KR20240065493A - 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치 - Google Patents

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KR20240065493A
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옥경식
박기재
임정호
최정희
조정석
윤대용
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Abstract

본 발명은 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초점심도의 길이를 조절하여 검사하는 물체의 단차에 관계없이 일정한 스캔이 가능하도록 하는 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 물체의 검사가 고속으로 이루어지며, 장치의 부피를 최소화할 수 있다.

Description

형광 영상을 이용한 물체 검사 장치{Object inspection apparatus using fluorescence image}
본 발명은 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초점심도의 길이를 조절하여 검사하는 물체의 단차에 관계없이 일정한 스캔이 가능하도록 하는 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치에 관한 것이다.
물체를 비파괴적인 방법으로 검사하기 위해서는 대체로 영상을 이용한 방법이 이용된다. 하지만, 기존 영상 카메라 방식으로는 물체에 포함된 이물질을 검출하기 쉽지 않아, 반사 형광과 같은 분광 정보를 기반으로 한 영상 검사가 요구된다.
이에 종래에는 검사 속도나 경제적인 면에서 효율적인 공초점 현미경(Confocal microscopy)과 마이크로어레이 스캐너(Microarray scanner)가 사용되었다. 그러나, 공초점 현미경과 마이크로어레이 스캐너는 초점이 일정하여 검사하는 물체에 단차가 있거나 초점이 달라지면 결상이 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 초점심도의 길이를 조절하여 검사하는 물체의 단차에 관계없이 일정한 스캔이 가능하면서, 물체의 검사가 고속으로 이루어질 수 있도록 하는 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하면서, 장치의 부피를 최소화할 수 있는 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 빛을 조사하는 광원, 제1 액시콘 및 제2 액시콘을 포함하며, 광원에서 조사된 빛을 이용하여 링빔을 형성하는 링빔 형성부, 링빔 형성부에서 형성된 링빔의 진행 방향을 시료 방향으로 바꾸는 광편향기, 광편향기에서 진행 방향이 바뀐 링빔을 시료로 집광시키는 대물렌즈 및 링빔이 시료로 집광되어 발생하는 형광을 검출하는 검출부를 포함하고, 제1 액시콘은 평면 형상의 입사면 및 입사면을 향해 원추 모양으로 함몰된 출사면을 가지는 오목액시콘이고, 제2 액시콘은 제1 액시콘을 향해 원추 모양으로 돌출된 입사면 및 평면 형상의 출사면을 가지는 볼록액시콘이며, 광원에서 조사된 빛은 제1 액시콘의 입사면으로 입사되어 제1 액시콘의 출사면으로 출사되고, 제1 액시콘에서 출사된 빛은 제2 액시콘의 입사면으로 입사되어 제2 액시콘의 출사면으로 출사되는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는, 링빔 형성부는 구동부를 더 포함하고, 구동부는 제2 액시콘을 광원에서 조사된 빛의 이동방향과 동일한 축 방향으로 이동시키며, 광원에서 조사된 빛의 크기를 확대하는 빔 익스팬더를 더 포함하고, 빔 익스팬더는 빛의 크기를 조절하는 가변형 빔 익스팬더이며, 광편향기는 회전이 가능한 폴리곤 미러를 포함하고, 폴리곤 미러가 회전함에 따라 링빔의 진행 방향을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 초점심도의 길이를 조절하여 검사하는 물체의 단차에 관계없이 일정하게 스캔을 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 물체의 검사가 고속으로 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 장치의 부피를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 액시콘과 제2 액시콘의 간격에 따른 초점심도를 비교하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 종래의 링빔 형성부와 본 발명의 실시예에 따른 링빔 형성부를 비교하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 광편향기의 회전에 따른 초점의 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한, "제1(first)", "제2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 빛을 조사하는 광원(100), 광원(100)에서 조사된 빛의 크기를 확대하는 빔 익스팬더(200), 빔 익스팬더(200)에서 나온 빛을 이용하여 링빔을 형성하는 링빔 형성부(300), 링빔 형성부(300)에서 형성된 링빔의 진행 방향을 시료(1) 방향으로 바꾸는 광편향기(500), 광편향기(500)에서 진행 방향이 바뀐 링빔을 시료(1)로 집광시키는 대물렌즈(600) 및 링빔이 시료(1)로 집광되어 발생하는 형광을 검출하는 검출부(800)를 포함할 수 있다.
광원(100)은 레이저(LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)를 조사할 수 있다.
빔 익스팬더(200)는 빛의 크기를 확대하는 과정에서 빛의 크기를 조절할 수 있는 가변형 빔 익스팬더일 수 있다.
링빔 형성부(300)는 제1 액시콘(310), 제2 액시콘(320) 및 구동부(330)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 액시콘(310)은 평면 형상의 입사면 및 입사면을 향해 원추 모양으로 함몰된 출사면을 가지는 오목액시콘일 수 있다.
또한, 제2 액시콘(320)은 제1 액시콘(310)을 향해 원추 모양으로 돌출된 입사면 및 평면 형상의 출사면을 가지는 볼록액시콘일 수 있다. 이때, 제1 액시콘(310)의 출사면과 광원(100)에서 조사된 빛의 이동방향과 동일한 축(이하, 광축이라 한다.)이 이루는 예각은 제2 액시콘(320)의 입사면과 광축이 이루는 예각과 같을 수 있다.
또한, 구동부(330)는 제2 액시콘(320)을 이동시킬 수 있다. 이때, 제2 액시콘(320)의 이동방향은 광축 방향이다.
광편향기(500)는 회전이 가능한 폴리곤 미러를 포함할 수 있다. 이때, 폴리곤 미러는 회전을 통해 링빔의 진행 방향을 제어할 수 있다.
검출부(800)는 형광을 수집하는 수집렌즈와 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 링빔 형성부(300)와 광편향기(500) 사이에 배치되는 다이크로익 미러(400), 다이크로익 미러(400)와 검출부(800) 사이에 배치되는 밴드패스필터(700) 및 대물렌즈(600) 하부에 배치되는 컨베이어(900)를 더 포함할 수 있다.
컨베이어(900)는 시료(1)를 지면과 수평한 방향으로 이동시킬 수 있다.
다음으로, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 빛의 진행 방향에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치에서, 광원(100)에서 조사된 빛은 빔 익스팬더(200)에서 크기가 조절된다. 이때, 조절되는 빛의 직경에 따라 링빔 형성부(300)에서 형성되는 링빔의 외경과 내경의 차이가 결정된다. 예를 들어, 빛의 직경이 커지면, 링빔의 외경과 내경의 차이가 커져 두꺼운 형태의 링빔이 형성되고, 빛의 직경이 작아지면, 링빔의 외경과 내경의 차이가 작아져 얇은 형태의 링빔의 형성된다.
빔 익스팬더(200)에서 크기가 조절된 빛은 링빔 형성부(300)의 제1 액시콘(310)의 입사면으로 입사되어 제1 액시콘(310)의 출사면으로 출사된다.
제1 액시콘(310)에서 출사된 빛은 제2 액시콘(320)의 입사면으로 입사되어 제2 액시콘(320)의 출사면으로 출사된다.
이때, 제1 액시콘(310) 및 제2 액시콘(320)은 입사되는 빛을 이용하여 링빔을 형성한다.
링빔 형성부(300)에서 형성된 링빔은 다이크로익 미러(400)를 통과하고, 광편향기(500)에서 반사되어 시료(1) 방향으로 진행 방향이 바뀐다.
광편향기(500)에서 반사된 링빔은 대물렌즈(600)를 통과하면서 시료(1)에 집광된다. 이때, 시료(1)에서 형광이 발생하여 대물렌즈(600)를 통과하게 된다.
대물렌즈(600)를 통과한 형광은 광편향기(500)에서 반사되어 다이크로익 미러(400) 방향으로 진행 방향이 바뀐다.
광편향기(500)에서 반사된 형광은 다이크로익 미러(400)에서 반사되어 검출부(800) 방향으로 진행 방향이 바뀌어 밴드패스필터(700)를 통과한다. 이때, 밴드패스필터(700)는 검출부(800) 방향으로 반사된 형광은 통과시키고, 시료(1)에서 반사되어 나오는 링빔을 제거하여, 순수한 형광만을 검출부(800) 방향으로 통과시킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 액시콘과 제2 액시콘의 간격에 따른 초점심도를 비교하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 링빔 형성부(300)는 구동부(330)의 이동에 의해 제1 액시콘(310)과 제2 액시콘(320)의 간격이 조절된다. 이때, 구동부(330)는 제2 액시콘(320)에 연결되며, 보이스코일 모터(Voice coil motor) 및 리니어 모터 스테이지(Linear motor stage) 중 하나를 포함할 수 있다.
제1 액시콘(310)과 제2 액시콘(320)의 간격에 따라, 형성되는 링빔의 직경이 결정되고, 링빔의 직경에 따라 초점심도(DOF, Depth of Focus)의 길이가 결정된다.
본 발명의 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 초점심도의 길이를 조절함으로써, 시료(1)의 단차에 관계없이 일정한 스캔이 가능하다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 검사 장치에서, 링빔 형성부(300)에 입사되는 빛의 직경이 10 mm이고, 제1 액시콘(310)과 제2 액시콘(320)의 간격이 20 mm일때의 초점심도를 나타낸다.
도 2의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 검사 장치에서, 링빔 형성부(300)에 입사되는 빛의 직경이 10 mm이고, 제1 액시콘(310)과 제2 액시콘(320)의 간격이 40 mm일때의 초점심도를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 종래의 링빔 형성부와 본 발명의 일 실시예에 따른 링빔 형성부를 비교하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 링빔 형성부(300)의 제1 액시콘(310)과 제2 액시콘(320)를 각각 오목액시콘과 볼록액시콘으로 구성함으로써, 제1 액시콘(310) 및 제2 액시콘(320)을 포함하는 광학계의 부피를 최소화 할 수 있다.
도 3의 (a)는 제1 액시콘과 제2 액시콘이 각각 볼록액시콘으로 마련된 종래의 링빔 형성부를 나타낸다. (a)의 제1 액시콘의 직경은 50 mm이고 제2 액시콘의 직경은 100 mm이다. 또한, 제1 액시콘의 출사면과 광축이 이루는 예각은 55°이고, 제2 액시콘의 입사면과 광축이 이루는 예각은 55°로 동일하다.
이때, 직경 20 mm의 직경을 가진 빛이 입사될 때, 외경 60 mm, 내경 50 mm인 링빔을 형성하기 위한 제1 액시콘 및 제2 액시콘을 포함하는 광학계 길이는 146 mm이다.
도 3의 (b)는 제1 액시콘과 제2 액시콘이 각각 오목액시콘과 볼록액시콘으로 마련된 본 발명의 일 실시예에 따른 링빔 형성부를 나타낸다. (b)의 제1 액시콘의 직경은 100 mm이고 제2 액시콘의 직경은 100 mm이다. 또한, 제1 액시콘의 출사면과 광축이 이루는 예각은 55°이고, 제2 액시콘의 입사면과 광축이 이루는 예각은 55°로 동일하다.
이때, 직경 20 mm의 직경을 가진 빛이 입사될 때, 외경 60 mm, 내경 50 mm인 링빔을 형성하기 위한 제1 액시콘 및 제2 액시콘을 포함하는 광학계 길이는 107 mm이다.
도 4의 (a)는 제1 액시콘과 제2 액시콘이 각각 볼록액시콘으로 마련된 종래의 링빔 형성부를 나타낸다. (a)의 제1 액시콘의 직경은 50 mm이고 제2 액시콘의 직경은 100 mm이다. 또한, 제1 액시콘의 출사면과 광축이 이루는 예각은 55°이고, 제2 액시콘의 입사면과 광축이 이루는 예각은 55°로 동일하다.
이때, 직경 20 mm의 직경을 가진 빛이 입사될 때, 외경 100 mm, 내경 90 mm인 링빔을 형성하기 위한 제1 액시콘 및 제2 액시콘을 포함하는 광학계 길이는 173 mm이다.
도 4의 (b)는 제1 액시콘과 제2 액시콘이 각각 오목액시콘과 볼록액시콘으로 마련된 본 발명의 일 실시예에 따른 링빔 형성부를 나타낸다. (b)의 제1 액시콘의 직경은 100 mm이고 제2 액시콘의 직경은 100 mm이다. 또한, 제1 액시콘의 출사면과 광축이 이루는 예각은 55°이고, 제2 액시콘의 입사면과 광축이 이루는 예각은 55°로 동일하다.
이때, 직경 20 mm의 직경을 가진 빛이 입사될 때, 외경 100 mm, 내경 90 mm인 링빔을 형성하기 위한 제1 액시콘 및 제2 액시콘을 포함하는 광학계 길이는 134 mm이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 링빔 형성부(300)에서, 제1 액시콘(310)의 출사면과 광축이 이루는 예각 및 제2 액시콘(320)의 입사면과 광축이 이루는 예각이 커질수록 링빔의 크기가 줄어들게 된다.
도 5 내지 도 7은 광편향기의 회전에 따른 초점의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광편향기(500)는 회전이 가능한 폴리곤 미러를 포함할 수 있다. 이때, 폴리곤 미러의 회전에 의해 초점은 지면과 수평한 평면상에서 컨베이어(900)의 이동 방향과 수직인 방향으로 움직일 수 있다.
폴리곤 미러가 고속으로 회전함에 따라, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치는 초점을 고속으로 이동시킬 수 있고, 시료(1) 위에서 초점을 고속으로 이동시켜 라인빔 형태의 스캔이 고속으로 이루어질 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상의 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
1: 시료
100: 광원
200: 빔 익스팬더
300: 링빔 형성부
310: 제1 액시콘
320: 제2 액시콘
330: 구동부
400: 다이크로익 미러
500: 광편향기
600: 대물렌즈
700: 밴드패스필터
800: 검출부
900: 컨베이어

Claims (11)

  1. 빛을 조사하는 광원;
    제1 액시콘 및 제2 액시콘을 포함하며, 광원에서 조사된 빛을 이용하여 링빔을 형성하는 링빔 형성부;
    링빔 형성부에서 형성된 링빔의 진행 방향을 시료 방향으로 바꾸는 광편향기;
    광편향기에서 진행 방향이 바뀐 링빔을 시료로 집광시키는 대물렌즈; 및
    링빔이 시료로 집광되어 발생하는 형광을 검출하는 검출부;를 포함하고,
    제1 액시콘은 평면 형상의 입사면 및 입사면을 향해 원추 모양으로 함몰된 출사면을 가지는 오목액시콘이고,
    제2 액시콘은 제1 액시콘을 향해 원추 모양으로 돌출된 입사면 및 평면 형상의 출사면을 가지는 볼록액시콘이며,
    광원에서 조사된 빛은 제1 액시콘의 입사면으로 입사되어 제1 액시콘의 출사면으로 출사되고,
    제1 액시콘에서 출사된 빛은 제2 액시콘의 입사면으로 입사되어 제2 액시콘의 출사면으로 출사되는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    링빔 형성부는 구동부를 더 포함하고,
    구동부는 제2 액시콘을 광원에서 조사된 빛의 이동방향과 동일한 축 방향으로 이동시키는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    광원에서 조사된 빛의 크기를 확대하는 빔 익스팬더를 더 포함하는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    빔 익스팬더는, 빛의 크기를 조절하는 가변형 빔 익스팬더인, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    광편향기는 회전이 가능한 폴리곤 미러를 포함하며,
    폴리곤 미러가 회전함에 따라 링빔의 진행 방향을 제어하는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    링빔 형성부와 광편향기 사이에 배치되고,
    링빔 형성부에서 형성된 링빔을 광편향기 방향으로 투과시키며,
    시료에서 발생한 형광을 검출부 방향으로 반사시키는 다이크로익 미러를 포함하는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    다이크로익 미러와 검출부 사이에 배치되고,
    검출부로 향하는 형광은 통과시키며,
    시료에서 반사되는 링빔은 제거하는 밴드패스필터를 포함하는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    검출부는 형광을 수집하는 수집렌즈와 검출기를 포함하는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    제1 액시콘의 출사면과 광원에서 조사된 빛의 이동방향과 동일한 축이 이루는 예각인 각도는 제2 액시콘의 입사면과 광원에서 조사된 빛의 이동방향과 동일한 축이 이루는 예각인 각도와 같은, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    대물렌즈의 하부에 배치되며,
    시료를 수평방향으로 이동시키는 컨베이어를 포함하는, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    폴리곤 미러는 시료 위에서 초점을 이동시킬 수 있고,
    초점의 이동 방향은 지면과 수평한 평면상에서 컨베이어의 이동 방향과 수직인, 형광 영상을 이용한 물체 검사 장치.
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