KR20120133604A - 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치는, 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터, 상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사되도록 다수의 측정광으로 분할하는 제 1어레이 렌즈, 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 표면에 조사된 측정광이 반사되어 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 분할된 다수의 측정광에 대응하도록 다시 분할한 후 각 측정광에 따른 특성을 검출하는 상기 검출부, 상기 검출부에서 검출된 각 측정광의 특성을 검출하여 측정 대상물 표면 영상을 처리하는 영상처리부 및 측정 대상물에 수직하게 측정광을 구동시키는 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 다수의 측정광을 통해 동시에 대면적 표면을 검출할 수 있는 이점이 있다.

Description

멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치{Using multi-array lens surface shape measuring device}

본 발명은 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 멀티 어레이 렌즈를 이용하여 다수의 측정광으로 분할한 후 이를 통해 한 번에 대면적을 검출할 수 있는 형상 측정장치에 관한 것이다.

광을 이용한 계측장비 기술은 과학적으로 규명된 빛의 고유한 성질을 이용하여 기술적으로 개발함으로써, 제품화하는 업종으로 빛의 생성, 전환, 제어, 응용 등이 기술혁신을 통한 지식 기반산업 분야이며, 용도는 통신, 정보처리, 정보저장, 정밀가공, 계측, 의료, 우주과학, 방위산업, 오락 등 다양한 산업적 응용에 활용되고 있다. 각 산업분야의 기술 첨단화에 따라 부품의 크기는 초소형화 되고 있으며, 고정도화와, 고집적화 추세에 따라 이에 대응할 수 있는 다양한 측정/검사 장비의 필요성이 절실하다. 이러한 측정/검사장비는 현재 당 업계에서 보편화되어 있으며, 다양한 측정방법을 적용하여 부품의 형상을 관찰하고, 불량을 선별하는 과정은 필수적인 사항이다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적은 공초점 방식의 표면 형상 측정장치의 개략적인 구성도이다. 광을 이용한 측정방식에 있어 공초점 센서를 이용한 측정방식은 도시된 바와 같이 광원(1)에서 나온 빔의 세기 변화를 광 검출기(2)로 검출하여 전기적 신호로 변환해서 표면 정보를 획득하는 원리이다. 측정 대상물이 측점 평면과 어긋나 있어서 물체 표면에서 반사되는 빔의 일부만이 핀홀을 통해서 광 검출기(Detector ; 2)에 검출된다. 반면에 측정 대상물이 초점 평면과 일치하여 반사된 빔의 전부가 핀홀을 통과하여 광 검출기(Detector)에 검출된다.

또한, 공초점 방식에는 그 작동방법에 따라 구분할 수 있는데 측정 대상물(object)을 움직여서 정보를 획득하는 Stage scanning 기법과 입사광을 움직이며 정보를 획득하는 Beam scanning 기법과 회전원판(spinning disk)라는 공간필터(spatial filter)를 사용하는 기법 및 규칙적으로 배열된 마이크로렌즈와 핀홀을 사용하는 기법이 있는데, 본 기술은 Beam scanning 기법을 적용하여 미러시스템(3)의 진동에 의해 광 검출기(Detector)에 측정되는 광의 세기(Intensity)를 측정하여 미러시스템 진동량에 따라 표면형상을 3차원적으로 측정할 수 있다.

하지만, 이러한 종래의 공초점 방식의 하나의 측정광을 통해 반사되는 측정광을 세기를 검출하는 구조로써, 측정시간이 매우 오래 걸리는 단점이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복수의 측정광을 통해 공초점 방식으로 대면적의 표면 형상을 고속으로 검출하고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 복수의 측정광을 조사하기 위하여 멀티 어레이 렌즈를 적용함으로써 대면적 표면 형상을 측정하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터, 상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사되도록 다수의 측정광으로 분할하는 제 1어레이 렌즈, 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 표면에 조사된 측정광이 반사되어 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 분할된 다수의 측정광에 대응하도록 다시 분할한 후 각 측정광에 따른 특성을 검출하는 상기 검출부, 상기 검출부에서 검출된 각 측정광의 특성을 검출하여 측정 대상물 표면 영상을 처리하는 영상처리부 및 측정 대상물에 수직하게 측정광을 구동시키는 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출부는, 상기 빔스플리터를 투과하는 측정광을 다수의 측정광으로 분리하는 제 2어레이 렌즈, 상기 제 2어레이 렌즈를 투과한 각 측정광을 투과시키는 다수의 핀홀이 구비된 핀홀유닛 및 상기 핀홀유닛을 통과하는 측정광을 검출하는 디텍터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출부는, 상기 측정광의 세기를 검출하는 공초점(confocal) 방식으로 검출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 디텍터는, 상기 측정광의 세기를 검출하는 공초점(confocal) 방식으로 검출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1어레이 렌즈와 제 2어레이 렌즈는, 측정광을 집광하여 초점이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 빔스플리터를 투과하여 검출부로 측정광을 전달하기 위한 튜브렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은, 멀티 어레이 렌즈를 통해 측정 대상물 표면으로 복수개의 측정광을 통해 검출부에서 상기 복수의 측정광을 통해 한번에 검출함으로써 대면적 표면형상을 한번에 검출할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적은 공초점 방식의 표면 형상 측정장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치의 측정과정을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치의 광세기에 따른 측정값을 나타낸 도면.

이하, 본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치는, 광을 출사하는 광원(100), 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터(110), 상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사되도록 다수의 측정광으로 분할하는 제 1어레이 렌즈(120), 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 표면에 조사된 측정광이 반사되어 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 분할된 다수의 측정광에 대응하도록 다시 분할한 후 각 측정광에 따른 특성을 검출하는 상기 검출부(130), 상기 검출부에서 검출된 각 측정광의 특성을 검출하여 측정 대상물 표면 영상을 처리하는 영상처리부(150) 및 측정 대상물에 수직하게 측정광을 구동시키는 구동부(140)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 표면형상 측정장치는, 기존의 공초점(confocal) 측정방식을 멀티 측정 방식, 즉 다수의 공초점 측정광을 형성하고 이를 한번에 검출함으로써 대면적 형상을 고속으로 측정할 수 있는 것이 주요 기술적 요지에 해당한다.

도 2는 본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치의 개략적인 구성도이다.

본 발명은 크게 광원(100), 빔스플리터(110), 제 1어레이 렌즈(120) 및 검출부(130)를 포함하여 구성되고, 제 1어레이 렌즈를 통해 다수의 측정광으로 분할하여 대면적으로 표면에 측정광을 조사하고, 돌아오는 다수의 측정광을 각각 검출하여 표면 형상을 측정한다.

광원(100)은 LED 소자를 이용한 광원, 할로겐 네온을 이용한 광원, 백색광 광원 등 다양한 광학 소자를 통해 측정에 필요한 광을 출사할 수 있는 광원이다.

상기 광원에서 출사되는 광은 광학계를 구성하는 빔스플리터(110)로 입사되고, 상기 빔스플리터는 일부 광을 반사시켜 측정대상물 방향으로 출사시킨다. 본 발명에서는 광학계 구성에 있어 간략적으로 하나의 빔스플리터를 통해 광원에서 출사되는 광을 반사시켜 측정 대상물로 조사되도록 구성하였지만, 전체 시스템의 특성에 따라 광학계의 구성의 렌즈, 반사미러 등을 포함하여 다양하게 구성할 수 있다.

제 1어레이 렌즈(120)는 마이크로 오브젝트 어레이 렌즈(Micro object Array lens)로써 상기 빔스플리터에서 반사되는 광을 다수의 측정광, 즉 다수의 초점광을 분할하여 측정 대상물(200)에 조사하도록 한다. 따라서, 분할된 다수의 초점광을 통해 한번에 대면적 표면형상을 측정할 수 있는 것이다. 상기 제 1어레이 렌즈는 다수의 측정광으로 분할할 수 있도록 볼록 형상의 렌즈가 나란히 일체로 형성된 구조로써 빔스플리터를 통해 입사되면 각 볼록 형상 렌즈에 의해 다수의 초점광을 측정 대상물에 조사하게 되는 것이다.

상기 제 1어레이 렌즈를 통해 측정 대상물에 입사된 광은 다시 반사되어 빔스플리터를 투과하여 측정광을 통해 형상을 검출하기 위한 검출부(130)로 입사된다. 상기 검출부는 빔스플리터를 투과한 광을 제 1어레이 렌즈를 통해 분할된 측정광과 대응하게 다시 분할한 후 각 측정광의 세기(intensity)를 통해 검출한다. 여기서 빔스플리터를 투과한 광은 하나의 튜브렌즈(121)를 통해 검출부로 입사시키는데, 앞서 언급한 바와 같이 광 전달을 위한 광학계 구성은 다양하게 변경될 수 있다.

이를 위해 상기 검출부는 제 1어레이 렌즈와 동일한 구조를 가지는 제 2어레이 렌즈(131), 상기 제 2어레이 렌즈를 투과하는 광의 초점을 검출하기 위해 다수의 핀홀이 형성된 핀홀유닛(132) 및 상기 핀홀유닛을 통과한 광의 세기를 검출하는 디텍터(133)를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 상기 디텍터는 공초점(confocal) 방식으로 측정 대상물의 형상을 검출하는 것으로, 상기 핀홀유닛의 핀홀을 통과하는 측정광의 세기를 검출함으로써 표면 형상을 획득한다.

구동부(140)는 측정 대상물 형상을 획득하기 위한 측정광을 구동시키는 것으로, 형상 측정장치의 수직 구동을 통해 측정광의 세기 변화를 검출하도록 구동모터나 PZT 등의 구동 소자를 통해 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 구성이다.

영상처리부(150)는 상기 검출부에서 획득한 광 세기를 통해 표면 형상 획득한다. 상기 영상처리부는 디텍터에서 검출한 각 측정광에 해당하는 세기와 구동부의 이동값을 통해 표면 형상을 최종 획득한다.

도 3은 본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치의 측정과정을 도시한 도면, 도 4는 본 발명에 따른 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치의 광세기에 따른 측정값을 나타낸 도면이다. 광원으로부터 측정을 위한 광이 출사되면, 상기 구동부에서 의해 수직하게 일정거리 이격시키면 측정 대상물에 높이차에 따라 검출부의 디텍터의 각 어레이에 검출되는 광의 세기는 구동거리에 따라 다르게 검출된다.

도 4에 도시된 바와 같이 구동값에 따라 각 위치에 해당하는 광의 세기를 다르게 나타날 것이며, 이를 통해 형상이 검출된다. 표면이 동일한 높이를 가질 경우 특정 구동값에서 동일하게 광세기가 검출될 것이며, 높이차를 가질 경우 구동값에 따라 광세기가 다르게 나타난다. 영상처리부를 이러한 결과값을 통해 표면 형상을 검출하며, 단말기와 이를 해석하는 알고리즘으로 구성되는 소프트웨어를 통해 구현할 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 멀티 어레이 렌즈를 통해 다수의 측정광을 측정 대상물에 조사하고, 반사되는 측정광을 다수의 핀홀이 형성된 핀홀유닛과 디텍터로 구성되는 검출부를 통해 한번에 넓은 면적의 표면 형상을 측정할 수 있는 이점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 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 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 광원
110 : 빔스플리터
120 : 제 1어레이 렌즈
121 : 튜브렌즈
130 : 검출부
131 : 제 2어레이 렌즈
132 : 핀홀유닛
133 : 디텍터
140 : 구동부
150 : 영상처리부

Claims (6)

1. 광을 출사하는 광원;
   상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터;
   상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사되도록 다수의 측정광으로 분할하는 제 1어레이 렌즈;
   상기 제 1어레이 렌즈를 통해 표면에 조사된 측정광이 반사되어 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 분할된 다수의 측정광에 대응하도록 다시 분할한 후 각 측정광에 따른 특성을 검출하는 상기 검출부;
   상기 검출부에서 검출된 각 측정광의 특성을 검출하여 측정 대상물 표면 영상을 처리하는 영상처리부; 및
   측정 대상물에 수직하게 측정광을 구동시키는 구동부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 검출부는,
   상기 빔스플리터를 투과하는 측정광을 다수의 측정광으로 분리하는 제 2어레이 렌즈;
   상기 제 2어레이 렌즈를 투과한 각 측정광을 투과시키는 다수의 핀홀이 구비된 핀홀유닛; 및
   상기 핀홀유닛을 통과하는 측정광을 검출하는 디텍터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 검출부는,
   상기 측정광의 세기를 검출하는 공초점(confocal) 방식으로 검출하는 것을 특징으로 하는 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 디텍터는,
   상기 측정광의 세기를 검출하는 공초점(confocal) 방식으로 검출하는 것을 특징으로 하는 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1어레이 렌즈와 제 2어레이 렌즈는,
   측정광을 집광하여 초점이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 빔스플리터를 투과하여 검출부로 측정광을 전달하기 위한 튜브렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 어레이 렌즈를 이용한 표면형상 측정장치.

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