KR101239409B1 - ２ｄ 형상 정보와 ３ｄ 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치 및 형상측정방법 - Google Patents

２ｄ 형상 정보와 ３ｄ 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치 및 형상측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치 및 형상측정방법에 관한 것으로, 그 목적은 단일 장비에서 백색광을 이용하여 2D 형상 정보를 획득하고, 단색광을 이용하여 3D 형상 정보를 획득할 수 있도록 함으로써, 단일 장비를 이용하여 2D 정보와 3D 정보를 획득할 수 있으며, 3D 정보에 대한 높은 분해능의 실현이 가능하게 하는 형상측정장치 및 형상측정방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명의 형상측장치는 피검체로 조사되는 단색광을 발생하는 레이저 모듈 ; 상기 피검체로 조사되는 백색광을 발생하는 백색광 모듈; 상기 레이저 모듈에서 발생된 단색광을 피검체와 기준미러로 투사시켜 피검체의 간섭무늬를 생성하는 간섭계 모듈; 상기 레이저 모듈과 간섭계 모듈에 의해 생성되는 간섭무늬를 촬영하고, 상기 백색광 모듈로부터 발생되는 백색광을 이용하여 피검체에 대한 2D 영상을 촬영하는 영상촬영모듈; 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영되는 간섭무늬를 이용하여 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득하고, 백색광을 이용하여 촬영되는 영상을 이용하여 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하는 정보처리수단; 백색광을 이용한 피검체의 2D 영상을 촬영시 상기 레이저 모듈로부터 발생되는 단색광을 차단하는 조리개; 및 상기 레이저 모듈을 이용한 3D 영상의 촬영시에는 백색광 모듈의 가동을 중단시키고, 백색광 모듈을 이용한 2D 영상의 촬영시에는 조리개를 이용하여 단색광을 차단하는 제어부를 구비하는 것으로 구성된다.

Description

２Ｄ 형상 정보와 ３Ｄ 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치 및 형상측정방법{2D shape and 3D shape measuring apparatus and method based on phase shifting interferometry}
본 발명은 미세 구조물에 대한 형상정보를 검출하는 형상측정장치 및 형상측정방법에 관한 것으로, 특히 단색광을 기반으로 한 위상천이 간섭계에 백색광을 보조광원으로 사용하여 백색광으로는 2D 형상 정보를 획득하고, 단색광으로는 3D 형상 정보를 획득할 수 있도록 한 2D 정보와 3D 정보의 동시 습득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치 및 형상측정방법에 관한 것이다.
광 간섭계(Interferometer)란 검사하고자 하는 물체의 표면 및 기준면에 빛을 조사시킨 후 반사되는 두 종류의 빛으로부터 간섭무늬를 형성하고, 이 간섭무늬를 측정 및 해석하여 물체 표면의 형상에 대한 정보를 얻는 장치이다.
이러한 광 간섭계는 피검체의 3D 형상을 용이하게 얻을 수 있으므로 산업분야에서 널리 활용되고 있으며, 특히 최근의 산업계 전 분야에 걸친 급속한 기술 발전은 반도체, MEMS, 평판 디스플레이, 광부품 등의 분야에서 미세가공을 필요로 하며, 현재는 나노 단위의 초정밀 제조 기술이 필요한 단계로 진입하고 있고, 필요한 가공의 형상도 단순한 2D 패턴에서 복잡한 3D 형상으로 변화하고 있으며, 이에 따라 3D 미세형상을 측정하는 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다.
이와 같은 광 간섭계를 이용한 간섭법으로는 위상천이 간섭법(PSI:Phase shifting Interferometry)과 백색광 주사 간섭법(White-light Scanning Interferometry)이 주로 이용되고 있다.
상기 위상천이 간섭법은 단파장의 빛을 사용하며, 간섭상의 한 파장 내에서 적절한 구동 간격으로 위상을 천이시켜 기준 위상을 구하고, 이를 높이로 복원하는 방법이고, 상기 백색광 주사 간섭법은 백색광이 만드는 간섭상의 짧은 가간섭성을 이용하는 것으로, 가시도 함수를 포함하는 간섭신호로부터 가시도를 추출하여 가시도 함수의 정점을 찾음으로써 높이를 구하는 방법이다.
상기와 같은 광 간섭계를 이용하여 획득된 3D 형상만을 이용하여 해당 미세 구조물에 대한 합불판정을 내리기 위해서 3D 형상의 상하 좌우 측면 등을 살펴보아야만 하므로 검수에 많은 시간이 소요되고, 조작을 가해야만 하는 불편함이 있다.
그러나 2D 형상과 3D 형상을 동시에 관찰하는 경우 2D 형상을 기준으로 삼고, 세부적인 관찰이 요구되는 부분만을 3D 형상을 이용하여 관찰하게 되므로 검사작업의 편의성과 효율성을 높일 수 있으나, 2D 형상과 3D 형상을 획득하기 위해서는 서로 다른 장비를 이용하여 각각의 형상 정보를 획득해야만 하므로 매우 번거로운 문제점이 있다.
한편 대한민국 공개특허공보 제2009-0063874호에는 단일 장비에서 2D 정보와 3D 정보를 획득할 수 있도록 한 표면 형상 측정 시스템이 개시되어 있다.
도 1은 종래 표면 형상 측정 시스템의 구성도를 도시하고 있다.
상기 발명에 개시된 표면 형상 측정 시스템은 백색광 주사 간섭법(WSI)을 이용한 시스템으로, 주 광원(11)과 집광렌즈(12)와 투영렌즈(13)로 구성되는 조명부(1)와, 상기 조명부(1)로부터의 조명광이 각각 기준미러(4)의 기준면(R)과 측정물(3) 측정면(P)에 조사되도록 분할시키는 빔분할기(2)와, 상기 측정면(P)과 상기 기준면(R)으로부터 각각 반사되는 기준광과 측정광의 간섭에 의해 생성된 간섭무늬를 촬영하는 광검출소자(5), 및 상기 광검출소자(5)를 통해 촬상된 화상으로부터 백색광 간섭무늬 해석을 통해 표면 형상 정보를 획득하고 획득된 정보를 통해 결함 유무 검출을 하는 제어 컴퓨터(6)를 포함하는 표면 형상 측정 시스템에 있어서, 상기 측정물(3)과 빔분할기(2) 사이에 측정물(3)에 대하여 낙사 조명을 제공하는 보조광원(7)을 더 구비하고, 상기 주 광원(11)과 보조광원(7)의 점등 및 상기 기준면(R)으로의 조명 조사를 선택적으로 단속하여 표면 형상에 대한 2차원 정보 및 3차원 정보를 획득하도록 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 종래의 표면 형상 측정 시스템은 2D 정보와 3D 정보를 모두 백색광을 이용하여 촬영하는 방식으로 단일 장비를 이용하여 2D 정보와 3D 정보를 획득할 수 있는 장점을 있으나, 위상에 비해 높이 방향의 변화에 덜 민감한 가시도 함수를 사용하는 백색광 주사 간섭법의 특징 상 높은 분해능의 실현이 어려운 문제점을 갖고 있다.
국내특허공개공보 공개번호 10-2009-0063874(2009.06.18)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 단일 장비에서 백색광을 이용하여 2D 형상 정보를 획득하고, 단색광을 이용하여 3D 형상 정보를 획득할 수 있도록 함으로써, 단일 장비를 이용하여 2D 정보와 3D 정보를 획득할 수 있으며, 3D 정보에 대한 높은 분해능의 실현이 가능하게 하는 형상측정장치 및 형상측정방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 2D 영상과 3D 영상이 동기화 되도록 단색광과 백색광의 광경로를 일치시키고 이를 위해 단색광과 백색광의 광경로를 각각 조정하는 과정에서 생길 수 있는 단색광의 광손실을 방지할 수 있도록 한 형상측정장치 및 형상측정방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단색광을 이용한 3D 형상 정보의 획득 시 검사표면의 높이가 광원으로 사용된 파장의 1/4값으로 제한되는 한계를 극복하여 단차가 큰 경우에도 피검체의 3D 형상 정보를 오류 없이 측정할 수 있도록 한 형상측정장치 및 형상측정방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 형상측정장치는 피검체로 조사되는 단색광을 발생하는 레이저 모듈 ; 상기 피검체로 조사되는 백색광을 발생하는 백색광 모듈; 상기 레이저 모듈에서 발생된 단색광을 피검체와 기준미러로 투사시켜 피검체의 간섭무늬를 생성하는 간섭계 모듈; 상기 레이저 모듈과 간섭계 모듈에 의해 생성되는 간섭무늬를 촬영하고, 상기 백색광 모듈로부터 발생되는 백색광을 이용하여 피검체에 대한 2D 영상을 촬영하는 영상촬영모듈; 상기 영상촬영모듈에 의해 촬영되는 간섭무늬를 이용하여 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득하고, 백색광을 이용하여 촬영되는 영상을 이용하여 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하는 정보처리수단; 백색광을 이용한 피검체의 2D 영상을 촬영시 상기 레이저 모듈로부터 발생되는 단색광을 차단하는 조리개; 및 상기 레이저 모듈을 이용한 3D 영상의 촬영시에는 백색광 모듈의 가동을 중단시키고, 백색광 모듈을 이용한 2D 영상의 촬영시에는 조리개를 이용하여 단색광을 차단하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
한편 상기 백색광 모듈은, 상기 레이저 모듈로부터 발생된 단색광의 광경로로부터 벗어난 위치에 배치되어 백색광을 발생하는 LED; 상기 LED에서 발생되는 백색광을 이색성 광 분할기로 투영시키는 시준렌즈; 및 상기 단색광의 광경로상에 배치되며 선택적 투과성에 의해 시준렌즈로부터 간섭계로 입사되는 백색광을 간섭계 모듈로 반사하되 레이저 모듈로부터 발생되는 단색광은 투과시켜 레이저의 광손실없이 레이저와 백색광의 광경로를 일치시키는 이색성 광 분할기로 구성될 수 있다.
한편 상기 레이저 모듈은 2개로 구성되며, 2개의 레이저 모듈은 교대로 가동하며 서로 다른 파장의 레이저를 발생하도록 구성될 수 있다.
한편 상기 간섭계 모듈은, 단색광에 의해 형성된 간섭무늬의 배율을 조절하여 영상촬영모듈로 간섭무늬를 포커싱하는 접안렌즈와 대물렌즈로 구성된 현미경을 더 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
한편 상기 기준미러 및 피검체와 영상촬영모듈의 거리차(d2-d1)가 상기 백색광 모듈로부터 발생되는 백색광의 결맞음 길이 보다 크고, 상기 레이저 모듈로부터 발생되는 단색광의 결맞음 길이 및 영상촬영모듈과 현미경으로 구성되는 광학 시스템의 초점심도 보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 형상측정방법은 백색광 모듈의 가동을 중단시킨 상태에서 레이저 모듈을 가동하여 단색광을 발생시키고, 발생된 단색광을 피검체와 기준미러에 투과시켜 생성되는 간섭무늬를 촬영 및 분석하여 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득하는 단계(S10); 조리개를 가동하여 레이저 모듈로부터 발생되는 단색광을 차단하고, 백색광 모듈을 가동시켜 피검체로 백색광을 조사한 상태에서 피검체에 대한 영상을 촬영하여 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하는 단계(S20); 및 상기 피검체의 검사 대상 표면에 대한 전영역의 촬영이 이루어질 때까지 상기 S10 단계와 S20 단계를 반복하는 단계(S30)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때 상기 S10 단계는 서로 다른 파장의 단색광을 발생시키는 2개의 레이저 모듈을 교대로 가동시켜 서로 다른 파장의 두 단색광을 피검체로 조사함으로써 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득할 수도 있다.
또한 상기 S20 단계는, 단색광의 광경로로부터 벗어난 곳에 배치된 백색광 모듈을 가동시켜 백색광을 발생시키는 단계(S21); 상기 S21 단계에서 발생된 백색광을 단색광의 광경로상에 배치된 이색성 광 분할기로 반사하여 백색광의 광경로를 단색광의 광경로와 일치시킨 채로 피검체에 조사한 상태에서 피검체에 대한 영상을 촬영하는 단계(S22)로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 단색광을 이용하여 피검체의 3D 형상 정보를 획득하는 단색광 위상천이 간섭법을 이용함으로써 높은 분해능을 실현할 수 있고, 단색광의 간섭없이 백색광만을 이용하여 피검체에 대한 양질의 2D 영상을 획득할 수 있으며, 이러한 3D 형상 정보와 2D 형상 정보를 단일 장비에서 획득할 수 있도록 함으로써 검수작업의 편의성을 높이고, 검수작업에 소요되는 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 서로 인접한 파장의 단색광을 발생하는 2개의 레이저 모듈을 이용함으로써, 단색광 위상천이 간섭법이 갖는 단점을 해결하여 높이가 큰 피검체의 3D 형상 정보도 용이하게 획득할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래 표면 형상 측정 시스템의 구성도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 형상측정장치의 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 형상측정장치의 구성도를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 형상측정장치는 단색광 위상천이 간섭법(PSI)을 기반으로 하여 미세 구조물에 대한 형상 정보를 획득하는 장치로써, 3D 형상 정보를 획득하기 위한 단색광을 발생하는 레이저 모듈(110) 외에 2D 형상 정보를 획득하기 위한 백색광을 발생하는 백색광 모듈을 추가적으로 구비하며, 단색광과 백색광의 혼합없이 단색광으로는 3D 형상 정보를 획득하고, 백색광으로는 2D 형상 정보를 획득할 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명의 형상측정장치는 레이저 모듈(110)과, 백색광 모듈(120)과, 간섭계 모듈(130)과, 영상촬영모듈(140)과, 정보처리수단(150)과, 조리개(160)와, 제어부(170)로 구성되어 있다.
상기 레이저 모듈(110)은 피검체(S)에 대한 3D 형상 정보를 획득하기 위한 단색광을 발생시키는 것으로, 하나 이상으로 구성될 수 있으며, 도 2에는 레이저 모듈(110a,110b)이 2개로 구성된 구조가 도시되어 있다.
이처럼 레이저 모듈(110a,110b)이 2개로 구성된 경우, 2개의 레이저 모듈(110a,110b)은 서로 다른 파장의 단색광을 발생시키되, 서로 인접한 파장의 단색광을 발생시키게 된다.
한편 2개의 레이저 모듈(110)을 이용하여 인접한 파장의 두 단색광을 발생시키게 되면, 측정 가능한 형상의 높이를 확장시킬 수 있는 이점이 있다.
주지된 바와 같이 단색광 위상천이 간섭법은 위상 모호성으로 인하여 측정 한계가 존재하며, 측정 가능한 높이가 광원으로 사용되는 단색광 파장의 1/4값으로 제한되는 문제점을 갖고 있다.
그러나 본 발명에서와 같이 단색광을 발생하는 레이저 모듈(110a,110b)을 2개로 구성하고, 두 레이저 모듈(110a,110b)을 교대로 가동하여 인접한 파장의 두 단색광으로 표면을 검사하고 형상해석 과정에서 각각의 파장에 의해 얻어진 값을 맥놀이 주파수로 처리하면, 측정 가능한 형상의 최대 높이를 대략 50~100배 정도 확장시킬 수 있게 된다.
상기 백색광 모듈(120)은 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하기 위한 백색광을 발생시키는 것이다.
이러한 백색광 모듈(120)은 발생되는 백색광이 단색광과 동일한 광경로를 통하여 피검체로 조사될 수 있도록 하면서 백색광 모듈(120)에 의하여 단색광이 차단되는 것을 방지할 수 있도록 LED(121)와, 시준렌즈(122)와, 이색성 광 분할기(Dichroic beam splitter,123)로 구성된다.
상기 LED(121)는 단색광의 광경로로부터 벗어난 곳에 위치하도록 배치되며, 하나 이상으로 구성될 수 있다.
상기 이색성 광 분할기(123)는 단색광의 광경로상에 배치되어 LED(121)로부터 발생되는 백색광이 단색광의 광경로와 동일한 광경로를 갖도록 반사시키는 것이다. 이러한 이색성 광 분할기(123)는 주지된 바와 같이, 유리판에 유전체 박막을 코팅시킨 것으로 구성될 수 있으며, 일정영역의 파장에 대해서는 100%의 투과율을 갖고, 나머지 파장에 대해서는 반사하는 특성을 갖고 있는 바, 레이저 모듈(110)에서 발생되는 단색광은 투과시키고, LED(121)로부터 발생되는 백색광은 반사하는 특성을 갖는 이색성 광 분할기(123)를 사용함으로써, 단색광의 광손실없이 단색광과 백색광의 광경로로를 일치시킬 수 있게 된다.
예컨대 710nm와 700nm의 레이저 모듈을 광원으로 사용하고, 투과시키는 파장대역이 690nm~720nm인 이색성 광분할기를 사용하는 것을 가정하였을 때, 백색광은 사용하는 광원에 따라 다르지만 가시광영역 내의 파장만 사용한다고 했을 때 파장대역이 390nm~750nm인 광의 성분이 균일한 비율로 섞여있는 빛이므로, 상기 이색성 광분할기의 투과 파장대역 내의 파장성분을 제외한 나머지 성분이 반사되어 간섭계로 주사되게 되며 이는 이차원 검사에서 조명으로 쓰이기 충분하게 된다.
상기 간섭계 모듈(130)은 시준렌즈(131)와, 광 분할기(132)와, 기준미러(133)와, 대물렌즈(134)와, 접안렌즈(135)로 구성되어 단색광과 백색광을 피검체(S)와 기준미러(133)로 유도하며, 단색광을 이용하여 3D 형상 정보를 획득하기 위한 간섭무늬를 발생시키는 것이다.
한편 상기 시준렌즈(131)는 레이저 모듈(110)로부터 조사되는 단색광을 광 분할기(132)로 투영시키는 것이다.
상기 광 분할기(132)는 시준렌즈(131)를 통해 입사되는 단색광을 피검체(S)와 기준미러(133)로 투사시키고, 피검체(S)와 기준미러(133)로부터 반사되는 검사광과 기준광을 대물렌즈(134)와 접안렌즈(135)를 통해 영상촬영모듈(140)로 입사시키는 것이다. 물론 이러한 광 분할기(132)에 의하여 백색광이 반사되어 피검체(S)의 표면으로 조사된다.
상기 기준미러(133)는 완전한 평면구조로 형성되어 광 분할기(132)를 통해 입사되는 단색광을 반사하여 기준광을 형성하는 것이다.
상기 대물렌즈(134)와 접안렌즈(135)는 광 분할기(132)를 통해 입사되는 검사광과 기준광의 간섭에 의해 발생되는 간섭무늬의 배율을 조절하여 영상촬영모듈(140)로 간섭무늬를 포커싱하는 현미경을 형성하는 것으로, 상기 대물렌즈 및 접안렌즈의 상대적 위치를 조절함으로써 간섭무늬 상의 배율과 초점을 조절할 수 있다.
상기 영상촬영모듈(140)은 단색광에 의해 형성되는 간섭무늬를 촬영하여 3D 형상 정보의 획득을 위한 영상을 촬영하고, 백색광이 피검체로 조사될 될 때 피검체에 대한 2D 영상을 촬영하게 된다.
상기 정보처리수단(150)은 영상촬영모듈(140)에 의해 촬영된 영상을 처리하여 피검체(S)에 대한 3D 형상 정보와 2D 형상 정보를 획득하는 것으로, 공지의 컴퓨터로 구성될 수 있다.
상기 조리개(160)는 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광을 선택적으로 차단하도록 단색광의 광경로상에 배치된다. 이러한 조리개(160)는 백색광을 이용한 피검체의 2D 영상 촬영시 단색광을 차단하여 순수한 백색광을 이용하여 피검체에 대한 2D 영상을 촬영할 수 있도록 하는 역할을 하게 된다.
상기 제어부(170)는 레이저 모듈(110)을 이용한 3D 영상의 촬영시에는 백색광 모듈(120)의 가동을 중단시키고, 백색광 모듈(120)을 이용한 2D 영상의 촬영시에는 조리개(160)를 이용하여 단색광을 차단하며, 2개의 레이저 모듈(110)을 교대로 가동시키는 것으로, 백색광 모듈(120), 조리개(160), 레이저 모듈(110), 영상촬영모듈(140)과 연결되어 제어하게 된다.
이와 같은 제어부(170)는 백색광의 발진과 조리개의 개폐를 마이크로 초 단위로 조절하게 되고, 이때 영상촬영모듈(140)은 백색광에 의한 2D 영상과 단색광에 의한 생성되는 간섭무늬를 번갈아서 촬영하게 되며, 정보처리수단(150)은 촬영된 2D 영상을 이용하여 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하고, 촬영된 간섭무늬를 위상천이 간섭계의 형상해석 알고리즘을 통해 해석하여 3D 형상 정보를 획득하게 된다.
도면 중 미설명 부호 111은 파이버 커플러(Fiber coupler)이다.
상기와 같이 구성된 형상측정장치를 이용하여 구현되는 본 발명에 따른 형상측정방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 관원으로 한 위상천이기반 형상측정방법은 백색광 모듈(120)의 가동을 중단시킨 상태에서 레이저 모듈(110)을 가동하여 단색광을 발생시키고, 발생된 단색광을 피검체(S)와 기준미러(133)에 투과시켜 생성되는 간섭무늬를 촬영 및 분석하여 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득하는 단계(S10); 조리개(160)를 가동하여 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광을 차단하고, 백색광 모듈(120)을 가동시켜 피검체(S)로 백색광을 조사한 상태에서 피검체에 대한 영상을 촬영하여 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하는 단계(S20); 및 상기 피검체(S)의 검사 대상 표면에 대한 전영역의 촬영이 이루어질 때까지 상기 S10 단계와 S20 단계를 반복하는 단계(S30)로 이루어져 있다.
상기 S10 단계는 레이저 모듈(110)을 이용하여 피검체(S)에 대한 3D 영상을 촬영하는 단계이다.
이러한 S10 단계는 제어부(170)에서 발생되는 신호에 의하여 레이저 모듈(110)이 가동하여 단색광을 발생시키고, 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광은 시준렌즈(122)를 통하여 광 분할기(132)로 조사되며, 이처럼 광 분할기(132)로 조사되는 단색광은 광 분할기(132)에 의하여 피검체(S)와 기준미러(133)로 조사된다.
이와 같은 단색광의 조사에 의하여 피검체(S)로부터 반사되는 검사광과, 기준미러(133)로부터 반사되는 기준광은 대물렌즈(134)와 접안렌즈(135)를 통하여 영상촬영모듈(140)로 입사되며, 검사광과 기준광의 간섭에 의해 생성되는 간섭무늬를 영상촬영모듈(140)이 촬영하게 된다.
참고로 상기 검사광은 피검체(S)의 표면에 대한 높이 정보를 갖고 있고, 기준광은 기준미러(133)의 높이 정보를 갖고 있으므로, 두 광의 광경로차에 따라 형성되는 간섭무늬의 명암을 해석하면 기준미러(133)와 피검체 표면의 높이 차이를 구할 수 있으며 기준미러(133)가 완전한 평면구조로 되어 있으므로 구해진 높이 차이를 이용하여 피검체 표면에 대한 3D 형상을 구현할 수 있게 된다.
이처럼 간섭무늬를 이용하여 3D 형상을 구현하기 위하여 미리 설정된 개수의 간섭무늬가 촬영될 때가지 간섭무늬의 촬영 과정을 반복하게 되며, 획득된 여러 장의 간섭무늬 영상을 정보처리수단(150)으로 처리하여 피검체에 대한 한 장의 3D 영상을 획득하게 되며, 이러한 과정을 반복하여 피검체에 대한 여러 장의 3D 영상을 획득하게 된다.
한편 피검체의 높이로 인하여 하나의 레이저 모듈(110a)로는 피검체(S)에 대한 3D 영상의 구현의 불가능한 경우, 인접한 다른 파장의 단색광을 발생시키는 레이저 모듈(110b)을 함께 가동시켜 각 성분의 레이저로 피검체(S)에 대한 간섭무늬를 촬영하고, 형상해석 과정에서 카메라 각 픽셀의 명도를 값으로 환산하고 이를 해석 알고리즘에 적용하여 출력되는 값을 맥놀이 주파수로 처리함으로써, 두 레이저 모듈(110a,110b)에 의해 구현된 피검체의 간섭무늬 데이터로 피검체(S)에 대한 완전한 3D 형상 정보를 획득하게 된다.
이처럼 본 발명은 피검체의 높이로 인하여 한 개의 레이저 모듈(110)로는 피검체에 대한 완전한 3D 형상 정보의 획득이 불가능한 경우, 인접한 파장의 단색광을 발생시키는 두 레이저 모듈(110)을 함께 사용함으로써 측정 가능한 구조물의 높이를 확장시킬 수 있게 된다.
상기 S20 단계는 제어부(170)에서 발생되는 신호에 의하여 백색광 모듈(120)이 작동하여 백색광을 발생시키고, 발생된 백색광을 피검체(S)의 표면에 조사한 상태에서 영상촬영모듈(140)을 이용하여 피검체에 대한 2D 영상을 촬영함으로써 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하는 단계이다.
이러한 S20 단계는 제어부(170)의 신호에 의하여 LED(121)가 가동하여 백색광이 발생되고, LED(121)로부터 발생되는 백색광은 이색성 광 분할기(123)에 의해 반사되어 광 분할기(132)로 입사되며, 광 분할기(132)에 의하여 피검체(S)와 기준미러(133)로 분할 조사된다.
한편 피검체(S)와 기준미러(133)로부터 반사되는 검사광과 기준광의 간섭현상은 기준미러(133) 및 피검체(S)와 영상촬영모듈(140)의 거리차(d2-d1)가 광원으로 사용되는 광의 결맞음 길이(Coherence length) 보다 작을 때 형성되며, 백색광의 결맞음 길이는 1㎛ 이하로 매우 짧은 반면 단색광의 결맞음 길이는 매우 길다. 또한 영상촬영모듈(140)에서 피검체(S) 및 기준미러(133)의 상은 피검체 및 기준미러가 영상촬영모듈과 현미경(대물렌즈+접안렌즈)으로 구성되는 광학시스템의 구성에 따라 결정되는 초점에 위치할 때 파면오차에 의한 화질의 저하 없이 결상이 된다. 이상적인 초점에서 허용된 범위 이내의 거리에 피검체 및 기준미러가 위치할 경우에도 화질이 저하 없이 이미지를 얻을 수 있는데 이 때 허용된 거리를 초점심도라고하며 이 역시 광학시스템의 구성에 따라 결정된다.
본 발명에 따른 형상측정장치에서는 백색광에 의한 간섭무늬 형성을 피하기 위해 기준미러(133) 및 피검체(S)와 영상촬영모듈(140)간에 인위적으로 거리차(d2-d1)를 주는데 이 거리차(d2-d1)의 크기가 영상촬영모듈과 현미경으로 구성되는 광학 시스템의 초점심도보다 작고 상기 백색광 모듈로부터 발생되는 백색광의 결맞음 길이 보다 커야만 화질의 저하와 간섭무늬가 없는 양질의 2D이미지를 얻을 수 있다. 또한 인위적으로 생성된 거리차(d2-d1)는 상기 레이저 모듈로부터 발생되는 단색광의 결맞음 길이보다 작아야만 레이저로부터 생성되는 간섭무늬를 획득할 수 있다. 백색광을 이용한 2D 영상의 촬영시 별도의 장치 없이도 간섭무늬가 생기는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이 광 분할기(132)에 의하여 반사되어 피검체(S)로 조사되는 백색광을 이용하여 피검체에 대한 2D 영상을 촬영하게 되며, 영상촬영모듈(140)에 의해 촬영 2D 영상을 정보처리수단(150)이 입력받아 피검체에 대한 2D 영상 정보를 획득하게 된다.
한편 백색광 모듈(120)을 이용한 피검체(S)의 2D 영상 촬영시 제어부(170)는 조리개(160)를 가동하여 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광을 차단하게 되므로, 백색광만을 이용하여 2D 영상을 촬영하게 되며, 반대로 단색광을 이용한 피검체의 3D 영상 촬영시 제어부(170)는 백색광 모듈(120)의 가동을 중지시켜 단색광만을 이용하여 3D 영상을 촬영하게 된다.
상기 S30 단계는 피검체 표면의 전체영역에 대한 2D 영상과 3D 영상의 촬영이 이루어질 때가지는 S10 단계와 S20 단계를 반복하는 단계이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치 및 형상측정방법은 백색광 모듈(120)의 가동시 조리개(160)를 닫아 단색광이 피검체와 기준미러(133)로 입사되는 것을 막고, 백색광이 피검체를 조명하는 순간의 영상을 영상촬영모듈(140)로 촬영하여 2D 영상을 획득하도록 하며, 이러한 2D 영상 촬영을 마치면 백색광 모듈(120)의 가동을 멈추고 조리개(160)를 열어 단색광이 조명하는 순간의 영상을 영상촬영모듈(140)로 촬영하여 3D 영상을 획득하도록 함으로써 단일 장비를 이용하여 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 획득이 가능한 것은 물론이고, 단색광과 백색광이 동시에 피검체로 입사되는 것을 방지함으로써 영상의 품질을 높여 검사의 정밀도를 높일 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(110) : 레이저 모듈 (120) : 백색광 모듈
(121) : LED (123) : 이색성 광 분할기
(130) : 간섭계 모듈 (133) : 기준미러
(134) : 대물렌즈 (135) : 접안렌즈
(140) : 영상촬영모듈 (150) : 정보처리수단
(160) : 조리개 (170) : 제어부

Claims (8)

  1. 피검체로 조사되는 단색광을 발생하는 레이저 모듈(110);
    상기 피검체로 조사되는 백색광을 발생하는 백색광 모듈(120);
    상기 레이저 모듈(110)에서 발생된 단색광을 피검체와 기준미러(133)로 투사시켜 피검체의 간섭무늬를 생성하는 간섭계 모듈(130);
    상기 레이저 모듈(110)과 간섭계 모듈(130)에 의해 생성되는 간섭무늬를 촬영하고, 상기 백색광 모듈(120)로부터 발생되는 백색광을 이용하여 피검체에 대한 2D 영상을 촬영하는 영상촬영모듈(140);
    상기 영상촬영모듈(140)에 의해 촬영되는 간섭무늬를 이용하여 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득하고, 백색광을 이용하여 촬영되는 영상을 이용하여 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하는 정보처리수단(150);
    백색광을 이용한 피검체의 2D 영상을 촬영시 상기 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광을 차단하는 조리개(160); 및
    상기 레이저 모듈(110)을 이용한 3D 영상의 촬영시에는 백색광 모듈(120)의 가동을 중단시키고, 백색광 모듈(120)을 이용한 2D 영상의 촬영시에는 조리개(160)를 이용하여 단색광을 차단하는 제어부(170)를 구비하는 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 백색광 모듈(120)은,
    상기 레이저 모듈(110)로부터 발생된 단색광의 광경로로부터 벗어난 위치에 배치되어 백색광을 발생하는 LED(121);
    상기 LED에서 발생되는 백색광을 이색성 광 분할기(123)로 투영시키는 시준렌즈(122); 및
    상기 단색광의 광경로상에 배치되어 시준렌즈(122)로부터 투영되는 백색광을 간섭계 모듈(130)로 반사하되, 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광은 투과시키고, 나머지 파장의 광은 반사하여 레이저의 광손실없이 레이저와 백색광의 광경로를 일치시키는 이색성 광 분할기(123)로 구성된 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 모듈(110)은 2개로 구성되며, 2개의 레이저 모듈(110a,110b)은 교대로 가동하며 서로 다른 파장의 레이저를 발생하는 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 간섭계 모듈(130)은, 단색광에 의해 형성된 간섭무늬의 배율을 조절하여 영상촬영모듈(140)로 간섭무늬를 포커싱하는 접안렌즈(135)와 대물렌즈(134)로 구성된 현미경을 포함하는 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준미러(133) 및 피검체(S)와 영상촬영모듈(140)의 거리차(d2-d1)가 상기 백색광 모듈(120)로부터 발생되는 백색광의 결맞음 길이 보다 크고, 상기 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광의 결맞음 길이 및 영상촬영모듈과 현미경으로 구성되는 광학 시스템의 초점심도 보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정장치.
  6. 백색광 모듈(120)의 가동을 중단시킨 상태에서 레이저 모듈(110)을 가동하여 단색광을 발생시키고, 발생된 단색광을 피검체(S)와 기준미러(133)에 투과시켜 생성되는 간섭무늬를 촬영 및 분석하여 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득하는 단계(S10);
    조리개(160)를 가동하여 레이저 모듈(110)로부터 발생되는 단색광을 차단하고, 백색광 모듈(120)을 가동시켜 피검체로 백색광을 조사한 상태에서 피검체에 대한 영상을 촬영하여 피검체에 대한 2D 형상 정보를 획득하는 단계(S20); 및
    상기 피검체의 검사 대상 표면에 대한 전영역의 촬영이 이루어질 때까지 상기 S10 단계와 S20 단계를 반복하는 단계(S30)로 이루어진 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 S10 단계는 서로 다른 파장의 단색광을 발생시키는 2개의 레이저 모듈(110a,110b)을 교대로 가동시켜 서로 다른 파장의 두 단색광을 피검체로 조사함으로써 피검체에 대한 3D 형상 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 S20 단계는,
    단색광의 광경로로부터 벗어난 곳에 배치된 백색광 모듈(120)을 가동시켜 백색광을 발생시키는 단계(S21);
    상기 S21 단계에서 발생된 백색광을 단색광의 광경로상에 배치된 이색성 광 분할기(123)로 반사하여 백색광의 광경로를 단색광의 광경로와 일치시킨 채로 피검체에 조사한 상태에서 피검체에 대한 영상을 촬영하는 단계(S22)로 이루어진 것을 특징으로 하는 2D 형상 정보와 3D 형상 정보의 동시 획득이 가능하며 레이저와 백색광을 광원으로 한 위상천이기반 형상측정방법.
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