KR20220053350A - 전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계 - Google Patents

전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계 Download PDF

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Abstract

전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 조준용 광학계는, 입사되는 광을 서로 다른 파장대역을 갖는 적어도 2 이상의 광으로 분할하는 하나 이상의 스플리터를 갖는 조준용 광학계로서,
- 표적으로부터 반사된 광을 제1 스플리터를 향해 반사하게 배치된 제1 미러
- 제1 스플리터에 의해 반사된 제1 파장대역의 광이 입사되면, 그를 센서부 내부에 위치하는 제2 스플리터로 반사하게 배치된 제2 미러
- 제1 스플리터를 투과하는 제2 파장대역의 광이 입사되는 레이저 검출부;
- 제2 스플리터에 의해 반사되는 제3 파장대역의 광이 입사되는 관측부 및
- 제2 스플리터를 투과하는 제4 파장대역의 광이 입사되는 하나 이상의 이미지 센서
를 포함한다.

Description

전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계{AIMING OPTICAL SYSTEM FOR TARGET OBSERVATION IN ALL-WEATHER ENVIRONMENTS}
본 발명은 전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계에 관한 것이다.
종래 관측장비는 전차의 포탑에 설치되어 외부에 노출된 상태에서 주간 표적의 거리 정보 및 표적영상 정보를 획득하기 위해 주간/레이저거리 측정기와 TV 카메라(센서)가 분리형으로 구성된다. 이러한, 관측장비는 일반적으로 안개, 연무, 미세먼지 등의 전천후 환경에서 원거리 표적 관측이 가능한 SWIR 센서를 구비하지 않는다.
이에 따라, 종래에는 주간/레이저거리 측정기와 TV 카메라의 분리된 구조로 인해, 실제 운용환경에서 각각의 센서들에 대한 LOS(line-of-sight)가 틀어지는 문제가 있다.
또한, 안개, 연무, 미세먼지 등의 운용환경에서 주간 관측장치와 센서부는 안개, 미세먼지 등에 의해 빛 에너지가 투과하지 못하기 때문에 적합한 주간 영상을 획득하는 데 어려움이 있다. CCD 또는 CMOS 형태의 검출기에 의하면 주간 영상을 획득할 수는 있으나, 여기서 획득된 주간 영상은 안개, 미세먼지 등의 환경에서 표적을 탐지하고 인지하는 데 취약하고, 이로 인하여 전차 포를 사격하는 데에 제약을 야기한다.
본 발명은 전술한 필요성 및/또는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 레이저거리측정기, 주간관측장치, TV센서는 안정화 거울을 통해 표적의 거리정보 및 영상정보를 공통 광경로를 거치도록 하여 전차의 포탑 상부에 노출 부위를 최소화하고, 실제 운용환경에서 센서 들의 LOS가 틀어짐을 바로 확인하여 소프트웨어 보정을 수행할 수 하는 전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계를 구현하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 대물렌즈 및 TV센서의 광경로 상에 SWIR 센서를 추가하여 전차의 포탑 상부에 노출을 최소화함과 아울러 안개, 미세먼지 등의 전천후 환경에서 원거리 표적을 탐지하고 인지가 가능하고, 신속한 포 사격 대응을 할 수 있는 전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계를 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조준용 광학계는 입사되는 광을 서로 다른 파장대역을 갖는 적어도 2 이상의 광으로 분할하는 하나 이상의 스플리터를 갖는 조준용 광학계로서, 표적으로부터 반사된 광을 제1 스플리터를 향해 반사하게 배치된 제1 미러; 제1 스플리터에 의해 반사된 제1 파장대역의 광이 입사되면, 그를 센서부 내부에 위치하는 제2 스플리터로 반사하게 배치된 제2 미러; 제1 스플리터를 투과하는 제2 파장대역의 광이 입사되는 레이저 검출부; 제2 스플리터에 의해 반사되는 제3 파장대역의 광이 입사되는 관측부; 및 제2 스플리터를 투과하는 제4 파장대역의 광이 입사되는 하나 이상의 이미지 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전천후 환경에서 표적 관측을 위한 조준용 광학계의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 레이저거리측정기, 주간관측장치, TV센서는 안정화 거울을 통해 표적의 거리정보 및 영상정보를 공통 광경로를 거치도록 하여 전차의 포탑 상부에 노출 부위를 최소화하고, 실제 운용환경에서 센서 들의 LOS가 틀어짐을 바로 확인하여 소프트웨어 보정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 대물렌즈 및 TV센서의 광경로 상에 SWIR 센서를 추가하여 전차의 포탑 상부에 노출을 최소화함과 아울러 안개, 미세먼지 등의 전천후 환경에서 원거리 표적을 탐지하고 인지가 가능하고, 신속한 포 사격 대응할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조준용 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조준용 광학계의 센서부 및 관측부를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 추가적인 제2 실시예에 따른 센서부를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 조준용 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
표적의 가시광 신호는 안정화 미러에서 반사된 후에 관측부를 통해 직접 육안으로 확인되거나, CCD 또는 CMOS 검출기가 구비된 센서부에 의해 감지된 센싱 정보로 확인될 수 있다. 여기서, 센싱 정보는 전시기를 통해 표적 영상으로 출력되며, 출력된 표적 영상으로 상기 가시광 신호는 확인된다.
종래의 관측부와 센서부는 서로 분리되어 제작되었다. 이처럼, 분리된 관측부와 센서부를 사용하면, 관측 시 광축의 틀어짐이 발생할 수 밖에 없다. 방위 산업, 특히 포 사격과 관련된 관측장치에서는 이러한 광축의 틀어짐으로 인한 오차는 중대한 문제를 초래할 수 있다.
이처럼, 광축의 틀어짐이 발생함에도 불구하고 관측부와 센서부가 서로 분리되는 것은 관측장치의 공간적 제한 때문이다. 보다 구체적으로, 종래의 관측부는 레이저 거리 측정기와 동시에 운용되는 것이 필수적이므로, 관측부는 레이저 거리 측정기와 통합형으로 개발되었다. 이처럼 통합형 구조로 개발된 결과, 관측장치 내부의 공간적 제한은 필연적으로 발생하며 전술한 설명과 같이 관측부와 센서부는 분리형으로 제작될 수 밖에 없었다.
이하에서 상술한 문제점 및/또는 본 발명의 필요성에 기반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 조준용 광학계를 제시한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조준용 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조준용 광학계는 제1 미러(110), 제2 미러(120), 제1 스플리터(130), 레이저 검출부(140), 관측부(150), 및 센서부(160) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
미러는 입사되는 빛의 적어도 일부를 반사하는 광학 소자를 말한다. 그리고, 스플리터는 입사되는 광을 서로 다른 파장대역을 갖는 적어도 2 이상의 광으로 분할시키는 광학 소자를 말한다.
제1 미러(110)(예를 들어, 안정화 거울)는 표적으로부터 반사된 광을 제1 스플리터(130)를 향해 반사하게 배치된다. 제2 미러(120)(예를 들어, 축 거울)는 제1 스플리터(130)에 의해 반사된 제1 파장대역의 광이 입사되면, 그를 센서부(160) 내부에 위치하는 제2 스플리터(151)로 반사하게 배치된다. 제1 스플리터(130)를 투과하는 제2 파장대역의 광은 레이저 검출부(140)로 입사된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1 파장대역은 450 nm 내지 1500 nm 이고, 제2 파장대역은 적어도 1500 nm 일 수 있다.
제2 스플리터(151)에 의해 반사되는 제3 파장대역의 광은 관측부(150)로 입사되고, 제2 스플리터(151)를 투과하는 제4 파장대역의 광은 하나 이상의 센서로 입사된다. 제3, 제4 파장대역은 동일하거나 서로 다를 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 450 nm 내지 650 nm 에서 제2 스플리터(151)는 적어도 25%의 투과율, 적어도 75%의 반사율을 가질 수 있다.
레이저 검출부(140)는 레이저 광원(141), 레이저 검출기(142), 그리고 하나 이상의 광학 소자들을 포함한다. 레이저 검출부(140)는 이러한 구성들을 통해서 표적에 대한 거리 정보를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로, 레이저 광원(141)은 레이저 빔(즉, 광)을 조사하며, 이 광은 제1 스플리터(130)를 투과하여 제1 미러(110)에 의해 반사된다. 이처럼, 제1 미러(110)에 의해 반사된 광은 외부에서 지정된 표적 표면에 반사되고, 이에 따른 반사광이 조준용 광학계 내부로 다시 입사된다. 이때, 입사되는 반사광은 제1 미러(110), 제1 스플리터(130)를 거쳐 레이저 검출기(142)를 통해 수신된다. 레이저 검출기(142)는 수신된 광으로부터 표적에 대한 거리정보를 얻을 수 있다.
표적에서 반사된 가시광은 제1 미러(110), 제1 스플리터(130), 제2 미러(120), 제2 스플리터(151) 순서로 반사되어 관측부(150)로 제공될 수 있다. 관측부(150)는 외부의 관측이 가능한 렌즈를 가질 수 있으며, 관측자는 해당 렌즈를 통해 표적에 대한 비전정보를 눈으로 확인할 수 있다.
또한, 표적에서 반사된 가시광은 제1 미러(110), 제1 스플리터(130), 제2 미러(120) 순서로 반사되고, 제2 스플리터(151)를 투과하여 하나 이상의 이미지 센서로 제공될 수 있다. 하나 이상의 이미지 센서는 CCD 또는 CMOS 중 적어도 하나를 포함한다. 이미지 센서는 수신된 가시광에 기반한 비전이 디스플레이부에서 표시되도록 수신된 가시광에 상응하는 전기신호를 상기 디스플레이부로 전송한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 조준용 광학계의 센서부 및 관측부를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에서, 센서부(160)와 관측부(150)는 하나의 동일한 제2 미러(120)와 대물 렌즈부(OL)를 적어도 일부의 공통구성요소로 가지며, 대물 렌즈부(OL)는 하나 이상의 광학 소자로 구성될 수 있다. 여기서, 하나의 동일한 대물 렌즈부(OL)는 제2 미러(120)와 제2 스플리터(151) 사이에 배치될 수 있다.
광 경로 상에 두 개의 초점면들(F1, F2)이 대물 렌즈부(OL)와 제2 스플리터(151)에 의해 형성되고, 그러한 초점면들(F1, F2) 중 어느 하나는 관측부(150)의 초점면(F1)과 일치되고, 다른 하나는 센서부(160)의 초점면(F2)과 일치될 수 있다. 따라서, 관측자는 관측부(150) 측에서 형성되는 초점면(F1)으로 표적이 위치한 전방을 관측할 수 있으며, 아울러 센서부(160)는 센서부(160) 측에서 형성되는 초점면(F2)으로 하나 이상의 이미지 센서(예: CCD 센서, CMOS 센서)를 통해 비전정보를 얻을 수 있다. 이처럼 얻은 비전정보는 이후에 디스플레이부를 통해 표시될 수 있다.
전술한 구조적 특징에 따라, 대물 렌즈부(OL)를 사용하여 관측부(150)와 센서부(160)는 동일한 광축 상에 배치되며, 대상표적에 대한 관측장비의 외부노출이 최소화될 수 있다. 즉, 적으로부터 관측될 위험성이 감소된다.
또한, 관측부(150)와 센서부(160)를 통해서 하나의 동일한 표적을 관측할 경우, 광축의 틀어짐을 즉각적으로 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 추가적인 제2 실시예에 따른 센서부를 상세히 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 조준용 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 도시된 제1 실시예와 비교하여 차이점을 위주로 설명한다. 한편, 도 3에서는 관측부를 도시하고 있지 않고 있으나, 해당 구성이 생략된 조준용 광학계로 예시하는 것은 아니며 이는 새로이 추가되는 구성들의 설명의 편의를 위해 생략된 것이다. 다시 말해서, 제2 실시예는 도 4와 같이 실현될 것이다.
종래의 관측부와 센서부는 안개, 연구, 미세먼지에 광투과율이 취약한 450 nm 내지 650 nm 대역의 빛을 사용하여 관측하기 때문에, 안개, 연무, 미세먼지의 전장환경에서는 작정 운용이 제한된다.
이를 극복하기 위해 종래에는 원적외선 열상 관측장치를 사용하였거나 사용하고 있으나, 원적외선 열상 관측장치는 적외선 검출기를 극저온(예를 들어, 77 K 이하)으로 냉각하여야 한다. 이를 위해서는, 극저온 냉각기의 사용이 필수적인데, 요구되는 냉각 온도까지 도달하기까지, 즉 약 10분 동안 관측장비의 전방의 비전획득이 불가능한 문제가 있다. 이는, 급변하는 전장환경에서 신속한 포 사격의 판단에 치명적인 제한을 야기한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 아래와 같이, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 1, 도 2에서 전술한 실시예들에 추가적인 구성을 더한 제2 실시예를 제시한다.
일 실시예에서, 센서부(260)는 제3 스플리터(262)와 SWIR 센서부(260b)를 더 포함할 수 있으며, 이때 센서부(260)는 SWIR 센서부(260b)와 이미지 센서부(260a)로 구분될 수 있다. SWIR 센서부(260b)는 SWIR 센서(261b) 및 하나 이상의 광학 소자들을 포함할 수 있다.
여기서, SWIR 센서(261b)는 안개, 연무, 미세먼지의 전장환경에서도 투과율이 우수한 특성을 갖는다. SWIR 센서(261b)는 제3 스플리터(262)를 투과하는 제5 파장대역의 광이 입사되는 위치에 배치될 수 있다. 그리고, 제3 스플리터(262)에 의해 반사되는 제6 파장대역의 광이 입사되는 위치에는 이미지 센서(261a)가 배치될 수 있다.
이때, 제5 파장대역은 900 nm 내지 1500 nm 이고, 제6 파장대역은 450 nm 내지 650 nm 로 구현될 수 있다. 제5 파장대역에서 제3 스플리터(262)의 투과율은 적어도 95% 이다. 제6 파장대역에서 제3 스플리터(262)의 반사율은 적어도 95%이다.
센서부(260)는 하나 이상의 광학 소자를 갖는 초점 렌즈부(FL)를 더 포함할 수 있다. SWIR 센서(261b)에 표적에 대한 광이 집중될 수 있도록, 초점 렌즈부(FL)는 제3 스플리터(262)와 SWIR 센서(261b) 사이에 배치될 수 있다. 초점 렌즈부(FL)는 1550 nm 의 파장을 갖는 광이 검출되지 않도록하는 컷-오프 필터(262b)를 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서의 실시예들에서 언급된 제1 내지 제6 파장대역은 각각의 경우에 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 서수에 따라 서로 다른 파장대역으로 단정적으로 결정되지 않는다.
도 4를 참조하면, 도 3의 추가적인 실시예에서 설명한 SWIR 센서부(260b)와 제3 스플리터(262)가 도 1, 도 2에서 설명된 조준용 광학계와 결합된 실시예를 확인할 수 있다.
도 4에서, 제1, 제2 미러(210, 220), 제1, 제2 스플리터(230, 251), 레이저 검출부(260), 및 관측부(250)는 도 1에서 설명한 제1, 제2 미러(110, 120), 제1, 제2 스플리터(130, 151), 레이저 검출부(160), 및 관측부(150)와 동일한 것으로서 이에 대한 설명은 생략한다.
그리고, 센서부(260)는 도 3을 참조하여 전술한 구조로 제시되어 도 1, 도 2에서 상술한 실시예와 일부 차이가 있되, 도 3에서 미리 설명하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
전술한 구조적 특징에 따라, 관측장비의 외부노출을 최소화하며, 안개, 연무, 미세먼지의 전장환경에서도 투과율이 우수한 관측이 가능해진다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (13)

  1. 입사되는 광을 서로 다른 파장대역을 갖는 적어도 2 이상의 광으로 분할하는 하나 이상의 스플리터를 갖는 조준용 광학계에 있어서,
    표적으로부터 반사된 광을 제1 스플리터를 향해 반사하게 배치된 제1 미러;
    제1 스플리터에 의해 반사된 제1 파장대역의 광이 입사되면, 그를 센서부 내부에 위치하는 제2 스플리터로 반사하게 배치된 제2 미러;
    제1 스플리터를 투과하는 제2 파장대역의 광이 입사되는 레이저 검출부;
    제2 스플리터에 의해 반사되는 제3 파장대역의 광이 입사되는 관측부; 및
    제2 스플리터를 투과하는 제4 파장대역의 광이 입사되는 하나 이상의 이미지 센서;
    를 포함하는, 조준용 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 미러는 안정화 거울인, 조준용 광학계.
  3. 제1항에 있어서,
    제2 미러는 축거울인, 조준용 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 파장대역은 450 nm 내지 1500 nm 이고, 제2 파장대역은 적어도 1500 nm 인, 조준용 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    제3, 제4 파장대역은 동일하거나 서로 다르며, 450 nm 내지 650 nm 에서 제2 스플리터는 적어도 25%의 투과율, 적어도 75%의 반사율을 갖는, 조준용 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    센서부와 관측부는, 하나의 동일한 제2 미러와 대물 렌즈부를 적어도 일부의 공통구성요소로 가지며, 대물 렌즈부는 하나 이상의 광학 소자로 구성되는, 조준용 광학계.
  7. 제6항에 있어서,
    하나의 동일한 대물 렌즈부는 제2 미러와 제2 스플리터 사이에 배치되는, 조준용 광학계.
  8. 제6항에 있어서,
    광 경로 상에 두 개의 초점면들이 상기 대물 렌즈부와 제2 스플리터에 의해 형성되고, 그러한 초점면들 중 어느 하나는 관측부의 초점면과 일치되고, 다른 하나는 센서부의 초점면과 일치되는, 조준용 광학계.
  9. 제6항에 있어서,
    센서부는 제3 스플리터 및 SWIR 센서를 더 포함하고,
    제3 스플리터를 투과하는 제5 파장대역의 광이 입사되는 위치에는 SWIR 센서가 배치되고, 제3 스플리터에 의해 반사되는 제6 파장대역의 광이 입사되는 위치에는 이미지 센서가 배치되는, 조준용 광학계.
  10. 제9항에 있어서,
    제5 파장대역은 900 nm 내지 1500 nm 이고, 제6 파장대역은 450 nm 내지 650 nm 인, 조준용 광학계.
  11. 제10항에 있어서,
    제5 파장대역에서 제3 스플리터의 투과율은 적어도 95%이고, 제6 파장대역에서 제3 스플리터의 반사율은 적어도 95%인, 조준용 광학계.
  12. 제9항에 있어서,
    센서부는 하나 이상의 광학 소자를 갖는 초점 렌즈부를 더 포함하고, 초점 렌즈부는 제3 스플리터와 SWIR 센서 사이에 배치되는, 조준용 광학계.
  13. 제12항에 있어서,
    초점 렌즈부는 1550 nm 의 파장을 갖는 광이 검출되지 않도록하는 컷-오프 필터를 포함하는, 조준용 광학계.
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