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KR20080032680A - Optical system and method for measuring shape of three dimensions using the system - Google Patents

Optical system and method for measuring shape of three dimensions using the system Download PDF

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Publication number
KR20080032680A
KR20080032680A KR1020060098095A KR20060098095A KR20080032680A KR 20080032680 A KR20080032680 A KR 20080032680A KR 1020060098095 A KR1020060098095 A KR 1020060098095A KR 20060098095 A KR20060098095 A KR 20060098095A KR 20080032680 A KR20080032680 A KR 20080032680A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
unit
phase
interference
optical
Prior art date
Application number
KR1020060098095A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박윤창
Original Assignee
선문대학교 산학협력단
(주) 인텍플러스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 선문대학교 산학협력단, (주) 인텍플러스 filed Critical 선문대학교 산학협력단
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Abstract

An optical system and a three-dimensional shape measuring method using a picture obtained from the optical system are provided to inspect defects accurately when measuring the three-dimensional shape of a semiconductor or minute fine components by acquiring a plurality of light interference patterns and measuring the three-dimensional shape. An optical system comprises a phase transfer unit(300), a light interference unit(400), a light splitting unit(500) and an image acquiring unit(600). The phase transfer unit moves a standard surface. The light interference unit reflects light from an illumination unit(200) in the standard surface and generates synthesized interference light. The light splitting unit splits the synthesized interference light from the light interference unit into a plurality of different wavelengths and outputs it. The image acquiring unit receives the split lights of different wavelengths, and acquires a plurality of light interference patterns as an image.

Description

광학시스템 및 그 광학시스템에서 얻은 영상을 이용한 입체형상측정방법{Optical system and method for measuring shape of three dimensions using the system} Optical system and method for measuring shape of three dimensions using the system}

도 1은 기존의 입체형상을 측정하기 위한 광학시스템의 구성도, 1 is a configuration diagram of an optical system for measuring a conventional three-dimensional shape,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학시스템의 구성도,2 is a block diagram of an optical system according to an embodiment of the present invention;

도 3a 내지 도 3d는 입체영상측정방법에서 얻어지는 맥놀이위상계산과정을 보여주는 그래프,3A to 3D are graphs showing the beat phase calculation process obtained in the stereoscopic image measurement method;

도 4a 내지 도 4b는 입체영상측정방법에서 얻어지는 맥놀이 위상의 위상차수계산과정을 보여주는 그래프.4A to 4B are graphs showing a phase order calculation process of beat phase obtained in a stereoscopic image measuring method.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

200 : 조명부 300 : 위상이송부200: lighting unit 300: phase transfer unit

400 : 광간섭부 500 : 광분할부400: optical interference unit 500: light division unit

600 : 이미지획득부600: image acquisition unit

본 발명은 입체형상을 측정하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a system and method for measuring conformation.

일반적으로, 반도체와 평면 디스플레이 및 미소 정밀 부품 등의 결함에 대해 물체의 표면을 검사하고 물체의 기복을 측정하기 위해 간섭계적인 방법(interferometric methods)을 이용하는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 방법은 물체의 표면상에 간섭계 패턴을 생성하고 물체의 입체형상을 얻기 위해 도출된 간섭계 이미지(또는 인터페로그램)를 분석하는 단계로 이루어진다. 간섭계 이미지는 일반적으로 일련의 흑백 프린지를 포함한다.In general, it is well known to use interferometric methods to inspect the surface of an object and measure the undulation of the object for defects such as semiconductors, flat panel displays and micro precision components. This method consists of generating an interferometer pattern on the surface of the object and analyzing the derived interferometer image (or interferogram) to obtain the solid shape of the object. Interferometer images generally include a series of black and white fringes.

간섭계 패턴을 생성하기 위해 레이저의 이용을 필요로 하는 간섭계 방법은 "고전적인 간섭계 방법"으로 불린다. 이러한 고전적인 방법에 있어서는, 레이저의 파장 및 측정하는 조립체(assembly)의 구성이 일반적으로 도출된 인터페로그램(interferogram)의 주기를 결정한다. 고전적인 간섭계 방법은 일반적으로 마이크론 정도의 고도 변화를 측정하기 위한 가시 스팩트럼(visible spectrum)에 사용된다.       An interferometer method that requires the use of a laser to generate an interferometer pattern is called a "classic interferometer method." In this classical method, the wavelength of the laser and the configuration of the measuring assembly generally determine the period of the resulting interferogram. Classic interferometer methods are commonly used in the visible spectrum to measure changes in altitude on the order of microns.

도 1은 기존의 입체형상을 측정하기 위한 장치의 구성도, 1 is a block diagram of a device for measuring a conventional three-dimensional shape,

도 1에서 보는 바와 같이 음향광학변조필터를 이용하여 미세 박막층에 대한 형상정보를 측정한다. As shown in FIG. 1, shape information of a fine thin film layer is measured using an acoustic optical modulation filter.

도 1은 차단면이 내장된 마이켈슨 간섭계 모듈과 가시광선 분광영역 범위의 주사가 가능한 음향광학변조필터가 결합된 구조이다. 이러한 구조는 차단면을 온/오프시킴으로써 독립적으로 박막의 두께와 표면 형상 정보를 측정해 낼 수 있는 장 점이 있다.     1 is a structure in which a Michelson interferometer module having a built-in blocking surface and an acoustic optical modulation filter capable of scanning in the visible light spectral region range are combined. This structure has the advantage of independently measuring the thickness and surface shape information of the thin film by turning on / off the blocking surface.

도 1에 도시된 바와 같이, 도 1의 장치는 음향광학변조필터(이하 AOTF라 약칭함)(40)를 백색광 간섭시스템에 적용하여 불투명 금속층(82) 패턴 위에 도포된 투명한 미세박막층(83)으로 이루어진 다층 구조의 측정부(80)에 대해 단색 광의 간섭현상을 이용한 측정 두께에 관한 정보와 형상에 관한 정보를 분리하여 독립적으로 측정할 수 있는 구조이다.     As shown in FIG. 1, the apparatus of FIG. 1 applies an acoustooptic modulator filter (hereinafter abbreviated AOTF) 40 to a white light interference system to a transparent micro thin film layer 83 applied over an opaque metal layer 82 pattern. The measurement unit 80 having the multi-layer structure may be configured to separately measure information about the thickness and shape information using the interference phenomenon of monochromatic light.

AOTF(40)는 공학용 밴드 패스필터(Band-Pass Filter)의 일종으로, 음향광학 결정면에 입사된 단색광(이하 백색광이라 함)에 대하여 회절격자의 역할을 하는 동시에 조건을 만족하는 특정한 파장만을 선별하는 매우 좁은 대역폭을 가진 광학필터이다.       AOTF 40 is a kind of engineering band-pass filter, which acts as a diffraction grating for monochromatic light (hereinafter referred to as white light) incident on an acoustic optical crystal plane, and selects only a specific wavelength satisfying a condition. It is an optical filter with very narrow bandwidth.

백색광이 출사되는 광원(10)은 약 70W 정도의 텅스텐-할로겐 램프이며, 출사방향으로 싱글모드 광파이버(11)의 일측이 연결되어 있어 출사되는 백색광을 광파이버(11)의 타측으로 전송한다.       The light source 10 to which white light is emitted is a tungsten-halogen lamp of about 70W, and one side of the single mode optical fiber 11 is connected in the emission direction to transmit the emitted white light to the other side of the optical fiber 11.

광파이버(11)의 타측에는 고정부재(12)가 위치하는데, 중앙의 핀홀에 광파이버(11)의 타측이 대응 연결되어 있다. 핀홀을 통해 출사되는 백색광은 핀홀을 중심으로 퍼져나가게 된다.       A fixing member 12 is positioned on the other side of the optical fiber 11, and the other side of the optical fiber 11 is correspondingly connected to a pinhole in the center. The white light emitted through the pinhole is spread around the pinhole.

이때 고정부재(12)의 전면인 백색광의 출사방향으로 소정거리를 두고 제 1볼록렌즈(13)에 위치한다. 백색광은 제 1볼록렌즈(13)를 투과하면서 일정한 폭으로 정렬된다. 제 1볼록렌즈(13)를 투과한 백색광은 제 1볼록렌즈(13)에 소정거리를 두고 위치하는 제 1빔스플리터(20)에 입사된다. 제 1빔스플리터(20)는 입사되 는 백색광을 50 : 50의 비율로 분리시킬 수 있는 무편광 큐브(Non Polarized Cube) 형태로, 분리는 동시에 진행되는 것이 아닌 측정과정에 따라 순차적으로 이루어진다.       At this time, it is positioned in the first convex lens 13 at a predetermined distance in the emission direction of the white light which is the front surface of the fixing member 12. The white light is aligned at a constant width while passing through the first convex lens 13. The white light transmitted through the first convex lens 13 is incident on the first beam splitter 20 positioned at a predetermined distance from the first convex lens 13. The first beam splitter 20 is in the form of a non-polarized cube that can separate incident white light at a ratio of 50:50, and separation is sequentially performed according to a measurement process, not simultaneously.

제 1빔스플리터(20)의 반사각은 백색광의 입사방향에 대해 약 45ㅀ정도이므로, 반사되는 백색광은 입사방향에 수직하게 반사된다. 제 1빔스플리터(20)의 반사각에 대응하여 제 2볼록렌즈(31)가 위치한다. 제 2볼록렌즈(31)는 제 1볼록렌즈(13)에 비해 상반된 자세를 갖는다. 즉, 제 1볼록렌즈(13)가 투과되는 백색광을 일정한 폭을 갖도록 정렬하는 것과는 달리 투과되는 백색광의 폭을 진행방향에 따라 한 지점에 모아지도록 하는 초점 맞추기가 실시된다. 제 2볼록렌즈(31)를 투과한 백색광이 한 지점에 모아지는 즉 초점이 맞추어지는 곳이 제 2빔스플리터(32)이다. 이 때 제 2빔스플리터(32)에 도달한 백색광의 일부는 기준면(33)을 향해 반사되고, 다른 일부는 그대로 투과하여 측정부(80)에 조사된다.       Since the reflection angle of the first beam splitter 20 is about 45 degrees with respect to the incident direction of the white light, the reflected white light is reflected perpendicularly to the incident direction. The second convex lens 31 is positioned corresponding to the reflection angle of the first beam splitter 20. The second convex lens 31 has a position opposite to that of the first convex lens 13. That is, in contrast to aligning the white light transmitted by the first convex lens 13 to have a constant width, focusing is performed so that the width of the transmitted white light is collected at one point along the direction of travel. The second beam splitter 32 is where the white light passing through the second convex lens 31 is collected at one point, that is, in focus. At this time, a part of the white light reaching the second beam splitter 32 is reflected toward the reference plane 33, and the other part is transmitted as it is and irradiated to the measuring unit 80.

이 때 기준면(33)의 전면에는 소정간격을 두고 블록킹 플레이트(34)가 위치한다. 블록킹 플레이는 기준면(33)과 근접한 위치에서 서로 평행한데, 기준면(33)으로 입사되는 백색광을 선택적으로 차단한다.       At this time, the blocking plate 34 is positioned on the front surface of the reference surface 33 at a predetermined interval. Blocking play is parallel to each other at a position close to the reference plane 33, and selectively blocks the white light incident on the reference plane 33.

이와 같이 제 2볼록렌즈(31) 및 제 2빔스플리터(32) 및 기준면(33)으로 이루어진 시스템이 마이켈슨 간섭모듈(30)이며, 여기에 블록킹 플레이트(34)가 포함됨으로써, 블록킹 플레이트(34)의 선택적인 백색광 차단에 따라 2가지 모드로 동작하게 된다.       As such, the system consisting of the second convex lens 31, the second beam splitter 32, and the reference plane 33 is the Michelson interference module 30, and the blocking plate 34 is included in the blocking plate 34. Depending on the selective white light blocking), it operates in two modes.

아울러 제 2빔스플리터(32)에 의해 분리되어 기준면(33)과 측정부(80)에 각 각 입사되었던 백색광은 특히 측정부(80)에 조사되면서 파장의 변화를 일으키게 된다.       In addition, the white light which is separated by the second beam splitter 32 and incident on the reference plane 33 and the measuring unit 80 is irradiated to the measuring unit 80 to cause a change in wavelength.

이러한 변화는 형상정보와 두께 정보를 갖음으로 인해 발생되는 것으로, 이러한 각 정보를 블록킹 플레이트(34)의 동작여하에 따른 각 모드에 따라 분리하여 측정할 수 있다.       This change is caused by having shape information and thickness information, and the respective information can be measured separately according to each mode according to the operation of the blocking plate 34.

이와 같이 조사되었던 백색광은 다시 반사되어 제 2빔스플리터(32)를 투과한 뒤, 제 2볼록렌즈(31)를 투과하면서 진행폭이 다시 정렬된다. 그리고 제 1빔스플리터(20)를 투과하여 제 1빔스플리터(20)를 사이에 두고 제2볼록렌즈(31)와 대면하는 AOTF(40)에 입사된다.       The white light that has been irradiated in this way is reflected again and passes through the second beam splitter 32, and then the traveling width is aligned again while passing through the second convex lens 31. The first beam splitter 20 passes through the first beam splitter 20 and is incident on the AOTF 40 facing the second convex lens 31 with the first beam splitter 20 therebetween.

AOTF(40)는 앞에서 언급되었듯이 특정 대역의 단파장만을 선택적으로 주사하게 되는데, 본 예에 사용되고 있는 AOTF(40)는 비공선 타입(Non-collinear Type)이고, 필터링 범위가 약 400nm ∼ 650nm 정도이며, 분해능이 약 1nm ∼ 5.1nm 정도이다.       As mentioned earlier, the AOTF 40 selectively scans only a short wavelength of a specific band. The AOTF 40 used in this example has a non-collinear type, and the filtering range is about 400 nm to 650 nm. The resolution is about 1 nm to 5.1 nm.

이러한 AOTF(40)는 음향광학적 특성을 지닌 백색광 즉, 두께정보 또는 형상정보를 담고 있는 대역의 백색광(또는 단파장광)만을 그렇지 않은 대역의 백색광과 분리하여 얻을 수 있도록 필터링한다. 이러한 AOTF(40)는 음향광학적 흡수체와, 구동소자 및 백색광이 조사되는 음향광학적 결정면으로 이루어져 있는데, 결정면은 크리스탈 결정으로 이루어져 있어 백색광이 조사될 경우 구동소자에 의해 발생되는 음향학적 웨이브에 의해 굴절률 변화가 일어난다.       The AOTF 40 filters only white light having an acoustic optical characteristic, that is, white light (or short wavelength light) in a band containing thickness information or shape information to be separated from white light in another band. The AOTF 40 is composed of an acoustic optical absorber, a driving device, and an acoustic optical crystal plane to which white light is irradiated. The crystal surface is composed of crystal crystals, and when the white light is irradiated, the refractive index changes by the acoustic wave generated by the driving device. Happens.

이 때 결정면의 표면에는 움직이는 3차원의 회절격자가 형성되어 있어 조사 되는 백색광이 부딪히면서 회절현상이 일어난다. 그러면 병렬 분리되어 파장별 스펙트럼 이미지 즉, 분광 이미지를 얻을 수 있는데, 이 때 AOTF(40)를 통해 분리된 백색광은 +1차와 -1차로 구분하였을 때 이 중 -1차를 선택하고, +1차는 설치된 차단부재(60)에 부딪혀 흡수됨으로써 소멸된다.       At this time, a moving three-dimensional diffraction grating is formed on the surface of the crystal plane, so that the irradiated white light hits the diffraction phenomenon. Then, the spectral image, that is, the spectral image, can be obtained by separating in parallel. In this case, when the white light separated by the AOTF 40 is divided into + 1st and -1st order, -1st order is selected, and +1 The car is extinguished by hitting and absorbing the blocking member 60 provided.

CCD센서(70)는 픽셀수가 약 752 x 582개 정도이고, 하나의 픽셀 크기가 약 11.1㎛ x 11.2㎛ 정도인 사양을 갖고 있다. 이와 같이 선택된 백색광의 진행방향에는 제 3볼록렌즈(50)가 설치되어 있다. 제 3볼록렌즈(50)를 투과한 백색광은 CCD센서(70)에 초점이 맞추어져 집중 조사됨으로써 결상된다.       The CCD sensor 70 has a specification that the number of pixels is about 752 x 582, and one pixel size is about 11.1 mu m x 11.2 mu m. The third convex lens 50 is provided in the traveling direction of the white light thus selected. The white light passing through the third convex lens 50 is imaged by focusing and focusing the CCD sensor 70.

그리고 CCD센서(70)에 결상된 백색광은 분광 이미지로서 얻을 수 있으며, 이를 스캔하여 각 정보의 추출이 가능하다. 그리고 각 추출된 정보에서 얻어진 최대점 정보를 이용하여 측정부(80)에서의 미세박막층(83)의 표면에 대한 형상정보를 최종 획득할 수 있다.       The white light formed on the CCD sensor 70 may be obtained as a spectral image, and the information may be extracted by scanning it. In addition, shape information on the surface of the micro thin film layer 83 in the measuring unit 80 may be finally obtained using the maximum point information obtained from each extracted information.

하지만 음향광학변조필터를 이용해 일정 파장대역의 백색광을 선별해 측정하기 때문에 음향광학변조필터의 필터링 범위와 분해능이 시스템의 성능에 큰 영향을 미치고, 특정 대역의 단파장을 선택적으로 스캐닝하는 문제로 실시간 측정과 외부진동에 약하게 된다.      However, since the white light of a certain wavelength band is selected and measured using an acoustic optical modulation filter, the filtering range and resolution of the acoustic optical modulation filter have a great influence on the performance of the system, and the real-time measurement is a problem of selectively scanning short wavelengths of a specific band. Weak against external vibration and

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 다수의 파장으로 형성되는 적어도 두 개 이상의 광간섭무늬를 획득하여 물체의 입체형상을 측정 하기 위한 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a system and method for measuring a three-dimensional shape of an object by obtaining at least two or more optical interference patterns formed with a plurality of wavelengths to solve the above problems.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학시스템은 광원을 포함하는 조명부로부터의 출사광을 기준면과 측정면에서 반사시켜 간섭무늬를 획득하기 위한 광학시스템에 있어서, 기준면을 이동시키기위한 위상이송부와, 조명부로부터의 광을 측정면과 기준면에서 반사시켜 합성간섭광을 생성하기 위한 광간섭부와, 광간섭부로부터의 합성간섭광을 복수개의 서로 다른 파장으로 분할하여 출력하는 광분할부, 및 광분할된 서로 다른 파장의 광을 입력받아 복수개의 광간섭무늬를 이미지로 획득하기 위한 이미지획득부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The optical system according to the present invention for achieving the above object is a phase transfer unit for moving the reference plane in the optical system for obtaining the interference fringe by reflecting the light emitted from the illumination unit including the light source in the reference plane and the measurement plane And an optical interference unit for generating synthetic interference light by reflecting light from the illumination unit on a measurement plane and a reference plane, a light splitting unit for dividing the composite interference light from the optical interference unit into a plurality of different wavelengths, and a light splitting unit. And an image acquisition unit configured to receive light having different wavelengths and obtain a plurality of optical interference patterns as an image.

또한 본 발명에 따르면, 광간섭부는 조명부로부터 입사광을 기준면과 측정물체의 측정면으로 분리하는 빔스플리터, 및 기준면과 측정면으로부터의 반사광을 합성하여 합성간섭광으로 출사하는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to the present invention, the optical interference unit includes a beam splitter for separating incident light from the illumination unit into the reference plane and the measurement plane of the measurement object, and a lens for synthesizing the reflected light from the reference plane and the measurement plane and outputting the synthetic interference light. do.

또한 본 발명에 따르면, 광분할부는 광간섭부로부터의 합성간섭광을 통과하여 출사하는 렌즈와, 영상획득부로 상기 합성간섭광을 반사 및 투과하는 복수개의 빔스플리터, 및 영상획득부의 전단에 대응되게 위치하며 서로 다른 파장의 광만을 통과시키는 복수개의 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the light splitter is configured to correspond to a lens that passes through the composite interference light from the optical interference unit, a plurality of beam splitters that reflect and transmit the composite interference light to the image acquisition unit, and a front end of the image acquisition unit. It is characterized in that it comprises a plurality of filters positioned to pass only light of different wavelengths.

또한 본 발명에 따르면, 영상획득부는 적어도 하나 이상의 카메라로 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the image acquisition unit is characterized by consisting of at least one camera.

또한 본 발명에 따르면, 필터는 영상획득부의 카메라의 개수에 대응하여 서 로 다른 파장의 합성간선광을 필터링하도록 상기 카메라의 전단에 배치되는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the filter is disposed in front of the camera to filter the composite trunk light of different wavelengths corresponding to the number of cameras of the image acquisition unit.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 입체형상측정방법은 픽셀들의 어레이를 갖춘 카메라에 획득된 이미지로 입체형상을 측정하기 위한 방법에 있어서, 복수개의 서로 다른 파장으로 형성된 복수개의 광간섭무늬를 획득하는 제 1단계와, 획득된 복수개의 광간섭무늬의 위상을 계산하는 제 2단계와, 대응하는 픽셀에 대한 광간섭무늬 위상을 이용해 맥놀이 위상을 계산하는 제 3단계와, 맥놀이 위상의 위상차수를 계산하는 제 4단계, 및 광간섭무늬를 획득한 파장과 상기 맥놀이위상 및 위상차수를 이용하여 각 픽셀에 대한 높이값을 계산하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. A three-dimensional shape measuring method according to the present invention for achieving the above object is a method for measuring a three-dimensional shape with an image obtained by a camera having an array of pixels, a plurality of optical interference patterns formed of a plurality of different wavelengths A first step of obtaining, a second step of calculating the phases of the obtained plurality of optical interference patterns, a third step of calculating the beat phase using the optical interference pattern phases for the corresponding pixels, and a phase order of the beat phases And a fifth step of calculating a height value for each pixel by using the wavelength obtained by the optical interference pattern and the beat phase and the phase order.

또한 본 발명에 따르면, 제 2단계는 카메라로부터 획득된 복수개의 광간섭무늬의 각 픽셀에 대해 적어도 3개의 세기값을 이용하여 각 픽셀의 광간섭무늬의 위상을 계산하는 것을 특징으로한다. Further, according to the present invention, the second step is characterized by calculating the phase of the optical interference pattern of each pixel using at least three intensity values for each pixel of the plurality of optical interference patterns obtained from the camera.

이하, 첨부한 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying Figures 2 to 4 will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광학시스템의 구성도이다. 2 is a block diagram of an optical system according to an embodiment of the present invention.

도 2의 광학시스템은 조명부(200)와 기준면을 이동시키기위한 위상이송부(300)와 조명부(200)로부터의 광을 측정면과 기준면에서 반사시켜 합성간섭광을 생성하기 위한 광간섭부(400)와 광간섭부(400)로부터의 합성간섭광을 서로 다른 파 장으로 분할하여 출력하는 광분할부(500), 및 광분할된 서로 다른 파장의 광을 입력받아 3개의 간섭무늬를 이미지로 획득하기 위한 이미지획득부(600)를 포함한다. The optical system of FIG. 2 includes a phase transfer unit 300 for moving the illumination unit 200 and the reference plane, and an optical interference unit 400 for generating synthetic interference light by reflecting light from the illumination unit 200 at the measurement plane and the reference plane. ) And a light splitting unit 500 for dividing the synthesized interference light from the optical interference unit 400 into different wavelengths, and receiving light having different wavelengths and splitting the light into three images. It includes an image acquisition unit 600 for.

조명부(200)는 광원을 제공하고, 광원을 정렬하며, 광량을 조절하며, 광원에 포함되어 있는 불필요한 광을 차단하는 기능을 한다. 조명부(200)는 도시되지는 않았지만, 광원, 광원을 정렬하고 광량을 조절하기 위한 렌즈, 반사경 및 조리개, 광원을 유도하기 위해 사용되는 광섬유 및 측정에 불필요한 파장의 광을 차단하기 위한 광학필터로 구성된다. 이때 광원과 광간섭 광학계의 거리가 가까울 경우에는 광섬유를 사용하지 않을 수도 있다. 또한, 광원의 광학적 특성에 따라서 광원을 정렬할 필요가 없을 때는 렌즈가 필요치 않을 수도 있으며 광량의 조절을 광원 자체에서 조절할 경우에는 조리개가 필요치 않을 수 있다. 또한, 광원의 구성파장에 따라서 광학 필터가 필요치 않을 수 있다. 이러한 조명부(200)는 일반적으로 여러 가지 파장의 광을 가지고 있는 백색광원을 사용하는데, 할로겐 램프 혹은 백색 LED등이 사용된다. The lighting unit 200 functions to provide a light source, align the light sources, adjust the amount of light, and block unnecessary light included in the light source. Although not shown, the lighting unit 200 includes a light source, a lens for aligning the light source and adjusting the amount of light, a reflector and an aperture, an optical fiber used to guide the light source, and an optical filter for blocking light of wavelengths unnecessary for measurement. do. In this case, when the distance between the light source and the optical interference optical system is close, the optical fiber may not be used. In addition, according to the optical characteristics of the light source, the lens may not be necessary when the light source does not need to be aligned, and the aperture may not be necessary when adjusting the amount of light in the light source itself. In addition, an optical filter may not be necessary depending on the constituent wavelength of the light source. The lighting unit 200 generally uses a white light source having light of various wavelengths, and a halogen lamp or a white LED lamp is used.

위상이송부(300)는 광학시스템에서 형성된 간섭무늬의 위상을 이송시키기 위해서 기준면(402)을 광의 진행방향과 평행한 방향으로 알려진 위치로 이송시키는 장치이다. 이러한 위상이송부(300)는 정밀 판스프링구조물이 이송안내면으로 사용되며, 압전액츄에이터(PZT)가 정밀 이송구동체로 사용되어 진다. 또한, 이송된 위치를 검출하기위한 거리감지센서(gap, Sensor, LVDT, Strain Gauge 등)가 이용되는 경우가 있는데, 이는 좀 더 정확한 위치로의 이송을 위해 사용된다.The phase transfer unit 300 is a device for transferring the reference plane 402 to a known position parallel to the traveling direction of light in order to transfer the phase of the interference fringe formed in the optical system. The phase transfer unit 300 is a precision plate spring structure is used as the transfer guide surface, the piezoelectric actuator (PZT) is used as the precision transfer drive. In addition, there are cases where a distance sensor (gap, sensor, LVDT, strain gauge, etc.) for detecting the transferred position is used, which is used for the transfer to a more accurate position.

광간섭부(400)는 조명부(200)로부터 입사광을 기준면(402)과 측정물체의 측 정면(A)으로 분리하는 빔스플리터(401)와 기준면(402)과 측정면(A)으로부터의 반사광을 합성하여 합성간섭광으로 출사하는 렌즈(403)를 포함한다. 즉, 광간섭부(400)의 빔스플리터(401)는 조명부(200)로부터 입사되는 광을 두개의 광으로 나누어, 이들 중 한 개의 광은 기준면(402)쪽으로 출사하고, 나머지 한 개의 광은 측정물체의 측정면(A)쪽으로 출사하여 기준면(402)에서 반사된 기준광과 측정면(A)에서 반사된 측정광을 합쳐서 합성간섭광으로 출사한다.The optical interference unit 400 is configured to split the incident light from the illumination unit 200 into the reference plane 402 and the side front surface A of the measurement object, and the reflected light from the reference plane 402 and the measurement plane A. And a lens 403 which is synthesized and emitted as synthetic coherent light. That is, the beam splitter 401 of the optical interference unit 400 divides the light incident from the illumination unit 200 into two lights, one of which is emitted toward the reference plane 402, and the other is measured. The reference light reflected from the reference plane 402 and the measurement light reflected from the measurement plane A are combined to exit toward the measurement plane A of the object and emitted as a synthetic interference light.

광분할부(500)는 광간섭부(400)로부터 출사되는 합성간섭광을 3개의 카메라를 갖는 이미지획득부(600)로 유도하고, 이미지획득부(600)에 간섭무늬가 선명하게 형성되도록 하며, 3가지의 다른 파장의 광이 3개의 이미지획득부(600)에 분리되어 입사되도록 한다. 도 2의 광분할부(500)는 광간섭부(400)로부터의 합성간섭광을 통과하여 출사하는 렌즈(501)과 제 1카메라(604)쪽으로 합성간섭광을 반사하는 빔스플리터(502)와 제2카메라(605)쪽으로 합성간섭광을 반사하고, 제 3카메라(606)쪽으로 합성간섭광을 투과하는 빔스플리터(503)와, 각 카메라(604, 605, 606)의 전단에 위치하며 서로다른 파장의 광만을 통과시키는 제1 및 제 3필터(504, 505, 506)를 포함한다. 광간섭부(400)에서 출사되는 합성간섭광은 첫번째 빔스플리터(502)에서 합성간섭광의 1/3을 반사시켜서 제 1필터(504)를 거쳐 이미지획득부(600)의 제 1카메라(604)쪽으로 유도한다. 그리고, 빔스플리터(502)는 합성간섭광의 나머지 2/3는 투과시킨다. 이때 두 번째 빔스플리터(503)는 투과한 합성간섭광의 1/2(전체 합성광의 1/3)을 반사시켜서 제 2필터(505)를 거쳐 이미지획득부(600)의 제 2카메라(605)쪽으로 유도한다. 그리고, 빔스플리터(503)는 나머지 합성간섭광 (전체 합성광의 1/3)을 제 3필터(506)를 거쳐 이미지획득부(600)의 제 3카메라(606)쪽으로 유도한다. The light splitter 500 guides the synthesized coherence light emitted from the optical interference unit 400 to the image acquisition unit 600 having three cameras, so that the interference pattern is clearly formed in the image acquisition unit 600. Light of three different wavelengths is incident on the three image acquisition units 600 separately. The light splitter 500 of FIG. 2 includes a beam splitter 502 and a beam splitter 502 reflecting the composite interference light toward the lens 501 and the first camera 604 that pass through the composite interference light from the optical interference unit 400. The beam splitter 503 reflects the composite interference light toward the two cameras 605 and transmits the composite interference light toward the third camera 606, and is located at the front end of each camera 604, 605, and 606, and has different wavelengths. And first and third filters 504, 505, and 506 that pass through only the light. The composite coherence light emitted from the optical interference unit 400 reflects 1/3 of the composite coherence light in the first beam splitter 502 and passes through the first filter 504 to the first camera 604 of the image acquisition unit 600. To the side. The beam splitter 502 then transmits the remaining two thirds of the composite coherent light. At this time, the second beam splitter 503 reflects 1/2 of the transmitted composite interference light (1/3 of the total synthesized light) and passes through the second filter 505 toward the second camera 605 of the image acquisition unit 600. Induce. The beam splitter 503 guides the remaining synthesized interference light (1/3 of the total synthesized light) toward the third camera 606 of the image acquisition unit 600 through the third filter 506.

이미지획득부(600)는 제 1내지 제 3카메라(604, 605, 606)로 구성되며, 광분할부(500)의 제 1내지 제 3필터(504, 505, 506)에 대응되어 배치된다. 그리고, 제 1내지 제 3카메라(604, 605, 606)는 제 1내지 제 3필터(504, 505, 506)의 서로다른 파장에 의해 필터링된 합성간섭광으로부터 광간섭무늬의 이미지를 획득한다. 여기서 제 1내지 제 3카메라(604, 605, 606)는 픽셀(pixels) 어레이를 갖추고 있으며, CCD 카메라 혹은 CMOS카메라 형태이다. 이러한 카메라는 예를 들어 1300 X 1024 픽셀의 해상도를 제공한다. 이렇게 하여 이미지획득부(600)에서 획득된 3개의 광간섭무늬를 이미지로 획득한다. The image acquisition unit 600 includes first to third cameras 604, 605, and 606, and is disposed corresponding to the first to third filters 504, 505, and 506 of the light splitter 500. The first to third cameras 604, 605, and 606 obtain an image of the optical interference pattern from the synthetic interference light filtered by different wavelengths of the first to third filters 504, 505, and 506. Here, the first to third cameras 604, 605, and 606 have an array of pixels, which are in the form of a CCD camera or a CMOS camera. Such a camera provides a resolution of, for example, 1300 X 1024 pixels. In this way, three optical interference patterns acquired by the image acquisition unit 600 are obtained as images.

도 2의 실시예에서 개시한 광학시스템은 세 개의 광간섭무늬를 얻기위해 서로다른 파장의 광을 출사하는 세 개의 필터와 세 개의 카메라를 대응되게 구성하였으나, 하나의 카메라에 서로다른 파장의 광을 출사하는 세개의 필터를 이동시켜 교환하여 세 개의 광간섭무늬를 얻을 수 있도록 구성하는 것도 가능하며, 조명부에서 서로 다른 파장의 광을 출사하여 카메라에서 세 개의 광간섭무늬를 얻을 수 있도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, 두 개의 광간섭무늬를 얻기 위해 전술한 세가지의 광학시스템을 다양하게 구성할 수 있음은 자명하다. In the optical system disclosed in the embodiment of FIG. 2, three filters and three cameras that emit light of different wavelengths correspond to each other in order to obtain three optical interference patterns. It is also possible to configure three optical interference patterns by moving and replacing three filters and to obtain three optical interference patterns from a camera by emitting light of different wavelengths from the lighting unit. Do. In addition, it is apparent that the three optical systems described above may be variously configured to obtain two optical interference patterns.

도 2의 실시예에서 획득된 세 개의 광간섭무늬를 이용한 입체영상측정방법을 이하 도 3 내지 도 4를 참고하여 상세히 설명한다. A stereoscopic image measurement method using three optical interference patterns obtained in the embodiment of FIG. 2 will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 4.

이하, 본 발명에 따른 입체영상측정방법의 설명에서 필요한 일반이론을 수학 식 1과 수학식 2로 설명한다.Hereinafter, general theory required in the description of the stereoscopic image measuring method according to the present invention will be described by Equations 1 and 2 below.

간섭계 이미지(interferometic image)의 모든 픽셀(x,y)에 대한 세기(intensity) I(x,y)는 다음의 수학식 1에 의해 표현될 수 있다.The intensity I (x, y) for all the pixels x, y of the interferometic image can be expressed by the following equation (1).

수학식 1Equation 1

I(x,y) = A(x,y) + B(x,y)cos[2πM(x,y) + Φ(x,y)]I (x, y) = A (x, y) + B (x, y) cos [2πM (x, y) + Φ (x, y)]

여기서, x, y는 카메라에서의 픽셀좌표이며, A는 간섭무늬와 관계없는 평균 밝기이며, B는 간섭무늬의 밝기 변화폭의 1/2이며, M은 간섭무늬의 위상 차수로서 정수 값을 가짐. 또한, Φ는 간섭무늬의 위상(wrapped phase)으로서 +π와 -π사이의 값을 가지며, 2πM + Φ는 간섭무늬의 펼쳐진 위상(unwrapped phase : Ψ)이다. Here, x and y are pixel coordinates in the camera, A is the average brightness irrelevant to the interference fringe, B is 1/2 of the change in brightness of the interference fringe, and M has an integer value as the phase order of the interference fringe. In addition, Φ is a wrapped phase of the interference fringe and has a value between + π and -π, and 2πM + Φ is the unwrapped phase of the interference fringe.

수학식1에서 위상차수M은 정수값을 가지고 있으며, 또한 코사인(cosine)함수의 내부에서 2π가 곱해진 형태로 놓여있기 때문에 간섭무늬는 위상차수M의 변화에 전혀 영향을 받지 않는다. 수학식1에서 간섭무늬의 위상Φ를 알기 위해서는 수학식1에 포함되어 있는 3개의 미지수 A, B, Φ를 계산해야한다. 이를 위해서 알고 있는 값으로의 위상 변화량(ΔΦn)을 주어 3개 이상의 연립방정식이 얻고, 이를 이용하여 3개의 미지수 A, B, Φ를 계산한다. 이 계산과정은 주로 최소자승법등의 수치해석적인 방법이 사용되는데, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 생각할 수 있는 범위 내에 있다. In Equation 1, the phase order M has an integer value and the interference fringe is not affected by the change in the phase order M because the cosine function is multiplied by 2π. In order to know the phase Φ of the interference fringe in Equation 1, three unknowns A, B, and Φ included in Equation 1 should be calculated. For this purpose, three or more simultaneous equations are obtained by giving the phase change amount ΔΦ n to a known value, and three unknowns A, B, and Φ are calculated using the equation. This calculation process is mainly used a numerical method, such as the least squares method, which is within the range that can be thought of by those skilled in the art.

수학식1에서 측정물의 높이값을 H라고 하면, H는 수학식2에서 같이 표현된다.       If the height value of the measurement object in the equation (1) H, H is expressed as in the equation (2).

수학식 2        Equation 2

H(x,y) = [2πM(x,y) + Φ(x,y)] * λ / (4π)       H (x, y) = [2πM (x, y) + Φ (x, y)] * λ / (4π)

여기서, λ는 간섭무늬를 형성시키는 광원의 파장이다.Is the wavelength of the light source for forming the interference fringe.

수학식2를 이용하여 높이값 H를 얻기 위해서는 간섭무늬의 위상차수 M을 알아야하지만, 이를 알 수 없기 때문에 M=0인 경우에 한하여 측정물의 높이 값 H를 측정하고 있다.        In order to obtain the height value H using Equation 2, the phase order M of the interference fringe must be known, but since the height order H is not known, the height value H of the measurement object is measured only when M = 0.

이는 실제적인 경우를 예를 들어 설명하면, 사용광원의 파장이 600nm인 경우에 간섭무늬의 위상 Φ(x,y)는 +π와 -π사이의 값을 가지기 때문에 결국 높이값(H)이 -150nm부터 +150nm사이의 형상만을 측정할 수 있게 된다.       This will be explained by taking an example of a practical case. Since the phase Φ (x, y) of the interference fringe has a value between + π and -π when the wavelength of the used light source is 600 nm, the height value H eventually becomes-. Only shapes between 150 nm and +150 nm can be measured.

전술한 수학식 1과 수학식 2를 본 발명의 입체영상측정방법에 적용한다. Equations 1 and 2 described above are applied to the stereoscopic image measuring method of the present invention.

우선 설명의 편이를 위해 제 1카메라(604)를 Ca라하고 중심파장이 λa인 광의 간섭무늬가 획득되며, 제 2카메라(605)를 Cb라하고 중심파장이 λb인 광의 간섭무늬가 획득되며 제 3카메라(606)를 Cc라하고 중심파장이 λc인 광의 간섭무늬가 획득된다고 가정하자. 또한, 제 1필터(504)를 Fa라 하고 제 2필터(505)를 Fb라 하고 제 3필터(506)를 Fc라 하자. First of all, for convenience of explanation, an interference pattern of light having a first camera 604 as Ca and having a center wavelength of λa is obtained. An interference pattern of light having a second camera 605 as Cb and having a center wavelength of λb is obtained. Assume that 3 camera 606 is Cc and an interference fringe of light having a center wavelength of λc is obtained. In addition, let the first filter 504 be Fa, the second filter 505 be Fb, and the third filter 506 be Fc.

이들 간섭무늬는 측정물에 높이방향(h방향)으로 각 중심파장의 1/2에 해당 하는 간격의 등고선 형태를 이루게 된다. These interference fringes form contours at intervals corresponding to one-half of each center wavelength in the height direction (h direction) of the workpiece.

카메라Ca, Cb, Cc에 맺혀진 간섭무늬는 각 픽셀의 밝기값이 아래 수학식3형태로 표현되어진다.       In the interference fringes formed on the cameras Ca, Cb, and Cc, the brightness value of each pixel is represented by Equation 3 below.

수학식3        Equation 3

Ian(x,y) = Aa(x,y) + Ba(x,y)cos[2πMa(x,y)+Φa(x,y)+ΔΦan], n=1, 2, 3, ..       Ian (x, y) = Aa (x, y) + Ba (x, y) cos [2πMa (x, y) + Φa (x, y) + ΔΦan], n = 1, 2, 3, ..

Ibn(x,y) = Ab(x,y) + Bb(x,y)cos[2πMb(x,y)+Φb(x,y)+ΔΦbn], n=1, 2, 3, ..Ibn (x, y) = Ab (x, y) + Bb (x, y) cos [2πMb (x, y) + Φb (x, y) + ΔΦbn], n = 1, 2, 3, ..

Icn(x,y) = Ac(x,y) + Bc(x,y)cos[2πMc(x,y)+Φc(x,y)+ΔΦcn], n=1, 2, 3, ..    Icn (x, y) = Ac (x, y) + Bc (x, y) cos [2πMc (x, y) + Φc (x, y) + ΔΦcn], n = 1, 2, 3, ..

여기서, a, b, c는 카메라 Ca, Cb, Cc를 표시하며, 첨자 n은 간섭무늬를 위상 이송시키기 위한 알려진 위치를 표시하며, x, y : 카메라에서의 픽셀좌표이며, A는 간섭무늬와 관계없는 평균 밝기이며, B는 간섭무늬의 밝기 변화폭의 1/2의 값으로서 간섭무늬의 가시도를 표시하며, M은 간섭무늬의 위상 차수로서 정수 값을 가짐. 또한, Φ : 간섭무늬의 위상(phase)으로서 +π와 -π사이의 값을 가짐며, ΔΦn 는 간섭무늬의 위상 이송량이며, 2πM + Φ는 간섭무늬의 펼쳐진 위상(unwrapped phase : Ψ)이다. Where a, b and c denote cameras Ca, Cb and Cc, subscript n denotes a known position for phase-shifting the interference fringe, x and y are pixel coordinates in the camera, and A is the interference fringe The average brightness is irrelevant, B is half of the change in brightness of the interference fringe, indicating the visibility of the interference fringe, and M has an integer value as the phase order of the interference fringe. Also, Φ: has a value between + π and -π as the phase of the interference fringe, ΔΦ n is the phase transfer amount of the interference fringe, and 2πM + Φ is the unwrapped phase of the interference fringe. .

수학식3에서 간섭무늬의 위상Φ를 알기 위해서는 수학식3에 포함되어 있는 3개의 미지수 A, B, Φ를 계산해야한다.       In order to know the phase Φ of the interference fringe in Equation 3, three unknowns A, B, and Φ included in Equation 3 must be calculated.

이를 위해서 알고 있는 위치로의 위상이송(ΔΦn)시켜 적어도 3개 이상의 연립방정식을 얻어야하는데, 이를 일실시 예에서 구현하는 방법은 위상이송부(300)를이용해 기준면(402)을 기준광에 수직한 방향으로 위치 이동시키고, 이에 따라서 위상이 변화된 간섭무늬(Ia2, Ib2, Ic2)를 이미지획득부(600)에서 획득한다. 다시 또 다른위치로 한번 더 위치 이동시키고, 이때 이미지획득부(600)에서 위상이 변화된 간섭무늬(Ia3, Ib3, Ic3)를 획득했다고 가정하자.To this end, at least three or more simultaneous equations must be obtained by shifting the phase to a known position (ΔΦ n ), which is implemented in one embodiment by using the phase shifter 300 to make the reference plane 402 perpendicular to the reference light. The image pickup unit 600 acquires the interference fringes Ia2, Ib2, and Ic2 whose positions are shifted in the directions and thus change in phase. It is assumed that once again the position is moved to another position, and the interference pattern Ia3, Ib3, or Ic3 whose phase is changed in the image acquisition unit 600 is acquired.

이 과정에서 이미지획득부(600)의 제 1카메라(604 : Ca)에서는 중심파장이 λa인 간섭무늬의 위상 변화된 3장의 이미지(Ia1,Ia2,Ia3)를 얻고, 제 2카메라(605 : Cb)에서는 중심파장이 λb인 간섭무늬의 위상 변화된 3장의 이미지(Ib1,Ib2,Ib3)를 얻고, 제 3카메라(606 : Cc)에서는 중심파장이 λc인 간섭무늬의 위상 변화된 3장의 이미지(Ic1,Ic2,Ic3)를 얻는다.       In this process, the first camera 604 (Ca) of the image acquisition unit 600 obtains three phase shifted images Ia1, Ia2, and Ia3 of the interference fringe having a center wavelength of λa, and the second camera 605: Cb. Shows three phase-shifted images (Ib1, Ib2, Ib3) of the interference fringe having a center wavelength of λb. In the third camera (606: Cc), three phase-shifted images (Ic1, Ic2) of the interference fringe having a central wavelength of λc are obtained. , Ic3).

수학식3에 포함된 3개의 미지수를 계산하기 위해서는 최소 위상 변화된 3장의 간섭무늬의 이미지만을 필요로 하지만, 실제적인 경우에 측정중의 잡음등의 영향을 줄이기 위해서는 4장 이상의 위상 변화된 간섭무늬를 이용할 수도 있는데, 이는 측정시간을 길어지게 하고, 계산량을 증가시키는 문제가 있기 때문에, 측정여건에 따라 적절하게 조절되어져야한다.       In order to calculate the three unknowns included in Equation 3, only the image of three interference fringes having a minimum phase shift is required.However, in order to reduce the influence of noise during measurement, four or more phase shifted interference fringes may be used. This may cause a problem of lengthening the measurement time and increasing the calculation amount, and it should be properly adjusted according to the measurement conditions.

각 카메라에서 얻어진 적어도 3개 이상의 간섭무늬의 이미지를 이용하여 카 메라Ca에서는 파장이 λa인 간섭무늬의 위상(phase) Φa(x,y)를 얻고, 카메라Cb에서는 파장이 λb인 간섭무늬의 위상(phase) Φb(x,y)를 얻고, 카메라Cc에서는 파장이 λc인 간섭무늬의 위상(phase) Φc(x,y)를 얻게 된다.       At least three interference fringes obtained from each camera are used to obtain phase Φa (x, y) of an interference fringe having a wavelength of λa in the camera Ca, and a phase of the interference fringe having a wavelength of λb in the camera Cb. (phase) φ b (x, y) is obtained, and in the camera Cc, phase Φ c (x, y) of an interference fringe having a wavelength of λ c is obtained.

그런 다음 λa와 λb의 맥놀이에 의한 맥놀이 위상(beat phase) Φ1과 λb와 λc의 맥놀이에 의한 맥놀이 위상(beat phase) Φ2를 구하는 과정을 도 3a 내지 도 3d를 참고하여 설명한다.       Next, a process of obtaining the beat phase Φ 1 due to the beats of λa and λb and the beat phase Φ 2 due to the beats of λb and λc will be described with reference to FIGS. 3A to 3D.

설명의 편의를 위해서 λa < λb < λc의 관계를 가진다고 가정한다.       For convenience of explanation, it is assumed that the relationship is λa <λb <λc.

도 3a 내지 도 3d는 입체영상측정방법에서 얻어지는 맥놀이위상계산과정을 보여주는 그래프이다.        3A to 3D are graphs showing the beat phase calculation process obtained in the stereoscopic image measurement method.

도 3a의 그래프는 측정물의 높이에 따라서 간섭무늬 위상 Φa(x,y)와 Φb(x,y)가 +π와 -π사이의 값을 가지는 것을 보여준다. 또한 파장이 짧은 λa의 간섭무늬 위상Φa(x,y)이 짧은 주기(λa의 1/2)를 가지고, 파장이 긴 λb의 간섭무늬 위상Φb(x,y)이 긴 주기(λb의 1/2)를 가지는 것을 보여준다.       The graph of FIG. 3A shows that the interference fringe phases Φa (x, y) and Φb (x, y) have values between + π and -π depending on the height of the workpiece. In addition, the interference pattern phase? A (x, y) having a short wavelength has a short period (1/2 of? A), and the interference pattern phase? B (x, y) having a long wavelength has a long period (1 / time of? B). Show that you have 2).

도 3b의 그래프는 간섭무늬 위상 Φa와 Φb의 차이 값을 구한 것이다.       In the graph of FIG. 3B, a difference value between the interference fringe phases Φa and Φb is obtained.

간섭무늬 위상(phase) Φa와 Φb의 차이, 즉 맥놀이 위상(beat phase) Φ1(x,y)를 다음 수학식4로 계산 한다.       The difference between the interference fringe phase Φa and Φb, that is, the beat phase Φ1 (x, y) is calculated by the following equation (4).

수학식 4        Equation 4

Φ1(x,y) =Φa(x,y)-Φb(x,y)       Φ1 (x, y) = Φa (x, y) -Φb (x, y)

여기서, 만약 Φ1(x,y)<-π 인 경우에는, (Φ1(x,y)+2π)를 하여 이 결과 값을 Φ1(x,y) 값으로 한다.Here, if φ1 (x, y) <− π, (Φ1 (x, y) + 2π) is used to make this result value Φ1 (x, y).

만약 Φ1(x,y)>+π 인 경우에는, (Φ1(x,y)-2π)를 하여 이 결과 값을 Φ1(x,y) 값으로 한다.If φ1 (x, y)> + π, then (Φ1 (x, y) -2π) is used as the result of Φ1 (x, y).

이렇게 구해진 Φ1(x,y)는 도 3c의 그래프로 표시되고 있는데, 이는 파장 λa와 λb의 맥놀이(Beating)에 의한 파장 λ1의 위상임을 알 수 있다.       Φ1 (x, y) thus obtained is represented by the graph of FIG. 3C, which is a phase of wavelength λ1 due to beating of wavelengths λa and λb.

여기서 파장 λa와 λb의 맥놀이에 의한 파장 λ1은 다음 수학식5로 계산된다.       Here, the wavelength lambda 1 by the beat of the wavelength lambda a and lambda b is calculated by the following equation (5).

수학식 5        Equation 5

λ1 = (λa X λb) / |λa -λb|        λ1 = (λa X λb) / | λa -λb |

여기서, λa 는 카메라 Ca 앞에 설치된 필터Fa의 통과 중심파장이고, λb 는 카메라 Cb 앞에 설치된 필터Fb의 통과 중심파장이다.Here, lambda a is the pass center wavelength of the filter Fa provided in front of the camera Ca, and lambda b is the pass center wavelength of the filter Fb provided in front of the camera Cb.

λb와 λc의 맥놀이 파장 λ1에 의한 맥놀이 위상(beat phase) Φ2를 구하는 과정도 Φ1을 구하는 과정과 동일한 방법으로 이루어지는데, 아래 수학식6으로 구해진다.The process of obtaining the beat phase Φ 2 by the beat wavelength λ 1 of λ b and λ c is also performed in the same manner as the process of finding Φ 1, which is obtained by Equation 6 below.

수학식 6        Equation 6

Φ2(x,y) =Φb(x,y)-Φc(x,y)       Φ2 (x, y) = Φb (x, y) -Φc (x, y)

여기서, 만약 Φ2(x,y)<-π 인 경우에는, (Φ2(x,y)+2π)를 하여 이 결과 값을 Φ2(x,y) 값으로 한다.Here, if φ2 (x, y) <− π, (Φ2 (x, y) + 2π) is made and the resulting value is denoted by Φ2 (x, y).

만약 Φ2(x,y)>+π 인 경우에는, (Φ2(x,y)-2π)를 하여 이 결과 값을 Φ2(x,y) 값으로 한다.If Φ2 (x, y)> + π, we use (Φ2 (x, y) -2π) to make this result Φ2 (x, y).

이렇게 구해진 Φ2의 결과가 도 3d의 그래프로 표시되고 있으며, 이는 파장 λb와 λc의 맥놀이(Beating)에 의한 파장 λ2의 위상임을 알 수 있다.       The result of Φ 2 thus obtained is shown in the graph of FIG. 3D, which is a phase of wavelength λ 2 due to beating of wavelengths λ b and λ c.

여기서 파장 λb와 λc의 맥놀이에 의한 파장 λ2은 다음 수학식7로 계산된다.       Here, the wavelength lambda 2 by the beat of the wavelength lambda b and lambda c is calculated by the following equation.

수학식 7        Equation 7

λ2 = (λb X λc) / |λb -λc|       λ2 = (λb X λc) / | λb -λc |

여기서, λb 는 카메라 Cb 앞에 설치된 필터Fb의 통과 중심파장이고, λc 는 카메라 Cc 앞에 설치된 필터Fc의 통과 중심파장이다.Here, lambda b is the pass center wavelength of the filter Fb provided in front of the camera Cb, and lambda c is the pass center wavelength of the filter Fc provided in front of the camera Cc.

다음은 맥놀이 파장 λ1(λa와 λb의 맥놀이 파장)의 위상 Φ1와 맥놀이 파장 λ2(λb와 λc의 맥놀이 파장)의 위상 Φ2의 위상차수를 계산하는 방법에 대go 도 4를 참고하여 설명한다.       Next, a method of calculating the phase order of the phase Φ 1 of the beat wavelength λ 1 (the beat wavelength of λ a and λ b) and the phase Φ 2 of the beat wavelength λ 2 (the beat wavelength of λ b and λ c) will be described with reference to FIG. 4.

도 4a 내지 도 4b는 입체영상측정방법에서 얻어지는 맥놀이 위상의 위상차수 계산과정을 보여주는 그래프이다.4A to 4B are graphs showing a phase order calculation process of beat phase obtained in the stereoscopic image measuring method.

도 4a의 그래프는 앞서 구해진 맥놀이 파장 λ1의 맥놀이 위상Φ1과 맥놀이 파장 λ2의 맥놀이 위상Φ2의 높이에 따른 변화를 보여준다. 맥놀이 위상Φ1는 λ1의 1/2을 주기로 +π와 -π사이의 값을 가지는 것을 보여주며, 맥놀이 위상Φ2는 λ2의 1/2을 주기로 +π와 -π사이의 값을 가지는 것을 보여준다.The graph of FIG. 4A shows the change depending on the height of the beat phase Φ 1 of the beat wavelength λ 1 and the beat phase Φ 2 of the beat wavelength λ 2 obtained above. The beat phase Φ 1 shows a value between + π and -π with a half of λ 1, and the beat phase Φ 2 shows a value between + π and -π with a half of λ 2.

도 4b의 그래프는 맥놀이 위상Φ1이 한 주기를 반복할 때마다 1씩 증감되는 형태로 결정되어지는 맥놀이 위상차수 N1(x,y)를 보여준다.       The graph of FIG. 4B shows the beat phase order N1 (x, y) which is determined in such a way that the beat phase Φ 1 is increased or decreased by one every time one cycle is repeated.

도 4c의 그래프는 맥놀이 위상Φ2가 한 주기를 반복할 때마다 1씩 증감되는 형태로 결정되어지는 맥놀이 위상차수 N2(x,y)를 보여준다.       The graph of FIG. 4C shows the beat phase order N2 (x, y), which is determined in such a way that the beat phase Φ 2 is increased or decreased by one each time one cycle is repeated.

이 두개의 맥놀이 위상 Φ1(x,y)와 Φ2(x,y)의 차이를 Φ12(x,y)라고하면, 다음 수학식8로 계산 된다.       If the difference between the two beat phases Φ1 (x, y) and Φ2 (x, y) is Φ12 (x, y), the following equation 8 is calculated.

수학식 8       Equation 8

Φ12(x,y) =Φ1(x,y)-Φ2(x,y)       Φ12 (x, y) = Φ1 (x, y) -Φ2 (x, y)

여기서, 만약 Φ12(x,y)< -π 인 경우에는, (Φ12(x,y)+2π)를 하여 이 결과 값을 Φ12(x,y)값으로 한다.Here, if phi 12 (x, y) <− π, (phi 12 (x, y) + 2π) is performed and the resultant value is phi 12 (x, y).

만약 Φ12(x,y)> +π 인 경우에는, (Φ12(x,y)-2π)를 하여 이 결과 값을 Φ12(x,y)값으로 한다.If Φ12 (x, y)> + π, then (Φ12 (x, y) -2π) is used as the result of Φ12 (x, y).

이렇게 구해진 Φ12(x,y)는 파장 λ1와 λ2의 맥놀이(Beating)에 의한 파장 λ12의 위상임을 알 수 있다.        It can be seen that Φ 12 (x, y) thus obtained is a phase of wavelength λ 12 due to beating of wavelengths λ 1 and λ 2.

여기서 파장 λ1와 λ2의 맥놀이에 의한 파장 λ12은 다음 수학식9로 계산된다.       Here, the wavelength λ 12 by the beat of the wavelengths λ 1 and λ 2 is calculated by the following equation (9).

수학식 9       Equation 9

λ12 = (λ1 X λ2) / |λ1 -λ2|       λ12 = (λ1 X λ2) / | λ1 -λ2 |

여기서, λ1은 수학식 5로 계산되는 λa와 λb의 맥놀이 파장이고, λ2은 수학식 7로 계산되는 λb와 λb의 맥놀이 파장이다.Here, λ1 is the beat wavelength of λa and λb calculated by Equation 5, and λ2 is the beat wavelength of λb and λb calculated by Equation 7.

어떤 임의의 점에서 높이 H(x,y)값이 맥놀이 파장 λ12의 1/2의 범위 내에 있다면, 이는 Φ12(x,y), Φ1(x,y)와 Φ2(x,y)를 이용하여 다음 수학식10으로 표현될 수 있다.       If at any point the height H (x, y) value is in the range of 1/2 of the beat wavelength λ12, then this is done using Φ12 (x, y), Φ1 (x, y) and Φ2 (x, y). It can be expressed by the following equation (10).

수학식 10       Equation 10

H(x,y) = Φ12(x,y) X λ12 / (4π)       H (x, y) = Φ12 (x, y) X λ12 / (4π)

= [2πN1(x,y) + Φ1(x,y)] X λ1 / (4π)       = [2πN1 (x, y) + Φ1 (x, y)] X λ1 / (4π)

= [2πN2(x,y) + Φ2(x,y)] X λ2 / (4π)       = [2πN2 (x, y) + Φ2 (x, y)] X λ2 / (4π)

수학식 10에서 N1과 N2를 구하면 아래의 수학식 11과 수학식 12와 같이 정리되어진다.When N1 and N2 are obtained from Equation 10, they are arranged as Equation 11 and Equation 12 below.

수학식 11       Equation 11

N1(x,y) = [(λ12/λ1) X Φ12(x,y) - Φ1(x,y)] / (2π)       N1 (x, y) = [(λ12 / λ1) X Φ12 (x, y)-Φ1 (x, y)] / (2π)

수학식 12       Equation 12

N2(x,y) = [(λ12/λ2) X Φ12(x,y) - Φ2(x,y)] / (2π)       N2 (x, y) = [(λ12 / λ2) X Φ12 (x, y)-Φ2 (x, y)] / (2π)

여기서 계산되는 위상차수 N1과 N2의 값은 이론상 정확한 정수 값을 가져야 하지만, 실제적인 경우에 시스템의 잡음등의 영향으로 정수가 아닌 실수 값으로 계산되어지는 것이 일반적이다. 이 실수 값에 가장 가까운 정수 값으로 N1과 N2의 값을 정한다.       The values of phase orders N1 and N2 calculated here should be theoretically accurate integer values, but in practical cases, they are usually calculated as real numbers rather than integers due to the noise of the system. The integer value closest to this real value determines the values of N1 and N2.

이렇게 하여 구해진 맥놀이 위상(Φ1, Φ2)과 위상차수(N1, N2)를 이용하여 측정물의 높이 값 H(x,y)를 다음 수학식13으로 구할 수 있다.       The height values H (x, y) of the measurement object can be obtained by the following equation 13 using the beat phases Φ1, Φ2 and the phase orders N1, N2.

수학식 13       Equation 13

H1(x,y) = [2πN1(x,y) + Φ1(x,y)] * λ1 / (4π)       H1 (x, y) = [2πN1 (x, y) + Φ1 (x, y)] * λ1 / (4π)

수학식 14       Equation 14

H2(x,y) = [2πN2(x,y) + Φ2(x,y)] * λ2 / (4π)       H2 (x, y) = [2πN2 (x, y) + Φ2 (x, y)] * λ2 / (4π)

수학식 13과 14에서 구해지는 H1(x,y)와 H2(x,y)는 이론적으로 동일한 값을 가져야하지만, 측정중의 진동 혹은 시스템의 잡음 등의 영향으로 동일하지 않는 값을 가지는 것이 일반적이다. 그래서 이러한 영향을 줄이기 위해서 이 두개의 값을 평균하여 최종 높이값으로 결정하는 것이 유리하다. 하지만, 계산에 소요되는 시간의 단축이 요구될 경우에는 N1값만을 계산하여, H1(x,y)값만을 계산할 수도 있다.        H1 (x, y) and H2 (x, y) obtained in equations (13) and (14) should have the same value in theory, but generally have values that are not the same due to the vibration of the measurement or the noise of the system. to be. Therefore, to reduce this effect, it is advantageous to average these two values and determine the final height value. However, when a reduction in the time required for calculation is required, only the N1 value may be calculated, and only the H1 (x, y) value may be calculated.

일실시예로, λa =600nm, λb=620nm, λc=640nm일 경우에 있어서, λa와 λb의 맥놀이 파장 λ1은 수학식 5에 의해서 18,600 nm로 계산되고, λb와 λc의 맥놀이 파장 λ2은 수학식 7에 의해서 19,840 nm로 계산되고, λ1과 λ2의 맥놀이 파장 λ12는 수학식 9에 의해서 297,600 nm로 계산된다.       For example, in the case of λa = 600nm, λb = 620nm, λc = 640nm, the beat wavelength λ1 of λa and λb is calculated to be 18,600 nm by Equation 5, and the beat wavelength λ2 of λb and λc is 7 is calculated to be 19,840 nm, and the beat wavelength λ 12 of λ 1 and λ 2 is calculated to be 297,600 nm by equation (9).

따라서, 본 발명의 일실시예에서는 높이방향 측정영역이 λ12의 1/2인 148,800nm로 확대됨을 알 수 있다. 이는 종래의 기술로 가능한 높이방향 측정영역 약 300 nm에 비해 대폭 확장됨을 알 수 있다.       Therefore, in the exemplary embodiment of the present invention, it can be seen that the height measurement area is expanded to 148,800 nm, which is 1/2 of λ 12. It can be seen that it is greatly expanded compared to about 300 nm in the height measurement area possible with the prior art.

따라서, 본 발명의 장치는 복수개의 광간섭무늬를 획득하여 입체영상의 형상을 측정하므로 보다 정밀한 반도체나 미소 정밀부품등의 입체형상을 측정할 때 결함여부를 정확하게 검사할 수 있는 효과를 제공한다. Therefore, the apparatus of the present invention obtains a plurality of optical interference patterns to measure the shape of a stereoscopic image, thereby providing an effect of accurately inspecting defects when measuring a three-dimensional shape of a more precise semiconductor or a micro-precision component.

Claims (7)

광원을 포함하는 조명부로부터의 출사광을 기준면과 측정면에서 반사시켜 간섭무늬를 획득하기 위한 광학시스템에 있어서,An optical system for obtaining an interference fringe by reflecting light emitted from an illumination unit including a light source on a reference plane and a measurement plane, 상기 기준면을 이동시키기위한 위상이송부;A phase transfer unit for moving the reference plane; 상기 조명부로부터의 광을 측정면과 기준면에서 반사시켜 합성간섭광을 생성하기 위한 광간섭부;An optical interference unit for reflecting light from the illumination unit on a measurement plane and a reference plane to generate a composite interference light; 상기 광간섭부로부터의 합성간섭광을 복수개의 서로 다른 파장으로 분할하여 출력하는 광분할부; 및 A light splitting unit dividing and outputting the synthetic interference light from the optical interference unit into a plurality of different wavelengths; And 상기 광분할된 서로 다른 파장의 광을 입력받아 복수개의 광간섭무늬를 이미지로 획득하기 위한 이미지획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학시스템.And an image acquisition unit configured to receive the light having different wavelengths and obtain a plurality of optical interference patterns as an image. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 광간섭부는 The optical interference portion 상기 조명부로부터 입사광을 기준면과 측정물체의 측정면으로 분리하는 빔스플리터, 및A beam splitter separating the incident light from the illumination unit into a reference plane and a measurement plane of the measurement object; 상기 기준면과 측정면으로부터의 반사광을 합성하여 합성간섭광으로 출사하는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학시스템.And a lens for synthesizing the reflected light from the reference plane and the measurement plane and emitting the synthesized interfering light. 제 2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 광분할부는The light splitting part 상기 광간섭부로부터의 합성간섭광을 통과하여 출사하는 렌즈;A lens that passes through the composite coherent light from the optical coherence unit and emits light; 상기 영상획득부로 상기 합성간섭광을 반사 및 투과하는 복수개의 빔스플리터; 및A plurality of beamsplitter for reflecting and transmitting the synthesized interference light to the image acquisition unit; And 상기 영상획득부의 전단에 대응되게 위치하며 서로 다른 파장의 광만을 통과시키는 복수개의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학시스템.And a plurality of filters positioned corresponding to the front end of the image acquisition unit and passing only light having different wavelengths. 제 3항에 있어서,       The method of claim 3, wherein 영상획득부는       Video acquisition unit 적어도 하나 이상의 카메라로 구성된 것을 특징으로 하는 광학시스템.       An optical system comprising at least one camera. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 필터는 The filter is 상기 영상획득부의 카메라의 개수에 대응하여 서로 다른 파장의 합성간선광을 필터링하도록 상기 카메라의 전단에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학시스템.And an optical system arranged at a front end of the camera so as to filter the composite trunk light having different wavelengths corresponding to the number of cameras of the image acquisition unit. 픽셀들의 어레이를 갖춘 카메라에 획득된 이미지로 입체형상을 측정하기 위한 방법에 있어서, A method for measuring three-dimensional shape with an image obtained by a camera having an array of pixels, 복수개의 서로 다른 파장으로 형성된 복수개의 광간섭무늬를 획득하는 제 1단계;A first step of obtaining a plurality of optical interference patterns formed at a plurality of different wavelengths; 상기 획득된 복수개의 광간섭무늬의 위상을 계산하는 제 2단계;Calculating a phase of the obtained plurality of optical interference patterns; 상기 대응하는 픽셀에 대한 광간섭무늬 위상을 이용해 맥놀이 위상을 계산하는 제 3단계;A third step of calculating a beat phase using the optical interference pattern phase for the corresponding pixel; 상기 맥놀이 위상의 위상차수를 계산하는 제 4단계; 및A fourth step of calculating a phase order of the beat phase; And 상기 광간섭무늬를 획득한 파장과 상기 맥놀이위상 및 위상차수를 이용하여 각 픽셀에 대한 높이값을 계산하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체형상측정방법.And calculating a height value for each pixel by using the wavelength obtained by the optical interference pattern, the beat phase, and the phase order. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제 2단계는 The second step is 상기 카메라로부터 획득된 복수개의 광간섭무늬의 각 픽셀에 대해 적어도 3개의 세기값을 이용하여 각 픽셀의 광간섭무늬의 위상을 계산하는 것을 특징으로 하는 입체형상측정방법.And calculating a phase of the optical interference pattern of each pixel by using at least three intensity values for each pixel of the plurality of optical interference patterns obtained from the camera.
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