KR102007004B1 - 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다. 선형 편광판은 스윕 광원으로부터 출사된 광을 편광 빔 스플리터의 주축에 대해 45도 편광된 직선편광으로 변환하여 편광 빔 스플리터로 전달한다. 제1,2 쿼터 파장판은 편광 빔 스플리터에 의해 분리된 수평편광과 수직편광을 어느 한쪽 방향 회전의 제1 원편광과 반대쪽 방향 회전의 제2 원편광으로 변환하여 기준 미러와 측정대상물로 각각 입사시키며, 기준 미러와 측정대상물로부터 반사된 제1,2 원편광을 직선편광으로 각각 변환하여 편광 빔 스플리터로 전달한다. 제3 쿼터 파장판은 편광 빔 스플리터로부터 입사된 직선편광을 제1,2 원편광으로 변환해서 편광 촬상기로 전달한다. 제어부는 스윕 광원으로부터 출사되는 광 파장을 변화시켜가며 편광 촬상기에 의해 측정된 광 강도를 기초로 파장별 위상변위 데이터를 구한 후, 파장별 위상변위 데이터를 기초로 기준 미러와 측정대상물의 거리차이를 구함에 따라 측정대상물의 3차원 형상을 측정한다.

Description

3차원 형상 측정장치{Apparatus for measuring three dimensional shape}
본 발명은 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 장치에 관한 것이다.
평면 디스플레이, 반도체, 회로 부품 등의 외관 결함을 검출하기 위해, 측정대상물의 3차원 형상을 측정하게 되는데, 그 측정방식으로는 접촉식과 비접촉식으로 대별된다. 비접촉식으로 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 방법 중 하나로는 광간섭법이 있는데, 광간섭법은 측정대상물의 표면에 대한 간섭계 패턴을 생성하고 분석함으로써 측정대상물의 입체 형상을 획득한다.
한편, 광간섭법의 일 예로 분산 간섭법(SRI: Spectrally Resolved Interferometry)이 있다. 분산 간섭법은 다음과 같이 이루어진다. 백색광을 측정광과 기준광으로 분리해서 측정면과 기준면으로 각각 조사하면, 측정면과 기준면으로부터 각각 반사된 광은 동일한 광경로를 거쳐 광경로 차에 의해 간섭 신호를 생성하게 된다. 간섭 신호를 분광기에 의해 파장별로 분광시켜 카메라로 촬상한 후, 촬상된 분광 데이터를 분석하여 측정면에 대한 거리정보를 측정함으로써, 측정면의 3차원 형상을 획득한다.
그런데, 전술한 분산 간섭법은 분광 데이터로부터 주파수에 따른 위상을 구하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)와 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산이 수행됨으로 인해 연산 시간이 비교적 오래 걸리며, 주파수 샘플링 분해능(Frequency sampling resolution)이 분광기 및 카메라의 픽셀 분해능에 의해 결정되는 한계가 있다. 또한, 백색광을 라인빔 형태로 측정면에 조사함에 따라 측정면 전체에 대한 스캔을 위해 측정면을 이동시켜가며 측정하게 되는데, 측정면의 이동시 진동 등으로 인해 측정 결과가 부정확해지는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 과제는 측정대상물의 3차원 측정시 연산 알고리즘을 간소화하여 연산 시간을 줄일 수 있는 3차원 형상 측정장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치는 스윕 광원(sweep source)과, 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter)와, 선형 편광판(linear polarizing plate)과, 제1,2,3 쿼터 파장판(quarter wave plate)과, 편광 촬상기를 포함한다. 스윕 광원은 광의 파장을 변화시켜 출사한다. 편광 빔 스플리터는 스윕 광원으로부터 출사되는 광 경로 상에 배치된다. 선형 편광판은 스윕 광원으로부터 출사된 광을 편광 빔 스플리터의 주축에 대해 45도 편광된 직선편광으로 변환하여 편광 빔 스플리터로 전달한다. 제1,2 쿼터 파장판은 편광 빔 스플리터에 의해 분리된 수평편광과 수직편광을 어느 한쪽 방향 회전의 제1 원편광과 반대쪽 방향 회전의 제2 원편광으로 변환하여 기준 미러와 측정대상물로 각각 입사시키며, 기준 미러와 측정대상물로부터 반사된 제1,2 원편광을 직선편광으로 각각 변환하여 편광 빔 스플리터로 전달한다. 제3 쿼터 파장판은 편광 빔 스플리터로부터 입사된 직선편광을 제1,2 원편광으로 변환한다. 편광 촬상기는 제3 쿼터 파장판을 거친 제1,2 원편광을 전달받아 제3 쿼터 파장판의 주축에 대해 동일 각도 스텝의 제1,2,3 편광 각도로 편광시켜 측정대상물의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 제어부는 스윕 광원으로부터 출사되는 광 파장을 변화시켜가며 편광 촬상기에 의해 측정된 광 강도를 기초로 파장별 위상변위 데이터를 구한 후, 파장별 위상변위 데이터를 기초로 기준 미러와 측정대상물의 거리차이를 구함에 따라 측정대상물의 3차원 형상을 측정한다.
본 발명에 따르면, 측정대상물의 3차원 형상 측정시, 분산 간섭법에 비해, 연산 알고리즘을 간소화하여 연산 시간을 줄일 수 있게 되며, 주파수 샘플링 분해능이 스윕 광원의 분해능에 의해서만 결정되어 한계를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 스윕 광원을 면광원 형태로 구성하여 측정대상물의 이동 없이 측정대상물을 측정할 수 있으므로, 측정대상물의 진동 등이 배제됨으로 인해 정확한 측정이 이루어지게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 제1 쿼터 파장판의 작용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 있어서, 편광 촬상기의 다른 예를 도시한 구성도이다.
도 4는 도 1에 있어서, 편광 촬상기의 또 다른 예를 도시한 구성도이다.
도 5는 파장별 위상변위 데이터를 위상 펼침 처리하여 위상 주파수 변화율에 대한 위상 변화율로 나타낸 그래프이다.
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 구성도이다.
도 1을 참조하면, 3차원 형상 측정장치(100)는 스윕 광원(110)과, 편광 빔 스플리터(120)와, 선형 편광판(130)과, 제1 쿼터 파장판(141)과, 제2 쿼터 파장판(142)과, 제3 쿼터 파장판(143)과, 편광 촬상기(150), 및 제어부(160)를 포함한다.
스윕 광원(110)은 광의 파장을 변화시켜 출사한다. 스윕 광원(110)은 일정 시간 동안 광의 파장을 연속적으로 변화시켜 출사할 수 있다. 예컨대, 스윕 광원(110)은 가시광 파장 대역 내에서 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 스윕 광원(110)은 파장 가변 레이저 등으로 이루어질 수 있다. 스윕 광원(110)은 면광원 형태로 측정대상물(10)을 비추도록 구성될 수 있다. 따라서, 측정대상물(10)의 이동 없이 측정대상물(10)의 3차원 형상이 측정될 수 있으므로, 측정대상물(10)의 진동 등이 배제되어 정확한 측정이 이루어질 수 있다.
편광 빔 스플리터(120)는 스윕 광원(110)으로부터 출사되는 광 경로 상에 배치된다. 편광 빔 스플리터(120)는 복굴절성 결정을 사용하여 2광선속으로 분리하는 광학 소자이다. 편광 빔 스플리터(120)는 수평편광을 투과하고 수직편광을 반사시킴으로써, 입사광의 편광상태를 직교성분으로 나눌 수 있게 한다. 수평편광은 광의 진행방향에 수평으로 전기장이 형성되는 편광으로서 P편광이라고도 하며, 수직편광은 광의 진행방향에 수직으로 전기장이 형성되는 편광으로서 S편광이라고도 한다.
선형 편광판(130)은 스윕 광원(110)으로부터 출사된 광을 편광 빔 스플리터(120)의 주축에 대해 45도 편광된 직선편광으로 변환하여 편광 빔 스플리터(120)로 전달한다. 따라서, 선형 편광판(130)에 의해 45도 편광된 직선편광은 수평편광 성분과 수직편광 성분을 포함하여 편광 빔 스플리터(120)로 입사되므로, 수평편광 성분은 편광 빔 스플리터(120)를 투과해서 진행할 수 있으며, 수직편광 성분은 편광 빔 스플리터(120)에 반사되어 진행할 수 있다.
제1 쿼터 파장판(141)은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 편광 빔 스플리터(120)에 의해 분리된 수평편광을 어느 한쪽 방향 회전의 제1 원편광으로 변환하여 기준 미러(101)로 입사시킨다. 쿼터 파장판은 서로 수직인 방향으로 진동하는 직선편광 사이에 1/4 파장의 광로차를 일으키도록 두께가 정해진 복굴절판이다. 쿼터 파장판은 주축 방위에 대해 45도의 방위를 갖는 직선편광이 입사되면 원편광으로 변환한다.
원편광은 광파의 전기 변위 벡터 또는 자기장 변위 벡터의 진동 방향이 원진동인 것을 말하며, 광의 진행방향을 향해 마주한 관측자가 보아서 진동방향이 시계방향으로 회전하는 것을 우회전 원편광, 반시계 방향으로 회전하는 것을 좌회전 원편광이라고 한다. 원편광의 회전 방향은 직선편광의 입사각도를 기준으로 쿼터 파장판의 주축 방위가 시계 방향으로 45도인지 또는 반시계 방향으로 45도인지 여부에 따라 결정된다. 제1 쿼터 파장판(141)은 수평편광의 입사각도에 대한 주축 방위를 설정함에 따라 제1 원편광을 우회전 원편광 또는 좌회전 원편광으로 만들 수 있다.
또한, 제1 쿼터 파장판(141)은 기준 미러(101)로부터 반사된 제1 원편광을 직선편광으로 변환해서 편광 빔 스플리터(120)로 전달한다. 이때, 직선편광은 수직편광 성분만을 갖는다. 즉, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 쿼터 파장판(141)은 편광 빔 스플리터(120)로부터 입사된 수평편광을 제1 원편광을 거쳐 수직편광으로 변환하여 편광 빔 스플리터(120)로 전달함으로써, 수직편광이 편광 빔 스플리터(120)로부터 반사되어 제3 쿼터 파장판(143)으로 진행할 수 있게 한다.
제2 쿼터 파장판(142)은 편광 빔 스플리터(120)에 의해 분리된 수직편광을 반대쪽 방향 회전의 제2 원편광으로 변환하여 측정대상물(10)로 입사시킨다. 제1 원편광이 우회전 원편광인 경우, 제2 쿼터 파장판(142)은 수직편광의 입사각도에 대한 주축 방위를 설정함에 따라 제2 원편광을 좌회전 원편광으로 만들 수 있다. 제1 원편광이 좌회전 원편광인 경우, 제2 쿼터 파장판(142)은 수직편광의 입사각도에 대한 주축 방위를 설정함에 따라 제2 원편광을 우회전 원편광으로 만들 수 있다.
제2 쿼터 파장판(142)은 측정대상물(10)로부터 반사된 제2 원편광을 직선편광으로 변환해서 편광 빔 스플리터(120)로 전달한다. 이때, 직선편광은 수평편광 성분만을 갖는다. 즉, 제2 쿼터 파장판(142)은 편광 빔 스플리터(120)로부터 입사된 수직편광을 제2 원편광을 거쳐 수평편광으로 변환하여 편광 빔 스플리터(120)로 전달함으로써, 수평편광이 편광 빔 스플리터(120)를 투과하여 제3 쿼터 파장판(143)으로 진행할 수 있게 한다. 제2 쿼터 파장판(142)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 쿼터 파장판(141)과 동일한 작용을 한다.
한편, 도시하고 있지 않지만, 기준 미러(101)와 측정 대상물(10)의 위치가 서로 바뀌게 배치됨으로써, 기준 미러(101)가 제2 쿼터 파장판(142)에 대응되고, 측정대상물(10)이 제1 쿼터 파장판(141)에 대응될 수도 있다.
제3 쿼터 파장판(143)은 편광 빔 스플리터(120)로부터 입사된 직선편광을 제1,2 원편광으로 변환한다. 제3 쿼터 파장판(143)은 편광 빔 스플리터(120)로부터 수평편광과 수직편광이 주축에 대해 45도의 각도로 입사되도록 설정됨으로써, 제1,2 원편광으로 변환할 수 있다. 제1 원편광과 제2 원편광 중 어느 하나는 기준 미러(101)로부터 반사된 광에 해당하고 다른 하나는 측정대상물(10)로부터 반사된 광에 해당한다. 기준 미러(101)와 측정대상물(10) 간의 거리차이에 따라 제1,2 원편광 간에 위상변위가 발생되며, 제1,2 원편광 간의 위상변위 정보는 편광 촬상기(150)에 의해 측정될 수 있다.
편광 촬상기(150)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 동일 각도 스텝의 제1,2,3 편광 각도로 편광시켜 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 일 예로, 편광 촬상기(150)는 제1 편광 카메라(151)와, 제2 편광 카메라(152)와, 제3 편광 카메라(153), 및 광 분배기(154)를 포함할 수 있다.
제1,2,3 편광 각도 간의 각도 스텝은 45도, 90도, 120도 중 어느 하나로 설정될 수 있다. 제1,2,3 편광 각도 간의 각도 스텝은 45도인 경우, 제1 편광 각도가 0도, 제2 편광 각도가 45도, 제3 편광 각도가 90도로 설정되거나, 제1 편광 각도가 45도, 제2 편광 각도가 90도, 제3 편광 각도가 135도로 설정될 수 있다. 제1,2,3 편광 각도 간의 각도 스텝은 90도인 경우, 제1 편광 각도가 0도, 제2 편광 각도가 90도, 제3 편광 각도가 180도로 설정되거나, 제1 편광 각도가 45도, 제2 편광 각도가 135도, 제3 편광 각도가 225도로 설정될 수 있다.
제1,2,3 편광 각도 간의 각도 스텝은 120도인 경우, 제1 편광 각도가 0도, 제2 편광 각도가 120도, 제3 편광 각도가 240도로 설정되거나, 제1 편광 각도가 45도, 제2 편광 각도가 165도, 제3 편광 각도가 285도로 설정될 수 있다. 한편, 제1,2,3 편광 각도 간의 각도 스텝은 예시된 바에 한정되지 않고, 10도 간격으로 설정되는 등 다양한 각도로 설정될 수 있음은 물론이다.
제1 편광 카메라(151)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 광 분배기(154)에 의해 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 제1 편광 각도로 편광시켜 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 제1 편광 카메라(151)는 촬상 부위에 제1,2 원편광을 제1 편광 각도로 편광시키는 편광필터를 내장할 수 있다.
제2 편광 카메라(152)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 광 분배기(154)에 의해 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 제2 편광 각도로 편광시켜 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 제2 편광 카메라(152)는 촬상 부위에 제1,2 원편광을 제2 편광 각도로 편광시키는 편광필터를 내장할 수 있다.
제3 편광 카메라(153)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 광 분배기(154)에 의해 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 제3 편광 각도로 편광시켜 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 제3 편광 카메라(153)는 촬상 부위에 제1,2 원편광을 제3 편광 각도로 편광시키는 편광필터를 내장할 수 있다. 물론, 편광필터는 제1,2,3 편광 카메라(151, 152, 153)의 외부에 광 경로 상에 배치될 수도 있다.
일 예로, 제1 편광 카메라(151)는 제3 쿼터 파장판(143)으로부터 가장 멀리 위치되어 촬상 부위가 제3 쿼터 파장판(143)과 마주하여 제1,2 원편광을 전달받을 수 있다. 제2 편광 카메라(152)는 제1 편광 카메라(151)보다 제3 쿼터 파장판(143)에 가깝게 위치되어 촬상 부위가 우측을 향하여 제1,2 원편광을 전달받을 수 있다. 제3 편광 카메라(153)는 제2 편광 카메라(152)보다 제3 쿼터 파장판(143)에 가깝게 위치되어 촬상 부위가 좌측을 향하여 제1,2 원편광을 전달받을 수 있다.
광 분배기(154)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 제1,2,3 편광 카메라(151, 152, 153)로 분배한다. 광 분배기(154)는 제1 광 스플리터(154a)와 제2 광 스플리터(154b)를 포함할 수 있다. 제1 광 스플리터(154a)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광의 일부를 반사시켜 제3 편광 카메라(153)로 전달하고 나머지를 투과시킨다. 제2 광 스플리터(154b)는 제1 광 스플리터(154a)를 투과한 제1,2 원편광의 일부를 반사시켜 제2 편광 카메라(152)로 전달하고 나머지를 투과시켜 제1 편광 카메라(151)로 전달할 수 있다. 제1,2 광 스플리터(154a, 154b)는 45도 경사진 반투과막을 각각 포함할 수 있다.
물론, 제1,2,3 편광 카메라(151, 152, 153)는 예시된 바에 한정되지 않고 다양한 조합으로 배치될 수도 있다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 광 경로 상에 렌즈계가 필요에 따라 배치될 수도 있다.
제1 광 스플리터(154a)와 제2 광 스플리터(154b)는 쌍을 이루도록 구성될 수 있다. 또한, 광 분배기(154)는 제1 광 스플리터(154a)와 제3 편광 카메라(153) 사이에 배치된 보정부재(154c)를 더 포함할 수 있다. 보정부재(154c)는 제2 광 스플리터(154b)의 반투과막이 생략된 구조로 이루어지며, 제2 광 스플리터(153b)와 동일한 크기 및 동일한 굴절률을 갖는다.
제1,2 편광 카메라(151, 152)는 제1 광 스플리터(154a)로 입사된 광을 제1,2 광 스플리터(154a, 154b)를 거쳐 전달받으므로, 제1 광 스플리터(154a)의 입사면으로부터 제1,2 편광 카메라(151, 152)까지의 광 경로는 서로 동일하다. 하지만, 제3 편광 카메라(153)는 제1 광 스플리터(154a)로 입사된 광을 제1 광 스플리터(154a)만을 거쳐 전달받게 되면, 제1 광 스플리터(154a)의 입사면으로부터 제3 편광 카메라(153)까지의 거리가 제1,2 편광 카메라(151, 152)까지의 광 경로보다 제2 광 스플리터(154b)의 길이만큼 짧아지게 된다.
여기서, 보정부재(154c)는 제1 광 스플리터(154a)의 입사면으로부터 제3 편광 카메라(153)까지의 광 경로를 제2 광 스플리터(154b)의 길이만큼 증가시킴으로써, 제1 광 스플리터(154a)의 입사면으로부터 제1,2 편광 카메라(151, 152)까지의 광 경로와 동일하게 보정할 수 있게 한다.
다른 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 편광 촬상기(250)는 제1,2,3 편광자(251a, 251b, 251c)와, 제1,2,3 이미지 센서(252a, 252b, 252c), 및 광 분배기(253)를 포함할 수 있다.
제1 편광자(251a)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 광 분배기(253)에 의해 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 제1 편광 각도로 편광시킨다. 제2 편광자(251b)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 광 분배기(253)에 의해 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 제2 편광 각도로 편광시킨다. 제3 편광자(251c)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 광 분배기(253)에 의해 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 제3 편광 각도로 편광시킨다.
제1 이미지 센서(252a)는 제1 편광자(251a)를 거쳐 제1 편광 각도로 편광된 광을 전달받아 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 제2 이미지 센서(252b)는 제2 편광자(251b)를 거쳐 제2 편광 각도로 편광된 광을 전달받아 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 제3 이미지 센서(252c)는 제3 편광자(251c)를 거쳐 제3 편광 각도로 편광된 광을 전달받아 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 제1,2,3 이미지 센서(252a, 252b, 252c)는 CCD(Charge Coupled Device) 센서로 각각 이루어질 수 있다.
광 분배기(253)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 제1,2,3 편광자(251a, 251b, 251c)로 분배한다. 광 분배기(253)는 3방향 프리즘 빔 스플리터(3??way prism beamsplitter)로 이루어질 수 있다. 광 분배기(253)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 렌즈(254)를 통해 전달받을 수 있다. 렌즈(254)는 SLR(single??lens reflex) 렌즈로 이루어질 수 있다.
편광 촬상기(250)는 제1,2,3 편광자(251a, 251b, 251c)와, 제1,2,3 이미지 센서(252a, 252b, 252c)와, 광 분배기(253), 및 렌즈(254)를 하나의 하우징에 장착한 형태로 구성될 수 있다.
또 다른 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 편광 촬상기(350)는 마이크로편광자 어레이(micropolarizer array, 351), 및 이미지 센서(356)를 포함할 수 있다.
마이크로편광자 어레이(351)는 제3 쿼터 파장판(143)을 거친 제1,2 원편광을 각각 전달받아 제3 쿼터 파장판(143)의 주축에 대해 제1,2,3 편광 각도로 편광시킨다. 마이크로편광자 어레이(351)는 동일 각도 스텝을 갖는 4개의 편광 각도로 편광시키는 제1,2,3,4 픽셀(352a, 352b, 352c, 352d)이 조합되어 단위 셀(352)을 이루며, 단위 셀들이 평면 상에 배열된 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 단위 셀(352)은 0도, 45도, 90도, 135도의 편광 각도를 각각 갖는 제1,2,3,4 픽셀(352a, 352b, 352c, 352d)로 조합될 수 있다.
이미지 센서(356)는 마이크로편광자 어레이(351)를 거쳐 제1,2,3 편광 각도로 편광된 광을 각각 전달받아 측정대상물(10)의 동일 지점마다 광 강도를 측정한다. 이미지 센서(356)의 픽셀들은 마이크로편광자 어레이(351)의 픽셀들과 일대일 대응되며, 마이크로편광자 어레이(351)의 단위 셀(352)마다 제1,2,3 편광 각도로 편광되어 전달된 광 강도를 측정할 수 있다. 이미지 센서(356)는 CCD 센서로 이루어질 수 있다. 이미지 센서(356)는 광 입사면에 마이크로편광자 어레이(351)를 장착하여 마이크로편광자 어레이(351)와 일체화될 수 있다.
제어부(160)는 스윕 광원(110)으로부터 출사되는 광 파장을 변화시켜가며 편광 촬상기(150)에 의해 측정된 광 강도를 기초로 파장별 위상변위 데이터를 구한 후, 파장별 위상변위 데이터를 기초로 기준 미러(101)와 측정대상물(10)의 거리차이를 구함에 따라 측정대상물(10)의 3차원 형상을 측정한다.
구체적으로, 제어부(160)는 파장별 위상변위 데이터를 다음과 같이 구할 수 있다. 제어부(160)는 스윕 광원(110)에 의해 어느 한 단색광을 출사하여 편광 촬상기(150, 250, 350)에 의해 동시에 측정된 광 강도를 기초로 측정대상물(10)의 동일 지점마다 위상변위를 구할 수 있다. 이때, 제어부(160)는 편광 촬상기(150, 250, 350)의 픽셀 단위로 광 광도를 측정해서 위상변위를 구할 수 있다.
이어서, 제어부(160)는 스윕 광원(110)에 의해 다른 단색광을 출사하여 편광 촬상기(150, 250, 350)에 의해 동시에 측정된 광 강도를 기초로 측정대상물(10)의 동일 지점마다 위상변위를 구할 수 있다. 제어부(160)는 전술한 과정과 같이 스윕 광원(110)에 의해 광 파장을 변화시켜 출사하여 편광 촬상기(150, 250, 350)에 의해 동시에 측정된 광 강도를 기초로 측정대상물(10)의 동일 지점마다 위상변위를 구하게 되면, 측정대상물(10)의 동일 지점마다 파장별 위상변위 데이터를 구할 수 있게 된다.
예컨대, 제어부(160)는 하기 수학식 1에 의해 위상변위를 구할 수 있다.
Figure 112018027895598-pat00001
여기서,
Figure 112018027895598-pat00002
: x, y 평면 상의 위상변위,
Figure 112018027895598-pat00003
: 제1,2,3 편광 각도 간의 각도 스텝, I1: 제1 편광 각도로 편광되어 측정된 광 강도, I2: 제2 편광 각도로 편광되어 측정된 광 강도, I3: 제3 편광 각도로 편광되어 측정된 광 강도이다.
그리고, 제어부(160)는 전술한 방식으로 파장별 위상변위 데이터를 구한 후, 파장별 위상변위 데이터를 기초로, 하기 수학식 2에 의해 기준 미러(101)와 측정대상물(10)의 거리차이를 구할 수 있다.
Figure 112018027895598-pat00004
여기서, L: 기준 미러와 측정대상물의 거리차이, c: 광속, N: 공기 굴절률,
Figure 112018027895598-pat00005
: 주파수 변화율에 대한 위상 변화율이다.
구체적으로, 제어부(160)는 측정대상물(10)의 동일지점마다 파장별 위상변위 데이터를 위상 펼침(phase unwrapping) 과정을 거쳐, 도 5에 도시된 바와 같이 주파수 변화율에 대한 위상 변화율(
Figure 112018027895598-pat00006
)을 구한다. 이후, 제어부(160)는 주파수 변화율에 대한 위상 변화율(
Figure 112018027895598-pat00007
)을 수학식 2에 대입함으로써, 측정대상물(10)의 동일지점마다 기준 미러와 측정대상물의 거리차이(L)를 구할 수 있다. 제어부(160)는 측정대상물(10)의 동일지점마다 구해진 기준 미러와 측정대상물의 거리차이(L)를 기초로, 측정대상물(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
전술한 3차원 형상 측정장치(100)는 측정대상물(10)의 3차원 형상 측정시, 분산 간섭법에 비해, 연산 알고리즘을 간소화하여 연산 시간을 줄일 수 있게 되며, 주파수 샘플링 분해능이 스윕 광원의 분해능에 의해서만 결정되어 한계를 줄일 수 있다. 또한, 3차원 형상 측정장치(100)는 스윕 광원(110)을 면광원 형태로 구성하여 측정대상물(10)의 이동 없이 측정대상물(10)을 측정할 수 있으므로, 측정대상물(10)의 진동 등이 배제됨으로 인해 정확한 측정이 이루어지게 할 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..스윕 광원 120..편광 빔 스플리터
130..선형 편광판 141..제1 쿼터 파장판
142..제2 쿼터 파장판 143..제3 쿼터 파장판
150, 250, 350..편광 촬상기 151..제1 편광 카메라
152..제2 편광 카메라 153..제3 편광 카메라
154..광 분배기 154a..제1 광 스플리터
154b..제2 광 스플리터 160..제어부

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 광의 파장을 변화시켜 출사하는 스윕 광원;
    상기 스윕 광원으로부터 출사되는 광 경로 상에 배치되는 편광 빔 스플리터;
    상기 스윕 광원으로부터 출사된 광을 편광 빔 스플리터의 주축에 대해 45도 편광된 직선편광으로 변환하여 상기 편광 빔 스플리터로 전달하는 선형 편광판;
    상기 편광 빔 스플리터에 의해 분리된 수평편광과 수직편광을 어느 한쪽 방향 회전의 제1 원편광과 반대쪽 방향 회전의 제2 원편광으로 변환하여 기준 미러와 측정대상물로 각각 입사시키며, 상기 기준 미러와 측정대상물로부터 반사된 제1,2 원편광을 직선편광으로 각각 변환하여 상기 편광 빔 스플리터로 전달하는 제1,2 쿼터 파장판;
    상기 편광 빔 스플리터로부터 입사된 직선편광을 제1,2 원편광으로 변환하는 제3 쿼터 파장판;
    상기 제3 쿼터 파장판을 거친 제1,2 원편광을 전달받아 상기 제3 쿼터 파장판의 주축에 대해 동일 각도 스텝의 제1,2,3 편광 각도로 편광시켜 측정대상물의 동일 지점마다 광 강도를 측정하는 편광 촬상기; 및
    상기 스윕 광원으로부터 출사되는 광 파장을 변화시켜가며 상기 편광 촬상기에 의해 측정된 광 강도를 기초로 파장별 위상변위 데이터를 구한 후, 파장별 위상변위 데이터를 기초로 기준 미러와 측정대상물의 거리차이를 구함에 따라 측정대상물의 3차원 형상을 측정하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는 하기 수학식 1에 의해 위상변위를 구하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
    <수학식 1>
    Figure 112019004903347-pat00008

    여기서,
    Figure 112019004903347-pat00009
    : x, y 평면 상의 위상변위,
    Figure 112019004903347-pat00010
    : 제1,2,3 편광 각도 간의 각도 스텝, I1: 제1 편광 각도로 편광되어 측정된 광 강도, I2: 제2 편광 각도로 편광되어 측정된 광 강도, I3: 제3 편광 각도로 편광되어 측정된 광 강도이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 하기 수학식 2에 의해 기준 미러와 측정대상물의 거리차이를 구하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
    <수학식 2>
    Figure 112018027895598-pat00011

    여기서, L: 기준 미러와 측정대상물의 거리차이, c: 광속, N: 공기 굴절률,
    Figure 112018027895598-pat00012
    : 주파수 변화율에 대한 위상 변화율이다.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 편광 촬상기는,
    상기 제3 쿼터 파장판을 거친 제1,2 원편광을 각각 전달받아 상기 제3 쿼터 파장판의 주축에 대해 제1,2,3 편광 각도로 편광시켜 측정대상물의 동일 지점마다 광 강도를 측정하는 제1,2,3 편광 카메라, 및
    상기 제3 쿼터 파장판을 거친 제1,2 원편광을 상기 제1,2,3 편광 카메라로 분배하는 광 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 편광 촬상기는,
    상기 제3 쿼터 파장판을 거친 제1,2 원편광을 각각 전달받아 상기 제3 쿼터 파장판의 주축에 대해 제1,2,3 편광 각도로 편광시키는 제1,2,3 편광자와,
    상기 제1,2,3 편광자를 거쳐 제1,2,3 편광 각도로 편광된 광을 각각 전달받아 측정대상물의 동일 지점마다 광 강도를 측정하는 제1,2,3 이미지 센서, 및
    상기 제3 쿼터 파장판을 거친 제1,2 원편광을 제1,2,3 편광자로 분배하는 광 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 편광 촬상기는,
    상기 제3 쿼터 파장판을 거친 제1,2 원편광을 각각 전달받아 상기 제3 쿼터 파장판의 주축에 대해 제1,2,3 편광 각도로 편광시키는 마이크로편광자 어레이, 및
    상기 마이크로편광자 어레이를 거쳐 제1,2,3 편광 각도로 편광된 광을 각각 전달받아 측정대상물의 동일 지점마다 광 강도를 측정하는 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
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