KR20160082076A - 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치 - Google Patents

간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치는, 선형 또는 면적의 레이저빔을 발생시키는 광원; 레이저빔을 평행하게 변환시키는 평행 변환부; 평행 변환부로부터 레이저빔을 받아서 후미에 배치된 빔스플리터로 레이저빔을 모아서 보내되 빔스플리터에 인접하게 배치된 샘플단 및 레퍼런스단에 초점이 생성될 수 있도록 보내는 조명 광학부; 샘플단과 레퍼런스단으로부터 빔스플리터를 지나 돌아오는 레이저빔을 수광하는 수광 광학부; 및 수광 광학부에 의해 수광된 레이저빔을 감지하여 파장별 간섭신호를 측정하는 측정부;를 포함하며, 측정부에 의해 측정된 파장별 간섭신호로부터 추출된 주파수 정보와 위상 정보를 이용하여 푸리에 변환(Fourier transform)을 함으로써 상기 샘플단의 단층영상 또는 표면형상을 동시 측정할 수 있다.

Description

간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치{Simultaneous Imaging device for tomography and surface profiler based on interferometer}
간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 선형 또는 면적의 레이저빔을 이용하여 샘플을 고속으로 측정할 수 있음은 물론 단층영상 정보와 표면형상 정보를 동시에 측정할 수 있는, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치가 개시된다.
간섭계란 동일한 광원에서 나오는 빛을 두 갈래 이상으로 나누어 진행 경로에 차이가 발생되도록 한 후 빛이 다시 만났을 때 일어나는 간섭현상을 관찰하는 장치이다.
이러한 간섭계를 구현할 때 점광원을 이용한 간섭계를 구현하는데, 이러한 간섭계는 샘플단에 스캔을 할 수 있는 소자를 구비하여 샘플을 스캔하는 방식을 취한다. 그런데 이러한 점광원 이용 간섭계에 있어서는, 점광원으로 샘플단을 스캔해야 하기 때문에 속도가 느리고 수차 때문에 왜곡이 발생될 수 있다.
한편, 선형빔 또는 면적빔을 이용하는 간섭계를 구현할 수 있는데, 이러한 간섭계의 경우 조명 광학계와 수광 광학계를 구비하기 때문에 광학계가 복잡하며 보다 많은 소자들을 사용해야 하기 때문에 전체적인 부피가 크다. 또한 이러한 한계로 인해 소형화에 어려움이 있으며 정렬에 보다 많은 주의가 요구되는 점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 선형 또는 면적의 레이저빔을 이용하여 샘플을 고속으로 측정할 수 있어 검사를 통해 단순한 2D뿐만 아니라 3D 정보를 제공하여 다양한 검사 시스템, 예를 들면 반도체 검사, 디스플레이 검사 등의 검사뿐만 아니라 생명공학, 의학, 농업 분야 등의 다양한 분야에 적용되어 내부 검사 및 표면 형태를 검사할 수 있는, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 단층영상 정보와 표면형상 정보를 동시에 측정할 수 있기 때문에 장치 구축에 소요되는 비용을 줄일 수 있어 수익성을 올릴 수 있음은 물론 가격적으로 경쟁력을 강화할 수 있는, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치는, 선형 또는 면적의 레이저빔을 발생시키는 광원; 상기 레이저빔을 평행하게 변환시키는 평행 변환부; 상기 평행 변환부로부터 상기 레이저빔을 받아서 후미에 배치된 빔스플리터로 상기 레이저빔을 모아서 보내되 상기 빔스플리터에 인접하게 배치된 샘플단 및 레퍼런스단에 초점이 생성될 수 있도록 보내는 조명 광학부; 상기 샘플단과 상기 레퍼런스단으로부터 상기 빔스플리터를 지나 돌아오는 상기 레이저빔을 수광하는 수광 광학부; 및 상기 수광 광학부에 의해 수광된 레이저빔을 감지하여 파장별 간섭신호를 측정하는 측정부;를 포함하며, 상기 측정부에 의해 측정된 상기 파장별 간섭신호로부터 추출된 주파수 정보와 위상 정보를 이용하여 푸리에 변환(Fourier transform)을 함으로써 상기 샘플단의 단층영상 또는 표면형상을 동시 측정할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광원이 선형의 레이저빔을 발생시키는 광원인 경우, 상기 조명 광학부는 실린더 렌즈일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광원이 면적의 레이저빔을 발생시키는 광원인 경우, 상기 조명 광학부는 집광 렌즈일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수광 광학부는 상기 측정부에 구면수차 또는 색수차의 왜곡 없이 상이 맺히도록 이미징 렌즈가 사용될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 측정부는 선형의 레이저빔을 측정하는 라인 CCD 카메라 또는 면적빔의 레이저빔을 측정하는 면적 CCD 카메라일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광원은 파장가변 레이저로서, 파이버 패브리-페로 필터(fiber Fabry-Perot filter)를 이용한 광섬유 파장가변 레이저, 레이저 공진기 분산값을 조절하여 파장가변시키는 광섬유 파장가변 레이저, 회절소자와 스캔미러(Galvo-mirror) 또는 폴리곤 미러(polygon mirror)를 이용한 파장가변 레이저 또는 브래그 그레이팅(Bragg grating) 기반의 파장가변 레이저일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광원과 상기 평행 변환부 사이에 개재되어 상기 광원으로부터의 레이저빔이 균일한 광세기를 갖도록 빔 평탄화시키는 빔평탄화 소자를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 빔평탄화 소자는, 디퓨져, 라이트 파이프(light pipe) 또는 렌즈 어레이 기반 호모게나이저(homogenizer)일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 샘플단의 전 면적에 대한 스캐닝이 가능하도록, 상기 샘플단은 수평 방향으로 이동 가능한 스테이지에 장착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선형 또는 면적의 레이저빔을 이용하여 샘플을 고속으로 측정할 수 있어 검사를 통해 단순한 2D뿐만 아니라 3D 정보를 제공하여 다양한 검사 시스템, 예를 들면 반도체 검사, 디스플레이 검사 등의 검사뿐만 아니라 생명공학, 의학, 농업 분야 등의 다양한 분야에 적용되어 내부 검사 및 표면 형태를 검사할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따르면, 단층영상 정보와 표면형상 정보를 동시에 측정할 수 있기 때문에 장치 구축에 소요되는 비용을 줄일 수 있어 수익성을 올릴 수 있음은 물론 가격적으로 경쟁력을 강화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 도 1에 도시된 조명 광학부 및 수광 광학부의 빔 전달 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b는 도 3에 도시된 조명 광학부 및 수광 광학부의 빔 전달 구조를 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2a 및 2b는 도 1에 도시된 조명 광학부 및 수광 광학부의 빔 전달 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치(100)는, 선형의 레이저빔을 발생시키는 광원(110)과, 광원(110)으로부터 발생된 레이저빔을 평탄화시키는 빔평탄화 소자(120)와, 레이저빔을 평행하게 변환시키는 평행 변환부(130)와, 평행 변환부(130)로부터 레이저빔을 받아서 후미에 배치된 빔스플리터(150)로 레이저빔을 모아서 보내되 빔스플리터(150)에 인접하게 배치된 샘플단(161) 및 레퍼런스단(165)에 초점이 생성될 수 있도록 보내는 조명 광학부(140)와, 샘플단(161)과 레퍼런스단(165)으로부터 빔스플리터(150)를 지나 돌아오는 레이저빔을 수광하는 수광 광학부(170)와, 수광된 레이저빔을 측정하는 측정부(180)를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 선형의 레이저빔을 이용하여 샘플을 고속으로 측정할 수 있으며, 하나의 측정 장치(100)로 단층영상 정보 및 표면형상 정보를 동시에 얻을 수 있다.
각각의 구성에 대해 설명하면, 먼저 본 실시예의 광원(110)은 파장가변 레이저로서, 파이버 패브리-페로를 이용한 광섬유 파장가변 레이저, 레이저 공진기 분산값을 조절하여 파장가변시키는 광섬유 파장가변 레이저, 회절소자와 스캔미러 또는 폴리곤 미러를 이용한 파장가변 레이저 또는 브래그 그레이팅 기반의 파장가변 레이저 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 광원(110)이 적용될 수 있음은 당연하다.
한편, 본 실시예의 빔평탄화 소자(120)는, 샘플단(161)과 레퍼런스단(165)에 조명을 조사할 때 조사되는 빔 전체가 균일한 광세기로 조사되도록 하는 것으로서, 디퓨져, 라이트 파이프 또는 렌즈 어레이 기반 호모게나이저로 마련될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예의 평행 변환부(130)는, 빔평탄화 소자(120)에 의해 전달되는 레이저빔을 평행하게 변환시키는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈(131)와 조리개(135)를 포함한다. 렌즈(131)는 레이저빔을 평행하게 만들고, 조리개(135)는 평행하게 변환된 레이저빔의 지름을 조절하는 역할을 함으로써 레이저빔을 평행하게 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예의 조명 광학부(140)는, 빔스플리터(150)에 의해 빔스플리팅되어 샘플단(161)과 레퍼런스단(165)에 선형의 레이저빔의 초점이 생성될 수 있도록 실린더 렌즈(140, cylinder lens)로 마련될 수 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 실린더 렌즈(140)로 전달된 평행한 레이저빔은 실린더 렌즈(140)를 통해 모아지고 빔스플리터(150)를 통해 샘플단(161) 및 레퍼런스단(165)에 도달하여 선형의 레이저빔의 초점을 형성한다.
실린더 렌즈(140)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 일측에서 바라봤을 때는 반원 형상을 갖지만, 그에 수직된 방향에서 바라봤을 때는 도 2b에 도시된 것처럼 직사각 형상을 갖는다. 즉, 실린더 렌즈(140)는 반원기둥 형상을 가진 것이다. 이러한 형상에 의해 샘플단(161)의 선형의 초점이 발생될 수 있고 이것이 수광 광학부(170)를 통해 측정부(180)로 전달될 수 있는 것이다.
조명 광학부(140)를 통해 샘플단(161)으로 레이저빔이 입사될 때 샘플단(161)의 전 영역에 걸쳐서 스캔을 할 수 있도록 샘플단(161)은 이동 스테이지(180)에 탑재되고, 이동 스테이지(190)는 수평 방향으로 이동하는 구조를 갖는다.
본 실시예의 수광 광학부(170)는, 샘플단(161) 및 레퍼런스단(165)으로부터 돌아오는 빛을 수광하는 것으로 이미징 렌즈가 사용될 수 있다. 이미징 렌즈는 구면수차 및 색수차의 왜곡 없이 상이 맺히도록 한다.
한편, 본 실시예의 측정부(180)는 수광 광학부(170)에 수광된 레이저빔을 감지하여 파장별 간섭신호를 측정하는데, 선형의 레이저빔을 측정하므로 라인 CCD 카메라가 적용될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 간섭신호는 다음의 식을 통해 구할 수 있다.
Figure pat00001
...식 1
여기서 I는 간섭신호이며, h는 샘플단(161)의 높이, k는 파수, Isam은 샘플단(161)에서 반사된 신호, Iref은 레퍼런스단(165)에서 반사된 신호, Io은 샘플단(161)과 레퍼런스단(165)의 신호에 의해 생성된 간섭신호를 의미한다. 파장가변 레이저로 마련되는 광원(110)에서 파장을 가변시키면서 샘플단(161)에서 시간에 따라 광세기를 측정하면, 파장에 따른 광세기를 측정할 수 있기 때문에 상기 식 1과 같은 간섭신호를 획득할 수 있다.
한편, 획득된 간섭신호를 푸리에 변환하면 아래 식과 같은 결과를 얻을 수 있다.
Figure pat00002
...식 2
여기서, Γsam과 Γref은 샘플단(161)과 레퍼런스단(165)에서 반사된 신호를 푸리에 변환한 것이며, Γo는 간섭신호가 푸리에 변환된 결과이다. Γo를 통해서 단층 정보를 획득할 수 있다. 획득된 단층영상의 해상도는 다음의 식에 의해 결정된다.
Figure pat00003
...식 3
여기서, λo는 광원(110)의 중심파장이며, Δλ는 파장 대역폭이다.
또한 푸리에 변환을 하여 획득된 위상을 파수로 미분하면 표면의 높이(H) 정보를 획득할 수 있다. 이는 다음의 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00004
...식 4
이처럼, 측정부(180)에서 측정된 파장별 간섭신호로부터 추출된 주파수 정보와 위상 정보를 이용하여 푸리에 변환을 함으로써 샘플단(161)의 단층영상 또는 표면형상을 동시 측정할 수 있는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선형의 레이저빔을 이용하여 샘플을 고속으로 측정할 수 있음은 물론 단층영상 정보와 표면형상 정보를 동시에 측정할 수 있다.
부연하면, 선형의 레이저빔을 이용하여 샘플을 고속으로 측정할 수 있어 검사를 통해 단순한 2D뿐만 아니라 3D 정보를 제공하여 다양한 검사 시스템, 예를 들면 반도체 검사, 디스플레이 검사 등의 검사뿐만 아니라 생명공학, 의학, 농업 분야 등의 다양한 분야에 적용되어 내부 검사 및 표면 형태를 검사할 수 있다.
아울러, 본 장치(100)를 통해 단층영상 정보와 표면형상 정보를 동시에 측정할 수 있기 때문에 장치 구축에 소요되는 비용을 줄일 수 있어 수익성을 올릴 수 있음은 물론 가격적으로 경쟁력을 강화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 조명 광학부(140) 및 수광 광학부(170)를 분리 배치함으로써 기존의 간섭계의 광학부 구조에 비해 간소화되었으며, 따라서 장치의 소형화에 유리하여 휴대용 기기에 적용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치에 대해서 설명하되 전술한 일 실시예의 획득 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 조명 광학부 및 수광 광학부의 빔 전달 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치(200)는, 면적빔의 레이저빔을 발생시키는 광원(210)을 포함한다. 이러한 광원(210)으로부터 발생되는 레이저빔은 빔평탄화 소자, 평행 변환부, 조명 광학부(240) 및 빔스플리터(250)를 거쳐 샘플단(261) 및 레퍼런스단(265)으로 전달된다.
본 실시예의 조명 광학부(240)는, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 집광 렌즈로 마련될 수 있다. 집광 렌즈로부터 빔스플리터(250)에 의해 빔스프리팅된 레이저빔은 샘플단(261) 및 레퍼런스단(265)에서 면적 형태의 초점이 형성된다. 그리고, 샘플단(261) 및 레퍼런스단(265)으로부터 반사된 레이저빔은 수광 광학부(270), 즉 본 실시예의 이미징 렌즈를 거쳐 측정부(280)에 도달한다. 이 때 수광 광학부(270)에 이해 레이저빔은 모아져 측정부(280)에 초점이 형성될 수 있다.
측정부(280)는 수광 광학부(270)에 수광된 레이저빔을 감지하여 파장별 간섭신호를 측정하는데, 면적의 레이저빔을 측정하므로 면적(area) CCD 카메라가 적용될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 측정부(280)에서 측정된 간섭신호를 토대로 추출된 주파수 정보와 위상 정보를 이용하여 푸리에 변환을 하여 샘플단(261)의 단층영상 또는 표면형상을 동시 측정할 수 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치
110 : 광원
120 : 빔평탄화 소자
130 : 평행 변환부
140 : 조명 광학부
150 : 빔스플리터
161 : 샘플단
165 : 레퍼런스단
170 : 수광 광학부
180 : 측정부

Claims (9)

  1. 선형 또는 면적의 레이저빔을 발생시키는 광원;
    상기 레이저빔을 평행하게 변환시키는 평행 변환부;
    상기 평행 변환부로부터 상기 레이저빔을 받아서 후미에 배치된 빔스플리터로 상기 레이저빔을 모아서 보내되 상기 빔스플리터에 인접하게 배치된 샘플단 및 레퍼런스단에 초점이 생성될 수 있도록 보내는 조명 광학부; 및
    상기 샘플단과 상기 레퍼런스단으로부터 상기 빔스플리터를 지나 돌아오는 상기 레이저빔을 수광하는 수광 광학부;
    상기 수광 광학부에 의해 수광된 레이저빔을 감지하여 파장별 간섭신호를 측정하는 측정부;
    를 포함하며,
    상기 측정부에 의해 측정된 상기 파장별 간섭신호로부터 추출된 주파수 정보와 위상 정보를 이용하여 푸리에 변환(Fourier transform)을 함으로써 상기 샘플단의 단층영상 또는 표면형상을 동시 측정하는, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 선형의 레이저빔을 발생시키는 광원인 경우, 상기 조명 광학부는 실린더 렌즈인, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 면적의 레이저빔을 발생시키는 광원인 경우, 상기 조명 광학부는 집광 렌즈인, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수광 광학부는 상기 측정부에 구면수차 또는 색수차의 왜곡 없이 상이 맺히도록 이미징 렌즈가 사용되는, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 측정부는 선형의 레이저빔을 측정하는 라인 CCD 카메라 또는 면적빔의 레이저빔을 측정하는 면적 CCD 카메라인, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 파장가변 레이저로서, 파이버 패브리-페로 필터(fiber Fabry-Perot filter)를 이용한 광섬유 파장가변 레이저, 레이저 공진기 분산값을 조절하여 파장가변시키는 광섬유 파장가변 레이저, 회절소자와 스캔미러(Galvo-mirror) 또는 폴리곤 미러(polygon mirror)를 이용한 파장가변 레이저 또는 브래그 그레이팅(Bragg grating) 기반의 파장가변 레이저인, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 평행 변환부 사이에 개재되어 상기 광원으로부터의 레이저빔이 균일한 광세기를 갖도록 빔 평탄화시키는 빔평탄화 소자를 더 포함하는, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빔평탄화 소자는, 디퓨져, 라이트 파이프(light pipe) 또는 렌즈 어레이 기반 호모게나이저(homogenizer)인, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 샘플단의 전 면적에 대한 스캐닝이 가능하도록, 상기 샘플단은 수평 방향으로 이동 가능한 스테이지에 장착되는, 간섭계 기반 단층영상 및 표면형상 동시 획득 장치.
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