광학기기

현미경 전체 모습과 각 부위별 명칭.
현미경 전체 모습과 각 부위별 명칭.
투영기 재물대 위에 측정물이 놓여있다. 이때 이물질이나 재물대의 잘못된 조절로 인해 측정물이 경사지게 놓이면 측정 값에 영향을 미친다.
투영기 재물대 위에 측정물이 놓여있다. 이때 이물질이나 재물대의 잘못된 조절로 인해 측정물이 경사지게 놓이면 측정 값에 영향을 미친다.
조명을 가장 밝게 한다고 해서 무조건 잘 보이는 것은 아니다. 측정물에 따라 적절한 밝기 조절이 중요하다.
조명을 가장 밝게 한다고 해서 무조건 잘 보이는 것은 아니다. 측정물에 따라 적절한 밝기 조절이 중요하다.

측정 현미경
측정 현미경은 일반 현미경의 관찰기능에 측정 기능이 부가된 현미경이다. 주로 반도체, 전자전기부품, 정밀 자동차 부품, 공구 외에도 다양한 측정물을 측정하는 데 쓰인다. 또한 접촉이 불가능할 정도로 부드럽거나 미세한 크기의 측정물 등 여러 형상에 대응할 수 있다. 현미경으로 측정할 때 가장 주의 해야 할 것은 초점과 조명이다. 초점의 경우 형상이 뿌옇지 않고 명확하게 대비되도록 조절해야 하는데, 이를 ‘엣지가 선명하다’라고 표현한다. 초점을 맞추기 위해 먼저 측정물의 크기나 형상에 맞는 배율의 대물렌즈를 장착 해야한다. 그 후 스테이지 이동장치를 이용해 재물대의 위치를 조절하여 초점을 맞춘다. 이때 측정물을 재물대와 수평으로 올려 놓아야 한다.
조명은 측정물을 선명하게 하는 역할을 한다. 그렇다고 밝은 정도가 높다고 해서 무조건 더 잘 보이는 것은 아니다. 측정물의 형상, 표면상태, 색, 재질에 따라 조명을 잘 조절해야 하는데 그 종류는 두 가지가 있다. 렌즈에서 수직으로 들어오는 것이 축 조명, 재물대에서 위로 나오는 것이 스테이지 조명이다. 접안렌즈를 통해 측정물의 형상을 보며 축 조명과 스테이지 조명을 조절하며 상이 선명해지도록 맞춘다[사진2].

투영기
측정 현미경은 있는 그대로 확대해서 보여 주는 것이지만 투영기는 빛을 쏘아 측정물의 그림자를 스크린에 확대 투영하는 것이다. 투영기 속의 광원에서 나온 빛이 렌즈를 지나 스크린에 비춰지는 원리다. 투영기도 현미경과 같이 측정물에 수직으로 내려오는 축 조명(상부조명)과 아래에서 위로 비추는 스테이지 조명(하부조명)이 있다. [사진 4]를 보며 자세히 알아보자.
축 조명은 수직반사조명으로 표면 형상을 비추는 역할을 한다. 스테이지 조명은 투과조명으로 측정물의 윤곽부를 확대 투영시킨다. 또 하나의 조명이 경사반사 조명인데 측정물 표면에 비스듬하게 빛을 비춤으로써 상 대비가 강조되어 입체적이고 명확하게 관찰할 수 있다. 잘못된 조명 조절은 치수 측정 시 오차를 발생시키므로 주의해야 한다. 데이터 처리장치인 QM-Data가 장착된 투영기로 측정하면 기계상에서 바로 측정 값을 얻을 수 있다. 스크린에 정확한 상을 맺게 한 뒤 X, Y축의 원점을 설정하면 원하는 거리나 지름의 수치를 구할 수 있다. 물론 이 작업은 일정 수준의 숙련도가 필요하다.
투영기 측정에서 알아둘 개념은 정립상과 도립상이다. 정립상이란 스크린에 나타난 상이 측정물과 상하좌우 방향 및 이동방향이 전부 일치하는 상이다. 상하좌우 방향 및 이동 방향이 반대인 경우는 도립상이라 한다. 그러므로 상이 뒤바뀌었다고 해서 어떤 오류가 있는 것은 아니다. 반드시 어떤 방법을 채택해야 하는 것은 아니므로 편의에 따라 선택한다.

투영기 전체 모습과 각 부위별 명칭. 대물렌즈 내부에는 조절식/경사변환 반사조명장치가 있어 안쪽에서 수평으로 들어오는 빛을 반사한다. 이로써 위치나 거리뿐 아니라 표면 상태를 알 수 있다.
투영기 전체 모습과 각 부위별 명칭. 대물렌즈 내부에는 조절식/경사변환 반사조명장치가 있어 안쪽에서 수평으로 들어오는 빛을 반사한다. 이로써 위치나 거리뿐 아니라 표면 상태를 알 수 있다.
스크린에 측정물을 투영한 상의 상하좌우가 반전되어 있다. 이를 도립상이라 한다. 반대로 재물대 위에 놓인 그대로 비추는 경우는 정립상이라 하는데, 사용자의 편의에 따라 선택하여 원하는 상으로 볼 수 있다.
스크린에 측정물을 투영한 상의 상하좌우가 반전되어 있다. 이를 도립상이라 한다. 반대로 재물대 위에 놓인 그대로 비추는 경우는 정립상이라 하는데, 사용자의 편의에 따라 선택하여 원하는 상으로 볼 수 있다.

화상 측정기
화상 측정기는 2D와 3D 중간 단계의 측정기라고 할 수 있다. 평면(x, y축)과 깊이(z축) 를 측정할 수 있기 때문이다. 3차원 측정기와의 차이는 비접촉식이라는 것이다. 프로브가 측정물에 직접 닿는 방식이 아니기 때문에 측정물에 영향을 미치지 않고 측정할 수있다. 측정 분야는 주로 전자·반도체부품, 특히 스마트폰 카메라 렌즈 등 미세하고 높은 정밀도가 요구되는 부품 등이다. 화상은 화소 픽셀로 구성된다. 눈금이 미세한 모눈종이에서 1칸(픽셀)씩 칠해 전체 상을 이루는 것과같은 원리다. 따라서 측정하려는 구간에 몇 개의 화소가 있는지 세어서 1화소의 크기를 곱하면 길이로 환산할 수 있다. 화질은 이 수치를 어느 정도의 한계로 관리하느냐에 따라 달라진다. 흑백으로 나누는 2값화와 흑백 사이를 256분할한 다값화가 있는데, 보통 2값화보다 사실적인 이미지를 나타내는 256수준으로 관리한다. 화상 측정기에서 중요한 것 역시 핀트를 맞춰 선명한 엣지를 검출하는 것이다. 측정 작업은 다음과 같다. 조이스틱으로 헤드를 이동하여 측정 범위를 정하고 엣지 검출 영역(툴)을 설정한다. 그 후 이 툴에서 흑백의 그라데이션(그레이 스케일)을 읽어 명암의 경계를 검출한다. 이때 분해능을 높이기 위해서는 서브픽셀, 즉 인접한 화소정보를 연결한 보간곡선을 설정하여 1화소 보다 높은 분해능으로 측정할 수 있다. 화상 측정기에는 현미경이나 투영기와 달리 4분할 LED 조명이 있어 미세한 각도 조절로 측정에 적합한 조명을 비출 수 있다[사진 7]. 조명 각도는 30~80°의 범위에서 모든 방향으로 각각 제어되기 때문에 경사면 또는 매우 작은 단차의 엣지를 강조하는데 효과적이다.

화상 측정기로 측정할 때 가장 중요한 것은 엣지와 포커스(초점)을 맞추는 것이다. 엣지가 선명하다는 것은 콘트라스트(대조)가 높다는 의미다. 선명한 엣지를 위해서는 Z축을 상하로 이동하면서 핀트를 정확하게 맞춰야 한다.
화상 측정기로 측정할 때 가장 중요한 것은 엣지와 포커스(초점)을 맞추는 것이다. 엣지가 선명하다는 것은 콘트라스트(대조)가 높다는 의미다. 선명한 엣지를 위해서는 Z축을 상하로 이동하면서 핀트를 정확하게 맞춰야 한다.
조명장치를 설명하기 위해 직접 손을 대어 어디에서 조명이 나오는지 설명하고 있다(축 조명). 대물렌즈 위에 보이는 사각형의 틀 안에는 LED 조명(링 조명)이 빛의 각도와 방향을 미세 조정하여 측정에 적합한 조명을 맞춘다.
조명장치를 설명하기 위해 직접 손을 대어 어디에서 조명이 나오는지 설명하고 있다(축 조명). 대물렌즈 위에 보이는 사각형의 틀 안에는 LED 조명(링 조명)이 빛의 각도와 방향을 미세 조정하여 측정에 적합한 조명을 맞춘다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.