KR101133562B1 - 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비점수차를 갖는 렌즈를 이용하여 초점오차신호를 검출하고, 이를 이용하여 미세 형상을 측정하는 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치는 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 조사된 빛을 다점으로 통과시키는 다수의 구멍이 2차원 배열로 형성된 마스크를 포함하여 구성되어 측정대상물에 다점광을 제공하는 조명부와 ; 상기 측정대상물로부터 반사된 빛이 맺히는 결상수단와, 상기 결상수단과 측정 대상물 사이에 설치된 비점수차렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치{Profile Measuring Apparatus using The Astigmatic Lens}

본 발명은 3차원 미세 형상을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비점수차를 갖는 렌즈를 이용하여 초점오차신호를 검출하고, 이를 이용하여 미세 형상을 측정하는 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치에 관한 것이다.

최근 전자, 기계 부품의 소형화 및 정밀화에 의해, 복잡한 단차 형상(step shape)을 갖는 미세 구조물의 가공과 제조 상태를 확인하기 위해서는 치수, 형상, 표면 조도에 대한 계측 고정밀도화가 요구되고 있다.

따라서, 현재에는 소형의 전자, 기계부품 등의 계측에는 광학식 2차원 측정장치를 이용한 치수 측정 방법과, 광학식 3차원 측정장치를 이용한 형상이나 두께를 측정하는 방법이 사용되고 있다.

일반적으로 이용되는 3차원 형상측정기술로는 백색광 간섭계, 위상천이 간섭계, 공초점 현미경, 모아레 무늬를 이용한 것들이 있으며, 이들은 대부분 기계적인 스캐닝이나 레이저 주파수의 스캐닝을 필요로 하므로 진동, 소음 등 외부 환경 변화에 민감하고 측정 대상에 한계가 있다.

한편, 비점수차를 이용한 자동 초점 조절 기술이 개발되어 사용되고 있고, 이 기술은 광선분할기(beam splitter)와 최종 검출소자 사이에 실린더 렌즈(cylindrical lens)를 삽입하여 물체가 최적 결상 조건에서 벗어날 경우 광검출기에서의 광점의 형태가 타원으로 변화하는 현상을 이용한 것으로, 타원의 모양으로부터 구하는 초점 오차 신호를 이용하여 초점조절을 수행하는 방법이다(D.K. Cohen, W. H. Gee, M. Ludeke, and J. Lewkowicz, "Automatic focus control: the astigmatic lens approach,", Applied Optics,Vol. 23, Issue 4, pp.565~570 참조(1984)).

도 1은 일반적인 구면렌즈의 물체의 위치에 따른 반사광을 도시한 도면으로 (a)는 물체가 초점 위에 있는 경우이고, (b)는 물체가 초점과 렌즈 사이에 있는 경우이고, (c)는 물체가 초점 외부에 위치한 경우의 반사광의 경로를 도시한 것이다.

이와 같이 일반적인 구면렌즈를 통과한 반사광은 물체가 초점 위에 위치하면 입사된 빛은 초점에서 모여서 입사광과 같은 경로로 반사되며(a), 물체가 초점보다 앞쪽에 위치하거나 뒤쪽에 위치하면 입사광과는 다른 경로로 반사된다((b), (c)).

도 2는 일반적인 반도체 레이저를 이용한 비점수차 시스템의 일실시예를 도시한 도면이다.

시준된 광은 편광 광선 분할기(polarizing beam splitter)(100)와 1/4 파장판(quater wave plate)(200)을 지나 물체(500)에서 반사된 후 편광 광선 분할기(100)에서 반사되고 실린더 렌즈(Cylindrical Lens)(300)에 의하여 비점수차 현상을 일으키며, 비점수차 현상을 4분할 광검출기(400)를 이용하여 검출하고 초점오차신호를 산출한 후, 물체(500) 또는 렌즈(600)의 위치를 조절하여 초점오차신호가 0이 되도록 함으로써 자동초점조절이 가능하다.

도 3은 일반적인 비점수차의 원리를 나타낸 도면으로, 일실시예로 xz평면으로 입사된 빛과 yz 평면으로 입사된 빛은 다른 초점을 갖게된다.

즉, 비점수차를 갖는 렌즈로 입사된 빛은 단면1에서는 타원의 상을 갖게되고, 단면2에서는 원형의 상을 갖게되고, 단면3에서는 단면1의 장축과 단축이 바뀐 타원의 상을 얻게 된다. 따라서 도 1의 (a)와 같이 물체가 렌즈의 초점위치에 위치하는 경우에 도 3의 단면2 위치에 광검출기를 고정시키면, 도 1의 (b)와 (c)와 같이 물체가 렌즈의 초점위치에서 벗어나게 되면, 물체에서 반사된 빛은 각각 서로 수직한 장축방향을 가지는 타원형태로 결상된다. 이 타원의 형태를 분석하여 물체면의 위치가 최적 결상 위치에서 어느 방향으로 얼마나 벗어나 있는지를 판정할 수 있게 된다.

그러나 이러한 비점수차를 이용한 시스템은 점의 형태로 해당 위치의 형상을 측정하므로 넓은 면적의 물체의 형상을 측정할 경우, 물체나 측정 장치를 수 차례 이동시키며 형상을 측정하여야 하므로 많은 시간이 소요됨은 물론, 물체나 측정 장치의 이동시 정렬이 흐트러져 정확한 형상의 측정이 어려운 문제가 있었다.

즉, 수 차례의 스캐닝 과정에 의해 물체의 형상이 측정되고, 스캐닝 과정에서 진동이 발생하였을 때 측정된 3D 형상이 일그러지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 자동초점조절 기술을 이용하여 2차원 영역의 미세 형상을 측정하되 별도의 스캐닝 기술을 이용할 필요가 없고, 외부 환경에 영향을 받지 않는 안정적인 비점수차를 갖는 렌즈를 이용한 형상측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치는 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 조사된 빛을 다점으로 통과시키는 다수의 구멍이 2차원 배열로 형성된 마스크를 포함하여 구성되어 측정대상물에 다점광을 제공하는 조명부(1)와; 상기 측정대상물로부터 반사된 빛이 맺히는 결상수단과, 상기 결상수단(20)과 측정 대상물 사이에 설치된 비점수차렌즈를 포함하여 구성되되; 상기 결상수단은 CCD카메라 또는 4분할 광검출기의 2차원 배열이며, 상기 결상수단에 결상되는 타원형태의 광점의 장축방향은 CCD카메라의 픽셀의 배열방향 또는 4분할광검출기의 구분축 방향과 45도의 각도를 이루고, 하기 수학식1에 의해 측정대상물과 렌즈 사이의 초점오차신호(FES)를 계산하고, 하기 수학식2와 수학식3의 오차신호영역 기울기(S)를 대입하여 물체와 렌즈사이의 거리를 계산하여 광점이 형성된 측정대상물 구역의 높이를 측정해 다점광이 맺히는 2차원 영역에서의 3차원 미세형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식1]

(A,B,C,D는 하나의 광점에 할당된 4분면인 4개 픽셀
A와C 및 B와D는 각각 동일축상의 대칭된 픽셀)
[수학식2]
FES=거리×S
(S는 오차신호영역의 기울기)
[수학식3]

본 발명은 비점수차를 갖는 렌즈의 자동초점기술을 이용하여 3차원 미세형상을 측정하는 장치로, 기계적 또는 전기적 스캐닝 기술을 사용할 필요가 없으므로 실시간으로 미세형상 측정이 가능하고, 소음, 진동 등 외부 환경에 영향을 받지 않으므로 안정적으로 형상측정이 가능한 우수한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 구면렌즈의 물체의 위치에 따른 반사광을 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 반도체 레이저를 이용한 비점수차 시스템의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 비점수차의 원리를 나타낸 도면으로서, 비점수차를 가지는 렌즈에 평행한 빛이 입사할 때 생기는 초점의 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치의 일예의 구성도이고,
도 5는 대상 물체의 위치가 초점에서 벗어난 거리와 초점오차신호의 관계를 도시한 그래프이고,
도 6은 본 발명의 형상측정장치에 사용되는 비점수차 렌즈의 일예의 사시도이고,
도 7은 본 발명의 형상측정장치에 사용되는 비점수차 렌즈의 다른 일예의 사시도이고,
도 8은 결상수단에서 영상을 측정하는 최소단위인 4개의 픽셀에 정상적으로 영상이 맺힌 상태를 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 장치를 이용한 형상측정원리를 설명하기 위한 구성도이고,
도 10은 결상수단에서 영상을 측정하는 최소단위인 4개의 픽셀에 비 정상적으로 영상이 맺힌 상태를 도시한 것이다. 며,
도 11은 2차원 핀홀 어레이로 구성된 마스크의 일실시예를 도시한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 형상측정장치의 특징은 측정대상물(90)에 여러 개(다점)의 빛이 조사되게 하고, 측정대상물(90)에 의해 반사되어 감지부(2)를 구성하는 결상수단(20)으로 입사되는 빛을 비점수차렌즈(21)를 통과시켜 측정대상물과 렌즈(91) 사이의 거리 즉, 측정대상물의 표면 형상에 따라 결상수단(20)에 다른 영상이 맺히는 것을 감지하고 분석함에 의해 측정대상물의 3차원형상을 단박에 측정할 수 있게 한 것이다.

즉, 본 발명의 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치는 빛을 조사하는 광원(10)과, 상기 광원(10)으로부터 조사된 빛을 다점으로 통과시키는 다수의 구멍이 2차원 배열로 형성된 마스크(11)를 포함하여 구성되어 측정대상물(90)에 다점광을 제공하는 조명부(1)와 ; 상기 측정대상물(90)로부터 반사된 빛이 맺히는 결상수단(20)과, 상기 결상수단(20)과 측정 대상물 사이에 설치된 비점수차렌즈(21)로 구성된다.

상기 비점수차렌즈(21)는 상기의 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 비점수차렌즈에 입사되는 빛의 평행도에 따라 타원형 또는 진원형의 영상을 맺게 된다.

따라서, 상기 측정대상물(90)과 렌즈(91) 사이의 거리에 따라 비점수차렌즈(21)를 통과하여 결상수단(20)에 맺히는 상은 수직 타원, 진원, 수평 타원 중 어느 하나가 될 수 있고, 타원의 경우 거리에 따라 긴 반지름(semimajor axis)과 짧은 반지름(semiminor axis)의 비율이 달라지게 되며, 이 비율을 계산함에 따라 측정대상물의 표면의 3차원 형상을 측정할 수 있는 것이다.

상기 결상수단(20)에는 도 8에 도시한 바와 같이, 최소 4개의 픽셀로 구성된 영상 측정영역이 서로 이웃하여 매트릭스 형태로 배열되어 있고, 이렇게 배열된 픽셀들 사이에 맺혀지는 상을 서로 대비함에 따라 측정대상물(90)의 형상을 감지할 수 있는 것이다.

상기 결상수단(20)은 상기 비점수차렌즈(21)와 일정한 각을 이루고 배치되고, CCD카메라 등과 같은 카메라나 4분할 광검출기의 2차원 배열로 구성되며, 감지된 영상을 컴퓨터로 전송하여 분석할 수 있다.

상기 결상수단(20)과 비점수차렌즈(21)는 일정한 각을 이루고 배치되는데, 도 8에 도시한 바와 같이 결상수단의 2차원 배열의 방향과 45도의 각도로 타원의 장축이 형성되도록 배치하면 된다.

즉, 비점수차렌즈(21)를 통과한 영상이 도 8에 도시한 바와 같이 결상수단(20)에 구성된 셀들 사이에 배열되어야 후술하는 방법에 의해 측정대상물과 렌즈 사이의 거리를 계산할 수 있으며, 영상이 도 10에 도시한 바와 같이, 셀들 사이에 맺히면 거리의 계산이 어려워지기 때문이다.

상기 결상수단(20)과 비점수차렌즈(21) 사이의 각은 비점수차렌즈를 구성하는 두 개의 실린더렌즈(21a, 21b)의 정렬 상태에 따라 달라질 수 있고 통상적으로 45도 또는 0 도의 각으로 배치된다.

상기 비점수차렌즈(21)는 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 수직실린더렌즈(21a)와 수평실린더렌즈(21b)로 분리하여 구성하거나 도시하지는 않았으나 일체로 구성될 수도 있다.

상기와 같이 구성된 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치는 상기 측정대상물(90)로부터 반사되는 빛을 보다 용이하게 감지할 수 있게 하기 위해 조명부(1)와 감지부(2)가 서로 다른 방향에 설치되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 조명부(1)와 감지부(2)가 일직선상에 구성될 경우 두 구성요소가 서로 기구적으로 간섭을 하여 조명부로부터 조사된 빛이 감지부에 의해 가려지거나 감지부로 입사되는 측정대상물의 영상이 조명부에 의해 가려질 수 있기 때문이다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 조명부(1)는 측정대상물(90)의 일 측부에 설치되고, 감지부(2)는 측정대상물의 정면에 설치되어 있으며, 이렇게 구성된 장치에서 조명부(1)로부터 조사되는 빛이 측정대상물(90)로 조사되게 하기 위한 수단으로 광분할기(80)가 설치되어 있다.

상기 광분할기(80)는 상기 조명부(1)와 측정대상물(90) 사이에 설치되어 조명부(1)로부터 조사된 빛을 측정대상물(90)로 반사시키고, 측정대상물(90)에 의해 반사된 빛을 결상수단(20) 방향으로 투과시키는 역할을 한다.

위와 같이 구성된 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치의 상기 마스크(11)와 광분할기(80) 사이에는 광원으로부터 조사된 빛이 측정대상물(90)의 전면에 고르게 조사되어야 하며 이렇게 빛이 수평으로 평행하게 조사되게 하기 위해 시준렌즈(12)가 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 장치에서 측정대상물(90)로부터 반사되어 결상수단(20)에 입사되는 빛의 상은 도 9에 도시한 바와 같은 원리에 의해 이루어진다.

즉, 측정대상물(90)에는 상기 마스크(11)를 통과한 여러 점의 빛이 결상되고 이렇게 결상된 빛은 측정대상물(90)에 의해 반사되고, 비점수차렌즈(21)를 통과하여 결상수단(20)에 다수의 상으로 맺혀지게 되며, 이렇게 결상수단(20)에 맺혀지는 상의 타원도는 측정대상물(90)과 렌즈(91) 사이의 거리에 따라 달라지게 된다.

즉, 도 8에 도시한 바와 같이 진원형 또는 타원형의 영상이 맺혀지고 이 상의 형상으로부터 초점오차신호를 계산하여 측정대상물의 해당 점의 높이를 측정할 수 있는 것이다.

이렇게 오차신호를 감지하는 방법은 아래의 수학식1에 의해 이루어질 수 있다.

[수학식1]

여기서 A, B, C, D는 도 9에 도시한 4개의 픽셀, 또는 하나의 광점에 할당된 픽셀군(群)의 각 사분면에서 감지된 빛의 밝기에 따른 전압값 또는 전류값이다.

상기한 바와 같이 구해진 초점오차신호(FES)로부터 측정대상물과 렌즈 사이의 거리를 계산할 수 있는 것이다.

도 5에 도시한 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 물체와 렌즈 사이의 거리와 비례하는 오차신호 영역인 측정 영역은 일정한 기울기(S)를 갖고 있다.

[수학식2]
FES=거리×S
[수학식3]

따라서, 비점수차를 이용한 측정장치의 초점오차신호의 기울기 S를 알면 물체상의 임의의 점에 대한 초점오차신호인 오차신호(FES)를 측정함으로써 수학식2와 수학식3을 이용하여 그 점의 높이를 알 수 있게 되는 것이다.

렌즈와 측정대상물 사이의 거리와 오차신호와의 관계, 즉 초점오차신호곡선의 기울기(S)는 평평한 측정대상물을 결상수단을 향해 알고 있는 간격으로 일정하게 이동시키면서 이때 발생되는 오차신호를 감지함으로써 확인할 수 있으며, 도 5에 도시한 바와 같이 거리에 비례하여 증가하거나 감소하는 측정영역을 이용하여 측정대상물의 형상 즉, 측정대상물의 표면과 렌즈 사이의 거리를 측정할 수 있는 것이다.

1 : 조명부
10 : 광원 11 : 마스크 12 : 시준렌즈
2 : 감지부
20 : 결상수단
21 : 비점수차렌즈
21a : 수직실린더렌즈 21b : 수평실린더렌즈
80 : 광분할기
90 : 측정대상물 91 : 대물렌즈

Claims (7)

1. 빛을 조사하는 광원(10)과, 상기 광원(10)으로부터 조사된 빛을 다점으로 통과시키는 다수의 구멍이 2차원 배열로 형성된 마스크(11)를 포함하여 구성되어 측정대상물(90)에 다점광을 제공하는 조명부(1)와; 상기 측정대상물(90)로부터 반사된 빛이 맺히는 결상수단(20)과, 상기 결상수단(20)과 측정 대상물 사이에 설치된 비점수차렌즈(21)를 포함하여 구성되되;
   상기 결상수단(20)은 CCD카메라 또는 4분할 광검출기의 2차원 배열이며, 상기 결상수단(20)에 결상되는 타원형태의 광점의 장축방향은 CCD카메라의 픽셀의 배열방향 또는 4분할광검출기의 구분축 방향과 45도의 각도를 이루고,
   하기 수학식1에 의해 측정대상물과 렌즈 사이의 초점오차신호(FES)를 계산하고, 하기 수학식2와 수학식3의 오차신호영역 기울기(S)를 대입하여 물체와 렌즈사이의 거리를 계산하여 광점이 형성된 측정대상물 구역의 높이를 측정해 다점광이 맺히는 2차원 영역에서의 3차원 미세형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치.
   [수학식1]
   

   

   
   (A,B,C,D는 하나의 광점에 할당된 4분면인 4개 픽셀
   A와C 및 B와D는 각각 동일축상의 대칭된 픽셀)
   [수학식2]
   FES=거리×S
   (S는 오차신호영역의 기울기)
   [수학식3]
   

   

   
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 비점수차렌즈(21)는 수직실린더렌즈(21a)와 수평실린더렌즈(21b)로 구성됨을 특징으로 하는 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 수직실린더렌즈(21a)와 수평실린더렌즈(21b)는 일체로 구성됨을 특징으로 하는 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 조명부(1)와 측정대상물(90) 사이에는 조명부(1)로부터 조사된 빛을 측정대상물로 결상시키고, 측정대상물에 의해 반사된 빛을 결상수단(20) 방향으로 투과시키는 광분할기(80)가 더 설치됨을 특징으로 하는 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 마스크(11)와 광분할기(80) 사이에는 광원으로부터 조사된 빛을 평행광으로 형성시키는 시준렌즈(12)가 설치됨을 특징으로 하는 비점수차 렌즈를 이용한 형상측정장치.
   

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