(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2011년02월01일
(11) 등록번호 10-1011925
(24) 등록일자 2011년01월24일
(51) Int. Cl.
G01B 11/24 (2006.01) G01B 11/25 (2006.01)
G01B 11/00 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2008-0090749
(22) 출원일자 2008년09월16일
심사청구일자 2008년09월16일
(65) 공개번호 10-2009-0030222
(43) 공개일자 2009년03월24일
(30) 우선권주장
JP-P-2007-00242193 2007년09월19일 일본(JP)
(56) 선행기술조사문헌
JP2007187622 A
JP2006322949 A
JP09318329 A
(73) 특허권자
안리츠 코포레이션
일본국 가나가와켄 아츠기시 온나 5초메 1반 1고
(72) 발명자
미하루 파브로후스키
일본국 가나와켄 아츠기시 온나 5초메 1반 1고 안
리츠 코포레이션내
(74) 대리인
홍기천, 강일우
전체 청구항 수 : 총 5 항 심사관 : 차영란
(54) 삼차원 형상 측정장치
(57) 요 약
본 발명은, 측정시간을 짧게 하여 삼차원 측정을 실시할 수 있는 기술을 제공한다.
광로형성부(5)가, 광대역 광원(1)으로부터의 광대역광을 받아, 참조광로와 측정광로에 분기하여 입사시켜, 참조
거울로부터의 반사광과 피측정물로부터의 반사광을 합파하여 촬상수단(10)으로 출력한다. 한편, 광로장 가변수
단(8)이 측정광로의 광로장을 변화시킨다. 촬상수단은, 그 광로장의 변화에 대해서 앨리어싱(aliasing)이 발생
하는 타이밍으로 광로형성부로부터의 출력을 촬상하는 것에 의해서, 간섭무늬를 포함한 간섭무늬 데이터를 취득
한다. 광로장 검출수단(20)은, 촬상수단에 의해 취득된 간섭무늬 데이터로부터 앨리어싱에 의해서 발생한 주파
수 성분을 제외하여, 간섭무늬의 특징치를 나타내는 특정 광로장을 구하는 구성으로 하였다.
대 표 도 - 도1
등록특허 10-1011925
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특허청구의 범위
청구항 1
복수 스펙트럼을 갖는 광대역광을 출력하는 광대역 광원(1)과, 상기 광대역광을, 참조거울을 갖는 참조광로와
피측정물을 배치한 측정광로에 분기하여 입사시키고, 상기 참조거울로부터의 반사광과 조사된 상기 피측정물의
조사 범위의 조사위치로부터의 각 반사광을 합파하여 출력하는 광로형성부(5)와, 상기 참조광로 또는 상기 측정
광로의 어느 한쪽의 광로장을 변화시키는 광로장 가변수단(8)과, 상기 광로장 가변수단에 의한 상기 광로장의
변화에 대해서, 소정의 샘플링 타이밍으로 상기 광로형성부로부터의 출력을 촬상하는 것에 의해서, 간섭무늬를
포함한 간섭무늬 데이터를 취득하는 촬상수단(10)과, 상기 촬상수단으로부터 출력되는 상기 간섭무늬 데이터로
부터 상기 간섭무늬의 특징치를 나타낼 때의 특정 광로장을 구하는 광로장 검출수단(14)을 구비하고, 구한 상기
특정 광로장을 기초로, 상기 피측정물의 형상을 측정하는 삼차원 형상 측정장치에 있어서,
상기 촬상수단이 촬상할 때의 상기 소정의 샘플링 타이밍은, 상기 광로형성부의 출력에 포함되는 간섭무늬에 대
해서 앨리어싱이 발생하는 타이밍으로서, 주파수 영역에 있어서, 구하는 실제 주파수 성분과 상기 앨리어싱에
의해서 발생하는 주파수 성분으로 분리할 수 있는 타이밍으로 되고 있고, 또한,
상기 광로장 검출수단은, 상기 촬상수단에 의해 상기 소정의 샘플링 타이밍으로 취득된 간섭무늬 데이터를 주파
수 영역의 데이터로 변환하고, 상기 앨리어싱에 의한 불필요성분을 제외하여 상기 실제 주파수 성분에 의한 새
로운 간섭무늬 데이터를 선택하는 간섭무늬 데이터 선택부(14a)와, 상기 새로운 간섭무늬 데이터를 기초로, 상
기 간섭무늬의 특징치를 나타내는 상기 특정 광로장을 구하는 광로장 산출부(14c)를 구비한 것을 특징으로 하는
삼차원 형상 측정장치.
청구항 2
제 1 항에 있어서, 상기 간섭무늬 데이터 선택부는, 상기 촬상수단으로부터 출력되는 간섭무늬 데이터를, 상기
샘플링 타이밍에 기초하는 샘플링 데이터수로 푸리에 변환함으로써 상기 주파수 영역의 데이터 변환하고, 상기
주파수 영역상에서 상기 앨리어싱에 의한 불필요 성분을 제외하는 것에 의해서 상기 주파수 영역의 새로운 간섭
무늬 데이터를 선택하고,
상기 광로장 검출수단은, 상기 주파수 영역의 새로운 간섭무늬 데이터의 상기 샘플링 데이터수를 샘플링정리에
기초하는 샘플링 데이터수로 변환한 후에, 상기 주파수 영역의 새로운 간섭무늬 데이터를 역푸리에 변환함으로
써 시간영역의 새로운 간섭무늬의 포락선 데이터로 변환하고, 상기 시간영역의 새로운 간섭무늬 데이터에 기초
하여, 상기 간섭무늬의 특징치를 나타내는 상기 특정 광로장을 구하는 삼차원 형상 측정장치.
청구항 3
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광로장 가변수단에 의한 상기 광로장의 변화에 대해서, 상기 앨리어싱이
발생하는 타이밍이란, 상기 광로장 가변수단에 의한 상기 광로장의 변화가, 상기 광대역광의 중심파장을 λ로
했을 때, λ/6를 넘는 간격인 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 측정장치.
청구항 4
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촬상수단은, 고유의 최소 노광시간으로 촬상하고, 또한 상기 광로장 가변
수단이 상기 광로장을 변화시키는 속도를 v로 했을 때, 상기 광로장의 변화가 λ/(6v)를 넘는 시간간격을 상기
타이밍으로서 촬상하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 측정장치.
청구항 5
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광로장 검출수단은, 상기 간섭무늬 데이터 선택부에서 선택된 상기 새로
운 간섭무늬 데이터로부터 적어도 2개의 파장 성분을 추출하는 파장 선택부(14d)를 갖고,
상기 광로장 산출부는, 상기 추출된 적어도 2개의 파장 성분의 시간영역의 새로운 간섭무늬 데이터에 기초하여
그들 위상차가 제로가 되는 상기 광로장을 상기 특정 광로장으로서 구하는 것을 특징으로 하는 삼차원 형상 측
정장치.
명 세 서
등록특허 10-1011925
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발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은, 복수의 스펙트럼(이하, 파장으로 설명한다.)을 갖는 광대역광(예를 들면, 백색광)에 의한 간섭 현상[0001]
을 이용하여 피측정물의 형상을 입체적으로 측정하는 삼차원 형상 측정장치에 관한 것이다. 특히, 광대역광의
한쪽을 먼 끝단에 참조거울을 갖는 참조광로에 입사하고, 광대역광의 다른쪽을 먼 끝단에 피측정물을 갖는 측정
광로에 입사하고, 참조거울(반사거울) 및 피측정물로부터의 각 복귀광에 의한 간섭을 발생시키는
간섭부(간섭계)에 있어서, 참조광로 또는 측정광로 중 어느 하나의 광로장을 변화하여 얻어진 간섭무늬가 발생
하는 광로장을 기초로, 피측정물의 형상을 측정하는 삼차원 형상 측정장치로서, 그 간섭무늬가 발생하는 광로장
을 구하는 시간을 단축하는 기술에 관한 것이다.
배 경 기 술
일반적으로, 상기의 간섭현상을 이용한 형상 측정장치에 있어서는, 참조광로와 측정광로의 쌍방의 광로장이 동[0002]
일해졌을 때에, 간섭무늬가 최대의 휘도를 나타내는 것을 이용하고 있다. 즉, 참조광로 또는 측정광로 중의 어
느 하나의 광로장을 변화시켜(이하, 참조광로의 광로장을 고정하고, 측정광로의 광로장을 변화시킨다고 하여 설
명한다.), 그 때 발생하는 간섭무늬가 최대의 휘도를 나타내는 위치의 광로장(광로장의 변화량 : 이하 '특정 광
로장'이라고 한다.)을, 광로장의 변화방향에 있어서의 피측정물의 변위로서 측정하고 있다(특허문헌 1).
특허문헌 1에 있어서는, 시간 변화와 함께 광로장을 변화시켜 얻어진 간섭광을 기초로, B성분(블루색 대역성[0003]
분), G성분(그린색 대역성분) 및 R성분(레드색 대역성분)에 분파하고, 각각 광로장의 변화에 대한 간섭무늬의
위상 변화를 검출하여, 3자의 위상이 일치하는 부분의 광로장을 간섭무늬가 최대의 휘도를 나타내는 위치의 특
정 광로장으로 인정하고 있다. 인정된 특정 광로장으로부터 형상 측정을 실시하고 있다.
[특허문헌 1][0004]
일본 특허출원 2006-371632[0005]
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
일반적으로, 형상 측정장치는, 많은 수의 피측정물의 측정을 실시하기 때문에, 조금이라도 측정시간의 단축을[0006]
요망하고 있다. 단축하는 것에 있어서, 개선의 대상 요소로서는, 광로장의 가변시간(혹은 속도), 카메라의 촬
상시간, 촬상회수 등이 있지만, 촬상시간은, 카메라의 촬상소자의 고유의 최소 노광시간의 제약을 받는다.
따라서, 이하, 측정시간이라고 하는 관점으로부터 종래 기술을 고찰한다. 특허문헌 1의 경우는, 간섭광의 데이[0007]
터를 기초로 간섭무늬의 위상을 특정하고, 특정 광로장을 구하고 있지만, 이 때, 간섭광의 아날로그 데이터로부
터, 간섭광을 표시하는 디지털 데이터로 변환하고, 시간영역(광로장 영역)의 데이터를 FFT 처리로 변경하고, 주
파수 영역상에서 각 대역성분으로 분리하여, 다시 시간영역에서 각 대역성분의 간섭무늬를 얻어, 그 위상의 일
치점을 구한다. 이 때, 취득한 디지털 데이터로부터 간섭무늬를 재현하기 위해서는, 일반적으로는 샘플링 정리
등으로 하여, 그 재현하려고 하는 간섭무늬의 1주기에 있어서 적어도 3포인트의 데이터를 취득할 수 있는 반복
의 취득 타이밍으로 디지털 데이터로 변환할 필요가 있다.
일반적으로, 형상 측정장치에 있어서 간섭법에 의해 측정된 간섭무늬는, 그 디지털 데이터에 의해 모델적으로는[0008]
도 7(A)과 같이 변화한 광로장에 대한 휘도의 변화로 표시되어, 그 스펙트럼 분포는 도 7(B)과 같이 주파수대
진폭의 좌표상으로 표시된다. 이 때 도 7(A)의 간섭무늬의 포락선(包絡線)폭 Δt(예를 들면, 반값폭 : 피크의
휘도치가 1/2가 된 부분의 가로축의 폭)는 도 7(B)의 주파수의 대역폭 ΔF(예를 들면, 반값폭 : 피크의 진폭이
1/2이 된 부분의 가로축의 폭)와 상관을 갖는 것이 알려져 있다. 따라서, 포락선폭 Δt에 의해서는, 도 7(B)과
같이 대역폭 ΔF는 좁아져, 하부의 주파수대역에 ΔFc의 스페이스가 있는 조건을 얻을 수 있다. 즉, 대역폭 Δ
F가 도 7(B)의 2점쇄선으로 나타나는 바와 같이 주파수가 0에(직류성분) 가까워질 때까지의 광대역이 되지 않는
다고 하는 조건을 얻을 수 있다.
샘플링의 정리로 하면, 샘플링 주파수 Fs가, 간섭무늬에 포함되는 최고 주파수 성분보다 충분히 높은 주파수이[0009]
면, 도 7(B)과 같이 본래의 간섭무늬가 갖는 주파수 성분을 재현할 수 있지만, 그 샘플링 주파수 Fs를 낮게 하
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는 것에 따라서, 앨리어싱(aliasing)이 발생한다. 즉, 도 7(C)에 나타내는 바와 같이, 본래의 원하는 주파수
성분(실선 부분)과 앨리어싱에 의한 꺾임 주파수성분(점선 부분)이, 재현되는 주파수가 내려가는(분주되어 있는
것과 같이 된다.) 것과 함께, 도 7(D)과 같이 서로 가까워져, 그리고 도(E)와 같이 높낮이가 뒤집히는 상태가
된다.
따라서, 본 발명자는, 다음의 것에 착안하였다. 즉, 도 7(B)에 나타내는 바와 같이 간섭무늬 자신의 대역 특성[0010]
에 ΔFc의 스페이스가 있기 때문에, 샘플링 주파수 Fs를 선택하는 것에 의해, 도 7(E)에 나타내는 바와 같이 원
하는 주파수 성분과 꺾임 주파수성분이 주파수적으로 분리한 상태로 할 수 있다. 따라서, 도 7(F)과 같이 꺾임
주파수성분을 필터로 제외하는 것과 함께, 샘플링 주파수를 더 내린 것에 의해 주파수를 낮아진 만큼만, 주파수
축을 신장하는 것에 의해, 재현이 가능하다.
그렇게 하면, 샘플링정리를 만족하는 주파수보다 낮은 주파수에서도 간섭무늬의 원하는 주파수 성분을 얻을 수[0011]
있다. 결국은, 샘플링 주파수 Fs를 내린 만큼, 데이터 취득 회수를 줄이는 것에 의해, 측정시간의 단축을 도모
할 수 있는 것에 착안하였다.
본 발명은, 측정시간을 짧게 하여 삼차원 측정을 실시할 수 있는 기술을 제공한다.[0012]
과제 해결수단
상기 목적으로 달성하기 위해서는, 간섭무늬의 포락선폭 Δt, 대역폭 ΔF, 및 그 최고 주파수 Fh와의 관계를 고[0013]
찰할 필요가 있지만, 일반적으로는, 간섭무늬의 주기는, 원래의 간섭을 발생시키는 근원이 되는 광대역 광원의
광원의 중심 파장의 주기 λ의 약 1/2이다. 그 때의 간섭무늬의 포락선폭 Δt는 상기한 바와 같이 그 광대역
광원의 대역폭 ΔF에 의존한다. 일반적으로는, ΔF≪[1/(λ/2)]
구체적으로는, 청구항 1에 기재의 발명은, 복수 스펙트럼을 갖는 광대역광을 출력하는 광대역 광원(1)과, 상기[0014]
광대역광을, 참조거울을 갖는 참조광로와 피측정물을 배치한 측정광로에 분기하여 입사시키고, 상기 참조거울로
부터의 반사광과 조사된 상기 피측정물의 조사 범위의 조사 위치로부터의 각 반사광을 합파하여 출력하는 광로
형성부(5)와, 상기 참조광로 또는 상기 측정광로의 어느 한쪽의 광로장을 변화시키는 광로장 가변수단(8)과, 상
기 광로장 가변수단에 의한 상기 광로장의 변화에 대해서, 소정의 샘플링 타이밍으로 상기 광로형성부로부터의
출력을 촬상하는 것에 의해서, 간섭무늬를 포함한 간섭무늬 데이터를 취득하는 촬상수단(10)과, 상기 촬상수단
으로부터 출력되는 상기 간섭무늬 데이터로부터 상기 간섭무늬의 특징치를 나타낼 때의 특정 광로장을 구하는
광로장 검출수단(14)을 구비하고, 구한 상기 특정 광로장을 기초로, 상기 피측정물의 형상을 측정하는 삼차원
형상 측정장치에 있어서,
상기 촬상수단이 촬상할 때의 상기 소정의 샘플링 타이밍은, 광로형성부의 출력에 포함되는 간섭무늬에 대해서[0015]
앨리어싱이 발생하는 타이밍으로서, 주파수 영역에 있어서, 구하는 실제 주파수 성분과 상기 앨리어싱에 의해서
발생하는 주파수 성분으로 분리할 수 있는 타이밍으로 되고 있고, 또한,
상기 광로장 검출수단은, 상기 촬상수단에 의해 상기 소정의 샘플링 타이밍으로 취득된 간섭무늬 데이터를 주파[0016]
수 영역의 데이터로 변환하고, 상기 앨리어싱에 의한 불필요성분을 제외하여 상기 실제 주파수 성분에 의한 새
로운 간섭무늬 데이터를 선택하는 간섭무늬 데이터 선택부(14a)와, 상기 새로운 간섭무늬 데이터를 기초로, 상
기 간섭무늬의 특징치를 나타내는 상기 특정 광로장을 구하는 광로장 산출부(14c)를 구비하였다.
청구항 2에 기재의 발명은, 청구항 1에 기재의 발명에 있어서, 상기 간섭무늬 데이터 선택부는, 상기 촬상수단[0017]
으로부터 출력되는 간섭무늬 데이터를, 상기 샘플링 타이밍에 기초하는 샘플링 데이터수로 푸리에 변환함으로써
상기 주파수 영역의 데이터 변환하고, 상기 주파수 영역상에서 상기 앨리어싱에 의한 불필요 성분을 제외하는
것에 의해서 상기 주파수 영역의 새로운 간섭무늬 데이터를 선택하고,
상기 광로장 검출수단은, 상기 주파수 영역의 새로운 간섭무늬 데이터의 상기 샘플링 데이터수를 샘플링정리에[0018]
기초하는 샘플링 데이터수로 변환한 후에, 상기 주파수 영역의 새로운 간섭무늬 데이터를 역푸리에 변환함으로
써 시간영역의 새로운 간섭무늬의 포락선 데이터로 변환하고, 상기 시간영역의 새로운 간섭무늬 데이터에 기초
하여, 상기 간섭무늬의 특징치를 나타내는 상기 특정 광로장을 구하는 구성으로 하였다.
청구항 3에 기재의 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재의 발명에 있어서, 상기 광로장 가변수단에 의한 상기 광로[0019]
장의 변화에 대해서, 상기 앨리어싱이 발생하는 타이밍이란, 상기 광로장 가변수단에 의한 상기 광로장의 변화
가, 상기 광대역광의 중심파장을 λ로 했을 때, λ/6를 넘는 간격인 구성으로 하였다.
등록특허 10-1011925
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청구항 4에 기재의 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재의 발명에 있어서, 상기 촬상수단은, 고유의 최소 노광시간[0020]
에 촬상하고, 또한 상기 광로장 가변수단이 상기 광로장을 변화시키는 속도를 v로 했을 때, 상기 광로장의 변화
가λ/(6v)를 넘는 시간간격을 상기 타이밍으로서 촬상하는 구성으로 하였다.
청구항 5에 기재의 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재의 발명에 있어서, 상기 광로장 검출수단은, 상기 간섭무늬[0021]
데이터 선택부에서 선택된 상기 새로운 간섭무늬 데이터로부터 적어도 2개의 파장 성분을 추출하는 파장 선택부
(14d)를 갖고, 상기 광로장 산출부는, 상기 추출된 적어도 2개의 파장 성분의 위상차가 거의 제로가 되는 상기
광로장을 상기 특정 광로장으로서 구하는 구성으로 하였다.
효 과
본 발명에 의하면, 앨리어싱이 발생하는 타이밍으로 간섭무늬 데이터를 취득(샘플링)하여, 그 앨리어싱에 기인[0022]
하여 발생한 불필요 주파수 성분을 제거하고, 변위를 측정하는 구성이기 때문에, 앨리어싱이 발생하도록 데이터
취득 타이밍의 기간을 길게 하여, 즉 데이터 취득 회수를 줄여, 그만큼의 광학적 처리시간을 줄일 수 있어, 측
정시간을 단축할 수 있다. 즉, 주된 측정시간으로 하여, [광로장 가변시간 데이터 취득회수×(노광시간 취득처
리시간)]로 표시되는 것으로 하면, 데이터 취득 회수가 줄어드는 분만큼, 측정시간을 단축할 수 있다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
본 발명과 관련되는 실시 형태를, 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은, 제 1 실시형태의 기능구성을 나타내는[0023]
도면이다. 도 2는, 간섭무늬를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은, 도 1의 광로장 검출수단을 바꾼 제 2 실시형
태를 나타내는 도면이다. 도 4는, 도 3의 간섭무늬 데이터 선택부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5,
도 6은, 도 3의 광로장 가변수단의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는, 각 주파수 성분의 간섭무늬를 나타
내고, 도 6은, 그 위상 특성을 나타낸다. 도 7은, 도 1의 실시형태에 대해 앨리어싱의 영향을 제외하고 간섭무
늬를 구하는 동작을 설명하기 위한 도면이다. 한편, 도 7은 '해결하고자 하는 과제'의 란에서 본 발명의 배경
을 설명하기 위한 도면이기도 하다.
[1. 제 1 실시형태의 전체 구성][0024]
제 1 실시형태는, 상기한 바와 같이, 샘플링정리를 만족하는 타이밍보다 늦은 타이밍, 즉 앨리어싱이 발생하는[0025]
타이밍으로 촬상수단으로서의 카메라(10)에 의해 촬상하여 얻어지는 각각의 데이터로부터, 앨리어싱에 의해 발
생한 불필요 성분을 제외하여, 본래의 샘플링정리를 만족하는 타이밍으로 얻어지는 간섭무늬와 동등의 데이터를
추출한다. 그리고, 그 추출된 간섭무늬의 강도의 피크치가 발생하는 광로장(광로장을 간섭무늬가 발생하기까지
광로장을 변화시켰을 때의 변화량에서도 좋다.)을 특정 광로장(변위)을 구하는 구성이다.
이하의 설명으로, 측정광로의 광로장을 변화시켰을 때에, 간섭무늬가 발생하는 광로장(광로장을 간섭무늬가 발[0026]
생하기까지 광로장을 변화시켰을 때의 변화량)을 '특정 광로장'이라고 하는 경우가 있어, 이것이 그 피측정물의
형상의 변위를 나타낸다.
도 1에서, 광원(1)은, 간섭을 일으키게 하기 위해서 광대역에 걸쳐서 다수의 파장 성분을 갖는, 코히렌스[0027]
(coherency)가 낮은 빛을 출사하는 백색광원을 이용한다. 콜리미터 렌즈(2)는, 광원(1)으로부터의 백색광(광대
역광)을 집광하여 빔 스플리터(3)에 보낸다. 빔 스플리터(3)는, 백색광의 방향을 변환하여 대물렌즈(4)에 보낸
다. 대물렌즈(4)는, 백색광을 평행광으로 하여 빔 스플리터(5)(광로형성부)에 보낸다. 빔 스플리터(5)는, 대
물렌즈(4)로부터 받은 백색광을 2방향으로 분기하여, 하나는 측정광으로서 피측정물(7)에 보내고{빔 스플리터
(5)로부터 피측정물(7)에의 광로를 측정광로로 한다.}, 다른 하나는 참조광으로서 참조거울(6)에 보낸다(빔 스
플리터(5)로부터 참조거울(6)에의 광로를 참조광로로 한다.). 이 예에서는, 빔 스플리터(5)와 참조거울(6)과의
사이는 고정, 즉 참조광로의 광로장은 일정한 고정 길이로 되어 있다. 빔 스플리터(5) 대신에, 반투명경으로
구성할 수도 있다.
측정광로는, 피측정물(7)의 표면상의 측정하고 싶은 원하는 조사 범위를 동시에 백색광으로 조사되는 구성으로[0028]
되어 있다.
피측정물(7)은, 광로장 가변수단으로서의 피에조(8)의 위에 탑재되어 있다. 피에조(8)는, 압전소자로[0029]
구성되어, 광로장 제어수단(16)으로부터의 지시에 의해, 연속적으로, 피측정물(7)을 XY평면(도 1의 지면에 직교
하는 면)에 대해서 Z축방향(도 1의 지면의 상하방향)으로 변위(이동)시키는 것에 의해 측정광로의 광로장을 소
정 속도로 가변 제어한다.
등록특허 10-1011925
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한편, 여기에서는, 본 발명에 있어서의 광로장을 변화시키는 가변 방법으로서는, 연속적인 가변이며, 가변속도[0030]
를 일정하게 하여 설명하지만, 뒤에 기술하는 카메라 등에 의한 데이터 취득 타이밍에 비해 세세한 스텝형상으
로 가변해도 좋다.
피에조(8)는, 광로장 제어수단(16)의 제어에 의해서, 빔 스플리터(5)의 고정 위치에 대해서 측정광로의 광로장[0031]
을 변화시키는 수단(광로장 가변수단)이다. 한편, 여기에서는, 참조광로의 광로장을 고정, 측정광로의 광로장
을 변화시킴으로써 설명하지만, 간섭무늬를 생성하기 위해서는, 피에조(8)를 참조거울(6)에 부착하여, 측정광로
를 고정하여, 참조광로의 광로장을 가변하는 구성으로 해도 가능하다.
참조거울(6) 및 피측정물(7)의 각각으로부터 반사되어 온 백색광(이하, '복귀광'이라고 하는 경우가 있다.)은,[0032]
빔 스플리터(5)로 합파(합성)되어, 대물렌즈(4)로 더 집광된다. 복귀광은, 빔 스플리터(3)를 통과하여 결상렌
즈(9)에 의해 평행광으로 되어 카메라(10)에 입력된다.
이 때, 광로장 제어수단(16)으로부터의 지시로, 피에조(8)가 측정광로의 광로장을 변화시키는 거리(혹은 변화시[0033]
킬 때의 시간간격)에 따라서, 카메라(10)가 복귀광을 촬상하는 것에 의해, 복귀광에 의한 간섭무늬가 촬상된다
(실제는, 촬상은, 복귀광을 촬상하고 있는 것뿐이지만, 그중에는 나중에 촬상 데이터를 전개했을 때에 나타나는
복귀광에 의한 간섭무늬를 포함하므로, '간섭무늬를 촬상'이라고 표현하고 있다). 촬상된 간섭무늬는, 메모리
(13)에 기억된다. 이 때, 측정광로는, 상기와 같이 피측정물(7)의 원하는 조사 범위 전체를 백색광에 의해 동
시에 조사하는 구성으로 되고 있으므로, 조사 범위의 각 조사 위치, 즉 측정하고 싶은 위치(이하, '측정위치'라
고 한다.)로부터의 복귀광에 대응하는 간섭무늬가 촬상된다.
한편, 도 1의 광학계의 변형으로서는, 대물렌즈(4)의 위치를 도 1의 위치 대신에, 측정광로와 참조광로의 각각[0034]
에 대물렌즈를 배치하는 광학계를 구성할 수도 있으므로, 본 발명은, 도 1의 광학계에 한정되지 않는다. 다만,
이하의 설명은, 도 1을 따라서 설명한다.
카메라(10)에 의한 촬영의 타이밍 및 메모리(13)에 의한 기억의 타이밍은, 본 발명의 데이터의 취득 타이밍으로[0035]
서, 모두 광로장 제어수단(16)에 의해 동기하여 출력된다. 즉, 광로장 제어수단(16)이 소정속도로 피에조(8)에
광로장을 가변 지시하는 한편, 소정 시간간격의 타이밍 신호를 생성하여 카메라(10) 및 메모리(13)에 보내, 그
타이밍으로 데이터의 취득을 실시하게 한다. 즉, 카메라(10) 및 메모리(13)는, 그 타이밍 신호의 타이밍으로
복귀광의 촬상 데이터(복귀광의 휘도를 나타내는 휘도 데이터가 된다.)를 넣어, 기억한다.
일반적으로, 광대역광에 의한 간섭무늬는, 광대역광의 중심 파장 λ의 반의 반복 주기를 갖는다. 이 λ/2주기[0036]
의 파형을 취득하여 재현하기 위해서는, 앨리어싱의 발생을 방지하기 위해, 통상이면, 그 주기에 3개의 데이터
가 요구되므로, λ/(2×3)보다 빠른 반복의 타이밍으로 데이터 취득을 할 필요가 있다.
본 발명에서는 앨리어싱이 발생하는 타이밍으로 데이터를 취득하고 있으므로, 카메라(10)에 의한 촬영의 타이밍[0037]
및 메모리(13)의 기억 타이밍은, λ/6 보다 늦은(긴) 반복 주기(이하, '샘플링 타이밍 Fs'라고 하는 경우가 있
다.)에 있다. 구체적으로는, 광로장 제어수단(16)이 피에조(8)를 구동하여 광로장을 가변하는 속도를 v로
하면, 광로장 제어수단(16)은 λ/6v보다 늦은 시간간격의 제어 신호를 카메라(10) 및 메모리(13)에 보내, 그 제
어 신호의 타이밍으로 데이터를 취득시킨다. 광로장 제어수단(16)이 피에조(8)를 아날로그가 아니라 스텝으로
구동시킬 때는, λ/6v에 비해 빠른 시간간격의 타이밍 신호를 생성하여 피에조(8)에 광로장의 가변 지시를
한다.
결국, 메모리(13)는, 그 타이밍 신호의 시간간격을 어드레스로 하여 촬상 데이터를 기억한다. 이들 타이밍 진[0038]
행방향(즉 어드레스방향)이, 광로장방향(Z축방향)을 표시하게 된다. 그 때, 그 촬상 데이터를 측정위치(Xm,Y
p)와 합하여 기억한다. 측정 위치(Xm,Yp)의 정보는, 카메라(10)의 촬상소자의 위치에 대응한 XY방향의 화소의
위치이다. 도 2에, 메모리(13)에 기억된 데이터로부터 다음에 설명하는 신호처리수단(20)의 처리에 의해서 얻
어진 간섭무늬의 예를 나타낸다.
신호처리수단(20)은, 광로장 검출수단(14)과 변위 연산수단(15)을 구비하고 있다.[0039]
광로장 검출수단(14)은, 도 1과 같이, 간섭무늬 데이터 선택부(14a), 광로장 산출부(14c)로 구성된다. 간섭무[0040]
늬 데이터 선택부(14a)는, 메모리(13)로부터의 촬상 데이터, 예를 들면, 측정위치(Xm,Yp)의 데이터를 받아,
FFT(푸리에 변환)에 의해 주파수 영역의 데이터로 변환한다. 그렇게 하면, 도 7(E)에 나타내는 바와 같이 앨리
어싱에 의한 주파수 성분{도 7(E) 점선부분}과 본래의 간섭무늬의 주파수 성분의 각 데이터가 존재하므로, 필터
에 의해 분리하여, 앨리어싱에 의한 주파수 성분을 제외하여, 간섭무늬의 성분{도 7(E) 실선부분}을 분리해 꺼
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낸다.
그 후, 도 7(F)에 나타내는 바와 같이, 간섭무늬 데이터 선택부(14a)는, 주파수축을 본래의 주파수축, 즉, 샘플[0041]
링정리에 따라 앨리어싱이 발생하지 않는 것과 같은 샘플링 타이밍으로 샘플링했을 때의 주파수 영역의 주파수
축으로 축척을 되돌려(본래의 샘플링 주파수보다 낮은 주파수로 앰프링하고 있기 때문에, 말하자면 주파수축이
분주된 형태로 표시되므로, 그것을 되돌린다.), 시간영역의 데이터로 재변환하고, 즉 간섭무늬 데이터로서 광로
장 산출부(14c)에 보낸다(도 2는, 그 때의 간섭무늬의 데이터이다.).
한편, 도 2의 간섭무늬의 파형으로, 간섭무늬의 특징값인 간섭무늬의 거의 중앙의 피크 위치는, 참조광로의 광[0042]
로장과 측정광로의 광로장이 동일하게 된 경우이다. 또한, 백색광에 의한 간섭무늬의 파장은, 광대역광의 요소
가 되는 각 파장의 합성으로 만들어져, 그들 대역의 거의 중앙의 파장 λ의 1/2이 된다. 또한, 도 2의 백색광
에 의한 간섭무늬의 광로장 방향으로의 넓이, 즉 간섭무늬의 포락선의 폭 Δt는, 백색광의 코히렌스의 정도(코
히렌스장), 바꾸어 말하면 주파수 영역에 있어서의 주파수 성분의 폭 ΔF에 의한다. 코히렌스가 낮을수록(코히
렌스장이 길수록), 즉 ΔF가 클수록, 폭 Δt는 좁아진다{도 7(A), (B)를 참조}. 간섭무늬의 주파수 성분의 최
고 주파수를 Fh라고 하면, 주파수 성분의 폭 ΔF는, ΔF≪[1/(λ/2)]
없어지므로, 간섭무늬의 피크치를 파악할 수 있는 정도의 간섭무늬의 폭 Δt가 되도록 폭 ΔF를 결정한다. 예
를 들면, 모델적인 설명이면서, 폭 ΔF를 최고주파수 Fh/2를 밑돌도록, 광원(1)의 대역폭을 결정하면, 도 7(E)
에 나타내는 바와 같이, 샘플링 후의 주파수대역중의 오른쪽 반에 간섭무늬의 실제 주파수 성분, 왼쪽 반에 앨
리어싱에 의한 주파수 성분(꺾임 주파수성분)에 배분되고, 또한 Fh/2를 컷으로 하는 하이 패스 필터에 의해 간
섭무늬의 실제 주파수 성분만을 추출할 수 있다. 즉 불필요성분인, 꺾임 성분을 제외한 주파수수성분을 얻을
수 있다.
광로장 검출수단(14)은, 앨리어싱에 의한 주파수 성분(꺾임 성분)을 제외한 실제 주파수 성분을 역FFT 처리하여[0043]
시간 영역의 새로운 간섭무늬로 변환하여, 그 새로운 간섭무늬의 피크 위치를 구하여, 그 위치의 광로장을 결정
한다(특정 광로장). '피크위치' (혹은, '피크의 위치')란, 백색광에 의한 간섭무늬의 휘도(진폭)가 최대(이하,
'피크'라고 한다.)가 되는 가로축상의 위치로서, 도 2에서, 가로축은, 측정광로의 광로장방향(Z축방향 : 도 1의
지면의 상하방향)이며, 또한 광로장 가변할 때의 시간축방향(카메라(10)에 의해 소정 시간간격으로 촬상될 때의
시간축방향)이다.
한편, 메모리(13)에 기억되는 촬상 데이터는, 메모리(13)에 기억된 타이밍(샘플링 타이밍)으로 기억되므로(도 2[0044]
는, 그것들을 묶어 연속적으로 표현한 것이다.), 광로장 검출수단(14)은, 간섭무늬 데이터 선택부(14a)에서는,
간섭무늬에 대한 이산적인 데이터를 받는다. 이와 같이 이산적이기 때문에, 진폭의 극대점과 포락선의 피크 위
치가 일치하지 않는 것이 있지만, 매끄러운 특성이기 때문에 전후의 진폭의 극대점으로부터 보간 연산에 의해,
포락선의 피크 위치를 구해도 좋다. 예를 들면, 이산적인 촬상 데이터로부터 간섭무늬의 피크를 구하는 방법으
로서는, 광로장을 단계적으로 변화시켜, 그 변화한 소정의 광로장마다 촬상한 이산적인 촬상 데이터를 기초로
다음의 처리를 실시하는 기술이 있다. 촬상 데이터로부터 얻어지는 간섭무늬의 데이터로부터 디지털·하이패스
필터에 의해 직류성분을 제외한다. 교류성분이 된 데이터를 2승하여 정류한다. 정류된 반복성분에 비해 낮은
반복성분을 통과시키는 디지털·로우패스 필터를 통해 적분하여, 간섭무늬의 포락선 데이터를 산출한다. 즉,
통상의 포락선 검파를 실시한다. 이 때, 피크 위치의 섬세함의 요구에 따라서, 정류된 반복성분의 사이를 예를
들면 2승 특성으로 보간하여, 보간된 반복성분을 적분하여 포락선 데이터를 구한다. 이 포락선 데이터의 피크
가 되는 위치를 구한다. 한편, 촬상 데이터의 타이밍(시간간격)과 간섭무늬의 주기에 관계없이, 신호처리수단
(20)은, 일본특허공개공보 평성9-318329호에 기재와 같이, 이산적 처리로 피크 위치를 구해도 좋다.
변위 연산수단(15)은, 피측정물(7)의 측정범위의 각 측정위치에 있어서의 간섭무늬의 피크 위치의 광로장, 즉[0045]
각 특정 광로장으로서, 도 2의 예를 들면 측정 위치(Xm,Yp)에 있어서의 특정파장 t1과, 마찬가지로 하여 구한,
기준 측정위치(Xs,Ys)에 있어서의 특정 파장 ts와의 차이 ts-t1로부터, 기준 측정위치에 대한 측정치에 있어서
의 피측정물의 형상의 변위를 구한다.
[제 2 실시형태][0046]
도 3, 도 4 및 도 5를 기초로 설명한다(다만, 도 4는, 동작 원리를 설명하기 위한 도면이기도 하다.). 제 2 실[0047]
시형태는, 도 1의 제 1 실시형태가 간섭무늬의 피크위치를 진폭으로부터 구하고 있던 것에 있어서, 복수 주파수
성분, 예를 들면, 레드의 성분의 파장에 있어서의 위상과 그린 성분의 파장의 위상이 일치한 광로장을 특정 광
로장으로서 구하는 형태이다. 도 1의 신호처리수단(20)을 도 3의 신호처리수단(20a)으로 바꾸어 놓고, 또한 도
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5의 카메라(10)를 칼라 카메라로 한 것이다. 따라서, 도 1에서, 광원(1)은, 광대역에 걸치는 다수의 파장 성분
에 적어도 2파의 파장 대역의 성분을 포함한 광원으로서, 여기에서는, 예를 들면, 레드, 그린의 각 색 파장대를
포함한 광원을 이용한다. 레드, 그린의 각 색 파장의 빛을 합성하여 이용해도 좋다. 신호처리수단(20a) 이외
의 다른 구성, 동작, 타이밍 등은, 도 1과 같다. 이하, 신호처리수단(20a)에 대해 설명한다.
도 3에서 간섭무늬 데이터 선택부(14e)는, 도 1의 간섭무늬 데이터 선택부(14a)와 기본적으로 같지만, 본 발명[0048]
의 메인의 구성의 하나라도 있으므로, 도 4를 이용하여 설명한다. 간섭무늬 데이터 선택부(14e)는, 카메라(1
0)나 메모리(13)가, 상기와 같이 앨리어싱을 발생시키는 샘플링 타이밍(λ/6보다 긴 기간의 타이밍)으로 데이터
를 취득하고 있으므로, 메모리(13)로부터의 시간 영역 데이터를 FFT로 주파수 영역 데이터로 변환하고, 그 앨리
어싱에 의한 불필요 성분을 필터링하여, 간섭무늬의 주파수 성분을 취득하고, 파장 선택부(14d)에 보내, 파장
선택부(14d)에서, 주파수축을 원래의 시간축상의 간섭무늬로 되돌린다.
간섭무늬 데이터 선택부(14e)는, FFT에 의해서, 얻어진 도 4(D)의 데이터 중, 오른쪽 반의 데이터{도 4(D)에서[0049]
엷은 회색으로 나타내는 데이터}를 원하는 데이터로서 필터로 선택하여 남기고, 그 전의 주파수대에 있는 불필
요 성분을 제거한다. 그리고 도 4(D)의 주파수축을 신장하여{도 4(E)의 회색의 영역으로 나타내는 오른쪽 반}
바탕으로 되돌려 파장 선택부(14d)에 보낸다.
여기서, 도 4를 이용하여, 전반적인 원리적인 설명을 해둔다. 도 4(A)는, 레드, 그린의 각 파장 성분에 의한[0050]
간섭무늬이며, 샘플링정리를 만족하는 샘플링 타이밍 T0(상기λ/6 v보다 빠른 타이밍)으로 측정한 경우에서의
예이다. 도 4(B)는, 도 4(A)의 주파수 영역으로 변환한 데이터이다. 그리고, 이 경우는, 필터에 의해 왼쪽 반
의 데이터가 선택되어, 그리고 이용된다. 본 발명에 의하면, 예를 들면, 샘플링정리를 만족하는 샘플링 타이밍
의 T0의 반으로, 또한 앨리어싱이 발생하는 타이밍으로 데이터 취득(샘플링)하면, 도 4(A)를 대신하여 도 4(C)
와 같은 시간 영역의 데이터에 얻을 수 있다. 주파수 영역의 데이터로서는, 도 4(B)의 데이터를 대신하여, 도
4(D)와 같이 도 4(B) 주파수 성분의 분포에 비하여, 좌우의 분포가 바뀐 데이터를 얻을 수 있다. 즉 도 4(B)의
오른쪽의 불필요한 성분이 앨리어싱에 의해 도 4(D)의 왼쪽의 주파수 위치에 나타나고, 도 4(B)의 왼쪽의 본래
의 간섭무늬의 성분이 도 4(D)의 오른쪽의 주파수 위치에 나타난다. 그리고, 도 4(D)의 주파수축은, 도 4(B)의
주파수축에 비하여, 샘플링 주파수의 관계에서 반이 되고 있다. 따라서, 도 4(B)의 왼쪽의 성분 파형과 도
4(D)의 오른쪽의 성분 파형이 같으므로, 이것을 필터로 분리하고, 또한 도 4(E)와 같이 축척을 바꾸면, 본래 얻
고 싶은 도 4(B)의 왼쪽 반의 주파수 성분의 데이터를 얻을 수 있다.
타이밍 관계를 구체적으로 설명하면, 예를 들면, 카메라(10)에 의해 샘플링정리에 기초하는 샘플링 타이밍 T0의[0051]
x배{상기 도 4(c)에서는 2배}의 타이밍에 의한 샘플링 데이터수 m으로 시간영역의 간섭무늬 데이터를 FTT처리에
의해 주파수 영역 데이터로 변환한 것으로 하면, 샘플링정리에 기초하는 샘플링 타이밍 T0에 기초하는 샘플 데
이터수 n으로 하면, m=n/x가 되어, 그 만큼 주파수축상의 눈금이 줄어들어서 취급된다. 즉, 상기한 바와 같이
분주된 형태로 나타난다. 따라서, 간섭무늬 데이터 선택부(14e)는, 도 4(D)의 주파수축의 축척을 바꾸어, 도
4(E)와 같이 샘플링정리에 기초하는 주파수축{도 4(B)로 같다}과 동일하게 처리하기 위해서는, FFT 처리에 있어
서 취급하는 샘플 데이터수를, m개에 더하여, 수 Δn=n-m=n(x-1)/x만, 값 0의 데이터로 보충하는(0패딩) 처리를
한다. 즉, 샘플링 데이터수가 적어져 빈 n-m의 주파수 영역을 0의 데이터로 메운다. 한편, 이론적으로는 주파
수축이 n/x만 축척되므로, 샘플링 데이터수를 변경하는 일 없이 이것 주파수축상의 눈금을 x배로 바꿔 읽어 취
급해도 좋다. 또한, 이 FFT에 의한 샘플 데이터수와 주파수축과의 관계는, 상기의 실시형태 1에서도 같다.
도 3에서, 파장 선택부(14d)는, 간섭무늬 데이터 선택부(14e)로부터 보내져 온 주파수 영역의 데이터를 받아 필[0052]
터에 의해, 예를 들면, 주파수가, 블루(B) 성분, 그린(G) 성분, 레드(R) 성분의 3개로 분류하여, 각각의 성분을
광로장 산출부(14f)에 보낸다. 광로장 산출부(14f)내에서는, 각각의 성분을 받아 역푸리에 변환하여 얻어진 시
간영역의 간섭무늬 데이터에 있어서 B위상 산출부(14f1), G위상 산출부(14f2), R위상 산출부(14f1m)의 각각이,
해당하는 성분의 위상 변화를 구한다(예를 들면, 직교 복조하여 위상을 구한다.). 도 5가 광로장의 변화(가로
축)에 대한 그들의 각 위상변화(세로축)를 나타낸다. 그리고, 광로장 결정수단(14f4)이, 도 6에 나타내는 바와
같이, 3성분의 위상이 일치한 광로장을 그 측정위치에 있어서의 특정 광로장으로서 결정한다. 이 때, 데이터가
이산적인 것으로부터, 위상의 일치점의 광로장을 특정하기 어려운 경우는, 상기와 같이 보간하는 등의 방법을
이용한다.
상기 구성 중, 신호처리수단(20,20a) 및 광로장 제어수단(16)은, CPU 및 메모리로 구성할 수 있다.[0053]
이상과 같이, 앨리어싱이 발생하는 타이밍으로 데이터를 취득하여 측정할 수 있으므로, 데이터 취득회수를 줄일[0054]
수 있다. 따라서, 주된 측정시간으로서[광로장 가변시간 데이터 취득회수×(노광시간 취득처리시간)]으로 표시
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되는 것으로 하면, 데이터 취득회수가 줄어드는 분만큼, 측정시간이 단축할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 제 1 실시형태의 기능 구성을 나타내는 도면이다.[0055]
도 2는 간섭무늬를 설명하기 위한 도면이다.[0056]
도 3은 도 1의 광로장 검출수단을 바꾼 제 2 실시형태를 나타내는 도면이다.[0057]
도 4는 도 3의 간섭무늬 데이터 선택부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.[0058]
도 5는 도 3의 광로장 결정수단의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 각 주파수 성분의 간섭무늬를 나타낸다.[0059]
도 6은 도 3의 광로장 결정 수단의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 각 주파수 성분의 위상 특성을 나타낸다.[0060]
도 7은 제 1 실시형태에 있어서 앨리어싱의 영향을 제외하고 간섭무늬를 구하는 동작을 설명하기 위한[0061]
도면이다. 또한, '발명이 해결하려고 하는 과제'의 란에서 본 발명의 배경을 설명하기 위한 도면이기도 하다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>[0062]
1 : 광원 2 : 콜리미터 렌즈 [0063]
3 : 빔 스플리터 4 : 대물렌즈 [0064]
5 : 빔 스플리터 6 : 참조거울[0065]
7 : 피측정물 8 : 피에조 [0066]
9 : 결상렌즈 10 : 카메라[0067]
13 : 메모리 14 : 광로장 검출수단[0068]
14a,14e : 간섭무늬 데이터 선택부 14d : 파장 선택부[0069]
14, 14f : 광로장 산출부 15 : 변위 연산수단[0070]
16 : 광로장 제어수단 18 : 유저 인터페이스 [0071]
20,20a : 신호처리수단[0072]
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도면
도면1
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도면2
도면3
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도면4
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도면5
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도면6
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삼차원 형상 측정장치(AN APPARATUS FOR MEASURING THREE-DIMENSIONAL SHAPE)
2018. 5. 3. 16:53