KR101436572B1 - 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라인빔을 조사하여 측정대상물의 높이를 측정하는 과정에서 측정대상물의 영역별 반사도에 따라 조사되는 라인빔의 인텐시티를 다르게 출력하는 것을 특징으로 하는 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치에 관한 것으로, 인쇄회로기판에 다수개의 범프가 돌출되도록 실장된 입체형상의 측정대상물이 로딩되는 테이블과, 상기 측정대상물의 상면에 빔을 출력하도록 상기 측정대상물의 상방에 배치되는 프로젝터와, 상기 프로젝터의 하방에 배치되어 상기 프로젝터에서 조사된 면 형태의 빔을 입력 받아 라인빔으로 집광시켜 출력하는 집광수단과, 상기 측정대상물의 일측 상방에 배치되어, 상기 집광수단에 의하여 라인빔으로 조사되었다가 상기 측정대상물로부터 반사된 라인빔의 이미지를 획득하는 이미지 획득 수단을 포함한다.

Description

광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치{3D SHAPE MEASURING APPARATUS USING OPTICAL TRIANGULATION METHOD}

본 발명은 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 라인빔을 조사하여 측정대상물의 높이를 측정하는 과정에서 측정대상물의 영역별 반사도에 따라 조사되는 라인빔의 인텐시티를 다르게 출력하는 것을 특징으로 하는 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 측정대상물의 삼차원 형상이나 높이를 측정하는 기술은 삼차원 측정기를 사용하여 접촉식으로 측정대상물의 한 점씩 측정하여 전체 측정대상물 형상을 측정하는 방식인 접촉식과 광을 이용한 비접촉식으로 나뉘어지고 있다.

비접촉 측정법은 측정원리에 따라 크게 광간섭법과 광삼각법으로 나뉘어진다. 광간섭법은 레이저와 같은 단색광을 이용하여 반도체 패턴이나 미세금형 표면형상 측정에 많이 이용되는 광위상 간섭법과 백색광의 짧은 가간섭성을 이용하는 광 주사간섭법이 있으며, nm 단위의 정밀한 측정이 가능하나 넓은 영역을 빠르게 측정하기는 어렵고 고가의 정밀한 스테이지가 필요하게 되는 문제점이 있다.

도 1은 종래 광삼각법을 이용한 측정장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 광삼각법은 라임빔을 측정대상물(50)의 표면으로 투영하고 다른 각도에서 상기 라인빔의 영상을 획득하여 그 형상을 산출하는 측정방법이다. 종래, 상기 광삼각법을 이용한 측정장치는 빛을 출력하는 광원(10)과 상기 광원(10)의 빛을 슬릿빔(40) 형태로 출력하는 슬릿장치(20)와, 측정대상물(50)에서 반사된 슬릿광을 촬영하는 카메라를 포함하는 이미지획득수단(30) 및 획득된 이미지로부터 형상을 산출하는 이미지처리부(60)를 포함한다.

그러나, 상기와 같은 종래 측정장치는 측정대상물의 영역별로 반사도가 상이하지만, 이를 감안하기 않고 동일한 인텐시티의 슬릿광을 조사하여, 반사도가 낮은 영역에서는 반사된 슬릿광의 이미지가 흐려질 수 밖에 없어, 측정대상물의 정확한 형상을 측정하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정 대상물의 영역별 반사도에 따라 그 표면에 조사되는 라인빔의 인텐시티를 다르게 출력하여 측정검사가 보다 정확하게 이뤄질 수 있도록 하는 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치는 입체형상의 측정대상물이 로딩되는 테이블과, 상기 측정대상물의 상면에 빔을 출력하도록 상기 측정대상물의 상방에 배치되는 프로젝터와, 상기 프로젝터의 하방에 배치되어 상기 프로젝터에서 조사된 면 형태의 빔을 입력 받아 라인빔으로 집광시켜 출력하는 집광수단과, 상기 측정대상물의 일측 상방에 배치되어, 상기 집광수단에 의하여 라인빔으로 조사되었다가 상기 측정대상물로부터 반사된 라인빔의 이미지를 획득하는 이미지 획득 수단을 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 집광수단은 실린더리컬 렌즈(cylinderical lens)로 구비된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 프로젝터의 하방에는 상기 프로젝터에서 조사되어 상기 집광수단으로 입사되는 빔이 평행하도록 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)가 배치된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 프로젝터는 상기 측정대상물의 영역별 반사도와 반비례하여 명도(intensity)를 다르게 출력한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 프로젝터는 구동속도 향상을 위해 디스플레이 분해능을 1bit로 설정한다.

본 발명에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치에 따르면, 측정 대상물의 영역별 반사도에 따라 그 표면에 조사되는 라인빔의 인텐시티를 다르게 출력하여 측정 대상물에서 반사된 라인빔이 최대한 뚜렷하도록 하여 측정검사가 보다 정확하게 이뤄질 수 있다.

또한, 프로젝터에서 출력되는 면 형태의 빔의 비트 값을 낮춰, 프로젝터의 구동속도를 높임으로서, 측정검사가 보다 신속하게 진행될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 광삼각법을 이용한 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치의 구성도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치 를 보인 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치는 입체형상의 측정대상물(10)이 로딩되는 테이블(110)과, 상기 측정대상물(10)의 상면에 빔을 출력하도록 상기 측정대상물(10)의 상방에 배치되는 프로젝터(120)와, 상기 프로젝터(120)의 하방에 배치되어 상기 프로젝터(120)에서 조사된 면 형태의 빔을 입력 받아 라인빔으로 집광시켜 출력하는 집광수단(130)과, 상기 측정대상물(10)의 일측 상방에 배치되어, 상기 집광수단(130)에 의하여 라인빔으로 조사되었다가 상기 측정대상물(10)로부터 반사된 라인빔의 이미지를 획득하는 이미지 획득 수단(140)을 포함한다.

먼저, 상기 테이블(110)은 입체형상의 측정대상물(10)을 탑재한다. 상기 측정대상물(10)은 평면이 아닌 요철(凹凸)이 형성되고, 각 구성요소가 동일한 재질로 이루어질 수 있지만, 보통은 서로 다른 재질로 구비된다. 일례로, 상기 측정대상물(10)은 인쇄회로기판에 다수개의 범프가 돌출되도록 실장된 구조를 취할 수 있다. 상기의 경우 인쇄회로기판과 범프는 서로 다른 재질로 구비도기 때문에, 상기 측정대상물(10)은 복수의 재질로 구성되고, 재질에 따라 영역별로 서로 다른 반사율을 구비하게 된다.

상기 테이블(110)은 측정대상물(10)이 로딩되는 판넬의 형태이며, 높이 측정을 위해 일정거리 이송된다. 이송된 테이블(110) 상측에는 광원이 되는 프로젝터(120)와, 집광수단(130) 및 이미지획득수단(140)이 배치된다. 또한, 상기 테이블(110)에는 탑재된 검사측정물(10)의 위치를 정렬하는 위치정렬수단이 추가로 장착될 수 있다.

프로젝터(120)는 상기 측정대상물(10)의 상면에 빔을 출력하도록 상기 측정대상물(10)의 상방에 배치된다. 프로젝터(120)는 검사되는 측정대상물(10)에 면 형태의 빔을 조사한다. 상기 프로젝터(120)는 도 2와 같이 상기 측정대상물(10)과 경사지도록 일측 상방에 배치될 수 있고, 도 3 또는 도 4와 같이 측정대상물(10)수직 상방에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 프로젝터(120)는 공지의 다양한 빔 조사수단이 적용될 수 있지만, 특히 DLP프로젝터, TFT프로젝터, LCoS프로젝터 중 선택된 어느 하나로 구비될 수 있다.

집광수단(130)은 상기 프로젝터(120)의 하방에 동축으로 배치되어 상기 프로젝터(120)에서 조사된 면 형태의 빔을 입력 받아 라인빔으로 집광시켜 측정대상물(10)에 출력하는 기능을 한다.

상기 집광수단(130)은 집광렌즈일 수 있으며, 상기 프로젝터(120)에서 출력된 면 형태의 빔을 일측에서 입력받고, 타측으로 라인 형태의 빔으로 출력하는 공지의 다양한 집광수단이 적용될 수 있다. 일례로, 상기 프로젝터(120)에서 출력된 빔이 N개의 행과, M개의 열로 구성된 N×M개의 픽셀을 포함한다고 가정할 경우, 상기 집광수단(130)으로 출력된 라인빔은 각 열의 픽셀이 합쳐져 N×1개의 픽셀로 출력되고, 각 픽셀(N개)의 밝기는 해당 열(M개)의 픽셀의 밝기가 합쳐진 만큼 밝아진다.

이미지 획득 수단(140)은 상기 측정대상물(10)의 상방에 상기 프로젝터(120)와 소정의 사잇각을 형성하도록 배치되어 상기 집광수단(130)에 의하여 라인빔으로 조사되었다가 상기 측정대상물(10)로부터 반사된 라인빔의 이미지를 획득한다.

도 2와 같이 상기 프로젝터(120) 또는 집광수단(130)이 상기 측정대상물(10)의 일측 상방에 경사지게 배치될 경우, 상기 이미지 획득 수단(140)은 상기 측정대상물(10)의 수직 상방 또는 타측 상방으로 경사지게 배치될 수 있다. 한편, 상기 프로젝터(120) 또는 집광수단(130)이 상기 측정대상물(10)의 수직 상방에 배치될 경우, 상기 이미지 획득 수단(140)은 상기 측정대상물(10)의 일측 또는 타측 상방으로 경사지게 배치될 수 있다. 상기 이미지 획득 수단(140)은 상기 프로젝터(120) 또는 집광수단(130)과 소정의 사잇각을 형성하며, 상기 측정대상물(10)에서 반사된 라인빔의 이미지를 획득하여 측정대상물(10)의 3차원 형상 또는 높이를 측정하게 된다. 상기와 같이 획득한 이미지로부터 측정대상물(10)의 형상 또는 높이를 측정하는 방법은 이미 광삼각법을 이용한 측정장치에서는 주지된 기술이므로, 여기서 구체적 설명은 생략하기로 한다.

상기 측정대상물(10) 또는 상기 측정대상물(10)에 조사되는 라인빔의 이송방향과 교차하는 방향으로 측정대상물(10)에서 반사되는 라인빔의 영상을 라인단위로 획득하는 라인스캔카메라로 구비될 수 있다.

또한, 상기 이미지 획득 수단(140)에서 획득한 영상은 PC등과 같은 판독부로 전송된다. 상기 판독부는 상기 이미지 획득 수단(140)으로부터 전송된 영상을 전송받아 왜곡정도를 판단하고, 그 판단 결과에 따라서 측정대상물(10)의 결함을 검출한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 집광수단(130)은 실린더리컬 렌즈(cylinderical lens)로 구비된다. 상기 실린더리컬 렌즈의 경우, 일측은 평면으로 형성되고, 타측은 볼록하게 형성된다. 따라서, 상기 평면을 통해 프로젝터(120)에서 조사된 면 형태의 빔을 입력 받고, 볼록한 면을 통해 집광시켜 라인형태의 빔으로 출력한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치의 구성도이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 프로젝터(120)의 하방에는 상기 프로젝터(120)에서 조사되어 상기 집광수단(130)으로 입사되는 빔이 평행하도록 텔레센트릭 렌즈(150)가 배치된다. 프로젝터(120)에서 조사된 면형태의 빔의 화각을 줄여 평행광이 되도록 하기 위하여 텔레센트릭 렌즈를 사용하며, 이러한 렌즈는 이에 한정되지 않고 화각을 줄여 평행광을 발생시킬 수 있는 것이면 된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치의 구성도이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 프로젝터(120)는 상기 측정대상물(10)의 영역별 반사도와 반비례하여 명도(intensity)를 다르게 출력한다.

상기 프로젝터(120)는 빛을 조사하는 다양한 형태의 광원과, 상기 측정대상물(10)의 반사도와 대응하도록 상기 광원의 영역별 밝기를 조절하는 디스플레이 수단 및 상기 디스플레이 수단에서 영역별 밝기가 조절된 빔을 외부로 출력하는 투영렌즈를 포함한다. 상기 디스플레이 수단은 각종 디스플레이 패널이 적용될 수 있으며, 광원에서 조사됨 빛의 각 화소별 밝기를 조절하여 투영렌즈로 출력할 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 수단은 상기 측정대상물(10)의 표면 반사도에 따라 빔의 픽셀별 광의 밝기 조절을 하는 화소별 제어수단을 더 포함할 수 있다.

상기 디스플레이 수단은 즉흥적으로 상기 측정대상물(10)의 반사도를 파악하고, 실시간으로 그에 대응하여 화소별 밝기를 조절하여 측정대상물(10)로 출력할 수 있다. 즉, 측정 대상물의 표본과, 실질적으로 검사가 진행되는 측정대상물(10)을 양측에 배치하고, 반사도 측정 수단을 통해 표본의 반사도를 측정하고, 상기 반사도 측정 수단을 통해 측정된 반사도의 정보를 입력받아 상기 프로젝터(120)가 화소별 밝기를 조절하고 측정대상물(10)로 출력할 수 있다 있다.

한편, 측정대상물(10)의 반사도 정보를 미리 확보하고, 그와 대응되는 화소별 밝기를 미리 조절한 뒤, 측정대상물(10)로 출력할 수 있다. 상기의 경우, 실질적으로 검사가 진행되기 전 측정 대상물의 표본의 반사도를 측정하고, 그 정보를 통해 프로젝터(120)로 조사되는 빔의 화소별 밝기를 조절하고, 측정대상물(10)에 화소별로 미리 설정된 밝기가 조사되어 검사가 진행되는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 프로젝터(120)는 구동속도 향상을 위해 디스플레이 분해능을 1bit로 설정한다.

즉, 명도(intensity)의 조절이 가능하도록 최소치로 1bit의 분해능을 갖는 프로젝터(120), 정확하게는 프로젝터(120)에 포함된 디스플레이 수단이 1bit의 분해능을 구비하여, 측정대상물(10)의 영역별 반사도와 대응하여 명도(intensity)를 다르게 출력하면서도, 프로젝터(120)의 구동속도를 최대한으로 향상시킬 수 있어, 검사성을 높일 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치에 따르면, 측정 대상물의 영역별 반사도에 따라 그 표면에 조사되는 라인빔의 인텐시티를 다르게 출력하여 측정검사가 보다 정확하게 이뤄질 수 있으며, 프로젝터에서 출력되는 면 형태의 빔의 비트 값을 낮춰, 프로젝터의 구동속도를 높임으로서, 측정검사가 보다 신속하게 진행될 수 있는 장점이 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 측정대상물
110 : 테이블
120 : 프로젝터
130 : 집광수단
140 : 이미지 획득수단
150 : 텔레센트릭 렌즈

Claims (5)

1. 입체형상의 측정대상물이 로딩되는 테이블;
   상기 측정대상물의 상방에 배치되어, 상기 측정대상물의 상면에 면형태의 빔을 출력하되, 상기 측정대상물의 영역별 반사도와 반비례하도록 영역별로 명도(intensity)를 다르게 출력하는 프로젝터;
   상기 프로젝터의 하방에 동축으로 배치되어 상기 프로젝터에서 조사된 면 형태의 빔을 입력 받아 라인빔으로 집광시켜 출력하는 집광수단;
   상기 측정대상물의 상방에 상기 프로젝터와 소정의 사잇각을 형성하도록 배치되어, 상기 집광수단에 의하여 라인빔으로 조사되었다가 상기 측정대상물로부터 반사된 라인빔의 이미지를 획득하는 이미지 획득 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 집광수단은 실린더리컬 렌즈(cylinderical lens)인 것을 특징으로 하는 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 프로젝터의 하방에는 상기 프로젝터에서 조사되어 상기 집광수단으로 입사되는 빔이 평행하도록 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)가 배치된 것을 특징으로 하는 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 프로젝터는 구동속도 향상을 위해 1bit의 최소 분해능을 갖는 것을 특징으로 하는 광삼각법을 이용한 3차원형상 측정장치.

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