Korean Journal of Optics and Photonics ISSN:1225-6285(Print) 2287-321X(Online) 한국광학회지

본 논문에서는 대기외란에 따른 SPGD 위상제어 알고리즘 기반 결맞음 빔결합 시스템의 위상제어 동작성능을 논의한다. 대기의 외란에 대한 통계적 이론을 바탕으로 전산모사를 통해 대기외란에 의한 레이저빔의 위상 및 파면 왜곡에 대한 분석과 왜곡된 빔을 통해 얻게 되는 7채널 및 19채널 결맞음 빔결합 결과를 도출하고, 이를 통해 대기외란의 정도에 따른 빔결합 시스템의 위상제어 동작성능 및 효율을 수치적으로 비교분석한다. 분석 결과, 7채널 결맞음 빔결합의 경우, 대기외란 파라미터 cn2 값이 10-13 m-2/3까지 증가한 상황에서도 SPGD 위상제어 알고리즘을 적절히 적용할 경우 90% 이상의 빔결합 효율로 시스템의 위상잠금이 가능하다는 것을 확인하였다. 19채널 결맞음 빔결합의 경우, 동일한 대기외란 조건에서도 대기의 굴절률 비균질성 (refractive index inhomogeneity)의 영향이 더 커서 빔결합 효율이 60% 수준으로 급격하게 감소할 수 있음을 확인하였다. 또한, 대기외란이 있는 상황에서 위상잠금시점까지 요구되는 알고리즘의 반복연산 횟수와 대기현상의 변화간격을 비교분석함으로써, 다채널 결맞음 빔결합 시스템이 µs의 간격을 가지는 대기외란 상황에서도 정상동작을 하기 위해서는 SPGD 위상제어 알고리즘의 연산대역폭이 수백 MHz에서 수 GHz까지 확장되어야 한다는 것을 확인하였다. 향후, 대기외란이 SPGD 위상제어 알고리즘 기반 결맞음 빔결합 시스템의 위상제어 동작성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 예측하는 데 있어서 본 논문의 결과가 유용하게 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

실외에서 운용되는 무선 광통신 시스템의 수신기는 태양광에 직간접적으로 노출되기 마련이다. 본 논문에서는 주광이 무선 광통신 시스템의 수신 감도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 위하여 방사 조도 측정치를 활용하여 지상에 위치한 수신기에 특정 시야각으로 직접 또는 간접적으로 입사하는 단위 면적당 태양광 전력 스펙트럼 밀도를 얻었고, 이 값을 이용하여 세기 변조/직접 검출 및 코히어런트 시스템의 성능 열화를 계산하였다. 분석 결과 주광이 수신기에 간접적으로 인가되는 경우 수신 감도 페널티가 시스템 종류에 관계없이 1.3 dB 이하였으나, 직접적으로 인가되는 경우에는 30 dB 이상의 매우 큰 수신 감도 열화가 발생하였다. 또한 이러한 수신 감도 열화는 편광자 사용 또는 광학 필터 대역폭 조절에 의해서도 거의 경감되지 않았다.

레이저 빔이 산란 매질에서 반사될 때 발생하는 스펙클 패턴을 모니터링함으로써 산란 매질에 입사하는 레이저 빔들의 결맞는 (coherent) 결합 상태를 분석하고자 하였다. 이를 위하여 가간섭성이 높은 3개의 시준 레이저 광원을 자유공간에서 렌즈를 이용하여 무작위 표면특성을 가진 산란목표물(scattering target)에 집속한 후, 되돌아오는 빔의 스펙클 패턴을 푸리에 영역에서 살펴보았다. 목표물에 입사하는 단일 레이저 빔의 크기변화 및 3개 결맞는 레이저 빔 간의 공간적인 빔결합 정도에 따라 스펙클 패턴의 평균적인 크기가 변하게 되는데, 이를 푸리에 영역에서 분석함으로써 결맞음 빔결합의 효율을 판별할 수 있는 단일 모니터링 변수를 도출할 수 있었다.

본 논문에서는 결맞음 빔결합 방식을 이용한 원거리 광학 에너지 전달 방법에 있어서 대기 외란의 영향을 위상판 모델을 사용하여 수치해석하고 분석한다. 결맞음 빔결합 방식은 3채널로 구성하고, 전송 거리는 1~2 km, 각 채널별 위상 및 조사 방향은 적절한 방식으로 보정된 것으로 가정하며, 각 채널 빔들이 자유공간을 진행할 때 발생하는 대기 외란 영향은 위상판 모델로 정량화한다. 위상판은 구조상수 cn2 값의 변동 범위 10⁻¹⁵에서 10⁻¹³ [m-2/3] 내에서 통계적으로 생성하여 구성한다. 특별히, 본 논의에서는 대기 요동의 강도가 최종 빔결합 효율에 미치는 영향을 분석하기 위해 위상판 모델의 구조 상수를 변화시켜가며 해당 목표 지점에서 3채널 결맞음 빔결합 방식을 통해 전송된 빔의 결합 형태, 왜곡 정도 및 빔결합 효율을 계산한다. 본 수치 모델을 통해 분석한 결과, 상기 주어진 대기 요동 조건하에서도 원거리 광학 에너지 전송에 결맞음 빔결합 방식을 사용할 경우, 수신부 유효 도달 전력을 비결맞음 빔결합 방식 대비 최소 3배 이상 확보할 수 있음을 확인할 수 있다. 본 수치 모델은, 원거리 광학 에너지 전송을 전산모사함에 있어서 다양한 형태의 대기 외란의 영향 및 빔결합 방식을 분석하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 논문은 하이브리드 굴절/회절광학소자를 이용한 초슬림 모바일 카메라 렌즈를 보고한다. 먼저 앞서 보고된 23개의 광학 설계 사양 분석을 통해 전장길이(total track length) 최소화를 위하여, 광시야 렌즈 설계에서 일반적으로 적용되는 음(-)의 렌즈를 제1렌즈로 사용하는 리트로포커스(retrofocus) 타입이 아닌, 양(+)의 렌즈가 제일 먼저 선행하는 텔레포토(telephoto) 타입을 선택하였다. 이후 초기 최적 설계 및 제르니케 다항식 기반 수차 분석을 통한 보정 설계를 진행하였으며, 보정 설계 과정에서 잔여 구면색수차(chromatic spherical aberration)의 효과적 제거를 위하여 굴절 및 회절이 결합된 하이브리드 렌즈 1매를 적용하였다. 적용된 최종 설계는 하이브리드 렌즈 1매 포함 총 6매의 렌즈를 이용하여 F/2.0, 화각 90°, 유효초점길이 2.23 mm, 전장길이 3.7 mm를 달성하였고, 결과적으로 1.7의 낮은 전장길이 대 초점길이 비 즉, 텔레포토비(telephoto ratio)를 달성하였다. 동일 전장길이를 갖는 하이브리드 렌즈 미적용 비교 설계 대비, 공간주파수 180 cycles/mm에서 MTF 값이 중심 시야에서는 63%에서 71~73%로 약 8~10% 개선되었고, 0.5, 0.7, 0.9 시야에서도 2~3% 개선되었다. 또한, 가공성 및 회절 패턴에 의한 산란 등을 고려하였을 때 조리개에 위치한 렌즈가 하이브리드 렌즈로 적절함을 알 수 있었고, 이 경우 2개의 회절존으로도 성능 개선이 확인되었다.

본 논문에서는 타일형 결맞음 빔 결합 시스템에서 렌즈의 수차가 빔 결합 효율 저하에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 렌즈의 수차를 정량화하기 위하여 Zernike 다항식 방법을 사용하고, 프레넬 회절을 적용하여 빔 결합 상황에서 첨두강도의 변화를 수치적으로 시뮬레이션하였다. 본 논문의 결과는 향후, 실제 상황에서 주어진 렌즈의 수차에 의해 저하되는 빔 결합 효율에 대한 정량적인 예측과 또한, 실제 타일형 결맞음 빔 결합 시스템의 최적 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

NA 0.25, 10×이고, 파장 405 nm에서 파장변화에 대하여 안정한 Lister 대물렌즈를 설계하였다. 이 연구에서는 2매 접합렌즈에서 주어진 축상두께를 가지면서 파장변화에 대한 안정화 조건을 만족시키는 해를 찾는 방법에 대하여 연구하였으며, 이를 통하여 보다 쉽게 사용목적에 유용한 설계를 얻을 수 있다. 초기설계에서는 각각 독립적으로 안정화된 2개의 접합렌즈가 사용되었으며, 최적화에서는 전체 광학계에서 안정화 조건이 유지되도록 하였다. 최종설계에서는 기대한 바와 같이 파장 405 nm에서 파장에 따른 EFL, BFL, RMS wavefront error가 매우 적음을 확인할 수 있었다.

조리개가 제 2거울에 있는 inverse Cassegrain 광학계에서 비축시야를 사용하면, 이 2반사경계는 넓은 시야를 가지는 대물광학계로 사용할 수 있다. 하지만 이 전통적인 회전대칭 구조의 반사경계는 설계변수의 수가 너무 적기 때문에 수차보정에 한계가 있다. 이 연구에서는 조리개와 제 2거울을 별도로 횡이동시켜 성능을 개선한 새로운 2반사 광학계를 설계하였다. 새로운 설계변수를 사용하여 5차 코마와 비점수차에 대한 보정이 개선되었으며, 시야 전체에서 보다 좋은 수차균형을 얻을 수 있었다. 새로 설계된 비축시야 2반사경계는 회전대칭 구조의 통상적인 2반사경계와 비교하여 spot의 크기가 1/2 수준으로 줄어들었으며, 개선의 효과가 시야 전체에 고르게 나타나고 있다.

적외선 영상 장비에 사용되는 광학계는 온도에 따른 굴절률의 변화가 심해 운용 온도 범위가 넓은 군용 적외선 영상장비에는 자동초점조절 기능이 필수적이다. 본 논문에서는 3중 배율의 적외선 영상 장비를 설계하고 해당 장비의 온도에 따른 굴절률 변화를 보상하기 위하여 온도 챔버에 영상 장비와 시준기를 설치하여 온도에 따른 렌즈 초점 이동량 변화를 측정하였다. 측정된 이동량을 활용하여 자동초점조절 기능을 구현하였으며 두 번의 온도 시험을 통해 -35~71°C의 넓은 운용 온도범위에서 상온의 MTF 성능과 동등한 수준의 분해능 성능의 영상을 확인하였다.

기판 위에 코팅된 박막의 빛 반사 특성에 대해 연구하였다. 입사 매질로 굴절률이 큰 프리즘을 사용하여 박막/기판 계의 내부 전반사 현상과 공기/박막/기판 계가 이루는 도파로로 빛이 결합되어 들어가는 현상을 종합적으로 비교, 연구하였다. 박막의 굴절률이 기판의 굴절률보다 큰 경우에는 빛의 입사각을 증가시켜 나가면 먼저 기판에 의한 전반사가 일어나고, 그 이후 도파로 모드를 맞추는 좁은 각 영역에서 반사율이 떨어지는 현상을 볼 수 있으며, 이것을 이용하여 박막의 굴절률과 두께를 정확히 측정할 수 있다. 반면에 박막의 굴절률이 기판의 굴절률보다 작은 경우에는 도파로 모드가 존재하지 않는다. 이 경우 덩어리 매질에서처럼 뚜렷하지는 않지만 박막에 의한 전반사가 간섭무늬를 동반하여 나타난다. 본 연구에서는 프리즘/박막/기판 구조에서 일어나는 반사 현상을 전반적으로 관측하고 분석하여, 두 경우 모두 박막의 굴절률을 측정할 수 있는 가능성을 조사하였다.

본 논문에서는 Q-polynomial을 이용한 Korsch 망원경의 비구면 반사경 공차 분석을 진행하였다. 고해상도 인공위성의 비구면 반사경은 고정밀 제작이 요구되어 품질을 평가하기 위한 공차 분석이 중요하다. 따라서 비구면을 각 계수항들이 독립적인 Q-polynomial로 표현하고 Korsch 망원경 광학계의 공차 분석을 진행하였다. 또한 비구면 반사경에 형상 오차를 Zernike fringe sag로 부여하여 공차 분석하고 두 결과를 비교하여 Q-polynomial으로도 공차 분석할 수 있음을 확인하였다.

본 논문에서는 LED의 hot spot으로 인해 발생하는 눈부심을 감소시키기 위하여 간접광을 형성하는 조명 광학계 설계에 관한 연구를 진행하였다. LED를 실내 조명의 광원으로 사용하는 경우, 높은 휘도와 hot spot으로 인한 불균일한 휘도 분포로 인해 사용자에게 눈부심을 발생시키는 문제점이 있다. 특히, LED 스탠드의 경우 사용자의 눈에 가깝게 위치되어 있으며, 장시간 사용되기 때문에 눈부심 감소를 위한 연구가 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 눈부심을 감소시키기 위한 LED 스탠드 광학계 구조 연구 및 설계를 진행하였다. 이후, 기존 LED 스탠드 제품과의 휘도 비교 및 분석을 통해 본 논문에서 제안한 반사형 LED 스탠드가 눈부심 면에서 더 우수한 성능을 가지는 것을 확인하였다.