KR100930832B1

KR100930832B1 - 광학 부재 정렬 장치

Info

Publication number: KR100930832B1
Application number: KR1020090026091A
Authority: KR
Inventors: 조문신
Original assignee: 삼성탈레스 주식회사
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2009-12-10

Abstract

본 발명은, 광학 장비에 있어서, 상기 광학 장비의 내부에 장착되는 장착 부재; 상기 장착 부재에 장착되는 광학 부재; 및 상기 장착 부재와 광학 부재 사이에 개재되는 열팽창 부재를 포함하고, 상기 열팽창 부재가 팽창 또는 수축함에 따라 상기 장착 부재에 대한 상기 광학 부재의 위치가 조절되는 광학 부재 정렬 장치를 개시한다. 상기와 같은 구성의 광학 부재 정렬 장치는 열팽창 부재를 장착 부재와 광학 부재 사이에 배치하여, 열팽창 부재를 팽창, 수축시켜 광학 부재의 위치를 능동적으로 조절함으로써, 초점 거리 또는 경사각 조절이 용이한 장점이 있다.

광학 장비, 광학 부재, 정렬 장치, 열팽창

Description

광학 부재 정렬 장치 {ALIGNMENT APPARATUS FOR OPTICAL MEMBERS}

본 발명은 열상 장비와 같은 광학 장비에 관한 것으로서, 특히, 렌즈, 반사경 등의 광학 부재를 관측 영상이 입사되는 방향을 따라 정렬하는 정렬 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열상 장비와 같은 광학 장비는 주/야간 관측을 위한 것으로서, 군용 장비에 장착되어 주변 관측이나 목표물 추적 등에 이용된다. 이러한 광학 장비는 기본적으로, 렌즈, 반사경과 같은 광학 부재와 적외선 센서와 같은 이미지 검출 소자를 구비하게 되며, 관측 영상의 입사 방향, 즉 이미지 검출 소자의 지향 방향(이하, '시선'이라 함)을 따라 렌즈 등의 광축을 정렬하게 된다.

이러한 광축 정렬 과정은 단순히 렌즈의 광축과 이미지 검출 소자의 촬영 방향을 일치시키는 것뿐만 아니라, 렌즈계의 초점거리 조절, 이미지 검출 소자의 시선에 대하여 렌즈의 위치, 구체적으로는 렌즈의 광축의 위치를 상하좌우로 조절해야 하며, 이미지 검출 소자의 시선에 대하여 렌즈의 광축이 경사지게 배치된 경우에는 반사경을 설치하되 그 경사각을 조절하는 틸트(tilt) 조정 또한 요구된다. 이러한 틸트 조정은 광학 장비가 반사경을 구비하는 경우에는 필수적으로 요구된다.

도 1 내지 도 3은 종래의 광학 장비에서 렌즈나 반사경과 같은 광학 부재의 정렬 장치를 각각 도시하고 있다. 도 1은 광학 부재로서 렌즈가 장착된 광학 장치에서, 정렬 장치로 스텝 모터가 이용된 초점 조절 장치를 도시하고, 도 2는 스크류(screw)를 이용한 초점 조절 장치를 도시하고 있다. 도 3은 광학 부재로서 반사경이 장착된 광학 장치에서, 반사경의 경사도 조절, 즉, 틸트 조정 장치를 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 스텝 모터(17)를 이용한 초점 조절 장치(10)는, 렌즈(13)가 설치된 렌즈 조립체(11)에 볼 너트(15)를 장착하고, 볼 스크류(19)를 상기 스텝 모터(17)에 연결하되 상기 볼 너트(15)가 상기 볼 스크류(19)에 결합된다. 상기 스텝 모터(17)에 의해 상기 볼 스크류(19)가 회전하면, 상기 볼 너트(15)가 상기 볼 스크류(19)의 길이방향을 따라 이동하게 된다. 결국, 상기 스텝 모터(17)를 구동하여 상기 볼 스크류(19)를 회전시키면 상기 렌즈 조립체(11)가 광축(O) 방향으로 전진 또는 후진하면서 초점 조절을 실시하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스크류를 이용한 초점 조절 장치(20)는, 다수의 렌즈(23, 25)를 주 경통(21)과 보조 경통(27)에 각각 장착하여 렌즈 조립체를 구성하고, 상기 주 경통(21)과 보조 경통(27)을 나사 결합(29)시켜 렌즈 조립체 자체에서 초점 조절을 가능하게 한 구조이다. 상기 주 경통(21)에 대하여 상기 보조 경통(27)을 또는 상기 보조 경통(27)에 대하여 상기 주 경통(21)을 회전시키면, 상기 나사 결합(29)을 이루는 나사산의 피치만큼 상기 주 경통(21)에 대하여 상기 보조 경통(27)이 광축(O) 방향으로 전진 또는 후진하면서 초점 조절을 실시하게 된다.

그러나 상기와 같은 초점 조절 방식은 수십 마이크로미터 단위의 초점 조절은 가능하지만, 수 마이크로미터 단위의 미세한 초점 조절이 어렵다는 단점이 있다.

또한, 렌즈 조립체 또는 주 경통에 대한 보조 경통의 위치를 정확하게 설정할 수 있다 하더라도, 초점 조절을 위해서는 렌즈 조립체 또는 경통들을 광학 장비로부터 분리해야만 하며, 초점 조절이 완료된 렌즈 조립체를 광학 장비에 장착하는 과정에서 부품들 간에 존재하는 제작 공차나 조립 공차로 인하여 실제 광학 장비에 장착된 상태에서는 렌즈 조립체의 광학적인 정렬이 이루어지지 못하는 문제점이 발생되고 있다. 따라서 부품들 간 조립 공차나 작업자들의 개인차를 해소하기 위해서는 반복된 시행착오(trial and error)를 거쳐야 하는 단점이 있다.

도 3을 참조하면, 반사경(35)이 설치된 광학 부재(33)를 이용하여 입사된 관측 영상을 이미지 검출 소자 방향으로 반사시키는 구조에 적용된 광학 부재 정렬 장치(30)로서, 마운트(31)에 상기 반사경(35)을 장착함에 있어서, 관측 영상의 입사 방향(O)에 대하여 경사지게 배치한 구조이다. 이때, 상기 반사경(35)은 관측 영상의 입사 방향과 이미지 검출 소자의 지향 방향 각각에 대하여 45도 각도로 경사지게 배치되는데, 조립 과정에서 경사 각도가 적절하지 못할 경우, 운용자가 관측하고자 하는 방향과 관측 장비가 관측하는 방향이 일치되지 못하게 된다. 따라서 스페이서(37)들을 이용하여 상기 마운트(31)에 대한 광학 부재(33)의 장착 위치를 조절하게 되는데, 이 또한 반복된 시행착오를 통해 관측 영상의 입사 방향(O) 및 이미지 검출 소자의 지향 방향(O') 각각에 대한 상기 반사경(35)의 경사 각도를 조절해야만 한다. 또한, 운용 과정에서 상기 반사경(35)의 위치에 변화가 발생된 경우, 광학 장비를 분해하여, 시행착오를 반복하며 반사경(35)의 경사각을 조절해야만 하는 번거로움이 있다.

이에, 본 발명은 광학 장비의 렌즈나 반사경 등의 광학 부재의 정렬을 용이하게 할 수 있는 광학 부재 정렬 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 광학 장비의 광학 부재를 설치함에 있어서, 반복된 시행착오를 거치지 않더라도 그 초점 거리나 경사각 조절을 용이하게 할 수 있는 광학 부재 정렬 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 광학 부재 장착 후에도 광학 장비를 분해하지 않고 그 초점 거리나 경사각 조절을 용이하게 할 수 있는 광학 부재 정렬 장치를 제공하고자 한다.

따라서 본 발명은, 광학 장비에 있어서,

상기 광학 장비의 내부에 장착되는 장착 부재;

상기 장착 부재에 장착되는 광학 부재; 및

상기 장착 부재와 광학 부재 사이에 개재되는 열팽창 부재를 포함하고,

상기 열팽창 부재가 팽창 또는 수축함에 따라 상기 장착 부재에 대한 상기 광학 부재의 위치가 조절되는 광학 부재 정렬 장치를 개시한다.

이때, 상기 장착 부재는 상기 광학 부재의 광축 방향으로 연장되는 경통이고, 상기 광학 부재는 상기 경통에 장착되는 렌즈이며, 상기 열팽창 부재는 상기 렌즈의 가장자리를 따라 배치된 금속 스페이서로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 장착 부재는 관측 영상이 입사되는 방향에 대하여 경사지게 연장된 장착면을 포함하는 마운트이고, 상기 광학 부재는 상기 장착면에 장착되는 반사경이며, 상기 열팽창 부재는 상기 반사경의 가장자리에 배치되는 적어도 하나의 금속 스페이서로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 광학 부재 정렬 장치는 상기 장착 부재와 광학 부재 사이에 개재되어 상기 열팽창 부재를 가열하는 가열기를 더 구비함이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 광학 부재 정렬 장치는 열팽창 부재를 장착 부재와 광학 부재 사이에 배치하여, 열팽창 부재의 팽창, 수축에 따라 장착 부재에 대한 광학 부재의 위치가 조절됨으로써, 초점 거리 또는 경사각 조절이 가능하다. 따라서 광학 장비의 조립이 완료된 후에도 초점 거리 조절이나 경사각 조절이 가능하므로, 광학 부재 정렬을 위해 반복된 시행착오를 거쳐야 할 필요가 없다.

또한, 광학 장비의 사용 환경이나, 외부 영향에 의해 광학 부재의 위치에 변화가 발생된다 하더라도, 열팽창 부재를 이용하여 광학 부재의 위치를 능동적으로 조절할 수 있기 때문에, 광학 장비를 분해하여 광학 부재의 초점 거리나 경사각을 조절할 필요가 없다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4와 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치(100)를 각각 도시하고 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치(100)는 장착 부재(101), 광학 부재(113b) 및 열팽창 부재(115)를 구비한다.

상기 장착 부재(101)는 광학 장비의 내부에 장착되며, 상기 광학 부재(113b)를 설치하기 위한 수단을 제공함과 아울러, 관측 영상의 입사 경로를 제공하게 된다. 본 실시 예에서, 상기 장착 부재(101)는 실린더 형상의 경통이 예시되고 있다. 상기 장착 부재(101)의 일단에는 상기 광학 부재(113b)가 설치되며, 타단에는 또 다른 광학 부재(113a)가 장착될 수 있다. 또한, 상기 장착 부재(101)의 내부에는 각기 다른 사양의 광학 부재들이 더 장착될 수 있는데, 이는 광학 장비에 요구되는 시야계, 관측 거리 등을 고려하여 당업자가 적절하게 선택함이 바람직하다.

상기 광학 부재(113b)로는 렌즈가 예시되어 있으며, 별도의 결합 부재(117)에 의해 상기 장착 부재(101)에 결합된다. 상기 결합 부재(117)는 상기 광학 부재(113b)의 둘레를 감싸는 상태로 상기 장착 부재(101)에 고정된다. 이로써, 상기 광학 부재(113b)가 상기 장착 부재(101)에 설치된다. 이때, 상기 열팽창 부재(115)는 상기 장착 부재(101)와 광학 부재(113b)의 사이, 더 구체적으로는 상기 장착 부재(101)와 결합 부재(117) 사이에 개재된다. 상기 광학 부재(113b)의 광축(O)은 상기 장착 부재(101)의 중심축과 일치되게 배열된다.

상기 열팽창 부재(115)는 온도에 의해 팽창, 수축하게 되며, 상기 열팽창 부 재(115)가 팽창, 수축함에 따라 상기 장착 부재(101)에 대하여 상기 결합 부재(117)와 광학 부재(113b)의 위치가 상기 광축(O) 방향을 따라 조절된다. 이러한 열팽창 부재(115)로는 금속 스페이서가 유용하게 활용될 수 있다. 상기 열팽창 부재(115)로 이용될 수 있는 금속들의 종류와 그 열팽창 계수를 살펴보면 다음의 [표 1]과 같다.

금속의 종류	열팽창 계수 (×10^-4m/m/K)
알루미늄	23.6
구리	21.6
스테인리스 스틸	18.7
티타늄	13.5
텅스텐	7.4

상기 열팽창 부재(115)를 제작하기 위한 금속의 종류는 실제 장착될 광학 장비에서 요구하는 조정 규격에 따라 선택된다.

한편, 상기 열팽창 부재(115)의 가열을 위한 가열기가 상기 장착 부재(101)와 광학 부재(113b) 사이, 더 구체적으로는 상기 열팽창 부재(115)의 일면에 부착되는데, 상기 가열기는 저항을 가지는 도선 등을 배열하여 구성할 수 있으며, 도면에는 도시되지 않는다. 상기 가열기에 전원을 인가하여 열을 발생시킴으로써, 원하는 온도로 상기 열팽창 부재(115)를 가열할 수 있다.

상기와 같은 열팽창 부재(115)를 사용한 광학 부재 정렬 장치(100)의 조정양, 본 실시 예의 경우, 상기 광축(O) 방향을 따르는 상기 광학 부재(113b)의 이동 거리(ΔL)는 다음의 [수학식 1]에 의해 결정된다.

ΔL = L × α × ΔT

이때, L은 열팽창 부재, 즉, 금속 스페이서의 두께를, α는 열팽창 부재의 열팽창 계수를, ΔT는 열팽창 부재의 온도 변화를 각각 의미한다.

상기 열팽창 부재(115)로 1mm 두께의 알루미늄을 선택했을 경우, 1㎛만큼 상기 광학 부재(113b)의 위치를 조절하기 위해서는 0.4℃의 온도 변화가 요구됨을 알 수 있다. 이때, 관측 장비로부터 얻어지는 영상의 초점 조절이 정확한지 여부를 확인하면서, 초점 조절이 완료될 때까지 상기 열팽창 부재(115)를 가열할 수 있다. 다만, 상기 열팽창 부재(115)의 온도 변화를 감지하는 센서를 설치한다면, 관측 영상을 확인하지 않더라도 원하는 온도의 변화에 요구되는만큼 상기 가열기를 작동하여 상기 광학 부재(113b)의 위치, 더 구체적으로는 초점 조절을 실시할 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치(200)를 나타내는 측면도로서, 광학 부재(213)에는 반사경이 설치된 예를 개시한다. 상기 광학 부재(213)가 반사경인 경우, 장착 부재(211)로는 경사지게 연장된 장착면을 포함하는 마운트가 이용된다. 상기 광학 부재(213)는 상기 장착 부재(211)의 경사면에 설치되어 입사되는 관측 영상을 이미지 검출 소자 방향으로 반사시키게 된다. 따라서 상기 광학 부재(213)는 관측 영상의 입사 방향(O) 및 이미지 검출 소자의 시선 방향(O')에 대하여 경사지게 배치되는 것이다.

이때, 상기 장착 부재(213)의 경사면이 관측 영상의 입사 방향(O) 및 이미지 검출 소자(O')의 시선 방향에 대하여 각각 적절한 각도로 경사지게 형성되어 있다 하더라도, 상기 장착 부재(211)와 광학 부재(213)의 제작 공차와 조립 오차에 의해 상기 광학 부재(213)의 정렬이 정확하게 이루어지지 못할 수 있다.

따라서, 상기 장착 부재(211)와 광학 부재(213) 사이에는 열팽창 부재(215)가 개재된다. 선행 실시 예와 마찬가지로, 상기 열팽창 부재(215)로는 알루미늄, 구리 등의 금속으로 제작된 금속 스페이서가 이용된다. 다수의 상기 열팽창 부재(215)가 상기 광학 부재(213)의 둘레를 따라 배치될 수 있으며, 상기 광학 부재(213)의 경사각 조절을 위하여 어느 한 지점에 배치된 열팽창 부재를 가열하게 된다.

상기 열팽창 부재(215)에 의한 상기 광학 부재(213)의 경사각 변화(Δθ)는 다음의 [수학식 2]를 통해 산출된다.

tan(Δθ) = (L × α × ΔT) / Lm

이때, L은 열팽창 부재, 즉, 금속 스페이서의 두께를, α는 열팽창 부재의 열팽창 계수를, ΔT는 열팽창 부재의 온도 변화, Lm은 반사경의 길이를 각각 의미한다.

상기 광학 부재(213)에 20mm 길이의 반사경을 장착하고, 상기 열팽창 부재(215)로서 1mm 두께의 알루미늄으로 금속 스페이서들을 제작한 경우, 금속 스페이서들 중 어느 하나를 0.35℃만큼 가열하여 반사경의 경사각을 1도만큼 조절할 수 있음을 알 수 있다.

도 6에서 상기 열팽창 부재(215)가 상측과 하측에 각각 장착되었다고 본다면, 상측의 열팽창 부재를 가열하여 관측 영상의 입사 방향에 대한 상기 광학 부재(213)의 경사 각도를 증가시킬 수 있으며, 하측의 열팽창 부재를 가열하여 관측 영상의 입사 방향에 대한 상기 광학 부재의 경사 각도를 감소시킬 수 있다.

상기와 같이, 장착 부재와 광학 부재 사이에 열팽창 부재를 배치하여, 장착 부재에 대한 광학 부재의 위치를 조절함으로써, 광학 장비 조립 과정에서의 시행착오를 거치지 않더라도, 조립 후 광학 부재의 초점 조절이나 경사각도 조절이 가능하며, 광학 장비의 운용 중에도 필요에 따라 초점 조절 및 경사각도 조절이 가능하다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

도 1은 종래 기술의 제1 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치를 나타내는 사시도,

도 2는 종래 기술의 제2 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치를 나타내는 단면도,

도 3은 종래 기술의 제3 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치를 나타내는 측면도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치를 나타내는 사시도,

도 5는 도 4에 도시된 광학 부재 정렬 장치를 나타내는 단면도,

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 광학 부재 정렬 장치를 나타내는 측면도.

Claims

광학 장비에 있어서,

상기 광학 장비의 내부에 장착되는 장착 부재;

상기 장착 부재에 장착되는 광학 부재;

상기 광학 부재의 둘레를 감싸는 상태로 상기 장착 부재에 설치되는 결합 부재; 및

상기 장착 부재와 결합 부재 사이에 개재되는 열팽창 부재를 포함하고,

상기 열팽창 부재가 팽창 또는 수축함에 따라 상기 장착 부재에 대한 상기 광학 부재의 위치가 조절됨을 특징으로 하는 광학 부재 정렬 장치.
제1 항에 있어서, 상기 장착 부재는 상기 광학 부재의 광축 방향으로 연장되는 경통이고, 상기 광학 부재는 상기 경통에 장착되는 렌즈이며, 상기 열팽창 부재는 상기 렌즈의 가장자리를 따라 배치된 금속 스페이서임을 특징으로 하는 광학 부재 정렬 장치.
제1 항에 있어서, 상기 장착 부재는 관측 영상이 입사되는 방향에 대하여 경사지게 연장된 장착면을 포함하는 마운트이고, 상기 광학 부재는 상기 장착면에 장착되는 반사경이며, 상기 열팽창 부재는 상기 반사경의 가장자리에 배치되는 적어도 하나의 금속 스페이서임을 특징으로 하는 광학 부재 정렬 장치.
제1 항에 있어서, 상기 장착 부재와 광학 부재 사이에 개재되어 상기 열팽창 부재를 가열하는 가열기를 더 구비함을 특징으로 하는 광학 부재 정렬 장치.