KR101225562B1 - 스캐너 장치 및 물체의 3차원 형상 측정 장치 - Google Patents

스캐너 장치 및 물체의 3차원 형상 측정 장치 Download PDF

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Abstract

레이저빔을, 광빔 주사 장치에 의해 반사시켜, 홀로그램 기록 매체에 조사한다. 홀로그램 기록 매체에는, 주사 기점에 수렴하는 참조광을 사용하여 선형 산란체의 이미지를 홀로그램으로 기록한다. 광빔 주사 장치는, 레이저빔을 주사 기점에서 굴곡시켜 홀로그램 기록 매체에 조사한다. 이때, 레이저빔의 굴곡 태양을 시간에 따라 변화시켜, 굴곡된 레이저빔의 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사한다. 홀로그램 기록 매체로부터의 회절광은 스테이지의 수광면상에 선형 산란체의 재생 이미지를 생성한다. 수광면에 물체를 탑재하면, 홀로그램 재생광에 의해 선형 패턴이 투영되므로, 그 투영상을 촬영하여 물체의 3차원 형상을 측정한다.

Description

스캐너 장치 및 물체의 3차원 형상 측정 장치 {SCANNER DEVICE AND DEVICE FOR MEASURING THREE-DIMENSIONAL SHAPE OF OBJECT}
본 발명은 물체를 광의 선형 패턴으로 투영하고, 이것을 주사하는 스캐너 장치에 관한 것이다. 또한, 물체를 광의 선형 패턴으로 투영한 상태를 측정하고, 얻어진 화상을 재해석함으로써 3차원 형상 데이터를 작성하는 물체의 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다.
물체의 3차원 형상을 측정하는 장치는, 일반적으로, 3차원 스캐너로 불리며, 다양한 원리에 따른 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 일본 특허출원 공개번호 2001-12942호 공보에는, 피측정 대상이 되는 물체와 접촉자 사이의 접촉형태를 센서로 검출하고, 물체 표면의 3차원 위치를 측정함으로써 형상을 측정하는 3차원 스캐너가 개시되어 있다. 또, 일본 특허출원 공개번호 평 7-91930호 공보에는, 광원으로부터 물체의 각 부분에 광빔을 조사하고, 반사광의 강도에 따라 광원으로부터 각 부분까지의 거리를 측정함으로써 형상을 측정하는 3차원 스캐너가 개시되어 있다.
한편, CCD 카메라 등으로 촬영한 물체의 2차원 화상을 해석함으로써, 3차 원 형상을 연산하여 구하는 방법도 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 특허출원 공개번호 평 7-91927호 공보에는, 물체에 소정의 패턴 광을 투영한 상태를 2대의 카메라로 상이한 방향에서 촬영하고, 스테레오법을 이용한 해석에 의해, 3차원 형상을 측정하는 장치가 개시되어 있다. 특히, 물체를 광의 선형 패턴으로 투영한 상태를 촬영함으로써 얻어진 2차원 화상을 해석하여, 상기 물체의 3차원 형상을 측정하는 방법은, 일반적으로 광 절단법이라 불린다.
최근에는 컴퓨터에 의한 화상 해석 기술이 향상됨으로써, 이 광 절단법을 이용하여 형상을 측정하는 장치도 상업 기반의 양산형 장치로 실용화되어 있고, 또한, 다양한 연구도 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 특허출원 공개번호 2001-255125호 공보에는, 물체의 주위에 슬릿 투광기를 배치하고, 슬릿을 투과한 광에 의한 선형 패턴을 투영하는 3차원 형상 측정 장치가 개시되어 있고, 일본 특허출원 공개번호 2010-14505호 공보에는, 투광기와 촬상 장치의 배치를 연구함으로써, 측정 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 3차원 형상 측정 장치가 개시되어 있다. 또한, 일본 특허출원 공개번호 2003-50112호 공보에는, 다수의 선을 가지는 줄무늬로 이루어지는 선형 패턴을 물체에 투영하고, 촬영 화상 상에 있는 줄무늬를 해석함으로써, 3차원 형상을 측정하는 장치가 개시되어 있다.
이와 같이, 물체에 1개 또는 복수개의 선으로 이루어지는 선형 패턴을 투영하고, 그 촬영 화상을 해석하여 3차원 형상을 측정하는 경우, 가능한 한 높은 정밀도를 가진 선형 패턴을 투영할 필요가 있다. 종래는, 렌즈 등의 광학계를 사용하여 광을 집광함으로써 선형 패턴을 형성하거나, 광원으로부터의 광을 슬릿을 통과하게 하여 선형 패턴을 형성하는 방법을 사용하였으나, 형성되는 선형 패턴의 정밀도가 항상 충분한 것은 아니었다. 예를 들어, 슬릿으로 성형하는 방법을 채용하는 경우, 구조는 단순하지만, 슬릿 내면에서 반사나 회절이 생기므로, 선형 패턴의 윤곽이 선명하지 않게 되기 쉽다.
또, 촬영 화상 상에서 선형 패턴을 추출하기 위해서는, 물체 표면에 형성하는 선형 패턴이, 가능한 한 높은 휘도를 가진 패턴인 것이 바람직하다. 이를 위해 고압 수은 램프 등의 고휘도 방전 램프를 광원으로 사용할 필요가 있지만, 이와 같은 특수 광원은 비교적 수명이 짧고, 램프를 자주 교환해야할 필요가 있다.
이와 같은 문제에 대처할 수 있는 이상적인 광원은, 레이저 광원 등의 코히렌트 광원이다. 예를 들어, 산업상 널리 이용되는 반도체 레이저는, 고압 수은 램프 등의 고휘도 방전 램프에 비해 수명이 극히 길며 고휘도의 조명이 가능하다. 또한, 지향성이 뛰어나기 때문에, 광학계나 슬릿에 의해 성형하지 않아도, 선명한 윤곽을 가진 선형 패턴을 투영할 수 있다.
다만, 레이저 등의 코히렌트 광원을 사용하는 조명은 스펙클(speckle) 발생이라는 새로운 문제가 있다. 스펙클은 레이저광 등의 코히렌트 광을 확산면에 조사했을 때 나타나는 반점 패턴이며, 물체 표면에 레이저광을 투영하면 반점 패턴의 휘도 불균일로 관찰된다. 따라서, 레이저 광원을 사용하여 물체에 선형 패턴을 투영하면, 물체 표면 상의 선형 패턴 상에 스펙클 및 휘도 불균일이 발생하게 된다.
예를 들어, 레이저 포인터로 스크린상에 하나의 점을 가리키는 경우, 레이저광의 스폿(spot)이 상기 스크린상에서 밝게 빛나는 것으로 나타난다. 이것은 스크린상의 스펙클 노이즈 발생에 의해 야기된다. 코히렌트 광을 사용하면 스펙클이 발생하는 이유는, 스크린 등의 확산반사면의 각 부분에서 반사되는 코히렌트 광이 극히 높은 가간섭성(coherency)에 의해 서로 간섭하기 때문이다. 예를 들어, "광학에서 스펙클 현상(Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006)"에는 스펙클 발생에 관한 상세한 이론적 고찰이 기술되어 있다.
레이저 포인터와 같은 용도에서는, 관찰자에게는 미세한 스폿으로 보일 뿐이므로, 심각한 문제는 발생하지 않는다. 그러나, 3차원 형상의 측정에 사용하는 선형 패턴이 이와 같은 스펙클에 따른 휘도 불균일을 포함하는 경우, 촬영 화상 상에서 선형 패턴의 윤곽 형상을 정확하게 추출할 수 없어, 형상 해석을 정확하게 할 수 없다.
물론, 이와 같은 스펙클 노이즈를 감소시키기 위한 몇 가지 구체적인 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, 일본 특허출원 공개번호 평6-208089호 공보는 레이저광을 산란체(scatter plate)에 조사하고, 산란체으로부터 얻어지는 산란광을 조명으로 이용하는 동시에, 산란체을 모터에 의해 회전 구동함으로써, 스펙클을 저감시키는 기술이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허출원 공개번호 2004-144936호 공보에는, 레이저 광원을 산란체에 조사하여 조명으로 이용하고, 이 산란체을 진동시킴으로써 스펙클을 저감시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 산란체을 회전시키거나 진동시키기 위해서는, 대대적인 기계적 구동 기구가 필요하고, 따라서 장치 전체가 대형화되는 동시에, 소비 전력도 증가하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 코히렌트 광원을 사용하여 물체에 선형 패턴을 투영하는 기능을 가지며, 또한 물체 표면에서 스펙클의 발생을 억제하는 것이 가능한 스캐너 장치 및 물체의 3차원 형상 측정 장치를 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 제1 태양은 물체를 광의 선형 패턴으로 주사하고, 상기 물체의 표면 정보를 획득하는 스캐너 장치에 있어서,
물체에 광의 선형 패턴을 투영하는 조명 유닛과,
선형 패턴의 물체에 대한 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는 패턴 주사 기구와,
선형 패턴이 투영된 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 물체의 표면 정보를 획득하는 촬영 유닛
을 구비하고,
조명 유닛은,
코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원과,
선형 패턴에 대응하는 산란체의 이미지를 기록하는 홀로그램 기록 매체와,
광빔을 홀로그램 기록 매체에 조사하고, 또한 광빔의 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치가 시간적에 따라 변화하도록 주사하는 광빔 주사 장치를 포함하며,
홀로그램 기록 매체에는, 소정 광로를 따라 조사되는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록되어 있고,
코히렌트 광원은, 산란체의 이미지를 재생할 수 있는 파장을 가지는 광빔을 발생시키며,
광빔 주사 장치는, 홀로그램 기록 매체에 대한 광빔의 조사 방향이 참조광의 광로를 따르는 방향이 되도록, 광빔을 주사하고,
홀로그램 기록 매체로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 선형 패턴이 투영되도록 한다.
(2) 본 발명의 제2 태양은, 전술한 제1 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체에, 1개 또는 서로 평행한 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되어 있고, 홀로그램의 재생광에 의해 1개 또는 서로 평행한 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영 되도록 한다.
(3) 본 발명의 제3 태양은, 전술한 제2 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
패턴 주사 기구가,
물체를 탑재하는 탑재 스테이지와,
탑재 스테이지를, 선형 패턴을 구성하는 선에 직교하는 방향으로 이동시키는 반송 장치를 포함한다.
(4) 본 발명의 제4 태양은, 전술한 제2 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
패턴 주사 기구가,
물체를 탑재하는 탑재 스테이지와,
조명 유닛을 탑재 스테이지에 대하여, 선형 패턴을 구성하는 선에 직교하는 방향으로 이동시키는 반송 장치를 포함한다.
(5) 본 발명의 제5 태양은, 전술한 제2 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
패턴 주사 기구가,
조명 유닛으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광의 방향을 바꾸는 광학계를 포함하며, 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴을, 선형 패턴을 구성하는 선에 직교하는 방향으로 주사한다.
(6) 본 발명의 제6 태양은, 전술한 제1 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체가 복수개의 분할 영역으로 분할되어 있고, 개개의 분할 영역에는, 각각 1개 또는 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되며, 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해, 각각 1개 또는 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영되고, 또한 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴, 다른 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴이, 공간상에서 상이한 위치에 형성되도록 한다.
(7) 본 발명의 제7 태양은, 전술한 제6 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
i 번째(i=1, 2, 3...) 분할 영역을 주사할 때, i 번째 선형 패턴이 i 번째 위치에 투영되도록, 광빔 주사 장치가 제1 분할 영역, 제2 분할 영역, 제3 분할 영역,..., 순서로 분할 영역에 광빔을 주사하고,
광빔 주사 장치는 패턴 주사 기구의 역할도 겸하도록 한다.
(8) 본 발명의 제8 태양은, 전술한 제6 또는 7 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체가, 가로 방향으로 가늘고 긴 복수개의 분할 영역이 세로 방향으로 나란히 배치되도록 분할되어 있고, 개개의 분할 영역의 길이 방향과 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 재생 이미지의 길이 방향이 평행하도록 홀로그램을 기록한다.
(9) 본 발명의 제9 태양은, 전술한 제1 내지 제8 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
광빔 주사 장치가, 광빔을 소정의 주사 기점에서 굴곡시켜, 굴곡된 광빔을 홀로그램 기록 매체에 조사하고, 또한 광빔의 굴곡 태양을 시간에 따라 변화시킴으로써, 굴곡된 광빔의 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치를 시간에 따라 변화시키며,
홀로그램 기록 매체에는, 특정한 수렴점에 수렴하는 참조광 또는 특정한 수속렴으로부터 발산하는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록 되어 있으며,
광빔 주사 장치는, 수렴점을 주사 기점으로 하여 광빔을 주사한다.
(10) 본 발명의 제10 태양은 전술한 제9 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체에, 수렴점을 정점으로 하는 원추의 측면을 따라 3차원적으로 수렴 또는 발산하는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지를 기록한다.
(11) 본 발명의 제11 태양은 전술한 제9 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체에, 수렴점을 포함하는 평면을 따라 2차원적으로 수렴 또는 발산하는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지가 기록된다.
(12) 본 발명의 제12 태양은 전술한 제1 내지 8 태양에 따른 스캐너 장치에 있어서,
광빔 주사 장치가, 광빔을 평행 이동시키면서 홀로그램 기록 매체에 조사함으로써, 광빔의 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치를 시간에 따라 변화시키며,
홀로그램 기록 매체에는, 평행광속으로 이루어지는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록되어 있고,
광빔 주사 장치는, 참조광에 평행한 방향으로 광빔을 홀로그램 기록 매체에 조사하여, 광빔을 주사한다.
(13) 본 발명의 제13 태양은, 물체를 광의 선형 패턴으로 투영하여, 상기 물체의 표면 정보를 획득하는 물체의 표면 정보 취득 방법에 있어서,
선형 패턴을 구성하는 산란체의 이미지를 홀로그램으로 기록용 매체 상에 기록함으로써 홀로그램 기록 매체를 작성할 준비 단계와,
홀로그램 기록 매체로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광이 조사되는 위치에 물체를 배치한 상태로, 홀로그램 기록 매체 상에 코히렌트 광빔을 조사하고, 또한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 광빔을 홀로그램 기록 매체 상에 주사하고, 물체 상에 선형 패턴을 투영하는 투영 단계와,
선형 패턴이 투영된 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 물체의 표면 정보를 획득하는 촬영 단계
를 포함하고,
준비 단계에서는, 코히렌트 조명광을 산란체에 조사하고, 산란체로부터 얻어지는 산란광을 물체광으로 사용하며, 소정 광로를 따라 물체광을 기록용 매체에 조사하고, 조명광과 동일한 파장의 코히렌트 광을 참조광으로 사용하고, 물체광과 참조광에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록용 매체에 기록함으로써 홀로그램 기록 매체를 작성하고,
투영 단계에서는, 산란체의 상을 재생할 수 있는 파장을 가진 광빔을 참조광의 광로를 따르는 광로를 통하여 홀로그램 기록 매체 상의 조사 위치로 향하도록 주사한다.
(14) 본 발명의 제14 태양은, 물체를 광의 선형 패턴으로 주사하고, 상기 물체의 표면 정보를 획득하는 스캐너 장치에 있어서,
물체를 광의 선형 패턴으로 투영하는 조명 유닛,
선형 패턴의 물체에 대한 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는 패턴 주사 기구와,
선형 패턴이 투영된 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 물체의 표면 정보를 입력하는 촬영 유닛을 설치하고,
조명 유닛은,
코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원과,
다수의 개별 렌즈의 집합체로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이와,
광빔을 마이크로 렌즈 어레이에 조사하고, 또한 광빔의 마이크로 렌즈 어레이에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 광빔 주사 장치를 포함하며,
마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 개별 렌즈 각각은 광빔 주사 장치로부터 조사된 광을 굴절시켜 물체의 근방면에 선형의 조사 영역을 형성하는 기능을 가지며, 또한 어느 개별 렌즈에 의해 형성되는 조사 영역도, 상기 근방면 상에 있어서 대략 동일한 공통 영역이 되도록 구성된다.
(15) 본 발명의 제15 태양은, 물체를 광의 선형 패턴으로 주사하고, 상기 물체의 표면 정보를 입력하는 스캐너 장치에 있어서,
물체를 광의 선형 패턴으로 투영하는 조명 유닛,
선형 패턴의 물체에 대한 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는 패턴 주사 기구와,
선형 패턴이 투영된 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 물체의 표면 정보를 입력하는 촬영 유닛
을 구비하고,
조명 유닛은,
코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원과,
광빔의 방향 또는 위치 또는 그 양쪽을 제어함으로써, 빔 주사를 수행하는 광빔 주사 장치와,
입사한 광빔을 확산시켜 사출하는 광 확산 소자
를 포함하고,
광빔 주사 장치는, 코히렌트 광원이 생성한 광빔을, 광 확산 소자를 향해 사출하고, 또한 광빔의 광 확산 소자에 대한 입사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하며,
광 확산 소자는, 입사한 광빔을 확산시켜 물체의 근방면 상에 선형의 조사 영역을 형성하는 기능을 가지고, 또한 광빔의 입사 위치에 관계없이, 형성되는 조사 영역이, 상기 근방면 상에 있어서 대략 동일한 공통 영역이 되도록 구성한다.
(16) 본 발명의 제16 태양은, 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
물체를 광의 선형 패턴으로 투영하는 조명 유닛,
선형 패턴이 투영된 물체를 소정 방향에서 촬영하는 촬영 유닛,
촬영 유닛에 의한 촬영 화상 상의 선형 패턴을 해석함으로써, 물체의 3차원 형상 데이터를 작성하는 형상 해석 유닛
을 구비하고,
조명 유닛은,
코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원과,
선형 패턴에 대응하는 형상을 가지는 산란체의 이미지가 기록된 홀로그램 기록 매체와,
광빔을 홀로그램 기록 매체에 조사하고, 또한 광빔의 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 광빔 주사 장치
를 포함하며,
홀로그램 기록 매체에는, 소정 광로를 따라 조사되는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록되어 있고,
코히렌트 광원은, 산란체의 이미지를 재생할 수 있는 파장을 가지는 광빔을 발생시키며,
광빔 주사 장치는, 홀로그램 기록 매체에 대한 광빔의 조사 방향이 참조광의 광로를 따르는 방향이 되도록, 광빔을 주사하고,
홀로그램 기록 매체로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 선형 패턴이 투영되도록 한다.
(17) 본 발명의 제17 태양은, 전술한 제16 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체에, 1개 또는 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되어 있고, 홀로그램의 재생광에 의해 1개 또는 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영 되도록 한다.
(18) 본 발명의 제18 태양은, 전술한 제16 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체가 복수개의 분할 영역으로 분할되어 있고, 개개의 분할 영역에는, 각각 1개 또는 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되며, 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해, 각각 1개 또는 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영되고, 또한 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴, 다른 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴이, 공간상에서 상이한 위치에 형성되도록 한다.
(19) 본 발명의 제19 태양은, 전술한 제18 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
i 번째(i=1, 2, 3...) 분할 영역을 스캐닝할 때, i 번째 선형 패턴이 i 번째 위치에 투영되도록, 광빔 주사 장치가 제1 분할 영역, 제2 분할 영역, 제3 분할 영역,..., 순서로 분할 영역에 광빔을 주사하고, 물체에 대한 선형 패턴의 투영 위치를 시간에 따라 변화시킨다.
(20) 본 발명의 제20 태양은, 전술한 제18 또는 19 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
홀로그램 기록 매체가, 가로 방향으로 가늘고 긴 복수개의 분할 영역이 세로 방향으로 나란히 배치되도록 분할되어 있고, 개개의 분할 영역의 길이 방향과 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 재생 이미지의 길이 방향이 평행하도록 홀로그램을 기록한다.
(21) 본 발명의 제21 태양은, 전술한 제16 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
가로 방향으로 연장되고 세로 방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 선형 산란체를 포함하는 가로 방향 격자형 산란체의 이미지를 홀로그램 기록 매체에 기록하고, 홀로그램의 재생광에 의해, 서로 평행한 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영 되도록 한다.
(22) 본 발명의 제22 태양은, 전술한 제16 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
가로 방향으로 연장되고 세로 방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 선형 산란체를 포함하는 가로 방향 격자형 산란체의 이미지와 세로 방향으로 연장되고 가로 방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 선형 산란체를 포함하는 세로 방향 격자형 산란체의 이미지를 홀로그램 기록 매체에 중첩하여 기록하고, 홀로그램의 재생광에 의해, 망눈 격자형의 선형 패턴이 투영 되도록 한다.
(23) 본 발명의 제23 태양은, 전술한 제16 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
망눈 격자형 산란체의 이미지를 홀로그램 기록 매체에 기록하고, 홀로그램의 재생광에 의해, 망눈 격자형의 선형 패턴이 투영 되도록 한다.
(24) 본 발명의 제24 태양은, 전술한 제16 내지 23 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
물체를 탑재하는 탑재 스테이지와,
조명 유닛과 탑재 스테이지에 있어서, 어느 하나를 다른 하나에 대하여 이동시키는 반송 장치를 더 포함한다.
(25) 본 발명의 제25 태양은, 전술한 제16 내지 23 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
재생광에 의해 투영되는 선형 패턴을 주사하도록, 조명 유닛으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광의 방향을 바꾸는 광학계를 더 설치한다.
(26) 본 발명의 제26 태양은, 전술한 제16 내지 25 태양에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 있어서,
촬영 유닛이, 각각 상이한 방향에서 물체를 촬영하는 복수개의 카메라를 가지고,
형상 해석 유닛이, 복수개의 카메라에 의해 촬영된 촬영 화상 상의 선형 패턴을 해석함으로써, 물체의 3차원 형상 데이터를 작성한다.
도 1은 본 발명에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 의한 측정 원리를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 측정 장치에서 촬영된 촬영 화상에 적용되는 화상 해석의 기본 원리를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치의 기본 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 조명 유닛(100) 내의 홀로그램 기록 매체에 기록된 선형 산란체(30)의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스캐너 장치에 내장되어 있는 홀로그램 기록 매체를 작성하는 프로세스를 나타내는 광학계의 배치도이다.
도 6은 도 5에 도시된 프로세스에 있어서, 참조광 L23의 단면 S1과 홀로그램 감광 매체(40)의 위치 관계를 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 프로세스에 있어서, 참조광 L23의 다른 단면 S2와 홀로그램 감광 매체(40)의 위치 관계를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 5에 도시된 광학계에서, 산란체(30) 및 홀로그램 감광 매체(40) 주변의 부분 확대도이다.
도 9는 도 5에 도시된 프로세스로 작성된 홀로그램 기록 매체(45)를 사용하여 산란체의 이미지(35)를 재생하는 프로세스를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 5에 도시된 프로세스로 작성된 홀로그램 기록 매체(45) 상에 하나의 광빔 만을 조사하여 산란체의 이미지(35)를 재생하는 프로세스를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 5에 도시된 프로세스로 작성된 홀로그램 기록 매체(45) 상에 하나의 광빔 만을 조사하여 산란체의 이미지(35)를 재생하는 프로세스를 나타내는 다른 도면이다.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 재생 프로세스에서, 광빔의 조사 위치를 나타내는 평면도이다.
도 13은 본 발명의 기본적 실시예에 따른 스캐너 장치에 사용되는 조명 유닛(100)의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 조명 유닛(100)을 이용하여 탑재 스테이지(210)를 조명하고 있는 상태를 나타내는 측면도이다.
도 15는 도 13에 도시된 조명 유닛(100)을 사용하여 물체 M 상에 선형 패턴 U를 투영한 상태를 나타내는 측면도이다.
도 16은 도 13에 도시된 조명 유닛(100)에서 홀로그램 기록 매체(45) 상의 광빔 주사 태양의 제1 예를 나타내는 평면도이다.
도 17은 도 13에 도시된 조명 유닛(100)에서 홀로그램 기록 매체(45) 상의 광빔 주사 태양의 제2 예를 나타내는 평면도이다.
도 18은 도 13에 도시된 조명 유닛(100)에서 홀로그램 기록 매체(45) 상의 광빔 주사 태양의 제3 예를 나타내는 평면도이다.
도 19는 도 14에 도시된 조명 유닛(100)에서 홀로그램 기록 매체(45) 상의 광빔 주사 태양의 제4 예를 나타내는 평면도이다.
도 20은 밴드형(band-shaped) 홀로그램 기록 매체(85)를 사용한 경우의 광빔 주사 태양을 나타내는 평면도이다.
도 21은 도 20에 도시된 밴드형 홀로그램 기록 매체(85)를 작성하는 프로세스를 나타내는 광학계의 배치도이다.
도 22는 본 발명에 따른 스캐너 장치의 구성요소인 홀로그램 기록 매체를 CGH 방법으로 작성하는 원리를 나타내는 측면도이다.
도 23은 도 22에 도시된 가상 산란체(30')의 정면도이다.
도 24는 본 발명에 의해 스펙클 저감 효과가 얻어진 실험 결과를 나타내는 표이다.
도 25는 본 발명에 따른 스캐너 장치의 변형예에서 사용하는 홀로그램 기록 매체(88)를 나타내는 평면도이다.
도 26은 도 25에 도시된 홀로그램 기록 매체(88) 상의 광빔의 주사 태양을 나타내는 평면도다.
도 27은 도 25에 도시된 홀로그램 기록 매체(88)의 재생 상에 의해, 탑재 스테이지(210) 상의 수광면 R에 형성되는 선형 패턴 U를 나타내는 평면도다.
도 28은 본 발명의 변형예에 따른 스캐너 장치에서 사용하는 홀로그램 기록 매체에 기록되는 제1 산란체 30A의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 29는 본 발명의 변형예에 따른 스캐너 장치에서 사용하는 홀로그램 기록 매체에 기록되는 제2 산란체 30B의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 30은 본 발명의 변형예에 따른 스캐너 장치에서 사용하는 홀로그램 기록 매체에 기록되는 제3 산란체 30C의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 31은 수렴 참조광을 사용하여 반사형 홀로그램 기록 매체를 작성하는 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 32는 도 31에 도시된 방법으로 작성되는 반사형 홀로그램 기록 매체(45)의 재생 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 33은 수렴 참조광을 사용하여 투과형 홀로그램 기록 매체(45)를 작성하는 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 34는 도 33에 도시된 방법으로 작성된 투과형 홀로그램 기록 매체(45)의 재생 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 35는 발산 참조광을 이용하여 홀로그램 기록 매체를 작성하는 경우의 준비 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 36은 도 35의 준비 프로세스에서 작성되는 준비용 홀로그램 기록 매체(95)의 재생 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 37은 발산 참조광을 사용하여 반사형 홀로그램 기록 매체를 작성하는 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 38은 발산 참조광을 사용하여 투과형 홀로그램 기록 매체를 작성하는 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 39는 발산 참조광을 사용하여 홀로그램 기록 매체를 작성하는 경우의 다른 준비 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 40은 도 39의 준비 프로세스로 작성된 준비용 홀로그램 기록 매체(95)의 재생 프로세스를 나타내는 측면도이다.
도 41은 본 발명의 변형예에 따른 스캐너 장치의 구성요소인 홀로그램 기록 매체를 작성하는 프로세스를 나타내는 광학계의 배치도이다.
도 42는 본 발명의 변형예에 따른 스캐너 장치에서 사용되는 조명 유닛(110)의 기본 구성을 나타내는 측면도이다.
도 43은 본 발명의 다른 변형예에 따른 스캐너 장치에서 사용되는 조명 유닛(120)의 기본 구성을 나타내는 측면도이다.
도 44는 도 43에 도시된 조명 유닛(120)의 동작 원리를 나타내는 측면도이다.
＜＜＜§ 1.본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치의 기본 구성＞＞＞
본 발명은, 코히렌트 광원을 사용하는 스캐너 장치 및 이것을 이용하는 물체의 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다. 그래서, 여기서는, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치의 기본 구성을 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에 의한 측정 원리를 나타내는 사시도다. 여기서는, 조명 유닛(100)으로부터의 조명을 사용하여, 반구형의 물체 M의 3차원 형상을 측정하는 예가 나타나 있다. 도시한 바와 같이, 물체 M은 탑재 스테이지(210)의 상면에 놓여져 있으며, 이 탑재 스테이지(210)를 도면에서 흰색 화살표로 도시된 방향으로 이동시키면, 물체 M도 동일한 방향으로 이동한다. 한편, 물체 M의 상부에는 조명 유닛(100)이 배치되어 있고, 물체 M에 대하여 선형 패턴 U를 투영한다. 이 선형 패턴 U는, 도면에서는, 편의상, 검은 굵은 선으로 도시되어 있지만, 실제로는, 탑재 스테이지(210) 상에 형성되는 밴드형의 조명 영역이다.
또, 탑재 스테이지(210)의 상부에는, 3대의 카메라(301, 302, 303)가 배치되어 있어, 선형 패턴 U가 투영된 물체 M을 각각 상이한 방향에서 촬영할 수 있다. 3대의 카메라(301, 302, 303)는, 탑재 스테이지(210)에 장착되어 있고, 탑재 스테이지(210)가 이동함에 따라 이동한다. 탑재 스테이지(210)를, 도면에서 흰색 화살표로 도시된 방향(통상은, 선형 패턴 U에 직교하는 방향)으로 소정의 스텝만큼 이동시키면서, 3대의 카메라(301, 302, 303)로 물체 M을 촬영하면, 선형 패턴 U를 물체 M의 표면의 다양한 위치에 투영한 상태의 촬영 화상을 얻을 수 있다.
도 2는, 이와 같이 하여 얻어진 다수의 촬영 화상을 해석하여, 물체 M의 3차 원 형상에 관한 정보를 얻는 프로세스의 기본 원리를 나타내는 블록도다. 도 2의 좌측에 나타내는 화상 G(301, i)는 제1 카메라(301)에 의한 촬영 화상이며, 중앙에 나타내는 화상 G(302, i)는 제2 카메라(302)에 의한 촬영 화상이며, 우측에 나타내는 화상 G(303, i)는 제3 카메라(303)에 의한 촬영 화상이다. 여기서, i는, 탑재 스테이지(210)를 이동시킨 스텝 수를 나타내는 파라미터이며, 예를 들어, 화상 G(301, i)는, 제i 번째 이동 스텝에서 제1 카메라(301)의 촬영 화상을 의미한다.
스텝 수 i가 공통인 3개의 촬영 화상은, 동일한 피사체(물체 M과 선형 패턴 U)에 대한 촬영 화상이지만, 촬영 방향이 각각 상이하므로, 화상 상에 나타나는 선형 패턴 U의 위치나 형상도 서로 상이하다. 따라서, 3대의 카메라(301, 302, 303)의 물체 M에 대한 기하학적인 배치 정보를 고려하여, 각 촬영 화상에 나타나는 선형 패턴 U를 해석함으로써, 물체 M의 3차원 형상 데이터 T를 얻을 수 있다.
도 3은, 본 발명에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치의 기본 구성을 나타내는 블록도이다. 도시한 바와 같이, 이 측정 장치는, 조명 유닛(100), 패턴 주사 기구(200), 촬영 유닛(300) 및 형상 해석 유닛(400)을 구비한다. 조명 유닛(100)은, 도 1에 예시한 바와 같이, 물체 M를 광의 선형 패턴U으로 투영하는 기능을 수행한다.
패턴 주사 기구(200)는, 선형 패턴 U의 물체 M에 대한 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는 기능을 가지며, 도시한 기본적인 실시형태의 경우, 탑재 스테이지(210) 및 반송 장치(220)로 구성되어 있다. 탑재 스테이지(210)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 그 위에 물체 M을 탑재하기 위한 구조체이며, 반송 장치(220)는, 이 탑재 스테이지(210)를, 도면에서 흰색 화살표로 나타내는 방향으로 이동시키는 장치이다. 이 반송 장치(220)는, 예를 들어, 벨트 컨베이어 등으로 구성할 수 있다. 탑재 스테이지(210)를 이동시키는 방향은, 선형 패턴 U를 구성하는 선에 평행한 방향이 아니라면, 임의의 방향이 될 수 있지만, 실제 사용에 있어서는, 물체 M에 대하여 효율적으로 주사하기 위해, 선형 패턴 U를 구성하는 선에 직교하는 방향으로 이동시키는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 실시예에서는, 그와 같은 방향으로 이동할 수 있도록, 조명 유닛(100)의 위치나 방향이 조정되어 있다.
한편, 촬영 유닛(300)은, 선형 패턴 U가 투영된 물체 M을 소정 방향에서 촬영하고, 물체 M의 표면 정보를 입력하는 기능을 수행한다. 도 1에 도시된 실시예는, 3대의 카메라(301, 302, 303; CCD 카메라 등)를 촬영 유닛(300)으로서 사용한 예이지만, 사용하는 카메라의 대수는 3대로 한정되는 것은 아니며, 물체 M의 형상이나 필요한 3차원 형상 데이터의 내용 등에 따라 필요한 대수로 준비하면 된다. 경우에 따라서는 1대의 카메라만으로 충분할 수도 있지만, 일반적으로는, 복수대의 카메라를 준비하고, 각각 상이한 방향에서 물체 M을 촬영할 수 있는 구성을 채용하는 것이 바람직하다.
또, 형상 해석 유닛(400)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 촬영 유닛(300; 3대의 카메라 301 내지 303)에 의해 촬영된 촬영 화상 G상의 선형 패턴 U를 해석함으로써, 물체 M의 3차원 형상 데이터 T를 작성한다. 즉, 형상 해석 유닛(400)은, 촬영 유닛(300)으로부터 부여되는 촬영 화상 G를 디지털 데이터로 입력하고, 촬영 유닛(300)에 관한 기하학적 정보(3대의 카메라 301 내지 303의 위치, 향하여, 촬영의 광학적 조건)를 참조하여 소정의 알고리즘에 따른 연산을 행하여, 물체 M의 3차원 형상 데이터 T를 구하는 기능을 가지고 있다.
실제로, 이 형상 해석 유닛(400)은, 컴퓨터에 전용의 형상 해석용 프로그램을 내장함으로써 구성된다. 이와 같은 형상 해석의 구체적인 방법에 대하여는, 전술한 바와 같이, 광 절단법으로서 다양한 알고리즘이 알려져 있으나(예를 들어, Model-based Analysis and Evaluation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners, Shaker Verlag GmbH, Germany (2007년 12월 17일 간행): ISBN-13: 978-3832267759에는, 3차원 형상 측정의 기초 원리로부터, 구체적인 레이저 스캔의 방법까지, 상세한 기재가 되어 있다), 본 발명의 특징에는 직접 관계하지 않는 부분이므로 여기서는 상세한 설명은 생략한다.
결국, 도 3에 도시된 측정 장치에 있어서, 조명 유닛(100), 패턴 주사 기구(200) 및 촬영 유닛(300)을 포함하는 부분은, 물체 M을 광의 선형 패턴U으로 주사하고, 상기 물체 M의 표면 정보를 입력하는 스캐너 장치로서의 역할을 수행한다. 도 3에 도시된 측정 장치는, 이와 같은 스캐너 장치에 의해 얻어지는 물체 M의 표면 정보를 해석하여, 3차원 형상 데이터 T를 작성하는 형상 해석 유닛(400)을 더 부가한 장치일 수 있다.
그리고, 선형 패턴 U를 주사할 필요가 없는 3차원 형상 측정 장치의 경우에는, 패턴 주사 기구(200)를 생략할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 반구형의 물체 M을 피측정 대상으로 하여, 그 정점을 통과하는 원주의 형상만을 측정하면 충분한 용도로 사용하는 경우, 도시한 바와 같이 물체 M의 정점을 통과하는 선형 패턴 U를 투영한 상태의 촬영 화상을 얻을 수 있으면 충분하므로, 패턴 주사 기구(200)를 생략해도 문제는 없다. 또한, 이후 <5-4>에서 설명하는 변형예의 경우에도, 패턴 주사 기구(200)를 생략할 수 있다.
이상, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 스캐너 장치 및 3차원 형상 측정 장치의 기본 구성을 설명하였으나, 본 발명의 본질적인 특징은, 이들 구성 요소 중, 조명 유닛(100) 부분에 있다. 조명 유닛(100)은, 물체 M에 선형 패턴 U를 투영하기 위한 구성 요소이다. 여기서, 선형 패턴 U는, 형상 해석 유닛(400)에서의 화상 해석에 있어서 중요한 지표를 부여하는 요소가 되기 때문에, 가능한 한 선명하고 균일한 패턴이며, 또한 가능한 한 높은 휘도의 패턴인 것이 바람직하다.
즉, 형상 해석 유닛(400)에서의 화상 해석에서는, 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 각 촬영 화상 G로부터, 선형 패턴 U의 영역을 인식하고, 이것을 추출할 필요가 있다. 기하학적인 해석은, 이같이 하여 추출된 선형 패턴 U에 대하여 수행된다.
그러므로, 선형 패턴 U가 선명하지 않거나 휘도가 낮다면, 촬영 화상 G 상에 있어서, 선형 패턴 U의 영역과 다른 영역의 식별이 곤란하게 되어, 정확한 영역을 추출할 수 없다. 따라서, 종래 장치에서는, 렌즈 등의 광학계를 사용하여 광을 집광하여 선형 패턴 U를 형성하거나, 광원으로부터의 광을 슬릿을 통과시켜 선형 패턴 U를 형성하는 방법을 채택하며, 필요에 따라서는 고압 수은 램프 등의 고휘도 광원을 이용하는 연구를 행하고 있었다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이와 같은 방법에서는, 반드시 충분한 선형 패턴 U를 형성할 수 없으며, 고휘도 광원의 수명이 비교적 짧은 문제도 발생한다.
이에 대하여, 레이저 광원 등의 코히렌트 광원을 사용하여 조명 유닛(100)을 구성하면, 상기 문제를 해결할 수 있다. 코히렌트 광원은, 지향성이 우수한 광을 발생시킬 수 있으므로, 예를 들어, 탑재 스테이지(210) 위를 레이저빔으로 직선형으로 주사하면, 윤곽이 극히 선명한 선형 패턴 U를 형성할 수 있다. 또, 코히렌트 광원은, 고휘도의 광을 발생시킬 수 있으므로 촬영 화상 G 상에 있어서, 선형 패턴 U의 영역과 다른 영역의 식별이 용이하게 된다. 또한, 코히렌트 광원은, 단색성이 뛰어나기 때문에, 촬영 화상 G 상에 있어서, 색을 기준으로 하여 개개의 화소를 분류함으로써, 선형 패턴 U의 영역만을 추출하는 것을 가능하게 한다. 또, 반도체 레이저 등의 코히렌트 광원은, 고압 수은 램프 등에 비교하여 수명이 매우 길며, 소형화를 도모할 수 있다.
이와 같은 관점에 관한 한, 코히렌트 광원은, 스캐너 장치나 3차원 형상 측정 장치에 내장되는 조명 유닛용 광원으로서, 이상적인 광원이라 할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 코히렌트 광원을 사용한 조명은, 스펙클 발생이라는 새로운 문제가 있다.
실제, 도 1에 도시된 구성에 있어서, 조명 유닛(100) 내에 레이저 광원을 내장하고, 탑재 스테이지(210) 상에서 레이저빔을 주사하여 선형 패턴 U를 투영한 경우, 얻어지는 선형 패턴 U에는 반짝이는 스펙클이 나타난다. 따라서, 이와 같은 선형 패턴 U를 사용하여 촬영 유닛(300)으로 촬영하면, 얻어지는 촬영 화상 상의 선형 패턴 U 부분에는, 반점장의 휘도 불균일이 발생하여, 어떠한 화상 처리를 하지 않는다면, 선형 패턴 U의 영역만을 정확하게 추출할 수 없게 된다.
물론, 스펙클 노이즈를 저감시키기 위한 연구로서 전술한 공보에는, 레이저광을 산란판에 조사하고 이 산란판을 회전시키거나, 진동시키는 방법이 개시되어 있지만, 이 방법에서는, 대대적인 기계적 구동 기구가 필요하므로, 장치 전체가 대형화되는 동시에, 소비 전력도 증가하는 문제가 있는 점은, 이미 설명한 바와 같아.
본원 발명자는, 레이저 광원과 같은 코히렌트 광원을 이용하고 특유의 연구를 행함으로써, 스펙클을 효과적으로 저감시키는 특유의 방법을 착상하였다. 본 발명에 따른 조명 유닛(100)은, 이와 같은 착상에 따른 특징을 가진다.
본원 발명자의 최초의 착상은, 도 1에 도시된 구성에 있어서, 선형 패턴 U를, 가늘고 긴 산란체의 홀로그램 재생 이미지로 형성하는 아이디어이다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같은 선형 산란체(30)를 준비한다. 이 산란체(30)는, 입사한 조명광을 표면 또는 내부에서 균일하게 산란시키는 성질을 가진 물체이면, 어떠한 것이라도 상관없다. 홀로그램은, 코히렌트 광을 사용하여, 임의의 물체의 재생 이미지를 임의의 공간상에 재생하는 기술이며, 물체의 3차원 이미지를 매체 상에 기록하는 기술이다.
따라서, 먼저, 준비 단계로서 도 4에 도시된 바와 같은 선형 산란체(30)를 준비하고, 그 3차원 이미지를 홀로그램으로서 기록 매체에 기록한다. 그리고, 조명 유닛(100)의 내부에는, 이와 같은 기록이 수행된 홀로그램 기록 매체와 그 재생에 필요한 구성 요소를 내장하고, 투영 단계에서는, 선형 산란체(30)의 재생 이미지를 이용하여 선형 패턴 U를 형성한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 실시예의 경우, 조명 유닛(100)으로부터 도면의 아래쪽으로 조사되는 조명광은, 도 4에 도시된 선형 산란체(30)의 재생광인 것이다.
여기서, 재생 이미지의 형성 위치가, 탑재 스테이지(210)의 상면이 되도록 조정하여 두면, 탑재 스테이지(210)의 상면에, 선형 산란체(30)의 재생 이미지로서 선형 패턴 U가 형성되며, 물체 M 상에 투영되는 선형 패턴 U는, 이 재생 이미지를 형성하기 위한 재생광에 의해 생성되는 패턴이다. 이와 같이 코히렌트 광에 의해 생긴 선형 패턴 U는, 높은 휘도를 가지고, 단색성이 우수하여 그 윤곽도 선명하다. 또한, 산란체(30)의 재생 이미지에 의해 패턴이 형성되므로, 전체적으로 일정한 휘도를 가진 패턴을 얻을 수 있다.
다만, 홀로그램 재생 이미지를 얻기 위해 코히렌트 광을 사용하고 있으므로, 별도의 연구를 진행하지 않는다면, 스펙클의 발생은 피할 수 없다. 그래서, 본원 발명자는, 스펙클을 저감하기 위한 연구를 더 진행하여 이에 대한 아이디어를 얻었다. 그 기본 개념은, 홀로그램을 재생할 때, 홀로그램 기록 매체를 코히렌트 광빔(재생용 조명광)으로 주사하고, 재생에 기여하는 매체 상의 영역이, 시간과 동시에 변화하도록 하는 것이다. 이와 같은 방법으로 재생 이미지를 얻으면, 홀로그램 기록 매체로부터 조사되는 재생광의 방향이 시간에 따라 변화되므로, 스펙클 발생 요인이 시간적으로 분산되고, 결과적으로, 스펙클 발생을 억제하는 효과가 얻어진다. 이하, 이와 같은 연구에 대하여 상세하게 설명한다.
＜＜＜§ 2.본 발명에 사용하는 홀로그램 기록 매체＞＞＞
먼저, 본 발명의 기본적 실시예에 따른 스캐너 장치(또는 물체의 3차원 형상 측정 장치)에 내장되는 조명 유닛(100)에 있어서, 그 구성요소로서 사용하는 홀로그램 기록 매체의 특징을 설명한다. 도 5는 이 홀로그램 기록 매체를 작성하는 프로세스를 나타내는 광학계의 배치도이다. 이 광학계에 의하며, 산란체의 이미지가 기록되는 홀로그램 기록 매체가 작성된다.
도면의 우측 상부에 도시된 코히렌트 광원(10)은, 코히렌트 광빔 L10을 생성하는 광원이며, 실제로는 원형 단면을 가지는 단색성 레이저광을 발생시키는 레이저 광원이 사용된다. 상기 레이저 광원에 의해 생성되는 코히렌트 광빔 L10은 빔 스플리터(20)에 의해 2개의 빔으로 나누어진다. 즉, 광빔 L10의 일부는 빔 스플리터(20)를 그대로 투과하여 도면의 하부로 안내되며, 나머지 부분은 빔 스플리터(20)에 의해 반사되어 광빔 L20으로 도면의 좌측으로 안내된다.
빔 스플리터(20)를 투과한 광빔 L10은 산란체의 물체광 Lobj를 발생시키는 역할을 한다. 즉, 도면의 아래쪽으로 진행된 광빔 L10은, 반사경(11)에 의해 반사되어 광빔 L11이 되고, 또한 빔 익스팬더(12)에 의해 직경이 확장되어 평행광속 L12를 구성하며, 산란체(30)의 우측면의 전체 영역으로 조사된다. 산란체(30)은 도 4의 사시도에 도시된 것과 같은 가늘고 긴 선형 산란체이다. 이 선형 산란체(30)의 형상은, 탑재 스테이지(210) 상에 형성되는 선형 패턴 U에 대응하는 형상이면 된다. 이하의 도면에서는, 도시의 편의를 위해, 도 4에 도시된 선형 산란체(30)의 형상을 변형시켜(전체 길이를 줄여) 나타낸다.
이 산란체(30)으로서는 일반적으로 광학적 확산판이라 불리는, 조사되는 광을 산란하는 특성을 가지는 판형 재료를 이용하면 된다. 여기에 나타나는 실시예의 경우, 내부에서 광을 산란시키기 위한 미소 입자(광 산란체)가 짓이겨져서 넣어지는 투과형 산란체(예를 들어, 오팔 유리판)을 사용하고 있다. 따라서, 도시된 바와 같이, 산란체(30)의 우측면에 조사되는 평행광속 L12는 산란체(30)을 투과하여 좌측면으로부터 산란광 L30으로 사출된다. 상기 산란광 L30은 산란체(30)의 물체광 Lobj을 구성한다.
한편, 빔 스플리터(20)에 의해 반사된 광빔 L20은 참조광 Lref를 발생시키는 역할을 한다. 즉, 빔 스플리터(20)로부터 도면의 좌측으로 진행하는 광빔 L20은 반사경(21)에 의해 반사되어 광빔 L21이 되며, 또한 빔 익스팬더(22)에 의해 직경이 확장되어, 평행광속 L22를 구성하며 점 C를 초점으로 하는 볼록 렌즈(23)에 의해 굴절된 후 홀로그램 감광 매체(40)에 조사된다. 그리고, 평행광속 L22가 엄밀하게는 반드시 서로 평행한 평행광선의 집합으로 구성되는 것이 아닐지라도, 평행광속 L22가 대략 평행한 광선의 집합이면, 실제 사용하는데 있어서 문제되지 않는다. 홀로그램 감광 매체(40)는 홀로그램 이미지를 기록하는데 사용되는 감광성 매체이다. 이 홀로그램 감광 매체(40)에 조사된 조사광 L23은 참조광 Lref를 구성한다.
결국, 홀로그램 감광 매체(40)에는, 산란체(30)의 물체광 Lobj와 참조광 Lref가 조사된다. 여기서 물체광 Lobj와 참조광 Lref는 모두 코히렌트 광원(10, 레이저 광원)에 의해 생성되는 동일한 파장 λ를 갖는 코히렌트 광이므로, 양자의 간섭 무늬가 홀로그램 감광 매체(40)에 기록된다. 환언하면, 홀로그램 감광 매체(40)에는 산란체(30)의 이미지가 홀로그램으로 기록된다.
도 6은 도 5에 도시된 참조광 L23(Lref)의 단면 S1과 홀로그램 감광 매체(40) 사이의 위치 관계를 나타내는 평면도이다. 빔 익스팬더(22)에 의해 직경이 확장된 평행광속 L22는 원형 단면을 가지고 있으므로, 볼록 렌즈(23)로 집광되는 참조광 Lref는 렌즈의 초점 C를 정점으로 하는 원추형으로 수렴한다. 다만, 도 5에 도시된 실시예에서는, 홀로그램 감광 매체(40)가 상기 원추의 중심축에 대하여 경사지게 배치되어 있으므로, 홀로그램 감광 매체(40)의 표면에서 참조광 L23(Lref)을 절단한 단면 S1은 도 6에 도시된 바와 같이 타원이 된다.
이와 같이, 도 6에 도시된 실시예에서, 참조광 Lref는 홀로그램 감광 매체(40)의 전체 영역 중 도면에서 해칭된 영역 내에만 조사되므로, 산란체(30)의 홀로그램은 오직 상기 해치된 영역 내에만 기록된다. 물론, 빔 익스팬더(22)에 의해 보다 큰 직경을 갖는 평행광속 L22를 생성하고, 보다 큰 직경을 갖는 볼록 렌즈(23)를 이용한다면, 도 7에 도시된 실시예와 같이, 참조광 Lref의 단면 S2 내에 홀로그램 감광 매체(40) 전체가 포함되도록 할 수 있다. 이 경우, 도면에서 해칭한 것과 같이, 산란체(30)의 홀로그램은 홀로그램 감광 매체(40)의 전체 표면에 기록된다. 본 발명에 사용하는 홀로그램 기록 매체를 작성하는데 있어서는, 도 6 또는 도 7의 어느 형태로 기록하여도 상관없다.
이어서, 홀로그램 감광 매체(40) 상에 산란체(30)의 이미지를 기록하는 광학적 프로세스에 관해 보다 상세하게 기술한다. 도 8는 도 5에 도시된 광학계에 있어서, 산란체(30) 및 홀로그램 감광 매체(40) 주변의 부분 확대도이다. 전술한 바와 같이, 참조광 Lref는 원형 단면을 갖는 평행광속 L22를, 초점 C를 갖는 볼록 렌즈(23)로 집광한 것이며, 참조광 Lref는 초점 C를 정점으로 하는 원추형으로 수렴한다. 이하에서는, 상기 초점 C를 수렴점이라 한다. 도시된 바와 같이, 홀로그램 감광 매체(40)에 조사되는 참조광 L23(Lref)은 상기 수렴점 C로 수렴하는 광이 된다.
한편, 산란체(30)로부터 발광되는 광(물체광 Lobj)은 산란광이므로, 다양한 방향으로 진행한다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 산란체(30)의 좌측면의 상단에 물체점 Q1을 가정하면, 상기 물체점 Q1으로부터 모든 방향으로 산란광이 사출된다. 마찬가지로, 또한 임의의 물체점 Q2나 Q3으로부터 모든 방향으로 산란광이 사출된다. 따라서, 홀로그램 감광 매체(40) 내의 임의의 점 P1에 주목하면, 물체점 Q1, Q2 및 Q3으로부터의 물체광 L31, L32, L33과 수렴점 C를 향해 진행하는 참조광 Lref의 간섭 무늬 정보가 기록된다. 물론 실제로는, 산란체(30) 상의 물체점은 Q1, Q2 및 Q3 만이 아니므로, 산란체(30) 상의 모든 물체점으로부터의 정보가, 마찬가지로 참조광 Lref와의 간섭 무늬 정보로서 기록된다. 환언하면, 도시된 점 P1에서, 산란체(30)의 모든 정보가 기록되는 것이다. 또한 이와 동일한 방법으로, 산란체(30)의 모든 정보는 도시된 점 P2에도 기록된다. 따라서, 홀로그램 감광 매체(40)의 각 부분에 산란체(30)의 모든 정보가 기록되는 것이다. 이것이 홀로그램의 본질이다.
이하에서는, 이와 같은 방법으로 산란체(30)의 정보가 기록되는 홀로그램 감광 매체(40)를 홀로그램 기록 매체(45)라 한다. 이 홀로그램 기록 매체(45)를 재생하여, 산란체(30)의 홀로그램 재생 이미지를 얻기 위해서는, 기록 시에 사용한 광과 동일한 파장을 갖는 코히렌트 광을, 기록 시에 사용한 참조 광 Lref에 대응하는 방향으로부터 재생용 조명광으로 조사하면 된다.
도 9는 도 8에 도시된 프로세스에 의해 작성되는 홀로그램 기록 매체(45)를 이용하여 산란체의 이미지(35)를 재생하는 프로세스를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 홀로그램 기록 매체(45)에 대하여, 하부로부터 재생용 조명광 Lrep가 조사된다. 상기 재생용 조명광 Lrep는 수렴점 C에 위치하는 점광원으로부터 구면파로 발산하는 코히렌트 광이며, 재생용 조명광의 일부는 도시된 바와 같이 원추형으로 확산되며 홀로그램 기록 매체(45)에 조사되는 광이 된다. 또한, 이 재생용 조명광 Lrep의 파장은 홀로그램 기록 매체(45)의 기록 시의 파장과 동일하다(즉, 도 5에 도시된 코히렌트 광원(10)에 의해 발생되는 코히렌트 광의 파장).
여기서, 도 9에 도시된 홀로그램 기록 매체(45)와 수렴점 C 사이의 위치 관계는 도 8에 도시된 홀로그램 감광 매체(40)와 수렴점 C 사이의 위치 관계와 정확하게 동일하다. 따라서, 도 9에 도시된 재생용 조명광 Lrep는 도 8에 도시된 참조광 Lref의 광로를 역행하는 광에 대응한다. 이러한 조건을 만족시키는 재생용 조명광 Lrep를 홀로그램 기록 매체(45)에 조사하면, 그 회절광 L45(Ldif)에 의해, 산란체(30)의 홀로그램 재생 이미지(35)(도면에서 파선으로 도시됨)를 얻을 수 있다. 도 9에 도시된 홀로그램 기록 매체(45)와 재생 이미지(35) 사이의 위치 관계는 도 8에 도시된 홀로그램 감광 매체(40)와 산란체(30) 사이의 위치관계와 정확하게 동일하다.
이와 같이, 임의의 물체의 이미지를 홀로그램으로 기록하고 재생하는 기술은 오래전부터 실용화되어 있는 공지의 기술이다. 단지, 일반적인 용도로 이용되는 홀로그램 기록 매체를 작성하는 경우, 평행광속이 참조광 Lref로 사용된다. 평행광속으로 구성된 참조광 Lref를 사용하여 기록한 홀로그램은 재생시에도 평행광속으로 이루어지는 재생용 조명광 Lrep를 사용하면 되므로, 매우 편리하다.
이에 대하여, 도 8에 도시된 바와 같이 수렴점 C로 수렴하는 광을 참조광 Lref로 사용하면, 재생시에는 도 9에 도시된 바와 같이 수렴점 C로부터 발산하는 광을 재생용 조명광 Lrep로 이용해야한다. 실제로, 도 9에 도시된 바와 같은 재생용 조명광 Lrep를 얻기 위해서는, 렌즈와 같은 광학계를 특정 위치에 배치할 필요가 있다. 만약 재생 시의 홀로그램 기록 매체(45)와 수렴점 C 사이의 위치 관계가 기록 시의 홀로그램 감광 매체(40)와 수렴점 C 사이의 위치 관계와 일치하지 않는다면, 이미지(35)가 정확하게 재생되지 않을 수 있어, 재생 시의 조명 조건이 제한된다(평행광속을 이용하여 재생되는 경우이면, 조명 조건 중 조사각만 만족 되면 된다).
이러한 이유로, 수렴점 C에 수렴하는 참조광 Lref를 사용하여 작성한 홀로그램 기록 매체는 일반적인 용도에 적합하지 않다. 그럼에도 불구하고, 여기에 도시된 실시예에서 수렴점 C로 수렴하는 광을 참조광 Lref로 사용하는 이유는, 재생 시 수행하는 광빔 주사를 용이하게 하기 위해서이다. 즉, 도 9에서는, 설명의 편의를 위해, 수렴점 C로부터 발산하는 재생용 조명광 Lrep를 이용하여 산란체(30)의 재생 이미지(35)를 생성하는 방법을 도시하였으나, 본 발명에서는 실제로, 도시된 바와 같이 원추형으로 확산되는 재생용 조명광 Lrep를 사용한 재생은 수행하지 않는다. 이러한 방법 대신, 광빔을 주사하는 방법을 이용한다. 이하에서는 상기 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 10은 도 8에 도시된 프로세스에 의해 작성되는 홀로그램 기록 매체(45) 상에 하나의 광빔 만을 조사하여 산란체(30)의 이미지(35)를 재생하는 프로세스를 나타내는 도면이다. 즉, 본 실시예에서는, 수렴점 C로부터 매체 내의 한 점 P1을 향해 진행하는 하나의 광빔 L61만이 재생용 조명광 Lrep로 제공된다. 물론, 광빔 L61은 기록 시의 광과 동일한 파장을 가지는 코히렌트 광이다. 도 8을 참조하여 전술한 바와 같이, 홀로그램 기록 매체(45) 내의 임의의 점 P1에는 산란체(30)의 모든 정보가 기록되어 있다. 따라서, 도 10에 도시된 점 P1의 위치에, 기록 시에 사용한 참조광 Lref에 대응하는 조건으로 재생용 조명광 Lrep를 조사하면, 이 점 P1 근방에 기록된 간섭 무늬만을 이용하여 산란체(30)의 재생 이미지(35)를 생성할 수 있다. 도 10은 점 P1으로부터의 회절광 L45(Ldif)에 의해 재생 이미지(35)를 재생하는 상태를 나타낸다.
한편, 도 11은 수렴점 C로부터 매체 내의 다른 점 P2를 향해 진행하는 하나의 광빔 L62만을 재생용 조명광 Lrep로 제공하는 실시예를 나타낸다. 이러한 경우에도, 점 P2에는 산란체(30)의 모든 정보가 기록되므로, 점 P2의 위치에 대하여, 기록 시에 사용한 참조광 Lref에 대응하는 조건으로 재생용 조명광 Lrep를 조사하면, 이 점 P2 주변에 기록된 간섭 무늬만을 이용하여 산란체(30)의 재생 이미지(35)를 생성할 수 있다. 도 11은 점 P2로부터의 회절광 L45(Ldif)에 의해 재생 이미지(35)를 재생하는 상태를 나타낸다. 도 10에 도시된 재생 이미지(35)와 도 11에 도시된 재생 이미지(35)는 동일한 산란체(30)을 원래 이미지로 하는 것이므로, 이론적으로는, 재생 이미지 또한 동일한 위치에 생성된다.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 재생 프로세스에 있어서, 광빔의 조사 위치를 나타내는 평면도이다. 도 12에 도시된 점 P1은 도 10에 도시된 점 P1에 대응하며, 도 12에 도시된 점 P2는 도 11에 도시된 점 P2에 대응한다. 도면 부호 A1 및 A2는 각각 재생용 조명광 Lrep의 단면을 나타낸다. 단면 A1 및 A2의 형상 및 크기는 광빔 L61 및 L62의 단면의 형상 및 크기에 의존한다. 또한 홀로그램 기록 매체(45) 상의 조사 위치에도 의존한다. 여기서는, 편의상, 원형의 단면 A1, A2를 나타내고 있지만, 실제로는, 원형 단면을 가지는 광빔 L61 및 L62를 사용한 경우, 단면 형상은 조사 위치에 따라 편평한 타원형이 된다.
이와 같이, 도 12에 나타나는 점 P1 근방과, 점 P2 근방에, 각각 기록되어 있는 간섭 무늬의 내용은 전혀 상이한 것이지만, 어느 점에 재생용 조명광 Lrep가 되는 광빔을 조사한 경우라도, 동일한 위치에서 동일한 재생 이미지(35)를 얻을 수 있게 된다. 이것은, 재생용 조명광 Lrep가 수렴점 C로부터 각 점 P1 및 P2를 향해 진행하는 광빔이므로, 어느 점에 대해서도, 도 12에 도시된 기록 시의 참조광 Lref의 방향에 대응하는 방향의 재생용 조명광 Lrep이 주어지게 되기 때문이다.
도 12에는, 2개의 점 P1 및 P2만을 예시했지만, 물론, 홀로그램 기록 매체(45) 상의 임의의 점에 대해도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 홀로그램 기록 매체(45) 상의 임의의 점에 광빔을 조사한 경우, 광빔이 수렴점 C로부터의 광인 한, 동일한 위치에서 동일한 재생 이미지(35)를 얻을 수 있게 된다. 무엇보다, 도 6에 나타난 바와 같이, 홀로그램 감광 매체(40)의 일부의 영역(도면에서 해칭된 영역)에만 홀로그램을 기록한 경우, 재생 이미지(35)는 상기 영역 내의 점에 광 빔을 조사한 경우에만 얻을 수 있다.
결국, 여기서 말한 홀로그램 기록 매체(45)는, 특정한 수렴점 C에 수렴하는 참조광 Lref를 사용하여 산란체(30)의 이미지를 홀로그램으로 기록하는 매체이며, 이 수렴점 C를 통과하는 광빔을 임의의 위치에 재생용 조명광 Lrep로 조사하면, 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성되는 특징을 포함한다. 따라서, 수렴점 C를 통과하는 광빔을 재생용 조명광 Lrep로 홀로그램 기록 매체(45) 상에 주사하면, 개개의 조사 점으로부터 얻어지는 회절광 Ldif에 의해, 동일한 재생 이미지(35)가 동일한 위치에서 재생된다.
＜＜＜§ 3.본 발명의 기본적 실시형태에 따른 조명 유닛＞＞＞
본 발명의 특징은 스캐너 장치 또는 물체의 3차원 형상 측정 장치에, 스펙클 억제 기능을 가진 특유의 조명 유닛을 적용하는 점에 있다. 따라서, 여기서는 본 발명의 기본적 실시예에 따른 조명 유닛(100)의 구성을, 도 13의 측면도를 참조하여 설명한다. 도시한 바와 같이, 이 조명 유닛(100)은, 홀로그램 기록 매체(45), 코히렌트 광원(50) 및 광빔 주사 장치(60)를 포함한다.
여기서, 홀로그램 기록 매체(45)는 §2에 기술된 특징을 포함하는 매체이며, 산란체(30)의 이미지(35)가 기록되어 있다. 또, 코히렌트 광원(50)은, 홀로그램 기록 매체(45)를 작성할 때 사용한 광(물체광 Lobj 및 참조광 Lref)의 파장과 동일 파장을 가지는 코히렌트 광빔 L50을 발생시키는 광원이다.
한편, 광빔 주사 장치(60)는, 코히렌트 광원(50)에서 발생된 광빔 L50을, 소정의 주사 기점 B에서 굴곡시켜 홀로그램 기록 매체(45)에 조사하고, 또한 광빔 L50의 굴곡 태양을 시간에 따라 변화시킴으로써, 홀로그램 기록 매체(45)에 대한 굴곡된 광빔 L60의 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 장치이다. 이와 같은 장치는, 일반적으로, 주사 미러 디바이스로 공지된 장치이다. 도면에는, 설명의 편의상, 시각 t1에서의 굴곡 태양을 일점 쇄선으로 나타내고, 시각 t2에서의 굴곡 태양을 2점 쇄선으로 나타내고 있다. 즉, 시각 t1에서, 광빔 L50은 주사 기점 B에서 굴곡되어, 광빔 L60(t1)로 홀로그램 기록 매체(45)의 점 P(t1)에 조사되지만, 시각 t2에서는, 광빔 L50은, 주사 기점 B에서 굴곡되어 광빔 L60(t2)로 홀로그램 기록 매체(45)의 점 P(t2)에 조사된다.
도면에서는, 편의상, 시각 t1 및 t2의 2개의 시점에서의 굴곡 태양만 나타나있지만, 실제로는, 시각 t1부터 t2까지 기간에 있어서, 광빔의 굴곡 방향은 원활하게 변화되고, 광빔 L60의 홀로그램 기록 매체(45)에 대한 조사 위치는, 도면의 점P(t1)에서 P(t2)로 서서히 이동하여 가게 된다. 즉, 시각 t1부터 t2까지 기간에 있어서, 광빔 L60의 조사 위치는, 홀로그램 기록 매체(45) 상에 있어서 점 P(t1)부터 P(t2)까지 주사된다.
여기서, 주사 기점 B의 위치를, 도 8에 도시된 수렴점 C의 위치와 일치하게 하면 (환언하면, 도 13의 홀로그램 기록 매체(45)와 주사 기점 B 사이의 위치 관계를 도 8의 홀로그램 감광 매체(40)와 수렴점 C 사이의 위치 관계와 동일하게 하면), 홀로그램 기록 매체(45)의 각 조사 위치에 있어서, 광빔 L60은 도 8에 도시된 참조광 Lref에 대응하는 방향(도 8에 도시된 참조광 Lref의 광로를 역행하는 방향)으로 조사된다. 따라서, 광빔 L60은, 홀로그램 기록 매체(45)의 각 조사 위치에서, 거기에 기록되어 있는 홀로그램을 재생하기 위한 정확한 재생용 조명광 Lrep로서 기능한다.
예를 들어, 시각 t1에서는, 점 P(t1)로부터의 회절광 L45(t1)에 의해, 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성되고, 시각 t2에서는, 점 P(t2)로부터의 회절광 L45(t2)에 의해, 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성된다. 물론, 시각 t1부터 t2까지의 기간에 있어서, 광빔 L60이 조사된 개개의 위치로부터의 회절광에 의해, 마찬가지로 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성된다. 즉, 광빔 L60이, 주사 기점 B로부터 홀로그램 기록 매체(45)로 진행하는 광인 한, 홀로그램 기록 매체(45)상의 어떠한 위치에 광빔 L60이 조사되더라도, 조사 위치로부터의 회절광에 의해, 동일한 재생 이미지(35)가 동일한 위치에 생성된다.
이와 같은 현상은, 도 8에 도시된 바와 같이, 특정한 수렴점 C에 수렴하는 참조광 L23을 사용하여 산란체(30)의 이미지를 홀로그램 기록 매체(45) 상에 홀로그램으로 기록하고, 광빔 주사 장치(60)가 이 수렴점 C를 주사 기점 B로 이용하여 광빔 L60을 주사하기 때문에 발생한다. 물론, 광빔 주사 장치(60)에 의한 주사를 정지하여, 광빔 L60의 조사 위치를 홀로그램 기록 매체(45) 상의 한 점에 고정한 경우일지라도, 동일한 재생 이미지(35)가 동일한 위치에 계속하여 생성된다. 그럼에도 불구하고, 광빔 L60을 주사하는 이유는 스펙클 노이즈를 억제하기 위함이다.
도 14는 도 13에 도시된 조명 유닛(100)을 사용하여, 탑재 스테이지(210)를 조명하는 상태를 나타내는 측면도이다. 여기서는, 도시의 편의를 위해, 우측단에 배치된 탑재 스테이지(210)를 좌측으로부터 조명하는 상태가 나타나 있지만, 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 장치에서 사용하는 경우, 조명 유닛(100)은, 하부에 배치된 탑재 스테이지(210)를 위쪽으로부터 조명하게 된다.
전술한 바와 같이, 조명 유닛(100)은, 홀로그램 기록 매체(45)로부터 얻어지는 산란체의 이미지(35)의 재생광을 조명광으로 사용하는 장치이다. 여기서는, 탑재 스테이지(210)의 좌측면(도 1에 도시된 구성의 경우에는 상면)을 조명 유닛(100)으로 조명하기 위하여, 도시한 바와 같이, 산란체의 재생 이미지(35)의 좌측면에 탑재 스테이지(210)의 좌측면을 일치시킨 위치에, 탑재 스테이지(210)를 배치한 경우를 생각해 본다. 이 경우, 탑재 스테이지(210)의 좌측면이 수광면 R이 되고, 홀로그램 기록 매체(45)로부터의 회절광은 상기 수광면 R에 조사된다.
따라서, 이 수광면 R 상에 임의의 주목점 Q를 설정하고, 이 주목점 Q에 도달하는 회절광이 어떠한 것인지를 생각해 본다. 먼저, 시각 t1에서, 코히렌트 광원(50)으로부터 나온 광빔 L50이, 도면에서 일점 쇄선으로 나타난 바와 같이, 주사 기점 B에서 굴곡되어, 광빔 L60(t1)로서 점 P(t1)에 조사된다. 그리고, 점 P(t1)로부터의 회절광 L45(t1)이 주목점 Q에 도달한다. 한편, 시각 t2에서는, 코히렌트 광원(50)으로부터 나온 광빔 L50이, 도면에서 2점 쇄선으로 나타난 바와 같이, 주사 기점 B에서 굴곡되어, 광빔 L60(t2)로서 점 P(t2)에 조사된다. 그리고, 점 P(t2)로부터의 회절광 L45(t2)가 주목점 Q에 도달한다.
결국, 이와 같은 회절광에 의해, 주목점 Q의 위치에는, 항상 산란체(30)의 주목점 Q의 위치에 대응하는 재생 이미지가 생성되지만, 주목점 Q에 대한 회절광의 입사각은, 시각 t1과 시각 t2사이에서 상이하다. 환언하면, 광빔 L60을 주사한 경우, 수광면 R 상에 형성되는 재생 이미지(35)는 변하지 않더라도, 수광면 R상의 개개의 점에 도달하는 회절광의 입사 각도는 시간에 따라 변화하게 된다. 이와 같은 시간에 따른 입사 각도의 변화는 스펙클을 감소시키는데 크게 공헌한다.
전술한 바와 같이, 코히렌트 광을 사용할 때 스펙클이 발생하는 이유는, 수광면 R의 각 부분에서 반사된 코히렌트 광이 극히 높은 가간섭성을 가지며 서로 간섭하기 때문이다. 그러나, 본 발명에서는, 광빔 L60을 주사함으로써, 수광면 R(또는 물체 M의 표면)의 각 부분으로의 회절광의 입사 각도가 시간에 따라 변하므로, 간섭의 태양도 시간에 따라 변하며, 다중도를 갖게 된다. 그러므로, 스펙클의 발생 요인은, 시간적으로 분산되고, 선형 패턴 U에 발생되는 휘도 불균일도 저감될 수 있다. 이것이 도 14에 도시된 조명 유닛(100)이 가지는 장점이다.
본 발명에 따른 스캐너 장치 및 물체의 3차원 형상 측정 장치는 전술한 특징을 가지는 조명 유닛(100)을 사용하여 물체 M에 선형 패턴 U를 투영한다. 도 15는 도 13에 도시된 조명 유닛(100)을 사용하여 물체 M 상에 선형 패턴 U를 투영한 상태를 나타내는 측면도이다. 선형 패턴 U는 원래 두께가 없는 패턴이지만, 여기서는 설명의 편의를 위해 굵고 검은 선으로 나타낸다.
도시한 예의 경우, 물체 M을 탑재하기 위한 탑재 스테이지(210)의 상면을 구성하는 수광면 R에, 홀로그램 재생 이미지(35)가 형성된 상태를 나타낸다. 따라서, 선형 패턴 U 중에서, 수광면 R 상에 형성되는 부분은, 홀로그램 재생 이미지(35) 그 자체가 되지만, 물체 M의 상면에 형성되는 부분은, 홀로그램 재생광이 물체 M의 표면에서 차단되고 산란되는 영역으로 이루어지는 패턴이 된다. 따라서, 전자에 비해 후자는, 윤곽 부분이 약간 흐릿해져 선명하지 않게 되지만, 물체 M의 높이에 비하여, 조명 유닛(100)과 수광면 R 사이의 거리가 충분히 크면, 실제 사용에 있어서, 문제는 생기지 않는다.
마찬가지의 이유에 의해, 홀로그램 재생 이미지(35)의 형성 위치를, 반드시 탑재 스테이지(210)의 상면의 위치와 정확하게 일치시킬 필요는 없으며, 예를 들어, 홀로그램 재생 이미지(35)가 물체 M의 상단 위치에 형성되어도 상관없다. 전술한 바와 같이, 물체 M의 높이에 비하여, 조명 유닛(100)과 수광면 R 사이의 거리가 충분히 커지도록 설정하고, 물체 M의 근방면 상에 홀로그램 재생 이미지(35)가 형성되도록 하면, 실제 사용에 있어서, 문제는 생기지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 조명 유닛(100)을 이용하면, 코히렌트 광을 사용하여 단색성을 가진 고휘도의 선형 패턴 U를 물체 M 상에 투영함으로써, 스펙클 저감을 도모할 수 있다. 또한, 광빔 주사 장치(60)는, 비교적 소형의 장치에서 구현할 수 있으므로, 산란체을 회전시키거나, 진동시켜야 하는 종래 장치에 비하여, 조명 유닛(100)을 소형화하는 것이 가능하며, 소비 전력 또한 낮출 수 있다.
＜＜＜§ 4.조명 유닛의 각 구성요소의 상세한 설명＞＞＞
도 13에 도시된 조명 유닛(100)은 §3에서 설명한 바와 같이, 홀로그램 기록 매체(45), 코히렌트 광원(50) 및 광빔 주사 장치(60)를 포함한다. 여기서는, 이들 각 구성 요소에 대하여, 보다 상세하게 설명한다.
＜4-1＞코히렌트 광원
먼저, 코히렌트 광원(50)으로, 홀로그램 기록 매체(45)를 작성하는데 사용한 광(물체광 Lobj 및 참조광 Lref)의 파장과 동일 파장을 가지는 코히렌트 광빔 L50을 발생시키는 광원을 이용한다. 무엇보다, 코히렌트 광원(50)에 의해 발생되는 광빔 L50의 파장은, 홀로그램 기록 매체(45)를 작성하는데 사용한 광의 파장과 완전하게 동일할 필요는 없으며, 극히 유사한 파장을 가지면, 홀로그램의 재생 이미지를 얻을 수 있다. 요컨대, 본 발명에 사용하는 코히렌트 광원(50)은, 산란체의 이미지(35)를 재생하는 것이 가능한 파장을 가진 코히렌트 광빔 L50을 발생시키는 광원이면 된다.
실제로는, 도 5에 도시된 코히렌트 광원(10)과 동일한 광원을, 그대로 코히렌트 광원(50)으로 이용할 수 있다. 여기에 나타내는 실시예의 경우, 파장 λ= 532nm(녹색)의 레이저광을 방출하는 것이 가능한 DPSS(Diode Pumped Solid State)레이저 장치를 코히렌트 광원(50)으로 사용하였다. DPSS 레이저는, 소형이면서 비교적 고출력의 원하는 파장의 레이저광을 얻을 수 있으므로, 본 발명에 따른 조명 유닛으로 이용하기에 적절한 코히렌트 광원이다.
상기 DPSS 레이저 장치는 일반적인 반도체 레이저에 비해 코히렌트 길이가 길기 때문에, 스펙클이 발생하기 쉬워, 종래에는 조명 용도로는 부적합하다고 인식되어 왔다. 즉, 종래에는, 스펙클을 저감시키기 위해, 레이저광의 발진 파장의 범위를 확장하고, 가능한 한 코히렌트 길이를 짧게 하려 노력했다. 이에 반하여, 본 발명에서는, 코히렌트 길이가 긴 광원을 사용한 경우에도 전술한 원리에 의해, 스펙클의 발생을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 광원으로 DPSS 레이저 장치를 사용한 경우에도, 실제 사용에 있어서 스펙클 발생은 문제되지 않는다. 이와 같은 점에 있어서, 본 발명을 이용하면, 광원의 선택 범위를 보다 넓히는 효과를 얻을 수 있다.
＜4-2＞광빔 주사 장치
광빔 주사 장치(60)는, 홀로그램 기록 매체(45) 상에, 광빔을 주사하는 기능을 가진 장치이다. 여기서는, 이 광빔 주사 장치(60)에 의한 빔 주사의 구체적인 방법을 설명한다. 도 16은 도 13에 도시된 조명 유닛(100)에서 홀로그램 기록 매체(45) 상의 광빔의 주사 태양의 제1 예를 나타내는 평면도다. 본 예에서는, 홀로그램 기록 매체(45)로 가로폭 Da=12mm, 세로폭 Db=10mm를 가지는 매체를 사용하고, 상기 매체 위를 주사하는 광빔 L60으로 직경 1mm의 원형 단면을 가지는 레이저빔을 사용한다. 도시한 바와 같이, CRT에서 전자선의 주사와 같이, 광빔 L60의 조사 위치를, 제1 행의 개시 영역 A1S부터 종료 영역 A1E까지 수평 방향으로 주사하고, 이어서, 제2 행의 개시 영역 A2S부터 종료 영역 A2E까지 수평 방향으로 주사하며, . . ., 마지막으로, 제n 행의 개시 영역 AnS부터 종료 영역 AnE까지 수평 방향으로 주사한 후, 다시, 제1 행의 개시 영역 A1S로 돌아와, 동일한 작업을 반복하는 방법을 이용한다.
도 16에 도시된 주사 방법에서, 홀로그램 기록 매체(45)의 전체 면이 광빔에 의해 주사되지만, 본 발명에서는, 반드시 홀로그램 기록 매체(45)의 전체 면을 빠짐없이 주사할 필요는 없다. 예를 들어, 도 17은 도 16에 도시된 주사 방법에서 홀수 행만 주사하고, 짝수 행은 주사를 생략한 예이다. 이와 같이, 1행 간격으로 주사하는 경우, 홀로그램 기록 매체(45)의 일부 영역에 기록되어 있는 홀로그램 정보는, 이미지의 재생에 전혀 기여하지 않게 되지만, 이는 특별히 문제가 되지 않는다. 도 18은 더 극단적인 주사 방법을 나타낸 예로, 세로폭 Db의 중앙 위치에서, 개시 영역 A1S부터 종료 영역 A1E까지 수평 방향으로 오직 1행만 반복하여 주사하는 방법이다.
물론, 주사 방향은 자유롭게 설정될 수 있으며, 제1 행의 주사를 좌측에서 우측으로 행한 후, 제2 행의 주사를 우측에서 좌측으로 행해도 된다. 또한, 주사 방향은 반드시 직선으로 한정되는 것이 아니고, 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 원을 그리는 것 같은 주사도 가능하다.
그리고, 도 6에 도시된 실시예와 같이, 홀로그램 감광 매체(40)의 일부의 영역(해칭된 영역)에만 참조광 Lref를 조사하여 기록하는 경우에는, 다른 영역(외부의 흰 영역)에는 홀로그램이 기록되어 있지 않다. 이와 같은 경우, 외부의 흰 영역까지 주사되면, 재생 이미지(35)를 얻을 수 없기 때문에, 조명이 일시적으로 어두워진다. 따라서, 실제 사용에 있어서, 홀로그램이 기록되어 있는 영역만을 주사하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 홀로그램 기록 매체(45) 상에서의 광빔의 주사는 광빔 주사 장치(60)에 의해 수행된다. 이 광빔 주사 장치(60)는, 코히렌트 광원(50)으로부터의 광빔 L50을, 주사 기점 B(홀로그램 기록 시의 수렴점 C)에서 굴곡시켜, 광빔 L50을 홀로그램 기록 매체(45)에 조사하는 기능을 가진다. 또한, 상기 굴곡 태양(굴곡 방향과 굴곡 각도의 크기)을 시간에 따라 변화시킴으로써, 굴곡된 광빔 L60의 홀로그램 기록 매체(45)에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사한다. 이와 같은 기능을 가진 장치는, 주사형 미러 디바이스로서 각종 광학계에서 활용되고 있다.
예를 들면, 도 13에 도시된 실시예에서는, 편의상, 광빔 주사 장치(60)로서 단순한 반사경이 도시되어 있지만, 실제로는, 이 반사경을 2축 방향으로 회동시키는 구동 기구가 구비된다. 즉, 도시된 반사경의 반사면의 중심 위치에 주사 기점 B를 설정하고, 상기 주사 기점 B를 관통하며, 반사면 상에서 서로 직교하는 V축 및 W축을 정의한 경우, 이 반사경을 V축(도면의 지면에 수직인 축) 주위로 회동시키는 기구와, W축(도면에서 파선으로 도시되는 축) 주위로 회동시키는 기구가 구비된다.
이와 같이, V축 및 W축 주위를 독립적으로 회동 가능한 반사경을 이용하면, 반사된 광빔 L60을 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 수평 방향 및 수직 방향으로 주사할 수 있다. 예를 들어, 전술한 기구에 있어서, 반사광을 V축 주위로 회동하면, 도 16에 도시된 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 광빔 L60의 조사 위치를 수평 방향으로 주사할 수 있으며, 반사광을 W축 주위로 회동하면, 조사 위치를 수직 방향으로 주사할 수 있다.
요컨대, 광빔 주사 장치(60)가, 주사 기점 B를 포함하는 평면상에서 광빔이 요동 운동하도록 광빔 L60을 굴곡시키는 기능이 있으면, 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 광빔 L60의 조사 위치를 1차원 방향으로 주사할 수 있다. 도 18에 도시된 실시예와 같이, 광빔을 수평 방향으로만 주사하도록 장치를 작동시킨다면, 광빔 주사 장치(60)는 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 광 빔의 조사 위치를 1차원 방향으로 주사하는 기능을 가지는 것으로 충분하다.
이에 대하여, 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 광빔 L60의 조사 위치를 2차원 방향으로 주사하도록 장치를 작동시킨다면, 광빔 주사 장치(60)는 주사 기점 B를 포함하는 제1 평면상에서 광빔이 요동 운동하도록 광빔 L60을 굴곡시키는 기능과(도 13에 있어서, V축 주위로 반사경을 회동시키면, 광빔 L60은 지면에 포함되는 평면상에서 요동 운동한다), 주사 기점 B를 포함하고 제1 평면과 직교하는 제2 평면상에서 광빔이 요동 운동하도록 광빔 L60을 굴곡시키는 기능을(도 9에 있어서, W축 주위로 반사경을 회동시키면, 광빔 L60은 지면에 수직인 평면상에서 요동 운동한다) 구비해야 한다.
광빔의 조사 위치를 1차원 방향으로 주사하기 위한 주사형 미러 디바이스로서, 다면경 미러가 널리 이용된다. 또, 조사 위치를 2차원 방향으로 주사하기 위한 주사형 미러 디바이스로서 다면경 미러를 2세트 조합한 것을 사용할 수도 있으며, 짐벌(gimbal) 미러, 갈바노(galvano) 미러, MEMS 미러 등의 디바이스가 알려져 있다. 또한, 통상의 미러 디바이스 이외에도, 전반사 프리즘, 굴절 프리즘 및 전기 광학 결정(KTN 결정 등) 등도, 광빔 주사 장치(60)로 이용 가능하다.
그리고, 광빔 L60의 직경이 홀로그램 기록 매체(45)의 크기에 근접하게 되면, 스펙클을 억제하는 효과가 손실될 수 있으므로 유의할 필요가 있다. 도 16 내지 도 18에 도시된 실시예의 경우, 전술한 바와 같이 홀로그램 기록 매체(45)의 가로폭 Da=12mm, 세로폭 Db=10mm이며, 광빔 L60은 직경 1mm의 원형 단면을 가진 레이저빔이다. 이와 같은 치수 조건이면, 스펙클을 억제하는 효과를 충분히 얻을 수 있다. 이것은, 홀로그램 기록 매체(45) 상의 어느 영역도, 광빔 L60을 일시적으로 조사하므로, 동일한 영역으로부터 계속하여 회절광이 나올 수 없기 때문이다.
그런데, 예를 들어, 도 19에 도시된 실시예와 같이, 홀로그램 기록 매체(45)의 크기에 근접한 직경을 가지는 광빔을 조사하는 경우, 계속하여 회절광을 방출하는 영역(도면의 해칭 부분)이 형성되게 된다. 즉, 광빔 L60의 조사 위치를 제1 행의 개시 영역 A1S부터 종료 영역 A1E까지 수평 방향으로 주사한 경우라도, 도면에서 해칭한 영역 a1은, 항상 광빔이 조사된다. 마찬가지로, 제n 행의 개시 영역 AnS부터 종료 영역 AnE까지 수평 방향으로 주사하는 경우라도, 영역 a2는, 항상 광빔이 조사된다. 또, 수직 방향의 주사를 고려하면, 각 행의 개시 영역은 영역 a3과 중첩되고, 각 행의 종료 영역은 영역 a4와 중첩되므로, 이러한 영역들은 주사하는 행을 바꾸어도, 항상 광빔이 조사된다.
결국, 이들 해칭된 영역은 광빔 주사의 이익을 얻을 수 없으며 계속하여 회절광이 방출된다. 그 결과, 그와 같은 영역으로부터 방출되는 회절광은, 조명 대상물의 수광면 R 상에 동일한 각도로 계속하여 입사되어, 스펙클 발생 요인이 된다. 따라서, 광빔 L60의 직경은 홀로그램 기록 매체(45)의 크기에 근접하도록 증가하여서는 안 된다.
이와 같은 폐해는, 주사 피치를 광빔 L60의 직경 보다 작게 설정한 경우에도 발생한다. 예를 들어, 도 16은, 세로 방향의 주사 피치를 광빔 L60 직경과 동일하게 설정한 예이며, 도 17은, 세로 방향의 주사 피치를 광빔 L60의 직경의 2배로 설정한 예이다. 이와 같이, 세로 방향(부주사 방향)의 주사 피치를 광빔의 직경 이상으로 설정하면, 제i 행의 주사 영역과 제(i+1) 행의 주사 영역이 서로 중첩되지 않지만, 주사 피치가 광빔의 직경 미만이 되면, 중첩 영역이 발생하고, 전술한 바와 같이 스펙클 발생 요인이 될 수 있다.
또 촬영 유닛(300)의 촬영 시간(CCD 카메라의 노광 시간)에 비해 느린 주사 속도도 스펙클 발생 요인이 될 수 있다. 예를 들어, 한 행을 주사하는 데 1시간이 걸리는 것과 같이 느린 속도로 주사한다면, 촬영 유닛(300)의 촬영 시간의 관점에서는 주사하지 않는 것과 같고, 촬영 화상 상에는 스펙클이 나타난다. 광빔을 주사함으로써 스펙클이 감소되는 이유는, 전술한 바와 같이, 수광면 R(또는 물체 M의 표면)의 각 부분에 조사되는 광의 입사 각도가 시간에 따라 다중화되기 때문이다. 따라서, 빔 주사에 의한 스펙클 저감 효과를 충분히 얻기 위해서는, 스펙클을 유발하는 원인이 되는 동일한 간섭 조건이 유지되는 시간을 촬영 유닛(300)의 촬영 시간보다 짧아지도록 하고, 1개의 화상을 촬영하기 위한 노광 시간 동안 스펙클 유발 조건이 시간에 따라 변화하도록 하면 된다.
＜4-3＞홀로그램 기록 매체
홀로그램 기록 매체(45)의 상세한 제조 프로세스는 이미 § 2에서 설명한 것과 같다. 즉, 본 발명에서 사용하는 홀로그램 기록 매체(45)는 특정한 수렴점 C에 수렴하는 참조광을 사용하여 산란체(30)의 이미지를 홀로그램으로서 기록하는 특징을 갖는 매체이다. 그래서, 여기서는, 본 발명에서 이용하는데 적합한 구체적인 홀로그램 기록 매체의 형태를 설명한다.
홀로그램에는, 몇 개의 물리적인 형태가 있다. 본 발명의 발명자는, 본 발명을 이용하는 데에는 체적형 홀로그램이 가장 바람직하다고 생각한다. 특히, 포토폴리머(photopolymer)를 사용하는 체적형 홀로그램을 사용하는 것이 최적이다.
일반적으로, 현금카드나 금권 등에 위조 방지용 실(seal)로서 이용되는 홀로그램은, 표면 릴리프(엠보스)형 홀로그램으로 불리며, 홀로그램 간섭 무늬는 표면의 요철 구조에 의해 기록된다. 물론, 본 발명을 실시하는데 있어서, 산란체(30)의 이미지를, 표면 릴리프형 홀로그램으로 기록하는 홀로그램 기록 매체(45)(일반적으로, 홀로그래픽 확산기(holographic diffuser)로 불리고 있다)를 이용하는 것도 가능하다. 그러나, 이 표면 릴리프형 홀로그램의 경우, 표면의 요철 구조에 의한 산란이, 새로운 스펙클 생성 요인이 될 수 있으므로, 스펙클 저감이라는 관점에서는 바람직하지 않다. 또, 표면 릴리프형 홀로그램에서는, 다다음 회에서 광이 발생하므로, 회절 효율이 낮아지고, 회절 성능(회절각을 어디까지 증가시킬 수 있는지를 결정하는 성능)에도 한계가 있다.
이에 반하여, 체적형 홀로그램에서는, 홀로그램 간섭 무늬가 매체 내부의 굴절률 분포로 기록되므로, 홀로그램이 표면 요철 구조에 의한 산란의 영향을 받지 않는다. 또, 일반적으로, 체적형 홀로그램의 회절 효율이나 회절 성능이 표면 릴리프형 홀로그램보다 우수하다. 따라서, 본 발명을 실시할 때, 산란체(30)의 이미지를 체적형 홀로그램으로 기록하는 매체를 홀로그램 기록 매체(45)로 이용하는 것이 최적이다.
다만, 체적형 홀로그램의 경우에도, 할로겐화은 재료를 포함하는 감광 매체를 이용하여 기록하는 타입은, 할로겐화은 입자에 의한 산란이 새로운 스펙클 생성 요인이 될 수 있으므로, 이러한 타입은 피하는 것이 바람직하다. 이와 같은 이유로, 본 발명의 발명자는, 본 발명에 이용하는 홀로그램 기록 매체(45)로 포토폴리머를 사용한 체적형 홀로그램을 최적으로 생각한다. 이와 같은 포토폴리머를 사용한 체적형 홀로그램의 구체적인 화학 조성은, 예를 들어, 일본 특허 공보 제2849021호에 설명되어 있다.
무엇보다, 양산성 관점에서는, 체적형 홀로그램보다 표면 릴리프형 홀로그램이 우수하다. 표면 릴리프형 홀로그램은, 표면에 요철 구조를 가진 원판을 작성하고, 이 원판을 사용한 프레스 가공을 통해, 매체의 양산이 가능하다. 따라서, 제조 비용을 절감시킬 필요가 있는 경우에는, 표면 릴리프형 홀로그램을 이용하면 된다.
또, 홀로그램의 물리적인 형태로서, 평면상에 농담(濃淡) 패턴으로 간섭 무늬를 기록한 진폭변조형 홀로그램도 널리 보급되어 있다. 그러나, 이 진폭변조형 홀로그램은, 회절 효율이 낮고, 진한 패턴부분이 광을 흡수해버리므로, 본 발명에 이용한 경우, 충분한 조명 효율을 확보할 수 없다. 다만, 그 제조 공정에서는, 평면상에 농담 패턴을 인쇄하는 간편한 방법을 채용할 수 있으므로, 제조 비용면에서 이점이 있다. 따라서, 용도에 따라서는, 진폭변조형 홀로그램을 본 발명에 채용하는 것도 가능하다.
그리고, 도 5에 도시된 기록 방법에서, 이른바 프레넬(Fresnel) 타입의 홀로그램 기록 매체가 작성되지만, 렌즈를 통해 산란체(30)을 기록함으로써 얻어지는 퓨리에 변환 타입의 홀로그램 기록 매체를 작성해도 무방하다. 이 경우, 필요에 따라 회절광 L45의 광로 상에 렌즈를 설치하여 집광하도록 함으로써, 조명 효율을 향상시킬 수도 있지만, 렌즈 없이도 조명 유닛으로서의 기능을 충분히 완수할 수 있다.
＜＜＜§ 5.본 발명에 사용하는 조명 유닛의 변형 예＞＞＞
지금까지, 본 발명에 따른 스캐너 장치 및 물체의 3차원 형상 측정 장치의 기본적인 실시예에 대하여 설명했다. 이 기본적인 실시예의 특징은, 도 13에 도시된 바와 같이, 고유의 특징을 가지는 조명 유닛(100)을 사용하여 물체 M을 조명하는 점이다.
즉, 조명 유닛(100)을 이용하여 조명하는 경우, 먼저, 선형 패턴 U를 구성하기 위한 산란체(30)의 이미지(35)를 기록용 매체(40) 상에 홀로그램으로 기록함으로써 홀로그램 기록 매체(45)를 작성할 준비 단계를 수행하고, 이 준비 단계에서 작성한 홀로그램 기록 매체(45)를 사용하여 조명 유닛(100)을 구성한다. 그리고, 홀로그램 기록 매체(45)로부터 얻어지는 홀로그램 재생광을 조사하는 위치에 물체 M을 배치한 상태로, 홀로그램 기록 매체(45) 상에 코히렌트 광빔 L60을 조사하고, 또한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 광빔 L60을 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 주사하며, 물체 M 상에 선형 패턴 U를 투영하는 투영 단계와 이 선형 패턴 U가 투영된 물체 M를 소정 방향에서 촬영하고, 물체 M의 표면 정보를 입력하는 촬영 단계을 수행하여, 물체 M의 표면 정보를 취득하면 된다.
이 경우, 준비 단계에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 코히렌트 조명광 L12를 산란체(30)에 조사하고, 산란체(30)로부터 얻어지는 산란광 L30을 물체광 Lobj로 사용한다. 또, 소정 광로를 따라 기록용 매체(40)에 조사되고, 조명광 L12와 동일 파장을 갖는 코히렌트 광 L23을 참조광 Lref로 사용한다. 그리고, 물체광 Lobj와 참조광 Lref에 의해 형성되는 간섭 무늬를 기록용 매체(40)에 기록함으로써 홀로그램 기록 매체(45)를 작성한다. 또, 투영 단계에서는, 도 13에 도시된 바와 같이, 참조광 Lref와 동일한 파장(또는, 홀로그램의 재생이 가능한 근사 파장)의 광빔 L60을, 참조광 Lref의 광로를 따르는 광로를 통하여 홀로그램 기록 매체(45) 상의 조사 위치를 향해 진행하도록 주사하여(환언하면, 참조광 Lref와 광학적으로 공역이 될 방향으로부터 광빔 L60을 제공하고), 홀로그램 기록 매체(45)로부터 얻어지는, 산란체(30)의 이미지(35)의 재생광을 조명광으로 투영한다.
여기서는, 전술한 기본적인 실시예에 따른 스캐너 장치 및 물체의 3차원 형상 측정 장치에 내장되는 조명 유닛(100)의 몇 개의 변형예를 설명한다.
＜5-1＞ 1차원 주사를 전제로 하는 홀로그램 기록 매체
도 5에 도시되는 홀로그램 기록 매체의 작성 프로세스에서, 평행광속 L22를 볼록 렌즈(23)(수렴점 C의 위치에 초점을 가지는 렌즈)로 집광하여 참조광 Lref로매체(40)에 조사한다. 즉, 수렴점 C를 정점으로 하는 원추(이론적으로는, 서로 상이한 반경을 가지는 원추가 무수히 존재함)의 측면을 따라, 수렴점 C에 3차원적으로 수렴하는 참조광 Lref를 사용하여 산란체(30)의 이미지를 기록한다.
이와 같이 3차원적으로 수렴하는 참조광 Lref을 사용하는 것은, 도 13에 도시된 조명 유닛(100)에 있어서, 주사 기점 B로부터 3차원적으로 발산하는 광로를 취하도록, 광빔 L60을 3차원적으로 주사하는 것(반사경의 V축 주위의 회동과 W축 주위의 회동을 결합시켜 빔을 주사하는 것)을 전제로 하기 때문이다. 그리고,광 빔 L60을 3차원적으로 주사하는 이유는, 홀로그램 기록 매체(45) 상에서 광빔의 조사 위치를 2차원적으로 주사하기 위해서이다(도 16에 있어, 가로 방향의 주사와 세로 방향의 주사를 행하므로).
다만, 홀로그램 기록 매체(45) 상에서의 광빔의 조사 위치의 주사는, 반드시 2차원적으로 행할 필요는 없다. 예를 들어, 도 18에는, 광빔을 수평 방향으로만 주사하는 예가 나타나 있다. 이와 같이, 광빔의 조사 위치를 1차원적으로 주사하는 것을 전제로 하면, 홀로그램 기록 매체도, 그와 같이 동일한 전제로 작성하는 것이 합리적이다. 구체적으로, 1차원적인 주사가 전제이면, 도 18에 도시된 바와 같은 홀로그램 기록 매체(45)를 작성하는 대신, 도 20에 도시된 바와 같은 밴드형홀로그램 기록 매체(85)를 작성하는 것으로 충분하다.
이 홀로그램 기록 매체(85)를 사용한 경우, 광빔 주사 장치(60)에 의한 주사는, 좌측단의 개시 영역 A1S로부터 우측단의 종료 영역 A1E에 이르는 1행 분의 주사를 반복하면 된다. 이 경우, 좌측으로부터 우측으로 향하는 1행 분의 주사를 반복해도 되고, 또는 좌측으로부터 우측으로 주사한 후, 우측으로부터 좌측으로 주사하는 것과 같은 왕복 운동을 해도 상관없다. 사용하는 광빔 L60이 직경 1mm의 원형 단면을 가진 레이저빔인 경우, 도 20에 도시된 홀로그램 기록 매체(85)의 세로폭은, Db= 1mm로 하면 충분하다. 따라서, 도 18에 도시된 홀로그램 기록 매체(45)를 사용하는 경우에 비해 공간절약을 도모할 수 있고, 장치 전체를 소형화하는 것이 가능하게 된다.
이와 같은 1차원 주사를 전제로 한 홀로그램 기록 매체(85)는, 도 5에 도시된 광학계를 사용하여 작성하는 것도 가능하지만, 그 대신에, 도 21에 도시된 광학계를 사용하여 작성할 수도 있다. 도 21에 도시된 광학계는, 도 5에 도시된 광학계에서 볼록 렌즈(23)를 실린더형(cylindrical) 렌즈(24)로 치환하고, 직사각형의 평면을 가진 홀로그램 감광 매체(40)를, 가늘고 긴 밴드형의 평면을 가진 홀로그램 감광 매체(80)로 치환한 것이며, 그 외의 구성 요소에 변화는 없다. 홀로그램 감광 매체(80)의 가로폭 Da는, 홀로그램 감광 매체(40)의 가로폭과 같지만, 그 세로폭 Db(도 21에 있어서, 지면에 수직 방향의 폭)는, 대략 광 빔의 직경(전술한 예의 경우, 대략 1mm)정도이다.
실린더형 렌즈(24)는, 도 21의 지면에 수직인 중심축을 가지는 원기둥의 표면을 가지는 렌즈이며, 도 21에 있어서, 수렴점 C를 관통하고 지면에 수직인 집광축을 정의하는 경우, 평행광속 L22를 상기 집광축에 집광하는 기능을 수행한다. 다만, 실린더형 렌즈의 성질상, 광의 굴절은, 지면에 평행한 평면 내에서만 발생하고, 지면에 수직인 방향으로의 굴절은 발생하지 않는다. 환언하면, 수렴점 C를 포함하고, 실린더형 렌즈의 원기둥의 중심축에 직교하는 평면(도 21의 지면)에 주목하면, 상기 평면을 따라 2차원으로 수렴하는 광 L24가, 참조광 Lref로서 주어지게 된다.
이와 같이, 본 발명에 있어서 「광이 수렴점 C로 수렴하는」 이라고 말하는 경우는 도 5의 광학계에 도시된 볼록 렌즈(23)에 의한 3차원적인 수렴뿐만 아니라, 도 21의 광학계에 도시된 실린더형 렌즈(24)에 의한 2차원적인 수렴도 의미하는 것이다. 그리고, 도 20에 도시된 바와 같이, 1차원 주사를 전제로 한 홀로그램 기록 매체(85)를 작성하는 경우에는, 도 21의 광학계에 도시된 바와 같이, 수렴점 C를 통과하는 소정의 집광축(도면의 예의 경우, 수렴점 C를 통과하고 지면에 수직인 축)에 평행한 중심축을 가지는 원기둥 면을 포함하는 실린더형 렌즈(24)를 사용하여, 대략 평행한 코히렌트 광의 광속 L22를 상기 집광축 상에 집광하고, 수렴점 C에 2차원적으로 수렴하는 광 L24를 참조광 Lref로 사용하여, 산란체(30)의 홀로그램 이미지를 기록하면 된다.
＜5-2＞ CGH로 이루어지는 홀로그램 기록 매체
지금까지 설명한 홀로그램 기록 매체의 작성 프로세스는, 홀로그램 감광 매체에 실제로 광을 조사하고, 거기에 생기는 간섭 무늬를 감광 매체의 화학 변화에 의해 고정시키는 순수한 광학적 방법을 채용하는 것이다. 이에 대하여, 최근에는, 이와 같은 광학적 프로세스를 컴퓨터상에서 시뮬레이션하고, 연산에 의해 간섭 무늬의 정보를 계산하며, 그 결과를 임의의 물리적인 방법으로 매체 상에 고정시키는 방법이 확립되어 왔다. 이와 같은 방법으로 작성된 홀로그램은, 일반적으로 계산기 합성 홀로그램(CGH: Computer Generated Hologram)으로 불리고 있다.
본 발명에 사용하는 홀로그램 기록 매체에 기록되어 있는 홀로그램은, 이와 같은 계산기 합성 홀로그램이어도 무방하다. 즉, § 2에서 설명한 광학적 프로세스로 홀로그램 기록 매체를 작성하는 대신에, 가상의 산란체로부터의 가상의 물체광과 가상의 참조광을 사용한 시뮬레이션 연산을 실행하여, 가상의 기록면 상에 생성되는 간섭 무늬의 정보를 구하고, 이 정보를 물리적인 방법으로 매체 상에 기록하여 계산기 합성 홀로그램을 작성할 수 있다.
도 22는, 본 발명에 따른 조명 유닛의 구성 요소인 홀로그램 기록 매체를, CGH의 방법으로 작성하는 원리를 나타내는 측면도이며, 도 8에 도시된 광학적 현상을, 컴퓨터상에서 시뮬레이션하는 방법을 나타낸 것이다. 여기서, 도 22에 도시된 가상의 산란체(30')는 도 8에 도시된 실재의 산란체(30)에 대응하고, 도 18에 도시된 가상의 기록면(40')은 도 8에 도시된 실재의 홀로그램 감광 매체(40)에 대응한다. 도시한 물체광 Lobj는, 가상의 산란체(30')로부터 방출되는 가상의 광이며, 도시한 참조광 Lref는, 이 물체광 Lobj와 동일 파장을 갖는 가상의 광이다. 참조광 Lref가, 수렴점 C에 수렴하는 광인 점은, 지금까지 설명한 방법과 동일하다. 기록면(40') 상의 각 점에서는, 이 가상의 물체광 Lobj와 참조광 Lref의 간섭 무늬의 정보가 연산된다.
그리고, 가상의 산란체(30')로서, 예를 들면, 다각형 등으로 표현되는 미세한 3차원 형상 모델을 사용하는 것도 가능하지만, 여기서는, 평면상에 다수의 점광원 D를 격자형으로 배열한 단순한 모델을 사용하고 있다. 도 23은, 도 22에 도시된 가상의 산란체(30')의 정면도이며, 작고 하얀 원은, 각각 점광원 D를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 다수의 점광원 D가, 가로 방향 피치 Pa 및 세로 방향 피치 Pb로 격자형으로 배열되어 있다. 피치 Pa 및 Pb는, 산란체의 표면 거칠기를 결정하는 파라미터이다.
본원 발명자는, 점광원 D의 피치 Pa 및 Pb를 각각 대략 10㎛정도의 치수로 설정하여 기록면(40') 상에 생성되는 간섭 무늬의 정보를 연산하고, 그 결과에 따라 실재의 매체 표면에 요철 패턴을 형성하여, 표면 릴리프형 CGH를 작성하였다. 그리고, 이 CGH를 홀로그램 기록 매체(45)로서 사용한 조명 유닛(100)을 구성하는 경우, 스펙클을 억제한 좋은 조명 환경을 얻을 수 있었다.
도 24는, 본 발명에 의해 스펙클 저감 효과가 나타난 실험 결과를 나타내는 표이다. 일반적으로, 수광면 R에 생성된 스펙클의 정도를 나타내는 파라미터로서, 스펙클 콘트라스트(speckle contrast, 단위:%)라는 수치를 사용하는 방법이 제안되어 있다. 이 스펙클 콘트라스트는, 본래 균일한 휘도 분포를 취해야 하는 조건에서, 스크린 상에 실제로 발생하는 휘도의 불균일의 표준 편차를, 휘도의 평균값으로 나눈 값으로 정의된다. 이 스펙클 콘트라스트의 값이 크면 클수록, 수광면 상의 스펙클 발생 정도가 큰 것을 의미하고, 관찰자에게 반점 패턴의 휘도 불균일 모양이 보다 현저하게 나타나는 것이다.
도 24의 표는, 도 13에 도시된 조명 유닛(100) 또는 이와 대비하기 위한 종래 조명 유닛을 이용하여, 탑재 스테이지(210)를 조명하는 4의 측정계에 대하여, 탑재 스테이지(210)의 상면에서 스펙클 콘트라스트를 측정한 결과를 나타내는 것이다. 측정예 1 내지 3은, 모두, 녹색의 레이저광을 사출하는 것이 가능한 동일한 DPSS 레이저 장치를 조명 유닛(100) 내의 코히렌트 광원(50)으로서 사용한 결과이다. 그리고, 측정예 1 및 2에서 사용하는 홀로그램 기록 매체의 확산각(홀로그램 기록 매체 상의 점으로부터 재생 이미지(35)를 향하는 최대 각도)은 20°로 설정되어 있다.
먼저, 측정예 1로 나타나는 측정 결과는, 도 13에 도시된 조명 유닛(100)을 사용하는 대신에, 코히렌트 광원(50)으로부터의 광빔 L50을 빔 익스팬더로 확장하여 평행광속으로 하고, 이 평행광속(레이저 평행광)을 그대로 탑재 스테이지(210)에 조사하는 측정계를 사용하여 얻어진 결과이다. 이 경우, 표에 나타난 바와 같이, 스펙클 콘트라스트는 20.1%라는 결과를 얻을 수 있었다. 이것은, 탑재 스테이지(210)를 육안으로 관찰한 경우, 반점 패턴의 휘도 불균일이 매우 현저하게 관찰될 수 있으며, 실제 영상을 감상하기에는 부적당한 레벨이다.
한편, 측정예 2 및 3으로 나타나는 측정 결과는, 모두 도 13에 도시된 조명 유닛(100)을 이용하여 조명 한 결과이다. 여기서, 측정예 2는, 홀로그램 기록 매체(45)로 광학적 방법으로 작성된 체적형 홀로그램을 이용한 결과이며, 측정예 3은, 홀로그램 기록 매체(45)로 전술한 표면 릴리프형 CGH를 이용한 결과이다. 모두 4%에 미치지 않는 스펙클 콘트라스트를 얻을 수 있으며, 이것은 육안으로 관찰한 경우, 휘도 불균일을 대략 관찰할 수 없는 극히 양호한 상태이다(일반적으로, 스펙클 콘트라스트 값이 5% 이하이면, 관찰자에게 불쾌감을 주지 않는 것으로 알려져 있다). 따라서, 홀로그램 기록 매체(45)로 광학적 방법으로 작성된 체적형 홀로그램을 이용한 경우 및 표면 릴리프형 CGH를 이용한 경우도, 실용적으로 충분한 3차원 형상 측정 장치를 구성할 수 있다. 측정예 2의 결과(3.0%)가, 측정예 3의 결과(3.7%)보다 양호하게 된 이유는, 원래 이미지가 되는 실재의 산란체(30)의 해상도가, 가상의 산란체(30', 도 23에 도시된 점광원의 집합체)의 해상도보다 높기 때문으로 생각된다.
마지막 측정예 4로 나타나는 측정 결과는, 조명 유닛(100)을 사용하는 대신에, 녹색의 LED 광원으로부터의 광을 그대로 탑재 스테이지(210)에 조사하는 측정계를 사용하여 얻어진 결과이다. 원래 LED 광원은, 코히렌트 광원이 아니기 때문에, 스펙클 발생이라는 문제를 고려할 필요는 없고, 표에 나타난 바와 같이 스펙클 콘트라스트가 4.0%라는 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 비코히렌트 광을 사용한 측정예 4의 결과가, 코히렌트 광을 사용한 측정예 2 및 3의 결과에 비해 뒤떨어지는 이유는, LED 광원에서 발생되는 광 자체에 휘도 불균일이 발생하기 때문으로 생각된다.
＜5-3＞선형 패턴 U의 주사 태양
도 3에 도시된 기본적인 실시예에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에는, 패턴 주사 기구(200)가 설치되어 있다. 여기에 도시된 패턴 주사 기구(200)는, 물체 M을 탑재하는 탑재 스테이지(210)와 이 탑재 스테이지(210)를, 선형 패턴 U를 구성하는 선에 직교하는 방향으로 이동시키는 반송 장치(220)로 구성된다. 즉, 도 1에 있어서, 탑재 스테이지(210)를 흰색 화살표 방향으로 이동시킴으로써, 물체 M이 선형 패턴 U에 의해 주사된다.
다만, 패턴 주사 기구(200)의 구성은, 상례의 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 반송 장치(220)는, 조명 유닛(100)과 탑재 스테이지(210)에 대하여, 한쪽을 다른 쪽에 대하여 이동시키는 기능을 가지고 있으면 된다. 따라서, 탑재 스테이지(210)를 이동시키는 대신에, 조명 유닛(100)을 탑재 스테이지(210)에 대하여, 선형 패턴 U를 구성하는 선에 직교하는 방향으로 이동시키도록 해도 된다.
또, 패턴 주사 기구(200)는, 반드시 상례와 같은 기계식 주사를 행하는 기구를 채용할 필요는 없고, 광학식 주사를 행하는 기구를 채용해도 된다. 예를 들어, 조명 유닛(100)으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광의 방향을 바꾸는 광학계(예를 들어, 다면경 미러)에 의해 패턴 주사 기구(200)를 구성하면, 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴 U를, 그 구성 요소가 되는 선에 직교하는 방향으로 광학적으로 주사할 수 있다.
물체 M에 투영되는 선형 패턴 U를 주사하는 다른 방법은, 미리, 홀로그램 기록 매체를 복수개의 분할 영역으로 분할하여 두고, 개개의 분할 영역에, 각각 상이한 위치에 선형 패턴 U의 재생 상을 생성하는 상이한 홀로그램을 기록하는 방법이다. 즉, 물체 M 상에 투영되는 선형 패턴 U는, 홀로그램 기록 매체로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 형성되므로, 미리, 각각 상이한 위치에 재생 상을 생성하는 복수개의 홀로그램을 기록해 두고, 이것을 차례대로 재생하면, 실질적으로, 지금까지 말해 온 패턴 주사 기구(200)가 수행하는 주사 동작과 동일하게 주사할 수 있다.
도 25는, 이와 같은 변형예에 사용하는 홀로그램 기록 매체(88)를 나타낸 평면도다. 도시한 바와 같이, 홀로그램 기록 매체(88)는, 복수개 n개의 분할 영역 88-1, 88-2, 88-3, . . ., 88-n으로 분할되어 있고, 개개의 분할 영역 88-1, 88-2, 88-3, . . ., 88-n에는, 각각 도 4에 도시된 선형 산란체(30)의 이미지가 기록되어 있다.
이미 <5-1>에서 설명한 바와 같이, 광빔에 의한 1차원 주사를 전제로 하는 경우, 도 21에 도시된 실린더형 렌즈(24)를 사용하는 기록 방법으로, 가늘고 긴 밴드형의 평면을 가지는 홀로그램 감광 매체(80)에 기록하여, 도 20에 도시된 바와 같은 세로폭 Db를 가지는 가늘고 긴 홀로그램 기록 매체(85)를 작성할 수 있다. 도 25에 도시된 홀로그램 기록 매체(88)는, 말하자면, 도 20에 도시된 밴드형 홀로그램 기록 매체(85)를 n 세트만큼 세로로 배열한 것과 같다. 실제, 개개의 분할 영역 88-1, 88-2, 88-3, . . ., 88-n에 기록되어 있는 홀로그램의 간섭 무늬는, 도 20에 도시된 밴드형 홀로그램 기록 매체(85)에 기록되어 있는 간섭 무늬와 동일하다.
지금까지 설명한 기본적 실시형태에서 사용하는 홀로그램 기록 매체(45)와 비교하면, 도 25에 도시된 홀로그램 기록 매체(88)는, 재생 이미지(35)의 위치가 상이하다. 즉, 전자를 재생하는 경우, 도 16에 도시된 바와 같이, 매체 상의 어떤 위치에 광빔을 조사해도, 재생 이미지(35)가 생성되는 위치는 동일하다. 이것은, 홀로그램 기록 매체(45) 전체에 동일한 선형 산란체(30)의 이미지가 기록되어 있기 때문이다. 이에 반하여, 후자를 재생하는 경우, 광빔을 조사하는 분할 영역에 따라 재생 이미지(35)가 생성되는 위치가 상이하다. 이것은, 각 분할 영역에 각각 별개의 독립된 선형 산란체(30)의 이미지가 기록되어 있기 때문이다.
도 26은, 도 25에 도시된 홀로그램 기록 매체(88) 상의 광빔 주사 태양을 나타내는 평면도다. 예를 들어, 제1 분할 영역 88-1에 대하여 재생하는 경우, 이 분할 영역 88-1은 개시 영역 A1S로부터 종료 영역 A1E까지 수평 방향으로 주사되며, 이때 생성되는 재생 이미지는, 도 27에 도시된 제1 선형 패턴 U1을 형성한다. 또, 제2 분할 영역 88-2에 대하여 재생하는 경우, 이 분할 영역 88-2은 개시 영역 A2S로부터 종료 영역 A2E까지 수평 방향으로 주사되지만, 이때 생성되는 재생 이미지는, 도 27에 도시된 제2 선형 패턴 U2를 형성한다. 이하 마찬가지로, 마지막으로, 제n 분할 영역 88-n에 대하여 재생하는 경우, 이 분할 영역 88-n은 개시 영역 AnS로부터 종료 영역 AnE까지 수평 방향으로 주사되지만, 이때 생성되는 재생 이미지는, 도 27에 도시된 제n 선형 패턴 Un을 형성한다.
결국, 개개의 분할 영역 88-1, 88-2, 88-3, . . ., 88-n으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해, 각각 1개의 선으로 이루어지는 선형 패턴 U1, U2, U3, . . ., Un이 투영된다. 환언하면, 임의의 하나의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴과, 다른 임의의 하나의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴이, 공간상의 상이한 위치에 형성되도록 되어 있다.
따라서, 도 26에 도시된 바와 같이, 홀로그램 기록 매체(88)의 분할 영역 전체를 광빔으로 주사하면, 탑재 스테이지(210) 상에는, 도 27에 도시된 바와 같이, n 개의 선형 패턴 U1, U2, U3, . . ., Un으로 이루어지는 통합 선형 패턴 U가 형성되지만, 실제로는, 이 통합 선형 패턴 U는 동시에 나타나는 패턴이 아니라, 1행씩 차례대로 나타나는 패턴이다.
따라서, 도 13에 도시된 조명 유닛(100)에서, 홀로그램 기록 매체(45) 대신, 도 25에 도시된 홀로그램 기록 매체(88)를 사용하고, 도 26에 도시된 바와 같이, 광빔 주사 장치(60)에 의해, 제1 분할 영역 88-1, 제2 분할 영역 88-2, 제3 분할 영역 88-3, . . .,과 같은 소정의 순서로, 분할 영역에 광빔을 주사한다.
그러면, 광빔이 제i(i=1, 2, 3, . . .) 분할 영역 88-i를 주사하는 동안, 공간상의 제i 번째 위치에 제i 번째의 선형 패턴 Ui가 투영된다. 즉, 제1 분할 영역 88-1을 주사하는 동안, 도 27에 도시된 제1 선형 패턴 U1이 나타나고, 제2 분할 영역 88-2를 주사하는 동안, 도 27에 도시된 제2 선형 패턴 U2이 나타나는 것과 같이 1개의 선으로 이루어지는 선형 패턴 Ui가 차례대로 나타나게 된다. 이것은, 물체 M 상을 선형 패턴 Ui로 주사하는 것과 동일하다.
그리고, 전술한 예에서는, 개개의 분할 영역에, 각각 1개의 선형 산란체(30)의 이미지를 기록하지만, 개개의 분할 영역에, 각각 복수개의 선형 산란체(30)의 이미지를 기록하도록 해도 상관없다. 이 경우, 광빔이 제i 번째(i=1, 2, 3, . . .)분할 영역 88-i를 주사하는 동시에, 공간상의 제i 번째 위치에 복수개의 선으로 이루어지는 선형 패턴 Ui가 투영된다.
이와 같이, 도 25에 도시된 홀로그램 기록 매체(88)를 사용하고, 광빔 주사 장치(60)를 이용하여, 도 26에 도시된 바와 같이 주사하면, 광빔 주사 장치(60)가, 지금까지 설명한 기본적 실시예에서의 패턴 주사 기구(200)의 역할도 겸하게 된다. 따라서, 패턴 주사 기구(200)를 별도로 설치할 필요가 없어진다.
그리고, 홀로그램 기록 매체(88)를 형성하는 n개의 분할 영역은, 이론상으로, 각각 임의의 형상을 가진 영역이어도 상관없다. 다만, 도 4에 도시된 바와 같은 가늘고 긴 선형 산란체(30)의 이미지를 기록하기 위해서는, 실용상, 도 25에 도시된 예와 같이, 가로 방향으로 가늘고 긴 복수개의 분할 영역 88-1, 88-2, 88-3, . . ., 88-n이, 세로 방향으로 나란히 배열되도록 분할하고, 개개의 분할 영역 88-1, 88-2, 88-3, . . ., 88-n의 길이 방향과 개개의 분할 영역 88-1, 88-2, 88-3, . . ., 88-n으로부터 얻어지는 재생 이미지(35)의 길이 방향이 평행하게 되도록 홀로그램을 기록하는 것이 바람직하다. 이것은, 홀로그램 기록 매체 상에 기록되는 간섭 무늬의 회절 능력(입사광을 어느 정도 큰 각도까지 굴곡 시킬 수 있는지를 나타내는 능력)에 한계가 있으므로, 가늘고 긴 기록 영역에 가늘고 긴 원래 화상을 길이 방향으로 일치시켜 기록하는 것이 효율적이기 때문이다.
<5-4>선형 패턴 U의 형상
상기 <5-3>에서는, 물체 M 상에 투영하는 선형 패턴을 주사하는 것을 전제로 한 실시예를 기술하였으나, 본 발명에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치에서, 반드시 선형 패턴의 주사가 필요한 것은 아니다(물론, 스펙클을 저감시키는 위해 광빔의 주사는 필요하다. 본 발명에 있어서, 홀로그램 기록 매체 상에서의 광빔의 주사와 물체 M 상에서의 선형 패턴의 주사는, 서로 완전히 상이한 별개의 주사이다.)
원래, 지금까지 설명한 실시예에 있어서, 선형 패턴을 주사하는 이유는, 선형 패턴이 1개의 선으로 이루어지는 패턴이라는 전제하에, 물체 M의 전체 형상을 측정하기 위해서이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 실시예의 경우, 선형 패턴 U를 주사하지 않으면, 반구형의 물체 M의 정점을 통과하는 원주를 따르는 부분의 형상밖에 측정할 수 없다. 선형 패턴 U를 물체 M에 대하여, 도면에서의 흰색 화살표 방향으로 주사함으로써, 처음 물체 M의 전체 형상의 측정이 가능하게 된다.
그러나, 선형 패턴은, 반드시 1개의 선으로 이루어지는 패턴일 필요는 없다. 즉, 홀로그램 기록 매체 상에, 원래 복수개의 선으로 이루어지는 원화상을 기록하여 두면, 홀로그램 재생 이미지도, 복수개의 선으로 이루어지는 선형 패턴이 되므로, 물체 M 상에는 복수개의 선으로 이루어지는 줄무늬를 한 선형 패턴이 한번에 투영 되게 된다. 따라서, 선형 패턴을 물체 M 상에서 주사하지 않아도, 물체 M의 전체 형상의 측정이 가능하게 된다.
도 28은, 이와 같은 변형예에 사용하는 홀로그램 기록 매체에 기록되는 산란체 30A의 형상을 나타내는 평면도이다. 지금까지 설명한 기본적인 실시예에서는, 도 4에 도시된 1개의 가늘고 긴 선형 산란체(30)를 홀로그램으로 기록하고, 그 재생 이미지를 선형 패턴 U로 이용하고 있지만, 홀로그램으로서 기록되는 산란체는, 반드시 1개의 선형 산란체일 필요는 없으며, 복수개의 선형 산란체라도 상관없다.
도 28에 도시된 산란체 30A는, 서로 평행한 복수개 n개의 선형 산란체 30A-1, 30A-2, 30A-3, . . ., 30A-n으로 구성되는 가로 방향 격자형 산란체라고 불릴 수 있는 집합적인 산란체이다. 이와 같은 산란체 30A를 홀로그램으로 기록하는 홀로그램 기록 매체를 사용하여 재생하면, 홀로그램의 재생광에 의해 서로 평행한 복수개 n개의 선 U1, U2, U3, . . ., Un을 가지는 선형 패턴 U를 투영할 수 있다. 즉, 도 27에 도시된 바와 같은 줄무늬를 가진 선형 패턴 U를, 물체 M 상에 투영할 수 있고, 촬영 유닛(300)에 의해, 이와 같은 줄무늬가 표면에 투영된 물체 M을 촬영할 수 있다. 형상 해석 유닛(400)은, 촬영 화상 상에 있어서, 물체 M 상에 투영된 줄무늬의 형상을 해석함으로써, 물체 M의 전체 형상을 나타내는 3차원 형상 데이터 T를 작성한다.
물론, 도 27에 도시된 줄무늬 대신에, 종횡의 줄무늬가 교차하는 망눈 격자형의 선형 패턴을 투영할 수도 있다. 구체적으로, 홀로그램 기록 매체에, 도 28에 도시된 바와 같은, 가로 방향으로 연장되는 n개의 선형 산란체 30A-1, 30A-2, 30A-3, . . ., 30A-n이 서로 평행하게 되도록 세로 방향으로 배열한 가로 방향 격자형 산란체 30A의 이미지와 도 29에 도시된 바와 같은, 세로 방향으로 연장되는 m 개의 선형 산란체 30B-1, 30B-2, 30B-3, . . ., 30B-m이 서로 평행하게 되도록 가로 방향으로 배열한 세로 방향 격자형 산란체 30B 의 이미지를 중첩하여 기록하면 된다.
이와 같이 산란체 30A 및 30B를 홀로그램으로 중첩 기록하는 홀로그램 기록 매체를 사용하여 재생하면, 홀로그램의 재생광에 의해 세로 줄무늬와 가로 줄무늬를 중첩한 망눈 격자형의 선형 패턴을 투영할 수 있다. 촬영 유닛(300)이, 이와 같은 망눈 격자형이 표면에 투영된 물체 M을 촬영할 수 있으므로, 형상 해석 유닛(400)은, 촬영 화상 상에 있어서, 물체 M 상에 투영된 망눈 격자형의 형상을 해석함으로써, 물체 M의 전체 형상을 나타내는 3차원 형상 데이터 T를 작성할 수 있다.
가로 방향 격자형 산란체 30A와 세로 방향 격자형 산란체 30B를 홀로그램으로서 중첩 기록하기 위해서는, 도 5에 도시된 바와 같은 광학계를 사용하여, 동일한 홀로그램 감광 매체(40)에 대하여, 홀로그램을 기록하는 프로세스를 2회 반복하면 된다. 즉, 1회에는, 도 28에 도시된 가로 방향 격자형 산란체 30A를 기록하는 프로세스를 수행하고, 2회에는, 도 29에 도시된 세로 방향 격자형 산란체 30B를 기록하는 프로세스를 수행하면 된다. 또는, 가로 방향 격자형 산란체 30A를 기록하는 층과 세로 방향 격자형 산란체 30B를 기록한 층을 별개로 작성하고, 양자를 접합시켜도 된다.
망눈 격자형의 선형 패턴을 투영하는 다른 방법으로서, 미리, 도 30에 도시된 바와 같은 망눈 격자형 산란체 30C를 준비해 두고, 홀로그램 기록 매체에, 이 망눈 격자형 산란체 30C의 상을 기록해도 된다. 이 경우에도, 홀로그램의 재생광에 의해, 망눈 격자형의 선형 패턴이 투영되게 된다.
이와 같이, 본 발명에 있어서 물체 M에 투영하는 선형 패턴 U는, 반드시 도 1에 도시된 바와 같이 1개의 선으로 이루어지는 패턴일 필요는 없고, 도 27에 도시된 바와 같은 복수개의 선으로 이루어지는 스트라이프형의 패턴일 수도 있으며, 이와 같은 스트라이프형 패턴을 종횡으로 중첩하여 얻어지는 망눈 격자형의 패턴이어도 상관없다. 그리고, 스트라이프형 패턴이나 망눈 격자형 패턴을 물체 M 상에 투영하도록 하면, 패턴 주사 기구(200)를 사용하지 않아도, 물체 M의 전체 형상의 측정이 가능하게 된다.
물론, 필요에 따라 또한, 패턴 주사 기구(200)를 설치하고, 스트라이프형 패턴이나 망눈 격자형 패턴을, 물체 M 상에서 주사해도 상관없다. 예를 들면, 도 27에 도시된 바와 같은 줄무늬로 이루어지는 선형 패턴 U를 투영한 상태에서, 이 선형 패턴 U 전체를 도면의 아랫쪽으로 주사하여, 주사 후에 패턴 Un 아래에 새로운 패턴 U1이 오도록 하면, 보다 넓은 영역을 커버하는 선형 패턴의 투영이 가능하게 된다.
또는, 도 27에 도시된 n개의 선을 가지는 선형 패턴 U로부터, 짝수 번째의 패턴 U2, U4, U6, . . .을 제거함으로써, 홀수 번째의 패턴 U1, U3, U5, . . .만으로 이루어지는 선형 패턴 U를 재생하는 홀로그램 기록 매체를 준비해 두고, 패턴 주사 기구(200)를 사용하여 주사함으로써, 제거된 짝수 번째의 패턴 U2, U4, U6, . . . 위치에 홀수 번째의 패턴 U1, U3, U5, . . .을 이동시킴으로써, 결과적으로, n개의 선을 가지는 선형 패턴 U를 투영하게 하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 있어서 사용하는 선형 패턴 U는, 선의 성분을 포함하는 패턴이면, 어떠한 패턴이라도 상관없다. 형상 해석 유닛(400)은, 물체 M 상에 투영된 선의 성분을 해석함으로써, 3차원 형상 데이터 T를 작성할 수 있다.
따라서, 홀로그램 기록 매체에 기록되는 산란체도, 도 4에 도시된 바와 같은 선형 산란체(30)로 한정되는 것이 아니며, 선형 패턴 U로 이용 가능한 형상이면, 어떠한 형상의 산란체를 사용해도 상관없다. 도 28에 도시된 산란체 30A, 도 29에 도시된 산란체 30B, 도 30에 도시된 산란체 30C는, 이와 같은 산란체의 일례이다. 결국, 본 발명에서는, 선의 성분을 가지는 선형 패턴 U에 대응하는 형상을 가지는 산란체의 이미지를 홀로그램 기록 매체에 기록하면 된다.
그리고, 도 28 내지 도 30에 도시된 바와 같은 형상을 가진 산란체 30A, 30B 및 30C는, 도 4에 도시된 선형 산란체(30)를 복수개 조합시켜 작성하는 것도 가능하지만, 실제 사용에 있어서는, 1개의 산란판(예를 들면, 오팔 유리판과 같이, 일반적으로 광학적 확산판으로 불리고 있는 판)의 상면에, 일부 영역의 광을 차폐하는 마스크를 중첩한 것을, 산란체의 원화상으로 사용하면 된다.
예를 들어, 도 28에 도시된 산란체 30A의 상을 기록하기 위해서는, 도시한 선형 산란체 30A-1, 30A-2, 30A-3, . . ., 30A-n에 대응하는 영역만 광이 투과하고, 그 이외의 영역에서는 광을 차폐하는 마스크를 준비하고, 1개의 투광성 산란판의 상면에, 이 마스크를 씌운 것을, 도 5에 도시된 산란체(30)로 사용하여, 홀로그램을 기록하면 된다. 도 29에 도시된 산란체 30B나 도 30에 도시된 산란체 30C의 이미지를 기록하는 경우도 마찬가지이다. 또, 도 4에 도시된 선형 산란체(30)의 이미지를 기록하는 경우도, 1개의 투광성 산란판의 상면에, 가늘고 긴 슬릿 영역에서만 광을 투과하는 마스크를 중첩하여 기록하면 된다.
＜5-5＞홀로그램 기록 매체 작성의 기하학적 변화
§2에서는, 도 5를 참조하여, 홀로그램 감광 매체(40)에 산란체(30)의 홀로그램 이미지를 기록하는 방법을 설명하였다. 이 방법은, 수렴점 C에 수렴하는 참조광을 사용하여 반사형 홀로그램 기록 매체를 작성하는 방법이며, 필요한 구성 요소의 기하학적인 배치는, 도 31의 측면도에 도시된 바와 같다.
도 31에 도시된 예의 경우, 볼록 렌즈(23)에 의해, 수렴점 C를 향하는 수렴 참조광 Lref가 생성되고, 매체(40)는, 볼록 렌즈(23)와 수렴점 C 사이에 배치된다. 또, 매체(40)는 도시한 바와 같이 경사지게 배치되고, 그 하면 측에, 산란체(30)로부터의 물체광 Lobj가 조사된다. 이와 같은 방법으로 작성된 홀로그램 기록 매체는, 반사형의 매체가 된다. 즉, 재생시에는, 도 32에 도시된 바와 같이, 재생용 조명광 Lrep로 기능하는 광빔이 매체(45)의 하면 측에 조사되고, 점 P로부터의 반사 회절광 Ldif에 의해 재생 이미지(35)가 생성된다.
이와 같이, 지금까지 설명한 예는, 홀로그램 기록 매체(45)에 기록되어 있는 홀로그램이, 반사형 홀로그램이며, 광빔의 반사 회절광을 조명광으로 사용하는 예이다. 이에 대하여, 홀로그램 기록 매체(45)에 기록되어 있는 홀로그램을, 투과형 홀로그램으로 하고, 광빔의 투과 회절광을 조명광으로 사용해도 상관없다.
도 33은, 이와 같은 투과형 홀로그램을 작성하는 경우의 기하학적인 배치를 나타낸 측면도이다. 도 31에 도시된 배치와 차이점은, 매체(40)의 방향이다. 도 31에 도시된 반사형 홀로그램의 작성 방법에서, 참조광 Lref를 매체의 상면에 조사하고, 물체광 Lobj를 매체의 하면에 조사한다. 이와 같이, 참조광과 물체광을 서로 반대되는 면에 조사함으로써, 반사형 홀로그램을 기록할 수 있다. 이에 반하여, 도 33에 도시된 방법에서는, 참조광 Lref 및 물체광 Lobj 양쪽 모두가 매체(40)의 상면에 조사된다. 이와 같이, 참조광과 물체광을 동일한 면에 조사하면 투과형의 홀로그램을 기록할 수 있다. 즉, 재생시에는, 도 34에 도시된 바와 같이, 재생용 조명광 Lrep로 기능하는 광빔이 매체(45)의 하면에 조사되고, 점 P로부터의 투과 회절광 Ldif에 의해 재생 이미지(35)가 생성된다.
또, 지금까지 설명한 실시예는, 모두 수렴점 C에 수렴하는 참조광을 사용하여 반사형 또는 투과형의 홀로그램 기록 매체를 작성하는 방법이지만, 그 대신에, 수렴점 C로부터 발산하는 참조광을 사용하여 반사형 또는 투과형의 홀로그램 기록 매체를 작성할 수도 있다. 다만, 이를 위해서는, 미리, 준비용 홀로그램 기록 매체를 작성해 둘 필요가 있다. 이하, 이 방법을 행하기 위한 프로세스를 차례로 설명한다.
먼저, 도 35에 도시된 바와 같이, 준비용 홀로그램 감광 매체(90)와 산란체(30)을 배치하고, 매체(90)에 대하여, 도시한 바와 같이, 우측 상부로부터 평행한 참조광 Lref를 경사지게 조사한다. 그리고, 산란체(30)로부터의 물체광 Lobj와 참조광 Lref에 의해 생기는 간섭 무늬를 매체(90)에 기록한다. 이와 같이, 기록 시에, 물체광과 참조광을 동일한 측면으로부터 조사하면, 투과형의 홀로그램이 기록된다. 여기서는, 이와 같은 기록된 매체(90)를, 준비용 홀로그램 기록 매체(95)라 한다.
도 36은, 이 준비용 홀로그램 기록 매체(95)의 재생 프로세스를 나타내는 측면도이다. 도시한 바와 같이, 매체(95)에 대하여, 좌측 아래로부터 평행한 재생용 조명광 Lrep를 경사지게 조사하면, 투과 회절광 Ldif에 의해, 도면의 우측에 재생 이미지(35)가 생성된다. 여기서, 재생용 조명광 Lrep의 방향은, 그 연장선이 도 35에 도시된 참조광 Lref의 방향과 일치하는 방향이며, 재생 이미지(35)의 생성 위치는, 도 35에 도시된 산란체(30)의 배치 위치와 동일하다.
이어서, 준비용 홀로그램 기록 매체(95)에 의해 생성된 재생 이미지(35)를 실물의 산란체(30)의 대용으로 사용하여 홀로그램 감광 매체(40)에 산란체(30)의 이미지를 기록하는 프로세스를 수행한다. 즉, 도 37에 도시된 바와 같이, 준비용 홀로그램 기록 매체(95)의 우측에 홀로그램 감광 매체(40)를 배치하고, 매체(95)에 대하여, 좌측 아래로부터 평행한 재생용 조명광 Lrep를 경사지게 조사하여, 도면의 우측에 재생 이미지(35)를 생성한다. 이 경우, 매체(95)로부터 우측으로 사출되는 광은, 재생 이미지(35)를 재생하기 위한 투과 회절광 Ldif인 동시에, 매체(40)에 대하여는, 물체광 Lobj로서의 기능을 수행한다.
한편, 도면의 아래쪽으로부터, 매체(40)에 대하여, 발산 참조광 Lref를 조사한다. 이 발산 참조광 Lref는, 수렴점 C로부터 발산하는 광(수렴점 C에 점광원이 존재하는 경우에, 이 점광원으로부터 발생되는 광)이며, 매체(40)에 대하여는, 원추형으로 확산되는 광선 다발이 조사된다. 도시한 실시예에서는, 수렴점 C의 위치에 초점을 가지는 볼록 렌즈(25)에 의해, 평행광속 L10을 수렴점 C로 집광하여 점광원을 생성함으로써, 발산 참조광 Lref를 발생시킨다. 볼록 렌즈(25)로서, 예를 들어 직경이 대략 1mm 정도인 마이크로 렌즈를 이용하면, 레이저 광원으로부터 출력되는 단면 직경이 대략 1mm정도인 레이저빔을, 그대로 평행광속 L10으로 이용하여, 발산 참조광 Lref를 발생시킬 수 있다.
도 37에 도시된 방법에서, 물체광 Lobj는 매체(40)의 상면에 조사되고, 참조광 Lref는 매체(40)의 하면에 조사된다. 이와 같이, 참조광과 물체 광을 서로 반대되는 면에 조사하면 반사형의 홀로그램을 기록할 수 있다. 따라서, 도 37에 도시된 방법으로 작성된 홀로그램 기록 매체(45)는, 실질적으로, 도 31에 도시된 방법으로 작성된 홀로그램 기록 매체(45)와 같은 반사형 홀로그램이 된다. 따라서, 재생 시에는, 도 32에 도시된 기하학적 배치를 취하면 된다.
이에 반하여, 도 38은, 발산 참조광 Lref를 사용하여 투과형 홀로그램을 작성하는 예를 나타낸 측면도이다. 도 37에 도시된 배치와의 차이점은, 매체(40)의 방향이다. 도 37에 도시된 홀로그램의 작성 방법에서, 물체광 Lobj를 매체의 상면에서 조사하고, 참조광 Lref를 매체의 하면에서 조사하고 있다. 이에 반하여, 도 38에 도시된 방법에서는, 물체광 Lobj 및 참조광 Lref 모두가 매체(40)의 하면에 서 조사된다. 이와 같이, 참조광과 물체광을 동일한 측면에서 조사하면 투과형의 홀로그램을 기록할 수 있다. 도면 38에 도시된 방법으로 작성된 홀로그램 기록 매체(45)는, 실질적으로, 도 33에 도시된 방법으로 작성된 홀로그램 기록 매체(45)와 같은 투과형 홀로그램이다. 따라서, 재생시에는, 도 34에 도시된 기하학적 배치를 취하면 된다.
그리고, 도 37 및 도 81에 도시된 기록 프로세스에서는, 준비용 홀로그램 기록 매체(95)로서 도 35에 도시된 방법으로 작성된 투과형 홀로그램을 사용하였지만, 도 39에 도시된 방법으로 작성된 반사형 홀로그램을 준비용 홀로그램 기록 매체(95)로서 사용하는 것도 가능하다. 도 39에 도시된 방법에서는, 참조광 Lref를 준비용 홀로그램 감광 매체(90)의 좌측에서 조사하고, 물체광 Lobj를 우측에서 조사하고 있으므로, 작성된 준비용 홀로그램 기록 매체(95)는 반사형 홀로그램이 된다.
이 반사형 준비용 홀로그램 기록 매체(95)를 사용하여 재생하는 경우에는, 도 40에 도시된 바와 같이, 매체(95)의 우측으로부터 재생용 조명광 Lrep를 조사하고, 얻어지는 반사 회절광 Ldif에 의해 재생 이미지(35)를 생성하게 된다. 따라서, 도 37 및 도 38에 나타내는 프로세스에서는, 재생용 조명광 Lrep를 좌측으로부터 조사하는 대신에, 우측으로부터 조사하게 된다.
＜5-6＞광빔의 평행이동 주사
지금까지 설명한 실시예에서는, 조명 유닛(100) 내의 광빔 주사 장치(60)가, 광빔을 소정의 주사 기점 B에서 굴곡시키고, 이 굴곡 태양(굴곡의 방향과 굴곡 각도의 크기)을 시간적으로 변화시킴으로써, 굴곡된 광빔을 주사하는 방식을 취하고 있지만, 광빔 주사 장치(60)의 주사 방법은, 광빔을 주사 기점 B에서 굴곡시키는 방법에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 광빔을 평행이동시키는 것 같은 주사 방법을 채용하는 것도 가능하다. 다만, 그 경우에는, 홀로그램 기록 매체(45)에 대한 산란체(30)의 기록 방법도 변경할 필요가 있다. 즉, 도 41에 도시된 실시예와 같이, 홀로그램 감광 매체(40)에 대하여, 평행광속으로 이루어지는 참조광 Lref를 조사하고, 산란체(30)으로부터의 물체광 Lobj와의 간섭 무늬의 정보를 기록하도록 한다. 환언하면, 이같이 하여 작성된 홀로그램 기록 매체(46)에는, 평행광속으로 이루어지는 참조광 Lref를 사용하여 산란체(30)의 이미지(35)가 홀로그램으로 기록된다.
도 42는, 도 41에 도시된 방법으로 작성된 홀로그램 기록 매체(46)를 사용한 조명 유닛(110)의 측면도이다. 도시한 바와 같이, 이 조명 유닛(110)은, 홀로그램 기록 매체(46), 코히렌트 광원(50) 및 광빔 주사 장치(65)로 구성된다.
여기서, 홀로그램 기록 매체(46)는, 도 41에 도시된 방법으로 작성된 매체이며, 평행광속으로 이루어지는 참조광 Lref를 이용하여, 산란체(30)의 이미지(35)가 홀로그램으로 기록되어 있다. 또, 코히렌트 광원(50)은, 홀로그램 기록 매체(46)를 작성할 때 사용한 광(물체광 Lobj 및 참조광 Lref)의 파장과 동일한 파장(또는, 홀로그램의 재생이 가능한 근사 파장)을 가지는 코히렌트 광빔 L50을 발생시키는 광원이다.
한편, 광빔 주사 장치(65)는, 코히렌트 광원(50)에서 발생한 광빔 L50을 홀로그램 기록 매체(46)에 조사하는 기능을 가지며, 이때, 도 41에 도시된 작성 프로세스에서 사용한 참조광 Lref에 평행한 방향으로 광빔 L65가 홀로그램 기록 매체(46)에 조사되도록 주사한다. 보다 구체적으로는, 광빔 L65를 평행이동시키면서 홀로그램 기록 매체(46)에 조사함으로써, 광빔 L65의 홀로그램 기록 매체(46)에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사한다.
이와 같이 주사하는 광빔 주사 장치(65)는, 예를 들어, 가동 반사경(66)과 이 가동 반사경(66)을 구동하는 구동 기구로 구성할 수 있다. 즉, 도 42에 도시된 바와 같이, 코히렌트 광원(50)에서 발생한 광빔 L50을 수광 가능한 위치에 가동 반사경(66)을 배치하고, 이 가동 반사경(66)을 광빔 L50의 광축을 따라 슬라이드 이동시키는 구동 기구를 설치하면 된다. 그리고, 실제 사용에 있어서, MEMS를 이용한 마이크로 미러 디바이스를 이용하여 상기 기능과 동일한 기능을 가진 광빔 주사 장치(65)를 구성할 수 있다. 또는, 도 13에 도시된 광빔 주사 장치(60)에 의해 주사 기점 B의 위치에서 굴곡된 광빔 L60을, 주사 기점 B에 초점을 가지는 볼록 렌즈를 관통하도록 함으로써, 평행하게 이동하는 광빔을 생성할 수 있다.
도 42에 도시된 실시예의 경우, 가동 반사경(66)으로 반사한 광빔 L65가 조사된 홀로그램 기록 매체(46)는, 기록된 간섭 무늬에 따른 회절광을 발생시키고, 이 회절광에 의해, 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성된다. 조명 유닛(110)은, 이같이 하여 얻어지는 재생 이미지(35)의 재생광을 조명광으로서 이용하여 조명하게 된다.
도 42에서는, 설명의 편의를 위해, 시각 t1에서의 광빔의 위치를 일점 쇄선으로 나타내고, 시각 t2에서의 광빔의 위치를 2점 쇄선으로 나타낸다. 즉, 시각 t1에서, 광빔 L50은, 가동 반사경의 위치 66(t1)에서 반사되어, 광빔 L65(t1)로서 홀로그램 기록 매체(46)의 점 P(t1)에 조사되지만, 시각 t2에서, 광빔 L50은, 가동 반사경의 위치 66(t2)에서 반사되어(도시한 가동 반사경 66(t2)는, 가동 반사경 66(t1)이 이동한 것), 광빔 L65(t2)로서 홀로그램 기록 매체(46)의 점 P(t2)에 조사된다.
도면에서는, 편의상, 시각 t1 및 t2의 2개의 시점에서의 주사 태양 밖에 나타나 있지 않지만, 실제로는, 시각 t1부터 t2까지의 기간에 있어서, 광빔 L65는 도면의 좌우로 평행이동하고, 광빔 L65의 홀로그램 기록 매체(46)에 대한 조사 위치는, 도면의 점 P(t1)에서 P(t2)로 서서히 이동하게 된다. 즉, 시각 t1부터 t2까지의 기간에 있어서, 광빔 L65의 조사 위치는, 홀로그램 기록 매체(46) 상에 있어서 점 P(t1)부터 점 P(t2)로 주사된다. 여기서는, 광빔 L65를 1차원 방향(도면에서 좌우 방향)으로 평행 이동하는 예를 기술하였으나, 물론, 광빔 L65를 도면의 지면에 수직인 방향으로도 평행 이동시키는 기구(예를 들면, XY 스테이지 상에 배치된 반사경을 포함하는 기구)를 설치함으로써, 2차원 방향으로 평행 이동시키는 것이 가능하게 된다.
여기서, 광빔 L65는, 도 41에 도시된 작성 프로세스에서 사용한 참조광 Lref에 항상 평행하도록 주사되므로, 홀로그램 기록 매체(46)의 각 조사 위치에 있어서, 광빔 L65는, 거기에 기록되어 있는 홀로그램을 재생하기 위한 정확한 재생용 조명광 Lrep로서 기능한다.
예를 들어, 시각 t1에서는, 점 P(t1)로부터의 회절광 L46(t1)에 의해, 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성되고, 시각 t2에서는, 점 P(t2)로부터의 회절광 L46(t2)에 의해, 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성된다. 물론, 시각 t1부터 t2까지의 기간에 있어서, 광빔 L65가 조사된 개개의 위치로부터의 회절광에 의해, 마찬가지로 산란체(30)의 재생 이미지(35)가 생성된다. 즉, 광빔 L65가 평행 이동하도록 주사되는 한, 홀로그램 기록 매체(46) 상의 어떤 위치에 광빔 L65가 조사되더라도, 조사 위치로부터의 회절광에 의해, 동일한 재생 이미지(35)가 동일 위치에 생성되게 된다.
결국, 도 42에 도시된 조명 유닛(110)은, 도 13에 도시된 조명 유닛(100)과 마찬가지로, 홀로그램 재생광에 의해 선형 패턴 U를 투영하는 기능을 가진다. 요컨대, 본 발명에서는, 소정 광로를 따라 조사된 참조광을 사용하여 산란체의 이미지를 홀로그램 기록 매체에 홀로그램으로 기록하고, 이 홀로그램 기록 매체에 대한 광빔의 조사 방향이 참조광의 광로를 따르는 방향(광학적으로 공역인 방향)이 되도록, 광빔 주사 장치에 의해, 광빔을 주사한다.
＜5-7＞마이크로 렌즈 어레이의 이용
지금까지 설명한 실시예는, 산란체(30)의 홀로그램 이미지가 기록된 홀로그램 기록 매체를 준비하고, 이 홀로그램 기록 매체에 대하여, 코히렌트 광을 주사하며, 이를 통해 얻어지는 회절광을 조명광으로서 이용하는 것이었다. 여기서는, 이 홀로그램 기록 매체 대신, 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 변형예를 설명한다.
도 43은, 이 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 변형예의 측면도이다. 이 변형예에 따른 조명 유닛(120)은, 마이크로 렌즈 어레이(48), 코히렌트 광원(50) 및 광빔 주사 장치(60)로 구성된다. 코히렌트 광원(50)은, 지금까지 설명한 실시예와 마찬가지로, 코히렌트 광빔 L50을 발생시키는 광원이며, 구체적으로는, 레이저 광원을 사용할 수 있다.
또, 광빔 주사 장치(60)는, 지금까지 설명한 실시예와 마찬가지로, 코히렌트 광원(50)에서 발생한 광빔 L50을 주사하는 장치이다. 보다 구체적으로는, 광빔을 주사 기점 B에서 굴곡시켜 마이크로 렌즈 어레이(48)에 조사하는 기능을 가지며, 또한 광빔 L50의 굴곡 태양을 시간에 따라 변화시킴으로써, 광빔 L60의 마이크로 렌즈 어레이(48)에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사한다.
한편, 마이크로 렌즈 어레이(48)는, 다수의 개별 렌즈의 집합체로 이루어지는 광학 소자이다. 이 마이크로 렌즈 어레이(48)를 구성하는 개별 렌즈는, 각각 이, 주사 기점 B로부터 입사한 광을 굴절시켜 소정 위치에 배치되는 물체 M의 근방면 R(도시한 예의 경우, 물체 M이 탑재된 탑재 스테이지(210)의 상면(도면의 좌측면)) 상에 조사 영역 I를 형성하는 기능을 가진다.
이 조사 영역 I는, 지금까지 설명한 실시예에서, 선형 패턴 U를 형성하는 영역이며, 여기에 도시된 실시예의 경우, 도면에서 상하 방향으로 가늘고 긴 선형의 조사 영역이 된다. 즉, 도면에서 지면에 수직 방향의 폭이, 투영되는 선형 패턴 U의 폭이 된다(또는, 도면에서 지면에 수직 방향을, 투영되는 선형 패턴 U의 길이 방향이라 할 수 있다.)
여기서 중요한 점은, 어느 개별 렌즈에 의해 형성되는 조사 영역 I도, 상기 근방면 R 상에서 동일한 공통 영역이 되도록 구성되어 있는 점이다. 환언하면, 어느 개별 렌즈를 통과한 광도, 근방면 R 상의 동일 위치에서 동일한 조사 영역 I를 형성하게 된다. 이와 같은 기능을 가진 마이크로 렌즈 어레이로서는, 예를 들어, 「플라이 아이렌즈(fly-eye lens)」라는 것이 시판되어 있다.
도 44, 도 43에 도시된 조명 유닛(120)의 동작 원리를 나타내는 측면도이다. 여기에서도, 설명의 편의를 위해, 광빔 L60의 시각 t1에서의 굴곡 태양을 일점 쇄선으로 나타내고, 시각 t2에서의 굴곡 태양을 2점 쇄선으로 나타낸다. 즉, 시각 t1에서는, 광빔 L50이 주사 기점 B에서 굴곡되어, 광빔 L60(t1)으로 마이크로 렌즈 어레이(48)의 아래쪽에 위치하는 개별 렌즈 48-1에 입사한다. 이 개별 렌즈 48-1은, 주사 기점 B로부터 입사한 광빔을 확장시켜, 물체 M의 근방면 R(이 실시예에서는, 탑재 스테이지(210)의 상면) 상의 2차원 조사 영역 I에 조사하는 기능을 가진다. 따라서, 상기 근방면 R 에는, 도시한 바와 같이 세로 방향에 가늘고 긴 조사 영역 I가 형성되고, 상기 조사 영역 I가 선형 패턴 U를 구성한다.
또, 시각 t2에서는, 광빔 L50이 주사 기점 B에서 굴곡되어, 광빔 L60(t2)로서 마이크로 렌즈 어레이(48)의 위쪽에 위치하는 개별 렌즈 48-2에 입사한다. 이 개별 렌즈 48-2는, 주사 기점 B로부터 입사한 광빔을 확장시켜, 근방면 R 상의 2차원 조사 영역 I에 조사하는 기능을 가진다. 따라서, 시각 t2에서도, 근방면 R에는, 도시한 바와 같이 조사 영역 I(선형 패턴 U)가 형성된다.
도면에서는, 편의상, 시각 t1 및 t2의 2개의 시점에서의 동작 상태 밖에 나타나 있지 않지만, 실제로는, 시각 t1부터 t2까지의 기간에 있어서, 광빔의 굴곡 방향은 원활하게 변화되고, 광빔 L60의 마이크로 렌즈 어레이(48)에 대한 조사 위치는, 도면의 아래쪽으로부터 위쪽으로 서서히 이동하여 가게 된다. 즉, 시각 t1부터 t2까지의 기간에 있어서, 광빔 L60의 조사 위치는, 마이크로 렌즈 어레이(48)상에서 상하로 주사된다. 물론 2차원적으로 배열된 다수의 개별 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이(48)를 사용하는 경우에는, 광빔 주사 장치(60)에 의해, 이 2차원 어레이 상에 광빔이 주사되도록 하면 된다.
전술한 마이크로 렌즈 어레이(48)의 특성 때문에, 광빔 L60이 어느 개별 렌즈에 입사하더라도, 근방면 R 상에 형성되는 2차원 조사 영역 I(선형 패턴 U)는 공통된다. 즉, 광빔의 주사 상태에 관계없이, 근방면 R에는, 항상 동일한 조사 영역 I가 형성된다. 따라서, 이 조사 영역 I 내에 물체 M을 배치하면, 그 표면에는 항상 선형 패턴 U가 투영된 상태가 된다. 물론, 필요에 따라 패턴 주사 기구(200)를 설치하여 두면, 선형 패턴 U를 물체 M 상에 주사할 수도 있다.
결국, 여기에 도시된 조명 유닛(120)의 경우, 광빔 주사 장치(60)는, 광빔 L60을 마이크로 렌즈 어레이(48)에 조사하고, 또한 광빔 L60의 마이크로 렌즈 어레이(48)에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 기능을 가진다. 한편, 마이크로 렌즈 어레이(48)를 구성하는 개별 렌즈 각각은 광빔 주사 장치(60)로부터 조사된 광을 굴절시켜 물체 M의 근방면 R 상에 소정의 조사 영역 I를 형성하는 기능을 가지며, 또한 어느 개별 렌즈에 의해 형성되는 조사 영역 I도, 이 근방면 R 상에 있어서 대략 동일한 공통 영역이 되도록 구성되어 있다. 그러므로, 이 선형의 조사 영역 I를, 지금까지 설명한 실시예에서의 선형 패턴 U로 이용할 수 있다.
이 조명 유닛(120)의 경우, 전술한 기본적 실시예에 따른 조명 유닛(100)과 마찬가지로, 근방면 R의 각 부분에 조사되는 광의 입사 각도는 시간적으로 다중화되고, 광빔 L60이 주사되므로, 스펙클의 발생이 억제된다.
＜5-8＞광 확산 소자의 이용
지금까지, 기본적인 실시예로서, 산란체(30)의 홀로그램 이미지가 기록된 홀로그램 기록 매체를 사용하여 조명 유닛을 구성한 예를 설명하고, 상기＜5-7＞에서는, 홀로그램 기록 매체 대신에 마이크로 렌즈 어레이를 사용하여 조명 유닛을 구성한 예를 설명하였다. 이들 조명 유닛에 있어서, 홀로그램 기록 매체나 마이크로 렌즈 어레이는, 결국, 입사한 광빔을 확산시켜 소정의 면 상에 선형의 조사 영역을 형성하는 기능을 가지는 광 확산 소자의 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 광 확산 소자는, 형성되는 조사 영역이, 광빔의 입사 위치에 관계없이, 물체 M의 근방면 상에서 동일한 공통 영역이 되는 특징을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 조명 유닛을 구성하기 위해, 반드시 전술한 홀로그램 기록 매체나 마이크로 렌즈 어레이를 사용할 필요는 없고, 일반적으로, 상기 특징을 가지는 광 확산 소자를 사용하여 구성할 수 있다.
요컨대, 본 발명에 따른 장치에 사용되는 조명 유닛은, 본질적으로는, 코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원, 이 광빔의 방향 또는 위치, 또는 그 양쪽을 제어함으로써, 빔 주사를 수행하는 광빔 주사 장치, 및 입사한 광빔을 확산시켜 사출하는 광 확산 소자를 사용하여 구성할 수 있다.
여기서, 광빔 주사 장치는, 코히렌트 광원이 생성한 광빔을, 광 확산 소자를 향해 사출하고, 또한 상기 광빔의 광 확산 소자에 대한 입사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 기능을 가지면 된다. 또, 광 확산 소자는, 입사한 광빔을 확산시켜 물체의 근방에 위치하는 특정한 근방면 상에 선형의 조사 영역을 투영하는 기능을 가지고, 또한 형성되는 조사 영역이, 광빔의 입사 위치에 관계없이, 상기 근방면 상에 있어서 대략 동일한 공통 영역이 되도록 구성되면 된다.
본 발명에 따른 스캐너 장치는, 물체를 광학적으로 스캔하는 용도로 널리 이용할 수 있다. 상기 실시예에서는, 이 스캐너 장치를, 물체의 3차원 형상 측정 장치에 이용한 예를 기술하였으나, 이 스캐너 장치의 용도는, 반드시 3차원 형상 측정 장치로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 지면 등의 2차원 물체의 정보를 스캔하는 용도로도 이용 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 물체의 3차원 형상 측정 장치는, 다양한 물체의 3차원 형상을 비접촉으로 측정할 수 있으므로, 모든 물체를 대상으로 하여, 가공하는 분야나 검사하는 분야 등, 산업상, 널리 이용할 수 있다.

Claims (26)

  1. 물체를 광의 선형 패턴(line pattern)으로 주사하고, 상기 물체의 표면 정보를 획득하는 스캐너 장치로서,
    상기 물체를 광의 선형 패턴으로 투영하는 조명 유닛;
    상기 선형 패턴의 상기 물체에 대한 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는 패턴 주사 기구; 및
    상기 선형 패턴이 투영된 상기 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 상기 물체(M)의 표면 정보를 획득하는 촬영 유닛
    을 구비하고,
    상기 조명 유닛은,
    코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원;
    상기 선형 패턴에 대응하는 형상을 가지는 산란체의 이미지가 기록된 홀로그램 기록 매체; 및
    상기 코히렌트 광빔을 상기 홀로그램 기록 매체에 조사하고, 또한 상기 코히렌트 광빔의 상기 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 광빔 주사 장치를 포함하며,
    상기 홀로그램 기록 매체에는, 소정 광로를 따라 조사되는 참조광을 사용하여 상기 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록되어 있고,
    상기 코히렌트 광원은, 상기 산란체의 이미지를 재생할 수 있는 파장을 가진 상기 코히렌트 광빔을 발생시키며,
    상기 광빔 주사 장치는, 상기 홀로그램 기록 매체에 대한 상기 코히렌트 광빔의 조사 방향이 상기 참조광의 광로를 따르는 방향이 되도록, 상기 코히렌트 광빔을 주사하고,
    상기 홀로그램 기록 매체로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 상기 선형 패턴이 투영되는,
    스캐너 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체에, 1개 또는 서로 평행한 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되어 있고, 상기 홀로그램의 재생광에 의해 1개 또는 서로 평행한 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영되는,
    스캐너 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패턴 주사 기구는,
    물체를 탑재하는 탑재 스테이지; 및
    상기 탑재 스테이지를, 선형 패턴을 구성하는 선에 직교하는 방향으로 이동시키는 반송 장치
    를 구비하는,
    스캐너 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 패턴 주사 기구는,
    물체를 탑재하는 탑재 스테이지; 및
    상기 조명 유닛을 상기 탑재 스테이지에 대하여, 선형 패턴을 구성하는 선에 직교하는 방향으로 이동시키는 반송 장치
    를 구비하는,
    스캐너 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 패턴 주사 기구는,
    상기 조명 유닛으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광의 방향을 바꾸는 광학계를 가지고, 상기 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴을, 선형 패턴을 구성하는 선에 직교하는 방향으로 주사하는,
    스캐너 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체가 복수개의 분할 영역으로 분할되고, 개개의 분할 영역에는, 각각 1개 또는 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되며, 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 상기 홀로그램의 재생광에 의해, 각각 1개 또는 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영되고, 또한 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴, 다른 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴이, 공간상의 상이한 위치에 형성되는,
    스캐너 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    제i 번째 분할 영역을 주사할 때, 공간상의 제i 번째의 위치에 제i 번째의 선형 패턴이 투영되도록, 상기 광빔 주사 장치가, 제1 분할 영역, 제2 분할 영역, 제3 분할 영역,...,의 순서로 분할 영역에 상기 코히렌트 광빔을 주사하고,
    상기 광빔 주사 장치는 상기 패턴 주사 기구의 역할을 겸하는,
    스캐너 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체는, 가로 방향으로 가늘고 긴 복수개의 분할 영역이 세로 방향으로 나란히 배치되도록 분할되어 있고, 개개의 분할 영역의 길이 방향과 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 재생 이미지의 길이 방향이 평행하게 되도록 홀로그램을 기록하는,
    스캐너 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광빔 주사 장치는, 상기 코히렌트 광빔을 소정의 주사 기점에서 굴곡시켜, 굴곡된 코히렌트 광빔을 상기 홀로그램 기록 매체에 조사하고, 또한 상기 코히렌트 광빔의 굴곡 태양을 시간에 따라 변화시킴으로써, 굴곡된 코히렌트 광빔의 상기 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치를 시간에 따라 변화시키며,
    상기 홀로그램 기록 매체에는, 특정한 수렴점에 수렴하는 참조광 또는 특정한 수렴점으로부터 발산하는 참조광을 사용하여, 상기 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록되어 있으며,
    상기 광빔 주사 장치는, 상기 수렴점을 상기 주사 기점으로 코히렌트 광빔을 주사하는,
    스캐너 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체에, 수렴점을 정점으로 하는 원추의 측면을 따라 3차원적으로 수렴 또는 발산하는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지를 기록하는,
    스캐너 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체에, 수렴점을 포함하는 평면을 따라 2차원적으로 수렴 또는 발산하는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지가 기록되어 있는,
    스캐너 장치
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광빔 주사 장치는, 상기 코히렌트 광빔을 평행 이동시키면서 상기 홀로그램 기록 매체에 조사함으로써, 상기 코히렌트 광빔의 상기 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치를 시간에 따라 변화시키며,
    상기 홀로그램 기록 매체에는, 평행광속으로 이루어지는 참조광을 사용하여 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록되어 있고,
    상기 광빔 주사 장치는, 상기 참조광에 평행한 방향으로 코히렌트 광빔을 상기 홀로그램 기록 매체에 조사하여, 코히렌트 광빔을 주사하는,
    스캐너 장치.
  13. 물체에 광의 선형 패턴으로 투영하여, 상기 물체의 표면 정보를 취득하는 물체의 표면 정보 취득 방법으로서,
    선형 패턴을 구성하는 산란체의 이미지를 홀로그램으로 기록용 매체상에 기록함으로써 홀로그램 기록 매체를 작성할 준비 단계;
    상기 홀로그램 기록 매체로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광이 조사되는 위치에 상기 물체를 배치한 상태로, 상기 홀로그램 기록 매체 상에 코히렌트 광빔을 조사하고, 또한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 상기 코히렌트 광빔을 상기 홀로그램 기록 매체 상에 주사하고, 상기 물체 상에 상기 선형 패턴을 투영하는 투영 단계; 및
    상기 선형 패턴이 투영된 상기 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 상기 물체의 표면 정보를 획득하는 촬영 단계
    를 포함하고,
    상기 준비 단계에서는, 코히렌트 조명광을 상기 산란체에 조사하고, 상기 산란체로부터 얻어지는 산란광을 물체광으로 사용하여, 소정 광로를 따라 상기 기록용 매체에 조사하고, 상기 코히렌트 조명광과 동일한 파장의 코히렌트 광을 참조광으로 사용하며, 상기 물체광과 상기 참조광에 의해 형성되는 간섭 무늬를 상기 기록용 매체에 기록함으로써 상기 홀로그램 기록 매체를 작성하고,
    상기 투영 단계에서는, 상기 산란체의 이미지를 재생할 수 있는 파장을 가진 코히렌트 광빔을, 상기 참조광의 광로를 따르는 광로를 통하여 상기 홀로그램 기록 매체 상의 조사 위치로 향하도록 주사하는,
    물체의 표면 정보 취득 방법.
  14. 물체를 광의 선형 패턴으로 주사하고, 상기 물체의 표면 정보를 입력하는 스캐너 장치로서,
    상기 물체를 광의 선형 패턴으로 투영하는 조명 유닛;
    상기 선형 패턴의 상기 물체에 대한 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는 패턴 주사 기구; 및
    상기 선형 패턴이 투영된 상기 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 상기 물체의 표면 정보를 입력하는 촬영 유닛을 구비하고,
    상기 조명 유닛은,
    코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원;
    다수의 개별 렌즈의 집합체로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 코히렌트 광빔을 상기 마이크로 렌즈 어레이에 조사하고, 또한 상기 코히렌트 광빔의 상기 마이크로 렌즈 어레이에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 광빔 주사 장치
    를 구비하고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 개별 렌즈 각각은 상기 광빔 주사 장치로부터 조사된 광을 굴절시켜 상기 물체의 근방면에 선형의 조사 영역을 형성하는 기능을 가지고, 또한 어느 개별 렌즈에 의해 형성되는 조사 영역도, 상기 근방면 상에 있어서 동일한 공통 영역이 되도록 구성되는,
    스캐너 장치.
  15. 물체를 광의 선형 패턴으로 주사하고, 상기 물체의 표면 정보를 입력하는 스캐너 장치로서,
    상기 물체를 광의 선형 패턴으로 투영하는 조명 유닛;
    상기 선형 패턴의 상기 물체에 대한 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는 패턴 주사 기구; 및
    상기 선형 패턴이 투영된 상기 물체를 소정 방향에서 촬영하고, 상기 물체의 표면 정보를 입력하는 촬영 유닛
    을 구비하고,
    상기 조명 유닛은,
    코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원;
    상기 코히렌트 광빔의 방향 또는 위치 또는 그 양쪽을 제어함으로써, 빔 주사를 수행하는 광빔 주사 장치; 및
    입사한 코히렌트 광빔을 확산시켜 사출하는 광 확산 소자
    를 포함하고,
    상기 광빔 주사 장치는, 상기 코히렌트 광원이 발생시킨 상기 코히렌트 광빔을, 상기 광 확산 소자를 향해 사출하고, 또한 상기 코히렌트 광빔의 상기 광 확산 소자에 대한 입사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하고,
    상기 광 확산 소자는, 입사한 코히렌트 광빔을 확산시켜 상기 물체의 근방면 상에 선형의 조사 영역을 형성하는 기능을 가지고, 또한 코히렌트 광빔의 입사 위치에 관계없이, 형성되는 조사 영역이, 상기 근방면 상에 있어서 동일한 공통 영역이 되도록 구성되는,
    스캐너 장치.
  16. 물체의 3차원 형상을 측정하는 장치로서,
    상기 물체를 광의 선형 패턴으로 투영하는 조명 유닛;
    상기 선형 패턴이 투영된 상기 물체를 소정 방향에서 촬영하는 촬영 유닛; 및
    상기 촬영 유닛에 의한 촬영 화상 상의 선형 패턴을 해석함으로써, 상기 물체의 3차원 형상 데이터를 작성하는 형상 해석 유닛
    을 구비하고,
    상기 조명 유닛은,
    코히렌트 광빔을 발생시키는 코히렌트 광원;
    상기 선형 패턴에 대응하는 형상을 가지는 산란체의 이미지가 기록된 홀로그램 기록 매체; 및
    상기 코히렌트 광빔을 상기 홀로그램 기록 매체에 조사하고, 또한 상기 코히렌트 광빔의 상기 홀로그램 기록 매체에 대한 조사 위치가 시간에 따라 변화하도록 주사하는 광빔 주사 장치
    를 포함하며,
    상기 홀로그램 기록 매체에는, 소정 광로를 따라 조사되는 참조광을 사용하여 상기 산란체의 이미지가 홀로그램으로 기록되어 있고,
    상기 코히렌트 광원은, 상기 산란체의 이미지를 재생할 수 있는 파장을 가진 코히렌트 광빔을 발생시키며,
    상기 광빔 주사 장치는, 상기 홀로그램 기록 매체에 대한 상기 코히렌트 광빔의 조사 방향이 상기 참조광의 광로를 따르는 방향이 되도록, 상기 코히렌트 광빔을 주사하고,
    상기 홀로그램 기록 매체로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 상기 선형 패턴이 투영되는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체에, 1개 또는 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되어 있고, 홀로그램의 재생광에 의해 1개 또는 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영되는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체가 복수개의 분할 영역으로 분할되고, 개개의 분할 영역에는, 각각 1개 또는 복수개의 선형 산란체의 이미지가 기록되며, 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해, 각각 1개 또는 복수개의 선을 가지는 선형 패턴이 투영되고, 또한 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴, 다른 1개의 분할 영역으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴이, 공간상의 상이한 위치에 형성되는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    제i 번째 분할 영역을 주사할 때, 공간상의 제i 번째의 위치에 제i 번째의 선형 패턴이 투영되도록, 상기 광빔 주사 장치가, 제1 분할 영역, 제2 분할 영역, 제3 분할 영역,...,의 순서로 분할 영역에 상기 코히렌트 광빔을 주사하고, 물체에 대한 선형 패턴의 투영 위치를 시간에 따라 변화시키는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 홀로그램 기록 매체는, 가로 방향으로 가늘고 긴 복수개의 분할 영역이 세로 방향으로 나란히 배치되도록 분할되어 있고, 개개의 분할 영역의 길이 방향과 개개의 분할 영역으로부터 얻어지는 재생 이미지의 길이 방향이 평행하게 되도록 홀로그램을 기록하는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  21. 제16항에 있어서,
    가로 방향으로 연장되고 세로 방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 선형 산란체를 포함하는 가로 방향 격자형 산란체의 이미지를 상기 홀로그램 기록 매체에 기록하고, 홀로그램의 재생광에 의해, 서로 평행한 복수개의 선을 가지는 선형 패턴을 투영하는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  22. 제16항에 있어서,
    가로 방향으로 연장되고 세로 방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 선형 산란체를 포함하는 가로 방향 격자형 산란체의 이미지와 세로 방향으로 연장되고 가로 방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 선형 산란체를 포함하는 세로 방향 격자형 산란체의 이미지를 상기 홀로그램 기록 매체에 중첩하여 기록하고, 홀로그램의 재생광에 의해, 망눈 격자형의 선형 패턴을 투영하는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  23. 제16항에 있어서,
    망눈 격자형 산란체의 이미지를 상기 홀로그램 기록 매체에 기록하고, 홀로그램의 재생광에 의해, 망눈 격자형의 선형 패턴을 투영하는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
  24. 제16항 내지 제19항 및 제21 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    물체를 탑재하는 탑재 스테이지; 및
    상기 조명 유닛과 탑재 스테이지에 있어서, 어느 하나를 다른 하나에 대하여 이동시키는 반송 장치
    를 더 포함하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  25. 제16항 내지 제19항 및 제21 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재생광에 의해 투영되는 선형 패턴을 주사하도록, 상기 조명 유닛으로부터 얻어지는 홀로그램의 재생광의 방향을 바꾸는 광학계를 더 포함하는 물체의 3차원 형상 측정 장치.
  26. 제16항 내지 제19항 및 제21 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촬영 유닛은, 각각 상이한 방향에서 물체(M)를 촬영하는 복수대의 카메라를 가지며,
    상기 형상 해석 유닛은, 상기 복수대의 카메라에 의해 촬영된 촬영 화상 상의 선형 패턴을 해석함으로써, 상기 물체의 3차원 형상 데이터를 작성하는,
    물체의 3차원 형상 측정 장치.
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