KR20130042989A - 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 3차원 형상 측정장치에 있어서, 측정대상물에 대해 조명광을 조사하는 제 1조명광, 측정대상물에 대해 조명광을 조사하되, 상기 제 1조명광보다 광 세기(intensity)가 작은 조명광을 조사하는 제 2조명광, 상기 제 1조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 1디텍터, 상기 제 2조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 2디텍터 및 동일 위치에 대해 상기 제 1디텍터와 제 2디텍터에서 획득하는 반사광을 선별하여 해당 위치에 대한 형상정보를 획득하는 이미지획득부를 포함한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 세기가 서로 다른 두 개의 조명광을 통해 측정대상물에 조사한 후 반사율 특성에 따라 최적의 반사광을 획득하여 형상을 검출할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 측정 대상물의 형상을 보다 정확하게 측정하기 위하여 서로 다른세기(intensity)를 갖는 광을 조사하여 반사광을 측정하는 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 측정대상물의 삼차원 형상이나 높이를 측정하는 기술은 삼차원 측정기를 사용하여 접촉식으로 측정대상물의 한 점씩 측정하여 전체 측정대상물 형상을 측정하는 방식인 접촉식과 광을 이용한 비접촉식으로 나뉘어지고 있다.
비접촉 측정법은 측정원리에 따라 크게 광간섭법과 광삼각법으로 나뉘어진다. 광간섭법은 레이저와 같은 단색광을 이용하여 반도체 패턴이나 미세금형 표면형상 측정에 많이 이용되는 광위상간섭법과 백색광이 짧은 가간섭성을 이용하는 광 주사간섭법이 있으며, nm(nano meter)의 정밀한 측정이 가능하나 넓은 영역을 빠르게 측정하기는 어렵고 고가의 정밀한 스테이지가 필요하게 되는 문제점이 있다.
광삼각법은 정해진 일정 광을 측정 표면에 임의의 정해진 각도로 투영하고 다른 각도에서 표면의 형상에 따라 변형된 광의 밝기를 추출하여 표면의 형상 정보를 해석하는 방법으로, 투영법에 따라 레이저 포인터 또는 레이저 슬릿빔을 이용하거나 모아레 무늬를 이용하는데 접촉식에 비해 측정시간이 월등히 단축된다.
모아레 무늬를 이용하는 방법은 유리의 한쪽 표면에 크롬으로 일정한 간격의 직선무늬를 새겨넣은 직선유리격자를 영사광학계를 이용하여 측정대상물에 투영하게 된다. 또한, 측정대상물에 형성된 직선줄무늬를 일정한 간격으로 이송시키기 위해 직선유리격자 이송장치를 사용하고 있다. 복수개의 직선줄무늬가 일정간격으로 구성되어 있는 직선유리격자를 측정대상물에 투영하면 측정대상물의 표면에 복수개의 줄무늬가 형성되는데, 이 줄무늬들은 측정대상물의 높이에 따라 휘어지게 된다. 줄무늬가 형성되어 있는 측정대상물을 직선유리격자와 겹치면 복수개의 곡선으로 이루어진 물결무늬의 형상을 볼 수 있는데, 이 무늬를 '모아레무늬'라 한다. 이 모아레무늬는 측정대상물의 높이에 따라 형성되는 등고선이기 때문에, 이 모아레무늬를 해석하여 측정대상물의 형상을 측정하게 된다. 이러한 모아레무늬를 이용하는 방법은 측정대상물의 형상 전체를 측정하는데는 유용하나, 단순히 측정대상물의 높이만을 측정하고자 하는 경우에는 보다 간단한 레이져 슬릿빔을 이용한 방법이 사용된다.
이와 같은 종래의 측정 기술은 하나의 조명광을 이용하여 반사광을 통해 이미지를 처리하여 형상 정보를 획득하게 되는데, 측정 대상물의 표면 특성에 따라 반사율의 크기가 달라 정확한 측정 정보르 획득할 수 없는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 측정 대상물의 형상을 보다 정확하게 측정할 수 있는 측정장치를 제공하는 것으로써, 보다 상세하게는 측정 대상물의 특성에 따라 변화는 반사광 특성을 고려하여 정확한 반사광을 획득할 수 있도록 구성하여 결과적으로 정확하게 형상을 측정할 수 있는 측정장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 3차원 형상 측정장치에 있어서, 측정대상물에 대해 조명광을 조사하는 제 1조명광, 측정대상물에 대해 조명광을 조사하되, 상기 제 1조명광보다 광 세기(intensity)가 작은 조명광을 조사하는 제 2조명광, 상기 제 1조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 1디텍터, 상기 제 2조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 2디텍터 및 동일 위치에 대해 상기 제 1디텍터와 제 2디텍터에서 획득하는 반사광을 선별하여 해당 위치에 대한 형상정보를 획득하는 이미지획득부를 포함한다.
또한, 상기 제 1조명광과 제 2조명광의 조사 간격은 측정 대상물 스캔 간격과 동일하도록 구성된다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 서로 다른 광세기를 가지는 2개의 조명광을 두고 동일한 위치를 조사한 후 획득되는 반사광에서
도 1은 종래기술에 따른 광삼각법을 이용한 3차원 측정장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치의 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치는, 3차원 형상 측정장치에 있어서, 측정대상물에 대해 조명광을 조사하는 제 1조명광, 측정대상물에 대해 조명광을 조사하되, 상기 제 1조명광보다 광 세기(intensity)가 작은 조명광을 조사하는 제 2조명광, 상기 제 1조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 1디텍터, 상기 제 2조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 2디텍터 및 동일 위치에 대해 상기 제 1디텍터와 제 2디텍터에서 획득하는 반사광을 선별하여 해당 위치에 대한 형상정보를 획득하는 이미지획득부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치는, 서로 다른 광 세기를 가지는 제 1조명광과 제 2조명광을 측정대상물에 각각 조사한 후 최적의 형상 검출을 달성할 수 있는 반사광을 선별하여 측정대상물의 형상을 측정하고자 하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치의 구성도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치는, 제 1조명광(100)과 제 2조명광(110)으로 두 개의 조명광이 구성되며, 상기 1조명광과 제 2조명광의 광출력 세기는 서로 다르다. 일예로 제 1조명광은 제 2조명광보다 높은 광 세기(intensity)를 갖는 조명광으로 구성할 수 있으며, 상기 각 조명광은 LED소자나 할로겐 램프 등 공지의 다양한 조명소자, 부품으로 조명광을 구성하되, 광세기가 서로 다르도록 구성한다.
이처럼 서로 다른 광 세기를 가지는 제 1조명광과 제 2조명광을 측정대상물(200)의 동일한 위치한 각각 조사한 후 제 1조명광을 통해 반사되는 제 1반사광은 제 1디텍터(120)에서 획득하며, 제 2조명광을 통해 반사되는 제 2반사광은 제 2디텍터(130)에서 획득하게 된다. 여기서, 제 1반사광과 제 2반사광을 획득하는 구조는 기계적으로 제 1조명광과 제 2조명광을 임의의 간격을 두고 배치하되, 형상 측정을 위한 스캐닝에서 스캐닝 스텝과 동일한 간격으로 제 1조명광과 제 2조명광의 위치를 결정한다.
즉, 제 1조명광과 제 2조명광과의 거리 d는 스캔 시간(ts)/ 스캔속도(vs)이다.
상술한 바와 같이 서로 다른 광 세기를 가지는 두 개의 조명광을 측정대상물에 조사한 후 반사광을 획득하여 표면 형상을 측정하되, 본 발명에서는 광삼각법 원리를 이용하여 획득한다.
광삼각법의 원리는 레이저 다이오드(laser diode)로부터 발광 렌즈로 집광한 레이저빔(선형 광원)을 측정 대상물 표면에 입사하고, 측정 대상체 곡면의 높이 변화에 따라 그로부터 반사된 레이저광을 결상렌즈(수광렌즈)로 디텍터(CCD)의 촬상면에 하나의 광점으로 결상되면, 광삼각법(Optical Triangulation)을 사용하여 측정 대상체의 높이를 측정한다. 이때, 측정 대상체의 높이 변화에 따라 디텍터 촬상면에 결상되는 광점의 위치가 변하게 되는데, 이러한 광점의 위치 변화로부터 광점에 대응하는 측정 대상체의 한점의 높이를 구하게 된다.
측정 대상물에 레이저 광이 조사된 후 그 위치에서의 높이 정보에 의해 기준면의 수직방향으로 변형된다. 3차원의 표면 형상의 변화에 따라 변형된 이 선 모양을 한 광영상은 기준면에 대하여 일정한 각도에 위치한 CCD 카메라에 의해 획득된다. 시간에 따른 이송 장치에 의해 측정 대상체(ex. IC칩의 bump ball)를 이동시키면서 획득된 영상으로부터 광삼각법에 기초하여 각 위치의 높이 정보를 추출한다.
여기서, 본 발명에 따른 주요 이미지 처리 방법은 동일한 위치에 대해 각각 제 1조명광과 제 2조명광으로 측정광을 조사한 후 획득되는 2개의 반사광에서 반사율이 기준반사율 이상일 경우 광 세기가 낮은 제 2조명광을 통해 획득한 반사광으로 이미지를 획득하고, 반사율이 기준반사율 이하일 경우 광 세기가 높은 제 1조명광을 통해 획득한 반사광을 이미지획득부에서 획득하여 처리하게 된다. 즉, 기준반사율 보다 광 세기가 높아 포화(saturaion)상태에 해당할 경우 광 세기가 낮은 제 2조명광을 통해 반사광을 획득하고, 광 세기가 낮아 측정되는 반사광이 낮을 경우 제 1조명광을 통해 반사광을 획득함으로써 형상값을 측정한다.
이는 측정 대상물의 표면 특성에 따라 반사율이 다르기 때문에 동일한 광세기를 가지는 조명광 하나를 이용할 경우 측정 정밀도가 매우 떨어지는 단점을 해결하기 위하여 서로 다른 광 세기를 가지는 조명광을 각각 조사하여 형상을 측정하는 것이다.
한편, 도면에 구체적으로 설명하지는 않았지만, 광 삼각법의 변위 측정법의 원리는 측정 대상체의 면에 조사된 작은 레이저 광점은 입사 레이저 빔 축과 기울어진 렌즈 F에 의해 광 위치 측정 센서 PSD(Position Sensing Detector) 면에 상이 맺히고, 측정 대상물의 위치가 h 방향으로 바뀌면, 레이저 광점의 PSD 상 위치가 d만큼 바뀌게 된다. 반도체 검사 장비의 3차원 측정 장치는 이러한 d 값을 측정하여, 광학계 변수를 대입하여 환산함으로써 측정 대상체(IC칩의 bump의 ball)의 높이 h를 측정한다.
한편, 광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정 장치는 도면에 구체적으로 도시하지 않았지만, 컴퓨터 비전 시스템(computer vision system)과 광학센서 제어기(controller)가 랜 카드와 TCP/IP 또는 RS232C 직렬 통신 방식으로 연결되고, 제어기와 연결된 디텍터(CCD 카메라)로부터 수직선 바로 밑에 놓여진 측정 대상물을 한 쪽 방향에서만 레이저를 주사하는 경우, 기존의 구조화된 레이저 빔을 측정 대상체에 주사하여 3각 측정의 원리(광삼각법, optical triangulation method)를 사용하여 측정 대상물의 곡면 3차원 형상의 변화를 측정한다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 하나의 조명광을 사용하는 종래 측정장치와는 달리 서로 다른 광세기를 가지는 두 개의 조명광을 각각 조사한 후 형상 측정에 효과적인 반사광을 선택하여 최종 형상을 검출하기 때문에 보다 정밀하게 형상을 측정할 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 : 제 1조명광
110 : 제 2조명광
120 : 제 1디텍터
130 : 제 2디텍터
200 : 측정대상물
110 : 제 2조명광
120 : 제 1디텍터
130 : 제 2디텍터
200 : 측정대상물
Claims (2)
- 3차원 형상 측정장치에 있어서,
측정대상물에 대해 조명광을 조사하는 제 1조명광;
측정대상물에 대해 조명광을 조사하되, 상기 제 1조명광보다 광 세기(intensity)가 작은 조명광을 조사하는 제 2조명광;
상기 제 1조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 1디텍터;
상기 제 2조명광을 통해 획득되는 제 1반사광을 획득하는 제 2디텍터; 및
동일 위치에 대해 상기 제 1디텍터와 제 2디텍터에서 획득하는 반사광을 선별하여 해당 위치에 대한 형상정보를 획득하는 이미지획득부;를 포함하는 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1조명광과 제 2조명광의 조사 간격은 측정 대상물 스캔 간격과 동일하도록 구성되는 듀얼광을 이용한 3차원 형상 측정장치.
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