Shadow 기법을 기반으로 한 미세 변위 측정

요약

고정밀 미세 변위 측정은 항공 우주 공학, 초정밀 가공 및 마이크로 조립 분야에서 중요합니다. 현재 프로토콜은 그림자 기술을 기반으로 미세 변위를 측정하는 방법을 설명합니다.

초록

미세 변위의 정밀 측정은 과학 및 산업 분야에서 중요합니다. 그러나 복잡한 설계와 측정 기기의 높은 비용으로 인해 어려운 과제입니다. 햇빛 아래 수면 위를 걷는 스트라이더가 형성하는 그림자에서 영감을 받아 미세 변위 측정 방법을 제안했습니다. 초소수성 특성을 가진 물 스트라이더 다리는 물 표면을 구부립니다. 물의 굴곡 표면은 햇빛을 굴절시켜 연못 바닥에 밝은 가장자리를 가진 그림자를 만듭니다. 그림자 크기는 일반적으로 물 표면에서 다리의 움푹 들어간 깊이보다 큽니다. 미세 변위 측정 시스템에서 적용된 변위는 그림자 직경의 변화에 비례합니다. 제시된 연구는 이 그림자 기술을 기반으로 미세 변위 측정 절차를 제안합니다. 변위 감도는 5μm 범위에서 10.0nm/픽셀에 도달할 수 있습니다. 이 시스템은 시공이 간단하고 비용이 저렴하며 선형 성능이 우수하여 정밀도가 높습니다. 이 방법은 미세 변위를 측정할 수 있는 편리한 추가 옵션을 제공합니다.

서문

정밀한 변위 측정은 항공우주 공학¹, 초정밀 가공² 및^{마이크로 어셈블리3} 분야에서 중요한 역할을 합니다. 구조적 건전성 모니터링을 위해 구조적 변형을 정확하게 측정해야 합니다⁴. 그러나 높은 정밀도의 미세 변위 측정은 측정 장비의 복잡한 설계와 높은 비용으로 인해 어려운 과제로 남아 있습니다⁵.

미세 변위 측정 기술은 기존 방법과 비기존 방법으로 나눌 수 있습니다. 자기, 정전 용량, 유도 및 전기 센서와 같은 기존 방법은 전자기 간섭에 취약합니다⁶. 비전통적인 방법은 주로 광섬유 기반 방법 및 레이저 방법과 같은 광학 방법입니다.

Ke Tian et al.은 미세 변위를 측정하기 위해 풍선 모양의 구부러진 다중 모드 광섬유 구조를 설계했으며, 변위 감도는 0-100μm의 측정 범위에서 0.51dB/μm를 달성할 수 있습니다^{실험적으로 7}. 그러나 광섬유 복조기의 크기와 비용을 먼저 고려해야 합니다. 그리고 열 효과를 제거하는 것이 쉽지 않았습니다. Qianbo Lu et al.은 격자 간섭계 캐비티를 기반으로 하는 나노미터 미만의 분해능 변위 센서를 제안했으며, 이 센서의 감도는 강도 보상 및 위상 변조⁸에 의해 44.75mV/nm에 도달할 수 있습니다. 레이저 간섭계는 나노 단위 분해능으로 일반적으로 사용되는 미세 변위 장비 중 하나입니다. 그러나 반사경은 복잡한 신호 처리를 필요로 하며, 간섭계의 fringe resolution은 그 응용 분야를 제한합니다⁹. 따라서 단순하게 구성되고 저렴하며 정밀한 측정 시스템에 대한 대안이 필요합니다.

이 기사에서는 그림자 기법^10,11,12,13을 기반으로 하는 간단하고 저렴하며 매우 정밀하며 우수한 선형 성능을 제공하는 미세 변위 측정 절차를 제안합니다. 이 방법은 수면 위를 걷는 스트라이더에서 영감을 받았습니다. 초소수성 특성을 가진 물 스트라이더 다리는 물 표면을 구부립니다. 물의 굴곡 표면은 햇빛을 굴절시켜 연못 바닥에 밝은 가장자리를 가진 그림자를 만듭니다. 그림자 크기는 일반적으로 물 표면에서 다리의 움푹 들어간 깊이보다 훨씬 큽니다 14,15,16. 시스템에서 적용된 변위와 그림자 직경의 변화는 비례적이었으며, 이는 보정 실험에 의해 검증되었습니다. 연구에 따르면 이 방법은 미세 변위를 정확하게 측정하기 위한 대안을 제공합니다.

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프로토콜

1. PDMS 조각의 준비

1. 직육면체 폴리카보네이트(PC) 용기에서 베이스와 경화제(칭량 저울 사용)를 30:1의 비율로 칭량하여 폴리디메틸실록산(PDMS, 재료 표 참조) 폴리머를 준비합니다.
   참고: 용기 크기는 60mm × 45mm × 15mm입니다. 혼합물의 높이는 약 10mm입니다.
2. PDMS 혼합물을 블렌더에 넣고 거품이 채워질 때까지 약 20분 동안 섞습니다.
3. 진공 펌프를 사용하여 약 30분 동안 혼합물에서 기포를 제거합니다( 재료 표 참조).
4. PDMS를 65°C 오븐에서 4시간 동안 경화시킵니다.
5. PC 컨테이너에 형성된 PDMS 조각을 변위에 민감한 요소로 사용합니다(2.1단계).
   참고: PDMS 피스 크기는 60mm × 45mm × 10mm입니다.

2. 미세변위 측정을 위한 실험적 준비

1. 그림 1 및 그림 2와 같이 평행 광원, 직경이 0.7mm인 조리개 조리개, PDMS(변위 감지 요소) 조각, 3개의 단단한 원통형 다리가 있는 작업대, 카메라, 수직 정밀 포지셔너, 전동 스테이지 및 기타 구성 요소(재료 표 참조)를 포함한 측정 시스템의 모든 모듈/구성 요소를 수집합니다.
2. 상업적으로 입수한 작업대( 재료 표 참조)를 PDMS에 놓습니다.
   알림: PDMS의 표면은 작업대의 다리에 의해 구부러져 있습니다. 작업대는 알루미늄을 가공하여 얻습니다. 단단한 원통형 다리의 직경은 0.5mm이며 가능한 한 작아야 합니다.
3. 평행 광원을 조리개 다이어프램과 연결하여 단단한 원통형 다리 중 하나에 수직으로 특정 직경의 평행 광선을 방출합니다.
   참고: 평행 광선의 직경은 0.7mm이며 가능한 한 작아야 합니다.
4. 작업대의 전동 스테이지를 조정하여 PDMS 표면에서 약 50mm 위에 평행 광원을 배치합니다.
   참고: 구부러진 표면은 평행 광을 굴절시켜 그림 3과 같이 밝은 가장자리를 가진 그림자를 만듭니다.
5. 카메라를 PDMS 아래 260mm에 직접 배치하여 그림자 이미지를 캡처합니다. 그림자가 전체 이미지를 채우도록 카메라 렌즈의 배율을 조정합니다.
   참고: 카메라의 픽셀 크기와 해상도는 각각 약 3.72μm와 4,000 × 6,000입니다.
6. 변위 감도를 보정하기 위해 작업대 위 0.2nm의 해상도로 수직 정밀 포지셔너를 고정합니다(4단계).

3. 이미지 처리

1. 머신 비전 소프트웨어를 사용하여 그림자의 컬러 사진을 회색조 이미지로 변환합니다( Table of Materials 참조).
   1. 소프트웨어의 시작 버튼을 클릭하여 그림자 이미지를 처리하고 그림자 직경을 직접 얻습니다.
      참고: 이미지 처리 단계의 코드는 소프트웨어에 통합되어 있습니다.
2. 가우스 필터링을 포함한 이미지의 전처리를 수행하여 노이즈를 제거하고 이미지 향상을 통해 이미지 대비¹²를 향상시킵니다.
3. Canny 연산자를 사용하여 각 픽셀의 그라데이션을 계산하고 하위 픽셀 가장자리 윤곽선 세트를 얻을 수 있습니다. 비최대값 억제¹²를 기준으로 가장자리가 아닌 픽셀을 제외합니다.
4. 특정 길이 임계값을 설정하여 그림자 가장자리의 일부가 아닌 가장자리 윤곽을 제거합니다.
5. 그림자 지름을 원¹⁷의 최소 제곱 피팅으로 맞춥니다.

4. 변위 교정

1. 수직 정밀 포지셔너( 재료 표 참조)를 조정하여 작업대의 하중 버튼에 접촉합니다.
2. 현재 그림자 이미지를 참조 이미지로 캡처합니다.
3. 작업대와 수직 정밀 포지셔너 사이의 거리가 1μm가 될 때까지 작업대를 5μm 단위로 아래로 이동합니다.
4. 각 단계에서 카메라로 그림자 사진을 캡처합니다.
5. 실험을 5번 반복합니다.
6. 결과를 피팅하여 수직 정밀 포지셔너의 변위 출력과 그림자 지름 변화 사이의 관계를 방정식 4에 따라 구합니다(대표 결과 참조).
   참고: 여기에서 변위 감도 k 를 얻습니다.

5. 마이크로 변위 측정

1. 수직 정밀 포지셔너와 작업대의 로드 버튼 사이의 접점을 분리합니다.
2. 현재 그림자 이미지를 참조 이미지로 캡처합니다.
3. 전동 선형 스테이지(분해능, 0.625μm)를 조정하여 로드 버튼에 접촉합니다.
   참고: 본 연구에서는 마이크로 변위 측정을 시연하기 위해 상업적으로 이용 가능한 전동 선형 스테이지( 재료 표 참조)를 사용했습니다. 그러나 사용자는 미세 변위 측정이 필요한 많은 일반적인 샘플을 측정할 수 있습니다.
4. 마이크로 변위로 인한 그림자의 현재 이미지를 캡처합니다.
   참고: 테스트 샘플이 로드 버튼에 닿으면 작업대가 움직입니다. 그림자 지름은 미세 변위로 인해 변합니다. 그런 다음 그림자 이미지가 캡처되고 그림자 직경이 결정됩니다.
5. 이미지 처리(단계 3)를 통해 그림자 직경의 변화를 결정하고 보정된 변위 감도 k 와 방정식 4에 따라 미세 변위를 계산합니다.
   참고: 방정식 4의 Z 는 미세 변위입니다.

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결과

프로토콜에 따라 미세 변위 측정 시스템의 감도를 보정할 수 있으며 미세 변위를 측정할 수 있습니다. 미세변위 측정의 그림자 방법은 다음과 같이 제시됩니다. 그림 3 은 적용된 변위로 인해 PDMS 변형된 표면을 통과하는 평행 광의 이동 경로를 보여줍니다. 평행 빛의 굴절은 밝은 가장자리를 가진 그림자를 형성합니다. Johnson-Kendall-Roberts(JKR) 모델을 ...

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토론

이 프로토콜은 그림자 기법을 기반으로 한 미세 변위 측정 시스템을 제안했습니다. 변위 교정은 변위 감도와 측정 범위를 얻기 위한 프로토콜 내의 중요한 단계입니다. 변위 감도는 방정식 4에 따라 원통형 다리의 직경과 평행 광선의 직경을 줄이고 작동 거리를 증가시켜 향상시킬 수 있습니다. 또한 카메라의 픽셀 크기와 해상도, 이미지 처리의 정확도도 변위 감도를 개?...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aperture diaphragm	Processed by high precision grinding		The diameter of the aperture is 0.7 mm.
Camera	Canon	EOS80D	The pixel size and the resolution of the camera are about 3.72 μm and 4000 × 6000, respectively.
HALCON	MVTec Software GmbH	18.11	MVTec HALCON is the comprehensive standard software for machine vision with an integrated development environment (HDevelop) that is used worldwide.
Motorized linear stage	Zolix	TSA50-C	Resolution 0.625 μm
Parallel light source	Oriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.	BTPL-50G	The peak wavelength is 523 nm.
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	PDMS is a transparent silicon-based crosslinked polymer.
Vacuum pump	SHANGHAI LICHEN-BX INSTRUMENT TECHONOLOGY CO.,Ltd	2XZ-6B	The pumping rate is 6 L/s.The ultimate vacuum is ≤1 Pa
Vertical precision positioner	PI	P-620.ZCD	The resolution is 0.2 nm in the range of 50 μm.
Workbench with three rigid cylindrical legs	Processed by high precision grinding		The diameter of legs is 0.5 mm. The legs are distributed on the trisection points of a circle with a radius of 14 mm