KR101850363B1 - 촬영장치 및 촬영방법 - Google Patents

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Abstract

촬영장치가 개시된다. 개시된 촬영장치는 광을 조사하는 광원, 대상물에서 반사된 광의 경로를 변경하는 포커싱 광학계, 상기 포커싱 광학계에 의해 형성된 상기 대상물의 이미지를 촬영하는 촬영부 및 상기 포커싱 광학계와 상기 대상물 사이의 거리를 조절하는 거리 조절부;를 포함한다.
상기 촬영부는, 상기 포커싱 광학계와 상기 대상물 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 상기 대상물의 이미지를 촬영하되, 상기 소정의 간격은 상기 포커싱 광학계의 심도(Depth of field)의 크기보다 작게 설정된다.

Description

촬영장치 및 촬영방법{Photographing apparatus and photographing method}
촬영장치 및 촬영방법에 관한 것으로, 촬영장치의 오토 포커싱 기술에 관한 것이다.
레이저 가공공정 등에서 대상물의 표면을 선명하게 촬영하는 것이 중요하다. 이미지의 선명도를 높이기 위해서는 포커싱 광학계의 초점 위치를 대상물에 맞추어 변경하는 작업이 필요하며 이를 오토 포커싱 작업이라고 한다.
오토 포코싱 작업에서는 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리를 변화시키면서 선명한 이미지가 나오는 지점을 찾는다. 즉, 오토 포커싱 과정에서 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리를 변화시켜 가면서 복수 회의 촬영작업이 요구된다.
그런데, 종래에는 복수회의 촬영작업 각각에 대해 흔들림 없는 이미지를 얻기 위해 정지된 상태에서 이미지 촬영을 했다. 그러나, 이 경우 기계의 진동이 사라지기를 기다리는데 필요한 지연시간이 소모되는 바 고속으로 오토 포커싱 작업을 수행하기 어려워 지는 문제가 있다.
또한, 움직이는 상태에서 오토 포커싱 작업을 수행하는 경우 이미지의 선명도가 저하됨에 따라 정확한 포커싱 위치를 찾기 어려운 단점이 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 촬영장치의 오토 포커싱 작업을 정확하고 빠르게 수행할 수 있다.
일 측면에 있어서,
광을 조사하는 광원;
대상물에서 반사된 광의 경로를 변경하는 포커싱 광학계;
상기 포커싱 광학계에 의해 형성된 상기 대상물의 이미지를 촬영하는 촬영부; 및
상기 포커싱 광학계와 상기 대상물 사이의 거리를 조절하는 거리 조절부;를 포함하며,
상기 촬영부는, 상기 포커싱 광학계와 상기 대상물 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 상기 대상물의 이미지를 촬영하되, 상기 소정의 간격은 상기 포커싱 광학계의 심도(Depth of field)의 크기보다 작게 설정되는 촬영장치가 제공된다.
상기 촬영부는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 상기 대상물의 이미지를 촬영할 수 있다.
상기 거리 조절부는 적어도 일 구간에서 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 등속도로 변화시킬 수 있다.
상기 거리 조절부가 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 변화시키는 속도는 수학식 1을 만족할 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00001
.... 수학식 1
(V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, f=등속도 구간에서 촬영부의 시간당 촬영횟수, DOF=포커싱 광학계의 심도 크기)
상기 거리 조절부가 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 변화시키는 속도는 수학식 2를 만족할 수 있다.
V1 <
Figure 112016015290143-pat00002
.........수학식 2
(V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, DoF=포커싱 광학계의 심도, E= 촬영부의 프레임당 노출시간)
상기 촬영부의 프레임당 노출시간은 수학식 3을 만족할 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00003
.........수학식 3
(E= 촬영부의 프레임당 노출시간, Apixel = 촬영부의 픽셀 면적, M = 배율, V2max= 촬영부와 대상물 사이의 상대적인 진동속도의 최대값)
상기 촬영장치는, 상기 대상물과 상기 촬영부 사이의 거리 변화를 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 엔코더;를 더 포함할 수 있다.
상기 촬영장치는, 상기 엔코더가 발생시키는 상기 전기적 신호에 기초하여 상기 촬영부에 대한 동기화 신호를 생성하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 촬영장치는, 상기 촬영부가 촬영한 상기 대상물의 이미지들을 수신하여, 상기 이미지들의 선명도를 추출하는 프로세서;를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 선명도가 가장 높은 이미지가 촬영된 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 포커싱 거리로 결정할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 이미지들의 선명도 값들로부터 수학식 4에 따라 포커싱 거리를 결정할 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00004
.... 수학식 4
(H= 포커싱 상태에서 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi-1 = i-1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi+1 = i+1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Ci = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci -1 = i-1번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci +1 = 선명도가 i+1번째 촬영 이미지의 선명도 값)
상기 거리 조절부가 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 변화시키는 구간은 수학식 5 및 수학식 6에 의해 결정될 수 있다.
H-D-δ < X < H+D+δ ....... 수학식 5
Figure 112016015290143-pat00005
..... 수학식 6
(X= 대상물의 지지과 포커싱 광학계의 포커싱 포인트 사이의 거리, H= 대상물의 예상 두께, D= 대상물의 두께 편차, δ = 가속 구간, V1=최대 속도, a= 가속도)
다른 측면에 있어서,
대상물에 광을 조사하는 단계;
포커싱 광학계를 이용하여 상기 대상물에서 반사된 광을 집광하는 단계;
상기 포커싱 광학계와 상기 대상물 사이의 거리를 조절하는 단계; 및
상기 포커싱 광학계와 상기 대상물 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 상기 대상물의 이미지를 촬영하는 단계;를 포함하며,
상기 소정의 간격은 상기 포커싱 광학계의 심도보다 작게 설정되는 촬영방법이 제공된다.
상기 거리를 조절하는 단계는, 적어도 일 구간에서 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 등속도로 변화시킬 수 있다.
상기 거리를 조절하는 단계는, 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 등속도로 변화시키는 구간에서 상기 촬영부는 일정한 시간간격으로 상기 대상물의 이미지를 촬영하며,
상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리가 변하는 속도는 수학식 1을 만족할 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00006
.... 수학식 1
(V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, f=등속도 구간에서 촬영부의 시간당 촬영횟수, DoF=포커싱 광학계의 심도, α는 0.1<α<0.5를 만족하는 임의의 실수)
상기 거리를 조절하는 단계는, 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 변화시키는 속도가 수학식 2를 만족하도록 할 수 있다.
V1 <
Figure 112016015290143-pat00007
.........수학식 2
(V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, DoF=포커싱 광학계의 심도, E= 촬영부의 프레임당 노출시간)
상기 촬영방법은, 상기 대상물과 상기 촬영부 사이의 거리 변화를 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 촬영방법은, 상기 전기적 신호에 기초하여 상기 촬영부에 대한 동기화 신호를 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 촬영방법은, 상기 촬영부가 촬영한 상기 대상물의 이미지들을 수신하여, 상기 이미지들의 선명도를 추출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 촬영방법은, 상기 이미지들의 선명도 값들로부터 수학식 4에 따라 포커싱 거리를 결정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00008
.... 수학식 4
(H= 포커싱 상태에서 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi-1 = i-1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi+1 = i+1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Ci = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci -1 = i-1번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci +1 = 선명도가 i+1번째 촬영 이미지의 선명도 값)
실시예에 따르면, 대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리가 변하는 동안 오토 포커싱 작업이 이루어지면서 오토 포커싱에 필요한 시간이 단축될 수 있다. 또한, 동적으로 오토 포커싱이 이루어 짐에도 불구하고 적어도 하나의 이미지가 포커싱 광학계의 심도 범위에서 촬영되도록 함으로써 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 또한, 이미지들의 선명도 값들로부터 정확한 포커싱 거리를 보정함으로써 오토 포커싱 작업의 정확도가 높아질 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 촬영장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 오토 포커싱 과정에서 촬영부의 이미지 촬영지점을 나타낸 도면이다.
도 3은 거리 조절부에 의해 대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리가 변하는 범위를 나타낸 도면이다.
도 4는 시간에 따라 포커싱 포인트가 움직이는 속도의 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영장치를 나타낸 도면이다.
도 6은 엔코더에 의해 발생되는 전기적 신호를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 제어부가 발생시키는 동기화 신호를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 시간에 따른 포커싱 포인트의 높이 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 포커싱 포인트의 높이와 이미지의 선명도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은 프로세서가 오토 포커싱 거리를 보정하는 것을 나타낸 도면이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 촬영장치를 이용한 촬영방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13 은 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영방법을 나타낸 흐름도이다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영방법을 나타낸 흐름도이다.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 촬영장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 촬영장치(100)는 광원(110)과, 대상물(10)에서 반사된 광의 경로를 변경하는 포커싱 광학계(120)와, 포커싱 광학계(120)에 의해 형성된 대상물(10)의 이미지를 촬영하는 촬영부(140) 및 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리를 조절하는 거리 조절부(130)를 포함할 수 있다.
광원(110)은 광을 조사할 수 있다. 광원(110)에서 출사된 광은 소정의 광학계를 통과하여 대상물(10)에 조사될 수 있다. 도 1에서는 광원(110)에서 출사된 광이 평행광이 되어 진행하는 예를 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며, 광원(110)에서 출사된 광이 통과하는 광학계는 다르게 구성될 수도 있다. 또한, 광원(110)에서 출사된 광은 광학계를 거치지 않고 바로 대상물(10)에 조사될 수도 있다.
포커싱 광학계(120)는 대상물(10)에서 반사된 광의 경로를 변경할 수 있다. 포커싱 광학계(120)에 의해 경로가 변경된 광은 촬영부(140)의 이미지 센서에 입사될 수 있다. 도 1에서는 포커싱 광학계(120)를 촬영부(140)와 분리하여 표현하였지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 포커싱 광학계(120)는 촬영부(140)의 내부에 포함되어 있을 수도 있다. 이 경우, 거리 조절부(130)는 촬영부(140)를 움직임으로써 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리를 변경할 수 있다. 포커싱 광학계(120)는 소정의 포커싱(focusing) 거리를 가질 수 있다. 따라서, 포커싱 광학계(120)와 대상물(10)의 표면이 적절한 거리를 유지할 때, 촬영부(140)가 대상물(10)의 선명한 이미지를 획득할 수 있다.
대상물(10)은 촬영 대상이 되는 물체로 웨이퍼, 반도체 칩 등을 포함할 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다. 대상물(10)은 표면의 거칠기에 의해 두께가 일정하지 않을 수 있다. 또한, 대상물(10)을 지지하는 지지면(S1)의 평탄도에 따라 대상물(10)의 표면과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리는 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 촬영장치(100)가 대상물(10)의 이미지를 선명하게 얻기 위해서는 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리를 적절히 조절해야 한다. 촬영장치(100)가 대상물(10)의 이미지를 선명하게 얻기 위해 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이 거리를 조절하는 과정을 오토 포커싱(Auto focusing) 과정이라고 한다.
거리 조절부(130)는 오토 포커싱 과정에서 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리를 변화시킬 수 있다. 거리 조절부(130)는 대상물(10)이 안착된 지지면(S1)을 움직일 수 있다. 다른 예로 거리 조절부(130)는 포커싱 광학계(120)를 움직일 수 있다. 포커싱 광학계(120)가 촬영부(140)에 내장되어 있는 경우, 거리 조절부(130)는 촬영부(140)를 움직일 수도 있다. 또한, 거리 조절부(130)는 포커싱 광학계(120)와 지지면(S1)을 동시에 움직임으로써 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리를 변화시킬 수 있다.
거리 조절부(130)가 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리를 변화시키는 동안에 질량이 큰 이동체를 움직일 수 있다. 거리 조절부(130)가 이동체를 가감속 하는 동안에는 관성력에 의한 진동이 발생할 수 있다. 반도체 촬영과 같은 상황에서는 촬영부(140)에 부수되어 장착되는 장비의 질량이 커지는 바 이동체의 질량이 커지게 되고 상기 관성력에 의한 진동이 더 커질 수 있다. 또한, 이동체가 움직이는 동안에는 고정된 위치에서 이미지과 촬영되지 않기 때문에 이미지 획득에 어려움이 있을 수 있다.
비교예에 따르면, 대상물(10)의 이미지 촬영은 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 간격이 변하지 않는 상태에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 포커싱 광학계(120)를 소정의 위치로 이동 시킨 후, 포커싱 광학계(120)를 정지시킨 상태에서 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 이때, 선명한 이미지를 얻기 위해서 촬영부(140)는 포커싱 광학계(120)가 이동하고 정지 한 후, 가감속에 의한 진동이 사라질 때까지 수십 내지 수백 ms를 기다린 후 이미지 촬영을 해야 한다.
예를 들어, 배율이 M인 렌즈계와 픽셀 가로 세로 사이즈가 각각 px 및 py인 카메라로 최적 포커스 거리에서 촬영시 진동 속도 벡터가 (vx, vy, vz)라 할 때, vx*E < px/M 및 vy*E < py*M 및 vz*E < DOF 을 만족해야 선명한 이미지를 얻을 수 잇다. 여기서, E는 촬영부(140)의 노출시간, DOF는 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)를 의미하며 이에 대해서는 후술하는 설명에서 자세히 설명한다.
그런데 전술한 비교예에 따른 방식은 고속 촬영에 불리할 수 있다. 정확한 포커싱 위치를 찾기 위해서는, 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리를 다양하게 변경해 가면서 획득되는 이미지들의 선명도를 비교해야 한다. 그런데 이미지를 획득할 때마다 가감속에 의한 진동이 줄어들어 vx*E < px/M 및 vy*E < py*M 및 vz*E < DOF를 만족할 때까지 대기시간이 소요될 수 있다. 그리고 상기 대기시간으로 인해 오토 포커싱 과정이 길어질 수 있다. 예를 들어, 이동체의 질량이 30kg이 넘어갈 경우, 이미지를 촬영할 때마다 400ms 이상의 대기시간이 필요할 수 있다. 그렇다면, 10번의 이동, 정지 후 이미지를 얻는데 필요한 지연 시간이 4초 이상 소요될 수 있다. 이러한 지연시간은 고속 촬영을 어렵게 하는 요인이 된다.
보다 빠른 오토 포커싱을 위해, 예시적인 실시예에 따르면, 촬영부(140)는 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 변하는 동안 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 즉, 대상물(10) 및 포커싱 광학계(120) 중 적어도 하나가 멈춘 상태가 아닌 움직이는 동안 촬영부(140)는 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 따라서, 이동체가 정지한 후, 가감속에 따른 진동이 사라지는 것을 기다릴 필요가 없어 오토 포커싱에 소요되는 시간이 단축될 수 있다.
촬영부(140)는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 대상물(10)을 촬영할 수 있다. 여기서, 글로벌 셔터방식이란 모든 픽셀을 동시에 노출시켜 이미지를 얻는 방식을 의미한다. 반대로 롤링 셔터(rolling shutter) 방식 한 라인 또는 한 그룹의 픽셀들에 대해서 이미지를 얻고 나머지 픽셀들에 대해서는 시차를 두고 이미지를 얻는다. 촬영부(140)가 글로벌 셔터 방식으로 대상물(10)을 촬영하면 외부 진동에 대해 내성이 강할 수 있다.
대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 변함에 따라 촬영부(140)에서 촬영된 이미지의 선명도가 달라질 수 있다. 촬영부(140)에서 촬영된 이미지의 선명도가 최대가 될 때, 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리를 초점거리라고 할 수 있다. 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 상기 초점거리와 완벽히 일치하지 않더라도 촬영부(140)에서 촬영된 이미지의 선명도에 큰 변화가 일어나지 않을 수 있다. 즉, 초점거리 근처의 소정 구간 안에서는 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 변하더라도 이미지의 선명도에 큰 영향이 없을 수 있다. 이와 같이 이미지의 선명도가 유지되는 영역을 포커싱 광학계(120)의 심도(Depth of Field; DOF)라고 한다.
오토 포커싱 공정에서는 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리를 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF) 내로 조절할 수 있다. 그런데, 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 변하는 동안 촬영부(140)가 이미지를 촬영하면, 포커싱 포인트가 심도(DOF) 안에 있을 때, 이미지 촬영이 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 오토 포커싱 중에 선명도가 높은 이미지를 얻을 수 없고, 따라서 정확한 오토 포커싱 위치를 찾는 것이 어려울 수 있다. 상기 문제점을 해결하기 위해, 촬영부(140)는, 집광 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 또한, 상기 소정의 간격은 포커싱 광학계(120)의 심도의 크기(DOF)보다 작게 설정될 수 있다.
도 2는 오토 포커싱 과정에서 촬영부(140)의 이미지 촬영지점을 나타낸 도면이다. 도 2에서는 포커싱 광학계(120)가 움직이는 것을 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 대상물(10)의 지지면(S1)이 움직임으로써 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 변할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 촬영부(140)는 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 소정의 간격(Δh)만큼 변할 때마다 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 그리고 소정의 간격(Δh)은 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)의 크기보다 작게 설정될 수 있다. 상기 소정의 간격(Δh)은 오토 포커싱 과정에서 일정하게 유지될 수도 있고 조금씩 변할 수도 있다. 다만, 소정의 간격(Δh)이 변하더라도 그 크기는 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)의 크기보다 작을 수 있다. 따라서, 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 변하는 도중 촬영이 이루어지더라도, 심도(DOF) 안에서 적어도 한번의 촬영이 이루어질 수 있다.
오토 포커싱 작업 속도를 높이기 위해, 거리 조절부(130)는 소정의 범위 안에서 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리를 변화시킬 수 있다. 도 3은 거리 조절부(130)에 의해 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 변하는 범위를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 거리 조절부(130)는 포커싱 광학계(120)의 포커싱 포인트(P)가 소정의 영역 안에서 움직이도록 할 수 있다. 거리 조절부(130)는 포커싱 광학계(130)의 포커싱 포인트(P)가 지지면(S1)의 표면(L1)으로부터 대상물(10)의 예상 두께(H)만큼 떨어진 지점(L2)를 중심으로 움직이게 할 수 있다. 예를 들어, 거리 조절부(130)는 포커싱 광학계(120)의 포커싱 포인트(P)가 수학식 1을 만족하면서 움직이도록 할 수 있다.
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여기서, X = 대상물의 지지면과 포커싱 광학계의 포커싱 포인트 사이의 거리, H= 대상물의 예상 두께, D= 대상물의 두께 편차, δ= 가속 구간을 의미한다.
가속 구간은 거리 조절부(130)가 포커싱 광학계(120) 및 대상물(10) 중 적어도 하나를 가속운동 시키는 구간이다. 도 4는 시간에 따라 포커싱 포인트(P)가 움직이는 속도의 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 4에서 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 상대속도(포커싱 포인트(P)가 움직이는 속도)를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 시각 t1까지 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 상대속도가 점점 증가할 수 있다. 이때 상대속도는 일정한 가속도(a)로 증가할 수 있다. 예시적으로, 시간이 t0부터 t1까지 변하는 동안, 포커싱 광학계(120)의 포커싱 포인트(P)는 지지면(S1)의 표면(L1)으로부터 높이 H-D-δ에서 높이 H-D까지 움직일 수 있다. 가속구간 동안 움직이는 거리 δ는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00010
수학식 2에서 δ는 가속시간 동안 움직인 거리의 크기, a는 가속도의 크기, V는 가속도에 의한 종단 속도, 즉 최대 속도의 크기를 나타낸다.
시각 t1부터 시각 t2까지는 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 상대속도가 일정한 크기(V1)으로 유지될 수 있다. 예시적으로, 시간이 t1부터 t2까지 변하는 동안, 포커싱 광학계(120)의 포커싱 포인트(P)는 지지면(S1)의 표면(L1)으로부터 높이 H-D에서 높이 H+D까지 움직일 수 있다. 그리고, 시각 t2부터 시각 t3까지는 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 상대속도가 점점 줄어들 수 있다. 이때 예시적으로, 상대속도는 일정한 가속도 -a로 점점 줄어들 수 있다. 또한, 시간이 t2부터 t3까지 변할 동안, 포커싱 광학계(120)의 포커싱 포인트(P)는 지지면(S1)의 표면(L1)으로부터 높이 H+D에서 높이 H+D+
Figure 112016015290143-pat00011
까지 움직일 수 있다. 거리 조절부(130)가 대상물(10)의 예상 높이(H)와 두께 편차(D)를 고려하여 포커싱 포인트(P)가 움직이는 범위를 설정함으로써, 포커싱 거리를 찾는 속도가 더 빨라지고 정확해질 수 있다.
포커싱 포인트(P)가 지지면(S1)의 표면(L1)으로부터 높이 H-D에서 높이 H+D까지 움직이는 동안, 촬영부(140)는 복수회에 걸쳐 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 이때, 포커싱 포인트(P)는 등속으로 움직일 수 있으며 움직이는 속도의 크기(V1)는 촬영부(140)의 노출시간에 의존할 수 있다. 여기서, 노출시간이란 촬영부(140)가 1회 촬영에서 이미지를 얻기 위해, 광에 노출되는 시간을 의미한다. 노출시간은 광원(110)이 광을 조사하는 시간에 의해 조절될 수 있다. 다른 예로, 촬영부(140) 내부에 있는 셔터나 조리개에 의해 노출시간이 조절될 수도 있다.
포커싱 포인트(P)가 움직이는 속도(대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리 변화 속도의 크기; V1)는 수학식 3을 만족할 수 있다.
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수학식 3에서, V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, DOF=촬영부의 심도(DOF), E= 촬영부의 프레임당 노출시간을 의미한다. 또한, α는 0<α<1을 만족하는 실수로서 촬영부(140)의 광학 성능에 따라 달라질 수 있다.
포커싱 포인트(P)가 너무 빨리 움직이면, 촬영부(140)가 한 프레임을 촬영하는 동안, 포커싱 포인트(P)가 심도(DOF)를 벗어나 버릴 수 있다. 따라서, 수학식 3에서와 같이, 포커싱 포인트(P)가 움직이는 속도를 제한함으로써, 촬영에 필요한 노출시간 동안 포커싱 포인트(P)가 심도(DOF)를 벗어나는 것을 방지할 수 있다.
오토 포커싱 과정에서 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이 거리를 등속으로 움직이더라도 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리방향에 수직한 방향으로 미세한 진동이 발생할 수 있다. 따라서, 촬영부(140)의 프레임당 노출시간이 너무 길어지면 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 진동에 의해 이미지의 선명도가 저하될 수 있다. 이미지의 선명도가 저하되는 것을 막기 위해서는, 프레임당 노출시간 동안 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 움직임이 촬영부(140)의 1 픽셀 범위 안에서 일어나야 한다. 이를 만족하기 위해, 촬영부(140)의 프레임당 노출시간은 수학식 4를 만족할 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00013
수학식 4에서, E= 촬영부(140)의 프레임당 노출시간, Apixel = 촬영부(140)의 픽셀 면적, M = 배율, V2max= 촬영부(140)와 대상물(10) 사이의 상대적인 진동속도의 최대값을 나타낸다.
수학식 4에서와 같이, 촬영부(140)의 노출시간(E)을 제한하면, 촬영부(140)와 대상물(10) 사이의 수평방향 진동에 의해 이미지의 선명도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 통상적인 웨이퍼 그루빙 공정에서의 웨이퍼 촬영의 경우, 촬영부(140)의 시야범위(field of view; FOV)는 240um x 180um 내지 480um x 360um 가 요구되며 광학적인 분해능은 1.2um 이하가 요구될 수 있다. 촬영부(140)와 대상물(10) 사이의 진동 최대 속도(V2max)가 0.2 mm/s라고 가정할 때, 픽셀 크기 4.8um x 3.6um, 배율 10배의 환경에서 수학식 4로부터 약 2ms 이내의 노출시간이 요구될 수 있다. 그리고, 노출시간(E)에 따라 이미지를 얻기 위해 요구되는 광원(110)의 출력 파워가 달라질 수 있다. 예를 들어, 촬영부(140)의 프레임당 노출시간(E)이 줄어들수록 광원(110)에 요구되는 광 출력 파워는 늘어날 수 있다. 예를 들어, 시야범위(FOV) 480um x 360um 에 대해 노출 시간 2ms 정도라면, 광원(110)에 요구되는 최소 출력파워는 약 0.2W 일 수 있다.
포커싱 포인트(P)가 지지면(S1)의 표면(L1)으로부터 높이 H-D에서 높이 H+D까지 등속도(V1)으로 움직이는 동안, 촬영부(140)는 일정한 시간간격으로 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 촬영부(140)가 일정한 시간간격으로 대상물(10)의 이미지를 촬영함으로써, 포커싱 포인트(P)가 일정한 거리만큼 움직일 때 마다 이미지가 획득될 수 있다. 이때, 포커싱 포인트(P)가 움직이는 속도(대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 상대속도; V1)와 촬영부(140)의 시간당 촬영횟수 f는 수학식 5를 만족할 수 있다.
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수학식 4에서, V1=대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리 변화 속도의 크기, f=등속도 구간에서 촬영부(140)의 시간당 촬영횟수, DOF=포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)를 나타낸다. 또한, α는 0<α<1을 만족하는 실수로서 촬영부(140)의 광학 성능에 따라 달라질 수 있다.
수학식 5를 참조하면, 포커싱 포인트(P)가 움직이는 속도(V1)과 촬영부(140)의 촬영횟수(f)의 역수의 곱이 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)의 크기(DOF)보다 작아질 수 있다. 따라서, 포커싱 포인트(P)가 움직이는 동안 촬영이 이루어지더라도 포커싱 포인트(P)가 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF) 범위에 위치할 때 적어도 한번의 촬영이 이루어질 수 있다. 그리고, 심도(DOF) 범위에서 촬영된 선명한 이미지로부터 포커싱 거리를 도출할 수 있다.
예시적으로, 통상적인 웨이퍼 그루빙에서 사용되는 촬영장치의 경우, DOF 값이 대략 10 μm <DOF< 20 μm 내일 수 있다. 그리고, 보다 정확한 촬영을 위해, 상기
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값은 대략 5μm 이내로 요구될 수 있다. 따라서, 수학식 5로부터 V1/f < 5um를 만족할 수 있다. 예시적으로, f=40Hz의 경우 V1 <= 0.2mm/s, f=80Hz의 경우 V1 <= 0.4mm/s를 만족해야 한다. 상기 수치는 예시적인 것에 불과하며, 작업환경에 따라 바뀔 수 있다.
포커싱 광학계(120)의 심도(DOF) 안에 포커싱 포인트(P)가 위치할 때, 선명한 이미지가 획득될 수 있다. 그리고, 실시예에 따른 촬영장치(100)는 상기 선명한 이미지가 획득되었을 때, 오토 포커싱이 이루어진 것으로 판단할 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 촬영장치(100)는 촬영부(140)에서 촬영된 이미지들의 선명도를 평가하기 위한 프로세서(160)를 포함할 수 있다. 프로세서(160)는 촬영부(140)와 무선 또는 유선 통신에 의해 정보를 주고받을 수 있다.
프로세서(160)는 촬영부(140)에서 촬영된 이미지 정보를 수신할 수 있다. 또한, 프로세서(160)는 촬영부(140)의 동작 설정 정보를 촬영부(140)에 전송할 수 있다. 촬영부(140)는 프로세서(160)로부터 동작 설정 정보를 수신하여 촬영부(140)의 동작 방식을 변경할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(160)는 촬영부(140)에 프레임당 노출시간(E), 시간당 촬영횟수(f) 등에 대한 설정정보를 전송할 수 있다. 그리고, 촬영부(140)는 상기 설정정보를 수신하여, 상기 설정정보에 따라 프레임당 노출시간(E), 시간당 촬영횟수(f)를 변경할 수 있다. 또한, 프로세서(160)는, 상기 수학식 1 내지 수학식 5로부터 촬영부(140)의 설정정보를 자동으로 결정할 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 프로세서(160)는 사용자로부터 상기 촬영부(140)의 설정정보를 입력 받을 수도 있다. 이를 위해, 프로세서(160)는 설정정보를 입력 받기 위한 입력 인터페이스를 제공할 수 있다. 상기 입력 인터페이스는 버튼 방식 또는 터치 스크린 방식으로 제공될 수 있다.
프로세서(160)는 전술한 기능을 수행하기 위한 응용 프로그램(Application Program)과 경우에 따라서는 내부 또는 외부에 구축되어 있는 각종 데이터베이스(DB: Database, 이하 "DB"라 칭함)를 포함할 수 있다. DB는 프로세서(160)의 내부 또는 외부에 구현될 수 있다.
도 3에서 나타낸 바와 같이, 포커싱 포인트(P)가 지지면(S1)의 상면(L1)으로부터 H-D 높이에서 H+D 높이까지 움직일 동안, 촬영부(140)는 복수회에 걸쳐 촬영한 이미지들을 프로세서(160)에 전송할 수 있다. 프로세서(160)는 촬영부(140)로부터 수신한 이미지들의 선명도를 평가할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(160)는 각 이미지들의 선명도를 평가하여 점수로 환산할 수 있다.
여기서, 이미지의 선명도란 이미지가 촬영될 때, 디 포커싱(defocusing) 정도에 따라 결정되는 평가량일 수 있다. 예를 들어, 포커싱 포인트(P)가 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)를 이탈한 상태에서 촬영된 이미지는 디포커싱 정도가 심한 상태에서 촬영된 것이다. 그리고, 디포커싱 정도가 심한 상태에서 촬영된 이미지는 상대적으로 흐릿한(blur) 부분을 많이 포함함에 따라 상기 선명도가 낮게 평가될 수 있다. 반면, 포커싱 포인트(P)가 심도(DOF) 안에 위치하거나 심도(DOF) 근처에 위치할 때 촬영된 이미지는 상대적으로 디포커싱 정도가 낮은 상태에서 촬영된 것이다. 그리고, 디포커싱 정도가 낮은 상태에서 촬영된 이미지는 흐릿한(blur) 부분을 적게 포함함에 따라 선명도가 높은 것으로 평가될 수 있다.
예시적으로, 프로세서(160)는 이미지의 픽셀 간 명암 차이를 분석함으로써 상기 선명도를 평가할 수 있다. 예를 들어, 이미지에 흐릿한 부분이 많아지게 되면 픽셀 사이 명암 차이가 줄어들 수 있다. 따라서, 프로세서(160)는 픽셀 간 명암 차이가 크지 않을 때 이미지의 선명도가 낮다고 평가할 수 있다. 반면, 이미지가 선명하면 픽셀 사이 명암 변화가 급격한 부분이 많아질 수 있다. 따라서, 프로세서(160)는 이미지의 픽셀 사이 명암 변화량이 큰 영역이 많을수록 이미지의 선명도가 높다고 판단할 수 있다.
프로세서(160)는 촬영부(140)로부터 수신한 이미지들 가운데 선명도가 가장 높은 이미지를 결정할 수 있다. 그리고, 선명도가 가장 높은 이미지가 촬영되었을 때, 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 포커싱 거리에 근접했다고 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(160)가 촬영부(140)로부터 N개의 이미지를 수신하고, 그 중 i번째 이미지의 선명도가 가장 높게 평가할 수 있다. 그러면, 프로세서(160)는 상기 i번째 이미지가 촬영되었을 때 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 포커싱 거리에 가장 근접했다고 결론을 내릴 수 있다.
프로세서(160)에서 평가한 이미지들의 선명도부터 정확한 포커싱 위치를 찾기 위해서는 각 이미지들이 촬영된 시점에서 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 상대적인 거리를 알고 있어야 한다. 즉, 촬영부(140)가 이미지를 촬영할 때마다 포커싱 광학계(120)와 대상물(10)의 위치가 어떠한 지 알 수 있는 방법이 요구된다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 촬영장치(100)는 대상물(10)과 촬영부(140) 사이의 거리 변화를 감지하여 전기적 신호를 생성하는 엔코더(150)를 더 포함할 수 있다. 엔코더(150)는 거리 조절부(130)와 연동되어 있을 수 있다. 엔코더(150)는 거리 조절부(130)의 상태를 검지하고 이에 기초하여 전기적 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 엔코더(150)는 거리 조절부(130)가 대상물(10)과 촬영부(140) 사이의 거리를 소정의 간격만큼 변화시킬 때 마다 전기적 신호를 발생시킬 수 있다. 다른 예로, 엔코더(150)는 자체적으로 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리 변화량을 감지하여 펄스 신호를 생성할 수도 있다.
도 6은 엔코더(150)에 의해 발생되는 전기적 신호를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 엔코더(150)는 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 펄스 신호가 발생되는 빈도는 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 임의의 i번째 펄스가 발생하였을 때와, i+1번째 펄스가 발생하였을 때의 거리 변화량은 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)의 크기 보다 작거나 같게 설정될 수 있다. 엔코더(150)가 펄스 신호를 발생시키는 거리 간격이 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)의 크기 보다 작게 설정되어야 인접한 촬영 간의 포커싱 포인트(P)의 위치변화가 심도(DOF)의 크기 보다 작게 설정될 수 있다.
도 6에서는 엔코더(150)가 발생시키는 전기적 신호의 예로 펄스 신호를 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 엔코더(150)는 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리에 따라 서로 다른 종류의 전기적 신호를 발생시킬 수도 있다. 이 경우, 프로세서(160)는 엔코더(150)가 발생시키는 전기적 신호를 해석하기 위한 알고리즘을 내부에 포함할 수 있다.
촬영부(140)는 엔코더(150)의 펄스 신호에 의해 동작이 동기화 될 수 있다. 예를 들어, 촬영부(140)는 엔코더(150)로부터 수신되는 펄스 신호의 펄스 개수를 카운트 할 수 있다. 그리고, 촬영부(140)는 상기 펄스 개수가 소정의 개수만큼 늘어날 때마다 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 또한, 프로세서(160)는 엔코더(150)로부터 수신되는 펄스 신호의 펄스 개수를 카운트 할 수 있다. 그리고, 프로세서(160)는 촬영부(140)로부터 가장 선명도가 높은 이미지가 수신된 시점에서 카운트 된 펄스 개수로부터 상기 가장 선명도가 높은 이미지가 촬영된 시점에서의 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리를 알 수 있다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 촬영장치(100)는 엔코더(150)가 발생시키는 전기적 신호에 기초하여 촬영부(140)에 대한 동기화 신호를 생성하는 제어부(155)을 더 포함할 수 있다. 제어부(155)은 엔코더(150)가 발생시키는 전기적 신호를 수신할 수 있다. 그리고 제어부(155)은 엔코더(150)로부터 수신한 전기적 신호에 기초하여 촬영부(140)에 대한 동기화 신호를 발생시킬 수 있다. 제어부(155)은 엔코더(150)가 제공하는 전기적 신호에 기초하여 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 동기화 신호를 발생시킬 수 있다. 촬영부(140)는 상기 동기화 신호에 의해 동기화 되어 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 그리고, 상기 소정의 간격은 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)보다 작게 설정될 수 있다.
또한, 프로세서(160)는 제어부(155)로부터 상기 동기화 신호를 수신하여 촬영부(140)가 이미지를 촬영되었을 때, 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리를 알 수 있다. 도 7에서는 프로세서(160)와 제어부(155)을 별도의 블록으로 나타냈다. 하지만, 도 7에서는 양 구성을 기능에 따라 분리하여 표현한 것일 뿐 프로세서(160)와 제어부(155)이 하드웨어적으로 분리되었다고 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 프로세서(160)와 제어부(155)은 동일한 하드웨어 자원을 공유하고 각각의 기능을 수행할 수도 있다. 또한, 프로세서(160)와 제어부(155)이 서로 다른 장치로 분리되어 있을 수도 있다.
도 8은 제어부(155)이 발생시키는 동기화 신호를 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 8에서 위쪽 그래프는 엔코더(150)가 발생시키는 펄스 신호를 나타낸 것이고 아래쪽 그래프는 제어부(155)이 발생시키는 동기화 신호를 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 제어부(155)은 엔코더(150)로부터 수신한 펄스 신호의 개수가 소정의 개수만큼 증가할 때 마다 동기화 신호로써 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 도 8에서는 엔코더(155)에서 수신하는 펄스 신호의 개수가 3개씩 변할 때 마다 제어부(155)이 펄스 신호를 발생시키는 예를 나타냈다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제어부(155)이 발생시키는 펄스 신호와 엔코더(150)가 발생시키는 펄스 신호 사이의 개수비는 도 8에서 나타낸 것 보다 더 작아질 수도 혹은 더 커질 수도 있다.
제어부(155)은 엔코더(150)로부터 수신한 전기적 신호에 기초하여, 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이 간격을 알 수 있다. 그리고 제어부(155)은 상기 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이 간격에 기초하여 거리 조절부(130)의 동작 방식을 제어할 수 있다.
제어부(155)은 포커싱 포인트(P)가 수학식 1을 만족하는 범위에서 움직이도록 거리 조절부(130)를 제어할 수 있다. 이때 수학식 1에서 H, D, δ 등과 같은 값들은 프로세서(160)의 입력 인터페이스부에 의해 입력될 수 있다. 프로세서(160)는 입력된 설정 값들을 제어부(155)에 전송할 수 있다. 제어부(155)은 입력받은 상기 설정 값들과 엔코더(150)로부터 수신한 전기적 신호에 의해 얻어진 거리 값을 비교하여 거리 조절부(130)가 어떻게 동작할 지를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(155)이 프로세서(160)로부터 시점 H-D-δ= 0.64mm, 종점 H+D+δ= 0.96mm, 등속 운동 구간에서 등속도 V1 = 0.2mm/s을 전달받으면, 제어부(155)은 포커싱 포인트(P)의 높이가 H-D-δ= 0.64mm 지점이 되도록, 거리 조절부(130)에 제어신호를 전송할 수 있다. 그리고, 포커싱 포인트(P)의 높이가 H-D-δ= 0.64mm가 되면 제어부(155)은 프로세서(160)에 이동종료 인터럽트를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(155)은 프로세서(160)로부터 오터포커싱 시작 명령을 수신하면, 엔코더(150)에서 수신하는 전기적 신호에 기초하여, 포커싱 포인트(P)의 높이가 H-D-δ = 0.64mm 지점에서 등가속도 a(=V1/Δt) 0.667mm/s2로 속도 0에서 속도 V1 0.2mm/s까지 가속하여 속도 V1 0.2mm/s 로 H-D = 0.7mm 지점부터 H+D = 0.9mm지점까지 이동 후 등가속도 -a (=-0.667mm/s2)로 감속하여 높이 H+D+δ = 0.96mm지점에서 멈추도록 할 수 있다. 그리고, 제어부(155)은 프로세서(160)에 이동종료 인터럽트를 전송할 수 있다. 그리고, 포커싱 포인트(P)의 높이가 H-D = 0.7mm 지점부터 H+D = 0.9mm까지 변하는 동안, 제어부(155)은 5um 간격으로 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 그리고, 촬영부(140)는 상기 펄스 신호에 동기화 되어 대상물(10)을 촬영할 수 있다. 상기 수치들은 예시적인 것들에 불과하며 실시예에 따라 변동될 수 있는 것들이다.
도 9는 시간에 따른 포커싱 포인트(P)의 높이 변화를 나타낸 도면이다.
도 9에서 세로축은 포커싱 포인트(P)의 높이를, 가로축은 시간을 나타낸다. 편의상 오토포커싱이 시작되는 상태를 원점으로 나타냈다.
도 9를 참조하면, t0에서 t1까지 포커싱 포인트(P)가 가속운동 할 수 있다. 예시적으로, 시각 t0 에서 포커싱 포인트(P)의 높이는 수학식 1에서 나타낸 H-D- δ가 될 수 있다. 또한, 시각 t1 에서 포커싱 포인트(P)의 높이는 H-D가 될 수 있다. 가속운동에 소요되는 시간 Δt는 등속도의 크기 V1과 가속도 a에 따라 달라질 수 있다.
시간 t-1 내지 tN 구간에서는 포커싱 포인트(P)가 등속 운동할 수 있다. 등속운동 구간에서 포커싱 포인트(P)의 높이는 H-D에서 H+D까지 변할 수 있다. 포커싱 포인트(P)가 등속운동하는 구간에서 포커싱 포인트(P)가 소정의 간격(Δh)만큼 움직일 때 마다, 촬영부(140)가 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 소정의 간격(Δh)이 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)보다 작게 설정됨으로써, 심도(DOF) 안에서 적어도 한번의 촬영이 이루어질 수 있다.
등속도 운동 구간에서 일정한 거리 간격으로 촬영이 이루어지는 바, 대상 물(10)의 이미지 촬영은 일정한 시간간격(1/f)으로 이루어질 수 있다. 촬영부(140)가 프로세서(160)에 이미지 데이터를 전송하는데 걸리는 시간은 상기 시간간격(1/f)보다 작을 수 있다. 도 9에서 ti는 등속도 구간에서 i번째 촬영이 이루어진 시각을 의미한다. 또한, Hi는 등속도 구간에서 i번째 촬영이 이루어졌을 때의 포커싱 포인트(P)의 높이를 의미한다. 등속도 구간 동안 N번의 촬영이 이루어진 후, 포커싱 포인트(P)는 감속운동 할 수 있다. 포커싱 포인트(P)는 높이 H+D+δ에서 정지할 수 있다.
프로세서(160)는 촬영부(140)로부터 수신한 N개의 이미지들의 선명도를 평가할 수 있다. 그리고, 프로세서(160)는 N 개의 이미지들 가운데, 선명도가 가장 높은 i번째 이미지를 결정할 수 있다. 또한, 프로세서(160)는 제어부(155) 또는 엔코더(150)로부터 수신한 신호로부터 i번째 촬영이 이루어진 높이(Hi)를 알 수 있다. 그리고, 상기 높이(Hi)로 포커싱 포인트(P)가 움직이도록 할 수 있다.
도 10은 포커싱 포인트(P)의 높이와 이미지의 선명도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, i번째 촬영 높이 Hi에서의 선명도 Ci가 가장 높은 값을 가질 수 있다. 프로세서(160)는 여러 선명도 값들 가운데 최대 선명도 Ci 값을 가지는 이미지가 촬영된 높이 Hi를 오토 포커싱 거리로 결정할 수 있다. 프로세서(160)가 오토 포커싱 거리를 결정하는 것이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 프로세서(160)는 Hi에 인접한 Hi-1, Hi+1 높이 각각에서의 선명도 값들 Ci -1, Ci+1을 더 고려하여 오토 포커싱 거리를 보정할 수 있다.
도 11은 프로세서(160)가 오토 포커싱 거리를 보정하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 프로세서(160)는 최대 선명도(Cmax)의 이미지가 획득되는 높이 Hmax를 계산해낼 수 있다. 도 11에서 나타낸 바와 같이, 대상물(10)의 이미지가 거리 변화에 대해 불연속 적으로 촬영되기 때문에, 이미지의 선명도가 가장 높은 높이 Hmax에서 이미지의 촬영이 이루어지지 않을 수도 있다. 다만, 실제 Hi-1, Hi, Hi+1 사이 간격이 매우 좁기 때문에, 포커싱 포인트(P)의 높이가 Hi-1로부터 Hi+ 1 로 변하는 동안, 포커싱 포인트(P)의 높이와 이미지의 선명도 사이 관계를 이차함수로 근사할 수 있다. 그리고, 상기 근사법에 의해 Hi-1, Hi, Hi+ 1 과 Ci -1, Ci , Ci +1 는 수학식 7 내지 수학식 9로 나타낼 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00016
Figure 112016015290143-pat00017
Figure 112016015290143-pat00018
그리고 최대 선명도 Cmax의 이미지를 얻을 수 있는 높이 Hmax는 수학식 7 내지 수학식 9에서 나타낸 이차함수의 변곡점인 -b/2a로 얻을 수 있다. 수학식 7 내지 수학식 9로부터 높이 Hmax = -b/2a 를 구하면 수학식 10으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016015290143-pat00019
프로세서(160)는 높이 Hi-1, Hi, Hi+1 각각에서 얻어진 이미지의 선명도 Ci-1, Ci, Ci +1 와 상기 수학식 10으로부터 최적의 포커싱 거리 Hmax를 계산하고 상기 높이 Hmax를 오토 포커싱 거리로 결정할 수 있다. 프로세서(160)가 오토 포커싱 거리(Hmax)를 결정하면, 포커싱 포인트(P)와 대상물(10)의 지지면 사이 거리가 Hmax가 되도록 거리 조절부(130)가 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리를 변경할 수 있다.
이상에서 도 1 내지 도 11을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 촬영장치(100)에 관해 설명하였다. 이하에서는 상기 촬영장치(100)를 이용한 촬영방법에 관하여 설명한다. 이하에서 설명하는 촬영방법에는 전술한 촬영장치(100)의 기술적 특징들이 모두 적용될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 촬영장치(100)를 이용한 촬영방법을 나타낸 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 촬영장치(100)를 이용한 촬영방법은, 광을 조사하는 단계(S1110)와, 포커싱 광학계(120)를 이용하여 대상물(10)에서 반사된 광을 집광하는 단계(S1120), 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리를 조절하는 단계(S1130) 및 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 대상물(10)의 이미지를 촬영하는 단계(S1140)를 포함할 수 있다.
S1110 단계에서, 광원(110)을 이용하여 대상물(10)에 광을 조사할 수 있다. 광원(110)은 소정의 노출시간 E에 맞추어 광의 조사 시간을 조절할 수 있다. 다른 예로, 광원(110)은 지속적으로 광을 조사하고 촬영부(140)의 조리개가 상기 노출시간 E에 맞춰 동작할 수도 있다. 또한, 노출시간 E는 수학식 4에 따라 촬영부(140)의 픽셀크기와 배율 및 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이 최대 진동속도를 고려하여 결정될 수 있다.
S1120 단계에서, 포커싱 광학계(120)를 이용하여 대상물(10)에서 반사된 광을 집광할 수 있다. 포커싱 광학계(120)는 소정의 심도(DOF)를 가질 수 있다. 포커싱 포인트(P)가 상기 심도에 위치하는 지 여부에 따라 포커싱 광학계(120)를 통과한 광이 형성하는 이미지의 선명도가 달라질 수 있다.
S1130 단계에서, 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 상대적인 거리를 변경시킬 수 있다. S1130단계에서, 거리 조절부(130)는 포커싱 포인트(P)가 움직이는 범위가 상기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하도록 할 수 있다.
S1140 단계에서, 포커싱 포인트(P)가 움직이는 동안 촬영부(140)는 복수 회에 걸쳐 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 촬영부(140)는 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리가 소정의 간격(Δh)만큼 변할 때 마다 대상물(10)의 이미지를 촬영할 수 있다. 또한, 상기 소정의 간격(Δh)는 포커싱 광학계(120)의 심도(DOF)보다 작게 설정될 수 있다. 이를 통해 촬영부(140)가 움직이는 환경에서 촬영하더라도 적어도 한 번은 선명한 이미지를 촬영할 수 있다.
도 13 은 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 촬영장치(100)를 이용한 촬영방법은 포커싱 광학계(120)와 대상물(10) 사이의 거리 변화에 따라 펄스 신호를 생성하는 단계(S1135)를 더 포함할 수 있다. 펄스 신호는 도 5에서 나타낸 엔코더(150)에 의해 발생될 수 있다. 다른 예로, 엔코더(150)의 전기적 신호를 수신한 제어부(155)이 펄스 신호를 발생시킬 수도 있다. 상기 펄스 신호에 기반하여, 거리 조절부(130)의 동작 제어가 이루어질 수 있다. 또한, 상기 펄스 신호에 기반하여 촬영부(140)가 동기화 될 수 있다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 촬영방법을 나타낸 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 촬영장치(100)를 이용한 촬영방법은, 촬영부(140)에서 촬영된 이미지들의 선명도를 추출하는 단계(S1150)와 상기 이미지들의 선명도 값들로부터 포커싱 거리를 추출하는 단계(S1160)를 더 포함할 수 있다.
S1150 단계에서, 프로세서(160)는 촬영부(140)로부터 이미지들을 수신하여 이미지들 각각의 선명도를 평가할 수 있다. 그리고, 평가한 이미지들의 선명도 각각을 수치로 환산할 수 있다.
S1160 단계에서, 프로세서(160)는 이미지들의 선명도 값들로부터 포커싱 거리를 결정할 수 있다. 일 예로, 가장 선명도가 높은 i번째 촬영이 이루어진 높이 Hi를 포커싱 거리로 결정할 수 있다. 다른 예로, 도 11에서 나타낸 것과 같이, 프로세서(160)는 높이 Hi-1, Hi, Hi+1 각각에서 얻어진 이미지의 선명도 Ci -1, Ci , Ci +1 와 상기 수학식 10으로부터 최적의 포커싱 거리 Hmax를 계산하고 상기 높이 Hmax를 오토 포커싱 거리로 결정할 수도 있다.
이상에서 도 1 내지 도 14를 참조하여, 예시적인 실시예들에 따른 촬영장치(100) 및 촬영장치(100)를 이용한 촬영방법에 관하여 설명하였다. 실시예들에 따르면, 대상물(10)과 포커싱 광학계(120) 사이의 거리가 변하는 동안 오토 포커싱 작업이 이루어지면서 오토 포커싱에 필요한 시간이 단축될 수 있다. 또한, 동적으로 오토 포커싱이 이루어 짐에도 불구하고 적어도 하나의 이미지가 포커싱 광학계(120)의 심도 범위에서 촬영되도록 함으로써 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 또한, 이미지들의 선명도 값들로부터 정확한 포커싱 거리를 보정함으로써 오토 포커싱 작업의 정확도가 높아질 수 있다.
이상의 설명에서 많은 사항들이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
110 : 광원
120 : 포커싱 광학계
130 : 거리 조절부
140 : 촬영부
160 : 프로세서
10 : 대상물

Claims (20)

  1. 광을 조사하는 광원;
    레이저 가공 대상물에서 반사된 광의 경로를 변경하는 포커싱 광학계;
    상기 포커싱 광학계에 의해 형성된 상기 레이저 가공 대상물의 이미지를 촬영하는 촬영부;
    상기 포커싱 광학계와 상기 레이저 가공 대상물 사이의 거리를 조절하는 거리 조절부;
    상기 레이저 가공 대상물과 상기 촬영부 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 전기적 신호를 발생시키는 엔코더;
    상기 엔코더가 발생시키는 상기 전기적 신호를 카운트하여 상기 촬영부에 대한 동기화 신호를 생성하는 제어부;
    상기 촬영부로부터 수신한 이미지들의 선명도를 추출하여, 가장 선명도가 높은 이미지를 수신한 시점에서 상기 전기적 신호의 카운트 개수로부터 포커싱 거리를 추출하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 촬영부는, 상기 포커싱 광학계의 상기 레이저 가공 대상물에 대한 상대속도가 0이 아닌 상태에서, 상기 동기화 신호가 생성될 때 마다 상기 레이저 가공 대상물의 이미지를 촬영하되, 상기 소정의 간격은 상기 포커싱 광학계의 심도(Depth of field)의 크기보다 작게 설정되며,
    상기 거리 조절부는, 상기 레이저 가공 대상물의 예상 두께 및 두께 편차에 기초하여 상기 레이저 가공 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리변화 구간을 결정하고,
    상기 거리 조절부가 상기 레이저 가공 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 변화시키는 속도는 수학식 1을 만족하는 촬영장치.
    Figure 112017110894915-pat00042
    .... 수학식 1
    (V1=레이저 가공 대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, f=등속도 구간에서 촬영부의 시간당 촬영횟수, DOF=포커싱 광학계의 심도 크기)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬영부는 글로벌 셔터(global shutter) 방식으로 상기 대상물의 이미지를 촬영하는 촬영장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리 조절부는 적어도 일 구간에서 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 등속도로 변화시키는 촬영장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리 조절부가 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 변화시키는 속도는 수학식 2를 만족하는 촬영장치.
    V1 <
    Figure 112016015290143-pat00021
    .........수학식 2
    (V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, DoF=포커싱 광학계의 심도, E= 촬영부의 프레임당 노출시간)
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬영부의 프레임당 노출시간은 수학식 3을 만족하는 촬영장치.
    Figure 112016015290143-pat00022
    .........수학식 3
    (E= 촬영부의 프레임당 노출시간, Apixel = 촬영부의 픽셀 면적, M = 배율, V2max= 촬영부와 대상물 사이의 상대적인 진동속도의 최대값)
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 선명도가 가장 높은 이미지가 촬영된 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 포커싱 거리로 결정하는 촬영장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 이미지들의 선명도 값들로부터 수학식 4에 따라 포커싱 거리를 결정하는 촬영장치.
    Figure 112017074008517-pat00023

    .... 수학식 4
    (H= 포커싱 상태에서 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi-1 = i-1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi+1 = i+1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Ci = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci-1 = i-1번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci+1 = 선명도가 i+1번째 촬영 이미지의 선명도 값)
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리변화 구간은 수학식 5 및 수학식 6에 의해 결정되는 촬영장치.
    H-D-δ < X < H+D+δ ....... 수학식 5
    Figure 112017016296387-pat00024
    ..... 수학식 6
    (X= 대상물의 지지과 포커싱 광학계의 포커싱 포인트 사이의 거리, H= 대상물의 예상 두께, D= 대상물의 두께 편차, δ= 가속 구간, V1=최대 속도, a= 가속도)
  13. 레이저 가공 대상물에 광을 조사하는 단계;
    포커싱 광학계를 이용하여 상기 레이저 가공 대상물에서 반사된 광을 집광하는 단계;
    상기 포커싱 광학계와 상기 레이저 가공 대상물 사이의 거리를 조절하는 단계; 및
    상기 포커싱 광학계의 상기 레이저 가공 대상물에 대한 상대속도가 0이 아닌 상태에서, 포커싱 광학계와 상기 레이저 가공 대상물 사이의 거리가 소정의 간격만큼 변할 때 마다 상기 레이저 가공 대상물의 이미지를 촬영하는 단계;
    상기 레이저 가공 대상물과 촬영부 사이의 거리 변화를 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 단계;
    상기 전기적 신호를 카운트하여 상기 촬영부에 대한 동기화 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 촬영부로부터 수신한 이미지들의 선명도를 추출하는 단계;및
    상기 이미지 중 가장 선명도가 높은 이미지를 수신한 시점에서의 상기 전기적 신호의 카운트된 개수로부터 포커싱 거리를 추출하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 소정의 간격은 상기 포커싱 광학계의 심도보다 작게 설정되며,
    상기 거리를 조절하는 단계는, 상기 레이저 가공 대상물의 예상 두께 및 두께 편차에 기초하여 상기 레이저 가공 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리변화 구간을 결정하고,
    상기 거리를 조절하는 단계는, 적어도 일 구간에서 상기 레이저 가공 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 등속도로 변화시키고, 등속도 변화 구간에서 상기 촬영부는 일정한 시간간격으로 상기 대상물의 이미지를 촬영하며,
    상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리가 변하는 속도는 수학식 1을 만족하는 촬영방법.
    Figure 112017110894915-pat00025
    .... 수학식 1
    (V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, f=등속도 구간에서 촬영부의 시간당 촬영횟수, DoF=포커싱 광학계의 심도, α는 0.1<α<0.5를 만족하는 임의의 실수)
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 거리를 조절하는 단계는, 상기 대상물과 상기 포커싱 광학계 사이의 거리를 변화시키는 속도가 수학식 2를 만족하도록 하는 촬영방법.
    V1 <
    Figure 112017074008517-pat00026
    .........수학식 2
    (V1=대상물과 포커싱 광학계 사이의 거리 변화 속도의 크기, DoF=포커싱 광학계의 심도, E= 촬영부의 프레임당 노출시간)
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 이미지들의 선명도 값들로부터 수학식 4에 따라 포커싱 거리를 결정하는 단계;를 더 포함하는 촬영방법.
    Figure 112017074008517-pat00027

    .... 수학식 4
    (H= 포커싱 상태에서 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi-1 = i-1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Hi+1 = i+1번째 촬영에서의 포커싱 광학계와 대상물 사이의 거리, Ci = 선명도가 가장 높게 측정된 i번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci-1 = i-1번째 촬영 이미지의 선명도 값, Ci+1 = 선명도가 i+1번째 촬영 이미지의 선명도 값)
KR1020160017859A 2016-02-16 2016-02-16 촬영장치 및 촬영방법 KR101850363B1 (ko)

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