KR101246350B1

KR101246350B1 - 표면 형상 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101246350B1
Application number: KR1020100133869A
Authority: KR
Inventors: 한창운
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2013-03-21
Also published as: KR20120072087A

Abstract

표면 형상 측정 장치는 구조물 바로 앞에 규칙적인 무늬를 가진 격자를 두고 한 쪽에서 자외선 광원을 조사하고, 자외선 카메라로 자외선 광원에 의해 격자의 그림자가 구조물의 형상에 따라서 형성되는 모아레 패턴을 촬영하여 이를 분석하여 표면 형상을 측정한다.

Description

표면 형상 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING SURFACE SHAPE}

본 발명은 표면 형상 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 표면 형상이나 평탄도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

표면 측정 기술은 현재 산업계 전반에 걸쳐 주요한 측정 및 검사 기술로 자리를 잡고 있다.

표면 형상을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 표면 형상을 측정하는 대표적인 방법으로는 광 삼각법(Optical Triangulation), 전자 스페클 간섭법(Electronic Speckle Pattern Interferometry), 디지털 화상 상관법(Digital Image Correlation) 및 그림자 모아레법(Shadow Moire)이 있다. 이 중 광 삼각법은 주사식으로 표면을 측정하기 때문에 측정 속도가 상대적으로 느리고, 전자 스페클 간섭법, 디지털 화상 상관법 및 그림자 모아레법은 측정속도는 상대적으로 빠르나 측정 표면이 확산면(diffusive surface)일 경우에만 적용이 가능하고 반사면(reflective surface)일 경우에는 적용이 불가능하다.

최근 이동통신 단말기 등이 일반화되고 있고, 이들 단말기의 패널이 반사면을 형상하고 있다. 따라서, 반사면을 형성하는 구조물의 경우도 빠른 속도로 표면 형상을 측정할 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 반사면을 갖는 구조물의 표면 형상을 빠른 속도로 측정할 수 있는 표면 형상 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 구조물의 표면 형상을 측정하는 장치가 제공된다. 표면 형상 측정 장치는 격자, 자외선 광원, 자외선 카메라, 그리고 측정부를 포함한다. 격자는 규칙적인 무늬를 가지며 상기 구조물 앞에 장착된다. 자외선 광원은 자외선 영역의 빛을 상기 격자 및 구조물에 조사한다. 자외선 카메라는 자외선 광원에 의해 격자의 그림자가 구조물의 형상에 따라서 형성되는 모아레 패턴을 촬영한다. 그리고 측정부는 상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물의 표면 형상을 측정한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 표면 형상 측정 장치에서 구조물의 표면 형상을 측정하는 방법이 제공된다. 표면 형상 측정 방법은, 상기 구조물 앞에 규칙적인 무늬를 앞에 둔 구조물에 자외선 광원을 조사하는 단계, 자외선 광원에 의해 격자의 그림자가 상기 구조물의 형상에 따라서 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 단계, 그리고 상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물의 표면 형상을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 자외선 광원을 사용함으로써 대면적이고 반사면을 갖는 구조물의 표면 형상을 빠른 속도로 측정할 수 있으며, 수직 측정 가능 영역 또한 커지게 된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 표면 형상 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 표면 형상 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 표면 형상 측정 장치를 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 표면 형상 측정 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 표면 형상 측정 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 표면 형상 측정 방법을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 표면 형상 측정 장치는 격자(100), 자외선 광원(200), 자외선 카메라(300) 및 측정부(400)를 포함한다.

격자(100)는 자외선 광원(200)에 의해 윤곽을 갖는 피 측정 대상물 즉, 구조물(20)의 표면상으로 격자선이 투영되도록 구조물(20) 앞에 장착되며, 일정한 주기 즉, 규칙적인 줄 무늬를 갖는다.

자외선 광원(200)은 자외선(ultraviolet) 영역의 빛을 방출하며, 격자(100) 및 구조물의 시편에 조사된다. 자외선은 파장이 짧은 단파장 영역으로, 일반적으로 자외선 영역은 400nm~1nm일 수 있다.

자외선 카메라(300)는 격자(100)와 격자의 그림자에 의해 형상되는 모아레 패턴을 촬영한다.

측정부(400)는 자외선 카메라(300)에 의해 촬영된 모아레 패턴을 이용하여 표면 형상을 측정한다.

즉, 도 2를 보면, 구조물(20) 바로 앞에 규칙적인 무늬를 가진 격자(100)를 두고 한 쪽에서 자외선 광원(200)을 조사하면(S210~S220), 격자(200)의 그림자가 구조물(20) 위에 생기게 된다. 이 그림자는 측정물의 형상에 따라서 휘어지게 된다. 이런 상태에서 또 다른 한 쪽에서 구조물(20)을 바라보면, 변형되지 않은 줄무늬 격자와 이 격자의 그림자가 겹쳐져서 보이면서, 물결모양의 등고선 무늬가 나타나게 된다. 이 무늬를 모아레 패턴이라고 하며, 자외선 카메라(300)는 이러한 모아레 패턴을 촬영하게 된다(S230). 모아레 패턴은 구조물(20)의 형상 정보를 가지고 있어서 측정부(400)는 이를 분석하여 표면 형상을 측정한다(S240).

모아레 패턴과 촬영되는 표면 형상(z)의 관계식은 수학식 1과 같이 정의된다.

[수학식 1]

여기서, α는 자외선 광원(200)의 입사각으로, 시편의 수직 방향과 자외선 광원(200)이 이루는 각이고, β는 자외선 카메라(300)와 시편이 이루는 각이다. 또한, g는 격자(100)의 피치이고, N은 모아레 패턴이다.

이때, 수학식 1을 보면, α, β 및 g 중 적어도 하나를 조정하면 원하는 해상도를 얻을 수 있다. 즉, 모아레 패턴(N)은 사용하는 격자(100)의 피치를 줄일수록 조밀한 모아레를 얻을 수 있기 때문에 매우 정밀한 형상측정이 가능하게 되므로, 측정부(400)는 격자(100)의 피치를 조절하여 해상도를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 자외선 광원(200) 및 자외선 카메라(300)를 사용함으로써, 상기의 그림자 모아레법으로 반사면을 갖는 구조물(20)의 표면 형상을 측정 가능하게 한다. 그 이유에 대하여 설명하면 다음과 같다.

조사되는 빛에 비해 표면 거칠기가 상대적으로 미끈한 경우 유리 같은 반사면(reflective surface)으로 정의되고, 표면이 상대적으로 거칠 경우 확산면(diffusive surface)으로 정의된다. 그림자 모아레법이나 디지털 화상 상관법은 기본적인 작동 원리가 시편 표면이 확산면이어야 하는 가정에서 출발한다. 시편 표면이 반사면일 경우에는 시편 표면에 백색 페인트를 임의로 뿌려서 확산면을 강제적으로 만들어서 사용하기도 한다. 그러나 이런 방법은 제한적으로 사용될 수 밖에 없으며, 시편을 훼손시킬 뿐만 아니라 측정의 정확성도 감소시킨다.

시편 표면의 거칠기의 정의는 절대적인 것이 아니고 입사되는 빛과 입사각에 대한 상대적인 정의이다. 반사면은 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 2]

수학식 2는 레이레이 기준(Rayleigh criterion)의 "P. Beckmann and A. Spizzichino, The scattering of electromagnetic wave from rough surface, New York (1963)"에 의한 것이다.

수학식 2에서, h는 반사면으로 정의되는 표면 거칠기이고, λ는 광원의 파장이며, α는 광원의 입사각으로, 시편의 수직 방향과 광원이 이루는 각을 의미한다.

수학식 2에 의하면, 일반 백색광에서는 반사면으로 보이는 표면이 파장이 짧은 자외선 영역에서는 확산면으로 정의될 수 있다. 예를 들어 설명하면, 550nm의 일반 백색광을 수직 방향으로 조사할 경우, 상기의 레이레이 기준에 의하면 표면의 거칠기(h)가 69nm 이상이어야 확산면으로 정의될 수 있다. 따라서, 표면 거칠기가 50nm인 재료는 백색광에서는 반사면으로 정의되고 이는 그림자 모아레법에 의해서 표면 형상을 측정할 수 없다.

그러나, 백색광 대신에 300nm의 자외선 광원을 수직 방향으로 조사할 경우, 표면의 거칠기(h)가 38nm로, 50nm의 표면 거칠기를 가진 재료는 이 자외선 영역에서 확산면으로 정의된다. 따라서, 자외선 광원을 백색광 대신 그림자 모아레법 등에서 사용하면 빠른 속도로 표면 형상 측정이 가능해진다.

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 표면 형상 측정 장치를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 표면 형상 측정 장치(20')에서 자외선 광원(200')이 시편에 수직 방향으로 조사된다. 즉, 표면 형상 측정 장치(20')는 자외선 광원(200)의 입사각(α)을 "0"으로 둘 수도 있다. 이와 같이 하면, 수학식 2에서 볼 수 있듯이 반사면을 상대적인 확산면으로 보기 위한 최적의 조건을 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 그림자 모아레의 측정 해상도를 높이기 위해서 격자(200)의 피치(g)를 줄이면 빛의 회절 효과에 의해 필연적으로 발생하게 되는 수직 측정 가능 영역(Dynamic Range)의 감소도 자외선 광원(200)을 사용하게 되면 획기적으로 개선할 수 있다. 여기서, 수직 측정 가능 영역은 표면 형상 측정 장치(20')가 측정할 수 있는 형상의 최대 수직 거리를 의미한다.

수직 측정 가능 영역을 결정하는 탈봇 거리(Talbot Distance)는 수학식 3과 같이 광원의 파장의 함수이다.

[수학식 3]

따라서, 광원을 백색광 대신에 자외선 광원(200)을 사용할 경우 빛의 파장이 줄어들면서 탈봇 거리는 늘어나게 된다. 따라서, 표면 형상 측정 장치(20, 20')의 수직 측정 가능 영역도 늘어나게 된다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims

구조물의 표면 형상을 측정하는 장치에 있어서,
규칙적인 무늬를 가지며 상기 구조물 앞에 장착되는 격자,
자외선 영역의 빛을 상기 격자 및 구조물에 수직 방향으로 조사하는 자외선 광원,
자외선 광원에 의해 격자의 그림자가 구조물의 형상에 따라서 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 자외선 카메라, 그리고
상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물의 표면 형상을 측정하는 측정부
를 포함하며,
상기 구조물은 반사면을 가진 표면 형상 측정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 측정부는 상기 격자의 피치를 조절하여 측정 해상도를 제어하는 표면 형상 측정 장치.
표면 형상 측정 장치에서 구조물의 표면 형상을 측정하는 방법에 있어서,
규칙적인 무늬를 가진 격자를 앞에 둔 구조물에 자외선 광원을 수직 방향으로 조사하는 단계,
자외선 광원에 의해 상기 격자의 그림자가 상기 구조물의 형상에 따라서 형성되는 모아레 패턴을 촬영하는 단계, 그리고
상기 모아레 패턴을 분석하여 상기 구조물의 표면 형상을 측정하는 단계
를 포함하며,
상기 구조물은 반사면을 가진 표면 형상 측정 방법.
삭제