KR102352812B1 - 합성 공간파장을 이용한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치 및 방법 - Google Patents

합성 공간파장을 이용한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 단일 광원 기반의 전단간섭계에 광분리부재를 구비하여 간격이 다른 2개의 간섭무늬를 형성하고, 이를 합성 공간파장으로 만들어, 대상물체의 측정범위를 자유롭게 확장할 수 있는 효과가 있다.

Description

합성 공간파장을 이용한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THREE-DIMENSIONAL HIGH STEPPED OBJECT-SHAPE USING SYNTHETIC SPATIAL WAVELENGTH}
본 발명은 단일 광축 기반 광학 간섭계의 디지털 홀로그래픽 현미경 검사 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단색광을 입사하여 적어도 3개 반사면에서 반사된 빛으로 합성 공간파장을 만들어 3차원 고단차 물체 형상 측정이 가능하게 하는 합성 공간파장을 이용한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래 단일 광축 기반의 전단 간섭계(Lateral shearing interferometer; LSI)는, 도 1 및 도 2와 같이, 하나의 광학판(Optical plate)으로 전단 거리(Lateral shearing distance; LSD, dL)를 갖는 두개의 반사광(Beam 1, 2)이 생기게 한다.
상기 두개의 반사광(Beam 1, 2)은 하나의 간섭무늬를 만들게 되는데, 이를 이용해 상기 간섭무늬 간격보다 큰 고단차 3차원 물체 형상을 측정할 경우, CCD로 획득된 영상에는 위상 접힘(phase wrapping)이 발생하게 되어, 통상 PC를 통해 소정의 위상 펼침(phase unwrapping) 기법으로 고단차에 몇 개의 간섭무늬가 지나갔는지를 카운팅하여 고단차의 두께를 측정하게 된다.
상기 방식으로 고단차의 두께를 측정함에는 위상 펼침(phase unwrapping)과 간섭무늬 카운팅에 오류가 발생할 수밖에 없어, 정확한 두께를 측정하기 어려운 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 한국 등록특허 제10-1716452호에서는 파장이 다른 2개의 광원으로 원 파장 λ1, λ2 보다 큰 합성파장 Λ=λ1λ2/( λ1-λ2)을 만들어 고단차의 두께를 측정하는 기술이 제안되었다.
그러나, 상기 특허기술을 디지털 홀로그래픽 현미경 검사 장비에 적용하기 위해서는 파장이 다른 레이저 광원을 2개 구비해야 되므로, 광학 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 합성파장 Λ보다 큰 고단차의 측정을 위해서는 적합한 레이저 광원 조합으로 바꾸어 주어야 하는 문제점도 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 단일 광원 기반의 전단간섭계에 광분리부재를 구비하여 간격이 다른 2개의 간섭무늬를 형성하고, 이를 합성 공간파장으로 만들어, 대상물체의 측정범위를 자유롭게 확장할 수 있는 합성 공간파장을 이용한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치는 하나의 레이저광원부; 상기 레이저광원부에서 나온 레이저광을 대상물체에 투과하여 하나의 물체광을 얻는 광학계; 상기 물체광을 입사받아 반사면을 서로 달리하여 3개의 반사광으로 분리하도록 구비된 광분리부재; 상기 3개의 반사광을 입사받아 간격이 다른 2개의 간섭무늬 패턴을 획득하는 고체촬상소자(CCD); 및 상기 2개의 간섭무늬 패턴으로 합성 공간파장(Λ)을 만들어 상기 대상물체의 두께를 측정하도록 구비된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광분리부재는 제 1 광학유리와 제 2 광학유리의 접합으로 구성된 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 다른 특징으로 한다.
상기 광분리부재는 상기 물체광이 입사되는 전면에 제 1 광학유리를 두고, 상기 제 1 광학유리의 후면에 공기층을 사이에 두고 반사수단이 구비된 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 다른 특징으로 한다.
상기 반사수단은 상기 제 1 광학유리와 이격 거리를 두고 평행하게 배치된 반사판으로, 상기 이격 거리로 상기 공기층의 두께를 조절할 수 있게 구비한 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 다른 특징으로 한다.
상기 반사판은 제 2 광학유리이고, 상기 제 2 광학유리의 후면에는 광 산란수단이 더 구비된 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 다른 특징으로 한다.
상기 합성 공간파장(Λ)은 아래 수식에 따라 상기 3개의 반사광에 의한 전단 거리의 차(△d)에 반비례하고, 상기 레이저광원부의 파장(λ)에 비례하고,
Figure 112020051530875-pat00001
상기 수식에서 s는 상기 광분리부재와 상기 고체촬상소자(CCD) 사이의 거리인 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 다른 특징으로 한다.
상기 합성 공간파장(Λ)은 상기 2개의 간섭무늬 패턴의 각 간섭무늬 간격보다 큰 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 다른 특징으로 한다.
상기 광분리부재는 상기 물체광이 입사되는 전면에서 후면으로 가며 상기 3개의 반사광을 각각 발생시키는 제 1 반사면, 제 2 반사면 및 제 3 반사면이 순차 이격되어 구비되고, 상기 합성 공간파장(Λ)은 상기 제 2 반사면과 상기 제 3 반사면 사이의 이격 거리 조절로 크기가 가변되는 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 다른 특징으로 한다.
본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 방법은 상술한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치로 상기 대상물체의 두께를 측정하는 방법에 있어서, 상기 컴퓨터는 상기 2개의 간섭무늬 패턴을 입력받는 단계; 상기 물체 평면으로 입력된 상기 2개의 간섭무늬 패턴을 각각 푸리에 평면으로 변환하여 소정의 처리 후 복원 이미지 평면으로 역 푸리에 변환을 하는 단계; 및 상기 이미지 평면 상으로 변환된 복소진폭으로부터 각각의 위상값을 구하여 상기 대상물체의 합성 위상을 얻고, 상기 합성 공간파장(Λ)와 상기 대상물체의 굴절률로 상기 대상물체의 두께(△L)를 계산하는 단계를 포함하여 진행하도록 프로그램된 것을 특징으로 한다.
상기 대상물체의 두께(△L)는 아래 수식으로 계산되고,
Figure 112020051530875-pat00002
상기 수식에서
Figure 112020051530875-pat00003
은 상기 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치에서 상기 대상물체를 놓고 계산된 합성 위상과 상기 대상물체를 놓지 않고 계산된 합성 위상의 차이고,
Figure 112020051530875-pat00004
는 상기 대상물체의 굴절률과 상기 대상물체가 놓인 환경의 굴절률 차이인 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 방법의 다른 특징으로 한다.
상기 광분리부재는 상기 물체광이 입사되는 전면에서 후면으로 가며 상기 3개의 반사광을 각각 발생시키는 제 1 반사면, 제 2 반사면 및 제 3 반사면이 순차 이격되어 구비되고, 상기 합성 공간파장(Λ)은 상기 제 2 반사면과 상기 제 3 반사면 사이의 이격 거리 조절로 가변되어 상기 대상물체의 두께(△L) 측정 범위를 확장시킬 수 있는 것을 본 발명에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 방법의 다른 특징으로 한다.
본 발명은 단일 광원 기반의 전단간섭계에 광분리부재를 구비하여 간격이 다른 2개의 간섭무늬를 형성하고, 이를 합성 공간파장으로 만들어, 대상물체의 측정범위를 자유롭게 확장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 단일 광축 기반의 최적 전단 거리(Optimal LSD)를 갖는 전단간섭계의 구성도이다.
도 2는 도 1의 단일 광학판으로 전단 거리(LSD, dL)를 갖는 두개의 반사광(Beam 1, 2)이 형성되는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치의 구성도이다.
도 4는 도 3의 광분리부재로 물체광(Object Beam)이 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3)으로 분리되어 2개의 간섭무늬 패턴이 형성되는 개념도이다.
도 5는 근축간섭계에 있어서, 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3) 사이의 전단 거리(dt1, dt1+t2), 광분리부재와 고체촬상소자의 거리(s), 고체촬상소자의 물체 평면 상에 2개의 간섭무늬 패턴으로 각각 m번째 밝은 간섭무늬(ym)와 n번째 밝은 간섭무늬(ym)를 보인 구성도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광분리부재의 구성을 보인 개념도이다.
도 9는 2개의 간섭무늬 패턴이 푸리에 평면상에 변환되는 예를 보인 개념도이다.
도 10은 도 3의 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치로 2개의 간섭무늬 패턴이 처리되는 예를 보인 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 대상물체로 선정된 테스트 샘플 light guide prism의 Top view(a)와 Side view(b)를 보인 것이다.
도 12는 도 3의 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치로 얻은 간섭무늬 패턴(a)와 푸리에 평면상에 보인 공간 주파수(b)를 보인 것이다.
도 13은 도 12의 공간 주파수(b)를 저주파 필터링하는 모습(a)과 저주파 필터링 후 Λt1의 위상이 접힌 위상정보(b)를 보인 것이다.
도 14는 도 12의 공간 주파수(b)를 고주파 필터링하는 모습(a)과 고주파 필터링 후 Λt1+t2의 위상이 접힌 위상정보(b)를 보인 것이다.
도 15는 도 13의 위상정보(b) 중 박스 부분을 1차원 스캔 프로파일링 했을 때의 모습(a)과 도 14의 위상정보(b) 중 박스 부분을 1차원 스캔 프로파일링 했을 때의 모습(b)을 보인 것이다.
도 16은 본 발명에 의한 합성 공간파장에 의한 위상정보(a)와 박스 부분을 1차원 스캔 프로파일링 했을 때의 모습(b)을 보인 것이다.
도 17은 도 11의 테스트 샘플에 대하여 종래 단일 광학판에 의한 하나의 간섭무늬 패턴으로 얻은 고단차 물체 형상 측정 결과도이다.
도 18은 도 11의 테스트 샘플에 대하여 본 발명의 광분리부재에 의한 2개의 간섭무늬 패턴으로 얻은 고단차 물체 형상 측정 결과도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치는, 도 3 및 도 4와 같이, 하나의 레이저광원부(100); 상기 레이저광원부에서 나온 레이저광을 대상물체(210)에 투과하여 하나의 물체광(Object Beam)을 얻는 광학계(120); 상기 물체광을 입사받아 반사면을 서로 달리하여 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3)으로 분리하도록 구비된 광분리부재(240); 상기 3개의 반사광을 입사받아 간격이 다른 2개의 간섭무늬 패턴을 획득하는 고체촬상소자(CCD, 300); 및 상기 2개의 간섭무늬 패턴으로 합성 공간파장(Λ)을 만들어 상기 대상물체(210)의 두께를 측정하도록 구비된 컴퓨터(PC, 310)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 광학계(120)는 광원(예컨대, 레이저광)을 대상물체(210)에 투과한 후 물체 정보를 갖는 하나의 물체광(Object Beam)을 만들 수 있으면 어떤 형태로든 구성 가능하나, 단일 광축 기반의 간섭계로 구성함이 바람직하다.
상기 단일 광축 기반의 간섭계의 구체적인 예는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 레이저광원부(100)에서 나온 레이저광을 균일한 평행광으로 하는 빔 익스팬더(110); 상기 빔 익스팬더를 통과한 광원을 반사시키는 광학거울(200); 상기 광학거울에 반사된 광원이 상기 대상물체(210)를 투과한 후 하나의 물체광으로 통과하도록 구비된 대물렌즈(220); 및 상기 대물렌즈를 통과한 물체광이 평행광이 되도록 구비된 볼록렌즈(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 얻은 하나의 물체광은 상기 광분리부재(240)에 의하여 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3)으로 분리되도록 하여, 이들 사이의 전단 거리(dt1, dt1+t2)로 대상물체(210)의 두께를 측정할 수 있는 전단간섭계 기반의 투과형 디지털 홀로그래픽 현미경으로 구성될 수 있다. 도 3에서 컴퓨터(PC, 310)에 연결된 제어기(CONTROLLER, 320)는 대상물체(210)가 놓여지는 재물대의 미소운동을 제어하게 구비될 수 있다.
상기 광분리부재(240)는, 도 4 및 도 5에서, 광학판 2개(Optical plate 1, 2)가 겹쳐진 예를 보여주고 있으나, 이에 제한 되지 않고 하나의 물체광(Object Beam)을 입사받아 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3)으로 분리하도록 구비된 것이면 본 발명에 이용될 수 있다.
상기 광분리부재(240)의 구체적인 예로, 도 4 및 도 5에서, 광학판 2개(Optical plate 1, 2)를 굴절률이 서로 다른 제 1 광학유리와 제 2 광학유리의 접합으로 구성할 수 있다. 상기 제 1 광학유리의 굴절률(n1)은 광분리부재(240)의 주변 굴절률(n0)보다 크고, 상기 제 2 광학유리의 굴절률(n2)보다 작은 것이 후술하는 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3)에 의한 전단 거리의 차(△d)를 작게 함으로써, 고단차 측정에 유리하여 바람직하다. 그러나, 상기 제 2 광학유리의 두께(t2)를 상기 제 1 광학유리의 두께(t1)보다 휠씬 작게 할 수 있으면, 상기 제 1, 2 광학유리의 굴절률 n1 과 n2의 차이는 무시될 수 있다. 즉, n1 ≥ n2 일 수도 있다.
도 4 및 도 5를 참조할 때, 상기 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3)에 의한 전단 거리의 차(△d)는 아래 수학식 1에 의하여 구해진다.
Figure 112020051530875-pat00005
여기서,
Figure 112020051530875-pat00006
이고,
Figure 112020051530875-pat00007
이다.
상기 광분리부재(240)에 의하여 분리된 3개의 반사광(Beam 1, 2, 3)은, 도 5와 같이, 광분리부재(240)와 일정 거리(s) 떨어진 고체촬상소자(CCD, 300)의 물체 평면 상에 간격이 다른 2개의 간섭무늬 패턴을 형성시키고, x축 근방에 형성되는 각각의 m번째 밝은 간섭무늬(ym)와 n번째 밝은 간섭무늬(ym)는 아래 수학식 2와 3으로 계산된다.
Figure 112020051530875-pat00008
Figure 112020051530875-pat00009
상기 수학식 2와 3에서 m과 n은 정수이고, λ는 레이저광원부의 파장이다.
따라서, 반사광 Beam 1과 2에 의한 간섭무늬의 간격은 아래 수학식 4와 같이 계산되고, 이를 공간파장 Λt1이라 정의한다.
Figure 112020051530875-pat00010
한편, 반사광 Beam 1과 3에 의한 간섭무늬의 간격은 아래 수학식 5와 같이 계산되고, 이를 공간파장 Λt1+t2 라 정의한다.
Figure 112020051530875-pat00011
상기 컴퓨터(PC, 310)는 상기 2개의 간섭무늬 패턴으로 합성 공간파장(Λ)을 만들어 상기 대상물체(210)의 두께를 측정하도록 구비된다.
상기 합성 공간파장(Λ)은 아래 수학식 6에 따라 상술한 3개의 반사광에 의한 전단 거리의 차(△d)에 반비례하고, 레이저광원부의 파장(λ)에 비례하도록 함이 바람직하다.
Figure 112020051530875-pat00012
상기 수학식 6으로 계산되는 합성 공간파장(Λ)은 아래 수학식 7로 확인되는 바와 같이, 수학식 4와 5로 얻은 2개의 간섭무늬의 간격 즉, 공간파장 Λt1와 Λt1+t2 로 얻을 수 있음을 알 수 있다.
Figure 112020051530875-pat00013
따라서, 본 발명에 의하면, 하나의 레이저광원부(100), 즉 단일 광원(λ의 파장을 갖는 단색광)에 기반의 전단간섭계를 구성하더라도, 종래 파장이 다른 2개의 광원에 의한 간섭계로 고단차의 두께를 측정하는 것과 동일한 효과를 낼 수 있음을 알 수 있다.
나아가, 본 발명에 의한 합성 공간파장(Λ)은 실시예에 따라 상기 2개의 간섭무늬 패턴의 각 간섭무늬 간격 즉, 공간파장 Λt1 또는 Λt1+t2 보다 크게 할 수 있어, 고단차의 두께 측정에 유리하게 된다.
또한, 상기 광분리부재(240)은 실시예에 따라, 도 3 및 도 8로 참조되는 바와 같이, 상기 물체광(Object Beam, 10)이 입사되는 전면에서 후면으로 가며 3개의 반사광(20, 30, 40)을 각각 발생시키는 제 1 반사면(241), 제 2 반사면(243) 및 제 3 반사면(245 또는 249a)이 순차 이격되어 구비되되, 이웃한 반사면 사이의 이격 거리(t1, t2), 특히 제 3 반사면(245 또는 249a)은 제 2 반사면(243)으로부터 이격 거리(t2)를 조절할 수 있게 구비됨이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 아래 수학식 8에 따라 제 2 반사면(243)과 제 3 반사면(245 또는 249a) 사이의 이격 거리(t2) 조절로 합성 공간파장(Λ)을 쉽게 가변시킬 수 있게 되고, 이는 상기 대상물체(210)의 두께(△L) 측정 범위를 쉽게 확장시킬 수 있는 효과를 얻게 된다.
Figure 112020051530875-pat00014
상기 광분리부재(240)의 다른 실시예로, 도 6과 같이, 상기 물체광(10)이 입사되는 전면에 제 1 광학유리(242)를 두고, 상기 제 1 광학유리의 후면에 공기층(246)을 사이에 두고 반사수단(248)이 구비될 수 있다. 여기서, 상기 반사수단(248)은 제 1 광학유리(242)에 투과된 광을 다시 제 1 광학유리(242)으로 반사시킬 수 있는 것은 모두 가능하다. 일반적인 거울도 가능하나, 반사율이 높아 제 1 반사면(241)에서 반사된 반사광(Beam 1, 30)과의 간섭 효과를 높이기 위해서는 거울의 표면(247)에 반사율을 낮출 수 있는 물질로 처리된 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사수단(248)은 형태에 제한이 없으나, 도 7과 같이, 상기 제 1 광학유리(242)와 이격 거리(t2)를 두고 평행하게 배치된 반사판으로, 상기 이격 거리로 상기 공기층(246)의 두께(t2)를 조절할 수 있게 구비한 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 도 6과 도 7로부터 직관적으로 알 수 있는 바와 같이, 이격 거리(t2) 조절로 수학식 1에 따른 3개의 반사광(20, 30, 40)에 의한 전단 거리의 차(△d)를 줄일 수 있게 되어, 수학식 6에 의하여, 합성 공간파장(Λ)을 쉽게 키워, 고단차를 갖는 대상물체(210)의 두께(△L)도 측정할 수 있는 장점이 있게 된다.
또 다른 응용례로, 상기 반사수단(248)으로 채용한 반사판은, 도 8과 같이, 제 2 광학유리(249)로 하고, 상기 제 2 광학유리(249)의 후면에는 광 산란수단(249c)이 더 구비된 것으로 할 수도 있다. 여기서, 상기 제 2 광학유리(249)는 제 1 광학유리(242)와 굴절률이 다를 수도 있으나, 같은 굴절률(n1)을 갖고 임의 두께(t3)를 가질 수 있다. 상기 광 산란수단(249c)은 제 2 광학유리(249)의 후면(249b)으로 입사된 빛이 상기 후면(249b)에서 흡수되거나 난반사시킬 수 있는 수단이면 되므로, 산란판(diffuser)일 수도 있고, 단순히 제 2 광학유리(249)의 후면(249b)에 랜덤하게 스크레치된 것으로 구비될 수도 있다.
다음은, 도 9 내지 도 18을 참조하며, 상술한 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치를 이용한 대상물체(210)의 두께를 측정하는 방법에 대하여 설명한다.
상기 대상물체(210)의 두께를 포함한 3차원 고단차 물체 형상을 측정하기 위해서, 상기 컴퓨터(PC, 310)는 상기 2개의 간섭무늬 패턴을 입력받는 단계; 상기 물체 평면으로 입력된 상기 2개의 간섭무늬 패턴을 각각 푸리에 평면으로 변환하여 소정의 처리 후 복원 이미지 평면으로 역 푸리에 변환을 하는 단계; 및 상기 이미지 평면 상으로 변환된 복소진폭으로부터 각각의 위상값을 구하여 상기 대상물체(210)의 합성 위상을 얻고, 상기 합성 공간파장(Λ)와 상기 대상물체의 굴절률로 상기 대상물체의 두께(△L)를 계산하는 단계를 포함하여 진행하도록 프로그램된다.
도 9는 2개의 간섭무늬 패턴이 푸리에 평면상에 변환되는 예를 보인 개념도이다. 도 10은 도 3의 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치로 2개의 간섭무늬 패턴이 처리되는 예를 보인 흐름도이다. 이는 일반적인 디지털 홀로그래픽 현미경의 처리 방식에 따르면 되므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 합성 위상은 아래 수학식 9로 얻게 된다.
Figure 112020051530875-pat00015
여기서,
Figure 112020051530875-pat00016
는 Λt1의 정수배(integer multiple)로 표현한 것이고,
Figure 112020051530875-pat00017
,
Figure 112020051530875-pat00018
이다.
상기 대상물체의 두께(△L)는 아래 수학식 10으로 계산될 수 있다.
Figure 112020051530875-pat00019
여기서,
Figure 112020051530875-pat00020
은 상기 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치에서 재물대에 대상물체(210)를 놓고 계산된 합성 위상과 대상물체(210)를 놓지 않고 계산된 합성 위상의 차이고,
Figure 112020051530875-pat00021
는 대상물체(210)의 굴절률과 대상물체가 놓인 환경(예, 공기)의 굴절률 차이를 말한다.
도 11은 본 발명의 대상물체(210)로 선정된 테스트 샘플 light guide prism의 Top view(a)와 Side view(b)를 보인 것이다. 도 12는 도 3의 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치로 얻은 간섭무늬 패턴(a)와 푸리에 평면상에 보인 공간 주파수(b)를 보인 것이다. 도 13은 도 12의 공간 주파수(b)를 저주파 필터링하는 모습(a)과 저주파 필터링 후 Λt1의 위상이 접힌 위상정보(b)를 보인 것이다. 도 14는 도 12의 공간 주파수(b)를 고주파 필터링하는 모습(a)과 고주파 필터링 후 Λt1+t2의 위상이 접힌 위상정보(b)를 보인 것이다.
도 15는 도 13의 위상정보(b) 중 박스 부분을 1차원 스캔 프로파일링 했을 때의 모습(a)과 도 14의 위상정보(b) 중 박스 부분을 1차원 스캔 프로파일링 했을 때의 모습(b)을 보인 것이다. 도 16은 본 발명에 의한 합성 공간파장(Λ)에 의한 위상정보(a)와 박스 부분을 1차원 스캔 프로파일링 했을 때의 모습(b)을 보인 것이다.
도 17은 도 11의 테스트 샘플에 대하여 종래 단일 광학판에 의한 하나의 간섭무늬 패턴으로 얻은 고단차 물체 형상 측정 결과도이고, 도 18은 도 11의 테스트 샘플에 대하여 본 발명의 광분리부재(240)에 의한 2개의 간섭무늬 패턴으로 얻은 고단차 물체 형상 측정 결과도이다.
도 17과 도 18을 대비하여 보면, 동일한 테스트 샘플에 대하여, 즉 도 11(b)에 보인 37㎛의 고단차는 종래 단일 광학판에 의할 경우는 20㎛ 대로 측정되나, 본 발명의 광분리부재(240)에 의할 경우는 30㎛ 대로 거의 실제 단차 높이로 측정됨을 확인할 수 있다.
100: 레이저광원부 110: 빔 익스팬더
120: 광학계 200: 광학거울
210: 대상 물체 220: 대물렌즈
230: 볼록렌즈 240: 다중광학유리
300: 고체촬상소자 310: 컴퓨터
320: 제어기

Claims (11)

  1. 하나의 레이저광원부;
    상기 레이저광원부에서 나온 레이저광을 대상물체에 투과하여 하나의 물체광을 얻는 광학계;
    상기 물체광을 입사받아 반사면을 서로 달리하여 3개의 반사광으로 분리하도록 구비된 광분리부재;
    상기 3개의 반사광을 입사받아 간격이 다른 2개의 간섭무늬 패턴을 획득하는 고체촬상소자(CCD); 및
    상기 2개의 간섭무늬 패턴으로 합성 공간파장(Λ)을 만들어 상기 대상물체의 두께를 측정하도록 구비된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광분리부재는 제 1 광학유리와 제 2 광학유리의 접합으로 구성된 것을 특징으로 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광분리부재는 상기 물체광이 입사되는 전면에 제 1 광학유리를 두고, 상기 제 1 광학유리의 후면에 공기층을 사이에 두고 반사수단이 구비된 것을 특징으로 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반사수단은 상기 제 1 광학유리와 이격 거리를 두고 평행하게 배치된 반사판으로, 상기 이격 거리로 상기 공기층의 두께를 조절할 수 있게 구비한 것을 특징으로 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사판은 제 2 광학유리이고,
    상기 제 2 광학유리의 후면에는 광 산란수단이 더 구비된 것을 특징으로 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성 공간파장(Λ)은 아래 수식에 따라 상기 3개의 반사광에 의한 전단 거리의 차(△d)에 반비례하고, 상기 레이저광원부의 파장(λ)에 비례하고,
    Figure 112020051530875-pat00022

    상기 수식에서 s는 상기 광분리부재와 상기 고체촬상소자(CCD) 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 합성 공간파장(Λ)은 상기 2개의 간섭무늬 패턴의 각 간섭무늬 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 광분리부재는 상기 물체광이 입사되는 전면에서 후면으로 가며 상기 3개의 반사광을 각각 발생시키는 제 1 반사면, 제 2 반사면 및 제 3 반사면이 순차 이격되어 구비되고,
    상기 합성 공간파장(Λ)은 상기 제 2 반사면과 상기 제 3 반사면 사이의 이격 거리 조절로 크기가 가변되는 것을 특징으로 하는 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치.
  9. 제 6 항의 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치로 상기 대상물체의 두께를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 컴퓨터는 상기 2개의 간섭무늬 패턴을 입력받는 단계;
    상기 고체촬상소자의 물체 평면으로 입력된 상기 2개의 간섭무늬 패턴을 각각 푸리에 평면으로 변환하여 소정의 처리 후 복원 이미지 평면으로 역 푸리에 변환을 하는 단계; 및
    상기 이미지 평면 상으로 변환된 복소진폭으로부터 각각의 위상값을 구하여 상기 대상물체의 합성 위상을 얻고, 상기 합성 공간파장(Λ)와 상기 대상물체의 굴절률로 상기 대상물체의 두께(△L)를 계산하는 단계를 포함하여 진행하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 3차원 고단차 물체 형상 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 대상물체의 두께(△L)는 아래 수식으로 계산되고,
    Figure 112020051530875-pat00023

    상기 수식에서
    Figure 112020051530875-pat00024
    은 상기 3차원 고단차 물체 형상 측정 장치에서 상기 대상물체를 놓고 계산된 합성 위상과 상기 대상물체를 놓지 않고 계산된 합성 위상의 차이고,
    Figure 112020051530875-pat00025
    는 상기 대상물체의 굴절률과 상기 대상물체가 놓인 환경의 굴절률 차이인 것을 특징으로 하는 3차원 고단차 물체 형상 측정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광분리부재는 상기 물체광이 입사되는 전면에서 후면으로 가며 상기 3개의 반사광을 각각 발생시키는 제 1 반사면, 제 2 반사면 및 제 3 반사면이 순차 이격되어 구비되고,
    상기 합성 공간파장(Λ)은 상기 제 2 반사면과 상기 제 3 반사면 사이의 이격 거리 조절로 가변되어 상기 대상물체의 두께(△L) 측정 범위를 확장시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 고단차 물체 형상 측정 방법.
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