KR20180053125A - 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

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KR20180053125A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치는 측정 대상이 안착되는 측정평면, 측정 대상을 조사하는 제1광원, 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제1렌즈 및 제1렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제1이미지 획득수단을 포함하는 제1이미지 모듈, 측정 대상을 조사하는 제2광원, 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제2렌즈 및 제2렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제2이미지 획득수단을 포함하는 제2이미지 모듈 및 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하며, 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈은 측정 대상을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다.

Description

3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법{3-DIMENSIONAL SHAPE MEASURMENT APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 3차원 형상 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검사 대상체 측정의 정밀도를 향상시키기 위한 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 측정대상물의 삼차원 측정기를 사용하여 접촉식으로 측정 대상물의 한 점씩 측정하여 전체 측정대상물 형상을 측정하는 방식인 접촉식과 광을 이용한 비접촉식으로 나뉘어지고 있다.
한편, 비접촉 측정법은 측정원리에 따라 크게 광간섭법과 광삼각법으로 나뉘어진다.
광간섭법은 레이저와 같은 단색광을 이용하여 반도체 패턴이나 미세금형 표면형상 측정에 많이 이용되는 광위상 간섭법과 백색광으로 짧은 가간섭성을 이용하는 광 주사간섭법이 있으며, nm(nano meter)의 정밀한 측정이 가능하나 넓은 영역을 빠르게 측정하기는 어렵고 고가의 정밀한 스테이지가 필요하게 되는 문제점이 있다.
광삼각법은 정해진 일정 광을 측정 표면에 임의의 정해진 각도로 투영하고 다른 각도에서 표면의 형상에 따라 변형된 광의 밝기를 추출하여 표면의 형상 정보를 해석하는 방법으로, 투영법에 따라 레이저 포인터 또는 레이저 슬릿빔을 이용하거나 모아레 무늬를 이용하는데 접촉식에 비해 측정시간이 월등히 단축된다.
모아레 무늬를 이용하는 방법은 유리의 한쪽 표면에 크롬으로 일정한 간격의 직선무늬를 새겨넣은 직선유리격자를 영사광학계를 이용하여 측정대상물에 투영하게 된다. 또한, 측정대상물에 형성된 직선줄무늬를 일정한 간격으로 이송시키기 위해 직선유리격자 이송장치를 사용하고 있다.
단, 측정 장치의 측정대상의 표면이 다양한 기울기 성분을 갖는 복잡한 물체인 경우, 측정 대상에 조사되는 광의 반사각을 예측할 수 없으므로 높이를 정확하게 측정하지 못하게 되고, 이로써 실제 형상과 상이하게 왜곡되어 측정되는 문제점이 있다.
공개특허공보 KR 10-2016-0082392 조명장치 및 검사장치
측정대상의 표면이 다양한 기울기 성분을 갖는 물질일 경우에도, 3차원 형상을 보다 정밀하고 정교하게 측정할 수 있는 3차원 형상 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치는 측정 대상이 안착되는 측정평면, 측정 대상을 조사하는 제1광원, 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제1렌즈 및 제1렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제1이미지 획득수단을 포함하는 제1이미지 모듈, 측정 대상을 조사하는 제2광원, 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제2렌즈 및 제2렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제2이미지 획득수단을 포함하는 제2이미지 모듈 및 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하며, 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈은 측정 대상을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다.
제1이미지 모듈은 제1광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 제1렌즈의 광축과 일치하도록 출광시키는 제1미러를 더 포함하고, 제2이미지 모듈은 제2광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 제2렌즈의광축과 일치하도록 출광시키는 제2미러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법은 측정 대상이 안착되는 측정평면, 측정 대상을 조사하는 제1광원, 제1광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 출광시키는 제1미러, 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제1렌즈 및 제1렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제1이미지 획득수단을 포함하는 제1이미지 모듈, 측정 대상을 조사하는 제2광원, 제2광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 출광시키는 제2미러, 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제2렌즈 및 제2렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제2이미지 획득수단을 포함하는 제2이미지 모듈 및 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하는 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 있어서, 제1이미지 모듈과 제2이미지 모듈을 측정 대상을 기준으로 좌우 대칭시켜 측정 대상을 측정한다.
본 발명에 따르면 측정대상의 표면이 다양한 기울기 성분을 갖는 물질일 경우에도 기울기 성분을 제거하고 표면의 높이 값 만을 산출하여 3차원 형상을 측정하는데 있어서 보다 정밀하고 정교한 측정을 실행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치의 측면도이다.
도 3은 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법의 흐름도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)는 측정대상의 표면이 다양한 기울기 성분을 갖는 3차원 형상의 측정 대상(10)에 대하여 좌우방향으로 대칭되는 제1이미지 모듈(130) 및 제2이미지 모듈(140)을 통해 측정 대상(10)을 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)에 대한 구성도이고, 도 2는 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치(100)의 측면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)는 측정평면(110), 구동수단(120), 제1이미지 모듈(130), 제2이미지 모듈(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
측정평면(110)은 측정 대상(10)을 안착시킨다. 여기서, 측정평면(110)은 구동수단(120)에 의해 측정 대상(10)을 이동시킬 수 있다. 즉, 측정평면(110)은 구동수단(120)에 의해 종횡방향으로 이동될 수 있다. 따라서, 측정 대상(10)은 광원과 이미지 획득수단에 대해 이동됨에 따라 측정 대상(10)의 전면적에 대하여 측정평면(110)을 기준으로 측정 대상(10)의 높이를 스캐닝될 수 있다.
구동수단(120)은 측정평면(110)에 연결되어, 측정평면(110)을 이동시킨다. 본 발명의 일실시예에 따른 구동수단(120)은 측정평면(110)을 좌우전후 방향으로 이동시켜 제1이미지 모듈(130) 및 제2이미지 모듈(140)을 통해 측정 대상(10)을 전면적으로 측정할 수 있도록 한다.
제1이미지 모듈(130)은 측정 대상(10)을 향해 광을 조사하는 한편, 제2이미지 모듈(140)로부터 출사되어 측정 대상(10)으로부터 반사된 광을 수집하여 제1이미지를 획득한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1이미지 모듈(130)은 제1광원(131), 제1미러(132), 제1렌즈(133) 및 제1이미지 획득수단(134)을 포함한다.
제1광원(131)은 측정 대상(10)의 윗면에 대해 광을 출사한다. 제1광원(131)은 레이저 광원 또는 LED 광원을 포함할 수 있다. 제1광원(131)은 라인 빔 형태의 광을 출사하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제1광원(131)으로부터 출사된 광은 광축을 따라 전파해 가며 제1미러(132)로 방출된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1광원(131)은 제1렌즈(133) 광축의 측면에 배치되어 측면에서 제1미러(132)로 광을 조사하나, 제1광원(131)의 배치는 이에 한정되지 않는다.
제1미러(132)는 제1광원(131)으로부터 방출된 광을 반사하여 제1렌즈(133)로 광을 통과시킨다. 제1미러(132)는 제1렌즈(133)의 광축과 동일한 방향으로 광을 반사시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1미러(132)는 제1렌즈(133)와 제1이미지 획득수단(134)의 사이에 배치되어, 제1광원(131)으로부터 방출된 광을 반사하나 제1미러(132)의 배치는 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1미러(132)는 편광 미러를 포함하며, 광의 일부는 반사시키고 광의 일부는 투광시킬 수 있다. 즉, 제1미러(132)는 제1광원(131)으로부터 방출된 광을 반사하고, 측정 대상(10)으로부터 수광되는 광은 투광시킬 수 있다.
제1렌즈(133)는 오목렌즈, 볼록렌즈 또는 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 구성될 수 있다. 제1렌즈(133)는 제1광원(131)으로부터 출사되는 광을 통과시킴으로써, 광은 결상되어 초점 영역이 형성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1렌즈(133)는 대물 렌즈 또는 시준 렌즈(collimating lens)를 포함한다.
제1이미지 획득수단(134)은 제2광원(141)으로부터 방출되어 측정 대상(10)을 거쳐 제1렌즈(133)를 통과하는 광을 수광하여 제1이미지를 획득한다. 제1이미지 획득수단(134)은 카메라 및 이미지센서를 포함할 수 있다. 이미지센서는 피사체에 대한 광학적 상을 받아서 전기적 신호로 변환한다. 이미지센서는 CCD(charge-coupled device) 이미지센서 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지센서 등일 수 있다. 이미지 획득수단은 라인 스캔 카메라(line scan camera) 또는 에어리어 스캔 카메라(area scan camera)를 포함할 수 있다.
또한, 제1이미지 획득수단(134)은 측정 대상(10)의 제1이미지를 획득한 다음 제어부(150)에 전달할 수 있다.
한편, 제2이미지 모듈(140)은 측정 대상(10)을 향해 광을 조사하는 한편, 제1이미지 모듈(130)로부터 출사되어 측정 대상(10)으로부터 반사된 광을 수집하여 이미지를 획득한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2이미지 모듈(140)은 제2광원(141), 제2미러(142), 제2렌즈(143) 및 제2이미지 획득수단(144)을 포함하며, 제1이미지 모듈(130)과 이격되어 배치된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2이미지 모듈(140)은 측정 대상(10)을 기준으로 제1이미지 모듈(130)과 좌우대칭을 이룬다. 따라서, 제1이미지 모듈(130)로부터 출사되어 측정 대상(10)을 거쳐가는 광은 제2이미지 모듈(140)에서 수집하여 측정 대상(10)을 측정할 수 있고, 제2이미지 모듈(140)로부터 출사되어 측정 대상(10)을 거쳐가는 광은 제1이미지 모듈(130)에서 수집하여 측정 대상(10)을 측정할 수 있다.
제2광원(141)은 측정 대상(10)의 윗면에 대해 광을 출사한다. 제2광원(141)은 레이저 광원 또는 LED 광원을 포함할 수 있다. 제2광원(141)은 라인 빔 형태의 광을 출사하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제2광원(141)으로부터 출사된 광은 광축을 따라 전파해 가며 제2미러(142)로 방출된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2광원(141)은 제2렌즈(143) 광축의 측면에 배치되어 측면에서 제2미러(142)로 광을 조사하나, 제2광원(141)의 배치는 이에 한정되지 않는다.
제2미러(142)는 제2광원(141)으로부터 방출된 광을 반사하여 제2렌즈(143)로 광을 통과시킨다. 이 때, 제2미러(142)는 제2렌즈(143)의 광축과 동일한 방향으로 광을 반사시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2미러(142)는 제2렌즈(143)와 제2이미지 획득수단(144)의 사이에 배치되어, 제2광원(141)으로부터 방출된 광을 반사하나 제2미러(142)의 배치는 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2미러(142)는 편광 미러를 포함하며, 광의 일부는 반사시키고 광의 일부는 투광시킬 수 있다. 즉, 제2미러(142)는 제2광원(141)으로부터 방출된 광을 반사하고, 측정 대상(10)으로부터 수광되는 광은 투광시킬 수 있다.
제2렌즈(143)는 오목렌즈, 볼록렌즈 또는 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 구성될 수 있다. 제2렌즈(143)는 제2광원(141)으로부터 출사되는 광을 통과시킴으로써, 광은 결상되어 초점 영역이 형성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2렌즈(143)는 대물 렌즈 또는 시준 렌즈(collimating lens)를 포함한다.
제2이미지 획득수단(144)은 제1광원(131)으로부터 방출되어 측정 대상(10)을 거쳐 제2렌즈(143)를 통과하는 광을 수광하여 제2이미지를 획득한다. 제2이미지 획득수단(144)은 카메라 및 이미지센서를 포함할 수 있다.
또한, 제2이미지 획득수단(144)은 측정 대상(10)의 제2이미지를 획득한 다음 제어부(150)에 전달할 수 있다.
따라서, 서로 위치에 배치되는 제1이미지 모듈(130)과 제2이미지 모듈(140)을 통해 측정 대상(10)의 정보를 추출하고, 서로 상호보완함으로써 보다 정밀한 측정 대상(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있게 한다.
제어부(150)는 이미지 획득수단으로부터 전달받은 제1이미지 및 제2이미지를 처리하여, 측정 대상(10)의 높이를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(150)는 제1이미지 획득수단(134) 및 제2이미지 획득수단(144)에 의해 전달받은 제1이미지 및 제2이미지를 종합하여 측정 대상(10)에 대한 하나의 이미지를 산출한다.
이 때, 제어부(150)는 제1이미지와 제2이미지으로부터 측정 대상(10)의 기울기 성분을 제거하고 높이 값만을 추출한다. 즉, 기울기 성분은 측정 대상(10)의 이미지를 왜곡시킬 수 있는 유인이므로 기울기 성분을 제외하고 높이 값 만을 산출하여 측정 대상(10)의 이미지를 예측함으로써 보다 정밀한 측정을 가능하게 한다.
단 제어부(150)는 이에 한정되지 않고, 이미지를 처리하여 측정 대상(10)의 형상 또는 높이를 산출할 수 있는 모든 방법을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법은 측정 대상(10)이 안착되는 측정평면(110), 측정 대상(10)을 조사하는 제1광원(131), 제1광원(131)으로부터 조사되는 광을 반사하여 출광시키는 제1미러(132), 측정 대상(10)으로부터 반사된 광을 수광하는 제1렌즈(133) 및 제1렌즈(133)로부터 수광된 광을 이미지 데이터로 변환하는 제1이미지 획득수단(134)을 포함하는 제1이미지 모듈(130), 측정 대상(10)을 조사하는 제2광원(141), 제2광원(141)으로부터 조사되는 광을 반사하여 출광시키는 제2미러(142), 측정 대상(10)으로부터 반사된 광을 수광하는 제2렌즈(143) 및 제2렌즈(143)로부터 수광된 광을 이미지 데이터로 변환하는 제2이미지 획득수단(144)을 포함하는 제2이미지 모듈(140) 및 제1이미지 모듈(130) 및 제2이미지 모듈(140)로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상(10)을 검출하는 제어부(150)를 포함하는 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 있어서, 제1이미지 모듈(130)과 제2이미지 모듈(140)을 측정 대상(10)을 기준으로 좌우 대칭시켜 측정 대상(10)을 측정한다.
도 3은 도1에 도시된 3차원 형상 측정 장치(100)를 이용한 3차원 형상 측정 방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법(200)은 배치 단계(210), 측정 단계(220) 및 종합 단계(230)를 포함한다.
배치 단계(210)는 제1이미지 모듈(130)과 제2이미지 모듈(140)을 배치하고, 측정평면(110) 상에 측정 대상(10)을 안착하여 3차원 형상을 측정할 수 있도록 준비하는 단계이다.
측정 단계(220)는 제1광원(131)과 제2광원(141)으로 측정 대상(10)에 광을 출사하고 측정 대상(10)으로부터 반사된 광을 제1이미지 모듈(130)과 제2이미지 모듈(140)에서 수광하여 이미지를 획득하고 이를 제어부(150)에 전달한다.
이 때, 제1이미지 모듈(130)과 제2이미지 모듈(140)은 측정 대상(10)을 기준으로 좌우 대칭되도록 배치시켜 측정 대상(10)을 측정한다.
또한 일 예로, 제1광원(131)으로부터 출사된 광은 측정 대상(10)을 거쳐 제2이미지 모듈(140)에서 수광하여 제1이미지를 산출하고, 제2광원(141)으로부터 출사된 광은 측정 대상(10)을 거쳐 제1이미지 모듈(130)에서 수광하여 제2이미지를 산출하여 제1이미지 및 제2이미지를 제어부(150)에 전달한다.
제1이미지 모듈(130)과 제2이미지 모듈(140)은 대칭되게 배치하여 서로 측정 대상(10)의 형상을 수집하므로, 상호 보완하여 이미지의 왜곡을 방지할 수 있다.
종합 단계(230)는 획득된 제1이미지 및 제2이미지를 종합하여 측정 대상(10)의 3차원 형상을 산출한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 종합 단계(230)는 제1이미지와 제2이미지를 종합하여 측정되는 기울기 성분을 제외하고 높이 값 만을 추출한다. 즉, 제어부(150)는 제1이미지 모듈(130)과 제2이미지 모듈(140)을 통해 산출되는 높이 값 만을 통해 측정 대상(10)의 형상을 산출함으로써, 측정대상 표면의 다양한 기울기 성분에 의하여 왜곡될 수 있는 이미지를 보정할 수 있다.
100: 3차원 형상 측정 장치, 110: 측정평면,
120: 구동수단, 130: 제1이미지 모듈,
131: 제1광원, 132: 제1미러,
133: 제1렌즈, 134: 제1이미지 획득수단,
140: 제2이미지 모듈, 141: 제2광원,
142: 제2미러, 143: 제2렌즈,
144: 제2이미지 획득수단, 150: 제어부

Claims (3)

  1. 측정 대상이 안착되는 측정평면;
    상기 측정 대상을 조사하는 제1광원, 상기 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제1렌즈 및 제1렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제1이미지 획득수단을 포함하는 제1이미지 모듈;
    상기 측정 대상을 조사하는 제2광원, 상기 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제2렌즈 및 제2렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제2이미지 획득수단을 포함하는 제2이미지 모듈; 및
    상기 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하며,
    상기 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈은 측정 대상을 기준으로 좌우 대칭으로 배치되는 3차원 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1이미지 모듈은 제1광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 제1렌즈의 광축과 일치하도록 출광시키는 제1미러를 더 포함하고,
    상기 제2이미지 모듈은 제2광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 제2렌즈의광축과 일치하도록 출광시키는 제2미러를 더 포함하는 3차원 형상 측정 장치.
  3. 측정 대상이 안착되는 측정평면;
    상기 측정 대상을 조사하는 제1광원, 상기 제1광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 출광시키는 제1미러, 상기 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제1렌즈 및 제1렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제1이미지 획득수단을 포함하는 제1이미지 모듈;
    상기 측정 대상을 조사하는 제2광원, 상기 제2광원으로부터 조사되는 광을 반사하여 출광시키는 제2미러, 상기 측정 대상으로부터 반사된 광을 수광하는 제2렌즈 및 제2렌즈에 수광된 광을 수집하여 이미지 데이터로 변환하는 제2이미지 획득수단을 포함하는 제2이미지 모듈; 및
    상기 제1이미지 모듈 및 제2이미지 모듈로부터 이미지를 획득하고, 이미지 프로세싱하여 측정 대상을 검출하는 제어부를 포함하는 장치를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 있어서,
    상기 제1이미지 모듈과 제2이미지 모듈을 상기 측정 대상을 기준으로 좌우 대칭시켜 측정 대상을 측정하는 3차원 형상 측정 방법.
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