In this thesis, error analysis and tolerance allocation method for optical system are presented. Using optical systems analysis tool, the NFR (Near Field Recording) system are designed. After design and fabrication of NFR system, the performance test for the NFR system is done. To enhance the optical performance of the NFR optical head, a new design optical head is suggested. The error analysis for the optical system of NFR system is also presented. And the effects of assembly and manufacturing tolerances of the NFR optical head are simulated. The tolerances analysis result indicates that the optical direction tolerance is very tight. It needs to allocate and compensate the tolerances of the NFR optical head. The position of the CL (Collimating Lens) is adjusted to compensate the tolerance. Finally, optimal compound tolerance allocation using SUM (summation) method, WOW (worst on worst) method, RSS (root sum square) method, and Monte-Carlo method are proposed. In order to test the performance of the optical head and the tolerance allocation method which I proposed, we designed and fabricated a tolerance allocation evaluation system for the optical head of NFR system using interferometer which can detect the RMS wavefront aberration of the optical head. Using the system, we evaluated tilt, decenter and defocus tolerances in the optical head of the NFR system. And show the RMS wavefront aberration characteristics of the optical head of the NFR system.
최근에 초정밀 광학 시스템이 발전하면서 광학 시스템의 정밀한 설계 및 제작을 위하여 공차의 할당과 오차 요인을 분석하는 것이 매우 중요시 되고 있다. 본 논문에서는 광학 시스템을 위한 복합 공차 할당 방법을 제시하고, 근접장 정보 저장 시스템에 적용하여 그 유용성을 확인하고자 한다.
이를 위하여 첫째, 근접장 정보 저장 시스템을 설계, 제작하였다. 제작된 근접장 정보저장 시스템의 성능을 평가하였고, 그 성능에 큰 영향을 끼치는 광학 헤드부의 특성을 파악하였다. 그 결과 2군 렌즈로 구성된 광학 헤드부의 조립 오차가 성능에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있었다.
둘째, 광학 헤드부의 단일 공차 분석을 수행하여 민감도 분석을 하였다. 광학 헤드부의 성능을 평가하는 성능지수로는 파면 수차를 이용하였다. 그 결과 광축 방향의 공차에 매우 민감함을 시뮬레이션을 통해 확인 할 수 있었고, 이를 보상하기 위하여 콜리메이션 렌즈의 위치를 이동시켜야 함을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 광축 방향의 조립 오차를 해결하기 위한 새로운 형태의 이중접합 SIL 제안하고 설계하였다.
셋째, 단일 공차 분석을 바탕으로 광학 시스템을 위한 최적 복합 공차 할당 방법을 제시하였다. 최적 복합 공차 할당 방법으로는 단일공차 분석결과를 이용한 WOW 방법, RSS 방법, 광학 시뮬레이션 프로그램을 이용한 WOW 방법과 Monte-Calro 방법 등을 제시하였다. 이 4가지 방법을 근접장 정보저장 시스템의 광학 헤드부에 적용하여 최적 복합 공차를 할당하였다.
넷째, 공차 할당 결과를 실험적으로 검증하기 위하여 간섭계를 이용한 광학 헤드부의 파면 수차 측정장치를 설계, 제작 하였다. 이 장치에는 광학 헤드부의 공차 할당을 위하여 5축 구동 시스템이 장착 되어 있어, 광학 헤드부가 대물렌즈가 2축 회전 운동, SIL은 X,Y 방향의 이동과 대물렌즈의 광축 방향 이동이 가능하도록 설계 되었다. 구동기로는 30nm 분해능으로 구동이 가능한 Picomotor를 사용하였고, 분해능이 10nm인 정정용량 센서를 이용하여 정밀 한 위치제어를 수행하였다. 또한 공차 할당 실험을 위하여 새로운 대물렌즈와 SIL를 설계, 제작하였고, 각각의 성능을 제작한 파면 수차 측정 장치를 이용하여 평가하였다. 대물렌즈의 파면 수차는 0.026λ였고, 대물렌즈와 SIL로 구성된 광학 헤드부를 조립하고 측정한 결과, 파면 수차는 0.035λ였다. 이와 같이 조립된 광학 헤드부를 2축 회전 운동, X,Y 방향의 이동과 광축 방향으로 각각 이동시키며 파면 수차를 측정하여 시뮬레이션으로 구한 단일 공차 분석결과와 비교 하였다.
이와 같은 실험 결과, 시뮬레이션 결과와 실험 결과가 10% 이내의 오차 내에서 정확하게 일치함을 확인할 수 있었다. 따라서 시뮬레이션을 이용한 광학 시스템의 단일 공차 분석 방법을 실험적으로 검증할 수 있었고, 이를 바탕으로 제안된 최적 복합 공차 할당 방법의 유용성을 확인할 수 있었다.
