제어계측/ 광학적 길이 계측제어 기술
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광학적 길이 계측제어기술
광학적계측법에는, 광지레를 이용한 것 정광원에서 렌즈를 사용해서 평행광선을 만드는 장 치를 이용한 것, 빛의 간섭을 이용한 것 외에, 이들과 기계적확대기구와를 편성한 것 등이있 다. 또, 최근에는, 레이저광을 응용한 계측이 많이 행해지게 되었다.

[1]광지레의 이용
(1)광지레
광지레는 그림 1와 같이, 기계적인 지레의 운동을 관성이 없는 광선의 운동으로 바꿔놓는 것으로, 미소한 길이를 크게 확대할 때 자주 사용된다. 그림 1에서, 변위 χ가 작을 때 거 울의 회전각θ[rad]도 작으므로
χ=ℓθ,L x (2θ) ≒ H
∴H = 2χL/ℓ ............................... (1)
광지레를 이용한 길이 측정기로서, 옵터미터(optermeter)가 있다.


(2)오토코리미터
오토코리미터는 정반이나 공작기계 안내면과 같이 비교적 큰 평면의 진직도, 평면도, 단면 게이지의 평행도, 미소각의 비교측정등 각종 측정에 이용된다. 그림 2은 그 구조 및 시야를 나타낸다.
그림 (a)에서, 광원을 낸 빛은, 십자선이 새겨진 눈금유리판을 통해, 광축으로 4 5°기운 반투명반사경에 이른다.
여기서 반사된 광선은, 대물렌즈를 통해, 측정물 위에 놓 인 반사경에 의해 다시 반사되어, 눈금을 새긴 초점눈금 유리판 위에 십자선의 상을 잇는다. 측정면의 변위에 의해 반사경이 기울면, 십자선 상은 눈금을 새긴 초점눈금 유리판 위를 이 동한다.
그 이동거리는 d는, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

d = ftan2θ≒2fθ...................(2)

f: 대물렌즈의 초점거리

θ:반사경의 경사각[rad]

따라서 d를 측정하면, 반사경의 경사각 θ를 알 수 있다.

그림 2 그림 3

[2]빛의 간섭줄무늬 응용 (1)광파간섭
광원에서 나온 빛이 도중에 2개로 나눠져, 각각 다른 경로를 통해 다시 합성된 경우, 그림 5와 같이 두 개의 길 줄기의 차(광로차)가 반파장의 우수 배라면, 양파는 동일 위상에 만나 기 때문에 서로 도와 강해지고(명), 반파장의 기수배라면, 반대위상에서 만나기 때문에, 서 로 부정해서 약해(음)진다. 이같은 현상을 광파간섭이라 한다.

지금, 그림 6과 같이, 2장의 평면 유리 L, M을 서로 약간 기울여 겹쳐, 단색광을 거의 수직으로 입사시키면, 광선을 평면유리 L의 내면에서 반사하는 것과 A를 통과해서 평면 유 리 M의 윗면 B에서 반사하는 것으로 분리한다.
이 두 개의 반사광선이 다시 만나서 광파간섭을 일으킨다.

그림 6에 타나나듯이, 공기층의 두께 d와 빛의 파장 λ, 및 반사 때에 생기는 위상의 변 화에 의해 명암의 줄무늬가 생긴다.
즉, 거친 매질(공기)에서 밀한 매질 (유리, 금속)에 있어 서 반사하는 B에서는 위상이 반파장(λ/2)만 변화하는데, A에서 반사하는 빛은 위상이 변하 지 않는다. 따라서 n을 정수라 하면, 그림 5때와 달리
2d = (2n + 1) λ/2 ............................(a)
d = n(λ/2) + λ/4 ............................(b)
의 위치에서는, 두 개의 빛의 위상이 같기 때문에 밝아지고
2d = 2n(λ/2) ......................................(c)
d = n(λ/2) ........................................(d)

의 위치에서는, 두 개의 빛의 위상이 상반되어 어두어지고, 특히 평면유리 M, L이 접촉하 는 위치 d = 0에서는 어두워진다.
즉, 간섭줄무늬의 어두운 선 수n[책]을 측정하면, 틈(공기 층 두께)은 (λ/2) x n이 되어, 틈 d를 측정할 수 있다.
이와 같이 간섭줄무늬는 λ/2눈금자 와 같이 생각할 수 있다.

(2) 광파간섭에 의한 평면도 측정
블록게이지의 단면이나 마이크로미터의 안빌, 스핀들의 측정면과 같이 랩마무리된 비교적 작은 평면의 평면도는, 간섭줄무늬를 이용해서 간단히 측정할 수 가 있다.

(3) 광파간섭을 응용한 측정기
그림 8에 광파간섭을 응용한 측정기의 광학계를 나타낸다. 광원으로는 He, Cd, Kr등의 방 전과을 준비하여, 광원파장의 변화에 의한 간섭줄무늬의 어긋남을 재서, 측정물의 길이를 구한다.

블록게이지 등의 절대측정이나 비교측정, 평면도, 평행도 등의 측정에도 사용할 수 있다.
가시광선 파장은 0.4 ~ 0.7㎛정도이기 때문에, 간섭줄무늬를 이용하면 극히 높은 정도의 길 이 측정을 할 수 있다.

[3]레이저광의 이용
(1)레이저의 원리
어떤 종류의 물질을 구성하고 있는 원자 또는 분자에, 빛이나 가속된 전자 등에 의해, 높은 에너지를 주면, 특정한 파장의 빛을 내는 현상(유도방출)이 일어난다.

이 현상을 계속되어, 빛은 점차 강해진다.
이 빛을 양단에 높은 2장의 거울로 반복 반사시킴에 따라, 증폭되어 강 한 빛을 취출할 수가 있다.

이렇게 해서 빛을 만드는 장치를 레이저(laser)라 하고, 레이저로 만들어진 빛을 레이저광이라 한다.
레이저광은, 형광등 등의 보통 빛에 비해 모두 위상이 갖 춰진 단일파장으로(단색성), 간섭성이 우수하고, 멀리까지 퍼지는 일없이 직진하는 성질 (지 향성)을 가지고 있다.

레이저에는 기체, 고체, 액체, 반도체 등의 종류가 있는데, 기체레이저 가운데, He, Ne를 사용한 것은 안정성이 우수하고 취급도 용이하며 가장 많이 사용되고 있 고, 측정기로서도 이용되고 있다.
그림 9에 He, Ne레이저의 구성을 나타낸다.

그림 9 그림 10

(2)레이저광에 의한 측정기
레이저광을 이용한 정밀측정기는, 레이저광의 뛰어난 간섭성을 이용한 것으로, 그림 10와 같이 구성된다.

이것은 길이의 변화를 간섭줄무늬의 명암변화로 바꾸어 광저변환하여, 그 수 를 디지털 표시하는 것으로, 0.008㎛의 정도로 측정할 수 있다.
또, 레이저광을 이용해서, 극히 긴 거리의 측정도 행해지고 있다. 이 경우, 1km범위를 1mm의 정도로 잴수 있는 것도 있다.
그 밖에, 레이저광의 간섭은 평면도측정이나 공작기계 공구의 위치결정에도 사용되고 있다.

■레이저광의 그 외 이용
레이저광은, 전자파이므로, 전파와 같은 성질을 가지고 있는데, 주파수가 높다는 것을 이용 해서 광통신 분야에서 실용화되고 있다.
또, 약간의 주파수 차이를 쉽게 검출할 수 있고 매 초 0.1~ 수십미터정도의 속도계측에 사용되고 있다.

간섭을 일으키기 쉬운 특징을 이용한 호 로그림 (입체호상기록)은 삼차원상의 재상뿐아니라, 물체의 변형을 계측하거나, 진동을 계측 하는데에, 자동차와 항공기분야에서 잘 이용되고 있다.
레이저광의 에너지를 작은 점에, 정 확히 집중시키는 방법은, 다이아몬드의 구멍 뚫기나, 천재단 등의 가공기술에 이용되고 있 다.
그 외, 수술용의 레이저메스나, 우란(Uran)농축에도 이용되고 있다.

[4]모아레 줄무늬 응용
그림 11는 모아레 줄무늬 스케일의 원리를 나타낸 것이다. 지금 피치 α의 2장의 회절격자 를 미소한 각도 θ만큼 기울여서 중합시키면, 격자와 직각방향으로 간격 d의 줄무늬가 생긴 다. 이 줄무늬는 모아fp 줄무늬라 하고,
d = 1/ sinθ x a ≒ 1/θ x a.......................(2-8)
의 관계가 있어 격자를 1피치 α만큼 X방향으로 이동하면, 모아레 줄무늬는 d만큼 y방향으 로 이동하므로 1/θ가 배율이라 생각할 수 있다.
(1)직선상의 회절격자에 의해 모아레 줄무늬 계수 그림 12은 직선상의 회절격자에 의한 모 아레 줄무늬 계수의 예를 나타낸다.
(2)원판상의 회절격자에 의한 모아레 줄무늬의 계수 원주를 등분할한 피칠, 방사상에 격자를 가늘게 새긴 유리원판을 래디얼격자라 한다.
2장의 래디얼격자를, 조금 편심시켜 겹치면 모 아레줄무늬가 생긴다. 원판의 회전량에 따라 발생하는 펄스신호를 세면, 각도의 디지털측정 을 할 수 있다. 이 장치를 펄스엔코더 (펄센)라 한다. (그림 13)

[5] 빛의 펄스신호에 의한 디지털 측정 (1) 광학적 펄스 스케일
고정된 격자줄무늬의 독해 스케일과, 변위에 따라 이동하는 이동 스케일로 구성된 광학적 펄스스케일은 두 개의 스케일이 겹쳐지면 밝고, 1/2피치 이동하면 어두워진다.
이 빛의 명암 신호를, 호토트랜지스터에서 전기신호로 변환하여, 디지털계수한다. 공작기계나 계측기의 테 이블위치 결정용에 널리 이용된다.
광학적 펄스스케일은, 리니어 엔코더라고도 한다. (그림 14)

(2)원판에 의한 광학적 펄스스케일
광학적 펄스스케일에 있어서, 이동스케일을 원판에 옮겨 놓은 것으로, 각도의 디지털측정을 할 수 있다.
이것은 로터리엔코더라고도 한다. (그림 15)

그림 14 그림 15
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