KR102517637B1 - 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치 및 그 방법, 이를 이용한 편광 분석 시스템 - Google Patents

렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치 및 그 방법, 이를 이용한 편광 분석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치 및 그 방법, 이를 이용한 편광 분석 시스템에 관한 것으로서, 기 설정된 두께를 갖는 렌즈가 놓여져 고정되는 렌즈 거치대; 상기 렌즈 거치대의 하부에 배치되어 제1 방향의 조명 또는 제2 방향의 조명을 제공하는 조명부; 상기 렌즈 거치대와 조명부 사이에 위치하여, 상기 제1 방향의 조명과 제2 방향의 조명 중 어느 하나의 조명을 선택하여 상기 렌즈 거치대 방향으로 조사되도록 입사 경로를 결정하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에 의해 입사되는 조명이 렌즈를 투과하면서 발생되는 광학적 특성을 포함한 편광 정보를 측정하는 광학계; 및 상기 렌즈 거치대를 기 설정된 이동 방향으로 기 설정된 이동량만큼 이동시키고, 상기 렌즈 거치대, 조명부, 빔스플리터 및 광학계를 고정 지지하는 지그를 포함하는 것이다.

Description

렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치 및 그 방법, 이를 이용한 편광 분석 시스템{Polarization analysis apparatus and method for lens quality inspection, and polarization analysis system using the same}
본 발명은 초소형 렌즈 내부 응력 및 무반사 박막 품질 오류 검출용 편광 분석 시스템에 관한 발명이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
복굴절 현상은 유리나 플라스틱과 같은 등방성 매질에서는 발생하지 않으며 1축성 단결정 또는 2축성 단결정에 광선이 입사할 때 복굴절이 발생한다. 단결정은 등방성 매질이 아니므로 단결정의 광축에 나란하게 입사하는 광선을 제외하고는 입사한 광선이 상광선과 이상광선으로 나누어져서 진행하여 진행방향이 달라지고 상광선과 이상 광선의 굴절률 또한 다르게 된다.
이러한 복굴절 현상은 때때로 등방성 매질인 유리나 플라스틱에서도 관찰될 수 있는데 등방성 매질에 스트레스가 가해지면 내부에 발생한 응력으로 인하여 매질이 부분적으로 비등방성 구조로 변형되면서 매우 국소적인 복굴절이 발생한다.
이러한 복굴절 현상을 이용하면 투명한 등방성 매질에 남아있는 잔류 응력을 측정할 수 있으며, 이러한 광탄성을 이용한 측정법은 편광된 빛이 잔류응력이 존재하는 투명한 시편을 통과할 때 나타나는 복굴절(birefringence)패턴을 이용하는 것이다. 여기서, 광탄성은 투명한 탄성체에 외력을 가하면 그 뒤틀림에 의해 응력이 생기며, 광학적 성질이 일시적으로 변화하여 복굴절성을 나타내는 것이다.
일반적인 광탄성을 이용한 측정 방법은 편광된 빛이 잔류응력이 존재하는 투명한 시편을 통과하여 나타나는 복굴절(birefringence) 패턴을 이용하는 것이다. 복굴절 패턴이 시편의 잔류 응력의 주응력 간의 차이와 비례하여(Rheo-optic Law) 색으로 나타나기 때문에 잔류응력을 정성적으로 판단할 수 있다.
이와 같이, 종래의 광탄성을 이용한 측정 방법은, 한 방향에서만 잔류 응력을 측정하게 되며, 다른 방향의 잔류 응력을 측정하기 위해서는 시편을 측정하고자 하는 위치에 맞게 다시 세팅해야 한다. 따라서, 측정 위치 등의 조건이 달라져 잘못된 잔류 응력 분포값이 측정될 우려가 있고, 잔류 응력 분포를 입체적으로 측정할 수 있으므로 시편에 대한 잔류 응력 분포의 비대칭성을 측정하기 어렵다는 문제점이 있다. 특히, 측정 시편이 투명한 유리소재의 초소형 렌즈인 경우에 렌즈 내부의 이상 또는 무반사 코팅된 박막의 품질을 판단하는 것이 매우 어렵고, 렌즈 품질을 검사하기 위해 많은 비용이 필요하다는 문제점이 있다.
잔류 응력은 시간이 지남에 따라 이완되면서 제품에 후변형을 일으켜 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 광탄성을 이용하여 박막 또는 렌즈의 잔류 응력을 평가하는 기술은 광탄성으로 나타나는 정성적인 잔류 응력을 정량적으로 측정하여, 잔류 응력에서의 주응력의 차이뿐만 아니라 시편의 각 부분에서의 주응력의 크기를 정량적으로 측정하고, 잔류 응력 분포의 비대칭성을 측정할 수 있어야 한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 초소형 렌즈의 내부 응력 및 박막 품질의 오류를 검출하기 위한 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치 및 그 방법, 이를 이용한 편광 분석 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치는, 기 설정된 두께를 갖는 렌즈가 놓여져 고정되는 렌즈 거치대; 상기 렌즈 거치대의 하부에 배치되어 제1 방향의 조명 또는 제2 방향의 조명을 제공하는 조명부; 상기 렌즈 거치대와 조명부 사이에 위치하여, 상기 제1 방향의 조명과 제2 방향의 조명 중 어느 하나의 조명을 선택하여 상기 렌즈 거치대 방향로 조사되도록 입사 경로를 결정하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에 의해 입사되는 조명이 렌즈를 투과하면서 발생되는 광학적 특성을 포함한 편광 정보를 측정하는 광학계; 및 상기 렌즈 거치대를 기 설정된 으로 기 설정된 이동량만큼 이동시키고, 상기 렌즈 거치대, 조명부, 빔스플리터 및 광학계를 고정 지지하는 지그를 포함하는 것이다.
상기 렌즈 거치대는 상기 조명이 투과될 수 있는 투명 재질로 형성된 투명판, 상기 조명이 투과될 수 있는 투과홀이 형성된 평판 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것이다.
상기 조명부는, 상기 렌즈 거치대의 일측면에서 무편광(Unpolarization)된 측면 조명을 제공하는 제1 조명부; 및 상기 렌즈 거치대의 하부면에서 기설정된 방향으로 선형 편광된 후면 조명을 제공하는 제2 조명부를 포함하는 것이다.
상기 제2 조명부는, 무편광된 조명을 제공하는 광원; 상기 광원에서 조사되는 광을 원형 편광으로 제공하는 원형 편광판; 및 상기 원형 편광판을 통해 입사되는 원형 편광을 광축에 대해 기설정된 위상만큼 편광 방향을 변화시켜 선형 편광된 광을 제공하는 파장판을 포함하는 것이다. 상기 파장판은 사분파장판(quarter-wave plate)일 수 있다.
상기 광학계는, 상기 제1 조명부에 의해 선형 편광 성분을 포함하고, 상기 제2 조명부에 의해 상기 렌즈의 내부 응력에 의한 복굴절 성분을 포함하는 편광 정보를 획득하는 것이다.
상기 광학계는, 상기 렌즈 거치대의 상부에 놓여진 렌즈를 투과한 광을 확산시킨 후, 상기 확산된 광을 평행광으로 제공하는 렌즈모듈; 및 상기 렌즈모듈을 통과한 광을 촬영하여 편광정보로 제공하는 편광 카메라를 포함하는 것이다.
상기 편광 카메라는 편광각이 0도, 45도, 90도, 135도의 4방향의 편광 영상을 취득하기 위한 편광판을 포함하는 센서가 포함된 것이다.
상기 광학계는, 상기 지그의 과 이동량에 따라 기 설정된 크기의 가로 및 세로로 배열된 화소로 이루어지는 면 단위 이미지로 스캔하고, 상기 스캔된 면 단위 이미지를 합성하여 하나의 완성된 입체적 이미지를 생성하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법은, 편광을 이용하여 렌즈의 품질을 분석하는 편광 분석 장치에 의해 수행되는 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법에 있어서, a) 렌즈가 놓여진 렌즈 거치대를 향해 무편광(Unpolarization)된 제1 방향의 조명을 조사한 후, 광학계를 통해 상기 제1 방향의 조명이 렌즈를 투과하면서 발생되는 선형 편광성분을 포함하는 편광 정보를 촬영하는 단계; b) 상기 렌즈 거치대를 향해 기설정된 방향으로 선형 편광된 제2 방향의 조명을 조사한 후, 상기 광학계를 통해 상기 렌즈의 내부 응력에 의한 복굴절 성분을 포함하는 편광 정보 촬영하는 단계; 및 c) 상기 광학계로부터 편광 정보를 수집하고, 상기 편광 정보를 기초로 하여 상기 렌즈의 응력의 크기와 위상 분포 상태를 분석하여 렌즈 오류를 검출하는 단계를 포함하는 것이다.
상기 c) 단계는, 상기 선형 편광성분을 이용하여 렌즈의 복굴절 측정값(Degree of linear polarization, DoLP)을 산출하고, 상기 산출된 복굴절 측정값을 이용하여 상기 렌즈의 표면 스크래치 또는 박막 박리 상태에 대한 오류를 검출하며, 상기 복굴절 성분을 이용하여 상기 렌즈를 투과하여 상기 광학계로 입사되는 입사광의 편광 각도 정보(Angle of linear polarization, AoLP)를 산출하고, 상기 산출된 편광 각도 정보를 이용하여 상기 렌즈의 잔류 응력과 위상 분포를 검출하는 것이다.
상기 b) 단계는, 상기 렌즈 거치대를 기설정된 과 이동량에 따라 기 설정된 크기의 가로 및 세로로 배열된 화소로 이루어지는 면 단위 이미지로 스캔하고, 상기 스캔된 면 단위 이미지를 합성하여 하나의 완성된 입체적 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는 것이다.
상기 c) 단계는, 상기 입체적 이미지를 이용하여 상기 렌즈의 잔류 응력 분포를 입체적으로 분석하여 잔류 응력 분포의 비대칭성을 평가하고, 상기 렌즈의 영역별 응력 집중 현상이 발생된 부분을 검출하는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광을 이용하여 렌즈의 오류를 검출하는 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템은, 제1항의 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치; 및 상기 편광 분석 장치를 통해 편광 정보를 수집하고, 상기 편광 정보를 분석하여 상기 렌즈의 응력의 크기나 분포 상태를 파악하여 렌즈 오류를 평가한 후 평가 결과를 제공하는 평가 장치를 포함하는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 렌즈의 내부의 응력 크기와 위상 분포 상태뿐만 아니라 렌즈 표면의 스크래치나 박막 검사를 동시에 수행할 수 있고, 잔류 응력 분포를 입체적으로 측정할 수 있어 렌즈에 대한 잔류 응력 분포의 비대칭성을 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 렌즈의 성형, 사출 후 품질 검증, 협대역 및 무반사 코팅된 렌즈 다이싱후 발생하는 코팅의 박리 현상 등의 문제를 분석하고, 공정을 최적화하기 위해 필요한 편광 정보에 대한 분석 데이터를 제공하여 수율 향상을 기대할 수 있으며, 렌즈 이외에도 투명하거나 박막을 가진 다른 부품 모두에 적용 가능하여 광범위한 응용이 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치를 설명하는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템의 박막 시편의 광학적 특성을 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템의 렌즈의 광학적 특성을 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 7은 잔류 응력으로 인한 지연에 따른 색상 스펙트럼을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 품질 오류를 검출하기 위한 과정을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템에 의해 비구면 FAC 렌즈의 오류 검출 상태를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법을 설명하는 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치의 구성을 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치를 설명하는 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 설명하는 도면이다.
렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치(100)는 렌즈 거치대(110), 조명부(120, 130), 빔스플리터(140), 광학계(150) 및 지그(160)를 포함한다.
렌즈 거치대(110)는 기 설정된 두께를 갖는 렌즈(10)가 놓여져 고정된다. 이러한 렌즈 거치대(110)는 조명이 투과될 수 있는 투명 재질로 형성된 투명판이나, 조명이 투과될 수 있는 투과홀이 형성된 평판 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
조명부(120, 130)는 렌즈 거치대(110)의 하부에 배치되어 제1 방향의 조명 또는 제2 방향의 조명을 제공한다. 조명부(120, 130)는 렌즈 거치대(110)의 하부 일측에서 무편광(Unpolarization)된 측면 조명을 제공하는 제1 조명부(120), 렌즈 거치대(110)의 하부면에서 기설정된 방향으로 선형 편광된 후면 조명을 제공하는 제2 조명부(130)를 포함한다.
제2 조명부(130)는 무편광된 조명을 제공하는 광원(131), 광원(131)에서 조사되는 광을 원형 편광으로 제공하는 원형 편광판(132), 원형 편광판(132)을 통해 입사되는 원형 편광을 광축에 대해 기설정된 위상만큼 편광 방향을 변화시켜 선형 편광된 광을 제공하는 파장판(133)을 포함한다. 이때, 파장판(133)은 사분파장판(quarter-wave plate)으로서, 선형 편광된 광은 지면에 대해 수직 방향인 수직 편광이 될 수 있다. 제1 조명부(120)와 광원(131)은 확산된 광, 즉 면조명을 제공할 수 있다.
빔 스플리터(140)는 렌즈 거치대(110)와 조명부(120, 130) 사이에 위치하여, 제1 방향의 조명과 제2 방향의 조명 중 어느 하나의 조명을 선택하여 렌즈 거치대(110) 방향으로 조사되도록 입사 경로를 결정한다.
광학계(150)는 빔 스플리터(140)에 의해 입사되는 조명이 렌즈(10)를 투과하면서 발생되는 광학적 특성을 포함한 편광 정보를 측정한다.
지그(160)는 렌즈 거치대(110), 조명부(120, 130), 빔스플리터(140) 및 광학계(150)를 고정 지지하고, 렌즈 거치대(110)를 기 설정된 (지면에 대해 수직 방향)으로 기 설정된 이동량만큼 이동시킬 수 있는 이동수단(미도시)을 포함한다.
지그(160)는 렌즈 거치대(110), 조명부(120, 130), 빔스플리터(140) 및 광학계(150)가 일체형으로 결합된 형태로 형성될 수 있고, 기존의 광탄성 장치를 이용할 경우에 기존의 광탄성 장치를 상단에 고정하고, 조명부(120, 130)와 조명부(120, 130)에 전원을 공급하는 전원 공급 수단(미도시) 등을 포함하는 하단에 고정시킬 수 있는 조립 형태로 제작될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광학계(150)는 렌즈 거치대(110)의 상부에 놓여진 렌즈(10)를 투과한 광을 확산시킨 후 확산된 광을 평행광으로 제공하는 렌즈모듈(152)과, 렌즈모듈(152)을 통과한 광을 촬영하여 편광정보로 제공하는 편광 카메라(155)를 포함한다. 이때, 렌즈 모듈(152)은 광을 확산시키는 디퓨져, 디퓨져를 지난 광을 평행광으로 만드는 콜리메이터 등의 광학 기구를 포함할 수 있다.
편광 카메라(155)는 편광각이 0도, 45도, 90도, 135도의 4방향의 편광 영상을 취득하기 위한 편광판이 부착된 센서(151)를 포함한다. 이때, 센서(151)의 사이즈는 FOV(Field of View)를 확보하는데 필요한 적절한 렌즈 배율을 결정하는데 중요한 요소이다. PMAG(Primary Magnification)는 렌즈의 기본 배율로서 센서 크기와 FOV 사이의 비율, PMAG=센서 크기/FOV로 정의한다.
따라서, 광학계(150)는 제1 조명부(120)에 의해 선형 편광 성분을 포함하고, 제2 조명부(130)에 의해 렌즈(10)의 내부 응력에 의한 복굴절 성분을 포함하는 편광 정보를 획득할 수 있다. 또한, 광학계(150)는 지그(160)의 이동 방향(또는 스캔 방향)과 이동량에 따라 기 설정된 크기의 가로 및 세로로 배열된 화소로 이루어지는 면 단위 이미지로 스캔하고, 스캔된 면 단위 이미지를 합성하여 하나의 완성된 이미지를 생성할 수 있다. 이렇게 완성된 이미지는 렌즈의 배면, 전면, 측면의 모든 면에 대한 편광 정보를 획득할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템의 구성을 설명하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템의 박막 시편의 광학적 특성을 측정하는 과정을 설명하는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템의 렌즈의 광학적 특성을 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템은 상기한 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치(100)와 평가 장치(200)를 포함한다.
평가 장치(200)는 편광 분석 장치(100)를 통해 편광 정보를 수집하고, 편광 정보를 분석하여 렌즈(10)의 응력의 크기나 분포 상태를 파악할 수 있다. 한편, 편광 분석 장치(100)는 도 1 내지 도 3에서 그 구성을 설명하였으므로, 이하에서 반복되는 설명을 생략한다.
이러한 평가 장치(200)는 데이터 수집부(210), 데이터 분석부(220), 디스플레이부(230) 및 데이터 저장부(240)를 포함하고 있지만 이에 한정되지는 않는다. 평가 장치(200)는 일반적인 의미의 서버용 컴퓨터 본체일 수 있고, 그 외에 서버 역할을 수행할 수 있는 다양한 형태의 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있는데, 일례로 휴대폰이나 TV, PDA, 태블릿 PC, PC, 노트북 PC 및 기타 사용자 단말 장치 등으로 구현될 수 있다.
데이터 수집부(210)는 유선 통신이나 무선 통신을 통해 편광 분석 장치(100)와 연결되어 편광 정보를 수집한다. 데이터 수집부(210)는 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치일 수 있다.
데이터 분석부(220)는 편광 정보를 분석하여 렌즈의 표면 스크래치, 또는 렌즈 내부의 응력에 의해 복굴절 현상으로 비대칭적인 위상 분포가 발생하였는지를 분석한다.
디스플레이부(230)는 데이터 분석부(220)의 분석 결과를 시각적으로 보여줄 수 있다. 데이터 저장부(240)는 렌즈(10)별 편광 정보를 저장하고, 편광 분석을 수행하기 위한 적어도 하나 이상의 알고리즘을 저장한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 박막 시편(11)이나 일정한 두께의 렌즈(12)를 측정 시편으로 하고, 측정 시편에 하중(스트레스)를 준 후에 제1 조명부(120)를 이용하여 박막 또는 표면 스크래치를 측정하기 위한 선형 편광 성분을 검출하고, 제2 조명부(130)를 이용한 선형 편광을 통해 복굴절 현상에 의해 두 개의 편광으로 분해되며, 이들의 분해된 편광이 서로 간섭하여 줄무늬 모양(간섭 무늬)이 나타나면, 간섭 무늬를 이용하여 응력 집중 현상을 검출한다. 이때 복굴절의 비율은 측정 시편에 생겨 있는 응력과 밀접한 관계가 있다.
박막 시편(11)의 경우에, 도 5에 도시된 바와 같이, 편광 상태의 빛이 특정한 입사각으로 입사되면 경계면에서 반사되지 않는데, 이 특정한 입사각, 즉 브루스터 각(Brewster's angle)이 발생한다. 특히, 수직 편광된 빛의 경우에 부르스터 각으로 인해 반사가 전혀 발생하지 않는 현상이 발생한다. 따라서, 평가 장치(200)는 부르스터 각이 발생한 지점을 박막 또는 표면 스크래치가 존재한 곳으로 판단할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 편광판(132)은 일련의 좁은 구멍을 조정하여 수직으로 진동하는 빛을 차단하는 동안 구멍과 평행하게 진동하는 빛을 통과시킬 수 있고, 렌즈(12)를 통과하면서 광학 특성에 의해 각도가 변할 수 있다.
평가 장치(200)는 4개의 편광 각도 방향 모두에서 획득한 면 단위 이미지를 통해 편광 정보를 측정할 수 있다. 이때, 편광 정보의 주요 파라미터는 선형 편광도(Degree of Linear Polarization, DoLP) 및 선형 편광 각도(Angle of Linear Polarization, AoLP)이다. DoLP는 0부터 1까지의 범위에 있고 입사광이 어떻게 선형 편광되는지를 기술한다. 예를 들어, 선형 편광된 광은 1의 DoLP를 갖고 편광되지 않은 광은 0의 DoLP를 가질 것이다. AoLP는 편광된 빛이 진동하는 방향으로서, 빛이 시간에 따라 신호가 진행하는 방향이 특정 전기장 축으로부터 이루어진 각도를 추정하기 위한 정보로서, 편광 각도의 범위는 0도에서 360도로 측정된다.
편광의 시각적인 정보 측정과 이미지 데이터의 노이즈 제거는 일반적으로 푸리에 분석을 이용하고, 푸리에 분석으로 측정된 편광 성분들을 이용하여 선형 및 원형 편광의 신호 크기는 수학식 1 내지 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020141967701-pat00001
[수학식 2]
Figure 112020141967701-pat00002
[수학식 3]
Figure 112020141967701-pat00003
여기서, S0은 2개의 직교 성분 강도 I0과 I90의 합에 해당하는 총 강도이고, S1은 0°(I0)와 90°(I90) 편광 강도의 차이이며, S2는 + 45°(I45)와 -45 °(I135) 편광 강도의 차이이며, S3은 왼쪽과 오른쪽의 원형 편광 강도 차이를 각각 나타낸다. 또한, I0, I45, I90 및 I135는 0°, 45°, 90° 및 135° 편광판이 부착된 센서(151)에 입사한 입사광을 필터링한 후 샘플링된 입사광파의 세기, 즉 밝기값(pixel intensity)이다.
렌즈(10)에 대한 복굴절 측정하기 위한 수학식 2를 이용하여 DoLP가 '1'의 값에 근접할수록 무편광 상태이고, DoLP가 '0' 의 값에 근접할수록 스크래치 등의 표면 결함으로 인해 편광이 많이 발생한 상태임을 확인할 수 있다. 이때, 센서(151)에 부착된 4개의 편광판을 통해 렌즈 전체의 선형 편광 정보를 확인할 수 있고, 렌즈 전체의 선형 편광 정보를 기준으로 스크래치로 인한 선형 편광 정보를 추출할 수 있다.
센서(151)에 입사한 입사광의 편광 각도를 측정하기 위한 수학식 3을 이용하여 응력의 크기나 위상 분포 상태를 알 수 있다.
도 7은 잔류 응력으로 인한 지연에 따른 색상 스펙트럼을 설명하는 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 품질 오류를 검출하기 위한 과정을 설명하는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템에 의해 비구면 FAC 렌즈의 오류 검출 상태를 설명하는 도면이다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 렌즈(10)의 표면에 스크래치가 발생한 경우에, 스크래치 부분에서 선형 편광 성분이 발생하게 되고, 편광 분석 장치(100)는 무편광된 빛인 제1 조명부(120)를 이용하여 편광 정보를 획득할 수 있고, 획득된 편광 정보를 이용하여 수학식 1 및 수학식 2를 계산함으로써 렌즈 표면의 스크래치 정보를 검출할 수 있다.
도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 일정 두께를 갖는 렌즈(10)의 경우에 중심선을 기준으로 양측이 대칭을 이루고 있어야 하지만, 렌즈(10)의 내부에 응력이 가해지면 복굴절 현상으로 비대칭적인 간섭 무늬가 발생할 수 있다. 따라서, 편광 분석 장치(100)는 제2 조명부(130)를 이용하여 렌즈(10)에 대한 면 단위 이미지가 결합된 입체적 이미지를 생성하고, 입체적 이미지를 기초로 잔류 응력 분포를 입체적으로 측정할 수 있으므로 평가 장치(200)는 응력의 크기나 분포 상태를 분석하여 시편에 대한 잔류 응력 분포의 비대칭성을 측정할 수 있다. 또한, 렌즈(10)에서 응력 집중 현상이 발생되는 부분이 렌즈의 어느 영역인지 세부적으로 검출할 수도 있다.
이때, 평가 장치(200)는 도 7에 도시된 바와 같이 등방성 물질의 복굴절 예측 시료 두께나 설계, 렌즈(10) 내에서 잔류 응력에 의한 지연에 따른 색상 순서(Color Sequence According to Retardation)를 기초로 하여 렌즈(10)의 시료 두께나 설계 정보를 알고 있다면 복굴절 현상을 예측할 수 있다.
렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템은 비구면 FAC 렌즈 코팅 박막의 품질 오류를 검출하면, 비구면 FAC 렌즈의 상태에 따라 박막 박리 검출(도 9의 (a)), 스크래치 검출(도 9의 (b)), 정상 상태 검출(도 9의 (c))와 같이 검출할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 편광이 없는 경우에 밝은 이미지를 보이게 되지만, 편광이 많을수록 어두운 이미지를 보이게 된다. 비구면 FAC 렌즈의 코팅 박막에 스크래치가 발생하면 해당 렌즈는 불량 상태이고, 내부 잔류 응력으로 인해 등방성을 읽고 복굴절성을 갖게 되면 해당 렌즈의 광학 설계에 기초한 초점이 맞지 않게 된다. 일례로, 무반사 코팅이 된 렌즈의 경우에 렌즈 품질에 오류가 발생하면 무반사의 효과가 전혀 일어나지 않게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법은 제1 조명부(120)가 렌즈(10)가 놓여진 렌즈 거치대(110)를 향해 무편광(Unpolarization)된 제1 방향의 조명을 조사한다(S1). 이때, 제1 방향의 조명에 의해 렌즈(10)를 투과하면서 광학계(150)에 입사되는 입사광은 선형 편광성분을 포함하게 되고(S2), 광학계(150)에서는 입사광을 촬영하여 편광 정보를 출력한다(S4).
또한, 제2 조명부(130)는 렌즈 거치대(110)를 향해 기설정된 방향으로 선형 편광된 제2 방향의 조명을 조사하고(S1), 제2 방향의 조명에 의해 렌즈(10)를 투과하면서 광학계(150)로 입사되는 입사광은 복굴절 성분을 포함하게 되고(S3), 광학계(150)는 복굴절 성분을 포함하는 편광 정보를 촬영하여 제공한다(S4).
이때, 지그(160)는 렌즈 거치대(110)를 수직 방향으로 일정량씩 이동시키고, 광학계(150)는 지그(160)의 이동 방향과 이동량에 따라 기 설정된 크기의 가로 및 세로로 배열된 화소로 이루어지는 면 단위 이미지로 스캔하고, 스캔된 면 단위 이미지를 합성하여 하나의 완성된 입체적 이미지를 생성한다.
따라서, 평가 장치(200)는 광학계(150)로부터 편광 정보를 수집하고, 편광 정보의 선형 편광성분을 이용하여 렌즈의 선형 편광도(Degree of linear polarization, DoLP)을 산출하고, 산출된 복굴절 측정값을 이용하여 렌즈(10)의 표면 스크래치 또는 박막 박리 상태에 대한 오류를 검출할 수 있다(S5). 또한, 평가 장치(200)는 편광 정보의 복굴절 성분을 이용하여 렌즈(10)를 투과하여 광학계(150)로 입사되는 입사광의 선형 편광 각도 정보(Angle of linear polarization, AoLP)를 산출하고, 산출된 편광 각도 정보를 이용하여 렌즈의 잔류 응력과 위상 분포를 검출할 수 있다(S5).
이때, 평가 장치(200)는 입체적 이미지로 제공되는 편광 정보를 이용하여 렌즈의 잔류 응력 분포를 입체적으로 분석하여 잔류 응력 분포의 비대칭성을 평가할 수 있고, 렌즈(10)의 영역별 응력 집중 현상이 발생된 부분을 검출할 수 있다.
한편, 도 10의 단계 S1 내지 S5는 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치
110 : 렌즈 거치대
120 : 제1 조명부
130 : 제2 조명부
131 : 광원
132 : 원형 편광판
133 : 파장판
140 : 빔스플리터
150 : 광학계
160 : 지그
200 : 평가 장치

Claims (14)

  1. 기 설정된 두께를 갖는 렌즈가 놓여져 고정되는 렌즈 거치대;
    상기 렌즈 거치대의 일측면에서 무편광(Unpolarization)된 측면 조명을 제공하는 제1 조명부 및 상기 렌즈 거치대의 하부면에서 기설정된 방향으로 선형 편광된 후면 조명을 제공하는 제2 조명부를 포함하는 조명부;
    상기 렌즈 거치대와 조명부 사이에 위치하여, 상기 제1 조명부와 제2 조명부 중 어느 하나의 조명을 선택하여 상기 렌즈 거치대 방향으로 조사되도록 입사 경로를 결정하는 빔 스플리터;
    상기 빔 스플리터에 의해 입사되는 조명이 렌즈를 투과하면서 발생되는 광학적 특성을 포함한 편광 정보를 측정하는 광학계로서, 상기 렌즈 거치대의 상부에 놓여진 렌즈를 투과한 광을 확산시킨 후, 상기 확산된 광을 평행광으로 제공하는 렌즈모듈 및 상기 렌즈모듈을 통과한 광을 촬영하여 편광정보로 제공하는 편광 카메라를 포함하는 광학계; 및
    상기 렌즈 거치대를 기 설정된 이동 방향으로 기 설정된 이동량만큼 이동시키고, 상기 렌즈 거치대, 조명부, 빔스플리터 및 광학계를 고정 지지하는 지그를 포함하고,
    상기 제2 조명부는,
    무편광된 조명을 제공하는 광원, 상기 광원에서 조사되는 광을 원형 편광으로 제공하는 원형 편광판 및 상기 원형 편광판을 통해 입사되는 원형 편광을 광축에 대해 기설정된 위상만큼 편광 방향을 변화시켜 선형 편광된 광을 제공하는 파장판을 포함하며,
    상기 광학계는,
    상기 제1 조명부에 의해 선형 편광 성분을 포함하는 편광 정보와, 상기 제2 조명부에 의해 상기 렌즈의 내부 응력에 의한 복굴절 성분을 포함하는 편광 정보를 각각 획득하고, 상기 획득된 정보를 기반으로 렌즈 표면의 스크래치나 박막 박리상태 검사 및 렌즈의 내부 응력을 평가하는 것을 특징으로 하는,
    렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 거치대는 상기 조명이 투과될 수 있는 투명 재질로 형성된 투명판, 상기 조명이 투과될 수 있는 투과홀이 형성된 평판 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것인, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파장판은 사분파장판(quarter-wave plate)인 것인, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 편광 카메라는 편광각이 0도, 45도, 90도, 135도의 4방향의 편광 영상을 취득하기 위한 편광판을 포함하는 센서가 포함된 것인, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    상기 지그의 이동 방향과 이동량에 따라 기 설정된 크기의 가로 및 세로로 배열된 화소로 이루어지는 면 단위 이미지로 스캔하고, 상기 스캔된 면 단위 이미지를 합성하여 하나의 완성된 입체적 이미지를 생성하는 것인, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치.
  10. 편광을 이용하여 렌즈의 내부 응력 및 렌즈 표면의 품질을 분석하는 제1항의 편광 분석 장치에 의해 수행되는 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법에 있어서,
    a) 렌즈가 놓여진 렌즈 거치대를 향해 무편광(Unpolarization)된 제1 방향의 조명을 조사한 후, 광학계를 통해 상기 제1 방향의 조명이 렌즈를 투과하면서 발생되는 선형 편광성분을 포함하는 편광 정보를 촬영하는 단계;
    b) 상기 렌즈 거치대를 향해 기설정된 방향으로 선형 편광된 제2 방향의 조명을 조사한 후, 상기 광학계를 통해 상기 렌즈의 내부 응력에 의한 복굴절 성분을 포함하는 편광 정보 촬영하는 단계; 및
    c) 상기 광학계로부터 편광 정보를 수집하고, 상기 편광 정보를 기초로 하여 상기 렌즈의 응력의 크기와 위상 분포 상태를 분석하여 렌즈 오류를 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 c) 단계는,
    상기 선형 편광성분을 이용하여 렌즈의 선형 편광도(Degree of linear polarization, DoLP)를 산출하고, 상기 산출된 선형 편광도를 이용하여 상기 렌즈의 표면 스크래치 또는 박막 박리 상태에 대한 오류를 검출하며,
    상기 복굴절 성분을 이용하여 상기 렌즈를 투과하여 상기 광학계로 입사되는 입사광의 선형 편광 각도 정보(Angle of linear polarization, AoLP)를 산출하고, 상기 산출된 선형 편광 각도 정보를 이용하여 상기 렌즈의 잔류 응력과 위상 분포를 검출하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 렌즈 거치대를 기설정된 이동 방향과 이동량에 따라 기 설정된 크기의 가로 및 세로로 배열된 화소로 이루어지는 면 단위 이미지로 스캔하고, 상기 스캔된 면 단위 이미지를 합성하여 하나의 완성된 입체적 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는 것인, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 입체적 이미지를 이용하여 상기 렌즈의 잔류 응력 분포를 입체적으로 분석하여 잔류 응력 분포의 비대칭성을 평가하고, 상기 렌즈의 영역별 응력 집중 현상이 발생된 부분을 검출하는 것인, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 방법.
  14. 편광을 이용하여 렌즈의 오류를 검출하는 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템에 있어서,
    제1항의 렌즈 품질 검사용 편광 분석 장치; 및
    상기 편광 분석 장치를 통해 편광 정보를 수집하고, 상기 편광 정보를 분석하여 상기 렌즈의 응력의 크기나 분포 상태를 파악하여 렌즈 오류를 평가한 후 평가 결과를 제공하는 평가 장치를 포함하되,
    상기 평가 장치는,
    상기 광학계로부터 편광 정보를 수집하여, 편광 정보의 선형 편광성분을 이용하여 렌즈의 선형 편광도(Degree of linear polarization, DoLP)를 산출하고, 상기 산출된 선형 편광도를 이용하여 상기 렌즈의 표면 스크래치 또는 박막 박리 상태에 대한 오류를 검출하며,
    편광 정보의 복굴절 성분을 이용하여 상기 렌즈를 투과하여 상기 광학계로 입사되는 입사광의 선형 편광 각도 정보(Angle of linear polarization, AoLP)를 산출하고, 상기 산출된 선형 편광 각도 정보를 이용하여 상기 렌즈의 잔류 응력과 위상 분포를 검출하는 것을 특징으로 하는, 렌즈 품질 검사용 편광 분석 시스템.
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