• Current Optics and Photonics
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• 제8권4호
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• pp.366-374
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• 2024

This paper presents an optimum method for determining the parameters to athermalize a long-wavelength infrared (LWIR) zoom camera by introducing the defocus sensitivity analysis. To effectively find parameters that significantly affect thermal defocus, we simulated athermal analysis with temperature changes for all variables. Consequently, we found that the optimum parameter to correct thermal defocus is the compensation lens, and its movements with temperature at each zoom position are obtained from the simulated athermal analysis. To verify the efficiency of our athermal approach, we performed actual athermal tests in a broad temperature range at each zoom position. The simulated athermal analysis provides the initial position of the compensation lens at the corresponding temperature and zoom position. Then the compensation lens is elaboratively moved to serve the highest live contrast ratio (LCR) for the target. This experiment shows that the compensation lens locations in the actual test are closely matched to those in the simulated athermal analysis. In addition, two outdoor tests conducted in two different environments confirm that the autofocus system suggested in this study performs well at all zoom positions. Using the proposed athermal analysis approach in this paper, we efficiently realize an athermal system over the specified temperature and zoom ranges.

• 한국광학회지
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• 제23권4호
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• pp.154-158
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• 2012

본 논문에서는 적외선 광학장비의 가격 경쟁력을 확보하고자 상대적으로 저렴한 비용으로 제작이 가능한 PGM(Precision Glass Molding) 가공 렌즈로 구성된, 비냉각형 검출기용 적외선 광학계를 설계 및 제작하였다. PGM 가공이 가능하도록 광학계의 모든 렌즈에 칼코게나이드 유리(Chalcogenide Glass) 소재를 사용하였으며, 자체 비열화가 구현되도록 설계하였다. 또한 기존 가공법인 SPDT(Single Point Diamond Turning) 방법으로 제작된 렌즈로, 동일한 광학계를 구성하여 PGM 가공 렌즈의 성능 측정에 사용하였다. 제작된 두 광학계의 변조전달함수(MTF) 측정 결과와 실제 영상의 촬영 결과를 비교하여 분석한 결과, 가공 방법에 따른 렌즈의 성능 차이는 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 PGM 가공 렌즈의 사용이 증가하면, 적외선 광학장비의 가격 경쟁력이 향상될 것으로 기대된다.

• 한국광학회지
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• 제30권6호
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• pp.219-225
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• 2019

냉각형 검출기를 사용하는 열상장비에서 렌즈의 표면 반사율에 의해 발생하는 나르시서스는 검출기의 불균일 보정(non-uniformity correction, NUC)에 의해 제거할 수 있다. 그래서 일반적으로 열상장비에서는 나르시서스를 무시할 수 있다고 가정한다. 그러나 불균일 보정은 시스템의 민감도를 감소시켜 열상장비의 성능인 최소분해능온도차에 영향을 줄 수 있다. 또한 시스템 내부의 온도가 변하면 불균일 보정 후에도 나르시서스에 의해 음영이 발생할 수 있다. 그래서 설계 단계에서 나르시서스를 고려한 설계가 필요하다. 본 논문에서는 중적외선 광학계를 설계하고 렌즈 표면 반사율을 1%로 설정하여 나르시서스 양을 분석하였다. 또한 설계를 초기설계, 개선설계, 최소화설계 단계로 구분하여 나르시서스 양을 초기 설계 대비 약 56% 수준으로 개선하였다.

• 한국광학회지
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• 제15권5호
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• pp.423-428
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• 2004

320${\times}$240 배열의 중적외선 대역(3.7 $\mu\textrm{m}$∼4.8 $\mu\textrm{m}$) MCT(HgCdTe) 검출기를 이용하여 분해능과 신뢰도가 대폭 향상된 소형$.$고성능의 적외선 열상센서를 설계, 제작하였다. 개발된 열상센서는 1∼20배의 고배율 줌 광학계로 설계하고 미세주사 기법을 적용하여 640${\times}$480의 화소를 재현하여 항공기의 항법 보조로부터 표적획득에 이르기까지 다양한 활용이 가능하다. 적용된 적외선 줌 광학계는 릴레이 형태의 재결상계로 설계되었으며 미세주사 장치의 개발로 7.6 cycles/mrad 까지 분해가 가능하며 최저배율에서 40$^{\circ}$${\times}$30$^{\circ}$의 초광각(super wide field of view)의 시계를 갖는다. 또한 불균일 보정기법과 히스토그램 가변방식의 결합을 통한 첨단 열 영상처리 기법을 제안하여 열상센서에 적용함으로써 고성능의 실시간 디지털 영상처리를 가능케 하였다. 본 신호처리기의 개발을 통해 획득된 열영상의 최소분해가능 온도차는 고배율에서 0.05K(＠1cycles/mrad) 이하의 우수한 결과를 보였다.

• 한국광학회지
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• 제31권2호
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• pp.96-104
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• 2020

주간 무인 감시를 위하여 가시광 파장 범위인 400~700 nm에서 렌즈와 거울의 기능을 동시에 갖는 구멍 없는 하이브리드 렌즈를 활용한 반사굴절식 전방위 줌 광학계를 설계하고 그 성능을 분석하였다. 하이브리드 렌즈는 렌즈에 구멍을 뚫는 작업이 없고 광학 부품의 수량을 줄일 수 있기 때문에 전방위 줌 광학계의 제작과 조립에서 많은 장점을 갖는다. 이 광학계에서 결상된 도넛 형태의 상에서 안쪽의 압축된 낮은 공간주파수의 상 영역을 확대하여 보기 위해서 줌 렌즈의 기능을 추가한 전방위 광학계의 최적화 설계를 진행하였다. 그 결과 최적화 설계된 광학계의 변조전달함수, 스폿 다이어그램 분석, 공차 분석을 통해 이 광학계의 성능을 분석한 결과로부터 설계 목표 사양을 만족함을 알 수 있었다. 줌 광학계를 주밍할 때 -30~50℃의 온도 변화에 따른 비열화 해석을 한 결과, 적절한 렌즈의 재질을 선정하여 온도 변화에도 상 거리 변화가 거의 없는 광학계임을 확인하였다.

• 한국광학회지
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• 제28권5호
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• pp.241-249
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• 2017

본 논문에서는 $7.7{\mu}m$에서 $12.8{\mu}m$ 파장 대역에 적용 가능한 비냉각 열상장비 광학계를 설계 및 분석 하였다. 최적화 과정을 통하여 설계된 원적외선 광학계의 유효초점거리는 5.44 mm를 가지며, 4면의 비구면과 2면의 회절면을 포함하였다. 광학계의 F/수는 F/1.2로 설정하였고, 시야각은 $90^{\circ}{\times}67.5^{\circ}$가 되도록 하였다. 회절면이 적용된 hybrid 렌즈를 이용하여 보다 효율적으로 고차 수차가 보정되도록 하였고, 이때 발생되는 회절 특성은 scalar 회절 효율을 이용하여 평가하였다. 또한 hybrid 렌즈에서 발생되는 회절 현상에 의한 통합 회절효율을 예측하고 배경잡음에 의한 MTF 저하를 고려하였다. 원적외선 광학계의 온도 변화에 따른 보상은 광학식 비열화를 이용하여 광학계의 MTF 성능이 초점 심도 내에서 유지되도록 하였다. 결론적으로 비냉각 열상장비에 효율적으로 적용 가능한 광학설계 결과를 얻었다.

• 한국광학회지
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• 제33권6호
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• pp.287-294
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• 2022

본 연구에서는 중적외선용 줌 광학계를 비열화에 유리한 소재 조합으로 구성하기 위해 비열화 유리 지도를 이용한 반복적인 설계 방법을 제시한다. 일반적으로 중적외선용 유리 소재는 가시광선용 소재에 비해 온도변화에 매우 민감하다. 또한 줌 광학계는 이동군이 존재하여 온도 변화에 따른 성능 보상이 어느 정도 가능하지만, 광학 렌즈에 적절한 소재가 배치되지 않으면 온도에 따른 이동군의 보상량이 크게 발생하여 비열화 설계 시 어려움이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 비열화 유리 지도상에서 수차 보정을 위한 값을 분석하여 비열화에 유리한 소재로 중적외선용 줌 광학계를 구성하고, 초점거리 2배 확장기를 부착하여도 온도 변화에 안정적인 확장형 줌 광학계를 설계하였다.

• 한국안광학회지
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• 제16권4호
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• pp.409-415
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• 2011

목적: 초점거리의 비가 3:1인 아나모픽 렌즈를 적용하여 탐지거리를 증대시키는 열상 광학계를 설계하였다. 방법: 화각이 $50^{\circ}{\sim}60^{\circ}$, 초점거리는 수평방향 36 mm, 수직방향 12 mm로 구속조건을 정하였다. 구속조건으로 f-number는 4, 화소 크기는 $15{\mu}m{\times}15{\mu}m$, 한계 분해능은 33l p/mm에서 25% 이상으로 제한하였다. 재질은 Si, ZnS, ZnSe를 사용하였으며 파장영역은 4.8 ${\mu}m$, 4.2 ${\mu}m$, 3.7 ${\mu}m$로 설정하였다. 설계한 열상 카메라의 광학적 성능 및 탐지거리와 나르시서스, 비열화를 분석하였다. 결과: 열상 광학계의 초점거리는 Y축 방향이 12 mm, X축 방향이 36 mm를 만족하였으며 f-number는 4를 만족하였다. 전장의 길이는 76 mm로 시스템의 전반적인 부피를 감소시켰다. 구면수차와 비점수차는 ${\pm}$0.10내로 2 pixel 크기보다 작게 나타났다. 왜곡수차는 10%이내로써 열상 카메라로 사용하는데 문제가 없음을 확인하였다. 광학계 MTF 성능은 33l p/mm에서 full field 까지 25%이상으로 구속조건을 만족하였다. 설계된 열상 광학계는 2.9 km까지 탐지할 수 있으며 4면을 제외한 나머지 면들의 나르시서스 값을 줄여 상 번짐이 감소하였다. 민감도 분석을 통해 5번째 렌즈를 보상자로 선택하여 온도 변화에 따른 MTF 해상력을 높였다. 결론: 아나모픽 렌즈를 적용해서 설계한 열상 광학계의 광학적 성능은 구속조건을 만족하였으며 더 긴 탐지거리와 나르시서스의 감소, 온도에 따른 해상력이 증가됨을 확인하였다.

• 한국광학회지
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• 제16권3호
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• pp.209-216
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• 2005

전차 조준경으로 사용될 수 있는 2세대 열상장비를 개발하였다. 설계된 장비는 프랑스 Sofradir사의 $480\times6$ 배열 원적외선$(7.7{\mu}m-10.3{\mu}m)$ MCT(HgCdTe) 검출기를 이용하였고, $2.67^{\circ}\times2^{\circ}$의 고배율 협시계와 $10^{\circ}\times7.5^{\circ}$의 저배율 광시계의 이중배율을 가지고 있다. 또한 넓은 운용 온도 범위에서도 시스템의 성능이 저하되지 않도록 비열화 기술을 적용하였다. 설계된 장비는 고효율의 주사장치로 47만 화소의 실시간 영상 재현이 가능하며, 이는 1세대 열상장비에 비하여 화소수가 대폭 증가한 것이다. 적외선 검출소자들의 불균일 보정을 위해서 열전 냉각 소자를 이용한 두 점 보상 기법을 제시하여 실시간 보정이 이루어지게 하였고, 열영상 분포 히스토그램 가변 방식의 처리 기법을 제안하여 적용함으로써 대조비가 매우 낮은 표적의 식별도 용이하게 하였다. 설계 및 제작된 2세대 열상장비의 고배율에서 최소분해가능온도차를 측정한 결과, 2cycles/mrad의 공간주파수에서 0.05K 이하의 우수한 결과를 보였다.

• 한국광학회지
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• 제16권4호
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• pp.354-360
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• 2005

[ $480{\times}6$ ] 배열 HgCdTe(MCT) 검출기를 사용하는 고성능의 원적외선(LWIR) 줌 열상센서를 개발하였다. 광학계는 대략 190 mm 직경을 갖는 대물 망원경과 광학적으로 잘 정렬된 주사장치로 구성된다 망원경의 줌 비율은 3:1이며 배율의 변환은 2개의 렌즈 그룹을 이동시킴으로써 수행된다. 이동하는 2개의 렌즈 그룹으로 열상장비의 비열화도 함께 수행한다. 비열화 수행을 통해 광범위한 운용온도 범위에서도 시스템의 성능 저하 없이 활용이 가능하다. 한편 개발된 열상장비는 16:9 양상비를 갖는 고화질 텔레비전(HDTV)에 시현도 가능하다. HDTV 형태의 경우 주사장치는 62만 화소까지 영상 시현이 가능하다. 이 기능은 일반적인 TV 시현의 경우보다 성능의 저하 없이 수평 시계각을 넓혀 주는 역할을 한다. 설계 및 제작된 원적외선 열상장비의 고배율에서 최소분해가능온도차(MRTD)를 측정한 결과, 2 cycles/mrad의 공간주파수에서 0.04 K 이하 및 8 cycles/mrad의 공간주파수에서 0.23 K의 우수한 결과를 보였다.