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문제 정의
- 이 논문에서는 이 측정 장치를 제작한 내용과 칼날 주사 방법으로 가장자리를 자동으로 검출하는 방법, 검출된 가장자리 좌표를 사용하여 최적의 원이나 타원을 결정하여 면적을 구하는 방법을 기술하고 이 방법으로 측정한 개구 면적의 불확도에 대하여 논의하였다.
제안 방법
- 이 연구에서는 가장자리에서 산란을 최소화하기 위하여 가장자리가 칼날과 같은 개구를 3가지 제작하였으며, Lassila 등이 제안한 기본적인 가우스 빔 중첩 장치에 현미경 렌즈 한 개를 간단히 추가함으로써 칼날 주사 방식에 의한 가장자리 검출 방법을 동시에 적용할 수 있는 아이디어를 제안하였다. 이 논문에서는 이 측정 장치를 제작한 내용과 칼날 주사 방법으로 가장자리를 자동으로 검출하는 방법, 검출된 가장자리 좌표를 사용하여 최적의 원이나 타원을 결정하여 면적을 구하는 방법을 기술하고 이 방법으로 측정한 개구 면적의 불확도에 대하여 논의하였다.
- 반사된 광선은 조리개와 셔터를 지난 후, 2축 이송대에 설치된 피측정 개구에입사되고, 개구를 통과한 광속은 뒷면의 적분구에 들어가 서적 분구 실리콘 광 다이오드로 측정된다. 두 검출기의 광 전류는 전류-전압 변환기를 사용하여 전압으로 변환되고, 두 전압의 비를 2채널 디지털 전압계(HEWLETT PACKARD 34420A; Nanovoltmeter)를 사용하여 비율 모드로 측정함으로써 레이저 출력의 표류를 보정하였다.
- 셔터를 동시에 제어하였다. 이 PC를 NETODE(Networi< Dynamic Data Exchange)의 서버로 설정하고, 네트웍제어기를통하여 이더넷(Ethernet) 상에 있는 어떤 DDE 클라이언트의 요구에 따라 엔코더의 위치 정보를 반환하거나 적절한 셔터를 동작시킬 수 있는 프로그램을 마이크로소프트사의 Visual Basic 6.0으로 개발하였다. 이 실행 프로그램을 윈도우즈의 시작 프로그램에 등록함으로써 디스플레이 모니터가 없더라도 이 PC를 켜기만 하면 NETODE 서비스가 준비되도록 흐}였다
- 앞에서 기술한 장치만 가지고 가우스 빔 중첩법을 적용할수 있지만, 이 연구에서는 셔터와 피측정 개구 사이에 현미경 렌즈를 설치하여, 칼날 같은 개구 가장자리를 스캔함으로써 가장 자리의 좌표를 얻을 수 있도록 하였다. 현미경 렌즈는 1축 이송대 위에 설치하고 이 이송대를 4축 제어기의 나머지 채널로 제어함으로써, 필요할 때마다 측정방법을 설정할 수 있도록 하였다.
- 가장 자리의 좌표를 얻을 수 있도록 하였다. 현미경 렌즈는 1축 이송대 위에 설치하고 이 이송대를 4축 제어기의 나머지 채널로 제어함으로써, 필요할 때마다 측정방법을 설정할 수 있도록 하였다.
- 가장자리를 스캔해서 개구 면에서 가장 작은 스폿이 되도록 렌즈의 위치를 조정하면 빔 허리의 반치폭이 약 3~4 Jim 정도가 된다. 육안으로 집속된 광선이 개구의 중심을 지나도록 4축 제어기를 조정한 후 자동 측정 프로그램을 실행한다.
- 측정 프로그램은 근사적인 개구의 중심에서 원주 방향으로 칼날 주사하여 개구에 내접하는 정삼각형의 꼭지점 좌표를 먼저 구한 후 원의 방식을 적용하여 개구의 중심을 더 정확하게 결정한다. 새로 결정된 중심(x0, y0)을 시작점으로 하여 측정 프로그램이 지정한 원주각 방향(6)으로 칼날 주사를 실시하여 원하는 수만큼의 가장자리 좌표를 구한다.
- 새로 결정된 중심(x0, y0)을 시작점으로 하여 측정 프로그램이 지정한 원주각 방향(6)으로 칼날 주사를 실시하여 원하는 수만큼의 가장자리 좌표를 구한다. 가장자리 좌표는 중심으로부터 원주 방향의 거리(re)에 따라 미분한 주사 데이터 V'θ(ri)를 지나는 최적의 가우스 곡선을 찾아서 결정하였다. 즉, 다음 식 (1)으로 표현되는 %%가 최소가 되는 r8 를 결정한 후 식 (2)을 사용하여 그 원주각에 대웅하는 가장자리의 좌표(xθ, yθ)를 구한다.
- 같은 방법으로 측정을 원하는 모든 원주각에서 가장자리를검출한 후 앞 절에서 기술한 방법으로 원이나 타원으로 곡선맞춤하여, 면적을 산출한다. 그림 5는 지름이 5 mm인한 개구의 가장자리 좌표 18쌍을 결정한 후 원과 타원으로 곡선맞춤한 결과를 제시한 것이다.
- 지름이 5 mm, 7 mm, 8 mm인 세 개의 개구를 사용하여 다른 측정법을 사용하고 있는 나라의 측정 표준 대표기관의 측정 결과와 비교하였다. 핀란드 HUT(Helsinki University of Technology)는 광도 복사도 분야에서 핀란드의 대표 실험실 역할을 수행하고 있으며, 가우스 빔 중첩법으로 개구의 면적을 측정하고 있다.
- 이 연구에서 제작한 측정 장치와 사용한 방법의 측정 불확도를 분석하였다. 표 2는 정확도에 영향을 미치는 중요한 불확도 요인을 정리한 것이다.
- 칸델라 눈금을 새로 실현하기 위하여 다이아몬드 선삭가공기를 사용하여 복사계용 개구의 가장자리가 칼날과 같도록제작하였고, 이 개구의 면적을 정확하게 측정할 수 있는 장치를 제작하였다. 이 측정 장치를 사용하여 개구의 위치를디지털 되먹임 알고리듬으로 정확도 0.
- 제작하였다. 이 측정 장치를 사용하여 개구의 위치를디지털 되먹임 알고리듬으로 정확도 0.2 um로 제어하면서, 집속된 레이저 광선을 칼라 주사하여 가장자리를 검출하였다. 결정된 가장자리 좌표들을 지내는 최적의 타원을 결정하여, 개구의 면적을 산출하였다.
- 2 um로 제어하면서, 집속된 레이저 광선을 칼라 주사하여 가장자리를 검출하였다. 결정된 가장자리 좌표들을 지내는 최적의 타원을 결정하여, 개구의 면적을 산출하였다. 측정에 영향을 미치는 불확도 요인을 검토한 결과 개구 면적 측정의 상대 표준 불확도 (k=l)는 8 X IO-'이다.
대상 데이터
- 레이저 광선은 첫번째 광선 분할기에서 50%가 투과되고 반사된 나머지 50%는 셔터의 단속에 따라 적분구의 보조 입구에 들어갈 수 있다. 측정에 사용된 He-Ne 레이저(MELLES GRIOT; 05-STP-910)는 TEMoo모드의 가우스 분포를 가지며, 빔 허리 지름이 약 0.54 mm이고 출력 안정기(stabilizer)가 부착되어 있어서 안정된 출력을 제공한다. 첫번째 광속 분할기를 투과한 광선은 두 번째 광선 분할기에서 90%가 반사되고 나머지는 투과한 광선은 출력의 표류를 모니터링하기 위해 설치한 실리콘 광다이오드에 입사된다.
- 사용할 개구들은 알루미늄7075 소재를 사용하여 먼저 일반 선삭가공기로 경사각이 법선에 대하여 65º를 유지하면서, 끝이 가능한 칼날과 같이 되도록 가공한 후 흑염 처리한 후끝 부분이 부드러운 칼날이 되도록 다이아몬드 선삭가공기 (diamond turning machine)로 다듬는다. 그림 3은 일반 선삭가공기로 제작한 것과 다이아몬드 선삭가공기로 처리한 후개구의 가장자리를 비교하여 보여 준 것이다.
성능/효과
- 세 개의 개구 중에서 지름이 8 mm는 HOT에서 일반 선삭가공기로 만든 후 측정 결과와 함께 제공한 것이고, 나머지 5 nun와 7 mm 개구는 한국기초과학지원연구원의 다이아몬드 선삭가공기로 가공한 것을 HUT에 보내서 측정한 것이다. 표 1은 두 기관의 측정 결과를 비교한 것으로 다른 측정 방법을 적용하고 있는 두 기관 간의 측정 결과는 개구의 가공 방법과 무관하게 5x10-4 이내에서 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 앞으로 이 측정 장치에서 가우스 빔 중첩법을 적용하는 연구는 계속할 예정이다. 검출기를 기반으로 칸델라 눈금을 실현할 때 가장 중요한 불확도 요인은 광도계의 분광감응도이며 이것의 국제 수준 측정 불확도가 1 × 10-3인 점을 감안하면 비록 두 기관간의 복사계 개구 면적 측정의 상대적인 차이가 5X10T이지만, KRISS와 HUT간의 개구 면적 측정의 차이는 칸델라 눈금의 최종 불확도에 큰 영향을 미치지 않는다.
- 결정된 가장자리 좌표들을 지내는 최적의 타원을 결정하여, 개구의 면적을 산출하였다. 측정에 영향을 미치는 불확도 요인을 검토한 결과 개구 면적 측정의 상대 표준 불확도 (k=l)는 8 X IO-'이다. 지름이 다른 3 가지를 개구의 면적을측정하여, 가우스 빔 중첩법으로 측정한 HUT의 측정 결과와비교한 결과 최대 차이가 5 X 10-4 이하가 되는 것을 확인할수 있었다.
- 측정에 영향을 미치는 불확도 요인을 검토한 결과 개구 면적 측정의 상대 표준 불확도 (k=l)는 8 X IO-'이다. 지름이 다른 3 가지를 개구의 면적을측정하여, 가우스 빔 중첩법으로 측정한 HUT의 측정 결과와비교한 결과 최대 차이가 5 X 10-4 이하가 되는 것을 확인할수 있었다. 이 차이가 불확도 평가를 통하여 산출한 상대 표준 불확도 보다 크기 때문에 측정 방법 간의 계통오차에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.
- 이 차이가 불확도 평가를 통하여 산출한 상대 표준 불확도 보다 크기 때문에 측정 방법 간의 계통오차에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다. 그러나 검출기를 기반으로 칸델라 눈금을 실현할 때 가장 중요한 불확도 요인은 광도계의 분광감응도이며 이것의 국제 수준 측정 불확도가 1 X [이인 점을 감안하면 비록 두 기관간의 복사계 개구 면적 측정의 상대적인 차이가 5x10-4이지만, KRISS와 HUT 간의 개구 면적 측정의 차이는 칸델라 눈금의 최종 불확도에큰 영향을 미치지 않는다.
후속연구
- 이런 이유 때문에 같은 측정 장치에서 두 가지 측정 방법을 구사하는 것이 절실하다. 앞으로 이 측정 장치에서 가우스 빔 중첩법을 적용하는 연구는 계속할 예정이다. 검출기를 기반으로 칸델라 눈금을 실현할 때 가장 중요한 불확도 요인은 광도계의 분광감응도이며 이것의 국제 수준 측정 불확도가 1 × 10-3인 점을 감안하면 비록 두 기관간의 복사계 개구 면적 측정의 상대적인 차이가 5X10T이지만, KRISS와 HUT간의 개구 면적 측정의 차이는 칸델라 눈금의 최종 불확도에 큰 영향을 미치지 않는다.
- 지름이 다른 3 가지를 개구의 면적을측정하여, 가우스 빔 중첩법으로 측정한 HUT의 측정 결과와비교한 결과 최대 차이가 5 X 10-4 이하가 되는 것을 확인할수 있었다. 이 차이가 불확도 평가를 통하여 산출한 상대 표준 불확도 보다 크기 때문에 측정 방법 간의 계통오차에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다. 그러나 검출기를 기반으로 칸델라 눈금을 실현할 때 가장 중요한 불확도 요인은 광도계의 분광감응도이며 이것의 국제 수준 측정 불확도가 1 X [이인 점을 감안하면 비록 두 기관간의 복사계 개구 면적 측정의 상대적인 차이가 5x10-4이지만, KRISS와 HUT 간의 개구 면적 측정의 차이는 칸델라 눈금의 최종 불확도에큰 영향을 미치지 않는다.
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