KR101572869B1 - 비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계 - Google Patents

비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계 Download PDF

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임현진
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Abstract

본 발명은 적외선 릴레이 광학계에 관한 것으로서, 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하는 비축구면경, 상기 비축구면경으로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 거울 및 상기 거울로부터 수신된 광선을 적외선 검출기로 집속하는 렌즈를 구비하여 구성된다. 이에 의해, 온도 변화에 따른 성능 변화를 억제할 수 있다.

Description

비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계{IR RELAY OPTICS USING OFF-AXIS SPHERICAL MIRROR}
본 발명은, 적외선 릴레이 광학계에 관한 것으로, 특히 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하여 적외선 검출기로 집속할 수 있도록 한 비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계에 관한 것이다.
일반적으로, 적외선 릴레이 광학계는 적외선 영상을 얻기 위한 장치로서, 원거리의 물체를 보기 위한 원격 관측용 광학계 등에 적용될 수 있다.
도 1은 적외선 릴레이 광학계가 적용된 원격 관측용 광학계를 설명하기 위한 계통도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원격 관측용 광학계는, 물체 구역으로부터 광을 수신하는 반사 광학계(10), 상기 반사 광학계(10)를 통과한 광선으로부터 가시광과 적외선을 분할하기 위한 이파장 빔분할기(Dichroic Beam Splitter)(20), 상기 이파장 빔분할기(20)로부터 반사되는 가시광으로부터 가시광 영상을 형성하는 가시광 검출기(30), 상기 이파장 빔분할기(20)로부터 투과되는 적외선(이하, 광선)을 집속하는 적외선 릴레이 광학계(40) 및 상기 적외선 릴레이 광학계(40)로부터 집속된 광선으로부터 적외선 영상을 형성하는 적외선 검출기(50)를 구비하여 구성된다.
상기 적외선 릴레이 광학계(40)는 비축(Off-Axis)으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하고, 적외선 검출기(50)에 입사되는 광량을 최대화시키며, 적외선 검출기(50)에 광선이 광축 상으로 입사되도록 구비된다.
도 2는 종래의 적외선 릴레이 광학계를 보여주는 계통도로서, 비축 렌즈 주변의 온도 차이가 없을 경우 광선의 진행을 보여주는 계통도이고, 도 3은 도 2의 적외선 릴레이 광학계에서 비축 렌즈 주변의 온도 차이가 있을 경우 광선의 진행을 보여주는 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 적외선 릴레이 광학계(40)는 복수의 렌즈(42, 46)와 거울(44)을 구비하여 구성된다. 즉, 종래의 적외선 릴레이 광학계(40)는 비축 시야각으로 입사되는 광선의 경로를 변환하는 제1 거울(44a), 상기 제1 거울(44a)로부터 수신되는 비축 광선을 축상 광선으로 변환하는 비축 렌즈(42), 상기 비축 렌즈(42)로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 제2 거울(44b), 상기 제2 거울(44b)로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 제3 거울(44c) 및 상기 제3 거울(44c)로부터 수신된 광선을 적외선 검출기(50)로 집속하는 축상 렌즈(46)를 구비하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 비축 렌즈(42)와 상기 축상 렌즈(46)는 각각 복수로 구비된다.
이하, 종래의 적외선 릴레이 광학계(40)의 작용효과에 대해 설명한다.
즉, 적외선 릴레이 광학계(40)로 입사되는 광선은 상기 제1 거울(44a)에 의해 반사되어 상기 비축 렌즈(42)에 입사된다.
상기 비축 렌즈(42)에 입사된 광선은 그 비축 렌즈(42)를 통과하며 축상 광선으로 변환되고, 상기 제2 거울(44b)로 입사된다.
상기 제2 거울(44b)로 입사된 광선은 상기 제2 거울(44b)에 의해 반사되어 상기 제3 거울(44c)로 입사된다.
상기 제3 거울(44c)로 입사된 광선은 상기 제3 거울(44c)에 의해 반사되어 상기 축상 렌즈(46)로 입사된다.
상기 축상 렌즈(46)로 입사된 광선은 그 축상 렌즈(46)를 통과하며 집속된다.
집속된 광선은 상기 적외선 검출기(50)에 초점이 맺혀 적외선 영상으로 형성된다.
그러나, 이러한 종래의 적외선 릴레이 광학계(40)에 있어서, 상기 비축 렌즈(42)는 온도에 따라 굴절률이 변하기 때문에 상기 비축 렌즈(42)의 주변 온도가 변화됨에 따라 성능 변화가 발생되는 문제점이 있었다. 더욱 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 비축 렌즈(42) 주변의 공간에서 X축 방향으로 온도차이(Temperature gradient)가 없다면(공간적 온도차이가 0℃라면), 상기 적외선 검출기(50)의 초점면(54)에 정상적으로 초점이 맺힌다. 반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 비축 렌즈(42) 주변의 공간에서 X축 방향으로 약간의 온도차이가 발생되면(예를 들어, 공간적 온도차이가 0.2℃라면), 광선이 정상적으로 진행하지 않아 상기 적외선 검출기(50) 초점면(54)에 초점이 맺히지 못한다. 특히, 원격관측용 광학계처럼 고해상도가 요구되는 경우 상기 비축 렌즈(42)의 구경은 커지고 온도 변화에 따른 굴절률 변화가 커져서, 상기 비축 렌즈(42)의 구경이 커질수록 작은 온도차이에도 상기 문제점이 발생된다.
따라서, 본 발명은, 온도 변화에 따른 성능 변화를 억제할 수 있는 적외선 릴레이 광학계를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하는 변환기; 상기 변환기로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 거울; 및 상기 거울로부터 수신된 광선을 적외선 검출기로 집속하는 렌즈;를 포함하고, 상기 변환기는 비축구면경(Off-Axis Spherical Mirror)으로 구비되는 적외선 릴레이 광학계를 제공한다.
상기 비축구면경은 입사방향으로 오목하게 형성될 수 있다.
상기 비축구면경은 그 비축구면경의 광축에 대해 수직한 방향으로 디센터(decenter)되게 형성될 수 있다.
상기 비축구면경은 그 비축구면경의 반사면이 X축과 Y축이 이루는 평면에 대해 X축을 중심으로 +Z 혹은 -Z 방향으로 예각만큼 회전(tilt)되게 배치될 수 있다.
상기 비축구면경의 디센터와 회전 수치는 광경로가 보정되고 수차(aberration)가 최소화되도록 형성될 수 있다.
상기 비축구면경은 그 비축구면경 중에서 상기 비축구면경의 광축에 이격된 부위에 광선이 입사되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 적외선 릴레이 광학계는, 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하는 변환기를 온도 변화에 대해 영향을 받지 않는 비축구면경(Off-Axis Spherical Mirror)으로 구비함으로써, 온도 변화에 따른 성능 변화를 억제할 수 있다.
도 1은 적외선 릴레이 광학계가 적용된 원격 관측용 광학계를 설명하기 위한 계통도,
도 2는 종래의 적외선 릴레이 광학계를 보여주는 계통도,
도 3은 도 2의 적외선 릴레이 광학계에서 비축 렌즈 주변의 온도 차이가 있을 경우 광선의 진행을 보여주는 계통도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 릴레이 광학계를 보여주는 계통도,
도 5는 도 4의 사시도,
도 6은 도 4의 적외선 릴레이 광학계에 있어서 MTF 성능을 보여주는 도표이다.
이하, 본 발명에 의한 적외선 릴레이 광학계를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 릴레이 광학계를 보여주는 계통도이고, 도 5는 도 4의 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 릴레이 광학계(140)는, 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하는 변환기(142), 상기 변환기(142)로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 거울(144) 및 상기 거울(144)로부터 수신된 광선을 적외선 검출기로 집속하는 렌즈(146)를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 변환기(142)는 온도 변화에 대해 영향을 받지 않는 비축구면경(Off-Axis Spherical Mirror)으로 구비될 수 있다. 이하, 상기 변환기(142)를 비축구면경이라 한다.
상기 거울(144)은 상기 비축구면경(142)으로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 제1 거울(144a) 및 상기 제1 거울(144a)로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 제2 거울(144b)을 구비하여 구성될 수 있다.
상기 렌즈(146)는 상기 제2 거울(144b)로부터 수신된 광선의 경로를 결정하며 수차(Aberration)를 감소시키도록 복수로 구비될 수 있다. 즉, 상기 렌즈(146)는 상기 제2 거울(144b)로부터 수신된 광선을 투과시키며 집속시키는 제1 렌즈(146a), 상기 제1 렌즈(146a)로부터 수신된 광선을 투과시키며 발산시키는 제2 렌즈(146b), 상기 제2 렌즈(146b)로부터 수신된 광선을 투과시키며 발산시키는 제3 렌즈(146c) 및 상기 제3 렌즈(146c)로부터 수신된 광선을 투과시키며 집속시키는 제4 렌즈(146d)를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 제1 렌즈(146a)는 상기 복수의 렌즈(146) 중 구경이 가장 크고, 상기 제2 거울(144b)로부터 수신된 광선을 집속하도록 볼록 렌즈로 형성될 수 있다.
상기 제2 렌즈(146b)는 상기 제1 렌즈(146a)를 투과하는 광선이 상기 제1 렌즈(146a)에 의해 집속되므로 상기 제1 렌즈(146a)보다 구경이 클 필요가 없고, 광학계 전체의 무게 감소 등을 위해 상기 제1 렌즈(146a)보다 구경이 작게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제2 렌즈(146b)는 상기 제1 렌즈(146a)로부터 수신된 광선을 발산시키도록 오목 렌즈로 형성될 수 있다.
상기 제3 렌즈(146c)는 상기 제2 렌즈(146b)를 투과하는 광선이 상기 제2 렌즈(146b)의 광축(미도시)에서 멀어지는 방향으로 진행되지 않기 때문에 상기 제2 렌즈(146b)보다 구경이 클 필요가 없고, 광학계 전체의 무게 감소 등을 위해 상기 제2 렌즈(146b)에서 출사된 광선을 모두 수신하는 범위에서 상기 제2 렌즈(146b)보다 동등 이하의 구경으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제3 렌즈(146c)는 상기 제2 렌즈(146b)로부터 수신된 광선을 발산시키도록 오목 렌즈로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제3 렌즈(146c)는 상기 제3 렌즈(146c)에서 출사되는 광선이 상기 제3 렌즈(146c)에 의해 확산되더라도 상기 제3 렌즈(146c)의 광축(미도시)에서 멀어지는 방향으로 진행되지 않도록 형성될 수 있다.
상기 제4 렌즈(146d)는 상기 제3 렌즈(146c)를 투과하는 광선이 상기 제3 렌즈(146c)의 광축(미도시)에서 멀어지는 방향으로 진행되지 않기 때문에 상기 제3 렌즈(146c)보다 구경이 클 필요가 없고, 광학계 전체의 무게 감소 등을 위해 상기 제3 렌즈(146c)에서 출사된 광선을 모두 수신하는 범위에서 상기 제3 렌즈(146c)보다 동등 이하의 구경으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제4 렌즈(146d)는 상기 제3 렌즈(146c)로부터 수신된 광선을 집속하도록 볼록 렌즈로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제4 렌즈(146d)는 상기 제4 렌즈(146d)에서 출사되는 광선이 상기 제4 렌즈(146d)에 의해 확산되더라도 상기 제4 렌즈(146d)의 광축(미도시)에서 멀어지는 방향으로 진행되지 않도록 형성될 수 있다.
이러한 상기 비축구면경(142), 상기 거울(144) 및 상기 렌즈(146)는 다음과 같이 배치될 수 있다. 즉, 도 4를 참조하여, 상기 비축구면경(142)의 광축(A) 상 그 비축구면경(142)에 광선이 입사되는 방향(우측 방향)을 +Z축 방향, 상기 +Z축 방향에 수직한 일 방향(지면에서 나오는 방향)을 +X축 방향, 상기 +Z축 방향과 상기 +X축 방향에 수직한 일 방향(상측 방향)을 +Y축 방향이라 할 때, 상기 제1 거울(144a)은 상기 비축구면경(142)으로부터 -Z축 방향으로 이격되고, 그 제1 거울(144a)의 반사면이 X축과 Y축이 이루는 평면에 대해 X축을 중심으로 +Z축 방향으로 예각만큼 회전되게 배치될 수 있다. 상기 제2 거울(144b)은 상기 제1 거울(144a)로부터 +Z축 방향으로 이격되고, 상기 비축구면경(142)로부터 -Y축 방향으로 이격되게 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제2 거울(144b)은 그 제2 거울(144b)의 반사면이 X축과 Y축이 이루는 평면에 대해 X축을 중심으로 +Z축 방향으로 예각만큼 회전되게 배치될 수 있다. 상기 제1 렌즈(146a)는 상기 제2 거울(144b)로부터 -Z축 방향으로 이격되게 배치되고, 상기 제2 렌즈(146b)는 상기 제1 렌즈(146a)로부터 -Z축 방향으로 이격되게 배치되고, 상기 제3 렌즈(146c)는 상기 제2 렌즈(146b)로부터 -Z축 방향으로 이격되게 배치되며, 상기 제4 렌즈(146d)는 상기 제3 렌즈(146c)로부터 -Z축 방향으로 이격되게 배치될 수 있다. 여기서, 상기 거울(144) 및 상기 렌즈(146)의 수와 위치는 적절히 조절될 수 있다.
한편, 상기 제4 렌즈(146d)를 기준으로 상기 제3 렌즈(146c)의 반대측에는 적외선 검출기의 초점면(154)이 구비되고, 상기 제4 렌즈(146d)와 상기 초점면(154) 사이에는 적외선 검출기의 윈도우(152)가 구비될 수 있다. 상기 윈도우(152)는 평면으로 형성될 수도 있으나, 나르시서스를 최소화시키기 위해 입사면이 구면으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 비축구면경(142)은 그 비축구면경(142)의 반사면(S1)이 광선의 입사방향으로 오목한 구면으로 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 비축구면경(142)은, -Y축 방향으로 바라보았을 때, 반사면(S1)의 곡률 중심이 그 반사면(S1)을 기준으로 광선이 입사되는 방향의 반대 방향 측에 위치하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 비축구면경(142)의 반사면(S1)은, -Y축 방향으로 바라보았을 때, 양 단부보다 중심부가 +Z축 방향으로 음각진 곡면으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 비축구면경(142)은, -X축 방향으로 바라보았을 때, 반사면(S1)의 곡률중심(C)이 그 반사면(S1)을 기준으로 광선이 입사되는 방향의 반대 방향 측에 위치하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 비축구면경(142)의 반사면(S1)은, -X축 방향으로 바라보았을 때, 양 단부보다 중심부가 +Z축 방향으로 음각진 곡면으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 비축구면경(142)은 그 비축구면경(142)의 반사면이 X축과 Y축이 이루는 평면에 대해 X축을 중심으로 +Z 방향으로 예각만큼 회전(tilt)되게 배치될 수 있다. 상기 비축구면경(142)의 디센터와 회전 수치는 광경로가 보정되고 수차가 최소화되도록 형성될 수 있다. 예를 들어 수차를 최소화시키기 위해 디센터 수치(D1)는 37.49mm로 회전 수치(D2)는 7.12도로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 디센터 수치 37.49mm는 광축(A)에 대해 Y축 방향으로 37.49mm만큼 디센터된 것을 의미한다. 회전 수치 7.12도는 -X축 방향으로 바라보았을 때, 반시계 방향으로 7.12도 회전된 것을 의미한다.
그리고, 상기 비축구면경(142)은 중량 절감 등을 위해 광선이 입사되는 부위만 구비하여 구성될 수 있다. 즉, 상기 비축구면경(142)은 도 4에 도시된 바와 같이 상측 부위를 삭제하여 형성될 수 있다.
여기서, 본 실시예에 따른 적외선 릴레이 광학계(140)는, 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하는 변환기(142)를 온도 변화에 대해 영향을 받지 않는 비축구면경(142)으로 구비함으로써, 온도 변화에 따른 성능 변화를 억제할 수 있다. 즉, 상기 비축구면경(142)의 주변 공간에서 X축 방향으로 온도 차이가 발생되더라도 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 적외선 검출기에 정상적으로 초점이 맺히고, 모든 시야각에 대해 회절한계에 가까운 성능이 유지될 수 있다. 도 6은 도 4의 적외선 릴레이 광학계에 있어서 변조전달함수(Modulation transfer function:MTF)의 성능을 보여주는 도표이다. 세로축에 표시된 0부터 1까지의 modulation은 대조비(contrast)가 정현파로 이루어진 피사체의 상을 맺을 때 광학계를 거치며 대조비가 감쇄되는 비율을 의미한다. Modulation 1은 피사체의 모습을 100%로 재현할 수 있는 광학계를 의미한다. 가로축은 공간주파수(Spatial frequency)로 1mm 길이 안에 있는 정현파의 개수에 해당하며 보고자 하는 피사체의 크기가 얼마나 작은지를 의미한다. 공간주파수가 증가함에 따라 변조(modulation) 값이 점진적으로 낮아짐을 볼 수 있다. 광학계에 존재하는 물리적인 한계인 회절한계 변조전달함수와 비교할 때 주광선뿐 아니라 주변광선들에 대해서도 회절한계에 가까운 성능이 유지되고 있음을 알 수 있다.
140: 적외선 릴레이 광학계 142: 비축구면경
144: 거울 144a: 제1 거울
144b: 제2 거울 146: 렌즈
146a: 제1 렌즈 146b: 제2 렌즈
146c: 제3 렌즈 146d: 제4 렌즈
152: 윈도우 154: 초점면
A: 비축구면경의 광축 C: 비축구면경의 반사면의 곡률중심
S1: 비축구면경의 반사면 D1 : 비축구면경의 디센터

Claims (6)

  1. 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하는 변환기;
    상기 변환기로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 거울; 및
    상기 거울로부터 수신된 광선을 적외선 검출기로 집속하는 렌즈;를 포함하고,
    상기 변환기는 비축구면경(Off-Axis Spherical Mirror)으로 구비되며,
    상기 비축구면경은 그 비축구면경의 광축에 대해 수직한 방향으로 디센터(decenter)된 것을 특징으로 하는 비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비축구면경은 입사방향으로 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비축구면경은 그 비축구면경의 반사면이 X축과 Y축이 이루는 평면에 대해 X축을 중심으로 +Z 혹은 반시계 방향으로 예각만큼 회전(tilt)된 것을 특징으로 하는 비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비축구면경의 디센터 및 회전 수치는 광경로가 보정되고 수차가 최소화되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 비축구면경을 이용한 적외선 릴레이 광학계.
  6. 비축 시야각으로 입사되는 광선을 축상 광선으로 변환하는 변환기;
    상기 변환기로부터 수신된 광선의 경로를 변환하는 거울; 및
    상기 거울로부터 수신된 광선을 적외선 검출기로 집속하는 렌즈;를 포함하고,
    상기 변환기는 비축구면경(Off-Axis Spherical Mirror)으로 구비되며,
    상기 비축구면경은 그 비축구면경 중에서 상기 비축구면경의 광축에 대해 이격된 부위에 광선이 입사되는 것을 특징으로 하는 적외선 릴레이 광학계.
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CN107741635A (zh) * 2017-11-17 2018-02-27 北京长峰科威光电技术有限公司 一种制冷型红外热成像镜头的空间光轴偏移系统

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KR100972577B1 (ko) * 2010-05-18 2010-07-28 (주)토핀스 일축형 열화상카메라용 렌즈모듈

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