• 한국광학회지
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• 제33권2호
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• pp.74-83
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• 2022

위성 관측 카메라용 대구경 초경량 반사광학계를 제작하기 위해 소재 개발부터 최종 시스템 인증시험까지 전 과정을 수행했다. 완성된 비점보정 3반사경 구조의 위성용 반사광학계 망원경은 주반사경의 구경이 700 mm이고, 망원경 전체 질량은 66 kg이다. 광학소재 및 구조물에 적용하기 위한 반응소결법을 개발했고, 이 방법을 이용해서 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 재질의 광학 몸체를 제작하고 소결체의 화학특성, 표면특성, 결정구조를 확인했다. 광학 몸체의 기계적, 화학적 성질을 고려한 연마와 코팅 방법을 개발했으며 화학기상증착법을 적용해 SiC 경면 표면 위에 치밀한 SiC 박막을 170 ㎛ 이상 증착함으로써 광학 성능이 우수한 경면을 만들 수 있었다. 반사경 제작 후 반사경과 지지 구조를 조립하고 정렬해서 다양한 광학 시계에 대해 파면 오차를 측정했다. 아울러 우주 환경 및 발사환경에 대한 우주 인증에 맞추어 구성품 및 최종 조립체를 온도와 진동에 대한 환경시험을 실시하여 설계 목표 성능을 달성했음을 확인했다.

• 한국광학회지
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• 제33권1호
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• pp.11-21
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• 2022

본 연구에서는 자율주행차의 라이다 센서용 광위상배열(optical phased array, OPA)에서 우수한 신호 품질을 얻을 수 있는 방법에 대해 조사하였다. OPA를 구성하는 광 안테나가 주기적으로 배치되어 있는 경우에는 grating lobe의 형성으로 인해 빔 조향의 범위가 제한된다. 광 안테나가 비주기적으로 배치된 OPA에서는 한 개의 main lobe만 형성되어 넓은 조향 범위가 가능하지만 side lobe에 의한 잡음의 영향으로 신호 품질이 저하된다. 본 논문에서는 이러한 비주기적인 OPA에서 발생하는 잡음을 최소화하고 신호 품질을 향상시키기 위한 최적화 연구를 수행한 결과를 보고한다. 최적화를 위한 목적 함수로는 side-lobe level (SLL)을 이용하였고, SLL이 가장 낮은 안테나 배열을 구하기 위한 최적화 기법으로는 입자 군집 최적화(particle-swarm optimization, PSO), 유전 알고리즘(genetic algorithm, GA), 패턴 검색 알고리즘(pattern-search algorithm, PSA) 등을 적용하였다. 128 채널의 광 안테나 배치로 이루어진 비주기적 OPA에서 위 3가지 최적화 기법을 적용하여 결과를 비교하였다. 전반적으로 PSO와 GA는 서로 유사한 최적화 결과를 보였고, PSA는 이와는 약간 차별적인 특성을 보였다. 최적화가 이루어진 각도가 45도보다 작을 때에는 최적화 각도가 작을수록 모든 조향 각도에서의 평균적인 SLL 값이 증가하는 경향을 보였지만, 최적화가 이루어진 각도가 45도 이상일 경우에는 최적화 알고리즘에 관계없이 -13 dB 이하의 평균 SLL 값을 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 비주기적인 OPA에서 고품질의 신호를 얻기 위한 최적의 안테나 배열을 구하는 데 있어서 PSO, GA, PSA의 최적화 알고리즘이 유용하게 활용될 수 있음을 보였다.

• 한국광학회지
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• 제33권1호
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• pp.28-34
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• 2022

그래핀 전극 아래에 놓인 다층 그래핀 존 플레이트로 구성된 적외선 프레넬 렌즈의 초점 성능을 전산모사를 통해 조사한다. 여기서 패턴된 다층 그래핀의 페르미 에너지 준위(E_F)는 그 위에 놓인 그래핀 전극에 의해 조절된다. 4 ㎛에서 30 ㎛까지의 광대역 파장에서 유리 기판 위에 놓인 8층 그래핀 존 플레이트와 그래핀 전극의 반사도 대비비에 따른 프레넬 렌즈 효과를 분석하였다. 반사도와 반사도 대비비를 고려한 최적 파장인 8 ㎛ 입사파가 초점거리 240 ㎛인 프레넬 렌즈에 입사 시, 다층 그래핀의 E_F가 0.4 eV에서 1.6 eV로 증가함에 따라 초점 세기가 4.3배, 그래핀 층수가 2층에서 8층으로 증가함에 따라 5.8배 강화되었다. 이를 통해 인가된 E_F에 따라서 다중 초점(240 ㎛ 및 360 ㎛) 성능을 보이는 그래핀만으로 구성된 IR 프레넬 렌즈 구조를 초박형 렌즈 플랫폼으로 제안한다.

• 한국광학회지
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• 제34권1호
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• pp.22-30
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• 2023

조각거울은 우주용 관측위성의 주반사경을 크게 제작하기 위한 방법 중 하나로서, 여러 개의 작은 거울들을 이어 하나의 큰 거울로 이용하는 방법이다. 여러 개의 거울들을 하나의 거울로 정렬하기 위해서는 인접한 거울들 간에 기울기 오차(tilt)와 광축방향 정렬오차(piston)가 없어야 한다. 기울기 오차와 광축방향 정렬오차를 해결해야 여러 개의 거울이 한 방향으로 빛을 모으고, 이를 통해 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있기 때문에 조각거울의 정렬오차를 나노미터 수준으로 측정할 수 있는 파면 센서가 필요하다. 기울기 오차는 조각거울을 통해 얻은 이미지를 통해 어떤 거울의 기울기가 틀어졌는지 쉽게 확인할 수 있는 반면, 광축방향 정렬오차는 이미지의 질은 떨어뜨리지만 드러나는 뚜렷한 특징이 없기 때문에 같은 방법으로 감지하기 어려워 세밀한 측정이 매우 중요하다. 이를 위해 본 논문에서는 지상용 초기 정렬시 많은 이점을 갖는 광학계 평가용 간섭계 중 하나인 피조 간섭계를 이용한다. 피조 간섭계를 사용한 복수 조각거울의 광축방향 정렬오차 측정을 위한 기초 연구로서 단일 조각거울의 광축방향 변위 오차를 측정하고, 측정불확도를 계산해서 피조 간섭계의 광축방향 변위 오차 측정 한계를 규명한다. 또한 수식을 통해 조각거울 광축방향 변위 오차와 간섭계로 측정한 표면 초점오차(defocus)의 관계를 계산했고, 도출한 수식의 타당성을 실험으로 검증했다.

• 한국광학회지
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• 제34권1호
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• pp.1-12
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• 2023

본 연구에서는 다채널 결맞음 빔결합 시스템을 위한 위상제어 방식으로 covariant matrix adaption evolution strategy (CMA-ES) 알고리즘 및 stochastic parallel gradient descent (SPGD) 알고리즘을 결합한 이중 위상제어 알고리즘을 제안하고 그 동작 특성을 전산모사를 통해 분석한다. 제안하는 CMA-ES/SPGD 이중 위상제어 알고리즘은 결합된 최종 출력광 세기가 미리 설정된 특정값에 도달하기 전까지는 그 위상제어 최적화를 CMA-ES 알고리즘을 통해 진행하고, 그 이후에는 SPGD 알고리즘으로 전환하여 진행하는 순차적 이중 구조를 취한다. 이를 이상적인 7채널과 19채널 광섬유 결합기 기반 결맞음 빔결함 시스템에 적용하였을 때, 위상제어 최적화 평균 수렴시간이 기존의 SPGD 알고리즘만 단독적용한 경우에 비해 약 10% 단축됨을 확인하였다. 뿐만 아니라, 동일한 결맞음 빔결함 시스템에서 실제 환경과 유사하게 각 채널광에 위상잡음을 부가적으로 인가한 경우, 본 연구에서 제안하는 이중 위상제어 알고리즘을 적용할 경우 주어진 조건에서 그 평균 수렴시간이 기존의 SPGD 알고리즘만 단독적용한 경우에 비해 7채널 시스템의 경우 약 17%, 19채널 시스템의 경우 약 16-27% 정도 단축됨을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 CMA-ES/SPGD 이중 위상제어 알고리즘은 향후 실제 대기 환경과 같이 위상잡음 효과를 무시할 수 없는 조건에서 결맞음 빔결합을 구현시 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국광학회지
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• 제34권2호
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• pp.53-60
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• 2023

193 nm에서 반도체 전공정 검사 장치에 적용될 수 있는 반사 굴절 혼합 형식(카타디옵트릭)의 수치 구경(numerical aperture, NA) 0.6 대물렌즈를 설계하였다. 200 nm 공간 분해능 및 0.15 mm 이상의 시야를 확보하기 위하여, 먼저 렌즈 전체 배치를 포커싱 렌즈 그룹, 필드 렌즈 그룹 및 NA 변환 그룹으로 구성하였으며, 선행 그룹에 포커싱된 빔의 수치 구경 값을 필요 값, 즉 0.6으로 변환하는 기능을 수행한다. 총 11매의 광학 소자로 구성된 최종 설계는 모든 관측 시야에 대하여 λ/80 이하의 RMS 파면 수차를 만족하였다. 또한 고분해능 대물렌즈의 높은 환경 민감도로 인한 온도 변화에 따른 광학계 성능 해석 결과, ±0.1 ℃의 온도 변화에서도 목표 성능 이하로의 성능 저하가 확인되어 온도 변화에 따른 광학 보상이 반드시 필요하였다. 이에 초점면 이동을 보상자로 적용할 경우, 20 ± 1.2 ℃까지 RMS 파면 수차 변화량이 λ/30 이하로 목표 성능을 만족하여 실제 반도체 공정 환경에서도 이용이 가능함을 확인하였다.

• 한국광학회지
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• 제34권3호
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• pp.99-105
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• 2023

천체망원경의 성능은 여러가지 요소에 의해 결정된다. 대기 난류도 그 중 하나인데, 대기 난류는 망원경으로 수집한 빛을 왜곡시켜 이미지의 선명도와 해상도를 저하시킨다. 때문에 대기 난류를 보정하기 위한 기술이 연구되어 왔다. 보정 기술을 연구하기 위해서는 대기 난류를 실험실에서 모사해야 하며, 그 중 가장 실용적인 방법으로 위상판을 이용한 방법이 있다. 심한 난기류를 모사한 위상판을 측정할 때에는 주로 샥하트만 파면 센서로 측정하게 된다. 이 때, 레이저 광원은 위상판을 거쳐 샥-하트만 파면 센서로 들어가게 되는데 위상판을 거치면서 레이저의 세기가 줄어들고, 이로 인해 샥-하트만 파면 센서가 위상판을 측정하지 못하는 경우가 발생한다. 본 논문에서는 난기류를 모사한 위상판 측정 시 레이저 출력 조절의 필요성과 레이저 출력이 측정된 파면에 어떤 영향을 미치는지를 알아본다. 프라이드 파라미터 r₀이 상대적으로 낮은 위상판의 경우 레이저 출력으로 인해 10% 이상 r₀이 변화하였다. r₀이 상대적으로 높은 위상판의 경우 레이저 출력으로 인한 변화가 5% 미만으로 r₀이 거의 변하지 않음을 보였다. 따라서 난기류가 심한 대기 상태를 모사한 위상판일수록 레이저 출력의 영향이 미미함을 알 수 있었다. 또한, 본 논문의 시스템을 기준으로 레이저 출력 5 mW 이상에서 난기류를 모사한 위상판을 측정할 수 있었다.

• 한국광학회지
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• 제34권3호
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• pp.117-123
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• 2023

반사경의 광학면이 넓어질수록 높은 공간 주파수 형상이 광학계의 성능에 큰 영향을 주므로, 대형 반사경 성능 평가에서 이를 측정할 수 있어야 한다. 따라서 높은 주파수의 형상을 샘플링할 수 있는 고해상도 형상 측정 시스템이 필요하다. 본 연구에서는 반사경의 고해상도 형상 측정을 위한 회전 프리즘 정합 간섭계(rotational prism stitching interferometer, RPSI)라는 새로운 방법을 제안한다. RPSI는 기존에 사용되고 있는 상용 간섭계에 빔 확장 렌즈, 이송 거울, 회전 프리즘 등을 추가하여 구성되었으며, 간섭계를 움직이지 않고 원통 좌표계를 기준으로 전체 구경을 아우르는 부분 구경 형상들을 측정한다. 측정된 부분 구경들은 최소자승법을 이용한 부분 구경 정합법을 이용하여 정합되며, 빔확장 렌즈 배율의 제곱만큼 높은 샘플링 밀도로 전체 구경 형상 정보를 복원 가능하다. 3배율을 가지는 RPSI를 이용하여 직경 40 mm의 구면 반사경 형상을 측정하였고, 간섭계 단독으로 측정한 전체 구경 형상과 비교 검증하였다. 약 1 nm RMS의 근소한 차이로 유사한 형상을 잘 복원할 수 있었으며, 간섭계 단독으로 사용한 형상 측정 결과보다 렌즈의 배율의 제곱배만큼 향상된 샘플링 밀도로 형상 측정이 가능함을 확인하였다.

• 한국광학회지
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• 제34권4호
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• pp.139-150
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• 2023

다양한 구조의 라이다(light detection and ranging, LiDAR)가 존재함에도 불구하고 넓은 화각을 유지하면서 장거리 측정과 수직, 수평 방향 모두에서 높은 해상도를 만족하는 LiDAR를 구현하는 것은 매우 어렵다. 스캐닝 구조는 장거리 탐지 및 수직, 수평 방향에 대한 높은 해상도를 만족하는 고성능 LiDAR를 구현하는 데 유리하지만, 넓은 화각을 확보하기 위해서는 검출 속도에 불리한 대면적 광 검출기(photodetector, PD)가 필수적이다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 다수의 소면적 PD를 고속의 단일 대면적 PD로 작동할 수 있는 static unitary detector(STUD) 기술 기반의 PD를 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 InP/InGaAs STUD PIN-PD는 1,256 ㎛×19 ㎛의 단위 면적을 가지는 32개 소면적 PD를 활용하여 1,256 ㎛×949 ㎛ 이내에서 다양한 형태로 설계 및 제작하였다. 이후 다양한 형태로 제작된 STUD PD의 특성과 감도는 물론 이를 활용한 LiDAR 수신 보드의 잡음 및 신호 특성에 대해 측정 및 분석하였다. 마지막으로 STUD PD가 적용된 LiDAR 수신 보드를 1.5-㎛ master oscillator power amplifier 레이저를 광원으로 활용하는 3차원 스캐닝 LiDAR 시제품에 적용하였고, 이를 통해 대각 32.6도의 광각에서 50 m 이상의 장거리 물체를 정밀하게 탐지하면서 320 px×240 px의 고해상도 3차원 영상을 동시에 확보하였다.

• 한국광학회지
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• 제34권4호
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• pp.157-169
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• 2023

헤드 마운티드 디스플레이(head mounted display, HMD)를 이용한 증강 현실(augmented reality, AR)은 군사, 의료, 제조, 게임 및 교육 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 본 논문에서는 HMD에 가장 필수적인 AR 광학계의 설계 및 제작에 대해 논의한다. HMD용 AR 광학계는 디스플레이의 증강 영상과 현실 세계를 동시에 볼 수 있는 넓은 투명 영역이 필요하다. 이를 위해, AR 광학계를 각각의 특성에 따라 세 부분으로 나누어 설계 및 제작하였다. 그리고 3개의 광학계를 하나의 완전한 AR 광학계로 만들기 위해 필요한 ultra-violet (UV) 접착층의 굴절률을 고려해 설계함으로써 입력 광원이 UV 접착 층을 통과할 때의 광경로 이동(shift) 현상을 최소화하였다. 또한, AR 광학계를 설계할 때 축외 수차를 보정하고 양산에 적합하도록 2개의 비구면을 사용했다. 끝으로 HMD 양산을 위해 두께 11 mm, 대각선 화각(diagonal field of view) 40°, 무게 11.3 g의 비구면 AR 광학계를 설계하고 제작하였다.