KR101890047B1 - 무접촉식 광학 거리 측정용 장치 - Google Patents

무접촉식 광학 거리 측정용 장치 Download PDF

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마이크로-엡실론 메세테크니크 게엠베하 앤체오. 카게
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Abstract

무접촉식 광학 거리 측정용 장치가 설명되는데, 이 장치는 다색 광원(3), 광 분석 유닛(4) 및 측정 헤드(5)를 포함하고, 측정 헤드(5)는 조리개 개구(6) 및 종방향 색 수차를 갖는 광학 렌즈 시스템(12)을 갖는다. 광학 렌즈 시스템(12)은 제1 굴절 렌즈(1) 및 제2 굴절 렌즈(2)로 이루어지고, 굴절 렌즈(1, 2) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 비구면 곡면 렌즈면(11)을 갖고, 제1 굴절 렌즈(1) 및/또는 제2 굴절 렌즈(2)는 아베수 20 ≤ νd ≤ 41을 갖는 광학 재료를 갖는다. 광학 렌즈 시스템(12)은 파장 450 nm 내지 700 nm의 광학 렌즈 시스템(12)의 축방향 초점 시프트에 동일한 측정 영역(measurement region: MR)이 0.2 mm(포함) 내지 10 mm(포함)인 종방향 색 수차를 갖는다.

Description

무접촉식 광학 거리 측정용 장치{DEVICE FOR CONTACTLESS OPTICAL DISTANCE MEASUREMENT}
본 발명은 무접촉식 광학 거리 측정용 장치에 관한 것이다.
본 특허 출원은 그 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 독일 특허 출원 10 2013 113 265.0호의 우선권을 주장한다.
무접촉식 광학 거리 측정용 장치는 예를 들어, 문헌 DE 10 2006 017 400 A1에 설명되어 있다. 장치는 색 수차(chromatic aberration)를 갖는 촬상 광학계(imaging optical system)를 갖는 측정 헤드를 갖는다. 광학계를 통해 파장 종속성 초점 평면 내에 광원의 광 출사면(light exit surface)이 촬상되고, 예를 들어 피측정 물체가 위치할 수 있는 그 영역 내에 수 마이크로미터의 직경의 측정 스폿이 생성된다. 물체에 의해 후방 반사된(back-reflected) 광은 역방향으로 광학계를 통과하여, 그 광이 통과해 측정 헤드에 입사하는 파이버 단부 내로 결합된다. 피측정 물체 상으로의 광원의 광 출사면의, 예를 들어 파이버 단부면의 선명한 화상(sharp image) 및 그 반대의 경우는 각각의 경우에 특정 파장(λ)에 대해서만 광학계의 색 수차에 기초하여 이후에 발생한다. 반사광의 스펙트럼 분석에서, 상기 파장(λ)은 따라서 선명한 피크를 나타내고, 그 파장으로부터 측정 헤드와 피측정 물체 사이의 거리가 캘리브레이션을 거쳐 결정될 수 있다.
색 수차를 갖는 렌즈 시스템을 거친 이러한 공초점 촬상의 원리에 기초하는 광학 거리 센서가 예를 들어, 문헌 US 2008/0239278 A1으로부터 공지되어 있다.
무접촉식 광학 거리 측정용 장치는 통상적으로 렌즈 시스템의 색 수차에 의해 사전결정된 측정 영역을 생성하기 위해, 적어도 3개 또는 4개의 렌즈를 갖는다.
본 발명의 기초를 이루는 목적은 유리하게 작은 치수를 갖는 상당히 간단하고 비용 효율적인 디자인에 의해 그리고 더욱이 높은 분해능 및 측정 정확도에 의해 특히 특징을 나타내는 개량된 무접촉식 광학 거리 측정용 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명의 청구항 1에 따른 무접촉식 광학 거리 측정용 장치에 의해 성취된다. 본 발명의 유리한 실시예 및 개량예는 종속항의 요지이다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 무접촉식 광학 거리 측정용 장치는 광원, 광 분석 유닛 및 측정 헤드를 갖는다. 광원 및 광 분석 유닛은 예를 들어, 광 파이버에 의해 측정 헤드와 접속될 수 있다. 광원 및 광 분석 유닛은 함께 장치의 제어 유닛을 형성하고, 예를 들어 광 파이버를 거쳐 측정 헤드와 접속되는 조인트 하우징 내에 일체화되는 것이 가능하다.
장치의 광원은 측정 헤드 내로 연속 스펙트럼의 광을 방출하기에 적합한 다색 광원이다. 광원은 바람직하게는 백색 광원, 예를 들어 백색광 LED, 할로겐 램프 또는 제논 램프이다. 특히 소형 치수를 성취하기 위해, 백색광 LED의 사용이 특히 유리하다. 다색 광원은 예를 들어, 특히 450 nm 내지 700 nm의 파장 범위를 포함하는 가시 스펙트럼 범위에서 출사할 수 있다.
장치의 광 분석 유닛은 측정 헤드로부터 수광된 광을 수광하여 스펙트럼 분석하기에 적합하다. 이는 측정 헤드 내의 피측정 물체에 의해 반사되거나 산란된 광이 스펙트럼 분석될 수 있게 하고, 따라서 분석된 스펙트럼 내의 피측정 물체까지의 거리가 결정 가능하다.
측정 헤드는 측정 헤드 내의 광원의 광의 출사를 위한, 그리고 수광된 광, 특히 피측정 물체에 의해 반사되거나 산란된 광의 측정 헤드로부터 광 분석 유닛을 향한 출사를 위한 조리개 개구(aperture opening)를 갖는다. 조리개 개구는 따라서 광 입사 조리개 그리고 측정 헤드용 광 출사 조리개의 모두로서 역할을 한다. 조리개 개구는 바람직하게는 원형이고 반경(rPH)을 갖는다.
더욱이, 측정 헤드는 종방향 색 수차를 갖는 광학 렌즈 시스템을 갖는다. 달리 말하면, 렌즈 시스템의 광축 상의 초점의 위치는 파장에 종속한다. 조리개 개구에서 측정 헤드에 입사하는 광원의 광은 그 축방향 위치가 파장에 종속하는 측정 스폿 내의 광학 렌즈 시스템에 의해 촬상되는 광 스폿을 구성한다. 다색 광원이 사용됨에 따라, 조리개 개구의 광 스폿은 광축 상에 상이하게 위치해 측정 스폿의 영역에서 광학 렌즈 시스템의 종방향 색 수차에 기초하여 촬상된다. 특히, 색 수차는 더 짧은 파장을 위한 초점이 더 긴 파장보다 광학 렌즈 시스템에 더 근접하여 위치할 수 있게 한다.
물체에 의해 후방 반사된 또는 후방 산란된 광은 단지 이때 피측정 물체가 특정 파장에 대해서 초점 내에 있으면 측정 헤드의 조리개 개구 상의 역 광학 경로 내에서만 선명하게 촬상된다. 조리개 개구 내로 후방 반사된 또는 후방 산란된 광의 스펙트럼 분석에 있어서, 최대 강도는 그 초점에 물체가 위치해 있는 파장에 나타난다. 측정 헤드로부터의 물체의 거리는 따라서 최대 강도가 발생하는 파장으로부터 결정될 수 있다.
측정 헤드의 측정 영역은 광원의 최단 사용 가능한 파장에 대해 발생하는 초점과 광원의 최장 사용 가능한 파장에 대해 발생하는 초점 사이에 위치한다. 큰 측정 영역을 달성하기 위해, 따라서 광대역 광원을 사용하고 그리고 더욱이 큰 색 수차를 갖는 광학 렌즈 시스템을 사용하는 것이 유리하다.
본 명세서에 설명된 장치에서, 측정 헤드의 광학 렌즈 시스템은 유리하게는 제1 굴절 렌즈 및 제2 굴절 렌즈로 이루어지고, 굴절 렌즈들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 비구면 곡면 렌즈면을 갖는다. 상기 비구면 곡면 렌즈면은 볼록하거나 오목하게 만곡될 수 있다. 2개의 굴절 렌즈의 나머지 렌즈면은 평면형의 구면 오목 또는 구면 볼록하게 구성된다. 바람직하게는, 굴절 렌즈들 중 적어도 하나는 평면형 렌즈면을 갖는데, 이러한 것이 생산 노고 및 공차 감도를 감소시키기 때문이다.
광학 렌즈 시스템의 제1 및/또는 제2 굴절 렌즈는 유리하게는 아베수(Abbe number) 20 ≤ νd ≤ 41을 갖는 광학 재료를 갖는다. 상기 아베수는 광학 재료의 분산을 위한 척도이다. 상기 분산, 즉 파장에 대한 굴절률의 종속성은 아베수가 작을수록 더 크다. 제1 및/또는 제2 굴절 렌즈에 대해, 상당히 작은 아베수 20 ≤ νd ≤ 41을 갖는 광학 재료가 사용되고, 광학 렌즈 시스템은 높은 분산에 의해 그리고 따라서 높은 종방향 색 수차에 의해 유리하게 특징화된다.
광학 렌즈 시스템은 유리하게는 파장 450 nm 내지 700 nm의 측정 헤드의 축방향 초점 시프트에 동일한 측정 영역이 0.2 mm(포함) 내지 10 mm(포함)인 종방향 색 수차를 갖는다. 달리 말하면, 광학 렌즈 시스템에서, 파장 450 nm에 대한 초점은 파장 700 nm에 대한 초점으로부터 적어도 0.2 mm 및 최대 10 mm의 거리에 있다. 450 nm 내지 700 nm의 가시 스펙트럼 범위의 사용이 유리한데, 이는 비용 효율적인 광원의 이용 가능성에 추가하여, 더 큰 분산을 갖는 광학 재료가 또한 이용 가능하기 때문이다. 그러나, 파장 450 nm 내지 700 nm의 초점 시프트로서 측정 영역의 정의는 다른 파장에서 사용되는 장치의 가능성을 배제하는 것은 아니다.
측정 헤드의 광학 렌즈 시스템이 단지 2개의 굴절 렌즈로 이루어지는 사실에 기인하여, 측정 헤드는 유리하게는 구조가 간단하고, 더 많은 수의 렌즈를 갖는 광학 렌즈 시스템에 비교하여, 낮은 중량 및 짧은 구성 길이에 의해 특징화된다. 본 명세서에 설명된 장치에서, 단지 2개의 렌즈로 이루어지는 광학 렌즈 시스템의 구성으로 2개의 굴절 렌즈 중 적어도 하나가 적어도 하나의 비구면 곡면 렌즈면을 가질 수 있다. 적어도 하나의 비구면 곡면 렌즈면에 의해, 분해능 및 따라서 측정 정확도를 감소시킬 것인 광학 촬상 에러가 구면 렌즈의 사용에 의한 것보다 더 양호하게 보정될 수 있다.
측정 헤드의 광학 렌즈 시스템을 설계할 때 직면하는 과제는 특히, 렌즈 시스템의 원하는 높은 색 수차에도 불구하고, 다른 관련 촬상 에러, 특히 다양한 파장에 대한 구면 수차, 소위 구면색수차를 최소화하는 것이다. 굴절 렌즈의 렌즈면들 중 적어도 하나가 비구면 곡면 렌즈면이면, 높은 측정 분해능을 성취하기 위한 구면색수차의 양호한 보정이 단지 2개의 굴절 렌즈로 제조된 렌즈 시스템에서도 성취될 수 있는 것으로 나타난다. 비구면 곡면 렌즈면은 바람직하게는 광축과 관련하여 반경방향 대칭 곡률을 갖는다.
시뮬레이션 프로그램은 광학 렌즈 시스템, 특히 구면 렌즈의 곡률반경, 비구면 렌즈면의 형상, 서로에 대한 렌즈들 사이의 거리, 조리개 개구 및 측정 영역을 설계하는데 사용될 수 있다. 광학계를 설계하기 위한 적합한 시뮬레이션 프로그램은 당 기술 분야의 숙련자에게 그 자체가 공지되어 있다.
광학 렌즈 시스템의 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 굴절 렌즈의 모두는 아베수 20 ≤ νd ≤ 41을 갖는 광학 재료를 갖는다. 본 실시예에서, 측정 헤드의 광학 렌즈 시스템의 양 렌즈는 매우 높은 분산을 갖는 광학 재료로 유리하게 구성된다. 이 방식으로, 특히 큰 색 수차를 위해 유리하게 허용되고, 따라서 상당히 큰 측정 영역이 성취될 수 있다. 무거운 플린트 글래스(heavy flint glass)가 높은 분산을 갖는 광학 재료로서 특히 적합하고, 상기 무거운 플린트 글래스는 통상적으로 20 내지 30의 범위의 아베수(νd)를 갖는다.
장치의 바람직한 실시예에서, 측정 영역(measurement region: MR)과 측정 영역 측에서의 광학 렌즈 시스템의 개구수(numerical aperture)(NAMR)와의 적(product)은 100 ㎛(포함) 내지 450 ㎛(포함)이다. 100 ㎛ ≤ MR * NA2 MR ≤ 450 ㎛가 따라서 성립한다. 측정 영역(MR)은 전술된 바와 같이, 특히 파장 450 nm 내지 700 nm의 렌즈 시스템의 축방향 초점 시프트에 동일하다. 측정 영역 측에서의 광학 렌즈 시스템의 개구수(NAMR) = n sin αMR이고, 여기서 n은 공기중에서 대략 1인 측정 영역 내의 주위 매체의 굴절률이다. 각도(αMR)는 측정 영역 내에서 시작하여, 예를 들어 피측정 물체 상에서 반사 후에 광학 렌즈 시스템의 제2 렌즈에 부닥치는, 광 번들(light bundle)의 에지 광선과 광축 사이의 각도이다. 측정 영역 측에서의 개구수(NAMR)가 증가함에 따라, 분해능 능력이 향상하는 것으로 나타낼 수 있다. 지시된 바람직한 값 범위 100 ㎛ ≤ MR * NA2 MR ≤ 450 ㎛은 개구수에 따라 측정 영역의 크기와 시스템 분해능 사이에 양호한 절충이 존재하는 범위를 설명하고 있다. 큰 측정 영역은 예를 들어, 매우 긴 초점 길이를 갖는 렌즈 시스템을 사용함으로써 달성될 수 있지만, 이는 또한 개구수 및 따라서 분해능 능력을 감소시킨다. 따라서, 렌즈 시스템의 광학 디자인에서, 적(product) NA2 MR * MR에 대해 지정된 값 범위에서 표현되는 개구수와 측정 영역의 크기 사이에 절충이 바람직하게 선택된다. 지정된 값 범위에서 높은 분해능 및 상당히 큰 측정 영역의 모두가 유리하게 달성된다.
장치의 다른 유리한 실시예에서, 조리개 개구의 반경(rPH)과 조리개 개구 측에서의 개구수(NAPH)와의 적은 1.0 ㎛(포함) 내지 5.5 ㎛(포함)이다. 1.0 ㎛ ≤ rPH * NAPH ≤ 5.5 ㎛가 따라서 성립한다. 조리개 개구 측에서의 개구수(NAPH) = n sin αPH이고, 여기서 n은 공기중에서 대략 1인 주위 매체의 굴절률이다. 각도(αPH)는 측정 영역 내에서 시작하여 광학 렌즈 시스템의 제1 렌즈에 부닥치는, 광 번들의 에지 광선과 광축 사이의 각도이다. 용어 개구수는, 에지 광선의 각도(αPH)가 조리개 개구로부터 나오는 광 번들의 개방각에 의해 제한 가능할 뿐만 아니라, 가능하게는 하나 이상의 후속의 조리개 또는 직경 렌즈들 중 하나에 의해 제한 가능하다는 사실을 고려하는, 여기서 그리고 이하에서 유효 개구수로서 이해되어야 한다.
적 rPH * NAPH는 여기서 그리고 이하에 빔 파라미터 적으로서 나타낸다. 높은 광 출력이 이용 가능한 이러한 경우에서와 같이, 큰 신호 대 노이즈비가 성취되도록 의도될 때, 큰 빔 파라미터 적, 즉 상당히 큰 조리개 개구 rPH 및 큰 개구수(NAPH)가 유리하다. 역으로, 피측정 물체에 의해 반사된 광의 분석에 있어서 확장된 스펙트럼 피크폭에 의해 나타내는 빔 파라미터 적 rPH * NAPH이 증가하는 경우에 분해능이 감소하는 것으로 나타난다. 고분해능을 달성하기 위해 가능한 한 커야 하는 측정 영역 측에서의 개구수(NAMR)와 대조하여, 조리개 개구 측에서의 작은 개구수(NAPH) 및 더 작은 조리개 반경(rPH)이 따라서 분해능에 대해 유리하다. 빔 파라미터 적 rPH * NAPH에 대한 지정된 바람직한 값 범위에서, 양호한 절충이 시스템의 투광과 최종 측정 시간과 분해능과 최종 측정 정확도 사이에서 성취된다. 하한 1.0 ㎛의 범위에서의 빔 파라미터 적의 값은 더 큰 측정 시간을 갖는 고분해능 측정에 적합하고, 반면에 상한 5.5 ㎛의 범위의 값은 다소 더 낮은 분해능을 갖는 상당한 고속 측정에 적합하다.
장치의 바람직한 실시예에서, 광원 및 광 분석 유닛은 광 파이버를 거쳐 측정 헤드와 접속된다. 특히, 광원에 의해 방출된 광은 광 파이버를 거쳐 측정 헤드에 유도될 수 있고, 역빔방향으로 물체에 의해 반사된 광은 동일한 광 파이버에 의해 광 분석 유닛을 향해 안내될 수 있다. 후방 반사된 광은 예를 들어 빔 스플리터에 의해 광 파이버를 통과한 후에 광 분석 유닛으로 유도될 수 있다. 가요성 광 파이버에 의한 광원 및 광 분석 유닛의 접속은 유리하게는 본 명세서에 설명된 장치에서 최소 치수 및 저중량으로 특징화되는 측정 헤드가 피측정 물체의 근방에 공간 절약 방식으로 배치되는 것을 가능하게 한다. 광원 및 광 분석 유닛은 이러한 경우에 광 파이버의 대향 단부의 영역에 위치하게 된다. 광 파이버로서 사용되는 것은 바람직하게는 9 ㎛ 내지 50 ㎛의 파이버 코어 직경 및 0.07 내지 0.22의 유효 개구수(NAPH)를 갖는 광 파이버이다. 유효 개구수는 광 파이버에 의해, 렌즈의 직경에 의해, 또는 가능하게는 하나 이상의 후속의 조리개에 의해 제한될 수 있다.
광원 및 광 분석 유닛이 광 파이버에 의해 측정 헤드와 접속될 때, 측정 헤드의 조리개 개구는 광 파이버의 파이버 단부면일 수 있다. 이러한 경우에, 조리개 개구의 반경(rPH)은 광 파이버의 반경에 동일하다.
일 실시예에서, 광학 요소는 광학 렌즈 시스템에 대면하는 파이버 단부면 상에 배열된다. 상기 광학 요소는 유리하게는 파이버 단부면과 견고하게 접속되고, 특히 파이버 단부면과 접합되거나 그 위에 가압될 수 있다. 광학 요소는 바람직하게는 파이버의 굴절률로 조정되는 굴절률을 갖고, 따라서 파이버 단부면 상의 광의 임의의 후방 반사가 감소된다.
파이버 단부면과 접속된 광학 요소는 다양한 실시예를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 광학 요소는 광학 윈도우이다. 이 문맥에서 이러한 광학 윈도우는, 렌즈 기능을 갖지 않고 예를 들어 광학 렌즈 시스템에 대면하는 단부면 상에 평면형 방식으로 설계되는 투명 재료로 제조된 요소인 것으로 특히 이해된다.
다른 유리한 실시예에서, 광학 요소는 렌즈 기능을 갖는다. 예를 들어, 광학 요소는 굴절 분산 렌즈이다. 이 경우에, 광학 렌즈 시스템에 대면하는 광학 요소의 단부면은 예를 들어 오목하게 구성된다. 굴절 분산 렌즈는 광 파이버로부터 나오는 광 원추(light cone)의 분산이 유리하게 확장될 수 있게 한다. 이는 유리하게는 측정 헤드의 더 짧은 구조적 형상을 가능하게 한다.
다른 유리한 실시예에서, 광학 요소는 구배율 분산 렌즈(gradient-index divergence lens)이다. 구배율 분산 렌즈는 전술된 굴절 분산 렌즈와 마찬가지로, 유리하게는 측정 헤드의 구성 길이의 감소의 장점을 갖고 광 파이버로부터 나오는 광 번들의 분산을 확장시키기 위한 역할을 하다. 구배율 렌즈는 특히 광축 상의 굴절률이 최소이고 외부를 향해 증가하는 방사상 굴절률 프로파일을 가질 수 있다. 방사상 굴절률 프로파일은 특히 거의 포물선형일 수 있다. 이 문맥에서 "거의 포물선형"이라는 것은 굴절률의 방사상 구배가 광축으로부터 반경방향 거리의 제곱에 종속하는 적어도 하나의 피가수(summand)를 갖는 다항식 함수로서 설명될 수 있다는 것을 의미할 수 있고, 다항식 함수는 또한 촬상 에러를 보정하기 위한 다른 피가수를 포함할 수 있다. 구배율 렌즈는 유리하게는 평면형 광학 단부면을 갖고, 대량으로 비용 효율적으로 생산될 수 있다.
다른 유리한 실시예에서, 광학 요소는 구배율 수렴 렌즈이다. 이러한 구배율 수렴 렌즈는 바람직하게는, 광축 상의 굴절률이 최대이고 외부를 향해 감소하는 방사상 굴절률 프로파일을 갖는다. 방사상 굴절률 프로파일은 특히 거의 포물선형일 수 있다. 전술된 구배율 분산 렌즈와 같이, 구배율 수렴 렌즈는 유리하게는 평면형 광학 단부면을 갖고 대량으로 비용 효율적으로 생산될 수 있다. 구배율 수렴 렌즈는 광 파이버를 나오는 광 번들의 분산을 확장시키기 위해 사용될 수 있고, 빔은 구배율 수렴 렌즈 내에 또는 근접하여 여전히 위치하게 되는 초점 내에 포커싱되고, 따라서 초점 후방의 빔은 재차 분산한다.
다른 유리한 실시예에서, 광학 요소는 하나 이상의 중간 화상 내의 파이버 단부면에 의해 형성된 광원의 광 스폿을 촬상하는 구배율 렌즈이다. 본 실시예에서, 구배율 렌즈는 유리하게는 구배율 수렴 렌즈이고, 이 구배율 수렴 렌즈는 광축 상에 최대 굴절률을 갖는 방사상, 바람직하게는 거의 포물선형 굴절률 프로파일을 갖는다. 이러한 방사상 굴절률 프로파일은 그 주기가 여기에 그리고 이하에 피치 길이로서 명시되는, 구배율 수렴 렌즈 내에 연속적인 코사인곡선형(cosinusoidal) 빔 경로를 생성한다.
피치 길이에 동일한 길이를 갖는 구배율 수렴 렌즈는 출사면의 정확한 측에서 광 입사면을 촬상한다. 피치 길이의 절반에 동일한 길이의 경우에, 반전된 화상이 생성된다. 피치 길이의 절반 초과의 길이를 갖는 구배율 수렴 렌즈는 따라서 적어도 입사면의 중간 화상을 생성한다. 여기에 설명된 실시예에서, 구배율 렌즈는 피치 길이의 절반 이상, 바람직하게는 피치 길이 이상의 길이를 갖고, 따라서 광 입사면은 바람직하게는 하나의 또는 바람직하게는 그 이상의 중간 화상 내에 촬상된다. 피치 길이가 파장 증가에 따라 증가하는, 파장에 대한 구배율 렌즈의 피치 길이의 전형적인 종속성에 기초하여, 색 초점 시프트가 하나 이상의 중간 화상 내에서 미리 발생하고, 상기 색 초점 시프트는 측정 헤드의 전체 색 수차를 보강하고, 이에 의해 확장된 측정 영역을 유리하게 생성한다.
광학 요소가 각각의 경우에 광학 렌즈 시스템에 대면하는 파이버 단부면들 중 하나 상에 배열되어 있는 전술된 유리한 실시예에서, 측정 헤드의 광학 렌즈 시스템에 대면하는 광학 요소의 단부면은 바람직하게는 반사 감소 코팅을 구비한다. 이는 광학 요소로부터 광원의 광을 결합해제할 때 그리고 광학 요소 내로 후방 반사된 광을 결합할 때 반사 손실을 유리하게 감소시킨다.
다른 유리한 실시예에서, 거리 요소는 광 파이버의 파이버 단부면과 광학 요소 사이에 배열된다. 본 실시예에서, 광학 요소는 따라서 파이버 단부면에 바로 인접하지 않지만, 대신에 거리 요소, 예를 들어 광학 윈도우에 의해 파이버 단부면으로부터 이격된다.
다른 유리한 실시예에서, 광 파이버의 파이버 단부면과 파이버 단부면에 대면하는 광학 요소의 또는 거리 요소의 표면은 광축에 관련하여 경사지게 설계된다. 이는 파이버 단부면과 광학 요소 또는 거리 요소 사이의 경계면에서 임의의 후방 반사가 유리하게 더 감소될 수 있게 한다.
다른 유리한 실시예에서, 빔 편향기 요소가 측정 헤드 내에 배열된다. 본 실시예는 이어서 광이 측정 헤드로부터 피측정 물체를 향해 측방향으로 출사하도록 의도될 때 유리하다. 그리고 이것은, 예를 들어 편평한 중간 공간 내의 캐비티 또는 물체가 측정되어야 한다면 유리하다. 빔 편향기 요소는 예를 들어, 프리즘 또는 미러일 수 있다. 특히, 90°만큼의 빔 편향이 제공될 수 있다. 빔 편향기 요소는 빔 방향으로 광학 렌즈 시스템으로부터 하류측에, 2개의 굴절 렌즈 사이에, 또는 조리개 개구와 광학 렌즈 시스템 사이에 배열될 수 있다.
본 발명은 도 1 내지 도 11과 함께 예시적인 실시예에 기초하여 이하에 더 상세히 설명된다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 물체의 무접촉식 광학 치수 측정용 장치를 통한 개략 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는 각각의 경우에 다양한 실시예에서 측정 헤드의 광학 렌즈 시스템에 대한 단면도이다.
도 3 내지 도 11은 각각의 경우에 다양한 실시예에서 측정 헤드의 개략도이다.
동일한 또는 동일한 기능의 구성요소는 항상 도면에서 동일한 도면 부호가 표시된다. 도시되어 있는 구성요소 뿐만 아니라 서로간의 구성요소들의 크기비는 실제 축적으로서 고려되어서는 안된다.
예시적인 실시예에 따른, 도 1에 개략적으로 도시되어 있는 물체의 무접촉식 광학 치수 측정용 장치(10)는 광원(3), 광 분석 유닛(4) 및 측정 헤드(5)를 포함한다.
광원(3)은 다색광(13), 즉 조리개 개구(6)를 통해 측정 헤드(5)에 입사하는 연속 스펙트럼을 갖는 광(13)을 방출한다. 광원(3)은 바람직하게는 백색 광원, 예를 들어, 백색 발광 LED, 할로겐 램프 또는 제논 램프이다. 조리개 개구(6)는 바람직하게는 반경(rPH)을 갖는 원형 개구이다. 조리개 개구(6)는 예를 들어 핀홀 조리개(pinhole aperture) 또는 광파이버의 파이버 단부면일 수 있다.
장치(10)의 측정 헤드(5)는 제1 굴절 렌즈(1) 및 제2 굴절 렌즈(2)로 이루어진 광학 렌즈 시스템(12)을 갖는다. 광학 렌즈 시스템(12)은 종방향 색 수차를 가져, 다색 광원(3)의 조리개 개구(6)에 의해 형성된 광 스폿이 다양한 초점 평면(21, 22, 23) 내에 촬상되게 된다. 더 짧은 파장을 갖는 광은 더 긴 파장을 갖는 광을 위한 초점 평면(23)보다 광축 상의 광학 렌즈 시스템(12)에 더 근접하게 위치한 초점 평면(21) 내에 촬상된다. 450 nm 내지 700 nm의 파장 범위가 예를 들어, 측정을 위해 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 예를 들어, 최단 파장 450 nm를 갖는 광은 초점 평면(21) 내에 포커싱되고, 최장 파장 700 nm를 갖는 광은 렌즈 시스템(12)으로부터 더 멀리 이격하여 초점 평면(23) 내에 포커싱된다. 광학 렌즈 시스템(12)이 사용된 최단 파장과 최장 파장 사이의 색 수차에 기초하여 발생하는 초점 시프트(focus shift)는 피측정 물체가 측정될 수 있는 측정 영역(MR)을 형성한다.
피측정 물체가 측정 영역(MR) 내에 배치될 때, 방사된 광은 광학 렌즈 시스템(12)으로 후방 반사되거나 산란된다. 피측정 물체가 위치하게 되는 그 초점 평면 내에서, 동일한 파장의 광이 역빔방향으로 광학 렌즈 시스템(12)에 의해 조리개 개구(6) 상에 포커싱되고, 반면에 다른 파장의 광은 조리개 개구(6) 상에 선명하게 촬상되지 않고 따라서 높은 손실을 겪는다. 조리개 개구(6)를 통해 역빔방향으로 후방 반사된 광은 예를 들어 빔스플리터(beam splitter)(15)를 거쳐 광 분석 유닛(4)에 공급될 수 있다. 광 분석 유닛(4)은 예를 들어, 측정광(14)이 스펙트럼 분석되는 분광 광도계(spectrometer)이다.
피측정 물체가 위치해 있는 그 초점 평면 내에서 파장을 위한 측정광(14)의 스펙트럼에서, 선명한 최대값이 발생하고, 그 위치로부터 피측정 물체의 거리가 대응 캘리브레이션에 의해 결정될 수 있다. 특히 2차원 그리드에서 물체의 다양한 위치에서의 거리 측정치는 물체의 높이 프로파일이 결정되게 한다. 더욱이, 측정 시스템은 전방 및 후방 경계면으로의 후방 반사가 이후에 발생하는 높은 정밀도를 갖는 얇은 투명층의 두께를 결정하는 옵션을 제공하고, 따라서 2개의 최대 강도가 그 차이로부터 두께가 결정될 수 있는 측정광(14) 내의 다양한 파장에 대해 발생한다.
장치의 측정 원리는 광학 렌즈 시스템(12)의 종방향 색 수차를 이용한다. 그러나, 높은 측정 분해능을 성취하기 위해, 다른 광학 촬상 에러, 특히 구면수차를 가능한 한 많이 감소시키는 것이 본질적으로 중요하다. 본 명세서에 설명된 장치에서, 이는 단지 2개의 굴절 렌즈(1, 2)만으로 이루어지는 광학 렌즈 시스템(12)에 의해 성취된다. 단지 2개의 렌즈(1, 2)의 사용에도 불구하고, 광학 촬상 에러는 특히, 렌즈(1, 2) 중 적어도 하나가 적어도 하나의 비구면 렌즈면(11)을 갖는다는 사실에 의해 감소된다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 조리개 개구(6)에 대면하는 제1 굴절 렌즈(1)의 렌즈면은 비구면 렌즈면(11)이다. 광학 렌즈 시스템(12)의 다른 실시예에서, 다른 렌즈면 중 적어도 하나는 대안적으로 또는 부가적으로 비구면 렌즈면으로서 구성될 수 있다.
제1 접근법에서, 광학 렌즈 시스템(12)은 2개의 얇은 렌즈로 구성되는 것으로서 설명될 수 있다. 초점 길이(f1, f2) 및 아베수(ν1, ν2)를 갖는 2개의 렌즈(1, 2)에서 평균화된 에지빔 높이(y1, y2)를 갖는 종방향 색 분할[측정 영역(MR)]은 이어서 이하의 식에 의해 제공된다.
Figure 112016060824663-pct00001
비구면 방식으로 더 짧은 초점 길이를 갖는 광학 렌즈 시스템(12)의 2개의 렌즈(1, 2) 중 해당 렌즈의 렌즈면을 설계하는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 이는 저공차 민감도가 성취되게 한다. 더욱이, 상이한 초점 길이(f1, f2) 및 상이한 아베수(ν1, ν2)를 갖는 렌즈(1, 2)의 경우에, 더 짧은 초점 길이를 갖는 렌즈가 더 낮은 아베수, 특히 20 내지 30의 아베수를 가질 때 유리하다.
구성 길이를 가능한 한 짧게 성취하기 위해, 렌즈(1, 2) 중 적어도 하나는 메니스커스 렌즈(meniscus lens)로서 설계될 수 있다. 이러한 경우에, 제1 렌즈(1)는 바람직하게는 조리개 개구(6)를 향해 오목하게 설계되고 또는 제2 렌즈(2)는 측정 공간을 향해 오목하다.
다른 유리한 실시예에서, 제2 렌즈(2)는 비구면 렌즈면(11) 및 제1 렌즈보다 작은 초점 길이를 갖는다. 특히, 초점 길이의 비는 측정 공간 측에서의 개구수(NAMR)에 대한 조리개 개구 측에서의 개구수(NAPH)의 비에 대략적으로 동일할 수 있다.
비구면 렌즈면(11)은 바람직하게는 예를 들어 이하의 식에 의해 나타낼 수 있는 반경방향 대칭 높이 프로파일[h(r)]을 갖는다.
Figure 112016060824663-pct00002
여기서, h(r)은 광축에 수직인 반경방향 거리(r)의 함수로서 높이 좌표이고, R은 정점 반경이고, k는 원추 상수이고, A2i는 비구면 파라미터이다.
비구면 렌즈면(11)의 디자인, 즉 상기 수식의 파라미터의 결정은 바람직하게는 전체 광학계를 수반하는 시뮬레이션 계산을 거쳐 이후에 행해진다.
측정 헤드(5) 내의 단지 2개의 렌즈(1, 2)의 사용은 특히 측정 헤드(5)가 비교적 작은 치수 및 낮은 중량에 의해 특징화되는 장점을 갖는다. 가능한 한 큰 색 수차를 성취하기 위해, 광학 렌즈 시스템(12)을 갖는 단지 2개의 렌즈(1, 2)의 사용에도 불구하고, 렌즈(1, 2) 중 적어도 하나는 20 내지 41의 아베수(νd)를 갖는 광학 재료로 제조된다. 이러한 낮은 아베수(νd)를 갖는 광학 재료는 강한 광학 분산에 의해 특징화되는 데, 즉 굴절률이 파장에 강하게 의존한다. 특히 바람직하게는, 광학 렌즈 시스템(12)의 양 렌즈(1, 2)는 20 내지 41의 아베수(νd)를 갖는 강분산성 광학 재료로 제조된다. 이러한 광학 재료는 특히 무거운 플린트 글래스이다. 적합한 글래스는 예를 들어, Schott Company의 호칭 SF66(νd = 20.88), LaSF35(νd = 29.06), N-LaSF43(νd = 40.61) 및 BaSF13(νd = 38.57) 하에서 입수 가능하다.
장치(10) 내의 광학 렌즈 시스템(12)은 축방향 초점 시프트가 파장 450 nm 내지 700 nm에서 발생하는 이러한 종방향 색 수차를 갖고, 상기 축방향 초점 시프트는 0.2 mm 내지 10 mm의 측정 영역(MR)을 형성한다.
광학 렌즈 시스템(12)은 조리개 개구(6) 측에서 개구수(NAPH) = n sin αPH를 갖는다. 각도(αPH)는 이에 의해 조리개 개구(6)를 나올 때 광학 렌즈 시스템(12)에서 부닥치는 광 번들(bundle)의 에지 광선(31)과 광축(30) 사이의 각도이다. 광학 렌즈 시스템(12)의 다른 특성 파라미터는 측정 영역(MR) 측에서의 개구수(NAMR) = n sin αMR이다. 각도(αMR)는 이에 의해 측정 영역을 나올 때 광학 렌즈 시스템(12)에서 부닥치는 광 번들의 에지 광선(31)과 광축(30) 사이의 각도이다. 굴절률(n)은 통상적으로 공기의 굴절률이고, 따라서 대략 1이다.
이하의 조건이 바람직하게는 장치 내에서 동시에 충족된다.
(1) 100 ㎛ ≤ MR * NA2 MR ≤ 450 ㎛
(2) 1.0 ㎛ ≤ rPH * NAPH ≤ 5.5 ㎛
이는 특히 고분해능이 이러한 값 범위에서 성취될 수 있는 광대한 경우의 연구에 나타난다. 이러한 것은 소정의 측정 영역(MR)에서, 측정 신호의 가능한 한 작은 스펙트럼 피크폭으로 표현되는 측정 헤드의 고분해능이 단지 특정 개구수(NAMR)가 측정 공간 내에서 초과되지 않을 때에만 성취될 수 있는 공초점 촬상 이론(theory of confocal imaging)으로부터 도출될 수 있다. 조건 (1)은 적 MR * NA2 MR에 대해 특히 바람직한 영역을 지정한다. 그러나, 측정 신호의 피크폭은 또한 빔 파라미터 적 rPH * NAPH에 또한 의존한다. 조건 (2)는 이 파라미터에 대해 특히 바람직한 범위를 지정한다.
이하의 도 2a 내지 도 2j는 명명된 조건 (1) 및 (2)를 동시에 충족하는 광학 렌즈 시스템에 대한 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 특히 광학 렌즈 시스템은 측정 신호의 피크폭이 본질적으로 단지 조리개 개구에서 회피 불가능한 회절 효과에만 의존하는 광학 촬상 에러의 이러한 양호한 보정을 갖는다. 달리 말하면, 회절 제한된 화상이 성취된다. 비구면 렌즈면은 각각의 경우에 도면 부호 11에 의해 식별된다.
광학 렌즈 시스템은 특히 이하의 파라미터에 의해 식별된다.
f1: 제1 렌즈의 부분 초점 길이
f2: 제2 렌즈의 부분 초점 길이
νd1: 제1 렌즈의 아베수
νd2: 제2 렌즈의 아베수
L: 측정 헤드의 구성 길이
d: 측정 헤드의 직경.
도 2a 내지 도 2c의 예시적인 실시예의 각각은 측정 영역(MR) = 0.25 mm를 갖는다.
도 2a의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.91, MR * NA2 MR = 210 ㎛, NAPH = 0.07, rPH = 14 ㎛, rPH * NAPH = 1 ㎛, f1 = 12.7 mm, f2 = 6.0 mm, νd1 = 28.4, νd2 = 29.1, L = 89.1 mm 및 D = 11.6 mm이다.
도 2b의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.91, MR * NA2 MR = 210 ㎛, NAPH = 0.07, rPH = 14 ㎛, rPH * NAPH = 1 ㎛, f1 = 11.3 mm, f2 = 7.6 mm, νd1 = 28.4, νd2 = 29.1, L = 85.3 mm 및 D = 11.4 mm이다.
도 2c의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.91, MR * NA2 MR = 210 ㎛, NAPH = 0.22, rPH = 25 ㎛, rPH * NAPH = 5.5 ㎛, f1 = 7.5 mm, f2 = 5.8 mm, νd1 = 28.4, νd2 = 29.1, L = 30.0 mm 및 D = 11.0 mm이다.
도 2d 내지 도 2g의 예시적인 실시예의 각각은 대략 MR = 1.5 mm의 측정 영역을 갖는다.
도 2d의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.40, MR * NA2 MR = 240 ㎛, NAPH = 0.22, rPH = 13 ㎛, rPH * NAPH = 2.9 ㎛, f1 = -39 mm, f2 = 9.6 mm, νd1 = 28.4, νd2 = 29.1, L = 41.5 mm 및 D = 14.0 mm이다.
도 2e의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.40, MR * NA2 MR = 240 ㎛, NAPH = 0.22, rPH = 13 ㎛, rPH * NAPH = 2.9 ㎛, f1 = 44.4 mm, f2 = 17.0 mm, νd1 = 28.4, νd2 = 29.1, L = 54 mm 및 D = 15.5 mm이다.
도 2f의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.40, MR * NA2 MR = 240 ㎛, NAPH = 0.22, rPH = 13 ㎛, rPH * NAPH = 2.9 ㎛, f1 = 30.0 mm, f2 = 18.8 mm, νd1 = 20.0, νd2 = 29.1, L = 57.9 mm 및 D = 14.4 mm이다.
도 2g의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.40, MR * NA2 MR = 240 ㎛, NAPH = 0.22, rPH = 13 ㎛, rPH * NAPH = 2.9 ㎛, f1 = 50.9 mm, f2 = 25.8 mm, νd1 = 40.6, νd2 = 38.6, L = 79.0 mm 및 D = 21.0 mm이다.
도 2h 및 도 2i의 예시적인 실시예의 각각은 대략 MR = 10 mm의 측정 영역을 갖는다.
도 2h의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.205, MR * NA2 MR = 420 ㎛, NAPH = 0.22, rPH = 13 ㎛, rPH * NAPH = 2.9 ㎛, f1 = 78.5 mm, f2 = 130 mm, νd1 = 29.1, νd2 = 29.1, L = 199 mm 및 D = 41.8 mm이다.
도 2i의 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.205, MR * NA2 MR = 420 ㎛, NAPH = 0.22, rPH = 13 ㎛, rPH * NAPH = 2.9 ㎛, f1 = 87.0 mm, f2 = 91.4 mm, νd1 = 29.1, νd2 = 29.1, L = 193 mm 및 D = 39.0 mm이다.
도 2j는 광학계의, 특히 굴절 렌즈(1, 2) 및 비구면 렌즈면(11)의 디자인이 그에 기초하여 상세히 설명되는 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 렌즈 시스템은 측정 영역(MR) = 1.5 mm에 대해 계산되어 있다. 예시적인 실시예에서, NAMR = 0.51, NAPH = 0.22, MR * NA2 MR = 390 ㎛, L = 60.5 mm 및 D = 16.6 mm이다.
1.5 mm의 두께를 갖는 양 측면 상의 타입 BK7 평면형의 글래스로 제조된 거리 요소(9)가 조리개 개구 상에 이어진다. 이는 이어서 31.6395 mm의 공기 간극 후에, 타입 SF66의 글래스(νd1 = 21)로 제조된 구면 평면볼록 렌즈로서 구성된 제1 렌즈(1)가 이어진다. 조리개 개구에 대면하는 렌즈(1)의 측면은 평면형이다. 적어도 하나의 평면형 렌즈면을 사용하는 것은 생산 노고 및 공차 감도를 유리하게 감소시킨다. 대향하는 구면 볼록면은 33.6943 mm의 곡률반경을 갖는다. 렌즈(1)의 중심 두께는 7.500 mm이다.
제1 렌즈에 이어서, 2.418 mm의 공기 간극 후에, 타입 SF66의 글래스(νd2 = 21)로 제조된 비구면 메니스커스 렌즈로서 구성된 제2 렌즈(2)가 있다. 제1 렌즈(1)에 대면하는 렌즈면은 (전술된 식을 참조하면) 정점 반경(R) = 11.36687 mm, 원추 상수(k) = -0.224302 뿐만 아니라 비구면 파라미터 A2 = -2.260 * 10-8, A4 = -1.384 * 10-5, A6 = -7.777 * 10-8, A8 = -3.609 * 10-10, A10 = -1.365 * 10-12, 및 A12 = -2.501 * 10- 14을 갖는 반경방향 대칭 높이 프로파일[h(r)]을 갖는다. 렌즈(2)의 중심 두께는 5.0889 mm이다. 측정 영역에 대면하는 제2 렌즈의 렌즈면은 38.0431 mm의 곡률반경을 갖는 구면 오목형이다.
제2 렌즈(2)로부터 시작하여, 파장(λ) = 450 nm에 대한 초점은 11.541 mm의 공기중의 거리에 있고, 파장(λ) = 546 nm에 대한 초점은 12.395 mm의 공기중의 거리에 있고, 파장(λ) = 675 nm에 대한 초점은 12.991 mm의 공기중의 거리에 있다.
측정 원리를 적용할 때, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 가요성 광파이버(7)에 의해, 다색 광원 및 광 분석 유닛을 포함하는 평가 유닛으로부터 광학 측정 헤드를 공간적으로 분리하는 것이 바람직하다. 그 결과, 측정 헤드는 적은 공간을 점유하고, 낮은 중량을 갖고, 또한 진공 속에서 또는 강한 전자기 교란을 갖는 환경 내에서와 같은 임계적인 조건 하에서 사용될 수 있다. 이 구성에서 광 파이버(7)의 전방면(front surface)은 측정 헤드의 조리개 개구(6)로서 역할을 하고, 따라서 광 출사 및 입사 개구를 구성한다. 9 ㎛ 내지 50 ㎛의 코어 직경 및 0.07 내지 0.22의 개구수를 갖는 파이버가 광 파이버(7)로서 바람직하게 사용된다.
광 파이버의 반경(rPH)과 광 파이버(7) 측에서의 개구수(NAPH)와의 빔 파라미터 적(product)이 낮을수록, 더 많이 공초점이 측정 헤드(5)의 촬상이 되고 검출 가능한 거리의 분해능이 더 높다. 그러나, 짧은 샘플링률에서, 가능한 한 더 많은 광원의 광이 광 파이버(7) 내로 결합되는 것이 바람직하고, 따라서 더 큰 빔 파라미터 적 rPH * NAPH가 유리하다. 이러한 경우에, 다중모드 파이버, 특히 예를 들어, NAPH = 0.22를 갖는 50 ㎛ 직경을 갖는 구배율 파이버가 사용될 수 있다. 광 파이버(7)의 비교적 높은 빔 파라미터 적 rPH * NAPH는 필요하다면, 바람직하게는 렌즈 직경을 거쳐, 측정 헤드 내의 스크리닝 오프(screening off)에 의해 유효 개구수(NAPH)를 최대 0.07의 값으로 감소시킴으로써 상당히 감소될 수 있다. 도 3의 예시적인 실시예에서, NAPH = 0.07이고, NAMR = 0.90이고, 여기서 0.25 mm의 초점 시프트가 파장 450 nm와 675 nm 사이에서 발생한다.
더 짧은 디자인은 광 파이버(7) 측에서의 더 큰(유효) 개구수(NAPH)에 의해 성취될 수 있고, 여기서 빔 파라미터 적 rPH * NAPH는 광 파이버(7)의 반경(rPH)에 의해 조정될 수 있다. 도 4는 광 파이버(7) 측에서의 유효 개구수(NAPH) = 0.22이고 측정 영역 측에서의 개구수(NAMR) = 0.4인 광학 측정 헤드의 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 1.5 mm의 색 초점 시프트가 450 내지 675 nm의 파장 영역에서 성취된다.
액체, 투명 매체(글래스, 플라스틱) 또는 블루밍된(bloomedd) 광학 표면과 같은 다수의 측정 물체는 측정광에 대한 낮은 반사율을 갖고, 따라서 측정 시스템 내의 고유 재귀반사를 가능한 한 많이 억제하는 것이 필수적이다. 도 5의 예시적인 실시예에서, 광학 윈도우(8)가 이 목적으로 사용되고, 광학 윈도우의 굴절률은 광 파이버(7)의 굴절률로 유리하게 조정된다. 상기 광학 윈도우(8)는 예를 들어, 광 파이버 커플링에서와 같이 접합 또는 가압 끼워맞춤(press-fitting)에 의해, 광 파이버(7)의 파이버 단부면(17)에 부착된다. 이는 파이버 단부면(17) 상의 재귀반사[프레넬 반사(Fresnel reflection)]를 감소시킨다. 광학 렌즈 시스템에 대면하는 광학 윈도우(8)의 단부면(18)은 반사 감소 코팅(도시 생략)을 구비할 수 있지만, 그 영향은 파이버 단부면(17)까지의 거리에 의해 상당히 낮다. 재귀반사의 특히 강한 억제가 성취될 때, 또는 탈착 가능한 파이버 플러그 접속부의 경우에 오염의 민감성이 회피되어야 할 때, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 광축(30)과 관련하여 경사지게 파이버 단부면에 대면하는 광학 요소(8)의 표면 및 파이버 단부면(17)을 설계하는 것이 유리하다. 이는 단부면의 경사 연마(oblique polishing)에 의해 성취된다.
도 6은 0.07의 개구수를 갖는 광 파이버(7)로부터 나오는 광 번들 중 하나의 분산이 굴절 분산 렌즈(8)에 의해 값 NAPH = 0.22로 유리하게 확장되는 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 분산 렌즈(8)에 의한 개구수(NAPH)의 확장에 의해, 측정 헤드의 실질적으로 더 짧은 구조적 디자인이 성취된다. 이는 특히 측정 헤드 내의 광학 렌즈 시스템과 광 파이버(7) 사이의 거리가 대략 1/3로 감소되게 한다. 본 예에서 광 파이버(7)와 직접 접촉하게 되는 분산 렌즈(8)의 파이버면 경사 연마의 결과로서, 파이버 정면(17)의 재귀반사가 동시에 최소화된다. 도 7은 광 파이버(7)로부터 나오는 광 번들의 분산이 광학 요소(8)에 의해 유리하게 확장되는 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다.
굴절 분산 렌즈 대신에, 구배율 분산 렌즈(8)가 도 7의 예시적인 실시예에서 광학 요소로서 사용된다. 구배율 분산 렌즈(8)는 광축(30) 상에 최소 굴절률을 갖는 방사상, 바람직하게는 거의 포물선형 굴절률 프로파일을 갖는다. 구배율 렌즈(8)는 굴절률 렌즈에 비교하여 평면형 광학면이 대량으로 비용 효율적으로 생산되게 할 수 있는 장점을 갖는다.
도 7의 예시적인 실시예에서, 거리 요소(9)는 유리하게는 광 파이버(7)보다 높은 굴절률을 가질 수 있는 구배율 렌즈(8)와 파이버(7) 사이의 재귀반사를 최소화하기 위해, 광 파이버(7)와 구배율 분산 렌즈(8) 사이에 유리하게 위치하게 된다.
도 8은 광 파이버(7)를 나오는 광 번들의 발산이 구배율 렌즈(8)의 형태의 광학 요소에 의해 유리하게 확장되는 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 이전의 실시예와는 달리, 구배율 렌즈(8)는 수렴 렌즈이다. 구배율 수렴 렌즈(8)는 광축(30) 상에 최대 굴절률을 갖는 방사상, 바람직하게는 거의 포물선형 굴절률 프로파일을 갖는다. 전술된 구배율 분산 렌즈에서와 같이, 평면형 광학면은 대량으로 비용 효율적으로 생산될 수 있게 한다. 이전의 예시적인 실시예에서와 같이, 거리 요소(9)는 높은 굴절률을 갖는 구배율 수렴 렌즈(8)와 광 파이버(7) 사이의 재귀반사를 최소화하기 위해, 광 파이버(7)와 구배율 수렴 렌즈(8) 사이에 위치하게 된다.
도 9는 광 파이버(7)를 나오는 광 번들의 발산이 구배율 렌즈(8)의 형태의 광학 요소에 의해 유리하게 확장되는 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 본 예시적인 실시예에서, 구배율 렌즈(8)는 이전의 예시적인 실시예에서와 같이, 광축(30) 상에 최대 굴절률을 갖는 방사상, 바람직하게는 거의 포물선형 굴절률 프로파일을 갖는 구배율 수렴 렌즈이다. 거의 포물선형 형태를 갖는 이러한 반경방향 굴절률 프로파일은 그 주기가 피치 길이인 구배율 수렴 렌즈(8) 내에 연속적인 코사인곡선형 빔 경로를 생성한다. 도 9의 예시적인 실시예에서, 구배율 수렴 렌즈(8)의 길이는 피치 길이에 대략 동일하고, 따라서 구배율 수렴 렌즈는 2개의 중간 화상에 광 입사면을 촬상한다. 본 실시예는 파장에 대한 구배율 렌즈의 피치 길이의 종속성을 이용한다. 피치 길이가 파장 증가에 따라 증가한다는 사실에 기인하여, 중간 화상은 미리 색 시프트를 갖는데, 즉 이들은 광축 상에서 서로를 향해 다소 시프트된다. 이러한 시프트는 측정 헤드의 전체 색 수차를 보강하고, 측정 영역을 유리하게 확장한다. 이는 측정 헤드가 특히 작은 치수를 가져야 하는 용례에서 특히 유리하다. 도 9의 예시적인 실시예에서, 측정 영역은 측정 영역보다 대략 20% 더 큰데, 이는 광학 렌즈 시스템의 색 수차로부터만 발생할 것이다.
도 10은 프리즘이 빔 편향기 요소(16)로서 특정 헤드 내에 배열되는 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 이는 측정 영역을 향해, 바람직하게는 90°의 각도만큼, 측방향으로 광 번들을 전환한다. 이는 편평한 사이공간(interspace) 내의 물체 및 중공 공간을 측정하기에 특히 유리하다. 프리즘 대신에, 예를 들어, 미러는 빔 편향기 요소(16)로서 또한 사용될 수 있다. 편향 프리즘이 빔을 편향하기 위해 사용될 때, 프리즘(16)의 광학 글래스 경로에 의한 구면 수차는 바람직하게는 광학 렌즈 시스템의 반경 및 비구면 렌즈면을 조정함으로써 보상된다.
도 10의 예시적인 실시예에서 빔 편향은 측정 영역에 대면하는 광학 렌즈의 제2 굴절 렌즈(2)와 측정 영역 사이에서 이후에 발생한다. 이는 측정 헤드의 특히 작은 측방향 확장이 성취되게 한다. 측정 물체와 광학 렌즈 시스템 사이의 빔 편향기 요소(16)의 배열은 단지 측정 영역 측에서의 개구수(NAMR)가 대략 0.57 이하일 때 그에 대한 필수 광학 경로에 기초하여 유리하다. 도 10의 실시예에서 측정 공간 내의 개구수는 예를 들어, NAMR = 0.40이다.
대안적으로, 그러나, 빔 편향이 2개의 렌즈(1, 2) 사이에, 또는 광원과 광학 렌즈 시스템 사이에 이후에 발생하는 것이 또한 가능하다. 이는 이어서 특히, 측정 영역이 비교적 작고 더 높은 개구수(NAMR)가 측정 영역에 사용될 때 유리하다. 도 11은 예를 들어, 90° 편향 프리즘인 빔 편향기 요소(16)가 광학 렌즈 시스템(5)의 제1 렌즈(1)와 제2 렌즈(2) 사이에 배열되는 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서 측정 공간 내의 개구수(NAMR)는 NAMR = 0.7이다.
본 발명은 예시적인 실시예에 기초하는 설명에 의해 한정되지 않는다. 대신에, 본 발명은 이러한 특징 또는 청구항이 청구범위 또는 예시적인 실시예에 명시적으로 설명되지 않더라도, 모든 새로운 특징 뿐만 아니라 청구범위에 포함된 특징들의 모든 조합을 특히 포함하는, 특징들의 모든 조합을 포함한다.

Claims (15)

  1. 무접촉식 광학 거리 측정용 장치에 있어서,
    광원(3), 광 분석 유닛(4) 및 측정 헤드(5)를 포함하고,
    - 상기 광원(3)은 상기 측정 헤드(5) 내로 연속적인 스펙트럼의 광(13)을 방출하기에 적합한 다색 광원이고,
    - 상기 광 분석 유닛(4)은 상기 측정 헤드(5)로부터 수광된 광(14)을 수광하여 스펙트럼 분석하기에 적합하고,
    - 상기 측정 헤드(5)는 상기 측정 헤드(5) 내로의 상기 광원(3)의 광(13)의 입사를 위한 그리고 상기 측정 헤드(5)로부터 상기 광 분석 유닛(4)을 향한 상기 수광된 광(14)의 출사를 위한 조리개 개구(aperture opening)(6)를 갖고,
    - 상기 측정 헤드(5)는 종방향 색 수차를 갖는 광학 렌즈 시스템(12)을 갖고,
    - 상기 광학 렌즈 시스템(12)은 제1 굴절 렌즈(1) 및 제2 굴절 렌즈(2)로 이루어지고,
    - 상기 굴절 렌즈(1, 2) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 비구면 곡면 렌즈면(11)을 갖고,
    - 상기 제1 굴절 렌즈(1)와 상기 제2 굴절 렌즈(2) 중 적어도 하나는 아베수(Abbe number) 20 ≤ νd ≤ 41을 갖는 광학 재료를 갖고,
    - 상기 광학 렌즈 시스템(12)은, 파장 450 nm 내지 700 nm의 상기 광학 렌즈 시스템(12)의 축방향 초점 시프트에 동일한 측정 영역(measurement region: MR)이 0.2 mm(포함) 내지 10 mm(포함)인 종방향 색 수차를 갖고,
    - 상기 제1 굴절 렌즈(1) 및 상기 제2 굴절 렌즈(2)의 모두는 아베수 20 ≤ νd ≤ 41을 갖는 광학 재료를 갖고,
    - 상기 측정 영역(MR)과 상기 측정 영역(MR) 측에서의 개구수의 제곱(NA2 MR)과의 적(product)은 100 ㎛(포함) 내지 450 ㎛(포함)인 것인 무접촉식 광학 거리 측정용 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조리개 개구의 반경(rPH)과 상기 조리개 개구(6) 측에서의 개구수(NAPH)와의 적은 1.0 ㎛(포함) 내지 5.5 ㎛(포함)인 것인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광원(3) 및 상기 광 분석 유닛은 광 파이버(7)에 의해 상기 측정 헤드(5)와 접속되는 것인 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측정 헤드(5)의 조리개 개구(6)는 상기 광 파이버(7)의 파이버 단부면(17)에 의해 형성되는 것인 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광학 렌즈 시스템(12)에 대면하는 파이버 단부면(17) 상에 광학 요소(8)가 배열되는 것인 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광학 요소(8)는 광학 윈도우인 것인 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광학 요소(8)는 굴절 분산 렌즈인 것인 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광학 요소(8)는 구배율(gradient-index) 분산 렌즈인 것인 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 광학 요소(8)는 구배율 수렴 렌즈인 것인 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 광학 요소(8)는 하나 이상의 중간 화상 내에 상기 파이버 단부면(17)에 의해 형성된 상기 광원(3)의 광 스폿을 촬상하는 구배율 렌즈인 것인 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 파이버 단부면(17)과 상기 광학 요소(8) 사이에 거리 요소(9)가 배열되는 것인 장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 파이버 단부면(17) 및 상기 파이버 단부면(17)에 대면하는 상기 광학 요소(8)의 표면은 광축(30)에 경사져서 구성되는 것인 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 파이버 단부면(17) 및 상기 파이버 단부면(17)에 대면하는 상기 거리 요소(9)의 표면은 광축(30)에 경사져서 구성되는 것인 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 측정 헤드(5) 내에 빔 편향기 요소(16)가 배열되는 것인 장치.
  15. 삭제
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