KR20120133603A - 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치에 관한 것으로, 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터, 상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사하는 것으로, 색수차를 가지는 광학 렌즈, 상기 광학렌즈를 통해 측정 대상물에 조사되어 반사되는 광이 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 이를 파장별로 분할하는 분광기, 상기 분광기를 통해 파장별로 분할된 광을 검출하는 검출기 및 상기 검출기에서 분할된 광의 초점이 맞는 파장에 따른 광세기를 통해 표면 형상을 해석하는 영상처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 색수차에 따른 파장대의 초점 특성을 이용하여 표면 형상을 측정함으로써 별도의 스캐닝과정 없이 고속으로 표면 형상을 측정할 수 있는 이점이 있다.

Description

색수차를 이용한 표면 형상 측정장치{Surface shape measurement device chromatic aberration}

본 발명은 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 측정 대상물에서 반사되는 광의 파장값을 통해 표면 형상을 측정하는 측정장치에 관한 것이다.

광을 이용한 계측장비 기술은 과학적으로 규명된 빛의 고유한 성질을 이용하여 기술적으로 개발함으로써, 제품화하는 업종으로 빛의 생성, 전환, 제어, 응용 등이 기술혁신을 통한 지식 기반산업 분야이며, 용도는 통신, 정보처리, 정보저장, 정밀가공, 계측, 의료, 우주과학, 방위산업, 오락 등 다양한 산업적 응용에 활용되고 있다. 각 산업분야의 기술 첨단화에 따라 부품의 크기는 초소형화 되고 있으며, 고정도화와, 고집적화 추세에 따라 이에 대응할 수 있는 다양한 측정/검사 장비의 필요성이 절실하다. 이러한 측정/검사장비는 현재 당 업계에서 보편화되어 있으며, 다양한 측정방법을 적용하여 부품의 형상을 관찰하고, 불량을 선별하는 과정은 필수적인 사항이다.

광을 이용한 길이 및 형상측정/검사 방법은 다양한 기술이 있는데, 일예로, 모아레 간섭법, 3각 측정법, 공초점 센서 등을 이용하는 다양한 방법을 적용한 측정 장비들이 활용되고 있을 뿐만 아니라 많은 새로운 측정방식들이 제안되고 있다. 일반적으로 모아레를 이용한 방법과 간섭광을 이용한 방법이 널리 사용되고 있다. 간섭계로는 Basic interferometry 형태로는 Twyman-Green Interferometer, Fizeau Interferometer, Mach-Zehnder Interferometer, Lateral shearing Interferometer, Point diffraction interferometer, Grating interferometer, Oblique incidence interferometer가 있고, Dynamic Interferometry 형태로는 Scatter plate interferometer Closed-loop feedback vibration-compensated interferometer, Multi-channel point diffraction interferometer, Multi-channel Twyman-Green interferometer가 있으며, Scanning Interferometry형태로는 Phase-shifting interferometer, White light scanning interferometer가 알려져 있다. 위의 간섭계에 비해 좀 더 큰 형상의 측정기술로는 Moirㅹ topography, Phase-shifting 으며 이외에도 다양한 측정기술들이 속속 개발되고 있다.

따라서, 이러한 광계측 산업기술 개발에 대응하여 보다 효과적으로 표면 형상을 측정할 수 있는 기술 개발은 꾸준히 진행되고 있으며, 필요한 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 형상 측정을 별도의 구동 동작 없이 분광기를 이용하여 파장별 분리한 후 파장값에 따라 대상물의 형상을 측정하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터, 상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사하는 것으로, 색수차를 가지는 광학 렌즈, 상기 광학렌즈를 통해 측정 대상물에 조사되어 반사되는 광이 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 이를 파장별로 분할하는 분광기, 상기 분광기를 통해 파장별로 분할된 광을 검출하는 검출기 및 상기 검출기에서 분할된 광의 파장값에 따라 표면 형상을 해석하는 영상처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출기는, 파장대별 신호를 검출하기 위해 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광학렌즈는, 대물렌즈(objective lens)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원에서 출사되는 광을 상기 빔스플리터로 전달할 때 평행광으로 출사시키기 위한 콜리메이팅 렌즈를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터, 상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사되도록 다수의 측정광으로 분할하는 색수차를 가지는 제 1어레이 렌즈, 상기 제 1어레이 렌즈를 통해 측정 대상물에 조사되어 반사되는 광이 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 이를 파장별로 분할하는 분광기, 상기 분광기를 통해 파장별로 분할된 광을 검출하는 검출기 및 상기 검출기에서 분할된 광의 파장값에 따라 표면 형상을 해석하는 영상처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 표면 형상의 높이차에 따라 발생되는 색수차에 의해 결과값을 이용하여 분광기를 통해 파장별로 분광시켜 파장값에 따라 표면 형상을 측정함으로써 측정장치의 구동 없이 스테이지 이동만을 통해 고속으로 표면 형상을 측정할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치의 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 검출부에 의해 파장별 검출된 결과는 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치에서 멀티 어레이 렌즈를 통해 구성한 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치는, 광을 출사하는 광원(100), 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터(110), 상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사하는 것으로, 색수차를 가지는 광학 렌즈(120), 상기 광학렌즈를 통해 측정 대상물에 조사되어 반사되는 광이 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 이를 파장별로 분할하는 분광기(130), 상기 분광기를 통해 파장별로 분할된 광을 검출하는 검출기 및 상기 검출기에서 분할된 광의 파장값에 따라 표면 형상을 해석하는 영상처리부(150)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치는, 측정 대상물에 조사되는 색수차에 따라 달리 형성되는 초점 형성을 분광기를 통해 검출함으로써 표면 형상을 측정하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치의 개략적인 구성도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 측정장치는 크게 광원(100), 빔스플리터(110), 광학렌즈(120), 분광기(130), 검출부(140) 및 영상처리부(150)로 크게 구성된다.

광원(100)은 LED 소자를 이용한 광원, 할로겐 네온을 이용한 광원, 백색광 광원 등 다양한 광학 소자를 통해 측정에 필요한 광을 출사할 수 있는 광원이다.

상기 광원에서 출사되는 광은 콜리메이팅렌즈(101)를 투과하여 평행광을 된 후 중앙에 위치한 빔스플리터로 입사된 후 측정광이 될 일부광은 반사되어 광학렌즈인 대물렌즈(120)로 입사된다. 여기서 상기 대물렌즈를 색수차를 가지도록 색수차 제거 코팅이 되지 않는 대물렌즈이여야 한다. 본 발명에서는 색수차를 이용하여 표면 형상을 측정하기 위한 것이기 때문에 색수차가 발생되어야 하는 것이다.

대물렌즈를 투과한 광은 측정대상물에 조사되고 표면 형상에 따라 파장별 초점 영역이 달라진다. 일예로 낮은 곳에서부터 높은 순으로 적색 파장에서 청색 파장으로 초점이 형성된다. 그리고 측정 대상물에서 반사되는 광은 다시 빔스플리터를 투과하여 투과방향에 위치한 분광기(130)로 입사된다.

상기 분광기(130)는 파장별로 광을 분리하고, 분광되어 초점이 맞는 파장대에서 광의 크기가 가장 크게 나타난다. 이때 검출부는 분광기에서 출사되는 광을 입사받게 된다. 검출부에서 획득한 광량은 영상처리부(150)에서 획득한 후 파장별 광량의 크기에 따라서 표면 형상을 검출한다. 측정 대상물의 임의의 포인트가 적색 파장에 초점이 형성되는 경우 검출부에서는 적색 파장대에서 가장 큰 광량을 나타내면, 청색 파장에 초점이 형성되는 경우 검출부에서는 청색 파장대에서 가장 큰 광량을 나타나게 될 것이다. 상기 영상처리부는 이러한 결과값을 통해 표면 형상을 검출하며, 단말기와 이를 해석하는 알고리즘으로 구성되는 소프트웨어를 통해 구현할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 2의 경우 다수의 빔스플리터를 일렬로 배열하고 빔스플리터 상단으로 각각의 분광기(130)와 검출부(140)를 구비한다. 측정광이 반사되어 돌아오면, 파장에 따라 광량을 검출할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 검출부에 의해 파장별 검출된 결과는 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이 측정 대상물의 표면 높이에 따라 파장별 초점형성이 다르며, 이러한 초점광은 분광기를 통해 디텍터에서 검출 시 해당 파장 초점에 대하여 가장 큰 광량을 나타나게 되는 것이다. 이를 통해 영상처리부는 광세기를 통해 이를 해석하여 형상을 측정하게 된다. 즉, 적색 파장의 광량이 높을 경우에는 적색 파장대 초점이 형성되는 높이를 가지는 표면에 해당하며, 청색 파장의 광량이 높을 경우에는 청색 파장대 초점이 형성되는 높이를 가지는 표면에 하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치에서 멀티 어레이 렌즈를 통해 구성한 개략도이다. 도 4의 경우 광원에서 출력되는 광을 다수의 측정광으로 분리한 후 여기서 획득되는 반사되는 측정광을 파장별로 분리하여 파장별 광세기를 검출함으로써 형상을 측정한다.

상기 어레이 렌즈는 다수의 집광렌즈가 일체로 구성된 모듈화된 렌즈로써, 다수의 측정광으로 분할하여 측정대상물에 조사한다. 상기 어레이 렌즈도 마찬가지로 색수차를 가지는 렌즈로써 분할된 각 측정광마다 표면 형상에 따른 색수차에 의한 초점 영역이 달리 발생된다. 측정 대상물에서 반사된 광은 빔스플리터를 투과하여 분광기에 의해 파장별로 분리되고, 검출부는 분리된 파장별 광에서 광의 세기를 검출하고, 이는 영상처리부에서 소정의 알고리즘을 통해 표면 형상을 검출하게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 색수차를 통해 표면 형상을 검출함으로써 스테이지 구동 외 별도의 구동부나 스캐닝 과정이 불필요함으로써 표면 형상을 고속으로 검출할 수 있는 이점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 광원
101 : 콜리메이팅 렌즈
110 : 빔스플리터
120 : 광학렌즈(대물렌즈)
130 : 분광기
140 : 검출부
150 : 영상처리부
160 : 어레이 렌즈
200 : 측정 대상물

Claims (7)

1. 광을 출사하는 광원;
   상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터;
   상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사하는 것으로, 색수차를 가지는 광학 렌즈;
   상기 광학렌즈를 통해 측정 대상물에 조사되어 반사되는 광이 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 이를 파장별로 분할하는 분광기;
   상기 분광기를 통해 파장별로 분할된 광을 검출하는 검출기; 및
   상기 검출기에서 분할된 광의 초점이 맞는 파장에 따른 광세기를 통해 표면 형상을 해석하는 영상처리부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 검출기는,
   파장대별 신호를 검출하기 위해 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 광학렌즈는,
   대물렌즈(objective lens)로 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 광원에서 출사되는 광을 상기 빔스플리터로 전달할 때 평행광으로 출사시키기 위한 콜리메이팅 렌즈를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치.
5. 광을 출사하는 광원;
   상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물 방향으로 반사시키는 빔스플리터;
   상기 빔스플리터를 통해 반사된 광을 측정 대상물에 조사되도록 다수의 측정광으로 분할하는 색수차를 가지는 제 1어레이 렌즈;
   상기 제 1어레이 렌즈를 통해 측정 대상물에 조사되어 반사되는 광이 상기 빔스플리터를 투과하여 입사되면 이를 파장별로 분할하는 분광기;
   상기 분광기를 통해 파장별로 분할된 광을 검출하는 검출기; 및
   상기 검출기에서 분할된 광의 초점이 맞는 파장에 따른 광세기를 통해 표면 형상을 해석하는 영상처리부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 광학렌즈는,
   대물렌즈(objective lens)로 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 광원에서 출사되는 광을 상기 빔스플리터로 전달할 때 평행광으로 출사시키기 위한 콜리메이팅 렌즈를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 색수차를 이용한 표면 형상 측정장치.

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