KR101539945B1 - 간섭계를 이용한 진동측정방법 - Google Patents

간섭계를 이용한 진동측정방법 Download PDF

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박종관
김태욱
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Abstract

본 발명은 간섭계를 이용한 진동측정방법에 관한 것으로서, 이미지 획득단계와, 이동폭 산출단계와, 진폭 산출단계와, 주기 산출단계를 포함한다. 이미지 획득단계는 일정 주기로 진동하는 측정대상물에 대하여 일정 시간 간격마다 측정대상물의 이미지를 순차적으로 획득한다. 이동폭 산출단계는 획득된 복수의 이미지 내에서 모아레 무늬의 좌우 이동폭을 산출한다. 진폭 산출단계는 모아레 무늬의 이웃하는 패턴 사이의 거리, 측정대상물에 조사되는 광의 파장 및 모아레 무늬의 좌우 이동폭을 이용하여 측정대상물의 진폭을 산출한다. 주기 산출단계는 모아레 무늬의 좌우 이동폭 내에서 모아레 무늬가 초기위치에서 시작하여 다시 초기위치로 복귀하는데 걸리는 복귀시간을 이용하여 측정대상물의 주기를 산출한다.

Description

간섭계를 이용한 진동측정방법{Method for measuring vibration using interferometry}
본 발명은 간섭계를 이용한 진동측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간섭계를 이용하여 측정대상물에 영향을 미치는 진동의 특성을 측정하기 위한 간섭계를 이용한 진동측정방법에 관한 것이다.
간섭계란 측정하고자 하는 물체의 표면 및 기준면에 광을 조사시킨 후 반사 또는 투과되는 두 종류의 빛으로부터 간섭무늬를 형성하고, 이 간섭무늬를 측정 및 해석하여 물체 표면의 형상에 대한 정보를 얻는 장치이다.
이러한 간섭계는 측정대상물의 형상을 용이하게 얻을 수 있으므로 산업분야에서 널리 활용되고 있으며, 특히 최근의 산업계 전 분야에 걸친 급속한 기술 발전은 반도체, MEMS, 평판 디스플레이, 광부품 등의 분야에서 미세 가공을 필요로 하며, 현재는 나노 단위의 초정밀 제조 기술이 필요한 단계로 진입하고 있고, 필요한 가공의 형상도 단순한 패턴에서 복잡한 형상으로 변화하고 있으며, 이에 따라 미세형상을 측정하는 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다.
이와 같은 간섭계 중 간섭상의 한 파장 내에서 적절한 구동 간격으로 위상을 천이시켜 기준 위상을 구하고 이를 높이로 복원하는 위상천이 간섭계(PSI:Phase Shifting Interferometry)가 널리 이용되고 있는데, 대부분의 간섭계는 정적 특성을 가진, 즉 정지해 있는 측정대상물의 형상을 측정하는데 이용되고 있다.
이러한 위상천이 간섭계를 이용하여 측정대상물의 형상을 측정할 때 측정대상물이 일정 주기로 진동할 경우에는, 측정대상물의 진동 특성을 파악하기 위하여 별도의 진동측정기를 설치해야 하는 불편함이 있다. 예를 들어, 진동하는 측정대상물에 가속도계를 직접 접촉시킨 후 가속도계의 기계적 또는 전기적 변화를 분석하여 측정대상물의 진동을 측정하는 진동측정기 또는 측정대상물에 레이저광을 투사하여 레이저 측정기의 레이저광의 변화를 분석하여 측정대상물의 진동을 측정하는 진동측정기 등을 설치하였다.
이와 같이, 측정대상물의 형상을 측정하기 위한 간섭계에 별도의 진동측정장치를 설치함으로써, 전체 시스템의 구조가 복잡해지고, 진동측정장치에서 출력되는 진동측정 데이터와 간섭계에서 출력되는 형상측정 데이터 간에 호환성이 없어 전체 시스템이 처리해야 할 데이터량의 과다로 인해 전체 시스템의 처리 부하가 가중되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 측정대상물의 형상을 측정하기 위한 간섭계를 이용하여 일정 주기로 진동하는 측정대상물의 진동 특성을 파악함으로써, 측정대상물을 측정하는 시스템의 구조를 간소화시키고, 시스템의 데이터 처리 부하를 줄일 수 있는 간섭계를 이용한 진동측정방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법은, 측정대상물에 광을 조사하여 간섭무늬를 생성하고, 생성된 간섭무늬의 이미지를 획득하면서 측정대상물을 측정하는 간섭계를 이용하고, 일정 주기로 진동하는 측정대상물에 대하여 일정 시간 간격마다 측정대상물의 이미지를 순차적으로 획득하는 이미지 획득단계; 획득된 복수의 이미지 내에서 모아레 무늬의 좌우 이동폭을 산출하는 이동폭 산출단계; 상기 모아레 무늬의 이웃하는 패턴 사이의 거리, 측정대상물에 조사되는 광의 파장 및 상기 모아레 무늬의 좌우 이동폭을 이용하여 측정대상물의 진폭을 산출하는 진폭 산출단계; 및 상기 모아레 무늬의 좌우 이동폭 내에서 상기 모아레 무늬가 초기위치에서 시작하여 다시 상기 초기위치로 복귀하는데 걸리는 복귀시간을 이용하여 측정대상물의 주기를 산출하는 주기 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 간섭계를 이용한 진동측정방법에 있어서, 상기 진폭 산출단계는 다음 수식에 의해 측정대상물의 진폭을 산출할 수 있다. x : λ/2 = y : 2A, x: 모아레 무늬의 이웃하는 패턴 사이의 거리, λ: 측정대상물에 조사되는 광의 파장, y: 모아레 무늬의 좌우 이동폭, A: 측정대상물의 진폭.
본 발명에 따른 간섭계를 이용한 진동측정방법에 있어서, 상기 주기 산출단계는, 상기 이미지 획득단계에서의 일정 시간 간격과 상기 복귀시간 내에 획득된 이미지의 개수를 곱한 값을 이용하여, 측정대상물의 주기를 산출할 수 있다.
본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법에 따르면, 측정대상물을 측정하는 시스템의 구조를 간소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법에 따르면, 측정 시스템의 데이터 처리 부하를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법을 구현하기 위한 간섭계를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법에서 측정대상물의 진동단계와 측정대상물의 이미지를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법의 진폭 산출단계와 주기 산출단계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 간섭계를 이용한 진동측정방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법을 구현하기 위한 간섭계를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법에서 측정대상물의 진동단계와 측정대상물의 이미지를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법의 진폭 산출단계와 주기 산출단계를 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도 1을 참조하면, 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법을 구현하기 위한 간섭계(10)는, 광원(11)과, 측정헤드(12)와, 이미지 획득부(14)를 포함한다.
상기 광원(11)은 백색광을 발생하는 백색광원 또는 단색광을 발생하는 단색광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 백색광원으로는 할로겐 램프, LED 등이 이용될 수 있으며, 단색광원으로는 다이오드 레이저 등이 이용될 수 있다.
상기 측정헤드(12)는 광원에서 발생된 광을 일정 주기로 진동하는 측정대상물(1)과 기준미러(23)로 전달하여, 측정대상물(1)에서 반사된 광과 기준미러(23)에서의 기준광을 이용하여 간섭무늬를 생성한다. 본 실시예의 측정헤드(12)는 집광렌즈(21)와, 광분할기(22)와, 기준미러(32)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 집광렌즈(21)는 측정대상물(1)에 광을 집속시키기 위한 것으로서, 광원(11)에서 발생된 광은 집광렌즈(21)를 통과하여 광분할기(22) 측으로 진행한다.
광분할기(22)는 집광렌즈(21)를 통과한 광을 반사시키거나 투과시킨다. 광분할기(22)에 의해 반사된 광은 기준미러(23)로 조사되고, 광분할기(22)를 투과한 광은 측정대상물(1)에 조사된 후 측정대상물(1)에서 다시 반사된다.
기준미러(23)는 측정대상물(1)에 의해 반사되는 광과 광경로차가 나는 기준광을 생성하기 위한 것으로서, 집광렌즈(21)와 광분할기(22) 사이에 배치된다. 기준미러(23)는 광분할기(22)에서 반사되어 입사되는 광을 다시 광분할기(22) 측으로 반사시킨다.
측정대상물(1)에서 반사된 광과 기준미러(23)에 의해 생성된 기준광은 간섭무늬를 생성하며, 이미지 획득부(14)를 이용하여 이러한 간섭무늬를 검출할 수 있다.
상기 이미지 획득부(14)는 측정헤드(12)에 의해 생성되는 간섭무늬의 이미지를 획득하며, 일정 주기로 진동하는 측정대상물(1)의 상측에 배치된다.
일반적으로 이미지 획득부(14)로는 측정하고자 하는 영역에 적합한 화소 개수를 가지는 CCD(charge coupled device) 카메라가 이용된다. 이미지 획득부(14)의 전방에는 메인 광분할기(24)로부터 입사되는 간섭광을 집속시키기 위한 집광렌즈(25)가 배치될 수 있다.
이후, 상술한 간섭계(10)를 이용하여, 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법을 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 간섭계를 이용한 진동측정방법은, 간섭계를 이용하여 측정대상물에 영향을 미치는 진동의 특성을 측정하기 위한 것으로서, 이미지 획득단계와, 이동폭 산출단계와, 진폭 산출단계와, 주기 산출단계를 포함한다.
상기 이미지 획득단계는 일정 주기로 진동하는 측정대상물(1)에 대하여 일정 시간 간격마다 측정대상물(1)의 이미지를 순차적으로 획득한다. 도 2에는 측정대상물(1)이 상하 방향으로 진동하는 동안 순차적으로 획득되는 측정대상물(1)의 이미지를 예시적으로 도시하였다.
우선, 도 2의 (a)를 참조하면, 측정대상물(1)이 상측 한계위치(a1)에 있을 때 측정대상물의 이미지(I1)를 획득할 수 있다. 획득된 측정대상물의 이미지(I1)에는 측정대상물(1)의 형상에 대응하는 모아레 무늬가 형성되어 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 측정대상물(1)이 하측으로 이동하여 중간위치(a2)에 위치할 때 측정대상물의 이미지(I2)를 획득할 수 있다. 도 2의 (a)에 도시된 이미지와 비교할 때, (b)단계에서 획득된 측정대상물의 이미지(I2)에서 모아레 무늬의 특정 패턴(31)은 우측으로 일정 거리 이동한다. 측정대상물(1)이 하측으로 이동하여 측정헤드(12)와 측정대상물(1)의 상대적인 거리가 커지면 측정대상물(1)의 표면에 형성되는 모아레 무늬가 변경되고, 이는 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 우측으로 이동하는 것으로 반영된다.
마찬가지로, 도 2의 (c)를 참조하면, 측정대상물(1)이 하측으로 이동하여 하측 한계위치(a3)에 위치할 때 측정대상물의 이미지(I3)를 획득할 수 있다. 도 2의 (b)에 도시된 이미지와 비교할 때, (c)단계에서 획득된 측정대상물의 이미지(I3)에서 모아레 무늬의 특정 패턴(31)은 우측으로 일정 거리 더 이동한다. 측정대상물(1)이 하측으로 이동하여 측정헤드(12)와 측정대상물(1)의 상대적인 거리가 더 커지면서, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 우측으로 더 이동한 것이다.
도 2의 (d)를 참조하면, 측정대상물(1)이 상측으로 이동하여 중간위치(a2)에 다시 위치할 때 측정대상물의 이미지(I4)를 획득할 수 있다. 도 2의 (c)에 도시된 이미지와 비교할 때, (d)단계에서 획득된 측정대상물의 이미지(I4)에서 모아레 무늬의 특정 패턴(31)은 반대 방향인 좌측으로 일정 거리 이동한다. 측정대상물(1)이 상측으로 이동하여 측정헤드(12)와 측정대상물(1)의 상대적인 거리가 작아지면서, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 좌측으로 이동한 것이다.
도 2의 (e)를 참조하면, 측정대상물(1)이 상측으로 이동하여 상측 한계위치(a1)에 다시 위치할 때 측정대상물의 이미지(I5)를 획득할 수 있다. 도 2의 (d)에 도시된 이미지와 비교할 때, (e)단계에서 획득된 측정대상물의 이미지(I5)에서 모아레 무늬의 특정 패턴(31)은 좌측으로 일정 거리 더 이동한다. 측정대상물(1)이 상측으로 이동하여 측정헤드(12)와 측정대상물(1)의 상대적인 거리가 더 작아지면서, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 좌측으로 더 이동한 것이다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (e)를 참조하면, 측정대상물(1)이 상하 방향으로 진동하면서 초기위치인 상측 한계위치(a1)에서 시작하여 다시 초기위치인 상측 한계위치(a1)로 복귀한 상태가 도시되어 있다. 이때, 획득된 측정대상물의 이미지(I1~I5)에서도 모아레 무늬의 특정 패턴(31)도 좌우 방향으로 이동하면서 초기위치(P1)에서 시작하여 다시 초기위치(P1)로 복귀된 것을 알 수 있다.
여기서, 측정대상물(1)이 상측 한계위치(a1), 중간위치(a2), 하측 한계위치(a3)에 위치할 때만 측정대상물의 이미지(I1~I5)를 획득하는 것이 아니고, 상측 한계위치(a1)와 중간위치(a2) 사이에서도 일정 시간 간격마다 측정대상물의 이미지를 순차적으로 획득하고, 중간위치(a2)와 하측 한계위치(a3) 사이에서도 일정 시간 간격마다 측정대상물의 이미지를 순차적으로 획득한다. 도 2에서 측정대상물이 상측 한계위치(a1), 중간위치(a2), 하측 한계위치(a3)에 위치할 때의 측정대상물의 이미지(I1~I5)는 일정 시간 간격마다 획득된 복수의 이미지 중 일부를 예시적으로 도시한 것이다.
상기 이동폭 산출단계는 획득된 복수의 이미지 내에서 모아레 무늬의 좌우 이동폭(y)을 산출한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이미지 획득단계를 통해 획득된 복수의 이미지를 분석하면, 측정대상물(1)이 진동하는 동안 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 초기위치(P1)에서 우측으로 이동하다가 어느 시점에서 좌측으로 이동하여 다시 초기위치(P1)로 복귀함을 알 수 있다. 이와 같이, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 우측으로 이동하다가 좌측으로 방향 전환하는 위치(P2)와 초기위치(P1) 사이의 거리를 본 명세서에서는 모아레 무늬의 좌우 이동폭(y)이라고 정의하고, 일정 시간 간격마다 획득된 복수의 이미지에서 모아레 무늬의 특정 패턴(31)의 이동 경로를 추적하면, 모아레 무늬의 좌우 이동폭(y)를 산출할 수 있다.
일정 시간 간격마다 획득된 복수의 이미지에서 모아레 무늬의 광강도 그래프를 추출함으로써, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)의 이동 경로를 추적할 수 있다. 본 실시예에서는 모아레 무늬의 좌우 이동폭(y)이 모아레 무늬의 이웃하는 패턴(31,32) 사이의 거리(x)의 1.5배인 경우를 예시적으로 도시하였다.
상기 진폭 산출단계는 모아레 무늬의 이웃하는 패턴(31,32) 사이의 거리(x), 측정대상물(1)에 조사되는 광의 파장(λ) 및 모아레 무늬의 좌우 이동폭(y)을 이용하여 측정대상물의 진폭(A)을 산출한다.
모아레 무늬의 이웃하는 패턴(31,32) 사이의 거리(x)는, 이미지 획득부의 시야영역(FOV, field of view)의 크기와, 이미지 내에서 이웃하는 패턴(31,32) 사이의 픽셀수를 통해 산출할 수 있다. 또한, 본 발명의 간섭계를 이용한 진동측정방법을 구현하기 위한 간섭계가 반사형 간섭계인 경우, 모아레 무늬의 이웃하는 패턴(31,32) 사이의 거리(x)는 측정대상물(1)에 조사되는 광의 파장(λ)의 1/2에 해당한다.
한편, 측정대상물의 진폭(A)의 크기는 모아레 무늬의 특정 패턴(31)의 좌우 이동폭(y)의 크기와 비례하므로, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)의 좌우 이동폭(y) 정보를 통해 측정대상물의 진폭(A) 정보를 추출할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 초기위치(P1)에 위치할 때는 측정대상물의 진동 그래프(41)에서 위상이 0인 지점(41a)과 대응하고, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 방향 전환하는 위치(P2)에 위치할 때는 측정대상물의 진동 그래프(41)에서 위상이 π인 지점(41b)과 대응하므로, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)의 좌우 이동폭(y)의 1/2이 측정대상물의 진폭(A)에 해당한다.
따라서, 다음 수식에 의해 측정대상물의 진폭(A)을 산출할 수 있다.
x : λ/2 = y : 2A
여기서, x는 모아레 무늬의 이웃하는 패턴(31,32) 사이의 거리이고, λ는 측정대상물(1)에 조사되는 광의 파장이며, y는 모아레 무늬의 좌우 이동폭이고, A는 측정대상물(1)의 진폭이다.
위의 비례식을 통해, 측정대상물의 진폭(A)을 산출할 수 있다.
상기 주기 산출단계는 모아레 무늬의 좌우 이동폭(y) 내에서 모아레 무늬가 초기위치(P1)에서 시작하여 다시 초기위치(P1)로 복귀하는데 걸리는 복귀시간을 이용하여 측정대상물의 주기(T)를 산출한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 모아레 무늬의 좌우 이동폭(y) 내에서 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 초기위치(31)에서 시작하여 방향 전환하는 위치(P2)를 경유하여 다시 초기위치(P1)로 복귀하는 것은, 측정대상물(1)이 상하 방향으로 진동하면서 초기위치에서 시작하여 다시 초기위치로 복귀하는 것을 의미한다. 따라서, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)의 복귀시간을 통해 측정대상물의 주기(T)를 산출할 수 있다.
이미지 획득단계에서 일정 시간 간격으로 획득된 이미지를 분석하면, 도 2에 도시된 바와 같이 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 초기위치(P1)에 위치한 이미지와, 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 다시 초기위치(P1)로 복귀하는 이미지를 추출할 수 있다. 이와 같이 모아레 무늬의 특정 패턴(31)이 다시 초기위치(31)로 복귀하는데 걸리는 복귀시간 내에 획득된 이미지의 개수와 일정 시간 간격을 곱하면, 측정대상물의 주기(T)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 0.2초 간격으로 측정대상물(1)의 이미지를 획득하고, 복귀시간 내에 획득된 이미지의 개수가 10개라면, 측정대상물의 주기(T)는 2초가 될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 간섭계를 이용한 진동측정방법은, 측정대상물의 형상을 측정하기 위한 간섭계를 이용하여 측정대상물의 형상 측정뿐만 아니라 측정대상물의 진동 특성을 분석할 수 있으므로, 측정대상물을 측정하는 시스템의 구조를 간소화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 간섭계를 이용한 진동측정방법은, 진동 특성의 분석에 필요한 이미지 데이터와 형상 측정에 필요한 이미지 데이터를 공용하여 사용할 수 있으므로, 측정 시스템의 데이터 처리 부하를 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
31 : 모아레 무늬의 특정 패턴
x : 모아레 무늬의 이웃하는 패턴 사이의 거리
λ: 측정대상물에 조사되는 광의 파장
y: 모아레 무늬의 좌우 이동폭
A: 측정대상물의 진폭

Claims (3)

  1. 측정대상물에 광을 조사하여 간섭무늬를 생성하고, 생성된 간섭무늬의 이미지를 획득하면서 측정대상물을 측정하는 간섭계를 이용하고,
    일정 주기로 진동하는 측정대상물에 대하여 일정 시간 간격마다 측정대상물의 이미지를 순차적으로 획득하는 이미지 획득단계;
    획득된 복수의 이미지 내에서 모아레 무늬의 좌우 이동폭을 산출하는 이동폭 산출단계;
    상기 모아레 무늬의 이웃하는 패턴 사이의 거리, 측정대상물에 조사되는 광의 파장 및 상기 모아레 무늬의 좌우 이동폭을 이용하여 측정대상물의 진폭을 산출하는 진폭 산출단계; 및
    상기 모아레 무늬의 좌우 이동폭 내에서 상기 모아레 무늬가 초기위치에서 시작하여 다시 상기 초기위치로 복귀하는데 걸리는 복귀시간을 이용하여 측정대상물의 주기를 산출하는 주기 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 진동측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진폭 산출단계는 다음 수식에 의해 측정대상물의 진폭을 산출하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 진동측정방법.
    x : λ/2 = y : 2A
    x: 모아레 무늬의 이웃하는 패턴 사이의 거리
    λ: 측정대상물에 조사되는 광의 파장
    y: 모아레 무늬의 좌우 이동폭
    A: 측정대상물의 진폭
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주기 산출단계는,
    상기 이미지 획득단계에서의 일정 시간 간격과 상기 복귀시간 내에 획득된 이미지의 개수를 곱한 값을 이용하여, 측정대상물의 주기를 산출하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 진동측정방법.
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