[논문]원적외선용 반사식 전방위 비전 시스템의 광학 설계

주윤재; 조재흥; 유재명

doi:10.3807/kjop.2019.30.2.037

원적외선용 반사식 전방위 비전 시스템의 광학 설계
Optical Design of a Reflecting Omnidirectional Vision System for Long-wavelength Infrared Light 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.30 no.2, 2019년, pp.37 - 47

주윤재 (한남대학교 대학원 광.센서공학과) , 조재흥 (한남대학교 대학원 광.센서공학과) , 유재명 (금오공과대학교 광시스템공학과)

초록
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야간 감시를 위해 원적외선에서 사용하는 4개의 구면 및 비구면 거울을 갖는 반사식 전방위 비전 시스템 광학계를 제안한다. 이 반사식 전방위 비전 시스템은 유사 카세그레인식 수광부 반사경 시스템과 역 유사 카세그레인식 결상부 반사경 시스템으로 설계되었으며, 그에 따른 설계 과정과 성능 분석을 상세히 제시한다. 이 비전 시스템의 반화각과 F-수는 각각 $40{\sim}110^{\circ}$와 1.56으로 설정하였다. 그리고 원적외선 파장 영역에서 비전 시스템을 사용하기 위해서 상의 크기가 원적외선용 마이크로 볼로미터의 크기와 가능한 같아야 하므로 상의 크기를 $5.9mm{\times}5.9mm$에 맞추어 설계를 진행하였다. 최적화 설계 후 $40{\sim}110^{\circ}$의 반화각 범위에서의 상 크기의 비율은 48.86%이며, 나이퀴스트 주파수인 20 lp/mm의 공간주파수에서 원적외선의 변조전달함수 값이 0.381에 도달하였다. 또한 20 lp/mm의 공간주파수에서 원적외선 영역에 대한 공차의 누적 확률은 99.75%였다. 또한 역 유사 카세그레인식 구조의 결상부 부경을 온도 변화에 따른 변조전달함수 값을 개선시키는 보상자로 선택하여 반사식 전방위 비전 시스템의 운용 온도 범위인 $-32^{\circ}C$에서 $+55^{\circ}C$의 온도 범위에서 비열화 해석 및 보상화 과정을 진행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A reflecting omnidirectional optical system with four spherical and aspherical mirrors, for use with long-wavelength infrared light (LWIR) for night surveillance, is proposed. It is designed to include a collecting pseudo-Cassegrain reflector and an imaging inverse pseudo-Cassegrain reflector, and the design process and performance analysis is reported in detail. The half-field of view (HFOV) and F-number of this optical system are $40-110^{\circ}$ and 1.56, respectively. To use the LWIR imaging, the size of the image must be similar to that of the microbolometer sensor for LWIR. As a result, the size of the image must be $5.9mm{\times}5.9mm$ if possible. The image size ratio for an HFOV range of $40^{\circ}$ to $110^{\circ}$ after optimizing the design is 48.86%. At a spatial frequency of 20 lp/mm when the HFOV is $110^{\circ}$, the modulation transfer function (MTF) for LWIR is 0.381. Additionally, the cumulative probability of tolerance for the LWIR at a spatial frequency of 20 lp/mm is 99.75%. As a result of athermalization analysis in the temperature range of $-32^{\circ}C$ to $+55^{\circ}C$, we find that the secondary mirror of the inverse pseudo-Cassegrain reflector can function as a compensator, to alleviate MTF degradation with rising temperature.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Geometrical ray tracing of the principal ray incident to the collecting reflector system of a reflecting omnidirectional optical system with a wide field of view. (a) Principal ray entering at an upward angle and (b) principal ray entering at a downward angle.
그림 Fig. 2. Geometrical ray tracing of the principal ray that is incident to the imaging reflector system of a reflecting omnidirectional optical system to focus an image to an optical sensor.
그림 Fig. 3. Paraxial ray tracing of the optical path in the collecting reflector system and imaging reflector system. Although the geometrical arrangement of these mirrors is M2, M1, M3, and M4 in order, rays strike in the order of M1, M2, M4, and M3.
표 Table 1. Various specifications of the reflecting omnidirectional optical system for long wavelength infrared determined by initial optical system design
그림 Fig. 4. Optical path of the initial design of the reflecting omnidirectional optical system with four spherical mirrors with various fields.
표 Table 2. RDN data according to initial design of the reflecting omnidirectional optical system
표 Table 3. RDN data according to optimized design of the reflecting omnidirectional optical system
그림 Fig. 5. Optical path of the reflecting omnidirectional optical system composed of a spherical mirror and three aspherical mirrors designed by the optimization design method starting from the initial design.
$Fig. 6. Various MTFs as a function of spatial frequency from 0 to 28 lp/mm, which are dependent on fields in LWIR ranges of the reflecting omnidirectional optical system obtained by the optimized optical design. The red, green, blue, and brown curves are MTF curves of 0.36 field, 0.55 field, 0.73 field, and 1.00 field, respectively, and the black curve corresponds to the MTF in case at the diffraction limit. The solid and dotted curves depict the MTFs of the meridional and sagittal ray, respectively.$ 그림 Fig. 6. Various MTFs as a function of spatial frequency from 0 to 28 lp/mm, which are dependent on fields in LWIR ranges of the reflecting omnidirectional optical system obtained by the optimized optical design. The red, green, blue, and brown curves are MTF curves of 0.36 field, 0.55 field, 0.73 field, and 1.00 field, respectively, and the black curve corresponds to the MTF in case at the diffraction limit. The solid and dotted curves depict the MTFs of the meridional and sagittal ray, respectively.
표 Table 4. Aspheric coefficient data according to optimized design of the reflecting omnidirectional optical system
그림 Fig. 7. Spot diagram showing the position and shape of the ray arriving at the effective area of an imaging sensor in the optimized design.
그림 Fig. 8. Cumulative probability as a function of MTF according to various fields in LWIR ranges. F1 (red curve), F2 (green curve), F3 (blue curve), and F4 (pink curve) correspond to cumulative probabilities, which depict the tolerance of MTF according to 0.36 field, 0.55 field, 0.73 field, and 1.0 field, respectively.
그림 Fig. 9. MTFs according to various fields before (small graphs) and after (large graphs) performing the compensation process by the athermalization analysis for the LWIR ranges at (a) -32°C and (b) 55°C. We choose M3, the nearest component to the image sensor, as the compensator.
그림 Fig. 10. Variation of the image distance (black triangles) and the moving distance of compensator (black squares) by means of the athermalization analysis.
그림 Fig. 11. EFL variation before (black squares) and after (black triangles) the compensating process in the range of temperature from -32°C to 55°C.

AI 본문요약
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문제 정의

그림 4에서 볼 수 있듯이 4개의 구면 거울로 구성된 기초 설계 조건에서 물체로부터 입사한 빛이 이미지 센서에 결상하지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 기초 설계를 바탕으로 최적화 설계를 진행하여 개선된 반사식 전방위 비전 시스템을 설계하고자 한다.
본 논문에서는 야간 감시 및 보안을 위해 원적외선(8~12µm)에서 사용할 수 있는 반사식 전방위 비전 시스템을 설계하고 분석하였다.
본 논문에서는 야간 전방위 감시를 위해서 원적외선(8~12µm)의 파장 영역에서 사용 가능한 4개의 구면거울과 비구면 거울만을 사용한 반사식 전방위 비전 시스템을 제안하고, 이에 대하여 기초 설계와 최적화 설계를 진행하고자 한다.

가설 설정

여기서 dps는 M1과 M2 사이의 거리를 나타내며, 이 값은βd=βd.max의 조건 하에서 중심 구멍을 통해 결상부 반사경시스템으로 입사하는 광선의 광경로를 고려하여 70 mm로설정하였다.

제안 방법

5. Optical path of the reflecting omnidirectional optical system composed of a spherical mirror and three aspherical mirrors designed by the optimization design method starting from the initial design.
그림 1에서 볼수 있듯이 수광부 반사경 시스템의 주경(M1)과 부경(M2)의모양과 구성의 유사성 때문에 유사 카세그레인 반사경이 연상되며, 이를 통해 중심 구멍을 포함하는 M1의 곡률 반경(r₁)에 따라 360°의 방위각 범위 중 40~110°의 반화각(광축과 수직인 축을 기준으로 상방 50°와 하방 20°)으로 입사하는 주광선의 광경로를 계산할 수 있다. 계산된 결과에 따라서 M2의 곡률 반경 및 직경의 초기값과 M1의 중심 구멍크기(차폐된 영역)를 결정하였다. 이 때 그림 1(a)와 1(b)에서볼 수 있듯이 M1의 중심 구멍은 M2에서 반사하는 모든 광선을 완벽하게 통과시키는 역할을 한다.
본 논문에서는 야간 전방위 감시를 위해서 원적외선(8~12µm)의 파장 영역에서 사용 가능한 4개의 구면거울과 비구면 거울만을 사용한 반사식 전방위 비전 시스템을 제안하고, 이에 대하여 기초 설계와 최적화 설계를 진행하고자 한다. 그리고 공차 분석을 통해 반사식 전방위 비전 시스템의 제작및 조립 정밀도를 조사하고, 비전 시스템의 운용 온도 범위에 대한 비열화 해석을 진행하여 보상자의 기능과 보상 정도를 분석하고자 한다.
또한 최적화 설계를 진행함에 있어서 필드 별 광선이 상면에 도달할 때 광선의 최대 높이, 즉 110°의 가장 큰 반화각으로 입사하는 광선의 필드가 상면에 도달하는 위치는 센서의 최대 크기와 유사해야 하기 때문에 이를 고려하여 최적화 설계를 진행하였다. 그리고 반사식전방위 비전 시스템의 제작과 조립의 단순화를 위해 M1과 M4의 반지름과 중심 구멍의 크기를 동일하게 설정하여 하나의 광학부품으로 제작할 수 있도록 하였다.
그리고 본 논문의 반사식 전방위 비전시스템은 운용 온도를 고려하여 -32°C부터 +55°C까지의 온도 범위에서 비열화 해석을 진행하였다.
먼저 40~110°의 반화각으로 입사하는 모든 광선이 이미지센서에 도달하도록 하기 위해 간단한 기하학 및 기하광학을사용하여 반사식 전방위 비전 시스템의 대략적인 구성 및 수광부 반사경 시스템과 결상부 반사경 시스템의 형상 결정과 기초 설계를 진행하였다. 기초 설계에서 나타난 M3에서 발생한 광의 차폐 및 이미지 센서에서의 결상 문제를 해결하기 위해 M1만 구면으로 유지하고 나머지 거울 면은 비구면을 사용하여 효율적으로 이미지 센서에 상이 결상되도록 최적화 설계를 진행하였다. 40~110°의 반화각을 갖는 반사식 전방위 비전 시스템의 최적화 설계를 진행한 결과 원적외선 파장 영역에서 MTF는 나이퀴스트 주파수인 20 lp/mm에서 MTF가 0.
에 설명된 규칙과 동일하도록 설정하였다. 다시 말해서 반사식 전방위 비전 시스템의 초기 형상을 결정하기 위한 이론적인 방정식을 도출하기 위해 관습적인 부호 규약과 달리 이 논문의 그림과 표에 제시한 모든 각도와 거리에는 양수 부호를 적용하였다.
따라서 거울의 재질은 비용이 저렴하며 쉽게 제작할수 있고 5.0 × 10-7 mm/°C의 낮은 열 팽창 계수를 갖는 용융석영을 선택하였다[17].
따라서 반사식 전방위 비전 시스템을 이용하여 결상되는 이미지의 크기를 유효 결상 영역의 크기와 유사하도록 5.9 mm × 5.9 mm으로 결정하였다.
이 때 결상부 반사경 시스템은 수광부 반사경시스템의 유사 카세그레인 유형과 대조적으로 광선이 도달하는 순서가 바뀌었으므로 이것을 역 유사 카세그레인 유형이라고 명명하였다. 또한 반사식 전방위 비전 시스템의 전체크기를 줄이고 자이델 3차 수차를 최소화하기 위해 그림 2에표시된 순서대로 거울을 정렬하였다.
또한 최적화 설계를 진행함에 있어서 필드 별 광선이 상면에 도달할 때 광선의 최대 높이, 즉 110°의 가장 큰 반화각으로 입사하는 광선의 필드가 상면에 도달하는 위치는 센서의 최대 크기와 유사해야 하기 때문에 이를 고려하여 최적화 설계를 진행하였다.
렌즈로 구성된 광학계에서 발생하는 색수차를 피하면서 원적외선의 파장 영역에서 간단한 광학계를 유지하기 위해 반사굴절식 전방위 비전 시스템 대신 반사식 전방위 비전 시스템을 고안하였다. 반사식 비전 시스템에서는 넓은 반화각을 좁은 반화각으로 변환하기 위한 수광부 반사경 시스템(collectingreflector system)과 수광부 반사경 시스템의 이미지를 그림 1과 같이 이미지 센서에 결상시키기 위한 결상부 반사경 시스템(imaging reflector system)으로 구성하였다.
먼저 40~110°의 반화각으로 입사하는 모든 광선이 이미지센서에 도달하도록 하기 위해 간단한 기하학 및 기하광학을사용하여 반사식 전방위 비전 시스템의 대략적인 구성 및 수광부 반사경 시스템과 결상부 반사경 시스템의 형상 결정과 기초 설계를 진행하였다.
렌즈로 구성된 광학계에서 발생하는 색수차를 피하면서 원적외선의 파장 영역에서 간단한 광학계를 유지하기 위해 반사굴절식 전방위 비전 시스템 대신 반사식 전방위 비전 시스템을 고안하였다. 반사식 비전 시스템에서는 넓은 반화각을 좁은 반화각으로 변환하기 위한 수광부 반사경 시스템(collectingreflector system)과 수광부 반사경 시스템의 이미지를 그림 1과 같이 이미지 센서에 결상시키기 위한 결상부 반사경 시스템(imaging reflector system)으로 구성하였다. 그림 1에서 볼수 있듯이 수광부 반사경 시스템의 주경(M1)과 부경(M2)의모양과 구성의 유사성 때문에 유사 카세그레인 반사경이 연상되며, 이를 통해 중심 구멍을 포함하는 M1의 곡률 반경(r₁)에 따라 360°의 방위각 범위 중 40~110°의 반화각(광축과 수직인 축을 기준으로 상방 50°와 하방 20°)으로 입사하는 주광선의 광경로를 계산할 수 있다.
반사식 전방위 비전 시스템을 통해 원적외선의 파장 영역에서의 이미지를 결상하기 위해서 사용할 이미지 센서는 비교적 저렴한 비용과 최적의 성능을 낼 수 있는 마이크로 볼로미터(micro-bolometer)센서(Semiconductor Co., Bird384)를선택하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이 화소 크기 및 유효 결상 영역은 25 µm × 25 µm, 10 mm × 7 mm이다.
반사식 전방위 비전 시스템의 기초 설계는 그림 1과 그림2에 나와있는 수광부 반사경 시스템과 결상부 반사경 시스템의 초기 형상과 표 1의 사양을 바탕으로 진행하였다. 이미지 센서에서 상을 관측함에 있어서 상의 잘림없이 관측하기위해서 상의 높이를 이미지 센서의 유효 결상 영역의 단축의절반인 3 mm보다 약간 작도록 2.
반사식 전방위 비전 시스템의 기초 설계를 진행함에 있어서 발생한 광선의 차폐 및 결상의 문제를 해결하기 위해 기초 설계를 바탕으로 최적화 설계를 진행하였다. 광학 설계소프트웨어인 CODE V® 를 사용하여 최적화 설계를 진행한 결과, 표 3에서 나타낸 바와 같이 2, 4, 5번면(그림 3의 M2,M3, M4)을 비구면으로 설정하여 적절한 RDN 데이터를 얻었다.
반사식 전방위 비전 시스템의 크기를 고려하기 위해 M2와 이미지 센서 사이의 거리인 총 시스템의 전장 길이, M4에서부터 이미지 센서까지의 거리(d_IRS), M3와 M4 사이의 거리(d₃₄)는 임의의 차폐 효과 없이 근축 광선 추적을 사용하여각각 270 mm, 160 mm, 50 mm로 설정하였다. 이 때 그림 1과 그림 2에서 볼 수 있듯이 반사식 전방위 비전 시스템을 최소한의 크기로 설계하기 위해 d_PS+d_PP+d₃₄을 의미하는 d₂₃은 160 mm가 된다.
앞서 언급한대로 반사식 전방위 비전 시스템은 원적외선(8~12 µm)에서 사용할 수 있도록 하기 위해서 그림 1과 그림 2에서 나타낸 바와 같이 4개의 거울을 포함하는 수광부 반사경 시스템과 결상부 반사경 시스템으로 구성하였다.
원적외선 파장 영역에 대하여 -32°C~+55°C의 온도 범위에서 비열화 분석을 진행한 결과, 비전 시스템의 성능이 급격히 떨어진다는 것을 알 수 있다. 온도 변화로 인해 떨어지는 성능을 보완하기 위해 이미지 센서에서 가장 가까운 위치에 있는 M3을 보상자로 선택하여 보상화 과정을 진행하였다. 동일한 온도에서 원적외선 파장 영역에 대하여 보상화 과정전후의 MTF를 비교해보면 보상화 과정 전에는 성능이 매우 저하되어 사용이 불가능하지만, 보상화 과정 후에는 설계 기본 온도인 +20°C의 MTF 성능과 유사함을 확인하였다.
반사식 전방위 비전 시스템의 기초 설계는 그림 1과 그림2에 나와있는 수광부 반사경 시스템과 결상부 반사경 시스템의 초기 형상과 표 1의 사양을 바탕으로 진행하였다. 이미지 센서에서 상을 관측함에 있어서 상의 잘림없이 관측하기위해서 상의 높이를 이미지 센서의 유효 결상 영역의 단축의절반인 3 mm보다 약간 작도록 2.95 mm로 설정하였다. 그림 3에서는 반사식 전방위 비전 시스템의 F-수와 반화각을 표 1에 나타낸 것과 같이 설정한 후 주광선(굵은 적색선)과 주변광선(얇은 적색선)에 대한 일반적인 광경로를 나타내었다.
이에 따라 곡률 반경, 면 사이의 거리, 불균일도, 기울기 및 변위의 공차의 양은 참고문헌 [12]를 참고하여 각각 0.05%, 30 µm,λ/2, 1분, 15 µm으로 정밀하게 설정한 상태에서 공차 분석을하였다.
그림 1의 M1과 그림 2의 M4사이의 거리는 d_pp로 정의되며, M4는 반사식 전방위 비전시스템의 구경 조리개가 위치한 중심 구멍을 포함하는 구면거울이다. 초기 형상 결정에 있어서 두 반사경 시스템의 주경인 M1과 M4는 단순한 설계를 위해 직경을 차폐된 영역과 동일하도록 설정하였고, 수차 및 비전 시스템의 크기를 최소화하기 위해 d_pp를 40 mm로 결정하였다.

대상 데이터

3333px;"> α_d, d_pp를 각각 35 mm, 41°, 40 mm로 결정함에 따라 그림 2의 결상부 반사경 시스템에 하방 주광선으로 입사하는 최대 입사각인 α_f를 기하광학적으로 계산해보면 약7°가 된다. 그리고 반사식 전방위 비전 시스템에서 최소한의 광학부품을 사용하기 위해서 결상부 반사경 시스템의 초기형상은 수광부 반사경 시스템과 유사하게 2장의 거울만으로 구성하였다. 이 때 결상부 반사경 시스템은 수광부 반사경시스템의 유사 카세그레인 유형과 대조적으로 광선이 도달하는 순서가 바뀌었으므로 이것을 역 유사 카세그레인 유형이라고 명명하였다.
그림 9는 -32°C ((a))와 +55°C ((b))에서 원적외선 파장 영역에 대해 비열화 해석을 진행함에 따라 다양한 필드에 대한보상화 과정 전(작은 그래프)과 보상화 과정 후(큰 그래프)의MTF 그래프이다. 이 때 비열화 해석 후 보상화 과정에 있어서 보상자(compensator)는 이미지 센서와 가장 가까운 위치에 있는 M3을 선택하였다. 그림 9에서 적색, 녹색, 청색 및분홍색 곡선은 각각 0.
86%로 최적화설계되었다. 이 때 수광부 반사경 시스템의 부경에서부터 이미지 센서까지의 거리인 비전 시스템의 총 길이는 약 280 mm이고, 광경로를 고려한 광학 면의 전체 길이인 전장 길이는 약 40 mm이다.
그림 3에서는 반사식 전방위 비전 시스템의 F-수와 반화각을 표 1에 나타낸 것과 같이 설정한 후 주광선(굵은 적색선)과 주변광선(얇은 적색선)에 대한 일반적인 광경로를 나타내었다. 전방위 비전 시스템에 대한 근축 광선 추적으로부터 수광부반사경 시스템의 유효초점길이와 후방 초점 길이는 각각 9mm와 20 mm이고, 결상부 반사경 시스템의 유효초점 길이는36 mm이다. 표 2는 반사식 전방위 비전 시스템의 기초 설계에 따른 RDN 데이터로 각 면의 유형, 곡률 반경, 두께, 반지름 및 모드를 나타내며, 두께는 인접한 면 사이의 거리를 나타내고 반지름은 각 면에서의 광선 높이를 의미한다.

성능/효과

-32°C부터 +55°C까지 15°C 간격의 온도와 설계 기본 온도인 +20°C에서 보상화 과정 전후의 유효초점길이를 비교한 결과 각각 0.023mm, 0.0154 mm, 0.0088 mm, 0.0022 mm, 0 mm, -0.0044mm, -0.0153 mm만큼 보상이 이루어졌음을 확인할 수 있다.
20 lp/mm의 공간주파수에서 MTF가 0.3일 때 공차 MTF의 누적 확률을 분석한 결과, 원적외선 파장 영역의 각각의 필드에서 누적 확률은 1.0필드를 제외하고는 99.99%를 달성하였고, 1.0필드의 경우 99.75%를 달성하였다. 이 결과로부터 제작 및 조립을 고려했을 때, 20 lp/mm의 공간 주파수에서 MTF가 0.
40~110°의 반화각을 갖는 반사식 전방위 비전 시스템의 최적화 설계를 진행한 결과 원적외선 파장 영역에서 MTF는 나이퀴스트 주파수인 20 lp/mm에서 MTF가 0.381에 도달하였다.
이 결과로부터 비열화 해석 후 보상화 과정에 의해 비전 시스템의 성능이 충분히 개선된다는 것을 알 수있다. 결론적으로 4개의 거울을 갖는 반사식 전방위 비전 시스템은 야간 감시를 위한 카메라 시스템에 적용되어 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 본 광학계는 거울로만 이루어진 광학계이므로 원적외선에 최적화된 야시용 광학계이지만, 근적외선과 가시광 영역에서도 적용이 가능하리라 예상된다.
광학 설계소프트웨어인 CODE V® 를 사용하여 최적화 설계를 진행한 결과, 표 3에서 나타낸 바와 같이 2, 4, 5번면(그림 3의 M2,M3, M4)을 비구면으로 설정하여 적절한 RDN 데이터를 얻었다.
75%이다. 그 결과 반사식 전방위 비전 시스템의 원적외선 파장 영역에 대해 나이퀴스트 주파수인 20 lp/mm에서 MTF가 0.3일 때 공차 MTF의 누적 확률은 모두 90% 이상임을 알 수 있다.
그리고 각각의 온도에서 보상화 과정 후 유효초점길이를 설계 기본 온도인 +20°C에서의 유효초점길이인 2.1420 mm와 비교했을 때 최대 약 0.0002 mm만큼 차이가 발생하는데, 이를 통해 보상화 과정을 진행함에 따라 유효초점길이의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.
따라서 수광부 반사경 시스템과 결상부 시스템의 유효초점길이 비율은 약 1 : 4로 표 1의 설계 사양을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 최적화 설계를 진행한 결과 M2와 M3 사이의 거리는 약 156 mm이고, 광경로에 따라 M1과 M4 사이의 길이의 합인 전장 길이는 40 mm이다.
그림 10과 그림 11을 통해 상거리의 변화량, 보상자의 이동량 및 보상화 과정 전후의 유효초점길이를 분석한 결과,-32°C부터 +55°C까지의 온도 범위에서 보상자와 이미지 센서는 각각 최대 약 0.13 mm, 약 0.34 mm만큼 움직임에 따라 설계 기본 온도인 +20°C에서의 MTF 성능과 가까운 MTF성능을 쉽게 달성할 수 있음을 확인하였다.
동일한 온도에서 원적외선 파장 영역에 대하여 보상화 과정전후의 MTF를 비교해보면 보상화 과정 전에는 성능이 매우 저하되어 사용이 불가능하지만, 보상화 과정 후에는 설계 기본 온도인 +20°C의 MTF 성능과 유사함을 확인하였다.
719 mm이다. 따라서 수광부 반사경 시스템과 결상부 시스템의 유효초점길이 비율은 약 1 : 4로 표 1의 설계 사양을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 최적화 설계를 진행한 결과 M2와 M3 사이의 거리는 약 156 mm이고, 광경로에 따라 M1과 M4 사이의 길이의 합인 전장 길이는 40 mm이다.
3일 때 모든 경우에서 누적 확률이 90% 이상이 되는 것을 확인하였다. 따라서 최적화 설계된 반사식 전방위 비전 시스템이 성능과 공차에 있어서 우수한 특성을 가지고 있다고 결론지을 수 있다.
또한 광선 추적으로부터 βu 또는 βd가 증가함에 따라 광선이 이미지 센서의 중심부 또는 가장자리를 향한다는 것을 쉽게 확인할 수 있다.
또한 이미지센서의 수광 영역을 효과적으로 사용하기 위함과 동시에 상의 압축이 너무 많이 일어나지 않도록 하기 위해서 이미지에대한 단축의 절반의 비율은 50%보다 작도록 설정하였고, 그결과 40°로 입사한 광선이 결상되는 상의 높이와 110°로 입사한 광선이 결상되는 상의 높이 비율이 48.86%로 최적화설계되었다.
86%이다. 반사식 전방위 비전 시스템의 최적화 설계를 진행한 결과로부터 비전 시스템의 유효초점길이는 2.14 mm이고, 수광부 반사경 시스템과 결상부 반사경 시스템의 유효초점길이는 각각 8.806 mm, 33.719 mm이다. 따라서 수광부 반사경 시스템과 결상부 시스템의 유효초점길이 비율은 약 1 : 4로 표 1의 설계 사양을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
원적외선 파장 영역에 대하여 -32°C~+55°C의 온도 범위에서 비열화 분석을 진행한 결과, 비전 시스템의 성능이 급격히 떨어진다는 것을 알 수 있다.
또한 보상화 과정 후의 상거리 변화량 및 유효초점길이는 거의 변하지 않는다. 이 결과로부터 비열화 해석 후 보상화 과정에 의해 비전 시스템의 성능이 충분히 개선된다는 것을 알 수있다. 결론적으로 4개의 거울을 갖는 반사식 전방위 비전 시스템은 야간 감시를 위한 카메라 시스템에 적용되어 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
75%를 달성하였다. 이 결과로부터 제작 및 조립을 고려했을 때, 20 lp/mm의 공간 주파수에서 MTF가 0.3일 때 모든 경우에서 누적 확률이 90% 이상이 되는 것을 확인하였다. 따라서 최적화 설계된 반사식 전방위 비전 시스템이 성능과 공차에 있어서 우수한 특성을 가지고 있다고 결론지을 수 있다.
최적화 설계를 진행한 결과 반사식 전방위 비전 시스템은 1개의 구면 거울과 3개의비구면 거울로 구성되었고, 광축에서 측정한 40~110°의 반화각 범위에서 입사한 광선은 수광부 반사경 시스템과 결상부 반사경 시스템을 통해 상면에 결상된다.

후속연구

결론적으로 4개의 거울을 갖는 반사식 전방위 비전 시스템은 야간 감시를 위한 카메라 시스템에 적용되어 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 본 광학계는 거울로만 이루어진 광학계이므로 원적외선에 최적화된 야시용 광학계이지만, 근적외선과 가시광 영역에서도 적용이 가능하리라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전방위 비전 시스템은 주로 어디에 사용되는가?	최근에는 무게와 가격을 줄이고 가시광이나 원적외선에서 사용하기 위해 거울과 렌즈로 구성된 반사굴절식 전방위 비전 시스템이 보고되었다[8-15]. 이러한 전방위 비전 시스템은 주로 무인 자동차 및 로봇의 주간용과 야간용을 구분하여 감시 및 교차로 및 주요 시설의 보안에 대한 실시간 360° 이미지의 획득에 주로 사용된다.
	전방위 비전 시스템이란?	전방위 비전 시스템은 광축을 기준으로 전방위, 즉 360°방위각 범위와 수평면의 상하로 보는 화각에 들어온 물체를 실시간으로 광학계의 기계적인 움직임 없이 한 번에 촬영할 수 있는 단일 광학계로 90°의 반화각을 가진 어안렌즈보다 반화각이 크다[1]. 1994년에는 전방위를 관측하기 위해 두 대이상의 카메라를 사용하는 불완전한 전방위 비전 시스템이 보고되었고[2], 1997년에는 사다리꼴 및 원추형 거울과 몇 개의 렌즈로 구성된 반사굴절식 전방위 카메라가 제안되었다[3].
	최근 어안 렌즈로 구성되어 개발된 전방위 비전 시스템은 무엇인가?	그리고 렌즈로 구성된 반사굴절식 전방위 비전 시스템이 2011년과 2015년에 개발되었다[6,7]. 최근에는 무게와 가격을 줄이고 가시광이나 원적외선에서 사용하기 위해 거울과 렌즈로 구성된 반사굴절식 전방위 비전 시스템이 보고되었다[8-15]. 이러한 전방위 비전 시스템은 주로 무인 자동차 및 로봇의 주간용과 야간용을 구분하여 감시 및 교차로 및 주요 시설의 보안에 대한 실시간 360° 이미지의 획득에 주로 사용된다.

참고문헌 (17)

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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