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KR100355026B1 - 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계 - Google Patents

오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭계를 사용하여 반사경 또는 렌즈 곡면의 형상을 광학적 비접촉식으로 측정하는 널 렌즈 광학계에 관한 것으로서, 특히 광선을 입사 받는 면을 평면으로 함으로써 용이한 제작 및 쌍곡면 형상 측정시 광학계의 용이한 정렬을 가능하게 하는 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계에 관한 것이다.
본 발명인 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계는 상기 간섭계로부터 나오는 평행 광선이 입사되는 결상 렌즈와; 상기 결상 렌즈의 상이 입사되어 측정 대상 쌍곡면에 맺히게 하는 필드 렌즈로 구성되며, 상세하게는 상기 결상 렌즈가 상기 평행 광선이 입사하는 면은 평면이고, 상기 면의 반대면은 볼록한 구면으로 구성되고, 상기 결상 렌즈의 상이 입사하는 상기 필드 렌즈의 면은 오목한 구면이고, 상기 면의 반대면은 볼록한 구면으로 구성된다. 본 발명은 쌍곡면 형상 측정시 광학계의 정렬을 용이하게 하며, 상기 결상 렌즈의 두께에 무관한 성능을 지닌 널 렌즈 광학계를 제공한다.

Description

오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계{NULL LENS OPTICAL SYSTEM FOR TESTING A SURFACE OF A CONCAVE MIRROR WITH A HYPERBOLOID}
본 발명은 간섭계를 사용하여 반사경 또는 렌즈 곡면의 형상을 광학적 비접촉식으로 측정하는 널 렌즈 광학계에 관한 것으로서, 특히 광선을 입사 받는 면을 평면으로 함으로써 용이한 제작 및 쌍곡면 형상 측정시 광학계의 용이한 정렬을 가능하게 하는 오목 쌍곡면 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. 상기 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 도 1b와 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 광선은 시험 비구면에서 두 번 반사하므로 측정감도는 2 배로 높아지나 기준되는 평면의 크기가 측정 비구면보다 커야하는 단점이 있다.
도 2a는 상기 자동 무비점 방법을 적용한 종래 기술인 오프너(Offner) 방식 널 렌즈 광학계를 도시한다. 상기에서는 유한 물점(파면의 형태가 구면)을 가지는 입사광선을 사용한다. 상기 오프너 널 렌즈에서 점광원(205)은 결상 렌즈(200)를 통해 필드(field) 렌즈(201)의 중심에 상을 맺는다. 상기 필드 렌즈(201)는 측정 비구면(202)의 곡률 중심에 놓이며 앞에 있는 상기 결상 렌즈(200)의 상을 상기 측정 비구면(202)의 위치에 맺히도록 한다. 따라서, 상기 측정 비구면(202)에서의 광파면은 결상 렌즈(200)의 구면수차로 이루어진 파면이다. 즉, 결상 렌즈(200)의 구면수차가 만드는 광파면이 측정 비구면의 곡면 형상과 일치하도록 설계하는 것이며 상기 필드 렌즈(201)는 고차항의 수차를 보정해 주는 역할을 한다. 또한, 오프너 널 렌즈에서 점광원(205)으로부터 나온 광선(204)은 필드 렌즈 중심에 모였다가 다시 발산한다. 따라서, 상기 널 렌즈 설계시에는 점광원의 가장자리 광선이 측정 비구면(202)의 측정 영역에 도달할 수 있도록 입사광의 수치구경(numerical aperture)을 조정해야 한다. 그러나, 실질적으로 유한물점을 갖고 입사광의 수치구경을 조종하면서 상기 오프너 널 렌즈 광학계를 설계하는 것은 용이하지 않다. 이보다는 앞에 결상 렌즈를 놓고 배율 1 또는 -1인 무초점 광학계를 설계하는 편이 용이하다. 상기 오프너 널 렌즈 광학계의 설계는 광축상의 광을 기준으로 비구면의 유효구경 영역에 대하여 상대적 광로차가 널이 되도록 만드는 광학계이다. 따라서, 결상 렌즈로서는 일반 렌즈보다는 포물면을 사용하는 것이 수차 및 상대적 광로차가 없는 점광원을 만드는 방법이다. 측정 광학계에서 기준이 되는 광파장은 He-Ne 레이저의 633nm이다.
도 2b는 변형된 오프너 널 렌즈를 도시한 것으로서, 상기 도 2a의 오프너 널 렌즈가 측정 쌍곡면의 곡면형상에 해당하는 광파면을 직경 548mm의 유효구경에 대하여 만들어주지 못한 것을 개선한 것이다. 즉. 널 렌즈를 통과한 광파면이 이상적인 쌍곡면의 형상과 일치하도록 환형 거울(216)의 중심을 상기 필드 렌즈(211)의 중심에 위치시킨 것이다. 그러나 상기 변형된 오프너 널 렌즈 광학계에서는 상기 환형 거울(216)로 인하여 쌍곡면의 중앙부위는 측정할 수 없다.
도 2c는 종래 기술에 따른 유니버설(universal) 타입 널 렌즈 광학계를 도시한 것으로서, 볼록 렌즈(220)와 오목 렌즈(221)의 쌍으로 구성된다. 상기 두 렌즈가 가까워 조립이 비교적 쉬운 장점이 있고, 도 2a의 오프너 널 렌즈에서 상기 결상 렌즈(200)가 대다수 구면 수차를 발생함으로써 쌍곡면 형상을 만들고, 상기 필드 렌즈(201)가 고차항의 수차를 발생하는 것과는 달리 상기 두 렌즈의 조합으로 쌍곡면의 형상에 해당하는 구면수차를 만들어 냄으로써 렌즈 각면 및 거리의 공차가 작을 가능성이 있는 광학계이다. 그러나, 실제 광학계 민감도 조사 결과에 따르면, 제작공차가 작아 제작이 쉽지 않다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 광학 성능을 유지하면서 제작이 용이한 널 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 쌍곡면 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 2a는 종래 기술인 오프너(Offner) 방법으로 특정 쌍곡면을 측정하기 위하여 설계한 널 렌즈 광학계의 단면도.
도 2b는 도 2a의 오프너 방법을 변형하여 특정 쌍곡면을 측정하기 위하여 설계한 널 렌즈 광학계의 단면도.
도 2c는 종래 기술에 따른 유니버설(Universal) 타입으로 특정 쌍곡면을 측정하기 위하여 설계한 널 렌즈 광학계의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계의 단면도.
도 4a는 도 3의 본 발명에 따른 널 렌즈 광학계를 사용하여 오목 쌍곡면 거울 형상을 측정할 때의 광학적 배치도.
도 4b는 도 4a의 일실시예의 단면도.
도 5는 도 2b의 변형된 오프너 널 렌즈 광학계의 광로차 그래프.
도 6은 도 2c의 유니버설 타입 널 렌즈 광학계의 광로차 그래프.
도 7은 도 4b의 광학계의 광로차 그래프.
본 발명은 간섭계를 사용하여 오목 쌍곡면의 곡면 형상을 광학적 비접촉식으로 측정하기 위한 널 렌즈 광학계로서, 상기 간섭계로부터 나오는 평행 광선이 입사되는 결상 렌즈와; 상기 결상 렌즈의 상이 입사되어 측정 대상 쌍곡면에 맺히게 하는 필드 렌즈를 포함하고, 상기 결상 렌즈의 초점이 상기 필드 렌즈의 앞에 맺히도록 상기 필드 렌즈를 위치시키며, 상기 측정 대상 쌍곡면에서 반사된 평행 광선은 다시 상기 필드 렌즈와 결상 렌즈를 통과하여 상기 간섭계로 되돌아가도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 결상 렌즈가 상기 평행 광선이 입사하는 면은 평면이고, 상기 필드 렌즈와 대향하는 면은 볼록한 구면으로 구성되고, 상기 결상 렌즈와 대향하는 상기 필드 렌즈의 면은 오목한 구면이고, 상기 면의 반대 면은 볼록한 구면으로 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계의 단면도를 도시한 것으로서, 자세하게는 상기 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계는 광선이 입사되는 면은 평면이고 상기 면의 반대 면은 볼록한 구면인 결상 렌즈(30)와; 상기 결상 렌즈(30)의 상이 입사되는 면은 오목한 구면이고, 상기 면의 반대 면은 볼록한 구면인 필드 렌즈(31)로 구성된다. 또한 상기 결상 렌즈(30)의 광축(32)과 상기 필드 렌즈(31)의 광축(32)이 일치하도록 상기 두 렌즈를 정렬하여야 하며, 실제 사용할 경우에는 정밀하게 정렬되도록 마운트로 고정해야 한다.
도 4a는 도 3의 널 렌즈를 사용하여 오목 쌍곡면 거울 형상을 측정할 때의 광학적 배치도를 도시한 것으로서, 자세하게는 평행 광선(45)을 발생시키는 간섭계(44)와; 상기 간섭계(44)로부터의 상기 평면 광선 (45)을 입사 받는 결상 렌즈(40)와; 상기 결상 렌즈(40)의 상을 입사 받는 필드 렌즈(41)와; 측정 대상 쌍곡면(43)으로 구성된다. 상기 간섭계(44)에서 생성된 평행 광선(45)(일반적으로 HE-NE 레이저 광선을 사용)은 상기 결상 렌즈(40)를 통과하여 상기 필드 렌즈(41) 앞에서 초점이 맺히고, 상기 필드 렌즈(41)를 통과한 상기 평행 광선(45)의 파면은 상기 쌍곡면(43)이 완전할 경우 상기 쌍곡면(43)과 일치하게 된다. 상기 쌍곡면(43)에서 반사된 평행 광선(45)은 다시 상기 필드 렌즈(41)와 상기 결상 렌즈(40)를 통과하여 간섭계로 들어가게 된다.
만약 상기 쌍곡면(43)이 완전하다면, 간섭무늬가 생기지 않거나 평행한 간섭무늬가 생기며, 만약 상기 쌍곡면(43)이 완전하지 않으면, 형상이 잘못된 부분의간섭무늬가 균일하지 않게 된다. 그럼으로써 상기 쌍곡면(43)의 어느 부분이 어느 정도 잘못 가공되어 있는지를 알 수 있다. 상기 널 렌즈 광학계는 평행 광선을 완전한 쌍곡면 형태의 파면으로 만들어 준다.
도 4b는 도 4a의 일실시예를 도시한 것으로서, 특정 오목 쌍곡면을 측정하기 위하여 널 렌즈 광학계를 설계한 것이다.
구 경 곡률 반경 원추 계수
560mm 3056.65mm -1.59658
항 목 설 계 값
결상 렌즈(40) 좌측면 곡률 반경 ∞(평면)
우측면 곡률 반경 -152.1mm
렌즈 두께 9.77mm
구 경 71mm
굴 절 률 1.5871
필드 렌즈(41) 좌측면 곡률 반경 -19.920mm
우측면 곡률 반경 -23.317mm
렌즈 두께 14.89mm
구 경 21mm
굴 절 률 1.45702
결상 렌즈(40)와 필드 렌즈(41)간의 거리(d1) 266.927mm
필드 렌즈(41)와 측정 대상 쌍곡면(43)간의 거리(d2) 3031.445mm
표1은 측정 대상 쌍곡면(43)의 사양이고, 표2는 상기 쌍곡면의 사양에 따른 본 발명에 따른 널 렌즈의 설계 결과를 나타낸다. 즉, 측정 대상 쌍곡면(43)의 사양에 따라 본 발명은 상기 결상 렌즈(40)와, 상기 필드 렌즈(41)의 곡률 반경, 렌즈 두께, 구경, 굴절률 및 상기 결상 렌즈(40)와 상기 필드 렌즈간의 거리(d1)와 상기 필드 렌즈(41)와 상기 측정 대상 쌍곡면(43)간의 거리(d2)가 변화됨을 나타내고 있다.
도 5 내지 7은 도 2b의 변형된 오프너 널 렌즈 광학계, 도 2c의 유니버설 타입 널 렌즈 광학계 및 도 4b인 본 발명에 따른 널 렌즈 광학계의 광로차 그래프를 도시한다. 상기 광로차는 간섭계에서 출발한 광선의 파면과, 상기 널 렌즈 광학계를 통과하고, 완전한 쌍곡면에서 반사되어 다시 상기 널 렌즈 광학계를 통과하여 온 광선의 파면과의 광로차를 의미한다. 도 7에 의하면 광로차가이하로 널 렌즈의 성능이 우수함을 알 수 있다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 널 렌즈 광학계에 포함되는 결상 렌즈의 입사광쪽 렌즈 면이 평면으로서 두께 변화에 무관하며, 렌즈 편심도 양면 렌즈에 비해 우수하므로 렌즈 제작이 용이한 효과가 있다. 또한, 결상 렌즈와 필드 렌즈의 곡률 반경, 두께, 구경, 굴절률, 두 렌즈간의 거리 및 필드 렌즈와 측정 대상 쌍곡면간의 거리는 측정 대상 쌍곡면의 구경, 곡률 반경 및 원추계수의 값에 따라 정할 수 있는 효과가 있다. 표3과 4는 상대적인 평가를 위해 광로차의 변화에 따른 렌즈 면 및 두께의 변화량을 도시한다.
구 분 곡률반경(mm) 렌즈 두께(mm)
볼록 렌즈(220) 좌 측 면 252.07 ±0.073 6.09 ±0.8
우 측 면 - 199.25 ±0.045
오목 렌즈(221) 좌 측 면 -19.85 ±0.01 15.156 ±0.017
우 측 면 -25.18 ±0.01
구 분 곡률 반경(mm) 렌즈 두께(mm)
결상 렌즈(40) 좌 측 면 10 이상
우 측 면 -150.72 ±0.025
필드 렌즈(41) 좌 측 면 -21.68 ±0.075 15.2 ±0.029
우 측 면 -25.05 ±0.037
표3은 도 2c의 유니버설 타입 널 렌즈 광학계의 널 렌즈 설계 결과이고, 표4는 본 발명에 따른 널 렌즈 광학계의 널 렌즈 설계 결과를 나타낸다. 상대적으로 민감도를 비교하면, 렌즈 곡률 및 두께 공차가 유니버설 타입 널 렌즈 광학계에 비해 2배정도 좋아지며, 따라서 본 발명은 상대적으로 제작을 용이하게 하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 간섭계를 사용하여 오목 쌍곡면의 곡면 형상을 광학적 비접촉식으로 측정하기 위한 널 렌즈 광학계에 있어서,
    상기 간섭계로부터 나오는 평행 광선이 입사되는 결상 렌즈와;
    상기 결상 렌즈의 상이 입사되어 측정 대상 쌍곡면에 맺히게 하는 필드 렌즈를 포함하고, 상기 결상 렌즈의 초점이 상기 필드 렌즈의 앞에 맺히도록 상기 필드 렌즈를 위치시키며, 상기 측정 대상 쌍곡면에서 반사된 평행 광선은 다시 상기 필드 렌즈와 결상 렌즈를 통과하여 상기 간섭계로 되돌아가도록 하는 것을 특징으로 하는 오목 쌍곡면 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결상 렌즈가 상기 평행 광선이 입사하는 면은 평면이고, 상기 필드 렌즈와 대향하는 면은 볼록한 구면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결상 렌즈와 대향하는 상기 필드 렌즈의 면은 오목한 구면이고, 상기 측정 대상 쌍곡면과 대향하는 상기 필드 렌즈의 나머지 면은 볼록한 구면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결상 렌즈와 상기 필드 렌즈의 중심이 광축과 일치하는 것을 특징으로하는 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈가 상기 측정 대상 쌍곡면의 곡률 중심 부근에 위치하는 것을 특징으로 하는 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광학계가 상기 필드 렌즈의 두께의 영향을 받지 않는 것을 특징으로 하는 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 결상 렌즈와 상기 필드 렌즈의 곡률 반경, 두께, 구경, 굴절률 및 상기 결상 렌즈와 상기 필드 렌즈간의 거리 및 상기 필드 렌즈와 상기 측정 대상 쌍곡면간의 거리는 상기 측정 대상 쌍곡면의 구경, 곡률 반경 및 원추계수의 값에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 오목 쌍곡면 거울 형상 측정용 널 렌즈 광학계.
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