광 간섭계를 이용한 조각거울 광축방향 정렬오차 측정방법에 관한 연구 :Research about Measurement of the Piston Error of Segmented Mirror Using Optical Interferometer

장하림

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장하림 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 김학용

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

피조 간섭계를 이용한 단일 조각거울 광축방향 변위 오차 측정

장하림 , 최재혁 , 송재봉 외 1명 한국광학회지 2023.02 학술저널

광 간섭계를 이용한 조각거울 광축방향 정렬오차 측정방법에 관한 연구

장하림 2023.01 학위논문

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조각거울은 고성능 우주용 관측위성의 주반사경을 크게 제작하기 위한 방법 중 하나로서, 여러 개의 작은 거울들을 연결해서 큰 단일거울로 이용하는 기술이다. 조각거울 기술을 이용하면 대형 거울의 제작과 운반의 어려움은 해결하면서 관측위성의 성능을 높일 수 있다. 여러 개의 작은 거울들을 하나의 큰 거울로 정렬하기 위해서는 나노미터 수준의 정밀한 정렬이 필요하다. 인접한 조각거울 사이의 기울기 오차(tilt error)와 광축방향 정렬오차(piston error)가 최종 이미지의 품질을 떨어뜨리기 때문이다. 기울기 오차는 조각거울의 초점이 한 곳으로 모이지 않았을 때 생기는 오차이며, 조각거울을 통해 얻은 이미지와 PSF(Point Spread Function)를 통해 어떤 거울의 기울기가 틀어졌는지 쉽게 감지할 수 있다. 광축방향 정렬오차는 인접한 두 거울 사이의 광축방향 높이가 다르므로 각기 다른 위상을 가지게 됨 의미하며, 이미지의 품질은 떨어뜨리지만 광축방향 정렬오차를 가진 거울에 대한 정보가 이미지에서 뚜렷하게 보이지않으므로 단순 이미징만으로 오정렬된 거울을 찾기 어렵다. 이는 현재 개발 중인 여러 조각거울 정렬오차 측정 방법들이 기울기 오차가 아닌 광축방향 정렬오차 측정에 집중되어있는 이유이며, 세밀한 측정이 매우 중요한 이유이다. 본 논문에서는 조각거울의 광축방향 정렬오차 측정을 위해 3 단계로 실험을 진행한다. 먼저 복수 조각거울의 광축방향 정렬오차 측정의 기초 연구로서 광학계 평가용 간섭계를 이용해서 단일 조각거울의 광축방향 변위 오차를 측정하고 측정불확도를 계산한다. 측정불확도 계산 결과 피조 간섭계를 이용해서 단일 조각거울 정렬 오차 측정할 때 0.8 μm 이상의 광축방향 변위 오차를 측정할 수 있는 것을 확인했다. 이후 계산된 측정불확도를 바탕으로 각 조각거울을 0.8 μm로 초기 정렬하고, 백색광 간섭계를 구성해서 나노미터 수준으로 두 조각거울의 광축방향 정렬오차를 측정한다. 백색광 간섭계를 이용해서 20 nm의 광축방향 정렬오차 측정이 가능했지만 간섭무늬의 위치에 따라 얻어진 간섭신호가 변하므로 수백 nm의 측정오차가 존재했다. 또한 백색광 간섭계는 스캔을 통해서 간섭 신호를 얻으므로 실시간 측정이 어렵기 때문에, 이와 같은 한계점을 극복하기 위해 분산광학 소자를 이용한 분산 간섭무늬 측정방법(dispersed fringe sensor)을 진행한다. 백색광 간섭무늬를 파장별로 분산해서 얻은 분산 간섭무늬는 분석할 수 있는 광축방향 정렬오차에 대한 정보가 많고, 실시간 측정이 가능하며, 측정가능 범위가 넓다는 장점을 가진다. 분산 간섭무늬 측정 결과 1 μm 수준의 초기 정렬과, 100 nm 간격의 미세 정렬에 모두 이용가능하다는 것을 확인했다.

A segmented mirror has been developed to create a larger primary mirror for spaceborne satellites by combining several smaller mirrors into one larger mirror without the challenges of fabricating and delivering a single, monolithic mirror. To align multiple segmented mirrors into a single large mirror, we must eliminate the discontinuity in the x, y-axis(tilt) and axial alignment error(piston) between them. While it is relatively simple to detect the tilt error using the point spread image of the segmented mirrors, detecting the piston error is complicated due to the absence of apparent features that indicate which mirror has a piston error, but still results in a degraded image. In this paper, we conducted three stages to measure the piston error of segmented mirrors. First, we focused on measuring the axial displacement error of a single segmented mirror to develop a method for measuring the piston error of adjacent segmented mirrors using a Fizeau interferometer, which is one type of the optical testing interferometer with various advantages when aligning the segmented mirrors on the ground. We developed a formula to relate the axial displacement error of the segmented mirror to the surface defocus error detected by the interferometer. To verify the formula, we performed multiple experiments, increasing the axial displacement error of the segmented mirror and measuring the surface defocus error each time. We also analyzed the experimental results, accounting for measurement uncertainty, and identified the limitations of the Fizeau interferometer in detecting the axial displacement errors. The resulting value of 0.8 μm indicates that the Fizeau interferometer can be used in the coarse alignment step just before fine alignment into nm-scale. For the next step we set up a white light interferometer to measure under 0.8 μm and in nm scale. Using white light interferometer, we measured in 20 nm intervals, increasing the piston error, and obtained the interference signal. However, there was a measurement error of hundreds of nm because the signal obtained by the interference fringe changed depending on which pixel of the fringe we chose to gain the signal. In addition, since the white light interferometer obtains the interference signal through scanning, real-time measurement is difficult. To overcome this limitation, we used a dispersed element to get a dispersed fringe from white light fringe. This has the advantage of having lots of information in measuring the piston error, real-time measurements, and a wide measurement range. As a result of the dispersed fringe sensor, it was confirmed that it was available for both coarse alignment of 1 μm and fine alignment of 100 nm intervals.

#조각거울 #광축방향 정렬오차 #광간섭계

Ⅰ.서 론 ·································································1
1. 연구 배경························································1
2.선행 연구 분석················································3
3.연구 목표························································5
Ⅱ.피조 간섭계를 이용한 단일 조각거울 측정···············8
1. 실험 목표························································8
2.관계식 도출·····················································10
3.실험 방법························································14
4. 실험 결과························································16
5.측정불확도 계산···············································18
Ⅲ.백색광 간섭계를 이용한 복수 조각거울 측정············22
1. 레이저 간섭무늬를 이용한 조각거울 정렬 한계·····22
2.백색광 간섭계 측정 원리 및 실험 방법···············24
3. 실험 결과························································27
Ⅳ.분산 간섭무늬를 이용한 복수 조각거울 측정············29
1. 백색광 간섭계를 이용한 조각거울 정렬 한계········29
2.분산 간섭무늬 측정 원리 및 실험 방법···············31
3.실험 결과························································35
Ⅴ.결 론 ·································································38
참고문헌 ····························································40

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