KR101436403B1 - 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법 및 이를 이용한 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정대상이 되는 구조물의 표면형상이나 평탄도를 측정함에 있어서 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것으로 기존 섀도우모아레 방법에서 발생하는 탈봇거리 효과를 없애 수직측정가능영역을 개선하였고 섀도우모아레 방법에 위상이동법을 적용함에 있어서 구조적 오차를 방지하여 측정해상도를 증가시키는 효과가 있다.

Description

정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법 및 이를 이용한 측정 장치 {Shadow Moire Method using Sine Wave Grationg and Measuring Apparatus using the same}
본 발명은 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정대상이 되는 구조물의 표면형상이나 평탄도를 측정함에 있어서 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 섀도우모아레 방법을 이용한 측정장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 섀도우모아레 방법을 이용한 측정장치는 광원(110), 카메라(120), 격자(130)를 포함하도록 구성된다.
격자(130)는 측정대상이 되는 구조물(140) 앞에 장착된다.
광원(110)은 격자(130)와 구조물(140)에 빛을 조사한다.
카메라(120)는 광원(110)이 조사한 빛에 의하여 발생한 격자(130)와 격자(130)의 그림자에 의해 형성되는 모아레 패턴을 촬영한다.
모아레 패턴으로부터 촬영되는 표면형상의 정보를 획득할 수 있다.
모아레 패턴(N)과 촬영되는 표면형상(z) 간의 관계식은 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112012107786961-pat00001
여기서,
Figure 112012107786961-pat00002
는 시편과 광원이 이루는 각이고,
Figure 112012107786961-pat00003
는 카메라와 시편이 이루는 각이며, g는 격자의 피치이다. g,
Figure 112012107786961-pat00004
또는
Figure 112012107786961-pat00005
를 조정하면 원하는 해상도를 얻을 수 있다.
도 2는 종래의 섀도우모아레 방법에 이용되는 격자를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 격자(130)는 유리판에 크롬을 이용하여 검정색 패턴을 증착시킨 론치 격자(Ronchi Grating 혹은 Ronchi Ruling)이다.
이러한 론치 격자는 섀도우모아레 방법을 이용한 측정해상도를 높이기 위해서는, 격자의 피치를 줄여야 한다.
그러나, 이러한 격자의 피치를 줄이는 것은 필연적으로 빛의 회절효과에 의해 수직측정가능영역의 감소가 발생하는 문제점이 있다. 이는 탈봇거리(Talbot Distance) 효과에 의해서 설명된다.
즉, 탈봇거리의 1/4, 3/4 … 지점에서는 모아레 패턴의 컨트레스트(Contrast)가 격자의 회절효과에 의해 “0”이 된다.
따라서, 종래의 섀도우모아레 방법을 이용한 측정은 이 컨트레스트가 “0”이 되는 지점을 피하여 부분적으로 응용하는 방식을 이용하는 한계점이 있다. 이러한 한계점은 Optical Engineering이 2005년 공개한 Changwoon Han and Bongtae Han의 “Contrast of shadow moire at high-order Talbot distances” 문헌에 자세히 기술되어 있다.
또한, 종래의 섀도우모아레 방법을 이용한 측정은 측정해상도를 높이기 위하여 위상이동법(Phase-shifting method)과 결합해서 사용하는 것이 일반적이다.
이러한 위상이동법과 결한한 섀도우모아레 방법을 이용한 측정은 모아레 패턴의 위상을 90°씩 이동시켜 총 4개의 모아레 패턴을 생성하고, 생성된 모아레 패턴을 이미지처리하여 모아레 패턴이 가진 상세정보를 얻어내는 방법을 이용한다.
이를 수학식으로 나타내면 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112012107786961-pat00006
여기서
Figure 112012107786961-pat00007
는
Figure 112012107786961-pat00008
이다.
이에 대해서는 Applied Optics이 2006년 공개한 Changwoon Han and Bongtae Han의 “Error Analysis of the phase-shifting technique when applied to shadow moire” 문헌에 자세히 기술되어 있다.
그러나, 위상이동법은 분광계에 의해서 얻어지는 정현파 형태의 무늬 패턴으로부터 상세정보를 얻기 위해서 고안된 방법으로 섀도우모아레 방법에 이를 적용하면 구조적인 측정오차가 발생하는 문제점이 있다.
이러한 구조적인 측정오차가 발생하는 이유는 론치 격자를 사용한 섀도우모아레 방법의 모아레 패턴이 정현파가 아니고 아래의 수학식 3과 같이 정의되기 때문이다.
[수학식 3]
Figure 112012107786961-pat00009
본 발명의 목적은 정현파격자를 이용하여 탈봇거리 효과 및 구조적 오차가 없도록 한 섀도우모아레 방법 및 이를 이용한 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 섀도우모아레 방법을 이용하여 구조물을 측정하는 장치에 있어서, 상기 구조물 앞에 장착되는 정현파 격자; 빛을 상기 정현파 격자 및 구조물에 조사하는 광원; 상기 광원과 상기 정현파 격자에 의하여 상기 구조물에 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 카메라; 및 상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물을 측정하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 광원은 자외선 광원이며, 수직 방향으로 조사되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 측정부는 상기 모아레 패턴의 위상을 90°씩 이동시켜 4개의 모아레 패턴을 획득하고, 이를 이미지 처리하여 상기 구조물을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 섀도우모아레 방법을 이용하여 구조물을 측정하는 방법에 있어서, 정현파 격자를 앞에 둔 상기 구조물에 빛을 조사하는 단계; 상기 빛과 상기 정현파 격자에 의하여 상기 구조물에 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 단계; 및 상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 빛을 조사하는 단계는 수직 방향으로 자외선을 조사하는 단계인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 측정하는 단계는 상기 모아레 패턴의 위상을 90°씩 이동시켜 4개의 모아레 패턴을 획득하고, 이를 이미지 처리하여 상기 구조물을 측정하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 정현파 격자를 이용하여 기존 섀도우모아레 방법에서 발생하는 탈봇거리 효과를 없애 수직측정가능영역을 개선한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 섀도우모아레 방법에 위상이동법을 적용함에 있어서 구조적 오차를 방지하여 측정해상도를 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 섀도우모아레 방법을 이용한 측정장치의 구성도.
도 2는 종래의 섀도우모아레 방법에 이용되는 격자를 나타낸 도면.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법을 이용한 측정장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법에 이용되는 격자를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법을 이용한 측정 방법의 순서도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법을 이용한 측정장치의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법을 이용한 측정장치는 측정대상이 되는 구조물(340) 앞에 장착되는 정현파 격자(330); 빛을 정현파 격자(330)와 구조물(340)에 조사하는 광원(310); 광원(310)과 정현파 격자(330)에 의하여 구조물(340)에 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 카메라(320); 및 카메라(320)가 촬영한 모아레 패턴을 분석하여 구조물을 측정하는 측정부(350)를 포함하도록 구성된다.
바람직하게는, 구조물(340)은 측정 대상이 되는 대상물체로, 측정장치는 구조물(340)의 표면 형상을 측정한다.
광원(310)은 정현파 격자(330)와 구조물(340)에 빛을 방출하여 그림자에 의한 음영을 구조물(340) 표면에 형성시킨다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 광원(310)은 자외선(ultraviolet) 영역의 빛을 방출한다.
카메라(320)는 정현파 격자(330)와 정현파 격자(330)의 그림자에 의하여 형성되는 모아레 패턴을 촬영한다.
바람직하게는, 광원(310)이 자외선을 조사하는 자외선 광원인 경우, 카메라(320)는 자외선 영역의 영상을 획득할 수 있는 자외선 카메라이다.
정현파 격자(330)는 광원(310)에 의하여 윤곽을 가지는 구조물(340)의 표면상으로 격자의 형상이 투영되도록 구조물(340) 앞에 장착된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법에 이용되는 격자를 나타낸 도면이다.
다시 도 3을 참조하면, 측정부(350)는 카메라(320)에 의해서 획득된 모아레 패턴을 분석하여 구조물(340)을 측정한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 측정부(350)는 카메라(320)에 의해서 획득된 모아레 패턴의 위상을 90°씩 이동시켜 4개의 모아레 패턴을 획득하고, 이를 이미지 처리하여 구조물(340)을 측정한다.
본 발명은 정현파 격자를 이용하여 회절에 의한 탈봇거리 효과 및 구조적 오차를 없앨 수 있는데, 이를 증명하면 아래와 같다.
우선 λ의 파장을 갖는 빛이 피치 g의 임의 형태의 격자 무늬에 α의 각으로 조사 될 때, 격자로부터 z만큼 떨어진 거리에서의 빛의 전기장은 아래의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112012107786961-pat00010

여기서,
Figure 112012107786961-pat00011
로 정의되면, 격자 무늬의 패턴 I(x,0)은 아래 수학식 5와 같은 정현파 격자가 된다.
[수학식 5]
Figure 112012107786961-pat00012

여기서 수학식 4와 수학식 5를 이용하면, 정현파 격자를 갖는 섀도우모아레의 모아레 패턴은 아래의 수학식 6과 같이 정리할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112012107786961-pat00013

따라서, 정현파 격자를 이용한 본 발명은 탈봇거리현상이 모아레 무늬에 나타나지 않고, 모아레 무늬가 정현파 형태로 정의되어 위상이동법을 적용하여도 구조적 오차가 발생하지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법을 이용한 측정 방법의 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법을 이용한 측정 방법은 정현파 격자를 앞에 둔 구조물에 빛을 조사하는 단계(S510); 빛과 격자에 의하여 구조물에 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 단계(S520) 및 모아레 패턴을 분석하여 구조물을 측정하는 단계(S530)를 포함하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 섀도우모아레 방법을 이용한 측정 방법은 각 단계별로 도 3 내지 도 4를 통해 설명된 바와 유사하여 자세한 설명은 생략한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
310 : 광원 320 : 카메라
330 : 정현파 격자 340 : 구조물
350 : 측정부

Claims (6)

  1. 섀도우모아레 방법을 이용하여 구조물을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 구조물 앞에 장착되는 정현파 격자;
    빛을 상기 정현파 격자 및 구조물에 조사하는 광원;
    상기 광원과 상기 정현파 격자에 의하여 상기 구조물에 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 카메라; 및
    상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물을 측정하는 측정부;를 포함하고,
    상기 정현파 격자에 의한 모아레 패턴은 정현파 형태를 나타내고,
    상기 측정부는, 상기 정현파 격자에 의한 모아레 패턴의 정현파를 기준으로 위상을 이동시키며 복수 개의 모아레 패턴을 획득하고, 상기 획득된 복수 개의 모아레 패턴을 이미지 처리하여 상기 구조물을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 자외선 광원이며, 수직 방향으로 조사되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 모아레 패턴의 위상을 90°씩 이동시켜 4개의 모아레 패턴을 획득하고, 이를 이미지 처리하여 상기 구조물을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  4. 구조물을 측정하기 위한 섀도우모아레 방법에 있어서,
    정현파 격자를 앞에 둔 상기 구조물에 빛을 조사하는 단계;
    상기 빛과 상기 정현파 격자에 의하여 상기 구조물에 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 단계; 및
    상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물을 측정하는 단계;를 포함하고,
    상기 정현파 격자에 의한 모아레 패턴은 정현파 형태를 나타내고,
    상기 측정하는 단계는, 상기 정현파 격자에 의한 모아레 패턴의 정현파를 기준으로 위상을 이동시키며 복수 개의 모아레 패턴을 획득하고, 상기 획득된 복수 개의 모아레 패턴을 이미지 처리하여 상기 구조물을 측정하는 것을 특징으로 하는 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 빛을 조사하는 단계는 수직 방향으로 자외선을 조사하는 단계인 것을 특징으로 하는 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 측정하는 단계는 상기 모아레 패턴의 위상을 90°씩 이동시켜 4개의 모아레 패턴을 획득하고, 이를 이미지 처리하여 상기 구조물을 측정하는 것을 특징으로 하는 정현파 격자를 이용한 섀도우모아레 방법.
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Hongjian Shi et al. Vibration measurement by spatiotemporal analysis of shadow moire fringes. Fourth International Conference on Experimental Mechanics, [online], 2010, *
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