KR101830785B1 - 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다. 스테이지는 XY 평면 상에 측정대상물을 안착한 상태에서 Y축 방향으로 이동시킨다. 광원은 광을 출사한다. 제1 실린드리컬 렌즈는 광원으로부터 출사되는 광을 받아서 초선으로 만든다. 스캔 미러는 제1 실린드리컬 렌즈를 거친 광을 반사시켜 스테이지 상의 측정대상물로 입사시키며, Y축을 중심으로 회전함에 따라 입사 광을 X축 방향으로 이동시킨다. 스캔 렌즈는 스캔 미러를 거친 광을 받아서 X축 상에 초점을 형성한다. 제2 실린드리컬 렌즈는 스캔 렌즈를 거친 광을 받아서 Y축 상에 초점을 형성한다. 디텍터는 측정대상물로부터 반사되어 제2 실린드리컬 렌즈와 스캔 렌즈 및 스캔 미러를 차례로 거쳐 되돌아오는 광을 4분할로 검출하여 측정대상물의 높이를 측정하게 한다. 빔 스플리터는 제1 실린드리컬 렌즈를 거친 광을 스캔 미러로 전달하며, 스캔 미러를 거쳐 되돌아오는 광을 디텍터로 전달한다.

Description

3차원 형상 측정장치{Apparatus for measuring three dimensional shape}
본 발명은 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 장치는 광삼각법에 기초한 포인트(Point) 광 투영법, 슬릿(Slit) 광 투영법 등을 사용하며, 많은 격자를 동시에 투영하고 이를 위상천이시켜 측정분해능을 향상시키는 방법으로 영사식 모아레(Moire)법과 PMP(Phase Measuring Profilometry)법 등을 사용한다.
3차원 형상 측정 장치는 각종 전자제품의 제조 공정에서 품질 검사를 위해 사용되고 있다. 예를 들어, 전자제품을 구성하는 인쇄회로기판의 표면에 회로패턴이 형성되며, 회로패턴에 부품이 실장될 수 있다. 이 과정에서, 선폭 등이 불량인 회로패턴에 부품이 실장되거나, 인쇄회로기판에 실장된 부품의 외관 불량이 있게 되면, 2차 불량이 발생되므로, 회로패턴 또는 부품의 3차원 형상을 측정하여 불량 유무를 검사할 수 있게 3차원 형상 측정 장치가 사용될 수 있다.
한편, 전자제품의 제조 공정에서 회로패턴 또는 부품 등과 같은 측정대상물의 불량 유무를 검사하는 작업은 제품의 생산성 향상을 위해 신속하고 정확하게 이루어지는 것이 바람직한데, 이를 위해 3차원 형상 측정 장치는 측정대상물의 3차원 형상을 고속 및 고분해능으로 측정할 수 있도록 구성될 필요가 있다.
등록번호 제10-1196219호(2011.08.09. 공개)
본 발명의 과제는 측정대상물의 3차원 형상을 고속 및 고분해능으로 측정할 수 있는 3차원 형상 측정장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치는 스테이지(stage)와, 광원(light source)과, 제1 실린드리컬 렌즈(first cylindrical lens)와, 스캔 미러(scan mirror)와, 스캔 렌즈(scan lens)와, 제2 실린드리컬 렌즈(second cylindrical lens)와, 디텍터(detector), 및 빔 스플리터(beam splitter)를 포함한다. 스테이지는 XY 평면 상에 측정대상물을 안착한 상태에서 Y축 방향으로 이동시킨다. 광원은 광을 출사한다. 제1 실린드리컬 렌즈는 광원으로부터 출사되는 광을 받아서 초선(caustics)으로 만든다. 스캔 미러는 제1 실린드리컬 렌즈를 거친 광을 반사시켜 스테이지 상의 측정대상물로 입사시키며, Y축을 중심으로 회전함에 따라 입사 광을 X축 방향으로 이동시킨다. 스캔 렌즈는 스캔 미러를 거친 광을 받아서 X축 상에 초점을 형성한다. 제2 실린드리컬 렌즈는 스캔 렌즈를 거친 광을 받아서 Y축 상에 초점을 형성한다. 디텍터는 측정대상물로부터 반사되어 제2 실린드리컬 렌즈와 스캔 렌즈 및 스캔 미러를 차례로 거쳐 되돌아오는 광을 4분할로 검출하여 측정대상물의 높이를 측정하게 한다. 빔 스플리터는 제1 실린드리컬 렌즈를 거친 광을 스캔 미러로 전달하며, 스캔 미러를 거쳐 되돌아오는 광을 디텍터로 전달한다.
본 발명에 따르면, 측정대상물의 3차원 형상을 고속 및 고분해능으로 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 신호 처리가 비교적 간편하게 되므로, FPGA(field programmable gate array)나 DSP(digital signal processor) 등의 적용이 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1에 대한 정면도이다.
도 3은 도 1에 있어서, 디텍터를 도시한 분해 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 디텍터의 작용 예를 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명에 대해 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1에 대한 정면도이다. 도 3은 도 1에 있어서, 디텍터를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 3차원 형상 측정장치(100)는 스테이지(110)와, 광원(120)과, 제1 실린드리컬 렌즈(130)와, 스캔 미러(140)와, 스캔 렌즈(150)와, 제2 실린드리컬 렌즈(160)와, 디텍터(170), 및 빔 스플리터(180)를 포함한다.
스테이지(110)는 XY 평면 상에 측정대상물(10)을 안착하도록 형성된다. 여기서, 측정대상물(10)은 상면에 회로패턴이 형성된 인쇄회로기판 또는 상면에 부품이 실장된 인쇄회로기판 등에 해당할 수 있다.
스테이지(110)는 상면에 측정대상물(10)을 안착한 상태에서 Y축 방향으로 이동시킨다. 스테이지(110)는 리니어 액추에이터(111)에 의해 Y축 방향으로 이동함에 따라 측정대상물(10)을 Y축 방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 측정대상물(10)은 스캔 미러(140)에 대해 Y축 방향으로 이동함에 따라 스캐닝될 수 있다.
광원(120)은 광을 출사한다. 광원(120)은 레이저 광원 또는 LED 광원 등을 포함할 수 있다. 광원(120)은 평행 광선을 출사하도록 구성될 수 있다.
제1 실린드리컬 렌즈(130)는 광원(120)으로부터 출사되는 광을 받아서 초선으로 만든다. 제1 실린드리컬 렌즈(130)는 원기둥축에 평행한 원기둥면을 굴절면으로 이용한 렌즈로서, 원기둥면에 광이 입사하면 원기둥축에 평행한 직선 상에 광이 모여 1개의 초선을 만든다. 광원(120)이 X축 방향으로 조사되는 경우, 제1 실린드리컬 렌즈(130)는 원기둥면이 광원(120)을 향한 상태로 원기둥축이 Y축에 평행하게 배치될 수 있다.
스캔 미러(140)는 제1 실린드리컬 렌즈(130)를 거친 광을 반사시켜 스테이지(110) 상의 측정대상물(10)로 입사시킨다. 스캔 미러(140)는 회전 액추에이터(141)에 의해 Y축을 중심으로 회전함에 따라 입사 광을 X축 방향으로 이동시킨다.
스캔 미러(140)가 입사 광을 X축 방향으로 이동시키고 스테이지(110)가 측정대상물(10)을 Y축 방향으로 이동시킴으로써, 측정대상물(10)의 상면 전체가 스캐닝될 수 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해 XY 면 상의 한쪽 축을 X축으로 지칭하고, 직교하는 다른 축을 Y축으로 지칭한 것으로, 그 용어에 한정되지 않는다. 스캔 미러(140)는 갈바노 미러(Galvanometer mirror), 공명 거울(resonant mirror), 다면 거울(polygon mirror) 등으로 이루어질 수 있다.
스캔 렌즈(150)는 스캔 미러(140)를 거친 광을 받아서 X축 상에 초점을 형성한다. 여기서, X축 상에 형성되는 초점은 스캔 렌즈(150)에 의해 영향을 받게 된다. 스캔 렌즈(150)는 레이저 스캔 렌즈(laser lens), 대물 렌즈(objective lens) 등으로 이루어질 수 있으나, 일반 렌즈로 이루어질 수도 있다.
제2 실린드리컬 렌즈(160)는 스캔 렌즈(150)를 거친 광을 받아서 Y축 상에 초점을 형성한다. 여기서, Y축 상에 형성되는 초점은 제1,2 실린드리컬 렌즈(130, 160)와 스캔 렌즈(150)의 조합에 의해 영향을 받게 된다.
제2 실린드리컬 렌즈(160)는 원기둥면이 스캔 렌즈(150)를 향한 상태로 원기둥축이 X축에 평행하게 배치될 수 있다. 제2 실린드리컬 렌즈(160)는 스캔 렌즈(150)보다 초점거리가 짧고 개구수(numerical aperture)가 높게 구성될 수 있으므로, 측정대상물(10)의 3차원 형상을 고분해능으로 측정할 수 있게 한다.
디텍터(170)는 측정대상물(10)로부터 반사되어 제2 실린드리컬 렌즈(160)와 스캔 렌즈(150) 및 스캔 미러(140)를 차례로 거쳐 되돌아오는 광을 4분할로 검출하여 측정대상물(10)의 Z축 높이를 측정하게 한다.
이와 같이, 디텍터(170)는 측정대상물(10)의 높이 측정을 위해 입사 광을 4개 영역들로 분할 검출하여 신호 처리하므로, 에어리어 CCD(Area Charge Coupled Device)와 같은 디텍터가 입사 광을 1개 영역으로 검출하여 신호 처리하거나, 라인 CCD(Line Charge Coupled Device)와 같은 디텍터가 슬릿(slit) 형태의 입사 광을 검출하여 신호 처리하는 것에 비해, 측정대상물(10)의 높이를 고속으로 측정할 수 있다. 또한, 디텍터(170)는 에어리어 CCD나 라인 CCD와 같은 디텍터보다 신호 처리가 간편하게 되므로, FPGA나 DSP 등의 적용이 용이할 수 있다.
예컨대, 디텍터(170)는 입사부(171)와, 제1 검출부(173), 및 제2 검출부(173)를 포함할 수 있다. 입사부(171)는 한 쌍의 제1 입사영역(1711)들과 한 쌍의 제2 입사영역(1712)들을 구비한다.
제1 입사영역(1711)들은 X축 및 Y축에 대해 45도 각도로 구획된 부채꼴 단면을 각각 갖고서 Y축 방향으로 배열되어 빔 스플리터(180)로부터 광을 받는다. 제2 입사영역(1712)들은 X축 및 Y축에 대해 45도 각도로 구획된 부채꼴 단면을 각각 갖고서 X축 방향으로 배열되어 빔 스플리터(180)로부터 광을 받는다. 즉, 제2 입사영역(1712)들은 제1 입사영역(1711)들 사이에 하나씩 배치된다.
제1 입사영역(1711)과 제2 입사영역(1712)은 동일 단면적을 갖는다. 여기서, 제1,2 입사영역(1711, 1712)의 X축 및 Y축은 스테이지(110) 상에 위치되는 측정영역의 X축 및 Y축을 기준으로 설정된 것이다.
입사부(171)는 광파이버(171a)들을 포함할 수 있다. 광파이버(171a)들은 제1 입사영역(1711)들 및 제2 입사영역(1712)들에 각각 구획된 상태로 배열되어, 빔 스플리터(180)로부터 제1,2 검출부(172, 173)로 광을 전달한다.
제1 검출부(172)는 제1 입사영역(1711)들을 통해 전달되는 광을 검출한다. 제2 검출부(173)는 제2 입사영역(1712)들을 통해 전달되는 광을 검출한다. 제1,2 검출부(172, 173)는 PMT(Photo Multiplier Tube)로 이루어질 수 있다. 따라서, 제1,2 검출부(172, 173)는 더욱 고속 및 고감도로 광을 검출할 수 있다.
다른 예로, 제1,2 검출부(172, 173)는 CCD 등과 같은 다양한 이미지 센서로 이루어질 수 있음은 물론이다. 이러한 디텍터(170)의 작용 예에 대해서는 후술하기로 한다.
빔 스플리터(180)는 제1 실린드리컬 렌즈(130)를 거친 광을 스캔 미러(140)로 전달하며, 스캔 미러(140)를 거쳐 되돌아오는 광을 디텍터(170)로 전달한다. 여기서, 빔 스플리터(180)는 제1 실린드리컬 렌즈(130)를 거친 광을 통과시켜 스캔 미러(140)로 전달하며, 스캔 미러(140)를 거쳐 되돌아오는 광을 반사시켜 디텍터(170)로 전달하도록 구성될 수 있다.
다른 예로, 도시하고 있지 않지만, 빔 스플리터(180)는 제1 실린드리컬 렌즈(130)를 거친 광을 분사시켜 스캔 미러(140)로 전달하며, 스캔 미러(140)를 거쳐 되돌아오는 광을 통과시켜 디텍터(170)로 전달하도록 구성될 수도 있다.
전술한 디텍터(170)의 작용 예에 대해 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 측정대상물의 높이(H)가 광초점의 위치(PL)에 맞춰진 영(zero)의 위치에서, 디텍터(170)는 정원(正圓) 형태의 광(21)을 검출하도록 배치된다. 이때, 제1 입사영역(1711)들에 검출된 광 면적은 제2 입사영역(1712)들에 검출된 광 면적과 동일하다. 따라서, 제1 입사영역(1711)들을 통해 제1 검출부(172)에서 검출되는 광량은 제2 입사영역(1712)들을 통해 제2 검출부(173)에서 검출되는 광량과 동일하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 측정대상물의 높이(H)가 광초점의 위치(PL)보다 높은 (+)의 위치에서, 디텍터(170)는 Y축 방향의 길이가 X축 방향의 길이보다 긴 형태의 타원 형태의 광(22)을 검출하게 된다. 이때, 제1 입사영역(1711)들에 검출된 광 면적은 제2 입사영역(1712)들에 검출된 광 면적보다 크게 된다. 따라서, 제1 입사영역(1711)들을 통해 제1 검출부(172)에서 검출되는 광량은 제2 입사영역(1712)들을 통해 제2 검출부(173)에서 검출되는 광량보다 많게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 측정대상물의 높이(H)가 광초점의 위치(PL)보다 낮은 (-)의 위치에서, 디텍터(170)는 X축 방향의 길이가 Y축 방향의 길이보다 긴 형태의 타원 형태의 광(23)을 검출하게 된다. 이때, 제1 입사영역(1711)들에 검출된 광 면적은 제2 입사영역(1712)들에 검출된 광 면적보다 작게 된다. 따라서, 제1 입사영역(1711)들을 통해 제1 검출부(172)에서 검출되는 광량은 제2 입사영역(1712)들을 통해 제2 검출부(173)에서 검출되는 광량보다 적게 된다.
이와 같이, 측정대상물의 높이(H) 변화에 따라 제1 검출부(172)에서 검출되는 광량과 제2 검출부(173)에서 검출되는 광량이 변하게 된다. 따라서, 제1 검출부(172)에서 검출되는 광량을 A라고 하고, 제2 검출부(173)에서 검출되는 광량을 B라고 한다면, C=(A-B)/(A+B)의 계산식에 의해 측정대상물의 높이(H) 변화에 따른 C 값을 산출할 수 있다. 여기서, C 값은 측정대상물의 높이(H)가 광초점의 위치(PL)에 맞춰진 영의 위치에서 영이 된다. C 값은 측정대상물의 높이(H)가 광초점의 위치(PL)보다 높아질수록 양수로 커지며, 측정대상물의 높이(H)가 광초점(PL)의 위치보다 낮아질수록 음수로 작아지게 된다.
산출된 C 값은 측정대상물의 높이(H)를 측정하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 제1,2 검출부(172, 173)로부터 검출된 A, B 값은 제어부로 입력된다. 제어부는 A, B 값으로부터 C 값을 산출한다. 그리고, 제어부는 측정대상물의 높이(H)와 C 값 사이의 관계식 또는 룩업 테이블(lookup table)을 미리 입력된 상태에서, 측정대상물의 높이(H) 측정시 산출된 C 값을 관계식 또는 룩업 테이블에 대입하여 측정대상물의 높이(H)를 실시간으로 측정함으로써, 측정대상물(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110..스테이지
120..광원
130..제1 실린드리컬 렌즈
140..스캔 미러
150..스캔 렌즈
160..제2 실린드리컬 렌즈
170..디텍터
180..빔 스플리터

Claims (3)

  1. XY 평면 상에 측정대상물을 안착한 상태에서 Y축 방향으로 이동시키는 스테이지;
    X축 방향으로 광을 출사하는 광원;
    원기둥면이 상기 광원을 향한 상태로 원기둥축이 Y축에 평행하게 배치되며, 상기 광원으로부터 출사되는 광을 받아서 초선(caustics)으로 만드는 제1 실린드리컬 렌즈;
    상기 제1 실린드리컬 렌즈를 거친 광을 반사시켜 상기 스테이지 상의 측정대상물로 입사시키며, Y축을 중심으로 회전함에 따라 입사 광을 X축 방향으로 이동시키는 스캔 미러;
    상기 스캔 미러를 거친 광을 받아서 X축 상에 초점을 형성하는 스캔 렌즈;
    원기둥면이 상기 스캔 렌즈를 향한 상태로 원기둥축이 X축에 평행하게 배치되며, 상기 스캔 렌즈를 거친 광을 받아서 Y축 상에 초점을 형성하는 제2 실린드리컬 렌즈;
    측정대상물로부터 반사되어 상기 제2 실린드리컬 렌즈와 스캔 렌즈 및 스캔 미러를 차례로 거쳐 되돌아오는 광을 4분할로 검출하여 측정대상물의 높이를 측정하게 하는 디텍터; 및
    상기 제1 실린드리컬 렌즈를 거친 광을 상기 스캔 미러로 전달하며, 측정대상물로부터 반사되어 상기 제2 실린드리컬 렌즈와 스캔 렌즈 및 스캔 미러를 차례로 거쳐 되돌아오는 광을 상기 디텍터로 전달하는 빔 스플리터;를 포함하며,
    상기 디텍터는,
    X축 및 Y축에 대해 45도 각도로 구획된 부채꼴 단면을 각각 갖고서 Y축 방향으로 배열되어 상기 빔 스플리터로부터 광을 받는 한 쌍의 제1 입사영역들과 X축 방향으로 배열되어 상기 빔 스플리터로부터 광을 받는 한 쌍의 제2 입사영역들을 구비하는 입사부와,
    상기 제1 입사영역들을 통해 전달되는 광을 검출하는 제1 검출부, 및
    상기 제2 입사영역들을 통해 전달되는 광을 검출하는 제2 검출부를 포함하며;
    상기 제1 검출부로부터 검출된 광량 A 값과 상기 제2 검출부로부터 검출된 광량 B 값은 제어부로 입력되며;
    상기 제어부는 C=(A-B)/(A+B)의 계산식에 의해 C 값을 산출한 후, 미리 입력된 측정대상물의 높이와 C 값 사이의 관계식과 룩업 테이블 중 어느 하나에 대입하여 측정대상물의 높이를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입사부는,
    상기 제1 입사영역들 및 제2 입사영역들에 각각 구획된 상태로 배열되어 상기 빔 스플리터로부터 상기 제1,2 검출부로 광을 전달하는 광파이버들을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
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