KR102008890B1 - 3차원 프로파일 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 프로파일 측정 방법에 관한 것으로서, 구조조영 형성단계, 이미지 획득단계, 하이로우 이미지 생성단계, 표면위치 결정단계, 프로파일 생성단계를 포함한다. 구조조영 형성단계는 광을 그레이팅 필터와 대물렌즈를 통과시켜 광의 세기값이 사인 파형을 가지는 구조조영을 형성한다. 이미지 획득단계는 측정대상물의 높이방향을 따라 정해진 간격에 맞추어 구조조영이 투영된 측정대상물을 촬상한 구조조영 이미지와 구조조영이 아닌 일반광이 조사된 측정대상물을 촬상한 균일조영 이미지를 각각 획득한다. 하이로우 이미지 생성단계는 각각의 높이에서 구조조영 이미지와 균일조영 이미지를 이용하여 하이로우 이미지를 생성한다. 표면위치 결정단계는 복수의 하이로우 이미지에 대해 높이방향을 따라 평면상 동일 지점에 위치하는 픽셀이 가지는 높이별 세기값(Intensity)을 각각 추출하여, 가장 큰 세기값을 가지는 높이를 측정대상물의 표면위치로 결정한다. 프로파일 생성단계는 획득된 표면위치를 이용하여 측정대상물의 3D 프로파일을 생성한다.

Description

3차원 프로파일 측정 방법{METHOD OF MEASURING 3D PROFILE}
본 발명은 3차원 프로파일 측정 방법에 관한 것으로, 상세하게는 측정대상물의 2D 프로파일을 획득하고, 획득된 2D 프로파일에 대한 디지털 프로세싱을 통한 후처리 과정을 거치며, 측정대상물의 3D 프로파일을 측정하는 방법에 관한 것이다.
마이크로 및 나노 기술의 발달에 따라, 이러한 미세구조에 대한 표면 형상 측정에 대한 많은 요구 또한 증가하고 있다.
이러한 표면 형상 측정 방식은 측정 방식에 따라 접촉식과 비접촉식으로 구분될 수 있으며, 이 중 비접촉식 측정법은 빛을 이용한 광학적 측정 방법으로 접촉식 측정 방법에 비해 시편에 물리적 손상을 주지 않으면서도 빠른 속도로 측정이 가능하여 산업 전반에 걸쳐 널리 활용되고 있다
이러한 초고해상도 이미징을 실현하기 위해 다양한 방식의 현미경들이 개발되어 왔다. CCD/CMOS 등의 이미지센서가 갖는 분해능을 높여 판별 가능한 이미지 픽셀의 수를 극대화하는 방식, 비구면 렌즈 등 렌즈에서 발생하는 색수차를 최소화하는 방식, 이미지센서로부터 획득한 영상을 디지털 프로세싱을 통해 보정하여 해상도를 높이는 방식 등을 적용한 현미경들이 현재 사용되고 있다.
한편 최근에는 복수의 이미지를 획득하고 이를 디지털 프로세싱을 통해 후처리하는 복합 방식의 3차원 이미지 획득 장치들이 제안되고 있다. 대표적으로, 노출을 달리한 이미지를 복수 획득하여 디지털 후처리를 통해 광학 심도를 향상시키는 HDR(High Dynamic Range)기법, 측정대상물에 입사되는 광에 미리 설정된 패턴을 주어 위상차가 다른 다수의 패턴 이미지를 확보하여 서로 비교 처리하여 해상도를 향상시키는 SIM(Structured Illumination Modulation)기법 등이 있다.
HDR기법과 SIM기법의 공통점은 어떠한 특성을 부여한 복수의 이미지를 획득하여 디지털 프로세싱을 통하여 해상도가 향상된 단일의 이미지를 획득한다는 것이다. 그러나 HDR기법은 복수의 이미지를 획득하기 위해 상대적으로 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있고, SIM기법은 3차원 고해상도 이미지를 얻을 수 있다는 측면에서 유리하나 상대적으로 고가인데다가 복수의 이미지를 순차적으로 획득함으로써, 이미지 처리속도 측면에서는 느리다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-1479734호(2015.01.06. 공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 상대적으로 많은 수의 이미지를 확보하지 않더라도 획득된 이미지에 대한 디지털 프로세싱을 통한 후처리 과정을 거치며, 측정대상물의 3D 프로파일에 대한 고속, 고정밀 측정이 가능하도록 하는 3차원 프로파일 측정 방법을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 3차원 프로파일 측정 방법은, 광을 그레이팅 필터와 대물렌즈를 통과시켜 광의 세기값이 0을 포함하지 않고 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영을 형성하는 구조조영 형성단계; 측정대상물의 높이방향을 따라 정해진 간격에 맞추어 상기 구조조영이 투영된 측정대상물을 촬상한 구조조영 이미지와 상기 구조조영이 아닌 일반광이 조사된 측정대상물을 촬상한 균일조영 이미지를 각각 획득하는 이미지 획득단계; 각각의 높이에서 상기 구조조영 이미지와 상기 균일조영 이미지를 이용하여 하이로우(HiLo) 이미지를 생성하는 하이로우 이미지 생성단계; 상기 복수의 하이로우 이미지에 대해 높이방향을 따라 평면상 동일 지점에 위치하는 픽셀이 가지는 높이별 세기값(Intensity)을 각각 추출하여, 가장 큰 세기값을 가지는 높이를 측정대상물의 표면위치로 결정하는 표면위치 결정단계; 및 획득된 표면위치를 이용하여 측정대상물의 3D 프로파일을 생성하는 프로파일 생성단계;를 포함하고, 상기 표면위치 결정단계는, 추출된 높이별 세기값에 대해 커브피팅(Curve Fitting)을 수행하고, 커브피팅된 곡선상에서 가장 큰 세기값을 가지는 지점에 대응되는 높이를 상기 측정대상물의 표면위치로 결정하되, 상기 높이별 세기값이 추출된 높이들 중 가장 큰 세기값을 가지는 높이를 최대 세기값 높이로 선정하고, 상기 최대 세기값 높이에서의 세기값과 상기 최대 세기값 높이의 상하에 인접하고 미리 정해진 수량의 복수의 높이에서의 세기값을 가지고 상기 커브피팅이 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법에 있어서, 상기 구조조영 형성단계는, 상기 사인 파형을 가지는 구조조영을 형성하기 위하여 상기 그레이팅 필터의 패턴 피치를 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법에 있어서, 상기 구조조영 형성단계는, 상기 사인 파형을 가지는 구조조영을 형성하기 위하여 상기 대물렌즈의 배율 또는 개구수를 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법에 있어서, 상기 사인 파형을 가지는 구조조영의 콘트라스트는 0.6 이상일 수 있다.
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본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법에 있어서, 3D 프로파일이 미리 알려진 표준측정대상물에 대해 상기 구조조영 형성단계, 상기 이미지 획득단계, 상기 하이로우 이미지 생성단계, 상기 표면위치 결정단계 및 상기 프로파일 생성단계를 거치며 3D 프로파일을 재생성하고, 재생성된 3D 프로파일과 미리 알려진 3D 프로파일 간에 오차가 발생하는 경우, 측정 장치의 동작특성으로 인한 오차임을 판단하고, 측정대상물의 3D 프로파일에 대해 상기 오차를 보정해 주는 측정오차 보정단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법에 있어서, 측정대상물의 3D 프로파일이 수평기준면으로부터 일정 경사각을 유지하는 경우, 측정대상물의 측정위치가 불량임을 판단하고, 상기 경사각을 제로화시키는 레벨링 보정단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법은 상대적으로 많은 수의 이미지를 확보하지 않더라도 기존 광학 현미경에 비하여 보다 3차원 분해능이 우수한 고해상도 3D 프로파일을 고속으로 측정할 수 있다.
또한 본 발명은 상대적으로 저렴한 기존 광학계를 이용하더라도 획득된 복수의 이미지에 대한 디지털 프로세싱을 통한 후처리 과정을 거치며 측정대상물의 3D 프로파일에 대한 고속, 고정밀 측정이 가능함으로서, 제조되는 측정대상물의 전체 검수를 가능하게 하는 동시에 검수 시간을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 2 내지 도 4는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 구조조영 형성단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법을 설명하기 위한 측정 장치 및 측정대상물 개념도이고,
도 6은 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 이미지 획득단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 표면위치 결정단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 8는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 프로파일 생성단계를 통해 생성된 측정대상물의 입체이미지를 보이는 도면이고,
도 9는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 측정오차 보정단계를 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 레벨링 보정단계를 설명하기 위한 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 구조조영 형성단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법을 설명하기 위한 측정 장치 및 측정대상물 개념도이고, 도 6은 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 이미지 획득단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 표면위치 결정단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 8는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 프로파일 생성단계를 통해 생성된 측정대상물의 입체이미지를 보이는 도면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프로파일 측정 방법은, 구조조영 형성단계(S110), 이미지 획득단계(S120), 하이로우 이미지 생성단계(S130), 표면위치 결정단계(S140), 프로파일 생성단계(S150), 측정오차 보정단계(S160) 및 레벨링 보정단계(S170)를 포함한다.
상기 구조조영 형성단계(S110)는 광을 그레이팅 필터와 대물렌즈를 통과시켜 광의 세기값이 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 형성한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 광이 통과되는 그레이팅 필터의 패턴 피치와 대물렌즈의 설계 스펙에 따라 측정대상물에 투영되는 구조조영의 파형이 변경될 수 있다. 예를 들어, 그레이팅 필터의 패턴 피치가 상대적으로 큰 경우, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 불완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(31)을 형성하고, 그레이팅 필터의 패턴 피치를 보다 작게 하면, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 불완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(31)을 이용하여 측정대상물의 구조조영 이미지(32)를 획득할 경우, 구조조영 이미지(32)의 어두운 영역(32a)에서는 광의 세기값이 0이기 때문에, 구조조영 이미지(32)의 어두운 영역(32a)에서의 이미지 정보를 전혀 확보할 수 없다.
구조조영을 이용하여 획득한 구조조영 이미지와 일반광을 이용하여 획득한 균일조영 이미지를 기반으로 하여 하이로우(HiLo) 이미지를 생성하는 과정에서, 상술한 바와 같이 어두운 영역(32a)에서의 이미지 정보가 전혀 없는 구조조영 이미지(32)를 이용할 경우 로우(Lo) 이미지에서 초점이 맞지 않는 부분의 이미지 정보가 제대로 제거되지 않아 최종적인 하이로우 이미지에 많은 노이즈가 존재하고 3차원 해상도가 떨어지는 문제점이 있다.
그러나, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 이용하여 측정대상물의 구조조영 이미지(42)를 획득할 경우, 구조조영 이미지(42)의 어두운 영역(42a)에서 작지만 0이 아닌 광의 세기값을 가지기 때문에, 구조조영 이미지(42)의 어두운 영역(42a)에서도 이미지 정보를 확보할 수 있다. 도 3의 구조조영 이미지(42)의 어두운 영역(42a)은, 시각적으로는 검게 보이지만, 0이 아닌 세기값을 가지는 구조조영(41)이 투영되기 때문에 이미지 정보를 보유하고 있다.
따라서, 어두운 영역(42a)에서도 이미지 정보가 존재하는 구조조영 이미지(42)를 이용함으로써, 로우(Lo) 이미지를 생성하는 과정에서 초점이 맞지 않는 부분의 이미지 정보를 효율적으로 제거할 수 있고, 이를 통해 최종적인 하이로우 이미지에서 노이즈를 최소화하고 3차원 해상도를 높일 수 있다.
하이로우 이미지를 획득할 수 있는 하이로우(HiLo) 영상기법은 해당 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 알려진 기술적 사항이므로, 자세한 설명은 생략한다.
한편, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 그레이팅 필터의 패턴 피치에 따라 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지지만 콘트라스트(contrast)가 너무 낮은 구조조영(51)을 형성할 수 있다. 도 3의 (a)의 구조조영(41)의 콘트라스트는 거의 1.0에 가깝지만, 도 4의 (a)의 구조조영(51)의 콘트라스트는 거의 0.05에 가까운 값을 나타낸다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 콘트라스트가 너무 낮은 구조조영(51)을 형성할 경우 구조조영 패턴이 흐릿한 구조조영 이미지(52)를 획득할 수밖에 없게 되어 하이로우 영상기법을 활용하는 것 자체가 불가능하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 형성하는 것도 중요하지만, 사인 파형을 가지는 구조조영(41)의 콘트라스트도 일정 수치 이상인 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 사인 파형을 가지는 구조조영(41)의 콘트라스트가 0.6 이상인 것이 바람직하다. 콘트라스트가 0.6 미만일 경우 상술한 바와 같이 구조조영 이미지에 구조조영 패턴이 제대로 형성되지 않아 정상적인 구조조영 이미지를 획득할 수 없게 된다.
본 실시예의 구조조영 형성단계(S110)는, 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 형성하기 위하여 그레이팅 필터의 패턴 피치를 조정할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 불완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(31)이 형성될 경우, 그레이팅 필터의 패턴 피치를 보다 작게 하여 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 완전한 사인 파형의 구조조영(41)을 형성할 수 있다.
또한 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 형성하기 위하여 대물렌즈의 배율 및 개구수를 조정할 수 있다. 대물렌즈의 배율 및 개구수가 크게 또는 작게 형성됨으로써, 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(41)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 광의 세기값이 불완전한 사인 파형을 가지는 구조조영(31)이 형성될 경우, 그레이팅 필터의 패턴 피치를 조정하지 않고 대물렌즈의 배율을 보다 크게 형성하거나 개구수를 보다 작게 형성함으로써, 도 2의 (a)에 도시된 구조조영(31)을 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영으로 변경할 수도 있다.
상기 이미지 획득단계(S120)는 측정대상물(1)의 높이방향(Z)을 따라 정해진 간격에 맞추어 구조조영(31)이 투영된 측정대상물(1)을 촬상한 구조조영 이미지와 구조조영이 아닌 일반광이 조사된 측정대상물(1)을 촬상한 균일조영 이미지를 각각 획득한다.
도 5를 참조하면, 측정대상물(1)을 향해 광을 조사하고 측정대상물(1)의 이미지를 획득하는 측정 장치(2)로는 이미 알려진 HiLo 현미경, 전반사 현미경(Total Internal Reflection Microscopy), 공초점 현미경(Video-rate Confocal Microscopy), 선택적 평면조사 현미경(Selective Plane Illumination Microscopy) 등이 적용될 수 있으며, 이 중에서는 HiLo 현미경을 권장한다.
예를 들어, HiLo 현미경은 기본적으로 그레이팅 필터가 적용된 복수의 대면적 이미지를 신호 처리하여 3D 분해능을 가진 이미지를 획득하는 대면적 이미지를 기반으로 하는 기술로, 기존 공초점 현미경의 레이저 주사방식에 비해 처리 속도가 매우 빠르면서도 기존의 공초점 현미경의 해상도와 비교할 만한 수준을 유지하고 있다는 장점을 가진다.
또한 HiLo 현미경은 그레이팅 필터 교체로 인해 복수의 이미지를 고속으로 획득하기 어렵다는 단점을 가지고 있으나, 형광이 아닌 반사광을 이용하여 측정대상물(1) 표면의 프로파일을 측정할 경우에는 이미지 획득 속도를 크게 단축시킬 수 있다.
또한 HiLo 현미경은 형광영상 획득이 아닌 3차원 프로파일 측정 시 측정대상물(1)에 대해 복수 파장대의 입사광을 동시에 조사하더라도, 입사광과 동일한 파장대의 반사광을 간섭이나 변형 없이 분리 검출하기 위하여, 적어도 2개 파장의 입사광을 동시에 조사하고, 그 중 선택된 1개 파장의 입사광 경로에 미리 선택된 그레이팅 필터를 배치함으로서, 그레이팅 필터를 통과한 이미지와 그레이팅 필터를 통과하지 않은 이미지를 밴드패스필터(Band-Pass-Filter)가 설치된 카메라를 활용해 동시에 획득할 수 있다. 이처럼 HiLo 현미경의 그레이팅 필터의 물리적 이동을 제거할 경우 이미지 획득 시간을 대폭 단축시킬 수 있고, 나아가 실시간 이미지 획득이 가능할 수 있다.
본 실시예에서는 상술한 바와 같은 HiLo 현미경을 이용하여, 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영이 투영된 측정대상물을 촬상한 구조조영 이미지와, 그레이팅 필터를 통과하지 않아 구조조영이 아닌 일반광이 조사된 측정대상물을 촬상한 균일조영 이미지를 획득한다.
이후, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 스테이지(1)에 안착된 측정대상물(1)에 대해 높이방향(Z)으로 정해진 간격(d)에 맞추어 광의 초점면을 이동시킬 수 있다. 즉, 정해진 간격(d)을 유지하며, Z1, Z2, … Z10, … Z20, … Z30, … Z40 으로 광의 초점면을 이동시키고, 각각의 단면높이에서 반사된 반사광으로부터 복수의 구조조영 이미지와 균일조영 이미지를 각각 획득할 수 있다.
측정대상물(1)을 향해 광을 조사하는 측정 장치(2)는 측정대상물(1)의 높이방향인 Z축 방향과 나란하게 광축이 배치될 수 있고, 이러한 측정 장치(2)의 광학계를 이용하여 광축방향으로 초점면을 이동시킬 수 있다.
즉, 측정대상물(1)에 대한 복수의 구조조영 이미지와 균일조영 이미지를 획득하기 위하여, 측정대상물(1)의 표면과 무관하게 스테이지(s)의 바닥면으로부터 높이방향으로 초점면을 이동시킬 수 있다.
예를 들어, 대물렌즈를 광축방향으로 이동시킴으로써 초점면을 이동시킬 수 있으며, 대물렌즈의 광축방향으로 이동을 위해서는 피에조 포지셔너(Piezo Positioner), 리니어 스테이지(Linear Stage) 등의 액추에이터가 적용될 수 있으며, 일예로, 0~190 ㎛ 범위 내에서 위치 오차율 0.01 ㎛ 이내로 미세 이동이 가능하도록 설정할 수 있고, 이러한 초점면의 이동범위와 이동간격에 대해 특별히 제한하지는 않는다.
정해진 간격(d)은 높이방향으로 이웃하는 이미지의 사이 간격(d)에 해당하는 것으로, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 일수 있으며, 이는 측정대상물(1)의 높이 프로파일을 고려하여 달리 설정될 수 있다.
간격(d)을 상대적으로 크게 할 경우에는, 획득되는 이미지의 개수가 상대적으로 적어지기 때문에, 후술되는 후처리 과정에서 디지털 프로세싱을 빠른 시간에 수행할 수 있음으로써, 측정대상물(1)의 전체 검수가 가능하거나 검수 시간을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.
간격(d)을 상대적으로 작게 할 경우에는, 획득되는 이미지의 개수가 상대적으로 많아지기 때문에, 후술되는 후처리 과정에서 디지털 프로세싱에 상대적으로 많이 시간이 소요되는 문제는 있으나, 측정 정밀도를 높일 수 있게 된다.
상기 하이로우 이미지 생성단계(S130)는 각각의 높이에서 구조조영 이미지와 균일조영 이미지를 이용하여 이미지를 생성한다.
하이로우 영상기법을 이용하기 위해서는 각각의 높이에서 획득한 구조조영 이미지와 균일조영 이미지를 신호 처리함으로써, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 각각의 높이에서 n1, n2, … n10, … n20, … n30, … n40에 해당하는 복수의 하이로우 이미지(10)를 획득할 수 있다.
상기 표면위치 결정단계(S140)는 복수의 하이로우 이미지(10)에 대해 높이방향(Z)을 따라 평면(X,Y)상 동일 지점(x1,y1)에 위치하는 픽셀(11)이 가지는 높이별 세기값(Intensity)을 각각 추출하여, 가장 큰 세기값을 가지는 높이를 측정대상물의 표면위치로 결정한다.
초점이 형성되는 높이의 픽셀(11a)은 밝고 선명한 상태를 유지하여 상대적으로 큰 광원의 세기값을 가지고, 반대로 초점이 일치되지 않은 높이의 픽셀(11)은 어둡고 흐린 상태를 유지하여 상대적으로 작은 광원의 세기값을 가지게 된다.
이처럼 복수의 하이로우 이미지(10)에 대해 높이방향을 따라 평면(Z,Y)상 동일 지점(x1,y1)에 위치하는 픽셀(11)들 중, 초점이 일치하지 않아 상대적으로 흐린 픽셀(11)을 제거하고, 초점이 형성되어 상대적으로 선명한 제1픽셀(11a)을 추출함으로써, 실제 초점면에서 선명한 이미지를 획득할 수 있다.
상기와 같이 픽셀(11)마다의 세기값을 추출하는 방식은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor), CCD(Charged Coupled Device), PD(Photo Detector), APD(Avalanche Photo Diode), PMT(Photo Multiplier Tube) 등의 공지된 이미지센서가 적용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 높이방향(Z)을 따라 평면(X,Y)상 동일 지점(x1,y1)에 위치하는 픽셀(11)이 가지는 각각의 광의 세기값을 추출하고, 추출된 복수의 픽셀(11) 중 가장 큰 세기값에 해당하는 제1픽셀(11a)의 높이(5.4㎛)를 측정대상물(1)의 표면위치로 결정할 수도 있다.
그러나, 본 실시예에서는 커브피팅(CF)을 수행하는 것이 바람직하다. 높이방향(Z)을 따라 평면(X,Y)상 동일 지점(x1,y1)에 위치하는 픽셀(11)이 가지는 높이별 세기값을 추출하고, 이후 높이별 세기값에 대하여 커브피팅(CF)을 수행하며, 이렇게 커브피팅(CF)된 높이별 세기값 곡선에서 가장 큰 세기값(P)을 가지는 지점에 대응되는 높이(5.45㎛)를 측정대상물(1)의 표면위치로 결정하는 것이 바람직하다.
커브피팅(CF)을 수행하지 않을 경우, 만약 이웃하는 이미지(10)들의 사이에 측정대상물(1)의 실제 표면위치가 위치하는 경우에는 세기값이 가장 큰 제1픽셀(11a)의 높이가 실제 측정대상물(1)의 표면위치와 상이하여 오차가 발생할 수 있다.
반면 본 발명에서는 이웃하는 픽셀(11)의 세기값들을 커브피팅(CF)함으로써 이미지(10)들의 간격(d) 구간에 측정대상물(1)의 실제 표면위치가 위치하더라도, 커브피팅(CF)을 통해 세기값을 연속된 곡선 라인으로 피팅해 줌으로써, 보다 정확한 높이를 획득할 수 있다.
물론 이미지(10)의 간격(d)을 상대적으로 조밀하게 하여 많은 수의 이미지(10)를 획득하고, 이를 기초로 세기값이 가장 큰 제1픽셀(11a) 높이와 실제 측정대상물(1)의 표면위치의 오차를 줄일 수 있으나, 이 경우에는 많은 수의 하이로우 이미지(10)를 데이터 처리하는데 상당한 시간이 소요되는 문제가 발생된다.
결국 본 발명에 따른 커브피팅(CF)을 통하여 측정대상물(1)의 표면위치를 획득하는 경우에는 많은 수의 하이로우 이미지(10)를 확보하지 않더라도 보다 정밀하고 해상도가 높은 3D 프로파일을 빠르게 획득할 수 있다.
상기와 같이 측정대상물(1)의 표면위치 오차를 줄이기 위해 수행되는 커브피팅(CF) 방식으로는, 선형 및 비선형 회귀법(Linear and Nonlinear Regression), 선형 및 비선형 보간법(Linear and Nonlinear Interpolation), 스무딩(Smoothing) 등의 공지된 방법이 적용될 수 있다.
본 실시예의 표면위치 결정단계(S140)는 높이별 세기값이 추출된 높이들 중 가장 큰 세기값(11a)을 가지는 높이를 최대 세기값 높이로 선정하고, 최대 세기값 높이에서의 세기값(11a)과 최대 세기값 높이의 상하에 인접하고 미리 정해진 수량의 복수의 높이에서의 세기값(11b)을 가지고 커브피팅(CF)을 수행할 수 있다.
즉, 무수히 많은 수량의 하이로우 이미지(10)가 획득되고, 그와 비례하여 무수히 많은 수량의 픽셀(11)이 가지는 높이별 세기값 전체 영역에 대해 커브피팅(CF)을 수행하는 경우, 디지털 처리 속도가 느려 많은 시간이 소요될 수 있다.
결국 측정대상물(1)의 표면위치에 근접한 지점에서 초점면이 형성되는 점을 감안하여, 가장 큰 세기값을 가지게 되는 제1픽셀(11a)의 주변부에 해당하는 미리 설정된 영역(A)에 한하여 커브피팅(CF)을 부분적으로 수행함으로써, 디지털 처리 속도를 더욱 빠르게 할 수 있다.
일예로, 제1픽셀(11a)의 세기값을 중심으로 높이방향으로 상측과 하측에 위치하는 5 내지 10개의 높이별 세기값에 대하여 커브피팅(CF)을 수행할 수 있다.
상기 프로파일 생성단계(S150)는 획득된 표면위치를 이용하여 측정대상물의 3D 프로파일을 생성한다.
도 8을 참조하면, 표면위치 결정단계(S140)를 통해 획득된 표면위치 정보를 이용하여 최종적으로 측정대상물(1)의 입체이미지(20)를 생성하는 단계이다.
한편 광학계를 포함하는 측정 장치는 정밀한 정렬이 요구되는 조건에서 동일한 제품의 카메라나 이미지센서를 사용하더라도 상호 미세한 동작특성의 차이가 발생될 수 있으며, 이에 대한 고려가 필요하다.
이를 위해 본 발명은 전술한 구조조영 형성단계(S110), 이미지 획득단계(S120), 하이로우 이미지 생성단계(S130), 표면위치 결정단계(S140) 및 프로파일 생성단계(S150)를 거쳐 생성된 측정대상물(1)의 입체이미지(20)에 대한 측정오차를 보정해 주는 측정오차 보정단계(S160:도 1 참조)를 포함할 수 있다.
도 9는 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 측정오차 보정단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 측정오차 보정단계(S160)는, 먼저 3D 프로파일(S1P)이 미리 알려진 표준측정대상물(S1)에 대해 구조조영 형성단계(S110), 이미지 획득단계(S120), 하이로우 이미지 생성단계(S130), 표면위치 결정단계(S140) 및 프로파일 생성단계(S150)를 거치며 3D 프로파일(S1P")을 재생성하는 단계와, 재생성된 3D 프로파일(S1P")과 미리 알려진 3D 프로파일(S1P) 간에 오차값이 발생하는 경우 측정 장치의 동작특성으로 인한 오차임을 판단하고, 측정대상물(1)의 3D 프로파일(1P")에 대해 오차 값을 적용하여 보정하는 단계로 이루어질 수 있다.
다시 말해, 만약 3D 프로파일(S1P)이 미리 알려진 표준측정대상물(S1)에 대해 전술한 구조조영 형성단계(S110), 이미지 획득단계(S120), 하이로우 이미지 생성단계(S130), 표면위치 결정단계(S140) 및 프로파일 생성단계(S150)를 거쳐 재생성된 3D 프로파일(S1P")과 이미 알고 있는 3D 프로파일(S1P)을 비교하여 측정오차가 발생하는 경우, 이때 발생된 측정오차는 광학계를 포함한 측정 장치의 동작특성으로 인한 오차로 판단한다.
이와 같이 표준측정대상물(S1)의 이미 알고 있는 3D 프로파일(S1P)과 새롭게 재생성된 3D 프로파일(S1P") 간에 오차가 발생하는 경우, 측정대상물(1)의 측정된 프로파일(1P")에 대해 오차 값을 보정함으로써, 측정대상물(1)의 정확한 프로파일(1P)을 획득할 수 있다.
전술한 측정 장치의 동작특성에 의한 오차뿐만 아니라, 마이크로미터 수준의 측정대상물(1)을 측정할 경우, 스테이지(s)에 대한 측정대상물(1)의 안착상태에 따라 3D 프로파일의 큰 차이를 발생시킬 수 있으며, 이에 대한 고려도 필요하다.
예를 들어 스테이지 등 측정 장치와 접촉하는 측정대상물(1)의 접착면에 미세한 이물질이 존재하라도 측정대상물(1)의 기울기 프로파일이 크게 변화될 수 있다.
도 10은 도 1의 3차원 프로파일 측정 방법의 레벨링 보정단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 레벨링 보정단계(S170)는, 측정오차 보정단계(S160)를 통해 재생성된 3D 프로파일과 미리 알려진 3D 프로파일 간에 오차가 발생하지 않음에도 불구하고, 측정대상물(1)의 3D 프로파일(1P")이 수평기준면(Z0)으로부터 일정 경사각(θ)을 유지하는 경우, 측정대상물(1)의 측정위치가 불량임을 판단하고, 경사각(θ)을 제로화시키는 단계이다.
결국 본 발명은 측정오차 보정단계(S160) 및 레벨링 보정단계(S170)를 추가적으로 거치면서 측정 장치의 동작특성이나 측정 중인 측정대상물(1)의 위치불량 등 외부 결함요인을 제거함으로써, 측정대상물(1)의 3D 프로파일을 보다 정확하게 획득할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법은 상대적으로 많은 수의 이미지를 확보하지 않더라도 기존 광학 현미경에 비하여 보다 정밀하고 해상도가 높은 3D 프로파일을 고속으로 측정할 수 있고, 이로 인하여 대량, 대면적으로 제조되는 측정대상물(1)의 전체 검수를 가능하게 하는 동시에 검수 시간도 크게 줄일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법은 기존 광학 현미경에 비하여 보다 정밀한 3D 프로파일을 측정할 수 있고, 고정밀 장치로 알려진 공초점 현미경(LSCM)에 견주어 보더라도 요구되는 정밀도 및 해상도를 만족시킬 수 있다.
또한 통상 공초점 현미경(LSCM)의 경우 탑재된 레이저의 성능에 따라 달라지나 1억 이상 비용이 수반되는 것인데 반해, 기존 광학현미경과 이미지센서가 적용되는 HiLo 현미경의 경우에는 1천~ 2천만 수준의 상대적으로 저렴한 비용으로도 구현 가능할 수 있어, 만약 본 발명에 따른 3차원 프로파일 측정 방법을 이와 같이 상대적으로 저렴한 광학계에 적용할 경우에는 가격경쟁력도 높일 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
1: 측정대상물
10: 하이로우 이미지
11: 픽셀
11a: 제1픽셀

Claims (8)

  1. 광을 그레이팅 필터와 대물렌즈를 통과시켜 광의 세기값이 0을 포함하지 않고 광의 세기값이 완전한 사인 파형을 가지는 구조조영을 형성하는 구조조영 형성단계;
    측정대상물의 높이방향을 따라 정해진 간격에 맞추어 상기 구조조영이 투영된 측정대상물을 촬상한 구조조영 이미지와 상기 구조조영이 아닌 일반광이 조사된 측정대상물을 촬상한 균일조영 이미지를 각각 획득하는 이미지 획득단계;
    각각의 높이에서 상기 구조조영 이미지와 상기 균일조영 이미지를 이용하여 하이로우(HiLo) 이미지를 생성하는 하이로우 이미지 생성단계;
    상기 복수의 하이로우 이미지에 대해 높이방향을 따라 평면상 동일 지점에 위치하는 픽셀이 가지는 높이별 세기값(Intensity)을 각각 추출하여, 가장 큰 세기값을 가지는 높이를 측정대상물의 표면위치로 결정하는 표면위치 결정단계; 및
    획득된 표면위치를 이용하여 측정대상물의 3D 프로파일을 생성하는 프로파일 생성단계;를 포함하고,
    상기 표면위치 결정단계는,
    추출된 높이별 세기값에 대해 커브피팅(Curve Fitting)을 수행하고, 커브피팅된 곡선상에서 가장 큰 세기값을 가지는 지점에 대응되는 높이를 상기 측정대상물의 표면위치로 결정하되,
    상기 높이별 세기값이 추출된 높이들 중 가장 큰 세기값을 가지는 높이를 최대 세기값 높이로 선정하고, 상기 최대 세기값 높이에서의 세기값과 상기 최대 세기값 높이의 상하에 인접하고 미리 정해진 수량의 복수의 높이에서의 세기값을 가지고 상기 커브피팅이 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조조영 형성단계는,
    상기 사인 파형을 가지는 구조조영을 형성하기 위하여 상기 그레이팅 필터의 패턴 피치를 조정하는 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조조영 형성단계는,
    상기 사인 파형을 가지는 구조조영을 형성하기 위하여 상기 대물렌즈의 배율 또는 개구수를 조정하는 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사인 파형을 가지는 구조조영의 콘트라스트는 0.6 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    3D 프로파일이 미리 알려진 표준측정대상물에 대해 상기 구조조영 형성단계, 상기 이미지 획득단계, 상기 하이로우 이미지 생성단계, 상기 표면위치 결정단계 및 상기 프로파일 생성단계를 거치며 3D 프로파일을 재생성하고,
    재생성된 3D 프로파일과 미리 알려진 3D 프로파일 간에 오차가 발생하는 경우, 측정 장치의 동작특성으로 인한 오차임을 판단하고, 측정대상물의 3D 프로파일에 대해 상기 오차를 보정해 주는 측정오차 보정단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    측정대상물의 3D 프로파일이 수평기준면으로부터 일정 경사각을 유지하는 경우, 측정대상물의 측정위치가 불량임을 판단하고, 상기 경사각을 제로화시키는 레벨링 보정단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프로파일 측정 방법.
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