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Large Field of View Telecentric Lenses

등록일: 2017년 7월 | Trending in Optics 관련 주제 전체 보기

구면 렌즈의 미래

광학 어플리케이션의 복잡성(complexity)이 지속적으로 증가함에 따라, 이에 필요한 성능적 요건 또한 더욱더 까다로워지면서 구면 렌즈의 표준 허용오차만으로는 더 이상 이러한 요건들을 충족할 수 없게 되었습니다.

따라서, 차세대 구면 렌즈는 더욱 엄격해진 지름, 중심화 및 표면 품질 허용오차를 갖추어야 합니다. 이러한 기술적 사양은 "drop in" 어셈블리 과정을 수월하게 하여, 능동 정렬과 같은 복잡한 조립 절차를 간소화하고 정렬을 완화하며 웨이브프런트 오류를 줄여줍니다. 이전 세대의 구면 렌즈는 제품 스펙이 덜 엄격하기 때문에 요건들이 증가하는 향후 어플리케이션을 충족할만한 수준의 정밀도를 더 이상 수용할 수 없게 되었습니다.

차세대 기술은?

어플리케이션 요건이 점점 더 까다로워지고 지속적으로 더 높은 성능의 옵틱을 필요로 함에 따라, 향후 표준 렌즈는 위에서 언급한 엄격한 수준의 허용오차를 능가하면서 기존의 구면 렌즈와는 상당한 차이가 있을 수 있습니다.

Metamaterial

공학적 가공을 거친 메타물질(metamaterial)은 기존의 재료가 갖는 속성을 훨씬 뛰어넘게 됩니다. 매우 다양한 속성은 조정이 가능하며, 심지어는 회절 제한을 능가하는 렌즈를 제작하는 데도 메타물질을 활용할 수 있습니다.

Aspherized Molded Surfaces

독특한 polymer molding process를 통해 신속하고 경제적인 방식으로 비구면 표면(aspherized surface)을 구면 렌즈에 추가할 수 있습니다. 이러한 표면은 매우 적은 비용으로도 machined asphere에 유사 구면 수차 보정 기능을 제공합니다. EO에서는 이와 같은 테크닉을 활용해 Aspherized Achromatic Lenses를 생산합니다.

Polarization Directed Flat Lenses

Polarization Directed Flat Lenses는 기존의 구면 렌즈와는 다른 원리로 작용합니다. 이 렌즈의 focal length는 표면 곡률로 규정되기보다는 holographically recorded wavefront profile로 정의됩니다. 동급의 비구면 렌즈보다 무게가 적게 나가고 부피가 작아 공간적 제약이 따르는 어플리케이션에 이상적으로 사용할 수 있습니다. 흥미로운 신규 디자인 기술의 산물인 이 Polarization Directed Flat Lenses는 여러 산업 분야와 다양한 어플리케이션 유형 전반에 걸쳐 무한 가능성을 펼쳐줍니다.

Variable Focus Moiré Lenses

Variable Focus Moiré Lenses는 특수 구조의 계단식 Diffractive Optical Elements (DOEs)로 구성됩니다. 간단히 element를 회전하면서 넓은 focal length 범위에 걸쳐 연속적으로 focal length를 조절할 수 있습니다. 단색광 조명과 사용 시 광학 수차가 나타나지 않는 성능을 보이며, UV - IR 파장 범위에서 사용할 수 있습니다.

에드몬드 옵틱스의 차세대 구면 렌즈

더욱 높은 성능의 옵틱이 점차 필요해짐에 따라, 에드몬드 옵틱스에서는 TECHSPEC® spherical lenses 전제품에 더욱 엄격해진 표준 허용오차를 적용합니다.

 

더욱 엄격해진 신규 표준 허용오차로 결합이 용이해짐

 

현재 TECHSPEC® spherical lenses 전제품에는 +0.000/-0.025mm의 지름 허용오차가 적용됨

 

현재 TECHSPEC® spherical lenses 전제품에는 40-20의 scratch-dig value가 적용됨

 

현재 focal length >10mm인 TECHSPEC® singlet lenses 전제품에는 1 arcminute 미만의 centration이 적용됨

 

"drop in" 어셈블리가 용이해지면서, active alignment와 같은 복잡한 어셈블리 절차의 필요성이 줄어듦

테크니컬 다이어그램

렌즈에서 발생하는 중심화 오류(centration error)는 광축을 기울이고 축 상에 코마 수차를 일으켜, 웨이브프런트 오류, 해상도 및 엔서클드 에너지에 불리하게 작용할 수 있습니다. 따라서, 엄격한 centration 허용오차를 적용하지 않은 렌즈는 이와 같은 문제로 고생할 수 있습니다. 아래에 나온 3D wavefront plot는 당사의 25mm diameter x 100mm focal length aspheric lens #89-442 제품에서 3 arcmin centration error로 인한 wavefront error를 보여줍니다. 이러한 3 arcmin centration error는 532nm에서 3λ/4의 PV wavefront error를 야기시키지만, 더욱 엄격한 중심화 허용오차를 적용한 1 arcmin의 신규 TECHSPEC® centration tolerance는 532nm에서 PV wavefront error를 λ/4로 줄여줍니다.

그림 1: Centration error로 인한 wavefront error

자주 묻는 질문(FAQ's)

  지름 허용오차가 향상될 경우 어떠한 이점을 가져다줍니까?
지름을 0.025mm 이내로 유지하면 올바르게 설계된 배럴 내부에 정밀하게 렌즈를 정렬할 수 있어 렌즈의 광축을 어셈블리의 기계적 축과 맞출 수 있게 됩니다. 지름 허용오차는 기계적으로 매우 중요한 공차로서 옵틱을 마운트할 때 반드시 고려해야 할 부분입니다. 지름의 공칭값에 의한 편차는 렌즈로 하여금 고정 장치에서의 적절한 정렬을 방해하여, 광학 어셈블리 내에서 중심을 벗어나거나 경사가 지도록 하는 결과를 가져다줍니다.
  엄격한 centration specification이 중요한 이유는 무엇입니까?

광축의 정밀 배열은 까다로운 이미징 어플리케이션에서도 렌즈를 사용할 수 있게 보장해줍니다. 정밀한 지름 허용오차와 결합할 경우, wedge specification이 줄어들어 결과적으로 광학 어셈블리에서 image runout (중심을 벗어난 이미지) 현상을 최소화합니다.

외관상의 스펙이 정밀하면 까다로운 레이저 기반의 시스템에서도 렌즈를 사용할 수 있게 됩니다. 광학 표면에 존재하는 약간의 스크래치나 흠집만으로도 빛의 분산을 일으킬 수 있어 레이저가 적용되는 어플리케이션에 불리하게 작용할 수 있습니다. 이뿐만 아니라, laser damage threshold에도 영향을 미치게 됩니다. 렌즈의 표면 품질이 저하하면, 적절한 레이저 파워나 외압의 영향을 받을 경우 성능을 발휘할 수 없게 될 수도 있습니다. 렌즈에 스크래치나 흠집이 생기면 레이저 빛이 앞뒤로 분산을 일으켜, 코팅에 손상을 야기할 수 있습니다.

교육 자료

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구면 렌즈에 적용되는 엄격한 허용오차

TECHSPEC® spherical lenses 전제품에 적용된 tightened tolerance에 관한 상세 기술

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광학 부품 규격 이해하기

광학적 성능 결정과 제조적 요건에 공통적으로 필요한 optical specification에 관한 설명

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