오토콜리메이터란?
오토콜리메이터(영어: autockllimater)는 빛의 직진성을 이용하여 측정 대상물의 미세한 각도 변위 등을 측정하는 광학기기입니다.
비접촉으로 각도 등을 측정할 수 있으며, 일반적으로 광학계나 기계계에서 부품의 위치를 조정하거나 왜곡을 측정하는 데 사용됩니다.
오토콜리메이터의 사용 용도
오토콜리메이터는 정밀한 각도 측정뿐만 아니라 평행도, 직진도, 광축, 정렬 등의 검사 및 조정에 사용됩니다.
1. 공작기계 베드 및 로봇 가공장치의 직진도 측정
평면 거울이 고정된 대를 안내면을 따라 미끄러지게 하여 평면 거울에 의한 십자선 상의 이동량으로 직진도를 환산합니다.
2. 광학창이나 쐐기면 등 단면의 평행도 측정
하나의 레이저 빔을 투과시켜 동축상의 두 면 사이의 평행도 측정이 가능합니다. 유리판 등은 표면과 뒷면 두 면의 반사광의 각도 차이를 측정하여 평행도를 측정합니다.
3. 직각도 측정
옵티컬 스퀘어(Optical Square)라는 오각형 프리즘을 사용하여 빛을 굴절시켜 측정할 수 있습니다.
4. 회전판의 회전각 측정
다면거울을 이용하여 회전판이나 분할판의 분할 정밀도를 측정합니다.
5. 탄성편 처짐 측정
탄성편에 반사경을 고정하고 오토 콜리메이터로 관찰하면 미세한 변화량을 측정할 수 있습니다.
6. 광축 조정
천체망원경 등 광축이 맞으면 오토콜리메이터의 시야 내에서 주경 중심 마크가 여러 겹으로 겹쳐 보입니다.
7. 광학 제품 검사
디스크나 웨이퍼의 휨이나 뒤틀림을 측정하고, 다각형 거울의 정밀도를 측정합니다.
오토콜리메이터의 원리
오토콜리메이터의 측정은 레이저 빛의 직진성과 렌즈의 집광 원리를 이용합니다. 먼저 광원으로 반도체 레이저가 주로 사용되며, 1차 렌즈에서 레이저를 평행광으로 변환합니다. 이 평행광을 2차측 렌즈에 통과시켜 초점으로 결상시킵니다.
이 경우, 반사광은 광로 중간에서 하프 미러에 의해 분광되어 CCD 등의 수광소자에 도달하여 결상하는 구조입니다. 만약 대상물이 조사된 레이저 빛에 대해 기울어짐 없이 설치되어 있다면, 반사광에 의한 상은 입사광과 완벽하게 일치합니다. 반면, 대상물이 기울어져 있는 경우에는 어긋나게 결상되기 때문에 어긋남의 정도에 따라 어긋남의 각도를 결정할 수 있습니다.
오토콜리메이터의 기타 정보
1. 미러 설치
오토 콜리메이터 내부에는 측정 원리와는 직접적인 관련이 없는 많은 거울이 내장되어 있습니다. 오토 콜리메이터의 광학계를 모두 직렬로 배치하면 광로만큼의 장치 크기가 필요합니다.
많은 오토콜리메이터는 장치 크기를 줄이기 위해 여러 개의 반사 거울을 설치하는 경우가 대부분입니다.
2. 오토콜리메이터로 측정할 수 있는 기하 공차
오토 콜리메이터를 사용하면 직선이나 평면으로 정의할 수 있는 기하 공차를 구할 수 있습니다. 오토 콜리메이터는 광원과 떨어진 위치에 설치한 거울의 반사광이 광축에서 벗어나는 것을 이용하여 거울의 기울기를 측정합니다.
거울의 각도를 변위로 치환하여 계산함으로써 측정점별 요철을 측정할 수 있습니다. 시작 위치를 0으로 설정하고 측정 지점별 변위를 플롯하여 직진도를 구할 수 있습니다.
오토 콜리메이터를 사용하여 다른 선으로 직진도를 구하는 것을 반복하면, 플롯된 점은 선에서 면을 그릴 수 있어 평탄도를 측정할 수 있습니다. 오토 콜리메이터의 위치나 거울을 고정하는 방법을工夫하면 측정 결과를 경사도나 직각도까지 발전시킬 수 있습니다. 단, 진원도나 원통도 등 곡선이나 곡면을 이용해 정의하는 것은 측정이 어렵습니다.
3. 오토콜리메이터의 단점
오토콜리메이터는 광원이 렌즈의 초점 위치에 있지 않을 경우, 정확한 결상을 할 수 없어 측정 오차, 관찰 상의 초점이 어긋나는 문제가 있습니다. 이 광원 위치의 오차는 콜리메이터 렌즈의 초점 거리에 대해 0.1% 이하의 엄격한 정확도가 필요합니다.
이 위치 조정이 매우 까다롭기 때문에 오토콜리메이터에는 조리개를 이용한 스폿 직경으로 위치 조정이 가능한 것, 나이프 엣지를 이용한 것 등 다양한 방법으로 위치 조정이 가능합니다.