이중대역 장거리 빗각촬영 카메라

장거리 빗각촬영 카메라는 항공기에 장착하여 운용하는데, 항공기의 운용 고도, 운용 시간에 따라 카메라의 내부 온도가 시시각각 달라진다. 카메라의 내부 온도 변화는 광학계의 거울, 렌즈, 광기구의 형상 변화를 야기하고, 광학계 성능을 저하시킨다. 따라서 카메라 내부에 히터, 팬 등과 같은 환경조절장치가 필수적이나, 검출 조립체, 전자보드 등의 열원이 있는 경우 환경조절장치만으로 광학계 전체의 온도를 균일하게 제어할 수 없고, 필연적으로 광학계의 온도 기울기를 유발한다.

대구경 반사 광학계는 주경, 부경 정렬에 따라 광학계의 성능이 대부분 결정되는데, 이러한 온도 기울기는 주경의 형상 오차뿐만 아니라 주경과 부경간의 정렬 오차를 발생시킨다. 광학계의 전체적인 온도 변화는 후단광학계의 보상렌즈군의 위치를 이동하여 보상할 수 있지만, 주경이나 부경의 국부적인 온도 기울기는 보상렌즈군의 위치 이동만으로는 완전히 보상할 수 없는 비점수차(astigmatism), 코마(coma) 등의 광학 수차를 발생시키고 이는 상당한 광학 성능의 저하로 이어진다.

기존의 장거리 빗각촬영 카메라는 온도 기울기로 인해 발생하는 광학 성능 저하를 보상하기 위해 지상에서 광학계의 온도에 따른 최적 초점위치를 확인하고, 이를 온도별 초점값인 비열화 테이블로 만들고, 검출 조립체에 저장하여 자동초점조절을 수행했다. 그러나 실제 항공기에 탑재하여 카메라를 운용하는 경우 비열화 테이블에 초점 옵셋(Offset)을 적용해야 하고, 카메라 내부의 온도 기울기 정도에 따라 초점 옵셋을 계속해서 갱신해야 할 필요가 있다.

또한, 장거리 빗각촬영 카메라는 관심 표적에 대한 촬영 임무를 비행 전에 미리 계획하고, 비행 중에 EO/IR 정지영상을 획득하기 때문에 다른 동영상 카메라처럼 실시간으로 광학 성능을 확인할 수 없어, 운용 환경에 대한 안정적인 광학 성능 유지가 어려운 편이다.

국방과학연구소는 이중대역 장거리 빗각촬영 비열화 광학계와, 비열화 광학계의 운용 환경을 조절하는 환경 조절 장치, 환경 조절 장치로부터 온도 정보를 받아 비열화 광학계의 초점을 조절하는 초점 조절 장치를 통합한 촬영 시스템을 제시했다.

초점 조절 장치는 자동 초점 조절 모드와 초점 보정 모드를 제공한다.

자동 초점 조절 모드는 초점을 자동으로 조절한다. EO/IR 검출 조립체는 선명도 분석 알고리즘을 통해 환경 조절 장치의 온도 센서로부터 비열화 광학계의 평균 온도를 받고, EO/IR 검출 조립체에 저장된 비열화 테이블에서 평균 온도에 해당하는 자동 초점값을 불러오고, EO/IR 검출 조립체에 저장된 초점 옵셋값을 불러와서 합산기에 의해 자동초점값과 초점옵셋값의 합의 위치로 보상렌즈군을 이동시켜 보상한다.

초점 보정 모드는 초점 옵셋값을 산출하는 모드로, 초점옵셋 초기값은 0이다. EO 검출 조립체는 EO 자동 초점값을 기준으로 EO 보상렌즈군을 F-60 step에서 F+60 step까지 20 step씩 이동시키고, 각 초점값마다 3장의 영상 정보를 획득한다. IR 검출조립체는 IR 자동초점값을 기준으로 IR 보상렌즈군을 F'-90 step에서 F'+90 step까지 30 step씩 이동시키고, 각 초점값마다 3장의 영상을 획득한다. 각각 총 21장의 영상 각각에 대해 윤곽선 필터를 컨볼루션하고, 윤곽선이 최대가 되는 영상에서의 초점값을 산출한다. 각 초점 이동 간격은 광학계의 초점심도의 절반에 해당하는 값이다.

비열화 광학계의 전단 광학계는 모두 SiC 소재로 구성되어 온도에 의한 수축 또는 팽창 발생시 광학 성능에 대한 영향이 이론적으로 거의 0에 가까우며, SiC 소재의 높은 열전도율과 환경조절장치로 인해 전단광학계의 국부적인 온도 기울기 발생 영향을 최소화할 수 있다.

주경 플렉셔는 열팽창률이 약 1.26 ppm/℃로 0에 가까운 안바(Invar) 소재로 제작되었고, 주경과 부경의 사이를 연결하는 경통 또한 열팽창률에 의한 주-부경 거리 변화가 AL6061 소재의 1/10 수준인 SiC 소재로 구성된다. 따라서, 온도변화에 의한 초점상태 변화를 최소화할 수 있다.

장거리 빗각촬영 비열화 광학계는 열팽창률이 낮은 소재를 적용하고, 환경조절장치와 초점조절시스템을 구성하여 광학계 전체의 온도 변화와 광학계의 국소적인 온도 기울기에 대해 안정적인 광학 성능을 유지할 수 있도록 설계 · 제작되었다. 따라서 비열화 테이블에 초점 옵셋을 적용할 필요가 없고, 카메라 내부의 온도 기울기 정도에 따라 초점 옵셋을 계속해서 갱신할 필요도 없다. 근실시간으로 광학 성능을 확인할 수 있고, 운용환경에 대한 안정적인 광학 성능 유지가 가능하다.

비행시험 결과, 비열화 광학계의 5개의 온도 센서에서 측정된 온도값은 대부분 1~2도의 온도차가 발생하여 국부적인 온도 기울기가 무시할만한 수준이었다. 또한 초점 조절 제어에 따라 EO/IR 영상을 획득한 결과, 고도에 따른 외기 온도 변화 및 비열화 광학계 내부 온도 변화에 대해 안정적인 광학 성능을 달성하여, 초점옵셋값의 갱신이 필요하지 않았다.