구면 렌즈의 정밀 허용오차

Edmund Optics^®에서는 당사의 TECHSPEC^® spherical lenses를 위해 다양한 표준 허용오차(standard tolerance)를 개선해왔습니다. 이러한 개선은 "drop in" 어셈블리 제작이 용이하도록 특별히 고안되어, active alignment와 같이 복잡한 어셈블리 절차에 필요한 요건들을 줄여줍니다. 또한, 성능 향상으로 이어지는 허용오차의 변화로 인해 당사 렌즈를 OEM 어플리케이션과 더욱 쉽게 통합할 수 있게 되었습니다. 정밀 스펙의 새로운 갱신은 연간 수백 개의 렌즈를 생산하는 세계적인 규모의 일본, 싱가포르, 미국 제조 단지에서 프로세스의 향상을 통해 이루어집니다. 스펙 향상을 위해 개선된 점:

Diameter Tolerance (직경 허용오차): 당사의 모든 TECHSPEC^® 구면 렌즈들은 사이즈에 상관없이 직경에 대한 허용오차가 +0.000/-0.025mm입니다. 25µm 이내의 직경을 유지하기 위해 렌즈들은 신중하게 디자인된 배럴 내에서 어셈블리의 기계적 축과 렌즈의 광축을 맞춰가면서 정확하게 자리를 잡고 정렬됩니다.

직경 허용오차는 매우 중요한 기계적 공차로서 옵틱을 장착할 때 반드시 고려해야 하는 부분입니다. 이론적으로 주어진 지름으로 인해 빛의 굴절이 발생하면 mouting을 고정할 때 렌즈의 정밀 배치를 방해하여, 광학 어셈블리 내에서 중심이 어긋나거나 기울어지는 현상이 발생할 수 있습니다. 아래에 있는 이미지는 지름의 오차로 인해 배럴 내에서 제대로 고정되지 않은 렌즈를 보여줍니다:

그림 1: 오류가 있는 지름(Diameter Error)로 인한 현상

Centration (중심화): 초점거리가 10mm가 넘는 당사의 모든 TECHSPEC^® 단일 렌즈들은 centration이 1 arcminute 미만이라는 특징을 갖습니다. 이러한 광축의 정밀 alignment는 까다로운 이미징 용도에도 렌즈를 사용할 수 있도록 해줍니다. 위에서 언급되었듯이 정밀한 직경 허용오차로 설계하면, 감소된 wedge 스펙 때문에 광학 어셈블리에서 생겨나는 image runout을 최소화할 수 있습니다.

그림 2: 오류가 있는 중심화(Centration Error)로 인한 현상

Surface Quality (표면 품질): 당사의 모든 TECHSPEC^® 구면 렌즈들은 사이즈에 상관없이 현재 scratch-dig 값이 40-20입니다. 이러한 정밀 가공 스펙은 까다로운 요건의 레이저 기반 시스템에서도 렌즈를 사용할 수 있도록 해줍니다. 광학 표면에 있는 움푹 파인 부분이나 미러의 스크래치는 빛을 분산시켜 레이저를 이용하는 어플리케이션에 피해를 입힐 수 있습니다.

이뿐만 아니라, 표면 품질은 렌즈의 laser damage threshold에도 영향을 미칩니다. 표면 품질이 저하된 렌즈의 경우 완화된 레이저 파워에도 영향을 받음으로써 성능이 결여될 수 있습니다. 또한, 렌즈에 스크래치나 파인 홈과 같은 결함은 레이저 빛을 앞뒤로 분산시켜 코팅을 훼손하는 결과를 초래할 수도 있게 됩니다. 아래의 이미지는 레이저 빛에 의해 코팅이 손상되는 일례를 보여줍니다.

Figure 3: Coating Destroyed from a 73.3 J/cm2 Laser

그림 3: 73.3 J/cm²에 의해 야기되는 코팅 손상

에드몬드 옵틱스의 표준 표면 품질은 40-20으로서 견고한 AR 코팅이 가능하여, 파장에 따라 standard TECHSPEC^® lenses를 최대 약 7J/cm2의 레이저와 사용할 수 있습니다. Standard Broadband Anti-Reflection에 적용되는 에너지 한계치의 전체 추천 리스트는 당사 어플리케이션 노트인 Anti-Reflection (AR) Coating에서 확인하십시오.

Spherical Lens Manufacturing Specifications
	Commercial	Precision	High Precision
Diameter	4 – 200mm	4 – 200mm	4 – 200mm
Diameter Tolerance	+0/-0.100mm	+0/-0.025mm	+0/-0.010mm
Thickness	±0.100mm	±0.050mm	±0.010mm
Surface Sag	±0.050mm	±0.025mm	±0.010mm
Clear Aperture	80%	90%	90%
Radius	±0.3%	±0.1%	Fix to Test Plate
Power (P - V)	3.0λ	1.5λ	λ/2
Irregularity (P - V)	1.0λ	λ/4	λ/20
Centering (Beam Deviation)	3 arcmin	1 arcmin	0.5 arcmin
Bevel (Face width @45 degrees)	<1.0mm	<0.5mm	<0.25mm
Surface Quality	80-50	40-20	10-5

어플리케이션 예제

Imaging Lens

당사의 렌즈는 광축의 정밀 배열을 필요로 하는 까다로운 이미징 어플리케이션에 적합합니다. 예를 들어, 아래의 이미지는 더욱 엄격해진 centration tolerance가 어떠한 방식으로 렌즈로 하여금 더욱 향상된 해상도를 얻도록 하는지를 보여줍니다. 이러한 경우, decenter가 1 arcminute 미만일 때 이미징 렌즈는 20% contrast에서 대략 128 lp/mm의 해상도를 달성할 수 있습니다. 단, element가 2개인 경우에는 decenter가 6 arcminute 미만으로 느슨해져, 이미징 렌즈의 해상도가 20% contrast에서 86 lp/mm밖에 되지 않습니다.

이미징 어셈블리의 무난한 성능을 발휘하기 위해서 고비용의 복잡한 alignment에 의존하기보다는, EO에서는 단순히 개별 렌즈 요소의 지름과 centration에 대한 허용오차를 좀 더 엄격하게 적용하여 해상도를 대략 50% 향상할 수 있었습니다. 또한, active alignment와 같은 복잡한 어셈블리 절차에 필요한 요건들이 줄어들어 어플리케이션이나 어셈블리에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

Figure 4: Effects of Centration Errors on Resolution

그림 4: (위) All elements < 1 arcmin decenter 및 (아래) Two elements < 6 arcmin decenter에서의 Resolution에 미치는 Centration Error의 영향

Beam Expander

Beam expander에 있어서 centration error는 빔의 이탈을 초래해 입력빔과 평행하지 않은 출력빔을 만들어낼 수 있습니다. 빔이 이탈하게 되면 입출력 광축의 정렬이 불량해져 이를 보정하기 위해 mechanical housing을 기울여야 하기 때문에 레이저 시스템의 정렬이 복잡해집니다. 아래의 이미지에서는 빔의 이탈에 관한 설명을 보여줍니다:

그림 5: 중심화의 오류(Centration Error)가 Beam Expander에 미치는 영향

시스템의 메커니즘으로 인해 collimator의 각도 조절이 불가능하면, 기울어진 빔이 점점 깎여나가면서 시스템 전체로 퍼져감에 따라 에너지 손실이 유발될 수 있습니다. Beam expander 내에 있는 렌즈 요소와 centration를 엄격하게 관리함으로써 빔 이탈 방지를 위한 메케니컬 솔루션의 필요성이 제거되고, 시스템이 간소화되면서 전반적인 비용이 줄어듭니다.