KR100355025B1 - 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계 - Google Patents
오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 간섭계를 사용하여 반사경 또는 렌즈 곡면의 형상을 비접촉식으로 측정하는 널 렌즈 광학계에 관한 것으로서, 특히 측정 대상 타원면에 광선을 2번 반사하게 함으로써 곡면의 형상 측정을 용이하도록 한 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계에 관한 것이다.
본 발명인 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계는 간섭계로부터 나오는 광선의 초점이 맺히는 부분에 있는 환형 거울과, 상기 환형 거울의 중심을 통과한 상기 광선을 측정 대상 타원면에 맺히게 하는 렌즈로 구성되고, 상기 환형 거울은 양면이 평면이고, 상기 렌즈와 대향하는 상기 환형 거울의 면이 반사 코팅된 것이고, 상기 렌즈의 양면은 오목한 구면인 것으로 구성된다. 본 발명은 제작 및 형상 측정이 용이하며, 타원면 측정시 광학계의 정렬을 용이하게 한다.
Description
본 발명은 간섭계를 사용하여 반사경 또는 렌즈 곡면의 형상을 광학적 비접촉식으로 측정하는 널 렌즈 광학계에 관한 것으로서, 특히 측정 대상 타원면에 광선을 2번 반사하게 함으로써 곡면의 형상측정을 용이하도록 한 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계에 관한 것이다.
비구면 가공 기술 및 측정기술의 발달과 더불어 고해상도 대구경 망원경들은 일반적으로 광학계의 중량을 줄이기 위하여 비구면 광학거울을 사용하고 있다. 비구면으로 광학계를 구성할 경우 광학계의 성능은 일차적으로 비구면의 제작 정밀도에 좌우되며 이는 비구면 측정 정밀도에 의해 결정된다.
비구면은 다양한 기술을 사용하여 측정될 수 있다. 기계적 또는 광학적 탐침을 이용하여 직접 측정할 수 있고, 또는 기하광선이나 간섭계를 이용하여 간접적으로 형상을 그려낼 수 있다. 일반적으로 비구면 측정은 간단하지 않으며 널(null) 렌즈를 이용한 측정이 보통 이용되고 있다. 널 렌즈는 비구면 등을 측정하고자 할 경우 비구면 형상의 광파면을 만들어 주는 보조광학장치이다.
상기 비구면 측정용 널 렌즈는 1927년 코더(Couder)에 의해 처음 제안되었으며 오프너(Offner)에 의해 더욱 유용하게 이용되었다. 상기 널 렌즈는 측정 비구면에 대하여 일일이 설계하여야 하며 제작비가 비싸고 조립이 어려운 것이 단점으로 남는다. 따라서 널 렌즈는 될 수 있는 한 부품수가 작고 제작 및 조립이 용이하게 설계되어야 한다.
널 렌즈 기본 설계 개념은 도 1a와 같이 널 렌즈를 통과한 광파면이 이상적인 비구면의 형상과 일치하도록 설계하는 자동 무비점(autostigmatic) 방법과 도1b와 같이 널 렌즈와 이상적인 비구면의 조합으로 시준된 광파면을 만들도록 설계하는 자동 시준(autocollimation) 방법이 있다. 상기 자동 무비점 방법은 널 렌즈를 통과한 광파면이 이상적인 비구면의 형상과 일치하도록 설계하는 방법으로서, 측정하고자 하는 시험 비구면의 이탈정도는 이상적 비구면을 기준으로 측정된다. 상기 자동 시준 방법은 편평한 평면이 기준면이 되며 평면을 기준으로 측정 비구면의 이탈정도를 측정하게 되며, 상기 방법에서 빛은 시험 비구면에서 두 번 반사하므로 측정감도는 2 배로 높아지나 기준되는 평면의 크기가 측정 비구면보다 커야하는 단점이 있다.
도 2는 상기 자동 무비점 방법을 적용한 종래 기술인 오프너 방식 널 렌즈 광학계를 도시한 것으로서, 렌즈(20), (21)의 형상을 지닌 널 렌즈로 구성된다. 도 2의 널 렌즈 광학계는 상기 렌즈(20), (21)가 광축을 따라 움직일 때 큰 구면수차를 파면에 만든다. 즉, 렌즈 구면의 변화에 따라 구면수차의 변화가 크게 변할 수 있음을 나타낸다. 도 2의 널 렌즈 광학계는 출력광선과 입력광선이 거의 완전히 일치하는 경로를 통과하며, 거의 완전한 타원면의 곡면형상과 일치하는 구면수차를 만든다고 알려져 있다. 그러나, 실제 설계결과 도 2의 널 렌즈 광학계는 상기 렌즈(20), (21) 각 면의 공차가 극히 작아 제작하기가 꽤 까다로운 형상을 하고 있으며, 상기 널 렌즈 광학계는 렌즈 편심공차가 2 개이며 상기 렌즈 편심간 결함과 상기 렌즈간 디센터(decenter) 오차, 틸트(tilt)에 의한 효과 등으로 인하여 널 효과에 오차를 유발한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 광학 성능을 유지하면서 제작이 용이한 널 렌즈를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 타원면 측정시에 정렬이 용이한 널 렌즈 광학계를 제공하는 것이다.
도 1a는 널 렌즈 기본 설계 개념 중 하나인 자동 무비점(autostigmatic) 방법의 단면도.
도 1b는 널 렌즈 기본 설계 개념 중 하나인 자동 시준(autocollimation) 방법의 단면도.
도 2는 종래 기술인 오프너(Offner) 방법으로 특정 타원면을 측정하기 위하여 설계한 널 렌즈 광학계의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계의 단면도.
도 4a는 도 3의 본 발명에 따른 널 렌즈 광학계를 사용하여 오목 타원면 거울 형상을 측정할 때의 광학적 배치도.
도4b는 도 4a의 일실시예의 단면도.
도 5는 도 4b의 광학계의 광로차 그래프.
본 발명인 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계는 간섭계를 사용하여 오목 타원면의 곡면 형상을 광학적 비접촉식으로 측정하기 위하여 상기 간섭계로부터 나오는 광선의 초점이 맺히는 부분에 있는 환형 거울과; 상기 환형 거울의 중심을 통과한 상기 광선을 측정대상 타원면에 맺히게 하는 렌즈로 구성되고, 상기 측정 대상 타원면에서 반사된 상기 광선은 다시 상기 렌즈를 통과하고, 상기 렌즈를 통과한 상기 광선은 상기 환형 거울에 반사되어 다시 상기 렌즈를 통과하여 상기 측정 대상 타원면에서 재반사되며, 상기 측정 대상 타원면에서 재반사된 광선은 다시 상기 렌즈를 통과하여 상기 환형 렌즈의 중심을 통과하여 상기 간섭계로 들어가도록 되는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 오목 타원면 거울 측정용 널 렌즈의 단면도를 도시한 것으로서, 입사광선의 초점이 맺히는 부분에 있는 환형 거울(30)과; 상기 환형 거울의 중심을 통과한 광선을 입사받는 렌즈(31)로 구성된다. 상기 환형 거울(30)은 양면이 다 평면이고, 상기 렌즈(31)와 대향하고 있는 상기 환형 거울(30)의 면은 반사 코팅되어 있으며, 상기 렌즈(31)는 양면이 다 오목한 구면이다. 상기 환형 거울(30)과 상기 렌즈(31)의 중심이 광축(32)과 일치하도록 정렬되어 있다. 실제 상기 널 렌즈가 사용될 경우에는 상기 환형 거울(30)과 상기 렌즈(31)는 정밀하게 정렬되도록 마운트로 고정되어야 한다.
도 4a는 도 3의 널 렌즈를 사용하여 오목 타원면 거울 형상을 측정할 때의 광학적 배치도를 도시한 것으로서, 광선(45)을 출력하는 간섭계(44)와; 상기 간섭계(44)로부터 나오는 광선(45)의 초점이 맺히는 부분에 있는 환형 거울(40)과; 상기 환형 거울(40)의 중심을 통과한 상기 광선(45)을 통과시키는 렌즈(41)와; 상기 렌즈(41)를 통과한 상기 광선(45)을 반사시키는 측정 대상 타원면(42)으로 구성된다. 상기 간섭계(44)에서 나오는 상기 광선(45)은 구면 파면으로 된 광선(일반적으로 HE-NE 레이저 광선을 사용함)을 사용한다. 상기 광선(45)을 입사되는 쪽의 상기 환형 거울(40)의 면의 중심은 측정 광학계의 정렬을 용이하게 하기 위해 상기 간섭계(44)에서 나오는 상기 광선(45)의 초점에 위치된다.
상기 간섭계(44)로부터 나오는 상기 광선(45)은 상기 환형 거울(40)의 중심에서 초점이 맺혀진 후, 상기 광선(45)은 렌즈(41)로 입사되고, 상기 광선(45)은 상기 렌즈(41)를 통과한 후 상기 측정 대상 타원면(42)에서 반사된다. 상기 측정 대상 타원면(42)에서 반사된 광선(45)은 상기 렌즈(41)를 다시 통과한다. 상기 렌즈(41)를 통과한 상기 광선(45)의 파면은 평면 파면이 되고, 그리고 상기 광선(45)은 상기 환형 거울(40)에서 반사되어 다시 상기 렌즈(41)를 통과하여 상기 측정 대상 타원면(42)에서 반사된다. 상기 반사된 광선(45)은 다시 상기 렌즈(41)를 통과하여 상기 환형 거울(40)의 중심에 초점이 맺힌 후에 구면 파면이 되어 상기 간섭계(44)로 들어가게 된다. 상기 경로를 거치면서, 만약 상기 측정 대상 타원면(42)이 완전한 타원면이라면, 간섭 무늬가 생기지 않거나 평행한 간섭 무늬가 생기며, 만약 상기 측정 대상 타원면(42)이 완전한 타원면이 아니라면, 상기 측정 대상 타원면(42)의 형상에서 잘못된 부분의 간섭 무늬가 균일하지 않게 된다. 상기의 간섭 무늬를 통하여 상기 측정 대상 타원면의 어느 부분이 어느 정도 잘못 가공되어 있는지를 알 수 있다.
도4b는 도 4a의 일실시예를 도시한 것으로서, 특정 오목 타원면을 측정하기 위하여 널 렌즈 광학계를 설계한 것이다.
| 구경 | 곡률 반경 | 원추계수 |
| 480mm | 1420.23mm | 0.19658 |
| 항 목 | 설계값 | |
| 환형 거울(40) | 좌측면 곡률 반경 | (평면) |
| 우측면 곡률반경 | (평면), 반사코팅 | |
| 외경 | 75mm | |
| 내경 | 10mm | |
| 렌 즈(41) | 좌측면 곡률 반경 | 224.261mm |
| 우측면 곡률 반경 | -213.331mm | |
| 렌즈 두께 | 4.995mm | |
| 구경 | 71mm | |
| 굴절률 | 1.616548 | |
| 환형 거울(40)과 렌즈(41)간의 거리(d1) | 141.115mm | |
| 렌즈(41)와 측정 대상 타원면(42)간의 거리(d2) | 1293.276mm |
표1은 측정 대상 타원면(42)의 사양이고, 표2는 상기 타원면의 사양에 따른 본 발명에 따른 널 렌즈의 설계 결과를 나타낸다. 즉, 상기 측정 대상 타원면의 사양에 따라 본 발명은 상기 환형 거울(40)의 내경 및 외경과 상기 렌즈(41)의 곡률 반경, 렌즈 두께, 구경, 굴절률 및 상기 환형 거울(40)과 상기 렌즈(41)간의 거리(d1)와 상기 렌즈(41)와 상기 측정 대상 타원면(42)간의 거리(d2)가 변화됨을 나타내고 있다.
도 5는 도 4b의 설계값을 사용하여 산출한 널 렌즈 광학계의 광로차를 도시한 그래프로서, 상기 광로차는 도 4a의 상기 간섭계(44)에서 출발할 때의 상기 광선(45)의 파면과, 상기 광선(45)이 상기 렌즈(41)를 통과하여 상기 측정 대상 타원면(42)에 반사되고, 상기 렌즈(41)를 통과하여 상기 환형 거울(40)에서 반사되고, 상기 렌즈(41)를 통과하여 상기 측정 대상 타원면(42)에서 반사되고, 상기 렌즈(41)를 통과한 후의 파면과의 광로차를 의미한다. 도 5에 의하면, 상기 광로차는이하인 것을 알 수 있으며, 상기 측정 대상 타원면(42)에서 2번 반사되므로, 상기 측정 대상 타원면의 형상 오차가 출력면에서 4배로 증폭되어 나타나므로, 이론상까지 측정이 가능할 정도로 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 외관상 널 렌즈 광학계 제작시에 편심공차가 1개로 줄어들어서 디센터 오차가 없고 틸트에 의한 효과는 상기 환형 거울을 조절함으로써 제거하는 효과가 있다. 상기 렌즈의 곡률 반경, 두께, 구경, 굴절률과 상기 환형 거울의 외경, 내경 및 곡률 반경과, 상기 렌즈와 상기 환형 거울간의 거리 및 상기 렌즈와 상기 측정 대상 타원면간의 거리는 상기 측정 대상 타원면의 구경, 곡률 반경 및 원추계수의 값에 따라 정할 수 있는 효과가 있다. 표3과 4는 상대적인 평가를 위해 광로차의 변화에 따른 렌즈면과 두께의 변화량을 도시한다.
| 구 분 | 곡률 반경(mm) | 렌즈 두께(mm) | |
| 렌즈(20) | 좌측면 | -59.74 ±0.01 | 10.00 ±0.015 |
| 우측면 | -117.40 ±0.031 | ||
| 렌즈(21) | 좌측면 | 187.21 ±0.076 | 10.00 ±0.5 |
| 우측면 | 136.16 ±0.38 |
| 구 분 | 곡률 반경(mm) | 렌즈 두께(mm) | |
| 렌즈(41) | 좌측면 | -217.84 ±0.048 | 9.96 ±0.04 |
| 우측면 | 216.09 ±0.043 | ||
| 환형 거울(40) | 외경: 75 내경: 10 |
표3은 도 2의 종래 기술인 오프너(Offner) 방법으로 특정 타원면을 측정하기 위하여 설계한 널 렌즈 광학계의 결과이고, 표4는 본 발명에 따라 특정 타원면을 측정하기 위하여 설계한 널 렌즈 광학계의 결과이다. 상대적으로 민감도를 비교하면 본 발명에 따른 널 렌즈 광학계가 렌즈 곡률 및 두께 공차가 상기 종래 기술인 오프너(Offner) 방법에 따른 널 렌즈 광학계에 비해 3-4배정도 좋아지므로, 상대적으로 용이한 제작이 가능하다.
Claims (7)
- 간섭계를 사용하여 오목 타원면의 곡면 형상을 광학적 비접촉식으로 측정하기 위한 널 렌즈 광학계에 있어서, 상기 광학계는:상기 간섭계로부터 광선이 입사되는 쪽의 환형 거울과;상기 환형 거울의 중심을 통과한 상기 광선을 측정 대상 타원면에 맺히게 하는 렌즈로 구성되고, 상기 측정 대상 타원면에서 반사된 상기 광선은 다시 상기 렌즈를 통과하고, 상기 렌즈를 통과한 상기 광선은 상기 환형 거울에 반사되어 다시 상기 렌즈를 통과하여 상기 측정 대상 타원면에서 재반사되며, 상기 측정 대상 타원면에서 재반사된 광선은 다시 상기 렌즈를 통과하여 상기 환형 렌즈의 중심을 통과하여 상기 간섭계로 들어가도록 되는 것을 특징으로 하는 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 환형 거울은 양면이 평면이고, 상기 렌즈와 대향하는 상기 환형 거울의 면이 반사 코팅된 것을 특징으로 하는 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 간섭계와 대향하는 상기 환형 거울의 면의 중심이 상기 광선의 초점에 위치하는 것을 특징으로 하는 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
- 제 1 항에 있어서,상기 렌즈의 양면이 오목한 구면인 것을 특징으로 하는 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
- 제 1 항에 있어서,상기 환형 거울과 상기 렌즈의 중심이 광축에 일치하는 것을 특징으로 하는 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
- 제 1 항 또는 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 렌즈의 곡률 반경, 두께, 구경, 굴절률과 상기 환형 거울의 외경, 내경 과, 상기 렌즈와 상기 환형 거울간의 거리 및 상기 렌즈와 상기 측정 대상 타원면간의 거리는 상기 측정 대상 타원면의 구경, 곡률 반경 및 원추계수의 값에 따라 정하여 지는 것을 특징으로 하는 오목 타원면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
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