KR100847433B1

KR100847433B1 - Ｄｍｄ 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이자동초점장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100847433B1
Application number: KR1020080031894A
Authority: KR
Inventors: 이은석; 이성규
Original assignee: 주식회사 엔씨비네트웍스
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2008-07-21

Abstract

본 발명은 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 비점수차 방법과 위상변조를 동시에 이용하여 하나 이상의 수직단차(이하 다초점)에서도 정밀하고 고속으로 초점조절의 수행이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다. 이 같은 목적을 수행하기 위하여 비점수차 광학계와 위상천이 영사식 3차원 측정 광학계를 결합한 방법을 제시하였다. 비점수차 광학계에 있어서 LED 또는 옵티칼 파이버 광원을 시준광학계를 이용하여 시준 편광 빔으로 생성시켜 레이저를 대체하였고, 광다이오드를 대체하여 CCD를 사용하였다. 또한, 위상천이 광학계를 고안함에 있어서 종래의 리소그래피된 동심원무늬 무늬 발생기를 DMD로 사용하였으며, 무늬를 결상렌즈 외부에 설치된 코닉결상렌즈를 이용하여 투영하고 높이를 측정하여

100 nm 이하로 정밀하면서도 1초 이내의 고속연산이 가능한 장치를 발명하였다.

광선분할기(beam splitter), 편광장치(polarizer), 코닉렌즈(conic lens), 실린드리칼 렌즈(cylindrical lens), 자동초점장치(autofocusing system), 비점수차(astigmatism), 다초점(multi-focusing), 광선분할기(beam splitter), 위상천이(phase shifting), CCD(charge coupled device), DMD(digital micro mirror device), 4분할 광다이오드(quadratic photo diode)

Description

ＤＭＤ 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치 및 그 방법{Apparatus and method for astigmatism and phase shift auto focusing by DMD moire pattern generator}

본 발명은 자동초점(auto focusing)장치에 관한 것으로, 특히 비점수차(astigmatism) 현상과 위상천이(phase shift)를 이용한 거리 측정법을 이용하여 최적의 초점위치를 계산하기에 적당하도록 한 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 생성된 시준 빔(collimated beam)을 사용하는 DMD(Digital Micro mirror Device) 또는 슬릿(slit)을 제어하기 위한 변형수단을 포함하는 신규의 공간적 투영기와 집적기를 갖춘 광학계에 관한 것인데, 이 시스템은 LED(Light Emitted Diode)광원 또는 옵티칼 파이버(optical fiber) 광원을 이용하여 편광상태의 비점수차 현상과 비편광상태의 위상천이 현상을 동시에 구현함으로써 자동초점장치를 사용하는 반도체 검사기외 다양한 비접촉식 측정용 영상처리 시스템에서 초점위치를 정밀하게 측정할 수 있음과 동시에 FOV(field of view)내의 다초점(multi-focusing, 이하 다초점)에 대해서도 고속의 자동초점조절이 가능하며, 초 정밀 측정기와 함께 사용하기에 적합한 것이다.

본 발명은 비점수차 방법과 위상천이 방법을 동시에 사용하며, 다초점에 대하여도 초점조절이 가능한 장치로써 CCD와 DMD 그리고 코닉렌즈를 사용하여 위치 결정의 정밀도와 속도를 높이는 기술을 사용하였다.

일반적으로 비접촉식 2차원 내지 3차원 형상 측정에 있어서 주어진 물체표면에 대한 초점조절 성능은 곧바로 측정 정밀도에 영향을 주는 중요한 요소이며, 이와 같은 자동초점장치는 광픽업 장치, 카메라, 캠코더, 머신 비전(machine vision)을 이용한 광학식 검사공정이나 그 밖의 광학 현미경을 이용한 2차원 표면측정 및 3차원 형상측정기에 있어서 폭넓게 활용되어 왔다. 지금까지 현미경에 적용될 수 있는 많은 초점조절방법들이 연구되어 왔으며, 이와 같은 장치들은 크게 수동형 자동초점장치(passive autofocusing system)와 능동형 자동초점장치(active autofocusing system)로 분류된다. 수동형 자동초점 조절방법은 촬상된 영상을 이용하여 가장자리 대조(edge contrast)를 극대화하거나 영상정보를 에너지(energy)로 환산하여 측정하는 즉, 영상정보에 대하여 직접적인 방법이고, 능동형 자동초점 조절방법은 광학소자를 이용한 굴절률 또는 빔의 형상을 이용하기 위한 간접적인 방법이다.

LCD(Liquid Crystal Display)나 OLED(Organic Light Emitting Diode)와 같은 고정밀 산업의 발전에 따라 반도체 검사장비의 속도와 정밀도가 수동형에 비해 뛰 어난 능동형 방법이 채택되고 있다. 이러한 능동형 방법에 있어서는 전기적으로 굴절률을 변화시키는 방법, 비점수차 방법 등이 있고, 이는 영상획득, 현미경, 재료 가공, 광학식 검사 등의 많은 분야에 활용되어 왔다.

비점수차법은 광선분할기(beam splitter)와 최종 검출소자 사이에 실린드리칼 렌즈를 삽입하여 초점 위치에서 원의 형태를 갖는 광점이 초점 위치를 벗어남에 따라 타원으로 바뀔 때 변화하는 장축의 방향 정보로부터 초점조절을 수행하는 방법이다(D. K. Cohen, W. H. Gee, M. Ludeke, and J. Lewkowicz, "Automatic focus control: the astigmatic lens approach,"Appl. Opt., vol. 23, no. 4, pp. 565-570 참조). 비점수차법은 고속으로 자동초점 조절이 가능한 장점 때문에 CD(Compact Disk)나 DVD(Digital Video Disk)의 광픽업(optical pickup) 장치로 널리 사용되고 있다. 일반적으로 4분할 광다이오드를 검출기로써 사용하며, 2개의 광검출기를 사용한 방법, 7분할 광다이오드를 사용하는 방법(대한민국 공개특허번호 제 1996-25404 호의 "광자기 디스크용 광픽업 장치" 참조), 하나의 단일 실리콘 광검출 소자를 통해 초점조절을 수행한 방법 등이 연구되어 왔다.

그러나 수 분할 광다이오드(1개 이상의 분할된 광다이오드 이하 수 분할 광다이오드)와 광학장치의 광축 정렬이 어렵다는 문제가 있으며, 수 분할 광다이오드의 제한된 신호만을 사용하기 때문에 외란에 민감하여 정밀도의 향상에 한계가 있고, 반도체 웨이퍼(wafer), LCD, OLED, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 등에서 발생하는 도 5와 같은 다초점에 대하여 처리할 수 없다는 단점이 있다.

도 1은 반도체 레이저를 이용한 비점수차 시스템의 일례를 설명한다. 시준된 광은 편광 빔 분할기(polarizing beam splitter)에 의해 P파와 S파로 나뉜 편광 빔으로 생성되고, 상기 생성된 편광 빔은 쿼터웨이브플레이트에 의해서 P파와 S파가 바뀌어 물체에 투영된 후에 반사되어 실린드리칼 렌즈에 의하여 비점수차 현상을 발생시킨다. 상기 비점수차 현상을 4분할 광다이오드를 이용하여 검출하고 초점에러신호를 산출함으로써 자동초점이 가능하다.

도 2는 상술한 비점수차의 원리를 나타낸 도면이다. 평면 1에서 결상렌즈의 비점수차에 의해 검출 소자에서 타원의 형태가 발생하고, 평면 2에서는 검출 소자에서 같은 크기를 갖는 원의 형태가 발생하고, 평면 3에서는 장축은 단축이 되고, 단축은 장축이 되어 평면 1과 장단축이 반대인 타원의 형태가 발생하게 된다. 상기의 타원형 비점수차 현상에 의해 나타나는 장축과 단축의 비를 이용하여 초점위치를 판정할 수 있게 된다.

도 3은 일반적인 비점수차를 이용한 자동초점장치에서 흔히 사용되는 4분할 다이오드의 구성에 관한 도면이며, 도 4는 초점에러신호(focus error signal)와 타원의 형태와의 관계를 나타낸다. 그래서 도 4에 의하면 최적위치에 근접함에 따라 초점에러신호는 0에 가까워지고, 방향에 따라 부호가 바뀌며, 타원의 형태는 원과 가까워지는 것을 알 수 있다.

도 5는 다초점을 갖는 대상물체에 대한 도시이다. 초점거리(depth of focus) 내에서 하나 이상의 단차를 갖는 물체에 있어서 수 분할 소자를 이용한 자동초점장치는 초점계산을 원활히 수행할 수 없게 되거나 영상의 중심에서만 자동초점이 이루어지는 문제를 나타낸다.

또한 도 6은 현미경 위치와 위상과의 관계를 도시한 것이다. 한 주기(period) 내에서 위치와 위상과의 관계는 선형(linear)적인 형태를 나타낸다. 상기의 주기는 DMD의 변조 주파수에 의해 조절될 수 있고, 주파수가 높을수록 초점위치의 결정에 대한 정밀도가 높아지게 된다.

위상천이법은 영사식 모아레법을 이용하여 비접촉식의 3차원형상의 물체를 측정함에 있어 종래의 모아레 장치는 동심원무늬와 기준동심원무늬를 이용하는 방식(대한민국 공개특허번호 제 1998-7797 호 참조)과 동심원무늬만을 이용하는 방식(대한민국 공개특허번호 제 2002-39583 호 참조)이 있다.

동심원무늬만을 이용하는 영사식 모아레 장치는 반도체의 리소그래피 기술을 이용하여 수정유리 기판에 여러 줄의 동심원무늬를 만들며, 측정시에는 그 동심원무늬를 등간격으로 이동시키면서 3장 이상의 무늬가 영사된 영상을 촬영하고 이를 이용하여 거리정보를 획득한다.

도 7은 종래 모아레무늬 측정장치의 구성도이다. 일반적으로 위상천이 영사식 광학계는 대물렌즈의 비율에 따라 투영렌즈의 배율이 변해야만 한다. 2배율내지 100배율의 고배율을 사용하는 현미경 시스템에서 도 7과 같은 종래의 기술은 투영무늬를 대물렌즈의 배율에 적합하도록 무늬를 갖는 빔을 압축하는데 한계가 있다.

상술한 바를 토대로 본 발명에서 제기하고자 하는 종래의 비점수차법과 위상천이법을 결합한 형태의 초점위치 결정법은 다초점에 대한 처리가 가능하면서도 초점 위치의 결정 정밀도와 속도를 향상시킴에 있어 이로우며 필요하다 할 수 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 비점수차(astigmatism) 현상과 위상천이(phase shift)를 이용한 거리 측정법을 이용하여 최적의 초점위치를 계산할 수 있는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

이러한 본 발명에서는 외란에 둔감하게 하고 정밀도를 높이기 위하여 기존의 비점수차 방식에 위상천이 방식을 혼용하는 새로운 능동형 자동초점장치 및 그 방법을 제시하고자 한다. 비점수차법의 경우 LCD와 같은 유리의 재질에 대하여 많은 위치오차를 발생시키는 단점이 있지만 초점조절이 가능한 거리를 실린드리칼 렌즈(cylindrical lens)의 곡률을 조정하여 고속으로 구현할 수 있는 장점이 있는 반면, 위상천이법의 경우 LCD와 같은 유리의 재질에 크게 민감하지 않은 반면, 측정시 발생되는 2

모호성의 문제를 해결해야만 하는 단점이 있다. 또한 비점수차(astigmatism) 현상은 시준 편광 빔에 대해서 발생될 수 있고, 위상천이 현상은 일정한 무늬(pattern)를 시준 빔으로 투영시켜 얻을 수 있음은 공지의 사실이다. 이러한 두 가지의 목적을 만족시키기 위해 DMD(digital micro mirror device)를 이용하여 시준 편광 빔에 의한 비점수차 현상과 시준 빔을 이용하여 무늬를 발생시키는 방법을 제시하고자 한다. 도 8을 이용하여 비점수차와 무늬가 투영되는 과정을 설명한다. 먼저, 비점수차 현상의 생성원리는 도 8에서와 같이 광원(102)로부터 출발한 광원은 동심원무늬영사부(160)계(104)를 지나 TIR 프리즘(108)을 통해 DMD(110)의 거울면에 도달한다. DMD로부터 투사되는 시준 빔은 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)(113)를 지나 편광 빔 분할기(polarized beam splitter)(115)를 통해 결상렌즈(117)로 입사된다. 대상물로부터 반사된 빛은 편광 빔 분할기(polarized beam splitter)(115)와 광선분할기(beam splitter)(122)를 지나 쿼터웨이브플레이트(123)와 실린드리칼 렌즈(cylindrical lens)(124)를 통해 CCD(126)로 수광되어진다.

다음으로, 위상천이 현상의 생성원리는 도 8에서와 같이 광원(102)으로부터 출발한 광원은 시준광학계(104)를 지나 TIR 프리즘(total internal reflection prism)(108)을 통해 DMD(110)의 거울면에 도달한다. DMD에서 발생된 동심원 무늬를 갖는 광원은 편광 빔 분할기(115)의 대각선 면에 평행한 전반사 거울(114)을 통해 코닉렌즈(conic lens)(119)로 입사되고, 대상물로부터 반사된 빛은 편광 빔 분할기(115)와 광선분할기(122)를 지나 CCD(130)로 수광되어진다. 도 11은 위상 천이 패턴의 일례를 나타낸 것이며, 도 14는 본 발명에서 제안된 시스템을 통과한 후에 CCD로 수광된 위상 천이 영상을 보인다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기의 과정 모두 DMD를 전자적으로 제어함으로써 FOV에 국부적인 무늬의 생성과 비점수차 현상을 동시에 이용하는 비점수차와 위상천이를 이용한 자동초점장치 및 그 방법을 제공하는데 있다. 고밀도 CCD 센서를 사용하여 광축 정렬의 어려움을 해소하고, 수 분할 광다이오드에 비하여 외란에 강하며, 위상천이된 영상으로부터 모듈레이션(modulation) 값을 추출하여 초점위치를 정밀하게 측정할 수 있음과 아울러 FOV(field of view 이하 FOV)내의 도 5와 같은 다초점 물체에 대해서도 자동초점이 가능하다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치의 블록구성도로서, LED 또는 옵티칼 파이버(optical fiber)(102) 광원에 대하여 시준광학계(104)로부터 생성된 시준 빔이 DMD(110)의 거울 면으로 입사되고 시준 편광 빔이 초점면에 투영되고 수광될 수 있도록 구성되었다.

이에 도시된 바와 같이, 광학계(100)에서 LED 또는 옵티칼 파이버에서 방출된 광원(102)을 입력받아 시준 빔을 생성시키는 시준광학부(150)와; 상기 광학계(100)에서 투영될 무늬를 생성시키는 동심원무늬영사부(160)와; 상기 광학계(100)에서 편광 빔을 생성하고 비점수차 빔과 위상천이 빔을 분리하는 광선 분할부(170)와; 상기 동심원무늬영사부(160)에서 생성된 빔을 투영시키는 코닉렌즈(conic lens)(119)가 장착된 결상렌즈부(180)와; 상기 광학계(100)에서 비점수차 빔과 위상천이 빔 각각을 수광하는 영상획득부(190)와; 측정대상물(118)을 올려놓은 이송테이블(121), 상기 이송테이블(121)을 구동시키는 구동수단(120)을 포함하여 구성된 측정대상물 이송부(220)와; 상기 측정대상물(118)을 측정하는 상기 영상획득부(190)의 동작을 제어하는 제어모듈부(202)와; 상기 제어모듈부(202)를 제어하고, 상기 영상획득부(190)에서 획득된 영상에 대해 언래핑된 물체의 높이를 산출하는 중앙제어부(204);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 시준광학부(150)는, 광을 발산시키는 LED 또는 옵티칼 파이버 광원(102)과; 상기 광원을 단일 시준 빔을 만들기 위해 시준광학계(104);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 동심원무늬영사부(160)는, 상기 시준광학부(150)로부터 생성된 빔을 DMD(110)의 거울면에 수직으로 입사시키고 그의 역방향으로 투사시키는 역할을 하는 TIR 프리즘(108);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 광선 분할부(170)는, 상기 동심원무늬영사부(160)로부터 무늬를 갖는 시준 빔을 편광상태로 만들기 위한 편광 빔 분할기(polarized beam splitter)(115)와; 시준 편광 빔의 S파를 P파로 바꾸어주는 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)(113)와; 비점수차 빔과 위상천이 빔을 분리하여 각각의 CCD(126, 130)로 보내기 위한 광선 분할기(beam splitter)(122);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 결상렌즈부(180)는, 상기 광선 분할부(170) 내의 편광 빔 분할기(115)로부터 S파와 P파로 분리된 편광 시준 빔이 비점수차의 현상을 일으키도록 하는 결상렌즈(117)와; 무늬를 갖는 시준 빔의 위상천이 현상을 결상시키기 위한 코닉렌즈(conic lens)(119);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 영상획득부(190)는, 실린드리칼 렌즈(124)와; 편광 시준 빔의 S파를 P파로 바꾸어주는 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)(123)와; 상기 쿼터웨이브플레이트(123)를 통해 입사되는 비점수차 빔을 수광하는 제 1 CCD(126)와; 위상천이 빔을 수광하는 제 2 CCD(130);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 중앙제어부(204)는, 상기 제어모듈부(202) 내의 모터드라이버(206)의 동작을 제어하는 모터제어보드(214)와; 상기 동심원무늬영사부(160) 내의 DMD(110)의 동작을 제어하는 DMD 구동 드라이버(210)와; 상기 영상획득부(190) 내의 CCD(126, 130)로부터 획득된 영상을 처리하는 영상보드(216)와; 상기 제어모듈부(202) 내의 CCD 전원장치(208), 조명전원장치(212)와 인터페이스를 수행하는 인터페이스보드(218);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 제어모듈부(202)는, 상기 측정대상물 이송부 내의 상기 구동수단(120)을 구동시키는 모터드라이버(206)와; 상기 영상획득부(190) 내의 상기 CCD(126, 130)에 전원을 공급하는 CCD 전원장치(208)와; LED 또는 옵티칼 파이버의 상기 광원(102)에 전원을 공급하는 조명전원장치(212);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 광학계(100)의 결상렌즈(117)를 이용하여 보정면에 DMD(110)의 동심원 무늬를 갖는 시준 편광 빔을 조사하고 보정면에 대한 기준영상을 획득하는 제 1 단계(ST11 ~ ST13)와; 상기 결상렌즈(117)를 이용하여 측정대상물(118)에 상기 DMD(110)의 동심원 무늬를 갖는 시준 편광 빔을 조사하고 물체에 대한 기준영상을 획득하는 제 2 단계(ST21 ~ ST23)와; 상기 획득된 보정면의 기준영상과 물체영상을 이용하여 비점수차 크기를 비교하여 물체의 위치를 산출하는 제 3 단계(ST31)와; 코닉렌즈(119)를 이용하여 보정면에 상기 DMD(110)의 동심원무늬 를 조사하고 보정면위상에 대한 기준위상을 획득하는 제 4 단계(ST41 ~ ST45)와; 상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 상기 측정대상물(118)에 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 조사하고 물체위상에 대한 기준위상을 획득하는 제 5 단계(ST51 ~ ST55)와; 상기 획득된 보정면위상, 물체위상을 이용하여 물체의 위상을 모듈레이션하며, 상기 모듈레이션 값으로 물체의 높이를 산출하는 제 6 단계(ST61-ST63);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 단계(ST11 ~ ST14)는, 상기 결상렌즈(117)를 이용하여 보정면에 상기 DMD(110)의 시준 편광 빔을 조사하는 제 11 단계(ST11)와; 상기 실린드리칼 렌즈(124)로부터 결상되어 CCD(126)로 수광된 영상을 획득하는 제 12 단계(ST12)와; 상기 DMD(110)의 시준 편광 빔 영상을 다항식 알고리즘에 적용하는 제 13 단계(ST13)와; 타원의 장축과 단축을 계산하여 형상정보를 획득하는 제 14 단계(ST14);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계(ST21 ~ ST24)는, 상기 결상렌즈(117)를 이용하여 측정대상물에 상기 DMD(110)의 시준 편광 빔을 조사하는 제 21 단계(ST21)와; 상기 실린드리칼 렌즈(124)로부터 결상되어 CCD(126)로 수광된 영상을 획득하는 제 22 단계(ST22)와; 상기 DMD(110)의 시준 편광 빔 영상을 다항식 알고리즘에 적용하는 제 23 단계(ST23)와; 타원의 장축과 단축을 계산하여 형상정보를 획득하는 제 24 단계(ST24);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 3 단계(ST31)는, 상기 제 1 단계로부터 얻은 보정면의 형상정보와 상기 제 2 단계로부터 얻은 측정대상물의 형상정보를 비교하여 측정물의 위치를 산 출하도록 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 4 단계(ST41 ~ ST44)는, 상기 제 3 단계(ST31)로부터 얻은 위치정보를 이용하여 상기 광학계(100)를 측정 대상물의 연직상하 방향으로 수직 이동시킨 후 상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 보정면에 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 조사하는 제 41 단계(ST41)와; 상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 이동하면서 영상을 획득하는 제 42 단계(ST42)와; 상기 DMD(110)의 동심원무늬의 이동영상을 버킷알고리즘에 적용하는 제 43 단계(ST43)와; 상기 버킷알고리즘을 적용하여 보정면위상에 대한 기준위상을 획득하는 제 44 단계(ST44)와; 상기 보정면위상을 이용하여 모듈레이션 값을 획득하는 제 45 단계(ST45);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 43 단계는, 3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷 알고리즘 가운데 하나를 사용하여 적용하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 5 단계(ST51 ~ ST54)는, 상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 상기 측정대상물(118)에 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 조사하는 제 51 단계(ST51)와; 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 이동하면서 영상을 획득하는 제 52 단계(ST52)와; 상기 DMD(110)의 동심원무늬의 이동영상을 버킷알고리즘에 적용하는 제 53 단계(ST53)와; 상기 버킷알고리즘을 적용하여 물체위상을 획득하는 제 54 단계(ST54)와; 획득한 상기 물체위상을 이용하여 모듈레이션 값을 획득하는 제 55 단계(ST55);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 53 단계는, 3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷 알고리즘 가운데 하나를 사 용하여 적용하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 6 단계(ST61 ~ ST63)는, 상기 제 4 단계로부터 얻은 보정면의 높이별 모듈레이션 값을 다항식으로 보간(interpolation)하는 제 61 단계(ST61)와; 상기 제 61 단계(ST61)의 보간(interpolation)값을 이용하여 상기 제 5 단계로부터 얻은 측정대상물의 모듈레이션 값에 대한 위치계산을 수행하는 제 62 단계(ST62)와; 상기 제 62 단계(ST62)에서 계산한 위치로 상기 광학계(100)를 측정 대상물의 연직상하 방향으로 수직 이동시키는 제 63 단계(ST63);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치 및 그 방법은 비점수차 방법과 위상천이 방법을 혼용하여 초점위치 결정의 정밀도와 속도를 향상시키고 다초점에 대해 초점조절을 수행할 수 있게 됨으로써 종래기술이 가지는 수직단차를 갖는 대상물에 대하여 초점위치 측정 정밀도의 저하와 같은 문제를 해결할 수 있고, 측정오차를 감소시키면서 공간상의 거리를 정밀하게 구할 수 있다. 또한 DMD를 전자적으로 제어함에 따라 처리 시간을 단축하며 저비용으로 더 높은 정밀도와 광범위한 측정 범위 그리고 신뢰성의 향상의 효과를 가진다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명은 비점수차법과 위상천이법을 순차적으로 사용한다. 위상천이 방법만을 사용할 경우에는 주기에 대한 모호성을 가지므로, 이를 해소하기 위하여 비점수차 방법이 선행된다.

DMD를 이용하여 비점수차 영상을 획득하는 구성에 있어서, 시준 편광 빔 분할기와 상기 시준 편광 빔을 제어하기 위한 변형수단을 포함하는 신규의 공간적 반사기를 갖춘 전반사 거울이 설치되었으며, 핀홀을 사용하지 않으면서도 비점수차 현상을 구현할 수 있도록 구성되었다. 동심원무늬만을 이용하여 모아레무늬를 획득하는 구성에 있어서, 동심원무늬는 DMD로 대체되었으며, 전자적인 제어를 통해 동심원무늬 영상을 생성하고 위상천이 현상을 구현할 수 있도록 구성된 동심원무늬 발생기를 적용한 비점수차와 위상천이를 이용한 자동초점장치에 대해 도 8을 통해 자세히 설명한다.

먼저 본 발명은 시준 빔 생성부(150), 동심원무늬영사부(160), 측정대상물 이송부(220), 영상획득부(190), 제어모듈부(202), 중앙제어부(204) 중에서 하나 이상을 포함하여 구성할 수 있다.

동심원무늬영사부(160)에서 광원(102)은 이송테이블(121)의 상부 혹은 하부에 설치되며, 광을 발산시킨다.

시준광학계(104)는 광원(102)의 광을 집광 및 시준시켜 TIR 프리즘(108)을 통과하도록 한다.

DMD(110)는 TIR 프리즘(108)에서 수직으로 입사된 시준 빔을 이용하여 동심원무늬 이미지의 영상을 TIR 프리즘을 통해 반사시킨다. 이러한 동심원무늬영사부(160)는 결상렌즈부(180)의 주위 어느 곳에도 위치할 수 있다. 도 10은 DMD를 통과 후의 방법별로 설정되는 유효영역을 나타낸다. 내부(302)는 DMD를 비점수차 방법으로 설정한 경우이고 외부(301)의 도넛 형태는 DMD를 위상천이 방법으로 설정한 경우의 유효영역이다.

DMD 구동 드라이버(210)는 위상천이 현상을 만들기 위하여 영사될 동심원무늬영상을 등간격으로 이동시켜 위상천이 현상을 생성시킬 수 있도록 한다.

광선 분할부(170)는 DMD(110)에서 생성된 중심의 동심원무늬가 P파와 S파로 분리되어 상기 S파를 시준 편광 빔 상태로 반사시켜 결상렌즈부(180)의 결상렌즈(117)로 입사되고 비점수차 현상을 구현할 수 있도록 보조하며, 주위의 동심원무늬가 시준 빔 상태로 반사되고 결상렌즈부(180)의 코닉렌즈(119)로 입사될 수 있도록 이루어져 위상천이 현상을 구현할 수 있도록 보조한다. 이러한 전반사거울(114)과 편광 빔 분할기(polarizing beam splitter)(115)는 측정대상물(118)의 연직 상 방향에 위치하도록 한다. 상기 시준 편광 빔 분할기의 구조는 도 9와 같으며, 전반사 거울과 광선분할기를 갖는 장치다. 비점수차 방법을 이용하는 내부 부분은 광선분할기(115)이고, 위상천이 방법을 이용하는 외부 부분은 전반사 거울(114)로 구성되어 있다.

제 1 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)(113)는 상기 편광 빔 분할기(polarizing beam splitter)(115)의 연직 하방향에 설치되어 S파를 P파로 변환될 수 있도록 한다. 도 12에 쿼터웨이브플레이트의 구동원리를 나타내었다.

결상렌즈부(180)는 DMD(110)에서 생성된 중심의 동심원무늬를 갖는 시준 편광 빔이 투영되도록 하는 결상렌즈(117)와 주위의 동심원무늬를 갖는 시준 빔이 투영되도록 하는 코닉렌즈(119)가 설치되어 있는 투영광학계로 이루어져 물체의 위치를 측정할 수 있도록 보조한다. 이러한 결상렌즈부(180)는 측정대상물(118)의 연직 상방향에 위치하도록 한다. 도 13에 도넛형태의 광경로를 갖는 영상 신호의 결상 장치를 도시하였다.

광경로 변환수단인 광선분할기(122)는 편광 빔 분할기(115)의 연직 상방향에 설치되어 광경로를 변환시킨다. 측정대상물로부터 반사된 비점수차 영상을 획득하기 위한 CCD(126)측 광경로와 측정대상물로부터 반사된 위상천이 영상을 획득하기 위한 CCD(130)측 광경로 두 개로 분리된다.

제 2 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)(123)는 광선분할기(122)로부터 빠져나온 무늬를 갖는 시준 편광 빔의 P파를 S파로 바꾸어줄 수 있도록 함으로써 CCD(126)에 비점수차 영상을 맺힐 수 있도록 보조한다.

실린드리칼 렌즈(cylindrical lens)(124)는 광선분할기(122)의 일측에 설치되어 제 2 쿼터웨이브플레이트(123)로부터 생성된 S파를 CCD(126)에 타원형 영상으로 결상될 수 있도록 보조한다.

또한 측정대상물 이송부에서 이송테이블(121)은 측정대상물(118)을 올려놓을 수 있도록 한다.

그리고 측정대상물 이송부에서 구동수단(120)은 중앙제어부(204)의 모터제어보드(214)의 제어에 따라 제어모듈부(202)의 모터드라이버(206)에 의해 구동되어 이송테이블(121)을 구동시킨다.

또한 영상획득부(190)는 동심원무늬영사부(160)의 일측에 설치된다.

영상획득부(190)에서 결상렌즈(117)와 CCD(126, 130)는 측정대상물(118)로부터 반사되는 동심원무늬이미지를 수광하여 중앙제어부(204)의 영상보드(216)로 전달한다.

제어모듈부(202)는 동심원무늬영사부(160)와 영상획득부(190)의 동작을 제어하는 것이다.

그래서 제어모듈부(202)에서 모터드라이버(206)는 중앙제어부(204)의 모터제어보드(214)의 제어를 받아 측정대상물 이송부 내의 구동수단(120)을 구동시킨다.

또한 제어모듈부(202)에서 CCD 전원장치(208)는 중앙제어부(204)의 인터페이스보드(218)와 인터페이스를 수행하여 영상획득부(190) 내의 CCD(126, 130)에 전원을 공급한다.

또한 제어모듈부(202)에서 조명전원장치(212)는 중앙제어부(204)의 인터페이 스보드(218)와 인터페이스를 수행하여 시준광학부(150)내의 광원(102)에 전원을 공급한다.

또한 제어모듈부(202)에서 DMD 구동드라이버(210)는 중앙제어부(204)의 인터페이스보드(218)와 인터페이스를 수행하여 동심원무늬영사부(160)의 내의 DMD(110)의 동작을 제어한다.

그리고 제어모듈부(202)를 제어하고, 영상획득부(190)에서 획득된 영상에 대해 모듈레이션 값을 구하고, 결상렌즈부(180)내의 코닉렌즈(119)에 의해 획득된 보정면 모듈레이션을 이용하여 물체의 높이를 산출하게 된다.

이러한 중앙제어부(204)에서 모터제어보드(214)는 제어모듈부(202) 내의 모터드라이버(206)의 동작을 제어한다.

또한 중앙제어부(204)에서 영상보드(216)는 영상획득부(190) 내의 CCD(126, 130)로부터 획득된 영상을 처리한다.

또한 중앙제어부(204)에서 인터페이스보드(218)는 제어모듈부(202) 내의 CCD 전원장치(208), 조명전원장치(212), DMD 구동드라이버(210)와 인터페이스를 수행한다.

이러한 장치를 이용하여 비점수차 영상을 획득하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

1) DMD(110)를 통해 생성된 동심원무늬를 결상렌즈(117)를 이용하여 측정 대상물이 없는 상태로 보정면에 영사하고(ST11), 상기 조사된 동심원무늬를 CCD(126)가 장착된 수광부인 영상획득부(190)에서 획득하며(ST12), 이를 타원피팅(ellipse fitting) 알고리즘을 사용하여(ST13), 보정면에 대한 기준형상정보를 계산한 후 메모리에 저장한다(ST14).

2) 측정대상물(118)을 놓고 DMD(110)를 통해 생성된 동심원무늬를 결상렌즈(117)를 이용하여 측정대상물에 영사하고(ST21), 측정대상물(118)의 형상에 따라 변형된 동심원무늬를 수광부인 영상획득부(190)를 통해 획득하며(ST22), 타원피팅(ellipse fitting) 알고리즘을 사용하여(ST23), 측정대상물에 대한 형상정보를 계산한 후 메모리에 저장한다(ST24).

3) 상기 2)에서 얻은 측정대상물에 대한 형상정보를 수퍼 앨립스 다항식(super ellipse polynomial) 알고리즘을 이용하여 공간상에 위치하고 있는 물체의 위치를 계산한 후 메모리에 저장한다(ST31).

상기의 장치를 이용하여 모아레무늬를 획득하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

1) DMD(110)를 통해 생성된 동심원무늬를 코닉렌즈(119)를 이용하여 측정대상물이 없는 상태로 보정면에 영사하고(ST41), 상기 조사된 동심원무늬를 CCD(130)가 장착된 수광부인 영상획득부(190)에서 획득하며(ST42), 이를 3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷 알고리즘 가운데 하나를 사용하여(ST43), 보정면위상에 대한 기준위상을 계산한 후(ST44), 상기 기준위상에 대한 모듈레이션 값을 획득하여 메모리에 저장한다(ST45).

2) 측정대상물(118)을 놓고 DMD(110)를 통해 동심원무늬를 영사하고(ST51), 측정대상물(118)의 형상에 따라 변형된 동심원무늬를 수광부인 영상획득부(190)를 통해 획득하며(ST52), 이를 3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷 알고리즘 가운데 하나를 사용하여(ST53), 물체위상에 대한 기준위상을 계산한 후(ST54), 상기 기준위상에 대한 모듈레이션 값을 획득하여 메모리에 저장한다(ST55).

3) 상기 1)에서 얻은 보정면위상을 모듈레이션하여 다항식으로 보간(interpolation)한다(ST61).

4) 상기 1)에서 얻은 물체위상을 모듈레이션하고, 상기 3)의 결과를 바탕으로 보간(interpolation)값을 찾아 측정대상물의 위치를 구한 후(ST62) 상기 광학계(100)를 초점위치로 이동시킨다(ST63).

상기의 모듈레이션과정과 측정대상물의 위치를 구하기 위해 사용되는 다항식의 해법은 당업자에게 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략하고자 한다.

물체에 반사되어 CCD에서 획득된 비점수차 영상으로 나타난 타원으로부터 외곽선을 검출하고 타원의 방정식을 이용하여 장축(a와 b중 큰 값)과 단축(a와 b 중 작은 값)의 비를 구하는 하기 수학식 1내지 수학식 2로 표현될 수 있다.

도 4와 같은 초점에러신호(focus error signal)와 타원의 형태와의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.

상기의 도달한 영상신호는 비점수차현상을 나타내며 영상 내에 나타나는 타원의 외곽선을 검출하고 이를 수학식 (1)의 타원의 방정식에 대하여 최소자승법으로 계산하여 장축과 단축의 비율

를 구하고, 상기

를 이용하여 초점위치를 산출한 후, 제어기(206)를 통하여 구동장치(120)를 구동하여 현미경 시스템을 초점위치로 이동함으로써 초점조절이 이루어지게 된다.

위상의 정보를 얻는 알고리즘은 일반적으로 3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷, 9버킷, 11버킷이 있으며, 그 가운데 5버킷 알고리즘은 위상천이의 양을

라 하고, CCD 카메라에서 관측된 영상의 광 강도를

라 할 때, 위상천이를 통하여 얻어진 영상에 상응하는 위상

는 다음의 수학식 4 내지 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

상기의 수학식 4 내지 수학식 7로 한 점에서 5개의 광 강도는 그 점에서 위상으로 변환된다. 위의 수학식 4 내지 수학식 7은 보정면과 측정대상물에 동일하게 적용될 수 있으며, 그 위상차가 높이의 변위로 표현될 때 도 17을 통해 다음과 같은 수학식 8 내지 수학식 10으로 표현될 수 있다.

여기서

를 사인(sine) 정현파의 주기라 하고,

를 위상차라 한다.

와

의 평면에 대한 위상차만을 고려한다면,

의 요소를 무시할 수 있게 된다. 위상에 대한 높이의 관계식은 높이

에 대하여 위상차의 총합으로 표현되어 다음의 수학식 11로 표현할 수 있다.

상기

과

그리고

를 수학식 8에 대입하면 다음의 수학식 12와 같이 정리된다.

여기서,

,

이다.

상기의 수식들은 간섭된 파형을 이용하여 관측한 높이를 갖는 위상의 3차원변화를 설명한 것이다. 만일 3차원 공간을 2차원 공간에 투영시켜 위상의 변화량이 관측되지 않는다고 한다면 다음의 수학식 13과 같이 귀결될 수 있다.

그리고 수학식 12와 수학식 13에 대하여 다음의 수학식 14와 같이 정리됨을 알 수 있다.

수학식 12, 13, 14를 수학식 11에 대입하여 풀면 다음의 수학식 15를 얻을 수 있다.

결국, 위상천이의 총합된 양이 높이로 환산되는 계수를

라 할 때 수학식 15는 다음의 수학식 16과 같이 계산되어질 수 있다.

도 15를 통해 실제 측정과정을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 비점수차법을 이용하여 측정대상물의 초점위치로 광학계(100)를 이동시킨 후 위상천이법을 이용하여 측정대상물의 3차원 정보를 획득함에 있어서 도 15와 같이 비점수차에 대하여 타원무늬를 획득하는 방법과 위상천이에 대하여 보정면을 이용하여 기준위상을 획득하는 방법과 측정대상물의 위상을 획득하는 방법 그리고 측정대상물의 3차원 정보를 획득하는 방법으로 나뉘어 진다.

먼저 비점수차법을 이용하여 보정면에 해당하는 물체의 타원무늬를 얻는 단계를 설명한다.

보정면을 이송테이블(121)에 올려놓고 광원(102)의 빛을 DMD(110)와 동심원무늬 결상렌즈(117)를 통해 동심원무늬를 보정면에 영사한 후 CCD(130)와 영상보드(216)를 통해 획득한다. 상기 획득한 타원무늬로부터 윤곽선을 추출하여 다항식으로 타원피팅(ellipse fitting) 알고리즘을 적용하여 보정면에 대한 형상정보를 획득한다. 상기와 같은 행위를 보정면의 연직 상하방향으로 결상렌즈(117)의 심도 내에서 반복하여 보정면위상을 메모리에 저장하고, 상기 저장된 각각의 위상정보를 수퍼엘립스 다항식(super ellipse polynomial)을 이용하여 변화되는 타원의 정보를 시공간적(spatio-temporal)으로 보간(interpolation)한다.

그리고 비점수차법을 이용하여 측정대상물(118)에 해당하는 물체의 타원무늬를 얻는 단계를 설명한다.

측정대상물(118)을 이송테이블(121)에 올려놓고 광원(102)의 빛을 DMD(110)와 동심원무늬 결상렌즈(117)를 통해 동심원무늬 무늬를 측정대상물(118)에 영사한다. 상기 획득한 타원무늬로부터 윤곽선을 추출하여 다항식으로 타원피팅(ellipse fitting) 알고리즘을 적용하여 보정면에 대한 형상정보를 획득한다.

결상렌즈부(180)를 이용하여 투영하고 영상획득부(190)로부터 획득한 영상에 대하여 상기 보간(interpolation)된 결과와 상기 측정대상물에 대한 형상정보를 비교하여 측정대상물의 실제 위치정보를 구한다.

다음으로 위상천이법을 이용하여 보정면에 해당하는 물체의 위상을 얻는 단계를 설명한다.

보정면을 이송테이블(121)에 올려놓고 광원(102)의 빛을 DMD(110)와 동심원 무늬생성부(116)를 통해 동심원무늬를 보정면에 영사한 후 CCD(130)와 영상보드(216)를 통해 획득한다. 상기 획득한 동심원무늬 영상을 버킷 알고리즘을 적용하여 보정면에 대한 위상을 획득하여 모듈레이션을 한다. 상기와 같은 행위를 보정면의 연직 상하방향으로 결상렌즈(117)의 심도 내에서 반복하여 보정면위상을 메모리에 저장한다.

그리고 위상천이법을 이용하여 측정대상물(118)에 해당하는 물체의 위상을 얻는 단계를 설명한다.

측정대상물(118)을 이송테이블(121)에 올려놓고 광원(102)의 빛을 DMD(110)와 동심원무늬영사부(160)를 통해 동심원무늬 무늬를 측정대상물(118)에 영사한다. 3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷 알고리즘 가운데 하나를 적용할 수 있도록 DMD(110)를 DMD 구동 드라이버(210)를 이용하여 등간격으로 이동된 무늬를 측정대상물(118)에 영사한 후 CCD(130)와 영상보드(216)를 통해 획득한다. 상기 획득한 동심원무늬 영상을 버킷 알고리즘을 적용하여 측정대상물(118)에 대한 위상을 획득하여 모듈레이션을 한다.

결상렌즈부(180)를 이용하여 투영하고 영상획득부(190)로부터 획득한 보정면 영상에 대한 모듈레이션 값들을 다항식을 이용하여 시공간적으로 보간(interpolation)한다. 상기 물체위상으로부터 계산된 모듈레이션 값을 상기 보정면의 보간(interpolation)결과와 비교하여 측정대상물의 실제 위치정보를 구한다.

도 16은 실제 구현된 시스템을 프로그램으로서 도시한 결과이다. 3차원 측정된 형태를 입체로 구현함으로써 본 발명의 유용함을 증명하고자 했다.

이처럼 본 발명은 동심원무늬만을 이용하여 타원무늬를 획득하고 연산을 수행하여 형상정보를 추출하며, 모아레무늬를 통해 위상을 획득하고 연산하여 높이를 측정할 때,

100nm의 고정밀도와 1초 이내의 빠른 시간내에 공간상의 절대좌표 계산을 가능하게 함으로써 자동초점장치의 역할을 수행하도록 설계되어 수광부로 정반사되는 빛을 검사하게 되는 것이다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 반도체 레이저를 이용한 비점수차 시스템의 도면이다.

도 2는 일반적인 비점수차 원리를 보인 도면이다.

도 3은 일반적인 4분할 다이오드의 구성을 보인 도면이다.

도 4는 일반적인 초점위치와 초점에러신호와의 관계를 보인 도면이다.

도 5는 다초점을 갖는 대상물체를 보인 도면이다.

도 6은 현미경 위치와 위상과의 관계에 대한 도면이다.

도 7은 종래 모아레무늬 측정장치의 구성도를 보인 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치의 블록구성도이다.

도 9는 전반사 거울과 광선분할기를 갖는 장치를 보인 도면이다.

도 10은 DMD를 이용하여 생성된 시준 빔의 단면도이다.

도 11은 위상 천이 패턴의 일례(왼쪽부터 0, 90, 180, 270도)를 보인 도면이다.

도 12는 쿼터웨이브플레이트(quarter-wave plate)의 구동원리를 보인 도면이다.

도 13은 도넛형태의 광경로를 갖는 영상 신호의 결상 장치의 도면이다.

도 14는 비점수차와 위상천이를 동시에 포함하는 영상데이터(왼쪽부터 0, 90, 180, 270도)의 도면이다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점 수차 위상천이 자동초점방법을 보인 흐름도이다.

도 16은 본 발명에 구현된 프로그램을 도시한 도면이다.

도 17은 위상천이의 총합된 양이 높이로 환산되는 계수를 보인 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 광학계

102 : 광원(light source)

104 : 시준광학계(collimated optics)

108 : TIR prism(total internal reflection prism)

110 : DMD(digital micro mirror device)

111 : Relay lens

113, 123 : 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)

114 : 전반사 거울(specular mirror)

115 : 편광 빔 발생기(polarized beam splitter)

116 : 동심원무늬생성부

117 : 결상렌즈

118 : 대상물체(object)

119 : 코닉렌즈(conic lens)

120 : 구동수단

121 : 이송테이블

122 : 광선분할기(beam splitter)

124 : 실린드리칼 렌즈(cylindrical lens)

126, 130 : CCD(charge coupled device)

150 : 시준광학부

160 : 동심원무늬영사부

170 : 광선 분할부

180 : 결상렌즈부

190 : 영상획득부

202 : 제어모듈부

204 : 중앙제어부

206 : 모터드라이버(motor driver)

208 : CCD 전원장치

210 : DMD 구동드라이버(DMD driver)

212 : 조명전원장치

214 : 모터제어보드(motion control board)

216 : 영상보드(frame grabber)

218 : 인터페이스보드(interface board)

220 : 측정대상물 이송부

Claims

광학계(100)에서 LED 또는 옵티칼 파이버에서 방출된 광원(102)을 입력받아 시준 빔을 생성시키는 시준광학부(150)와;

상기 광학계(100)에서 투영될 무늬를 생성시키는 동심원무늬영사부(160)와;

상기 광학계(100)에서 편광 빔을 생성하고 비점수차 빔과 위상천이 빔을 분리하는 광선 분할부(170)와;

상기 동심원무늬영사부(160)에서 생성된 빔을 투영시키는 코닉렌즈(conic lens)(119)가 장착된 결상렌즈부(180)와;

상기 광학계(100)에서 비점수차 빔과 위상천이 빔 각각을 수광하는 영상획득부(190)와;

측정대상물(118)을 올려놓은 이송테이블(121), 상기 이송테이블(121)을 구동시키는 구동수단(120)을 포함하여 구성된 측정대상물 이송부(220)와;

상기 측정대상물(118)을 측정하는 상기 영상획득부(190)의 동작을 제어하는 제어모듈부(202)와;

상기 제어모듈부(202)를 제어하고, 상기 영상획득부(190)에서 획득된 영상에 대해 언래핑된 물체의 높이를 산출하는 중앙제어부(204);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
청구항 1에 있어서,

상기 시준광학부(150)는,

광을 발산시키는 LED 또는 옵티칼 파이버 광원(102)과;

상기 광원을 단일 시준 빔을 만들기 위해 시준광학계(104);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
청구항 1에 있어서,

상기 동심원무늬영사부(160)는,

상기 시준광학부(150)로부터 생성된 빔을 DMD(110)의 거울면에 수직으로 입사시키고 그의 역방향으로 투사시키는 역할을 하는 TIR 프리즘(108);

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광선 분할부(170)는,

상기 동심원무늬영사부(160)로부터 무늬를 갖는 시준 빔을 편광상태로 만들 기 위한 편광 빔 분할기(polarized beam splitter)(115)와;

시준 편광 빔의 S파를 P파로 바꾸어주는 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)(113)와;

비점수차 빔과 위상천이 빔을 분리하여 각각의 CCD(126, 130)로 보내기 위한 광선 분할기(beam splitter)(122);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
청구항 1에 있어서,

상기 결상렌즈부(180)는,

상기 광선 분할부(170) 내의 편광 빔 분할기(115)로부터 S파와 P파로 분리된 편광 시준 빔이 비점수차의 현상을 일으키도록 하는 결상렌즈(117)와;

무늬를 갖는 시준 빔의 위상천이 현상을 결상시키기 위한 코닉렌즈(conic lens)(119);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
청구항 1에 있어서,

상기 영상획득부(190)는,

실린드리칼 렌즈(124)와;

편광 시준 빔의 S파를 P파로 바꾸어주는 쿼터웨이브플레이트(quarter wave plate)(123)와;

상기 쿼터웨이브플레이트(123)를 통해 입사되는 비점수차 빔을 수광하는 제 1 CCD(126)와;

위상천이 빔을 수광하는 제 2 CCD(130);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
청구항 1에 있어서,

상기 중앙제어부(204)는,

상기 제어모듈부(202) 내의 모터드라이버(206)의 동작을 제어하는 모터제어보드(214)와;

상기 동심원무늬영사부(160) 내의 DMD(110)의 동작을 제어하는 DMD 구동 드라이버(210)와;

상기 영상획득부(190) 내의 CCD(126, 130)로부터 획득된 영상을 처리하는 영상보드(216)와;

상기 제어모듈부(202) 내의 CCD 전원장치(208), 조명전원장치(212)와 인터페 이스를 수행하는 인터페이스보드(218);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 제어모듈부(202)는,

상기 측정대상물 이송부 내의 상기 구동수단(120)을 구동시키는 모터드라이버(206)와;

상기 영상획득부(190) 내의 상기 CCD(126, 130)에 전원을 공급하는 CCD 전원장치(208)와;

LED 또는 옵티칼 파이버의 상기 광원(102)에 전원을 공급하는 조명전원장치(212);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점장치.
광학계(100)의 결상렌즈(117)를 이용하여 보정면에 DMD(110)의 동심원 무늬를 갖는 시준 편광 빔을 조사하고 보정면에 대한 기준영상을 획득하는 제 1 단계(ST11 ~ ST13)와;

상기 결상렌즈(117)를 이용하여 측정대상물(118)에 상기 DMD(110)의 동심원 무늬를 갖는 시준 편광 빔을 조사하고 물체에 대한 기준영상을 획득하는 제 2 단계(ST21 ~ ST23)와;

상기 획득된 보정면의 기준영상과 물체영상을 이용하여 비점수차 크기를 비교하여 물체의 위치를 산출하는 제 3 단계(ST31)와;

코닉렌즈(119)를 이용하여 보정면에 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 조사하고 보정면위상에 대한 기준위상을 획득하는 제 4 단계(ST41 ~ ST45)와;

상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 상기 측정대상물(118)에 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 조사하고 물체위상에 대한 기준위상을 획득하는 제 5 단계(ST51 ~ ST55)와;

상기 획득된 보정면위상, 물체위상을 이용하여 물체의 위상을 모듈레이션하며, 상기 모듈레이션 값으로 물체의 높이를 산출하는 제 6 단계(ST61-ST63);

를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 9에 있어서,

상기 제 1 단계(ST11 ~ ST14)는,

상기 결상렌즈(117)를 이용하여 보정면에 상기 DMD(110)의 시준 편광 빔을 조사하는 제 11 단계(ST11)와;

상기 실린드리칼 렌즈(124)로부터 결상되어 CCD(126)로 수광된 영상을 획득하는 제 12 단계(ST12)와;

상기 DMD(110)의 시준 편광 빔 영상을 다항식 알고리즘에 적용하는 제 13 단계(ST13)와;

타원의 장축과 단축을 계산하여 형상정보를 획득하는 제 14 단계(ST14);

를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 9에 있어서,

상기 제 2 단계(ST21 ~ ST24)는,

상기 결상렌즈(117)를 이용하여 측정대상물에 상기 DMD(110)의 시준 편광 빔을 조사하는 제 21 단계(ST21)와;

상기 실린드리칼 렌즈(124)로부터 결상되어 CCD(126)로 수광된 영상을 획득하는 제 22 단계(ST22)와;

상기 DMD(110)의 시준 편광 빔 영상을 다항식 알고리즘에 적용하는 제 23 단계(ST23)와;

타원의 장축과 단축을 계산하여 형상정보를 획득하는 제 24 단계(ST24);

를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 9에 있어서,

상기 제 3 단계(ST31)는,

상기 제 1 단계로부터 얻은 보정면의 형상정보와 상기 제 2 단계로부터 얻은 측정대상물의 형상정보를 비교하여 측정물의 위치를 산출하도록 수행하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 9에 있어서,

상기 제 4 단계(ST41 ~ ST44)는,

상기 제 3 단계(ST31)로부터 얻은 위치정보를 이용하여 상기 광학계(100)를 측정 대상물의 연직상하 방향으로 수직 이동시킨 후 상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 보정면에 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 조사하는 제 41 단계(ST41)와;

상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 이동하면서 영상을 획득하는 제 42 단계(ST42)와;

상기 DMD(110)의 동심원무늬의 이동영상을 버킷알고리즘에 적용하는 제 43 단계(ST43)와;

상기 버킷알고리즘을 적용하여 보정면위상에 대한 기준위상을 획득하는 제 44 단계(ST44)와;

상기 보정면위상을 이용하여 모듈레이션 값을 획득하는 제 45 단계(ST45);

를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 13에 있어서,

상기 제 43 단계는,

3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷 알고리즘 가운데 하나를 사용하여 적용하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 9에 있어서,

상기 제 5 단계(ST51 ~ ST54)는,

상기 코닉렌즈(119)를 이용하여 상기 측정대상물(118)에 상기 DMD(110)의 동심원무늬를 조사하는 제 51 단계(ST51)와;

상기 DMD(110)의 동심원무늬를 이동하면서 영상을 획득하는 제 52 단계(ST52)와;

상기 DMD(110)의 동심원무늬의 이동영상을 버킷알고리즘에 적용하는 제 53 단계(ST53)와;

상기 버킷알고리즘을 적용하여 물체위상을 획득하는 제 54 단계(ST54)와;

획득한 상기 물체위상을 이용하여 모듈레이션 값을 획득하는 제 55 단계(ST55);

를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 15에 있어서,

상기 제 53 단계는,

3버킷, 4버킷, 5버킷, 7버킷 알고리즘 가운데 하나를 사용하여 적용하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.
청구항 9 내지 청구항 16 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 제 6 단계(ST61 ~ ST63)는,

상기 제 4 단계로부터 얻은 보정면의 높이별 모듈레이션 값을 다항식으로 보간(interpolation)하는 제 61 단계(ST61)와;

상기 제 61 단계(ST61)의 보간(interpolation)값을 이용하여 상기 제 5 단계로부터 얻은 측정대상물의 모듈레이션 값에 대한 위치계산을 수행하는 제 62 단 계(ST62)와;

상기 제 62 단계(ST62)에서 계산한 위치로 상기 광학계(100)를 측정 대상물의 연직상하 방향으로 수직 이동시키는 제 63 단계(ST63);

를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 DMD 모아레무늬 발생기를 이용한 비점수차 위상천이 자동초점방법.