KR20090063872A

KR20090063872A - 입체 형상 측정 장치

Info

Publication number: KR20090063872A
Application number: KR1020070131393A
Authority: KR
Inventors: 유준호; 강민구; 임쌍근
Original assignee: (주) 인텍플러스
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US8493570B2; EP2232196A2; WO2009078616A3; KR100939538B1; TW200930974A; EP2232196A4; WO2009078616A2; WO2009078616A4; TWI397669B; US20100265517A1; JP2011518312A; EP2232196B1; JP5247816B2

Abstract

본 발명은 입체 형상을 가지는 측정물에 대한 최고점의 측정광과 동일한 기준광 및 최저점의 측정광과 동일한 기준광을 각각 생성하는 반사거리 조절수단을 구비하여, 측정물의 최저점과 최고점에 대한 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있도록 하는 입체 형상 측정장치에 관한 것이다.

이를 위한, 본 발명의 입체형상 측정장치는, 광원과, 상기 원으로부터의 조명광을 분할시키는 빔분할기와, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되며 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정물과, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되는 기준미러와, 상기 측정물 표면으로부터의 측정광과 상기 기준미러에서 반사되는 기준광이 합쳐져 생성되는 간섭무늬를 검출하는 광검출소자, 및 상기 광검출소자를 통해 검출된 화상을 처리하는 제어 컴퓨터를 포함하는 입체 형상 측정장치에 있어서, 상기 빔분할기와 상기 기준미러 사이에는 상기 빔분할기로부터의 광의 경로를 변환하여 보조 기준광을 생성하는 보조기준광 생성수단이 구비하는 것이다.

입체 형상, 기준미러, 보조기준미러, 보조기준광 생성수단, 간섭

Description

입체 형상 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING THREE DIMENSION}

본 발명은 입체 형상 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입체 형상을 가지는 측정물에 대한 최고점의 측정광과 동일한 기준광 및 최저점의 측정광과 동일한 기준광을 각각 생성하는 반사거리 조절수단을 구비하여, 측정물의 최저점과 최고점에 대한 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있도록 하는 입체 형상 측정장치에 관한 것이다.

최근, 전자, 기계 부품의 소형화 및 정밀화에 의해, 복잡한 단차 형상(step shape)을 갖는 미세 구조물의 가공과 제조 상태를 확인하기 위해서는 치수, 형상, 표면 조도에 대한 계측 고정밀도화가 요구되고 있다.

따라서, 현재에는 소형의 전자, 기계부품 등의 계측에는 광학식 2차원 측정장치를 이용한 치수 측정 방법과, 광학식 3차원 측정장치를 이용한 형상이나 두께(표면조도)를 측정하는 방법이 이용되고 있다.

이러한 광학식 3차원 측정 방법의 일례로 조명 간섭계를 이용한 입체 형상 측정 장치가 제안된바 있다.

도 5는 일반적인 간섭계의 측정 원리를 나타낸 도면으로서, 광원으로부터의 조명광이 빔분할기를 통해 분할되어 각각 기준미러와 측정물 표면에 조사되면, 기준미러와 측정물 표면에서 각 반사된 기준광과 측정광이 빔분할기를 통해 합쳐지면서 상호 간섭을 일으켜 간섭무늬를 생성한다. 여기서, 간섭무늬란 측정물 표면과 기준미러의 표면 즉 기준면에 조사되는 광의 초점이 맞고, 동시에 측정광과 기준광의 광경로가 일치하는 지점에서 나타나게 된다.

이렇게 합쳐진 간섭무늬를 CCD 카메라와 같은 광검출소자를 통해 검출하여 간섭무늬의 위상 계산 하거나, 또는 간섭무늬의 포락선(envelope)으로 부터 가간섭성이 최대인 점을 추출하여 높이를 측정할 수 있다.

이에 따라, 단차를 가지는 측정 대상에 대해서는 높이 정보에 따라 간섭무늬 획득 구간을 일정하게 분할한 후, 분할된 구간별로 기준면이나 측정 대상을 미소 이동시키면서 간섭무늬를 획득해한 후 획득된 다수의 간섭무늬를 합성하여 표면 형상을 측정해야 한다.

한편, BGA(Ball Gride Array)와 같이 단차를 가지는 입체 형상이지만 최저점과 최대점에 대한 간섭무늬만 획득해도 표면 형상 유추나 불량 여부를 판단할 수 있는 경우도 있다.

그런데, 이 경우에도 한번 획득되는 화상으로는 전체 입체 형상에 대하여 측정할 수 없기 때문에, 최고점에 해당하는 간섭무늬와 최저점에 해당하는 간섭무늬를 각각 획득한 후 합성을 통해 단일 간섭무늬를 획득하거나, 최고점으로 부터 최저점까지 전체 구간에 대하여 간섭무늬를 획득해야 하므로 측정 속도가 느린 단점 이 있다.

또한, 최고점과 최저점의 반사율이 다른 경우 예를 들어 BGA와 같이 최고점은 금속면으로 이루어져 반사율이 높고, 최저점은 PCB 이루어져 반사율이 낮은 경우 기준면의 반사율을 최고점 또는 최저점 어느 한 부분에 맞추게 되면 반사율이 맞춰지지 않은 다른 부분의 측정이 잘 되지 않는 단점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위한 방법이 본 출원인에 의해 기출원된 국내특허출원 제2007-0052290호에 "입체형상 측정장치"라는 제목으로 개시된 바 있다.

상기 입체형상 측정장치는 도 6에 도시된 바와 같이 광원(100)과, 광원(100)으로부터의 조명광을 분할시키는 빔분할기(200)와, 빔분할기(200)로부터의 조명광이 조사되며 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정물(300)과, 빔분할기(200)로부터의 조명광이 조사되는 기준미러(400)와, 측정 대상과 기준미러 표면으로부터 반사되어 합쳐진 간섭무늬를 촬영하는 광검출소자(500), 측정물(300)의 최고점의 반사거리 및 최저점 반사거리와 각각 동일한 반사거리를 제공하는 반사거리 조절수단(700), 및 광검출소자(500)를 통해 획득횐 화상을 처리하는 제어 컴퓨터(600)를 포함하여 구성된다.

여기서, 반사거리 조절수단(700)은 측정물의 최저점과 최고점의 반사거리 즉, 측정광(A1,A2)와 동일한 기준면 반사거리 즉, 기준광(A1,A2)를 제공하기 위하여 최저점과 최고점의 단차와 동일한 두께를 갖는다. 또한, 측정물이 교체되어 단차가 변화할 경우 측정 대상에 따라 위치를 조절하여 반사거리를 조절할 수 있도록 구성되어 측정대상에 연동하여 측정광과 동일한 기준광을 생성할 수 있다.

따라서, 측정물의 최저점과 최고점에 대한 간섭무늬를 동시에 얻을 수 있으므로, 측정 속도를 향상시킬 수 있는 것이다.

그런데, 간섭무늬란 초점이 맞는 조건을 충족함과 동시에 반사 광경로가 동일해야 나타나므로, 측정물의 높이 정보가 변화할 경우 반사 거리를 조절하면 초점이 맞지 않고, 초점 거리를 조절하면 반사 거리가 맞지 않는 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은, 측정물과 기준미러에서 각각 반사되어 생성되는 측정광과 기준광의 간섭에 의해 생성되는 간섭무늬를 획득하여, 측정물의 형상을 측정하는 입체 형상 측정 장치에 있어서, 단차를 가지는 측정물의 최고점 측정광 및 최저점 측정광과 동일한 초점과 광경로를 갖는 기준광과 보조 기준광을 각각 생성하여, 측정물에 대한 최고점 간섭무늬 및 최저점 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있도록 하는 입체 형상 측정장치를 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 입체형상 측정장치는, 광원과, 상기 원으로부터의 조명광을 분할시키는 빔분할기와, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되며 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정물과, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되는 기준미러와, 상기 측정물 표면으로부터의 측정광과 상기 기준미러에서 반사되는 기준광이 합쳐져 생성되는 간섭무늬를 검출하는 광검출소자, 및 상기 광검출소자를 통해 검출된 화상을 처리하는 제어 컴퓨터를 포함하는 입체 형상 측정장치에 있어서, 상기 빔분할기와 상기 기준미러 사이에는 상기 빔분할기로부터의 광의 경로를 변환하여 보조 기준광을 생성하는 보조기준광 생성수단이 구비하는 것이다.

여기서, 상기 보조기준광 생성수단은, 상기 빔분할기와 상기 기준미러 사이에 구비되는 보조빔분할기와, 상기 기준미러와 이웃하는 상기 보조빔분할기의 측면 에 구비되는 보조기준미러로 구성된다.

그리고, 상기 보조빔분할기는 상기 빔분할기로부터의 광이 조사하는 평면형 전면과 상기 전면과 평행한 후면을 갖는 평판형 빔분할기로 구성되며, 전면에 반사방지 코팅이 되고 후면에 광분할 코팅이 된다. 이때, 판형 빔분할기의 후면의 광분할은 분할비를 50% : 50%로 설정함이 바람직하다.

또한, 상기 보조빔분할기는 상기 기준미러와 보조기준미러로의 광 경로를 조절하기 위하여 평판형빔분할기 후면에 밀착되는 보상판을 더 구비할 수 있으며, 보상판은 후면이 반사방지 코팅됨이 바람직하다.

또, 상기 보고기준광 생성수단은, 상기 보조빔분할기와 기준미러와 보조기준미러 중 적어도 하나 이상을 각각 X축, Y축, Z축 방향으로 미세 구동시키기 위한 미세구동기를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명은 기준미러의 일측에 보조기준광 생성 수단을 구비하여, 단차를 가지는 측정물 표면에서 반사되는 최고점 측정광 및 최저점 측정광과 각각 동일한 광경로를 가지는 기준광과 보조기준광이 생성되도록 하여, 측정 대상물에 대한 최고점 간섭무늬 및 최저점 간섭무늬를 동시에 획득하여 측정 속도 및 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 입체 형상 측정장치의 구성도로, 본 발명은 광원(1), 빔분할기(2), 측정물(3), 기준미러(4), 광검출소자(5), 제어컴퓨터(6), 및 보조기준광 생성수단(7)을 포함하여 구성된다.

여기서, 빔분할기(2)는 광원(1)으로부터의 조명광을 분할시켜 각각 측정물(3) 표면과 기준미러()에 조사되도록 한다.

측정물(3)은 최고점과 최저점의 단차를 가지는 것으로서, 빔분할기(2)로부터의 조명광을 반사시켜 각각 최고점 측정광(M1)과 최저점 측정광(M2)을 생성하게 된다.

기준미러(4)는 빔분할기(2)로부터의 조명광을 반사시켜 기준광을 생성하며, 광검출소자(5)는 각각의 측정광과 기준광이 합쳐져서 생성되는 간섭무늬를 검출하는 것으로서, CCD 카메라와 같은 촬상소자가 이용된다.

그리고, 제어 컴퓨터(7)는 광검출소자(5)에서 검출되는 화상 정보를 분석하고 결함 여부를 판단하게 된다.

보조기준광 생성수단(7)은 본 발명의 중요한 구성 요소로서, 빔분할기(2)와 기준미러(4) 사이에 구비되어 빔분할기(2)로부터의 광의 경로를 변환하여 보조 기준광을 생성하는 것이다.

즉, 간섭무늬란 측정광과 기준 초점이 맞아야 하고 및 광경로가 동일할 경우 발생하므로, 측정물의 최고점과 최저점에 대한 간섭무늬를 한번에 획득하기 위해서는 최고점 측정광과 최저점 측정광에 동일한 초점 및 광경로를 가지는 기준광을 모두 생성해야 한다.

이에, 본원 발명은 보조기준광 생성수단(7)을 이용하여 기준미러(4)에서 반사되는 기준광(R1) 이외에 보조 기준광(R2)을 생성해 주는 것이다.

여기서, 보조기준광 생성수단(7)은 보조빔분할기(71)와 보조기준미러(72)를 포함하여 구성된다.

보조빔분할기(71)는 빔분할기(2)와 기준미러(4) 사이에 구비되며, 보조기준미러(72)는 기준미러(4)와 이웃하는 보조빔분할기(71)의 측면에 구비된다.

이에 따라, 빔분할기(2)로 분리되어 나온 조명광은 빔분할기(2)에서 분리되어 각각 기준미러(4)와 보조기준미러(72)에 조사된다.

이때, 측정물(3)에는 광이 직접 조사되지만, 기준미러(4)와 보조기준미러(72)에 조사되는 광은 보조빔분할기(71)를 통과하게 되므로 측정물에 조사되는 광과는 성질이 달라지게 된다.

따라서, 빛의 성질 변화를 최대한 방지하기 위하여 큐빅형 분할기(CBS : Cubic Beam Splitter) 대신, 도 2에 도시된 바와 같이 빔분할기(2)로부터 출사된 광이 조사하는 평면형 전면과, 그 전면에 평행한 후면을 가지는 평판형 빔분할기(Plate beam splitter; 71a)를 이용하는 것이 바람직하다.

이때, 평판형 빔분할기(71a)는 전면에 반사방지(Anti-Reflection) 코팅이 되고, 후면에 광분할 코팅 된 것을 이용하되, 광분할은 분할비를 50% : 50%로 설정한다.

또한, 평판형 빔분할기(71a)는 기준미러(4)와 보조기준미러(72)로의 광 경로를 조절하기 위하여 후면에 밀착되는 보상판(71b)을 더 구비함이 바람직하다. 이때, 보상판(71b)은 후면이 반사방지 코팅된다.

즉, 빔분할기(2)로부터 출사된 광이 보조빔분할기(71) 전면으로 조사된 광의 후면을 통해 각각 기준미러(4)와 보조기준미러(72) 방향으로 출사되는데, 보조빔분할기(71) 내부에서의 광 경로가 각각 거리 "b" 만큼 차이를 갖게 된다.

다시 말해, 보조빔분할기(71)의 전면으로 조사된 빛은 후면의 50%:50% 분할 코팅에 의해 각각 기준미러(4)와 보조기준미러(72) 방향으로 나뉘어 출사되는데, 기준미러 방향으로의 빛은 공기중으로 그대로 노출되어 기준미러(4)로 진행한다.

반면에, 보조기준미러(72) 방향으로의 광은 후면에서 반사되어 보조빔분할기(71)를 다시 통과하여 전면을 통해 출사되므로, 보조빔분할기 내부의 "b" 거리 만큼의 경로차를 갖게 되는 것이다.

따라서, 보조빔분할기 내부의 "b" 거리만큼을 보상하기 위하여 기준미러(4) 방향 즉, 보조빔분할기(71) 후면에 후면이 반사방지 코팅된 보상판(71b)을 더 구비하는 것이다.

한편, 보조빔분할기(71)와 기준미러(4)와 보조기준미러(72)는 기준광(R1)과 보조기준광(R2)에 대한 초점거리 및 광경로 조절을 위하여, 각각 X축, Y축, Z축 방향으로 미세 구동시키기 위한 미세구동기(8)를 구비할 수 있다.

이러한, 본 발명의 입체 형상 측정 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

우선, 광원(1)으로부터의 광은 빔분할기(2)을 분할되어 각각 통해 측정물(3) 방향과 기준미러(4) 방향으로 출사되어, 측정물과 기준미러의 표면에서 반사되어 측정광과 기준광을 생성한다.

이때, 소정의 단차를 가지는 측정물(3)은 최고점 측정광(M1)과 최저점 측정광(M2)을 생성하므로, 측정물의 각각의 측정광(M1,M2)과 동일한 초점과 광경로를 가지는 기준광(R1.R2)을 생성하기 위하여, 각각의 미세구동기(8)를 구동하여 기준미러(4)와 보조빔분할기(71) 및 보조기준미러(72)의 위치를 조절한다.

이때, 기준미러(4)에서 생성되는 기준광(R1)과 보조기준미러(72)에서 생성되는 기준광(R2)은 어느 하나가 최고점 측정광(M1)과 동일한 광경로를 가질 경우 다른 하나는 최저점 측정광(M2)과 동일한 광경로를 갖도록 해야한다.

도 1은 본 발명의 입체형상 측정장치 구성도.

도 2는 도 1의 입체형상 측정장치의 변형예를 나타낸 구성도.

도 3은 도 2의 "A"부 확대도.

도 4는 도 3의 보조빔분할기 분해도.

도 5는 일반적인 간섭계의 측정 원리를 나타낸 도면.

도 6은 종래 기술에 따른 입체형상 측정장치 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 광원

2 : 빔분할기

3 : 측정물

4 : 기준미러

5 : 광검출소자

6 : 제어컴퓨터

7 : 보조 기준광 생성수단

71 : 보조빔분할기

71a : 평판형 빔분할기, 71b : 보상판

72 : 보조기준미러

8 : 미세구동기

Claims

광원(1)과,

상기 광원(1)으로부터의 조명광을 분할시키는 빔분할기(2)와,

상기 빔분할기(2)로부터의 조명광이 조사되며 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정물(3)과,

상기 빔분할기(2)로부터의 조명광이 조사되는 기준미러(4)와,

상기 측정물 표면으로부터의 측정광과 상기 기준미러에서 반사되는 기준광이 합쳐져 생성되는 간섭무늬를 검출하는 광검출소자(5), 및

상기 광검출소자(5)를 통해 검출된 화상을 처리하는 제어 컴퓨터(7)를 포함하는 입체 형상 측정장치에 있어서,

상기 빔분할기(2)와 상기 기준미러(4) 사이에는 상기 빔분할기(2)로부터의 광의 경로를 변환하여 보조 기준광을 생성하는 보조기준광 생성수단(7)이 구비되는 것을 특징으로 하는 입체 형상 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 보조기준광 생성수단(7)은;

상기 빔분할기(2)와 상기 기준미러(4) 사이에 구비되는 보조빔분할기(71)와,

상기 기준미러(71)와 이웃하는 상기 보조빔분할기(71)의 측면에 구비되는 보조기준미러(72)로 구성됨을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
제 2항에 있어서,

상기 보조빔분할기(71)는;

상기 빔분할기(2)로부터의 광이 조사하는 평면형 전면과 상기 전면과 평행한 후면을 갖는 평판형 빔분할기(71a)인 것을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
제 3항에 있어서,

상기 평판형 빔분할기(71a)는;

상기 전면에 반사방지 코팅이 되고 후면에 광분할 코팅이 된 것을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
제 4항에 있어서,

상기 평판형 빔분할기(71a)의 후면의 광분할은 분할비를 50% : 50%로 설정한 것을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 보조빔분할기(71)는 상기 기준미러(3)와 보조기준미러(72)로의 광 경로를 조절하기 위하여 평판형빔분할기(71a) 후면에 밀착되는 보상판(71b)을 더 구비함을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
제 6항에 있어서,

상기 보상판(71b)은 후면이 반사방지 코팅된 것을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
제 7항에 있어서,

상기 보고기준광 생성수단(7)은;

상기 보조빔분할기(71)와 기준미러(3)와 보조기준미러(72) 중 적어도 하나 이상을 각각 X축, Y축, Z축 방향으로 미세 구동시키기 위한 미세구동기(8)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 입체 형상 측정장치.