상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시간 3차원 형상 측정 시스템은, 광원(1); 상기 광원(1) 전방에 구비되는 렌즈(2); 상기 렌즈(2)를 통과하여 나온 광을 측정 대상물(7) 쪽으로 방향을 전환시키는 제1광분리기(4); 상기 제1광분리기(4)에 의하여 상기 측정 대상물(7) 쪽으로 진행되는 광을 굴절시켜 초점을 만드는 대물 렌즈(5); 상기 대물 렌즈(5)를 통과하여 나온 광을 수직 성분인 P파와 수평 성분인 S파로 분리하여 상기 측정 대상물(7)과 기준 미러(8)로 각각을 입사시키는 제1편광 광분리기(6); 상기 제1편광 광분리기(6)를 기준으로 상기 대물 렌즈(5)의 반대편 쪽에 위치하며, 상기 측정 대상물(7) 및 상기 기준 미러(8) 각각으로부터 반사된 P파 및 S파가 합쳐져 입사되고, 입사된 광을 변환시키는 제1파장판(9); 광을 굴절시켜 초점을 만들어 결상하는 FOV 렌즈(10); 상기 FOV 렌즈(10)를 통과하여 나온 광을 분리하는 제2광분리기(11); 상기 제2광분리기(11)에서 일측으로 분리되어 나온 광을 수직 성분과 수평 성분으로 분리하여 카메라 A와 카메라 B로 각각을 입사시키는 제2편광 광분리기(13); 상기 제2광분리기(11)에서 타측으로 분리되어 나온 광을 변환시키는 제2파장판(14); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은 상기 제2파장판(14)을 통과하여 나온 광을 수직 성분과 수평 성분으로 분리하여 카메라 C와 카메라 D로 각각을 입사시키는 제3편광 광분리기(15); 를 더 포함하여 이루어지거나, 또는 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은 상기 제2파장판(14)을 통과하여 나온 광의 수직 성분만을 또는 수평 성분만을 통과시켜 카메라 C에 입사시키는 편광판; 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 제1 및 제2파장판(9, 14)은 상기 제1파장판(9)이 반파장판(Half Wave Plate, HWP)이고 상기 제2파장판(14)이 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)인 세트로 이루어지거나, 또는 상기 제1파장판(9)과 제2파장판(14) 모두가 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)인 세트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은 상기 제2광분리기(11)와 상기 제2편광 광분리기(13) 사이의 광경로 상에 구비되며 상기 제2파장판(14)과 동일한 규격 및 재질로 이루어지는 보상판(12); 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원(1)은 단색광 또는 레이저이거나, 또는 상기 광원(1)은 백색광이며, 광경로 상에 광학 필터(3)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1파장판(9) 및 상기 FOV 렌즈(10)는 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 제1파장판(9)을 통과한 후 FOV 렌즈(10)를 통과하여 결상하거나, 또는 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 FOV 렌즈(10)를 통과한 후 상기 제1파장판(9)을 통과하여 결상하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 실시간 3차원 형상 측정 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
광 위상 간섭법에서의 높이 측정 방법에 사용되는 수학식 1에서,
는 도 측정면 상의 (x, y) 좌표에서의 광강도로서 측정 가능한, 즉 알고 있는 값이지만, 나머지 값들 즉
,
,
의 세 가지 값은 미지수로 남아 있다. 이 때 구하고자 하는 것은 매개변수 값
이므로, 상기 수학식 1을 이용하여 최소한 3가지 간섭 영상에서의
를 측정하면, 3개의 미지수에 대하여 3개의 방정식을 얻을 수 있게 되므로 매개변수 값
를 구할 수 있게 된다. 이론적으로는 3가지 간섭 영상만을 가지면 매개변수 값
를 구할 수 있게 되지만, 실제로는 실험 오차, 노이즈 등의 여러 가지 요인이 있으므로 일반적으로 3개 이상의 간섭 영상을 가지고
를 구하는 경우가 많다. 하기의 수학식 3에는 이와 같이
를 구하는 다양한 방법에서의 각 공식들이 기재되어 있다. 하기의 각 식들에서,
는 어떤 한 (x, y) 점에 대하여 서로 다른 간섭 영상들에서의 광강도 값들이다.
상기 수학식 3에 보인 식들 외에도 A-bucket 등과 같은 다양한 위상 계산 수식이 존재하고 있다.
종래에는 상술한 바와 같이 위상이 다른 광강도를 얻기 위해서 기준면( 또는 기준 미러)을 미소 간격씩 이동시켰다. 도 5는 위상이 다른 광강도를 갖는 영상들을 얻는 종래 방법을 상세히 도시한 것이다. 예를 들어 3개의 광강도 값만을 가지고 측정물의 표면 형상을 측정하려고 하며, 위상이 각각 0
, 90
, 180
인 광강도 값이 필요하다고 하자. 이 경우, 종래에는 미소 구동 메커니즘이 1번째 영상을 1장 획득하고, 사용 광원 파장(
)의 1/8만큼 이동한 후 2번째 영상을 획득하며, 마지막으로 사용 광원 파장(
)의 1/4만큼 이동한 후 3번째 영상을 획득한다. 이 때, 1번째 영상은 0
일 때의 광강도 값, 2번째 영상은 90
일 때의 광강도 값, 3번째 영상은 180
일 때의 광강도 값을 각각 얻을 수 있게 해 주며, 이를 이용하여 측정면의 3차원 형상을 복원할 수 있다. 이 때 획득하는 영상의 개수
N은 사용하고자 하는 알고리즘에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따른 기준면( 또는 기준 미러)의 이동량은 광원 파장(
)를
N등분한 값으로 정해진다. 일반적으로는 기준면( 또는 기준 미러)을 이동시키지만, 측정물을 이동시켜도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 그런데, 상술한 바와 같이 이와 같은 구조의 간섭계에서는 물체나 미러를 이동시켜야 하며, 최소 3장 이상의 간섭 무늬 영상을 얻어야 하므로 3차원 형상을 측정하기 위하여 2번 이상 이동을 시키는 과정에서 많은 시간이 소요되며, 이 사이에 물체의 진동이나 간섭 렌즈의 미소한 진동 등으로 인한 물체와 렌즈 사이의 거리가 조금만 변하여도 측정 결과에 심각한 영향을 미치게 된다.
도 6은 본 발명에 의한 실시간 3차원 형상 측정 시스템을 도시한 것이며, 도 7a 내지 도 7d는 도 6에서 각 A, B, C, D 점에서의 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 파형을 3차원으로 도시하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 광원(1)에서 나온 광은 렌즈(2)를 거쳐 제1광분리기(Beam Splitter, 4)로 유입된다. 이 때 상기 광원(1)은, 단색광이거나, 레이저이거나, 또는 상기 광원(1)으로는 백색광을 사용하되 광학 필터(3)를 통과시켜 단색광으로 만들어 사용하도록 하는 등의 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1광분리기(4)에서 반사된 광은 대물 렌즈(5)를 통과하여 제1편광 광분리기(Polarization Beam Splitter, 6)를 거쳐 측정 대상물(7)로 조사된다. 이 때, 상기 제1편광 광분리기(6)는 상기 대물 렌즈(5)를 통과한 광을 수직 성분 및 수평 성분의 편광으로 분리시켜, 수직 성분인 P파는 상기 측정 대상물(7)로 조사되며, 수평 성분인 S파는 기준 미러(Reference Mirror, 8)로 조사된다. 이 때, 상기 측정 대상물(7)로부터 반사된 P파가 측정광이 되며, 상기 기준 미러(8)로부터 반사된 S파가 기준광이 된다.
측정광(P파)과 기준광(S파)이 각각 반사되어 상기 제1편광 광분리기(6)를 통과하며 합쳐진 후 상기 대물 렌즈(5)를 통과하여, 제1파장판(Wave Plate, 9)을 지나 FOV(Field of View) 렌즈(10)를 통해 A, B, C, D의 카메라에 영상이 전달되게 된다. 이 때, 상기 제1파장판(9)은
/2 파장판 즉 반파장판(Half Wave Plate, HWP)으로서, 반파장판을 통과한 상기의 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 기존의 편광 방향(도 7a 내지 도 7d에서 P, S평면)에 대하여 45
만큼 회전(도 7a 내지 도 7d에서 y, x평면)하도록 설치한다. 따라서 상기 제1파장판(9)을 통과한 측정광(P파)과 기준광(S파)은 기존의 편광 방향에 대하여 45
만큼 회전하여, 즉 도 7a(A) 및 도 7b(A)에 도시된 바와 같은 형태가 되어 진행하게 된다. 이와 같이 회전된 광은, 제2광분리기(11)을 지나면서 A, B쪽과 C, D쪽으로 분리된다.
도 7a 및 도 7b는 각각 A점 및 B점에서의 45
회전된 측정광 및 기준광을 도시하고 있다. 도 7a 및 도 7b에서 P축 및 S축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과하기 전의 P파 및 S파의 편광 방향이며, y축 및 x축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과한 후의 편광 방향이다.
A, B쪽으로 들어온 45
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 제2편광 광분리기(13)에서 수직 방향(P축 방향)과 수평 방향(S축 방향)의 편광 성분으로 나뉘면서 광간섭을 일으킨다. 이 때, A점에서는 45
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 수직 성분들끼리 간섭이 일어난 영상을 받게 되며, B점에서는 45
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 수평 성분들끼리 간섭이 일어난 영상을 받게 된다. 45
회전된 상태에서 수직 성분들끼리 합쳐지면 도 7a(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 0
가 되며, 수평 성분들끼리 합쳐지면 도 7b(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 180
가 된다. 따라서 A점을 기준으로 하였을 때, A점에서는 측정광(P파) 및 기준광(S파)사이의 위상차가 0
인 영상을, B점에서는 측정광(P파) 및 기준광(S파)사이의 위상차가 180
인 영상 을 얻을 수 있게 되는 것이다.
C, D쪽으로 들어온 45
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 제2파장판(14)를 통과한다. 이 때, 상기 제2파장판(14)은
/4 파장판, 즉 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)으로서, 사분파장판은 그 결정 방향과 편광 방향의 각도 조절에 따라 선형 편광을 원형 편광으로 변화시킬 수 있는 성질을 가지고 있다.
따라서 상기 제2파장판(14)의 결정 방향 설치 각도를 조절하여 45
회전된 측정광(P파)과 기준광(S파)의 위상이 90
만큼 차이가 나도록 할 수 있으며, 도 7c 및 도 7d는 각각 C점 및 D점에서의 45
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 사분파장판(즉 제2파장판(14))을 통과 하면서 90
위상 차이가 발생한 것을 도시하고 있다. 도 7c 및 도 7d에서, 도 7a 및 도 7b에서와 마찬가지로, P축 및 S축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과하기 전의 P파 및 S파의 편광 방향이며, y축 및 x축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과한 후의 45
회전된 편광 방향이다. 이후 제3편광 광분리기(15)에서 역시 수직 방향과 수평 방향의 편광 성분으로 나뉘면서 광간섭이 일어나게 된다. 즉 상기 제2파장판(14)을 지나면서 90
만큼 위상이 차이가 나게 된 측정광(P파) 및 기준광(S파)은 도 7c(A) 및 도 7d(A)에 도시된 바와 같은 형태로 되어 진행하게 되며, 상기 제3편광 광분리기(15)에서 수직 성분끼리 합쳐지면 도 7c(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 90
가 되고, 수평 성분들끼리 합쳐지면 도 7d(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 270
가 된다. 따라서 A점을 기준으로 하였을 때 C점에서는 위상차가 90
인 영상을, D점에서는 위상차가 270
인 영상을 얻을 수 있게 된다.
물론 본 발명에서, 상기 수학식 3에 보인 바와 같이 3가지의 간섭 영상만을 가지고도 높이를 산출할 수 있다. 따라서 상기 제3편광 광분리기(15)를 제거하고 대신 수직 성분만을 통과시키는 편광판(미도시)을 구비하여 A점에서 위상차 0
인 영상, B점에서 위상차 180
인 영상, C점에서 위상차 90
인 영상 세 가지만을 얻어 높이를 산출하도록 하여도 무방하다. 또는, 상기 제3편광 광분리기(15)를 제거하고 대신 수평 성분만을 통과시키는 편광판(미도시)을 구비하여 A점에서 위상차 0
인 영상, B점에서 위상차 180
인 영상, C점에서 위상차 270
인 영상 세 가지만을 얻어 높이를 산출하도록 할 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 FOV 렌즈(10)로부터 A, B, C, D 점으로 각각 광이 분리되는 과정에서, A, B쪽과 C, D쪽을 비교하였을 때 C, D쪽의 광경로에는 A, B쪽의 광경로에 없는 제2파장판(14)이 더 존재한다. 상기 제2파장판(14)에 의하여 광경로가 달라지는 현상을 막기 위해, 상기 A, B쪽의 광경로 상에 도시된 바와 같이 보상판(Compensation Plate, 12)을 더 구비하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도 5에서는 상기 제1파장판(9) 및 상기 FOV 렌즈(10)가, 광이 상기 제1파장판(9)을 통과한 후 상기 FOV 렌즈(10)를 통과하도록 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 상기 제1파장판(9) 및 상기 FOV 렌즈(10)의 위치를 반대로 하여, 즉 광이 상기 FOV 렌즈(10)를 통과한 후 상기 제1파장판(9)을 통과하도록 하여 도 무방하다.
상기 도 6에 도시된 실시예에서는 제1파장판(9)을 반파장판, 제2파장판(14)을 사분파장판으로 구비하도록 하였으나, 이와는 달리 제1파장판(9) 및 제2파장판(14)의 결정 방향 축이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 편광축과 45
의 각도를 갖는 사분파장판으로 구비하도록 하여도 무방하다. 물론 이 경우에는 얻어지는 영상의 위상차들이 상기 도 6의 실시예에서 와는 다르게 나타난다.
상술한 바와 같이 제1파장판(9)을 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 편광축과 45
의 각도를 갖는 사분파장판으로 구비하는 경우, 제1파장판(9)의 결정방향축과 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 편광축은 서로 45
회전되어 있으므로 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)은 상기 제1파장판(9)의 결정방향축과 이에 수직인 성분으로 각각 분리되며, 또한 상기 제1파장판(9)이 사분파장판이므로 결정방향축과 이에 수직인 성분들은 90
만큼 위상차가 발생하게 된다. 즉, 도 7c 및 도 7d와 유사한 상태가 되며, 이와 같이 형성된 광은 제2광분리기(11)을 지나면서 A, B쪽과 C, D쪽으로 분리된다.
A, B쪽으로 들어온 90
위상차가 있는 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 제2편광 광분리기(13)에서 수평 방향과 수직 방향의 편광 성분으로 나뉜다. 이 때, 상술한 바와 같이 제1파장판(9)을 지나면서 광간섭을 일으키는 수직 성분들과 수평 성분들이 각각 나뉘어 A점 및 B점으로 유입된다. 즉, 제1파장판(9)을 지나면서 광간섭을 일으킨 수직 성분들은 도 7c에서와 같은 양상으로 A점으로 유입되며, 제1파장 판(9)을 지나면서 광간섭을 일으킨 수평 성분들은 도 7d에서와 같은 양상으로 B점으로 유입된다. 즉, A점에서는 위상차가 90
인 영상을, B점에서는 위상차가 270
인 영상을 얻을 수 있게 된다.
C, D쪽으로 들어온 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 역시 결정방향축이 45
회전된 사분파장판인 제2파장판(14)를 통과한다. 이 때, 상기 제2파장판(14)을 지나면서 측정광(P파)과 기준광(S파)의 수직 성분끼리 광간섭을 일으키던 광 성분 및 측정광(P파)과 기준광(S파)의 수평 성분끼리 광간섭을 일으키던 광 성분은 수직 성분과 수평 성분 간에 다시 한 번 90
의 위상차가 발생하게 되며, 따라서 0
및 180
의 위상차를 갖는 간섭 영상을 얻을 수 있게 된다. 제3편광 광분리기(15)에서 수평 방향과 수직 방향의 편광 성분으로 나뉘면, C점에서는 위상차가 0
인 영상을, D점에서는 위상차가 180
이 얻어진다. 도 7a 및 도 7b와 유사한 상태이다.
도 6 및 도 7a 내지 도 7d로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 3차원 형상 측정 시스템은 측정 대상물(7)이나 기준 미러(8)를 전혀 이동시키지 않고 고정시켜 둔 상태에서, 4가지 위상차가 있는 영상을 동시 획득할 수 있는 구조로 되어 있다.
종래의 시스템에서는 상술한 바와 같이 다양한 간섭 영상을 얻기 위해서는 사용 광원 파장/N 만큼씩 측정물 또는 기준면( 또는 기준 미러)을 미세하게 이동시켰어야만 하기 때문에, 매우 정밀하게 작동하는 고가의 미소 이동 시스템을 필요로 하였다. 그러나 본 발명의 시스템은 다양한 간섭 영상을 얻음에 있어서 측정물 또는 기준면 등의 이동이 전혀 필요하지 않기 때문에 이러한 미소 이동 시스템을 필 요로 하지 않아 훨씬 경제적이게 된다. 특히, 종래에는 영상 획득 - 이동 - 영상 획득 - 이동 - … 의 과정에서 불필요한 시간의 낭비가 이루어졌던 반면, 본 발명의 시스템은 다양한 간섭 영상을 동시 획득하기 때문에 이러한 시간의 낭비 문제가 원천적으로 제거되며, 실시간으로 측정물이 3차원 형상을 측정할 수 있게 된다.
또한, 종래의 시스템에서는 외란이 발생하게 되면 측정물이나 기준면의 위치가 미세하게 변화하게 되며, 상술한 바와 같은 미소 이동 중간에 이러한 위치 변화가 일어나는 경우 측정 결과가 매우 불량하게 될 가능성이 높았다. 그러나 본 발명의 시스템에서는 4가지의 간섭 영상을 동시에 얻을 수 있도록 되어 있기 때문에 외란에 강한 특성을 가지므로, 외란이 발생한다 하더라도 측정에 큰 영향을 주지 못하여 측정 데이터의 신뢰도가 훨씬 상승하게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.