KR20120044064A - 광학 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

광학 측정 장치를 개시한다. 광학 계통의 광 효율을 개선하여 측정의 정밀도와 속도를 향상시키기 위한 광학 측정 장치는, 광원과; 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와; 입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와; 편광 빔 스플리터에서 제 1 광 경로를 통해 전달되는 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과; 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와; 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛으로부터 측정 대상물의 형상 정보를 발생시키는 수광부를 포함한다.

Description

광학 측정 장치{OPTICAL MEASURING APPARATUS}
본 발명은 정밀 광학 측정 장치에 관한 것으로, 특히 빛의 파장을 분석하여 측정 대상물의 3차원 형상을 측정하는 광학 측정 장치에 관한 것이다.
오늘날 반도체와 액정디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD) 등의 제조 공정이 크게 발달함에 따라 패턴의 선폭과 높이가 크게 감소하는 추세이다. 이러한 추세에 맞추기 위해 산업 현장에서는 검사 및 측정 공정에서 더욱 정밀하고 빠른 속도를 요구하고 있다. 특히 패턴의 폭과 높이를 측정하는 3차원 측정 공정은 그 동안 다양한 방법이 사용되어 왔다. 일 예로, 레이저를 사용하는 '공초점 주사 현미경(Confocal Scanning Microscopy)' 등이 대표적이다. 공초점 주사 현미경은 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터 패턴의 3차원 측정에 사용되어 왔다. 최근 반도체와 LCD 등의 측정 공정에서 패턴의 폭과 높이가 점점 작아지면서 공초점 주사 현미경의 사용이 점차 증가하고 있는 추세다.
1950년대에 처음으로 개발된 공초점 주사 현미경은 그 동안 많은 발전을 이루어 왔다. 공초점 주사 현미경 방식으로 측정 대상물의 3차원 측정을 하기 위해서는, 반드시 대물렌즈 혹은 측정 대상물을 광축 방향으로 움직여줘야 한다. 이 대물렌즈의 광축 방향으로의 움직임은 공초점 주사 현미경의 측정 속도를 크게 떨어뜨리는 하나의 원인이 되고 있다. 따라서 공초점 주사 현미경의 측정 속도를 높이기 위한 대책이 필요한 상황이다.
일 측면에 따르면, 광학 계통의 광 효율을 개선하여 측정의 정밀도와 속도를 향상시키는데 그 목적이 있다.
이를 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 측정 장치는, 광원과; 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와; 입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와; 편광 빔 스플리터에서 제 1 광 경로를 통해 전달되는 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과; 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와; 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛으로부터 측정 대상물의 형상 정보를 발생시키는 수광부를 포함한다.
또한, 상술한 광학 측정 장치는, 제 2 광 경로 상의 수광부의 앞쪽에 마련되어, 제 2 광 경로를 통해 전달되는 선형 편광된 빛을 파장에 따라 분광이 이루어지도록 하는 분광기를 더 포함한다.
또한, 상술한 편광 빔 스플리터와 1/4 파장판 사이의 제 1 광 경로 상에 마련되는 제 1 시준 렌즈를 더 포함한다.
또한, 상술한 선형 편광 소자와 편광 빔 스플리터 사이에 마련되어, 광원으로부터 방출되는 빛을 라인 광으로 변환하는 원통형 렌즈 및 제 1 선형 개구를 더 포함한다.
또한, 상술한 편광 빔 스플리터와 분광기 사이의 제 2 광 경로 상에 측정 대상물과 공초점 관계를 갖도록 마련되는 제 2 선형 개구를 더 포함한다.
또한, 상술한 제 2 선형 개구와 분광기 사이에의 제 2 광 경로 상에 마련되는 제 2 시준 렌즈를 더 포함한다.
또한, 상술한 광학 측정 장치의 수광부는, 수광된 빛의 파장을 분석하여 측정 대상물의 형상의 정보를 발생시키는 3D 프로파일 카메라이다.
또한, 상술한 편광 빔 스플리터와 1/4 파장판 사이의 제 1 광 경로 상에 마련되는 제 1 시준 렌즈를 더 포함한다.
또한, 상술한 선형 편광 소자와 편광 빔 스플리터 사이에 마련되어, 광원으로부터 방출되는 빛을 라인 광으로 변환하는 원통형 렌즈 및 제 1 선형 개구를 더 포함한다.
또한, 상술한 편광 빔 스플리터와 분광기 사이의 제 2 광 경로 상에 측정 대상물과 공초점 관계를 갖도록 마련되는 제 2 선형 개구를 더 포함한다.
또한, 상술한 제 2 선형 개구와 분광기 사이에의 제 2 광 경로 상에 마련되는 제 2 시준 렌즈를 더 포함한다.
또한, 상술한 광학 측정 장치의 수광부는, 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛을 편광 빔 스플리터로부터 직접 수광하고, 수광된 빛의 색을 분석하여 그 색상 정보를 통해 측정 대상물의 높이 정보를 발생시키는 컬러 라인 카메라인 광학 측정 장치.
또한, 상술한 편광 빔 스플리터와 1/4 파장판 사이의 제 1 광 경로 상에 마련되는 제 1 시준 렌즈를 더 포함하는 광학 측정 장치.
또한, 상술한 선형 편광 소자와 편광 빔 스플리터 사이에 마련되어, 광원으로부터 방출되는 빛을 라인 광으로 변환하는 원통형 렌즈 및 제 1 선형 개구를 더 포함하는 광학 측정 장치.
또한, 상술한 대물렌즈에 의해 발생하는 색수차는 제 1 광 경로 상의 광축 방향으로 발생하는 색수차인 광학 측정 장치.
또한, 상술한 측정 대상물의 형상 정보는 측정 대상물의 높이 정보인 광학 측정 장치.
본 발명에 따른 또 다른 광학 측정 장치는, 광원과; 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와; 입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와; 편광 빔 스플리터에서 제 1 광 경로를 통해 전달되는 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과; 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와; 편광 빔 스플리터로부터 제 2 광 경로를 통해 전달되는 선형 편광된 빛을 파장에 따라 분광이 이루어지도록 하는 분광기와; 분광기에 의해 분광이 이루어진 빛으로부터 측정 대상물의 형상에 대한 정보를 발생시키는 수광부를 포함한다.
본 발명에 따른 또 다른 광학 측정 장치는, 광원과; 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와; 입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와; 편광 빔 스플리터에서 제 1 광 경로를 통해 전달되는 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과; 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와; 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛의 파장을 분석하여 측정 대상물의 형상의 정보를 발생시키는 3D 프로파일 카메라인 수광부를 포함한다.
본 발명에 따른 또 다른 광학 측정 장치는, 광원과; 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와; 입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와; 편광 빔 스플리터에서 제 1 광 경로를 통해 전달되는 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과; 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와; 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛을 편광 빔 스플리터로부터 직접 수광하고, 수광된 빛의 색을 분석하여 그 색상 정보를 통해 측정 대상물의 높이 정보를 발생시키는 컬러 라인 카메라인 수광부를 포함한다.
일 측면에 따르면, 광학 계통의 광 효율을 개선하여 측정의 정밀도와 속도를 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통을 나타낸 도면.
도 2는 측정 대상물의 높이에 따라 서로 다른 파장의 빛이 반사되는 것을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통을 나타낸 도면.
기존의 공초점 주사 현미경의 느린 속도 문제를 해결하기 위해 개선된 크로매틱 공초점 현미경을 제안하고자 한다. 크로매틱 공초점 현미경은 대물렌즈를 이용하여 광축 방향으로 색수차를 발생시켜서, 색수차에 의해 만들어진 서로 다른 파장의 빛을 이용하여 측정 대상물의 형상(특히 높이)을 측정한다. 이 경우, 기존의 공초점 주사 현미경에서 측정 속도를 떨어뜨리는 원인이 되었던 대물렌즈의 움직임은 발생하지 않지만, 측정 대상물의 높이를 측정하기 위해서는 수광부에서 빛의 파장을 분석할 수 있도록 하기 위한 분광기를 사용해야 하는데, 이 분광기의 경우 입사되는 빛의 광량에 따라 노출 시간이 좌우되기 때문에 만약 광량이 충분하지 않아 노출 시간이 길어지면, 이 역시 전체 측정 속도를 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다. 또한, 측정이 포인트 단위로 이루어지기 때문에 측정 대상물의 전체 면적에 대한 높이를 측정하여 3D 영상을 만들기 위해서는 비교적 긴 시간이 필요하다. 본 발명의 실시 예에서는 이와 같은 점을 개선하여 고속의 크로매틱 공초점 현미경을 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 광원(102)은, 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛을 방출한다. 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛 중 대표적인 것은 백색광이 있으며, 그 밖에 사용자가 원하는 파장의 빛들만 선택적으로 혼합된 빛을 방출하는 광원을 사용할 수도 있다.
시준기(Collimator)(104)는 광원(102)에서 방출되는 빛을 평행 광선으로 만든다.
선형 편광 소자(106)는 시준기(104)를 통과한 평행 광선을 선형 편광(Linear Polarizing)시킨다. 이 선형 편광 소자(106)에 의한 편광 작용은 본 발명에서 달성하고자 하는 광 효율의 개선에 기여하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하고자 한다.
원통형 렌즈부(Cylindrical Lens Unit)(108)는 광원(102)에서 방출되어 시준기(104)와 선형 편광 소자(106)를 거친 광선(점 형상의 단면을 가짐)을 라인 형상의 단면을 갖는 라인 광선으로 변환하고, 또 변환된 라인 광선이 제 1 개구 소자(110)에 초점을 맺도록 한다. 원통형 렌즈(108)에 의해 형성되어 제 1 개구 소자(110)에 초점이 맞은 라인 광선은 측정 대상물(120)에서도 동일하게 라인 형상으로 초점이 맺히게 되며, 이 라인 광선으로 인해 스팟 광선(Spot Beam)의 경우보다 단위 시간 당 스캔량이 더 많아 고속 스캔이 가능하다.
제 1 개구 소자(110)에는 슬릿이 형성되는데, 원통형 렌즈(108)에 의해 변환된 라인 광선이 제 1 개구 소자(110)의 슬릿을 통과하면서 주변부의 흐릿한 빛이 제거되고 뚜렷한 빛만이 다음 단계로 전달한다.
편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter)(112)는 선형 편광된 빛을 모두 투과시키거나 모두 반사시킨다. 따라서 편광 빔 스플리터(112)는 제 1 개구 소자(110)를 통과한 선형 편광된 빛이 측정 대상물(120) 방향으로 투과하도록 하고(제 1 광 경로), 또 측정 대상물(120)에서 반사되어 되돌아오는 선형 편광된 빛을 반사시켜서 수광부(130) 방향으로 향하도록 한다(제 2 광 경로). 이 편광 빔 스플리터(112) 역시 앞서 언급한 선형 편광 소자(106)와 함께 본 발명에서 달성하고자 하는 광 효율의 개선에 기여하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하고자 한다.
제 1 시준 렌즈(114)는 편광 빔 스플리터(112)를 통과한 빛을 모아서 평행 광을 만든다.
1/4 파장판(Quarter Wave Plate)(116)은 입사되는 선형 편광된 빛을 원형 편광 시키거나, 반대로 원형 편광된 빛을 선형 편광 시킨다. 즉, 1/4 파장판(116)은 편광 빔 스플리터(112)를 통과하여 측정 대상물(120) 방향으로 향하는 선형 편광된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물(120)에 도달하도록 하거나, 반대로 측정 대상물(120)에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 다시 편광 빔 스플리터(112)에 전달되도록 한다. 이 1/4 파장판(116) 역시 앞서 언급한 선형 편광 소자(106)와 함께 본 발명에서 달성하고자 하는 광 효율의 개선에 기여하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하고자 한다.
대물렌즈(118)는 하나 또는 여러 렌즈로 구성될 수 있으며, 입사되는 빛이 측정 대상물(120)에 초점을 맺도록 하고, 또 대물렌즈(118)에서 출사되는 빛에서 광축 방향으로 색수차가 발생하도록 한다(도 1의 λ1, λ2, λ3 표시 참조). 이 색수차는 측정 대상물(120)의 형상(특히 높이)을 측정하기 위해 의도적으로 발생시키는 것으로서, 측정 대상물(120)의 높이 측정 범위를 증가시키고 또 높이 측정의 정확도를 높이기 위해 대물렌즈(118)에서의 광축 방향의 색수차를 측정 목적에 충분히 부합하는 크기를 갖도록 대물렌즈(118)를 설계하되, 목적하지 않은 나머지 수차는 억제하여 매우 작게 하는 것이 바람직하다.
여기서 잠시 도 2를 통해 대물렌즈(118)에 의한 색수차에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 2는 측정 대상물의 높이에 따라 서로 다른 파장의 빛이 반사되는 것을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 측정 대상물(120)은 서로 다른 세 부분으로 구성되는데, 이 측정 대상물(120)의 높이에 따라 해당 부분에서 반사되는 빛의 파장(색상)도 다르다. 측정 대상물(120)에서 높이가 높은 부분(H)에서는 상대적으로 짧은 파장의 청색 빛(B)이 반사된다. 측정 대상물(120)에서 높이가 낮은 부분(L)에서는 긴 파장의 적색 빛(R)이 반사된다. 측정 대상물(120)에서 중간 높이의 부분(M)에서는 파장이 청색 빛 보다는 길고 적색 빛 보다는 짧은 녹색 빛(G)이 반사된다. 만약 대물렌즈(118)가 회절 광학 소자(DOE; Diffraction Optical Element)를 사용하는 경우에는(미도시), 앞서 설명한 것과는 반대로, 측정 대상물(120)의 높이가 높은 쪽에서 긴 파장의 적색 빛(R)이 반사될 것이고, 측정 대상물(120)의 높이가 낮은 쪽에서는 짧은 파장의 청색 빛(B)이 반사될 것이다. 물론 적색(R)과 녹색(G), 청색(B) 이외에 측정 대상물(120)의 높이에 따라 다른 파장(λ)의 빛이 반사될 수도 있다.
다시 도 1의 설명으로 돌아와, 측정 대상물(120)에서 반사된 빛은 다시 대물렌즈(118)와 1/4 파장판(116), 제 1 시준 렌즈(116)를 거쳐 편광 빔 스플리터(114)에서 모두 반사되어 제 2 선형 개구(122)로 입사된다. 이 때, 제 2 선형 개구(122)의 위치는 측정 대상물(120)에서의 초점과 공초점 관계에 있어서, 측정 대상물(120)에서 초점이 맞아 반사된 빛이 제 2 선형 개구에서도 선형으로 초점이 맺힌다. 측정 대상물(120)의 높이에 따라 측정 대상물(120)에서 반사되는 빛의 파장이 다르므로, 제 2 선형 개구(122)에서 초점이 맺히는 빛은 측정 대상물(120)의 높이에 따라 서로 다른 파장을 갖는다. 즉, 측정 대상물(120)의 높이가 높으면 청색 빛(B)이 반사되고, 측정 대상물(120)의 높이가 낮으면 적색 빛(R)이 반사된다. 이를 시각적으로 관측하면 측정 대상물(120)의 높이에 따라 서로 다른 색을 갖는 선형의 빛이 관측될 것이다.
제 2 선형 개구(122)를 통과한 빛은 제 2 시준 렌즈(124)에 의해 평행 광이 되고, 이 평행 광이 분광기(126)를 통과하면서 파장에 따라 분광이 이루어진다. 도 1에 나타낸 분광기(126)는 회절격자(grating)를 예로 들었는데, 그 밖에 분광 기능을 가진 것이면 다른 장치를 사용해도 좋다.
분광기(126)에서 분광된 빛은 집광 렌즈(128)를 통해 수광부(130)에 집광된다. 이 때, 수광부(130)는 2차원적 수광 면을 가지는 CCD 또는 CMOS 소자를 수광 소자로서 사용한다. 수광부(130)는 수광되는 빛의 영상 정보를 생성하여 제어부(132)에 제공한다. 제어부(132)는 이 영상 정보를 가공 및 분석하여 필요에 따라 디스플레이(134)를 통해 표시한다.
수광부(130)는 CCD 또는 CMOS로 이루어지기 때문에 수광되는 빛의 양의 따라 영상 정보의 생성 시간에 차이가 발생한다. 분광기(128)에서 분광된 빛의 정확한 영상 정보를 생성하기 위해서는 분광기(128)에서 분광된 빛을 충분히 수광해야 한다. 만약 광학 계통의 광 효율이 낮으면 수광 소자에 단위 시간 당 수광되는 빛의 양도 그만큼 적기 때문에 정확한 분석을 위해 필요한 양의 빛을 수광하기 위해서는 수광 소자의 노출 시간이 길어야 한다. 이는 곧 광학 계통의 광 효율이 낮을 경우 영상 정보의 생성에 그만큼 더 긴 시간이 소요됨을 의미한다. 반대로 도 1에 나타낸 것과 같은 광학 계통에서 광 효율이 기존의 1/4에서 1/2 수준으로 향상되면, 수광부(130)에서 단위 시간 당 수광되는 빛의 양은 그만큼 더 많아지기 때문에 정확한 분석을 위해 필요한 양의 빛을 수광하기 위한 수광 소자의 노출 시간도 짧아진다. 이 단축된 노출 시간은 좀 더 빠른 시간 내에 필요한 영상 정보를 생성해 낼 수 있음을 의미하므로, 결국 광학 계통에서의 광 효율의 개선은 측정 대상물(120)의 고속 측정에 크게 기여할 수 있음을 알 수 있다. 또한 개선된 광 효율은 측정하고자 하는 대상의 정확한 측정에도 기여함은 물론이다.
앞서 언급한 선형 편광 소자(106)와 편광 빔 스플리터(112), 1/4 파장판(116)의 설명 부분에서도 언급한 것처럼, 도 1의 선형 편광 소자(106)와 편광 빔 스플리터(112), 1/4 파장판(116)은 광 효율의 개선에 크게 기여한다. 광원(102)에서 방출된 빛은 선형 편광 소자(106)를 거치면서 선형 편광되고, 편광 빔 스플리터(112)는 선형 편광된 빛을 모두 통과시키거나 모두 반사시키므로, 선형 편광 소자(106)에 의해 선형 편광된 빛은 편광 빔 스플리터(112)를 모두 통과하여 1/4 파장판(116)에 전달된다. 선형 편광된 빛은 1/4 파장판(116)을 지나면서 원형 편광된 빛으로 바뀐다. 원형 편광된 빛이 측정 대상물(120)에서 반사되어 다시 1/4 파장판(116)을 통과하면서 원형 편광된 빛이 선형 편광된 빛으로 바뀌는데, 이 때 편광 방향은 1/4 파장판(116)을 통과하는 빛의 편광 방향과 90도 수직인 방향이 된다. 만약 선형 편광 소자(104)와 1/4 파장판(116)을 사용하지 않고, 또 편광 빔 스플리터(112) 대신 일반 빔 스플리터만을 사용하게 되면, 광원(102)에서 방출된 광이 수광부(130)에 도달하기 까지 일반 빔 스플리터를 두 번 거치게 되는데, 최초로 일반 빔 스플리터를 거치면서 광량의 1/2이 감소하고, 이 감소된 1/2 광량의 빛이 두 번째로 일반 빔 스플리터를 거치면서 또 한 번 1/2로 감소하게 되어, 결국 수광부(130)에는 광원(102)에서 방출된 광량의 1/4의 광량을 갖는 빛이 수광될 뿐이다. 그러나 도 1에 나타낸 것처럼 선형 편광 소자(104)와 편광 빔 스플리터(112), 1/4 파장판(116)을 사용하게 되면, 수광부(130)에 수광되는 광량은 선형 편광 소자(104)에서만 1/2의 광량 감소가 이루어질 뿐, 편광 빔 스플리터(112)와 1/4 파장판(116)에서는 광량의 감소가 발생하지 않기 때문에(전량 통과 및 전량 반사), 결국 수광부(130)에 도달하는 빛의 광량은 광원(102)에서 방출된 빛의 광량의 1/2이 된다. 이는 앞서 예로 든 선형 편광 소자(104)와 1/4 파장판(116)을 사용하지 않고 또 편광 빔 스플리터(112) 대신 일반 빔 스플리터만을 사용하는 경우의 1/4 광량에 비해 2배나 큰 광량이다. 이와 같은 도 1의 광학 계통에서의 광 효율의 개선으로 인해 측정 대상물(120)의 고속 측정이 가능해진다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통을 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 광원(302)은, 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛을 방출한다. 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛 중 대표적인 것은 백색광이 있으며, 그 밖에 사용자가 원하는 파장의 빛들만 선택적으로 혼합된 빛을 방출하는 광원을 사용할 수도 있다.
시준기(Collimator)(304)는 광원(302)에서 방출되는 빛을 평행 광선으로 만든다.
선형 편광 소자(306)는 시준기(304)를 통과한 평행 광선을 선형 편광(Linear Polarizing)시킨다. 이 선형 편광 소자(306)에 의한 편광 작용은 본 발명에서 달성하고자 하는 광 효율의 개선에 기여하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하고자 한다.
원통형 렌즈부(Cylindrical Lens Unit)(308)는 광원(302)에서 방출되어 시준기(304)와 선형 편광 소자(306)를 거친 광선(점 형상의 단면을 가짐)을 라인 형상의 단면을 갖는 라인 광선으로 변환하고, 또 변환된 라인 광선이 제 1 개구 소자(310)에 초점을 맺도록 한다. 원통형 렌즈(308)에 의해 형성되어 제 1 개구 소자(310)에 초점이 맞은 라인 광선은 측정 대상물(320)에서도 동일하게 라인 형상으로 초점이 맺히게 되며, 이 라인 광선으로 인해 스팟 광선(Spot Beam)의 경우보다 단위 시간 당 스캔량이 더 많아 고속 스캔이 가능하다.
제 1 개구 소자(310)에는 슬릿이 형성되는데, 원통형 렌즈(308)에 의해 변환된 라인 광선이 제 1 개구 소자(310)의 슬릿을 통과하면서 주변부의 흐릿한 빛이 제거되고 뚜렷한 빛만이 다음 단계로 전달한다.
편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter)(312)는 선형 편광된 빛을 모두 투과시키거나 모두 반사시킨다. 따라서 편광 빔 스플리터(312)는 제 1 개구 소자(310)를 통과한 선형 편광된 빛이 측정 대상물(320) 방향으로 투과하도록 하고(제 1 광 경로), 또 측정 대상물(320)에서 반사되어 되돌아오는 선형 편광된 빛을 반사시켜서 수광부(330) 방향으로 향하도록 한다(제 2 광 경로). 이 편광 빔 스플리터(312) 역시 앞서 언급한 선형 편광 소자(306)와 함께 본 발명에서 달성하고자 하는 광 효율의 개선에 기여하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하고자 한다.
제 1 시준 렌즈(314)는 편광 빔 스플리터(312)를 통과한 빛을 모아서 평행 광을 만든다.
1/4 파장판(Quarter Wave Plate)(316)은 입사되는 선형 편광된 빛을 원형 편광시키거나, 반대로 원형 편광된 빛을 선형 편광시킨다. 즉, 1/4 파장판(316)은 편광 빔 스플리터(312)를 통과하여 측정 대상물(320) 방향으로 향하는 선형 편광된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물(320)에 도달하도록 하거나, 반대로 측정 대상물(320)에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 다시 편광 빔 스플리터(312)에 전달되도록 한다. 이 1/4 파장판(316) 역시 앞서 언급한 선형 편광 소자(106)와 함께 본 발명에서 달성하고자 하는 광 효율의 개선에 기여하는데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하고자 한다.
대물렌즈(318)는 하나 또는 여러 렌즈로 구성될 수 있으며, 입사되는 빛이 측정 대상물(320)에 초점을 맺도록 하고, 또 대물렌즈(318)에서 출사되는 빛에서 광축 방향으로 색수차가 발생하도록 한다(도 3의 R(Red), G(Green), B(Blue) 표시 참조). 이 색수차는 측정 대상물(320)의 높이(특히 형상)를 측정하기 위해 의도적으로 발생시키는 것으로서, 측정 대상물(320)의 높이 측정 범위를 증가시키고 또 높이 측정의 정확도를 높이기 위해 대물렌즈(318)에서의 광축 방향의 색수차를 측정 목적에 충분히 부합하는 크기를 갖도록 대물렌즈(318)를 설계하되, 목적하지 않은 나머지 수차는 억제하여 매우 작게 하는 것이 바람직하다.
대물렌즈(318)에 의한 색수차로 인해 측정 대상물의 높이에 따라 서로 다른 파장의 빛이 반사되는 것은 앞서 도 2의 설명에서 이미 언급한 바 있다.
측정 대상물(320)에서 반사된 빛은 다시 대물렌즈(318)와 1/4 파장판(316), 제 1 시준 렌즈(316)를 거쳐 편광 빔 스플리터(314)에서 모두 반사되어 제 2 선형 개구(322)로 입사된다. 이 때, 제 2 선형 개구(322)의 위치는 측정 대상물(320)에서의 초점과 공초점 관계에 있어서, 측정 대상물(320)에서 초점이 맞아 반사된 빛이 제 2 선형 개구에서도 선형으로 초점이 맺힌다. 측정 대상물(320)의 높이에 따라 측정 대상물(320)에서 반사되는 빛의 파장이 다르므로, 제 2 선형 개구(322)에서 초점이 맺히는 빛은 측정 대상물(320)의 높이에 따라 서로 다른 파장을 갖는다. 즉, 측정 대상물(320)의 높이가 높으면 청색 빛(B)이 반사되고, 측정 대상물(320)의 높이가 낮으면 적색 빛(R)이 반사된다. 이를 시각적으로 관측하면 측정 대상물(320)의 높이에 따라 서로 다른 색을 갖는 선형의 빛이 관측될 것이다.
제 2 선형 개구(322)를 통과한 빛은 제 2 시준 렌즈(324)에 의해 평행 광이 되고, 이 평행 광은 수광부(330)에 수광된다. 도 3의 수광부(330)는 컬러 라인 카메라로 구현한다. 컬러 라인 카메라는 이미지 센서가 1개의 라인 형상으로 배치된 것으로서, 수광된 빛의 색을 분석하여 그 색상 정보를 통해 측정 대상물(320)의 높이 정보를 발생시켜서 제어부(132)에 제공한다. 제어부(332)는 이 높이 정보를 가공 및 분석하여 필요에 따라 디스플레이(334)를 통해 표시한다.
도 3의 실시 예를 도 1의 실시 예와 비교해 보면, 도 1에서 언급되었던 분광기(126)가 도 3의 실시 예에서는 포함되어 있지 않다. 이는 수광부(330)가 컬러 라인 카메라이기 때문에, 입사되는 빛을 파장에 따라 분광시킬 필요가 없기 때문이다. 이처럼 도 3에 나타낸 실시 예의 경우, 별도의 분광기를 필요로 하지 않기 때문에 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통의 부품 수와 크기를 줄일 수 있고, 또 분광기의 부재로 인해 수광부의 노출 시간 결정에서 자유롭기 때문에 보다 고속의 측정이 가능해진다. 또한, 도 1의 설명에서 언급한 것처럼, 선형 편광 소자(304)와 편광 빔 스플리터(312), 1/4 파장판(316)을 사용함으로써 광 효율이 더욱 향상되기 때문에, 컬러 라인 카메라의 사용에 향상된 광 효율이 더해지면 도 3에 나타낸 크로매틱 공초점 현미경의 고속 측정 성능 및 측정의 정밀도는 더욱 배가된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통을 나타낸 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 광원(402)은, 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛을 방출한다. 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛 중 대표적인 것은 백색광이 있으며, 그 밖에 사용자가 원하는 파장의 빛들만 선택적으로 혼합된 빛을 방출하는 광원을 사용할 수도 있다.
시준기(Collimator)(404)는 광원(402)에서 방출되는 빛을 평행 광선으로 만든다.
선형 편광 소자(406)는 시준기(404)를 통과한 평행 광선을 선형 편광(Linear Polarizing)시킨다.
원통형 렌즈부(Cylindrical Lens Unit)(408)는 광원(402)에서 방출되어 시준기(404)와 선형 편광 소자(406)를 거친 광선(점 형상의 단면을 가짐)을 라인 형상의 단면을 갖는 라인 광선으로 변환하고, 또 변환된 라인 광선이 제 1 개구 소자(410)에 초점을 맺도록 한다. 원통형 렌즈(408)에 의해 형성되어 제 1 개구 소자(410)에 초점이 맞은 라인 광선은 측정 대상물(420)에서도 동일하게 라인 형상으로 초점이 맺히게 되며, 이 라인 광선으로 인해 스팟 광선(Spot Beam)의 경우보다 단위 시간 당 스캔량이 더 많아 고속 스캔이 가능하다.
제 1 개구 소자(410)에는 슬릿이 형성되는데, 원통형 렌즈(408)에 의해 변환된 라인 광선이 제 1 개구 소자(410)의 슬릿을 통과하면서 주변부의 흐릿한 빛이 제거되고 뚜렷한 빛만이 다음 단계로 전달한다.
편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter)(412)는 선형 편광된 빛을 모두 투과시키거나 모두 반사시킨다. 따라서 편광 빔 스플리터(412)는 제 1 개구 소자(410)를 통과한 선형 편광된 빛이 측정 대상물(420) 방향으로 투과하도록 하고(제 1 광 경로), 또 측정 대상물(420)에서 반사되어 되돌아오는 선형 편광된 빛을 반사시켜서 수광부(430) 방향으로 향하도록 한다(제 2 광 경로).
제 1 시준 렌즈(414)는 편광 빔 스플리터(412)를 통과한 빛을 모아서 평행 광을 만든다.
1/4 파장판(Quarter Wave Plate)(416)은 입사되는 선형 편광된 빛을 원형 편광시키거나, 반대로 원형 편광된 빛을 선형 편광시킨다. 즉, 1/4 파장판(416)은 편광 빔 스플리터(412)를 통과하여 측정 대상물(420) 방향으로 향하는 선형 편광된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물(420)에 도달하도록 하거나, 반대로 측정 대상물(420)에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 다시 편광 빔 스플리터(412)에 전달되도록 한다.
대물렌즈(418)는 하나 또는 여러 렌즈로 구성될 수 있으며, 입사되는 빛이 측정 대상물(420)에 초점을 맺도록 하고, 또 대물렌즈(418)에서 출사되는 빛에서 광축 방향으로 색수차가 발생하도록 한다(도 4의 R(Red), G(Green), B(Blue) 표시 참조). 이 색수차는 측정 대상물(420)의 형상(특히 높이)을 측정하기 위해 의도적으로 발생시키는 것으로서, 측정 대상물(420)의 높이 측정 범위를 증가시키고 또 높이 측정의 정확도를 높이기 위해 대물렌즈(418)에서의 광축 방향의 색수차를 측정 목적에 충분히 부합하는 크기를 갖도록 대물렌즈(418)를 설계하되, 목적하지 않은 나머지 수차는 억제하여 매우 작게 하는 것이 바람직하다.
대물렌즈(418)에 의한 색수차로 인해 측정 대상물의 높이에 따라 서로 다른 파장의 빛이 반사되는 것은 앞서 도 2의 설명에서 이미 언급한 바 있다.
측정 대상물(420)에서 반사된 빛은 다시 대물렌즈(418)와 1/4 파장판(416), 제 1 시준 렌즈(416)를 거쳐 편광 빔 스플리터(414)에서 모두 반사되어 수광부(430)에 수광된다. 도 4의 수광부도 3의 수광부(430)는 컬러 라인 카메라로 구현한다. 컬러 라인 카메라는 이미지 센서가 1개의 라인 형상으로 배치된 것으로서, 수광된 빛의 색을 분석하여 그 색상 정보를 통해 측정 대상물(320)의 높이 정보를 발생시켜서 제어부(132)에 제공한다. 제어부(332)는 이 높이 정보를 가공 및 분석하여 필요에 따라 디스플레이(334)를 통해 표시한다.
도 4의 실시 예를 도 1의 실시 예와 비교해 보면, 도 1에서 언급되었던 제 2 선형 개구(122)와 제 2 시준 렌즈(124), 분광기(126), 집광 렌즈(128)가 도 4의 실시 예에서는 포함되어 있지 않다. 이는 수광부(430)가 컬러 라인 카메라이기 때문에, 입사되는 빛을 파장에 따라 분광시킬 필요가 없고(분광기가 불필요함), 컬러 라인 카메라 자체가 선형 개구의 특징을 갖기 때문이다(제 2 선형 개구가 불필요함). 이처럼 도 4에 나타낸 실시 예의 경우, 별도의 선형 개구와 시준 렌즈, 분광기, 집광 렌즈를 필요로 하지 않기 때문에 크로매틱 공초점 현미경의 광학 계통의 부품 수와 크기를 줄일 수 있고, 또 분광기의 부재로 인해 수광부의 노출 시간 결정에서 자유롭기 때문에 보다 고속의 측정이 가능해진다. 또한, 도 1의 설명에서 언급한 것처럼, 선형 편광 소자(404)와 편광 빔 스플리터(412), 1/4 파장판(416)을 사용함으로써 광 효율이 더욱 향상되기 때문에, 컬러 라인 카메라의 사용에 향상된 광 효율이 더해지면 도 4에 나타낸 크로매틱 공초점 현미경의 고속 측정 성능 및 측정의 정밀도는 더욱 배가된다.

Claims (19)

  1. 광원과;
    상기 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와;
    입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와;
    상기 편광 빔 스플리터에서 상기 제 1 광 경로를 통해 전달되는 상기 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 상기 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 상기 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과;
    상기 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와;
    상기 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛으로부터 상기 측정 대상물의 형상 정보를 발생시키는 수광부를 포함하는 광학 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광 경로 상의 상기 수광부의 앞쪽에 마련되어, 상기 제 2 광 경로를 통해 전달되는 상기 선형 편광된 빛을 파장에 따라 분광이 이루어지도록 하는 분광기를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터와 상기 1/4 파장판 사이의 상기 제 1 광 경로 상에 마련되는 제 1 시준 렌즈를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 선형 편광 소자와 상기 편광 빔 스플리터 사이에 마련되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 라인 광으로 변환하는 원통형 렌즈 및 제 1 선형 개구를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터와 상기 분광기 사이의 상기 제 2 광 경로 상에 상기 측정 대상물과 공초점 관계를 갖도록 마련되는 제 2 선형 개구를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 선형 개구와 상기 분광기 사이에의 상기 제 2 광 경로 상에 마련되는 제 2 시준 렌즈를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는, 수광된 빛의 파장을 분석하여 상기 측정 대상물의 형상의 정보를 발생시키는 3D 프로파일 카메라인 광학 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터와 상기 1/4 파장판 사이의 상기 제 1 광 경로 상에 마련되는 제 1 시준 렌즈를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 선형 편광 소자와 상기 편광 빔 스플리터 사이에 마련되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 라인 광으로 변환하는 원통형 렌즈 및 제 1 선형 개구를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터와 상기 분광기 사이의 상기 제 2 광 경로 상에 상기 측정 대상물과 공초점 관계를 갖도록 마련되는 제 2 선형 개구를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 선형 개구와 상기 분광기 사이에의 상기 제 2 광 경로 상에 마련되는 제 2 시준 렌즈를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는, 상기 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛을 상기 편광 빔 스플리터로부터 직접 수광하고, 수광된 빛의 색을 분석하여 그 색상 정보를 통해 상기 측정 대상물의 높이 정보를 발생시키는 컬러 라인 카메라인 광학 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 편광 빔 스플리터와 상기 1/4 파장판 사이의 상기 제 1 광 경로 상에 마련되는 제 1 시준 렌즈를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 선형 편광 소자와 상기 편광 빔 스플리터 사이에 마련되어, 상기 광원으로부터 방출되는 빛을 라인 광으로 변환하는 원통형 렌즈 및 제 1 선형 개구를 더 포함하는 광학 측정 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 대물렌즈에 의해 발생하는 색수차는 상기 제 1 광 경로 상의 광축 방향으로 발생하는 색수차인 광학 측정 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 대상물의 형상 정보는 상기 측정 대상물의 높이 정보인 광학 측정 장치.
  17. 광원과;
    상기 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와;
    입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와;
    상기 편광 빔 스플리터에서 상기 제 1 광 경로를 통해 전달되는 상기 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 상기 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 상기 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과;
    상기 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와;
    상기 편광 빔 스플리터로부터 상기 제 2 광 경로를 통해 전달되는 상기 선형 편광된 빛을 파장에 따라 분광이 이루어지도록 하는 분광기와;
    상기 분광기에 의해 분광이 이루어진 빛으로부터 상기 측정 대상물의 형상에 대한 정보를 발생시키는 수광부를 포함하는 광학 측정 장치.
  18. 광원과;
    상기 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와;
    입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와;
    상기 편광 빔 스플리터에서 상기 제 1 광 경로를 통해 전달되는 상기 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 상기 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 상기 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과;
    상기 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와;
    상기 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛의 파장을 분석하여 상기 측정 대상물의 형상의 정보를 발생시키는 3D 프로파일 카메라인 수광부를 포함하는 광학 측정 장치.
  19. 광원과;
    상기 광원으로부터 방출되는 빛을 선형 편광시키는 선형 편광 소자와;
    입사되는 선형 편광된 빛을 제 1 광 경로와 제 2 광 경로 가운데 어느 하나의 경로로 전달하는 편광 빔 스플리터와;
    상기 편광 빔 스플리터에서 상기 제 1 광 경로를 통해 전달되는 상기 편광 분리된 빛을 원형 편광시켜서 측정 대상물 방향으로 전달되도록 하고, 상기 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 원형 편광된 빛을 선형 편광시켜서 상기 편광 빔 스플리터의 제 2 광 경로로 전달하는 1/4 파장판과;
    상기 1/4 파장판에 의해 원형 편광된 빛에 색수차를 발생시켜서 서로 다른 복수의 파장의 빛을 발생시키는 대물렌즈와;
    상기 제 2 광 경로를 통해 전달되는 빛을 상기 편광 빔 스플리터로부터 직접 수광하고, 수광된 빛의 색을 분석하여 그 색상 정보를 통해 상기 측정 대상물의 높이 정보를 발생시키는 컬러 라인 카메라인 수광부를 포함하는 광학 측정 장치.
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