KR20230144231A - 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치 - Google Patents

라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치에 관한 것이다. 장치 하우징은 내부 공간을 갖고, 한쪽 부위에 광 출력구와 광 입력구가 형성된다. 라인빔 모듈은 라인빔을 출력해서 광 출력구를 통해 측정대상물 표면으로 조사하도록 장치 하우징 내에 장착된다. 바이프리즘(bi-prism)은 출사면에 대해 광축을 중심으로 서로 대칭되게 경사진 제1,2 입사면을 갖고 광 출력구 내에 장착되며, 라인빔 모듈로부터 발산되는 라인빔을 제1,2 입사면으로 입사해서 굴절시켜 출사면으로부터 출사함에 따라 사이드 라인빔들을 생성해서 측정대상물 표면으로 조사한다. 카메라는 측정대상물 표면으로부터 반사되는 광을 광 입력구를 통해 입력받도록 장치 하우징 내에 장착된다.

Description

라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치{Shape profile measurement device using line beams}
본 발명은 측정대상물의 삼차원 형상 프로파일을 측정하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 측정대상물의 삼차원 형상을 측정하기 위한 방법은 접촉식 측정 방법과 비접촉식 측정 방법으로 나뉘며, 비접촉식 측정 방법 중 하나로 광삼각법이 사용되고 있다. 광삼각법은 측정대상물 표면에 임의의 정해진 각도로 광을 조사하고 다른 각도에서 표면 형상에 따라 변형된 광의 밝기를 추출하여 표면 형상 정보를 해석하는 방법이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광삼각법을 이용한 종래 예의 측정장치(10)는 라인빔 모듈(11)로부터 출력되는 라인빔을 측정대상물(W) 표면으로 조사하고 다른 각도에서 표면으로부터 반사되는 광을 카메라(12)로 촬영해서 표면 형상 프로파일을 측정하도록 구성된다. 그런데, 전술한 측정장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 이미지의 A 영역에서 측정대상물(W) 표면에 입사하는 각도에 따라 특정 각도 이상에서 상이 맺히지 않는 문제가 있었다.
다른 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 전술한 측정장치(10)는 측정대상물(W)의 갭(gap)을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 갭 주변 모서리 부분이 볼록 곡면진 형태로 이루어진 경우, 광이 비스듬하게 조사될수록 입사각도가 감소하고, 반사되거나 산란되는 광이 카메라(12) 쪽을 향하지 않게 된다. 이로 인해, 도 4에 도시된 바와 같이, 측정 이미지의 B 영역에서 모서리의 볼록 곡면진 부분이 이미징되지 않거나 이미징되어도 흐릿하여 모서리 경계가 모호해지는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 과제는 라인빔을 이용하여 측정대상물의 다양한 형상에 대해 정확한 형상 프로파일을 측정할 수 있는 장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치는 장치 하우징과, 라인빔 모듈과, 바이프리즘(bi-prism), 및 카메라를 포함한다. 장치 하우징은 내부 공간을 갖고, 한쪽 부위에 광 출력구와 광 입력구가 형성된다. 라인빔 모듈은 라인빔을 출력해서 광 출력구를 통해 측정대상물 표면으로 조사하도록 장치 하우징 내에 장착된다. 바이프리즘은 출사면에 대해 광축을 중심으로 서로 대칭되게 경사진 제1,2 입사면을 갖고 광 출력구 내에 장착되며, 라인빔 모듈로부터 발산되는 라인빔을 제1,2 입사면으로 입사해서 굴절시켜 출사면으로부터 출사함에 따라 사이드 라인빔들을 생성해서 측정대상물 표면으로 조사한다. 카메라는 측정대상물 표면으로부터 반사되는 광을 광 입력구를 통해 입력받도록 장치 하우징 내에 장착된다.
여기서, 바이프리즘은 프리즘 구동기구에 의해 광축을 중심으로 회전해서 정렬될 수 있다. 바이프리즘은 프리즘 구동기구에 의해 출사면과 나란한 축을 중심으로 회전해서 정렬될 수 있다. 또한, 바이프리즘은 프리즘 구동기구에 의해 라인빔 모듈과의 간격이 정렬될 수 있다.
본 발명에 따르면, 측정대상물의 다양한 형상에 대해 정확한 형상 프로파일을 측정할 수 있다.
도 1은 종래 예에 따른 광삼각법을 이용한 측정장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 측정장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 측정장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치에 대한 측면 구성도이다.
도 6은 도 5에 대한 평면 구성도이다.
도 7은 바이프리즘에 의해 생성된 2개의 사이드 라인빔을 나타낸 사진이다.
도 8은 바이프리즘의 정렬 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 바이프리즘 설계에 따른 라인빔의 경로 변화를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치에 대한 측면 구성도이다. 도 6은 도 5에 대한 평면 구성도이다. 도 7은 바이프리즘에 의해 생성된 2개의 사이드 라인빔을 나타낸 사진이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치(100)는 장치 하우징(110)과, 라인빔 모듈(120)과, 바이프리즘(bi-prism, 130), 및 카메라(140)를 포함한다.
장치 하우징(110)은 내부 공간을 갖는다. 장치 하우징(110)은 라인빔 모듈(120)과 바이프리즘(130) 및 카메라(140)를 내장한다. 장치 하우징(110)은 디스플레이(150)의 화면을 노출시킨 상태로 디스플레이(150)를 장착할 수 있다.
디스플레이(150)는 사용자가 측정대상물(W)에 대해 측정한 값, 예컨대 갭(gap), 단차(flush) 값 등을 화면을 통해 바로 확인할 수 있게 한다. 또한, 디스플레이(150)는 사용자 인터페이스(user interface)를 제공할 수 있다. 디스플레이(150)는 터치 입력 방식의 디스플레이 등을 이루어질 수 있다. 디스플레이(150)는 장치 하우징(110)의 상부에 화면이 위치하도록 장치 하우징(110)에 장착될 수 있다.
장치 하우징(110)은 장치(100)의 온/오프 조작 등을 위한 조작부(미도시)를 장착할 수 있다. 장치 하우징(110)은 장치(100) 전반을 제어하는 프로세서(160)를 내장할 수 있다. 프로세서(160)는 라인빔 모듈(120), 카메라(140), 및 디스플레이(150)를 구동 제어한다.
프로세서(160)는 이미지 처리 알고리즘을 저장부에 탑재할 수 있다. 이미지 처리 알고리즘은 카메라(140)에 의해 촬영된 이미지로부터 갭, 단차 등의 값을 계산하고, 계산된 값을 저장부에 저장할 수 있다. 프로세서(160)는 유무선 통신부를 통해 외부 PC와 통신하여 측정값 등의 데이터를 송수신할 수 있다.
장치 하우징(110)은 하우징 본체(111)로부터 하측으로 연장된 손잡이(112)를 구비할 수 있다. 사용자는 손잡이(112)를 이용해 장치(100)를 핸드헬드(handheld) 형태, 즉 한 손으로 쥐고서 용이하게 측정대상물(W)의 형상 프로파일을 측정할 수 있다.
장치 하우징(110)은 프로세서(160) 등에 전원을 공급하는 배터리(170)를 내장할 수 있다. 배터리(170)는 충전 가능한 배터리 등으로 이루어질 수 있다. 따라서, 사용자는 장치(100)를 모바일 방식으로 휴대해서 용이하게 사용할 수 있다. 물론, 장치(100)는 배터리(170)를 내장하지 않고 전원케이블을 통해 전원을 공급받을 수도 있다.
장치 하우징(110)은 한쪽 부위에 광 출력구(113)와 광 입력구(114)가 형성된다. 광 출력구(113)는 라인빔 모듈(120)로부터 출력되는 라인빔(L)을 통과시켜 측정대상물(W) 표면으로 조사시킨다. 광 입력구(114)는 측정대상물(W) 표면으로부터 반사되는 광을 통과시켜 카메라(140)로 전달한다.
라인빔 모듈(120)은 라인빔(L)을 출력해서 광 출력구(113)를 통해 측정대상물(W) 표면으로 조사하도록 장치 하우징(110) 내에 장착된다. 라인빔 모듈(120)은 레이저 등으로 구성될 수 있다. 라인빔(L)은 레이저 사양에 따른 설정 발산각으로 발산되어 측정대상물(W) 표면에 라인 형태로 조사된다.
바이프리즘(130)은 출사면(133)에 대해 광축을 중심으로 서로 대칭되게 경사진 제1,2 입사면(131, 132)을 갖고 광 출력구(113) 내에 장착된다. 바이프리즘(130)은 이등변 삼각기둥 형태로 이루어진다. 바이프리즘(130)은 밑변을 갖는 면이 출사면(133)의 역할을 하고, 이등변을 갖는 면들이 제1,2 경사면(131, 132)의 역할을 한다. 바이프리즘(130)은 출사면(133)이 제1,2 경사면(131, 132)보다 광 출력구(113)에 가깝게 배치되고, 제1,2 경사면(131, 132)이 라인빔 모듈(120)의 광축에 대해 서로 대칭되게 배치된다.
바이프리즘(130)은 라인빔 모듈(120)로부터 발산되는 라인빔(L)을 제1,2 입사면(131, 132)으로 입사해서 굴절시켜 출사면(133)으로부터 출사함에 따라 사이드 라인빔(L1)들을 생성해서 측정대상물(W) 표면으로 조사한다. 바이프리즘(130)은 제1,2 입사면(131, 132)으로 입사되는 라인빔(L)을 굴절시킴에 따라 방향을 바꿔 출사면(133)을 통해 출사함으로써 사이드 라인빔(L1)들을 생성한다. 즉, 바이프리즘(130)은 제1,2 입사면(131, 132)에 의하여 2개의 사이드 라인빔(L1)들을 생성한다. 이때, 바이프리즘(130)은 중앙 쪽 라인빔(L)도 사이드 라인빔(L1)들을 생성하는데 사용되기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이, 2개의 사이드 라인빔(L1)들은 비교적 밝고 균일하게 생성됨을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 라인빔 모듈(120)로부터 발산되는 라인빔(L)을 바이프리즘(130)에 의해 굴절시켜 2개의 사이드 라인빔(L1)들을 생성해서 측정대상물(W) 표면으로 조사하므로, 측정대상물(W) 표면에 입사되는 라인빔(L1)의 입사각을 다양하게 만들어줄 수 있다.
그에 따라, NA(Numerical aperture) 값을 증가시킬 수 있으므로, 측정대상물(W)의 갭 측정시, 갭 주변 모서리 부분이 볼록 곡면진 형태로 이루어진 경우에도 모서리의 볼록 곡면진 부분을 이미징해서 형상 프로파일을 정확하게 측정할 수 있다.
비교 예로서, 한 쌍의 미러들이 라인빔 모듈(120)로부터 주변으로 발산되는 라인빔(L)을 반사시켜 측정대상물(W) 표면으로 조사하도록 광 출력구(113) 내에 광축을 중심으로 서로 대칭되어 장착되는 경우, 중앙 라인빔은 밝고 얇은 형태로 유지하나, 2개의 사이드 라인빔들은 출사 끝으로 갈수록 급격히 두꺼워지며 밝기도 약해지기 때문에, 사이드 라인빔들에 의해 측정대상물(W)의 형상 프로파일을 측정하는 효과가 반감될 수 있다.
하지만, 본 실시예와 같이, 바이프리즘(130)이 라인빔 모듈(120)로부터 발산되는 라인빔(L)을 굴절시켜 비교적 밝고 균일한 2개의 사이드 라인빔(L1)들을 생성해서 측정대상물(W) 표면으로 조사하므로, 비교 예와 같이 한 쌍의 미러들을 이용하는 것보다, 측정대상물(W)의 형상 프로파일을 더욱 정확하게 측정할 수 있다.
카메라(140)는 측정대상물(W) 표면으로부터 반사되는 광을 광 입력구(114)를 통해 입력받도록 장치 하우징(110) 내에 장착된다. 카메라(140)는 측정대상물(W) 표면으로부터 반사되는 광을 수신해서 이미지를 획득한다. 카메라(140)는 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. 카메라(140)는 렌즈(141)를 거쳐 광을 전달받을 수 있다.
추가 양상으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 바이프리즘(130)은 프리즘 구동기구(136)에 의해 광축을 중심으로 회전해서 정렬될 수 있다. 또한, 바이프리즘(130)은 프리즘 구동기구(136)에 의해 출사면(133)과 나란한 축을 중심으로 회전해서 정렬될 수 있다.
따라서, 바이프리즘(130)은 제1,2 입사면(131, 132)이 라인빔 모듈(120)의 라인빔(L)에 대해 정렬되어 비교적 밝고 균일한 사이드 라인빔(L1)들을 생성해서 측정대상물(W) 표면으로 조사함으로써, 측정대상물(W)의 형상 프로파일을 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같이, 하나의 바이프리즘(130)은 광축을 중심으로 조정되거나, 출사면(133)과 나란한 축을 중심으로 조정되므로, 2개의 미러 각도가 각각 양측에서 조정되는 방식보다, 장착 공간의 폭 및 부피를 줄일 수 있는 이점이 있다.
바이프리즘(130)은 프리즘 구동기구(136)에 의해 라인빔 모듈(120)과의 간격이 정렬될 수 있다. 바이프리즘(130)이 라인빔 모듈(120)로부터 멀어질수록 측정대상물(W)에 대한 입사각이 큰 사이드 라인빔(L1)들을 만들 수 있고, 라인빔 모듈(120)로부터 가까워질수록 측정대상물(W)에 대한 입사각이 작은 사이드 라인빔(L1)들을 만들 수 있다. 바이프리즘(130)은 측정대상물(W)의 측정 조건에 따라 라인빔 모듈(120)과의 간격이 정렬됨으로써, 측정대상물(W)의 형상 프로파일을 정확하게 측정할 수 있다.
프리즘 구동기구(136)는 프로세서(160)에 의해 구동 제어될 수 있다. 프로세서(160)는 카메라(140)에 의해 촬영된 이미지를 기반으로 프리즘 구동기구(136)에 의해 바이프리즘(130)을 정렬할 수 있다. 프리즘 구동기구(136)는 공지의 다양한 회전 액추에이터와 리니어 액추에이터를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 바이프리즘(130)의 제1,2 입사면(131, 132)의 기울기가 클수록 라인빔(L)의 진행 방향이 많이 꺾이고, 바이프리즘(130)의 굴절률이 클수록 라인빔(L)의 진행 방향이 많이 꺾인다. 따라서, 바이프리즘(130)은 제1,2 입사면(131, 132)의 기울기와 굴절률에 따라 라인빔 포커스 거리(line beam focus distance)와 양 사이드 라인빔이 겹치는 구간(overlap area)이 동일한 조건을 맞추기 위해 라인빔 모듈(120)과의 간격이 설정될 수 있다.
또한, 바이프리즘(130)이 라인빔 모듈(120)에 대해 멀게 배치되면 입사각이 큰 사이드 라인빔(L1)을 만들 수 있으며, 대신 바이프리즘(130)의 부피가 커지고 작동 거리(working distance)가 짧아진다. 반면, 바이프리즘(130)이 라인빔 모듈(120)에 대해 가깝게 배치되면 바이프리즘(130)의 부피가 작아지고 작동 거리가 길어지지만, 사이드 라인빔(L1)의 입사각을 크게 만들 수가 없다. 따라서, 바이프리즘(130)은 사용 환경에 따라 사이드 라인빔(L1)의 입사각과 작동 거리에 맞춰 설계될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110..장치 하우징 120..라인빔 모듈
130..바이프리즘 131..제1 입사면
132..제2 입사면 133..출사면
136..프리즘 구동기구 140..카메라
150..디스플레이 160..프로세서
170..배터리

Claims (4)

  1. 내부 공간을 갖고, 한쪽 부위에 광 출력구와 광 입력구가 형성된 장치 하우징;
    라인빔을 출력해서 상기 광 출력구를 통해 측정대상물 표면으로 조사하도록 상기 장치 하우징 내에 장착되는 라인빔 모듈;
    출사면에 대해 광축을 중심으로 서로 대칭되게 경사진 제1,2 입사면을 갖고 상기 광 출력구 내에 장착되며, 상기 라인빔 모듈로부터 발산되는 라인빔을 상기 제1,2 입사면으로 입사해서 굴절시켜 상기 출사면으로부터 출사함에 따라 사이드 라인빔들을 생성해서 측정대상물 표면으로 조사하는 바이프리즘(bi-prism); 및
    측정대상물 표면으로부터 반사되는 광을 상기 광 입력구를 통해 입력받도록 상기 장치 하우징 내에 장착되는 카메라;
    를 포함하는 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이프리즘은 프리즘 구동기구에 의해 광축을 중심으로 회전해서 정렬되는 것을 특징으로 하는 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이프리즘은 프리즘 구동기구에 의해 상기 출사면과 나란한 축을 중심으로 회전해서 정렬되는 것을 특징으로 하는 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이프리즘은 프리즘 구동기구에 의해 상기 라인빔 모듈과의 간격이 정렬되는 것을 특징으로 하는 라인빔을 이용한 형상 프로파일 측정장치.
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