KR100721783B1

KR100721783B1 - 투명 재료의 두께를 측정하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100721783B1
Application number: KR1019990026637A
Authority: KR
Inventors: 창징웨이; 그렌테파스칼
Original assignee: 쌩-고벵 글래스 프랑스
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2007-05-28
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: ES2238818T3; EP0971203B1; FR2780778B3; DE69923734T2; JP2000035315A; EP0971203A1; DE69923734D1; US6215556B1; KR20000011448A; FR2780778A1; PT971203E

Abstract

본 발명은 투명 재료의 두께를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 그러나 배타적이지는 않게, 본 발명은 유리 재료의 두께 측정에 관한 것이며, 또한 보다 더 구체적으로는, 편평한 유리 특히 플롯트 유리(float glass)의 두께 측정에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 변조 주파수를 가지는 광빔은 초점 형성되고, 투명 재료의 각 면에 의하여 반사되는 2 개의 광빔 또는 광선이 수신되고, 간섭이 두 광선 사이에서 생성되며, 간섭 신호의 변조 주기당 진동수가 결정되고, 두 빔들 사이의 경로차(δ)와 투명 재료의 두께(e)가 추론되며 또한 상기 간섭 신호의 위상 시프트(φ)가 결정된다. 그 후 투명 재료의 각 면으로부터 나오는 두 신호들 사이의 위상 시프트의 결정은 상기 재료의 다른 특성을 추론하는데 사용될 수 있다. 특히 플롯트 유리 스트립(strip)의 국부 두께 변동의 정밀한 측정에 적용될 수 있다. 유사하게, 얇은 투명 재료의 두께, 바람직하게는 0.2㎜보다 더 큰 재료의 두께를 측정하는데 본 방법을 적용할 수 있다.

Description

투명 재료의 두께를 측정하기 위한 방법 및 장치{PROCESS AND DEVICE FOR MEASURING THE THICKNESS OF A TRANSPARENT MATERIAL}

도 1은 본 측정 장치의 광학적 원리를 도시한 도면.

도 2는 평행면을 가지는 평면 유리의 간섭 영역을 도시한 도면.

도 3은 수신 렌즈를 가지는 상기 간섭 영역을 도시하는 도면.

도 4는 간섭 영역의 일부분에 대한 상기 간섭 영역의 평면(P)에 있는 간섭 프린지를 도시하는 도면.

도 5는 광 신호를 처리하기 위한 전자 장치의 개략도.

도 6은 DBR 레이저 다이오드에 의하여 방출되는 경우에 2 개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)에 대한 극한값(extrema)의 계수를 나타내는 도면.

도 7 및 도 8은 각각 1.67㎜와 3.83㎜에 대한 종래의 레이저 다이오드를 사용한 신호(V_int,V_mod 및 V_div)를 도시한 도면.

도 9 및 도 10은 DBR 레이저 다이오드에 대하여, 1.67㎜와 3.83㎜의 두께를 각각 가지는 편평한 유리에 대한 변조 상승(modulation rise) 동안 신호의 일부분에 대한 분할 신호를 도시하는 도면.

도 11은 수동적인 측정과 비교되는 본 발명에 따라 측정된 두께 윤곽을 도시한 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레이저 다이오드 2 : 투명 재료

3 : 간섭 영역 4 : 측정 헤드

5 : 광섬유 케이블 6 : 렌즈

8 : 컴퓨터 9 : 전원 유닛

11 : 전자 유닛 13 : 검출기

14 : 디바이더 카드 15 : 디지털 처리 유닛

본 발명은 투명 재료의 두께를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 그러면서 배타적이지는 않게, 본 발명은 유리 재료의 두께 측정에 관한 것으로, 보다 더 정확하게는 편평한 유리, 특히 플롯트 유리(float glass)의 두께 측정에 관한 것이다.

소비자에 의하여 요구되는 일반적인 품질 요구 조건과, 두께 허용 범위의 최저선을 유지함으로써 감축될 수 있는 비용 절감은 편평한 유리의 대량 생산에서 두께를 매우 엄격히 모니터링 하는 것을 필요로 한다.

두께를 측정하는데 보통 사용되는 기법 중에서, 투명 매체에 사용될 수 있는 가장 정밀한 방법은 광학적 방법이다. 이 중에서, 예전에는 실험실 측정으로 제한되었던 간섭 기술이 점진적으로 산업적 응용으로 진전되었다.

예를 들어, 문서 FR-A-2 435 019 는 얇은 막의 두께를 측정하기 위한 기술로서, 반사광들 사이의 간섭 프린지 스펙트럼을 만들기 위하여 얇은 막의 특성 함수로서 미리 결정되는 파장의 범위에 대하여 신속한 스캐닝에 의하여 분광학적으로 분할된 적외선에 얇은 막을 노출시켜 간섭 프린지의 스펙트럼의 가장자리 지점을 결정하는 것으로 구성되는 얇은 막의 두께를 측정하기 위한 기술을 제안하고 있다. 상기 기술은 부득불 30㎛보다 더 적은 두께로 제한된다. 상기 기술은 얇은 막 면에 의하여 반사된 광선의 간섭 프린지를 카운트하는 것이다. 그러한 방법은 두께가 1㎜보다 더 적은 두께에서부터 2㎝까지 변하는 플롯트 유리 생산 라인에 대한 편평한 유리의 두께를 측정하는데는 사용될 수가 없다.

또다른 문서, WO 95/22740 은 병을 제조하는 동안 병의 벽 두께를 결정하는 간섭 방법을 기술한다.

상기 방법은 변조된 광 주파수를 가지는 광빔이 방출되며, 재료의 벽면 각각에 의하여 반사된 2개의 광빔이나 광선이 수신되며, 상기 광선들 사이에 간섭이 발생되며, 또한 상기 간섭 신호의 경로차(δ)가 결정되는 것을 특징으로 한다. 레이저 다이오드가 조사원(illumination source)으로 사용되고, 또한 이것은 상기 빔의 광 주파수의 변조에 의하여 변조된다. 2 개의 벽에 의하여 산란된 광선 중에서, 2개의 평행 광선이 선택된다. 본 발명의 장치는 각 센서에 대하여 0.3msec만큼 간격이 떨어진 측정을 취하는 것도 가능하게 해준다. 이리하여 회전 중인 병의 외주를 각 밀리미터까지 조사하는 것도 가능하게 된다.

면에 의하여 산란된 고립 광선을 사용하여 측정되는 이 기술은 단점을 제공할 수도 있는 상대적으로 강력한 레이저(> 30㎽)를 필요로 한다. 에지 영역에 항상 분광성(prismatic)이 있는, 지지물(support) 특히 플롯트 유리의 분광성(prismaticity) 때문에 평행 반사 빔을 통해 상기 동일한 방법을 사용하는 것은 어려울 것이다.

비록 절대 두께 측정에 대하여 양호한 정밀도를 제공해줄지라도, WO 95/22740의 방법은 다음의 국부 두께 변동에는 잘 맞지 않는다. 그러나, 이러한 유형의 측정법은 가능한 한 초기에 유리 생산 라인 상에서 편평한 유리의 공칭 두께의 드리프트(drift)를 검출하는데에는 아주 중요하다. 더욱이 WO 95/22740의 방법은 0.7㎜보다 더 적은 두께를 측정하는 것은 가능하지 않다.

본 특허 출원과 관계가 있는 본 발명의 목적은 성능을 향상시키면서 상기 기술을 진보시키는 것이다.

본 발명은, 굴절률(n)을 가지는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법으로서, 상기 투명 재료에 변조 광 주파수를 가지는 광빔이 초점 형성되고, 투명 재료의 각 면에서 반사된 2 개의 광빔이나 광선이 수신되며, 상기 두 광선 사이의 간섭이 생성되며, 상기 간섭 신호의 변조 주기당 진동수가 결정되며 또한 상기 두 빔들 사이의 경로차(δ)와 투명 재료의 두께(e)가 추론되며, 또한 상기 간섭 신호의 위상 시프트(phase shift)(Δφ)도 결정되는, 굴절률(n)을 가지는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법을 제안하고 있다.

그후 연속하여 기록된 두 신호들 사이의 위상 시프트에 대한 결정은 상기 재료의 다른 특성을 추론하는데 사용될 수 있다. 특히 플롯트 유리 스트립(strip)의 국부 두께 변동을 정밀하게 측정하는데에 특히 적용될 수 있다. 유사하게, 얇은 투명 재료의 두께, 바람직하게는 0.2㎜보다 더 큰 두께를 측정하는 것에 적용하는 것이 제안된다.

본 발명의 방법은 변조 광 주파수를 가지는 상기 광빔이 분포된 브래그 반사경(DBR: Distributed Bragg Reflector)를 가지는 레이저 다이오드에 의하여 방출되는 것을 특징으로 한다.

또다른 특성은 투명 재료의 면들에 의하여 반사된 빔이 거울 반사(specular reflection)를 하고 나서 수신된다는 것이며, 마지막으로, 또다른 특성은 초점이 형성된 광빔이 투명 재료의 면들에 도달하기 이전에 수렴(converge)되어 광빔이 도달하는 상기 투명 재료의 면들에서는 발산(divergent)한다는 것이다. 이것은 광빔이 투명 재료의 면들에 도달하기 전에 한 점에서 모이고 그 광빔이 퍼진다는 것을 의미한다.

개별적으로 또는 그룹으로 취해진 모든 이러한 특성들은 검출기 상에서 간섭 신호를 수신하여, 다음 단계, 즉

· 필요시 상기 신호를 디지털화하는 단계와,

· 세기 변조(modulation of intensity; 소스의 광전압 출력이 변조 신호의 특성에 따라 달라지는 변조의 형태를 의미)와 간섭 신호의 비(ratio)를 구하는 단계와,

· 상기 비를 대역 통과 필터링 하는 단계와,

· 시간(k)에서 상기 측정을 위한 결과 신호의 극한값(extrema)을 결정하는 단계와,

· 2 개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)에 대응하는 극한값 사이의 시간을 결정하는 단계와,

· 상기 대응하는 주기에 대한 이전 시간의 비를 계산하며 위상 시프트(Δφ)를 구하기 위하여 상기 비에 2π를 곱하는 단계와,

· 다음의 수식

(λ₀ = 변조하지 않은 레이저 다이오드의 파장, Δφ = 위상 시프트, n = 굴절률)에 의하여 두께 변동을 계산하는 단계에 의하여 국부 두께 변동을 얻는 것을 가능하게 해준다.

두께 변동을 평가하는 이 방법에 의하여, 본 발명의 방법은 1×10^-8m보다 더 정밀하게 두께 변동을 모니터 하는 것을 가능하게 해준다. 그러한 정밀도는 예를 들어 플롯트 유리의 디옵터 결함을 매우 유리하게 측정하는 것을 가능하게 해준다. 공지된 바와 같이, 디옵터 결함은 두께 윤곽(profile)의 2차 도함수와 수학적으로 연결된다.

또한 본 발명은 상기 방법을 시행하는 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명의 장치는 DBR 레이저 다이오드를 가지는 광원, 간섭 신호를 수신하기 위한 수단 및 컴퓨터로서

· 상기 신호들을 디지털화 하고,

· 간섭 신호와 세기 변조의 비를 구하고,

· 상기 디지털화된 비를 대역 통과 필터링 하고,

· 상기 극한값들을 결정하고,

· 2개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)에 대응하는 극한값 사이의 시간을 결정하고,

· 상기 대응하는 주기와 이전 시간의 비를 구하며 위상 시프트를 구하기 위하여 상기 비에 2π를 곱하고,

· 다음의 수식

에 의하여 두께 변동을 순차적으로 계산하는 컴퓨터를 구비한다.

일변형에서, 본 장치는 레이저 다이오드에 의하여 방출되며 및/또는 투명 물체의 표면에 의하여 반사된 광을 전송하기 위한 광섬유 도파관을 구비한다. 본 기술은 고열 속이나 먼지가 있는 환경과 같은 불리한 환경 속에서도 작동할 수 있게 해준다. 이리하여 모니터 되어지는 샘플, 예를 들어 플롯트 유리가 유리 처리 장치를 특히 플롯트 배스(float bath)를 떠나자 마자 측정치를 얻는 것을 가능하게 해준다.

또한 일변형은 수신 수단으로 애벌란시(avalanche) 광다이오드를 구비한다.

다음에 이어지는 도면과 상세한 설명을 통하여 본 발명이 어떻게 동작하는지를 이해하고 본 발명의 장점을 인식할 수 있게 될 것이다.

편평한 유리의 제조 동안에, 품질 제어와 고온 처리 제어의 2개 이유로 인하여 플롯트 스트립의 두께 윤곽을 측정하는 것이 요구된다.

품질 제어를 위하여, 플롯트 스트립의 두께 윤곽의 모니터링은 현재 상업 기구를 사용하여 온라인으로 {스퀘어(square); 많은 유리 패널을 제공하기 위해 유리를 커팅한 플롯트 상의 영역} 수행된다. 즉, 플롯트 스트립의 두께를 측정하는 것은 시중에서 살 수 있는 두께 측정기를 사용하여 측정된 값이 전산화되어 품질 제어, 고온 처리 제어되도록 작동한다는 의미이다. 이들은 감마선 흡수법이나 광학 수단에 의하여 작동한다.

감마선 흡수법에 의하여 작동하는 기구는 국내 및 국제적 제한 규격으로 인하여 방사선 소스를 사용하는 기구들을 단계적으로 제거하도록 요구하기 때문에 장래성을 가지지 못한다.

광학 수단에 의하여 작동하는 기구는 기하학적 광학법을 사용한다. 유리에 의하여 반사되는 레이저빔은 두 개의 면에 대응하는 두 개의 지점(spot)을 제공한다. 이 두 지점 사이의 거리는 유리의 두께에 비례한다.

이 기구들은 유리로부터의 거리와, 특히 유리의 기울기에 민감하기 때문에 신뢰성이 없다. 이 기구들은 또한 조정하기가 어렵다. 이 기구로 인한 주요 단점은 이 기구들이 특히 얇은 유리와 매우 얇은 유리, 다시 말해 0.5 ㎜ 보다 더 작은 두께를 가지는 유리에 대하여 충분한 정밀도를 가지지 못한다는 것이다.

이 방법을 제어하기 위하여, 고온 두께 측정, 다시 말해 플롯트 출구(float outlet) 바로 다음에 고온 두께 측정을 위한 도구를 설치하는 것이 바람직하다. 이것은, 유리를 모니터링 할 수 있도록 하기 위하여 유리가 레어(lehr; 유리 용해로)를 떠나는 것을 기다려야 할 필요 없이, 플롯트 상태에서 각 조정을 한 바로 후에 두께 윤곽을 모니터 하는 것을 가능하게 할 것이다. 다시 말하면, 유리의 두께를 측정하기 위하여 유리가 레어에서 빠져나오기 전에, 플롯트 상태에서 각 조정을 한 바로 후에 두께 윤곽을 측정하는 것을 가능하게 한다는 의미이다. 이리하여 플롯트에 대해 더 나은 조정을 얻는 것이 가능하게 되어, 그 결과 두께 윤곽이 더 편평하게 나타나며, 두께는 상세 규격의 하한선으로 있게 된다. 이것은 상당한 무게의 절감에 이르게 될 것이다.

또한 고온 두께 모니터링은 특히 두꺼운 유리에 대한 두께를 변화시킬 때 생산 손실을 감소시키는 것을 가능하게 할 것이다.

그러므로, 저온일 때 뿐만 아니라 고온일 때에도, 신뢰성이 있고, 튼튼하며, 정밀(±0.005㎜)하고 경제적인, 두께 윤곽을 측정할 수 있는 센서를 개발시키는 것이 필요하다.

단색광원에 의하여 조사되는 간섭계의 출력에, 광검출기에 의하여 수신되는 간섭 신호는 다음의 수학식 1로 주어지는 것이 잘 알려져 있는데, 즉

(기호 ∝ 는 "비례한다"는 것을 나타낸다).

간섭 기술은 특히 변조광 주파수를 가지는 소스를 사용할 때 간섭의 사용을 기술하는 문서 WO 95/22740 으로부터 공지되어 있다.

간섭계에서, 만약 광주파수 또는 1/λ가 대칭 삼각형의 형상으로 된 선형 변조에 의하여 변조될 수 있다면, 다음의 수학식 2 즉,

으로 기술될 수 있다.

여기서, λ₀는 변조되지 않은 초기 레이저 파장을 나타내고, g₀(t)는 1/λ이 t로 나타낸 시간의 함수로 변조되는 형상(대칭 삼각형의 형상)을 나타내며, 또한 T 는 삼각 변조(triangular modulation; 삼각파로의 변조)의 주기를 나타낸다.

이 경우에, 고정 경로차(δ)에 대하여, 간섭 신호는 시간 변조되는 파장의 함수로서 변화한다. 이것이 헤테로다인 간섭 현상이다.

수학식 2를 수학식 1에 대입하게 되면, 시간(t)에 대하여 다음의 수학식 3 즉,

여기서,

으로 주어지는 신호의 상승 또는 하락 동안 간섭 신호가 구해진다.

종래의 레이저 다이오드에 대하여, 모드 점핑(mode jumping;모드가 바뀌는 것)이 없는 상태에서, 파장은 선형적으로 변조된다:

이 경우에,

여기서

수학식 5로부터, 종래의 레이저 다이오드를 사용할 때, 광주파수(또는 1/λ)의 선형 변조는 신호의 각주파수가 ω인 정현 신호(sinusoidal signal)로 되는 것을 볼 수 있다. 삼각 변조의 반주기 동안, N 진동수는 다음의 수식, 즉

이고,

으로 되는데, 여기서 Δλ는 종래의 레이저 다이오드의 모드 점핑이 없는 파장 편위(excursion)를 나타낸다.

숫자(N)는 반드시 정수일 필요는 없다라는 것을 여기서 강조해야 할 것이다. 이 숫자는 경로차(δ)에 비례한다. 이 숫자(N)는 변조 주파수(1/T)에 대하여 정규화되기 때문에 유용한 작업 파라미터이다.

사용되는 레이저 다이오드의 특성, 다시 말해서 Δλ와 λ₀를 알고, (삼각 변조의 반 주기당 진동수) N를 측정하면, 경로차(δ)를 결정하는 것이 가능하게 된다.

본 적용을 위하여, 유리를 반사 간섭계로서 간주해 볼 수 있다. 만약 광이 유리판에 입사한다면, 이 광은 유리의 두 면에 의하여 반사될 것이다. 이 두 반사파는 경로차, 즉 다음의 수학식 8,

(여기서 n과 e는 각각 굴절률과 유리의 두께를 나타낸다)로 간섭한다.

이 경로차(δ)를 측정하고, 또한 유리의 굴절률(n)을 알면, 두께(e)는 추론될 수 있다. 아래 문장에서 개시되어질 상대 측정법과는 대조적으로, 여기서 취해지는 측정은 절대 측정이다.

만약 수학식 5에 대해 좀더 심층 분석이 이루어진다면, 상기 신호는 두께에 비례하는 각주파수(ω) 뿐만 아니라, 경로차(δ)에 비례하고 또한 그리하여 두께(e)에 비례하는 위상(φ₀)를 가지게 되는 것을 볼 수 있다(수학식 3a 참조).

각주파수(ω) 또는 N을 측정함으로써 유리의 두께(e)를 결정할 수 있다. 동시에, 위상 변화를 측정하면 두께의 변동에 대한 정보를 얻을 수 있다.

2개의 연속하는 측정치인 측정치(k)와 측정치(k+1)에 대하여, 만약 센서가 유리의 샘플에 대하여 이동된다면, 대응하는 두께는 각각 e_(k)와 e_(k+1)이고 또한 대응하는 위상은 각각 φ_{0 (k)}와 φ_{0 (k+1)}이다. 이리하여 다음의 수식

및

이 구해진다.

상기 위상 시프트는 다음의 수학식 9, 즉

으로 주어지는데, 여기서

이다.

λ₀는 변조하지 않은 레이저 다이오드의 파장이며, 그리하여 고정 파라미터라는 것을 상기하여야 할 것이다. 유리의 굴절률(n)을 알고, 위상 이동을 측정하면, 수학식 9에 따른 측정(k)에서 두께 변동(Δe_(k))를 결정하는 것이 가능하다.

쉽게 측정 가능한 10°의 위상 이동에 대하여, 만약 유리의 굴절률이 1.52이고, 파장이 λ₀= 780㎚라면, 두께 변동은 7㎚이다. 그러므로, 상기 방법은 10 ㎚ 즉, 1×10^-8 m 보다 더 좋은 두께 변동을 측정할 수 있는 성능을 가진다. 이 성능은 예를 들어, 플롯트 유리의 디옵터 결함을 측정하게 해준다.

본 발명은 방금 설명되어진 원리에 기초를 둔다.

일변형에서, 종래의 레이저 다이오드 대신에, 본 발명은 DBR 레이저 다이오드{분포된 브래그 반사경 - 티. 히라타(T. HIRATA), 엠. 마에다(M. MAEDA), 엠. 수에히로(M. SUEHIRO), 에이치. 호소마쯔(H. HOSOMATSU) 저 "양자 우물의 혼합 무질서에 의하여 집적된 DBR 과 위상-제어 섹션을 가지는 GaAs-AlGaAs의 동조 가능한 레이저 다이오드의 제작과 특성"(1991년 6월, 27권 6번 양자 전자 공학의 IEEE 저널(IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 27, No 6, JUNE 1991) 참조}를 사용한다.

λ₀ = 780 ㎚이고 Δλ = 0.24㎚를 가지는 전형적인 종래의 레이저 다이오드에 대하여, e = 1㎜에 대해 N = 1.2를 얻는다.

전형적인 DBR 레이저 다이오드는 λ₀ = 850 ㎚ 이고 Δλ = 2㎚ 인 특성을 가지며 e = 1㎜에 대해 N = 8.4를 얻는다.

DBR 레이저 다이오드를 사용함으로써, 0.5㎜의 두께에 대해서도, 매우 만족스럽게 상기 두께를 결정하기 위하여 주파수 측정을 하기 위한 4번의 진동수 보다도 훨씬 더 많은 진동수가 있다는 것을 주의해야 할 것이다. 그러므로, 얇거나 심지어 매우 얇은(0.2㎜)인 유리의 두께를 측정하는 것도 가능하게 된다.

그러나, 종래의 레이저 다이오드와는 달리, DBR 레이저 다이오드의 파장 변조는 전류의 선형 변조에 대해 선형적이지 않다는 것을 강조해야 할 것이다. 다르게 말하면, 수학식 2에서 함수(g₀(t))는 DBR 레이저 다이오드에 대해서 시간의 비선형 함수이다.

일반적으로, 간섭 신호는 다음의 수학식 11, 즉

로 나타낼 수 있는데,

여기서, DBR 레이저 다이오드에 대하여

이고, 종래의 레이저 다이오드에 대하여

이다.

도 1은 개략적인 형태의 광학 시스템을 도시한다.

광원, 즉 종래의 레이저 다이오드 또는 DBR 레이저 다이오드가 1로 도시된다. 광원의 출력(A)의 이미지는 렌즈(16)에 의해 B에 형성된다. 유리(2)의 샘플에 대하여 점(B)의 위치는 임의적이 아니다. 이 새로운 광원이 유리에서 발산빔을 제공한다는 사실은, 유리가 영역(3)의 애퍼처를 감소시킬 수 있는 분광(prismatic)할 때일 경우에서도, 도 2에서 3으로 나타내진, 상당한 크기의 간섭 영역을 얻는 것이 가능하게 된다. 이리하여 이 신호의 검출부는 비록 에지에서 플롯트 유리 스트립의 바로 분광 부분에서도 측정 가능 영역의 외부에 있을 위험이 없다.

이 테스트에서 사용된 광원은 50㎽의 전력, 780㎚의 파장(λ)을 가지는 종래의 레이저 다이오드(HL 7851 G(Hitachi))이거나 또는 852㎚를 가지는 오고가와 YL 85XT DBR 레이저 다이오드(Yokogawa YL 85 XT DBR Laser diode)이었다.

광전자 시스템의 과열을 피하기 위하여, 본 발명의 일변형은 고온 생산 영역에서 본 발명의 방법을 사용할 때 광섬유가 사용되야 하는 것을 제안한다. 그후 레이저 다이오드로부터 나오는 광은 도면에서 나타나 있지 않은, 단일 모드 광섬유 내로 결합된다.

제 2 광원(B)으로부터 출력되는 광선은 샘플의 두 표면에 의하여 반사된다{종래 기술에서와 같이 표면에 의해 산란된 광선의 세기보다 훨씬 더 큰 세기를 주는 거울 반사(specular reflection)}. 그러나 본 발명은 또한 산란광과 호환 가능하다.

반사빔은 2개의 점광원(B₁ 및 B₂)(도 2)으로부터 나오는 것처럼 보이는데, 이 2개의 점광원 사이의 거리는 실제로 측정되어야 하는 샘플의 두께(e)에 비례한다. 이 측정을 위하여, 이 시스템의 방출측과 수신측이 본 발명에 따른 모든 상기 장치를 포함하는 도 1의 사각형 (4) 안에 결합되어 있다. 그러므로 위에서 기술된 방출부에 부가하여, 수신부도 또한 사각형 내에 있다. 이리하여 거기에는 C에서 간섭 영역(3)의 요소(element)(C')를, 검출 요소 상에 직접 또는, 도 1 및 도 3에서와 같이, 다중 모드 광섬유(5)의 입력 상에 초점 형성시키는 렌즈(6)가 있다. 이 광섬유는 검출기에 연결되는데, 이 검출기로는 애벌란시 광다이오드(APD: Avalanche Photodiode)가 사용되는 것이 유리하다.

도 4는 이 렌즈(6)에 의하여 픽업되는 점(C')에서 간섭 영역(3)의 일부를 도시한다. 기호(Φ_C')는 렌즈(6)와 광섬유(5)에 의하여 실제로 "보여지는" 것을 나타낸다.

이 측정 시스템은 도 5에 도시되어 있다. 광전자 장치를 관리하고 검출된 광신호를 분석하며 처리하는 컴퓨터(8), 예를 들어 PC가 본질적인 요소이다. 전자 장치 유닛(11) 내에 놓여 있는 광원(1), 즉 종래의 레이저 다이오드 또는 DBR 레이저 다이오드는 전원 유닛(9)에 의하여 전력을 공급받는다. 전원 유닛(9)은 컴퓨터(8)로부터 케이블(10)을 거쳐 변조 신호(V_mod)를 수신한다. 레이저 다이오드(1)에 의하여 출력되는 광신호는 케이블 외장(sheath)(7)을 거쳐 측정 헤드(4) 까지 이르는, 단일 모드 광섬유(12)에 의하여 전송된다. 동일한 외장(7)을 거쳐 전송되는 다중 모드의 다른 광섬유(5)는 C에서 광신호를 수집하고, 상기 신호를 애벌란시 광다이오드인 것이 바람직한 검출기(13)에 전송한다.

PC 시스템은 실제로 신호 처리 시스템이다. 이 시스템은

· 디바이더 카드(divider card),

· 디지털 신호 처리 소프트웨어를 포함한다.

이 두 부분은 다음 문장에서 좀 더 상세하게 취급될 것이다.

헤테로다인 간섭계법은 레이저 다이오드의 파장을 변조하기 위하여 선형 전류 변조를 사용한다. 그러나, 이 레이저 다이오드의 광의 세기도 또한 시간 변조된다.

종래의 레이저 다이오드와 또한 DBR 레이저 다이오드에 대해 적용하는 수학식 11을 재점검해 볼 때, 만약 이 세기(I₀)가 어쨋든 시간 변조된다면, 정현 신호의 항(각 주파수와 위상)을 추출하는 것이 가능하지 않을 것이라는 것을 알 수 있다.

종래의 레이저 다이오드에 대하여, 선형 전류 변조는 이 세기(I₀)의 선형 변조를 초래한다. 그러나, DBR 레이저 다이오드의 경우에는, 선형 전류 변조가 이 세기(I₀)의 비선형 변조를 초래한다.

이 문제의 해법은 이 세기 변조(V_mod = I₀(t))에 의한 간섭 신호를 분할하는 것에 있다. 이 경우에,

를 얻는데, 여기서 DBR 레이저 다이오드에 대하여

이고, 종래의 레이저 다이오드에 대하여

이다.

얻어진 분할 신호는 레이저 다이오드의 세기 변조에 대하여 독립적이다. 이제, 순수한 정현 신호만이 신호를 사용하게 하며 두께를 결정하게 해준다.

주어진 센서의 특정한 경우에, 이 분할은 PC 포맷으로 된 디바이더 전자공학 카드(DIVIDER electronics card)에 의하여 디지털로 수행된다. PC에 설치된, 디바이더 전자공학 카드는 상기 분할을 수행하고 또한 동시에 레이저 다이오드 전원을 위해 삼각 변조(V_mod)의 소스를 제공한다. 이 디바이더 카드는 도 5에 14로 지정되어 있다.

이 PC는 디바이더(DIVIDER)에 의하여 전송된 분할 결과를 수신한다. 그후 디지털 처리가 유닛(15)에서 시작될 것이다.

본 적용에 있어서, 삼각 변조 주파수는 2kHz 일 수 있다. 변조의 상승이나 하락에 대하여, 250개의 분할점이 이용 가능하다.

제 1 처리 동작은 대역 통과 필터링이다. 이것은 일부 잡음과 V_div 의 DC 레벨을 제거해주며, 이것에 의하여 정형 신호를 변형시키는 것을 없게 한다.

제 2 처리 동작은 극한값의 위치, 다시 말하면 정현 신호에서 (1과 250 사이의) 최대치와 최소치의 수치 계수를 결정하는데 있다. 마지막 처리 동작은 두께를 결정하는 것이다.

분할 신호(V_div)의 상승 또는 하락에 대하여, 이 극한값에 대한 계수는 벡터(M)로 나타내어질 수 있다. 도 6은 2개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)에 대한 극한값의 이 계수를 도시한다. 이 도면에서, 주파수 변조{콘서티나 효과(concertina effect)}를 볼 수 있는데, 이것은 DBR 레이저 다이오드의 경우에 대응한다. 그럼에도 불구하고, 이 주파수 변조는 신호의 일반적인 경우, 종래의 레이저 다이오드와 DBR 레이저 다이오드에 대해 모두 나타낼 수 있다.

측정치(k)에 대하여, 극한값의 L 계수를 포함하는 벡터(M_k), 즉

M_k= [m_j ^k] = [m₁ ^k, m₂ ^k, m₃ ^k, m₄ ^k, ..., m_L ^k]

이 얻어지는데, 여기서

1 < m_j ^k < 250 및 1≤ j ≤L

이다.

원래의 두께를 측정(절대 측정)하기 위하여, 다음 절차가 채택된다.

분할 신호가 디지털 형태이기 때문에, 시간항(t)은 시간의 전통적인 의미를 상실한다. 시간의 개념은 1에서 250까지 변화하는 정수로 대체된다.

수학식 14에 따라 함수(g(t))를 알게 되면,

을 얻게 된다.

이것은 t= m_j ^k 와 t= m_j+1 ^k에 각각 대응하는 2 개의 연속하는 극한값에 대하여, 위상이 π 즉 180°만큼 변화한다는 것을 의미한다. 주어진 두께와 주어진 레이저 다이오드에 대하여 L 개의 극한값이 있기 때문에, 두께(e)는 최소 자승법(least squares)에 의하여 아래의 수식, 즉

를 최소화함으로써 결정될 수 있다.

이 함수(Y)의 최소값은 dY/de = 0일 때 존재하며, 그 값은

이다.

두께를 결정하기 위한 이 공식은 종래의 레이저 다이오드와 DBR 레이저 다이오드에 대하여 모두 적용된다.

두께 변동의 측정(상대적인 측정)을 수행하기 위하여, 두께 윤곽의 도함수를 계산하는 것이 필요하다.

측정치(k+1)에 대하여,

M_k+1= [m_j ^k+1] = [m₁ ^k+1, m₂ ^k+1, m₃ ^k+1, m₄ ^k+1, ..., m_L ^k+1]

이 얻어진다.

만약 측정치(k)로부터 벡터(M_k)가 컴퓨터의 메모리에 기록된다면, 측정치(k+1)와 측정치(k) 사이의 위상 이동은

으로 주어진다.

이것은, m_j ^k+1 와 m_j ^k 이 모두 정현 신호의 최대값이거나 둘 모두 최소값에 대응하는 한 사실이다.

그리하여, 만약 유리의 두께가 λ₀/(4n)보다 더 크게 변화되지 않았다면, 측정치(k+1)와 측정치(k) 사이의 두께 변동은 수학식 9에 따라

이 된다.

두께 윤곽의 도함수를 결정하기 위한 이 식은 종래의 레이저 다이오드와 DBR 레이저 다이오드에 대하여 모두 적용된다.

남아 있는 것은 완전한 고유 결과를 얻기 위하여 "상대적인" 두께에 대한 계산 모드에 "절대" 두께에 대한 계산 모드를 결합시키는 것이다.

이 두께 윤곽은,

으로 주어질 수 있는데, 여기서,

이며, e₍₁₎은 제 1 측정치(k=1)에서의 두께를 나타낸다. 여기서, k 는 측정 횟수를 나타내고 사실상 시간을 나타낸다.

상대 측정 모드는 서브미크론(sub-micron)의 정밀도로 두께 변동 윤곽(Δe_(k))을 얻을 수 있게 해준다. 최종 두께 윤곽을 얻기 위하여 해야할 남아 있는 일은 상수(e₍₁₎)를 찾는 것이다.

절대 측정 모드는 e₍₁₎을 결정하도록 해준다. 이것을 하기 위하여, 상대 측정을 하기 이전에 절대 측정 모드에서 한번의 측정을 취하는 것으로 충분하다. 그러나, 실제로, 무작위적으로 취해진 한번의 측정은 측정 동안에 신호를 교란하는 현상으로 인하여 안정적이지 못하다.

이 문제에 대한 처방 중 하나는 상수(e₍₁₎)를 직접 제공해주는 절대 모드에서 측정의 일정 횟수를 평균하는 것이다. 그러나, 제품의 두께 변동이 여러번 측정하고 그 측정값을 평균화할만큼 항상 충분한 시간을 허용해주지 않을 수 있다. 가장 좋은 해법은 최소 자승법에 의하여 상수(e₍₁₎)를 결정하는 것에 있는 것같다.

두께 윤곽 측정을 위하여, 절대 모드에서 두께 윤곽은 M 개의 측정점에서 얻어지는데 즉,

k =1 내지 M에 대하여 e_A(k)이다.

이리하여 M 개의 측정점에서 두께 변동 윤곽은 상대 모드로 얻어지는데, 즉,

k =1 내지 M에 대하여Δe_(k)이다.

여기서, k=1과 k=M은 윤곽의 시작과 마지막에 각각 대응한다.

[e₍₁₎ + e_(k)]이 최소 자승법에 의하여 e_A(k)에 가능한 한 가까워지도록 상수(e₍₁₎)를 찾는 것이 필요하다. 그러므로, 상수(e₍₁₎)는 다음의 수학식 즉,

을 최소화함으로써 결정될 수 있다.

이 함수의 최소값은 dQ/de₍₁₎에 대하여 존재하며, 이것은

으로 인도한다.

요약하면, 플롯트 라인에 대한 두께 윤곽은 다음 방식, 즉

1) 센서가 상기 스트립에 걸쳐 가로질러 이동하는 동안 상기 측정이 취해지고,

2) 절대 모드에서의 두께 윤곽(e_A(k))과 상대 모드에서의 두께 변동 윤곽(e_(k))을 제공해주는, 절대 및 상대 측정이 상기 스트립에 대한 모든 측정점에 대하여 취해지며,

3) 최종 두께 윤곽은 e₍₁₎이 수학식 22에 의하여 결정되는 [e₍₁₎ + Δe_(k)]이 되는 방식으로 측정될 수 있다고 할 수 있다.

본 발명의 방법을 검증하기 위하여, 여러 가지 테스트가 수행되었다.

먼저, 일련의 측정이 1㎜ 와 20㎜ 사이의 여러 두께를 가지는 편평한 유리에 대하여 종래의 레이저 다이오드를 사용하여 취해졌다. 도 7은 1.67㎜ 의 두께에 대한 간섭 신호(V_int), 변조 신호(V_mod), 및 분할 신호(V_div)를 도시하고 또한 도 8은 3.83㎜의 두께에 대한 상기 신호들을 도시한다.

상기 방법은 마이크로미터 스크류 게이지(micrometer screw gauge)의 정밀도(±5㎛)와 동일한 정도의 측정 정밀도를 보여준다.

DBR 레이저 다이오드를 사용하여, 일련의 측정이 0.3㎜와 5㎜ 사이의 여러 두께를 가지는 편평한 유리에 대해 취해졌다. 도 9와 도 10은 1.67㎜와 3.83㎜의 두께에 대한 상기 신호들을 도시한다.

도 7과 도 9를 비교해 볼 때, 삼각 변조의 상승(또는 하강) 동안, 동일한 두께에 대하여, 종래의 레이저 다이오드에 대한 경우 보다도 DBR 레이저 다이오드에 대한 경우가 훨씬 더 많은 진동이 있다는 것을 보는 것은 어렵지 않다. 동시에, DBR 레이저 다이오드로 얻어진 분할 신호에 대한 콘서티나 효과는 선명하게 볼 수 있는데, 이는 DBR 레이저 다이오드에 대한 함수(g(t))의 비선형성(nonlinearity)을 반영한다.

DBR 레이저 다이오드로 두께를 측정하는 것은 무엇보다도 먼저, 함수(g(t))의 정밀한 지식, 다시말하면, 선형 전류 변조에 의한 파장 변조의 비선형성을 필요로 한다. 이 함수는 수학적인 짜맞춤(fitting)에 의하여 결정될 수 있다. 이것은 아래의 수학적 분할 신호가 최소 자승법에 의하여 실험적인 신호에 가능한 한 가까워지도록 다음의 식, 즉

V_div =

∝ 1 + C·cos(φ₀ + e·g(t))

여기서, t = 1 내지 250에 대하여

g(t) = b₁t + b₂t² + b₃t³ + ... ( °/mm)

으로 주어지는 식에서 모든 파라미터를 결정하는 데에 있다. 1.67㎜의 두께에 대한 실험적인 분할 신호에 대해서(도 9 참조), 주어진 DBR 레이저 다이오드에 대하여

b₁ = 3.57897, b₂ = 0.022936, b₃ = 4.81×10^-5 및 n>3에 대하여는 b_n = 0을 얻을 수 있다.

함수(g(t))를 알게 되면, 측정되어지는 유리의 두께는 수학식 17에 의하여 결정될 수 있다.

도 11은 본 발명의 장치가 이 장치의 폭을 가로질러 이동되는 동안 움직이는 플롯트 유리 스트립의 폭에 대해 취해지는 측정 실험 결과값을 도시한다. 이 횡좌표(abscissa)는 0 에서부터 350㎝ 까지의 상기 스트립 폭을 도시하고, 세로좌표(ordinate)는 ㎜ 단위로 된 두께를 도시한다. 다이아몬드형 점들은 마이크로미터 스크류 게이지로 취해진 측정을 도시한다. 본 발명에 따른 측정의 정밀도는 밀리미터의 백분의 일까지 취해진 2개의 수동적인 측정치 사이를 보간하는 것이 가능하기 때문에 더 좋다는 것을 볼 수 있을 것이다.

이리하여 본 발명은 생산 동안 플롯트 유리의 두께를 우수한 정밀도로 모니터 하는 것이 가능하게 된다. 또한 본 발명에 의하여, 고온에서, 다시 말하면, 유리가 아닐링 레어(annealing lehr)에 들어가지 이전에, 이 측정을 취하는 것도 가능하다. 그후 공정 제어기는 생산 파라미터에 곧바로 반응할 수 있는데, 이것은 낭비를 크게 줄이고 또한 일반적으로 품질을 향상시킨다.

Claims

굴절률(n)을 가지는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법으로서,

변조된 광주파수를 가지는 광빔이 상기 투명 재료에 초점 형성(focused)되고, 상기 투명 재료의 각 표면에 의하여 반사된 2개의 광빔 또는 광선이 수신되며, 상기 두 광선 사이에 간섭이 발생되고, 이 간섭 신호의 변조 주기당 진동수(
, ω는 각주파수, T는 삼각 변조의 기간)가 결정되며, 상기 진동수(
,
는 변조되지 않은 초기 레이저 광선,
종래의 레이저 다이오드{조사원(illumination source)으로 사용}의 모드 점핑이 없는 파장 편위)로부터, 두 빔 사이의 경로 차이(δ= 2ne)가 결정되고, 상기 투명 재료의 상기 두께(e)가 추론되는, 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법에 있어서,

상기 간섭 신호의 위상 시프트(phase shift)는 2개의 연속하는 측정치(k 및 k+1; k는 측정 횟수와 사실상 시간을 나타냄)의 대응하는 극한값 사이의 시간을 결정하고, 대응하는 주기와 이전 시간의 비를 구하며 상기비에 2π를 곱함으로써 또한 결정되는 것을 특징으로 하는, 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 1항에 있어서, 상기 변조된 광주파수를 가지는 상기 광빔은 분포된 브래그 반사경(DBR: Distributed Bragg Reflector)을 가지는 레이저 다이오드에 의하여 방출되는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 1항에 있어서, 상기 투명 재료의 상기 표면들에 의하여 반사된 상기 광빔들은 거울 반사(specular reflection)에 의하여 반사되는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 1항에 있어서, 상기 초점 형성된 광빔은 상기 투명 재료의 상기 표면들에 도달하기 이전에 수렴되어, 그 결과 상기 광빔이 도달하는 상기 투명 재료의 상기 표면들에서는 발산하는 것을 특징으로 하는, 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서, 상기 두께 측정은,

· 필요시 상기 신호를 디지털화하는 단계와,

· 세기 변조와 간섭 신호의 비를 구하는 단계와,

· 상기 비를 대역 통과 필터링하는 단계와,

· 시간(k)에서 상기 측정을 위하여 상기 결과 신호의 극한값(extrema)을 결정하는 단계와,

· 2개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)에 대응하는 극한값 사이의 시간을 결정하는 단계와,

·다음의 수학식 즉

{상기 수학식에서 m_j ^k는 상기 측정치(k)를 위한 분할 신호의 상기 극한값의 위치를 나타내고, g는 사용되는 상기 레이저 다이오드에 따른 알려진 비선형(nonlinearity)특성이다}을 통해 최소 자승법(least square)으로 계산하는 단계와,

·상기 두께를 아래의 수학식 즉

에 의하여 계산하는 단계에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 플롯트 유리 스트립(a strip of float glass)의 국부 두께 변동의 정밀한 측정에 적용되는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 6항에 있어서, 상기 국부 두께 변동의 상기 측정을 기초로 하여 상기 플롯트 유리의 디옵터 결함(dioptric defect)의 측정에 적용되는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 6항에 있어서, 상기 국부 두께 변동은 검출기 상에 간섭 신호를 수신하여, 즉

· 필요시 상기 신호를 디지털화하는 단계와,

· 세기 변조와 상기 간섭 신호의 비를 구하는 단계와.

· 상기 비를 대역 통과 필터링하는 단계와,

· 시간(k)에서 상기 측정을 위해 상기 결과 신호의 극한값을 결정하는 단계와,

· 2개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)의 상기 대응하는 극한값 사이의 시간을 결정하는 단계와,

· 상기 대응하는 주기에 대한 이전 시간의 비를 계산하고, 위상 시프트를 구하기 위하여 상기 비에 2π를 곱하는 단계와,

· 상기 두께 변동을 수학식 즉

(λ₀ 는 변조하지 않은 레이저 다이오드의 파장이고, Δφ는 위상 시프트이고, n은 굴절률)에 의하여 계산하는 단계에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는, 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 0.2㎜보다 더 큰 얇은 투명 재료의 두께의 측정에 적용되는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 방법.
제 5항에 따른 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서,

DBR 레이저 다이오드를 가지는, 광원과, 샘플의 표면들 상으로 광빔을 향하게 하는 렌즈와, 상기 표면들에 의하여 재방출된 상기 빔들의 간섭 신호를 수신하기 위한 수단들과, 및

· 상기 신호들을 디지털화하고,

· 상기 세기 변조와 간섭 신호의 비를 구하고,

· 상기 디지털화된 비를 대역 통과 필터링하고,

· 시간(k)에서 상기 측정을 위한 결과 신호의 극한값을 결정하고,

· 2개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)에 대응하는 극한값 사이의 시간을 결정하고,

· 다음의 수식 즉

으로 최소 자승법을 계산하며,

· 아래의 수식 즉

에 의하여 상기 두께를 순차적으로 계산하는 컴퓨터를 구비하는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 장치.
제 8항 따른 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서,

DBR 레이저 다이오드를 가지는 광원, 상기 샘플의 상기 표면들 상으로 광빔을 향하게 하는 렌즈, 상기 표면들에 의하여 재방출된 상기 빔들의 간섭 신호를 수신하기 위한 수단, 및

· 상기 신호를 디지털화하고,

· 상기 세기 변조와 상기 간섭 신호의 비를 구하고,

· 상기 디지털화된 비를 대역 통과 필터링하고,

· 시간(k)에서 상기 측정을 위해 상기 결과 신호의 극한값을 결정하고,

· 2개의 연속하는 측정치(k 및 k+1)에 대응하는 극한값 사이의 시간을 결정하고,

· 상기 대응하는 주기와 이전 시간의 비를 구하며, 위상 이동을 얻기 위하여 상기 비에 2π를 곱하며,

· 아래의 수학식 즉,

에 의하여 상기 두께 변동을 순차적으로 계산하는 컴퓨터를 구비하는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 장치.
제 10항에 있어서, 상기 레이저 다이오드에 의하여 방출되거나 또는 상기 투명 물체의 상기 표면들에 의하여 반사된 상기 광을 전송하기 위한 광섬유 도파관을 구비하는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 장치.
제 10항에 있어서, 상기 수신 수단으로서 애벌란시 광다이오드(avalanche photodiode)를 구비하는 것을 특징으로 하는 투명 재료의 두께(e)를 측정하기 위한 장치.