KR20240077445A - Measurement system using terahertz wave - Google Patents

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Abstract

테라헤르츠파를 이용한 도장막 측정 시스템으로서, 테라헤르츠파 에미터 및 테라헤르츠파 감지부를 포함하는 테라헤르츠 모듈과, 헤드에 상기 테라헤르츠파 모듈이 장착되는 로봇 암을 포함하고, 측정체에 상기 테라헤르츠파 에미터로부터 테라헤르츠파를 조사하고, 테라헤르츠파 감지부는 상기 측정체로부터 반사되는 테라헤르츠파를 감지하고, 상기 감지된 테라헤르츠파를 분석하여 도장막의 두께를 측정한다. A coating film measurement system using terahertz waves, comprising a terahertz module including a terahertz wave emitter and a terahertz wave detection unit, a robot arm on which the terahertz wave module is mounted on a head, and the terahertz wave module is mounted on a measurement object. Terahertz waves are irradiated from the Hertz wave emitter, the terahertz wave detection unit detects the terahertz waves reflected from the measurement object, and the detected terahertz waves are analyzed to measure the thickness of the coating film.

Description

테라헤르츠파 측정 시스템{MEASUREMENT SYSTEM USING TERAHERTZ WAVE}Terahertz wave measurement system {MEASUREMENT SYSTEM USING TERAHERTZ WAVE}

본 발명은 테라헤르츠파 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 테라헤르츠파을 이용하여 도장막 또는 코팅층 두께를 측정하는 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a terahertz wave measurement system, and more specifically, to a measurement system that measures the thickness of a paint film or coating layer using terahertz waves.

차량 품질문제로 인한 결함은 국내에만 연간 400만대에 이르고 약 1조원대의 손실액이 발생하며, 그 중 자동차 차체 및 휠 도막(painting film) 부식 및 품질 문제는 연간 약 35만 건을 차지한다. 정확한 페인트 또는 코팅 도막 두께 관리는 표면 처리 산업에서 매우 중요한 품질 관리요소이고, 차량 뿐 아니라 선박, 철구조물 등에서도 도막두께 관리는 품질 유지를 위해 필요하다.Defects due to vehicle quality problems amount to 4 million vehicles annually in Korea alone, resulting in losses of approximately 1 trillion won, of which corrosion and quality problems in automobile bodies and wheel paint films account for approximately 350,000 cases per year. Accurate paint or coating film thickness management is a very important quality control element in the surface treatment industry, and film thickness management is necessary to maintain quality not only in vehicles but also in ships and steel structures.

코팅 시스템의 품질은 페인트 제조업체의 제품 사양서에 따라 적용되며, 프라이머에서 탑코팅 및 개별 중간 레이어에서의 각 레이어는 최소 및 최대 코팅 두께가 정확히 지정되며 습도막 뿐 아니라 건조도막의 두께도 관리된다. 도막 두께가 얇은 경우 부식방지 불량 등으로 인한 빠른 부식, 코팅면 벌어짐 등에 의한 부분 부식이 생기고, 도막 두께가 두꺼운 경우 원자재값 상습, 코팅 흘러내림, 균열, 건열, 깨짐, 건조시간 초과의 문제가 있다. 이처럼 도막 두께가 일정하지 않으면 기술적 문제과 비용 추가 등의 문제가 발생하므로 도막 형성 공정에서 도막 두께를 비파괴 실시간 검사할 수 있는 장비의 필요성이 크다. The quality of the coating system is governed by the paint manufacturer's product specifications. Each layer, from the primer to the topcoat and the individual intermediate layers, is specified with a precise minimum and maximum coating thickness, and the thickness of the dry film as well as the wet film is controlled. If the coating film thickness is thin, rapid corrosion due to poor corrosion prevention, partial corrosion due to the coating surface opening, etc. may occur, and if the coating film thickness is thick, there are problems with raw material cost, coating bleeding, cracking, dry heat, breakage, and excessive drying time. . If the film thickness is not constant, problems such as technical problems and additional costs arise, so there is a great need for equipment that can non-destructively inspect the film thickness in real time during the film formation process.

현재 도막 품질을 검사하는 방법은 검사 시편을 파단하여 도막의 두께를 측정하는 광학 현미경을 통한 파괴적인 검사 기법이 주를 이루고 있다. Currently, the method of inspecting the quality of a coating film is mainly a destructive inspection technique using an optical microscope that breaks the test specimen and measures the thickness of the coating film.

비파괴 검사로는 기존의 X-ray 검사, 적외선 검사, 초음파 검사 등 다양한 방법을 이용하여 도막 두께를 측정할 수 있다. 그러나 기존의 비파괴 방법들은 기계, 자동차, 건축 분야의 부식 방지용 도막 두께 측정에 적용하기에는 측정속도를 높이기 어렵고, 산업현장에서 자동측정 시스템으로 구성하기 어렵기 때문에 적용에 어려움이 있다. 또한 초음파 등의 비파괴검사는 대상물에 접촉식으로 측정해야 하기 때문에 시간이 오래 걸리고 대상물을 손상시키는 등의 문제가 있을 수 있다. As a non-destructive test, the film thickness can be measured using various methods such as existing X-ray test, infrared test, and ultrasonic test. However, existing non-destructive methods are difficult to apply to measure the thickness of anti-corrosion coatings in the machinery, automobile, and construction fields because it is difficult to increase the measurement speed and it is difficult to configure an automatic measurement system in industrial sites. In addition, non-destructive testing such as ultrasonic testing requires contact measurement with the object, so it takes a long time and may have problems such as damaging the object.

등록특허공보 제10-1788450호Registered Patent Publication No. 10-1788450

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다층 페인트의 두께 측정이 가능하고 제조 공정 중에도 적용할 수 있는 테라헤르츠파(Thz) 비파괴 측정 시스템을 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention seeks to provide a terahertz wave (Thz) non-destructive measurement system that can measure the thickness of multi-layer paint and can be applied even during the manufacturing process.

본 발명은 또한 자동으로 측정 대상물의 형상을 측정하여 측정포인트들을 지정하고, 빠른 시간에 많은 측정포인트들에 대해 로봇을 사용하여 정확한 측정이 가능한 테라헤르츠파 자동 도막 두께 측정 시스템을 제공하고자 한다. The present invention also seeks to provide a terahertz wave automatic film thickness measurement system that automatically measures the shape of the measurement object, designates measurement points, and accurately measures many measurement points in a short time using a robot.

상기 과제를 해결하기 위한 테라헤르츠파를 이용한 도장막 측정 시스템으로서, 테라헤르츠파 에미터 및 테라헤르츠파 감지부를 포함하는 테라헤르츠 모듈과, 헤드에 상기 테라헤르츠파 모듈이 장착되는 로봇 암을 포함하고, 측정체에 상기 테라헤르츠파 에미터로부터 테라헤르츠파를 조사하고, 테라헤르츠파 감지부는 상기 측정체로부터 반사되는 테라헤르츠파를 감지하고, 상기 감지된 테라헤르츠파를 분석하여 도장막의 두께를 측정한다. A coating film measurement system using terahertz waves to solve the above problem includes a terahertz module including a terahertz wave emitter and a terahertz wave detection unit, and a robot arm on which the terahertz wave module is mounted on a head. , terahertz waves are irradiated from the terahertz wave emitter to the measuring object, the terahertz wave detection unit detects the terahertz waves reflected from the measuring object, and the detected terahertz waves are analyzed to measure the thickness of the coating film. do.

본 발명의 다른 측면에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템은, 일측에 3차원 형상측정 영역이, 타측에는 테라헤르츠파 측정 영역이 위치하는 베이스부; 상기 3차원 형상측정 영역에 배치된 측정체의 3차원 외관 형상을 측정하는 3차원 형상측정부; 테라헤르츠파 측정 영역에 배치되고, 상기 측정된 3차원 외관 형상에 기초하여 생성된 측정 레시피에 따라 테라헤르츠파를 이용하여 측정체 표면에 형성된 막 두께를 자동 측정하는 테라헤르츠파 측정 유닛; 상기 3차원 형상측정 영역에서 3차원 형상 측정이 완료된 상기 측정체를 3차원 형상측정 영역으로부터 테라헤르츠파 측정 영역으로 이송하기 위한 이송부; 및 테라헤르츠파 측정 시스템 전체를 제어하는 제어부;를 포함한다. A terahertz wave measurement system according to another aspect of the present invention includes a base portion where a three-dimensional shape measurement area is located on one side and a terahertz wave measurement area is located on the other side; a 3D shape measuring unit that measures the 3D external shape of a measurement object disposed in the 3D shape measurement area; a terahertz wave measurement unit disposed in the terahertz wave measurement area and automatically measuring the film thickness formed on the surface of the measurement object using terahertz waves according to a measurement recipe generated based on the measured three-dimensional external shape; a transfer unit for transferring the measurement object for which the 3D shape measurement has been completed in the 3D shape measurement area from the 3D shape measurement area to the terahertz wave measurement area; and a control unit that controls the entire terahertz wave measurement system.

상기 테라헤르츠파 측정 유닛은 로봇암, 상기 로봇암의 헤드에 장착된 테라헤르츠파 모듈, 상기 테라헤르츠 모듈에 광섬유를 통해 연결되는 테라헤르츠 발생 및 감지용 광학시스템, 및 측정체 표면에 대한 테라헤르츠파의 조사 방향 및 거리를 측정하기 위한 위치감지유닛을 포함한다. The terahertz wave measurement unit includes a robot arm, a terahertz wave module mounted on the head of the robot arm, an optical system for terahertz generation and detection connected to the terahertz module through an optical fiber, and a terahertz wave measurement unit on the surface of the measurement object. Includes a position detection unit to measure the direction and distance of wave irradiation.

본 발명의 시스템에 의하면, 도장막이 형성된 측정 대상물의 형상을 자동 측정하고 측정 정보에 기초하여 테라헤르츠파로 도장막의 두께를 실시간 측정할 수 있는 자동 도막 두께 측정 시스템을 제공한다.According to the system of the present invention, an automatic coating film thickness measurement system is provided that can automatically measure the shape of a measurement object on which a coating film is formed and measure the thickness of the coating film in real time with terahertz waves based on the measurement information.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 3차원 관절 로봇에 장착된 테라헤르츠파 모듈을 이용하여 3차원 굴곡형상 물체의 도장면에 대해서도 빠른 측정속도를 구현함으로써 실시간 측정을 가능하도록 하였다. According to another aspect of the present invention, real-time measurement is possible by implementing fast measurement speed even on the painted surface of a 3D curved object using a terahertz wave module mounted on a 3D articulated robot.

도 1은 테라헤르츠파 광학계의 레이아웃을 나타낸 평면도이다.
도 2는 테라헤르츠파 발생 및 감지 광학시스템의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 광학계와 레이저 전달 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 모듈이 로봇 암에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템의 사시도와 상면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템의 3차원 형상 획득 및 측정 포인트 생성 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 측정점 편집 화면이고, 도 8은 레시피(recipe)가 반영된 자동 측정 화면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 시스템의 laser spot을 이용한 측정 헤드의 자세 제어 개념을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇암 헤드에 설치된 위치감지유닛의 레이저와 비전 카메라의 배치 및 측정체 표면과의 관계를 도식적으로 나타낸 도면과, 비전 카메라가 각기 촬상한 레이저 스팟 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치감지유닛의 z축(표면 법선 방향)으로의 측정체 표면과의 거리를 변화한 경우 레이저 스팟 이미지의 형상 변화는 나타낸 사진들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 스팟 촬상 이미지를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치감지유닛에 의한 이미지의 스팟 중심 간의 거리의 합과 z축 방향 위치의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 9의 측정헤드에서 측정한 신호와 두께를 구하는 수식이다.
도 15는 측정 속도 테스트 결과를 나타낸 것이다.
Figure 1 is a plan view showing the layout of a terahertz wave optical system.
Figure 2 is a photograph of the terahertz wave generation and detection optical system.
Figure 3 is a conceptual diagram of a terahertz wave optical system and laser transmission according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing a state in which a terahertz wave module according to an embodiment of the present invention is installed on a robot arm.
Figure 5 is a perspective view and a top view of a terahertz wave measurement system according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing the process of acquiring a 3D shape and creating a measurement point of a terahertz wave measurement system according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a measurement point editing screen of Figure 6, and Figure 8 is an automatic measurement screen in which the recipe is reflected.
Figure 9 is a diagram illustrating the concept of controlling the posture of a measurement head using a laser spot of a terahertz wave system according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram schematically showing the arrangement of the laser of the position detection unit installed on the robot arm head and the vision camera and the relationship between the surface of the measurement object and the laser spot image captured by the vision camera, respectively, according to an embodiment of the present invention. .
Figure 11 is a picture showing the change in the shape of the laser spot image when the distance from the surface of the measurement object in the z-axis (surface normal direction) of the position detection unit according to an embodiment of the present invention is changed.
Figure 12 exemplarily shows a laser spot imaging image according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is a graph showing the relationship between the sum of distances between the centers of spots in an image by a position detection unit according to an embodiment of the present invention and the z-axis position.
Figure 14 is a formula for calculating the signal and thickness measured by the measurement head of Figure 9.
Figure 15 shows the results of the measurement speed test.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.With reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts unrelated to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification. In this process, the thickness of lines or sizes of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 또는 "결합"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결" 또는 "직접적으로 결합"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 "연결" 또는 "결합"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected” or “coupled” with another part, this means not only when it is “directly connected” or “directly coupled”, but also when it has other components in between. Also includes cases where it is “connected” or “combined.” Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

테라헤르츠파는 적외선과 마이크로파(Microwave) 사이의 1012~1014Hz의 테라급 주파수를 가지는 전자기파로서, 대상체의 전기적 특성에 따라 투과량 및 반사량이 달라지는 특성을 가진다. 테라헤르츠파는 가시광이 투과되지 않는 불투명 시료에 대해서도 투과되고 마이크로파(Microwave) 보다 파장이 짧아 해상도가 높다는 장점을 가지고 있어 반도체 물성 및 다층막 측정, 도막두께 측정, 결함 검출, 바이오 의료 등 다양한 분야에서 이용이 확대되고 있는 추세이다. Terahertz waves are electromagnetic waves with a tera-level frequency of 10 12 to 10 14 Hz, between infrared and microwaves, and have characteristics that vary in transmission and reflection depending on the electrical characteristics of the object. Terahertz waves have the advantage of being able to penetrate opaque samples through which visible light does not pass and have a shorter wavelength than microwaves, resulting in higher resolution, so they can be used in various fields such as measuring semiconductor properties and multilayer films, measuring film thickness, detecting defects, and biomedical care. The trend is expanding.

테라헤르츠파 측정장치는 일반적으로 테라헤르츠파 생성부, 상기 테라헤르츠파 생성부로부터 생성된 테라헤르츠 파를 시료로 조사하는 제1 광학계, 상기 시료에 조사되어 반사된 테라헤르츠파를 검출기로 가이드 하는 제2 광학계, 상기 반사된 테라헤르츠파를 검출하는 검출기 및 검출기 신호를 처리하는 연산장치를 포함한다.A terahertz wave measuring device generally includes a terahertz wave generator, a first optical system that radiates terahertz waves generated from the terahertz wave generator to a sample, and a terahertz wave that is irradiated and reflected by the sample and guides to a detector. It includes a second optical system, a detector for detecting the reflected terahertz wave, and an arithmetic unit for processing the detector signal.

테라헤르츠파는 펨토초 펄스 레이저에 반응하는 광전도체(photoconductor)에서 광정류(optical rectification) 방식에 의해 발생한다. 즉, 펨토초 펄스 레이저가 PCA(photoconductive antenna)를 포함하는 테라헤르츠 에미터(THz emitter)에 조사되어 테라헤르츠파 펄스가 생성된다. Terahertz waves are generated by optical rectification in a photoconductor that responds to a femtosecond pulse laser. That is, a femtosecond pulse laser is irradiated to a terahertz emitter (THz emitter) including a photoconductive antenna (PCA), thereby generating a terahertz wave pulse.

도 1은 테라헤르츠파 광학계의 레이아웃을 나타낸 평면도이다. 도 1에 의하면 상기 펨토초 펄스 광원으로부터 나온 펨토초 펄스 레이저는 파장변환기 및 필터를 거쳐 빔 스플리터(Beam Splitter)에 의해 분기되어 일부(Beam 1)는 지연 스테이지(scan delay)를 거쳐 테라헤르츠 에미터(THz emitter)에 조사되어 테라헤르츠파 펄스 발생을 위한 펌프광으로 기능하고, 다른 일부(Beam 2)는 검출기로 안내되어 프로브 빔(probe beam)으로 기능한다. 상기 펨토초 펄스에 의해 테라헤르츠 에미터에서 발생한 테라헤르츠파(THz)는 제1 광학계(PM1, PM2)에 의해 집속되어 시료의 특정 위치에 조사되고 시료에서 반사된 후 제2광학계(PM3, PM4)에 의해 검출기(Detector Antenna)로 집속되어 반사광의 세기가 검출된다. 프로브 빔은 시료에 의해 반사된 테라헤르츠파 보다 먼저 검출기에 도달하여 테라헤르츠파 검출의 기준시점을 설정하는 역할을 한다. Figure 1 is a plan view showing the layout of a terahertz wave optical system. According to Figure 1, the femtosecond pulse laser emitted from the femtosecond pulse light source passes through a wavelength converter and filter and is branched by a beam splitter, and part of it (Beam 1) passes through a delay stage (scan delay) to a terahertz emitter (THz). It is irradiated to the emitter and functions as a pump light for generating terahertz wave pulses, and the other part (Beam 2) is guided to the detector and functions as a probe beam. Terahertz waves (THz) generated from the terahertz emitter by the femtosecond pulse are focused by the first optical system (PM1, PM2), irradiated to a specific location on the sample, reflected from the sample, and then transmitted to the second optical system (PM3, PM4). It is focused on the detector antenna and the intensity of the reflected light is detected. The probe beam reaches the detector before the terahertz wave reflected by the sample and serves to set the reference point for terahertz wave detection.

본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 도장막 측정시스템은 다음과 같은 구성을 갖는다. The coating film measurement system using terahertz waves according to an embodiment of the present invention has the following configuration.

1. 테라헤르츠파 발생 및 감지를 위한 광학시스템1. Optical system for generating and detecting terahertz waves

2. 테라헤르츠파를 분석하여 두께를 측정하는 알고리즘2. Algorithm to measure thickness by analyzing terahertz waves

3. 대상물의 3차원형상을 측정하여 측정부위를 자동으로 생성해주는 3차원 형상측정부3. 3D shape measuring unit that measures the 3D shape of an object and automatically creates the measurement area.

4. 다관절로봇을 사용하여 임의의 3차원 형상을 갖는 물체의 도장막을 측정하는 테라파 측정 유닛4. Terrafa measurement unit that uses an articulated robot to measure the coating film of an object with an arbitrary three-dimensional shape.

5. 전체시스템을 제어하는 제어프로그램5. Control program that controls the entire system

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템의 사시도(좌측)와 상면도(우측)이다. 도 5에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 측정 시스템은 측정 대상이 되는 물체(이하, '측정체'라 함)의 3차원 형상을 측정하는 3차원 형상측정부, 테라헤르츠파를 이용하여 측정체 표면에 형성된 막 두께를 측정하는 테라헤르츠파 측정 유닛, 측정체를 3차원 형상측정 영역으로부터 테라헤르츠파 측정 영역으로 이송하기 위한 이송부 및 테라헤르츠파 측정 유닛에 의해 측정된 신호를 처리하는 정보처리장치 및 테라헤르츠파 측정 시스템 전체를 제어하는 제어부(정보처리장치)를 포함한다. 측정체는 예를 들어, 표면에 도장막이 형성된 자동차 전체 또는 도장면 일부일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 표면에 도장막이나 코팅층이 형성된 다양한 물체일 수 있고, 막은 하나 이상의 층이 형성된 것일 수 있다. Figure 5 is a perspective view (left) and a top view (right) of a terahertz wave measurement system according to an embodiment of the present invention. According to FIG. 5, the terahertz wave measurement system according to an embodiment of the present invention includes a three-dimensional shape measurement unit that measures the three-dimensional shape of an object to be measured (hereinafter referred to as 'measurement object'), and a terahertz wave A terahertz wave measurement unit that measures the film thickness formed on the surface of the measurement object using a transfer unit to transfer the measurement object from the three-dimensional shape measurement area to the terahertz wave measurement area, and the signal measured by the terahertz wave measurement unit. It includes an information processing device that processes information and a control unit (information processing device) that controls the entire terahertz wave measurement system. For example, the measurement object may be the entire car or a portion of the painted surface with a paint film formed on the surface, but is not limited to this and may be various objects with a paint film or coating layer formed on the surface, and the film may be one in which one or more layers are formed.

도 5에 도시된 바와 같이, 3차원 형상측정부 및 테라헤르츠파 측정 유닛은 석정반과 같은 베이스부 상에 설치되고, 베이스부 상의 일 측에는 3차원 형상측정 영역(3D 형상 측정 zone)이, 타 측에는 테라헤르츠파 측정 영역(두께 측정 zone)이 위치한다. As shown in Figure 5, the 3D shape measurement unit and the terahertz wave measurement unit are installed on a base such as a stone granite, and a 3D shape measurement zone is on one side of the base and a 3D shape measurement zone is on the other side. The terahertz wave measurement area (thickness measurement zone) is located.

상기 3차원 형상측정 영역(3D 형상 측정 zone)에는 측정 대상체의 3차원 형상을 측정하는 3차원 형상측정부가 배치되어 측정체의 3차원 외관 형상을 측정한다. 측정 대상체는 3차원 형상측정 영역에서 테라헤르츠파 측정 영역으로 이송부에 의해 자동 이송된다. 3차원 형상측정 영역에서 측정체의 3차원 형상을 측정이 완료되면 이송부는 측정 대상을 테라헤르츠파 측정 영역으로 이송한다. 이송부는 또한 3차원 형상측정부가 측정체의 3차원 형상을 스캔할 수 있도록 3차원 형상측정 영역 내에서 측정체를 소정의 미세 거리만큼 순차로(이송-정지/측정-이송-정지/측정) 이송한다. A 3D shape measuring unit that measures the 3D shape of the measurement object is disposed in the 3D shape measurement zone to measure the 3D external shape of the measurement object. The measurement object is automatically transferred from the 3D shape measurement area to the terahertz wave measurement area by the transfer unit. Once the 3D shape of the object to be measured is completed in the 3D shape measurement area, the transfer unit transfers the measurement object to the terahertz wave measurement area. The transfer unit also sequentially transports the measured object a predetermined fine distance (transfer-stop/measurement-transfer-stop/measure) within the 3D shape measurement area so that the 3D shape measuring unit can scan the 3D shape of the measured object. do.

이송부는 베이스부 상에 설치되는 선형 이동수단, 예를 들어 이송 레일, 이송레일을 따라 이동하는 가이드 블록 및 모터를 포함할 수 있다. 측정체는 상기 가이드 블록 상에 위치하여 이송된다. The transfer unit may include a linear moving means installed on the base unit, for example, a transfer rail, a guide block moving along the transfer rail, and a motor. The measurement object is positioned and transported on the guide block.

도 5 내지 8을 참조하여 3차원 형상측정부를 설명한다. 도 5의 우측에 도시된 측정시스템 상면도와 같이, 측정대상물(측정체)은 3차원 형상측정 영역(zone)에서 라인 레이저(line laser)와 카메라를 사용이용한 3D scan 을 통해 굴곡면의 형상을 얻어내게 된다. 이렇게 굴곡면 형상을 획득한 후 정보처리장치에 의해 처리된 후 측정 대상 영역의 좌표 등이 로봇 암으로 전달된다. The three-dimensional shape measuring unit will be described with reference to FIGS. 5 to 8. As shown in the top view of the measurement system shown on the right side of Figure 5, the measurement object (measurement object) obtains the shape of the curved surface through 3D scan using a line laser and camera in the 3D shape measurement zone. It becomes mine. After the curved surface shape is acquired and processed by the information processing device, the coordinates of the measurement target area are transmitted to the robot arm.

도 6 내지 8은 3차원 형상측정영역에서 라인 레이저(line laser)와 카메라를 사용하여 3D 스캔을 하고 굴곡면의 3차원 형상 획득 및 이에 따른 측정점 편집과정을 보여주고 있다.Figures 6 to 8 show the 3D scan using a line laser and a camera in the 3D shape measurement area, the acquisition of the 3D shape of the curved surface, and the process of editing the measurement points accordingly.

도 5, 6에 도시된 바와 같이, 3차원 형상측정 영역에 설치되고 이 지지부의 상부에 라인 레이저 광원 및 카메라가 서로 이격 설치되어 하부의 이송부에 의해 이송되는 측정체를 측정한다. 라인 레이저 광원은 녹색 라인 레이저(Green line laser)를 측정 대상체에 비추고 라인 레이저에 대해 비스듬하게 경사진 위치 상부에 설치된 카메라로 측정체를 촬상한다. 카메라가 라인 레이저 이미지가 조사된 대상체의 이미지를 얻으면, 상기 이미지는 높이에 따라 레이저 라인이 단차를 갖게 되며, 이 단차를 측정하여 측정체의 한 라인의 높이 프로파일(profile)을 얻게 된다. 측정체을 이동부에 의해 레이저 라인과 수직한 방향으로 소정 거리만큼 수평 이동시켜가면서 이 과정(촬상, 이미지로부터 높이 프로파일 획득)을 반복함으로써 대상체 전체에 대한 3차원 형상 맵을 얻게 된다. As shown in Figures 5 and 6, it is installed in the three-dimensional shape measurement area, and a line laser light source and a camera are installed on the upper part of this support part to measure the measurement object transported by the lower transport part. The line laser light source shines a green line laser onto the measurement object and captures images of the measurement object with a camera installed at an angle above the line laser. When a camera obtains an image of an object to which a line laser image has been irradiated, the image has a step in the laser line depending on the height, and by measuring this step, a height profile of one line of the measured object is obtained. By repeating this process (imaging, obtaining a height profile from the image) while moving the measuring object horizontally by a predetermined distance in the direction perpendicular to the laser line by the moving unit, a three-dimensional shape map of the entire object is obtained.

이미지 데이터의 처리를 통해 측정체의 3차원 형상 맵 데이터를 생성하는 방법은 컴퓨터 등의 정보처리 장치에 의해 수행되며, 이렇게 만들어진 데이터는 3차원 렌더링된다. 또한 렌더링된 3차원 모델에서 어느 지점을 측정할지를 알고리즘에 의해 자동 지정하도록 측정 레시피를 생성할 수 있으며, 경우에 따라서는 시스템 이용자가 원하는 측정 지점을 지정하고 편집할 수 있도록 인터페이스가 제공될 수 있다. 도 7은 측정점들을 편집하기 위한 인터페이스 화면이며, 좌측의 높이데이터 맵과 렌더링 화면을 이용하여 측정점들을 추가, 수정, 삭제 등의 편집작업을 진행하고, 그 결과는 측정 레시피(recipe)로 저장하게 된다. 이렇게 편집된 측정레시피는 도 8과 같이 자동측정시 반영된다. A method of generating 3D shape map data of a measured object through image data processing is performed by an information processing device such as a computer, and the data created in this way is 3D rendered. In addition, a measurement recipe can be created to automatically specify by an algorithm which point to measure in the rendered 3D model, and in some cases, an interface can be provided so that system users can specify and edit the desired measurement point. Figure 7 is an interface screen for editing measurement points. Editing operations such as adding, modifying, and deleting measurement points are performed using the height data map and rendering screen on the left, and the results are saved as a measurement recipe. . The measurement recipe edited in this way is reflected during automatic measurement, as shown in FIG. 8.

3차원 형상측정 영역에서 3차원 형상 측정이 완료된 측정체는 하단의 이송부에 의해 테라헤르츠파 측정 영역(두께 측정 zone)으로 이송된다. 테라헤르츠파 측정 영역에서 로봇 암에 설치된 테라헤르츠파 모듈에 의해 생성된 측정 레시피를 기초로측정체의 도장막이 측정된다. The measurement object for which the 3D shape measurement has been completed in the 3D shape measurement area is transferred to the terahertz wave measurement area (thickness measurement zone) by the transfer unit at the bottom. In the terahertz wave measurement area, the coating film of the measurement object is measured based on the measurement recipe generated by the terahertz wave module installed on the robot arm.

도 2 내지 4를 참조하여 측정체의 도장막 두께를 측정하는 테라헤르츠파 측정 유닛을 상술한다. 테라헤르츠파 측정 유닛은 다관절 로봇 암(robot arm), 상기 로봇 암의 헤드에 장착된 테라헤르츠파 모듈, 상기 테라헤르츠 모듈에 광섬유를 통해 연결되는 테라헤르츠 발생 및 감지용 광학시스템, 측정체 표면에 대한 테라헤르츠파의 조사 방향 및 거리를 감지하고 조정하기 위한 위치감지유닛을 포함한다.Referring to FIGS. 2 to 4, a terahertz wave measurement unit that measures the coating film thickness of a measurement object will be described in detail. The terahertz wave measurement unit includes a multi-joint robot arm, a terahertz wave module mounted on the head of the robot arm, an optical system for terahertz generation and detection connected to the terahertz module through an optical fiber, and a surface of the measurement object. It includes a position detection unit to detect and adjust the irradiation direction and distance of terahertz waves.

다관절 로봇 암은 테라헤르츠파 측정 영역의 일 측에 배치되어, 헤드에 장착된 테라헤르츠파 모듈의 에미터로부터 나오는 테라헤르츠파가 제1 광학계에 의해 측정체의 굴곡면에 법선 방향으로 조사될 수 있도록 3차원 위치제어된다. 에미터 및 테라헤르츠파를 측정체로 조사하는 제1 광학계, 측정체에 조사되어 반사된 테라헤르츠파를 감지부로 가이드 하는 제2 광학계, 및 상기 반사된 테라헤르츠파를 검출하는 감지부는 모듈화되어 단일 블록으로 형성되어 상기 테라헤르츠파 모듈에 포함된다. 이 때 테라헤르츠파 모듈은 한국 특허공개공보 제10-2023-0057528호에 표시된 테라헤르츠파 모듈과 동일한 구성일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. The articulated robot arm is placed on one side of the terahertz wave measurement area, and the terahertz wave emitted from the emitter of the terahertz wave module mounted on the head is irradiated in the normal direction to the curved surface of the measurement object by the first optical system. 3D position control is possible. The first optical system that irradiates the emitter and terahertz waves to the measurement object, the second optical system that guides the terahertz waves irradiated and reflected by the measurement object to the detection unit, and the detection unit that detects the reflected terahertz waves are modularized into a single block. is formed and included in the terahertz wave module. At this time, the terahertz wave module may have the same configuration as the terahertz wave module shown in Korean Patent Publication No. 10-2023-0057528, but is not limited to this.

한편 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 테라헤르츠파 발생 및 감지 광학시스템의 사진이다. 도 2를 참조하면, 테라헤르츠 발생 및 감지용 광학시스템은, 펨토초레이저를 분기하여 테라헤르츠 발생용 및 감지용 안테나로 전달해주기 위한 것으로서, 적외선대역의 펨토초레이저를 발생시켜 분기시켜주는 광학소자를 거쳐 절반은 에미터(emitter)용 커넥터로 직접 들어가고, 나머지는 fast scanner를 거쳐 일정한 시간 지연(time delay)이 이루어지도록 하여 감지부(detector)용 커넥터로 들어간다. 이때 시그널을 얻어내기 위한 범위(range)를 조정하기 위해 스테이지가 장착되어 있다. 여기서 전달된 펨토초레이저는 도 3과 같이 광섬유(optical fiber)를 통해 로봇암에 장착된 에미터(THz emitter) 및 감지부(detector)에 전달된다. Meanwhile, Figure 2 is a photograph of an optical system for generating and detecting terahertz waves according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the optical system for terahertz generation and detection is designed to branch the femtosecond laser and transmit it to the antenna for terahertz generation and detection, through an optical element that generates and branches the femtosecond laser in the infrared band. Half goes directly into the emitter connector, and the rest goes through a fast scanner and enters the detector connector with a certain time delay. At this time, a stage is installed to adjust the range for obtaining the signal. The femtosecond laser delivered here is transmitted to the emitter (THz emitter) and detector mounted on the robot arm through optical fiber, as shown in FIG. 3.

상기 광학시스템은 도 5와 같은 측정 시스템의 하단에 위치하고, 광섬유를 통해서 상단에 있는 로봇에 장착된 테라헤르츠파 모듈(THz head)의 에미터 및 감지부에 레이저를 전달한다. 큰 부피를 가지는 테라헤르츠 발생 및 감지용 광학시스템은 하단에 배치되고, 광섬유에 의해 레이저를 로봇 암의 헤드에 장착된 테라헤르츠파 모듈에 전달한다. 따라서 헤드에 테라헤르츠파 모듈이 장착된 로봇 암은 다양한 위치 및 자세로 이동이 가능하므로 굴곡면을 자유롭게 이동하여 상기 측정 레시피에 따라 다수의 측정 포인트를 테라헤르츠파 모듈로 자유롭게 측정할 수 있다. The optical system is located at the bottom of the measurement system as shown in Figure 5, and transmits laser to the emitter and detector of the terahertz wave module (THz head) mounted on the robot at the top through optical fiber. The terahertz generation and detection optical system, which has a large volume, is placed at the bottom and transmits the laser via optical fiber to the terahertz wave module mounted on the head of the robot arm. Therefore, the robot arm equipped with the terahertz wave module on the head can move to various positions and postures, so it can freely move the curved surface and freely measure multiple measurement points with the terahertz wave module according to the measurement recipe.

위치감지유닛은 측정체 표면에 대한 테라헤르츠파의 조사 방향 및 거리를 감지하고, 감지된 방향 및 거리에 기초하여 제어부는 테라헤르츠파 모듈 및 테라헤르츠파 모듈이 장착되는 로봇 암 헤드의 위치와 방향을 제어한다. The position detection unit detects the irradiation direction and distance of the terahertz wave on the surface of the measurement object, and based on the detected direction and distance, the control unit detects the position and direction of the terahertz wave module and the robot arm head on which the terahertz wave module is mounted. control.

테라헤르츠파 모듈의 에미터로부터 조사된 테라헤르츠파가 측정체 표면에서 반사되어 감지부로 감지되기 위해서는 측정체 표면 법선 방향으로 테라헤르츠파 모듈이 배치되어야 한다. 도 9에서 점선은 측정체 표면의 법선 방향이고, 실선 화살표는 조사된 테라헤르츠파가 측정체 표면에서 반사되는 것을 나타낸다. 즉, 정확한 측정을 위해서는 측정체 표면의 법선 방향에 대면되게 테라헤르츠파 모듈이 배치되어야 하고, 표면까지의 측정 거리도 적정 거리를 유지해야 한다. In order for the terahertz wave irradiated from the emitter of the terahertz wave module to be reflected from the surface of the measurement object and detected by the detection unit, the terahertz wave module must be placed in the normal direction of the surface of the measurement object. In Figure 9, the dotted line is the normal direction of the surface of the measurement object, and the solid arrow indicates that the irradiated terahertz wave is reflected from the surface of the measurement object. In other words, for accurate measurement, the terahertz wave module must be placed facing the normal direction of the surface of the measurement object, and the measurement distance to the surface must be maintained at an appropriate distance.

상기 위치감지유닛은 테라헤르츠파 모듈과 인접하게 로봇 암 헤드에 배치된다. 위치감지유닛은 조사면에 3개의 레이저 스팟을 형성하도록 정삼각형으로 배치된 3개의 레이저 포인터 및 3개의 레이저 포인터가 형성하는 삼각형의 중심에 배치되는 비전 카메라를 포함한다. 비전 카메라는 3개의 레이저 포인터가 정면에 위치한 표면에 조사된 경우 비전 카메라는 표면의 법선 상에 위치하여 3점이 형성하는 정삼각형을 촬상하도록 배치된다. The position detection unit is placed on the robot arm head adjacent to the terahertz wave module. The position sensing unit includes three laser pointers arranged in an equilateral triangle to form three laser spots on the irradiated surface, and a vision camera positioned at the center of the triangle formed by the three laser pointers. When three laser pointers are irradiated to a surface located in front, the vision camera is positioned on the normal line of the surface and is positioned to capture an equilateral triangle formed by the three points.

도 9는 테라헤르츠파 모듈(THz head)이 대상물 표면에 수직으로 입사되도록 법선방향으로 제어해 주기 위하여 레이저 3개 포인트를 찾아서 얼라인해 주는 개념을 설명하기 위한 것이다. 도 9와 같이, 3개의 레이저를 측정부위 근방에서 비추고 비전카메라를 사용하여 스팟(spot)의 센터를 구한 다음, 이것이 법선방향으로 얼라인되어 있을 때와의 차이를 구하여 테라헤르츠파 모듈(THz head)가 거리와 각도 측면에서 정확하게 위치하도록 로봇을 제어할 수 있도록 해준다. Figure 9 is to explain the concept of finding and aligning three laser points to control the terahertz wave module (THz head) in the normal direction so that it is incident perpendicularly on the surface of the object. As shown in Figure 9, three lasers are illuminated near the measurement area, the center of the spot is obtained using a vision camera, and then the difference from when it is aligned in the normal direction is calculated to determine the terahertz wave module (THz head). ) allows the robot to be controlled to be positioned accurately in terms of distance and angle.

도 10은 로봇암의 헤드에 설치된 위치감지유닛의 레이저와 비전 카메라의 배치 및 측정체 표면과의 관계 및 비전 카메라가 촬상한 레이저 스팟을 나타낸 것이다. 3개의 레이저는 카메라를 중심으로 정삼각형의 꼭지점에 각기 배치되고, 카메라 광축이 3 레이저가 만드는 레이저 스팟 삼각형의 중심과 대략 대향하도록 배치된다. 각각의 레이저 포인터는 중심의 카메라 전면의 광축을 향하도록 비스듬한 자세로 배치된다. 도 10에서는 2 개의 레이저만 보이지만, 나머지 하나의 레이저는 카메라 후면에 배치된다. 따라서 카메라가 측정체 표면의 법선위에 위치할 때 촬상 이미지는 3개의 레이저에 의한 레이저 스팟이 정삼각형을 형성하도록 하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, 다른 정해진 형태의 삼각형을 이루도록 할 수도 있다. 이렇게 기준 삼각형 이미지와 실제 측정 이미지의 삼각형의 차이를 이용하여 측정체 표면의 법선 방향 정렬여부를 확인할 수 있다. 즉, 이미지에서 3개의 레이저 스팟의 중심을 구하고, 중심이 상기 표면에 대해 법선 방향으로 얼라인되었을 때와의 차이를 이용하여 법선방향으로 얼라인한다. 이렇게 먼저 법선 방향 얼라인을 한 이후 표면과의 거리를 조정할 수 있으나 이에 한정하지 않고 거리 조절 후 법선 방향 얼라인을 조정할 수도 있다. Figure 10 shows the arrangement of the laser and vision camera of the position detection unit installed on the head of the robot arm, the relationship with the surface of the measurement object, and the laser spot captured by the vision camera. The three lasers are placed at the vertices of an equilateral triangle with the camera as the center, and the camera optical axis is arranged to be approximately opposite to the center of the laser spot triangle created by the three lasers. Each laser pointer is placed at an angle so that it faces the optical axis in front of the central camera. In Figure 10, only two lasers are visible, but the other laser is placed on the back of the camera. Therefore, when the camera is located on the normal line of the surface of the measurement object, it is preferable that the image captured by the three lasers forms an equilateral triangle, but is not limited to this and can also form a triangle of another defined shape. In this way, using the difference between the triangles of the reference triangle image and the actual measurement image, it is possible to check whether the normal direction of the surface of the measurement object is aligned. That is, the centers of the three laser spots in the image are obtained and aligned in the normal direction using the difference from when the centers were aligned in the normal direction with respect to the surface. After first aligning the normal direction, the distance to the surface can be adjusted. However, this is not limited to this, and the normal direction alignment can also be adjusted after adjusting the distance.

한편, 도 10(a)에서 측정거리가 가까운 경우 레이저 스팟들 사이의 거리는 멀어지고, (b)를 적정 거리로 판단하며, (c)는 측정거리가 먼 경우로 이 때는 스팟 사이의 거리가 가까워진다. On the other hand, in Figure 10(a), when the measurement distance is close, the distance between the laser spots becomes distant, and (b) is judged to be an appropriate distance. (c) is a case where the measurement distance is long. In this case, the distance between the spots is close. Lose.

도 11은 z축(표면 법선 방향)으로의 측정체 표면과의 거리를 변화한 경우 레이저 스팟의 형상 변화를 나타낸다. 로봇암의 헤드에 설치된 위치감지유닛을 일정한 간격으로 Z축 방향으로 이동하면서 촬상 이미징의 레이저 스팟들 간의 거리와 기준 위치 Z축 거리 사이의 관계를 구한다. 기준 위치 보다 가까울수록 3 스팟이 형성하는 삼각형은 커지고, 기준 위치보다 멀수록 이 삼각형은 작아진다. Figure 11 shows a change in the shape of a laser spot when the distance from the surface of the measurement object in the z-axis (surface normal direction) changes. By moving the position detection unit installed on the head of the robot arm in the Z-axis direction at regular intervals, the relationship between the distance between the laser spots of imaging and the reference position Z-axis distance is obtained. The closer it is to the reference position, the larger the triangle formed by the 3 spots becomes, and the farther it is from the reference position, the smaller this triangle becomes.

이를 이용하여 실 측정 위치에서 스팟들 간의 거리를 구하여 Z 축 기준 위치와 현재 위치의 차이를 구한다.Using this, the distance between the spots at the actual measurement position is obtained and the difference between the Z-axis reference position and the current position is obtained.

도 12는 레이저 스팟 촬상 이미지를 예시적으로 나타낸 것이고, 여기에서 a, b, c는 각기 스팟 중심 간 거리를 나타낸다. 즉, 이미지에서 각 레이저 스팟의 중심간 거리의 합(S=a+b+c)을 기준 위치에서의 스팟 중심간 거리의 합과 비교함으로써 현제 z축 방향의 위치를 알 수 있다. FIG. 12 exemplarily shows a laser spot imaging image, where a, b, and c represent the distance between spot centers, respectively. In other words, the current position in the z-axis direction can be known by comparing the sum of the distances between the centers of each laser spot in the image (S=a+b+c) with the sum of the distances between the centers of the spots at the reference position.

도 13은 스팟 중심 간의 거리의 합과 z축 방향 위치의 관계를 나타낸 그래프이다. 구체적으로 그래프의 가로축(x)은 기준위치에서의 이미지 스팟 중심 간의 거리의 합과의 차이를, 세로축(y)은 위치감지유닛의 z축 방향(표면 법선 방향)의 기준위치에 대한 차이를 나타낸다. 따라서 원점은 기준 위치에서의 스팟 중심간 거리를 0으로, 기준 위치를 0으로 나타낸다. 즉, 가로축은 SA-SB로, z축 방향 특정 위치 A에서의 스팟 중심간 거리의 합이 SA이고, 기준 위치(B)에서의 촬상 이미지의 스팟 중심간 거리의 합이 SB이고, 세로축은 Az-Bz로 A 위치에서의 표면으로부터 법선방향 거리, Bz는 기준위치에서의 표면으로부터 법선방향 거리이다. 도 13의 그래프는 이것이 선형 관계를 이루는 것을 보여준다. Figure 13 is a graph showing the relationship between the sum of distances between spot centers and the z-axis position. Specifically, the horizontal axis (x) of the graph represents the difference from the sum of the distances between the image spot centers at the reference position, and the vertical axis (y) represents the difference with respect to the reference position in the z-axis direction (surface normal direction) of the position detection unit. . Therefore, the origin represents the distance between the spot centers at the reference position as 0 and the reference position as 0. That is, the horizontal axis is SA-SB, the sum of the distance between the centers of the spots at a specific position A in the z-axis direction is SA, the sum of the distances between the centers of the spots of the captured image at the reference position (B) is SB, and the vertical axis is Az. -Bz is the normal distance from the surface at position A, and Bz is the normal distance from the surface at the reference position. The graph in Figure 13 shows that this forms a linear relationship.

따라서 현재 위치에서의 이미지 스팟 중심간의 거리의 합에서 기준위치에서의 이미지 스팟 중심 간의 거리의 합을 뺀 값이 0보다 크면 표면에서 멀리 있으므로 기준 위치까지 이동하고, 그 값이 0보다 작으면 너무 가까우므로 기준 위치로 표면에서 멀어지게 이동한다. Therefore, if the sum of the distances between the centers of the image spots at the current position minus the sum of the distances between the centers of the image spots at the reference position is greater than 0, it is far from the surface and moves to the reference position, and if the value is less than 0, it is too close. Therefore, the reference position moves away from the surface.

도 14는 얼라인이 끝난 측정헤드로부터 시그널을 획득하여 도장면의 두께를 구하기 위한 과정을 보여준다. 도장면의 표면과 내부 금속 레이어로부터 반사되는 파의 피크를 찾아서 그 차이를 시간차이로 구하고, 이로부터 재료의 굴절률과 광속을 이용하여 막의 두께를 구할 수 있다. Figure 14 shows the process of obtaining a signal from an aligned measurement head to obtain the thickness of the painted surface. By finding the peak of the wave reflected from the surface of the painted surface and the internal metal layer, the difference is calculated as the time difference, and from this, the thickness of the film can be calculated using the refractive index of the material and the flux of light.

테라헤르츠파 측정 시스템의 제어부는 라인 레이저, 카메라, 이송부, 정보처리장치, 로봇암, 테라헤르츠파 측정 모듈을 제어하여 상술한 과정들을 자동화한다. The control unit of the terahertz wave measurement system automates the above-described processes by controlling the line laser, camera, transfer unit, information processing device, robot arm, and terahertz wave measurement module.

이 시스템을 사용하여 도 15와 같이 시료의 여러 점을 측정하였을때 1 sec/point 이내에 측정을 완료함으로써 빠른 측정속도를 구현할 수 있었다.When measuring multiple points on the sample using this system as shown in Figure 15, the measurement was completed within 1 sec/point, enabling fast measurement speed.

본 발명은 굴곡면의 도장막 두께를 측정하기 위한 것이지만, 일반적인 평면을 포함한 테라헤르츠파가 통과하여 반사되어 돌아오는 모든 도장막의 두께측정에 사용될 수 있다.Although the present invention is intended to measure the thickness of a coating film on a curved surface, it can be used to measure the thickness of any coating film through which terahertz waves, including general planes, pass and are reflected.

본 발명에 의하면, 비파괴, 비접촉식으로 테라헤르츠파의 분광특성을 이용하여 측정하기 위한 기본구성요소 및 시스템을 개발하였으며, 로봇을 사용하여 곡률형상에 대해서 자동으로 형상을 측정하여 측정포인트들을 지정하도록 하였고, 빠른 시간에 많은 측정포인트들에 대해 정확한 측정이 가능하도록 하여 실제 산업현장에서 사용될 수 있도록 하였다.According to the present invention, basic components and a system for measurement using the spectral characteristics of terahertz waves were developed in a non-destructive and non-contact manner, and a robot was used to automatically measure the shape of the curvature and designate measurement points. , It enables accurate measurement of many measurement points in a short period of time, allowing it to be used in actual industrial sites.

테라헤르츠파 분광시스템을 개발하여 이를 공장 또는 유사현장에서 사용될 수 있는 로봇에 의한 측정시스템에 탑재하여 자동으로 도막두께를 측정하도록 함으로써, 국내 및 해외 기존 비파괴 측정 시장에 진입할 뿐 아니라 자동차, 항공기, 선박, 군수 등의 분야에서 다양한 응용 기술을 개발함으로써 경제적 파급효과 창출할 수 있다.By developing a terahertz wave spectroscopic system and mounting it on a robot-based measurement system that can be used in factories or similar sites to automatically measure film thickness, we will not only enter the existing domestic and overseas non-destructive measurement market, but also use it in automobiles, aircraft, Economic ripple effects can be created by developing various application technologies in fields such as shipping and military logistics.

Claims (7)

테라헤르츠파를 이용하여 측정체 표면에 형성된 도장막의 두께를 측정하는 테라헤르츠파 측정 시스템으로서,
테라헤르츠파 에미터 및 테라헤르츠파 감지부를 포함하는 테라헤르츠 모듈과,
헤드에 상기 테라헤르츠파 모듈이 장착되는 로봇 암과,
측정체를 이송하는 이송부를 포함하고,
측정체에 상기 테라헤르츠파 에미터로부터 테라헤르츠파를 조사하고, 테라헤르츠파 감지부는 상기 측정체로부터 반사되는 테라헤르츠파를 감지하고,
상기 로봇 암의 헤드에는 상기 테라헤르츠 모듈이 측정체의 측정 대상면에 대한 테라헤르츠파 모듈의 위치를 측정하기 위한 복수의 레이저 포인터 및 비전 카메라가 배치되고,
상기 복수의 레이저 포인터는 각기 레이저 광을 측정체 표면에 조사하고, 비전 카메라는 상기 측정체 표면에 조사된 레이저의 스팟을 포함하는 이미지를 촬상하는, 테라헤르츠파 측정 시스템.
A terahertz wave measurement system that measures the thickness of a coating film formed on the surface of a measurement object using terahertz waves,
A terahertz module including a terahertz wave emitter and a terahertz wave detection unit,
A robot arm on which the terahertz wave module is mounted on the head,
It includes a transfer unit that transfers the measurement object,
A terahertz wave is irradiated from the terahertz wave emitter to a measuring object, and the terahertz wave detection unit detects the terahertz wave reflected from the measuring object,
A plurality of laser pointers and vision cameras are disposed on the head of the robot arm for the terahertz module to measure the position of the terahertz wave module with respect to the measurement target surface of the measurement object,
A terahertz wave measurement system in which the plurality of laser pointers each irradiate laser light to the surface of the measurement object, and the vision camera captures an image including a spot of the laser irradiated to the surface of the measurement object.
제1항에 있어서,
상기 복수의 레이저 포인터에 의해 3개의 레이저 스팟이 표면에 조사되고,
비전 카메라가 촬상한 상기 3개의 레이저 스팟의 이미지를 처리하여, 3개의 레이저 스팟이 측정체 표면에 대해 법선 방향으로 기준 위치에 얼라인되었을 때와의 형상 또는 크기의 차이를 구하여, 상기 표면에 대한 테라헤르츠파 모듈의 거리 및 각도를 조정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
According to paragraph 1,
Three laser spots are irradiated to the surface by the plurality of laser pointers,
By processing the images of the three laser spots captured by the vision camera, the difference in shape or size from when the three laser spots are aligned at the reference position in the normal direction to the surface of the measurement object is obtained, and the difference in shape or size for the surface is obtained. A terahertz wave measurement system characterized by adjusting the distance and angle of the terahertz wave module.
제1항에 있어서,
상기 이송부의 상류 측에는 상기 측정체의 3차원 형상을 측정하여 측정체의 측정 대상 영역 정보를 자동으로 생성하는 3차원 형상측정부가 배치되고,
상기 이송부의 하류 측에는 상기 로봇 암이 포함되는 로봇부가 배치되고,
상기 3차원 형상 측정부는 라인 레이저와 카메라를 이용하여 3차원 스캔을 하여 측정체의 3차원 맵을 획득하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
According to paragraph 1,
A three-dimensional shape measurement unit is disposed on the upstream side of the transfer unit to measure the three-dimensional shape of the measurement object and automatically generate measurement target area information of the measurement object,
A robot unit including the robot arm is disposed on the downstream side of the transfer unit,
A terahertz wave measurement system, wherein the 3D shape measurement unit performs 3D scanning using a line laser and a camera to obtain a 3D map of the measured object.
제3항에 있어서,
3차원 형상측정부는 상기 라인 레이저를 측정체에 비추고 상기 라인 레이저에 대해 경사지게 설치된 상기 카메라로 이미지를 얻고,
촬상된 이미지에서 측정체의 높이에 따라 레이저 라인이 단차를 갖게 되며, 이 단차를 측정하여 한 라인의 높이 프로파일을 얻고, 측정체을 이동시켜가면서 이 과정을 반복함으로써 측정체 표면에 대한 3차원 맵을 획득하는 것 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
According to clause 3,
The 3D shape measuring unit shines the line laser on the measurement object and obtains an image with the camera installed at an angle with respect to the line laser,
In the captured image, the laser line has a step depending on the height of the measurement object. This step is measured to obtain a height profile of one line, and by repeating this process while moving the measurement object, a three-dimensional map of the surface of the measurement object is created. A terahertz wave measurement system characterized by obtaining.
테라헤르츠파 측정 시스템으로서,
일측에 3차원 형상측정 영역이, 타측에는 테라헤르츠파 측정 영역이 위치하는 베이스부;
상기 3차원 형상측정 영역에 배치된 측정체의 3차원 외관 형상을 측정하는 3차원 형상측정부;
테라헤르츠파 측정 영역에 배치되고, 상기 측정된 3차원 외관 형상에 기초하여 생성된 측정 레시피에 따라 테라헤르츠파를 이용하여 측정체 표면에 형성된 막 두께를 자동 측정하는 테라헤르츠파 측정 유닛;
상기 3차원 형상측정 영역에서 3차원 형상 측정이 완료된 상기 측정체를 3차원 형상측정 영역으로부터 테라헤르츠파 측정 영역으로 이송하기 위한 이송부; 및
테라헤르츠파 측정 시스템 전체를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 테라헤르츠파 측정 유닛은 로봇암, 상기 로봇암의 헤드에 장착된 테라헤르츠파 모듈, 상기 테라헤르츠 모듈에 광섬유를 통해 연결되는 테라헤르츠 발생 및 감지용 광학시스템, 및 측정체 표면에 대한 테라헤르츠파의 조사 방향 및 거리를 측정하기 위한 위치감지유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
As a terahertz wave measurement system,
A base portion in which a three-dimensional shape measurement area is located on one side and a terahertz wave measurement area is located on the other side;
a 3D shape measuring unit that measures the 3D external shape of a measurement object disposed in the 3D shape measurement area;
a terahertz wave measurement unit disposed in the terahertz wave measurement area and automatically measuring the film thickness formed on the surface of the measurement object using terahertz waves according to a measurement recipe generated based on the measured three-dimensional external shape;
a transfer unit for transferring the measurement object for which the 3D shape measurement has been completed in the 3D shape measurement area from the 3D shape measurement area to the terahertz wave measurement area; and
It includes a control unit that controls the entire terahertz wave measurement system,
The terahertz wave measurement unit includes a robot arm, a terahertz wave module mounted on the head of the robot arm, an optical system for terahertz generation and detection connected to the terahertz module through an optical fiber, and a terahertz wave measurement unit on the surface of the measurement object. A terahertz wave measurement system comprising a position detection unit for measuring the irradiation direction and distance of the wave.
제5항에 있어서,
3차원 형상측정부는 라인 레이저 및 상기 라인 레이저에 대해 경사지게 설치된 상기 카메라를 포함하고,
상기 라인 레이저는 측정체에 조사되고, 상기 카메라는 레이저 라인이 표면에 투사된 측정체의 이미지를 촬상하고,
촬상된 이미지를 처리하여 측정체의 높이에 따라 레이저 라인이 갖는 단차를 측정하여 한 라인의 높이 프로파일을 얻고, 측정체을 이동시켜가면서 위치별 측정을 반복함으로써 측정체 표면에 대한 3차원 맵을 획득하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
According to clause 5,
The three-dimensional shape measuring unit includes a line laser and the camera installed at an angle with respect to the line laser,
The line laser is irradiated to the measurement object, and the camera captures an image of the measurement object with the laser line projected onto the surface,
By processing the captured image, the height profile of one line is obtained by measuring the difference in the laser line according to the height of the measurement object, and by repeating the measurement for each position while moving the measurement object, a three-dimensional map of the surface of the measurement object is obtained. A terahertz wave measurement system characterized by:
제5항에 있어서,
상기 위치감지유닛은 테라헤르츠파 모듈과 인접하게 로봇암 헤드에 배치되고, 측정체 표면에 3개의 레이저 스팟을 형성하도록 정삼각형으로 배치된 3개의 레이저 포인터 및 3개의 레이저 포인터가 형성하는 삼각형의 중심에 배치되는 비전 카메라를 포함하고,
상기 비전 카메라는 측정체 표면의 상기 3개의 레이저 포인인터가 조사한 레이저 스팟을 포함하는 이미지를 획득하고,
상기 이미지에서 각 레이저 스팟의 중심간 거리의 합(S=a+b+c)을 기준 위치에서 획득한 이미지의 레이저 스팟 중심간 거리의 합과 비교함으로써 테라헤르츠파 모듈의 z축 방향의 위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 측정 시스템.
According to clause 5,
The position detection unit is placed on the robot arm head adjacent to the terahertz wave module, has three laser pointers arranged in an equilateral triangle to form three laser spots on the surface of the measurement object, and is located at the center of the triangle formed by the three laser pointers. Including a deployed vision camera,
The vision camera acquires an image including a laser spot irradiated by the three laser pointers on the surface of the measurement object,
The position of the terahertz wave module in the z-axis direction is determined by comparing the sum of the distances between the centers of each laser spot in the image (S=a+b+c) with the sum of the distances between the centers of the laser spots in the image acquired at the reference position. A terahertz wave measurement system characterized by confirmation.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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