KR101256390B1 - 테스트 표면의 광학 검사 - Google Patents

Abstract

하나의 양상에서, 가령 파로시아미터(Parosiameter)와 같이 스캐터로미터(100)로부터 얻어진 영상 세기 데이터를 저장 할 필요가 있는 데이터의 양은 상기 광도 데이터가 광도에 대한 변화에 따라 그리드의 다른 영역에서 사용되는 해상도를 변화시킴으로써 줄어든다. 또 다른 양상에서, 스캐터로미터는 상기 테스트 샘플에 대한 거울의 중심이 벗어난 배치에 의해 도입된 왜곡을 수정하기 위해 테스트 샘플(180)을 영상화하는 비구면 거울(170,900,1000)로 제공된다. 또 다른 양상에서, 광학 표면 검사 장치는 상기 테스트 표면상에 패턴 그리드(1410)를 투사하기 위하여 테스트 표면(1420)과 조명된 패턴 그리드(1410) 사이에 보조 렌즈(1440)를 사용한다. 카메라(1450)는 실제의 영상으로서 상기 테스트 표면상의 그리드에 초점이 맞춰진다.

Description

테스트 표면의 광학 검사{OPTICAL INSPECTION OF TEST SURFACES}

본 발명은 일반적으로 가령, 제품상에서와 같이 품질 및 균일함을 평가하기 위한 테스트 표면의 광학 검사 및 더 상세히 말하면, 증가한 동적 범위와 줄어든 일그러짐을 갖는 스캐터로미터(scatterometer) 기술 그리고 증가한 측정 범위를 갖는 그 이상의 기술에 관련한 것이다.

제품과 포장의 외향은 소비자에 대한 그것의 호소력에 있어서 중요하다. 예컨대, 상기 제조 공정의 마무리 단계 동안에 제품의 색상 및 광택을 조심스럽게 제어하는 것은 중요하다. 일반적으로, 상기 품목의 표면 구조는 빛이 상기 표면으로부터 어떻게 반사하는지 그리고 보는 사람에 의해 빛이 어떻게 받아들여지는 지에 영향을 끼친다. 상기 스캐터로미터는 물체로부터의 빛의 반사율을 측정하는 도구로서 발전해 왔다. 예컨대, 본 명세서에 참고 문헌으로 병합된 S. Wadman에 대한 미국 특허 번호 6,577,397은 반구의 스캐터로미터를 작동하기 위한 파로시아미터(parousiameter)로 알려진 디바이스를 설명한다. 상기 디바이스는 광학적으로 제어된 방법으로 테스트 표면을 조명하고 완전한 반구 스크린 또는 구의 다른 부분에 반사율 및/또는 전송률을 측정한다. 이러한 디바이스는 밝기 및 플럽 효과(flop effect)의 정확한 측정을 가능하게 하며 예컨대, 상기 표면이 다른 방향으로부터 보여지거나 조명될 때, 뚜렷한 밝기 또는 색상을 변화시킨다. 도 1을 참조하면, 샘플(180)은 발산 회색 표면(diffuse black surface)을 포함할 수 있는 반사 돔(dome) 또는 스크린(130) 아래에 가령, 발산 검은 표면(diffuse black surface)과 같은 표면(150) 중앙에 놓여있고 광 소스(145)로부터 조준된 광빔(140)에 의해 하나 이상의 입사각으로 조명된다. 상기 광 빔(140)은 스크린(130)에 있는 틈(aperture, 142)을 통과한다. 샘플(180)로부터 산란된 광(120)은 상기 반구 스크린에 잡히게 된다. 스크린(130)의 영상이 구형 거울(170)과 같은 와이드 앵글 렌즈를 사용하여 CCD 카메라와 같은 디지털 카메라(110)에 맺힌다. 그러므로, 상기 캡쳐된 영상은 데이터 처리(112)를 실행함으로써 분석을 위한 컴퓨터로 전송되고 구조 및 색상 측정을 위한 장점 요인들을 제공하기 위해 표면 수치 특징(numerical surface characterization)(114)(블록 114는 "표면 수치 특징"을 읽는다)에 전송된다. 상기 광은 인간 시력을 모방하기 위해 3 내지 10 mm 스폿(spot)상에서 희거나(white) 또는 색이 있는(colored) 광일 수 있다. 전형적으로 편평한 샘플(flat sample)이 사용되지만, 구부러진 샘플(curved sample)은 가령, 0.5 mm와 같이 아주 가는(thin) 빔으로 측정될 수 있다. 작은 샘플 뿐만 아니라 큰 제품도 측정될 수 있다. 특히, 상기 완전한 반구의 영상을 만드는 카메라로 작업함으로써, 상기 파로시아미터는 가령, 이동 검출기 고니오포토미터(측각기)와 같은 다른 디바이스와 비교하여 표면의 반사율을 측정하기 위해 필요시간을 줄이는 것으로 밝혀졌다. 광 빔(190)은 반투명을 위한 프로브 빔이다.

그러나, 상기 파로시아미터에 의해 얻어진 데이터의 양은 극단적으로 클 수 있다. 예컨대, 얻어진 전형적인 영상(이러한 예시에서 플라스틱 제품 표면으로 만들어진)은 도 2에 도시된다. 상기 영상의 중심은 상기 반구의 정점(정상)이고, 둘레는 지평선이다. 어두운 스폿은 조명의 결함(artifact)이고 카메라 스폿이다. 특별히, 가장 왼쪽 어두운 스폿은 상기 카메라 스폿이 위치한 지점이며, 나란히 배열된 다른 스폿들은 상기 광 빔이 제공되는 포트(port)이다. 상기 반구 돔은 확산 광으로 차있고 중앙이 밝으며 수평선 쪽으로 더 희미하고, 상기 직접 표면 반사율을 나타내는 중앙 밑에 밝은 스폿이 있다. 상기 그림에서 모든 점들은 다른 반사각을 나타내고 다른 명암을 가진다. 상기 작업은 표 형태로 지금부터 이러한 명암 분포를 설명할 것이다. 상기 전형적인 영상은 규칙적인 그리드(grid)상에 놓인 백만 개의 데이터 점들을 쉽게 포함 할 수 있어서, 만일 모든 각이 고려된다면, 극단적으로 큰 파일이 형성된다.

특히, 상기 카메라에 의해 획득된 데이터는 가령, 양 방향의 반사 분배 함수(bi-directional reflection distribution function, BRDF)와 같이 수학적인 함수를 이용하여 전형적으로 처리된다. 이러한 함수의 형태는 표면이 광을 반사 및/또는 전송하는 방식을 설명한다. 예컨대, BRDF는 가령, 빛이 나는 부속물(lighting appendage)과 같은 광학 제품의 디자인 또는 가령, 렌즈와 같은 발광체 또는 광학 시스템을 위한 광 추적 프로그램(ray-tracing program)에 사용된다. 그러나, 상기 언급한대로 BRDF를 정의하는데 필요한 데이터는 종종 예컨대, 제조 어플리케이션에서 요구하는 대로 빨리 처리될 수 없는 극단적으로 큰 파일을 초래한다.

상기 파로시아미터를 포함하는 스캐터로미터가 가진 그 이상의 문제점은 반구 시야의 영상 일그러짐이 클 수 있다는 점이다.

더욱이, 편향측정 검사의 관련 분야에서, 편향측정 원리는 가령, 자동차 부품과 같이 움직임이 부드러운 형태에서 미미한 교란(small disturbance)에 아주 민감하다. 반면에, 만일 상기 테스트 샘플에서 큰 교란(large disturbance)이 측정된다면, 상기 반사된 그리드의 변형은 복잡할 수 있고 또한 오목한 형태의 광학력으로 인해 상기 카메라에 있어서 초점이 맞지 않을 수 있다. 그러므로, 이러한 검사에 대한 문제점은 바로 측정될 수 있는 변형에 있어서 동적인 범위를 측정하는데 제한이 있다는 점이다.

본 발명은 상기 및 다른 문제를 상세히 설명한다.

하나의 양상에서, 본 발명은 상당한 데이터의 손실 없이, 반구 상 다른 지점에 있는 타깃 요소의 광도 분포를 서술하는 스캐터로미터 함수를 정의하는데 필요한 데이터의 양을 줄이기 위한 기술을 제공한다.

특히, 스캐터로미터 데이터를 처리하기 위한 컴퓨터 실행 방법은 스캐터로미터에 있는 타깃 요소로 광을 향하게 하는 단계와 타깃 요소로부터 반사된 이후, 원거리에서 광도를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 광도는 시야의 전역에서 광도를 나타내는 데이터를 얻기 위해 상기 스캐터로미터의 스크린 상에 제공되는 시야에 있는 점들의 그리드를 가로질러 측정되고; 상기 방법은 시야를 가로질러 광도의 변화를 결정하는 단계와, 상기 결정된 광도의 변화에 따라, 상기 광도 데이터가 그리드의 다른 영역에서 사용되는 해상도(resolution)를 변화시킴으로써 시야의 전역에서 광도 분포 표를 설명하는 적어도 하나의 함수를 정의하거나 수학적인 방식으로 정의하는 단계를 포함한다. 각각의 다른 영역들은 상기 그리드 포인트 중에 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 부가적인 양상에서, 스캐터로미터에서의 반구 시야의 영상 일그러짐을 줄이기 위해 기술이 제공된다.

*특히, 스캐터로미터는 광을 타깃 물질로 유도하는 광원과, 타깃 샘플로부터 반사된 후 광을 수신하는 구형 스크린과, 구형스크린 상의 반사된 광의 영상을 카메라에 제공하도록 배치된, 볼록한 구면 또는 비구면 거울을 포함한다.

본 발명의 부가적인 양상에서, 광학 검사 시스템에서 측정의 동적 범위를 증가시키기 위해 기술이 제공되는데, 이로 인해 테스트 샘플에서 미미하고 큰 교란이 정확하게 측정될 수 있다. 편향 측정에 의해 제공된 상당히 민감한 원거리 필드 검출은 조명 광 경로에서 여분의 렌즈 그룹을 추가하여 광범위의 개관을 제공하는 근거리 구조의 광 설비로 확장된다.

특히, 광학 표면 검사 장치는 테스트 표면, 조명된 패턴 그리드, 상기 테스트 표면상에 조명된 패턴 그리드를 투사하기 위해 상기 테스트 표면과 조명된 패턴 그리드 사이에 제공된 보조 렌즈 그리고 테스트 표면의 제1 영상을 적어도 얻기 위해 실제 영상으로서 상기 테스트 표면상에 조명된 패턴 그리드에 초점을 맞춘 카메라를 포함한다.

모든 도면에서, 상응하는 부품들은 동일한 참조 번호로 표시된다.

본 발명은 일반적으로 가령, 제품상에서와 같이 품질 및 균일함을 평가하기 위한 테스트 표면의 광학 검사 및 더 상세히 말하면, 증가한 동적 범위와 줄어든 일그러짐을 갖는 스캐터로미터(scatterometer) 기술 그리고 증가한 측정 범위를 갖는 그 이상의 기술에 이용된다.

도 1은 테스트 샘플을 측정하기 위해 스캐트미터를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 상기 스캐트미터를 이용하여 얻어진 테스트 샘플의 영상을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따라 세기(intensity)에 바탕을 둔 변하는 그리드 밀도(density)를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따라 압축된 시야에서 세기 변화를 기술하는 방법을 도시하는 도면.
도 5는 왜곡된 파로시아미터 위치 교정(calibration) 영상을 도시하는 도면.
도 6은 반시계 방향으로 90도 회전, 30도 거리 반경 그리고 15도 평형 써클이 추가된 도 5의 왜곡된 영상을 도시한, 도면.
도 7은 소프트웨어 수정 이후, 도 6의 영상을 도시하는 도면.
도 8은 스캐터로미터에서의 사용을 위한 구면 거울을 도시하는 도면.
도 9는 본 발명에 따라 스캐터로미터에서의 사용을 위한 구면 거울을 도시하는 도면.
도 10은 본 발명에 따라 스캐터로미터에서의 사용을 위한 기울어진 구면 거울을 도시하는 도면.
도 11은 도 8의 구면 거울을 사용하여 얻어진 왜곡된 영상을 도시하는 도면.
도 12는 본 발명에 따라 도 9의 비구면 거울을 이용하여 얻어진 영상을 도시하는 도면.
도 13은 도 10의 기울어진 비구면 거울을 사용하여 얻어진 영상을 도시하는 도면.
도 14는 카메라가 패턴 그리드의 가상 영상에 초점을 둔 편향 측정기로 구성된 광학 표면 검사 장치를 도시하는 도면.
도 15는 도 14의 장치를 이용하여 얻어진 작은 오목부(dent)를 갖는 자동차 패널의 영상을 도시하는 도면.
도 16은 본 발명에 따라 카메라가 패턴 그리드의 가상 영상에 초점을 둔 삼각측량에 의해 영상화하도록 구성된 광학 표면 검사 장치를 도시하는 도면.
도 17은 도 14의 장치를 사용하여 얻은 작은 오목부(dent)를 갖는 자동차 패널의 영상을 도시하는 도면.
도 18은 본 발명에 따라 도 16의 장치를 사용하여 얻은 작은 오목부(dent)를 갖는 자동차 패널의 영상을 도시하는 도면.
도 19는 본 발명에 따라 도 14 및 도 16으로 구성된 장치를 사용하여 얻은 작은 오목부(dent)를 갖는 자동차 패널의 결합 영상을 도시하는 도면.
도 20은 도 14의 장치를 사용하여 얻은 큰 오목부(dent)를 갖는 자동차 패널의 영상을 도시하는 도면.
도 21은 본 발명에 따라 도 16의 장치를 사용하여 얻은 큰 오목부(dent)를 갖는 자동차 패널의 영상을 도시하는 도면.

[실시예]

Ⅰ. 상당한 동적 범위를 갖는 스캐터로미터 함수를 위한 가변성 밀도 그리드

처음에 언급한대로, 가령, 파로시아미터와 같은 스캐터로미터로부터 얻은 영상 데이터는 가령, 제조와 같은 많은 어플리케이션에서 요구한대로 빨리 처리될 수 없는 극단적으로 큰 파일을 형성할 수 있다. 예컨대, 이러한 어플리케이션에서 테스트 샘플은 제조된 제품의 품질을 평가하기 위해 주기적으로 생산라인으로부터 얻어질 수 있다. 빠른 결과는 생산라인 상에 불필요한 지연을 피하기 위해 얻어져야만 한다. 더욱이, 증가한 데이터 기억 및 처리 요구는 증가되는 비용을 초래한다.

특히, 가령, BRDF와 같이 영상을 설명하기 위해 사용되는 함수는 상기 반사된 또는 전송된 광도에 대한 크고 작은 변화의 넓은 동적 범위에 걸쳐 테스트 샘플의 두드러진 특징을 명확히 설명해야 하는 성분 또는 많은 계수를 가지고 있다. 실질적으로, 광도 측정은 반구 지면 또는 다른 시야에 있는 점들의 그리드에서 얻어진다. 하나의 가능한 해법은 더 거친(coarser) 그리드를 사용함으로써 상기 함수의 해상도(resolution)를 낮추는 것이다. 그러나, 영상 흐림 및 중대한 정보의 손실을 초래한다. 예컨대, 상기 시야의 발산 외부 계(diffuse outer field)에서, 광도에 있어서 뚜렷한 차이점은 많은 경우에서 전혀 나타나지 않는다. 즉, 높은 공간 주파수가 전혀 없다. 따라서, 상기 영역에서 해상도를 줄이는 것은 문제되지 않는다. 그러나, 상기 줄어든 해상도가 예컨대, 상기 광도에서 빠른 변화로 인해 높은 공간 주파수를 가지고 있는 시야의 영역에 적용될 때, 문제는 중대한 세부사항들을 잃을 수 있다는 것을 초래한다. 자세하게, 세부사항이 전혀 없는 영역에서, 이것이 문제가 아니라 상기 영상이 흐려지고 중대한 정보가 손실되는 거울 반사주위에서(또는 아주 복잡할 수 있는 홀로그램의 파로시아미터에서)가 문제이다. 이것은 상기 그리드를 더 거칠게(coarser) 함으로써 데이터의 양을 줄이는 것을 받아들여질 수 없게 만든다.

본 발명에 따라, 상기 리드의 구성(composition)은 측정 컨텐츠에 의존하게 만들어진다. 즉, 시야를 가로질러 광도를 설명하는 함수에 사용되는 그리드 점들 사이의 거리는 세부사항을 갖고 있지 않는 영역에서 크게 그리고 상세한 영역 가까이에서 작게 생성된다. 변하기 쉬운 그리드 점들 사이에 거리를 두는 몇몇의 가능한 방법이 있다. 예컨대, 상기 그리드 밀도는 광도 분포의 미분계수에 반비례하게 만들어 질 수 있다. 그러나, 더 높은 그리드 밀도는 가령, 이웃 점들 또는 상기 그리드에 있는 점들의 영역 중에서와 같이 광 분배의 세기에 상당한 변화가 있을 때, 사용된다. 또 다른 접근에서, 다음의 데이터 점은 상기 광도가 예컨대, 10% 또는 인수 2.5 또는 편의상 어떤 값일 수 있는 상수 인자(인수)에 의해 변해왔던 위치에 놓일 수 있다. 상대적인 또는 절대적인 차이점이 사용될 수 있다. 예컨대, (x1,10.0),(x2,10.2),(x3,10.4),(x4,10.7),(x5,10.9),(x6,11.1),...의 시야에 있는 경로를 따라 (위치, 광도 값)쌍의 시퀀스가 있다면, 이것은 10%의 변화 기준을 이용하여 (x1,10.0),(x6,11.1),...로 줄어들 수 있다. 그러므로 상기 BRDF는 일정한 해상도 그리드를 취하기보다는 오히려 데이터 점 및 그것의 광도의 위치를 말하는 데이터 라인을 포함할 수 있다. 본질적으로, 상기 함수는 상기 광도 데이터(intensity data)가 스크린(130)의 다른 영역/위치에 사용되는 해상도를 변화함으로써 상기 광 분배의 세기를 나타낸다.

변화하는 데이터 그리드의 일반적인 생각은 광도 대 스크린 위치(screen position)를 나타내는 도 3에 주어진다. 특히, 상기 휘어진 그래프는 광도 측면도(intensity profile)이고, 수직 화살표는 변하기 쉬운 그리드의 가상의 위치를 가리킨다. 상기 수직 화살표 사이의 변하는 선간 거리는 변하는 데이터 해상도를 나타낸다. 상기 데이터 압축은 상기 데이터의 컨텐츠에 의존한다. 인자100의 데이터 압축은 쉽게 완수될 수 있음이 예상된다. 본질적으로, 상기 광도 데이터가 다른 영역에서 사용되어지는 해상도는 최대 해상도와 최소 해상도 사이에서 변화해서 상기 함수를 정의하기 위해 필요로 하는 데이터의 양은 상기 함수가 오직 최대 해상도를 사용하여 광 분배의 세기를 설명하는 경우에 비례하여 줄어든다.

도 4는 압축으로 시야에서 광도 변화를 설명하기 위한 방법을 나타낸다. 블록(400)은 "광을 타깃 요소로 유도한다"는 블록이고; 블록(410)은 "스크린상의 모든 그리드 점들에서 반사된 광도를 측정한다"는 블록이고; 블록(420)은 "상기 광도 분포에 대한 변화를 결정함"이라는 블록이다. 블록(430)은 "상기 광도 분포에 대한 변화에 기초한 그리드 점의 다른 영역을 위해 변하는 해상도를 결정함"이라는 블록이고; 그리고 블록(440)은 "상기 변하는 해상도에 기초한 광도 분포를 설명하는 함수를 정의함"이라는 블록이다.

블록(400)에서, 광은 타깃 요소로 향하게 된다. 블록(410)에서, 시야에서 스캐터로미터의 스크린 상의 모든 그리드 점에서 반사된 광 분배의 세기가 측정된다. 블록(420)에서, 시야를 가로질러 광도 분포에 대한 변화가 결정된다. 이것은 예컨대, 점 대 점 변화, n=1,2,3,...에서 모든 n번째 점들 사이의 변화를 보면서 또는 상기 광도 데이터가 변하는 주파수를 결정하기 위해 광도 데이터 상에서 공간 변환을 수행함으로써 이룰 수 있다. 블록(430)에서, 변하는 해상도는 상기 광도 분포에서 변화에 기초한 그리드의 다른 영역을 위해 결정된다. 상기 해상도 즉, 밀도는 상기 영역에서 얼마나 많은 점들이 필터링 될 것인지 그리고 상기 함수에 사용되지 않을 것이지를 나타낸다. 높은 해상도는 전혀 또는 거의 점들이 필터링 되지 않을 것이라는 것을 나타낸다. 따라서, 압축 처리는 상기 그리드 점에서 더 빠른 변화를 잡아내기 위하여 비교적 더 많은 데이터를 할당하는 반면에 여분의 그리드 점을 설명하기 위해 비교적 더 적은 데이터를 할당함으로써 수행된다. 블록(440)에서, 변하는 해상도를 사용하여 가령, BRDF와 같은 함수는 시야의 다른 전 영역에서 광도 분포를 설명하고 정의된다.

상기 구상은 다양한 적용에서 수행될 수 있고, 예컨대, 상기 광 추적 소프트웨어에서 읽을 수 있는 BRDF를 직접적으로 생성하는 성능을 상기 파로시아미터에게 주는 광 추적 소프트웨어를 포함한다. 이러한 적용에 있어서, 여기서 설명되는 데이터 감소 기술 없다면, 파일 크기에 대한 심각한 문제가 발생할 수 있다. 상기 융통성 있게 변하기 쉬운 데이터 종속 그리드가 실행될 때, 파일 크기는 모든 관련 정보를 여전히 넓게 유지하는 반면에 예컨대, 인자(100)에 의해 줄어들 수 있다. 사용의 다른 예시 영역은 광 측정, 제품 디자인, 기능적 광 제품 디자인 그리고 또한 동영상 게임, 영화 그리고 다른 그래픽 사용뿐만 아니라 디자인 적용을 위해 CAD렌더링을 포함한다.

본 발명이 스캐터로미터의 다른 형태 및 광 측정 디바이스의 다른 형태를 갖춘 사용에 적합하기 때문에 상기 파로시아미터가 예시로만 언급됨을 주지한다. 더욱이, 하나의 예시에 반구 시야가 제공되었지만, 다른 형태가 사용 될 수 있다. 게다가, 본 발명은 가령, 하드디스크 또는 처리기로 실행을 위한 소프트웨어 지시를 포함하는 휴대용 데이터 기억 매체와 같은 메모리인 프로그램 기억 디바이스를 제공함으로써 범용 컴퓨터 또는 다른 처리 리소스 상에서 실행될 수 있다. 마찬가지로 ASIC로서 전용 회로가 사용될 수 있다.

Ⅱ. 향상된 반구 영상 형성을 위한 비구면 거울

본 발명의 이러한 양상은 반구 시야의 영상 형성 특히, 파로시아미터 또는 다른 스캐터로미터의 스크린을 포함하는 다른 적용에 사용될 수 있다. 도 1에 다시 언급하여, 스캐터로미터에서 반구 시야의 영상을 형성하기 위해 소위 피쉬-아이 대물렌즈와 같은 광 각의 광 시스템이 상기 샘플(180) 가까이에 전형적으로 위치한 렌즈 또는 거울(170)과 같이 필요로 한다. 그러나, 올-스카이(all-sky) 카메라 또는 종래의 파로시아미터에서 사용되듯이 구 볼록렌즈와 같은 구면 거울은 심각한 영상 왜곡 및 비점수차(astigmatism) 및 상기 필드 모서리로의 코마(coma)를 겪는다. 올-스카이 카메라는 한번에 전체 하늘의 영상을 얻기 위해 피쉬-아이 렌즈와 같은 특별 광학 요소 또는 구면 거울을 사용한다.

특히, 상기 거울(170)의 중심을 벗어나는 배치 및 그것의 구 형태로 인해, 피할 수 없는 심각한 영상 왜곡이 형성된다. 상기 영상 왜곡은 유효상수이고 상기 주어진 돔 기하학적 레이아웃, 거울 및 카메라에 전형이다. 이러한 영상 왜곡은 알려진 위치에서의 표시를 가진 교정(calibrating) 반구 돔을 사용하여, 상기 컴퓨터에서 소프트웨어 영상 처리로 수정된 모든 다음의 측정 영상에서 측정 될 수 있다.

영상 왜곡 수정은 다음의 방법으로 관습적으로 성취된다. 상기 교정 측정으로 생성되는 전형적인 파로시아미터 위치 교정 영상은 도 5에 주어진다. 상기 영상은 상기 돔 상에 표시를 선명하게 나타내도록 이미 처리되었다. 상기 둘레에서 희미한 원은 90도 수평이다. 이러한 영상은 회전되고 더욱이 30도 거리 반지름과 15도 거리 평행 원을 가진 왜곡 그리드를 보이도록 처리된다. 도 6은 이러한 왜곡된 그리드를 도시한다. 측정값이 나타남에 따라, 영상 거울의 구면 형태에 의해 야기된 상기 반지름에 따른 위도(고도)의 압축이 있다. 이것은 코사인 효과이며, 이는 상기 영상 범위의 모서리를 따라서 가장 큰 효과이다.

상기 분명한 옆길 변형은 파로시아미터 구성의 본질적 중심 벗어남에 의해서 야기된다. 만일 상기 거울이 영상화되는 반구 중심에 놓여지거나 또는 상기 파로시아미터 경우에 상기 돔 스크린 중앙에 놓인다면, 이러한 효과는 더 작거나 또는 심지어 완전히 결여될 것이다. 그러나, 상기 거울 및 테스트 샘플(180)은 동일한 위치에 있을 수 없다. 모든 결합된 왜곡은 상기 영상 범위 또는 확대가 상기 영상의 다른 영역에 걸쳐 상당히 변하도록(예컨대, 인자 2에 의해) 야기한다. 이것은 영상 밝기 분배뿐만 아니라 카메라 픽셀 스케일을 위한 결과를 가진다. 추가로 영상 처리함(비왜곡)으로서, 영상은 도 7에서 표시된 것과 같이 입체화법의 투사에 도입되어야만 한다. 그러나, 이러한 수정 과정 중에 상기 영상을 희미하게 하거나 또는 교란하는 그리고 정보의 손실을 야기 시키는 에러를 평균화시키는 것이 발생한다. 아주 구면에 가까운 돔 형태를 위한 측정된 교정에 대한 비왜곡 방법 대안은 모든 영상 요소들을 상기 '이상적인' 반구로 다시 재계산하고 그 다음 그것들을 상기 거울의 밴티지 포인트 상에 투사함으로써 처음부터 비왜곡을 사용하는 것이다.

본 발명에 따라, 비구면 측면의 올바른 선택이 상기 영상 왜곡을 줄여서 영상 스케일에 대한 변화는 줄어들 수 있다고 결정되었다. 그러므로 더 적게 손실이 있는 영상 처리 수정이 필요시 되어, 정보의 전반적 손실을 줄인다. 특히, 상기 영상 왜곡 수정의 한 부분은 소프트웨어에서 하드웨어로 바뀐다. 소프트웨어 영상 수정은 손실이 많고 시간이 걸리는 반면에, 하드웨어 수정은 손실이 없고 즉각적이다. 영상 왜곡 및 다른 수차는 상기 볼록한 거울의 형태에 의해 영향을 받을 수 있다. 대 부분의 경우에, 상기 파로시아미터 영상 거울은 프로그램 가능한 CNC 체적 제어를 갖춘 고정밀 선반(표면 곡률 1 이내 3 nm)을 터닝온 하는 다이아몬드에 의해 제조된 완전한 금속 거울이다. 상기 거울은 MgO 또는 SiO₂의 딱딱한 층으로 만들어진 '강화 코팅'에 의해 보호받지 못하는 금속이며, 이는 그것이 파장 의존성을 가지고 있어서 상기 측정에 있어서 색깔 이동을 야기할 것이기 때문이다. 이것은 단순히 소프트웨어 프로그래밍에 의해 임의의 형태의 거울을 제조하는 것을 아주 쉽게 만든다. 부가적인 광학 설계 프리덤(freedom)은 위치 및 상기 거울 마운트(mount)의 각도 조절 내에 있다. 이러한 방식에서 하드웨어에 의한 영상 왜곡의 부분 고침에 의해, 상기 컴퓨터에서 영상 처리에 의한 나머지 필요한 수정이 훨씬 더 적어서, 거의 에러가 도입되지 않는다.

도 8은 상당한 왜곡을 초래하는 구면 거울(800)을 도시하는 반면, 도 9 및 10은 구면 거울(900) 및 기울어진 구면 거울(1000)을 각각 도시하고 이는 본 발명에 따라 왜곡을 줄인다. 구면 모양의 작용에 비교하여 모서리 상의 영상을 확대하기 위해 상기 거울은 일반적으로 둘레로 향하는 곡선의 더 큰 반지름을 가지고 있는 모양으로 보여질 수 있다. 상기 최적의 비구면 모양은 상기 주어진 구성의 전체 광학 시스템을 추적하는 광선에 의해 정확히 계산될 수 있다. 이러한 최적의 모양은 가령, 인버스 코사인, 원뿔꼴의 단면 또는 다항식 다시 말해 임의의 다른 편리한 형태와 같은 일반적인 형태에 의해 접근될 수 있다. 더욱이, 이러한 거울 형태는 중심을 벗어나게 만들어질 수 있고/또는 상기 질적인 예시, 동일한 또는 분리된 작동에서 나타난 것 같이 기울어진 축으로 만들어 질 수 있다. 상기 거울을 구성하는 것이 가능하여 완전히 비왜곡된 영상이 형성되지만 그러나 이러한 제조하기에 비교적 비싼 옵션은 복잡한 비구면 및 비대칭 거울 형태를 요구한다.

도 11은 도 8의 구면 거울을 이용하는 변형된 영상 그리드를 도시한다. 도 12 및 13은 본 발명에 따라 덜 변형된 영상 그리드의 효과에 대한 예시로 계산된다. 도 12는 도 9의 비구면 거울을 사용하여 수정된 영상을 도시한다. 도 13은 도 10의 기울어진 비구면 거울을 사용하여 수정된 영상을 도시한다. 도시된 바와 같이, 비구면 거울의 사용은 상기 스캐터로미터의 스크린에 형성된 영상의 왜곡을 상당히 줄인다.

Ⅲ. 결합된 원거리 계의 디플렉토미터 및 근거리 계 구조의 광 프로파일미터

광학 표면 검사 시스템(OSIS)은 타깃 요소의 표면을 평가하기 위하여 가령, 자동차 품질 검사 및 수리와 같이 다양한 응용에서 유용하다. 특히, 표면에서 흠을 발견하기 위한 디플렉토미트리의 원리는 잘 알려져 있다. 디플렉토미트리를 사용하는 장치는 '듀코미터'로 알려져 있다. 도 14는 OSIS(1400)을 위한 장치에 상기 테스트 표면에 반사하는 조명된 패턴 그리드를 제공한다. 특히, 광 소스(미 도시)는 패턴 그리드(1410)를 조명하여 상기 그리드의 영상은 가상 영상으로서 상기 그리드의 반사된 영상(1430)을 제공하기 위해 상기 테스트 표면(1420)에 의해 반사된다. 보조 렌즈(1440)는 비활성 위치 내에 있다. 카메라(1450)는 상기 테스트 표면(1420)의 영상을 제공하기 위해 가상 영상(1430)에 초점을 맞춘다. 그러나, 이러한 접근으로, 상기 테스트 표면(1420)에서 임의의 변형은 상기 조명된 그리드(1410)의 반사(1430)를 강하게 변형시킨다. 예컨대, 이러한 변형의 예시는 도 15에 주어지고, 이는 자동차 패널에서 작은 오목부를 보여준다. 상기 일반적인 패널의 모양이 상기 패널의 커다란 곡선에 나타나고 반면에, 상기 작은 방해는 외형에 있어서 글리치를 야기한다는 것을 분명히 볼 수 있다.

언급되었듯이, 상기 디플레트로미터 원리는 가령, 자동차 부품과 같이 매끄러운 형상에서 작은 방해에 아주 민감하다. 다른 한편, 만일 상기 테스트 샘플에서 큰 방해가 측정된다면, 상기 반사된 그리드의 변형은 오목한 형태의 광학 출력으로 인해 복잡해 질 수 있고 상기 카메라에 대해 초점에서 벗어 날 수 있다. 그러므로, 디플렉토미터의 문제는 측정된 동적 범위가 제한된다는 것이다.

본 발명에 따라, 도 16의 수정된 OSIS(1600)은 상기 측정 범위를 확대하는 효과적인 방법을 제공한다. 특히, 상기 장치(1400)는 가상 그리드 영상(1430)을 상기 테스트 표면(1420)으로 옮김으로써 즉, 무한대에서 반사된 가상 영상 대신에 상기 표면(1420)에 실제 그리드 영상(1610)을 투사함으로써 수정된다. 이러한 것은 상기 감도를 제한하지만 상기 범위를 확대한다. 유리하게, 이러한 수정은 상기 카메라(1450)의 재 초점과 함께 조명 경로에서 여분의 렌즈 그룹을 사용하여 성취될 수 있다. 특히, 최초의 OSIS 장치(1400)에 대한 추가는 상기 테스트 표면(1420) 상에 조명된 패턴 그리드(1410)를 투사하기 위해 상기 조명된 패턴 그리드(1410)와 테스트 표면(1420) 사이의 능동 위치로 상기 보조 렌즈(1440)를 옮기는 것을 포함한다. 만일 상기 렌즈(1440)가 능동 위치에 놓여 있다면, 상기 그리드(1410)는 표면(1420) 상에 영상화되고 상기 카메라(1450)는 테스트 표면상에 다시 초점이 맞춰진다. 이러한 재 초점은 상기 카메라 렌즈 안에서 및/또는 상기 카메라의 광 경로 내에서 제2 보조 렌즈를 추가하여 이루어진다. 상기 장치(1600)에서, 표면(1420) 상에 실제 투사된 그리드 스트립의 곡률은 삼각측량에 의해 측정된다. 이러한 방법은 상기 장치(1400)보다 덜 예민하지만, 훨씬 큰 범위를 초래한다.

도 17은 도 14의 장치에 따라 디플렉토미트리를 사용하여 얻어진 도 15와 같은 자동차 패널에서 동일한 작은 오목부(dent)의 영상이다. 이러한 오목부는 대략 1cm 폭과 0.5mm 깊이를 갖는다. 도 18은 상기 오목부가 더 상세히 보이는 도 16의 장치에 따라 삼각측량을 사용하여 얻은 상응하는 영상이다. 도 19는 도 14 및 도 16의 장치를 사용하여 얻은 영상을 결합한 영상이다. 상기 데이터 처리(112) 함수는 상기 결합된 영상을 제공하기 위해 필요한 처리를 수행할 수 있다. 더욱이, 자동화된 디바이스는 결합될 수 있는 양쪽 기술에 의해 영상을 얻기 위하여 비능동 및 능동 위치 사이에 렌즈(1440)를 이동하도록 이용될 수 있다. 도 14의 비능동 위치에서, 상기 렌즈(1440)는 능동적이지 않다. 도 19에서, 상기 다크(dark) 밴드는 사실상 곧게 뻗은 구획선을 갖는 투사된 무늬이다. 그러나, 상기 반사된 그리드는 대 변형을 보인다.

더 깊은 오목부(deeper dent)는 순전히 디플렉토미트릭 장치(1400)를 사용하여 종단면을 그리는 것은 어려울 것이며, 이는 디플렉토미트릭 반사가 폐 루프를 형성하거나 또는 어떤 경우에 심각하게 초점이 흐린 영상을 형성하는 경향이 있기 때문이다. 상기 장치의 결합 구조(geometry) 및 입사 각(incidence angle)을 바꿈으로써, 상기 감도를 낮추는 것이 가능해서 더 깊은 오목부는 그려질 수 있으나 상기 고감도의 손실을 가질 것이다. 예컨대, 도 20 및 21은 대략 6cm 폭 및 6mm 깊이인 오목부를 갖는 자동차 패널의 영상이다. 도 20은 가상의 반사된 영상을 갖는 '거친(coarse)' 디플렉토미트릭 장치(1400)를 사용하여 상기 변형을 보이고, 반면 도 21은 상기 장치(1600)를 사용하여 표면에 투사된 그리드의 실제 영상을 갖는 상기 동일한 오목부의 삼각측량 방법을 보인다.

본 발명의 바람직한 실시예로 여겨짐이 설명되었고 보여졌지만 물론, 다양한 수정과 형태상 또는 세부적인 변화가 본 발명의 정신으로부터 멀어지는 것 없이 기꺼이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 그러므로 본 발명은 기술되고 설명된 정확한 형태에 제한되어서는 안되지만, 상기 첨부된 청구항의 범위에 들 수 있는 모든 수정을 커버하도록 해석되어야함이 의도된다.

Claims (6)

1. 광학 표면 검사 장치로서,
   테스트 표면(1420)과;
   조명된 패턴 그리드(1410)와;
   조명된 패턴 그리드(1410)를 상기 테스트 표면상에 투사하기 위해 상기 테스트 표면과 상기 조명된 패턴 그리드 사이에 제공된 보조 렌즈(1440); 및
   상기 테스트 표면의 적어도 하나의 제1 영상을 얻기 위해 실제의 영상인 상기 테스트 표면상의 조명된 패턴 그리드에 초점을 맞춘 카메라(1450)를 포함하는, 광학 표면 검사 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 카메라는, 적어도 하나의 제1 영상을 얻기 위해 상기 테스트 표면에 투사된 조명된 패턴 그리드 내의 그리드 줄무늬의 곡률(curvature)을 삼각 측량에 의해 측정하는, 광학 표면 검사 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 보조 렌즈는, 테스트 표면과 조명된 패턴 그리드 사이의 위치로부터, 상기 조명된 패턴 그리드의 반사 영상(1430)을 형성하기 위해 조명된 패턴 그리드로부터의 광이 테스트 표면으로부터 반사되도록 허용하는 위치까지 이동 가능하고;
   상기 카메라는 상기 테스트 표면의 적어도 하나의 제2 영상을 얻기 위해, 가상의 영상으로서 상기 반사 영상(1430)에 다시 초점이 맞춰지는, 광학 표면 검사 장치.
4. 제 1항에 있어서, 결합된 영상을 제공하기 위해 적어도 하나의 제1 영상 및 적어도 하나의 제2 영상을 결합하는 수단을 더 포함하는, 광학 표면 검사 장치.
5. 광학 표면 검사를 제공하는 방법으로서,
   테스트 표면(1420)상에 조명된 패턴 그리드를 투사하기 위하여 상기 테스트 표면과 조명된 패턴 그리드(1410) 사이에 보조 렌즈(1440)를 위치시키는 단계와,
   상기 테스트 표면(1420)의 적어도 하나의 제1 영상을 얻기 위해, 실제 영상(1610)으로서 테스트 표면상의 조명된 패턴 그리드에 카메라의 초점을 맞추는 단계를 포함하는, 광학 표면 검사를 제공하는 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 조명된 패턴 그리드로부터의 광이 상기 테스트 표면(1420)으로부터 반사되도록 허용함으로써, 상기 조명된 패턴 그리드의 반사 영상(1430)을 형성하는 단계; 및
   상기 테스트 표면의 적어도 하나의 제2 영상을 얻기 위해, 가상의 영상으로서 반사 영상에 상기 카메라의 초점을 맞추는 단계를 더 포함하는, 광학 표면 검사를 제공하는 방법.

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