KR20180053119A - 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치는 측정 대상이 안착되는 측정평면, 측정 대상을 조사하는 제1광원 및 제2광원, 제1광원 및 제2광원으로부터 조사된 광을 투영시키는 렌즈 및 측정 대상의 표면으로부터 반사되는 영상을 촬상하는 이미지 획득수단, 이미지 획득수단으로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하는 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 제1광원 및 제2광원은 순차적으로 점등된다.

Description

3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법{3-DIMENSIONAL SHAPE MEASURMENT APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 3차원 형상 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검사 대상체 측정의 정밀도를 향상시키기 위한 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 측정대상물의 삼차원 측정기를 사용하여 접촉식으로 측정 대상물의 한 점씩 측정하여 전체 측정대상물 형상을 측정하는 방식인 접촉식과 광을 이용한 비접촉식으로 나뉘어지고 있다.
한편, 비접촉 측정법은 측정원리에 따라 크게 광간섭법과 광삼각법으로 나뉘어진다.
광간섭법은 레이저와 같은 단색광을 이용하여 반도체 패턴이나 미세금형 표면형상 측정에 많이 이용되는 광위상 간섭법과 백색광으로 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.
측정 장치의 측정대상이 서로 다른 표면 상태에 의해 나타날 수 있는 복합 표면반사를 갖는 경우 정반사와 난반사가 서로 다른 표면에서 발생할 수 있어 이를 예측하기 힘들고 정밀하게 측정하지 못하고, 왜곡되어 실제의 형상과 상이한 문제점이 있다.
공개특허공보 KR 10-2016-0082392 조명장치 및 검사장치
측정대상이 서로 다른 표면 상태에 의해 나타날 수 있는 복합 표면반사(정반사 표면과 난반사 표면이 섞여있는 경우)를 갖는 경우에도, 3차원 형상을 보다 정밀하고 정교하게 측정할 수 있는 3차원 형상 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치는 측정 대상이 안착되는 측정평면, 측정 대상을 조사하는 제1광원 및 제2광원, 제1광원 및 제2광원으로부터 조사된 광을 투영시키는 렌즈 및 측정 대상의 표면으로부터 반사되는 영상을 촬상하는 이미지 획득수단, 이미지 획득수단으로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하는 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 제1광원 및 제2광원은 순차적으로 점등된다.
이미지 획득수단은 소정의 분해능을 갖고, 제1광원 및 제2광원은 각각 분해능 절반의 시간만큼 순차적으로 점등될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법은 측정 대상이 안착되는 측정평면, 측정 대상을 조사하는 제1광원 및 제2광원, 제1광원 및 제2광원으로부터 조사된 광을 투영시키는 렌즈 및 측정 대상의 표면으로부터 반사되는 영상을 촬상하고, 소정의 분해능을 갖는 이미지 획득수단을 포함하는 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 있어서, 제1광원 및 제2광원은 각각 순차적으로 점등하여 측정 대상을 측정한다.
본 발명에 따르면 측정대상이 서로 다른 표면 상태에 의해 나타날 수 있는 복합 표면반사(정반사 표면과 난반사 표면이 섞여있는 경우)를 갖는 경우에도 3차원 형상을 측정하는데 있어서 보다 정밀하고 정교한 측정을 실행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치의 측면도이다.
도 3은 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법의 흐름도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)는 순차적으로 점등되는 제1광원(131)과 제2광원(132)을 통해, 서로 다른 표면 상태에 의해 나타날 수 있는 복합 표면반사(정반사 표면과 난반사 표면이 섞여있는 경우)를 갖는 측정 대상(10)을 측정하여 각각의 이미지를 획득하고, 획득된 이미지들을 종합하여 측정 대상(10)을 측정함으로써 3차원 형상의 측정 대상(10)을 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 대한 구성도이고, 도 2는 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치의 측면도이다.
도 1내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)는 측정평면(110), 구동수단(120), 광원(130), 렌즈(140), 이미지 획득수단(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
측정평면(110)은 측정 대상(10)을 안착시킨다. 여기서, 측정평면(110)은 구동수단(120)에 의해 측정 대상(10)을 이동시킬 수 있다. 즉, 측정평면(110)은 구동수단(120)에 의해 종횡방향으로 이동될 수 있다. 따라서, 측정 대상(10)은 광원(130)과 이미지 획득수단(150)에 대해 이동됨에 따라 측정 대상(10)의 전면적에 대하여 측정평면(110)을 기준으로 측정 대상(10)의 높이를 스캐닝될 수 있다.
구동수단(120)은 측정평면(110)에 연결되어, 측정평면(110)을 이동시킨다. 본 발명의 일실시예에 따른 구동수단(120)은 측정평면(110)을 좌우전후 방향으로 이동시켜 이미지 획득수단(150)이 측정 대상(10)을 전면적으로 측정할 수 있도록 한다.
광원(130)은 측정 대상(10)의 윗면에 대해 광을 출사한다. 광원(130)은 레이저 광원(130) 또는 LED 광원(130)을 포함할 수 있다. 광원(130)은 라인 빔 형태의 광을 출사하도록 구성될 수 있다. 따라서, 광원(130)으로부터 출사된 광은 광축을 따라 전파해 가며, 광은 렌즈(140)에 입사된다.
광원(130)은 측정평면(110)에 대하여 서로 다른 각도를 각도로 배치되는 복수개의 광원(130)을 포함하며, 복수개의 광원(130)은 순차적으로 점등된다. 또한, 복수개의 광원(130)이 순차적으로 점등되는 시간의 총합은 3차원 형상 측정 장치(100)의 분해능과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광원(130)은 제1광원(131) 및 제2광원(132)을 포함한다. 제1광원(131)과 제2광원(132)은 이격되어 측정평면(110)에 대하여 서로 다른 각도를 갖도록 배치된다. 제1광원(131)과 제2광원(132)은 측정 대상(10)을 향해 광을 출사하며, 제1광원(131)과 제2광원(132)은 순차적으로 점등된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1광원(131)과 제2광원(132)이 순차적으로 점등되는 시간의 총합은 분해능의 시간과 같을 수 있다. 즉, 제1광원(131)과 제2광원(132)은 분해능 절반의 시간만큼 각각 순차적으로 점등될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1광원(131)은 측정평면(110)에 수직하게 배치되고, 제2광원(132)은 측정평면(110)에 대하여 제1광원(131)과 상이한 각도를 갖도록 배치될 수 있다. 다른 예로 제2광원(132)은 측정평면(110)에 수직하게 배치되고 제1광원(131)은 측정평면(110)에 대하여 제2광원(132)과 상이한 각도를 갖도록 배치될 수 있다.
일 실시예로 측정 대상(10)에서 난반사율이 높은 부분에 대하여는 수직한 제1광원(131)으로 측정하고 정반사율이 높은 부분에 대하여는 측면에 배치된 제2광원(132)를 통해 측정하여 정밀한 측정을 실행할 수 있다.
렌즈(140)는 오목렌즈(140), 볼록렌즈(140) 또는 오목렌즈(140)와 볼록렌즈(140)의 조합으로 구성될 수 있다. 렌즈(140)는 광원(130)으로부터 출사되는 광을 통과시킴으로써, 광은 결상되어 초점 영역이 형성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈(140)는 대물 렌즈(140) 또는 시준 렌즈(140)(collimating lens)를 포함한다.
이미지 획득수단(150)은 렌즈(140) 및 이미지 획득수단(150)에 의해 결상되는 초점영역을 통해 촬상되는 측정 대상(10)의 이미지를 획득한다. 이미지 획득수단(150)은 카메라 및 이미지센서를 포함할 수 있다. 이미지센서는 피사체에 대한 광학적 상을 받아서 전기적 신호로 변환한다. 이미지센서는 CCD(charge-coupled device) 이미지센서 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지센서 등일 수 있다. 이미지 획득수단(150)은 라인 스캔 카메라(line scan camera) 또는 에어리어 스캔 카메라(area scan camera)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 획득수단(150)은 피사체의 이미지를 획득한 다음 제어부(160)에 전달할 수 있다. 일 예로, 제1광원(131)에서 분해능 절반의 시간만큼 측정 대상(10)에 광을 출사하면 이미지 획득수단(150)은 제1광원(131)으로부터 출사되어 측정 대상(10)에 의해 반사된 빛을 수집하여 제1이미지를 획득한다. 다음, 제2광에서 분해능 절반의 시간만큼 측정 대상(10)에 광을 출사하면, 이미지 획득수단(150)은 제2광원(132)으로부터 출사되어 측정 대상(10)에 의해 반사된 빛을 수집하여 제2이미지를 획득한다. 이 때, 제1이미지와 제2이미지는 서로 다른 각도에서 분해능 절반의 시간만큼 출사된 광으로부터 획득된 이미지이므로, 제1이미지와 제2이미지를 종합하면 단위 분해능 시간의 이미지를 산출할 수 있게 되며, 서로 다른 표면 상태에 의해 나타날 수 있는 복합 표면반사(정반사 표면과 난반사 표면이 섞여있는 경우)를 갖는 경우에도 왜곡되어 형상이 측정되는 현상을 감소시킬 수 있다.
이미지 획득수단(150)은 수집된 제1이미지 및 제2이미지를 제어부(160)에 전송할 수 있다.
제어부(160)는 이미지 획득수단(150)으로부터 전달받은 이미지를 처리하여, 측정 대상(10)의 형상 또는 높이를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(160)는 이미지 획득수단(150)으로부터 전송받은 제1이미지와 제2이미지를 종합하여 분해능 단위시간만큼의 이미지로 산출한다. 제어부(160)는 분해능 단위시간만큼의 이미지를 시간의 흐름에 따라 종합하여 측정 대상(10)의 전체 이미지를 측정할 수 있다.
또한, 제어부(160)는 이미지 획득수단(150)에 의해 획득된 일련의 이미지들을 시퀀스로 기록할 수 있다. 이 이미지의 기록이 계산되어, 표면 상의 동일한 물리적 점에 대응하는 일련의 이미지들에서의 점들을 정렬시킬 수 있다.
단 제어부(160)는 이에 한정되지 않고, 이미지를 처리하여 측정 대상(10)의 형상 또는 높이를 산출할 수 있는 모든 방법을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법(200)은 측정 대상(10)이 안착되는 측정평면(110), 측정 대상(10)을 조사하는 제1광원(131) 및 제2광원(132), 광원(130)으로부터 조사된 광을 투영시키는 렌즈(140) 및 측정 대상(10)의 표면으로부터 반사되는 영상을 촬상하고, 소정의 분해능을 갖는 이미지 획득수단(150)을 포함하는 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법(200)에 있어서, 제1광원(131)과 제2광원(132)을 각각 순차적으로 점등하여 측정 대상(10)을 측정한다.
도 3은 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법(200)은 배치 단계(210), 점등 출사 단계(220), 측정 단계(230) 및 종합 단계(240)를 포함한다.
배치 단계(210)는 렌즈(140), 이미지 획득수단(150) 및 광원(130)을 측정 대상(10)에 맞게 배치하여, 3차원 형상을 측정할 수 있도록 준비한다.
점등 출사 단계(220)는 제1광원(131) 및 제2광원(132)을 통해 측정 대상(10)에 광을 출사한다. 이 때, 제1광원(131) 및 제2광원(132)을 순차적으로 점등시켜, 제1광원(131) 및 제2광원(132)을 측정 대상(10)에 순차적으로 광을 출사하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 점등 출사 단계(220)에서는 측정 대상(10)에 대하여 제1광원(131) 및 제2광원(132)을 분해능의 절반의 시간만큼 점등시켜, 제1광원(131) 및 제2광원(132)이 측정 대상(10)에 각각 한번씩 출사되는 시간의 총합이 분해능의 시간이 되도록 점등시킨다.
측정 단계(230)는 제1광원(131) 및 제2광원(132)을 통해 측정 대상(10)으로부터 반사된 광을 렌즈(140) 및 이미지 획득수단(150)을 통해 이미지를 획득하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정 단계(230)에서 이미지 획득수단(150)은 제1광원(131)의 광 방출을 통해 얻어진 측정 대상(10)의 제1이미지와 제2광원(132)의 광 방출을 통해 얻어진 측정 대상(10)의 제2이미지를 획득한다.
이 때, 일 예로 측정 대상(10)에서 난반사율이 높은 부분에 대하여는 수직한 제1광원(131)으로 측정하고 정반사율이 높은 부분에 대하여는 측면에 배치된 제2광원(132)를 통해 측정하여 정밀한 측정을 실행할 수 있다.
이미지 획득수단(150)은 획득된 제1이미지와 제2이미지를 제어부(160)에 전송할 수 있다.
종합 단계(240)는 획득된 제1이미지와 제2이미지를 종합하여 측정 대상(10)의 3차원 형상을 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 종합 단계(240)에서, 제1이미지와 제2이미지를 종합하면 단위 분해능 시간만큼의 이미지를 형성하게 되는데 제1이미지와 제2이미지는 서로 다른 각도에서 출사된 제1광원(131) 및 제2광원(132)을 통해 획득된 것이므로 이를 종합하면 측정 대상(10)이 측정대상이 서로 다른 표면 상태에 의해 나타날 수 있는 복합 표면반사(정반사 표면과 난반사 표면이 섞여있는 경우)를 갖는 경우에도 더 정밀한 형상을 획득할 수 있다.
100: 3차원 형상 측정 장치, 110: 측정평면,
120: 구동수단, 130: 광원,
131: 제1광원, 132: 제2광원,
140: 렌즈, 150: 이미지 획득수단,
160: 제어부

Claims (3)

  1. 측정 대상이 안착되는 측정평면;
    상기 측정 대상을 조사하는 제1광원 및 제2광원;
    상기 제1광원 및 제2광원으로부터 조사된 광을 투영시키는 렌즈; 및
    상기 측정 대상의 표면으로부터 반사되는 영상을 촬상하는 이미지 획득수단;
    상기 이미지 획득수단으로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하는 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
    상기 제1광원 및 제2광원은 순차적으로 점등되는 3차원 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 획득수단은 소정의 분해능을 갖고,
    상기 제1광원 및 제2광원은 각각 분해능 절반의 시간만큼 순차적으로 점등되는 3차원 형상 측정 장치.
  3. 측정 대상이 안착되는 측정평면;
    상기 측정 대상을 조사하는 제1광원 및 제2광원;
    상기 제1광원 및 제2광원으로부터 조사된 광을 투영시키는 렌즈; 및
    상기 측정 대상의 표면으로부터 반사되는 영상을 촬상하고, 소정의 분해능을 갖는 이미지 획득수단을 포함하는 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 있어서,
    상기 제1광원 및 제2광원은 각각 순차적으로 점등하여 측정 대상을 측정하는 3차원 형상 측정 방법.
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