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이중 시야 중적외선 광학계 비열화·나르시서스 분석
Athermalization and Narcissus Analysis of Mid-IR Dual-FOV IR Optics 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.29 no.3, 2018년, pp.110 - 118  

정도환 (공주대학교 기하광학연구실) ,  이준호 (공주대학교 기하광학연구실) ,  정호 (LIG 넥스원(주)) ,  옥창민 (LIG 넥스원(주)) ,  박현우 (LIG 넥스원(주))

초록
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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$$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 분석$-55{\sim}50^{\circ}C$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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (14)

  1. R. E. Aldrich, "Three elements optically compensated two position zoom for commercial FLIRs," Proc. SPIE 2539, Zoom Lenses (1995). 

  2. D. W. Anderson, "M1A2 tank commander's independent thermal viewer optics: optics design perspective," Proc. SPIE 1970, 128-138 (1993). 

  3. M. Norland and A. Rodland, "Design of high performance IR sensor," Proc. SPIE 2269, 462-471 (1994). 

  4. M. C. del la Fuente, "A compact dual FOV objective for $3-5{\mu}m$ waveband," Proc. SPIE 3061, 348-355 (1997). 

  5. M. N. Akram, "Design of a dual field-of-view optical system for infrared focal plane arrays," Proc. SPIE 4768, 13-23 (2002). 

  6. 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). 

  7. J. W. Howard and I. R. Abel, "Narcissus: reflections on retroreflections in thermal imaging systems," Appl. Opt. 21, 3393-3397 (1982). 

  8. L. M. Scherr and H. J. Orlando, "Narcissus considerations in optical design for infrared starring arrays," Proc. SPIE 2864, 442-452 (1996). 

  9. 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). 

  10. M. Bayar and O. F. Farsakoglu, "Mechanically active athermalization of a forward looking infrared system," Infrared Phys. Technol. 43, 91-99 (2002). 

  11. 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). 

  12. 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). 

  13. R. Guodong, Z. Liang, L. Weihua, and P. Xiaodong, "Method of narcissus analysis in infrared system based on ASAP," Proc. SPIE 9795, 97952J (2015). 

  14. 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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