원적외선용 반사식 전방위 비전 시스템의 광학 설계
Optical design of a reflecting omnidirectional vision system for long-wavelength infrared light
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초록
야간 감시를 위해 원적외선에서 사용하는 4개의 구면 및 비구면 거울을 갖는 반사식 전방위 비전 시스템 광학계를 제안한다. 이 반사식 전방위 비전 시스템은 유사 카세그레인식 수광부 반사경 시스템과 역 유사 카세그레인식 결상부 반사경 시스템으로 설계되었으며, 그에 따른 설계 과정과 성능 분석을 상세히 제시한다. 이 비전 시스템의 반화각과 F-수는 각각 40°~ 110°와 1.56으로 설정하였다. 그리고 원적외선 파장 영역에서 비전 시스템을 사용하기 위해서 상의 크기가 원적외선용 마이크로 볼로미터의 크기와 가능한 같아야 하므로 상의 크기를 5.9 mm x 5.9 mm에 맞추어 설계를 진행하였다. 최적화 설계 후 40°~ 110°의 반화각 범위에서의 상 크기의 비율은 48.86%이며, 나이퀴스트 주파수인 20 lp/mm의 공간주파수에서 원적외선의 변조전달함수 값이 0.381에 도달하였다. 또한 20 lp/mm의 공간주파수에서 원적외선 영역에 대한 공차의 누적 확률은 99.75%였다. 또한 역 유사 카세그레인식 구조의 결상부 부경을 온도 변화에 따른 변조전달함수 값을 개선시키는 보상자로 선택하여 반사식 전방위 비전 시스템의 운용 온도 범위인 -32℃에서 +55℃의 온도 범위에서 비열화 해석 및 보상화 과정을 진행하였다.
Abstract
A reflecting omnidirectional optical system with four spherical and aspherical mirrors, for use with long-wavelength infrared light (LWIR) for night surveillance, is proposed. It is designed to include a collecting pseudo-Cassegrain reflector and an imaging inverse pseudo-Cassegrain reflector, and the design process and performance analysis is reported in detail. The half-field of view (HFOV) and F-number of this optical system are 40-110° and 1.56, respectively. To use the LWIR imaging, the size of the image must be similar to that of the microbolometer sensor for LWIR. As a result, the size of the image must be 5.9 mm × 5.9 mm if possible. The image size ratio for an HFOV range of 40° to 110° after optimizing the design is 48.86%. At a spatial frequency of 20 lp/mm when the HFOV is 110°, the modulation transfer function (MTF) for LWIR is 0.381. Additionally, the cumulative probability of tolerance for the LWIR at a spatial frequency of 20 lp/mm is 99.75%. As a result of athermalization analysis in the temperature range of -32°C to +55°C, we find that the secondary mirror of the inverse pseudo-Cassegrain reflector can function as a compensator, to alleviate MTF degradation with rising temperature.
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