KR101590814B1 - 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기 - Google Patents

미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 빛의 파면 왜곡을 측정하기 위한 파면측정기에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 측정 정밀도와 파면측정 범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있는 데 더하여, 미소렌즈 배열을 구성하는 미소렌즈의 개수에 의해 공간해상도가 결정됨으로 인해 기존의 레이저 간섭계에 비해 공간해상도가 매우 낮은 단점을 가지는 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 높일 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기가 제공된다.

Description

미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기{Method for arranging microlens array and device for measuring wavefront having improved performance by using thereof}
본 발명은 빛의 파면 왜곡을 측정하기 위한 파면측정기(wavefront measuring device)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 측정 정밀도와 측정범위의 상호 절충이 요구되는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능(spatial resolution)이 제한됨으로 인해 공간해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 높일 수 있도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기에 관한 것이다.
일반적으로, 파면측정기는, 빛의 파면 왜곡을 측정하는 장치로서 다양한 종류의 파면측정 센서(wavefront sensor) 및 파면측정 장치가 사용되고 있다.
그 중, 미소렌즈 배열(microlens array)을 이용한 파면측정기는, 비교적 넓은 파면 측정범위(dynamic range)로 인해 광학면의 형상 검사와 레이저 빔의 품질 검사 등에 많이 사용되고 있다.
즉, 일반적으로, 미소렌즈를 이용한 종래의 파면측정기는, 미소렌즈, CCD 또는 CMOS와 같은 이차원 영상센서 및 이차원 영상센서에 결상된 미소렌즈의 이미지들을 처리하고 파면을 재구성하기 위한 연산모듈을 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 미소렌즈 배열은, 일반적으로, 직교(orthogonal) 패턴, 원형 패턴 또는 육각(Hexagonal) 패턴의 형태로 이차원 영상센서의 앞에 위치하며, 측정구경(aperture)에 해당하는 크기로 왜곡된 파면(또는 빔)이 미소렌즈배열에 입사하면 각각의 미소렌즈들에 해당하는 점상들이 2차원 영상센서에 결상된다.
이와 같이 왜곡된 파면에 대한 미소렌즈 각각에 의해 만들어진 점상의 위치는 해당 미소렌즈의 광축으로부터, 즉, 왜곡되지 않은 평면 파면이 입사했을 때 미소렌즈에 의해 결상되는 점상의 위치를 기준으로 점상의 중심찾기 알고리즘을 적용하여 점상의 변위를 구하고, 미소렌즈 각각의 변위들과 미소렌즈의 초점거리를 이용하여 미소렌즈 각각에 입사된 파면의 기울기(local wavefront tilt)를 계산할 수 있으며, 최종적으로, 파면측정기의 연산모듈에서 구해진 국부 파면 기울기들을 통합하고 재구성함으로써 측정구경 전체에 입사된 파면의 정보를 얻을 수 있다.
그러나 미소렌즈를 사용한 종래기술의 파면측정기에 있어서, 동일한 화소수와 화소크기를 가지는 이차원의 영상센서를 가정하면, 파면측정기의 측정 정밀도는 미소렌즈의 초점거리 f에 비례하므로 파면측정기의 측정의 정밀도를 높이기 위해서는 긴 초점거리를 가지는 미소렌즈를 사용하는 것이 바람직하나, 긴 초점거리를 가지는 미소렌즈를 사용할 경우, 미소렌즈의 점상 이미지는 미소렌즈의 직경의 반을 넘어서 이웃한 미소렌즈의 결상 영역에 점상을 형성하게 되어 파면 측정이 실패하게 된다.
이러한 문제로 인해, 종래기술의 파면측정기들은 측정 정밀도와 파면측정 범위가 반비례하는 한계를 가지며, 즉, 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 반대로 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 장착하여 사용해야 한다.
또한, 종래기술의 파면측정기는, 공간 해상도 측면에 있어서, 이차원 영상센서의 화소수 만큼의 공간해상도를 가지는 기존의 레이저 간섭계와 달리, 공간 분해능(spatial resolution)이 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 제한되기 때문에 높은 공간 분해능을 얻기에 한계가 있고, 그로 인해 공간해상도가 매우 낮다는 단점도 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 측정 정밀도와 파면측정 범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있는 데 더하여, 미소렌즈 배열을 구성하는 미소렌즈의 개수에 의해 공간해상도가 결정됨으로 인해 기존의 레이저 간섭계에 비해 공간해상도가 매우 낮은 단점을 가지는 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위하여는, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없게 되는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 높일 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기를 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-0526433호 (2005.10.28.)
2. 일본공개특허공보 특개2006-343121호 (2006.12.21.)
3. 한국 등록특허공보 제10-0717528호 (2007.05.07.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0548656호 (2006.01.25.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 측정 정밀도와 측정범위의 상호 절충이 요구되는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능(spatial resolution)이 제한됨으로 인해 공간해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 함께 가지는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능(spatial resolution)이 제한됨으로 인해 공간 해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위한 미소렌즈 배열의 구성방법에 있어서, 미소렌즈 배열의 패턴을 결정하는 단계; 결정된 상기 패턴에 따라 복수의 미소렌즈를 미리 정해진 일정 간격으로 배열하여 패턴을 형성하는 단계; 및 측정 가능한 국부 파면 기울기가 최대가 되도록 각각의 미소렌즈들 사이의 간격을 조정하는 단계를 포함하여 구성됨으로써, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 높일 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소렌즈 배열의 구성방법이 제공된다.
여기서, 상기 미소렌즈 배열의 패턴을 결정하는 단계는, 요구되는 측정 정밀도와 측정 범위에 근거하여 상기 미소렌즈 배열의 패턴을 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미소렌즈 배열의 패턴은, 직교(orthogonal) 배열, 원형 배열, 나선 배열, 육각(hexagonal) 배열 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 미소렌즈들 사이의 간격을 조정하는 단계는, 이하의 수학식을 이용하여, 측정 가능한 국부 파면 기울기가 최대가 되도록 각각의 상기 미소렌즈들 사이의 간격을 조정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015116328225-pat00001
(여기서, θ는 국부 파면 기울기, d는 미소렌즈의 직경(diameter), f는 미소렌즈의 초점거리, l은 미소렌즈 사이의 간격을 각각 나타냄)
더욱이, 상기 방법은, 원하는 미소렌즈들에만 선택적으로 파면이 통과하도록 하기 위해 상기 미소렌즈 배열의 앞에 마스크 패턴을 장착하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능(spatial resolution)이 제한됨으로 인해 공간 해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위한 파면측정기에 있어서, 상기에 기재된 미소렌즈 배열의 구성방법을 이용하여, 복수의 미소렌즈가 미리 정해진 일정 간격으로 배치되어 이루어지는 미소렌즈 배열 모듈; 상기 미소렌즈 배열 모듈을 이송하기 위한 이송장치 모듈; 및 상기 미소렌즈 배열 모듈을 통하여 전달된 영상이 결상되는 2차원 영상센서를 포함하여 구성되며, 상기 미소렌즈 배열 모듈을 상기 이송장치 모듈 위에 장착하고, 측정 구경 전체에 대한 파면 측정을 위해 상기 측정 구경 범위 안에서 요구되는 공간 해상도에 맞추어 상기 이송장치 모듈의 이송간격(스탭)을 조절한 후 스캔하는 것에 의해 입사된 파면 정보를 구할 수 있도록 구성됨으로써, 측정범위를 증가시키는 동시에 공간 해상도를 높일 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 파면측정기가 제공된다.
여기서, 상기 이송장치 모듈은, 3축(X, Y, Z) 또는 다축 이송이 가능한 이송장치를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 파면측정기는, 3축 이송이 가능한 이송장치 사용시, 측정 파면과 나란한 X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 스캔이 이루어지고, Z축 방향은 상기 미소렌즈의 초점길이 조절을 위해 선택적으로 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 이송장치 모듈은, 선형(raster), 원형(circular), 나선형(spiral), 또는, 측정 구경의 형태에 따라 임의의 방향에 대하여 상기 미소렌즈 배열 모듈을 이송 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기가 제공됨으로써, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 함께 가지는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기가 제공됨으로써, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 측정 정밀도와 측정범위의 상호 절충이 요구되는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능이 제한됨으로 인해 공간해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 파면측정기의 성능 절충(trade-off)을 설명하기 위해 미소렌즈의 초점거리, 점상의 변위 및 국부 파면 기울기의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법을 설명하기 위해 동일한 초점길이를 가지는 미소렌즈 배열의 파면 측정범위 확장을 위하여 미소렌즈 간격을 조정하는 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 이송장치 위에 미소렌즈 배열 모듈을 장착한 파면측정기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 측정 정밀도와 측정범위의 상호 절충이 요구되는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능(spatial resolution)이 제한됨으로 인해 공간해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 함께 가지는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 파면측정기의 성능 절충(trade-off)을 설명하기 위해 단일의 미소렌즈에서 초점거리, 점상의 변위 및 국부 파면 기울기의 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 1에 있어서, θ는 국부 파면 기울기, OPD는 광경로차(Optical Path Difference), d는 미소렌즈의 직경(diameter), f는 미소렌즈의 초점거리, δ는 국부 파면 기울기(θ)에 비례하는 점상의 변위를 각각 나타낸다.
더 상세하게는, 일반적으로, 미소렌즈를 이용한 종래의 파면측정기는, 미소렌즈, CCD 또는 CMOS와 같은 이차원 영상센서 및 이차원 영상센서에 결상된 미소렌즈의 이미지들을 처리하고 파면을 재구성하기 위한 연산모듈을 포함하여 구성되며, 미소렌즈 배열은 바둑판 패턴, 원형 패턴 또는 육각(Hexagonal) 패턴의 형태로 이차원 영상센서의 앞에 위치하고, 측정구경(aperture)에 해당하는 크기로 왜곡된 파면(또는 빔)이 미소렌즈 배열에 입사하면 각각의 미소렌즈들에 해당하는 점상들이 2차원 영상센서에 결상된다.
또한, 이와 같이 왜곡된 파면에 대한 미소렌즈 각각에 의해 만들어진 점상의 위치는 해당 미소렌즈의 광축으로부터, 즉, 왜곡되지 않은 평면 파면이 입사했을 때 미소렌즈에 의해 결상되는 점상의 위치를 기준으로 점상의 중심찾기 알고리즘을 적용하여 점상의 변위를 구하고, 미소렌즈 각각의 변위들과 미소렌즈의 초점거리를 이용하여 미소렌즈 각각에 입사된 파면의 기울기(local wavefront tilt)를 계산할 수 있으며, 최종적으로, 파면측정기의 연산모듈에서 구해진 국부 파면 기울기들을 통합하고 재구성함으로써 측정구경 전체에 입사된 파면의 정보를 얻을 수 있다.
즉, 도 1을 참조하면, 국부 파면 기울기 θ는, 이하의 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이, 미소렌즈의 초점거리 f와 기울기 θ로 입사한 파면에 의해 결상된 점상의 변위(spot shift) δ를 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015116328225-pat00002
또한, 미소렌즈가 측정할 수 있는 파면의 경로차(OPD)는, 이하의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같이, 미소렌즈의 직경 d와 상기한 [수학식 1]에 의해 계산된 국부 파면 기울기 θ의 곱으로 구해질 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015116328225-pat00003
따라서 상기한 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같은 방식으로 미소렌즈 각각에 대해 국부 파면 기울기를 계산함으로써, 전체 측정 구경에 대한 파면정보를 얻을 수 있다.
여기서, 미소렌즈를 사용한 파면측정기에 있어서, 동일한 화소수와 화소크기를 가지는 이차원 영상센서를 가정하면, 파면측정기의 측정 정밀도는 미소렌즈의 초점거리 f에 비례한다.
이에, 파면측정기의 측정 정밀도를 높이기 위해서는 긴 초점거리를 가지는 미소렌즈를 사용해야 하나, 긴 초점거리를 가지는 미소렌즈를 사용할 경우, 미소렌즈의 점상 이미지는 미소렌즈의 직경의 반, 즉 d/2를 넘어 이웃한 미소렌즈의 결상 영역에서 점상을 형성하게 되므로 파면 측정이 실패하게 된다.
따라서 미소렌즈를 파면측정기로 이용하는 종래기술의 방법들은, 상기한 [수학식 1]에 의해 측정 정밀도와 파면측정 범위가 반비례하는 관계를 따라야만 한다는 한계를 가지게 된다.
즉, 종래기술의 파면측정기는, 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 장착하여 사용해야 한다.
또한, 종래기술의 파면측정기는, 이차원 영상센서로 사용된 미소렌즈 배열을 구성하는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 해상도가 결정됨으로 인해, 파면측정기의 공간해상도 측면에서 이차원 영상센서의 화소수 만큼의 공간해상도를 가지는 기존의 레이저 간섭계에 비하여 상대적으로 공간해상도가 매우 낮다는 단점도 있었다.
이에, 본 발명은, 상기한 바와 같은 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위해, 후술하는 바와 같이, 이차원 영상센서 앞에 장착되는 미소렌즈 배열의 패턴 조정과 미소렌즈 배열 모듈을 이송할 수 있는 정밀한 이송장치를 구비하여, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 모두 확보하는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기를 제시하였다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법을 설명하기 위해 동일한 초점길이를 가지는 미소렌즈 배열의 파면 측정범위 확장을 위하여 미소렌즈 간격을 조정하는 구성예를 나타내는 도면이다.
여기서, 도 2에 있어서, 도 2a는 미소렌즈 사이의 간격이 미소렌즈의 직경과 동일한 간격 d를 가지는 11×11 직교 미소렌즈 배열을 나타내고, 도 2b는 미소렌즈 사이의 간격이 본 발명에 따라 간격 l을 가지는 3×3 직교 미소렌즈 배열을 나타내고 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 미소렌즈 배열의 구성방법에 따른 미소렌즈 배열패턴은, 궁극적으로 측정센서의 높은 측정 정밀도와 측정범위를 동시에 만족시킬 수 있도록 하기 위한 측정범위와 측정 정밀도를 설정하는 것에 의해 결정될 수 있다.
즉, 상기한 바와 같이, 긴 초점거리를 가지는 미소렌즈배열을 사용하는 경우, 측정될 파면의 왜곡이 크게 되면 각각의 미소렌즈가 만들어 내는 점상은 이웃한 미소렌즈의 영상영역에서 결상을 이루게 되므로, 이를 방지하기 위해, 본 발명의 미소렌즈 배열의 구성방법에 따른 미소렌즈 배열 패턴은, 이하의 [수학식 3]과 같이, 측정 가능한 국부 파면 기울기가 최대가 되도록 미소렌즈 사이의 간격을 조정한다.
[수학식 3]
Figure 112015116328225-pat00004
여기서, 상기한 [수학식 3]에 있어서, l은 미소렌즈 사이의 간격을 의미한다.
또한, [수학식 3]에 있어서, 미소렌즈의 직경 d는 미소렌즈 사이의 간격 l 이하가 되어야 하며(d ≤ l), 이러한 미소렌즈의 간격 조정은, 도 2에 나타낸 직교 배열뿐만 아니라, 원형배열, 나선배열, 육각(hexagonal) 배열 등의 다른 형태의 배열에서도 동일하게 적용될 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 미소렌즈 배열에서 미소렌즈 사이의 간격을 조정하는 과정은 미소렌즈 배열의 제작시에 적용될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 기존의 미소렌즈 배열을 사용하는 경우, 미소렌즈 배열 앞에 해당 미소렌즈들에만 측정 파면이 통과할 수 있도록 제조된 마스크 패턴을 이용하는 것에 의해 종래의 미소렌즈 배열에도 용이하게 적용 가능하다.
여기서, 상기한 바와 같이 하여 미소렌즈 사이의 간격을 넓게 조정함으로써 파면측정기의 파면 측정범위는 증가되나, 측정구경 전체에 대한 공간 해상도는 떨어지게 된다.
이에, 본 발명은, 이를 해결하기 위한 수단으로서, 정밀한 이송장치 위에 미소렌즈 배열 모듈을 장착하고, 측정구경 전체에 대한 파면 측정을 위해 미소렌즈 배열을 측정구경 범위 안에서 요구되는 공간 해상도에 맞추어 이송장치의 이송간격(스탭)을 조절한 후, 스캔하도록 구성될 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 이송장치 위에 미소렌즈 배열 모듈을 장착한 파면측정기(30)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 이송장치의 이송간격은 요구되는 공간 해상도보다 현저히 작으며, 즉, 일반적으로 사용되는 미소렌즈의 직경이 수백 ㎛에서 수 ㎜의 크기를 가지는 것과 비교하면, 상용화된 이송장치의 경우에도 1㎛ 이상의 이송 정밀도를 가지므로, 측정 공간해상도는 현저히 향상된다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 파면측정기(30)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 미소렌즈가 일정 간격으로 배치되어 이루어지는 미소렌즈 배열 모듈(31)과, 미소렌즈 배열 모듈(31)을 이송하기 위한 이송장치 모듈(32) 및 미소렌즈 배열 모듈(31)을 통하여 전달된 영상이 결상되는 2차원 영상센서(33)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기한 미소렌즈 배열 모듈(31)은, 도 2 및 [수학식 3]을 참조하여 상기한 바와 같이 하여 구성될 수 있으며, 이송장치 모듈(32)은, 예를 들면, 3축(X, Y, Z) 또는 다축 이송이 가능한 이송장치를 이용하여 구성될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 파면측정기(30)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기한 본 발명의 실시예에 따라 미소렌즈 사이의 간격이 조정된 미소렌즈 배열 모듈(31)을 이송장치 모듈(32) 위에 장착하고, 측정 구경 전체에 대한 파면 측정을 위해 측정 구경 범위 안에서 요구되는 공간 해상도에 맞추어 이송장치 모듈(32)의 이송간격(스탭)을 조절한 후 스캔함으로써, 측정범위를 증가시키는 동시에 공간 해상도도 높일 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 공간 해상도를 높이기 위한 미소렌즈 배열 모듈(31)의 이송은, 선형(raster), 원형(circular), 나선형(spiral), 또는, 측정 구경의 형태에 따라 임의의 방향에 대하여 이송 가능하다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 파면측정기(30)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 기본적으로 측정 파면과 나란한 방향인 X 방향과 Y 방향에 대하여 스캔이 이루어지며, Z 방향은 미소렌즈의 초점길이 조절을 위해 선택적으로 사용되도록 구성될 수 있다.
따라서 도 3에 나타낸 바와 같이, 이송장치 모듈(32) 위에 장착된 미소렌즈 배열 모듈(31)을 측정구경에 대하여 스캔함으로써, 입사된 파면 정보를 구할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용한 파면측정기는, 상기한 [수학식 3]과 같이 하여 측정 가능한 국부 파면 기울기가 최대가 되도록 미소렌즈 사이의 간격을 조정하고, 이송장치를 이용하여 미소렌즈 배열을 스캔하도록 구성됨으로써, 기존의 미소렌즈 배열을 이용한 파면측정기에 대하여도 측정 구경의 공간해상도 향상을 위해 미소렌즈 배열 패턴을 조정할 필요 없이 이송장치 모듈을 장착하는 간단한 구성만으로 넓은 측정범위를 확보하는 동시에 공간 해상도를 크게 높일 수 있는 현저한 장점을 가진다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기가 제공됨으로써, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 함께 가지는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기가 제공됨으로써, 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 측정 정밀도와 측정범위의 상호 절충이 요구되는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능이 제한됨으로 인해 공간해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 미소렌즈 배열의 구성방법 및 이를 이용하여 성능이 향상된 파면측정기의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
30. 파면측정기 31. 미소렌즈 배열 모듈
32. 이송장치 모듈 33. 2차원 영상센서

Claims (9)

  1. 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능(spatial resolution)이 제한됨으로 인해 공간 해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위한 미소렌즈 배열의 구성방법에 있어서,
    미소렌즈 배열의 패턴을 결정하는 단계;
    결정된 상기 패턴에 따라 복수의 미소렌즈를 미리 정해진 일정 간격으로 배열하여 패턴을 형성하는 단계; 및
    측정 가능한 국부 파면 기울기가 최대가 되도록 각각의 미소렌즈들 사이의 간격을 조정하는 단계를 포함하여 구성됨으로써,
    높은 측정 정밀도와 넓은 측정범위를 동시에 확보하여 측정 정밀도와 측정범위 사이의 반비례 관계에서 발생하는 상호 절충에 대한 고려가 필요 없도록 구성되는 동시에, 파면측정기의 공간해상도를 높일 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소렌즈 배열의 구성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미소렌즈 배열의 패턴을 결정하는 단계는,
    요구되는 측정 정밀도와 측정 범위에 근거하여 상기 미소렌즈 배열의 패턴을 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소렌즈 배열의 구성방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 미소렌즈 배열의 패턴은,
    직교(orthogonal) 배열, 원형 배열, 나선 배열, 육각(hexagonal) 배열 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 미소렌즈 배열의 구성방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 미소렌즈들 사이의 간격을 조정하는 단계는,
    이하의 수학식을 이용하여, 측정 가능한 국부 파면 기울기가 최대가 되도록 각각의 상기 미소렌즈들 사이의 간격을 조정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미소렌즈 배열의 구성방법.

    Figure 112015116328225-pat00005


    (여기서, θ는 국부 파면 기울기, d는 미소렌즈의 직경(diameter), f는 미소렌즈의 초점거리, l은 미소렌즈 사이의 간격을 각각 나타냄)
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 방법은,
    원하는 미소렌즈들에만 선택적으로 파면이 통과하도록 하기 위해 상기 미소렌즈 배열의 앞에 마스크 패턴을 장착하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미소렌즈 배열의 구성방법.
  6. 측정 정밀도와 파면 측정범위가 반비례함으로 인해 넓은 파면 측정범위가 요구되는 경우에는 측정 정밀도의 손실을 감수하면서 짧은 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하고, 높은 측정 정밀도가 요구되는 경우에는 파면 측정범위가 좁아지는 긴 초점거리의 미소렌즈를 사용해야 하는 한계가 있는 데 더하여, 사용되는 미소렌즈의 개수에 의해 공간 분해능(spatial resolution)이 제한됨으로 인해 공간 해상도가 낮아지게 되는 단점이 있었던 종래기술의 파면측정기들의 문제점을 해결하기 위한 파면측정기에 있어서,
    청구항 1항 내지 청구항 5항 중 어느 한 항에 기재된 미소렌즈 배열의 구성방법을 이용하여, 복수의 미소렌즈가 미리 정해진 일정 간격으로 배치되어 이루어지는 미소렌즈 배열 모듈;
    상기 미소렌즈 배열 모듈을 이송하기 위한 이송장치 모듈; 및
    상기 미소렌즈 배열 모듈을 통하여 전달된 영상이 결상되는 2차원 영상센서를 포함하여 구성되며,
    상기 미소렌즈 배열 모듈을 상기 이송장치 모듈 위에 장착하고, 측정 구경 전체에 대한 파면 측정을 위해 상기 측정 구경 범위 안에서 요구되는 공간 해상도에 맞추어 상기 이송장치 모듈의 이송간격(스탭)을 조절한 후 스캔하는 것에 의해 입사된 파면 정보를 구할 수 있도록 구성됨으로써, 측정범위를 증가시키는 동시에 공간 해상도를 높일 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 파면측정기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 이송장치 모듈은,
    3축(X, Y, Z) 또는 다축 이송이 가능한 이송장치를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파면측정기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 파면측정기는,
    3축 이송이 가능한 이송장치 사용시, 측정 파면과 나란한 X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 스캔이 이루어지고,
    Z축 방향은 상기 미소렌즈의 초점길이 조절을 위해 선택적으로 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 파면측정기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 이송장치 모듈은,
    선형(raster), 원형(circular), 나선형(spiral), 또는, 측정 구경의 형태에 따라 임의의 방향에 대하여 상기 미소렌즈 배열 모듈을 이송 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 파면측정기.
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