리모트 용접용 2D 스캐너 F-theta 렌즈의 역설계가 광선 추적기법을 사용하여서 수행이 되었다. 렌즈의 곡면 및 렌즈간 거리를 변수로 설정하고 초점거리를 Marginal RayHeight 로 설정하여, 상용 광선추적기법 프로그램을 사용하여 무한반복 최적화를 수행 하였다. 최종목표 값을 설정 후 Merit Function에 정의된 기준에 따라, 최종 초점거리와 초점의 크기를 최종 목표 값 가중치로 설정하였다. 최적화된 렌즈는 총 4매이며, 벤치마킹된 상용렌즈의 초점거리(185mm) 보다는 다소 근거리인 137mm로 최적화 되었지만, 초점의 크기는 레이저 입사각에 따라 RMS 기준 $1.3{\mu}m$, $6.2{\mu}m$ 그리고 $16.1{\mu}m$로 계산 되었으며, 이는 상용렌즈에 근접하는 성능을 구현한다. 입사각별 왜곡도를 중첩 하여서 비교 분석한 결과, 입사각 $0^{\circ}$와 $12.5^{\circ}$에서는 기존 렌즈와 거의 유사한 형태로 나타나는 것을 볼 수가 있어, 본 연구에서 제안된 역설계기법이 사용자 환경에 따라서 효과적으로 적용되어 최적설계가 이루어질 수 있을 것으로 기대가 된다.
리모트 용접용 2D 스캐너 F-theta 렌즈의 역설계가 광선 추적기법을 사용하여서 수행이 되었다. 렌즈의 곡면 및 렌즈간 거리를 변수로 설정하고 초점거리를 Marginal Ray Height 로 설정하여, 상용 광선추적기법 프로그램을 사용하여 무한반복 최적화를 수행 하였다. 최종목표 값을 설정 후 Merit Function에 정의된 기준에 따라, 최종 초점거리와 초점의 크기를 최종 목표 값 가중치로 설정하였다. 최적화된 렌즈는 총 4매이며, 벤치마킹된 상용렌즈의 초점거리(185mm) 보다는 다소 근거리인 137mm로 최적화 되었지만, 초점의 크기는 레이저 입사각에 따라 RMS 기준 $1.3{\mu}m$, $6.2{\mu}m$ 그리고 $16.1{\mu}m$로 계산 되었으며, 이는 상용렌즈에 근접하는 성능을 구현한다. 입사각별 왜곡도를 중첩 하여서 비교 분석한 결과, 입사각 $0^{\circ}$와 $12.5^{\circ}$에서는 기존 렌즈와 거의 유사한 형태로 나타나는 것을 볼 수가 있어, 본 연구에서 제안된 역설계기법이 사용자 환경에 따라서 효과적으로 적용되어 최적설계가 이루어질 수 있을 것으로 기대가 된다.
In this study, a reverse design of the F-theta lens was proposed for a 2D scanner in remote welding applications. The curvature and distance of the lens were set as variables, and the focal length of the lens was set as the marginal ray height. The ZEMAX commercial software was used to perform a sim...
In this study, a reverse design of the F-theta lens was proposed for a 2D scanner in remote welding applications. The curvature and distance of the lens were set as variables, and the focal length of the lens was set as the marginal ray height. The ZEMAX commercial software was used to perform a simulation with unlimited iterations for the optimization process. The target value was optimized using the internal Merit function with the weight factors of focal length and spot diameter. The number of lenses was four, and the focal length obtained from the results was 135mm that is slightly less than that of the commercial lens, which is set with a focal length of 185 mm. The calculated spot diameters are $1.3{\mu}m$, $6.2{\mu}m$, and $16.1{\mu}m$ for $0^{\circ}$, $12.5^{\circ}$ and $23^{\circ}$ of incident laser beam, respectively. It is expected that an optimized lens design is possible by performing the reverse design of a lens by the ray tracing method.
In this study, a reverse design of the F-theta lens was proposed for a 2D scanner in remote welding applications. The curvature and distance of the lens were set as variables, and the focal length of the lens was set as the marginal ray height. The ZEMAX commercial software was used to perform a simulation with unlimited iterations for the optimization process. The target value was optimized using the internal Merit function with the weight factors of focal length and spot diameter. The number of lenses was four, and the focal length obtained from the results was 135mm that is slightly less than that of the commercial lens, which is set with a focal length of 185 mm. The calculated spot diameters are $1.3{\mu}m$, $6.2{\mu}m$, and $16.1{\mu}m$ for $0^{\circ}$, $12.5^{\circ}$ and $23^{\circ}$ of incident laser beam, respectively. It is expected that an optimized lens design is possible by performing the reverse design of a lens by the ray tracing method.
본 연구에서는 상용 F-Theta 렌즈의 성능자료(Performance Data)를 근거로 역설계하여, 사용자의 환경에 맞는 F-Theta 렌즈를 설계하는 방법에 대해 연구한 결과를 보고한다.
는 해당 항목의 목표 값이며, 다양한 값으로 설정이 될 수가 있는데, 초점거리, 특정위치에서의 초점크기 및 Wavefront가 그 대표적인 예가 될 수 있다. 본 연구에서는 입사각이 0°와 12.5° 그리고 23°로 조사되었을 때, 초점평면에서 최소 초점크기를 가지도록 설계목표를 정하였다.
가설 설정
렌즈 설계시 초점거리를 100mm로 설정하였으며, 초기설계 내용을 바탕으로 하여 렌즈는 총 4매를 기준으로 하였다. 일반적으로 3매의 렌즈로도 F-theta 렌즈의 효과를 낼 수도 있으나, 초점크기에 대한 제반사항을 고려한 결과, 4매로 설정을 하였다(Fig.
제안 방법
본 연구에서는 리모트 용접용 2D 스캐너 F-theta 렌즈의 구조를 이해하고, 사용자 환경에 맞게 렌즈를 역설계하기 위한 분석방법에 대한 연구를 보고하였다. 렌즈설계는 광선추적 기법을 사용하는 상용소프트웨어를 사용하였고, 각 렌즈의 곡면 및 렌즈간 거리를 변수(Variable)로 설정하고 초점거리를 Marginal Ray Height로 설정하여, ZEMAX-EE 버전을 사용하여 무한반복 최적화를 수행 하여서 도출하였다. 이때 최적화는 렌즈의 성능조건을 설정 후 Merit Function에 정의된 기준에 따라서 이루어졌으며, 최종 초점거리와 초점의 크기를 최종 목표 값 가중치 설정하였다.
4). 설계된 렌즈는 일정량의 곡률을 가지도록 되어 있으며, 각 렌즈의 곡면 및 렌즈간 거리를 변수(Variable)로 설정하고, 굴절률 1.6, 초점거리를 Marginal Ray Height로 설정하여, ZEMAX-EE 버전을 사용하여 무한반복 최적화를 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 하여 도출된 결과 값의 렌즈 좌우면 곡률 값이 Table 2에 정리되었다.
대상 데이터
렌즈 역설계 후의 성능평가를 비교하기 위하여, 기존 상용 F-Theta 렌즈 중 초점거리가 160mm이고 근적외선 영역의 파장인 1064nm에 최적 설계된 특정모델 FTH160-1064-M39(Thorlabs Inc. USA)을 설정하였으며, 상세사양은 Table 1에 정리되어 있다. 앞 절에서 기술된 바와 같이 대부분의 상용렌즈는 기본적인 성능데이터는 주어지지만, 세부렌즈 형상은 Fig.
데이터처리
근거리 설정으로 인해서 f#가 줄어드는 효과가 있어서, 렌즈의 초점거리가 상대적으로 작아질 수 있는 장점이 있지만, 근거리 초점으로 인한 생산가공시 간섭 등의 불리한 점도 상존하고 있다. 또한, 입사각별 x방향 및 y방향 렌즈의 왜곡도(Aberration)을 보기 위해서 상용렌즈(Commercial)와 설계렌즈(Designed)의 왜곡도를 겹침 하여서 비교 분석하였다. Fig.
이론/모형
최적화는 렌즈의 성능조건을 설정 후 Merit Function에 정의된 기준에 따라서 이루어졌다. 적용된 알고리즘에는 지역최적화기법(Damped Least Squares and Orthogonal Descent) 법과 전역최적화기법(Global Search and Hammer)가 적용되었다. 렌즈설계 최적화에 대한 기법에 대해서는 수많은 선행연구가 선행연구자들에 의해서 진행이 되었으며, 상용소프트웨어에서는 정확도와 시뮬레이션시간을 감안하여 다양한 알고리즘을 개발하여 사용자들에게 제공하고 있다.
성능/효과
5°에서는 다소 개선된 결과를 보였으나, 23°에서는 일부 왜곡되는 결과가 나타났다. MTF 시뮬레이션의 경우도 입사각이 0°와 12.5°인 경우는 대부분 1.9 cycles/mm에 위치하고, 23°의 경우는 10 cycles/mm 근처로 계산 되어서, 상용렌즈보다 일부 개선이 된 것으로 나타났다.
최적화를 위해서 렌즈는 총 4매가 사용되었고, 초점거리는 상용렌즈(185mm)보다 다소 근거리인 137mm로 최적화되었다. 시뮬레이션 결과 초점의 크기는 레이저 입사각(0°, 12.5°, 23°)에 따라 RMS 기준 1.3µm, 6.2µm 그리고 16.1µm로 계산되었으며, 이는 상용렌즈에 비해서 0°와 12.5°에서는 우수한 결과를 보였으나, 23° 입사각 조건에서는 다소 왜곡이 되었다. 입사각별 왜곡도(Aberration)를 겹침 하여서 비교 분석한 결과, 입사각 0°와 12.
5°에서는 우수한 결과를 보였으나, 23° 입사각 조건에서는 다소 왜곡이 되었다. 입사각별 왜곡도(Aberration)를 겹침 하여서 비교 분석한 결과, 입사각 0°와 12.5° 기존 렌즈와 거의 유사한 형태로 나타나는 것을 볼 수가 있었다. 본 연구를 통해서 상용렌즈에 대한 성능데이터를 기준으로 역설계기법이 효과적으로 검증될 수 있음을 알게 되었으며, 사용자 환경에 따라서 최적설계를 하여 맞춤형 렌즈제작이 추가적으로 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
5° 기존 렌즈와 거의 유사한 형태로 나타나는 것을 볼 수가 있었다. 본 연구를 통해서 상용렌즈에 대한 성능데이터를 기준으로 역설계기법이 효과적으로 검증될 수 있음을 알게 되었으며, 사용자 환경에 따라서 최적설계를 하여 맞춤형 렌즈제작이 추가적으로 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
F-theta 렌즈의 역할은 무엇인가?
F-theta 렌즈는 일정각도 범위 내에서는 레이저빔의 초점거리를 편향각도와 상관없이 보정해주는 역할을 함으로서, 집속밀도를 일정하게 해줄 수 있으며, 균일하고 안정도 용접이 가능하게 해주는 역할을 해주고 있다. 일반적인 렌즈의 경우, 입사각에 따라 출사빔이 일정각도와 초점거리에서 집속이 되기는 하지만, 초점거리가 많이 달라지게 된다(Fig.
사용자들이 렌즈 성능자료를 이용한 최적화가 어려운 이유는 무엇인가?
사용자들은 이러한 렌즈 성능자료(Lens Performance Data)를 바탕으로 응용기계에 다양한 형태로 적용을 하는데, 필요에 따라서 초점거리, 초점크기 및 빔왜곡 등에 대한 제반 값을 변형하여, 렌즈 성능을 적용환경에 따라 최적화 해야 할 필요가 있다. 이러한 최적화 설계를 위해서는 렌즈의 재질을 비롯하여 형상(Geometry) 정보가 필요한데, 렌즈공급자는 대부분의 정보를 공개하지 않고 있다.
리모트 용접를 가능하게 하는 핵심 요소는 무엇인가?
이러한 리모트 용접을 가능하게 해주는 핵심요소는 뛰어난 레이저 열원제어 기술과 레이저빔을 빠른 시간에 편향하도록 가능하게 해주는 장치인 레이저 스캐너의 구성이다. 레이저 스캐너는 크게 내부에 빔을 편향해주는 장치인 갈바노미터(Galvanometer)와 편향된 입사레이저빔이 초점위치에서 왜곡되는 것을 보정해주는 장치인 F-theta 렌즈로 구성이 되어 있다.
참고문헌 (6)
Martinez, S., Lamikiz, A., Ukar, E., Callej, Arrizubieta, A. and Lacalle, L., 2017, "Analysis of the Regimes in the Scanner-based Laser Hardening Process," Optics and Lasers in Engineering, Vol. 90, pp. 72-800.
Miyagia, M., Zhanga, X., Kawahitob, Y. and Katayama, S., 2017, "Surface Void Suppression for Pure Copper by High-speed Laser Scanner Welding," Journal of Materials Processing Technology, 240, pp. 52-59.
Choi, H. and Yoon, S., 2015, "Laser Welding Analysis for 3D Printed Thermoplastics and Polyacetate Polymers," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 39, No. 7, pp. 701-706.
Shi, H., Yoo, S. and Choi, H., 2015, "Optimum Design and Characterization of F-Theta Lens by a 3D Printer(I)," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14 No. 4, pp. 43-48.
Technical Data for F-Theta Lens, 2017, "FTH160-1064-M39," Thorlabs Cat. www.thorlabs.com.
ZEMAX-EE, Web information, www.funako.com May. 2015.
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