기성 광학으로 설계 시 필요한 5가지 팁

저자: Jeremy Govier

다음번 프로젝트 설계 시 기성 광학을 사용하면 여러 가지 이점들을 가져다 드립니다. 예산 혹은 시간 제한으로 custom optics를 활용할 기회가 없다면, 고객이 원하는 디자인에 딱 맞는 stock optics를 쉽고 빠르게 이용할 수 있습니다. 기성 광학 설계를 간편하게 만들어 줄 몇 가지 요령은 다음과 같습니다.

1. 단순화하기

첫 시작은 종이 위에 근축 설계(paraxial design)를 그리면서 이를 finite 및 infinite conjugate 광학 그룹의 subsystem으로 세분화하는 것입니다. Zemax, Code V, 혹은 이미 선택한 기타 ray tracing software처럼 암호로 최적화하기 이전에 각 그룹별로 원하는 focal length를 결정합니다. 원하는 focal length가 정해지면 근축 방정식(paraxial equation)을 사용해 필요한 focal length를 제공하는 기성식 렌즈를 선택할 수 있습니다. 선호하는 ray tracing code는 코드 안에 다양한 기성식 렌즈를 내장함으로써 선택한 렌즈로 모형을 만들어 보거나 주어진 공간에 맞게 최적화해볼 수가 있습니다. 또는 공급자가 지원하는 정보를 이용해 소프트웨어에 렌즈를 직접 입력할 수도 있습니다. EO의 TECHSPEC® 전 부품은 대부분의 design code와 함께 공급되며 당사 웹사이트 에서 해당 제품의 Zemax file을 받아볼 수 있습니다.

그림 1: Zemax의 렌즈 카탈로그

2. 단색화하기

가능하다면, LED나 Laser와 같이 단색 광원을 이용하거나 광학 필터를 이용해 시스템 자체를 단색화합니다. 단색 혹은 협폭의 빛을 이용하면 이러한 디자인을 훨씬 덜 복잡하게 만들 수 있습니다. 대강의 가이드 라인으로서 광원의 waveband를 50nm 미만으로 줄이게 되면 일반적으로 단일 렌즈를 이용해 원하는 설계를 구성할 수 있게 됩니다. 색수차는 디자인 구성에 어려움을 일으키기 때문에 광대역 광원이 불필요할 경우 옵션 자체가 단순해질 것입니다.

3. 광학 수차 추가 보정에 기성 서브시스템 활용하기

비구면 이중 렌즈, 현미경 대물렌즈, 머신 비전 렌즈, multi-element relay 혹은 기타 subsystem과 같은 기성 부품들을 이용함으로써 어플리케이션의 정밀 보정에 필요한 color, field angle 및 large aperture와 같은 요건들을 종종 구해낼 수 있습니다. 대부분의 경우 공급자가 제공하는 prescription이 있다면 코드를 이용해 subsystem을 모형화할 수 있습니다(그림 2). 만약 prescription이 없다면 근축 면(paraxial surface)을 이용해 subsystem에 가깝게 추정해낼 수 있습니다.

그림 2: EO Micro Video Lens (#58-204)의 Prescription

4. 마운팅 옵션 신중하게 선택하기

프로토타이핑 혹은 custom housing 구매와 관련해 시간과 비용을 절약하게 되더라도 기성 mounting 옵션들을 고려해봐야 합니다. Optical Cage system을 이용하면 광학 부품들을 훨씬 용이하게 조립할 수 있으며 다양한 freedom이 주어져 간격 조절이 가능해집니다. 대부분의 기성 cage system은 일반 사이즈의 광학 부품을 장착할 수 있을 뿐만 아니라 현미경 대물렌즈, C-mount 카메라 렌즈 및 기타 하위 부품들도 장착할 수 있습니다.

5. 적용이 가능한 곳에 부품 사용하기

Plano-Convex (PCX), Plano-Concave (PCV), Double-Convex (DCX), Double-Concave (DCV), 그리고 Achromat와 같은 기성 렌즈들은 작은 시야와 aperture에 맞춰 최적화되어 있습니다. 이들 부품은 가파르지 않은 ray angle을 보유한 시스템과 결합 시 가장 좋은 성능을 발휘합니다. 예를 들어 고배율의 relay를 설계 시 relay의 높은 NA side를 위해 다중 복합 요소의 subsystem을 이용하거나 낮은 NA side를 위해 achromat를 이용해 봅니다. 이를테면 피사체 쪽에 있는 20X infinite conjugate objective와 이미지 쪽에 있는 150mm focal length achromatic lens로 구성된 15X system(그림 3)은 보정이 제대로 된 성능을 제공할 것입니다.

그림 3: 15X Microscope의 신속한 조립을 위한 기성 부품의 사용