KR20070035333A - Displacement measuring device by using the focus splitting and method thereof - Google Patents

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KR20070035333A
KR20070035333A KR1020050090069A KR20050090069A KR20070035333A KR 20070035333 A KR20070035333 A KR 20070035333A KR 1020050090069 A KR1020050090069 A KR 1020050090069A KR 20050090069 A KR20050090069 A KR 20050090069A KR 20070035333 A KR20070035333 A KR 20070035333A
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주식회사 나노시스템
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Abstract

본 발명은 물체를 가공 또는 검사함에 있어서 물체까지의 변위를 정확하게 측정할 수 있도록 초점 분할 방식을 이용하여 대상 물체의 변위를 측정하는 변위측정장치와 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a displacement measuring apparatus and a measuring method for measuring the displacement of a target object by using a focus division method so as to accurately measure the displacement to the object in processing or inspecting the object.

본 발명에 의한 변위측정장치 및 방법은 빔분할기로 분할된 초점 위치를 기준으로 초점 이전에 배치된 핀홀과 초점 이후에 배치된 핀홀을 통과하는 빛을 각기 광센서로 감지하고, 감지된 광량의 차이에 의해 발생하는 광센서간의 전기적 신호 차이를 통해 측정 물체까지의 변위를 측정할 수 있으며, 산출된 전기적 신호의 차를 전기적 신호의 합의 값으로 정규화(Normalization)함으로써 측정 대상물의 반사도에 대한 영향을 최소화하고, 신호의 선형성을 확보할 수 있어 반도체, LCD 등의 각종 전자 제품 및 각종 기계 제품을 가공하거나 검사할 때 매우 정밀한 변위 측정이 가능한 것이다.Displacement measuring apparatus and method according to the present invention detects the light passing through the pinhole disposed before the focus and the pinhole disposed after the focus by the optical sensor based on the focus position divided by the beam splitter, respectively, and the difference in the amount of light detected Displacement to the measurement object can be measured through the difference of the electrical signals generated by the optical sensor, and the influence on the reflectance of the measurement object is minimized by normalizing the difference of the calculated electrical signals to the sum of the electrical signals. In addition, since the linearity of the signal can be secured, highly accurate displacement measurement is possible when processing or inspecting various electronic products such as semiconductors and LCDs and various mechanical products.

또한 변위의 변화에 대한 민감도를 극대화하여 기존의 변위 측정 방법보다 정밀하게 변위를 측정할 수 있어, 물체와 측정 광학계 사이의 거리를 일정하게 유지시켜 주는 자동초점 장치를 위한 방법 및 장치에도 적용이 가능하다.In addition, it is possible to measure the displacement more precisely than the conventional displacement measuring method by maximizing the sensitivity to the change of displacement, so it can be applied to the method and device for the auto focusing device to keep the distance between the object and the measurement optical system constant. Do.

변위측정장치, 변위측정방법, 핀홀, 광센서, 레이저 Displacement measuring device, displacement measuring method, pinhole, optical sensor, laser

Description

초점 분할 방식의 변위 측정 장치 및 측정 방법{Displacement measuring device by using the focus splitting and method thereof}Displacement measuring device by using the focus splitting and method

도1은 본 발명의 실시예에 따른 초점 분할 방식을 이용한 변위측정장치의 구성을 나타내는 개략도,1 is a schematic diagram showing a configuration of a displacement measuring apparatus using a focus division method according to an embodiment of the present invention;

도2는 본 발명에 의한 측정 대상물의 변위에 따른 빛의 초점위치를 설명하기 위한 개략도,2 is a schematic view for explaining a focus position of light according to the displacement of the measurement object according to the present invention;

도3a 는 측정 대상물의 변위와 광센서 출력 사이의 관계를 도시한 그래프,3A is a graph showing the relationship between the displacement of a measurement object and the optical sensor output;

도3b는 도3a의 광센서 출력을 차등 증폭한 그래프,3b is a graph of differentially amplifying the optical sensor output of FIG.

도3c는 전압과 거리의 관계를 나타내는 그래프,3c is a graph showing the relationship between voltage and distance,

도4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초점 분할 변위측정방법을 이용한 자동초점 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.Fig. 4 is a schematic diagram showing the configuration of an autofocus apparatus using the focus division displacement measuring method according to the second embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 광원 20 : 변위측정장치10: light source 20: displacement measuring device

21 : 평행광렌즈부 24 : 집광렌즈부21: parallel optical lens unit 24: condensing lens unit

25 : 제 2 빔분할기 26A : 제 1 핀홀25: second beam splitter 26A: first pinhole

26B : 제 2 핀홀 28A : 제 1 광센서26B: second pinhole 28A: first optical sensor

28B : 제 2 광센서 29 : 신호처리부28B: second optical sensor 29: signal processor

본 발명은 물체를 가공 또는 검사함에 있어서 물체까지의 변위를 정확하게 측정할 수 있도록 초점 분할 방식을 이용하여 대상 물체의 변위를 측정하는 변위측정장치와 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a displacement measuring apparatus and a measuring method for measuring the displacement of a target object by using a focus division method so as to accurately measure the displacement to the object in processing or inspecting the object.

최근 산업계 전분야에 걸친 급속한 기술 발전은 반도체, MEMS, 디스플레이 장치, 광부품, 미세 기계 부품 등의 분야에서 정밀한 가공과 신속하고 정확한 검사를 요구하고 있다.Recent rapid technological developments across industries have required precise machining and rapid and accurate inspection in the fields of semiconductors, MEMS, display devices, optical components, and micromechanical components.

이들 부품은 제조과정에서 정밀한 취급이 요구되므로 가공, 조립, 검사 등을 위하여 현미경이나 간섭계 등과 같은 정밀 광학 장치가 많이 사용되고 있다.Since these parts require precise handling in the manufacturing process, precision optical devices such as microscopes and interferometers are frequently used for processing, assembly, and inspection.

예를 들어 평판 디스플레이 패키징용이나 반도체 칩의 일종인 플립 칩(Flip Chip)용 고밀도 PCB, MEMS, 기타 엔지니어링 분야 정밀제품에 있어서의 평탄도 검사나 간섭계를 이용하여 비측정 물체 표면의 레벨 검사시 피측정 물체까지의 변위를 정확히 측정하고 그 변위를 조절하는 것은 매우 중요하다.For example, flatness inspection in flat panel display packaging or flip chip, a kind of semiconductor chip, MEMS and other engineering precision products. It is very important to accurately measure the displacement to the measuring object and to adjust the displacement.

현재 정밀 부품이나 설비의 가공, 조립 및 검사에 있어서, 피가공 물체나 피검사 물체의 형상도 단순한 2차원 형상에서 복잡한 3차원 형상으로 변화하고 있고, 또한 공정 중 검사(in-process inspection)의 필요성도 증대되어 정밀 광학 장치에 있어서 복잡한 형상을 지닌 물체까지의 신속하고 정확한 거리 측정 기술의 중요성은 더욱 강조되고 있다.Currently, in the processing, assembly and inspection of precision parts and equipment, the shape of the workpiece or inspected object is also changed from a simple two-dimensional shape to a complex three-dimensional shape, and also the need for in-process inspection. Increasingly, in precision optics, the importance of rapid and accurate distance measurement techniques to complex shaped objects is further emphasized.

일반적으로 정밀 광학 장치에서 초점까지의 변위 즉 초점 거리를 결정하는 방법으로는 초음파 센서를 이용하는 방법, 적외선 센서를 이용하는 방법, TTL 위상차 검출방법, 레이저 빔을 이용한 방법 등이 있다.In general, a method of determining a displacement to a focal length in a precision optical device, a method using an ultrasonic sensor, a method using an infrared sensor, a TTL phase difference detection method, a method using a laser beam, and the like.

초음파센서를 이용한 변위 측정 방법은 초음파를 발사시켜, 반사되어 돌아오는 시간을 산출함으로써 변위를 측정하는 것으로서 사용주파수는 수십Khz에서 수백Khz까지이고, 이 사용주파수는 초음파센서의 공진주파수에 의해 결정된다. 초음파센서의 공진 주파수가 높을수록 정밀도는 높아진다.Displacement measuring method using ultrasonic sensor is to measure displacement by emitting ultrasonic wave and calculating the return time. The use frequency is from tens of kilohertz to hundreds of kilohertz, and the use frequency is determined by the resonance frequency of ultrasonic sensor. . The higher the resonance frequency of the ultrasonic sensor, the higher the accuracy.

초음파 센서는 가격이 저렴하고 제작 및 설치가 용이하며 다른 센서들에 비하여 정보 처리가 빠른 장점이 있지만, 센서 자체 정보의 불확실성이 크고 거울 효과에 의한 그릇된 정보가 다수 존재하며 초음파의 속도가 주변 온도 및 습도와 같은 환경의 영향을 많이 받는 문제점이 있다.Ultrasonic sensors are inexpensive, easy to manufacture and install, and have faster information processing than other sensors, but the uncertainty of the sensor's own information is large, and there is a lot of false information due to the mirror effect. There is a problem that is greatly affected by the environment, such as humidity.

적외선 센서를 이용한 변위 측정 방법은 기본적으로 일정 주파수의 빛을 발산하는 발광부와 발광부에서 발산하는 빛을 받아들이는 수광부로 구성되어, 발광부에서 발생된 적외선이 물체에 부딪혀 반사되면 수광부에서 이 반사된 빛을 감지하여 물체까지의 거리를 측정하는 방법이다. 적외선 센서는 가격이 저렴하고, 어두운 곳에서도 촬영할 수 있지만 원거리 측정이 불가능하다는 제약이 따른다.The displacement measuring method using an infrared sensor basically consists of a light emitting part emitting light of a certain frequency and a light receiving part receiving light emitted from the light emitting part, and when the infrared light emitted from the light emitting part hits an object and is reflected, the light receiving part reflects the light. The distance to the object is measured by detecting the light. Infrared sensors are inexpensive and can be shot in the dark, but are limited in the distance measurement.

적외선 센서를 이용한 변위 측정 방법은 대한민국 등록특허공보 특0130002호 에도 나타나 있는 바와 같이 비디오 카메라의 자동초점장치에 주로 응용된다.Displacement measurement method using an infrared sensor is mainly applied to the automatic focusing device of the video camera, as shown in the Republic of Korea Patent Publication No. 0130002.

다음으로 TTL 위상차 검출에 의한 변위 측정은 렌즈를 통해 보이는 피사체의 어떤 면, 즉 초점 센서가 놓여지는 면에 존재하는 휘도의 차이 또는 콘트라스트(Contrast)의 차이가 최대가 되는 지점을 초점이 맞는 부분으로 가정하고 그 휘도의 차이를 계산하여 이를 거리로 역추정하는 방법이다. 이 방법은 작동원리상 표면에 휘도 차이가 없거나 반사율이 100%에 가까운 백색에 초점을 위치시키면 측정을 행할 수 없으며, 또한 반사율이 제로에 가까운 어두운 상황에서도 측정할 수가 없다.Next, displacement measurement by TTL phase difference detection focuses on the point where the difference in luminance or contrast on the surface of the subject visible through the lens, that is, the surface where the focus sensor is placed, is maximized. It is a method of calculating the difference in luminance and inferring it by distance. In principle, this method does not measure when there is no difference in luminance on the surface or when the focus is focused on white near 100% of the reflectance, and cannot be measured even in a dark situation where the reflectance is near zero.

마지막으로 레이저 빔을 이용하는 변위 측정 방법은 발광원으로부터 출력된 레이저빔을 스테이지 등의 기준면에 놓여지는 피검사 부품면에 투사하여 반사되는 광빔을 수광부로 수광하여 일종의 삼각측량법에 의해 상기 기준면에 대한 부품의 레벨을 측정하도록 하여 변위를 특정하는 것이다.Finally, a displacement measuring method using a laser beam projects a laser beam output from a light emitting source onto a part to be inspected placed on a reference plane such as a stage, and receives a reflected light beam with a light receiving unit. The displacement is specified by measuring the level of.

이러한 기존의 레이저 빔을 이용하는 변위 측정 방법은 기본적으로 삼각측량법을 이용하므로 레이저 발광원과 수광부를 일정 거리 이격시켜, 발광빔과 수광빔이 일정각도를 유지하도록 구성되어야 한다는 점으로 인해 장비의 컴팩트화에 제약이 따르고 부품의 위치 결정 상태에 따라 측정 정밀도가 좌우된다는 문제점이 있다.Since the displacement measuring method using the conventional laser beam basically uses a triangulation method, the laser light source and the light receiving part are separated from each other by a certain distance, so that the light emitting beam and the light receiving beam must be configured to maintain a constant angle, thereby making the equipment compact. There is a problem that the measurement accuracy depends on the constraints and the positioning state of the part.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 문제점을 갖는 종래의 변위 측정 방법과는 전혀 다른 개념의 새로운 변위 측정 방법 및 장치를 모색하는 것으로서, 본 발명의 목적은 초점 분할 방식을 이용하여 간단한 광학적 구성과 신호 처리만으로 물체의 위치를 정확하고 신속하게 측정하는 변위측정방법과 측정 장치를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to find a novel displacement measuring method and apparatus having a completely different concept from the conventional displacement measuring method having the above problems, and an object of the present invention is to provide a simple optical configuration using a focus division method. It is to provide a displacement measuring method and a measuring device which accurately and quickly measure the position of an object only by processing and signal.

본 발명은 새로운 개념의 측정 방식과 신호 처리 방식을 도입하여 정확하고 신속한 변위측정을 간단한 메커니즘으로 수행하도록 한 것으로서, 기존의 변위측정 방법에서 발생할 수 있는 물체의 반사도에 따라 물체 변위 측정의 결과가 부정확해지는 문제점을 제거하여, 측정대상물의 변위를 보다 정밀하게 측정할 수 있도록 한 것이다.The present invention is to introduce a new measuring method and signal processing method to perform accurate and rapid displacement measurement by a simple mechanism, the result of the object displacement measurement is inaccurate according to the reflectivity of the object that can occur in the conventional displacement measurement method By eliminating the problem of deterioration, it is possible to measure the displacement of the measurement object more precisely.

또한, 본 발명의 변위측정방법과 장치는 물체와 측정 광학계 사이의 초점거리를 일정하게 유지시켜 주기 위한 자동 초점 장치와 이를 구현할 수 있는 방법으로도 적용될 수 있도록 안출된 것이다.In addition, the displacement measuring method and apparatus of the present invention is designed to be applied as an auto focusing device for maintaining a constant focal length between an object and a measuring optical system and a method for implementing the same.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 변위측정장치는, 빔분할기로 분할된 초점 위치를 기준으로 초점 이전에 배치된 핀홀과 초점 이후에 배치된 핀홀을 통과하는 빛을 각기 광센서로 감지하고, 감지된 광량의 차이에 의해 발생하는 광센서간의 전기적 신호 차이를 통해 측정 물체까지의 변위를 측정하는 것을 특징으로 하며, 이들 구성 요소가 작동되는 단계를 시계열적으로 기술하면 도출되는 것이 본 발명에 따른 변위측정방법이다.In order to achieve the above technical problem, the displacement measuring apparatus according to the present invention includes light passing through a pinhole disposed before focus and a pinhole disposed after focus based on a focus position divided by a beam splitter, respectively. It is characterized by measuring the displacement to the measurement object through the electrical signal difference between the optical sensors generated by the difference in the amount of light detected, and it is derived from the time series describing the steps in which these components are operated Displacement measuring method according to the invention.

본 발명에 따른 변위측정장치는 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사되는 광을 평행 조사 시키는 평행광렌즈부와; 상기 평행광렌즈부에 의해 평행조사되는 광의 경로를 변화시키는 제 1 빔분할기와; 상기 제 1 빔분할기에 의해 경로가 변화된 광을 측정 대상물에 집속시키는 대물렌즈부와; 상기 대물렌즈부에 의해 상기 측정 대상물에 집속된 후, 반사 또는 산란되어 나온 광을 집속시키는 집광렌즈부와; 상기 집광렌즈부에 의해 집속된 광을 두 개로 분할하는 제 2 빔분할기와; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 제 2 빔분할기에 의해 분할된 하나의 광 경로 상에 위치하고, 광의 초점위치 전면에 설치되는 제 1 핀홀과; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 상기 제 2 빔분할기에 의해 분할된 다른 하나의 광 경로 상에 위치하고 광의 초점위치 후면에 설치되는 제 2 핀홀과; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 상기 제 1 핀홀을 통과하는 광의 광량을 측정하는 제 1 광센서와; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 상기 제 2 핀홀을 통과하는 광의 광량을 측정하는 제 2 광센서와; 상기 제 1 광센서와 제 2 광센서로부터의 신호를 획득하여 처리하는 신호처리부를 기본적인 구성으로 구비하고 있다.Displacement measuring device according to the invention and a light source for emitting light; A parallel light lens unit for irradiating light emitted from the light source in parallel; A first beam splitter for changing a path of light irradiated in parallel by the parallel light lens unit; An objective lens unit for focusing light whose path is changed by the first beam splitter to a measurement object; A condensing lens unit for condensing the reflected or scattered light after focusing on the measurement object by the objective lens unit; A second beam splitter for dividing the light focused by the condenser lens unit into two; A first pinhole focused by the condensing lens unit and positioned on one optical path divided by a second beam splitter and installed in front of a focus position of the light; A second pinhole focused by the condensing lens unit and disposed on another light path divided by the second beam splitter and installed at a rear of a focus position of light; A first optical sensor focused by the condenser lens unit and measuring an amount of light passing through the first pinhole; A second optical sensor focused by the condenser lens unit and measuring an amount of light passing through the second pinhole; A signal processing unit for acquiring and processing signals from the first and second optical sensors is provided in a basic configuration.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

도1은 본 발명에 따른 초점 분할을 이용한 변위측정장치를 설명하기 위한 구성도이다.1 is a block diagram for explaining a displacement measuring apparatus using a focus division according to the present invention.

도1을 참조하면 본 발명에 따른 변위측정장치(20)는 광원(10)에서 발생하여 출사된 연속, 펄스 또는 싸인 곡선 형태의 임의의 파형을 지닌 빛이 평행광렌즈부 (21)를 통해 평형빔의 형태로 제1 빔분할기(23)와 대물렌즈부(22)를 통과하여 변위를 측정하고자 하는 측정대상물(100)에 도달한 후, 측정대상물(100)로부터 반사되어 대물렌즈부(22)를 통과하고, 제1 빔분할기(23)를 통해 분할되어 집광렌즈부(24)를 통해 하나의 초점으로 맺히게 되도록 구성되어 있으며, 집광렌즈부(24)의 후면에는 제 2 빔분할기(25)를 설치하여 집광렌즈부(24)를 통과하는 광선을 두 개로 분할되도록 한다. 즉, 집광렌즈부(24)를 통과한 빛은 두 개의 광선으로 분리되어 두 개의 초점을 이루게 된다.Referring to FIG. 1, the displacement measuring apparatus 20 according to the present invention has a light having arbitrary waveforms in the form of continuous, pulsed or sine curves generated and emitted from the light source 10 through the parallel optical lens unit 21. After passing through the first beam splitter 23 and the objective lens unit 22 in the form of a beam to reach the measurement object 100 to measure the displacement, the object lens unit 22 is reflected from the measurement object 100. After passing through the first beam splitter 23, the light beam is split through the first beam splitter 23 to form a single focal point through the condenser lens unit 24, and a second beam splitter 25 is disposed on the rear surface of the condenser lens unit 24. It is installed so that the light beam passing through the condenser lens unit 24 is divided into two. That is, the light passing through the condenser lens unit 24 is divided into two light beams to form two focal points.

분할된 하나의 광선의 초점위치 전면에는 제 1 핀홀(26A)을 설치하고, 분할된 다른 하나의 광선의 초점위치 후면에는 제 2 핀홀(26B)을 설치하도록 하는데, 여기서 핀홀은 슬릿 형상일 수도 있으며, 렌즈의 초점 위치와 핀홀 위치 사이의 거리와 핀홀의 형상, 핀홀 형성 부재의 두께, 핀홀 형성 부재의 재료 등은 측정 성능 및 측정 범위에 따라 적절히 선정한다.A first pin hole 26A is installed in front of the focal position of one divided light beam, and a second pin hole 26B is installed in the back of the focal position of another divided light beam, wherein the pin hole may have a slit shape. The distance between the focal position of the lens and the pinhole position, the shape of the pinhole, the thickness of the pinhole forming member, the material of the pinhole forming member, and the like are appropriately selected according to the measurement performance and the measurement range.

또한, 각 핀홀과 쌍을 이루어 제 1 핀홀(26A) 후방에는 제 1 광센서(28A)가 설치되고, 제 2 핀홀(26B) 후방에는 제 2 광센서(28B)가 설치되어 각 핀홀을 통과하는 광량이 핀홀과 쌍을 이루는 각 광센서에서 측정되도록 한다.In addition, the first optical sensor 28A is installed at the rear of the first pin hole 26A in pairs with each pin hole, and the second optical sensor 28B is installed at the rear of the second pin hole 26B to pass through each pin hole. The amount of light is measured at each optical sensor paired with a pinhole.

신호처리부(29)는 제 1 광센서(28A)와 제 2 광센서(28B)로부터 전기적인 신호값을 획득하여, 그 전기적인 신호 값의 차이를 거리로 환산하여 측정대상물(100)의 변위가 측정되도록 한다.The signal processor 29 obtains an electrical signal value from the first optical sensor 28A and the second optical sensor 28B, converts the difference between the electrical signal values into a distance, and the displacement of the measurement object 100 is increased. Allow measurement.

도2는 측정대상물(100)의 변위가 초점거리 A를 기준으로 변위 -d ~ +d 만큼 이동할 경우, 집광렌즈부(24)를 통과한 광선의 초점위치를 나타내고 있다.FIG. 2 shows the focal position of the light beam passing through the condensing lens unit 24 when the displacement of the measurement object 100 moves by the displacement -d to + d based on the focal length A. FIG.

측정대상물(100)의 변위가 초점거리 A에 있을 때, 측정대상물(100)로부터 반사된 빛은 집광렌즈부(24)를 통과하여, 집광렌즈부(24)의 초점거리에서 한 점 B로 모이게 되며, 피사체까지의 변위에 따라 광선의 초점 위치는 달라진다.When the displacement of the measurement object 100 is at the focal length A, the light reflected from the measurement object 100 passes through the condenser lens part 24 to be collected at a point B at the focal length of the condenser lens part 24. The focus position of the light beam varies according to the displacement to the subject.

초점 위치에 따라 핀홀을 통과하는 광량은 변화되며, 초점을 기준으로 서로 상반된 방향에 위치한 핀홀을 통과한 빛은 각 광센서에서의 신호값이 서로 반대로 변화되게 한다.The amount of light passing through the pinhole changes according to the focus position, and the light passing through the pinhole located in directions opposite to each other with respect to the focus causes the signal values of the respective optical sensors to change in opposite directions.

도2를 참고하여 보다 상세하게 설명하면, 초점위치가 A를 기준으로 변위 d만큼 뒤에 위치하는 경우(변위 -d), 집광렌즈부를 통과한 빛은 초점위치 B에 못 미친 거리에서 빛의 초점을 맺게 된다.In more detail with reference to Fig. 2, when the focal position is located behind the displacement A by the displacement d (displacement -d), the light passing through the condenser lens unit focuses the light at a distance less than the focal position B. Will be concluded.

변위 -d인 빛은 각각의 핀홀을 통과하여 핀홀과 쌍을 이루는 센서로 들어가 그 광양이 측정되게 되는데, 제 1 센서의 경우, 변위 -d의 빛 모두 제 1 핀홀을 통과하므로 그 값은 1 (100% 통과하는 경우 기준값을 1이라 한다)이 되고, 제 2 센서의 경우, 변위 -d의 빛은 그 일부가 제 2 핀홀을 통과하지 못하게 되므로, 제 2 센서에서 측정되는 광량은 통과하지 못한 광량만큼 1에 미치지 못하게 된다.The light with the displacement -d passes through each pinhole and enters the sensor paired with the pinhole so that the amount of light is measured. In the case of the first sensor, since the light of the displacement -d passes through the first pinhole, the value is 1 ( If 100% passes, the reference value is 1), and in the case of the second sensor, since the light of the displacement -d does not pass through the second pinhole, the amount of light measured by the second sensor does not pass. Less than one.

초점 위치 A 기준, 변위 +d에 초점이 위치하는 경우, 집광렌즈부를 통과한 빛은 초점위치 B의 후면에서 초점이 맺게 되고, 각각의 센서가 측정하는 광량은 제 1 센서의 경우, 제 1 핀홀을 통과하지 못하는 빛이 존재하므로 그 값은 1에 미치지 못하고, 제 2 센서의 경우는 모든 빛이 제 2 핀홀을 통과하므로 그 값은 1이 된다.When the focus is located at the focus position A and the displacement + d, the light passing through the condenser lens part is focused at the rear of the focus position B, and the amount of light measured by each sensor is the first pinhole in the case of the first sensor. Since there is light that does not pass, the value does not reach 1, and in the case of the second sensor, the value is 1 since all light passes through the second pinhole.

도3a는 위에서 설명된 변위와 각 센서에서의 출력 신호의 차이를 함께 도시해 놓은 것으로서 측정 대상물의 변위에 따른 각각의 광센서별 출력을 나타내고 있 다.Figure 3a shows the difference between the above-described displacement and the output signal from each sensor, and shows the output for each optical sensor according to the displacement of the measurement object.

본 발명에서 사용되는 광센서는 일반적인 광센서로서 핀홀을 통과하는 광량을 측정하여 광량에 따른 전류의 크기를 전기적인 크기로 변환하여 그 값을 신호로 출력하는 것이다.The optical sensor used in the present invention is a general optical sensor that measures the amount of light passing through the pinhole, and converts the amount of current according to the amount of light into an electrical size and outputs the value as a signal.

빛이 핀홀을 모두 통과한 경우 그 값은 1이 되고, 핀홀을 통과하지 못하는 경우, 광센서에서 출력되는 값은 통과하지 못하는 광량이 증가함에 따라 신호값이 0에 가까워질 것이다.If the light passes through all the pinholes, the value will be 1, and if the light does not pass through the pinholes, the value output from the photosensor will be closer to 0 as the amount of light that does not pass increases.

측정대상물의 변위에 따른 제 1 광센서(28A)와 제 2 광센서(28B)의 신호값을 차등 증폭하면, 양(+) 전압의 광센서 신호와 음(-) 전압의 광센서 신호를 얻을 수 있으며, 이러한 차등 신호가 0일 때, 측정대상물(100)과 대물렌즈부(22) 사이의 거리는 대물렌즈부(22)의 초점 거리 만큼 떨어지게 되는 것이므로, 산출되는 전압값의 차를 토대로 변위를 산출하여 대물렌즈부(22)로부터 측정대상물(100)까지의 거리를 환산할 수 있다.By differentially amplifying the signal values of the first optical sensor 28A and the second optical sensor 28B according to the displacement of the measurement object, an optical sensor signal of positive voltage and an optical sensor signal of negative voltage are obtained. When the differential signal is 0, the distance between the measurement object 100 and the objective lens unit 22 is dropped by the focal length of the objective lens unit 22, and thus the displacement is based on the calculated voltage value. The distance from the objective lens unit 22 to the measurement object 100 can be converted.

도3b는 도3a의 변위에 따른 제1 광센서(28A)와 제2 광센서(28B)의 출력값들을 차등 증폭한 그래프이며, 이 그래프에서 나타낸 신호값은 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.FIG. 3B is a graph obtained by differentially amplifying the output values of the first optical sensor 28A and the second optical sensor 28B according to the displacement of FIG. 3A. The signal values shown in this graph may be expressed by Equation 1 below.

신호값 = 제1 광센서 신호 - 제2 광센서 신호 [수학식 1]Signal value = first optical sensor signal-second optical sensor signal [Equation 1]

핀홀의 크기나 위치 등이 결정되면 도3b와 같은 특성 그래프가 완성될 수 있 고, 따라서 임의의 피사체에 대하여 신호값이 결정되면 이러한 특성 그래프를 통해 이 신호값에 대응되는 변위가 결정될 수 있게 되는 것이다.When the size or location of the pinhole is determined, a characteristic graph as shown in FIG. 3B can be completed. Therefore, when a signal value is determined for an arbitrary subject, a displacement corresponding to the signal value can be determined through the characteristic graph. will be.

그러나 그래프에서도 알 수 있는 바와 같이 최대 신호값과 최소 신호값에 대응되는 변위값이 1개의 값으로 결정되지 않고, 변위가 커지는 경우에는 신호값의 매우 미세한 변화가 실제로는 상당히 큰 변위차를 나타내게 되므로 이 그래프에 의한 변위 산출은 매우 좁은 폭의 변위에 대해서만 가능하다.However, as can be seen from the graph, the displacement values corresponding to the maximum signal value and the minimum signal value are not determined as one value. When the displacement increases, a very small change in the signal value actually represents a very large displacement difference. The displacement calculation by this graph is only possible for very narrow displacements.

또한 상기 [수학식1]에 의한 신호값에 의해 변위를 산출하는 경우는 빛이 핀홀을 모두 통과하더라고 광센서신호 미약한 경우, 즉 피사체의 반사도가 매우 낮은 경우에는 핀홀과 초점과의 관계와는 무관하게 광량 자체가 작게 되어 정확한 변위를 측정하는 것이 가능하지 않다.In addition, when the displacement is calculated based on the signal value according to [Equation 1], when the light passes through all the pinholes and the light sensor signal is weak, that is, when the reflectivity of the subject is very low, the relationship between the pinhole and the focus is different. Irrespective of the amount of light itself, it is not possible to measure accurate displacement.

따라서 본 발명에서는 신호 그래프의 선형성을 확보하고, 측정대상물에 따른 반사도의 영향을 제거하기 위하여 정규화(Normalization)된 신호를 신호값으로 산출한다. 즉, 신호의 선형성을 확보하기 위해, 각 신호들의 차를 각 신호들의 합으로 나누어줌으로써 최종 변위신호값을 획득한다.Therefore, in the present invention, in order to secure the linearity of the signal graph and to remove the influence of the reflectivity according to the measurement object, a normalized signal is calculated as a signal value. That is, in order to secure the linearity of the signal, the final displacement signal value is obtained by dividing the difference of each signal by the sum of the respective signals.

이를 식으로 표현하면 수학식 2와 같다.This is expressed as equation (2).

Figure 112005054307323-PAT00001
[수학식 2]
Figure 112005054307323-PAT00001
[Equation 2]

도3c는 상기의 수학식 2를 그래프로 나타낸 것으로, 변위 신호값을 거리로 환산하여 측정대상물(100)의 변위를 구할 수 있음을 보여준다.Figure 3c shows the above equation (2) as a graph, showing that the displacement of the measurement object 100 can be obtained by converting the displacement signal value into a distance.

본 발명에 의한 변위 측정 장치 및 측정 방법은 결과적으로 도3c와 같은 그래프를 토대로 하는 것으로서, 최종변위신호값이 얻어지는 경우 이 값을 토대로 상기 그래프가 나타내는 변위를 산출하는 것이다.As a result, the displacement measuring apparatus and the measuring method based on the present invention are based on a graph as shown in FIG. 3C. When the final displacement signal value is obtained, the displacement represented by the graph is calculated based on this value.

도4는 본 발명의 초점분할방식을 이용한 변위측정장치와 방법을 물체와 광학계 사이의 초점거리를 일정하게 유지시켜 주는 자동초점장치 및 방법으로 사용하기 위하여 광학장치를 구동하는 구동장치와 결합시켜 놓은 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.4 is combined with a drive device for driving an optical device for use as an autofocusing device and method for maintaining a constant focal length between an object and an optical system using the displacement measuring device and method using the focus division method of the present invention. It is a block diagram which shows the structure schematically.

여기서 광학계란 위에서 상세히 기재된 바와 같이 광원(10), 평행광렌즈부(21), 대물렌즈부(22), 집광렌즈부(24), 제1 빔분할기(23), 제 2 빔분할기(25), 제 1 핀홀(26A), 제 2 핀홀(26B), 제 1 광센서(28A), 제 2 광센서(28B) 등이 유기적으로 결합되어 모듈화 또는 어셈블리화 된 것을 의미한다.As described in detail above, the optical system 10 includes a light source 10, a parallel light lens unit 21, an objective lens unit 22, a condenser lens unit 24, a first beam splitter 23, and a second beam splitter 25. The first pin hole 26A, the second pin hole 26B, the first optical sensor 28A, the second optical sensor 28B, and the like are organically coupled and modularized or assembled.

본 발명의 초점분할 변위측정장치나 방법은 자동초점을 위한 장치나 자동초점을 위한 방법으로도 이용될 수 있는 바, 도4에 나타낸 바와 같이 두 개의 광센서로부터 출력되는 전기적인 값으로부터 산출된 최종변위신호값을 신호처리부(29)에서 모터(54)를 제어할 수 있는 제어신호로 변환시키고, 상기 제어신호를 모터(54)에 인가하여 구동계를 구동시킴으로써 구동계와 맞물린 광학계(58)가 전후로 이동되도록 하여 측정대상물과 렌즈 사이의 초점이 맞춰진 상태에서 일정하게 유지되도록 하는 피드백 제어가 가능하도록 구성할 수가 있다.Focus division displacement measuring apparatus or method of the present invention can also be used as a device for auto focus or a method for auto focus, as shown in Figure 4, the final calculated from the electrical values output from the two optical sensors The optical signal 58 engaged with the drive system is moved back and forth by converting the displacement signal value into a control signal capable of controlling the motor 54 by the signal processor 29 and applying the control signal to the motor 54 to drive the drive system. It is possible to configure the feedback control to maintain a constant state between the measurement object and the lens.

또한 본 발명에서 사용되는 렌즈부는 단일의 렌즈로 이루어진 것 뿐만 아니 라 렌즈군으로 형성된 것일 수도 있다.In addition, the lens unit used in the present invention may be formed of a lens group as well as a single lens.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있다 할 것이고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described as described above, those skilled in the art may variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims. It will also be within the scope of the invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초점 분할 방식을 이용한 변위측정장치 및 방법에 따르면, 측정 대상물까지의 정확한 변위를 측정할 수 있고, 또한 물체와 측정 광학계 사이의 거리를 광학계의 초점거리가 되도록 일정하게 유지시켜 주는 자동초점 장치와 자동초점 방법을 구현할 수가 있다.As described above, according to the displacement measuring apparatus and method using the focus division method according to the present invention, it is possible to measure the exact displacement to the measurement object, and also to make the distance between the object and the measuring optical system to be the focal length of the optical system. You can implement autofocus and autofocus to keep it constant.

또한, 본 발명에 따른 변위측정 장치 및 방법에 따르면 추가적으로 측정 대상물의 반사도에 따른 영향이 제거되고, 신호의 선형성이 확보되어 종래의 광학계를 이용한 변위측정 장치 및 방법 보다 신뢰도 높은 측정이 가능해진다.In addition, according to the displacement measuring apparatus and method according to the present invention, the influence of the reflectivity of the measurement target is additionally eliminated, and the linearity of the signal is secured, so that the measurement can be more reliable than the displacement measuring apparatus and method using a conventional optical system.

Claims (5)

측정대상물로부터 반사되어 집광렌즈부를 통해 집속되는 광을, 집광렌즈부 후면에 배치한 빔분할기를 이용하여 두 개의 집속광으로 나뉘도록 하고, 각 집속광의 초점위치를 기준으로 한쪽 집속광은 초점위치의 앞쪽에 배치한 핀홀을 통과하도록 하고, 다른 한쪽 집속광은 초점위치의 뒤쪽에 배치한 핀홀을 통과하도록 하여, 각각의 핀홀을 통과한 광량을 각각의 핀홀과 쌍을 이루는 광센서에서 전기적 신호로 출력되게 하고, 각 광센서의 전기적인 신호값의 차를 구하여 산출된 상기 신호값을 각 광센서의 전기적인 신호값의 합으로 나눈 신호값으로 최종변위신호값을 정하고 이 값을 기준으로 변위가 산출되도록 하는 것을 특징으로 하는 초점분할 방식을 이용한 변위측정방법.The light reflected from the measurement object and focused through the condenser lens unit is divided into two condensed beams using a beam splitter disposed at the rear side of the condenser lens unit. Pass through the pinholes placed in front, and the other focused light passes through the pinholes placed at the back of the focus position, and outputs the amount of light passing through each pinhole as an electrical signal from the optical sensor paired with each pinhole. The final displacement signal value is determined as a signal value obtained by dividing the electrical signal value of each optical sensor by the sum of the electrical signal values of each optical sensor, and the displacement is calculated based on this value. Displacement measurement method using a focus division method characterized in that to make. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 최종변위신호값을 광학계를 구동시키는 구동계를 구동시켜 주는 모터를 제어할 수 있는 제어신호로 변환하여 모터를 제어함으로써 측정대상물과 렌즈 사이의 초점거리가 맞춰지도록 하여 자동으로 초점을 맞추는 방법을 구현하는 것을 특징으로 하는 초점분할방식을 이용한 변위측정방법.By converting the final displacement signal value into a control signal capable of controlling the motor driving the drive system for driving the optical system to control the motor to realize a method of automatically focusing by adjusting the focal length between the measurement object and the lens Displacement measurement method using a focus division method characterized in that. 광을 출사하는 광원과;A light source for emitting light; 상기 광원에서 출사되는 광을 측정대상물에 평행 조사 시키는 평행광렌즈부와;A parallel light lens unit for irradiating light emitted from the light source to the measurement object in parallel; 상기 평행광렌즈부에 의해 평행조사되는 광의 경로를 변화시키는 제1 빔분할기와;A first beam splitter for changing a path of light irradiated in parallel by the parallel light lens unit; 상기 빔분할기에 의해 경로가 변화된 광을 측정 대상물에 집속시키는 대물렌즈부와;An objective lens unit for focusing light whose path is changed by the beam splitter to a measurement object; 상기 대물렌즈부에 의해 상기 측정 대상물에 집속된 후, 반사 또는 산란되어 나온 광을 집속시키는 집광렌즈부와;A condensing lens unit for condensing the reflected or scattered light after focusing on the measurement object by the objective lens unit; 상기 집광렌즈부에 의해 집속된 광을 두 개로 분할하는 제2 빔분할기와;A second beam splitter for splitting the light focused by the condenser lens unit into two; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 제2 빔분할기에 의해 분할된 하나의 광으로, 광의 경로 상에 위치하고, 광의 초점위치 전면에 설치되는 제1 핀홀과;A first pinhole focused by the condensing lens unit and positioned on a path of light as one light divided by a second beam splitter, and installed in front of a focus position of the light; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 상기 제2 빔분할기에 의해 분할된 다른 하나의 광으로, 광의 경로 상에 위치하고 광의 초점위치 후면에 설치되는 제2 핀홀과;A second pinhole that is focused by the condensing lens unit and is another light split by the second beam splitter, the second pinhole being positioned on a path of the light and installed behind the focus position of the light; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 상기 제1 핀홀을 통과하는 광의 광량을 측정하는 제1 광센서와;A first optical sensor focused by the condenser lens unit and measuring an amount of light passing through the first pinhole; 상기 집광렌즈부에 의해 집속되어, 상기 제2 핀홀을 통과하는 광의 광량을 측정하는 제2 광센서와;A second optical sensor focused by the condenser lens unit and measuring an amount of light passing through the second pinhole; 상기 제1 광센서와 제2 광센서로부터의 신호를 받아들여, 두 광센서의 신호 값의 차를 신호값의 합으로 나눈 최종변위신호값을 구하여 이에 대응되는 변위를 산출해내는 프로세서를,A processor which receives a signal from the first optical sensor and the second optical sensor, obtains a final displacement signal value obtained by dividing the difference between the signal values of the two optical sensors by the sum of the signal values, and calculates a corresponding displacement; 구비한 것을 특징으로 하는 초점분할 방식을 이용한 변위측정장치.Displacement measuring device using a focus division method characterized in that provided. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 산출된 최종변위신호값을 신호처리부(29)에서 모터(54)를 제어할 수 있는 제어신호로 변환시키고, 상기 제어신호를 모터(54)에 인가하여 구동계를 구동시킴으로써 구동계와 맞물린 광학계(58)가 전후로 이동되도록 하여 측정대상물과 렌즈 사이의 초점이 자동으로 맞춰지도록 하는 자동초점장치를 구현하는 것을 특징으로 하는 초점분할 방식을 이용한 변위측정장치.The calculated final displacement signal value is converted into a control signal capable of controlling the motor 54 by the signal processor 29, and the control signal is applied to the motor 54 to drive the drive system to engage the optical system 58 engaged with the drive system. Displacement measuring device using a focus division method characterized in that the autofocusing device for automatically focusing between the measuring object and the lens to be moved back and forth. 제3항 내지 제4항에 있어서,The method according to claim 3 to 4, 상기 광원은 레이저를 연속 형태, 펄스 형태, 싸인 형태 중의 하나의 파형으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 초점분할 방식을 이용한 변위측정장치.The light source is a displacement measuring apparatus using a focus division method, characterized in that for driving the laser in one of the waveform form of continuous, pulsed, sign.
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