KR101186103B1 - 측정 대상물의 3ｄ 높이 정보를 측정하는 측정 방법 및 장치 - Google Patents

측정 대상물의 3ｄ 높이 정보를 측정하는 측정 방법 및 장치 Download PDF

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KR101186103B1 KR1020120010179A KR20120010179A KR101186103B1 KR 101186103 B1 KR101186103 B1 KR 101186103B1 KR 1020120010179 A KR1020120010179 A KR 1020120010179A KR 20120010179 A KR20120010179 A KR 20120010179A KR 101186103 B1 KR101186103 B1 KR 101186103B1
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Abstract

본 발명은 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 측정 방법은 (a) 상기 측정 대상물의 표면에 격자를 통과한 광을 조사하는 단계와; (b) 상기 측정 대상물의 표면으로부터 반사된 광을 촬상하는 단계와; (c) 상기 (b) 단계에서 촬상된 한 컷의 촬상 데이터를 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프 기법의 신호 처리 방법에 따라 신호 처리하여 상기 측정 대상물에 따른 위상 변화량을 산출하는 단계와; (d) 상기 위상 변화량에 기초하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 기존의 3D 측정 장치보다 그 구조가 간소화되면서도, 한 컷의 촬상 데이터로부터 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정할 수 있게 된다.

Description

측정 대상물의 3Ｄ 높이 정보를 측정하는 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING 3D HEIGHT INFORMATION OF MEASURED OBJECT}
본 발명은 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 격자를 통과한 후 측정 대상물로부터 반사되는 한 컷의 광으로부터 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정할 수 있는 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
3D 높이 정보를 측정하는 방법에는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법, 백색광 주사 간섭법(WSI : White light Scanning Interferometry) 기법, 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법, 스테레오 비전(Stereo vision) 기법, 광 삼각법 등 다양한 기법이 실제 제품에 적용되거나 연구되어지고 있다.
3D 높이 정보를 측정하는 상기 방법들 중 어느 방식이 어떤 측정 과정에 적합한지 여부는 분해능, 속도, 검사 대상의 표면 상태 등 여러 가지 인자에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 측정 대상물이 거울 면과 같이 정반사(Specular reflection)성이 강한 경우에는 백색광 주사 간섭법(WSI : White light Scanning Interferometry) 기법이나 , 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법과 같은 광 간섭을 이용한 방법이 적합하며, 측정 대상물의 표면이 확산 반사(Diffusive reflection)를 하는 경우에는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법이나 스테레오 비전(Stereo vision) 기법, 광 삼각법 등이 적합하다 볼 수 있다.
이 중 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법의 경우, 한국공개특허 제2001-0002383호에 개시된 "위상천이 영사식 모아레시스템에서의 측정오차보상방법"에 개시된 바와 같이, 수 um의 간격을 갖는 격자에 광을 투과시켜 격자 광을 측정 대상물에 투영시키고, 다른 각도에 위치한 카메라로 표면 형상에 의해 왜곡된 격자 패턴을 촬영 및 분석하여 측정 대상물의 3D 높이 정보를 얻는 방법이다.
영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법을 통해 촬영된 영상을 분석하는데 있어 미지의 파라미터가 3개이므로, 3 컷의 촬상 데이터를 얻기 위해 격자를 이송시켜가며 최소 3장을 촬상하게 된다. 이와 같은 데이터 분석법을 일반적으로 위상 천이(Phase shifting) 방식이라 하는데, 3장의 촬상으로 인한 측정 시간이 길어지는 단점이 있다.
한편, 도 1은 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법을 이용한 3D 측정 기술의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 3D 물체인 측정 대상물에서 반사되어 나오는 측정광이 CCD 카메라에 촬상되는 상태를 도식화한 것으로, CCD 카메라 앞에 이미징 렌즈(Imaging lens)를 사용하지 않고 측정 대상물을 촬상하기 때문에 기존의 3D 측정 방식과 큰 차이를 갖는다.
즉, CCD 카메라에 의해 촬상되는 이미지는, 도 2에 도시된 바와 같은 디지털 홀로그램으로 표현된 암호화된 신호이며, 이러한 디지털 홀로그램에 포함된 정보를 프레넬 변환(Fresnel transform)을 통하여 측정 대상물에 대한 이미지 정보를 수치적으로 계산하여 이미지를 얻게 된다.
이와 같이 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법은 이미징 렌즈를 사용하지 않기 때문에, 렌즈리스 이미징(Lensless imaging)이라고도 불리우며, 디지털 홀로그램에 측정 대상물의 3D 정보가 전부 저장되어 있기 때문에 기존의 비전(Vision) 광학계가 갖는 2차원적인 정보 뿐 아니라, 다양한 3D 정보를 추출할 수 있어서 근래에 3D 측정 기술로 각광을 받고 있다.
이와 같은 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법은 통상 On-axis 방식과 Off-axis 방식으로 구분되는데, On-axis 방식의 경우 2장 이상의 홀로그램을 이용하여 측정 대상물의 높이 정보를 추출할 수 있는데 반해, Off-axis 방식의 경우 한 장의 홀로그램을 이용하여 측정 대상물의 높이 정보를 추출할 수 있는 장점이 있다.
그러나, Off-axis 방식에서는 공간의 일부분만을 사용하기 때문에 동일한 픽셀(Pixel) 수 및 픽셀(Pixel) 크기의 CCD 카메라를 사용하는 경우, On-axis 방식에 비하여 구현될 수 있는 횡분해능이 떨어지는 단점이 있고, 기준빔과 측정빔 사에에 틸팅(tilting) 각을 주어 위상 맵을 얻는 방법으로, 측정 대상물의 기울어진 정도가 Off-axis 구조 상에서 주어진 틸팅 각보다 매우 작아야 한다는 제한 조건이 필요하다.
또한, Off-axis 방식의 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법의 경우, 측정 장비를 구현하는데 있어 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법이나 On-axis 방식보다 그 구조가 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 측정 장치의 구성이 간소하면서도, 한 번의 촬상으로 측정 대상물의 3D 높이 정보를 추출할 수 있는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법에 있어서, (a) 상기 측정 대상물의 표면에 격자를 통과한 광을 조사하는 단계와; (b) 상기 측정 대상물의 표면으로부터 반사된 광을 촬상하는 단계와; (c) 상기 (b) 단계에서 촬상된 한 컷의 촬상 데이터를 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프 기법의 신호 처리 방법에 따라 신호 처리하여 상기 측정 대상물에 따른 위상 변화량을 산출하는 단계와; (d) 상기 위상 변화량에 기초하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 (d) 단계에서는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에 상기 위상 변화량을 적용하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출할 수 있다.
그리고, 상기 측정 대상물의 높이 정보는 수학식
Figure 112012008355075-pat00001
(여기서, ZD는 상기 높이 정보이고, p0는 상기 격자의 격자 간격이고, θ0는 상기 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법 상의 기준면에 입사되는 상기 격자를 통과한 광의 입사각이고, θI는 촬상면과 상기 측정 대상물로부터 반사되어 입사되는 광 간의 촬상각이고, φ는 상기 위상 변화량이다)에 의해 산출될 수 있다.
그리고, 상기 (c) 단계는 (c1) 상기 촬상 데이터가 배경광 성분, 상기 위상 변화량을 포함하는 위상 변화량 성분 및 상기 위상 변화량 성분의 컨쥬게이트(Conjugate) 성분으로 분리되도록 상기 촬상 데이터를 주파수 영역으로 변환하는 단계와; (c2) 상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분을 제거하여 상기 위상 변화량 성분을 추출하는 단계와; (c3) 상기 추출된 위상 변화량 성분을 상기 (c1) 단계의 역변환 과정을 통해 상기 위상 변화량 성분에 대응하는 위상 변화량 데이터를 추출하는 단계와; (c4) 상기 위상 변화량 데이터와 기 설정된 기준광 데이터에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (c1) 단계는 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통해 수행되며; 상기 (c3) 단계는 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 통해 수행할 수 있다.
그리고, 상기 (c2) 단계에서는 바이너리 마스크 기법을 통해 상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분이 제거될 수 있다.
그리고, 상기 (c4) 단계는 (c41) 상기 기준광 데이터의 콤플렉스 컨쥬게이트(Complex conjugate)와 위상 변화량 데이터를 곱하는 단계와; (c42) 상기 (c41) 단계의 곱셈 결과값의 실수부와 허수부에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 곱셈 결과값은 수학식
Figure 112012008355075-pat00002
(여기서, Ⅲ는 상기 곱셈 결과값이고, R은 상기 기준광 데이터로 수학식
Figure 112012008355075-pat00003
로 정의되고, Ⅱ는 상기 위상 변화량으로 수학식
Figure 112012008355075-pat00004
로 정의되고, f(x,y)는 상기 격자의 광 투과 특성을 나타내는 기 등록된 상수이고, φR은 상기 기준광의 기준 위상이고, φ는 상기 위상 변화량이고, v는 상기 격자를 통과한 광의 대조비이다)에 의해 산출되며; 상기 위상 변화량은 수학식
Figure 112012008355075-pat00005
(여기서, real(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 실수부이고, imag(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 허수부이다)에 의해 산출될 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치에 있어서, 광을 측정 대상물에 조사하는 광원부와, 상기 광원부와 상기 측정 대상물 사이의 광 경로 상에 배치되며 소정의 격자 간격을 갖는 격자와, 상기 광원부로부터 상기 격자를 통과한 후 상기 측정 대상물로부터 반사된 광을 촬상하는 촬상부와, 상기 촬상부에 의해 촬상된 한 컷의 촬상 데이터를 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프 신호 처리 방법에 따라 신호 처리하여 상기 측정 대상물에 따른 위상 변화량을 산출하고, 상기 산출된 위상 변화량에 기초하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치에 의해서도 달성될 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에 상기 위상 변화량을 적용하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는 상기 측정 대상물의 높이 정보를 수학식
Figure 112012008355075-pat00006
(여기서, ZD는 상기 높이 정보이고, p0는 상기 격자의 격자 간격이고, θ0는 위상 천이 기법 상의 기준면에 입사되는 상기 격자를 통과한 광의 입사각이고, θI는 촬상면과 상기 측정 대상물로부터 반사되어 입사되는 광 간의 촬상각이고, φ는 상기 위상 변화량이다)에 의해 산출할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는 상기 촬상 데이터가 배경광 성분, 상기 위상 변화량을 포함하는 위상 변화량 성분 및 상기 위상 변화량 성분의 컨쥬게이트(Conjugate) 성분으로 분리되도록 상기 촬상 데이터를 주파수 영역으로 변환하고; 상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분을 제거하여 상기 위상 변화량 성분을 추출하고; 상기 추출된 위상 변화량 성분을 상기 주파수 영역으로의 변환 과정의 역변환 과정을 통해 상기 위상 변화량 성분에 대응하는 위상 변화량 데이터를 추출하며; 상기 위상 변화량 데이터와 기 설정된 기준광 데이터에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통해 상기 주파수 영역으로의 변환 과정을 수행하고, 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 통해 상기 위상 변화량 데이터를 추출할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는 바이너리 마스크 기법을 통해 상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분을 제거할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는 상기 기준광 데이터의 콤플렉스 컨쥬게이트(Complex conjugate)와 위상 변화량 데이터를 곱하고, 해당 곱셈 결과값의 실수부와 허수부에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 곱셈 결과값을 수학식
Figure 112012008355075-pat00007
(여기서, Ⅲ는 상기 곱셈 결과값이고, R은 상기 기준광 데이터로 수학식
Figure 112012008355075-pat00008
로 정의되고, Ⅱ는 상기 위상 변화량으로 수학식
Figure 112012008355075-pat00009
로 정의되고, f(x,y)는 상기 격자의 광 투과 특성을 나타내는 기 등록된 상수이고, φR은 상기 기준광의 기준 위상이고, φ는 상기 위상 변화량이고, v는 상기 격자를 통과한 광의 대조비이다)에 의해 산출하며; 상기 위상 변화량을 수학식
Figure 112012008355075-pat00010
(여기서, real(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 실수부이고, imag(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 허수부이다)에 의해 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 3D 측정 장치보다 그 구조가 간소화되면서도, 한 컷의 촬상 데이터로부터 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정할 수 있는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법 및 장치가 제공된다.
도 1 및 도 2는 종래의 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치의 구성을 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명에서 주파수 영역에서 분리된 배경광 성분, 위상 변화량 성분, 및 컨쥬게이트(Conjugate) 성분의 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 측정 장치는 측정 대상물(100)의 3D 높이 정보를 측정한다. 본 발명에 따른 측정 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 광원부(11), 격자(10), 촬상부(20) 및 제어부(30)를 포함한다.
광원부(11)는 측정 대상물(100)의 표면을 향해 광을 조사한다. 여기서, 광원부(11)는 측정 대상물(100)이 위치하는 기준면(미도시)에서 일정한 이격 간격을 두고 배치된다. 여기서, 기준면은 측정 대상물(100)이 PCB 기판인 경우 이상적으로는 PCB 기판의 표면이 될 수 있다. 본 발명에서는 광원부(11)가 백색광을 조사하는 것을 예로 하여 설명한다.
격자(10)는 광원부(11)와 측정 대상물(100) 사이의 광 경로 상에 배치되며, 소정의 격자 간격을 갖는다. 이에 따라, 광원부(11)로부터 측정 대상물(100)을 향해 조사되는 광은 격자(10)를 통과하면서 격자 패턴을 형성하게 되는데, 이하에서는 격자(10)를 통과한 광을 격자광이라 정의하여 설명한다. 여기서, 본 발명에서는 격자(10)의 전방, 즉 광원부(11)로부터의 광이 조사되는 방향으로의 전방에 투영 렌즈(12)가 배치되는 것을 예로 한다.
촬상부(20)는 격자(10)를 통과한 격자광이 측정 대상물(100)의 표면으로부터 반사된 광(이하, '격자(10) 반사광'이라 함)을 촬상한다. 그리고, 촬상부(20)에 의해 촬상된 격자(10) 반사광은 데이터 형태로 제어부(30)에 인가한다.
제어부(30)는 촬상부(20)로부터 전달되는 데이터(이하, '촬상 데이터'라 함)를 분석하여, 측정 대상물(100)의 3D 높이 정보를 측정한다. 여기서, 본 발명에 따른 제어부(30)는 촬상부(20)에 의해 촬상된 한 컷의 촬상 데이터를 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프 기법의 신호 처리 방법에 따라 신호 처리하여 측정 대상물(100)에 따른 위상 변화량을 산출하고, 산출된 위상 변화량에 기초하여 측정 대상물(100)의 3D 높이 정보를 산출한다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 측정 장치가 한 컷의 촬상 데이터를 이용하여 측정 대상물(100)의 3D 높이 정보를 측정하는 방법에 대해 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이, 광원부(11)로부터 조사되어 격자(10)를 통과한 격자광이 측정 대상물(100)로 조사되면(S40), 측정 대상물(100)에 의해 반사된 격자(10) 반사광이 촬상부(20)에 의해 촬상된다(S41).
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 측정 장치 및 측정 방법에서는 격자(10)를 통과한 격자광, 즉 격자 패턴이 측정 대상물(100)로부터 반사되어 촬상되는 바, 광 조사 및 촬상의 기본 구조는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에 따르게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 측정 장치 및 측정 방법은 한 컷의 촬상 데이터만으로 측정 대상물(100)의 높이 정보를 취득하는 바, 기존의 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에서 위상 천이, 즉 여러 컷의 촬상 데이터를 획득하기 위해 격자를 이동시켰던 격자 이동 장치는 필요치 않게 된다.
따라서, 촬상부(20)에 의해 촬상되어 제어부(30)를 통해 신호 처리되는 촬상 데이터는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에 따라 [수학식 1]과 같이 표현되며, [수학식 1]는 다시 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012008355075-pat00011

[수학식 2]
Figure 112012008355075-pat00012

여기서, IPMP(x',y')는 촬상부(20)에 의해 촬상된 광의 세기 분포이고, u(x',y')은 배경광의 세기, 즉 평균 광 분포이고, v(x',y)는 격자 패턴 대비 강도, 즉 격자(10)를 통과한 광의 대조비로 광의 밝기가 가장 밝은 경우와 가장 어두운 경우의 차이값을 의미한다. 그리고, φR(x',y')는 격자(10)에 의해 만들어지는 격자 패턴의 기준 위상 항이고, φ(x',y')는 실제 측정 대상물(100)을 측정했을 때 나타나는 기준 위상의 변화를 나타내는 위상 변화량이다. 여기서, 좌표 x'와 y'는 촬상부(20)에서 이미지가 촬상되는 촬상면의 좌표이다.
상기와 같이 촬상부(20)에 의해 촬상된 광의 세기 분포를 나타내는 한 컷의 촬상 데이터가 획득되면, 해당 한 컷의 촬상 데이터를 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프 기법의 신호 처리 방법에 따라 신호 처리하여, 측정 대상물(100)에 따른 위상 변화량인 φ(x',y') 값을 산출한다.
도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 한 컷의 촬상 데이터를 주파수 영역으로 변환한다(S42). 본 발명에서는 촬상 데이터를 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 주파수 영역으로 변환하는 것을 일 예로 한다. 여기서, [수학식 2]를 푸리에 변환(Fourier Transform)하게 되면 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012008355075-pat00013

상기와 같이, 촬상 데이터를 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 주파수 영역으로 변환하게 되면, 촬상 데이터가 주파수 영역에서 배경광 성분(B), 위상 변화량을 포함하는 위상 변화량 성분(A), 그리고 위상 변화량 성분(A)의 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)으로 분리된다(도 6 참조).
여기서, [수학식 3]에서 첫 번째 항이 배경광 성분(B)이고, 두 번째 항이 위상 변화량 성분(A)으로, 격자 패턴이 측정 대상물(100)에 의해 얼마나 변화되었는지 나타내는 고주파 성분에 해당한다. 그리고, [수학식 3]의 세 번째 항이 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)으로 위상 변화량 성분(A)과 크기는 동일하며 주파수 영역의 원점에 대해 위상 변화량 성분(A)과 대칭하게 된다. 도 5는 주파수 영역에서 분리된 배경광 성분(B), 위상 변화량 성분(A), 및 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)의 예를 도시한 도면이다.
상기와 같이 주파수 영역에서 배경광 성분(B), 위상 변화량 성분(A), 및 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)으로 분리된 상태에서, 주파수 영역에 배경광 성분(B)과 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)을 제거하여(S43), 측정 대상물(100)의 높이 정보와 관련된 위상 변화량 성분(A) 만을 추출한다(S44).
본 발명에서는 바이너리 마스크(Bibary mask) 기법을 통해 주파수 영역에서 배경광 성분(B)과 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)을 제거하는 것을 일 예로 한다. [수학식 4]는 [수학식 3]에 바이너리 마스크(Bibary mask) 기법을 적용한 것을 수식적으로 표현한 것이고, [수학식 5]는 배경광 성분(B)과 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)을 제거된 상태, 즉 위상 변화량 성분(A)만을 수식적으로 표현한 것이다.
[수학식 4]
Figure 112012008355075-pat00014

[수학식 5]
Figure 112012008355075-pat00015

상기와 같이, 바이너리 마스크(Bibary mask) 기법이 적용되어 주파수 영역에서 배경광 성분(B)과 컨쥬게이트(conjugate) 성분(C)이 제거되면, 남은 위상 변화량 성분(A)을 S42 단계의 역변환 과정, 즉 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)하여 위상 변화량 성분(A)에 대응하는 위상 변화량 데이터를 추출한다. [수학식 6]은 위상 변화량 성분(A)을 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)하여 추출된 위상 변화량 데이터(Ⅱ)를 나타낸 것이다.
[수학식 6]
Figure 112012008355075-pat00016

[수학식 6]에 표현된 바와 같이, 위상 변화량 데이터가 추출되면, 위상 변화량 데이터와 기 설정된 기준광 데이터에 기초하여 위상 변화량을 산출한다(S46). [수학식 6]에 나타난 바와 같이, 위상 변화량 φ를 복원하기 위해서는 기준 위상 φR을 제거하여야 하는데, 광원부(11)로부터 조사되어 격자(10)를 통과한 격자광의 모듈레이션(Modulation) 항을 이용하여 기준광 데이터는 [수학식 7]과 같이 정의할 수 있다. 여기서, 격자광의 모듈레이션(Modulation) 항은 시스템 파라미터로 기 등록된다.
[수학식 7]
Figure 112012008355075-pat00017

여기서, R은 기준광 데이터이고, f(x,y)는 격자(10)의 광 투과 특성을 나타내는 실수이다. 즉, f* = f가 된다. 그리고, [수학식 6]에 [수학식 7]의 콤플렉스 컨쥬게이트(Complex conjugate)을 곱한 결과를 Ⅲ으로 정의하면, [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112012008355075-pat00018

여기서, Ⅲ는 곱셈 결과값이고, R은 기준광 데이터로 수학식
Figure 112012008355075-pat00019
로 정의된다. 그리고, Ⅱ는 위상 변화량 데이터로 수학식
Figure 112012008355075-pat00020
로 정의되고, f(x,y)는 상술한 바와 같이, 격자(10)의 광 투과 특성을 나타내는 상수이고, φR은 기준광의 기준 위상이고, φ는 위상 변화량이고, v는 격자(10)를 통과한 광의 대조비이다.
결과적으로, 위상 변화량 φ는 [수학식 8], 즉 기준광 데이터의 콤플렉스 컨쥬게이트(Complex conjugate)와 위상 변화량 데이터를 곱셈한 결과값의 실수부와 허수부에 기초하여 산출(S46)되는데, [수학식 9]로 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112012008355075-pat00021

여기서, real(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 실수부이고, imag(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 허수부이다.
상기와 같은 과정을 통해, [수학식 9]를 통해 위상 변화량 φ가 산출되면, 위상 변화량에 기초하여 상기 측정 대상물(100)의 높이 정보를 산출한다(S47). 본 발명에서는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에 위상 변화량을 적용하여 측정 대상물(100)의 높이 정보를 산출하게 된다.
영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법 상에서의 높이 정보는 [수학식 10]을 통해 산출되는데, [수학식 10]의 φ값에 상술한 과정을 통해 산출된 위상 변화량을 대입하여 높이 정보의 산출이 가능하게 된다.
[수학식 10]
Figure 112012008355075-pat00022

여기서, ZD는 높이 정보이고, p0는 격자(10)의 격자 간격이고, θ0는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법 상의 기준면에 입사되는 격자(10)를 통과한 광, 즉 격자광의 입사각으로, 도 3에 도시된 측정 장치에서 광원부(11)와 기준면(미도시) 간의 기울기로 기 등록된 상수이며, θI는 촬상면과 측정 대상물(100)로부터 반사되어 입사되는 광 간의 촬상각이고, φ는 위상 변화량이다. [수학식 10]은 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에서 유도되는 것으로 기 공지된 기술에 해당하는 바, 본 명세서에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
상기와 같이, 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법과 동일한 기구적 구조를 갖는 측정 장치를 구현하여 그 구조가 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법 등이 적용된 측정 장비에 비해 그 구조가 간단하면서도, 한 컷의 촬상 데이터로부터 3D 높이 정보를 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 측정 장치는 한 컷의 촬상 데이터 만이 요구됨에 따라, 기존의 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법이 적용된 측정 장치에서 격자(10)의 위상을 천이시키기 위한 기구적인 구조가 제거될 수 있어, 그 구조가 보다 단순해질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 : 격자 11 : 광원부
12 : 투영 렌즈 20 : 촬상부
30 : 제어부 100 : 측정 대상물

Claims (16)

  1. 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법에 있어서,
    (a) 상기 측정 대상물의 표면에 격자를 통과한 광을 조사하는 단계와;
    (b) 상기 측정 대상물의 표면으로부터 반사된 광을 촬상하는 단계와;
    (c) 상기 (b) 단계에서 촬상된 한 컷의 촬상 데이터를 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프 기법의 신호 처리 방법에 따라 신호 처리하여 상기 측정 대상물에 따른 위상 변화량을 산출하는 단계와;
    (d) 상기 위상 변화량에 기초하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 촬상 데이터가 배경광 성분, 상기 위상 변화량을 포함하는 위상 변화량 성분 및 상기 위상 변화량 성분의 컨쥬게이트(Conjugate) 성분으로 분리되도록 상기 촬상 데이터를 주파수 영역으로 변환하는 단계와;
    (c2) 상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분을 제거하여 상기 위상 변화량 성분을 추출하는 단계와;
    (c3) 상기 추출된 위상 변화량 성분을 상기 (c1) 단계의 역변환 과정을 통해 상기 위상 변화량 성분에 대응하는 위상 변화량 데이터를 추출하는 단계와;
    (c4) 상기 위상 변화량 데이터와 기 설정된 기준광 데이터에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에 상기 위상 변화량을 적용하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정 대상물의 높이 정보는 수학식

    (여기서, ZD는 상기 높이 정보이고, p0는 상기 격자의 격자 간격이고, θ0는 상기 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법 상의 기준면에 입사되는 상기 격자를 통과한 광의 입사각이고, θI는 촬상면과 상기 측정 대상물로부터 반사되어 입사되는 광 간의 촬상각이고, φ는 상기 위상 변화량이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c1) 단계는 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통해 수행되며;
    상기 (c3) 단계는 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c2) 단계에서는 바이너리 마스크 기법을 통해 상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분이 제거되는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c4) 단계는,
    (c41) 상기 기준광 데이터의 콤플렉스 컨쥬게이트(Complex conjugate)와 위상 변화량 데이터를 곱하는 단계와;
    (c42) 상기 (c41) 단계의 곱셈 결과값의 실수부와 허수부에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 곱셈 결과값은 수학식
    Figure 112012008355075-pat00024

    (여기서, Ⅲ는 상기 곱셈 결과값이고, R은 상기 기준광 데이터로 수학식
    Figure 112012008355075-pat00025
    로 정의되고, Ⅱ는 상기 위상 변화량으로 수학식
    Figure 112012008355075-pat00026
    로 정의되고, f(x,y)는 상기 격자의 광 투과 특성을 나타내는 기 등록된 상수이고, φR은 상기 기준광의 기준 위상이고, φ는 상기 위상 변화량이고, v는 상기 격자를 통과한 광의 대조비이다)에 의해 산출되며;
    상기 위상 변화량은 수학식
    Figure 112012008355075-pat00027

    (여기서, real(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 실수부이고, imag(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 허수부이다)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 방법.
  9. 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치에 있어서,
    광을 측정 대상물에 조사하는 광원부와,
    상기 광원부와 상기 측정 대상물 사이의 광 경로 상에 배치되며 소정의 격자 간격을 갖는 격자와,
    상기 광원부로부터 상기 격자를 통과한 후 상기 측정 대상물로부터 반사된 광을 촬상하는 촬상부와,
    상기 촬상부에 의해 촬상된 한 컷의 촬상 데이터를 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프 신호 처리 방법에 따라 신호 처리하여 상기 측정 대상물에 따른 위상 변화량을 산출하고, 상기 산출된 위상 변화량에 기초하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출하는 제어부를 포함하며;
    상기 제어부는
    상기 촬상 데이터가 배경광 성분, 상기 위상 변화량을 포함하는 위상 변화량 성분 및 상기 위상 변화량 성분의 컨쥬게이트(Conjugate) 성분으로 분리되도록 상기 촬상 데이터를 주파수 영역으로 변환하고;
    상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분을 제거하여 상기 위상 변화량 성분을 추출하고;
    상기 추출된 위상 변화량 성분을 상기 주파수 영역으로의 변환 과정의 역변환 과정을 통해 상기 위상 변화량 성분에 대응하는 위상 변화량 데이터를 추출하며;
    상기 위상 변화량 데이터와 기 설정된 기준광 데이터에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법에 상기 위상 변화량을 적용하여 상기 측정 대상물의 높이 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 측정 대상물의 높이 정보를 수학식
    Figure 112012008355075-pat00028

    (여기서, ZD는 상기 높이 정보이고, p0는 상기 격자의 격자 간격이고, θ0는 위상 천이 기법 상의 기준면에 입사되는 상기 격자를 통과한 광의 입사각이고, θI는 촬상면과 상기 측정 대상물로부터 반사되어 입사되는 광 간의 촬상각이고, φ는 상기 위상 변화량이다)에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통해 상기 주파수 영역으로의 변환 과정을 수행하고, 역 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 통해 상기 위상 변화량 데이터를 추출하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 바이너리 마스크 기법을 통해 상기 주파수 영역에서 상기 배경광 성분과 상기 컨쥬게이트(Conjugate) 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기준광 데이터의 콤플렉스 컨쥬게이트(Complex conjugate)와 위상 변화량 데이터를 곱하고, 해당 곱셈 결과값의 실수부와 허수부에 기초하여 상기 위상 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 곱셈 결과값을 수학식
    Figure 112012008355075-pat00029

    (여기서, Ⅲ는 상기 곱셈 결과값이고, R은 상기 기준광 데이터로 수학식
    Figure 112012008355075-pat00030
    로 정의되고, Ⅱ는 상기 위상 변화량으로 수학식
    Figure 112012008355075-pat00031
    로 정의되고, f(x,y)는 상기 격자의 광 투과 특성을 나타내는 기 등록된 상수이고, φR은 상기 기준광의 기준 위상이고, φ는 상기 위상 변화량이고, v는 상기 격자를 통과한 광의 대조비이다)에 의해 산출하며;
    상기 위상 변화량을 수학식
    Figure 112012008355075-pat00032

    (여기서, real(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 실수부이고, imag(Ⅲ)은 상기 곱셈 결과값의 허수부이다)에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 대상물의 3D 높이 정보를 측정하는 측정 장치.
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