KR20090010360A - 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형의 물체에 대하여 3차원 형상을 측정하는 과정에서 종래에 정합(stitch) 방법을 사용함으로써 불필요한 데이터가 누적되는 불편함을 없애고 측정에 필요한 최소 범위만을 측정하여 3차원 형상 데이터를 얻어내는, 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 종래의 광 간섭 측정 방법에서의 문제점을 해결하여 동적 특성이 강하여 외란 및 진동에 큰 영향을 받지 않으며, 고속으로 형상을 측정할 수 있고, 사용 파장과 관계없이 측정 가능한 범위를 증가시킬 수 있는 전사 방식을 사용할 뿐만 아니라, 최적의 중복 범위만큼 측정함으로써 중복 측정에서 오는 측정 효율 감소 문제를 해결하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다.

3차원 형상 측정, 패턴 전사, 래터럴 스캔, 정합

Description

래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템 {A 3D Shape Measuring System using Lateral Scan}

본 발명은 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대형의 물체에 대하여 3차원 형상을 측정하는 과정에서 종래에 정합(stitch) 방법을 사용함으로써 불필요한 데이터가 누적되는 불편함을 없애고 측정에 필요한 최소 범위만을 측정하여 3차원 형상 데이터를 얻어내는, 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 물체 표면의 정밀한 3차원 형상을 측정하기 위한 방법으로는, 광의 파동 현상을 이용하여 간섭을 발생시키고, 이러한 간섭 무늬의 위상을 해석하거나, 간섭무늬의 밝기를 해석하는 방법이 주로 사용되어 왔다. 이와 같이 간섭 신호를 사용하여 물체 표면을 측정하는 방법 중 대표적인 것은 광 위상 간섭법(Phase-Shifting Interferometry)이 있다.

간섭 신호란 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광 경 로(optical path)를 이동한 후 합쳐지는 경우, 두 광이 지난 거리차(optical path difference)에 따라 빛이 밝고 어두운 형태로 나타나는 물리적 현상이 발생되는데, 이를 간섭 신호라 한다. 이 중 한 개의 광을 기준광이라고 하여 고품위로 가공된 기준면(reference plane)에 입사시키고, 다른 광은 측정광이라고 하여 측정하고자 하는 면에 조사시킨다. 기준면은 완벽한 평면으로 정의할 수 있으므로 백색광 및 광 위상 간섭계의 영상획득부를 통하여 획득되는 영상의 간섭 신호는 이 기준면에 대한 상대적인 높이 정보를 포함하고 있게 된다. 이러한 개념에서, 지도에서 같은 높이를 가진 지형을 이어주는 선인 등고선의 활용과 마찬가지의 방식으로, 간섭 신호를 이용하여 기준 평면에 대하여 동일한 높이를 가진 지점 찾아 이를 이어줌으로써 3차원 형상을 획득할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 기본적인 간섭 신호 원리의 예를 도시하고 있다. 보다 상세히 설명하자면, 도 1은 금(gold) 코팅 된 평면 위에 반구가 형성된 패턴 형상을 측정면으로 하고, 600nm의 파장을 갖는 광원을 사용하여 3차원 형상을 측정한 실제 측정 사진이다. 도 1(A)는 이러한 반구형 패턴 위에서 나타나는 간섭 신호의 형태를 보여주고, 도 1(B)는 바닥인 평면에서 발생하는 간섭 신호의 형태를 보여준다. 상술한 바와 같이 간섭 신호란 등고선과 같은 개념이므로 반구형의 패턴에서는 도 1(A)에 도시된 바와 같이 둥근 형태의 간섭 신호가 발생하고, 평면 부분에서는 도 1(B)에 도시된 바와 같이 직선 형태의 간섭 신호가 발생하게 된다. 이러한 간섭 신호는 사용하는 광원의 파장과 밀접한 관계를 가지는데, 일반적으로 간섭 신호 간격 즉 간섭 신호의 주기는 사용하는 광원 파장의 반 파장에 해당한다. 그러므로 상기 도 1에서 보이는 간섭 신호 간 간격은, 광원의 파장이 600nm이므로 대략 300nm 간격으로 나타난다. 이러한 점을 이용하면 간섭 신호 영상에서부터 직관적으로도 대략적인 측정면의 높이 분포를 짐작할 수 있게 된다.

도 2는 이와 같은 광 위상 간섭법의 측정 원리를 도시하고 있다. 도 2(A)에 도시된 바와 같이 단색 파장의 조명광을 각각 기준면과 측정면에 조사한 후 광 분할기를 이용하여 합치면 측정면의 영상 및 줄무늬의 간섭 신호가 획득된다. 이러한 광학계에서, 물체 혹은 미러를 알고 있는 거리만큼 강제적으로 이동시키면, 도 2(B)에 interference image 1, …, 4로 도시된 바와 같이 간섭 무늬가 변화한 영상들을 얻을 수 있는데, 이러한 간섭 신호 영상을 복수 개 획득한 후 각 화소(pixel)에서 발생하는 간섭 신호의 위상(phase)을 계산함으로써 각 점에서의 높이를 측정하며, 이와 같이 산출된 각 점에서의 높이를 연결하여 전체적인 3차원 형상을 측정할 수 있게 된다.

초기의 광 위상 간섭법은 간섭 신호 추적법이라고 하여 앞에서 설명한 바와 같이 간섭 신호의 간격이 300nm인 점과 그 사이의 간섭 신호 변화를 조화 함수로 보간하여 간접적으로 간섭 신호의 위상을 계산하였는데, 이 방법은 측정면이 복잡한 구조를 가질 경우 간섭 신호 추적이 불가능하며, 보간법을 이용하므로 측정 오차 및 분해능에서 상당한 제약점이 있다는 문제점이 있었다. 이후 간섭 신호 해석법에 있어서 위상 천이법(phase shifting method)이 개발되면서 현재에는 nm 이하 의 측정 분해능을 구현할 수 있게 되었다. 일반적으로 광 위상 간섭법에서는 하기의 수학식 1과 같은 식을 사용하여 측정면의 높이를 산출한다.

상기 식에서

는 도 3(A)에 도시된 측정면 상의 (x, y) 좌표에서의 광 강도,

는 도 3(B)에 도시된 바와 같은 옵셋(offset) 값,

는 진폭 값,

는 매개변수 값이다(물론 표시되지는 않았으나 상기 매개변수 값

역시 (x, y)의 함수임은 당연하다). 상기 수학식 1에서,

값을 측정하여 매개변수 값

를 구하고, 이를 변환하여 각 점에서의 높이

를 구할 수 있다. 매개변수 값

가 구해지면, 이를 가지고 높이

를 산출하는 식은 다음과 같다. 하기 수학식 2에서

는 (x, y) 점에서의 높이

,

는 사용 광원의 파장 길이를 나타낸다.

즉 요약하자면 광 위상 간섭법은 간섭 신호의 위상을 강제로 이동시키는 방법으로서, 도 2에서 보듯이 기준 미러에 PZT 구동기와 같은 미세 구동기를 장착하여 기준면을 이동시키면서 여러 장의 간섭 신호를 획득하고 이로부터 영상 내의 각 측정 점에서의 간섭 신호의 형태와 높이와의 수학적 관계를 해석하게 된다.

그런데, 이 방법은 빠른 측정 속도, 높은 측정 분해능 등의 장점을 가지는 반면, 산출 방법의 특성 상, 도 3(C)에 도시된 바와 같이 매개변수 값 차이가 한 주기 이상이 되면 매개변수 값과 이에 의해 산출되는 높이가 실제 값과 달라질 수밖에 없다는 치명적인 문제점이 있다. 즉 이와 같은 모호성으로 인하여 인접한 두 측정 점의 높이차가 광원 파장의 1/4 이상일 경우에는 측정 오차가 발생하게 된다는 사실이 당업자 사이에 잘 알려져 있다. 뿐만 아니라, 물체 혹은 미러를 이동시키는 과정에서 외란이 발생하게 되면, 이에 크게 영향을 받아 형상 측정에 큰 오류가 생기게 된다. 즉, 측정 환경에 대해 매우 민감하여 외란 및 진동에 대하여 크게 취약하다는 큰 문제점을 가지고 있다.

이와 같은 광 위상 간섭 측정법을 사용하여, 한 번에 측정할 수 있는 영역보다 넓은 영역을 측정하기 위해서는, 종래에는 일반적으로 정합(stitch) 방법을 사용하여 왔다. 도 4는 이와 같은 정합 방식의 원리를 도시하고 있다. 도 4(A)에 표시된 것과 같이, 측정하고자 하는 물체가 하나의 FOV(Field Of View), 즉 한 화면에 다 들어오지 않는 경우, 도 4(A)의 오른쪽에 표시된 것과 같이 여러 번 나누어 찍어서 이를 붙여 전체의 측정 결과를 만들게 된다.

불필요한 측정 데이터 없이 전체 형상의 측정 데이터를 얻기 위해서는, 도 4(B)의 좌측과 같이 FOV의 경계선들이 만나도록 하여 측정 데이터를 얻는 것이 가장 좋다. 그런데, 광 위상 간섭 측정에 의하여 측정되는 3차원 형상은 절대적인 높이가 아니라 상대적인 높이이다. 따라서 상술한 바와 같이 미세한 진동이나 외란에 의해서도 영향을 받기 쉬운 미세 3차원 형상 측정에 있어서, 도 4(B)의 좌측과 같 이 측정할 경우 경계선 부분에 단차가 있는지, 만약 있다면 단차의 크기가 얼마나 되는지를 판단하는 것이 불가능하다. 연속적인 단면을 가지고 있는 형상인 경우라면 무조건 경계선 부분의 측정 데이터를 일치시키도록 하면 되겠지만, 실제로 미세 형상 측정이 필요한 물체들은 불연속적인 단면을 가지는 경우가 대부분이기 때문에, 도 4(B)의 좌측과 같은 방식으로 FOV들의 경계선들이 서로 만나도록 하여 측정할 경우 측정 데이터의 신뢰성이 크게 떨어진다. 따라서 도 4(B)의 우측과 같이 FOV들이 중복되는 부분(S)이 발생되도록 하고, 이러한 중복되는 부분의 측정 데이터들을 기준으로 하여 따로따로 측정된 데이터들을 합치는 방법을 사용하는 것이 일반적이다. 도 4(C)는 이와 같은 방식으로 6개의 FOV에 의하여 측정된 데이터들을 합쳐 전체의 3차원 형상을 만들어낸 것이다.

그런데, 이와 같이 중복 측정을 해야만 하기 때문에 큰 영역을 측정하기 위한 측정 횟수는 기하급수적으로 늘어나게 되며, 따라서 측정 데이터의 양 역시 기하급수적으로 늘어나게 된다. 도 4에 도시된 예에서도, 측정대상물의 넓이가 FOV의 넓이에 비하여 4배가 넘지 않음에도 불구하고(즉 측정대상물의 가로 길이가 FOV의 가로 길이의 2배 이하, 측정대상물의 세로 길이가 FOV의 세로 길이의 2배 이하임에도 불구하고), 6개나 되는 FOV에 의하여 측정된 데이터들을 합쳐야만 한다는 것을 알 수 있다. 즉 물체가 커질수록 이러한 중복 측정에 의한 불필요한 측정 데이터의 양이 엄청나게 많아져 측정 데이터 산출에 필요한 계산이 너무 오래 걸리게 되거나, 매우 고성능의 처리수단을 필요로 하여 사용자들에게 큰 불편함이 있었다. 뿐 만 아니라, 이러한 중복 측정을 함에 있어서, 얼마만큼 겹치는 것이 가장 효율적이라든가 등의 기준이 전혀 없기 때문에, 단지 측정하는 사람의 경험에 의존하여 최적이라고 여겨지는 정도만큼 중복시켜 측정하는 수밖에 없었다.

이와 같이 종래의 정합을 이용하는 중복 측정 방법은 측정 효율이 크게 떨어지고 다양한 문제점을 발생시키기 때문에, 사용자들 사이에서 이러한 문제점을 해결하고자 하는 요구가 꾸준히 있어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 광 간섭 측정 방법에서의 문제점을 해결하여 동적 특성이 강하여 외란 및 진동에 큰 영향을 받지 않으며, 고속으로 형상을 측정할 수 있고, 사용 파장과 관계없이 측정 가능한 범위를 증가시킬 수 있는 전사 방식을 사용할 뿐만 아니라, 최적의 중복 범위만큼 측정함으로써 중복 측정에서 오는 측정 효율 감소 문제를 해결하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템은, 전자적으로 정현파 형상의(sinusoidal) 패턴이 형성되어 3차원 형상 측정용 조사광이 통과 또는 반사함으로써 정현파 형상으로 패턴화된 광을 발생시키는 패턴형성부(110)를 포함하여 이루어지며, 패턴화된 광이 측정대상물(2000)로 조사되는 각도를 변화시킬 수 있도록 상기 측정대상물(2000)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 패턴전사부(100) 및 상기 패턴전사부(100)로부터 나와 패턴화된 후 상기 측정대상물(2000)에 반사되어 나온 광을 받아들이는 결상렌즈(210) 및 상기 결상렌즈(210)를 통해 들어온 광으로부터 영상을 획득하는 영상획득부(220)를 포함하여 이루어지는 결상부(200)를 포함하여 이루어 지는 측정프로브 (1000); 및 상기 측정대상물(2000)이 얹히는 스테이지 ; 를 포함하여 이루어지는 3차원 형상 측정 시스템에 있어서, 상기 측정프로브(1000)는 상기 측정대상물(2000)의 높이 방향에 대하여 수직한 방향으로 상대 운동이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 측정프로브(1000)는 상기 영상획득부(220)의 FOV(field of view)의 일측 방향 길이를 FOV라 할 때, 동 방향으로 1/mFOV만큼(m은 3, 4, 또는 5) 이동할 때마다 상기 영상획득부(220)가 영상을 획득하며, 상기 측정대상물(2000)의 각 부분에 대하여 획득되는 m개씩의 영상을 사용하여 상기 측정대상물(2000)의 각 부분의 높이를 산출하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 패턴형성부(110)에 형성되는 패턴의 파장은, 상기 측정프로브(1000)가 동 방향으로 1/3FOV만큼 이동할 때마다 상기 영상획득부(220)가 영상을 획득하며, 상기 측정대상물(2000)의 각 부분에 대하여 획득되는 3개씩의 영상을 사용하여 상기 측정대상물(2000)의 각 부분의 높이를 산출하는 경우, 하기의 식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

(

: 상기 패턴형성부(110)에 형성되는 패턴의 파장, n: 임의의 정수)

또한, 상기 측정프로브(1000)는 영상 촬영 시 정지하지 않고, 일정 속도로 연속적으로 이동하면서 주기적으로 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측정프로브(1000)만이 이동 가능하거나, 상기 측정대상물(2000) 이 얹힌 스테이지만이 이동 가능하거나, 또는 상기 측정프로브(1000) 및 상기 측정대상물(2000)이 얹힌 스테이지 모두가 이동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 패턴형성부(110)는 투과형 LCD 모듈, 반사형 LCoS 모듈 또는 반사형 DMD 모듈 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 영상획득부(220)는 CCD 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 결상부(200)는 상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 결상부(200)는 상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 상기 패턴전사부(100)와 좌우 대칭을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 먼저 본 발명은 기본적으로 전사 방식을 사용하기 때문에, 측정 패턴의 주기 및 조사 각도를 변화시킴으로써 손쉽게 측정 가능 범위의 조절이 가능하게 되어 사용 파장에 관계없이 측정 가능한 범위를 증가시킬 수 있는 큰 효과가 있으며, 따라서 3차원 형상의 측정 가능한 범위가 크게 넓어지게 되는 효과도 또한 있다. 또한, 본 발명에 의하면 미러나 물체를 이동시키는 대신 조사되는 패턴의 위치 및 주기를 전기적으로 변화시키기 때문에, 종래에 미러나 물체를 이동시키기 위한 구동부에서 진동이 발생하여 측정에 악영향을 끼쳤던 문제점을 원천적으로 해결하여, 측정 장치 자체에서 발생하는 오류를 최소화하고 이에 따라 보다 정확한 3차원 형상 측정 데이터를 얻을 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 또한 반사도가 좋은 물체에 대한 측정 결과도 쉽게 얻을 수 있는 효과가 있다. 이러한 효과들에 따라, 궁극적으로는 하나의 FOV에 대한 측정 데이터의 신뢰도와 정확성이 비약적으로 상승하게 되는 효과가 있다.

특히 본 발명에 의하면, 하나의 FOV 내에 다 들어오지 않는 큰 물체를 측정함에 있어서, 종래에는 불필요하게 중복 측정되는 부분이 많으며 이에 따라 측정 횟수, 측정 정보의 양 등이 기하급수적으로 늘어나 처리 시간이 오래 걸리는 등 측정 효율이 크게 떨어졌던 문제점을 본 발명에서는 원천적으로 해결하여, 형상 데이터 산출에 반드시 필요한 최소의 측정만을 할 수 있게 해 주는 효과가 있다. 즉 본 발명에 의하면 데이터 산출을 위한 측정 범위 및 횟수가 최적화되는데, 따라서 측정 영역의 크기에 비하여 정보의 양이 저감되는 효과가 있게 되는 것이다. 또한 본 발명에 의하면 종래의 정합 방식을 사용하지 않기 때문에 정합 오차가 없어지게 되어, 큰 물체에 대한 측정 데이터의 정확도 및 신뢰도가 더욱 상승하게 되는 큰 효과가 있다. 더불어 측정 물체 또는 측정 프로브를 연속 이동시키며 측정할 수 있어 측정 자체에 걸리는 시간 역시 비약적으로 단축되는 효과가 있다. 물론 이에 따라 당연히 본 발명에 의하면, 이러한 최적화에 따른 측정 정보 양 저감 및 측정ㆍ처리 시간 감소에 의하여 측정 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 이와 같이 측정 효율이 크게 향상됨으로써, 측정 정보를 저장하기 위한 메모리의 양을 감소시킬 수 있고 또한 측정 정보를 처리하기 위한 처리수단의 기능 역시 고성능을 요구하지 않으므로, 장비의 제작에 있어서 부품 비용이 크게 저감되는 효과가 있으며, 물론 이에 따라 제품의 가격이 저하되게 되어 사용자 입장에서는 경제적인 효과까지 얻을 수 있게 된다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 종래의 광 위상 간섭법에서 광 간섭에 의하여 발생되는 간섭 무늬를 사용하여 적절한 거리만큼 이동시켜 가면서 발생되는 다수 개의 간섭 무늬 영상들을 분석하여 3차원 형상을 측정하였던 것과는 달리, 광 간섭을 이용하지 않고 정현파의(sinusoidal) 광 강도(intensity)를 가지는 패턴을 측정대상물 위로 조사하고, 이를 알고 있는 양만큼 이동(shift)시키면서 획득되는 다수 개의 영상들을 분석하여 3차원 형상을 측정하는 전사 방식(Projection Pattern Shift Method)을 사용한다. 또한, 본 발명에서는 종래에 하나의 FOV에 들어오지 않는 큰 물체를 측정함에 있어서 측정자 임의대로 적당히 나누어 다수 개의 영상을 획득하고 이를 정합하였던 것과는 달리, FOV 영역을 일정한 간격만큼 이동(shift)시켜 가면서 획득된 영상의 중첩된 부분을 해석하여 3차원 형상을 얻게 된다.

(실시예 1)

도 5는 본 발명에 의한 래터럴 스캔 시스템의 첫 번째 실시예의 광학 구성도 를 개략적으로 도시한 것으로, 도 5(A)는 측면도이며 도 5(B)는 사시도이다. 본 발명에 의한 래터럴 스캔 시스템의 측정프로브(1000)는 크게 패턴전사부(100) 및 결상부(200)로 구성되어 측정대상물(2000)의 3차원 형상을 측정한다. 상기 패턴전사부(100)는 도시된 바와 같이 패턴형성부(110)를 구비하여 이를 통과함으로써 광의 강도(intensity)가 패턴화되며, 상기 결상부(200)는 결상렌즈(210) 및 영상획득부(220)를 구비하여 상기 측정대상물(2000)로부터 반사되어 나온 광을 집광하여 영상을 맺는다. 이 때, 본 발명에 의한 상기 측정프로브(1000) 또는 상기 측정대상물(2000)은 도 5에 표시되어 있는 바와 같이 수평 방향으로 이동이 가능하도록 되어 있다. 도 5에는 상기 측정프로브(1000)와 상기 측정대상물(2000) 모두가 이동 가능한 것으로 표시되어 있으나, 상기 측정프로브(1000)만 이동 가능하거나, 상기 측정대상물(2000)만 이동 가능하도록 하여도 물론 무방하다. 도 5에는 특별히 도시되지 않았으나, 물론 상기 측정대상물(2000)은 스테이지 상에 얹히고 상기 스테이지가 구동되어 그 결과로 상기 측정대상물(2000)이 움직이게 된다.

상기 패턴전사부(100)에서는, 레이저와 같은 직진 성향의 균일화된 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과하여 상기 측정대상물(2000)로 비추어진다. 상기 패턴형성부(110)는 전기적으로 패턴을 형성할 수 있는 것이라면 어떤 것을 사용하여도 무방하며, 예를 들면 투과형 LCD(Liquid Crystal Display, 액정 표시 장치) 모듈, 반사형 LCoS(Liquid Crystal on Silicon, 실리콘 액정 표시 장치) 모듈, 반사형 DMD(Digital Micromirror Display, 디지털 미소 반사 표시기) 모듈 등과 같은 전자 부품이 사용되는 것이 바람직하다. 상기 도 5에서는 상기 패턴형성부(110)가 투과형 LCD 모듈로 형성된 실시예를 도시한 것으로 균일화된 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과함으로써 패턴화된 광이 발생되는 것으로 도시되어 있으나, 물론 상기 패턴형성부(110)가 상술한 바와 같이 반사형 LCoS 모듈 또는 반사형 DMD 모듈로 되어 있는 경우에는 균일화된 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과하는 것이 아니라 적절한 각도를 가지고 상기 패턴형성부(110)로 발사되고 이로부터 반사되어 나옴으로써 패턴화된 광이 발생되도록 할 수 있는 등, 상기 패턴형성부(110)를 형성하는 부품의 특성에 따라 균일화된 광의 광로 설정은 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 설계될 수 있다. 이하에서는 광이 상기 패턴형성부(110)를 통과하여 가는 광로로 형성되어 있는 것을 전제하여 설명하겠으나, 물론 다른 형태로 광로가 형성된다 하여도 마찬가지로 이해될 수 있다.

상기 패턴형성부(110)에는 도 5(B)에 도시된 예와 같이 정현파의(sinusoidal) 투과도를 가지는 패턴이 형성된다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 균일화된 광은 상기 패턴형성부(110)를 통과하여 나온 후 정현파의 광도를 갖는 광으로 바뀌게 된다.

상기 결상부(200)에서는 상기 측정대상물(2000)로부터 반사되어 나온 광을 집광 및 결상한다. 보다 상세히 설명하자면, 상술한 바와 같이 정현파 형태로 패턴화된 광이 상기 측정대상물(2000)로 비추어진 후 상기 측정대상물(2000)로부터 반사되어 나온 광이 결상렌즈(210)를 통과하여 영상획득부(220)에 결상됨으로써 영상 이 얻어질 수 있게 된다. 상기 영상획득부(220)는 물론, 상을 맺어 영상을 확인할 수 있다면 어떤 것으로 이루어져도 무방하며, 예를 들어 CCD 어레이와 같은 전자 부품으로 형성될 수 있다.

상기 측정대상물(2000)로 이와 같이 정현파의 광 강도를 갖는 광이 비추어지므로, 상기 영상획득부(220)에는 도 5(B)의 S부분에 도시된 바와 같은 영상이 맺혀지게 된다. 상기 패턴형성부(110)를 전기적으로 조작하여 상기 패턴형성부(110)에 형성된 정현파의 위치나 주기 등을 적절하게 변화시킨 후, 상술한 바와 같이 정현파의 패턴이 형성된 광이 비추어진 상기 측정대상물(2000)의 영상을 얻는 방법을 똑같이 사용하여, 다양한 패턴 광이 비추어진 상기 측정대상물(2000)의 영상을 얻어낼 수 있다.

이하 간략하게 상기 결상부(200)에서 얻어진 영상들을 분석하는 방법을 설명한다. 수학식 1에서,

는 측정면 상의 (x, y) 좌표에서의 광 강도로서 측정 가능한, 즉 알고 있는 값이지만, 나머지 값들 즉

,

,

의 세 가지 값은 미지수로 남아 있다. 이 때 구하고자 하는 것은 매개변수 값

이므로, 상기 수학식 1을 이용하여 최소한 3가지 간섭 영상에서의

를 측정하면, 3개의 미지수에 대하여 3개의 방정식을 얻을 수 있게 되므로 매개변수 값

를 구할 수 있게 된다. 이론적으로는 3가지 간섭 영상만을 가지면 매개변수 값

를 구할 수 있게 되지만, 실제로는 실험 오차, 노이즈 등의 여러 가지 요인이 있으므로 일반적으로 3개 이상의 영상을 가지 고

를 구하는 것이 바람직하다. 하기의 수학식 3에는 이와 같이

를 구하는 다양한 방법에서의 각 공식들이 기재되어 있다. 하기의 각 식들에서,

는 어떤 한 (x, y) 점에 대하여 서로 다른 영상들에서의 광 강도 값들이다.

상기 수학식 3에 보인 식들 외에도 A-bucket 등과 같은 다양한 위상 계산 수식이 존재하고 있다.

이와 같이 본 발명은 정현파 형상의(sinusoidal) 패턴을 측정대상물에 전사시키고, 상기 패턴을 전자적으로 제어하여 이동시키거나 주기를 변화시키면서 다양한 영상을 획득한 후, 이를 분석하여 3차원 형상의 측정 데이터를 얻는 전사 방식을 이용한 3차원 형상 측정 방법(Projection Pattern Shift Method, PPSM)을 사용하고 있다. 본 발명의 측정프로브(1000)가 사용하는 PPSM 방식은, 한 번의 FOV에 잡힌 측정대상물(2000)의 형상을 측정하는 동안 기계적으로 움직이는 부분은 전혀 없고, 다만 전자적으로 상기 패턴형성부(110)에 형성되는 패턴이 변화될 뿐이다. 따라서 패턴을 여러 가지로 변화시켜 가면서 다수 개의 영상을 획득하는 동안 상기 측정프로브(1000) 및 상기 측정대상물(2000)은 전혀 움직이지 않아도 된다. 보다 상세히 설명하자면, 종래에는 다양한 영상을 얻기 위한 광 간섭을 발생시키기 위하여, 기준면, 기준 미러 또는 측정대상물을 PTZ 구동기 등을 이용하여 미소 간격씩 이동시켜야만 했지만, 본 발명에 사용되는 PPSM 방식에서는 그럴 필요가 전혀 없이 상기 패턴형성부(110)에 형성되는 패턴을 전자적으로 변화시키기만 하면 된다. 예를 들어 상기 패턴형성부(110)가 투과형 LCD 모듈로 되어 있다고 하면, 상기 패턴형성부(110)에 연결된 컴퓨터 등의 제어 수단을 이용하여 상기 LCD 모듈에 맺혀지는 화면을 제어하는 것이다.

따라서 본 발명에 사용되는 PPSM 방식은, 종래의 광 간섭을 사용하던 방법과 비교해서는, 본 발명에서는 패턴 변화 시 실제 기계적으로 이동하는 구동 부분이 전혀 없기 때문에 광 간섭 방법을 사용할 때 기준면 등을 미소 이동시키는 과정에서 발생하는 자체 진동이나 외란에의 취약성 등과 같은 문제점이 원천적으로 제거되는 커다란 장점이 있으며, 또한 적절한 간격만큼 이동시키는 과정에서 시간이 낭비되던 종래의 문제점에 대하여 본 발명의 경우 즉각적으로 패턴이 변화되기 때문에 시간 낭비 문제 역시 완전히 해결되게 된다. 또한, 패턴의 주기, 위치 등을 사용자가 원하는 대로 지정하여 제어할 수 있어 다양하고 정밀한 패턴을 자유롭게 얼마든지 발생시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

이와 같이 본 발명에서는 PPSM 방식을 이용함으로써 한 번의 FOV에 들어오는 측정대상물(2000)의 형상을 정확하게 얻어낼 수 있도록 한다. 한편, 본 발명에서는 한 번의 FOV에 들어오지 않는 대형의 측정대상물을 측정하기 위하여 정합을 사용하지 않는다.

예시를 들어 설명한다. 먼저 도 6은, 종래의 정합 방식으로 대형의 측정대상물(2000)을 측정하는 단계를 도시하고 있다. 측정대상물(2000)이 하나의 FOV, 즉 한 화면에 들어오지 않을 만큼 긴 경우, 정합 방식에서는 적절한 범위만큼 중복시켜 영상을 얻게 된다. 즉 도 6에 도시된 바와 같이 S 부분이 서로 중복되게 하여 영상을 촬영한다. 도 6의 예시에서, 중복되는 부분이 FOV의 약 1/3이 되게 하여 영상을 획득하게 되는데, 그렇게 되면 도 6(A)에 도시된 바와 같이 7번에 나누어 영상을 촬영해야 하게 된다. 그런데, 각각의 FOV에서 3차원 형상 측정 데이터를 얻어내야 하기 때문에, 도 6(B)에 도시된 바와 같이 1번 위치에서 3개의 영상을 촬영하고, 2번 위치로 이동 후 그 위치에서 3개의 영상을 촬영하고, … 7번 위치로 이동 후 그 위치에서 3개의 영상을 촬영하는 단계들을 거치게 된다. 즉, 종래의 정합 방식을 사용하는 경우 최소한 총 21장의 영상이 필요하게 된다.

도 7은 본 발명의 래터럴 스캔(lateral scan) 방식의 단계도를 도시하고 있다. 본 발명에서는, 한 화면 즉 FOV의 길이를 3등분하여, 측정대상물(2000)과 측정프로브(1000) 간의 상대거리를 1/3씩 이동시키면서 1장씩의 영상을 획득한다.

도 7(A)에서, 먼저 FOV 길이의 1/3만큼의 측정대상물(2000)이 FOV 안에 들어오게 하여 영상을 획득한다. 이 때, 1/3 FOV만큼의 길이를 갖는 i 부분의 영상이 1 회 획득된다.

도 7(B)에서, 측정대상물(2000) 또는 측정프로브(1000)를 1/3 FOV 만큼 이동시켜 영상을 획득한다. 이 때, 도 7(A) 단계에서 1회 영상이 획득된 i 부분의 영상이 한 번 더 획득되며, 새로 ii 부분의 영상이 획득된다. 즉 i 부분의 영상은 2회, ii 부분의 영상은 1회 획득된다.

도 7(C)에서, 측정대상물(2000) 또는 측정프로브(1000)를 또 1/3 FOV 만큼 이동시켜 영상을 획득한다. 이 때, 도 7(B) 단계에서 2회 영상이 획득된 i 부분 및 1회 영상이 획득된 ii 부분의 영상이 한 번 더 획득되며, 새로 iii 부분의 영상이 획득된다. 즉 i 부분의 영상은 3회, ii 부분의 영상은 2회, iii 부분의 영상은 1회 획득된다.

수학식 3의 설명에서 언급한 바와 같이, 3차원 형상 측정 데이터를 산출하기 위해서는 최소 3장의 영상이 있으면 된다. 즉, 도 7(C)의 단계에서 i 부분의 영상은 3회 획득되었으므로 3차원 형상이 산출될 수 있게 되는 것이다. 도 7(D)에서, 다시 한 번 1/3 FOV만큼 이동되면, 이번에는 ii 부분의 3회째 영상이 획득되며, 따라서 ii 부분의 형상이 산출된다. 도 7(E)에서는 마찬가지로 iii 부분의 3회째 영상이 획득되어 iii 부분의 형상이 산출된다.

이와 같이 1/3 FOV만큼씩 이동시켜 가면서 영상을 획득하면, i 부분, ii 부분, iii 부분, …, xiv 부분의 영상을 모두 3회씩 촬영할 수 있게 되며, 필요한 총 영상의 개수는 16개가 되어, 종래의 정합 방식에서 21개의 영상이 필요했던 것과 비교했을 때 훨씬 영상의 개수가 줄어들게 되는 것을 확인할 수 있다.

도 6과 같이 종래의 정합 방식을 사용하는 경우, 측정대상물의 길이를 L, FOV의 길이를 FOV라 할 때, 전체 측정대상물의 3차원 형상을 산출하기 위하여 필요한 영상의 개수 N'은 하기의 수학식 4와 같이 나타난다. 하기의 식에서 <> 기호는 반올림한 정수를 나타내는 기호이다.

또한, 도 7과 같이 본 발명에 의한 래터럴 스캔 방식을 사용하는 경우, 역시 측정대상물의 길이를 L, FOV의 길이를 FOV라 할 때, 전체 측정대상물의 3차원 형상을 산출하기 위하여 필요한 영상의 개수 N은 하기의 수학식 5와 같이 나타난다.

도 5 및 도 6의 예시에서, FOV는 3이며 L은 14로서 N'이 21, N이 16이 나오게 된다. 만일 측정대상물이 훨씬 큰 물체로서, 예를 들어 L이 100인 물체라면 N'은 150, N은 102가 되고, L이 1000인 물체라면 N'은 1500, N은 1002가 된다. 즉, 세로 길이는 하나의 FOV에 들어오되 가로 길이가 하나의 FOV에 들어오지 않는 큰 물체를 측정함에 있어서, 종래의 정합 방식과 비교하였을 때 본 발명의 래터럴 스캔 방식은 약 2/3만큼의 영상만을 필요로 하게 된다는 것을 알 수 있다.

가로 및 세로가 모두 하나의 FOV보다 큰 경우, 측정대상물의 가로 길이를 L, 측정대상물의 세로 길이를 M, FOV의 가로 길이를 FOVx, FOV의 세로 길이를 FOVy라 할 때 필요한 영상의 개수는 하기의 수학식 6과 같이 나타난다.

상기 수학식 6에서 가장 큰 차수(order)의 (LㆍM)/(FOVxㆍFOVy) 계수를 비교하여 보면, 정합 방식의 경우 81/4로 약 20, 래터럴 스캔 방식의 경우 9가 나오게 된다. 즉, 사방으로 넓은 물체를 측정할 경우 래터럴 스캔 방식은 정합 방식에 비해 측정해야 하는 영상의 개수를 더욱 비약적으로 줄일 수 있게 된다는 것을 상기 수학식 6으로 쉽게 알 수 있다.

특히, 종래에는 적정 위치로 이동 후 멈춘 상태에서 3장의 영상을 획득하던 것과는 달리, 본 발명의 래터럴 스캔 방식은 한 위치에서 1장의 영상만을 획득하면 되기 때문에, 측정대상물과 측정프로브 사이의 상대운동을 멈추지 않고 연속적으로 진행시키면서 순간적으로 1장씩의 영상을 주기적으로 획득하도록 할 수 있다. 따라서 본 발명의 래터럴 스캔 방식은 종래에 비해 측정에 걸리는 시간 역시 비약적으로 저감시킬 수 있게 된다.

도 8은 래터럴 스캔 방식의 측정 원리로서, 도 8에서는 도 7에서와 같이 일측 방향으로 이동하면서 측정하는 래터럴 스캔 방식의 예시를 보여주고 있다. 따라서 하기의 설명에서, 도 7의 설명에서와 같이 L은 측정대상물의 길이, FOV는 FOV의 길이를 나타낸다.

측정대상물(2000) 상의 A점의 높이를 측정하기 위하여, 먼저 도 8(A)와 같이 1회째의 영상이 촬영된다. 이 때 A점에 주사된 패턴의 위상이 0

라 한다.

이후, 측정프로브(1000)와 측정대상물(2000)의 상대 위치가 1/3FOV만큼 이동된 상태에서 도 8(B)와 같이 2회째의 영상이 촬영된다. 이 때, 도 8(A)의 위치에서 획득된 영상의 위상과 비교하여 90

만큼의 위상 차이가 나는 영상이 획득되어야 한다. 따라서 도 8(B)의 상태에서 획득된 2회째 영상에서 A점에 주사된 패턴의 위상은 90

가 된다.

마찬가지로, 다시 한 번 측정프로브(1000)와 측정대상물(2000)의 상대 위치가 1/3FOV만큼 이동된 상태에서 도 8(C)와 같이 3회째의 영상이 촬영된다. 역시 이 때에도 도 8(B)의 위치에서 획득된 영상의 위상과 비교하여 90

만큼의 위상 차이가 나는 영상이 획득되어야 하며, 따라서 도 8(C)의 상태에서 획득된 3회째 영상에서 A점에 주사된 패턴의 위상은 180

가 된다. 이와 같이 3개의 위상을 갖는 3개의 영상이 획득되었으므로, 수학식 3의 첫 번째 식을 이용하여 A점의 높이가 산출될 수 있게 된다.

이와 같이 측정프로브(1000) 및 측정대상물(2000)의 상대 위치에 따라 90

씩 차이가 나는 3가지 위상을 얻을 수 있으려면, 영상이 촬영되는 순간마다의 측정프로브(1000) 및 측정대상물(2000)의 상대 이동 거리인 1/3FOV와 전사되는 정현파(sinusoidal) 패턴의 파장

사이에는 하기의 수학식 7과 같은 관계가 성립하면 된다. 하기 수학식 7에서 n은 임의의 정수이다.

즉 래터럴 스캔 방식을 이용하여 한 점에 대해 3장의 영상을 획득하여 높이를 산출하는 경우, 상기 수학식 7의 식을 사용하여 주사되는 정현파 패턴의 파장을 쉽게 결정할 수 있다. 물론, 본 발명의 래터럴 스캔 방식에 사용되는 전사 방식을 이용한 3차원 형상 측정 방법의 경우 패턴의 파장을 전자적 및 즉각적으로 사용자가 원하는 어떤 파장의 패턴이든 자유롭게 구현할 수 있기 때문에, 사용자는 상기 수학식 7을 이용하여 간단히 파장을 결정하기만 하면 된다.

(실시예 2)

도 9는 본 발명에 의한 래터럴 스캔 시스템의 두 번째 실시예의 광학 구성도를 개략적으로 도시한 것이다. 도 9의 실시예는, 일반적인 반사도를 갖는 물체가 아니라 매우 높은 반사도를 갖는 물체를 측정하는데 매우 유용하다. 반사도가 높은 물체, 즉 미러, 웨이퍼(wafer), 볼(ball) 등과 같은 측정대상물(2000)의 경우, 예 를 들어 광이

의 각도로 조사되면, 광은 상기 측정대상물(2000)의 표면에서 완전히 반사되어

의 각도로 나가게 된다. 따라서 상기 결상부(200)가 도 5와 같은 위치에 있을 경우 반사된 광을 전혀 받을 수 없게 된다. 따라서 도 9의 실시예에서는, 상기 패턴전사부(100)와 상기 결상부(200)가 상기 측정대상물(2000)을 중심으로 동일한 각도로 회전된 위치, 즉 상기 측정대상물(2000)을 중심으로 수직축을 세웠을 때 상기 수직축에 대하여 선대칭이 되는 위치에 서로 배치되도록 하는 구성을 하고 있다.

상기 패턴전사부(100)는 모든 실시예에서 상기 도 6의 설명에서 기술한 바와 같이 광의 조사 각도

를 자유롭게 변화시킬 수 있도록 회동 가능하게 구비되는데, 도 9의 실시예에서는 상기 결상부(200) 역시 회동 가능하게 구비됨으로써 반사도와 관계없이 모든 측정대상물(2000)의 형상을 정확하게 측정할 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 기본적인 간섭 신호 원리.

도 2 및 도 3은 광 위상 간섭법의 측정 원리.

도 4는 정합 방식의 측정 원리.

도 5는 본 발명의 광학 구성도.

도 6은 종래의 정합 방식의 단계도.

도 7은 본 발명의 래터럴 스캔 방식의 단계도.

도 8은 본 발명의 래터럴 스캔 방식의 측정 원리.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1000: 측정프로브

100: 패턴전사부 110: 패턴형성부

200: 결상부

210: 결상렌즈 220: 영상획득부

2000: 측정대상물

Claims (9)

1. 전자적으로 정현파 형상의(sinusoidal) 패턴이 형성되어 3차원 형상 측정용 조사광이 통과 또는 반사함으로써 정현파 형상으로 패턴화된 광을 발생시키는 패턴형성부(110)를 포함하여 이루어지며, 패턴화된 광이 측정대상물(2000)로 조사되는 각도를 변화시킬 수 있도록 상기 측정대상물(2000)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 패턴전사부(100) 및 상기 패턴전사부(100)로부터 나와 패턴화된 후 상기 측정대상물(2000)에 반사되어 나온 광을 받아들이는 결상렌즈(210) 및 상기 결상렌즈(210)를 통해 들어온 광으로부터 영상을 획득하는 영상획득부(220)를 포함하여 이루어지는 결상부(200)를 포함하여 이루어지는 측정프로브 (1000); 및 상기 측정대상물(2000)이 얹히는 스테이지 ; 를 포함하여 이루어지는 3차원 형상 측정 시스템에 있어서,

   상기 측정프로브(1000)는 상기 측정대상물(2000)의 높이 방향에 대하여 수직한 방향으로 상대 운동이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 측정프로브(1000)는

   상기 영상획득부(220)의 FOV(field of view)의 일측 방향 길이를 FOV라 할 때, 동 방향으로 1/mFOV만큼(m은 3, 4, 또는 5) 이동할 때마다 상기 영상획득 부(220)가 영상을 획득하며, 상기 측정대상물(2000)의 각 부분에 대하여 획득되는 m개씩의 영상을 사용하여 상기 측정대상물(2000)의 각 부분의 높이를 산출하는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 패턴형성부(110)에 형성되는 패턴의 파장은

   상기 측정프로브(1000)가 동 방향으로 1/3FOV만큼 이동할 때마다 상기 영상획득부(220)가 영상을 획득하며, 상기 측정대상물(2000)의 각 부분에 대하여 획득되는 3개씩의 영상을 사용하여 상기 측정대상물(2000)의 각 부분의 높이를 산출하는 경우, 하기의 식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.

   

   (

   

   : 상기 패턴형성부(110)에 형성되는 패턴의 파장, n: 임의의 정수)
4. 제 1항에 있어서, 상기 측정프로브(1000)는

   영상 촬영 시 정지하지 않고, 일정 속도로 연속적으로 이동하면서 주기적으로 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 측정프로브(1000)만이 이동 가능하거나, 상기 측정대상물(2000)이 얹힌 스테이지만이 이동 가능하거나, 또는 상기 측정프로브(1000) 및 상기 측정대상물(2000)이 얹힌 스테이지 모두가 이동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 패턴형성부(110)는

   투과형 LCD 모듈, 반사형 LCoS 모듈 또는 반사형 DMD 모듈 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 상기 영상획득부(220)는

   CCD 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.
8. 제 1항에 있어서, 상기 결상부(200)는

   상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 회동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.
9. 제 8항에 있어서, 상기 결상부(200)는

   상기 측정대상물(300)이 배치되는 위치를 중심으로 상기 패턴전사부(100)와 좌우 대칭을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 래터럴 스캔을 이용한 3차원 형상 측정 시스템.

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