KR200204445Y1 - 발광 다이오드와 곡면 반사경을 이용한 조명 장치 - Google Patents

Abstract

자동화 결함 검사 장치에서 사용되는 조명 장치에서, 발광 다이오드로부터 나오는 빛을 검사 대상 물체 쪽으로 반사할 수 있는 곡면 반사경을 설치하여, 곡면 반사경에 의해 반사된 빛을 검사 대상 물체에 조사한다. 이렇게 함으로써 사각 조명을 피할 수 있어 그림자가 생기는 현상을 막을 수 있으며, 균일한 조명을 얻을 수 있다.

Description

발광 다이오드와 곡면 반사경을 이용한 조명 장치{Lighting instrument using light emitting diode and curved surface reflecting mirror}

본 고안은 자동화 결함 검사 장치에서 사용되는 발광 다이오드와 곡면 반사경을 이용한 조명 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 반사경을 이용하여 균일한 조명 효과를 얻을 수 있는 조명 장치에 관한 것이다.

모든 제품의 생산 공정에서는 제조 공정 이후에 완성된 제품의 완성도를 평가하기 위하여 결함 검사 공정을 거치게 된다. 이 때, 결함이란 제품의 특성을 저해하는 모든 요소를 통칭한다고 할 수 있으며, 매우 작아 육안으로는 보이지 않는 것으로부터 육안으로 확인할 수 있는 크기까지 다양한 크기의 결함이 존재할 수 있다.

비교적 큰 물체의 외형상 결함의 검사는 통상 임의로 샘플을 추출하여 작업자가 직접 육안으로 제품을 검사하는 방식으로 이루어지며, 작은 물체의 경우도 현미경 등을 이용하여 작업자가 검사할 수도 있다. 그러나, 이 경우 생산된 모든 제품에 대해 검사하는 것이 불가능하고 작업자의 육안 관찰에 따른 주관적인 검사이므로 객관적인 제품 검사가 어렵다는 단점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로 검사 과정을 자동화한 검사 시스템이 사용되는데, 이는 CCD(전하 결합 소자; charge-coupled device) 카메라를 통해 획득한 제품의 영상을 영상 분석 소프트웨어를 통해 미리 입력된 표준 영상과 비교, 분석하여 과학적인 의사 결정을 함으로써 객관적인 전수 검사와 품질 관리의 자동화를 이루고 있다.

이와 같은 자동화 검사 장비는 크게 광학계, 영상 분석계, 기계 제어계로 분류될 수 있다. 광학계는 측정하고자 하는 지역을 조명하여 반사되는 영상을 획득하여 영상 분석계로 전송하며, 영상 분석계에서는 전송된 영상의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 미리 입력되어 있는 표준 영상과의 비교, 분석을 통해 유형별, 등급별로 불량을 분류하여 결과를 출력한다. 기계 제어계는 영상 분석 결과에 따라 유형별, 등급별로 불량품을 직접 분류하는 역할을 한다.

일반적으로 정밀한 패터닝 기술을 요하는 반도체 공정에서는 미세한 스크래치(scratch)나 먼지와 같은 것이 치명적인 작동 오류의 원인이 되므로 정밀한 결함 검사 장비가 요구되며, 유리병, 캔 뚜껑과 같은 비교적 큰 물체의 외형상 생산 오류를 방지하기 위해서는 비교적 간단한 검사 장비로도 결함을 검사할 수 있다.

정밀한 검사를 요하는 경우에 사용되는 장비는 마이크론(micron) 단위 이하에 이르는 위치 보정 정밀도를 갖고 있으며 통상 국소 지역의 영상을 분석한다. 따라서 비교적 넓은 지역의 검사가 필요한 경우에는 측정하고자 하는 전 지역을 주사(scan)하여 분석하므로, 검사 시간은 검사 면적에 비례하여 길어진다. 또한, 주사하여 획득한 모든 영상을 비교, 분석하여야 하므로 영상 분석에 소요되는 시간은 검사 면적에 따라 훨씬 더 길어진다. 이러한 이유로 반도체 패턴 등과 같은 제품의 미세 결함 검사는 매우 정밀하지만 임의로 추출된 몇 개의 샘플 검사에 한정된다.

유리병, 캔 뚜껑, 바둑알 등과 같이 비교적 큰 제품의 외형상 결함 검사에는 단순한 검사 장비가 사용되는데, 이러한 장비는 간단한 광학계를 통해 영상을 획득하므로 난반사에 의한 간섭으로 인해 정밀한 측정이 어려워, 제품의 줄무늬나 파손 등과 같은 큰 결함의 검사에 주로 이용된다. 이와 같은 경우는 전수검사가 가능하다는 장점이 있지만, 광학계의 간섭 문제나 사각에 의한 그림자 발생 등의 문제로 밀리미터 단위의 작은 제품의 결함 검사가 상당히 어렵다는 문제점이 있다.

이러한 종래 기술의 자동화 결함 검사 장치에서 사용되는 조명 장치가 도 1a와 도 1b에 나타나 있다. 도 1a는 검사 장치를 측면에서 도시한 것이며, 도 1b는 도 1a의 조명 장치를 저면에서 도시한 것이다. 도 1a의 조명 장치는 도 1b의 조명 장치의 I-I'선을 따라 도시한 것이다.

도 1a와 도 1b에 나타난 바와 같이, 결함을 검사하고자 하는 대상 물체(130)에 대한 영상을 얻기 위하여 촬상부(120)와 조명 장치(110)가 이용된다. 조명 장치(110)는 촬상부(120)가 대상 물체(130)에 대한 촬상을 할 수 있도록 통상 가운데가 뚫린 도넛 모양으로 형성되며, 다수의 발광 다이오드(LED; light emitting diode)(111)를 포함한다. LED(111)로부터 나온 빛이 대상 물체(130)를 조사하고, 대상 물체(130)에 의해 반사된 빛을 이용하여 촬상부(120)가 대상 물체(130)의 영상을 얻는다.

그런데, 도 1a와 도 1b에 나타난 바와 같은 종래 기술의 조명 장치를 사용하여 촬상할 경우, 촬상부(120)를 위해 마련된 조명 장치(110) 중앙의 개구(112) 때문에 대상 물체(130)에 대한 균일한 조명을 얻기 어렵고, 개구(112)의 주변부로부터 나오는 빛이 대상 물체(130)에 대해 경사진 각도로 입사하게 되므로 이로 인한 그림자 현상이 발생한다. 이와 같은 그림자 현상으로 인해, 일정한 정도 이상의 두께를 갖는 물체에 대한 결함 검사는 매우 힘들며, 특히 도 1에 나타난 바와 같이, 개구를 갖는 물체(130)인 경우는 이러한 문제점이 더욱 두드러지게 나타난다.

본 고안은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 본 고안의 목적은 사각으로 인한 그림자 현상을 없앨 수 있는 조명 장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 일정한 정도 이상의 두께를 갖는 대상 물체에 대한 결함 검사를 가능하게 하는 자동화 결함 검사 시스템의 조명 장치를 제공하는 것이다.

도 1a와 도 1b는 종래 기술에 따른 조명 장치를 나타내는 것으로서, 도 1a는 조명 장치의 측면도이고, 도 1b는 조명 장치의 저면도이다.

도 2는 본 고안의 실시예에 따른 자동화 결함 검사 장치의 전체 구조를 나타낸 개략도이다.

도 3a 내지 도 4c는 본 고안에 따른 조명 장치의 다양한 실시예를 나타낸다.

도 5a와 도 5b는 각각 종래 기술에 따른 조명 장치와 본 고안에 따른 조명 장치를 이용하여 검사 대상 물체에 대해 획득한 영상의 실제예를 나타낸다.

이와 같은 과제를 해결하기 위한 본 고안의 조명 장치는, 제 1 개구를 갖는 제 1 면과, 제 1 면과 마주보고 있으며 제 1 개구와 적어도 일부가 겹치는 제 2 개구를 갖는 제 2 면을 포함하는 지지체, 지지체의 내면에 설치되어 있는 다수의 발광 다이오드, 지지체의 상기 제 1 면에 부착되어 있으며 제 1 개구 및 제 2 개구와 적어도 일부가 겹치는 제 3 개구를 갖고 있고 다수의 발광 다이오드로부터 나오는 빛을 제 2 면의 제 2 개구 방향으로 반사시킬 수 있는 곡면 반사경을 포함한다.

또한, 제 2 면을 기준으로 제 1 면의 반대 방향에 놓이는 백라이트부를 더 포함할 수도 있으며, 백라이트부는 다수의 발광 다이오드를 포함할 수 있다.

한편, 본 고안에 따른 다른 조명 장치는, 대상 물체로 빛을 조사할 수 있는 조명 장치, 대상 물체로부터 반사된 빛을 받아들여 대상 물체의 영상을 획득할 수 있는 촬상 장치, 촬상 장치에서 획득된 대상 물체의 영상을 표준 영상과 비교 분석할 수 있는 영상 분석 장치를 포함하는 자동화 결함 검사 장치에서 사용되는 조명 장치이며, 광원과, 광원으로부터 나온 빛을 대상 물체의 방향으로 반사할 수 있도록 배치되어 있으며 촬상 장치가 대상 물체로부터 반사된 빛을 받아들일 수 있도록 형성된 개구를 갖는 곡면 반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안에 따른 자동화 결함 검사 장치는, 광원, 광원으로부터 나온 빛을 대상 물체의 방향으로 반사할 수 있도록 배치되어 있으며 중앙에 개구를 갖고 있는 곡면 반사경, 대상 물체로부터 반사된 빛을 개구를 통하여 받아들여 대상 물체의 영상을 획득할 수 있는 촬상 수단, 촬상 수단에서 획득된 대상 물체의 영상을 표준 영상과 비교 분석할 수 있는 영상 분석 수단을 포함한다.

이제 본 고안의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 2은 본 고안에 따른 자동화 결함 검사 장치의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이다.

본 고안에 따른 자동화 결함 검사 장치(200)는 크게 측정 광학계(230)와 영상 분석계(240)로 나눌 수 있다. 측정 광학계(230)는 CCD 카메라 등으로 이루어진 촬상부(232)와 조명부(231)로 이루어져 있으며, 측정하고자 하는 지역을 조명하여 반사되는 영상을 획득하여 영상 분석계(240)로 전송한다. 즉, 측정 대상 물체(220)는 벨트(210) 등을 통해 차례로 이동하여 측정 광학계(230) 아래의 정해진 위치를 지나게 되며, 이 때 측정 광학계(230)에 의해 대상 물체(220)의 영상이 획득된다. 영상 분석계(240)는 영상 처리 프로세서(241), 기억 장치(242), 표시부(243) 등으로 구성되는데, 측정 광학계(230)로부터 전송된 영상의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 미리 입력되어 있는 표준 영상과 비교, 분석하고, 유형별, 등급별로 불량을 분류하여 이 결과를 표시부를 통해 표시한다. 또한, 도면 상에 도시되어 있지는 않지만, 이 결과를 이용하여 유형별, 등급별로 불량품을 직접 분류할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 고안에 따른 자동화 검사 장치에서 사용되는 조명의 예를 도시한 것이다.

본 고안의 조명 장치는 도 3a 내지 도 3c에 나타난 바와 같이, 지지체(317, 327, 337)와 지지체의 내부에 부착되어 있는 다수의 발광 다이오드(312, 322, 332) 및 지지체(317, 327, 337)의 위쪽에 부착되어 있으며, 가운데에 개구(314, 324, 334)가 형성되어 있고, 발광 다이오드(312, 322, 332)로부터 나오는 빛을 반사하는 곡면 반사경(313, 323, 333)으로 이루어져 있다. 조명 장치(311, 321, 331)의 각 발광 다이오드(312, 322, 332)로부터 나온 빛은 곡면 반사경(313, 323, 333)에 의해 반사되어 대상 물체(316, 326, 336)를 조사하며, 곡면 반사경(313, 323, 333)의 개구(314, 324, 334) 위쪽에 설치되어 있는 촬상부(315, 325, 335)는 대상 물체(316, 326, 336)로부터 반사된 빛을 이용하여 대상 물체(316, 326, 336)의 영상을 얻는다.

대상 물체로 향하는 빛이 직접 발광 다이오드로부터 대상 물체로 조사되는 것이 아니라, 곡면 반사경에 의해 대상 물체쪽으로 반사되므로 개구의 존재에도 불구하고 균일한 조명을 얻을 수 있으며, 곡면 반사경의 종류(오목, 볼록)와 곡률, 발광 다이오드와 곡면 반사경 사이의 거리, 발광 다이오드의 배치 방향, 곡면 반사경과 대상 물체와의 거리 등의 매개변수를 적절히 조절함으로써 빛의 경사 각도를 조절할 수 있어, 대상 물체가 일정한 정도 이상의 두께를 갖는 경우에도 그림자 효과가 나타나지 않도록 할 수 있으며, 대상 물체에 홈이나 개구 등이 있는 경우에도 정확한 영상을 얻을 수 있다.

대상 물체의 영상을 좀 더 정확하게 얻기 위하여 백라이트부를 더 설치할 수도 있다. 도 4a 내지 도 4c는 이와 같은 백라이트부를 설치한 본 고안의 조명 장치의 실시예를 나타낸다.

도 4a 내지 도 4c에 나타난 바와 같이, 백라이트부(411, 421, 431)는 대상 물체를 기준으로 볼 때 조명 장치 및 촬상부에 대해 반대쪽으로 설치된다. 백라이트부(411, 421, 431)는 지지체(413, 423, 433)와 다수의 발광 다이오드(412, 422, 432)를 포함한다. 백라이트부(411, 421, 431) 역시 주 조명 장치(311, 321, 331)와 유사하게 발광 다이오드와 곡면 반사경을 포함하는 구조로 형성할 수도 있으나, 백라이트부의 경우 촬상부를 위한 개구가 필요하지 않으므로, 보통의 조명 장치에서처럼 발광 다이오드로부터 나오는 빛이 직접 대상 물체에 조사되도록 하더라도 관계없다.

도 5a와 도 5b에 종래 기술의 조명 장치와 본 고안에 따른 조명 장치를 사용하여 얻은 대상 물체의 영상의 실제예를 도시하였다.

고리 모양의 대상 물체에 대해 획득된 영상을 비교해 본 결과, 종래 기술의 조명 장치를 사용한 측정 광학계에서 얻어진 영상은 도 5a에 나타난 바와 같이, 대상 물체의 가장자리와 고리 모양의 가운데 부분에 그림자가 생겨 어둡게 나타난 반면, 본 고안의 조명 장치를 사용한 측정 광학계에서 얻어진 영상은 도 5b에 나타난 바와 같이, 그림자 현상이 거의 나타나지 않아 실제 대상 물체의 모습과 흡사한 영상을 얻을 수 있다.

지금까지 본 고안을 바람직한 실시예를 들어 구체적으로 설명하였으나, 이 실시예는 본 고안을 이해하기 위한 설명을 위해 제시된 것이며, 본 고안의 범위가 이 실시예에 제한되는 것은 아니다. 본 고안의 기술이 속하는 분야의 통상의 전문가라면 본 고안의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 고안에 따른 조명 장치에서는 곡면 반사경을 이용하여 대상 물체에 빛을 조사함으로써 종래 기술의 조명에 비해 훨씬 균일한 조명을 얻을 수 있으며, 이에 따라 두께가 있는 물체의 경우도 그림자가 생성되는 것을 방지할 수 있어 대상 물체에 대한 선명한 영상을 얻을 수 있다.

따라서, 이와 같은 조명 장치를 포함하는 자동화 결함 검사 시스템은 일정한 정도 이상의 두께를 갖고 있으며, 홈이나 개구 등이 있는 제품에 대해서도 만족스러운 결함 검사를 할 수 있다.

Claims (3)

1. 제 1 개구를 갖는 제 1 면과, 상기 제 1 면과 마주보고 있으며 상기 제 1 개구와 적어도 일부가 겹치는 제 2 개구를 갖는 제 2 면을 포함하는 지지체,

   상기 지지체의 내면에 설치되어 있는 다수의 발광 다이오드,

   상기 지지체의 상기 제 1 면에 부착되어 있으며, 상기 제 1 개구 및 제 2 개구와 적어도 일부가 겹치는 제 3 개구를 갖고 있고, 상기 다수의 발광 다이오드로부터 나오는 빛을 상기 제 2 면의 상기 제 2 개구 방향으로 반사시킬 수 있는 곡면 반사경을 포함하는 조명 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 면을 기준으로 상기 제 1 면의 반대 방향에 놓이는 백라이트부를 더 포함하는 조명 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 백라이트부는 다수의 발광 다이오드를 포함하는 조명 장치.