KR20060062997A - 스펙클패턴 전단간섭법에 있어서 파장판을 이용한 위상천이방법 및 이를 이용한 계측시스템 - Google Patents

스펙클패턴 전단간섭법에 있어서 파장판을 이용한 위상천이방법 및 이를 이용한 계측시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 월라스톤 프리즘을 이용하는 스펙클패턴전단간섭법(shearography)에 있어서 수동소자인 2개의 파장판과 편광판을 이용하여 간섭패턴에 위상천이를 일으키는 방법과, 이 방법을 사용하여 검사대상물체의 변형 기울기를 측정하는 계측시스템에 관한 것이다. 대상물체로부터 반사된 빛은 월라스톤 프리즘에 의해 분리된 후 두 개의 파장판과 편광판을 차례로 통과한다. 두 개의 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써, 일정한 위상 차이를 갖는 다수의 스펙클 패턴을 얻을 수 있고, 물체의 변형 전후의 스펙클 패턴을 비교하여 변형의 기울기를 구할 수 있다.
스펙클패턴 전단간섭법, 위상천이, 월라스톤 프리즘, 파장판, 편광판, 변형 기울기

Description

스펙클패턴 전단간섭법에 있어서 파장판을 이용한 위상천이방법 및 이를 이용한 계측시스템{Phase-shifting Method Using Waveplates in Shearography and System for Measuring Deformation Using The Same}
도1은 월라스톤 프리즘의 원리를 도시한 도면이다.
도2는 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템의 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 스펙클패턴 전단간섭계 시스템을 전체적으로 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 제1 실시예의 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에 의한 스펙클 패턴을 도시한 도면이다.
도5는 검사대상물체의 변형 전후의 스펙클 패턴로부터 변형 기울기를 구하는 과정을 나타낸 흐름도를 도시한다.
도6(a)는 종래의 마이켈슨 간섭계를 이용한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템의 원리를 개략적으로 도시한 도면이고, 도6(b)는 상기 시스템에서 X축 방향으로 전단된 두 개의 이미지를 도시한 것이다.
본 발명은 스펙클패턴 전단간섭법(shearography)에 있어서의 위상천이방법과 이를 이용한 계측시스템에 관한 것이다.
레이저를 이용하여 물체의 변형과 변형기울기를 구할 수 있는 레이저 스펙클 측정 방법 중, 전자 스펙클패턴 간섭법(ESPI)과 스펙클패턴 전단간섭법(shearography)이 많이 이용된다. ESPI와 스펙클패턴 전단간섭법에서 물체의 변형과 변형기울기를 나타내는 간섭패턴은 변형전과 변형후의 상태에 대응하는 두 개의 스펙클 패턴을 기록하고, 이들의 차이를 구하면 볼 수 있다. 이것은 변형과 변형의 기울기 측정을 위한 ESPI와 스펙클패턴 전단간섭법의 기본개념이다.
특히, 스펙클패턴 전단간섭법은 인간과 생물의 기관뿐만 아니라 기계 부품, 전기기기, 그리고 토목공학 구조물의 결함 또는 불규칙성을 밝히기 위해 사용되며, 물체의 표면과 내부의 결함을 검출할 수 있다. 이것은 내부의 결함이 표면으로부터 매우 멀리 떨어져 있는 것이 아니라면 표면의 변형에도 영향을 미치기 때문이다.
린데르츠(Leendertz)와 버터스(Butters)는 1973년 J. Phys.에 "굽힘 모멘트를 측정하기 위한 전단영상 스펙클패턴 간섭계"(An image-shearing speckle-pattern interferometer for measuring bending moments)라는 제목으로 스펙클패턴 전단간섭법을 이용하여 변형의 1차 미분을 직접적으로 측정하는 방법에 대하여 발표하였다. 헝(Hung)은 이 기술을 더욱 발전시켜, 1982년 Opt. Eng.에 "스펙클패턴 전단간섭법, 변형 측정과 비파괴 검사를 위한 새로운 광학적 방법"(Shearography, a new optical method for strain measurement and nondestructive testing)이라는 제목으로 면외 변형 기울기의 수치적인 해법을 발표했다. 상기 방법들은 스펙클 패턴을 필름에 기록한 후 습식 처리와 광학적 복원을 필요로 하였기 때문에, 현장에 실제로 적용하는데는 어려움이 있었다.
이러한 단점을 해소하기 위해 개발된 것이 디지털 스펙클패턴 전단간섭법이다. 디지털 스펙클패턴 전단간섭법은 필름에 기록하는 이전의 기술과는 대조적으로 변형 전후의 스펙클 패턴을 CCD 카메라에 의해 기록하고 이미지 프로세서 장치에 의해 온라인으로 처리하므로 실시간으로 스펙클패턴 전단간섭영상(shearogram)을 관측하는 것이 가능하게 되었다. 디지털 스펙클패턴 전단간섭법은 필름을 이용하는 스펙클패턴 전단간섭법과 같이 면외성분을 수치적으로 결정할 수 있어서, 많은 분야에서 응용이 이루어지고 있다.
스펙클패턴 전단간섭법에 의한 출력은 인간의 해석을 요구하는 프린지 패턴 형태이다.  관심있는 한 점에서의 변형의 기울기는 일반적으로 그 점에서의 프린지 차수와 시스템의 상수를 곱함으로써 결정된다. 프린지 해석에 있어서 가장 어려운 점 중의 하나는 프린지 차수의 정의이다. 이러한 어려움은 프린지 차수와 그 부호를 결정하는 데 있어서의 모호함에 있었다. 현재, 프린지 차수를 정의하기 위한 가장 실용적인 방법은 경계조건과 동일한 특성을 나타내는 프린지 패턴에 대한 사전지식에 의존하고 있다. 여러 해 동안 이 문제는 스펙클패턴 전단간섭법에 있어서 프린지 위상 결정의 자동화를 막는 주요한 장애물중의 하나였다.
이를 가능하게 한 것이 위상천이기술이다. 위상천이기술은 측정된 스펙클 패턴으로부터 간섭영상의 위상분포를 결정하는 방법이다. 위상천이기술은 부가적인 위상을 세번에서 다섯번까지 천이시켜 세개에서 다섯개의 스펙클 패턴을 얻고, 이로부터 스펙클 패턴의 각 지점의 위상분포를 결정하는 기술이다.
스펙클패턴 전단간섭법은 크게 다음의 두가지로 구분할 수 있다. 첫째는, 쐐기형 유리, 프레즈넬 바이프리즘(Fresnel biprism), 평행한 면을 가진 유리판, 각 조절 가능한 유리판, 분리된 렌즈, 월라스톤 프리즘(Wollaston prism) 등을 이용하여 빔을 두개로 분리하여 이미지면에서 두 개의 영상으로 전단시키는 방식이 있고, 두 번째는, 이미지의 전단효과를 일으키기 위해 마이켈슨 간섭계를 이용하는 방식이다.
도6(a)는 마이켈슨 간섭계를 이용한 디지털 스펙클패턴 전단간섭계 시스템을 도시한 것이다. 검사대상물체는 확장된 레이저빔으로 조사되고, 물체의 표면에서 반사된 빛은 CCD 카메라 앞단에 설치된 마이켈슨 간섭계에 의해 두 개로 나누어져 각각 두 개의 미러로 입사된다. 미러1의 각을 정상위치로부터 매우 작은 각으로 기울임으로써 검사대상물체의 전단된 영상이 CCD 카메라의 이미지면에 생성된다. 도6(b)는, 예컨대, 검사대상물체의 X축 방향으로 전단된 두 개의 이미지를 도시한다. 두 개의 전단된 이미지는 서로 간섭하여 스펙클 패턴을 형성한다. 다른 하나의 미러2에는 압전변환기(Piezoelectric transducer; PZT)를 부착하여 빛의 경로를 변화시키고, 그로 인해 빛의 위상을 변화시킨다. CCD 카메라에 찍힌 스펙클 패턴은 카메라에 연결된 컴퓨터로 입력되고, 컴퓨터의 이미지 프로세서는 위상차를 갖는 다수의 스펙클 패턴으로부터 각 지점에서의 위상값을 계산한다. 마찬가지 방법 으로 검사대상물체가 변형을 일으킨 후 측정한 스펙클 패턴으로부터 각 지점에서의 위상값을 구할 수 있다. 이와 같이 변형 전후의 각 지점에서의 위상값을 얻고, 그차이를 구함으로써 변형 기울기를 얻을 수 있다. 즉, 변형 전후에 검사대상물체로부터 반사되는 빛의 위상을 변화시키면서 여러 개의 스펙클 패턴을 발생시키고 이 스펙클 패턴으로부터 얻어지는 위상정보를 토대로 물체의 변형을 측정함으로써, 보다 정확한 물체의 비파괴 검사가 가능하다.
그러나, 상기한 디지털 스펙클패턴 전단간섭계 시스템은 PZT를 제어하기 위한 회로구성과, 마이켈슨 간섭계가 설치되는 공간을 필요로 한다. 또한, 마이켈슨 간섭계는 외부환경에 대해 매우 민감하게 반응하기 때문에 전체 시스템 중 일부에 발생한 작은 변화가 시스템의 출력결과에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 뿐만 아니라, 구조가 복잡하기 때문에, 시스템에 이상이 발생했을 때 반드시 전문가의 도움이 필요하며, 수리하는 과정이 복잡하고 비용 지출이 크다.
이에 비해, 월라스톤 프리즘을 이용하는 스펙클패턴 전단간섭법은 구조가 단순하고 외부환경에 대해 아주 강인한 특성을 가지고 있다. 그러나, 이 방법은 위상천이기술을 적용하기가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 최근에는 이러한 단점을 개선하여 위상천이를 적용할 수 있는 방법이 보고되었다. 이것은 원통형 PZT에 고 복굴절(highly-birefringent: HiBi) 광섬유를 감고, PZT에 가하는 전압을 변화시킴으로써 광섬유에서 나오는 두 개의 직교하는 편광을 가지는 모드간에 위상차를 발생시킴으로써 위상의 변화를 일으키는 방법이다. 이 방법으로 광섬유에서 나오는 빛을 검사대상물체에 직접 조사하고 PZT에 가해지는 전압을 조절함으로써 위상차가 있는 스펙클 패턴을 얻을 수 있다. 그러나, 광섬유는 온도, 압력, 습도, 변형 등의 외부환경에 대하여 매우 민감하기 때문에, 결과의 신뢰성을 확보하기 어렵다는 단점이 있다. 이러한 이유로, 구조가 단순한 월라스톤 프리즘을 이용하여 전단효과를 발생시킬 수 있음에도 불구하고, 현재까지 월라스톤 프리즘을 이용하는 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에서는 안정적으로 위상천이를 발생시킬 수 있는 시스템이 개발되지 못하였고, 그 결과 구조가 복잡한 마이켈슨 간섭계를 채택한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템이 주로 이용되어 왔다.
본 발명의 목적은 기존의 월라스톤 프리즘 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에서 구현할 수 없었던 위상천이방법을 구현가능하게 하는데 있다. 따라서, 기존의 마이켈슨 간섭계를 이용한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에 비해 구조가 훨씬 간단하면서도 외부환경에 강인한 월라스톤 프리즘 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에서 안정적으로 위상천이를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 월라스톤 프리즘 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에 위상천이방법을 적용함으로써, 계측의 자동화를 가능하게 하고 정밀도 및 정확도가 높은 변형 계측시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 이하 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 명확하게 파악될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레이저로 대상물체를 조사하는 단 계와, 상기 대상물체로부터 반사된 빛이 월라스톤 프리즘을 통과하는 단계와, 상기 월라스톤 프리즘을 통과한 빛이 두 개의 파장판을 통과하는 단계와, 상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 편광판을 통과하는 단계를 포함하고, 상기 두 개의 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 일정한 위상 차이를 갖는 다수의 스펙클패턴을 얻을 수 있는, 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 국면에 의하면, 검사대상물체를 조사하는 레이저와, 상기 검사대상물체로부터 반사되는 빛을 분리시키기 위한 월라스톤 프리즘과, 상기 월라스톤 프리즘에 의해 분리된 빛의 위상을 변화시키기 위한 두 개의 파장판과, 상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 간섭을 일으키도록 함으로써 스펙클 패턴을 형성하는 편광판과, 상기 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 얻어진 일정한 위상차이를 갖는 다수의 스펙클 패턴으로부터 스펙클 패턴의 각 지점에서의 위상을 구하는 수단을 포함하고, 상기 검사대상물체의 변형 전후의 스펙클 패턴으로부터 얻은 위상의 차이로부터 변형량을 측정하는, 스펙클패턴 전단간섭법을 이용하여 검사대상물체의 변형을 측정하는 계측시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 국면에 의하면, 레이저로 검사대상물체를 조사하는 단계와, 상기 검사대상물체로부터 반사된 빛이 월라스톤 프리즘을 통과하는 단계와, 상기 월라스톤 프리즘을 통과한 빛이 두 개의 파장판을 통과하는 단계와, 상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 편광판을 통과하는 단계와, 상기 두 개의 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 일정한 위상 차이를 갖는 다수의 스펙클패턴을 얻는 단계와, 상기 검사대상물체의 변형 전에 얻어진 다수의 스펙클 패턴으로부 터 스펙클 패턴의 각 지점에서의 위상을 구하는 단계와, 상기 검사대상물체의 변형 후에 얻어진 다수의 스펙클 패턴으로부터 스펙클 패턴의 각 지점에서의 위상을 구하는 단계와, 상기 검사대상물체의 변형 전후의 스펙클 패턴으로부터 얻은 위상의 차이로부터 변형량을 측정하는 단계를 포함하는 스펙클패턴 전단간섭법을 이용하여 검사대상물체의 변형을 측정하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 국면에 의하면, 대상물체를 조사하는 레이저와, 상기 대상물체로부터 반사되는 빛을 분리시키기 위한 월라스톤 프리즘과, 상기 월라스톤 프리즘에 의해 분리된 빛의 위상을 변화시키기 위한 두 개의 파장판과, 상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 간섭을 일으키도록 함으로써 스펙클 패턴을 형성하는 편광판을 포함하고, 상기 두 개의 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 일정한 위상 차이를 갖는 다수의 스펙클패턴을 얻을 수 있는 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭장치를 제공한다.
도1은 월라스톤 프리즘의 작동 원리를 도시한다. 도1에서 보는 바와 같이 직교하는 편광을 가진 빛이 월라스톤 프리즘에 입사되면, 서로 직교하는 편광을 갖고 적당한 각을 가지고 분리된 빛이 출력된다. 이러한 월라스톤 프리즘의 특성을 이용한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템의 원리는 도2에 도시되어 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 검사대상물체의 P1점은 월라스톤 프리즘을 통과하여 이미지면에서의 P1'과 P1"점으로 투영되고, P2점은 P2'과 P2 "점으로 투영되며, P1'과 P2"는 중첩된다. P1'와 P2"에 도달하는 광파는 서로 직교하는 편광을 가지고 있으므로 두 광파가 중 첩되더라도 간섭은 일어나지 않는다. 따라서, 두 광파간에 간섭을 일으키기 위해서는 월라스톤 프리즘 뒤에 실선으로 표시된 x축에 대하여 45도 회전된 선형편광판이 있어야 한다. 편광판이 없는 경우에 있어서, 도2의 P1과 P2에서 반사되어 월라스톤 프리즘을 통과하여 P1'과 P2"에 도달하는 광파가 각각
Figure 112004057427913-PAT00001
Figure 112004057427913-PAT00002
라고 하면, 이미지 면에서 중첩되는 광파는 존스 행렬(Jones Matrix)에 의해 아래 수학식1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112004057427913-PAT00003
여기서 θ(x,y)와 θ(x+δx,y)는 각각 점 P1과 P2로부터의 랜덤 위상관계를 표시하고, a1와 a2는 빛의 진폭이며, 이웃한 두 점에 대해서 같다고 가정한다. 상기 수학식1로부터 알 수 있는 바와 같이, 직교하는 편광을 가진 광파 U1, U2가 이미지면에서 서로 중첩되므로 이미지면에서는 간섭이 일어나지 않는다. 이미지 면에 -x축에 대하여 45도 회전된 편광판이 있는 경우, 수학식1은 아래 수학식2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112004057427913-PAT00004
간섭이 일어난 광파의 밝기 또는 강도(intensity)는 아래 수학식3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112004057427913-PAT00005
여기서 I0=(aa 2+a2 2)/2는 강도의 평균값이고, γ=2a 1a2/(aa 2+a2 2)는 간섭항의 변조이며, φ는 랜덤 위상차를 나타낸다. 상기 수학식3으로부터, 편광판이 있는 경우에는 이미지 면에서 간섭이 일어남을 알 수 있다. 이와 같이, 두 개의 전단된 이미지가 서로 간섭을 일으켜 만들어지는 간섭패턴을 스펙클 패턴이라고 한다.
이러한 방식으로 물체의 변형 전후에 대한 스펙클 패턴을 얻고 그 차이를 구하면, 결함이 있는 부분 주위에서 변형이 집중된 스펙클 패턴을 얻을 수 있으며, 이 스펙클 패턴의 해석을 통해 검사대상물체의 결함을 구하는 방법이 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭법의 측정원리이다. 이미지 면에서의 전단량은 월라스톤 프리즘을 z축 방향으로 이동시킴으로써 조절할 수 있다.
본 발명은, 도2에 도시된 기존의 월라스톤 프리즘 스펙클패턴 전단간섭법에 서는 위상천이를 구현할 수 없어서 검사대상물체에 대한 보다 정확하고 정밀한 정보를 얻는 것이 불가능한 문제를 해결하기 위해, 수동소자인 파장판과 편광판을 이용하여 위상천이를 구현할 수 있는 방법을 제안한다. 본 발명에 따른 스펙클패턴 전단간섭계 시스템은 도3에 도시되어 있다.
도3에서 WP1과 WP2는 파장판을 나타낸다. WP1은 굴절율이 큰 방향을 가리키는 느린축(slow axis)의 회전각이 -x축에 대해 0도, WP2는 느린축의 회전각이 -x축에 대해 ±45도인 상태이다. 도3의 P1과 P2에서 반사된 광파가 두 개의 파장판을 통과한 후에는 아래 수학식4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112004057427913-PAT00006
여기서,
Figure 112004057427913-PAT00007
부호 중 -부호는 WP2의 느린축이 -x축에 대하여 45도 회전되어 있는 경우에 대응하고, +부호는 느린축이 -45도 회전되어 있는 경우에 대응한다. 광파가 x축 편광판을 통과한 후 이미지 면에서의 복소진폭은 아래 수학식5와 같이 주어진다.
Figure 112004057427913-PAT00008
본 발명의 첫번째 실시예로서, 두 개의 λ/4 파장판을 이용하면 위상지연은 Γ1=Γ2=π/2 이 된다. 편광판의 회전각이 0도인 경우 상기 수학식5는 아래 수학식6과 같이 된다.
Figure 112004057427913-PAT00009
상기 수학식6으로부터, 편광판의 회전각이 0도, 파장판의 회전각이 각각 45도, -45도인 경우 강도는 아래 수학식7 및 수학식8과 같다.
Figure 112004057427913-PAT00010
Figure 112004057427913-PAT00011
이 때, WP1과 WP2의 느린축을 각각 0도와 45도(또는 -45도)로 유지하고, 편광판의 축을 -x축에 대하여 45도와 -45도로 한 경우에 편광판을 통과한 후의 복소진폭을 구하면 각각 아래 수학식9 및 수학식10과 같다.
Figure 112004057427913-PAT00012
Figure 112004057427913-PAT00013
이러한 경우에 상기 수학식9 및 수학식10으로부터 구해지는 강도는 아래 수학식11 및 수학식12와 같다.
Figure 112004057427913-PAT00014
Figure 112004057427913-PAT00015
상기 수학식7, 8, 11 및 12와 같이, 파장판 2개와 하나의 편광판을 이용함으로써 각각 90도의 위상천이를 갖는 4개의 스펙클 패턴을 얻을 수 있다.
본 발명의 두번째 실시예로서, λ/2 파장판과 λ/4 파장판의 조합을 이용하는 90도의 위상천이를 갖는 4개의 스펙클 패턴을 얻을 수 있다. Γ1=π, Γ2=π/2 인 경우에 상기 수학식5는 아래 수학식13과 같이 된다.
Figure 112004057427913-PAT00016
상기 수학식13으로부터 구해지는 강도는 아래 수학식14 및 수학식15와 같다.
Figure 112004057427913-PAT00017
Figure 112004057427913-PAT00018
이 때, WP1과 WP2의 느린축을 각각 0도와 45도(또는 -45도)로 유지하고, 편광판의 축을 -x축에 대하여 45도와 -45도로 한 경우에 편광판을 통과한 후의 복소진폭은 상기 수학식9와 수학식10과 같이 주어진다. 이 때, Γ1=π, Γ2=π/2 인 경우에 상기 수학식9와 수학식10으로부터 구해지는 강도는 아래 수학식16 및 수학식17과 같다.
Figure 112004057427913-PAT00019
Figure 112004057427913-PAT00020
이상 살펴본 바와 같이, 수동소자인  λ/4파장판 두개와 편광판 한개, 또는 λ/2 파장판, λ/4 파장판과 편광판 한개의 조합을 통해 90도의 위상천이를 가지는 4개의 스펙클 패턴을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 앞에서 구한 4개의 스펙클 패턴으로부터 각 지점의 위상은 아래 수학식18에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112004057427913-PAT00021
또한, 90도씩 위상천이된 4개의 스펙클 패턴을 이용하는 대신에, 120도씩 위상천이된 3개의 스펙클 패턴을 이용할 수도 있다. 이러한 경우, 3개의 스펙클 패턴으로부터 각 지점의 위상은 아래 수학식19에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112004057427913-PAT00022
도4는 본 발명의 일 실시예로서, λ/4파장판 두개와 편광판 한개의 조합에 의해 얻어진 90도씩 위상천이된 4개의 스펙클 패턴을 도시한 것이다. 도5는 도4와 같이 얻어진 스펙클 패턴으로부터 물체의 변형기울기를 구하는 과정을 나타낸 흐름도를 도시한다.
도5의 흐름도를 통해 물체의 변형 기울기를 구하는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 본 발명에 따라 수동소자인 두 개의 파장판을 추가한 월라스톤 프리즘 스펙클패턴 전단간섭계 시스템을 이용하면, 90도씩 위상천이된 4개의 스펙클 패턴을 얻을 수 있다. 이 4개의 스펙클 패턴으로부터 상기 수학식18을 이용하여 스펙클 패턴의 위상 분포를 구할 수 있다. 물체가 변형된 후에도, 마찬가지 방법으로 스펙클 패턴의 각 점으로부터의 위상을 구한다. 이렇게 얻어진 변형 전후의 위상으로부터 상대적인 위상차를 구함으로써 변형기울기를 얻을 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에서 위상 차이를 갖는 여러 개의 스펙클 패턴을 얻는 방법과, 위 방법을 이용하여 물체의 변형 기울기를 구하는 계측시스템을 제공할 수 있다. 이상 본 발명은 그 실시의 형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시의 형태에 한정되지 않는다. 상기 실시 형태의 다양한 변경 또는 개량이 가능하다는 점은 당업자에게 자명하다. 또한, 그러한 변경 또는 개량을 더한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다는 점은 특허청구범위의 기재로부터 분명하다.
월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에 수동소자인 두 개의 파장판을 추가하고 이 파장판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 위상천이된 여 러 개의 스펙클 패턴을 얻을 수 있고, 이 스펙클 패턴으로부터 위상분포를 구할 수 있다.
검사대상물체의 변형 전과 변형 후의 스펙클 패턴을 얻고, 이 스펙클 패턴으로부터 위상분포를 구한 후, 변형 전후의 상대적인 위상차를 구함으로써, 물체의 변형에 대한 기울기 정보를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 수동소자를 추가하는 간단한 구성에 의해 기존의 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에서는 구현이 어려웠던 위상천이방법을 구현가능하게 함으로써, 기존의 마이켈슨 간섭계를 이용하는 스펙클패턴 전단간섭계 시스템에 비해 구조가 간단하고, 저가이며, 외부환경에 대해 강인한 스펙클패턴 전단간섭계 시스템 및 이를 이용한 계측시스템을 실현할 수 있다.

Claims (19)

  1. 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭법에 있어서,
    레이저로 대상물체를 조사하는 단계와,
    상기 대상물체로부터 반사된 빛이 월라스톤 프리즘을 통과하는 단계와,
    상기 월라스톤 프리즘을 통과한 빛이 두 개의 파장판을 통과하는 단계와,
    상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 편광판을 통과하는 단계를 포함하고,
    상기 두 개의 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 일정한 위상 차이를 갖는 다수의 스펙클패턴을 얻을 수 있는 스펙클패턴 전단간섭법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 두 개의 파장판은 모두 λ/4 파장판인 스펙클패턴 전단간섭법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 두 개의 파장판 중 하나는 λ/4 파장판이고, 다른 하나는 λ/2 파장판인 스펙클패턴 전단간섭법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 90도씩 위상천이된 4개의 스펙클 패턴을 얻는 스펙클패턴 전단간섭법.
  5. 제4항에 있어서, 스펙클 패턴의 각 지점의 위상은
    Figure 112004057427913-PAT00023
    에 의해 구해지는 스펙클패턴 전단간섭법.
    여기서, I1, I2, I3, I4는 차례로 90도씩 위상천이된 4개의 스펙클 패턴의 강도 분포.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 120도씩 위상천이된 3개의 스펙클 패턴을 얻는 스펙클패턴 전단간섭법.
  7. 제6항에 있어서, 스펙클 패턴의 각 지점의 위상은
    Figure 112004057427913-PAT00024
    에 의해 구해지는 스펙클패턴 전단간섭법.
    여기서, I1, I2, I3는 차례로 120도씩 위상천이된 3개의 스펙클 패턴의 강도 분포.
  8. 스펙클패턴 전단간섭법을 이용하여 검사대상물체의 변형을 측정하는 계측시스템에 있어서, 상기 계측시스템은,
    검사대상물체를 조사하는 레이저와,
    상기 검사대상물체로부터 반사되는 빛을 분리시키기 위한 월라스톤 프리즘과,
    상기 월라스톤 프리즘에 의해 분리된 빛의 위상을 변화시키기 위한 두 개의 파장판과,
    상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 간섭을 일으키도록 함으로써 스펙클 패턴을 형성하는 편광판과,
    상기 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 얻어진 일정한 위상차이를 갖는 다수의 스펙클 패턴으로부터 스펙클 패턴의 각 지점에서의 위상을 구하는 수단을 포함하고,
    상기 검사대상물체의 변형 전후의 스펙클 패턴으로부터 얻은 위상의 차이로부터 변형량을 측정하는 계측시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 스펙클 패턴의 각 지점에서의 위상을 구하는 수단은 CCD 카메라와, 상기 CCD 카메라에 연결된 컴퓨터를 포함하는 계측시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 두 개의 파장판은 모두 λ/4 파장판인 스펙클패턴 전단간섭법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 두 개의 파장판 중 하나는 λ/4 파장판이고, 다른 하나는 λ/2 파장판인 계측시스템.
  12. 제10항에 있어서, 검사대상물체의 변형 전후에 각각 90도씩 위상천이된 4개의 스펙클 패턴을 얻는 계측시스템.
  13. 제11항에 있어서, 검사대상물체의 변형 전후에 각각 90도씩 위상천이된 4개의 스팩클 패턴을 얻는 계측시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 스펙클 패턴의 각 지점의 위상은
    Figure 112004057427913-PAT00025
    에 의해 구해지고, 검사대상물체의 변형 기울기는 φ-φ'인 계측시스템.
    여기서, I1, I2, I3, I4는 각각 90도의 위상차이를 갖는 4개의 스펙클 패턴의 강도 분포이고, φ는 변형 전의 스펙클 패턴의 각 지점의 위상, φ'는 변형 후의 스펙클 패턴의 각 지점의 위상.
  15. 제10항에 있어서, 검사대상물체의 변형 전후에 각각 120도씩 위상천이된 3개의 스펙클 패턴을 얻는 계측시스템.
  16. 제11항에 있어서, 검사대상물체의 변형 전후에 각각 120도씩 위상천이된 3개 의 스펙클 패턴을 얻는 계측시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 스펙클 패턴의 각 지점의 위상은
    Figure 112004057427913-PAT00026
    에 의해 구해지고, 검사대상물체의 변형 기울기는 φ-φ'인 계측시스템.
    여기서, I1, I2, I3는 각각 120도의 위상차이를 갖는 3개의 스펙클 패턴의 강도 분포이고, φ는 변형 전의 스펙클 패턴의 각 지점의 위상, φ'는 변형 후의 스펙클 패턴의 각 지점의 위상.
  18. 스펙클패턴 전단간섭법을 이용하여 검사대상물체의 변형을 측정하는 방법에 있어서,
    레이저로 검사대상물체를 조사하는 단계와,
    상기 검사대상물체로부터 반사된 빛이 월라스톤 프리즘을 통과하는 단계와,
    상기 월라스톤 프리즘을 통과한 빛이 두 개의 파장판을 통과하는 단계와,
    상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 편광판을 통과하는 단계와,
    상기 두 개의 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 일정한 위상 차이를 갖는 다수의 스펙클패턴을 얻는 단계와,
    상기 검사대상물체의 변형 전에 얻어진 다수의 스펙클 패턴으로부터 스펙클 패턴의 각 지점에서의 위상을 구하는 단계와,
    상기 검사대상물체의 변형 후에 얻어진 다수의 스펙클 패턴으로부터 스펙클 패턴의 각 지점에서의 위상을 구하는 단계와,
    상기 검사대상물체의 변형 전후의 스펙클 패턴으로부터 얻은 위상의 차이로부터 변형량을 측정하는 단계를 포함하는 물체의 변형 측정 방법.
  19. 월라스톤 프리즘을 이용한 스펙클패턴 전단간섭장치에 있어서, 상기 장치는,
    대상물체를 조사하는 레이저와,
    상기 대상물체로부터 반사되는 빛을 분리시키기 위한 월라스톤 프리즘과,
    상기 월라스톤 프리즘에 의해 분리된 빛의 위상을 변화시키기 위한 두 개의 파장판과,
    상기 두 개의 파장판을 통과한 빛이 간섭을 일으키도록 함으로써 스펙클 패턴을 형성하는 편광판을 포함하고,
    상기 두 개의 파장판과 편광판을 소정의 각도로 회전시킴으로써 일정한 위상 차이를 갖는 다수의 스펙클패턴을 얻을 수 있는 스펙클패턴 전단간섭장치.
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