KR102150110B1

KR102150110B1 - 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 생성 방법

Info

Publication number: KR102150110B1
Application number: KR1020180160339A
Authority: KR
Inventors: 김병목; 김지훈; 성맑음; 이상진
Original assignee: 주식회사 내일해
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-08-31
Also published as: KR20200072306A

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 광학 거울로부터 반사된 기준광과 측정 대상 물체에 영향을 받는 물체광의 간섭에 의해서 생성된 물체 홀로그램의 강도(Intensity) 정보를 포함하는 이미지로부터 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법에 관한 것으로, 상기 이미지에 포함된 적어도 하나의 주파수 성분 및 상기 기준광의 파장에 기초하여 상기 이미지로부터 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 생성하고, 생성된 이미지에 기초하여 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성한다.

Description

측정 대상 물체의 3차원 형상 정보 생성 방법{METHOD FOR GENERATING 3D SHAPE INFORMATION OF AN OBJECT}

본 발명은 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 측정 대상 물체의 이미지에 포함된 적어도 하나의 주파수 성분 및 기준광의 파장에 기초하여 측정 대상 물체의 이미지로부터 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 생성하고, 생성된 이미지에 기초하여 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법에 관한 것이다.

디지털 홀로그래피 현미경은 디지털 홀로그래피 기술을 이용하여 물체의 형상을 획득하는 현미경을 의미한다.

일반적인 현미경이 물체로부터 반사되어 나오는 반사광을 획득함으로써 물체의 형상을 획득하는 장치라면, 디지털 홀로그래피 현미경은 물체에 의해 발생된 간섭광 및/또는 회절광을 획득하고, 이로부터 물체의 형상을 획득하는 장치이다.

디지털 홀로그래피 현미경은 단일 파장의 광을 생성하는 레이저를 광원으로써 사용하고, 광분할기를 이용하여 레이저에 의해 발생된 광을 2개의 광으로 분할한다. 이때 하나의 광(이하 기준광이라 한다)은 이미지 센서를 향하도록 하고, 다른 광(이하 물체광이라 한다)은 대상 물체로부터 반사되어 전술한 이미지 센서를 향하도록 하여 기준광과 물체광의 간섭현상이 발생하도록 한다.

이미지 센서는 이러한 간섭현상에 따른 간섭무늬를 디지털 이미지로 기록하고, 기록된 간섭무늬로부터 측정 대상 물체의 3차원 형상을 복원할 수 있다. 이때 이미지 센서에 의해 기록되는 간섭무늬는 통상 홀로그램으로 지칭된다.

기존의 광학적 홀로그래피 현미경은 기준광과 물체광의 간섭현상에 따른 간섭무늬를 특수 필름으로 기록한다. 이때 간섭무늬가 기록된 특수 필름에 기준광을 조사할 경우 측정 대상 물체가 위치하던 자리에 가상의 측정 대상 물체의 형상이 복원된다.

기존의 광학적 홀로그래피 현미경과 비교하였을 때 디지털 홀로그래피 현미경은 광의 간섭무늬를 이미지 센서를 통하여 디지털화(또는 수치화) 하고, 간섭무늬 정보를 광학적 방식이 아닌 전자적인 계산을 통하여 측정 대상 물체의 형상을 복원한다는 점에서 차이가 있다.

한편 단일 파장의 레이저 광원을 사용하는 종래의 디지털 홀로그래피 현미경은 물체의 측정의 최소 단위길이가 레이저의 파장길이로 제한된다는 문제점이 있었다. 이를 보완하기 위해 두 개 이상의 파장의 레이저 광원을 사용하는 또 다른 종래의 디지털 홀로그래피 현미경의 경은 현미경의 제작 단가 높을 뿐만 아니라, 실시간으로 물체의 3차원 형상을 획득할 수 없다는 문제점이 있었다.

또한, 상술한 종래 디지털 홀로그래피 현미경들은 측정 대상 물체의 형상을 복원하기 위해 컴퓨터로 CGH(Computer Generated Hologram)을 생성한 후 이를 공간광변조기(Spatial Light Modulator: SLM)상에 디스플레이하고, 디스플레이 된 형상에 기준광을 비추는 방식으로 물체의 3차원 홀로그램 영상을 획득하였다. 그러나 이러한 방식은 고가의 공간광변조기(SLM)의 사용을 요구할 뿐만 아니라, 단순히 전술한 광학적 홀로그래피 현미경에서의 특수 필름을 디지털화 한 것에 불과하여 기술적 한계가 명확하였다.

이와 같은 종래 디지털 홀로그래피 현미경들의 문제점을 해결하기 위해, 가령 대한민국 공개특허 제10-2016-0029606호(이하 "공개된 종래 기술"이라 함)는 디지털 홀로그래피 현미경 및 디지털 홀로그램 영상 생성 방법을 제시한다. 이하에서는 공개된 종래 기술에 대해 간략하게 살펴본다.

도 2는 종래 기술에 따른 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치를 상세히 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 종래 기술의 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치는 혼합광원부(10), 파장분할부(20), 간섭무늬획득부(30), 대물부(40), 이미지센서부(50), 이미지저장부(60), 제어부(70), 물체형상복원부(80)를 포함한다.

혼합광원부(10)는 혼합광원발광부(11)와 광원부렌즈(12)를 포함한다. 이러한 혼합광원발광부(11)는 단일하지 아니한 여러 대역에 분포된 파장대역을 가지는 혼합광을 발광한다. 광원부렌즈(12)는 상기 혼합광원발광부(11)에서 생성된 혼합광을 광학적으로 조절하고, 이를 파장분할부(20)에 입사시킨다.

파장분할부(20)는 제1광분할기(21)와 제1여광판(22) 및 제2여광판(23)과 제1반사체(24)를 포함한다. 제1광분할기(21)는 혼합광원부(10)로부터 입사된 혼합광을 입력받아 2개의 광으로 분할한다. 이때 제1광분할기(21)는 입사받은 혼합광을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제1여광판(22)은 제1광분할기(21)에서 분할된 광들 중 하나의 광을 입력받아 미리 정해진 단일파장을 가지는 제1광선을 획득한다. 여기서 제1여광판(22)에 입력되는 광은 제1여광판(22)을 통과하면서 필터링되고, 제1여광판(22)의 특성에 따라 정해진 단일한 파장을 가지는 제1광선이 획득된다. 제2여광판(23)은 제1여광판(22)과 동일한 방식으로, 제1광분할기(21)에서 분할된 광들 중 나머지 하나의 광을 입력받아, 제1광선의 파장과 다른 파장을 가지는 제2광선을 획득한다. 그리고 제2광선은 간섭무늬획득부(30)로 보내진다. 제1반사체(24)는 제1여광판(22)에서 획득된 제1광선을 입사받아 간섭무늬획득부(30)로 반사하는 역할을 한다.

간섭무늬획득부(30)는 제2광분할기(31)와 제3광분할기(32)와 제2반사체(33)와 제3여광판(34)과 제3반사체(35)를 포함한다. 제2광분할기(31)는 파장분할부(20)로부터 입력된 제1광선을 입력받아 제1물체광과 제1기준광으로 분할한다. 이때 제2광분할기(31)는 입사받은 제1광선을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제3광분할기(32)도 제2광분할기(31)와 동일한 방식으로 제2광선을 입력받아 제2물체광과 제2기준광으로 분할한다. 제2반사체(33)는 제1기준광을 입사받고, 이를 반사한 제1반사기준광을 제2광분할기(31)로 보낸다. 제3여광판(34)은 제2광분할기(31)에서 분할된 제1기준광을 입사받아 제2반사체(33)로 보내고, 반사되는 제1반사기준광을 입사받아 제2광분할기로 보낼 수 있다. 또한 제3여광판(34)은 제2물체광이 제2광분할기(31)에 이르러 광분할되어 일부가 제2반사체(33) 방향으로 진행할 때 제2반사체(33)에 도달하지 못하도록 진행을 막는다. 이를 위하여 제3여광판(34)은 광을 투과시킴에 있어서 제1여광판(22)과 동일한 특성을 가지는 여광판으로 한다. 제3반사체(35)는 제2기준광을 입사받고, 이를 반사한 제2반사기준광을 제3광분할기(32)로 보내는데, 여기서 제2반사체(33) 및 제3반사체(35)는 제어부(70)의 제어에 따라 각도 조절이 가능하도록 구성하여, 탈축(off-axis) 홀로그램을 구현할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 획득된 제1물체광, 제2물체광은 다음과 같은 과정을 거쳐 각 제1반사물체광과 제2반사물체광으로 변환되어 이미지센서부(50)로 보내진다. 제2광분할기(31)는 이상과 같이 분할한 제1물체광을 대물부(40)에 거치되어 있는 측정 대상 물체에 입사시키고, 또한 제3광분할기(32)로부터 분할되어 보내지는 제2물체광을 상기 측정 대상 물체에 입사시킨다. 이 경우, 측정 대상 물체에서 입사받은 제1물체광을 반사한 반사광을 제1반사물체광이라 한다. 또한 측정 대상 물체에서 입사받은 제2물체광을 반사한 반사광을 제2반사물체광이라 한다. 제2광분할기(31)는 이상과 같이 반사된 제1반사물체광과 제2반사물체광을 입력받아 이를 제3광분할기(32)로 보낸다. 제3광분할기(32)는 이상과 같이 입력받은 제1반사물체광과 제2반사물체광을 다시 이미지센서부(50)로 보낸다.

또한, 상술한 바와 같이 획득된 제1반사기준광, 제2반사기준광은 다음과 같은 과정을 거쳐 이미지센서부(50)로 보내진다. 구체적으로, 제2광분할기(31)는 제2반사체(33)에서 반사되어 온 제1반사기준광을 입력받아 제3광분할기(32)로 보낸다. 제3광분할기(32)는 이상과 같이 제2광분할기(31)에서 보내진 제1반사기준광과, 제3반사체(35)에서 반사되어 온 제2반사기준광을 입력받아 다시 이미지센서부(50)로 보낸다. 그에 따라, 제3광분할기(32)에서 제1반사물체광과 제1반사기준광과 제2반사물체광과 제2반사기준광이 모두 동일하게 이미지센서부(50) 방향으로 보내진 후, 상호 간섭하여 간섭무늬가 생성된다.

한편, 제2반사체(33)와 제3반사체(35)는 서로 다른 파장의 광선이 서로 다른 간섭무늬를 형성하게 하는 탈축(off-axis) 시스템을 구성하기 위하여 제어부(70)의 제어에 따라 각도를 다방향으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 제2반사체(33)와 제3반사체(35)의 각도가 서로 상이하게 됨에 따라, 제2반사체(33)로부터 반사되는 제1반사기준광과 제3반사체(35)로부터 반사되는 제2기준광의 방향에 이격이 발생하게 되어, 제1반사기준광과 제2반사기준광이 이미지센서부(50)에 도달한 제1반사물체광과 제2반사물체광과 합쳐져 간섭무늬를 형성할 때에, 각 파장 별로 상이하게 탈축된 간섭무늬를 형성하게 된다.

대물부(40)는 물체거치대(41)와 대물렌즈(42)를 포함한다. 물체거치대(41)는 측정 대상 물체를 거치대에 고정시켜 측정되도록 하고, 대물렌즈(42)는 측정 대상 물체에 입사되는 제1물체광과 제2물체광을 광학적으로 조절한다.

이미지센서부(50)는 간섭무늬획득부(30)에서 획득된 상기 간섭무늬를 디지털 이미지 센서에 투영시키고, 상기 투영된 간섭무늬를 상기 디지털 이미지 센서를 이용하여 측정하고, 그 측정값을 이산신호로 변환한다. 통상 상기 간섭무늬를 기록한 것을 홀로그램이라고 한다. 이러한 디지털 이미지 센서로는 CCD 등 다양한 이미지센서들이 사용될 수 있다.

이미지저장부(60)는 이미지센서부(50)에서 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 메모리나 디스크장치 등과 같은 다양한 저장매체에 저장한다.

제어부(70)는 상술한 탈축(off-axis) 시스템을 구현하고 간섭무늬를 획득하기 위하여 제2반사체(33)와 제3반사체(35)의 위치와 각도를 조절하는 등 간섭무늬획득부(30)를 제어하고, 측정 대상 물체에 입사되는 제1물체광과 제2물체광을 조절하기 위하여 대물렌즈(42)를 조절하는 등 대물부(40)를 제어하고, 상기 간섭무늬가 측정되어 그에 대한 정보가 이산신호로 변환되도록 하기 위하여 이미지센서부(50)를 제어하고, 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 저장하기 위하여 이미지저장부(60)를 제어한다.

물체형상복원부(80)는 위상정보획득부(81)와 두께정보획득부(82)와 형상복원부(83)를 포함한다. 위상정보획득부(81)는 상기 간섭무늬 정보를 이용하여 상기 제1광선에 대한 간섭무늬의 위상정보와 상기 제2광선에 대한 간섭무늬의 위상정보를 각각 획득하고, 두께정보획득부(82)는 상기 위상정보들을 이용하여 측정 대상 물체의 두께정보를 획득하고, 형상복원부(83)는 상기 두께정보를 이용하여 측정 대상 물체의 실시간 3차원 형상을 복원한다. 이때 측정 대상 물체의 두께정보는 상기 물체광과 기준광이 각각 진행한 경로의 차이 정보를 포함한다. 이와 같은 상기 물체광과 기준광의 광 경로차 때문에 상기 물체광과 기준광이 중첩되었을 때 상기 간섭무늬가 형성된다.

상술한 내용을 포함하는 공개된 종래 기술에 의하면, 측정 해상도의 향상 및 영상 획득의 실시간성의 확보가 가능하지만, 여전히 다음과 같은 문제점이 발생한다.

먼저 공개된 종래 기술에서는 여러 대역에 분포된 파장 대역을 가지는 혼합 광원이 사용되므로, 적어도 2개 이상의 단일 파장을 얻기 위해 파장분할부(20)가 파장이 서로 상이한 제1광선 및 제2광원을 분할하기 위해 제1여광판(22), 제2여광판(23), 및 제1반사체(24)를 사용하여야 한다.

또한, 간섭무늬획득부(30)가 제2광원을 분할하기 위한 제3광분할기(32), 제2광원을 반사시키기 위한 제3반사체(35), 및 제2광원이 제2반사체(33)로 입사되는 것을 차단하기 위한 제3여광판(34)을 추가로 사용하여야 한다.

따라서, 현미경의 구조가 복잡해지고, 이는 제조 단가의 상승, 설계의 복잡도 증가와 같은 다양한 문제점을 수반한다. 따라서 단일 파장의 광원을 사용하면서도 상술한 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구된다.

대한민국 공개특허 제10-2016-0029606호 대한민국 공개특허 제10-2010-0095302호 대한민국 공개특허 제10-2012-0014355호 대한민국 특허 제10-1139178호 대한민국 특허 제10-1441245호 미국 특허 제7,649,160호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단지 한 개의 홀로그램의 획득으로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 정확하게 생성하고자 한다.

특히 본 발명은 3차원 형상 정보 생성 장치의 구성요소의 물리적 이동 없이 이미지의 초점 조절을 수행하고자 한다.

또한 본 발명은 한 개의 홀로그램으로부터 기준광에 관한 정보 및 물체광 대물 렌즈의 곡률 수차 정보를 생성하고 이를 고려하여 획득된 물체 홀로그램을 보정함으로써 정확도가 향상된 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하고자 한다.

또한 본 발명은 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고비용 문제를 해결하고자 한다.

나아가 본 발명은 TFT, 반도체와 같은 초미세 구조의 3차원 형상을 정확하게 획득함으로써, 이러한 구조들의 결함을 높은 확률로 검출하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 거울로부터 반사된 기준광과 측정 대상 물체에 영향을 받는 물체광의 간섭에 의해서 생성된 물체 홀로그램의 강도(Intensity) 정보를 포함하는 이미지로부터 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법은, 상기 이미지에 포함된 적어도 하나의 주파수 성분 및 상기 기준광의 파장에 기초하여 상기 이미지로부터 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 생성하는 단계; 상기 초점 조절 이미지의 적어도 하나의 주파수 성분들 중 실상(Real Image)에 대응되는 실상 성분들을 추출하는 단계; 상기 실상 성분들에 기초하여 상기 기준광과 켤레(Conjugate) 관계에 있는 보정광 및 상기 측정 대상 물체의 실상 정보를 포함하는 실상 홀로그램을 생성하는 단계; 상기 보정광에 기초하여, 상기 실상 홀로그램에서 상기 기준광의 정보가 제거된 보정 홀로그램을 생성하는 단계; 및 상기 보정 홀로그램으로부터 상기 측정 대상 물체의 상기 3차원 형상 정보를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 초점 조절 이미지를 생성하는 단계는 적어도 하나의 초점 거리 각각에 따라 초점이 조절된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지 중 소정의 조건을 만족하는 제1 초점 조절 이미지를 상기 초점이 조절된 초점 조절 이미지로 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계는 소정의 간격에 따라 초점 거리가 증가된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계; 및 소정의 간격에 따라 초점 거리가 감소된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 초점 조절 이미지로 결정하는 단계는 상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지의 엣지 성분 및 상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지의 고주파 성분 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지 중 어느 하나의 이미지를 상기 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 결정할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따르면 단지 한 개의 홀로그램의 획득으로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 정확하게 생성할 수 있다.

또한 3차원 형상 정보 생성 장치의 구성요소의 물리적 이동 없이 이미지의 초점 조절을 수행함으로써 다량의 측정 대상 물체에 대해서 빠르게 초점 조절을 수행할 수 있도록 하며, 이로써 측정 과정에 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

또한 한 개의 홀로그램으로부터 기준광에 관한 정보 및 물체광 대물 렌즈의 곡률 수차 정보를 생성하고 이를 고려하여 획득된 물체 홀로그램을 보정함으로써 정확도가 향상된 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성할 수 있다.

또한 복잡한 광학 장치 구조 및 그에 따른 상당한 고비용 문제를 해결할 수 있다.

나아가 TFT, 반도체와 같은 초미세 구조의 3차원 형상을 정확하게 획득함으로써 이러한 구조들의 결함을 높은 확률로 검출할 수 있다.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 공개된 종래 기술에 따른 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치를 상세히 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 측정 대상 물체의 외형을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 측정 대상 물체의 일 부분에 대한 이미지의 예시이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)가 전달함수의 거리(d)를 조절하여 생성한 이미지(즉 초점이 조절된 이미지)의 예시이다.
도 6은 도 4에 도시된 측정 대상 물체의 일 부분에 대한 이미지의 주파수 성분을 도시한 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 6에 도시된 주파수 성분들에서 실상에 대응되는 주파수 성분들을 추출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 디지털 기준광의 강도를 도시한 도면이다.
도 8b는 기준광의 위상을 도시한 도면이다.
도 8c는 보정광의 강도를 도시한 도면이다.
도 8d는 보정광의 위상을 도시한 도면이다.
도 9은 예시적인 실상 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 10a, 도 10b 및 도 l0c는 홀로그램으로부터 생성된 측정 대상 물체의 3차원 형상의 예시를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치에 의해 수행되는 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치가 초점 조절 이미지를 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13 및 도 14은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치의 노이즈 제거 방법의 흐름도들이다.

이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 개시의 다양한 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 개시의 다양한 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 개시의 다양한 실시예에서, "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.

본 개시의 다양한 실시예에서 "또는" 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, "A 또는 B"는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 실시예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 사용자 기기와 제2 사용자 기기는 모두 사용자 기기이며, 서로 다른 사용자 기기를 나타낸다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시의 다양한 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 다양한 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시의 다양한 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300A)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.

본 발명에서 '3차원 형상 정보 생성 장치'는 측정 대상 물체에 대한 홀로그램(이하에서는 '물체 홀로그램'이라고 설명한다)을 획득하고, 획득된 물체 홀로그램을 분석 및/또는 표시하는 3차원 형상 정보 생성 장치를 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 3차원 형상 정보 생성 장치(300A)는 반도체 제조 라인에 배치되어, 생산되는 반도체의 물체 홀로그램을 획득하고, 획득된 물체 홀로그램으로부터 반도체의 무결성 여부를 판단하는 장치일 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 '물체 홀로그램(Hologram)'은 3차원 형상 정보 생성 장치(300A)에 의해서 획득되는 이미지로부터 생성될 수 있는 홀로그램으로, 3차원 형상 정보 생성 장치(300A)에 의한 다양한 처리가 이루어 지기 전의 홀로그램을 의미할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300A)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(310), 광원부(310)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(320), 시준기(320)를 통과한 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(330), 광 분할기(330)에 의해 분할된 기준광(R)을 반사시키는 광학 거울(370), 광 분할기(330)에 의해 분할된 후 측정 대상 물체(M)의 표면에서 반사된 물체광(O) 및 광학 거울(370)에서 반사된 기준광(R)이 각각 광 분할기(330)로 전달되어 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 영상 센서(380), 측정 대상 물체(M)에 대한 초점을 맞추고, 영상 센서(380)가 획득한 물체 홀로그램의 강도(Intensity) 정보를 포함하는 이미지로부터 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상 정보를 생성하는 프로세서(390), 광 분할기(330)에 의해 분할된 물체광(O)이 지나가는 경로 상에 배치되며 측정 대상 물체(M)를 안착시키는 플레이트(351), 광 분할기(330)와 인접하게 배치되며, 광 분할기(330)와 플레이트(351)까지의 거리를 감지하는 거리 센서(357) 및 플레이트(351)와 연결되며, 거리 센서(357)에서 감지한 광학적 거리값을 이용하여 광 분할기(330)에 대해 플레이트(351)를 이동시키는 구동수단(353)을 포함할 수 있다. 여기서, 측정 대상 물체(M)는 기판일 수 있다.

도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300B)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.

도 2b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300B)는 단일 파장의 광을 방출하는 광원부(310), 광원부(310)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(320), 시준기(320)를 통과한 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(330), 광 분할기(330)에 의해 분할된 기준광(R)을 반사시키는 제1 광학 거울(370), 광 분할기(330)에 의해 분할된 물체광(O)을 반사시키는 제2 광학 거울(372), 제1 광학 거울(370)에 의해 반사된 기준광(R) 및 물체광(O)이 측정 대상 물체(M)를 투과한 후 측정 대상 물체(M)의 정보를 포함한 물체 투과광이 각각 전달되는 제2 광 분할기(332), 제2 광 분할기(332)로 전달된 기준광(R) 및 물체 투과광에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록하는 영상 센서(380), 측정 대상 물체(M)에 대한 초점을 맞추고, 영상 센서(380)가 획득한 물체 홀로그램의 강도(Intensity) 정보를 포함하는 이미지로부터 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상 정보를 생성하는 프로세서(390), 광 분할기(330)에 의해 분할된 물체광(O)이 지나가는 경로 상에 배치되며 측정 대상 물체(M)를 안착시키는 플레이트(351), 광 분할기(330)와 인접하게 배치되며, 광 분할기(330)와 플레이트(351)까지의 거리를 감지하는 거리 센서(357) 및 플레이트(351)와 연결되며, 거리 센서(357)에서 감지한 광학적 거리값을 이용하여 광 분할기(330)에 대해 플레이트(351)를 이동시키는 구동수단(353)을 포함할 수 있다.

상술한 도 2a 및 도 2b에 각각 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300A) 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300B)는 물체광(O)이 측정 대상 물체(M)에서 반사(도 2a의 실시예)되거나 또는 물체광(O)이 측정 대상 물체(M)를 투과(도 2b의 실시예)한다는 점 및 그에 따른 일부 구성요소(예를 들어, 도 2b의 실시예의 제2 광학 거울(372) 및 제2 광 분할기(332))의 추가 사용 및 그에 따른 일부 구성요소의 배치)를 제외하고는 실질적으로 동일한 구성을 가진다.

특히 이미지가 영상 센서(380)에 의해 획득되고, 프로세서(390)가 획득된 이미지로부터 기준광(R)을 생성한다는 점에서 동일한 특징을 갖는다는 점에 유의하여야 한다.

이하에서는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300A, 300B)를 통칭하여 3차원 형상 정보 생성 장치(300)로 설명한다.

본 발명의 실시예들에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 광 분할기(330)와 측정 대상 물체(M) 사이에 물체광 대물 렌즈를 구비하지 않는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 물체광 대물 렌즈를 포함하지 않아 물체광 대물 렌즈를 포함하는 시스템에 비해 소자의 사용을 최소화할 수 있어 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 광학 소자(예를 들어 물체광 대물 렌즈 등)로부터 발생되는 노이즈를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)의 프로세서(390)는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 프로세서(390)는 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다.

이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(Microprocessor), 중앙처리장치(Central Processing Unit: CPU), 프로세서 코어(Processor Core), 멀티프로세서(Multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 센서(380)는 예를 들어 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 적어도 하나의 이미지 센서로 구현될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 예시적인 측정 대상 물체(350)의 외형을 설명하기 위한 도면이다. 측정 대상 물체(350)가 기판인 경우 증착 재료들이 마스크 패턴을 따라 기판 상에 형성될 수 있다. 기판에 증착되는 박막 패턴은 다소 복잡한 형상으로 이루어지므로, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 도 3a 및 도 3b에 도시된 단순화된 패턴을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 측정 대상 물체(350)는 일면에 소정의 간격에 따라 배치된 직육면체 형상의 구조물(51A 내지 51I)을 포함할 수 있다. 바꾸어 말하면, 측정 대상 물체(350)는 X-Y 평면과 평행하는 면 상에 Z 방향으로 돌출된 직육면체 형상의 구조물(51A 내지 51I)을 포함할 수 있다.

이하에서는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)가 측정 대상 물체(350)의 직육면체 형상의 구조물(51A 내지 51I)이 배치된 면과 수직하는 방향으로 물체광(O)을 조사하여 측정 대상 물체(350)의 이미지를 획득하는 것을 전제로 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 영상 센서(380)는 측정 대상 물체(350)의 이미지를 획득할 수 있다.

본 발명에서 측정 대상 물체(350)의 '이미지(Image)'는 측정 대상 물체(350)에 대한 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 각 위치에서의 강도(Intensity) 정보(즉|(U0(x,y,0)|²)를 포함할 수 있으며, 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 물체 홀로그램 Uo(x,y,0)는 측정 대상 물체의 각 x,y 지점에서의 위상정보를 나타내고, x, y는 측정 대상 물체가 놓여지는 공간에서의 좌표로서 물체광(O)과 수직하는 평면을 정의하는 좌표를 나타내고, O(x,y) 및 R(x,y)는 각각 물체광(O)과 기준광(R)을 나타내고, O*(x,y) 및 R*(x,y)는 각각 물체광(O)과 기준광(R)의 복소 공액을 나타낸다.

가령 영상 센서(380)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 측정 대상 물체(350)의 일 부분에 대해서(예컨대, 51A 및 51B를 포함하는 부분)에 대해서 도 4에 도시된 바와 같은 이미지를 획득할 수 있다.

영상 센서(380)에 의해 획득된 이미지는 전술한 바와 같이 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 각 위치에서의 강도(Intensity) 정보를 포함하므로, 영상 센서(380)가 획득한 일반적인(즉 물체광(O)으로만 촬영한) 측정 대상 물체(350)의 이미지와 상이할 수 있다.

수학식 1을 참조하면 물체 홀로그램(U0(x,y,0))은 각 지점에서의 측정 대상 물체(350)의 위상 정보를 포함하는 물체광(0)과 측정 대상 물체의 위상 정보를 포함하지 않는 기준광(R)의 간섭에 의해 생성된 것일 수 있다.

이와 같은 물체 홀로그램(U0(x,y,0))은 측정 대상 물체(350)의 각 지점(즉 각 x,y 지점)에서의 위상정보(즉 물체의 높이 정보)외에, 포커싱(Focusing) 오류에 의한 오차 및 노이즈(가령 레이저의 광자(photon) 사용에 따른 스펙클 노이즈(speckle noise))등을 더 포함할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 영상 센서(380)가 획득한 이미지로부터 상술한 오차 및 노이즈 등을 제거하기 위해 후술하는 바와 같은 다양한 연산 과정을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 조절된 이미지(이하 초점 조절 이미지)를 생성할 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)의 구성요소의 물리적 이동 없이 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다. 가령 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 구동수단(353)에 의한 플레이트(351)의 이동 없이 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 아래의 수학식 2와 같이 소정의 전달 함수를 이용하여 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

여기서 TF(x,y)는 아래의 수학식 3과 같을 수 있다.

여기서 Uf(x,y,0)는 초점이 조절된 물체 홀로그램을 나타내고, λ는 광원부(310)에서 방출되는 광원의 파장을 나타내고, d는 초점의 조절 거리(즉 현재 측정 대상 물체(350)의 위치를 기준으로 조절하고자 하는 초점 거리)를 나타내고, fx, fy는 측정 대상 물체(350) 상의 특정 지점(x,y)에 대한 영상에서 해당 지점(x,y)의 x 방향으로의 주파수 및 y 방향으로의 주파수를 나타낼 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)가 전달함수의 거리(d)를 조절하여 생성한 초점 조절 이미지의 예시이다. 설명의 편의를 위하여, 도 3a의 구조물(51A)에 대해 광학적 조절에 의해 초점이 맞추어진 이미지가 도 5a와 같음을 전제로 설명한다.

상술한 전제 하에, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 도 5a의 이미지로부터 전달함수의 d를 +100um로 설정하여 도 5b와 같은 이미지를 생성할 수 있다. 도 5a 및 도 5b를 대비하여 살펴보면, 도 5b의 이미지에서 구조물(51A)은 초점 거리의 이동에 의해 엣지(Edge) 부분이 블러링(blurring)됨을 확인할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 도 5b의 이미지(즉 초점이 +100um로 설정된 이미지)로부터 전달함수의 d를 -100um로 설정하여 도 5c와 같은 초점이 맞추어진 이미지를 생성할 수 있다. 도 5b 및 도 5c를 대비하여 살펴보면, 도 5c의 이미지에서 구조물(51A)은 초점 거리의 이동에 의해 엣지 부분을 다시 선명하게 확인할 수 있다.

한편 광학적으로 초점이 맞추어진 이미지를 도시한 도 5a와 프로세서가 산출하여 초점이 맞추어진 이미지를 도시한 도 5c를 대비하여 살펴보면, 양 이미지 모두에서 구조물(51A)의 엣지 성분을 선명하게 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 이미지의 초점 조절에 있어서 3차원 형상 정보 생성 장치(300B)의 구성요소의 물리적 이동을 수반하지 않으므로, 다량의 측정 대상 물체에 대해서 빠르게 초점 조절을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 전달함수의 d 값을 소정의 간격에 따라 증가 및/또는 감소시키면서 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

가령 프로세서(390)는 전달함수의 d 값의 증가 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 +10um 조절된 이미지(즉 d=10um), 초점이 +20um 조절된 이미지, 초점이 +30um 조절된 이미지 및 초점이 +40um 조절된 이미지 등을 생성하고, 생성된 이미지가 초점이 맞추어졌는지 여부를 확인하는 방식으로 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

물론 프로세서(390)는 전달함수의 d 값의 감소 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 -10um로 조절된 이미지(즉 d=-10um), 초점이 -20um로 조절된 이미지, 초점이 -30um로 조절된 이미지 및 초점이 -40um로 조절된 이미지 등을 생성하고, 생성된 이미지가 초점이 맞추어졌는지 여부를 확인하는 방식으로 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

선택적 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 소정의 간격에 따라 d 값의 증가 및 감소를 교번하여 수행하면서 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

가령 프로세서(390)는 전달함수의 d 값의 조절 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 +10um로 조절된 이미지, 초점이 -10um로 조절된 이미지, 초점이 +20um로 조절된 이미지, 초점이 -20um로 조절된 이미지, 초점이 +30um로 조절된 이미지 및 초점이 -30um로 조절된 이미지 등을 생성하고, 생성된 이미지가 초점이 맞추어졌는지 여부를 확인하는 방식으로 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 최적의 초점 이미지를 결정함에 있어서, 다양한 공지의 기법을 사용할 수 있다. 가령 프로세서(390)는 전술한 방법에 따라 초점을 조절하면서 이미지들 내에 포함된 엣지 성분을 검출하고, 검출된 엣지(Edge)성분의 콘트라스트(contrast)값에 기초하여 최적의 초점 이미지를 결정할 수 있다. 가령 프로세서(390)는 콘트라스트 값이 가장 큰 이미지를 최적의 초점 이미지로 결정할 수 있다.

선택적 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 전술한 방법에 따라 초점을 조절하면서 이미지를 구성하는 주파수 성분들의 크기를 확인하고, 이에 기초하여 최적의 초점 이미지를 결정할 수 있다. 가령 프로세서(390)는 고주파성분이 가장 많은 이미지를 최적의 초점 이미지로 결정할 수 있다.

선택적 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 소정의 간격에 따라 d 값의 증가 및 감소를 교번하여 수행하면서 상술한 엣지 성분 및/또는 고주파성분들의 변화 양상을 확인하고, 확인된 양상에 기초하여 d 값을 조절하며 초점이 조절된 이미지를 생성할 수 있다. 가령 프로세서(390)는 전달함수의 d 값의 조절 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 +10um로 조절된 이미지, 초점이 -10um로 조절된 이미지를 생성하고, 각각의 이미지에 포함된 엣지 성분 및/또는 고주파성분들의 변화 양상을 확인할 수 있다. 만약 초점이 +10um로 조절된 이미지에서의 고주파 성분이 증가하였다면, 프로세서(390)는 초점을 음수로 조절하여 이미지를 생성하는 과정을 생략하고, 초점을 양수로 조절하여 이미지를 생성하는 과정만을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 영상 센서(380)에 의해 획득된 이미지 또는 전술한 과정에 의해 초점이 조절된 초점 조절 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다. 가령 프로세서(390)는 이미지에 대한 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하여, 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다.

바꾸어 말하면, 프로세서(390)는 물체 홀로그램(U0(x,y,0))(또는 초점이 조절된 물체 홀로그램 Uf(x,y,0))의 위치 별 강도 정보(즉|(U0(x,y,0)|²)(또는 |(Uf(x,y,0)|²)를 포함하는 이미지에 포함된 주파수 성분들을 확인할 수 있다. 이때 이미지는 실상(Real Image)에 대응되는 주파수 성분, 허상(Imaginary Image)에 대응되는 주파수 성분 및 DC 성분을 포함할 수 있다.

물론 이미지에는 전술한 세 가지 성분들(실상에 대응되는 주파수 성분, 허상에 대응되는 주파수 성분 및 DC 성분) 외에 다양한 성분들이 더 포함될 수 있다. 가령 이미지에는 노이즈에 의한 주파수 성분들이 더 포함될 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 확인된 주파수 성분들 중에서 실상에 대응되는 성분들만 추출할 수 있다. 이때 프로세서(390)는 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 추출할 수 있다.

가령 프로세서(390)는 이미지에 포함된 주파수 성분들 중에서 성분의 크기가 피크(Peak) 값을 갖는 성분들(이하 피크 성분들)을 추출하고, 추출된 피크 성분들 중에서 실상에 대응되는 피크 성분과 소성의 주파수 차이 이내인 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 추출할 수 있다.

이때 프로세서(390)는 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(390)는 실상에 대응되는 주파수 성분 중에서, 피크 성분을 포함하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다. 이때, 피크 성분으로부터 십자가 영역의 길이는 실상에 대응되는 주파수 성분 및 원점과 대응되는 주파수 성분 사이의 거리 차분값을 기초로 결정될 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

선택적 실시예에서 프로세서(390)는 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 이용하여 홀로그램에 포함되는 주파수 성분들 중에서 실상에 대응되는 성분들만 추출할 수 있다.

본 발명에서 특정 주파수 성분을 '추출'하는 것은 해당 주파수 성분의 주파수와 해당 주파수 성분의 크기(또는 강도)를 추출하는 것을 의미할 수 있다.

도 6은 도 4에 도시된 측정 대상 물체(350)의 일 부분에 대한 이미지의 주파수 성분을 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이 프로세서(390)는 영상 센서(380)에 의해 획득된 이미지 또는 초점이 조절된 초점 조절 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있으며, 이에 따라 프로세서(390)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성분(912) 및 DC 성분(913)을 포함하는 다양한 주파수 성분들을 확인할 수 있다.

또한 프로세서(390)는 확인된 성분들 중에서 실상에 대응되는 주파수 성분(911)만 추출할 수 있다.

한편 프로세서(390)는 실상에 대응되는 주파수 성분에서 노이즈를 제거할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(390)는 간섭 무늬의 방향 및 간섭 무늬의 법선 방향에 위치한 주파수 성분을 노이즈로 제거함으로써, 가령 도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d에 도시된 바와 같이 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다. 이때, 간섭 무늬의 방향에 따라 십자가 영역의 방향은 회전하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911) 중에서, 피크 성분(911P)에 대응하여 간섭 무늬의 법선 및 간섭 무늬와 평행한 방향선(Line1, Line2)을 추출한다. 프로세서(390)는 Line1 및 Line2를 포함하는 영역을 노이즈 영역(Noise1, Noise2, Noise3, Noise4)으로 결정한다. 프로세서(390)는 노이즈 영역들을 제외한 영역에 분포된 주파수 성분들을 추출할 수 있다. 프로세서(390)는 노이즈 영역을 제외한 패턴을 이용하여 노이즈를 제거한 실상과 대응되는 주파수 성분들을 추출할 수 있다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 프로세서(390)는 Line1 및 Line 2에 분포된 주파수 성분들을 배제하는 십자 모양 패턴(Pattern1)을 이용하여 노이즈를 제거할 수 있다. 이때, 프로세서(390)는 원점 성분(913) 및 실상과 대응되는 주파수 성분(911) 사이의 거리 차분 값의 일정 비율 예를 들어, 1/3배의 R을 기초로 십자 모양 패턴(Pattern1)을 결정할 수 있다.

프로세서(390)는 노이즈 영역을 제거하는 다양한 패턴을 설정할 수 있다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 실상과 대응되는 주파수 성분(911)의 피크 성분에 가까울수록 폭이 넓어지는 패턴(Pattern2)을 이용하여 실상과 대응되는 주파수 성분의 노이즈를 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 전술한 과정에 의해서 추출된 실상에 대응되는 주파수 성분들로부터 디지털 기준광을 생성할 수 있다. 이를 보다 상세히 살펴보면, 프로세서(390)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수를 산출할 수 있다. 바꾸어 말하면, 프로세서(390)는 디지털 기준광의 파수 벡터를 산출할 수 있다.

또한 프로세서(390)는 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수(또는 파수 벡터)에 기초하여 디지털 기준광을 생성하고, 하기 수학식 4와 같이 생성된 디지털 기준광(R(x,y))의 켤레 항을 구함으로써 보정광(Rc(x,y))을 생성할 수 있다.

이때 R(x,y)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 생성된 디지털 기준광을 나타내고, Rc(x,y)는 보정광을 나타낸다.

디지털 기준광(R(x,y))과 보정광(Rc(x,y))은 켤레 관계에 있으므로 도 8a 및 도 8c에 도시된 바와 같이 강도는 동일하고, 도 8b 및 도 8d에 도시된 바와 같이 위상은 반대일 수 있다. 여기서 도 8a는 디지털 기준광(R(x,y))의 강도를 도시한 도면이고, 도 8b는 기준광(R(x,y))의 위상을 도시한 도면이고, 도 8c는 보정광(Rc(x,y))의 강도를 도시한 도면이고, 도 8d는 보정광(Rc(x,y))의 위상을 도시한 도면이다.

생성된 보정광(Rc(x,y))은 후술하는 실상 홀로그램(Um(x,y,0))의 보정에 사용될 수 있다.

한편 '디지털 기준광'은 전술한 광 분할기(330)가 단일 파장의 광으로부터 생성한 기준광(R)과 동일한 성질을 갖는 광으로, 프로세서(390)가 영상 센서(380)에 의해 획득된 이미지로부터 복원한 가상의 광일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 전술한 과정에 의해서 추출된 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 실상 홀로그램을 생성할 수 있다. 가령 프로세서(390)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 대해 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 수행하여 도 9와 같은 실상 홀로그램을 생성할 수 있다.

이때 실상 홀로그램은 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 Um(x,y,0)는 실상 홀로그램을 나타내며, O(x,y)는 물체광(O)을 나타내고, R*(x,y)는 기준광(R)의 복소 공액을 나타낸다.

대물 렌즈를 포함하는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)의 경우 상술한 과정에 의해서 생성된 실상 홀로그램(Um(x,y,0))은 측정 대상 물체(350)의 높이에 관한 정보와 기준광(R)에 대한 정보 외에, 대물 렌즈의 수차에 의한 오차를 포함할 수 있다. 따라서 대물 렌즈를 포함하는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에서 대물 렌즈의 수차에 의한 오차를 보정하는 별도의 처리 과정이 필요하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 대물 렌즈를 제외함으로써 기계적 구성을 간소화 하였을 뿐만 아니라, 이로 인하여 대물 렌즈에 의한 오차를 배제할 수 있으며, 나아가 대물 렌즈의 사용으로 인해 필연적으로 발생하는 오차를 처리하는 과정을 생략할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 하기 수학식 6와 같이, 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y))이 곱해진 보정 홀로그램을 생성할 수 있다.

선택적 실시예에서, 프로세서(390)는 아래의 수학식 7과 같이 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y))과 외에, 초점 조절에 대한 전달함수(TF(x,y))를 곱함으로써, 초점 조절을 수행할 수 있다. 이러한 경우 전술한 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점 조절 이미지를 생성하는 과정은 생략될 수 있다.

여기서 TF(x,y)는 수학식 3에서 설명한 전달함수와 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(390)는 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))에 기초하여 측정 대상 물체(350)의 3차원 형상을 생성할 수 있다. 바꾸어 말하면, 프로세서(390)는 각 x, y 지점에서의 물체의 z 방향으로의 높이를 산출할 수 있다.

가령 프로세서(390)는 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))을 복원 영상면의 정보로 변환할 수 있다. 이때 복원 영상면은 프로세서에 의해 측정 대상 물체와 영상 센서 사이의 거리에 대응하는 거리만큼의 가상적인 영상 표시 평면을 의미하는 것으로, 프로세서(390)에 의해 계산 및 시뮬레이션되는 가상의 면일 수 있다.

프로세서(390)는 복원 영상면을 고려하여 복원된 정보로부터 도 12a, 도 12b, 도 12c와 같이 x, y 지점에서의 물체의 z 방향으로의 높이를 산출할 수 있다.

도 10a에는 주파수 성분에서 노이즈를 제거하지 않고 복원한 결과가 도시되며, 도 10b에는 십자 모양 패턴(Pattern1)을 이용하여 노이즈를 제거한 복원 결과이며, 도 10c에는 Pattern2를 이용하여 노이즈를 제거한 복원 결과이다. A1, A2, A3은 Z 방향의 높이값을 평면 그래프로 표현한 것이다.

A1은 노이즈가 제거되지 않아서 z 방향의 높이값의 변화가 크고, A2 및 A3는 z 방향의 높이 값의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.

프로세서(390)는 십자 모양 패턴(Pattern)을 이용하는 경우, 아래의 수학식 8에 따라서 주파수 성분을 추출할 수 있다.

도 10a, 도 10b, 도 10c에는 측정 대상 물체(350) 상에 배치된 두 개의 직육면체 형상의 구조물(51A 및 51B)의 3차원 형상이 예시적으로 도시되었다.

도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)에 의해 수행되는 측정 대상 물체(350)의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하에서는 도 2 내지 도 12에서 설명한 내용과 중복되는 내용의 설명은 생략하되, 도 2 내지 도 13을 함께 참조하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 측정 대상 물체(350)의 이미지를 획득할 수 있다.(S1201)

본 발명에서 측정 대상 물체(350)의 '이미지(Image)'는 측정 대상 물체(350)에 대한 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 각 위치에서의 강도(Intensity) 정보(즉|(U0(x,y,0)|²)를 포함할 수 있으며, 상술한 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 측정 대상 물체(350)의 일 부분에 대해서(예컨대, 51A 및 51B를 포함하는 부분)에 대해서 도 4에 도시된 바와 같은 이미지를 획득할 수 있다.

3차원 형상 정보 생성 장치(300)에 의해 획득된 이미지는 전술한 바와 같이 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 각 위치에서의 강도(Intensity) 정보를 포함하므로, 영상 센서(380)가 획득한 일반적인(즉 물체광(O)으로만 촬영한) 측정 대상 물체(350)의 이미지와 상이할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 영상 센서(380)가 획득한 이미지로부터 상술한 오차 및 노이즈 등을 제거하기 위해 후술하는 바와 같은 다양한 연산 과정을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.(S1202) 보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 이미지에 포함된 적어도 하나의 주파수 성분 및 기준광(R)의 파장에 기초하여 단계 S1201에서 획득한 이미지로부터 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)의 구성요소의 물리적 이동 없이 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다. 가령 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 구동수단(353)에 의한 플레이트(351)의 이동 없이 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 상술한 수학식 2와 같이 소정의 전달 함수를 이용하여 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

다시 도 5a 내지 도 5c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)가 전달함수의 거리(d)를 조절하여 생성한 초점 조절 이미지를 설명한다. 설명의 편의를 위하여, 도 3a의 구조물(51A)에 대해 광학적 조절에 의해 초점이 맞추어진 이미지가 도 5a와 같음을 전제로 설명한다.

상술한 전제 하에, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 도 5a의 이미지로부터 전달함수의 d를 +100um로 설정하여 도 5b와 같은 이미지를 생성할 수 있다. 도 5a 및 도 5b를 대비하여 살펴보면, 도 5b의 이미지에서 구조물(51A)은 초점 거리의 이동에 의해 엣지(Edge) 부분이 블러링(blurring)됨을 확인할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 도 5b의 이미지(즉 초점이 +100um로 설정된 이미지)로부터 전달함수의 d를 -100um로 설정하여 도 5c와 같은 초점이 맞추어진 이미지를 생성할 수 있다. 도 5b 및 도 5c를 대비하여 살펴보면, 도 5c의 이미지에서 구조물(51A)은 초점 거리의 이동에 의해 엣지 부분을 다시 선명하게 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전달함수의 d 값을 소정의 간격에 따라 증가 및/또는 감소시키면서 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전달함수의 d 값의 증가 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 +10um 조절된 이미지(즉 d=10um), 초점이 +20um 조절된 이미지, 초점이 +30um 조절된 이미지 및 초점이 +40um 조절된 이미지 등을 생성하고, 생성된 이미지가 초점이 맞추어졌는지 여부를 확인하는 방식으로 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

물론 형상 정보 생성 장치(300)는 전달함수의 d 값의 감소 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 -10um로 조절된 이미지(즉 d=-10um), 초점이 -20um로 조절된 이미지, 초점이 -30um로 조절된 이미지 및 초점이 -40um로 조절된 이미지 등을 생성하고, 생성된 이미지가 초점이 맞추어졌는지 여부를 확인하는 방식으로 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

선택적 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 소정의 간격에 따라 d 값의 증가 및 감소를 교번하여 수행하면서 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전달함수의 d 값의 조절 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 +10um로 조절된 이미지, 초점이 -10um로 조절된 이미지, 초점이 +20um로 조절된 이미지, 초점이 -20um로 조절된 이미지, 초점이 +30um로 조절된 이미지 및 초점이 -30um로 조절된 이미지 등을 생성하고, 생성된 이미지가 초점이 맞추어졌는지 여부를 확인하는 방식으로 최적의 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 최적의 초점 이미지를 결정함에 있어서, 다양한 공지의 기법을 사용할 수 있다. 가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전술한 방법에 따라 초점을 조절하면서 이미지들 내에 포함된 엣지 성분을 검출하고, 검출된 엣지(Edge)성분의 콘트라스트(contrast)값에 기초하여 최적의 초점 이미지를 결정할 수 있다. 가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 콘트라스트 값이 가장 큰 이미지를 최적의 초점 이미지로 결정할 수 있다.

선택적 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전술한 방법에 따라 초점을 조절하면서 이미지를 구성하는 주파수 성분들의 크기를 확인하고, 이에 기초하여 최적의 초점 이미지를 결정할 수 있다. 가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 고주파성분이 가장 많은 이미지를 최적의 초점 이미지로 결정할 수 있다.

선택적 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 소정의 간격에 따라 d 값의 증가 및 감소를 교번하여 수행하면서 상술한 엣지 성분 및/또는 고주파성분들의 변화 양상을 확인하고, 확인된 양상에 기초하여 d 값을 조절하며 초점이 조절된 이미지를 생성할 수 있다. 가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전달함수의 d 값의 조절 간격을 10um로 설정하여, 측정 대상 물체(350)의 이미지로부터 초점이 +10um로 조절된 이미지, 초점이 -10um로 조절된 이미지를 생성하고, 각각의 이미지에 포함된 엣지 성분 및/또는 고주파성분들의 변화 양상을 확인할 수 있다. 만약 초점이 +10um로 조절된 이미지에서의 고주파 성분이 증가하였다면, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 초점을 음수로 조절하여 이미지를 생성하는 과정을 생략하고, 초점을 양수로 조절하여 이미지를 생성하는 과정만을 수행할 수 있다.

단계 S1201 및 단계 S1202 중 적어도 하나에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 영상 센서(380)에 의해 획득된 이미지 또는 초점 조절 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다. 가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 이미지에 대한 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하여, 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다.

바꾸어 말하면 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 물체 홀로그램(U0(x,y,0))(또는 초점이 조절된 물체 홀로그램 Uf(x,y,0))의 위치 별 강도 정보(즉|(U0(x,y,0)|²)(또는 |(Uf(x,y,0)|²)를 포함하는 이미지에 포함된 주파수 성분들을 확인할 수 있다. 이때 이미지는 실상(Real Image)에 대응되는 주파수 성분, 허상(Imaginary Image)에 대응되는 주파수 성분 및 DC 성분을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 확인된 주파수 성분들 중에서 실상에 대응되는 성분들만 추출할 수 있다.(S1203) 이때 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 추출할 수 있다.

가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 이미지에 포함된 주파수 성분들 중에서 성분의 크기가 피크(Peak) 값을 갖는 성분들(이하 피크 성분들)을 추출하고, 추출된 피크 성분들 중에서 실상에 대응되는 피크 성분과 소성의 주파수 차이 이내인 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 추출할 수 있다.

이때 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(390)는 실상에 대응되는 주파수 성분 중에서, 피크 성분을 포함하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다. 이때, 피크 성분으로부터 십자가 영역의 길이는 실상에 대응되는 주파수 성분 및 원점과 대응되는 주파수 성분 사이의 거리 차분값을 기초로 결정될 수 있다. 예를 들어, 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

선택적 실시예에서 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 자동 실상 좌표 정보 추출 알고리즘(Automatic real image spot-position extraction algorithm)을 이용하여 홀로그램에 포함되는 주파수 성분들 중에서 실상에 대응되는 성분들만 추출할 수 있다.

다시 도 6을 참조하여, 측정 대상 물체(350)의 일 부분에 대한 이미지의 주파수 성분을 설명한다.

전술한 바와 같이 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 영상 센서(380)에 의해 획득된 이미지 또는 초점이 조절된 초점 조절 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있으며, 이에 따라 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성분(912) 및 DC 성분(913)을 포함하는 다양한 주파수 성분들을 확인할 수 있다. 또한 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 확인된 성분들 중에서 실상에 대응되는 주파수 성분(911)만 추출할 수 있다.

한편 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상에 대응되는 주파수 성분에서 노이즈를 제거할 수 있다. 구체적으로, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 간섭 무늬의 방향 및 간섭 무늬의 법선 방향에 위치한 주파수 성분을 노이즈로 제거함으로써, 가령 도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d에 도시된 바와 같이 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다. 이때, 간섭 무늬의 방향에 따라 십자가 영역의 방향은 회전하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911) 중에서, 피크 성분(911P)에 대응하여 간섭 무늬의 법선 및 간섭 무늬와 평행한 방향선(Line1, Line2)을 추출한다. 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 Line1 및 Line2를 포함하는 영역을 노이즈 영역(Noise1, Noise2, Noise3, Noise4)으로 결정한다. 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 노이즈 영역들을 제외한 영역에 분포된 주파수 성분들을 추출할 수 있다. 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 노이즈 영역을 제외한 패턴을 이용하여 노이즈를 제거한 실상과 대응되는 주파수 성분들을 추출할 수 있다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 Line1 및 Line 2에 분포된 주파수 성분들을 배제하는 십자 모양 패턴(Pattern1)을 이용하여 노이즈를 제거할 수 있다. 이때, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 원점 성분(913) 및 실상과 대응되는 주파수 성분(911) 사이의 거리 차분 값의 일정 비율 예를 들어, 1/3배의 R을 기초로 십자 모양 패턴(Pattern1)을 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 노이즈 영역을 제거하는 다양한 패턴을 설정할 수 있다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상과 대응되는 주파수 성분(911)의 피크 성분에 가까울수록 폭이 넓어지는 패턴(Pattern2)을 이용하여 실상과 대응되는 주파수 성분의 노이즈를 할 수 있다.

단계 S1203에 대한 보다 상세한 설명은 도 13 및 도 14를 참조하여 후술한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 단계 S1203에서 추출한 실상 주파수 성분들을 이용하여 보정광 및 실상 홀로그램을 생성할 수 있다.(S1204)

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 보정광의 생성을 위해, 디지털 기준광을 생성할 수 있다. 이를 보다 상세히 살펴보면, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수를 산출할 수 있다. 바꾸어 말하면, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 디지털 기준광의 파수 벡터를 산출할 수 있다. 또한 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수(또는 파수 벡터)에 기초하여 디지털 기준광을 생성하고, 상술한 수학식 4와 같이 생성된 디지털 기준광(R(x,y))의 켤레 항을 구함으로써 보정광(Rc(x,y))을 생성할 수 있다.

한편 '디지털 기준광'은 전술한 광 분할기(330)가 단일 파장의 광으로부터 생성한 기준광(R)과 동일한 성질을 갖는 광으로, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)가 영상 센서(380)에 의해 획득된 이미지로부터 복원한 가상의 광일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전술한 과정에 의해서 추출된 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 실상 홀로그램을 생성할 수 있다. 가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 대해 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 수행하여 도 9와 같은 실상 홀로그램을 생성할 수 있다. 이때 실상 홀로그램은 상술한 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 상술한 수학식 6와 같이, 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y))이 곱해진 보정 홀로그램을 생성할 수 있다.(S1205)

선택적 실시예에서, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 상술한 수학식 7과 같이 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y)) 외에, 초점 조절에 대한 전달함수(TF(x,y))를 곱함으로써, 초점 조절을 수행할 수 있다. 이러한 경우 단계 S1202에 따른 초점 조절 이미지 생성 과정은 생략될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))에 기초하여 측정 대상 물체(350)의 3차원 형상을 생성할 수 있다. (S1206) 바꾸어 말하면, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 각 x, y 지점에서의 물체의 z 방향으로의 높이를 산출할 수 있다.

가령 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))을 복원 영상면의 정보로 변환할 수 있다. 이때 복원 영상면은 프로세서에 의해 측정 대상 물체와 영상 센서 사이의 거리에 대응하는 거리만큼의 가상적인 영상 표시 평면을 의미하는 것으로, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)에 의해 계산 및 시뮬레이션되는 가상의 면일 수 있다.

3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 복원 영상면을 고려하여 복원된 정보로부터 도 10a, 도 10b, 도 10c와 같이 x, y 지점에서의 물체의 z 방향으로의 높이를 산출할 수 있다.

3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 십자 모양 패턴(Pattern)을 이용하는 경우, 상술한 수학식 8에 따라서 주파수 성분을 추출할 수 있다.

도 12는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)가 도 11의 단계 S1202를 수행하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다.(S12021) 이때 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지는 적어도 하나의 초점 거리 각각에 따라 초점이 조절된 이미지를 의미할 수 있다. 가령 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 소정의 간격에 따라 초점 거리가 증가된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 소정의 간격에 따라 초점 거리가 감소된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성할 수도 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

한편 다양한 초점 거리에 따라 이미지를 생성하는 방법은 수학식 2 및 수학식 3을 참조하여 전술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 단계 S12021에서 생성된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지 중 소정의 조건을 만족하는 제1 초점 조절 이미지를 초점 조절 이미지로 결정할 수 있다.

가령 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지의 엣지 성분 및 고주파 성분 중 적어도 하나에 기초하여 초점 조절 이미지를 결정할 수 있다. 예를 들어 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지 중 엣지 성분이 가장 많은 이미지 및/또는 고주파 성분이 가장 많은 이미지를 초점 조절 이미지로 결정할 수 있다. 다만 이와 같은 결정 기준은 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)의 노이즈 제거 방법의 흐름도들이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 확인된 주파수 성분들 중에서 실상에 대응되는 성분들만 추출할 수 있다(S1203).

S12031에서는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 이미지에 포함된 실상에 대응되는 제1 주파수 성분, 허상에 대응되는 제2 주파수 성분, 원점과 대응되는 제3 주파수 성분을 결정한다.

S12032에서는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 제1 주파수 성분에서 간섭 무늬의 방향 및 법선 방향을 산출하고, 간섭 무늬의 방향 및 법선 방향에 위치한 주파수 성분을 노이즈로 결정한다.

S12033에서는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 노이즈를 제1 주파수 성분에서 제거하여 실상에 대응되는 주파수 성분을 추출한다.

다른 실시예에서, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 노이즈를 제거한 패턴을 설정하고 패턴을 이용하여 실상에 대응되는 주파수 성분을 추출할 수 있다.

S12034에서 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 이미지에 포함된 실상에 대응되는 제1 주파수 성분, 허상에 대응되는 제2 주파수 성분, 원점과 대응되는 제3 주파수 성분을 결정한다.

S12035에서는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 제1 주파수 성분의 피크 성분을 포함하는 십자 영역 패턴을 생성한다. S12036에서는 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 제1 주파수 성분 중에서, 십자 영역 패턴 안에 포함되는 주파수 성분들을 추출한다.

십자 영역 패턴을 적용한 수학식은 상술한 수학식 8과 같다. 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 수학식 8에 따라서 십자 영역 패턴에 포함된 주파수 성분들을 추출할 수 있다.

십자 영역 패턴의 크기(ms)는 원점 성분 및 실상과 대응되는 주파수 성분 사이의 거리(distance)를 기초로 결정되나, 십자 영역 패턴의 크기는 노이즈 성분의 효율적인 제거를 위해서 조절 가능하다. 십자 영역 패턴의 크기는 반복적인 노이즈 제거 과정을 통해서 최적화될 수 있다.

다른 실시예에서, 3차원 형상 정보 생성 장치(1)는 노이즈를 더 효율적으로 제거하기 위해서, 하기 수학식 9와 같이 반구형 형태의 필터로 필터링 영역의 위치에 따라서 상이한 가중치를 둘 수 있다. 예컨대, 3차원 형상 정보 생성 장치(1)는 가운데로부터 멀어질수록 1보다 작은 가중치를 곱할 수 있다.

여기서, R은 실상과 대응되는 주파수 성분 및 원점 성분 사이의 거리(distance)와 비례하는 수를 말한다. 예를 들어, R은 distance/3 , distance/2 등 일 수 있다.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 저장하는 것일 수 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광영상 센서, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다.

한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 복원 장치(300), 다시 말해, 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 한 개의 홀로그램의 획득으로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 정확하게 생성할 수 있다. 상기한 3차원 형상 정보 생성 장치(300)는 전술한 방법들을 통해 정확한 3차원 형상 정보를 생성하면서도 구성요소를 단순화할 수 있어, 인-라인 증착 장비 내부에 배치되어 인-라인 공정 상에서 검사를 실시간으로 수행할 수 있게 한다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

300, 300A, 300B: 3차원 형상 정보 생성 장치
310: 광원부
320: 시준기
330,332: 광 분할기
350: 측정 대상 물체
370,372: 광학 거울
380: 영상 센서
390: 프로세서

Claims

광학 거울로부터 반사된 기준광과 측정 대상 물체에 영향을 받는 물체광의 간섭에 의해서 생성된 물체 홀로그램의 강도(Intensity) 정보를 포함하는 이미지로부터 상기 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법에 있어서,
전달 함수를 이용하여 상기 이미지로부터 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 생성하는 단계로써, 상기 전달 함수는 상기 이미지에 포함된 적어도 하나의 주파수 성분, 상기 기준광의 파장 및 조절하고자 하는 초점 거리의 입력에 따라 상기 조절하고자 하는 초점 거리로 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 출력하는 함수이고;
상기 초점 조절 이미지의 적어도 하나의 주파수 성분들 중 실상(Real Image)에 대응되는 실상 성분들을 추출하는 단계;
상기 실상 성분들로부터 생성되는 상기 기준광과 켤레(Conjugate) 관계에 있는 보정광 및 상기 측정 대상 물체의 실상 정보를 포함하는 실상 홀로그램을 생성하는 단계;
상기 보정광을 이용하여, 상기 실상 홀로그램에서 상기 기준광의 정보가 제거된 보정 홀로그램을 생성하는 단계; 및
상기 보정 홀로그램으로부터 상기 측정 대상 물체의 상기 3차원 형상 정보를 생성하는 단계;를 포함하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.
제1 항에 있어서
상기 초점 조절 이미지를 생성하는 단계는
적어도 하나의 초점 거리 각각에 따라 초점이 조절된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지 중 소정의 조건을 만족하는 제1 초점 조절 이미지를 상기 초점이 조절된 초점 조절 이미지로 결정하는 단계;를 포함하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.
제2 항에 있어서
상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계는
소정의 간격에 따라 초점 거리가 증가된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계; 및
소정의 간격에 따라 초점 거리가 감소된 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지를 생성하는 단계;를 포함하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.
제2 항에 있어서
상기 초점 조절 이미지로 결정하는 단계는
상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지의 엣지 성분 및 상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지의 고주파 성분 중 적어도 하나를 이용하여, 상기 적어도 하나의 제1 초점 조절 이미지 중 어느 하나의 이미지를 상기 초점이 조절된 초점 조절 이미지를 결정하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.