KR102063568B1 - 부분 영역 형상 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 생성하는 부분 영역 형상 측정 장치는, 광원으로부터 출력되는 광을 상기 부분 영역 형상 측정 장치의 내부로 입사시키는 입사부; 상기 입사되는 광을 참조광 및 측정광으로 분리하는 광분리부; 기정의된 표면 형상 정보에 따라 반사면이 형성되고, 상기 광분리부로부터 입사되는 참조광을 상기 광분리부를 향하여 반사시키는 참조 미러; 상기 참조 미러로부터 반사되는 참조광 및 상기 피검체의 부분 영역 표면으로부터 반사되는 기준광에 의하여 발생되는 간섭광을 수신하는 광수신부; 및 상기 광수신부에 의해 수신되는 간섭광을 기초로 상기 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 생성하는 처리부;를 포함한다.

Description

부분 영역 형상 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING SUB-APERTURE SURFACE PROFILE}
본 발명은 대면적 피검체의 형상 측정 기술에 관한 것으로, 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 측정하고 측정된 부분 영역들에 대한 형상 정보를 스티칭하여 대면적 피검체에 대한 전체 형상 정보를 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.
광학 부품의 생산 공정에 있어서, 품질 평가를 위하여 정교한 3차원 형상 측정 공정은 필수적이며, 이러한 요구에 따라 다양한 3차원 형상 측정 기술이 활용되고 있다. 이들 중 간섭계를 이용한 형상 측정 기술은 측정 정밀도 측면에서 우수한 성능을 보이나, 측정 면적이 제한됨에 따라 대면적의 대상물을 측정하는데 한계가 있다.
이러한 기술의 한계를 극복하기 위하여 제안된 3차원 형상 측정 방법으로서, 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 측정하고 측정된 부분 영역들에 대한 형상 정보를 스티칭하여 대면적 피검체에 대한 전체 형상 정보를 측정할 수 있는 기술(부분 구경 스티칭 기술)이 제안된 바 있다. 도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 대면적의 피검체에 대한 전체 형상 정보를 측정하기 위하여, 기정의된 부분 영역 각각에 대한 3차원 형상 정보를 취득(A)하고, 이후 부분 영역들에 대한 3차원 형상 정보를 스티칭 알고리즘을 이용하여 이어붙임으로써, 피검체의 전체 영역에 대한 3차원 형상 정보를 획득(B)할 수 있다.
다만, 자유형상 광학 부품과 같이 다양한 곡률을 가지는 피검체에 대하여 이러한 종래 기술을 활용하는 경우, 부분 영역에 대한 형상 측정시 해당 영역의 곡률에 따라 국부적인 왜곡(distortion)이 발생하게 되며, 이에 부분 영역에 대한 형상 정보를 스티칭하여 획득되는 전체 형상 정보의 정밀도는 그 신뢰성을 보장하기 어렵다. 특히, 지구 관측 위성에 탑재될 수 있는 결상 광학계 등, 매우 높은 가공 정밀도를 요구하는 대구경 광학계에 대한 품질 평가를 위하여는 높은 측정 정밀도가 요구되며, 이에 이러한 종래 기술을 활용하는데 기술적 한계가 있었다.
일본등록특허 제5,424,581호
본 발명은 자유형상 광학 부품 등 다양한 곡률을 가지는 대면적 피검체에 대하여도 높은 측정 정밀도로 부분 영역에 대한 형상 정보를 획득할 수 있는 부분 영역 형상 측정 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 생성하는 부분 영역 형상 측정 장치는, 광원으로부터 출력되는 광을 상기 부분 영역 형상 측정 장치의 내부로 입사시키는 입사부; 상기 입사되는 광을 참조광 및 측정광으로 분리하는 광분리부; 기정의된 표면 형상 정보에 따라 반사면이 형성되고, 상기 광분리부로부터 입사되는 참조광을 상기 광분리부를 향하여 반사시키는 참조 미러; 상기 참조 미러로부터 반사되는 참조광 및 상기 피검체의 부분 영역 표면으로부터 반사되는 기준광에 의하여 발생되는 간섭광을 수신하는 광수신부; 및 상기 광수신부에 의해 수신되는 간섭광을 기초로 상기 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 생성하는 처리부;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 참조 미러는 상기 피검체의 부분 영역에 대한 기초 표면 형상 정보 및 참조 미러의 표면 형상 정보와의 유사도를 기초로 선택되어 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입사부는 상기 부분 영역 형상 측정 장치의 내부로 입사되는 광의 초점을 가변시키는 초점 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초점 제어부는 상기 피검체의 기초 표면 형상 정보 및 상기 참조 미러의 표면 형상 정보 중 적어도 하나를 기초로 상기 입사되는 광의 초점을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초점 제어부는 상기 참조 미러로부터 반사되는 참조광 및 상기 피검체의 부분 영역 표면으로부터 반사되는 기준광이 상기 광수신부를 향하여 평행광으로 출력되도록 상기 입사되는 광의 초점을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 부분 영역 형상 측정 장치는 상기 간섭광의 광경로 상에 구성되어 동일한 FOV(field-of-view)를 가지는 형상 정보를 획득하도록 하는 텔레센트릭 광학부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자유형상 광학 부품 등 다양한 곡률을 가지는 대면적 피검체에 대하여도 높은 측정 정밀도로 부분 영역에 대한 형상 정보를 획득할 수 있다.
도 1은 부분 구경 스티칭 기술을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2 및 3은 본 발명에 따른 부분 영역 형상 측정 장치를 설명하기 위한 참조도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 영역 형상 측정 장치를 설명하기 위한 참조도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 2 내지 5를 참조하여 본 발명에 따른 부분 영역 형상 측정 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 3은 본 발명에 따른 부분 영역 형상 측정 장치를 설명하기 위한 참조도이다.
도 2를 참조하면, 부분 영역 형상 측정 장치(20)는 광학 측정 방식으로 피검체(10)의 표면을 측정하여 형상 정보를 생성한다. 여기에서, 형상 정보는 피검체(10)의 표면에 대한 3차원 형상 정보를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 피검체(10)는 부분 영역 형상 측정 장치(20)의 측정 대상물로, 대면적 광학 부품(예 : 직경 1000mm급 렌즈)에 해당할 수 있으나, 크기, 종류 또는 형상 등에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 부분 영역 형상 측정 장치(20)는 피검체(10)의 부분 영역에 대한 형상 정보를 측정하고, 측정된 부분 영역들에 대한 형상 정보를 스티칭하여 피검체(10)에 대한 전체 형상 정보를 측정할 수 있다. 여기에서, 부분 영역 형상 측정 장치(20)는 기정의된 순서에 따라 복수의 부분 영역들의 표면을 순차적으로 측정하도록 동작할 수 있으며, 이러한 동작을 위한 기계적 장치(예 : 프로브 이송 장치 및 스테이지)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 부분 영역 형상 측정 장치(20)는 입사부(210), 광분리부(220), 참조 미러(230), 광수신부(240) 및 처리부(250)를 포함한다.
입사부(210)는 광원(미도시)으로부터 출력되는 광을 부분 영역 형상 측정 장치(10)의 내부로 입사시킨다.
광분리부(220)는 입사부(210)에 의하여 입사되는 광을 참조광 및 측정광으로 분리한다. 여기에서, 광분리부(220)는 참조광은 참조 미러(230)를 향하여 출사되며, 측정광은 피검체(10)를 향하여 출사되도록 입사되는 광을 분리할 수 있다.
참조 미러(230)는 기정의된 표면 형상 정보에 따라 반사면이 형성되는 광학 부재로, 광 분리부(220)로부터 입사되는 참조광을 광 분리부(220)를 향하여 반사시키도록 구성된다.
일 실시예에서, 참조 미러(230)는 피검체(10)의 부분 영역에 대한 기초 표면 형상 정보 및 참조 미러(230)의 표면 형상 정보와의 유사도를 기초로 선택되어 구성될 수 있다. 여기에서, 부분 영역에 대한 기초 표면 형상 정보는 기저장된 피검체(10)의 부분 영역에 대한 곡률 정보 또는 3차원 형상 정보(예 : 사전 설계 공정에서 생성된 피검체 각 부분 영역에 대한 표면 형상 정보)에 해당할 수 있다. 즉, 참조 미러(230)는 측정 대상이 되는 부분 영역과 유사한 곡률 또는 형상 정보를 가지는 광학 부재가 선택되어 구성될 수 있다.
광수신부(240)는 참조 미러(230)로부터 반사되는 참조광 및 피검체(10)의 부분 영역 표면으로부터 반사되는 기준광에 의하여 발생되는 간섭광을 수신한다.
처리부(250)는 광수신부(240)와 연결되어, 광수신부(240)로부터 간섭광에 대응되는 전기적 신호 또는 데이터를 제공받고, 제공받은 전기적 신호 또는 데이터를 기초로 피검체(10)의 부분 영역에 대한 형상 정보를 생성한다. 한편, 본 발명에 따른 처리부(250)는 기정의된 데이터 처리 프로세스에 따라 피검체(10)의 표면 형상 정보를 생성하는 컴퓨팅 장치로서, 그 종류 및 동작에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다. 본 발명에서 기술하는 처리부(250)는 피검체(10)의 표면 형상 정보를 생성하기 위한 목적에 따라, 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구성될 수 있으며, 이러한 목적에 따라 구성되는 장치라면 본 발명에서 기술하는 처리부(250)에 해당하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 영역 형상 측정 장치를 설명하기 위한 참조도이다.
도 4를 참조하면, 부분 영역 형상 측정 장치(20)는 간섭광의 광경로 상에 구성되는 텔레센트릭 광학부(260)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 텔레센트릭 광학부(260)는 간섭광의 광경로 상에 구성되어 동일한 FOV(field-of-view)를 가지는 형상 정보를 획득할 수 있도록 한다. 보다 구체적으로, 피검체(10)가 다양한 곡률을 가지는 대면적의 자유형상 광학 부품에 해당하는 경우, 부분 영역 형상 측정 장치(20)가 텔레센트릭 광학부(260)를 포함하여 구성됨에 따라, 각각 상이한 곡률을 가지는 부분 영역들을 계측하더라도 각각 동일한 면적을 가지며 왜곡없는 부분 영역 형상 정보를 획득할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 입사부(210)는 부분 영역 형상 측정 장치(20)의 내부로 입사되는 광의 초점을 가변시키는 초점 제어부(211)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 입사부(210)는 광원으로부터 출력되는 광의 초점을 결정하는 입사 광학계(212)를 포함하여 구성될 수 있으며, 초점 제어부(211)는 입사 광학계(212)의 위치를 제어하여 부분 영역 형상 측정 장치(20)의 내부로 입사되는 광의 초점을 가변시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 초점 제어부(211)는 제어 신호를 처리 및 출력하며 제어 신호에 따라 입사 광학계(212)의 위치를 제어할 수 있는 제어 장치로, 이러한 동작을 수행할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 초점 제어부(211)는 참조 미러(230)로부터 반사되는 참조광 및 피검체(10)의 부분 영역 표면으로부터 반사되는 기준광이 광수신부(240)(또는 텔레센트릭 광학계(260))를 향하여 평행광으로 출력되도록, 입사되는 광의 초점을 제어할 수 있다.
여기에서, 초점 제어부(211)는 피검체(10)의 기초 표면 형상 정보 및 참조 미러(230)의 표면 형상 정보 중 적어도 하나를 기초로 입사되는 광의 초점을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 피검체(10)가 평면의 형상인 경우, 참조 미러(230) 역시 평면의 광학 부재로 선택되어 구성될 수 있으며, 이 때 광수신부(240)를 향하여 입사되는 참조광 및 기준광은 평행광으로 출력된다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 피검체(10)가 자유형상 광학계에 해당(여기에서, 참조 미러(230)는 측정되는 부분 영역과 유사한 형상 정보를 가지는 광학 부재로 선택되어 구성될 수 있음)하는 경우, 부분 영역 형상 측정 장치(20)가 이동하며 복수의 부분 영역을 계측하는 과정에서, 피검체(10)의 부분 영역마다 곡률이 상이해짐에 따라 광수신부(240)를 향하여 입사되는 참조광 및 기준광은 평행광으로 출력될 수 없다. 이 때, 초점 제어부(211)는 해당 부분 영역의 기초 표면 형상 정보(또는 참조 미러(230)의 표면 형상 정보를 기초로, 참조광 및 기준광이 광수신부(240)를 향하여 평행광으로 입사되도록 출력광의 초점을 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 피검체(10)가 다양한 곡률을 가지는 대면적의 자유형상 광학 부품에 해당하는 경우에도, 측정되는 부분 영역 각각의 형상 정보(또는 참조 미러의 형상 정보)에 대응하여 입사광의 초점을 제어함으로써, 간섭광이 광수신부(240)를 향하여 평행광으로 입사될 수 있도록 하며, 간섭광의 광경로 상에 텔레센트릭 광학부(260)가 구성됨에 따라 각각 동일한 면적을 가지며 왜곡없는 부분 영역 형상 정보를 획득할 수 있다. 이에, 본 발명은 자유형상 광학 부품 등 다양한 곡률을 가지는 대면적 피검체에 대하여도, 동일한 배율을 가지며 높은 측정 정밀도의 부분 영역 형상 정보를 획득할 수 있으며, 본 발명에 따라 획득된 부분 영역 형상 정보를 스티칭하여 획득되는 전체 형상 정보의 정밀도는 종래 기술과 비교하여 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 피검체
20 : 부분 영역 형상 측정 장치
210 : 입사부
211 : 초점 제어부
212 : 입사 광학계
220 : 광 분리부
230 : 참조 미러
240 : 광수신부
250: 처리부
260 : 텔레센트릭 광학부

Claims (6)

  1. 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 생성하는 부분 영역 형상 측정 장치에 있어서, 광원으로부터 출력되는 광을 상기 부분 영역 형상 측정 장치의 내부로 입사시키는 입사부;
    상기 입사되는 광을 참조광 및 측정광으로 분리하는 광분리부;
    기정의된 표면 형상 정보에 따라 반사면이 형성되고, 상기 광분리부로부터 입사되는 참조광을 상기 광분리부를 향하여 반사시키는 참조 미러;
    상기 참조 미러로부터 반사되는 참조광 및 상기 피검체의 부분 영역 표면으로부터 반사되는 기준광에 의하여 발생되는 간섭광을 수신하는 광수신부; 및
    상기 광수신부에 의해 수신되는 간섭광을 기초로 상기 피검체의 부분 영역에 대한 형상 정보를 생성하는 처리부;를 포함하고,
    상기 참조 미러는
    상기 피검체의 부분 영역에 대한 기초 표면 형상 정보 및 참조 미러의 표면 형상 정보와의 유사도를 기초로 선택되어 구성되며, 상기 기초 표면 형상 정보 및 참조 미러의 표면 형상 정보는 곡률 정보 및 3차원 형상 정보 중 어느 하나 이상을 포함하고,
    상기 입사부는
    상기 부분 영역 형상 측정 장치의 내부로 입사되는 광의 초점을 가변시키는 초점 제어부를 포함하고,
    상기 초점 제어부는
    상기 피검체의 기초 표면 형상 정보 및 상기 참조 미러의 표면 형상 정보 중 적어도 하나를 기초로 상기 입사되는 광의 초점을 제어하고,
    상기 초점 제어부는
    상기 참조 미러로부터 반사되는 참조광 및 상기 피검체의 부분 영역 표면으로부터 반사되는 기준광이 상기 광수신부를 향하여 평행광으로 출력되도록 상기 입사되는 광의 초점을 제어하는 것 특징으로 하는 부분 영역 형상 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 부분 영역 형상 측정 장치는
    상기 간섭광의 광경로 상에 구성되어 동일한 FOV(field-of-view)를 가지는 형상 정보를 획득하도록 하는 텔레센트릭 광학부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부분 영역 형상 측정 장치.
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