다중 파장에서 공통개구를 가지는 광학계 설계 및 분석에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study designed an optical system using a common aperture encompassing an electro-optical band (0.6 ~ 0.8 µm), a mid-infrared band (3.6 ~ 4.9 µm), and Nd-YAG laser (1.06 µm) in order to minimize the size of a optical system. This optical system is constructed to freely move in pitch (moving left and right) and roll (moving front and back). This optical system has an advantage over previous optical systems that it can omit the co-registration because this optical system aligns the roll axis and different optical systems use the common aperture while rotating an axis. The presented optical system is composed of four parts: a fore-optics, an infrared optics, an electro-optics, and a laser optics. Since the fore-optics is in the electro-optical band, the mid-infrared band, and the laser wavelength range, it was designed with considering the material having a high transmittance in a wide wavelength range. The detector of the infrared optics has a 1280 × 1024 pixel array with a single pixel size of 15 × 15 µm. Moreover, this study selected a product equipped with a cooling type coldstop with f/5.3 in order to minimize noise. An infrared optics has a dual field of view: a wide view (5.40 × 4.32°) and a narrow view (1.50 × 1.20°). Moreover, it is composed of relay lens groups selected for minimizing the number of the zoom lens group and the object lens and it was designed to maintain the efficiency of the detector and the coldstop while changing the view. The study selected a detector for the electro-optical band, which has a 1280 × 1024 pixel array with a single pixel of 5.5 × 5.5 µm. This product has the detection range of 0.6 - 0.8 µm. The optics has a field of view of 1.50 × 1.20°. The location of the stop was designed to be close to the detector with considering the laser optical system. The laser optical system was designed in two parts: a laser transmitting optics and a laser receiving optics. It uses the same optical path with the fore-optics and the electro-optics. In order to satisfy the laser bean size of 8 m at the front 40 km position, this study designed a light-emitting system with a divergence angle of 0.2 mrad and it also designed a light-receiving system to have a full field of view on a detector surface of the size of 0.2 × 0.2 mm, a single pixel. This study conducted athermalization and Narcissus analyses in order to evaluate the effects of thermal effects on the image during the infrared optics analysis of the optical system. The athermalization analysis was carried out by evaluating the focal move and residual high-order wavefront aberration based on the operating temperature −55 ~ 50℃. The optimal compensator was selected by performing a sensitivity analysis using the Zernike polynomial expression. When MFT resolution considering the optimal movement of the selected compensator was analyzed, it was confirmed that it maintained the over 10% performance on the axis at the 33 lp/mm, which is the requirement, over the entire operating temperature. The results of Narcissus analysis confirmed that it was designed to maintain the Narcissus induced temperature difference (NITD) value equal to or below 1.5℃. A sensitivity analysis was conducted for the electro-optics using the Zernike polynomial expression and the optimal compensator was selected. It was confirmed that it had the linearity even with axial displacement of 1mm. It is expected that it will easily satisfy the requirements of an optical system while aligning the optical system. This study explains the structure, design method, and analysis method of an optical system with a common aperture at multiple wavelengths.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 광학계 시스템 전체의 크기를 최소화 하기위해 전자광학 대역(0.6 µm ~ 0.8 µm)과 중적외선 대역(3.6 µm ~ 4.9 µm), Nd-YAG 레이저(1.06 µm)의 공통의 개구를 사용하는 광학계를 설계하였으며, 피치(pitch, 좌우) 및 롤(roll, 앞뒤) 축을 자유롭게 움직일 수 있도록 광학계를 구성하였다. 이전에 보고 된 광학계 시스템과 달리 본 광학계 설계에서는 롤 축을 맞춤으로써, 축의 회전에 있어 서로 다른 광학계와 공통의 개구 위치를 가지므로 영상 정합 과정을 생략할 수 있는 장점이 있다. 본 광학계는 공통의 개구를 사용하는 전단 광학계와 적외선 광학계, 전자광학 대역 광학계와 레이저 광학계 크게 4가지 부분으로 나뉜다. 전단 광학계는 전자광학 대역과 중적외선 대역, 레이저의 파장영역에서 사용되기 때문에 넓은 파장영역에서 투과율이 높은 재질을 고려하여 설계를 진행하였다. 적외선 광학계의 검출기는 단일 화소의 크기가 15 × 15 µm 인 1280 × 1024 화소 배열을 가지며 잡음을 최소화하기 위하여, f/5.3의 냉각식 콜드스탑이 적용된 제품으로 선정하였다. 적외선 광학계는 광시야 (5.40° × 4.32°)와 협시야 (1.50° × 1.20°)의 이중 시야를 가지며, 줌 렌즈 군과 대물렌즈를 최소화하는 방식으로 선택 된 릴레이 렌즈 군으로 구성하였고, 시야 변경 시 검출기의 콜드스탑과의 효율을 유지하도록 설계하였다. 전자광학 대역 광학계의 검출기는 단일 화소가 5.5 × 5.5 µm 인 1280 × 1024 화소 배열을 가지며 0.6 µm ~ 0.8 µm의 검출영역을 가지는 제품으로 선정하였고, 광학계는 1.50° × 1.20°의 시야를 가진다. 레이저 광학계를 고려하여 스탑(Stop)의 위치를 검출기에 가깝도록 설계를 진행하였다. 레이저 광학계는 송광 광학계와 수광 광학계로 나누어 설계를 진행하였으며 전단 광학계 및 전자광학 대역 광학계와 동일한 광경로를 사용한다. 요구 조건인 전방 40 km 위치에서 8 m의 레이저 빔 크기를 만족하기위해 0.2 mrad의 발산각을 갖는 송광 광학계를 설계하였고, 수광 광학계는 단일 화소의 0.2 × 0.2 mm 크기를 갖는 검출기면에 전체 시야가 입사되도록 설계를 진행하였다. 본 광학계의 적외선 광학계 분석에 있어 열 효과가 이미지에 미치는 영향을 조사하기 위해 비열화 및 나르시서스 분석을 수행하였으며, 비열화 분석은 −55℃ ~ 50℃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 33lp/mm에서 축상 10% 이상의 성능을 유지하는 것을 확인하였으며, 나르시서스 분석 결과, NITD(Narcissus Induced Temperature Difference) 값이 1.5℃ 이하가 되도록 설계 된 것을 확인하였다. 전자광학 대역 광학계는 제르니케 다항식을 이용한 민감도 분석을 수행하였으며, 최적의 보상자를 선정하였고, 1 mm의 축상 변위에서도 선형성을 가짐을 확인하였다. 이는 광학계 정렬 작업 시 광학계의 요구조건을 쉽게 만족할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 다중 파장에서의 공통 개구를 가지는 광학계 구성 및 설계 방법, 분석 방법에 대하여 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 논문 개요 1
• Ⅱ. 본 론 5
• 1. 광학적 이론 5
• 1) 광학계의 부호규약 5
• 2) Gaussian Bracket을 통한 광선 추적 8
• 3) 결상광학 이론 13
• 2. 광학계 구성 및 설계 방법 18
• 1) 광학계 구성 및 요구 사항 18
• 2) 전단 광학계 재질 선택 23
• 3) 줌렌즈 분류 및 설계 28
• 4) 릴레이 광학계 설계 31
• 5) 적외선 광학계 설계 및 특징 34
• (1) 적외선 광학계 재질 특성 34
• (2) 적외선 광학계 콜드스탑 41
• (3) 적외선 광학계 나르시서스 분석 42
• (4) 적외선 광학계 비열화 분석 44
• 6) 레이저 광학계 분류 및 설계 방법 49
• 3. 광학계 설계 분석 51
• 1) 적외선 광학계 설계 분석 51
• (1) 적외선 광학계 민감도 분석 61
• (2) 적외선 광학계 비열화 분석 66
• (3) 적외선 광학계 나르시서스 분석 68
• 2) 전자광학 대역 광학계 설계 분석 70
• (1) 전자광학 대역 광학계 민감도 분석 74
• 3) 레이저 광학계 설계 분석 79
• (1) 레이저 송광 광학계 79
• (2) 레이저 수광 광학계 82
• Ⅲ. 결론 84
• 참 고 문 헌 85
• 영 문 초 록 88