검색 상세

온도 의존성 최소화를 위한 카메라모듈 광학계의 광기구적 비열화 설계

  • 양명수 (아주대학교 공학대학원)

초록/요약

디지털 사이드미러（Digital Side Mirror, DSM） 카메라는 운전자의 시야 확보와 차량의 공 기역학적 효율성 향상을 위해 널리 적용되고 있으나 –10℃에서 +60℃에 이르는 다양한 온 도 환경에서 렌즈 및 기구 부품의 열적 변형으로 인해 초점 이동과 해상력 저하가 발생하는 문제가 있다. 플라스틱 렌즈의 굴절률 온도계수（dn/dT）와 기구 요소의 열팽창률（CTE）, 비구 면 형상의 온도 민감도 등 복합적으로 작용하여 후초점거리 BFL（Back Focal Length） 변화와 MTF（Modulation Transfer Function） 열화를 유발한다. 이러한 DSM 카메라의 내부 열변형 문 제는 기존의 설계 방식으로 해결하기 어렵기 때문에 구조적인 온도 보상 설계가 필요하다. 광학적 측면에서 플라스틱–글라스 복합 구조의 파워 변화를 정량적으로 분석하고, dn/dT 기반 파워 민감도 모델을 도입하여 온도 변화가 각 렌즈의 전체 파워와 초점 위치에 미치는 영향을 체계적으로 평가하였다. 이를 바탕으로 글라스렌즈 대비 플라스틱렌즈의 단점인 높 은 dn/dT로 인한 파워 감소를 최소화하기 위해 파워 재배치（Glass 우세 파워 구성）와 비구 면 고차항계수（A,B,C,D 등）의 형상 안정성을 확보하는 방향으로 광학적 비열화 설계를 수행 하였다. 그 결과 초기 구조 대비 ΔBFL이 크게 감소하고 온도 변화에 따른 수차 변동도 완 화되었으며, 특히 본 연구는 온도 변화에 따른 초점 이동 민감도（Focus Shift Sensitivity） 를 0.1 이하로 낮추는 것을 최종 설계 목표로 설정하고 이를 달성하기 위한 구조적·광학적 보상 전략을 확립하였다. 기구적 측면에서는 Barrel, Spacer, Holder 등 기구 구성품의 열팽창률을 비교한 결과, Holder가 렌즈군–센서 간 거리（L）를 직접 결정하는 핵심 요소로서 ∆BFL을 보상하기에 가 장 효과적임을 확인하였다. 이에 따라 Holder 축방향 팽창량 ΔL이 광학적 잔여 초점 이동 량 ∆과 동일한 방향·크기로 상쇄되도록 설계 조건을 설정하였다. 특히 PC-GF30 재질 의 CTE가 본 연구에서 요구되는 ΔL ≈ 6.7um（ΔT = 70℃）를 만족함을 검증하고, 이를 기 반으로 최종 Holder 구조를 구현하였다. 광학적 비열화 설계와 Holder 기반 기구적 비열화 설계를 결합한 통합 비열화 구조（4-1단 계）에서는 –10℃, 20℃, 60℃ 전 구간에서 ∆BFL-∆L = 0 수준의 온도 안정성이 확보 되었다. 시뮬레이션 결과 120 lp/mm, 0.8 Field 기준 Tangential·Sagittal MTF가 63~68% 범위로 유지되었으며, Through-Focus MTF와 Field Curvature 또한 온도별 차이가 거의 나타 나지 않았다. 또한 실제 DSM 카메라 모듈을 제작하여 온도 챔버 기반 실험을 수행한 결과, 시뮬레이션과 동일하게 초점 이동이 억제되는 것을 확인하였다. 본 연구는 DSM 카메라 모듈의 온도 의존성을 최소화하기 위해 광학적 비열화와 기구적 비 열화를 통합적으로 적용한 완전 일체형 구조를 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다. 제안 된 플라스틱–글라스 하이브리드 기반 비열화 설계 프레임워크는 DSM뿐 아니라 차량 주변감 지 카메라, 자율주행용 ADAS 센서, 산업용 머신비전 등 다양한 광학 시스템에서도 열 안정 성 향상을 위한 범용적인 설계 전략으로 활용될 수 있다.

more

목차

I장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 필요성 1
1.3 연구 목적 및 범위경 2
1.4 논문의 구성 2
Ⅱ장 이론적 배경 3
2.1 DSM 카메라의 온도 민감도와 영상 성능 열화 요인 3
2.1.1 초점 이동 민감도 정의 3
2.1.2 FSS (Focus Shift Sensitivity)의 설계 지표로서의 의미 5
2.1.3 온도 변화에 따른 해상력(MTF) 저하 메커니즘 5
2.2 광학적 비열화(Athermalization)의 광학적 기반 5
2.2.1 플라스틱 렌즈의 굴절률 온도계수(dn/dT) 6
2.2.2 비구면 요소의 온도 민감도와 MTF 안정화 역할 7
2.2.3 비구면 계수의 온도 의존성과 형상 안정성 7
2.3 기구적 비열화(Mechanical Athermalization) 9
2.4 기존 연구와 본 연구의 차별성 9
2.5 DSM 온도 비열화 설계 프로세스 개요 (1~4-1단계) 10
Ⅲ장. 연구 방법과 내용 11
3.1 연구 목표 사양 11
3.2 광학적 비열화 설계 12
3.2.1 1단계: 비보상 초기 구조 (Baseline) 13
3.2.2 2단계: 상온 중심 광학 보정 설계 (Pre-Tuning) 19
3.2.3 3단계: 파워 재배치 기반 광학 비열화 설계 24
3.2.4 3-1단계: 초기 광학–기구 연계 구조 (Opto-Mechanical Pre-Integration) 30
3.2.5 4단계: 광학 민감도 중심 재설계 (Holder 미적용 상태) 34
3.2.6 4-1단계: 최종 광학–기구 통합 비열화 구조 39
3.3 기구적 비열화 설계 43
3.3.1 Holder 열팽창률 계산 44
3.3.2 광학 파워 감소와 Holder 팽창의 상쇄 개념도 44
3.3.3 최종 기구 보상 구조 46
3.3.4 최종 통합 구조 단면도 47
3.4 단계별 성능 평가 48
3.4.1 변화 비교 48
3.4.2 Focus Shift Sensitivity(FSS) 분석도 49
3.4.3 단계별 성능 종합 요약 및 실험 연계 설명 52
Ⅳ장 실험적 검증 및 분석 54
4.1 실험 개요 54
4.2 실험환경 구성 54
4.3 실험 장치 구성 56
4.4 투영기 실험 결과 64
4.5 영상 실험 결과 68
4.6 CODE V 시물레이션 결과 및 ImageMster 기반 MTF 측정 72
4.6.1 온도별 CODE V–ImageMaster MTF 동시 비교 72
4.6.2 CODE V–ImageMaster 정량 비교 요약 76
4.6.3 온도–MTF 변화 경향 비교 76
4.7 측정 방법 79
4.8 종합 분석 80
Ⅴ장 결론 82
5.1 결론 및 향후 연구 82
참고문헌 84

more
반출 Meta View 목록