[논문]대구경 렌즈의 형상 측정을 위한 Fizeau 간섭계 시스템 개발

배광환; 이응석; 이기암; 김옥현

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.12.1649

문제 정의

대형 간섭계 장치로 인한 열변형 및 쳐짐 등을 최소화하기 위하여 간섭계 무게를 줄이는 경량화 설계가 요구될 것으로 보이며, 항온을 위한 간단한 방법으로는 공기 흐름을 차단하는 방법이 추천된다. 본 연구는 광학회사에 필요한 곡률 측정장치를 포함하는 현장용 타워형 대구경 간섭계의 구성 및 제작 가능성에 대하여 연구되었으며 정량적인 비교수치, 간섭무늬의 해상도, 장치의 신뢰도 등에 대한 추가 개선이 필요하다.
하였다. 본 연구는 광학회사에 필요한 현장용 곡률 측정장치를 포함하는 타워형 대구경 간섭계의 구성 및 제작 가능성에 대하여 연구되었으며 일반 실험실용의 피측정물 조정방식과는 달리, 타워형 간섭계의 특징인 간섭계 자체를 조정하는 것을 목적으로 하였다.
평면 렌즈 측정 실험에서는 가간섭 거리를 벗어나지 않는 범위에서는 렌즈와 기준 면의 거리가 중요하지 않으나 실험 데이터 비교를 위해 동일 거리 값에 두고 실험을 하였다. 평면 렌즈의 실험을 통해 얻어진 간섭무늬의 형태를 비교하여 사용된 광학부품의 신뢰도와, 설계된 간섭계의 장단점을 파악하고자 하였다. 제작된 간섭계 이미지를 보면 상용제품보다 흐린 것으로 나타나며, 이것은 Wyco간섭계는 아날로그 모니터를 사용한 반면 본 연구에서는 사용된 CCD의 해상도 차이로 보인다.
토대로 모델링하여 제작되었다. 평면 측정 간섭계는 본 연구의 목적인 대구경 반사경 측정에 앞서 구면 측정 간섭계에서 사용될 광학 부품의 종합적인 성능 테스트를 목표로 제작되었다. 실험은 본 연구에서 제작된 간섭계(Fig.

제안 방법

Fizeau 간섭계는 일반적인 구조로 구매되는 광학 부품을 고려하여 Fig. 1과 같이 크기로 하였으며, 시준기(Collimator) Zemax s/w/를 사용하여 설계하고 국내에서 렌즈를 포함하여 제작하였다. 일반적으로 구면 수차 등을 없애기 위하여 시준기는 여러 장의 렌즈를 사용하고, 제작된 시준기는 모두 3장의 렌즈로 구성되어 있으며 시준기의 자세한 사양은 Table [과 Fig.
구면 측정 간섭계는 평면 측정용으로 제작된 간섭계를 기본으로 하여 기존의 장치가 가졌던 단점을 보안하여 제작하였다. 평면 측정용 간섭계에서 광학 부품들의 초점을 맞추는데 있어서 하나의 광학 부품의 초점을 맞추고 다른 광학 부품의 초점을 고정시키려고 하면 광학 부품이 가이드에 고정된 것이 아니기 때문에 다시 초점이 맞지 않는다는 점이 단점으로 지적되었다.
스크류의 회전에 의해 이송되므로 벡레쉬가 발생할 수 있다. 따라서 암나사와 스크류의 접촉 면적을 크게하여 벡레쉬 값이 최소다 되도록 하였다. Fig.
이러한 단점 보안하기 위해 광학부품을 부품별로 고정시켰다. 또한 기존의 평면 측정용 간섭계가 노출된 구조이므로 바람 및 진동 등의 주변 환경으로부터 영향을 많이 받는 점을 감안하여 케이스를 제작하여 바람의 영향을 최소화하고 간섭계 자체의 질량을 증가시키므로 작은 진동에 흔들림이 적어지도록 하였다. 그리고 기존 장치에는 광원을 고정하여 사용하였는데, 고정 장치의 가공이 잘못되었을 경우 및 광축에 대해 일치되지 않을 경우 조정이 불가능하였다.
또한 시준기와 기준렌즈를 각을 조정할 수 있는 장치를 제작하여 광축에 따라 부품을 조정할 수 있게 하였다. 또한 빔 스프리트와 광파이브 연결을 한개의 베이스에 고정하여 시준기의 초점을 잡을 때 X-Y 2축 거리 조정이 아닌 1축 거리만을 조정하게 하여 작업이 쉽게 이루어지도록 하였다. 이렇게 하면 시준기의 전체 초점 거리에서 빔 스프리트와 광원과의 거리가 고정되어 시준기의 마지막 렌즈에서 빔 스프리트와의 거리만 조절하면 된다.
12)를 구성하였다. 또한 시준기와 기준렌즈를 각을 조정할 수 있는 장치를 제작하여 광축에 따라 부품을 조정할 수 있게 하였다. 또한 빔 스프리트와 광파이브 연결을 한개의 베이스에 고정하여 시준기의 초점을 잡을 때 X-Y 2축 거리 조정이 아닌 1축 거리만을 조정하게 하여 작업이 쉽게 이루어지도록 하였다.
본 연구에서는 대구경 오목 반사경 측정을 위한 간섭계 설계에 있어서 표면 측정에 적합하며 구성 부품이 간단하고 정렬이 쉬운 Fizeau 간섭계방식을 선택하여 설계하여 제작하였으며, 제작된 간섭계를 이용하여 다양한 구경을 측정하기 위해 정렬하는데 필요한 정렬 스테이지를 병행하여 설계 하였다. 본 연구는 광학회사에 필요한 현장용 곡률 측정장치를 포함하는 타워형 대구경 간섭계의 구성 및 제작 가능성에 대하여 연구되었으며 일반 실험실용의 피측정물 조정방식과는 달리, 타워형 간섭계의 특징인 간섭계 자체를 조정하는 것을 목적으로 하였다.
간섭 계가 공중에서 수직으로 움직이려면 모터가 필요한데, 모터를 이용한 이송장치로 사람 손으로 조작하는 정도의 정밀도를 만들어내기 위해서는 엄청난 추가적인 비용이 필요하다. 본 연구에서는 레이저 거리 측정기(분해능 0.1mm, Time of Flight, Beam dia 2mm)를 이용하여 곡률 반경을 즉정 할 수 있는 장치를 제작하였다. 제작된 곡률 측정기를 간섭계가 스테 이지 에 부착되는 판에 부착하여 측정 물의 대략적인 중심점을 잡는다.
이런 경우에는 시준기의 초점을 일치시키는 과정부터 수정해줄 필요가 있다. 시준기가 기울어져 있거나 광원과 시준기가 하나의 축 상에 일치하지 않을 수 있으므로 정렬을 수정하여 실험한다.
평면 측정 간섭계는 본 연구의 목적인 대구경 반사경 측정에 앞서 구면 측정 간섭계에서 사용될 광학 부품의 종합적인 성능 테스트를 목표로 제작되었다. 실험은 본 연구에서 제작된 간섭계(Fig. 9)를 통해 얻은 이미지와 상용 제품 간섭계인 Wyko6000 를 통해 얻은 이미지를 비교하였다. 평면 측정 간섭계는 기준렌즈의 크기에 따라 측정 할 수 있는 측정물의 크기가 정해져있다.
이러한 점은 바로 질량의 문제로 나타나는데 간섭계 자체 무게가 증가하게 되면 주변 온도에 의한 열변형량이 크지게 되며 또한 자중에 의한 처짐이 발생할 수 있다. 측정 정밀도를 저하시키는 주요한 요소는 항온환경이며, 본 실험 장치는 항온 시설이 미비한 곳에서 측정되었다. 간섭 무늬 사이에 물결치는 듯한 밝은 무늬는 주변에 사람이 지나가면서 발생한 체온에 의해 현상으로 보인다.
11은 반사율을 위해 코팅처리를 하지 않은 것이다. 평면 렌즈 측정 실험에서는 가간섭 거리를 벗어나지 않는 범위에서는 렌즈와 기준 면의 거리가 중요하지 않으나 실험 데이터 비교를 위해 동일 거리 값에 두고 실험을 하였다. 평면 렌즈의 실험을 통해 얻어진 간섭무늬의 형태를 비교하여 사용된 광학부품의 신뢰도와, 설계된 간섭계의 장단점을 파악하고자 하였다.
평면 측정용 간섭계는 피조 간섭계의 기본 개념을 토대로 모델링하여 제작되었다. 평면 측정 간섭계는 본 연구의 목적인 대구경 반사경 측정에 앞서 구면 측정 간섭계에서 사용될 광학 부품의 종합적인 성능 테스트를 목표로 제작되었다.

대상 데이터

실험에 사용된 기준 렌즈는 국내에서 제작된 것으로 가공업체 측의 자체 측정 정 밀도는 1/10 A 이다. Wyko6000을 사용하여 측정물을 측정할 때도 제작된 간섭계와 비교하기 위해 기준면 정밀도를 1/10 X로 통일하여 실험하였다. 실험에 사용한 측정물은 직경이 50mm인 렌즈를 두 종류 사용하였다.
이렇게 하면 시준기의 전체 초점 거리에서 빔 스프리트와 광원과의 거리가 고정되어 시준기의 마지막 렌즈에서 빔 스프리트와의 거리만 조절하면 된다. 간섭계의 정렬과 제작은 평면실험에 사용한 간섭계의 부품을 이용하였으며, 기준면만 평면에서 구면으로 교체하였다. 제작된 2차 간섭계가 Fig.
대구경 렌즈 측정은 Fig. 15와 같이 Fizeau 간섭계와 스테이지를 설치할 수 있는 프레임을 설치하여 실험하였다. 실험에 사용된 대구경 오목렌즈로 직경 600mm이고 곡률 반경이 3055 nun이며 렌즈 가공의 마무리 단계인 렌즈 연마와 사용 용도에 적합하도록 하는 코팅이 이뤄지지 않은 렌즈이다.
본 연구에서는 대구경 반사경 렌즈 측정을 위한 Fizeau 간섭계 설계와 대형 간섭계를 정렬할 수 있는 5축 스테이지를 제작하였다. 고가의 상업용 간섭계와 비교하여 광학계 부품 구성을 통해 제작된 대구경 반사경 측정용 Fizeau 간섭계 구성이 가능함을 확인하였다.
평면 측정 간섭계는 기준렌즈의 크기에 따라 측정 할 수 있는 측정물의 크기가 정해져있다. 실험에 사용된 기준 렌즈는 국내에서 제작된 것으로 가공업체 측의 자체 측정 정 밀도는 1/10 A 이다. Wyko6000을 사용하여 측정물을 측정할 때도 제작된 간섭계와 비교하기 위해 기준면 정밀도를 1/10 X로 통일하여 실험하였다.
15와 같이 Fizeau 간섭계와 스테이지를 설치할 수 있는 프레임을 설치하여 실험하였다. 실험에 사용된 대구경 오목렌즈로 직경 600mm이고 곡률 반경이 3055 nun이며 렌즈 가공의 마무리 단계인 렌즈 연마와 사용 용도에 적합하도록 하는 코팅이 이뤄지지 않은 렌즈이다. Fig.
실험에 사용한 측정물로 곡률반경이 254mm이고, 크기가 100mm인 오목렌즈이다. 상용 제품인 Wyko6000 간섭계와 본 연구에서 제작된 간섭계로 얻은 이미지는 Fig.
Wyko6000을 사용하여 측정물을 측정할 때도 제작된 간섭계와 비교하기 위해 기준면 정밀도를 1/10 X로 통일하여 실험하였다. 실험에 사용한 측정물은 직경이 50mm인 렌즈를 두 종류 사용하였다.(test 1, 2) Wyko6000 간섭계를 통해 간섭 무늬 얻을 때 사용한 평면 반사경으로 색상이 검은 색을 띄는 것은 반사율을 좋게 하기위해 코팅처리한 것이며, Fig.

성능/효과

있는 5축 스테이지를 제작하였다. 고가의 상업용 간섭계와 비교하여 광학계 부품 구성을 통해 제작된 대구경 반사경 측정용 Fizeau 간섭계 구성이 가능함을 확인하였다. 대구경 렌즈의 조정이 불가능한 경우 대형 간섭계의 정밀한 조정을 위한 5축 스테이지 제작이 필수적이다.
평면 렌즈의 실험을 통해 얻어진 간섭무늬의 형태를 비교하여 사용된 광학부품의 신뢰도와, 설계된 간섭계의 장단점을 파악하고자 하였다. 제작된 간섭계 이미지를 보면 상용제품보다 흐린 것으로 나타나며, 이것은 Wyco간섭계는 아날로그 모니터를 사용한 반면 본 연구에서는 사용된 CCD의 해상도 차이로 보인다. 또한 반사면에서 반사되어 들어온 빛이 CCD로 들어오는 과정에 광원 앞의 빔 스프리트에서 분활되기 때문에 CCD에서 받아들이는 이미지에 광원에서 나오는 강한 빛이 함께 얻어진 것으로 보인다.

후속연구

이것은빔 스프리트에서 CCD로 향하는 각이 변화되면 나타나는 현상으로 보인다. 또한 주변 온도에 따라서도 측정된 간섭 무늬가 변하므로 측정 당시의 실험실 온도가 urc이하였던점을 감안하면 더 좋은 무늬를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
5mm 피치 미세조정 나사를 선반에서 가공하여 사용하였으며, 백레시로 인하여 간섭계의 조정시 많은 시간이 소요되었다. 향후 이 부분의 개선이 필요할 것으로 보인다.

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