Deformable Mirror 활용으로 웨이브프런트 정밀 보정 가능

Deformable mirror(DMs)의 개념
변형거울(DMs, Deformable mirror)은 적응광학(Adaptive optics)용도에 있어 없어서는 안 될 부품이다. 적응 광학은 광학 수차가 매우 높은 매질을 투과하면서 웨이브프런트를 최적화하는데 사용되는 하드웨어 및 소프트웨어 그룹을 일컫는 용어이다.
예를 들어 적응광학 기술을 사용하는 천문학자는 밤하늘로부터 최상의 이미지를 얻을 수 있으며, 심지어는 먼 거리에 위치한 별로부터 전파되는 빛이 대기권에 의해 왜곡이 일어나도 이미지를 확보할 수 있다. 또한, 안과 전문의는 안구의 유리체 내에서 왜곡이 유발됨에도 불구하고 망막의 선명한 이미지를 얻기 위해 적응광학을 사용한다. 이러한 용도 및 기타 애플리케이션을 위한 적응광학 시스템에 필요한 것이 바로 변형거울이다.
변형거울은 반사 표면에 연결된 여러 개의 actuator로 구성되어 전기 신호에 반응하며 형태에 변화를 준다. 이와 같이 형태가 바뀌는 이유는 투과 매질에 따라 유발되는 광학 수차를 정밀 보정하기 위해서이다. 몇 십 년 전까지만 해도 DM 제품 및 관련 전기 장치의 규모가 매우 크고 고가였기 때문에 예산의 제약이 없던 몇몇 하이엔드 용도에만 한정적으로 사용되었다. 하지만 현재는 최첨단 미세 가공 기술의 발달로 더 많은 사용자가 손쉽게 접근할 수 있는 적응광학 기술이 개발되고 있다.

Iris AO와의 협업
Iris AO, Inc.(미국 캘리포니아주 버클리)는 변형거울(deformable mirror) 개발에 있어 기술적 향상을 주도하는 기업 중 하나이다. 이들이 보유한 고유의 연구 방법은 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS, micro electro mechanical systems) 제조 기법을 활용해 아주 뛰어난 속성을 갖는 DM을 제작하는 것이다.
이렇게 개발된 변형거울은 넓은 동적 범위, 높은 laser damage threshold, 그리고 최상의 안정성을 갖게 된다. 이 주목할 만한 안정성은 DM의 형태 조절에 이용되는 컨트롤 알고리즘으로 인한 여러 가지 제약을 없애준다. 따라서 사용자에게 주어지는 높은 융통성으로 통상적인 과정을 혁신성 있게 맞춤 제작(customize)할 수 있다.

생산성 있는 공동 작업의 시작
Iris AO는 익히 알고 있는 DM 디자인으로부터 고유의 이익을 창출할 필요가 있다는 것을 인식하였다. 변형거울(Deformable mirror) 자체만으로도 제작상의 전문성을 보여주는 놀라운 제품일 수 있으나, 제품의 역량을 드러낼 수 있는 기회가 충분하지는 않았다. 변형거울의 특징들을 소개하자면, Iris AO사는 완전한 적응광학 모듈을 제작함으로써 빔의 이미징을 비롯해 변형거울의 능동 보정이 가능해졌고 결과적으로 빔의 품질 향상으로 이어지게 되었다. 이러한 모듈 작업에는 변형거울과 카메라뿐만 아니라 관련 mirror 및 mount가 함께 사용되었다.
에드몬드 옵틱스의 엔지니어들은 Iris AO의 제품 시연을 접하면서 이들의 도전 과제가 고품질의 빔을 생성하고 유지하는 데 있음을 알게 되었다. 이러한 문제를 겪고 있던 이전 고객들은 EO의 엔지니어들로부터 즉각적인 대화 형식의 도움을 받아 왔기 때문에 빔의 품질을 향상시킬 수 있었다.
Iris AO사는 개선된 카메라 인터페이스, 안정된 광학 마운트, 그리고 고정밀 코팅과 표면 품질을 갖는 옵틱의 사용과 같은 권유를 EO의 팀원들로부터 조언을 받았다. 다음 해에 Iris AO사 제품 시연에 포함될 광학 부품들: CMOS 흑백 USB 카메라로 구성된 단순하면서도 더욱 신뢰성이 높아진 camera interface, 미광(stray light)은 줄이면서 시스템의 신호대 잡음비 성능은 개선할 수 있도록 광학적 성능을 증가시켜주는 다양한 종류의 edge-blackened achromatic lens, 시스템의 반사율과 전체 투과율을 향상시켜주는 enhanced aluminum mirror, 불필요한 진동은 제거하고 시스템의 정렬을 도우면서 안정성 있게 반복 사용이 가능한 EO kinematic mount. 이러한 개선들은 EO의 광범위한 제품군에 속한 표준 아이템을 사용했기 때문에 실현될 수 있었다. 

데모용 제품부터 테크놀로지 테스트베드까지
Iris AO의 엔지니어들은 데모용 툴로 제작한 독립형 모듈이 또한 integrated unit으로도 작동할 수 있어 사용자로 하여금 적응광학의 기능을 해당 애플리케이션과 연동해서 사용할 수 있음을 알게 되었다.
이와 같은 모듈을 사용하면 적응광학을 가지고 있는 시스템과 손쉽게 결합할 수 있게 된다. 단, Iris AO의 고객에 필요한 요건이 UV에서 IR 스펙트럼 범위의 애플리케이션에 따라 상이할 수 있다. 고객에게 적절한 도움을 제공하기 위해서는, 버전이 여러 개로 나뉘어 있는 모듈이 필요하기도 하며, 각각의 버전마다 시스템 성능의 전체적인 요건을 지원하는 개별 표면 품질 및 코팅 스펙을 갖춘 부품들이 갖춰져야 한다. 이에 따라 Iris AO는 이미 신뢰할만한 데모용 모듈을 제작해온 경험이 있는 광학 부품 공급 업체인 에드몬드 옵틱스의 도움을 받기로 하였다.
적응광학 모듈(Adaptive optics module) 개발 프로젝트 지원 사업에 발 담그고 있는 유일한 기업이 바로 에드몬드 옵틱스이다. EO는 세계적으로 가장 큰 규모의 기성 광학 부품 기업이라는 명성을 유지하면서, 신속한 광학 개조 서비스와 전 범위를 망라하는 사내 광학 부품 제조 역량을 제공한다. Iris AO는 EO와 파트너십을 맺음으로써 기업 내 디자인 전문성을 강화하고 광범위한 기성 및 맞춤형 옵틱을 활용함으로써 자체 시스템의 성능을 획기적으로 끌어올리고 있다. 에드몬드 옵틱스는 다양한 광학 부품을 생산하면서 개별 부품의 스펙과 프로세스를 완전히 문서화하고 통제함으로써, 디자인부터 프로토타입 그리고 대량 생산에 이르는 전체 제작 과정을 통해 고품질의 부품을 Iris AO와 같은 자사 고객에게 자신 있게 전할 수 있다. 또한, EO에서 취급하는 기성 옵토메카닉 부품 및 고품질 카메라 워낙 광범위해서 Iris AO사에서 해당 시스템 디자인을 최적화할 때 제품 스펙을 절충할 필요가 없음을 의미하기도 한다.
예를 들어, Iris AO 변형거울은 추가적인 보호 환경 없이도 40% 미만의 습도를 갖는 제어 환경에서 충분히 작동할 수 있는 견고함을 지닌다. 제품과의 우발적인 접촉이나 먼지로부터의 오염을 예방할 수 있게, Iris AO에서는 이러한 DM 제품을 커버 윈도우로 포장하기로 결정 했다.
단, 이러한 포장의 문제점으로는 광학 어셈블리 내에서 투과율의 저하, 고스트 이미지의 반사, 또는 감지되지 않는 웨이브프런트 에러의 유입이 있을 수 있다. 또한, Iris AO는 DM의 laser damage threshold를 지탱할 수 없는 윈도우는 적용하지 않길 원했다. 따라서, Iris AO사는 에드몬드 옵틱스의 인하우스 프로토타이핑 역량을 활용해 표준 옵틱을 개조한 고유의 윈도우를 제작하였다. 이 Iris AO-Edmund customized window는 20㎜ 지름, 3㎜ 두께, 그리고 λ/20의 surface flatness를 가지며, 최적의 VIS-NIR anti-reflection coating 처리가 된 부품이다.
카메라 또한 시스템의 요건에 맞도록 선정되었다. 빠른 인터페이스와 간편한 카메라 구성은 콘트롤 시스템의 유니크한 설계를 가능한 Iris AO DM과 이용하는 데 있어 매우 중요한 역할을 한다. EO의 엔지니어들은 일반적인 실험용 소프트웨어만으로도 configuration이 간단하도록 신속한 USB 카메라 인터페이스를 권장하였다. 모듈 디자인을 위해 Iris AO사를 지원하는 과정 동안 EO의 엔지니어들은 다수의 Iris AO 고객들에게 있어 adaptive optics의 역량이 우수한 용도로 이용될 수 있음을 인식하였다. 광학 혁신을 선도하는 양 기업 간의 공동 작업 중 최종 단계는 협약 체결로서 이 협약에는 에드몬드 옵틱스가 Iris AO의 고객층에게 adaptive optics module을 제공한다는 내용이 담겨 있다. 

포장(PACKAGE)의 저력
일반적으로 시스템 내부에 adaptive optics를 결합하고자 하는 디자이너들은 변형거울을 웨이브프런트 센서(wavefront sensor)와 함께 사용해야 한다. 웨이브프런트 센서로부터 전달되는 시그널로 perfect beam이나 flat wavefront의 deviation 추정치가 구해지기 때문이다. 컴퓨터로 처리 시 웨이브프런트 센서로부터 전달되는 deviation signal은 한 세트의 전압으로 전환되어 변형거울의 actuator를 제어하는 데 사용된다. 빔의 적절한 보정 상태를 확실히 유지하기 위해서는 변형거울의 전압이 웨이브프런트 센서의 시그널과 반드시 효과적인 상호작용을 이루어야 한다. 공교롭게도 변형거울 대부분의 경우 기계적 혹은 열적 변화나 광학 경로 내의 불안정성으로 인하여 actuator 전압과 웨이브프런트 센서 측정치 사이의 상관관계가 빈번히 바뀌게 된다 - Iris AO 모듈로는 이러한 공통의 상호 작용을 피할 수 있어 결과적으로 사용이 더욱 간편해진다.

제품의 안정성 보장
시작에 앞서 표준 모듈은 웨이브프런트 센서를 완전히 생략한다. 이는 Iris AO의 독특한 변형거울 디자인이 굉장히 안정성을 띄어 actuator 전압과 segment 변위 사이의 관계가 시간이 지나도 일정하게 유지될 가능성이 있기 때문이다. 배송에 앞서 모든 미러 제품들은 calibration 절차를 거치며, 몇 년이 지나도 이러한 calibration 효과를 유지한다. 제품의 안정성은 웨이브프런트 보정 방식을 더욱 간소화 시킨다.
이러한 제어 시스템은 사전에 정해진 모양을 시리즈화하여 변형거울을 구동시키면서 이미지의 품질을 측정하는 방식으로 작동한다. 조리개가 원형이라면 가장 간편한 모양은 Zernike function이다. 최대 55가지 Zernike function 세트를 미러가 스캔하면서 소프트웨어는 이미지 품질을 추적하게 된다. 알고리즘은 가장 방대한 Zernike function과 결합하여 이미지의 전체 품질을 최적화하는 한 세트의 actuator control voltage를 만들어낸다.

공동 작업 비용
사측의 역량 강화를 위한 두 기업 간의 공동 작업을 대표할 수 있는 결과물이 바로 적응광학 모듈 이다. Iris AO는 고유의 변형거울 기술을 비롯해 콘트롤 시스템 디자인과 관련한 깊이 있는 지식을 갖춘 기업이다.
에드몬드 옵틱스는 광학 부품 역량과 관련된 광폭의 지식을 갖춘 기업으로서 고성능 스펙의 철저한 지원에 꼭 필요한 특수 광학 코팅부터 카메라 특성, 그리고 반복 사용이 가능한 안정된 마운트에 이르기까지 다양한 부품을 취급한다. 미러의 안정성, 옵틱의 품질, 카메라 인터페이스의 명료성, 그리고 콘트롤 알고리즘의 단순함까지 이 모든 것이 합쳐져 적응광학 모듈을 “plug-and-play” 서브시스템으로 만들어 준다. 신규 모듈은 적응광학에 전력을 공급하여 고정된 부품과의 결합이 수월하다. 따라서 업계 최초로 광학 디자이너들은 복잡한 위상 측정과 웨이브프런트 복원을 완벽하게 이해하지 않아도 선천적인 광학 수차를 보정할 수 있게 된 것이다. 

옵틱의 역량 증대
고성능 광학 시스템을 설계하는 디자이너들은 가능한 완벽한 시스템의 제작하도록 충분한 공을 들인다. 계획대로 순탄히 진행될 때, 소위 회절 제한 시스템이라 불리고 빛의 기본적인 물리적 속성으로 성능이 제한되는 광학 시스템이 탄생한다.
이는 제작상의 부정확성과 배치 허용오차가 미비해서 이미지 품질에 어떠한 영향력도 미치지 않음을 의미한다. 제품의 옵틱이 완벽에 가까워도 왜곡이 발생하는 매질을 통과하여 피사체를 이미징하는 경우에는 큰 도움이 되지 않는다.
예를 들어, 원거리에 있는 별의 이미지를 완벽하게 촬영해야 하는 대형 망원경을 설계해야 하는 천문학자들은 이를 위해 수많은 시간과 비용을 투자한다. 빛이 대기권을 통과하면서 일부 웨이브프런트가 다른 웨이브프런트보다 상대적으로 지연되면서 균일하지 않은 상태로 전파되기 때문이다. 망원경의 조리개 전체에 걸쳐 균일하지 않은 전파가 지체하면서 웨이브프런트에 왜곡이 발생하게 되고 이는 더 이상 선명한 이미지를 관찰할 수 없음을 의미한다. 과거에 천문학자들이 할 수 있었던 오직 한 가지 방법은 대기권에서 빛의 전파 조건이 양호하여 잘 보일 때까지 기다리는 것뿐 이었다. 망원경의 조리개 규모가 더욱 커질수록 대기 상태가 양호하더라도 빔은 더욱 현저한 광학적 왜곡을 갖게 될 것이다.

업계 최고의 광학 미러
변형거울은 적응광학 시스템의 진수를 보여주는 부품이다. 제품명에 내포된 의미와 같이 변형거울은 콘트롤 시그널 세트에 반응하며 형태를 바꿀 수가 있다. 개별 actuator로 콘트롤 시그널이 전달되면 구동 전압에 따라 미러의 길이에 변화가 생긴다. Actuator stroke의 간격, 위치 및 길이가 변형겨울의 모델마다 바뀌게 된다. 변형겨울은 continuous face sheet와 segmented mirror 2가지 유형으로 생산된다.
Continuous face sheet 변형겨울은 single thin reflective membrane으로 제조 후 후면에 actuator가 부착된다. Segmented mirror는 개별 피스의 반사 소재로 만들어진 뒤 단일 혹은 여러 개의 actuator가 부착된다. Actuator는 압전식(piezoelectric) 및 정전기력(electrostatical) 구동과 같이 여러 유형으로 구성될 수 있다. Iris AO 변형겨울에는 segmented design이 적용되어, 각각 3개의 electrostatic actuator로 구동되는 육각 세그먼트를 갖는다. 대안 디자인을 면밀히 확인하지 않고도, 여전히 Iris AO 디자인의 특성과 이점을 구상할 수 있다.

Iris AO는 MEMS 기술을 이용해 3개의 symmetric electrode 상에서 이동식 플랫폼 구조를 이룬다. 제조 과정에서 잔류 응력(residual stress)을 polysilicon에 주입하기 때문에 육각 섹션을 통해 3개의 만곡부부터 표면부까지 부착된 베이스 위로 이러한 응력을 방출하게 된다. 3개의 electrode 위에 흐르는 전압을 제어하면서 각각의 세그먼트 플랫폼과 표면 사이의 거리를 변경할 수 있으며, 또한 칩의 표면에 따라 표면 각도를 조절할 수 있다. 따라서 각각의 세그먼트마다 3개의 independent degrees of freedom이 존재하게 된다: piston, tip, tilt. 이에 따라 37-segment 버전의 Iris AO deformable mirror는 111개의 piston-tip-tilt actuator를 갖게 됨으로써 해당 모델 넘버가 주어진다.
Iris AO DM 디자인 중 또 다른 독특한 부품으로는 독립적으로 제작되는 reflective segment가 있다. 반사성을 띠는 이 육각형은 별도의 미세 기계 가공을 거쳐 제작된 후 칩을 뒤집어가며 polysilicon actuator-platform array에 접착되는 과정을 거친다. 이로 인해 세그먼트 두께에 가해지는 제약이 제거되면서, 충분히 두꺼운 세그먼트를 만들어낼 수 있기 때문에 경질의 뛰어난 표면 품질을 갖게 되는 것이다(20㎚ RMS를 능가하는 flatness).
Reflective mirror segment를 독자적으로 구성하면서 flexure/actuator 어셈블리를 적극적으로 제어하면 Iris AO DM은 뛰어난 안정성을 보인다. 일단 한 세트의 전압을 적용해 특정 미러의 프로파일을 생성할 수 있으며, 이러한 프로파일은 DM이 on으로 유지하는 한 변함없는 기조가 유지된다. 아울러, DM이 high laser damage threshold를 보유함을 나타내는 것이 바로 미러 세그먼트이다.
해당 디자인 방식의 기타 큰 이점은 교정(calibration)에 있다. 인가전압(applied voltage)과 segment position의 상관관계-제조 현장에 이러한 교정 설비가 세팅되어 있어 수년이 지난 후에도 정확도를 그대로 유지할 수 있다. 이러한 특징들을 고루 합치면 적응광학으로부터 이익을 얻을 수 있는 다양한 애플리케이션에 꼭 필요한 제품으로 Iris AO DM을 거듭나게 해준다.