KR20070021595A - 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지형상측정장치 - Google Patents

레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지형상측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 스페클 전단간섭법을 이용하여 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력을 측정하기 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 레이저가 조사되는 두꺼운 아크릴판 상에 엠보싱 및 타이어를 고정시킨 후, 레이저와 같은 코히어런트 광을 조사하여, 타이어 표면에 조사된 빛의 위상 맵을 구하고, 이러한 물리량과 대응되는 물체의 표면 변위의 미분값을 정량적으로 구할 수 있도록 구성되며, 비파괴 검사에 의해 변형 분포의 풀-필드 디스크립션을 얻을 수 있는 레이저 스페클 전단간섭법과 공통 광로를 사용하는 셋업 특성을 적용한 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지형상 측정장치{An apparatus for measuring tire ground contact figure using laser specle shearography}
도 1은, 본 발명에 따른 타이어 접지형상 측정장치의 구성을 나타낸 구성도,
도 2는, 본 발명의 타이어 접지형상 측정장치에 의해 타이어의 하중변화에 따른 접지압 측정결과를 나타낸 압력변화에 따른 위상을 나타낸 도면,
도 3은, 본 발명의 타이어 접지형상 측정장치에 의해 타이어의 하중변화에 따른 접지압 측정결과를 나타낸 압력변화에 따른 변위 미분값을 나타낸 도면,
도 4는, 도 3의 압력변화에 따른 변위 미분값의 3차원 플롯을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 --- 헬륨-네온 레이저, 2a --- 대물렌즈,
2b --- 핀 홀, 2 --- 공간필터(spatial filter)
3 --- 시준렌즈(collimating lens), 4 --- 아크릴판,
5 --- 경사 광학 마운트(tilting optical mount),
6 --- 압전 변환기(Piezo electric transducer),
7 --- CCD 카메라,
8 --- 프레임 그레버(Frame grabber),
9 --- D/A 및 A/D 변환기, 10 --- 제어 컴퓨터,
11 --- 광 분할기, 12 --- 타이어,
15 --- 엠보싱(Embossing), M1,M2,M3 --- 제1,2,3거울.
본 발명은, 타이어 접지형상 측정장치에 관한 것으로, 특히 레이저 스페클 전단간섭법을 이용하여 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 타이어와의 접촉압력에 의해 압축되는 엠보싱(Embossing) 표면에 외부에서 투과된 빛이 난반사되는 원리를 이용하여, 반사된 빛의 반사율과 강도에 의해 응력과 변형을 정성 및 정량적으로 측정한다.
즉, 타이어에 하중을 가할 경우 엠보싱 표면이 변형하여, 변화되는 양과 빛의 반사율을 이용하여 풋프린트(footprint)를 측정하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 측정방법은 하중 변화시 접지압 측정에 한계가 있다. 즉, 엠보싱 표면의 변화가 일정 이상 되면 압력에 대한 선형성을 상실하게 된다.
또한, 압력에 따른 표면의 반사율은 선형적 비례관계에 있지 않다. 즉, 자연광을 통한 엠보싱의 관찰은 많은 오차를 포함하게 된다.
더욱이, 종래의 측정방법은 하중에 따른 압력분포를 정량화할 수 없다는 문제점도 갖고 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 타이어의 하중에 따른 압력분포의 정량화를 가능하게 하고, 하중 증가에 따른 접지압 변화를 정확히 측정할 수 있는 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지형상 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 레이저 스페클 전단간섭법을 이용하여 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력을 측정하기 위한 장치는, 파장이 630nm인 헬륨-네온 레이저에서 레이저광이 출사되면, 이 출사된 레이저광은 대물렌즈와 핀 홀로 이루어진 공간필터에서 필터링 되고, 공간필터에서 필터링된 레이저광은 시준렌즈에서 평행광으로 되고, 시준렌즈에 의한 평행광은 두꺼운 아크릴판에 조사된 후 반사되어 광 분할기에 의해 2개의 광으로 나누어진 후 양쪽의 제2 및 제3거울로 입사되고, 광 분할기에 의해 2개의 광으로 나누어져 입사된 광중 하나는 제2거울에 반사되어 상면에 맺히고, 나머지 하나는 제3거울에서 반사되어 다시 광 분할기를 통해 상면에 맺히고, 상기와 같이 위상차를 갖는 반사된 빛은 CCD 카메라를 통해 이미지 센싱되며, CCD 카메라에 의해 센싱된 이미지는 이미지 프로세싱을 위해 8비트의 프레임 그레버에서 디지털 신호로 변환되어 제어 컴퓨터에서 미리 내장된 데이터 처리 프로그램에 의해 타이어의 접지형상 및 접지압력 분포를 측정하도록 구성된다.
(실시예)
우선, 본 발명과 관련된 기술분야의 기술에 대해 설명한다.
통상, 레이저와 같은 간섭성이 좋은 빛으로 거친 표면을 조사하면 무작위적으로 변화하는 밝기 분포인 스페클(speckle)을 관찰할 수 있다. 이러한 현상을 스페클 효과라고 부르며, 육안으로도 충분히 관찰할 수 있다. 또한, 스페클 효과는 기록하는 면의 위치나 렌즈의 유무를 떠나 어느 지점에서도 관찰할 수 있다.
상기와 같이 스페클은 물체 표면의 거칠기, 변형, 변위 등의 정보를 가지고 있고, 스페클 패턴 간섭계(SPI: Speckle Pattern Interferometry)는 이러한 정보를 갖고 있는 스페클 무늬를 소재로 하여 피측정물의 상태를 관찰하는 광학 간섭계이다.
SPI에 전자장비를 사용하여 영상을 기록하고 처리하는 기술이 더해진 것이 전자처리 스페클 패턴 간섭법(ESPI: Electronic speckle pattern interferometery)이다.
상기와 같이 스페클의 형태가 반사되는 물체의 변형에 대해 매우 민감하게 반응한다는 사실은 고감도의 변형측정의 수단으로 사용된다. 그러나, 주변환경에 아주 민감하기 때문에 많은 오차를 포함하게 된다.
또한, 측정체에 레이저와 같은 코히어런트 광을 조사하여 얻어지는 위상도 에서 물체의 평면 변위의 미분값을 직접 측정할 수 있도록 설계된 광학 측정방법으로 레이저 스페클 전단간섭법(laser speckle shearography)이 있다.
상기의 레이저 스페클 전단간섭법은 비파괴 검사방법으로 변형분포의 풀-필드 디스크립션(full-field description)을 얻을 수 있으며, 공통 광로를 사용하는 셋업(set-up)의 특성과 측정되는 위상이 변위의 미분값을 준다는 점에서 강체운동(rigid body motion)이나 그 밖의 노이즈에 덜 민감한 장점을 갖고 있다.
본 발명은 상기의 레이저 스페클 전단간섭법의 장점을 이용하고, 타이어 표면과 노면(두꺼운 아크릴) 사이에 엠보싱을 두어 기존의 측정방법의 한계를 극복한다.
즉, 상기 레이저 스페클 전단간섭법이 측정하고자 하는 물체 표면의 응력(stress)과 변형(strain)에 대한 정량적 값을 얻을 수 있다는 장점은 있지만, 타이어가 지표면과 접촉하여 압력을 받을 경우, 접촉면에서 타이어 표면 압력이 표면변위로 전달되지 않기 때문에, 표면변위를 통해 응력을 측정하는 상기의 레이저 스페클 전단간섭법만으로는 표면상의 응력분포를 구할 수 없다.
따라서, 본 발명은 타이어 압력변화에 아주 민감하게 반응한다는 장점이 있는 기존의 측정법에서 사용했던 엠보싱을 매개체로 하여 엠보싱에 전달된 변위를 대신 측정함으로써, 상술한 바와 같은 기존의 문제점을 해결하였다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지형상 측정장치를 나타내고, 헬륨-네온 레이저와(1)와, 공간필터(2), 시준렌즈(3), 아 크릴판(4), 경사 광학 마운트(5), 압전 변환기(6), CCD 카메라(7), 프레임 그레버(8), D/A 및 A/D 변환기(9), 제어 컴퓨터(10), 광 분할기(11), 엠보싱(15) 및, 제1,2,3거울(M1,M2, M3)로 이루어진다.
도 2는 본 발명의 타이어 접지형상 측정장치에 의해 타이어의 하중변화에 따른 접지압 측정결과를 나타낸 압력변화에 따른 위상을 나타내고, 도 3은 본 발명의 타이어 접지형상 측정장치에 의해 타이어의 하중변화에 따른 접지압 측정결과를 나타낸 압력변화에 따른 변위 미분값을 나타며, 도 4는 도 3의 압력변화에 따른 변위 미분값의 3차원 플롯을 나타낸다.
도 1에 도시된 레이저 스페클 전단간섭법의 광학간섭계가 적용된 측정장치에 있어서, 먼저 광원인 630nm 파장의 헬륨-네온 레이저(1)에서 레이저광이 출사되면, 이 헬륨-네온 레이저(1)로부터 출사된 레이저광은 제1거울(M1)에서 반사되어 대물렌즈(2a)와 핀 홀(2b)로 이루어진 공간필터(2)에서 필터링 된다.
상기 공간필터(2)에서 필터링된 레이저광은 시준렌즈(3: Collimation lens)에서 평행광으로 만들어진다.
상기 시준렌즈(3)에 의한 평행광은 두꺼운 아크릴판(4)에 조사된 후 반사되어 광 분할기(11)에 의해 2개의 광으로 나누어진 후 양쪽의 제2 및 제3거울(M2, M3)로 입사하게 된다.
한편, 상기 두꺼운 아크릴판(4) 상에는 타이어(12) 및 엠보싱(15)이 탑재되어 고정된다.
또한, 타이어(12)는 두꺼운 아크릴판(4) 표면에 접지하되, 타이어(12)와 아크릴판(4) 사이에 엠보싱(15)을 매개체로 사용함으로써 타이어(12)의 표면변위를 반사된 빛의 위상차에 반영되도록 실시한다.
상기와 같이 광 분할기(11)에 의해 2개의 광으로 나누어져 입사된 광중 하나는 제2거울(M2)에서 반사되어 상면에 맺히고, 나머지 하나는 제3거울(M3)에서 반사되어 다시 광 분할기(11)를 통해 상면에 맺히게 된다.
한편, 상기 제2거울(M2)은 경사 광학 마운트(5)에 부착되어 있어서 이로부터 반사되는 이미지는, 압전 변환기(6)에 부착되어 있는 제3거울(M3)에서 반사되는 이미지와 일정한 전단폭(shearing width) 만큼 어긋나 겹쳐지게 된다.
이 때, 압전 변환기(6)를 이용하여 압전변환기(6)의 제3거울(M3)을 파장의 1/4만큼씩 CCD 카메라(7) 쪽으로 위상 이동시켜 주면서 변형전과 변형후의 각각의 4장의 이미지를 측정한다.
상기와 같이 위상차를 갖는 반사된 빛은 CCD 카메라(7)를 통해 센싱되어 타이어(12)의 접지형상 및 접지압력 분포를 측정할 수 있게 된다.
상기 각각의 위상 변형에 따른 위상 변형전과 변형후의 위상차는 이하의 식과 같다.
Figure 112005045539915-PAT00001
변형전
Figure 112005045539915-PAT00002
변형후
여기서, Ir과 Io는 거울에서의 인텐시티(Intensity), φ는 초기 위상, δ는 위상 이동량을 나타내며, δ=π/2이고, n=0,1,2,3,4(4-step phase shift)이다.
또한, 변형에 의한 위상차(Δφ)는 이하의 식과 같다.
Figure 112005045539915-PAT00003
한편, 전단(shearing) 방향이 y방향인 경우 변형에 의한 위상차는 이하의 식과 같이 y방향의 변형율을 의미한다.
Figure 112005045539915-PAT00004
여기서, K는 민감벡터(sensitivity vector), U는 변위벡터, δy는 전단 폭을 나타낸다.
만약, 레이저의 조사방향이 Z축 방향이라고 할 경우에는, 민감벡터(K)의 방향은 Z축 방향이 되어 위상차는 물체 표면에 대해 노말(normal) 방향의 y에 대한 변위 미분계수가 된다.
계속해서, 상기와 같이 CCD 카메라(7)에 의해 센싱된 이미지(2차원 인텐시티 정보)는 이미지 프로세싱을 위해 8비트의 프레임 그레버(8)에서 디지털 신호로 변환되어 제어 컴퓨터(10)에 저장되고, 상기 이미지는 제어 컴퓨터(10)에서 미리 내장된 데이터 처리 프로그램에 의해 타이어(12)의 접지형상 및 접지압력 분포를 측정할 수 있도록 처리되고, 그 처리된 데이터는 D/A 및 A/D 변환기(9)에 의해 D/A 및 A/D변환되어 입출력된다.
한편, 위상 시프팅법(Phase shifting method)을 적용하기 위해서는 레이저광의 파장정도의 변위로서 이동해야 되는데, 압전 변환기(6)를 이용하여 미세하게 제3거울(M3)의 위치를 조정한다.
아울러, 압전 변환기(6)에 공급되는 직류전압은 제어 컴퓨터(10)에서 제어한다.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명의 측정장치는 두꺼운 아크릴판(4) 위에 타이어(12) 및 엠보싱(15)을 고정시킨 후, 헬륨-네온 레이저와 같은 코히어런트 광(coherent beam)을 조사하여 타이어(12) 표면에 그 조사한 광의 위상 맵(phase map)을 구하고, 이러한 물리량과 대응되는 물체 표면 변위의 미분값을 정량적으로 구할 수 있도록 구성된 측정장치이다.
즉, 상술한 바와 같이 비파괴 검사에 의해 변형 분포의 풀-필드 디스크립션을 얻을 수 있다는 레이저 스페클 전단간섭법의 장점과 공통 광로를 사용하는 셋업의 특성을 통해 외부 노이즈에 둔감한 안정적인 측정장치를 구성한 것이다.
결국, 산업 현장에서 제품의 신뢰성 확보 뿐만 아니라 제품의 최적화를 위해 물체의 응력과 변형에 대한 분석은 중요한 의미를 갖기 때문에, 본 발명은 ESPI에 비해 주변 환경에 영향을 적게 받는 레이저 스페클 전단간섭법의 장점을 이용하 여 타이어의 트레드부의 뒤틀림이나 표면의 응력과 변형 분포를 정량적으로 측정할 수 있는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 타이어의 하중에 따른 압력분포의 정량화가 가능하고, 하중 증가에 따른 접지압 변화를 정확히 측정할 수 있으며, 공통 광로를 이용함으로써 외부 노이즈에 둔감하여 안정적인 측정이 가능하고, 아주 미세한 변형까지 측정할 수 있으며, 비파괴검사로 변형 분포의 풀-필드 디스크립션을 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 레이저 스페클 전단간섭법을 이용하여 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력을 측정하기 위한 장치에 있어서,
    파장이 630nm인 헬륨-네온 레이저(1)에서 레이저광이 출사되면, 상기 헬륨-네온 레이저(1)로부터 출사된 레이저광은 대물렌즈(2a)와 핀 홀(2b)로 이루어진 공간필터(2)에서 필터링 되고,
    상기 공간필터(2)에서 필터링된 레이저광은 시준렌즈(3)에서 평행광으로 되고,
    상기 시준렌즈(3)에 의한 평행광은 두꺼운 아크릴판(4)에 조사된 후 반사되어 광 분할기(11)에 의해 2개의 광으로 나누어진 후 양쪽의 제2 및 제3거울(M2, M3)로 입사되고,
    상기 광 분할기(11)에 의해 2개의 광으로 나누어져 입사된 광중 하나는 제2거울(M2)에서 반사되어 상면에 맺히고, 나머지 하나는 제3거울(M3)에서 반사되어 다시 광 분할기(11)를 통해 상면에 맺히고,
    상기와 같이 위상차를 갖는 반사된 빛은 CCD 카메라(7)를 통해 이미지 센싱되며,
    상기 CCD 카메라(7)에 의해 센싱된 이미지는 이미지 프로세싱을 위해 8비트의 프레임 그레버(8)에서 디지털 신호로 변환되어 제어 컴퓨터(10)에서 미리 내장 된 데이터 처리 프로그램에 의해 타이어(12)의 접지형상 및 접지압력 분포를 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 변환기(6)를 이용하여 상기 제3거울(M3)의 위치를 미세하게 조정함으로써 위상 시프팅법을 적용하는 것을 특징으로 하는 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 두꺼운 아크릴판(4) 상에는 상기 타이어(12) 및 엠보싱(15)이 탑재되어 고정되고,
    상기 타이어(12)는 두꺼운 아크릴판(4) 표면에 접지되되, 상기 타이어(12)와 아크릴판(4) 사이에 상기 엠보싱(15)을 매개체로 사용함으로써 상기 타이어(12)의 표면변위가 반사된 빛의 위상차에 반영되도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경사 광학 마운트(5)에 부착된 상기 제2거울(M2)로부터 반사되는 이미지는 압전 변환기(6)에 부착되어 있는 제3거울(M3)에서 반사되는 이미지와 일정한 전단폭 만큼 어긋나 겹쳐지며,
    상기 압전 변환기(6)를 이용하여 상기 압전변환기(6)의 제3거울(M3)을 파장의 1/4만큼씩 상기 CCD 카메라(7) 쪽으로 위상 이동시켜 주면서 변형전과 변형후의 각 4장의 이미지를 측정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 스페클 전단간섭법을 이용한 타이어 접지면 내의 트레드 변형 및 접지압력 측정장치.
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