[논문]대구경 비구면 광학기술과 응용

이윤우; 문일권; 김학용; 양호순

doi:10.3807/kjop.2013.24.3.111

대구경 비구면 광학기술과 응용
Large Aspheric Optics and Its Applications 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.24 no.3, 2013년, pp.111 - 119

이윤우 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부 우주광학센터) , 문일권 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부 우주광학센터) , 김학용 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부 우주광학센터) , 양호순 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부 우주광학센터)

초록
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대구경 비구면 거울은 대형 천체 망원경이나 고해상도 위성 카메라 등에 사용하는 핵심부품이다. 일반적인 디지털 카메라와 비교하면 매우 크므로 설계 및 제작이 같은 크기의 구면거울보다 훨씬 어렵다. 특히 경량화가 많이 될수록 중력이나 온도변화와 같은 외부의 힘에 의한 변형이 쉽게 발생하기 때문에 이러한 효과를 줄여주는 광기계 설계 및 해석이 더욱 중요해진다. 지상용과 우주용은 사용 환경에 차이가 있어서 설계 요구조건이 달라지고 이에 따라 지지구조물이나 반사경의 경량화 모양 등에 많은 차이가 있다. 본 논문에서는 대구경 비구면 광학기술가운데 가장 어려운 광기계 설계에 관하여 지상용과 우주용으로 나누어 자세히 설명하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A large aspheric mirror is a key component for large astronomical telescopes and high resolution satellite cameras. Since it is large and has an aspheric form, it is much more difficult to fabricate it compared to the similar size of spherical mirror. Especially, the opto-mechanical design and analysis is critical to reduce the deformation of mirror surface due to the external forces such as gravity or temperature change, as the mirror size is larger and lightweighting ratio is increased. The design requirements for the mirror are different depending on the particular ground and space applications because the environmental conditions are changed. In this paper, we explain the opto-mechanical design and analysis for ground and space applications that are among the most difficult to achieve among several technologies related to development of the large aspheric mirror.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

8 m 조각거울 수백 개를 배열하여 30m급의 주 반사경면으로 사용한다. 따라서 각 조각거울의 지지구조를 최적화하고 충 배열된 거울의 종합적인 성능을 최적화하기 위한 복합적인 지지구조를 설계한다. 그림 6은 육각형으로 설계된 TMT 단위거울의 지지구조를 나타내었다.
그래서 직경이 1 m 이상인 경우 이러한 광기계 설계가 전체 사업기간의 절반 이상을 차지하기도 한다. 따라서 본 논문에서는 광기계 설계에 대해 주로 설명하며, 반사경의 사용이 지상용이냐 우주용이냐에 따라 설계가 많이 달라지므로 나누어 설명하고자 한다.
본 논문에서는 대형 비구면 반사경의 광기계 설계에 관한 내용을 정리하였다. 특히 지상용과 우주용 반사경은 설계 요구조건이 다르기 때문에 상당히 다른 설계가 진행되므로 이를 나누어서 설명하였다.
그러므로 반사경의 광기계 설계 문제는 이를 지지하는 지지구조물의 설계와 결부되어 전체 설계공간을 키우게 되고 이는 더욱 복잡한 최적화 문제가 된다. 본 논문에서는 이 문제를 해결할 수 있는 설계 방법을 소개하며 실제로 최적화를 통해 이뤄진 직경 1 m 반사경 조립체의 광기계적 성능을 소개한다.
^{[27, 28]}이보다 높은 해상도의 영상을 얻기 위해서는 일반적으로 주 반사경의 크기를 키워 광의 집속능력(light collecting power)을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 이러한 노력의 일환으로 이뤄진 초고해상도의 차세대 광학 실용위성용 1 m 주 반사경 시제품의 설계 요구조건과 이를 만족하기 위한 최적 설계 방법, 그리고 그 결과물인 광기 계적 성능의 전산모사 결과를 제시한다.
이러한 초대형 비구면 거울의 지지구조 설계는 비구면 거울의 형상 결정에서부터 외력에 의한 영향, 즉, 중력, 온도 그리고 바람 등을 고려한 관측 환경에서의 광학적인 성능 최적화 및 지진 등의 외부 요인에 대해 충분한 강성을 갖도록 설계하는 것을 포함한다. 이 장에서는 현재 설계 및 제작이 진행중인 대형 망원경 주반사경의 지지구조를 중심으로 대구경 비구면 거울의 광기계 설계를 자세히 설명하고자 한다.

제안 방법

표 1에 대구경 비구면을 채용한 주요 망원경 주반사경의 형상과 지지점 개수를 정리하였고 그림 4에는 axial support 와 lateral support가 거울의 뒷면에 설계된 GMT 주 반사경의 지지구조를 나타내었다. Meniscus 형태의 TMT 부경의 lateral support의 최적화는 그림 5와 같이 24개의 passive system으로 구성되도록 설계되었는데 각 지지구조의 각도가 다른 Schwesinger 개념에 따라 거울 옆면의 mid-plane에 설치함으로써 axial support의 force 조절량이 최소가 되도록 최적화하였다.^{[2, 5, 6]}
먼저 광학적인 설계를 통해 비구면의 크기, 곡률반경 및 비구면 상수 등을 정하고 이를 토대로 광기계 설계를 진행한다. 광기계 설계는 무게 제한 및 온도 조건 또는 진동의 크기 등 사용하는 조건에 맞도록 세부 설계 및 해석을 수행한다. 대부분의 반사경 관련 광기계 해석은 경량화 패턴 설계와 반사경이 변형되지 않도록 유지하면서 지지할 수 있는 지지구조물 설계가 주를 이룬다.
대구경 비구면 반사경의 제작과정을 요약하면 다음과 같다. 먼저 광학적인 설계를 통해 비구면의 크기, 곡률반경 및 비구면 상수 등을 정하고 이를 토대로 광기계 설계를 진행한다. 광기계 설계는 무게 제한 및 온도 조건 또는 진동의 크기 등 사용하는 조건에 맞도록 세부 설계 및 해석을 수행한다.
대형 반사경의 경량화 설계는 독립된 설계 변수들 간의 최적의 조합을 찾는 과정이기도 하지만 반사경과 이를 지지하는 마운트의 구조는 전례(heritage)를 따르기도 한다. 본 논문에서 다루는 대형 우주용 반사경은 Zerodur를 반사경의 재료로 사용하는 것으로서 반사경의 외각 테두리에 반사경과 일체형(monolithic)으로 가공된 사각형 모양의 보스(boss)가 돌출되어 있으며 이곳에 금속으로 만들어진 지지구조물을 본딩 조립하여 반사경을 지지하도록 한다.
이러한 honeycomb 면의 연마 과정에서 발생하는 quilt 효과를 최소화하도록 설계되어야 한다. 뿐만 아니라 중력과 온도 변화 등의 외부 요인에 의한 광학적인 성능 감소를 최소화할 수 있는 충분한 강성을 갖도록 거울의 앞면과 뒷면의 두께, 격벽의 두께 및 간격 그리고 거울 전체의 두께를 최적화한다. 일반적으로 거울 전체 두께는 무게와 강성의 trade off와 active support 제어를 위한 적당한 강성의 비를 갖도록 최적화되며 그림1은 GMT 주반사경의 형상이다.
특히 지상용과 우주용 반사경은 설계 요구조건이 다르기 때문에 상당히 다른 설계가 진행되므로 이를 나누어서 설명하였다. 지상용에서는 GMT, TMT, ATST, LLST 등 초대형 천체망원경에 사용되는 반사경에 대하여 설명하였고 우주용으로는 초고해상도 카메라에 사용가능한 직경 1 m급 반사경의 설계 결과에 대해 논의하였다.

대상 데이터

미국 애리조나 대학교의 Mirror Lab.에서 제작되는 8.4 m의 honeycomb 거울은 무게와 온도에 의한 변형을 최소화하기 위하여 거울 뒷면에 육각형 모양의 격벽을 설계하고 거울 내부의 온도변화를 최소화하기 위한 공기 통로를 배치하여 회전하는 화로에서 거울 초자를 녹여 제작한다. 이러한 honeycomb 면의 연마 과정에서 발생하는 quilt 효과를 최소화하도록 설계되어야 한다.

이론/모형

본 논문에서 제시하는 1 m 반사경의 기계설계 및 해석에는 Catia를 사용했으며, 최적화 알고리즘 구현 및 광학적 성능 분석을 위해서는 Matlab을 사용했다.^[39] 표 3은 이렇게 구한 직경 1 m 반사경 조립체의 광기계 성능을 요약한다.

후속연구

현재 국내에서는 한국표준과학연구원이 유일하게 지난 10여년간의 기술개발로 직경 1 m 급 지상용 및 우주용 반사경 광기계 설계 및 제작을 할 수 있다. 이렇게 개발된 기술을 이용하면 대형 망원경의 국산화가 가능해져 천문 뿐만 아니라 지상관측에도 활용할 수 있고 광집속장치나 위성추적과 같은 군사용 대형 광학계 제작에도 충분히 활용할 수 있어서 국민의 삶의 질 향상에도 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대구경 비구면 거울은 무엇인가?	대구경 비구면 거울은 대형 천체 망원경이나 고해상도 위성 카메라 등에 사용하는 핵심부품이다. 일반적인 디지털 카메라와 비교하면 매우 크므로 설계 및 제작이 같은 크기의 구면거울보다 훨씬 어렵다.
	대구경 비구면을 사용하는 광학계의 국가 간 기술 교류가 어려운 이유는 무엇인가?	지상용 대형 망원경은 천체관측용이거나 고출력 레이저빔의 집속이나 위성관측과 같은 군사적인 목적으로 사용이 된다. 우주용 고해상도 망원경은 허블망원경과 같이 별을 관측하거나 해양 및 기상을 관측하고 지도를 제작하는 등의 평화적인 목적 외에 적대국가 감시 등의 군사적인 목적을 가지고 있다. 따라서 대구경 비구면을 사용하는 광학계는 군사적인 목적을 배제할 수 없기 때문에 관련 반사경의 국가 간 이동이나 기술 교류가 매우 어렵다.
	지상용 대형 망원경의 사용 목적은 무엇인가?	지상용 대형 망원경은 천체관측용이거나 고출력 레이저빔의 집속이나 위성관측과 같은 군사적인 목적으로 사용이 된다. 우주용 고해상도 망원경은 허블망원경과 같이 별을 관측하거나 해양 및 기상을 관측하고 지도를 제작하는 등의 평화적인 목적 외에 적대국가 감시 등의 군사적인 목적을 가지고 있다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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