KR100912043B1 - 비접촉식 형상 측정 장치 - Google Patents

비접촉식 형상 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 소정 주파수를 갖는 광을 방출하고 측정 대상물로부터의 반사광에 대응하여 전기 신호를 출력하는 적어도 두 개의 광 방출/감지 센서와, 이 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서를 서로 이격시켜 탑재하는 지지체로 구성되는 광 방출/감지 유닛; 광 방출/감지 유닛을 측정 대상물에 대해 상하 이동시키는 상하 이동 유닛; 광 방출/감지 유닛 및 상하 이동 유닛의 구동을 제어하며, 상기 전기 신호 및 상기 상하 이동 유닛의 이동량에 기초하여 측정 대상물의 형상을 측정하는 형상 측정 제어 유닛;을 포함하는 비접촉식 형상 측정 장치를 제공한다.
비접촉, 형상 측정 장치, 지지체

Description

비접촉식 형상 측정 장치{NONCONTACT-TYPE SHAPE MEASURING APPARATUS}
본 발명은 비접촉식 형상 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평판 디스플레이 장치들에 사용되는 평판 유리와 같은 경면 물체에 대한 평판도 및 두께와 같은 형상을 비접촉식으로 측정하는 장치에 관한 것이다.
평판 디스플레이 장치들은 대형화 및 고화질 등의 특성이 요구됨에 따라, 평판 유리에 대해서 고정밀도의 형상이 요구된다. 한편, 이러한 평판 디스플레이 장치를 구성하는 평판 유리는 표면이 광택을 갖거나 투명하기 때문에, 평판 유리의 두께와 같은 형상을 측정하는 데에는 특별한 방법을 이용하여야만 한다.
한국 등록 특허 제371933호(명칭 : 비접촉식 경면물체의 형상측정장치)에서는, 컴팩트 디스크(CD)용 광픽업 홀로그램 레이저와 대물 렌즈로 구성된 비접촉식 형상 측정 장치를 개시하였다.
이 특허에 개시된 측정 장치는, ±1㎛의 오차를 갖는 고정밀도로 평판 유리의 두께를 측정할 수 있었으며, 추가로 구성한 열전자 냉각 장치에 의해 레이저를 포함한 광학계의 온도를 일정하게 제어함으로써 온도 변화에 따른 측정 오차를 최소화하였다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 상기한 특허에 개시된 종래 기술에 따른 측정 장치의 동작 원리에 대해 설명한다. 도 1은 종래의 기술에 따른 광학 소자(본 명세서에서는 '광 방출/감지 센서'에 대응함)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2(a) 내지 도 2(d)는 5분할 포토 다이오드의 출력 회로 구성 및 광 방출/감지 센서와 측정 대상물의 거리에 따라 5분할 포토 다이오드의 표면에 입사되는 광의 형태를 나타낸 도면이다. 도 3은 종래의 기술에 따른 측정 장치를 이용하여 측정 대상물의 두께를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 있어서의 비접촉식 경면 물체의 형상 측정 장치를 구성하는 광 방출/감지 센서(12)는, 레이저 다이오드(12a), 5분할 포토 다이오드(12b), 대물렌즈(12c), 집광기(12d) 및 홀로그램 렌즈(12e)를 포함하여 이루어진다.
레이저 다이오드(12a)는 소정 파장을 갖는 광을 발생시킨다. 발생된 광은 홀로그램 렌즈(12e)를 통과한 후, 대물 렌즈(12c)와 집광기(12d)를 통과해 측정 대상물(1)의 표면에 입사된다.
측정 대상물(1)에 입사된 광은 측정 대상물(1)의 표면에서 반사되어, 다시 대물 렌즈(12c)와 집광기를 통과한 후, 홀로그램 렌즈(12e)에서 주광과 부광으로 분리되어 5분할 포토 다이오드(12b)의 표면에 입사된다.
5분할 포토 다이오드(12b)는 5분할된 표면의 각 부분에 입사되는 광의 유무, 파장, 강도 등에 대응하는 전기 신호(예를 들면, 전압)를 생성하여 출력한다.
측정 대상물(1)로부터 반사된 광을 주광과 부광으로 분리하기 위해 홀로그램 렌즈(12e)는 일측 표면에는 홀로그램이 형성되며, 타측 표면에는 회절 격자가 형성된다. 이후, 회절 격자에 의해 분리된 주광은 이후 5분할 포토 다이오드(12b)에 의한 형상 측정에 이용된다.
5분할 포토 다이오드(12b)는 도 2(a)와 같이, 5분할 영역 중의 D2 및 D3 영역의 각각의 출력을 차동 증폭기(12f)의 입력으로 한다. D2 및 D3의 각 영역에서 입사되는 광의 존재 유무, 파장, 강도 등에 대응하여 전기 신호를 각각 츨력하게 되며, 이 전기 신호들의 합은 차동 증폭기(12f)에서 "초점 에러 신호"로서 출력된다. 초점 에러 신호는 예를 들면, 도 3(b)와 같은 형태가 된다.
도 2(b)는, 광 방출/감지 센서(12)가 측정 대상물(1)에 대해 초점 거리 이상으로 떨어져 있는 경우, 측정 대상물(1)로부터 반사되어 회절 격자에 의해 분리된 주광이 5분할 포토 다이오드의 D2 영역에 입사된 상태를 나타낸다. 이때는 차동 증폭기(12f)로부터 (+)의 위상을 갖는 초점 에러 신호가 출력된다.
도 2(c)는, 광 방출/감지 센서(12)의 초점 거리 내에 측정 대상물(1)의 일 표면이 위치한 경우로서, 측정 대상물(1)로부터 반사되어 회절 격자에 의해 분리된 주광이 5분할 포토 다이오드의 D2 영역 및 D3 영역에 걸쳐진 상태를 나타낸다. 이때는 차동 증폭기(12f)로부터 출력되는 초점 에러 신호가, 바람직하게는, 0(영)이 된다.
도 2(d)는, 광 방출/감지 센서(12)가 측정 대상물(1)에 대해 초점 거리 이내로 가까이 있는 경우, 측정 대상물(1)로부터 반사되어 회절 격자에 의해 분리된 주광이 5분할 포토 다이오드의 D3 영역에 입사된 상태를 나타낸다. 이때는 차동 증폭 기(12f)로부터 (-)의 위상을 갖는 초점 에러 신호가 출력된다.
이러한 5분할 포토 다이오드(12b)를 구비한 광 방출/감지 센서(12)를 측정 대상물(1)에 대해 접근시키면서 출력되는 초점 에러 신호를 이용하여 측정 대상물(1)의 형상(두께)을 측정하는 원리를 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하여 설명한다.
도 3(a)는 측정 대상물(1)에 이격되어 배치된, 초점 거리가 f0인 광 방출/감지 센서(12)가 광을 방출하면서(5분할 포토 다이오드에 의한 초점 에러 신호의 출력을 검출하면서) 측정 대상물(1)에 근접하는 방향으로 이동하는 상태를 나타낸다.
도 3(b)는, 이동하는 광 방출/감지 센서(12)로부터 출력되는 초점 에러 신호의 형태를 나타낸다. 이 파형에서는 두 번의 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 측정 대상물(1)의 각각의 표면(A 및 B)에 대응하여 발생한 것이다.
광 방출/감지 센서(12)의 초점이 측정 대상물(1)의 앞표면(제 표면(1A))을 통과할 때는 d1 구간, 측정 대상물(1)의 뒷표면(제2 표면(1B))을 통과할 때는 d2 구간으로 한다. 이때, a' 및 b'은 공기중에서 측정 대상물(1)의 앞표면(1A)으로 이동하는 경우 및 측정 대상물(1)의 뒷표면(1B)에서 공기중으로 이동하는 경우의 굴절률이 급격하게 변하는 지점으로서, d1 및 d2 영역에서 초점 에러 신호의 위상이 반전되는 구간이 된다.
따라서, 이 구간이 발생하는 위치를 측정하여 측정 대상물(1)의 형상(예를 들면, 두께)을 측정할 수 있게 된다.
상술한 특허에 개시된 비접촉식 경면 물체의 형상 측정 장치는, 하나의 측정 장치를 측정 대상물인 평판 유리의 임의의 두께 측정 지점으로 수평 이동시키고, 이 위치에서 평판 유리의 두께를 측정하기 위해서 상하 이동하여야만 한다.
따라서, 대형화에 의해 대면적화된 평판 유리와 같은 측정 대상물은 다수의 지점에서 두께를 측정할 필요가 있으며, 이 경우에는 각 지점으로 측정 장치가 이동해야만 하는 범위도 넓어지게 되며, 측정 장치를 각 지점마다 순차적으로 이동시키고 두께를 측정해야 하기 때문에 측정 시간이 많이 소요되고, 측정 장치의 크기도 이러한 이동 범위를 지원할 수 있도록 대형화되어야 한다는 문제점이 있었다.
상기한 문제점을 해결하고자 하는 본 발명은, 소정 주파수를 갖는 광을 방출하고 측정 대상물로부터의 반사광에 대응하여 전기 신호를 출력하는 적어도 두 개의 광 방출/감지 센서와, 이 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서를 서로 이격시켜 탑재하는 지지체로 구성되는 광 방출/감지 유닛; 광 방출/감지 유닛을 측정 대상물에 대해 상하 이동시키는 상하 이동 유닛; 광 방출/감지 유닛 및 상하 이동 유닛의 구동을 제어하며, 상기 전기 신호 및 상기 상하 이동 유닛의 이동량에 기초하여 측정 대상물의 형상을 측정하는 형상 측정 제어 유닛;을 포함하는 비접촉식 형상 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 광 방출/감지 유닛에 있어서, 상기 지지체에 탑재된 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서는 상기 측정 표면에 대하여 서로 다른 높이를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 비접촉식 형상 측정 장치는, 회전 모터 및 상기 회전 모터로부터 연장되며 상기 지지체에 연결된 회전축을 포함하는 회전 유닛을 더 포함하고, 상기 회전 유닛은 상기 지지체를 회전시킴으로써, 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서를 상기 측정 대상물의 측정 표면에 대해 평행하게 회전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지체에 탑재된 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서는 상기 회전 유닛의 회전축에 대해 동일 원주 상에 배치되는 것을 특징으로 하며, 상기 동일 원주 상에 배치된 상기 적어도 두 개의 광 방출/감지 센서는 동일한 초점거리를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 비접촉식 형상 측정 장치는, 상기 측정 대상물을 상기 광 방출/감지 유닛에 대해 수평으로 이송하는 측정 대상물 이송 유닛을 더 포함한다.
본 발명은, 다수의 지점에서 두께를 측정할 필요가 있는, 대형화 및 대면적화된 평판 유리와 같은 측정 대상물에 대한 두께 측정을 신속하게 수행할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 실시예에 따른 형상 측정 장치(100)는 도 4와 같은 구성으로 이루어지며, 도 5는 이러한 구성을 갖는 형상 측정 장치(100)의 기계적인 구조만을 개략적으로 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 비접촉식 형상 측정 장치(100)에 있어서, 지지체에 두 개의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)가 탑재된 형태를 일 실시예로 하여 설명한다.
도 4에 따르면, 본 실시예에 따른 형상 측정 장치(100)는, 광 방출/감지 유닛(12A, 12B), 상하 이동 유닛(20), 회전 유닛(40), 측정 제어 유닛(30) 및 측정 대상물 이송 유닛(50)을 포함하여 이루어진다.
광 방출/감지 유닛(10)은, 소정 주파수의 광을 다수의 렌즈를 통과하여 측정 대상물(1)의 표면으로 방출하고, 측정 대상물(1)의 표면으로부터 반사되는 광을 감지하여 이 광에 대응하는 전기 신호인 초점 에러 신호를 출력하는 광 방출/감지 센서(12)와, 이 광 방출/감지 센서(12)가 소정의 위치에 탑재된 지지체(14)를 포함하여 이루어진다.
이때의 본 발명의 일 실시예에 있어서, 지지체(14)에는 두 개의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)가 구비되며, 이 두 개의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)는 동일한 초점 거리를 가지며, 이후 설명할 회전 유닛(40)의 회전축(44)에 의한 지지체(14)의 회전 중심에 대하 동일 원주상에 배치되도록 한다. 또한, 두 개의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)는 기준면(예를 들면, 회전축에 수직인 수평면)에 대해 소정 거리의 단차(d)를 갖는 것으로 한다. 따라서, 각각의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)는 측정 대상물(1)의 측정 표면에 대해 서로 다른 높이를 갖게 된다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정 장치(100)는 광범위한 영역에 대하여 신속한 형상 측정이 가능하게 된다.
상하 이동 유닛(20)은, 광 방출/감지 유닛(10)의 지지체(14) 및 광 방출/감지 센서(12)를 상하로 이동시키기 위한 구성으로서, 나선축(24)과 이 나선축(24)을 회전축으로 하는 상하 이동용 모터(22)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상하 이동 유닛(20)은, 본 발명에서는 나선축(24)과 상하 이동용 모터(22)로 이루어지는 구성을 이용하여 설명하지만, 직선 운동을 발생하는 액추에이터 등을 이용하여 구성할 수도 있다.
회전 유닛(40)은, 회전축(44)과 이 회전축(44)에 대해 회전 구동력을 인가하는 회전용 모터(42)를 포함하여 이루어진다. 회전축(44)은 광 방출/감지 유닛(10)의 지지체(14)에 연결되어 있으며, 지지체(14)를 회전시킨다.
측정 대상물 이송 유닛(50)은, 측정 대상물(1)이 안착되는 측정 대상물 탑재 테이블(54)과, 이 측정 대상물 탑재 테이블(54)을 수평 또는 수직으로 이동시킴으로써 광 방출/감지 유닛(10)에 대해 측정 대상물(1)이 상대적으로 이동할 수 있도록 하는 테이블 이송용 모터(52)를 포함하여 이루어진다.
물론, 측정 대상물 이송 유닛(50)은 테이블 이송용 모터(52)를 이용하는 구성에 한정되는 것이 아니며, 이를 대신하여 직선 운동 가능한 기구, 예를 들면 액추에이터 등을 사용할 수도 있다.
측정 제어 유닛(30)은, 광 방출/감지 제어부(31), 상하 이동 제어부(32), 회 전 제어부(34), 측정 대상물 이송 제어부(35) 및 측정 제어부(39)를 포함하여 이루어진다.
광 방출/감지 제어부(31)는, 광 방출/감지 유닛(10)의 동작을 제어하며, 소정 주파수의 광을 방출하도록 하고, 방출된 광이 측정 대상물(1)로부터 반사되어 입사되는 광에 의해 생성되는 초점 에러 신호를 수신한다.
상하 이동 제어부(32)는, 상하 이동 유닛(20)의 상하 이동을 정밀하게 제어하고, 상하 이동량(상하 이동 거리)에 대한 정보를 출력한다.
회전 제어부(34)는, 회전 유닛(40)의 회전을 제어한다. 이때, 회전하는 각도를 정밀하게 제어하고, 회전 각도에 대한 정보를 출력한다.
측정 대상물 이송 제어부(35)는, 측정 대상물 이송 유닛(50)의 동작을 제어한다. 이때, 측정 대상물 탑재 테이블(54)의 수평 방향 또는 수직 방향으로의 이송량(이동 거리)을 정밀하게 제어하며, 이에 대한 정보를 출력한다.
측정 제어부(39)는, 광 방출/감지 제어부(31), 상하 이동 제어부(32), 회전 제어부(34), 측정 대상물 이송 제어부(35)를 총괄 제어하며, 이들로부터 생성되어 입력되는 초점 에러 신호, 상하 이동 유닛(20)의 상하 이동량, 회전 유닛(40)의 회전 각도, 측정 대상물 이송 유닛(50)의 이송량을 수집하고, 이러한 정보들을 기초로 하는 연산에 의해 측정 대상물(1)의 형상을 측정한다.
도 6은, 두 개의 광 방출/감지 센서를 구비한 지지체가 수직 이동, 회전 및 수평 이동하면서 측정 대상물의 표면에 대한 형상을 측정하는 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다. 이러한 이동에 의해 각각의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)는 측정 대상물(1)의 측정 표면에서 연속적으로 이동하는 원의 궤적을 가지며 이동하게 된다.
다음으로, 도 3 및 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정 장치를 이용하여 측정 대상물의 표면에서 초점 에러 신호를 생성하는 원리를 설명한다.
우선, 광 방출/감지 센서(12)가 방출하는 광의 초점 거리(f0)는 100㎛ 라고 가정한다(도 3(a) 참조). 또한, 광 방출/감지 센서(12A)가 광 방출/감지 센서(12B) 간의 단차(d)는 5㎛ 라고 가정한다.
그리고 지지체의 상하 이동 거리는 광 방출/감지 센서(12A 및 12B) 간의 단차(d)의 2배인 2d가 된다. 이때의 상하 이동 거리는 광 방출/감지 센서의 개수와 각각의 광 방출/감지 센서 간의 단차의 곱 만큼으로 결정된다.
먼저, 소정의 측정 위치에 있어서, 광 방출/감지 센서(12B)가 A 지점(거리)에 위치하면, 광 방출/감지 센서(12B)는 해당 거리에 대응하는 신호를 출력하게 된다. 이후, 지지체(14)가 회전 유닛(40)에 의해 180° 회전하게 되면, 광 방출/감지 센서(12A)가 5㎛ 의 단차(d)에 의해 B 지점에 위치하게 되어 이에 대응하는 신호를 출력하게 된다.
다음으로, 지지체(14)가 상하 이동 유닛(20)에 의해 10㎛ 하강함과 동시에 회전 유닛(40)이 180° 회전하면, 다시 광 방출/감지 센서(12B)가 측정 위치상에 위치되고, C 지점에 대응하는 신호를 출력한다. 그리고 지지체(14)가 180° 회전함 으로써 광 방출/감지 센서(12A)에서 D 지점에 대응하는 신호를 출력한다.
이러한 과정을 반복하다가, 광 방출/감지 센서(12A) 또는 광 방출/감지 센서(12B) 중의 어느 하나가 K 지점까지 진행하여 대응하는 신호를 출력하게 되면, 5㎛마다 측정된 신호(전압)의 값을 획득하게 되고, 이 값들을 연결함으로써 도 7과 같은 연속적인 곡선을 갖는 초점 에러 신호가 획득되며, 측정 대상물(1)의 해당 측정 위치에서의 측정을 종료한다.
이러한 측정은 단지 측정 대상물(1)의 제1 표면(1A; 도 3(a) 참조)에 대한 측정만을 종료한 것으로서, 제2 표면(1B; 도 3(a) 참조)까지의 거리를 측정하기 위하여 상기와 같은 과정을 더 수행한다.
상기한 바와 같이, A 내지 K 지점까지의 위치에서 측정된 신호들을 결합하여, 연속적인 직선의 형태를 갖는 초점 에러 신호를 생성하고, 이에 의해 F 지점, 즉 공기와 측정 대상물(1)의 제1 표면(1A)과의 경계면을 감지하게 된다. 그리고 이후 제2 표면(1B)에 대한 초점 에러 신호를 생성하여, 제2 표면(1B)과 공기중과의 경계면을 감지하고, 이들 경계면 사이에서 광 방출/감지 유닛(10)이 이동한 거리를 이용하여 측정 대상물(1)의 형상, 즉, 두께를 측정하게 된다.
다음으로는, 이와 같은 본 발명에 따른 비접촉식 형상 측정 장치(100)에 의한 형상 측정 방법을 설명한다.
먼저, 적어도 광 방출/감지 센서(12B)의 초점이 측정 대상물(1)의 측정 표면에 근접하여 전기 신호를 출력하기 시작하는 지점까지 지지체(14)를 하강시키고 이 때 출력되는 A 신호를 측정한다.
다음으로, 지지체(14)를 180° 회전하여 광 방출/감지 센서(12B)와 5㎛의 단차를 갖는 광 방출/감지 센서(12A)가 측정 위치상에 위치하도록 하고 이때 출력되는 B 신호를 측정한다.
그리고 지지체(14)를 10㎛ 만큼 하강시키고 동시에 180° 회전시킴으로써, 광 방출/감지 센서(12B)에서 C 신호를 출력된다.
이러한 회전 및 하강, 신호 출력의 과정을 반복함으로써, 도 7과 같은 상승 및 하강하는 파형을 갖는 초점 에러 신호를 획득한다.
이 파형을 이용하여 F 지점을 공기와 측정 대상물(1)의 제1 표면(1A)과의 경계면으로 결정한다.
이후, 지속적인 하강에 의해 광 방출/감지 센서(12B)가 제2 표면(1B)과 근접하여 전기 신호를 출력하기 시작하는 위치까지 이동한다. 이때의 이동 거리에 대해서는 정밀한 측정이 이루어져야 한다.
한편, 이러한 상태에서 상술한 제1 표면(1A)에 대한 초점 에러 신호를 획득하기 위한 과정과 동일한, 회전 및 상하 이동에 의한 신호 출력을 행하여 제2 표면(1B)에 대한 초점 에러 신호를 획득한다.
제1 표면(1A)과 제2 표면(1B)에 대한 각각의 초점 에러 신호를 획득하면, 각각의 초점 에러 신호 사이의 거리를 기초로 하여 제1 표면(1A)과 제2 표면(1B) 사이의 거리, 즉 측정 대상물(1)의 측정 위치에서의 두께를 결정할 수 있게 된다.
한편, 상술한 측정에서 지지체(14)의 회전 이동 후 정지, 상하 이동 후 정지를 반복함으로써 교대 이동 동작을 행하도록 할 수도 있으며, 회전 이동과 상하 이동을 동시에 수행할 수도 있다.
이와 같이 지지체(14)에 2개의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)를 탑재하고, 이들을 회전시키면서 교대로 신호를 출력하도록 함으로써, 초점 에러 신호를 신속하게 측정할 수 있게 된다. 예를 들면, 하나의 광 방출/감지 센서(12)를 이용하여, 도 7과 같은 초점 에러 신호를 측정하기 위해서는, 예를 들면 5㎛의 간격으로 하강하면서 A → B → C → D → E → F → G → H → I → J → K의 10번의 측정이 필요하다. 하지만, 본 실시예와 같이 5㎛단차를 갖는 2개의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)를 이용하면, 지지체(14)는 10㎛의 간격으로 하강하게 되어도, 광 방출/감지 센서(12B)가 A → C → E → G → I → K의 5번의 측정을 행하고, 광 방출/감지 센서(12A)가 B → D → F → H → J의 5번의 측정을 행함으로써, 5㎛의 단차를 갖는 A 내지 K에 해당하는 신호를 모두 획득할 수 있게 된다.
따라서, 각 수직 이동 거리가 2d 만큼씩이므로, 하나의 광 방출/감지 센서(12)를 이용하는 경우보다는 고도하지 않은 이동의 정밀도로도 측정이 가능하다.
한편, 본 실시예에서는 단지 2개의 광 방출/감지 센서(12A, 12B)를 적용한 것을 예로 들었지만, 이는 다수 개로 확장될 수도 있다. 예를 들면 지지체(14)에 10개의 광 방출/감지 센서(12)를 탑재한다면, 초점 에러 신호를 측정하기 위한 상하 이동 거리는 하나의 광 방출/감지 센서(12)를 이용하는 경우에 비하여 약 1/10로 줄어들게 되고, 지지체(14)의 1회전당 상하 이동 거리는 10×d 만큼으로 설정되 어 형상 측정에 소요되는 시간을 대폭 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 상기한 설명에서, 초점 거리(f0), 광 발광/감지 유닛 간의 단차(d), 상하 이동 거리는 단지 설명을 위한 예시일 뿐이며, 더욱 정밀하게 또는 성글게 할 수도 있음은 자명하다.
또한, 형상 측정을 위한 측정 위치는 하나의 지점으로 설정되는 것이 아니라, 광 방출/감지 센서(12)가 회전하는 원주상에 다수 개 설정될 수 있으며, 각각의 위치에서 광 방출/감지 센서(12)로부터 출력되는 신호들을 결합하여 각 위치에 대한 초점 에러 신호를 동시에 측정할 수 있게 된다.
이러한 구성에 의하면, 원주 상에 배치된 측정 대상물(1) 상의 다수의 지점에 대한 경계면의 높이 및 두께를 이용하여, 측정 대상물(1)의 표면의 형태를 측정할 수 있다. 이와 같은 측정 방법에 의한 측정 결과는 도 8과 같이 나타난다.
한편, 지지체의 회전 및 상하 이동과 더불어, 측정 대상물(1)의 수평 이송을 연속적으로 동시에 행할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 예를 들면, 신호를 출력하는 A 지점과 B 지점은 동일한 측정 위치가 아니게 되며, 측정 대상물 이송 유닛(50)의 수평 이송 거리만큼 이동된 위치에서 각각 A 지점의 신호 및 B 지점의 신호가 출력된다. 하지만, 이러한 측정 위치의 이동에 의한 형상(두께)의 오차는 극히 적다고 가정할 수 있으며, 측정 속도의 향상의 측면에서 바람직하다. 이러한 측정 방법에 의하면, 면적 단위로 형상(또는 두께)을 측정할 수 있게 된다.
따라서, 측정 대상물(1)의 형상 측정을 면적 단위로, 정확하게는 지지체(14)의 회전에 따른 원주 형상 단위로 신속하게 행할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 경면 물체의 형상 측정 장치에 있어서, 광 방출/감지 센서를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 5분할 포토 다이오드의 출력 회로 구성 및 광 방출/감지 센서와 측정 대상물의 거리에 따라 5분할 포토 다이오드의 표면에 입사되는 광의 형태를 나타낸 도면.
도 3은 종래의 기술에 따른 측정 장치를 이용하여 측정 대상물의 두께를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 도 4와 같은 구성을 갖는 형상 측정 장치의 기계적인 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 두 개의 광 방출/감지 센서를 구비한 지지체가 수직 이동, 회전 및 수평 이동하면서 측정 대상물의 표면에 대한 형상을 측정하는 과정을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정 장치를 이용하여 측정 대상물의 표면에 대한 초점 에러 신호를 생성하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정 장치를 이용하여 측정 대상물의 표면의 형상을 측정한 결과를 나타낸 도면.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1: 측정 대상물
10 : 광 방출/감지 유닛
12, 12A, 12B : 광 방출/감지 센서
14 : 지지체
20 : 상하 이동 유닛
30 : 측정 제어 유닛
40 : 회전 유닛
50 : 측정 대상물 이송 유닛

Claims (6)

  1. 측정 대상물을 향하여 소정 주파수를 갖는 광을 방출하고 측정 대상물에 의한 반사광을 이용하여 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 장치로서,
    상기 광을 방출하고 상기 측정 대상물로부터의 상기 반사광에 대응하여 전기 신호를 출력하는 적어도 두 개의 광 방출/감지 센서와, 상기 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서를 상기 측정 대상물의 측정 표면에 대하여 서로 다른 높이를 갖도록 탑재하는 지지체로 구성되는 광 방출/감지 유닛;
    회전 모터 및 상기 회전 모터로부터 연장되어 상기 지지체에 연결된 회전축을 포함하고, 상기 지지체를 회전시킴으로써 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서를 상기 측정 대상물의 측정 표면에 대해 평행하게 회전시키는 회전 유닛;
    상기 광 방출/감지 유닛을 상기 측정 대상물에 대해 상하 이동시키는 상하 이동 유닛;
    상기 회전 유닛과 상기 광 방출/감지 유닛 및 상기 상하 이동 유닛의 구동을 제어하며, 상기 회전 유닛에 의한 상기 적어도 두 개의 광 방출/감지 센서의 회전 각도와 상기 전기 신호 및 상기 상하 이동 유닛의 이동량에 기초하여 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 형상 측정 제어 유닛;을 포함하는 비접촉식 형상 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지체에 탑재된 적어도 두 개의 상기 광 방출/감지 센서는 상기 회전 유닛의 회전축에 대해 동일 원주 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 형상 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 동일 원주 상에 배치된 상기 적어도 두 개의 광 방출/감지 센서는 동일한 초점거리를 갖는 것을 특징으로 하는 비접촉식 형상 측정 장치.
  6. 제1, 4, 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 대상물을 상기 광 방출/감지 유닛에 대해 수평으로 이송하는 측정 대상물 이송 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 형상 측정 장치.
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