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기술자료

비구면의 설계/제작/평가 및 응용 1

  • 날짜 2012.09.12 11:49 조회 3,075

아래 글은 프로옵틱스의 연구소장인 정진호 박사님의 2001년 강의 자료입니다.
인터넷을 통해 구했으며 글의 저작권은 정진호 박사님께 있습니다.

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제 Ⅰ 장 개요
  제 1 절 서론
  제 2 절 가공 기술
  제 3 절 측정 방법
  제 4 절 결론


제Ⅰ 장  개 요
 비구면 광학소자의 생산기술과 측정기술은 현대의 첨단기술로 부각되고 있다. 비구면으로 구성된 광학계는 넓은 시야와 고성능, 양질의 상을 얻을 수 있고, 또한 소형, 경량화 시킬 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 비구면 소자의 급증하는 필요성에 부응하여 비구면 가공 기술과 측정 기술에 대한 현황을 소개하여 보았다. 새로운 생산기술이 많이 소개되어 있으나 대부분의 핵심기술은 개발자의 비밀로 유지되고 있는 반면에 측정 기술은 업계에 널리 반영되어 있다. 비구면 생산 기술과 측정 및 평가 기술은 공히 끊임없이 발전하고 있음을 밝혀둔다.

제 1 절 서 론
1. 비구면의 발전 동향
- Rene Decartes가 1638년에 구면 수차(spherical aberration)를 완전히 제거한
렌즈의 기하학적 조립 방법을 발표
- 1663년에 James Gregory는 원추 곡면(Conic Sections)이 구면수차를 보정할 수
있다는 것을 발표하였다.
- 1671년에 Newton은 렌즈의 색수차(Chromatic aberration) 문제를 제거하기 위하여 반사경을 이용한 Telescope를 제작 발표하였고,
- 1732년에 Short가 포물면 거울을 손으로 만들어 타원면 거울과 합하여 반사형 망원경을 제작하여 이 망원경의 이름을 상술한 Gregory의 이름을 따서 “Gregory Telescope”라 칭하였다.
- 1990년대를 전후하여 Carl Zeiss는 비구면 system에 대한 많은 발명을 하였고 생산 방법에 대한 연구도 많이 하였다.
- 정밀도가 높은 Camera 렌즈의 제작이 가능한 기계는 1960년도에 가능하게 되었다.
- 근대에 와서는 새로운 광원으로 LASER가 개발되고 광학기술과 전자공학, 정밀기계공학과의 결합이 불가결하게 됨에 따라서 비구면 렌즈의 가공 기술도 크게 발전하고 있다. 또한, 전자 계산기의 개발과 더불어 복잡한 광학 system의 계산이 가능해 졌을 뿐 아니라 초정밀 가공 기술이나 초정밀 측정 기술 등의 핵심기술이 급속히 진보되어 고 정밀 비구면 렌즈가 대량으로 생산되고 제품화되는 상황이 일어나고 있어 종래의 구면 렌즈만을 주로 사용하였던 많은 단점과 불편함이 점차 해소되어 가고 있다.
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[ 황우성, 비구면 가공 및 측정 기술 현황, 물리학과 첨단기술 22 ( 1992. 9 )]
[ 황우성, 정진호 , 비구면 가공 및 평가방법 : 현황 , 물리학회 광학분과 워크샵 (1992. 8.)]

- 최근 Kodak사는
  = 1982년 Disk Camera에 비구면 사출 렌즈를 사용한 것을 기점으로 
  = 1984년에는 CD pick-up용 렌즈가 비구면으로 사용되고,
  = 1985년 12월의 생산량을 CD용 렌즈만 월 60만개에 이르게 되는 등 비구면 렌즈의 단가가 구면렌즈의 3~4배가 되는 시점에 가면 구면 렌즈의 광학계는 거의 비구면으로 대치될 것으로 확신하여도 무리는 아니다.

2. 비구면의 장점
- 비구면 렌즈를 사용하면 구면렌즈에 비하여 다음과 같은 많은 장점이 있다.
  ① 구면으로는 해결하기 어려운 상의 질을 저해하는 고질적인 요인(구면수차, Astigmatism, Distortion 등)을 극소화 내지는 보다 쉽게 제거하여 선명하고 넓은 시야의 영상을 얻을 수 있다.
   = 예를 들면, Distortion을 완전히 제거한 대단히 넓은 시야의 대물렌즈, Flat-field를 갖는 넓은 시야의 대안렌즈, 고도수의 안경렌즈 등의 광학계제작에 비구면을 사용할 수 있다.
  ② 광학계를 소형화, 경량화시킬 수 있다.
   = 즉, 구면 렌즈와 거의 동일한 수준의 성능을 유지한다면 비구면 1면을 사용할 경우 통상 구면렌즈 4~5면 정도의 효과를 가질 수 있다.
   = 예를 들면, Minolta사에서는 camera용 교환렌즈(f : 35~105mm)에 비구면 1매를 사용함으로써 렌즈의 매수(14매->12매) 길이(87mm~59.5mm), 무게(495g~290g)등이 대폭 감소되었음을 보여주었다.
  ③ 결과적으로 생산단가 인하에도 중요한 요인으로 부각되고 있다.
  ④ 설계자유도의 증가
 광학계 설계를 위한 설계변수가 많아져서 고성능을 실현할 수 있게 된다.
 구면 
 비구면
구면 1면의 설계변수 : c
비구면 1면의 설계변수 : c, k, a4, a6, a8, a10, ...

 


3. 비구면 사용을 저해하는 요인
  ① 비구면은 가공기술이 미숙하고
  ② 평가하기도 어려워 가공 정밀도가 낮음
  ③ 1개씩 작업(1개의 대칭축) => 작업시간이 오래 걸리고
  ④ 고정밀 비구면은 고가의 생산 및 측정장비를 사용하여야 하므로 생산 가격이 많이 드는데 반하여, 구면렌즈는 낮은 단가로 고품질의 생산을 할 수 있기 때문이다.
  ⑤ 특정목적에만 사용
  저품질 plastic 비구면(집광용, view finder등)렌즈, 군사용, 연구용, 고품질 유리구면

4. 비구면의 용도
   표 I에서 보이는 바와 같이 저정밀도에서 고정밀도에 이르기까지 비구면은 다양하게 사용되고 있다. 물론 이와 같이 비구면의 필요성이 증대함에 따라 비구면기술의 발달과 더불어 새로이 해결해야 할 과제가 끊임없이 제기되고 있다


비구면렌즈
초고정도
고정도
형상정도
<0.1㎛
0.1~0.2㎛
<1㎛
(Newton 3본)
1~2㎛
(Newton 5본)
재질
Glass
Plastic
Glass
Plastic
용도
-광 Pick-up용
-Video Disk용
-광Disk용 Memory
-Read용 대물렌즈
-Writing용 대물렌즈
-Compact Disk용
-Video Camera용
-Digital Camera용
-SLR용 교환렌즈
-Lens Shutter용
 Camera 렌즈
-Camera용 Finder
-Instant Camera용
-Autofocusing용
  測距렌즈


비구면렌즈
중정도
저정도
형상정도
<2㎛
2~5㎛
1~10㎛
6~100㎛
재질
Glass
Plastic
Glass
Plastic
용도
-쌍안경용 대물렌즈
-접안렌즈
-Projection TV용
-저가용 쌍안경
-Projection TV용
 광학계 일부
-일회용 카메라
-안경 렌즈
-광원용 Condensor
  Lens
-조명용 렌즈
-안경 렌즈
-장난감 렌즈
표 . 용도별로 본 비구면 렌즈

 

제 2 절 가공 기술
1. 비구면의 형태
      회전대칭 : 포물, 쌍곡, 타원, 고차비구면
      축대칭 : 실린더, 토릭 등
      기타   : 자유비구면, 비축포물

2. 종래의 광학용 비구면 제작법
  종래의 비구면 제작 방법은 대략 다음의 4가지로 구분할 수 있다.
  ① 변형 가공법 : 구면으로 polishing한 유리를 가열한 후 압력을 가하여 비구면으
     로 변형시킨다.
  ② 부가 가공법 : 연마된 유리의 표면에 다른 물질(ZnS나 Al 등)을 증착시켜
     수 마이크론 정도의 증착 막의 두께를 Mask로 변화시켜 비구면을 제작한다.
  ③ 제거 가공법(연마법) : 가장 일반적이고 오래된 방법으로 Lapping에 의해 거칠게
     가공한 후 Polishing으로 마무리하는 시행착오식 작업이다. 이 방법은 가공 능률
     이 떨어지고 숙련된 기능을 요하는 수작업, 고정밀의 비구면을 제작할 수 있다.
  ④ 모방 연마법 : 비구면 단면 형상의 회전 Drum이나 Cam에 의해 제작하는 방법.

3. 최근의 광학용 비구면 제작법
-  광 정보기기의 발달에 따라
    ① 비구면 광학소자의 필요성이 증대함과 더불어
    ② 가공, 계측, 제어 등 제반기술의 발달에 따른 공작기계의 정밀도가 향상됨
    ③ 비구면 가공 방법도 많은 변화가 일어나게 되었다.
-  제작 방법은 크게 연마법, 절삭법. 사출법, 복합법 등으로 구분되며
-  Diamond Turning법으로 의하여 금형을 정밀하게 가공하고 이것을 사용하여
   Plastic 및 유리를 사출 성형하여 비구면을 제작하는 방법이 널리 쓰이고 있으며,
-  최근에는 사용 가능한 Plastic 및 유리의 재질의 수가 상당히 증가하고 있다.
-  이러한 기술의 확립에 의하여 그다지 높은 정밀도를 요가지 않는 Projector 렌즈나
    CD나 VD의 Pick-up Lens에 사용되는 비구면 소자는 제작이 용이하게 되었으나
-  비교적 구경이 크면서 상당히 고정밀도가 요구되는 천체 망원경이나 우주로부터의
    Romote Sensing 용 촬상계에 사용되는 비구면 광학소자 등은 연마 Pad의 크기
    및 위치, 회전 속도를 컴퓨터로 제어하여 엄격하게 simulation하여 제어하여 고정
    밀의 비구면을 얻는 방법을 사용하고 있다.
-  이외에 유리를 구면으로 연마한 후 자외선 경화 수지를 입혀서 비구면을 만드는
   방법으로 제작된 렌즈는 1984년 이후 일부의 카메라 교환 렌즈에 사용되고 있다.

  1) 연마법
- Cylindrical 면이나 Toric 면등은 기존의 구면 연마 방법을 변형하여 가공하고 있다.
- 대구경 렌즈의 정밀 가공에 사용되는 small tool 연마법을 소개하면,
  = 최근 미국의 Perkin Elmer사의 R. A. Jones에 의해 개발된 이 방법은
    * 주축의 주위를 보조축이 회정하고 그 보조축에는 2개의 연마 Pad가 부착
    * 연마 Pad의 중심축의 경로에 따라 연마 특성의 convolution으로 주어지는데,
    * 연마량을 연마의 특성과 연마시간에 복합적으로 관계된다.
  = 1989년 오사까工業의 川井誠一은
    * Jones의 방법에 컴퓨터를 이용한 simulation을 추가하여
    * small tool의 주축과 보조축의 회전 속도를 독립적으로 제어하는 구조로 변형
    * 정밀도와 생산성을 향상시키기도 하였다.

그림 . Small tool 연마 pad의 자전과 공전
   

 

  2) 절삭법
-  Ion 부식법 : 비구면 형상에 가깝게 황삭가공(Smoothing)한 후 Ion Beam을 사용하여 최종 Polishing
-  가장 널리 쓰이는 방법으로 Diamond를 이용한 초정밀 절삭가공 기술의 기반 위에
컴퓨터 등에 의한 2축 이상의 정밀 위치 제어가 더하여져 완성되는 SPDT(Single Point Diamond Turning) 방법이 있다.
 - 이러한 가공을 위하여 Spindle의 회전 속도, Slide 기구의 진원도, 진동 제거, 다이야몬드 공구 등 여러 가지 특성을 충분히 고려하여야 한다.
- 1966년 미국의 Union Carbide사에서 직경 100mm의 알루미늄 합금 반구를 0.6㎛의 공차로 절삭할 수 있는 기계가 개발되었고,
- 1967년에는 California 대학의 Bryan에 의해 직경 150mm 알루미늄이나 황동제의 원판을 가공하여 평면도 0.25㎛, 표면 조도 10nm를 얻었다.
- 그 후 Moore Special Tool사, Pneumo Precision사 등에서 전문적으로 기계를 제작하기 시작하였고 비구면 가공기로 발전시겼다.
- 한편, 유럽에서는 1969년 Philips, CUPE, 일본에서는 豊田 기계, 日立 정밀,
  不二越, 東芝 기계, 理硏 철강 등에서 가공기를 제작하고 있다.
- 이러한 초정밀 다이아몬드 절삭 가공 방법은
  ① 가공 재료의 특성,
  ② Diamond 공구의 날끝 구조
  ③ Spindle의 회전속도,
  ④ 압력 및 구동 선택,
  ⑤ Slide 기구의 직선성과 강성 및 구동 특성,
  ⑥ 가공 조건, 가공 환경, 가공 단가 등의 많은 변수를 종합적으로 고려해야 한다.
- 특히, 측정면에서는
  ① nanometer에 달하는 Roughness,
  ② 0.01㎛ 정밀도의 운동제어,
  ③ 가공 부품 형상 정도,
  ④ 반사율 등의 정량적 측정법의 확립,
  ⑤ 절삭 가공면의 변형, 잔류 응력 등의 분석,
  ⑥ 절삭 중의 절삭 저항과 절삭 온도에 관한 Data 축척,
  ⑦ 가공표면, 면조도, 평면 등의 개념 확립과 회전 운동, 직진도 등의 개념이 정립되어야 한다.

  3) 사출법(성형에 의한 가공):
- 성형에 의한 Lens 가공은 Molding이 가능한 Lens 재질에 제한이 있지만, 점차 많은 괌학재질로 확대되어가고 있다.
- 비구면 Mold의 성형을 위해서는
  ① 금형가공기술의 확립,
  ② 금형용 박막기술 확립,
  ③ 성형법 확립,
  ④ 비구면 설계 평가 기술 확립 등이 필요하며
  ⑤ 특히 초정밀 금형가공 정밀도와 표면성능 및 형상 박막재질의 검토 및 열적 화학적 반응(Lens 재질과의 융착성) 등 각각의 문제와 상호관계를 충분히 파악하여 각각의 요소기술이 생산기술에서 반영되도록 하여야 한다. 

그림 . 성형 유리의 종류

 


  3-1) Glass Mold Lens
- 종래의 비구면 렌즈 성형을 낮은 정밀도를 갖는 부품을 중심으로한 Plastic Lens가 주류을 이루었지만,
- 최근에는 Glass Mold Lens가 고정밀도 광학부품을 중심으로 보급되고 있다. Glass Mold에 있어서는 재질에 따른 성형기술의 확립이 중요한 과제이다. 고정밀도 Mold를
사용하면 성형공정만으로 Lens가 만들어지기 때문에 제조시간이 다른 방법보다 현저하게 줄어든다.
- Glass 성형의 특징은 금형만 만들어지면 성형에 의해 비구면 Lens를 고도의 재현성을 갖고 만들 수 있다는 점이며
- 비구면 금형을 초고정밀도를 가공하는 것이 대단한 난이도를 갖는 기술로써 현재 Glass Molding 기술의 관건이 되고 있다.
- 종래의 금형 가공 공정은
  ① 정밀 NC Milling 등으로 연삭 가공을 하여 근사적으로 비구면 형상을 얻고,
  ② Smoothing에 의해 형상 정도 및 표면조도를 단계적으로 향상시킨 다음
  ③ Polishing 가공을 행하여 비구면 금형을 제작하였다.
- 그러나, 이와 같은 방법에는
  ① 형상 정도가 2~3㎛에 지나지 못하여,
  ② Smoothing 가공의 형상 오차가 크기 때문에
  ③ 부분적인 연마를 필요로 하는 문제점 등을 포함하여 있다.
- 최근에는
  ① 형상 정도를 높은 연삭 가공으로 비구면 형상(±0.1㎛ 이하)을 가공한 후
  ② Polishing에서 제거량을 0.01㎛ 이내로 하여 연삭 형상을 유지하면서 표면 조도를 향상시키는 가공법이 실현되고 있다.
- 성형 Glass Lens에 요구되는 가공 조건으로는
  ① 금형 표면과 융착 반응이 일어나지 않는 Glass 조성,
  ② 형상의 고정밀도화(0.1㎛ 정도)를 실현하기 위한 점도특성(108~1013poise),
  ③ 표면조도(100Å 이내)를 얻기 위한 점탄성을 들 수 있으며
- 그림 2에 성형 Glass 재질로 많이 쓰이는 초자 종류를 보였다.

  3-2) Plastic Lens
- Plastic 재질을 이용한 성형 Lens는
  ① 재질에 따른 경량화,
  ② 높은 양산성에 의한 가격인하,
  ③ 높은 가공성을
  ④ 내충격성을
갖는 장점이 있으나,
- ① 투명한 Plastic 재료의 제한으로 비구면 설계의 자유도가 줄어들고,
  ② Plastic 재질의 물리, 화학적 물성이 불안정
  ③ 표면경도가 낮아 흠집이 나기 쉽다
  ④ 습도의 영향을 받기 쉽다.
  ⑤ 비교적 내구성이 약하다.
- 따라서 Plastic 렌즈는 주로 중정밀도 이하의 부품 형상정도 2~100 μm 의 렌즈제작에 많이 사용된다.
- 재질 : PMMA,PS,PC,SAN,CR-39


그림 . 플라스틱 물성표

 

 

  4) 복합형 비구면 렌즈
- 복합형 비구면 렌즈는 Sub-micron 영역의 형상 정도로써 가공된 비구면 금형과 구면렌즈를 사용하여 만드는데, 통상의 가공 방법에 의해 얻어지는 유리 구면 렌즈의 기판 위에는 비구면 층을 자외선 경화 수지로써 중합 성형하는 방식으로 제작한다.
- 이러한 비구면 금형 가공에는 높은 기술이 요구되나 실제 비구면 렌즈의 가공은
  ① 금형면의 전사의 의존하기 때문에 고정도 비구면을 안정된 재현성으로 용이하게 얻는 것이 가능하고,
  ② 상온에서 자외선 중합 성형의 공정을 갖기 때문에 금형의 수명과 손상에 거의 무관하며,
  ③ 대량 생산에 유리하다.
- 그러나,
  ① 굴절률의 변동, 자외선의 영향,
  ② 내열, 내습 등의 내후성능,
  ③ 중합 성형시의 경화 수축,
  ④ 성형에서 금형과의 이형성,
  ⑤ Cost 대책, 증투 대책, 반사 처리 등이 해결하여야 할 요인이다.
- 그림 3에서 보는 바
  ① 비구면을 형성하는 제 1 층은 비교적 탄성있는 수지를 사용하고,
  ② 제 2 층은 내후성이 우수하고 경도가 높은 수지를 보호층으로 사용하였다.
  ③ 또한, 온도, 습도에 의한 굴절률 변화가 광학 성능에 미치는 영향이 경미하도록
    => 렌즈 굴절률의 대부분은 기판 유리 부분에 갖도록 하고 수지 부분에는 비구면 효과만 갖도록 하고 있다.

그림 . 복합 비구면 lens의 구조


제 3 절 측정 방법

1. 각종 측정 방법의 소개 및 분류
- 광학 비구면의 측정 방법으는 대략적으로 직접형상 측정법, 광파면 측정법, Null Test 등의 3가지로 분류할 수 있다.(표3)


직접형상 측정법

∘접촉식 측정법
∘광학 촉침식 측정법
∘Laser beam 편광법
광파면 측정법
기하 광학적 기법
∘Talbot 간섭계
∘무늬 주사 Ronchi Test법
간섭계
∘무늬 주사 shearing 간섭계
  피측정면 이동식 간섭계
∘2파장 무늬주사 위상 검출법
Null Test법

∘Null Test 법
∘Scatter Plate 법
∘Zone Plate 법
∘Computer Hologram 법
∘무늬 주사 위상검출에 의한 Null Test 법
∘유사 무늬 격자법
표 . 각종 비구면의 측정법


  1) 직접형상 측정법 :
  ① 측정면의 형상을 직접 접촉식/비접촉식으로 측정하여 설계형상과 비교하는 방법
  ② 현재도 생산 현장에서 많이 사용되고 있는 방법
  ③ 구면으로부터의 변형이 많으면서, 수차에는 문제가 없는 경우에 유용하다.
  ④ 접촉시 표면의 부상이 문제가 됨. => 최종 마무리 전 단계에서 측정함이 좋다.

  2) 광파면 측정법
  ① 비구면 렌즈의 반사광이나 투과광의 파면을 간섭계나 기하학적 수법으로 측정
  ② 비구면양(구면으로부터 변화된 정도)의 대, 소에 따라 여러 가지 방법이 있다.
  ③ 비접촉적인 방법으로 직접적으로 광학계의 특성을 얻을 수 있으나
  ④ 측정 범위가 협소하고 적용범위도 넓지 못하다.
  ⑤ 또 파면 측정이 정확하여도 피측정물의 광축과 측정기의 광축을 일치시키지 않으면 수차가 발생하여 올바른 값을 구할 수 없게 되므로 그다지 고정밀도를 요구하지 않는 경우에 사용된다.

그림 . Talbot 간섭계


  3) Null Test 법
  ① 비구면에 의해 왜곡된 물체광의 파면을 보정(Null) 광학계로 구면파 혹은 평면파로 교정하여 참조파와 간섭시켜서 그 간섭무늬의 기준 격자에 대한 휘어진 정도로부터 측정하는 방법이다.
  ② 대표적인 보정 광학계 : Null Lens와 Computer Hologram
  ③ 측정 정도는 λ/4 이하까지 가능하다.
  ④ 측정시간도 짧아 시간에 고정밀도의 비구면 측정이 가능

-이하 Null Test에서 가장 대표적인 방법인 Computer Generated Hologram법 및 Dynamic Zone Plate Interferometer법을 소개하고, 비구면의 취급 방법에 대하여 언급하고자 한다.

  3-1) Computer Generated Hologram법(CGH법) :
- 실제로는 존재하지 않는 상이나 광파면을 재생하는 Hologram으로 Computer와
Plotter를 이용하여 제작
- CGH의 제작법은 재생하고자 하는 상의 Hologram면에 의한 회절파면과 참조 구면과의 간섭모양의 강도분포를 Computer로 계산하고, Plotter로 그린다.
- 대표적인 방법은 Carrier Frequency Hologram과 In-Line Hologram법이 있다.
- Carrier Frequency Hologram( 그림 5 )
  = Hologram을 Twyman-Green Type 간섭계의 피측정 광학계의 출사동(Exit Pupil)에 두고, 참조광을 Hologram에 입사시킨다.
  = Imaging Lens의 초점위치에 참조광의 +1차광과, 물체광의 0차 광만을 Spacial Filter로 통과시키고, Screen 상에 간섭무늬를 나타낸다.
  = 이 간섭무늬의 직진성으로부터 비구면의 형상오차가 주어진다.
  = 여기서 참조광을 경사지게 입사시키는 것은 Hologram에 Carrier를 주는 것과 같고 가상 물체광은 이것에 의해 변조된다.

그림 . Carrier frequency hologram법에 의한 비구면 거울 측정


- In-Line Hologram( 그림 6 )
  = Carrier를 주는 방법과 Filtering하는 방법이 Carrier Frequency Hologram과 다름
    => 피측정 비구면을 Defocus하는 것에 의해 Carrier를 준다.
  = Hologram은 가상 물체광과 동일 광축을 가지며 곡률이 다른 참조 구면파와의 간섭무늬가 나타나는데, 그 형상은 동심원 모양이다.
    => 이것은 참조광에 의한 0차 회절광과 물체에 의한 +1차 회절광이 동일위치에 초점을 갖고, 이 위치에 Filter Aperture를 두면 위에서 언급한 2개의 회절광은 간섭무늬를 형성하고 이 무늬로부터 피측정 비구면의 형상 오차를 측정한다.

그림 . In-line hologram법에 의한 비구면 거울 측정

 = Carrier Frequency Hologram법의
   * 장점은 간섭무늬의 해상도가 높고 조작성이 간단하나,
   * 단점은 Carrier Frequency를 크게 하지 않으면 안된다.
  = In-Line Hologram의
   * 장점은 Carrier의 Frequency를 전자에 비하여 낮게 할 수 있고, 참고 구면으로
     부터 변형(Sag)이 큰 비구면의 측정이 가능하나,
   * 단점은 중앙부의 불감영역과 해상도가 전자에 비하여 떨어진다는 것이다.

- 한편, 이러한 Computer Generated Hologram의 측정시 오차가 발생하는 요인은
  ① Plotter에서 제작되는 상의 왜곡,
  ② 축소 촬영 렌즈의 수차.
  ③ 광학소자의 수차 및 왜곡,
  ④ 간섭무늬 Visibility의 부족등 4가지가 중요한 요인이 있다.

  3-2) Null Lens 법
- 제작이 비교적 쉬운 구면렌즈를 이용하여 구면파를 비구면파로 변환시켜서 비구면에 입사시킨 뒤 반사되어 나오는 광을 이용하여 비구면을 측정하는 방법
- 이 방법은 크게 렌즈의 특성에 따라 Dall type과 Offener type로 구분되는데
  * Dall type는 null lens를 통과한 파면이 발산하는 특성을 가지고
  * Offener type는 수렴후 발산하는 특성을 갖는다.
- 다시 탐사광이 렌즈를 통과한 횟수에 따라
  ① single pass type과
  ② double pass type으로 구분한다.
-  Single pass는
  * 탐사광이 null 렌즈를 1회만 통과하며, 탐사광이 입사한 방향으로 다시 되돌아 가지 않기 때문에 shearing interferometer와 knife-edge test, wire test에서 사용되고 있다.
  * Single pass의 경우에는 점광원을 광축에서 약간 비껴 놓은 off-axis 형태로 사용되기 때문에 비축수차의 영향으로 정밀측정에는 적합하지 않으나, null 렌즈 자체의 제작공차가 피검면의 검사결과에 주는 영향이 double pass의 경우보다는 작다.
- Double pass에서는
  * 탐사광이 null 렌즈를 2회 지나며, 탐사광은 다시 입사한 방향으로 다시 되돌아 가게 되므로, Fizeau 간섭계, Mach-Zender 간섭계, Twyman-Green 간섭계등에서 사용되고 있다.
  * Double pass 형의 null 광학계는 다시 검사광학계가
  ① 등배(1:1)로 구성된 retroreflective 형과
  ② 비등배 구성으로 나누어 질 수 있으며,
  * Double pass의 경우는 null 렌즈의 제작공차가 검사결과에 비치는 영향이 크지만, 1:1 광학계로 구성되면 코마와 왜곡수차가 발생하지 않는 부수적인 장점이 있다
  * 간섭계를 이용한 검사에서는 double pass type retroreflective 구성이 가장 많이 사용되고 있다.
        
그림 . Dall type compensator(single pass)


그림 . Offner type compensator(굴절형)

 

 

그림 . DZPI의 구조도


3-3) Dynamic Zone Plate Interferometer 법
- Dye Laser 혹은 Laser Diode에서 출사되는 파장을 정밀 제어하여 파장을 변화시켜서 Zone Plate에 입사시켜주면 파장의 변화에 따라 Zone Plate의 초점거리가 변화하고 간섭무늬는 이동하여 특정면을 주사하는 효과를 갖게 된다. 이러한 간섭무늬로부터 컴퓨터 계산에 의해 측정면의 형태나 오차를 특정한다.
- 그림 9에서는 기본측정 원리를 보이고 있는데,
  * 조명되는 빛의 파장이 변화되면서 다른 곡율을 갖는 구면파로 변화된다.
  * Zone Plate 간섭계는 Test Beam이 축상의 점 S'에서 Diverging하여 -1차 회절파가 되고 이 파는 Test 면에서 반사한 후 Zone Plate를 0차의 빔이 통과한다(+1, 0).
  * 동시에 기준 beam은 zone plate를 0차로 통과한 후 test 면의 vertex에서 반사한 후 zone plate에 의해 +1차로 회절되어 S'에 수렴한다(0, +1).
  * 만일 비구면 중심점 중의 하나가 기준점(0, +1)과 일치한다면 이에 해당하는 zone에 coarse fringe가 생긴다.
  * 또한 파장을 변화시키면 이 기준점은 광축을 따라 이동하고 coarse fringe의 zone 또한 이동한다.
  * 광축 상에는 경로차이가 없으므로 test하고자하는 mirror의 vertex는 파장이 변하여도 0차 fringe는 그대로 유지되며 coarse fringe의 영역만을 움직이면서 fringe의 총수를 쉽게 셀 수 있다.
  * 한편 비구면의 다른 면에서 들어오는 빛은 S' 위치의 pinhole stop에 의하여 차단되어 간섭무늬에 영향을 미치지 않게 된다.
  * 비구면의 형상오차를 λ/10 ~ λ/100 정도까지 측정 가능함.

2. 비구면 취급과 평가시 유의점
  비구면 형상측정 data는 설계 data와 비교하게 되는데 단순한 비교로서는 올바른 평가를 얻을 수 없다. 구면렌즈는 Newton 간섭계나 Fizeau 간섭계로 측정하는 것이 일반적으로 정착되어 있고, 비구면도 동일하게 평가하기를 바라고 있다. 그러나, 이러한 비구면 간섭계에 의해, 측정된 data 정보의 특징은 다음과 같다.
  ① 면 정보일 것,
    > 즉 비구면 형상 측정은 단면형상만이 아니라 면 전체에 대하여 측정되어야 함.
  ② 등고형태의 간섭무늬에 의해 피측정면의 정성적 평가가 일목요연하게 가능할 것. 
    > 즉 비구면에 대해서도 측정치의 나열이 아니라, 면 전체의 상황을 한눈에 알아볼 수 있도록 등고선 표시가 data의 하나로서 얻어져야 한다. 물론 통계적으로 σ값과 최대오차를 산출하는 것도 중요하다.
  ③ 측정 중에 설계치와 Fitting을 하여 위치를 결정하기 위한 측정오차는 포함하지 않게 할 것.
    > 즉 비구면은 측정시 위치 결정에 따라 측정오차가 크게 날 수 있다. 이러한 오차를 제거하기 위해 측정 data, 설계 data의 fitting에 의하여 올바른 형상 오차만을 추출하여야 한다.

3. 측정 및 평가 방법
- 측정하는 입장에서 본 비구면의 특징:
  ① 통상 비구면은 구면에서 편차가 0~0.3mm 정도 벗어나 있으며 회전 대칭이다.
  ② 직경은 수 mm의 CD Picd-up 용 대물렌즈로부터 수M 의 망원경까지 광범위함.
  ③ 측정면의 반사율은 투명체는 4%, 금속 혹은 다층막면은 반사율이 높다.

- 이러한 특징으로 측정기에 요구되는 사항은
  ① 비접촉 측정일 것
  ② 면 전체를 측정하여야 하며, 가능하면 측정치로부터 수치계산이 가능할 것
  ③ 3차원 형상 측정기능을 가지며, 광축방향의 측정오차는 λ/10(0.06μm) 이하일 것
  ④ 크기가 다른 각종 비구면을 모두 측정할 수 있을 것
- 이러한 측면에서 볼 때 아직까지 측정법이 완전히 확립되었다고는 할 수 없다.


제 4 절 결 론
  비구면을 광학계에 사용하면 여러 가지 장점이 많으나, 제작기술의 미숙으로 구면렌즈와 같이 아직은 범용단계가 아니다. 현재 개발된 가공기술 중 single point diamond turning에 의한 절삭, 연마 방법이 고정도 비구면 생산에 적합한 기술이나 양산성이 부족하고 사출법에 의한 방법은 고정도의 양산성을 가지고 있다. 평가기술도 여러 가지가 있으나 CGH 및 null lens를 사용한 null test 방법이 새로이 등장하고 있다. 이 방법 또한 현실적으로 적용하기에는 여러 가지 문제점이 많이 있으며 오히려 표면조도계를 이용한 직접형상측정법이 생산현장에서 널리 쓰이고 있다. 우리의 광학 소자 생산분야는 이제 성숙 단계에 있는 줄로 안다. 이에 열거한 가공 방법을 능가할 수 있는 새로운 방법과 이에 따른 가능하면 새로운 측정 및 평가 방법이 멀지 않은 장래에 우리의 손으로 개발되었으면 하는 희망이다.


참고 문헌
[1] Aspheric Optics : Design, Manufacture, Testing, SPIE 235(1980)
[2] Optical Testing and Metrology III: Recent Advances in Industrial Inspection, SPIE 1332(1990)
[3] D. Malacara Ed., Optical Shop Testing, John Wiley and Sons(1978)
[4] D. F. Horn, Optical Production Technology, Crane, Russak & Co. Inc. (1972)
[5] 超情密 非球面 光素子の 製作と その 測定評價, No. 5, (1983)
[6] 非球面 光學系 技術, WS 103(1989)
[7] N. Ohayama, et al. The Dynamic Zone Plate Interferometer for measuring Aspherical Surfaces, Optics Comm. 56(6), 80, (1986)