KR100660952B1 - 레이저 스캐너 측정 시스템 - Google Patents

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KR100660952B1
KR100660952B1 KR1020007008844A KR20007008844A KR100660952B1 KR 100660952 B1 KR100660952 B1 KR 100660952B1 KR 1020007008844 A KR1020007008844 A KR 1020007008844A KR 20007008844 A KR20007008844 A KR 20007008844A KR 100660952 B1 KR100660952 B1 KR 100660952B1
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하르트룸프마티아스
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프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우.
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Abstract

본 발명은 레이저, 빔 반사부 및 방사용 광학계를 포함하는 전송부(transmission unit), 및 수광 빔 경로용으로 광학계 초점 면에 배열되는 광 검출기를 구비하는 수광부를 포함하는 레이저 스캐너 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 스캐너부와 수광부가 객체와 비교하여 동일 측면 상에 배열되며, 수광용 광학계의 수직 면이 스캐너부의 방사 방향과 평행이며, 즉 스캐너 및 수광 빔 경로가 외부 영역에서 언제나 동일한 광축을 가지거나 또는 이들 축들이 레이저 빔의 이동 방향과 수직으로 서로 평행하게 이동되는 것을 특징으로 한다.
레이저 스캐너 측정 시스템, 레이저, 빔 편향부, 방사부, 광 검출기, 수광부, 광 다이오드 어레이, 재귀반사부.

Description

레이저 스캐너 측정 시스템 {LASER SCANNER MEASUREMENT SYSTEM}
본 발명은 한쪽 측면으로부터 접근할 수 있으며 복잡한 형태 또는 구조를 가지는 객체를 측정하기 위한 레이저 스캐너 측정 시스템에 관한 것이다.
양쪽 면으로부터 접근할 수 있는 객체를 측정하기 위한 원거리 중심의(telecentric) 레이저 스캐너의 사용이 증가되었다. 이러한 스캐너들의 원리가 도 1에 예시되어 있다. 스캐너부(1)는 레이저 빔(2)을 대향하는 수광부(4)를 향하여 방사한다. 측정될 객체(3)가 빔 경로에 위치하지 않는 경우, 빔은 방해받지 않은 상태에서 수광부에 도달하며, 그 장소에서 광학 수광 시스템(5)의 초점에 위치하는 광 다이오드(6)에 의해 검출된다. 빔이 측정될 객체에 부딪치는 경우, 빔은 흐려진다(vignetted). 일정 속도(스캐닝 속도 Vs)를 지닌 레이저 빔은 측정을 위해 스캐너-수광부의 연결선과 평행하게 이동한다. 스캐닝 속도가 공지된 경우, 측정될 객체의 크기는 빔 흐림 시간에 따라 이동 방향과 수직으로 계산될 수 있다.
스캐닝 속도는 다음과 같이 고려될 수 있다.
1. 예를 들어 자동 제어기 수단에 의해 일정하게 유지되며, 이러한 일정한 값은 평가 시에 매개변수로 간주된다.
2. 스캐닝 속도는 측정된다. 측정은 예를 들어 스캐너의 편향부(deflector)의 각 속도 측정을 통해 간접적으로 이루어지거나, 또는 스캐너 내에 고정된 2개의 광 다이오드(7)에 의해 직접 이루어진다. 이들 광 다이오드는 스캔 시작(tstart) 또는 스캔 중단(tstop) 시점을 검출한다. 스캐닝 속도는 광 다이오드의 간격 및 스캔 중단과 스캔 시작 사이의 시간 차로 이루어지는 광 다이오드의 공간 상(商; quotient)이다. 광 다이오드의 간격은 구경측정(calibration)에 의해 결정된다.
다른 스캐닝 개념에서는 수광 시스템의 초점면 내에 하나의 광 다이오드 대신에 하나의 특수한 조리개(diaphragm) 및 2개의 광 다이오드를 사용한다(EP 0 439 803). 이러한 개념에 의해 레이저 빔의 빔 직경보다 작게 연장되는 객체들의 투영 (shadow) 측정이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 레이저 빔이 측정될 객체 상에 정확하게 맞춰질 때 프라운호퍼 회절 패턴(fraunhofer diffraction pattern)을 검토한다. 이 시점은 그 후 이들 2개의 휘도(intensity)의 총합이 최대가 된다고 하는 특징을 갖는다. 측정될 객체의 크기는 이 시점에 각각의 광 다이오드로 측정된 휘도의 비율에 따라 결정된다.
문제점
결국 전술한 레이저 스캐너는 오직 양 측면으로부터 접근할 수 있는 객체를 측정할 수 있다. 원칙적으로 흐려지게 하는 모든 특성에 의해 레이저 빔은 측정될 객체에 의해 완전히 측정될 수 있다.
이러한 특성에는 예를 들어,
·고체 로드(solid rod)의 경우에는 직경,
·프로파일된(profiled) 몸체의 경우에는 스캐닝 방향(시간이 진행됨에 따라 레이저 빔이 측정 필드를 통과하여 이동하는 방향)을 따라 형성되는 최대 연장,
·빗살형 구조(comb-shaped structure)의 경우에는 갈래(teeth)의 폭 또는 갈래 사이의 틈(gap)
등이 있다.
완전한 흐림 또는 프라운호퍼 회절을 야기하지 않는 객체의 특성들, 또는 단지 한쪽으로만 접근할 수 있는 측정될 객체들은 종래 기술에 의한 원거리 중심의 레이저 스캐너로는 측정할 수 없다.
전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 한쪽 측면으로부터 접근할 수 있으며 복잡한 형태 또는 구조를 가지는 객체를 측정하기에 적합하도록 레이저 측정 시스템을 개선한다. 본 발명에서는, 레이저 스캐너 측정 시스템에 의해 이 목적이 달성된다. 이러한 측정 시스템의 실시예는 종속항에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 한쪽 측면으로부터 접근할 수 있으며 복잡한 형태 또는 구조를 가지는 객체를 측정하기 위한 레이저 스캐너 측정 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 공지된 원거리 중심 스캐너 원리의 일례를 예시하는 도면이다.
도 2a 내지 2d는 서로 다른 재귀반사기를 가지는 본 발명에 의한 레이저 스캐너 측정 시스템의 일례를 예시하는 도면이다.
도 3은 암시야 조리개를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 일례를 예시하는 도면이다.
도 4는 암시야 조리개를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 다른 예를 예시하는 도면이다.
도 5는 암시야 조리개를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 또 다른 예를 예시하는 도면이다.
도 6은 암시야 조리개를 포함하는 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 또 다른 예를 예시하는 도면이다.
도 7은 객체와 비교하여 서로 다른 위치에 배열되는 다수(추가)의 재귀반사부를 가지는 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 일례를 예시하는 도면이다.
도 8은 레이저 빔이 스캐닝 면과 수직인 방향으로 광학 수단에 의해 분할되고, 개별적인 수신기가 각각의 스캐닝 라인에 제공되는, 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 일례를 예시하는 도면이다.
도 9a 및 9b는 모듈식 시스템으로 구성된 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 일례를 예시하는 도면이다.
도 10a 및 10b는 도 9a 및 9b에 따른 모듈식 시스템에 사용되는 다른 소자를 예시하는 도면이다.
측정은 예를 들어 결합된 조명/수광부(illuminating/receiving unit; 도 2의 도면 번호 8 참조)로 구성되는 레이저 스캐너 측정 시스템에 의해 한쪽 측면에서 이루어진다. 레이저(12)로부터 방사된 레이저 빔은 빔 스플리터(beam splitter; 11)를 통과하여 편향부(10) 및 결합된 광 방사/수광부(13)를 통해 외부 공간에 도달한다. 레이저 빔이 레이저 빔의 방향과 법선을 이루는 표면을 갖는 측정될 객체의 반사 표면 소자에 부딪치는 경우, 레이저 빔은 다시 수광부로 반사된다. 이러한 빔은 광학계, 편향부 및 빔 스플리터(splitter)를 통해 검출기(6)에 도달한다. 레이저 빔이 다시 반사되는 시점을 측정하여, 레이저 빔과 수직 방향인 이러한 표면 소자의 위치를 규정할 수 있다. 이러한 방법에 의해 예를 들어 원형 단면을 가지는 연마되어 윤이 나는 로드의 중심을 결정할 수 있다.
객체 표면의 산란 특성(scattering property)이 배경(9)의 산란 특성과 명확하게 구별되는 경우, 희미한(반투명의) 표면을 가지는 객체의 연장을 측정할 수 있다.
레이저 빔이 측정 필드에 따라 달라지는 산란 특성을 가지는 객체 표면 상을 스캐닝하는 경우, 명확하게 다른 산란 특성을 가지는 영역의 연장을 측정할 수 있다. 예를 들어 객체가 고체 상태에서는 흐릿한 표면을, 액체 상태에서는 윤이 나는 표면을 가지는 경우, 시간 변화에 따른 휘도 진행(development)으로부터 액체 영역의 크기를 산출할 수 있다.
2개의 재귀반사 표시자(retro-reflecting marker; 시트 지점)가 스캐너 수광부 내에 배열되어 있다고 가정하는 경우, 스캐닝의 시작 또는 끝을 측정할 수 있다. 시점의 검출은 수광 다이오드에 의해 이루어질 수 있다.
(예를 들어 재귀반사 시트(9a), 거울 반사되는 입방형 코너(9b), 또는 렌즈형의 재귀반사부 등)의 재귀반사부를 측정될 객체의 후방에 방사 방향으로 배치할 수 있는 경우, 또 다른 객체의 특성들을 측정할 수 있다. 재귀반사부는 충돌 빔(impinging beam)을 자기에게 되반사하거나, 스캐닝 면(이것은 레이저 스캐너의 광 축과 레이저 빔의 이동 방향에 의해 형성됨)과 수직 방향으로 이동하여 스캐너 수광부로 다시 반사한다. 특수한 구성 또는 배열의 재귀반사부를 사용함으로써, 특수한 형태의 측정을 수행할 수 있다. 여기에서는 다음의 바람직한 실시예를 예로 들어 구체적으로 설명한다.
·시트 반사부(sheet reflector; 도 2b의 9b)를 사용하는 경우, 그림자가 드리워질 수 있고, 이 그림자로부터 실제적으로 단지 한쪽 측면으로부터 접근할 수 있는 측정될 객체의 외부 윤곽(contour)을 결정할 수 있다.
·서로 수직인 2개의 거울(도 2c의 9c 참조), 2개의 구형(spherical) 렌즈 또는 원통형 렌즈(도 2d의 9d)가 후방에서 반사되도록 결합되어 이루어지는 프리즘 또는 재귀반사부는, 스캐너 시스템의 광학계 및 전자 시스템의 크기에 따라 측정될 객체가 재귀반사부의 대칭축과 수직인 방향을 넘어 최대로 연장되거나 중간 정도로 연장되는 것을 측정할 수 있도록 한다.
재귀반사부들을 본 발명에 따라 배열하는 경우, 측정될 객체의 기하학적으로 다른 크기들을 산출할 수 있는 가능성 또는 접근이 어려운 객체를 측정할 수 있는 가능성 이외에도, 단지 하나의 유닛만을 케이블화하면 된다는 이점이 생긴다. 게다가 시트 반사부를 사용하는 경우에는, 반사부를 조정할 필요가 없다.
레이저 빔이 측정될 객체에 부딪치는 시점은
·암시야 조리개가 광 검출부 앞에 배열되고
·전자 분석 시스템(electronic analysing)이 검출부에 부딪치는 방사가 최대치에 도달하는 시점을 결정함으로써
매우 정확하게 결정될 수 있다.
이러한 측정 기술은 객체 에지 상에 있는 경계 방사선의 회절을 이용한다. 이것은 스캐닝 동작이 진행되는 동안 레이저 출력의 변화 및 레이저 방사의 휘도 변화의 영향을 거의 받지 않는다. 이러한 측정 기술은 방사부 및 수광부가 분리된 레이저 스캐너(도 3)에 의해 구현될 수 있으며, 또한 결합된 방사부/수광부를 가지는 레이저 스캐너(도 4)에 의해서도 구현될 수 있다. 후자의 경우, 경우에 따라서는 암시야 조리개(dark field stop)의 전방에 추가 렌즈(16)를 배치하는 것이 바람직하다.
종래 기술에 의해 원거리 중심 레이저 스캐너를 사용하여 유리 튜브를 측정하는 경우, 외부 직경 상의 투영 에지와는 별개로, 광이 스캐너부로부터 수광부에 도달하는 특별한 3개의 추가 빔 경로가 존재하기 때문에 기능 불량이 발생할 수 있다.
1. 튜브 중심: 튜브는 그 곳에서 렌즈처럼 동작하고, 중앙 빔은 실제적으로 전혀 약해지지 않고 검출부에 도달한다.
2. 내부 벽 상의 2개의 반사: 튜브 상에 입사되는 방사는 튜브의 중심을 향하여 튜브 안으로 진입할 때 굴절되고 내부 벽 상에서 반사되며, 튜브를 떠날 때 다시 굴절된다. 들어가는 빔과 나오는 빔이 정확하게 튜브 두 곳에서 서로 평행하기 때문에, 빔은 수광부 내부에서 검출될 수 있다. 튜브 상의 이들 지점의 위치는 직경, 벽의 두께 및 튜브의 굴절률(refractive index)에 따라 달라진다.
종래 기술에 의한 배열의 경우 이들 신호의 진폭은 작지만, 측정을 방해할 수 있다. 본 발명에 적합한 배열들 중 하나는, 내부 벽 상의 반사가 잡음율이 크면서도 매우 잘 검출할 수 있는 신호들을 제공하여 이로부터 튜브의 벽 두께를 산정할 수 있도록 한다. 전자 분석 시스템을 통해 신호가 로컬 최대 레벨에 도달하는 시점들이 결정됨으로써, 이 신호들은 대단히 잘 활용될 수 있다. 이를 위한 하나의 방법은 전자 분석 시스템으로 다음의 조건들을 검증하는 것이다.
1. 신호의 파생이 제로 크로싱(zero crossing)을 갖는다.
2. 신호가 잡음보다 크다.
전술한 2개의 조건 모두를 충족하는 시간이 측정되는 경우, 벽의 직경 및 2개의 벽 두께 값을 간섭파에 비교적 민감하지 않게 검출할 수 있다.
먼지가 많은 환경 또는 공기의 강한 움직임 또는 교류가 있는 환경에서 측정을 수행해야 하는 경우, 이러한 형태의 에지 및 반사를 평가할 때 간섭파가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 본 발명에 따른 배열로 측정의 양호함을 현저히 증가시킬 수 있다. 이를 위해 빔 스플리터(17; 도 5 및 도 6 참조)에 의해 수광 빔 경로가 분할되어, 방사의 일부는 전방에 암시야 조리개를 가지고 광 다이오드 상에 도달하고, 방사의 다른 일부는 제2 광 다이오드에 직접 도달한다. 전술한 방법으로 에지를 결정할 수 있다. 측정 시에 투영 에지 사이의 구역 내의 최대 신호만을 사용하도록 하기 위해, 추가로 제공되는 휘도 측정을 사용한다. 공기 내의 스트리에이션(striation)과 투영 에지 외부 구역의 먼지에 의해 야기되는 간섭파는, 제2 광 다이오드 상의 신호가 임계값(필요한 경우 설정될 수 있음)을 초과하는 한, 또는 초과하는 즉시 활용을 차단함으로써 제거될 수 있다.
본 발명에 따라 하나의 광 다이오드 대신에 광 다이오드 어레이 또는 광 다이오드 매트릭스가 수광부 광학계의 초점면 내 또는 빔 편향부의 후방에 배열되는 경우, 에지 및 반사 위치를 동등하게 결정할 수 있다. 상기 매트릭스는 광 다이오드 어레이의 하나의 소자가 측정될 객체와 어떠한 상호작용도 하지 않고 외부 표면을 통과하는 방사의 일부분(fraction)을 검출하도록 배치되어야 한다. 이러한 소자의 신호는 본 발명에 따라 배열된 제2 광 다이오드로 검출되는 코스(course)를 갖고 있지만, (빔 스플리터 상에서 손실이 일어나지 않기 때문에) 이중의 진폭을 가진다.
위치에 민감한(position-sensitive) 광 다이오드(도 6 참조)가 제공되는 경우, 투영 에지 또는 내부 반사의 위치를 측정할 수 있으며, 부분적으로 투명한 측정될 객체 표면이 스캐닝 방향과 스캐닝 면에 대해 갖는 차이 각도(differential angle)의 평균을 추가로 구할 수 있다. 이러한 추가 측정은 표면 소자의 각도가 전달된 빔의 방향 전환을 야기하는 효과를 이용하는데, 상기 빔은 레벨 오프셋으로 초점면에서 검출될 수 있다.
또한 위치에 민감한 광 다이오드는 객체 표면 상의 반사와 스캐닝 면에 대한 객체의 경사각을 동시에 검출할 수 있다. 이를 위해, 광 다이오드는 본 발명에 따라 스캐너의 광 축에 대하여 0° 또는 180°와는 다른 각도로 배치되는 수광부 내에 센서로 일체화된다.
측정될 객체의 대향 측면 상에 있는 2개의 수광부가 스캐닝 방향에 대해서 일정한 각도로 배열되는 경우, 스캐닝된 구역의 폭보다 큰 연장을 가지는 측정될 객체를 측정할 수 있다. 수광부가 예를 들어 빔 방향에 대하여 ±90°의 각도로 배열되는 경우, 원통형 단면을 가지는 객체는 205의 계수만큼 축소된다. 이는 스캐닝된 구역에 비해 최대 1.4배의 연장을 가지는 객체를 측정할 수 있다는 것을 의미한다.
이와 대등한 것으로, 결합된 방사/수광부를 사용하는 한, 다수의 추가 재귀반사부를 적당한 위치에 배열하는 것을 들 수 있다(도 7 참조). 스캐닝 방향에 대한 수광부 또는 재귀반사부의 각도를 선택하여 광범위한 범위의 축소 기준(scale)을 다양하게 할 수 있다.
측정을 위해 다수의 재귀반사부가 투입되고, 예를 들어 스캐너부에 대하여 180°이하, +90°, -90°이하로 배열되면, 측정될 객체의 외주를 따라 중심 및 다수의 지점이 얻어진다(도 7 참조). 이로부터 예를 들어 이상적인 형태와 다른 측정될 객체의 형태를 측정할 수 있다. 측정된 객체의 횡단면은 예를 들어 타형(ellipse)으로 묘사될 수 있다. 상기 횡단면이 이상적인 원형과 다른 차이는 타형의 크기들에 의해 산출될 수 있다.
이런 식의 배열이 수렴성(convergent) 또는 발산성(divergent) 방사 방향을 가지는 스캐너와 함께 배열되는 경우, 측정될 객체 상의 2개의 정접(tangent)은 경계 방사선에서 결정될 수 있다. 객체 표면 상의 추가 지점들은 역 반사된 빔을 활용함으로써 얻어진다. 상기 측량 크기들로부터 스캐닝 면 내에서 측정될 객체의 직경 및 위치를 결정할 수 있다.
투명한 튜브를 측정하는 경우 이러한 배열은 또 다른 이점들을 제공한다. 이러한 배열을 가지는 경우, 외부 벽과 내부 벽에 반사된 광들 사이의 거리는 대체로 180°배열의 경우에 비해 훨씬 크다. 따라서 상기 배열은 측정의 정확성 또는 얇은 벽을 가지는 튜브의 측정을 모두 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 레이저 빔이 (예를 들어 스캐닝 방향과 평행하게 배치된 그리드와 같은)광학 수단에 의해 스캐닝 면과 수직으로 분할되는 한, 측정될 객체의 여타의 기하학적인 식별 크기들에 의해 측정이 용이해진다. 분리된 수광부를 사용하는 경우, 각각의 스캐닝 라인에 자체 수광부가 하나씩 제공된다. 결합된 스캐너/수광부가 사용되는 경우, 주로 방사 빔 경로 및 수광 빔 경로 사이를 분할하기 위해 빔 스플리터의 전방에 그리드가 배열되고, 빔의 경로는 이러한 그리드에 의해 분할된다. 그 후 수광된 빔 경로의 광학계 초점 내에, 활용될 빔 경로마다 광 다이오드 또는 광 다이오드 어레이 소자가 하나씩 제공된다. 스캐닝 빔 경로를 다수의 부분적 빔 경로로 분할함에 따라, 평면 위로 뻗는 객체 기하학의 코스가 수직으로 산출될 수 있다. 이로써 예를 들어 측정될 객체 윤곽의 원뿔형 연장 또는 측정될 객체의 곡률을 신뢰성 있게 검출할 수 있다.
필요한 경우에는 방사 빔 경로 내에 광학적 원통형 시스템을 적용함으로써 부분적 빔 경로들 사이의 광각(wider angle)을 얻을 수 있다.
이러한 측정 방법은, 레이저 빔을 스캐닝 면 내에 위치하는 다수의 부분적 빔 경로로 분할하기 위한 광학적 구조적 소자(예를 들어 라인이 스캐닝 면과 수직으로 뻗는 그리드)에 의해 확대될 수 있다.
레이저와 광학적 스캐너 시스템의 초점 사이의 영역에 이러한 소자가 배치되는 경우, 다수의 빔은 광학적 방사기 시스템의 초점면 내의 반사부에 맞추어진다. 그 결과 스캐너부는 다수의 빔 무리를 방사한다. 상기 빔 무리는 스캐닝 면(스캐닝 방향 및 광 축에 의해 정해진 면)에 위치하지만, 스캐닝 방향과 각도(경우에 따라서는 위치에 따라 달라짐)를 나타낸다. 이들 빔은 측정될 객체 상에서 흐려지고 회절되거나 또는 반사되고, 초점과 간격이 정해진 수광부 초점면에서 검출될 수 있다. 이를 위해 부분적 빔 경로마다 광 검출기(photo detector) 또는 검출기 어레이 요소가 하나씩 제공되어야 한다. 시간의 흐름에 따른 휘도 코스의 투영 에지 또는 반사 또는 회절 피크를 각각 활용함으로써, 조명된 면 내에서의 객체의 위치를 측정할 수 있다.
빔 경로 내의 편광 빔 스플리터를 배열함으로써 검출된 방사의 편광 상태를 검출할 수 있다. 이러한 방법으로, 투과된 빔의 편광 상태에 따라 각기 다르게 영향을 끼치는 객체 특성을 측정할 수 있다. 검출될 수 있는 측정 크기마다 빔 스플리터 이외에 추가로 각각 하나의 검출기 소자가 수광 빔 경로에 배열될 수 있다. 검출될 객체의 크기는 휘도 차에 의해 결정될 수 있다.
복굴절(birefringent) 또는 광학적 활성 시트에 있어서, 예를 들어 광학적 경로의 길이를 결정하고, 이와 함께 층의 두께 또는 광축 방향으로의 회전 가능성을 결정할 수 있다. 이를 위해, 원통형으로 편광된 레이저 빔을 가지는 스캐너가 사용되고, 편광 빔 스플리터가 방사기 또는 수광 빔 경로 내에 배열되며, 이와 마찬가지로 각각의 부분적 빔 경로마다에 광 검출부(소자)가 하나씩 수광부에 배열된다.
또한 서로 다른 편광의 방사 성분이 방사기 및 수광 빔 경로 모두에서 분할된다고 가정하면, 투과된 방사의 편광에 영향을 미치는 객체의 또 다른 추가 식별 크기를 측정할 수 있다.
이러한 분할에 추가하여 파형에 의하여 선택되는 하나 이상의 다수의 필터가 수광 빔 경로 내에 삽입되는 경우, 고유 편광 형광체를 구비하는 물체(예를 들어 PET)에 대하여 다음의 식별 크기를 동시에 측정할 수 있다.
1. 객체의 위치와 스캐닝 방향의 연장
2. 방향 분포 함수의 제1 운동량(momentum) 코스
3. 방향 분포 함수의 제2 운동량 코스,
PET의 경우, 고유 편광 형광체는 비결정체(non-crystalline) 구역들에서 선택적으로 발생한다. 이러한 구역들은 기계적 특성 및 객체의 색소(dyes) 수용성에 있어서 결정적이다. 상기 배열로―방향 분포 함수의 운동량의 측정을 통해―, 재료의 이러한 크기의 코스가 선택적으로 검출될 수 있다.
2개의 빔 경로(객체로부터 나오는 빔 경로, 및 기준 빔 경로 또는 객체 공간을 통과하거나 객체로부터 나오고 경우에 따라 변조되는 제2 빔 경로)가 수광부 내에 중첩되어 이들 빔이 서로 방해하는 경우, 측정될 객체의 특징적인 추가 크기를 검출할 수 있다. 이러한 빔 경로의 구성과 신호 분석에 기초하여, 전술한 특징적인 크기의 검출 이외에도 광축 방향을 따라 측정될 객체의 거리 또는 윤곽을 검출하거나, 또는 스캐닝 면에 걸쳐 측정될 객체의 이동 속도(velocity of movement)를 검출할 수 있다. 재귀반사부 원리가 적용되는 경우, 예를 들어 결합된 방사기/수광부 내부에서 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)의 형태로 기준 빔 경로를 구축할 수 있다. 분리된 수광부를 적용하는 경우, 기준 빔 경로는 측정될 객체를 지나 객체 공간을 통과하거나 또는 광학적 가이드에 의해 스캐너로부터 수광부로 유도(guide)될 수 있다.
전술한 측정 형태들은 거의 임의로 서로 결합될 수 있다. 이것을 스캐너 헤드, 측정 모듈, 및 경우에 따라서는 광학계를 포함하는 수광부 하우징으로 구성되는 모듈 방식의 시스템으로 구현하는 것은 특히 바람직하다고 할 수 있다. 스캐너부(1)는
레이저(12);
편향부(10); 및
광학계(19)
을 포함하며,
이 이외에도, 필요하다면(반사 또는 역 산란이 측정되거나 또는 재귀반사부가 사용되는 경우) 다음의 추가 구성요소를 포함한다.
수광부 모듈(20);
스캐닝 시작 및 스캐닝 중단 재귀 반사부(14).
수광부 모듈에 검출기 모듈을 장착하기 위한 수단(도 10b에 개략적으로 예시됨), 렌즈 또는 거울(도 10a의 A 내지 H), 및 빔 스플리터(도 10a의 St1 내지 St3을 참조)가 제공된다. 수광부 모듈 장비 및 선택된 배열에 따라, 다양한 측정크기들의 각기 다른 결합들이 파생될 수 있다. 이들 예를 표 1에 나타낸다.
모드 수광부 객체 매개변수 소자 항목
1 개별 180° 유리 튜브 직경, 벽 두께 중심 위치 광 다이오드 어레이 D2 A
2 결합 유리 튜브 직경, 벽두께 중심 위치 빔 스플리터 50% 광 다이오드 어레이 D2 St1 C
3 개별 180° 투명 섬유 위치 직경, 편광의 정도 빔 스플리터 편광 환상 광 다이오드 D4 광 다이오드 D1 St1 B C
4 결합 투명 섬유 위치 직경, 편광의 정도 빔 스플리터 50% 빔 스플리터 편광 환상 광 다이오드 D4 광 다이오드 D1 C St1 St2 B
5 결합 광학적 활성 층 연장, 층의 두께 빔 스플리터 50% 빔 스플리터 편광 광 다이오드 어레이 D2 광 다이오드 1 St1 St2 B C
6 결합 로드, 튜브 직경, 원뿔형, 반사 스캐닝 방향과 평행인 그리드 렌즈 빔 스플리터 50% H B St1
7 결합 로드, 튜브 직경, 스캐닝 면에서의 위치 원뿔형, 반사, 속도 2축 그리드 빔 스플리터 렌즈 빔 스플리터 50% 렌즈 빔 스플리터 50% 광 다이오드 어레이 D2 광 다이오드 어레이 D3 광 다이오드 D1 (활성) 거울 H St3 C St1 C St2 D E F G
표 1: 본 발명에 따른 레이저 스캐너 측정 시스템의 서로 다른 구성 예
본 발명에 따른 레이저 스캐너는 중요한 프로세스 크기들을 검출하여 이를 프로세스 조절 또는 제어의 시작 신호로 공급함으로써 생산 공정의 제어에 특히 유리하게 이용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 레이저, 빔 편향부, 그리고 광학적 방사 시스템을 구비하여, 스캐닝 면과 함께 스캐닝 빔 경로를 형성하는 방사부와; 광학적 수광 시스템의 초점 면에 배치되어, 수광 빔 경로를 형성하는 광 검출기를 포함하는 수광부로 이루어지며, 상기 광학적 수광 시스템의 수직 면은 상기 스캐닝 빔 경로와 평행한 것인 레이저 스캐너 측정 시스템에 있어서,
    상기 광 검출기는 광 다이오드 어레이 또는 위치-판정(position-resolving) 광 다이오드인 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학적 수광 시스템의 초점 면의 수광 빔 경로의 상기 광 검출기의 전방에는 암시야 조리개(dark field stop)가 배치되어 있고,
    상기 암시야 조리개의 전방에서는 빔 스플리터에 의해 상기 수광 빔 경로로부터 일부분의 빔이 분할되며,
    상기 일부분의 빔 쪽에는 대략적으로 상기 광학적 수광 시스템의 초점 면에 광 다이오드가 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방사부와 상기 수광부는 측정될 객체에 대하여 동일한 쪽에 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 방사부와 상기 수광부는 측정될 객체에 대하여 동일한 쪽에 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 방사부에서 볼 때, 상기 측정될 객체의 후방에는 입사 방사를 그대로 또는 평행 오프셋으로 반사하여, 상기 수광 빔 경로가 상기 스캐닝 면과 평행하게 오프셋되는 면에 위치하도록 하는 재귀반사부가 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 방사부에서 볼 때, 상기 측정될 객체의 후방에는 입사 방사를 그대로 또는 평행 오프셋으로 반사하여, 상기 수광 빔 경로가 상기 스캐닝 면과 평행하게 오프셋되는 면에 위치하도록 하는 재귀반사부가 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사부 내에는 상기 빔 편향부와 빔 발생지(beam-emerging site) 사이의 영역에 적어도 하나의 재귀반사부 또는 재귀반사 표시자(retro-reflecting marker)가 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    스캐닝 면 내의 스캐너부의 광축에 대하여 0° 또는 180°와는 다른 각도로 하나 또는 복수의 수광부 또는 재귀반사부가 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    스캐너 빔 경로에는 스캐닝 방향과 수직 방향으로 스캐닝 빔을 분할하는 광학계(예컨데, 스캐닝 방향에 대하여 수직인 라인을 가지는 그리드)가 배열되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    스캐너 빔 경로에는 스캐닝 방향과 평행 방향으로 스캐닝 빔을 분할하는 광학계(예컨데, 스캐닝 방향에 대하여 평행인 라인을 가지는 그리드)가 배열되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    조사 빔 경로와 수광 빔 경로 중 일방 또는 쌍방 모두에는 상이한 편광 방사를 위한 광학 소자{예컨데, 편광 빔 스플리터, 월라스톤(Wollaston) 프리즘, 지연 플레이트, 글랜-톰슨(Glan-Thompson) 프리즘 등}가 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    수광 빔 경로에는 파장에 관하여 선택적인 필터(예컨데, 간섭 필터, 색 필터, 또는 차단 필터 등)가 배치되어 있는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    결합된 스캐너/수광부에서, 또는 외부 공간에서, 또는 광 가이드에 의해 기준 빔 경로를 실현하고, 그 실현된 기준 빔 경로를 측정되는 객체로부터 생기는 빔 경로와 중첩시켜, 그 결과 지역과 시간의 경과에 따라 달라지는 간섭 패턴을 적어도 하나의 검출 소자에 의해 검출하는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
  14. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산 공정 제어에 적용되는 것인 레이저 스캐너 측정 시스템.
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