WO2024071532A1 - 3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법 - Google Patents

3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법 Download PDF

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Definitions

  • This disclosure It relates to a 3D shape inspection device and a 3D shape inspection method.
  • Confocal microscopy or confocal laser scanning microscopy is a microscope that removes out-of-focus light through a pin hole. It removes interference from light occurring in areas other than the focus, producing high-resolution and high-resolution images. It is a microscope that can achieve high magnification, and is used in fields such as life science, semiconductors, and materials science.
  • chromatic confocal microscopy which uses chromatic aberration to conduct 3D inspection of measurement objects.
  • a colored confocal microscope refracts white light emitted from a light source at different refractive indices for each wavelength and irradiates the refracted light onto the surface of the measurement object.
  • the inspection is conducted by allowing the light reflected by focusing on the surface of the measurement object among the light refracted by wavelength to be transmitted through a pin hole, and detecting the wavelength of the transmitted light through a spectrometer.
  • the colored confocal microscope tabulates the wavelength information of the focused light and the focal length information of the corresponding optical system in advance, and performs 3D inspection by measuring the height of the measurement object based on the wavelength information of the detected light.
  • a phosphor is a material that absorbs light or electromagnetic waves with a specific wavelength and emits light of a different wavelength.
  • a conventional color confocal microscope uses a height corresponding to the detected wavelength when the object to be measured contains a phosphor. may be measured inaccurately.
  • a three-dimensional shape inspection device is configured to irradiate a plurality of lights with a plurality of focuses downward onto the surface of a measurement object, including a light source and a spatial light modulator configured to modulate the light received from the light source.
  • Light irradiation department An optical system configured to refract each of the modulated lights into different refractive indices for each of the plurality of wavelengths by chromatic aberration to form a measurement section in the vertical direction where the refracted light for each wavelength is focused; And an image sensor that detects color information of light reflected by focusing at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object among the light refracted for each wavelength, and the optical system is configured to focus the light refracted for each wavelength. It includes a focus control unit configured to change the measurement section by changing its position in the up and down directions.
  • the focus control unit may include a variable lens that refracts each of the modulated lights, and may be configured to change the measurement section in the up and down directions by adjusting the curvature of the variable lens.
  • variable lens may include a liquid lens whose curvature changes based on a current applied to the focus adjuster.
  • the focus adjuster may be configured to select one measurement section among a plurality of measurement sections by changing the position at which the refracted light for each wavelength is focused in the vertical direction.
  • one measurement section among the plurality of measurement sections may be configured to be different from another measurement section among the plurality of measurement sections.
  • the spatial light modulator may include a plurality of digital micromirror devices arranged in an array format and configured to modulate light received from the light source by reflecting it.
  • the image sensor is configured to detect color information of the plurality of lights reflected by focusing on the surface of the measurement object, and color information of the plurality of lights detected by the image sensor. Based on this, each height on the surface of the measurement object on which the plurality of lights are reflected can be measured.
  • the color information may include RGB information of light focused and reflected on the surface of the measurement object.
  • the image sensor may be configured to acquire wavelength information of light focused and reflected on the surface of the measurement object based on the RGB information.
  • the image sensor may include any one of a color camera, a multi-spectral camera, or a mono camera with a band pass filter.
  • the light source may include any one of an LED, a halogen lamp, or a xenon lamp.
  • the three-dimensional shape inspection device may further include a control unit that measures the height of the surface of the measurement object based on color information detected by the image sensor.
  • the three-dimensional shape inspection device may further include an external light source configured to irradiate light onto the surface of the measurement object.
  • the image sensor may be configured to obtain wavelength information of light emitted from an external light source reflected on the surface of the measurement object.
  • the three-dimensional shape inspection device when the external light source irradiates light with a first wavelength and the wavelength of the light detected by the image sensor is a second wavelength different from the first wavelength, It may further include a control unit configured to change the measurement section by controlling the focus adjustment unit.
  • control unit controls the focus adjustment unit so that the wavelength of light focused at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object does not include a wavelength between the first wavelength and the second wavelength.
  • it can be configured to change the measurement section.
  • a three-dimensional shape inspection device includes a light source and a spatial light modulator configured to modulate light received from the light source, and is configured to irradiate a plurality of lights with a plurality of focuses downward onto the surface of the measurement object.
  • An optical system configured to refract each of the modulated lights into different refractive indices for each of the plurality of wavelengths by chromatic aberration to form a measurement section in the vertical direction where the refracted light for each wavelength is focused; an image sensor that detects color information of light reflected by focusing at a position corresponding to a height on the surface of the measurement object among the light refracted for each wavelength; and a focus control unit configured to change the measurement section by moving the optical system in the vertical direction to change the position at which the refracted light for each wavelength is focused in the vertical direction.
  • a three-dimensional shape inspection method includes a light modulation step of modulating light received from a light source to irradiate a plurality of lights with a plurality of focuses onto the surface of a measurement object; A light irradiation step of refracting each of the modulated lights into different refractive indices for a plurality of wavelengths by chromatic aberration and irradiating them downward to form a measurement section in the vertical direction where the refracted light for each wavelength is focused; A focus adjustment step of changing the measurement section by changing the position at which the refracted light is focused for each wavelength in the up and down directions; An information acquisition step of detecting color information of light reflected by focusing at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object among the light refracted for each wavelength of the measurement section; and a height measurement step of measuring the height of the surface of the measurement object based on the detected color information.
  • the focus adjustment step includes selecting one of a plurality of measurement sections by changing the position at which the refracted light for each wavelength is focused in the vertical direction, the information acquisition step and The height measurement step may be performed based on color information of light focused and reflected at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object among the light refracted for each wavelength in the measurement section.
  • the three-dimensional shape inspection method further includes an external light source irradiation step of irradiating light onto the surface of the measurement object, and the information acquisition step includes a light reflected on the surface of the measurement object.
  • the performance of the device can be improved by reducing the axial resolution by dividing the maximum testable area into several steps and performing the test.
  • an accurate 3D inspection can be performed by changing the measurement section.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a driving method of a three-dimensional shape inspection device according to a comparative example of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a graph showing that light emitted from the light source of FIG. 1 is refracted at different refractive indices for each wavelength in an optical system to form a measurement section in the vertical direction.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing how light emitted from the light source of FIG. 1 is refracted at different refractive indices for each wavelength in an optical system to form a measurement section in the vertical direction.
  • Figure 4 is an overall perspective view of a three-dimensional shape inspection device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line A1-A1′ shown in FIG. 4.
  • Figure 6 is a schematic diagram showing a digital micromirror device used in one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a charge-coupled device (CCD) used in one embodiment of the present disclosure.
  • CCD charge-coupled device
  • Figure 8 is a schematic diagram showing a process in which a 3-charge-coupled device acquires RGB information of light according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the process of converting the RGB information obtained in FIG. 8 into the HSV coordinate system.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing the operation of a three-dimensional shape inspection device according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 11 is a perspective view showing a focus control unit according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line S1-S1′ shown in FIG. 11.
  • Figure 13 is a conceptual diagram showing how a liquid lens operates according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a graph illustrating performing an inspection by selecting one of a plurality of measurement sections according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing an embodiment of the three-dimensional shape inspection device shown in FIG. 5 further including an external light source.
  • Figure 16 is a graph for explaining how a three-dimensional shape inspection device operates when an object to be measured includes a phosphor, according to an embodiment of the present disclosure.
  • 17 is a flowchart showing the flow of one embodiment of the three-dimensional shape inspection method of the present disclosure.
  • Embodiments of the present disclosure are illustrated for the purpose of explaining the technical idea of the present disclosure.
  • the scope of rights according to the present disclosure is not limited to the embodiments presented below or the specific description of these embodiments.
  • unit refers to software or hardware components such as a field-programmable gate array (FPGA) or an application specific integrated circuit (ASIC).
  • FPGA field-programmable gate array
  • ASIC application specific integrated circuit
  • “wealth” is not limited to hardware and software.
  • the “copy” may be configured to reside on an addressable storage medium and may be configured to reproduce on one or more processors.
  • “part” refers to software components, such as object-oriented software components, class components, and task components, processors, functions, properties, procedures, subroutines, Includes segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables.
  • the functionality provided within components and “parts” may be combined into smaller numbers of components and “parts” or may be further separated into additional components and “parts”
  • the expression "based on” is used to describe one or more factors that influence the act or action of decision, judgment, or action described in the phrase or sentence containing the expression, and this expression It does not exclude additional factors that may influence the decision, act or action of judgment.
  • a component when referred to as being “connected” or “connected” to another component, it means that the component can be directly connected or connected to the other component, or as a new component. It should be understood that it can be connected or connected through other components.
  • Direction indicators such as “downward” and “lower” used in the present disclosure are based on the direction in which the measurement object is located relative to the three-dimensional shape inspection device in the attached drawings, and direction indicators such as “upward” and “upper” are used in the present disclosure. means the opposite direction, but this is for explanation so that the present disclosure can be clearly understood, and each direction can be defined differently depending on where the standard is set.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a driving method of a three-dimensional shape inspection device according to a comparative example of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a graph showing that light emitted from the light source of FIG. 1 is refracted at different refractive indices for each wavelength in an optical system to form a measurement section in the vertical direction.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing how light emitted from the light source of FIG. 1 is refracted at different refractive indices for each wavelength in an optical system to form a measurement section in the vertical direction.
  • the operating method of the three-dimensional shape inspection device 50 according to the comparative example is described as follows.
  • the three-dimensional shape inspection device 50 can radiate light onto the surface of the measurement object 20 by transmitting the light emitted from the light source 52 through the beam splitter 54.
  • the light source 52 may be configured to emit light with multiple wavelengths.
  • the measurement object 20 may include various objects to be inspected, such as cells, metal and non-metal materials, and semiconductor substrates used in fields such as life science, semiconductors, and materials science. Additionally, the measurement object 20 may include a material such as a transparent body, and may include a mirror surface such as a semiconductor (C4-bump, ⁇ -bump, die, etc.).
  • Light transmitted through the beam splitter 54 may be refracted by the optical system 56.
  • the optical system 56 may be configured to refract incident light due to chromatic aberration at different refractive indices for a plurality of wavelengths.
  • the optical system 56 may be configured to focus light so that light with a long wavelength is focused at a distance from the optical system 56 and light with a short wavelength is focused near the optical system 56 due to chromatic aberration. .
  • Light refracted for a plurality of wavelengths may be configured to be reflected on the surface of the measurement object 20 and reflected from the beam splitter 54.
  • the beam splitter 54 may reflect each light having a plurality of wavelengths reflected from the surface of the measurement object 20 toward the pin hole 58.
  • the beam splitter 54, the optical system 56, and the pin hole 58 are focused at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 among each light having a plurality of wavelengths, and the reflected height-corresponding wavelength ( ⁇ m ) can be configured to transmit only light with a light through the pinhole 58.
  • a spectrometer 60 may be formed on the optical path passing through the pinhole 58.
  • the spectrometer 60 may be configured to detect light as a spectrum according to the wavelength and detect intensity information according to the wavelength of the light.
  • the three-dimensional shape inspection device 50 may be configured to measure the height of the measurement object 20 by detecting the wavelength component of light focused on the surface of the measurement object 20 through the spectrometer 60. By moving the 3D shape inspection device 50 or the measurement object 20 in the horizontal direction to perform the inspection, a 3D inspection that inspects the 3D shape of the measurement object 20 can be performed.
  • the 3D shape inspection device 50 according to the comparative example is a point scan method or a micro-length inspection method in which 3D inspection is performed by irradiating only one point on the surface of the measurement object with the light emitted from the light source 52. Since only the line scan method is possible, there is a limitation that the inspection speed is very slow.
  • the inspection speed of the point scan method of the 3D shape inspection device 50 of the comparative example may be less than 1 mm 2 .
  • the axial resolution of the 3D shape inspection device 50 satisfies Equation 1 below.
  • Axial resolution is proportional to the range of the measurement section ( ⁇ Measurement Range) and spectral resolution (Spectral Res), and is inversely proportional to the difference ( ⁇ ) between the maximum and minimum wavelengths of the light source 52 used for inspection.
  • the proportionality constant (k) in Equation 1 is a constant determined in the inspection environment or during the design process of the inspection device. The resolution described in this specification is the shortest distance that can identify two adjacent points, and the smaller the value, the better the inspection device can be.
  • the range of the measurement section is the point where the light with the shortest wavelength ( ⁇ 1 ) is focused and the point where the light with the longest wavelength ( ⁇ n ) is focused. It is the distance of the focused point, the difference in wavelength ( ⁇ ) is the difference between the shortest wavelength ( ⁇ 1 ) and the longest wavelength ( ⁇ n ), and the range of the measurement section ( ⁇ Measurement Range) is Z 1 .
  • the three-dimensional shape inspection device 50 according to the above-mentioned comparative example is capable of measuring the height of the measurement object when the measurement object is located at the position where the light is focused, so depending on the range of the measurement section ( ⁇ Measurement Range), the measurement object The inspection scope may change. That is, the range of the measurement section may mean the maximum inspection height of the 3D shape inspection device 50.
  • the 3D shape inspection device 50 of the comparative example has a problem in that axial resolution increases as the range of the measurement section increases, that is, as the maximum inspection height increases.
  • the three-dimensional shape inspection device and three-dimensional shape inspection method use a spatial light modulator and an image sensor to detect color information of light. It has the effect of enabling high-speed, large-area 3D inspection of measurement objects. Additionally, in one embodiment, the axial resolution can be improved by dividing the maximum testable area into several steps using a focus control unit and performing the test.
  • FIG. 4 is an overall perspective view of a three-dimensional shape inspection device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line A1-A1′ shown in FIG. 4.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may be configured to inspect the three-dimensional shape of the measurement object 20.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may be configured to inspect the shape of the measurement object 20 by irradiating light to the measurement object 20 and detecting information on the reflected light.
  • the three-dimensional shape of the measurement object 20 can be inspected.
  • FIG. 5 for convenience of explanation, the 3D shape inspection device 10 and the measurement object 20 are shown positioned at one point.
  • the present disclosure is not limited thereto, and the 3D shape inspection device 10 and the measurement object 20 are located at one point. (20) can be inspected by moving up and down or horizontally.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may include a light irradiation unit 100, an optical system, and an image sensor 400.
  • the light irradiation unit 100 may be configured to irradiate light onto the surface of the measurement object 20.
  • the light irradiation unit 100 may be configured to irradiate light in a downward direction where the measurement object 20 is located.
  • the light irradiation unit 100 may include a light source (not shown) and a spatial light modulator 110.
  • the light source may be a white light source with multiple wavelengths.
  • the light source may include either an LED, a halogen lamp, or a xenon lamp.
  • the light source may include a Sunlike LED.
  • the present disclosure is not limited to this, and any light source capable of emitting light with multiple wavelengths can be used in the present disclosure.
  • the light irradiation unit 100 may include a light irradiation unit case 150 that receives light L from a light source into the interior of the three-dimensional shape inspection device 10.
  • the light irradiation unit case 150 has a space formed therein and may be configured to receive light L from a light source.
  • the internal space of the light irradiation unit case 150 may be a transit point along the path through which the light L from the light source is irradiated to the measurement object 20.
  • the light irradiation unit case 150 may include a light receiver 152 in which a hole is formed and protrudes to the outside. Light L from the light source may be received into the interior of the three-dimensional shape inspection device 10 through the light receiver 152.
  • a spatial light modulator (120) may be configured to modulate light (L) received from a light source.
  • the spatial light modulator 110 may include any device that can change the amplitude or phase information of incident light depending on location.
  • the spatial light modulator 110 can form a light image in three-dimensional space by controlling the spatial distribution of light, and may be a device that controls the spatial distribution of light.
  • the spatial light modulator 110 may be configured to modulate light received from a light source to have a plurality of focuses.
  • the light irradiation unit 100 may be configured to irradiate a plurality of lights with a plurality of focuses onto the surface of the measurement object 20.
  • FIGS. 4 and 5 it is shown that a single light with a single focus is irradiated onto the surface of the measurement object 20, but this is for convenience of explanation, and is an example of a spatial light modulator that will be described later with reference to FIG. 6.
  • it may be configured to irradiate a plurality of lights with a plurality of focuses onto the surface of the measurement object 20 using a plurality of digital micromirror devices (DMDs).
  • DMDs digital micromirror devices
  • the optical system can refract light into multiple wavelengths using chromatic aberration.
  • the optical system can refract light with different refractive indices for a plurality of wavelengths.
  • the optical system may refract each light modulated by the spatial light modulator 110.
  • the optical system may be configured to refract light having a plurality of wavelengths at different refractive indices to form a measurement section in which the refracted light for each wavelength is focused.
  • the measurement section may be formed in an upward and downward direction. 4 and 5 show that a single light with a single focus is irradiated onto the surface of the measurement object 20.
  • the modulated light is transmitted to the light source through an optical system.
  • a measurement section in the vertical direction can be formed by refracting the light L received at a different refractive index for each of the plurality of wavelengths.
  • the optical system may include a plurality of lenses 211, 212, 213, 214, 215, and 241.
  • a lens may include any optical device that focuses or diverges light by refracting the received light.
  • the lens may include a variable lens 241 whose curvature is adjusted.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may include a reflector 220 that changes the path of light by reflecting light.
  • the reflector 220 may include an optical device configured to transmit light to another path by reflecting received light.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may include a light splitter 230 that reflects part of the light and transmits another part of the light to split the light moving path into two paths.
  • the light splitter 230 may include an optical device that transmits part of the received light and reflects the other part.
  • the image sensor 400 can detect color information of light.
  • the image sensor 400 may detect light reflected by the measurement object 20 .
  • the image sensor 400 may detect light reflected by focusing at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 among the refracted light for each wavelength reflected by the measurement object 20.
  • the image sensor 400 may be configured to detect color information of a plurality of lights reflected by focusing them on the surface of the measurement object 20.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may include a control unit that measures the height of the surface of the measurement object 20.
  • the control unit may include a computer that stores programs and/or information.
  • the control unit may be configured to measure the height of the measurement object 20 based on color information detected by the image sensor 400. Based on the color information of the plurality of lights detected by the image sensor 400, the height of the measurement object 20 from which the plurality of lights are reflected can be measured.
  • the image sensor 400 can measure each height on the surface of the measurement object 20 on which a plurality of lights are reflected.
  • the image sensor 400 of the three-dimensional shape inspection device 10 of the present disclosure can measure the heights on several surfaces of the measurement object 20 at once, enabling high-speed, large-area inspection of the measurement object.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a digital micromirror device used in one embodiment of the present disclosure.
  • a digital micromirror device hereinafter referred to as DMD
  • DMD digital micromirror device
  • the spatial light modulator 110 may include a digital micromirror device (DMD) using digital light processing (DLP) technology.
  • a digital micromirror device (DMD) may include a plurality of digital micromirror devices (DMDs) arranged in an array format.
  • a digital micromirror device (DMD) may be a microscopic mirror made with a microelectromechanical system (MEMS). That is, each of the plurality of digital micromirror devices (DMDs) can function as a pixel.
  • the digital micromirror device (DMD) of FIG. 6 forms an array of 18 rows and 19 columns, but the number of rows and columns constituting the array is illustrative and may have any other number of columns and rows.
  • the digital micromirror device has electrodes at the bottom to receive electrical signals from the outside, and a reflector at the top to reflect light.
  • An electric signal is applied to the lower electrode of the digital micromirror device (DMD) to adjust the angle of the reflector, so that the reflected light is reflected and emitted by an external projection lens (not shown) or reflected by an absorbing plate (not shown). It can be absorbed without being released.
  • the electrode at the bottom of the digital micromirror device (DMD) the light of the individual digital micromirror device (DMD) can be adjusted to an on/off state.
  • the spatial light modulator 110 can control each pixel of the digital micromirror device (DMD) to on/off state, it can be configured to modulate the light L received from the light source into light having a desired shape and form.
  • DMD digital micromirror device
  • the digital micromirror device in the 4n+1 row and 4n+1 column of the array is shown in the on state (n is an integer greater than or equal to 0), but the present disclosure is not limited thereto, and the digital micromirror device of the elements of the individual arrays is shown.
  • the device can be turned on/off arbitrarily.
  • the light irradiation unit 100 may be configured to radiate a plurality of lights downward onto the surface of the measurement object 20 in a horizontal direction perpendicular to the vertical direction.
  • Each of the plurality of digital micromirror devices (DMDs) can be adjusted to an on/off state, and light reflected from the digital micromirror devices (DMDs) in the on state can be emitted to the measurement object 20.
  • the plurality of lights emitted and modulated from each of the plurality of digital micromirror devices (DMDs) may be configured to have a plurality of focuses.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 according to an embodiment of the present disclosure may be configured to irradiate a plurality of lights with a plurality of focuses onto the surface of the measurement object 20.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a charge-coupled device (CCD) used in one embodiment of the present disclosure.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing a process in which a 3-charge-coupled device acquires RGB information of light according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the process of converting the RGB information obtained in FIG. 8 into the HSV coordinate system.
  • the image sensor may include a charge coupled device (hereinafter referred to as a CCD).
  • a charge-coupled device can refer to a sensor that converts light into electric charges and obtains information about light.
  • a charge-coupled device (CCD) is composed of a pixel-shaped chip, inside which a photodiode that generates electrons according to the amount of photons is placed. By measuring and reconstructing the amount of electrons or current, information on the intensity of light is provided. You can get it.
  • a charge-coupled device may include a plurality of charge-coupled devices (CCDs) arranged in an array format. Each charge-coupled device (CCD) can function as a pixel.
  • a plurality of charge-coupled devices (CCDs) may be configured to detect color information of a plurality of lights reflected by modulated light having a plurality of focuses being focused on the surface of the measurement object 20. Based on the color information of a plurality of lights detected by a charge-coupled device (CCD), each height on the surface of the measurement object 20 from which the plurality of lights are reflected can be measured.
  • a charge-coupled device can be a 1-charge-coupled device (1CCD), which consists of one charge-coupled device, or a three-charged coupled device (hereinafter referred to as 3CCD), which has three separate charge-coupled devices. there is.
  • 1CCD 1-charge-coupled device
  • 3CCD three-charged coupled device
  • a 3-charge-coupled device may include three separate charge-coupled devices (3CCD-R, 3CCD-G, 3CCD-B).
  • Each of the three separate charge-coupled devices (3CCD-R, 3CCD-G, 3CCD-B) is located on the path of light separated into R, G, and B components from the prism (A, B, C), G and B components can be detected.
  • 3-charge-coupled device (3CCD) detects the R, G, and B components separated from the prisms (A, B, C) with each charge-coupled device, resulting in higher color than the 1-charge-coupled device (1CCD) method. It can provide high reproducibility and image quality.
  • the image sensor 400 may include a Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS).
  • CMOS may be composed of a plurality of pixels. The light that reaches each pixel can be focused on a photo diode to generate electrons, and the generated electrons can be converted into voltage form to detect light information.
  • the image sensor 400 may include any one of a color camera, a multi-spectral camera, or a mono camera with a band-pass filter.
  • the image sensor 400 of the present disclosure is not limited to this and includes all devices capable of detecting RGB information of light.
  • Color information of light detected by the image sensor 400 may include RGB information.
  • color information of light detected by the 3-charge coupled device (3CCD) of the image sensor 400 may include RGB information.
  • the RGB information may be RGB information of light focused and reflected at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 among the light refracted for each wavelength.
  • the image sensor 400 may be configured to obtain wavelength information of light based on the detected RGB information.
  • the RGB information detected by the image sensor 400 can be converted into wavelength information of light by creating a look-up table in which wavelength information corresponding to RGB information is tabulated in advance. You can.
  • the image sensor 400 may be configured to obtain wavelength information of light focused and reflected on the surface of the measurement object 20 by converting RGB information into another coordinate system.
  • the other coordinate system may be the HSV coordinate system or the CIE XYZ coordinate system.
  • wavelength information of light can be obtained through the HSV information.
  • H is a value representing color (Hue) and has values from 0 ⁇ to 360 ⁇ , and 0 ⁇ and 360 ⁇ can indicate the color of red.
  • S is a value representing saturation. Assuming the darkest state is 100%, 0% can represent an achromatic color of the same brightness.
  • V is a value that means brightness (Value) and can represent the brightness when white is 100% and black is 0%. Since the wavelength information of the light source according to the H value of the light source is a predetermined value (for example, when H is 0 ⁇ or 360 ⁇ , the wavelength of red light is 625 ⁇ 740nm), the H value obtained through HSV coordinate system conversion Wavelength information of the light source can be detected.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing the operation of a three-dimensional shape inspection device according to an embodiment of the present disclosure. With reference to FIGS. 4, 5, and 10, the inspection method of the three-dimensional shape inspection device 10 of the present disclosure will be described as follows.
  • the spatial light modulator 110 modulates the light L received from the light source and irradiates the light onto the surface of the measurement object 20.
  • An optical system for transmitting light may be disposed on the path from the spatial light modulator 110 to the measurement object 20 until the light is irradiated.
  • the optical system may include a plurality of lenses 211, 212, 214, and 241 disposed on the path.
  • An optical splitter 230 may be placed on the path from the spatial light modulator 110 to the measurement object 20 through which light is irradiated.
  • the optical splitter 230 may form an optical path from the spatial light modulator 110 to the measurement object 20 by reflecting the received light.
  • the optical system may include a lens 242 (not shown) positioned before the measurement object 20 is irradiated.
  • Lens 242 may be comprised of a plurality of lenses.
  • Lens 242 may be an objective lens.
  • Light reflected on the surface of the measurement object 20 is configured to be transmitted to the image sensor 400.
  • An optical system may be disposed to transmit light reflected from the measurement object 20 to the image sensor 400 .
  • the optical system may include a plurality of lenses 241, 214, 212, and 215 disposed on the path.
  • An optical splitter 230 may be placed on the path of light from the measurement object 20 to the image sensor 400.
  • the light splitter 230 may form an optical path from the measurement object 20 to the image sensor 400 by transmitting the received light.
  • the image sensor 400 can measure the height of the measurement object 20 by detecting color information of light reflected by focusing at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 among the light refracted by wavelength.
  • the light path formed so that the light (L) emitted from the light source is reflected from the measurement object 20 and transmitted to the image sensor 400 is not limited to this, and includes a lens, a reflector 220, and an optical splitter 230. ) can be used to form an arbitrary optical path.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may include a focus control unit configured to change the measurement section by changing the position at which the light refracted for each wavelength by the optical system is focused in the vertical direction.
  • the focus control unit may be implemented as a means for changing the position of the optical system, or may be implemented as a means for changing the position at which light is focused by forming part of the optical system, according to embodiments described later. there is.
  • the focus control unit can change the position at which the refracted light is focused for each wavelength.
  • the focus control unit can change the position where light is focused in the up and down directions.
  • the focus control unit may be configured to change the measurement section in which the refracted light is focused for each wavelength.
  • the focus control unit can change the point at which the shortest wavelength of light refracted for each wavelength is focused in the vertical direction.
  • the focus control unit can change the point where the longest wavelength among the refracted light for each wavelength is focused in the vertical direction.
  • the focus control unit can change the point at which light with a wavelength between the shortest and longest wavelengths among the refracted lights for each wavelength is focused in the vertical direction.
  • the focus control unit may be operated through mechanical means that changes the measurement section by adjusting the position of the optical system.
  • the focus adjuster may be configured to change the measurement section by moving the optical system in the vertical direction.
  • the focus control unit 240 may form part of the optical system. below. The description will be based on the embodiment according to FIGS. 10 to 13.
  • the optical system may include a focus adjuster 240.
  • the focus adjuster 240 is shown to be disposed on the optical path immediately before being irradiated to the measurement object 20, but is not limited thereto, and the focus adjuster 240 is positioned from the light source to the image sensor 400. It can be placed on any path on the optical path.
  • the focus control unit 240 may be operated through electronic means that change the measurement section by applying current, etc.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a focus control unit according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line S1-S1′ shown in FIG. 11.
  • Figure 13 is a conceptual diagram showing how a liquid lens operates according to an embodiment of the present disclosure.
  • the focus control unit 240 may include a variable lens 241 that refracts each light modulated by the spatial light modulator 110.
  • the focus control unit 240 may be configured to adjust the curvature of the variable lens 241. In general, as the curvature of the variable lens 241 increases, the focal length, which is the distance from the variable lens to the point where light is focused, may become shorter.
  • the focus control unit 240 may adjust the thickness C of the variable lens 241 by adjusting the curvature of the variable lens 241. In general, as the curvature of the variable lens 241 increases, the thickness C of the variable lens 241 may also increase.
  • the curvature of the variable lens 241 may be adjusted based on the current applied to the focus adjuster 240.
  • the curvature of the variable lens 241 can be adjusted by adjusting the current applied to the focus control unit 240.
  • the focus control unit 240 may be configured to change the measurement section in which the refracted light for each wavelength is focused in the vertical direction by adjusting the curvature of the variable lens 241.
  • the variable lens 241 may include a liquid lens 260 whose curvature can be changed.
  • the liquid lens 260 may change its curvature by receiving an applied current.
  • the curvature of the liquid lens 260 can be adjusted by adjusting the current applied to the liquid lens 260. For example, by adjusting the current applied to the liquid lens 260, the curvature of the liquid lens 260 can be increased, thereby increasing the thickness of the liquid lens (C1->C2) (see FIG. 13).
  • the curvature and thickness of the liquid lens 260 increase, the focal length of the liquid lens 260 may be reduced, and the measurement section may be changed in the vertical direction by the reduced focal distance (see FIG. 13).
  • FIG. 14 is a graph illustrating performing an inspection by selecting one of a plurality of measurement sections according to an embodiment of the present disclosure.
  • the focus control unit 240 may be configured to select one measurement section among a plurality of measurement sections by changing the position at which the refracted light is focused for each wavelength.
  • the focus control unit 240 may be configured to select a plurality of measurement sections in the up and down directions by changing the position at which light is focused in the up and down directions.
  • the focus control unit 240 is configured to select one of the first measurement section (0 to Z 3 ), the second measurement section (Z 1 to Z 2 ), and the third measurement section (Z 2 to Z 3 ). You can proceed with the test by selecting .
  • the present disclosure allows measurement by dividing the measurement section (0 to Z 1 ) into a plurality of measurement sections, so the range of the measurement section in equation (1) ( It has the effect of reducing the ⁇ Measurement Range) value, which has the effect of reducing axial resolution (i.e., for the same maximum inspection height (Z 1 ), axial resolution can be reduced by 3 times).
  • Figure 14 it is shown divided into three measurement sections, but this is for convenience of explanation, and the present disclosure is not limited thereto, and the inspection may be performed by dividing the section into one or more measurement sections.
  • one measurement section among the plurality of measurement sections may be configured to be different from another measurement section among the plurality of measurement sections.
  • the one measurement section may be configured to have different levels in the vertical direction from the other measurement section.
  • the level of one part of one of the measurement sections may be configured to be the same as the level of one part of the other measurement section (that is, at least one section having the same level may exist in different measurement sections. ).
  • the level of all sections of one measurement section may be configured to be different from the level of all sections of the other measurement section.
  • FIG. 14 an embodiment is shown in which the levels of all sections of one measurement section are different from the levels of all sections of another measurement section, but the present disclosure is not limited thereto.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing an embodiment of the three-dimensional shape inspection device shown in FIG. 5 further including an external light source.
  • Figure 16 is a graph for explaining how a three-dimensional shape inspection device operates when an object to be measured includes a phosphor, according to an embodiment of the present disclosure.
  • a phosphor is a material that absorbs light or electromagnetic waves with a specific wavelength and emits light of a different wavelength. If the object to be measured contains a phosphor, the wavelength of the reflected light is the wavelength reflected from the pure measurement object without the phosphor. , a process is needed to confirm whether the wavelength is excited and emitted by the phosphor. Additionally, in the inspection of a 3D shape inspection device, it is necessary to conduct the inspection by adjusting the measurement section so that light with a specific wavelength is not focused and reflected on the surface of the measurement object.
  • the three-dimensional shape inspection device 10 may include an external light source 600 configured to irradiate light onto the surface of the measurement object 20 .
  • the external light source 600 may be configured to irradiate light with a single wavelength onto the surface of the measurement object 20. After irradiating light with a single wavelength to the measurement object 20, the external light source 600 irradiates additional light by increasing or decreasing the wavelength of the light with a single wavelength, thereby sending light of multiple wavelengths to the measurement object (20). 20) can be configured to irradiate onto the surface.
  • the image sensor 400 may be configured to acquire wavelength information of light emitted from the external light source 600 reflected on the surface of the measurement object 20.
  • the control unit radiates light having a first wavelength ( ⁇ 1 ) from the external light source 600 to the measurement object 20, and the light is reflected by the measurement object 20 by the image sensor 400.
  • the wavelength of the detected light is a second wavelength ( ⁇ 2 ) different from the first wavelength ( ⁇ 1 )
  • the control unit determines that when the external light source 600 irradiates light with a first wavelength ( ⁇ 1 ) to the measurement object 20, the wavelength of the light reflected and detected by the image sensor 400 is the second wavelength ( ⁇ 2 ).
  • the focus adjustment unit 240 may be controlled to change the measurement section.
  • the control unit may control the focus adjustment unit 240 to avoid the image sensor 400, which detects light reflected from the measurement object, from detecting light excited by the phosphor included in the measurement object.
  • the control unit controls the focus adjustment unit 240 so that the wavelength of light focused at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 does not include a wavelength between the first wavelength ( ⁇ 1 ) and the second wavelength ( ⁇ 2 ). It can be configured to change the measurement section by controlling . If the wavelength of light focused at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 includes a wavelength between the first wavelength ( ⁇ 1 ) and the second wavelength ( ⁇ 2 ), the image sensor 400 during the inspection process The height corresponding to the wavelength detected may not be accurate.
  • the measurement section can be changed to a range of 4 wavelengths ( ⁇ 4 ) (see FIG. 16).
  • the values of the first wavelength ( ⁇ 1 ) and the second wavelength ( ⁇ 2 ) are approximately 450 nm to 500 nm
  • the values of the third wavelength ( ⁇ 3 ) and the fourth wavelength ( ⁇ 4 ) are approximately 570 nm to 620 nm. Although shown, the present disclosure is not limited thereto.
  • 17 is a flowchart showing the flow of one embodiment of the three-dimensional shape inspection method of the present disclosure.
  • the three-dimensional shape inspection method (S10) corresponds to the white light irradiation step (S101), the DLP multiple pattern irradiation step (S102), the measurement object irradiation step (S103), and the height of the measurement object. It may include a reflection step (S104) of the wavelength signal.
  • the white light irradiation step (S101) is a step of irradiating light (L) from a light source to irradiate light onto the surface of the measurement object 20.
  • the DLP multiple pattern irradiation step (S102) may be a step of modulating the light received in the white light irradiation step (S101).
  • the DLP multiple pattern irradiation step (S102) may be configured to modulate the light L received from the light source to irradiate a plurality of lights with a plurality of focuses onto the surface of the measurement object 20.
  • light modulation may be performed through the spatial light modulator 110.
  • the DLP multiple pattern irradiation step (S102) may correspond to the light modulation step.
  • each light modulated in the DLP multiple pattern irradiation step (S102) is refracted with different refractive indices for a plurality of wavelengths due to chromatic aberration, and the measurement section in the vertical direction where the refracted light for each wavelength is focused. It may be configured to irradiate downward to form a .
  • the modulated light may form the measurement section by an optical system.
  • the measurement object irradiation step (S103) may correspond to the light irradiation step.
  • the reflection step (S104) of the wavelength signal corresponding to the height of the measurement object focuses at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 among the light refracted for each wavelength irradiated to the measurement object in the measurement object irradiation step (S103). This may be a stage in which the reflected light is reflected.
  • the three-dimensional shape inspection method (S10) may include an information acquisition step of detecting color information of light reflected by focusing at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 among the light refracted for each wavelength of the measurement section. .
  • the information acquisition step may include an image acquisition step (S105), an RGB information acquisition step (S106), a coordinate system conversion step (S107), and a wavelength information confirmation step (S108).
  • S105 image acquisition step
  • S106 RGB information acquisition step
  • S107 coordinate system conversion step
  • S108 wavelength information confirmation step
  • the image acquisition step (S105) may be a step of receiving an image or information of light reflected by focused light at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20.
  • the image acquisition step (S105) may be configured to receive light reflected from the measurement object 20 by the image sensor 400.
  • the RGB information acquisition step (S106) may be a step of acquiring RGB information of the light received in the image acquisition step (S105).
  • the RGB information acquisition step (S106) may be configured to acquire RGB information of light through the 3-electron coupled device (3CCD) of the image sensor 400.
  • the coordinate system conversion step (S107) may include converting the RGB information obtained in the RGB information acquisition step (S106) into another coordinate system (for example, an HSV coordinate system or a CIE XYZ coordinate system).
  • the wavelength information checking step (S108) may include checking the wavelength information of light based on the information obtained in the coordinate system conversion step (S107). As described above, in the wavelength information confirmation step (S108), the wavelength information of light can be confirmed using the H value of the HSV coordinate system or the main wavelength information of the CIE XYZ coordinate system.
  • the 3D shape inspection method (S10) may include a measurement object height confirmation step (S109) of measuring the height of the surface of the measurement object based on the color information detected in the information acquisition step.
  • the measurement object height confirmation step (S109) the height of the measurement object can be measured by detecting the color information of the light reflected by focusing at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object 20 among the light refracted by wavelength.
  • the measurement object height confirmation step (S109) may correspond to the height measurement step.
  • the 3D shape inspection method (S10) may include a 3D inspection step (S110) after confirming the height of the measurement object.
  • the 3D inspection progress step may include at least one of the above-described steps (S101 to S109), and the steps (S101 to S109) are performed multiple times, so that the inspection can be performed on various surfaces of the measurement object 20. You can.
  • the 3D shape inspection method (S10) may include a focus adjustment step of changing the measurement section by changing the position at which the refracted light is focused for each wavelength in the vertical direction.
  • the focus adjustment step may be a step in which the measurement section is changed by the focus adjuster 240.
  • the focus adjustment step may be performed before the white light irradiation step (S101) or before the white light irradiation step in the 3D inspection progress step (S110) performed at least one or more times, so that the focus adjustment step may be repeated several times.
  • the focus adjustment step may include a measurement section selection step of selecting one measurement section among a plurality of measurement sections by changing the position at which the refracted light is focused for each wavelength in the up and down directions.
  • the measurement section selection step may be configured to select a plurality of measurement sections in the up and down directions by using the focus adjuster 240 to change the position where the light is focused in the up and down directions.
  • the information acquisition step and the height measurement step may be performed based on the color information of the light focused and reflected at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object among the light refracted for each wavelength of a measurement section selected in the measurement section selection step. there is.
  • the measurement section selection step is performed before the white light irradiation step (S101), or is performed before the white light irradiation step in the 3D inspection progress step (S110) performed at least one or more times, so that the measurement section selection step can be repeated several times. there is.
  • the 3D shape inspection method (S10) may further include an external light source irradiation step of irradiating light onto the surface of the measurement object.
  • the information acquisition step may include an external light source wavelength detection step of acquiring wavelength information of light reflected on the surface of the measurement object in the external light source irradiation step.
  • the external light source irradiation step and the external light source wavelength detection step are performed before the white light irradiation step (S101) or before the white light irradiation step in the 3D inspection progress step (S110) performed at least one or more times, so that the external light source irradiation step and the external light source wavelength detection step are performed before the white light irradiation step (S101).
  • the light source wavelength detection step may be repeated several times.
  • the focus adjustment step is a step of changing the measurement section when the wavelength of the light detected in the external light source wavelength detection step is a second wavelength different from the first wavelength when irradiating light with a first wavelength in the external light source irradiation step.
  • the focusing step may include changing the measurement section so that the wavelength of light focused at a position corresponding to the height on the surface of the measurement object does not include a wavelength between the first wavelength and a second wavelength different from the first wavelength.
  • the focus adjustment step may be performed after the external light source wavelength detection step.

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Abstract

개시된 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치는, 광원 및 상기 광원으로부터 수신된 광을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하여 측정 대상물의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성된 광 조사부; 상기 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 구성되는 광학계; 및 상기 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 이미지 센서를 포함하고, 상기 광학계는, 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 상기 측정 구간을 변경 가능하게 구성된 초점 조절부를 포함한다.

Description

3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법
본 개시는 3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법에 관한 것이다.
공초점 현미경(confocal microscopy) 또는 공초점 레이저 주사현미경(confocal laser scanning microscopy, CLSM)은 초점을 벗어난 광을 핀 홀로 제거하는 방식의 현미경으로서, 초점 이외의 영역에서 발생하는 광의 간섭을 제거하여 고해상도 및 고배율을 얻을 수 있는 현미경이며, 생명과학, 반도체, 재료과학 등의 분야에서 이용되고 있다.
공초점 현미경 중 색수차를 이용하여 측정 대상물의 3D 검사를 진행하는 채색적 공초점 현미경(chromatic confocal microscopy)이 알려져 있다. 채색적 공초점 현미경은 광원에서 방출된 백색광을 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시키고, 굴절된 광을 측정 대상물의 표면으로 조사한다. 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물의 표면 상에서 포커싱되어 반사된 광을 핀 홀로 투과시키고, 분광기를 통해 투과된 광의 파장을 검출하는 방식으로 검사가 진행된다. 채색적 공초점 현미경은 포커싱되는 광의 파장 정보와 대응되는 광학계의 초점 거리 정보를 미리 테이블화하여, 검출된 광의 파장 정보에 기초하여 측정 대상물의 높이를 측정하는 방식으로 3D 검사를 진행한다.
종래의 채색적 공초점 현미경은 광원에서 방출된 광이 측정 대상물의 표면 상에 한 지점만을 조사하여 반사되는 광을 검출하여 3D 검사를 수행하므로, 스캔(Point Scan) 방식 또는 미소 길이의 라인 스캔(Line Scan) 방식만이 가능하므로, 검사 속도가 매우 느리다는 한계가 존재한다. 본 개시의 실시예들은 상술한 종래기술의 문제를 해결한다.
또한, 종래의 채색적 공초점 현미경은 축방향 분해능이 최대 검사 높이에 의존적이기 때문에, 최대 검사 높이가 증가함에 따라, 축 방향 분해능이 함께 증가하여(즉, 축 방향 분해능이 나빠짐), 장치의 성능이 저하되는 문제가 존재한다. 본 개시의 실시예들은 상술한 종래기술의 문제를 해결한다.
또한, 형광체는 특정 파장을 가진 빛이나 전자기파를 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출하는 물질로서, 종래의 채색적 공초점 현미경은, 측정 대상물에 형광체가 포함되어 있는 경우, 검출된 파장에 대응되는 높이가 정확하지 않게 측정될 수 있다. 본 개시의 일 실시예는 상술한 종래기술의 문제를 해결한다.
본 개시의 일 측면은 3차원 형상 검사 장치의 실시예들을 제공한다. 대표적 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치는, 광원 및 상기 광원으로부터 수신된 광을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하여 측정 대상물의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성된 광 조사부; 상기 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 구성되는 광학계; 및 상기 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 이미지 센서를 포함하고, 상기 광학계는, 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 상기 측정 구간을 변경 가능하게 구성된 초점 조절부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 조사부는 상기 측정 대상물의 상기 표면 상으로 상하 방향에 수직한 수평 방향으로 복수의 초점을 가진 상기 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 초점 조절부는, 상기 변조된 각각의 광을 굴절시키는 가변형 렌즈를 포함하고, 상기 가변형 렌즈의 곡률을 조절함으로써 상기 측정 구간을 상하 방향으로 변경 가능하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가변형 렌즈는 상기 초점 조절부에 인가되는 전류에 기초하여 곡률이 변화되는 액체 렌즈를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 초점 조절부는, 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택 가능하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 측정 구간 중 어느 하나의 측정 구간은 상기 복수의 측정 구간 중 다른 하나의 측정 구간과 다르도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공간 광 변조기는, 상기 광원으로부터 수신된 광을 반사시킴으로써 변조하도록 구성되고, 어레이 형식으로 배치된, 복수의 디지털 마이크로미러 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 복수의 광이 상기 측정 대상물의 상기 표면 상에서 포커싱되어 반사된 복수의 광의 컬러 정보를 검출하도록 구성되고, 상기 이미지 센서에 의해 검출된 상기 복수의 광의 컬러 정보에 기초하여, 상기 복수의 광이 반사된 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 각각의 높이를 측정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 컬러 정보는 상기 측정 대상물의 상기 표면 상에서 포커싱되어 반사된 광의 RGB 정보를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는, 상기 RGB 정보에 기초하여 상기 측정 대상물의 상기 표면 상에서 포커싱되어 반사된 광의 파장 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는 컬러 카메라, 다중 분광 카메라 또는 밴드 패스 필터를 가진 모노 카메라 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광원은 LED, 할로겐 램프 또는 제논 램프 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 3차원 형상 검사 장치는, 상기 이미지 센서에 의해 검출된 컬러 정보에 기초하여 상기 측정 대상물의 상기 표면의 높이를 측정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 3차원 형상 검사 장치는, 상기 측정 대상물의 상기 표면 상으로 광을 조사하도록 구성된 외부 광원을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 측정 대상물의 상기 표면에 반사된 외부 광원에서 방출된 광의 파장 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 3차원 형상 검사 장치는, 상기 외부 광원이 제1 파장을 가진 광을 조사할 때 상기 이미지 센서에 의해 검출된 광의 파장이 상기 제1 파장과 다른 제2 파장인 경우, 상기 초점 조절부를 제어하여 상기 측정 구간을 변경시키도록 구성된 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되는 광의 파장이 상기 제1 파장과 상기 제2 파장 사이의 파장을 포함하지 않도록, 상기 초점 조절부를 제어하여, 상기 측정 구간을 변경시키도록 구성될 수 있다.
본 개시의 또 하나의 측면은, 3차원 형상 검사 장치의 실시예들을 제공한다. 대표적 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치는 광원 및 상기 광원으로부터 수신된 광을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하여 측정 대상물의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성된 광 조사부; 상기 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 구성되는 광학계; 상기 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 이미지 센서; 및 상기 광학계를 상하 방향으로 이동시켜 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 상기 측정 구간을 변경 가능하게 구성된 초점 조절부를 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면은, 3차원 형상 검사 방법의 실시예들을 제공한다. 대표적 실시예에 따른 3차원 형상 검사 방법은 측정 대상물의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 조사하도록 광원으로부터 수신된 광을 변조하는 광 변조 단계; 상기 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 하측으로 조사하는 광 조사 단계; 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 상기 측정 구간을 변경하는 초점 조절 단계; 상기 측정 구간의 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 정보 획득 단계; 및 상기 검출된 컬러 정보에 기초하여 상기 측정 대상물의 상기 표면의 높이를 측정하는 높이 측정 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 초점 조절 단계는, 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택하는 단계를 포함하고, 상기 정보 획득 단계 및 상기 높이 측정 단계는, 상기 어느 한 측정 구간의 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보에 기초하여 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 3차원 형상 검사 방법은, 상기 측정 대상물의 상기 표면 상으로 광을 조사하는 외부 광원 조사 단계를 더 포함하고, 상기 정보 획득 단계는, 상기 측정 대상물의 상기 표면에 반사된 외부 광원에서 방출된 광의 파장 정보를 획득하는 외부 광원 파장 검출 단계를 포함하고, 상기 초점 조절 단계는, 상기 외부 광원 조사 단계에서 제1 파장을 가진 광을 조사할 때 상기 외부 광원 파장 검출 단계에서 검출된 광의 파장이 상기 제1 파장과 다른 제2 파장인 경우, 상기 측정 구간을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 의하면, 공간 광 변조기 및 광의 컬러 정보를 검출하는 이미지 센서를 이용하여 측정 대상물의 대면적(large area)을 보다 빠른 속도로 3D 검사하는 것이 가능하다.
본 개시의 실시예들에 의하면, 최대 검사 가능 영역을 여러 스텝으로 나누어 검사를 진행함으로써, 축방향 분해능을 감소시켜 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 측정 대상물이 형광체를 포함하는 경우에도, 측정 구간을 변경함으로써, 정확한 3D 검사를 진행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 비교 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치의 구동 방식을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 광원에서 방출된 광이 광학계에서 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절되어 상하 방향으로의 측정 구간이 형성되는 것을 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1의 광원에서 방출된 광이 광학계에서 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절되어 상하 방향으로의 측정 구간이 형성되는 모습을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치의 전체 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 A1-A1`선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 이용되는 디지털 마이크로미러 장치를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 이용되는 전하결합소자(CCD)를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 3-전하결합소자가 광의 RGB 정보를 획득하는 과정을 도시한 개략도이다.
도 9는 도 8에서 획득한 RGB 정보를 HSV 좌표계로 변환하는 과정을 도시한 개념도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치가 작동하는 모습을 도시한 개략도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 초점 조절부를 도시한 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 S1-S1`선을 따라 취한 단면도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 액체 렌즈가 작동하는 방식을 도시한 개념도이다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택하여 검사를 진행하는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 도 5에 도시된 3차원 형상 검사 장치가 외부 광원이 더 포함된 실시예를 도시한 단면도이다.
도 16은 본 개시의 일 실시예에 따른, 측정 대상물이 형광체를 포함하는 경우, 3차원 형상 검사 장치가 작동하는 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 17은 본 개시의 3차원 형상 검사 방법의 일 실시 형태의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 개시에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.
본 개시에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.
본 개시에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 개시에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.
본 개시에서 사용되는 "제1", "제2" 등의 표현들은 복수의 구성요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.
본 개시에서 사용되는 용어 "부"는, 소프트웨어, 또는 FPGA(field-programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미한다. 그러나, "부"는 하드웨어 및 소프트웨어에 한정되는 것은 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서, "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세서, 함수, 속성, 프로시저, 서브루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 어레이 및 변수를 포함한다. 구성요소와 "부" 내에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소 및 "부"로 결합되거나 추가적인 구성요소와 "부"로 더 분리될 수 있다
본 개시에서 사용되는 "~에 기초하여"라는 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 기술되는, 결정, 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 하나 이상의 인자를 기술하는데 사용되며, 이 표현은 결정, 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 추가적인 인자를 배제하지 않는다.
본 개시에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로, 또는 새로운 다른 구성요소를 매개로 하여 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시에서 사용되는 "하방", "하" 등의 방향지시어는 첨부된 도면에서 측정 대상물이 3차원 형상 검사 장치에 대해 위치하는 방향을 기준으로 하고, "상방", "상" 등의 방향지시어는 그 반대 방향을 의미하나, 이는 어디까지나 본 개시가 명확하게 이해될 수 있도록 설명하기 위한 것이며, 기준을 어디에 두느냐에 따라 각 방향들을 다르게 정의할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
도 1은 본 개시의 비교 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치의 구동 방식을 나타내는 개략도이다. 도 2는 도 1의 광원에서 방출된 광이 광학계에서 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절되어 상하 방향으로의 측정 구간이 형성되는 것을 도시한 그래프이다. 도 3은 도 1의 광원에서 방출된 광이 광학계에서 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절되어 상하 방향으로의 측정 구간이 형성되는 모습을 도시한 개략도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 비교 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치(50)의 작동 방식을 설명하면 다음과 같다.
3차원 형상 검사 장치(50)는 광원(52)에서 방출된 광을 빔 스플리터(54)에 투과 시킴으로써 측정 대상물(20)의 표면 상으로 광을 조사할 수 있다. 광원(52)은 복수의 파장을 가진 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 측정 대상물(20)은 생명과학, 반도체, 재료과학 등의 분야에서 사용되는 세포, 금속 및 비금속의 재료 및 반도체 기판 등 여러 피검사대상을 포함할 수 있다. 또한, 측정 대상물(20)은 투명체 등의 물질을 포함할 수 있으며, 반도체 등의 경면(C4-bump, μ-bump, Die 등)을 포함할 수 있다.
빔 스플리터(54)에 투과된 광은 광학계(56)에 의해 굴절될 수 있다. 광학계(56)는 색수차에 의해 입사된 광을 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시키도록 구성될 수 있다. 광학계(56)는 색수차에 의해, 파장이 긴 광을 광학계(56)의 먼 곳에 초점이 생기도록, 파장이 짧은 광을 광학계(56)의 가까운 곳에 초점이 생기도록 광을 포커싱하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 복수의 파장을 가진 광이 서로 다른 굴절률로 광학계(56)에 의해 굴절되는 모습이 도시되어 있으며, 상기 복수의 파장 중 가장 짧은 파장(λ1)을 가진 광이 가장 광학계(56)에 가까운 곳에 초점이 생기고, 상기 복수의 파장 중 가장 긴 파장(λn)을 가진 광이 가장 광학계(56)에 먼 곳에 초점이 생기는 모습이 도시되어 있다. 복수의 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되는 높이 대응 파장(λm)을 가진 광이 존재할 수 있다. 상기 높이 대응 파장(λm)은 가장 짧은 파장(λ1)과 가장 긴 파장(λn) 사이의 값을 가질 수 있다.
복수의 파장별로 굴절된 광은 측정 대상물(20)의 표면 상에서 반사되어 빔 스플리터(54)에서 반사되도록 구성될 수 있다. 빔 스플리터(54)는 측정 대상물(20)의 표면에서 반사된 복수의 파장을 가진 각각의 광을 핀 홀(58)을 향하도록 반사시킬 수 있다. 빔 스플리터(54), 광학계(56) 및 핀 홀(58)은 복수의 파장을 가진 각각의 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 높이 대응 파장(λm)을 가진 광만을 핀 홀(58)로 투과하도록 구성될 수 있다. 핀 홀(58)을 투과하는 광 경로 상에는 분광기(Spectrometer, 60)가 형성될 수 있다. 분광기(60)는 광을 파장에 따른 스펙트럼으로 검출하여, 광의 파장에 따른 강도 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
3차원 형상 검사 장치(50)는 분광기(60)를 통해 측정 대상물(20)의 표면 상에서 포커싱 되는 광의 파장 성분을 검출함으로써, 측정 대상물(20)의 높이를 측정하도록 구성될 수 있다. 3차원 형상 검사 장치(50) 또는 측정 대상물(20)을 수평 방향으로 이동시켜 검사를 진행함으로써, 측정 대상물(20)의 3차원 형상을 검사하는 3D 검사가 수행될 수 있다. 비교 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치(50)는 광원(52)에서 방출된 광이 측정 대상물의 표면 상에 한 지점만을 조사하여 3D 검사가 수행되는 점 스캔(Point Scan) 방식 또는 미소 길이의 라인 스캔(Line Scan) 방식만이 가능하므로, 검사 속도가 매우 느리다는 한계가 존재한다. 비교 실시예의 3차원 형상 검사 장치(50)의 점 스캔 방식의 검사 속도는 1mm2 미만일 수 있다.
도 2 내지 도 3을 참조하여, 비교 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치(50)의 축방향 분해능에 관하여 설명한다.
3차원 형상 검사 장치(50)의 축방향 분해능(Axial Resolution)은 하기의 수학식 1을 만족한다.
Figure PCTKR2023001243-appb-img-000001
축 방향 분해능(Axial Res)은 측정 구간의 범위(ΔMeasurement Range)와 스펙트럼 분해능(Spectral Res)에 비례하며, 검사에 사용되는 광원(52)의 최대 파장과 최저 파장의 차이(Δλ)에 반비례한다. 수학식 1의 비례상수(k)는 검사 환경 또는 검사 장치의 설계 과정에서 정해지는 상수이다. 본 명세서에서 설명하는 분해능은 접근해 있는 두 점을 식별할 수 있는 최단 거리로서, 그 값이 작아질수록 성능이 우수한 검사 장치가 될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 측정 구간의 범위(ΔMeasurement Range)는 가장 짧은 파장(λ1)을 가진 광이 포커싱되는 지점과 가장 긴 파장(λn)을 가진 광이 포커싱되는 지점의 거리이고, 상기 파장의 차이(Δλ)는 가장 짧은 파장(λ1)과 가장 긴 파장(λn)의 차이이며, 측정 구간의 범위(ΔMeasurement Range)는 Z1이다.
상술한 비교 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치(50)는 광이 포커싱 되는 위치에 측정 대상물이 위치할 때 측정 대상물의 높이 측정이 가능하므로, 측정 구간의 범위(ΔMeasurement Range)에 따라, 측정 대상물의 검사 범위가 변경될 수 있다. 즉, 측정 구간의 범위는 3차원 형상 검사 장치(50)의 최대 검사 높이를 의미할 수 있다. 비교 실시예의 3차원 형상 검사 장치(50)는 측정 구간의 범위가 증가함에 따라, 즉, 최대 검사 높이가 커짐에 따라, 축 방향 분해능이 함께 증가하는 문제점이 존재한다.
이에 비해, 이하 도 4 내지 도 17을 참고하여 설명하는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법은, 공간 광 변조기 및 광의 컬러 정보를 검출하는 이미지 센서를 이용하여 측정 대상물의 고속 대면적 3D 검사가 가능한 효과가 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 초점 조절부를 활용하여, 최대 검사 가능 영역을 여러 스텝으로 나누어 검사를 진행할 수 있음으로써, 축방향 분해능이 향상될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치의 전체 사시도이다. 도 5는 도 4에 도시된 A1-A1`선을 따라 취한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 3차원 형상 검사 장치(10)는 측정 대상물(20)의 3차원 형상을 검사하도록 구성될 수 있다. 3차원 형상 검사 장치(10)는 측정 대상물(20)에 광을 조사하여, 반사되는 광의 정보를 검출하여 측정 대상물(20)의 형상을 검사하도록 구성될 수 있다. 3차원 형상 검사 장치(10) 또는 측정 대상물(20)의 위치를 옮겨가며 측정 대상물(20)의 여러 표면상의 위치 및 높이를 검출함으로써, 측정 대상물(20)의 3차원 형상을 검사할 수 있다. 도 5에서는, 설명의 편의상 3차원 형상 검사 장치(10) 및 측정 대상물(20)이 일 지점에 위치한 상태를 도시하였으나, 본 개시는 이에 제한되지 않으며, 3차원 형상 검사 장치(10) 및 측정 대상물(20)은 상하 방향 또는 수평 방향으로 이동하여 검사가 진행될 수 있다.
3차원 형상 검사 장치(10)는 광 조사부(100), 광학계 및 이미지 센서(400)를 포함할 수 있다.
광 조사부(100)는 측정 대상물(20)의 표면 상으로 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 광 조사부(100)는 측정 대상물(20)이 위치한 하측 방향으로 광을 조사하도록 구성될 수 있다.
광 조사부(100)는 광원(미도시) 및 공간 광 변조기(110)를 포함할 수 있다. 광원은 복수의 파장을 가진 백색 광원일 수 있다. 광원은 LED, 할로겐 램프 또는 제논 램프 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 광원은 썬라이크 조명(Sunlike LED)을 포함할 수 있다. 본 개시는 이에 제한되지 않으며, 복수의 파장을 가진 광을 방출할 수 있는 광원이라면 본 개시에 사용될 수 있다.
광 조사부(100)는 광원의 광(L)을 3차원 형상 검사 장치(10)의 내부로 받아들이는 광 조사부 케이스(150)를 포함할 수 있다. 광 조사부 케이스(150)는 내부에 공간이 형성되어 있어, 광원의 광(L)을 수신하도록 구성될 수 있다. 광 조사부 케이스(150)의 내부 공간은 광원의 광(L)이 측정 대상물(20)까지 조사되는 경로의 경유지일 수 있다. 광 조사부 케이스(150)는 홀이 형성되고 외부로 돌출된 광 수신부(152)를 포함할 수 있다. 광원의 광(L)은 광 수신부(152)를 통해 3차원 형상 검사 장치(10)의 내부로 수신될 수 있다.
공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, 120)는 광원으로부터 수신된 광(L)을 변조하도록 구성될 수 있다. 공간 광 변조기(110)는 입사되는 광의 진폭이나 위상 정보를 위치에 따라 변화시킬 수 있는 모든 장치를 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(110)는 광의 공간적 분포를 제어함으로써, 3차원 공간에서의 광 이미지를 형성할 수 있고, 광의 공간 분포를 제어하는 장치일 수 있다.
공간 광 변조기(110)는 광원으로부터 수신된 광을 복수의 초점을 가지도록 광을 변조하도록 구성될 수 있다. 광 조사부(100)는 복수의 초점을 가진 복수의 광을 측정 대상물(20)의 표면 상으로 조사하도록 구성될 수 있다. 도 4 및 도 5에서는, 단일의 초점을 가진 단일의 광을 측정 대상물(20)의 표면 상으로 조사하는 것을 도시하나, 이는 설명에 편의를 위한 것이며, 도 6과 함께 후술할 공간 광 변조기의 일 실시예인, 복수의 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 이용하여, 복수의 초점을 가진 복수의 광을 측정 대상물(20)의 표면 상으로 조사하도록 구성될 수 있다.
광학계는 색수차를 이용하여 광을 복수의 파장별로 굴절시킬 수 있다. 광학계는 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 광을 굴절시킬 수 있다. 광학계는 공간 광 변조기(110)에서 변조된 각각의 광을 굴절시킬 수 있다. 광학계는 복수의 파장을 가지는 광을 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써, 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 측정 구간을 형성하도록 구성될 수 있다. 측정 구간은 상하 방향으로 형성될 수 있다. 도 4 및 도 5에서는, 단일의 초점을 가진 단일의 광을 측정 대상물(20)의 표면 상으로 조사하는 것을 도시하나, 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이, 변조된 광은 광학계를 통해 광원에서 수신된 광(L)을 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 상하 방향의 측정 구간을 형성할 수 있다.
광학계는 복수의 렌즈(211, 212, 213, 214, 215, 241)를 포함할 수 있다. 렌즈는 수신된 광을 굴절시킴으로써 광을 모으거나 발산시키는 모든 광학 장치를 포함할 수 있다. 렌즈는 곡률이 조절되는 가변형 렌즈(241)를 포함할 수 있다.
3차원 형상 검사 장치(10)는 광을 반사시켜 광의 이동 경로를 변경하는 반사부(220)를 포함할 수 있다. 반사부(220)는 수신된 광을 반사시킴으로써 광이 다른 경로로 전송되도록 구성된 광학 장치를 포함할 수 있다.
3차원 형상 검사 장치(10)는 광의 일부를 반사시키고 광의 다른 일부를 투과시켜 광의 이동 경로를 2개의 경로로 분할하는 광 스플리터(230)를 포함할 수 있다. 광 스플리터(230)는 수신된 광의 일부는 투과시키고, 다른 일부는 반사시키는 광학 장치를 포함할 수 있다.
이미지 센서(400)는 광의 컬러 정보를 검출할 수 있다. 이미지 센서(400)는 측정 대상물(20)에 반사된 광을 검출할 수 있다. 이미지 센서(400)는 측정 대상물(20)에 반사된 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광을 검출할 수 있다. 이미지 센서(400)는 복수의 광이 측정 대상물(20)의 표면 상에서 포커싱되어 반사된 복수의 광의 컬러 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 3차원 형상 검사 장치(10)는 측정 대상물(20)의 표면의 높이를 측정하는 제어부를 포함할 수 있다. 제어부는 프로그램 및/또는 정보를 저장하는 컴퓨터를 포함할 수 있다. 제어부는 이미지 센서(400)에 의해 검출된 컬러 정보에 기초하여 측정 대상물(20)의 높이를 측정하도록 구성될 수 있다. 이미지 센서(400)에 의해 검출된 복수의 광의 컬러 정보에 기초하여, 복수의 광이 반사된 측정 대상물(20)의 높이를 측정할 수 있다. 이미지 센서(400)는 복수의 광이 반사된 측정 대상물(20)의 표면 상의 각각의 높이를 측정할 수 있다. 본 개시의 3차원 형상 검사 장치(10)의 이미지 센서(400)는 측정 대상물(20)의 여러 표면 상의 높이를 한번에 측정할 수 있어, 측정 대상물의 고속 대면적 검사가 가능한 효과가 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 이용되는 디지털 마이크로미러 장치를 도시한 개략도이다. 도 6을 참조하여, 본 개시의 일 실시예에 의한 공간 광 변조기(110)의 예시인 디지털 마이크로미러 장치(Digital Micromirror Device, 이하 DMD라고 함)에 관하여 설명한다.
공간 광 변조기(110)는 디지털 광원 처리(Digital Light Processing, 이하 DLP라고 함) 기술을 이용한 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 포함할 수 있다. 디지털 마이크로미러 장치(DMD)는 어레이 형식으로 배치된 복수의 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 포함할 수 있다. 디지털 마이크로미러 장치(DMD)는 미세전자기계시스템(MEMS)으로 제작된 미소 크기의 거울일 수 있다. 즉, 복수의 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 각각은 화소(pixel)의 역할을 할 수 있다. 도 6의 디지털 마이크로미러 장치(DMD)는 18행과 19열의 어레이를 이루고 있으나, 어레이를 구성하는 행과 열의 숫자는 예시적인 것이며, 임의의 다른 숫자의 열과 행을 가질 수 있다.
디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 하부에는 전극이 있어 외부로부터 전기 신호를 수신할 수 있고, 상부에는 반사경이 있어 광이 반사되도록 구성될 수 있다. 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 하부의 전극에 전기 신호가 인가되어 반사경의 각도가 조절됨으로써, 반사된 광은 외부의 투사 렌즈(미도시)로 반사되어 방출되거나 또는 흡광판(미도시)로 반사되어 방출되지 않고 흡수될 수 있다. 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 하부의 전극을 조절함으로써, 개별 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 광을 온/오프(on/off) 상태로 조절 할 수 있다. 공간 광 변조기(110)는, 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 각 화소를 온/오프 상태로 조절할 수 있으므로, 광원으로부터 수신된 광(L)을 원하는 모양 및 형태를 가진 광으로 변조하도록 구성될 수 있다. 도 6에서는, 어레이의 4n+1 행 및 4n+1 열의 디지털 마이크로미러 장치가 on 상태인 것을 도시하나(n은 0이상의 정수), 본 개시는 이에 제한되지 않고, 개별 어레이의 요소들의 디지털 마이크로미러 장치를 온/오프 상태로 임의로 조절할 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 광 조사부(100)는 측정 대상물(20)의 표면 상으로 상하 방향에 수직한 수평 방향으로 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성될 수 있다. 복수의 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 각각을 온/오프 상태로 조절할 수 있고, 온 상태의 디지털 마이크로미러 장치(DMD)에서 반사된 광은 측정 대상물(20)로 방출될 수 있다. 따라서, 복수의 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 각각에서 방출되어 변조된 복수의 광은 복수의 초점을 가지도록 구성될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치(10)는, 복수의 초점을 가진 복수의 광을 측정 대상물(20)의 표면 상으로 조사하도록 구성될 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 이용되는 전하결합소자(CCD)를 도시한 개략도이다. 도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 3-전하결합소자가 광의 RGB 정보를 획득하는 과정을 도시한 개략도이다. 도 9는 도 8에서 획득한 RGB 정보를 HSV 좌표계로 변환하는 과정을 도시한 개념도이다.
도 7을 참조한 일 실시예에서, 이미지 센서는 전하결합소자(Charged Coupled Device, 이하 CCD라고 함)를 포함할 수 있다. 전하결합소자(CCD)는 광을 전하로 변환시켜 광의 정보를 얻어내는 센서를 의미할 수 있다. 전하결합소자(CCD)는 픽셀(pixel) 형태의 칩으로 구성되어 내부에 광자의 양에 따라 전자가 발생하는 광다이오드가 배치되어 있어, 전자 또는 전류의 양을 측정하여 재구성함으로써, 광의 강도 정보를 얻어낼 수 있다.
전하결합소자(CCD)는 어레이 형식으로 배치된, 복수의 전하결합소자(CCD)를 포함할 수 있다. 전하결합소자(CCD)의 각각은 화소(pixel)의 역할을 할 수 있다. 복수의 전하결합소자(CCD)는 복수의 초점을 가진 변조된 광이 측정 대상물(20)의 표면 상에서 포커싱되어 반사된 복수의 광의 컬러 정보를 검출하도록 구성될 수 있다. 전하결합소자(CCD)에 의해 검출된 복수의 광의 컬러 정보에 기초하여, 복수의 광이 반사된 측정 대상물(20)의 표면 상의 각각의 높이를 측정할 수 있다.
전하결합소자(CCD)는 1개의 전하결합소자로 구성된 1-전하결합소자(1CCD) 또는 3 개의 분리된 전하결합소자를 가진 3-전하결합소자(Three Charged Coupled Device, 이하 3CCD라고 함)일 수 있다.
예를 들어, 도 8을 참조하여, 3-전하결합소자(3CCD)는 세 개의 분리된 전하결합소자(3CCD-R, 3CCD-G, 3CCD-B)를 포함할 수 있다. 세 개의 분리된 전하결합소자(3CCD-R, 3CCD-G, 3CCD-B) 각각은 프리즘(A, B, C)으로부터 R, G, B 성분으로 분리된 광의 경로 상에 위치하여, 광의 R, G, B 성분을 검출할 수 있다. 3-전하결합소자(3CCD)는 프리즘(A, B, C)으로부터 분리된 R, G, B 성분을 각각의 전하결합소자로 검출하게 되어, 1-전하결합소자(1CCD) 방식에 비해 높은 색의 재현성 및 화질을 제공할 수 있다.
도시되어 있지 않은 다른 실시예에 있어서, 이미지 센서(400)는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 포함할 수 있다. CMOS는 복수의 픽셀(pixel)로 구성될 수 있다. 각각의 픽셀에 도달한 광은 포토 다이오드에 집광되어 전자를 발생시킬 수 있고, 발생된 전자는 전압 형태로 변환하여 광의 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
이미지 센서(400)는 컬러 카메라, 다중 분광 카메라 또는 밴드 패스 필터를 가진 모노 카메라 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 본 개시의 이미지 센서(400)는 이에 국한되지 않고, 광의 RGB 정보를 검출할 수 있는 모든 장치를 포함한다.
이미지 센서(400)에 의해 검출된 광의 컬러 정보는 RGB 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(400)의 3-전하결합소자(3CCD)에 의해 검출된 광의 컬러 정보는 RGB 정보를 포함할 수 있다. 상기 RGB 정보는 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 RGB 정보일 수 있다.
이미지 센서(400)는 검출된 RGB 정보에 기초하여 광의 파장 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.
도시되지 않은 일 실시예에서, RGB 정보에 대응되는 파장 정보를 미리 테이블화 해둔 룩업 테이블(Look up Table)을 만들어 놓음으로써, 이미지 센서(400)에 의해 검출된 RGB 정보를 광의 파장 정보로 변환할 수 있다.
도 9를 참조한 다른 실시예에서, 이미지 센서(400)는 RGB 정보를 다른 좌표계로 변환하여 측정 대상물(20)의 표면 상에서 포커싱되어 반사된 광의 파장 정보를 획득하도록 구성될 수 있다. 상기 다른 좌표계는 HSV 좌표계 또는 CIE XYZ 좌표계일 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(400)에서 검출된 RGB 정보를 하기의 수학식 2, 3, 및 4를 통해 HSV 좌표계로 변환함으로써, HSV 정보를 통해 광의 파장 정보를 획득할 수 있다. H는 색상(Hue)을 의미하는 값으로서, 0˚~ 360˚값을 가지며, 0˚및 360˚는 빨간색의 색상을 가리킬 수 있다. S는 채도(Saturation)를 의미하는 값으로서, 가장 진한 상태를 100%로 가정할 때, 0%는 같은 명도의 무채색을 나타낼 수 있다. V는 명도(Value)를 의미하는 값으로서, 흰색을 100%, 검은색을 0%라고 하였을 때의 밝은 정도를 나타낼 수 있다. 광원의 H값에 따른 광원의 파장 정보는 미리 결정된 값이므로(예를 들어, H가 0˚또는 360˚일 때, 빨간 빛의 파장은 625~740nm), HSV 좌표계 변환을 통해 얻은 H값을 통해 광원의 파장 정보가 검출될 수 있다.
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또한, RGB 정보를 CIE XYZ 좌표계로 변환하여 얻은 CIE 색도 다이어그램에서, 광원의 색도 좌표에 가장 가까운 위치의 단색광의 파장인 주 파장(Dominant Wavelength)이 검출될 수 있다. 상술한 HSV 좌표계 및 CIE XYZ 좌표계는 본 개시를 설명하기 위한 예시에 불과하며, 광의 파장 정보를 획득할 수 있는 모든 좌표계가 사용될 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 3차원 형상 검사 장치가 작동하는 모습을 도시한 개략도이다. 도 4, 5 및 도 10을 참조하여, 본 개시의 3차원 형상 검사 장치(10)의 검사 방식을 설명하면 다음과 같다.
공간 광 변조기(110)는 광원으로부터 수신된 광(L)을 변조하여 측정 대상물(20)의 표면 상으로 광을 조사한다. 공간 광 변조기(110)에서 측정 대상물(20)까지 광이 조사되기까지의 경로 상에 광을 전달하기 위한 광학계가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 광학계는 상기 경로 상에 배치된 복수의 렌즈(211, 212, 214, 241)를 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(110)에서 측정 대상물(20)까지 광이 조사되기까지의 경로 상에 광 스플리터(230)가 배치될 수 있다. 광 스플리터(230)는 수신된 광을 반사시킴으로써 공간 광 변조기(110)에서 측정 대상물(20)까지의 광 경로를 형성할 수 있다. 광학계는 측정 대상물(20)에 조사되기 전에 위치한 렌즈(242)(미도시)를 포함할 수 있다. 렌즈(242)는 복수의 렌즈로 이루어질 수 있다. 렌즈(242)는 대물렌즈(objective lens)일 수 있다.
측정 대상물(20)의 표면 상에서 반사된 광은 이미지 센서(400)로 전달되도록 구성된다. 측정 대상물(20)에서 반사된 광이 이미지 센서(400)까지의 경로 상에 광을 전달하기 위한 광학계가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 광학계는 상기 경로 상에 배치된 복수의 렌즈(241, 214, 212, 215)를 포함할 수 있다. 측정 대상물(20)에서 이미지 센서(400)까지 광이 도달하기까지의 경로 상에 광 스플리터(230)가 배치될 수 있다. 광 스플리터(230)는 수신된 광을 투과시킴으로써 측정 대상물(20)에서 이미지 센서(400)까지의 광 경로를 형성할 수 있다. 이미지 센서(400)는 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출함으로써, 측정 대상물(20)의 높이를 측정할 수 있다. 광원에서 방출된 광(L)이 측정 대상물(20)에서 반사되어 이미지 센서(400)까지 전달될 수 있도록 형성되는 광의 경로는 이에 제한되지 않으며, 렌즈, 반사부(220), 및 광 스플리터(230)를 배치함으로써 임의의 광 경로를 형성할 수 있다.
3차원 형상 검사 장치(10)는, 광학계에 의해 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 측정 구간을 변경 가능하게 구성되는 초점 조절부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초점 조절부는, 후술하는 실시예에 따라, 광학계의 위치를 변경할 수 있는 수단으로 구현될 수도 있고, 광학계의 일부를 구성하여 광이 포커싱 되는 위치를 변경시킬 수 있는 수단으로 구현될 수도 있다.
초점 조절부는 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 변경할 수 있다. 초점 조절부는 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경할 수 있다. 초점 조절부는 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 측정 구간을 변경 가능하게 구성될 수 있다. 초점 조절부는 파장별로 굴절된 광 중 가장 짧은 파장이 포커싱 되는 지점을 상하 방향으로 변경할 수 있다. 초점 조절부는 파장별로 굴절된 광 중 가장 긴 파장이 포커싱 되는 지점을 상하 방향으로 변경할 수 있다. 초점 조절부는 파장별로 굴절된 광 중 가장 짧은 파장과 가장 긴 파장 사이의 파장을 가진 광이 포커싱 되는 지점을 상하 방향으로 변경할 수 있다.
도시하지 않은 일 실시예에서는, 초점 조절부는 광학계의 위치를 조절하여 상기 측정 구간을 변경하는 기계적 수단을 통해 작동될 수 있다. 초점 조절부는 광학계를 상하 방향으로 이동시킴으로써 상기 측정 구간을 변경 가능하게 구성될 수 있다.
도 10 내지 도 13을 참고한 다른 실시예에서는, 초점 조절부(240)는 광학계의 일부를 구성할 수 있다. 이하. 도 10 내지 도 13에 따른 실시예를 기준으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 광학계는 초점 조절부(240)를 포함할 수 있다. 본 개시에서 초점 조절부(240)가 측정 대상물(20)에 조사되기 바로 전의 광 경로상에 배치된 것을 도시하나, 이에 제한되지 않고, 초점 조절부(240)는 광원부터 이미지 센서(400)까지의 광 경로 상의 어느 경로 상에 배치될 수 있다.
초점 조절부(240)는 전류 등의 인가를 통해 측정 구간을 변경하는 전자적 수단을 통해 작동될 수 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 초점 조절부를 도시한 사시도이다. 도 12는 도 11에 도시된 S1-S1`선을 따라 취한 단면도이다. 도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 액체 렌즈가 작동하는 방식을 도시한 개념도이다.
도 10 내지 도 13을 참조하여, 초점 조절부(240)는 공간 광 변조기(110)에 의해 변조된 각각의 광을 굴절시키는 가변형 렌즈(241)를 포함할 수 있다. 초점 조절부(240)는 가변형 렌즈(241)의 곡률을 조절하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 가변형 렌즈(241)의 곡률이 커짐에 따라, 가변형 렌즈로부터 광이 포커싱되는 지점까지의 거리인 초점 거리가 짧아질 수 있다. 초점 조절부(240)는 가변형 렌즈(241)의 곡률을 조절함에 따라 가변형 렌즈(241)의 두께(C)가 조절될 수 있다. 일반적으로, 가변형 렌즈(241)의 곡률이 커짐에 따라, 가변형 렌즈(241)의 두께(C)도 함께 커질 수 있다.
가변형 렌즈(241)의 곡률은 초점 조절부(240)에 인가되는 전류에 기초하여 조절될 수 있다. 초점 조절부(240)에 인가되는 전류를 조절함으로써 가변형 렌즈(241)의 곡률이 조절될 수 있다. 초점 조절부(240)는 가변형 렌즈(241)의 곡률을 조절함으로써, 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 측정 구간을 상하 방향으로 변경 가능하도록 구성될 수 있다.
가변형 렌즈(241)는 곡률이 변화될 수 있는 액체 렌즈(260)를 포함할 수 있다. 액체 렌즈(260)는 인가되는 전류를 전달 받아 곡률이 변화될 수 있다. 액체 렌즈(260)는 인가되는 전류를 조절함으로써, 액체 렌즈(260)의 곡률이 조절될 수 있다. 예를 들어, 액체 렌즈(260)에 인가되는 전류를 조절하여, 액체 렌즈(260)의 곡률을 증가시켜 액체 렌즈의 두께가 증가(C1->C2)될 수 있다(도 13 참조). 액체 렌즈(260)의 곡률 및 두께가 증가함에 따라, 액체 렌즈(260)의 초점 거리를 감소시킬 수 있고, 감소된 초점 거리만큼 상기 측정 구간이 상하 방향으로 변경될 수 있다(도 13 참조).
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택하여 검사를 진행하는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
초점 조절부(240)는 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 변경함으로써, 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택 가능하도록 구성될 수 있다. 초점 조절부(240)는 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써, 복수의 측정 구간을 상하 방향으로 선택 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 초점 조절부(240)는 제1 측정 구간(0~Z3), 제2 측정 구간(Z1~Z2) 및 제3 측정 구간(Z2~Z3) 중 어느 한 측정 구간을 선택하여 검사를 진행할 수 있다. 도 1 내지 도 3에서 도시하는, 비교 실시예와 비교하였을 때, 본 개시는 측정 구간(0~Z1)을 복수의 측정 구간으로 나누어 측정이 가능하므로, 식 (1)의 측정 구간의 범위(ΔMeasurement Range) 값을 감소시키는 효과가 있어, 축 방향 분해능을 감소시킬 수 있는 효과가 있다(즉, 동일 최대 검사 가능 높이(Z1)에 축 방향 분해능을 3배 감소시킬 수 있다). 도 14에서는, 3개의 측정 구간으로 나눈 것을 도시하나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 본 개시는 이에 제한되지 않고, 1개 또는 그 이상의 복수의 측정 구간으로 나누어 검사를 진행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 복수의 측정 구간 중 어느 하나의 측정 구간은 복수의 측정 구간 중 다른 하나의 측정 구간과 다르도록 구성될 수 있다. 상기 어느 하나의 측정 구간은 상기 다른 하나의 측정 구간의 상하 방향의 레벨이 다르도록 구성될 수 있다. 상기 어느 하나의 측정 구간 중 어느 한 부분의 레벨이 상기 다른 하나의 어느 한 부분의 레벨과 같도록 구성될 수 있다(즉, 서로 다른 측정 구간에서 동일한 레벨을 가진 적어도 어느 하나의 구간이 존재할 수 있다). 상기 어느 하나의 측정 구간의 모든 구간의 레벨이 상기 다른 하나의 모든 구간의 레벨과 다르도록 구성될 수 있다. 도 14에서는, 어느 하나의 측정 구간의 모든 구간의 레벨이 다른 하나의 모든 구간의 레벨과 다르도록 구성된 실시예를 기준으로 도시하였으나, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
도 15는 도 5에 도시된 3차원 형상 검사 장치가 외부 광원이 더 포함된 실시예를 도시한 단면도이다. 도 16은 본 개시의 일 실시예에 따른, 측정 대상물이 형광체를 포함하는 경우, 3차원 형상 검사 장치가 작동하는 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15 및 도 16을 참조하여, 측정 대상물에 형광체가 포함된 경우, 본 개시의 3차원 형상 검사 장치가 작동하는 방식을 설명한다.
형광체는 특정 파장을 가진 빛이나 전자기파를 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출하는 물질로서, 측정 대상물에 형광체가 포함되어 있는 경우, 반사되어 검출된 광의 파장이 형광체가 없는 순수한 측정 대상물에서 반사된 파장인지, 형광체에 의해 여기되어 방출된 파장인지 확인하는 과정이 필요하다. 또한, 3차원 형상 검사 장치의 검사에 있어서, 특정 파장을 가진 광이 측정 대상물의 표면에서 포커싱되어 반사되지 않도록 측정 구간을 조절하여 검사가 진행될 필요가 있다.
도 15를 참조하여, 3차원 형상 검사 장치(10)는 측정 대상물(20)의 표면 상으로 광을 조사하도록 구성된 외부 광원(600)을 포함할 수 있다. 외부 광원(600)은 단일 파장을 가진 광을 측정 대상물(20)의 표면 상으로 조사하도록 구성될 수 있다. 외부 광원(600)은, 단일 파장을 가진 광을 측정 대상물(20)에 조사한 이후에, 단일 파장을 가진 광의 파장을 증가시키거나 감소시켜 추가로 광을 조사함으로써, 여러 파장의 광을 측정 대상물(20)의 표면 상으로 조사할 수 있도록 구성될 수 있다. 이미지 센서(400)는 측정 대상물(20)의 표면에 반사된 외부 광원(600)에서 방출된 광의 파장 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.
도 16을 참조하여, 제어부는, 외부 광원(600)이 제1 파장(λ1)을 가진 광을 측정 대상물(20)에 조사하고, 측정 대상물(20)에 반사되어 이미지 센서(400)에 의해 검출된 광의 파장이 제1 파장(λ1)과 다른 제2 파장(λ2)인 경우, 측정 대상물(20)에 형광체가 있음을 확인할 수 있다. 제어부는, 외부 광원(600)이 제1 파장(λ1)을 가진 광을 측정 대상물(20)에 조사할 때 반사되어 이미지 센서(400)에 의해 검출된 광의 파장이 제2 파장(λ2)인 경우, 초점 조절부(240)를 제어하여 측정 구간을 변경시키도록 구성될 수 있다. 제어부는, 측정 대상물로부터 반사된 광을 검출하는 이미지 센서(400)가 측정 대상물에 포함된 형광체에 의해 여기된 광을 검출하는 것을 피하기 위하여 초점 조절부(240)를 제어할 수 있다.
제어부는 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되는 광의 파장이 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2) 사이의 파장을 포함하지 않도록, 초점 조절부(240)를 제어하여, 측정 구간을 변경시키도록 구성될 수 있다. 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되는 광의 파장이 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2) 사이의 파장을 포함한다면, 검사 과정에서 이미지 센서(400)에 의해 검출된 파장에 대응되는 높이가 정확하지 않을 수 있다. 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되는 광의 파장이 제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2) 사이의 파장을 포함하지 않는 제3 파장(λ3) 및 제4 파장(λ4) 내지의 범위로 측정 구간을 변경시킬 수 있다(도 16 참조). 도 16에서 제1 파장(λ1) 및 제2 파장(λ2)의 값이 대략 450nm~500nm, 제3 파장(λ3) 및 제4 파장(λ4)의 값이 570nm~620nm 값을 갖도록 도시되어 있으나, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
도 17은 본 개시의 3차원 형상 검사 방법의 일 실시 형태의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 4, 도 5 및 도 17을 참조하면, 3차원 형상 검사 방법(S10)은 백색광 조사 단계(S101), DLP 복수 패턴 조사 단계(S102), 측정 대상물 조사 단계(S103) 및 측정 대상물 높이에 대응되는 파장 신호의 반사 단계(S104)를 포함할 수 있다.
백색광 조사 단계(S101)는 측정 대상물(20)의 표면 상으로 광을 조사하기 위한 광(L)을 광원으로부터 조사하는 단계이다. DLP 복수 패턴 조사 단계(S102)는 상기 백색광 조사 단계(S101)에서 수신된 광을 변조하는 단계일 수 있다. DLP 복수 패턴 조사 단계(S102)는 측정 대상물(20)의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 조사하도록 광원으로부터 수신된 광(L)을 변조하도록 구성될 수 있다. DLP 복수 패턴 조사 단계(S102)에서 공간 광 변조기(110)를 통해 광 변조가 이루어질 수 있다. DLP 복수 패턴 조사 단계(S102)는 광 변조 단계에 대응될 수 있다.
측정 대상물 조사 단계(S103)는 DLP 복수 패턴 조사 단계(S102)에서 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 하측으로 조사하도록 구성될 수 있다. 측정 대상물 조사 단계(S103)에서, 변조된 광은 광학계에 의해 상기 측정 구간을 형성할 수 있다. 측정 대상물 조사 단계(S103)는 광 조사 단계에 대응될 수 있다.
측정 대상물 높이에 대응되는 파장 신호의 반사 단계(S104)는 상기 측정 대상물 조사 단계(S103)에서 측정 대상물로 조사된 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱된 광이 반사되는 단계일 수 있다.
3차원 형상 검사 방법(S10)은 측정 구간의 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 정보 획득 단계를 포함할 수 있다.
정보 획득 단계는 이미지 획득 단계(S105), RGB 정보 획득 단계(S106), 좌표계 변환 단계(S107) 및 파장 정보 확인 단계(S108)를 포함할 수 있다.
이미지 획득 단계(S105)는 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱된 광이 반사된 광의 이미지 또는 정보를 수신하는 단계일 수 있다. 이미지 획득 단계(S105)는 이미지 센서(400)에 의해 측정 대상물(20)에서 반사된 광을 수신하도록 구성될 수 있다. RGB 정보 획득 단계(S106)는 상기 이미지 획득 단계(S105)에서 수신된 광의 RGB 정보를 획득하는 단계일 수 있다. RGB 정보 획득 단계(S106)는 이미지 센서(400)의 3-전자결합소자(3CCD)를 통해 광의 RGB 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.
좌표계 변환 단계(S107)는 상기 RGB 정보 획득 단계(S106)에서 획득한 RGB 정보를 다른 좌표계(예를 들어, HSV 좌표계 또는 CIE XYZ 좌표계)로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 파장 정보 확인 단계(S108)는 상기 좌표계 변환 단계(S107)에서 얻은 정보에 기초하여 광의 파장 정보를 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 파장 정보 확인 단계(S108)는 전술한 바와 같이, HSV 좌표계의 H값 또는 CIE XYZ 좌표계의 주 파장 정보를 이용하여 광의 파장 정보를 확인할 수 있다.
3차원 형상 검사 방법(S10)은 정보 획득 단계에서 검출된 컬러 정보에 기초하여 측정 대상물의 표면의 높이를 측정하는 측정 대상물 높이 확인 단계(S109)를 포함할 수 있다. 측정 대상물 높이 확인 단계(S109)에서는, 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물(20)의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출함으로써, 측정 대상물의 높이를 측정할 수 있다. 측정 대상물 높이 확인 단계(S109)는 높이 측정 단계에 대응될 수 있다.
3차원 형상 검사 방법(S10)은 측정 대상물 높이 확인 단계 이후 3D 검사 진행 단계(S110)를 포함할 수 있다. 3D 검사 진행 단계는 전술한 단계들(S101~S109) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 단계들(S101~S109)이 여러 번 수행됨으로써, 측정 대상물(20)의 여러 표면 상에서 검사가 진행될 수 있다.
3차원 형상 검사 방법(S10)은 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 측정 구간을 변경하는 초점 조절 단계를 포함할 수 있다. 초점 조절 단계는 초점 조절부(240)에 의해 측정 구간이 변경되는 단계일 수 있다. 초점 조절 단계는 백색광 조사 단계(S101) 전에 수행되거나, 적어도 하나 이상의 횟수로 수행되는 3D 검사 진행 단계(S110)에서의 백색광 조사 단계 전에 수행됨으로써, 초점 조절 단계는 여러 번 반복되어 수행될 수 있다.
초점 조절 단계는 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택하는 측정 구간 선택 단계를 포함할 수 있다. 측정 구간 선택 단계는 초점 조절부(240)를 이용하여, 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써, 복수의 측정 구간을 상하 방향으로 선택 가능하도록 구성될 수 있다. 정보 획득 단계 및 높이 측정 단계는 상기 측정 구간 선택 단계에서 선택된 어느 한 측정 구간의 파장별로 굴절된 광 중 측정 대상물의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보에 기초하여 수행될 수 있다. 측정 구간 선택 단계는 백색광 조사 단계(S101) 전에 수행되거나, 적어도 하나 이상의 횟수로 수행되는 3D 검사 진행 단계(S110)에서의 백색광 조사 단계 전에 수행됨으로써, 측정 구간 선택 단계는 여러 번 반복되어 수행될 수 있다.
3차원 형상 검사 방법(S10)은 측정 대상물의 표면 상으로 광을 조사하는 외부 광원 조사 단계를 더 포함할 수 있다. 정보 획득 단계는, 상기 외부 광원 조사 단계에서 측정 대상물의 표면에 반사된 광의 파장 정보를 획득하는 외부 광원 파장 검출 단계를 포함할 수 있다. 외부 광원 조사 단계 및 외부 광원 파장 검출 단계는 백색광 조사 단계(S101) 전에 수행되거나, 적어도 하나 이상의 횟수로 수행되는 3D 검사 진행 단계(S110)에서의 백색광 조사 단계 전에 수행됨으로써, 외부 광원 조사 단계 및 외부 광원 파장 검출 단계는 여러 번 반복되어 수행될 수 있다.
초점 조절 단계는, 상기 외부 광원 조사 단계에서 제1 파장을 가진 광을 조사할 때 상기 외부 광원 파장 검출 단계에서 검출된 광의 파장이 제1 파장과 다른 제2 파장인 경우, 측정 구간을 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 초점 조절 단계는, 측정 대상물의 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되는 광의 파장이 제1 파장과 다른 제2 파장 사이의 파장을 포함하지 않도록, 측정 구간을 변경시키는 단계를 포함할 수 있다. 초점 조절 단계는 외부 광원 파장 검출 단계 이후 수행될 수 있다.
이상 일부 실시예들과 첨부된 도면에 도시된 예에 의해 본 개시의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 개시의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

Claims (20)

  1. 광원 및 상기 광원으로부터 수신된 광을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하여 측정 대상물의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성된 광 조사부;
    상기 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 구성되는 광학계; 및
    상기 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 이미지 센서를 포함하고,
    상기 광학계는, 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 상기 측정 구간을 변경 가능하게 구성된 초점 조절부를 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 조사부는 상기 측정 대상물의 상기 표면 상으로 상하 방향에 수직한 수평 방향으로 복수의 초점을 가진 상기 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성되는,
    3차원 형상 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초점 조절부는, 상기 변조된 각각의 광을 굴절시키는 가변형 렌즈를 포함하고, 상기 가변형 렌즈의 곡률을 조절함으로써 상기 측정 구간을 상하 방향으로 변경 가능하도록 구성된,
    3차원 형상 검사 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가변형 렌즈는 상기 초점 조절부에 인가되는 전류에 기초하여 곡률이 변화되는 액체 렌즈를 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초점 조절부는,
    상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택 가능하도록 구성되는,
    3차원 형상 검사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 측정 구간 중 어느 하나의 측정 구간은 상기 복수의 측정 구간 중 다른 하나의 측정 구간과 다르도록 구성되는,
    3차원 형상 검사 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는,
    상기 광원으로부터 수신된 광을 반사시킴으로써 변조하도록 구성되고, 어레이 형식으로 배치된, 복수의 디지털 마이크로미러 장치를 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 복수의 광이 상기 측정 대상물의 상기 표면 상에서 포커싱되어 반사된 복수의 광의 컬러 정보를 검출하도록 구성되고,
    상기 이미지 센서에 의해 검출된 상기 복수의 광의 컬러 정보에 기초하여, 상기 복수의 광이 반사된 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 각각의 높이를 측정하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 정보는 상기 측정 대상물의 상기 표면 상에서 포커싱되어 반사된 광의 RGB 정보를 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    상기 RGB 정보에 기초하여 상기 측정 대상물의 상기 표면 상에서 포커싱되어 반사된 광의 파장 정보를 획득하도록 구성된,
    3차원 형상 검사 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 컬러 카메라, 다중 분광 카메라 또는 밴드 패스 필터를 가진 모노 카메라 중 어느 하나를 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 LED, 할로겐 램프 또는 제논 램프 중 어느 하나를 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서에 의해 검출된 컬러 정보에 기초하여 상기 측정 대상물의 상기 표면의 높이를 측정하는 제어부를 더 포함하는
    3차원 형상 검사 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 측정 대상물의 상기 표면 상으로 광을 조사하도록 구성된 외부 광원을 더 포함하고,
    상기 이미지 센서는 상기 측정 대상물의 상기 표면에 반사된 외부 광원에서 방출된 광의 파장 정보를 획득하도록 구성된,
    3차원 형상 검사 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 외부 광원이 제1 파장을 가진 광을 조사할 때 상기 이미지 센서에 의해 검출된 광의 파장이 상기 제1 파장과 다른 제2 파장인 경우, 상기 초점 조절부를 제어하여 상기 측정 구간을 변경시키도록 구성된 제어부를 더 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되는 광의 파장이 상기 제1 파장과 상기 제2 파장 사이의 파장을 포함하지 않도록, 상기 초점 조절부를 제어하여, 상기 측정 구간을 변경시키도록 구성된,
    3차원 형상 검사 장치.
  17. 광원 및 상기 광원으로부터 수신된 광을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기를 포함하여 측정 대상물의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 하측으로 조사하도록 구성된 광 조사부;
    상기 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 구성되는 광학계;
    상기 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 이미지 센서; 및
    상기 광학계를 상하 방향으로 이동시켜 상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 상기 측정 구간을 변경 가능하게 구성된 초점 조절부를 포함하는,
    3차원 형상 검사 장치.
  18. 측정 대상물의 표면 상으로 복수의 초점을 가진 복수의 광을 조사하도록 광원으로부터 수신된 광을 변조하는 광 변조 단계;
    상기 변조된 각각의 광을 색수차에 의해 복수의 파장별로 서로 다른 굴절률로 굴절시킴으로써 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 상하 방향으로의 측정 구간을 형성하도록 하측으로 조사하는 광 조사 단계;
    상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 상기 측정 구간을 변경하는 초점 조절 단계;
    상기 측정 구간의 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보를 검출하는 정보 획득 단계; 및
    상기 검출된 컬러 정보에 기초하여 상기 측정 대상물의 상기 표면의 높이를 측정하는 높이 측정 단계를 포함하는,
    3차원 형상 검사 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 초점 조절 단계는,
    상기 파장별로 굴절된 광이 포커싱 되는 위치를 상하 방향으로 변경함으로써 복수의 측정 구간 중 어느 한 측정 구간을 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 정보 획득 단계 및 상기 높이 측정 단계는,
    상기 어느 한 측정 구간의 파장별로 굴절된 광 중 상기 측정 대상물의 상기 표면 상의 높이에 대응되는 위치에서 포커싱되어 반사된 광의 컬러 정보에 기초하여 수행되는,
    3차원 형상 검사 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 측정 대상물의 상기 표면 상으로 광을 조사하는 외부 광원 조사 단계를 더 포함하고,
    상기 정보 획득 단계는, 상기 측정 대상물의 상기 표면에 반사된 외부 광원에서 방출된 광의 파장 정보를 획득하는 외부 광원 파장 검출 단계를 포함하고,
    상기 초점 조절 단계는,
    상기 외부 광원 조사 단계에서 제1 파장을 가진 광을 조사할 때 상기 외부 광원 파장 검출 단계에서 검출된 광의 파장이 상기 제1 파장과 다른 제2 파장인 경우, 상기 측정 구간을 변경하는 단계를 포함하는,
    3차원 형상 검사 방법.
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