적외선 광학 기술의 발전과 함께 군사 및 민간 분야 모두에서 적외선 렌즈에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 특히 비냉각식 적외선 렌즈는 저렴한 가격과 간단한 구조 덕분에 시장 수요가 꾸준히 늘어나고 있습니다. 이에 따라 비냉각식 렌즈의 시야각과 환경 적응성에 대한 요구 사항도 점점 높아지고 있으며, 특히 고온 및 저온 환경에서의 요구가 더욱 중요해지고 있습니다.

현재 시판되는 대부분의 적외선 렌즈는 384×288, 25μm 또는 640×512, 17μm 검출기와 호환되며, 대부분의 비열 설계는 능동적인 기계적 보상을 통해 고온 및 저온 보상을 구현합니다. 또한, 기계적 수동 비열 설계를 구현한 제품도 소수 존재하며, 광학적 수동 비열 설계를 구현한 렌즈는 극히 드뭅니다.

이러한 광학적 수동 비열 렌즈는 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 다양한 재료와 비구면의 조합으로 구현되는 렌즈로, 대부분 단초점 렌즈입니다. 파생 하이브리드 방식이 구현되어 우수한 영상 품질을 얻었으며, 무열화 측면에서 획기적인 발전을 이루었습니다.

대면적 어레이 검출기의 요구 사항을 충족하고 고화질 영상과 중장초점 장파 적외선 렌즈의 무열화 설계를 구현하기 위해, 본 논문에서는 장파 적외선 광학 무열화 렌즈를 구현했습니다. 이 렌즈는 두 가지 적외선 소재(HWS6 및 황화아연 소재)와 비구면 표면을 사용하여 광학 무열화 설계를 달성한 4개의 렌즈로 구성됩니다.

사용된 검출기는 대면적 어레이이므로 픽셀 수가 증가하고 시스템 해상도가 향상되며 관측 시야각이 넓어지지만, 동시에 광학 시스템의 수차 보정 난이도가 높아집니다. 이 렌즈는 1024×768, 17μm 대면적 어레이 비냉각 검출기에 적합합니다.

광학 설계 소프트웨어 최적화를 통해 -60°C~+100°C의 작동 온도 범위에서, 그리고 30lp/mm의 공간 주파수에서, 각 시야각의 MTF 값이 0.45 이상, 0.35 이상임을 확인했습니다. 또한, -60°C~+100°C의 온도 범위에서 각 시야각의 MTF 값이 크게 변하지 않아 넓은 온도 범위에서 광학적 무열화 설계가 구현되었습니다.

이 렌즈는 구조가 간단하고, 대면적 배열이 가능하며, 고해상도, 넓은 작동 온도 범위, 우수한 제조 용이성 등의 장점을 가지고 있어 탐색기나 우주 탐지 등의 분야에 활용될 수 있다.

1. 광학 시스템 설계
대면적 배열 장파 적외선 광학 열화 렌즈는 1024×768 비냉각식 장파 적외선 초점면 배열 검출기에 적용되었으며, 검출기의 픽셀 크기는 17μm이다. 적외선 렌즈의 설계 지표는 표 1에 나타내었다.

1.1 디자인 사고

본 논문에서 설계한 렌즈의 초점 거리는 90mm입니다. 광학적 무열화 설계를 구현하기 위해 적외선 칼코게나이드 소재와 황화아연을 조합하여 광학계에 미치는 온도의 영향을 제거했습니다. 게르마늄 소재와 비교했을 때, 칼코게나이드 소재의 굴절률은 온도에 따른 변화가 적습니다.

게르마늄의 굴절률 온도 계수는 39.6×10⁻⁵/°C입니다. 주변 온도가 급격하게 변할 경우 무열화 설계가 어려워지는데, 칼코게나이드 소재의 굴절률 온도 계수는 게르마늄의 약 1/6에 불과합니다.

특정 온도 범위에서 광학계의 우수한 성능을 확보하기 위해서는 광출력, 색수차 보정, 무열수차 보정 조건을 동시에 만족해야 합니다. 즉, 광출력 분포 공식, 색수차 보정 방정식, 무열수차 보정 조건을 모두 만족해야 합니다.

국내외 여러 보고서에 따르면, 광출력 분배 공식, 색수차 보정 방정식, 그리고 열 방출 방정식을 동시에 만족시키기 위해서는 곡면의 곡률을 변경하거나 다른 재료를 사용하여 수차를 보정해야 하므로 시스템 설계가 매우 어려워진다. 또한, 광출력, 색수차 보정, 그리고 열 방출 요구 사항을 동시에 충족시키려면 최소 세 가지 종류의 재료가 필요하므로 시스템 구조가 복잡해진다.

그러나 본 논문에서는 두 가지 적외선 재료, 즉 열팽창 계수가 22×10⁻⁶/°C인 칼코게나이드 재료 HWS6와 더 큰 광출력을 견딜 수 있는 황화아연 재료를 함께 사용하여, 정방향 1026 HWS6 렌즈, 음방향 황화아연 렌즈, 정방향 황화아연 렌즈, 그리고 음방향 HWS6 렌즈의 조합을 통해 비열 방출 설계를 구현하였다.

동시에, 첫 번째 렌즈와 두 번째 렌즈 사이의 공극이 열 차폐에 큰 영향을 미치기 때문에, 이 부분의 렌즈 배럴 재질은 열팽창 계수가 작은 인바(Invar) 재질(열팽창 계수 8×10⁻⁶/°C)을 사용하고, 나머지 부분은 알루미늄 합금 재질(열팽창 계수 23×10⁻⁶/°C)로 제작하였다.

최종적으로, 위의 설계 아이디어를 통해 열 방출 차이를 구현하여 구조가 간단하고 제조 용이성을 확보하였다.

대면적 어레이 검출기와의 호환성을 높이고, 광학계의 수차를 효과적으로 보정하여 넓은 시야각, 우수한 영상 품질 및 고해상도를 갖는 광학계를 구현하기 위해, 본 논문에서는 두 개의 짝수 차수 비구면 렌즈를 도입하였다. 이 시스템은 총 4개의 렌즈로 구성되며, 두 번째와 네 번째 렌즈가 짝수 차수 비구면 렌즈이다.

첫 번째 렌즈의 재질은 칼코게나이드 HWS6이다. 이 재질은 비교적 부드럽지만, 비구면 가공이 어렵다. 하지만 다이아몬드 선삭 기술의 발전으로 칼코게나이드 소재에 비구면 가공을 구현할 수 있게 되었습니다. 더욱이 첫 번째 렌즈의 소재가 칼코게나이드 소재이고 조리개가 비교적 크기 때문에 비구면 가공을 통해 영상 품질을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 현재 비구면 가공된 칼코게나이드 렌즈 소자는 다양한 적외선 무열 렌즈 설계에 널리 사용되고 있습니다.

소개된 두 개의 짝수 차수 비구면은 다음과 같이 표현됩니다.

공식에서 c=1/r0, k=-e2, A1, A2, A3, A4 등은 고차 계수이며, 대부분의 경우 A1은 0입니다. r은 정규화된 반경 좌표이고, c는 비구면의 기준면 또는 보조 구의 곡률이며, k는 테이퍼 정도입니다. 본 논문의 설계에서는 공식 (1)에서 r4, r6, r8 항목만 선택했습니다(두 번째 표면의 비구면 계수는 A2=6.915×10-8, A3=8.094×10-14, A4=1.475×10-16이고, 네 번째 표면의 비구면 계수는 A2=2.569×10-8, A3=-7.371×10-11, A4=3.531×10-13입니다).

1.2 설계 결과

ZEMAX 설계 소프트웨어로 최적화된 대면적 배열 장파 적외선 무열 렌즈의 광학 구조도는 그림 1에 나타내었다. 광학 시스템의 구조적 매개변수는 다음과 같다. 작동 대역은 8-12μm, 중심 파장은 10μm, 유효 초점 거리는 90mm, F-넘버는 1, 전체 시야각은 13.8°, 시스템 전체 길이는 108mm, 작동 온도 범위는 -60°C ~ 100°C이다.

이 시스템은 4개의 렌즈로 구성되며, 2번째 및 4번째 면은 짝수 차수 비구면이다. 광학 시스템은 "+", "-", "+", "-" 구조로 이루어져 있으며, 두 가지 적외선 소재(칼코게나이드 소재 HWS6 및 황화아연 소재)의 협력 작용을 통해 무열화되도록 설계되었다.

그림 1. 광학 시스템 구조의 개략도

2. 이미지 품질 평가

그림 2는 시스템의 MTF 곡선입니다. 픽셀 크기가 17μm×17μm이므로 한계 해상도는 FN=29.4lp/mm입니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 공간 주파수 30lp/mm에서 시야각 0의 MTF 값은 0.45보다 크고, 시야각 1의 MTF 값은 0.35보다 크며, 각 시야각의 MTF 값은 -60°C에서 +100°C까지의 온도 범위에서 변화가 없습니다. 이는 넓은 온도 범위에서 광학적 무열화 설계를 구현하고 고화질 무열화 요구 사항을 충족함을 의미합니다. 표 2는 다양한 온도에서의 광학 시스템의 MTF 값을 보여줍니다.

그림 2. 시스템의 MTF 곡선

표 3은 무열처리 후 초점 거리와 스페클의 변화를 보여줍니다. 표 3에서 볼 수 있듯이 -60°C에서 100°C까지의 온도 범위에서 최대 분산 스폿 반경은 기본적으로 변화가 없으며, 이는 열 방출 차이 설계의 요구 사항을 충족합니다. 이는 시스템이 더 나은 영상 품질과 우수한 열 방출 설계를 갖추고 있음을 보여줍니다.

표 3은 무열처리 후 초점 거리와 스페클의 변화를 보여줍니다. 표 3에서 볼 수 있듯이 -60°C에서 100°C까지의 온도 범위에서 최대 분산 스폿 반경은 기본적으로 변화가 없으며, 이는 열 방출 차이 설계의 요구 사항을 충족합니다. 이는 시스템이 더 나은 영상 품질과 우수한 열 방출 설계를 갖추고 있음을 보여줍니다.

 그림 3. 자기장 곡선 및 왜곡(20°C 기준)

3. 결론

본 논문에서는 초점 거리 90mm, 개구율 1:1, 전체 시야각 13.8°의 장파 적외선 광학 무열 렌즈를 설계하였다. 이 렌즈는 1024°C×768, 17μm 대면적 어레이 비냉각 검출기와 호환되며, 추적, 탐색, 감시 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

설계된 렌즈는 간단한 구조, 대면적 어레이(넓은 시야각), 고해상도, 넓은 작동 온도 범위, 우수한 제조 용이성 등의 장점을 가지고 있다. 탐색 장비나 우주 탐사 등 군사 및 민간 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 지닌다.

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