[논문]비접촉 변위센서를 이용한 초소형렌즈 정밀금형 형상측정

강승훈; 장대윤; 이주형

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.02.069

비접촉 변위센서를 이용한 초소형렌즈 정밀금형 형상측정
Precision Surface Profiling of Lens Molds using a Non-contact Displacement Sensor 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.2, 2020년, pp.69 - 74

강승훈 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 장대윤 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 이주형 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we proposed a method for surface profiling aspheric lens molds using a precision displacement sensor with a spatial scanning mechanism. The precision displacement sensor is based on the confocal principle using a broadband light source, providing a 10 nm resolution over a 0.3 mm measurable range. The precision of the sensor, depending on surface slope, was evaluated via Allan deviation analysis. We then developed an automatic surface profiling system by measuring the cross-sectional profile of a lens mold. The precision of the sensor at the flat surface was 10 nm at 10 ms averaging time, while 200 ms averaging time was needed for identical precision at the steepest slope at 25 deg. When we compared the measurement result of the lens mold to a commercial surface profiler, we found that the accuracy of the developed system was less than 90 nm (in terms of 3 sigmas of error) between the two results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수 nm 수준의 정밀도를 갖는 다 파장 공초점 변위센서(chromatic confocal sensor)를 이용하여 금형 형상을 측정하기 위한 측정 자동화 시스템을 구축하고 그 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 차세대 고정밀 렌즈금형의 가공을 위한 이하의 정확도를 가지는 측정기술을 100 nm 개발하였다. 이를 위해 다파장 공초점 원리를 이용한 정밀변위센서를 이용하였으며 변위센서가 렌즈 금형의 중심점을 지나는 단면형상을 측정하였다.

제안 방법

4 mm으로 최대경 사면은 25도 수준이다. Fig. 3(a)와 같이 금형의 기울기 부호가 바뀌는 평면 지점 중간 경사면 12.5 도 지점 그리고 가장 경사각이 큰 지점에서 각각 센서 반복능을 각각 평가하였다. 센서에서 측정하는 데이터는 최대 1 nm digit 까지 확보가 가능하였으며 1 ms의 샘플링 주기로 데이터를 획득하였다 모든 데이터는 10초 동안 측정하였으며 총 10000 데이터에 대한 Allan 편차 분석을 수행하였다^[15].
Talysurf 장비의 경우 수준의 1 nm 분해능을 가지 기 때문에 본 연구를 통해 측정한 데이터를 검증 하기에 충분한 성능을 가진다[16]. Talysurf 장비를 이용하여 금형의 반사면과 플랜지 영역을 모두 측 정 하였으며 앞서 기술된 동일한 기울기 보정을 수행하였다 해당 장비를 이용하여 . 2 mμ step 의 으로 렌즈금형 형상을 측정하였고 본 연구를 통해 개발 된 측정장비로 측정된 결과와 비교를 위해 0.
변위센서의 정밀도를 평가하기 위해 렌즈금형의 다양한 기울면에 대한 반복능 성능을 평가하였다. 측정에 사용한 렌즈금형의 비구면 계수 사양은 Table 2와 같으며 반사면의 직경은 3.
본 연구에서는 정밀금형의 형상측정을 위해 Fig.1 과 같이 금형을 고정시킨 후 x축 방향으로 변위센서를 이송시키며 측정한 센서와 금형간의 거리정보를 이용하여 금형의 단면형상을 측정하는 원리를 구현하였다. 이때 금형 형상 측정 정밀도를 확보하기 위해 다파장 공초점 원리 기반의 레이저 변위센서를 이용하였다.
센서에서 측정하는 데이터는 최대 1 nm digit 까지 확보가 가능하였으며 1 ms의 샘플링 주기로 데이터를 획득하였다 모든 데이터는 10초 동안 측정하였으며 총 10000 데이터에 대한 Allan 편차 분석을 수행하였다[15].
5 . 의 축 방향으로 총 번의 측정을 수행하였으며 y 10 이중 의 최대값이 가장 큰 측정결과가 금 profile 형의 중심을 지나는 측정결과 이므로 이를 형상분석에 이용하였다 축 스테이지 이송변위는 . x 0.
1 과 같이 금형을 고정시킨 후 x축 방향으로 변위센서를 이송시키며 측정한 센서와 금형간의 거리정보를 이용하여 금형의 단면형상을 측정하는 원리를 구현하였다. 이때 금형 형상 측정 정밀도를 확보하기 위해 다파장 공초점 원리 기반의 레이저 변위센서를 이용하였다. 이는 Fig.
위 기본원리를 기반으로 Fig 2와 같이 측정시스템을 구축하였다 먼저 변위센서를 x방향으로 이송하기 위해 스테이지에 센서를 장착하였으며 해당 스테이지는 20 mm 이송거리에서 1 μm 분해능을 갖는다 (Sigmakoki, SPSG20-20). 이때 금형의 중심점을 지나는 단면형상을 측정하기 위해 타겟을 y축으로 이송이 가능한 스테이지에 장착하였으며 타겟을 y축으로 이송시키며 측정된 변위센서와 금형간의 거리가 가장 긴 지점에서 측정을 수행하였다 x축 이송스테이지의 이송 정확도 확보를 위해 자체 제작한 호모다인 간섭계를 이용하여 x축 이송거리를 모니터링 하였다^[14] . 측정시스템 자동화를 위해 변위센서의 측정결과와 레이저 간섭계의 데이터 통신 스테이지와 변위 센서 컨트롤러 제어 시스템을 C# 기반으로 구축하였다.
본 연구에서는 차세대 고정밀 렌즈금형의 가공을 위한 이하의 정확도를 가지는 측정기술을 100 nm 개발하였다. 이를 위해 다파장 공초점 원리를 이용한 정밀변위센서를 이용하였으며 변위센서가 렌즈 금형의 중심점을 지나는 단면형상을 측정하였다. 이때 금형의 중심점을 지날수 있도록 y축 방향으로 금형을 이송시키며 반복측정하였고 자체 제작한 간섭계를 이용하여 스테이지 이송변위의 정확도를 확보하였다 Allan 편차평가기법을 이용하여 Allan 10 nm 이하의 센서정밀도를 확보하기 위한 데이터 평균시 간 사양을 평가하였으며 최대 25도의 각도에서는 200 ms 수준의 데이터 평균시간이 요구되었다 확보된 변위센서기반의 측정시스템을 이용하여 비구면 렌즈금형을 측정하였고 그 결과를 상용 표면형 상측정기(Talysurf)와 비교하였다 그 결과 3σ 기준으로 수준의 오차를 89 nm 보였다.

대상 데이터

이때 초점광학계에 색수차(chromatic abberations) 를 의도적으로 유발시켜 파장별로 초점거리를 수백 μm ~ 수mm 수준으로 확장시킨 후 측정대상물까지의 거리에 따라 반사되는 빛의 파장을 측정하여 거리 값을 도출하는 원리이다^[13] . 본 연구에서는 사용한 정밀 변위센서는 마이크로 엡실론사의 IFS2405-0.3 모델이며 주요 사양은 Table 1과 같다. 해당 센서는 0.
측정에 사용한 렌즈금형의 비구면 계수 사양은 Table 2와 같으며 반사면의 직경은 3.2 mm, 평면 플렌지를 포함한 직경은 6.4 mm으로 최대경 사면은 25도 수준이다.

데이터처리

본 연구에서는 수 nm 수준의 정밀도를 갖는 다 파장 공초점 변위센서(chromatic confocal sensor)를 이용하여 금형 형상을 측정하기 위한 측정 자동화 시스템을 구축하고 그 성능을 평가하였다. 금형의 반사면의 기울기에 따른 센서의 정밀도를 평가하고 실제 렌즈금형을 측정한 후 그 결과를 상용 측정기 결과와 비교하였다.
이때 금형의 중심점을 지날수 있도록 y축 방향으로 금형을 이송시키며 반복측정하였고 자체 제작한 간섭계를 이용하여 스테이지 이송변위의 정확도를 확보하였다 Allan 편차평가기법을 이용하여 Allan 10 nm 이하의 센서정밀도를 확보하기 위한 데이터 평균시 간 사양을 평가하였으며 최대 25도의 각도에서는 200 ms 수준의 데이터 평균시간이 요구되었다 확보된 변위센서기반의 측정시스템을 이용하여 비구면 렌즈금형을 측정하였고 그 결과를 상용 표면형 상측정기(Talysurf)와 비교하였다 그 결과 3σ 기준으로 수준의 오차를 89 nm 보였다.
5 Raw data 이 센서 이송축과 금형 축 간의 로 인해 금형 tilt 의 플랜지 부분의 측정결과에 선형성분이 포함되 어 있는 것을 확인할 수 있다 플랜지 영역의 데 . 이터를 이용하여 빨간색 그래프와 같이 linear fitting 을 적용하였으며 이 결과를 이용하여 파란 색 그래프와 같이 측정데이터의 기울기를 보상하 였다 는 상용표면형상 측정장비 . Fig.

후속연구

이러한 변위 센서기반의 측정시스템은 측정원리가 간단하고 데이터 후처리가 용이하므로 수준의 가공정 100 nm 밀도를 요구하는 다양한 광학반사면 측정에 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 해당 센서는 높은 광반사율을 보이는 정삭단계 이외에도 반사율이 낮은 황삭단계에서도 충분히 적용 가능하므로 렌즈금형 가공을 위한 기계가공의 모든 단계에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
이때 금형의 중심점을 지날수 있도록 y축 방향으로 금형을 이송시키며 반복측정하였고 자체 제작한 간섭계를 이용하여 스테이지 이송변위의 정확도를 확보하였다 Allan 편차평가기법을 이용하여 Allan 10 nm 이하의 센서정밀도를 확보하기 위한 데이터 평균시 간 사양을 평가하였으며 최대 25도의 각도에서는 200 ms 수준의 데이터 평균시간이 요구되었다 확보된 변위센서기반의 측정시스템을 이용하여 비구면 렌즈금형을 측정하였고 그 결과를 상용 표면형 상측정기(Talysurf)와 비교하였다 그 결과 3σ 기준으로 수준의 오차를 89 nm 보였다. 이러한 변위 센서기반의 측정시스템은 측정원리가 간단하고 데이터 후처리가 용이하므로 수준의 가공정 100 nm 밀도를 요구하는 다양한 광학반사면 측정에 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 해당 센서는 높은 광반사율을 보이는 정삭단계 이외에도 반사율이 낮은 황삭단계에서도 충분히 적용 가능하므로 렌즈금형 가공을 위한 기계가공의 모든 단계에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (16)

Zhang, Z., Yan, J., Kuriyagawa, T, "Manufacturing technologies toward extreme precision", International Journal of Extreme Manufacturing, Vol. 1, No. 2, 2019.

상세보기
Pongs, G., Bresseler, B., Bergs, T., and Menke, G., "Precision molding of advanced glass optics: innovative production technology for lens arrays and free form optics", In Polymer Optics and Molded Glass Optics: Design, Fabrication, and Materials II, Vol. 8489, 2012.
Tohme, Y. E., "Grinding aspheric and freeform micro-optical molds", Proc. SPIE 6462, Micromachining Technology for Micro-Optics and Nano-Optics V and Microfabrication Process Technology XII, Vol. 6462, 2007.
Liu, L., Cheng, X., and Hao. Q., "Fabrication process and measurement of injection molding aspheric lens", Proc. SPIE 11053, Tenth International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation, Vol. 110533, 2019.
Aguirre, D., Diaz-Uribe, R., Campos, M., and Mendoza, B., "Precision Glass Molded Lenses Analysis via Null-Screen Test", In Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1221, 2019.
Jurgen, P. and Berger, G., "Non-contact profiling for high precision fast asphere topology measurement," Proc. SPIE 8788, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VIII, Vol. 8788, 2013.
Bugg, C. D., "Noncontact surface profiling using a novel capacitive technique: scanning capacitance microscopy," In Commercial Applications of Precision Manufacturing at the Sub-Micron Level, Vol. 1573, 1992.
Hand, D. P., Carolan, T. A., Barton, J. S., and Jones, J. D. C., "Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry," Optics letters, Vol. 18, No. 16, pp. 1361-1363, 1993.

상세보기
Wyant, J. C. and O'Neill, P. K., "Computer Generated Hologram; Null Lens Test of Aspheric Wavefronts," Applied optics, Vol. 13, No. 12, pp. 2762-2765, 1974.

상세보기
Reichelt, S., Pruss, C. and Tiziani, H. J., "New design techniques and calibration methods for CGH-null testing of aspheric surfaces," Proc. SPIE, Vol. 4778, Interferometry XI, 2002.
Arnold, S. M. and Kestner, R., "Verification and certification of CGH aspheric nulls," Proc. SPIE, Optical Manufacturing and Testing, Vol. 2536, pp. 117-126, 1995.
Kohno, T., Matsumoto, D., Yazawa, T., and Uda, Y., "Radial shearing interferometer for in-process measurement of diamond turning", Optical Engineering, Vol. 39, No. 10, pp. 2696-2699, 1997.
Browne, M. A. and Akinyemi, A. B., "Confocal Surface Profiling Utilizing Chromatic Aberration", SCANNING, Vol. 14, No. 3, pp. 145-153, 1992.

상세보기
Birch, K. P., "Optical fringe subdivision with nanometric accuracy", Precision Engineering, Vol. 12, No. 4, pp.195-198, 1990.

상세보기
Allan, D., "Statistics of Atomic Frequency Standards", Proceedings of the IEEE, Vol. 54, No. 2, pp. 221-230, 1966.

상세보기
Conroy, M., and Armstrong J., "A comparison of surface metrology techniques", Journal of Physics Conference Series, Vol. 13, No. 1, pp. 458-465, 2005.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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