KR102478970B1 - 노이즈 레벨을 차감한 주파수 성분을 기초로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법 - Google Patents

노이즈 레벨을 차감한 주파수 성분을 기초로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면 단지 한 개의 홀로그램의 획득으로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 정확하게 생성할 수 있다. 특히 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. 본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.

Description

노이즈 레벨을 차감한 주파수 성분을 기초로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법{A method of generating three-dimensional shape information of an object to be measured}
본 발명은 노이즈 레벨을 차감한 주파수 성분을 기초로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광학 거울로부터 반사된 기준광과 측정 대상 물체로부터 반사되거나, 측정 대상 물체를 투과한 물체광의 간섭에 의해서 생성된 물체 홀로그램의 강도 정보를 포함하는 이미지로부터 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.
종래 기술에 따르면, 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.
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 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 실시예들에 따른 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법은 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, 상기 이미지에 포함된 적어도 하나의 주파수 성분들을 확인하는 단계; 상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 물체 정보가 없는 영역에 포함된 주파수 성분들을 이용하여 노이즈 레벨을 산출하는 단계; 상기 적어도 하나의 주파수 성분들에서 노이즈 레벨을 차감시키는 단계; 노이즈 레벨이 차감된 상기 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 중간 홀로그램을 생성하는 단계; 상기 중간 홀로그램으로부터 곡률 수차 보정정보를 생성하는 단계; 상기 곡률 수차 보정정보에 기초하여, 상기 중간 홀로그램에서 곡률 수차에 의한 오차가 제거된 보정 홀로그램을 생성하는 단계; 및 상기 보정 홀로그램으로부터 상기 측정 대상 물체의 상기 3차원 형상 정보를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 노이즈 레벨을 산출하는 단계는 상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 실상에 대응되는 주파수 성분, 허상에 대응되는 주파수 성분, 원점 성분을 제외한 영역의 임의의 제1 주파수 성분의 레벨을 노이즈 레벨로 설정하는 점을 특징으로 할 수 있다.
상기 노이즈 레벨을 산출하는 단계는 상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 실상에 대응되는 주파수 성분, 허상에 대응되는 주파수 성분, 원점 성분을 제외한 영역의 모든 주파수 성분들의 평균값을 노이즈 레벨로 설정하는 점을 특징으로 할 수 있다.
상기 노이즈 레벨을 산출하는 단계는 상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 실상에 대응되는 주파수 성분, 허상에 대응되는 주파수 성분, 원점 성분을 제외한 영역의 일부 영역의 주파수 성분들의 평균값을 노이즈 레벨로 설정하는 점을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면 단지 한 개의 홀로그램의 획득으로 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 정확하게 생성할 수 있다.
특히 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.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1은 공개된 종래 기술에 따른 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치를 상세히 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그래피 복원 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 5는 도 4에 도시된 측정 대상 물체의 일 부분에 대한 이미지의 주파수 성분을 도시한 도면이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d는 도 5에 도시된 주파수 성분들에서 노이즈 주파수 성분들을 추출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 주파수 성분들에서 물체 정보를 포함하는 영역에 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 9는 예시적인 실상 홀로그램을 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서가 중간 홀로그램으로부터 곡률 수차 보정항을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12a, 도 12b, 도 12c는 노이즈를 제거하여 실상 홀로그램 및 생성된 측정 대상 물체의 3차원 형상의 예시를 도시한 도면들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치에 의해 수행되는 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 공개된 종래 기술에 따른 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치를 상세히 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 공개된 종래 기술의 2파장 디지털 홀로그래피 현미경 장치는 혼합광원부(100), 파장분할부(200), 간섭무늬획득부(300), 대물부(400), 이미지센서부(500), 이미지저장부(600), 제어부(700), 물체형상복원부(800)를 포함한다.
혼합광원부(100)는 혼합광원발광부(110)와 광원부렌즈(120)를 포함한다. 이러한 혼합광원발광부(110)는 단일하지 아니한 여러 대역에 분포된 파장대역을 가지는 혼합광을 발광한다. 광원부렌즈(120)는 상기 혼합광원발광부(110)에서 생성된 혼합광을 광학적으로 조절하고, 이를 파장분할부(200)에 입사시킨다.
파장분할부(200)는 제1광분할기(210)와 제1여광판(220) 및 제2여광판(230)과 제1반사체(240)를 포함한다. 제1광분할기(210)는 혼합광원부(100)로부터 입사된 혼합광을 입력받아 2개의 광으로 분할한다. 이때 제1광분할기(210)는 입사받은 혼합광을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제1여광판(220)은 제1광분할기(210)에서 분할된 광들 중 하나의 광을 입력받아 미리 정해진 단일파장을 가지는 제1광선을 획득한다. 여기서 제1여광판(220)에 입력되는 광은 제1여광판(220)을 통과하면서 필터링되고, 제1여광판(220)의 특성에 따라 정해진 단일한 파장을 가지는 제1광선이 획득된다. 제2여광판(230)은 제1여광판(220)과 동일한 방식으로, 제1광분할기(210)에서 분할된 광들 중 나머지 하나의 광을 입력받아, 제1광선의 파장과 다른 파장을 가지는 제2광선을 획득한다. 그리고 제2광선은 간섭무늬획득부(300)로 보내진다. 제1반사체(240)는 제1여광판(220)에서 획득된 제1광선을 입사받아 간섭무늬획득부(300)로 반사하는 역할을 한다.
간섭무늬획득부(300)는 제2광분할기(310)와 제3광분할기(320)와 제2반사체(330)와 제3여광판(340)과 제3반사체(350)를 포함한다. 제2광분할기(310)는 파장분할부(200)로부터 입력된 제1광선을 입력받아 제1물체광과 제1기준광으로 분할한다. 이때 제2광분할기(310)는 입사받은 제1광선을 서로 다른 방향으로 나누어 진행시키는 역할을 수행한다. 제3광분할기(320)도 제2광분할기(310)와 동일한 방식으로 제2광선을 입력받아 제2물체광과 제2기준광으로 분할한다. 제2반사체(330)는 제1기준광을 입사받고, 이를 반사한 제1반사기준광을 제2광분할기(310)로 보낸다. 제3여광판(340)은 제2광분할기(310)에서 분할된 제1기준광을 입사받아 제2반사체(330)로 보내고, 반사되는 제1반사기준광을 입사받아 제2광분할기로 보낼 수 있다. 또한 제3여광판(340)은 제2물체광이 제2광분할기(310)에 이르러 광분할되어 일부가 제2반사체(330) 방향으로 진행할 때 제2반사체(330)에 도달하지 못하도록 진행을 막는다. 이를 위하여 제3여광판(340)은 광을 투과시킴에 있어서 제1여광판(220)과 동일한 특성을 가지는 여광판으로 한다. 제3반사체(350)는 제2기준광을 입사받고, 이를 반사한 제2반사기준광을 제3광분할기(320)로 보내는데, 여기서 제2반사체(330) 및 제3반사체(350)는 제어부(700)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(500)로 보내진다. 제2광분할기(310)는 이상과 같이 분할한 제1물체광을 대물부(400)에 거치되어 있는 측정 대상 물체에 입사시키고, 또한 제3광분할기(320)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(310)는 이상과 같이 반사된 제1반사물체광과 제2반사물체광을 입력받아 이를 제3광분할기(320)로 보낸다. 제3광분할기(320)는 이상과 같이 입력받은 제1반사물체광과 제2반사물체광을 다시 이미지센서부(500)로 보낸다.
또한, 상술한 바와 같이 획득된 제1반사기준광, 제2반사기준광은 다음과 같은 과정을 거쳐 이미지센서부(500)로 보내진다. 구체적으로, 제2광분할기(310)는 제2반사체(330)에서 반사되어 온 제1반사기준광을 입력받아 제3광분할기(320)로 보낸다. 제3광분할기(320)는 이상과 같이 제2광분할기(310)에서 보내진 제1반사기준광과, 제3반사체(350)에서 반사되어 온 제2반사기준광을 입력받아 다시 이미지센서부(500)로 보낸다. 그에 따라, 제3광분할기(320)에서 제1반사물체광과 제1반사기준광과 제2반사물체광과 제2반사기준광이 모두 동일하게 이미지센서부(500) 방향으로 보내진 후, 상호 간섭하여 간섭무늬가 생성된다.
한편, 제2반사체(330)와 제3반사체(350)는 서로 다른 파장의 광선이 서로 다른 간섭무늬를 형성하게 하는 탈축(off-axis) 시스템을 구성하기 위하여 제어부(700)의 제어에 따라 각도를 다방향으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 제2반사체(330)와 제3반사체(350)의 각도가 서로 상이하게 됨에 따라, 제2반사체(330)로부터 반사되는 제1반사기준광과 제3반사체(350)로부터 반사되는 제2기준광의 방향에 이격이 발생하게 되어, 제1반사기준광과 제2반사기준광이 이미지센서부(500)에 도달한 제1반사물체광과 제2반사물체광과 합쳐져 간섭무늬를 형성할 때에, 각 파장 별로 상이하게 탈축된 간섭무늬를 형성하게 된다.
대물부(400)는 물체거치대(410)와 대물렌즈(420)를 포함한다. 물체거치대(410)는 측정 대상 물체를 거치대에 고정시켜 측정되도록 하고, 대물렌즈(420)는 측정 대상 물체에 입사되는 제1물체광과 제2물체광을 광학적으로 조절한다.
이미지센서부(500)는 간섭무늬획득부(300)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(600)는 이미지센서부(500)에서 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 메모리나 디스크장치 등과 같은 다양한 저장매체에 저장한다.
제어부(700)는 상술한 탈축(off-axis) 시스템을 구현하고 간섭무늬를 획득하기 위하여 제2반사체(330)와 제3반사체(350)의 위치와 각도를 조절하는 등 간섭무늬획득부(300)를 제어하고, 측정 대상 물체에 입사되는 제1물체광과 제2물체광을 조절하기 위하여 대물렌즈(420)를 조절하는 등 대물부(400)를 제어하고, 상기 간섭무늬가 측정되어 그에 대한 정보가 이산신호로 변환되도록 하기 위하여 이미지센서부(500)를 제어하고, 이산신호로 변환된 간섭무늬 정보를 저장하기 위하여 이미지저장부(600)를 제어한다.
물체형상복원부(800)는 위상정보획득부(810)와 두께정보획득부(820)와 형상복원부(830)를 포함한다. 위상정보획득부(810)는 상기 간섭무늬 정보를 이용하여 상기 제1광선에 대한 간섭무늬의 위상정보와 상기 제2광선에 대한 간섭무늬의 위상정보를 각각 획득하고, 두께정보획득부(820)는 상기 위상정보들을 이용하여 측정 대상 물체의 두께정보를 획득하고, 형상복원부(830)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(200)가 파장이 서로 상이한 제1광선 및 제2광원을 분할하기 위해 제1여광판(220), 제2여광판(230), 및 제1반사체(240)를 사용하여야 한다.
또한, 간섭무늬획득부(300)가 제2광원을 분할하기 위한 제3광분할기(320), 제2광원을 반사시키기 위한 제3반사체(350), 및 제2광원이 제2반사체(330)로 입사되는 것을 차단하기 위한 제3여광판(340)을 추가로 사용하여야 한다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1A)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명에서 '홀로그래피(Holography) 복원 장치'는 측정 대상 물체에 대한 홀로그램(이하에서는 '물체 홀로그램'이라고 설명한다)을 획득하고, 획득된 물체 홀로그램을 분석 및/또는 표시하는 장치를 의미할 수 있다.
가령 홀로그래피 복원 장치(1A)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.
한편 본 발명에서 '물체 홀로그램(Hologram)'은 홀로그래피 복원 장치(1A)에 의해서 획득되는 이미지로부터 생성될 수 있는 홀로그램으로, 홀로그래피 복원 장치(1A)에 의한 다양한 처리가 이루어 지기 전의 홀로그램을 의미할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1A)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(10), 광원부(10)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(20), 시준기(20)를 통과한 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(30), 광 분할기(30)에 의해 분할된 물체광(O)을 통과시키는 물체광 대물 렌즈(40), 광 분할기(30)에 의해 분할된 기준광(R)을 통과시키는 기준광 대물 렌즈(60), 기준광 대물 렌즈(60)를 통과한 기준광(R)을 반사시키는 광학 거울(70), 물체광 대물 렌즈(40)를 통과하여 측정 대상 물체(50)의 표면에서 반사된 물체광(O) 및 광학 거울(70)에 의해 반사된 기준광(R)이 각각 물체광 대물 렌즈(40) 및 기준광 대물 렌즈(60)를 통과하여 광 분할기(30)로 전달되어 형성되는 이미지를 기록하는 영상 센서(80) 및 영상 센서(80)가 획득한 이미지를 처리하는 프로세서(90)를 포함할 수 있다.
이때 프로세서(90)는 영상 센서(80)가 획득한 이미지로부터 측정 대상 물체(50)의 3차원 정보를 생성할 수 있다. 이와 같은 프로세서(90)의 동작에 대한 상세한 설명은 후술한다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1B)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1B)는 단일 파장 광을 방출하는 광원부(10), 광원부(10)에서 방출된 단일 파장 광을 시준하기 위한 시준기(20), 시준기(20)를 통과한 단일 파장 광을 물체광(O) 및 기준광(R)으로 분할하는 광 분할기(30), 광 분할기(30)에 의해 분할된 물체광(O)이 측정 대상 물체(50)를 투과한 후 측정 대상 물체(50)의 정보를 포함한 물체 투과광(T)을 통과시키는 물체광 대물 렌즈(40), 물체광 대물 렌즈(40)를 통과한 물체 투과광(T)을 반사시키는 제2 광학 거울(72), 광 분할기(30)에 의해 분할된 기준광(R)을 통과시키는 기준광 대물 렌즈(60), 기준광 대물 렌즈(60)를 통과한 기준광(R)을 반사시키는 제1 광학 거울(70), 제1 광학 거울(70)에 의해 반사된 기준광(R) 및 제2 광학 거울(72)에 의해 반사된 물체 투과광(T)이 각각 전달되는 제2 광 분할기(32), 제2 광 분할기(32)로 전달된 기준광(R) 및 물체광 투과광(T)에 의해 형성되는 이미지를 기록하는 영상 센서(80) 및 영상 센서(80)가 획득한 이미지를 처리하는 프로세서(90)를 포함할 수 있다.
물론 이러한 제2 실시예에서도, 프로세서(90)는 영상 센서(80)가 획득한 이미지로부터 측정 대상 물체(50)의 3차원 정보를 생성할 수 있다. 이와 같은 프로세서(90)의 동작에 대한 상세한 설명은 후술한다.
상술한 도 2a 및 도 2b에 각각 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1A) 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1B)는 물체광(O)이 측정 대상 물체(50)에서 반사(도 2a의 실시예)되거나 또는 물체광(O)이 측정 대상 물체(50)를 투과(도 2b의 실시예)한다는 점 및 그에 따른 일부 구성요소(예를 들어, 도 2b의 실시예의 제2 광학 거울(72) 및 제2 광 분할기(32))의 추가 사용 및 그에 따른 일부 구성요소의 배치)를 제외하고는 실질적으로 동일한 구성을 가진다.
특히 이미지가 영상 센서(80)에 의해 획득되고, 프로세서(90)가 획득된 이미지로부터 기준광(R)을 생성한다는 점에서 동일한 특징을 갖는다는 점에 유의하여야 한다.
이하에서는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1A, 1B)를 통칭하여 홀로그래피 복원 장치(1)로 지칭하여 설명한다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)의 프로세서(90)는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 프로세서(90)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(80)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(50)의 외형을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 측정 대상 물체(50)는 일면에 소정의 간격에 따라 배치된 직육면체 형상의 구조물(51A 내지 51I)을 포함할 수 있다. 바꾸어 말하면, 측정 대상 물체(50)는 X-Y 평면과 평행하는 면 상에 Z 방향으로 돌출된 직육면체 형상의 구조물(51A 내지 51I)을 포함할 수 있다.
이하에서는 홀로그래피 복원 장치(1)가 측정 대상 물체(50)의 직육면체 형상의 구조물(51A 내지 51I)이 배치된 면과 수직하는 방향으로 물체광(O)을 조사하여 측정 대상 물체(50)의 이미지를 획득하는 것을 전제로 설명한다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 센서(80)는 측정 대상 물체(50)의 이미지를 획득할 수 있다.
본 발명에서 측정 대상 물체(50)의 '이미지(Image)'는 측정 대상 물체(50)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.
Figure 112020131354676-pat00001
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(80)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 측정 대상 물체(50)의 일 부분에 대해서(예컨대, 51A 및 51B를 포함하는 부분)에 대해서 도 4에 도시된 바와 같은 이미지를 획득할 수 있다.
영상 센서(80)에 의해 획득된 이미지는 전술한 바와 같이 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 각 위치에서의 강도(Intensity) 정보를 포함하므로, 영상 센서(80)가 획득한 일반적인(즉 물체광(O)으로만 촬영한) 측정 대상 물체(50)의 이미지와 상이할 수 있다.
수학식 1을 참조하면 물체 홀로그램(U0(x,y,0))은 각 지점에서의 측정 대상 물체(50)의 위상 정보를 포함하는 물체광(0)과 측정 대상 물체의 위상 정보를 포함하지 않는 기준광(R)의 간섭에 의해 생성된 것일 수 있다.
또한 물체 홀로그램(U0(x,y,0))은 측정 대상 물체(50)의 각 지점(즉 각 x,y 지점)에서의 위상정보(즉 물체의 높이 정보)외에, 물체광 대물 렌즈(40)의 수차에 따른 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(90)는 영상 센서(80)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(90)는 영상 센서(80)에 의해 획득된 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다. 가령 프로세서(90)는 이미지에 대한 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하여, 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다.
바꾸어 말하면, 프로세서(90)는 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 위치 별 강도 정보(즉|(U0(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(90)는 확인된 주파수 성분들 중에서 실상에 대응되는 성분들만 추출할 수 있다. 이때 프로세서(90)는 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 추출할 수 있다.
가령 프로세서(90)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(90)는 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(90)는 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
선택적 실시예에서 프로세서(90)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 5는 도 4에 도시된 측정 대상 물체(50)의 일 부분에 대한 이미지의 주파수 성분을 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이 프로세서(90)는 영상 센서(80)에 의해 획득된 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있으며, 이에 따라 프로세서(90)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(90)는 확인된 성분들 중에서 물체 정보가 없는 영역의 주파수 성분들을 이용하여 스페클 노이즈(speckle noise)에 따른 노이즈 레벨을 산출하고, 노이즈 레벨을 차감함으로서 주파수 성분들에서 스페클 노이즈(specle noise)를 제거할 수 있다. 스페클 노이즈에 따른 노이즈 레벨은 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성부(912) 및 DC 성분(913)을 제외한 나머지 영역의 임의의 지점의 주파수 성분 레벨 또는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성부(912) 및 DC 성분(913)을 제외한 나머지 영역의 모든 지점들의 주파수 성분들의 레벨의 평균값, 또는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성부(912) 및 DC 성분(913)을 제외한 나머지 영역 중 일부의 주파수 성분들의 레벨의 평균값 등과 같이 설정될 수 있다.
이때, 프로세서(90)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성부(912) 및 DC 성분(913)을 포함하는 물체 영역 이외의 영역의 노이즈 주파수 성분(910)을 추출할 수 있다. 이때, 물체 영역(910)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성분(912), DC 성분(913)을 포함하지 않는 임의의 영역일 수 있다.
도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 프로세서(90)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), DC 성분(913), 허상에 대응되는 주파수 성분(912)를 제외한 영역들의 주파수 성분들을 이용하여 노이즈 레벨을 산출할 수 있다. 실상에 대응되는 주파수 성분(911), DC 성분(913), 허상에 대응되는 주파수 성분(912)를 제외한 영역은 도 6b 및 도 6c와 같이 물체 성분이 없는 사분면 또는 물체 성분이 있는 사분면에 자유로운 모양으로 설정될 수 있다.
프로세서(90)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성분(912)가 없는 사분면의 영역(N1, N2, N3, N4 중 적어도 하나)의 노이즈 주파수 성분을 추출하고, 노이즈 주파수 성분을 기초로 노이즈 레벨을 산출할 수 있다. 노이즈 레벨이 차감된 주파수 성분들은 도 6d와 같이 생성될 수 있다. 차감되기 이전의 주파수 성분들 보다 물체 정보를 포함하는 주파수 성분들이 명확하게 인식될 수 있다. 도 6d는 도 5와 비교하여 물체 성분을 포함하는 주파수 성분들이 더 선명함을 알 수 있다.
실상에 대응되는 주파수 성분(911)만 추출할 수 있다. 이때 프로세서(90)는 가령 도 7에 도시된 바와 같이 실상에 대응되는 피크 성분(911A)을 중심으로 하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들(911B)을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 전술한 과정에 의해서 추출된 실상에 대응되는 주파수 성분들로부터 디지털 기준광을 생성할 수 있다. 이를 보다 상세히 살펴보면, 프로세서(90)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수를 산출할 수 있다. 바꾸어 말하면, 프로세서(90)는 디지털 기준광의 파수 벡터를 산출할 수 있다.
또한 프로세서(90)는 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수(또는 파수 벡터)에 기초하여 디지털 기준광을 생성하고, 하기 수학식 2에서와 같이 생성된 디지털 기준광(R(x,y))의 켤레 항을 구함으로써 보정광(Rc(x,y))을 생성할 수 있다.
Figure 112020131354676-pat00002
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 기준광의 위상을 도시한 도면이고, 도 8c는 보정광(Rc(x,y))의 강도를 도시한 도면이고, 도 8d는 보정광의 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(30)가 단일 파장의 광으로부터 생성한 기준광(R)과 동일한 성질을 갖는 광으로, 프로세서(90)가 영상 센서(80)에 의해 획득된 이미지로부터 복원한 가상의 광일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 전술한 과정에 의해서 추출된 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 실상 홀로그램을 생성할 수 있다. 가령 프로세서(90)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 대해 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 수행하여 도 9 또는 도 6d와 같은 실상 홀로그램을 생성할 수 있다.
이때 실상 홀로그램은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020131354676-pat00003
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.
한편 이와 같은 실상 홀로그램(Um(x,y,0))은 측정 대상 물체(50)의 높이에 관한 정보 외에, 기준광(R)에 대한 정보 및 물체광 대물 렌즈(40)의 수차에 의한 오차를 포함할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 기준광(R)에 의한 영향 및 물체광 대물 렌즈(40)의 수차에 의한 오차를 고려하여 실상 홀로그램(Um(x,y,0))으로부터 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))을 생성할 수 있다.
가령 프로세서(90)는 아래의 수학식 4와 같이 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y))과 곡률 수차 보정에 대한 항(Rca(x,y))을 곱함으로써 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))을 생성할 수 있다.
Figure 112020131354676-pat00004
여기서 Uc(x,y,0)는 기준광(R)에 대한 정보 및 물체광 대물 렌즈(40)의 수차 정보가 제거된 보정 홀로그램을 나타내고, Um(x,y,0)는 실상 홀로그램을 나타내며, Rc(x,y)는 보정광에 대한 항을 나타내고, Rca(x,y) 곡률 수차 보정에 대한 항을 나타낸다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 다양한 방법으로 전술한 곡률 수차 보정에 대한 항(Rca(x,y))을 생성할 수 있다.
가령 프로세서(90)는 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y))만 곱해진 홀로그램(이하 중간 홀로그램)으로부터 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상을 생성하고, 생성된 3차원 형상으로부터 곡률 수차 보정에 대한 항(Rca(x,y))을 생성할 수 있다.
이를 보다 자세히 살펴보면, 프로세서(90)는 중간 홀로그램으로부터 생성된 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상으로부터 곡률 수차 보정항을 결정하는 적어도 하나의 파라미터를 결정할 수 있다. 이때 파라미터는 가령 반구형의 곡면을 정의하는 중심점의 좌표 및 반지름을 포함할 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)가 중간 홀로그램으로부터 곡률 수차 보정항을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
설명의 편의를 위하여 영상 센서(80)가 도 3b의 직육면체 형상의 구조물(51D)에 대한 이미지를 획득하였고, 프로세서(90)가 전술한 과정에 따라 구조물(51D)에 대한 중간 홀로그램을 생성하였다고 가정한다. 또한 구조물(51D)에 대한 중간 홀로그램으로부터 생성된 구조물(51D)의 3차원 형상(920)은 도 10에 도시된 바와 같다고 가정한다.
전술한 가정 하에, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 3차원 형상(920)으로부터 곡률 수차 보정항을 결정하는 적어도 하나의 파라미터를 결정할 수 있다. 가령 프로세서(90)는 도 11에 도시된 바와 같은 3차원 형상(920)의 I-I단면 상의 곡선으로부터 반구형의 곡면의 중심점의 좌표(Cx, Cy) 및 곡면의 반지름(r)을 파라미터로써 결정할 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 I-I단면와 같은 절단면이 3차원 형상(920)의 중심점(즉 반구형 형상의 중심점)을 포함하도록 절단면의 위치 및/또는 방향을 결정할 수 있다. 또한 프로세서(90)는 I-I단면와 같은 절단면이 물체광(0)의 진행 방향과 평행하도록 결정할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 전술한 과정에 의해서 결정된 적어도 하나의 파라미터에 기초하여 곡률 수차 보정항을 생성(또는 결정)할 수 있다. 가령 프로세서(90)는 곡면의 중심점의 좌표(Cx, Cy) 및 곡면의 반지름(r)을 참조하여 3차원 공간상에서 곡면을 생성하고, 생성된 곡면으로부터 각 x,y 지점의 위상 보정에 반영될 정보를 생성하는 방식으로 곡률 수차 보정항을 생성(또는 결정)할 수 있다.
선택적 실시예에서, 프로세서(90)는 형상을 미리 알고 있는 측정 대상 물체(가령 모든 x,y 좌표에서의 z값이 동일한 물체)의 중간 홀로그램으로부터 보정항을 결정할 수도 있다.
형상을 미리 알고 있는 측정 대상 물체의 경우 각 x, y 지점에서의 z값을 미리 알고 있으므로, 프로세서(90)는 중간 홀로그램으로부터 생성된 측정 대상 물체의 3차원 형상과 알고 있는 측정 대상 물체의 형상의 각 x, y 지점에서의 z값의 차이를 확인하는 방식으로 보정항을 결정할 수도 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(90)는 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))에 기초하여 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상을 생성할 수 있다. 바꾸어 말하면, 프로세서(90)는 각 x, y 지점에서의 물체의 z 방향으로의 높이를 산출할 수 있다.
가령 프로세서(90)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(90)에 의해 계산 및 시뮬레이션되는 가상의 면일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)에 의해 수행되는 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 12c에서 설명한 내용과 중복되는 내용의 설명은 생략하되, 도 1 내지 도 12c을 함께 참조하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 측정 대상 물체(50)의 이미지를 획득할 수 있다.(S1201)
본 발명에서 측정 대상 물체(50)의 '이미지(Image)'는 측정 대상 물체(50)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 홀로그래피 복원 장치(1)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 측정 대상 물체(50)의 일 부분에 대해서(예컨대, 51A 및 51B를 포함하는 부분)에 대해서 도 4에 도시된 바와 같은 이미지를 획득할 수 있다.
홀로그래피 복원 장치(1)에 의해 획득된 이미지는 전술한 바와 같이 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 각 위치에서의 강도(Intensity) 정보를 포함하므로, 홀로그래피 복원 장치(1)가 획득한 일반적인(즉 물체광(O)으로만 촬영한) 측정 대상 물체(50)의 이미지와 상이할 수 있다.
수학식 1을 참조하면 물체 홀로그램(U0(x,y,0))은 각 지점에서의 측정 대상 물체(50)의 위상 정보를 포함하는 물체광(0)과 측정 대상 물체의 위상 정보를 포함하지 않는 기준광(R)의 간섭에 의해 생성된 것일 수 있다.
또한 물체 홀로그램(U0(x,y,0))은 측정 대상 물체(50)의 각 지점(즉 각 x,y 지점)에서의 위상정보(즉 물체의 높이 정보)외에, 물체광 대물 렌즈(40)의 수차에 따른 오차 및 노이즈(가령 레이저의 광자(photon) 사용에 따른 스펙클 노이즈(speckle noise))등을 더 포함할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 홀로그래피 복원 장치(1)가 획득한 이미지로부터 상술한 오차 및 노이즈 등을 제거하기 위해 단계 S1202 내지 단계 S1207의 연산 과정을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 홀로그래피 복원 장치(1)에 의해 획득된 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다.(S1202) 가령 홀로그래피 복원 장치(1)는 이미지에 대한 2차원 푸리에 변환(2D Fourier Transform)을 수행하여, 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있다.
바꾸어 말하면, 홀로그래피 복원 장치(1)는 물체 홀로그램(U0(x,y,0))의 위치 별 강도 정보(즉|(U0(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.
홀로그래피 복원 장치(1)는 노이즈를 제거하기 위해서, 확인된 주파수 성분들 중에서, 물체 정보가 포함되지 않은 영역에 포함된 노이즈 주파수 성분들을 추출하고 노이즈 주파수 성분들을 기초로 노이즈 레벨을 산출할 수 있다. 홀로그래피 복원 장치(1)는 도 6a, 도 6b, 도 6c와 같은 노이즈 영역(910, N1, N2, N3, N4)에 포함된 주파수 성분들을 이용하여 노이즈 레벨을 산출할 수 있다(S1203).홀로그래피 복원 장치(1)는 주파수 성분들에서 노이즈 레벨을 차감시킨다(S1204).
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 노이즈가 차감된 주파수 성분들 중에서 실상에 대응되는 성분들만 추출할 수 있다.(S1205) 이때 홀로그래피 복원 장치(1)는 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 추출할 수 있다.
가령 홀로그래피 복원 장치(1)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 홀로그래피 복원 장치(1)는 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 다양한 방식으로 실상에 대응되는 성분들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 홀로그래피 복원 장치(1)는 실상에 대응되는 피크 성분을 중심으로 하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
선택적 실시예에서 홀로그래피 복원 장치(1)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.
다시 도 5를 참조하면, 홀로그래피 복원 장치(1)는 홀로그래피 복원 장치(1)에 의해 획득된 이미지의 주파수 성분들을 확인할 수 있으며, 이에 따라 홀로그래피 복원 장치(1)는 실상에 대응되는 주파수 성분(911), 허상에 대응되는 주파수 성분(912) 및 DC 성분(913)을 포함하는 다양한 주파수 성분들을 확인할 수 있다.
또한 홀로그래피 복원 장치(1)는 노이즈 레벨을 차감한 성분들 중에서 실상에 대응되는 주파수 성분(911)만 추출할 수 있다. 이때 홀로그래피 복원 장치(1)는 가령 도 7에 도시된 바와 같이 실상에 대응되는 피크 성분(911A)을 중심으로 하는 십자가 영역 내의 주파수 성분들(911B)을 실상에 대응되는 성분들로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 전술한 과정에 의해서 추출된 실상에 대응되는 주파수 성분들로부터 디지털 기준광을 생성할 수 있다.(S1206) 이를 보다 상세히 살펴보면, 홀로그래피 복원 장치(1)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수를 산출할 수 있다. 바꾸어 말하면, 홀로그래피 복원 장치(1)는 디지털 기준광의 파수 벡터를 산출할 수 있다.
또한 홀로그래피 복원 장치(1)는 디지털 기준광의 전파 방향 및 파수(또는 파수 벡터)에 기초하여 디지털 기준광을 생성하고, 상술한 수학식 2에서와 같이 생성된 디지털 기준광(R(x,y))의 켤레 항을 구함으로써 보정광(Rc(x,y))을 생성할 수 있다.
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 기준광의 위상을 도시한 도면이고, 도 8c는 보정광(Rc(x,y))의 강도를 도시한 도면이고, 도 8d는 보정광의 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(30)가 단일 파장의 광으로부터 생성한 기준광(R)과 동일한 성질을 갖는 광으로, 홀로그래피 복원 장치(1)가 홀로그래피 복원 장치(1)에 의해 획득된 이미지로부터 복원한 가상의 광일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 전술한 과정에 의해서 추출된 실상에 대응되는 주파수 성분들에 기초하여 실상 홀로그램을 생성할 수 있다.(S1206) 가령 홀로그래피 복원 장치(1)는 실상에 대응되는 주파수 성분들에 대해 역 2차원 푸리에 변환(Inverse 2D Fourier transform)을 수행하여 도 8 또는 도 6d와 같은 실상 홀로그램을 생성할 수 있다. 이때 실상 홀로그램은 물체 성분이 없는 영역의 주파수 성분들을 기초로 산출된 노이즈 레벨을 차감시킨 주파수 성분들로부터 획득될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 곡률 수차 보정에 대한 항(Rca(x,y))을 생성하기 위하여 중간 홀로그램을 생성할 수 있다.(S1207) 가령 홀로그래피 복원 장치(1)는 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y))을 곱함으로써 중간 홀로그램을 생성할 수 있다. 생성된 중간 홀로그램은 단계 S1208에서 곡률 수차 보정정보를 생성하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 단계 S1207에서 생성된 중간 홀로그램으로부터 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상을 생성하고, 생성된 3차원 형상으로부터 곡률 수차 보정에 대한 항(Rca(x,y))을 생성할 수 있다.(S1208) 이를 보다 자세히 살펴보면, 홀로그래피 복원 장치(1)는 중간 홀로그램으로부터 생성된 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상으로부터 곡률 수차 보정항을 결정하는 적어도 하나의 파라미터를 결정할 수 있다. 이때 파라미터는 가령 반구형의 곡면을 정의하는 중심점의 좌표 및 반지름을 포함할 수 있다.
다시 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)가 중간 홀로그램으로부터 곡률 수차 보정항을 결정하는 방법을 설명한다. 설명의 편의를 위하여 홀로그래피 복원 장치(1)가 도 3b의 직육면체 형상의 구조물(51D)에 대한 이미지를 획득하였고, 홀로그래피 복원 장치(1)가 전술한 과정에 따라 구조물(51D)에 대한 중간 홀로그램을 생성하였다고 가정한다. 또한 구조물(51D)에 대한 중간 홀로그램으로부터 생성된 구조물(51D)의 3차원 형상(920)은 도 10에 도시된 바와 같다고 가정한다.
전술한 가정 하에, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 3차원 형상(920)으로부터 곡률 수차 보정항을 결정하는 적어도 하나의 파라미터를 결정할 수 있다. 가령 홀로그래피 복원 장치(1)는 도 11에 도시된 바와 같은 3차원 형상(920)의 I-I단면 상의 곡선으로부터 반구형의 곡면의 중심점의 좌표(Cx, Cy) 및 곡면의 반지름(r)을 파라미터로써 결정할 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 I-I단면와 같은 절단면이 3차원 형상(920)의 중심점(즉 반구형 형상의 중심점)을 포함하도록 절단면의 위치 및/또는 방향을 결정할 수 있다. 또한 홀로그래피 복원 장치(1)는 I-I단면와 같은 절단면이 물체광(0)의 진행 방향과 평행하도록 결정할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 전술한 과정에 의해서 결정된 적어도 하나의 파라미터에 기초하여 곡률 수차 보정항을 생성(또는 결정)할 수 있다. 가령 홀로그래피 복원 장치(1)는 곡면의 중심점의 좌표(Cx, Cy) 및 곡면의 반지름(r)을 참조하여 3차원 공간상에서 곡면을 생성하고, 생성된 곡면으로부터 각 x,y 지점의 위상 보정에 반영될 정보를 생성하는 방식으로 곡률 수차 보정항을 생성(또는 결정)할 수 있다.
선택적 실시예에서, 홀로그래피 복원 장치(1)는 형상을 미리 알고 있는 측정 대상 물체(가령 모든 x,y 좌표에서의 z값이 동일한 물체)의 중간 홀로그램으로부터 보정항을 결정할 수도 있다.
형상을 미리 알고 있는 측정 대상 물체의 경우 각 x, y 지점에서의 z값을 미리 알고 있으므로, 홀로그래피 복원 장치(1)는 중간 홀로그램으로부터 생성된 측정 대상 물체의 3차원 형상과 알고 있는 측정 대상 물체의 형상의 각 x, y 지점에서의 z값의 차이를 확인하는 방식으로 보정항을 결정할 수도 있다. 다만 이는 예시적인 것으로 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 기준광(R)에 의한 영향 및 물체광 대물 렌즈(40)의 수차에 의한 오차를 고려하여 실상 홀로그램(Um(x,y,0))으로부터 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))을 생성할 수 있다.(S1207) 가령 홀로그래피 복원 장치(1)는 전술한 수학식 4와 같이 실상 홀로그램(Um(x,y,0))에 보정광에 대한 항(Rc(x,y))과 곡률 수차 보정에 대한 항(Rca(x,y))을 곱함으로써 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))을 생성할 수 있다. 이때 보정광에 대한 항(Rc(x,y))은 단계 S1206에서 생성된 것일 수 있고, 곡률 수차 보정에 대한 항(Rca(x,y))은 단계 S1208에서 생성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래피 복원 장치(1)는 보정 홀로그램(Uc(x,y,0))에 기초하여 측정 대상 물체(50)의 3차원 형상 정보를 생성할 수 있다.(S1208) 바꾸어 말하면, 홀로그래피 복원 장치(1)는 각 x, y 지점에서의 물체의 z 방향으로의 높이를 산출할 수 있다.
가령 홀로그래피 복원 장치(1)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, 홀로그래피 복원 장치(1)에 의해 계산 및 시뮬레이션되는 가상의 면일 수 있다.
홀로그래피 복원 장치(1)는 복원 영상면을 고려하여 복원된 정보로부터 도 12b, 도 12c와 같이 x, y 지점에서의 물체의 z 방향으로의 높이를 산출할 수 있다. 스페클 노이즈의 제거로 인해 물체의 3차원 형상 정보가 도 12b와 같이 수치적으로 생성되며, 그중에서도 사용자가 지정한 하나의 축, 예를 들어 z 방향의 두께 정보가 도 12c와 같이 산출될 수 있다. 도 12b, 도 12c에는 측정 대상 물체(50) 상에 배치된 두 개의 직육면체 형상의 구조물의 3차원 형상 정보가 포함될 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.
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.
1: 홀로그래피 복원 장치
10: 광원부
20: 시준기
30,32: 광 분할기
40: 물체광 대물 렌즈
50: 측정 대상 물체
60: 기준광 대물 렌즈
70,72: 광학 거울
80: 영상 센서
90: 프로세서

Claims (4)

  1. 광학 거울로부터 반사된 기준광과 측정 대상 물체에 영향을 받는 물체광의 간섭에 의해서 생성된 물체 홀로그램의 강도(Intensity) 정보를 포함하는 이미지를 기록하는 영상 센서 및 상기 영상 센서가 획득한 이미지를 처리하는 프로세서를 포함하는 홀로그래피 복원 장치의 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 이미지에 포함된 적어도 하나의 주파수 성분들을 확인하는 단계;
    상기 프로세서가 상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 물체 정보가 없는 영역에 포함된 주파수 성분들을 이용하여 노이즈 레벨을 산출하는 단계;
    상기 프로세서가 상기 적어도 하나의 주파수 성분들에서 노이즈 레벨을 차감시키는 단계;
    상기 프로세서가 노이즈 레벨이 차감된 상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중 실상(Real Image)에 대응되는 실상 성분들을 추출하는 단계;
    상기 프로세서가 상기 실상 성분들에 기초하여 디지털 기준광을 생성하고 상기 디지털 기준광과 켤레(Conjugate) 관계에 있는 보정광 및 상기 측정 대상 물체의 실상 정보를 포함하는 실상 홀로그램을 생성하는 단계;
    상기 프로세서가 상기 보정광에 기초하여, 보정 홀로그램을 생성하는 단계; 및
    상기 프로세서가 상기 보정 홀로그램으로부터 상기 측정 대상 물체의 상기 3차원 형상 정보를 생성하는 단계;를 포함하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 노이즈 레벨을 산출하는 단계는
    상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 실상에 대응되는 주파수 성분, 허상에 대응되는 주파수 성분, 원점 성분을 제외한 영역의 임의의 제1 주파수 성분의 레벨을 노이즈 레벨로 설정하는 점을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서
    상기 노이즈 레벨을 산출하는 단계는
    상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 실상에 대응되는 주파수 성분, 허상에 대응되는 주파수 성분, 원점 성분을 제외한 영역의 모든 주파수 성분들의 평균값을 노이즈 레벨로 설정하는 점을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서
    상기 노이즈 레벨을 산출하는 단계는
    상기 적어도 하나의 주파수 성분들 중에서, 실상에 대응되는 주파수 성분, 허상에 대응되는 주파수 성분, 원점 성분을 제외한 영역의 일부 영역의 주파수 성분들의 평균값을 노이즈 레벨로 설정하는 점을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 3차원 형상 정보를 생성하는 방법.
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