KR101152798B1 - 듀얼 파장 디지털 홀로그래피을 이용한 3ｄ 측정 장치 - Google Patents

듀얼 파장 디지털 홀로그래피을 이용한 3ｄ 측정 장치 Download PDF

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Abstract

듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치에 있어서, 상호 상이한 파장과 편광 상태를 갖는 제1 광 및 제2 광을 조사하는 광원부와 상기 광원부로부터 조사되는 상기 제1 광과 상기 제2 광을 측정 광 경로와 기준 광 경로로 분할하여 출력하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 상기 측정 광 경로 상에 배치된 측정 대상물로부터 각각 반사되어 형성되는 제1 측정광 및 상기 제2 측정광이 입사되는 광분할간섭부와 상기 기준 광 경로 상에 배치되어 상기 광분할간섭부로부터의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 각각 상기 제1 측정광 및 상기 제2 측정광에 각각 소정 각도 기울어진 제1 기준광 및 제2 기준광으로 변화하여 상기 광분할간섭부로 출력하는 기준광발생부와 상기 광분할간섭부로 입사된 상기 제1 측정광과 상기 제1 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제1 간섭광과, 상기 광분할간섭부로 입사된 상기 제2 측정광과 상기 제2 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제2 간섭광을 촬상하는 촬상부와 상기 촬상부에 의해 촬상된 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광으로부터 각각 홀로그램을 추출하여 상기 측정대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 한 장의 홀로그램 영상으로 마치 두 장의 홀로그램 영상을 얻을 수 있으며, 마이켈슨 간섭계 또는 트와인만-그린 간섭계를 이용하여 기준광이 측정광과 동일한 위상 변조를 따르기 때문에 별도의 대물렌즈 위상 변조 보상을 요하지 않는다.

Description

듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3Ｄ 측정 장치{3D MEASUREMENT APPARATUS USING DUAL WAVE DIGITAL HOLOGRAPHY}
본 발명은 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 두개의 광원과 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometry) 또는 트와인만-그린 간섭계(Twinmann-Green Interferometry)를 이용한 오프 액시스(Off-Axis)방식의 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치에 관한 것이다.
홀로그램이란 홀로(Holo:전체)와 그램(Gram:기록, 재생)의 그리스어의 합성어로서, 물체파와 주변파의 간섭을 기록한 필름이고, 두 파의 합성파는 위상과 진폭을 동시에 기록한 것을 말한다. 또한, 홀로그래피란 간섭 무늬가 기록된 홀로그램을 이용하여 3차원 입체 영상을 만들어 내는 기술을 의미한다.
오프 액시스(Off-Axis) 홀로그램이란 일반적인 홀로그램으로서 광원, 물체 및 판(Plate)을 한 축상에 위치시키지 않으므로서, 허상과 실상을 구분해서 볼 수 있는 것을 말한다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 오프 액시스 홀로그래피 방식은 측정광과 기준광의 방향이 상호 평행하지 않고 일정한 각을 갖는 상태에서 홀로그램을 취득하는 방식이다. 따라서, 오프 액시스 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 방식에서는 CCD 카메라에서 얻어진 한 장의 홀로그램 Ih(x,y)을 이용해서 프레넬 변환(Fresnel transform)을 통해 측정 대상물에 대한 이미지를 재생하면, DC 항 및 콘주게이트 이미지(Conjugate image) 항이 측정 대상물에 대한 이미지 부분과 공간적으로 분리되기 때문에 한 장의 홀로그램으로부터 3차원 정보를 얻을 수 있다.
측정 대상물로부터 출력되는 측정광을 직접 CCD로 수집하는 방법의 경우 필연적으로 측정 대상물과 CCD 사이의 거리가 멀어지게 되므로 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치를 설치시 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치가 공간적으로 많은 부분을 차지하는 문제가 있다.
또한, 상기의 문제를 해결하기 위해 일반적으로 이미지렌즈를 이용해서 오프 액시스 홀로그램을 구현한 경우 기준광은 평면파의 형태를 띄는 광을 사용하므로, 측정된 위상은 대물렌즈의 위상 변조를 포함하기 때문에 평면을 측정하고 역으로 대물렌즈의 위상 변조를 측정하여 보상해 주어야 하는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 상기 문제점을 보완할 수 있게 상호 상이한 파장과 편광 상태를 갖는 2개의 레이저 광원을 사용하고, 기준광이 측정광과 동일한 위상 변조를 따르도록 마이켈슨 간섭계 또는 트와인만-그린 간섭계의 원리를 이용하여 오프 액시스 홀로그래피 방식을 취하고 있는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치에 있어서, 상호 상이한 파장과 편광 상태를 갖는 제1 광 및 제2 광을 조사하는 광원부와, 상기 광원부로부터 조사되는 상기 제1 광과 상기 제2 광을 측정 광 경로와 기준 광 경로로 분할하여 출력하고 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 상기 측정 광 경로 상에 배치된 측정 대상물로부터 각각 반사되어 형성되는 제1 측정광 및 상기 제2 측정광이 입사되는 광분할간섭부와, 상기 기준 광 경로 상에 배치되어 상기 광분할간섭부로부터의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 각각 상기 제1 측정광 및 상기 제2 측정광에 각각 소정 각도 기울어진 제1 기준광 및 제2 기준광으로 변화하여 상기 광분할간섭부로 출력하는 기준광발생부와, 상기 광분할간섭부로 입사된 상기 제1 측정광과 상기 제1 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제1 간섭광과 상기 광분할간섭부로 입사된 상기 제2 측정광과 상기 제2 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제2 간섭광을 촬상하는 촬상부와, 상기 촬상부에 의해 촬상된 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광으로부터 각각 홀로그램을 추출하여 상기 측정대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치에 의하여 달성된다.
또한, 상기 광원부는 상기 제1 광을 조사하는 제1 광원부와 상기 제2 광을 조사하는 제2 광원부와 상기 제1 광원부 및 상기 제2 광원부로부터 각각 조사되어 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 광분할간섭부 방향으로 출력하는 제1 빔스플리터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 광원부는 제1 파장의 레이저 광을 출력하는 제1 레이저 광원과 상기 제1 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수직 편광 상태를 갖는 상기 제1 광을 형성하도록 수직 편광 상태로 정렬된 제1 편광판을 포함하며, 상기 제2 광원부는 상기 1 파장과 상이한 제2 파장의 레이저 광을 출력하는 제2 레이저 광원과 상기 제2 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수평 편광 상태를 갖는 상기 제2 광을 형성하도록 수평 편광 상태로 정렬된 제2 편광판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광분할간섭부는 상기 광원부로부터 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광의 광 경로를 상기 측정 대상물 방향으로 전환하는 제2 빔스플리터와 상기 제2 빔스플리터로부터 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 측정 광경로와 상기 기준광 경로로 분할하여 출력하고, 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광이 형성되도록 상기 제1 측정광, 상기 제2 측정광, 상기 제1 기준광 및 상기 제1 기준광이 입사되는 제3 빔스플리터와 상기 제2 빔스플리터와 상기 제3 빔스플리터 사이에 배치되어 상기 제2 빔스플리터로부터 상기 제3 빔스플리터로 출력되는 상기 제1 광과 상기 제2 광을 상기 측정대상물로 수렴시키고, 상기 제3 빔스플리터로부터 상기 제2 빔스플리터로 출력되는 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광을 평행하게 출력되는 광의 형태로 변환하는 대물렌즈와 상기 촬상부와 상기 제2 빔스플리터 사이에 배치되어, 상기 제3 빔스플리터, 상기 대물렌즈 및 상기 제2 빔스플리터를 거친 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광이 촬상부로 포커싱(focusing)되는 것을 특징으로 하는 이미지렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광분할간섭부는 상기 제1 빔스플리터로부터 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 측정 광경로와 상기 기준광 경로로 분할하여 출력하고, 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광이 형성되도록 상기 제1 측정광, 상기 제2 측정광, 상기 제1 기준광 및 상기 제1 기준광이 입사되는 제3 빔스플리터와 상기 제3 빔스플리터와 상기 촬상부 사이에 배치되어 상기 제3 빔스플리터로부터 상기 촬상부로 출력되는 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광이 발산하게 출력되는 형태를 띄도록 하는 대물렌즈와 상기 촬상부와 상기 제3 빔스플리터 사이에 배치되어, 상기 제3 빔스플리터와 상기 대물렌즈를 거친 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광이 촬상부로 포커싱(focusing)되는 것을 특징으로 하는 이미지렌즈를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기준광발생부는 상호 상이한 각도도 기울어진 제1 기준 미러 및 제2 기준 미러와, 상기 제1 기준 미러 전방에 배치되어 수직 편광 상태의 광이 통과하는 제3 편광판과, 상기 제2 기준 미러 전방에 배치되어 수평 편광 상태의 광이 통과하는 제4 편광판과, 상기 제3 빔스플리터로부터 출력되어 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 제1 기준 미러와 상기 제2 기준 미러 방향으로 분할하여 출력하는 상기 제4 빔스플리터를 포함할 수 있으며 상기 제1 기준 미러는 상기 제3 편광판을 통과한 수직 편광 상태의 상기 제1 광을 소정의 각도로 기울어지게 반사하여 상기 제1 기준광을 형성하고, 상기 제2 기준 미러는 상기 제4 편광판을 통과한 수평 편광 상태의 상기 제2 광을 제1 기준광과 상이한 각도로 기울어지게 반사하여 상기 제2 기준광을 형성하고, 상기 제4 빔스플리터는 상기 제1 기준 미러로부터 상기 제3 편광판을 통과한 상기 제1 기준광과 상기 제2 기준 미러로부터 상기 제4 편광판을 통과한 상기 제2 기준광을 상기 제3 빔스플리터로 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따른 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치는 상호 상이한 파장과 편광 상태를 갖는 2개의 레이저 광원을 사용하고, 마이켈슨 간섭계 또는 트와인만-그린 간섭계를 이용하는 오프 액시스 홀로그래피 방식을 취하고 있기에 한 장의 영상에 두 개의 기준광의 정보가 혼재되어 있어 FFT(Fast Fourie Transform) 필터(filter)를 통하여 정보의 분리가 가능하므로, 한 번의 촬상으로으로 두 장의 홀로그램 영상을 얻을 수 있다.
또한, 양쪽이 모두 빛을 수렴하는 유한 광학계의 대물렌즈와는 달리 무한 광학계의 경우 측정 대상물에서 반사된 광은 대물렌즈를 통과하면서 평행한 광 또는 발산하는 광의 형태로 바뀌어서 출력하게 되는데, 이미지렌즈를 이용하여 평행한 광 또는 발산하는 광을 CCD(Charge-Coupled Device) 표면에 수렴시킴으로써 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치의 공간을 최소화할 수 있다. 또한, 대물렌즈와 이미지렌즈 사이의 거리는 일반적으로 플렉서블(flexible)하여 배율이 다른 대물렌즈로 교체하여도 측정 대상물과의 별다른 거리 조정을 필요치 않으며, 대물렌즈와 이미지렌즈 사이에 동축 조명을 설치하기가 용이하다.
또한, 일반적으로 이미지렌즈를 이용해서 오프 액시스 홀로그램을 구현한 경우 기준광은 평면파의 형태를 띄는 광을 사용하므로, 측정된 위상은 대물렌즈의 위상 변조를 포함하기 때문에 평면을 측정하고 역으로 대물렌즈의 위상 변조를 측정하여 보상해주어야 하지만, 본 발명에서는 마이켈슨 간섭계 또는 트와인만-그린 간섭계를 이용하여 기준광이 측정광과 동일한 광경로를 가져 동일한 위상 변조를 따르기 때문에 별도의 대물렌즈 위상 변조 보상을 하지 않아도 되며, 기준광으로 구면파의 형태를 띈 광을 사용하여도 홀로그램의 획득이 가능하며, 일반적으로 사용되는 기준광의 형태인 평면파를 구현하기 위한 별도의 광학적 고려를 요하지 않는다.
도 1 및 도 2는 종래의 Off-Axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치이고,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치이고,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 본 발명에 따른 실시예들을 설명하는데 있어, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하며, 필요에 따라 그 설명은 생략할 수 있다.
제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)는 도 3에 도시된 것처럼 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometry)의 원리 및 구성을 이용하고 있다. 여기서 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)는 도 3에 도시된 바와 같이, 광원부(10), 광분할간섭부(20), 기준광발생부(30), 촬상부(40) 및 제어부(50)를 포함한다.
광원부(10)는 상호 상이한 파장과 편광 상태를 갖는 제1 광 및 제2 광을 출력한다. 여기서 광원부(10)는 제1 광원부(18), 제2 광원부(19) 및 제1 빔스플리터(17)를 포함할 수 있다.
제1 광원부(18)는 제1 파장의 레이저 광을 출력하는 제1 레이저 광원(11)과, 제1 레이저 광원(11)으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수직 편광 상태를 갖는 제1 광을 형성하도록 수직 편광 상태로 정렬된 제1 편광판(15)을 포함한다. 여기서, 제1 레이저 광원(11)과 제1 편광판(15) 사이에 제1 콜리미네이터(13)를 배치할 수 있다. 여기서, 제1 콜리미네이터(13)는 제1 레이저 광원(11)으로부터 출력되는 제1 파장의 레이저 광이 제1 편광판(15)으로 수평하게 출력되게 한다.
제2 광원부(19)는 제1 파장의 레이저 광과 상호 상이한 파장을 갖는 제2 파장의 레이저 광을 출력하는 제2 레이저 광원(12)과, 제2 레이저 광원(12)으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수평 편광 상태를 갖는 제2 광을 형성하도록 수평 편광 상태로 정렬된 제2 편광판(16)을 포함한다. 여기서, 제2 레이저 광원(12)과 제2 편광판(16) 사이에 제2 콜리미네이터(14)를 배치할 수 있다. 여기서, 제2 콜리미네이터(14)는 제1 콜리미네이터(13)와 마찬가지로 제2 레이저 광원(12)으로부터 출력되는 제2 파장의 레이저 광이 제2 편광판(16)으로 수평하게 출력되게 한다.
제1 레이저 광원과 제2 레이저 광원으로 He-Ne 레이저가 사용되는 것을 일 예로하며, 다른 형태의 레이저 광이 적용가능하다.
제1 광과 제2 광의 광경로 상에 배치되는 제1 빔스플리터(17)는 제1 광원부(18)에서 수직 편광되어 출력된 제 1광과 제2 광원부(19)에서 수평 편광되어 출력된 제2 광원을 광분할간섭부(20)를 향하여 출력하도록 한다.
광분할간섭부(20)는 광원부(10)로부터 조사되는 제1 광과 제2 광을 측정 광 경로와 기준 광 경로로 분할하여 출력하고, 제1 광 및 제2 광이 측정 광 경로 상에 배치된 측정 대상물로부터 각각 반사되어 형성되는 제1 측정광 및 제2 측정광이 입사된다. 여기서, 광분할간섭부(20)에서 분할하여 출력되는 광의 경로는 측정 대상물(100)로 향하는 제1 광 및 제2 광의 방향을 측정 광경로라 하고, 기준광을 형성하도록 기준광발생부(30)를 향하는 제1 광 및 제2 광의 방향을 기준 광경로라 한다. 여기서, 광분할간섭부(20)는 제2 빔스플리터(21), 제3 빔스플리터(23), 대물렌즈(22) 및 이미지렌즈(24)를 포함할 수 있다.
제2 빔스플리터(21)는 광원부(10)의 제1 빔스플리터(17)로부터 입사되는 제1 광 및 제2 광의 광 경로를 상기 측정 대상물(100) 방향으로 전환한다.
제3 빔스플리터(23)는 대물렌즈(22)와 측정 대상물(100) 사이에 배치되며, 제2 빔스플리터(21)로부터 출력되어 대물렌즈(22)를 거쳐 수렴되게 제3 빔스플리터(23)에 입사되는 제1 광 및 제2 광을 측정 광경로와 기준광 경로로 분할하여 출력한다. 이에 따라, 제1 광 및 제2 광은 제3 빔스플리터(23)에 의하여 측정 대상물(100) 및 기준광발생부(30)를 향하여 나누어 출력하게 된다.
대물렌즈(22)는 제2 빔스플리터(21)와 제3 빔스플리터(23) 사이에 배치되어 제2 빔스플리터(21)로부터 제3 빔스플리터(23)로 출력되는 제1 광과 제 2광을 측정 대상물(100)로 수렴시키고, 제3 빔스플리터(23)로부터 상기 제2 빔스플리터(21)로 출력되는 제1 간섭광과 제2 간섭광을 평행한 광의 형태로 변환한다.
양쪽이 모두 빛을 수렴하는 유한 광학계의 대물렌즈와는 달리 무한 광학계의 경우 측정 대상물(100)에서 반사된 광은 대물렌즈(22)를 지나서 평행한 광 또는 발산하는 광의 형태로 바뀌어서 출력하게 되는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 평행한 광 또는 발산하는 광을 다시 CCD(Charge-Coupled Device) 표면에 수렴시키기 위하여 이하에서 설명하는 이미지렌즈(24)를 포함할 수 있다.
이미지렌즈(24)는 촬상부(40)와 제2 빔스플리터(21) 사이에 배치되어, 대물렌즈(22) 및 제2 빔스플리터(21)를 거친 제1 간섭광과 제2 간섭광이 촬상부(40)로 포커싱(focusing)되도록 한다.
기준광발생부(30)는 기준 광 경로 상에 배치되어 상기 광분할간섭부(20)로부터의 제1 광 및 제2 광을 각각 제1 측정광 및 제2 측정광에 각각 소정 각도 기울어진 제1 기준광 및 제2 기준광으로 변화하여 광분할간섭부(20)로 출력한다. 여기서, 기준광발생부(30)는 상호 상이한 각도도 기울어진 제1 기준 미러(32) 및 제2 기준 미러(33), 제3 편광판(34), 제4 편광판(35) 및 제4 빔스플리터(31)를 포함할 수 있다.
제1 기준 미러(32)는 제3 편광판(34)을 통과한 수직 편광된 제1 광을 소정의 각도(θ1)로 기울어지게 반사하여 오프 액시스(Off-Axis)된 제1 기준광을 형성하고, 제2 기준 미러(33)는 제4 편광판(35)을 통과한 수평 편광된 제2 광을 소정의 각도(θ2)로 기울어지게 반사하여 오프 액시스(Off-Axis)된 제2 기준광을 형성한다.
제3 편광판(34)은 제1 기준 미러(32) 전방에 배치되어 제4 빔스플리터(31)로부터 제1 기준 미러(32)를 향하여 출력되는 제1 광과 제2 광 중 수직 편광 상태의 광인 제1 광만을 통과하도록 하며, 제1 기준 미러(32)에 반사되어 제4 빔스플리터(31)를 향하는 제1 기준광이 통과한다.
제4 편광판(35)은 제2 기준 미러(33) 전방에 배치되어 제4 빔스플리터(31)로부터 제2 기준 미러(33)를 향하여 출력되는 제1 광과 제2 광 중 수평 편광 상태의 광인 제2 광만을 통과하도록 하며, 제2 기준 미러(33)에 반사되어 제4 빔스플리터(31)를 향하는 제2 기준광이 통과한다.
제4 빔스플리터(31)는 제3 빔스플리터(23)로부터 출력되어 입사되는 제1 광 및 제2 광을 제1 기준 미러(32)와 제2 기준 미러(33) 방향으로 분할하여 출력하고, 제1 기준 미러(32)로부터 상기 제3 편광판(34)을 통과한 제1 기준광과 제2 기준 미러(33)로부터 제4 편광판(35)을 통과한 제2 기준광을 제3 빔스플리터(23)로 출력한다.
제3 빔스플리터(23)에서 측정 대상물(100)를 향하여 출력된 제1 광과 제2 광은 측정 대상물(100)에 반사되어 제3 빔스플리터(23)로 입사되는데, 측정 대상물(100)에 반사되어 제3 빔스플리터(23)에 입사되는 제1 광을 제1 측정광이라 하며, 측정 대상물(100)에 반사되어 제3 빔스플리터(23)에 입사되는 제2 광을 제2 측정광이라 한다. 또한, 제1 측정광과 제2 측정광에 대하여 일정한 기울기를 가지고 기준광발생부(30)로부터 각각 입사되는 제1 기준광 및 제2 기준광은 제1 측정광 및 제2 측정광과의 간섭에 의하여 제1 간섭광과 제2 간섭광을 형성하게 된다. 그리고, 제1 간섭광과 제2 간섭광은 제3 빔스플리터(23)를 거쳐 대물렌즈(22)에 입사된다.
촬상부(40)는 광분할간섭부(20)로 입사된 제1 측정광과 제1 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제1 간섭광과, 광분할간섭부(20)로 입사된 제2 측정광과 제2 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제2 간섭광을 촬상한다. 여기서, 촬상부(40)는 간섭광의 촛점이 맺히는 촛점면(41)과, 촛점면(41)에서 일정한 거리를 이동하여 촛점을 흐리게 만든 촛점이탈면(42)을 포함할 수 있다. 여기서 촛점면(41)이란 CCD를 두면 영상의 촛점이 맞는 면을 말한다.
촬상부(40)에 의해 촬상된 제1 간섭광 및 제2 간섭광으로부터 각각 홀로그램을 추출하여 측정대상물의 표면 형상을 측정하기 위하여 촛점이탈면(42)에서의 웨이브(wave)의 상태, 즉 위상과 진폭을 알아내고, 촛점이탈면(42)에서의 웨이브를 촛점면(41)으로 진행(Propagation)시켜 촛점면(41)에서의 위상을 측정하게 된다. 만일 이미지렌즈(24)가 없다면 CCD면에서의 웨이브 상태를 알아내서 측정 대상물(100)까지 진행시켜서 직접 측정 대상물(100)에의 위상을 계산하게 되어 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)를 구성하는데 공간적측면에서 비효율적이나 이미지렌즈(24)를 사용함으로써 공간을 최소화할 수 있다.
제어부(50)는 촬상부(40)에 의해 촬상된 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광으로부터 각각 홀로그램을 추출하여 측정대상물의 표면 형상을 측정 및 표시할 수 있다.
제2 실시예
본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)는 도 3에 도시된 것처럼 트와인만-그린 간섭계(Twinmann-Green Interferometry)의 원리 및 구성을 이용하고 있다. 여기서 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1a)는 도 3에 도시된 바와 같이, 광원부(10), 광분할간섭부(20a), 기준광발생부(30), 촬상부(40) 및 제어부(50)를 포함한다.
광원부(10)는 상호 상이한 파장과 편광 상태를 갖는 제1 광 및 제2 광을 출력한다. 여기서 광원부(10)는 제1 광원부(18), 제2 광원부(19) 및 제1 빔스플리터(17)를 포함할 수 있다.
제1 광원부(18)는 제1 파장의 레이저 광을 출력하는 제1 레이저 광원(11)과, 제1 레이저 광원(11)으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수직 편광 상태를 갖는 제1 광을 형성하도록 수직 편광 상태로 정렬된 제1 편광판(15)을 포함한다. 여기서, 제1 레이저 광원(11)과 제1 편광판(15) 사이에 제1 콜리미네이터(13)를 배치할 수 있다. 여기서, 제1 콜리미네이터(13)는 제1 레이저 광원(11)으로부터 출력되는 제1 파장의 레이저 광이 제1 편광판(15)으로 수평하게 출력되게 한다.
제2 광원부(19)는 제1 파장의 레이저 광과 상호 상이한 파장을 갖는 제2 파장의 레이저 광을 출력하는 제2 레이저 광원(12)과, 제2 레이저 광원(12)으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수평 편광 상태를 갖는 제2 광을 형성하도록 수평 편광 상태로 정렬된 제2 편광판(16)을 포함한다. 여기서, 제2 레이저 광원(12)과 제2 편광판(16) 사이에 제2 콜리미네이터(14)를 배치할 수 있다. 여기서, 제2 콜리미네이터(14)는 제1 콜리미네이터(13)와 마찬가지로 제2 레이저 광원(12)으로부터 출력되는 제2 파장의 레이저 광이 제2 편광판(16)으로 수평하게 출력되게 한다.
제1 레이저 광원과 제2 레이저 광원으로 He-Ne 레이저가 사용되는 것을 일 예로하며, 다른 형태의 레이저 광이 적용가능하다.
제1 광과 제2 광의 광경로 상에 배치되는 제1 빔스플리터(17)는 제1 광원부(18)에서 수직 편광되어 출력된 제 1광과 제2 광원부(19)에서 수평 편광되어 출력된 제2 광원을 광분할간섭부(20)를 향하여 출력하도록 한다.
광분할간섭부(20a)는 광원부(10)로부터 조사되는 제1 광과 제2 광을 측정 광 경로와 기준 광 경로로 분할하여 출력하고, 제1 광 및 제2 광이 측정 광 경로 상에 배치된 측정 대상물로부터 각각 반사되어 형성되는 제1 측정광 및 제2 측정광이 입사된다. 여기서, 광분할간섭부(20a)에서 분할하여 출력되는 광의 경로는 측정 대상물(100)로 향하는 제1 광 및 제2 광의 방향을 측정 광경로라 하고, 기준광을 형성하도록 기준광발생부(30)를 향하는 제1 광 및 제2 광의 방향을 기준 광경로라 한다. 여기서, 광분할간섭부(20a)는 제3 빔스플리터(23a), 대물렌즈(22a) 및 이미지렌즈(24a)를 포함할 수 있다.
제3 빔스플리터(23a)는 제1 빔스플리터(17)와 제4 빔스플리터(31) 사이에 배치되며, 제1 빔스플리터(17)로부터 입사되는 제1 광 및 제2 광을 측정 광경로와 기준광 경로로 분할하여 출력한다.
대물렌즈(22a)는 제3 빔스플리터(23a)와 촬상부(40) 사이에 배치되어 제3 빔스플리터(23a)로부터 촬상부(40)로 출력되는 제1 간섭광과 제2 간섭광을 발산하는 광의 형태로 변환한다. 따라서, 제1 간섭광과 제2 간섭광은 대물렌즈(22a)를 지나서 발산하는 광의 형태로 바뀌어서 출력하게 되는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 발산하는 광을 다시 CCD(Charge-Coupled Device) 표면에 수렴시키기 위하여 이하에서 설명하는 이미지렌즈(24a)를 포함할 수 있다.
이미지렌즈(24a)는 촬상부(40)와 제3 빔스플리터(23a) 사이에 배치되어, 제3 빔스플리터(23a) 및 대물렌즈(22a)를 거친 제1 간섭광과 제2 간섭광이 촬상부(40)로 포커싱(focusing)되도록 한다.
기준광발생부(30)는 기준 광 경로 상에 배치되어 상기 광분할간섭부(20a)로부터의 제1 광 및 제2 광을 각각 제1 측정광 및 제2 측정광에 각각 소정 각도 기울어진 제1 기준광 및 제2 기준광으로 변화하여 광분할간섭부(20a)로 출력한다. 여기서, 기준광발생부(30)는 상호 상이한 각도도 기울어진 제1 기준 미러(32) 및 제2 기준 미러(33), 제3 편광판(34), 제4 편광판(35) 및 제4 빔스플리터(31)를 포함할 수 있다.
제1 기준 미러(32)는 제3 편광판(34)을 통과한 수직 편광된 제1 광을 소정의 각도(θ1)로 기울어지게 반사하여 오프 액시스(Off-Axis)된 제1 기준광을 형성하고, 제2 기준 미러(33)는 제4 편광판(35)을 통과한 수평 편광된 제2 광을 소정의 각도(θ2)로 기울어지게 반사하여 오프 액시스(Off-Axis)된 제2 기준광을 형성한다.
제3 편광판(34)은 제1 기준 미러(32) 전방에 배치되어 제4 빔스플리터(31)로부터 제1 기준 미러(32)를 향하여 출력되는 제1 광과 제2 광 중 수직 편광 상태의 광인 제1 광만을 통과하도록 하며, 제1 기준 미러(32)에 반사되어 제4 빔스플리터(31)를 향하는 제1 기준광이 통과한다.
제4 편광판(35)은 제2 기준 미러(33) 전방에 배치되어 제4 빔스플리터(31)로부터 제2 기준 미러(33)를 향하여 출력되는 제1 광과 제2 광 중 수평 편광 상태의 광인 제2 광만을 통과하도록 하며, 제2 기준 미러(33)에 반사되어 제4 빔스플리터(31)를 향하는 제2 기준광이 통과한다.
제4 빔스플리터(31)는 제3 빔스플리터(23a)로부터 출력되어 입사되는 제1 광 및 제2 광을 제1 기준 미러(32)와 제2 기준 미러(33) 방향으로 분할하여 출력하고, 제1 기준 미러(32)로부터 상기 제3 편광판(34)을 통과한 제1 기준광과 제2 기준 미러(33)로부터 제4 편광판(35)을 통과한 제2 기준광을 제3 빔스플리터(23a)로 출력한다.
제3 빔스플리터(23a)에서 측정 대상물(100)를 향하여 출력된 제1 광과 제2 광은 측정 대상물(100)에 반사되어 제3 빔스플리터(23a)로 입사되는데, 측정 대상물(100)에 반사되어 제3 빔스플리터(23a)에 입사되는 제1 광을 제1 측정광이라 하며, 측정 대상물(100)에 반사되어 제3 빔스플리터(23a)에 입사되는 제2 광을 제2 측정광이라 한다. 제1 실시예와는 달리 측정 대상물(100)과 제3 빔스플리터(23a) 사이에 대물렌즈(22a)가 배치되지 아니하기에 제1 측정광과 제2 측정광은 평행한 광의 형태를 띄게 된다. 또한, 제1 측정광과 제2 측정광에 대하여 일정한 기울기를 가지고 기준광발생부(30)로부터 각각 입사되는 제1 기준광 및 제2 기준광은 제1 측정광 및 제2 측정광과의 간섭에 의하여 제1 간섭광과 제2 간섭광을 형성하게 된다. 그리고, 제1 간섭광과 제2 간섭광은 제3 빔스플리터(23a)를 거쳐 대물렌즈(22)에 입사된다.
촬상부(40)는 광분할간섭부(20a)로 입사된 제1 측정광과 제1 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제1 간섭광과, 광분할간섭부(20a)로 입사된 제2 측정광과 제2 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제2 간섭광을 촬상한다. 여기서, 촬상부(40)는 간섭광의 촛점이 맺히는 촛점면(41)과, 촛점면(41)에서 일정한 거리를 이동하여 촛점을 흐리게 만든 촛점이탈면(42)을 포함할 수 있다. 여기서 촛점면(41)이란 CCD를 두면 영상의 촛점이 맞는 면을 말한다.
촬상부(40)에 의해 촬상된 제1 간섭광 및 제2 간섭광으로부터 각각 홀로그램을 추출하여 측정대상물의 표면 형상을 측정하기 위하여 촛점이탈면(42)에서의 웨이브(wave)의 상태, 즉 위상과 진폭을 알아내고, 촛점이탈면(42)에서의 웨이브를 촛점면(41)으로 진행(Propagation)시켜 촛점면(41)에서의 위상을 측정하게 된다. 만일 이미지렌즈(24a)가 없다면 CCD면에서의 웨이브 상태를 알아내서 측정 대상물(100)까지 진행시켜서 직접 측정 대상물(100)에의 위상을 계산하게 되어 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)를 구성하는데 공간적측면에서 비효율적이나 이미지렌즈(24a)를 사용함으로써 공간을 최소화할 수 있다.
제어부(50)는 촬상부(40)에 의해 촬상된 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광으로부터 각각 홀로그램을 추출하여 측정대상물의 표면 형상을 측정 및 표시할 수 있다.
제3 실시예
상술한 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)(1a)는 Z스캔에 의한 위상 천이 간섭법(PSI : Phase shifting Interferometry)에 따른 표면 형상 측정이 가능하도록 Z-스캔을 수행하는 Z-스캔 구동부(60)를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하여 살펴보면, Z-스캔 구동부(60)는 Z축의 거리를 검출하기 위하여 제1 기준 미러(32)와 제2 기준 미러(33) 각각을 동일한 속도로 이동하게 하거나 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)(1a)를 측정 대상물(100)에 대하여 전후로 이동할 수 있도록 하여 측정 대상물(100)의 표현 형상을 측정할 수 있게 한다.
또한, 광분할간섭부(20)(20a)로부터 출력되는 제1 간섭광과 제2 간섭광을 통하여 위상 천이 간섭법(Phase shifting Interferometry)에 따른 동작에 따라 획득되는 제1 간섭광과 제2 간섭광을 촬상하는 PSI 촬상부(70)를 포함할 수 있다. 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1)의 또 다른 실시예로써 도 5에 도시된 바를 설명하면, 제5 빔스플리터(71)는 광분할간섭부(20)(20a)에서 출력되는 제1 간섭광과 제2 간섭광을 제5 빔스플리터(71)를 이용하여 촬상부(40)와 PSI 촬상부(70)로 분할하여 출력한다. 그리고 PSI 촬상부(70)는 제5 빔스플리터(71)부터 출력되며, 위상 천이 간섭법(Phase shifting Interferometry)에 따른 동작에 따라 획득되는 제1 간섭광과 제2 간섭광을 촬상한다. 여기서, PSI 촬상부(70)는 기공지된 위상 천이 간섭법(Phase shifting Interferometry)에 따른 동작에 따라 획득되는 제1 간섭광과 제2 간섭광을 촬상하는 CCD를 이용하는 것이므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다. 또한, 도면에는 미도시 하였으나 제2 실시예에 해당하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치(1a)는 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이 Z-스캔 구동부(60)와 PSI 촬상부(70)을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1, 1a : 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치
10 : 광원부 11 : 제1 레이저 광원
12 : 제2 레이저 광원 13 : 제1 콜리미네이터
14 : 제2 콜리미네이터 15 : 제1 편광판
16 : 제2 편광판 17 : 제1 빔스플리터
21 : 제2 빔스플리터 22, 22a : 대물렌즈
23, 23a : 제3 빔스플리터 31 : 제4 빔스플리터
32 : 제1 기준 미러 33 : 제2 기준 미러
40 : 촬상부 50 : 제어부
100 : 측정 대상물

Claims (8)

  1. 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치에 있어서,
    상호 상이한 파장과 편광 상태를 갖는 제1 광 및 제2 광을 조사하는 광원부와;
    상기 광원부로부터 조사되는 상기 제1 광과 상기 제2 광을 측정 광 경로와 기준 광 경로로 분할하여 출력하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 상기 측정 광 경로 상에 배치된 측정 대상물로부터 각각 반사되어 형성되는 제1 측정광 및 제2 측정광이 입사되는 광분할간섭부와;
    상기 기준 광 경로 상에 배치되어 상기 광분할간섭부로부터의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 각각 상기 제1 측정광 및 상기 제2 측정광에 각각 소정 각도 기울어진 제1 기준광 및 제2 기준광으로 변화하여 상기 광분할간섭부로 출력하는 기준광발생부와;
    상기 광분할간섭부로 입사된 상기 제1 측정광과 상기 제1 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제1 간섭광과, 상기 광분할간섭부로 입사된 상기 제2 측정광과 상기 제2 기준광 간의 간섭에 의하여 형성된 제2 간섭광을 촬상하는 촬상부와;
    상기 촬상부에 의해 촬상된 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광으로부터 각각 홀로그램을 추출하여 상기 측정대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 제1 광을 조사하는 제1 광원부와;
    상기 제2 광을 조사하는 제2 광원부와;
    상기 제1 광원부 및 상기 제2 광원부로부터 각각 조사되어 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 광분할간섭부 방향으로 출력하는 제1 빔스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 광원부는,
    제1 파장의 레이저 광을 출력하는 제1 레이저 광원과;
    상기 제1 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수직 편광 상태를 갖는 상기 제1 광을 형성하도록 수직 편광 상태로 정렬된 제1 편광판을 포함하며;
    상기 제2 광원부는,
    상기 1 파장과 상이한 제2 파장의 레이저 광을 출력하는 제2 레이저 광원과;
    상기 제2 레이저 광원으로부터 출력된 레이저 광이 통과하여 수평 편광 상태를 갖는 상기 제2 광을 형성하도록 수평 편광 상태로 정렬된 제2 편광판을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광분할간섭부는,
    상기 광원부로부터 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광의 광 경로를 상기 측정 대상물 방향으로 전환하는 제2 빔스플리터와;
    상기 제2 빔스플리터로부터 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 측정 광경로와 상기 기준광 경로로 분할하여 출력하고, 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광이 형성되도록 상기 제1 측정광, 상기 제2 측정광, 상기 제1 기준광 및 상기 제1 기준광이 입사되는 제3 빔스플리터와;
    상기 제2 빔스플리터와 상기 제3 빔스플리터 사이에 배치되어 상기 제2 빔스플리터로부터 상기 제3 빔스플리터로 출력되는 상기 제1 광과 상기 제2 광을 상기 측정대상물로 수렴시키고, 상기 제3 빔스플리터로부터 상기 제2 빔스플리터로 출력되는 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광을 평행하게 출력되는 광의 형태로 변환하는 대물렌즈와;
    상기 촬상부와 상기 제2 빔스플리터 사이에 배치되어, 상기 제3 빔스플리터, 상기 대물렌즈 및 상기 제2 빔스플리터를 거친 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광이 촬상부로 포커싱(focusing)되는 것을 특징으로 하는 이미지렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광분할간섭부는,
    상기 제1 빔스플리터로부터 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 측정 광경로와 상기 기준광 경로로 분할하여 출력하고, 상기 제1 간섭광 및 상기 제2 간섭광이 형성되도록 상기 제1 측정광, 상기 제2 측정광, 상기 제1 기준광 및 상기 제1 기준광이 입사되는 제3 빔스플리터와;
    상기 제3 빔스플리터와 상기 촬상부 사이에 배치되어 상기 제3 빔스플리터로부터 상기 촬상부로 출력되는 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광이 발산하게 출력되는 형태를 띄도록 하는 대물렌즈와;
    상기 촬상부와 상기 제3 빔스플리터 사이에 배치되어, 상기 제3 빔스플리터와 상기 대물렌즈를 거친 상기 제1 간섭광과 상기 제2 간섭광이 촬상부로 포커싱(focusing)되는 것을 특징으로 하는 이미지렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 기준광발생부는,
    상호 상이한 각도도 기울어진 제1 기준 미러 및 제2 기준 미러와,
    상기 제1 기준 미러 전방에 배치되어 수직 편광 상태의 광이 통과하는 제3 편광판과,
    상기 제2 기준 미러 전방에 배치되어 수평 편광 상태의 광이 통과하는 제4 편광판과,
    상기 제3 빔스플리터로부터 출력되어 입사되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 상기 제1 기준 미러와 상기 제2 기준 미러 방향으로 분할하여 출력하는 상기 제4 빔스플리터를 포함하며;
    상기 제1 기준 미러는 상기 제3 편광판을 통과한 수직 편광 상태의 상기 제1 광을 소정의 각도로 기울어지게 반사하여 상기 제1 기준광을 형성하고,
    상기 제2 기준 미러는 상기 제4 편광판을 통과한 수평 편광 상태의 상기 제2 광을 제1 기준광과 상이한 각도로 기울어지게 반사하여 상기 제2 기준광을 형성하고,
    상기 제4 빔스플리터는 상기 제1 기준 미러로부터 상기 제3 편광판을 통과한 상기 제1 기준광과 상기 제2 기준 미러로부터 상기 제4 편광판을 통과한 상기 제2 기준광을 상기 제3 빔스플리터로 출력하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    위상 천이 간섭법(Phase shifting Interferometry)에 따른 표면 형상 측정이 가능하도록 상기 위상 천이 간섭법(Phase shifting Interferometry)에 따른 Z-스캔을 수행하는 Z-스캔 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 위상 천이 간섭법(Phase shifting Interferometry)에 따른 동작에 따라 획득되는 상기 제1 간섭광과 제2 간섭광을 촬상하는 PSI 촬상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 장치.
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