KR100298054B1 - 열영상장비용마이크로주사광학계 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 마이크로 주사광학계는 3.0∼5.0μm의 중적외선 파장대역에서 사용되는 초점면 배열 열상장비용 광학계로서, 복수의 렌즈중 1매의 렌즈를 광축과 수직한 평면내에서 미세하게 구동하면서 마이크로 주사를 수행함으로써, 분해능을 향상시키고, 회절한계 성능을 만족하는 광학적 성능을 갖는다.
광학계는 총 7매의 렌즈로 구성되어 있으며 물체측에 가까운 4매의 렌즈는 텔레포토 형태의 대물부를 구성하고, 뒤의 3매의 렌즈는 릴레이부를 형성한다. 검출기의 내부에 위치한 콜드쉴드(cold shield)를 구경스톱(aperture stop)으로 사용하여 콜드쉴드의 효율이 100%에 이르고, 광학계 입사동이 대물부의 첫 번째 렌즈에 놓이게 됨으로써 대물부 구경을 최소로 할 수 있다. 마이크로 주사를 위하여 중간의 작은 렌즈 1매만을 구동하며, 구동장치로는 소형의 동적 응답특성이 좋은 압전구동기를 사용하여, 초당 120회 이상의 주사가 가능하게 한다.
이러한 구성을 이용하여, 2차원 배열의 적외선 검출기의 검출소자 1개의 공간에서 위치가 서로 다른 4개의 영상신호를 샘플링함으로써, 분해능을 2배로 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로 주사광학계에 관한 것으로, 특히 3.0∼~5.0μm의 중적외선 파장대역에서 사용되는 초점면 배열식 열 영상장비용 마이크로 주사광학계에 관한 것이다.
적외선 검출기의 기술이 발달함에 따라 중적외선인 3.0∼~5.0μm 파장대역의 열상장비에 사용되는 적외선 검출기는 완전한 2차원적 배열을 가진 상용 CCD카메라의 실리콘 검출기와 유사한 구조를 갖고, CMOS를 판독(readout)장치로 사용함으로써, 초당 200프레임 이상의 빠른 검출속도를 가지며, 소자 1개의 크기가 가로 세로 30μm내외로 작아서 높은 집적도를 가지게 되었다.
그러나, 종래 기술에 의하면 응답도가 높은 HgCdTe 검출기의 경우에도 320×240개의 소자 배열 정도만이 가능하며, 따라서 영상의 분해능이 검출소자의 공간적인 샘플링에 의하여 320×240개 화소로 제한됨으로써, 분해능이 떨어진다는 단점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 마이크로 주사를 수행함으로써 종래 광학계에 비하여 열상 장비의 분해능을 2배정도 향상시키면서도, 중적외선 파장대역에서의 회절한계(diffraction limit)성능을 만족할 뿐 아니라, 작고 콤팩트하며, 용이하게 주사장치에 응용이 가능한 열 영상장비용 마이크로 주사광학계를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 열 영상 장비용 마이크로 주사광학계를 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 마이크로 주사광학계에 사용되는 렌즈 구동장치의 단면도이다.
도 3은 마이크로 주사광학계를 위한 압전구동기의 구동순서 및 그에 따른 초점면에서의 상(像)의 이동을 보인 도면이다.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1∼4 : 대물부 렌즈 5∼7 : 릴레이부 렌즈
8 : 콜드쉴드(cold shield) 9 : 입사동
10 : 구동 마운트 11∼13 : 제 1 내지 제 3 구동 마운트
14, 15 : 제 1 및 제 2 압전구동기
16 : 스프링 17 : 볼베어링
본 발명은 3.0∼~5.0μm 파장대역의 중적외선 영역에서 회절한계의 우수한 성능을 가지며, 광학계를 구성하는 렌즈중에서 중간의 작은 렌즈 1매를 구동기(actuator)를 사용하여 광축에 수직한 방향으로 상하좌우 미세 구동함으로써, 2차원 배열의 적외선 검출기의 검출소자 1개의 공간에서 위치가 서로 다른 4개의 영상신호를 샘플링함으로써 분해능을 2배로 향상시킬 수 있는 열 영상장비용 마이크로 주사광학계에 관한 것이다.
광학계는 4매의 렌즈로 구성된 대물부와 대물부의 초점면에 결상된 상을 다시 검출소자면에 결상시키는 3매의 렌즈로 이루어진 릴레이부로 이루어지며, 1매의 렌즈를 구동시키기 위한 구동기는 동적응답특성이 좋은 압전구동기(piezoelectric actuator)를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 광학계 뒤에 배치되는 검출기의 콜드 쉴드(cold shield)가 광학계 구경스톱 역할을 하고, 이 스톱(stop)에 의한 광학계 입사동이 첫 번째 대물렌즈에 놓이도록 설계함으로써, 콜드 쉴드 효율이 100%이면서 대물렌즈의 구경을 최소화 할 수 있는 구조를 가진다. 여기서, 콜드쉴드라 함은 검출기가 광학계를 통해 표적으로부터만 에너지를 받아 들이도록 검출기 소자면 앞에 부착되는 얇은 금속 판(shield)을 칭하는 말로서, 쉴드(shied)를 검출기와 같은 온도로 냉각시켜주면, 쉴드 자체는 저온으로 냉각되므로 쉴드 자체의 내벽에서 복사되는 에너지는 거의 없고, 쉴드에 뚫린 구멍을 통하여 광학계르 통과한 표적에너지만 검출소자에 도달하게 됨으로써,목표물로부터 복사되는 에너지 이외의 에너지를 차단하는 역할을 한다. 본 발명에 있어서는, 콜드쉴드가 구경스톱 및 입사동 역할을 하면 콜드쉴드의 불필요한 주변광을 차단하는 효율도 100%가 된다. 그러나 앞에 놓인 광학계를 한 개의 안경렌즈에 비유하면 검출기 면에 위치한 많은 소자중에서 축상이 아닌 가장자리쪽에 놓인 검출소자도 콜드쉴드의 구멍 및 렌즈를 통하여 표적을 보아야 하므로 렌즈의 크기가 커져야 한다. 그러나, 본 발명의 도 1과 같이 광학계를 구성하면, 물리적인 구경스톱은 아니지만 앞에서 보았을 때 콜드쉴드 구멍의 상이 확대되어 제일 앞의 큰 대물렌즈 위치에 있는 것과 동일한 효과를 가진다. 따라서, 대물렌즈 위치에 구경스톱이 있는 것과 마찬가지이므로 가장자리에 위치한 검출소자를 위한 별도의 렌즈크기가 필요치 않으므로 대물렌즈의 크기를 최소화할 수 있다.
미세 구동되는 1 매의 렌즈는 대물부의 마지막 렌즈, 즉, 물체로부터 4번째에 배치되어 있는 렌즈인 것이 바람직하며, 색수차를 보정하기 위하여 대물부의 2번째 및 3번째 렌즈를 게르마늄 재질로 하고, 나머지 렌즈는 실리콘 재질로 하는 것이 바람직하다.
또한, 렌즈를 미세 구동하기 위하여, 렌즈가 수직 및 수평 방향으로의 독립된 운동이 가능한 복수의 구동 마운트에 장착되며, 각 방향의 마운트 사이에는 운동방향과 무관한 떨림(jitter)을 방지하기 위하여 정밀한 볼베어링이 삽입되며, 압전구동기의 구동 완료후의 떨림을 방지하기 위하여 각각의 압전구동기에 대응하는 스프링을 각 구동 마운트 사이에 삽입 장착한다.
이하에서 첨부되는 도면을 참고하여, 본 발명에 의한 실시예를 구체적으로 설명한다.
실시예
본 발명에 의한 광학계의 구성도는 도 1과 같다. 대물부는 1 내지 4의 4매의 렌즈로 구성되며, 각각의 렌즈는 순서대로 양·음·음·양의 굴절능을 갖는다. 광학계의 길이를 줄이기 위하여 대물부는 텔리포토(telephoto) 형태로 설계되었으며, 양의 굴절능을 가지는 렌즈 1 및 4는 실리콘(Si)재질로 이루어지며, 음의 굴절능을 가지는 렌즈 2 및 3은 색수차 보정을 위하여 게르마늄(Ge)재질로 이루어진다. 렌즈 3과 렌즈 4 사이에서는 광선이 최대한 평행광에 가깝게 설계되어 있기 때문에, 광축에 수직한 평면상에서 렌즈 4를 미세 구동시켜도 광학적 수차특성이 변하지 않는다. 그러나, 마이크로 주사를 위하여 렌즈 4를 광축에 수직 또는 수평방향으로 수 내지 수 십 μm만큼 움직이면 초점면에서의 영상도 동일한 양만큼 광축에 수직 또는 수평한 방향으로 움직인다.
릴레이부는 5 내지 7의 3매의 렌즈로 구성되며, 재질은 모두 실리콘을 사용한다. 릴레이부의 배율은 1에 가까우므로 전체적인 광학계의 길이를 단축시킬 수 있고, 콜드쉴드(8)가 광학계의 구경 스톱(aperture stop) 역할을 함으로써 적외선 검출기의 성능에 결정적인 영향을 미치는 콜드 쉴드(8)의 효율이 100%가 된다. 또한, 릴레이부가 있음으로써 구경 스톱인 콜드쉴드에 의한 전체 광학계 입사동(9)이 대물부 렌즈 1에 놓이게 되어 렌즈 1의 구경을 최소로 할 수 있다. 전체 광학계의 시야는 3°×4°, 유효 초점거리는 135mm, 대물부 구경은 80mm이며, 광학계의 전체 길이는 188mm이지만, 이에 한정되지는 않는다.
마이크로 주사를 위하여 광축과 수직한 평면에서 렌즈 4를 상하좌우로 구동한다. 렌즈 4는 직경이 약 32mm정도로 작고 가볍게 설계하여 구동을 용이하게 하고, 구동기로는 동적응답(dynamic response)이 빠른 압전구동기를 사용함으로써 초당 120회 이상의 주사를 가능하게 한다.
도 2에서와 같이, 렌즈 4는 서로 직교하는 방향으로 각각 독립된 운동이 가능한 렌즈 마운트(10)에 장착되며, 수평 및 수직방향의 압전구동기(14,15)가 각각 구동할 때, 운동방향에 수직한 방향으로의 떨림이 없도록 각각의 마운트 사이에는 정밀한 볼베어링(17)을 삽입하였으며, 압전구동기가 구동하여 길이가 늘어난 후 떨림을 방지하고 동적 반응을 좋게 하기 위하여 각각의 압전구동기에는 대응되는 스프링(16)을 장착하였다.
구체적으로, 전술한 구동 마운트는 가장 내부에 배치되어 렌즈를 지지하는 제 1 구동 마운트(11)와, 제 1 구동 마운트와 소정거리 떨어져 제 1 구동 마운트를 둘러싸는 제 2 구동 마운트(12) 및 상기 제 2 구동 마운트와 소정거리 떨어져 제 2 구동 마운트를 둘러싸는 제 3 구동 마운트(13)로 이루어져 있으며, 일측의 제 1 구동 마운트 및 제 2 구동 마운트 사이에는 제 1 압전구동기(14, piezoelectric actuator)가 장착되고, 그와 마주보는 측의 제 1 구동 마운트 및 제 2 구동 마운트 사이에는 하나 이상의 대응 스프링(16)이 삽입되어 있고, 나머지 두 측면의 제 1 구동 마운트 및 제 2 구동 마운트 사이에는 볼베어링(17)이 삽입 설치되어 있으며, 상기 제 1 압전구동기(14)가 설치된 방향과 수직한 측의 제 2 구동 마운트(12) 및 제 3 구동 마운트(13) 사이에는 제 2 압전구동기(15, piezoelectric actuator)가 장착되고, 그와 마주보는 측의 제 2 구동 마운트 및 제 3 구동 마운트 사이에는 하나 이상의 대응 스프링(16)이 삽입되어 있으며, 나머지 두 측면의 제 2 구동 마운트 및 제 3 구동 마운트 사이에는 볼베어링(17)이 삽입 설치되어 있는 구조를 하고 있다.
마이크로 주사를 위한 각각의 압전 구동기 구동순서는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 검출기 소자의 간격(pitch)이 30μm일 때, 먼저 수평방향의 제 2 압전구동기(15)에 전압을 걸어 15μm 늘어나게 한다. 즉, 렌즈 4를 15μm 구동함으로써 초점면에서의 상이 수평방향으로 15μm 움직이게 한다. 이 상태에서 수직방향의 제 1 압전구동기(14)를 구동하면 상은 최초 위치에서 수평방향으로 15μm, 수직방향으로 15μm이동한 상태가 된다. 다시 이 위치에서, 수평방향의 제 2 압전구동기(15) 전압을 제거하면 초점면의 상은 최초 위치에서 수직방향으로만 15μm 이동된 상태가 된다. 이 상태에서 수직방향 제 1 압전구동기(14)의 전압을 마저 제거하면 상은 최초 위치에 오게 된다. 이러한 방식으로, 2 개의 압전 구동기를 교대로 ON/OFF 시키면, 그 조합으로 인하여 15μm씩 떨어진 정사각형 꼭지점 모양의 서로다른 4점을 주사할 수 있다. 각 점의 위치에서 1/120초마다 2차원 배열 검출기의 출력을 읽어 들이면, 검출소자 1개의 크기인 30μm에서 등간격으로 15μm씩 어긋난 서로 다른 위치에서 4번의 영상신호를 읽어들일 수 있다. 이렇게 얻은 1/120초 마다의 4개의 영상신호를 공간적인 위치가 일치하도록 배열하여 합치면, 초당 30프레임의 표준 TV 영상신호를 얻을 수 있고, 원래의 검출기가 320×240의 소자라면 4배로 증가한 샘플링에 의하여 640×480개의 화소로 영상을 구성함으로써 분해능이 2배 정도 향상될 수 있다.
따라서, 주사광학계를 구성하는 렌즈중에서 중간의 작은 렌즈 1매를 압전구동기(actuator)를 사용하여 광축에 수직한 방향으로 상하좌우 미세 구동함으로써, 2차원 배열의 적외선 검출기의 검출소자 1개의 공간에서 위치가 서로 다른 4개의 영상신호를 샘플링함으로써, 종래 주사광학계에 비하여 분해능이 2배정도 향상되면서도, 작고 콤팩트하고, 중적외선 파장대역에서 회절한계(diffraction limit)의 우수한 성능을 만족하는 장점을 가진다.
Claims (4)
- 복수의 렌즈로 이루어지는 마이크로 주사광학계에 있어서,상기 광학계는 물체로부터 순서대로 양, 음, 음 및 양의 굴절능을 가지는 4매의 렌즈로 이루어진 텔리포토 형태의 대물부 및; 3매의 렌즈로 이루어진 릴레이부로 구성되고,상기 물체로부터 3번째와 4번째 렌즈 사이에서 광선은 평행광에 가까워 4번째에 배치되는 양의 굴절능 렌즈는 구동기(actuator)를 사용하여 광축에 수직한 평면 내에서 상하좌우 방향으로 미세 구동할 때, 영상의 변위가 2차원 배열의 적외선 검출기의 소자1/2만큼씩 생겨 서로 다른 4개의 영상 신호를 샘플링함으로써, 분해능을 2배로 향상시킬 수 있으면서도 렌즈의 움직임에 따른 광학적 성능저하가 없는 것을 특징으로 하는 열영상 장비용 마이크로 주사광학계.
- 제 1 항에 있어서,상기 광학계는 상기 릴레이부 후방 및 광학계의 초점면인 검출소자면 사이에 콜드 쉴드(cold shield)가 놓이고, 상기 광학계 각 렌즈의 굴절능 배분이 상기 콜드 쉴드가 광학계의 구경스톱(aperture stop) 역할을 하도록 하는 것을 특징으로 하는 열영상 장비용 마이크로 주사광학계.
- 제 2 항에 있어서,상기 물체로부터 2번째 및 3번째에 배치되어 있는 두 개의 대물부 렌즈가 게르마늄 재질(Ge)로 이루어지고, 나머지 렌즈는 모두 실리콘(Si) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열영상 장비용 마이크로 주사광학계.
- 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,상기 광학계는, 렌즈를 미세 구동하기 위한 구동 마운트를 구비하며, 상기 구동 마운트는 가장 내부에 배치되고 렌즈를 지지하는 제 1구동 마운트와 , 제 1 구동 마운트와 소정거리 떨어져 제 1 구동 마운트를 둘러싸는 제 2 구동 마운트 및 상기 제 2 구동 마운트와 소정거리 떨어져 제 2 구동 마운트를 둘러싸는 제 3 구동 마운트로 이루어져 있으며,상기 광학계는, 렌즈를 미세 구동하기 위한 구동 마운트를 구비하며, 상기 구동 마운트는 가장 내부에 배치되고 렌즈를 지지하는 제 1구동 마운트와 , 제 1 구동 마운트와 소정거리 떨어져 제 1 구동 마운트를 둘러싸는 제 2 구동 마운트 및 상기 제 2 구동 마운트와 소정거리 떨어져 제 2 구동 마운트를 둘러싸는 제 3 구동 마운트로 이루어져 있으며,상기 제 1 압전구동기가 설치된 방향과 수직한 측의 제 2 구동 마운트 및 제 3 구동 마운트 사이에는 제 2 압전 구동기가 장착되고, 그와 마주보는 측의 제 2 구동 마운트 및 제 3 구동 마운트 사이에는 하나 이상의 대응 스프링이 삽입되어 있으며, 나머지 두 측면의 제 2 구동 마운트 및 제 3 구동 마운트 사이에는 볼베어링이 삽입 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열영상 장비용 마이크로 주사광학계.
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Legal Events
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20060502 Year of fee payment: 6 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |