KR102132559B1 - 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자유 곡면 3차원 형상 측정장치에 있어서, 광을 출사시키는 광원을 갖는 조명광학모듈; 상기 조명광학모듈에서 출사된 광 일부를 반사시켜 자유 곡면을 갖는 측정대상물 측으로 입사시키는 제1빔스플리터; 상기 측정대상물에서 반사된 광이 입사되어 반사광과 투사광으로 분할하는 제2빔스플리터; 상기 반사광이 입사되어 제1방향의 층밀림양을 갖는 제1방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제1방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제1방향 간섭무늬를 획득하는 제1층밀리기 간섭계; 및 상기 투과광이 입사되어 제2방향의 층밀림양을 갖는 제2방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제2방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제2방향간섭무늬를 획득하는 제2층밀리기 간섭계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.

Description

복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치 및 측정방법{Real-time 3D Profile Measurement of Freeform Surfaces by Lateral Shearing Interferometer using Birefrignent Materials}
본 발명은 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계의 기본 원리를 이용하여 측정 대상물인 자유 곡면을 3차원으로 형상을 측정하기 위한 것으로, 특히 이 장치는 복굴절 매질의 성질을 이용하여 간섭 무늬를 얻는 것과 편광 카메라를 이용하여 어떠한 구동기 없이 위상을 추출하는 것을 특징으로 한다.
자유 곡면은 어떠한 축에 대해서 비회전 대칭 광학적 표면을 갖는다. 자유 곡면이 응용된 광학계는 구면 및 비구면의 기존 광학계보다 결상 성능이 뛰어나기 때문에 우수한 광학 시스템 성능을 제공하며, 설계 자유도 측면에서 자유롭기 때문에 제품 디자인에서도 다양한 모양으로 설계가 가능하여 최근 광 산업에서 각광을 받고 있다.
하지만 자유 곡면을 많은 분야에 적용시키기 위해서는 제품의 높은 신뢰도가 필수적이므로, 안정적이고 정밀한 자유 곡면 형상 측정 기술 개발이 필요하며, 특히 연구 개발의 영역에서 자유 곡면의 측정이 많은 관심과 주목을 받고 있다.
자유 곡면 형상 측정을 위해 많은 방법들이 있다.
스타일러스를 사용한 점 접촉 방법인 UA3P는 직관적인 방법으로 높은 정밀도를 갖는다. 하지만 전체적인 형상 측정을 위해 오랜 측정 시간이 필요하며 표면에 손상을 일으킬 수 있다.
주기적인 격자무늬 패턴을 측정 시편에 입사시킨 후, 반사된 패턴의 왜곡으로부터 형상의 기울기를 추출하여 형상을 복원하는 비 접촉식 방법인 편향측정법은 광학 구성이 비교적 간단하지만, 수식적으로 매우 복잡하고 시스템 교정이 어렵다.
일반적으로, 광학 간섭 방법은 뛰어난 측정 분해능을 제공하며, 측정 대상물의 형상을 측정하기 위한 다양한 방법들이 널리 알려져 있다. 일반적인 간섭계는 측정하고자 하는 표면으로부터 반사된 측정파와 기준 미러에서 반사된 기준파와의 광경로차로 인해 발생하는 간섭 무늬를 해석하여 형상을 측정한다.
하지만 측정 대상물에서 반사된 측정파가 기준파와의 광경로차가 너무 크면, 간섭 무늬는 너무 조밀하게 되어 형상 복원이 어렵게 된다. 또한, 형상을 측정하기 위한 대부분의 간섭계에서는 간섭 무늬를 얻기 위해 구동기 사용이 불가피하다.
구동기의 오차는 대표적인 형상 오차 중 하나이기 때문에 정밀도가 높은 구동기를 사용해야 하며, 비용적인 측면에서 부담이 될 수밖에 없다. 또한 자유곡면과 같이 표면 형상의 기울기가 매우 크거나 곡률 반경이 다양한 면들로 이루어진 형상을 측정할 경우에는 간섭무늬가 매우 촘촘하여 분석하는데 있어 많은 어려움이 존재한다.
대한민국 공개특허 제2008-0090225호 대한민국 공개특허 제2008-0032680호 대한민국 등록특허 제829204호 대한민국 등록특허 제1554205호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 층밀리기 간섭계에서 어떠한 구동기 사용 없이 한번의 측정으로 자유 곡면의 형상 측정을 구현할 수 있는, 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치 및 측정방법를 제공하는데 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 자유 곡면 3차원 형상 측정장치에 있어서, 광을 출사시키는 광원을 갖는 조명광학모듈; 상기 조명광학모듈에서 출사된 광 일부를 반사시켜 자유 곡면을 갖는 측정대상물 측으로 입사시키는 제1빔스플리터; 상기 측정대상물에서 반사된 광이 입사되어 반사광과 투사광으로 분할하는 제2빔스플리터; 상기 반사광이 입사되어 제1방향의 층밀림양을 갖는 제1방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제1방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제1방향 간섭무늬를 획득하는 제1층밀리기 간섭계; 및 상기 투사광이 입사되어 제2방향의 층밀림양을 갖는 제2방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제2방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제2방향간섭무늬를 획득하는 제2층밀리기 간섭계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 조명광학모듈은, 단파장 광을 출사하는 광원; 상기 단파장 광을 고르게 확산시키기 위한 로테이션 디퓨져; 상기 로테이션 디퓨져를 지난 광을 평행광으로 만들기 위한 렌즈; 및 제1편광파와 제2편광파의 편광 성분비율을 조절하기 위한 편광기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1층밀리기 간섭계는, 제1방향으로 회전되며 상기 반사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시키는 제1복굴절유닛; 상기 제1편광파와 상기 제2편광파의 위상지연을 발생시키는 제1쿼터파장판; 제1이미징 렌즈; 및 제1방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 제1편광카메라;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제2층밀리기 간섭계는, 제2방향으로 회전되며 상기 투사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시키는 제2복굴절유닛; 상기 제1편광파와 상기 제2편광파의 위상지연을 발생시키는 제2쿼터파장판; 제2이미징 렌즈; 및 제2방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 제2편광카메라;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제1방향 기울기값을 추출하고, 상기 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제2방향 기울기값을 추출하며, 상기 제1방향 기울기값과 상기 제2방향 기울기값으로부터 상기 측정대상물의 형상정보를 측정, 분석하는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 자유 곡면 3차원 형상을 측정하기 위한 방법에 있어서, 광원을 갖는 조명광학모듈에서 광이 출사되는 단계; 제1빔스플리터가 상기 조명광학모듈에서 출사된 광 일부를 반사시켜 자유 곡면을 갖는 측정대상물 측으로 입사시키는 제1단계; 상기 측정대상물에서 반사된 광이 제2빔스플리터에 입사되어 반사광과 투사광으로 분할되는 제2단계; 및 제1층밀리기 간섭계가 상기 반사광을 입사받아 제1방향의 층밀림양을 갖는 제1방향 층밀림파를 생성하고 상기 제1방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제1방향 간섭무늬를 획득하는 제3-1단계, 동시에 제2층밀리기 간섭계가 상기 투사광을 입사받아 제2방향의 층밀림양을 갖는 제2방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제2방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제2방향간섭무늬를 획득하는 제3-2단계; 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 제1단계는, 광원에서 단파장 광이 출사되는 단계; 로테이션 디퓨져가 상기 단파장 광을 고르게 확산시키는 단계; 렌즈가 상기 로테이션 디퓨져를 지난 광을 평행광으로 생성하는 단계; 및 편광기가 제1편광파와 제2편광파의 편광 성분비율을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제3-1단계는, 제1방향으로 회전된 제1복굴절유닛에 상기 반사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시켜 제1방향 층밀림파를 생성시키는 단계; 제1쿼터파장판이 상기 제1편광파와 상기 제2편광파의 위상지연을 발생시키는 단계; 제1이미징 렌즈가 상기 제1방향 층밀림파를 제1편광카메라로 입사시키는 단계; 및 제1편광카메라가 상기 제1방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제3-2단계는, 제2방향으로 회전된 제2복굴절유닛에 상기 투사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시켜 제2방향 층밀림파를 생성시키는 단계; 제2쿼터파장판이 상기 제1편광파와 상기 제1편광파의 위상지연을 발생시키는 단계; 제2이미징 렌즈가 상기 제2방향 층밀림파를 제2편광카메라로 입사시키는 단계; 및 제2편광카메라가 상기 제2방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 분석수단이 상기 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제1방향 기울기값을 추출하고, 상기 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제2방향 기울기값을 추출하며, 상기 제1방향 기울기값과 상기 제2방향 기울기값으로부터 상기 측정대상물의 형상정보를 측정, 분석하는 제4단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치 및 측정방법에 따르면, 층밀리기 간섭계에서 어떠한 구동기 사용 없이 한번의 측정으로 자유 곡면의 형상 측정을 구현할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 편광 방향에 따른 층밀림파를 생성하기 위한 복굴절 매질의 성질을 나타내는 구성도,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 제1복굴절 유닛을 이용하여 x 층밀림파를 제공하는 제1층밀리기 간섭계의 부분 구성도이다.
도 3b는 제1층밀리기 간섭계에서 생성된 제1방향 층밀림파를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 제2복굴절 유닛을 이용하여 y 층밀림파를 제공하는 제2층밀리기 간섭계의 부분 구성도이다.
도 4b는 제2층밀리기 간섭계에서 생성된 제2방향 층밀림파를 도시한 것이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 x 방향 층밀림파에 의해 제1편광 카메라에서의 간섭 무늬 획득하는 과정을 나타낸 도면,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 y 방향 층밀림파에 의해 제2편광 카메라에서의 간섭 무늬 획득하는 과정을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정기의 측정 결과이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치의 구성, 기능 및 측정방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치의 구성도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치(100)는 전체적으로 조명광학모듈(10), 제1빔스플리터(20), 제2빔스플리터(30), 제1층밀리기 간섭계(40), 제2층밀리기 간섭계(50) 등으로 구성됨을 알 수 있다.
본 발명에 따른 각 구성을 설명하기 전에 본 발명에 적용되는 복굴절 원리에 대해 먼저 설명하도록 한다.
자유 곡면 형상 측정을 위한 방법으로 층밀리기 간섭계가 각광을 받고 있다. 층밀리기 간섭계에서 파면에 층밀림을 주는 방법으로는 매질의 굴절 현상을 이용한 굴절형, 거울을 이용한 반사형 그리고 회절 격자에서의 회절 현상을 이용한 회절형이 있다. 여러 방법의 빛의 현상과 구동기를 이용해 층밀림파(측정파와 기준파)를 생성하여 간섭 무늬를 획득하는 것은 동일하다. 그리고 층밀림파는 기준파에 대하여 소량의 측면 방향으로 파면을 밀림시켜 생성되기 때문에 곡률반경이 작거나 국부 형상의 기울기가 큰 표면에서 일반적인 간섭계보다 밀도가 낮은 간섭무늬를 얻을 수 있어서 측정이 휠씬 용이하다. 상기 간섭 신호는 층밀림된 양에 의한 광 경로차가 발생된 측정파면의 변화를 나타내는 것으로 측정 대상물 표면의 기울기 맵을 나타낸다. 그리고 형상의 정보는 x, y 각각의 기울기 맵의 적분을 통하여 복원된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자유 곡면 형상 측정을 위한 새로운 층밀리기 간섭계가 제안된다.
층밀리기 간섭계는 복굴절에서 일어나는 현상과 편광 카메라를 이용하여 공간적으로 한 번에 위상 이동이 가능하여 기울기 맵을 얻는 방법을 결합한다. 이에 따라, 한 번의 측정으로 자유 곡면의 형상 복원이 가능하기 때문에 고속 측정이 가능하며, 급격한 기울기를 갖는 자유곡면과 다양한 형태의 표면에 대한 3D 형상 측정이 가능하다.
본 발명은 상기 층밀리기 간섭계에서 층밀림을 주기 위해 복굴절 매질을 사용한다. 측정 대상물에서 반사되는 측정파는 복굴절 매질을 투과한다. 이 때, 복굴절 매질에서 발생하는 현상을 이용하여 층밀림이 발생한다. 소정의 층밀림을 갖는 제1편광파(p파)와 제2편광파(s파)를 복굴절 매질의 현상을 이용하여 분리시키는게 특징이다.
복수의 위상 이동된 간섭무늬를 얻기 위해서 편광 카메라를 이용하여 90°위상 이동된 간섭 신호 4개를 획득한다. 본 발명은 간섭 신호의 위상 정보를 어떠한 구동기 사용없이 한 장의 측정 결과의 영상으로부터 획득이 가능하기 때문에 진동에 둔감하여 외부 환경에 노출된 산업 현장에 적용이 가능하다.
층밀리기 간섭계에서 측정 대상물에서 반사되는 파를 분할하여 형성된 제1편광파(이상광선, p파)와 제2편광파(정상광선, s파)로 구성된 층밀림된 간섭 신호를 생성하기 위해 복굴절 매질의 성질을 이용한다. 측정 대상물에서 반사되는 파는 복굴절 매질을 투과하여 서로 다른 편광 방향을 갖으며, 소정의 층밀림을 갖는 제1편광파(p파)와 제2편광파(s파)로 분리시키는게 특징이며, 편광 카메라에서 층밀림파의 간섭 신호 4개를 획득한다. 간섭 신호의 위상 정보를 어떠한 구동기 사용없이 한 장의 측정 결과의 영상으로부터 획득이 가능하며, 이 결과로부터 자유 곡면의 3차원 형상을 복원한다.
그리고 층밀리기 간섭계는 층밀림파의 간섭 신호로부터 x, y 두 방향에 대한 위상 정보를 통해 3차원 형상 복원이 가능하기 때문에 복굴절 매질 2개, 편광 카메라 2개를 사용한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 층밀림파를 생성하기 위한 복굴절 매질의 성질을 나타내는 구성도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 복굴절의 원리는 빛의 편광 방향에 대한 굴절률이 달라 빛이 나뉘는 현상을 말한다. 도 2에서 무편광 된 빛이 복굴절 매질(2)을 지나면 복굴절 매질의 성질에 의해 빛이 이상광선(3, 제1편광파, p파)과 정상광선(4, 제2편광파, s파) 두 방향으로 분할된다. 그리고 두 빔의 층밀링양(S)으로 발생한 광경로차에 의해 간섭무늬가 생성된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계의 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치(100)의 각 구성에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 조명광학모듈(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 광을 출사시키는 광원(11)을 포함하여 구성된다. 광원(11, 예를 들어, He-Ne Laser, 632.8 nm))은 단파장 광을 출사하도록 구성된다. 그리고 로테이션 디퓨져(12, Rotation Diffuser)는 단파장 광을 고르게 확산시키도록 구성된다. 그리고 렌즈(13)는 로테이션 디퓨져(12)를 지난 광을 평행광으로 만들기 위해 구성되며, 선형편광기(14)는 제1편광파와, 제2편광파의 편광 성분비율을 조절하기 위해 구성된다.
그리고 제1빔스플리터(20)는 조명광학모듈(10)에서 출사된 광 일부를 반사시켜 자유 곡면을 갖는 측정대상물(1) 측으로 입사시키게 된다.
또한, 측정대상물(1)에서 반사된 광은 제2빔스플리터(30)를 통해 반사광과 투사광으로 분할되게 된다.
그리고 제2빔스플리터(30)에서 반사된 반사광은 제1층밀리기 간섭계(40)로 입사되고, 제2빔스플리터(30)에서 투과된 투사광은 제2층밀리기 간섭계(50)로 입사되게 된다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 제1복굴절 유닛을 이용하여 x 층밀림파를 제공하는 제1층밀리기 간섭계(40)의 부분 구성도를 도시한 것이다. 도 3b는 제1층밀리기 간섭계에서 생성된 제1방향 층밀림파(45)를 도시한 것이다.
제1층밀리기 간섭계(40)는 반사광을 입사받아 제1방향(x방향)의 층밀림양을 갖는 제1방향 층밀림파(45, x방향 층밀림파)를 생성하고 제1방향 층밀림파(45)로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제1방향 간섭무늬를 획득하도록 구성된다.
보다 구체적으로 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, x 방향으로 회전된 제1복굴절유닛(41)에 반사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 생성된 소정의 층밀림양을 갖는 x방향 층밀림파(45)가 생성되게 된다. 그리고 제1쿼터파장판(42)은 제1편광파(3, p파)와 제2편광파(4, s파)의 위상지연을 발생시키도록 구성된다. 그리고 제1이미징 렌즈(43)는 이러한 x 방향 층밀림파(45)를 제1편광카메라(44)로 입사시키게 된다. 그리고 제1편광카메라(44)는 x 방향 층밀림파(45)에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하게 된다.
즉 한 개의 픽셀안에 네방향(0°, 45°, 90°, 135°)의 편광방향이 있는 카메라에 제1편광파와 제2편광파 두 빛은 제1편광카메라(44)의 각각 픽셀에 90°의 위상차이를 갖는 제1위상천이 간섭무늬 패턴 4장을 얻게 된다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 제2복굴절 유닛을 이용하여 y 층밀림파를 제공하는 제2층밀리기 간섭계의 부분 구성도이다. 도 4b는 제2층밀리기 간섭계에서 생성된 제2방향 층밀림파를 도시한 것이다.
제2층밀리기 간섭계(50)는 투사광을 입사 받아 제2방향(y방향)의 층밀림양을 갖는 제2방향 층밀림파(55, y방향 층밀림파)를 생성하고 제2방향 층밀림파(55)로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제2방향 간섭무늬 패턴을 획득하도록 구성된다.
보다 구체적으로 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, y 방향으로 회전된 제2복굴절유닛(51)에 투사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 생성된 소정의 층밀림양을 갖는 y방향 층밀림파(55)가 생성되게 된다. 그리고 제2쿼터파장판(52)은 제1편광파(3, p파)와 제2편광파(4, s파)의 위상지연을 발생시키도록 구성된다. 그리고 제2이미징 렌즈(53)는 이러한 y 방향 층밀림파(55)를 제2편광카메라(54)로 입사시키게 된다. 그리고 제2편광카메라(54)는 y 방향 층밀림파(55)에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하게 된다.
즉 한 개의 픽셀안에 네방향(0°, 45°, 90°, 135°)의 편광방향이 있는 제2편광카메라(55)에 제1편광파와 제2편광파 두 빛은 카메라의 각각 픽셀에 90°의 위상차이를 갖는 제2위상천이 간섭무늬 패턴 4장을 얻게 된다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 x 방향 층밀림파에 의해 제1편광 카메라에서의 간섭무늬 패턴을 획득하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 5a의 좌측 첫번째 도시된 도면에 도시된 바와 같이, 제1편광카메라(44)에는 4개가 한 세트인 복수의 픽셀이 존재하며, 좌측 두번째 도시된 도면에서 보는 바와 같이, 하나의 픽셀안에 서로 다른 편광방향을 갖는 4개의 마이크로편광자가 구비됨을 알 수 있다. 0°의 편광방향(A, I1), 45°의 편광방향(B, I3), 90°의 편광방향(C, I4), 135°의 편광방향(D, I2)을 갖는다.
이러한 제1편광카메라(44)로부터 도 5a의 좌측 세번째 도시된 도면에서 보는 바와 같이, 각각 픽셀에 90°의 위상차이를 갖는 4개의 제1위상천이 간섭무늬 패턴을 얻게 된다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 y 방향 층밀림파에 의해 제2편광 카메라에서의 간섭 무늬 획득하는 과정을 나타낸 도면을 나타낸 것이다. 도 5b의 좌측 첫번째 도시된 도면에 도시된 바와 같이, 제2편광카메라(54)에는 4개가 한 세트인 복수의 픽셀이 존재하며, 좌측 두번째 도시된 도면에서 보는 바와 같이, 하나의 픽셀안에 서로 다른 편광방향을 갖는 4개의 마이크로편광자가 구비됨을 알 수 있다. 0°의 편광방향(A, I1), 45°의 편광방향(B, I3), 90°의 편광방향(C, I4), 135°의 편광방향(D, I2)을 갖는다.
이러한 제2편광카메라(54)로부터 도 5b의 좌측 세번째 도시된 도면에서 보는 바와 같이, 각각 픽셀에 90°의 위상차이를 갖는 4개의 제2위상천이 간섭무늬 패턴을 얻게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정기의 측정 결과이다. 도 6a는 x 방향 위상 기울기 맵을 도시한 것이고, 도 6b는 y 방향 위상 기울기 맵을 도시한 것이며, 도 6c는 x,y 방향의 위상 기울기 맵의 적분을 통해 얻어진 형상정보 맵을 도시한 것이고, 도 6d는 도 6c에서 기울기 성분을 제거한 결과맵을 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 분석수단은 제1편광카메라(44)로 획득한 4개의 제1위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 위상천이 알고리즘을 통해 제1방향(x방향) 위상 기울기값을 추출하게 된다. 또한, 제2편광카메라(54)로부터 측정된 4개의 제2위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 위상천이 알고리즘을 통해 제2방향(y방향) 기울기값을 추출하게 된다. 그리고 이러한 제1방향 기울기값과 제2방향 기울기값으로부터 측정대상물의 형상정보를 측정, 분석하게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:측정대상물
2:복굴절 매질
3:제1편광파, 이상광선, P파
4:제2편광파, 정상광선, S파
10:조명광학모듈
11:광원
12:로테이션 디퓨져
13:렌즈
14:선형편광기
20:제1빔스플리터
30:제2빔스플리터
40:제1층밀리기 간섭계
41:제1복굴절유닛
42:제1쿼터파장판
43:제1이미징렌즈
44:제1편광카메라
45:제1방향 층밀림파
50:제2층밀리기 간섭계
51:제2복굴절유닛
52:제2쿼터파장판
53:제2이미징렌즈
54:제2편광카메라
55:제2방향 층밀림파
100:복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치

Claims (10)

  1. 자유 곡면 3차원 형상 측정장치에 있어서,
    광을 출사시키는 광원을 갖는 조명광학모듈;
    상기 조명광학모듈에서 출사된 광 일부를 반사시켜 자유 곡면을 갖는 측정대상물 측으로 입사시키는 제1빔스플리터;
    상기 측정대상물에서 반사된 광이 입사되어 반사광과 투사광으로 분할하는 제2빔스플리터;
    상기 반사광이 입사되어 제1방향의 층밀림양을 갖는 제1방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제1방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제1방향 간섭무늬를 획득하는 제1층밀리기 간섭계; 및
    상기 투사광이 입사되어 제2방향의 층밀림양을 갖는 제2방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제2방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제2방향간섭무늬를 획득하는 제2층밀리기 간섭계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조명광학모듈은,
    단파장 광을 출사하는 광원; 상기 단파장 광을 고르게 확산시키기 위한 로테이션 디퓨져; 상기 로테이션 디퓨져를 지난 광을 평행광으로 만들기 위한 렌즈; 및 제1편광파와 제2편광파의 편광 성분비율을 조절하기 위한 편광기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1층밀리기 간섭계는,
    제1방향으로 회전되며 상기 반사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시켜 제1방향 층밀림파를 생성시키는 제1복굴절유닛; 상기 제1편광파와 상기 제2편광파의 위상 지연을 발생시키는 제1쿼터파장판; 제1이미징 렌즈; 및 상기 제1방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 제1편광카메라;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2층밀리기 간섭계는,
    제2방향으로 회전되며 상기 투사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시켜 제2방향 층밀림파를 생성시키는 제2복굴절유닛; 상기 제1편광파와 상기 제2편광파의 위상지연을 발생시키는 제2쿼터파장판; 제2이미징 렌즈; 및 상기 제2방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 제2편광카메라;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제1방향 기울기값을 추출하고, 상기 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제2방향 기울기값을 추출하며, 상기 제1방향 기울기값과 상기 제2방향 기울기값으로부터 상기 측정대상물의 형상정보를 측정, 분석하는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정장치.
  6. 자유 곡면 3차원 형상을 측정하기 위한 방법에 있어서,
    광원을 갖는 조명광학모듈에서 광이 출사되는 단계;
    제1빔스플리터가 상기 조명광학모듈에서 출사된 광 일부를 반사시켜 자유 곡면을 갖는 측정대상물 측으로 입사시키는 제1단계;
    상기 측정대상물에서 반사된 광이 제2빔스플리터에 입사되어 반사광과 투사광으로 분할되는 제2단계; 및
    제1층밀리기 간섭계가 상기 반사광을 입사받아 제1방향의 층밀림양을 갖는 제1방향 층밀림파를 생성하고 상기 제1방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제1방향 간섭무늬를 획득하는 제3-1단계, 동시에 제2층밀리기 간섭계가 상기 투사광을 입사받아 제2방향의 층밀림양을 갖는 제2방향 층밀림파를 생성하고, 상기 제2방향 층밀림파로부터 서로 다른 위상차이를 갖는 복수의 제2방향간섭무늬를 획득하는 제3-2단계; 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1단계는, 광원에서 단파장 광이 출사되는 단계; 로테이션 디퓨져가 상기 단파장 광을 고르게 확산시키는 단계; 렌즈가 상기 로테이션 디퓨져를 지난 광을 평행광으로 생성하는 단계; 및 편광기가 제1편광파와 제2편광파의 편광 성분비율을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제3-1단계는,
    제1방향으로 회전된 제1복굴절유닛에 상기 반사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시켜 제1방향 층밀림파를 생성시키는 단계; 제1쿼터파장판이 상기 제1편광파와 상기 제2편광파의 위상지연을 발생시키는 단계; 제1이미징 렌즈가 상기 제1방향 층밀림파를 제1편광카메라로 입사시키는 단계; 및 제1편광카메라가 상기 제1방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제3-2단계는,
    제2방향으로 회전된 제2복굴절유닛에 상기 투사광이 투과되어 복굴절 성질에 의해 제1편광파와 제2편광파로 분할되어 층밀림 효과를 발생시켜 제2방향 층밀림파를 생성시키는 단계; 제2쿼터파장판이 제1편광파와 제2편광파의 위상지연을 발생시키는 단계; 제2이미징 렌즈가 상기 제2방향 층밀림파를 제2편광카메라로 입사시키는 단계; 및 제2편광카메라가 상기 제2방향 층밀림파에서 서로 다른 위상천이값을 갖는 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴을 생성하고 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    분석수단이 상기 복수의 제1위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제1방향 기울기값을 추출하고, 상기 복수의 제2위상천이 간섭무늬 패턴으로부터 제2방향 기울기값을 추출하며, 상기 제1방향 기울기값과 상기 제2방향 기울기값으로부터 상기 측정대상물의 형상정보를 측정, 분석하는 제4단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절 매질을 이용한 층밀리기 간섭계 기반의 실시간 자유 곡면 3차원 형상 측정방법.
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