KR100615054B1

KR100615054B1 - 형상가변거울을 이용한 파면에러 보정장치

Info

Publication number: KR100615054B1
Application number: KR1020040000637A
Authority: KR
Inventors: 문성철; 이영철; 고해석; 이재일
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2006-08-25
Also published as: KR20050072259A

Abstract

본 발명은, 적응광학장치의 파면에러 보정장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 파면에러 보정장치는 미러 플레이트와 상기 미러플레이트의 형상을 변형하기 위한 다수의 PZT를 구비한 형상가변 거울모듈과, 상기 PZT를 구동하는 PZT구동부와, 상기 PZT구동부를 제어하는 PZT제어부와, 상기 형상가변거울모듈을 향하여 배치되는 2차원 센서로 형성되어 상기 형상가변거울모듈에서 반사된 빛을 감지하여 2차원 영상신호를 출력하는 파면센서와, 상기 형상가변 거울모듈에서 반사된 빛을 감지하여 영상신호를 출력하는 파면센서와, 상기 파면센서에서 출력되는 영상신호에 기초하여 상기 형상가변 거울모듈의 상기 PZT 각각에 대한 위치 변위량을 산출하여 상기 PZT구동부에 출력하는 연산 신호처리부와, 상기 연산 신호처리부는, 상기 PZT구동부가 상기 PZT의 위치변위량에 기초하여 상기 각 PZT를 구동시킨 후에, 상기 위치 변위량에 기초하여 미리 산출한 영상신호와 상기 파면센서에서 출력되는 영상신호를 비교하여 일치하지 않으면, 상기 PZT 각각에 대한 위치 변위량을 산출하여 상기 형상가변 거울모듈을 변형시켜 재보정을 수행하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 적응광학장치에서 형상 가변거울모듈을 이용하여 빛의 반사각도를 변경하여 파면의 왜곡을 보정함으로써 빛에 의해 인식된 영상이 균일하게 보이도록 할 수 있다.

PZT, 형상가변 거울모듈, 파면에러, 보정장치

Description

형상가변거울을 이용한 파면에러 보정장치{apparatus for correction for wavefront error using deformable mirror}

도 1은 본 발명에 따른 파면에러 보정장치의 구성도,

도 2는 도 1의 형상가변모듈의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 파면에러 보정장치의 동작 흐름도,

도 4는 종래의 파면에러 보정장치의 구성도,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 기울기 거울 2 : 형상가변거울모듈

3 : 파면센서 4 : PZT 제어부

5 : PZT 구동부 6 : 연산 신호처리부

7 : 모니터부

본 발명은 파면에러 보정장치에 관련된 것이다. 보다 상세하게는 형상가변거 울을 이용한 적응광학장치에 적용되는 파면에러 보정장치에 관한 것이다.

적응광학계(adaptive optics)는, 천체 망원경이나 위성 인식 망원경등에 사용되는데, 고품질의 영상을 얻기 위한 것으로서, 대기공기 유동에 의한 영상품질의 저하를 보상하는 목적으로 사용된다. 망원경의 분해능은 지름(실제로는 F/#값)에 의존하는데, 지구상에 설치된 천체망원경의 경우 대기유동층을 지나오는 빛을 관측하게 되므로 실제로는 대기유동 간섭거리(turbulence coherence length)에 의해 성능이 저하된다. 이 간섭거리는 보통 수십 cm 수준이므로, 지름이 수 meter가 넘는 대형망원경의 경우 수백 개의 채널로 이루어진 적응광학계를 도입함으로써 망원경의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

천체망원경은 광학계, 구동계, 돔(Dome), 검출기(detector)로 구성되며, 적응광학장치는 그 중에서 광학계에 적용되는 것이다. 적응광학장치는 주로 영상장치의 성능향상과 레이저 장거리 전송에 활용된다.

천체망원경으로 별을 관찰할 시에, 혹은 대기층에 의해 빛이 반사되어, 파면에 왜곡이 생기면 수차가 발생한다. 파면은 파동이 전파될 때, 같은 시각에 같은 위상을 나타내는 점의 연결로 이루어지는 면을 의미하고, 수차(收差)는 물체가 렌즈나 반사경에 의해서 상을 맺을 때, 광선이 한 점에 모이지 않아 상이 흐려지거나 굽거나 비뚤어지거나 하는 현상을 의미한다.

또한, 항공기 탑재 레이저(ABL : Airborne Laser)나 레이저 통신에서의 레이저 장거리 전송시 레이저를 아주 작은 크기로 집속할 때, 레이저 파면이 왜곡되면 레이저빔 세기가 불균일해지고 퍼지게 되어서 효율이 크게 떨어지게 되므로 적응광 학장치로 파면왜곡을 보정하도록 한다. 이러한 레이저 장거리 전송시의 파면왜곡을 보정함으로써 레이저 전송효율을 높이기 위한 적응광학장치가 개발중이다.

종래의 적응광학장치는, 입사되는 빛을 반사하는 기울기 거울과, 기울기 거울에서 반사된 빛을 감지하여 2차원 영상신호로 변환하여 출력하는 파면센서와, 영상센서의 영상신호를 디지털연산처리하며 영상신호의 왜곡을 보정하는 알고리즘이 저장되는 디지털연산 신호처리부(예를 들어 컴퓨터)와, 디지털처리된 영상신호를 화상으로 표시하는 모니터로 구성된다.

이러한 적응광학장치에 적용되는 장거리에서 전송된 빛을 보정하는 장치가 개발되고 있으나, 왜곡으로 변형된 영상을 아날로그적인 방법으로 변형하여 보정함에 따라 보정이 적절히 이루어지 못하여 영상이 균일하게 보이지 않는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 적응광학장치에서 형상가변거울모듈을 이용하여 빛의 반사각도를 변경하여 파면의 왜곡을 보정하는 파면에러 보정장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 파면에러 보정장치에 있어서, 미러 플레이트와, 상기 미러플레이트의 형상을 변형하기 위한 다수의 PZT를 구비한 형상가변 거울모듈과, 상기 PZT를 구동하는 PZT구동부와, 상기 PZT구동부를 제어하는 PZT제어부와, 상기 형상가변거울모듈을 향하여 배치되는 2차원 센서로 형성되어 상기 형상가변거울모듈에서 반사된 빛을 감지하여 2차원 영상신호를 출력하는 파면센서와,상기 형상가변거울모듈에서 반사된 빛을 감지하여 2차원 영상신호를 출력하는 파면센서와, 상기 파면센서에서 출력되는 2차원 영상신호에 기초하여 상기 형상가변 거울모듈의 상기 PZT 각각에 대한 위치 변위량을 산출하여 상기 PZT구동부에 출력하는 연산 신호처리부와, 상기 연산 신호처리부는, 상기 PZT구동부가 상기 PZT의 위치변위량에 기초하여 상기 각 PZT를 구동시킨 후에, 상기 위치 변위량에 기초하여 미리 산출한 영상신호와 상기 파면센서에서 출력되는 영상신호를 비교하여 일치하지 않으면, 상기 PZT 각각에 대한 위치 변위량을 산출하여 상기 형상가변 거울모듈을 변형시켜 재보정을 수행하는 것에 의해 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 파면에러 보정장치의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 파면에러보정장치는 빛을 1차적으로 반사하는 기울기 거울(1)과, 기울기 거울(1)에서 반사된 빛을 2차 반사하는 형상가변 거울모듈과, 형상가변 거울모듈(2)에서 반사한 빛을 산출하는 파면센서(3)와, 파면센서(wavefront sensor)(3)에서 출력되는 2차 영상신호를 처리하는 연산 신호처리부(6)와, 형상가변 거울모듈(2)에 부착된 PZT(Piezoelectric Thick films)를 구동시키는 PZT구동부(5)와, 연산 신호처리부(6)에서 출력되는 PZT의 위치변위값을 이용하여 PZT구동부(5)를 제어하는 PZT제어부(4)와, 연산 신호처리부(6)에서 출력되 는 영상신호를 표시하는 모니터부(7)로 구성된다. 여기서, 연산 신호처리부(6)는 컴퓨터와 같은 연산처리장치를 포괄하는 개념으로서, 파면센서(3)로부터의 디지털 데이터를 연산처리하여 PZT구동부(5)를 제어하기 위한 제어신호를 출력한다.

형상가변 거울모듈(2)은 도 2에 도시된 바와 같이, 미러 플레이트(2a)와, 미러 플레이트(2a)에 2차원 배열의 다수의 PZT(2b)를 장착한 구조를 가진다. 다수의 PZT(2b)가 미러 플레이트(2a)에 4x4의 2차원으로 배치된다. 각 PZT(2b)는 PZT구동부(5)에 의해 구동되며, 다수의 PZT(2b)는 PZT 고정대(2c)에 의해 고정된다.

본 발명의 형상가변 거울모듈(2)에서는 PZT 현상(Piezoelectric effect)을 이용하여 각 PZT(2b)에 전압을 가해 결정체를 변형시킴으로써, 미러 플레이트(2a)의 판면이 볼록하게 혹은 오목하게 변형되도록 한다. PZT(2b)는 압전 효과(Piezoelectric effect)라는 현상을 이용하여 만들어낸 소자이다. 압전 효과는 수정(Quartz) 등의 결정에 압력을 가하면 결정의 구조적인 이유로 인해 고체 격자 내 전하들의 분극화가 발생하고, 전류가 흘러 전압이 발생하는 것을 압전 효과라 하며, 이와 반대로 전압을 주면 결정체가 변형을 일으키는 현상을 압전 역효과라 한다.

파면센서(3)는 파면의 모양을 탐지하며, PZT와 같은 수로 배열된 Wavelet이라는 작은 렌즈를 통하여 형상왜곡을 탐지한다. 파면센서(3)는 형상가변 거울모듈(2)에서 반사된 빛을 감지하여 이차원 배열된 도시 않은 영상센서들에 의해 신호크기를 측정한다.

연산 신호처리부(6)는 파면의 왜곡을 계산하고 수차를 보정하는 기능을 한 다. 연산 신호처리부(6)에는 파면왜곡인식 알고리즘이 저장된다. 파면왜곡인식 알고리즘은 형상가변 거울모듈(2)에 장착된 2차원 배열의 PZT(각각에 대한 변위량을 산출하고, 각 PZT위치신호 및 PZT위치의 절대적 변위량을 PZT제어부(4)에 제공한다.

PZT제어부(4)는 PZT구동부(5)를 제어하는 기능을 하며, 각 PZT(2b)의 위치정보와 각 PZT특성에 맞는 상대적 변위량을 산출하여 각 PZT구동부(5)에 제공한다. 여기서, 각 PZT(2b)의 상대적 위치 변위량을 산출시, 상기 PZT(2b)의 위치정보에 기초하여, 미러 플레이트(2a)상에 2차원배열로 형성된 다수의 PZT(2b) 중에서 중앙영역에 위치한 PZT의 변위량을 기준으로 중앙영역의 PZT와의 이격거리에 클수록 PZT(2b)의 위치 변위량이 감소되도록 한다. 즉, 미러 플레이트(2a)의 중심에서 멀리 위치한 PZT의 위치변위량이 적어지도록 하여 상대적 위치 변위량을 산출한다. 예를 들어, 중앙 영역의 PZT의 위치변위량이 5마이크론이면, 중앙 영역의 PZT로부터 외측으로 갈수록 PZT들에 4마이크론, 3마이크론, 2마이크론, 1마이크론으로 설정한다.

PZT구동부(5)는 형상가변거울모듈(2)의 2차원 배열된 PZT(2b)의 위치신호를 피드백받아 2차원 배열 PZT(2b) 각각의 위치를 이동시키는 기능을 한다. PZT구동부(5)는 PZT제어부(4)의 제어를 받아 각각의 PZT(2b)의 위치를 이동시킴으로써 형상가변거울모듈(2)의 미러 플레이트(2a)의 판면의 형상을 변형시킨다. 즉 형상가변 거울모듈(2)의 미러 플레이트(2a)의 각 분할 표면을 변형시켜 입력되는 빛의 왜곡을 보정한다.

PZT구동부(5)가 형상가변 거울모듈(2)의 위치를 이동시킴에 따라, 형상가변거울모듈(2)의 미러 플레이트(2a)에서 반사되는 빛의 각도가 달라진다. 파면센서(3)가 달라진 빛의 각도를 감지하여, 달라진 2차원 영상신호를 출력하고, 연산 신호처리부(6)는 형상가변 거울모듈(2)의 형상을 변형시키기 위해 PZT제어부(4)에 제공했던 PZT위치신호 및 PZT위치의 절대적 변위량에 기초하여 미리 산출한 영상신호를 파면센서(3)에서 출력되는 영상신호와 비교한다. PZT제어부(4)는 비교결과, 미리 산출한 영상신호와, 파면센서(3)에서 출력되는 실제 영상신호가 일치하면 보정이 완료된 상태로 판단하여, 연산 신호처리부(6)는 모니터부(7)에 제공하여 화상으로 표시하게 한다.

도 3은 본 발명에 따른 파면에러 보정장치의 동작흐름도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, S1단계에서, 사용자가 빛이 거울의 중앙에 오도록 기울기 거울(1)을 조절한다. S2단계에서, 형상가변 거울모듈(2)에서 반사된 빛을 파면센서(3)에서 감지하고, 파면센서(3)는 빛을 감지하여 2차원 영상신호를 출력한다. S3단계에서, 연산 신호처리부(6)는 파면왜곡인식 알고리즘에 의해 파면센서(3)의 2차원 영상신호에 기초하여, 형상가변 거울모듈(2)에 부착된 복수의 PZT(2b) 각각에 대한 절대적 변위량을 산출한다. S4단계에서, 연산 신호처리부(6)는 산출된 각 PZT의 절대적 변위량을 PZT제어부(4)에 전달한다. S5단계에서, PZT제어부(4)가 상기 절대적 변위량과 각 PZT특성, 예를 들어 2차원 배열에서 PZT의 위치정보에 기초하여 상대적 변위량을 산출하여 각 PZT구동부(5)에 전달한다. 여기서, 각 PZT의 상대적 위치 변위량을 산출시, PZT(2b)의 위치정보에 기초하여 미러 플레이트(2a)상에 2차원배열로 형 성된 다수의 PZT 중에서 중앙영역에 위치한 PZT의 변위량을 기준으로 중앙영역의 PZT와의 이격거리에 클수록 PZT의 위치 변위량이 감소되도록 한다. 즉, 미러 플레이트의 중심에서 멀리 위치한 PZT의 위치 변위량이 적어지도록 하여 상대적 위치 변위량을 산출한다. 예를 들어, 미러 플레이트(2a)의 중앙 영역의 PZT의 위치 변위량이 5마이크론이면, 중앙 영역의 PZT로부터 외측으로 갈수록 PZT들에 4마이크론, 3마이크론, 2마이크론, 1마이크론으로 설정한다.

S6단계에서, 각 PZT구동부(5)가 해당 PZT(2b)를 구동시켜 형상가변 거울모듈(2)을 이동시킨다. 형상가변 거울모듈(2)의 형상이 변형된 후에, S7단계에서 형상가변 거울모듈(2)에서 반사된 빛을 파면센서(3)에서 감지하여 2차원 영상신호를 출력한다. S8단계에서, 입력된 영상신호와 연산 신호처리부(6)에서 미리 계산된 영상신호가 일치하는지 판단한다. S8단계의 판단결과 일치하면, S9단계에서, 연산 신호처리부(6)는 파면센서(3)로부터 출력된 영상신호를 모니터부(7)에 그대로 디스플레이한다.

본 발명을 레이저 전송에 적용시, 파면보정을 설명하면 다음과 같다. 파면 센서는 대기 왜곡을 탐지한다. 이 정보를 이용하여 PZT제어부(4)는 형상가변 거울모듈(2)에 연결된 다수의 PZT구동부(5)를 계속적으로 조절하기 위한 신호를 발생시킨다. P다수의 PZT구동부(5)의 구동에 따른 각 PZT의 움직임은 거울을 가변시키는 역할을 한다. 레이저 빛은 3.5m 망원경의 적응광학 장치로 들어가고, 형상가변 거울모듈(2)에 의해 반사된다. 수 백개의 PZT구동부(5)는 1/1000초 이내로 거울 표면을 조절할 수 있다. 파괴용 레이저 빔은 거울에 의해 역으로 왜곡되어 표적으로 향 하는 경로 상에서 대기 왜곡이 상쇄된다. 새로운 왜곡 정보가 체계로 들어오면 형상가변모듈의 거울표면은 계속해서 조정된다.

이와 같이, 적응광학장치에서 파면에러 보정을 위해 다수의 PZT가 부착된 형상가변거울모듈을 이용함으로써, 형상가변 거울모듈에서 반사된 빛에 의해 파면센서에서 인식한 영상신호에서 파면에 왜곡이 있을 때 파면의 보정이 가능하며, 천체망원경 또는 레이저에서 빛의 파면을 보정하는데 이용할 수 있다. 보정과정은, 파면보정 알고리즘에 의해 각 PZT의 위상 변위량을 산출하고, 산출된 위상 변위량에 따라 각 PZT를 구동제어하여, 형상가변거울의 미러 플레이트의 형상을 볼록하게 혹은 오목하게 변형한다. 파면보정 알고리즘이 위상 변위량에 기초하여 산출한 영상신호와, 볼록하게 혹은 오목하게 변형된 미러 플레이트로부터 반사된 빛을 인식하여 파형센서가 출력하는 영상신호가 일치하면 보정이 제대로 된 것으로 판단하고, 일치하지 않으면 파면보정 알고리즘이 각 PZT의 위상 변위량을 재산출하여 형상가변거울모듈의 거울형상을 가변시켜 영상신호를 재보정하는 과정을 반복한다.

본원 발명은 광전송장치에 있어서 파면수차(error)를 보정하는 기능을 수행하며, 천체망원경에서 지구의 대기에 의한 산란효과에 의해 분산된 별빛은 적절히 관측하고자할 때 사용하거나 레이저의 원거리 전송시 레이저의 파장을 보정하는 기능을 수행하고자 할 때 사용된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 적응광학장치에서 형상가변 거울 모듈을 이용하여 빛의 반사각도를 변경하여 파면의 왜곡을 보정하는 파면에러 보정장치가 제공된다.

Claims

파면에러 보정장치에 있어서,

미러 플레이트와, 상기 미러플레이트의 형상을 변형하기 위한 다수의 PZT (Piezoelectric Thick films)를 구비한 형상가변 거울모듈과,

상기 PZT를 구동하는 PZT구동부와,

상기 PZT구동부를 제어하는 PZT제어부와,

상기 형상가변거울모듈을 향하여 배치되는 2차원 센서로 형성되어, 상기 형상가변거울모듈에서 반사된 빛을 감지하여 2차원 영상신호를 출력하는 파면센서와,

상기 파면센서에서 출력되는 2차원 영상신호에 기초하여 상기 형상가변 거울모듈의 상기 PZT 각각에 대한 위치 변위량을 산출하여 상기 PZT구동부에 출력하는 연산 신호처리부와,

상기 연산 신호처리부는, 상기 PZT구동부가 상기 PZT의 위치변위량에 기초하여 상기 각 PZT를 구동시킨 후에, 상기 위치 변위량에 기초하여 미리 산출한 영상신호와 상기 파면센서에서 출력되는 영상신호를 비교하여 일치하지 않으면, 상기 PZT 각각에 대한 위치 변위량을 산출하여 상기 형상가변 거울모듈을 재변형시켜 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 파면에러 보정장치.
제1항에 있어서,

상기 PZT제어부는 상기 PZT구동부를 제어하여 상기 각 PZT의 위치정보를 저장하며,

상기 연산 신호처리부는 상기 PZT의 위치 변위량을 산출시, 상기 형상가변거울모듈의 상기 미러플레이트의 탄성계수에 기초하여 상기 PZT의 절대적 위치 변위량을 산출한 후, 상기 각 PZT의 위치정보를 상기 PZT의 절대적 위치 변위량에 적용하여 상대적 위치 변위량을 산출한 후 상기 PZT구동부에 제공하는 것을 특징으로 하는 파면에러 보정장치.
제2항에 있어서,

상기 PZT제어부는 상기 각 PZT의 상대적 위치 변위량을 산출시, 상기 PZT의 위치정보에 기초하여, 상기 미러플레이트상에 2차원배열로 형성된 다수의 PZT 중에서 중앙영역에 위치한 PZT의 변위량을 기준으로 상기 중앙영역의 PZT와의 이격거리에 따라 상기 PZT의 위치 변위량이 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 파면에러보정장치.
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