KR102285818B1 - 실시간으로 자동 초점이 가능한, 측정 대상물의 입체형상을 측정하는 입체형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기준미러를 장착한 광학계 또는 측정시스템을 이송하여 측정대상에 초점을 맞추고 결상을 하는 방식에 따라 3차원 형상측정을 함에 있어, 실시간으로 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 차이를 일치시켜 측정 대상물의 입체형상을 측정할 수 있는 입체형상 측정장치 및 이를 이용한 측정대상물의 입체 형상을 측정하는 방법에 관한 것이다.

Description

실시간으로 자동 초점이 가능한, 측정 대상물의 입체형상을 측정하는 입체형상 측정장치{Apparatus for monitoring three-dimensional shape of target object capable of auto focusing in real time}
본 발명은 실시간으로 자동 초점이 가능한, 측정 대상물의 입체형상을 측정하는 입체형상 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기준미러를 장착한 광학계 또는 측정시스템을 이송하여 광분할기를 기준으로 기준미러와 측정대상물의 광경로차를 일치시키는 방식에 따라 3차원 형상측정을 함에 있어, 실시간으로 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 차이를 일치시켜 측정대상에 초점을 맞추고 결상을 하는 방식에 따라 측정 대상물의 입체형상을 측정할 수 있는 입체형상 측정장치 및 이를 이용한 측정대상물의 입체 형상을 측정하는 방법에 관한 것이다.
정밀 부품의 미세한 표면 형상을 측정하는 방법으로는 촉침식(Stylus type) 측정법, 주사식 전자 현미경 (Scanning Electron Microscope) 측정법, 주사식 촉침 현미경(Scanning Probe Microscope) 측정법, 광위상 천이 간섭계(Phase Shifting Interferometry) 측정법, 백색광 주사 간섭계(White-Light Scanning Interferometry) 측정법, 동초점 주사 현미경(Confocal Scanning Microscope) 측정법 등이 있다.
이러한 측정법들은 주로 2차원 평면상의 기하학적 형상, 예를 들어 원이나 선, 각도, 선폭 등을 측정하거나 패턴의 결함, 이물질, 비대칭성 등을 검사하며, 주로 광학 현미경, 조명, 그리고 CCD 카메라로 대표되는 촬상소자로 구성된 프로브 시스템과 영상처리기술에 그 바탕을 두고 있다.
이들 측정법 중에서 백색광 주사 간섭계 측정법 및 광위상 천이 간섭계 측정법은 반도체 패턴 측정에서부터 연질재료의 표면 거칠기 측정, BGA(Ball Grid Array) 볼 측정, 레이저 마킹 패턴 측정, Via Hole 측정 등 미세형상에 대한 3차원 측정 전반에 폭넓게 적용되는 비접촉식 측정법으로서 각광을 받고 있다.
이들 두 가지 측정법은 서로 다른 측정 원리에 기초한 것이지만 다중파장과 단색파장을 이용한다는 점을 제외하고는 동일한 광학 및 측정 시스템에서 구현할 수 있으므로 상용화된 측정 시스템에서는 이 두 가지 측정법을 함께 이용할 수 있다.
이들 측정법은 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광경로(Optical Path)를 이동한 후 합쳐질 때 두 개의 광이 지난 거리차(Optical Path Difference)에 따라 빛이 밝고 어두운 형태로 표현되는 광 간섭 신호를 이용한다.
이러한 백색광 간섭계에 관련된 선행문헌으로, 한국등록특허 제10-0598572호(2006.07.07.)에서는 반도체 및 LCD(Liquid Crystal Display) 제조 공정 중에서 불투명한 금속 층의 표면상에 투명한 박막 층을 도포하는 공정 중에 투명박막 층의 두께나 그 표면 형상에 대한 정보를 측정하기 위하여 백색광 주사 간섭법(WSI : White-light Scanning Interferometry)이 제안되었다.
이러한 백색광 주사 간섭법의 기본 측정 원리는 백색광의 짧은 가간섭(Short Coherence Length) 특성을 이용하는 것으로, 보다 상세하게는 광분할기인 빔 스플리터(Beam splitter)에서 분리되는 기준광과 측정광이 거의 동일한 광경로차(Optical path difference)를 겪을 때에만 간섭신호(Interference signal)가 발생하는 원리를 이용하며, 측정대상물을 광축 방향으로 PZT 액츄에이터와 같은 이송수단으로 수 나노미터(nanometer)의 미소 간격씩 이동하면서 측정 영역 내의 각 측정점에서의 간섭신호를 관찰하면, 각 점이 기준미러와 동일한 광경로차가 발생하는 지점에서 짧은 간섭신호가 발생하고, 이러한 간섭신호의 발생 위치를 측정 영역 내의 모든 측정점에서 산출하면 측정면의 3차원 형상에 대한 정보를 획득하게 되고, 획득된 3차원 정보로부터 박막층의 표면 형상을 측정하게 된다.
도 1은 백색광 주사 간섭법을 이용한 표면형상 측정장치를 도시한 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 종래의 표면형상 측정장치는 광원, 광분할부, 간섭모듈, 촬상부, 이송유닛 및 제어부를 포함한다.
이러한 종래의 기술에 따른 백색광 간섭계는 가간섭 구간이 대략 4 ~ 20 um이면서, 간섭무늬의 주기는 대략 0.3 um 정도이기 때문에 높낮이가 존재하는 입체형상을 측정하기 위해서는, 매우 짧은 간격으로 스텝(step) 이송하면서 전체 높이에 걸쳐서 간섭무늬를 획득해야 하며, 이로 인해서 측정에 소요되는 시간이 길어지게 된다.
또한, 도 2는 기존의 입체 형상 측정장치의 또 다른 구성도로서, 광원으로부터의 조명광이 빔분할기를 통해 분할되어 각각 기준면와 측정 대상물의 측정 대상면에 조사되고, 기준미러와 측정면에서 반사된 후 빔분할기를 통해 합쳐지며, 이렇게 합쳐진 간섭무늬를 CCD 카메라와 같은 촬영장치를 통해 검출하고 제어 컴퓨터에서 간섭 무늬의 위상 계산하거나, 또는 간섭 무늬의 포락선(envelope)으로부터 가간섭성이 최대인 점을 추출해서 높이 측정을 한다.
여기서, 상기 도 2에서의 상단에 게재된 입체 형상 측정장치는 측정면과의 거리 및 빔분할기로부터 기준미러와의 거리를 조절하기 위한 수단으로 기준미러의 수평이동을 가능하게 하기 위한 지지수단(틸팅스테이지 등)에 설치한 상태에서 액츄에이터(미도시)를 이용하여 지지수단 전체를 이용시켜 빔분할기와 기준미러 사이의 거리를 조절할 수 있게 구성되어 있으며, 상기 도 2에서의 하단에 게재된 입체 형상 측정장치(한국등록특허 제10-1116295호, 2012.03.14.)는 빔분할기 이동수단을 빔분할기에 설치하여, 상기 빔분할기의 위치를 조절하여 반사거리를 조절할 수 있는 입체형상 측정장치를 제시하고 있으며, 이에 따르면, 상기 빔분할기 이동수단은 기준미러를 향한 방향 또는 측정 대상물을 향한 방향으로 미소거리의 이동이 가능하여 입체형상 측정 장치의 전체적인 구조를 단순화시킬 수 있는 효과를 가진다.
한편, 다수의 정밀 부품의 미세 표면 형상을 측정하기 위해서는 표면 형상을 측정하기 위한 측정광의 조사 이전에, 기준점(예컨대, 광 분할기, 또는 기준미러 등)으로부터 측정 대상물인 미세 부품의 표면의 특정한 위치까지의 거리를 우선적으로 측정하여, 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 거리차를 일치시키는 과정이 필요하게 되며, 이러한 과정은 예시적으로, 간섭계내의 광분할기를 기준으로 기준미러와 측정대상물의 광경로차를 일치시키는 방식(자동 초점, Auto focusing)에 해당하며, 상기 과정이 이루어진 이후에, 상기 광원, 광 분할기 또는 기준미러 중 적어도 하나 이상을 포함하는 입체 형상측정장치의 적어도 일부분을 독립적으로 소정의 위치로 이송하게 되며, 이후에 입체형상을 측정하기 위한 측정광을 조사하며 상기 광 분할기 또는 기준미러 등을 이동(스캔)함으로써, 표면 형상을 측정할 수 있게 된다.
따라서, 측정하고자 하는 대상(시료)의 숫자가 많으면 많을수록 측정대상에, 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 각각의 거리를 일치시켜 초점을 맞추고 결상을 하는 과정이 신속하게 이루어져야만 다수의 시료의 각각의 미세표면 형상을 측정하기 위해 소요되는 전체적 시간이 단축될 수 있으며, IT기술의 발달에 따라 상기 측정시간의 단축은 생산성에 있어 더욱 중요한 요소로 인식되고 있는 실정이다.
그러나, 상기 선행문헌을 포함하는 종래기술에 따른 입체 형상 측정장치의 경우에 신속하게 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 각각의 거리를 일치시켜 초점을 맞추고 결상을 하기 위한 별도의 장치를 구비하지 않고 있어 개선의 여지를 포함하고 있으며, 따라서 보다 신속하게, 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 거리를 일치시키는 과정을 통해 미세표면 형상의 측정시간을 단축할 수 있는 장치 및 이를 이용한 보다 개선된 입체형상 측정 방법의 개발에 대한 필요성은 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-0598572호(2006.07.07.) 한국등록특허 제10-1116295호(2012.03.14.)
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 입체형상 측정장치내 특정한 기준점(예컨대, 광 분할기, 또는 기준미러 등)으로부터 측정 대상물의 표면의 특정한 위치까지의 거리를 우선적으로 측정하고, 측정대상물을 이송하거나 또는 기준미러를 장착한 광학계 또는 측정시스템을 이송하여 상기 특정한 기준점으로부터 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 일치시키는 과정을 진행하는 방식에 따라 3차원 형상측정을 함에 있어, 상기 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 보다 신속하게 일치시키는 것이 가능하여 실시간으로 간섭계의 3차원 형상을 측정이 가능한 입체형상 측정장치를 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 입체형상 측정장치를 이용하여 측정대상물의 입체 형상을 측정하는 신규한 측정 방법을 제공하는 것을 발명의 또 다른 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명은, 광을 방출하며, 하기 제1 광분할기(200)의 일측 방향에 위치하는 광원부(100); 상기 광원부(100)로부터의 광을 측정 대상물(600) 및 하기 기준미러(300)로 각각 분할하는 제1 광분할기(200); 상기 광원부와 대향하여 제1 광분할기의 타측방향에 위치하며, 상기 제1 광분할기(200)로부터의 분할된 광이 조사되어 이를 다시 상기 제1 광분할기로 반사하는 기준미러(300); 상기 광원부(100)로부터 측정 대상물의 표면에 조사되어 반사된 광과, 상기 기준미러(300)에서 반사되어 다시 제1 광분할기(200)를 거치는 광경로에 따른 광이 합쳐진 간섭무늬를 촬영하는 촬영부(500); 및 상기 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 방출하며, 이에 의하여 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정하는 변위 측정부(400);를 포함하는 입체형상 측정장치로서, 상기 변위측정부(400)는 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 방출하는 변위측정광원(411); 및 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물(600)과 기준미러(300) 각각에 도달하고 다시 반사되어 합쳐지는 광을 분산시켜, 분산된 광의 간섭정보를 측정하는 분산형 간섭계 분광기(413);를 포함하는 분산변위 간섭계(410);를 포함하며, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광은 상기 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물 및 기준미러에 각각 조사된 후 다시 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산형 간섭계 분광기(413)에 도달하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 제1 광분할기(200)는 광원부(100)와 기준미러(300) 사이를 수평이동 또는 수직이동이 가능할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 기준미러(300)는 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 평행으로 수평이동이 가능할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 변위측정부(400)는 상기 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광을 분할하는 제2 광분할기(420);를 추가적으로 포함하여, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물과 기준미러에 도달하고 다시 반사되어 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 도달할 수 있으며, 이 경우에 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)은 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 수직한 방향에 위치하여 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 상기 제2 광분할기(420) 방향으로 방출할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 변위측정부(400)는 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광을 분할하는 제2 광분할기(420);를 추가적으로 포함하여, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물과 기준미러에 도달하고 다시 반사되어 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 도달할 수 있으며, 이 경우에, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)은 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 수직한 방향에 위치하여 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 상기 제2 광분할기(420) 방향으로 방출할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)과 제2 광분할기(420) 사이에는, 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물에 도달한 후 반사되어 제1광분할기 및 제2 광분할기를 거쳐 돌아오는 반사광을 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 분할하는 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 추가적으로 포함할 수 있고, 이 경우에 상기 분산형 간섭계 분광기(413)는 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물에 도달한 후 반사되어 제1광분할기, 제2 광분할기 및 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 거치는 반사광을 분산시키는 분산변위 분광소자(415) 및 상기 분광소자로부터 분산된 광을 측정하는 분산변위 광측정장치(414)을 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 본 발명에 따른 입체형상 측정장치는 마이켈슨, 미라우 또는 리닉 타입 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 입체형상 측정장치내 상기 분산변위 간섭계(410)는 적어도 일부를 광섬유 방식으로 구성될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 입체형상 측정장치는 상기 변위측정부(400)에서 얻어진 변위측정값으로부터, 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 각각의 거리를 일치시키기 위해 상기 측정 대상물(600)을 독립적으로 이동시키거나, 또는 상기 측정대상물(600)을 고정시키고 상기 광원부(100), 제1 광분할기(200) 및 기준미러(300) 중 적어도 하나를 포함하는 입체 형상측정장치의 적어도 일부분을 독립적으로 이동시킬 수 있는 제어부(700);를 추가적으로 포함할 수 있고, 이 경우에 상기 제어부(700)는 추가적으로 제1 광분할기(200) 또는 기준미러(300)의 위치를 이동시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 입체형상 측정장치를 이용하여 측정대상물의 입체 형상을 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 입체형상 측정장치는 기존의 형상측정 간섭계에 분산변위 간섭계(410)를 포함하는 변위측정부(400)를 도입함으로써, 측정대상물의 초점을 보다 신속하게 맞출 수 있어, 실시간으로 간섭계의 3차원 형상을 측정이 가능한 입체형상 측정장치를 제공할 수 있다.
보다 상세하게는, 기준미러를 장착한 광학계 또는 측정시스템을 이송하거나 또는 측정 대상물을 이송함으로서, 측정대상에 초점을 맞추고 결상을 하는 방식에 따라 3차원 형상측정이 이루어지는 입체형상 측정장치에 있어, 분산변위 간섭계(410)를 포함하는 변위측정부(400)를 도입하여, 상기 변위측정광원(411)으로부터 조사된 광이 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물 및 기준미러에 각각 조사되고 다시 이들로부터 반사된 반사광이 제1광분할기를 거쳐 분광기로 도달하게 설계함으로써, 입체형상 측정장치내 특정한 기준점(예컨대, 빔분할기)으로부터 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 거리차를 보다 신속하게 일치시킬 수 있는 장점이 있어, 실시간으로 간섭계의 3차원 형상을 측정이 가능한 입체형상 측정장치를 제공할 수 있다.
즉, 기준미러를 포함하는 통상의 간섭계를 이용하여 3차원 형상측정을 하기 위해서는 광학계 또는 측정시스템을 측정대상물에 대하여 이송하거나 또는 측정대상물을 광학계 또는 측정시스템에 대하여 이동하여, 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 거리차를 일치시킨 후에, 상기 기준미러 등을 스캔함으로써 형상측정을 하여야 하며, 본 발명은 이 과정에서 분산변위 간섭계(410)를 포함하는 변위측정부(400)를 도입하여, 상기 입체형상측정장치내 특정한 기준점으로부터 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 신속히 측정하여, 이후에 측정대상물을 이송하거나 또는 기준미러를 장착한 광학계 또는 측정시스템을 이송하여 상기 거리차를 신속하게 일치시키는 과정을 진행함으로써, 측정대상물의 초점을 실시간으로 맞춘 후, 기존의 형상측정 간섭계를 구동하여 실시간으로 간섭계의 3차원 형상을 측정이 가능한 입체형상 측정장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 입체형상 측정장치를 이용하여 측정대상물의 입체 형상을 보다 신속하게 측정할 수 있는 방법을 제공할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 백색광 주사 간섭법을 이용한 표면형상 측정장치를 도시한 도면이다.
도 2은 종래 기술에 따른 또 다른 입체 형상 측정장치의 구성도 및 이의 작동 방식을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 형상 측정장치의 구성도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형상 측정장치내의 분산변위 간섭계(410)의 주요 구성 및 이와 광원부 및 제2 광분할기(420)사이의 결합관계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 입체 형상 측정장치의 구성도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 입체형상 측장장치에서의 분산형 간섭계 분광기(413)의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 입체형상 측장장치에서의 분산형 간섭계 분광기(413)의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 미라우 타입의 입체형상 측장장치에서의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 리닉 타입의 입체형상 측장장치에서의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 타입을 이용한 입체형상 측장장치에서의 주요 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 본 발명에 따른 측정 대상물의 입체형상을 측정하는 입체형상 측정장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 입체형상 측정장치의 일 실시예로, 이들을 바탕으로 본 발명에 따른 입체형상 측정장치의 주요 구성을 아래에 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체 형상 측정장치의 구성도를 도시한 도면으로서, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 입체형상 측정장치는 광원부(100); 제1 광분할기(200); 기준미러(300); 촬영부(500); 및 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정하여 상기 측정대상물(600)에 초점을 맞추어 결상을 하기 위한 변위 측정부(400);를 포함하며, 상기 변위 측정부(400)를 제외한 나머지 부분은 종래기술에 따른 공지의 구성요소에 해당한다.
이들을 이하에서 보다 상세히 설명하면, 우선 상기 광원부(100)는 측정 대상물의 입체형상을 측정하기 위해 측정 대상물에 광을 방출하기 위한 수단으로서, 측정대상물에서는 이 빛의 반사에 형성된 간섭무늬로부터 측정 대상물의 측정면의 형상을 측정할 수 있으며, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 광분할기의 일측 방향(좌측)에 위치하고 있으며, 이는 기준미러에 대향하여 광분할기의 우측이나 또는 좌측에 위치 할 수 있다.
상기 광원부(100)의 광원은 백색광원을 사용할 수 있다. 상기 백색광원은 측정 대상물의 입체형상에 대한 데이터를 획득하기 위한 광원으로, 텅스텐 할로겐 램프(Tungsten Halogen Lamp ), 제논 램프(Xenon Lamp), 백색 발광다이오드 등 하나일 수 있으며, 상기 광원은 광대역의 백색광일 수 있다.
한편, 상기 제1 광분할기는 광원부(100)에서 조사(방출)된 광(빛)을 분할하여 일부는 측정대상물로 조사되도록 하며, 나머지 일부는 직진하도록 투과하여 기준미러(300)쪽으로 조사되도록 각각 분할하는 빔 스플리터(Beam Splitter)이며, 이는 큐빅(Cubic)형, 박막(Pellicle)형 또는 평판형(Plate) 중 어느 하나의 형태에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 3을 살펴보면, 제1 광분할기(200)를 투과한 백색광은 기준미러(300)로 조사가 되며, 제1 광분할기(200)로부터 반사된 백색광은 측정 대상물(600)에 조사가 된다. 상기 투과한 백색광은 기준미러(300)에 조사되는 기준광으로 기능을 하며, 측정대상물 방향으로 반사된 백색광은 측정 대상물에 조사되기에 측정광의 기능을 수행하고 있다.
즉, 상기 제1 광분할기(200)는 광원부로부터 조사된 광을 기준광과 측정광으로 분리시키고, 분리되었던 기준광과 측정광이 반사되어 되돌아오면 이를 간섭시켜 간섭광으로 만든다.
한편, 상기 제1 광분할기(200)와 광원의 사이에는 광원의 빛을 빔분할기로 전달하는 시준렌즈(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 기준미러(300)는 상기 광원부와 대향하여 제1 광분할기의 타측방향에 위치하며, 상기 제1 광분할기(200)로부터의 분할된 광이 조사되어 이를 다시 상기 제1 광분할기로 반사하는 기능을 한다. 즉 상기 기준미러(300)는 제1 광분할기(200)를 투과한 백색광이 최종적으로 반사되어 다시 제1 광분할기로 돌아오는 광경로의 반환점에 해당하며, 도 3에서는 제1 광분할기(200)와 광원부의 연장선에 위치할 수 있다.
한편, 상기 입체형상 측정장치내 상기 제1 광분할기(200)는 광원부(100)와 기준미러(300) 사이를 수평이동 또는 수직이동이 가능할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에서의 입체형상 측정장치는 상기 기준미러를 고정시키고 제1 광분할기(200)를 광원부(100)와 기준미러(300) 사이를 수평이동 또는 수직이동하도록 구동함으로써, 기준미러에서의 반사거리와 측정대상물에서의 반사거리를 동일하게 할 수도 있다.
또한, 상기 입체형상 측정장치내 상기 기준미러(300)는 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 평행으로 수평이동이 가능할 수 있으며, 이는 상기 제1 광분할기(200)를 고정시키고 기준미러를 구동함으로써 기준미러에서의 반사거리와 측정대상물에서의 반사거리를 동일하게 할 수도 있다.
또한 본 발명은 상기 제1 광분할기(200) 및 기준미러 양자를 구동시킴으로써, 기준미러에서의 반사거리와 측정대상물에서의 반사거리를 동일하게 할 수도 있다.
즉, 상기 도 3에서의 상기 제1 광분할기(200)를 투과한 광은 기준미러(300)로 광이 조사되고, 기준미러에 조사된 광은 다시 반사되어 제1 광분할기에 도달하게 되며, 기준미러(300) 또는 제1 광분할기가 광원부와 기준미러를 잇는 연장선으로부터 수평방향으로 이동하거나 또는 수평방향으로 이동함으로써, 제1 광분할기를 기준으로 측정 대상물을 거친 광의 반사거리와 기준미러를 거친 광의 반사거리를 동일하게 하여, 측정대상물의 표면의 높이에 관한 정보를 얻어낼 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 입체형상 측정장치내 기준미러(300) 또는 제1 광분할기(200)를 수평이동 또는 수직이동이 가능하도록 하는 각각의 이동수단(미도시)을 구비할 수 있다.
한편, 상기 제1 광분할기와 기준미러 사이에서 조절되어야 하는 거리는 아주 미세하므로 제1 광분할기(200) 또는 기준미러(300)는 아주 미세하게 이동될 수 있어야 하며, 이들을 미세하게 이동시키기 위해서는 본 발명의 입체형상 측정장치는 이들의 이동을 위한 미세 구동장치(미도시)를 추가할 수 있다.
또한 상기 제1 광분할기(200) 또는 기준미러(300)의 위치를 조정하기 위하여 사용되는 미세구동장치는 상기 제1 광분할기(200) 또는 기준미러를 지지할 수 있는 지지대 역할을 동시에 수행할 수 있다.
여기서, 상기 미세 구동장치는 수십 mm 범위(1 ~ 100 mm)의 거리를 이동시킬 수 있는 장치를 사용할 수 있고, 예컨대 미세한 위치조절에 많이 사용되는 압전 구동기를 사용할 수 있다.
한편, 상기 촬영부(500)는 상기 측정 대상물의 표면에 조사되어 반사된 광과, 상기 기준미러(300)에서 반사되어 다시 제1 광분할기를 거치는 광경로에 따라 반사되는 광이 합쳐진 간섭무늬를 촬영하는 역할을 하며, CCD 또는 CMOS 카메라(charge-coupled device camera)가 사용될 수 있으나, 상기 간섭무늬로부터 측정 대상물의 측정면의 형상을 측정할 수 있는 장치이면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
즉, 상기 광원(100)에서 조사된 빛에 의해 형성되는 간섭무늬는 기준미러(300)에서 반사되어 제1 광분할기를 통해 들어오는 광과 측정 대상물의 측정면에서 반사된 후 제1 광분할기(200)를 통해 들어오는 광이 합쳐진 무늬로서 이러한 간섭무늬를 얻기 위해서는 제1 광분할기(200)로부터 측정 대상물의 표면과의 거리 및 제1 광분할기(200)로부터 기준미러(300)까지의 거리를 일치시켜야 하며, 이에 따라, 단차를 가지는 측정 대상에 대해서는 높이 정보에 따라 간섭무늬 획득 구간을 일정하게 분할한 후, 분할된 구간별로 기준미러(300)을 고정시키고 제1 광분할기를 세밀하게 이동시키거나 또는 제1 광분할기를 고정시키면서 상기 기준미러를 세밀하게 이동시면서 간섭무늬를 획득하여 표면 형상을 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 입체형상 측정장치의 기술적 특징부에 해당하는 변위 측정부(400)는 입체형상 측정하기 위해 상기 제1 광분할기(200)를 통해 들어오는 광이 합쳐진 무늬로서의 간섭무늬를 얻기 전에, 측정대상물에 초점을 맞추어 결상을 하기 위해 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정하는 역할을 하며, 상기 변위 측정부(400)는 상기 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 방출하며, 상기 측정대상물(600)에 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 변위측정을 위한 분산변위 간섭계(410)를 포함하며, 상기 분산변위 간섭계(410)는 이의 구성요소로서, 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 방출하는 변위측정광원(411); 및 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물(600)과 기준미러(300) 각각에 도달하고 다시 반사되어 합쳐지는 광을 분산시켜, 분산된 광의 간섭정보를 측정하는 분산형 간섭계 분광기(413);를 포함할 수 있고, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광은 상기 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물 및 기준미러에 조사된 후 다시 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산형 간섭계 분광기(413)에 도달하는 것을 본 발명의 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 입체형상 측정장치는 기존의 3차원 입체형상측정 간섭계에 분산변위 간섭계(410)를 포함하는 변위측정부(400)를 도입함으로써, 기존의 3차원 입체형상측정 간섭계에서의 표면 형상을 측정하기 위한 광원부(100)로부터의 측정광의 조사이전에, 간섭계내의 기준점(예컨대, 빔분할기, 또는 기준미러 등)으로부터 측정 대상물 표면의 특정한 위치까지의 거리를 우선적으로 측정하여, 이를 통하여 기존의 3차원 입체형상측정 간섭계내 기준미러를 장착한 광학계 또는 측정시스템을 이송하거나 또는 측정 대상물을 상기 광학계 또는 측정시스템을 기준으로 이송하여 측정대상에 초점을 맞추고 결상을 진행할 수 있다.
따라서 이를 위해 상기 변위측정부(400)는 상기 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 방출하기 위해, 상기 광원부(100)와는 별도의 독립적인 변위측정광원(411)을 구비할 수 있고, 이에 의하여 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정할 수 있도록 하며, 여기서, 상기 변위측정광원으로부터 방출된 광이 측정대상물에 조사되는 경우에, 상기 측정대상물에 조사되는 광은 반드시 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물에 조사되고, 또한 측정대상물로부터 반사되는 광도 반드시 제1 광분할기(200)를 거쳐 돌아와야 하며, 상기 제1 광분할기(200)를 거쳐 돌아오는 반사광은 상기 분산형 간섭계 분광기(413)에 의해 초점을 맞추기 위한 거리가 측정되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 변위측정부(400)는 상기 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광을 분할하는 제2 광분할기(420);를 추가적으로 포함하여,상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물과 기준미러에 도달하고 다시 반사되어 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 도달할 수 있도록 할 수 있다.
이때, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)과 제2 광분할기(420)사이에는, 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물에 도달한 후 반사되어 제1광분할기 및 제2 광분할기를 거쳐 돌아오는 반사광을 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 분할하는 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 추가적으로 포함할 수 있다.
이는 도 4를 통해 설명될 수 있는 바, 상기 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형상 측정장치내의 분산변위 간섭계(410)의 주요 구성 및 이와 광원부 및 제2 광분할기(420)사이의 결합관계를 도시한 도면으로서, 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 광원부(100)와 제1 광분할기(도 4에서 미도시, 제2 광분할기(420)의 우측에 위치) 사이의 광경로에, 제2 광분할기(420)가 구비되어 있으며, 상기 제1 광분할기로부터 제2 광분할기쪽으로 진행하는 반사광은 제2 광분할기에 의해 일부가 수직방향으로 방출되게 되어 분산변위 간섭계(410)쪽으로 진행하게 된다.
이때, 상기 분산변위 간섭계(410)는 변위측정광원(411)과 제2 광분할기(420)사이에 추가적으로 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광은 측정대상물 및 기준미러를 거쳐 다시 반사되어 돌아오는 경우에 상기 분산변위 간섭계내 광분할기(412)에서 일부가 분산형 간섭계 분광기(413)쪽으로 반사됨으로써, 상기 분산형 간섭계 (413)는 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 상기 변위측정광원(411)은 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 수직한 방향에 위치하여 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 상기 제2 광분할기(420) 방향으로 방출하도록 구성될 수 있다.
상기 구성에 따라, 상기 제1 광분할기를 거쳐 제2 광분할기에서 반사되는 빛(광)은 상기 분산변위 간섭계(410)가 위치한 수직방향으로 방출되게 되어, 상기 분산변위 간섭계내 광분할기(412)로 입사되고 이에 의해 광분할되어 최종적으로 입사광에 수직한 방향에 위치한 분산형 간섭계 분광기(413)로 입사되고 본 발명에 따른 분산변위 간섭계(410)를 포함하는 변위측정부(400)내 분산형 간섭계 분광기(413)에 의해 제1 광분할기(200)으로부터 측정대상물의 표면까지의 거리를 측정할 수 있게 되며, 이후의 초점을 맞추어 결상을 하기 위한 과정이 수행될 수 있다.
이때 적용되는 분산형 간섭계의 측정원리는 다음과 같다.
상기 제1 광분할기의 반사코팅층에서 측정대상물의 표면까지의 거리를 L1, 기준미러까지의 거리를 L2라고 하면, 분광기에서 측정되는 거리 차이 L(=L2-L1)에 의한 간섭 신호는 [수학식 1]로 표현된다.
[수학식 1]
Figure 112019043226315-pat00001
여기서, k는 파수(wave number), C0는 진공 중의 광속, n은 매질의 굴절율(refractive index), 는 광주파수(optical frequency), a(υ)는 광주파수 영역에서 측정된 신호의 평균 광강도(mean intensity), b( υ)는 간섭 신호의 변조 크기(modulation amplitude)를 나타내며, 이들은 광원의 주파수 분포 s(υ)와 [수학 식 2]의 관계를 갖는다.
[수학식 2]
Figure 112019043226315-pat00002
여기서, rr(υ)과 rm(υ)은 측정면의 주파수에 따른 반사계수로서, 느리게 변화하는 특성으로, 1로 가정할 수 있다. 이에 따라 측정광과 측정광에 의해 생성되는 간섭신호는 [수학식 3]으로 정리된다.
[수학식 3]
Figure 112019043226315-pat00003
채널별 간섭 신호는 [수학식 3]에서와 같이, 광원의 주파수 특성을 보이는 광강도 분포를 보이는 동시에, 간섭 신호의 위상 φ(υ)에 의해 변화된 신호를 나타낸다. 따라서 측정하기 위한 거리 L은 간섭신호의 위상 φ(υ)에 포함되어 있으며, 주파수에 따른 φ(υ)는 [수학식 4]로 표시된다.
[수학식 4]
Figure 112019043226315-pat00004
여기서, φ(υ)를 추출하는 방법들로는 동기 샘플링(synchronous sampling)을 이용하는 방법, 퓨리에변환(Fourier transform)을 수행하여 첨두를 검출하는 방법 등이 있으며, 본 발명에서는 퓨리에변환을 적용하여 설명하며, 상기 퓨리에변환을 적용하기 위하여 [수학식 3]을 복소수 형태로 표현하면, [수학식 5]와 같이 된다.
[수학식 5]
Figure 112019043226315-pat00005
다음으로 [수학식 5]를 퓨리에 변환하면 [수학식 6]과 같이 된다.
[수학식 6]
Figure 112019043226315-pat00006
여기서, S (τ)는 s(υ)의 퓨리에변환 함수, δ(τ)는 디락-델타 함수(Dirac-delta function), α는 [수학식 4]와 같이 2nL/c0의 치환 변수를 나타낸다. 이 첨두(피크)들의 위치로부터 α를 바로 측정할 수 있어, [수학식 4]를 이용하여 거리차 L을 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에서의 제2 광분할기(420)는 앞서 기재된 바와 같이 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 위치하지 않고, 도 5에서 도시된 바와 같이 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 구비하도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 입체 형상 측정장치의 구성도를 도시한 도면으로서, 도 5에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 입체 형상측정장치내 상기 변위측정부(400)는 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광을 분할하는 제2 광분할기(420);를 추가적으로 포함할 수 있고, 이를 통해, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물과 기준미러에 도달하고 다시 반사되어 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 도달할 수 있도록 하여 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정할 수 있다.
이경우에도 앞서와 마찬가지로, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)과 제2 광분할기(420)사이에는, 제1광분할기 및 제2 광분할기를 거쳐 돌아오는 반사광을 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 분할하는 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 추가적으로 포함할 수 있으며, 또한, 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)은 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 수직한 방향에 위치하여 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 상기 제2 광분할기(420) 방향으로 방출하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 변위측정광원(411)은 상기 광원부(100)과 마찬가지로 백색광원을 사용하거나 또는 단색광을 사용할 수 있으며, 이때, 상기 단색광을 사용하기 위한 광원으로, 레이저 발광다이오드 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 분산형 간섭계 분광기(413)는 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물에 도달한 후 반사되어 제1광분할기, 제2 광분할기 및 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 거치는 반사광을 분산시키는 분산변위 분광소자(415) 및 상기 분광소자로부터 분산된 광을 측정하는 분산변위 광측정장치(414)을 포함할 수 있으며, 도 6에서는 상기 분산형 간섭계 분광기(413)내 분산변위 분광소자(415) 및 분산변위 광측정장치(414)를 포함하는 구성을 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 입체형상 측장장치에서의 분산형 간섭계 분광기(413)의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시한 도면으로서, 상기 분산형 간섭계는 광간섭과 분광이 결합한 원리를 이용하는 것으로서, 도 6에서 보여주는 바와 같이, 제2 광분할기(420)로부터 반사되는 광을 분산시키는 분광소자(415) 및 상기 분광소자로부터 분산된 광을 측정하는 분산변위 광측정장치(414)를 포함하며, 변위측정광원(411)에서 출사된 광이 제2 광분할기(420)와 제1 광분할기(200)을 거쳐 각각 기준미러와 측정대상물에서 반사되어 다시 분산변위 간섭계(410)로 입사되어 분산변위 간섭계내 광분할기(412)에 의해 반사되고 상기 분광소자(415)에 의해서 각 파장별로 분리가 되어 분산변위 광측정장치(414)에 도달하여 간섭신호를 획득하게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 분산변위 간섭계(410)를 구비한 입체형상 측장장치에서의 측정 대상물의 거리를 측정하는 방식을 도 6을 통해 전체적으로 설명한다.
도 6에서는 앞서 설명한 바와 같이, 분산형 간섭계 분광기(413) 및 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 포함하며, 변위측정광원(411)은 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 수직한 방향에 위치하여 별도의 광을 제2 광분할기(420) 방향으로 방출하며, 이에 의해 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시하고 있다.
상기 도 6에 나타난 바와 같이, 우선적으로 입체형상 측정장치에서의 변위측정부(400)을 제외한 나머지 다른 구성요소들을 작동시키지 않거나 적어도 움직이지 않도록 고정한 후에, 레이저 다이오드 등의 변위측정광원(411)에서 측정대상물에 초점을 맞추기 위해 광이 조사가 되면 이는 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 통과하여 제2 광분할기(420)에서 반사된 후, 제1 광분할기(200)에서 광이 분할되어 반사되는 광은 측정대상물로 진행하고, 통과되는 광은 기준미러로 진행하며, 상기 측정대상물에서 반사된 광과 기준미러에서 반사된 광은 각각 다시 제1 광분할기(200)을 통과하거나 반사하여 제2 광분할기(420)에서 반사된 후, 분산변위 간섭계내 광분할기(412)에서 다시 반사되어 분산형 간섭계 분광기(413);를 통하여 기준미러와 측정대상간의 광경로에 따른 거리차를 기계적 구동없이 단일과정(one shot)에 의해 계산을 통해 측정대상물과의 거리를 측정할 수 있게 된다.
한편, 도 7은 본 발명의 또 다른 일실시예로서, 제2 광분할기(420)가 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 구비되는 도 5의 구성을 가지는 경우에 있어서의 분산형 간섭계 분광기(413)의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시한 도면에 해당되며, 그 작동 및 측정의 내용은 도 6으로부터 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에 따른 입체형상 측정장치는 측정대상물의 특정한 부분(point)에 대해서 기계적 구동없이 한 번의 측정데이터(One shot data)만을 가지고 상기 특정한 부분에 대해서 변위(거리차)측정을 진행할 수 있는분산형 간섭계를 장착할 수 있는 3차원 입체형상측정 장치에 해당되면 종류에 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예시적으로, 마이켈슨, 미라우, 리닉, 피조 등의 타입을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 마이켈슨, 미라우 또는 리닉 타입 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
예컨대, 도 6에서는 마이켈슨 타입의 입체형상측정장치를 도시하고 있으며, 도 8에서는 미라우 타입의 입체형상 측장장치에서의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시하였고, 상기 미라우 타입의 경우에는 측정대상물과 제1 광분할기 사이에 추가적인 광분할기를 구비하되, 기준미러가 상기 광분할기와 제1 광분할기 사이에 구비되도록 한다.
한편, 도 9에서는 리닉 타입의 입체형상 측장장치에서의 주요 구성 및 기준미러와 측정대상물간의 각각의 광경로에 따른 거리차를 측정하여 초점을 맞추어 결상하는 과정에 있어 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광의 경로를 도시하고 있으며, 상기 리닉 타입의 경우에는 제1 광분할기와 기준미러 사이 및 제1 광분할기와 측정대상물사이에 대물렌즈가 구비되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에서의 분산변위 간섭계(410)는 적어도 일부를 광섬유 방식으로 구성할 수 있으며, 이를 도 10을 통해 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 타입을 이용한 입체형상 측장장치에서의 주요 구성을 도시한 도면으로서, 상기 도 10에 도시된 바와 같이, 변위측정광원(411)으로서 SLD(Super-Luminescent Diode)를 사용하여 단일모드 광섬유(Single Mode Fiber)내에서 광커플러(Optical Coupler)를 통해 제2광분할기로 광을 방출할 수 있으며, 또한 기준미러와 측정대상물에 도달한후 반사되어 제1 광분할기 및 제2 광분할기를 거쳐 합쳐진 광(빛)은 상기 광커플러에서 분산변위 분광소자(DG) 및 분산변위 광측정장치(PDA)에서 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 기준미러를 포함하는 입체형상 측장장치에서의 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정하여, 이를 바탕으로 기준미러와 측정대상물간의 광경로에 따른 거리를 일치시키는 과정은 우선적으로, 측정대상물이 입체형상 측정장치의 시료 지지대 등에 고정이 된 후, 분산형 간섭계 분광기(413)를 통해 상기 변위측정값을 측정하여 광경로에 따른 거리차이에 대한 정보를 얻어내고, 이렇게 얻어지는 정보에 따른 거리차이(변위차) 만큼을 측정 대상물(600)을 독립적으로 이동시키거나, 또는 상기 측정대상물(600)을 고정시키고 상기 광원부(100), 제1 광분할기(200) 및 기준미러(300) 중 적어도 하나를 포함하는 입체 형상측정장치의 적어도 일부분을 독립적으로 이동한 후에 상기 기준미러 또는 제1 광분할기 등을 스캔함으로써, 촬영부에서 입체형상을 얻어낼 수 있다.
이를 위해서, 본 발명에 따른 상기 입체형상 측정장치는 상기 변위측정부(400)에서 얻어진 변위측정값으로부터, 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 각각의 거리를 일치시키기 위해 상기 측정 대상물(600)을 독립적으로 이동시키거나, 또는 상기 측정대상물(600)을 고정시키고 상기 광원부(100), 제1 광분할기(200) 및 기준미러(300) 중 적어도 하나를 포함하는 입체 형상측정장치의 적어도 일부분을 독립적으로 이동시킬 수 있는 제어부(700);를 추가적으로 포함할 수 있으며, 이 경우에 상기 제어부(700)는 추가적으로 제1 광분할기(200) 또는 기준미러(300)의 위치를 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 입체형상 측정장치를 이용하여 측정대상물의 입체 형상을 측정하는 방법을 제공한다.
이를 보다 상세히 구체적 단계에 따라 설명하면, 우선적으로, 앞서 기재한 바와 같이, 입체형상 측정장치에서의 변위측정부(400)을 제외한 나머지 다른 구성요소들을 작동시키지 않거나 적어도 움직이지 않도록 고정한 후에, 레이저 다이오드 등의 변위측정광원(411)에서 제1 광분할기(200)로부터 기준미러 및 측정대상물(600)사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정하기위해 측정대상물에 광이 조사가 되고, 이에 따라 측정대상물에서 반사된 광과 기준미러에서 반사된 광이 합쳐져 상기 분산형 간섭계 분광기(413)로 진행하며, 이를 통하여 상기 변위측정값(제1 광분할기(200)로부터 기준미러 및 측정대상물(600)사이의 광경로에 따른 거리차)을 기계적 구동없이 단일과정(one shot)에 의해 계산을 통해 측정하게 된다.
이후의 과정으로서, 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 각각의 거리를 일치시키기 위해상기 거리차이만큼 측정 대상물(600)을 독립적으로 이동시키거나, 또는 상기 측정대상물(600)을 고정시키고 상기 광원부(100), 제1 광분할기(200) 및 기준미러(300) 중 적어도 하나를 포함하는 입체 형상측정장치의 적어도 일부분을 독립적으로 이송시켜 변위측정부(400)를 제외한 나머지 입체측정장치에서 측정대상물의 3차원 입체형상을 측정하기 위한 최적의 거리를 유지하도록 하고, 본 발명에 따른 광원부(100)에서 3차원 입체형상을 측정하기 위한 광을 출사시키고 기준미러, 측정대상물, 측정시스템 전체 중 어느 하나를 광축방향으로 스캔하여 3차원 형상을 측정이 가능하게 된다.
한편, 상기 변위측정부(400)에 의해 이루어지는, 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 각각의 거리를 일치시켜, 초점을 맞추어 결상하는 단계를 제외한 나머지의 입체 형상의 측정 방식은 종래의 공지된 방식을 따라 진행될 수 있으며, 예시적으로는 이하에 기재된 방식을 사용할 수 있다.
통상적으로 광원부(100)에서 조사된 빛에 의해 형성되는 간섭무늬는 기준미러(300)를 반사되어 제1 광분할기를 통해 들어오는 광과 측정 대상물의 측정면에서 반사된 후 제1 광분할기(200)를 통해 들어오는 광이 합쳐진 무늬로서 이러한 간섭무늬를 얻기 위해서는 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정 대상물의 표면과의 거리 및 광분할기(200)로부터 기준미러(300)까지의 거리를 일치시켜야 하며, 이에 따라, 단차를 가지는 측정 대상에 대해서는 높이 정보에 따라 간섭무늬 획득 구간을 일정하게 분할한 후, 분할된 구간별로 기준미러(300) 또는 상기 제1 광분할기를 세밀하게 이동시키면서 간섭무늬를 획득하여 표면 형상을 측정한다.
여기서, 본 발명에 따른 입체형상 측정장치는 추가적으로 측정대상물(600), 제1 광분할기(200), 기준미러(300)중 적어도 하나 이상의 위치를 제어할 수 있고, 이때, 상기 제어부는 측정대상물, 또는 제1 광분할기(200) 또는 기준미러(300)를 독립적으로 제어할 수 있고, 또한 이들을 동시에 제어하여 각각을 동시에 구동시킬 수 있으며, 추가적으로 상기 촬영부(500)을 통해 촬영된 영상을 처리할 수 있는 통합적인 역할을 할 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 제어부는 제1 광분할기(200)가 고정되어 있는 경우에는 기준미러(300)의 이동을 제어할 수 있으며, 또한 이와 반대로 기준미러(300)가 고정되어 있는 경우에는 제1 광분할기(200)의 이동을 제어할 수 있으며, 또한 상기 제1 광분할기(200) 및 기준미러(300)가 동시에 위치가 조정되는 경우에는 동시에 이들을 개별적으로 제어할 수 있다.
한편, 상기 제1 광분할기와 촬영부(500) 사이에는 반사된 빛을 촬영부로 집광시키는 결상 렌즈(501)를 포함할 수 있고, 또한, 제1 광분할기(200)와 기준미러(400)사이에 편광기(polarizer)가 추가적으로 포함될 수 있다. 이때 사용되는 편광기는 선형 편광기일 수 있으며, 기준광을 선형적으로 편광시켜 기준광이 일 방향의 편광성분만을 갖는 역할을 한다.
상기 편광기를 포함함에 따라 측정광의 광경로 상에는 보상판(compensating plate)이 추가적으로 포함될 수 있으며, 상기 보상판은 기준광이 선형 편광기를 거침으로 인해 발생하게 되는 측정과의 위상차를 보상해 줄 수 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 광원부
200: 제1 광분할기
300: 기준미러
400: 변위 측정부
410 : 분산변위 간섭계
411 : 변위측정광원(레이저 다이오드)
412 : 분산변위 간섭계내 광분할기
413 : 분산형 간섭계 분광기
414 : 분산변위 광 측정장치(CCD)
415 : 분광소자
420: 제2 광분할기
500: 촬영부
501 : 결상렌즈
600: 측정대상물

Claims (14)

  1. 광을 방출하며, 하기 제1 광분할기(200)의 일측 방향에 위치하는 광원부(100);
    상기 광원부(100)로부터의 광을 측정 대상물(600) 및 하기 기준미러(300)로 각각 분할하는 제1 광분할기(200);
    상기 광원부와 대향하여 제1 광분할기의 타측방향에 위치하며, 상기 제1 광분할기(200)로부터의 분할된 광이 조사되어 이를 다시 상기 제1 광분할기로 반사하는 기준미러(300);
    상기 광원부(100)로부터 측정 대상물의 표면에 조사되어 반사된 광과, 상기 기준미러(300)에서 반사되어 다시 제1 광분할기(200)를 거치는 광경로에 따른 광이 합쳐진 간섭무늬를 촬영하는 촬영부(500); 및
    상기 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 방출하며, 이에 의하여 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 변위측정값을 측정하는 변위 측정부(400);를 포함하는 입체형상 측정장치로서,
    상기 변위측정부(400)는 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 방출하는 변위측정광원(411); 및 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물(600)과 기준미러(300) 각각에 도달하고 다시 반사되어 합쳐지는 광을 분산시켜, 분산된 광의 간섭정보를 측정하는 분산형 간섭계 분광기(413);를 포함하는 분산변위 간섭계(410);를 포함하며,
    상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광은 상기 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물 및 기준미러에 각각 조사된 후 다시 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산형 간섭계 분광기(413)에 도달하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광분할기(200)는 광원부(100)와 기준미러(300) 사이를 수평이동 또는 수직이동이 가능한 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준미러(300)는 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 평행으로 수평이동이 가능한 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변위측정부(400)는 상기 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광을 분할하는 제2 광분할기(420);를 추가적으로 포함하여,
    상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물과 기준미러에 도달하고 다시 반사되어 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 도달할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변위측정부(400)는 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로에 상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광을 분할하는 제2 광분할기(420);를 추가적으로 포함하여,
    상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 제1 광분할기(200)를 거쳐 측정대상물과 기준미러에 도달하고 다시 반사되어 제1 광분할기(200)를 거쳐 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 도달할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)과 제2 광분할기(420) 사이에는, 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물에 도달한 후 반사되어 제1광분할기 및 제2 광분할기를 거쳐 돌아오는 반사광을 상기 분산변위 간섭계(410)내 분산형 간섭계 분광기(413)로 분할하는 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)은 광원부(100)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 수직한 방향에 위치하여 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 상기 제2 광분할기(420) 방향으로 방출하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 분산변위 간섭계(410)내 변위측정광원(411)은 상기 촬영부(500)와 제1 광분할기(200) 사이의 광경로와 수직한 방향에 위치하여 광원부(100)에서 방출하는 광과 독립된 별도의 광을 상기 제2 광분할기(420) 방향으로 방출하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 분산형 간섭계 분광기(413)는 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출되어 측정대상물에 도달한 후 반사되어 제1광분할기, 제2 광분할기 및 분산변위 간섭계내 광분할기(412)를 거치는 반사광을 분산시키는 분산변위 분광소자(415) 및 상기 분광소자로부터 분산된 광을 측정하는 분산변위 광측정장치(414)을 포함하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 입체형상 측정장치는 마이켈슨, 미라우 또는 리닉 타입 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분산변위 간섭계(410)는 적어도 일부를 광섬유 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 입체형상 측정장치는 상기 변위측정부(400)에서 얻어진 변위측정값으로부터, 상기 변위측정광원(411)으로부터 방출된 광이 상기 제1 광분할기(200)로부터 기준미러에 도달하여 반사되는 광과, 상기 제1 광분할기(200)로부터 측정대상물(600)에 도달하여 반사되는 광 사이의 광경로에 따른 각각의 거리를 일치시키기 위해 상기 측정 대상물(600)을 독립적으로 이동시키거나, 또는 상기 측정대상물(600)을 고정시키고 상기 광원부(100), 제1 광분할기(200) 및 기준미러(300) 중 적어도 하나를 포함하는 입체 형상측정장치의 적어도 일부분을 독립적으로 이동시킬 수 있는 제어부(700);를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부(700)는 추가적으로 제1 광분할기(200) 또는 기준미러(300)의 위치를 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 입체형상 측정장치.
  14. 제1항 내지 제5항, 제7항, 제8항, 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 입체형상 측정장치를 이용하여 측정대상물의 입체 형상을 측정하는 방법.
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