KR20080065062A - 높이 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20080065062A KR1020070001972A KR20070001972A KR20080065062A KR 20080065062 A KR20080065062 A KR 20080065062A KR 1020070001972 A KR1020070001972 A KR 1020070001972A KR 20070001972 A KR20070001972 A KR 20070001972A KR 20080065062 A KR20080065062 A KR 20080065062A
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마사아키 소후에
임유청
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삼성전기주식회사
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Abstract

측정 대상물의 높이 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 빛을 조사하는 광원; 광원으로부터 조사되어 측정 대상물에 의해 반사된 빛을 입력받아 측정 대상물의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력하는 높이 측정 소자; 및 높이 측정 소자의 전면부에 위치하여 높이 측정 소자에 결상되는 빛의 결상 크기를 일정하게 조정하는 결상 크기 조정물을 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 장치가 제공될 수 있다. 본 발명에 의하면, 측정 대상물에 따른 반사율의 분포 변화 및 경사면의 기울기 변화에 의한 영향을 받지 않고, 측정 불능 영역이 발생하지 않음으로써 측정 대상물에 대한 정확한 높이 측정이 가능한 효과가 있다.
높이 측정 소자, 결상 크기 조정물, 주사 미러, 초점 렌즈.

Description

높이 측정 장치 및 방법{Height measuring apparatus and method}
도 1은 종래의 높이 측정 방식인 삼각 측량법을 이용한 경우에 있어서 측정 대상물의 경사면에 따른 측정 불능 영역을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 높이 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 높이 측정 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 높이 측정 장치에서의 높이 측정 방법을 나타낸 순서도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 주사 미러 및 초점 렌즈를 이용한 광 주사 원리를 나타낸 도면.
도 5d는 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 2개 방향 검출법을 이용한 측정 불능 영역의 제거 원리를 나타낸 도면.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 경로 조정 미러 및 경로 길이 보정물을 이용한 초점 렌즈로의 반사광의 역 입사 원리를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 있어서 휘점, 초점, 집광점 및 결상점을 설명하기 위한 도 면.
도 8a는 측정 대상물에 대하여 소정 기울기를 갖도록 광 주사한 경우 측정 대상물의 높이 변화에 따른 반사광을 예시한 도면.
도 8b는 도 8a에 있어서의 집광점의 위치 및 높이 측정 소자에 맺히는 반사광의 결상 크기를 예시한 도면.
도 9a는 측정 대상물에 대하여 수직 방향을 갖도록 광 주사한 경우 측정 대상물의 높이 변화에 따른 반사광을 예시한 도면.
도 9b는 도 9a에 있어서의 집광점의 위치 및 높이 측정 소자에 맺히는 반사광의 결상 크기를 예시한 도면.
도 9c는 도 9a에 있어 높이 측정 소자의 전면부에 결상 크기 조정물을 위치시킨 경우의 높이 측정 소자에 맺히는 반사광의 결상 크기를 예시한 도면.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 높이 측정 소자를 이용한 높이 측정 원리를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 측정 대상물 110 : 광원
120 : 주사 미러 130 : 초점 렌즈
140 : 경로 조정 미러 150 : 경로 길이 보정물
160 : 집광 렌즈 170 : 결상 크기 조정물
180 : 높이 측정 소자
본 발명은 반도체 제조 공정 상에서의 검사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 상에 형성된 높이를 가지는 측정 대상물의 높이(또는 체적) 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어 높이 또는 체적을 가지는 측정 대상물에 대한 높이, 체적 또는 형상의 측정(검사) 공정은 제작된 반도체 제품의 정밀성 및 신뢰성과 직결되므로 매우 중요한 일 공정에 해당한다. 따라서 측정 대상물에 대한 정확한 높이 측정이 가능한 방법 또는 장치가 요구된다.
측정 대상물의 높이를 측정하기 위한 종래의 방식에는 모아레(Moire) 방식과 삼각 측량 방식이 있다.
모아레 방식은 측정 대상물의 표면에 모아레 패턴의 간섭 무늬를 만들고, 측정 대상물의 높이 또는 형상에 따라 구분되어 나타나는 간섭 무늬의 밝기 차이를 이용하여 측정 대상물의 높이를 측정하는 방법이다. 그러나 모아레 방식은 측정 대상물에 의해 반사되는 빛의 반사율의 분포 변화가 큰 경우에는 간섭 무늬의 밝기 차이에 의한 농담(濃淡) 인식이 어려우며, 측정 대상물의 경사면의 경사가 큰 경우에도 간섭 무늬의 간격이 극히 좁아져 정확한 높이 측정이 어려운 문제점이 있다.
도 1은 종래의 높이 측정 방식인 삼각 측량법을 이용한 경우에 있어서 측정 대상물의 경사면에 따른 측정 불능 영역을 나타낸 도면이다.
삼각 측량 방식은 측정 대상물(100)의 표면에 레이저 빔을 조사하고, 조사된 빔이 측정 대상물(100)에 의해 반사된 반사광을 검출해냄으로써 측정 대상물(100)에 빔이 조사된 위치에 상응하는 높이를 측정하는 방법이다(도 1의 (a) 참조). 이러한 삼각 측량 방식은 측정 대상물(100)의 높이 측정에 있어 모아레 방식과 같이 간섭 무늬의 밝기 차이를 이용하는 것은 아니므로 반사율의 분포 변화에 강한 특징을 가지고 있다. 그러나 삼각 측량 방식의 경우에도 측정 대상물(100)의 경사면 중 경사(기울기)가 큰 부분에 의하여 측정 불능 영역이 발생하게 되며(도 1의 (b)의 D1 부분 및 D2 부분 참조), 이러한 이유로 측정 대상물(100)의 정확한 높이 측정이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 측정 대상물에 따른 반사율의 분포 변화 및 경사면의 기울기 변화에 의한 영향을 받지 않고, 측정 불능 영역이 발생하지 않음으로써 측정 대상물에 대한 정확한 높이(또는 체적, 형상) 측정이 가능한 높이 측정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 높이 측정 장치의 구성의 단순화, 높이 측정 장치의 소형화 및 제작 비용의 절감을 할 수 있는 측정 대상물에 대한 높이 측정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 광 손실을 최소화함은 물 론, 높이 측정 소자에 결상되는 빛의 결상 크기를 일정하게 조정함으로써 높이 측정 소자에 결상된 빛의 광강도를 일정하게 유지할 수 있어 정확한 높이 측정이 가능한 높이 측정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 빛을 조사하는 광원; 광원으로부터 조사되어 측정 대상물에 의해 반사된 빛을 입력받아 측정 대상물의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력하는 높이 측정 소자; 및 높이 측정 소자의 전면부에 위치하여 높이 측정 소자에 결상되는 빛의 결상 크기를 일정하게 조정하는 결상 크기 조정물을 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 광원은 레이저 빔 장치이고, 높이 측정 소자는 PSD(Position Sensitive Detector)이며, 결상 크기 조정물은 프리즘일 수 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 장치는 광원으로부터 조사된 빛의 광 경로를 변경하여 측정 대상물에 주사하는 주사 미러를 더 포함할 수 있고, 주사 미러는 주사 미러는 폴리곤 미러 스캐너(polygon mirror scanner)일 수 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 장치는 주사 미러를 거쳐 측정 대상물에 주사되는 빛의 초점을 측정 대상물의 위치와 맞추기 위한 초점 렌즈를 더 포함할 수 있고, 초점 렌즈는 fθ 렌즈일 수 있다. 이때, 초점 렌즈를 거쳐 주사되는 빛의 광축 은 측정 대상물과 수직을 이루도록 설정될 수 있다.
또한 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서, 높이 측정 소자는 2개 이상 구비되되, 2개 이상의 높이 측정 소자는 초점 렌즈를 거쳐 주사되는 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 장치는 측정 대상물에 의해 반사된 빛이 초점 렌즈로 역 입사될 수 있도록 광 경로를 조정하는 경로 조정 미러를 더 포함할 수 있고, 경로 조정 미러에 의해 조정된 광 경로는 초점 렌즈를 거쳐 측정 대상물에 주사되는 빛의 광축과 평행하도록 설정될 수 있다. 이때, 경로 조정 미러는 2개 이상 구비되되,
2개 이상의 경로 조정 미러는 초점 렌즈를 거쳐 주사되는 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 장치는 측정 대상물에 의해 반사된 빛이 경로 조정 미러에 의해 광 경로가 조정됨에 따라 발생하는 광 경로 길이의 오차를 보정하기 위한 경로 길이 보정물을 더 포함할 수 있고, 높이 측정 소자로 입력되는 빛을 집광하기 위한 집광 렌즈를 더 포함할 수 있다. 이때, 결상 크기 조정물은 집광 렌즈에 의해 집광되는 빛의 집광점의 위치 이동 궤적과 일치하는 입사 평면을 갖도록 배치될 수 있다. 여기서, 결상 크기 조정물 및 집광 렌즈는 높이 측정 소자의 개수에 상응하여 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 측정 대상물의 높이 측정 장치가 측정 대상 물의 높이를 측정하는 방법에 있어서, (a) 광원이 측정 대상물에 빛을 조사하는 단계; (b) 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 결상 크기를 일정하게 조정하는 단계; 및 (c) 결상 크기가 조정된 빛을 입력받아 측정 대상물의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력하는 단계를 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 방법에는 (d) 광원으로부터 조사된 빛의 광 경로를 변경하여 측정 대상물에 주사하는 단계가 더 포함될 수 있고, (e) 단계 (d)를 통해 측정 대상물에 주사되는 빛의 초점을 측정 대상물의 위치와 맞추는 단계가 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 방법에는 (f) 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 광 경로가 미리 설정된 방향을 갖도록 광 경로를 조정하는 단계가 더 포함될 수 있고, 단계 (f)의 미리 설정된 방향은 단계 (d)를 통해 측정 대상물에 주사되는 빛의 광축과 평행하도록 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 방법에는 (g) 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 광 경로가 단계 (f)를 통해 조정됨에 따라 발생하는 광 경로 길이의 오차를 보정하는 단계가 더 포함될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 높이 측정 장치 및 방법을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "주사된다" 거나 "입력된다" 등으로 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접 주사되거나 또는 직접 입력될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소를 거쳐 주사되거나 또는 입력될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "직접 주사된다" 거나 "직접 입력된다" 라고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소를 거치지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 높이 측정 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
이하에서는 반도체 검사 공정에 있어서 높이를 가지는 3차원 형상의 측정 대상물에 대한 높이를 측정하는 장치 및 방법을 중심으로 설명하지만, 본 발명에 따른 높이 측정 장치 및 방법은 그 용어 및 응용 분야를 불문하고 빛(또는 빛과 같이 직진성 및 반사성을 가지는 소정의 빔)을 이용하여 측정하고자 하는 대상이 되는 물체의 높이, 체적, 형상 등을 측정하는 일체의 장치 및 방법을 포괄함은 물론이다. 또한, 이하의 모든 도면에 있어서 측정 대상물(100)은 기판(101) 및 기판(101) 상에 형성된 높이를 가지는 일체의 물체(102)를 포함한다.
또한 이하에서는 도 2에서와 같이 높이 측정 장치에 2개의 경로 조정 미러(140) 및 2개의 높이 측정 소자(180)가 구비된 경우를 중심으로 설명하지만, 본 발명에 따른 높이 측정 장치에 구비되는 경로 조정 미러(140) 및 높이 측정 소자(180)의 개수는 측정 대상물(100)의 높이 측정의 정확도 및 그 외의 다양한 설계 조건에 따라 상이해질 수 있으며, 1개 또는 3개 이상의 경로 조정 미러(140) 및 높이 측정 소자(180)가 구비될 수도 있음은 물론이다. 이때, 본 발명의 높이 측정 장치에 구비되는 경로 길이 보정물(150)의 개수는 구비된 경로 조정 미러(140)의 개수에 상응하여 결정되고, 집광 렌즈(160) 및 결상 크기 조정물(170)의 개수는 구비된 높이 측정 소자(180)의 개수에 상응하여 결정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 높이 측정 장치는 광원(110), 주사 미러(120), 초점 렌즈(130), 경로 조정 미러(140), 경로 길이 보정물(150), 집광 렌즈(160), 결상 크기 조정물(170) 및 높이 측정 소자(180)를 포함한다.
광원(110)은 빛을 조사할 수 있는 일반적인 광 조사 장치로서, 예를 들어 레이저 빔 장치 등이 이용될 수 있다. 광원(110)은 측정 대상물(100)의 높이 측정에 이용될 빛을 생성하며, 광원(110)에 의해 생성된 빛은 주사 미러(120)를 향해 조사 된다(식별번호 10 참조).
도 2를 포함한 이하의 모든 도면에서는 광원(110)이 주사 미러(120)를 향해 빛을 조사하는 경우를 중심으로 설명하지만, 광원(110)에 의해 생성된 빛은 측정 대상물(100)에 직접 조사될 수도 있음은 물론이다. 즉, 본 발명의 높이 측정 장치에 있어 광원(110) 자체가 이동 가능하도록 제작되는 경우에는 광원(110)의 이동에 의해 측정 대상물(100)에 대한 빛의 직접 주사(scan)가 가능하며, 이러한 경우에는 후술할 주사 미러(120) 및 초점 렌즈(130)는 생략될 수 있다.
주사 미러(120)는 광원(110)으로부터 조사된 빛의 광 경로(광 진행 방향)를 변경하여 측정 대상물(100)에 주사(scan)하는 역할을 수행한다. 다만, 본 발명의 높이 측정 장치에서는 주사 미러(120)를 거친 빛을 직접 측정 대상물에 주사하는 방식을 이용할 수도 있지만, 보다 바람직한 방법으로서 주사 미러(120)에 의해 광 경로가 변경된 빛이 초점 렌즈(130)를 거쳐 측정 대상물(100)에 주사되는 방식을 이용할 수 있다. 즉, 광원(110)으로부터 조사된 빛은 주사 미러(120)에 의해 변경된 광 경로를 따라 초점 렌즈(130)로 입사되며(식별번호 10'참조), 입사된 빛은 초점 렌즈(130)를 거쳐 측정 대상물(130)에 주사된다(식별번호 10"참조).
이때, 주사 미러(120)로는 측정 대상물(100)에 대한 빛의 주사 효율(scan efficiency)을 높이기 위하여 폴리곤 미러 스캐너(polygon mirror scanner) 또는 갈바노 스캐너(galvano scanner) 등과 같은 회전 가능한 주사 장치가 이용될 수 있다. 이하의 모든 설명에서는 주사 미러(120)로서 도 2에서 도시된 바와 같이 폴리곤 미러 스캐너가 이용되는 것으로 가정하기로 한다.
초점 렌즈(130)는 측정 대상물(100)에 주사되는 빛의 초점을 측정 대상물(100)의 위치와 맞추는 역할을 수행한다. 상술한 바와 같이 주사 미러(120)를 거쳐 광 경로가 변경된 빛은 직접 측정 대상물(100)에 주사될 수도 있지만, 이와 같이 초점 렌즈(130)를 통해 주사될 빛의 초점을 측정 대상물(100)의 위치와 맞추게 되면 주사된 빛이 측정 대상물(100)에 의해 반사될 때의 반사율을 일정하게 조절할 수 있어 반사율의 분포 변화를 최소화할 수 있는 이점이 있다. 이때, 초점 렌즈(130)를 거쳐 주사되는 빛의 광축은 측정 대상물(100)에 대한 측정 불능 영역의 발생을 방지하기 위하여 측정 대상물(100)과 수직을 이루도록 설정될 수 있다. 이러한 초점 렌즈(130)로는 fθ 렌즈 등이 이용될 수 있다.
경로 조정 미러(140)는 측정 대상물(100)에 빛이 주사됨에 따라 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛이 초점 렌즈(130)로 다시 역 입사될 수 있도록 광 경로를 조정하는 역할을 수행한다. 이러한 경로 조정 미러(140)는 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛의 광 경로를 조정함으로써 보다 많은 반사광이 높이 측정 소자(180)로 입력될 수 있게 하며, 이러한 이유로 반사광 중 일부가 높이 측정 소자(180)로 입력되지 못해 발생하는 광 손실을 줄일 수 있게 한다.
이때, 경로 조정 미러(140)에 의해 조정된 반사광의 광 경로는 초점 렌즈(130)를 거쳐 측정 대상물(100)에 주사되는 빛의 광축과 평행하도록 설정될 수 있다. 또한, 경로 조정 미러(140)는 반사광의 광 손실을 최소화하기 위하여 초점 렌즈(130)를 거쳐 주사되는 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 2개 이상 배치될 수 있다.
경로 길이 보정물(150)은 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛이 경로 조정 미러(140)를 거치면서 광 경로가 조정됨에 따라 발생하는 광 경로 길이의 오차를 보정하는 역할을 수행한다. 즉, 경로 길이 보정물(150)은 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛이 직접 초점 렌즈(130)로 역 입사될 때의 광 경로 길이와 경로 조정 미러(140)를 거쳐 초점 렌즈(130)로 역 입사될 때의 광 경로 길이 간의 오차를 보정한다. 경로 길이 보정물(150)로는 커버 글래스(Cover glass) 등이 이용될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 높이 측정 장치는 경로 조정 미러(140) 및 경로 길이 보정물(150)을 둠으로써 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛의 광 손실 방지 및 광 경로 길이 오차 보정을 수행할 수 있기 때문에 측정 대상물(100)에 대한 보다 정확한 높이 측정이 가능한 이점이 있다.
상술한 바와 같이 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛은 경로 조정 미러(140) 및 경로 길이 보정물(150)를 거치면서 조정된 광 경로 및 보정된 광 경로 길이를 갖고 초점 렌즈(130)로 역 입사된다(식별 번호 20a 및 30a 참조). 역 입사된 빛은 초점 렌즈(130)를 거쳐 주사 미러(120)로 입사되고(식별번호 20b 및 30b 참조), 입사된 빛은 주사 미러(120)를 거치면서 다시 광 경로가 변경됨으로써 높이 측정 소자(180)를 향하여 입력될 수 있게 된다(식별번호 20c 및 30c 참조).
높이 측정 소자(180)는 높이 측정 소자(180)에 입력(결상)된 빛으로부터 측정 대상물(100)의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력한다. 이때, 높이 측정 소자(180)는 측정 대상물(100)의 높이에 대한 측정 불능 영역이 발생되는 경우를 제거하기 위해 초점 렌즈(130)를 거쳐 주사되는 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 2개 이상 배치될 수 있다. 높이 측정 소자(180)로는 PSD(Position Sensitive Detector) 등이 이용될 수 있다.
집광 렌즈(160)는 높이 측정 소자(180)를 향하여 입력되는 빛을 집광하여 높이 측정 소자(180)에 결상되는 빛의 세기(즉, 광량)를 증가시키는 역할을 수행한다. 따라서, 집광 렌즈(160)는 본 발명의 높이 측정 장치를 이용한 측정 대상물(100)의 높이 측정을 위해 반드시 구비되어야 할 구성 요소에는 해당하지 않지만, 높이 측정 소자(180)에 결상되는 빛의 광량을 증가시켜 보다 정확한 높이 측정을 가능하게 하므로 구비되는 것이 바람직하다.
결상 크기 조정물(170)은 높이 측정 소자(180)의 전면부에 위치하여 높이 측정 소자(180)에 결상된 빛의 결상 크기를 일정하게 조정하는 역할을 수행한다. 이때, 결상 크기 조정물(170)은 집광 렌즈(160)에 의해 집광된 빛의 집광점 위치 이동 궤적과 일치하는 입사평면을 갖도록 배치될 수 있다. 결상 크기 조정물(170)로는 프리즘(Prism) 또는 원통형 렌즈(Cylinderical lense) 등이 이용될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 높이 측정 장치에서의 각 구성 요소의 세부 기능 및 역할은 도 4의 높이 측정 방법의 순서도를 포함한 이하의 모든 도면에 대한 설명으로부터 보다 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 높이 측정 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 높이 측정 장치는 광 원(110), 주사 미러(120), 초점 렌즈(130), 집광 렌즈(160), 결상 크기 조정물(170) 및 높이 측정 소자(180)를 포함한다. 즉, 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 높이 측정 장치는 도 2의 높이 측정 장치와 달리 경로 조정 미러(140) 및 경로 길이 보정물(150)을 구비하지 않고 있다. 이는 도 3의 높이 측정 장치의 경우에는 도 2의 높이 측정 장치에서와 달리 측정 대상물(100)의 높이 측정을 위해 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛을 초점 렌즈(130)로 역 입사시키는 방식을 이용하지 않기 때문이다.
도 3의 높이 측정 장치에 포함된 각 구성 요소에 대해서는 도 2를 통해 설명하였으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하 도 3의 본 발명의 다른 실시예에 따른 높이 측정 장치에서의 다른 방식에 의한 높이 측정 방법을 간략히 설명한다.
광원(110)으로부터 조사된 빛(식별번호 10 참조)은 주사 미러(120)에 의해 광 경로가 변경되어 초점 렌즈(130)로 입사되고(식별번호 10'참조), 초점 렌즈(130)를 거쳐 측정 대상물(100)에 주사된다(식별번호 10"참조). 이는 도 2의 높이 측정 장치에서와 동일하다.
그러나 도 3의 높이 측정 장치의 경우에는 경로 조정 미러(140)를 구비하지 않고 있으므로 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛은 본래의 반사각에 따른 광 경로를 가지며 분산되며(식별번호 20 및 30 참조), 이와 같이 분산된 빛은 직접(즉, 초점 렌즈(130) 및 주사 미러(120)를 다시 거치지 않고) 집광 렌즈(160)에 의해 집광되어 높이 측정 소자(180)로 입력된다는 점에서 도 2의 높이 측정 장치에서와 차 이점이 있다. 다만, 높이 측정 소자(180)로 입력된 빛의 결상 크기가 높이 측정 소자(180)의 전면부에 위치한 결상 크기 조정물(170)에 의해 일정하게 조정된다는 점은 도 2의 높이 측정 장치에서와 동일하다.
상술한 바와 같이 도 3의 높이 측정 장치에서는 반사광의 광 경로를 조정하는 경로 조정 미러(140)를 구비하지 않고 있으며, 이러한 이유로 도 2에서와 같이 반사광의 광 경로가 조정됨에 따라 발생한 광 경로 길이의 오차를 보정하기 위한 경로 길이 보정물(150)도 별도로 구비할 필요가 없어 높이 측정 장치의 구성의 단순화 및 제작 비용의 절감을 할 수 있는 이점이 있다.
반면에 도 2의 높이 측정 소자의 경우에는 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛을 경로 조정 미러(140)를 통해 초점 렌즈(130)로 역 입사시키는 방식을 이용함으로써 반사광의 광 손실을 최소화할 수 있음은 물론 제작된 높이 측정 장치의 소형화를 할 수 있는 이점이 있다. 왜냐하면 도 3의 높이 측정 장치의 경우에는 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛의 광 손실을 최소화하면서 반사광의 입력을 받을 수 있는 최적화된 위치에 집광 렌즈(160) 및 높이 측정 소자(180)가 배치되는 것이 바람직한 반면, 도 2의 높이 측정 장치의 경우에는 집광 렌즈(160) 및 높이 측정 소자(180)가 배치될 위치에 특별한 제한이 없기 때문에 높이 측정 장치를 소형화하는 데 이점이 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 높이 측정 장치에서의 높이 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
단계 S401을 참조하면, 광원(110)으로부터 조사된 빛은 주사 미러(120)에 의해 광 경로가 변경되어 측정 대상물(100)에 주사된다.
상술한 바와 같이 주사 미러(120)에 의해 광 경로가 변경된 빛은 측정 대상물(100)에 직접 주사될 수도 있지만, 주사된 빛이 측정 대상물(100)에 의해 반사될 때의 반사율을 일정하게 조정할 수 있어 반사율의 분포 변화를 최소화하기 위하여 단계 S402와 같이 초점 렌즈(130)를 이용하여 측정 대상물(100)에 주사되는 빛의 초점을 측정 대상물(100)의 위치와 맞추는 단계를 더 거칠 수도 있다. 이때, 초점 렌즈(130)를 거쳐 주사되는 빛의 광축은 측정 대상물(100)에 대한 측정 불능 영역의 발생을 방지하기 위하여 측정 대상물(100)과 수직을 이루도록 설정될 수 있다. 주사 미러(120) 및 초점 렌즈(130)에 의한 광 주사 원리 및 측정 불능 영역의 제거 원리는 이하 도 5a 내지 도 5d에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
단계 S403를 참조하면, 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛이 초점 렌즈(130)로 역 입사될 수 있도록 경로 조정 미러(140)에 의해 반사광의 광 경로를 조정한다. 이때, 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛의 광 경로가 경로 조정 미러(140)에 의해 조정되게 되면 이에 상응하여 반사광의 광 경로 길이의 오차가 발생하게 되므로, 경로 길이 보정물(150)을 이용하여 이러한 광 경로 길이의 오차를 보정하는 단계가 더 포함될 수 있다(단계 S404 참조). 경로 조정 미러(140) 및 경로 길이 보정물(150)에 의한 광 경로 조정 및 광 경로 길이 보정 원리는 이하 도 6a 내지 도 6c에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
다만, 상술한 단계 S403 및 단계 S404는 반사광을 초점 렌즈(130)로 역 입사 시키는 방식을 이용하지 않는 도 3의 높이 측정 장치의 경우에는 생략될 것임은 자명하다.
단계 S405를 참조하면, 초점 렌즈(130)로 역 입사된 빛을 입력받아 높이 측정 소자(180)에 결상되는 빛의 결상 크기를 결상 크기 조정물(170)을 이용하여 일정하게 조정한다.
이때, 도 2의 높이 측정 장치의 경우에는 상술한 바와 같이 초점 렌즈(130)로 역 입사된 빛이 다시 주사 미러(140)를 거쳐 높이 측정 소자(180)로 입력되게 됨은 물론이다. 또한, 반사광이 높이 측정 소자(180)로 입력되기에 앞서 집광 렌즈(160)를 이용하여 높이 측정 소자(180)에 결상될 빛의 세기(즉, 광량)를 증가시키기 위한 집광 과정이 더 포함될 수 있다. 이처럼 소정의 과정을 거쳐 높이 측정 소자(180)로 입력되는 빛은 본 단계를 통하여 높이 측정 소자(180)의 전면부에 위치한 결상 크기 조정물(170)에 의해 그 결상 크기가 일정하게 조정된다.
결상 크기 조정물(170)에 의한 결상 크기 조정 원리는 이하 도 7 내지 도 9c에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
단계 S406을 참조하면, 높이 측정 소자(180)에 결상된 빛의 결상 크기가 결상 크기 조정물(170)에 의해 일정하게 조정되면, 높이 측정 소자(180)는 결상된 빛으로부터 측정 대상물(100)의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력한다. 높이 측정 소자(180)에 의한 측정 신호의 출력 원리는 이하 도 10a 및 도 10b에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 주사 미러 및 초점 렌즈를 이용한 광 주사 원리를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 5a를 참조하여 주사 미러(120)를 이용한 광 경로 변경 원리를 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 5a의 (a), (b) 및 (c)는 주사 미러(120)의 회전에 상응하여 광원(110)으로부터 조사된 빛의 광 경로의 변경을 설명하기 위하여 각각 별도 도시한 것에 불과하며, 도 5a의 (a), (b) 및 (c)의 주사 미러(120)의 회전은 모두 동일한 회전축을 통해 이루어짐은 물론이다.
광원(110)으로부터 주사 미러(120)를 향해 조사된 빛(식별번호 10 참조)은 주사 미러(120)의 회전 동작에 상응하여 각각 다른 광 경로(광 진행 방향)를 가지면서 초점 렌즈(130)로 입사된다(식별번호 11, 12 및 13 참조). 이때, 초점 렌즈(130)로 입사되는 빛의 광 경로는 반사의 원리에 의해 결정된다. 즉, 광원(110)으로부터 조사된 빛이 주사 미러(120)에 의해 반사될 때의 반사각은 주사 미러(120)로 입사될 때의 각각의 입사각(θ1, θ2 및 θ3 참조)과 동일한 각도를 가지게 되며, 광원(110)으로부터 조사된 빛은 이러한 반사각에 따라 광 경로가 변경되어 초점 렌즈(130)로 입사된다. 또한 이때, 주사 미러(120)가 시계 반대 방향의 소정의 속도를 가지며 순차 회전(1 -> 2 -> 3의 순서로 회전)하는 경우를 가정하면, 광원(110)으로부터 조사된 빛은 주사 미러(120)를 거치면서 도 5a의 좌측에서 우측 방향의 순서(11 -> 12 -> 13의 순서)를 가지면서 초점 렌즈(130)로 순차 입사된다.
이어서, 도 5b 및 도 5c를 참조하여 주사 미러(120) 및 초점 렌즈(130)를 이 용한 광 주사 원리를 설명하면 다음과 같다.
도 5b를 참조하면, 주사 미러(120)의 회전 동작에 상응하여 각각 광 경로가 변경되어 초점 렌즈(130)로 순차 입사된 빛(식별번호 11, 12 및 13 참조)은 초점 렌즈(130)에 의해 각각의 초점(식별부호 f1, f2 및 f3 참조)이 측정 대상물(100)의 위치와 맞춰진다. 또한 이때, 초점 렌즈(130)는 초점 렌즈(130)를 거쳐 순차 주사되는 빛(식별번호 11', 12'및 13'참조)의 각 광축(식별부호 ax1, ax2 및 ax3 참조)이 측정 대상물(100)과 수직을 이루도록 설정될 수 있다. 이와 같이 초점 렌즈(130)로 순차 입사된 빛이 초점 렌즈(130)를 거치면서 측정 대상물(100)과 직교하는 방향으로 수직 주사되도록 설정하게 되면, 도 1과 같이 측정 대상물(100)에 빛을 수직 주사하지 않는 경우보다 측정 대상물(100)의 높이 측정에 있어 측정 불능 영역을 제거 또는 최소화할 수 있는 이점이 있다. 이러한 측정 불능 영역의 제거 또는 최소화 원리는 이하 도 5d에서 상세히 설명하기로 한다.
도 5c를 참조하면, 주사 미러(120) 및 초점 렌즈(130)를 통해 순차 주사되는 빛(식별번호 11', 12'및 13'참조)은 측정 대상물(100)에 X축 방향으로 1차원 주사(one dimensional scan)되고 있다. 이때, 측정 대상물(100)은 이송 플레이트(200) 상에 적재(loading)되어 있어 이송 플레이트(200)가 Y축 방향으로 이송됨에 따라 Y축 방향으로도 이동할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 높이 측정 장치에 있어 주사 미러(120) 및 초점 렌즈(130)를 통한 빛의 주사가 어느 일 방향(예를 들어, X축 방향)만을 가지면서 1차원 주사되더라도 이송 플레이트(200)에 의한 측정 대상물(100)의 타 방향(예를 들어, Y축 방향)으로의 이동에 의해 측정 대상 물(100)의 전면에 대한 2차원 주사가 가능해진다. 다만 측정 대상물(100) 또는 초점 렌즈(130)의 크기 등을 고려하는 경우 측정 대상물(100)의 일 방향 전부에 대하여 초점 렌즈(130)에 의한 1차원 광 주사를 수행하는 것이 불가능할 수도 있으므로, 이러한 경우에는 이송 플레이트(200)에 의한 측정 대상물(100)의 이동이 Y축 방향은 물론 X축 방향으로도 이루어질 수 있음은 물론이다. 상술한 바와 같이 본 발명의 높이 측정 장치는 주사 미러(120) 및 초점 렌즈(130)에 의한 1차원 광 주사와 함께 이송 플레이트(200)의 이송에 의해 측정 대상물(100) 전면에 대한 2차원 주사가 가능하며, 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛으로부터 측정 대상물(100)의 높이를 측정해냄으로써 측정 대상물(100)의 3차원 형상 또는 체적을 구해낼 수 있게 된다.
본 발명의 높이 측정 장치에서 2개 방향 검출법(2 way sensing method)을 이용한 측정 대상물(100)에 대한 측정 불능 영역의 제거 원리를 도 1 및 도 5d를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 1의 (a)와 같이 측정 대상물(100)에 대하여 소정의 기울기를 갖도록 빛을 주사하게 되면 반사의 원리에 따라 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛의 광 경로는 주사된 빛의 기울기와 대칭되는 소정의 일 방향을 가지게 되며, 이 경우 도 1의 (b)와 같은 측정 불능 영역이 발생하게 된다.
반면에 도 5d와 같이 측정 대상물(100)에 대하여 빛을 수직 주사하게 되면 반사의 원리에 따라 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛의 광 경로는 주사된 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 복수의 방향(이하, 도 5d에서와 같이 2개의 방향을 갖는 것으로 가정함(식별번호 20 및 30 참조))을 가지게 된다. 이때, 복수의 방향을 갖는 반사광의 각 광 경로에 상응하여 2개 또는 그 이상의 높이 측정 소자(180)를 배치하게 되면 측정 대상물(100)에 대한 측정 불능 영역을 제거할 수 있다. 즉, 어느 일 방향의 광 경로를 갖는 반사광(식별번호 30 참조)이 측정 대상물(100)에 의해 막혀 제1 높이 측정 소자(180-1)에 입력되지 못함으로써 소정의 측정 불능 영역(식별부호 D3 참조)이 발생하더라도, 그 일 방향과 서로 대칭되는 타 방향의 광 경로를 갖는 반사광(식별번호 20 참조)이 제2 높이 측정 소자(180-2)에 입력됨으로써 이에 의하여 측정 불능 영역(D3)의 발생을 제거할 수 있게 된다. 이와 같이 본 발명의 높이 측정 장치는 측정 대상물(100)에 빛을 수직 주사하는 방법과 반사광의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 2개 이상의 높이 측정 소자(180)를 배치하는 방법을 함께 이용하여 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛을 2개 이상의 방향에서 검출해냄으로써 측정 대상물(100)에 대한 측정 불능 영역을 제거할 수 있다. 이하 이와 같은 높이 측정 방법을 2개 방향 검출법(2 way sensing method)이라 하기로 한다. 그러나, 이러한 2개 방향 검출법은 본 발명에 따른 높이 측정 장치에서의 높이 측정 방법의 일 예에 불과하며, 측정 대상물(100)에 빛을 수직 주사하는 방법과 1개의 높이 측정 소자(180)를 이용한 1개 방향 검출법(one way sensing method)을 이용할 수도 있음은 물론이다. 다만, 이하에서는 2개 방향 검출법을 이용하는 경우를 중심으로 본 발명에 따른 높이 측정 방법을 설명하기로 한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 경로 조정 미러 및 경로 길이 보정물을 이용한 초점 렌즈로의 반사광의 역 입사 원리를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 초점 렌즈(130)를 거친 빛(식별번호 10"참조)이 측정 대상물(100)에 수직 주사됨에 따라 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛은 수직 주사된 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 2개의 방향(또는 그 이상의 방향일 수 있음)으로 분산됨을 알 수 있다(식별번호 20 및 30 참조).
측정 대상물(100)에 대하여 빛을 수직 주사하였을 때에 측정 대상물(100)에 의해 반사된 빛이 서로 대칭되는 2개의 방향으로 분산되는 이유는 다음과 같다. 즉, 빛의 입자성에 근거하여 주사되는 빛 역시 수많은 광자들의 집합이라 할 수 있으므로, 빛을 측정 대상물(105)에 수직 주사하더라도 측정 대상물(100)에 주사될 때의 주사(입사) 각도는 빛을 구성하는 각 광자마다 상이해질 수 있다. 따라서, 측정 대상물(105)에 의한 반사광의 반사 각도도 주사된 빛을 구성하는 각 광자 마다의 주사 각도에 상응하여 상이해지게 된다. 이러한 이유로 반사광은 소정의 각도 범위를 가지면서 분산되게 되며, 분산된 반사광 중 일부는 높이 측정 소자(180)로 입력되지 않고 손실됨으로써 높이 측정 장치에서의 측정 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다. 따라서, 도 6b와 같이 경로 조정 미러(140)를 두게 되면 반사광의 광 손실을 줄여 높이 측정 장치에서의 측정 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. 이하 도 6b를 참조하여 경로 조정 미러(140) 및 경로 길이 보정물(150)의 역할을 보다 상세히 설명한다.
도 6b를 참조하면, 측정 대상물(100)에 의해 반사되어 서로 대칭되는 2개의 방향으로 분산된 빛(식별번호 20 및 30 참조)은 경로 조정 미러(140)에 의해 각각 광 경로가 조정되며(식별번호 20'및 30'참조), 경로 조정 미러(140)에 의해 반사광의 광 경로가 조정됨에 따라 발생하는 광 경로 길이의 오차(ΔZ)는 경로 길이 보정물(150)에 의해 보정된다. 만일 이러한 광 경로 길이의 오차(ΔZ)를 보정하지 않게 되면, 이후 높이 측정 소자(180)에 의한 측정 대상물(100)의 높이 측정에 있어서도 정확성을 기할 수 없게 된다. 즉, 광 경로 길이의 오차(ΔZ)가 보정되지 않은 경우 높이 측정 소자(180)는 측정 대상물(100)의 실제 위치가 아닌 허상(100')의 위치에 따라 측정된 높이에 상응하는 측정 신호를 출력하게 됨으로써 정확한 높이 측정을 할 수 없게 된다.
경로 길이 보정물(150)을 이용한 광 경로 길이의 오차(ΔZ)의 보정 방법을 도 6c를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
경로 길이 보정물(150)의 두께가 d, 굴절률이 n이라 가정할 때, 측정 대상물(100)의 실제 위치와 허상(100')의 위치에 따른 광 경로 길이의 오차(ΔZ)는 아래의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
ΔZ = {d(n-1)}/n
따라서 이러한 [수학식 1]의 관계를 이용하게 되면, 경로 조정 미러(140)에 의해 반사광의 광 경로가 조정됨에 따라 발생한 광 경로 길이의 오차(ΔZ)를 보정할 수 있게 된다. 여기서, 위의 [수학식 1]는 커버 글래스 등의 경로 길이 보정물(150)을 이용한 광 경로 길이 오차의 보정 방법에 있어 당업자에게 자명한 사항이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 도 7 내지 도 9c를 참조하여 결상 크기 조정물(170)에 의한 결상 크기 조정 원리를 설명한다.
먼저, 본 발명이 이해를 돕기 위하여 본 명세서에서 사용되는 용어 중 휘점,초점, 집광점 및 결상점에 대하여 도 7을 참조하여 간략히 설명한다.
도 7을 참조하면, 휘점(spot)(50)은 주사된 빛이 측정 대상물(100)에 부딪쳤을 때 생기는 광점(즉, 반사점)을 의미하며, 집광점(55)은 휘점(50)에서부터 반사된 빛이 렌즈(여기서는 집광 렌즈(160)로 가정하며, 이하 같음)를 거치면서 하나의 광점으로 집광된 것을 의미한다. 초점(focal point)(54)은 집광 렌즈(160)를 거친 빛이 집광 렌즈(160)의 중심축(52)과 만나는 점을 의미한다. 따라서, 초점 거리(l)는 집광 렌즈(160)의 중심(51)에서부터 초점(54)까지의 거리가 된다. 결상점(56)은 집광 렌즈(160)를 거친 빛이 본 발명의 높이 측정 소자(180)로 입력되어 결상된 광점을 의미한다.
도 8a는 측정 대상물에 대하여 소정 기울기를 갖도록 광 주사한 경우 측정 대상물의 높이 변화에 따른 반사광을 예시한 도면이고, 도 8b는 도 8a에 있어서의 집광점의 위치 및 높이 측정 소자에 맺히는 반사광의 결상 크기를 예시한 도면이다.
도 8a와 같이 측정 대상물(100)에 대하여 소정의 기울기(예를 들어, 45°인 것으로 가정함)를 갖도록 광 주사하면, 측정 대상물(100)의 제1 높이(h1), 제2 높이(h2) 및 제3 높이(h3)에 상응하여 각각 제1 휘점(50-1), 제2 휘점(50-2) 및 제3 휘점(50-3)이 형성된다. 이러한 각각의 제1 휘점(50-1), 제2 휘점(50-2) 및 제3 휘점(50-3)으로부터 반사된 빛은 각각 제1 반사광(21), 제2 반사광(22) 및 제3 반사광(23)의 광 경로를 따라 집광 렌즈(160) 및 높이 측정 소자(180)를 향해 입사된다. 여기서, 집광 렌즈(160) 및 높이 측정 소자(180)는 도 8a에서와 같이 각 반사광의 광 경로 상에 배치되어 있는 것으로 가정한다.
도 8b를 참조하면, 측정 대상물(100)의 높이에 상응하여 형성된 제1 휘점(50-1) 내지 제3 휘점(50-3)으로부터 반사된 빛은 집광 렌즈(160)를 거치면서 집광되어 높이 측정 소자(180)의 소정의 위치에 결상된다. 이때, 도 8a의 경우 측정 대상물(100)에 대한 광 주사는 45°의 기울기로 이루어졌으므로 제1 휘점(50-1), 제2 휘점(50-2) 및 제3 휘점(50-3)과 집광 렌즈(160)간의 각각의 거리는 동일하게 되며, 이러한 이유로 각 반사광(21, 22 및 23)이 집광 렌즈(160)를 거쳐 높이 측정 소자(180)에 결상될 때의 각각의 결상점(56-1, 56-2 및 56-3)은 각각의 집광점(55-1, 55-2 및 55-3)과 일치하게 된다. 따라서, 도 8a에서와 같이 측정 대상물(100)에 45°의 기울기로 광 주사하였을 때에는 각 반사광에 따라 높이 측정 소자(180)에 결상된 각각의 결상점이 일정한 결상 크기(또는 지름)를 갖게 되므로(도 8b의 A 참 조), 본 발명에서와 같이 별도의 결상 크기 조정물(170)을 이용한 결상 크기의 조정이 불필요함을 알 수 있다.
도 9a는 측정 대상물에 대하여 수직 방향을 갖도록 광 주사한 경우 측정 대상물의 높이 변화에 따른 반사광을 예시한 도면이고, 도 9b는 도 9a에 있어서의 집광점의 위치 및 높이 측정 소자에 맺히는 반사광의 결상 크기를 예시한 도면이며, 도 9c는 도 9a에 있어 높이 측정 소자의 전면부에 결상 크기 조정물을 위치시킨 경우의 높이 측정 소자에 맺히는 반사광의 결상 크기를 예시한 도면이다.
도 9a와 같이 측정 대상물(100)에 대하여 수직 방향을 갖도록 광 주사하면, 측정 대상물(100)의 제1 높이(h1), 제2 높이(h2) 및 제3 높이(h3)에 상응하여 각각 제4 휘점(50-4), 제5 휘점(50-5) 및 제6 휘점(50-6)이 형성된다. 이러한 각각의 제4 휘점(50-4), 제5 휘점(50-5) 및 제6 휘점(50-6)으로부터 반사된 빛은 각각 제4 반사광(24), 제5 반사광(25) 및 제6 반사광(26)의 광 경로를 따라 집광 렌즈(160) 및 높이 측정 소자(180)를 향해 입사된다. 여기서, 도 9a와 같이 수직 광 주사하였을 때에는 각각 제4 반사광(24), 제5 반사광(25) 및 제6 반사광(26)의 광 경로와 대칭되는 타 광 경로를 따라 반사되는 반사광도 각각 존재함은 물론이나, 설명의 편의상 도 9a 내지 도 9c에서는 생략하여 도시하였다.
도 9b를 참조하면, 측정 대상물(100)의 높이에 상응하여 형성된 제4 휘점(50-4) 내지 제6 휘점(50-6)으로부터 반사된 빛은 집광 렌즈(160)를 거치면서 집광되어 높이 측정 소자(180)의 소정의 위치에 결상된다. 이때, 도 9a의 경우 측정 대상물(100)에 대한 광 주사는 수직 방향으로 이루어졌으므로 제4 휘점(50-4), 제5 휘점(50-5) 및 제6 휘점(50-6)과 집광 렌즈(160)간의 각각의 거리는 상이해지게 되며, 이러한 이유로 각 반사광(24, 25 및 26)이 집광 렌즈(160)를 거쳐 높이 측정 소자(180)에 결상될 때의 각각의 결상점(56-4, 56-5 및 56-6)은 각각의 집광점(55-4, 55-5 및 55-6)과 일치하지 않는 경우가 발생하게 된다. 즉, 도 9a에서와 같이 측정 대상물(100)에 대하여 수직 광 주사하였을 때에는 각 반사광(24, 25 및 26)이 집광 렌즈(160)를 거쳤을 때의 각 집광점(55-4, 55-5 및 55-6) 위치의 변화가 발생하며, 이러한 각 집광점(55-4, 55-5 및 55-6) 위치 변화는 높이 측정 소자(180)에 결상된 각각의 결상점(56-4, 56-5 및 56-6)의 결상 크기의 변화를 초래하게 된다(도 9b의 B 참조). 이와 같이 집광점의 위치 변화에 따라 높이 측정 소자(180)에 결상된 결상점의 결상 크기가 상이해진다는 것은 결국 높이 측정 소자(180)에 입력된 빛의 광 강도의 분포가 일정하지 않다는 것을 의미하므로, 높이 측정 소자(180)에 의한 측정 대상물(100)의 높이 측정에 있어 그 정확도가 감소하게 되는 문제점이 있게 된다. 따라서 본 발명에서와 같이 측정 대상물(100)에 대하여 수직 광 주사를 하는 경우에 있어서는 보다 정확한 높이 측정을 위하여 결상 크기를 일정하게 조정해줄 필요가 있으며, 이러한 결상 크기 조정물(170)을 이용한 결상 크기 조정 방법이 도 9c에 도시되고 있다.
도 9c를 참조하면, 높이 측정 소자(180)의 전면부에 소정의 결상 크기 조정물(170)(예를 들어, 프리즘)을 각 집광점(55-4, 55-5 및 55-6)의 위치 변화에 따른 이동 궤적(식별번호 60 참조)과 일치하는 입사 평면을 갖도록 배치하고 있다. 이와 같이 결상 크기 조정물(170)을 각 집광점(55-4, 55-5 및 55-6)의 위치 이동 궤적과 일치하는 입사 평면을 갖도록 배치하게 되면, 높이 측정 소자(180)로 입력되는 빛은 결상 크기 조정물(170)을 거치면서 소정 방향으로 굴절되어 일정한 결상 크기를 갖도록 조정될 수 있게 된다(도 9c의 C 참조). 왜냐하면, 반사광의 각 집광점(55-4, 55-5 및 55-6) 위치와 결상 크기 조정물(170)의 입사 평면이 일치되도록 설정하였으므로, 결상 크기 조정물(170)를 거쳐 굴절되는 빛도 집광된 상태를 유지하며 높이 측정 소자(180)에 결상될 것이기 때문이다. 따라서, 본 발명의 높이 측정 장치는 결상 크기 조정물(170)을 이용하여 높이 측정 소자(180)에 결상되는 빛의 결상 크기를 일정하게 조정(즉, 광 강도 분포를 일정하게 조정)함으로써 측정 대상물(100)에 대한 보다 정확한 높이 측정을 할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 높이 측정 장치에 있어 높이 측정 소자(180)의 전면부에 결상 크기 조정물(170)을 배치함으로써 얻을 수 있는 다른 이점에는 다음과 같은 것들이 있다.
먼저, 높이 측정 소자(180)의 전면부에 결상 크기 조정물(170)을 두는 경우에는 높이 측정 소자(180)에 결상되는 각 결상점 간의 거리(폭)를 증폭시킴으로써 높이 측정의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 초점 렌즈(130)의 초점 거리가 50.8mm, 집광 렌즈(160)의 초점 거리가 175mm이고, 제4 휘점(50-4) 내지 제6 휘점(50-6)을 잇는 직선의 기울기가 45°이며, 측정 대상물(100)의 높이가 ±50㎛의 범위 내에서 변화한다고 가정한다. 이때, 높이 측정 소자(180)의 전면부에 결상 크기 조정물(170)을 두지 않은 경우의 각 결상점 간의 거리는 약 ±122 ㎛(±50㎛ × 3.4(175mm/50.8mm) × sin45°)가 된다(도 9b의 식별번호 56-5를 기준으로 각각 56-4 및 56-6 간의 거리 참조). 반면에 높이 측정 소자(180)의 전면부에 결상 크기 조정물(170)을 두는 경우에는 결상 크기 조정물(170)의 배율(예를 들어, 약 2.8배)만큼 증폭되어 각 결상점 간의 거리는 약 ±340㎛로 확대될 수 있다(도 9c의 식별번호 56-5를 기준으로 각각 56-4 및 56-6 간의 거리 참조). 따라서, 이와 같이 결상 크기 조정물(170)에 의해 높이 측정 소자(180)에 결상되는 각 결상점 간의 거리가 증폭(확대)되게 되면, 측정 대상물(100)의 미세한 높이 차이까지도 높이 측정 소자(180)에서 명확히 구분해낼 수 있음은 물론, 본 발명의 높이 측정 장치의 동작에 있어서 발생할 수 있는 진동 또는 열 변화에 의한 영향을 받지 않고 보다 정확한 높이 측정을 할 수 있게 된다. 이때, 결상 크기 조정물(170)에 의한 증폭은 신호(빛) 성분과 오차(노이즈) 성분이 동시에 증폭되기 때문에 높이 측정 소자(180)에 결상되는 각 결상점 간의 거리가 증폭된다 하더라도 C/N(Carrier to Noise ratio) 저하는 발생하지 않는다.
또한, 높이 측정 소자(180)의 전면부에 결상 크기 조정물(170)을 두는 경우에는 본 발명의 높이 측정 장치의 부피를 줄일 수 있는 이점이 있다. 만일 본 발명에서와 같은 결상 크기 조정물(170)을 별도로 두지 않고 높이 측정 소자(180)에 결상되는 각 결상점 간의 거리를 확대하기 위해서는 집광 렌즈(160)의 초점 거리를 증가시켜야 하며, 이는 결국 광학계의 부피가 보다 커져야 한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 결상 크기 조정물(170)을 두지 않고 각 결상점 간의 거리를 상술한 바와 같이 약 ±340㎛로 확대하기 위해서는 집광 렌즈(160)의 초점 거리를 약 490mm(= 원래의 초점 거리(175mm) × 결상 크기 조정물(170)의 배율(약 2.8))로 증가시켜야 하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 높이 측정 장치는 결상 크기 조정물을 둠으로써 그 광학계의 부피(크기)를 줄일 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 높이 측정 소자를 이용한 높이 측정 원리를 나타낸 도면이다. 도 10a에서는 도면 도시의 편의상 경로 길이 보정물(150), 집광 렌즈(160) 및 결상 크기 조정물(170)을 생략하여 나타냈다.
도 10a를 참조하면, 측정 대상물(100)의 임의의 휘점(50)으로부터 2개의 방향으로 분산되어 반사된 빛(식별번호 20 및 30 참조)은 경로 조정 미러(140)를 거쳐 초점 렌즈(130)로 역 입사되고, 역 입사된 빛은 다시 주사 미러(120)를 거치면서 광 경로가 변경(식별번호 20'및 30'참조)되어 제1 높이 측정 소자(180-1) 및 제2 높이 측정 소자(180-2)에 각각 결상된다(식별번호 56-1 및 56-2 참조).
이때, 제1 높이 측정 소자(180-1) 및 제2 높이 측정 소자(180-2)는 각각의 제1 결상점(56-1) 및 제2 결상점(56-2)으로부터 측정 대상물(100)의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력한다. 즉, 제1 높이 측정 소자(180-1)는 제1 결상점(56-1)으로부터 제1 측정 신호(a1 및 b1)를 출력하고, 제2 높이 측정 소자(180-2)는 제2 결상점(56-2)으로부터 제2 측정 신호(a2 및 b2)를 출력한다. 여기서, 각 높이 측정 소자(180-1 및 180-2)에 의해 각각 출력되는 제1 측정 신호(a1 및 b1) 및 제2 측정 신호(a2 및 b2)는 각 결상점(56-1 및 56-2)의 광강도(또는 광량) 정보로부터 이에 상응(비례)하여 변환한 소정의 전류 값일 수 있다
각 높이 측정 소자(180-1 및 180-2)에 의해 출력된 제1 측정 신호(a1 및 b1) 및 제2 측정 신호(a2 및 b2)로부터 측정 대상물(100)의 높이를 계산하는 방법을 도 10b를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 제1 높이 측정 소자(180-1) 및 제2 높이 측정 소자(180-2)는 각각 전류-전압 변환기(310), AD 컨버터(320) 및 연산부(400)와 연결되어 있다. 따라서, 각 높이 측정 소자(180-1 및 180-2)로부터 출력된 제1 측정 신호(a1 및 b1) 및 제2 측정 신호(a2 및 b2)는 각각 전류-전압 변환기(310) 및 AD 컨버터(320)를 거치면서 디지털 데이터로 변환되어 연산부(400)에 입력되고, 연산부(400)는 아래의 [수학식 2]를 이용하여 입력된 디지털 데이터로부터 제1 측정 신호(a1 및 b1) 및 제2 측정 신호(a2 및 b2) 각각에 상응하는 측정 대상물(100)의 높이(h)를 연산한다. 여기서, 아래의 [수학식 2]는 PSD 등의 높이 측정 소자(180)를 이용한 측정 대상물(100)의 높이 측정 방법에 있어 당업자에게 자명한 사항이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
[수학식 2]
h = (a - b)/(a + b)
이때, 제1 측정 신호(a1 및 b1)에 따라 연산부(400)에 의해 연산된 측정 대상물(100)의 높이를 제1 높이(h1), 제2 측정 신호(a2 및 b2)에 따라 연산부(400)에 의해 연산된 측정 대상물(100)의 높이를 제2 높이(h2)라 하면, 제1 높이(h1)는 (a1 - b1)/(a1 + b1)이 되고, 제2 높이(h2)는 (a2 - b2)/(a2 + b2)이 된다. 여기서, 연산부(400)에 의해 각각 연산된 제1 높이(h1) 및 제2 높이(h2)는 연산부(400) 내에 구비된 합산기(410) 등에 의해 합산될 수 있다. 이와 같이 합산된 높이는 다시 연산부(400) 내에서 그 평균값으로 환산될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이 각 높이 측정 소자(180-1 및 180-2)에 의해 출력된 제1 측정 신호(a1 및 b1) 및 제2 측정 신호(a2 및 b2)로부터 연산된 각 높이(h1 및 h2)를 합산하게 되면, 주사 미러(120)의 회전 동작에 있어 발생할 수 있는 회전 축의 변화에 따른 높이 측정의 오차를 상쇄시킬 수 있는 이점이 있다. 여기서, 주사 미러(120)의 회전 축의 변화는 주사 미러(120)의 회전 동작시의 진동, 축 휘어짐 등에 의해 발생할 수 있으며, 이는 결국 주사 미러(120)(예를 들어, 폴리곤 미러 스캐너가 이용되는 경우에는 각 면에 구비되는 개개의 미러들)에 의해 반사되어 높이 측정 소자(180)로 결상되는 빛의 결상점 변화를 발생시켜 높이 측정 소자(180)에 의한 높이 측정에 있어 오차를 발생시키는 주요 원인이 될 수 있다. 따라서, 주사 미러(120)의 회전 축 변화에 따른 높이 측정 오차를 보정할 필요가 있으며, 본 발명의 높이 측정 장치에 있어서 주사 미러(120)의 회전 축 변화에 따라 발생하는 높이 측정 오차의 상쇄 원리를 도 10a를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 10a에서 주사 미러(120)의 회전 축이 본래의 회전 축(식별번호 70 참조)으로부터 Δω만큼 이동하게 되면(식별번호 70'참조), 측정 대상물(100)에 의해 반사되어 역 입사된 빛이 주사 미러(120)를 거쳐 각각의 높이 측정 소자(180-1 및 180-2)로 입력될 때의 광 경로(식별번호 20"및 30"참조)가 회전 축이 변화됨에 따라 본래의 광 경로(식별번호 20'및 30'참조)와 상이해질 수 있다. 이에 따라 각 높이 측정 소자(180-1 및 180-2)에 결상되는 각 결상점(56"-1 및 56"-2)의 위치도 본래의 각 결상점(56-1 및 56-2)의 위치와 상이해지게 된다. 즉, 주사 미러(120)의 회전 축이 변화됨에 따라 제1 높이 측정 소자(180-1)에 결상되는 빛의 결상점을 제3 결상점(56"-1), 제 2 높이 측정 소자(180-2)에 결상되는 빛의 결상점을 제4 결상점(56"-2)이라 하면, 제3 결상점(56"-1)과 제4 결상점(56"-2)의 위치는 변화(이동)된 주사 미러(120)의 회전 축을 기준으로 서로 대칭되는 위치를 가지게 된다.
따라서, 제3 결상점(56"-1)에 상응하여 연산부(400)에 의해 연산된 측정 대상물(100)의 높이(이하, 제3 높이(h3)이라 함)는 아래의 [수학식 3]과 같고, 제4 결상점(56"-2)에 상응하여 연산부(400)에 의해 연산된 측정 대상물(100)의 높이(이하, 제4 높이(h4)이라 함)는 아래의 [수학식 4]과 같게 된다.
[수학식 3]
h3 = {(a1 - b1)/(a1 + b1)} + ΔP
[수학식 4]
h4 = {(a2 - b2)/(a2 + b2)} - ΔP
- 여기서, ±ΔP는 주사 미러(120)의 회전 축이 Δω만큼 이동됨에 따라 발생한 높이 측정 오차를 의미함.
따라서, 연산부(400)에 의해 각각 연산된 제3 높이(h3)와 제4 높이(h4)를 합산하게 되면, 주사 미러(120)의 회전 축이 Δω만큼 이동됨에 따라 발생한 높이 측정 오차(ΔP)가 상쇄되어 측정 대상물(100)에 대한 정확한 높이 측정이 가능하게 된다(아래의 [수학식 5] 참조).
[수학식 5]
h1 + h2 = h3 + h4 = (a1 - b1)/(a1 + b1) + (a2 - b2)/(a2 + b2)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 높이 측정 장치 및 방법에 의하면, 측정 대상물에 따른 반사율의 분포 변화 및 경사면의 기울기 변화에 의한 영향을 받지 않고, 측정 불능 영역이 발생하지 않음으로써 측정 대상물에 대한 정확한 높이(또는 체적, 형상) 측정이 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명 발명에 따른 높이 측정 장치 및 방법에 의하면, 높이 측정 장치의 구성의 단순화, 높이 측정 장치의 소형화 및 제작 비용의 절감을 할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명 발명에 따른 높이 측정 장치 및 방법에 의하면, 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 광 손실을 최소화함은 물론, 높이 측정 소자에 결상되는 빛의 결상 크기를 일정하게 조정함으로써 높이 측정 소자에 결상된 빛의 광강도를 일정하게 유지할 수 있어 정확한 높이 측정이 가능한 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 빛을 조사하는 광원;
    상기 광원으로부터 조사되어 측정 대상물에 의해 반사된 빛을 입력받아 상기 측정 대상물의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력하는 높이 측정 소자; 및
    상기 높이 측정 소자의 전면부에 위치하여 상기 높이 측정 소자에 결상되는 빛의 결상 크기를 일정하게 조정하는 결상 크기 조정물
    을 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 빔 장치인 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 높이 측정 소자는 PSD(Position Sensitive Detector)인 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결상 크기 조정물은 프리즘인 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 조사된 빛의 광 경로를 변경하여 측정 대상물에 주사하는 주사 미러를 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주사 미러는 폴리곤 미러 스캐너(polygon mirror scanner)인 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 주사 미러를 거쳐 상기 측정 대상물에 주사되는 빛의 초점을 상기 측정 대상물의 위치와 맞추기 위한 초점 렌즈를 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초점 렌즈는 fθ 렌즈인 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 초점 렌즈를 거쳐 주사되는 빛의 광축은 상기 측정 대상물과 수직을 이루도록 설정되는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 높이 측정 소자는 2개 이상 구비되되,
    상기 2개 이상의 높이 측정 소자는 상기 초점 렌즈를 거쳐 주사되는 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 배치되는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 측정 대상물에 의해 반사된 빛이 상기 초점 렌즈로 역 입사될 수 있도록 광 경로를 조정하는 경로 조정 미러를 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 경로 조정 미러에 의해 조정된 광 경로는 상기 초점 렌즈를 거쳐 측정 대상물에 주사되는 빛의 광축과 평행하도록 설정되는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 경로 조정 미러는 2개 이상 구비되되,
    상기 2개 이상의 경로 조정 미러는 상기 초점 렌즈를 거쳐 주사되는 빛의 광축을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 배치되는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 측정 대상물에 의해 반사된 빛이 상기 경로 조정 미러에 의해 광 경로가 조정됨에 따라 발생하는 광 경로 길이의 오차를 보정하기 위한 경로 길이 보정물을 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 높이 측정 소자로 입력되는 빛을 집광하기 위한 집광 렌즈를 더 포함하 되,
    상기 결상 크기 조정물은 상기 집광 렌즈에 의해 집광되는 빛의 집광점의 위치 이동 궤적과 일치하는 입사 평면을 갖도록 배치되는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 결상 크기 조정물 및 상기 집광 렌즈는 상기 높이 측정 소자의 개수에 상응하여 구비되는 측정 대상물의 높이 측정 장치.
  17. 측정 대상물의 높이 측정 장치가 상기 측정 대상물의 높이를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 광원이 상기 측정 대상물에 빛을 조사하는 단계;
    (b) 상기 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 결상 크기를 일정하게 조정하는 단계; 및
    (c) 상기 결상 크기가 조정된 빛을 입력받아 상기 측정 대상물의 높이에 상응하는 측정 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    (d) 상기 광원으로부터 조사된 빛의 광 경로를 변경하여 상기 측정 대상물에 주사하는 단계를 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    (e) 상기 단계 (d)를 통해 상기 측정 대상물에 주사되는 빛의 초점을 상기 측정 대상물의 위치와 맞추는 단계를 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    (f) 상기 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 광 경로가 미리 설정된 방향을 갖도록 광 경로를 조정하는 단계를 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 단계 (f)의 상기 미리 설정된 방향은 상기 단계 (d)를 통해 상기 측정 대상물에 주사되는 빛의 광축과 평행하도록 설정되는 측정 대상물의 높이 측정 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    (g) 상기 측정 대상물에 의해 반사된 빛의 광 경로가 상기 단계 (f)를 통해 조정됨에 따라 발생하는 광 경로 길이의 오차를 보정하는 단계를 더 포함하는 측정 대상물의 높이 측정 방법.
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KR20220103863A (ko) * 2021-01-15 2022-07-25 (주)화이버 옵틱코리아 멀티카메라를 이용한 고속고정밀 얼라인용 광학검사장치

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