KR101554205B1 - 파장주사 층밀리기 간섭계를 이용한 자유곡면의 삼차원 형상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 프로파일 측정 방법 및 3차원 프로파일 측정 장치를 제공한다. 이 3차원 프로파일 측정 방법은 측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계; 및 파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 기준파와 상기 층밀림파의 광경로 차이(optical path difference)를 산출하는 단계;를 포함한다.

Description

파장주사 층밀리기 간섭계를 이용한 자유곡면의 삼차원 형상 측정 장치 {Wavelength Scanning Lateral Shearing Interferometer for 3D Surface Profile Measurement of Freeform Optics}

본 발명은 3차원 형상 측정 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 자유곡면 광학 표면을 가지는 측정 대상의 3차원 형상을 측정하는 파장주사 층밀리기 간섭 장치(wavelength scanning lateral shearing interferometer)에 관한 것이다.

광 산업(optical industry)에서 최근 성장하는 기술 중에 하나는 자유곡면 광학(freeform optics)을 이용한 기술이다. 상기 자유곡면 광학은 어떤 축에 대하여도 비회전 대칭 광학적 표면(non-rotationally symmetric optical surface)을 가진 요소로 정의될 수 있다.

상기 자유곡면 광학은 광학 설계 뿐만 아니라 제작 및 측정에 이르기 까지 많은 영역에서 새로운 패러다임을 창조할 수 있기 때문에 최근 각광을 받고 있다. 상기 자유곡면 광학 표면은 통상적인 광학 표면에 비하여 파면 수차(wavefront aberration), 시스템 크기 및 설계 다양성 측면에서 우수한 성능을 보이고 있다. 상기 자유곡면 광학은 우주 광학, 천체, 의료 기기 및 반도체 산업 기기에 널리 사용되고 있고 이는 제조 기술의 빠른 성장에 의해 가능하게 되었다. 그러나, 다양한 응용을 실현하기 위하여 극복하여야하는 많은 문제가 있고 특히, 제조 기술은 측정 기술의 진보없이는 발전할 수가 없다. 이러한 관점에서 자유곡면 표면의 측정은 매우 도전적이고, 특히, 연구 개발의 영역에서 시급한 과제로 고려되고 있다.

자유곡면 광학의 3D 표면 측정을 위한 많은 접근 방법이 현재 진행되고 있다.

스타일러스(stylus)를 사용한 점 접촉 방법(point contact method)은 직관적인 방법이나, 전체적인 3D 표면 형상 측정을 위해서는 상당히 많은 시간을 필요로 하게 된다.

Deflectometry는 자유곡면 표면의 경사 프로파일(slope profile)을 측정하는 구조 조명에 기초한 기술이다. Deflectometry는 측정하고자 하는 자유곡면 표면으로부터 반사된 정현파 패턴(sinusoidal pattern )의 왜곡(distortion)을 수량화하여 측정한다. 이 방법은 상대적으로 간단하고, 반복적이고, 쉽게 구현할 수 있다. 그러나, 이 방법은 측정 오차 보정이 매우 까다롭다.

일반적으로, 광학 간섭 방법(optical interferometric methods)은 뛰어난 측정 분해능을 제공할 수 있다. 간섭계(Interferometry)는 측정하고자 하는 표면으로부터 반사된 반사파와 기준파(reference wave) 사이의 간섭 패턴을 해석하여 표면 프로파일(surface profile)을 추출한다. 측정하고자 하는 표면으로부터 반사된 반사파가 기준파와 너무 다르면, 간섭 무늬는 너무 밀하게 된다. 대부분의 간섭계 구성에서, 이 조건은 거의 평면이거나 구면인 면들로 한정되거나 비구면일 경우에는 간섭계의 구성이 매우 복잡하거나 별도의 컴퓨터 재생 홀로그램(computer generated hologram)을 요구한다. 따라서, 일반적인 간섭계로 자유곡면 표면 측정(freeform surface metrology)에 응용되기 어렵다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 자유곡면 표면 측정(freeform surface metrology)을 구현할 수 있는 3차원 프로파일 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법은 측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계; 및 파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 기준파와 상기 층밀림파의 광경로 차이(optical path difference)를 산출하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계는: 상기 측정 대상이 제공하는 상기 측정파를 빔분할기에 제공하여 서로 수직한 광경로를 가지는 상기 기준파와 상기 층밀림파로 분할하는 단계; 상기 층밀림파를 제1 직각 프리즘을 통하여 반사시키는 단계; 상기 기준파를 제2 직각 프리즘을 통하여 반사시키는 단계; 상기 제1 직각 프리즘에 반사된 층밀림파와 상기 제2 직각 프리즘에서 반사된 기준파를 결합하여 상기 간섭 신호를 생성하는 단계; 및 파장별로 상기 간섭 신호들을 간섭 영상들로 각각 변환하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계는: 상기 측정파의 파장을 스캔하도록 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 직각 프리즘을 상기 빔분할기에 상대적으로 상기 측정파의 진행 방향으로 이동시키어 상기 간섭 신호의 이미지 평면에서 제1 방향 층밀림(lateral shear)을 상기 층밀림파에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 직각 프리즘의 일면과 상기 빔분할기의 일면 사이의 수직 거리가 위치에 따라 변경되도록 상기 제1 직각 프리즘을 상기 측정파의 진행 방향을 기준으로 회전시키어 상기 간섭 신호의 이미지 평면에서 제2 방향 층밀림(lateral shear)을 상기 층밀림파에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 직각 프리즘의 일면과 상기 제1 직각 프림즘이 상기 빔분할기를 바라보는 제1 면 사이의 제1 거리는 상기 제2 직각 프리즘의 일면과 제2 직각 프리즘이 상기 빔분할기를 바라보는 제2 면 사이의 제2 거리와 서로 다르고, 상기 제1 거리와 상기 제2 거리의 차이는 상기 기준파에 공간주파수 케리어 성분(spatial frequency carrier component)을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 기준파와 상기 층밀림파의 광경로 차이를 산출하는 단계는: 상기 간섭 신호들로부터 변환된 간섭 영상들에서 소정의 위치의 화소값들을 파장별로 추출하고 추출된 화소값들을 푸리에 변환하여 푸리에 변환 간섭신호를 위치별로 생성하는 단계; 상기 푸리에 변환 간섭신호를 필터링하여 위상 함수 및 공간 주파수 케리어 성분을 포함하는 푸리에 변환 고립 성분을 위치별로 추출하는 단계; 상기 푸리에 변환 고립 성분을 역푸리에 변환하여 상기 위상 함수를 추출하는 단계; 및 상기 위상 함수를 파수에 따라 미분하여 상기 기준파와 상기 층밀림파의 광경로 차이를 위치별로 추출하여 상기 광경로 차이를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 3차원 프로파일 측정 방법은 상기 광경로 차이를 적분하여 상기 측정 대상의 표면 높이로 매핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 기준파와 상기 층밀림파의 광경로 차이를 산출하는 단계는: 상기 간섭 신호들로부터 변환된 간섭 영상들에서 소정의 위치의 화소값들을 파장별로 추출하고 푸리에 변환하여 푸리에 변환 간섭신호를 위치별로 생성하는 단계; 상기 푸리에 변환 간섭신호를 필터링하여 위상 함수 및 공간 주파수 케리어 성분을 포함하는 푸리에 변환 고립 성분을 위치별로 추출하는 단계; 및 상기 푸리에 변환 고립 성분을 진폭과 위상으로 표시하고, 상기 위상을 이용하여 광경로 차이를 위치별로 추출하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 3차원 프로파일 측정 방법은 상기 광경로 차이를 적분하여 상기 측정 대상의 표면 높이로 매핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광경로 차이를 상기 측정 대상의 표면 높이로 매핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 가변 레이저 광원의 출력광을 편광 빔분할기를 투과시키어 상기 측정 대상에 제공하는 단계; 상기 측정 대상과 상기 편광 빔분할기 사이에 제1 1/4 파장판을 배치하여 편광 상태를 변경하는 단계; 및 상기 제1 1/4 파장판을 통하여 편광이 변경된 광을 상기 편광 빔분할기를 이용하여 반사시키어 상기 측정파를 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 가변 레이저 광원의 출력광을 편광 빔분할기를 통하여 반사시켜 그리드에 제공하는 단계; 상기 그리드와 상기 편광 빔분할기 사이에 제2 1/4 파장판을 배치하여 편광 상태를 변경하는 단계; 및 상기 제2 1/4 파장판을 통하여 편광이 변경된 광을 상기 편광 빔분할기를 이용하여 투과시키어 교정파를 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계는: 이중 주파수 격자(double frequency grating)를 이용하여 상기 기준파와 상기 기준파의 소정의 층밀림을 가지는 상기 층밀림파를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 층밀림을 교정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법은 가변 파장 레이저 광원의 출력광을 편광 빔분할기를 투과시키어 측정 대상에 제공하는 단계; 상기 측정 대상과 상기 편광 빔분할기 사이에 제1 1/4 파장판을 배치하여 편광 상태를 변경하는 단계; 상기 제1 1/4 파장판을 통하여 편광이 변경된 광을 상기 편광 빔분할기를 이용하여 반사시키어 측정파를 제공하는 단계; 상기 측정 대상이 제공하는 상기 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계; 및 파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 기준파와 상기 층밀림파의 광경로 차이를 산출하는 단계; 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치는 파장 가변 레이저 광원; 상기 파장 가변 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하고 측정 대상에서 반사된 측정파를 층밀리기 간섭계에 제공하는 광전달부; 상기 광전달부로부터 상기 측정파를 제공받아 기준파와 상기 기준파에 일정한 층밀림을 가지는 층밀림파를 생성하고 상기 기준파와 상기 층밀림파를 결합하여 간섭 패턴을 생성하는 층밀리기 간섭계; 및 상기 간섭 패턴을 측정하는 2차원 광센서를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광전달부는: 파장 가변 레이저 광원의 출력광을 투과시켜 상기 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 반사시키어 90도 꺾어 출력하는 편광 빔분할기; 상기 편광 빔분할기와 상기 측정 대상 사이에 배치된 제1 1/4 파장판; 상기 편광 빔분할기가 상기 파장 가변 레이저 광원의 출력광을 반사시키어 제공한 광이 조사되는 그리드; 및 상기 그리드와 상기 편광 빔분할기 사이에 배치된 제2 1/4 파장판을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가변 레이저 광원과 상기 편광 빔분할기 사이에 배치된 반파장판을 더 포함하고, 상기 반파장판의 회전 상태에 따라 서로 다른 편광 상태를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반파장판이 회전함에 따라, 상기 반파장판을 투과한 광은 제1 선형 편광파 또는 상기 제1 선형 편광파에 수직한 제2 선형 편광파를 제공할 수 있다. 상기 제1 선형 편광파는 상기 편광 빔분할기를 투과하여 상기 측정 대상 방향으로 진행하고, 상기 측정 대상에서 반사된 제1 반사파는 상기 제1 1/4 파장판에 의하여 편광 상태가 변경되고, 편광 상태가 변경된 상기 제1 반사파는 상기 편광 빔분할기에 의하여 반사되어 상기 측정파를 제공할 수 있다. 상기 제2 선형 편광파는 상기 편광 빔분할기에서 반사되어 상기 그리드 방향으로 진행하고, 상기 그리드에서 반사된 반사파는 상기 제2 1/4 파장판에 의하여 편광 상태가 변경되고, 편광 상태가 변경된 상기 반사파는 상기 편광 빔분할기를 투과하여 교정파를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 층밀리기 간섭계는: 상기 광전달부가 제공하는 상기 측정파를 서로 수직한 광경로를 가지는 기준파와 층밀림파로 분할하는 빔분할기; 상기 빔분할기에서 반사된 상기 층밀림파를 반사시키는 제1 직각 프리즘; 및 상기 빔분할기를 투과한 기준파를 반사시키는 제2 직각 프리즘;을 포함할 수 있다. 상기 빔분할기는 상기 제1 직각 프리즘에서 반사된 상기 층밀림파와 상기 제2 직각 프리즘에서 반사된 기준파를 결합하여 상기 간섭 패턴을 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 직각 프리즘은 층밀림을 제공하기 위하여 상기 측정파의 방향으로 이동할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 직각 프리즘은 층밀림을 제공하기 위하여 상기 측정파의 방향을 기준으로 소정의 각도로 회전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 직각 프리즘의 일면과 상기 제1 직각 프림즘이 상기 빔분할기를 바라보는 제1 면 사이의 제1 거리는 상기 제2 직각 프리즘의 일면과 제2 직각 프리즘이 상기 빔분할기를 바라보는 제2 면 사이의 제2 거리와 다를 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 파장에 따른 2차원 광센서의 출력 신호인 간섭 신호를 처리하는 처리부를 더 포함할 수 있다. 상기 처리부는 상기 간섭 신호를 푸리에 변환하여 푸리에 변환 간섭신호를 생성하고, 상기 푸리에 변환 간섭신호를 필터링하여 위상 함수 및 공간 주파수 케리어 성분을 포함하는 푸리에 변환 고립 성분을 추출하고, 그리고 상기 푸리에 변환 고립 성분을 진폭과 위상으로 표시하고 상기 위상을 이용하여 광경로 차이를 추출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광전달부는: 파장 가변 레이저 광원의 출력광을 투과시켜 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 반사시키어 90도 꺾어 출력하고, 상기 파장 가변 레이저 광원의 출력광을 반사시키어 그리드에 제공하고 상기 그리드에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔분할기; 상기 빔분할기와 상기 측정 대상 사이에 배치된 제1 광 셔터; 및 상기 빔분할기와 상기 그리드 사이에 배치된 제2 광 셔터를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 층밀리기 간섭계는: 상기 측정파를 집속하는 집속 렌즈; 상기 집속 렌즈에 의하여 집속된 상기 측정파를 회절시키어 기준파와 층밀림파를 생성하는 이중 주파수 격자(double frequency grating); 및 상기 이중 주파수 격자에 의하여 회절된 상기 기준파와 상기 층밀림파를 평행광으로 변환하는 시준 렌즈를 포함할 수 있다.

층밀리기 간섭계(lateral shearing interferometer)는 자유곡면 표면 측정(freeform surface metrology)을 위한 대안으로 떠오르고 있다. 상기 층밀리기 간섭계는 측정 대상에서 반사된 측정파를 복재하여 층밀림파(lateral shear wave) 및 기준파를 발생한다. 상기 층밀림파는 상기 기준파에 대하여 소량의 측면 방향으로 파면을 밀림시켜 생성된다. 이에 따라, 상기 층밀리기 간섭계는 기존의 간섭계보다 밀도가 낮은 간섭무늬를 얻기 때문에 측정이 휠씬 용이하다. 간섭 신호는 측정하고 하는 표면의 경사 프로파일을 나타낸다. 높이 프로파일(height profile)은 경사 프로파일의 적분을 통하여 복원된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 자유곡면 광학의 3D 표면 매핑을 위한 새로운 층밀리기 간섭계가 제안된다.

상기 층밀리기 간섭계는 일반적인 층밀리기 간섭계(lateral shearing interferometry)의 구조에 파장 주사 간섭계(wavelength scanning interferometry)의 위상 이동 방법을 결합한다. 이에 따라, 고속(high-speed), 고분해능(high-resolution), 급격한 표면 기울기(large departure), 대면적 측정(large-area measurement)이 가능한다.

본 발명은 위상 이동(phase shifting)을 위하여 파장 가변 레이저(swept-wavelength laser)를 사용한다. 이에 따라, 본 발명은 기계적인 스캐닝 과정없이 빠른 측정을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 진동 둔감 측정(vibration-desensitized measurement)을 제공할 수 있다.

푸리에-기반 분석(Fourier-based analysis)을 이용한 파장 스캔 기술은 2-π 모호성(2-π ambiguity)없이 불연속 표면(discontinuous surfaces)의 프로파일을 제공할 수 있다.

위상 이동을 위하여 요구되는 파장 스캔 범위(wavelength scanning range)는 기준 파면(reference wavefront) 및 층밀림 파면(lateral shear wavefront) 사이의 평균 광경로 차이(optical path difference;OPD)에 따라 최적화될 수 있다. 그리고, 상기 광경로 차이는 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기 광경로차가 큰 간섭 패턴을 푸리에 기술(Fourier technique)을 사용하여 분석할 경우에는 레이저의 튜닝 범위가 작아도 충분히 해석이 가능하다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 측정모드를 설명하는 개념도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 교정 모드를 설명하는 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 x' 층밀림을 제공하는 개념도이다.
도 2b는 도 2a의 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 x' 층밀리를 제공하는 층밀리기 간섭계의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 y' 층밀림을 제공하는 개념도이다.
도 3b는 도 3a의 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 y' 층밀림을 제공하는 층밀리기 간섭계의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭 신호의 신호 처리를 설명하는 개념도이다.
도 8a는 본 발명에 따른 x-sheared 간섭 패턴과 대응하는 3D 표면 경사 맵(3D surface slope map)을 나타낸다.
도 8b는 본 발명에 따른 y-sheared 간섭 패턴과 대응하는 3D 표면 경사 맵(3D surface slope map)을 나타낸다.
도 8c는 x-sheared 간섭 패턴 및 y-sheared 간섭 패턴을 이용하여 재구성된 3D 표면 맵을 나타낸다.
도 8d는 종래의 자이고 피조우 간섭계(Zygo Fizeau interferometer)를 사용하여 측정한 3D 표면 맵을 나타낸다.
도 9a는 x-sheared 간섭 패턴(inteferogram)과 그 3차원 표면 경사 맵을 나타내는 도면이다.
도 9b는 y-sheared 간섭 패턴(interferogram)과 그 3차원 표면 경사 맵을 나타내는 도면이다.
도 9c는 x- 및 y- 경사 적분을 이용하여 재구성된 3D 표면 맵을 나타내는 도면이다.
도 9d는 도 9c의 A-A' 선에 대응하는 위치에서 스타일러스 측정 결과이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치를 설명하는 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 측정모드를 설명하는 개념도이다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 교정 모드를 설명하는 개념도이다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 x' 층밀림을 제공하는 개념도이다.

도 2b는 도 2a의 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 x' 층밀림을 제공하는 층밀리기 간섭계의 사시도이다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 y' 층밀림을 제공하는 개념도이다.

도 3b는 도 3a의 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치의 y' 층밀림을 제공하는 층밀리기 간섭계의 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 3차원 프로파일 측정 장치(100)는 파장 가변 레이저 광원(130), 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 출력광을 측정 대상(10)에 제공하고 상기 측정 대상(10)에서 반사된 측정파를 층밀리기 간섭계(110)에 제공하는 광전달부(120), 상기 광전달부(120)로부터 상기 측정파를 제공받아 기준파(21)와 상기 기준파(21, reference wave)에 일정한 층밀림을 가지는 층밀림파(22, lateral shear wave)을 생성하고, 상기 기준파과 상기 층밀림파를 결합하여 간섭 패턴을 생성하는 층밀리기 간섭계(110), 및 상기 간섭 패턴을 측정하는 2차원 광센서(140)를 포함한다.

상기 파장 가변 레이저 광원(130)은 튜너블 레이저(tunable laser)일 수 있다. 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 파장 가변 범위는 765 nm 내지 781 nm일 수 있다. 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 출력광은 선형 편광될 수 있다. 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 상기 출력광은 평행광 렌즈(132)를 통하여 평행광으로 변환되어 상기 광전달부(120)에 제공된다. 상기 파장 가변 레이저 광원(130)은 불연속적으로 출력광의 파장을 변경 또는 스캔할 수 있다. 구체적으로, 파장 가변 범위에서 파장은 100 개 정도로 분할될 수 있다. 이에 따라, 100 개의 서로 다른 파장에서 간섭 패턴이 각각 측정된다. 이웃한 파장의 차이는 일정할 수 있다.

상기 광전달부(120)는 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 출력광을 투과시켜 측정 대상(10)에 제공하고 상기 측정 대상(10)에서 반사된 반사광을 반사시키어 90도 꺾어 출력하는 편광 빔분할기(124), 상기 편광 빔분할기(124)와 상기 측정 대상(10) 사이에 배치된 제1 1/4 파장판(125), 상기 편광 빔분할기(124)가 상기 파장 가변 레이저 광원의 출력광을 반사시키어 형성한 광을 제공받는 그리드(128), 및 상기 그리드(128)와 상기 편광 빔분할기(124) 사이에 배치된 제2 1/4 파장판(126)을 포함한다. 상기 그리드(128)는 표면에 격자무늬를 포함하는 거울일 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 측정 대상과 상기 그리드의 위치는 서로 교환될 수 있다.

상기 광전달부(120)는 상기 가변 레이저 광원(130)과 상기 편광 빔분할기(124) 사이에 배치된 반파장판(half wave plate,122)을 더 포함할 수 있다. 상기 반파장판(122)은 상기 반파장판(122)의 회전 상태에 따라 제1 선형 편광 상태 또는 제2 선형 편광 상태를 제공할 수 있다. 상기 제1 선형 편광 상태는 p편광이고, 상기 제2 편광 상태는 s 편광일 수 있다.

상기 반파장판(122)이 회전함에 따라, 상기 반파장판(122)을 투과한 광은 제1 선형 편광파(p 편광파) 또는 상기 제1 선형 편광파에 수직한 제2 선형 편광파(s 편광파)를 제공할 수 있다. 상기 제1 선형 편광파(p 편광파)는 상기 편광 빔분할기(124)를 투과하여 상기 측정 대상(10) 방향으로 진행할 수 있다. 상기 측정 대상(10)에서 반사된 제1 반사파는 상기 제1 1/4 파장판(125)에 의하여 편광 상태가 변경되고, 편광 상태가 변경된 상기 제1 반사파는 상기 편광 빔분할기(124)에 의하여 반사되어 측정파(11)를 제공할 수 있다.

상기 제2 선형 편광파(s-편광파)는 상기 편광 빔분할기(124)에서 반사되어 상기 그리드 방향으로 진행하고, 상기 그리드(128)에서 반사된 제2 반사파는 상기 제2 1/4 파장판(126)에 의하여 편광 상태가 변경되고, 편광 상태가 변경된 상기 제2 반사파는 상기 편광 빔분할기(124)를 투과하여 교정파(12)를 제공한다.

상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 상기 출력광은 상기 반파장판(122)의 회전 상태에 따라, 상기 반파장판(122)을 통과한 후 p-편광 또는 s- 편광 상태로 조절될 수 있다. 두 편광 상태는 측정 모드(measurement mode)와 교정 모드(calibration mode)의 다른 모드를 구현하기 위하여 사용된다.

p-편광 상태는 측정 모드를 위하여 사용되고, p-편광 상태의 빔은 상기 편광 빔분할기(124)를 투과할 수 있다. p-편광 상태의 빔은 제1 1/4 파장판을 2번 통과하여 s-편광 빔으로 변환될 수 있다. 즉, p-편광 상태의 빔은 상기 제1 1/4 파장판(125)을 통과하여 상기 측정 대상(10)에 제공되고, 상기 제1 1/4 파장판(125)을 투과한 빔은 상기 측정 대상에서 반사되어 상기 제1 1/4 파장판(125)을 다시 통과할 수 있다. 이에 따라, 변환된 s-편광 빔은 상기 편광 빔분할기(124)에서 반사되어 입사빔과 다른 경로를 가질 수 있다. 변환된 s-편광 빔은 상기 층밀리기 간섭계(110)에 측정광(11)으로 제공될 수 있다.

s-편광 상태는 교정 모드를 위하여 사용되고, s-편광 상태의 빔은 상기 편광 빔분할기(124)에서 반사될 수 있다. s-편광 상태의 빔은 제2 1/4 파장판(126)을 2번 통과하여 p-편광 빔으로 변환될 수 있다. 즉, s-편광 상태의 빔은 상기 제2 1/4 파장판(126)을 통과하여 상기 그리드(128)에 제공되고, 상기 제2 1/4 파장판(126)을 투과한 빔은 상기 그리드(128)에서 반사되어 상기 제2 1/4 파장판(126)을 다시 통과할 수 있다. 이에 따라, 변환된 p-편광 빔은 상기 편광 빔분할기(124)를 투과하여 입사빔과 다른 경로를 가질 수 있다. 변환된 p-편광 빔은 상기 층밀리기 간섭계(110)에 교정광(12)으로 제공될 수 있다.

상기 층밀리기 간섭계(110)는 상기 광전달부(120)가 제공하는 입사빔(교정광 또는 측정광)을 서로 수직하는 2 개의 광 경로로 분할하는 빔분할기(112), 상기 입사빔을 반사시키어 분할된 층밀림파를 반사시키는 제1 직각 프리즘(114), 및 상기 입사빔을 투과시키어 분할된 기준파를 반사시키는 제2 직각 프리즘(116)을 포함할 수 있다. 상기 빔분할기(112)는 상기 제1 직각 프리즘(114)에서 반사된 층밀림파와 상기 제2 직각 프리즘(116)에서 반사된 기준파을 결합하여 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 측정파(또는 교정파)는 복재 또는 분할되어 상기 층밀림파와 상기 기준파를 형성할 수 있다. 상기 층밀림파와 상기 기준파는 다시 동일한 광 경로를 통하여 결합하여 간섭 무늬를 형성할 수 있다.

상기 간섭 무늬는 파장 별로 형성될 수 있다. 상기 파장 스캔의 개수가 100 개인 경우, 100 개의 간섭 무늬 패턴이 측정될 수 있다.

상기 제1 직각 프리즘(114)은 제1 층밀림을 제공하기 위하여 상기 입사빔의 방향으로 이동할 수 있다. 상기 제1 직각 프리즘(114)은 제2 층밀림을 제공하기 위하여 상기 입사빔의 방향을 기준으로 소정의 각도로 회전할 수 있다.

상기 제1 직각 프리즘(114)의 일면과 상기 제1 직각 프리즘(114)이 상기 빔 분할기(112)를 바라보는 제1 면 사이의 제1 거리는 상기 제2 직각 프리즘(116)의 일면과 제2 직각 프리즘(116)이 상기 빔 분할기(112)를 바라보는 제2 면 사이의 제2 거리와 다를 수 있다. 상기 제1 거리와 상기 제2 거리의 평균 거리 차이는 공간 주파수 케리어 성분(spatial frequency carrier component; Λ)을 제공할 수 있다.

상기 측정광(또는 교정광)은 상기 빔분할기(112)에 의하여 2 개의 복재빔으로 분할될 수 있다. 층밀림파는 기준파에 대하여 x축 또는 y축 방향으로 층밀림될 수 있다. x축 층밀림파는 제1 직각 프리즘을 z 축 방향으로 이동시켜 얻을 수 있다. y축 층밀림파는 제1 직각 프리즘을 z축 방향으로 회전시켜 얻을 수 있다.

층밀림 간섭 패턴은 2차원 광센서(140) 및 이미징 광학계(imaging optics;142)를 통하여 영상화될 수 있다. 상기 이미징 광학계(142)는 측정 대상의 표면 및/또는 교정 그리드의 표면이 상기 2차원 광센서(140)에 초점을 가지도록 조절될 수 있다.

상기 2차원 광센서(140)는 CMOS 이미지 센서일 수 있다. 구체적으로 상기 2차원 광센서(140)는 간섭 무늬 패턴을 디지털 강도 영상( digitized intensity images )으로 생성할 수 있다. 상기 간섭 영상은 4 메가 픽셀(megapixel)을 가질 수 있다. 상기 강도 영상은 노정의 노출시간 동안 파장 마다 획득될 수 있다. 상기 강도 영상은 파장별로 획득될 수 있다.

처리부(150)는 파장에 따른 2차원 광센서(140)의 출력 신호인 간섭 신호(간섭 영상)를 처리할 수 있다. 상기 처리부(150)는 상기 간섭 신호를 푸리에 변환하여 푸리에 변환 간섭신호를 생성할 수 있다. 상기 처리부(150)는 상기 푸리에 변환 간섭신호를 필터링하여 위상 분포 함수 및 공간주파수 케리어 성분(Λ)을 포함하는 푸리에 변환 고립 성분을 추출할 수 있다. 상기 처리부(150)는 상기 푸리에 변환 고립 성분을 진폭과 위상으로 표시하고 상기 위상을 이용하여 상기 위상 분포 함수를 추출할 수 있다.

상기 처리부(150)는 상기 2차원 광센서(140)로부터 강도 영상을 제공받고, 상기 파장 가변 레이저 광원(130) 및 반파장판(122)의 회전 운동을 제공하는 회전수단(122a)을 제어할 수 있다. 또한, 상기 처리부(150)는 상기 제1 직각 프리즘의 회전 운동 및/또는 직선 운동을 제공하는 운동 수단(114a)을 제어할 수 있다.

이하, 3차원 프로파일 측정 방법이 설명된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭 신호의 신호 처리를 설명하는 개념도이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 가변 레이저 광원(130)의 출력광은 편광 빔분할기(124)를 투과하여 상기 측정 대상(10)에 제공된다. 상기 측정 대상의 측정하고자 하는 표면은 자유곡면일 수 있다. 상기 편광 빔 분할기(124)에 입력되는 광은 s-편광 상태 또는 p- 편광상태일 수 있다.

3차원 프로파일 측정 방법은 층밀림을 교정하는 단계(S100), 측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계(S200), 및 파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 측정파와 상기 층밀림파의 광경로 차이를 산출하는 단계(S300)를 포함한다.

층밀림을 교정하는 단계(S100)는 생략될 수 있다. s-편광파(제1 편광 상태의 빔)는 교정 모드를 위하여 사용될 수 있다. 상기 s-편광파는 가변 파장 레이저 광원(130)의 출력광을 상기 반파장판(122)을 투과시켜 생성할 수 있다. 상기 s-편광파(제1 편광 상태의 빔)는 상기 편광 빔분할기(124)를 통하여 반사되어 상기 그리드(128)를 조사(illuminate)한다. 상기 s-편광파는 상기 제2 1/4 파장판(126)을 2번 통과하여 p-편광파로 변환된다. 즉, 상기 s-편광파는 제2 1/4 파장판(126)을 투과하여 상기 그리드(128)에 제공되고, 다시 상기 그리드(128)에 반사되어 상기 제2 1/4 파장판(126)을 투과한다. 이에 따라, 상기 s- 편광파는 p- 편광파로 변환되고, 상기 p-편광파는 상기 편광 빔분할기(124)를 투과한다. 상기 편광 빔분할기(124)를 투과한 상기 p- 편광파는 교정파를 제공한다. 상기 교정파는 상기 층밀리기 간섭계(110)에 제공된다. 상기 교정파는 층밀리의 양 S을 교정하기 위하여 사용될 수 있다. 교정 모드에서, 가변 파장 레이저 광원(130)의 파장은 기준 파장 또는 기준 파수(k₀)로 고정될 수 있다.

교정 모드 또는 측정 모드가 중에서 하나가 선택된다(S111). 교정모드인 경우, 제1 편광 상태를 설정하고, X축 층밀리 교정 또는 Y축 층밀리 교정이 수행된다(S113). 교정된 층밀리 방향에 대하여, 제2 편광 상태로 변경되고 층밀리 양이 설정된다(S212,S123). 이어서, 파장을 스캔하면서 간섭 신호를 측정한다(S220). 파장 스캔이 완료된 경우(S221), 데이터 처리가 수행될 수 있다.

이어서, 층밀리 방향 스캔이 완료되었는지 판단하고(S336), 층밀리 방향 스캔이 완료되지 않은 경우, 층밀리 방향을 변경한다(S337). 이어서, 변경된 층밀리 방향에 대한 층밀리 교정을 수행한다. 변경된 층밀리 방향에 대한 층밀리 교정은 교정모드로 설정하고(S111), 제1 편광 상태로 설정한 후(S112), 변경된 방향에 대한 층밀리 교정이 수행된다(S113). 변경된 방향에 대한 층밀리 교정이 완료된 경우, 측정 모드로 변경되고, 제2 편광 상태가 설정되고(S212), 변경된 방향의 층밀리 양이 설정된다(S213).

층밀리 방향 스캔이 완료된 경우(S336), X축 층밀리 방향에 따른 제1 광 경로차와 Y축 방향의 제2 광경로 차이를 이용하여 총 광경로차이가 구해진다(S338).

상기 층밀리기 간섭계의 이미지 평면은 x'y' 평면일 수 있다. 층밀림의 양 S는 x' 방향 또는 y' 방향으로 이동된 그리드의 개수를 산술하여 측정될 수 있다. 층밀림의 양 S은 상기 제1 직각 프리즘(114)의 이동량을 측정하여 산출될 수 있다. 또는, 상기 층밀림의 양 S는 상기 2차원 광센서(140)에서 그리드 격자 패턴의 비중첩 영역을 산술하여 교정될 수 있다. 상기 그리드(128)는 일정한 간격을 가진 매쉬를 포함하고, 상기 매쉬의 간격은 이미 알려져 있다. 따라서, 비중첩 영역에서 픽셀 또는 그리드 격자 패턴의 개수는 층밀림의 양 S을 나타낸다. 상기 층밀림의 양 S는 마이크로미터 수준의 정확한 이동수단에 의하여 정확히 제어될 수 있다. 또한, 상기 층밀림의 양 S은 그리드 이동을 측정하여 교정될 수 있다.

측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계(S200)가 제공될 수 있다. 구체적으로, p-편광 상태는 측정 모드를 위하여 사용될 수 있다. 측정 모드를 위하여, 가변 파장 레이저 광원의 출력광은 제2 편광 상태를 가지도록 처리될 수 있다. 또한, 간섭 신호에서 층밀림이 발생하도록, 층밀리기 간섭계에 층밀림 양 S이 설정될 수 있다. 상기 층밀림 양 S은 교정 모드에서 측정 또는 설정된 것과 동일할 수 있다.

상기 p-편광파는 가변 파장 레이저 광원의 출력광을 반파장판을 회전시켜 편광 상태를 설정하고, 상기 반파장판을 투과시켜 생성할 수 있다. p-편광 상태의 빔은 상기 편광 빔분할기(124)를 투과하여 측정 대상(10)에 제공될 수 있다(S222a). p-편광 상태의 빔은 제1 1/4 파장판을 2번 통과하여 s-편광 빔으로 변환될 수 있다(S222b). 즉, p-편광 상태의 빔은 상기 제1 1/4 파장판(125)을 통과하여 상기 측정 대상(10)에 제공되고, 상기 제1 1/4 파장판(125)을 투과한 빔은 상기 측정 대상에서 반사되어 상기 제1 1/4 파장판(125)을 다시 통과할 수 있다. 이에 따라, 변환된 s-편광 빔은 상기 편광 빔분할기(124)에서 반사되어 입사빔과 다른 경로를 가지고 상기 층밀리기 간섭계(110)에 제공될 수 있다(S222c). 변환된 s-편광 빔은 상기 층밀리기 간섭계(110)에 측정광으로 제공될 수 있다.

측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계(S200)는 상기 측정 대상이 제공하는 상기 측정파를 빔분할기에 제공하여 서로 수직한 광경로를 가지는 상기 기준파와 상기 층밀림파로 분할하는 단계(S222d), 상기 층밀림파를 제1 직각 프리즘을 통하여 반사시키는 단계(S222e); 상기 기준파를 제2 직각 프리즘을 통하여 반사시키는 단계(S222f); 상기 제1 직각 프리즘에 반사된 상기 층밀림파와 상기 제2 직각 프리즘에서 반사된 기준파를 결합하여 상기 간섭 신호를 생성하는 단계(S222g); 및 상기 간섭 신호들을 간섭 영상들로 각각 변환하는 단계(S222h)를 포함한다.

측정 모드에서 파장 스캔을 위하여, 상기 가변 파장 레이저 광원의 파장은 스캔하도록 변경될 수 있다(S226). 주파수 스캔 범위 내에서 상기 가변 파장 레이저 광원의 파장은 차례로 변경될 수 있다. 각 파장마다 간섭 신호 또는 상기 간섭 신호를 영상화한 간섭 영상이 생성되어 저장될 수 있다(S224).

파장 스캔이 완료된 경우(S221), 상기 가변 파장 레이저 광원의 파장은 초기 상태로 설정될 수 있다(S331).

파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 측정파와 상기 층밀림파의 광경로 차이를 산출하는 단계(S300)는 상기 간섭 영상들에서 소정의 위치의 화소값들을 파장별로 추출하는 단계(S332), 추출된 화소값들을 푸리에 변환하여 푸리에 변환 간섭신호를 위치별로 생성하는 단계(S333), 상기 푸리에 변환 간섭신호를 필터링 및 센터링하여 위상 함수 및 공간 주파수 케리어 성분을 포함하는 푸리에 변환 고립 성분을 위치별로 추출하는 단계(S334), 상기 푸리에 변환 고립 성분을 역푸리에 변환하여 상기 위상 함수를 추출하는 단계(S335a), 및 상기 위상 함수를 파수에 따라 미분하여 상기 광경로 차이를 위치별로 추출하는 단계(S335b)를 포함할 수 있다. 상기 공간 주파수 케리어 성분(Λ)은 상기 기준파와 층밀림파 사이의 평균 광경로 차이로 주어질 수 있다.

x' 방향의 층밀림이 완료된 경우(S336), y' 방향의 층밀림이 설정될 수 있다(S337). 이어서, 상기 가변 파장 레이저 광원의 파장은 다시 스캔될 수 있다. x' 방향의 층밀림에 의한 광경로 차이와 y' 방향의 층밀림에 의한 광경로 차이는 총 광경로 차이를 제공할 수 있다(S338).

구체적으로, 동작 원리가 설명된다. 상기 층밀림의 양 S는 수평분해능(lateral resolution)을 결정할 수 있다. 왜냐하면, 파면(wavefront)은 밀림 간격(intervals of shear)에서 재구성되기 때문이다.

상기 그리드(128)의 매쉬 간격 또는 픽셀 간격은 250 μm일 수 있다. 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 출력광의 편광 상태는 2 가지의 이유로 제어된다. 하나는 측정 모드와 교정모드 사이의 편리한 스위칭을 허용한다. 이는 상기 파장 가변 레이저의 출력광의 편광 상태에 따라 두 개의 각기 다른 모드로 변환이 되기때문이다.

다른 하나는 측정 대상으로부터 반사되는 빔 만을 수집하여 층밀림된 간섭패턴의 신호대노이즈비(signal to noise ratio)를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 출력광의 편광 상태는 시스템에서 다른 광학계로부터 반사되는 의도하지 않은 배경 빔(unintended background beams)을 차단할 수 있다.

상기 층밀리기 간섭계의 간섭 신호는 파장 또는 파수(wave number)에 따라 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, x는 간섭 패턴 또는 간섭 영상에서의 x축 방향의 위치이고, y는 간섭 패턴 또는 간섭 영상에서의 y 축 방향의 위치이다. k(= 2π/λ)는 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 파수이다. λ는 가변 파장 레이저 광원의 파장이다. k₀는 파장 스캔에서 기준이 되는 기준 파수이다. Λ는 기준파와 층밀림파 사이의 평균 광경로 차이(averaged optical path difference)이다. 상기 Λ는 푸리에 도메인에서 공간 주파수 케리어 성분(spatial frequency carrier component)으로 작용한다. 상기 Λ는 제2 직각 프리즘을 a1 위치에서 a2 위치로 이동함에 따라 설정될 수 있다. I₀는 기준파와 층밀림파의 파장별 밀도분로포 이루어진 배경광 성분이다. a1 위치는 기준파와 층밀림파 사이의 평균 광경로차이가 영(zero)인 경우에 대응한다. I(x,y;k)은 파장 스캔에 따라 파수(k) 별로 측정된다. x,y는 이미지 평면의 위치이다. 또한, I(x,y;k)는 각 파수(k) 마다 2차원 강도 영상으로 표현된다. Φ(x,y;k)는 위상 분포 함수이다. 상기 위상 분포 함수 Φ(x,y;k)는 기준 파수(k₀)와 현재 파수의 차이(k)와 기준파와 층밀림파 사이의 경로 차이의 곱으로 주어진다. ΔW(x,y)는 위치에 따른 기준파와 층밀림파 사이의 광경로 차이이다.

ΔW(x,y)는 다음과 같이 표시될 수 있다.

여기서, x는 간섭 패턴 또는 간섭 영상에서의 x축 방향의 위치이고, y는 간섭 패턴 또는 간섭 영상에서의 y 축 방향의 위치이다. S는 x 축 방향 또는 y 축 방향의 층밀림의 양이다. W(x,y)는 기준파의 광 경로이고, W(x-S,y)는 층밀림파의 광 경로이다.

도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 파장 간섭 신호는 소정의 위치(x,y)에서 파장(파수) 별로 추출될 수 있다.

도 7의 (c)를 참조하면, 상기 파장(파수)에 따른 상기 파장 간섭 신호는 위치별로 푸리에 변환되어 다음과 같이 표시될 수 있다.

여기서, Γ₀(x,y;f_k)와 Γ₁(x,y;f_k)는 I₀(x,y;k)와 I₁(x,y;k)의 푸리에 변환에 각각 대응한다. 공간 주파수 케리어 성분(spatial frequency carrier component)은 주파수 도메인에서 Γ₁(x,y;f_k)와 컬레 복소수(complex conjugate) Γ₁ ^*(x,y;f_k) 의 선형 주파수 이동(linear frequency shift)을 유발한다. I₁(x,y;k)의 푸리에 변환 Γ₁(x,y;f_k)는 양의 푸리에 도메인에서 Λ만큼 이동한다. I₁(x,y;k)의 푸리에 변환 Γ₁(x,y;f_k)는 위상 분포 Φ(x,y;k)를 포함한다. 기준파와 층밀림파 사이의 경로 차이 ΔW(x,y)는 2 가지 방법으로 추출될 수 있다.

위치-공간 주파수 사이의 푸리어 변환에서, 파수(k)는 위치에 대응하고, 푸리어 도메인(f_k)은 공간 주파수에 대응할 수 있다.

도 7의 (c) 및 (d)를 참조하면, Γ₁(x,y;f_k)는 수학식 3의 푸리에 변환 간섭 신호 FT[I(x,y;k)] 중에서 필터링과 센터링을 통하여 추출될 수 있다.

추출된 고립 푸리에 성분 Γ₁(x,y;f_k)은 다음과 같이 푸리에 역변환(inverse Fouier Transformation)을 통하여 구해질 수 있다(S335a).

우리는 추출된 고립 푸리에 성분 Γ₁(x,y;f_k)의 복수 로그(complex logarithm)를 계산할 수 있다. 수학식 3의 허수부(imaginary part)를 추출하면, 위상 분포 Φ(x,y;k)가 얻어질 수 있다. 기준파와 층밀림파 사이의 경로 차이 ΔW(x,y)는 위상 분포 Φ(x,y;k)의 미분으로부터 다음과 같이 주어질 수 있다(S335b).

기준파와 층밀림파 사이의 경로 차이 ΔW(x,y)를 구하는 다른 방법은 I₁(x,y;k)의 푸리에 변환 Γ₁(x,y;f_k)의 복소 진폭(complex amplitude)으로부터 편각(argument)을 취하여 직접 다음과 같이 구할 수 있다(S335).

따라서, 기준파와 층밀림파 사이의 광경로 차이 ΔW(x,y)는 x' 방향 및 y' 방향에 대하여 구해질 수 있다. x' 방향의 광경로 차이 ΔW1(x,y)는 x 방향을 따라 적분을 통하여 W1(x,y)가 주어질 수 있다. y 방향의 경로 차이 ΔW2(x,y)는 y' 방향을 따라 적분을 통하여 W2(x,y)가 주어질 수 있다. 예를 들어, x' 방향 광경로 W1(x,y)와 y' 방향의 광 경로 W2(x,y)는 평균되어 총 광 경로 W(x,t)=(1/2)(W1(x,y)+W2(x,y))가 주어질 수 있다.

또는 총 광 경로 W(x,t)는 사우스웰의 조날 방법(Southwell's zonal method)에 의하여 구해질 수 있다. 상기 총 광 경로 W(x,t)는 측정 대상의 3차원 표면 높이 정보일 수 있다(S400). 상기 총 광 경로 W(x,t)는 3차원 표면 프로파일을 제공할 수 있다.

도 8a는 본 발명에 따른 x-sheared 간섭 패턴과 대응하는 3D 표면 경사 맵(3D surface slope map)을 나타낸다.

도 8b는 본 발명에 따른 y-sheared 간섭 패턴과 대응하는 3D 표면 경사 맵(3D surface slope map)을 나타낸다.

도 8c는 x-sheared 간섭 패턴 및 y-sheared 간섭 패턴을 이용하여 재구성된 3D 표면 맵을 나타낸다.

도 8d는 종래의 자이고 피조우 간섭계(Zygo Fizeau interferometer)를 사용하여 측정한 3D 표면 맵을 나타낸다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 흐릿한 거의 수평 또는 수직한 선(faint nearly-horizontal and nearly-vertical stripes)은 간섭 패턴에서 보인다. 이러한 선(stripe)은 광학 요소로부터 원하지 않은 반사에 기인한다. 이러한 선들(stripes)은 변조되지 않는다. 따라서, 이러한 선들(stripes)은 측정에 거의 영향을 주지 않는다.

도 8c를 참조하면, 3D 표면 맵은 x- 및 y- 슬로프 맵의 적분으로부터 재구성될 수 있다.

도 8d를 참조하면, 피조우 간섭계를 이용하여 측정된 동일한 면적이 표시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 결과는 50.3 nm의 PV(peak-valley)를 보인다. 그러나, 피조우 간섭계 측정 결과는 53.7 nm의 PV를 보인다. 층밀리기 간섭계의 층밀림양 S는 달성될 수 있는 측정 분해능에 경계를 설정한다. 층밀림양 S는 본 발명에 따른 측정의 경우 250 μm이다. 수 천 m^-1 및 그 이상의 표면에서 공간 주파수 구조는 분해될 수 없다. 이것은 높은 공간 주파수 정보에서 차이를 설명한다. 자이고 피조우 간섭계를 이용한 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법은 실질적으로 동일한 결과를 보였다.

도 9a는 x-sheared 간섭 패턴(inteferogram)과 그 3차원 표면 경사 맵을 나타내는 도면이다.

도 9b는 y-sheared 간섭 패턴(interferogram)과 그 3차원 표면 경사 맵을 나타내는 도면이다.

도 9c는 x- 및 y- 경사 적분을 이용하여 재구성된 3D 표면 맵을 나타내는 도면이다.

도 9d는 도 9c의 A-A' 선에 대응하는 위치에서 스타일러스 측정 결과이다.

도 9를 참조하면, 이러한 자유곡면 표면은 다른 방법으로 측정하기 어렵다. 따라서, 다른 3D 표면 측정 방법은 이러한 자유곡면 표면을 측정할 수 없다. 다만, 우리는 비교를 위하여 점-대-점(point by point) 데이터를 접촉 스타일러스 방법으로 측정하였다. x- 및 y- 경사 적분을 이용하여 재구성된 3D 표면 맵은 사우스웰의 조날 방법(Southwell's zonal method)으로 계산되었다. 접촉 스타일러스 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법은 실질적으로 동일한 결과를 보였다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치를 설명하는 개념도이다.

도 10을 참조하면, 3차원 프로파일 측정 장치(200)는 파장 가변 레이저 광원(130), 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 출력광을 측정 대상에 제공하고 측정 대상에서 반사된 측정광을 층밀리기 간섭계에 제공하는 광전달부(220), 상기 광전달부(220)로부터 상기 측정파를 제공받아 기준파와 상기 기준파에 일정한 층밀림을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)을 생성하고 상기 기준파와 상기 층밀림파를 결합하여 간섭 패턴을 생성하는 층밀리기 간섭계(110), 및 상기 간섭 패턴을 측정하는 2차원 광센서(140)를 포함한다.

상기 가변 파장 레이저 광원(130)의 출력광은 렌즈(132)를 통하여 평행광을 제공한다. 상기 평행광은 상기 광전달부(220)에 제공된다. 상기 광전달부(220)에 제공된 입사빔은 선형 편광될 수 있다. 상기 입사빔은 빔분할기(224)를 통하여 측정 대상 방향과 그리드 방향으로 분할될 수 있다. 측정 대상 방향의 빔은 제1 셔터(129a)를 통과하여 상기 측정 대상(10)에 제공되고, 상기 측정 대상(10)에서 반사된 광은 상기 빔분할기(224)에 의하여 반사되어 층밀리기 간섭계(110)에 제공될 수 있다.

그리드 방향의 빔은 제2 셔터를 통하여 그리드(128)에 제공되고, 상기 그리드(128)에서 반사된 광은 상기 빔 분할기(224)를 투과하여 층밀리기 간섭계(110)에 제공될 수 있다.

측정 모드로 동작시, 상기 제1 셔터(129a)는 개방되고, 상기 제2 셔터(129b)는 폐쇄될 수 있다. 한편, 교정 모드로 동작시, 상기 제1 셔터(129a)는 폐쇄되고, 상기 제2 셔터(129b)는 개방될 수 있다. 다른 동작은 도 1에서 설명한 것과 동일하게 동작한다. 상기 제1 셔터 및 제2 셔터는 폐쇄 동작시 입사빔을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 셔터 및 제2 셔터에 의한 반사광은 최소화될 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 광전달부(220)의 구성은 광섬유를 이용하여 구성될 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 장치를 설명하는 개념도이다.

도 11을 참조하면, 3차원 프로파일 측정 장치(300)는 파장 가변 레이저 광원(130), 상기 파장 가변 레이저 광원(130)의 출력광을 측정 대상(10)에 제공하고 측정 대상(10)에서 반사된 측정파를 층밀리기 간섭계(310)에 제공하는 광전달부(120), 상기 광전달부(120)로부터 상기 측정파를 제공받아 기준파와 상기 기준파에 일정한 층밀림을 가지는 층밀림파를 생성하고 상기 기준파와 상기 층밀림파를 결합하여 간섭 패턴을 생성하는 층밀리기 간섭계(310), 및 상기 간섭 패턴을 측정하는 2차원 광센서(140)를 포함한다.

상기 층밀리기 간섭계(310)는 상기 측정파(11)를 집속하는 집속 렌즈(312); 상기 집속 렌즈(312)에 의하여 집속된 상기 측정파를 회절시키어 기준파(21)와 층밀림파(22)를 생성하는 이중 주파수 격자(double frequency grating,314); 및 상기 이중 주파수 격자에 의하여 회절된 상기 기준파와 상기 층밀림파를 평행광으로 변환하는 시준 렌즈(316)를 포함한다.

상기 이중 주파수 격자(314)는 일정한 방향으로 연장된 두 개의 서로 다른 라인 간격을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 이중 주파수 격자(314)는 서로 다른 회절각에서 회절 빔을 형성할 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 이중 주파수 격자(314)는 제1 방향 및 제1 방향을 가로지르는 제2 방향으로 연장된 크로스 격자(crossed grating)를 포함할 수 있다. 상기 이중 주파수 격자(314)는 제1 방향으로 연장된 두 개의 서로 다른 라인 간격을 가지고, 제2 방향으로 연장된 두 개의 서로 다른 라인 간격을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 이중 주파수 격자(314)는 두 방향에 동시에 층밀림을 제공할 수 있다. 이에 따라, 측정 시간이 단축될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

110: 층밀리기 간섭계
120: 광전달부
130; 파장가변 레이저 광원
140: 2차원 광센서

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12. 측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계; 및
    파장에 따른 상기 간섭 신호를 위치별로 처리하여 상기 기준파와 상기 층밀림파의 광경로 차이(optical path difference)를 산출하는 단계;를 포함하고,
    측정 대상이 제공하는 측정파를 분할하여 형성된 기준파와 상기 기준파와 소정의 층밀림(lateral shear)을 가지는 층밀림파(lateral shear wave)의 간섭신호를 파장에 따라 생성하는 단계는:
    이중 주파수 격자(double frequency grating)를 이용하여 상기 기준파와 상기 기준파의 소정의 층밀림을 가지는 상기 층밀림파를 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 방법.
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25. 파장 가변 레이저 광원;
    상기 파장 가변 레이저 광원의 출력광을 측정 대상에 제공하고 측정 대상에서 반사된 측정파를 층밀리기 간섭계에 제공하는 광전달부;
    상기 광전달부로부터 상기 측정파를 제공받아 기준파와 상기 기준파에 일정한 층밀림을 가지는 층밀림파를 생성하고 상기 기준파와 상기 층밀림파를 결합하여 간섭 패턴을 생성하는 상기 층밀리기 간섭계; 및
    상기 간섭 패턴을 측정하는 2차원 광센서; 를 포함하고,
    상기 층밀리기 간섭계는:
    상기 측정파를 집속하는 집속 렌즈;
    상기 집속 렌즈에 의하여 집속된 상기 측정파를 회절시키어 기준파와 층밀림파를 생성하는 이중 주파수 격자(double frequency grating); 및
    상기 이중 주파수 격자에 의하여 회절된 상기 기준파와 상기 층밀림파를 평행광으로 변환하는 시준 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 장치.
    
    

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