KR100943407B1 - 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 3차원 형상 측정 시스템이 광 간섭을 이용하였던 것과는 달리 측정물 또는 기준미러 등의 미소 이동을 필요로 하지 않는, 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 동적 특성이 강하여 외란 및 진동에 큰 영향을 받지 않으며, 고속으로 형상을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 사용 파장과 관계없이 측정 가능한 범위를 증가시킬 수 있는, 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 측정 패턴의 주기 및 조사 각도를 변화시킴으로써 손쉽게 측정 가능 범위의 조절이 가능하며, 조사되는 패턴의 위치 및 주기를 전기적으로 변화시킴으로써 3차원 측정 장치 자체에서 발생하는 진동이 원천적으로 제거되도록 하는, 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다.

3차원 형상 측정, 패턴 전사, 진동, 외란, 측정 가능 범위

Description

전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템 {3D Shape Measuring System using Projection}

본 발명은 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 3차원 형상 측정 시스템이 광 간섭을 이용하였던 것과는 달리 측정물 또는 기준미러 등의 미소 이동을 필요로 하지 않는, 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 물체 표면의 정밀한 3차원 형상을 측정하기 위한 방법으로는, 광의 파동 현상을 이용하여 간섭을 발생시키고, 이러한 간섭 무늬의 위상을 해석하거나, 간섭무늬의 밝기를 해석하는 방법이 주로 사용되어 왔다. 이와 같이 간섭 신호를 사용하여 물체 표면을 측정하는 방법 중 대표적인 것은 광 위상 간섭법(Phase-Shifting Interferometry)이 있다.

간섭 신호란 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광 경로(optical path)를 이동한 후 합쳐지는 경우, 두 광이 지난 거리차(optical path difference)에 따라 빛이 밝고 어두운 형태로 나타나는 물리적 현상이 발생되는데, 이를 간섭 신호라 한다. 이 중 한 개의 광을 기준광이라고 하여 고품위로 가공된 기준면(reference plane)에 입사시키고, 다른 광은 측정광이라고 하여 측정하고자 하는 면에 조사시킨다. 기준면은 완벽한 평면으로 정의할 수 있으므로 백색광 및 광 위상 간섭계의 영상획득부를 통하여 획득되는 영상의 간섭 신호는 이 기준면에 대한 상대적인 높이 정보를 포함하고 있게 된다. 이러한 개념에서, 지도에서 같은 높이를 가진 지형을 이어주는 선인 등고선의 활용과 마찬가지의 방식으로, 간섭 신호를 이용하여 기준 평면에 대하여 동일한 높이를 가진 지점 찾아 이를 이어줌으로써 3차원 형상을 획득할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 기본적인 간섭 신호 원리의 예를 도시하고 있다. 보다 상세히 설명하자면, 도 1은 금(gold) 코팅 된 평면 위에 반구가 형성된 패턴 형상을 측정면으로 하고, 600nm의 파장을 갖는 광원을 사용하여 3차원 형상을 측정한 실제 측정 사진이다. 도 1(A)는 이러한 반구형 패턴 위에서 나타나는 간섭 신호의 형태를 보여주고, 도 1(B)는 바닥인 평면에서 발생하는 간섭 신호의 형태를 보여준다. 상술한 바와 같이 간섭 신호란 등고선과 같은 개념이므로 반구형의 패턴에서는 도 1(A)에 도시된 바와 같이 둥근 형태의 간섭 신호가 발생하고, 평면 부분에서는 도 1(B)에 도시된 바와 같이 직선 형태의 간섭 신호가 발생하게 된다. 이러한 간섭 신호는 사용하는 광원의 파장과 밀접한 관계를 가지는데, 일반적으로 간섭 신호 간격 즉 간섭 신호의 주기는 사용하는 광원 파장의 반 파장에 해당한다. 그러므로 상기 도 1에서 보이는 간섭 신호 간 간격은, 광원의 파장이 600nm이므로 대략 300nm 간격으로 나타난다. 이러한 점을 이용하면 간섭 신호 영상에서부터 직관적으로도 대략적인 측정면의 높이 분포를 짐작할 수 있게 된다.

도 2는 이와 같은 광 위상 간섭법의 측정 원리를 도시하고 있다. 도 2(A)에 도시된 바와 같이 단색 파장의 조명광을 각각 기준면과 측정면에 조사한 후 광 분할기를 이용하여 합치면 측정면의 영상 및 줄무늬의 간섭 신호가 획득된다. 이러한 광학계에서, 물체 혹은 미러를 알고 있는 거리만큼 강제적으로 이동시키면, 도 2(B)에 interference image 1, …, 4로 도시된 바와 같이 간섭 무늬가 변화한 영상들을 얻을 수 있는데, 이러한 간섭 신호 영상을 복수 개 획득한 후 각 화소(pixel)에서 발생하는 간섭 신호의 위상(phase)을 계산함으로써 각 점에서의 높이를 측정하며, 이와 같이 산출된 각 점에서의 높이를 연결하여 전체적인 3차원 형상을 측정할 수 있게 된다.

초기의 광 위상 간섭법은 간섭 신호 추적법이라고 하여 앞에서 설명한 바와 같이 간섭 신호의 간격이 300nm인 점과 그 사이의 간섭 신호 변화를 조화 함수로 보간하여 간접적으로 간섭 신호의 위상을 계산하였는데, 이 방법은 측정면이 복잡한 구조를 가질 경우 간섭 신호 추적이 불가능하며, 보간법을 이용하므로 측정 오차 및 분해능에서 상당한 제약점이 있다는 문제점이 있었다. 이후 간섭 신호 해석법에 있어서 위상 천이법(phase shifting method)이 개발되면서 현재에는 nm 이하의 측정 분해능을 구현할 수 있게 되었다. 일반적으로 광 위상 간섭법에서는 하기 의 수학식 1과 같은 식을 사용하여 측정면의 높이를 산출한다.

상기 식에서

는 도 3(A)에 도시된 측정면 상의 (x, y) 좌표에서의 광 강도,

는 도 3(B)에 도시된 바와 같은 옵셋(offset) 값,

는 진폭 값,

는 매개변수 값이다(물론 표시되지는 않았으나 상기 매개변수 값

역시 (x, y)의 함수임은 당연하다). 상기 수학식 1에서,

값을 측정하여 매개변수 값

를 구하고, 이를 변환하여 각 점에서의 높이

를 구할 수 있다. 매개변수 값

가 구해지면, 이를 가지고 높이

를 산출하는 식은 다음과 같다. 하기 수학식 2에서

는 (x, y) 점에서의 높이

,

는 사용 광원의 파장 길이를 나타낸다.

즉 요약하자면 광 위상 간섭법은 간섭 신호의 위상을 강제로 이동시키는 방법으로서, 도 2에서 보듯이 기준 미러에 PZT 구동기와 같은 미세 구동기를 장착하여 기준면을 이동시키면서 여러 장의 간섭 신호를 획득하고 이로부터 영상 내의 각 측정 점에서의 간섭 신호의 형태와 높이와의 수학적 관계를 해석하게 된다.

그런데, 이 방법은 빠른 측정 속도, 높은 측정 분해능 등의 장점을 가지는 반면, 산출 방법의 특성 상, 도 3(C)에 도시된 바와 같이 매개변수 값 차이가 한 주기 이상이 되면 매개변수 값과 이에 의해 산출되는 높이가 실제 값과 달라질 수밖에 없다는 치명적인 문제점이 있다. 즉 이와 같은 모호성으로 인하여 인접한 두 측정 점의 높이차가 광원 파장의 1/4 이상일 경우에는 측정 오차가 발생하게 된다는 사실이 당업자 사이에 잘 알려져 있다. 뿐만 아니라, 물체 혹은 미러를 이동시키는 과정에서 외란이 발생하게 되면, 이에 크게 영향을 받아 형상 측정에 큰 오류가 생기게 된다. 즉, 측정 환경에 대해 매우 민감하여 외란 및 진동에 대하여 크게 취약하다는 큰 문제점을 가지고 있다.

한편, 종래에 사용되는 미세 3차원 형상 측정 방법에 있어서, 상술한 바와 같이 광 간섭을 이용하는 방법도 있었으나, 이와는 다른 관점으로 접근하는 방법도 있었다. 즉, 물체에 조사하는 광이 어떤 특정한 패턴을 통과하도록 함으로써, 미리 알고 있는 특정 패턴으로써 광 강도가 형성된 광이 물체로 조사된 후 반사되어 나온 영상들을 사용하여 이들을 분석함으로써 3차원 형상을 측정하는 방법이다. 이와 같은 패턴은, 유리에 크롬 등을 증착 또는 에칭하여 만들어진다.

그런데 상술한 바와 같이 유리에 금속을 증착/에칭하는 방법으로 만들어지는 패턴은 정밀도가 크게 떨어진다는 문제점이 있다. 실제로도 구형파 패턴 정도가 실제로 사용되고 있는 정도일 뿐, 정교한 정현파 등과 같은 패턴은 충분한 정밀도를 충족시킬 만큼의 제작이 매우 어렵다.

뿐만 아니라 패턴을 만드는 과정이 복잡하고 난해하며 단시간에 이루어지는 것이 아니므로, 패턴은 규격화된 몇 가지 한정된 종류만이 생산되게 되며, 따라서 사용자 역시 불가피하게 미리 정해진 몇 가지의 규격화된 패턴들만을 사용하여 형상을 측정해야만 하여 불편함이 많았다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 동적 특성이 강하여 외란 및 진동에 큰 영향을 받지 않으며, 고속으로 형상을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 사용 파장과 관계없이 측정 가능한 범위를 증가시킬 수 있는, 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 측정 패턴의 주기 및 조사 각도를 변화시킴으로써 손쉽게 측정 가능 범위의 조절이 가능하며, 조사되는 패턴의 위치 및 주기를 전기적으로 변화시킴으로써 3차원 측정 장치 자체에서 발생하는 진동이 원천적으로 제거되도록 하는, 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템은, 전자적으로 패턴이 형성되어 3차원 형상 측정용 조사광이 통과 또는 반사함으로써 패턴화된 광을 발생시키는 패턴형성부(110)를 포함하여 이루어지며, 패턴화된 광이 측정대상물(300)로 조사되는 각도를 변화시킬 수 있도록 상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 패턴전사부(100); 및 상기 패턴전사부(100)로부터 나와 패턴화된 후 상기 측정대상물(300)에 반사되어 나온 광을 받아들이는 결상렌즈(210) 및 상기 결상렌즈(210)를 통해 들어온 광으로부터 영상을 획득하는 영상획득부(220)를 포함하여 이루어지는 결상 부(200); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 패턴형성부(110)는 정현파 형상의(sinusoidal) 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 패턴형성부(110)는 투과형 LCD 모듈, 반사형 LCoS 모듈 또는 반사형 DMD 모듈 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 패턴형성부(110)는 정현파 형상의(sinusoidal) 패턴 주기 및 위치가 전자적 제어에 의하여 조절 가능하여 가변되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 영상획득부(220)는 CCD 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 측정용 조사광은 균일화되며 직진 성향을 갖는 레이저 광이거나, 또는 상기 패턴조사부(100)는 백색 광원 또는 LED로 이루어지는 일반 광원(120), 상기 일반 광원(120)으로부터 나오는 광을 균일화 및 직진화하며 상기 일반 광원(120)와 상기 패턴형성부(110)의 사이 및 상기 패턴형성부(110)와 상기 측정대상물(300)의 사이에 각각 구비되는 렌즈(130) 및 전사렌즈(140)를 더 포함하여 이루어져, 상기 일반 광원(120)으로부터 나온 광이 균일화 및 직진화되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 결상부(200)는 상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 결상부(200)는 상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 상기 패턴전사부(100)와 좌우 대칭을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 측정 패턴의 주기 및 조사 각도를 변화시킴으로써 손쉽게 측정 가능 범위의 조절이 가능하기 때문에 사용 파장에 관계없이 측정 가능한 범위를 증가시킬 수 있는 큰 효과가 있으며, 따라서 물론 3차원 형상의 측정 가능한 범위가 크게 넓어지게 되는 효과도 당연히 있다.

또한, 본 발명에 의하면 미러나 물체를 이동시키는 대신 조사되는 패턴의 위치 및 주기를 전기적으로 변화시키기 때문에, 종래에 미러나 물체를 이동시키기 위한 구동부에서 진동이 발생하여 측정에 악영향을 끼쳤던 문제점을 원천적으로 해결하여, 측정 장치 자체에서 발생하는 오류를 최소화하고 이에 따라 보다 정확한 3차원 형상 측정 데이터를 얻을 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 또한, 조사되는 패턴의 위치 및 주기를 변화시킴으로써 결과적으로는 사용 파장을 자유롭게 변화시킬 수 있는 효과가 있으며, 따라서 측정 가능 범위가 크게 늘어나게 되는 큰 효과가 있다. 물론 이에 따라, 종래에는 단차가 큰 물체나 사용 파장과 주기가 잘 들어맞는 크기를 가지는 형상의 경우 측정 데이터가 부정확하게 나오는 문제점이 있었으나, 본 발명에 의하면 상술한 바와 같이 사용 파장을 자유롭게 변화시킴으로써 다양한 파장으로 측정을 수행하여 어떤 물체의 경우에도 정확한 데이터를 얻을 수 있게 되므로, 궁극적으로는 측정 데이터의 신뢰도와 정확성이 비약적으로 상승하는 커다란 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 시스템에 의하여 얻어진 다양한 영상들을 분석함에 있어서는 종래에 사용되던, 즉 당업자에게 매우 친숙한 알고리즘을 그대로 채용할 수 있기 때문에, 당업자로서는 본 발명의 시스템에 매우 빠르고 용이하게 적응할 수 있어 사용자의 편의성이 극대화되는 효과 또한 있다.

또한, 상술한 바와 같이 조사되는 패턴을 전기적으로 변화시키기 때문에 기계적인 변화와는 달리 변화가 즉각적으로 이루어질 수 있으며 또한 정확하게 이루어질 수 있으므로, 종래보다 측정 속도가 비약적으로 빨라지게 되는 커다란 효과가 있다.

더불어, 종래에는 반사도가 높은 물체를 측정함에 있어서 광의 반사가 일어남으로써 정확한 간섭 무늬를 얻을 수 없었던 문제점이 있었으나 본 발명에 의하면 단지 반사된 광을 집광하는 위치를 변경시켜 주기만 하면 되므로 종래와는 달리 반사도가 높은 물체의 3차원 형상을 정확하게 측정할 수 있게 되는 커다란 효과가 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 종래의 광 위상 간섭법에서 광 간섭에 의하여 발생되는 간섭 무늬를 사용하여 적절한 거리만큼 이동시켜 가면서 발생되는 다수 개의 간섭 무늬 영상들을 분석하여 3차원 형상을 측정하였던 것과는 달리, 광 간섭을 이용하지 않고 정현파의(sinusoidal) 광 강도(intensity)를 가지는 패턴을 측정대상물 위로 조사하고, 이를 알고 있는 양만큼 이동(shift)시키면서 획득되는 다수 개의 영상들을 분석하여 3차원 형상을 측정한다.

(실시예 1)

도 4는 본 발명에 의한 첫 번째 실시예의 광학 구성도로서, 도 4(A)는 측면도로, 도 4(B)는 사시도로 도시하고 있다. 본 발명에 의한 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템은 크게 패턴전사부(100) 및 결상부(200)로 구성되어 측정대상물(300)의 3차원 형상을 측정한다. 상기 패턴전사부(100)는 도시된 바와 같이 패턴형성부(110)를 구비하여 이를 통과함으로써 광의 강도(intensity)가 패턴화되며, 상기 결상부(200)는 결상렌즈(210) 및 영상획득부(220)를 구비하여 상기 측정대상물(300)로부터 반사되어 나온 광을 집광하여 영상을 맺는다.

상기 패턴전사부(100)에서는, 레이저와 같은 직진 성향의 균일화된 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과하여 상기 측정대상물(300)로 비추어진다. 상기 패턴형성부(110)는 전기적으로 패턴을 형성할 수 있는 것이라면 어떤 것을 사용하여도 무방하며, 예를 들면 투과형 LCD(Liquid Crystal Display, 액정 표시 장치) 모듈, 반사형 LCoS(Liquid Crystal on Silicon, 실리콘 액정 표시 장치) 모듈, 반사형 DMD(Digital Micromirror Display, 디지털 미소 반사 표시기) 모듈 등과 같은 전자 부품이 사용되는 것이 바람직하다. 상기 도 4에서는 상기 패턴형성부(110)가 투과형 LCD 모듈로 형성된 실시예를 도시한 것으로 균일화된 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과함으로써 패턴화된 광이 발생되는 것으로 도시되어 있으나, 물론 상기 패턴형성부(110)가 상술한 바와 같이 반사형 LCoS 모듈 또는 반사형 DMD 모듈로 되어 있는 경우에는 균일화된 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과하는 것이 아니라 적절한 각도를 가지고 상기 패턴형성부(110)로 발사되고 이로부터 반사되어 나옴으로써 패턴화된 광이 발생되도록 할 수 있는 등, 상기 패턴형성부(110)를 형성하는 부품의 특성에 따라 균일화된 광의 광로 설정은 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 설계될 수 있다. 이하에서는 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과하여 가는 광로로 형성되어 있는 것을 전제하여 설명하겠으나, 물론 다른 형태로 광로가 형성된다 하여도 마찬가지로 이해될 수 있다.

상기 패턴형성부(110)에는 도 4(B)에 도시된 예와 같이 정현파의(sinusoidal) 투과도를 가지는 패턴이 형성된다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 균일화된 광은 상기 패턴형성부(110)를 통과하여 나온 후 정현파의 광도를 갖는 광으로 바뀌게 된다.

상기 결상부(200)에서는 상기 측정대상물(300)로부터 반사되어 나온 광을 집광 및 결상한다. 보다 상세히 설명하자면, 상술한 바와 같이 정현파 형태로 패턴화된 광이 상기 측정대상물(300)로 비추어진 후 상기 측정대상물(300)로부터 반사되어 나온 광이 결상렌즈(210)를 통과하여 영상획득부(220)에 결상됨으로써 영상이 얻어질 수 있게 된다. 상기 영상획득부(220)는 물론, 상을 맺어 영상을 확인할 수 있다면 어떤 것으로 이루어져도 무방하며, 예를 들어 CCD 어레이와 같은 전자 부품으로 형성될 수 있다.

상기 측정대상물(300)로 이와 같이 정현파의 광 강도를 갖는 광이 비추어지 므로, 상기 영상획득부(220)에는 도 4(B)의 S부분에 도시된 바와 같은 영상이 맺혀지게 된다. 상기 패턴형성부(110)를 전기적으로 조작하여 상기 패턴형성부(110)에 형성된 정현파의 위치나 주기 등을 적절하게 변화시킨 후, 상술한 바와 같이 정현파의 패턴이 형성된 광이 비추어진 상기 측정대상물(300)의 영상을 얻는 방법을 똑같이 사용하여, 다양한 패턴 광이 비추어진 상기 측정대상물(300)의 영상을 얻어낼 수 있다.

이는 도 2에 도시된 여러 가지의 간섭 영상들과 비슷한 영상들로, 도 2에 도시된 영상들은 기준 미러와 측정물의 광 간섭 현상에 의하여 정현파 형태의 광 강도를 갖게 된 영상이 얻어지는 반면, 본 발명에 의하면 광 간섭을 사용하지 않는 대신 균일화된 광이 정현파 형태의 패턴이 형성된 상기 패턴형성부(110)를 통과하여 정현파 형태의 광 강도를 갖게 된 광이 상기 측정대상물(300)에 비추어짐으로써 영상들을 얻게 된다. 따라서 얻어진 영상들을 분석함에 있어서, 당업자에게 친숙한 종래의 광 간섭을 이용하는 방법에서 사용되던 알고리즘을 본 발명에 그대로 채용할 수 있어 사용자의 편의성이 극대화된다.

이하 간략하게 상기 결상부(200)에서 얻어진 영상들을 분석하는 방법을 설명한다. 수학식 1에서,

는 측정면 상의 (x, y) 좌표에서의 광 강도로서 측정 가능한, 즉 알고 있는 값이지만, 나머지 값들 즉

,

,

의 세 가지 값은 미지수로 남아 있다. 이 때 구하고자 하는 것은 매개변수 값

이므로, 상기 수학식 1을 이용하 여 최소한 3가지 간섭 영상에서의

를 측정하면, 3개의 미지수에 대하여 3개의 방정식을 얻을 수 있게 되므로 매개변수 값

를 구할 수 있게 된다. 이론적으로는 3가지 간섭 영상만을 가지면 매개변수 값

를 구할 수 있게 되지만, 실제로는 실험 오차, 노이즈 등의 여러 가지 요인이 있으므로 일반적으로 3개 이상의 영상을 가지고

를 구하는 것이 바람직하다. 하기의 수학식 3에는 이와 같이

를 구하는 다양한 방법에서의 각 공식들이 기재되어 있다. 하기의 각 식들에서,

는 어떤 한 (x, y) 점에 대하여 서로 다른 영상들에서의 광 강도 값들이다.

상기 수학식 3에 보인 식들 외에도 A-bucket 등과 같은 다양한 위상 계산 수식이 존재하고 있다.

종래에는 다양한 영상을 얻기 위한 광 간섭을 발생시키기 위하여, 기준면, 기준 미러 또는 측정대상물을 PTZ 구동기 등을 이용하여 미소 간격씩 이동시켜야만 했지만, 본 발명에 의하면 그럴 필요가 전혀 없이 상기 패턴형성부(110)에 형성되 는 패턴을 전자적으로 변화시키기만 하면 된다. 예를 들어 상기 패턴형성부(110)가 투과형 LCD 모듈로 되어 있다고 하면, 상기 패턴형성부(110)에 연결된 컴퓨터 등의 제어 수단을 이용하여 상기 LCD 모듈에 맺혀지는 화면을 제어하는 것이다.

따라서, 종래의 광 간섭을 사용하던 방법과 비교해서는, 본 발명에서는 패턴 변화 시 실제 기계적으로 이동하는 구동 부분이 전혀 없기 때문에 광 간섭 방법을 사용할 때 기준면 등을 미소 이동시키는 과정에서 발생하는 자체 진동이나 외란에의 취약성 등과 같은 문제점이 원천적으로 제거되는 커다란 장점이 있으며, 또한 적절한 간격만큼 이동시키는 과정에서 시간이 낭비되던 종래의 문제점에 대하여 본 발명의 경우 즉각적으로 패턴이 변화되기 때문에 시간 낭비 문제 역시 완전히 해결되게 된다. 또한, 종래의 규격화된 패턴을 사용하던 방법과 비교해서는, 패턴의 주기, 위치 등을 사용자가 원하는 대로 지정하여 제어할 수 있어 다양하고 정밀한 패턴을 자유롭게 얼마든지 발생시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 형상 측정 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 이로써 본 발명에서 패턴의 주기나 위치 등을 변화시킴으로써 얻는 효과를 보다 상세히 설명한다.

먼저 도 6(A)와 같이 주기 P를 가지는 정현파 형상의 광 강도를 갖는 패턴의 광이 측정대상물(300)로 각도

를 가지고 조사되는데, 이 때 물체의 높이에 따라 물체에 밝고 어두운 무늬가 전사(projection)되게 된다. 만일 물체가 없는 평평한 기준면에 조사된다면, 원래 패턴의 밝은 위치 A는 기준면 상의 A'에 전사되고, 패 턴의 밝은 위치 B는 기준면 상의 B'에 전사되겠으나, 도시된 바와 같이 측정대상물(300)이 존재하기 때문에 패턴의 밝은 위치 B는 상기 측정대상물(300) 상의 B"에 전사되게 된다. 이 때 기준면으로부터 상기 측정대상물(300)의 높이를 H라 한다. 그런데, 도시된 바와 같이 B"는 패턴의 한 주기와 정확히 일치하는 만큼의 높이를 가지고 있으므로, 전사된 패턴의 영상은 도 6(A)의 하단에 도시된 바와 같이 평평한 기준면에 전사된 패턴의 영상과 동일하게 나타나게 된다. 따라서 도 6(A)와 같은 실험조건, 즉 정현파 패턴의 주기가 P이며 조사되는 광의 각도가

인 경우, 기준면으로부터의 높이가 0 내지 H 사이에 있는 형상에 대해서는 정확하게 측정이 가능하며, H 이상의 높이를 갖는 부분이 있을 경우 정확한 데이터가 나오지 못할 가능성이 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 정확하게 측정이 가능한 범위를 측정 가능 범위 R이라 할 때, 정현파 패턴의 주기 P 및 조사되는 광의 각도

와 상기 측정 가능 범위 R의 관계는 하기의 수학식 4와 같이 나타나며, 도 6(A)에서 R은 H가 된다.

본 발명의 패턴형성부(110)는 상술한 바와 같이 전기적으로 패턴을 변화시킬 수 있으며, 따라서 즉각적으로 다양하고 정밀한 패턴을 발생시킬 수 있으므로, 도 6(B)와 같이 패턴의 주기를 변화시켜 측정 가능 범위 역시 변화시킬 수 있다. 도 6(A)에서, 패턴 주기가 P일 경우 측정 가능 범위가 R로서 H와 동일한 값이어서 H의 높이를 측정할 수 없다. 그러나 도 6(B)에서는 광이 조사되는 각도

는 그대로 고정시키되 패턴의 주기를 P보다 큰 P'로 함으로써, 수학식 4에 의하여 측정 가능 범위 R' 역시 도 6(A)에서의 측정 가능 범위 R보다 크게 만들어 줄 수 있다. 따라서 도 6(B)와 같이 패턴의 주기가 P'가 되면, 측정 가능 범위가 R'이 되어 H는 측정 가능 범위 R' 이내에 들어오는 값이기 때문에, 정확한 형상을 측정할 수 있게 되는 것이다.

측정대상물(300)의 높이 H가 측정 가능 범위 이내로 들어오는 경우에는, 도 6(B)에 도시된 바와 같이, 평평한 기준면에 패턴화된 광을 조사할 경우 예상되는 패턴 전사 영상과, 측정대상물(300)이 존재할 때 패턴화된 광을 조사하여 실제로 나타나는 패턴 전사 영상이 다르게 나타난다. 이제 P'의 주기를 갖는 패턴화된 광을 적절한 범위만큼(예를 들어 패턴 파장을

이라 할 때

/8씩) 이동시키면서 다수 개의 다른 영상을 얻고, 상기 수학식 3에서 설명한 바와 같은 방법으로 상기 획득한 다수 개의 영상을 분석하여 3차원 형상을 산출하면 된다.

이와 같이 본 발명은, 도 6(A)와 같이 측정대상물(300)에 어떤 패턴을 조사하였을 때 상기 측정대상물(300)의 높이가 해당 패턴의 측정 가능 범위를 넘어서는 높이를 가져 정확한 측정이 어려울 경우, 도 6(B)와 같이 패턴의 주기 등을 간단히 변화시켜 주기만 하면 측정 가능 범위가 사용자가 원하는 대로 조절될 수 있게 되므로, 매우 손쉽고 신속하게 정확한 측정 데이터를 얻어낼 수 있게 된다.

상기 도 6(B)에서는 패턴의 측정 가능 범위를 변화시키기 위하여 패턴의 주기를 조절하는 예를 들었으나, 물론 상기 패턴전사부(100)를 회전 이동시켜 광이 조사되는 각도

를 변화시킴으로써 측정 가능 범위를 변화시켜도 무방하다. 또한, 상기 도 6(A) 내지 도 6(B)의 예에서는 측정대상물(300)의 높이가 매우 높아 측정 가능 범위를 벗어나는 경우 패턴을 조절하여 측정 가능 범위를 넓히는 예를 기술하고 있으나, 물론 이와 반대의 경우도 가능하다. 즉 측정대상물(300)의 높이가 매우 낮아 보다 정밀하게 측정할 필요가 있을 경우, 측정 가능 범위를 감소시킴으로써 측정 정밀도를 크게 향상시키도록 할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 측정대상물(300)의 높이가 불균일하여, 어떤 부분은 정밀하게 측정하지 않아도 되고 어떤 부분은 정밀하게 측정해야 되는 경우, 정밀하게 측정하여야 되는 부분은 측정 가능 범위를 매우 작게 한 패턴을 사용하여 측정하고 이외의 부분은 측정 가능 범위를 크게 한 패턴을 사용하여 측정함으로써, 분석 데이터의 양을 크게 줄이고 처리 시간을 절약할 수도 있다.

(실시예 2)

도 7은 본 발명에 의한 두 번째 실시예의 광학 구성도이다. 도시된 바와 같이 도 4에 도시된 첫 번째 실시예와 거의 동일한 구성이나, 상기 패턴전사부(100)에서 미리 균일화된 광(레이저 등)을 광원으로 사용하는 대신 일반 광원(120)을 광원으로 사용할 수 있도록 한 구성이다. 상기 일반 광원(120)의 광은 직진 성향이 없으므로, 렌즈(130) 및 전사렌즈(140)를 배치하여 상기 일반 광원(120)의 광이 결상 광학계를 이룰 수 있도록 구성한다.

(실시예 3)

도 8은 본 발명에 의한 세 번째 실시예의 광학 구성도이다. 도 8에서, 상기 패턴전사부(100)는 도 7의 두 번째 실시예에서와 같이 일반 광원(120)을 사용하는 것으로 도시되어 있으나, 물론 도 4의 첫 번째 실시예에서와 같이 레이저 등의 균일화된 광을 사용하여도 무방하다.

도 8의 실시예는, 일반적인 반사도를 갖는 물체가 아니라 매우 높은 반사도를 갖는 물체를 측정하는데 매우 유용하다. 반사도가 높은 물체, 즉 미러, 웨이퍼(wafer), 볼(ball) 등과 같은 측정대상물(300)의 경우, 예를 들어 광이

의 각도로 조사되면, 광은 상기 측정대상물(300)의 표면에서 완전히 반사되어

의 각도로 나가게 된다. 따라서 상기 결상부(200)가 도 4 및 도 7과 같은 위치에 있을 경우 반사된 광을 전혀 받을 수 없게 된다. 따라서 도 8의 실시예에서는, 상기 패턴전사부(100)와 상기 결상부(200)가 상기 측정대상물(300)을 중심으로 동일한 각도로 회전된 위치, 즉 상기 측정대상물(300)을 중심으로 수직축을 세웠을 때 상기 수직축에 대하여 선대칭이 되는 위치에 서로 배치되도록 하는 구성을 하고 있다.

상기 패턴전사부(100)는 모든 실시예에서 상기 도 6의 설명에서 기술한 바와 같이 광의 조사 각도

를 자유롭게 변화시킬 수 있도록 회동 가능하게 구비되는데, 도 8의 실시예에서는 상기 결상부(200) 역시 회동가능하게 구비됨으로써 반사도와 관계없이 모든 측정대상물(300)의 형상을 정확하게 측정할 수 있게 된다.

종래에는 전자칩을 회로와 연결시키기 위하여 도 9(A)와 같이 전자칩의 측면에 다수 개의 다리를 형성하였으나, 최근에는 집적 회로의 집적 밀도가 높아짐에 따라 보다 많은 연결이 필요하게 되어, 도 9(B)와 같이 전자칩의 하면에 다수 개의 볼을 형성하도록 하는 구성을 채택하는 경우가 많다. 그런데, 다수 개의 볼들이 모두 바닥면과 접촉하여야만 하지만, 도 9(B)의 D 부분에 확대되어 표시된 바와 같이 볼이 제대로 배치되지 못하여 바닥면과의 접촉이 되지 않을 수도 있다. 하나의 볼이라도 바닥면과 제대로 밀착 접촉하지 못하면 전자칩 전체가 불량이 되기 때문에, 도 9(B)와 같은 타입의 전자칩의 생산 및 검수 과정에 있어서, 전자칩 하면의 볼들이 모두 균일한 높이로 형성되었는지를 아는 것이 매우 중요하다.

그런데, 이러한 볼들은 대부분 매우 반사도가 높은 재질로 만들어졌기 때문에 종래의 3차원 형상 측정 시스템의 경우에는 이러한 볼의 높이를 측정하는 것이 불편하고 어려운 점이 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 표면의 반사도가 높은 측정대상물(300)을 측정할 경우 패턴전사부(100) 및 결상부(200)가 상기 측정대상물(300)을 중심으로 서로 좌우 대칭으로 배치될 수 있어, 도 9(B)와 같은 타입의 전자칩 하면 볼 높이를 검사하는 것과 같은 작업을 매우 용이하게 할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 기본적인 간섭 신호 원리.

도 2 및 도 3은 광 위상 간섭법의 측정 원리.

도 4는 본 발명에 의한 첫 번째 실시예의 광학 구성도.

도 5는 본 발명의 패턴형성부 통과 전후의 광 강도 그래프.

도 6은 본 발명의 형상 측정 원리.

도 7은 본 발명에 의한 두 번째 실시예의 광학 구성도.

도 8은 본 발명에 의한 세 번째 실시예의 광학 구성도.

도 9는 일반적인 전자칩의 다양한 형태.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: 패턴전사부

110: 패턴형성부 120: 광원

130: 렌즈 140: 전사렌즈

200: 결상부

210: 결상렌즈 220: 영상획득부

300: 측정대상물

Claims (8)

1. 광 위상 간섭 원리를 기반으로 하는 3차원 형상 측정 시스템에 있어서,

   전자적으로 패턴이 형성되어 3차원 형상 측정용 조사광이 통과 또는 반사함으로써 패턴화된 광을 발생시키는 패턴형성부(110)를 포함하여 이루어지며, 패턴화된 광이 측정대상물(300)로 조사되는 각도를 변화시킬 수 있도록 상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 패턴전사부(100);

   상기 패턴전사부(100)로부터 나와 패턴화된 후 상기 측정대상물(300)에 반사되어 나온 광을 받아들이는 결상렌즈(210) 및 상기 결상렌즈(210)를 통해 들어온 광으로부터 영상을 획득하는 영상획득부(220)를 포함하여 이루어지는 결상부(200);

   를 포함하여 이루어지며,

   상기 패턴형성부(110)는 정현파 형상의(sinusoidal) 패턴을 형성하되, 정현파 형상의(sinusoidal) 패턴 주기 및 위치가 전자적 제어에 의하여 조절 가능하게 가변되어, 페이즈 쉬프트(phase shift) 방식으로 측정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 패턴형성부(110)는

   투과형 LCD 모듈, 반사형 LCoS 모듈 또는 반사형 DMD 모듈 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 영상획득부(220)는

   CCD 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 측정용 조사광은

   균일화되며 직진 성향을 갖는 레이저 광이거나, 또는

   상기 패턴전사부(100)는 백색 광원 또는 LED로 이루어지는 일반 광원(120), 상기 일반 광원(120)으로부터 나오는 광을 균일화 및 직진화하며 상기 일반 광원(120)와 상기 패턴형성부(110)의 사이 및 상기 패턴형성부(110)와 상기 측정대상물(300)의 사이에 각각 구비되는 렌즈(130) 및 전사렌즈(140)를 더 포함하여 이루어져, 상기 일반 광원(120)으로부터 나온 광이 균일화 및 직진화되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템.
7. 제 1, 3, 4, 5, 6항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 결상부(200)는

   상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템.
8. 제 7항에 있어서, 상기 결상부(200)는

   상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 상기 패턴전사부(100)와 좌우 대칭을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전사 방식의 3차원 형상 측정 시스템.

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