KR101807414B1 - 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계 - Google Patents

삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계 Download PDF

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김영수
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Abstract

본 발명은 EO, SWIR, MWIR 삼중대역 파장 영상을 동시에 촬영하는 stepping 촬영 방식 LOROP 카메라 광학계이다. 장거리 영상 획득을 위해 대물렌즈가 크고 고배율을 위해 초점거리가 길 필요성에 따라 광학계는 반사식 망원경이 사용되며 stepping 촬영을 위해 2차원 배열 검출기를 사용한다. 공간의 효율적 활용과 EO, SWIR 영상 및 MWIR 영상을 구분하기 위해 나스미스(Nasmyth) 초점 광학계를 적용하였으며, 실리콘 재질의 평판 광속분리기를 주ㅇ부경 사이에 삽입하였다. EO, SWIR 영상은 이후 입방체 광속분리 프리즘을 이용하여 분리하였으며 개별 후단광학계를 활용하여 보정한다. 삼중대역 광학계 모두 roll 구동 보정용 스캔 메커니즘을 가진다.

Description

삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계{Long Range Oblique Photography Camera Optical System for Simultaneous Shooting of Triple Band Wavelength Image}
본 발명은 장거리 빗각촬영 카메라 광학계에 관한 것으로, 특히 가시광-근적외선(EO), 단파장 적외선(SWIR, Short Wave InfraRed), 중적외선(MWIR, MidWave InfraRed)의 삼중대역 파장 영상을 동시에 촬영하는 stepping 촬영 방식 장거리 빗각촬영 카메라 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 군사용으로 사용되는 장거리 빗각촬영(LOROP, LOng Range Oblique Photography) 카메라는 적의 요격범위 밖에서 비행하는 항공기에 장착되어 EO, SWIR, MWIR 영상의 동시 촬영으로 장거리 영상을 획득한다.
일례로, EO 영상은 주로 0.6∼1.1㎛파장대역을 가지는 가시광-근적외선대역으로서 주간 고해상도 영상획득용으로 사람이 인식하는 영상 특성과 동일하므로 사용자가 영상을 판독하는데 이질감이 없는 반면 대기 감쇄에 대한 영향을 가장 크게 받는다. 다만, 에어리 원반(Airy disk)을 고려했을 때 파장이 가장 짧은 EO 광학계가 가장 높은 해상도를 가지며, 사람 눈에 가장 근접한 영상특질로 인해 주로 활용된다. MWIR 영상은 3∼5㎛ 파장대역을 가지는 중적외선 대역으로서 차량 엔진, 공장 굴뚝 등의 발열체 영상획득용으로 야간에도 촬영이 가능하며, EO 영상이 주지 못하는 정보를 제공한다. 또한 레일리 산란에 의한 대기감쇄에 가장 영향을 받지 않는 장점을 가진다. 하지만 표적 자체에서 방출되는 열을 촬상하므로 고해상도 영상 획득에 한계가 있으며 영상특성이 EO 영상과 확연히 다르다. SWIR 영상은 1.1~1.7㎛인 단파장 적외선대역으로서 표적으로부터 반사된 빛을 촬상하므로 고해상도 영상획득이 가능하며 EO 영상과 유사하여 사용자가 영상을 인식하는데 이질감이 덜하다. 또한 SWIR 영상은 EO 영상에서 구분되기 힘든 재질의 특성도 인식할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 LOROP는 2차원 배열 검출기를 사용하는 다중파장(Multi-spectral) 광학계를 적용한다.
일례로, 상기 다중파장 광학계는 3CCD 용 영상 분할기와 촬상소자 사이의 필터를 분리,교체하는 방식이나 또는 색 선별 거울(dichroic mirror)을 활용하는 방식으로 구분되며, 이등 방식은 모두 동시촬영이 가능하면서 기계적 진동,충격이 큰 환경에서도 고해상도 영상획득을 달성하고, 특히 대구경 광학계에도 수용 가능하다.
국내특개10-2012-0029761(2012년03월27일)
하지만, 상기 3CCD 용 영상분할기나 상기 색 선별 거울 등 광속분리기를 활용하는 방식은 모두 가시광 영역에서 색분할에 초점을 맞추고 있어 SWIR 광학계나 MWIR 광학계의 파장영역은 고려되지 않는 한계성을 갖는다.
특히, MWIR 광학계의 경우 광학재질을 EO, SWIR 광학계와 공유하지 못하므로 3CCD용 프리즘 적용이 힘들며 진동,충격에 강건한 구조를 위해 단순히 색 선별 거울을 배치하는 것과 다른 방식의 접근이 필요하다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 반사식 망원경으로 장거리 영상 획득을 위해 큰 대물렌즈와 고배율을 위한 긴 초점거리를 충족하고, 나스미스(Nasmyth) 초점 광학계로 공간의 효율적 활용을 높이며, 평판 광속분리기와 입방체 광속분리 프리즘 적용으로 EO, SWIR 영상 및 MWIR 영상을 구분하며, 2차원 배열 검출기를 사용하는 Stepping(혹은 Step and Stare)방식으로 삼중대역의 EO, SWIR 영상 및 MWIR 광학계가 모두 roll 구동 보정용 스캔 메커니즘을 가지는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계는 카세그레인(Cassegrain)망원경, 상기 카세그레인 망원경으로 입사된 광원중 MWIR(MidWave InfraRed)을 투과하는 제1 광속분리기, 상기 제1 광속분리기에서 반사된 가시광-근적외선을 투과하면서 SWIR(Short Wave InfraRed)를 반사하는 제2 광속분리기로 구성된 공통광학계; 상기 가시광-근적외선(EO)을 수광하는 EO 광학계, 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)을 수광하는 SWIR 광학계, 상기 MWIR(MidWave InfraRed)을 수광하는 MWIR 광학계로 구성된 삼중대역 광학계; 상기 EO 광학계에서 나온 상기 가시광-근적외선(EO)을 촬상하는 EO 파장 검출기, 상기 SWIR 광학계에서 나온 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)을 촬상하는 SWIR 파장 검출기, 상기 MWIR 광학계에서 나온 상기 MWIR(MidWave InfraRed)을 촬상하는 MWIR 파장 검출기로 구성된 삼중대역 파장 검출부; 카메라가 비행체 roll 방향 스캔 시 영상 노출시간 동안 시선이동에 따른 영상흐름을 보상할 때, 상기 EO 광학계의 상기 가시광-근적외선(EO)에 대한 회전각을 변경하는 EO 스캔 미러, 상기 SWIR 광학계의 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)에 대한 회전각을 변경하는 SWIR 스캔 미러, 상기 MWIR 광학계의 상기 MWIR(MidWave InfraRed)에 대한 회전각을 변경하는 MWIR 스캔 플레이트로 구성된 스캔 보상 메커니즘;을 포함한 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 카세그레인 망원경은 쌍곡면인 Ritchey-Chretien 방식으로 파장에 따른 색수차가 없는 반사망원경 형태를 이루는 부경과 주경으로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 제1 광속분리기는 실리콘(Si) 재질의 평판으로 전면에 EO, SWIR 파장을 반사하고 MWIR 파장을 투과하는 dichroic 코팅이 적용된 평판 광속분리기 타입이고, 비점수차 보정판으로 광축 굴절을 해소한다.
바람직한 실시예로서, 상기 제2 광속분리기는 빗면에 EO와 SWIR 파장을 분할하는 dichroic 코팅을 적용한 입방체 형태의 프리즘 타입이고, 광속분리기 폴딩 미러로 반사된 파장 경로를 바꾼다.
바람직한 실시예로서, 상기 EO 광학계는 상기 EO 스캔 미러와 상기 가시광-근적외선(EO)의 경로를 변환하는 EO 폴딩 미러의 사이에 배치된 EO 렌즈군을 포함하고, 상기 EO 렌즈군은 4매의 렌즈로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 SWIR 광학계는 상기 SWIR 스캔 미러와 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)의 경로를 변환하는 SWIR 폴딩 미러의 사이에 배치된 SWIR 렌즈군을 포함하고, 상기 SWIR 렌즈군은 4매의 렌즈로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 MWIR 광학계는 상기 MWIR(MidWave InfraRed)의 경로를 변환하는 제1 MWIR 폴딩 미러와 상기 MWIR(MidWave InfraRed)의 경로를 변환하는 상기 MWIR 스캔 플레이트쪽으로 변환하는 제2,3 MWIR 폴딩 미러의 사이로 위치된 MWIR 보상렌즈군, 상기 MWIR 스캔 플레이트를 나온 상기 MWIR(MidWave InfraRed)의 경로를 변환하는 상기 제4 MWIR 폴딩 미러의 후단에 위치된 MWIR 릴레이렌즈군을 포함한다. 상기 MWIR 보상 렌즈군은 4매의 렌즈로 구성되고, 상기 MWIR 릴레이 렌즈군은 5매의 렌즈로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 EO 파장 검출기는 EO 대역투과필터를 구비하고, 상기 SWIR 파장 검출기는 SWIR 대역투과필터를 구비하며, 상기 MWIR 파장 검출기는 콜드 스톱(cold stop)을 구비한다.
바람직한 실시예로서, 상기 EO 스캔 미러와 상기 SWIR 스캔 미러의 각각은 비굴절식인 반면 상기 MWIR 스캔 플레이트는 굴절식이다.
이러한 본 발명은 EO, SWIR, MWIR 삼중대역 파장 영상을 동시에 촬영하는 stepping 촬영 방식 LOROP 카메라 광학계로서 다음과 같은 장점 및 효과를 구현한다.
첫째, 가시광-근적외선, 단파장 적외선, 중적외선을 하나의 장거리 빗각촬영(LOROP) 카메라로 동시 촬영 가능하다. 둘째, 평판 광속분리기와 입방형 프리즘 광속분리기를 활용하여 한정된 공간 내 삼중파장 대역 분리 및 후단 광학계 배치가 가능하다. 셋째, 광학성능을 만족하는 스캔 메커니즘 구동방식을 적용하여 노출시간 동안 항공기 roll 방향 스캔에 따른 시선방향 이동 보정이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계의 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계의 상부 레이아웃이며, 도 3은 본 발명에 따른 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계의 전면 레이아웃이고, 도 4는 본 발명에 따른 EO, SWIR 광학계의 레이아웃이며, 도 5는 본 발명에 따른 MWIR 광학계 레이아웃이고, 도 6은 본 발명에 따른 스캔 메커니즘 구동에 따른 EO 광학계 MTF 선도이며, 도 7은 본 발명에 따른 스캔 메커니즘 구동에 따른 SWIR 광학계 MTF 선도이고, 도 8은 본 발명에 따른 스캔 메커니즘 구동에 따른 MWIR 광학계 MTF 선도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1과 도 2는 본 실시예에 따른 장거리 빗각촬영(LOng Range Oblique Photography) 카메라 광학계(이하, LOROP 카메라 광학계)의 블록 구성도와 전면 레이아웃을 각각 나타낸다.
도 1을 참조하면, 상기 LOROP 카메라 광학계는 공통광학계(1), 삼중대역 광학계(3), 삼중대역 파장 검출부(5)로 구성된다.
일례로, 상기 공통광학계(1)는 카세그레인(Cassegrain)망원경(10), 제1 광속분리기(20), 제2 광속분리기(30)로 구성되고, 경통의 내부로 배열된다. 특히 상기 공통광학계(1)의 기본 사양은 하기의 표1과 같다.
항목 광학계 사양
F수 EO F/8
SWIR F/8
MWIR F/5
초점거리 EO 2400mm
SWIR 2400mm
MWIR 1500mm
시계(FOV) EO 0.4°×0.4°
SWIR 0.3°×0.3°
MWIR 0.58°×0.58°
또한, 상기 공통광학계(1)에서 사용하는 파장대역은 3.7~4.8㎛을 사용하며, 이 파장대역에서 아베 수(abbe number)를 재정의 하면 식 (1)과 같다.
Figure 112016059002850-pat00001
(1)
여기서, n1, n3은 3.7㎛, 4.8㎛ 파장에서의 굴절률이며 n2는 중심 파장(4.2㎛)에서의 굴절률을 의미한다. 표 2는 주로 사용하는 IR 재질에 따른 중적외선 파장대역에서의 아베수를 식 (1)를 활용하여 계산한 결과이다. 실리콘(Si) 재질이 아베 수가 가장 크며 광속분리기 1과 비점수차 보정판에 적용 시 다른 재질에 비해 색 분산이 가장 작으며 후단 렌즈에서 색 분산 보정의 부담을 줄일 수 있는 장점이 있다.
재질 굴절률 V MWIR
n 1 n 2 n 3
실리콘(Si) 3.426897 3.424589 3.422739 583.11
게르마늄(Ge) 4.028974 4.02217 4.016776 247.76
징크 셀레나이드(ZnSe) 2.434318 2.432391 2.430223 349.79
징크 설파이드(ZnS) 2.253389 2.250697 2.247293 205.17
구체적으로, 상기 카세그레인(Cassegrain)망원경(10)은 부경(11)과 주경(13)으로 구성되고, 상기 부경(11)과 상기 주경(13)은 쌍곡면인 Ritchey-Chretien 방식으로 파장에 따른 색수차가 없는 반사망원경 형태로 구성한다. 그러므로, 상기 카세그레인(Cassegrain)망원경(10)은 부경(11)과 주경(13)에서 집속된 광이 지나면서 EO와 SWIR는 경통 옆 방향으로 반사되는 나스미스(Nasmyth) 초점 광학계타입이고, 다른 반사망원경에 비해 넓은 시계를 확보할 수 있지만 비점수차가 잔여수차로 존재할 수 있다.
상기 제1 광속분리기(20)는 실리콘(Si) 재질의 평판으로 전면에 EO, SWIR 파장을 반사하고 MWIR 파장을 투과하는 dichroic 코팅이 적용된 평판 광속분리기 타입이며, 광축이 굴절되어 정렬이 어려움을 해소하기 위해 비점수차 보정판(20-1)과 함께 구성된다. 특히, 상기 제1 광속분리기(20)는 공통광학계(1)의 광경로를 가로막지 않기 위해 정면에서 수직 투상 하였을 때 부경(예, 부경(11))의 크기보다 작거나 같은 크기로 이루어지고, 중적외선 광축 대비 45도 기울어진 레이아웃으로 배열된다. 상기 비점수차 보정판(20-1)은 제1 광속분리기(20)의 반대방향 각도로 배치하는 것이 아니라 기울어지지 않은 축 기준으로 45도 회전시켜 배치하며 자오면(meridional plane) 과 구결면(sagittal plane)에서 발생하는 비점수차의 크기를 동일하게 맞춘 레이아웃으로 배열된다. 이러한 이유는 45도 기울어진 축 방향으로 발생한 광경로 차로 인해 나타나는 비점수차는 기울어진 각의 제곱에 비례하므로 부호에 상관없이 회전각에 동일한 크기로 발생함에 기인된다.
그러므로, 상기 제1 광속분리기(20)는 대면적에 비해 경량화를 달성 할 수 있으며 입방체 프리즘형 광속분리기에 비해 제작이 단순하므로 높은 정밀도를 달성할 수 있는 평판 광속분리기의 장점을 그대로 구현한다.
상기 제2 광속분리기(30)는 빗면에 EO와 SWIR 파장을 분할하는 dichroic 코팅을 적용한 입방체 형태의 프리즘 타입이고, 제1 광속분리기(20)에서 반사된 EO와 SWIR 파장 경로를 바꾸는 광속분리기 폴딩 미러(30-1)와 함께 구성되며, 특히 부경(11)과 주경(13)의 초점거리 대비 실제 광학계 초점거리 비가 0.95로 광학계 굴절능이 부경(11)과 주경(13)에서 대부분 결정되므로 후단 광학계(예, 삼중대역 광학계(3))의 진동에 대해 둔감하다.
그러므로, 상기 제2 광속분리기(30)는 평판 광속분리기와 달리 비점수차 보정판(20-1)이 필요 없으며 광축이 변경되지 않으므로 공간 확보 및 정렬에 용이한 입방체 프리즘 광속분리기의 장점을 그대로 구현한다. 특히, 상기 제2 광속분리기(30)는 EO, SWIR 파장대역 모두 일반적인 광학유리에서 투과율을 만족하는 점을 고려하여 일반적으로 사용하는 BK-7(제조사 schott) 혹은 동일한 재질을 적용할 수 있다.
일례로, 상기 삼중대역 광학계(3)는 EO 광학계(40), SWIR 광학계(50), MWIR 광학계(60)로 구성된다. 상기 EO 광학계(40)는 제1 광속분리기(20)에서 반사된 후 제2 광속분리기(30)를 투과한 0.6∼1.1㎛파장대역을 가지는 가시광-근적외선(EO)을 수광하고, 상기 SWIR 광학계(50)는 제2 광속분리기(30)에서 반사된 1.1~1.7㎛ 파장대역을 가지는 단파장 적외선[SWIR(Short Wave InfraRed)]을 수광하며, 상기 MWIR 광학계(60)는 제1 광속분리기(20)를 투과한 3∼5㎛인 중적외선[MWIR(MidWave InfraRed)]을 수광한다. 특히, 상기 MWIR 광학계(60)는 공통광학계(1)의 전체 무게 밸런스에 맞게 EO, SWIR 반사방향에 180도 반대 방향에 배치된다. 다만, EO, SWIR 반사 방향은 어느 방향이 될 수 있다.
일례로, 상기 삼중대역 파장 검출부(5)는 EO 파장 검출기(70), SWIR 파장 검출기(80), MWIR 파장 검출기(90)로 구성된다. 상기 EO 파장 검출기(70)는 EO 광학계(40)에 연계되어 0.6∼1.1㎛파장대역을 검출하고, 상기 SWIR 파장 검출기(80)는 SWIR 광학계(50)에 연계되어 1,1∼1.7㎛ 파장대역을 검출하고, 상기 MWIR 파장 검출기(90)는 MWIR 광학계(60)에 연계되어 3∼5㎛인 중적외선 대역을 검출한다.
한편, 도 4는 본 실시예에 따른 EO 광학계(40)와 SWIR 광학계(50)의 구성요소와 레이아웃을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 EO 광학계(40)는 EO 스캔 미러(40-1), EO 폴딩 미러(41), EO 스캔 미러(40-1)와 EO 폴딩 미러(41)의 사이에 배치된 EO 렌즈군(43)으로 구성된다. 그러므로, 상기 EO 광학계(40)는 제2 광속분리기(30)에서 반사되어 EO 폴딩 미러(41)를 거친 다음 광경로를 경통 뒤 쪽으로 가져감으로써 경통 주변에 광학계를 집중할 수 있는 레이아웃을 구현한다. 특히, 상기 EO 광학계(40)는 EO 스캔 미러(40-1)의 스캔 미러 구동 선형성을 만족하기 위해 EO 스캔 미러(40-1)의 후단에는 렌즈군을 배치하지 않는다.
구체적으로, 상기 EO 렌즈군(43)은 검출부 앞면에 상면만곡을 보정하는 Field flattener를 적용하지 않는 대신 백 스캔 미러 앞 쪽에서 4장의 렌즈로 하나의 군을 형성해서 수차보정 수행 및 텔레센트릭(telecentric)을 유지한다. 또한, 상기 EO 렌즈군(43)은 검출면에서 주광선(chief ray)의 입사각은 중심필드에서 0도, 최외각필드에서 0.42도 이며 왜곡은 0.02% 이내 이고, 렌즈군 유효 초점거리는 약 2000mm 이며 양의 굴절능을 가지므로 공통광학계(1)에 가까운 쪽으로 이동하면 전체 초점거리는 짧아지며 반대 방향으로 이동하면 길어지며, 렌즈군 위치를 조절하면 미세 초점조절이 가능하며 굴절능이 작으므로 이동량 대비 안정적인 조절이 가능하다. 이를 위해, 상기 EO 렌즈군(43)은 전체가 구면인 4매(1번 렌즈①, 2번 렌즈②, 3번 렌즈③, 4번 렌즈④)로 구성되며 구면수차, coma, 비점수차가 보정 가능한 무수차 렌즈(anastigmat)인 도그마(Dogmar) 렌즈 형태이다. 특히, 1번과 4번 렌즈는 제작 상의 편의를 위해 동일한 재질의 렌즈이고, 3번과 4번 렌즈는 좌우 대칭인 도그마 렌즈와 달리 텔레센트릭을 위해 후단이 볼록한 메니스커스(meniscus)렌즈이다.
또한, 상기 EO 렌즈군(43)의 후단에는 EO 파장 검출기(70)가 위치되고, 상기 EO 파장 검출기(70)는 EO 대역투과필터(70-1)와 함께 구성된다. 그러므로, 상기 EO 파장 검출기(70)는 비편광 광속분리기용 dichroic 코팅의 경우 투과율 80%에서 10%로 떨어지는 파장구간이 약 300nm 수준으로 EO와 SWIR 파장대역 경계에서 두 파장이 섞여서 분할되는 현상으로부터 EO 파장만을 촬상할 수 있다.
도시된 바와 같이, 상기 SWIR 광학계(50)는 SWIR 스캔 미러(50-1), SWIR 폴딩 미러(51), SWIR 렌즈군(53)으로 구성된다. 그러므로, 상기 SWIR 광학계(50)는 제2 광속분리기(30)를 투과하여 SWIR 폴딩 미러(51)를 거친 다음 EO 광학계(40)와 반대방향으로 진행하게 된다. 특히, 상기 SWIR 광학계(50)는 SWIR 렌즈군(53)이 SWIR 폴딩 미러(51)와 SWIR 스캔 미러(50-1)의 사이에 배치하고, SWIR 스캔 미러(50-1)와 SWIR 파장 검출기(80)의 사이에는 렌즈군을 배치하지 않는다.
구체적으로, 상기 SWIR 렌즈군(53)은 전체가 구면인 4매(1번 렌즈①, 2번 렌즈②, 3번 렌즈③, 4번 렌즈④)로 구성됨으로써 EO 렌즈군(43)과 동일한 렌즈군으로 구성된다. 또한, 상기 SWIR 렌즈군(53)은 동일한 자유도(Degree of freedom)를 가지므로 구면수차, coma, 비점수차 보정이 가능하고, 텔레센트릭을 유지하며 검출면에서 주광선의 입사각은 중심필드에서 0도, 최외각필드에서 1도이며 왜곡은 0.07% 이내 이며, 렌즈군의 유효 초점거리는 약 - 1170mm 이며 음의 굴절능이므로 EO 광학계(40)와 반대방향으로 미세 초점조절을 수행한다.
또한, 상기 SWIR 렌즈군(53)의 후단에는 SWIR 파장 검출기(80)가 위치되고, 상기 SWIR 파장 검출기(80)는 SWIR 대역투과필터(80-1)와 함께 구성된다. 그러므로, 상기 SWIR 파장 검출기(80)는 비편광 광속분리기용 dichroic 코팅의 경우 투과율 80%에서 10%로 떨어지는 파장구간이 약 300nm 수준으로 EO와 SWIR 파장대역 경계에서 두 파장이 섞여서 분할되는 현상으로부터 SWIR 파장만을 촬상할 수 있다.
한편, 도 5는 본 실시예에 따른 MWIR 광학계(60)의 구성요소와 레이아웃을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 MWIR 광학계(60)는 MWIR 스캔 플레이트(60-1), 제1,2,3,4 MWIR 폴딩 미러(61A,61B,61C,61D), MWIR 보상렌즈군(63), MWIR 릴레이렌즈군(65)으로 구성된다. 그러므로, 상기 MWIR 광학계(60)는 공간 배치로 인해 제1 광속분리기(20)와 비점수차 보정판(20-1)을 차례대로 투과한 3~5㎛ 적외선이 주경(13)의 뒤쪽으로 90도 방향으로 꺾여 진행시켜 준다.
구체적으로, 상기 제1 MWIR 폴딩 미러(61A)는 주경(13)의 뒷부분에서 첫 번째 폴딩 미러로 광축이 90도 회전되도록 배치되고, 상기 제2 MWIR 폴딩 미러(61B)는 MWIR 보상렌즈군(63)을 지난 광경로가 거치도록 배열되며, 상기 제3 MWIR 폴딩 미러(61C)는 MWIR 보상렌즈군(63)에서 약 129mm 후방에 위치하도록 배열되고, 상기 제4 MWIR 폴딩 미러(61D)는 제3 MWIR 폴딩 미러(61C)에서 160mm 후방에 위치하도록 배열된다.
구체적으로, 상기 MWIR 보상렌즈군(63)은 전체 구면을 적용한 4매(1번 렌즈①, 2번 렌즈②, 3번 렌즈③, 4번 렌즈④)로 구성되고, 상기 MWIR 릴레이렌즈군(65)은 전체 구면을 적용한 5매(1번 렌즈①, 2번 렌즈②, 3번 렌즈③, 4번 렌즈④, 5번 렌즈⑤)로 구성된다. 특히, 상기 MWIR 보상렌즈군(63)과 상기 MWIR 릴레이렌즈군(65)을 지난 최종 영상의 왜곡은 0.16% 이내이다.
일례로, 상기 MWIR 보상렌즈군(63)은 주경(13)의 뒷부분의 제1 MWIR 폴딩 미러(61A)로 광축이 90도 회전된 후 배치하며, 1변, 2번, 4번 렌즈는 Si, 3번 렌즈는 Ge 재질을 사용함으로써 표 2에서 확인할 수 있듯이 Ge는 Si에 비해 아베 수가 작아 색 분산이 크며 이를 활용하여 색수차를 줄일 수 있다. 그러므로, 상기 MWIR 보상렌즈군(63)은 EO 광학계(40) 및 SWIR 광학계(50)와 동일한 자유도를 활용하여 수차보정이 가능하다. 또한, 상기 MWIR 보상렌즈군(63)의 특성은 양의 굴절능을 가지는 2장의 크라운(crown) 유리 사이에 음의 굴절능을 가지는 1장의 플린트(flint) 유리를 적용한 Cooke triplet에서도 확인된다. 특히 상기 MWIR 보상렌즈군(63)을 지난 광경로는 제2 MWIR 폴딩 미러(61B)를 거치면서 주경(13)의 바깥으로 회전한 후 제3 MWIR 폴딩 미러(61C)로 다시 전방으로 진행한다. 이 경우, 상기 MWIR 보상렌즈군(63)으로 인해 생기는 중간상면은 제3 MWIR 폴딩 미러(61C)에서 약 129mm 후방에 위치하며 제4 MWIR 폴딩 미러(61D)는 제3 MWIR 폴딩 미러(61C)에서 160mm 후방에 위치한다.
구체적으로, 상기 MWIR 릴레이렌즈군(65)은 그 중간상면을 그대로 배율전환 해서 MWIR 파장 검출기(90)에 촬상하므로 구동 선형성을 만족할 수 있고, 보상 성능을 위해 중간상면에서 텔레센트릭을 유지하며 주광선의 입사각은 중심필드에서 0도, 최외각필드에서 0.02도이다.
일례로, 상기 MWIR 릴레이렌즈군(65)은 MWIR 파장 검출기(90)의 위치를 광학계 무게중심에 맞추면서 냉각기 진동으로 인한 광학계의 떨림을 최대한 억제하도록 제4 MWIR 폴딩 미러(61D)를 지나 광축을 아랫방향으로 90도 회전하여 배치한다. 또한, 5매의 렌즈는 1번과 2번 렌즈의 첫 번째 군, 4번과 5번 렌즈의 첫 번째 군과 마지막 군, 3번 렌즈의 가운데 군으로 구분하고, 첫 번째 군의 1번과 2번 렌즈와 마지막 군인 4번과 5번 렌즈는 Si, 가운데 군인 3번 렌즈는 Ge를 사용함으로써 MWIR 보상렌즈군(63)과 동일한 성능을 갖는다. 특히, 1, 2번 렌즈와 4, 5번 렌즈의 굴절능을 각각 나누어서 성능을 확보하고, 5번 렌즈의 마지막 면은 MWIR 파장 검출기(90)의 저온 검출기 상이 렌즈면에 반사되어 다시 촬상되는 나르시서스(Narcissus) 효과를 줄이기 위해 볼록면을 사용한다. 그러므로, 상기 MWIR 릴레이렌즈군(65)은 약 40mm의 유효 초점거리로 양의 굴절능을 가지며 중간상면 대비 배율은 약 0.8배 이고, 최종 상면의 위치는 고정되어 있으므로 MWIR 릴레이렌즈군(65)의 렌즈가 중간상면에 가까울수록 전체 초점거리는 길어지며, 반대의 경우 초점거리가 짧아지므로 위치를 조절하여 미세 초점조절이 가능하다.
또한, 상기 MWIR 광학계(60)의 후단에는 MWIR 파장 검출기(90)가 위치되고, 상기 MWIR 파장 검출기(90)는 냉각성능을 위해 광 입사부 직경이 작으며 광학계 조리개(stop) 역할을 하는 콜드 스톱(90-1)(cold stop)을 구비한다. 그러므로, 상기 MWIR 파장 검출기(90)는 MWIR 보상렌즈군(63)에서 형성된 중간초점을 MWIR 릴레이렌즈군(65)을 활용하여 콜드 스톱(90-1)에 통과시켜 촬상함으로써 MWIR 광학계(60)의 기본 구조로 적용된다.
한편, 상기 EO 스캔 미러(40-1)와 상기 SWIR 스캔 미러(50-1) 및 상기 MWIR 스캔 플레이트(60-1)는 스캔 보상 메커니즘을 구성하는 요소로 작동된다. 여기서, 스캔 보상 메커니즘은 카메라가 비행체 roll 방향 스캔 시 영상 노출시간 동안 시선이동에 따른 영상흐름을 보상하는 개념이다.
구체적으로, 상기 EO 스캔 미러(40-1)는 스캔 미러 구동 선형성을 만족하기 위해 스캔 미러 후단에서 EO 광학계(40)와 EO 파장 검출기(70)의 사이로 EO 렌즈군(43)을 배치하지 않으며, 비 굴절식을 적용한다. 상기 SWIR 스캔 미러(50-1)는 스캔 미러 구동 선형성을 만족하기 위해 스캔 미러 후단에서 SWIR 광학계(50)와 SWIR 파장 검출기(80)의 사이로 SWIR 렌즈군(53)을 배치하지 않으며, 비 굴절식을 적용한다. 상기 MWIR 스캔 플레이트(60-1)는 제4 MWIR 폴딩 미러(61D)에 반사식 스캔 미러를 적용하였을 경우 MWIR 릴레이렌즈군(65)의 굴절로 인해 구동 선형성을 만족하지 못하는 문제를 해소하도록 굴절식으로 적용된다. 이러한 이유는 MWIR 스캔 플레이트(60-1)의 회전은 중간상면에 틸트를 발생하고, MWIR 릴레이렌즈군(65)은 그 중간상면을 그대로 배율전환 해서 MWIR 파장 검출기(90)에 촬상하므로 구동 선형성을 만족할 수 있음에 기인한다. 또한, 상기 MWIR 스캔 플레이트(60-1)는 초점면에 너무 근접해서 배치하면 표면에 묻은 이물질이 상에 드러나므로 일정 간격을 유지하도록 주경(13)의 중간상면에서 약 40mm 앞에 배치하며, 보상 성능을 위해 중간상면에서 텔레센트릭을 유지함으로써 주광선의 입사각은 중심필드에서 0도, 최외각필드에서 0.02도이다.
특히, 상기 EO 스캔 미러(40-1)와 상기 SWIR 스캔 미러(50-1)와 달리 MWIR 스캔 플레이트(60-1)는 굴절식이라 둔감하여 구동각이 크며, 이를 줄이기 위해서는 두께를 키우거나 굴절률이 큰 재질을 사용한다. 다만 두께를 너무 키우면 투과율에 문제가 있으므로 10mm를 적용하며 재질은 표 2에서 굴절률이 가장 큰 Ge를 사용한다.
구체적으로, 스캔 보상 메커니즘 동작은 하기와 같다.
일례로, 카메라가 비행체 roll 방향 스캔 시 영상 노출시간 동안 시선이동에 따른 영상흐름을 보상할 때, 노출시간 tint 동안 roll 방향 스캔 구동 각속도는 식 (2)와 같이 결정된다.
Figure 112016059002850-pat00002
(2)
여기서, FOV는 광학계 시야각, FPS는 초당 프레임 수, OL은 영상 스캔 시 인접한 영상이 겹치는 overlap 정도이며 세 값을 곱했을 시 roll 방향 스캔 구동 각속도가 된다. 그러므로, 표 1에서 확인할 수 있듯이, SWIR 광학계(50)의 시야각이 가장 작으므로 Δφroll 은 SWIR 광학계(50)에 의해 결정되며 노출시간이 20ms 일 때 FPS가 5fps, OL이 10%이면 Δφroll 은 0.027도 이다.
또한, 스캔 미러(EO 스캔 미러(40-1)와 SWIR 스캔 미러(50-1)를 모두 포함한 명칭)는 영상시선각 변화량의 반대 방향으로 구동하면서 roll 방향 시선이동을 보상하며 그 크기는 식 (3)과 같이 정의된다.
Figure 112016059002850-pat00003
(3)
여기서, 구동각 범위에 광학계 초점거리 f와 스캔 미러와 검출면 사이의 광학 길이(Optical length) L의 비를 곱하면 스캔 미러 구동으로 인한 영상의 시선각 변화량이 된다. 스캔 미러가 1개일 때 ψ만큼 회전하면 미러에 반사된 상은 2ψ만큼 회전하게 되므로 실제 스캔 미러의 구동량은 영상의 시선각 변화량에 절반이다. 광학 길이 L은 스캔 미러 구동각 범위 결정에 중요하므로 광학성능 및 공간 문제 등을 고려해서 약 135mm로 결정한다. 일례로, EO 광학계(40)의 경우 Δφroll 이 0.027도 일 때 Δθ는 0.24도가 된다. SWIR 광학계(50) 경우 광학 길이 L이 105mm 로 결정되었으며, 구동각 범위 Δθ는 0.31도가 된다.
반면, MWIR 광학계(60)에 적용된 MWIR 스캔 플레이트(60-1)의 보상 구동각은 식 (4)와 같이 정의된다.
Figure 112016059002850-pat00004
(4)
여기서, D는 검출기 한변 길이를 의미하며 Δφroll 에 D와 FOV 비를 곱하면 roll 구동으로 인한 상면 이동량을 의미한다. MWIR 스캔 플레이트(60-1)의 두께 d, 굴절률 n과 릴레이 렌즈군의 배율 Mrelay을 고려하면 식 (4)의 우변과 같이 MWIR 스캔 플레이트(60-1)로 인한 상면 이동량을 얻는다. 따라서 보상 구동각은 식 (4)과 같이 계산할 수 있다. 일례로, 화소 수 1024에 화소크기 15㎛ 인 검출기를 적용하면 릴레이 렌즈군 배율 0.8에서 구동각 범위 Δθ는 6.84도가 된다.
한편, 도 6내지 도 8은 스캔 메커니즘 구동에 따른 광학계 MTF 값을 보여주며, EO 광학계(40)와 SWIR 광학계(50) 및 MWIR 광학계(60) 모두 설계 MTF는 회절한계 성능을 보여준다.
도 6의 EO 광학계(40)는 EO 스캔 미러(40-1)를 Δθ만큼 회전 시키면 외각필드에서 설계 MTF 기준 약 12% 저하된다. 그러나, 이를 해소하기 위해 roll 구동 보정을 -Δθ/2 각도에서 시작하고 +Δθ/2 각도에서 종료하면 저하 값이 약 4%로 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 7의 SWIR 광학계(50)는 SWIR 스캔 미러(50-1)를 +/- Δθ/2 각도 범위에서 구동하면 외각필드 성능 저하는 거의 없음을 확인할 수 있다.
도 8의 MWIR 광학계(60)는 MWIR 스캔 플레이트(60-1)를 +/- Δθ/2 각도 범위에서 구동하면 외각필드 성능 저하는 거의 없음을 확인할 수 있다.
1 : 공통광학계 3 : 삼중대역 광학계
5 : 삼중대역 파장 검출부
10 : 카세그레인(Cassegrain)망원경
11 : 부경 13 : 주경
20 : 제1 광속분리기 20-1 : 비점수차 보정판
30 : 제2 광속분리기 30-1 : 광속분리기 폴딩 미러
40 : EO 광학계 40-1 : EO 스캔 미러
41 : EO 폴딩 미러 43 : EO 렌즈군
50 : SWIR 광학계 50-1 : SWIR 스캔 미러
51 : SWIR 폴딩 미러 53 : SWIR 렌즈군
60 : MWIR 광학계 60-1 : MWIR 스캔 플레이트
61A,61B,61C,61D : 제1,2,3,4 MWIR 폴딩 미러
63 : MWIR 보상렌즈군 65 : MWIR 릴레이렌즈군
70 : EO 파장 검출기 70-1 : EO 대역투과필터
80 : SWIR 파장 검출기 80-1 : SWIR 대역투과필터
90 : MWIR 파장 검출기 90-1 : 콜드 스톱

Claims (13)

  1. 입사된 광원에서 가시광-근적외선(EO), SWIR(Short Wave InfraRed), MWIR(MidWave InfraRed)를 분리하는 공통광학계;
    상기 가시광-근적외선(EO), 상기 SWIR(Short Wave InfraRed), 상기 MWIR(MidWave InfraRed)을 각각 분리하여 수광하는 삼중대역 광학계;
    상기 가시광-근적외선(EO), 상기 SWIR(Short Wave InfraRed), 상기 MWIR(MidWave InfraRed)을 각각 구분하여 촬상하는 삼중대역 파장 검출부;
    상기 가시광-근적외선(EO)에 대한 회전각, 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)에 대한 회전각, 상기 MWIR(MidWave InfraRed)에 대한 회전각을 각각 변경하는 스캔 보상 메커니즘;을 포함하고,
    상기 스캔 보상 메커니즘은 상기 가시광-근적외선(EO)에 대한 회전각을 변경하는 EO 스캔 미러와 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)에 대한 회전각을 변경하는 SWIR 스캔 미러 및 상기 MWIR(MidWave InfraRed)에 대한 회전각을 변경하는 MWIR 스캔 플레이트로 구성되며;
    비행체 roll 방향 스캔 시 상기 EO 스캔 미러와 상기 SWIR 스캔 미러의 roll 방향 시선이동 보상은
    Figure 112017069708462-pat00013
    로 이루어지고, 상기 MWIR 스캔 플레이트의 보상 구동각은
    Figure 112017069708462-pat00014
    로 이루어지며, 상기
    Figure 112017069708462-pat00015
    은 roll 방향 스캔 구동 각속도로
    Figure 112017069708462-pat00016
    이고, 상기 FOV는 광학계 시야각, 상기 FPS는 초당 프레임 수, 상기 OL은 영상 스캔 시 인접한 영상이 겹치는 overlap, 상기 f는 광학계 초점거리, 상기 L은 상기 EO 스캔 미러및 상기 SWIR 스캔 미러와 검출면 사이의 광학 길이(Optical length), 상기 D는 검출기 한변 길이, 상기 d는 상기 MWIR 스캔 플레이트의 두께, 상기 n은 상기 MWIR 스캔 플레이트의 굴절률, 상기 Mrelay은 상기 삼중대역 광학계의 MWIR 광학계를 구성하는 MWIR 릴레이렌즈군의 배율인
    것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 공통광학계는 카세그레인(Cassegrain)망원경, 상기 카세그레인 망원경으로 입사된 광원중 MWIR(MidWave InfraRed)을 투과하는 제1 광속분리기, 상기 제1 광속분리기에서 반사된 가시광-근적외선을 투과하면서 SWIR(Short Wave InfraRed)를 반사하는 제2 광속분리기로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 카세그레인망원경은 쌍곡면인 Ritchey-Chretien 방식으로 파장에 따른 색수차가 없는 반사망원경 형태를 이루는 부경과 주경으로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 광속분리기는 실리콘(Si) 재질의 평판으로 전면에 EO, SWIR 파장을 반사하고 MWIR 파장을 투과하는 dichroic 코팅이 적용된 평판 광속분리기 타입이고, 비점수차 보정판으로 광축 굴절을 해소하는 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 제2 광속분리기는 빗면에 EO와 SWIR 파장을 분할하는 dichroic 코팅을 적용한 입방체 형태의 프리즘 타입이고, 광속분리기 폴딩 미러로 반사된 파장 경로를 바꾸는 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 삼중대역 광학계는 상기 가시광-근적외선(EO)을 수광하는 EO 광학계, 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)을 수광하는 SWIR 광학계, 상기 MWIR(MidWave InfraRed)을 수광하는 상기 MWIR 광학계로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 EO 광학계는 EO 스캔 미러와 상기 가시광-근적외선(EO)의 경로를 변환하는 EO 폴딩 미러의 사이에 배치된 EO 렌즈군을 포함하고;
    상기 EO 렌즈군은 4매의 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 SWIR 광학계는 SWIR 스캔 미러와 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)의 경로를 변환하는 SWIR 폴딩 미러의 사이에 배치된 SWIR 렌즈군을 포함하고;
    상기 SWIR 렌즈군은 4매의 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 MWIR 광학계는 상기 MWIR(MidWave InfraRed)의 경로를 변환하는 제1 MWIR 폴딩 미러와 상기 MWIR(MidWave InfraRed)의 경로를 변환하는 상기 MWIR 스캔 플레이트쪽으로 변환하는 제2,3 MWIR 폴딩 미러의 사이로 위치된 MWIR 보상렌즈군, 상기 MWIR 스캔 플레이트를 나온 상기 MWIR(MidWave InfraRed)의 경로를 변환하는 제4 MWIR 폴딩 미러의 후단에 위치된 상기 MWIR 릴레이렌즈군을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 MWIR 보상렌즈군은 4매의 렌즈로 구성되고, 상기 MWIR 릴레이렌즈군은 5매의 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 삼중대역 파장 검출부는 상기 가시광-근적외선(EO)을 촬상하는 EO 파장 검출기, 상기 SWIR(Short Wave InfraRed)을 촬상하는 SWIR 파장 검출기, 상기 MWIR(MidWave InfraRed)을 촬상하는 MWIR 파장 검출기로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.

  12. 청구항 11에 있어서, 상기 EO 파장 검출기는 EO 대역투과필터를 구비하고, 상기SWIR 파장 검출기는 SWIR 대역투과필터를 구비하며, 상기 MWIR 파장 검출기는 콜드 스톱(cold stop)을 구비한 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 EO 스캔 미러와 상기 SWIR 스캔 미러의 각각은 비굴절식인 반면 상기 MWIR 스캔 플레이트는 굴절식인 것을 특징으로 하는 삼중대역 파장 영상을 동시 촬영하는 장거리 빗각촬영 카메라 광학계.
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