Retro Schlieren 광학기법과 Knife Edge 이미징 기술

눈에 보이지 않는 액체나 기체의 움직임을 밀도의 차에 따른 굴절률의 차에 따라 시각화하는 방법을 슐리렌 촬영이라 한다. 대상물을 오목렌즈로 만든 완전한 평행관선 속에 둠으로써 그늘진 것처럼 빛의 명암으로 이미지를 얻을 수 있다.
Retro Schlieren 광학기법과 Knife Edge 이미징 기술은 기존의 여러 다양한 광학계에서 검출되지 않는 미세 결함의 검출 변별력을 향상시키는 광학계 검사 모듈이다.

굴절률 변화를 이용하는 슐리렌 촬영법
슐리렌 촬영법(Schlitren Photograpy)은 측정 영역의 밀도구배(기울기)에 따른 굴절률이 변화를 이용하여 측정 영역을 통과하는 평행광의 변위현상을 포착하는 촬영법이다. 투과광의 집광부에 구경(Aperture) 혹은 나이프 에지(Knife Edge)를 설치하여 평행광으로부터 벗어난 광을 차단함으로써 스크린 상의 화상에 측정영역의 밀도 구배에 기인하는 광의 명암이 얻어진다.

투명 또는 반사 재질에 있어서 내부 및 외부에 주변보다 다른 상태 (굴절각 변화는 내부이물, 변형, 굴절률, 밀도 등, 반사각-펴면 형태 등에 변화를 주는 용인)의 경우 광로가 꺾기게 된다.
이때 광원이 모이는 초점 면에 나이프 에지를 두어 광로를 한쪽 방향만 선택하게 한다. 광로 각도 기울기(Gradient)의 변화에 따라 표면이나 내부의 결점이 광량의 세기 변화가 민감하게 나타난다. 이를 통칭해서 슐리렌 옵틱스(Schlieren Optics)라고 한다.

대면적 3D검사에 유용
Retro-Schlieren 광학기법과 나이프 에지 이미징 기술은 3D 분량의 변별력을 높여 대면적 3D검사에 유용하게 쓰인다. 또한 기존의 여러 다양한 광학계에서 검출되지 않는 미세 결함의 검출 변별력을 향상시키는 광학계 검사 모듈로 이 방법은 난반사가 심한 제품 표면의 잘 보이지 않는 미세 결함이나 옅은 얼룩(Mura) 등의 검출에 효과적이다.

불량 검출 변별력 향상
특히 FPD에 관련된 Glass, Film, 광학소재류 등을 검사하는데 3D 검사는 나이프 에지에 의해서 굴절각이나 반사각이 바뀌었을 때 변화하는 광량의 변화를 영상화 할 수 있기 때문에 불량 검출의 변별력을 향상시킬 수 있다.
또한 기존 광학계에서는 렌즈, 조명 거울을 사용할 때의 설치, 공간적 제한을 받지만 재귀반사판(Retro Reflectionsheet)를 사용하면 생산라인에서 공간적 또는 진동과 같은 환경적 제한을 없애고 사용이 가능하다.

다양한 방법을 사용한 3D 측정
광학계의 특징 및 장점은 3D 이미지 획득이 가능하고 3D를 검사하는데 대표적인 광학적인 방법들은 대부분 다음의 방법을 사용하여 데이터를 획득한다.
즉, 하드웨어를 통해 광학적 원리를 이용 한 후 소프트웨어 처리를 한다. 그 후 3D 데이터를 획득하는데 대표적인 측정방법은 다음과 같다.
Laser Traingulation Methodology, Moire? Methodology, Flying Absolute, Height Profilometry(FAHP), Chromatic Aberration Method, White Light Interferomter, Shadow Effect 등의 다양한 방법들을 사용하여 3D측정에 사용되고 있다.

기존 3D 검사의 문제점
그러나 기존이 3D 검사 방법들에는 여러 문제점이 있다.
첫째 광 삼각법은 정확한 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있지만 빛이 도달하지 못하는 부분의 높이 정보는 얻을 수 없다.
또한 금속체와 같이 끝이 뾰족한(둥근) 부분에서는 난반사(Specular)로 인해 Highlight spot이 생겨 센서가 포화(Saturation) 된다. 이러한 현상은 부품 사이즈가 점점 작아지면서, 더욱 심각한 문제를 야기하게 된다.
둘째 Moire? 법은 검사법 중 가장 좋은 성능을 보이는 검사법으로서, 카메라와 렌즈가 점차 고성능의 추세로 발전하고 있으며, Pixel별로 이미지 처리가 가능한 CMOS 센서의 발달로 3차원 이미지 획득에 주로 사용되고 있다.
문제점으로 화각이 좁게 되어 검사 속도가 더욱 느려지게 된다. 또한 필요 이상으로 패턴영상의 광량을 증가시키게 되거나 노출시간을 증가시키게 되면 S/N 가 낮아져서 정확한 영상을 획득할 수 없는 문제점이 발생한다.

셋째 검사시간을 단축시키기 위하여 서로 다른 위상을 갖는 복수의 광원을 사용하는 FAHP(Flying Absolute Height Profilometry)나 동축 색 수차를 이용하여 검사대상물의 높이 정보를 측정하는 검사법들이 있다.
그러나 이러한 검사법들은 한 번에 넓은 범위를 측정할 수 없고, 측정거리에 제한이 있기 때문에 결과 도출에 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 반사표면의 Roughness에 따라 얻어지는 결과 값의 정확도가 달라지는 문제점들이 있다.

Retro-Schlieren Optics Module을 적용, 효과적으로 불량검출
이러한 단점들을 보완하여 적용 가능한 광학적 방법에는 표면반사가 안되는 시료는 교차조명을 사용하여 3D 이미지를 얻을 수 있고, 표면반사가 잘 되고 투과가 되는 시료의 경우에는 Retro-Schlieren Optics Module을 적용하여 불량을 효과적으로 검출 가능한 3D 이미지 획득이 가능하다.

복잡한 광학적 구성과 s/w처리로 검출력 향상
기존의 글라스불량 검사기들의 경우 다양한 형태로 발생되는 불량들을 검출 하기 위해 노력해 왔다. 그 중 실제의 불량과 불량은 아니지만 유사한 패턴을 보이는 먼지나 이물과 같은 물질들을 구별하여 정확한 불량만을 검출하기 위한 복잡한 광학적 구성이나 s/w처리를 통한 검출력 향상과 높은 변별력을 추구해 오고 있다.
Retro Schlieren 광학계와 오블리크(Oblique Technique) 투과조명을 사용하여 불량의 검출력을 향상시키고 변별력을 극대화시켜 다음과 같은 형태의 다양한 불량들의 영상 획득이 가능하다.

어플리케이션 적용분야
LCD Flass 검사
편광 필름 검사
ITO필름 검사
투명 전도체 장치 검사
코팅 Glass 및 필름 검사
적층 Glass 및 필름 검사
투명하거나 거울 같은 표면의 이물 검사
아연 도금 강판 검사
실린더 내부 검사
피스톤 표면 검사
자동차 도장 검사

자료제공 | 선하이테크(www.sunhightech.co.kr)