 그룹의 광축 이동에 대한 주요 수차 발생량을 보여주고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비열화 분석이란?
비열화 분석이란 온도변화에 따른 광학계의 성능 변화에 대해 보상자를 통하여 성능 변화를 최소로 만드는 것이다. 적외선 광학계에 사용되는 물질의 굴절률은 가시광의 영역보다 크기 때문에 온도에 따른 굴절률 변화도 커질 수밖에 없어 비열화 분석을 반드시 고려해야 한다 [10] .
적외선 광학계에 사용되는 광학재료의 단점은?
적외선 광학계에 사용되는 광학재료는 온도에 따른 굴절률의 변화가 가시광에서 사용되는 광학재료에 비하여 크다는 단점이 있다. 그 외에 렌즈의 마운트 및 광학계의 위치를 잡아주는 기구의 팽창 또는 수축에 의한 현상도 고려해야 한다.
초점 이동 변화를 제거하는 방법으로 어떤 것을 선택할 수 있나?
초점 이동 변화를 제거하는 방법으로, 본 논문에서는 기계적 능동식 비열화 방법을 선택하여 진행하였다. 기계적 능동식 방법은 광학계 내에 렌즈를 이동시켜 보정하는 방법이며, 온도변화에 따라 발생하는 초점 이동을 정하여 광학계 성능을 유지시킨다. 렌즈는 수동 또는 모터를 이용하여 움직이게 된다.
참고문헌 (14)
R. E. Aldrich, "Three elements optically compensated two position zoom for commercial FLIRs," Proc. SPIE 2539, Zoom Lenses (1995).
D. W. Anderson, "M1A2 tank commander's independent thermal viewer optics: optics design perspective," Proc. SPIE 1970, 128-138 (1993).
M. Norland and A. Rodland, "Design of high performance IR sensor," Proc. SPIE 2269, 462-471 (1994).
M. C. del la Fuente, "A compact dual FOV objective for $3-5{\mu}m$ waveband," Proc. SPIE 3061, 348-355 (1997).
M. N. Akram, "Design of a dual field-of-view optical system for infrared focal plane arrays," Proc. SPIE 4768, 13-23 (2002).
M. Meftah, F. Montmessin, O. Korablev,A. Trokhimovsky, G. Poiet, and J.-B. Bel, "High-resolution infrared detector and its electronic unit for space application," Proc. SPIE 9469, 946905 (2015).
J. W. Howard and I. R. Abel, "Narcissus: reflections on retroreflections in thermal imaging systems," Appl. Opt. 21, 3393-3397 (1982).
L. M. Scherr and H. J. Orlando, "Narcissus considerations in optical design for infrared starring arrays," Proc. SPIE 2864, 442-452 (1996).
M. N. Akram, "Simulation and control of narcissus phenomenon using nonsequential ray tracing. I. Staring camera in $3-5{\mu}m$ waveband," Appl. Opt. 49, 1185-1195 (2010).
D. Jeong, J. H. Lee, H. Jeong, C. M. Ok, and H.-W. Park, "Infrared dual-FOV optical system design with EO/laser common-aperture optics," Curr. Opt. Photon. 2 (2018) (in publication).
J. Huddleston, A. Symmons, and R. Pini, "Comparison of the thermal effects on LWIR optical designs utilizing different infrared optical materials," Proc. SPIE 9070, 90702E (2014).
R. Guodong, Z. Liang, L. Weihua, and P. Xiaodong, "Method of narcissus analysis in infrared system based on ASAP," Proc. SPIE 9795, 97952J (2015).
S. H. Kim, G. B. Ahn, J. C. Jung, and M. S. Jo, "Design of two zoom infrared camera using noise uniformity correction by shutter lens," Korean J. Opt. Photon. 18, 137-139 (2007).
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