본 논문은 400~900 nm 파장 대역을 갖는 가시광 및 근적외선 분광기의 조립 및 성능 평가에 대하여 보고한다. 본 분광기는 이 후 결상 망원경과 함께 시야각${\pm}7.68^{\circ}$을 갖는 f/2.5의 영상 분광기를 구성한다. 검출기로는 $24{\times}24{\mu}m$피치로 이뤄진 $640{\times}480$ 전하결합소자(CCD)가 적용된다. 분광기는 두 개의 동심 구면으로 구성된 오프터 타입이며, 분광을 위하여 2번째 거울이 회절격자 거울로 교체되어 있다. 본 논문에서 다루는 분광기 광학 설계가 제곱평균제곱근(root mean suqared, RMS) 파면 잔여 수차가 210 nm(파장 600 nm 기준, $0.35{\lambda}$)로 통상 적용되는 간섭계를 이용한 이중 경로 광학 측정법 적용이 어렵고, 또한 측정 및 정렬의 용이성을 고려하여 샤크-하트만 센서를 적용한 단일 경로 파면 측정법을 적용하여 정렬 및 조립 절차를 수립하였다. 최종 조립 후 RMS 파면 오차 변화가 전 시야에 걸쳐 90 nm이내로 정렬되었음을 확인하였다. 이 후 조립 광학 구성을 유지한 채 2개 적층슬릿 지그를 이용하여 생성한 다중 핀 홀의 크립톤 램프 분광 이미지를 획득하였으며, 획득된 이미지의 분석을 통하여 조립 분광기의 분광 분해능, 키스톤 및 스마일이 각 4.32 nm, 0.08 픽셀 및 0.13 픽셀로 요구 사항을 만족하는 것을 확인하였다. 결론적으로 샤크-하트만 센서를 적용한 오프너 분광기의 조립 절차는 유효함을 확인하였다.
본 논문은 400~900 nm 파장 대역을 갖는 가시광 및 근적외선 분광기의 조립 및 성능 평가에 대하여 보고한다. 본 분광기는 이 후 결상 망원경과 함께 시야각 ${\pm}7.68^{\circ}$을 갖는 f/2.5의 영상 분광기를 구성한다. 검출기로는 $24{\times}24{\mu}m$ 피치로 이뤄진 $640{\times}480$ 전하결합소자(CCD)가 적용된다. 분광기는 두 개의 동심 구면으로 구성된 오프터 타입이며, 분광을 위하여 2번째 거울이 회절격자 거울로 교체되어 있다. 본 논문에서 다루는 분광기 광학 설계가 제곱평균제곱근(root mean suqared, RMS) 파면 잔여 수차가 210 nm(파장 600 nm 기준, $0.35{\lambda}$)로 통상 적용되는 간섭계를 이용한 이중 경로 광학 측정법 적용이 어렵고, 또한 측정 및 정렬의 용이성을 고려하여 샤크-하트만 센서를 적용한 단일 경로 파면 측정법을 적용하여 정렬 및 조립 절차를 수립하였다. 최종 조립 후 RMS 파면 오차 변화가 전 시야에 걸쳐 90 nm이내로 정렬되었음을 확인하였다. 이 후 조립 광학 구성을 유지한 채 2개 적층슬릿 지그를 이용하여 생성한 다중 핀 홀의 크립톤 램프 분광 이미지를 획득하였으며, 획득된 이미지의 분석을 통하여 조립 분광기의 분광 분해능, 키스톤 및 스마일이 각 4.32 nm, 0.08 픽셀 및 0.13 픽셀로 요구 사항을 만족하는 것을 확인하였다. 결론적으로 샤크-하트만 센서를 적용한 오프너 분광기의 조립 절차는 유효함을 확인하였다.
We report the assembly procedure and performance evaluation of a visible and near-infrared spectrometer in the wavelength region of 400-900 nm, which is later to be combined with fore-optics (a telescope) to form a f/2.5 imaging spectrometer with a field of view of ${\pm}7.68^{\circ}$. Th...
We report the assembly procedure and performance evaluation of a visible and near-infrared spectrometer in the wavelength region of 400-900 nm, which is later to be combined with fore-optics (a telescope) to form a f/2.5 imaging spectrometer with a field of view of ${\pm}7.68^{\circ}$. The detector at the final image plane is a $640{\times}480$ charge-coupled device with a $24{\mu}m$ pixel size. The spectrometer is in an Offner relay configuration consisting of two concentric, spherical mirrors, the secondary of which is replaced by a convex grating mirror. A double-pass test method with an interferometer is often applied in the assembly process of precision optics, but was excluded from our study due to a large residual wavefront error (WFE) in optical design of 210 nm ($0.35{\lambda}$ at 600 nm) root-mean-square (RMS). This results in a single-path test method with a Shack-Hartmann sensor. The final assembly was tested to have a RMS WFE increase of less than 90 nm over the entire field of view, a keystone of 0.08 pixels, a smile of 1.13 pixels and a spectral resolution of 4.32 nm. During the procedure, we confirmed the validity of using a Shack-Hartmann wavefront sensor to monitor alignment in the assembly of an Offner-like spectrometer.
We report the assembly procedure and performance evaluation of a visible and near-infrared spectrometer in the wavelength region of 400-900 nm, which is later to be combined with fore-optics (a telescope) to form a f/2.5 imaging spectrometer with a field of view of ${\pm}7.68^{\circ}$. The detector at the final image plane is a $640{\times}480$ charge-coupled device with a $24{\mu}m$ pixel size. The spectrometer is in an Offner relay configuration consisting of two concentric, spherical mirrors, the secondary of which is replaced by a convex grating mirror. A double-pass test method with an interferometer is often applied in the assembly process of precision optics, but was excluded from our study due to a large residual wavefront error (WFE) in optical design of 210 nm ($0.35{\lambda}$ at 600 nm) root-mean-square (RMS). This results in a single-path test method with a Shack-Hartmann sensor. The final assembly was tested to have a RMS WFE increase of less than 90 nm over the entire field of view, a keystone of 0.08 pixels, a smile of 1.13 pixels and a spectral resolution of 4.32 nm. During the procedure, we confirmed the validity of using a Shack-Hartmann wavefront sensor to monitor alignment in the assembly of an Offner-like spectrometer.
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문제 정의
본 논문에서는 가시광 및 근적외선(visible and near-infrared, VNIR) 관측 대역 및 시야각 ±7.68°을 갖는 f/2.5 영상 분광기에 적용될 분광기의 조립 및 성능 평가에 대하여 보고한다.
13 픽셀로 요구 사항을 만족하는 분광기 성능을 확인하였다. 본 논문은 샤크-하트만 센서 및 적층 슬릿 구조 등을 적용한 오프너 분광기의 효율적인 조립 및 분석 방안을 제안하였고, 최종 성능 확인을 통하여 제안된 정렬 방식의 유효함을 확인하였다.
본 논문은 시야각 ±7.68° 및 f/2.5의 영상 분광기에 사용될 오프너 방식의 VNIR 분광기 정렬․ 조립 절차 및 결과를 보고하였다.
제안 방법
키스톤과 스마일은 다중 핀 홀 분광 이미지(그림 13(a))를 분석하여 측정하였다. 공간 축의 왜곡에 해당하는 키스톤은 각 시야의 동일 파장 픽셀 위치로 확인하였고, 파장 축의 왜곡에 해당하는 스마일은 각 파장 대역의 동일 시야 픽셀 위치로 계산하였다. 계산 결과는 키스톤은 0.
광학계의 최종 성능 확보를 위한 제작 및 조립 공차 수립을 위하여 먼저 설계 광학계의 민감도를 조사하였다. 민감도 조사는 각 광학 요소의 중심이동(x, y, z), 기울기 변화(α, β)에 따른 시야 별 제곱평균제곱근(root mean squared, RMS) 파면 수차(wavefront error, WFE) 및 제르니케 함수 계수의 변화를 이용하여 조사하였다.
이 후 레이저 광원 및 샤크-하트만 센서를 각 크립톤 램프 및 검출기로 교체한 후 분광 이미지를 촬영하였다. 다중 핀 홀 지그를 이용하여 일체의 구동 없이 전 시야에 걸친 키스톤 및 스마일을 측정하였고, 측정 결과를 바탕으로 검출기 위치(defocus), 기울기(tip/tilt) 및 회전각(clocking angle)을 미세 조정하였다. 최종 측정 결과 분광분해능 4.
2장 민감도 분석에 따른 공차할당과 보상자 선정을 바탕으로 광학 소자 및 조립 치구를 조립하였고, 그림 10(a)의 조립 정렬 절차를 수행하였다. 먼저 광학 테이블 위에 VNIR 조립체를 고정시킨 후 전단 광학계 광축을 표현하는 이 중 핀 홀 지그를 장착하고, 조립 시준 광원인 HeNe 레이저의 광축을 기준 핀 홀 지그의 광축과 일치하도록 정렬한다. 시준 광원 설치 후 조립체에 주반사경(M1_M3) 및 회절격자 거울(M2)을 장착하고 샤크-하트만 센서를 설치한다.
5의 영상 분광기에 사용될 오프너 방식의 VNIR 분광기 정렬․ 조립 절차 및 결과를 보고하였다. 먼저 분광기 민감도 및 공차 분석을 통하여, 회절 격자 거울 및 검출기를 보상자로 적용한 조립 절차를 수립하였다. 먼저 정렬 상태 확인은 시준 HeNe 레이저와 샤크-하트만 센서를 이용한 단일 경로 측정법으로 수행하였다.
본 논문은 시준 광원과 샤크-하트만 센서(표 5)를 이용한 단일 경로 측정법(그림 7(a))을 적용하였다. 먼저 제안 측정법에서는 그림 8과 같이 시준 광원과 샤크-하트만 센서가 조립 대상인 광학계와는 별도의 정밀 구동 스테이지에 장착되어 있어, 두 구성품의 단순 높이 조정만으로 전 시야에 걸친 광학계의 성능 평가가 가능하도록 하였다. 3.
민감도 분석 결과와 제작 가능한 기구 공차를 바탕으로 조립에서 발생하는 시스템 파면 오차 오류(△RMS WFE)가 0.18λ을 만족하도록 할당하였다(표 3).
본 논문은 400~900 nm의 VNIR 관측 대역 및 시야각 ±7.68°을 갖는 f/2.5 영상 분광기에 적용될 분광 광학계(분광기)만을 다룬다.
영상 분광기에 입사하는 평행 입사 빔은 전단 광학계 상면에 위치된 슬릿을 통하여 분광 광학계에 입사하게 되고, 이후 분광 광학계를 통하여 최종 상면에 재결상 되면서 슬릿 방향의 공간 축과 이와 수직한 분광 축으로 이뤄진 2차원 이미지 즉 분광 이미지를 구성하게 된다. 영상 분광기는 항공기 및 위성의 진행 방향으로의 계속적 촬영(scan)을 통하여 관측 대상의 공간 및 분광 정보로 이뤄진 3차원 정보를 관측한다. 그림 1은 소형위성에 탑재된 영상 분광기[5]의 예로 영상 분광 기의 광학 구성 및 영상 촬영 개념을 보여주고 있다.
최후 최적 조립을 위한 보상자의 이동량은 측정 파면의 제르니케 다항식 분해를 통한 역최적화 방법으로 산출하였고, 조립 결과 RMS 파면 오차 변화는 전 시야에 걸쳐 90 nm이내 인 것을 확인하였다. 이 후 레이저 광원 및 샤크-하트만 센서를 각 크립톤 램프 및 검출기로 교체한 후 분광 이미지를 촬영하였다. 다중 핀 홀 지그를 이용하여 일체의 구동 없이 전 시야에 걸친 키스톤 및 스마일을 측정하였고, 측정 결과를 바탕으로 검출기 위치(defocus), 기울기(tip/tilt) 및 회전각(clocking angle)을 미세 조정하였다.
대상 데이터
검출기로는 24×24 µm 피치로 이뤄진 640×480 전하결합소자(CCD)이다.
제르니케 계수 중 Z1 (피스톤), Z2/Z3 (기울기), Z4 (초점 이동)는 광학 적으로 의미가 없거나 검출기의 이동으로 별도 고려된다. 민감도 조사 결과 및 조립의 용이성을 고려하여 두 번째 회절 격자 거울(M2) 및 검출기를 보상자로 선정하였다. 그림 6은 VNIR 분광기의 분해 조립도와 조립 지그가 표현된 3차원 모델을 보여주고 있다.
데이터처리
민감도 조사는 각 광학 요소의 중심이동(x, y, z), 기울기 변화(α, β)에 따른 시야 별 제곱평균제곱근(root mean squared, RMS) 파면 수차(wavefront error, WFE) 및 제르니케 함수 계수의 변화를 이용하여 조사하였다.
이론/모형
각 보상자의 정확한 움직임은 제리니케 계수 분리를 이용한 역최적화방법[17]이 적용되었다. 역최적화방법은 설계 제르니케 계수와 측정된 파면의 제르니케 계수 차이를 최소화하는 보상자 움직임을 계산 및 적용하는 방법이다(그림 10(b)).
광학계의 공차 할당은 RMS WFE를 매개로 한 제곱합제곱근방식(Root Sum Squared, RSS)을 적용하였다. RSS 공차 분석 방법은 공차가 할당된 각 구성 요소들의 단독 RMS WFE의 변화(∆ WFEi)의 제곱 합 제곱근으로부터 시스템 광학계의 RWS WFE 변화(∆WFEsystem)를 예측하는 기법이다.
먼저 분광기 민감도 및 공차 분석을 통하여, 회절 격자 거울 및 검출기를 보상자로 적용한 조립 절차를 수립하였다. 먼저 정렬 상태 확인은 시준 HeNe 레이저와 샤크-하트만 센서를 이용한 단일 경로 측정법으로 수행하였다. 제안된 조립법은 시준 광원과 센서의 단순 높이 이동만으로 모든 시야에 걸친 광학계의 성능 평가가 가능했다.
본 논문은 시준 광원과 샤크-하트만 센서(표 5)를 이용한 단일 경로 측정법(그림 7(a))을 적용하였다. 먼저 제안 측정법에서는 그림 8과 같이 시준 광원과 샤크-하트만 센서가 조립 대상인 광학계와는 별도의 정밀 구동 스테이지에 장착되어 있어, 두 구성품의 단순 높이 조정만으로 전 시야에 걸친 광학계의 성능 평가가 가능하도록 하였다.
성능/효과
공간 축의 왜곡에 해당하는 키스톤은 각 시야의 동일 파장 픽셀 위치로 확인하였고, 파장 축의 왜곡에 해당하는 스마일은 각 파장 대역의 동일 시야 픽셀 위치로 계산하였다. 계산 결과는 키스톤은 0.08픽셀 이하, 스마일은 0.13픽셀 이하로 요구사항인 0.3픽셀 이하를 만족하였다. 분광 분해능은 각 시야와 선정된 파장 대역의 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)으로 확인하였으며, 목표성능 5 nm 이하인 4.
키스톤 및 스마일의 용이한 평가를 위하여, 슬릿 위에 그림 9의 슬릿 지그를 사용하여, 다중 핀 홀의 분광 이미지를 생성하게 된다. 다중 핀 홀 분광 이미지의 분석을 통하여 분광 분해능, 키스톤 및 스마일을 측정할 수 있고, 측정 결과를 바탕으로 최적의 검출기 위치(defocus), 기울기(tip/tilt) 및 회전각(clocking angle)이 미세 조정된다. 최적의 성능 평가가 완성되면 슬릿 지그를 제거 단일 라인 슬릿만을 남긴다.
3픽셀 이하를 만족하였다. 분광 분해능은 각 시야와 선정된 파장 대역의 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)으로 확인하였으며, 목표성능 5 nm 이하인 4.32 nm로 만족하는 성능을 확인하였다.
먼저 정렬 상태 확인은 시준 HeNe 레이저와 샤크-하트만 센서를 이용한 단일 경로 측정법으로 수행하였다. 제안된 조립법은 시준 광원과 센서의 단순 높이 이동만으로 모든 시야에 걸친 광학계의 성능 평가가 가능했다. 최후 최적 조립을 위한 보상자의 이동량은 측정 파면의 제르니케 다항식 분해를 통한 역최적화 방법으로 산출하였고, 조립 결과 RMS 파면 오차 변화는 전 시야에 걸쳐 90 nm이내 인 것을 확인하였다.
8 nm의 피크 라인을 적용하였다. 조립 시준 광원인 HeNe 레이저의 632.8 nm의 픽셀 위치를 기준으로 예상되는 분광 피크와 측정 피크 위치가 1픽셀 이하의 오차 범위 안으로 일치함을 확인하였다. 키스톤과 스마일은 다중 핀 홀 분광 이미지(그림 13(a))를 분석하여 측정하였다.
다중 핀 홀 지그를 이용하여 일체의 구동 없이 전 시야에 걸친 키스톤 및 스마일을 측정하였고, 측정 결과를 바탕으로 검출기 위치(defocus), 기울기(tip/tilt) 및 회전각(clocking angle)을 미세 조정하였다. 최종 측정 결과 분광분해능 4.32 nm, 키스톤 0.08 픽셀, 스마일 0.13 픽셀로 요구 사항을 만족하는 분광기 성능을 확인하였다. 본 논문은 샤크-하트만 센서 및 적층 슬릿 구조 등을 적용한 오프너 분광기의 효율적인 조립 및 분석 방안을 제안하였고, 최종 성능 확인을 통하여 제안된 정렬 방식의 유효함을 확인하였다.
제안된 조립법은 시준 광원과 센서의 단순 높이 이동만으로 모든 시야에 걸친 광학계의 성능 평가가 가능했다. 최후 최적 조립을 위한 보상자의 이동량은 측정 파면의 제르니케 다항식 분해를 통한 역최적화 방법으로 산출하였고, 조립 결과 RMS 파면 오차 변화는 전 시야에 걸쳐 90 nm이내 인 것을 확인하였다. 이 후 레이저 광원 및 샤크-하트만 센서를 각 크립톤 램프 및 검출기로 교체한 후 분광 이미지를 촬영하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영상 분광기의 종류는 어떠한가?
대상 물체의 특성을 구명하기 위해 지난 수 십 여 년 동안 생물학[1], 문화유산[2], 천문학[3] 등에서 분광기(spectrometer)를 많이 사용해 왔고, 최근 지상 및 위성 원격탐사 임무에 공간 정보와 분광 정보를 동시에 획득할 수 있는 영상 분광기(imaging spectrometer)를 자주 적용하고 있다[4-8]. 영상 분광기는 분광 방식 및 분광 소자의 종류에 따라 다양한 방식이 적용되고 있으며, 선형 칼라 필터 방식, 푸리에 변환 방식 및 푸시브룸(push-broom) 스캐닝 방식 등이 있다. 이 중 푸시브룸 스캐닝 방식의 영상 분광기가 구성의 간편성 및 제작의 상대적 용이성으로 항공기 및 위성 탑재체로 가장 선호되고 있다.
푸시브룸 스캐닝 방식을 이용한 영상 분광기의 슬릿은 어떻게 배치되는가?
푸시브룸 스캐닝 방식의 영상 분광기는 결상 및 분광을 각 담당하는 전단(결상) 광학계와 분광 광학계가 독립 구성되어 있으며, 전단 광학계의 상면과 분광 광학계의 물체면이 슬릿을 통하여 일치하게 결합되어 있다. 슬릿은 영상 분광기가 탑재된 항공기 또는 위성의 진행 방향과 수직하게 배치되게 된다. 영상 분광기에 입사하는 평행 입사 빔은 전단 광학계 상면에 위치된 슬릿을 통하여 분광 광학계에 입사하게 되고, 이후 분광 광학계를 통하여 최종 상면에 재결상 되면서 슬릿 방향의 공간 축과 이와 수직한 분광 축으로 이뤄진 2차원 이미지 즉 분광 이미지를 구성하게 된다.
분광기는 어느 분야에서 왜 사용하였는가?
대상 물체의 특성을 구명하기 위해 지난 수 십 여 년 동안 생물학[1], 문화유산[2], 천문학[3] 등에서 분광기(spectrometer)를 많이 사용해 왔고, 최근 지상 및 위성 원격탐사 임무에 공간 정보와 분광 정보를 동시에 획득할 수 있는 영상 분광기(imaging spectrometer)를 자주 적용하고 있다[4-8]. 영상 분광기는 분광 방식 및 분광 소자의 종류에 따라 다양한 방식이 적용되고 있으며, 선형 칼라 필터 방식, 푸리에 변환 방식 및 푸시브룸(push-broom) 스캐닝 방식 등이 있다.
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