KR100751924B1 - 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정장치로서, 측정대상물의 표면에 임의의 측정 광을 투사시켜 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 광학장치부; 상기 광학장치부의 투사광이 측정대상물면에 렌즈 초점을 형성하고, 상기 렌즈 초점을 중심으로 한 광학장치부의 X, Y축 공전이 이루어지도록 상기 광학장치부의 일단을 곡률을 갖는 가이드면을 따라 가이드 하는 광축회전부를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 측정대상물의 측정면에 광학장치부의 투사광 초점이 형성되도록 한 후, 상기 초점이 고정된 상태로 광학장치부의 일단이 회전부의 작동에 의해 공전됨에 따라, 종래의 장치에서 광축 조절 시, 초점이 맞추어진 측정영역이 이동하여 초점을 다시 맞추어야하는 문제점을 방지하는 효과가 있고, 간섭렌즈의 렌즈 초점이 항상 일정하게 유지됨으로서, 측정결과에 대한 정확도가 향상되고 이로 인한 제품의 신뢰성을 얻게 되는 효과가 있다.

Description

3차원 형상 측정장치{Three dimensional shape measuring apparatus}

도 1내지 도 2는 종래기술에 따른 3차원 형상 측정장치의 광축 조절과정을 보인 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치의 전체구성을 보인 사시도.

도 4 내지 도 5는 본 발명에 따른 광학장치부 및 광축회전부를 이용한 광축조절원리를 설명하기 위한 개념도.

도 6은 본 발명에 따른 광축회전부의 구조를 나타낸 사시도.

도 7은 도 6의 광축회전부를 X, Y축으로 습동시키기 위한 습동부의 제 1실시 예를 보인 분해사시도.

도 8은 본 발명에 따른 습동부의 제 2실시 예를 보인 분해사시도.

도 9는 본 발명에 따른 습동부의 제 3실시 예를 보인 분해사시도.

도 10은 본 발명에 따른 습동부의 제 4실시 예를 보인 분해사시도.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 구동장치가 장착된 광축회전부의 구성을 도시한 사시도.

도 12는 도 11의 내부 구성을 보인 종단면도.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 이송테이블 110: 측정대상물

200: 3차원 형상 측정장치 300: 광학장치부

400: 광축회전부 410: 고정프레임

420: X축 회전프레임 430: X축 습동부

431,451: 습동판 432,452: 회전가이드홈

433,453: 미끄럼부재 434,435,454,455: 곡률 가이드판

437,457: 접지홈 440: Y축 회전프레임

450: Y축 습동부 500: 구동장치

510: 수직판체 511: 베어링

520: 동력발생부 530: 축 스크류

540: 이송부재 541: 가압롤러

543: 스프링 550: 회전레버

본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로서, 특히 측정대상물에 대한 렌즈 초점 및 광축 조절 시, 측정영역이 이동되는 문제점이 방지되고, 간섭렌즈의 렌즈 초점이 항상 일정하게 유지되도록 하여 신뢰도가 높은 측정결과를 얻을 수 있도록 하는 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.

최근의 산업계 전분야에 걸친 급속한 기술 발전은 반도체, MEMS, 평판 디스플레이, 광부품 등의 분야에서 미세가공을 요구하고 있으며, 더 나아가 현재는 나노 단위의 초정밀 제조 기술을 요구하는 단계로 진입하고 있다.

이러한 가공에 있어서 요구되는 가공의 형상도 단순한 2차원 패턴에서 이제는 복잡한 3차원 형상으로 변화하고 있으며, 이에 따라 3차원 미세형상을 측정하는 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다.

종래에는 이러한 3차원 형상 측정을 위해 광위상 천이 간섭계 및 백색광 주사 간섭계를 이용한 측정방법을 사용하였는데, 광위상 천이 간섭계 및 백색광 주사 간섭계의 기본적인 측정원리를 설명하면 다음과 같다.

광원으로부터의 조명광을 각각 기준면과 측정면에 조사한 후, 광분할기를 이용해 합쳐서 측정면의 영상과 줄무늬의 간섭신호를 획득한다. 이후, 광 검출소자에서 발생하는 간섭신호의 위상(Phase)을 계산함으로써 높이를 측정하게 된다.

이러한 위상 간섭 측정법은 간섭신호 추적법이라고 해서 간섭신호의 간격이 광원 파장의 반파장에 해당하는 점과 그 사이의 간섭신호 변화를 조화함수로 보간해 간접적으로 간섭신호의 위상을 계산하는 방법을 사용하였다.

상기와 같은 3차원 형상 측정방법은 측정대상물과 광학장치부의 광축이 서로 수직을 이룰 때 정확한 측정이 이루어질 수 있다.

도 1내지 도 2는 종래기술에 따른 3차원 형상 측정장치의 광축 조절과정을 보인 개념도로서 측정대상물(11)과 광학장치부(30)의 광축이 수직을 이루도록 하기 위한 종래기술에 대해 설명한다.

동 도면에서 보여지는 바와 같은 종래기술의 3차원 형상 측정장치는 크게 측정대상물(11)을 이송시키기 위한 이송테이블(10)과, 상기 측정대상물(11) 표면의 3차원 형상을 측정하기 위한 광학장치부(30)로 구성된다.

상기와 같은 종래기술은 광학장치부(30)의 광축에 대해 측정대상물(11)의 표면이 직각상태에 있지 않을 때, 임의의 광축 조절작업을 필요로 하게 된다. 이를 위해 종래기술에서는 도 1내지 도 2에서 보는 바와 같이 회전중심(C1)을 기준으로 이송테이블(10)을 회전시킴으로서, 광축에 대한 측정대상물(11)의 표면이 직각상태가 유지되도록 한다.

그러나, 상기와 같은 종래기술의 3차원 형상 측정장치는 이송테이블(10)을 회전시켜 측정대상물(11) 표면과 광축의 수직상태를 조절하기 때문에 광축 조절 시, 도 2에서 보는 바와 같이 투사광의 초점거리가 L1에서 L2로 변동 되고, 렌즈 초점 또한, P1에서 P2지점으로 변동되어 초점거리 및 측정위치를 다시 조절해주어야 하는 문제가 있다.

이는, 측정 작업에 많은 시간이 소요될 뿐 아니라, 조작이 어려워 측정자의 숙련된 측정기술을 요하게 되는 문제가 있고, 측정결과가 일정하지 않아 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광축 조절 시, 측정영역의 좌우 이동이 방지되고, 간섭렌즈의 렌즈 초점이 항상 일정하게 유지되도록 하여 측정결과에 대한 정확도가 향상되도록 하는 3차원 형상 측정장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 3차원 형상 측정장치로서, 측정대상물의 표면에 임의의 측정 광을 투사시켜 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 광학장치부; 상기 광학장치부의 투사광이 측정대상물면에 렌즈 초점을 형성하고, 상기 렌즈 초점을 중심으로 한 광학장치부의 X, Y축 공전이 이루어지도록 상기 광학장치부의 일단을 곡률을 갖는 가이드면을 따라 가이드 하는 광축회전부를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치의 전체구성을 보인 사시도로서, 동 도면에서 보는 바와 같은 3차원 형상 측정장치(200)는 베이스(2)와 상기 베이스(2) 상면에 수직방향으로 설치되는 스탠드(3)로 이루어진 몸체(1)가 구비되고, 상기 몸체(1)의 베이스(2) 상에는 이송테이블(100)이 X, Y축 방향의 이송이 가능한 상태로 설치되고, 상기 몸체(1)의 스탠드(3) 상에는 광학장치부(300) 및 광축회전부(400)의 결합체가 상하 높낮이 가능한 상태로 장착되는 구성으로 이루어진다.

상기 이송테이블(100) 상면에는 측정 대상물(110)이 탑재되어 광학장치부(300)에 의해 3차원 형상이 측정되는데, 상기 광학장치부(300)는 주지의 기술로서, 개략적인 원리를 설명하면, 광원으로부터 조명광을 각각 기준면과 측정면에 조사한 후, 광분할기를 이용해 합쳐서 측정면의 영상과 줄무늬의 간섭신호를 획득한 후, 광 검출소자에서 발생하는 간섭신호의 위상을 계산함으로써 높이를 측정하게 되는 장치이다. 이때, 상기 광학장치부(300)의 선단에는 조명광을 포커싱하기 위한 간섭대물렌즈(310)가 설치된다.

상기와 같은 본 발명의 광학장치부(300)는 측정대상물(110)의 보다 정확한 3차원 형상 측정을 위해 광축회전부(400)에 의해 지지된 상태로 광축이 조정된다.

도 4 내지 도 5는 본 발명에 따른 광학장치부 및 광축회전부를 이용한 광축조절원리를 설명하기 위한 개념도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치는 측정대상물(110)의 표면에 임의의 측정 광을 투사시켜 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 광학장치부(300)와, 상기 광학장치부(300)를 광축조절 가능한 상태로 지지하도록 된 광축회전부(400)로 구성된다.

이때, 상기 광축회전부(400)는 광학장치부(300)의 투사광이 측정대상물(110) 상면에 형성한 렌즈 초점(P3)을 중심으로 X축 또는 Y축 방향의 공전이 이루어지도록 상기 광학장치부(300)의 일단을 곡률을 갖는 가이드면을 따라 가이드 하는 구성으로 이루어진다.

또한, 본 발명은 광학장치부(300)의 회전중심(C2)과 렌즈 초점(P3) 위치가 동일함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 광축회전부의 구조를 나타낸 사시도로서, 광학장치부(300)가 장착된 상태를 도시하고 있다.

동 도면에서 보여지는 바와 같은 본 발명에 따른 광축회전부(400)의 구성은 고정프레임(410)과, 상기 고정프레임(410)에 양단이 지지되어 X축 방향으로 회동이 이루어지는 X축 회전프레임(420)과, 상기 X축 회전프레임(420)이 소정반경의 곡률을 따라 공전되도록 습동 지지하는 X축 습동부(430)와, 상기 X축 회전프레임(420)에 양단이 지지되어 Y축 방향으로 회동이 이루어지는 Y축 회전프레임(440)과, 상기 Y축 회전프레임(440)이 소정반경의 곡률을 갖는 가이드면을 따라 공전되도록 습동 지지하는 Y축 습동부(450)로 구성된다.

여기서, 상기 광축회전부(400)의 형상은 도 6에서와 같이 사각틀 형상으로 제작하는 것이 바람직한데, 원형이나 기타의 형상으로도 얼마든지 변형이 가능하다.

이때, 상기 고정프레임(410)은 다른 구조물, 이를테면 도 3의 스탠드에 결합되고, 상기 광축회전부(400)의 중심부에 설치된 Y축 회전프레임(440)에 광학장치부(300)의 일단이 설치되도록 하는 것이 바람직하다. 물론, 이와 반대로 고정프레임(410)과 광학장치부(300)의 일단이 결합되고, Y축 회전프레임(440)이 구조물(미도시)에 설치되는 구성도 가능하다.

상기 X, Y축 습동부(430)(450)는 본 발명에 따른 광학장치부(300)를 광축 조절 할 때, 측정대상물(110)에 대한 렌즈 초점(P3) 및 초점거리(L3)가 그대로 유지되도록 하기 위한 구성요소로서, 도 7내지 도 10에서 나타나는 바와 같이 다양한 실시 예가 가능하다.

도 7은 도 6의 광축회전부를 X, Y축으로 습동시키기 위한 습동부의 제 1실시 예를 보인 분해사시도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 상기 X, Y축 습동부(430)(450)는 마주보는 한 쌍의 습동판(431)(451) 각각에 소정곡률로 이루어진 회전가이드홈(432)(452)을 형성하고, 상기 각각의 회전가이드홈(432)(452) 사이에 미끄럼부재(433)(453)를 삽입시켜 습동판(431)(451) 상호 간의 곡면 슬라이드 운동이 이루어지도록 구성된다.

이때, 상기 한 쌍의 습동판(431)(451) 각각은 서로 다른 프레임(예; 고정프레임과 X축 회전프레임 또는 X축 회전프레임과 Y축 회전프레임)에 각각 대향 설치되고, 상기 각각의 습동판(431)(451)에 형성된 회전가이드홈(432)(452)의 곡률은 렌즈 초점(P3)으로부터의 반경곡률과 동일하게 형성된다.

그리고, 상기 미끄럼부재(433)(453)는 도 7에서 보는 바와 같은 볼 또는 롤러, 베어링 등이 사용될 수 있다. 도면에서는 볼과, 롤러, 베어링을 모두 도시하고 있으나, 이중 어느 하나만을 선택적으로 사용할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 습동부의 제 2실시 예를 보인 분해사시도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같은 상기 X, Y축 습동부(430)(450)는 마주보는 한 쌍의 습동판(431)(451)이 서로 다른 프레임에 대향 설치된다. 이때, 상기 일측의 습동판(431)(451)에 소정곡률로 돌출되는 곡률가이드부(435)(455)가 형성되고, 이와 대향되는 타측의 습동판(431)(451)에 상기 곡률가이드부(435)(455)의 상/하측 곡면을 지지하기 복수개의 미끄럼부재(433)(453)의 회전중심축이 고정설치된다.

물론, 상기 곡률가이드부(435)(455)의 곡률은 렌즈 초점(P3)으로부터의 반경곡률과 동일하게 형성되고, 상기 미끄럼부재(433)(453)는 도 8에서 보는 바와 같은 롤러 및 베어링 등이 사용될 수 있다. 도면에서는 롤러와 베어링을 모두 도시하고 있으나, 이중 어느 하나만을 선택적으로 사용할 수도 있다.

도 9는 본 발명에 따른 습동부의 제 3실시 예를 보인 분해사시도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같은 상기 X, Y축 습동부(430)(450)는 서로 다른 프레임에 대향 설치되는 한 쌍의 습동판(431)(451) 각각에 상호 겹쳐지는 한 쌍의 곡률가이드부(435)(455)를 돌출 형성하는 구성으로 이루어진다.

이때, 상기 한 쌍의 곡률가이드부(435)(455)는 겹쳐지는 한 부분에서 상호 일치하는 동일 곡면 접지부(435a)(455a)를 형성하게 되는데, 상기 동일 곡면 접지부(435a)(455a)의 곡률은 렌즈 초점(P3)으로부터의 반경곡률과 동일하게 형성하게 된다.

도 10은 본 발명에 따른 습동부의 제 4실시 예를 보인 분해사시도로서, 도 9의 구성에서 한 쌍의 곡률가이드부(435)(455)이 이루는 곡면 접지부(435a)(455a)에 상호 대향되는 접지홈(437)(457)을 형성시켜 상기 접지홈(437)(457) 내에 미끄럼부재(433)(453)가 삽입 설치되도록 할 수 있다. 이때, 상기 미끄럼부재(433)(453)는 도 9에서와 같은 롤러는 물론 볼 및 베어링 등이 사용될 수 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 광학장치부(300) 및 광축회전부(400)는 별도의 구동장치(500)에 의해 자동 또는 수동 조작될 수 있는데, 이하 도 11내지 도 12를 참조하여 구동장치(500)에 대해 자세히 설명한다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 구동장치가 장착된 광축회전부의 구성을 도시한 사시도 이고, 도 12는 도 11의 내부 구성을 보인 종단면도 이다.

동 도면에서 보여 지는 바와 같은 본 발명의 구동장치(500)는 일 측벽 내면에 습동부(430)(450)가 설치되는 기준프레임(410)(420)과, 상기 측벽 상면에 소정 거리 떨어져 대향 설치되는 한 쌍의 수직판체(510)와, 상기 어느 일측의 수직판체(510)에 설치되는 동력발생부(520)와, 상기 동력발생부(520)로부터 회전력을 전달받아 회전되는 한 쌍의 수직판체(510) 사이에 베어링(511) 고정되는 축 스크류(530)와, 상기 축 스크류(530) 상에 나사 결합되어, 상기 스크류(530)의 회전에 따라 좌, 우 이송되는 이송부재(540)와, 상기 이송부재(540)의 직선운동에 연동되어 축 회전 운동되는 회전레버(550)와, 상기 기준프레임(410)(420)과 대향 설치되는 측벽 상면 중앙에 회전레버(550)의 일단이 결합되도록 한 회동프레임(420)(440)으로 구성된다.

상기 구동장치(500)는 도 11 내지 도 12에서 보는 바와 같이 기준프레임 즉, 고정프레임(410)과 X축 회전프레임(420)에 각각 고정 설치되어 동력발생부(520)로부터 회전력을 전달받아 좌우 이송되는 이송부재(540)에 의해 회동프레임 즉, X축 회전프레임(420)과 Y축 회전프레임(440)의 회동상태를 제어 할 수 있게 된다.

이때, 상기 동력발생부(520)는 전자제어가 가능한 스탭핑 모터 또는 수동제어가 가능한 핸들이 사용될 수 있다.

또한, 상기 회전레버(550)는 일단이 회동프레임에 고정결합되고, 타단이 이송부재(540)에 연동 결합되는데, 상기 이송부재(540)의 하단에는 회전레버(550)의 타단을 연동시키기 위한 한 쌍의 가압롤러(541)가 설치된다.

이때, 상기 가압롤러(541) 중 어느 일측은 스프링(543) 장력에 의해 가변되는 구조를 갖는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치(200)는 도 4내지 도 5에 나타낸 바와 같이 측정대상물(110)의 표면이 평탄하지 않을 경우, 광축과 측정대상물(110)의 표면을 직각상태로 조정하기 위하여 사용된다.

이를 위해서 측정자는 광학장치부(300)를 적정 각만큼 회전시켜 광축을 조정시키게 되는데, 이를 위해 구동장치(500)의 동력발생부(520)를 구동시키도록 한다.

상기 동력발생부(520)는 스탭핑모터에 의한 자동제어 또는 핸들 조작에 의한 수동제어가 가능한데, 이와 연동된 축 스크류(530)의 회전량을 제어함으로서, 이송부재(540)의 이송거리가 제어되도록 한다.

상기 이송부재(540)의 하단은 회동프레임에 고정 결합된 회전레버(55)와 연동됨으로서, 회전프레임 즉 X축 회전프레임(420)과 Y축 회전프레임(440)을 회동시키게 된다.

상기 X축 회전프레임(420)과 Y축 회전프레임(440)은 각각 X, Y축 습동부(430)(450)에 의해 지지되는 상태로서, 상기 광축회전부(400)의 X, Y축 습동부(430)(450)가 측정대상물(110) 표면의 렌즈 초점(P3)으로부터의 거리를 반경으로 하는 곡률을 따라 회전되도록 설계됨에 따라서, 상기 광학장치부(300)의 광축이 렌즈 초점(P3)을 기준으로 공전하게 된다.

이로 인해, 본 발명의 3차원 형상 측정장치는 광축 조절 시에 렌즈 초점(P3) 및 회전중심(C2)이 변화되지 않아 측정결과를 신뢰할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 측정대상물의 측정면에 광학장치부의 투사광 초점이 형성되도록 한 후, 상기 초점이 고정된 상태로 광학장치부의 일단이 회전부의 작동에 의해 공전됨에 따라, 광축 조절 시, 측정영역의 좌우 이동이 발생되는 것을 방지하는 효과가 있고, 간섭렌즈의 렌즈 초점이 항상 일정하게 유지됨으로서, 측정결과에 대한 정확도가 향상되고 이로 인한 제품의 신뢰성을 얻게 되는 효과가 있다.

또한, 렌즈 초점 및 광축 조절작업이 간단하고, 정확히 이루어짐에 따라, 측정작업이 간편하고 빠르게 이루어지고, 조작이 간편한 이점이 있다.

Claims (5)

1. 3차원 형상 측정장치로서,

   측정대상물의 표면에 임의의 측정 광을 투사시켜 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 광학장치부;

   상기 광학장치부의 투사광이 측정대상물면에 렌즈 초점을 형성하고, 상기 렌즈 초점을 중심으로 한 광학장치부의 X, Y축 공전이 이루어지도록 상기 광학장치부의 일단을 곡률을 갖는 가이드면을 따라 가이드 하는 광축회전부를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광축회전부는 고정프레임과,

   상기 고정프레임에 양단이 지지되어 X축 방향으로 회동이 이루어지는 X축 회전프레임과,

   상기 X축 회전프레임이 소정반경의 곡률을 따라 공전되도록 습동 지지하는 X축 습동부와,

   상기 X축 회전프레임에 양단이 지지되어 Y축 방향으로 회동이 이루어지는 Y축 회전프레임과,

   상기 Y축 회전프레임이 소정반경의 곡률을 따라 공전되도록 습동 지지하는 Y 축 습동부를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
3. 3차원 형상 측정장치로서,

   측정대상물의 표면에 임의의 측정 광을 투사시켜 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 광학장치부;

   상기 광학장치부의 투사광이 측정대상물면에 렌즈 초점을 형성하고, 상기 렌즈 초점을 중심으로 한 광학장치부의 X, Y축 공전이 이루어지도록 상기 광학장치부의 일단을 곡률을 갖는 가이드면을 따라 가이드 하는 광축회전부 및

   상기 광축회전부의 X, Y축 방향으로의 회동을 제어시키기 위한 구동장치;

   를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 구동장치는 일 측벽 내면에 습동부가 설치되는 기준프레임과,

   상기 측벽 상면에 소정 거리 떨어져 대향 설치되는 한 쌍의 수직판체와,

   상기 어느 일측의 수직판체에 설치되는 동력발생부와,

   상기 동력발생부로부터 회전력을 전달받아 회전되도록 한 쌍의 수직판체 사이에 베어링 고정되는 축 스크류와,

   상기 축 스크류 상에 나사 결합되어, 상기 스크류의 회전에 따라 좌, 우 이송되는 이송부재와,

   상기 이송부재의 직선운동에 연동되어 축 회전 운동되는 회전레버와,

   상기 기준프레임과 대향 설치되는 측벽 상면 중앙에 회전레버의 일단이 결합되도록 하는 회동프레임으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 동력발생부는 스탭핑 모터를 이용한 전자제어 또는 핸들 조작에 따른 수동제어가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.

Images