KR20130042988A - 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법은 광 간섭 형상 측정장치의 측정방법에 있어서, 상기 광 간섭 형상 측정장치에서 광 경로 변위 구동을 위한 구동부(PZT)를 제어할 때 상기 구동부를 제어하는 구동제어부로 구동신호(PZT driving signal)를 제공하여 구동부를 구동시키되, 상기 제어부는 구동부로부터 구동위치신호(PZT sensor signal)를 제공받아 측정광을 측정하는 카메라의 트리거 신호를 발생시켜 카메라를 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법은, 구동부의 위치신호를 피드백 받고 상기 위치신호를 카메라의 촬영 트리거 신호로 발생함으로써 스텝 구동없이 연속적으로 이미지를 촬영함으로써 보다 고속으로 형상을 측정할 수 있는 장점이 있다.

Description

광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법{High-speed optical interference measurements of the shape measurement device}

본 발명은 광 간섭 형상 측정장치의 측정방법에 관한 것으로, 좀 더 상하게는 광 간섭 측정 방법에서 간섭 이미지를 획득하기 위해 광 경로 길이를 변화시키기 위한 스캔닝 방법을 대체하여 고속으로 촬영 트리거 신호를 발생함으로써 스텝 구동없이 고속으로 이미지를 촬영할 수 있는 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법에 관한 것이다.

반도체 검사 장비, 컴퓨터 그래픽스를 이용한 영화 특수효과, 3D 스캐너 기술 등에 사용하는 3차원 형상 측정 방법은 (1) 포인트(Point) 광을 이용한 3차원 형상측정 (Point Beam Projection)법, (2) 슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상측정(Slit Beam Projection)법, (3) 공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법, (4) 모아레(Moire)를 이용한 3차원 형상 측정법 등을 사용한다.

3D 스캐너 기술은 광삼각법에 기초한 포인트(Point) 광 투영법, 슬릿(Slit) 광 투영법, 그리고 공간부호화법이 사용하며, 많은 격자를 동시에 투영하고 이를 위상천이시켜 측정분해능을 향상시키는 방법으로 영사식 모아레(Moire) 법과 PMP(Phase Measuring Profilometry) 법을 사용한다.

(1) Point 광을 이용한 3차원 형상측정(Point Beam Projection)법은 3D 측정의 가장 기본적인 형태로써, 표면 위 측정 대상체의 3차원 형상을 기존 접촉식 프로브를 광학식 변위센서를 사용하여 측정한다.

광학식 변위센서는 표면에 일정한 각도로 레이저 다이오드(Laser Diode)로부터 발사된 레이저빔을 초점거리가 5mm 안팎의 발광렌즈(집광렌즈)로 집광하여 통과한 레이저 광원을 표면상의 측정 대상체에 조사한다.

측정 대상체로부터 반사된 레이저 광원은 다시 결상렌즈(수광렌즈)로 수신받아 CCD(Charge Coupled Device) 센서 또는 광 PSD(Position Sensing Detector, 위치 감지 검출기) 센서 위에 결상된다. PSD 센서는 결상 위치에 따른 전기신호를 출력하게 된다. 여기서, PSD 센서는 측정 대상체의 높이 변화에 따라 PSD 센서 위에 결상되는 위치가 변하기 때문에 한점의 높이 값을 측정하게 된다.

이러한 광학식 변위센서는 한 번에 표면상의 측정 대상체의 한 점의 높이 값만 측정하기 때문에 표면상의 측정 대상체의 곡면형상을 측정할 경우, 광학식 변위센서를 이송시키면서, 동시에 광학식 변위센서의 3차원 위치좌표 값을 읽어야 하기 때문에 고정도의 이동이 가능한 기구부가 필요하게 된다.

광학식 변위센서는 많은 제품이 출시되고 있지만 보편적으로 사용되고 있는 센서의 측정 정도는 약 2-5㎛의 것들이 사용되고 있다.

(2) 슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상측정(Slit Beam Projection)

슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상측정법은 광삼각법의 원리에 기초를 두고 있는 측정법으로 슬릿광은 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 집광렌즈로 레이저광을 집광시키고, 로드렌즈 또는 실리더리컬 렌즈로 슬릿광을 만들어 내고 있다.

슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상 측정법은 슬릿광을 측정 대상체에 입사시켜 측정대상체의 형상에 따라 변형된 슬릿광을 얻고, CCD 카메라로 변형된 슬릿광을 획득하여 기하학적 관계로부터 측정대상체의 형상의 삼차원 좌표를 산출하는 방법이다. 이 방법은 측정대상체의 전체 형상을 측정하기 위해 기계구동시스템을 사용해 측정 단면을 이동시키며 측정하는데 크게 2가지 방법이 사용된다.

첫 번째 방법은 레이저 슬릿광이 거울에 반사되게 하고, 갈바노미터 등을 이용하여 거울의 각도를 변화시켜 슬릿광이 측정면을 스캐닝하는 방식이다. 이 방식의 측정 광학계는 공간부호화법, 모아레(Moire)법, 및 PMP(Phase Measuring Profilometry) 법에 비해 매우 단순한 광학 구성을 가지고 있는데, 슬릿광이 진행하는 방향에 대한 평면방정식과 CCD 카메라 이미지 픽셀의 직선방정식의 교점을 구하여 높이 형상을 측정한다. 슬릿광의 측정분해능과 정밀도는 슬릿광의 두께와 슬릿광 및 카메라보정 정도에 크게 좌우된다.

두 번째 방법은 고정도의 이동이 가능한 기구부에 카메라와 슬릿광을 일체화하여 이동시키는 데, 대부분의 제품이 이 방식을 이용하고 있다.

(3) 공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법

공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법은 슬릿(Slit)광과 함께 광삼각법의 원리에 기초를 두고 있는 측정법으로 공간부호화법이 있다. 공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법은 빔프로젝터를 사용한 세미나 시간에 사용되는 영사광학계에 액정소자 또는 필름 등을 장착하고 이를 측정대상체에 주사한다.

공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법은 처음에는 큰 폭의 격자를 사용하고, 다음에는 폭을 1/2씩 줄여가면서 여러 차례에 걸쳐 주사하게 된다. 이렇게 주사된 여러 장의 이미지에서 빛이 맞았는지(ON), 차단되었는지(OFF)를 순차적으로 확인하여 몇 번째 슬릿광인지를 파악하고, 그것에 해당하는 평면 방정식과 이미지센서의 직선 방정식의 교점으로부터 높이 값을 구하는 방식이다.

예를 들면, 슬릿광을 이용한 3차원 형상측정법은 256개의 슬릿광을 영사할 경우에 256장의 이미지를 포착하고 해석해야하는 반면에, 공간부호화법을 이용한 3차원 형상 측정법의 경우, 8번(28=256)의 이미지를 포착하기 때문에 슬릿광에 비해 효과적이다.

(4) 모아레(Moire)를 이용한 3차원 형상 측정 방법

그림자식 모아레(Moire)법은 측정대상물 바로 앞에 규칙적인 줄무늬격자를 두고 한 쪽에서 빛을 비추면 격자의 그림자가 측정물위에 생기게 된다. 이 그림자는 측정물의 형상에 따라 휘어지게 된다.

이런 상태에서 또 다른 한 쪽에서 측정물을 바라보면, 변형되지 않은 직선줄무늬 격자와 이 격자의 그림자가 겹쳐져 보이면서, 물결모양의 등고선 무늬를 나타내는 모아레(Moire) 무늬를 사용하여 물체의 형상정보를 분석하여 높이 값을 얻게 된다.

이러한 모아레(Moire) 무늬는 사용하는 격자의 피치를 줄일수록 조밀한 모아레를 얻을 수 있기 때문에 매우 정밀한 형상측정이 가능하게 된다. 하지만, 형성된 모아레 무늬에서 높낮이 방향을 알기 위해 격자를 위상이송시켜야 하고, 측정물의 크기만한 정밀한 격자가 필요하기 때문에 영사식 모아레법이 사용되고 있다.

영사식 모아레법은 모아레 무늬의 정밀한 분석을 위해 격자를 위상천이 시킬 수 있기 때문에 다른 측정법에 비해 매우 정밀한 측정정도를 얻을 수 있지만, 광학계가 매우 복잡해지는 단점이 있으므로 아직 보편화되지 못하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 기존의 광 간섭 형상 측정장치에서 광 경로 변위에 따른 촬영신호를 효과적으로 제어하여 고속으로 이미지를 촬영할 수 있는 측정방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광 간섭 형상 측정장치의 측정방법에 있어서, 상기 광 간섭 형상 측정장치에서 광 경로 변위 구동을 위한 구동부(PZT)를 제어할 때 상기 구동부를 제어하는 구동제어부로 구동신호(PZT driving signal)를 제공하여 구동부를 구동시키되, 상기 제어부는 구동부로부터 구동위치신호(PZT sensor signal)를 제공받아 측정광을 측정하는 카메라의 트리거 신호를 발생시켜 카메라를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동위치신호는, D/A컨버터를 통해 제어부에서 수신받는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동신호는, 상기 제어부에서 출력되는 구동신호를 A/D컨버터를 통해 구동드라이버로 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은, 간섭무늬를 획득하기 위하여 구동부(PZT)를 통한 스텝 구동에 따라 이미지를 획득하는 stop and go의 기존방식과는 다르게 구동신호를 전달하면서 구동부를 연속적으로 구동하되, 구동부 위치를 검출하는 구동위치신호를 수신받아 위치신호에 따라 카메라 트리거 신호를 발생하여 연속으로 구동하면서 해당 이미지를 촬영함으로써 결과적으로 고속 이미지를 획득할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법의 구성도,

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 광 간섭 형상 측정장치의 측정방법은, 광 간섭 형상 측정장치의 측정방법에 있어서, 상기 광 간섭 형상 측정장치에서 광 경로 변위 구동을 위한 구동부(PZT)를 제어할 때 상기 구동부를 제어하는 구동제어부로 구동신호(PZT driving signal)를 제공하여 구동부를 구동시키되, 상기 제어부는 구동부로부터 구동위치신호(PZT sensor signal)를 제공받아 측정광을 측정하는 카메라의 트리거 신호를 발생시켜 카메라를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광 간섭 형상 측정장치의 측정방법은, 광 경로 변위를 위해 구동부를 스텝 구동하면서 간섭 이미지를 획득하는 기존의 방법과는 다르게 구동부의 구동위치를 피드백 하면서 제어부(단말기)에서 카메라 촬영을 위한 트리거 신호를 출력하여 촬영함으로써 구동부의 정지 없이 연속으로 촬영할 수 있는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법의 구성도이다. 본 발명에 따른 고속 측정방법 구성을 위해 측정장치 전반을 제어하는 제어부(100), 상기 제어부에서 출력되는 아날로그 구동신호를 디지털 신호로 변환하여 구동드라이버(130)로 제공하는 A/D변환기(120), 광 경로 변위를 위해 구동시키는 구동부(140) 및 상기 구동부의 위치신호를 상기 제어부로 제공하는 D/A변환기(110)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

종래의 광 경로 변환을 통한 간섭 무늬 획득의 방법으로는 구동부를 스텝 구동하면서 변화하는 간섭무늬를 획득하기 때문에 stop and go 방식으로 진행함으로써 측정속도가 느려지는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 구동부의 스텝 구동없이 연속적으로 구동하되, 구동부의 위치를 검출하기 위한 구동위치신호(PZT sensor signal)를 제공받아 제어부에 입력되며, 상기 제어부는 구동위치신호에 따라 카메라의 촬영 트리거 신호를 출력하여 촬영 타이밍을 결정함으로써 연속으로 이미지를 촬영한다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 제어부
110 : D/A변환기
120 : A/D변환기
130 : 구동드라이브
140 : 구동부(PZT)

Claims (3)

1. 광 간섭 형상 측정장치의 측정방법에 있어서,
   상기 광 간섭 형상 측정장치에서 광 경로 변위 구동을 위한 구동부(PZT)를 제어할 때 상기 구동부를 제어하는 구동제어부로 구동신호(PZT driving signal)를 제공하여 구동부를 구동시키되, 상기 제어부는 구동부로부터 구동위치신호(PZT sensor signal)를 제공받아 측정광을 측정하는 카메라의 트리거 신호를 발생시켜 카메라를 제어하는 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구동위치신호는,
   D/A컨버터를 통해 제어부에서 수신받는 것을 특징으로 하는 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 구동신호는,
   상기 제어부에서 출력되는 구동신호를 A/D컨버터를 통해 구동드라이버로 제공하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 형상 측정장치의 고속 측정방법.

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