KR20000014677A - 렌즈특성 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인라인(In-line) 상태에서 측정이 가능하도록 하고, 광경로가 프리즘 안에서 유지되도록 하여 외부환경에 의한 오차를 줄일 수 있도록 하는 렌즈특성 검사장치( Inspection apparatus for lens characteristics )에 관한 것으로써,

광원으로부터 광을 출사시키는 레이저부; 상기 레이저부에서 출사된 광의 순도를 높여주기 위한 핀홀(pin hole)이 형성되고, 집광렌즈 및 측정렌즈를 지지하는 렌즈홀더부; 상기 렌즈홀더부의 측정렌즈를 광이 통과하여 형성시킨 상을 상하좌우로 반전시키고, 사용자의 조작에 따라 상을 회전시키는 도브프리즘부; 상기 도브프리즘부를 통과한 광을 분할하여 층밀림(lateral shearing) 및 위상천이(phase shifting)에 의한 간섭무늬를 발생시키는 프리즘 드라이브부; 및 상기 프리즘 드라이브부에서 발생된 간섭무늬를 화상정보로 획득하여 측정렌즈의 형상 및 투과파면을 분석하는 카메라부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

렌즈특성 검사장치

본 발명은 렌즈특성 검사장치에 관한 것으로서 특히, 광학계에 적용되는 구면 또는 비구면 렌즈의 특성을 외부 환경에 관계없이 정확하게 검사할 수 있도록 하는 렌즈특성 검사장치에 관한 것이다.

최근, 광학제품의 소형화 및 고품질화 추세에 따라 여러 가지 극한 형태의 광학용 렌즈가 개발되어 제품에 적용되고 있다. 그에 따라 상기의 광학용 렌즈의 특성을 정확히 검사하여야 할 필요성이 있다.

그러나, 현재 단품의 비구면 렌즈의 성능을 주변환경에 관계없이 측정할 수 있는 렌즈특성 검사장치는 존재하지 않고 있는 실정이다, 따라서, 부품의 양산 및 제품의 조립시 샘플링 검사를 하여 종합평가를 하고 있다.

상기와 같은 이유로 인해 제품의 불량이 자주 발생하고, 불량 발생시 문제의 근원을 해결하는데 어려움이 발생하고 있다.

도 1은 종래 기술에 의하여 간섭계(interferometer)를 이용하여 비접촉식으로 구면 렌즈를 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.

도 1에서와 같이, 렌즈의 특성측정을 위하여 광발생부(transmission)와 기준반사면(reference) 사이에 테스트용 렌즈를 배치시킨 후, 상기 광발생부에서 출사된 광이 렌즈, 기준반사면, 렌즈의 경로를 거쳐 상기 광발생부로 입사되면, 그 입사광을 분석하여 렌즈의 형상 및 투과파면의 정도를 분석한다. 이때, 상기 광발생부와 기준반사면은 평면 또는 구면의 형태를 갖는다.

한편, 렌즈가 비구면의 형태를 갖는 경우에는 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이 비구면화된 양으로 인하여 출사광과 입사광 사이에 큰 편차량이 발생하게 되기 때문에 렌즈의 형상과 투과파면을 분석하지 못하게 된다. 따라서, 비구면의 측정은 종래의 기술에서 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이 널렌즈(Null lens)를 사용하여, 비구면에 의해서 변형된 파면을 평면 또는 구면파로 만들어 측정하게 된다. 이때, 상기 널렌즈 또한 컴퓨터를 이용한 복잡한 계산식에 의하여 비구면으로 제작되어야 하며, 이 또한 비구면이기 때문에 정확한 측정의 기준(마스터 렌즈)으로 삼는데 문제점이 있다.

상기와 같이 널렌즈를 사용하는 경우에는 측정하고자 하는 렌즈의 형상에 맞게 널렌즈를 별도로 제작하여야 하는데, 상기 널렌즈가 고가이기 때문에 제품의 생산가격을 상승시키는 문제점이 발생된다.

상기와 같은 이유로 인해 비구면으로 인한 오차를 보정할 수 있는 광학계를 구성하여 측정하도록 하는 방법이 제시되고 있다.

현재, 비구면 렌즈를 간접적으로 측정하기 위해 사용되는 픽업(pick-up) 광학계는, 레이저 다이오드(laser diode), 커버 글라스(cover glass), 콜리메이트 렌즈(collimate lens), 오브젝티브 렌즈(objective lens), 디스크(disc), 미러(mirror) 등을 포함하여 구성된다. 이때, 광학계의 수차가 "0"이 되도록 하기 위하여 렌즈를 비구면을 설계한다.

그런데, 상기와 같은 픽업 광학계를 사용한 비구면의 측정은 , 광경로가 외부로 노출되어 있기 때문에 진동 또는 오염 등과 같은 외부환경의 변화에 민감한 반응을 나타내게 되며, 각 부품의 5개 이상의 요소(factor)를 조정할 조정기능을 갖는 치구의 제작이 불가피하게 된다. 이때, 측정하고자 하는 렌즈의 모델에 따라 각기 다른 구조를 갖도록 제작하여야 하기 때문에 범용 측정기의 구성이 불가능하게 되는 문제점이 발생된다. 또한, 측정하고자 하는 렌즈의 비구면이 갖는 특성에 따라 별도의 고가 비구면 기준렌즈(reference lens)를 제작하여야 하는 문제점이 발생된다.

결국, 종래 기술에 의하여 렌즈특성을 검사하는 경우에는 고가의 마스터 렌즈 제작이 필요하여 생산가격을 상승시키게 되고, 렌즈의 형태 변화에 대응하여 마스터 렌즈 또는 기준렌즈를 다르게 하여야 하기 때문에 장치의 세팅 및 측정을 위한 시간이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.

또한, 픽업 광학계를 이용한 측정시 대부분의 구성이 외부에 노출되기 때문에 주변환경이 측정결과에 영향을 미치게 되어 결과의 정확성을 저하시키는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 마스터 렌즈 없이 비구면 렌즈를 측정할 수 있도록 하는 렌즈특성 검사장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 외부환경에 영향을 받지 않도록 하여 측정결과의 정확성을 향상시킬 수 있는 렌즈특성 검사장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 구면 측정을 설명하기 위한 도면,

도 2는 종래 기술에 의한 비구면 측정을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명에 의한 렌즈특성 검사장치의 구성을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 의한 도브프리즘부의 동작을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 의한 프리즘 드라이브부의 동작을 나타내는 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 베이스(base) 11 : 레이저부(laser)

12 : 미러(mirror) 13 : 렌즈홀더부(lens holder)

14 : 도브프리즘부(dove prism) 15 : 프리즘 드라이브부(prism drive)

16 : 카메라부(camera) 17 : 칼럼(column)

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 광원으로부터 광을 출사시키는 레이저부; 상기 레이저부에서 출사된 광의 순도를 높여주기 위한 핀홀(pin hole)이 형성되고, 집광렌즈 및 측정렌즈를 지지하는 렌즈홀더부; 상기 렌즈홀더부의 측정렌즈를 광이 통과하여 형성시킨 상을 상하좌우로 반전시키고, 사용자의 조작에 따라 상을 회전시키는 도브프리즘부; 상기 도브프리즘부를 통과한 광을 분할하여 층밀림(lateral shearing) 및 위상천이(phase shifting)에 의한 간섭무늬를 발생시키는 프리즘 드라이브부; 및 상기 프리즘 드라이브부에서 발생된 간섭무늬를 화상정보로 획득하여 측정렌즈의 형상 및 투과파면을 분석하는 카메라부를 포함하는 렌즈특성 검사장치를 제공한다.

이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 프리즘 드라이브부는 인덱스 매칭오일(index matching oil)로 접합된 다수의 프리즘으로 구성되어, 하나의 프리즘이 좌우 이동함에 따라 다른 프리즘이 상하 이동함으로써 층밀림 및 위상천이가 구현되어 간섭무늬를 발생시킨다.

이하, 본 발명에 의한 렌즈특성 검사장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 2축 층밀림 간섭계를 이용한 렌즈특성 검사장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 참조번호 10은 시스템을 지지하는 베이스를 나타내고, 11은 광원으로부터 광을 출사시키는 레이저부를 나타내고, 12는 상기 레이저부(11)에서 출사된 광의 경로를 변경시키는 미러를 나타내고, 13은 집광렌즈 및 측정렌즈를 지지하는 렌즈홀더부를 나타낸다. 이때, 상기 렌즈홀더부(13)에는 광의 순도를 높여주기 위한 핀홀(pin hole)이 형성되어 있다.

또한, 참조번호 14는 상기 렌즈홀더부(13)를 광이 통과하여 형성시킨 상을 상하좌우로 반전시키고 사용자의 조작에 따라 상을 회전시키는 도브프리즘부를 나타내고, 15는 상기 도브프리즘부(14)를 통과한 광을 분할하여 층밀림 및 위상천이에 의한 간섭무늬를 발생시키는 프리즘 드라이브부를 나타내고, 16은 상기 프리즘 드라이브부(15)에서 발생된 간섭무늬를 화상정보로 획득하여 측정렌즈의 형상 및 투과파면을 분석하는 CCD 카메라를 나타내고, 17은 상기 프리즘 드라이브부(15)의 위치를 조정하기 위한 칼럼을 나타낸다.

상기에서 도브프리즘부(14)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상을 전후좌우로 반전시키는데, 프리즘을 옆면에 평행한 축을 중심으로 회전시키면 프리즘이 회전하는 각도의 두배로 상이 회전하는 성질을 가지고 있다. 결국, 회전되지 않은 상태(degree 0)에서는 상을 상하좌우로 반전시켜 X축 방향의 파면 기울기 정보를 얻는 기능을 수행한다. 또한, 45도 회전시킨 상태(degree 45)에서는 상을 90도 회전시켜 Y축 방향의 파면 기울기 정보를 얻는 기능을 수행한다.

또한, 상기 프리즘 드라이브부(15)는 도 5에 도시된 바와 같이, 4개의 프리즘(P1,P2,P3,P4)으로 구성되는데, 압전구동기(PZT)의 동작에 의한 제2 프리즘(P2)의 좌우 이동에 따라 제1 프리즘(P1)이 상하 이동되어 위상천이(phase shifting)를 구현한다. 이때, 제3 프리즘(P3)은 기준판에 접합되어 정지된 상태로 유지되며 상대운동의 기준이 된다. 또한, 제4 프리즘(P4)에는 층밀림(lateral shearing)을 조절하기 위한 나사가 부착되어 있다.

상기 각각의 프리즘(P1,P2,P3,P4)은 프리즘의 재료와 동일한 인덱스(index)를 갖는 인덱스 매칭 오일을 이용하여 접합되어 동작시 광학적 오차 발생량이 최소화되도록 한다. 따라서, 각각의 프리즘은 인덱스 매칭 오일의 유체윤활에 의한 미끄러짐으로 상대 이동이 가능하다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 레이저부(11)의 광원으로부터 광을 출사시켜 상기 미러(12)에 의해 렌즈홀더부(13)로 반사되도록 한다. 이때, 상기 광은 핀홀 및 집광렌즈를 통과하면서 구면파를 형성하고, 상기 렌즈홀더부(13)에 고정된 사용자가 측정하고자 하는 측정렌즈로 입사된다. 상기에서 측정렌즈가 완전한 렌즈이면 측정렌즈를 통과한 광의 파면은 평면파를 형성한다. 그러나, 일반 렌즈의 경우는 렌즈에 포함된 수차로 인하여 왜곡되어진다.

상기 왜곡된 파면은 도브프리즘부(14)를 투과하여 프리즘 드라이브부(15)의 제2 프리즘(P2)으로 입사된다. 이때, 제3 프리즘(P3)의 경사면은 광분할 코팅처리가 되어 있기 때문에 일부는 통과시키고 일부는 반사시켜 광을 분할한다.

결국, 제2 프리즘(P2)에 입사된 광은 제3 프리즘(P3)의 광분할 코팅에 의하여 분할되어 제1 프리즘(P1) 및 제4 프리즘(P4)으로 입사된다. 이때, 제4 프리즘(P4)이 아래로 이동하면 프리즘 드라이브부(15)의 출사측에는 층밀림에 의한 간섭무늬가 발생된다.

상기와 같은 동작에 의해 형성된 간섭무늬를 정확히 측정하기 위해서는 광위상 간섭법의 위상천이 기법을 도입하는데, 위상천이 기법을 적용하기 위하여 간섭하는 두 파면 중에 하나를 미세하게 변화시켜야 한다. 이때, 미세한 변화를 위해 압전구동기(piezoelectric modulator : PZT)를 이용하여 제2 프리즘(P2)을 일정한 간격으로 X방향으로 밀어준다.

상기 압전구동기(PZT)의 동작에 따라 제2 프리즘(P2)은 제3 프리즘(P3)의 경사면을 타고 Y방향으로 움직인다. 이때, 제2 프리즘(P2)은 쐐기 작용을 하여 제1 프리즘(P1)을 위로 이동시킨다. 상기 제1 프리즘(P1)을 기구적으로 수직방향으로만 이동이 가능하도록 구속하면, 상기 제1 프리즘(P1)을 통과하는 광경로가 변하면서 위상천이가 발생한다.

측정하고자 하는 측정렌즈의 비대칭성의 올바른 복원 및 평가를 위해서는 2축 층밀림을 구현해야 하는데, 도브프리즘(dove prism)에 의해 구현된다.

상기 도브프리즘부(14)는 상을 전후좌우로 반전시키면서 프리즘의 회전에 따라 상을 회전시키는 성질을 가지고 있기 때문에 2축 층밀림을 구현하기 위해서 프리즘을 45도 회전시킴으로써 간섭계로 들어가는 파면을 90도 회전시킨다. 그에 따라 X축 및 Y축 방향의 파면 기울기 정보를 얻을 수 있게 된다.

상기의 동작에 의해 형성된 간섭무늬를 CCD 카메라(16)에서 획득하고, 상기 도브프리즘부(14)의 동작에 의해 얻어진 기울기 정보를 적분하여 파면을 복원하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 렌즈특성 검사장치는, 프리즘 드라이브부를 4개의 프리즘으로 구성하여 위상천이 동작시 광경로가 프리즘 안에서 유지되도록 하고, 인라인(In-line) 상태에서 측정이 가능하기 때문에 외부환경에 의한 오차를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 압전구동기를 이용하여 제2 프리즘을 이동시키기 때문에 안정된 구동 정밀도를 유지할 수 있으며, 도브프리즘을 이용하여 45도의 회전으로 90도 회전된 상을 얻음으로써 회전동작을 최소화하여 동작의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 프리즘 층밀림 간섭계를 이용하기 때문에 고가의 마스터 렌즈를 제작할 필요가 없게 되고, 렌즈 단품을 측정함으로써 다른 부품과의 연동된 측정시 발생되는 오차를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 측정렌즈 자체의 파면을 층밀림하여 측정된 파면을 복원하기 때문에 유무한 광학계에 무관하게 동시에 측정이 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 광원으로부터 광을 출사시키는 레이저부;

   상기 레이저부에서 출사된 광의 순도를 높여주기 위한 핀홀(pin hole)이 형성되고, 집광렌즈 및 측정렌즈를 지지하는 렌즈홀더부;

   상기 렌즈홀더부의 측정렌즈를 광이 통과하여 형성시킨 상을 상하좌우로 반전시키고, 사용자의 조작에 따라 상을 회전시키는 도브프리즘부;

   상기 도브프리즘부를 통과한 광을 분할하여 층밀림(lateral shearing) 및 위상천이(phase shifting)에 의한 간섭무늬를 발생시키는 프리즘 드라이브부; 및

   상기 프리즘 드라이브부에서 발생된 간섭무늬를 화상정보로 획득하여 측정렌즈의 형상 및 투과파면을 분석하는 카메라부를 포함하는 것을 특징으로 하는 렌즈특성 검사장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 프리즘 드라이브부는 인덱스 매칭오일(index matching oil)로 접합된 다수의 프리즘으로 구성되어, 하나의 프리즘이 좌우 이동함에 따라 다른 프리즘이 상하 이동함으로써 층밀림 및 위상천이가 구현되어 간섭무늬를 발생시키는 것을 특징으로 하는 렌즈특성 검사장치.