F theta Lens란 무엇인가?

[머신비전 광학 기술 백서 #14] F theta Lens

 

앞서 설명한 것처럼 렌즈는 공간상의 한 점에서 나온 빛들을 통과시켜 반대편 공간의 한 점으로 모아주는 장치입니다. 이러한 렌즈의 기능을 통해 우리는 사건을 영상으로 기록하여 다른 곳, 다른 시간에 재생할 수 있습니다. 이것이 일반적인 렌즈의 기능이자, machine vision에서의 렌즈의 역할이지만 이러한 빛의 1:1 점 대응기능은 다른 용도로도 활용할 수 있습니다. 어릴적에 돋보기렌즈로 빛을 모아 종이를 태웠던 것처럼, 렌즈를 이용하면 강한 에너지의 빛을 모아 material processing, 즉 가공용으로 사용할 수 있는데 이런 용도로 제작/사용되는 렌즈를 통상 scanning lens라 부릅니다. 

 

에프세타 렌즈 탄생의 배경

 

1964년 이산화탄소레이저의 발명 이후, 이 레이져를 사용하여 물체의 절단/구멍뚫기/마킹등 가공을 시작하였습니다. 초기에는 물체가 stage위에 올라가 직접 움직임으로써 가공을 하였고(그림1), 이 때에는 초점용 렌즈의 중심부만 이용해도 됐으므로 정확한 가공이 가능했지만, 가공 시간이 오래 걸리고, 고가의 stage의 설치 비용, 공간의 제약이라는 단점을 가지고 있었습니다. 이러한 제약을 극복하기 위해 현재에는 렌즈에 추가로 galvanometer 거울과 로봇팔을 이용하여 대면적 및 미세가공을 하고 있습니다. 하지만 이러한 방법에도 단점은 있습니다. 거울의 반사와 렌즈의 굴절을 이용하여 가공을 하기 때문에, 즉 렌즈의 구면상 중심 이외의 여러 부분을 사용하므로, 일반적인 렌즈로는 평면위에 초점을 모으는 것이 불가능 해졌습니다(상면만곡 수차). 이러한 이유에서 태어난 것이 f-theta 렌즈입니다. 

 

렌즈의 종류

 

a)

 

일반렌즈

 

위의 그림(2)를 보면 총 네 가지, 일반렌즈 (a), 스캐닝 렌즈 (b), (c), (d)가 나와 있습니다. 일반 렌즈는 그림 (a)에서 보듯이, 구면 위에 초점이 맺히는 상면만곡이 존재합니다. 이렇게 되면 물체 중심부를 제외한 부분에서는 초점이 맞지 않아 원하는 지름의 spot이 불가능 하고 따라서 에너지 density도 떨어져 원하는 정밀 가공을 할 수가 없습니다. 이러한 이유로 정밀 가공을 위한 flat-field scanning lens (b)를 고안하였습니다. 

b) Flat-field scanning lens

 

이 렌즈는 이론적으로 완벽하다면 조사되는 각도와는 무관하게 초점에서의 빔 허리는 최소화가 되겠지만, 실제적으로 빔이 각도를 가지고 들어오면 spot은 1/cosθ만큼 길어지게 됩니다. 통상, 이러한 효과는 크지 않아 별 문제가 되지 않지만, 조사 각도와 관련하여 다른 문제가 있습니다. 위 그림에서 보듯이, 조사 각도와 scan되는 거리 y는 tangent의 관계가 있어, linear하지 않고 가속을 받아 증가하게 됩니다. 즉, 스캐닝을 하기 위해 돌아가게 되는 galvanometer의 제어가 쉽지 않게 됩니다. 이 현상을 극복하기 위해, 렌즈의 설계를 통해 linear한 관계로 보정을 해야 하는데, 이러한 연유로 나온 렌즈가 F-theta lens입니다. 

c) F-theta lens 

 

원리는 간단합니다. 위 렌즈에 적정수준의 원통형 왜곡을 넣게 되면, 가속도가 붙어 증가하는 현상을 상쇄시킬 수 있습니다. 이때 scan 되는 거리 y는 초점거리 F와 굴절각도 θ와의 곱으로 계산되기 때문에 F-theta 렌즈라 부르게 되었습니다. 하지만 이 f-theta렌즈 또한 scan field 외곽부에서는 기울기를 가지고 들어오기 때문에, 정밀 가공에는 한계가 있었습니다. 이를 보완한 것이 Telecentric F-theta lens입니다. 

d) Telecentric F-theta lens

 

이름에서도 알 수 있듯이, 광학계를 추가하여 레이저를 telecentric 조명으로 만들어, 주광선이 조사각도에 관계없이 언제나 가공면에 수직으로 만나게 한 렌즈입니다. Scan 면적보다 출사동이 더 커야 하고, 렌즈 자체의 complexity, element 많기 때문에 다른 F-theta렌즈와 비교해 가격이 크게 올라가게 됩니다. 

 

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필진 소개

 

정세영, Sam Jung (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 관한 이론은 간단하게, 현상은 조금 더 깊게, 복잡한 것들은 더 쉽게 설명하는 Optic Solution manager