비전을 이용한 광학식 검사공정이나 그 밖의 광학 현미경을 이용한 측정에 있어서 초점조절은 곧바로 측정 정밀도에 영향을 주는 중요한 요소이다. 본 논문에서는 핀홀 대신 광섬유를 사용하는 공초점 현미경 구조와 하나의 광섬유가 광원과 검출기의 역할을 동시에 수행하는 상반구성(reciprocal scheme)을 적용함으로써 간결하게 시스템을 구성하면서 광축 정렬을 용이하게 하였으며, 압전소자(PZT)를 이용한 광섬유 광원의 광축 방향 변조를 통해 방향 정보가 실린 초점오차 신호를 획득함으로써 빠른 초점조절을 구현하였다. 대물렌즈 변조방식과 달리 광원 변조방식은 현미경 시스템에 미치는 물리적 영향을 줄일 수 있으며, 기존의 장치에 탑재가 비교적 용이하다는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 변조 진폭과 시편의 반사도 및 기울기 변화에 따른 초점오차 신호의 변화를 측정하였으며, 거울 시편에 대한 초점조절을 통해 본 시스템의 성능을 평가해 보았다. 또한 종방향 특성곡선의 반치폭 비교실험을 통해 광원 변조는 광축 방향 분해능에 영향을 주지 않음을 확인하였다.
비전을 이용한 광학식 검사공정이나 그 밖의 광학 현미경을 이용한 측정에 있어서 초점조절은 곧바로 측정 정밀도에 영향을 주는 중요한 요소이다. 본 논문에서는 핀홀 대신 광섬유를 사용하는 공초점 현미경 구조와 하나의 광섬유가 광원과 검출기의 역할을 동시에 수행하는 상반구성(reciprocal scheme)을 적용함으로써 간결하게 시스템을 구성하면서 광축 정렬을 용이하게 하였으며, 압전소자(PZT)를 이용한 광섬유 광원의 광축 방향 변조를 통해 방향 정보가 실린 초점오차 신호를 획득함으로써 빠른 초점조절을 구현하였다. 대물렌즈 변조방식과 달리 광원 변조방식은 현미경 시스템에 미치는 물리적 영향을 줄일 수 있으며, 기존의 장치에 탑재가 비교적 용이하다는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 변조 진폭과 시편의 반사도 및 기울기 변화에 따른 초점오차 신호의 변화를 측정하였으며, 거울 시편에 대한 초점조절을 통해 본 시스템의 성능을 평가해 보았다. 또한 종방향 특성곡선의 반치폭 비교실험을 통해 광원 변조는 광축 방향 분해능에 영향을 주지 않음을 확인하였다.
The autofocus is one of the important processes in the automated vision inspection or measurements using optical microscopes, because it influences the measuring accuracy. In this paper, we used the confocal microscope configuration based on not a pinhole but a single-mode optical fiber. A single mo...
The autofocus is one of the important processes in the automated vision inspection or measurements using optical microscopes, because it influences the measuring accuracy. In this paper, we used the confocal microscope configuration based on not a pinhole but a single-mode optical fiber. A single mode fiber has the functions of source and detector by applying the reciprocal scheme. As a result, we acquired a simple system configuration and easy alignment of the optical axis. Also, we embodied a fast autofocus system by acquiring the focus error signal through a source modulation technique. The source modulation technique can effectively reduce physical disturbances compared with objective lens modulation, and it is easily applicable to general optical microscopes. The focus error signal was measured with respect to the modulation amplitude, reflectance of the specimen and inclination angle of the measuring surface. The performance of the proposed autofocus system was verified through autofocusing flat mirror surface. In addition, we confirmed that source modulation rarely degrades the depth resolution by the comparison between the FWHMs of axial response curves.
The autofocus is one of the important processes in the automated vision inspection or measurements using optical microscopes, because it influences the measuring accuracy. In this paper, we used the confocal microscope configuration based on not a pinhole but a single-mode optical fiber. A single mode fiber has the functions of source and detector by applying the reciprocal scheme. As a result, we acquired a simple system configuration and easy alignment of the optical axis. Also, we embodied a fast autofocus system by acquiring the focus error signal through a source modulation technique. The source modulation technique can effectively reduce physical disturbances compared with objective lens modulation, and it is easily applicable to general optical microscopes. The focus error signal was measured with respect to the modulation amplitude, reflectance of the specimen and inclination angle of the measuring surface. The performance of the proposed autofocus system was verified through autofocusing flat mirror surface. In addition, we confirmed that source modulation rarely degrades the depth resolution by the comparison between the FWHMs of axial response curves.
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문제 정의
페룰은 광축 방향 변조를 위해 압전소자에 고정되어 있는데, 압전소자의 구동을 페룰에 전달하기 위해서 원형의 알루미늄 판 중심에 페룰 직경 크기의 구멍을 뚫어 페룰을 삽입하고 반지름 방향의 나사를 통해 고정시키는 구조로 설계하였다. 또한, 페룰의 끝단은 광축정렬을 쉽게 하고 광원 변조를 위한 구조를 간단하게 하기 위해서 평탄한 면으로 가공하였다. 페룰 끝단에서 점광원의 형태로 출발한 광은 F/G와 압전소자 증폭기를 통해 발생되는 변조신호에 의해 일정한 주파수와 진폭을 갖는 신호로 변조된다.
본 논문에서는 비전을 이용한 검사 장비 또는 비접촉 3차원 형상 측정기에 쉽게 적용될 수 있는 현미경 자동초점 조절 시 스템을 제안하였다. 핀홀 대신 단일모드 광섬유를 사용하는 공초점 현미경 구조와 하나의 광섬유가 광원과 검출기의 역할을 동시에 수행하는 상반구성을 적용함으로써 간결하게 시스템을 구성하면서 광축정렬을 용이하게 하였으며 광원 변조방법을 통하여 초점오차 신호를 획득함으로써 시스템에 대한 물리적 영향을 최소화하면서 기타 왜란에 강인한 초점조절이 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 앞서 언급했던 능동적인 자동초점 조절 방법들이 갖는 단점들을 극복할 수 있는 새로운 초점 조절 시스템을 제시한다. 전통적인 공초점 현미경 구조에서 핀홀을 광섬유로 대체하게 되면 시스템 구성을 단순화시킬 수 있고, 광섬유 광원 자체를 다시 검출기로 활용하는 것이 가능해지기 때문에 광축정렬의 어려움을 크게 해소할 수 있다.
제안 방법
마지막으로 공초점 시스템의 종 방향 특성 곡선을 얻기 위해서 유효동공함수에 탈초점 위상 계수(defbcus phase factor), 도입한다. 결과적으로, 최종 광강도, /(z)는 식(6)과 같이 표현된다.
그림 10은 거울면을 이용하여 예상되는 초점 위치에 대해 양쪽 방향으로 10 ㎛ 떨어진 위치에서 자동초점 조절을 수행하는 과정을 보여준다. 앞서 언급한 노이즈 크기를 고려하여 초점 영역을 설정하고 그 영역 내로 미소신호동 기증폭기 신호가 들어오도록 제어를 수행하였다. 그림 10에서 알 수 있듯이 제어가 끝난 위치에서 미소신호동 기증폭기 신호는 양쪽 방향 모두 설정된 초점 영역 내로 수렴하였으며, 양쪽 방향의 초점 위치를 나타내는 스테이지 위치의 차이는 0.
3인 단일모드 광섬유를 사용하였다. 페룰은 광축 방향 변조를 위해 압전소자에 고정되어 있는데, 압전소자의 구동을 페룰에 전달하기 위해서 원형의 알루미늄 판 중심에 페룰 직경 크기의 구멍을 뚫어 페룰을 삽입하고 반지름 방향의 나사를 통해 고정시키는 구조로 설계하였다. 또한, 페룰의 끝단은 광축정렬을 쉽게 하고 광원 변조를 위한 구조를 간단하게 하기 위해서 평탄한 면으로 가공하였다.
본 논문에서는 비전을 이용한 검사 장비 또는 비접촉 3차원 형상 측정기에 쉽게 적용될 수 있는 현미경 자동초점 조절 시 스템을 제안하였다. 핀홀 대신 단일모드 광섬유를 사용하는 공초점 현미경 구조와 하나의 광섬유가 광원과 검출기의 역할을 동시에 수행하는 상반구성을 적용함으로써 간결하게 시스템을 구성하면서 광축정렬을 용이하게 하였으며 광원 변조방법을 통하여 초점오차 신호를 획득함으로써 시스템에 대한 물리적 영향을 최소화하면서 기타 왜란에 강인한 초점조절이 가능하도록 하였다. 결과적으로 다양한 시편의 반사도 및 기울기에 대한 본 시스템의 적용 가능성을 확인하였고, 변조의 효과가 광축 방향 분해능에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
대상 데이터
M Plan Apo 10 배 렌즈(NA = 0.28)를 사용하였다. 측정 시 편의 광축 방향이송을 위해 SURUGA SEIKI사의 스텝모터 스테이지를 사용하였는데, 분해능은 20 nm, 반복능은 300 nm, 최대 행정은 20 mm였다.
LD에서 출발한 광은 2X 1 광결합기를 거쳐서 페룰이 연결된 광섬유 끝단으로 전파된다. 광섬유는 633 nm 파장대의 코어 직경이 3.3인 단일모드 광섬유를 사용하였다. 페룰은 광축 방향 변조를 위해 압전소자에 고정되어 있는데, 압전소자의 구동을 페룰에 전달하기 위해서 원형의 알루미늄 판 중심에 페룰 직경 크기의 구멍을 뚫어 페룰을 삽입하고 반지름 방향의 나사를 통해 고정시키는 구조로 설계하였다.
그림 1은 본 논문에서 제안한 자동초점 시스템 개략도를 나타낸다. 광원으로는 635 nm 파장을 갖는 LD를 사용하였다. LD에서 출발한 광은 2X 1 광결합기를 거쳐서 페룰이 연결된 광섬유 끝단으로 전파된다.
28)를 사용하였다. 측정 시 편의 광축 방향이송을 위해 SURUGA SEIKI사의 스텝모터 스테이지를 사용하였는데, 분해능은 20 nm, 반복능은 300 nm, 최대 행정은 20 mm였다. 미소신호동 기증폭기와 광축방향 스테이지는 GPIB 통신으로 PC와 연결되어 있고, PD 신호는 A/D 보드를 통해서 PC에서 받게 된다.
성능/효과
핀홀 대신 단일모드 광섬유를 사용하는 공초점 현미경 구조와 하나의 광섬유가 광원과 검출기의 역할을 동시에 수행하는 상반구성을 적용함으로써 간결하게 시스템을 구성하면서 광축정렬을 용이하게 하였으며 광원 변조방법을 통하여 초점오차 신호를 획득함으로써 시스템에 대한 물리적 영향을 최소화하면서 기타 왜란에 강인한 초점조절이 가능하도록 하였다. 결과적으로 다양한 시편의 반사도 및 기울기에 대한 본 시스템의 적용 가능성을 확인하였고, 변조의 효과가 광축 방향 분해능에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
28이였고, 이와 같은 값들을 이용하여 수치적인 방법을 통해 식 (6)을 z에 대하여 나타내본 결과는 그림 4와 같다. 그림에서 알 수 있듯이 분해능을 의미하는 종 방향 특성 곡선의 반치폭은 대략 u 값으로 13, z 값으로 환산하면 5 urn 정도로 나타났는데, 이는 측정 시 편의 반사도가 100%, 광학계의 정렬 오차가 거의 없고, 광섬유가 오직 단일 모드만을 전파시킨다는 가정 하에 계산된 결과이므로 실제 실험값과는 어느 정도 차이를 보일 것으로 예상된다. 또한, 위결과는 이상적인 핀홀을 사용하였을 때의 값보다 2배 정도 크게 나타났는데, 단일 모드 광섬유를 적용하여 얻은 결과와 같은 직경을 갖는 핀홀을 사용하였을 때와의 차이는 바로 유효동공함수의 차이에서 비롯된다.
단일 모드 광섬유를 사용하는 경우, 광섬유의 코어가 오직 하나의 모드만을 받아들이기 때문에 레이저와 광원 부분의 광섬유 사이에 정렬 오차가 발생해도 광섬유로부터 출발하는 빔의 형태는 변하지 않으므로 시스템에 수차가 포함되지 않는다. 둘째, 먼지 등의 오염으로 인한 문제에 상당히 둔감해진다는 점을 들 수 있다. 핀홀의 경우, 먼지 등의 오염원으로 인해 핀홀이 쉽게 막히게 되어 신호크기의 감쇠와 아울러 수차가 발생할 가능성이 크고 이를 제거하기 위해 시스템으로부터 분리시키고 다시 정렬해야 하는 어려움이 있지만, 광섬유의 경우에는 끝단면이 먼지로 인해 영향을 받을 가능성이 적으며, 광섬유를 사용함으로써 레이저와 검출기, 기타 전자기기들을 현미경 자체로부터 분리시켜 놓을 수 있기 때문에 매우 단순하면서 왜란에 둔감한 시스템의 구현을 가능하게 한다.
그림에서 알 수 있듯이 분해능을 의미하는 종 방향 특성 곡선의 반치폭은 대략 u 값으로 13, z 값으로 환산하면 5 urn 정도로 나타났는데, 이는 측정 시 편의 반사도가 100%, 광학계의 정렬 오차가 거의 없고, 광섬유가 오직 단일 모드만을 전파시킨다는 가정 하에 계산된 결과이므로 실제 실험값과는 어느 정도 차이를 보일 것으로 예상된다. 또한, 위결과는 이상적인 핀홀을 사용하였을 때의 값보다 2배 정도 크게 나타났는데, 단일 모드 광섬유를 적용하여 얻은 결과와 같은 직경을 갖는 핀홀을 사용하였을 때와의 차이는 바로 유효동공함수의 차이에서 비롯된다. 핀홀 의 경우에는 코어 직경 내에서 유효동공함수값이 일정한 크
시편을 기울인 각도는 ±4~5º 정도였다. 예상할 수 있는 바와 같이, 반사도가 큰 시편일수록 두 그래프에서 신호의 크기가 모두 크게 나타나게 되며, 시 편의 기울기가 커질수록 신호의 크기는 작아지게 됨을 알 수 있다. 실제로 측정상에 존재하는 노이즈 크기(±0.
참고문헌 (11)
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D. K. Cohen, W. H. Gee, M. Ludeke, and J. Lewkowicz, 'Automatic focus control: the astigmatic lens approach,' Appl. Opt., vol. 23, no. 4, pp. 565-570, 1984
K. C. Fan, C. L. Chu, and J. I. Moll, 'Development of a low-cost autofocusing probe for profile measurement,' Meas. Sci. Technol., 12, pp. 2137-2146, 2001
M. Minsky, 'Microscope apparatus,' U.S. Patent 3013467, 1961
M. R. Harris, 'Scanning confocal microscope including a single fibre for transmitting light to and receiving light from an object,' U.S. Patent 5120953, 1992
R. Juskaitis, N. P. Rea, and T. Wilson, 'Semiconductor laser confocal microscopy,' Appl. Opt., vol. 33, no. 4, pp. 578-584, 1994
S. Kimura, and T. Wilson, 'Confocal scanning optical microscope using single-mode fiber for signal detection,' Appl. Opt., vol. 30, no. 16, pp. 2143-2150, 1991
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