KR100913508B1 - 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스캐닝 속도를 보다 빨리 할 수 있으며 대상물의 구조상의 이상여부를 쉽게 파악 가능하게 하는 3차원 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 대상물의 상측에서 대물렌즈 및 광원유닛을 이용 스캐닝이 이루어지며 상기 대상물의 상측으로부터 상기 대상물측 방향으로 Z축, 상기 Z축에 수직하며 상기 대상물의 일측으로부터 타측으로의 방향으로 X축, 상기 X축 및 Z축에 수직한 방향으로 Y축을 이루며 대상물의 영상 정보의 저장이 가능한 제어부를 구비하는 스캐닝 장치에 있어서, 제1조사빛을 제공하는 광원유닛과 상기 광원유닛으로부터의 상기 제1조사빛을 입사받아서 상기 대상물의 소정 위치에 선 모양의 제1빛선으로 집속하고, 상기 제1빛선이 상기 대상물에 의하여 산란되어 나오는 빛을 수집하는 원통형의 대물렌즈와 상기 대물렌즈를 X축 방향에 평행하게 선형으로 이송시키는 제1이송유닛과 상기 대물렌즈를 Z축 방향에 평행하게 선형으로 이송시키는 제2이송유닛을 포함하여 이루어지는 스캐닝 유닛과 상기 대물렌즈에 의하여 수집된 빛을 입사받아서 선모양의 제2빛선으로 집속하는 수광렌즈; 상기 수광렌즈의 초점면 상에 배열되며, 상기 제2빛선을 통과시키는 슬릿이 형성되어 있는 슬릿 마스크 및 상기 슬릿 마스크를 통과한 빛선으로부터 필요한 영상 정보들을 검출하여 상기 대상물에 대한 영상을 판독하는 판독부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치를 제공한다.

공초점, 대물렌즈, 이송유닛

Description

공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법{Confocal Three-dimensional Scanning Apparatus And Scanning Method For The Same}

본 발명은 스캐닝 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공초점을 이용한 스캐닝 유닛에 관한 것이다.

종래, 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치로서 세포 생물학 분야 등에서 널리 사용되고 있는 공초점 스캐닝 마이크로스코프(microscope)가 알려져 있다.

상기와 같은 공초점 스캐닝 마이크로스코프는 관찰하고자 하는 대상물(대상물)의 영역에 집속된 빛을 스캐닝하면서 대상물로부터 발산되는 광을 검출하여 대상물의 영상을 형성한다.

구체적으로, 종래에 이러한 3차원 스캐닝 유닛으로서는 공초점 레이저 주사 현미경(confocal Laser Scanning Microscope)이 있다. 상기 공초점 레이저 주사 현미경은 레이저를 광원유닛으로 하여 포인트 소스(point source)에서 나오는 광을 사용해서 시료의 초점과 검출기 핀홀(detector pinhole)의 상의 초점을 일치시켜(confocal), 초점면 이외의 부분은 현미경 상에 나타나지 않게 함으로써 기존의 형광현미경보다 초점면에 대한 해상도가 1.4배 정도 높고, 광축(optical axis)에 핀홀을 설치하여 표본(specimen)을 통과 또는 표본에서 반사되는 광선 중 초점이 정확하게 맞는 광선만을 선택할 수 있도록 함으로써 해상력을 높이고 내부까지 단층으로 스캐닝하여 세포의 내부구조를 시각화할 수 있다.

또한, 공초점 레이저 주사 현미경에 있어서, 이차원영상은 컴퓨터소프트웨어를 사용하여 다시 삼차원 또는 입체영상으로 재구축할 수 있기 때문에 종래에 관찰할 수 없었던 XZ 섹션(section)의 이미지도 관찰할 수 있으며 부피가 있는 구조물의 형태를 공초점 주사 현미경을 통해 재구축하여 원하는 방향의 영상을 쉽게 얻을 수 있다.

이러한, 종래의 공초점 주사 현미경은 광원유닛으로부터 조사된 빛은 빔 공간필터 / 빔 확장기를 통과하면서 확장되어 평행 빔으로 만들어진 후 빔 스플리터에 의해 주사(scanning) 장치로 유도된다. 이어서, 빛은 주사 장치 및 원형 대물렌즈에 의해 한 번에 하나의 초점씩 대상물 상에 집속된다. 대상물로부터 산란되는 빛(빔)은 빔 스플리터를 통과하여 원형 수광렌즈에 의해 수집되어서 바늘구멍 마스크로 수렴된다.

이 때, 대상물 상의 초점에서 산란한 빛은 마스크에 형성되어 있는 바늘구멍을 통과하여 영상 처리계에 제공되지만, 초점에서 벗어난 위치로부터 발산된 빛은 바늘구멍을 통과하지 못한다. 따라서, 대상물상의 의도된 점들에 집속된 빛으로부터의 정보만이 최종 영상 형성에 반영되므로 뛰어난 3차원적 공간 분해능을 갖는다. 특히, 생체와 같이 빛에 대한 산란이 심한 물질로 이루어진 대상물의 내부를 영상화하는 데에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

그러나, 점주사 방식은 TV 주사선 방식이므로 프레임 영상 획득 속도가 상당히 느린 단점이 있다.

다른 종래 기술로서, 공개특허 특2002-0084786과 같은 스캐닝 장치가 나와있다.

상기 종래기술의 경우에는 점주사 방식의 스캐닝 작업이 아닌 선주사 방식의 스캐닝으로서 보다 빠른 시간 내에 스캐닝 작업이 이루어질 수 있으나, 스캐닝 방법에 있어서 광축방향의 전체에 걸쳐 스캐닝 작업이 이루어짐과 동시에 X축과 Z축 방향 각각이 독립적으로 스캐닝 작업이 이루어져 이와 같은 부분을 개선하여 보다 더 빠른 스캐닝 작업이 가능한 장치 및 방법의 개발이 필요하였다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점 및 제결점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 스캐닝하는데 걸리는 전체 소요시간을 줄일 수 있는 공초점을 이용한 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

둘째, 스캐닝하고자 하는 대상물의 이상여부를 쉽게 파악할 수 있는 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 대상물의 상측에서 대물렌즈 및 광원유닛을 이용 스캐닝이 이루어지며 상기 대상물의 상측으로부터 상기 대상물측 방향으로 Z축, 상기 Z축에 수직하며 상기 대상물의 일측으로부터 타측으로의 방향으로 X축, 상기 X축 및 Z축에 수직한 방향으로 Y축을 이루며 스캐닝이 수행되는 스캐닝 장치에 있어서, 제1조사빛을 제공하는 광원유닛과 상기 광원유닛으로부터의 상기 제1조사빛을 입사받아서 상기 대상물의 소정 위치에 선 모양의 제1빛선으로 집속하고, 상기 제1빛선이 상기 대상물에 의하여 산란되어 나오는 빛을 수집하는 원통형의 대물렌즈와 상기 대물렌즈를 X축 방향에 평행하게 선형으로 이송시키는 제1이송유닛과 상기 대물렌즈를 Z축 방향에 평행하게 선형으로 이송시키는 제2이송유닛을 포함하여 이루어지는 스캐닝 유닛과 상기 대물렌즈에 의하여 수집된 빛을 입사받아서 선모양의 제2빛선으로 집속하는 수광렌즈와 상기 수광렌즈의 초점면 상에 배열되며, 상기 제2빛선을 통과시키는 슬릿이 형성되어 있는 슬릿 마스크 및 상기 슬릿 마스크를 통과한 빛선으로부터 필요한 영상 정보들을 검출하여 상기 대상물에 대한 영상을 판독하는 판독부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치를 제공한다.
여기서, 상기 판독부를 통해 판독된 상기 대상물의 영상 정보 중 미리 저장된 영상 정보와 비교하여 다른 영상 정보가 감지된 경우 사용자에게 상기 대상물에 이상(異常)부분이 존재한다는 이상여부를 알려주는 신호부를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2빛선의 정보를 추출하는 광학영상 데이터 획득부 및 상기 광학영상 데이터 획득부로부터 입력되는 신호들을 처리하여 상기 대상물의 2차원적 또는 3차원적 영상을 형성하는 영상구성 분석부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은 대상물의 상측에서 대물렌즈 및 광원유닛을 이용 스캐닝이 이루어지며 상기 대상물의 상측으로부터 상기 대상물측 방향에 Z축, 상기 Z축에 수직하며 상기 대상물의 일측으로부터 타측으로의 방향에 X축, 상기 X축 및 Z축에 수직한 방향으로 Y축이 형성된 것으로 설정되고, Y축 방향에 평행하게 길이를 가지며 형성되는 원통형의 대물렌즈와 상기 대물렌즈를 X축 방향에 평행한 방향으로 선형으로 이송시키는 제1이송유닛과 상기 대물렌즈를 Z축 방향에 평행한 방향으로 선형으로 이송시키는 제2이송유닛을 포함하는 스캐닝 유닛을 이용 스캐닝 하는 방법에 있어서, 스캐닝하고자 하는 대상물의 일부 지점에서 상기 대물렌즈를 상기 제2이송유닛을 이용하여 광축방향을 따라서 이송하는 단계와 상기 대물렌즈를 광축방향을 따라 이송하며 스캐닝 진행 시 대상물의 일부 지점에서의 외부 형상을 파악하는 단계 및 상기 대상물의 외부 형상이 파악된 경우 상기 대물렌즈를 상기 제1이송유닛에 의하여 X축 방향에 평행한 방향을 따라 다음 스캐닝하고자 하는 지점으로 이송하는 단계를 포함하여 구성되는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 방법을 제공한다.
여기서, 상기 대상물의 일부 지점에서 광축방향을 따라 스캐닝 시 상기 대물렌즈의 Z축 방향에 평행한 방향으로 가능한 전체 스캐닝 영역 중 실제 스캐닝이 행하여지는 영역인 최적(optimal) 스캐닝 영역(range)을 설정하는 단계와 상기 대상물의 일부 지점에 있어서 대상물의 Z축 방향에 평행한 방향의 스캐닝 시 상기 대상물의 외부 형상을 파악하는 제1단계와 상기 제1단계에서 대상물의 외부 형상이 파악되어 X축 방향에 평행한 방향을 따라 다음 스캐닝 지점으로 이동한 후에는 상기 제1단계에서 파악된 외부 형상을 기준으로 상기 Z축 방향에 평행한 방향에 있어서 설정된 상기 최적 스캐닝 영역만을 먼저 스캐닝하면서 대상물의 외부형상을 파악하는 제2단계 및 상기 제2단계에서 외부 형상이 파악된 경우 X축 방향에 평행한 방향을 따라 다음 스캐닝 지점으로 이동하는 제3단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 대상물의 영상 정보를 입력하는 단계를 더 구비하며, 상기 미리 입력한 대상물의 영상 정보와 비교하여 실제 스캐닝하여 파악된 대상물의 영상 정보가 다른 것으로 파악 시에는 사용자에게 상기 대상물의 형상에 이상여부가 존재하는 것을 알려주는 단계를 더 포함할 수 있다.

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상기와 같이 구성된 본 발명 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치 및 스캐닝 방법의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명에 의하면, 광축방향(Z축에 평행한 방향)에 있어서, 스캐닝하는 전체 장치를 이동시키는 것이 아닌 대물렌즈만을 이동시키면서 스캐닝작업이 이루어지므로, 보다 정확한 제어가 가능하며, 내구성이 증대되는 이점이 있다.

둘째, 본 발명에 의하면, 광축방향의 스캐닝 작업 시 스캐닝 하고자 하는 부분에 있어서 광축방향을 따라 초기 일정 영역을 미리 설정한 후, 설정된 영역에서 대상물의 형상이 파악 시에는 바로 다음 지점의 스캐닝 작업으로 진행되도록 한다.

이렇게 함으로써 전체 스캐닝 작업 시간이 단축되는 이점이 있다.

셋째, 상기 둘째에서와 같이, 스캐닝 영역을 사용자가 미리 설정하여 빠른 시간 내에 스캐닝하고 대상물의 단순 형상파악뿐 아니라 불량여부의 감지도 쉽게 파악할 수 있는 이점이 있다.

이하, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치의 주요 구성요소간의 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치(1)는 광원유닛(100), 빔 스플리터(104), 스캐닝 유닛(200), 대물렌즈(206), 수광렌즈(300), 슬릿형 마스크(310) 및 광학 영상 처리계(320)를 포함하여 구성된다.

상기 광원유닛(100)은 레이저 빛과 같은 빛을 조사하며, 상기 광원유닛(100)으로부터 조사된 빛(이하, "제1조사빛" 이라고도 함)의 세기를 조절하고 공간필터링(spatial filtering)을 하는 빔 공간필터/확장기(101)가 구비된다.

그리고, 상기 대물렌즈(206)의 개구(aperture)와 교차하는 빛의 단면적은 사각 형태(rectangular)이며, 이 단면적 내에서 빛의 세기 분포가 균일하게 될 수 있도록 한다.

즉, 빛이 대물렌즈(206)에 의하여 대상물 영역에서 선 모양으로 집속될 때 선의 길이 방향으로 빛의 세기가 균일한 분포를 가질 수 있도록 하는 것이다.

그리고, 상기 빔 스플리터(104)는 상기 빔 공간필터/확장기(101)로부터의 빛을 상기 스캐닝 유닛(200)으로 유도하는 한편, 상기 스캐닝 유닛(200)으로부터의 빛을 상기 수광렌즈(300)로 유도하는 역할을 한다.

상기 대물렌즈(206)와 상기 수광렌즈(300)는 원통형으로 이루어진다.

상기 원통형으로 이루어진 대물렌즈(206)는 그 축의 길이방향이 Y축 방향과 평행하게 되며, 광축 방향이 Z축 방향과 평행하게 배치된다.

그리고, 상기 대물렌즈(206)는 상기 스캐닝 유닛(200)으로부터의 빛을 대상 물(207)로 진행시켜, 대물렌즈(206)의 초점면(210)에서 집속한다.

여기서, 상기 대상물에 집속되는 빛은 Y축 방향에 평행한 선 모양으로 집속된다.

그리고, 상기 대물렌즈(206)를 통과하여 대상물(207)에 집속되는 빛은 대상물(207)에 의하여 산란되어 일부분이 대물렌즈(206)의 개구(aperture) 안으로 다시 입사된다.

이들 빛 중에서 대물렌즈(206)의 초점면(210)에 집속된 빛으로부터 산란되어 온 빛만이 대물렌즈(206)를 통과한 후에 XZ평면에서 광로를 따라 평행하게 진행한다.

한편, 상기 대물렌즈(206)에는 제2이송유닛(422)이 연결되어 Z축 방향에 평행한 방향으로 상기 대물렌즈(206)가 상하로 이동하게 된다.

즉, 상기 제2이송유닛(422)에 의하여 광축방향을 따라서 대상물이 놓여진 위치를 기준으로 상기 대물렌즈(206)가 이송된다.

한편, 상기 대물렌즈(206)는 Y축 방향으로는 렌즈 작용을 하지 않으므로, XZ평면과 수직인 면에서는 빛의 진행 방향이 대상물에서 산란된 방향을 그대로 유지한다(이하, 이러한 빛을 " XZ 평면 평행빔"이라고 함).

이러한 XZ 평면 평행빔은 스캐닝 유닛(200) 및 빔 스플리터(104)를 거쳐 수광렌즈(300)에 입사된다.

상기 수광렌즈(300)는, 원통축 방향이 Y축 방향과 평행하고 광축 방향이 X축 방향과 평행하게 배치된다.

그리고, 상기 수광렌즈(300)는 XZ 평면 평행빔을 수광렌즈(300)의 초점면에 선 모양으로 집속한다.

한편, 상기 슬릿형 마스크(310)는 폭이 매우 좁은 슬릿(311)을 구비하여, 상기 수광렌즈(300)의 초점면에 선 모양으로 집속된 빛만이 슬릿(311)을 통과하여 추출되도록 배치된다.

도 2는 본 발명에 따른 슬릿형 마스크(310)의 일 예를 도시한 것이다.

첨부된 도 2에서, 상기 슬릿(311)의 중심은 수광렌즈(300)의 광축에 위치하고, 슬릿(311)의 길이 방향은 Y축 방향과 평행하게 구성된다.

이로써, 상기 슬릿형 마스크(310)의 슬릿(311)을 통해서 상기 광학 영상 처리계(320)로 진행할 수 있는 빛은 수광렌즈(300)에 XZ 평면 평행빔으로서 입사한 빛으로 한정된다.

즉, 대상물(207)의 여러 부분에서 산란된 빛들 중에서 대물렌즈(206)의 초점면(210)에 집속된 빛 선의 위치로부터 산란되어 온 빛만이 선 모양으로 상기 슬릿형 마스크(310)를 지나 광학 영상 처리계(320)로 진행할 수 있다.

상기 광학 영상 처리계(320)는 슬릿형 마스크(310)를 통과한 선 모양의 빛으로부터 대상물에 대한 정보를 검출하여 대상물(207)에 대한 영상을 형성하는 역할을 한다.

도 3은 광학 영상 형성 처리계의 일예를 나타낸 도면이다.

첨부된 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 광학 영상 처리계(320)는 광학 영상 데이터 획득부(323) 및 영상 구성 분석부(400)를 포함하여 구성됨이 바람직하다.

여기서, 상기 광학 영상 처리계(320)는 영상 형성 광학계(321), 선 검광 소자(322), 데이터 획득부(323), 제어부(324), 스캐닝 및 위치결정 드라이버(325)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 슬릿형 마스크(310)를 통과한 선 모양으로 집속되는 빛으로부터 대상물(207)의 Y축 방향 정보를 얻는 과정을 반복하면서 얻은 영상 데이터를 취합함으로써 대상물(207)에 대한 전체 형상 데이터(data)를 얻는 기능을 한다.

여기서, 상기 영상 형성 광학계(321)는 슬릿형 마스크(310)를 통과하여 나온 선 모양으로 집속되는 빛이 선 검광 소자(322)의 검광면에 최적의 크기로 선명하게 영상이 맺히도록 한다.

그리고, 상기 선 검광 소자(322)는 검광면에 맺힌 1차원 선 모양으로 집속되는 빛의 세기 분포를 그에 비례하는 전기 신호로 바꾼다.

다음으로, 상기 데이터 획득부(323)는 제어부(324)의 제어 신호에 따라서 선 검광 소자(322)로부터 나오는 전기 신호를 받아들이고 디지털화하여 선 화소(line pixel) 정보로서 임시로 저장하거나, 또는 저장된 정보를 영상 구성 및 분석부(400)에 제공한다.

상기 스캐닝 및 위치결정 드라이버(325)는 제어부(324)의 제어 신호에 따라서 후술할 이송유닛들(411,422,433: 도 4 참조)을 구동시키는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 제어부(324)는 상기 영상 구성 및 분석부(400)를 통하여 전달되는 외부로부터의 명령 신호에 따라서, 대상물의 여러 위치로부터 정보를 얻기 위하여, 데이터 획득부(323)와 스캐닝 및 위치결정 드라이버의 작동을 제어하는 기능을 갖는다.

나아가, 상기 영상 구성 및 분석부(400)는 광학 영상 데이터 획득부(323) 내의 데이터 획득부(323)로부터 입력되는 대상물에 대한 원시 데이터(raw data)를 조합하여 대상물(207)의 2차원적 또는 3차원적 구조를 합성하거나 필요한 물리량을 분석하여 다른 장치로 보내주는 역할을 하게 된다.

다음으로는, 첨부된 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명 스캐닝 장치를 구성하는 스캐닝 유닛(200)에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 4는 스캐닝 유닛(200)을 이루는 주요 구성요소간의 관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명 스캐닝 장치는 상기 제어부(324)에 유무선적으로 연결되어 상기 제어부(324)에 의하여 작동되는 제1이송유닛(411)과 제2이송유닛(422), 그리고 제3이송유닛(433), 그리고 광로 보정유닛(204)을 포함하여 구성된다.

도 5는 스캐닝 유닛을 이루는 구성요소들의 연결관계를 나타낸 개략도이다.

첨부된 도 5를 참조하면, 상기 제2이송유닛(422)에는 대물렌즈(206)가 연결되며, 상기 제1이송유닛(411)은 상기 제1 스캐닝 스테이지(201)를, 상기 제3이송유닛(433)은 제3 스캐닝 스테이지(203)가 각각 연결된다.

또한, 광로 보정을 위한 역반사기(204)와 선형 선 스캐닝 기능을 하는 평면거울(205)이 구비된다.

이와 같이 구성된 스캐닝 유닛을 이용하여 스캐닝하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

대상물(207)의 영상 정보를 획득하기 위해서, 대물렌즈(206)에 의하여 대상 물(207)에 선 집속된 빛선을 스캐닝하면서 정보를 획득하여야 한다.

이를 위하여, 본 실시예에서는, 빛선을 X축 방향에 평행하게 이동함과 동시에 Z축 방향에 평행하게 상기 대물렌즈(206)를 상하로 이동시키면서 선형 스캐닝 작업을 행한다.

보다 상세하게는, X축 방향에 평행한 방향으로 상기 제1 스캐닝 스테이지(201)를 이동시키면서 동시에 상기 대물렌즈(206)가 X축 방향에 평행한 방향을 따라 이동된다.

이때, 상기 제2이송유닛(422)도 같은 속도로 X축 방향에 평행한 방향을 따라 이송될 것이다. 이와 같이 이송하면서, 첨부된 도 6에 도시된 것처럼, 선 모양의 빛을 조사하고 영상 정보를 얻는 스캐닝 작업이 이루어진다.

한편, 이와 같은 스캐닝 작업 중에 얻는 면상의 영상 정보는 대물렌즈(206)가 X축 방향에 평행한 방향을 따라 이동하면서 얻은 정보이므로, 광로 길이의 변화를 가져오게 된다. 즉, Z축 상의 정보가 상측으로 갈수록 약간 휘어진 정보를 얻게 된다.

이러한 빛선의 스캐닝 작업 시 동반되는 광로 길이의 변화는 슬릿형 마스크(310)를 통과하는 빛의 밝기를 전체적으로 변화시킬 뿐 아니라, 상기 영상 형성 광학계(321)에 의하여 선 검광 소자(330)에 맺히는 Y 방향 영상에 영향을 미친다.

이를 위해, 따로 별개의 제어부를 두어 상기 광로 길이의 변화가 자동적으로 보정되도록 할 수도 있으며, 첨부된 도 5에서는 그 일예로, 제3 스캐닝 스테이지(203)와 역반사기(retroreflector: 204)를 구비하여 상기 제3스캐닝 스테이지(203)와 역반사기(204)를 이용 상기와 같은 광로 길이 변화의 영향을 제거하기 위한 실시간 자동 광로 길이 보정이 이루어지도록 한 것이다.

즉, 상기 제3 스캐닝 스테이지(203)는 제3이송유닛(433)에 의해 X축 방향에 평행한 방향으로 선형으로 움직이도록 설치된다. 그리고, 상기 역반사기(204)는 제3 스캐닝 스테이지(203) 위에 고정되어 있으며, 빔 스플리터(104)와의 사이에 광로가 연결되도록 배치된다.

여기서, 상기 빔 스플리터(104)로부터의 빛이 역반사기(204) 및 상기 평면 거울(205)을 거쳐서 원통형 대물 렌즈(206)에 입사되고, 스캐닝 되는 대상물(207)로부터 되돌아 오는 빛의 일부가 평면 거울(205), 역반사기(204)를 거쳐서 빔 스플리터(104)에 입사되도록 상기 각각의 구성요소들이 배치된다.

그리고, 선 모양의 빛의 스캐닝에 따라서 동시에 상기 역반사기(204)의 위치를 광로 길이 변화를 상쇄시키는 방향으로 움직임으로써 실시간 자동 광로 길이 보정 기능을 가져오도록 한다.

상술한 본 발명의 일 실시예는 X축 방향에 평행한 방향을 따라 연속적으로 대물렌즈가 이동되면서, 동시에 광축 방향의 스캐닝이 진행되는 것을 나타낸 것이다.

이하에서는, X축 방향을 기준으로 임의의 지점에서 광축방향의 스캐닝을 행한 후, 다시 X축 방향을 따라 일정 변위 이동한 지점에서 광축방향의 스캐닝이 행하여지는 방식으로 전체 스캐닝 과정이 이루어지는 본 발명의 스캐닝 장치를 이용한 스캐닝 방법을 설명하기로 한다.

첨부된 도 7 및 도 8에서와 같이, 본 발명 스캐닝 장치는 광축방향인 Z축 방향에 평행한 방향을 따라 스캐닝 시 미리 스캐닝을 하고자 하는 최적 영역(range)을 설정하여 놓은 후 스캐닝 작업이 행하여지도록 할 수 있다.

즉, 대상물의 일정 지점에 있어서 광축방향의 스캐닝 시 광축방향 전체가 아닌 그 중 일부 구간에 걸쳐 먼저 스캐닝작업이 이루어질 영역을 설정하는 단계를 거치도록 한 후(S10), 일정 지점에 있어서 대상물의 광축방향의 스캐닝 시 상기 일부 영역에서 상기 대상물의 외부형상을 파악하는 제1단계를 거치도록 한다(S20).

그리고, 상기 외부 대상물의 외부형상을 파악 후에는 다음 스캐닝 지점으로 X축 방향을 따라 일정 변위 이동한 후 상기 설정된 일정 영역(range)을 먼저 스캐닝하면서 대상물의 외부형상을 파악하는 제2단계(S30)를 거치도록 한다. 그리고, 상기 제2단계에서 외부형상이 파악된 경우 다음 스캐닝 지점으로 이동하는 제3단계로 진행되도록 한다(S40).

여기서, 대상물의 외부형상이란 대상물의 외부 표면(surface) 형상을 말한다. 즉, 상기 대상물의 외부 형상 파악은 대물렌즈의 초점이 대상물의 외부 표면에 일치되는 경우에 파악될 것이다.

예를 들어 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 8에서와 같이, a지역을 스캐닝하고 다음 스캐닝 장소인 b지역을 스캐닝 시에는 전체 대상물이 위치하고 있는 전 구간의 스캐닝 작업이 이루어지도록 하지 않고, 광축방향을 따라서 기 설정된 영역(range)만을 먼저 스캐닝 작업이 이루어지도록 한 것이다.

즉, 대물렌즈(206)와 제2이송유닛(422)을 이용 대상물의 a지점을 스캐닝 하면서 a지점에서의 대상물의 상부 표면 형상을 얻을 수 있게 된다. 그리고 난 후 상기 대물렌즈를 b지점으로 이동시키고, 상기 b지점에서 광축방향을 따라 기 설정 된 영역(range) 구간 내에서 먼저 대상물의 상부 표면 형상이 측정되는지를 살피도록 한다.

이 경우, 첨부된 도 6에서 b지점에서는 미리 설정된 범위를 벗어난 높이로(h2) 대상물의 외부 표면의 높이가 위치되고 있으므로, 대상물의 전체 높이 모두에 걸쳐 스캐닝 작업이 이루어질 것이다.

다음으로, b지점에서 대상물의 외부의 표면이 파악된 경우에는 다음의 c지점은 b지점으로부터 상하로 미리 설정된 영역 내에 있으므로, 기 설정된 영역만을 스캐닝 하면 대상물의 형상이 파악되므로 빠른 시간 내에 c지점의 형상파악이 가능해지게 된다.

일반적으로 이와 같은 방법은 대상물이 완만한 곡선의 형상을 이루고 있을 때 사용하면 유용할 것이며, 미리 상기 광축방향을 따라 스캐닝 하는 영역을 확장하거나 축소하여 설정하고 스캐닝 작업이 이루어지도록 함으로써, 광축방향의 스캐닝 작업시간을 절약할 수 있게 된다.

한편, 본 발명 스캐닝 장치는 상술한 스캐닝 방법 중 X축 방향을 따라 연속적으로 스캐닝 함과 동시에 그 스캐닝 영역을 한정하는 방법을 통하여 첨부된 도 9에 도시된 바와 같은 일정한 패널 형태의 대상물에 있어서 이상유무 판단에 유용하게 사용될 수 있다.

일정한 패널 형태를 띠는 대상물로는 소정의 반도체용 기판패널이나 회로기판의 표면에 코팅되는 코팅부 또는 배선부 등을 생각할 수 있다.

즉, 기판패널의 생산 시에는 이물질이 존재하는지 여부가 중요하며, 회로기 판 등에도 표면의 코팅부나 배선부 등이 이상 없이 구비되어 있는지를 판단할 필요가 있다.

이 경우, 표면을 기준으로 상부와 하부에 도 9에 도시된 바와 같이, 일정 스캐닝 하고자 하는 영역(A, B)을 설정하여 놓은 후, 설정된 영역을 스캐닝하여 이상유무를 판단할 수 있다.

먼저, 도 9에서와 같이, 패널 형태의 단면상 돌출된 부분(460)은 이물질로, 움푹 들어간 부분(470)은 코팅부 등이 균일하게 코팅되지 않은 것으로 생각할 수 있다.

이물질만의 존재 여부 판단 시에는 도 9에서, A영역만을 스캐닝 영역으로 설정한 후, 패널의 길이방향을 따라 스캐닝 유닛을 이송시키면서 스캐닝 작업이 이루어지도록 한다.

이와 같은 스캐닝 작업에 의하여 이물질(460)이 있는 부분의 감지가 가능하게 된다.

또한, B영역을 스캐닝 영역으로 설정하고 스캐닝 작업을 하게 되는 경우에는 움푹 들어간 부분(470)이 마찬가지로 스캐닝 작업 중에 감지가 될 것이다.

이와 같은 이상형태가 감지된 경우 사용자가 쉽게 파악이 가능하도록, 첨부된 도 10에서와 같이, 판독부(570) 및 제어부(670) 그리고 신호부(770)를 구비한 후, 상기 판독부(570) 및 제어부(670) 그리고 신호부(770)가 상기 스캐닝 유닛(200)과 유무선적으로 연결되도록 한다.

이 경우, 따로 영상 자체를 해석할 필요 없이, 이상유무 및 이상부위발생지 점만을 상기 판독부(570) 및 제어부(670)를 통하여 상기 신호부(770)가 사용자에게 알려주도록 할 수 있게 되며, 도시되어 있지는 않으나, 상기 신호부(770)로서는 스피커나 램프 또는 디스플레이장치 등으로 할 수 있다.

이와 같은 평판형상의 대상물에 있어 빠른 시간 내 이상여부 판단을 위하여 본 발명 스캐닝 방법이 유용하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 평판형상의 대상물이 아닌 선박 구조에 있어서 곡률 파악 등에도 적용이 가능할 것이다.

그 외에 본 발명에 있어서 스캐닝 원리 및 영상 처리 방법은 이미 종래기술에서 설명하였던 공개된 기술 등에 소개된 기술이므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 도면;

도 2는 도 1에 도시한 슬릿형 마스크의 일예를 나타낸 도면;

도 3은 광학 영상 형성 처리계의 일예를 나타낸 도면;

도 4는 스캐닝 유닛을 구성하는 주요 구성요소간의 관계를 나타낸 블록도;

도 5는 스캐닝 유닛을 이루는 주요 구성들간의 연결관계를 나타낸 개략도;

도 6은 본 발명 스캐닝 장치를 이용 스캐닝작업이 행하여지는 과정을 설명하기 위한 도면;

도 7은 본 발명 스캐닝 장치를 이용 스캐닝하는 방법을 나타낸 순서도;

도 8은 상기 도 7의 방법에 의한 스캐닝 방법을 설명하기 위한 도면;

도 9는 평판 형상을 가진 대상물에 있어서 스캐닝 방법을 설명하기 위한 도면; 및

도 10는 본 발명 스캐닝 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 광원유닛 101: 빔 공간필터/확장기

104: 빔 스플리터 200: 스캐닝 장치

206: 대물 렌즈 207: 대상물

300: 원통형 수광 렌즈 310: 슬릿형 마스크

311: 슬릿 320: 광학 영상 처리계

411: 제1이송유닛 422: 제2이송유닛

433: 제3이송유닛 570: 판독부

770: 신호부

Claims (9)

1. 대상물의 상측에서 대물렌즈 및 광원유닛을 이용 스캐닝이 이루어지며 상기 대상물의 상측으로부터 상기 대상물측 방향으로 Z축, 상기 Z축에 수직하며 상기 대상물의 일측으로부터 타측으로의 방향으로 X축, 상기 X축 및 Z축에 수직한 방향으로 Y축을 이루며 대상물의 영상 정보의 저장이 가능한 제어부를 구비하는 스캐닝 장치에 있어서,

   제1조사빛을 제공하는 광원유닛;

   상기 광원유닛으로부터의 상기 제1조사빛을 입사받아서 상기 대상물의 소정 위치에 선 모양의 제1빛선으로 집속하고, 상기 제1빛선이 상기 대상물에 의하여 산란되어 나오는 빛을 수집하는 원통형의 대물렌즈;

   상기 대물렌즈를 X축 방향에 평행하게 선형으로 이송시키는 제1이송유닛과 상기 대물렌즈를 Z축 방향에 평행하게 선형으로 이송시키는 제2이송유닛을 포함하여 이루어지는 스캐닝 유닛;

   상기 대물렌즈에 의하여 수집된 빛을 입사받아서 선모양의 제2빛선으로 집속하는 수광렌즈;

   상기 수광렌즈의 초점면 상에 배열되며, 상기 제2빛선을 통과시키는 슬릿이 형성되어 있는 슬릿 마스크; 및

   상기 슬릿 마스크를 통과한 빛선으로부터 필요한 영상 정보들을 검출하여 상기 대상물에 대한 영상을 판독하는 판독부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 판독부를 통해 판독된 상기 대상물의 영상 정보 중 미리 저장된 영상 정보와 비교하여 다른 영상 정보가 감지된 경우 사용자에게 상기 대상물에 이상(異常)부분이 존재한다는 이상여부를 알려주는 신호부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2빛선의 정보를 추출하는 광학영상 데이터 획득부; 및

   상기 광학영상 데이터 획득부로부터 입력되는 신호들을 처리하여 상기 대상물의 2차원적 또는 3차원적 영상을 형성하는 영상구성 분석부;

   를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 장치.
4. 삭제
5. 대상물의 상측에서 대물렌즈 및 광원유닛을 이용 스캐닝이 이루어지며 상기 대상물의 상측으로부터 상기 대상물측 방향으로 Z축, 상기 Z축에 수직하며 상기 대상물의 일측으로부터 타측으로의 방향으로 X축, 상기 X축 및 Z축에 모두 수직한 방향으로 Y축을 이루며,

   대상물의 영상 정보의 저장이 가능한 제어부, Y축 방향에 평행하게 길이를 가지며 형성되는 원통형의 대물렌즈, 상기 대물렌즈를 X축 방향에 평행한 방향으로 선형으로 이송시키는 제1이송유닛 및 상기 대물렌즈를 Z축 방향에 평행한 방향으로 선형으로 이송시키는 제2이송유닛을 포함하는 스캐닝 유닛을 이용 스캐닝 하는 방법에 있어서,

   스캐닝하고자 하는 대상물의 일부 지점에서 상기 대물렌즈를 상기 제2이송유닛을 이용하여 Z축에 평행한 방향(대물렌즈의 광축방향)을 따라서 이송하는 단계;

   상기 대물렌즈를 Z축에 평행한 방향을 따라 이송하며 스캐닝 진행 시 대상물의 일부 지점에서의 외부 형상을 파악하는 단계; 및

   상기 대상물의 외부 형상이 파악된 경우 상기 대물렌즈를 상기 제1이송유닛에 의하여 X축 방향에 평행한 방향을 따라 다음 스캐닝하고자 하는 지점으로 이송하는 단계;

   를 포함하여 구성되는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 대상물의 일부 지점에서 Z축에 평행한 방향을 따라 스캐닝 시 상기 대물렌즈의 Z축 방향에 평행한 방향으로 가능한 전체 스캐닝 영역 중 실제 스캐닝이 행하여지는 영역인 최적(optimal) 스캐닝 영역(range)을 설정하는 단계;

   상기 대상물의 일부 지점에 있어서 대상물의 Z축 방향에 평행한 방향의 스캐닝 시 상기 대상물의 외부 형상을 파악하는 제1단계;

   상기 제1단계에서 대상물의 외부 형상이 파악되어 X축 방향에 평행한 방향을 따라 다음 스캐닝 지점으로 이동한 후에는 상기 제1단계에서 파악된 외부 형상을 기준으로 상기 Z축 방향에 평행한 방향에 있어서 설정된 상기 최적 스캐닝 영역만을 먼저 스캐닝하면서 대상물의 외부형상을 파악하는 제2단계; 및

   상기 제2단계에서 외부 형상이 파악된 경우 X축 방향에 평행한 방향을 따라 다음 스캐닝 지점으로 이동하는 제3단계;

   를 포함하여 구성된 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 방법.
7. 제6항에 있어서,

   대상물의 영상 정보를 입력하는 단계를 더 구비하며,

   상기 미리 입력한 대상물의 영상 정보와 비교하여 실제 스캐닝하여 파악된 대상물의 영상 정보가 다른 것으로 파악 시에는 사용자에게 상기 대상물의 형상에 이상여부가 존재하는 것을 알려주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점을 이용한 3차원 스캐닝 방법.
8. 삭제
9. 삭제

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