KR100738387B1 - 비축 조사에 의한 파면 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광원의 비축 조사에 의한 파면 측정 장치에 관한 것이다.

본 발명의 비축 조사에 의한 파면 측정장치는, 평행 광속의 빔이 발생되는 광원; 상기 광원에서 조사된 빔을 분할하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에 의해서 분할된 빔이 직각으로 반사되어 전방의 피검렌즈로 동시에 입사되도록 하는 한 쌍의 미러; 상기 피검렌즈에 투과되면서 형성된 파면이 분산 투과되면서 한 쌍의 평행광에 의한 간섭계를 형성하는 콜리메이터 렌즈; 및 상기 콜리메이터 렌즈를 통해 형성된 한 쌍의 평행광이 서로 간섭을 일으키며 조사되는 센서;를 포함하며,

본 발명의 비축 조사에 의한 파면 측정장치는 일 방향의 파면에 대하여 다른 방향의 파면 비교에 의해서 정확한 수차가 측정될 수 있는 이점이 있음과 아울러, 간섭계 뿐 만 아니라 파면센서에도 적용 가능하며, 카메라와 같은 결상광학계에서 렌즈 어셈블리를 비롯한 렌즈 단품의 파면 측정이 정확하게 이루어짐으로써 상기 렌즈를 통한 이미지의 동질성 및 균일성 분석이 가능한 장점이 있다.

광원, 빔 스플리터, 미러, 피검렌즈, 투과렌즈, 콜리메이터 렌즈, 센서, 센 서면, 마이크로 렌즈, 기준 파면, 측정 대상 파면

Description

비축 조사에 의한 파면 측정장치{WAVEFRONT MEASURING DEVICES WITH OFF-AXIS ILLUMINATION}

도 1은 종래 파면 측정장치의 개략적인 구성도.

도 2는 종래의 파면 측정장치를 이용하여 센서면에 획득된 점영상이 개략적으로 도시된 예시도.

도 3은 종래 파면 측정장치를 이용한 파면 해석의 원리가 도시된 개략도

도 4는 종래 다른 파면 측정장치의 개략적인 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 비축 조사에 의한 파면 측정장치의 구성도.

도 6은 본 발명에 따른 파면 측정장치의 파면 해석 원리가 도시된 개략도.

도 7은 본 발명에 따른 파면 측정장치를 이용한 구면수차 측정치가 예시된 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10. 광원 12. 빔 스플리터

13a,13b. 미러 14. 피검렌즈

15. 투과렌즈 16. 콜리메이터 렌즈

17. 센서 17a. 센서면

17b. 마이크로 렌즈 20. 기준 파면

30. 측정 대상 파면

본 발명은 광원의 비축 조사에 의한 파면 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 광원을 통해 조사되는 광이 빔 스플리터를 통해 분할된 한 쌍의 빔이 피검렌즈를 투과하여 파면이 형성되고 상기 피검렌즈 투과 파면이 콜리메이터 렌즈에 의해 평행광의 간섭계로 구성되어 센서면에 조사됨으로써, 한 쌍의 평행광에 의한 파면의 비교 측정에 의해서 렌즈의 정확한 수차가 측정될 수 있도록 한 비축 조사에 의한 파면 측정장치에 관한 것이다.

현재 휴대폰 및 PDA 등과 같은 휴대용 단말기는, 최근 그 기술의 발전과 더불어 단순한 전화기능 뿐만 아니라, 음악, 영화, TV, 게임 등으로 멀티 컨버전스로 사용되고 있으며, 이러한 멀티 컨버전스로의 전개를 이끌어 가는 것 중의 하나로서 카메라 모듈(CAMERA MODULE)이 가장 대표적이라 할 수 있다. 이러한 카메라 모듈은 기존의 30만 화소(VGA급)에서 현재 700만 화소의 고화소 중심으로 변화됨과 동시에 오토포커싱(AF), 광학 줌(OPTICAL ZOOM) 등과 같은 다양한 부가 기능의 구현으로 변화되고 있다.

이와 더불어 기계적인 구성 부재 외에 제품의 경량화와 소형화 및 고화질화를 실현하기 위하여 렌즈의 구경이 점차 작아지면서도 해상력을 향상시키기 위한 렌즈의 개발이 이루어지고 있으며, 이를 위하여 렌즈 제작 시 고정밀의 형상 정확도가 요구되고 있다. 따라서, 렌즈의 형상을 고정밀로 측정하기 위한 홀로그램 및 간섭계를 이용한 파면 측정장치가 속속 개발되고 있으며, 대부분의 렌즈 파면을 측정하는 간섭계 및 파면 수차 측정기는 광축 조사를 기본으로 하고 있다.

도 1은 종래 파면 측정장치의 개략적인 구성도로서, 도시된 바와 같이 종래의 파면 측정장치는 광원(1)을 통해 조사된 시준광(3)이 시준렌즈(2)를 통과하면서 평행광으로 변환되고, 변환된 평행광이 피검렌즈(4)를 거쳐 소정 거리에 배치된 다른 시준렌즈(5)를 통과한 후에 광축에 대하여 수직 설치된 센서(6)에 조사된다.

이때, 상기 센서(6) 상에 맺히는 점 영상의 중심점 위치간의 간격이 광의 파면 왜곡이 전혀 없다면 모두 동일한 값을 가지게 되며, 파면 왜곡이 있으면 상기 중심점 위치간의 간격은 일정하지가 않게 된다. 여기서, 파면 측정은 각 점 영상의 중심점을 추출하여 기준위치에 대한 각 중심점의 이동량을 추출하여 파면의 기울기 정보를 추출한다.

또한, 도 2는 종래의 파면 측정장치를 이용하여 센서면에 획득된 점영상이 개략적으로 도시된 예시도로서, 도시된 바와 같이 각각의 점영상은 중심 픽셀 값이 가장 크고 외곽으로 갈수록 픽셀 강도 값이 부드럽게 작아지는 가우시안 분포를 갖는다.

다음, 도 3은 종래 파면 측정장치를 이용한 파면 해석의 원리가 도시된 개략도로서, 도시된 바와 같이 종래의 파면 측정기는 통상적으로 측정의 기준이 되는 레퍼런스 파면(reference wavefront)(7)과 측정하고자 하는 파면간의 수차를 측정하게 되며, 일반적인 샤크-허트만(Shack-Hartman) 센서를 이용한다.

상기 센서(6)의 마이크로 렌즈(6b)를 기준 파면인 레퍼런스 파면(7)이 통과했을 때 상기 센서면(6a)에 맺히는 점(spot)의 위치와 측정하고자 하는 파면이 마이크로 렌즈(6b)를 통과했을 때의 점의 위치간의 차이(Δdx, Δdy)에 의해서 파면의 해석이 이루어진다. 즉, 도 3에서의 적색 라인(7)으로 표현된 파면이 상기 마이크로 렌즈(6b)를 통과했을 때 맺히는 점 영상 위치간의 차이로 생성되는 청색 라인(8)으로 표현될 수 있으며, 이를 통해 구면 수차나 난 수차 등을 측정할 수 있다.

그러나, 종래 파면 측정기는 결상광학계에서 평행광에 의해서 조사된 상의 가장자리 부분은 피검렌즈 화각의 최대 범위 영역에 조사되는 광에 의해서 생성되기 때문에 광축(on-axis) 조사에 의해서만 상의 특성을 분석하는 데는 한계가 있을 수밖에 없다. 따라서 종래의 방식으로는 비축 조사에 의한 파면 측정 분석은 불가피한 문제점이 지적되고 있다.

이에 따라, 도 4에서와 같이 피검렌즈가 광축에 대하여 소정의 각도로 기울어져 있을 경우에만 렌즈에 대한 비축 조사가 가능한 바, 이 경우에는 상기 피검렌즈의 한 쪽 방향에서만 파면이 측정 가능함으로써, 피검렌즈의 양 방향에 대한 파 면의 차이를 비교할 수 없는 단점이 있다.

또한, 상기 피검렌즈가 광축상에 어느 위치에 셋팅되어 있는지 정확히 알수가 없어서 피검렌즈의 틸트 정도에 따라 다양한 파면 수차가 측정되며, 다수의 피검렌즈가 동일한 틸트를 갖도록 조정할 수가 없기 때문에 측정의 정확도가 떨어지며, 측정시간이 장시간 걸리는 문제점이 제기되고 있다.

따라서, 본 발명은 종래 파면 측정장치에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 비축의 광원을 통해 조사되는 빔이 빔 스플리터를 통해 분할되고 분할된 평행광이 대칭의 미러를 통해 반사되어 피검렌즈에 동시에 투과됨에 따라 한 쌍의 파면이 형성되며, 상기 파면이 콜리메이터 렌즈를 통해 간섭계를 형성하며 센서면에 조사됨으로써, 일 방향의 파면에 대하여 다른 방향의 파면이 비교됨에 따라 피검렌즈의 정확한 수차가 측정될 수 있도록 한 비축 조사에 의한 파면 측정장치가 제공됨에 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 평행 광속의 빔이 발생되는 광원과, 상기 광원에서 조사된 빔을 분할하는 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터에 의해서 분할된 빔이 직각으로 반사되어 전방의 피검렌즈로 동시에 입사되도록 하는 한 쌍의 미러와, 상기 피검렌즈에 투과되면서 형성된 파면이 평행한 한 쌍의 빔에 의한 간섭계가 형성되 도록 하는 콜리메이터 렌즈와, 상기 콜리메이터 렌즈를 통해 형성된 한 쌍의 평행광이 서로 간섭을 일으키며 조사되는 센서를 포함하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치에 의해서 달성되다.

상기 광원은 제이저 빔이 주로 사용되며, 상기 광원의 전방에 배치된 투과렌즈에 관통되면서 평행광이 형성된다. 상기 평행광은 빔 스플리터에 의해서 각기 다른 방향으로 조사되는 한 쌍의 빔으로 분할된다.

상기 빔 스플리터에 의해서 불할된 빔은 반사면이 상호 대향면을 이루도록 대칭 설치된 한 쌍의 미러에 반사되어 상기 미러 전방의 광축 상에 설치된 피검렌즈로 동시에 투과되며, 상기 피검렌즈를 투과한 각각의 빔은 그 전방의 소정 지점에 초점을 맺고 파면이 형성된다.

이때, 상기 피검렌즈를 통해 형성된 파면은 콜리메이터 렌즈를 통해 투과되면서 서로 간섭을 일으키는 한 쌍의 평행광이 되어 상기 콜리메이터 렌즈와 소정의 간격을 두고 배치된 센서면에 조사된다.

상기 콜리메이터 렌즈에 투과된 한 쌍의 평행광 중에서 일방향의 평행광을 기준으로 하여 다른 방향의 평행광이 상대적인 측정 대상이 되며, 피검렌즈의 파면 측정 부위에 따라 측정 기준이 되는 평행광의 위치는 상기와 반대로 지정될 수도 있다.

여기서, 상기 센서면에는 한 쌍의 평행광이 조사되어 중심점에서의 점(spot) 영상이 각각 형성되며, 기준이 되는 파면에 대한 측정 대상의 파면에 의한 중심점의 위치 변화에 의해서 파면 수차의 상대적 평가가 이루어지고, 이때 상기 중심점 의 이동 위치 파악은 상기 콜리메이터 렌즈에 투과되는 양 방향의 평행광이 번갈아 차단됨에 의해서 상기 센서면에 노출되는 중심점의 위치 변화 파악이 가능하다.

본 발명의 비축 조사에 의한 파면 측정장치의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 5는 본 발명에 따른 비축 조사에 의한 파면 측정장치의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 파면 측정장치는 광원(10)을 통해 조사된 빔(11)이 빔 스플리터(12)에 의해서 분할되고, 분할된 빔(11)이 한 쌍의 미러(13a)(13b)에 반사되어 피검렌즈(14)를 동일한 각도로 동시에 투과됨에 의해서 맺히는 초점의 연결로 이루어진 한 쌍의 파면이 형성된다.

상기 한 쌍의 미러(13a)(13b)에 반사되는 빔(11)은 상기 빔 스플리터(12)에 의해서 동일한 각도록 분할되며, 상기 빔 스플리터(12)에 의한 빔(11)의 분할은 광축(X)에서 소정 각도로 벗어난 방향의 광원(10)을 통해 레이져 성분 등의 빔(11)이 조사됨에 의해서 가능하다.

상기 광원(10)에서 조사된 빔(11)은 광원(10) 전방에 위치한 투과렌즈(15)를 관통하면서 분할 가능한 평행광으로 변환되며, 상기 평행광이 빔 스플리터(12)에 도달되면 상기 빔 스플리터(12)는 직진성을 가지고 입사되는 빔(11)을 그 입사 방향 및 입사 각도와 동일한 반사 각도를 가지는 한 쌍의 평행광으로 분할한다.

상기 빔 스플리터(12)에 의해서 분할된 평행광은 그 분할 방향으로 직진하여 빔 스플리터(12) 전방에 설치된 한 쌍의 미러(13a)(13b)를 통해 반사되며, 반사된 평행광은 측정 대상인 피검렌즈(14)에 투과되어 한 쌍의 파면이 형성된다.

이때, 상기 한 쌍의 미러(13a)(13b)는 반사면이 대향면을 이루도록 설치됨에 따라 상기 빔 스플리터(12)를 통해 평행 광속의 일직선으로 진행되는 한 쌍의 평행광을 반사시켜 반사된 평행광이 피검렌즈(14)에 동일한 각도로 입사되도록 한다.

이와 같이, 상기 피검렌즈(14)를 통해 형성된 파면은 피검렌즈(14) 전방의 콜리메이터 렌즈(16)에 투과되면서 발생된 한 쌍의 평행광이 상호 간섭되는 간섭계를 형성하며, 상기 간섭계를 구성하는 한 쌍의 평행광은 서로 간섭을 일으키면서 전방의 센서(17)에 조사된다.

상기 콜리메이터 렌즈(16)는 상기 피검렌즈(14)를 통해 형성된 파면이 그 진행 방향으로 분산되는 평행광이 수용되며 투과될 수 있는 직경으로 구성되며, 상기 콜러메이터 렌즈(16)에 투과된 한 쌍의 평행광은 각각 센서(17)에 겹쳐지는 점 영상으로 조사된다.

이때, 상기 콜리메이터 렌즈(16)에 투과된 한 쌍의 평행광은 그 진행 경로가 교대로 차단되면서, 진행 경로가 차단되지 않은 평행광만이 선택적으로 센서(17)에 조사되도록 함으로써, 상기 센서(17)에 선택적으로 조사되는 평행광의 파면이 그 진행 경로의 차단 대상이 반대의 경우로 하여 조사되는 평행광의 파면에 대한 기준이 될 수 있도록 한다.

즉, 상기 콜리메이터 렌즈(16)를 통해 간섭계를 구성하는 한 쌍의 평행광은 그 진행 경로가 교대로 차단되면서 진행 경로가 차단되지 않은 평행광에 의해 센서(17)에 차례대로 소정 형태의 점 영상이 획득됨으로써, 상기 센서(17)에 획득된 점 영상의 위치 변화에 의해서 동일한 수차가 발생되는지를 상대적으로 평가할 수 있게 된다.

여기서, 상기 콜리메이터 렌즈(16)에 투과된 평행광의 진로가 차단되는 대신에 상기 한 쌍의 미러(13a)(13b)가 플립(flip) 가능한 홀더(도면 미도시)에 장착되어 선택적으로 한 방향 만의 평행광이 투과되도록 할 수도 있을 것이다.

이와 같은 구조의 파면 측정장치는, 비축에서의 광원(10)에 의한 빔이 조사되어 광 분할되는 빔 스플리터(12)의 양면 분할 각도를 조정함에 따라 광축을 중심으로 다양한 각도로 조사되는 빔에 대한 파면 측정이 가능하며, 상기 빔 스플리터(12)를 기준으로 광원(10)의 조사 각도가 변경 가능함으로 인하여 상기 피검렌즈(14)의 화각 범위 내에서의 모든 각도에 대한 파면의 측정이 가능한 기술적 특징이 있다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 파면 측정장치의 파면 해석 원리가 도시된 개략도로서, 도시된 바와 같이 상기 피검렌즈(14)에 투과되어 형성된 파면은 적색의 기준 파면(20)과 청색의 측정 대상 파면(30)으로 구분되어 상기 한 쌍의 파면(20)(30)이 센서의 마이크로렌즈(17b)를 통해 투과됨에 의해서 센서면(17a)에 각각 점(spot) 영상의 획득된다.

상기 기준 파면(20)과 측정 대상 파면(30)은 동일한 피검렌즈(14)를 통해 형성되며, 이때 상기 파면이 형성되기 위하여 상기 피검렌즈(14)에 투과되는 평행광은 그 입사각이 상기 피검렌즈(14)의 중심을 기준으로 서로 대칭을 이루어 입사되도록 셋팅된다. 여기서, 상기 평행광의 입사각 조정은 빔 스플리터(12)와 그 전방 에 설치된 한 쌍의 미러(13a)(13b)의 각도 조절에 의해서 이루어진다.

이와 같이, 상기 피검렌즈(14)에 동일한 대칭 각도로 입사된 평행광이 상기 피검렌즈(14)를 통과했을 때 상기 센서면(17a)에 도달되어 획득되는 파면의 영상, 즉 센서면(17a)을 구성하는 각 픽셀의 중앙부에 형성되는 점(spot)의 영상이 얼마나 일치되는지에 따라서 상기 피검렌즈(14)의 수차 발생 여부를 확인하게 된다.

따라서, 도 3에 도시된 것과 같이 동일한 지점의 파면에서 상기 기준 파면(20)에 의해서 획득되는 점 영상과 측정 대상 파면(30)에서 획득되는 점의 영상이 기록하는 점의 위치의 차를 연결하면 도 3 하단부에 선형화된 실선(40)으로 표현될 수 있으며, 이때 상기 실선(40)은 상기 피검렌즈(14)에 투과된 파면에 의해서 형성되는 간섭계를 구성하는 영역간의 구면 수차의 차를 나타낸다.

즉, 상기 구면 수차의 차를 나타내는 상기 실선(40)은, 도 7a와 도7b에 도시된 바와 같이 동일한 피검렌즈를 투과한 평행광이 선택적으로 차단되면서 조사되어 생성된 영역에서 측정된 구면 수차인 적색 실선을 기준으로 상기 피검렌즈를 투과한 평행광이 반대의 경우로 차단되면서 조사되어 생성된 영역에서 측정된 구면 수차인 적색 점선을 비교하여, 상기 적색 실선과 적색 점선의 차를 나타낸 도 7b의 청색 실선으로 동일한 피검렌즈(14)의 구면수차의 차를 쉽게 표현될 수 있으며, 여기서 상기 피검렌즈(14)의 파면 측정 결과의 청색 실선이 필드 기준선을 중심으로 직선에 가까울수록 양측의 수차 발생이 적은 양호한 상태의 렌즈로 판단된다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 비축 조사에 의한 파면 측정장치는 비축의 광원을 통해 조사되는 빔이 빔 스플리터를 통해 분할되어 피검렌즈에 동시에 투과됨에 따라 형성된 한 쌍의 파면이 콜리메이터 렌즈를 통해 간섭계를 형성하며 센서면에 순차적으로 조사됨으로써, 일 방향의 파면에 대하여 다른 방향의 파면 비교에 의해서 정확한 수차가 측정될 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 간섭계 뿐 만 아니라 파면센서에도 적용 가능하며, 카메라와 같은 결상광학계에서 렌즈 어셈블리를 비롯한 렌즈 단품의 파면 측정이 정확하게 이루어짐으로써 상기 렌즈를 통한 이미지의 동질성 및 균일성 분석이 가능한 장점이 있다.

Claims (8)

1. 평행 광속의 빔이 발생되는 광원;

   상기 광원에서 조사된 빔을 분할하는 빔 스플리터;

   상기 빔 스플리터에 의해서 분할된 빔이 직각으로 반사되어 전방의 피검렌즈로 동시에 입사되도록 하는 한 쌍의 미러;

   상기 피검렌즈에 투과되면서 형성된 파면이 분산 투과되면서 한 쌍의 평행광에 의한 간섭계를 형성하는 콜리메이터 렌즈; 및

   상기 콜리메이터 렌즈를 통해 형성된 한 쌍의 평행광이 서로 간섭을 일으키며 조사되는 센서;

   를 포함하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광원에서 조사된 빔은, 상기 빔 스플리터에 의해서 입사 방향으로 직진하여 상기 빔 스플리터를 투과되는 빔과, 상기 빔 스플리터 투과 빔의 입사각과 동일한 반사각을 갖는 빔으로 분할되는 것을 특징으로 하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 미러는, 상기 빔 스플리터에서 조사되는 빔에 대한 반사면이 상호 대향면을 이루도록 상호 대칭되게 설치된 것을 특징으로 하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 한 쌍의 미러는, 상기 빔 스플리터를 통해 일직선으로 진행되는 한 쌍의 평행광을 반사시켜 반사된 평행광이 피검렌즈에 동일한 각도로 대칭을 이루어 동시에 입사되도록 하는 것을 특징으로 하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 미러는, 선택적으로 한 방향 만의 평행광이 투과되도록 플립(flip) 가능한 홀더에 장착된 것을 특징으로 하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 센서는, 상기 피검렌즈에 투과된 한 쌍의 평행광이 조사되어 상호 간섭되는 점 영상이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 콜리메이터 렌즈는, 상기 피검렌즈에 투과되어 형성된 파면이 그 진행 방향으로 분산되는 평행광을 모두 수용하면서 투과될 수 있는 직경으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 콜리메이터 렌즈를 통해 간섭계를 구성하는 한 쌍의 평행광은, 상기 평행광의 진행 경로가 선택적으로 차단되어 그 진행 경로가 차단되지 않은 평행광이 상기 센서에 교대로 조사되는 것을 특징으로 하는 비축 조사에 의한 파면 측정장치.

Images