High-speed high-resolution 3D profile measurement system with dual-wavelength HiLo optical imaging technique

Abstract

Various techniques to measure the three-dimensional (3D) surface profile of a 3D micro- or nanostructure have been proposed. However, it is difficult to apply such techniques directly to industrial uses because most of them are relatively slow, unreliable, and expensive. HiLo optical imaging technique, which was recently introduced in the field of fluorescence imaging, is a promising wide-field imaging technique capable of high-speed imaging with a simple optical configuration. It has not been used in measuring a 3D surface profile although confocal microscopy originally developed for fluorescence imaging has been adapted to the field of 3D optical measurement for a long time. In this paper, to the best of our knowledge, HiLo optical imaging technique for measuring a 3D surface profile is proposed for the first time. Its optical configuration and algorithm for a precisely detecting surface position are designed, optimized, and implemented. In addition, a dual-wavelength HiLo method that removes the physical movement of the grating filter by using dual-wavelength light to further improve speed is proposed, and it is shown that with this method images similar to real-time images can be acquired without degradation of performance. Optical performance for several 3D microscale structures is evaluated, and it is confirmed that the capability of measuring a 3D surface profile with HiLo optical imaging technique is comparable to that with confocal microscopy.

마이크로 및 나노 기술의 발달에 따라, 미세구조의3차원 측정에 대한 요구 또한 증가하고 있다. 3차원 측정 장치는 크게 접촉식과 비 접촉식으로 구분되며, 측정 속도, 시료의 오염 등의 이유로 비접촉식이 선호되고 있다. 비 접촉식은 다시 파장의 크기에 따라 전자현미경과 가시광선 현미경으로 구분되는데, 가시광선 영역에서는 원자 현미경, 백색광 간섭계, 레이저 스캐닝 공초점 현미경, 구조조영 현미경 등을 주로 활용한다. 그런데, 상기의 방법들은 측정 시간이 길거나, 고가의 레이저 장비가 필요하거나, 측정 영역이 제한 되는 등 각각의 제약 요소가 존재한다. 본 연구에서는, 이러한 제약 요소를 고려하여 대면적 촬영이 가능하여 측정 시간이 빠르고, 레이저 등 고가의 장비를 활용하지 않으면서, 레이저 스캐닝 공초점 현미경과 비견되는 수직방향 해상도를 가지는 3차원 측정 기법을 개발하는 것을 목표로 하였다.

형광영상 분야에서 2008년 소개된 HiLo영상기법은 패턴필터가 적용된 2장의 대면적 형광영상을 신호처리하여 3차원 분해능을 가진 영상을 획득하는 기술이다. 대면적 영상을 기반으로 하는 이 기술은 기존의 3차원 공초점 형광현미경의 레이저 주사방식에 비해 매우 빠르면서도 기존의 3차원 해상도와 비교할 만한 수준을 유지하고 있다는 장점을 가지고 있다.

HiLo 영상 기법은 최초 소개된 이후 형광영상 분야에서만 적용되어 왔으며, 현재까지 3차원 표면의 반사광을 측정하는 연구가 진행되지 않아 본 연구에서 그 가능성을 최초로 검토하였다. HiLo 영상 기법을 검증하기 위해 HiLo 영상 기법의 이론적 배경을 표면의 반사광 측정에 맞게 재구성하였으며, 범용 광학 부품과 자체 제작한 부품을 활용하여 실험 장치를 구성하였고, 소프트웨어 알고리즘을 구현하였다. 형상과 높이가 검증된 표준샘플을 활용하여 성능을 검증하였으며, 시료 표면의 반사광을 측정하는 경우에도, 형광영상과 동일한 수평 및 수직방향 밝기 분포를 획득할 수 있음을 확인하였다. 이와 함께, HiLo 영상 기법의 핵심 설계 변수인 구조조영 필터의 격자 간격을 변화시키면서 측정하여 최적 격자 간격을 도출하였다.

그런데, HiLo 영상 기법이 대면적을 동시에 촬영할 수 있는 고속 영상 기법임에도 불구하고, 패턴필터의 물리적 이동과 함께 순차적으로 2개의 영상을 획득하는 과정에서 발생하는 시간 소요로 실시간 영상을 구현하기는 어렵다. Spatial light modulator (SLM) 또는 digital micro-mirror device (DMD) 등을 채택하여 속도를 개선 시킬 수 있으나, 순차적 영상 획득이라는 근본적인 한계가 있다. 이 때문에, HiLo 영상 처리에 필요한 2개의 영상을 동시에 획득할 수 있는 양파장 HiLo 영상 기법을 제안하였다. 이것은 염색물질의 특성에 따라 입사광의 파장과 무관하게 출력광의 파장대가 일정한 형광 염색 분야와 달리, 반사광을 측정하는 경우에는 다수 파장대의 입사광을 동시에 조영하여도 입사광과 동일한 파장대의 반사광을 분리 검출할 수 있다는 점에 착안하였다..

먼저, 서로 다른 파장을 가지는 2개의 광원 중 1개 광원의 광 경로에만 구조조영 패턴를 배치하여 구조조영 광원과 균일 조영 광원을 각각 생성하였다. 생성된 2 광원을 동시에 시료에 조영한 후, 시료의 반사광을 각 광원의 파장대의 빛만 통과시키도록 band-pass filter가 설치된 2대의 카메라를 활용해 2개의 영상을 동시에 획득하도록 하였다. 상기 방법으로 패턴 필터의 물리적 이동 없이 HiLo 기법에 필요한 2개의 영상을 동시에 획득할 수 있게 되어, 1~2초 수준의 기존 HiLo 영상 획득 시간을 실시간으로 단축할 수 있었다.

이때, 서로 다른 파장의 광원과 2개의 카메라를 사용하는 것을 고려하여 기존 HiLo 영상 처리 방법을 일부 수정하였다. 파장 별 렌즈 초점거리 차이를 보정하였고, 동시에, 2개 카메라의 미세한 정렬 오차를 소프트웨어적으로 보정하였다. 기존 HiLo 영상 기법과 동일한 시료를 측정한 결과와 양파장 HiLo를 통해 측정한 결과를 비교한 결과 기존 HiLo와 동일한 수준의 수평, 수직방향 해상도를 가짐을 확인하였다.

본 연구에서는 또한, 수직 방향으로 일정 간격으로 대물렌즈를 이동시키면서 획득한HiLo 및 양파장 HiLo 이미지들의 활용해 3차원 표면 프로파일을 재구성하는 알고리즘을 제시하였다. 적층한 2차원 영상을 정렬하는 전처리 단계, 밝기 정보에 기반하여 표면의 위치를 결정하는 3차원 재구성 단계, 획득한 3차원 프로파일의 평평도 및 측정 오차를 보정하여 최종 영상을 획득하는 단계를 거치게 된다.

반복성 테스트를 통해 20 nm 수준의 측정 정밀도를 보임을 확인하였으며, 다수 샘플 측정 결과 상용 레이저 스캐닝 공초점 현미경과 동일 또는 유사한 수준의 형상과 측정 결과값을 획득할 수 있음을 확인하였다.