KR101794641B1

KR101794641B1 - 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템

Info

Publication number: KR101794641B1
Application number: KR1020170099745A
Authority: KR
Inventors: 박진준
Original assignee: 주식회사 엘퓨젼옵틱스
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2017-11-07

Abstract

본 발명은 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 분산 프리즘(dispersion prism) 혹은 회절 격자를 이용하여 백색 빔을 각 파장의 빛으로 분산시켜 측정물에 투사하고, 측정물에 투사된 분산된 빛의 위치 정보를 감지하여 높이 및 형상을 측정할 수 있도록 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 분산 프리즘이나 회절 격자를 이용하여 조명 빔을 파장별로 분리시켜 측정 시료에 조사하고 분광된 빛을 미러부를 이용하여 CCD카메라부(line CCD 카메라)에 결상시켜 물체의 높이 및 형상의 위치 정보를 색 정보로 통하여 측정할 수 있는 광학식 비접촉 삼차원 형상 측정 시스템을 제공하게 된다.

Description

파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템{A slope spectrum system for measuring height of object by using wavelength division}

본 발명은 색수차(파장 분리)를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 분산 프리즘(dispersion prism) 혹은 회절 격자를 이용하여 백색 빔을 각 파장의 빛으로 분산시켜 측정물에 일정 경사도를 갖도록 투사하고, 측정물에서 정반사되어 분산된 빛의 위치 정보를 감지하여 높이 및 형상을 측정할 수 있도록 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템에 관한 것이다.

각 산업분야의 기술 첨단화에 따라 반도체, MEMS, 평판 디스플레이, 광부품의 크기는 초소형화, 고집적화 되고 있고, 이러한 추세에 대응할 수 있는 다양한 측정 및 검사 장비의 필요성이 절실하다.

이러한 측정 및 검사장비는 현재 업계에서 보편화 되어 있으며, 다양한 측정방법을 적용하여 부품의 형상을 관찰하고, 불량을 선별하는 과정은 필수적인 사항이다.

또한, 가공의 형상도 단순한 2차원 패턴에서 복잡한 3차원 형상으로 급속히 변화되어가고 있으며, 이에 따라 3차원 미세 형상 측정 기술이 중요한 기술로 꾸준히 개발되고 있다.

물체의 3차원 형상을 측정하는 기술로는 3차원 좌표측정(Coordinate measurement)법이 가장 많이 사용되는 기술이고, 이는 임의의 형상을 갖는 물체를 접촉식 또는 비접촉식 프로브를 장착하여, 측정대상 물체의 표면에서 점군을 획득하는 방식이다.

접촉식의 경우, 3차원 측정기를 사용하게 되는데 이 경우, 접촉팁에 대한 보상이 정확하게 이루어지지 않기 때문에, 정밀도를 감소시키는 큰 요인이 되고 있다.

또한, 비 접촉식 3차원 형상 측정방법이 활발히 연구가 되고 있고, 광학식 3차원 형상측정 방식은 접촉식 측정의 단점을 해결할 뿐만 아니라, 고속 고정밀도의 측정이 가능하다.

광학식 3차원 형상 측정으로 사용되는 방법으로는 광삼각법(optical triangulation method), 스테레오비젼(Stereo vision)법, 모아레(Moire)법, 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)법, 백색광 주사 간섭계(WSI)법, 공초점 현미경(confocal microscope)법 등이 있다.

광 삼각법은 물체 상에 측정점을 형성하는 광원과 그 점을 인식하는 센서의 기하학적인 관계를 이용하는 것이다.

일반적으로 초정밀에서 요구되는 형상측정의 분해능은 1nm의 수준이고, 불확도는 10-100nm의 수준이고, 최근에는 특히 가공물의 크기가 증대됨에 따라 10^-6이하의 상대 불확도가 절실히 요구되고 있다.

이러한 초정밀 형상측정을 위해 광학식 광 위상 간섭법이 많이 사용되고 있다. 광학식 광위상 간섭법은 빛의 가간섭성을 이용하여 제품 표면에서 반사 또는 투과되는 빛의 파면 수차로 3차원 형상을 측정할 수 있는 방법이다.

파면 수차를 이용한 측정방법인 광학식 광위상 간섭법은 측정 분해능이 수 nm 이고, 짧은 측정시간과 삼차원으로 측정결과를 나타낼 수 있는 장점이 있다.

그러나 가장 취약한 단점은 2π 모호성으로 인하여 인접한 두 측정점의 높이차가 광원 파장의 1/4 이상일 경우에는 측정 오차가 발생하는 단점을 가지고 있다.

이러한 단점을 해결하고 nm 수준의 높은 분해능을 가지는 측정법으로는 다중 파장의 광이 가지는 짧은 결맞음 길이를 이용하는 방법인 백색광 주사 간섭계 방법이 있다.

또한, 기존의 삼차원 형상 측정 방법에는 크게 접촉식 방법과 비접촉식 방법이 적용되고 있으며, 접촉식 삼차원 형상 측정 방법은 측정 시간이 오래 걸리고 측정하는 시료를 손상시킬 수 있는 문제점이 있다.

비접촉식 방법으로 광 삼각법, 스테레오 방식, 백색광 주사 간섭계 방식등이 있다.

광 삼각법은 조명의 소스로부터 나오는 조명이 조명 광학계를 통해서 측정 물체에 조사되고, 측정 물체로부터 반사된 조명광을 결상 광학계를 거쳐 센서로 결상된다.

이때, 측정 대상물의 높이 변화에 따라 센서에 결상되는 광점의 위치가 변하게 되는데, 이 광점의 위치 변화를 이용하여 광점에 대응하는 측정물체의 높이 값을 구할 수 있다.

광 삼각법의 조명소스를 레이저(LASER)나 LED 등의 소스를 사용할 수 있고 광원의 형태는 점 광원(point source)의 형태이거나 슬릿 빔(slit beam) 형태를 사용할 수 있다.

광 삼각법은 한 번에 한 점만을 측정하므로 전체 삼차원 형상을 측정하기 위해서는 구동 스테이지가 필요하게 되므로 측정 속도의 한계가 있으며 분해능의 정밀도가 낮다.

스테레오 방식은 두 대의 CCD 카메라를 각기 다른 위치에 설치하고 동일한 대상물에 대한 영상을 획득하면 카메라가 놓여진 위치에 따라 두 영상 사이에 시각차가 나타나게 하고 이에 삼각법을 적용해 측정물의 위치를 검출하게 된다.

동시에 획득한 두 영상만으로 삼차원 높이를 검출하므로 속도는 빠르지만, 두 영상간의 대응점 추출 문제 및 정밀한 측정 정확도에 한계가 있다.

백색광 주사 간섭계 방식은 광의 간섭으로 발생하는 간섭 신호를 해석하여 측정면의 삼차원 형상을 측정하는 방법이다. 이 방법은 측정면의 삼차원 형상을 계산하기 위해서는 위상이 다른 여러 장의 간섭 신호 정보가 필요한데 이를 위해서 기준면과 측정물과 거리차를 수십㎚씩 변경시킬 수 있는 PZT 구동기가 필요하다.

상기 백색광 주사 간섭계 방식은 수 ㎚에 달하는 초미세형상에 대한 측정이 가능하지만 측정 속도가 굉장히 느리다는 단점이 있다.

종래에 색 정보를 이용한 3차원 형상 측정법은 대한민국공개특허공보 10-2002-0078214호(2002.10.18)인 '색정보를 이용한 실시간 3차원 표면형상 측정방법 및 장치'에 개시한 바 있다.

상기 종래의 색 정보를 이용한 3차원 형상 측정법은 도 1과 같이 조명광학계(illumination optics)와 결상광학계(imaging lens)로 구성되어 있고, 조명은 일정한 각도로 시료에 조명을 조사하고 결상광학계는 시료의 수직상에 위치한다고 있다. 이 상태에서 조명광학계는 다파장을 갖는 빛을 물체로 입사시키고 조사된 빛은 물체에 의해 반사되어 결상광학계(imaging lens)를 통해 영상센서에 제공된다.

상기 방식은 시료에 조사된 광이 산란에 의한 확산 반사가 일어나야만 이용가능한 측정방식이어서 측정하고자 하는 시료가 유리(glass)나 거울(mirror)인 경우 산란이 거의 일어나지 않고 정반사만 일어나게 되므로 측정이 어렵게 되는 단점을 갖는다. 따라서 시료의 재료나 재질에 따라 제한을 받는 문제점이 발생하게 된다.

대한민국공개특허공보 10-2002-0078214호(2002.10.18)

본 발명에서 해결하려는 과제는 다음과 같다.

본 발명의 제1 목적은 측정물의 측정점에서 정반사가 일어나도록 분산장치(200)와 결상장치(300)를 구성하고, 이를 통해 고속으로 정밀하게 3차원 형상을 측정할 수 있는 경사 분광시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 제2 목적은 광학식으로 구성하기 때문에 측정 장치의 구동 없이 스테이지 이동만을 통해 고속으로 정밀한 표면 형상을 측정하고자 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템은,

빔을 전방에 형성된 마스크(102)로 조사하는 조명부(101)와,

상기 조명부(101)의 후단에 형성되어, 조명부(101)에서 조사된 빔을 라인 빔(line beam)으로 변환시켜 콜리메이팅렌즈(103)로 조사하는 마스크(102)와,

상기 마스크에서 조사된 라인 빔(line beam)을 평행 빔으로 변환시켜 분산장치(200)로 평행 빔을 조사하는 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)를 포함하여 구성되는 투사장치(100)와;

상기 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)로부터 조사된 평행 빔을 파장별로 분리시키는 분광부(201)와,

상기 분광부의 후단에 형성되어, 파장별로 분리된 빔을 파장별로 집속시켜 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사시키는 집속렌즈부(202)를 포함하여 구성되는 분산장치(200)와;

상기 집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔을 수광하고 방향을 변경하여 결상렌즈부(302)로 제공하는 미러부(301)와,

상기 미러부의 후단에 형성되어, 미러부(301)로부터 제공되는 빔을 집광시켜 CCD카메라부(303)로 제공하는 결상렌즈부(302)와,

결상렌즈부(302)로부터 제공된 빔을 파장별로 결상하는 CCD카메라부(303)를 포함하여 구성되는 결상장치(300); 를 포함한다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.

분산 프리즘이나 회절격자를 이용하여 조명 빔을 파장별로 분리시켜 측정물에 조사하고 분광 반사된 빛을 미러부를 이용하여 CCD카메라부(고속 area CCD 카메라나 line CCD 카메라)에 결상시켜 물체의 높이 등과 같은 물체의 형상정보를 색 정보로 통하여 측정할 수 있는 광학식 비접촉 3차원 형상 측정 시스템을 제공하게 된다.

또한, 광학식으로 구성하기 때문에 측정 장치의 구동 없이 스테이지 이동만을 통해 고속으로 정밀한 표면 형상을 측정할 수 있는 효과를 발휘한다.

또한, 조사된 빔 중 정반사된 빔을 이용할 수 있도록 분산장치(200)와 결상장치(300)를 구성함으로 측정물의 재질이나 표면상태에 따른 측정 제한을 받지 않는 효과를 발휘한다.

도 1은 종래의 삼차원 표면형상 측정 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 전체 개념도.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 구성도.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 구성도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 분산프리즘의 입사각에 대한 최종 굴절각의 편향각 도면.
도 5의 (a)는 프리즘 경계면으로 입사하는 빔이 최소 편향각을 이룰 때, 각각의 경계면에서 반사와 굴절을 거치고 입사면에서 최대 편향각으로 진행하는 도면이며, 도 5의 (b)는 빔 1과 4, 빔 2와 5, 빔 3과 6을 겹쳐서 (a)를 간결하게 나타낸 도면.
도 6은 분산 프리즘의 파장별 편향각 예시도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 전체 개념도.
도 8은 물체의 높이와 측정점에서의 휴(Hue)값의 관계를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 구성도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 구성도.

첨부된 도면을 바탕으로 전술한 과제를 해결하기 위한 본원 발명을 실시예별로 설명한다. 다만, 본 발명의 권리범위는 특허청구범위 기재에 의하여 파악되어야 하며, 본 발명의 요지를 모호하게 하는 공지기술의 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 전체 개념도이다.

도 3a, 3b는 본 발명의 제1,2실시예에 따른 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템의 구성도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템은 투사장치(100)와 분산장치(200)를 포함하고 있는 투사수단(1000)과 결상장치(300)로 구성된다.

본 발명은 측정물의 높이 및 형상 측정을 위해 파장분리를 이용한다는 것이 핵심적 기술사상이다. 파장분리란 색수차를 이용하는 것이며, 이는 긴 파장의 빛일수록 렌즈를 통과한 뒤에 다른 빛보다 초점이 렌즈에서 먼 쪽으로 맺히는 현상을 이용하여 측정물의 높이와 형상을 측정하는 것이다.

좀 더 구체적으로 도 3a, 3b를 참조하여 본원 발명을 설명하면 하기와 같다.

본 발명인 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템은,

빔을 전방에 형성된 마스크(102)로 조사하는 조명부(101)와,

결상렌즈부(302)로부터 제공된 빔을 파장별로 결상하는 CCD카메라부(303)를 포함하여 구성되는 결상장치(300); 를 포함하며,

상기 제1 각도와 제2 각도는 측정물 수평표면의 수직법선에 대한 각도로서 동일한 각도인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예인 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템은,

빔을 전방에 형성된 마스크(102)로 조사하는 조명부(101)와,

상기 집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔을 수광한 후, 집광하여 CCD카메라부(303)로 제공하는 결상렌즈부(302)와,

상기 조명부(101)의 조명은 눈에 보이는 가시광 영역의 백색광 조명이 바람직하며, 이를 위해 상기 조명부(101)는 가시광 영역인 백색광 조명을 제공하기 위한 할로겐램프 혹은 엘이디조명으로 구성할 수 있다.

이 경우, 광 파이버를 할로겐램프 혹은 엘이디조명에 연결하여 조명 빔을 마스크(102)에 제공하거나, 할로겐램프 혹은 엘이디조명에 조명용렌즈를 결합시켜 마스크(102)에 빔을 제공하도록 구성할 수 있다.

상기 마스크(102)는 조명부에서 조사된 빔을 라인 빔으로 형성시켜 콜리메이팅렌즈로 라인 빔을 조사하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 마스크(mask)는 기본적으로 라인 형태인 슬릿 마스크(slit mask)를 사용하는 것이 바람직할 것이나, 경우에 따라 핀홀(pin hole)을 마스크(mask)로 사용할 수도 있다.

결국, 백색광 조명을 마스크(mask)에 조사하고 마스크(mask)를 통해 빔을 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)로 제공하게 된다.

그리고, 상기 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)는 마스크에서 조사된 라인 빔(line beam)을 평행 빔으로 변환시켜 분산장치(200)로 조사하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기와 같은 구성 및 동작을 통해 조명 빔을 라인 빔으로 변환시키고, 라인 빔을 다시 평행 빔으로 변환시켜 분산장치(200)로 제공하게 되는 것이다.

또한, 상기 분산장치(200)는,

상기 분광부의 후단에 형성되어, 파장별로 분리된 빔을 파장별로 집속시켜 측정물에 제1 각도로 조사시키는 집속렌즈부(202)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 상기 분광부(201)는 콜리메이팅렌즈(103)로부터 조사된 평행 빔을 파장별로 분리시키는 기능을 수행하게 된다. 예를 들어, 입사된 백색광을 파장별로 분리시키는 것이다.

상기 파장별로 분리시키기 위하여 분광부(201)는 분산 프리즘 혹은 회절격자로 구성하는 것이 바람직하며, 콜리메이팅렌즈(103)로부터 조사된 빔은 분광부(201)에 의해 여러 파장으로 분리가 되는 것이며, 파장별로 분리된 빔은 집속렌즈부(202)를 통과하여 파장별로 집속되어 측정물에 제1각도로 조사되어지는 것이다.

상기 분광부(201)를 분산 프리즘으로 구성하는 경우, 분광부(201)의 파장별 분리 원리를 하기에서 구체적으로 설명하도록 하겠다.

도 4에 도시된 바와 같이, 분산프리즘으로 들어가는 광선은 전형적으로 편향각(deviation angle)으로 알려진 각도 δ만큼 원래의 방향으로부터 벗어나서 나간다.

첫 번째 굴절에서 광선은 각도

만큼, 그리고 두 번째 굴절에서는 각도??

만큼 편향되기 때문에 전체 편향된 각도는 수식 3과 같다.

<수식 3>

그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 각도

는 삼각형 BCD의 외각이므로 다른 내각의 합과 같다. 따라서

이고,

로 표현할 수 있다.

그리고, 각도

를 광선의 입사각과 분산 프리즘의 꼭지각

함수로 표현하면, 분산 프리즘 굴절률이

이고, 이것이 공기 중

에 놓여 있다면 스넬 법칙으로부터 다음의 수식 4와 같이, 표현할 수 있다.

<수식 4>

상기 스넬 법칙이란, 굴절률이 다른 2개의 등방(等方), 비전도성 매질의 경계에서 빛이 굴절할 때 입사광(入射光)과 굴절광의 방향(각각의 파면 법선의 방향) 사이에 성립되는 굴절의 법칙을 의미한다.

이 표현을 전개할 때,

을

으로 대치하고, 스넬 법칙을 이용하면 하기의 수식 5을 얻을 수 있다.

<수식 5>

이때, 편향각

는 수식 6과 같다.

<수식 6>

상기 편향각

는 굴절률

과 함께 증가하며 그 자체가 주파수의 함수이다.

그래서, 편향각을

또는

으로 표시할 수 있으며, 대부분의 투명한 유전체들의 경우에 가시영역에 걸쳐서

는 파장이 증가함에 따라 감소하므로

가 파란 빛에서 보다 빨간 빛에서 더 작게 된다.

과

의 값이 고정되어 있을 때, 분산 프리즘을 지나는 단색 광속에 의해서 일어나는 편향은 첫번째 면에서의 입사각인

만의 함수라는 사실은 명백하다.

이때,

의 최소값을 최소 편향각(minimum deviation angle)

이라고 하며, 이 값은 실용 면에서 특별히 중요하다.

이것은 수식 6를 미분하고 0으로 높음으로써(

) 해석적으로 구할 수 있다.

즉, 수식 7과 같다.

<수식 7>

따라서,

가 된다.

각 경계면에서 스넬 법칙의 미분을 취하면 수식 8과 수식 9을 얻을 수 있다.

<수식 8>

<수식 9>

마찬가지로

를 미분하면

이므로

이 되고, 위의 수식 8과 수식 9의 양변을 서로 나누고 미분을 대체하면 수식 10과 같다.

<수식 10>

이때, 스넬 법칙을 이용하면 수식 10은 다시 수식 11가 된다.

<수식 11>

상기 수식 11를 만족하는

값은

인 값이다.

인 경우는 수식 12과 같으며, 이로 인하여 수식 13이 된다.

<수식 12>

<수식 13>

편향각이 최소가 되는 광선은 분산 프리즘을 대칭으로 지나간다. 즉, 분산 프리즘 밑변에 평행하다는 것을 의미한다.

인 경우 수식 4와 수식 5로부터

와

가 성립된다.

이 때문에 첫 번째 면에 스넬 법칙을 적용하면 수식 14와 같은 관계식을 표현할 수 있다.

<수식 14>

상기 수식14는 분산프리즘 첫번째 면에서의 굴절율(n)을 의미한다.

임의의 물질로 분산 프리즘 모양을 만들고 나서 정각

와 최소편향각

?媤? 측정하면, 각 파장에 대한 굴절율

이 수식 14로부터 계산될 수 있다.

도 5의 (a)는 분산프리즘에 입사하는 빔의 굴절관계를 나타낸 것으로, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 정각

가 60도인 등변 프리즘에서 한 면으로 굴절되어 들어가는 빔은 점 a에서 반사되어 빔1이 되거나 굴절되어 점 b로 진행하고, 점 b에서 굴절에 의해 빔 2와 같이 프리즘을 벗어나거나 반사에 의해 점 c로 진행한다. 이후 점 c의 경계면에서 굴절된 빔 3과 반사되어 점 a′로 진행하는 빔으로 나뉘어진다.

점 a′에서 빔 4와 같이 굴절되는 빔과 점 b′으로 진행하는 빔으로 나뉜다. 점 b′에서 굴절되는 빔 5와 점 c′으로 진행하는 빔으로 나뉘고 점 c′에서 굴절되는 빔 6과 반사에 의해 점 a로 향하는 빔으로 나뉘고 점 a에서 굴절된 빔 1이 발생하게 된다.

경계면 a로 진행하는 입사 빔은 a, b, c, a′, b′, c′의 순서로 경계면으로 진행하면서 빛의 세기가 약해지게 된다.

도 5a와 같이, 경계면에 이웃한 면에 대해 평행하게 빔이 진행할 경우 빔 1과 4, 빔 2와 5, 빔 3과 6은 평행하게 진행하게 된다. 이 경우, 빔 4는 최대 편향각을 갖게 되고 빔 2는 최소 편향각을 갖게 되고 빔 3 또한 극단의 편향각을 갖게 된다.

이때, 이 세 개 빔의 편향각과 굴절률 사이의 관계를 나타낼 수 있으므로 세 가지 독립적인 측정법을 만들어낼 수 있게 된다.

이러한 경우에 대해 경계면으로 진행하는 빔을 등변 프리즘 각 변의 중심에 위치하게 하면 측정은 더욱 분명하게 된다.

경계면에서 점 a와 a′, 점 b와 b′, 점 c와 c′이 각각 한 점으로 모이게 되고 빔 1과 4, 빔 2와 5, 빔 3과 6은 겹쳐지게 되므로 최소, 최대 편향빔은 도 5b와 같이 간단하게 찾아진다.

이때, 빛이 분산 프리즘 면의 중심으로 입사하며 빔 2는 최소 편향각

이 되고, 빔 4는 최대 편향각

?薦? 이루게 되므로 수식 14를

에 관한 식 수식 15로 바꿀 수 있다.

<수식 15>

상기 수식 15는 정각

가 60도인 분산프리즘의 파장별 굴절율을 나타낸다.

측정된 정각, 입사각과 계산된 분산프리즘의 파장별 굴절률 이용하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 파장별 편향각(

)을 계산하면 원하는 파장별 분리각을 계산할 수 있다.

이렇게 파장별로 분리된 빔은 측정물에 조사되고 반사되어 결상장치에 측정물의 높이별로 다른 파장의 빔이 결상이 된다. 상기 파장대가 가시광 영역이라면 레인보우 패턴으로 결상될 것이다.

상기 집속렌즈부(202)는 분광부의 후단에 형성되어 파장별로 분리된 빔을 파장별로 집속시켜 제1각도의 경사도로 측정물에 조사하는 기능을 수행하게 된다.

상기 집속렌즈부(202)는 실린더 렌즈를 사용하는 것이 바람직하며, FOV(Field of View)에 따라서는 구면 렌즈를 사용할 수도 있다.

상기한 바와 같이, 파장별로 분리된 빔(beam)은 선폭이 얇으면서 일정한 라인 빔(line beam) 형태로 측정하고자 하는 측정물(시료)에 조사되고, 측정물(시료)에서 반사된 라인 빔(line beam)은 결상장치(300)에 파장별로 결상이 된다. 이때 결상장치(300)에 파장별로 결상되는 라인 빔(line beam)의 위치는 측정물(시료)의 형태에 따라 달라지게 되는데, 이러한 특징을 이용하여 측정물의 높이나 형태를 측정하게 되는 것이다.

본원 발명의 상기 분산장치(200)와 후술할 결상장치(300)는 측정물의 재질이나 표면상태에 상관없이 정밀하고 정확한 측정을 위해 정반사 방식으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 정반사 방식이란 측정물 수평표면의 수직 법선에 대한 각도인 상기 제1각도와 제2각도가 동일한 각도가 되도록 함을 의미한다.

종래 기술을 나타낸 도 1을 참조하면, 조명광학계(illumination optics)와 결상광학계(imaging lens)로 구성된 종래의 측정장치중 조명광학계는 측정물에 일정 각도로 빔을 조사하고, 결상광학계(imaging lens)는 반사된 빔을 결상한다.

특히, 결상광학계(imaging lens)는 측정물의 수직방향에 위치한다.

이때, 측정물 표면에서는 일반적으로 산란에 의한 난반사가 일어나고 난반사에 의해 반사된 빔의 방향은 다양한 방향을 갖는다.

난반사 된 빔 중 난반사 방향이 측정물의 수직방향에 위치한 결상광학계(imaging lens)로 향하는 빔을 결상광학계(imaging lens)는 결상하여 물체의 높이를 측정하게 된다.

그러나, 상기 종래의 측정장치는 난반사 방식을 이용하는 것이어서 반드시 난반사가 일어나야 하고 측정물 수직 상측에 위치하는 결상광학계(imaging lens)로 향하는 난반사 된 빔이 있어야만 결상광학계(imaging lens)에 결상이 일어난다.

만약, 측정물이 유리나 평판 디스플레이와 같이 물체 표면이 매끄러워 난반사가 일어나지 않고 정반사만이 일어나는 경우나 결상광학계(imaging lens)로 향하는 난반사 된 빔이 없는 경우는 결상광학계(imaging lens)로 향하는 반사 빔이 존재하지 않기 때문에 측정물의 높이나 형태를 측정할 수 없게 된다.

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 상기 분산장치(200)와 결상장치(300)를 정반사 방식으로 구성하여 측정물의 재질이나 표면상태에 상관없이 측정물의 높이나 형태를 정밀하고 정확하게 측정하게 한다.

구체적으로 상기 정반사 방식이란 측정물 수평표면의 수직법선(도 3의 선V)에 대한 각도인 상기 제1각도(도 3의 각A)와 제2각도(도 3의 각B)가 동일한 각도가 되도록 함을 의미한다.

상기 제1각도란 파장별로 분리된 빔을 집속렌즈부(202)가 측정물에 조사시, 조사되는 빔이 측정물의 수평표면의 수직법선과 이루는 각을 의미하고, 상기 제2각도란 제1 각도의 경사도로 측정물에 조사된 빔 중 정반사 된 빔의 반사 각도로서 측정물에서 반사되어 미러부(301)로 수신되는 빔이 측정물의 수평표면의 수직법선과 이루는 각을 의미한다.

상기 제1,2 각도는 모두 측정물 수평표면의 수직법선에 대한 각도로서 제1각도는 -값을 갖고 제2각도는 +값을 갖으며 절대치는 동일한 것을 특징으로 한다.

빔이 조사되는 일반적인 측정물의 물체표면을 자세히 확대하면 불규칙한 구조를 갖고있다. 그렇기 때문에 조사된 빔은 난반사를 하게 되는 것이다.

따라서 종래 측정장치(도 1에 도시된 장치)는 상기 물체의 난반사 특징을 이용하여 난반사 되는 빔 중 측정물 수평표면의 수직법선 방향으로 반사된 빔을 결상하기 위해 측정물의 수직방향에 결상광학계(imaging lens)를 위치시키는 것이다.

그러나, 측정물의 표면상태가 유리나 평판디스플레이와 같이 매끄러운 경우 난반사가 일어나지 않고 정반사만 일어나게 된다.

이 경우, 측정물 수평표면의 수직법선 방향으로 향하는 빔은 없게 되어 종래의 측정장치로는 물체의 높이나 형태를 측정할 수 없게 되는 문제가 발생한다.

이를 해결하기 위해 본 발명은 분산장치(200)와 결상장치(300)를 측정물의 재질이나 표면상태에 상관없이 정밀하고 정확한 측정이 가능하도록 정반사 구조로 구성한다.

구체적으로 설명하면, 도 3b에 도시된 바와 같이 집속렌즈부(202)가 제1 각도의 경사도로 측정물에 빔을 조사하도록 구성하고, 미러부(301)는 제1 각도로 측정물에 조사된 빔 중 제2 각도로 반사되는 빔(정반사된 빔)을 수광하여 결상렌즈부(302)로 제공하도록 구성하는 것이다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 집속렌즈부(202)는 투사장치(100)의 조명부(101)에서 생성된 조명 빔의 광축 방향을 제1각도의 경사도로 측정물에 빔이 조사될 수 있도록 변경한다.

또한, 미러부(301)는 제1 각도로 측정물에 조사된 빔 중 제2 각도로 반사되는 빔(정반사된 빔)을 수광한 후 수광된 빔의 방향을 측정물의 수직방향에 위치한 결상장치(300)의 광축 방향으로 변경한다

또한, 상기 제1각도와 제2각도의 합은 60도(이때 제1각도는 측정물 수평표면의 수직법선 방향에 대해 -30도, 제2각도는 측정물 수평표면의 수직법선 방향에 대해 +30도)부터 100도(이때 제1각도는 측정물 수평표면의 수직법선 방향에 대해 -50도, 제2각도는 측정물 수평표면의 수직법선 방향에 대해 +50도)사이의 각인 것을 특징으로 하며, 상기 제1각도와 제2각도의 합이 90도(이때 제1각도는 측정물 수평표면의 수직법선 방향에 대해 -45도, 제2각도는 측정물 수평표면의 수직법선 방향에 대해 +45도)일 때가 분광 된 광이 가장 밝기 때문에 상기 제1각도와 제2각도의 합이 90도가 되도록 하는 것이 바람직하다.

다음은 결상장치(300)에 대하여 설명하도록 하겠다.

본 발명은 상기 결상장치(300)구성에 따라 제1실시예와 제2실시예로 구분되며, 도 3a는 제1실시예를 나타낸 것이고, 도 3b는 제2실시예를 나타낸 것이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 의한 본 발명의 결상장치(300)는,

집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔을 수광한 후, 집광하여 CCD카메라부(303)로 제공하는 결상렌즈부(302)와,

결상렌즈부(302)로부터 제공된 빔을 파장별로 결상하는 CCD카메라부(303)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 결상렌즈부(302)는 집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔을 수광한 후, 집광하여 CCD카메라부(303)로 제공하게 되는데, 상기 집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔은 CCD카메라부(303)로 제공되는 경로상에서 빔 특성상 확산(퍼짐 현상)이 일어난다.

확산이 일어난 빔은 CCD카메라부(303)의 컬러영상센서에 파장별로 결상이 되지 않기 때문에 상기 제2 각도로 반사된 빔이 확산 되지 않고 정확히 CCD카메라부(303)의 컬러영상센서에 파장별로 결상이 되도록 모아줄 필요가 있으며 이를 위한 구성이 상기 결상렌즈부(302)이다.

상기 결상렌즈부(302)는 텔레센트릭렌즈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 결상렌즈부(302)를 구성하는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)는 입사동 또는 출사동 중 어느 하나가 무한원(無限遠)에 있는 렌즈이거나, 입사동과 출사동 모두가 무한원(無限遠)에 있는 렌즈인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CCD카메라부(303)는 결상렌즈부(302)의 후단에 형성되어 결상렌즈부(302)에서 제공된 측정물에 의해 반사되는 빔을 파장별로 결상하는 역할을 수행하게 된다.

이를 위하여, 바람직하게 CCD카메라부(303)는 3색 라인 CCD 카메라로 형성되되, 상기 3색 라인 CCD 카메라는 측정물에 의해 반사되는 빔을 파장별(색깔별)로 결상하는 컬러영상센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 의한 본 발명의 결상장치(300)는,

집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔을 수광하고 방향을 변경하여 결상렌즈부(302)로 제공하는 미러부(301)와,

구체적으로, 상기 미러부(301)는 집속렌즈부(202)에 의해 파장별로 분리된 빔이 측정물에 제1각도의 경사도로 조사된 후, 제2각도로 반사되는 빔을 수광한 후, 방향을 변경시켜 결상렌즈부(302)로 제공하게 된다.

또한, 상기 결상렌즈부(302)는 미러부(301)에서 제공된 방향이 변경된 빔을 집광하여 CCD카메라부(303)로 제공하게 되는데, 상기 미러부(301)에서 제공된 빔은 CCD카메라부(303)로 제공되는 경로상에서 빔 특성상 확산(퍼짐 현상)이 일어난다.

확산이 일어난 빔은 CCD카메라부(303)의 컬러영상센서에 파장별로 결상이 되지 않기 때문에 상기 미러부(301)에서 제공된 빔이 확산 되지 않고 정확히 CCD카메라부(303)의 컬러영상센서에 파장별로 결상이 되도록 모아줄 필요가 있으며 이를 위한 구성이 상기 결상렌즈부(302)이다.

상기 제2실시예는 필요에 의해 결상장치(300)을 물체의 수직한 방향에 설치하고자 하는 경우 적용되는 실시예이다.

결국, 상기 결상장치(300)는 설치 위치에 따라 제1,2실시예로 구분하여 적용할 수 있고, 결상장치(300)의 결상렌즈부(302)는 텔레센트릭 렌즈(Telecentric lens)로 구성하고, 빔을 파장별로 결상하는 CCD 카메라부(303)는 컬러영상센서를 포함하는 3색 라인 CCD 카메라인 것을 특징으로 한다.

한편, 투사장치(100)에서 분산장치(200)로 조사되는 빔의 형태를 line 형태가 아닌 point 형태로도 할 수 있으며, line 형태가 아닌 point 형태로 분광이 되는 경우, 결상장치(300)의 미러부(301)는 텔레센트릭 렌즈로 구성하지 않고 일반 렌즈로 구성할 수 있다.

한편, 도 3a, 3b에 도시한 바와 같이, 여러 파장으로 분광 된 조명 빔이 측정물의 Z축 상의 임의의 점 P에 조사된다고 하면, P점에서의 색 분포는 수식 16와 같이 표현된다.

<수식 16>

상기 수식 16의 R, G, B로 표현되는 상기 P점에서의 색분포에 대한 정보는 CCD카메라부(303)의 컬러영상센서를 통해 획득된다.

P점에 대한 측정된 휴(Hue)값과 물체의 높이 Z는 수식 17와 같은 함수 관계로 표현이 된다.

<수식 17>

상기 수식17에서 Z는 측정물의 높이, H는 휴(Hue)값, f(H)는 휴곡선함수 f(h)에 휴값 H를 대입한 값이다.

각각의 컬러에는 휴(Hue)값 이라는 고유의 값이 있는데 이를 휴곡선함수 f(h)에 대입하면 높이에 대한 정보값을 알 수 있다.

예를 들어, 상기 P점에서 측정된 색분포값에는 고유한 휴(Hue)값이 존재하고, 상기 휴(Hue)값을 휴곡선함수 f(h)에 대입하면 측정물의 높이에 대한 정보값을 알 수 있게 된다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명인 경사 분광시스템은 측정물 높이를 산출하기 위한 측정장치(400)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 측정장치(400)는 컬러영상센서를 포함하는 CCD카메라부(303)로부터 측정물에 대한 색분포값을 획득하기 위한 색분포값획득부(410)와, 상기 획득된 색분포값을 통해 휴(Hue)값을 산출하고, 산출된 휴(Hue)값을 이용하여 측정물의 높이를 산출하는 측정물높이산출부(420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 색분포값획득부(410)는 CCD카메라부(303)에 형성된 각각의 컬러영상센서로부터 측정물에 대한 색분포값을 획득한다. 상기 색분포값은 CCD카메라부(303)의 컬러영상센서가 획득한 점 P에서의 R,G,B별 광강도(intensity)값을 이용하여 획득하게 된다.

상기 측정물높이산출부(420)는 획득된 색분포값을 이용하여 휴(Hue)값을 산출하고, 산출된 휴(Hue)값을 휴곡선함수 f(h)에 대입하여 측정물 높이를 산출하게 되는 것이다.

상기 휴곡선함수 f(h)는 조명 광 형태, 사용파장영역, 측정 물체의 상태에 따라 달라질 수 있으며, 상기 측정물높이산출부(420)는 조명 광 형태, 사용파장영역, 측정 물체의 상태에 따른 복수의 휴곡선함수 f(h)를 저장하고 있다.

본 발명은 분산장치(200)와 결상장치(300)는 측정물에 대한 정밀한 측정 및 정확도를 높이기 위해 정반사 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하고 있기 때문에 분산장치(200)와 결상장치(300)가 상호 정반사 각도를 유지하고 있는 지를 판단할 필요가 있다.

즉, 집속렌즈부(202)의 빔 조사각인 제1각도(측정물의 수평평면의 수직법선에 대한 집속렌즈부(202)의 빔 조사각도)와 미러부(301)의 수광각인 제2각도(측정물의 수평평면의 수직법선에 대한 집속렌즈부(202)의 빔 수광각도)가 동일하게 유지되고 있는지를 판단할 필요가 있다.

이를 위해, 도 7에 도시한 바와 같이 본 발명은,

집속렌즈부(202)의 빔 조사 방향과 동일한 방향으로 레이저빔을 출사시키는 레이저빔부(510)와, 수평으로 형성되고, 표면이 레이저빔부(510)의 레이저빔을 난반사 없이 반사할 수 있도록 하는 재질로 된 반사부(520) 포함하여 구성되는 레이저출사장치(500)와;

반사부(520)에서 반사된 레이저 빔을 집속렌즈부(202)의 수광 방향과 동일한 방향에서 수신하는 수신부(610)와 수신부로 입사되는 레이저 빔의 입사각을 이용하여 분산장치(200)와 결상장치(300)가 상호 정반사 각도를 유지하고 있는지를 판단하는 판단부(620)을 포함하는 구성되는 정반사판단부(600);를 더 포함하여 구성된다.

상기에서 레이저빔부(510)가 집속렌즈부(202)의 빔 조사 방향과 동일한 방향으로 레이저 빔을 조사한다는 것은 수평으로 형성된 반사부(520)의 수평면에 대한 수직법선과 제1각도(파장별로 분리된 빔을 집속렌즈부(202)가 측정물에 조사시 조사되는 빔이 측정물의 수평표면의 수직법선과 이루는 각도)를 유지한 상태에서 반사부로 레이저 빔을 조사하는 것을 의미한다.

상기에서 정반사판단부(600)가 수신부로 입사되는 레이저 빔의 입사각을 이용하여 분산장치(200)와 결상장치(300)가 상호 정반사 각도를 유지하고 있는지를 판단하는 것은 레이저 빔의 입사각을 이용하여 수신부로 입사되는 레이저 빔이 수평으로 형성된 반사부(520)의 수평면에 대한 수직법선과 상기 제1각도를 유지하고 있는지를 판단하는 것을 의미한다.

따라서 상기 정반사판단부(620)의 판단결과, 수신부로 입사되는 레이저 빔이 반사부(520)의 수평면에 대한 수직법선과 상기 제1각도를 유지하고 있는 것으로 판단되면 분산장치(200)와 결상장치(300)가 상호 정반사 각도를 유지하고 있는 것으로 판단하는 것이다.

한편, 도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명은 분광부(201)가 분산 프리즘으로 구성되는 경우 분광부(201)의 파장별 분리각을 설정하기 위하여,

분산프리즘의 정각, 입사각을 획득하기 위한 변수획득부(710)와,

각 파장에 대한 굴절률을 계산하기 위한 굴절률계산부(720)와,

상기 측정된 각 파장에 대한 굴절률과 정각 및 입사각을 참조하여 파장별 편향각을 계산하여 파장별 분리각을 계산하기 위한 파장별분리각계산부(730)와,

상기 계산된 파장별 분리각을 화면에 출력시키는 화면출력부(740)를 포함하는 파장별분리각출력장치(700)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이는 사전에 정각, 입사각을 세팅하여 분산 프리즘을 제조하게 된다.

이때, 상기 정각, 입사각을 알고 있다면, 분산 프리즘의 파장별 분리각을 설정할 수 있게 될 것이다.

따라서, 상기 변수획득부를 통해, 분산프리즘의 정각, 입사각을 획득하게 되는 것이다.

즉, 설정 페이지를 관리자에게 제공하고 이에 정각, 입사각을 설정하게 된다.

그리고, 굴절률계산부에서는 각 파장에 대한 굴절률을

의 수식을 이용하여 측정할 수 있게 된다.

즉, 상기 분산 프리즘의 수식을 통해 각각의 파장별 굴절률을 계산할 수 있게 되며, 파장별분리각계산부에서는 측정된 각 파장에 대한 굴절률과 정각 및 입사각을 참조하여 파장별 편향각을 계산하여 파장별 분리각을 계산하게 되는 것이다.

따라서, 상기 화면출력부에서 계산된 파장별 분리각을 화면에 출력시키게 되는 것이다.

이를 통해 관리자가 사전에 분산 프리즘에서 제조시 설정된 파장별 분리각과 일치 여부를 확인할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이, 실시간으로 이를 모니터링하게 되면 실시간으로 측정되는 측정물의 높이를 이용한 3차원 형상의 정확성과 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 분산 프리즘이나 회절 격자를 이용하여 조명 빔을 파장별로 분리시켜 측정 시료에 조사하고 분광된 빛을 미러부를 이용하여 CCD카메라부(line CCD 카메라)에 결상시켜 물체의 높이 및 형상의 위치 정보를 색 정보로 통하여 측정할 수 있는 광학식 비접촉 삼차원 형상 측정 시스템을 제공하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 투사장치
101 : 조명부
102 : 마스크
103 : 콜리메이팅렌즈(collimating lens)
200 : 분산장치
201 : 분광부
202 : 집속렌즈부
300 : 결상장치
301 : 미러부
302 : 결상렌즈부
303 : CCD카메라부

Claims

파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템에 있어서,
빔을 전방에 형성된 마스크(102)로 조사하는 조명부(101)와,
상기 조명부(101)의 후단에 형성되어, 조명부(101)에서 조사된 빔을 라인 빔(line beam)으로 변환시켜 콜리메이팅렌즈(103)로 조사하는 마스크(102)와,
상기 마스크에서 조사된 라인 빔(line beam)을 평행 빔으로 변환시켜 분산장치(200)로 평행 빔을 조사하는 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)를 포함하여 구성되는 투사장치(100)와;

상기 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)로부터 조사된 평행 빔을 파장별로 분리시키는 분광부(201)와,
상기 분광부의 후단에 형성되어, 파장별로 분리된 빔을 파장별로 집속시켜 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사시키는 집속렌즈부(202)를 포함하여 구성되는 분산장치(200)와;

상기 집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔을 수광한 후, 집광하여 CCD카메라부(303)로 제공하는 결상렌즈부(302)와,
결상렌즈부(302)로부터 제공된 빔을 파장별로 결상하는 CCD카메라부(303)를 포함하여 구성되는 결상장치(300);와

분광부(201)의 파장별 분리각을 설정하기 위한 파장별분리각출력장치(700);를 포함하며,
상기 파장별분리각출력장치(700)는,
분산프리즘의 정각, 입사각을 획득하기 위한 변수획득부(710)와,
각 파장에 대한 굴절률을 하기 수식에 의해 계산하기 위한 굴절률계산부(720)와,
상기 계산된 각 파장에 대한 굴절률과 정각 및 입사각을 참조하여 파장별 편향각을 계산하여 파장별 분리각을 계산하기 위한 파장별분리각계산부(730)와,
상기 계산된 파장별 분리각을 화면에 출력시키는 화면출력부(740)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템.
(수식)

(
는 최소 편향각,
는 정각)
파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템에 있어서,
빔을 전방에 형성된 마스크(102)로 조사하는 조명부(101)와,
상기 조명부(101)의 후단에 형성되어, 조명부(101)에서 조사된 빔을 라인 빔(line beam)으로 변환시켜 콜리메이팅렌즈(103)로 조사하는 마스크(102)와,
상기 마스크에서 조사된 라인 빔(line beam)을 평행 빔으로 변환시켜 분산장치(200)로 평행 빔을 조사하는 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)를 포함하여 구성되는 투사장치(100)와;

상기 콜리메이팅렌즈(collimating lens, 103)로부터 조사된 평행 빔을 파장별로 분리시키는 분광부(201)와,
상기 분광부의 후단에 형성되어, 파장별로 분리된 빔을 파장별로 집속시켜 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사시키는 집속렌즈부(202)를 포함하여 구성되는 분산장치(200)와;

상기 집속렌즈부(202)에 의해 측정물에 제1 각도의 경사도로 조사된 후 반사되는 빔 중 제2 각도로 반사된 빔을 수광하고 방향을 변경하여 결상렌즈부(302)로 제공하는 미러부(301)와,
상기 미러부의 후단에 형성되어, 미러부(301)로부터 제공되는 빔을 집광시켜 CCD카메라부(303)로 제공하는 결상렌즈부(302)와,
결상렌즈부(302)로부터 제공된 빔을 파장별로 결상하는 CCD카메라부(303)를 포함하여 구성되는 결상장치(300);와

분광부(201)의 파장별 분리각을 설정하기 위한 파장별분리각출력장치(700);를 포함하며,
상기 파장별분리각출력장치(700)는,
분산프리즘의 정각, 입사각을 획득하기 위한 변수획득부(710)와,
각 파장에 대한 굴절률을 하기 수식에 의해 계산하기 위한 굴절률계산부(720)와,
상기 계산된 각 파장에 대한 굴절률과 정각 및 입사각을 참조하여 파장별 편향각을 계산하여 파장별 분리각을 계산하기 위한 파장별분리각계산부(730)와,
상기 계산된 파장별 분리각을 화면에 출력시키는 화면출력부(740)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템.
(수식)

(
는 최소 편향각,
는 정각)
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 조명부(101)는,
가시광 영역인 백색광 조명을 제공하기 위해 할로겐램프 혹은 엘이디조명으로 구성되고,
이 경우, 할로겐램프 혹은 엘이디조명에 광 파이버를 연결하여 마스크(102)에 빔을 제공하거나, 할로겐램프 혹은 엘이디조명에 조명용렌즈를 결합시켜 마스크(102)에 빔을 제공하는 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제1각도와 제2각도는 동일한 각도이고,
상기 제1 각도는 집속렌즈부(202)에서 조사되는 빔이 측정물 수평표면의 수직법선과 이루는 각도이고, 상기 제2 각도는 미러부(301)로 수광되는 빔이 측정물 수평표면의 수직법선과 이루는 각도인 것을 특징으로 하며,
상기 제1각도와 제2각도의 합은 60도 이상, 100도 이하의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 결상렌즈부(302)는 텔레센트릭렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 분광부(201)는 분산 프리즘 혹은 회절격자인 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
CCD카메라부(303)는,
3색 라인 CCD 카메라로 형성되되, 상기 3색 라인 CCD 카메라는 복수의 컬러영상센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템.
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제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 집속렌즈부(202)는 실린더 렌즈 또는 구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 파장 분리를 이용한 높이 및 형상측정이 가능한 경사 분광시스템.