KR20030061644A - 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템 - Google Patents

광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 프로브 케이스(10)의 내측 상부에 장착되며 결상렌즈(13)를 통해 측정물(P)의 2차원 및 3차원 영상정보를 획득하는 CCD 카메라(11)와; 상기 CCD 카메라(11)의 하방에 장착되며 2차원 형상 측정시 측정물(P)의 측정면을 조명하는 제1 조명부(15)와; 상기 제1 조명부(15)의 하방인 프로브 케이스(10)의 저면에 형성된 촬상공(17)에 장착되며 2차원 형상 측정시 측정물(P)의 모서리 부분을 조명하는 제2 조명부(18)와; 상기 프로브 케이스(10)의 일측에 장착되며 측정물(P)의 3차원 형상 측정시 투영격자(22), 투영렌즈(20), 전반사 미러(19) 및 상기 촬상공(17)을 통해 측정물(P)의 측정면을 조명하는 제3 조명부(23)와; 상기 투영격자(22)를 미소 이동시키는 PZT 액츄에이터(25)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 측정방식의 선택만으로 측정물에 대한 2차원 및 3차원 형상측정을 선택적 또는 교번적으로 실행할 수 있으며, 아울러 기준면을 사용하지 않고 투영격자만으로 3차원 형상을 측정할 수 있음에 따라 측정오차를 최소화할 수 있다.

Description

광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템 {OPTICAL APPARATUS FOR MEASURING THE TWO AND THREE-DIMENSIONAL SHAPE OF AN OBJECT}
본 발명은 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 측정물에 대한 2차원 치수 및 3차원 형상과 표면조도의 측정을 선택적 또는 교번적으로 실시할 수 있는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전자공학과 기계공학이 발전함에 따라 전자, 기계부품의 소형화 및 정밀화가 가속되고 있는데, 이러한 소형의 전자 및 기계부품의 가공과 제조 상태를 확인하기 위해서는 그 치수, 형상, 표면조도에 대한 고정도(高精度)의 측정이 이루어져야 한다.
예를들면, 전자부품인 반도체 웨이퍼와 이 반도체 웨이퍼상에 가공된 집적회로의 미세패턴에 대한 치수, 형상, 표면조도는 주지의 접촉식 측정장치를 이용하여측정할 수 없으며, 촉침을 이용한 접촉식 표면조도 측정기를 이용하는 경우에도 촉침의 팁(Tip)이 물체의 표면에 미세한 흠집을 발생시킬 뿐만 아니라 면적에 대한 정보를 얻기 힘들다는 문제점이 있었다.
따라서, 현재에는 소형의 전자, 기계부품 등의 치수를 측정하기 위한 방안으로 광원에서 방사되는 광을 이용하여 측정물의 치수를 비접촉 방식으로 얻는 광학식 2차원 측정장치와, 광원에서 방사되는 광을 기준패턴화하여 측정물에 영사하고 그 측정물의 형상에 따라 변형된 광을 기준패턴과 비교하여 측정물에 대한 형상(및 표면조도)을 측정하는 광학식 3차원 측정장치가 사용되고 있다.
그러나, 광을 이용하여 측정물의 치수를 측정하는 2차원 측정장치와 측정물의 형상(및 표면조도)을 측정하는 3차원 측정장치는 각각 독립적으로 설계되어 별개로 사용되고 있음에 따라 특정 측정물의 2차원 치수와 3차원 형상을 측정하기 위해서는 2차원 및 3차원 측정장치를 번갈아 사용하며 측정물의 치수와 형상을 측정하여야 한다는 번거로음이 있을 뿐만 아니라 사용자의 경제적인 부담을 가중시킨다는 문제점이 있었다.
이에, 본 출원인은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 특허 등록 번호 제284080호를 통해 측정물의 2차원 치수와 3차원 형상/표면조도의 측정을 선택적으로 또는 호환적으로 실시할 수 있는 "광학식 치수/형상/표면조도 측정장치"를 제안하였다. 이를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 광학식 치수/형상/표면조도 측정장치의 전체 구성을 나타낸 도면으로, 키보드(114)와 마우스(116)를 통해 설정되는 측정방식에 따라 측정장치를 제어 및 운영하는 제어/운영부(112)에 측정결과를 가시적으로 출력하는 모니터 (118)와 프린터(120)가 각각 연결되어 있다.
또한, 측정물(P)의 2차원 및 3차원 형상을 측정하는 측정유니트(130)가 상기 제어/운영부(112)에 접속되어 있는데, 상기 측정유니트(130)의 제어기 본체(130a)에는 제진대(136), 석정반(138), X-Y테이블(140), 틸트테이블(142)이 순차적으로 적층되어 있으며, 상기 석정반(138)의 일측에 고정된 지지대(44)에는 측정물(P)의 형상측정에 이용되는 광학장치가 내장된 프로브(146)가 상하방향으로 유동가능하게 장착되어 있다.
상기 프로브(146)에는 측정물(P)의 2차원 치수측정을 위한 제1 광학계(150)와 3차원 형상/표면조도 측정을 위한 제2 광학계(152b)가 장착되어 있다. 도 2는 2차원 치수 측정을 위한 제1 광학계(150)를 나타낸 도면이고, 도 3은 3차원 형상/표면조도 측정을 위한 제2 광학계를 나타낸 도면이다.
측정물(P)의 2차원 치수를 측정하기 위해서는 도 2에 도시된 것처럼 대물렌즈(172)가 제어기 본체(130a)에 장착된 측정물(P)을 향하도록 터렛(148)을 회동시키면 된다. 이와같이 터렛(148)을 회동시킨 상태에서 측정장치가 구동되면 광원 (160)에서 출사된 백색광이 제1 렌즈(162), 제2 렌즈(164), 제3 렌즈(166) 및 전반사 미러(168)를 통해 광분할기(170)로 인가된다.
이와같이 광분할기(170)로 인가된 백색광은 대물렌즈(172)를 통해 측정물(P)로 조사되고 또한 측정물(P)에 의해 반사되어 대물렌즈(172)를 통해 되돌아오는데, 이 반사광을 결상렌즈(174)로 포커싱하여 CCD(Charge Coupled Device) 카메라(176)로 촬상하면 측정물(P)의 2차원 치수를 측정할 수 있다.
한편, 측정물(P)의 3차원 형상을 측정하기 위해서는 도 3에 도시된 것처럼 대물렌즈(172)와 기준면(178) 및 광분할기(180)가 제어기 본체(130a)에 장착된 측정물(P)을 향하도록 터렛(148)을 회동시키면 된다. 이와같이 터렛(148)을 회동시킨 상태에서 측정장치가 구동되면 상기와 마찬가지로 광원(160)에서 출사된 백색광이 제1 렌즈(162), 제2 렌즈(164), 제3 렌즈(166) 및 전반사 미러(168)를 통해 광분할기(170)로 인가된다.
이와같이 광분할기(170)로 인가된 백색광은 대물렌즈(172)와 기준면(178) 및 광분할기(180)를 통해 측정물(P)로 조사되는데, 이때 상기 기준면(178)은 대물렌즈 (172)에 의해 집광된 광에 대한 기준광속을 형성하고, 상기 광분할기(180)는 측정물(P)의 형상/표면조도의 측정을 위한 측정광속을 형성하게 된다.
상기와 같이 형성된 기준광속과 측정광속이 기준면과 측정면에 각각 입사되고, 그 복수의 광속이 다시 기준면과 측정면에 의해 반사되며 간섭을 일으키게 된다. 이때의 간섭무늬를 결상렌즈(174)를 통해 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 (176)로 촬상하면 측정물(P)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
종래의 광학식 치수/형상/표면조도 측정장치는 상기된 것처럼 측정물(P)의 2차원 및 3차원 형상측정을 위한 제1 및 제2 광학계(150,152b)가 공통적인 구성요소를 공용하도록 구성되어 있다는 장점을 갖고 있으나, 상기 제1 및 제2 광학계 (150,152b)가 정/역방향의 회동구조를 갖는 터렛(148)에 장착됨에 따라 2차원 및 3차원 형상 측정시 터렛(148)을 회동시켜 일측을 선택하여야 한다는 불편함이 있다.
또한, 측정물의 3차원 형상 측정을 위해 상기된 종래의 측정장치를 통해 얻어지는 영상은 기준면과 측정면에 의해 반사되는 광의 간섭무늬로, 이때 남아있는 기준면의 영상이 측정오차의 원인으로 작용함에 따라 측정결과의 신뢰성을 확보하기 어렵다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 측정방식의 선택만으로 측정물에 대한 2차원 및 3차원 형상측정을 선택적 또는 교번적으로 실행할 수 있으며, 아울러 기준면을 사용하지 않고 투영격자만으로 3차원 형상을 측정할 수 있는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광학계를 매개하여 측정물의 2차원 및 3차원 형상을 선택적 또는 교번적으로 측정하는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템에 있어서: 프로브 케이스의 내측 상부에 장착되며 결상렌즈를 통해 측정물의 2차원 및 3차원 영상정보를 획득하는 CCD 카메라와; 상기 CCD 카메라의 하방에 장착되며 2차원 형상 측정시 측정물의 측정면을 조명하는 제1 조명부와; 상기 제1 조명부의 하방인 프로브 케이스의 저면에 형성된 촬상공에 장착되며 2차원 형상 측정시 측정물의 모서리 부분을 조명하는 제2 조명부와; 상기 프로브 케이스의 일측에 장착되며 측정물의 3차원 형상 측정시 투영격자, 투영렌즈, 전반사 미러 및 상기 촬상공을 통해 측정물의 측정면을 조명하는 제3 조명부와; 상기 투영격자를 미소 이동시키는 PZT 액츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 조명부는: 상기 CCD 카메라를 통해 측정물(P)의 영상 정보를 획득할 수 있도록 링형상으로 형성된 몸체와; 상기 몸체의 저면에 외주연을 따라 형성된 장착부에 소정의 각도로 경사지게 장착된 다수의 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제2 조명부는: 상기 CCD 카메라를 통해 측정물의 영상 정보를 획득할 수 있도록 링형상으로 형성된 몸체와; 상기 몸체의 저면에 외주연을 따라 형성된 장착부와; 상기 장착부를 형성하는 소정의 각도로 경사지게 형성된 경사판에 장착된 다수의 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 형상 측정 시스템은: 측정물이 장착되는 이송테이블의 기준면에 투영된 격자 무늬 영상에 버킷알고리즘을 적용하여 획득한 기준위상과 측정물에 투영된 격자 무늬 영상에 버킷알고리즘을 적용하여 획득한 물체위상의 차위상인 모아레 위상을 언래핑하여 측정물의 3차원 형성 정보를 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형상 측정 시스템은: 상기 제1 조명부의 점등시 촬상된 제1 조명영상과 상기 제2 조명부의 점등시 촬상된 제2 조명영상을 선택적으로 사용하거나 상기 두영상의 차이를 비교하여 측정물의 2차원 형상 정보를 추출하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 장치의 전체 구성을
나타낸 도면,
도 2는 도 1에 도시된 측정 장치의 2차원 형상 측정을 위한 제1 광학계를
개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 도 1에 도시된 측정 장치의 3차원 형상 측정을 위한 제2 광학계를
개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템의 프로브의
내부 구성을 나타낸 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 제1 조명부의 확대 단면도,
도 6은 도 4에 도시된 제2 조명부의 확대 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 형상 측정 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면으로,
도 7a는 3차원 형성 측정 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7b 및 도 7c는 2차원 형상 측정 방법을 설명하기 위한 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 프로브 케이스 11 : CCD 카메라
13 : 결상렌즈 15 : 제1 조명부
15a : 몸체 15b : 장착부
15c : 발광 다이오드 17 : 촬상공
18 : 제2 조명부 18a : 몸체
18b : 장착부 18c : 경사판
18d : 발광 다이오드 19 : 전반사 미러
20 : 투영렌즈 22 : 투영격자
23 : 제3 조명부 25 : PZT 액츄에이터
이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 측정물의 2차원 및 3차원 형상을 측정하는 광학계가 내장된프로브의 내부 구성을 제외하고는 상기된 측정장치와 그 구성이 동일함에 따라 본 실시예에서는 측정물의 2차원 및 3차원 형상을 측정하는 광학계가 내장되는 프로브를 중심으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템의 프로브를 나타낸 단면도로, 프로브 케이스(10)의 내측 상부에는 영상 정보를 획득하기 위한 CCD 카메라(11)가 카메라 마운트(12)를 통해 장착되어 있다. 또한, 상기 CCD 카메라(11)의 하방에는 렌즈 마운트(14)를 통해 결상렌즈(13)가 프로브 케이스(10)의 내측에 고정되어 있으며, 상기 결상렌즈(13)의 하방에는 측정물의 2차원 형상 측정시 이용되는 제1 조명부(15)가 제1 조명 마운트(16)를 통해 프로브 케이스(10)에 고정되어 있다.
상기 제1 조명부(15)는 도 5에 도시된 것처럼 CCD 카메라(11)를 통해 측정물의 영상 정보를 획득할 수 있도록 링형상으로 형성된 몸체(15a)를 구비하는데, 상기 몸체(15a)의 저면에 외주연을 따라 형성된 장착부(15b)에는 다수의 발광 다이오드(15c)가 소정의 각도로 경사지게 장착되어 있다. 즉, 결상렌즈(13)의 중심에서 연장된 중심선과 맞닿는 측정물의 측정면 주위를 향하도록 다수의 발광 다이오드 (15c)가 몸체(15a)의 장착부(15b)에 장착되어 있다.
한편, 상기 제1 조명부(15)의 하방인 프로브 케이스(10)의 저면에는 CCD 카메라(11)를 통해 측정물의 영상 정보를 획득할 수 있도록 촬상공(17)이 형성되어 있으며, 상기 촬상공(17)의 하부에는 측정물의 2차원 형상 측정시 이용되는 제2 조명부(18)가 장착되어 있다.
도 6에 도시된 것처럼 CCD 카메라(11)를 통해 측정물의 영상 정보를 획득할 수 있도록 링형상으로 형성된 제2 조명부(18)의 몸체(18a)의 저면에는 외주연을 따라 장착부(18b)가 형성되어 있으며, 상기 장착부(18b)를 형성하는 소정의 각도로 경사지게 형성된 경사판(18c)에 다수의 발광 다이오드(18d)가 장착되어 있다.
또한, 상기 프로브 케이스(10)의 일측에는 상기 촬상공(17)을 향하도록 경사지게 전반사 미러(19)가 장착되어 있으며, 그 상부에는 측정물의 3차원 형상 측정시 이용되는 투영렌즈(20)가 렌즈 마운트(21)를 통해 프로브 케이스(10)의 내측에 고정되어 있다.
아울러, 상기 투영렌즈(20)의 상부에는 미도시된 PZT 액츄에이터에 의해 유동되는 투영격자(22)가 장착되어 있으며, 그 상부에는 측정물의 3차원 형상 측정시 이용되는 광원인 제3 조명부(23)가 제3 조명 마운트(24)를 통해 프로브 케이스(10)에 고정되어 있다.
다음에는 상기와 같이 구성된 광학계를 통해 측정물의 2차원 및 3차원 형상을 측정하는 방법을 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 도 7a는 측정물의 3차원 형성 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 7b 및 도 7c는 측정물의 2차원 형상 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 키보드 또는 마우스를 통해 3차원 형상 측정 방식을 선택하면 도 7a에 도시된 것처럼 기준면에 해당하는 기준위상을 얻기 위하여 제3 조명부(23)로부터발생된 광이 투영격자(22)와 투영렌즈(20) 및 전반사 미러(19)를 통해 측정물(P)이 장착되는 이송테이블의 기준면에 투영된다.
그 후, 4 버킷알고리즘을 적용할 수 있도록 PZT 액츄에이터(25)를 통해 투영격자(22)를 미소 이동시키면서 기준면에 영사하고 이를 결상렌즈(13)를 통해 CCD 카메라(11)로 촬상하는데, 이와같이 획득된 격자무늬 영상에 버킷 알고리즘을 적용하면 기준면에 대한 기준위상을 획득할 수 있다.
다음에는 측정물(P)을 이송테이블위에 올려놓고 제3 조명부(23)로부터 발생된 광을 투영격자(22)와 투영렌즈(20) 및 전반사 미러(19)를 통해 측정물(P)의 측정면에 투영한다. 그 후, 4 버킷 알고리즘을 적용할 수 있도록 PZT 액츄에이터(24)를 통해 투영격자(22)를 미소 이송시키면서 측정물(P)의 측정면에 투영하고 이를 결상렌즈(13)를 통해 CCD 카메라(11)로 촬상한다.
상기와 같이 획득된 격자무늬 영상에 버킷 알고리즘을 적용하면 측정물(P)의 물체위상을 획득할 수 있는데, 이처럼 획득된 물체위상에서 기준위상을 빼면 모아레 위상을 획득할 수 있고, 이 모아레 위상을 언래핑하면 측정물(P)의 실제 높이정보, 즉 특정물의 3차원 형상정보를 구할 수 있다.
한편, 키보드 또는 마우스를 통해 2차원 형상 측정 방식을 선택하면 도 7b에 도시된 것처럼 제1 조명부(15)의 몸체(15a)에 경사지게 장착된 발광 다이오드(15c)가 점등되어 빛을 발하게 되는데, 이 빛은 측정물(P)의 측정면에 의해 반사되어 결상렌즈(13)를 통해 CCD 카메라(11)로 입사된다.
그 후, 제1 조명부(15)가 소등되고 제2 조명부(18)의 몸체(18a)에 장착된 발광 다이오드(18d)가 점등되어 빛을 발하게 되는데, 이 빛은 측정물(P)의 모서리에 의해 반사되어 결상렌즈(13)를 통해 CCD 카메라(11)로 입사된다. 따라서, CCD 카메라(11)를 통해 촬상된 제1 조명영상과 제2 조명영상을 선택적으로 사용하거나 두영상의 차이를 비교하면 측정물(P)의 치수, 즉 특정물의 2차원 형상정보를 구할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은, 측정방식의 선택만으로 측정물에 대한 2차원 및 3차원 형상측정을 선택적으로 또는 교번적으로 실행할 수 있으며, 아울러 기준면을 사용하지 않고 투영격자만으로 3차원 형상을 측정할 수 있음에 따라 측정오차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 장비의 소형화, 사용의 간편화 및 제작비용의 절감을 통해 경쟁력있는 장비의 구현이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 광학계를 매개하여 측정물(P)의 2차원 및 3차원 형상을 선택적 또는 교번적으로 측정하는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템에 있어서:
    프로브 케이스(10)의 내측 상부에 장착되며 결상렌즈(13)를 통해 측정물(P)의 2차원 및 3차원 영상정보를 획득하는 CCD 카메라(11)와;
    상기 CCD 카메라(11)의 하방에 장착되며 2차원 형상 측정시 측정물(P)의 측정면을 조명하는 제1 조명부(15)와;
    상기 제1 조명부(15)의 하방인 프로브 케이스(10)의 저면에 형성된 촬상공 (17)에 장착되며 2차원 형상 측정시 측정물(P)의 모서리 부분을 조명하는 제2 조명부(18)와;
    상기 프로브 케이스(10)의 일측에 장착되며 측정물(P)의 3차원 형상 측정시 투영격자(24), 투영렌즈(20), 전반사 미러(19) 및 상기 촬상공(17)을 통해 측정물 (P)의 측정면을 조명하는 제3 조명부(23)와;
    상기 투영격자(22)를 미소 이동시키는 PZT 액츄에이터(24)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 조명부(15)는:
    상기 CCD 카메라(11)를 통해 측정물(P)의 영상 정보를 획득할 수 있도록 링형상으로 형성된 몸체(15a)와;
    상기 몸체(15a)의 저면에 외주연을 따라 형성된 장착부(15b)에 소정의 각도로 경사지게 장착된 다수의 발광 다이오드(15c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 조명부(18)는:
    상기 CCD 카메라(11)를 통해 측정물의 영상 정보를 획득할 수 있도록 링형상으로 형성된 몸체(18a)와;
    상기 몸체(18a)의 저면에 외주연을 따라 형성된 장착부(18b)와;
    상기 장착부(18b)를 형성하는 소정의 각도로 경사지게 형성된 경사판(18c)에 장착된 다수의 발광 다이오드(18d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 형상 측정 시스템은:
    측정물(P)이 장착되는 이송테이블의 기준면에 투영된 격자 무늬 영상에 버킷알고리즘을 적용하여 획득한 기준위상과 측정물(P)에 투영된 격자 무늬 영상에 버킷알고리즘을 적용하여 획득한 물체위상의 차위상인 모아레 위상을 언래핑하여 측정물(P)의 3차원 형성 정보를 추출하는 것을 특징으로 하는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 형상 측정 시스템은:
    상기 제1 조명부(15)의 점등시 촬상된 제1 조명영상과 상기 제2 조명부(18)의 점등시 촬상된 제2 조명영상을 선택적으로 사용하거나 상기 두영상의 차이를 비교하여 측정물(P)의 2차원 형상 정보를 추출하는 것을 특징으로 하는 광학식 2차원 및 3차원 형상 측정 시스템.
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