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Miniaturized confocal imaging system for large-volume high-speed 3-D measurement = 대용적 3차원 형상의 고속 측정이 가능한 소형 공초점 이미징 시스템
서명 / 저자 Miniaturized confocal imaging system for large-volume high-speed 3-D measurement = 대용적 3차원 형상의 고속 측정이 가능한 소형 공초점 이미징 시스템 / Hyeong Jun Jeong.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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Recently, the fast 3-D measurement of large-area and micro-surface is demanded from various high-tech industries, for example, flat panel display (back light unit), bump inspection in the semiconductor manufacturing process, plasma display, and MEMS etc. The measurement field mentioned above is “Meso-measurement”, which is a middle area between micro- and macro- and has several centimeters measurement area and $1-10 \mum$ resolution. In addition, large depth scanning range is needed in dental CAD/CAM industry. Miniaturizing an equipment is an additional issue because of a space-restricted inspection environment such as mouth cavity of a human. Large-area 3-D measurement methods, such as Moire topography, white-light scanning interferometry, confocal microscopy using micro-lens array and slit beam scanning topography etc., have been developed so far, but still have many problems in terms of imaging speed, resolution, depth scanning range and size of the system. In this thesis, miniaturized confocal imaging system for high-speed large-volume 3-D measurement was developed. To increase the 2-D scan speed, the structure of direct-view confocal microscopy (DVCM) was adopted. A pinhole array was used to generate a multi-source and multi-beam array in DVCM. In addition, electrically tunable lens (ETL) was implemented to the DVCM system to enhance the speed of axial scanning. The proposed system, therefore, has not any mechanical moving part so that stable and fast 3-D image acqui-sition is available. The 3-D imaging theory of the DVCM was derived and some simulations are performed to investigate the influence of pinhole array characteristic (such as pinhole size, pinhole pitch) on the performance of the axial discrimination strength. In addition, the signal intensity, i.e. the ratio of the area of the pinholes to its total area in the pinhole array, was considered according to the pinhole size and the pinhole separation. As a result, optimal specification of the pinhole array was determined and it is applied to the design of the system. The design of a miniaturized DVCM with an ETL was performed. The design goal of the system was specified with a field of view of $10 mm \times 10 mm$, a depth scanning range of 5 mm and a resolution of $20 \mum$ in both lateral and axial direction. Then the design procedures were fulfilled by dividing a system into three parts; the source generation part, the relay optics part and the detection part. The source generation part consists of a LED, a condenser lens and a pinhole array, which generates a multi-source array. The relay optics part is composed of a tube lens, an ETL set and an objective lens, which satisfies the desired system magnifications. The optimal design of a tube lens and an objective lens were performed to minimize the optical aberrations and the system’s size. The detection part consists of an imaging lens and a CMOS camera, which transfers the im-age formed in the pinhole array to the camera. At last, its 3D cad design was completed. Implementation and performance tests of the proposed system were executed. At first, the system was calibrated to find a relation between the applied current into the ETL and the focal shift of the system. It has shown a good linear relation between the applied current and the following z-position over a range of 9 mm. After the calibration, we evaluated an axial response of the planar mirror and it was well matched to the theo-retical value. The FOV and the both lateral and axial resolution were tested and these were satisfied desired value. At last, the fast three-dimensional imaging capability was demonstrated by imaging certified step height specimens and the dental plaster within 1 second.

오늘날 평면판 표시 장치 (flat panel display), 반도체 칩 패키징 공정, 플라즈마 디스플레이, MEMS 등의 다양한 산업 분야에서 대량 생산과 높은 수율을 얻기 위해 메조측정기술(Meas-Measurement Technoloy)에 대한 수요가 절대적으로 요구되고 있다. 메조측정기술은 수 밀리미터에서 수십 밀리미터의 넓은 측정 영역을 가지고 수백 나노미터에서 수 마이크로미터의 측정 정밀도를 가지는 측정 영역으로 기존의 마이크로와 마크로의 중간 영역이다. 메조 측정 기술을 요하는 산업 분야 중 특히 구강 내 3D 치아 스캐너 분야는 임플란트 및 보철물을 제작하기 위해 필요한 치아의 3-D 데이터를 얻는 데 있어 그 동안의 수작업 과정들을 파격적으로 줄일 수 있어 매해 세계적인 시장 규모와 그 수요가 높아지고 있는 추세이다. 그러나 이와 같은 치아 스캐닝 장비는 넓은 측정 면적을 가져야 할 뿐만 아니라 수 밀리미터 이상의 깊이 측정 범위를 가져야 하며 손으로 들 수 있을 정도로 크기가 작아야 한다. 기존에 메조측정을 할 수 있는 기술로는 모아레 측정기술, 백색광 간섭계, 슬릿 광 주사 방법 등이 있으나 이 기술들은 깊이 측정 범위에 한계가 있고 소형화 시키기에는 제약이 따른다. 본 논문에서는 대용적 고속 3차원 형상을 고속으로 측정할 수 있는 소형 공초점 이미징 측정 시스템을 제안한다. 기존의 공초점 현미경에서는 3차원 영상을 획득하기 위해 횡방향 및 종방향의 기계적인 스캐닝 메커니즘이 필요하기 때문에 이미징 속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 본 논문에서는 직시 공초점 현미경 (direct-view confocal microscope, DVCM) 구조를 도입하여 횡방향 스캐닝 매커니즘을 없애고, 전기적 초점 변조 렌즈 (electrically tunable lens, ETL)을 사용하여 기계적인 축방향 스캐닝 메커니즘 역시 매우 빠르게 개선하였다. 시스템 내에 기계적인 이송 장치가 들어가 있지 않아 빠르고 안정적인 이미징이 가능하며 구조가 간단하여 비용 절감 효과 및 소형화 시키기에도 용이하다. 먼저 직시 공초점 현미경에 대한 이론적인 분석을 수행하였다. 직시 공초점 현미경은 광원 부와 광 검출 부 평면에 핀홀 어레이를 배치시킴으로써 공액 관계를 가지는 포인트들을 한 번에 대량으로 만들어 낸다. 이 때 핀홀 어레이의 특성, 즉, 핀홀의 크기와 핀홀 간 간격에 따라 직시 공초점 현미경의 광축 응답 특성이 변하게 된다. 본 논문에서는 이와 같이 핀홀 어레이의 특성에 따른 광축 응답 특성 및 신호 강도를 이론식에 따라 시뮬레이션 해보았고 적절한 핀홀 간격 대비 핀홀 크기의 비를 선정하였다. 다음으로, 이론적 분석 결과를 바탕으로 전기적 초점 변조 렌즈가 결합된 소형 직시 현미경에 대한 설계를 수행하였다. 설계 목표는 측정 면적 $10 times 10 mm$, 깊이 측정 범위 5 mm 이상, 횡방향 및 축방향 분해능 20 um, 3-D 영상 획득 속도 1초 이내(2-D 영상 획득 속도 100 fps 이상)이다. 시스템의 설계는 광원 생성 부, 중계 광학계 부, 광 검출 부로 나누어 진행했다. 이때, 전기적 초점 변조 렌즈는 대물렌즈의 개구 위치에 놓음으로써 튜브 렌즈와 대물렌즈의 더블 텔레센트릭 구조를 구현하였다. 전기적 초점 변조 렌즈의 곡률이 변함에 따라 광학계의 초점 거리가 변하게 되는데 더블 텔레센트릭 구조에 의해 FOV는 항상 일정함을 유지한다. 설계된 시스템은 회절 한계 이하의 RMS 파면 오차를 가지고 스팟 다이어그램 (spot diagram) 역시 에어리 디스크 (airy disc) 안으로 들어오는 것을 확인했다. Distortion 역시 $\pm0.1 %$ 이내의 값을 가지고 에너지 집중도 역시 반경 $10 \mum$ 내에서 90 % 이상의 값을 갖는 것을 확인했다. 마지막으로 실제 시스템을 구축하고 각종 성능 평가 실험을 거친 뒤 3-D 측정 및 복원 작업을 수행했다. 먼저 전기적 초점 변조 렌즈에 가해주는 전류와 초점 거리 변화량의 상관 관계를 찾기 위한 캘리브레이션 작업을 수행했다. 캘리브레이션 결과 둘 사이에는 선형적인 관계가 있음을 확인했다. 또한 전류를 최대 0에서 350 mA까지 흘려 줌에 따라 초점 거리의 변화는 9 mm까지 생기는 것을 확인했다. 평면 거울에 대한 반사 신호를 광축 방향으로 스캐닝 하며 측정 하여 시스템의 광축 응답 곡선을 얻을 수 있었고 이는 이론적인 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 확인했다. FOV, 횡방향 및 축방향 분해능도 설계 목표 대로 잘 측정되는 것을 확인하였다. 끝으로, 표준 높이 단차 시편, 치아의 석고 모델 등에 대하여 3-D 측정 및 영상 복원을 수행하였다. 100 fps 2-D 스캐닝 속도로 이미지 100장을 얻어 3-D 이미지를 1초 이내에 획득하였으며 영상 복원 역시 실제와 같게 잘 복원됨을 확인할 수 있었다. 만약 보간법을 도입하여 광축 응답 곡선을 적은 샘플링으로 구할 수 있다면 광축 스캐닝에 따른 이미지 획득 개수를 줄일 수 있어 이미징 속도를 개선시킬 수 있다. 더불어 더 높은 성능의 고속 카메라를 사용한다면 훨씬 빠른 3-D 측정이 가능하다. 이와 같은 대용적 고속 3차원 형상 측정 장비는 다양한 산업 분야에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 16050
형태사항 ix, 79 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 정형준
지도교수의 영문표기 : Dae-Gab Gweon
지도교수의 한글표기 : 권대갑
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 References : p. 75-77
주제 Direct-view confocal microscope
Electrically tunable lens
High-speed large-volume 3-D measurement
Miniaturized
직시 공초점 현미경
전기적 초점 변조 렌즈
고속 대용적 3-D 측정
소형화
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