광학 시스템의 기계적 설계, 조립 및 정렬 시 고려해야 할 5가지 주의사항

저자: Katie Schwertz

기성 광학 부품과의 설계 시 필요한 5가지 팁에서 다룬 내용들을 확장해서 살펴보면, 광학 설계 작업을 할 때 고려해야 할 주요 어셈블리 항목들이 몇 가지 있습니다. 일반적으로 광학 설계자들은 광선 추적 소프트웨어를 사용해 광학 설계를 구성하지만, 이러한 소프트웨어는 본질적으로 공중에서 부유해버리는 시스템을 만들어 내는 데 그칩니다. 광학 부품을 제작 혹은 구입하고자 한다면 시스템을 장착, 조립하고 정렬하는 데 필요한 방법을 숙지하고 있어야 합니다. 설계 단계에서 광학의 기계적 디자인, 조립 및 정렬 시 고려해야 할 점들을 파악함으로써 작업 시간을 상당히 단축하고 차후에 비용 변경 및 부품 재설계의 필요성을 줄일 수 있습니다.

1. 패키지의 크기와 중량을 고려해야 합니다.

광학 부품 장착 방식에 관한 계획 시 가장 최우선으로 고려해야 할 사항 중 하나는 잠재적 크기 혹은 무게 제한으로서 이는 광학 부품에 관한 기계적 장착 설계의 전체적 접근 방식을 결정해 줍니다. 테이블 상단 전체를 사용할 수 있는 브레드보드에 프로토타입 부품을 설치하고자 합니까? 공간 사용에 제약이 따르나요? 누군가가 직접 운반할 예정입니까? 이와 같은 고려 사항들은 마운트 및/또는 정렬 옵션의 수를 제한하기도 합니다. 이외에도 피사체, 이미지 및 시스템의 스탑이 어느 곳에 위치해야 하며, 최종 조립 후에 액세스가 가능한지를 검토해봐야 합니다. 고정 사이즈 혹은 조절 가능한 물리적 구경인 스탑은 시스템을 통과하는 라이트 번들을 제한함에 따라 광학 디자인 내부나 한쪽 끝에 위치할 수 있습니다. 단, 광학 디자인 내부에서 스탑이 위치한 지점에 충분한 공간이 있는지를 확인해야만 기계적 설계 시 원하는 물리적 결과를 낳을 수 있다는 점을 명심해야 합니다. 그림 1에서 좌측에 있는 광학 디자인의 예는 실현 가능성이 있는 설계인 반면, 우측 예제의 이중 렌즈들 사이에서는 조절 가능 조리개가 맞지 않을 가능성이 있습니다. 이처럼 잠재적 공간 제한은 광학 설계 단계에서 쉽게 수정할 수 있으나 나중에 문제를 해결하고자 할 경우에는 더 많은 어려움이 따를 수 있습니다.

그림 1: 1:1 이미지 릴레이 시스템의 예로서 상단의 경우는 조절 가능 아이리스를 삽입할 수 있으나, 하단의 경우는 삽입이 불가능합니다.

2. 재조립 가능 여부를 검토해야 합니다.

광학 설계를 위한 조립 과정 설계 시 디자인과 관련된 결정을 내릴 수 있는 한 가지 세부 사항은 어셈블리가 한 번만 수행되는지 또는 조립을 분해한 후에 재조립 여부입니다. 조립을 분해할 필요가 없다면 접착제의 사용이나 영구/반영구 장착 방식이 문제가 되지는 않을 것입니다. 다만 시스템을 분해하거나 수정해야할 필요가 있다면 조립이 완성되기 이전에 이점을 고려해야 합니다. 다른 방식으로 코팅 처리된 미러를 동일한 셋업 안팎에서 회전시키는 것과 마찬가지로 부품을 교체할 경우 해당 부품에 손쉽게 액세스할 수 있는지 여부와 관련 부품의 정렬을 그대로 유지해야 할 필요가 있는지를 결정해야 합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 키네마틱 마운팅 옵션이나 TECHSPEC® Optical Cage System을 이용하면 작업 시간과 혼란을 줄 수 있는 과정을 줄일 수 있습니다.

그림 2: 키네마틱 마운팅 옵션이나 TECHSPEC® Optical Cage System의 이용으로 시스템의 조정이 훨씬 간단해집니다.

3. 움직임 및 정렬을 위한 요건들을 파악해야 합니다.

일부 단순 시스템의 경우 광학 부품은 홀더나 배럴에 간단히 배치할 수 있으며 조정 없이도 조립과 정렬을 완성할 수 있습니다. 그러나 다수의 경우 필수 설계 성능을 유지하기 위해 사용 중에도 광학 부품은 정확히 정렬되어 있어야 하며 조정도 가능해야 합니다. 광학 설계를 구상할 때에는 중심이탈(X와 Y축에서의 이동), 축의 동작(Z축에서의 이동), 각도 움직임(팁/틸트), 그리고 폴라라이저, 웨이브플레이트나 회절 격자와 같은 부품, 오리엔테이션을 조정할 필요가 있는지를 검토해야 합니다. 이와 같은 조정은 개별 부품, 광원, 카메라/이미지 면 또는 전체 시스템에 있어 필수일 수 있습니다. 어떠한 조정이 이루어지는지를 숙지하는 것 뿐만 아니라, 기계적으로 더 고가인지 그리고 어셈블러에게 더 많은 기술이 요구되는지를 파악하는 것도 중요합니다. 움직임과 관련된 요구 사항을 제대로 이해함으로써 작업에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

4. 미광(Stray Light)을 피해야 합니다.

미광은 광학 시스템에서 발생하는 불필요한 빛을 가르키는 일반적인 용어입니다. 광학적 설계 시 의도치 않은 빛의 이동은 고스트(다중) 이미지, 이미지 콘트라스트의 저하, 고출력 레이저 어플리케이션에서의 글래스 고장과 같은 다양한 문제를 야기할 수 있습니다. 표준 광선 추적 소프트웨어 패키지는 일정 수준의 1차 미광 분석을 통해 사용자의 광학 시스템에 잠재적 문제를 대두시킬 수 있는지를 평가하는 데 사용됩니다. 또한 비순차 광선 추적 분석으로 더 철저한 검증을 거칠 수도 있습니다. 그림 3은 특정 금속 표면에서 반사하는 빛의 영향을 조사하기 위해 FRED(광학 설계 소프트웨어)로 완성된 미광 분석에 관해 보여줍니다..

그림 3: 미광 분석을 통해 최종 이미지에서 발생하는 이미지 콘트라스트 문제를 피할 수 있습니다.

미광이 발생할 수 있는 잠재적 문제가 광학 시스템에 존재할 경우에는 미광으로부터의 영향을 완화할 수 있는 몇 가지 방안이 있습니다. 예를 들어 시스템으로부터 미광이 빠져나가는 것을 차단하기 위해 배럴의 내경을 쓰레드하거나 조리개를 추가로 설치해 원치 않는 광선을 막을 수 있습니다. 이외에도 마운팅 부품을 블랙크닝 처리(예: 블랙 아노다이징 알루미늄 또는 블랙 옥시다이징 스틸)하거나 다른 물질로 코팅하는 방법이 있습니다. 또한 그림 4에서와 같이 렌즈의 가장자리를 페인트나 잉크로 블랙크닝 처리할 수도 있습니다. 미광을 피하기 위한 가장 이상적인 방안은 설계 단계에서 미광의 문제점을 발견하고 이를 해결하기 위해 엘레먼트나 이미지 면을 이동 또는 수정하는 것입니다. .

그림 4: Standard lens (우)에 비해 Edge Blackened Lens (좌)는 미광을 감소시키고 광학 시스템의 신호대잡음비(SNR)를 증가시켜줍니다.

5. 주변 환경의 영향을 주의해야 합니다.

앞서 언급한 바와 같이 모델링 소프트웨어를 사용해 광학 시스템을 설계할 때는 공기 중에서 이동하는 환경적 영향을 고려하지 않으므로 일반적으로 공중에 떠있는 상태나 마찬가지입니다. 그러나 실제로 광학 시스템은 응력, 가속/충격(낙하의 경우), 진동(운반 또는 작동 중), 온도 변화 또는 수중 환이나 다른 물질에서의 작동과 같이 여러 불리한 상황을 직면할 수 있습니다. 환경적 조건을 통제하는데도 공기 중에서 사용자의 광학 시스템에 작동하지 않을 것으로 예상될 경우에는 시스템의 성능 유지를 위해 설계를 통해 환경적 영향을 최소화하거나(수동적인 해결책) 피드백 루프를 활성화해 추가적인 분석을 완수해야 합니다. 대다수의 광학 설계 프로그램은 온도와 압력과 같은 일부 측면을 자극할 수 있지만 완전한 환경 분석을 위해 추가적인 프로그램이 필요할 수 있습니다.