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문제 정의
- 본 논문에서는 직경 300 mm급 우주용 카메라를 시험하기 위한 Cassegrain 형태의 시준장치의 제작에 관해 다루었다. 이를 위해 시준장치의 설계 및 공차분석에 관하여 논의하고 각 거울의 제작과정 및 평가 방법에 대해서 설명하였다.
- 본 논문에서는 직경 300 mm급 우주용 카메라를 시험하기 위한 Cassegrain 형태의 시준장치의 제작에 관해 다루었다. 이를 위해 시준장치의 설계 및 공차분석에 관하여 논의하고 각 거울의 제작과정 및 평가 방법에 대해서 설명하였다. 마 지막으로 정렬 및 조립후의 최종 성능에 관하여 간단히 언급 하였다.
제안 방법
- 3. 부경을 측정하여 기준구면과의 차이를 구한 후 위에서 구한 반경에 해당하는 h-z 값과 비교한다.
- 주경의 제작과정은 부경의 제작과정과 비슷하다. sag data및 구면계와 master plate를 이용하여 면의 형상오차를 2 ym 이내로 만든 후 간섭계를 이용한 정밀 측정을 통하여 형상오 차를 줄여나가는 방법을 취하였다. 하지만, 부경에 비해 가 공 면적이 넓고 무게 (45 kg)가 많이 나가 가공 및 측정이 쉽 지 않다.
- 대상물을 포함한 광학계의 MTF의 변화를 알아보았다. 표1은 시준장치의 제작 및 정렬 공차와 이에 따른 전체 평 가대상물의 MTF 변화량을 72 lps/mm에서 조사한 결과이다.
- 한편, 구성품의 정열문제와는 별개로 각 거울의 형상오차가 평가대상물의 MTF 값에 미치는 영향은 정확히 예측하기 어렵 다 거울의 형상오차를 공간주파수별로 크게 figure, ripple, micro-ripple 오차로 분류하는데, '71 ripple과 microripple은 Zemike 36 terms으로 표현할 수 없는 공간 주파수이므로, Code V나 ZEMAX등 상용프로그램을 이용하여 분석하기 어 렵고 확률적으로 고려해야하는 경향이 많다. 따라서, 본 시 준장치의 공차분석에서는 거울의 figure 오차, 즉 Seidel 3차 수차만 고려하여 전산모사를 수행하였다. 이러한 경우 figure 오차가 high-precision 영역인 X/30 이흐卜에서는 MTF 측정에 영향을 주지 않음을 전산모사를 통하여 확인하였다.
- 대부분 광학계의 성능평가를 위해 주로 MTF를 측정한다. 따라서, 시준장치의 제작 및 정렬 공차를 정할 때 단순히 시 준장치 자체만을 보지 않고 평가대상물의 NTF값에 미치는 영향을 조사하여 결정하였다. 이를 위하여, 평가대상물로는 초점거리 2 m이고 중심부에 150 mm의 장애물이 있는 직경 300 mm의 수차가 없는 이상적인 광학계로 정하였다.
- 가공시 면의 가장자리 부분은 연마공구가 불완전하게 접촉 함으로 해서 일반적으로 심하게 마모되는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 극복하고 85 mm 안에서 원하는 면의 정확도 를 얻기 위해 부경보다 직경이 약 65 mm 정도 더 크고 가운 데 구멍의 직경이 85 mm인 유리를 원재료에 추가로 덧대어 총 직경 150 mm의 유리블록을 연마하였다.
- 이를 위하여 정밀한 볼록비구면 측정을 위하여 많이 사용되는 Hindle test厠를 구현하였다. 이를 위해서는 부경보다 정밀하게 제작된 기준경을 제작하였다. 기준경의 직경은 약 360 mm이고 가운데 부분에 빛이 통과할 수 있도록 직경 약 48 mm의 구멍을 뚫었다.
- 그림 8은 부경을 주경에 대해 정렬시키는 과정이다. 주경 은 kinematic mount를 이용하여 구조물에 부착시키고, 부경 은 5축 자유도를 갖는 마운트로 고정시켰다. 간섭계는 주경 의 뒷부분에 위치시키고 0# 11 인 transmission sphere를 사용하였다.
대상 데이터
- 시준장치의 광학계는 두장의 비구면 거울로 구성되어 있다. 다양한 실험실 조건에서 만족스러운 성능을 나타내기 위해 거울은 열팽창계수가 매우 낮은 Zerodur로 제작되었으며, 주경과 부경사이는 Invar로 거리를 유지시켜준다. 주경의 크기는 직경 450 mm이며 부경의 크기 는 직경 85 mm이다.
- 따라서, 시준장치의 제작 및 정렬 공차를 정할 때 단순히 시 준장치 자체만을 보지 않고 평가대상물의 NTF값에 미치는 영향을 조사하여 결정하였다. 이를 위하여, 평가대상물로는 초점거리 2 m이고 중심부에 150 mm의 장애물이 있는 직경 300 mm의 수차가 없는 이상적인 광학계로 정하였다. ZEMAX 광학설계 프로그램을 사용하여 시준장치의 물체에 서 나온 빛이 시준장치 및 평가대상물을 거쳐 다시 영상이 구현되는 시스템을 구성하고 시준장치의 공차에 따른 평가
- 기준경의 직경은 약 360 mm이고 가운데 부분에 빛이 통과할 수 있도록 직경 약 48 mm의 구멍을 뚫었다. 재질은 pyrex이며 중력에 의한 변형을 막기위해 중심 두께를 약 60 mm 정도로 두껍게 하 였다. 면의 곡률반경은 900 mm로 제작하였다.
- 다양한 실험실 조건에서 만족스러운 성능을 나타내기 위해 거울은 열팽창계수가 매우 낮은 Zerodur로 제작되었으며, 주경과 부경사이는 Invar로 거리를 유지시켜준다. 주경의 크기는 직경 450 mm이며 부경의 크기 는 직경 85 mm이다. 유효초점거리는 7500 mm로 설계되었 다.
이론/모형
- 본 제작에서는 두장의 null lens旺9]를 이용한 방법을 주로 사 용하다. 또한 null lens의 제작 공차 및 정렬 공차에 의한 측 정 오차를 파악하기 위하여 null lens test 중간에 자동시준 방법을 이용한 측정을 수행하여 null lens test를 검증흐]였다. 그림 5는 주경을 평가하기 위해 사용된 두가지 방법에 대한 그림이다.
- null lens를 사용하거나, 가운데 구멍이 뚫린 평면 거울을 이용한 자동시준 (autocollimation) 방법을 사용 할 수 있고 또 이미 제작된 부경을 이용한 측정도 가능하다. 본 제작에서는 두장의 null lens旺9]를 이용한 방법을 주로 사 용하다. 또한 null lens의 제작 공차 및 정렬 공차에 의한 측 정 오차를 파악하기 위하여 null lens test 중간에 자동시준 방법을 이용한 측정을 수행하여 null lens test를 검증흐]였다.
- 형상오차가 약 2 pm 정도까지는 구면계를 이용한 이러한 측정법이 유효하나, 그 이후에는 좀 더 정밀한 측정법이 필 요하다. 이를 위하여 정밀한 볼록비구면 측정을 위하여 많이 사용되는 Hindle test厠를 구현하였다. 이를 위해서는 부경보다 정밀하게 제작된 기준경을 제작하였다.
- 직경이 450 mm에 이르는 본 시준장치는 국내에서 처음으 로 순수 국산기술을 이용하여 설게 제작 및 평가되었다. 주 경, 부경이 모두 비구면으로 최종 가공된 주경의 파면수차는 0.
성능/효과
- 4. 이 결과 표의 h-z보다 크면 면을 더 연마해야 하고 작으 면 면이 너무 연마되었음을 보여준다.
- 또한, 구면연마와 달리 비구면 가공에서는 작은 연마 패드를 써서 부분 수정이 이루어져야 하는데, 이러한 부분적인 연마 자국 때문에 RMS 값이 쉽게 줄어들지 않았다. 결국, 비구면을 원 하는 시간안에 원하는 정확도로 가공하기 위해서는 적당한 연마 패드의 선택도 중요하지만, 측정과 가공 사이클이 원활 히 이루어질 수 있는 환경조성이 필수적이라는 것을 알 수 있었다. 하지만, 측정 목표로하고 있는 직경 300 mm급 카메 라 측정을 위해 사용되는 가운데를 중심으로 한 직경 300 mm 이내에서는 파면수차가 0.
- 그러나, 비축포물면이 가지 고 있는 단점으로는, 첫째, 비축포물면 한 장만을 사용할 경 우 of&axis에서의 수차증가로 인하여 end-to-end imaging test 하기가 쉽지 않다. 둘째, 초점거리가 긴 경우 공기의 유동으 로 인해 깨끗한 상을 얻기 어렵다H 테이블 주위에 커튼을 치는 것은 공기의 유동을 줄일 수 있지만 완전히 없앨 수는 없다. 광경로 주위를 모두 차폐시키고 가진공을 만드는 방법 이 가장 확실하지만 이것은 비용 및 공간을 많이 필요로 한 다.
- 07 A로 diffraction limited 성능을 얻 을 수 있었다. 따라서 본 시준장치를 이용하여 우주용카메라 의 MTF 등 성능을 정밀하게 측정하는 것이 가능하다. 또한 전산모사 결과, 설계된 시준장치는 제작, 조립 공차 및 온도 에 의한 변화에 대해서도 대상물의 MTF값에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났다.
- 따라서 본 시준장치를 이용하여 우주용카메라 의 MTF 등 성능을 정밀하게 측정하는 것이 가능하다. 또한 전산모사 결과, 설계된 시준장치는 제작, 조립 공차 및 온도 에 의한 변화에 대해서도 대상물의 MTF값에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 향후 본 시준장치는 환 경의 영향을 덜 받고 +/-5도에 이르는 넓은 온도범위에서 정 밀광학계의 다양한 성능 평가에 이용할 수 있을 것이다.
- 038X RMS이다. 부경을 주경에 대해 조립한 후 가운데를 중심으로 직경 300 mm까지의 파 면수차를 측정한 결과 0.07 A로 diffraction limited 성능을 얻 을 수 있었다. 따라서 본 시준장치를 이용하여 우주용카메라 의 MTF 등 성능을 정밀하게 측정하는 것이 가능하다.
- 광경로 주위를 모두 차폐시키고 가진공을 만드는 방법 이 가장 확실하지만 이것은 비용 및 공간을 많이 필요로 한 다. 셋째, 비축포물면의 정열은 축포물면에 비해 어렵고 많 은 시간이 소요된다」시 정렬후에도 온도변화에 의한 테이블 길이의 변화로 초점위치가 변할 수 있어 시준장치의 성능을 유지하기 위해서는 초점위치의 변화를 보정하기위한 노력을 기울여야 한다.国
- 곡률반경, 중심이동 및 기울기는 정렬공차를 나타내는 것으 로 AMT邸는 주경과 부경사이의 거리, 그리고 주경과 물체사 이의 거리를 조절하여 보상한 결과를 나타낸다. 표1에서 제시 된 시준장치의 제작 및 정렬 공차가 일반적인 수준인 것을 감 안하면, 설계된 시준장치가 평가대상물에 미치는 영향은 극히 미미하다는 것을 알 수 있다. 표1의 거리 공차는 환경 특히 온 도와 관련이 있다.
후속연구
- 또한 전산모사 결과, 설계된 시준장치는 제작, 조립 공차 및 온도 에 의한 변화에 대해서도 대상물의 MTF값에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 향후 본 시준장치는 환 경의 영향을 덜 받고 +/-5도에 이르는 넓은 온도범위에서 정 밀광학계의 다양한 성능 평가에 이용할 수 있을 것이다.
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