部品 素材綜合技術支援事業報告書ㆍㆍㆍㆍ DOE 렌즈 설계 및 ... · 2011-12-20 · - 2 - 제 출 문 산업자원부장관귀하 본 보고서를 렌즈 설계

部品 素材綜合技術支援事業 報告書部品 素材綜合技術支援事業 報告書部品 素材綜合技術支援事業 報告書部品 素材綜合技術支援事業 報告書ㆍㆍㆍㆍ

렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을DOEDOEDOEDOE

위한 기술지원위한 기술지원위한 기술지원위한 기술지원

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2004 11 152004 11 152004 11 152004 11 15

지 원 기 관지 원 기 관지 원 기 관지 원 기 관 한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원

지 원 기 업지 원 기 업지 원 기 업지 원 기 업 서울광학 주서울광학 주서울광학 주서울광학 주( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산업자원부 장관 귀하산업자원부 장관 귀하산업자원부 장관 귀하산업자원부 장관 귀하

본 보고서를 렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을 위한 기술지원 개발기간“DOE "( :

과제의 기술 지원성과보고서로 제출합니다2003.10.1 ~ 2004.9.30) .

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2004 11 152004 11 152004 11 152004 11 15

지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원::::

원장원장원장원장 김 기협 인김 기협 인김 기협 인김 기협 인( )( )( )( )

수 혜 기 업 서울광학 주수 혜 기 업 서울광학 주수 혜 기 업 서울광학 주수 혜 기 업 서울광학 주: ( ): ( ): ( ): ( )

대표이사대표이사대표이사대표이사 이 지웅 인이 지웅 인이 지웅 인이 지웅 인( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 변 철 웅변 철 웅변 철 웅변 철 웅::::

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 : -: -: -: -

- 3 -

종합기술지원사업 기술지원성과 보고서 요약종합기술지원사업 기술지원성과 보고서 요약종합기술지원사업 기술지원성과 보고서 요약종합기술지원사업 기술지원성과 보고서 요약

사업 목표사업 목표사업 목표사업 목표1.1.1.1.

만 화소급 휴대폰 카메라용 광학계를 설계 및 가공이 최종 목표이며 촬상 소자는100 ,화소 크기가 인 이므로 광학계의 해상도는 에서 이상3.2 CMOS , 160 lp/mm 30% (at㎛

의 성능을 가져야 한다full field) .이 때 가공 정밀도의 한계에 따른 보정량의 조건 확립을 수행한다.

기술지원 내용 및 범위기술지원 내용 및 범위기술지원 내용 및 범위기술지원 내용 및 범위2.2.2.2.

가 광학계의 설계.와 같이 설계를OSLO (premium edition, version 6.1, Lambda Research Co.) DOE�

지원하는 광학 설계용 들을 이용하여 설계하고software ,를 위하여 을 이용한 해석Rigorous Coupled Wave Analysis , Green's Theorem BEM�

을 수행하거나 해석 방법을 이용한다, FDTD .이 날카롭게 가공되지 않는 것과 같은 가공의 정밀도가 고려된 설계 방법론을 확Ring�

립한다.

나 의 성능 향상. DTM과 를 이용하여 의 성능을 개선한다Liner Scale Piezo Actuator DTM .�

나노구동 을 구축한다Mechanism .�

다 렌즈 재료의 가공 특성 연구. DOE실험계획법을 적용한 렌즈의 가공 재료에 대한 최적 가공 조건에 대한 연구를DOE�

한다.먼저 광학용 플라스틱 재료를 사용하고 다음으로 사출용 금형재료를 이용하여 실험을�

수행한다.가공 조건이 렌즈의 면조도나 형상정밀도에 미치는 영향을 파악한다DOE .�

라 측정 기술 및 렌즈 특성 평가 기술 연구. DOE가공된 의 평가 기술로서 현재 서울광학 주 이 보유한 표면조도 측정기를 이용한DOE ( )�

직접 측정과광학계 조립을 하여 해상력 를 하는 간접적 측정 방법을 통하여 가공품질이 광학Test�

계에 미치는 영향을 평가하는 기술을 확립한다.

지원 실적지원 실적지원 실적지원 실적3.3.3.3.

지원 항목지원 내용

비고기술 지원 전 기술지원 후

기초 조사업체의 관련 현황 파악 및 개선 방향의DTM�

결정작업 환경의 개선 환기 및( Layout)�

광학계의 설계

제품에 대한 현황 파악DOE�광학설계에 대한 자료 조사 및 공급�광학설계에 대한 세미나 진행�광학설계 및 가공에 대한 인하대 강좌 공동�

참석 및 토의의Phone Camera Lens Reverse�

을 위한Engineering이론적 방법론 제시1.실험적으로 채취 방법론 제시2. Data

에 대한 자료 정리 및 논의FDTM�에서 입력 방법론 논의OSLO DOE�

담당자의 이직에 따른 세미나 유도�가공성이 미치는 성능에 대한 물리적DOE�

영향에 대한 논의

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의 성능DTM

향상

의 정도 검사 수행 공작기계조합과 생DTM :�기원 장비 이용

성능개선 결정DTM Spec�전체 시스템의 레이아웃 결정�부품 사양 결정 및 구매�

과 실험계획법을 이용한FEM Mechanical�의 설계 및 제작Flexure

미소 설계 및 제작XYZ-Stage�전체 시스템 구축 및 습Control Language�

득전체 시스템 구동 및 Calibration�

렌즈 재DOE

료의 가공 특

성 연구

기존 가공 시편의 측정�냉각을 이용한 가공 방법론 제시�기초지원연구센터 방문을 통한 가공조건 및�

재료의 가공 방법 논의가공시편제조를 위한 장치 개념 설계�

공구의 결정 및 구입Diamond�측정 기술 및

렌즈 특DOE성 평가 기술연구

FormTaylor를 이용하여측정

측정 가능 범위 및 특성 파악�개념 및 제공Knife Edge Test Layout�

연구실과의 연계를 통한 사용AFM�

기타 대형 유리 가공용 지그에 대한 제안�

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

본 과제는 특정 제품의 생산에 관계된 기술 지원이 아니고 설계 및 가공 기술의 개

선을 위한 기술 지원이므로 아래의 항목을 구체적으로 작성하기에는 어려움이 많

다 그러나 본 기술을 개발함으로써 의 과 관련된 금형 가공의 수주. Lens Prototype

력을 높일 수 있는 경쟁력을 확보할 수 있다고 판단된다.

해당기술 적용 제품해당기술 적용 제품해당기술 적용 제품해당기술 적용 제품1)1)1)1)

가공Lens Prototype�사출 금형 가공Lens�

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

적용 제품 시장 전망 매출성과적용 제품 시장 전망 매출성과적용 제품 시장 전망 매출성과적용 제품 시장 전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

- 5 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

관련된 기술력 향상 효과는 다음과 같이 정리할 수 있다.

가공의 가장 중요한 가공장비에 대한 정밀도 측정 방법의 확립의 정도 검사 수행 공작기계조합과 생기원 장비 이용DTM :�

기구 설계 기술의 향상과 실험계획법을 이용한 의 설계 및 제작FEM Mechanical Flexure�

미소 설계 및 제작XYZ-Stage�

시스템 구축 및 운용기술 향상성능개선 결정 및 전체 시스템의 레이아웃 결정DTM Spec�

부품 사양 결정 및 구매�전체 시스템 구축 및 습득Control Language�전체 시스템 구동 및 Calibration�

기초조사업체의 관련 현황 파악 및 개선 방향의 결정DTM�

가공과 관련된 광학계 설계 및 판단 기술 향상광학계의 설계�

의 을 위한Phone Camera Lens Reverse Engineering�이론적 방법론 제시1.실험적으로 채취 방법론 제시2. Data

에 대한 자료 정리 및 논의FDTM�가공성이 미치는 성능에 대한 물리적 영향에 대한 논의DOE�냉각을 이용한 가공 방법론 제시�기초지원연구센터 방문을 통한 가공조건 및 가공 방법 논의�측정 기술 및 렌즈 특성 평가 기술 연구DOE�

를 이용하여 측정 측정 가능 범위 및 특성 파악1. FormTaylor :개념 및 제공2. Knife Edge Test Layout

전문가 김승우 교수 초청 세미나 및 연구실과의 연계를 통한 사용3. BUPE AFM공구의 결정 및 구입Diamond�

기술적 파급 효과기술적 파급 효과기술적 파급 효과기술적 파급 효과7)7)7)7)

기술지원의 파급 효과는 시제품 제조 시스템의 구축을 통하여 국내에는 없는 제작DOE Sample

이 가능한 회사로서의 위상확립이다 또한 이를 통하여 고부가가치의 국내 시장을 외국의 진출로.

부터 보호할 뿐만 아니라 세계시장으로 진출을 할 수가 있다, .

두 번째로 본 기술이 구축되면 금형에 를 가공할 수 있게 되므로 제품개발의 초기단계부터DOE

최종수요업체와 협업을 할 수 있는 능력이 배양되므로 상대적으로 우월한 경쟁력을 확보할 수 있

다.

세 번째로 이러한 기술은 광학계의 경박단소화를 이룩할 수 있는 기반 기술이기 때문에 여러 분야

에 응용이 가능하다 앞으로 충분한 기술 개발이 이루어져 높은 정밀도를 갖는 렌즈 제작. DOE

기술을 갖춰지면 향후 일반 광학계에도 적용할 수 있다 광학계의 경박단소화를 이룩할 수 있으, .

므로 제품 경쟁력에 많을 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.

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적용기술의 인증 지적 재산권 획득 여부적용기술의 인증 지적 재산권 획득 여부적용기술의 인증 지적 재산권 획득 여부적용기술의 인증 지적 재산권 획득 여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증 획득규격 인증 획득규격 인증 획득규격 인증 획득1) ,1) ,1) ,1) ,

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항목 지원건수 지원성과

기술정보제공 건10 논문 및 도서

시제품제작 건3 의 보조 미소 공구지지대DTM Table, XY , Servo System

양산화 개발 건- ---

공정 개선 건2 절삭유의 공급 냉각가스 공급 개념도 작업환경 개선, ,

품질 향상 건- ---

시험 분석 건4 의 축 축 정도 검사 가공 표면 검사DTM X , Z ,

수출 및 해외바이어 발굴 건- ---

교육훈련 건2산기대 렌즈 설계 및 가공 강습회 김승우 교수 초빙, KAIST

강연회

기술마케팅 경영자문/ 건- ---

정책자금 알선 건- ---

논문 게재 및 학술 발표 건- ---

기타 건1 대형 유리 가공용 설계에 대한 개념Jig

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

렌즈 설계 및 가공에 대한 기술 지원이라는 목표를 가지고 지나 년 동안 지원업체를 지원DOE 1

하였다.

프로젝트 초기에는 의 설계 방법을 확립하기 위한 시스템 구축에 전념하다가 년 초 광학DOE 2004

담당자의 이직으로 기존의 광학 설계 방법론이 정리되도록 지원을 하며 한 편으로는 장비의DTM

성능 개선에 중점을 두게 되었다.

시스템에 대한 사양 결정 설계 그리고 부품 결정 과정에서 해당기업의 직원을 적극적으로 참여,

시켜 향후 발생할 수 있는 개선에서 담당자의 능력을 배양시켰다 시스템을 구성하는 부품들이.

를 위한 외국제품이므로 구매 제품의 납기가 지연되고 투입 지원의 제한 등 여러Microtechnology

가지 문제점들이 있어서 전체 시스템의 구축이 생각보다 지연이 되었지만 초정밀 가공용, , DTM

성능 향상을 위한 준비는 어느 정도 충족되었다고 판단된다 구축된 시스템은 다음과 같이 표현될.

수 있다.

반경 이내에서는 의 해상도와 의 정밀도를 갖는 의50mm 5nm 50nm On-Line Feedback system

구축

이러한 시스템을 통하여 이전과는 달리 작업자가 장비의 상태를 판단하며 가공 작업을 수행DTM

할 수 있으므로 가공정밀도를 상당히 제고할 수 있는 것으로 판단된다.

다만 충분하지 못한 부분은 실제로 많은 운용을 통하여 장비의 기계적 특성이 반영된 최적DTM

운용 을 구축할 수 있는 시간적인 여유가 없었다는 점이다 그러나 지원기업이 향후Algorithm .

가공을 수주 받아 가공해 나가면서 장비의 기계적 특성을 반영할 수 있게 된다면Prototype DTM

기존의 으로도 초정밀 가공을 할 수 있게 되어 소형 광학계에 대한 새로운 시장을 구축할 수DTM

있게 될 수 있다고 판단한다.

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렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을 위한 기술지원렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을 위한 기술지원렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을 위한 기술지원렌즈 설계 및 가공정밀도 향상을 위한 기술지원DOEDOEDOEDOE

목차목차목차목차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111제 절 기술 지원의 필요성 및 목적제 절 기술 지원의 필요성 및 목적제 절 기술 지원의 필요성 및 목적제 절 기술 지원의 필요성 및 목적1111제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용2222

제 장 에 대한 일반적인 사항제 장 에 대한 일반적인 사항제 장 에 대한 일반적인 사항제 장 에 대한 일반적인 사항2 Diffractive Optical Element2 Diffractive Optical Element2 Diffractive Optical Element2 Diffractive Optical Element제 절 회절광학제 절 회절광학제 절 회절광학제 절 회절광학1111제 절 사가 최초로 적용한 용제 절 사가 최초로 적용한 용제 절 사가 최초로 적용한 용제 절 사가 최초로 적용한 용2 Canon Camera DOE Lens2 Canon Camera DOE Lens2 Canon Camera DOE Lens2 Canon Camera DOE Lens제 절 의 설계제 절 의 설계제 절 의 설계제 절 의 설계3 DOE3 DOE3 DOE3 DOE

제 장 측정제 장 측정제 장 측정제 장 측정3333제 절 측정에 대한 일반적인 사항제 절 측정에 대한 일반적인 사항제 절 측정에 대한 일반적인 사항제 절 측정에 대한 일반적인 사항1111제 절 측정 방법제 절 측정 방법제 절 측정 방법제 절 측정 방법2 Knife-Edge2 Knife-Edge2 Knife-Edge2 Knife-Edge

제 장 비구면 렌즈의제 장 비구면 렌즈의제 장 비구면 렌즈의제 장 비구면 렌즈의4 Reverse Engineering4 Reverse Engineering4 Reverse Engineering4 Reverse Engineering제 절제 절제 절제 절1 Introduction1 Introduction1 Introduction1 Introduction제 절 비구면 렌즈의제 절 비구면 렌즈의제 절 비구면 렌즈의제 절 비구면 렌즈의2 Reverse Engineering2 Reverse Engineering2 Reverse Engineering2 Reverse Engineering제 절 렌즈의 표현식제 절 렌즈의 표현식제 절 렌즈의 표현식제 절 렌즈의 표현식3333

제 장 기술적인 검토 사항제 장 기술적인 검토 사항제 장 기술적인 검토 사항제 장 기술적인 검토 사항5555제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황1 DOE1 DOE1 DOE1 DOE제 절 축 정도 측정 실험제 절 축 정도 측정 실험제 절 축 정도 측정 실험제 절 축 정도 측정 실험2 DTH X-2 DTH X-2 DTH X-2 DTH X-제 절 축 정도 측정 결과제 절 축 정도 측정 결과제 절 축 정도 측정 결과제 절 축 정도 측정 결과3 DTM Z-3 DTM Z-3 DTM Z-3 DTM Z-제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과4444

제 장 개선 시스템 구성제 장 개선 시스템 구성제 장 개선 시스템 구성제 장 개선 시스템 구성6 DTM6 DTM6 DTM6 DTM제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계1 Fast Tool Servo1 Fast Tool Servo1 Fast Tool Servo1 Fast Tool Servo제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안2 Fast Tool Servo2 Fast Tool Servo2 Fast Tool Servo2 Fast Tool Servo제 절 구성부품에 대한 설명제 절 구성부품에 대한 설명제 절 구성부품에 대한 설명제 절 구성부품에 대한 설명3333

제 장 의 설계제 장 의 설계제 장 의 설계제 장 의 설계7 Mechnical Flexure7 Mechnical Flexure7 Mechnical Flexure7 Mechnical Flexure제 절 의 설계에 대한 요구 사항제 절 의 설계에 대한 요구 사항제 절 의 설계에 대한 요구 사항제 절 의 설계에 대한 요구 사항1 Mechanical Flexure1 Mechanical Flexure1 Mechanical Flexure1 Mechanical Flexure제 절 설계제 절 설계제 절 설계제 절 설계2 Mechanical Flexure2 Mechanical Flexure2 Mechanical Flexure2 Mechanical Flexure제 절 에 의한 경로 사항제 절 에 의한 경로 사항제 절 에 의한 경로 사항제 절 에 의한 경로 사항3 FEM3 FEM3 FEM3 FEM제 절 공구대의 재설계제 절 공구대의 재설계제 절 공구대의 재설계제 절 공구대의 재설계4444

제 장 절삭가공제 장 절삭가공제 장 절삭가공제 장 절삭가공8888

제 장 결론 및 향후 연구 내용제 장 결론 및 향후 연구 내용제 장 결론 및 향후 연구 내용제 장 결론 및 향후 연구 내용9999

AppendixAppendixAppendixAppendix렌즈 및 회절광학 관련 도서 목록렌즈 및 회절광학 관련 도서 목록렌즈 및 회절광학 관련 도서 목록렌즈 및 회절광학 관련 도서 목록AAAA

에 대한 의 학위논문 정리에 대한 의 학위논문 정리에 대한 의 학위논문 정리에 대한 의 학위논문 정리B FDTD Stephan Douglas MellinB FDTD Stephan Douglas MellinB FDTD Stephan Douglas MellinB FDTD Stephan Douglas Mellin에 대한 강의에 대한 강의에 대한 강의에 대한 강의C Optical Figure metrologyC Optical Figure metrologyC Optical Figure metrologyC Optical Figure metrology

표면측정을 위한 국내의 의 정보 정리표면측정을 위한 국내의 의 정보 정리표면측정을 위한 국내의 의 정보 정리표면측정을 위한 국내의 의 정보 정리D NanosystemsD NanosystemsD NanosystemsD Nanosystems광학적 허용도에 대한 자료광학적 허용도에 대한 자료광학적 허용도에 대한 자료광학적 허용도에 대한 자료EEEE산기대 초정밀 비구면 렌즈 실무기술 기초과정 세미나 정리산기대 초정밀 비구면 렌즈 실무기술 기초과정 세미나 정리산기대 초정밀 비구면 렌즈 실무기술 기초과정 세미나 정리산기대 초정밀 비구면 렌즈 실무기술 기초과정 세미나 정리F -F -F -F -

의 종류와 특성의 종류와 특성의 종류와 특성의 종류와 특성G Linear ScaleG Linear ScaleG Linear ScaleG Linear Scale용 의 도면 및 지지대용 의 도면 및 지지대용 의 도면 및 지지대용 의 도면 및 지지대H Piezostack Mechanical FlexureH Piezostack Mechanical FlexureH Piezostack Mechanical FlexureH Piezostack Mechanical Flexure

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제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술 지원의 필요성 및 목적제 절 기술 지원의 필요성 및 목적제 절 기술 지원의 필요성 및 목적제 절 기술 지원의 필요성 및 목적1111

업체 현황 및 기술 지원의 대상업체 현황 및 기술 지원의 대상업체 현황 및 기술 지원의 대상업체 현황 및 기술 지원의 대상1.1.1.1.

서울광학 주 은 계획생산품으로 광학 렌즈 프리즘 필터를 중심으로 생산하고 있으며 수주( ) , , ,생산품으로는 인공위성 광학계 및 반도체 노광 장비에 들어가는 대형 미러와 타원반사경 등의 제작 초정밀 플라스틱 비구면 비축포물면 비구면 보정 렌즈를 생산하고 있다 그와 같, , , .은 제품을 생산하기 위한 코팅 기술 광학계 측정 및 평가 기술 광학계 설계 및 시제작 기, ,술 등을 보유하고 있다.

본 사업의 대상이 되는 렌즈의 적용 분야를 살펴보면 현재 휴대폰 등의 카메라 렌즈DOE ,의 경우 사용되는 렌즈의 숫자를 줄여 가볍고 소형화가 가능하게 하므로 적용이 고려되고있는 분야이며 그 외에도 휴대용 영상기기 디지털 카메라 레이, , , Head Mounted Display,저 현미경용 대물렌즈 등에 다각도로 적용하려는 시도가 진행되고 있으며 이미 일부는 DVD픽업용 대물렌즈와 같이 상용화가 된 것들도 있다.

본 사업에서는 회절광학소자인 렌즈를 이용하여 모바일용 초소형 카메라의 사양을 설DOE정하고 광학계 설계를 하여 설계에 필요한 기초 이론을 확립하는 것이다 그 다음으로DOE .서울광학 주 이 보유하고 있는 다이아몬드 터닝 머신 을 이용하여 렌즈의 가공( ) (DTM) DOE기술을 개발할 것이다.

는 기하학적으로 미세한 톱니 형상을 가지는데 개개의 톱니 끝이 날카롭게 가공되지DOE못하면 광학계의 색번짐이 일어나는 등의 성능 문제가 발생한다 기존의 은 이송 분해. DTM능이 인 초정밀 가공기이지만 그 도안의 노후화가 되어 를 구성하는 개개의 톱10 nm , DOE니를 충분히 가공하는데는 장비의 정도 및 가공 기술이 충분하지 않다.따라서 기술지원으로 가공을 위한 바이트 및 지그의 개발과 실험에 의한 최적 가공DOE조건의 설정 및 초정밀 가공기의 정밀도 향상을 위한 미소 이송 공구대 개발에 대한 기술이필요하다 마지막으로 제작된 렌즈의 가공 및 성능을 평가하기 위한 측정 기술도 또. , DOE한 필요하게 된다.

선진기술현황선진기술현황선진기술현황선진기술현황2.2.2.2.

렌즈 기술은 이론적으로는 년대 후반부터 그 기초가 만들어지다가 가공의 정밀DOE 1970 ,도가 높아지면서 년대 후반부터 상용화가 되어 가고 있는 최신 기술 중의 하나이다1990 .

년부터 미국의 에서는 이러한 렌즈를 제품인1998 AIG, Kodak Low end CIS(CMOS에 상품화를 시작하였고 일본 샤프 등에서도 초슬림 카메라Image Sensor) PC Camera ,

모듈에 렌즈를 적용한 바가 있다DOE .최근에는 국내에서도 전통적인 렌즈 기술의 체계 속에 회절광학소자를 삽입시키는 움직임이강해지고 있다.

애로기술애로기술애로기술애로기술3.3.3.3.

요청기업은 를 설계할 수 있는 광학 설계용 이를 가공할 수 있는 초정밀DOE software,형상 측정용을 위한 표면조도 측정기 등을 이미 보유하Diamond Turning Machine(DTM),

고 있다 또한 가 아닌 일반 비구면을 이용한 광학계는 설계 및 제작해서 납품한 실적. DOE을 가지고 있다.그러나 최신 기술 분야인 광학계의 설계 부분에서는DOE

의 특성상 출사광의 각도를 고려된 광학 설계기법CMOS�제작의 측면에서 면의 개수가 최대 개 내에서 광학적 특성을 최적화하는 설DOE ring 10�

계기법가공의 정밀도를 고려한 설계 방법�광학 재질의 특성을 고려한 광학 설계 기법�

등이 고려된 설계 방법론이 확립되어야 하고 설계된 광학 렌즈를 가공하기 위해 현재 요, ,청기업이 보유하고 있는 의 정밀도를 확보하는 방안으로써DTM

과 를 장착한 나노구동 을 이용한 의Optical Linear Scale Piezo Actuator Mechanism DTM�성능을 개선

렌즈의 가공 재료에 대한 최적 가공 조건DOE�

- 9 -

등에 대한 자체 지식 기반을 구축해야 될 필요성이 있고 마지막으로 가공된 시제품에 대한,측정 기술 및 평가기술을 확보하기 위하여

가공된 의 평가 기술로서 현재 서울광학 주 이 보유한 표면조도 측정기를 이용한 직DOE ( )�접 측정

광학계 조립을 하여 해상력 를 하는 간접적 측정 방법을 통하여 가공품질이 광학계Test�에 미치는 영향을 평가하는 기술을 확보할 필요가 있다.

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용2222

기술지원 목표기술지원 목표기술지원 목표기술지원 목표1.1.1.1.

만 화소급 휴대폰 카메라용 광학계를 설계 및 가공이 최종 목표이며 촬상 소자는 화소100 ,크기가 인 이므로 광학계의 해상도는 에서 이상 의3.2 CMOS , 160 lp/mm 30% (at full field)㎛성능을 가져야 한다.이 때 가공 정밀도의 한계에 따른 보정량의 조건 확립을 수행한다.

가 광학계의 설계.와 같이 설계를 지OSLO (premium edition, version 6.1, Lambda Research Co.) DOE�

원하는 광학 설계용 들을 이용하여 설계하고software .를 위하여 을 이용한 해석을Rigorous Coupled Wave Analysis , Green's Theorem BEM�

수행하거나 해석 방법을 이용한다, FDTD .이 날카롭게 가공되지 않는 것과 같은 가공의 정밀도가 고려된 설계 방법론을 확립Ring�

한다.

나 의 성능 향상. DTM과 를 이용하여 의 성능을 개선한다Linear Scale Piezo Actuator DTM .�

나노구동 을 구축한다Mechanism .�

다 렌즈 재료의 가공 특성 연구. DOE실험계획법을 적용한 렌즈의 가공 재료에 대한 최적 가공 조건에 대한 연구를 한DOE�

다.먼저 광학용 플라스틱 재료를 사용하고 다음으로 사출용 금형재료를 이용하여 실험을 수�

행한다.가공 조건이 렌즈의 면조도나 형상정밀도에 미치는 영향을 파악한다DOE .�

라 측정 기술 및 렌즈 특성 평가 기술 연구. DOE가공된 의 평가 기술로서 현재 서울광학 주 이 보유한 표면조도 측정기를 이용한 직DOE ( )�

접 측정과광학계 조립을 하여 해상력 를 하는 간접적 측정 방법을 통하여 가공품질이 광학계Test�

에 미치는 영향을 평가하는 기술을 확립한다.

기술지원결과 활용방안기술지원결과 활용방안기술지원결과 활용방안기술지원결과 활용방안2,2,2,2,기술지원의 최종적인 목표는 전과정 또는 부분과정의 시제품 제조 시스템의 구축이다 현재.국내에서 제작이 가능한 회사는 드물 뿐만 아니라 의 요구에 따라DOE Sample , End User설계까지 할 수 있는 업체는 거의 없으므로 본 시스템이 구축되면 고부가가치의 국내 시, ,장을 외국의 진출로부터 보호할 뿐만 아니라 세계시장으로 진출을 할 수가 있다, .두 번째로 렌즈를 대량 생산을 위해 사출을 하여야 하며 이를 위해 사출용 금DOE , DOE형제작이 필수적이다 따라서 본 기술이 구축되면 금형에 를 가공할 수 있게 되므로 제. DOE품개발의 초기단계부터 최종수요업체와 협업을 할 수 있는 능력이 배양되므로 상대적으로우월한 경쟁력을 확보할 수 있다.세 번째로 이러한 기술은 광학계의 경박단소화를 이룩할 수 있는 기반 기술이기 때문에 여러 분야에 응용이 가능하다 특히 현재 당사에서 개발하는 용 광학. Head Mounted Display계 상대적으로 높은 정밀도가 필요 없는 열상 광학계 등에 우선 적용함으로써 요청기업의,제품 스펙트럼을 넓히고 경쟁력을 확보할 수 있다.앞으로 충분한 기술 개발이 이루어져 높은 정밀도를 갖는 렌즈 제작 기술을 갖춰지면DOE ,향후 일반 광학계에도 적용할 수 있다 이때 광학계의 경박단소화를 이룩할 수 있으므로 제.품 경쟁력에 많을 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.

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제 장 에 대한 일반적인 사항제 장 에 대한 일반적인 사항제 장 에 대한 일반적인 사항제 장 에 대한 일반적인 사항2 Diffractive Optical Element2 Diffractive Optical Element2 Diffractive Optical Element2 Diffractive Optical Element

제 절 회절광학제 절 회절광학제 절 회절광학제 절 회절광학1111

회절광학과 와회절광학과 와회절광학과 와회절광학과 와1. DOE Holography1. DOE Holography1. DOE Holography1. DOE Holography

빛의 회절이란 현상은 오랫동안 광학계에서 바랑직하지 않은 현상으로 간주되어 왔다 그것.은 주로 관련된 빛의 파장 정도의 현상에서 발생하는 현상이기도 하다 그와 같은 바람직하.지 않은 현상을 능동적 의미에서 이용하기 시작한 것은 얼마되지 않는다 즉 전통적인 방법.으로는 복잡하거나 크기가 크거나 흑은 고가의 광학계를 꾸미던 것을 회절 현상을 이용하여 간단하게 구축할 수 있는 것이 가능하다는 점 에 주목을 받기 시작한 것이다.

회절광학 이란 로 계산되는 빛의 회절효과를Diffractive Optics( ) Optical Diffraction Theory이용한 광학의 한 분야로 이런 효과를 이용한 광학소자를 회절광학소자 라고 한다 기DOE( ) .존의 광학과 비교하여 광학 항수를 구현하기가 훨씬 용이하다는 장점을 가지고 있다 그러.므로 대부분의 자료에서 이에 대한 강조가 많다 즉 다른 광학소자들을 이용하여 구현할 수.없는 기능을 회절광학소자를 이용하면 무엇이든 만들 수 있다는 만능의 광학 소자로 알려져있다.

회절광학소자가 그러한 요구사항을 만족시킬 수 있는 잠재능력은 가지고 있으나 각각 개별적인 상황에 맞추어 잘 조정되어야 하는 문제점이 있으므로 경험에 상당히 의존하고 있고결과적으로 엄밀한 이 필요하다는 사실을 알게 되었다Computer Simulation .

일반적으로 많이 알려져 있는 는 회절광학의 한 분야라고 생각되어진다Holography .는 물체로부터 산란된 빛의 을 변위와 위상을 개별적Holography Optical Field Distribution

으로 기록하여 재생시 동일한 을 복원함으로써 차원 공간적인, Optical Field Distribution 3상을 재현하는 광학 분야이다 이러한 을 제작하는 경우 물체에 직접적으로. Hologram

를 조사하여 만드는 방법이 있고 다른 한 방법은 로부Coherent Light Source , Virtual image터 발생하는 을 를 이용하여 계산을 한 후 이 결과를optical field distribution Computer

이나 을 이용하여 기록함으로써 을 만드는 방법이다 이 후자E-Beam Laser Beam Hologram .의 방법을 라고 부른다 이러한 는 가격은 고가Computer-Generated Hologram(CGH) . CGH이나 많은 분야에서 이용되고 있는 광학 소자의 하나이다.

는 회절광학의 한 분야라고 생각되어지는 이유는 어떤 특정한 파면을 계산하는Holography의 경우 그 배후에 있는 것이 이기 때문이다 그러므로CGH Diffraction Theory .

와 라는 단어는 종종 호"Computer-Generated Holograms" "Digital Diffractive Elements"환되며 사용된다.

는 전자의 회로처럼 빛의 파면을 임의의 복잡한 형상으로 변환시키는 일종의DOE라고 할 수 있다 그와 같은 변환을 위해 잘 정의되고 설계된Wavefront Processor .

를 가져야 한다 이는 로 만들어지고 의 크기가 값을 가지Complex Microstructure . Pixel Pixel는 형태에 의해 결정되어진다 이 때 그 값은 농암 또는 표면의 높이 또는 다른 형태의 빛.을 하는 에 의해 결정되어지게 된다Modulating Parameter .

이런 는 나 다른 과 넓게 연계되어 사용되어진다 즉DOE Laser Diode Laser System . Laser가 단파장이라는 점을 이용하여 의 형상을 바꾸거나 여러 개의 부분 으로Laser Beam Beam변화시킨다 그럼으로써 측정이나 의료용 또는 가공용 그리고 광통신 부분에 사용되게 된.다.

의 장점은 일반적이 광학으로는 구현할 수 없는 광학적 기능을 구현할 수 있다는 점이DOE다 이와 같은 장점을 이용하여 새로운 광학 내지는 광전자 부품을 개발할 수 있다 또한. .처음의 를 만드는 것은 고가이나 복제품은 사출과 같은 대량생산방법으로 가격이 저Master렴하다는 점도 장점의 큰 부분의 하나이다.

의 단점은 표준제품의 조합으로 구현할 수 없다는 점이다 그러므로 매번 그 응용처에DOE .맞게 설계되고 가공되어야 하는 전과정이 되풀이되어야 한다는 점이다 그러므로 한 가지.가능한 방법은 여러 가지의 를 기계적인 방법으로 교환하는 방법이다 최근의 다른 연DOE .구에 의하면 에 의해 상이한 회절소자를 경유하는 광경로Spatial Light Modulators (SLMs)를 변경하여 원하는 기능을 구성하거나 재료적인 방법 즉 재료를 사용하Photo-Refractive는 방법이 연구되고 있으나 아직까지는 실용화가 요원하다고 판단된다.

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를 구성하는 재질이 최종적으로 전달할 수 있는 에너지 밀도를 결정하게 된다 결국DOE .위에 를 제작한 경우 나 에도 사용할 수 있게Quartz Glass DOE Nd:YAG Laser CO2 Laser

된다 그러나 가 형상에 의한 광학적 기능을 조정하는 것이기 때문에 고밀도의. DOE Laser에 의해 표면이 손상을 받으면 광학적 기능이 열화되므로 이에 대한 주의가 필요하다Beam .

의 설계 기법의 설계 기법의 설계 기법의 설계 기법2. DOE2. DOE2. DOE2. DOE

그러나 가장 심각한 문제점은 요구되는 광학적 기능을 이상적인 방법으로 계산할 수 없지만근사한 방법으로 구할 수 있다는 점이다 결과적으로 의 이러한 근사적 특성으로 산란. DOE된 광량이 효율을 저하시키는 광학적 가 된다는 점이다 그러므로 회절효과를 이용한Noise .광로의 변경은 제한되어 약 도가 최대한계라고 알려져 있다17-20 .

의 광효율이란 입사하는 광 에너지의 얼마나 많은 부분이 에 의해 유용한 양으로DOE DOE변화되는가하는 것이다 이를 라고 하고 산란된 광 를 라. Signal energy Energy Noise Energy고 하며 이들의 비를 이라고 하며 광학적 기능에 의한 요구되는 변화량을 측정하는 적SNR도가 된다.

에 대해서는 를 사용한다Far Field Diffraction Pattern Fourier element .�에 대해서는 를 사용한다Near Field Diffraction Pattern Fresnel element .�

Direct propagation Inverse propagation

Coherent and non coherent propagation�Near field and far field calculation�Phase analysis�Phase profile optimisation�MTF, diffraction efficency computing�Diffraction pattern calculation at every�

order

Strehl Ration simulation for binarised DOE�Thickness tolerancing�

Simulated annealing algorithm (slow)�Gerchberg-Saxton method (fast iterative�

approach)

Near field and far field diffraction element�Source modeling (gaussian wave, plane�

wave )…

Diffraction efficiency computing�Phase profile optimisation�

표 설계의 계산 방법 및 내용표 설계의 계산 방법 및 내용표 설계의 계산 방법 및 내용표 설계의 계산 방법 및 내용2-1: DOE2-1: DOE2-1: DOE2-1: DOE

일반적으로 가지의 방법에 의해 를 설계를 한다3 DOE .

종류 설명

phase objects광학소자를 통과하는 동안 위상변화를 유발회절효율이나 회절 패턴은 정의되고 최적화된 위상함수를 대상으로 계산한다.

Fresnel optics

The surface is defined by 3 asphericalsurfaces such as shown in the figureAberrations are reduced by optimisingthe surface coefficients.Diffraction limit (MTF calculation) can beachieved using this method.

binary optics

Strehl Ratio greatly depends on thelevels of digitisation for the DOE. it ispossible to take into account the sizeant the thickness tolerance on eachmask. These results allow you to predictthe influence of each parameters to getthe cheapest and the more reliablemanufacturing process.

표 설계의 종류표 설계의 종류표 설계의 종류표 설계의 종류2-2: DOE2-2: DOE2-2: DOE2-2: DOE

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의 제조법 및 제품의 제조법 및 제품의 제조법 및 제품의 제조법 및 제품3. DOE3. DOE3. DOE3. DOE

많은 제조방법이 있으나 가장 일반적이고 정확한 방법은 티 와action Beam Lithography방법이다 을 계산하여 위에서Reactive ion Etching . DOE Pattern Glass Digital Surface

로 구성하는 방법이다 이것을 로 이용하여 다른 제품들을 복제하는 방법이Structure . Master가장 일반적인 방법이다.

는 대량 생산의 필요성이 있는 광학소자나 대구경광학 에서의 사용성이 매DOE (IR imaging)우 높다.

는 근접장 또는 원격장 응용부분에서 사용되는 원리적 형태는DOE (Near Field) (Far Field)다음과 같다:

Computer generated holograms (CGH)�Binary optics, digital optics�Kinoforms�Holographic optical elements�

이는 또는 방법으로 설계된다Ray Tracing Algorithm Laser Beam Propagation . Coherent또는 에 대한 응용례는 다음과 같다Non coherent Light :

Beam Shaping�Structured light projection�DWDM components for telecommunications�Scanners, projector lenses (Fresnel lenses)�!nterferometry�infrared imaging�Multirange imaging optics�

그림 을 위한 제품의 실제그림 을 위한 제품의 실제그림 을 위한 제품의 실제그림 을 위한 제품의 실제2-1: Beam shaping DOE2-1: Beam shaping DOE2-1: Beam shaping DOE2-1: Beam shaping DOE

Diffractive Beam Splitter는 입사하는 을 여러 개의 부분 으로 조성하는Diffractive Beam Splitter Laser Beam Beam

광학소자이다 부분 의 형상은 입사 의 형상과 동일하며 다만 만 동등하. Beam Beam Energy게 배분되는 효과를 갖게 된다 설계시 여러 에 의해 부분광의 개수나. Parameter

또는 분포를 결정할 수 있는 방법이다Divergence Angle, Energy .

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Diffractive Beam Shaper

는 입사하는 의 을 바꾸게 설계되어질 수 있다Diffractive Beam Shaper Laser Beam Profile .일반적으로 은 을 갖고 있는데 를 이용하면 균일한Laser Beam Gaussian Profile , DOE

일도와 같이 여러 형태의 을 갖도록 설계되어질 수 있다Energy Energy Distribution .

예를 들면 다음 그림과 같이 다단계의 홈을 만듬으로써 얇은 크기의 오목렌즈나 볼록렌즈를

만들 수 있는 것은 가장 대표적인 예의 하나라고 생각된다 이는 핸드폰 카메라와 같이 공.

간적 제약이 매우 큰 경우에는 효과적인 방법의 하나가 된다고 할 수 있다.

그림 를 이용한 평판형 오목 또는 볼록 렌즈그림 를 이용한 평판형 오목 또는 볼록 렌즈그림 를 이용한 평판형 오목 또는 볼록 렌즈그림 를 이용한 평판형 오목 또는 볼록 렌즈2-2: DOE2-2: DOE2-2: DOE2-2: DOE

소자는 의 차원 국부적인 변화와 차원 요철 또는 위상 을 가DOE Grating Period 2 3 Profile

지는 이다 차원 설계는 기법으로 설계되어지고 차원Microstructure . 2 Optical Raytracing 3

설계 결과는 회절 효율을 결정하게 된다.

와 레이저 광학와 레이저 광학와 레이저 광학와 레이저 광학4. DOE4. DOE4. DOE4. DOE

는 파장과 깊은 연관관계가 있으므로 일차적으로 의미를 갖는 광학은 광학이다DOE Lasers .

에서는 별로 큰 문제가 없지만 에서는 소자가 손Low Power Laser High Power Laser DOE

상을 받을 수 있으므로 주의를 요하는 분야의 하나이다 에너지 밀도가. 1kw/cm2

이상인 경우는 아직도 연구분야의 하나이다 인 경우는 가. Pulsed Laser Peak Intensity 10

12W/cm

2

이상에 대해서 설계 및 가공이 이루어져야 한다.

왜냐하면 그런 경우에 는Laser Gaussian TEM00 or TEM10* 로 동작하기 때문이다 그mode .러나 일반적인 경우에는 그렇게 심각한 경우는 없다 이 방법은 가 작업 표면에 위치하. DOE

거나 또는 내부에 위치시킴으로써 가능하다Laser Cavity .

파장의 범위에서는 와 금 을 한 가 여러10.6 kW transmissive ZnSe DOE Coating DOE㎛가지의 가공에 쓰이고 있다Laser .

파장의1.06 TW/cm㎛2

범위에서는 가 주로 사용되어SiO2 DOE Beam Reshaping, Beam

그리고 사용되고 경우에 따라서는 내Monitoring Harmonic Separationemddp Laser Cavity부에 장착하여 를 개선 하는 기술도 최근 발달하고 있다Beam Monitoring Quality .

제 절 사가 최초로 적용한 용제 절 사가 최초로 적용한 용제 절 사가 최초로 적용한 용제 절 사가 최초로 적용한 용2 Canon Camera DOE Lens2 Canon Camera DOE Lens2 Canon Camera DOE Lens2 Canon Camera DOE Lens

용 렌즈의 원리적 고찰용 렌즈의 원리적 고찰용 렌즈의 원리적 고찰용 렌즈의 원리적 고찰1. Camera DOE1. Camera DOE1. Camera DOE1. Camera DOE

에 를 적용한 최초의 예를 사의 제품에서 찾아볼 수 있다 년 뭘Camera DOE Canon . 2000 9

사는 독일 쾰른에서 개최된 에서Canon Photokina 2000 "Multi-Layer Diffractive Optical를 에 적용한 를 전시하였고 년 초반부터Element" Canon EF 400mm f/4 DO Prototype 001

시판에 들어갔다.

사는 이전에도 형석 재질을 사용한 비구면 렌즈를 개발하여 고성능 를 개발Canon Camera했는데 이 제품이 이제는 교환 가능 렌즈나 또는, SLR Camera Video Camcorder Digital

용 렌즈에도 적용되고 있는데 는 위의 두Camera , "Multi-Layer Diffractive Optical Element"

가지 특징에 다시 를 적용한 것으로 광학사에 한 획을 그었다고 평가되고 있다DOE .

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는 이미 와 같은 산업용 기기나 나 와 같이DOE Spectroscope CD DVD Optical Storage

에 사용되어 왔으나 빛의 회절 현상으로 인한 색번짐 효과로 렌즈에System , Flare( ) Camera

는 적용된 바가 없었다.

그림그림그림그림 2-3: Multi-Layer Diffractive Optical Element (Conceptual Diagram)2-3: Multi-Layer Diffractive Optical Element (Conceptual Diagram)2-3: Multi-Layer Diffractive Optical Element (Conceptual Diagram)2-3: Multi-Layer Diffractive Optical Element (Conceptual Diagram)

사의 는 두개의 로 구성된 다층구조라고 할 수 있다 입사광이 여광을 생Canon MLDOE DOE .

하지 않고 모두 상의 형성에 사용되게 된다 이러한 구조로 인하여 렌즈에도 사용. Camera

이 가능해진 것이다 동일한 광학계에 굴절계와 회절계를 동시에 집어넣음으로써 상의 품질

에 결정적으로 영향을 끼치는 및 다른 종류의Chromatic Aberration(color smearing)

을 매우 효과적으로 보정하는 결과를 가져 온 것이다Aberration .

용 을 제조하기 위해서는 높이와 가 마이크로 범위이므로MLDOE Diffraction Grating Pitch

사가 보유하고 있는 차원 초정밀 마이크로 기계와 렌즈 제조Canon 3 Replicated Aspherical

기술이 큰 기여를 하였다 현재 사는 렌즈를 이용하여 교환가능 카메라. Canon MLDOE SLR

렌즈나 렌즈 또는 렌즈 및Digital Camera , HMD(Head-Mounted Displays), LCD Projector

다른 영상기기에 적용하려는 기술을 개발하고 있다.

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그림그림그림그림 2-4: Correction of Chromatic Aberrations by the Multi-Layer Diffractive2-4: Correction of Chromatic Aberrations by the Multi-Layer Diffractive2-4: Correction of Chromatic Aberrations by the Multi-Layer Diffractive2-4: Correction of Chromatic Aberrations by the Multi-Layer Diffractive

Optical ElementOptical ElementOptical ElementOptical Element

그림그림그림그림 2-5:"EF400mm f/4 DO IS USM" built in Multi-Layer Diffractive Optical2-5:"EF400mm f/4 DO IS USM" built in Multi-Layer Diffractive Optical2-5:"EF400mm f/4 DO IS USM" built in Multi-Layer Diffractive Optical2-5:"EF400mm f/4 DO IS USM" built in Multi-Layer Diffractive Optical

Element (above) and 400mm f/4 Lens incorporating only refractive opticalElement (above) and 400mm f/4 Lens incorporating only refractive opticalElement (above) and 400mm f/4 Lens incorporating only refractive opticalElement (above) and 400mm f/4 Lens incorporating only refractive optical

elements (below)elements (below)elements (below)elements (below)

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렌즈의 검토렌즈의 검토렌즈의 검토렌즈의 검토2. Canon EF 400mm f/4 DO IS USM2. Canon EF 400mm f/4 DO IS USM2. Canon EF 400mm f/4 DO IS USM2. Canon EF 400mm f/4 DO IS USM

이미 제조된 사의 렌즈를 기존의 카메라용 렌즈와 성능 비교를 하면 다음과 같Canon DOE다 렌즈는 색수차 를 보정하는데 탁월한 효과가 있으므로. MLDOE (Chromatic Aberration) ,색수차가 발생하기 쉬운 렌즈에 아주 적합하다 그러므로 처음의Super Telephoto .

렌즈에 적용되었는데 완전히 굴절계로만 구성된Prototype EF 400mm f/4 DO IS USM ,렌즈와 동일한 성능을 가진다 그런데 그 무게나 크기는 훨씬 작은 광학Super Telephoto .

계를 구성할 수 있다는 점이다.렌즈를 작고 가볍게 만들기 위해서는 광학부품 사이의 거리가 작아져야 하므로 전단과 후단의 광학계의 굴절능이 현저해야 한다 이와 같은 조치는 색수차가 증가하는 문제를 막을 수.가 없다 이 문제를 해결하기 위하여 를 사용하게 된다 를 통하여 길이는. MLDOE . MLDOE

에서 로 정도 축소되었고 무게는 으로 약 정도 가벼317mm 233mm 26% , 1,930 gram 36%워졌다.

는 전단 렌즈군에 만들어져 굴절계에 의한 을 최소한의 크기로MLDOE Chromatic Aberration상쇄시키며 다른 비구면 효과가 보정되어 고해상도 의 영상을 얻을 수 있게High Contrast되었다.

제 절 의 설계제 절 의 설계제 절 의 설계제 절 의 설계3 DOE3 DOE3 DOE3 DOE

광학설계의 일곱 단계광학설계의 일곱 단계광학설계의 일곱 단계광학설계의 일곱 단계1.1.1.1.

위에서 본 바와 같이 는 처음에는 렌즈에 적용되기 시작하여 요즈음DOE Super Telephoto은 일반적인 카메라 렌즈에도 이용이 된다 특히 카메라 렌즈와 같이 광화각을 필요로 하.고 전 광로정이 짧은 렌즈의 경우에는 비점수차나 상면 만곡수차를 보정할 수 있는 렌즈의,형상을 얻는 것이 일차적으로 중요하다 그리고 고려되지 않은 나머지 수차 즉 구면수차 특. (히 고차의 구면수차 와 왜곡수차는 나중에 비구면 을 이용하여 최적화시 보정하는 것이 일)반적인 방법이지만 요즈음 이 문제에 를 적용하는 방법론들이 새롭게 시도되고 있다DOE .다음은 참고적으로 광학계 설계의 일반적인 제조단계를 정리한 것이다 는 통상 단계. DOE 3에서 적용이 된다.

단계 명칭 설명

1 기초설계

설계사양 결정하고 전체 기기의 광로도를 파악

필요부품의 특성 조립 및 위치에 대한 개략적인 결정,

의 차수차이론이 많이 사용Seidel 3

2 모듈화 기능별로 모듈화하여 각 모듈에 대한 기초 설계

3광학성능평가에 의한 최

적화

광학사양 충족을 위한 최적설계 및 광학성능 평가

를 사용Code-V, OSLO, ZMAX

4 공차계산가공특성 조립특성 양산특성 환경특성에 대한 공차 계산, , ,

설계자의 경험적인 부분이 많이 반영

5 생산도면 작성각 부품별 치수 광학특성 측정 및 평가방법 가공 및 조립시, , ,

의 주의 사항

6 시가공 및 조립

7 측정 평가 작업후 피드백

표 일반적인 광학설계의 일곱 단계표 일반적인 광학설계의 일곱 단계표 일반적인 광학설계의 일곱 단계표 일반적인 광학설계의 일곱 단계2-3:2-3:2-3:2-3:

종류 일반 구면 렌즈 비구면 렌즈DOE

설명및특징

구면으로 구성된 글래스 연마방식의 굴절렌즈로는 색수차 및 단색광에 대한 고차수차를 보정하기 위하여 매 이상의 렌즈가3필요.

비구면과 회절소자가 일체화된 플라스틱사출 형식의 렌즈

장단점 저가화 및 경박단소화에 제한비구면 효과 및 마이너스의 고분산 특성저가의 대량 생산 및 경박단소화회절효율의 파장 및 형상의존성이 큰 단점

표 일반 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 비교표 일반 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 비교표 일반 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 비교표 일반 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 비교2-4: DOE2-4: DOE2-4: DOE2-4: DOE

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회절광학 소자 이론회절광학 소자 이론회절광학 소자 이론회절광학 소자 이론2. :2. :2. :2. :

회절에 대한 기본식은 다음과 같이 결정된다.

위상함수법 회절파면의 위상함수로써 회절면을 표현:�고굴절률법 법 굴절률이 아주 큰 얇은 박막으로 표현(Sweatt ) :�

nu 얇은 박막의 굴절률이고 기준파장에서는: , 10n

이고 각 파장별로는+ 1 (n:3 ~5) , nu =

1+Const , zㆍλ (r 은 얇은 박막의 비구면 방정식) , K 원추곡면 계수, A,B,C,D 는 비구면 계

수, φ(r 얇은 박막의 비구면 방정식과 회절파면의 위상방정식)

그러므로

회절격자의 피치는 비구면 방정식을 미분하여 얻을 수 있으며 고굴절률을 이용하면 회절렌,

즈를 비구면 렌즈와 같이 설계하고 그 설계치로부터 회절렌즈의 피치를 구할 수 있다 위상.

형 회절소자의 번째 띠의 반경과 톱니의 최대 높이는k-

그러므로

위의 값은 분산이라고 하고 또는 또는 분산능과는Abbe Number

통상 굴절렌즈의 는 이고 부분분산비는 의 값을 갖는다Abbe Number 20~95 , 0.53~0.63 .

동일면상에 회절면과 굴절면을 동시에 구성하는 경우 전체 굴절능은

물색화 조건은

임의 파장에 대한 톱니 형태의 회절렌즈의 회절 효율은 다음과 같이 계산된다.

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위상함수법을 사용하는 경우 회절 파면의 위상방정식은

λ0 는 설계중심파장이며, C1( -1/α f), C2( 1/α f3), C3( -1/α f

5인 위상 계수 은 회절차수) , m

회절소자의 굴절능은

띠의 반경은 광로차가 설계 중심파장의 정수배만큼 차이가 나도록 결정하게 된다.

그러므로 띠의 최대수는

의 식 의 유도Geometrical Optics and Optical Design 6.34

등각인 경우

등각이 아니 경우

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등각이 아닌 것을 이용하여 와 같은 효과를 낼 수 없는가Blazed ?

가공에 의한 가공혼이 효과를 내는 것은 충분히 알려져 있다 그렇다면Diffraction . Cusp을 능동적으로 이용하는 방법은 없는가of Cut ?

의 기능을 개념을 이용하여 설명할 수 있다HOE Focusing Fresnel Zone .에서는 가 파장으로 제한되어 있다Kiniform Maximum Height 1 .

에서는 이 이해의 주안점이라면 에서는 이 이해Fresnel Lens Refraction , Kinoform diffraction의 주안점이다.

회절광학 소자를 적용한 카메라폰 렌즈의 예회절광학 소자를 적용한 카메라폰 렌즈의 예회절광학 소자를 적용한 카메라폰 렌즈의 예회절광학 소자를 적용한 카메라폰 렌즈의 예3.3.3.3.

렌즈 기술 체계 속에 회절광학 소자를 편입시키는 경향이 있다.인치 이미지 센서용 대칭구조의 동일렌즈로 된 매의 렌즈1/4 2 DOE�인치 인치 인치 인치 등 여러 가지 이미지 센서에 대한 렌즈 제품군이1/3 , 1/4 , 1/5 , 1/7�

회사별로 출시렌즈 매와 비구면 플라스틱 매 또는 매로 구성한 방식DOE 1 1 2�

분해능 차트를 이용한 필드 필드 필드 필드에 각각 형의0.0 , 0.5 , 0.7 , 1.0 USAF1951�분해능 패턴이 새겨진 차트를 이용하는 것

사의 이하의 근접된 두 면의 면을 사용Canon 10 DOE㎛�회절면의 마이너스 의 고분산 특성으로 인해 굴절렌즈와 일체형으로 구성할 경우 단매,�

의 렌즈로도 색수차를 해결할 수 있슴.

표 인치용 대칭형 렌즈의 설계 및 제작표 인치용 대칭형 렌즈의 설계 및 제작표 인치용 대칭형 렌즈의 설계 및 제작표 인치용 대칭형 렌즈의 설계 및 제작2-5: 1/4 DOE2-5: 1/4 DOE2-5: 1/4 DOE2-5: 1/4 DOE

표 기본적인 양을 계산하기 위한 비구면 식표 기본적인 양을 계산하기 위한 비구면 식표 기본적인 양을 계산하기 위한 비구면 식표 기본적인 양을 계산하기 위한 비구면 식2-6: Sag2-6: Sag2-6: Sag2-6: Sag

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표 의 위치와 간격표 의 위치와 간격표 의 위치와 간격표 의 위치와 간격2-7: Ring2-7: Ring2-7: Ring2-7: Ring

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제 장 측정제 장 측정제 장 측정제 장 측정3333

제 절 측정에 대한 일반적인 사항제 절 측정에 대한 일반적인 사항제 절 측정에 대한 일반적인 사항제 절 측정에 대한 일반적인 사항1 i1 i1 i1 i

측정 대상과 측정방법렌즈 가공후 측정의 내용은 다음과 같은 방법을 생각할 수 있다.

초점거리�MTF(Modulation Transfer Function)�투영해상기에 의한 해상력 측정 및 실제화상평가�

에 의한 회절면의 제작정도 측정FTS�

측정의 어려움DOE의 를 이용한 측정 방법 는 초 정도 소Nanosystemz White Noise : 100 x 100 3~4㎛ ㎛�

요.그 동안의 의 개발로 의 측정도 많은 부분 개선되었다Software Sharp Edge .�높이 방향으로의 해상력은 정도이고 방향의 해상력은 정도1 nm , Scanning 0.3 ㎛�

과 혼합형 시스템의 개발AFM WSI�

측정MTF표준연구원의 이윤호 박사 국내의 는 거의 이윤호 박사팀이 제작MTF�칼날의 형태를 하여 측정한다고 함 의 참조Scanning : Optical Shop Testing Chapter 8�렌즈는 일반적으로 두 면의 결함이 결상계에서 총체적으로 영향을 미치므로 결상계로부,�

터 측정된 결함을 면에 해당하는 정보로 분해할 수 없다.는 한 점을 떠난 정보가 렌즈의 모든 면을 통과하여 상면에서 되는 현상MTF , integration�

이므로 그것을 통한 정보의 이용은 불가능하다.

간접 측정법정해진 공구와 정해진 가공조건 하에서 면을 가공한다AIuminum .�그 가공된 면을 측정하여 로 분석하여 주파수 영역으로 옮긴 다음 그것을FFT , Pattern�

별로 분해하여 공작기구의 를 파악할 수 있다, Error Mode .그 보정은 에서 행할 수도 있다NC Programming .�

제 절 측정 방법제 절 측정 방법제 절 측정 방법제 절 측정 방법2 Knife-Edge2 Knife-Edge2 Knife-Edge2 Knife-Edge

가공표면을 직접적으로 측정하는 방법은 상대적으로 매우 어렵고 환경적으로도 매우 좋은상태가 요구된다 이것은 국내에서 대표적인 업체의 결과를 에 정리한 바와 같이. Appendix여러 가지 방법에 의해 측정이 가능하다.그러나 가공 현장에서 필요한 것은 빠른 시간 내에 정량적으로 정확한 양이 아닐지라도 그결과를 검증할 수 있는 방법론이 필요하다 자료를 찾아 본 다음 비교적 고전적인 방법이지.만 장치가 간단하고 현장에서 쉽게 사용할 수 있는 방법이 방법이라고 생Knife-Edge Test각이 되었다 이 방법은 의 전후에 를 위치시킴으로써 의 전. Focus Point Knife-Edge Image도가 발생한다 를 정확히 발견할 수 있다 또한 렌즈면을 통과한 빛을 차단함. Focus Point .으로써 가공된 면의 품질을 판단할 수 있는 장점도 있다.다음 그림에는 의 의 구성에 대하여 정리하였다 광Knife-Edge Test Optical Layout . Laser을 이용하여 평행광을 만든 다음 그 평행광을 검증하려는 렌즈계를 통과시키고 통과된 빛,의 일부를 차단함으로써 가공면의 특성을 판단하는 방법이다 가장 간단한 방법은 간단한.칼날을 사용하는 방법이고 조금 복잡한 방법은 그림의 오른쪽과 같이 특정 형상의 원판을,이용하여 특정한 으로 면의 정보를 선택함으로써 원하는 형태를 극대화할 수 있는Pattern장점도 있다.다음은 라는 책을 중심으로 에 대한 관련된 정보를"Optical Shop Testing" Knife-Edge Test정리하였다 의 결과로 발생한 정보를 해석하기 위한 방법은 크게 두 가지. Knife-Edge Test로 나누어진다 즉.

조사광의 파장보다도 긴 인 경우Aberration�조사광의 파장보다도 짧은 인 경우Aberration�

- 22 -

그림 의그림 의그림 의그림 의3-1: knife-Edge Test Schematic Diagram3-1: knife-Edge Test Schematic Diagram3-1: knife-Edge Test Schematic Diagram3-1: knife-Edge Test Schematic Diagram

다음은 각각의 경우에 대한 수학적 처리이다.

조사광의 파장보다도 긴 인 경우1. Geometrical Theory of image Formation : Aberration

를 규정하는 직선의 방정식은 그림과 같은 기호 속에서Knife-Edge

로 표시되고 그에 따른 는, Transmittance

은 의 를 의미하므로X1-Y1 Plane Ideal Wavefront W Paraxial Plane of Convergence

위의 식에서 간략화를 위하여 가 수평인 경우를 생각하면 다음과 같이 간략화Knife-Edge

된다.

는 수평으로 놓고 렌즈의 회전을 고려할 필요가 있다 또한 측정 의 좌표Knife Edge . Data

회전을 생각해야 한다.

- 23 -

에 의한 을 기술하는Kingslake(1925~1926) Wavefront deformation Aberration Polynomial

은

의Kingslake Aberration Polynomial

W(x,y)= A(x2+ y

2)2+By(x

2+ y

2)+C(x

2+ 3y

2) + D(x

2+ y

2)+ Ey+Fx+G

A B C D E F G

Spherical

Aberration

Coeffcient

Coma

Coefficient

Astigmatism

Coefficient

Defocusing

Coefficient

Tilt about

the x axis

Tilt about

the axis

Constant or

Piston Term

결함의

종류Governing Equation 의 결과Knife-Edge

Focus

Error

만약 가 이면 이하에서 가D Positive r1/2DR , D negative

이면 이상에서 밝다r1/2DR .

즉 를 전후하여 상의 역전이 발행Focus Point

특별히 인 경우r1=0 :

Primary

Spherical

Aberration

&

Focus

Error

가 의 함수이므로 직선이 아님Boundary x

축을 따라 조사하려면 를 대입Y X=0

부호가 이상하다.

와 의 부호에 따라 어둡고 밝은 지역이 발행D A

특별히 인 경우r1=0 :

그림 와 같이 축에 대칭인 곡선이 발생8.12 y

경계식은

Primary

Coma

&

Focus

Error

하지 않으므로 두 가지의 경우에 대해Radial Symmetry

분석

축에 평행하게 를 놓으면 타원의 형상이 보이X Knife-Edge

고

축에 평행하게 놓으면 의 형태로Y Rectangular Hyperbolic

보인다.

특히 인 곳에서의 형상과 인 아닌 곳에서Paraxial Paraxial

의 형상에 대한 비교의 필요

인 곳에서는 즉 의 값에 따라 중심선이 다른 곳Paraxial D

에 놓여 있다가 로 접근함에 따라 축 상의 대칭형, Zero , xy

태로 접근하는 현상을 보털 준다.

비점수차

&

Focus

Error

에서도 가 아니므로 특정한Astigmatism Radial Symmetry

각도에 대해 다른 형태로 보여주게 된다.

그러나 두 가지에 대한 것이 모두 차식이므로1 Cutting

에 대해 다른 각도를 보여주게 된다Angle .

경계식은

기울기는

- 24 -

위의 식은 잘 정의된 기하학적 표면에 대한 결과들을 표시한 것이다 그러나 가공이 결과가.

잔존하는 광학적 가공표면에서는 위와는 다른 복잡한 형상의 결과가 발생하게 된다 그러므.

로 그 결과를 분지하기 위해서는 복잡한 가 필요하다고 예상된다Procedure .

꼭 평행광을 사용해야 하는가 와 같은 것을 이용하여? Nipkow Disk Patterned Light�를 사용하는 방법은 없는가Source ?

의 형상을 복잡하게 만드는 방법Disk�주변의 효과를 표현하는 것이 의 값이고 에 따라Focus Point D , D Spherical Aberration�

이나 에서 보듯이 의 형상이 매우 다르므로 그를 위한 이동 장치의Coma Aberration Pattern

필요성

조사광의 파장보다도 짧은 인 경우2. Physical Theory of Image Formation : Aberration

를 떠나는 를 와 을 의Optical Surface Complex Amplitude Uniform Background Aberration

미하는 양으로 나누어 생각할 수 있다.

상의 는 이의 이므로Paraxial Plane Complex Amplitude Fourier Transform

만약 가 이 의 첫번째 근인 보다 크면Knife-Edge Order 1 First Kind Bessel Function 3.83

이 안되므로 이 분포하게 된다Stocking Uniform Irradiance Distribution .

위에서 다시 로 을 하면 를 표시하면Knife-Edge Blocking , Transmittance ,

부터 위의 논의에 대한 새로운 사고 전개 방식을 정리한다Page 284 .

을 떠나 으로 가는 는Paraxial Plane Image Plane Complex Amplitude

결과적으로 상의 는 으로 계산Image Plane Complex Amplitude inverse Fourier Transform

한다.

- 25 -

위의 식에서는 상의 는 차의 으로 계Image Plane Complex Amplitude 2 Fourier Transform

산되었다 만약에 상의 가 이라면. Paraxial Plane Transmittance 1

이 되어 에 대한 정보가 소실된다 그러므로 가 성분 만을, Aberration . W'(x2,y2) Imaginary

가지게 하던 또는 복소수로 표현되는 방법으로 함수를 변화시켜야 한다 즉W(X1,y1) .

이로써 의 이 유발되게 된다 이는Image Plane Irradiation Variation . Uniform Background

에 대해 에 해당하는 로 해석되게 된다Image Irradiation Variation Contrast .

가 성분을 가지게 되는 이유를 살펴본다W'(x2,y2) Imaginary .

가 인 의 이므로W(x1,y1) Real Function W(x,y) Fourier Transform Imaginary Component

는 이 이거나 또는M(x1,y1) Purely Real-Odd Function Purely Imaginary-Even Function

인 경우에만 유인되었다고 할 수 있다 이것에 대한 정확한 이해 및 그림 의 정확한 분. 8.18

석 필요하다.

의 경우에는 가 에 기인한 것이라고Knife-Edge Imaginary Component Purely-Odd Function

할 수 있다.

중괄호 안을 계산하면

- 26 -

다음의 사항을 확인할 것

모든 함수는 과 의 합으로 표시될 수 있다Even Function Odd Function

그러므로

- 27 -

제 장 비구면 렌즈의제 장 비구면 렌즈의제 장 비구면 렌즈의제 장 비구면 렌즈의4 Reverse Engineering4 Reverse Engineering4 Reverse Engineering4 Reverse Engineering

제 절제 절제 절제 절1 Introduction1 Introduction1 Introduction1 Introduction

이 필요하다Reverse Engineering .�비구면의 필요성 및 중요성�비구면의 측정에 대한 언급 그러나 이는 이미 알고 있는 비구면 계수를 주고 파면의:�

변조를 검사하는 방법이 주류를 이루고 있슴.광학계의 또는 설계의 초기점의 로서의 중요성Reverse Engineering Art�

채취는 선반가공 후 로 측정하는 방법 그러나 털러 매의 광학계가 조Data From Taylor�립되어 있는 경우는 절단법이 유리하지 않을까?

제 절 비구면 렌즈의제 절 비구면 렌즈의제 절 비구면 렌즈의제 절 비구면 렌즈의2 Reverse Engineering2 Reverse Engineering2 Reverse Engineering2 Reverse Engineering

측정 로부터 비구면 계수를 얻는 방법측정 로부터 비구면 계수를 얻는 방법측정 로부터 비구면 계수를 얻는 방법측정 로부터 비구면 계수를 얻는 방법1. Data1. Data1. Data1. Data

비구면식은 일반적으로 다음과 같이 표현된다.

일반적으로 이러한 경우는 측정값을 이용하여 을 통한 계수값을 결정Least Square Fitting한다.

그러나 위의 식은 계수들이 비선형 형태이므로 선형에서와 같이 를 직접적으로 풀, Matrix수 없고 에 의한 해를 구하므로 초기값을 설정 방법이 중요하게 된다, Iteration . Noblinear

에서는 초기 값에 따라 국부 최적점으로 수렴할 수가 있기 때문이다 수치계산적 측Fitting .면에서 측정값으로부터 위와 같은 초기값의 단서를 찾기 위하여 위의 비구면식을 미분하여보면 다음과 같다.

차미분계수는 비구면이 회전대칭이라는 점에서 보듯이 추정할 수 있듯이 식에서도 원점에1 ,서 영이 된다는 것이 자명하다 가 아닌 지점에서는 모든 미지수의 미분은 다음의 식. R=0과 같이 의 값을 갖는다는 사실을 알 수 있다 그러므로 비교적 정확하게 측정값으로부C .터 그것을 취할 수 있다.

- 28 -

이 값은 수치해석적 정밀도 안에서 정도를 가지므로 매우 정밀한 값을 제공해준다.

차미분에서 값이 보이나 에 대한 차식으로 표시되므로 원점에서 계산결과치를 보여3 K , r 1

주지 않는다 차식에 이르러서야 비로서 값이 원점에서 독립적으로 추정이 가능한 형태. 4 K

를 띄게 되지만 수치계산적으로도 값의 불확실성이 높을 뿐만 아니라 동시에 차항의 계, , 4

수인 가 동시에 나타나므로 그 값의 추정이 불가능하다 미분 차수를 높여도 홀수차의A , .

미분은 중심에서 항상 영의 값을 가지며 짝수차의 미분에서는 차 미분에서만 곡률에 관한, 2

정보가 얻어지며 그 외의 고차항에서는 항상 미지수가 하나씩 늘어나게 되는 식의 구성을,

가지고 있다 그러므로 초기값으로는 측정치로부터 곡률에 대한 정보만 가능하고 그 외의.

계수들은 초기값의 추정이 불가능하다고 판단된다.

원점근처에는 고차항의 기여가 크지 않으므로 비구면의 원래 정의로부터 다음과 같이 식을

계산할 수 있으나 이식의 측정치에 이미 고차항의 효과가 포함되어 있으므로 그 값의 추정

이 불가능하다.

만약에 미분 효과를 넣는다면

- 29 -

표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과4-1: Fitting4-1: Fitting4-1: Fitting4-1: Fitting

위의 두 가지 방법 모두 계수의 효과가 개입되므로 값에 대한 추정이 불가능하다K .그러므로 의 값은 위와 같은 수치계산적 초기값을 사용하고 그외의 계수c , A, B, C, D, E와 는 임의의 추정값을 설정하여 을 수행Conic Constant K Nonlinear least square fitting하였다.위와 같은 논의를 진행하기 위하여 에서 비구면 계수를 결정하여 비구면 렌즈를 설, OSLO계한 다음 을 통하여 얼마나 비구면 계수를 추적하는지를, Nonlinear Least Square Fitting살펴보았다.프로그램은 을 사용하여 을 수행하였다 은 자체의 수렴Origin Nonlinear Fitting . Origin

으로 카이제곱 항을 사용한다 위와 같이 수치적으로 결정된 곡률에 대한 초기값criterion .이외에 모든 미지수를 변수로 한 경우에는 에 의한 비선형성으로 인하여 초기의 시도에K서 발산하는 경우가 있으므로 여러 가지의 값에 대해 을 수행하였다K Nonlinear Fitting .

을 수행한 결과 계수들은 값의 고정값에 대해 곡률은 원래의 설계값과 비교하여Fitting , K소수 세자리까지 매우 근접하게 이 가능하다 그러나 그외의 미지수들은 에 대한Fitting . K매우 민감한 변화를 보여준다 즉 값의 변화에 따라 값이 가장 많이 변하고 고차항으. K A로 갈수록 의 추정치가 점점 초기 설계값에 접근하는 경향을 보여 준다B, C, D, E .그러나 위의 경우에 보는 바와 같이 의 값과 상관없이 비선형 이 수Conic Constant Fitting렴을 하고 그 계수들의 값은 다르나 렌즈의 특성은 동일하다는 초기의 예상과는 다른 점을,발견할 수 있었다.이의 원인을 파악하기 위하여 의 을 전개식을 이용하여 다음과 같이z(r) Conic Team Taylor전개하였다.

을 전개를 하면 짝수차의 형태로 전개됨을 알 수 있다Conic Team Taylor Even Function .즉 일반적인 비구면식은 으로 기인하는 짝수차의 형태에서 차Conic Team Even Function 2항만 근축에서의 곡률에 의해 결정되고 차부터 차까지 계수 보정을 한 식이라고 해석되4 12어질 수 있다 그러므로 차까지의 비구면식은 결과적으로 다음과 같이 정리될 수 있다. 12 .

을 전개를 통하여 에 대한 이 존재하기Conic Term Taylor High Order Term Contribution때문에

라는 조건 만족된다면 위치정보는 동일하기 때문이라고 생각할 수 있다 즉 설계의 단계에.서는 설계자의 기하학적 인식도를 반영하기 위해 값 즉 이심율의 제곱항에 대한 의도적K인 처리가 필요하지만 기존의 형상을 파악하기 위한 단계에서는 그 값에 대한 제한을 받지,않는다는 것을 알 수 있다 즉 전체적인 가 최소가 되도록 을 하면 고차항들이. Error Fitting그에 대한 보정을 함으로써 최종적인 값을 얻을 수 있는 것으로 판단된다 단지 수렴조건을.어떻게 가져가는지에 대한 정보만이 중요한 의미를 갖는다.만약 다른 계수를 사용한 다음 다음단계의 설계를 하는 경우에 그 공차분석은 어떻게 되는가?

- 30 -

이 경우 가 상대적으로 작고 고차의 비구면계수가 작은 경우를 대상으Conical Constant ,

로 추정한 것이다 즉 와 상관없이 수렴을 하고 그 결과 비구면 계수는. Conical Constant

다를 수 있으나 비구면 렌즈의 특성은 동일하다는 것을 알 수 있다 이 결론의 일반성을 확.

보하기 위하여 육안적으로 좀 더 여기서의 문제점은 비구면도를 정의하는 방법이 지금까지

부재하다는 점이다.

경험적으로 비구면 정도가 심한 비구면 형상에 대한 추정경험적으로 비구면 정도가 심한 비구면 형상에 대한 추정경험적으로 비구면 정도가 심한 비구면 형상에 대한 추정경험적으로 비구면 정도가 심한 비구면 형상에 대한 추정2.2.2.2.

위와 같은 방법으로 다음과 같은 두 가지의 모양의 비구면을 비구면 정도가 심한 전형적인

예로 선정을 하였고 이에 대한 을 수행하였다 비구면 구연식에서 의 역할은 근축, Fitting . K

에서 직선성을 증가시키는 역할을 하며 그런 결과로 주변 광선부에서 평탄한 정도를 고차,

비구면 계수를 사용하여 구면수차가 작게 하는 형태로 다시 구부리는 역할을 한다 모양은.

아래와 같이 평탄한 형상과 활모양의 형상 두 가지를 선정하였다.

표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과4-2: Fitting4-2: Fitting4-2: Fitting4-2: Fitting

이 경우에도 값에 관계없이 잘 수렴함을 알 수 있다 부분적으로 의 경우나K . K=2.5 -3.0

의 경우는 오히려 특성이 더 개선된 결과를 보여준다 이는 값이 어느 정도 커서 차항. K 12

이상의 기여가 있는데 고차 비구면에서 차까지만 보정을 한 결과라고 추정을 할 수 있다12 .

즉 을 통하여 이 최소화되는 수학적으로 더 매끄러운 곡면이 찾아진 결과라Fitting Residual

고 판단될 수 있다.

값을 더 증가시켜 편평도를 더 크게 한 다음 그 결과를 추적하여 보았다K .

이 경우에는 위에서 언급한 결과와는 매우 다른 결과를 보여준다 원래 설계값인.

의 경우에 가까운 에서만 유사한 그러나 특성도 부분적으로 더 나K=-3.9399676 K=-4.0 ,

쁜 결과를 보여 주고 그 이외의 경우에는 매우 나쁜 결과를 보여 주고 있다, .

- 31 -

이는 위에서도 간단히 언급한 바와 같이 차까지는 혼합된 계수의 크기를 일치시켰지만, 12

전개로 인한 차 이상의 항에서 잔차가 계속 발생하는 것에 기인한 것이라고 추정Taylor 14

된다.

즉 그 잔차가 매우 작은 경우는 렌즈의 특성을 개선시키는 효과가 있지만 그 잔차가 상대,

적으로 큰 경우는 렌즈의 특성을 매우 열화시킨다는 결과를 볼 수 있다.

표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과표 여러 가지의 결과4-3: Fitting4-3: Fitting4-3: Fitting4-3: Fitting

그러므로 위에서 언급한 것처럼 항상 에 무관한 결과를 보여주는 것이 아니라 추정하는K ,

바 비구면도가 증가함에 따라 경우에 따라 즉 고차 비구면 계수가 큰 값을 갖는 것에 따라

의 값에 인감하고 결국 의 초기값을 추정하는 방법론이 필요하게 된다K K .

고차 에 의한 초기값을 결정하기 위한 방법론고차 에 의한 초기값을 결정하기 위한 방법론고차 에 의한 초기값을 결정하기 위한 방법론고차 에 의한 초기값을 결정하기 위한 방법론3. Linear Fitting Conic Constant3. Linear Fitting Conic Constant3. Linear Fitting Conic Constant3. Linear Fitting Conic Constant

위와 같은 문제점은 가장 중요한 원인이 이 전개를 한다면 짝수차항으Conic Term Taylor ,

로만 구성되기 때문에 고차 비구면 계수와 완전히 동일한 효과를 갖기 때문이라고 볼 수 있

다 즉 원래의 항까지 첨가하여 곡면의 성질을 부분적으로 보정하는 역할을 하는 것으로 판.

단된다.

이와 같은 현상을 수학적으로 판단하기 위하여 를 로 표시하Spherical Lens Power Series

면,

는Conical Lens

- 32 -

는Aspherical Lens

여기에서 △A,△B,△C,△D,△E 는 항에 대한 고차 비구면 계수의 비율을 의미한다, Conical .

계수들의 크기를 비교하기 위하여 차의 비율과 차의 비율을 다음과 같이 표시한다, 1 2 .

표 계수들의 관계표 계수들의 관계표 계수들의 관계표 계수들의 관계4-4:4-4:4-4:4-4:

위에서 보는 바와 같이 이나 은 일정한 비율로 늘어남을 알 수 있다 비구Spherical Conic .

면의 경우 비구면도가 작은 경우 즉, △A,△B,△C,△D,△E 의 값이 작은 경우는 각 비율이,

이나 의 비율로 수렴함을 알 수 있다 그러나 그 비율이 높은 경우는 그Spherical Conical .

와 같은 규칙성을 보여 주지는 않는다 그러므로 이 계수를 이용하여 비구면도를 결정할 수.

도 있을 것이다 즉 최대 비율의 크기와 그 비율이 가지는 분산도를 이용하여 비구면도를.

정의할 수도 있을 것이다.

위와 같이 비율의 규칙성을 찾을 수는 있으나 항상 미지수의 개수보다 관계식이 한 개가 적

으므로 부정정의 문제가 된다.

- 33 -

위와 같은 특성에 근거하여 다음과 같은 방법을 적용할 수 있다고 판단된다 즉 차 이상. 12

으로 을 하면 차항 이상의 항수가 많으면 많을수록 차항까지는 고차 비구면 계Fitting 12 , 12

수가 의 효과와 혼재되어 결정되고 차항 이상의 항에서는 의Conical Term , 12 Conical Term

효과가 발생할 것이다 그러므로 위와 같은 비율을 이용하여 의 값을 단독적으로 구할 수. K

있을 것이다라는 추정이다 위와 같은 가정으로 차까지 을 해보고 다시. 16 Linear Fitting 24

차까지 을 해 보았다 그리고 그 결과를 이용하여 계수간의 비율을 구해보았다Fitting . .

표 여러 가지의 근사에 따른 계수들의 변화표 여러 가지의 근사에 따른 계수들의 변화표 여러 가지의 근사에 따른 계수들의 변화표 여러 가지의 근사에 따른 계수들의 변화4-5:4-5:4-5:4-5:

위의 표와 같이 차수를 높여도 곡률의 반에 해당하는 계수 의 값에는 변화가 없다 그러P1 .

나 차 계수와 차 계수에 의해 결정되는 은 차 근사의 경우는14 16 Conic Term 16 -1.25, 22

차 근사에서는 에서부터 까지 변화하고 더 고차인 차 근사에서는 부터-1.98 -1.10 30 -4.5

까지 변화의 범위가 너무 크므로 아무런 정보를 찾아낼 수 없었다 이는 차까지의21.7 , . 12

다항식의 관계가 그 이상의 고차항의 그러므로 좀더 확실하게 값을 추정할 수 있는 방법K

론이 필요하게 된다.

을 이용한 초기값을 결정하기 위한 방법론을 이용한 초기값을 결정하기 위한 방법론을 이용한 초기값을 결정하기 위한 방법론을 이용한 초기값을 결정하기 위한 방법론4. Fourier Transform Conic Constant4. Fourier Transform Conic Constant4. Fourier Transform Conic Constant4. Fourier Transform Conic Constant

측정 가 존재한다는 것은 어떤 형태로든지 그 를 적극적으로 이용할 수 있다는 것Data Data

을 의미한다.

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일반적으로 측정 가 있는 경우 가장 손쉬운 방법은 을 수행해Data Fourier Transformation보는 것이다 그 후에 성분을 제거하고 다른 물리적 의미를 구하는 것이. High Frequency일반적인 경우이다.이와 같은 작업을 위하여 먼저 비구면식에 대해서 을 수행해보았다Fourier Transform .

위의 식에서 보듯이 비구면식을 을 하면 고차 비구면 계수는Fourier Transformation , Dirac의 미분함수로 가 인 곳으로 변환되고 은 곡Delta Function Frequency Zero , Conical Term

률과 가 포함된 와 으로 변Conic Constant Dirac Delta Function Modified Bessel Function환된다 그러므로 변환된 측정 에서 항만을 제외하고. Fourier Data Zero Frequency , Curve

을 한다면 계수로부터 를 추정할 수 있는 이론적 근거를 갖게 된다Fitting , Conic Constant .을 하기 위하여 다음과 같이 을 계산한다Least Square Fitting Residual .

여기에서의 문제점은 측정값을 어디부터 어디까지 사용하는가 하는 문제점이다 위의 계수.관계식에서와 마찬가지로 취하는 변환된 측정 수에 따라 어느 구간에서는 매Fourier Data우 민감하게 변화를 한다 본 식에서는 다음과 같은 선택 기준을 가진다 즉 에 의해 결. . c정되는 공간주파수의 배보다 크고 배보다 작은 에 대한 측정 만을 사용2 5 Frequency Data한다.

제 절 렌즈의 표현식제 절 렌즈의 표현식제 절 렌즈의 표현식제 절 렌즈의 표현식3333

이차곡선을 정의하는 방법은 여러 가지가 있으나 가장 일반적인 방법은 주어진 어떤 양수,에 대하여 평면상의 주어진 점 까지의 거리가 직선 까지의 거리의e F(p, 0) L : x = -p e배수 되도록 하는 점 의 자취의 방정식을 구하는 방법이다 그러나 이렇게 유도를P(x, y) .하면 인 경우를 제외하고는 꼭지점이 원점을 지나지 않게 된다 즉 인 경우는e = 1 . e < 1꼭지점이 원점의 오른쪽에 놓이고 인 경우는 왼쪽에 놓인다 그러므로 측정을 하는e > 1 .경우에는 항상 꼭지점이 원점을 지나는 것으로 그 표현을 바꿀 필요가 있다.

인 경우는 원점이 오른쪽으로 옮겨야 하므로 새로운 초점의 좌표는1) e< 1 , (-p- /, 0) &이 된다 그러므로(p- /, 0) .

이 식이 원점을 지나야 하므로

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이 값을 위의 식에 대입을 하면

인 경우는 원점이 왼쪽으로 옮겨야 하므로 새로운 초점의 좌표는2) e > 1 , (-p+ /, 0) &

이 된다 그러므로(p+/, 0) .

이 식이 원점을 지나야 하므로

이 값을 위의 식에 대입을 하면

그러므로 곡선식은 동일한 형태를 가지게 된다 이를 정리하면. ,

원점에서 곡률반경을 구하기 위해 위의 식을 미분하면

비구면식에서 이 일반적으로Conical Term

라는 점을 고려하면,

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제 장 기술적인 검토 사항제 장 기술적인 검토 사항제 장 기술적인 검토 사항제 장 기술적인 검토 사항5555

제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황제 절 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황1 DOE1 DOE1 DOE1 DOE

본 과제의 주요 목표 중의 하나가 장비 성능 개선이므로 어떤 대상을 중심으로 장비DTM ,의 사양을 개선하여야 하는 방향의 결정이 매우 중요하다 그와 같은 사양을 결정하기 위하.여 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황에 대하여 조사하였다 다음 그림은DOE .최근의 렌즈 임가공에 대한 수주 현황을 축을 렌즈의 직경으로 하고 축을 총 양X- , Y- Seg으로 하여 빈도수를 찍은 그림이다.

그림 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황그림 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황그림 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황그림 와 관련 가능성이 있는 렌즈 임가공의 수주현황5-1: DOE5-1: DOE5-1: DOE5-1: DOE

그림에서도 판단되듯이 년 이전에는 직경이 정도까지 폭넓게 수주가 되다가2003 60mm년을 기점으로 직경 이하의 렌즈 임가공량이 증가하는 것을 볼 수 있다 이는2003 10mm .

최근의 제품이 나 카메라 그리고 카메라에 수요가Optical Digital camera Handphone , PC증가하는 영향이라고 볼 수 있다 그러므로 장비 개선의 방향도 전 에 대해. Working Space진행할 것이 아니라 위와 같은 수주 현황에 능동적으로 대처할 수 있는 방향으로 집중되어야 한다.그러므로 위의 에 근거하여 장비 개선의 방향을Data

직경은 즉 반경 까지 가공 가능하고100mm 50mm�양도 까지 가공 가능하도록Sag 50mm�

장비의 개선 방향을 결정하였다.

제 절 축 정도 측정 실험제 절 축 정도 측정 실험제 절 축 정도 측정 실험제 절 축 정도 측정 실험2 DTM X-2 DTM X-2 DTM X-2 DTM X-

장비 현장 및 측정 장비의 장착에 대한 사진장비 현장 및 측정 장비의 장착에 대한 사진장비 현장 및 측정 장비의 장착에 대한 사진장비 현장 및 측정 장비의 장착에 대한 사진1111

년 월 일의 연구 조합에 의한 측정의 결과는 차 정도측정 결과 보2004 1 19-20 NC “1 DTM고서 에서 언급한 바와 같은 측정 상의 문제점으로 결과를 신뢰할 수 없으므로 생기원이” ,가진 를 이용하여 재측정을 하였다 측정상의 문제를 간략히 기술하면Laser interferometer .다음과 같다.

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장비가 을 함으로써 이송대의 움직임에 따른 기계 전체의 기울어짐DTM Active Damping�이라는 문제가 발생하므로 측정 장비는 장비의 베드상에 장착되어야 한다, DTM .� 가공 환경이 상대적으로 열악하므로 급의 해상도는 너무 정밀도가 높고1 nm ,이 높은 정밀도가 오히려 의미있는 측정 결과를 더 어렵게 하고 있다.

위와 같은 문제점으로 연구조합의 급의 해상도를 보다 낮지만 베드 위에 장착할NC 1 nm수 있는 생기원 보유의 급의 해상도를 가진 를 가지고 다음과10 nm Laser interferometer같이 측정하였다.

고속 레이저 측정기 (OPTODYNE MCV-500) 비접촉 레이저 광학측정기 (OLYMPUS OLS1200)

Laser Stability: 0.1pmMax. velocity

3600 mm/sec

Light Source:

Ar+(488nm)

System Accuracy: 1ppmMeasurement range

(Diameter) 152mm

Objective

Magnification : 5, 10,

20, 50, 100

Resolution: 0.01㎛Temperature range:

15.5 32℃ ～ ℃Z-axis Step unit: 10nm

Sampling Rate: 1000

data/sec

Measurement distance :

15mOptical Zoom: x1 to x6

그림 측정 장비의 사양과 장비에 측정 장치를 설정한 사진그림 측정 장비의 사양과 장비에 측정 장치를 설정한 사진그림 측정 장비의 사양과 장비에 측정 장치를 설정한 사진그림 측정 장비의 사양과 장비에 측정 장치를 설정한 사진5-2: DTM5-2: DTM5-2: DTM5-2: DTM

위의 그림과 같이 를 이송대 위에 고정을 하고 를 축의 부Laser Source , Reflector z- Body분에 고정을 하였다 이송대 위에는 공기의 온도와 진동을 보상하는 센서가 각각 장착되어.있다.

직진도 측정 결과직진도 측정 결과직진도 측정 결과직진도 측정 결과2.2.2.2.

그림 직진도 측정 결과그림 직진도 측정 결과그림 직진도 측정 결과그림 직진도 측정 결과5-3:5-3:5-3:5-3:

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장비는 사진에서 보는 바와 같이 오른쪽 앞쪽을 원점으로 하고 있다DTM .

직진도 측정을 위하여 최대속도 으로 간격으로 왼쪽으로 이동을 하여100 mm/min 20mm

초 동안 정지를 하였다 에 대한 측정을 병행하기 위하여 부터 까지5 . Backlash 0 400 mm

단계를 이동하였으며 측정은 부터 까지 구간만을 로 선택하였다20 , 2 18 360 mm Data .

는 을Laser Interferometer Setting Time 0.1 sec, Target Window 0.03, Dwelling Time 2

를 를 로 설정을 하였다sec, velocity Threshold 0.05 mm/min, Baudrate 1 kHz .

왼쪽의 그림은 전체 거동에 대한 측정결과를 도시한 것이고 오른 쪽의 그림은 목표값에 대,

한 편차를 표시한 것이다.

편차는 전체적으로 거리에 따른 선형성을 보여 준다 이는 의 조정이 잘못되어 있기. Gain�때문이다 추정하는 바로는 전 소유자인 가 장비의 속도가 너무 저속이므로 부분적인 수. LG

정을 하였다고 하는데 그로 인한 영향이 아닐까 추정을 한다.

사에서 초기에 을 하며 측정한 값인 은 무엇인가 기타 사에Moore Setting 1.5 ? Moore㎛�서 한 측정값들에 대한 검토가 필요Calibration .

초기의 위치에서 갑자기 가 증가한 모습을 보여 준다 이는 그 위치가 거의 사용되Error .�지 않은 위치이기 때문에 상의 문제가 있는 것으로 판단된다Slide .

아래의 그림들은 사의 측정 후 처리 결과들을 출력한 것이다 위에서 언급한 바Optodyne .

와 같이 초기의 이송대가 출발하는 경우는 비정상적으로 가 크므로 그 부위를 제거하Data

고 부터 까지의 결과만을 대상으로 한 것이다20 mm 360 mm .

그러나 처리 의 적절하지 못함으로 인하여 악간 크게 그 결과가 나왔다 그러므로Program .

기준에 의해 원래의 를 처리해야 하는 필요성이 있다ISO Data .

그림 사의 측정 후 처리 결과그림 사의 측정 후 처리 결과그림 사의 측정 후 처리 결과그림 사의 측정 후 처리 결과5-4: Optodyne5-4: Optodyne5-4: Optodyne5-4: Optodyne

의 의 의하면 번째의 그림과 같이 다음과 같다Optodyne Program 4 .

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Systematic Deviation of Positioning : 0.0026(Forward), 0.0029(Backward),�0.0031(Bi-directional)

Repeatability of Positioning : 0.0021(Forward), 0.0018(Backward), 0.0033�(Bi-directional)

Accuracy : 0.0043(Forward: -0.0017~0.0026), 0.0044(Backward: -0.0019~ 0.0024),�0.0046(Bi directional . -0.0019~0.0026)

측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과3. Step Function3. Step Function3. Step Function3. Step Function

초정밀 기계의 동적 응답성을 보기 위하여 일반적으로 적정한 양의 지령신호를 주고 그 움직임을 측정하는 출 수행한다Step Function Test .고기원의 김호상 연구원의 말에 의하면 기계의 해상도인 를 넣어 움직이는 초정밀1 Count기계는 없다고 한다 적어도 정도를 주어야 움직인다고 한다 그런 의미에서는. 100 Count .본 실험과 같이 의 지령을 준 것은 합리적이라고 생각을1 , 2 , 3 , 4 , 5 Step㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛한다.그러나 년도 대우의 초정밀 가공기 제작을 위한 구동기구에서는 에 대한 이송1998 10 nm결과를 보여 준 것 같고 에서도 동일한 특성결과를 보여 주는 것으로 미, Fast Tool Servo루어 짐작컨데 소위 초정밀 기계라는 것은 그에 대한 언급이 어디엔가 있어야 한다고 생각,을 한다 그러므로 에 대한 과 최근에 초정밀 기계를 제작판매하고 있는. DTM Manual

의 자료를 검토할 필요가 있다Precitech .비구면 구간을 직선으로 분할하여 을 한다는 점을 고려한다면 사실상CAM Programming ,

에 대한 초정밀 기계의 동적응답성도 매우 중요한 요소 중의 하나라고 판단이 된Step input다.

그림 과 에 대한 응답그림 과 에 대한 응답그림 과 에 대한 응답그림 과 에 대한 응답5-5: 1 i Step 2 Step Function5-5: 1 i Step 2 Step Function5-5: 1 i Step 2 Step Function5-5: 1 i Step 2 Step Function㎛ ㎛㎛ ㎛㎛ ㎛㎛ ㎛

이와 같은 측정은 꼭 가 없이 나 와 같은Laser Interferometer Capacitance Sensor LVDT로 측정이 가능하므로 서울 광학 자체에서Short Range High Resolution Sensing Sensor

측정할 수 있는 방법을 구축해야 한다고 생각을 한다.을 위한 작성시 명령간 최소길이가 존재하는가DTM CAM Programming , G-Code ?

그림 과 에 대한 응답그림 과 에 대한 응답그림 과 에 대한 응답그림 과 에 대한 응답5-6: 3 Step 4 Step Function5-6: 3 Step 4 Step Function5-6: 3 Step 4 Step Function5-6: 3 Step 4 Step Function㎛ ㎛㎛ ㎛㎛ ㎛㎛ ㎛

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위에서 언급한 바와 같이 에 대한 응답성을 살펴 보면 초기에 약 을1 Step Input , 20㎛ ㎛

후진했다가 으로 지령과 전혀 다2.5 , 4.5 , 6.5 , 9 , 7 , 5 , 2.5 , 0.7㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛

른 움직임을 보여준다 또한 각 움직임 마다 가 발생함을 알 수 있다. Overshoot .

에 대한 응답성에서도 초기에 약 을 후진했다가2 Step Input , 6 2 , 4.5 , 6.3 ,㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛

으로 지령 때보다는 훨씬 좋은 결과를 보8.2 , 6.3 , 4.5 , 2.5 , 0 1 Step㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛

여주지만 역시 정밀도의 문제와 각 움직임 마다 가 발생한다는 사실은 변화가, Overshoot

없다.

에 대한 응답성에서도 초기에 약 을 후진했다가3 Step Input 10 3 , 6.5 , 9 ,㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛

으로 지령 때보다는 훨씬 좋은 결과를 보여주11.5 , 9 , 5.8 , 3 , 0 1 Step㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛ ㎛

자면 역시 정밀도의 문제와 각 움직임 마다 가 발생한다는 사실은 변화가 없다, Overshoot .

그림 에 대한 응답그림 에 대한 응답그림 에 대한 응답그림 에 대한 응답5-7: 5 Step Function5-7: 5 Step Function5-7: 5 Step Function5-7: 5 Step Function㎛㎛㎛㎛

위와 같은 이는 초정밀 기계로서의 신뢰성이 전혀 없는 것으로 판단된다 그러므로 그 특성.

을 개선하기 위하여 다음과 같은 정의 검토가 요망된다.

사가 초기 설치 시 한 것은 무엇인가Moore Calibration ?�도대체 내부의 가 의 역할을 하는가Laser Interferometer Feedback ?�추정하는 바로는 전 소유자인 가 장비의 속도가 너무 저속이므로 에 대한LG Controller�

부분적인 수정을 하였다고 하는데 그로 인한 영향이 아닐까 추정을 하므로 이에 대한 검증,

을 할 필요가 있다.

등등등등속속속속 이이이이동동동동에 따른 측정 결과에 따른 측정 결과에 따른 측정 결과에 따른 측정 결과4.4.4.4.

그림 이그림 이그림 이그림 이송속송속송속송속도가 최대도가 최대도가 최대도가 최대속속속속도인 인 경도인 인 경도인 인 경도인 인 경우우우우5-5-5-5-8888: 100 mm/min: 100 mm/min: 100 mm/min: 100 mm/min

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그림 이그림 이그림 이그림 이송속송속송속송속도가 인 경도가 인 경도가 인 경도가 인 경우우우우5-5-5-5-9999: 50 mm/min: 50 mm/min: 50 mm/min: 50 mm/min

위와 같은 문제를 검토하기 위하여 두 가지의 이송속도로 구간을 이동시Overshoot 1 mm

키며 그 변위를 측정하여 보았다.

이 결과들을 보면 변위 들도 비연속적으로 변하고 속도 변화도 급격히 변함으로써 구Data ,

도상의 문제점이 많은 것으로 판단이 된다.

제 절 축 정도 측정 결과제 절 축 정도 측정 결과제 절 축 정도 측정 결과제 절 축 정도 측정 결과3 DTM Z-3 DTM Z-3 DTM Z-3 DTM Z-

직진도 측정직진도 측정직진도 측정직진도 측정1.1.1.1.

그림 축 위치오차 측정결과그림 축 위치오차 측정결과그림 축 위치오차 측정결과그림 축 위치오차 측정결과5-10: Z5-10: Z5-10: Z5-10: Z

각각 왼쪽에 있는 는 측정한 값의 오차 이고 본 측정에서는 기울기가 거의 없지Data Data ,

만 왼쪽 를 하여 기울기에 대한 식을 로Data Linear Fitting y = 8.54986E-7 x -0.00176

그 차이를 뺀 값을 표시한 것이다.

측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과2. Step Function2. Step Function2. Step Function2. Step Function

테스트는 와 에서 수행하였습니다 테스트의 실험 조건은Step 1um 2 urn . 1um Sample

가 이고 이송속도가 으로 하였으며 테스트에서는Rate 250/sec 4mm/min , 2um Sample

가 이며 이송속도는 똑같이 으로 하였습니다Rate 125/sec 4mm/min .

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그림 축의 해 대한 응답그림 축의 해 대한 응답그림 축의 해 대한 응답그림 축의 해 대한 응답5-11:z Step Function5-11:z Step Function5-11:z Step Function5-11:z Step Function

제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과제 절 이전 가공 결과에 대한 생기원 내의 장비를 이용한 측정 결과4444

그림 실그림 실그림 실그림 실물물물물의 사진과의 사진과의 사진과의 사진과 배 배율배 배율배 배율배 배율의 표면의 표면의 표면의 표면5-12: 505-12: 505-12: 505-12: 50

그림그림그림그림 배 배율배 배율배 배율배 배율의 표면 사진과의 표면 사진과의 표면 사진과의 표면 사진과 배 배율배 배율배 배율배 배율의 표면의 표면의 표면의 표면5-13: 20 505-13: 20 505-13: 20 505-13: 20 50

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그림그림그림그림 배 배율배 배율배 배율배 배율의 표면 사진과 표면의의 표면 사진과 표면의의 표면 사진과 표면의의 표면 사진과 표면의 거칠거칠거칠거칠기기기기5-14: 1005-14: 1005-14: 1005-14: 100

표면 상태를 측정하기 위하여 이미 가공된 시편을 하나 얻어 생기원에서 Laser

를 이용하여 표면을 측정하였다Interferometer .

가공시 는 매우 높은 정밀도로 맞추어진 것 같다Center .�이차적으로 표면에 많은 으로 추정되는 들이 발생하고 있다 이는Thermal Crack carck .�

절삭성을 높이기 위하여 냉각을 하려고 하는 지금의 방법에 문제점을 제기하는 현상의 하나

라는 생각이 든다.

냉각을 통하여 절삭성은 향상하겠지만 의 가능성은 더 높은 것 같다, Thermal Crack .

원호상의 가공흔이 관찰되고 있으며 그 깊이 방향의 을 보면 마지막 그림과 같다, Profile .�

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제 장 개선 시스템 구성제 장 개선 시스템 구성제 장 개선 시스템 구성제 장 개선 시스템 구성6 DTM6 DTM6 DTM6 DTM

제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 개념설계1 Fast Tool Servo1 Fast Tool Servo1 Fast Tool Servo1 Fast Tool Servo

를 가공하기 위하여 중요한 것은 의 설계뿐만 아니라 설계된 에 따라 그것DOE DOE Data

을 가공할 수 있는 장치가 마련되어 있어야 한다는 점이다 서울광학이 보유하고 있는. DTM

장비는 약 년전 로 그 당시에는 초정밀가공기였으나 제 장에서 살펴본 바와10 Model , 5

같이 현재의 상태에서 를 가공하기에는 정밀도가 부족하므로 부가적인 장비를 부착하DOE

여 가공능력을 제고할 필요성이 있게 되었다 그러므로 계획서에서도 언급한 바와 같이.

와 을 이용하여 장비의 성능을 개선하기로 하였다Piezo Actuator Micromechanisrn DTM .

그와 같은 장치를 위하여 경제적인 관점에서 의미가 있는 방법은 가격이 저렴한 상대적으로

작은 를 가지는 을 장착하는 방법이다 이는 상대적인 정밀도의Workspace Working Table .

크기가 시스템의 가격을 결정하는 중요한 요소의 하나이기 때문에 동일한 상대적 정밀도지,

만 를 작게 한다면 더 정밀한 절대적인 정밀도를 이용할 수 있기 때문이Working Space

다 이러한 작은 를 에 장착하는 방법으로 두 가지의 가능성을 고려할. Working Space DTM

수 있다.

첫째는 장비는 초기위치를 결정하는 곳에만 사용하고 독립된 작은DTM , Working Space�을 를 가공하기 위해 구동하는 방법과Table Sag

둘째는 을 주 구동원으로 계속 이용하면서 제 장에서 검토한 바와 같이 발생하는DTM 5�기계오차를 계산하여 그 오차량만큼 보정하여 사용하는 방법이다.

첫째의 방법은 크기는 작지만 초정밀 기계를 완전히 새로 제작하는 것이기 때문에 Guiding

의 문제라든지 열보정 문제라든지 해결해야 하는 문제점들이 많이 발생하게 되므로 기존의,

의 이나 열보정 을 이용하기 위하여 두번째의 방법을 채택하DTM Guiding System System

기로 하였다 두 번째 방법의 은 다음 그림과 같다. Schematic Diagram .

그림 개선 장치의 개념도그림 개선 장치의 개념도그림 개선 장치의 개념도그림 개선 장치의 개념도6-1 : DTM6-1 : DTM6-1 : DTM6-1 : DTM

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기존의 축과 축에 정밀한 을 부착하여 에 의한 위치정보를 정X- Z- Scale Moore Controller확히 측정하고 그 위치가 발생하는 를 으로 보정하는 방법이다 그러나Error Piezo Stack .초기 시작 위치는 경우마다 다르므로 그 초기 위치를 조정하기 위하여 정밀한 을 각Scale축에 따라 이동할 수 있고 또한 공운전시 이 충돌로 인하여 손상되는 것을 방Linear Scale지하기 위하여 병행하여 움직일 수 있는 장치를 부착한다.

위와 같은 전체적인 에 의해 은 다음과 같이 정리할 수 있다System Operation Plan .에서 가공될 형상에 따른 를 작성한다PC Lens NC Data .①으로 를 송신한다DTM NC Data .②

에서 를 읽어드린다Fast Tool Servo Controller NC Data .③를 로 동작시킨다Fast Tool Servo Controller Following Mode .④

을 으로 로 이동시킨다DTM Initial Cutting Position Manual .⑤를 로 전환한다Fast Tool Servo Controller Correction Mode .⑥

가공을 시작한다.⑦특정 의 위치에서는 공구의 끝이 특정 위치에 놓여져야 하는데 의 성능이 좋X Z- DTM⑧

지 않으므로 위치의 편차가 발생하게 된다 그러므로 이편차에 해당하는 양만큼을. Piezo을 이용하여 보정하면 원하는 형상 를 얻게 될 수 있다고 판단된다Stack Curve .

제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안제 절 를 이용한 성능 개선 장치의 최종안2 Fast Tool Servo2 Fast Tool Servo2 Fast Tool Servo2 Fast Tool Servo

전체 시스템 구성도 및 각 구성에 실제적으로 사용되는 부품의 설명은 다음과 같다.

그림 개선 장치의그림 개선 장치의그림 개선 장치의그림 개선 장치의6-2 : DTM Data Flow Diagram6-2 : DTM Data Flow Diagram6-2 : DTM Data Flow Diagram6-2 : DTM Data Flow Diagram

전체 시스템을 구성하는 부품은 번호가 붙여진 바와 같이 크게 가지로 구성되어 진다7 .Main Motion Controller①

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Piezo Amp & Controller = Piezo Controller + Piezo Amp.②

Motor③

Motor Drive④

의 부분Laser linear encoder scale⑤

의 부분Laser linear encoder head⑥

Piezo Stage = Customer's flexure mechanism + Piezo actuator + Capacitive Sensor⑦

그림 개선 장치의그림 개선 장치의그림 개선 장치의그림 개선 장치의6-3 : DTM Data Flow Diagram6-3 : DTM Data Flow Diagram6-3 : DTM Data Flow Diagram6-3 : DTM Data Flow Diagram

순서 내용

Step 1 는 와 로 부터의 위치신호를 읽으며Main Motion Controller( ) Laser Linear Encoder( ) ,① ⑤ ⑥

Step 2

그 위치신호를 분석하여 가 움직여야 할 위치에 대한 정보를Piezo stage( ) Piezo controller( )⑦ ②

에 위치 지령신호 아날로그 신호 를 입력한다 이때 의 와( ) . , Piezo stage( ) Capacitive Sensor⑦ ②

의 로부터 의 현재 위치신호 검출하여 에Capacitive Sensor Amp Piezo stage Piezo controller( )②

입력되어 진다.

Step 3에서는 위에서 입력된 개의 입력신호를 비교 분석하여 의 로Piezo controller( ) 2 Piezo Amp② ②

제어신호 아날로그 를 보낸다piezo ( ) .

Step 4

이렇게 의 로 보내어진 제어신호는 를 거치면서 제어신호의 증폭이 이, Piero Amp. Piezo Amp.②

루어 지고 이 증폭된 제어신호는 의 의 에 전달되어, Piezo stage Piezo actuator Piezo⑦

의 변위를 발생시키고 그 변위는 의 변위를 유도한다actuator , Piezo stage .

Step 5

에서 의 변위는 와 에 의해Step.4 Piezo stage Displacement Sensor Displacement Sensor Amp.

서 측정되며 측정된 신호 아날로그 신호 는 다시 로 입력된다 이때, ( ) Piezo controller . Piezo

는 이 측정된 신호와 에서의 위치 지령신호 아날로그 신호 를 서로 일치하는지controller Step 2 " ( )"

확인한다 일치하지 않을 경우 과 를 반복하여 수행한다. Step3. 4 .

Step 6 새로운 위치에서 부터 까지의 제어를 반복한다Step1 Step5 .

표 개선 장치의 제표 개선 장치의 제표 개선 장치의 제표 개선 장치의 제어어어어 내용내용내용내용6-1: DTM6-1: DTM6-1: DTM6-1: DTM

결정된 전체 시스템의 제어구조의 특징은 다음과 같다고 정리할 수 있다.

에 의한 분산제어 구조Multi-Processor CPU .�의 제어기와 제어기의 분산제어 구조Motor Piezo .�

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시스템의 위치 향상Sub- Bandwidth .�모션제어와 제어를 위한 프로그램의 용이성Piezo .�

제 절 구성부품에 대한 설명제 절 구성부품에 대한 설명제 절 구성부품에 대한 설명제 절 구성부품에 대한 설명3333

1 . Main Motion Controller1 . Main Motion Controller1 . Main Motion Controller1 . Main Motion Controller

는 다음 두 가지 이유로 인하여 필요하다Main Controller .사 이 구동하는 동안 의 구동을 위하여 필요하다Moore DTM Optical Scale .�

고속으로 을 구동하기 위하여 에 필요한 위치정보를 고속으Piezo Stack Piezo Controller�로 계산할 수 있는 별도의 가 필요하다Processor .

위와 같은 로는 잘 알려진 가 있고 국내의 제품으로Motion Controller P-Mac Controller ,가 있으며 제품이 있는데 은 너무 범용 이므로RMC Controller , Spiiplus , P-Mac PC-NC

시 소요되는 작업량이 많고 고가라는 단점이 있으며 제품은 초기 모델로Tuning , RMC Step에는 문제가 없는 것으로 판단되나 여러 가지의 을 취급하는데Motor Driving input Signal

대한 어려움과 고속의 계산 능력에 대한 검증이 아직 미비한 단점이 있는 것으로 판단된다.

모델은 고속 고정밀을 위한 구조를 가짐으로써SPiiPlus PCI 4-R-O , Processor Intel CPU는 를 위한 신호를 에 전달하고 서보Piezo Control command input Piezo Controller DSP(전용 제어 는 의 를 담당하는 능력을 가지고 있다 자세한 특성은CPU) Motor servo control .아래 표와 같다.

특성

개의1 400MHz Intel Pentium CPU(MPU)�개의 전용2~4 120MHz DSP(servo control�

DSP)

20kHz sampling rate�내장 의Real-Time OS , VentureCom RTX.�

제어기능Hard Real Time�축제어4~8�

Fast Motion Controller�또는 구동PCI Stand-Alone�

옵션RS-232, Ethernet( )�

그림 의그림 의그림 의그림 의 외외외외형과 특성 그리고형과 특성 그리고형과 특성 그리고형과 특성 그리고6-4 : SpiiPlus PCI 4-R-0 , Interface6-4 : SpiiPlus PCI 4-R-0 , Interface6-4 : SpiiPlus PCI 4-R-0 , Interface6-4 : SpiiPlus PCI 4-R-0 , Interface

와 같은 외부 기기와의 용이한Linear Scale, Stepmotor Driver, Piezo Controller interface

를 제공하는 것도 의 장점이라고 할 수 있다SpiiPuls Board .

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사양사양사양사양2. Laser Linear Encoder : Model No.. MPE-CF-52. Laser Linear Encoder : Model No.. MPE-CF-52. Laser Linear Encoder : Model No.. MPE-CF-52. Laser Linear Encoder : Model No.. MPE-CF-5

로 여러 가지를 고려하여 보았다 고려된 제품의 종류 및 특성은 에Linear Scale . Appendix

서 발견할 수 있다.

가장 좋은 것은 의 전 구동거리인 에 해당하는 새로운DTM 460 × 260 mm2 Linear

을 축에 장착하는 것이지만 각축당 가격이 수천만원이나 하므로 프로젝트 내에서Scale 2

는 가능하지 않다 그러므로 제 절에서도 언급한 바와 같이 경제적인 관점에서 의미가 있. 1

는 방법은 가격이 저렴한 상대적으로 이송거리가 작은 을 사용하는 방법이다Linear Scale .

작은 상대적 정밀도를 가지고 있지만 Working

를 작게 한다면 더 정밀한 절대적인 정밀도를 이용할 수 있기 때문이다range .

이러한 제품으로써 고려할 수 있는 제품은 에서 설명한 바와 같이Appendix ,

Optical Linear Scale�Magnetic Linear Scale�Capacitance Linear Scale�

과 같은 제품이 있다.

경제적인 측면에서 가장 유리한 를 고려하여 보았으나Capacitance Type Sensor ,

는 은 정도로 매우 높으나 나Capacitance Type Sensor Resolution 0.1 nm Repeatability

는 매우 나쁜 특성을 가지고 있다 그러므로 그것을 사용하려고 한다면 별도의Linearity .

과정을 거쳐야 한다는 단점이 있다Calibration .

중에서는 사의 을 고려할 수 있는데 눈금 하나가Optical Scale Heidenhain Linear Scale , 2

간격으로 그어져 있어 타사제품의 간격보다 특성이 매우 우수하나 가격이 개당5 ,㎛ ㎛

만원 정도로 고가이므로 선택할 수 없었다800 .

중에서 가격이나 성능면에서 괜찮은 제품이 효과를 이용Optical Linear Scale Diffraction

한 이라고 할 수 있다 더구나 효과를 이용하므로 부착시Optical Linear Scale . Diffraction

장치의 정렬이나 오염에 대해서 상대적으로 장점이 있고 비교적 열악한 사용환경 속에서도

우수한 특성을 보여 준다고 하므로 이 제품을 선택하였다 그 자세한 특성은 아래 표를 참.

조하면 된다 선택된 제품은 의 를 가지고 있고. 60 mm Working Length , Reference Point

를 제공할 순 있도록 가 만들어진 제품이다Optical Bar .

특성

+/-50 nm accuracy at 100mm measuring length�을 통하여 분해능Interpolation 5nm .(Interpolation�

후 1.25nm)

Non-contacting, operating in reflection.�Impervious to atmospheric or laser wavelength�

changes.

Impervious to off-axis translations.�Very high alignment tolerances.�No mechanical adjustments.�Two layers of spatial filtering for contaminant�

rejections.

Zero index available on MPE-CFZ.�디지털 출력 출력A quad-B , Sin-Cos�

고속 응답성�

그림 의 도면과 특성그림 의 도면과 특성그림 의 도면과 특성그림 의 도면과 특성6-5 : Optical Linear Scale6-5 : Optical Linear Scale6-5 : Optical Linear Scale6-5 : Optical Linear Scale

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3. Piezo Actuator3. Piezo Actuator3. Piezo Actuator3. Piezo Actuator

고속으로 운동하기 위해서는 가 필요한데 의 장단점은 다음Piezo Actuator Piezo Actuator표와 같이 정리될 수 있다.

장단점 종류 내용

장점

Mechanical

회전부가 없으므로 문제가 없다Wear .

으로 에 적합하다Unlimited Resolution Nano-Position .

로 고유진동수가 매우 높음High Force/Mass Ration

Electrical 이 매우 작다Power Consumption .

또는 환경Thermal 에서 동작 가능Ultra High Vacuum

단점

Electrical최대의 는 두께에Electrical Field 1.5~2 kV/mm (100 150~200 V)㎛

이상에서는 역전-30V Polarization

Mechanical

가 매우 작음Displacement Range

이므로 를 견디지 못함Laminated Material Tensile Stress

는 이므로 이나 의 배제MLA Brittle Material Bending Twisting

위와 같은 조건이 만족된다면 를 보여주지 않음Fatigue Life

또는 환경Thermal

이하에서 동작해야 하므로 영역Curie Temperature -40~80℃

또는 에서는 상온에서의 변형량의 에 불과77k -196 1/3℃

에 취약하고 의 원인Humidity Electrical Leakage

표 의 장단표 의 장단표 의 장단표 의 장단점점점점5-2: PiezoAcluator5-2: PiezoAcluator5-2: PiezoAcluator5-2: PiezoAcluator

일반적으로 최대 는 를 사용하지만 특별한 경우는 까지Displacement 0.1% 0.2%가 가능하며 주로 효과를 이용한다 그러나 경우에 따라 효과를 이Displacement , d33 . d31

용하는 경우가 있으며 이 경우는 그 크기는 약 에 해당한다Displacement 1/2 .만약에 변형량이 더 긴 것이 필요하다면 의 길이가 늘어나는 것을 써야 한다, Piezo Stack .그러면 의 위험이 발생하게 되므로 을 극복할 수 있도록 단면Buckling , Buckiung Condition적을 크게 해야 하고 결과적으로 양이 늘어나 의 용량이 매우 증가하, Charge Power Supply는 문제를 발생시킨다 그러므로 가능한 한 제작업체에서 주어진 제품을 맞게 선택하여 이.용하는 것이 유리하다.

다음의 표는 일반적으로 이용되는 의 종류와 물성값들을 정리한 것이다Piezo Material .

표 의 종류와표 의 종류와표 의 종류와표 의 종류와 물물물물성성성성6-3: Piezo Material6-3: Piezo Material6-3: Piezo Material6-3: Piezo Material

형상적인 측면에서 통상 사용되는 가지 형태3절대로 측면에서 고정하는 방법을 사용하지 말 것Bare Stacks :�

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Ring Stacks�Cased Stacks with internal preload mechanism�

의 측면에서 사용되는 의 특성Stroke & Force Piezo Actuator

가 아무리 고강성의 이지만 타성체의 일종이기 때문에 와Piezo Actuator Actuator Force가 서로 상보적으로 구동되게 된다 그러므로 그 구동을 아래의 표와 같이 가지 측Stroke . 3

면에서 고려할 수 있다 즉 예압과 최대 발생력과의 관계에서 분류를 할 수 있다 즉 예압. .이 없는 경우와 무한대인 경우 그리고 일반적으로 사용되는 그 사이의 값을 갖는 경우이,다.

Voltage-Stroke characteristicVoltage-Blocking Force

CharacteristicIntermediate Characteristic

가 없는 경우Coupled Mechanics가 무한대인 경Coupled Mechanics

우

가 어떤Coupled Mechanics

양의 를 가지는 경우Stiffness

일정한 예압으로 힘의 변화가 없

고 는 최대, Stroke .

는 없고 최대의Stroke , Blocking

가 형성Force .

실제 상황에 맞는 와Stroke

가 형성Blocking Force

표 의 측면에서 사용되는 의 특성표 의 측면에서 사용되는 의 특성표 의 측면에서 사용되는 의 특성표 의 측면에서 사용되는 의 특성6-4: Stroke & Force Piezo Actuator6-4: Stroke & Force Piezo Actuator6-4: Stroke & Force Piezo Actuator6-4: Stroke & Force Piezo Actuator

실제의 경우에서는 사용자가 에 예압을 가하여 사용하게 되므로 제조자가 제Piezo Material시하는 보다 작은 유효 를 사용하게 도니다 그러므로 사용자가 적당한 예압과Stroke Stroke .그에 따른 유효 를 계산할 수 있는 방법이 있어야 한다 그와 같은 방법은 두 파지로Stroke .생각할 수 있다.

계산식에 의해 실제 상황에 맞는 와 를 결정하는 방법Blocking Force Stroke로부터Force Balance

과 같이 반력이 무시할 정도로 작은 경우는 최대의 변형량을Voltage-Stroke Characteristic보여준다.

과 같이 변형이 인 경우는Voltage-Blocking Force Characteristic Zero

반력이 정하중처럼 일정한 경우는 절점이 평행이동한 결과를 보여준다.

과 같은 경우를 로 표시를 하면Voltage-Stroke Characteristic Blocked Force

반력이 다른 를 가지는 경우는Spring Constant

이것이 왜 실제의 가 작은 이유를 설명해 준다Displacement .

도식적으로 실제 상황에 맞는 와 를 결정하는 방법Blocking Force Stroke축을 라고 하고 축을 로 하는 좌표계를 그린다1. X- Force , Y- stroke .

동일한 에서 선정된 의 중 최대 와 최대2. Supply Voltage Piezo Actuator Spec. Stroke를 표시하고 두 점을 연결하는 직선을 그린다Blocking Force .

원점을 지나며 부가된 기구계의 를 가지는 직선을 그린다3. , Stiffness(N/ ) .㎛그 때의 와 가 실제에 발생하는 이론적인 값이다4. Stroke Blocking Force .

을 사용할 때 고민해야 하는 중요한 중의 하나는 외부에 가해주는Piezo Material Point에 의한 예압을 어느 정도로 가해주어야 하는 것이 유리한가 하는 점이Mechanical Flexure

다 자료를 통해 정리된 내용은 만약 기구계의 와 의 가 동. Stiffness Piezo Actuator Stiffness일하다면 가 발생시킬 수 있는 최대 와 를 사용, Piezo Actuator Stroke Blocking Force 50%할 수 있고, “Under this condition the mechanical energy transfer efficiency E from the

라는 중요한 설계상actuator into the mechanical system is maximized(Matching Point)."의 지침이 하나 생긴다는 점이다 이를 검증하기 위하여 에 가한 전압으로. Piezo

로 전환되는 효율은Mechanical Energy

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위와 같은 조건 하에서 독일 사의 를 선택하였고 그 특Piezomechanik HPSt 150/20-15/12

성 및 크기는 다음 표와 같다.

표 선표 선표 선표 선택된택된택된택된 의 특성의 특성의 특성의 특성6-5: Piezo Actuator6-5: Piezo Actuator6-5: Piezo Actuator6-5: Piezo Actuator

특히 위 제품은 가 부착되어 를 측정함으로써 의Strain Gage Displacement Piezo Material

가 보정되도록 와 이 되어 있다Hysteresis Piezo Controller Tuning .

4. Piezo controller : Model No., NSP31104. Piezo controller : Model No., NSP31104. Piezo controller : Model No., NSP31104. Piezo controller : Model No., NSP3110

다른 제품과 마찬가지고 의 가격도 또한 매우 높다 사는Piezo Controlle . Piezomechanik

도 공급하고 있는데 이를 사용한다고 한다면 를 전체Power Amplifier , Piezo Actuator

에서 제어해야 한다 그러나 이 방법은 가 지정위치까지의 이System level . Piezo Actuator

동뿐만 아니라 자체로 인한 를 보상하기 위해 매우 고속으로 제어Piezo Material Hysteresis

되어야 한다는 점과 지정위치를 결정하기 위해서는 와 현재 위치 사이의 값 차이를NC data

계산해야 한다는 점과 병행해서 발생하므로 제어상의 문제 뿐만 아니라 전체 System

에 영향을 미치게 될 가능성이 높으므로 전용으로 고속 제어를 할 수 있는Performance

를 사용하기로 결정하였다Piezo Controller .

그림 의그림 의그림 의그림 의 외외외외형과 특성형과 특성형과 특성형과 특성6-6 : Piezo Controller Curve6-6 : Piezo Controller Curve6-6 : Piezo Controller Curve6-6 : Piezo Controller Curve

그 외의 특성치를 기술하면 다음과 같다.

와는 로 연결되어진다Connector: Piezo Actuator BNC cord .�

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Voltage total: 0 V thru +150 V�Peak current: 1200 mA�Average current: 350 mA�Noise: 20 mVpp (for 4.7 Farad load)μ�

특히 본 과제에서 사용된 항의 가 이므로 내부3 Piezo Actuator HPSt 150/20-15/12 Model

의 를 가 까지 공급할 수 있도록 조정하여 가능한 빠Power Amplifier Peak Current 1200mA

른 시간 내에 가 위치를 찾을 수 있도록 하였으며 내부에서는Piezo Actuator , Analog

로 약 의 를 가지고 제어하게 된다 제어 은 의Signal 20kHz Bandwidth . Signal Piezo Actuator

옆에 부착된 로부터 받게 되어 있다Strain Gage .

다만 제어 가 에서 까지만 사용할 수 있으므로 가용 가 줄어드Voltage 0 Volt 150 volt Stroke

는 단점이 있다.

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제 장 의 설계제 장 의 설계제 장 의 설계제 장 의 설계7 Mechnical Flexure7 Mechnical Flexure7 Mechnical Flexure7 Mechnical Flexure

제 절 의 설계에 대한 요구 사항제 절 의 설계에 대한 요구 사항제 절 의 설계에 대한 요구 사항제 절 의 설계에 대한 요구 사항1 Mechanicai Flexure1 Mechanicai Flexure1 Mechanicai Flexure1 Mechanicai Flexure

기초지원연구센터의 절삭력에 대한 결과를 보면 연질재료에서는 약 정도가 필요하다1 N .이 때 표면 거칠기가 약 정도이다 그러나 기하학적인 형상으로부터 계산을 하면6~l7 nm .

정도이다 그러므로 이 편차를 재료의 물성에 의한 불확실량이라고 하고 그 편차는13 nm . ,정도이다7~4 nm .

측정자의 필요 절삭력의 추정Dynamic Property : Dynamic Effect�동특성의 해석 절삭력의 추정: Dynamic Effect�

이 양의 약 인 가 및 에 의해 발생했다고 가정한다면20% 1 nm Piezo Actuator Flexure ,전체적인 는Stiffness

그러나 위와 같은 방법이외에도 가 가장 좋은 것은Mechanical Energy Transfer Piezo와 의 가 동일한 것이고 그러면 가Actuator Mechanical Flexure Stffness . Equivalent Stroke

반으로 줄어들므로 그에 기준하여 설계를 시작하는 것이 타당하다고 판단된다.즉 현재 를 통하여 구한 의 동특성을 본다면 약 정도가 필Step Function Test DTM , 10 ㎛요하므로 이 양을 로 결정하고 그와 같은 에서 가장 가 큰 것을, Full Stroke , Spec Stiffness결정한다.

이에 해당하는 것은 로 과 이 있으며HPSt 150/20-15/12 (VS35) Bare Type Casing Type ,는 이며 는 는Stiffness 450 N/ , Capacitance 45 nF, Natural Frequency 45 kHz(Bare)㎛

와 의 특성을 가지고 있다 동특성을 고려한 는30 kHz(Casing) . Equivalent Capacitance 1.5배인 약 을 사용하면 된다6 nF .그러므로 위와 같은 이유에 의해 의 도 를 가진Mechanical Flexure Stiffness 450 N/㎛구조가 설계되어야 하고 결과적으로 는 의 값을 가지게 된, Equivalent Stiffness 900 N/㎛다.

제 절 설계제 절 설계제 절 설계제 절 설계2 Mechanical Flexure2 Mechanical Flexure2 Mechanical Flexure2 Mechanical Flexure

기존의 은 일반적으로 와 에 의한Flexure Mechanism Paros Weisbord Rotational�을 주로 사용하였다Spring .

이는 전통적인 가공 방법을 고려할 때 매우 효율적인 방법이다 즉 로 구멍을 뚫고. Drill�그 사이를 단지 째기만 하면 되므로 의 정도 관리를 하면 충분히 원하는Drilling Position

강도를 얻을 수 있는 장점이 있다Spring .그러나 으로 그런 형상을 만들어 내는 것은 가공 경화 및WireEDM Stress�

등 여러 가지의 문제점을 가지고 있다고 판단된다Concentration .그러므로 본 과제에서는 공정을 이용하되 를 사용한다Wire EDM Parallel Plate .�

그 그림은 다음과 같다 전체적인 그림과 이 그려져 있다. Free Body Diagram .실제의 단순 지지보의 경우는 끝단이 처짐에 의해 처짐량과 회전량의 곱에 해당하는 양만큼고정단 쪽으로 약간 줄어드는 현상이 있다 그러나 지금과 같은 경우는 양쪽에 의해 지지되.고 있으므로 기하학적 구속에 의해 줄어들 수 없고 따라서 인장력과 압축력이 그림처럼 작용하게 된다 그러나 그 변형량이라는 것이 차 미소 에 해당하므로 매우 작다 따라. 2 Term .서 무시할 수 있는 양이 된다.

그러므로 이라고 생각할 수 있다.

또한 좌우 대칭이므로 이라고생각할 수 있다.

로부터Geometrical Compatibility

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에 발생하는 최대 은Hinge Strain

그림 개선 장치의그림 개선 장치의그림 개선 장치의그림 개선 장치의6-1 : DTM Data Flow Diagram6-1 : DTM Data Flow Diagram6-1 : DTM Data Flow Diagram6-1 : DTM Data Flow Diagram

제 절 에 의한 검토 사항제 절 에 의한 검토 사항제 절 에 의한 검토 사항제 절 에 의한 검토 사항3 FEM3 FEM3 FEM3 FEM

위와 같은 이론적인 계산 후 정확한 을 결정하기 위하여 해석을 통하여, Dimension FEM

가공에 의한 의 영향Corner R�Natural Frequency�

와 같은 효과를 구하려고 한다 이 해석을 위하여 실험계획법을 사용하여 해서 대상을. FEM

결정하였다 실험 는 의 두께 길이 간격 이라는 가지로 결정. Parameter Flexure , , , Overhang 4

하였고 수준수는 로 결정하였다, 5Level .

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위의 결과들을 분석하여 정리하면 다음과 같다 차 고유진동수를 으로 하. 1 Object Function

여 에 한 결과는 다음 그림과 같다 라래 그래프는 회귀분석을 한 결과이며 각JMP Fitting .

각의 에 대해서 이다Factor Actual by Predicted Plot .

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각각의 에 대한 이다 각각의 에서 를Factor Predicted Profiler . Factor Response Limits

만족하는 의 수준을 찾을 수 있다Factor .

최대인장 변형률 결과Fitting

최대압축 변형률 결과Fitting

강성이 의 망목특성에 최적하도록 한 결과Flexure 225N/um Fitting

우리가 필요로 하는 의 를 로 할 경우 의 강Piezo Actuator Displacement 8 um Flexure

성은 다음과 같이 가 된다225N/um .

따라서 에서 를 로 망목 특성으로 주어 인자의 수준을Object Function Stiffness 225N/um

구하면 이 되며 이렇게 되면 나머지 들은 그X1[L2], X2[L5]), X3[L1], X4[L3] Reponse

냥 결정이 되어서 최적화 의미가 없어진다.

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망목 특성인 를 제외하고 나머지 들의 최적 조건을 구해보면Stiffness Response X1[L1],

가 된다 하지만 이때 망목특성인 는 가 되X2(L4], X3(L5], X4[L5] . Stiffness 967.3 h/um

어 구동이 불가능해진다.

1st

고유진동수 결과Fitting

2nd

고유진동수 결과Fitting

3rd

고유진동수 결과Fitting

최적값 구하기

의 구동범위를 정하면 의 값이 가Actuator 8 m~90 m Stiffness 150N/um~ 225N/umμ μ�된다 따라서 가 이 범위가 되도록 하면서 위에서 망목 특성을 제외하고 구한 최. Stiffness ,

적 조건에 근접하도록 최적값을 설정한다.

그런데 사실 결과를 보면 변형률과 고유진동수는 반대의 관계에 있는데 모두 망대 망소, ,�의 특성을 지니게 했기 때문에 쉽게 결론에 도달할 수 없다 모두 우리가 필요로 하는 값 이

상만 취하게 하면 조금 더 자유로울 수 있다.

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위의 조건을 만족하도록 많이 값을 취해가면 계산해 보았지만 1� st를Frequency 3KHz

이상 올릴 수가 없었다.

에 을 개 모두 취해 한 값을 결정해 주는 방법을 알았JMP Object Function 5 Desirable�으며 이것을 활용해 위의 조건을 만족하면서, 1

st를 이상 되게 하여 최적Frequency 3KHz

화를 수행 하였다.

결과적으로 로 나왔으며 이때 각각의 를X1[LS], X2[L2], X3[L4], X4[L3] Response�구하였다.

각각의 에 대한 분산 분석 결과이며 각각의 변동에 유의한 영향을 미치는 인자의Factor ,

수준을 알 수 있다.

에서 기능을 이용하여 구한 최적 조건과JMP Desirability Profiling for Multiple Responses

각 들의 값을 알 수 있다Response .

1� st의 값이 에 약간 못 미치는 결과 이 이상은 현재의 조건으로는 나오지Freq 3KHz ,

않음.

가 으로 나와 중간값 정도로 적당히 설정되었습니다Distance(X3) L3(26) .�사실 필요한 가 있으니까 가 가장 하다Displacement Stiffness dominant .�그런데 실제 를 를 사용하고자 한다면 의 강성은 정도로Stroke 8 m Flexure 225N/umμ�

할 수 밖에 없는데 초기에 기초과학지원연구센터의 절삭력 실험 데이터에 의해 계산된 절,

삭력에 기인한 오차를 없애기 위해서는 와 의 강성이Flexure Piezo Equivalent 1000N/um

는 되어야 했습니다.

위에서 구한 최적 조건으로 를 이용한 해석 수행하여 아래 결과를 얻었음ANSYS

위에서 구한 값과 대부분 오차 이내에서 일치한다1% .�만 위에서 나온 값인 보다 많이 큰 로 오차가 크게 발생Stiffness 192 236 N/um�

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제 절 공구대의 재설계제 절 공구대의 재설계제 절 공구대의 재설계제 절 공구대의 재설계4444

기존의 의 문제점은 최종적으로 고정을 할 때 끝단이 변형력으로 움Diamond Tool Holder직인다는 단점이 있다 이 문제를 해결하기 위하여 공구대를 재설계하여 제작하였다. .

단 선단의 높이는 를 준수해야 한다Diamond Tip 191.5 mm .

실제의 단순 지지보의 경우는 끝단이 처짐에 의해 처짐량과 회전량의 곱에 해당하는 양만큼고정단 쪽으로 약간 줄어드는 현상이 있다 그러나 지금과 같은 경우는 양쪽에 의해 지지되.고 있으므로 기하학적 구속에 의해 줄어들 수 없고 따라서 인장력과 압축력이 그림처럼 작용하게 된다 그러나 그 변형량이라는 것이 차 미소 에 해당하므로 매우 작다 따라. 2 Term .서 무시할 수 있는 양이 된다.

그러므로 이라고 생각할 수 있다.

또한 좌우 대칭이므로

이라고 할 수 있다 로부터. Geometrical Compatibility

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여기서 최대 을 생각한다면Strain ,

그러므로 최종적으로

여기서 최대 을 설계 로 사용하고 에 발생하는 최대Displacement Displacement , Hinge을 의 탄성체 설계의 한계값인 을 사용하면Strain Load Cell 1700 Microsytrain ,

다음과 같이 결정할 수 있다.

관련된 자료는 도면을 참조할 것Appendix .

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제 장 절삭가공제 장 절삭가공제 장 절삭가공제 장 절삭가공8888

가공에 대한 일반적인 사항는 도에서 가공성이 좋으므로 질소냉각가스를 동시에 사용하면서 가공할 필요PMMA -35�

가 있다.공구형상은 의 반구에 원통이 달려있고 보강부가 달려 있는 형상5 Micrometer�네덜란드나 스위스에서 찾아 볼 것 : Excelomachine PneurnoPrecision, Rank-Taylor�

사Hopson라는 지방 일본 요시카와 네덜란드에도 제조업자가Wintertour Swiss , Lab, Diamond Toll�

있다고 한다 세계적으로 약 여곳의 생산자. 200가격은 만원 정도Max 200�

또는 로 검색해 볼 것Monocrystalline Diamond Tool Single Diamond Tool�

재료에 대한 일반적인 사항이 정도이면 좋다 을 시키면 크기가Molecular Weight Distribution 300 . Polymerization�

임의로 커지므로 등을 통하여 그 크기를 제한하는 방법이 필요하다, Copolymerization .의 층 후 표면에 형상 가공BK-7+ Silicate + PMMA + Polyester 4 Coating DOE�

는 극한 환경에서 사용한다PC .�는 이라고 추정이 됨OKP4 POM�

기초지원연구센터의 가공 Data재료는 연질재료라고 하는 를 사용했으며 경질재AI6061, Brass, Oxygen-free Copper ,�

료하고 하는 를 사용Ge, Si측정량은 가공 중에 공구 를 사용하여Dynamometer Cutting Force, Thrust Force,�

를 측정하였으며 가공 후에 표면거칠기를 측정하였슴Feed Force , .연질재료에서는 주축 회전수 을 사1500 rpm, Cutting Depth , Feed Rate 5 mm/min㎛�

용경질재료에서는 주축 회전수 을1400 rpm, Cutting Depth 5 , Feed Rate 5 mm/min㎛�

사용공구에 대한 정보와 에서 가장 많이 사용되는 에 대한 자Plastic Lens Electroless Nickel�

료가 없슴

연질재료에 있어서 표면 거칠기는 에서 사이에서 비교적 좋은 결과1500 rpm 2000 rpm�를 보여줌.

설혹 주축회전수를 정보로 준다고 하여도 기공속도는 반경에 비례하므로 가공반경에 대,�한 정보가 필요하다 또한 반경의 위치에 따른 측정정일도의 변화가 예상된다. .절삭력은 물성과 관련이 있을 수 있으므로 변화가 예상되지만 표면거칠기는 차적으로, 1�

기하학적 형상에 의해 지배되므로 재료에 따른 영향이 작아야 하는데 차이가 크게 나는 것은 파괴의 형태에 의한 영향이라고 볼 수 있다.

경질재료의 경우는 아무리 가 작아 라고 하여도 원Cutting Depth Flow Cutting Mode ,�천적으로 에서의 계수와 같은 현상을 무시할 수 없는 상태에서는 통계Microscale Weibull적인 처리가 필요할 것으로 판단된다.

치수효과를 검토하라.�동안 발생한 기계적 현상이라는 것은 위와 같은 조건 하에서1 ms�

는 반경방향으로 진행하고Feed 5/60 ,㎛￭

원주방향으로 진행한 효과가 된다/20 r mm = 50 r .π π ㎛￭

회전동안 진행했으므로 공구의 반경을 이라고 하면1 10/3 /rev , 100 , Cusp height㎛ ㎛￭

는 약 정도이다1/72 = 13 nm .㎛

철계의 경우 밀도의 변화가 유발되면서 일반적으로 절삭력과 조도가 모두 나빠진다, .에 대한 이해도가 필요Chip formation l

와 값의 구분이 필요 부분적으로 과열로 인하 용융으로 조도가 좋아지는 경우도Ramx Ra :있다.

의 가 필요Feed Mark Check

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제 장 결론 및 향후 연구내용제 장 결론 및 향후 연구내용제 장 결론 및 향후 연구내용제 장 결론 및 향후 연구내용9999

렌즈 기술은 이론적으로는 년대 후반부터 그 기초가 만들어지다가 가공의 정밀DOE 1970 ,도가 높아지면서 년대 후반부터 상용화가 되어 가고 있는 최신 기술 중의 하나이다1990 .

년부터 미국의 에서는 이러한 렌즈를 제품인1998 AIG, Kodak Low end CIS(CMOS Image에 상품화를 시작하였고 일본 샤프 등에서도 초슬림 카메라 모듈에Sensor) PC Camera ,

렌즈를 적용한 바가 있다DOE .

서울광학 주 은 계획생산품으로 광학 렌즈 프리즘 필터를 중심으로 생산하고 있으며 수주( ) , , ,생산품으로는 인공위성 광학계 및 반도체 노광 장비에 들어가는 대형 미러와 타원반사경 등의 제작 초정밀 플라스틱 비구면 비축포물면 비구면 보정 렌즈를 생산하고 있다 최근 들, , , .어 소형 정밀 렌즈 사업 분야의 사업확장을 위하여 보유하고 있는 다이아몬드 터닝 머신

을 이용한 렌즈의 가공기술을 개발하려고 한다(DTM) DOE .

최신 기술 분야인 광학계의 설계 부분에서는DOE의 특성상 출사광의 각도를 고려된 광학 설계기법CMOS�

제작의 측면에서 면의 개수가 최대 개 내에서 광학적 특성을 최적화하는 설DOE ring 10�계기법

가공의 정밀도를 고려한 설계 방법�광학 재질의 특성을 고려한 광학 설계 기법�

등이 고려된 설계 방법론이 확립되어야 하고 설계된 광학 렌즈를 가공하기 위해 현재 요, ,청기업이 보유하고 있는 의 정밀도를 확보하는 방안으로써DTM

과 를 장착한 나노구동 을 이용한 의Optical Linear Scale Piezo Actuator Mechanism DTM�성능을 개선

렌즈의 가공 재료에 대한 최적 가공 조건DOE�등에 대한 자체 지식 기반을 구축해야 될 필요성이 있고 마지막으로 가공된 시제품에 대한,측정 기술 및 평가기술을 확보하기 위하여

가공된 의 평가 기술로서 현재 서울광학 주 이 보유한 표면조도 측정기를 이용한 직DOE ( )�접 측정

광학게 조립을 하여 해상력 를 하는 간접적 측정 방법을 통하여 가공품질이 광학계Test�에 미치는 영향을 평가하는 기술을 확보할 필요가 있다.

위와 같은 작업을 위하여

기초 조사업체의 관련 현황 파악 및 개선 방향의 결정DTM�작업 환경의 개선 환기 및( Layout)�

광학계의 설계�제품에 대한 현황 파악DOE�

광학설계에 대한 자료 조사 및 공급�광학설계에 대한 세미나 진행�광학설계 및 가공에 대한 인하대 강좌 공동 참석 및 토의�

의 을 위한Phone Camera Lens Reverse Engineering�이론적 방법론 제시￭

실험적으로 채취 방법론 제시Data￭

에 대한 자료 정리 및 논의FDTM�에서 입력 방법론 논의OSLO DOE�

담당자의 이직에 따른 세미나 유도�가공성이 미치는 성능에 대한 물리적 영향에 대한 논의DOE�

의 성능 향상DTM의 정도 검사 수행 공작기계조합과 생기원 장비 이용DTM :�성능개선 결정DTM Spec�

전체 시스템의 레이아웃 결정�

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부품 사양 결정 및 구매�과 실험계획법을 이용한 의 설계 및 제작FEM Mechanical Flexure�

미소 설계 및 제작XYZ-Stage�전체 시스템 구축 및 습득Control Language�

전체 시스템 구동 및 Calibration

렌즈 재료의 가공 특성 연구DOE�기존 가공 시편의 측정�냉각을 이용한 가공 방법론 제시�기초지원연구센터 방문을 통한 가공조건 및 가공 방법 논의�가공시편제조를 위한 장치 개념 설계�

공구의 결정 및 구입Diamond�

측정 기술 및 렌즈 특성 평가 기술 연구DOE

를 이용하여 측정FormTaylor�측정 가능 범위 및 특성 파악�

개념 및 제공Knife Edge Test Layout�전문가 김승우 교수 초청 세미나 및 연구실과의 연계를 통한 사용BUPE AFM�

기타

대형 유리 가공용 지그에 대한 제안�

분야에 대한 기술 지원을 수행하였다.

기술지원의 최종적인 목표는 전과정 또는 부분과정의 시제품 제조 시스템의 구축이다 현재.

국내에서 제작이 가능한 회사는 드물 뿐만 아니라 의 요구에 따라DOE Sample , End User

설계까지 할 수 있는 업체는 거의 없으므로 본 시스템이 구축되면 고부가가치의 국내 시, ,

장을 외국의 진출로부터 보호할 뿐만 아니라 세계시장으로 진출을 할 수가 있다, .

두 번째로 렌즈를 대량 생산을을 위해 사출을 하여야 하며 이를 위해 사출용DOE , DOE

금형제작이 필수적이다 따라서 본 기술이 구축되면 금형에 를 가공할 수 있게 되므로. DOE

제품개발의 초기단계부터 최종수요업체와 협업을 할 수 있는 능력이 배양되므로 상대적으로

우월한 경쟁력을 확보할 수 있다.

세 번째로 이러한 기술은 광학계의 경박단소화를 이룩할 수 있는 기반 기술이기 때문에 여

러 분야에 응용이 가능하다 특히 현재 당사에서 개발하는 용 광학. Head Mounted Display

계 상대적으로 높은 정밀도가 필요 없는 열상 광학계 등에 우선 적용함으로써 요청기업의,

제품 스펙트럼을 넓히고 경쟁력을 확보할 수 있다.

앞으로 충분한 기술 개발이 이루어져 높은 정밀도를 갖는 렌즈 제작 기술을 갖춰지면DOE ,

향후 일반 광학계에도 적용할 수 있다 이때 광학계의 경박단소화를 이룩할 수 있으므로 제

품 경쟁력에 많을 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.