KR20080051969A

KR20080051969A - 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계 및 형상측정방법

Info

Publication number: KR20080051969A
Application number: KR1020060123856A
Authority: KR
Inventors: 김승우; 김영식; 유준호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-11
Also published as: KR100840395B1

Abstract

본 발명은 백색광주사간섭계를 이용한 미세한 삼차원 형상을 측정하는 장치의 설계에 있어서, 기존의 마이켈슨형의 백색광주사간섭계의 구성에 널리 사용되고 있는 현미경 대물렌즈를 매크로렌즈(마이크로렌즈)로 대치하여, 한 번에 측정할 수 있는 측정대상물의 횡방향 면적 영역을 획기적으로 확장할 수 있는 새로운 원리 및 이의 세부적 구현 방법에 관한 것이다. 매크로렌즈를 도입한 백색광주사간섭계는 백색광 조명광학계, 상기 백색광을 측정면과 기준면에 조사하기 위해 측정광과 기준광으로 분리하는 광분할기, 상기 측정면과 기준면에서 반사된 측정광과 기준광을 동시에 결상하기 위한 매크로렌즈, 그리고 상기 매크로렌즈로부터 얻어진 백색광 간섭무늬를 획득하는 영상획득부로 구성된다. 상기와 같이 구성되는 본 발명은 일반 카메라의 접사촬영에 널리 사용되는 매크로렌즈를 활용하여 한 번에 측정할 수 있는 미세한 삼차원 형상의 횡방향 면적 영역을 무제한적으로 확장하여, 대면적의 대상물을 고속으로 측정할 수 있는 장점을 제공한다.

백색광주사간섭, 매크로렌즈, 마이크로렌즈, 대영역 삼차원 형상측정.

Description

매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치 및 방법{Apparatus and method of white-light interferometry for 3-D profile measurements with large field of view using macro lenses}

도 1은 종래의 백색광주사간섭계의 장치 구성도,

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 백색광주사간섭계의 장치 구성도,

도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 백색광주사간섭계의 장치 구성도,

도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 백색광주사간섭계의 장치 구성도.

<도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명>

100 : 광원

110 : 광분할기

120 : 기준면

130 : 측정면

140 : 매크로렌즈(마이크로렌즈)

150 : 영상획득부

본 발명은 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치 및 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 매크로렌즈(마이크로렌즈)를 적용하여 한 번에 대영역 형상측정을 가능하게 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치 및 방법에 관한 것이다.

백색광주사간섭계는 광원으로 백색광(일반적으로 텅스텐 할로겐 램프나 제논 램프, 그리고 백색 발광다이오드 등)을 이용하며, 주사방식으로 간섭신호를 획득하기 위하여 광축방향으로 측정면을 미세구동기를 이용하여 이동한다. 이때 측정면의 이동의 의미는 간섭계 전체를 미세구동기를 이용하여 이동하여 측정면과의 거리를 변화하거나, 기준면만을 미세구동기로 주사하는 방법도 포함한다.

도 1은 기존의 마이켈슨 간섭원리에 근거한 백색광주사간섭계의 기본 장치의 구성을 보여준다. 광원(1)에서 나온 백색광은 렌즈(2)에 의해 평행광으로 만들어진 후, 광분할기(3)에 의하여 측정광과 기준광으로 분리되어 측정면(5)과 기준면(6)에 조사되고 각 면에서 반사된 광은 간섭무늬를 생성하고 영상획득부(8)에 의해 획득된다. 이때 미세 형상을 측정하기 위한 고배율의 결상을 위해 현미경 대물렌즈(4)가 일반적으로 사용되고 있다.

백색광주사간섭계의 특징은 백색광이 갖는 짧은 가간섭성을 이용하는 것으로, 레이저와 같은 단색광은 수 미터(m)에 주사거리에 걸쳐서 간섭 신호를 발생시킬 수 있지만, 백색광은 수 마이크로(㎛)이내의 주사거리에서만 간섭 신호를 발생 시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이 측정면을 광축 방향으로 미소 간격씩 주사 이동하면서 한 측정점에서의 간섭신호를 획득한 후, 이의 간섭강도의 주사거리에 대한 변화를 도시하면, 도 1에서와 같이 측정면(5)과 기준면(6)의 위치 차이가 가간섭 길이 내의 짧은 거리에서만 간섭신호를 나타낸다.

그러므로 측정 면적 영역내의 모든 측정점에 대한 간섭신호를 획득하고, 각각의 측정점에서 얻어진 간섭신호의 강도의 변화에 대한 정점에서의 광축 방향 위치를 높이 값으로 설정하면, 기준면에 대한 측정면의 삼차원 형상을 측정할 수 있다.

이와 같은 백색광주사간섭계는 일반 레이저광을 이용한 간섭이 갖는 절대위상 결정의 모호성으로부터 자유롭기 때문에 수 밀리미터(mm)의 상대적으로 큰 단차도 나노미터(nm)이하의 수직 분해능으로 측정할 수 있어, 최근 초정밀 미세 형상측정분야에서 산업적 검사기술로 널리 활용되고 있다.

하지만, 현미경 대물렌즈(4)를 이용하여 측정면의 삼차원 형상을 획득하는 과정에서, 대물렌즈의 좁은 시각영역(Field of view)에 의해, 한 번에 측정할 수 있는 측정 면적이 일반적으로 가로, 세로 수 밀리미터(mm)의 좁은 영역으로 제한되는 단점이 있게 된다. 따라서 기존의 방법으로 가로와 세로 폭이 수십 밀리미터에 달하는 대면적을 측정하기 위해서는 좁은 영역의 면적으로 나누어 여러 번 측정하고, 이를 정합하여 대면적 측정 결과를 산출하는 방법이 널리 사용되고 있다.

이러한 기존의 방법은 대면적을 여러 번 측정 영역을 나누어 측정해야 되기 때문에 측정 시간이 오래 걸리고, 각각의 측정 결과를 정합할 때에 발생되는 정합오차가 전체 삼차원 형상의 측정 정밀도를 저하하는 문제점들을 갖고 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 좁은 시각영역의 현미경 대물렌즈(4)를 대체할 수 있는 별도의 광역의 시각영역을 갖는 대물렌즈를 특수 설계 제작하여야 하는데, 이는 고정밀도의 렌즈의 설계와 제작, 그리고 조립에서 많은 어려운 기술적 문제점들을 해결하여야 하며, 이 과정에서 많은 비용과 기간이 요구되는 어려움을 갖고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 이미 일반 카메라의 접사촬영을 위해 상용화되어 있는 매크로렌즈(마이크로렌즈)를 적용하여, 한 번에 측정할 수 있는 시각영역을 획기적으로 확대할 수 있는 대면적 측정을 위한 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정 백색광주사간섭계의 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 매크로렌즈가 이미 확보하고 있는 줌기능을 활용하여 측정 대상물의 크기에 최적인 시각영역을 유연하게 변화할 수 있는 추가 기능을 첨가할 수 있으며, 이에 요구되는 광학장치의 구성을 저렴한 비용으로 단순화할 수 있는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정 백색광주사간섭계의 장치 및 방법을 제공하고자 하는데 그 부수적인 목적 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치에 있어서, 백색광을 출사하는 광원, 상기 백색광을 측정면과 기준면에 조사하기 위해 측정광과 기준광으로 분리하는 광분할기, 상기 측정면과 기준면에 조사된 측정광과 기준광이 각각 반사된 후 광경로차에 의해 생성된 간섭무늬를 받는 매크로렌즈, 그리고 상기 매크로렌즈에 입사된 간섭무늬를 획득하는 영상획득부로 구성되고, 측정물을 광축 방향으로 이동시키면서 상기 영상획득부로 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 한 특징으로는, 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치에 있어서, 백색광을 출사하는 광원, 상기 백색광의 광량을 조절하기 위한 선형편광기, 상기 백색광을 기준면과 측정면에 조사하기 위해 수직편광광과 수평편광광으로 분리하는 편광광분할기, 상기 기준면과 측정면에서 반사되는 기준광과 측정광을 재 결합하는 광분할기, 상기 기준면과 측정면에서 반사된 기준광과 측정광을 간섭시켜 간섭무늬를 생성하는 선형편광기, 상기 간섭무늬를 입사 받는 매크로렌즈 및 상기 매크로렌즈에 입사된 간섭무늬를 획득하는 영상획득부로 구성되고, 측정물을 광축 방향으로 이동시키면서 상기 영상획득부로 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 특징으로는, 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼 차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치에 있어서, 백색광을 출사하는 광원, 상기 백색광의 광량을 조절하는 선형편광기, 상기 백색광을 기준면과 측정면에 조사하기 위해 수직편광광과 수평편광광으로 분리하는 편광광분할기, 상기 기준면과 측정면에서 반사되어 되돌아오는 광을 수직편광광에서 수평편광광으로, 수평편광광에서 수직편광광으로 변환시키기 위해 사용한 λ/4-위상지연판, 상기 기준광과 측정광을 간섭시켜 간섭무늬를 생성하는 선형편광기, 상기 간섭무늬를 입사 받는 매크로렌즈 및 상기 매크로렌즈에 입사된 간섭무늬를 획득하는 영상획득부로 구성되고, 측정물을 광축 방향으로 이동시키면서 상기 영상획득부로 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는 백색광 간섭무늬의 결상에 있어서 기존의 현미경 대물렌즈를 대체하여 매크로렌즈를 사용함에 있다. 본 발명에서 사용하는 매크로렌즈의 정의는 다음과 같다. 일반 카메라 렌즈는 피사체 거리를 무한대에 두고 수차보정을 하도록 설계되어 근접 물체의 촬영시 최소 접근 가능 거리가 길어 실물 크기가 축소가 되는 한계를 안고 있다. 반면, 매크로렌즈는 접사 촬영을 목적으로 설계되어진 특수용도 렌즈로 초점거리가 비슷한 다른 일반렌즈와 비교시 최단촬영거리가 짧으며 근거리 촬영시 발생하는 여러 수차들이 보정되므로 근접 물체의 촬영시 배율을 1/2에서 등배까지 가능하도록 설계되어 고성능의 해상력을 발휘하는 렌즈이다. 제조회사에 따라서는 마이크로렌즈(Micro Lens)라고 부르기도 한다. 이상의 용도로 기존의 제품화된 매크로렌즈는 다음과 같다.

니콘(Nikon)사의

AF Micro-Nikkor 60mm F2.8D, AF-S VR Micro-Nikkor ED 105mm F2.8G, AF Micro-Nikkor 105mm F2.8D, AF Micro-Nikkor ED 200mm F4D와

캐논(Canon)사의

Canon EF-S 60mm F2.8 Macro USM, Canon EF 100mm F2.8 Macro USM, EF 50mm f/2.5 Compact Macro, EF 180mm f/3.5L Macro USM와

소니(Sony)사의

SAL100M28 100mm F2.8 MACRO, SAL50M28 50mm F2.8 MACRO와

올림푸스사의

ZUIKO DIGITAL 35mm F3.5 Macro와

코니카 미놀타(Konica Minolta)사의

AF 50mm f/2.8 MACRO(D), AF 100mm f/2.8 MACRO(D),AF 200mm f/4 MACRO APO G와

시그마(Sigma)사의

Sigma AF 50mm F2.8 EX DG Macro, Sigma AF 105mm F2.8 EX DG Macro, Sigma AF APO Macro 150mm F2.8 EX DG HSM, Sigma 70mm F2.8 EX DG Macro, Sigma 180mm F3.5 EX DG IF HSM Macro와

탐론(Tamron)사의

AT-X 100 PRO D F2.8 와

판탄스(Pantax)사의

smcp-FA 645 120mm F4, smc P-FA 50mm F2.8, smc P-FA 100mm F2.8, smc P-FA 100mm F3.5, smc P-FA 200mm F4.0 ED, smc P-D FA 100mm F2.8, smc P-D FA 50mm F2.8, smcp 67 100mm F4.0와

쥬이코(Zuiko)사의

50mm F2.0 Digital Macro Lens가 있다

이들 제품화된 매크로렌즈 사양의 범위를 종합해 보면,

매크로렌즈는

최대 F-수가 F/2에서 F/5.6의 범위를 가지고 최대촬영배율은 0.5배에서 1.32배의 범위를 가지고, 초점거리는 35mm에서 200mm의 범위를 가지고, 최단촬영거리는 140mm에서 550mm의 범위를 가진다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는 매크로 줌렌즈를 사용하 것으로 한다. 매크로 줌렌즈의 정의는 다음과 같다. 매크로 줌렌즈는 상기 매크로렌즈에서 렌즈계 중 일부 렌즈의 이동에 의하여 초점거리를 변화시켜 상의 축소 확대가 가능하도록 설계된 렌즈이다. 제품화된 매크로 줌렌즈는 다음과 같다.

캐논(Canon)사의

MP-E65MM F2.8 1.5X Macro와

니콘(Nikon)사의

AF Zoom-Micro Nikkor ED 70-180 mm F4.5-5.6D와

코니카 미놀타사(Konica Minolta)사의

AF MACRO ZOOM 3X-1X f/1.7-2.8이 있다.

이들 제품화된 매크로 줌렌즈 사양의 범위를 종합 해 보면,

매크로 줌렌즈는

최대 F-수가 F/1.7에서 F/5.6의 범위를 가지고, 최대촬영배율은 1배에서 5배의 범위를 가지고, 초점거리는 65 mm에서 180 mm의 범위를 가지고, 최단촬영거리는 70 mm에서 799mm의 범위를 가진다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법에 있어서, 백색광을 출사하는 광원을 광분할기를 적용하여 2개로 분할하는 제 1단계, 상기 제 1단계에서 분할된 2개의 백색광 중 하나의 백색광을 측정면에 입사시킨 후 반사되는 측정광을 매크로렌즈를 통해 획득하는 제 2단계, 상기 제 1단계에서 분할된 2개의 백색광 중 나머지 하나의 백색광을 기준면에 입사시킨 후 반사되는 기준광을 매크로렌즈를 통해 획득하고, 상기 제 2단계에서 획득한 측정광과 합쳐 간섭무늬를 생성하여 영상획득부를 통해 획득하는 제 3단계, 상기 측정면 또는 기준면을 광축으로 이동시키면서 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 정보를 획득하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법에 있어서, 백색광을 출사하는 광원의 광량을 선형편광기를 통해 조절하는 제 1단계, 상기 제 1단계에서 출사하는 백색광을 수직편광광과 수평편광광으로 분리하는 제 2단계, 상기 수직편광광과 수평편광광을 기준면과 측정면에 입사시키는 제 3단계, 상기 기준면과 측정면에서 반 사되는 기준광과 측정광을 편광기를 통해 간섭시켜 생성되는 간섭무늬를 매크로렌즈를 통해 입사 받고 영상획득부를 통해 획득하는 제 4단계, 상기 기준면 또는 측정면을 광축으로 이동 시키면서 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 정보를 획득하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법에 있어서, 백색광을 출사하는 광원의 광량을 선형편광기를 통해 조절하는 제 1단계, 상기 제 1단계에서 출사하는 백색광을 수직편광광과 수평편광광으로 분리하는 제 2단계, 상기 수직편광광과 수평편광광을 기준면과 측정면에 입사시키고, 상기 기준면과 측정면에서 반사될 때 수평편광광은 수직편광광으로, 수직편광광은 수편광광으로 변환하는 제 3단계, 상기 기준면과 측정면에서 반사되는 기준광과 측정광을 편광기를 통해 간섭시켜 생성된 간섭무늬를 매크로렌즈를 통해 입사받고 영상획득부로 획득하는 제 4단계, 상기 측정면을 광축 방향으로 이동시키면서 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 정보를 획득하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 대영역 측정 장치 및 방법에 대한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 백색광 간섭계를 이용한 측정 장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 백색광 간섭계를 이용한 측정 장치의 구성도이며, 도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 백색광 간섭계를 이용한 측 정 장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 대영역 형상측정 장치 및 방법은 기준면과 측정면에 반사되는 기준광과 측정광에 의해 생성되는 간섭무늬를 영상획득부(CCD 또는 CMOS 디지탈 카메라)를 통해 획득할 때 매크로렌즈(마이크로렌즈)를 적용하는 것이 본 발명의 주요 기술적 요지이다. 상기 매크로렌즈는 매크로렌즈에서 렌즈계 중 일부 렌즈의 이동에 의하여 초점거리를 변화시켜 상의 축소 확대가 가능하도록 설계된 매크로 줌 렌즈를 포함한다.

도 2를 참조하여 본 발명의 제 1실시예에 따른 측정장치의 구성도이며, 매크로렌즈가 적용된다.

상기 광원(100)을 통해 출사되는 백색광은 광분할기(110)에 의해 2개의 광으로 분리되어 기준면(120)과 측정면(130)에 각각 입사된다. 상기 광분할기(110, Beam Splitter)는 상기 광원(100)을 통해 출사되는 광을 분리하여 상기 기준면(120)과 측정면(130)에 입사시킨다.

기준면(120)에 입사된 후 반사된 기준광은 상기 광분할기(110)에 의해 반사되고, 상기 측정면(130)에 입사된 후 반사되는 측정광은 상기 광분할기(110)를 통해 투과된다. 각 면에서 반사된 기준광과 측정광은 매크로렌즈(140)에 입사된다. 상기 매크로렌즈(Macro lens)는 현재 상용화 되고 있고 있는 광역의 시각영역을 갖는 결상렌즈로써, 이를 통하여 한 번에 대면적의 삼차원 측정 결과를 획득할 수 있다.

상술한 바와 같이 이미 상용화된 매크로렌즈의 광역 시각영역 특성을 적용하 여 한 번에 측정면을 대면적 단위로 측정할 수 있기 때문에 광역 시각렌즈렌즈의 특수 제작에 따른 설계와 제작비용, 장시간의 제작기간의 어려움을 해소시킬 수 있다.

상기 매크로렌즈(140)를 투과하는 간섭무늬를 영상획득부(150)가 획득하는데, 상기 영상획득부(150)는 CCD 또는 CMOS 디지털 영상 센서를 적용하는 것이 바람직하다. 상기 영상획득부(150)에 의해 획득한 간섭무늬로 부터 측정면의 형상을 복원한다. 이때, 간섭무늬로부터 측정면의 형상을 구하는 알고리즘은 당업계에서 일반적으로 사용되는 측정 알고리즘을 적용한 것이므로 그 상세한 설명은 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단하여 생략하기로 한다.

이러한 과정을 단계별로 살펴보면, 광원(100)으로부터 출사되는 광을 광분할기를 통해 2개의 광으로 분할하고, 분할된 1개의 광은 기준면에 입사된 후 반사되어 기준광으로 매크로렌즈에 입사되고, 나머지 1개의 광은 측정면에 입사된 후 반사된 측정광으로 매크로렌즈를 투과하며, 이때 기준광과 측정광은 합쳐져 간섭무늬가 생성된다. 이 간섭무늬는 영상획득부를 통해 획득되며 상기 간섭무늬를 수학적 해석을 적용하면 측정면의 형상정보를 측정할 수 있다. 광분활기(110)은 광분활 및 재조합에 널리 사용되고 있는 직각육면체(cube)형 또는 얇은 박판(Sheet)형을 모두 사용할 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 제 2실시예와 3실시예로써 광원에서 출사는 광을 수직편광광(S파)과 수평편광광(P파)으로 분리하여 광의 크기를 조절하기 위해서 선형편광기를 구비시켰다.

도 3을 참조하면, 광원(200)으로부터 출사된 백색광은 최초 무작위적인 편광 방향을 갖는다. 이를 선형편광기(210, LP)를 통과하여 편광분활기(220)을 기준으로 수직편광광과 수평편광광으로 분리되어 투과하는데, 이때 상기 선형편광기의 설치 각도를 조절하여 각각의 편광광의 통과량(광량)을 조절할 수 있다. 따라서 매크로렌즈(270)과 영상획득부(280)에 입사되는 측정광과 기준광의 광량을 상대적으로 조절함으로써 최종 결상되는 백색광 간섭무늬의 가시도를 측정물(250)과 기준면(240)의 반사율을 고려하여 최적의 값으로 향상할 수 있다.

상기 선형편광기(210)를 통과한 수직편광광(s-polarization)과 수평편광광(p-polarization)은 광분할기(230)를 통과하여 편광광분할기(220, PBS)에 입사되고 수평편광광(혹은 수직편광광)은 그대로 통과하여 기준면(240)을 향해 입사된다. 또한, 수직편광광(혹은 수평편광광)은 상기 편광광분할기(220)에 의해 반사되어 측정면(250)에 입사된다.

기준면에 입사된 광은 그대로 반사되어 기준광이 되고, 측정면에 입사된 광도 반사되어 측정광을 이룬다. 상기 기준면(240)과 측정면(250)에 반사된 기준광(수평편광광)과 측정광(수직편광광)은 다시 상기 편광광분할기(230)를 통과하고 상기 편광광분할기(230)에 의해 반사되어 편광기(260)에 입사된다.

상기 선형편광기(260)는 기준광과 측정광을 간섭시키기 위한 것으로, 그 각은 대략 45도를 유지하고 있다. 여기서 생성된 간섭무늬는 매크로렌즈(260)를 투과하여 영상획득부(280)에 결상된다.

상기 매크로렌즈(270)는 본 발명에 따른 제 1실시예에서 설명한 매크로렌즈 를 적용하므로 상세한 설명은 생략한다. 다음으로 상기 매크로렌즈(270)를 투과하는 간섭무늬는 영상획득부(280)에서 획득되고, 상기 측정면(250)을 광축방향으로 이동시키면서 변화하는 측정광에 의해 측정면의 형상정보를 획득할 수 있다.

이러한 과정을 단계별로 살펴보면, 광원을 통해 출사하는 백색광을 선형편광기를 통해 광량을 조절하고, 편광광분할기로 백색광을 수평편광광과 수직편광광으로 분리한 후, 기준면과 측정면에 수평편광광과 수직편광광을 각각 입사한다. 상기 기준면과 측정면에 입사된 광은 기준광과 측정광을 반사시키고, 광분할기에 의해 선형편광기에 입사되면 기준광과 측정광을 간섭시켜 간섭무늬를 생성하고 매크로렌즈를 투과하여 영상획득부에서 상기 간섭무늬를 획득한다.

도 4는 본 발명에 따른 측정장치의 제 3실시예를 도시한 것이다. 제 3실시예에서는 제 2실시예의 구성된 광분할기(230)를 없애고 시스템을 단순화 시켰다. 그리고 나머지 구성들은 도 3과 동일한 참조부호를 사용하였다.

광원(200)으로부터 출사되는 백색광은 편광기(210)를 통과한다. 이때 상기 편광기(210)를 이용하여 통과하는 광의 광량을 조절한다.

상기 선형편광기(210)를 통과한 백색광은 편광광분할기(220)에 입사되어 수평편광광과 수직편광광으로 분리되어 기준면(240)과 측정면(250)에 입사된다. 또한 상기 기준면(240)과 측정면(250)에는 각각 소정간격 이격된 위치에 λ/4-위상지연판(221, 222)이 설치된다.

이때, 상기 λ/4-위상지연판(221)을 투과한 수평편광광은 상기 기준면(240)에 입사된 후 반사될 때 수직편광된 기준광을 출사하고, 상기 측정면(250)에 입사 된 후 반사될 때는 λ/4-위상지연판(222)을 투과하여 수평편광광이 수직편광된 측정광으로 출사되는 것이다.

상기 기준면(240)과 측정면(250)에 반사되는 기준광과 측정광은 편광 광분할기(220)를 통과, 반사하여 편광기(260)에 입사된다. 상기 편광기(260)는 제 2실시예에서 설명한 바와 같이 기준광과 측정광의 간섭을 일으켜 간섭무늬를 생성하기 위한 것이다. 상기 편광기(260)를 통해 기준광과 측정광이 간섭을 일으켜 간섭무늬가 생성되면 저 배율 특성을 가지고 있는 매크로렌즈(270)를 투과하고, 영상획득부(270)에서는 간섭무늬를 획득하게 된다.

이렇게 획득된 간섭무늬는 상기 측정면(250)을 광축방향으로 이동시키면서 간섭무늬를 획득하여 이로부터 측정면의 정보를 획득할 수 있다.

이러한 과정을 단계별로 살펴보면, 백색광을 출사하는 광원은 선형편광기를 통해 광량을 조절하고, 편광광분할기에 수직편광광과 수평편광광으로 분리하여 기준면과 측정면에 입사된다. 기준면과 측정면에 입사될 때 λ/4-위상지연판을 통과하고, 다시 반사될 때는 λ/4-위상지연판을 통과하면서 수평편광광은 수직편광광으로 바뀌고 수직편광광은 수평편광광으로 바뀌어 기준광과 측정광이 반사된다.

상기 기준면과 측정면에서 반사되는 기준광은 편광광분할기에 의해 반사되고, 측정광은 편광광분할기를 통과하여 편광기에 입사되면 간섭을 일으켜 간섭무늬를 생성한다. 여기서 생성된 간섭무늬는 매크로렌즈에 입사되고 이를 영상획득부에서 획득한다.

이와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 상용화된 매크로렌즈를 적용하여 한번에 대영역을 형상을 측정함에 따라 여러 번 작은 면적의 측정 영역을 나누어 촬영하거나, 광역 시각영역 렌즈설계에 따라 설계비용을 대폭 절감시킬 수 있는 이점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 고안은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.

오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 고안의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 상용화된 매크로렌즈(줌기능 포함)를 적용하여 측정면을 측정함에 따라 광학계의 설계 제작 비용을 대폭 절감시킬 수 있고, 대면적 측정에 가능함에 따라 기존 방식에 따른 측정영역의 정합에 따른 오차 유발을 근원적으로 방지할 수 있음으로 이점을 제공한다. 또한 매크로렌즈가 이미 확보하고 있는 줌기능을 활용하여 측정 대상물의 크기에 최적인 시각영역을 유연하게 변화할 수 있는 추가 기능을 첨가할 수 있으며, 이에 요구되는 광학장치의 구성을 저렴한 비용으로 단순화할 수 있는 백색광주사간섭계를 이용한 대영역 형상측정 장치 및 방법을 제공하고자 하는데 그 부수적인 목적 있다.

Claims

매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치에 있어서,

백색광을 출사하는 광원;

상기 백색광을 측정면과 기준면에 조사하기 위해 측정광과 기준광으로 분리하는 광분할기;

상기 측정면과 기준면에 조사된 후 반사되는 간섭광과 기준광에 의해 간섭무늬를 입사받는 매크로렌즈(마이크로 렌즈); 및

상기 매크로렌즈에 입사된 간섭무늬를 획득하는 영상획득부로 구성되고,

상기 영상획득부로 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치.
매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치에 있어서,

백색광을 출사하는 광원;

상기 백색광의 광량을 조절하는 선형편광기;

상기 백색광을 기준면과 측정면에 조사하기 위해 수직편광광과 수평편광광으로 분리하는 편광광분할기;

상기 기준면과 측정면에서 반사되는 기준광과 측정광을 반사시키는 광분할기;

상기 기준면과 측정면에서 반사된 기준광과 측정광을 간섭시켜 간섭무늬를 생성하는 편광기;

상기 간섭무늬를 입사받는 매크로렌즈(마이크로렌즈); 및

상기 매크로렌즈에 입사된 간섭무늬를 획득하는 영상획득부로 구성되고,

상기 영상획득부로 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치.
매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치에 있어서,

백색광을 출사하는 광원;

상기 백색광의 광량을 조절하는 선형편광기;

상기 백색광을 기준면과 측정면에 조사하기 위해 수직편광광과 수평편광광으로 분리하는 편광광분할기;

상기 기준면과 측정면에서 반사되는 광을 수평편광광에서 수직편광광으로, 수직편광광에서 수평편광광으로 변환시켜 기준광과 측정광을 출사시키는 λ/4-위상지연판;

상기 기준광과 측정광을 간섭시켜 간섭무늬를 생성하는 편광기;

상기 간섭무늬를 입사받는 매크로렌즈(마이크로렌즈); 및

상기 매크로렌즈에 입사된 간섭무늬를 획득하는 영상획득부로 구성되고,

상기 영상획득부로 획득한 간섭무늬로부터 측정면의 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매크로렌즈는,

최대 F-수가 F/2에서 F/5.6의 범위를 가지고 최대촬영배율은 0.5배에서 1.3배의 범위를 가지고 초점거리는 35 mm에서 200 mm의 범위를 가지고 최단촬영거리는 140 mm에서 550 mm의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매크로렌즈는,

초점거리가 60mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 219mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 105mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 314mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 200mm이고 최대 F-수가 F/4이고 최단촬영거리가 500mm 이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 60mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 200mm이고 최대 촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 310mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 350mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 50mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 200mm이고 최대촬영거리가 1배인것과,

초점거리가 35mm이고 최대 F-수가 F/3.5이고 최대촬영거리가 146mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 50mm이고 최대 F-수가 F/2이고 최단촬영거리가 240mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 50mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 0.65ft이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 1.2ft이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 200mm이고 최대 F-수가 F/4이고 최단촬영거리가 1.64ft이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 50mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최대촬영거리가 188mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 105mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 313mm이고 최 대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 150mm이고 F-수가 F2.8이고 최단촬영거리가 380mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 70mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 257mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 180mm이고 최대 F-수가 F/3.5이고 최단촬영거리가 460mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 90mm이고 F-수가 F2.8이고 최단촬영거리가 290mm이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수는 F/2.8이고 최단촬영거리 300mm이고 최대촬영배율은 1배인것과,

초점거리가 120mm이고 최대 F-수가 F/4이고 최단촬영거리가 1.3ft이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 50mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 0.6ft이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리 1.3ft이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수가 F/3.5이고 최단촬영거리가 1.41ft이고 최대촬영배율이 0.5배인것과,

초점거리가 200mm이고 최대 F-수가 F/4이고 최단촬영거리가 11.93in이고 최 대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 1.69ft이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 50이고 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 7.67in이고 최대촬영배율이 1배인것과,

초점거리가 100mm이고 최대 F-수가 F/4이고 최단촬영거리가 1.45ft이고 최대배율이 0.52배인 것 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매크로렌즈는,

최대 F-수가 F/1.7에서 F/5.6의 범위를 가지고 최대촬영배율은 1배에서 5배의 범위를 가지고 초점거리는 65 mm에서 180 mm의 범위를 가지고 최단촬영거리는 70 mm에서 799mm의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매크로렌즈는,

초점거리가 70mm에서 180mm의 범위를 가지고, 최대 F-수가 F/4.5에서 F/5.6의 범위를 가지고 최단촬영거리가 370mm이고 최대촬영배율이 1배에서 1.32배인 것과,

초점거리가 65mm이 최대 F-수가 F/2.8이고 최단촬영거리가 240 mm이고 최대 촬영배율 1배에서 5배인 것 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 장치.
매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법에 있어서,

백색광을 출사하는 광원을 광분할기를 적용하여 2개로 분할하는 제 1단계;

상기 제 1단계에서 분할된 2개의 백색광 중 하나의 백색광을 측정면에 입사시킨 후 반사되는 측정광을 매크로렌즈를 통해 획득하는 제 2단계;

상기 제 1단계에서 분할된 2개의 백색광 중 나머지 하나의 백색광을 기준면에 입사시킨 후 반사되는 기준광을 매크로렌즈를 통해 획득하고, 상기 제 2단계에서 획득한 측정광과 합쳐 간섭무늬를 생성하여 영상획득부를 통해 획득하는 제 3단계; 및

상기 측정면을 광축방향으로 이동시키면서 획득하는 간섭무늬로부터 측정면의 정보를 획득하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법.
매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법에 있어서,

백색광을 출사하는 광원의 광량을 선형편광기를 통해 조절하는 제 1단계;

상기 제 1단계에서 출사하는 백색광을 수직편광광과 수평편광광으로 분리하 는 제 2단계;

상기 수직편광광과 수평편광광을 기준면과 측정면에 입사시키는 제 3단계;

상기 기준면과 측정면에서 반사되는 기준광과 측정광을 편광기를 통해 간섭시켜 생성되는 간섭무늬를 매크로렌즈를 통해 입사받고 영상획득부를 통해 획득하는 제 4단계; 및

상기 측정면을 광축방향으로 이동시켜면서 획득하는 간섭무늬로부터 측정면의 정보를 획득하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법.
매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법에 있어서,

백색광을 출사하는 광원의 광량을 선형편광기를 통해 조절하는 제 1단계;

상기 제 1단계에서 출사하는 백색광을 수직편광광과 수평편광광으로 분리하는 제 2단계;

상기 수직편광광과 수평편광광을 기준면과 측정면에 입사시키고, 상기 기준면과 측정면에서 반사될 때 수평편광광은 수직편광광으로 수직편광광은 수편광광으로 변환하는 제 3단계;

상기 기준면과 측정면에서 반사되는 기준광과 측정광을 편광기를 통해 간섭시켜 생성된 간섭무늬를 매크로렌즈를 통해 입사받고 영상획득부로 획득하는 제 4단계; 및

상기 측정면을 광축방향으로 이동시키면서 획득하는 간섭무늬로부터 측정면의 정보를 획득하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매크로렌즈를 이용한 대면적 삼차원 형상측정을 위한 백색광주사간섭계의 방법.