KR100527003B1 - 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체의 도함수 영상을 입력받아 비접촉방식으로 결함의 정도를 측정할 수 있도록 한 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치에 관한 것으로, 검사대상 물체에 레이저 광을 조사하기 위한 레이저와, 레이저 광이 검사대상 물체에 조사됨에 따라 그 조사면으로부터 산란된 채 반사되어진 광을 수광(또는 집광)하기 위한 영상결상렌즈와, 수광(또는 집광)된 광을 분할하는 한편 광로(光路)를 변경하기 위한 영상분할장치와, 분할된 일부의 광을 영상분할장치측으로 반사하기 위한 거울과, 거울을 통하여 반사되어진 분할광에 포함된 검사대상 물체의 영상정보를 획득하기 위한 영상입력장치와, 영상분할장치에서 분할된 나머지 광이 영상입력장치에 기 맺혀진 영상과 그 중심점이 소정거리 비껴 맺히도록 광로를 소정각 조절하는 한편 다시 영상분할장치를 거쳐 영상입력장치에 입사되도록 반사하기 위한 반사각조절거울과, 영상입력장치로부터 획득된 검사대상 물체의 변형 전, 변형 후의 영상 중 일측 영상에서 타측 영상을 뺀 다음 이를 적분처리하여 측정자가 판독할 수 있도록 2차원 형태의 영상으로 모니터상에 디스플레이하는 영상처리 및 측정부 제어장치가 구비된다.

Description

도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치{METHOD AND OPTICAL DEFECT MEASUREMENT SYSTEM BY USING DIFFERENTIAL IMAGE}

본 발명은 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물체의 도함수 영상을 이용하여 비접촉방식으로 결함의 정도를 검사할 수 있도록 한 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치에 관한 것이다.

일반적으로 물체의 결함을 측정함에 있어 초음파 검사방법을 사용하였다.

초음파 검사방법은 Piezoelectric소자를 이용하여 초음파를 발생시키고 Piezoelectric 소자를 이용 신호를 검출하고 있다. 이 초음파 검사방법은 초음파가 검사대상 물체로 잘 전달되게 하기 위하여 센서를 검사대상 물체에 직접 접촉시키거나 초음파를 잘 전달시킬 수 있는 매질을 사용해야만 한다. 따라서 열악한 산업현장에 적용하고자 할 때 여러가지 어려움, 일례로 검사대상 물체의 형태가 불규칙한 경우 센서 접촉에 어려움이 있고, 좁은 주파수 대역폭을 갖는 Piezoelctric 소자의 특성상 미세흠 검출이 어렵다는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라 검사대상 물체의 표면에 초음파를 잘 전달시킬 수 있는 매질을 전처리하여야 하는 문제와 그에 따라 인위적인 처리로 인한 측정오차 및 오차를 보정하기 위한 복잡한 계산처리과정을 거쳐야 한다는 문제점이 있었다.

이에 따라, 근래 검사대상 물체에 물리적인 접촉을 하지 않고, 검사대상에 영향을 주지않는 비접촉방식의 광학 결함 검사방법이 제안되었다. 이 광학 결함 검사방법은 조사된 레이저 광이 검사대상 물체에서 산란될 때, 이 산란광들은 검사대상 물체의 형상이나 표면상태 등의 정보를 가지게 되는 바, 이 정보들을 영상화하여 가시화함으로써 검사대상 물체의 변형 또는 결함정도를 분석할 수 있게된다.

이에 본 발명에서는 검사대상 물체의 변형 또는 결함정도를 용이하게 분석할 수 있도록 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 전술한 바와 같이, 검사대상 물체의 변형 또는 결함정도를 용이하게 분석할 수 있도록 검사대상 물체의 도함수 영상을 구하고, 이 도함수 영상을 수학적 적분처리함으로써 검사대상 물체의 실제 변형정보를 획득할 수 있는 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 소량의 광학 부품을 사용함으로써 제작비용이 저렴할 뿐만 아니라 결함의 크기와 변형정보를 손쉽게 획득할 수 있도록 한 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 검사대상 물체에 레이저 광을 조사하기 위한 레이저와, 레이저 광이 검사대상 물체에 조사됨에 따라 그 조사면으로부터 산란된 채 반사되어진 광을 수광(또는 집광)하기 위한 영상결상렌즈와, 수광(또는 집광)된 광을 분할하는 한편 광로(光路)를 변경하기 위한 영상분할장치와, 분할된 일부의 광을 영상분할장치측으로 반사하기 위한 거울과, 거울을 통하여 반사되어진 분할광에 포함된 검사대상 물체의 영상정보를 획득하기 위한 영상입력장치와, 영상분할장치에서 분할된 나머지 광이 영상입력장치에 기 맺혀진 영상과 그 중심점이 소정거리 비껴 맺히도록 광로를 소정각 조절하는 한편 다시 영상분할장치를 거쳐 영상입력장치에 입사되도록 반사하기 위한 반사각조절거울과, 영상입력장치로부터 획득된 검사대상 물체의 변형 전, 변형 후의 영상 중 일측 영상에서 타측 영상을 뺀 다음 이를 적분처리하여 측정자가 판독할 수 있도록 2차원 형태의 영상으로 모니터상에 디스플레이하는 영상처리 및 측정부 제어장치가 구비된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법 및 그 검사장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치의 구성도이다. 동도에 도시한 바와 같이, 본 발명은 크게 측정부(10)와 제어부로 구성되는 바, 측정부(10)는 검사대상 물체에 레이저 광을 조사하기 위한 레이저(1)와, 레이저 광이 검사대상 물체(Object)에 조사됨에 따라 그 조사면으로부터 산란된 채 반사되어진 광을 수광(또는 집광)하기 위한 영상결상렌즈(2)와, 수광(또는 집광)된 광을 분할하는 한편 광로(光路)를 변경하기 위한 영상분할장치(3)와, 분할된 일부의 광(이하, 일 분할광이라 한다)이 다시 영상분할장치(3)를 거쳐 후술하는 영상입력장치(6)에 입사되도록 일 분할광을 반사하기 위한 거울(4)과, 거울(4)을 통하여 반사되어진 분할광에 포함된 검사대상 물체의 영상정보를 획득하기 위한 영상입력장치(6)와, 영상분할장치(3)에서 분할된 나머지 광(이하, 타 분할광이라 한다)이 영상입력장치(6)에 기 맺혀진 영상(일 분할광에 의해 맺혀진 영상)과 그 중심축이 비껴 맺히도록 타 분할광의 광로를 소정각 조절하는 한편 다시 영상분할장치(3)를 거쳐 영상입력장치(6)에 입사되도록 반사하기 위한 반사각조절거울(4)이 구비된다.

또한, 제어부는 영상입력장치(6)에 맺힌 검사대상 물체의 영상정보를 소정의 프로그램에 의해 연산 처리함으로써 대상물체의 변형정도(또는 결함)를 검출하기 위한 영상처리 및 측정부 제어장치(8)가 구비된다.

그리고 미설명부호 7은 영상정보 및 제어신호 등을 송수신하기 위한 전송선이다.

전술한 구성요소 중 레이저(1)는 간섭성이 우수한 것이라면 어느 것을 사용하여도 좋을 것이다.

또, 영상입력장치(6)에 영상이 맺히도록 광을 반사하여 입사시키는 거울(4)과 반사각조절거울(5)은 영상분할장치(3)로부터 동일한 거리에 위치된다.

또한, 거울은 레이저의 위상을 조정할 수 있도록 그 이송을 위한 이송장치가 구비된다.

또, 반사각조절거울(5)은 영상입력장치(6)에 영상이 x축 그리고(또는) y축으로 비껴 맺히도록 광로를 소정각 제어한다.

또한, 영상의 비껴 맺힘의 정도는 기 영상의 중심축으로부터 대략 10mm 범위로 정하는 것이 보다 바람직하다.

또, 영상입력장치(6)는 사람의 눈으로 볼 수 없는 적외선 영역의 이미지를 촬영하기 위한 것으로 통상의 CCD카메라(Charge Coupled Devices Camera)로 양호하게 구현된다.

또한, 영상처리 및 측정부 제어장치(8)는 영상입력장치(6)로부터 촬영된 영상을 저장하는 통상의 디지털 메모리와, 디지털 메모리에 저장된 대상물체의 변형 전 영상과 변형 후 영상을 읽어들여 소정의 프로그램에 의해 물체의 변형정도(또는 결함)을 판독할 수 있도록 하고, 측정부의 각 요소를 필요에 따라 제어한다. 여기서, 소정의 프로그램에 의해 검사대상 물체의 변형정도(또는 결함)을 판독하는 과정은 후술한다.

도 2는 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치의 작동 상태도이다. 동도에 도시한 바와 같이, 레이저(1)로부터 조사된 레이저 광은 검사대상 물체의 표면에서 반사되고, 이때 검사대상 물체의 표면 조도에 의해 난반사된 산란광이 영상결상렌즈(2)를 통하여 수광된다. 수광된 광은 영상분할장치(3)에 의해 분할되고 분할된 광 중 일부는 거울(4)을 통하여 반사되며, 그 반사된 광이 다시 영상분할장치(3)를 거쳐 영상입력장치(6)로 입사된다. 그 결과, 검사대상 물체의 표면상태 정보를 갖는 영상이 영상입력장치(6)에 맺히게된다. 여기서, 검사대상 물체가 정적인 상태인 경우 검사대상 물체로부터 반사된 광은 동일한 위상을 가지고 계속적으로 동일한 경로상을 진행하게 된다.

한편, 영상분할장치(3)를 통하여 분할된 나머지 광은 반사각조절거울(5)을 통하여 광로가 소정각 변경된 채 반사되고, 그 반사된 광이 다시 영상분할장치(3)를 거쳐 영상입력장치(6)로 입사된다. 그 결과, 영상입력장치(6)에는 기 맺혀진 영상과 그 중심축이 일치하지 않는 영상이 비껴 맺히게된다. 여기서, 검사대상 물체에 외력이나 열이 작용한 경우 검사대상 물체에 변형이 발생되는 바, 검사대상 물체의 표면으로부터 반사된 광은 그 위상 및 광로가 변하게된다. 따라서, 검사대상 물체에 변형이 발생되었을 때 변형에 대한 정보는 광의 위상 및 경로 변화로 나타나고 그에 따른 영상과 기 저장된 기준영상과의 영상처리를 통하여 검사대상 물체의 변형에 대한 영상정보를 얻을 수 있다.

본 발명은 전술한 바와 같이, 검사대상 물체의 영상이 영상입력장치(6)에서 비껴 맺히도록 하여, 이를 이용한다. 즉, 거울(4)과 반사각조절거울(5)에 의해 검사대상 물체의 영상이 영상입력장치(6)에서 서로 겹치는 부분과 겹치지 않는 부분이 발생하게된다. 이와 같은 영상을 변형 전과 변형 후로 각각 측정하고, 일측 영상에서 타측 영상을 빼 미분영상을 얻는다. 미분영상이라 함은 1차 수학함수를 미분함으로써 상수항이 제거되는 것과 같다. 따라서 미분형태의 영상은 외부로부터 발생된 노이즈(Noise)가 제거된 형태이다. 이와 같은 미분형태의 영상, 즉 도함수 영상을 취득함으로써 물체의 내부 결함 측정이 보다 용이해진다.

검사대상 물체의 내부 변형이 외부로 나타날 때 볼록한 산(山)의 형태를 띄게된다. 이를 미분 형태로 표현하게되면 산(山) 형태의 변형 내측에 2개의 산(山) 형태로 표현된다. 즉, 2개의 등고선 형태의 무늬가 나타나 결함의 시작과 끝에서 산(山)의 봉우리가 형성된다. 이는 수학함수에서 정점은 기울기가 0인 점으로 기울기가 음에서 양으로 또는 양에서 음으로 바뀌는 것을 의미하는 것으로 해석되어질 수 있다. 이처럼 금속재료의 변형에 있어 그 변형의 정도가 극히 미소함으로 결함을 직접 측정하는 것보다 본 발명과 같이 미분형태로 측정하는 것이 보다 정밀도를 향상시킬 수 있다. 결국, 이와 같은 2개의 산(山) 형태로 나타나는 영상을 통하여 큰 물체의 내부 결함 위치 및 그 크기를 쉽게 측정할 수 있다.

이후, 얻어진 도함수 영상을 통상의 소프트웨어로 적분처리할 경우 대상 물체의 변형량을 정확히 측정할 수 있게된다.

도 3은 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치를 이용하여 측정한 검사대상 물체의 변형 형태를 실제 변형과 비교한 예시도이다.

동도에 도시된 바와 같이, 검사대상 물체는 그 내부의 결함으로 그 내부 압력에 의해 결함부위가 외부로 팽창되어 볼록하게 변형되었음을 보여준다. 이와 같은 검사대상 물체의 변형을 본 발명에서는 미분형태로 나타냄으로써 미세한 변형을 더욱 두드러지게 표현할 수 있고, 두 영상의 이격거리를 조정함으로써 검사대상 물체의 결함 크기를 측정할 수 있음을 상기 도면으로부터 알 수 있다. 미설명부호 P-P'의 거리는 실제적인 결함의 크기이다.

다음은 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법에 대하여 설명한다.(측정부에 대한 상세한 설명은 전술하였으므로 생략한다.)

먼저, 검사대상 물체로부터 반사된 레이저 광을 수광(또는 집광)하여서 이를 2개의 광으로 분할한 다음 두 개의 영상이 영상입력장치(6)에 비껴 맺히도록 한다.

그 중심점이 소정거리 비껴 맺힌 영상을 물체의 변형 전과 변형 후로 나누어 각각 메모리상에 저장한다.

메모리상에 저장된 일측 영상으로부터 타측 영상을 빼 도함수 영상을 구한다.

이후, 위 도함수 영상을 적분처리하고 이를 측정자가 판독할 수 있도록 2차원 형태의 영상으로 가시화하여 모니터상에 디스플레이한다.

그 결과, 측정자가 물체의 변형상태를 즉시 시각적으로 확인할 수 있게된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 검사대상 물체의 변형정도를 비접촉방식으로 측정함으로써 물체의 상태(일례로 전류가 흐르거나 고온상태, 또는 형상이 복잡한 경우 등)에 영향을 받지 않는다. 또한, 처리결과를 측정과 동시에 가시화하여 이를 모니터상에 디스플레이함으로써 측정자가 물체의 변형상태를 즉시 시각적으로 확인할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치의 작동 상태도,

도 3은 본 발명에 따른 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치를 이용하여 측정한 검사대상 물체의 변형 형태를 실제 변형과 비교한 예시도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 레이저 2 : 영상결상렌즈

3 : 영상분할장치 4 : 거울

5 : 반사각조절거울 6 : 영상입력장치

7 : 전송선 8 : 영상처리 및 측정부 제어장치

Claims (4)

1. 레이저를 이용하여 검사대상 물체의 결함 정도를 측정할 수 있도록 된 광학 결함 검사장치에 있어서,

   검사대상 물체에 레이저 광을 조사하기 위한 상기 레이저와, 레이저 광이 상기 검사대상 물체에 조사됨에 따라 그 조사면으로부터 산란된 채 반사되어진 광을 수광(또는 집광)하기 위한 영상결상렌즈와, 수광(또는 집광)된 광을 분할하는 한편 광로(光路)를 변경하기 위한 영상분할장치와, 분할된 일부의 광을 상기 영상분할장치측으로 반사하기 위한 거울과, 상기 거울을 통하여 반사되어진 분할광에 포함된 상기 검사대상 물체의 영상정보를 획득하기 위한 영상입력장치와, 상기 영상분할장치에서 분할된 나머지 광이 상기 영상입력장치에 기 맺혀진 영상과 그 중심점이 비껴 맺히도록 광로를 조절하는 한편 다시 상기 영상분할장치를 거쳐 영상입력장치에 입사되도록 반사하기 위한 반사각조절거울과, 상기 영상입력장치로부터 획득된 상기 검사대상 물체의 변형 전, 변형 후의 영상 중 일측 영상에서 타측 영상을 뺀 다음 이를 적분처리하여 측정자가 판독할 수 있도록 2차원 형태의 영상으로 모니터상에 디스플레이하는 영상처리 및 측정부 제어장치가 구비된 것을 특징으로 하는 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치.
2. (삭제)
3. 제 1항에 있어서,

   상기 영상입력장치에 영상이 맺히도록 광을 반사하여 입사시키는 상기 거울과 상기 반사각조절거울은 상기 영상분할장치로부터 동일한 거리에 위치된 것을 특징으로 하는 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사장치.
4. 레이저를 이용한 물체의 결함 검사방법에 있어서,

   검사대상 물체로부터 반사된 레이저 광을 수광(또는 집광)하여서 이를 2개의 광으로 분할한 다음 두 개의 영상이 영상입력장치에 비껴 맺히도록 하는 과정과,

   그 중심점이 소정거리 비껴 맺힌 영상을 상기 물체의 변형 전과 변형 후로 나누어 각각 메모리상에 저장하는 과정과,

   상기 메모리상에 저장된 일측 영상으로부터 타측 영상을 빼 도함수 영상을 얻는 과정과,

   얻어진 상기 도함수 영상을 적분처리하고 이를 측정자가 판독할 수 있도록 2차원 형태의 영상으로 가시화하여 모니터상에 출력하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 도함수 영상을 이용한 광학 결함 검사방법.