KR20080113524A - 실시간 3차원 형상 측정 시스템 - Google Patents

실시간 3차원 형상 측정 시스템 Download PDF

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KR20080113524A
KR20080113524A KR1020070062096A KR20070062096A KR20080113524A KR 20080113524 A KR20080113524 A KR 20080113524A KR 1020070062096 A KR1020070062096 A KR 1020070062096A KR 20070062096 A KR20070062096 A KR 20070062096A KR 20080113524 A KR20080113524 A KR 20080113524A
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Abstract

본 발명은 실시간 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 동적 특성이 강하여 외란 및 진동에 큰 영향을 받지 않으며, 고속으로 형상을 측정할 수 있도록 해 주는 실시간 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다.
광원(1); 상기 광원(1) 전방에 구비되는 렌즈(2); 상기 렌즈(2)를 통과하여 나온 광을 측정 대상물(7) 쪽으로 방향을 전환시키는 제1광분리기(4); 상기 제1광분리기(4)에 의하여 상기 측정 대상물(7) 쪽으로 진행되는 광을 굴절시켜 초점을 만드는 대물 렌즈(5); 상기 대물 렌즈(5)를 통과하여 나온 광을 수직 성분인 P파와 수평 성분인 S파로 분리하여 상기 측정 대상물(7)과 기준 미러(8)로 각각을 입사시키는 제1편광 광분리기(6); 상기 제1편광 광분리기(6)를 기준으로 상기 대물 렌즈(5)의 반대편 쪽에 위치하며, 상기 측정 대상물(7) 및 상기 기준 미러(8) 각각으로부터 반사된 P파 및 S파가 합쳐져 입사되고, 입사된 광을 변환시키는 제1파장판(9); 상기 제1파장판(9)을 통과하여 나온 광을 굴절시켜 초점을 만들어 영상을 형성하는 FOV 렌즈(10); 상기 FOV 렌즈(10)를 통과하여 나온 광을 분리하는 제2광분리기(11); 상기 제2광분리기(11)에서 일측으로 분리되어 나온 광을 수직 성분과 수평 성분으로 분리하여 카메라 A와 카메라 B로 각각을 입사시키는 제2편광 광분리기(13); 상기 제2광분리기(11)에서 타측으로 분리되어 나온 광을 변환시키는 제2파장판(14); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Figure P1020070062096
3차원 형상 측정, 실시간, 진동, 외란, 위상차, 간섭 영상 동시 획득

Description

실시간 3차원 형상 측정 시스템 {A 3D Shape Measuring System in Real Time}
도 1은 기본적인 간섭 신호 원리.
도 2 및 도 3은 광 위상 간섭법의 측정 원리.
도 4는 백색광 주사 간섭법의 측정 원리.
도 5는 위상이 다른 광강도를 갖는 영상들을 얻는 종래 방법의 상세도.
도 6은 본 발명에 의한 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
도 7은 각 카메라 위치에서의 광의 형태.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1: 광원 2: 렌즈
3: 광학 필터 4: 제1광분리기
5: 대물 렌즈 6: 제1편광 광분리기
7: 측정 대상물 8: 기준 미러
9: 제1파장판 10: FOV 렌즈
11: 제2광분리기 12: 보상판
13: 제2편광 광분리기 14: 제2파장판
15: 제3편광 광분리기
본 발명은 동적 특성이 강하며 고속으로 형상을 측정할 수 있도록 해 주는 실시간 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것이다.
현대 생활을 편리하고 풍요롭게 해 주는 제품을 제작하는 데 있어, 형상 및 설계의 정확도의 중요성이 날로 강화되고 있다. 예를 들어 반도체나, LCD, PDP와 같은 디스플레이 전자 부품이나 MEMS(미소전자기계시스템)과 같은 분야 등에 있어서, 미세한 형상적 오류가 장치 전체의 기능 저하에 크게 영향을 끼치게 되는 경우가 많다. 이러한 고정밀 산업의 발달과 함께 물체 표면의 3차원 형상을 정밀하게 측정하는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.
일반적으로 물체 표면의 정밀한 3차원 형상을 측정하기 위한 방법으로는, 광의 파동 현상을 이용하여 간섭을 발생시키고, 이러한 간섭 무늬의 위상을 해석하거나, 간섭무늬의 밝기를 해석하는 방법이 주로 사용되어 왔다. 이와 같이 간섭 신호를 사용하여 물체 표면을 측정하는 방법 중 대표적인 것은 광 위상 간섭법(Phase-Shifting Interferometry)과 백색광 주사 간섭법(White-light Scanning Interferometry)이다. 이 두 가지 측정 방법은 서로 다른 측정 원리를 가지지만 다 중 파장 또는 단색 파장의 광원을 사용한다는 차이점을 제외하면 동일한 광학 및 측정 시스템에서 구현할 수 있다.
간섭 신호란 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광 경로(optical path)를 이동한 후 합쳐지는 경우, 두 광이 지난 거리차(optical path difference)에 따라 빛이 밝고 어두운 형태로 나타나는 물리적 현상이 발생되는데, 이를 간섭 신호라 한다. 이 중 한 개의 광을 기준광이라고 하여 고품위로 가공된 기준면(reference plane)에 입사시키고, 다른 광은 측정광이라고 하여 측정하고자 하는 면에 조사시킨다. 기준면은 완벽한 평면으로 정의할 수 있으므로 백색광 및 광 위상 간섭계의 카메라를 통하여 획득되는 영상의 간섭 신호는 이 기준면에 대한 상대적인 높이 정보를 포함하고 있게 된다. 이러한 개념에서, 지도에서 같은 높이를 가진 지형을 이어주는 선인 등고선의 활용과 마찬가지의 방식으로, 간섭 신호를 이용하여 기준 평면에 대하여 동일한 높이를 가진 지점 찾아 이를 이어줌으로써 3차원 형상을 획득할 수 있게 되는 것이다.
도 1은 기본적인 간섭 신호 원리의 예를 도시하고 있다. 보다 상세히 설명하자면, 도 1은 금(gold) 코팅 된 평면 위에 반구가 형성된 패턴 형상을 측정면으로 하고, 600nm의 파장을 갖는 광원을 사용하여 3차원 형상을 측정한 실제 측정 사진이다. 도 1(A)는 이러한 반구형 패턴 위에서 나타나는 간섭 신호의 형태를 보여주고, 도 1(B)는 바닥인 평면에서 발생하는 간섭 신호의 형태를 보여준다. 상술한 바와 같이 간섭 신호란 등고선과 같은 개념이므로 반구형의 패턴에서는 도 1(A)에 도 시된 바와 같이 둥근 형태의 간섭 신호가 발생하고, 평면 부분에서는 도 1(B)에 도시된 바와 같이 직선 형태의 간섭 신호가 발생하게 된다. 이러한 간섭 신호는 사용하는 광원의 파장과 밀접한 관계를 가지는데, 일반적으로 간섭 신호 간격 즉 간섭 신호의 주기는 사용하는 광원 파장의 반 파장에 해당한다. 그러므로 상기 도 1에서 보이는 간섭 신호 간 간격은, 광원의 파장이 600nm이므로 대략 300nm 간격으로 나타난다. 이러한 점을 이용하면 간섭 신호 영상에서부터 직관적으로도 대략적인 측정면의 높이 분포를 짐작할 수 있게 된다.
도 2는 이와 같은 광 위상 간섭법의 측정 원리를 도시하고 있다. 도 2(A)에 도시된 바와 같이 단색 파장의 조명광을 각각 기준면과 측정면에 조사한 후 광 분할기를 이용하여 합치면 측정면의 영상 및 줄무늬의 간섭 신호가 획득된다. 이러한 광학계에서, 물체 혹은 미러를 알고 있는 거리만큼 강제적으로 이동시키면, 도 2(B)에 interference image 1, …, 4로 도시된 바와 같이 간섭 무늬가 변화한 영상들을 얻을 수 있는데, 이러한 간섭 신호 영상을 복수 개 획득한 후 각 화소(pixel)에서 발생하는 간섭 신호의 위상(phase)을 계산함으로써 각 점에서의 높이를 측정하며, 이와 같이 산출된 각 점에서의 높이를 연결하여 전체적인 3차원 형상을 측정할 수 있게 된다.
초기의 광 위상 간섭법은 간섭 신호 추적법이라고 하여 앞에서 설명한 바와 같이 간섭 신호의 간격이 300nm인 점과 그 사이의 간섭 신호 변화를 조화 함수로 보간하여 간접적으로 간섭 신호의 위상을 계산하였는데, 이 방법은 측정면이 복잡 한 구조를 가질 경우 간섭 신호 추적이 불가능하며, 보간법을 이용하므로 측정 오차 및 분해능에서 상당한 제약점이 있다는 문제점이 있었다. 이후 간섭 신호 해석법에 있어서 위상 천이법(phase shifting method)이 개발되면서 현재에는 nm 이하의 측정 분해능을 구현할 수 있게 되었다. 일반적으로 광 위상 간섭법에서는 하기의 수학식 1과 같은 식을 사용하여 측정면의 높이를 산출한다.
Figure 112007045785886-PAT00001
상기 식에서
Figure 112007045785886-PAT00002
는 도 3(A)에 도시된 측정면 상의 (x, y) 좌표에서의 광강도,
Figure 112007045785886-PAT00003
는 도 3(B)에 도시된 바와 같은 옵셋(offset) 값,
Figure 112007045785886-PAT00004
는 진폭 값,
Figure 112007045785886-PAT00005
는 매개변수 값이다(물론 표시되지는 않았으나 상기 매개변수 값
Figure 112007045785886-PAT00006
역시 (x, y)의 함수임은 당연하다). 상기 수학식 1에서,
Figure 112007045785886-PAT00007
값을 측정하여 매개변수 값
Figure 112007045785886-PAT00008
를 구하고, 이를 변환하여 각 점에서의 높이
Figure 112007045785886-PAT00009
를 구할 수 있다. 매개변수 값
Figure 112007045785886-PAT00010
가 구해지면, 이를 가지고 높이
Figure 112007045785886-PAT00011
를 산출하는 식은 다음과 같다. 하기 수학식 2에서
Figure 112007045785886-PAT00012
는 (x, y) 점에서의 높이
Figure 112007045785886-PAT00013
,
Figure 112007045785886-PAT00014
는 사용 광원의 파장 길이를 나타낸다.
Figure 112007045785886-PAT00015
즉 요약하자면 광 위상 간섭법은 간섭 신호의 위상을 강제로 이동시키는 방법으로서, 도 2에서 보듯이 기준 미러에 PZT 구동기와 같은 미세 구동기를 장착하 여 기준면을 이동시키면서 여러 장의 간섭 신호를 획득하고 이로부터 영상 내의 각 측정 점에서의 간섭 신호의 형태와 높이와의 수학적 관계를 해석하게 된다.
그런데, 이 방법은 빠른 측정 속도, 높은 측정 분해능 등의 장점을 가지는 반면, 산출 방법의 특성 상, 도 3(C)에 도시된 바와 같이 매개변수 값 차이가 한 주기 이상이 되면 매개변수 값과 이에 의해 산출되는 높이가 실제 값과 달라질 수밖에 없다는 치명적인 문제점이 있다. 즉 이와 같은 모호성으로 인하여 인접한 두 측정 점의 높이차가 광원 파장의 1/4 이상일 경우에는 측정 오차가 발생하게 된다는 사실이 당업자 사이에 잘 알려져 있다.
도 4는 백색광 주사 간섭법의 측정 원리를 도시하고 있다. 백색광 주사 간섭법은 광 위상 간섭법의 단점을 극복하고 nm 오더의 높은 분해능을 가지는 새로운 측정법으로 1990년대 이후부터 상용화되기 시작하였다. 이 방법은 상술한 광 위상 간섭법과는 달리 다중 파장의 광이 가지는 짧은 결맞춤(coherence) 길이를 이용한 방법이다. 결맞춤 길이란 사용하는 광원의 특성으로 간섭 신호가 발생하는 광경로(optical path) 길이를 의미하며 기준광과 측정광이 지나는 물리적인 거리차로 표현된다. 레이저와 같은 광원은 이 결맞춤 길이가 수 km에 해당하여 어떠한 상황 하에서도 간섭 신호를 쉽게 얻을 수 있지만, 텅스텐, 할로겐 램프와 같이 다중 파장(이하 백색광)의 빛은 여러 빛에 의한 간섭 신호들이 서로 상호 작용을 하기 때문에 대략 3~4㎛ 이내의 거리차에서만 간섭 신호가 발생하는 특징을 가진다. 백색광 주사 간섭계는 백색광의 이러한 짧은 결맞춤 길이를 이용한 것으로, 쉽게 생각하면 카메라의 자동 초점 기능과 유사하다. 카메라에서는 자동 초점을 카메라 영상의 선명도(contrast)를 이용하며, 백색광 주사 간섭계에서는 각 화소에서 발생하는 간섭 신호를 이용한다. 도 4에서 보듯이 프로브 시스템이 광축 방향으로 수십 nm의 미소 간격으로 이동하면서 영상 내의 모든 화소에서의 간섭 신호 발생 여부를 점검한다. 임의 화소점에서의 높이는 간섭 신호가 최대로 커지는 위치로 설정되며, 이를 전체 영상 내의 화소에 대하여 수행함으로써 삼차원 형상을 산출하는 방법이다.
그런데, 이러한 백색광 주사 간섭계에서도 역시, 프로브 시스템이 광축 방향으로 미세하게 이동하는 과정에서 외란이 발생하게 되면, 이에 크게 영향을 받아 형상 측정에 큰 오류가 생기게 된다. 즉, 측정 환경에 대해 매우 민감하여, 도 2 및 도 3에서 설명한 광 위상 간섭법과 마찬가지로 외란 및 진동에 대하여 크게 취약하다는 큰 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 동적 특성이 강하여 외란 및 진동에 큰 영향을 받지 않으며, 고속으로 형상을 측정할 수 있도록 해 주는 실시간 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시간 3차원 형상 측정 시스템은, 광원(1); 상기 광원(1) 전방에 구비되는 렌즈(2); 상기 렌즈(2)를 통과하여 나온 광을 측정 대상물(7) 쪽으로 방향을 전환시키는 제1광분리기(4); 상기 제1광분리기(4)에 의하여 상기 측정 대상물(7) 쪽으로 진행되는 광을 굴절시켜 초점을 만드는 대물 렌즈(5); 상기 대물 렌즈(5)를 통과하여 나온 광을 수직 성분인 P파와 수평 성분인 S파로 분리하여 상기 측정 대상물(7)과 기준 미러(8)로 각각을 입사시키는 제1편광 광분리기(6); 상기 제1편광 광분리기(6)를 기준으로 상기 대물 렌즈(5)의 반대편 쪽에 위치하며, 상기 측정 대상물(7) 및 상기 기준 미러(8) 각각으로부터 반사된 P파 및 S파가 합쳐져 입사되고, 입사된 광을 변환시키는 제1파장판(9); 광을 굴절시켜 초점을 만들어 결상하는 FOV 렌즈(10); 상기 FOV 렌즈(10)를 통과하여 나온 광을 분리하는 제2광분리기(11); 상기 제2광분리기(11)에서 일측으로 분리되어 나온 광을 수직 성분과 수평 성분으로 분리하여 카메라 A와 카메라 B로 각각을 입사시키는 제2편광 광분리기(13); 상기 제2광분리기(11)에서 타측으로 분리되어 나온 광을 변환시키는 제2파장판(14); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은 상기 제2파장판(14)을 통과하여 나온 광을 수직 성분과 수평 성분으로 분리하여 카메라 C와 카메라 D로 각각을 입사시키는 제3편광 광분리기(15); 를 더 포함하여 이루어지거나, 또는 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은 상기 제2파장판(14)을 통과하여 나온 광의 수직 성분만을 또는 수평 성분만을 통과시켜 카메라 C에 입사시키는 편광판; 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 제1 및 제2파장판(9, 14)은 상기 제1파장판(9)이 반파장판(Half Wave Plate, HWP)이고 상기 제2파장판(14)이 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)인 세트로 이루어지거나, 또는 상기 제1파장판(9)과 제2파장판(14) 모두가 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)인 세트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은 상기 제2광분리기(11)와 상기 제2편광 광분리기(13) 사이의 광경로 상에 구비되며 상기 제2파장판(14)과 동일한 규격 및 재질로 이루어지는 보상판(12); 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원(1)은 단색광 또는 레이저이거나, 또는 상기 광원(1)은 백색광이며, 광경로 상에 광학 필터(3)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1파장판(9) 및 상기 FOV 렌즈(10)는 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 제1파장판(9)을 통과한 후 FOV 렌즈(10)를 통과하여 결상하거나, 또는 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 FOV 렌즈(10)를 통과한 후 상기 제1파장판(9)을 통과하여 결상하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 실시간 3차원 형상 측정 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
광 위상 간섭법에서의 높이 측정 방법에 사용되는 수학식 1에서,
Figure 112007045785886-PAT00016
는 도 측정면 상의 (x, y) 좌표에서의 광강도로서 측정 가능한, 즉 알고 있는 값이지만, 나머지 값들 즉
Figure 112007045785886-PAT00017
,
Figure 112007045785886-PAT00018
,
Figure 112007045785886-PAT00019
의 세 가지 값은 미지수로 남아 있다. 이 때 구하고자 하는 것은 매개변수 값
Figure 112007045785886-PAT00020
이므로, 상기 수학식 1을 이용하여 최소한 3가지 간섭 영상에서의
Figure 112007045785886-PAT00021
를 측정하면, 3개의 미지수에 대하여 3개의 방정식을 얻을 수 있게 되므로 매개변수 값
Figure 112007045785886-PAT00022
를 구할 수 있게 된다. 이론적으로는 3가지 간섭 영상만을 가지면 매개변수 값
Figure 112007045785886-PAT00023
를 구할 수 있게 되지만, 실제로는 실험 오차, 노이즈 등의 여러 가지 요인이 있으므로 일반적으로 3개 이상의 간섭 영상을 가지고
Figure 112007045785886-PAT00024
를 구하는 경우가 많다. 하기의 수학식 3에는 이와 같이
Figure 112007045785886-PAT00025
를 구하는 다양한 방법에서의 각 공식들이 기재되어 있다. 하기의 각 식들에서,
Figure 112007045785886-PAT00026
는 어떤 한 (x, y) 점에 대하여 서로 다른 간섭 영상들에서의 광강도 값들이다.
Figure 112007045785886-PAT00027
상기 수학식 3에 보인 식들 외에도 A-bucket 등과 같은 다양한 위상 계산 수식이 존재하고 있다.
종래에는 상술한 바와 같이 위상이 다른 광강도를 얻기 위해서 기준면( 또는 기준 미러)을 미소 간격씩 이동시켰다. 도 5는 위상이 다른 광강도를 갖는 영상들을 얻는 종래 방법을 상세히 도시한 것이다. 예를 들어 3개의 광강도 값만을 가지고 측정물의 표면 형상을 측정하려고 하며, 위상이 각각 0
Figure 112007045785886-PAT00028
, 90
Figure 112007045785886-PAT00029
, 180
Figure 112007045785886-PAT00030
인 광강도 값이 필요하다고 하자. 이 경우, 종래에는 미소 구동 메커니즘이 1번째 영상을 1장 획득하고, 사용 광원 파장(
Figure 112007045785886-PAT00031
)의 1/8만큼 이동한 후 2번째 영상을 획득하며, 마지막으로 사용 광원 파장(
Figure 112007045785886-PAT00032
)의 1/4만큼 이동한 후 3번째 영상을 획득한다. 이 때, 1번째 영상은 0
Figure 112007045785886-PAT00033
일 때의 광강도 값, 2번째 영상은 90
Figure 112007045785886-PAT00034
일 때의 광강도 값, 3번째 영상은 180
Figure 112007045785886-PAT00035
일 때의 광강도 값을 각각 얻을 수 있게 해 주며, 이를 이용하여 측정면의 3차원 형상을 복원할 수 있다. 이 때 획득하는 영상의 개수 N은 사용하고자 하는 알고리즘에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따른 기준면( 또는 기준 미러)의 이동량은 광원 파장(
Figure 112007045785886-PAT00036
)를 N등분한 값으로 정해진다. 일반적으로는 기준면( 또는 기준 미러)을 이동시키지만, 측정물을 이동시켜도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 그런데, 상술한 바와 같이 이와 같은 구조의 간섭계에서는 물체나 미러를 이동시켜야 하며, 최소 3장 이상의 간섭 무늬 영상을 얻어야 하므로 3차원 형상을 측정하기 위하여 2번 이상 이동을 시키는 과정에서 많은 시간이 소요되며, 이 사이에 물체의 진동이나 간섭 렌즈의 미소한 진동 등으로 인한 물체와 렌즈 사이의 거리가 조금만 변하여도 측정 결과에 심각한 영향을 미치게 된다.
도 6은 본 발명에 의한 실시간 3차원 형상 측정 시스템을 도시한 것이며, 도 7a 내지 도 7d는 도 6에서 각 A, B, C, D 점에서의 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 파형을 3차원으로 도시하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 광원(1)에서 나온 광은 렌즈(2)를 거쳐 제1광분리기(Beam Splitter, 4)로 유입된다. 이 때 상기 광원(1)은, 단색광이거나, 레이저이거나, 또는 상기 광원(1)으로는 백색광을 사용하되 광학 필터(3)를 통과시켜 단색광으로 만들어 사용하도록 하는 등의 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1광분리기(4)에서 반사된 광은 대물 렌즈(5)를 통과하여 제1편광 광분리기(Polarization Beam Splitter, 6)를 거쳐 측정 대상물(7)로 조사된다. 이 때, 상기 제1편광 광분리기(6)는 상기 대물 렌즈(5)를 통과한 광을 수직 성분 및 수평 성분의 편광으로 분리시켜, 수직 성분인 P파는 상기 측정 대상물(7)로 조사되며, 수평 성분인 S파는 기준 미러(Reference Mirror, 8)로 조사된다. 이 때, 상기 측정 대상물(7)로부터 반사된 P파가 측정광이 되며, 상기 기준 미러(8)로부터 반사된 S파가 기준광이 된다.
측정광(P파)과 기준광(S파)이 각각 반사되어 상기 제1편광 광분리기(6)를 통과하며 합쳐진 후 상기 대물 렌즈(5)를 통과하여, 제1파장판(Wave Plate, 9)을 지나 FOV(Field of View) 렌즈(10)를 통해 A, B, C, D의 카메라에 영상이 전달되게 된다. 이 때, 상기 제1파장판(9)은
Figure 112007045785886-PAT00037
/2 파장판 즉 반파장판(Half Wave Plate, HWP)으로서, 반파장판을 통과한 상기의 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 기존의 편광 방향(도 7a 내지 도 7d에서 P, S평면)에 대하여 45
Figure 112007045785886-PAT00038
만큼 회전(도 7a 내지 도 7d에서 y, x평면)하도록 설치한다. 따라서 상기 제1파장판(9)을 통과한 측정광(P파)과 기준광(S파)은 기존의 편광 방향에 대하여 45
Figure 112007045785886-PAT00039
만큼 회전하여, 즉 도 7a(A) 및 도 7b(A)에 도시된 바와 같은 형태가 되어 진행하게 된다. 이와 같이 회전된 광은, 제2광분리기(11)을 지나면서 A, B쪽과 C, D쪽으로 분리된다.
도 7a 및 도 7b는 각각 A점 및 B점에서의 45
Figure 112007045785886-PAT00040
회전된 측정광 및 기준광을 도시하고 있다. 도 7a 및 도 7b에서 P축 및 S축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과하기 전의 P파 및 S파의 편광 방향이며, y축 및 x축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과한 후의 편광 방향이다.
A, B쪽으로 들어온 45
Figure 112007045785886-PAT00041
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 제2편광 광분리기(13)에서 수직 방향(P축 방향)과 수평 방향(S축 방향)의 편광 성분으로 나뉘면서 광간섭을 일으킨다. 이 때, A점에서는 45
Figure 112007045785886-PAT00042
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 수직 성분들끼리 간섭이 일어난 영상을 받게 되며, B점에서는 45
Figure 112007045785886-PAT00043
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 수평 성분들끼리 간섭이 일어난 영상을 받게 된다. 45
Figure 112007045785886-PAT00044
회전된 상태에서 수직 성분들끼리 합쳐지면 도 7a(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 0
Figure 112007045785886-PAT00045
가 되며, 수평 성분들끼리 합쳐지면 도 7b(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 180
Figure 112007045785886-PAT00046
가 된다. 따라서 A점을 기준으로 하였을 때, A점에서는 측정광(P파) 및 기준광(S파)사이의 위상차가 0
Figure 112007045785886-PAT00047
인 영상을, B점에서는 측정광(P파) 및 기준광(S파)사이의 위상차가 180
Figure 112007045785886-PAT00048
인 영상 을 얻을 수 있게 되는 것이다.
C, D쪽으로 들어온 45
Figure 112007045785886-PAT00049
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 제2파장판(14)를 통과한다. 이 때, 상기 제2파장판(14)은
Figure 112007045785886-PAT00050
/4 파장판, 즉 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)으로서, 사분파장판은 그 결정 방향과 편광 방향의 각도 조절에 따라 선형 편광을 원형 편광으로 변화시킬 수 있는 성질을 가지고 있다.
따라서 상기 제2파장판(14)의 결정 방향 설치 각도를 조절하여 45
Figure 112007045785886-PAT00051
회전된 측정광(P파)과 기준광(S파)의 위상이 90
Figure 112007045785886-PAT00052
만큼 차이가 나도록 할 수 있으며, 도 7c 및 도 7d는 각각 C점 및 D점에서의 45
Figure 112007045785886-PAT00053
회전된 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 사분파장판(즉 제2파장판(14))을 통과 하면서 90
Figure 112007045785886-PAT00054
위상 차이가 발생한 것을 도시하고 있다. 도 7c 및 도 7d에서, 도 7a 및 도 7b에서와 마찬가지로, P축 및 S축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과하기 전의 P파 및 S파의 편광 방향이며, y축 및 x축은 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 제1파장판(9)을 통과한 후의 45
Figure 112007045785886-PAT00055
회전된 편광 방향이다. 이후 제3편광 광분리기(15)에서 역시 수직 방향과 수평 방향의 편광 성분으로 나뉘면서 광간섭이 일어나게 된다. 즉 상기 제2파장판(14)을 지나면서 90
Figure 112007045785886-PAT00056
만큼 위상이 차이가 나게 된 측정광(P파) 및 기준광(S파)은 도 7c(A) 및 도 7d(A)에 도시된 바와 같은 형태로 되어 진행하게 되며, 상기 제3편광 광분리기(15)에서 수직 성분끼리 합쳐지면 도 7c(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 90
Figure 112007045785886-PAT00057
가 되고, 수평 성분들끼리 합쳐지면 도 7d(B)에 도시된 바와 같이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 위상차가 270
Figure 112007045785886-PAT00058
가 된다. 따라서 A점을 기준으로 하였을 때 C점에서는 위상차가 90
Figure 112007045785886-PAT00059
인 영상을, D점에서는 위상차가 270
Figure 112007045785886-PAT00060
인 영상을 얻을 수 있게 된다.
물론 본 발명에서, 상기 수학식 3에 보인 바와 같이 3가지의 간섭 영상만을 가지고도 높이를 산출할 수 있다. 따라서 상기 제3편광 광분리기(15)를 제거하고 대신 수직 성분만을 통과시키는 편광판(미도시)을 구비하여 A점에서 위상차 0
Figure 112007045785886-PAT00061
인 영상, B점에서 위상차 180
Figure 112007045785886-PAT00062
인 영상, C점에서 위상차 90
Figure 112007045785886-PAT00063
인 영상 세 가지만을 얻어 높이를 산출하도록 하여도 무방하다. 또는, 상기 제3편광 광분리기(15)를 제거하고 대신 수평 성분만을 통과시키는 편광판(미도시)을 구비하여 A점에서 위상차 0
Figure 112007045785886-PAT00064
인 영상, B점에서 위상차 180
Figure 112007045785886-PAT00065
인 영상, C점에서 위상차 270
Figure 112007045785886-PAT00066
인 영상 세 가지만을 얻어 높이를 산출하도록 할 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 FOV 렌즈(10)로부터 A, B, C, D 점으로 각각 광이 분리되는 과정에서, A, B쪽과 C, D쪽을 비교하였을 때 C, D쪽의 광경로에는 A, B쪽의 광경로에 없는 제2파장판(14)이 더 존재한다. 상기 제2파장판(14)에 의하여 광경로가 달라지는 현상을 막기 위해, 상기 A, B쪽의 광경로 상에 도시된 바와 같이 보상판(Compensation Plate, 12)을 더 구비하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도 5에서는 상기 제1파장판(9) 및 상기 FOV 렌즈(10)가, 광이 상기 제1파장판(9)을 통과한 후 상기 FOV 렌즈(10)를 통과하도록 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 상기 제1파장판(9) 및 상기 FOV 렌즈(10)의 위치를 반대로 하여, 즉 광이 상기 FOV 렌즈(10)를 통과한 후 상기 제1파장판(9)을 통과하도록 하여 도 무방하다.
상기 도 6에 도시된 실시예에서는 제1파장판(9)을 반파장판, 제2파장판(14)을 사분파장판으로 구비하도록 하였으나, 이와는 달리 제1파장판(9) 및 제2파장판(14)의 결정 방향 축이 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 편광축과 45
Figure 112007045785886-PAT00067
의 각도를 갖는 사분파장판으로 구비하도록 하여도 무방하다. 물론 이 경우에는 얻어지는 영상의 위상차들이 상기 도 6의 실시예에서 와는 다르게 나타난다.
상술한 바와 같이 제1파장판(9)을 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 편광축과 45
Figure 112007045785886-PAT00068
의 각도를 갖는 사분파장판으로 구비하는 경우, 제1파장판(9)의 결정방향축과 측정광(P파) 및 기준광(S파)의 편광축은 서로 45
Figure 112007045785886-PAT00069
회전되어 있으므로 상기 측정광(P파) 및 기준광(S파)은 상기 제1파장판(9)의 결정방향축과 이에 수직인 성분으로 각각 분리되며, 또한 상기 제1파장판(9)이 사분파장판이므로 결정방향축과 이에 수직인 성분들은 90
Figure 112007045785886-PAT00070
만큼 위상차가 발생하게 된다. 즉, 도 7c 및 도 7d와 유사한 상태가 되며, 이와 같이 형성된 광은 제2광분리기(11)을 지나면서 A, B쪽과 C, D쪽으로 분리된다.
A, B쪽으로 들어온 90
Figure 112007045785886-PAT00071
위상차가 있는 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 제2편광 광분리기(13)에서 수평 방향과 수직 방향의 편광 성분으로 나뉜다. 이 때, 상술한 바와 같이 제1파장판(9)을 지나면서 광간섭을 일으키는 수직 성분들과 수평 성분들이 각각 나뉘어 A점 및 B점으로 유입된다. 즉, 제1파장판(9)을 지나면서 광간섭을 일으킨 수직 성분들은 도 7c에서와 같은 양상으로 A점으로 유입되며, 제1파장 판(9)을 지나면서 광간섭을 일으킨 수평 성분들은 도 7d에서와 같은 양상으로 B점으로 유입된다. 즉, A점에서는 위상차가 90
Figure 112007045785886-PAT00072
인 영상을, B점에서는 위상차가 270
Figure 112007045785886-PAT00073
인 영상을 얻을 수 있게 된다.
C, D쪽으로 들어온 측정광(P파) 및 기준광(S파)은, 역시 결정방향축이 45
Figure 112007045785886-PAT00074
회전된 사분파장판인 제2파장판(14)를 통과한다. 이 때, 상기 제2파장판(14)을 지나면서 측정광(P파)과 기준광(S파)의 수직 성분끼리 광간섭을 일으키던 광 성분 및 측정광(P파)과 기준광(S파)의 수평 성분끼리 광간섭을 일으키던 광 성분은 수직 성분과 수평 성분 간에 다시 한 번 90
Figure 112007045785886-PAT00075
의 위상차가 발생하게 되며, 따라서 0
Figure 112007045785886-PAT00076
및 180
Figure 112007045785886-PAT00077
의 위상차를 갖는 간섭 영상을 얻을 수 있게 된다. 제3편광 광분리기(15)에서 수평 방향과 수직 방향의 편광 성분으로 나뉘면, C점에서는 위상차가 0
Figure 112007045785886-PAT00078
인 영상을, D점에서는 위상차가 180
Figure 112007045785886-PAT00079
이 얻어진다. 도 7a 및 도 7b와 유사한 상태이다.
도 6 및 도 7a 내지 도 7d로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 3차원 형상 측정 시스템은 측정 대상물(7)이나 기준 미러(8)를 전혀 이동시키지 않고 고정시켜 둔 상태에서, 4가지 위상차가 있는 영상을 동시 획득할 수 있는 구조로 되어 있다.
종래의 시스템에서는 상술한 바와 같이 다양한 간섭 영상을 얻기 위해서는 사용 광원 파장/N 만큼씩 측정물 또는 기준면( 또는 기준 미러)을 미세하게 이동시켰어야만 하기 때문에, 매우 정밀하게 작동하는 고가의 미소 이동 시스템을 필요로 하였다. 그러나 본 발명의 시스템은 다양한 간섭 영상을 얻음에 있어서 측정물 또는 기준면 등의 이동이 전혀 필요하지 않기 때문에 이러한 미소 이동 시스템을 필 요로 하지 않아 훨씬 경제적이게 된다. 특히, 종래에는 영상 획득 - 이동 - 영상 획득 - 이동 - … 의 과정에서 불필요한 시간의 낭비가 이루어졌던 반면, 본 발명의 시스템은 다양한 간섭 영상을 동시 획득하기 때문에 이러한 시간의 낭비 문제가 원천적으로 제거되며, 실시간으로 측정물이 3차원 형상을 측정할 수 있게 된다.
또한, 종래의 시스템에서는 외란이 발생하게 되면 측정물이나 기준면의 위치가 미세하게 변화하게 되며, 상술한 바와 같은 미소 이동 중간에 이러한 위치 변화가 일어나는 경우 측정 결과가 매우 불량하게 될 가능성이 높았다. 그러나 본 발명의 시스템에서는 4가지의 간섭 영상을 동시에 얻을 수 있도록 되어 있기 때문에 외란에 강한 특성을 가지므로, 외란이 발생한다 하더라도 측정에 큰 영향을 주지 못하여 측정 데이터의 신뢰도가 훨씬 상승하게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 종래에 광원 또는 측정물을 미세하게 이동시켰던 것과는 달리, 광원 및 측정물은 고정시켜 둔 채로 단번에 다양한 위상차를 갖는 간섭 영상을 얻을 수 있게 되는 효과가 있으며, 따라서 종래의 시스템에 필수적으로 요구되었던 미소 이동 시스템을 전혀 필요로 하지 않게 되기 때문에 장비의 구성이 훨씬 경제적이 되는 큰 효과가 있다. 이에 더불어 각 영상을 얻는 시간에 차이가 있었기 때문에 외란에 대하여 매우 민감했던 종래의 시스템과는 달리 동시에 다양한 간섭 영상을 획득하기 때문에, 외부로부터의 충격이나 진동 등이 발생한다 하더라도 이에 거의 영향을 받지 않으며, 따라서 측정 데이터의 신뢰도가 크게 향상되는 효과가 있다.
또한 이에 따라 실제로 많은 외란이 발생하는 생산 현장에 있어서, 종래에는 외란을 받지 않도록 하기 위해 각종 추가 구조물이 필요했거나 또는 아예 사용하지 못했던 반면, 본 발명에 의하면 특별한 외란 방지용 구조물이 필요하지 않게 되므로 본 발명을 실제 생산 현장에 도입하기가 매우 경제적으로 용이하게 이루어질 수 있다는 커다란 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 동시에 다양한 위상차를 갖는 간섭 영상을 얻음으로써, 미세하게 위치를 조정하는데 많은 시간이 소요되었던 종래와 비교하여 훨씬 빠르게 실시간으로 형상을 측정해 낼 수 있는 큰 효과가 있다. 물론 이에 따라 형상 측정 작업 자체의 효율 뿐만 아니라 형상 측정이 필요한 어떤 공정에 있어 해당 공정 전체의 효율을 크게 상승시켜 주며, 따라서 생산성 또한 증가시킬 수 있는 효과도 있다.

Claims (8)

  1. 광원(1);
    상기 광원(1) 전방에 구비되는 렌즈(2);
    상기 렌즈(2)를 통과하여 나온 광을 측정 대상물(7) 쪽으로 방향을 전환시키는 제1광분리기(4);
    상기 제1광분리기(4)에 의하여 상기 측정 대상물(7) 쪽으로 진행되는 광을 굴절시켜 초점을 만드는 대물 렌즈(5);
    상기 대물 렌즈(5)를 통과하여 나온 광을 수직 성분인 P파와 수평 성분인 S파로 분리하여 상기 측정 대상물(7)과 기준 미러(8)로 각각을 입사시키는 제1편광 광분리기(6);
    상기 제1편광 광분리기(6)를 기준으로 상기 대물 렌즈(5)의 반대편 쪽에 위치하며, 상기 측정 대상물(7) 및 상기 기준 미러(8) 각각으로부터 반사된 P파 및 S파가 합쳐져 입사되고, 입사된 광을 변환시키는 제1파장판(9);
    광을 굴절시켜 초점을 만들어 결상하는 FOV 렌즈(10);
    상기 FOV 렌즈(10)를 통과하여 나온 광을 분리하는 제2광분리기(11);
    상기 제2광분리기(11)에서 일측으로 분리되어 나온 광을 수직 성분과 수평 성분으로 분리하여 카메라 A와 카메라 B로 각각을 입사시키는 제2편광 광분리기(13);
    상기 제2광분리기(11)에서 타측으로 분리되어 나온 광을 변환시키는 제2파장 판(14);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은
    상기 제2파장판(14)을 통과하여 나온 광을 수직 성분과 수평 성분으로 분리하여 카메라 C와 카메라 D로 각각을 입사시키는 제3편광 광분리기(15);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은
    상기 제2파장판(14)을 통과하여 나온 광의 수직 성분만을 또는 수평 성분만을 통과시켜 카메라 C에 입사시키는 편광판;
    을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2파장 판(9, 14)은
    상기 제1파장판(9)이 반파장판(Half Wave Plate, HWP)이고 상기 제2파장판(14)이 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)인 세트로 이루어지거나, 또는 상기 제1파장판(9) 및 상기 제2파장판(14)이 모두 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)인 세트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 실시간 3차원 형상 측정 시스템은
    상기 제2광분리기(11)와 상기 제2편광 광분리기(13) 사이의 광경로 상에 구비되며 상기 제2파장판(14)과 동일한 규격 및 재질로 이루어지는 보상판(12);
    을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 광원(1)은
    단색광 또는 레이저인 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 광원(1)은
    백색광이며, 광경로 상에 광학 필터(3)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 제1파장판(9) 및 상기 FOV 렌즈(10)는
    측정광(P파) 및 기준광(S파)이 제1파장판(9)을 통과한 후 FOV 렌즈(10)를 통과하여 결상하거나, 또는 측정광(P파) 및 기준광(S파)이 상기 FOV 렌즈(10)를 통과한 후 상기 제1파장판(9)을 통과하여 결상하는 것을 특징으로 하는 실시간 3차원 형상 측정 시스템.
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