KR101333299B1

KR101333299B1 - 투영격자의 진폭을 적용한 3차원 형상 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR101333299B1
Application number: KR1020110092042A
Authority: KR
Inventors: 박윤덕; 조민송; 김호열
Original assignee: 주식회사 인스펙토
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-11-27
Also published as: KR20130028461A

Abstract

본 발명은 투영격자를 진폭을 적용한 3차원 형상 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학계에서 주기를 갖는 투영격자의 영상을 측정대상물에 조사하고 투영격자를 패턴을 변화시켜 진폭을 구한다음 측정대상물을 상하로 움직이면서, 연속적으로 진폭의 크기를 얻고 이를 통해 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 것이다.
본 발명의 측정장치는 임의 높이 형상을 갖는 측정대상물에 패턴을 영사하는 패턴 영사부(310), 상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 이미지센서를 포함하는 영상획득부(320), 측정대상물을 상하로 이동시키고 이동된 해당위치를 측정하는 위치센서를 포함하는 측정대상물 위치결정부(330), 상기 이미지센서에서 획득되는 영상과 상기 테이블의 위치를 측정하는 위치센서의 신호를 입력받는 제어부(340), 상기 제어부에 입력되는 이미지센서의 영상과 상기 위치센서로부터 입력받는 위치입력신호를 연산하여 측정대상물의 높이를 연산하는 연산부(350)를 포함한다.
본 발명에 의하면, 측정대상물의 높낮이 차이가 크면서 기구적인 진동이 존재하는 여건에서는 적절한 측정결과를 얻을 수 있어, 사용자의 욕구를 충족시킬 수 있게 하는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

Description

투영격자의 진폭을 적용한 3차원 형상 측정장치 및 방법{3D Shape Mesurement Mehod and Device by using Amplitude of Projection Grating }

본 발명은 투영격자를 진폭을 적용한 3차원 형상 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학계에서 주기를 갖는 투영격자의 영상을 측정대상물에 조사하고 투영격자를 패턴을 변화시켜 진폭을 구한다음 측정대상물을 상하로 움직이면서, 연속적으로 진폭의 크기를 얻고 이를 통해 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 것이다.

백색광 간섭계를 이용하여, 미세영역에 있어서, 형상을 측정하는 기술은 널리 보급되어 현재 많은 분야에서 활용되고 있다.

이러한 백생광간섭계는 대한민국특허 등록공보 제10-598572호를 보면 잘 설명되어 있다. 백색광간섭계는 반도체 및 LCD(Liquid Crystal Display) 제조 공정 중에서 불투명한 금속 층의 표면상에 투명한 박막 층을 도포하는 공정이 존재하는데, 이 때 투명한 박막 층의 두께나 그 표면 형상에 대한 정보를 측정하는 몇가지 방법들이 제안되었다.

이러한 투명한 박막층의 표면 형상을 측정하는 방법의 하나로, 백색광 주사 간섭법(WSI : White-light Scanning Interferometry)이 제안되었는데, 종래의 위상 천이 간섭법(PSI : Phase Shifting Interferometry)이 가지는 2π-모호성(2πambiguity)을 극복하여 거친면이나 고단차를 가지는 측정면도 고 분해능으로 측정할 수 있게 되었다.

백색광 주사 간섭법의 기본 측정 원리는 백색광의 짧은 가간섭(Short Coherence Length) 특성을 이용한다. 이는 광분할기인 빔 스플리터(Beam splitter)에서 분리되는 기준광과 측정광이 거의 동일한 광경로차(Optical path difference)를 겪을 때에만 간섭신호(Interference signal)가 발생하는 원리를 이용한다.

그러므로, 측정대상물을 광축 방향으로 PZT 액츄에이터와 같은 이송수단으로 수 나노미터(nanometer)의 미소 간격씩 이동하면서 측정 영역 내의 각 측정점에서의 간섭신호를 관찰하면, 각 점이 기준미러와 동일한 광경로차가 발생하는 지점에서 짧은 간섭신호가 발생한다.

이러한 간섭신호의 발생 위치를 측정 영역 내의 모든 측정점에서 산출하면 측정면의 3차원 형상에 대한 정보를 획득하게 되고, 획득된 3차원 정보로부터 박막층의 표면 형상을 측정하게 된다.

도 1은 백색광 주사 간섭법을 이용한 표면형상 측정장치를 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 표면형상측정장치는 광원(110), 광분할부(150), 간섭모듈(120), 촬상부(140), 이송유닛(130) 및 제어부(160)를 포함한다.

광원(110)은 백색광을 방출한다. 광원(110)은 단색광, 예컨대 백색광을 방출하며, 대략 70W 정도의 텅스텐-할로겐 램프를 사용한다. 여기서, 광원(110)으로부터 출광된 광은 출광방향으로 도시되지 않은 광 파이버(미도시)를 거쳐 출광된다.

광 파이버로부터 출광된 광은 고정부재(171)의 핀홀을 중심으로 퍼져나간다. 그리고, 핀홀을 통과한 광은 고정부재(171)와 광분할부(150) 사이에 배치된 볼록렌즈(172)을 투과하면서 일정한 폭으로 정렬된다.

볼록렌즈(172)를 투과한 광은 광분할부(150)로 입사된다. 여기서, 광분할부(150), 예컨대, 광분할기(Beam Splitter)에 입사된 광은 입사방향에 대해 약 45도 정도로 반사되어 측정 대상물(100)을 향하게 된다.

광분할부(150)에 의해 반사되어 측정 대상물(100)을 향하는 광은 간섭모듈(120)에 입사된다. 간섭모듈(120)에 입사된 광은 각각 간섭모듈(120)에 마련된 기준미러 방향 및 측정 대상물(100) 방향으로 분할되어 출광된다. 그리고, 기준미러 및 측정 대상물(100)로부터 각각 반사된 반사광에 의해 간섭광이 형성되어 광분할부(150)로 출광된다.

촬상부(140)는 간섭모듈(120)로부터 출광되어 광분할부(150) 및 볼록렌즈(174)를 거친 간섭광을 촬상하여 제어부(160)에 인가한다.

제어부(160)는 백색광 주사 간섭법에 따라 이송유닛(130)을 제어하여 이송유닛(130)과 측정 대상물(100) 간의 이격 거리를 조절한다. 그리고, 제어부(160)는 이송유닛(130)과 측정 대상물(100) 간의 이격 거리에 대응하여 촬상부(140)에서 촬상된 데이터에 기초하여 측정 대상물(100)의 표면 형상을 측정한다.

그러나 이러한 백색광 간섭계는 가간섭 구간이 대략 2-4um이면서, 간섭무늬의 주기는 대략 0.3um정도이기 때문에 높낮이가 존재하는 입체형상을 측정하기 위해서는, 매우 짧은 간격으로 스텝(step) 이송하면서 전체 높이에 걸쳐서 간섭무늬를 획득해야 하며, 이로 인해서 측정에 소요되는 시간이 길어지게 된다.

이러한 측정방식에서는 측정대상물의 높낮이 차이가 적고, 진동이 없는 안정적인 환경에서는 효과적인 측정 장치이지만, 측정대상물의 높낮이 차이가 크면서 기구적인 진동이 존재하는 여건에서는 적절한 측정결과를 얻기 힘든 점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로써, 측정대상물의 높낮이 차이가 크면서 기구적인 진동이 존재하는 여건에서도 3차원 형상을 측정하는 측정장치를 제안하는 것이다.

이를 위해 본 발명은 3차원 측정정치에서 주기를 갖는 투영격자의 영상을 측정대상물에 조사하고 투영격자를 패턴을 변화시켜 진폭을 구한다음 측정대상물을 상하로 움직이면서, 연속적으로 진폭의 크기를 얻어 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 새로운 형태의 측정장치와 이를 이용한 방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정장치는, 임의 높이 형상을 갖는 측정대상물에 투영격자의 패턴을 영사하는 패턴 영사부, 상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 이미지센서를 포함하는 영상획득부, 상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해, 상기 패턴영사부와 상기 영상획득부의 초점위치를 조정하는 초점위치이송부, 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서, 상기 이미지센서에서 획득되는 투영격자의 패턴영상과 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서의 신호를 입력받는 제어부, 상기 제어부에 입력되는 이미지센서의 영상과 상기 위치센서로부터 입력받는 위치입력신호를 연산하여 측정대상물의 높이를 연산하는 연산부를 포함하여 구성한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법은, 임의 높이 형상을 갖는 측정대상물에 투영격자의 패턴을 영사하는 패턴 영사부, 상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 이미지센서를 포함하는 영상획득부, 상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해, 상기 패턴영사부와 상기 영상획득부의 초점위치를 조정하는 초점위치이송부, 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서, 상기 이미지센서에서 획득되는 투영격자의 패턴영상과 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서의 신호를 입력받는 제어부, 상기 제어부에 입력되는 이미지센서의 영상과 상기 위치센서로부터 입력받는 위치입력신호를 연산하여 측정대상물의 높이를 연산하는 연산부를 포함하여 구성된 3차원 형상 측정장치를 적용한 3차원 형상 측정방법에 있어서, 상기 영상획득부의 이미지센서는 다수개의 화소를 가지며, 상기 각각의 화소는 상기 측정대상물의 대응되는 지점의 영상을 획득되도록 배치되는 제1단계, 상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해 상기 초점위치이송부를 통해 이동하며, 초점위치이송량을 저장하는 제2단계, 상기 측정대상물에 주기성분을 갖는 투영격자의 패턴을 영사하는 제3단계, 상기 투영격자의 패턴이 영사된 측정대상물의 영상을 획득하는 제4단계, 상기 투영격자를 한주기내에서 이동시키면서 측정대상물에 패턴을 영사하는 제5단계, 상기 투영격자가 한주기내에서 이동되면서 측정대상물에 영사된 패턴을 획득하는 제6단계, 상기 획득한 영상으로부터 각각의 화소에서 상기 투영격자 패턴의 진폭을 연산하는 제7단계, 상기 각 화소에서 투영격자 패턴의 진폭이 가장 큰 값을 결정하는 제8단계를 포함하여 구성된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 3차원 측정장치 및 방법에 의하면, 측정대상물의 높낮이 차이가 크면서 기구적인 진동이 존재하는 여건에서도 적절한 측정결과를 얻을 수 있어, 사용자의 욕구를 충족시킬 수 있게 하는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

도 1은 종래 백색광 간섭계를 적용한 측정장치를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 측정장치의 광학계를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 측정장치의 블록도를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에서 측정대상물의 높이에 따라 변하는 진폭의 크기를 도시한 도면이며,
도 5는 본 발명에 초점위치에 따라 진폭의 크기를 도시한 도면이고,
도 6는 본 발명에 경사광학계를 통한 측정장치의 광학계를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

또한, 본 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고 단지 예시로 제시된 것이며, 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

도 2는 본 발명에 측정장치의 광학계를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 측정장치의 블록도를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에서 측정대상물의 높이에 따라 변하는 진폭의 크기를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 초점위치에 따라 진폭의 크기를 도시한 도면이다.

도면에서 도시한 바와 같이, 본 측정장치는 임의 높이 형상을 갖는 측정대상물에 투영격자의 패턴을 영사하는 패턴영사부(310), 상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 이미지센서를 포함하는 영상획득부(320), 상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해, 상기 패턴영사부와 상기 영상획득부의 초점위치를 조정하는 초점위치이송부(330), 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서, 상기 이미지센서(260)에서 획득되는 투영격자의 패턴영상과 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서의 신호를 입력받는 제어부(340), 상기 제어부에 입력되는 이미지센서(260)의 영상과 상기 위치센서로부터 입력받는 위치입력신호를 연산하여 측정대상물의 높이를 연산하는 연산부(350)를 포함한다.

도 2를 통해 본 발명의 측정장치를 설명하면, 상기 측정대상물에 패턴을 영사하는 패턴 영사부(310)는 상기 측정대상물에 빛을 비추는 광원(210), 상기 광원의 앞쪽에 설치되며 상기 광원의 빛을 받아 측정대상물로 투영되는 주기성분을 갖는 투영격자(220), 상기 투영격자의 투영위치를 제어하는 투영격자제어기(221)를 포함한다. 여기서 투영격자는 다수의 줄무늬가 일정간격으로 배치된 주기성분을 갖는 것이 바람직하다.

또한 상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 영상획득부(320)는 상기 측정대상물에 투영되는 격자의 패턴을 획득하는 이미지센서(260), 상기 이미지센서에서 획득하는 영상을 제어부로 전송하는 영상보드(261), 상기 이미지센서와 상기 측정대상물 사이에 배치되는 대물렌즈(240)로 구성된다.

위에서 설명한 광학계는 투영격자를 측정대상물에 투영할 때 대물렌즈(240)를 투영하는 구조이다.

즉 도2에서는 대물렌즈(240)를 통해 투영하는 구조를 도시하고 있지만, 영사렌즈를 포함하는 패턴영사부를 영상획득부와 별개로 설치함으로써 대물렌즈를 통하지 않고도 투영격자를 측정대상물에 투영할 수도 있다(도6 참조).

도 2와 같이 투영격자를 측정대상물에 투영할 때 대물렌즈(240)를 통해 투영되는 구조로서, 패턴 영사부(310)는 상기 측정대상물에 빛을 비추는 광원(210), 상기 광원의 앞쪽에 설치되며 상기 광원의 빛을 받아 측정대상물로 투영되는 주기성분을 갖는 투영격자(220), 상기 투영격자의 투영위치를 제어하는 투영격자제어기(221)로 구성되어 별도의 영사렌즈를 포함하지 않는다.

또한 영상획득부(320)는 상기 측정대상물에 투영되는 격자의 무늬를 획득하는 이미지센서(260), 상기 이미지센서에서 획득하는 영상을 제어부로 전송하는 영상보드(261), 상기 이미지센서와 상기 측정대상물 사이에 배치되는 대물렌즈(240)와 상기 이미지센서와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 광분할기(230)를 더 포함하며, 상기 패턴영사부의 투영격자는 상기 광분할기(230)와 상기 대물렌즈(240)를 통해서 상기 측정대상물에 영사가 이루어진다.

또한 상기 초점위치이송부(330)는 측정대상물을 상하로 이동시키거나, 상기 대물렌즈만을 상하로 이동시키거나, 상기 영상획득부만을 상하로 이동시키거나, 상기 패턴영사부와 영상획득부를 모두 상하로 이동시키되, 상기 위치센서 설치위치는 측정물을 상하로 이동시킬때는 측정대상물이 안착된 테이블에 설치하고, 대물렌즈만을 상하로 이동시킬 때는 대물렌즈의 하우징에 설치하며, 영상획득부만을 상하로 이동시킬때는 영상획득부에 설치하고, 패턴영사부와 영상획득부 모두를 이동시킬때는 패턴영사부나 영상획득부에 설치하여, 상기 광원의 빛을 받아 측정대상물로 투영되는 투영격자가 측정대상물로 투영된 후, 초점위치이송부의 이송에 따라 변하는 투영격자의 진폭의 크기를 분석하여 측정대상물의 높이를 측정한다.

이때 측정대상물을 상하로 이동시키거나, 상기 대물렌즈만을 상하로 이동시키거나, 상기 영상획득부만을 상하로 이동시키거나, 상기 패턴영사부와 영상획득부를 모두 상하로 이동시키는 구조는 당업자가 본 발명의 요지에 맞추어 구성할 수 있으므로 자세한 설명은 생략하나, 이해를 돕기위해 측정대상물을 상하로 이동시키는 구조에 대해 간략히 설명한다.

이때는 상기 측정대상물(250)이 안착된 테이블(251)과 상기 측정대상물이 안착된 테이블을 상하이동 시키는 모터(252)와 모터드라이버(253)와 상기 테이블의 상하이동시 테이블의 위치를 측정하는 위치센서(255)를 포함하는 것이 바람직하며, 위치센서의 신호는 제어부(340)로 전송되어 측정대상물의 위치를 연산하는데 활용된다.

이때 위에서 설명한 광학계는 상기 대물렌즈(240)의 초점거리를 f라 하고, 상기 측정대상물(250)의 일지점에서 상기 대물렌즈(240)의 중심거리까지의 직선거리가 b라 하며, 상기 대물렌즈(240)에서 상기 이미지센서(260) 영상획득 지점까지의 직선거리가 a 라 하면, 이때 광학계의 배치는 1/f = (1/a + 1/b) 위치에서 상기 측정대상물의 일지점의 영상이 상기 이미지센서(260)에 선명하게 획득되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서는 대물렌즈(240)와 광분할기(230)사이에는 조리개(241)를 배치함으로써 초점심도를 자유롭게 조절하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는 상기 영상획득부와 상기 패턴영사부의 초점위치가 일치하도록 상기 광학계가 배치되는 것이 바람직하며, 초점위치가 이송되는 과정에서도 항시 영상획득부와 패턴영사부의 초점위치가 일치되도록 하면 영상획득부에서는 초점위치가 이송되더라도 측정대상물에 투영격자가 선명하게 투영되므로 선명한 영상을 획득할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 블록도를 통해 측정하는 과정을 설명한다.

본 발명은 상기 이미지센서(260)는 다수개의 화소를 가진 것으로서, 상기 각각의 화소는 대응되는 측정대상물(250) 지점의 영상을 획득되도록 배치된다.

다음으로 상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기위해 상기 초점위치이송부(330)를 통해 이동하며, 초점위치이송량을 저장한다.

여기서 상기 초점위치이송부를 이동하는 형태는 측정대상물을 상하로 이동시키거나, 혹은 상기 대물렌즈만을 상하로 이동시키거나, 혹은 상기 영상획득부만을 상하로 이동시키거나 혹은 상기 패턴영사부와 영상획득부를 모두 상하로 이동시키는 방식을 채택할 수 있다.

이 때 위치센서의 설치위치는 측정물을 상하로 이동시킬때는 측정대상물이 안착된 테이블에 설치하고, 대물렌즈만을 상하로 이동시킬 때는 대물렌즈의 하우징에 설치하며, 영상획득부만을 상하로 이동시킬때는 영상획득부에 설치하고, 패턴영사부와 영상획득부 모두를 이동시킬때는 패턴영사부나 영상획득부에 설치한다.

이하 측정대상물을 상하로 이동시키는 방식에 대해 좀더 상세히 설명한다.

상기 측정대상물은 위쪽 또는 아래쪽으로 소정의 거리만큼씩 이동되도록 제어되며, 이때는 상기 측정대상물은 테이블(251)에 안착되어 있으므로, 제어부(340)를 통해 모터드라이버(253)를 제어하여 테이블을 소정 거리만큼씩 이동시킴에 따라 측정대상물은 소정의 거리만큼씩 이동한다.

상기 측정대상물(250)이 소정의 거리만큼씩 이동시에 상기 측정대상물에 투영되는 상기 투영격자의 패턴을 이동시킨 다음, 이미지센서(260)의 각 화소는 대응되는 측정대상물의 지점의 영상을 획득한다.

측정대상물을 그대로 두고 대물렌즈만을 상하로 이동시키거나, 혹은 영상획득부만을 이동시키거나, 상기 패턴영사부와 영상획득부를 모두 상하로 이동시키는 방식을 채택하여 적용하는 기술은 당업자라면 본 발명의 상세한 설명에 기재된 내용을 참고하여 용이하게 수행할 수 있다고 판단되므로 본 발명에서는 자세한 설명은 생략한다.

이하에서는 투영격자와 이의 제어에 관해 설명한다.

투영격자는 일정한 주기를 갖는 다수의 줄무늬형태이면서 밝기변화가 정현파형태를 이루는 것이 바람직하다.

상기 투영격자를 변화시키면서 영상을 획득할 때 해당 측정대상물의 높이위치를 제어부로 전송하는데, 투영격자(220)를 변화시켜 측정대상물에 투영하면서 영상을 획득할 때는 측정대상물이 정지되는 것이 바람직하나 저속 이동중에도 영상획득은 가능하다.

투영격자(220)의 패턴을 변화시키는 방법은 격자가 그려진 유리판을 움직이거나 투영격자를 LCD로 만들어 변화시킬 수 있다.

상기 연산부(350)는 상기 각각의 화소가 획득하는 영상으로부터 투영격자의 패턴변화에 따른 진폭을 연산하게 되는데, 이때 측정대상물의 소정거리를 이동후 정지하면, 측정대상물에 투영된 투영격자를 패턴을 변화시키면서 영상을 획득한다.

즉 측정대상물이 소정거리 이동후 정지한 상태에서 투영된 투영격자의 진폭을 얻을 수 있도록 투영격자를 변화시키면서 영상을 획득하고, 측정대상물을 또 다시 소정거리만큼 이동시켜 다시 투영격자를 변화시켜 영상을 획득하는 과정을 반복해서 진행하면 결국 이미지센서의 각화소에는 측정대상물의 각각의 위치에서 얻은 영상을 통해 투영격자의 진폭의 크기를 구할 수 있다.

도 4를 보면, 이미지센서의 하나의 화소에 대응되는 측정대상물의 한 지점에서 측정대상물의 각위치(z1, z2, z3, z4, z5)에서 얻은 진폭의 크기를 도시한 것이다.

도 4에서 z3 위치에서 이미지센서에 가장 뚜렸한 영상이 획득된다고 가정(이는 초점이 가장 잘 맞는 경우임)했을 때 z3를 벗어나는 위치에서는 초점이 잘 맞지 않아 투영격자의 진폭의 값이 작아지게 된다.

다시 말해, z1, z2의 위치(z3보다 아래위치 일때)의 진폭의 크기를 각각 p1, p2, 라하고, z4, z5의 위치(z3보다 위쪽위치 일때)의 진폭의 크기를 각각 p4, p5, 라하며, 초점이 잘 맞은 z3위치에서의 진폭을 p3 라하면, 결국 p3의 값이 가장 큼을 알 수 있다.

따라서 이미지센서의 각화소에 대응되는 측정대상물의 각지점[p(x, y) x=1,,n y=1..n] 이라 하면 측정대상물의 각 지점의 높이는 각 화소에서 획득되는 진폭을 구해 그 진폭이 가장 클 때의 측정대상물의 높이로 정하게 되면, 측정대상물의 모든 지점에서의 높이데이터를 구할 수 있게 된다.

이와 같이 이미지센서의 각 화소에서 얻은 영상에서 진폭이 가장 클 때, 측정대상물 해당지점의 높이를 그 지점의 높이로 정하고, 모든 화소에 대응되는 측정대상물 지점의 높이도, 진폭이 가장 클 때 측정대상물의 해당 측정대상물 지점의 높이로 정하면, 모든 측정대상물의 모든 지점의 높이 값을 구할 수 있다.

도 5는 측정대상물의 일지점이 초점위치에 있을 때와 초점위치를 벗어났을 때 해당 화소에서 얻는 투영격자의 진폭의 크기를 나타낸 실험결과로서 초점위치에서 진폭의 값이 가장 크고, 이를 위 또는 아래쪽으로 벗어났을 때 그 진폭의 값이 작아짐을 보여주고 있다.

이하 본 발명의 측정방법에 대해 설명한다.

본 측정방법은 임의 높이 형상을 갖는 측정대상물에 투영격자의 패턴을 영사하는 패턴 영사부, 상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 이미지센서를 포함하는 영상획득부, 상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해, 상기 패턴영사부와 상기 영상획득부의 초점위치를 조정하는 초점위치이송부, 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서, 상기 이미지센서에서 획득되는 투영격자의 패턴영상과 상기 초점위치이송량을 검출하는 위치센서의 신호를 입력받는 제어부, 상기 제어부에 입력되는 이미지센서의 영상과 상기 위치센서로부터 입력받는 위치입력신호를 연산하여 측정대상물의 높이를 연산하는 연산부로 구성된 3차원 형상 측정장치를 적용한 3차원 형상 측정방법에 있어서, 상기 영상획득부의 이미지센서는 다수개의 화소를 가지며, 상기 각각의 화소는 상기 측정대상물의 대응되는 지점의 영상을 획득되도록 배치되는 제1단계, 상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해 상기 초점위치이송부를 통해 이동하며, 초점위치이송량을 저장하는 제2단계, 상기 측정대상물에 주기성분을 갖는 투영격자의 패턴을 영사하는 제3단계, 상기 투영격자의 패턴이 영사된 측정대상물의 영상을 획득하는 제4단계, 상기 투영격자를 한주기내에서 이동시키면서 측정대상물에 패턴을 영사하는 제5단계, 상기 투영격자가 한주기내에서 이동되면서 측정대상물에 영사된 패턴을 획득하는 제6단계, 상기 획득한 영상으로부터 각각의 화소에서 상기 투영격자 패턴의 진폭을 연산하는 제7단계, 상기 각 화소에서 투영격자 패턴의 진폭이 가장 큰 값을 결정하는 제8단계를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명은 상기 제2단계에서 상기 초점위치이송은 측정대상물을 상하로 이동시키거나, 상기 대물렌즈만을 상하로 이동시키거나, 영상획득부만을 이동시키거나, 상기 패턴영사부와 영상획득부를 모두 상하로 이동시키되, 상기 위치센서 설치위치는 측정물을 상하로 이동시킬때는 측정대상물이 안착된 테이블에 설치하고, 대물렌즈만을 상하로 이동시킬 때는 대물렌즈의 하우징에 설치하며, 영상획득부만을 이동시킬때는 영상획득부에 설치하고, 패턴영사부와 영상획득부 모두를 이동시킬때는 패턴영사부나 영상획득부에 설치하는 제2_1단계를 더 포함한다.

나아가 본 발명은 상기 제8단계 이후에 상기 각 화소에 대응되는 측정대상물 지점의 높이는 상기 제8단계에서 진폭이 가장 클 때 저장되었던 초점거리이송량 정보를 통해 해당 측정대상물 지점의 높이로 결정하는 제9단계를 더 포함한다.

또한 본 발명은 제9단계 이후에 모든 화소에 대응되는 측정대상물 지점의 높이를 결정하고 상기 각 측정대상물의 지점들을 연결하여 전체 측정대상물형상을 디스플레이하는 제10단계를 더 포함한다.

210 : 광원 220 : 투영격자
230 : 광분할기 240 : 대물렌즈
250 : 측정대상물 260 : 이미지센서
310 : 패턴 영사부 320 : 영상획득부
330 : 초점위치이송부 340 : 제어부
350 : 연산부 360 :디스플레이부

Claims

임의 높이 형상을 갖는 측정대상물에 투영격자의 패턴을 영사하는 패턴 영사부;
상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 이미지센서를 포함하는 영상획득부;
상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해, 상기 패턴영사부와 상기 영상획득부의 초점위치를 조정하는 초점위치이송부;
상기 초점위치이송부의 초점위치이송량을 검출하는 위치센서;
상기 이미지센서에서 획득되는 투영격자의 패턴영상과 상기 초점위치이송부의 초점위치이송량을 검출하는 위치센서의 신호를 입력받는 제어부;
상기 제어부에 입력되는 이미지센서의 영상과 상기 위치센서로부터 입력받는 위치입력신호를 연산하여 측정대상물의 높이를 연산하는 연산부; 를 포함하여 이루어지는 투영격자 패턴의 진폭크기를 적용한 3차원 형상측정장치.
제1항에 있어서,
상기 측정대상물에 패턴을 영사하는 패턴 영사부는
상기 측정대상물에 빛을 비추는 광원;
상기 광원의 앞쪽에 설치되며 상기 광원의 빛을 받아 측정대상물로 투영되는 주기성분을 갖는 투영격자;
상기 투영격자의 투영위치를 제어하는 투영격자제어기;
상기 투영격자를 측정대상물에 영사하는 영사렌즈; 를 포함하고,

상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 영상획득부는
상기 측정대상물에 투영되는 격자의 무늬를 획득하는 이미지센서;
상기 이미지센서에서 획득하는 영상을 제어부로 전송하는 영상보드;
상기 이미지센서와 상기 측정대상물 사이에 배치되는 대물렌즈; 를 포함하여 이루어지는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상측정장치.
제1항에 있어서,
상기 측정대상물에 패턴을 영사하는 패턴 영사부는
상기 측정대상물에 빛을 비추는 광원;
상기 광원의 앞쪽에 설치되며 상기 광원의 빛을 받아 측정대상물로 투영되는 주기성분을 갖는 투영격자;
상기 투영격자의 투영위치를 제어하는 투영격자제어기; 를 포함하고,

상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 영상획득부는
상기 측정대상물에 투영되는 격자의 무늬를 획득하는 이미지센서;
상기 이미지센서에서 획득하는 영상을 제어부로 전송하는 영상보드;
상기 이미지센서와 상기 측정대상물 사이에 배치되는 대물렌즈;
상기 이미지센서와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 광분할기; 를 포함하며

상기 패턴영사부의 투영격자는 상기 광분할기와 상기 대물렌즈를 통해서 상기 측정대상물에 영사가 이루어지는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상측정장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 초점위치이송부는
측정대상물을 상하로 이동시키거나, 상기 대물렌즈만을 상하로 이동시키거나, 상기 영상획득부만을 상하로 이동시키거나, 상기 패턴영사부와 영상획득부를 모두 상하로 이동시키되,
상기 위치센서 설치위치는 측정물을 상하로 이동시킬때는 측정대상물이 안착된 테이블에 설치하고, 대물렌즈만을 상하로 이동시킬 때는 대물렌즈의 하우징에 설치하며, 영상획득부만을 상하로 이동시킬때는 영상획득부에 설치하고, 패턴영사부와 영상획득부 모두를 이동시킬때는 패턴영사부나 영상획득부에 설치하여
상기 광원의 빛을 받아 측정대상물로 투영되는 투영격자가 측정대상물로 투영된 후, 초점위치이송부의 이송에 따라 변하는 투영격자의 진폭의 크기를 분석하여 측정대상물의 높이를 측정하는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상 측정장치.
제4항에 있어서
상기 영상획득부와 상기 패턴영사부의 초점위치가 일치하도록 광학계가 배치되며, 초점위치가 이송되는 과정에서도 항시 영상획득부와 패턴영사부의 초점위치가 일치되는 것을 특징으로 하는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상 측정장치.
제5항에 있어서
상기 이미지센서는 다수개의 화소를 가지며, 상기 각각의 화소는 대응되는 측정대상물 지점의 영상을 획득되도록 배치된 후,
상기 초점위치이송부를 위쪽 또는 아래쪽으로 소정의 거리만큼씩 이동되며,
상기 초점위치이송부가 소정의 거리만큼씩 이동시에 이미지센서의 각 화소는 대응되는 측정대상물의 지점의 영상을 획득하고, 상기 측정대상물에 상기 투영격자가 움직이면서 영상을 획득할 때 해당 초점위치이송부의 높이정보를 제어부로 전송하며,
상기 연산부는 상기 각각의 화소가 획득하는 영상으로부터 투영격자의 이송에 따른 진폭을 연산하고,
각 화소에서 얻은 영상에서 진폭이 가장 클 때, 초점위치이송부의 높이정보로부터 그 화소에 대응되는 측정대상물 지점의 높이를 획득하고,
이미지센서의 모든 화소에 대응되는 측정대상물 각 지점의 높이도, 각 화소에서 얻은 영상에서 진폭이 가장 클 때, 초점위치이송부의 높이정보로부터 그 화소에 대응되는 측정대상물 지점의 높이를 획득하는 것을 특징으로 하는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상 측정장치.
임의 높이 형상을 갖는 측정대상물에 투영격자의 패턴을 영사하는 패턴 영사부;
상기 측정대상물에 영사된 패턴영상을 획득하는 이미지센서를 포함하는 영상획득부;
상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해, 상기 패턴영사부와 상기 영상획득부의 초점위치를 조정하는 초점위치이송부;
상기 초점위치이송부의 초점위치이송량을 검출하는 위치센서;
상기 이미지센서에서 획득되는 투영격자의 패턴영상과 상기 초점위치이송부의 초점위치이송량을 검출하는 위치센서의 신호를 입력받는 제어부;
상기 제어부에 입력되는 이미지센서의 영상과 상기 위치센서로부터 입력받는 위치입력신호를 연산하여 측정대상물의 높이를 연산하는 연산부로 구성된 3차원 형상 측정장치를 적용한 3차원 형상 측정방법에 있어서,
상기 영상획득부의 이미지센서는 다수개의 화소를 가지며, 상기 각각의 화소는 상기 측정대상물의 대응되는 지점의 영상이 획득되도록 배치되는 제1단계;
상기 측정대상물에 영사된 투영격자 패턴의 선명한 영상을 얻기 위해 상기 초점위치이송부를 통해 이동하며, 초점위치이송량을 저장하는 제2단계;
상기 측정대상물에 주기성분을 갖는 투영격자의 패턴을 영사하는 제3단계;
상기 투영격자의 패턴이 영사된 측정대상물의 영상을 획득하는 제4단계;
상기 투영격자를 한주기내에서 이동시키면서 측정대상물에 패턴을 영사하는 제5단계;
상기 투영격자가 한주기내에서 이동되면서 측정대상물에 영사된 패턴을 획득하는 제6단계;
상기 획득한 영상으로부터 각각의 화소에서 상기 투영격자 패턴의 진폭을 연산하는 제7단계;
상기 각 화소에서 투영격자 패턴의 진폭이 가장 큰 값을 결정하는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상 측정방법.
제 7항에 있어서,
상기 제8단계 이후에 상기 각 화소에 대응되는 측정대상물 지점의 높이는 상기 제8단계에서 진폭이 가장 클 때, 저장되었던 초점거리이송량 정보를 통해 해당 측정대상물 지점의 높이로 결정하는 제9단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상 측정방법.
제 8항에 있어서,
상기 제9단계 이후에 모든 화소에 대응되는 측정대상물 지점의 높이를 결정하고 상기 각 측정대상물의 지점들을 연결하여 전체 측정대상물형상을 산출하는 제10단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상 측정방법.
제2항 또는 제3항에 있어서
상기 대물렌즈(240)에 조리개(241)를 배치하는 것을 특징으로 하는 투영격자 진폭의 크기를 적용한 3차원 형상 측정장치.