KR101523366B1 - 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치, 중력보상방법 및 그 중력보상장치가 구비된 광학거울의 공압시스템 - Google Patents

광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치, 중력보상방법 및 그 중력보상장치가 구비된 광학거울의 공압시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치, 중력보상방법 및 그 중력보상장치가 구비된 광학거울의 공압시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 후방면에 다수의 홈이 형성된 광학 거울의 후방면과 특정공간을 갖도록 후방면 측에 결합되는 공압하우징; 내주면이 상기 광학거울의 외주면과 형상맞춤되도록 상기 광학거울과 상기 공압하우징 사이에 구비되어 상기 특정공간을 밀폐시키는 공압외부마개; 상기 특정공간을 가압하여 상기 광학거울을 부양시키는 압력가압수단; 및 상기 광학거울의 외주면을 둘러싸도록 설치된 공압외부마개의 외주면 일측에 구비되는 특정무게를 갖는 적어도 하나의 무게추와, 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시키는 이동수단을 구비한 중력보상장치;를 포함하여, 광학거울면의 가공량에 따른 광학거울 무게중심의 이동과 이로 인한 광학거울의 표면형상왜곡 현상을 무게추의 무게와 위치를 조절함으로써 효과적으로 상쇄시킬 수가 있는 중력보상장치를 갖는 광학거울의 공압시스템에 관한 것이다.

Description

광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치, 중력보상방법 및 그 중력보상장치가 구비된 광학거울의 공압시스템{Pneumatic apparatus for mirror polishing and gravity compensation}
본 발명은 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치, 중력보상방법 및 그 중력보상장치가 구비된 광학거울의 공압시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 광학거울면의 가공량에 따른 광학거울 무게중심의 이동과 이로 인한 광학거울의 표면형상왜곡 현상을 무게추의 무게와 위치를 조절함으로써 효과적으로 상쇄시킬 수가 있는 방법에 관한 것이다.
인공위성 카메라에 필요한 우주용 대구경 광학 거울의 경우, 거울의 뒷면을 벌집과 유사한 형태로 포켓을 만들어 경량화하고 그 후에 거울의 앞면을 가공한다. 하지만 가볍고 복잡해진 거울의 뒷면으로 지지되는 거울의 앞면은 거울면의 위치에 따라 지지되는 압력이 다르기 때문에 가공툴을 이용하여 연삭 또는 연마 시 그 가공량이 위치에 따라 달라지게 된다.
따라서 거울 앞면의 가공형상이 거울 뒷면의 경량화 형상을 전사한 것처럼 보이는데 이것을 퀼팅효과(quilting effect or print-though effect)라고 한다. 이러한 현상은 중국의 마술거울에서도 관찰할 수 있다. 현재 개발된, 공압시스템은 이러한 문제를 해결하기 위해 경량화된 거울의 뒷면을 공압으로 공중에 띄운 상태에서 모든 가공이 이뤄지도록 구현한 것으로서, 거울의 뒷면이 균일한 압력으로 지지되기 때문에 퀼팅효과를 근본적으로 없앨 수 있다.
한편, 우주용 광학거울은 중력이 있는 지상에서 가공과 조립이 이뤄지고 실제 사용은 무중력 상태에서 이뤄지기 때문에, 우주에서의 성능을 미리 검증하기 위해서는 중력에 의한 오차를 보상할 필요가 있다. 따라서 광학 거울의 가공 시 가공오차 이외에 중력에 의한 표면왜곡을 정량화해야 하며, 이것은 거울의 광축을 중력에 수직한 방향으로 세운 후에 광축을 중심으로 여러 각도로 회전시키며 측정한 결과를 조합하는 방법을 사용한다.
하지만 거울면의 가공오차를 알기 위해서 여러 각도로 거울을 회전시키며 레이저 간섭계로 정렬 및 측정하는 것은 상당히 번거로운 일이다. 또한 이런 방법을 통해 얻은 중력에 의한 거울면의 왜곡량이 실제 가공오차보다 훨씬 클 경우 가공량의 정밀한 측정이 어려운 문제점이 존재하였다.
대한민국 공개 특허 제2012-0103504 대한민국 등록 특허 제756899호
K. B. Doyle, V. L. Genberg, and G. J. Michels, Integrated Optomechanical Analysis (SPIEPress, Washington, 2002) E. E. Bloemhof, J. C. Lam, V. A. Feria, and Z. Chang, "Extracting the zero-gravity surface figure of a mirror through multiple clockings in a flightlike hexapod mount, " Appl. Opt. 48, 4239-4245 (2009)
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 중력에 의한 거울의 표면형상 왜곡을 보상하는 장치에 관한 것으로서, 공압시스템의 테두리에 무게추를 추가하고 그 무게와 위치를 조절하여 거울면의 중력왜곡을 최소화하도록 한다. 따라서 거울면의 가공량에 따른 거울 무게중심의 이동과 이로 인한 거울의 표면 형상 왜곡현상을 무게추의 무게와 위치를 조절함으로써 효과적으로 상쇄시킬 수가 있는 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치, 중력보상방법 및 그 중력보상장치가 구비된 광학거울의 공압시스템을 제공하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 제1목적은 후방면에 다수의 홈이 형성된 광학 거울의 연마시, 상기 광학거울을 부양시키기 위한 공압시스템에 적용되는 중력보상장치에 있어서, 상기 광학거울의 외주면을 둘러싸도록 설치된 공압외부마개의 외주면 일측에 구비되는 특정무게를 갖는 적어도 하나의 무게추; 및 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시키는 이동수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치로서 달성될 수 있다.
상기 무게추는 복수로 구비되어 서로 동일한 간격으로 이격되어 상기 공압외부마개의 외주면에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 무게추의 내주면은 상기 공압외부마개의 외주면과 형상맞춤되어 지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 이동수단은, 길이방향이 상기 무게중심면과 수직이고 상기 무게추에 관통되어 설치되는 이동축, 일단은 상기 이동축의 상부 끝단과 결합되고 타단은 결합부재에 의해 상기 공압외부마개의 상부면 일측에 결합되는 지지바 및 상기 무게추를 상기 이동축의 길이방향을 기준으로 이동시키는 구동수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 광학거울의 표면형상왜곡을 보상시키기 위한 방법에 있어서,상기 광학거울의 외주면에 공압외부마개를 설치하고, 상기 공압외부마개의 외주면으로 적어도 하나의 앞서 언급한 제1목적 따른 중력보상장치를 설치하는 단계; 및 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 기반으로 상기 중력보상장치의 이동수단에 의해 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시켜 상기 표면형상왜곡을 보상하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 표면형상왜곡 보상방법으로서 달성될 수 있다.
상기 보상하는 단계는, 상기 무게추의 상부면과 상기 공압외부마개의 상부면의 이격거리인 무게추 거리와 상기 표면형상왜곡값과의 관계에 의해, 상기 무게추 거리를 조정하여 상기 표면형상왜곡을 보상하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 무게추 거리를 0으로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계; 상기 무게추 거리를 기 설정된 특정거리로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계; 연산수단이 상기 표면형상왜곡값과 상기 무게추 거리의 대응관계를 연산하는 단계; 및 상기 광학거울의 전방면을 연삭 가공한 후, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하여, 상기 연산수단에 의해 연산된 연산데이터를 기반으로, 상기 무게추 거리를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록매체에 있어서, 앞서 언급한 제2목적에 따른 광학거울의 표면형상왜곡 보상방법을 실행시키기 위한 프로그램 코드가 기록된 기록매체로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은 광학거울의 공압시스템에 있어서, 후방면에 다수의 홈이 형성된 광학 거울의 후방면과 특정공간을 갖도록 후방면 측에 결합되는 공압하우징; 내주면이 상기 광학거울의 외주면과 형상맞춤되도록 상기 광학거울과 상기 공압하우징 사이에 구비되어 상기 특정공간을 밀폐시키는 공압외부마개; 상기 특정공간을 가압하여 상기 광학거울을 부양시키는 압력가압수단; 및 상기 광학거울의 외주면을 둘러싸도록 설치된 공압외부마개의 외주면 일측에 구비되는 특정무게를 갖는 적어도 하나의 무게추와, 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시키는 이동수단을 구비한 중력보상장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치를 갖는 광학거울의 공압시스템으로서 달성될 수 있다.
상기 광학거울은 중앙홀을 갖는 도넛 형태이고, 상기 특정공간을 밀폐시키기 위해 상기 중앙홀에 설치되는 공압내부마개를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 공압외부마개와 상기 광학거울 사이에 구비되며 탄성력을 갖는 재질로 구성되는 공압외부씰링부재; 및 상기 공압내부마개와 상기 광학거울 사이에 구비되며 탄성력을 갖는 재질로 구성되는 공압내부씰링부재 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5목적은 광학거울의 표면형상왜곡을 분석하고 보상하기 위한 시스템에 있어서, 후방면에 다수의 홈이 형성된 광학 거울의 후방면과 특정공간을 갖도록 후방면 측에 결합되는 공압하우징; 내주면이 상기 광학거울의 외주면과 형상맞춤되도록 상기 광학거울과 상기 공압하우징 사이에 구비되어 상기 특정공간을 밀폐시키는 공압외부마개; 상기 특정공간을 가압하여 상기 광학거울을 부양시키는 압력가압수단; 및 상기 광학거울의 외주면을 둘러싸도록 설치된 공압외부마개의 외주면 일측에 구비되는 특정무게를 갖는 적어도 하나의 무게추와, 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시키는 이동수단을 구비한 중력보상장치; 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 수직이 되도록 상기 광학거울을 세운 상태에서, 상기 광학거울의 중심축을 기준으로 상기 광학거울을 회전시키는 회전장치; 상기 광학거울이 세워진 상태에서 상기 광학거울과 특정간격 이격되어 설치되는 렌즈; 및 상기 광학거울의 표면형상왜곡을 측정하는 분석장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 표면형상왜곡 분석 시스템으로서 달성될 수 있다.
상기 무게추의 상부면과 상기 공압외부마개의 상부면 사이의 거리인 무게추 거리와 상기 분석장치에 의해 측정된 표면형상왜곡값과의 대응관계를 연산하는 연산수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제6목적은 앞서 언급한 제5목적에 따른 광학거울의 표면형상왜곡 분석 시스템을 이용하여 광학거울의 표면형상왜곡을 분석하고 보상하는 방법에 있어서, 상기 광학거울에 공압외부마개와 공압하우징을 설치하고, 상기 공압외부마개의 외주면으로 중력보상장치를 설치하고 상기 광학거울의 후방면과 상기 공압하우징 사이의 특정공간으로 압력을 가하여 상기 광학거울을 부양시키는 단계; 및 무게추의 상부면과 상기 공압외부마개의 상부면 사이의 거리인 무게추 거리를 0으로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워, 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계; 상기 무게추 거리를 기 설정된 특정거리로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계; 연산수단이 상기 표면형상왜곡값과 상기 무게추 거리의 대응관계를 연산하는 단계; 및 상기 광학거울의 전방면을 연삭 가공한 후, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워, 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하고, 상기 연산수단에 의해 연산된 연산데이터를 기반으로, 상기 무게추 거리를 조정하여 표면형상왜곡을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 표면형상왜곡 분석 및 보상 방법으로서 달성될 수 있다.
상기 표면형상왜곡값은, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세운 상태에서의 분석장치의 측정데이터와 상기 광학거울을 회전장치에 의해 중심축 기준으로 180°회전시킨 후의 측정데이터를 조합하여 측정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 중력에 의한 거울의 표면형상 왜곡을 보상하는 장치에 관한 것으로서, 공압시스템의 테두리에 무게추를 추가하고 그 무게와 위치를 조절하여 거울면의 중력왜곡을 최소화하도록 한다. 따라서 거울면의 가공량에 따른 거울 무게중심의 이동과 이로 인한 거울의 표면 형상 왜곡현상을 무게추의 무게와 위치를 조절함으로써 효과적으로 상쇄시킬 수가 있는 효과를 갖는다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 후방면에 다수의 홈이 형성된 도넛 형태의 우주용 대구경 광학거울의 부분 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 갖는 공압시스템이 결합된 광학거울의 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 갖는 공압시스템이 결합된 광학거울의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광학거울의 표면형상왜곡 분석 시스템을 이용한 광학거울의 표면형상왜곡 분석하고 보상하는 방법의 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공압시스템이 적용된 표면형상왜곡 분석 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 측면도,
도 6은 거울의 무게중면면의 높이와 공압외부마개의 높이 차에 따른 표면형상왜곡과 비점수차를 나타낸 중력보상장치를 갖는 공압시스템이 결합된 광학거울의 부분 측면도,
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 갖는 공압시스템이 결합된 광학거울의 부분 평면도,
도 7b는 도 7a를 A방향에서 바라본 중력보상장치를 갖는 공압시스템이 결합된 광학거울의 부분 측면도
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무게추 거리에 대한 표면형상왜곡을 나타낸 결과를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치(30)가 구비된 광학거울의 공압시스템(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공압시스템(100)이 설치되는 대상인 우주용 대구경 광학거울의 부분 사시도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 우주용 대구경 광학거울(10)은 광학 설계 상 필요에 의해 가운데 구멍이 뚫릴 수 있으며 경량화를 위해 후방면(13)에 벌집 형태의 포켓 가공을 다수의 홈(12)들이 형성되게 됨을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치(30)를 갖는 공압시스템(100)이 결합된 광학거울(10)의 사시도를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치(30)를 갖는 공압시스템(100)이 결합된 광학거울(10)의 분해 사시도를 도시한 것이다.
공압시스템(100)은 광학거울(10)의 연삭 또는 연마 시 퀼팅현상이 생기지 않도록 하는 장치로서, 광학거울(10)의 내부와 외부를 밀봉한 후에 공압하우징(60) 내에 대기압보다 높은 공기를 불어넣어 광학거울(10)을 부양시킨다. 따라서 광학거울(10)의 후방면(13)으로부터 지지되는 압력이 고르게 분포되기 때문에 거울의 앞면 가공 시 퀼팅현상을 예방할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치(30)를 갖는 광학거울의 공압시스템(100)은 공압하우징(60), 공압외부마개(20), 중력보상장치(30), 공압외부 씰링부재(21), 공압내부마개(40), 고압내부 씰링부재(41) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다. 공압시스템(100)이 설치되게 되는 광학거울(10)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 후방면(13)에 다수의 홈(12)이 형성되어 있으며, 중앙에 중앙홀(11)이 형성된 도넛 형태로 구성됨을 알 수 있다.
그리고, 공압하우징(60)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광학거울(10)의 후방면(13) 측에 설치되게 되며, 광학거울(10)의 후방면(13)과 공압하우징(60)의 하부판 상부면 사이에 특정공간을 갖도록 설치되게 됨을 알 수 있다. 또한, 공압외부마개(20)는 광학거울(10)의 외주면에 장착되어 이러한 특정공간을 밀폐시키게 된다.
즉, 공압외부마개(20)의 내주면은 광학거울(10)의 외주면과 형상맞춤되도록 구성되어 광학거울(10)의 외주면에 설치되게 된다. 따라서 이러한 공압외부마개(20)가 설치되게 됨으로써, 광학거울(10)의 후방면(13)과 공압하우징(60)의 하부판 상부면 사이의 특정공간을 밀폐시키게 된다. 또한, 공압외부마개(20)와 광학거울(10) 사이를 완전히 밀폐시키게 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 공압외부마개(20)와 광학거울(10) 사이에 탄성력을 갖는 재질로 구성된 공압외부 씰링부재(21)가 더 구비될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 공압내부마개(40)는 광학거울(10)의 중앙홀(11)과 형상맞춤되도록 구성되어 광학거울(10)에 설치되게 된다. 따라서 이러한 공압내부마개(40)가 설치되게 됨으로써, 광학거울(10)의 후방면(13)과 공압하우징(60)의 하부판 상부면 사이의 특정공간을 완전히 밀폐시키게 된다. 또한, 공압내부마개(40)와 광학거울(10) 사이를 완전히 밀폐시키게 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 공압내부마개(40)와 광학거울(10) 사이에 탄성력을 갖는 재질로 구성된 공압내부 씰링부재(41)가 더 구비될 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 광학거울(10)의 후방면(13)과 공압하우징(60)의 하부판 상부면 사이의 특정공간을 완전히 밀폐되면, 압력가압수단에 의해 이러한 특정공간에 공기를 가압하여 광학거울(10)을 부양시키게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 광학거울의 공압시스템(100)은 중력보상장치(30)를 포함하고 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 공압시스템(100)은 이러한 중력보상장치(30)를 구비하게 됨으로써, 광학거울(10)의 가공오차와 중력에 의해 표면형상왜곡을 보정할 수 있게 된다. 이러한 보상, 보정 방법에 대해서는 후에 상세히 설명하도록 한다.
이러한 중력보상장치(30)에 의해, 광학거울(10)의 가공오차 및 표면형상왜곡을 보상하기 위해, 중력보상장치(30)의 무게추(31)를 교체하여 무게를 변화시키거나 무게추(31)의 위치를 조절하여 광학거울(10)의 무게중심면(16)의 위치를 조정하게 된다.
이러한 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치(30)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 공압외부마개(20)의 외주면에 설치되게 됨을 알 수 있다. 구체적 실시예에서는 이러한 중력보상장치(30)는 3개로 구비되며, 서로 특정간격 이격되어 공압외부마개(20)의 외주면에 결합되게 된다.
또한, 이러한 중력보상장치(30)는 특정무게를 갖는 무게추(31)와 무게추(31)를 광학거울(10)의 무게중심면(16)과 수직방향으로 이동시키기 위한 이동수단을 포함하고 있다. 무게추(31)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 내측면이 공압외부마개(20)의 외주면과 형상맞춤되도록 형성되어짐을 알 수 있다.
그리고, 이동수단은, 길이방향이 무게중심면(16)과 수직이고 무게추(31)에 관통되어 설치되는 이동축(32), 일단은 이동축(32)의 상부 끝단과 결합되고 타단은 결합부재(34)에 의해 공압외부마개(20)의 상부면 일측에 결합되는 지지바(33) 및 무게추(31)를 상기 이동축(32)의 길이방향을 기준으로 이동시키는 구동수단을 포함하여 구성될 수 있다.
따라서 이러한 무게추(31)를 표면형상왜곡값에 대응하여, 무게중심면(16)과 수직방향으로 이동시켜, 무게중심면(16)을 변화시키게 됨으로써, 표면형상왜곡값을 보상할 수 있게 된다.
이하에서는 앞서 언급한 중력보상장치(30)를 갖는 광학거울 공압시스템(100)을 이용한 분석시스템 및 광학거울(10)의 표면형상왜곡 분석 및 보상 방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광학거울(10)의 표면형상왜곡 분석 시스템을 이용한 광학거울(10)의 표면형상왜곡 분석하고 보상하는 방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공압시스템(100)이 적용된 표면형상왜곡 분석 시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 측면도를 도시한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 광학거울(10)의 표면형상왜곡 분석 및 보상 시스템은 앞서 언급한 중력보상장치(30)를 갖는 광학거울 공압시스템(100)이 장착된 광학거울(10), 광학거울(10)의 가공오차와 중력에 의한 표면형상왜곡값을 측정하는 분석수단, 분석수단과 광학거울(10) 사이에 설치되는 렌즈(51), 광학거울(10)을 광학거울(10)의 무게중심면(16)이 중력방향과 일치되도록 광학거울(10)을 틸팅시키기 위한 틸팅수단, 세워진 상태에서 광학거울(10)을 중심축(15) 기준으로 회전시키기 위한 회전장치, 분석장치(41)에 의해 측정된 표면형상왜곡값과 무게추 거리(n) 사이의 관계를 연산하기 위한 연산수단 등을 포함하고 있다.
먼저, 광학거울(10)에 대해 중력보상이 필요한 이유에 대해 간략히 설명하도록 한다. 도 6은 거울의 무게중심면의 높이(m)와 공압외부마개(20)의 높이(h) 차에 따른 표면형상왜곡과 비점수차를 나타낸 중력보상장치(30)를 갖는 공압시스템(100)이 결합된 광학거울(10)의 부분 측면도를 도시한 것이다.
우주용 대구경 광학거울(10)의 경우 실제 사용은 무중력 상태에서 하기 때문에 광학거울(10)의 성능을 검증하기 위해 도 5와 같이 분석장치(41)(구체적 실시예에서는 간섭계를 사용하였다.)와 광학거울(10)의 광축(중심축(15))을 중력에 수직한 형태로 정렬하여 표면형상왜곡값을 측정하게 된다.
그리고 광학거울(10)의 가공오차와 중력에 의한 표면형상왜곡을 분리하기 위해서 측정 대상물인 거울을 광축 중심으로 회전장치에 의해 180도 회전시켜서 추가적인 측정을 한다. 따라서 거울의 회전각도가 0도일 때 분석장치(41)로 측정한 결과(P0)와 광학거울(10)을 180도로 회전시킨 후에 측정한 결과(P180)를 아래의 수학식 1과 같이 산술조합하면 중력에 의한 표면형상왜곡값(PS)을 얻을 수 있다. 여기서 R180은 측정결과를 180도 회전시키는 연산자를 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112013042622240-pat00001
공압을 이용한 거울 연마장치에서 중력에 의한 표면형상왜곡(Ps)은 도 6에 도시된 바와 같이 광학거울(10)의 무게중심면(16)의 높이(m)(무게중심면(16)과 하우징(60) 하부면과의 거리)과 공압외부마개(20)의 높이(h)(공압외부마개(20)의 무게중심면(16)과 공압하우징(60) 하부면과의 거리)가 일치할 때 최소화될 수 있다.
즉 광학거울(10)을 지지하는 공압외부마개(20)의 위치와 광학거울(10)의 무게 중심이 일치할 때 (m=h) 중력에 의한 광학거울 표면형상왜곡이 최소화되게 된다. 하지만 서로 높이가 일치하지 않을 경우 (m>h or m<h), 도 6에 도시된 바와 같이, 비점수차(Astigmatism)가 양수 또는 음수로 커지기 때문에 중력에 의한 왜곡현상이 심해진다.
대구경 광학거울(10)은 여러 단계의 연마과정을 거치게 되는데 이에 따라 광학거울면의 두께도 바뀌게 되고 따라서 무게중심도 변하게 된다. 그러므로 연마 초기 단계부터 공압시스템(100)을 적용하거나 또는 광학 거울의 무게 중심을 정확히 알지 못할 경우, 중력에 의한 광학거울(10) 왜곡을 최소화할 수 있는 공압외부마개(20)의 위치를 한번에 결정할 수 없게 된다.
본 발명의 일실시예는, 이러한 어려움을 극복하기 위해서 공압외부마개(20)의 위치를 임의로 결정하고 중력에 의한 광학거울(10)의 표면형상왜곡을 적절하게 보상할 수 있는 중력보상장치(30)를 추가함으로써, 한 번의 공압 씰링으로 여러 단계의 연마과정 시 중력에 의한 거울면 왜곡을 최소화시킬 수 있게 된다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 광학거울(10)에 앞서 언급한 중력보상장치(30)를 갖는 광학거울의 공압시스템(100)을 설치하게 된다(S1). 그리고, 광학거울(10)의 후방면(13)과 공압하우징(60) 사이의 특정공간으로 압력을 가하여 광학거울(10)을 부양시키게 된다(S2).
그리고, 앞서 언급한 중력보상장치(30)의 무게추 거리(n)가 0이 되도록 무게추(31)를 이동시킨 후, 틸팅수단에 의해 광학거울(10)을 광학거울(10)의 무게중심면(16)이 중력방향과 일치되도록 세우게 된다. 그리고, 앞서 수학식 1의 방법으로 광학거울(10)의 표면형상왜곡을 측정하게 된다(S3).
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치(30)를 갖는 공압시스템(100)이 결합된 광학거울(10)의 부분 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7b는 도 7a를 A방향에서 바라본 중력보상장치(30)를 갖는 공압시스템(100)이 결합된 광학거울(10)의 부분 측면도를 도시한 것이다.
무게추 거리(n)를 0으로 하여 표면형상왜곡값을 측정한 후, 무게추 거리(n)를 기 설정된 특정값이 되도록 무게추(31)를 이동수단에 의해 이동시키게 된다. 구체적실시예에서는 무게추 거리(n)를 30mm로 하였다. 무게추 거리(n)를 30mm로 한 후, 다시 광학거울(10)의 표면형상왜곡값을 측정하게 된다(S4).
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무게추 거리(n)에 대한 표면형상왜곡을 나타낸 결과를 도시한 것이다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 중력보상장치(30)는 공압외부마개(20)에 고정되어 있으며, 무게추의 거리(n)를 조정할 수 있도록 구현되어 있음을 앞서 설명한 바와 같다.
따라서 광학거울(10)의 연마 시 광학거울(10)의 무게중심면(16)의 위치를 정확히 알지 못하더라도 무게추(31)의 무게와 위치를 조절함으로써 중력에 의한 표면형상왜곡을 효과적으로 보상할 수 있게 된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 중력보상장치(30)가 없을 때 광학거울(10)의 중력에 의한 표면형상왜곡은 PV(peak-to-valley)값이 88.2 nm, RMS (root-mean-square)값이 8.0 nm, 그리고 비점수차 Z5값이 4.2 nm로 나타났음을 알 수 있다.
그리고 중력보상장치(30)를 설치하여 무게추 거리(n)를 0으로 했을 때는 비점수차의 값이 0으로 나와 중력에 의한 왜곡이 최소가 됨을 알 수 있다. 이때 중력에 의한 왜곡은 PV=75.2 nm, RMS = 5.2 nm로 나왔다. 한편 무게추의 거리(n)를 30 mm로 하게 되면 비점수차의 값이 양수로 바뀌면서 중력에 의한 표면왜곡이 다시 커지는 것을 볼 수 있다.
여기서 무게추의 거리(n)와 비점수차 값은 선형관계를 갖고 있으며 이를 실제 상황에 적용하여 중력에 의한 표면왜곡을 없앨 수 있다. 즉, 분석장치(41)로부터 얻은 중력에 의한 표면형상왜곡(Ps)를 얻고 이를 상쇄할 수 있는 최적의 무게추 거리(n)로 환산할 수 있게 된다.
즉, 연산수단은 무게추 거리(n)가 0일 때의 표면형상왜곡과 무게추 거리(n) 30mm일 때의 표면형상왜곡값을 기반으로, 표면형상왜곡과 무게추 거리(n)와의 상관관계를 연산하게 된다(S5).
그리고, 광학거울(10)의 전방면(14)을 연삭 가공(S6)한 후에, 분석장치(41)에 의해 표면형상왜곡을 측정한 후(S7), 연산수단에 의해 연산된 데이터를 기반으로 무게추 거리(n)를 조정하여 표면형상왜곡을 보상하게 된다.
따라서 간섭계를 이용한 측정 시 광학거울(10)의 중력에 의한 표면형상왜곡이 최소화되기 때문에 정밀한 광학거울 형상의 측정 및 가공이 가능하게 된다. 또한 광학거울의 성능이 우주의 무중력 상태와 유사한 결과를 보여주기 때문에 지상에서의 검증 시 유리하다.
10:광학거울
11:중앙홀
12:홈
13:후방면
14:전방면
15:중심축
16:무게중심면
20:공압외부마개
21:공압외부 씰링부재
30:중력보상장치
31:무게추
32:이동축
33:지지바
34:결합부재
40:공압내부마개
41:공압내부 씰링부재
50:분석장치
51:렌즈
60:공압하우징
100:중력보상장치를 갖는 광학거울의 공압시스템
m:무게중심면 높이
n:무게추 거리
h:공압외부마개 높이

Claims (11)

  1. 후방면에 다수의 홈이 형성된 광학 거울의 연마시, 상기 광학거울을 부양시키기 위한 공압시스템에 적용되는 중력보상장치에 있어서,
    상기 광학거울의 외주면을 둘러싸도록 설치된 공압외부마개의 외주면 일측에 구비되는 특정무게를 갖는 적어도 하나의 무게추; 및
    상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시키는 이동수단;을 포함하고,
    상기 무게중심면은 상기 광학거울의 평면방향이 중력방향과 평행이 되도록 상기 광학거울을 위치하였을 때를 기준으로 무게 중심이 되는 상기 평면방향과 평행인 가상의 면인 것을 특징으로 하는 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무게추는 복수로 구비되어 서로 동일한 간격으로 이격되어 상기 공압외부마개의 외주면에 설치되는 것을 특징으로 하는 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 무게추의 내주면은 상기 공압외부마개의 외주면과 형상맞춤되어 지는 것을 특징으로 하는 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이동수단은,
    길이방향이 상기 무게중심면과 수직이고 상기 무게추에 관통되어 설치되는 이동축, 일단은 상기 이동축의 상부 끝단과 결합되고 타단은 결합부재에 의해 상기 공압외부마개의 상부면 일측에 결합되는 지지바 및 상기 무게추를 상기 이동축의 길이방향을 기준으로 이동시키는 구동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 공압시스템에 적용되는 중력보상장치.
  5. 광학거울의 표면형상왜곡을 보상시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 광학거울의 외주면에 공압외부마개를 설치하고, 상기 공압외부마개의 외주면으로 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 중력보상장치를 설치하는 단계; 및
    상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 기반으로 상기 중력보상장치의 이동수단에 의해 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시켜 상기 표면형상왜곡을 보상하는 단계;를 포함하고,
    상기 무게중심면은 상기 광학거울의 평면방향이 중력방향과 평행이 되도록 상기 광학거울을 위치하였을 때를 기준으로 무게 중심이 되는 상기 평면방향과 평행인 가상의 면이며,
    상기 보상하는 단계는,
    상기 무게추의 상부면과 상기 공압외부마개의 상부면의 이격거리인 무게추 거리와 상기 표면형상왜곡값과의 관계에 의해, 상기 무게추 거리를 조정하여 상기 표면형상왜곡을 보상하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 표면형상왜곡 보상방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 무게추 거리를 0으로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계;
    상기 무게추 거리를 기 설정된 특정거리로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계;
    연산수단이 상기 표면형상왜곡값과 상기 무게추 거리의 대응관계를 연산하는 단계; 및
    상기 광학거울의 전방면을 연삭 가공한 후, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하여, 상기 연산수단에 의해 연산된 연산데이터를 기반으로, 상기 무게추 거리를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 표면형상왜곡 보상방법.
  7. 광학거울의 공압시스템에 있어서,
    후방면에 다수의 홈이 형성된 광학 거울의 후방면과 특정공간을 갖도록 후방면 측에 결합되는 공압하우징;
    내주면이 상기 광학거울의 외주면과 형상맞춤되도록 상기 광학거울과 상기 공압하우징 사이에 구비되어 상기 특정공간을 밀폐시키는 공압외부마개;
    상기 특정공간을 가압하여 상기 광학거울을 부양시키는 압력가압수단; 및
    상기 광학거울의 외주면을 둘러싸도록 설치된 공압외부마개의 외주면 일측에 구비되는 특정무게를 갖는 적어도 하나의 무게추와, 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시키는 이동수단을 구비한 중력보상장치;를 포함하고,
    상기 무게중심면은 상기 광학거울의 평면방향이 중력방향과 평행이 되도록 상기 광학거울을 위치하였을 때를 기준으로 무게 중심이 되는 상기 평면방향과 평행인 가상의 면인 것을 특징으로 하는 중력보상장치를 갖는 광학거울의 공압시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광학거울은 중앙홀을 갖는 도넛 형태이고,
    상기 특정공간을 밀폐시키기 위해 상기 중앙홀에 설치되는 공압내부마개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치를 갖는 광학거울의 공압시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 공압외부마개와 상기 광학거울 사이에 구비되며 탄성력을 갖는 재질로 구성되는 공압외부씰링부재; 및
    상기 공압내부마개와 상기 광학거울 사이에 구비되며 탄성력을 갖는 재질로 구성되는 공압내부씰링부재 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치를 갖는 광학거울의 공압시스템.
  10. 광학거울의 표면형상왜곡을 분석하고 보상하기 위한 시스템에 있어서,
    후방면에 다수의 홈이 형성된 광학 거울의 후방면과 특정공간을 갖도록 후방면 측에 결합되는 공압하우징;
    내주면이 상기 광학거울의 외주면과 형상맞춤되도록 상기 광학거울과 상기 공압하우징 사이에 구비되어 상기 특정공간을 밀폐시키는 공압외부마개;
    상기 특정공간을 가압하여 상기 광학거울을 부양시키는 압력가압수단; 및
    상기 광학거울의 외주면을 둘러싸도록 설치된 공압외부마개의 외주면 일측에 구비되는 특정무게를 갖는 적어도 하나의 무게추와, 상기 무게추를 상기 광학거울의 무게중심면과 수직방향으로 이동시키는 이동수단을 구비한 중력보상장치;
    상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 수직이 되도록 상기 광학거울을 세운 상태에서, 상기 광학거울의 중심축을 기준으로 상기 광학거울을 회전시키는 회전장치;
    상기 광학거울이 세워진 상태에서 상기 광학거울과 특정간격 이격되어 설치되는 렌즈; 및
    상기 광학거울의 표면형상왜곡을 측정하는 분석장치;를 포함하고,
    상기 무게중심면은 상기 광학거울의 평면방향이 중력방향과 평행이 되도록 상기 광학거울을 위치하였을 때를 기준으로 무게 중심이 되는 상기 평면방향과 평행인 가상의 면인 것을 특징으로 하는 광학거울의 표면형상왜곡 분석 시스템.
  11. 제 10항에 따른 광학거울의 표면형상왜곡 분석 시스템을 이용하여 광학거울의 표면형상왜곡을 분석하고 보상하는 방법에 있어서,
    상기 광학거울에 공압외부마개와 공압하우징을 설치하고, 상기 공압외부마개의 외주면으로 중력보상장치를 설치하고 상기 광학거울의 후방면과 상기 공압하우징 사이의 특정공간으로 압력을 가하여 상기 광학거울을 부양시키는 단계; 및
    무게추의 상부면과 상기 공압외부마개의 상부면 사이의 거리인 무게추 거리를 0으로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워, 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계;
    상기 무게추 거리를 기 설정된 특정거리로 하고, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하는 단계;
    연산수단이 상기 표면형상왜곡값과 상기 무게추 거리의 대응관계를 연산하는 단계; 및
    상기 광학거울의 전방면을 연삭 가공한 후, 상기 광학거울의 무게중심면이 중력방향과 일치되도록 상기 광학거울을 세워, 분석장치에 의해 상기 광학거울의 표면형상왜곡값을 측정하고, 상기 연산수단에 의해 연산된 연산데이터를 기반으로, 상기 무게추 거리를 조정하여 표면형상왜곡을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학거울의 표면형상왜곡 분석 및 보상 방법.
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