대구경 반사경 광학측정용 타워의 진동에 의한 광학측정오차 분석 Analysis of the Optical Measurement Error Induced by Vibration of the Optical Measurement Tower for Large Mirrors원문보기
본 연구에서는 한국표준과학연구원(KRISS)에 설치된 대구경 반사경용 광학측정타워를 이용한 광학측정 시 타워에 유입되는 진동과 그로 인해 발생하는 광학측정오차에 대한 분석을 수행하였다. 여러 환경조건에 대해 타워구조물, 간섭계, Null lens의 진동측정을 수행하였으며 동시에 직경 600 mm의 축대칭 비구면 반사경의 광학측정을 수행하여 진동과 광학측정오차간의 연관성을 분석하였다. 진동측정 결과 타워의 상단에 위치한 Null lens 및 간섭계가 외부 진동요인에 매우 취약하여 외부 진동유입 시 광학측정오차가 민감하게 증가됨을 확인할 수 있었다. 특히 간섭계와 Null lens의 각 방향 진동이 서로 다르게 발생하는 경우 광학측정오차가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 진동에 의한 간섭계, Null lens, 반사경의 정렬오차를 줄이기 위해 타워 구조 시스템이 저주파 진동에 둔감하도록 구조개선이 필요할 것으로 판단되며 진동 모니터링을 통해 간섭계와 Null lens의 진동이 안정화된 시점에 광학측정을 수행하여야 형상 오차 측정값에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 것이라 사료된다.
본 연구에서는 한국표준과학연구원(KRISS)에 설치된 대구경 반사경용 광학측정타워를 이용한 광학측정 시 타워에 유입되는 진동과 그로 인해 발생하는 광학측정오차에 대한 분석을 수행하였다. 여러 환경조건에 대해 타워구조물, 간섭계, Null lens의 진동측정을 수행하였으며 동시에 직경 600 mm의 축대칭 비구면 반사경의 광학측정을 수행하여 진동과 광학측정오차간의 연관성을 분석하였다. 진동측정 결과 타워의 상단에 위치한 Null lens 및 간섭계가 외부 진동요인에 매우 취약하여 외부 진동유입 시 광학측정오차가 민감하게 증가됨을 확인할 수 있었다. 특히 간섭계와 Null lens의 각 방향 진동이 서로 다르게 발생하는 경우 광학측정오차가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 진동에 의한 간섭계, Null lens, 반사경의 정렬오차를 줄이기 위해 타워 구조 시스템이 저주파 진동에 둔감하도록 구조개선이 필요할 것으로 판단되며 진동 모니터링을 통해 간섭계와 Null lens의 진동이 안정화된 시점에 광학측정을 수행하여야 형상 오차 측정값에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 것이라 사료된다.
In the present research, the optical measurement error induced by vibration of the optical measurement tower for large mirrors at KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science) is investigated. The vibrations of the tower structure, the interferometer, and the null lens are measured while...
In the present research, the optical measurement error induced by vibration of the optical measurement tower for large mirrors at KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science) is investigated. The vibrations of the tower structure, the interferometer, and the null lens are measured while the surface errors of the 600-mm-diameter on-axis aspheric mirror are measuring, under various environmental conditions. The increase of surface error induced by alignment error with respect to vibration is analyzed. As a result, the interferometer and the null lens, which are located on the top of the tower, are highly sensitive to vibration. Additionally, the surface error of the mirror is strongly increased when the vibration directions of the interferometer and the null lens are different. To reduce the alignment error and the surface error induced by vibration, the tower structure should be improved, to be insensitive to low-frequency vibration. Alternatively, optical measuring under stable conditions by vibration monitoring can improve the reliability of the surface error measurement.
In the present research, the optical measurement error induced by vibration of the optical measurement tower for large mirrors at KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science) is investigated. The vibrations of the tower structure, the interferometer, and the null lens are measured while the surface errors of the 600-mm-diameter on-axis aspheric mirror are measuring, under various environmental conditions. The increase of surface error induced by alignment error with respect to vibration is analyzed. As a result, the interferometer and the null lens, which are located on the top of the tower, are highly sensitive to vibration. Additionally, the surface error of the mirror is strongly increased when the vibration directions of the interferometer and the null lens are different. To reduce the alignment error and the surface error induced by vibration, the tower structure should be improved, to be insensitive to low-frequency vibration. Alternatively, optical measuring under stable conditions by vibration monitoring can improve the reliability of the surface error measurement.
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문제 정의
본 연구에서는 대구경 반사경의 광학측정 시 사용되는 대형 타워의 진동과 이에 의해 발생하는 광학측정오차에 대한 분석을 수행하였다. 진동이 미치는 영향을 분석하기 위해 타워가 설치된 바닥에서 Null lens에 이르는 경로에 대해 진동측정을 수행하였고 동시에 간섭계를 이용한 반사경면의 형상오차 측정을 수행하였다.
제안 방법
측정 1일차에는 타워 주변의 장치 또는 작업활동으로 인해발생되는 진동에 의한 영향력을 고려한 5개의 환경조건과 타워하단에 위치한 연마장비의 상단 턴테이블 진동을 측정하였으며 2일차에서는 공조기 작동상태 및 타워상단에 위치한 5축 스테이지 작동에 의한 진동과 5축 스테이지 컨트롤러 에서 발생하는 진동에 의한 영향력을 고려하였다. 각 환경조건에 따른 진동측정 시 간섭계를 이용한 광학측정을 동시에 수행하였으며 추가로 임팩트 해머(Impact hammer)를 이용한 타워의 응답특성분석을 수행하였다.
이렇게 도출된 최종 형상 오차 측정값은 균일한 값이 반복적으로 얻어져야 하지만 측정타워에 진동이 유입되어 정렬오차가 심해지는 경우 매번 다른 형상오차 측정값이 얻어져 신뢰성을 확보하기 어렵다. 본 연구에서는 대형 타워를 이용한 대구경 반사경의 형상 오차 측정 시 타워에 유입되는 진동으로 인해 발생하는 형상 오차 측정값의 변동에 대한 분석을 수행하였으며 이를 위해 진동측정 및 광학측정을 동시에 수행하고 결과를 비교분석하였다.
본 연구에서는 대구경 반사경의 광학측정 시 사용되는 대형 타워의 진동과 이에 의해 발생하는 광학측정오차에 대한 분석을 수행하였다. 진동이 미치는 영향을 분석하기 위해 타워가 설치된 바닥에서 Null lens에 이르는 경로에 대해 진동측정을 수행하였고 동시에 간섭계를 이용한 반사경면의 형상오차 측정을 수행하였다. Z방향 진동은 타워 상부프레임에 이르는 동안 대부분 소거되는 것으로 나타났으며 X, Y방향 진동의 경우 건물주변 차량이동, 장비사용 및 작업활동 시 크게 증가하며 형상오차 측정값의 변동이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
예상되는 주요 진동발생 원인으로는 타워가 설치된 건물 주변의 차량 움직임에 의한 진동, 타워 주변 작업활동에 의한 진동, 주변 장비 가동에 의한 진동 등을 들 수 있다. 진동측정은 표 1에 나열한 바와 같이 발생 가능한 환경조건에 대해 2회에 걸쳐 진행되었으며 동시에 간섭계를 이용하여 반사경의 형상측정을 수행하여 진동과 형상오차 측정값의 변동간의 연관성을 분석이 가능하도록 하였다.
측정 1일차에는 타워 주변의 장치 또는 작업활동으로 인해발생되는 진동에 의한 영향력을 고려한 5개의 환경조건과 타워하단에 위치한 연마장비의 상단 턴테이블 진동을 측정하였으며 2일차에서는 공조기 작동상태 및 타워상단에 위치한 5축 스테이지 작동에 의한 진동과 5축 스테이지 컨트롤러 에서 발생하는 진동에 의한 영향력을 고려하였다. 각 환경조건에 따른 진동측정 시 간섭계를 이용한 광학측정을 동시에 수행하였으며 추가로 임팩트 해머(Impact hammer)를 이용한 타워의 응답특성분석을 수행하였다.
타워의 고유진동수 분석 및 응답특성 분석을 위해 임팩트테스트를 수행하였다. 그림 15는 X방향 임팩트 테스트 결과,그림 16은 Y방향 임팩트 테스트 결과를 나타낸다.
앞서 언급한 바와 같이 축대칭 비구면 반사경에 대해 진동으로 의한 정렬오차에 의해 발생하는 coma 값은 12 nm를넘지 않아야 한다. 환경조건별 진동측정 수행 시 광학측정을 동시에 수행하였으며 이때 측정된 형상오차 측정값 내 coma 값의 3 시그마는 표 2와 같다.
대상 데이터
대구경 반사경의 광학측정을 위해 한국표준과학연구원에서 보유하고 있는 대형 타워의 형태는 그림 1과 같다. 타워는 가로, 세로, 높이가 각각 4 m, 5 m, 6 m인 철골구조이며 타워 하단에는 대구경 반사경을 가공하기 위한 대형 연마장비가 위치하고 있어 연마 후 측정이 용이하도록 되어있다. 타워는 필요에 따라 옆의 다른 연마장비에서 가공되고 있는 반사경을 측정할 수 있도록 레일을 따라 위치 이동이 가능한 구조이다.
타워 및 측정장비의 진동을 측정하기 위해 구성된 시스템은 그림 3과 같다. 타워의 철골구조를 따라 진동의 전달, 감쇠 정도, 진동 경향을 분석하기 위해 타워가 설치되어 있는 바닥(3축), 타워의 하단 프레임(3축), 타워의 상단 프레임 중앙부(3축), 상하이동층(2축), 간섭계(2축), Null lens (2축), 총 6곳에 가속도센서를 설치하였다[9,10].
성능/효과
상단이동층, 간섭계, Null lens에 유입되는 진동 증가함에 따라 정렬오차에 영향을 미쳐 coma 값이 증가되는 것을 확인할 수 있다. X, Y방향 진동이 분리되지 않고 coma 값에 복합적으로 영향을 미치는 것으로 판단되며 특히 Y방향 진동이 coma 값에 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 작업자 이동 및 작업활동에 의한 진동보다는 차량이동이나 주변장치가동으로 발생한 진동에 의해 coma 값이 크게 변동되는 것으로 확인되었으며, 미미하나 공조기에 작동유무에 따라서도 영향을 받는 것으로 나타났다.
진동이 미치는 영향을 분석하기 위해 타워가 설치된 바닥에서 Null lens에 이르는 경로에 대해 진동측정을 수행하였고 동시에 간섭계를 이용한 반사경면의 형상오차 측정을 수행하였다. Z방향 진동은 타워 상부프레임에 이르는 동안 대부분 소거되는 것으로 나타났으며 X, Y방향 진동의 경우 건물주변 차량이동, 장비사용 및 작업활동 시 크게 증가하며 형상오차 측정값의 변동이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 간섭계와 Null lens의 각 방향 진동이 서로 다르게 발생하는 경우 광학측정오차에 미치는 영향이 높은 것으로 나타났다.
작업자 이동 및 작업활동에 의한 진동보다는 차량이동이나 주변장치가동으로 발생한 진동에 의해 coma 값이 크게 변동되는 것으로 확인되었으며, 미미하나 공조기에 작동유무에 따라서도 영향을 받는 것으로 나타났다. 간섭계와 Null lens가 부착된 상단이동층이 진동에 의해 흔들려 전체적으로 정렬이 틀어지는 경우와 Null lens의 Y방향 진동이 급격히 변동되는 경우 coma 값 변동량이 매우 높게 나타났다.
각 방향의 진동은 상단이동 층까지 전달되며 상당부분 감쇠되나 간섭계 및 Null lens 부분에서는 증폭되는 것을 볼 수 있다. 또한 간섭계의 X, Y방향 진동과 Null lens의 X방향 진동은 비교적 균일하나 Null lens의 Y방향 진동의 변동이 상대적으로 심하게 나타났다.
상단이동층, 간섭계, Null lens에 유입되는 진동 증가함에 따라 정렬오차에 영향을 미쳐 coma 값이 증가되는 것을 확인할 수 있다. X, Y방향 진동이 분리되지 않고 coma 값에 복합적으로 영향을 미치는 것으로 판단되며 특히 Y방향 진동이 coma 값에 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다.
그림 15는 X방향 임팩트 테스트 결과,그림 16은 Y방향 임팩트 테스트 결과를 나타낸다. 상단이동층, 간섭계, Null lens에서 저주파 영역 내 상당히 유사한 고유진동수가 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 상부의 구조물이 저주파 진동에 대해 상당히 민감하게 반응할 수 있으며 공진가능성이 있는 것으로 판단된다.
X, Y방향 진동이 분리되지 않고 coma 값에 복합적으로 영향을 미치는 것으로 판단되며 특히 Y방향 진동이 coma 값에 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 작업자 이동 및 작업활동에 의한 진동보다는 차량이동이나 주변장치가동으로 발생한 진동에 의해 coma 값이 크게 변동되는 것으로 확인되었으며, 미미하나 공조기에 작동유무에 따라서도 영향을 받는 것으로 나타났다. 간섭계와 Null lens가 부착된 상단이동층이 진동에 의해 흔들려 전체적으로 정렬이 틀어지는 경우와 Null lens의 Y방향 진동이 급격히 변동되는 경우 coma 값 변동량이 매우 높게 나타났다.
Z방향 진동은 타워 상부프레임에 이르는 동안 대부분 소거되는 것으로 나타났으며 X, Y방향 진동의 경우 건물주변 차량이동, 장비사용 및 작업활동 시 크게 증가하며 형상오차 측정값의 변동이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 간섭계와 Null lens의 각 방향 진동이 서로 다르게 발생하는 경우 광학측정오차에 미치는 영향이 높은 것으로 나타났다. 평상시 지속적으로 유입되고 있는 29 Hz의 진동을 감소시키고 상단이동층의 X, Y방향, 간섭계 및 Null lens 장착부위의 Y방향 강성을 높이고 방진재를 설치하는 등의 시스템 개선이 필요할 것으로 보인다.
그림 14는 주파수 영역에서 환경조건 7의 측정결과를 나타낸다. 평상시에도 상단이동층, 간섭계, Null lens에 약 29 Hz의 진동이 지속적으로 유입되는 것을 확인할 수 있다. 해당 주파수의 진동은 환경조건에 따라 유입되는 진동의 세기가 커질수록 증가되는 것으로 나타났으며 주변 장비 가동 시 10~15 Hz의 진동이 추가적으로 발생하는 것으로 나타났다.
평상시에도 상단이동층, 간섭계, Null lens에 약 29 Hz의 진동이 지속적으로 유입되는 것을 확인할 수 있다. 해당 주파수의 진동은 환경조건에 따라 유입되는 진동의 세기가 커질수록 증가되는 것으로 나타났으며 주변 장비 가동 시 10~15 Hz의 진동이 추가적으로 발생하는 것으로 나타났다.
후속연구
특히 간섭계와 Null lens의 각 방향 진동이 서로 다르게 발생하는 경우 광학측정오차에 미치는 영향이 높은 것으로 나타났다. 평상시 지속적으로 유입되고 있는 29 Hz의 진동을 감소시키고 상단이동층의 X, Y방향, 간섭계 및 Null lens 장착부위의 Y방향 강성을 높이고 방진재를 설치하는 등의 시스템 개선이 필요할 것으로 보인다. 또한 측정타워의 상부 구조물이 진동에 취약하므로 진동 모니터링시스템을 설치하여 간섭계와 Null lens의 진동이 안정화된 시점을 찾아 광학측정을 수행하는 것이 형상오차 측정값에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 방법이라 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
예상되는 주요 진동발생 원인은?
예상되는 주요 진동발생 원인으로는 타워가 설치된 건물 주변의 차량 움직임에 의한 진동, 타워 주변 작업활동에 의한 진동, 주변 장비 가동에 의한 진동 등을 들 수 있다. 진동측정은 표 1에 나열한 바와 같이 발생 가능한 환경조건에 대해 2회에 걸쳐 진행되었으며 동시에 간섭계를 이용하여 반사경의 형상측정을 수행하여 진동과 형상오차 측정값의 변동간의 연관성을 분석이 가능하도록 하였다.
반사경의 광학측정 시 사용되는 간섭계는 어떤 모델인가?
반사경의 광학측정 시 사용되는 간섭계는 진동 및 난기류에 비교적 강인한 모델[8]이지만 대형 타워를 이용한 대구경 반사경의 광학측정 시 간섭계를 지면으로부터 매우 높은 곳에 장착하여 사용하게 되므로 지면 가까이에 위치한 측정대상 반사경에 비해 상대적으로 진동에 취약한 환경에 놓이게 된다. 따라서 진동에 의해 간섭계, Null lens (또는 CGH), 반사경 간에 정렬오차가 발생하게 되면 이로 인한 측정오차가 유발될 수 있다.
반사경이 간섭계와 반사경이 수직으로 배치하는 조건을 충족하기 위해 어떻게 측정하는가?
초점거리가 수 m로 매우 긴 대구경 반사경의 형상오차 측을 위해서는 반사경을 Null lens (또는 CGH)로부터 해당 초점거리만큼 떨어져 배치하여야 하며 경우에 따라서는 반사경이 실제로 설치될 자세에서의 형상오차를 측정하기 위해 간섭계와 반사경이 수직으로 배치되어야 한다. 이러한 조건을 충족시키기 위해 철골 구조로 이루어진 대형 타워를 이용한 광학측정이 이루어지고 있다[6,7].
참고문헌 (10)
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