KR101589644B1 - 광대역 광학 장치 - Google Patents

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오승은
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한화탈레스 주식회사
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Abstract

본 발명은 광학 장치로서, 적외선과 레이저 광을 동시에 검출할 수 있는 광학계에 관한 것이다. 본 발명의 실시 형태의 광학 장치는 적외선 대역의 광과, 레이저 광을 동일한 광경로로 통과시키며, 복수의 렌즈를 구비하는 공통 광학계, 상기 통과되는 적외선 광과 레이저 광을 분리하는 광속 분리부, 상기 분리된 적외선 광을 수신하고 검출하는 적외선 광학계 및 상기 분리된 레이저 광을 수신하고 검출하는 레이저 광학계를 포함한다.

Description

광대역 광학 장치{Optical apparatus for infrared and laser}
본 발명은 광학 장치로서, 적외선 영상과 레이저 광을 동시에 검출할 수 있는 광대역 광학 장치에 관한 것이다.
무장 비행체, 레이더 등의 군용 장치에서 표적을 추적하는 기존의 표적 추적 기술은 영상 추적과 레이저 스폿 추적이라는 두 가지 형태로 추적이 이루어지는데, 각각은 별도의 검출기 및 시스템으로 구성된다.
영상 추적기는 주로 적외선을 사용하며, 적외선 광학계는 물체와 배경의 복사량의 차이를 영상화함으로써, 야간이나 시정이 불량한 대기 상태에서 표적을 탐지할 수 있다.
한편, 레이저는 밝기(brightness)가 매우 높고, 방향성(directionality)이 우수하기 때문에 원거리에서 높은 에너지를 방출할 수 있다. 또한 레이저는 단색성(monochromaticity)의 특성을 가지기 때문에 원하는 파장만 보낼 수도 있다. 이러한 특성으로 레이저 기술은 원격 탐지 및 추적 분야에 사용되며, 이는 군사 분야에서 매우 유용한다. 레이저 기술은 군사 표적의 손상 및 파괴 분야에도 사용된다.
종래의 광학계 및 추적 장치는 레이저 추적 광학계와 적외선 영상 획득 광학계가 따로 분리되어 있어, 각각의 시스템으로 한가지 기능 밖에 하지 못하는 문제가 있다. 또한, 레이저 추적 광학계와 적외선 영상 획득 광학계를 한 장비에 장착한다 하더라도, 두 광학계의 LOS(line of sigth, 이중센서 간 영점 정렬)을 조절하고 수시로 점검해야 하는 어려움이 있었다.
한국공개특허 10-2006-0071219
본 발명의 기술적 과제는 적외선 영역과 레이저 파장을 동시에 검출할 수 있는 광학 장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 기술적 과제는 레이저 검출에서 레이저 추적 정확도를 향상시킬 수 있는 광학 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 광학 장치는 적외선 대역의 광과, 레이저 광을 동일한 광경로로 통과시키며, 복수의 렌즈를 구비하는 공통 광학계, 상기 통과되는 적외선 광과 레이저 광을 분리하는 광속 분리부, 상기 분리된 적외선 광을 수신하고 검출하는 적외선 광학계 및 상기 분리된 레이저 광을 수신하고 검출하는 레이저 광학계를 포함한다.
상기 공통 광학계에서, 상기 렌즈는 피사체를 향하는 앞면이 볼록한 면을 가지고, 상기 전면과 대향하는 뒷면이 오목한 면을 가질 수 있다. 공통 광학계는 피사체 측으로부터 순서대로 배치되는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈를 포함할 수 있고, 상기 제1렌즈는 양(+)의 굴절력을 가진 구면 렌즈를 포함하고, 상기 제2렌즈는 음(-)의 굴절력을 가진 구면 렌즈를 포함하고, 상기 제3렌즈는 양(+)의 굴절력을 가진 비구면 렌즈를 포함하고, 상기 제4렌즈는 음(-)의 굴절력을 가진 구면 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광속 분리부는 적외선 광을 통과시키며, 레이저 광을 반사시킬 수 있으며, 이로부터 입사광에서 적외선과 레이저 광을 분리한다.
상기 적외선 광학계는 상기 광속 분리부와 마주보고 배치되어 상기 분리된 적외선 광을 검출하는 적외선 검출기를 포함하고, 상기 적외선 검출기는 내부에 제1 조리개 즉, 적외선 조리개를 포함할 수 있다.
상기 레이저 광학계는 상기 공통 광학계와 상기 광속 분리부 사이에 배치되는 제2 조리개 즉, 레이저 조리개를 포함할 수 있다. 레이저 광학계는 상기 광속 분리부와 이격되어 상기 분리된 레이저 광을 검출하는 레이저 검출기 및 상기 광속 분리부와 상기 레이저 검출기 사이에 배치되는 레이저 초점 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 레이저 광학계는 상기 레이저 초점 렌즈와 상기 레이저 검출기 사이에 원하는 특정 레이저 파장 대역 혹은 특정 파장을 투과시키며 나머지 파장 대역을 차단하는 밴드 패스 필터를 포함할 수 있다. 상기 레이저 초점 렌즈는 주광선이 렌즈 광 축에 대해 평행하는 텔레센트릭 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 레이저와 적외선 파장 대역을 모두 투과시켜 결상할 수 있는 공통 광학계를 구비하여, 적외선 영역과 레이저 영역의 광을 동시에 검출할 수 있다. 이에, 주간 및 야간 레이저 추적 및 영상획득이 가능하다. 또한, 조리개를 레이저와 적외선 광을 분리하는 광속 분기기 앞에 배치하여 광속 분리기의 크기를 감소시키고 대물렌즈의 직경을 감소시킬 수 있다. 이에 광학 장치를 소형화할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 레이저 광학계에서 주광선이 레이저 검출면에 수직으로 입사되도록 설계하여, 시계에 따라 레이저 집광면의 크기를 일정하게 예컨대 동일하게 제어할 수 있다. 이로부터 레이저 추적 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 레이저 검출기 앞에 밴드 패스 필터를 배치하여 파장이 시프트되는 양을 최소화하고, 투과되는 에너지의 양을 높일 수 있다. 이로부터 레이저 추적 민감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치를 개념적으로 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치를 구체적으로 도시한 그림이다.
도 3은 도 2 중의 공통 광학계와 레이저 광학계를 확대 도시한 그림이다.
도 4는 도 3의 각 구성요소의 면 형태, 면의 곡률, 두께, 재질을 도시한 테이블이다.
도 5는 도 2 중의 공통 광학계와 적외선 광학계를 확대 도시한 그림이다.
도 6은 도 5의 각 구성요소의 면 형태, 면의 곡률, 두께, 재질을 도시한 테이블이다.
도 7은 광학 장치에서 광이 각 광학계를 투과하여 적외선 및 레이저 광이 각기 검출되는 모습을 도시한 그림이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명의 정확한 이해를 돕기 위해, 도면은 확대되거나 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치를 개념적으로 도시한 그림이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 장치를 구체적으로 도시한 그림이다.
기존의 적외선 검출기(또는 가시광선 검출기)는 적외선 영상(또는 가시광 영상)의 추적만 가능할 뿐이지 영상 추적과 레이저 추적을 동시에 할 수 없다. 본 발명은 이를 해결하기 위하여 영상 추적과 레이저 추적을 동시에 진행할 수 있는 렌즈 어셈블리의 공통 광학계 구조 및 이를 포함한 광학 장치를 제시한다.
본 발명은 적외선 대역 예를 들면 3.7㎛ ~ 4.8㎛ 대역의 중적외선 대역의 영상을 획득하는 채널과 레이저 광, 예를 들면 파장 1064nm, 904nm 등의 레이저광을 검출하는 채널을 공통으로 구성하도록 하는 렌즈 어셈블리의 광학계 구조를 제시한다. 물론 이외의 적외선 파장 대역 및 레이저 광을 검출할 수도 있다. 즉, 중적외선 외에 근적외선 혹은 원적외선의 파장 대역을 검출할 수도 있다. 또한, 현재 레이저 광의 파장역은 0.1㎛ 내지 수백 ㎛ 내로 알려져 있다. 즉, 이런 범위 내에서 다양한 파장의 레이저 광을 얻을 수 있고, 이러한 레이저 광을 추적에 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 장치는 적외선 대역의 광과 레이저 광을 동일한 광경로로 통과시키면서 복수의 렌즈를 구비하는 공통 광학계(100), 통과되는 적외선 광과 레이저 광을 분리하는 광속 분리부(200), 분리된 적외선 광을 수신하고 검출하는 적외선 광학계(300) 및 분리된 레이저 광을 수신하고 검출하는 레이저 광학계(400)를 포함한다. 하기에서 각 구성요소의 앞쪽, 전단, 앞면은 피사체를 향하는 쪽/영역/면, 또는 광이 입사되는 쪽/영역/면을 의미하고, 뒷쪽, 후단, 뒷면은 이미지를 향하는 쪽/영역/면, 또는 광이 출사되는 쪽/영역/면을 의미한다.
공통 광학계는 도 2에 도시한 바와 같이 복수의 광학 렌즈 예를 들면, 4매의 광학 렌즈를 구비하는 일종의 렌즈 어셈블리를 구비한다. 공통 광학계는 적외선과 레이저 광을 동일 경로로 동시에 투과시킨다. 적외선과 레이저 광을 안정적으로 받아들이기 위해 구면 렌즈 3매와 비구면 렌즈 1매를 포함한다. 상기 렌즈들은 피사체 즉 물체를 향하는 앞면이 볼록한 면을 가지고, 상기 앞면과 대향하는 뒷면이 오목한 면을 가질 수 있다. 렌즈를 이루는 재질은 적외선과 레이저 광을 모두 동시에 투과시키도록 하는 렌즈 재질로 구성하며, 예를 들면, 황화 아연(Zinc Sulfide: ZnS) 및 셀렌화아연(Zinc Selenide: ZnSe) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 렌즈에는 투과 성능 향상을 위한 반사 방지(anti-reflection)막이 코팅될 수도 있다. 상세한 렌즈 구조, 재질 등은 후술한다.
광속 분리부(200)는 적외선 광을 통과시키며, 레이저 광을 반사시키는 구성 요소로, 상기 공통 광학계(100)와 마주 보고 배치된다. 예를 들면, 광속 분리부(200)은 공통 광학계(100)의 복수의 렌즈가 배치되는 연장 방향에 최종 렌즈 즉, 제4렌즈(104)를 마주보고 배치될 수 있다. 또한, 광속 분리부(200)의 중심선과 복수의 렌즈를 지나는 중심선이 일치하도록 배치될 수도 있다. 광속 분리부(200)는 프리즘(prism) 형태를 사용하거나 빔 스플리터(splitter)를 사용하여 구현될 수 있다. 광속 분리부(200)의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 적외선이 통과할 수 있는 재질이면 충분하다. 예를 들면, 광속 분리부(200)는 사파이어나 아연(Zn)계 물질로 제조될 수 있다.
광속 분리부(200)는, 공통 광학계(100)의 렌즈 어셈블리의 후단에서 렌즈 어셈블리의 중심축에서 45°기울어진 면을 구비할 수 있다. 즉, 제4렌즈(104)의 후단에서 렌즈 어셈블리의 중심축에서 45°기울어진 경사면을 구비할 수 있다. 45°경사진 면을 구비함으로써, 제4렌즈(140)를 투과하여 출력하는 적외선과 레이저 광을 각각 분리하여, 적외선을 투과시키며 레이저 광을 반사시킨다.
적외선 광학계(300)는, 상기 광속 분리부(200)와 마주보고 배치되어, 분리된 적외선 광을 검출하는 적외선 검출기(301)를 포함한다. 적외선(301)로 예를 들면 냉각형 검출기를 사용할 수 있다. 적외선 검출기(301)에는 적외선 광이 통과하는 윈도우(302)가 설치되어, 이를 통해 적외선을 검출기 내부로 인입시킨다. 적외선 검출기(301) 내부에는 윈도우(302)를 통과한 적외선 광량을 조절하는 조리개(302), 조리개(302)에 인접 설치된 적외선 필터(304) 및 입사된 적외선을 검출하는 검출 센서(305)가 구비된다. 이들은 적외선이 투입되는 방향을 향해 나란하게 배열될 수 있다. 적외선 필터(304)는 입사되는 광 중 불필요한 파장 대역의 빛을 제거할 수 있다. 예를 들면, 원하는 파장 대역의 적외선만 통과시키고, 나머지는 차단할 수 있다. 적외선 필터는 조리개(302)의 앞쪽에 위치시킬 수 있다. 또한, 조리개(302)는 광속 분리부(200) 뒷쪽이며, 검출 센서(305)의 앞쪽인 위치에 설치된다. 예를 들면, 윈도우(303)와 검출 센서(305) 사이에 위치할 수 있다.
레이저 광학계(400)는 상기 광속 분리부(200)을 통하여 반사되어, 경로가 꺽인 레이저 광을 받아들이고 검출할 수 있는 위치에 배치된다. 즉, 공통 광학계(100)의 연장 방향과 교차하는 예를 들어, 직교하는 방향에 배치될 수 있다. 또한, 레이저 광학계(400)는 적외선 광학계(300)의 배치 방향과 직교하는 방향에 배치될 수도 있다. 레이저 광학계(400)는 공통 광학계(100)와 광속 분리부(200) 사이에 배치되고, 입사되는 광량을 조절하는 조리개(404)를 포함한다. 적외선 광학계(300)의 조리개(302)가 적외선 검출기(301) 내부에 위치하는 반면, 레이저 광학계(400)의 조리개(404)는 적외선 광학계(300)에 광선을 차폐하지 않는 위치에서 배치할 수 있다. 여기서, 조리개(404)를 광속 분리부(200)의 앞쪽에 배치하므로, 광속 분리기(200)의 크기를 최소화하고, 대물렌즈 즉 제1렌즈(101)의 직경을 최소화하여 공통 광학계(100)의 크기도 최소화할 수 있다. 만약 레이저 광학계의 조리개(404)를 대물렌즈(101)의 앞쪽에 배치하면 광속 분리기(200)의 크기는 커지고, 또한, 조리개(404)를 광속 분리기(200)의 뒷쪽에 배치하면 동일한 입사동을 가지기 위하여 공통 광학계(100) 및 광속 분리기(200)의 크기가 커질 수밖에 없다. 반면, 본 실시예는 레이저 광학계의 조리개(404)를 광속 분리부(200)의 앞쪽에 배치하여, 장비의 소형화 및 경량화가 가능하다. 또한, 광속 분리부(200)를 소형화할 수 있으므로, 광속 분리부(200)의 가공 및 제작이 용이하다. 이때, 레이저 광학계의 조리개(404)의 위치는 공통 광학계(100)와 광속 분리기(200) 사이에서 전체 광학계의 설계에 따라 미세하게 조절될 수 있으며, 예를 들면 광속 분리기(200)의 앞면에 인접하여 설치될 수도 있다.
또한, 레이저 광학계(400)은 광속 분리부(200)와 이격되어 분리된 레이저 광을 검출하는 레이저 검출기(401), 광속 분리부(200)와 레이저 검출기(401) 사이에 배치되는 레이저 초점 렌즈(402)를 포함할 수 있다. 레이저 검출기(401)는 레이저를 통과시키는 윈도우(401a)와 레이저를 검출하는 검출 센서(401b)를 포함한다. 레이저 검출기(401)는, 예를 들면 레이저를 수신하고 추적할 수 있는 4각형 셀 실리콘 검출기를 사용할 수 있다. 레이저 초점 렌즈(402)는 광속 분리부(200)에서 분리된 레이저 광을 집광하고, 즉 집광면을 조절하고, 광 경로를 조절한다. 레이저 초점 렌즈(402)는 초점 거리에 따라 1장 또는 복수 장으로 레이저 파장이 투과 가능한 재질이 렌즈로 구성된다. 또한, 레이저 초점 렌즈(402)는 시계(field of view) 즉, 관측할 수 있는 범위에 따라 집광면을 일정하게 만들기 위한 결상을 텔레센트릭 시스템(telecentric system)으로 설계한다. 즉, 레이저 초점 렌즈(402)는 주광선이 렌즈의 광 축에 대해 평행하는 텔레센트릭 렌즈를 포함할 수 있다. 레이저 초점 렌즈(402)와 관련해서는 후에 상세히 기술한다.
레이저 광학계(400)는 레이저 초점 렌즈(402)와 레이저 검출기 사이에 특정 레이저 파장 대역을 투과시키며 나머지 파장 대역을 차단하는 밴드 패스 필터(403)를 포함할 수 있다. 즉, 밴드 패스 필터(403)는 원하는 레이저 파장(예: 1064nm)만을 통과시키고, 나머지 파장 대역을 차단할 수 있다. 이러한 밴드 패스 필터(403)는 레이저 초점 렌즈(402) 뒤쪽에 레이저 검출기(401) 앞쪽에 배치함으로써, 파장 시프트(shift)되는 양을 최소화할 수 있다. 즉, 레이저 초점 렌즈(402)를 통하여 광 경로가 조절된 레이저 광이 입사되므로, 밴드 패스 필터(403)에 입사되는 광의 각도는 최소한의 입사 각도로 모두 동일하게 되어, 파장 시프트되는 양을 최소한으로 할 수 있다. 또한, 이로부터 레이저 광의 파장 시프트 양을 최소한으로 동일하게 감소시킬 수 있기 때문에, 시계에 따른 정확도와 민감도를 높일 수 있다.
하기에서는 각 광학계의 구체적 사양을 설명한다. 도 3은 도 2 중의 공통 광학계와 레이저 광학계를 확대 도시한 그림이고, 도 4는 도 3의 각 구성요소의 면 형태, 면의 곡률, 두께, 재질을 도시한 테이블이다.
공통 광학계(100)가 4개의 렌즈를 구비하는 경우를 예시한다. 공통 광학계(100)는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈가 피사체 측으로부터 순서대로 배열된다. 즉, 피사체와 마주보는 쪽으로 제1렌즈(101)가 배치되며, 이어서 차례로 제2렌즈(102), 제3렌즈(103), 제4렌즈(104)가 배치된다. 따라서 피사체에서 반사되는 광은 제1렌즈(101), 제2렌즈(102), 제3렌즈(103), 제4렌즈(104)를 투과하며, 최종적으로 이미지면에 이미지 상을 맺게 한다. 이러한 4개의 렌즈는 양(+)의 굴절력을 가지는 렌즈(볼록렌즈)와 음(-)의 굴절력을 가지는 렌즈(오목렌즈)가 교대로 반복 구성되도록 할 수 있다. 이때, 각 렌즈는 앞면이 볼록한 면을 가지고 뒷면이 오목한 면을 가질 수 있다.
제1렌즈(101)는, 양(+)의 굴절력을 가진 구면 렌즈일 수 있고, 피사체와 마주보는 앞면(①)이 볼록면으로 형성되며 뒷면(②)이 오목면으로 형성될 수 있다. 즉, 제1렌즈(101)는 상호 대면하는 앞면(①) 및 뒷면(②)이 구면으로 형성되어 있으며 양(+)의 굴절력을 가진 렌즈이며, 앞면(①)은 피사체의 광을 받아들이는 크기를 결정하는 역할을 하는 기능을 한다. 제2렌즈(102)는, 음(-)의 굴절력을 가지고, 제1렌즈(101)와 마주보는 앞면(③)이 볼록면으로 형성되며 뒷면(④)이 오목면으로 형성될 수 있다. 제2렌즈(102)는 상호 대면하는 면이 구면으로 형성되어 있으며, 음(-)의 굴절력을 가진 렌즈로서 제1렌즈(101)에서 발생하는 수차량을 보정할 수 있다. 제3렌즈(103)는, 양(+)의 굴절력을 가지고, 제2렌즈(102)와 마주보는 앞면(⑤)면이 볼록면으로 형성되며 뒷면(⑥)이 오목면으로 형성된다. 제3렌즈(103)는 뒷면(⑥)이 비구면 형태로 형성될 수 있다. 따라서 고굴절 재질을 가지는 렌즈의 비구면 효과로 수차량을 보정할 수 있다. 제4렌즈(104)는, 음(-)의 굴절력을 가지고, 상기 제3렌즈(103)와 마주보는 앞면(⑦)이 볼록면으로 형성되며 뒷면(⑧)이 오목면으로 형성된다. 제4렌즈(104)는 이미지면에 가까운 앞면(⑦)과 뒷면(⑧)이 구면 형태로 형성될 수 있다.
참고로, 구면이라 함은 일정한 곡률을 가지는 곡면을 말한다. 또한 비구면(aspherical surface)이라 함은 상기 구면에서 약간 벗어난 곡면을 가지는 형태를 말하는데, 중심부에서 주변부로 점진적으로 편평해지는 면 형태를 가질 수 있다. 비구면을 가질 경우 중심부의 곡률보다 주변부의 곡률의 낮아져서, 중심부의 굴절율과 주변부의 굴절율이 달라지게 된다. 따라서 렌즈의 면이 비구면의 특성을 가질 경우 구면 수차를 보정할 수 있다.
상기의 제1렌즈(101), 제2렌즈(102), 제3렌즈(103), 제4렌즈(104)의 면 형태, 렌즈면 곡률 반경(Y-radius), 두께/간격, 재질을 도 4에 나타낸 바와 같이 설계할 수 있다. 이때, 두께는 일 구성요소(예:렌즈)의 두께 즉, 일 렌즈의 마주 보는 앞면과 뒷면 사이의 두께를 나타내고, 간격은 서로 다른 구성요소(예:렌즈)의 마주보는 면사이의 간격을 나타낸다. 이때, 두께 및 간격은 각 구성요소의 마주보는 면의 중심점 사이의 거리 일 수 있다. 예를 들면 제1렌즈(101)의 두께는 제1렌즈(101)의 앞면(①)과 뒷면(②) 사이의 거리로 5~10mm이고, 제1렌즈(101)와 제2렌즈(102) 사이의 간격은 제1렌즈(101)의 뒷면(②)과 제2렌즈(102)의 앞면(③) 사이의 거리로 5~10mm이다. 다른 렌즈의 경우도 동일하다. 또한, 도 4에 나타내었듯이, 제1렌즈(101)과 제3렌즈(103)은 황화 아연 등 아연계 재질로 제조될 수 있고, 제2렌즈(102)와 제4렌즈(104)는 셀렌화 아연 등 아연계 재질로 제조될 수 있다. 이러한 공통 광학계(100)의 설계에 의하여 적외선 영역과 레이저 광을 동시에 효율적으로 검출할 수 있게 되고, 하나의 광학계를 통하여 적외선과 레이저 광을 모두 검출하므로, LOS를 점검하는 어려움을 해결할 수 있다.
광속 분리부(200) 프리즘 형태의 분리기로 구현될 수 있으며, 입사되는 레이저 광을 반사시켜 경로를 꺽은 후, 출사한다. 이때, 면(⑨)와 면(⑩A) 사이의 거리는 레이저 광이 통과하는 경로에 해당한다. 즉, 조리개(404, STOP) 혹은 입사면(⑨)의 중심에서 광속 분리부(200)의 경사면 중심까지의 거리와 경사면 중심에서 광속 분리부(200)의 출사면(⑩A) 중심까지의 거리의 합을 나타낸다. 광속 분리부(200)는 사파이어로 제조될 수 있다.
레이저 광학계(300)는 2개의 렌즈로 이루어진 레이저 초점 렌즈(402)를 구비하는 것으로 예시한다. 물론 다양한 변경이 가능하다. 제1초점 렌즈(402a)는, 음(-)의 굴절력을 가진 구면 렌즈일 수 있고, 광속 분리부(200)와 마주보는 앞면(⑪A)이 오목면으로 형성되며 뒷면(⑫A)도 오목면으로 형성될 수 있다. 즉, 제1초점 렌즈(402a)는 상호 대면하는 앞면(⑪A) 및 뒷면(⑫A)이 구면으로 형성되어 있으며 음(-)의 굴절력을 가진 렌즈이며, 앞면(⑪A)은 광속 분리기(200)부터의 레이저 광을 받아들이는 크기를 결정하는 역할을 할 수 있다. 또한, 제1초점 렌즈(402a)는 입사되는 레이저 광을 퍼트려서 광 경로를 제어한다. 제2초점 렌즈(402b)는, 양(+)의 굴절력을 가지고, 제1초점 렌즈(402a)와 마주보는 앞면(⑬A)이 볼록면으로 형성되며 뒷면(⑭B)이 오목면으로 형성될 수 있다. 제2초점 렌즈(402b)는 상호 대면하는 면이 구면으로 형성되어 있으며, 양(+)의 굴절력을 가진 렌즈로서 레이저 광을 집광시킬 수 있다. 제1초점 렌즈(402a)는 유리 재질로 제조될 수 있고, 제2 초점 렌즈(402b)는 황화 아연 재질로 제조될 수 있다. 이러한 제1, 2 초점 렌즈의 조합은 레이저 검출기(401)에 맞추어 집광면의 크기를 조절하고, 또한, 시계에 따라 레이저 검출기(401)에 입사되는 주광선의 각도를 수직하게 되도록 한다. 물론 레이저 초점 렌즈는 이외도 다양한 변경으로 광학 설계될 수 있다. 또한, 도 4에 레이저 광학계(100)의 각 구성요소의 광학적 사양을 예시적으로 나타내었다. 여기서, 두께/간격의 의미는 상기에 설명된 바와 동일하다.
도 5는 도 2 중의 공통 광학계와 적외선 광학계를 확대 도시한 그림이고, 도 6은 도 5의 각 구성요소의 면 형태, 면의 곡률, 두께, 재질을 도시한 테이블이다. 공통 광학계(100)에 대해서는 상술한 바와 같으며, 도 5 및 도 6을 통하여, 본 실시예의 적외선 광학계에 대한 구체적 사양을 알 수 있다. 물론 이외에도 구체적 사향은 전체 광학 장치의 설계에 따라 변동될 수 있다. 각 사양의 의미는 상술한 바와 동일하다. 예컨대, 원도우(303) 및 적외선 필터(304)는 실리콘, 게르마늄, 또는 아연계 재질로 제조될 수 있다.
하기에는 광학 장치의 동작을 설명한다. 도 7은 광학 장치에서 광이 각 광학계를 투과하여 적외선 및 레이저 광이 각기 검출되는 모습을 도시한 그림이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 광이 대물렌즈, 즉 제1렌즈(101)를 통해 입사되면, 전체 광은 공통 광학계(100)를 투과하여 프리즘 형태의 광속 분리부(200)에 입사된다. 이때, 광속 분리부(200) 앞쪽에는 조리개(404)가 배치되어 광량을 조절하고 광속 분리기(200)의 크기를 감소시킬 수 있다. 광속 분리부(200)에서는 적외선 대역 파장의 광 즉, 적외선 광(일점 쇄선 표시)은 통과시키고, 레이저 광(실선 표시)은 반사시켜 레이저 광의 경로를 꺽어서 출사한다. 이에 입사된 광은 적외선 광과 레이저 광으로 분리된다. 광속 분리부(200)를 투과한 적외선 광은 적외선 검출기(301)로 입사되고, 이에 적외선 영상을 획득할 수 있게 된다. 또한, 광속 분리부(200)에서 반사된 레이저 광은 레이저 광학계(400)로 입사된다.
한편, 레이저 추적을 위해서는 레이저 추적 검출기에 일정 크기 만큼 집광면(spot)이 필요하다. 결상면에서 디포커스(defous)하므로써 레이저 추적 검출면에 집광면을 만들고 크기를 조절할 수 있다. 하지만, 일반적인 영상획득 장비처럼 결상하는 광학계를 설계한다면 시계에 따라 집광면의 크기가 달라질 수 있다. 그러나, 원활한 레이저 추적을 하기 위해서는 검출기 직경의 1/2 크기의 집광면을 만드는 것이 좋다. 이에, 원하는 크기의 집광면을 만들기 위해서, 본 실시예는 레이저 추적 초점 렌즈(402)를 사용한다.
만약 레이저 추적 초점 렌즈(402)가 없다면, 집광면의 크기는 공통 광학계(100)에 의하여 크기가 정해지게 된다. 또한, 시계에 따라 레이저 검출기(401)에 입사되는 주광선의 각도가 다르기 때문에 집광면의 크기도 시계에 따라 달라진다. 뿐만아니라 밴드 패스 필터(403)에 입사되는 광의 각도도 시계에 따라 달라지기 때문에 파장 시프트되는 양도 다르게 된다.
반면, 본 실시예는 상술한 레이저 초점 렌즈(402)를 설치하므로, 광속 분리부(200)를 통과한 광을 원하는 만큼 집광하여 원하는 크기(레이저 검출기 직경의 1/2)의 집광면(500)을 얻을 수 있다. 또한, 시계에 따라 레이저 검출기(401)에 입사되는 주광선의 각도를 수직하게 광학 설계하였다. 즉, 주광선이 레이저 검출기(401)의 검출면에 수직으로 입사되도록 하였다. 이에, 도 7에 나타내었듯이, 각 집광면(500: 501a 내지 501e)의 크기를 동일하게 할 수 있다. 이에 레이저 추적의 정확도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 도 7의 각 집광면(500)은 레이저 광의 위치에 따른 집광면을 의미한다. 즉, 중앙으로 입사된 레이저 광은 집광면(501a)를 형성하며, Y축 양의 방향으로 이동된 레이저 광은 집광면(501b)를 형성하며, Y축 음의 방향으로 이동된 레이저 광은 집광면(501d)을 형성한다. 또한, X축 양의 방향으로 이동된 레이저 광은 집광면(501c)를 형성하며, X축 음의 방향으로 이동된 레이저 광은 집광면(501e)을 형성한다. 이처럼 레이저 광이 어느 방향으로 치우치더라도 각 집광면의 크기를 동일하게 유지할 수 있다. 또한, 본 실시예는 레이저 초점 렌즈(402)를 설치하고, 이의 뒷쪽이며 레이저 검출기(401) 앞쪽에 밴드 패스 필터(403)을 배치하므로, 밴드 패스 필터(104)에 입사되는 각도를 최소한의 입사각도로 모두 동일하게 할 수 있고, 이로부터 파장 시프트되는 양을 최소한으로 감소시킬 수 있다. 이에, 시계에 따른 정확도와 민감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100:공통 광학계 200:광속 분리부
300:적외선 광학계 400:레이저 광학계

Claims (9)

  1. 적외선 대역의 광과, 레이저 광을 동일한 광경로로 통과시키며, 복수의 렌즈를 구비하는 공통 광학계;
    상기 통과되는 적외선 광과 레이저 광을 분리하는 광속 분리부;
    상기 분리된 적외선 광을 수신하고 검출하는 적외선 광학계; 및
    상기 분리된 레이저 광을 수신하고 검출하는 레이저 광학계;를 포함하고,
    상기 레이저 광학계는 상기 광속 분리부와 이격되어 상기 분리된 레이저 광을 검출하는 레이저 검출기 및 상기 광속 분리부와 상기 레이저 검출기 사이에 배치되는 레이저 초점 렌즈를 포함하는 광대역 광학 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공통 광학계에서, 상기 렌즈는 피사체를 향하는 앞면이 볼록한 면을 가지고, 상기 앞면과 대향하는 뒷면이 오목한 면을 가지는 광대역 광학 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 공통 광학계는 피사체 측으로부터 순서대로 배치되는 제1렌즈, 제2렌즈, 제3렌즈, 제4렌즈를 포함하고,
    상기 제1렌즈는 양(+)의 굴절력을 가진 구면 렌즈를 포함하고,
    상기 제2렌즈는 음(-)의 굴절력을 가진 구면 렌즈를 포함하고,
    상기 제3렌즈는 양(+)의 굴절력을 가진 비구면 렌즈를 포함하고,
    상기 제4렌즈는 음(-)의 굴절력을 가진 구면 렌즈를 포함하는 광대역 광학 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광속 분리부는 적외선 광을 통과시키며, 레이저 광을 반사시키는 광대역 광학 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 적외선 광학계는 상기 광속 분리부와 마주보고 배치되어 상기 분리된 적외선 광을 검출하는 적외선 검출기를 포함하고, 상기 적외선 검출기는 내부에 제1 조리개를 포함하는 광대역 광학 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 레이저 광학계는 상기 공통 광학계와 상기 광속 분리부 사이에 배치되는 제2 조리개를 포함하는 광대역 광학 장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 광학계는 상기 레이저 초점 렌즈와 상기 레이저 검출기 사이에 특정 레이저 파장 대역을 투과시키며 나머지 파장 대역을 차단하는 밴드 패스 필터를 포함하는 광대역 광학 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 초점 렌즈는 주광선이 렌즈 광 축에 대해 평행하도록 하는 텔레센트릭 렌즈를 포함하는 광대역 광학 장치.
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