KR0129055B1 - 강판 표면의 평균표면거칠기 및 공간주파수 동시 측정방법 및 이를 실시하기 위한 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

강판표면의 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정가능한 방법이 제공된다.

이 방법에 의하면 먼저 파장이 긴 적외선 레이저를 시편에 큰 입사각으로 입사시켜 그 반사광의 세기로 부터 평균표면거칠기 Ra를 구하고, 별도의 파장이 짧은 가시광선 레이저를 작은 입사각으로 입사시켜 그 반사광의 세기를 검출하고 검출된 가시광선 반사광의 세기와 앞서 얻은 평균표면거칠기 Ra로 부터 자체상관길이를 구한 다음, 그 역수를 취함으로써 공간주파수가 또한 구해진다. 상기 방법을 실시하기 위한 광학시스템 또한 제공된다.

Description

강판 표면의 평균표면거칠기 및 공간주파수 동시 측정방법 및 이를 실시하기 위한 광학 시스템

제1도는 본 발명에 의한 방법을 실시할 수 있는 광학계의 개략구성도.

제2도는 본 발명의 방법과 종래의 방법으로 측정한 평균표면거칠기가 일치함을 나타내는 그래프.

제3도는 본 발명의 방법과 종래의 방법으로 측정한 PPI가 일치함을 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 적외선 레이저 광원 2 : 광변조기

3,4 : 광분할기 5,6,7 : 적외선 반사경

8 : 콜리메이터 9 : 시 편

10,11,12,13 : 집광렌즈 14,15 : 가시광 검지기

16,17 : 적외선 검지기 18 : 가시광선 레이저 광원

본 발명은 강판표면의 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정할 수 있는 방법 및 이를 실시할 수 있는 광학시스템에 관한 것이며, 보다 상세히는 2개의 레이저 광선을 강판표면에 비추어 각각의 반사되는 광선을 광 검지기로 측정하여 온-라인으로 강판 표먼의 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정하는 방법 및 이를 실시하기 위한 광학시스템에 관한 것이다.

강판의 표면을 확대하여 보면 작은 돌기들이 튀어나와 있으며 이들 돌기들의 평균적인 높이가 평균표면거칠기이며 이 돌기들의 밀집상태를 나타내는 것이 공간주파수이다. 따라서, 평균표면거칠기는 길이의 단위로 나타내고 공간주파수는 1인치의 길이 안에 포함된 돌기의 수인 PPI(peaks per inch)로 표현한다. 이러한 평균표면 거칠기와 공간주파수는 성형성이나 도장성등과 같은 강판의 가공특성을 결정짓는 중요한 요소이기 때문에 강판의 표면품질향상 및 생산제품의 품질보증을 위해 이들을 생산공정중에 온-라인으로 계측할 필요성이 점차 커지고 있다.

종래에는 이러한 강판의 표면상태를 나타낼 때는 촉침을 강판 표면에 일직선으로 이동시키면서 강판 단면의 요철 상태를 그린 후 요철의 평균 높이를 측정하여 평균표면기를 구하고 1인치 안에 들어있는 요철의 수를 계수하여 공간주파수를 구하였다. 그러나 이러한 방법은 측정시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 강판의 표면이 촉침에 의해 긁히므로 샘플링을 한 일부분의 시편에 대해서만 측정이 가능하고 생산중에 있는 강판의 전폭과 전체 길이에 걸쳐 측정할 수 없다는 한계가 있었다. 이러한 점을 고려하여 광학적인 방법으로 표면거칠기를 측정하는 방법이 제안되었으나, 이 방법을 사용하면 평균표면거칠기는 구할 수 있으나 공간주파수는 측정할 수 없는 단점이 있는 것이다.

이에, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하여 광학적으로 강판의 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정하는 방법 및 이를 실시하기 위한 광학시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 견지에 의하면 강판표면의 평균표면 거칠기 및 공간주파수 동시측정방법이 제공되며, 이 방법은 레이저 광원으로부터 파장이 큰 적외선 영역의 레이저를 조사하여 이를 광분할기로 둘로 나누어, 그 중 하나는 광 검지기에 입사시켜 평균 표면거칠기 측정을 위한 기준 광선으로 사용하며, 다른 하나는 시편에 큰 입사각으로 입사시켜 시편으로부터 반사된 빛을 광 검출기로 검출하여 그 반사광의 세기를 측정한 후, 그 값은

(여기서, Is1는 시편의 정반사광의 세기,

Ra는 평균입자 거칠기

θ는 적외선 레이저 입사각

λ는 적외선 레이저광의 파장이다.)

에 대입하여 평균입자 거칠기 Ra를 구하고,

덧붙여서, 별도의 레이저 광원으로부터 파장이 짧은 가시광선 영역의 레이저를 조사하고 이를 광분할기로 둘로 나눈후, 그 중 하나를 광검지기에 입사시켜 공간주파수 측정을 위한 기준광으로 사용하고, 다른 하나는 상기 시편에 입사각을 적게 하여 입사시켜 그 시편으로 반사된 빛을 광 검출기로 검출하여 그 반사광의 세기를 측정한 후 그 값을,

(단, Is2 은 가시광선 영역 레이저광의 반사광 세기

F(θ), Vz(θ), Vxy(θ)는 레이저 입사각에 의해 결정되는 상수이며, A는 가시광선 영역 레이저의 입사단면적, T는 자체 상관길이, Ra는 앞서 구한 평균입자 거칠기이다.) 에 대입하여 자체 상관길이 T를 구한 다음, 자체 상관길이 T값의 역수를 공간 주파수로 함,을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 본 발명의 측정방법을 실시하기 위한 광학 시스템이 제공되는 바, 그 시스템은, 파장이 긴 적외선 영역의 레이저광을 조사하는 적외선 영역 레이저 광원, 상기 레이저 광원으로 부터 나온 광선을 2개로 분할하는 적외선 영역광 광분할기, 평균 표면거칠기 측정을 위한 기준광선으로 사용하기 위하여 상기 광분할기로 부터 분할된 하나의 광선을 검출하는 기준 광검지기, 상기 광분할기와 시편사이에 위치하고 상기 광분할기로부터 분할된 다른 한가지 광선을 큰 입사각으로 시편에 입사시키기 위해 반사시키는 복수의 반사경 및 상기 시편에서 반사된 광의 세기를 검출하는 적외선 영역 반사광 광검지기를 포함하는 장파장 적외선 영역 레이저 반사광 세기 측정장치 ;

시편의 연직상방에 위치하고 파장이 짧은 가시광선 영역의 레이저광을 시편과 함께 조사하는 가시광선 영역 레이저 광원, 상기 가시광선 영역 레이저 광원과 시편사이에 설치되고 상기 가시광선 영역 레이저 광선을 2개로 분할하는 가시광선 영역 광분할기, 공간 주파수 측정을 위한 신호광으로 사용하기 위해 상기 광분할기로 부터 분할된 하나의 광선을 검출하는 신호광 검지기와, 상기 광분할기로 부터 분할된 다른 광선이 시편에서 반사되어 나올 때 그 반사광의 세기를 검지하는 가시광선 영역 반사광 검지기, 를 포함하는 단파장 가시광선 영역 반사광 측정장치; 및 상기 장파장 적외선 영역 레이저 반사광 세기 측정장치로 부터 얻은 반사광 세기 측정값을 사용하여 평균표면거칠기(Ra)를 산출하고, 상기 평균표면거칠기 (Ra)값과 상기 단파장 레이저 반사광 측정장치에서 얻은 반사광 세기 측정값을 사용하여 자체 상관길이 T 및 그 역수인 공간주파수를 산출하는, 제어기; 를 포함한다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

광학적인 방법으로 평균표면거칠기를 측정하는 기본원리는 입사광선과 반사광선의 세기의 비를 측정하고 이를 빛의 산란이론에 적용하여 구하는 것이다. 빛의 산란 이론에 의하면 강판 표면에서 반사된 정반사광의 세기는 강판의 평균표면거칠기와 자체상관길이에 동시에 의존한다. 따라서 일반적으로 하나의 정반사광의 세기를 측정하여 이로부터 평균표면거칠기를 구하는 것은 불가능하다. 그러나, 이 정반사광의 세기가 평균표면거칠기 및 자체상관길이에 의존하는 양상은 이론적으로 레이저 광선의 파장이나 입사각도 등과 같은 측정조건에 따라 달라지며 이 측정조건을 적절히 선택하면 정반사광의 세기가 평균표면거칠기에만 의존하도록 할 수 있다.

따라서 이 측정조건하에서 정반사광의 세기를 측정하면 하나의 정반사광의 세기측정을 통해 평균표면거칠기를 광학적으로 구할 수 있다.

또한, 표면의 공간주파수는 광학적으로 측정가능한 물리량 중의 하나인 자체상관길이가 공간주파수에 반비례함에 근거하여 구할 수 있다. 그러나 자체상관길이의 경우 상기한 평균표면거칠기 측정의 경우와는 달리 측정조건을 변화시켜도 이론적으로 정반사광의 세기가 자체상관길이에만 의존하도록 할 수 없다. 이러한 문제점은 표면거칠기 및 공간주파수의 측정에 파장 및 입사각도가 다른 2개의 레이저 광선을 이용함으로써 해결이 가능하다. 즉, 표면거칠기의 측정을 위한 레이저 광선과 별도로 또 다른 레이저 광선을 측정지점에 입사시켜 이에 의한 정반사광의 세기를 측정하고 이 정반사광의 세기와 함께 광학적으로 동시에 측정된 평균표면거칠기 값을 이용하면 산란식으로 부터 자체상관길이를 알 수 있으며, 측정된 자체상관길이의 역수로 부터 공간주파수를 구할 수 있는 것이다.

이하, 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정하는 원리를 자세히 설명한다.

레이져 광선을 강판 표면에 입사시켰을 때 정반사광의 세기 Is는 다음의 관계식으로 주어진다.

Is : 측정시편의 정반사광의 세기. A : 레이저 광선의 입사단면적. Ra : 평균표면거칠기. θ : 레이저 입사각. λ : 레이저 파장. Τ : 자체상관길이.

상기 (식 1)에 의해 주어지는 정반사광의 세기는 상기한 바와같이 평균표면거칠기 Ra와 자체상관길이 T에 의해 결정되며 (식 2)로 주어지는 q값의 범위에 따라 다른 형태의 근사식을 가지며 q값이 매우 작을 경우에는 다음과 같이 근사될 수 있다.

Is = exp(-q) ...............(식 3)

따라서, 파장이 긴 레이저를 사용함과 동시에 이 레이저의 입사각을 크게 하면 주어진 평균표면거칠기의 측정범위내에서 q값을 상대적으로 작게 할 수 있고, 이 경우 (식 3)을 이용할 수 있으므로 측정된 정반사광의 세기로부터 평균표면거칠기를 구할 수 있게 된다.

반대로, q 값 이 매우 클 경우 (식 1)은 다음과 같이 근사된다.

(식 4)에서 F(θ), Vz(θ), Vxy(θ)는 레이저 입사각에 의해 결정되는 상수이며, 이 근사식을 사용하기 위한 q 값의 조건은 주어진 표면거칠기의 측정조건하에서 짧은 파장의 레이저를 사용하고 입사각을 작게 함으로써 실현할 수 있다. 상기 (식 4)에 의하면 정반사광의 세기가 평균 표면거칠기와 자체상관길이에 동시에 의존한다. 그러므로 (식3)을 이용하여 측정한 평균표면거칠기를 (식 4)에 적용하면 자체상관길이 T가 유일한 측정변수가 되므로 정반사광의 세기로 부터 자체상관길이를 구할 수 있는 것이다. (식 4)는 정반사광의 세기가 평균표면거칠기와 자체상관길이에 동시에 의존한다는 측면에서는 (식 1)과 차이점이 없으나 (식 4)를 이용하면 컴퓨터에 의한 자체상관길이의 계산시 계산속도가 매우 빨라져서 실시간적 측정이 가능하므로 생산현장에서의 온-라인 측정에 적용할 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로 공간주파수로써 자체상관길이보다는 1 인치 안에 들어있는 돌기의 수를 나타내는 PPI를 많이 사용하며 자체상관길이는 PPI와 서로 반비례 관계에 있으므로 광학적으로 구한 자체상관길이의 역수를 취하면 PPI를 얻을 수 있다.

본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 파장이 긴 적외선 레이저를 큰 입사각(예를 들어 70^o이상)으로 시편표면에 입사시키고, 반사된 정반사광의 세기를 측정하여 평균표면거칠기를 광학적으로 측정함과 동시에, 파장이 짧은 레이저를 작은 입사각(바람직하게는 0^o)으로 별도로 입사시켜 이에 의한 정반사광의 세기의 측정값과 앞서 광학적으로 측정된 평균표면거칠기 값을 이용하여 공간주파수를 측정하는 것이다.

이하, 본 발명에 의한 방법을 실시할 수 있는 시스템에 대하여 설명한다.

제1도는 광학적으로 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정할 수 있는 장치의 광학계이다. 레이저광선(1)은 광변조기(2)에 의해 펄스형태의 빛(IR. 1)으로 변환된 후 광분할기(3)에서 잎부는 반사되어 렌즈(10)에 의해 집광되어 광검지기(16)에 입사되어 평균표면거칠기 측정을 위한 기준광선으로 사용된다. 광분할기(3)을 투과한 광선은 거울(5)에서 반사되어 클리메이터(8)을 거쳐 평행한 광선(IR.2)이 된 후 거울(6)에서 반사되어 측정시편(9)에 일정한 각도로 입사된다. 시편(9)에서 반사된 빛은 거울(7)과 렌즈(11)을 거쳐 광검지기(17)에 입사되어 평균표면거칠기 측정에 사용된다. 광검지기(16)과 (17)에 의해 측정된 빛의 세기는 컴퓨터에 입력되어 평균표면거칠기 값이 계산된다. 공간주파수를 측정하기 위해서는 지금까지 기술한 광학계의 경로와는 별도로 가시광선 레이저(18)을 이용한다. 레이저(18)에서 발생된 광선은 광분할기(4)에서 일부는 반사되어 렌즈(12)에 의해 집광되어 광검지기(14)에 입사되어 공간주파수 측정을 위한 기준광으로 사용되고 일부는 투과 되어 측정시편(9)의 표면에 수직으로 입사되었다가 반사되어 광분할기(4)에서 반사되어 렌즈(13)를 거쳐 광검지기(15)에 입사되어 공간주파수 측정을 위한 신호광으로 사용된다. 광검지기(14) 및 (15)에서 측정된 빛의 세기는 앞에서 구한 q값과 아울러 컴퓨터(제어장치)에 입력되어 자체상관길이 T를 계산하고 다시 이것의 역수를 구하여 공간 주파수를 계산한후 그 결과를 모니터에 출력한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예]

본 발명의 방법 및 종래의 접촉식 방법에 따라 강판의 평균표면거칠기를 각각 산출하고 그 결과를 제2도에 나타내었다. 제2도에 의하면 이들 두 측정치는 거의 일치함을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 방법 및 장치에 따라 강판의 공간주파수를 나타내는 PPI를 측정 산출하고, 이를 종래의 접촉식 방법을 사용하여 얻은 측정치와 비교하였으며, 이를 제3도에 나타내었다.

제3도에 의하면 이들 두방법에 의한 측정치가 거의 일치함도 알 수 있다.

상기한 바와같이, 본 발명에 의하면 광학적으로 강판의 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정가능할 뿐만 아니라 그 측정결과의 신뢰도도 큰 것이다.

Claims (3)

1. 레이저 광원으로 부터 파장이 긴 적외선 영역의 레이저를 조사하여 이를 광분할기로 둘로 나누어, 그 중 하나는 광검지기에 입사시켜 평균표면거칠기 측정을 위한 기준광선으로 사용하고, 다른하나는 시편에 큰 입사각으로 입사시켜 시편으로부터 반사된 빛을 광검출기로 검출하여 그 반사광의 세기(Is1)를 측정한 후, 그 값을

   (단, 상기 식에서, Is1 는 시편의 정반사광의 세기, Ra는 평균입자 거칠기, 1는 적외선 레이저 입사각, 1는 적외선 레이저광의 파장이다.) 에 대입하여 평균표면 거칠기 Ra를 구하고,

   별도의 레이저 광원으로부터 파장이 짧은 가시광선 영역의 레이저를 조사하고 이를 광분할기로 둘로 나누어, 그 중 하나는 광검지기에 입사시켜 공가주파수 측정을 위한 기준광으로 사용하고, 다른 하나는 상기 시편에 작은 입사각으로 입사시켜 시편으로 부터 반사된 빛을 광 검출기로 검출하여 그 반사광의 세기(Is2)를 측정한 후, 그 값을

   (단, 상기 식에서, Is2는 가시광선 영역 레이저광의 정반사광 세기 F(θ), Vz(θ), Vxy(θ)는 레이저 입사각에 의해 결정되는 상수, A는 가시광선 영역 레이저의 입사단면적, T는 자체 상관길이. Ra는 평균입자 거칠기로써 앞서 구한 값이다.) 에 대입하여 자체 상관길이 T를 구한 다음, 그 T 값의 역수를 공간주파수로 함, 을 특징으로 하는 강판표면의 평균표면거칠기 및 공간주파수 동시 측정방법.
2. 1항에 있어서, 상기 적외선 영역 레이저의 시편에 대한 입사각은 70^o이상이며, 상기 가시광선 영역 레이저의 시편에 대한 입사각은 0^o임을 특징으로 하는 방법.
3. 긴 파장의 적외선 영역 레이저광을 조사하는 레이저 광원(1), 상기 레이저 광원으로부터 조사된 광선을 2개로 분할하는 적외선 영역 광분할기(3), 평균표면거칠기 측정을 위한 기준광선으로 사용하기 위하여 상기 광분할기(3)으로 부터 분할된 하나의 광선을 검출하는 기준광검지기(16), 상기 광분할기와 시편사이에 위치하고 상기 광분할기로부터 다른 하나의 광선을 큰 입사각으로 시편(9)에 입사시키기 위해 그 광선을 반사시키는 복수의 반사경 (5), (6), (7)과, 상기 시편에서 반사된 광의 세기를 검출하는 적외선 영역 반사광 검지기(17)를 포함하는 장파장의 적외선 영역 반사광 세기 측정장치; 시편의 직상부에 위치하고, 파장이 짧은 가식광선 영역의 레이저광을 시편을 향히 조사하는 가시광선 영역레이저 광원(18), 상기 가시광선 영역 레이저 광원과 시편(9)사이에 설치되고 상기 가시광선 영역 레이저 광선을 2개로 분할하는 광분할기(4), 공간주파수 측정을 위한 신호광으로 사용하기 위해 상기 광 분할기로부터 분할된 하나의 광선을 검출하는 신호광검지기(14)와 상기 광분할기(4)로 부터 분할된 다른 광선이 시편에서 반사되어 나올 때 그 반사광의 세기를 검출하는 가시광선 영역 반사광검지기(15)를 포함하는 단파장의 가시광선 영역 반사광 세기 측정장치; 및 상기 장파장 적외선 영역 반사광 세기 측정장치로 부터 얻은 반사광 세기 측정값을 사용하여 평균표면거칠기 Ra를 산출하고, 상기 평균표면거칠기 Ra 값과 상기 단파장 가시광선 영역 반사광 측정장치에서 얻은 반사광 세기 측정값을 사용하여 자체 상관길이 T 및 그 역수인 공간주파수를 산출하는 제어기; 를 포함하는 강판표면의 평균표면거칠기와 공간주파수를 동시에 측정하기 위한 광학시스템.