KR101628761B1 - 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 넓은 파장의 광원을 출력하는 광출력수단과, 상기 광출력수단에서 출력된 넓은 파장의 광원을 입력받아 2개의 점광원형태로 분배하여 출력하는 광커플러와, 상기 광커플러에서 출력된 점광원을 전달하고, 각 단부가 상호 마주보게 배치되는 제1,2광섬유와, 상기 제1광섬유의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제1광섬유에서 출력되면서 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 출력하는 제1시준렌즈와, 상기 제2광섬유의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제2광섬유에서 출력되면서 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 출력하는 제2시준렌즈와, 상기 제1시준렌즈와 제2시준렌즈 사이에 배치되어 상기 제1시준렌즈를 통과한 평행광을 수직 하부에 배치된 측정대상의 표면으로 전달하고, 상기 제2시준렌즈를 통과한 평행광을 수직 상부로 전달하는 광경로변경수단과, 상기 광경로변경수단의 상부에 배치되어, 상기 측정대상의 표면에서 반사된 측정광과, 상기 광경로변경수단에서 상부로 전달된 기준광의 간섭에 의해 생성되는 간섭무늬를 획득하는 촬상수단을 포함하는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치에 관한 것이다.

Description

비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치{surface shape measuring appatstus using asymmetric interferometer}

본 발명은 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대면적의 측정대상의 표면형상을 측정하되, 측정을 위한 간섭계를 보다 작고 슬림하게 구현할 수 있는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치에 관한 것이다.

종래의 광학식 3차원 측정 장치의 하나로 백색광 주사 간섭법(WSI : White-light Scanning Interferometry)이 제안된바 있다.

백색광 주사 간섭법은 도 1에 도시한 바와 같이 광원(1)으로부터 발생되어 빔 스플리터(Beam splitter, 2)에서 분리된 기준광과 측정광이 각각 기준미러(3)의 기준면과 측정대상(4)의 측정면으로부터 반사되어 상호 간섭신호(Interference signal)를 발생하면 이를 광검출소자(5)로 촬영한 후 해석하는 원리를 이용하는 것으로서, 기준광과 측정광이 동일한 광경로차(optical path difference)를 겪을 때에만 간섭신호를 나타내는 특성을 이용하여, 위치를 검출을 통해 3차원 형상을 계측하는 것이다.

이러한 원리를 이용하여, 별도의 이송수단으로 측정대상 또는 광학계를 광축 방향으로 일정 간격씩 이동하면서 측정 영역 내의 각 측정점에서의 간섭신호를 관찰하면, 각 점의 측정광이 기준광과 동일한 광경로차가 발생하는 지점에서 짧은 간섭신호가 발생한다. 따라서, 간섭신호의 발생 위치를 측정 영역 내의 모든 측정점에서 산출하면 측정면의 3차원 형상에 대한 정보를 획득 하게 되고, 획득된 3차원 정보로부터 측정 대상의 높이 및 형상을 측정할 수 있는 것이다.

하지만 최근, 측정대상의 크기가 커지면이 이를 측정하기 위한 간섭계의 크기가 덩달아 커지게 되어, 장비에 장착이 어렵고, 측정 속도가 낮아지는 등의 문제가 있었다.

한국등록특허 제10-1423276호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 대면적 측정대상의 표면형상을 측정하되, 측정을 위한 간섭계를 보다 작고 슬림하게 구현할 수 있는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 넓은 파장의 광원을 출력하는 광출력수단과, 상기 광출력수단에서 출력된 넓은 파장의 광원을 입력받아 2개의 점광원형태로 분배하여 출력하는 광커플러와, 상기 광커플러에서 출력된 점광원을 전달하고, 각 단부가 상호 마주보게 배치되는 제1,2광섬유와, 상기 제1광섬유의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제1광섬유에서 출력되면서 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 출력하는 제1시준렌즈와, 상기 제2광섬유의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제2광섬유에서 출력되면서 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 출력하는 제2시준렌즈와, 상기 제1시준렌즈와 제2시준렌즈 사이에 배치되어 상기 제1시준렌즈를 통과한 평행광을 수직 하부에 배치된 측정대상의 표면으로 전달하고, 상기 제2시준렌즈를 통과한 평행광을 수직 상부로 전달하는 광경로변경수단과, 상기 광경로변경수단의 상부에 배치되어, 상기 측정대상의 표면에서 반사된 측정광과, 상기 광경로변경수단에서 상부로 전달된 기준광의 간섭에 의해 생성되는 간섭무늬를 획득하는 촬상수단을 포함하되, 상기 제1광섬유와 제1시준렌즈와 광경로변경수단를 거쳐 상기 측정대상에서 반사된 후 상기 촬상수단에 입력된 측정광의 광경로와, 제2광섬유와 제2시준렌즈와 광경로변경수단를 거쳐 상기 촬상수단에 입력된 기준광의 광경로는 동일하게 설정된 것을 특징으로 하는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치를 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 대면적의 측정대상 표면을 측정하되, 측정을 위한 간섭계를 보다 작고 슬림하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 크기가 작고 슬림하게 구현된 간섭계를 검사장비에 용이하게 장착할 수 있고, 대면적의 측정대상의 표면형상을 보다 신속하게 측정할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래의 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치의 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치의 개념도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치의 개념도이다.

본 발명에 따른 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치는 대면적의 측정대상 표면형상을 측정하되, 측정을 위한 간섭계를 보다 작고 슬림하게 구현할 수 있는 것으로, 그 실시예를 도 2 내지 도 3에 나타내 보였다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치의 개념도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치는 광출력수단(110)과, 광커플러(120)와, 제1,2광섬유(210,220)와, 제1,2시준렌즈(310,320)와, 광경로변경수단(400)과, 촬상수단(500)을 포함한다.

먼저, 상기 광출력수단(110)은 넓은 파장(broad band)의 광원을 출력하는 것으로, 일례로 백색광이 해당될 수 있다.

광출력수단(110)에서 백색광과 같은 넓은 파장의 광원을 출력하는 이유는 시간적 간섭성(temporal coherence)이 낮은 광원을 사용하기 위함이다. 즉, 넓은 파장의 광원은 기준광과 측정광의 광경로의 차이가 수m 내지 수km 나더라도 간섭이 발생하는 레이저와 같은 단파장 광원과 달리, 기준광과 측정광의 광경로의 차이가 수 um내여야만 간섭이 발생하기 때문에, 이를 이용하여 측정대상(10)의 표면형상의 미세한 변화까지 측정할 수 있다.

광커플러(120)는 상기 광출력수단(110)에서 출력된 넓은 파장의 광원을 입력받아 2개의 점광원형태로 분배하여 출력하는 기능을 한다. 따라서, 상기 광커플러(120)의 내부에는 광출력수단(110)으로부터 입력된 넓은 파장의 광원을 소정의 비율로 분배하는 광분배수단과, 선조명 또는 면조명 형태의 넓은 파장의 광원을 점광원으로 변환하는 광변환수단을 포함할 수 있다.

이때, 상기 광커플러(120)에서 넓은 파장의 광원을 점광원으로 변환하여 출력하는 이유는 광원의 크기를 줄여 레이저와 같이 출력하여 공간적 간섭성(spatial coherence)를 좋게 만들기 위함이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광커플러(120)는 측정대상(10)의 표면 반사도에 따라 분배율을 자유롭게 변경할 수 있다.

제1,2광섬유(210,220)는 각각 상기 광커플러(120)에서 출력된 점광원을 전달하는 역할을 하며, 각 단부가 상호 마주보게 배치된다. 상기 제1,2광섬유(210,220)는 점광원을 용이하게 전송할 수 있으면서, 광경로의 길이를 자유자재로 조절 가능한 특징이 있다.

제1시준렌즈(310)는 상기 제1광섬유(210)의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제1광섬유(210)에서 출력되면서 면조명의 형태로 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 변환하여 광경로변경수단(400)의 일측으로 출력하는 역할을하고, 상기 제2시준렌즈(320)는 상기 제2광섬유(220)의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제2광섬유(220)에서 출력되면서 면조명의 형태로 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 변환하여 광경로변경수단(400)의 타측으로 출력한다.

변형예로, 상기 제1광섬유(210) 및 제2광섬유(220)의 단부에는 전송된 점광원을 면조명 형태로 확산시켜 출력하는 광확산수단이 추가로 장착될 수 있다.

광경로변경수단(400)은 상기 제1시준렌즈(310)와 제2시준렌즈(320) 사이에 배치되어 상기 제1시준렌즈(310)를 통과한 평행광을 수직 하부에 배치된 측정대상(10)의 표면으로 전달하고, 상기 제2시준렌즈(320)를 통과한 평행광을 수직 상부에 배치된 촬상수단(500)으로 전달한다. 상기 광경로변경수단(400)은 빔스플리터(beam splitter) 등으로 구비될 수 있다.

상기 광경로변경수단(400)은 하나로 구비되며, 하나의 광경로변경수단(400)이 상기 제1시준렌즈(310)를 통과한 평행광을 수직 하부에 배치된 측정대상(10)의 표면으로 전달하는 역할과, 상기 제2시준렌즈(320)를 통과한 평행광을 수직 상부에 배치된 촬상수단(500)으로 전달하는 역할을 병행할 수 있다.

다른 예로, 상기 광경로변경수단(400)은 복수 구비될 수 있으며, 어느 하나의 광경로변경수단(400)이 상기 제1시준렌즈(310)를 통과한 평행광을 수직 하부에 배치된 측정대상(10)의 표면으로 전달하는 역할을 수행하고, 다른 하나의 광경로변경수단(400)이 상기 제2시준렌즈(320)를 통과한 평행광을 수직 상부에 배치된 촬상수단(500)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

촬상수단(500)은 상기 광경로변경수단(400)의 상부에 배치되어, 상기 측정대상(10)의 표면에서 반사된 측정광과, 상기 광경로변경수단(400)에서 상부로 전달된 기준광의 간섭에 의해 생성되는 간섭무늬를 획득한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 이용한 측정과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 측정대상(10)을 광경로변경수단(400) 및 촬상수단(500)과 동축상에 배치시킨다. 이후, 광출력수단(110)을 통해 넓은 파장(broad band)의 광원을 출력하고, 광커플러(120)를 통해 면광원을 점광원으로 변환하여 출력하되, 소정의 비율로 분배하여 제1광섬유(210)와 제2광섬유(220)로 각각 출력한다. 상기 광섬유(210,220)를 통해 전송된 각각의 점광원은 서로 마주보는 위치에서 출력된다.

먼저, 제1광섬유(210)를 통해 출력된 점광원은 면광원으로 확산되면서 제1시준렌즈(310)를 거쳐 평행하게 조사되고, 광경로변경수단(400)을 통해 수직하부에 배치된 측정대상(10)으로 전달된다. 이후, 측정대상(10)에서 반사된 측정광은 촬상수단(500)으로 입사된다.

한편, 제2광섬유(220)를 통해 출력된 점광원은 면광원으로 확산되면서 제2시준렌즈(320)를 거쳐 평행하게 조사되고 광경로변경수단(400)을 통해 수직상부에 배치된 촬상수단(500)에 기준광으로 입사된다. 이때, 상기 촬상수단(500)은 상기 측정대상(10)에서 반사된 측정광과, 광경로변경수단(400)을 통해 전달된 기준광의 간섭에 의해 생성되는 간섭무늬를 획득한다.

본 발명에 따르면, 상기 제1광섬유(210)와 제1시준렌즈(310)와 광경로변경수단(400)를 거쳐 상기 측정대상(10)에 조사되었다가 반사된 후 상기 촬상수단(500)에 입력된 측정광의 광경로와, 제2광섬유(220)와 제2시준렌즈(320)와 광경로변경수단를 거쳐 상기 촬상수단(500)에 입력된 기준광의 광경로는 동일하게 설정된다.

상기와 같이 측정광과 기준광의 광경로가 동일하게 설정될 경우, 시간적 간섭성(temporal coherence)이 낮은 넓은 파장의 광원 특성상 측정대상(10)의 표면에 미세한 변화가 발생하면 간섭무늬가 형성되지 않는 현상을 이용하여, 측정대상(10)의 표면형상 변화를 측정할 수 있다.

참고로, 측정광과 기준광의 광경로의 길이는 광섬유(210,220)의 길이를 조절하는 방법으로 간편하게 변경할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광경로변경수단(400)과 상기 측정대상(10) 사이에는 상기 광경로변경수단(400)을 통해 전달된 측정광을 입력받아 집속 또는 확산시켜 출력하는 대물렌즈(610) 및 상기 대물렌즈(610)를 통과한 측정광을 입력받아 평행광으로 변환하여 상기 측정대상(10)으로 출력하는 제3시준렌즈(620)가 배치된다. 상기의 경우, 상기 제3시준렌즈(620)의 크기는 측정대상(10)의 크기와 동일하거나 측정대상(10) 보다 크게 형성될 수 있다.

변형예로, 상기 광경로변경수단(400)과 상기 측정대상(10) 사이에는 상기 측정수단(10)에서 반사된 측정광을 입력받아 집속시켜 출력하는 대물렌즈와 상기 대물렌즈를 통과한 빛을 입력받아 평행광으로 변환하여 상기 촬상수단(500)으로 출력하는 제3시준렌즈가 배치될 수 있다. 상기의 경우, 상기 대물렌즈의 크기는 측정대상(10)의 크기와 동일하거나 측정대상(10) 보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광경로변경수단(400)과 상기 촬상수단(500) 사이에는 상기 측정광과 기준광을 입력받아 집광시켜 상기 촬상수단(500)으로 출력하는 집광렌즈(700)가 배치된다. 상기 집광렌즈(700)는 접안렌즈와 같이 측정광과 기준광이 촬상수단(500)의 이미지 센서로 입사될 수 있도록 소정의 비율로 집광시켜 상기 촬상수단(500)으로 전달하는 역할을 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 대면적의 측정대상 표면을 측정하되, 측정을 위한 간섭계를 보다 작고 슬림하게 구현할 수 있고, 간섭계의 크기가 작고 슬림하게 구현됨에 따라 간섭계를 검사장비에 용이하게 장착할 수 있으며, 대면적의 측정대상을 신속하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10 : 측정대상
110 : 광출력수단
120 : 광커플러
210 : 제1광섬유
220 : 제2광섬유
310 : 제1시준렌즈
320 : 제2시준렌즈
400 : 광경로변경수단
500 : 촬상수단
610 : 대물렌즈
620 : 제3시준렌즈
700 : 집광렌즈

Claims (4)

1. 넓은 파장(broad band)의 광원을 출력하는 광출력수단;
   상기 광출력수단에서 출력된 넓은 파장의 광원을 입력받아 2개의 점광원형태로 분배하여 출력하는 광커플러;
   상기 광커플러에서 출력된 점광원을 전달하고, 각 단부가 상호 마주보게 배치되는 제1,2광섬유;
   상기 제1광섬유의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제1광섬유에서 출력되면서 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 출력하는 제1시준렌즈;
   상기 제2광섬유의 단부와 마주보게 설치되어 상기 제2광섬유에서 출력되면서 확산된 광원을 입력받아 평행광으로 출력하는 제2시준렌즈;
   상기 제1시준렌즈와 제2시준렌즈 사이에 배치되어 상기 제1시준렌즈를 통과한 평행광을 수직 하부에 배치된 측정대상의 표면으로 전달하고, 상기 제2시준렌즈를 통과한 평행광을 수직 상부로 전달하는 광경로변경수단;
   상기 광경로변경수단의 상부에 배치되어, 상기 측정대상의 표면에서 반사된 측정광과, 상기 광경로변경수단에서 상부로 전달된 기준광의 간섭에 의해 생성되는 간섭무늬를 획득하는 촬상수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1광섬유와 제1시준렌즈와 광경로변경수단를 거쳐 상기 측정대상에서 반사된 후 상기 촬상수단에 입력된 측정광의 광경로와, 제2광섬유와 제2시준렌즈와 광경로변경수단를 거쳐 상기 촬상수단에 입력된 기준광의 광경로는 동일하게 설정된 것을 특징으로 하는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 광경로변경수단과 상기 측정대상 사이에는 상기 광경로변경수단을 통해 전달된 측정광을 입력받아 집속 또는 확산시켜 출력하는 대물렌즈 및 상기 대물렌즈를 통과한 측정광을 입력받아 평행광으로 변환하여 상기 측정대상으로 출력하는 제3시준렌즈가 배치된 것을 특징으로 하는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 상기 광경로변경수단과 상기 촬상수단 사이에는 상기 측정광과 기준광을 입력받아 집광시켜 상기 촬상수단으로 출력하는 집광렌즈가 배치된 것을 특징으로 하는 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치.

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