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비용 효율적인 자유형 설계
보다 비용 효율적인 자유형 광학 장치의 설계 방법
자유형 광학 장치(병진 또는 회전 대칭이 없는 형태임)는 항공 시스템 및 기타 응용 분야에 상당한 영향을 미쳤으며, 특히 급증한 LEO(저궤도)에 필요한 소형 우주 경유 시스템에 큰 도움이 됩니다. 복잡한 모양으로 물리적인 크기와 무게를 줄이고 성능을 향상시킨 광학 시스템을 생산할 수 있기 때문입니다. 그러나 자유형을 가능하게 하는 정교한 제작 기술은 기존의 회전 대칭 구면 및 비구면 광학 제품 생산에서 발생하지 않는 제조 문제를 야기합니다.
이러한 문제는 일반적으로 관련 비용과 기술 위험을 고객에게 전가하는 제조업체에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 설상가상으로 제작업체는 자신도 모르게 미리 비용을 청구하고 사양이나 일정에 맞춰 납품하지 못하여 고객의 작업에 악영향을 미칩니다. 이 문서의 목적은 광학 설계자가 비용 효율적인 방식으로 쉽게 제작할 수 있는 자유형 디자인을 일관되게 생산할 수 있도록 하기 위한 것입니다. 구체적으로는 제조 가능성인 리드 타임과 비용을 예측하는 데 사용할 수 있는 지표를 제시합니다.
표면 형상과 제조 가능성 및 비용의 관계
제작업체의 목표는 의도한 디자인에 부합하는 광학 표면을 생산하는 것입니다. 그러나 실제 제조 공정이 완벽하지 않으므로 설계 시 항상 오류에 대한 약간의 허용 오차를 수용해야 합니다. 물론 오류에 대한 설계 공차가 클수록 연마 공정이 쉬워지고 결과적으로 부품 비용과 리드 타임이 줄어들게 됩니다.
자유형 광학 장치 제작업체의 경우, 형상 정확도를 정량화하는 가장 쉬운 방법은 낮은 공간 주파수 및 중간 공간 주파수 오류를 사용하는 것입니다. 특히 저주파 표면 오차는 전력, 불규칙성 및 Zernike 다항식과 같이 구면 광학에 대해 기존에 사용되는 대규모 형상 정확도 측정에 해당합니다. 중간 공간 주파수(MSF) 오류의 물리적 규모는 작은 편이며 리플, 파형 및 경사 오류에 해당합니다. 고주파 오류는 기본적으로 형상 오류가 아니라 표면 거칠기입니다.
설계 측면에서 제조 중에 낮은 공간 주파수 및 중간 공간 주파수 오류를 일으키는 것은 무엇입니까? 즉, 설계자는 이러한 오류를 피하거나 최소화하여 본질적으로 제작하기 쉬운 디자인을 만들기 위해 무엇을 해야 합니까? Coherent, Inc.는 수십 년간 자유형 광학 제품을 생산한 경험이 있으며, 자유형 제조 가능성의 가장 중요한 예측 변수 중 하나가 광학 표면 모양의 곡률 변화율이라는 사실을 발견했습니다. 특히, 곡률 변화율은 연마 시간과 테스트 복잡성에 영향을 미치는 공정 매개변수와 직접적으로 연관되기 때문에 제조 복잡성에 대한 유용한 대리 지표라 할 수 있습니다.
다음 차트는 표면 오차(낮은 공간 주파수와 중간 공간 주파수의 결합)와 다양한 실제 광학 구성 요소의 곡률 변화율 간의 관계를 요약한 것입니다. 다양한 생산 방법과 기판 재료를 사용하여 Coherent에서 제작한 광학 제품의 측정값으로 구성됩니다.
그래프의 y축은 수직으로 감소하는 표면 오차를 보여 주기 때문에 점이 그래프 상단에 가까울수록 전체 표면 정확도가 향상됩니다. x축은 곡률이 아닌 곡률의 변화율을 나타냅니다. 두 개의 축 모두 대수입니다.
그래프의 왼쪽 아래(곡률 변화율이 가장 낮고 표면 오차가 가장 많음)에서 오른쪽 위(곡률 변화율이 가장 빠르고 표면 오차가 가장 낮음)로 갈수록 제조 시 어려움이 증가합니다. 예상대로 실제 측정된 데이터는 왼쪽 상단에서 오른쪽 하단으로 표시됩니다. 즉, 곡률 변화율이 높을수록 완성된 광학 장치의 표면 오차가 커집니다.
이 그래프에서 확인할 수 없는 것은 주어진 결과를 얻는 데 필요한 노력(예: 시간)입니다. 이는 비용으로 직접 전환되기 때문에 핵심이라 할 수 있습니다. 여기에 표시된 것보다 더 높은 표면 품질 수준에서 그래프의 오른쪽 상단 사분면(예: "까다로우며 경사가 높은 비구면")에 있는 광학 장치를 생산할 수 있습니다. 실제로 이를 달성하려면 훨씬 더 많은 제조 시간이 필요하므로 리드 타임이 늘어나고 비용이 증가합니다. 따라서 그래프는 "실행 가능한" 항목이 아니라 "비용 효율적인" 항목을 나타냅니다.
"곡률 변화율이 높을수록 완성된 광학 장치의 표면 오차가 커집니다. "
결과 논의
이 그래프는 실제로 여러 구성 요소 유형의 데이터를 표시하므로, 각 항목의 핵심 요소를 이해하기 위해 구성 요소를 개별적으로 검토할 가치가 있습니다.
원뿔형/변형된 원뿔형
상대적으로 "단순한" 이러한 비구면 모양은 제작하기 가장 쉽습니다. 여기에 표시된 데이터 포인트는 30mm ~ 1.5m 크기 범위의 광학 부품에 대한 것입니다. 알루미늄과 실리콘을 포함한 거의 모든 기판 재료를 사용한 광학 장치는 이 곡률 영역의 변화율에서 낮은 잔류 수치 오류로 제조될 수 있습니다. 일반적으로 이 범위의 광학 장치 제조는 공칭 형상을 얻기 위해 수치, 거칠기 또는 MSF 오류의 큰 타협을 수반하지 않습니다. 이러한 표면은 일반적으로 곡률 변화율이 ~100/m² 미만으로 유지되는 한 사실상 원하는 품질 수준으로 만들 수 있습니다.
까다로운 축외 볼록한 자유형 또는 "보조형"
이러한 데이터 포인트는 상대적으로 작은(≤ 50mm 직경) 일반적으로 알루미늄, 유리, 실리콘 및 탄화규소로 된 볼록 거울에 대해 획득한 것입니다. 일반적으로 기존의 여러 망원경 설계에서 보조 거울로 사용되는 이 등급의 부품은 약 250/m²의 곡률 변화율을 넘는 낮은 표면 오차로 제작하기가 점점 더 어려워집니다. 또한, 볼록 거울은 낮은 프리보드(명확한 조리개의 가장자리에서 부품의 기계적 가장자리까지의 거리)로 지정되는 경우가 많기 때문에 까다로울 수 있으며, 광학 표면에서 기계적 가장자리로 빠르게 전환해야 하는 필요성이 투명한 조리개의 가장자리를 따라 이동할 때 연마 도구를 지지하는 영역을 충분히 제공하지 않습니다.
까다로우며 경사가 높은 비구면
이러한 더 높은 경사(곡률 변화율) 요소는 합리적인 시간 및 비용 제약 내에서 부품을 생산하기 위해 형상, 거칠기 및 MSF 간의 절충이 이루어져야 하는 경우가 많습니다. 이러한 종류의 광학에 대한 표면 오차(특히 MSF)를 개선할 수 있지만, 높은 경사로 인해 이를 달성하기 위한 제작 기술은 더 제한적입니다. 따라서 엄격한 사양으로 인해 비용이 급격히 증가할 수 있습니다.
매우 높은 수준의 다이아몬드 선삭/성형 비구면
이 영역에서 곡률 변화율이 10,000/m²를 초과하는 모양을 가진 부품은 일반적으로 기존의 연마보다는 다이아몬드 터닝 및 몰딩과 같은 기술을 사용하여 제작됩니다. 특히 다이아몬드 터닝 공정은 종종 광학 부품에 "색"을 생성합니다.
요약
이 문서에 제시된 데이터는 자유형 광학 설계에서 "모범 사례"를 구성하는 요소를 확립하려는 시도입니다. 자유형 광학 장치에 크게 의존하는 급증한 LEO(저궤도)용 광학 망원경 어셈블리 개발에 지속적으로 초점을 맞추면 비용 및 시간 목표를 충족하는 것과 동시에 품질 요구 사항이 더욱 까다로워질 것입니다. 여기에 표시된 그래프는 시간과 노력이 무제한으로 주어지면 달성할 수 있는 것을 나타내지는 않습니다. 오히려 쉽게 제조할 수 있는 것에 대한 몇 가지 한계를 정의하고 부품 비용이나 리드 타임을 높일 가능성이 가장 높은 요인을 강조하려고 합니다. 특히 Coherent는 그래프에 표시된 거의 모든 표면 오차/곡률 변화율에 걸쳐 자유형 광학 장치를 일상적으로 제조합니다. 주요 목표는 가장 비용 효율적이고 시기적절한 방식으로 설계 목표를 달성하도록 고객을 지원하는 것이며, 이 논의가 목표에 도움이 되기를 바랍니다. 복잡한 자유형 광학 요구 사항이 있는 회사는 비용 초과 및 프로젝트 지연을 줄일 수 있는 효율성 또는 장단점을 파악하기 위해 설계 단계 초기에 광학 파트너와 만나야 합니다.