측장기란?
측장기는 이름 그대로 길이를 측정하는 기기입니다.
현재는 빛의 속도를 기준으로 단위 시간 동안 빛이 이동하는 거리로 길이를 정의합니다. 길이를 측정하는 방법은 직접법과 간접법으로 구분됩니다.
- 직접법
일반적으로 많이 사용되는 자, 줄자, 줄자, 캘리퍼스, 마이크로미터 등을 사용하여 표준 길이나 눈금, 눈금과 비교하여 길이를 측정하는 방법입니다. - 간접법
길이와 관련된 다른 물리량을 이용하거나 전기적, 광학적인 방법을 이용하여 길이를 측정하는 방법입니다.
대부분의 경우 직접법으로 길이를 측정할 수 있지만, 길이가 긴 구조물이나 미크론 단위의 미세한 대상물인 경우 표준 길이(스케일)를 준비하기 어렵기 때문에 간접법을 사용하는 경우가 있습니다. 또한, 형태가 복잡하거나 손이 닿지 않는 경우, 또는 접촉이 불가능한 대상물의 경우에도 간접법을 사용합니다.
측장기의 사용 용도
측장기는다양한 분야에서 사용되고 있으며, 용도에 따라 최적의 제품을 선택해야 합니다.
- 수 mm~수십 mm로 손바닥이나 탁상 위에 올려놓을 수 있는 크기의 것: 자나 캘리퍼스
- 수백mm~수십mm로 다소 크고 긴 것: 줄자 등
- 완성도가 μ 단위의 정밀도로, 완성도를 현미경으로 관찰할 수 있는 것: 마이크로 미터
- 야외에서 수m~수십m 거리: 광학적인 방법(삼각측량, 레이저 측량기)
- 렌즈나 반도체 웨이퍼 등 정밀 산업 제품의 미세한 요철 측정: 레이저 간섭계
또한, 빛이나 촉침으로 접근할 수 없는 대상의 내부를 측정하기 위해서는 X-선 CT 등의 기술이 계측에 적용되고 있습니다. 또한, 나노기술 산업에서는 나노미터 단위의 측정이 필요하기 때문에 주사형 전자현미경이 응용된 방식으로 측정됩니다. 간편한 용도로 최근에는 스마트폰 카메라로 길이를 측정하는 앱이 개발되는 등 이미지 분석을 통한 길이 측정법도 개발되고 있습니다.
측장기의 원리
1m의 정의는 ‘1초의 1/299,792,458의 시간 동안 빛이 진공 속을 통과하는 길이’입니다. 이를 기반으로 한 미터 원기가 길이의 기준이 되고 있습니다. 원칙적으로 직접법은 이 미터 원기와의 비교입니다.
길이의 정의에 기반한 측정 원리로는 빛의 비행시간 (time of flight: ToF) 을 측정하는 방법이 있습니다. 빛이 매우 빠르기 때문에 고도의 전자 기술이 필요합니다. 현재 많은 레이저형 장비 (ToF) 에서는 강도 변조된 입사광과 반사광의 위상차를 기반으로 한 측정법이 일반적으로 사용되고 있습니다.
이는 정의상 진공 상태에서의 빛의 거동이기 때문에 실제로는 공기의 굴절률에 의한 보정이 필요합니다. 레이저 간섭계에서는 레이저 광의 간섭 현상을 이용한 측정 방법을 채택하고 있습니다.
동일한 레이저 조사에 대한 기준면으로부터의 반사광과 측정면으로부터의 반사광을 간섭시키면 발생하는 간섭무늬를 분석하여 측정면의 기준면으로부터의 거리를 nm 단위로 측정할 수 있습니다. 몇 가지 측장기를 예로 들었지만, 방법은 매우 다양합니다.
측장기의 기타 정보
1. 측장기 사용법
많은 측장기에서 채택하고 있는 수평형 측정기는 침대와 침대 위를 이동하는 표준척을 내장한 왕복대, 표준척을 관찰하는 측미현미경, 피검체를 일정한 측정력 하에 두는 측정면, 그리고 피측정물을 지지하는 측정대로 구성되어 있습니다. 이 수평형 측정기에는 아베의 원리를 만족하는 구조와 에펜슈타인의 원리를 만족하는 구조가 알려져 있습니다.
아베의 원리를 만족하는 구조를 가진 수평형 측정기에서는 베드의 비직진성에 따른 왕복대의 측정축선으로부터의 각도 편차에 의한 측정 오차를 무시할 수 있도록 피측정물의 측정축선과 표준척의 눈금면과 동일선상에 배치하여 측정이 이루어집니다.
한편, 에펜슈타인의 원리를 만족하는 구조를 가진 수평형 측장기에서는 베드의 비직진성에 따른 측정오차를 없애기 위해 피측정물의 측정축선과 표준척이 떨어져 있을 때의 그 거리와 표준척용 대물렌즈의 초점거리와 동일하도록 구성하고 렌즈의 초점면을 표준척 상에 광학적으로 배치함으로써 측정이 이루어집니다. 에 광학적으로 배치하여 측정이 이루어집니다.
2. 레이저 측장기
레이저 측정기는 피측정물에 레이저광을 조사하여 그 반사광을 이용하여 피측정물의 거리를 측정합니다. 레이저 측정기는 측정하는 거리에 따라 ‘변위 센서’, ‘거리 센서’라고 부릅니다.
- 변위 센서
근거리(수십mm~수백mm)의 범위를 미크론 단위로 측정하는 측정기입니다. - 거리 센서
장거리(수 mm~수 m)의 범위를 밀리미터 단위로 측정하는 길이 측정기입니다.
위 측장기의 측정 방법으로는 ‘삼각측량 방식’과 ‘시간 비행 방식 (time of flight: ToF) ‘이 알려져 있습니다.
삼각측량 방식
반사광을 바탕으로 삼각측량의 원리로 측정하는 측정 방법이며, 측장기는 발광 소자와 수광 소자로 구성되어 있습니다. 발광소자에는 반도체 레이저가 사용됩니다. 측정 방법은 반도체 레이저에서 투광 렌즈를 통해 집광된 레이저 빛이 피측정물에 조사됩니다. 피검체에 조사된 레이저 광의 확산 반사의 일부는 수광 렌즈를 통해 수광 소자 위에 스폿 상을 맺습니다. 결상된 스폿의 위치를 검출, 연산하여 피검체까지의 변위량을 측정할 수 있습니다.
수광 소자에 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor: 상보형 금속 산화물 반도체) 를 사용하는 것을 CMOS 방식, 수광 소자에 CCD (Charge Coupled Device: 전하 결합 소자) 를 사용하는 것을 CCD 방식이라고 합니다. 방식이라고 합니다.
타임 오브 플라이트 방식 (time of flight: ToF)
조사광이 피검체에서 반사되어 수광부에서 수광할 때까지의 시간을 측정하여 거리를 측정하는 방식입니다. 이 방식에는 투광 파장과 수광 파장 사이에 발생하는 위상차를 이용하는 ‘위상차 거리 방식’과 일정한 펄스 폭을 가진 레이저를 투사하는 ‘펄스 전파 방식’이 알려져 있습니다.