KR101916038B1 - 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공급된 전원에 의해 광을 출사하도록 베이스부재의 일측에 설치되는 광원 출광부; 상기 베이스부재의 상면에 일정각도 비스듬하게 설치되어 상기 광원출광부에서 입사되는 광의 일부는 투과시키고 일부는 직각으로 반사시키는 반거울 구조의 광 분할기; 상기 베이스부재의 상면에 설치되어 광 분할기에서 반사되는 광의 일부를 수속, 광 분할기측으로 재 반사시키는 제1반사미러; 상기 광 분할기를 투과하는 광이 입사된 후 광 분할기측으로 재 반사되도록 광 분할기의 후방측에 설치되는 제2반사미러; 상기 제2반사미러와 일체로 구성되어 측정대상물을 고정하는 제1고정부; 상기 광 분할기를 거쳐 제1 및 제2반사미러에서 반사된 광이 수속되도록 상기 제1반사미러의 대향측에 설치되는 광 간섭무늬형성부; 상기 광 간섭무늬 형성부에 형성된 반사광의 간섭무늬를 촬영하는 영상촬영부; 상기 제1고정부의 전후 이동이 가능하도록 안내하는 이동안내부재; 상기 제1고정부가 이동안내부재를 따라 이동시키는 이동제어수단; 상기 제1고정부와 이동제어수단 사이에 설치되어 측정대상물의 타측 방향에 대한 변형량을 측정하는 제2고정부; 상기 영상촬영부 및 이동제어수단에 연결되어 광의 간섭무늬 및 감지된 신호를 토대로 측정대상물의 변형량을 측정하는 변형량측정부;를 포함하여 구성된다.

Description

광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치{Precise deformation generating and measuring device using the light interferometer}

본 발명은 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전물질을 이용한 이동제어수단을 통해 측정대상물의 변형량의 발생과 측정을 수행함과 동시에 광 간섭계를 이용하여 측정대상물의 변형량을 측정할 수 있도록 구성되는 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치에 관한 것이다.

광을 이용하여 측정 대상물의 변형량, 특히 길이(거리를 포함하는 의미로 사용됨), 폭, 두께와 같은 물리량을 측정하는 방식과 장치는 매우 다양하며, 그 이용하는 범위 또한 다양한 산업분야에서 널리 이용되고 있다.

본 발명은 광의 간섭효과에 의한 측정대상물의 길이, 특히 기준치에 대비해변형된 길이(이하, ‘변형량’이라 통칭함)를 측정하고, 이의 측정을 위해 압전물질을 이용하여 측정대상물에 변형량의 발생과 측정을 수행할 수 있도록 하는 정밀 변형량 발생 및 측정장치에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명과 관련된 기술에 국한해서 종래의 기술을 살펴본다.

본 발명이 이용하는 광(光) 간섭계에 의한 변형량 측정은 미켈슨 간섭계(Michelson Interferometer)의 원리를 응용한다.

주지된 바와 같이, 미켈슨 간섭계의 측정법은 광의 간섭성 또는 결맞음(coherence) 성질을 이용하는 측정법으로, 도 1에 광 결맞음 측정법에 대한 개념이 개략적으로 도시되어 있다.

광 간섭계를 이용한 거리 측정방법에는 원격탐사, 거리측정, 로봇주행, 양자물리, 분광학 및 생의학 영상화 등 다양한 분야에서 사용되고 있는 것으로, 감도가 가장 좋은 측정방법의 하나로 인정되고 있다.

이 방법은 미지의 파(波)에 의해 측정되는 간섭도를 기지의 기준파로 관찰함으로써 상기 미지 파의 위상을 얻는 방법이다.

한편, 미켈슨 간섭계를 이용하는 거리측정장치의 개략도 및 이 간섭계를 이용해서 얻어지는 간섭 줄무늬의 일례가 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참조하면 미켈슨 거리측정장치는 레이저 광원(1), 상기 레이저 광원(1)에서 출력된 광이 입사되는 광분할기 (beam splitter)(2), 상기 광분할기기(2)에서 투과 또는 반사된 광이 입사되도록 상호 직각되게 배치된 제1거울(3)과제2거울(4, 제2거울에 측정대상물 및 이동수단이 구비됨), 광검출기 (5) 및 검출된 광 간섭무늬를 통해 측정대상물의 거리를 프로그램에 의해 측정하는 프로세서(6)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 미켈슨 간섭계는 레이저 광원(1)으로부터 출사된 광이 제1경로(a)를 통하여 광분할기(2)로 입사되고, 광분할기(2)로 입사된 광은 각각 제2경로(b)와 제3경로(c)를 통해 제1미러(3)와 제2미러(4)쪽으로 분할된다.

제2경로(b)와 제3경로(c)로 분할된 광들은 제1미러(3) 및 제2미러(4)에 의해 반사되어 다시 각각 제2경로(b) 및 제3경로(c)를 따라 광분할기(2)쪽으로 복귀하며, 복귀된 광들은 광분할기(2)에 의해 다시 합쳐진 후, 합쳐진 광은 제4경로(d)를 따라 간섭을 일으키면서 광검출기(5)로 입사되고, 광검출기(5)는 입사된 광신호를 프로세서(6)로 보내지게 되며, 프로세서(60)에서는 광간섭 패턴을 분석하여 광의 이동 경로에 대한 거리 정보 또는 굴절률 정보 등을 측정자에게 제공하게 된다.

즉, 측정자에게 제공되는 광간섭 패턴 또는 광 간섭 줄무늬는 제2거울(4)을 움직였을때 간섭무늬 패턴의 중앙점이 밝은 부분과 어두운 부분 사이에서 이동 또는 바꿔지게 되고, 광분할기(2)의 중심점에서 제1거울(3)과 제2거울(4) 사이의 경로차(b:c)에 따라 위상차가 달라지게 되고, 만약, 제2거울(4)이 Δd(Δλ)/2만큼 움직였다면 그 경로차는 λ만큼 변하고, 간섭무늬는 한 단계식 이동하게 된다.

얇고 투명한 물질을 빛의 경로에 갖다 놓아도 간섭무늬가 이동하게 되며, 두께가 L이고 굴절률이 n인 물체를 광분할기(2)와 제2거울(4) 사이에 갖다 놓으면 이 물질을 왕복하는 동안 빛의 파동수는

이고, 이 물질이 없다면 같은 거리를 왕복하는 동안 파동수는

이다.

결국 투명 물질로 인해 생기는 경로차의 변화는 Nm-Na

이다.

이와 같은 방법에 의해 아주 얇은 물질의 두께도 빛의 파동수로 표시할 수 있게 되어 어떤 물체의 얇은 두께에 대한 정밀한 측정이 가능하도록 한다.

이와 같은 미켈슨 간섭계의 기본 원리를 응용한 다양한 측정장치들이 개발되어 사용되고 있거나 특허출원이 이루어지고 있다.

그 일례로, 한국 특허등록 제10-0752803호(등록일: 2007.08.21)에서는 “간섭계를 이용한 미소변위 측정장치 및 방법”이 제시되어 있다.

상술한 특허에 개시된 미소변위 측정장치 및 방법은 변위측정 대상물과 함께 거동하는 변위 이동체와, 상기 변위 이동체의 이동에 따른 변위광과 기준이 되는 기준광의 광경로 차이로 인한 갑섭무늬를 형성하는 간섭계와, 간섭무늬를 파장별로 검출하는 광 검출수단 및 광 검출수단에서 검출한 간섭패턴을 힐버트(Hilbert)변환하여 파장 성분별 상(Phase)을 구하고 구한 상의 물리량을 변위정보로 변환하여 미소변위를 측정하는 측정수단을 포함하여 구성되는 것으로, 기준이 되는 광경로와 측정 광 경로 사이의 변위차이로 인해 생기는 간섭무느를 파장 성분별로 분해하고 이를 저가의 간단한 구성요소들로 이루어지는 힐버트 변환장치를 통해 미소 변위까지 정확하게 측정할 수 있도록 한다.

상술한 미켈슨의 간섭계를 이용한 또 다른 실시예로, 특허등록 제10-1252396호(등록일:2013.04.02)의 “비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정장치”가 안출된 바 있다.

이는 빔을 출력하는 레이저와, 상기 빔을 두 개의 서로 다른 경로를 지나가도록 나누는 빔분할기와, 상기 서로 다른 경로의 빔을 반사하여 상기 빔분할기에서 합하는 미러와, 상기 빔분할기에서 합해진 빔의 간섭무늬를 카운트하여 증발계 수조의 수위를 측정하는 디텍터를 포함하여 구성됨으로써 간섭무늬의 갯수 변화를 카운트하여 증발계 수조 속의 물의 두께 변화, 즉 증발량의 변화 정도를 정확히 실시간으로 측정할 수 있도록 한다.

하지만, 이와 같은 종래의 안출된 발명들은 미켈슨 간섭계의 기본원리를 이용하여 어떤 물체의 일 방향에 대한 물리량, 즉 거울과 광(빔)분할기 사이에 위치한 물체의 변형량만을 측정할 수 밖에 없는 단점이 있었다.

또한, 이러한 종래의 광 간섭계를 이용한 측정장치는 측정대상물의 변형량을 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 반면에, 정밀한 측정을 위해 측정대상물의 이동을 제어하는 수단으로는 손으로 제어하는 수동제어방식을 이용함으로써 매우 정밀하고 미세한 변형량을 측정하는데 한계가 있었다.

- 특허등록 제10-0752803호(등록일: 2007.08.21, 발명의 명칭: 간섭게를 이용한 미소변위 측정장치 및 방법) - 특허등록 제10-1252396호(등록일:2013.04.02, 발명의 명칭 : 비접촉 광학 간섭계식 증발량 측정장치)

본 발명은 상술한 미켈슨 간섭계의 기본 원리를 이용한 종래의 측정장치가 갖는 단점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 광 간섭계를 이용하여 측정대상물에 대한 정밀한 변형량 측정이 가능할 뿐만 아니라 측정대상물의 정밀한 이동 즉, 정밀한 변형량을 발생시킬 수 있도록 하여 고정밀 변형량 발생 및 측정이 동시에 가능하도록 하는 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 동일한 측정대상물에 대한 서로 다른 두 방향(x축, y축)에 대한 변형량을 발생시킴과 동시에 측정이 가능하도록 하여 측정대상물에 대한 보다 정밀하고 신속한 변형량 발생 및 측정이 가능하도록 하는 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치를 제공하고자 하는데 또 다른 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치는 공급된 전원에 의해 일정한 파장의 광을 출사하도록 평판형의 베이스부재 상면 일측에 설치되는 광원출광부; 상기 광원출광부에서 일정거리 이격된 위치의 베이스부재 상면에 수직 설치되어 상기 광원출광부에서 입사되는 광(光)의 일부를 투과시키고 다른 일부의 광(光)은 직각으로 반사시키는 반거울 구조의 광(光) 분할기; 상기 광 분할기의 일측으로 일정거리 이격되어 베이스부재의 상면에서 상기 광원출광부에 대해 직각방향으로 설치되어 상기 광 분할기에서 반사되는 광을 수속하여 광 분할기측으로 재 반사시키는 제1반사미러; 상기 광 분할기의 후방측에 설치되어 광 분할기를 투과하여 입사된 광(光)을 광 분할기 측으로 반사시키는 제2반사미러; 상기 제2반사미러와 일체로 구성되어 제1측정대상물이 고정되는 제1고정부; 상기 제1 및 제2 반사미러에서 반사된 광이 상기 광 분할기에서 합해져 일정한 모양의 간섭무늬가 형성되도록 상기 제1반사미러의 대향 측 베이스부재의 상면에서 상기 광 분할기에 대해 일정 기울기로 설치되는 광 간섭무늬 형성부; 상기 광 분할기를 통과한 간섭광의 광 간섭무늬가 상기 광 간섭무늬 형성부에 확대되어 맺히도록 상기 광 분할기와 광 간섭무늬 형성부 사이에 설치되는 간섭무늬 확대부; 상기 광 간섭무늬 형성부에 맺힌 광 간섭무늬를 촬영하여 측정대상물의 변형량 측정프로그램이 설치된 변형량측정부로 전송하도록 베이스부재의 상면 일측에 설치되는 영상촬영부; 상기 제1고정부를 상기 광원 출광부를 기준으로 전후 이동시켜 제1고정부에 고정된 측정대상물에 일정한 변형량을 발생시키도록 제1고정부의 하단과 베이스부재의 상면 사이에 설치되는 이동안내부재; 상기 이동안내부재에 결합된 상기 제1고정부를 변형량측정부에서 전달된 제어명령을 통해 전후 이동시키도록 상기 이동안내부재의 일측 베이스부재의 상면에 고정 설치되는 이동제어수단; 상기 제1고정부와 이동제어수단 사이에 구비되어 상기 제1고정부의 이동시 제1고정부에 고정된 제1측정대상물과 다른 방향의 변형량을 측정하도록 제2측정대상물이 고정되는 제2고정부; 상기 광원출광부, 영상촬영부 및 이동제어수단과 연결되어 광원 출광부에서 출력되는 광원의 조절과 상기 영상촬영부에서 촬영된 간섭광의 분석을 통해 제1측정대상물의 변형량을 측정하고, 상기 이동제어수단의 제어 및 이동제어수단의 동작에 따라 제2고정부에 고정된 제2측정대상물의 변형량을 각각 측정하는 프로그램이 설치되어 제1 및 제2측정대상물의 변형량 측정결과를 영상으로 출력하는 변형량측정부;를 포함하여 이루어진다.

특히, 상기 제1고정부는, 상기 제2반사미러가 결합된 상태에서 상기 이동안내부재에 하단부가 고정되어 상기 이동제어수단의 동작에 따라 베이스부재의 상면에서 광원 출광부를 기준으로 전후 이동되는 가동체와, 상기 가동체의 후방에서 상기 베이스부재의 상면에 고정되고 그 일측면에 제1측정대상물이 고정되는 고정체와, 상기 가동체의 이동시 상기 고정체에 고정된 제1측정대상물의 표면을 가압하여 제1측정대상물의 변형량 계측이 가능하도록 상기 가동체의 후면에서 가동체에 일체로 결합되는 막대형상의 가압봉;을 포함하는 구성으로 이루어진다.

또한, 상기 이동제어수단은, 전원공급시 일정한 전압이 인가되면서 발생된 전위차에 의해 선형방향의 힘이 발생되는 압전물질로 구성된 구동부와, 상기 구동부에서 발생된 힘을 상기 제1고정부의 가동체 표면에 전달하여 가동체를 움직이도록 일단이 상기 구동부에 연결되고 타단이 상기 가동체의 표면에 밀착되게 설치되는 막대형상의 선형이동부와, 상기 선형이동부의 이동 제어 및 선형이동부의 이동량에 따른 제2고정부에 고정된 제2측정대상물의 변형량을 상기 변형량측정부로 전송하는 선형이동제어부;를 포함하여 이루어진다.

상술한 본 발명에 따른 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치는 광 간섭계의 원리를 이용하여 측정대상물에 대한 일 방향의 변형량을 측정하고, 광 간섭계의 원리로 변형량을 측정한 측정대상물과 동일한 재료의 또 다른 방향에 대한 변형량을 동시에 측정할 수 있도록 하면서 그 변형량을 미세하게 발생시킬 수 있도록 구성됨으로써 한 번에 두 방향의 변형량을 동시에 정밀 측정이 가능하도록 한다.

특히, 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치는 수 ㎛ 이내의 변형량 발생 및 측정이 가능하도록 하여 고정밀도를 필요로 하는 다양한 제품의 이상유무 판단과 결함발생을 파악할 수 있도록 한다.

도 1 및 도 2는 광 간섭계를 이용한 길이 측정장치의 실시예,
도 3은 본 발명에 따른 광 간섭계를 이용한 변형량 정밀측정장치의 전체 구성 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 광 간섭계를 이용한 변형량 정밀측정장치의 전체 구성 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 광 간섭계를 이용한 변형량 정밀측정장치에서 제1고정부의 발췌상태도,
도 6은 본 발명에 따른 광 간섭계를 이용한 변형량 정밀측정장치를 이용한 측정대상물의 변형량을 측정방법의 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 정밀측정장치에서 광 간섭계를 이용하여 제1고정부의 제1측정대상물에 대한 변형량을 측정하기 위해 획득된 광 간섭무늬의 일례이고,
도 8은 본 발명에 따른 정밀측정장치에서 이동제어수단의 제어를 통해 제2고정부에 고정된 제2측정대상물의 변형량을 계측하기 위한 획득된 그래프이다.

본 발명에 따른 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치(이하, “정밀 변형량 발생 및 측정장치”로 약칭함)는 베이스부재의 상면에 설치된 광 간섭계를 이용하여 제1고정부에 고정된 제1측정대상물의 일 방향에 대한 변형량을 일차적으로 측정하고, 추가적으로 베이스부재의 타측에 구비된 제2고정부에 고정된 제2측정대상물을 제1측정대상물과 다른 방향에 대한 변형량을 동시에 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 하나의 장치로 한 번에 동일한 측정대상물의 서로 다른 방향(X축방향, Y출방향)의 변형량을 측정할 수 있도록 구성되는 특징을 갖는다.

또한, 제1측정대상물이 고정된 제1고정부 및 제2측정대상물이 고정된 제2고정부를 압전물질을 이용하여 매우 정밀하게 이동시켜 변형량 발생이 가능하도록 함으로써 측정대상물의 미세한 변형까지도 측정이 가능하도록 구성된다.

삭제

이하, 명세서에 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치의 바람직한 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.

또한, 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치에 적용되는 미켈슨의 광 간섭계의 원리 및 방법은 학계 뿐만 아니라 산업계에 널리 공지된 기술을 응용하여 측정대상물의 일 방향에 대한 변형량을 측정하도록 구성되는데, 이러한 기 공지된 광 간섭계의 측정원리 및 그 방법에 대한 구체적인 설명은 생략하거나 간단하게 하고, 본 발명의 신규한 특징부인 장치와 그 설치구조 위주로 자세한 설명을 한다.

도 3은 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치(200)의 전체적인 구성을 알아보기 쉽도록 블럭도로 간단하게 도시하고 있고, 도 4는 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치(200)의 전체 구성에 대한 일 실시예의 구성예를 각각 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치(200)는 광 간섭계의 원리를 이용하여 측정대상물의 일 방향에 대한 변형량을 측정하는 1차 변형량측정부(A)와, 상기 1차 변형량측정부(A)와 연동되게 구성되어 1차 변형량측정부(A)에서 측정되는 측정대상물의 또 다른 방향에 대한 변형량을 측정하면서 변형량 측정에 필요한 변형량을 발생시키는 2차 변형량측정부(B)로 구성된다.

상기 1차 변형량측정부(A)의 주요 구성으로는 광원을 출광하는 광원출광부(20)와, 상기 광원출광부(20)에서 출사된 광(光)이 수속되는 광(光) 분할기(30)와, 상기 광(光) 분할기(30)에서 직각으로 반사되어 입사된 광(光)을 다시 광 분할기(30)로 재반사키는 제1 반사미러(40)와, 상기 광 분할기(30)를 투과하여 입사된 광을 다시 광 분할기(30)로 재반사시키는 제2 반사미러(50)와, 상기 제2 반사미러(50)와 일체로 구성되어 측정대상물(이하, ‘제1측정대상물’이라 함)을 고정하는 제1고정부(60)와, 상기 제1반사미러(40) 및 제2반사미러(50)에서 각각 반사되어 광분할기(30)에 합쳐진 반사광의 간섭무늬가 맺히도록 광 분할기(30)의 일측에 설치되는 광 간섭무늬 형성부(70)와, 상기 광 간섭무늬 형성부(70)에 형성된 반사광의 간섭무늬가 확대되어 표시되도록 광 분할기(30)와 광 간섭무늬 형성부(70) 사이에 구비되는 간섭무늬 확대부(75)와, 상기 광 간섭무늬 형성부(70)에 맺힌 광 간섭무늬를 촬영하는 영상촬영부(80)와, 상기 영상촬영부(80)에 촬영된 광 간섭무늬를 토대로 설정된 프로그램을 통해 제2반사미러(50)측 제1고정부(60)에 고정된 제1측정대상물의 변형량을 측정하는 변형량측정부(120)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 2차 변형량측정부(B)는 상기 1차 변형량측정부(A)의 제1고정부(60)에 연결되어 측정대상물(이하, ‘제2측정대상물’이라 함)이 고정되는 제2고정부(100)와, 상기 제2고정부(100)가 광원출광부에서 출사되는 광의 진출방향과 평행하도록 전후 이동되게 안내하는 이동안내부재(105)와, 상기 제2고정부(100)의 이동량 조절과, 조절되어 이동된 이동변위를 감지하여 상기 변형량측정부(120)로 데이터를 전송하여 제2고정부(100)의 제2측정대상물에 대한 변형량을 계산하도록 하는 이동제어수단(110)을 포함한 구성으로 이루어진다.

삭제

도 4를 참조하면서 상술한 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치(200)의 주요 구성 및 구조에 대해서 좀 더 상술한다.

도시된 바와 같이, 상술한 1차 변형량측정부(A)와 2차 변형량측정부(B) 모두 평판형의 베이스부재(10)의 상면에 고정 설치되는 것으로, 먼저 1차 변형량측정부(A)의 구성에 대해서 상술한다.

상기 베이스부재(10)의 상면 일측으로 광원출광부(20)가 구비되는데, 상기 광원출광부(20)는 공급된 전원에 의해 일정한 파장의 레이저 광(光)을 발생, 수평으로 출사하도록 일정 높이로 설치된다.

상기 광원출광부(20)에서 출사되는 레이저 광원이 입사되도록 상기 광원출광부(20)에 일정거리 이격된 전방측 베이스부재(10)의 상면에는 광 분할기(30)가 설치된다.

상기 광분할기(30)는 상기 광원출광부(20)로부터 입사된 일부 광(光)은 그 후방으로 그대로 투과시키고 또 다른 일부의 광(光)은 직각방향으로 반사시키도록 반거울 구조로 이루어진다.

또한, 상기 광 분할기(30)의 일측으로 광 분할기에서 일정거리 이격된 위치, 즉 상기 광원출광부(20)와 직각되는 방향의 위치에는 제1반사미러(40)가 설치되어 광 분할기(30)에서 직각으로 반사된 광이 입사된 후에 다시 광분할기(30)측으로 재 반사시키게 된다.

그리고, 상기 광 분할기(30)를 기준으로 광원출광부(20)의 대향측, 즉 광 분할기(30)의 후방 측으로 일정거리 이격된 위치에 제2반사미러(50)가 설치되어 상기 광 분할기(30)를 투과한 광이 그 표면에 입사된 후 반사되어 다시 광 분할기(30)측으로 전달되도록 한다.

상기 제2반사미러(50)는 도시된 바와 같이 일정 크기의 평판재로 이루어져 그 일측면에 제1측정대상물을 고정시키는 제1고정부(60) 전면에 결합되어 제1고정부(60)가 광원출광부(20)를 기준으로 전후 이동함에 따라 제2반사미러(40)도 함께 이동될 수 있도록 구성된다.

그리고, 상기 제1반사미러(40)와 제2반사미러(50)에서 반사된 광은 상기 광 분할기(30)에서 합쳐져 일정한 모양의 광 간섭무늬가 형성되어 그 간섭무늬의 패턴이 표면에 맺히도록 상기 제1반사미러(40)의 대향측 베이스부재의 상면에 광 간섭무늬 형성부(70)가 구비된다.

특히, 상기 광 분할기(30)에서 반사되는 광 간섭무늬가 광 간섭무늬 형성부(70)에 보다 크게 맺히도록 상기 광 분할기(30)와 광 간섭무늬 형성부(70) 사이에는 볼록렌즈 형상의 간섭무늬확대부(75)가 더 설치된 구성으로 이루어진다.

이와 더불어, 상기 광 간섭무늬 형성부(70)에 형성된 간섭광의 무늬를 촬영하여 분석할 수 있도록 상기 베이스부재(10)의 일측 상면에는 CCD카메라로 구성되는 영상촬영부(80)가 구비된다.

상기 광 간섭무늬 형성부(70)는 도시된 바와 같이 광 간섭무늬가 형성되는 그 전면이 평판형으로 이루어지면서 광 분할기(30)와 영상촬영부(80)에 대해 각각 45°의 기울기를 갖도록 설치되어 광 분할기(30)에서 출사된 광 간섭무늬의 영상이 광 간섭무늬 형성부(70) 표면에 타원형 형태로 표시되더라고 최종적으로 영상촬영부(80)에는 정원(正圓) 형태로 광 간섭무늬가 획득될 수 있게 된다.

한편, 도 5는 상기 제1고정부(60)의 구성과 제2고정부(100)의 일부 구성을 발췌 도시하고 있는 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제1고정부(60)는 상기 제2반사미러(50)가 결합된 상태에서 그 하단부가 이동안내부재(105)에 고정되어 이동제어수단의 동작에 따라 베이스부재(10)의 상면에서 광원출광부(20)를 기준으로 전후 이동되는 평판형상의 가동체(62)와, 상기 가동체(62)의 후방 측 베이스부재(10)의 상면에 고정되고 그 후면에 제1측정대상물(M1)이 고정되는 평판형상의 고정체(64)와, 상기 가동체(62)의 이동시 상기 고정체(64)에 고정된 제1측정대상물(M1)의 표면을 가압하여 제1측정대상물(M1)에 변형이 발생되도록 상기 가동체(62)의 후면에서 가동체(62)에 일체로 결합되고 고정체(64)를 향해 일정길이 돌출되는 막대형상의 가압봉(65);을 더 포함하는 구성으로 이루어진다.

상기 가동체(62)와 고정체(64)는 모두 평판재로 구성되어 베이스부재(10)의 상면에 수직으로 설치되며, 고정체(64)의 경우 그 중앙부에 일정 크기의 관통부(66)가 형성되고, 상기 관통부(66)가 형성된 후면, 즉 상기 가동체(62)에서 보이지 않은 바깥쪽면에 제1측정대상물(M1)이 고정된 상태에서 상기 관통부(66)로 제1측정대상물(M1)의 일부가 노출되도록 구성된다.

따라서, 상기 가동체(62)의 후면에서 고정체(64)를 향해 수직으로 설치된 막대형상의 가압봉(65)이 가동체(62)의 이동(고정체쪽으로 이동)에 따라 상기 관통부(66)로 노출되는 제1측정대상물(M1)의 표면을 가압하여 제1측정대상물(M1)의 표면에서 변형이 발생되도록 한다.

이와 같이 가동체(62) 및 가압봉(65)의 이동에 따라 가압봉(65)이 가압하는 제1측정대상물(M1)에서 변형이 발생되고, 제1측정대상물(M1)에서 발생된 변형의 크기, 즉 변형량에 따라 광 간섭계에 나타나는 광 간섭무늬가 변화되면서 광원출광부에서 출사된 광의 파장이 일정한 주기의 위상 그래프로 표현되고, 변형량측정부에서 위상그래프로 표현된 변위를 통해 제1측정대상물(M1)의 변형량이 측정된다.

즉, 상기 영상촬영부(80)에서 획득된 광 간섭무늬 영상은 베이스부재와 별도로 구성된 변형량측정부(120)로 전달되어 변형량측정부(120)에 저장된 프로그램에 의해 획득된 광 간섭무늬가 분석되어 상기 제2반사미러(50)와 일체로 구성된 제1고정부(60)에 고정된 제1측정대상물(M1)의 변형량을 계산하여 획득된 광 간섭무늬와 함께 모니터에 영상으로 표시되도록 한다.

물론, 상기 변형량측정부(120)에는 제 및 제2측정대상물의 변형량을 측정하기 전에 제1 및 제2측정대상물에 대한 기본데이터가 입력되어 있으며, 획득된 광 간섭무늬에서 측정이 이루어지는 임의의 특정좌표는 사용자에 의해 임의로 선정되어 광 간섭무늬의 변화되는 형태를 통해 정밀한 변형량 측정이 이루어지도록 구성된다.

한편, 상기 2차 변형량측정부(B)는 상기 베이스부재(10)의 상면 또 다른 일측에 설치되되, 상기 1차 변형량측정부(A)에 이용되는 광 간섭계와 다른 수단으로 1차 변형량측정부(A)에서 측정되는 제1측정대상물(M1)의 변형량 측정방향과 다른 방향에 대해서 제2측정대상물(M2)의 변형량 발생과 그 변형량을 측정하도록 구성된다.

즉, 상기 2차 변형량측정부(B)는 상기 제1고정부(60)의 하단과 베이스부재(10)의 상면에 설치되어 상기 제1고정부(60)가 상기 광원출광부(20)를 기준으로 전후방향으로 수평 이동가능하도록 가이드 역할을 하는 이동안내부재(105)와, 상기 이동안내부재(105)에 결합된 상기 제1고정부(60)를 변형량측정부(120)에서 전달된 제어명령을 통해 전후 이동시키도록 상기 이동안내부재(105)의 일측 베이스부재의 상면에 고정 설치되는 이동제어수단(110)과, 상기 제1고정부(60)와 이동제어수단(110)에 양단이 고정되어 제2측정대상물(M2)을 상기 제1고정부(60)에 고정된 제1측정대상물(M1)과 다른 방향에서 변형량을 측정하도록 하는 제2고정부(100)를 포함하여 구성된다.

특히, 상기 이동제어수단(110)은 제1고정부(60)의 이동량 및 제1측정대상물의 변형량 발생을 정밀하게 제어하면서 그 이동변위 즉, 변형량 측정이 가능한 압전세라믹소자를 이용한 엑츄에이터(이하, ‘PZT엑츄에이터’로 약칭함)로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

이의 구성을 좀 더 상술하면, 본 발명의 이동제어수단(110)에 이용된 상기 PZT 엑츄에이터는 전원공급시 일정한 전압이 인가되면서 발생된 전위차에 의해 선형방향의 힘이 발생되는 압전물질(또는 압전소자)로 구성되는 구동부(112)와, 상기 구동부(112)에서 발생된 힘을 상기 제1고정부(60)의 가동체(62) 표면에 전달하여 가동체(62)를 움직이고 가동체(62)의 움직임을 통해 고정체(64)에 고정된 제1측정대상물(M1)의 변형량 발생이 가능하도록 일단이 상기 구동부(112)에 연결되고 타단이 상기 가동체(62)의 표면에 밀착되게 설치되는 막대형상의 선형이동부(114)와, 상기 선형이동부(114)의 이동 제어 및 선형이동부(114)의 이동량에 따라 제2고정부(100)에 고정된 제2측정대상물(M2)의 변형량을 상기 변형량측정부(120)로 전송하는 선형이동제어부(116);를 더 포함하는 구성으로 이루어진다.

상기 2차 변형량측정부(B)의 이동안내부재(105)는 평평한 베이스부재(10)의 상면에서 제1고정부(60)가 흔들림없이 슬라이딩 이동 가능하도록 안정되게 고정 지지 LM가이드 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 도 6에는 상술한 구성과 구조로 이루어지는 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치를 이용한 측정대상물의 변형량 측정과정이 간단한 블럭도로 도시되어 있다.

도 6을 참조하면서 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치를 이용한 측정대상물의 변형량 측정과정을 간단하게 설명한다.

먼저, 키보드와 같은 데이터 입력부와, 영상을 디스플레이하는 모니터 및 변형량 측정프로그램이 저장되고 측정된 데이터가 저장되는 메모리부가 구비된 본체로 구성된 일련의 퍼스널 컴퓨터를 기반으로 이루어진 변형량측정부(120)를 통해 측정에 필요한 준비절차를 수행한다.

즉, 측정하고자 하는 측정대상물의 기본데이터(변형전) 입력과, 레이저광원의 출광 조건, PZT엑츄에이터 구동에 필요한 전압설정, 이동거리, 이동거리에 대한 증분량, 영상 초기화, 제1고정부와 제2고정부에 측정대상물의 고정 설치 등 기본 준비절차를 수행하며, 물론, 이때 베이스부재에 구비되는 각종 장치는 정상적으로 셋팅된 상태에서 진행한다.

이와 같은 측정 준비단계를 수행한 후, 이동제어수단(110) 측으로 제어명령을 보내 구동부(112)를 구동하여 선형이동부(114)가 설정된 목표거리만큼 이송되도록 하고, 목표거리에 도달된 후 광원출광부에서 출력된 레이저광원이 광분할기를 거쳐 제1 및 제2반사미러측으로 투과되거나 반사되며, 제1 및 제2반사미러에 입사된 광은 다시 반사되어 광 분할기로 보내지고, 광 분할기에 입사된 양측 반사광은 하나로 합쳐져서 간섭무늬 확대부를 거쳐 광 간섭무늬 형성부 표면에 타원형 형태의 광 간섭무늬가 형성된다.

상기 광 간섭무의 형성부에 형성된 광 간섭무늬를 영상촬영부에서 촬영하여 변형량측정부로 전송, 획득된 영상 값이 저장된다(도 7 참조).

이때 획득된 영상 값은 설정된 프로그램에 의해 사인파 형태의 파형을 그리면서 일정한 반복주기를 갖는 그래프로 형태로 표시되어 그래프 위상을 기초로 계산과정을 통해 이송량, 즉 측정대상물의 변형상태를 측정하기 위해 이동된 변형량이 계산되며, 이때 이동제어수단의 선형이동부에 의한 이동량 또한 도 8에 도시된 바와 같이 사인파 형태의 그래프를 그리게 되며, 그래프에 나타난 반복된 파형의 그래프 위상을 통해 측정대상물의 변형량이 계산되고, 계산된 측정값은 변형량측정부의 컴퓨터에 저장된다.

물론, 상기 변형량측정부에 표시되는 변형량은 제1고정부에 고정되는 제1측정대상물의 변형량과 제2고정부에 고정된 제2측정대상물의 변형량이 동일한 값으로 측정되어 표시된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 정밀 변형량 발생 및 측정장치는 압전물질을 이용하여 측정대상물이 고정된 제1고정부를 미세하게 이동시키면서 제1 및 제2고정부에 고정된 측정대상물에 변형량을 발생시키고, 이때 발생된 변형량을 광 간섭계 및 pzt를 이용하여 계측할 수 있도록 하여 아주 정밀하고 미세한 변형량까지도 측정 가능하도록 한다.

10 : 베이스부재 20 : 광원 출광부
30 : 광 분할기 40 : 제1반사미러
50 : 제2반사미러 60 : 제1 고정부
62 : 가동체 64 : 고정체
65 : 가압봉 66 : 관통부
70 : 광 간섭무늬 형성부 75 : 간섭무늬 확대부
80 : 영상촬영부 100 : 제2고정부
105 : 이동안내부재 110 : 이동제어수단
112 : 구동부 114 : 선형이동부
116 : 선형이동제어부 120 : 변형량측정부
200 : 정밀 변형량 발생 및 측정장치 M1,M2 : 제1,제2측정대상물

Claims (3)

1. 공급된 전원에 의해 일정한 파장의 광을 출사하도록 평판형의 베이스부재(10) 상면 일측에 설치되는 광원 출광부(20);
   상기 광원 출광부(20)에서 일정거리 이격된 위치의 베이스부재(10) 상면에 수직 설치되어 상기 광원 출광부(20)에서 입사되는 광(光)의 일부를 투과시키고 다른 일부의 광(光)은 직각으로 반사시키는 반거울 구조의 광(光) 분할기(30);
   상기 광 분할기(30)의 일측으로 일정거리 이격되어 베이스부재(10)의 상면에서 상기 광원 출광부(20)에 대해 직각방향으로 설치되어 상기 광 분할기(30)에서 반사되는 광을 수속하여 광 분할기측(30)으로 재 반사시키는 제1반사미러(40);
   상기 광 분할기(30)의 후방측에 설치되어 광 분할기(30)를 투과하여 입사된 광(光)을 광 분할기(30) 측으로 반사시키는 제2반사미러(50);
   상기 제2반사미러(50)와 일체로 구성되어 제1측정대상물(M1)이 고정되는 제1고정부(60);
   상기 제1 및 제2 반사미러(40,50)에서 반사된 광이 상기 광 분할기(30)에서 합해져 일정한 모양의 간섭무늬가 형성되도록 상기 제1반사미러(40)의 대향측 베이스부재 상면에서 상기 광 분할기에 대해 일정기울기로 설치되는 광 간섭무늬 형성부(70);
   상기 광 분할기(30)를 통과한 간섭광의 간섭무늬가 상기 광 간섭무늬 형성부(70)에 확대되어 맺히도록 상기 광 분할기(30)와 광 간섭무늬 형성부(70) 사이에 설치되는 간섭무늬 확대부(75);
   상기 광 간섭무늬 형성부(70)에 맺힌 광 간섭무늬를 촬영하여 제1측정대상물(M1)의 변형량 측정프로그램이 설치된 변형량측정부(120)로 전송하도록 베이스부재의 상면 일측에 설치되는 영상촬영부(80);
   상기 제1고정부(60)를 상기 광원출광부(20)를 기준으로 전후 이동시켜 제1고정부(60)에 고정된 제1측정대상물(M1)에 일정한 변형이 발생되도록 제1고정부(60)의 하단과 베이스부재의 상면 사이에 설치되는 이동안내부재(105);
   상기 이동안내부재(105)에 결합된 상기 제1고정부(60)를 변형량측정부(120)에서 전달된 제어명령을 통해 전후 이동시키도록 상기 이동안내부재(105)의 일측 베이스부재의 상면에 고정 설치되는 이동제어수단(110);
   상기 제1고정부(60)와 이동제어수단(110) 사이에 구비되어 상기 제1고정부(60)의 이동시 제1고정부(60)에 고정된 제1측정대상물(M1)과 다른 방향의 변형량을 측정하도록 제2측정대상물(M2)이 고정되는 제2고정부(100);
   상기 광원출광부(20), 영상촬영부(80) 및 이동제어수단(110)과 연결되어 광원출광부에서 출력되는 광원의 조절과 상기 영상촬영부(80)에서 촬영된 간섭광의 분석을 통해 제1측정대상물(M1)의 변형량 측정, 상기 이동제어수단(110)의 제어 및 이동제어수단(110)의 동작에 따른 제2고정부(100)에 고정된 제2측정대상물(M2)의 변형량을 측정하는 프로그램이 설치되어 측정된 결과를 영상으로 출력하는 변형량측정부(120);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1고정부(60)는,
   상기 제2반사미러가 결합된 상태에서 상기 이동안내부재(105)에 하단부가 고정되어 상기 이동제어수단(110)의 동작에 따라 베이스부재(10)의 상면에서 광원 출광부(20)를 기준으로 전후 이동되는 가동체(62)와,
   상기 가동체(62)의 후방에서 상기 베이스부재(10)의 상면에 고정되고 그 일측면에 제1측정대상물(M1)이 고정되는 고정체(64)와,
   상기 가동체(62)의 이동시 상기 고정체(64)에 고정된 제1측정대상물(M1)의 표면을 가압하여 제1측정대상물(M1)에 변형량을 발생시키도록 상기 가동체(62)의 후면에서 가동체(62)에 일체로 결합되는 막대형상의 가압봉(65);을 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 이동제어수단(110)은,
   전원공급시 일정한 전압이 인가되면서 발생된 전위차에 의해 선형방향의 힘이 발생되는 압전물질로 구성된 구동부(112)와,
   상기 구동부(112)에서 발생된 힘을 상기 제1고정부(60)의 가동체(62) 표면에 전달하여 가동체(62)를 움직이도록 일단이 상기 구동부(112)에 연결되고 타단이 상기 가동체(62)의 표면에 밀착되게 설치되는 막대형상의 선형이동부(114)와,
   상기 선형이동부(114)의 이동 제어 및 선형이동부(114)의 이동량에 따른 제2고정부(100)에 고정된 제2측정대상물의 변형량을 상기 변형량측정부(120)로 전송하는 선형이동제어부(116);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치.

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