현대의 많은 광 관련 시스템을 구축하기 위해서는 거시적으로 전체적인 Layout을 대략적으로 결정하는데, 이때 광학계의 구성이 가장 중요한 부분이 된다. 이러한 시스템을 실제 구현하기 위해서는 관련된 광학계의 설계가 요구되며, 이 부분에 많은 기술과 know-how가 요구된다. 또한 참된 설계는 시스템의 제작성과 조립성을 충분히 고려한 설계를 의미하며, 이러한 결과는 철저한 광학계 분석으로부터 얻을 수 있다.
한국천문연구원에서는 이동형 레이저위성추적(SLR) 시스템을 개발하고 있다. 이동형 레이저위성추적 시스템의 광학부는 송신광학계, 수신광학계, 광신호유도계로 구성되어 있으며, 주야간에 운영되는 시스템의 특성상 광신호유도계는 특별한 구성과 기능을 갖는다. 본 연구에서는 주야간 위성추적을 위해 요구되는 광신호유도계의 구성과 기능을 소개하며, 또한 광신호유도 광학계의 광학설계에 대해서도 논한다.
한국천문연구원에서는 1 m 망원경을 국내 기술로 설계 제작하여 현재 시험 관측을 수행하고 있다. 이 망원경은 가대는 경위도식이고 광학계는 Ritchey-Chretien 형 망원경이다. Ritchey-Chretien 형은 구면 수차와 코마 수차가 없는 광학계로서 대부분의 천문 연구 망원경이 Ritchey-Chretien 형으로 제작되고 있다. 원래의 광학계 설계는 합성초점비가 F/10, 주경 곡률 반경이 5,700 mm로 설계하였으나 주경 가공 과정에서 주경의 곡률 반경과 원뿔상수 (conic constant)가 설계치와 차이가 발생하여, 이에 맞추어 전체 시스템 설계를 변경하였다. 최종 완성된 망원경의 광학계 설계 수치는 아래 표와 같다. (중략)
본 논문에서는 적외선 탐색 및 추적 기능을 수행하는 광각 주사 광학계와 표적의 전자광학 추적 기능을 수행하는 협/중시계 광학계의 기능이 통합된 가변 F/수 삼중 배율 적외선 광학계를 설계하였다. 기존 광각 주사 광학계를 기반으로 무한 초점 광학계를 전단부에 설계하여 협/중시계 기능을 수행할 수 있는 광학계를 구현하였다. 시스템 성능 분석을 통해 성능 목표를 설정하고, 이를 바탕으로 광학계 설계를 위한 설계 사양을 도출하였으며, F/수가 다른 광학계를 추가하기 위해 조리개 크기를 줄여주는 웜 스톱을 적용하였고, 설계된 광학계에 적합하도록 세부 형상을 설계하였다. 설계 완료된 협/중시계 광학계 설계 결과를 분석하여 MTF (modulation transfer function)와 같은 목표 성능을 만족하는 것을 확인하였으며 운용성을 고려하여 비열화와 표적 거리에 따른 초점 렌즈군의 이동량을 분석하였고, 이를 통해 광역 탐색 및 추적 기능과 정밀 추적 및 3차원 정보 획득 기능이 통합된 단일 광학 시스템의 구현이 가능함을 확인하였다.
지금까지의 광학적 비접촉 진동 측정 시스템에서는 레이저도플러 효과를 이용하고 있다(1)(2). 그러나 이는 시스템 자체가 너무 크고 많은 장비들을 요구하는 단점을 가지고 있다. 본 실험은 장비의 속도와 크기를 개선하기 위해 이전까지의 방법과는 다른 시스템을 구성하여, 빠르게 회전하거나 진동하는 물체의 진동을 쉽고 간결하게 측정할 수 있는 장비와 프로그램을 설계, 제작하였다. 광원으로는 파장이 650nm인 LD(laser diode)를 사용하였고, 신호검출에는 1차원 PSD(position-sensitive detection)를 사용하여 시스템을 소형으로 구성하였다. (중략)
소자가 발광하는 형태를 가지며 매우 작은 크기의 광원인 LED는 특유의 형태 때문에 자체의 발광특성을 점광원으로 가정하여 부가적인 광학제품들이 설계되어 왔다. 하지만, 실제적인 설계에서는 이러한 점광원으로의 가정에서 오차를 불러일으킬 수 있으며, 세밀한 제어를 요구하는 조명시스템의 제어에서는 작은 오차라 해도 큰 에러를 발생시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 점광원이 아닌 실제적인 부피를 지니는 광원으로서의 LED를 분석하여 그에 대한 2차적인 광학 시스템의 설계법을 제시하고자한다.
본 논문에서는 LED 광원 모듈과 시준용 프레넬 렌즈를 이용하여 항공기 장애등 광학 시스템을 설계하였다. 설계된 광학계는 국토 교통부 항공기 경고등의 수직 양각 중심 광도 20,000 cd와 발산각 광도 규격 조건을 만족시키기 위해 프레넬 렌즈를 모듈별로 설계하였다. 또한 LED 광원 모듈과 프레넬 렌즈의 위치와 기울기를 조정하여 광학 시스템을 최적화하였으며, 이렇게 설계된 광학계의 배광 특성을 분석하고 비교하여 최적의 성능을 가진 항공기 경고등 광학계를 설계하였다.
본 연구는 저궤도에서 3 m급 광학 영상을 획득하기 위한 6U 초소형위성 시스템의 개념설계를 제안한다. 3 m급 광학 영상을 촬영하기 위한 광학계를 설계하고 최적화한다. 광학계는 구경 Ø78 mm, 길이 250 mm의 공간 내, 유효 초점거리 1400 mm를 가진다. 이를 탑재할 수 있는 6U 초소형위성의 시스템에 대한 요구조건과 제한조건을 도출한다. 이러한 조건들을 만족하는 자세 및 궤도제어계, 추진계, 명령 및 데이터처리계, 전력계, 통신계, 구조 및 메커니즘계, 열제어계를 설계한다. 설계된 광학 탑재체와 COTS 부품으로 구성된 본체의 서브시스템을 통합하여 6U 초소형위성의 시스템을 완성한다. 전체 시스템의 질량, 전력, 통신에 대한 버짓 분석을 통해 설계규격을 확인한다. 저궤도에서 광학 영상을 획득하기 위한 6U 초소형위성의 운용 개념을 제시한다. 이러한 초소형위성을 대량으로 생산하여 위성군을 구축한다면 감시·정찰 임무나 재난·재해 관리에 활용할 수 있다.
현재 개발되고 있는 위성용 전자광학시스템의 설계 파라미터를 적용하여 알려진 식에 의해 위성의 운용고도와 자세변화에 따른 전자광학시스템의 GSD 및 라인레이트 변화관계를 살펴보았다. 그리고 고도변화에 따른 적용 가능한 라인레이트와 위성의 지상 스캔율의 차이에 의해 발생할 수 있는 성능변화 요소로서의 MTF에 대한 영향을 검토하였다. 즉 현재 개발이 진행되고 있는 카메라 전자부의 설계 파라미터를 적용하여 조정 가능한 라인레이트의 한계를 알아보고 이에 의한 성능감소 변화를 검토함으로써 현재 개발 진행되는 전자광학시스템의 카메라전자부의 설계요소에 대한 분석을 수행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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