Optical Design of a 6x Continuous Zoom Long-Wave Infrared (LWIR) Optical System for Tactical Reconnaissance

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확장요약문

최근 현대전 및 무인기(Drone) 전술 체계의 발전으로, SWaP(크기/무게/전력) 제약을 극복할 12 μm 이하 비냉각 마이크로볼로미터 장파적외선(LWIR) 광학계의 수요가 급증하고 있다. 하지만 1~20 km 의 장거리 탐지와 넓은 화각을 동시에 충족하는 고배율 연속 줌 시스템은 극한의 수차 제어가 요구되어 기술적 장벽이 높다. 본 연구는 전방 반사경(Fore-optics)과 후단 줌 릴레이(Zoom relay)를 결합한 하이브리드 구조를 통해, 소형 비냉각 센서에 대응하는 6 배율 연속 줌 LWIR 광학계의 최적 설계 프레임워크를 제시하고자 한다.

목표 사양은 초점거리 110~660 mm (화각 4.0°~0.67°)를 갖는 6 배율 연속 줌 광학계다. 전방 광학계는 유효 구경 200 mm, F/3 의 리치-크레티앙(RC) 기반 2 반사경계로 설계되었다. 부경의 가공성을 위해 원추상수(Conic constant)를 완화했으며, 이때 발생하는 심각한 상면만곡은 중간상 부근에 2 매의 게르마늄(Ge) 보정 렌즈를 추가하여 0.05 mm 수준으로 완벽히 평탄화했다. 이를 통해 후단 줌 릴레이가 평탄한 물체면을 이어받도록 결합성을 극대화했다. 줌 릴레이는 4 군(Four-group) 이동 구조를 채택했다. 굴절력 배치에 있어 PNPP 구조를 적용하여 페츠발 상면만곡 누적과 잔여 색수차를 억제했으며, 광각단에서의 물리적 F-number 한계는 가변 동공(Variable entrance pupil) 전략을 도입해 해결하였다.

본 연구는 평탄한 중간상을 형성하는 전방 광학계와 4 군 줌 릴레이를 성공적으로 결합하여, LWIR 고배율 줌 렌즈 개발의 확고한 구조적 기준을 확립했다. 향후 회절광학소자(DOE) 및 이종 소재(Chalcogenide)를 조합한 최적화와 함께, 몬테카를로 공차 분석 및 – 40°C ~ +60°C 환경의 수동 비열화(Passive athermalization) 검증을 수행하여 실현 가능성을 최종 입증할 계획이다.