KR20180043891A - 표면 프로파일의 평탄도 측정장치 - Google Patents

표면 프로파일의 평탄도 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체의 표면 프로파일의 평탄도 측정장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 적외선 센서를 이용하여 평면, 구면 뿐만 아니라 비구면의 물체에 이르기까지 광범위하게 저비용으로 정밀하게 표면 프로파일의 측정을 가능하게 하는 물체의 표면 프로파일의 평탄도 측정장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치는 측정대상(10)에 광을 조사하여 측정대상에서 발생하는 적외선의 파수 및 위상을 측정하는 센서유닛(30)을 구비하는 헤드부(20); 측정대상(10)의 표면 전부분을 측정할 수 있도록 헤드부(20)를 서로 수직한 세개의 축 방향으로 이동시키는 모터부(40); 및 모터부(40)의 작동을 제어하고 센서유닛(30)에 의해 측정된 파수 및 위상 데이터를 프로세싱하는 제어부(50);를 포함하는 것인 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치.

Description

표면 프로파일의 평탄도 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING SURFACE PROFILE OF OBJECT}
본 발명은 물체의 표면 프로파일의 평탄도 측정장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 적외선 센서를 이용하여 평면, 구면 뿐만 아니라 비구면의 물체에 이르기까지 광범위하게 저비용으로 정밀하게 표면 프로파일의 측정을 가능하게 하는 물체의 표면 프로파일의 평탄도 측정장치에 관한 것이다.
광학 분야에서 구형 광학렌즈는 일반적 가공이 쉽기 때문에 널리 이용하나, 구형의 경우 렌즈의 수차(spherical aberration)로 인해 초점이 일치하지 않아 이미지 품질을 저하시키는 경향이 있다. 이것을 방지하기 위해 다수의 구형 렌즈를 추가시킬 수 있으나 이 경우 전체적인 광학 시스템의 크기나 무게가 증가된다. 따라서, 정교한 광학부품에는 다수의 구형렌즈 대신 비구면렌즈(aspheric lens)가 이용되고 있고, 뿐만 아니라 최근 X-선 장치 또는 중성자 장치에 빔 집속 및 평행빔 생성을 위해 타원, 포물선 형태가 이용되고 있다. 다만, 비구면렌즈는 가공과 테스팅에 높은 비용이 요구되며, 비구면만을 전문적으로 측정할 수 있는 장치는 현재 없는 상태이다.
정밀하게 가공된 대면적 평면 기판의 평탄도, 카메라렌즈의 구면 또는 비구면 측정은 일반적으로 삼차원 측정장비를 이용한다. 정밀하게 가공된 기계부품의 측정을 위하여 일반적으로 측정하고자 하는 물체에 직접 프로브를 접촉하는 접촉식 방식과 광학렌즈를 이용하여 표면에 초점을 맞추는 비접촉식 방식이 있다.
두 경우 모두 대형 정밀 스케일러가 x축, y축 및 z축에 장착되어 있고, 이를 기준(reference)으로 값을 읽어 들이는 방식이다. 이로 인하여, 접촉 및 비접촉 프로브 방식 모두 기계적 오차를 최대한 줄이기 위한 정밀 스케일러를 기준(reference)으로 이용하기 때문에 장비 가격이 고가이다. 또한, 대부분의 삼차원 측정장비가 대형이기 때문에 중소형 렌즈를 측정하기에는 적합하지 않고 비구면의 타입이나 곡률 측정에 특화되어 있지 않다.
따라서, 낮은 비용으로 구면뿐만 아니라 비구면의 표면 프로파일을 효율적이고 정밀하게 측정할 수 있는 장치가 필요하다.
등록특허공보 제10-0764465호 (등록일자: 2007.09.29)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
기판의 평탄도, 광학 시스템에 이용되는 구면렌즈뿐만 아니라 비구면의 평탄도까지 측정할 수 있는 평탄도 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 낮은 비용에서 간단한 방식으로 정밀한 측정을 할 수 있는 평탄도 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 주변 온도에 의해 제한되지 않고 사용될 수 있는 평탄도 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명에 따른 표면 프로파일의 평탄도 측정장치는 측정대상에 광을 조사하여 측정대상에서 발생하는 적외선의 파수 및 위상을 측정하는 센서유닛을 구비하는 헤드부; 측정대상의 표면 전부분을 측정할 수 있도록 상기 헤드부를 서로 수직한 세개의 축 방향으로 이동시키는 모터부; 및 상기 모터부의 작동을 제어하고 센서유닛에 의해 측정된 파수 및 위상 데이터를 프로세싱하는 제어부;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 표면 프로파일의 평탄도 측정장치는 상기 측정대상의 두께방향에 대한 센서유닛의 측정범위는 일정 범위로 제한되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 표면 프로파일의 평탄도 측정장치에 따르면, 상기 제어부는 측정대상의 두께방향에서 상기 센서유닛의 현위치를 탐지하고 센서유닛의 원위치와 비교하는 위치제어유닛; 및 현위치값이 미리 설정된 범위를 초과하는 경우 모터를 제어하여 센서유닛을 원위치로 이동시키는 모터제어유닛;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판의 평탄도, 광학 시스템에 이용되는 구면렌즈 뿐만 아니라 비구면의 평탄도까지 정밀하게 측정할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 낮은 비용에서 간단한 방식으로 물체의 표면 프로파일의 정밀한 측정을 할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 기존 측정장치들의 경우 주변 온도에 민감한 정밀 스케일러의 사용으로 설치 장소가 제한되었으나, 주변 온도에 영향을 받지 않고 사용될 수 있는 평탄도 측정장치가 제공된다.
또한, 본 발명은 적외선 광파 측정센서를 이용하여 기계적 구동오차에 의존하지 않으면서도 상하방향 내지는 z-방향으로 높은 정밀도를 지니는 저가의 평탄도 측정장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 개괄도를 도시하고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 좌측면도를 도시하고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 정면도를 도시하고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 정면도에서 프레임이 제거된 모습을 도시하고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일의 평탄도 측정장치 및 제어부를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 표면 프로파일의 평탄도 측정장치의 제어프로그램 및 측정된 데이터를 근사(fitting) 프로그램을 도시한다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 개괄도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 좌측면도를 도시하고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 정면도를 도시하고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치의 정면도에서 프레임이 제거된 모습을 도시한다.
본 발명에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치는 x축, y축 및 z축의 삼축 이동이 가능하고 측정대상(10)의 표면 프로파일을 측정하기 위한 헤드부(20)를 포함한다. 헤드부(20)는 측정대상(10)을 향하여 광을 조사하는 광조사유닛 및 측정대상(10)에서 생성하는 적외선의 파수 및 위상을 측정하는 센서유닛(30)을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 종래의 프로브를 사용하는 대신 적외선 파수와 위상을 측정하는 센서유닛(30)을 채용하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 센서유닛(30)은 오차범위 2μm 이하를 제공할 수 있는 유닛이 채택될 수 있다.
헤드부(20)는 측정대상(10)의 표면 전체 부분의 측정을 위하여 자유롭게 이동 가능하도록 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치는 서로 수직한 세개의 축인 x축, y축 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있는 모터부(40)를 포함한다. 또한, 모터부(40)는 x축 모터(42), y축 모터(44) 및 z축 모터(46)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치는 제어부(50)를 더 포함한다. 제어부(50)는 본 발명에 따른 평탄도 측정장치의 각 구성을 제어한다. 제어부(50)는 모터부(40)를 제어한다. 즉, 제어부(50)는 x축 모터(42)의 x축 방향 이동, y축 모터(44)의 y축 방향 이동 및 z축 모터(46)의 z축 방향 이동을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 센서유닛(30)에 의해 제공되는 적외선의 파수 및 위상을 프로세싱할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 평탄도 측정장치의 제어프로그램 및 측정데이터의 근사(fitting) 프로그램 등을 이용하여 센서유닛(30)에 의해 얻은 데이터를 처리할 수 있다.
또한, 측정대상(10)의 두께방향에 대한 센서유닛(30)의 측정범위는 일정 범위로 제한될 수 있다. 예를 들어, 측정범위가 총 4mm 또는 ±2mm를 가지는 센서유닛이 선택될 수 있다.
측정대상의 표면 프로파일의 측정시에, 특히, z축방향, 상하방향 내지는 측정대상(10)의 두께방향에 대한 측정 오차가 중요한 요소이므로 x축 및 y축방향의 측정오차는 볼 스크루(48)의 기계적 가공오차에 의존하는 것이 바람직하다. 기존 기술들과 달리, 정밀 스케일러가 사용되지 않는 것을 특징으로 한다.
측정대상(10)의 표면 프로파일의 z축방향의 측정은 적외선 파수와 위상를 이용한다. z축 방향의 이동 및 센서유닛(30)의 측정범위 유지를 z축 모터(46)가 이용된다. 예를 들어, 센서유닛(30)의 측정범위가 대략 총 4mm인 경우, 아주 좁은 영역만 측정이 가능하므로 측정범위 내에서 유지되도록 z축 모터(46)를 사용하여 센서유닛(30)을 원위치 내지는 '0'위치로 이동시켜 측정을 행한다.
센서유닛(30)의 위치제어는 제어부(50)에 의해 수행된다. 제어부(50)는, 측정대상(10)의 두께방향 내지는 z축 방향에서 센서유닛(30)의 현위치를 계속하여 탐지하고, 탐지된 현위치를 원위치와 비교하는 위치제어유닛을 더 포함할 수 있다. 센서유닛(30)의 측정범위는 미리 설정되어 있고, 미리 설정된 센서유닛(30)의 측정범위 내에 현위치값이 있지 않은 경우 z축 모터(46)를 제어하여 센서유닛(30)을 원위치로 이동시키는 모터제어유닛을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 센서유닛(30)의 측정범위가 대략 총 4mm(또는 ±2mm)인 경우, 센서유닛(30)이 -1.9mm 및 +1.9mm 위치에 있는 경우 z축 모터(46)를 이용하여 센서유닛(30)를 원위치로 이동시켜 측정을 계속하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 기계적 오차로 인하여 센서유닛(30)이 원위치로 돌아가지 못하는 상황에 대비한다. 센서유닛(30)이 원위치로 돌아가지 못하면, 제어부(50)는 현위치에서의 센서유닛의 측정값을 읽어 제어부(50) 또는 모터제어유닛에 피드백하여 z축 모터(46)를 여러 번 보정하여 작동하도록 하여 센서유닛(30)을 원위치로 보낸다.
본 발명에 따르면, z축 방향 이동거리를 기계적 이동거리 측정이 아니라 광파와 위상을 직접 측정하는 방식을 통해 높은 정밀도를 지닌 삼차원 측정장치를 제공한다. 또 다른 효과로서, 열팽창 등을 고려해서 항온 항습실이 필요한 일반 삼차원 측정장비와는 달리, 본 발명에 따른 평탄도 측정장치는 온도 및 습도에 무관하여 설치장소에 제한이 없이 사용될 수 있다는 이점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10: 측정대상 20: 헤드부
30: 센서유닛 40: 모터부
42: x축 모터 44: y축 모터
46: z축 모터 48: 볼 스크루
50: 제어부

Claims (3)

  1. 측정대상에 광을 조사하여 측정대상에서 발생하는 적외선의 파수 및 위상을 측정하는 센서유닛을 구비하는 헤드부;
    측정대상의 표면 전부분을 측정할 수 있도록 상기 헤드부를 서로 수직한 세개의 축 방향으로 이동시키는 모터부; 및
    상기 모터부의 작동을 제어하고 센서유닛에 의해 측정된 파수 및 위상 데이터를 프로세싱하는 제어부;를 포함하는 것인 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 측정대상의 두께방향에 대한 센서유닛의 측정범위는 일정 범위로 제한되는 것을 특징으로 하는 것인 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 측정대상의 두께방향에서 상기 센서유닛의 현위치를 탐지하고 센서유닛의 원위치와 비교하는 위치제어유닛; 및 현위치값이 미리 설정된 범위를 초과하는 경우 모터를 제어하여 센서유닛을 원위치로 이동시키는 모터제어유닛;을 포함하는 것인 표면 프로파일 측정을 위한 평탄도 측정장치.
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