가시광에서 하이브리드 렌즈를 사용한 반사굴절식 전방위 줌 광학계의 설계 및 성능평가
Design and Performance of a Catadioptric Omnidirectional Zoom Optical System Using a Hybrid Lens for Visible Light
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초록
주간 무인 감시를 위하여 가시광 파장 범위인 400~700 nm에서 렌즈와 거울의 기능을 동시에 갖는 구멍 없는 하이브리드 렌즈를 활용한 반사굴절식 전방위 줌 광학계를 설계하고 그 성능을 분석하였다. 하이브리드 렌즈는 렌즈에 구멍을 뚫는 작업이 없고 광학 부품의 수량을 줄일 수 있기 때문에 전방위 줌 광학계의 제작과 조립에서 많은 장점을 갖는다. 이 광학계에서 결상된 도넛 형태의 상에서 안쪽의 압축된 낮은 공간주파수의 상 영역을 확대하여 보기 위해서 줌 렌즈의 기능을 추가한 전방위 광학계의 최적화 설계를 진행하였다. 그 결과 최적화 설계된 광학계의 변조전달함수, 스폿 다이어그램 분석, 공차 분석을 통해 이 광학계의 성능을 분석한 결과로부터 설계 목표 사양을 만족함을 알 수 있었다. 줌 광학계를 주밍할 때 -30~50°C의 온도 변화에 따른 비열화 해석을 한 결과, 적절한 렌즈의 재질을 선정하여 온도 변화에도 상 거리 변화가 거의 없는 광학계임을 확인하였다.
Abstract
A catadioptric omnidirectional zoom optical system using a hybrid lens (COZOSH) that performs simultaneously two functions of a lens and a mirror was designed at the visible wavelength range for daytime unmanned surveillance, and its performance was analyzed. The hybrid lens has lots of advantages in terms of fabrication and assembly of a COZOSH, because of the obviation of a lens boring process and reduction of the number of optical components. Additionally, we designed the COZOSH to expand the compressed inner-image region of a donut image at low spatial frequencies. As a result, the optimized design performance of the optical system that satisfies all initial design specifications was obtained from calculation of the modulation transfer function, spot diagram, and tolerance analysis. We confirmed that the COZOSH is a passively athermalized optical system under conditions of temperature variation from -30°C to 50°C, by using athermalization analysis during zooming.
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