KR101160804B1 - 광학식 표면 형상 측정 방법 - Google Patents

광학식 표면 형상 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용한 광학식 표면 형상 측정 방법에 관한 것이다. 상기 광학식 표면 형상 측정 방법은, (a) 패브리 페롯 공진계로 전압을 인가하지 않은 상태에서 패브리 페롯 공진계로부터 출사되어 기준면(여기서, 기준면은 상기 패브리 페롯 공진계의 출사면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된 평탄한 면인 것을 특징으로 함)에 투영된 간섭 패턴을 촬상하여 기준 간섭 패턴으로 저장하는 단계; (b) 패브리 페롯 공진계로 전압을 인가하지 않은 상태에서 패브리 페롯 공진계로부터 측정 대상물의 표면으로 기준 간섭 패턴을 주사하고, 상기 측정 대상물의표면에 투영된 간섭 패턴을 촬상하는 단계; (c) 상기 투영된 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴을 비교하여, 상기 투영된 간섭 패턴에서 상기 기준 간섭 패턴과 다른 왜곡 영역들을 검출하는 단계; (d) 상기 검출된 왜곡 영역들에 대하여 상기 투영된 간섭 패턴과 상기 기준 간섭 패턴과의 차이값들을 구하는 단계; (e) 상기 차이값들을 이용하여 각 왜곡 영역들에 대한 높이를 계산하는 단계; (f) 각 왜곡 영역들에 대하여 계산된 높이들에 따라 측정 대상물의 표면의 형상을 추출하는 단계;를 구비한다.

Description

광학식 표면 형상 측정 방법{Method for detecting of optical surface profilometer}
본 발명은 광학식 표면 형상 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계(Fabry Perot Resonator)를 이용하여 동적 간섭 패턴을 생성하고 동적 간섭 패턴을 이용하여 측정 대상물(object)의 표면에 대한 3차원 형상을 측정하는 표면 형상 측정 방법에 관한 것이다.
3차원 표면 형상측정장치(3D Surface Profilometer)는 측정 대상물(Object)의 표면의 정확한 깊이 프로파일(Depth profile)을 측정하는 장비로서, 산업현장의 검사 장비 및 의료 진단 장비 등에 사용되고 있다. 특히, 광학식 표면 형상측정장치(Optical Surface Profilometer)는 측정 대상물의 표면에 대한 3차원 형상 정보인 프로파일(profile)을 비접촉 및 비파괴 방식으로 측정하는 광학 장비이다. 도 1은 종래의 광학식 표면 형상측정장치를 전체적으로 도시한 블록도이며, 도 2는 일반적인 광학식 표면 형상측정 장치가 측정 대상물에 대한 3차원 표면 맵을 획득하는 과정을 순차적으로 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전술한 광학식 표면 형상 측정 장치는 측정 대상물의 표면으로 프린지 패턴을 주사하고(도2의 (a)),왜곡(distortion) 정도를 분석함으로써(도 2의 (b),(c)), 측정 대상물의 3차원 표면 2맵(surface map)을 얻게 된다(도 2의 (d)).
도 3은 종래의 광학식 표면 형상측정 장치로부터 주사되는 프린지 패턴들(a) 및 측정 대상물의 표면에서 촬상된 프린지 패턴들(b)을 예시적으로 도시한 그림이다. 이러한 광학식 표면 형상측정 장치들은 프린지 패턴들의 주기성으로 인한 2π 모호성의 문제점을 갖는다. 즉, 측정 대상물의 표면의 단차가 프린지 패턴의 1 주기인 2π보다 큰 경우 정확한 측정이 어려운 문제점을 갖는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 방법들이 제안되고 있다. 이들 방법 중에서 가장 대표적인 방법은 주사하는 패턴의 위상을 변화시켜 그 영상들을 분석함으로써 형상을 얻어내는 방법이다. 그런데, 이 방법을 사용할 경우 물체의 형상 변화는 정확하게 알아낼 수 있었지만, 다중 광학 패턴을 형성하기 위하여 하드웨어 장치들을 추가적으로 구비하여야 되므로 장비의 크기가 크고 비용이 증대될 뿐만 아니라, 3차원 형상들을 비교하여야 되므로 영상 처리 시간이 길어지는 문제점들을 내포하고 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용하여 동적 간섭 패턴을 생성하여 주사하여 측정 대상물의 표면을 스캐닝하는 광학식 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용하여 그레이 레벨(Gray Level)을 갖는 간섭 패턴을 생성하여 주사하여 측정 대상물의 표면을 측정할 수 있는 광학식 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 구성의 광학식 표면 형상 측정 장치들을 이용하여 측정 대상물의 표면에 대하여 보다 정확한 표면 프로파일을 추출하는 표면 형상 측정 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징은 광학식 표면 형상 측정 장치에 관한 것으로서, 상기 광학식 표면 형상 측정 장치는, 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계; 상기 패브리 페롯 공진계로 간섭성을 갖는 광을 제공하는 광원; 상기 패브리 페롯 공진계의 간섭 패턴 출사면에 배치되는 볼록 렌즈;를 구비하여, 상기 광원으로부터 제공되는 간섭성을 갖는 광은 패브리 페롯 공진계로 입사되고, 광이 입사됨에 따라 상기 패브리 페롯 공진계는 공진 모드에 의해 생성되는 간섭 패턴을 출사하며, 상기 간섭 패턴은 동일한 중심을 갖는 다수 개의 원형의 프린지들(fringes)이 비선형적으로 배치되어 구성된다.
전술한 제1 특징에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치에 있어서, 상기 패브리 페롯 공진계(Fabry Perot Resonator)는, 액정층; 상기 액정층의 제1 측면에 배치되는 제1 수직 배향막, 제1 투명 전극층, 제1 유전 반사막 및 제1 기판; 상기 액정층의 제1 측면과 마주보는 상기 액정층의 제2 측면에 배치되는 제2 수직 배향막, 제2 투명 전극층, 제2 유전 반사막 및 제2 기판; 을 구비하고,
상기 제1 유전 반사막과 상기 제2 유전 반사막의 사이에 액정층, 제1 수직 배향막 및 제2 수직 배향막이 배치되고, 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나가 배치되며, 상기 제1 유전 반사막과 상기 제2 유전 반사막과의 이격 거리는 광학식 표면 형상 측정 장치에서 요구되는 해상도 또는 간섭 패턴의 프린지들의 선폭(Line Width)에 따라 결정되는 것이 더욱 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치에 있어서, 상기 패브리 페롯 공진계로 가변 전압을 인가하는 전원 공급부, 및 광원과 패브리 페롯 공진계의 사이에 배치된 편광판을 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 특징은 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용한 표면 형상 측정 장치에서의 표면 형상 측정 방법에 관한 것으로서, (a) 패브리 페롯 공진계로 전압을 인가하지 않은 상태에서 패브리 페롯 공진계로부터 출사되어 기준면(여기서, 기준면은 상기 패브리 페롯 공진계의 출사면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된 평탄한 면인 것을 특징으로 함)에 투영된 간섭 패턴을 촬상하여 기준 간섭 패턴으로 저장하는 단계; (b) 패브리 페롯 공진계로 전압을 인가하지 않은 상태에서 패브리 페롯 공진계로부터 측정 대상물의 표면으로 기준 간섭 패턴을 주사하고, 상기 측정 대상물의표면에 투영된 간섭 패턴을 촬상하는 단계; (c) 상기 투영된 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴을 비교하여, 상기 투영된 간섭 패턴에서 상기 기준 간섭 패턴과 다른 왜곡 영역들을 검출하는 단계; (d) 상기 검출된 왜곡 영역들에 대하여 상기 투영된 간섭 패턴과 상기 기준 간섭 패턴과의 차이값들을 구하는 단계; (e) 상기 차이값들을 이용하여 각 왜곡 영역들에 대한 높이를 계산하는 단계; (f) 각 왜곡 영역들에 대하여 계산된 높이들에 따라 측정 대상물의 표면의 형상을 추출하는 단계;를 구비한다.
본 발명의 제3 특징은 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용한 표면 형상 측정 장치에서의 표면 형상 측정 방법에 관한 것으로서, (a) 패브리 페롯 공진계로 다수 개의 전압을 순차적으로 인가시키면서, 각 인가전압에 대하여 패브리 페롯 공진계로부터 출사되어 기준면(여기서, 기준면은 상기 패브리 페롯 공진계의 출사면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된 평탄한 면인 것을 특징으로 함)에 투영된 동적 간섭 패턴들을 촬상하여 각 인가전압에 대한 기준 간섭 패턴들로 저장하는 단계; (b) 패브리 페롯 공진계로 다수 개의 전압을 순차적으로 인가시켜 패브리 페롯 공진계로부터 측정 대상물의 표면으로 기준 간섭 패턴을 순차적으로 주사하고, 각 인가 전압에 따라 상기 측정 대상물의 표면에 투영된 간섭 패턴들을 순차적으로 촬상하는 단계; (c) 각 인가 전압에 대하여 상기 투영된 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴을 비교하여, 상기 투영된 간섭 패턴에서 상기 기준 간섭 패턴과 다른 왜곡 영역들을 검출하는 단계; (d) 각 인가 전압에 대하여 상기 검출된 왜곡 영역들에 대하여 상기 투영된 간섭 패턴과 상기 기준 간섭 패턴과의 차이값들을 구하는 단계; (e) 각 인가 전압에 대하여 상기 차이값들을 이용하여 각 왜곡 영역들에 대한 높이를 계산하는 단계; (f) 각 왜곡 영역들에 대하여 계산된 높이들에 따라 측정 대상물의 표면의 형상을 추출하는 단계;를 구비하여 측정 대상물의 표면을 스캐닝한다.
전술한 제2 및 제3 특징에 따른 표면 형상 측정 방법에 있어서, 각 왜곡 영역들에 대한 높이를 계산하는 단계(h)는 아래의 식에 의해 계산되는 것이 바람직하다.
Figure 112011058204319-pat00001
여기서,
Figure 112011058204319-pat00002
이며,
Figure 112011058204319-pat00003
는 기준 간섭 패턴의 직경이며,
Figure 112011058204319-pat00004
는 투영된 간섭 패턴의 직경이며, f 는 볼록렌즈의 초점거리임.
본 발명에 따른 형상 측정 장치는 단일의 광원빔과 단일의 셀 소자로 이루어지는 패브리 페롯 공진계를 이용하여 동적 간섭 패턴들을 생성하므로, 적은 비용으로 소형화 제작이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 형상 측정 장치는 측정 대상물의 표면의 손상이나 파괴없이 패브리 페롯 공진계와 액정층의 광전효과(Electro-optic effect)를 이용하므로, 신속한 측정이 가능하다. 이러한 특징을 갖는 본 발명에 따른 형상 측정 장치는 의료 영상 분야에 널리 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 광학식 표면 형상측정장치를 전체적으로 도시한 블록도이며, 도 2는 일반적인 광학식 표면 형상측정 장치가 측정 대상물에 대한 3차원 표면 맵을 획득하는 과정을 순차적으로 도시한 것이다.
도 3은 종래의 광학식 표면 형상측정 장치로부터 주사되는 프린지 패턴들(a) 및 측정 대상물의 표면에서 촬상된 프린지 패턴들(b)을 예시적으로 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치의 구조를 전체적으로 도시한 구성도이며, 도 5는 도 4의 패브리 페롯 공진계(410)를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치에 있어서, 인가된 전압들(2.4Volt, 2.8Volt, 3.2Volt)에 따라 생성되는 간섭 패턴들을 촬상한 영상들이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐닝 방식의 형상 측정 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴의 차이값을 통해 측정 대상물의 해당 위치에서의 높이를 계산하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 그림이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 방식의 형상 측정 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 10은 액정층의 유효 굴절율(n eff )과 간섭 패턴의 직경(Diameter)과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따라 측정 대상물의 표면의 단차에 따른 간섭 패턴의 변화를 설명하기 위하여 도시한 그림이다.
제1 실시예 : 광학식 표면 형상 측정 장치
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치의 구조 및 동작을 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치는 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용하여 동일한 중심을 갖는 원형의 프린지(fringe)들로 구성되는 간섭 패턴을 주사하며, 상기 패브리 페롯 공진계의 공진 조건을 변화시켜 프린지 패턴의 이동을 유도함으로써 동적 간섭패턴을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치의 구조를 전체적으로 도시한 구성도이며, 도 5는 패브리 페롯 공진계(410)를 도시한 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치(40)는 광원(400), 패브리 페롯 공진계(410), 볼록렌즈(450) 및 편광판(460)를 포함하며, 상기 광원(400)으로부터 조사된 광은 패브리 페롯 공진계(410)에 의해 간섭 패턴(a)이 생성되어 볼록렌즈의 전면으로 출사하게 된다. 상기 간섭 패턴(a)은 동일한 중심을 갖는 다수 개의 원형의 프린지들(fringes)로 구성되며, 각 프린지들은 비주기적으로 형성된다.
상기 광원(400)은 간섭성을 갖는 광을 제공하는 광원으로서, 레이저(LASER) 등이 사용될 수 있다.
상기 편광판(460)은 상기 광원과 상기 패브리 페롯 공진계의 사이에 배치되어, 상기 광원으로부터 출사되어 상기 패브리 페롯 공진계로 입사되는 광의 광축을 결정하게 된다.
상기 볼록 렌즈(450)는 패브리 페롯 공진계의 간섭 패턴이 출사되는 면에 배치되며, 상기 볼록 렌즈의 초점 거리(focus length)를 조정하여 측정하고자 하는 측정 대상물의 패턴 조사 영역을 결정하게 된다. 또한, 볼록 렌즈의 초점 거리에 따라 스캐닝에 의한 샘플링 횟수도 결정된다. 볼록 렌즈는 공진계를 지난 후 발산되는 간섭 패턴을 시준(collimate)함으로써, 간섭패턴의 밝기 그리고 간섭 패턴을 선명하게 만들어 준다.
상기 패브리 페롯 공진계(410)는 서로 마주보는 제1 측면과 제2 측면을 갖는 액정층(412), 상기 액정층의 제1 측면에 배치되는 제1 수직 배향막(424), 제1 유전 반사막(422), 제1 투명 전극층(420) 및 제1 기판(426), 상기 액정층의 제2 측면에 배치되는 제2 수직 배향막(434), 제2 유전 반사막(432), 제2 투명 전극층(430) 및 제2 기판(436), 스페이서(440)을 구비한다.
전술한 구성을 갖는 패브리 페롯 공진계의 공진 모드 조건은 광경로 길이들에 의해 결정되기 때문에, 패브리 페롯 공진계의 내부에서 발생되는 간섭들에 의해 평탄한 면에 투영된 간섭 패턴이 형성된다. 이때 간섭 패턴은 동일한 중심을 갖는 원형의 패턴을 가지게 된다. 그리고, 전술한 구성을 갖는 패브리 페롯 공진계의 공진 모드 조건은 액정층의 유효 굴절율을 조절하여 전기적으로 제어할 수 있게 된다. 따라서, 패브리 페롯 공진계로부터 주사되는 간섭 패턴은 간섭 패턴을 구성하는 프린지의 직경들이 증가함에 따라 변하게 된다.
상기 액정층(412)은 양 측면에 제1 수직 배향막 및 제2 수직 배향막이 배치되고, 제1 수직 배향막과 제2 수직 배향막의 양 단부에 일정한 길이를 갖는 스페이서들(spacers;440)을 배치함으로써 액정층이 스페이서의 길이 만큼의 두께를 갖게 된다. 따라서, 상기 액정층은 제1 및 제2 수직 배향막과 스페이서들에 의하여 밀봉되며, 그 내부에 액정들로 채워지게 된다.
상기 액정층(412)은 전기장에 반응하여 방향자의 배향 방향이 변하는 모든 종류의 액정이 사용 가능하나, 본 발명에서는 네마틱(nematic) 액정을 사용한다. 상기 네마틱 액정은 유전 이방성을 가지는 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2 수직 배향막의 사이에 액정이 채워져 형성되는 것이 바람직하며, 상기 액정의 굴절율(n 0 )은 1.4747이며, 유효 굴절율(n e )은 1.5571이다. 액정층(412)의 응답 시간(response time)을 짧게 하기 위하여, 상기 액정층의 두께(d LC )는 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 수 ㎛으로 형성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 기판(426, 436)은 전기장에 의해 영향을 받지 않는 수백 ㎛의 유리 기판(d g )으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 수직 배향막(424, 434)은 서로 평행하지 않는 방향으로 기계적으로 러빙(rubbing)된다.
상기 제1 투명 전극층(420) 및 제2 투명 전극층(430)은 액정층으로 전압을 인가하는 투명 전극들로서, 상기 제1 수직 배향막과 제2 수직 배향막의 일 측면에 각각 배치된다. 상기 제1 투명 전극층과 제2 투명 전극층은 전기적으로 전도체이면서 동시에 가시광선에서 투명한 성질을 갖는 투명성 산화 전극 재료들이 사용되는데, 그 예로서 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin Oxide), ATO(Antimony-doped Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), 산화인듐(Indium Oxide), 산화 아연(Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), 산화카드뮴(Cadmium Oxide), 인 도핑-산화 주석(phosphorus-doped tin oxide), 산화루데늄(Ruthenium Oxide), 그리고 알루미늄 도핑-산화아연(aluminum-doped zinc oxide) 등이다. 특히, ITO 박막은 전술한 투명성 산화 전극 재료 중에서 가장 일반적으로 사용된다.
상기 제1 투명 전극층 및 제2 투명 전극층을 통해 상기 액정층으로 전압을 인가하여 액정층의 굴절률을 변화시킴으로써, 패브리 페롯 공진계의 공진 조건을 변화시킬 수 있게 된다.
상기 제1 유전 반사막(422)과 제2 유전 반사막(432)의 간격(d)이 넓을수록 간섭 패턴의 각 프린지(fringe)의 선폭(line width)이 얇게 형성되므로, 표면 형상 측정 장치의 해상도가 증가하게 된다. 따라서, 제1 유전 반사막과 제2 유전 반사막의 사이에 제1 및 제2 전극층, 액정층, 제1 및 제2 수직 배향막을 배치하고, 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나 이상을 배치하여, 제1 유전 반사막과 제2 유전 반사막의 간격을 넓게 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 유전 반사막과 제2 유전 반사막의 반사도(reflection)를 95% 이상을 유지하도록 하여, 도 6의 (b)와 같이 좁은 선폭(line width)를 갖는 프린지들로 이루어지는 간섭 패턴들을 형성하게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치는 제1 유전 반사막과 제2 유전 반사막의 반사도(reflection)를 50% 이하를 유지하도록 하여, 도 6의 (a)와 같이 넓은 선폭(line width)를 갖는 프린지들로 이루어지는 간섭 패턴들을 형성하게 된다.
전술한 구성을 갖는 표면 형상 측정 장치에 있어서, 패브리 페롯 공진계에 전압이 인가되지 않은 상태에서 간섭성이 있는 광원의 빔이 패브리 페롯 공진계로 입사되면, 간섭 패턴이 생성되어 주사된다. 상기 간섭 패턴은 동일한 중심을 갖는 원형의 프린지들이 비주기적으로 배치되어 구성된다(nonperiodic concentric circular interference patterns).
한편, 패브리 페롯 공진계에 전압을 인가하면 액정층의 유효 굴절율이 변하게 되어 패브리 페롯 공진계의 공진 모드 조건도 함께 변하게 된다. 이와 같이 패브리 페롯 공진계에 대한 공진 모드 조건이 변함에 따라 간섭 패턴을 구성하는 원형의 프린지(fringe)들의 반경(R1)이 변하게 된다. 도 6은 인가된 전압들(2.4Volt, 2.8Volt, 3.2Volt)에 따라 생성되는 간섭 패턴들을 촬상한 영상들이다. 도 6을 참조하면, 패브리 페롯 공진계에 인가되는 전압이 증가함에 따라 간섭 패턴을 구성하는 원형의 프린지들의 반경이 증가함을 알 수 있다.
제2 실시예 : 스캐닝 방식의 표면 형상 측정 방법
이하, 전술한 구성을 갖는 표면 형상 측정 장치를 이용하여 제2 실시예의 3차원 표면에 대한 형상 측정 방법을 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 표면 형상 측정 방법은 패브리 페롯 공진계의 유전 반사막의 반사도가 95%이상이 되도록 하여 간섭 패턴의 원형 프린지들이 좁은 선폭을 갖는 표면 형상 측정 장치에 적용된다. 따라서, 본 실시예에 따른 형상 측정 방법은 패브리 페롯 공진계로 순차적으로 증가되는 전압을 인가하여 동적 간섭 패턴을 순차적으로 주사하고, 측정 대상물의 표면에 투영된 동적 간섭 패턴들(dynamic interference patterns)을 순차적으로 촬상하여 측정 대상물의 표면을 스캐닝하고, 상기 투영된 간섭 패턴들의 왜곡 정도를 측정하여 측정 대상물의 표면의 형상을 측정하게 된다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐닝 방식의 형상 측정 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 사전에, 단위 전압만큼 순차적으로 증가하는 다수 개의 인가 전압들에 대한 기준 간섭 패턴들 및 전압이 인가되지 않은 상태의 기준 간섭 패턴을 촬상하여 저장 및 관리한다(단계 600). 각 인가 전압에 대한 기준 간섭 패턴들을 얻는 과정을 구체적으로 살펴 보면 다음과 같다. 패브리 페롯 공진계의 액정층에 기준 전압을 인가하거나 사전에 설정된 단위 전압을 증가시킨 전압을 순차적으로 인가시키면서, 각 인가 전압에 대하여 패브리 페롯 공진계로부터 일정 거리 이격된 평탄한 기준면에 투영된 간섭 패턴들을 촬상하여 각 인가 전압에 대응되는 기준 간섭 패턴들을 저장하게 된다. 이때 단위 전압의 크기는 표면 형상 측정 장치가 응용되는 분야에서 요구되는 해상도에 따라 결정되는데, 요구되는 해상도가 높아질수록 단위 전압의 크기는 감소하게 된다. 이하, 본 명세서에서의 설명을 용이하게 하기 위하여, 상기 패브리 페롯 공진계로부터 출사된 간섭 패턴은 '기준 간섭 패턴(the reference interference pattern)'이라 칭하고, 측정 대상물의 표면을 촬상하여 얻은 간섭 패턴은 '투영 간섭 패턴(the projected interference pattern) '이라 칭한다.
측정 대상물의 표면을 측정하고자 하는 경우, 먼저 패브리 페롯 공진계의 액정층에 전압을 인가하지 않거나 사전에 설정된 기준 전압 이하의 전압을 인가하여 측정 대상물의 표면으로 기준 간섭 패턴을 주사한다(단계 610). 다음, 측정 대상물의 표면에 투영된 간섭 패턴의 영상을 촬상한다(단계 620).
다음, 상기 촬상된 영상으로부터 획득한 투영 간섭 패턴과 패브리 페롯 공진계로부터 출사된 기준 간섭 패턴을 비교하여, 투영 간섭 패턴에서 기준 간섭 패턴과 서로 다른 왜곡 영역들을 검출한다(단계 622). 다음, 각 왜곡 영역들에 대하여, 상기 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴의 차이값을 검출하고(단계 630), 상기 차이값을 이용하여 측정 대상물의 간섭 패턴이 투영된 위치에서의 높이를 추출한다(단계 640).
이하, 도 8을 참조하여 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴의 차이값을 이용하여 측정 대상물의 표면의 높이를 계산하는 과정을 구체적으로 설명한다. 도 8은 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴의 차이값을 통해 측정 대상물의 해당 위치에서의 높이를 계산하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 그림이다. 측정 대상물의 표면의 위치에 따라 높이가 서로 다른 경우, 측정 대상물의 위치에 따라 투영되는 간섭 패턴의 직경이 변하게 된다. 따라서, 측정 대상물의 특정 영역이 기준면보다 일정 높이(h)의 단차가 있는 경우, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 측정 대상물의 표면에 투영된 간섭 패턴들의 직경이 기준 간섭 패턴의 직경과 달라지게 된다. 도 8의 (b)는 간섭 패턴들의 반경의 차이에 따른 단차의 높이(h)를 도식화한 것이다. 따라서, 측정 대상물의 특정 위치에 존재하는 단차의 높이(h)는 수학식 1과 같이 기준 간섭 패턴과 투영 간섭 패턴의 차이값을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112011058204319-pat00005
여기서,
Figure 112011058204319-pat00006
이며,
Figure 112011058204319-pat00007
는 기준 간섭 패턴의 직경이며,
Figure 112011058204319-pat00008
는 투영된 간섭 패턴의 직경이며, f는 뒷 볼록 렌즈의 focal length이다.
다음, 패브리 페롯 공진계의 인가 전압을 사전에 설정된 단위 전압만큼 순차적으로 증가시키면서, 매 인가전압에 대하여 전술한 단계 620 내지 단계 640을 반복적으로 수행함으로써, 측정 대상물의 표면을 스캐닝하게 된다(단계 650). 이 경우, 패브리 페롯 공진계에 인가되는 전압을 순차적으로 증가시킴에 따라 액정층의 유효 굴절율이 각 인가 전압에 대하여 변화하게 되고, 그 결과 투영된 간섭 패턴을 구성하는 각 원형의 프린지(fringe)들이 간섭 패턴의 중심으로부터 바깥쪽으로 이동하게 되어 각 프린지들의 직경이 증가하게 된다. 따라서, 상기 단위 전압의 크기를 작게 설정할수록 스캐닝되는 표면에 대한 투영 간섭 패턴의 해상도가 향상된다.
한편, 도 10은 액정층의 유효 굴절율(n eff )과 간섭 패턴의 직경(Diameter)과의 관계를 도시한 그래프이다. 액정층에 인가되는 전압이 증가하면 액정층의 유효 굴절율도 인가 전압의 증가에 비례하여 증가된다. 따라서, 도 10을 참조하면 패브리 페롯 공진계에 인가되는 전압이 증가함에 따라 간섭 패턴을 구성하는 프린지들의 직경이 증가하게 됨을 알 수 있다. 도 10에 도시된 p는 각 간섭 패턴의 프린지의 차수(order)를 의미한다. 도 10을 통해, 프린지의 직경이 증가되는 현상은 전압이 증가함에 따라 주기적으로 반복됨을 알 수 있다. 따라서, 한 주기에 해당하는 전압이 증가한 상태의 간섭 패턴은 전압이 인가되지 않은 상태의 간섭 패턴과 일치하게 된다. 따라서, 증가된 전압이 인가된 상태의 간섭 패턴의 프린지들이 직경이 인가되지 않은 상태의 간섭 패턴의 프린지들의 일부와 일치하게 되면(단계 660), 스캐닝 작업을 종료한다. 수학식1의 직경(Dp,measure)은 도 11에서는 측정된 반지름(Rp,measure)으로 표시되었으며, 기준 반지름(Rp , reference)에 의해 정해진 거리보다 도 11에서와 같이 단차가 존재하게 되면 △Rp만큼 생성되는 프린지 패턴의 거리가 차이나게 된다. 이러한 값을 수학식 1에 대입시켜서 구하게 되면 단차 정보(h)를 알 수가 있으며, 도 11에서 첫 번째 링이 △R1의 거리 차이에 의한 값을 계산한 단차와 두 번째 링의 △R2값의 거리차이에 의해 계산한 단차는 단차 크기가 1 mm로 동일하며, 세 번째 링의 △R3로부터 계산된 단차 크기를 구한 값은 4 mm의 단차를 가지게 된다. 그리고 링이 존재하는 지역에만 단차 정보를 알 수 있기 때문에 전압을 변화시켜 링의 이동을 통해서 위치별로 단차 정보를 구할 수 있는 것이 그림 11의 (c)이다.
전술한 과정으로 이루어지는 본 실시예에 따른 표면 형상 측정 방법은 측정 대상물의 표면을 스캐닝하여 표면에 대한 3차원 형상을 정확하게 측정한다.
제3 실시예 : 단일 주사 방식의 표면 형상 측정 방법
이하, 전술한 구성을 갖는 제1 실시예에 따른 표면 형상 측정 장치를 이용하여 3차원 표면에 대한 형상 측정 방법을 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 표면 형상 측정 방법은 패브리 페롯 공진계의 유전 반사막의 반사도가 50%이하가 되도록 하여 간섭 패턴의 원형 프린지들이 넓은 선폭을 갖는 표면 형상 측정 장치에 적용된다. 따라서, 본 실시예에 따른 형상 측정 방법은 패브리 페롯 공진계로 기준 전압을 인가하거나 전압 인가하지 않은 상태에서 기준 간섭 패턴을 주사하고, 기준 간섭 패턴이 측정 대상물의 표면에 투영된 간섭 패턴을 촬상하고, 상기 투영된 간섭 패턴의 왜곡 정도를 측정하여 측정 대상물의 표면의 형상을 측정하게 된다. Fabry-perot 에 의해 나타나는 패턴은 일반적으로 airy함수 형태로 나타나게 되나, 반사율이 낮아지게 되면, sin 함수 또는 cos함수 형태와 비슷하게 나타나게 된다. 따라서, 본 실시예에 따른 방법은 간섭 패턴이 주기를 갖는 선폭이 되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 방식의 형상 측정 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 사전에, 패브리 페롯 공진계로 전압을 인가하지 않거나 사전에 설정된 기준 전압이 인가된 상태에서 평탄한 기준면에투영된 간섭 패턴을 촬상하여 기준 간섭 패턴으로 저장 및 관리한다(단계 800).
다음, 상기 촬상된 영상으로부터 획득한 투영 간섭 패턴과 패브리 페롯 공진계로부터 출사된 기준 간섭 패턴을 비교하여, 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴이 서로 다른 왜곡 영역들을 검출하고(단계 810), 검출된 왜곡 영역들에서의 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴의 차이값을 검출하고(단계 820), 상기 차이값을 이용하여 측정 대상물의 간섭 패턴이 투영된 위치에서의 높이를 계산한다(단계 830). 이때, 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴의 차이값을 이용하여 기준면으로부터의 높이를 계산하는 방법은 전술한 제2 실시예에서의 그것과 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.
본 실시예에 의하여, 기준 간섭 패턴을 한 번만 주사하고 측정 대상물의 표면에 투영된 간섭 패턴을 한번만 촬상함으로써, 측정 대상물의 표면의 형상을 측정할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 광학식 표면 형상 측정 장치 및 방법은 의료 영상 소자 및 시험 분석 시스템에 널리 사용될 수 있다.
40 : 광학식 표면 형상 측정 장치
400 : 광원
410 : 패브리 페롯 공진계
450 : 볼록렌즈
460 : 편광판
412 : 액정층
424 : 제1 수직 배향막
422 : 제1 유전 반사막
420 : 제1 투명 전극층
426 : 제1 기판
434 : 제2 수직 배향막
432 : 제2 유전 반사막
430 : 제2 투명 전극층
436 : 제2 기판
440 : 스페이서

Claims (6)

  1. 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용한 표면 형상 측정 장치에서의 표면 형상 측정 방법에 있어서,
    (a) 패브리 페롯 공진계로 전압을 인가하지 않은 상태에서 패브리 페롯 공진계로부터 출사되어 기준면에 투영된 간섭 패턴을 촬상하여 기준 간섭 패턴으로 저장하는 단계;
    (b) 패브리 페롯 공진계로 전압을 인가하지 않은 상태에서 패브리 페롯 공진계로부터 측정 대상물의 표면으로 기준 간섭 패턴을 주사하고, 상기 측정 대상물의표면에 투영된 투영 간섭 패턴을 촬상하는 단계;
    (c) 상기 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴을 비교하여, 상기 투영 간섭 패턴에서 상기 기준 간섭 패턴과 다른 왜곡 영역들을 검출하는 단계;
    (d) 상기 검출된 왜곡 영역들에 대하여 상기 투영 간섭 패턴과 상기 기준 간섭 패턴과의 차이값들을 구하는 단계;
    (e) 상기 차이값들을 이용하여 각 왜곡 영역들에 대한 높이를 계산하는 단계;
    (f) 각 왜곡 영역들에 대하여 계산된 높이들에 따라 측정 대상물의 표면의 형상을 추출하는 단계;
    를 구비하고,
    상기 기준면은 상기 패브리 페롯 공진계의 출사면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된 평탄한 면인 것을 특징으로 하는 광학식 표면 형상 측정 방법.
  2. 액정이 주입된 패브리 페롯 공진계를 이용한 표면 형상 측정 장치에서의 표면 형상 측정 방법에 있어서,
    (a) 패브리 페롯 공진계로 다수 개의 전압을 순차적으로 인가시키면서, 각 인가전압에 대하여 패브리 페롯 공진계로부터 출사되어 기준면에 투영된 동적 간섭 패턴들을 촬상하여 각 인가전압에 대한 기준 간섭 패턴들로 저장하는 단계;
    (b) 패브리 페롯 공진계로 다수 개의 전압을 순차적으로 인가시켜 패브리 페롯 공진계로부터 측정 대상물의 표면으로 기준 간섭 패턴을 순차적으로 주사하고, 각 인가 전압에 따라 상기 측정 대상물의 표면에 투영된 투영 간섭 패턴들을 순차적으로 촬상하는 단계;
    (c) 각 인가 전압에 대하여 상기 투영 간섭 패턴과 기준 간섭 패턴을 비교하여, 상기 투영 간섭 패턴에서 상기 기준 간섭 패턴과 다른 왜곡 영역들을 검출하는 단계;
    (d) 각 인가 전압에 대하여 상기 검출된 왜곡 영역들에 대하여 상기 투영 간섭 패턴과 상기 기준 간섭 패턴과의 차이값들을 구하는 단계;
    (e) 각 인가 전압에 대하여 상기 차이값들을 이용하여 각 왜곡 영역들에 대한 높이를 계산하는 단계;
    (f) 각 왜곡 영역들에 대하여 계산된 높이들에 따라 측정 대상물의 표면의 형상을 추출하는 단계;
    를 구비하여 측정 대상물의 표면을 스캐닝하는 것을 특징으로 하고,
    상기 기준면은 상기 패브리 페롯 공진계의 출사면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된 평탄한 면인 것을 특징으로 하는 광학식 표면 형상 측정 방법.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 각 왜곡 영역들에 대한 높이(h)는 수학식
    Figure 112011058204319-pat00009
    에 의해 계산되며, 여기서,
    Figure 112011058204319-pat00010
    이며,
    Figure 112011058204319-pat00011
    는 기준 간섭 패턴의 직경이며,
    Figure 112011058204319-pat00012
    는 투영된 간섭 패턴의 직경인 것을 특징으로 하는 광학식 표면 형상 측정 방법.
  4. 제2항에 있어서, 패브리 페롯 공진계로 인가하는 다수 개의 전압들은 기준 전압으로부터 사전에 설정된 단위 전압만큼 순차적으로 증가되는 값인 것을 특징으로 하는 광학식 표면 형상 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 단위 전압의 크기는 해상도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 형상 측정 방법.
  6. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기준 간섭 패턴 및 투영 간섭 패턴은 동일한 중심을 갖는 다수 개의 원형의 프린지(fringe)들이 비선형적으로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 형상 측정 방법.
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