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Future of Optical Filters

효율적이면서도 정확도가 높은 비구면 계측 기술

 

비회전 방식으로 대칭적 표면의 irregularity를 캡처

 

스캐닝 기법과 비교 시 최대 1/3까지 측정 시간 단축

 

최대 λ/10의 높은 정밀도

 

높은 경사도의 aspheric departure를 갖는 비구면 형태를 측정할 수 있는 유일한 기법

컴퓨터 기반의 홀로그램 계측 기술(Computer Generated Hologram metrology)은 비구면 렌즈를 위해 기존의 계측 기술과 관련된 단점을 보완할 수 있는 전도 유망한 솔루션입니다. 비구면 옵틱은 구면 수차를 감소시켜 f/#을 낮게 설정할 수 있기 때문에 다수의 어플리케이션에 있어 없어서는 안 될 필수 부품입니다. 다만, 비구면을 측정하는 데 있어 표준 구면 렌즈에 비해 더 많은 어려움이 따릅니다. 컴퓨터 기반의 홀로그램 계측 기술(CGHs)은 구면 렌즈의 surface sag와 대등한 spherical reference wavefront를 aspheric wavefront로 전환하는 효율적인 방법을 통해 surface irregularity의 양을 계산해냅니다. 일반적으로 비구면 표면의 계산은 스캐닝 장비를 이용해 이루어지지만, CGHs 기술을 이용할 경우 소요 시간이 단축되고 더 높은 정밀도로 계측이 이루어질 수 있습니다.

기술적 배경

CGHs 계측 기술을 파악하는 데 있어 간섭 및 홀로그래피에 관한 기술적 배경을 반드시 참고해야 합니다.

  • Interferometry 개론
     
  • Holography 개론
     
Ultra-Narrow Designs

Interferometry 개론

Fizeau interferometer는 calibrated reference sphere에서 생성되는 웨이브프런트와 테스트 렌즈로부터 반사하는 웨이브프런트를 비교해가면서, 높은 정밀도(λ/10 - λ/20)로 구면 렌즈의 surface power 및 irregularity를 측정합니다. 테스트 렌즈는 입사 웨이브프런트가 nominal radius of curvature와 완벽히 일치하는 곳에 놓이게 됩니다. 테스트 렌즈가 reference sphere로부터 벗어나게 된다면, 2개의 빔 경로 사이에 존재하는 optical path의 차이가 렌즈에 존재하는 에러에 상응하는 interference fringe를 형성할 것입니다. 테스트 렌즈가 nominal radius of curvature와 완벽히 일치할 경우에는 이러한 fringe가 형성되지 않습니다.

그림 1 (좌):: Fizeau Interferometer로 구면 렌즈를 테스트하는 모습
그림 2 (우): Interference Fringe 형상
Broadening Spectral Range

Holography 개론

홀로그램은 적절한 reference wave로 조명을 비추면서 원하는 웨이브프런트나 3D 이미지를 생성하는 일종의 recorded interference pattern입니다. 아날로그 홀로그램은 확장된 레이저 빔을 interferometer를 이용해 2개의 빔 경로로 분리하면서 생성됩니다. 하나의 빔은 사물에 조명을 비추고 다른 빔 하나는 reference wavefront의 역할을 합니다. 이러한 2개의 빔이 만들어내는 Interference는 light sensitive film에 기록됩니다. 이러한 필름을 인화하고 reference beam으로 빛을 비추면 object beam으로부터 빛을 생성할 수 있습니다.

반면에, 컴퓨터 기반의 홀로그램에는 2개의 간섭 빔이 필요하지 않습니다. 대신, 컴퓨터 상에 간섭 패턴을 설계 후 석판 기술(lithographic method)을 이용해 즉시 substrate 내부로 식각(etching)할 수 있습니다.

그림 3: Conventional Analog Hologram 생성을 위한 셋업

비구면 계측 기술을 위한 컴퓨터 기반의 홀로그램

비구면 옵틱의 표면에는 가장 적합한 reference sphere와의 편차가 존재하며 optical path의 차이가 증가하게 되면서 interferometer의 이미징 시스템으로는 더 이상 분해( resolve)가 불가능하고 굉장히 밀집력 있는 fringe를 생성하게 됩니다. 이러한 문제점은 컴퓨터 기반의 홀로그램 기술을 적용해 해결할 수 있으며, interference pattern으로 reference shpere를 출사하는 구면 웨이브프런트를 비구면 렌즈의 이상적인 surface sag와 일치하는 비구면 웨이브프런트로 전환할 수 있습니다.

그림 4: CGH 기술로 spherical wavefront를 aspheric wavefront로 전환

최적의 구면 웨이브프런트를 비구면 웨이브프런트로 전환하게 되면 calibrated reference wavefront로 interference fringe를 분해(resolve)할 수 있고 비구면 옵틱의 surface irregularity를 정밀하게 측정할 수 있는 극강의 이점들을 갖게 됩니다.

기타 계측 기술과의 비교

기타 계측 기술은 contact profilometer, optical profilometer, aspheric stitching interferometer처럼 비구면 표면을 직접 측정하는 방식이지만, CGHs 기술에는 이러한 옵션을 능가하는 유리한 점이 대단히 많습니다:

  • CGH 계측 기술은 비구면 옵틱의 2D slice가 아닌 표면 전체를 측정하기 때문에 비회전 방식으로 symmetric surface irregularity 캡처 가능
  • 대부분의 스캐닝 방식보다 표면 측정 시간이 최대 1/3가량 줄어듦으로써 현저히 표면 측정이 빨라짐
  • 최대 λ/10로 측정 정밀도가 높음
  • 기존의 방식으로는 측정이 불가능한 높은 경사도의 aspheric departure를 갖는 비구면 표면의 측정이 가능해짐

하지만, 특정 aspheric prescription마다 고유의 CGH 기술이 필요하기 때문에 CGH의 초기 비용이 기타 계측 기법에 비해 더 많이 들어갑니다. 소량의 비구면 옵틱을 측정해야 하는 경우라면, CGH 계측 기술은 비용면에서 효율성이 떨어지지만, 대량 제작의 경우 장기적인 시각으로 봤을 때 비용 절감을 이끌 수 있습니다. 대량 생산에 CGH 계측 기술을 접목하면 측정 시간이 감소하여 대량의 비구면 계측을 위한 최적의 선택이 될 수 있습니다.

Comparison to Other Metrology Methods

에드몬드 옵틱스의 컴퓨터 홀로그램 계측 기술

에드몬드 옵틱스는 사내 고유의 비구면 계측 기술이 가지고 있는 한계를 넘어서고자 컴퓨터 기반의 홀로그램을 활용 중에 있습니다. CGH 계측 기술은 대량으로 제작되는 비구면 옵틱의 측정 시간을 단축시켜줄 뿐만 아니라, 기존의 비구면 옵틱 계측 기술보다 더 높은 정밀도로 surface irregularity를 측량해줍니다. 이러한 테크닉은 기타 계측 기술로는 불가능했던 더 높은 경사도의 aspheric departure를 갖는 비구면 형태를 측정 가능하게 함으로써 EO의 비구면 제조 역량을 신장시켜줍니다.

자주 묻는 질문(FAQ's)

EO에서는 비구면 옵틱 계측을 위해 이를 이용하기는 하지만, CGH의 판매 및 설계는 이루어지지는 않습니다.

CGH 계측 기술을 이용하면, 비구면 계측에 사용되는 기존의 스캐팅 방식에 비해 측정 소요 시간이 줄어들 뿐만 아니라 더 높은 정확도로 surface irregularity를 측량할 수 있게 됩니다. CGH 방식은 비회전식 symmetric surface irregularity의 식별 그리고 경사도가 더 높은 aspheric departure를 갖는 표면의 계측과 같은 더 많은 이점을 제공해줍니다.

특정 비구면 표면에는 고유의 CGH 기술이 필요하기 때문에 초기 비용이 더 많이 듭니다. 소량의 비구면 옵틱을 측정해야 하는 경우라면, CGH 계측 기술은 비용면에서 효율성이 떨어지지만, 대량 제작의 경우 장기적인 시각으로 봤을 때 비용 절감을 이끌 수 있습니다. 이외에도, CGH를 이용해 원치 않는 회절 차수(diffraction order)의 투과 및 반사로 interferogram의 ghost fringe를 생성할 수 있습니다. 단, ghost fringe를 피하기 위해서는 회절 효율성을 조절하거나 회절 차수 분리 시 각별한 주의가 필요합니다.

아니요, 불가능합니다. CGH 하나당 1개의 특정 aspheric prescription을 측정하도록 설계됩니다.
네, 가능합니다. Cylinder lens와 freeform과 같이 기타 non-spherical surface를 계측하기 위해 CGH 기술이 종종 활용되곤 합니다.
CGH 계측 기술의 최대 정밀도는 interference pattern을 substrate로 식각(etching)할 때의 pattern placement error나 interferometer의 CGH alignment error로 결정됩니다. 대개는 alignment error를 줄이기 위해 CGH에 alignment 기능이나 built-in mount가 있습니다.
CGH는 interference pattern에서 최소 feature size를 갖고 있어 최대치의 회절 각도가 제한됩니다. 이는 필요한 회절 각도를 줄이기 위해 비구면 용도의 CGH를 종종 interferometer의 reference sphere와 사용하기 때문입니다.

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