KR102004576B1

KR102004576B1 - 물체의 기하학적 특징을 측정하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102004576B1
Application number: KR1020150135539A
Authority: KR
Inventors: 쉬 한; 광핑 시에; 케빈 조지 하딩; 존 브랜든 라플렌
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2019-07-26
Also published as: US20160084644A1; EP3001139B1; CN105509639A; KR20160036003A; CN105509639B; US9970753B2; EP3001139A1

Abstract

시스템은 광 방출 유닛과, 전면 미러와, 후면 미러와, 이미징 유닛과, 프로세서를 포함한다. 광 방출 유닛은 시준된 광 빔을 방출하도록 구성된다. 전면 미러는 광의 전면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광의 전면 집속된 링을 생성하고 이를 물체에 투사하도록 시준된 광 빔의 부분을 반사하도록 구성되고, 시준된 광 빔의 부분이 지나가게 하도록 구성된다. 후면 미러는 전면 미러의 광 투과 경로의 하류에 위치된다. 후면 미러는 광의 후면 반사된 광을 얻기 위해 구조화 광의 후면 집속된 링을 생성하고 이를 물체에 투사하도록 전면 미러에 의해 지나가는 시준된 광 빔의 적어도 부분을 반사하도록 구성된다.

Description

물체의 기하학적 특징을 측정하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF MEASURING GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF OBJECT}

본 개시의 실시예들은 일반적으로 측정 시스템들 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 물체의 기하학적 특징들(geometric characteristics)을 측정하는 시스템들 및 방법에 관한 것이다.

공동(cavity)의 내부 표면, 평평하거나 굴곡진 개방 표면, 2개의 에지들 사이의 갭(gap), 2개의 교차 표면들 사이의 반경 또는 2개의 표면들 사이의 스텝(step)과 같은 물체의 기하학적 특징들의 측정은 항상 도전되고 있다. 물체의 기하학적 특성들을 측정하는 하나의 종래의 측정 시스템은 액시콘(axicon)과 같은 미러에 광 빔을 방출하는 광원을 포함한다. 미러는 광의 반사된 링을 얻기 위해 광 빔을 광의 표면으로의 광의 집속된 링으로 반사한다. 측정 시스템은 광의 반사된 링에 따라 물체의 기하학적 특징들을 얻는다. 하지만, 광의 하나의 집속된 링에 대한 기하학적 특징들을 측정하는 것은 제한들을 갖는다. 예를 들어, 물체의 단면의 하나의 프로파일이 얻어질 수 있다. 더욱이, 집속된 링의 평면이 물체의 표면과 직교가 아닌 각도에 있을 때, 기하학적 특징들은 정확히 추출되지 않는다.

전술한 문제들 중 적어도 하나를 다루기 위한 해법을 제공하는 것이 바람직하다.

본 명세서에 개시된 일실시예에 따라, 측정 시스템이 제공된다. 시스템은 광 방출 유닛과, 전면(front) 미러와, 후면(rear) 미러와, 이미징(imaging) 유닛과, 프로세서를 포함한다. 광 방출 유닛은 시준된 광 빔을 방출하도록 구성된다. 전면 미러는 광의 전면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광의 전면 집속된 링을 생성하고 이를 물체로 투사하도록 시준된 광 빔의 부분을 반사하도록 구성되고, 시준된 광 빔의 부분이 지나가도록 구성된다. 후면 미러는 전면 미러의 광 투과 경로의 하류에 위치된다. 후면 미러는 광의 후면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광의 후면 집속된 링을 생성하고 이를 물체로 투사하도록 전면 미러에 의해 지나가는 시준된 광 빔의 적어도 부분을 반사하도록 구성된다. 이미징 유닛은 전면 반사된 링 및 후면 반사된 링의 통합된 이미지를 기록(record)하도록 구성된다. 프로세서는 이미징 유닛에 결합되고, 이미징 유닛으로부터 통합된 이미지에 따라 물체의 적어도 하나의 기하학적 특징을 얻도록 구성된다.

본 명세서에 개시된 다른 실시예에 따라, 시스템이 제공된다. 시스템은 광 방출 유닛과, 광 구조화 디바이스와, 이미징 유닛과, 프로세서를 포함한다. 광 방출 유닛은 시준된 광 빔을 방출하도록 구성된다. 광 구조화 디바이스는 구조화된 광을 생성하도록 구성된다. 광 구조화 디바이스는 전면 원뿔형 반사 표면과, 후면 원뿔형 반사 표면을 포함한다. 전면 원뿔형 반사 표면은 광의 전면 반사된 링을 얻기 위해 시준된 광 빔의 부분을 구조화된 광의 전면 집속된 링으로 반사하도록 구성되고, 시준된 광 빔의 부분이 지나가도록 한다. 후면 원뿔형 반사 표면은 광의 후면 반사된 링을 얻기 위해 전면 원뿔형 반사 표면에 의해 지나가는 시준된 광 빔의 적어도 부분을 구조화된 광의 후면 집속된 링으로 반사하도록 구성된다. 이미징 유닛은 전면 반사된 링 및 후면 반사된 링의 통합된 이미지를 기록하도록 구성된다. 프로세서는 이미징 유닛에 결합되고, 이미징 유닛으로부터 이미지에 따라 공동의 적어도 하나의 기하학적 특징을 얻도록 구성된다.

본 명세서에 개시된 다른 실시예에 따라, 방법이 제공된다. 방법은 시준된 광 빔을 방출하는 단계를 포함한다. 방법은 광의 전면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광의 전면 집속된 링을 발생하고 이를 물체에 투사하도록 시준된 광 빔의 부분을 반사하는 단계와, 시준된 광 빔의 부분을 지나가게 하는 단계를 더 포함한다. 방법은 광의 후면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 링의 후면 집속된 링을 생성하고 이를 물체에 투사하도록 지나간 시준된 광 빔의 적어도 부분을 반사하는 단계를 더 포함한다. 방법은 광의 전면 반사된 링과 광의 후면 반사된 링의 통합된 이미지를 기록하는 단계를 더 포함한다. 방법은 통합된 이미지에 따라 물체의 적어도 하나의 기하학적 특징을 얻는 단계를 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징 및 양상은, 유사한 도면 부호가 도면 전체에 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이다.

도 1은 실시예에 따른 측정 시스템의 개략도.
도 2는 실시예에 따라 통합된 이미지 및 개별 이미지의 개략도.
도 3은 다른 실시예에 따른 측정 시스템의 개략도.
도 4는 다른 실시예에 따른 측정 시스템의 개략도.
도 5는 다른 실시예에 따른 측정 시스템의 광 구조화 디바이스의 개략도.
도 6은 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스의 개략도.
도 7은 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스의 개략도.
도 8은 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스의 개략도.
도 9는 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스의 개략도.
도 10은 실시예에 따라 물체의 기하학적 특징들을 측정하기 위한 방법의 흐름도.
도 11은 다른 실시예에 따른 방법의 흐름도.
도 12는 실시예에 따른 측정 시스템에 의해 측정된 물체의 사시도.
도 13은 다른 실시예에 따른 측정 시스템에 의해 측정된 다른 물체의 사시도.

달리 정의되지 않으면, 본 명세서에 사용된 기술 및 과학 용어들은 본 개시가 속하는 당업자에 의해 공통적으로 이해된 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 사용된 "제 1", "제 2", 등의 용어는 임의의 순서, 양, 또는 중요성을 나타내지 않고, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하는데 사용된다. 또한, 단수 요소의 용어는 양의 제한을 나타내지 않고, 기준 항목의 적어도 하나의 존재를 나타낸다. 본 명세서의 "포함(including)", "포함하는(comprising)", "갖는(having)", 또는 "함유하는(contain)" 및 그 변형의 이용은 이후에 기술된 항목 및 그 등가물뿐 아니라 추가 항목을 포함하는 것으로 의미된다. "연결된" 및 "결합된"이라는 용어가 종종 물리적 또는 기계적 연결 또는 결합을 설명하는데 사용되지만, 이들은 그렇게 한정되도록 의도되지 않고, 직접적이거나 간접적이든지 간에 광학적 또는 전기적 연결 또는 결합을 포함할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 측정 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 측정 시스템(100)은 물체(11)의 적어도 하나의 기하학적 특징을 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 공동의 3차원 프로파일, 원통형 공동의 직경, 굴곡진 개방 표면의 전이 반경, 스텝의 스텝 특징, 및 갭의 2개의 에지들 사이의 거리가 측정될 수 있다. 표면 상의 균열 및 융기(bump)는 또한 측정 시스템(100)에 의해 검출될 수 있다. 측정 시스템(100)은 광 방출 유닛(15), 광 구조화 디바이스(16), 이미징 유닛(21), 및 프로세서(23)를 포함한다. 광 방출 유닛(15)은 시준된 광 빔(25)을 방출하도록 구성된다. 일실시예에서, 광 방출 유닛(15)은 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 또는 몇몇 다른 포인트 광원과 같은 광원(27), 및 시준 렌즈(29)를 포함한다. 시준 렌즈(29)는 시준된 광 빔(25)을 생성하기 위해 광원(27)으로부터 광을 시준하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 광 방출 유닛(15)은 광원(27)으로부터 광을 시준하도록 배치된 다중 시준 렌즈를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 광 방출 유닛(15)은 하나 또는 2개의 다른 광학 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 평면 미러는 측정 시스템(100)의 측정 축(31)으로부터 멀리 위치되는 광원(27)으로부터 광의 투과 방향을 변화시키도록 이용된다. 예시된 실시예에서, 광원(27) 및 시준 렌즈(29)는 측정 축(31) 상에 배치된다. 도면이 단일 라인의 화살표에 의해 광 빔 및 반사를 도시하지만, 광이 단일 빔뿐 아니라, 다중 빔이라는 것이 이해되어야 한다. 이 예에서, 물체(11)는 파이프이고, 광(37)의 전면 반사된 링 및 광(43)의 후면 반사된 링은 파이프의 섹션의 내부를 위한 것이다.

광 구조화 디바이스(16)는 구조화된 광(32)을 생성하도록 구성되고, 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)를 포함한다. 전면 미러(17)는 광(37)의 전면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광(32)의 전면 집속된 링(33)을 생성하고 이를 물체(11)의 반사 표면(35)으로 투사하기 위해 시준된 광 빔(25)의 부분을 반사하도록 구성되고, 시준된 광 빔(25)의 부분이 전면 미러를 지나가도록 구성되며, 여기서 "지나가는(pass by)"이라는 용어는 전면 미러의 광 통과 채널을 통해 또는 전면 미러 주변에 지나가는 광을 언급한다. 전면 미러(17)는 시준된 광 빔(25)의 부분을 구조화된 광(32)의 전면 집속된 링(33)으로 반사하도록 구성되는 전면 원뿔형 반사 표면(50)을 포함한다. 일례에서, 전면 미러(17)는, 시준된 광 빔(25)의 부분이 전면 미러(17)를 지나가도록 한다.

예시된 실시예에서, 전면 미러(17)는 광 통과 채널(39)을 포함하여, 시준된 광 빔(25)이 전면 미러(17)를 지나가도록 한다. 광 채널(39)은 정점으로부터 전면 원뿔형 반사 표면(50)을 통해 연장한다. 광 통과 채널(39)의 직경은 시준된 광 빔(25)의 직경보다 작아서, 시준된 광 빔(25)의 부분이 지나가도록 한다. 일실시예에서, 광 통과 채널(39)은 측정 축(31)을 따라 연장하는 전면 미러(17)에서의 관통 구멍(through hole)이다. 다른 실시예에서, 광 통과 채널(39)은 시준된 광 빔(25)이 지나가게 하도록 유리와 같은 광-통과 물질로 만들어진다. 일례에서, 전면 미러(17)는 평평한 정점을 갖는데, 즉, 광 통과 채널(39)은 측정 축(31)을 따라 시준된 광 빔(25)이 투과하도록 평평한 단부를 갖는 원통형 형태를 갖는다.

예시된 실시예에서, 전면 미러(17)의 전면 원뿔형 반사 표면(50)은 시준된 광 빔(25)의 외부 원을 반사하고, 이를 통해 시준된 광 빔(25)의 내부 원을 후면 미러(19)로 지나가게 한다. 도시된 바와 같이, 이 예에서, 전면 미러(17)는 측정 축(31) 상에 배치된다. 예시된 실시예에서, 전면 미러(17)는 45도 원뿔형 미러와 같은 원뿔형 미러를 포함하며, 광 통과 채널(39)은 그 정점으로부터 중심축을 따라 연장한다. 전면 미러(17)의 중심축은 측정 축(31)에 정렬된다. 전면 집속된 링(33)은 측정 축(31)에 대략 수직이다. 전면 집속된 링(33)은 광(37)의 전면 반사된 링을 생성하기 위해 내부 반사 표면(35)으로부터 반사된다.

후면 미러(19)는 전면 미러(17)의 광 투과 경로의 하류에 위치된다. 후면 미러(19)는 광(43)의 후면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광(32)의 후면 집속된 링(41)을 생성하고 이를 물체(11)의 반사 표면(35)으로 투사하기 위해 전면 미러(17)의 광 통과 채널(39)에 의해 지나가는 시준된 광 빔(25)의 적어도 부분을 반사하도록 구성된다. 후면 미러(19)는 광 통과 채널(39)에 의해 지나가는 시준된 광 빔(25)의 부분의 적어도 부분을 후면 집속된 링(41)으로 반사하도록 구성된 후면 원뿔형 반사 표면(52)을 포함한다.

예시된 실시예에서, 구조화된 광(32)은 전면 집속된 링(33) 및 후면 집속된 링(41)에 의해 형성된다. 원뿔형 미러 또는 프리즘과 같은 후면 미러(19)는 측정 축(31) 상에 배치된다. 예시된 실시예에서, 후면 미러(19)는 45도 원뿔형 미러이다. 일실시예에서, 후면 미러(19)는 전면 미러(17)와 동축이고, 후면 원뿔형 반사 표면(52)은 전면 원뿔형 반사 표면(50)과 동축이다. 구조화된 광(32)의 전면 집속된 링(33)의 전면 평면(331)은 구조화된 링(32)의 후면 집속된 링(41)의 후면 평면(411)에 평행하다. 전면 집속된 링(33) 및 후면 집속된 링(41)의 평면들은 측정 축(31)에 대략 수직이다. 후면 집속된 링(41)은 후면 반사된 링(43)을 생성하기 위해 반사 표면(35)에 의해 반사된다.

카메라와 같은 이미징 유닛(21)은 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43)의 통합된 이미지를 기록하도록 구성된다. 이미징 유닛(21)은 렌즈 또는 렌즈 세트(45) 및 영역 어레이 검출기(46)를 포함한다. 광(37)의 전면 반사된 링 및 광(43)의 후면 반사된 링은 렌즈(45)에 의해 조정된다. 이미지는 CCD, CMOS와 같은 영역 어레이 검출기(46)에서 기록된다. 일실시예에서, 광 방출 유닛(15) 및 이미징 유닛(21)은 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)의 대향 측부들 상에 위치된다.

프로세서(23)는 이미징 유닛(21)에 결합되고, 이미징 유닛(21)으로부터의 이미지에 따라 물체(11)의 기하학적 특징을 얻도록 구성된다. 일실시예에서, 프로세서(23)는 컴퓨터, 또는 전계 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA), 마이크로프로세서 등과 같은 다른 컴퓨팅 디바이스이고, 프로세서는 다중-코어 프로세서일 수 있다. 프로세서(23)는 물체(11)의 기하학적 특징을 얻기 위해 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43) 상의 대응하는 지점들을 연결한다. 예를 들어, 프로세서(23)는 전면 반사된 링(37)으로부터의 전면 단면의 2차원(2D) 프로파일과, 후면 반사된 링(43)으로부터의 후면 단면의 2D 프로파일을 생성하고, 전면 단면의 프로파일과 후면 단면의 프로파일의 대응하는 지점을 선형으로 연결하는 것을 통해 공동의 3D 프로파일을 출력한다. 이 예가 단지 예시적이며 비-한정된다는 것이 주지되어야 한다.

일실시예에서, 측정 시스템(100)은 시준된 광 빔(25)이 후면 미러(19)에 도달하는 것을 중지시킴으로써 광(43)의 후면 반사된 링을 생성하기를 중지하도록 동작가능한 셔터(47)를 더 포함한다. 광 통과 채널(39)을 통해 나아가는 시준된 광 빔(25)은, 셔터(47)가 개방될 때 셔터(47)를 통과하고, 셔터(47)가 차단될 때 중지된다. 예시된 실시예에서, 셔터(47)는 전면 미러(17)와 후면 미러(19) 사이의 광 투과 경로에 위치된다. 셔터(47)는 시준된 광 빔(25)이 후면 미러(19)에 도달하는 것을 중지하는데 사용되어, 광(37)의 전면 반사된 링만이 생성되고, 광(43)의 후면 반사된 링 없이 이미징된다. 다른 실시예에서, 셔터(47)는, 광(41)의 후면 집속된 링이 물체(11)에 도달하는 것을 중지하기 위해 후면 미러(19) 주위에 위치된다. 또 다른 실시예에서, 셔터(47)는, 광(43)의 후면 반사된 링이 이미징 유닛(21)에 도달하는 것을 중지하도록 위치될 수 있다.

일례에서, 이미징 유닛(21)은 광(37)의 전면 반사된 링의 개별 이미지를 기록하도록 구성되고, 프로세서(23)는 광(37)의 전면 반사된 링의 개별 이미지를 이용함으로써 통합된 이미지에서의 전면 반사된 링(47)으로부터 후면 반사된 링(43)을 분리하도록 구성된다. 셔터(47)는 예를 들어, 기계적 셔터, 액정 셔터, 또는 광 통과 상태와 광 중지 상태 사이에서 스위칭할 수 있는 임의의 다른 디바이스들을 포함할 수 있다.

도 2는 실시예에 따라 통합된 이미지(200)와 개별 이미지(202)의 개략도를 도시한다. 통합된 이미지(200)는 광(37)의 전면 반사된 링의 이미지와, 광(43)의 후면 반사된 링의 이미지를 보여준다. 전면 반사된 링(37)의 이미지는 물체(11)의 반사된 표면(35)의 전면 단면의 프로파일을 보여주고, 후면 반사된 링(43)의 이미지는 반사된 표면(35)의 후면 단면의 프로파일을 보여준다. 예시된 실시예에서, 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43)의 이미지는 모두 고리형인데, 즉 반사된 표면(35)의 전면 단면 및 후면 단면은 모두 파이프의 내부와 같이 원형이다. 이 예가 단지 예시적이고, 비-한정된다는 것이 주지되어야 한다. 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43)의 이미지는 특정 응용에서 반사된 표면(35)의 프로파일에 따라 변한다.

개별 이미지(202)는 단지 광(37)의 전면 반사된 링의 이미지만을 보여준다. 후면 반사된 링(43) 및 전면 반사된 링(37)은 통합된 이미지(200) 및 개별 이미지(202)에 따라 분리될 수 있다. 따라서, 통합된 이미지(200)에서 후면 반사된 링(43) 및 전면 반사된 링(37) 상의 지점은, 후면 반사된 링(43) 상의 지점과 전면 반사된 링(37) 상의 지점이 서로 가까이 있거나 통합된 이미지(200)에서 중복되더라도 구별될 수 있다. 도 1을 참조하면, 광(37)의 전면 반사된 링의 이미지는 광(33)의 전면 집속된 링의 이미지를 얻기 위해 광(33)의 전면 집속된 링과 렌즈(45) 사이의 거리(L1)를 렌즈(45)와 영역 어레이 검출기(46) 사이의 거리(L3)로 나눈 결과인 증폭 계수와 곱함으로써 증폭될 수 있다. 유사하게, 광(43)의 후면 반사된 링의 이미지는 광(41)의 후면 집속된 링의 이미지를 얻기 위해 광(41)의 후면 집속된 링과 렌즈(45) 사이의 거리(L2)와 거리(L3)의 결과인 다른 증폭 계수와 곱함으로써 증폭될 수 있다. 이 실시예에서, 전면 집속된 링(33)과 후면 집속된 링(41)의 이미지들은 서로 중복되는 원이다.

도 3은 다른 실시예에 따른 측정 시스템(300)의 개략도를 도시한다. 도 3에서의 측정 시스템(300)은 도 1에서의 측정 시스템(100)과 유사하다. 도 1에서의 측정 시스템(100)에 비해, 도 3에서, 측정 시스템(300)의 광 방출 유닛(15) 및 이미징 유닛(21)은 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)의 동일한 측상에 위치되어, 측정 시스템의 구조는 컴팩트해진다. 광 방출 유닛(15)은 시준된 광 빔(25)을 광원(27)으로부터 시준 렌즈(29)를 통해 전면 미러(17) 상으로 방출하고, 전면 미러(17)는 일부 광을 물체(11)의 표면(35)으로 반사하고, 일부 광은 전면 미러에 의해 셔터(47)로, 그리고 후면 미러(19) 상으로 지나간다. 나머지 처리는 동일하다.

도 4는 다른 실시예에 따른 측정 시스템(400)의 개략도를 도시한다. 도 4에서의 측정 시스템(400)은 도 1에서의 측정 시스템(100)과 유사하다. 도 1에서의 측정 시스템(100)에 비해, 광 구조화 디바이스(16)는 전면 미러(17)와 후면 미러(19) 사이의 광 투과 경로에 위치된 적어도 하나의 중간 미러(18)를 더 포함한다. 적어도 하나의 중간 미러(18)는 광(38)의 적어도 하나의 중간 집속된 링을 얻기 위해 구조화된 광(32)의 적어도 하나의 중간 집속된 링(34)을 생성하고 이를 물체(11)로 투사하기 위해 시준된 광 빔(25)의 부분을 반사하도록 구성되고, 시준된 광 빔(25)의 부분을 후면 미러(19)로 지나가게 하도록 구성된다. 중간 미러(18)는 중간 원뿔형 반사 표면(51)을 포함하고, 중간 원뿔형 반사 표면(51)은 시준된 광 빔(25)의 부분을 구조화된 광(32)의 부분으로부터 중간 집속된 링(34)으로 반사하고, 시준된 광 빔(25)의 부분에 의해 지나가게 하도록 구성된다. 단지 예시 목적을 위해, 하나의 중간 미러(18)가 도시된다. 광 구조화 디바이스(16)는 임의의 수의 중간 미러(18)를 포함할 수 있다. 추가 미러(들)(18)는, 링(33, 34, 41) 사이의 간격이 작고 더 큰 해상도를 허용하도록 이미징이 더 큰 정밀도를 요구하는 특정 응용에 사용될 수 있다. 대안적으로, 추가 미러(들)(18)는, 물체(11)의 표면(35)에 대한 더 큰 영역이 캡처(captured)되도록 하여, 이를 통해 물체(11)의 처리 속도를 증가시킬 수 있다.

예시된 실시예에서, 중간 미러(18)는 전면 미러(17)에서의 광 통과 채널(39)과 유사한 광 통과 채널(40)을 포함한다. 광 통과 채널(40)의 직경은 전면 미러(17)의 광 통과 채널(39)의 직경보다 작다. 일실시예에서, 광 구조화 디바이스(16)는 2개 이상의 중간 미러(18)를 포함한다. 하류의 중간 미러(18)의 광 통과 채널의 직경은 상류의 중간 미러(18)의 광 통과 채널의 직경보다 작다. 따라서, 시준된 광 빔(25)은 중간 미러(18)에 의해 반사되고, 중간 미러(18)를 통과한다.

중간 반사된 링(34)은 또한 이미징 유닛(21)에 의해 이미징되고, 측정의 정밀도를 개선하기 위해 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43)과 함께 물체(11)의 기하학적 특징을 얻도록 처리된다. 일실시예에서, 광 구조화 디바이스(16)는 중간 셔터(48)를 더 포함한다. 셔터(47 및 48)는 2개의 미러 사이에 개별적으로 위치된다. 셔터(48)의 수는 미러의 수에 따라 설정될 수 있다. 따라서, 통합된 이미지에서의 반사된 링(37, 38, 43)은 분리될 수 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스(16)의 개략도를 도시한다. 전면 미러(17)의 제 1 하부 표면(171)의 직경(D1)은 시준된 광 빔(25)의 직경보다 작고, 후면 미러(19)의 제 2 하부 표면(191)의 직경(D2)은 전면 미러(17)의 제 1 하부 표면의 직경보다 크다. 전면 미러(17)는 시준된 광 빔(25)보다 직경에 있어서 더 작고, 후면 미러(19)는 전면 미러(17)보다 직경에 있어서 더 크다. 따라서, 전면 원뿔형 반사 표면(50)은 시준된 광 빔(25)의 내부 원(251)을 광(33)의 전면 집속된 링으로 반사하고, 시준된 광 빔(25)의 외부 원(253)은 제 1 미러(17)에 의해 후면 미러(19)로 지나가게 한다. 후면 미러(19)의 후면 원뿔형 반사 표면(52)은 시준된 광 빔(25)의 외부 원(253)을 광(41)의 후면 집속된 링으로 반사한다.

일실시예에서, 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)는 하나의 부품으로서 일체형으로 만들어진다. 전면 원뿔형 반사 표면(50) 및 후면 원뿔형 반사 표면(52)은 그 사이에 스텝(step)(54)과 함께 배치된다. 전면 원뿔형 반사 표면(50) 및 후면 원뿔형 반사 표면(52)은 원뿔형 반사 표면(50, 52) 모두가 시준된 광 빔(25)을 수용하는 것을 확인하기 위해 서로 분리되어 배치된다. 다른 실시예에서, 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)는 개별 부품으로서 만들어진다. 예를 들어, 전면 미러(17)는 시준된 광 빔(25)보다 더 작은 원뿔형 미러이고, 후면 미러(19)는 전면 미러(17)보다 더 큰 원뿔형 미러이다. 도 1, 도 3 및 도 4에서의 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)는 개별 부품으로서 형성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 셔터(47)는 후면 미러(19) 주위에 위치되고, 이것은 후면 집속된 링(41)이 물체에 도달하는 것을 방지하기 위한 링 셔터일 수 있다.

도 6은 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스(16)의 개략도를 도시한다. 도 6에서의 광 구조화 디바이스(16)는 도 5에서의 광 구조와 디바이스와 유사하다. 도 5에서의 광 구조화 디바이스(16)에 비해, 광 구조화 디바이스(16)는 중간 원뿔형 반사 표면(51)을 갖는 중간 미러(18)를 포함한다. 중간 원뿔형 반사 표면(51)은 시준된 광 빔(25)의 부분을 광(34)의 중간 집속된 링으로 반사하고, 시준된 광 빔(25)의 부분은 후면 미러(19)에 도달하기 위해 중간 미러(18)에 의해 지나가게 된다. 다른 실시예에서, 2개 이상의 중간 미러(18)는 광(34)의 중간 집속된 링을 형성하는데 이용된다. 원뿔형 반사 표면(50, 51, 및 52)은 일례에서 서로 분리되게 배치된다.

도 7은 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스(16)의 개략도를 도시한다. 도 7에서의 광 구조화 디바이스(16)는 도 5에서의 광 구조화 디바이스(16)와 유사하다. 도 5에서의 광 구조화 디바이스(16)에 비해, 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)는 하나의 부품에서 내부 원뿔형 형태로서 일체형으로 형성된다. 전면 미러(17) 및 후면 미러(19)는 유리로 만들어질 수 있는 평평한 표면(601)을 갖는 광 통과 블록(60)의 부품 내부에 형성된다. 전면 원뿔형 반사 표면(50) 및 후면 원뿔형 반사 표면(52)은 광 통과 블록(60)의 내부 표면에 형성되고, 반사 물질로 만들어져서, 시준된 광 빔(25)을 반사한다. 일실시예에서, 도 6에서의 광 구조화 디바이스(16)의 미러(17 내지 19)는 도 7에서의 광 구조화 디바이스와 유사한 내부 원뿔형 프리즘으로서 형성될 수 있다.

도 8은 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스(16)의 개략도를 도시한다. 후면 미러(19)는 광 통과 블록(60) 내부의 내부 원뿔형 형태로서 형성된다. 전면 미러(17)는 광 통과 블록(60)의 전면 표면 상에 형성된다. 전면 미러(17)의 정점은, 시준된 광 빔(25)의 부분이 후면 미러(19)에 지나가게 하도록 하기 위해 평평한 깨끗한 표면(62)을 갖는다. 반사 표면(50)은 광 통과 블록(60)의 표면 상에 형성되거나 이 표면에 추가된다.

도 9는 다른 실시예에 따른 광 구조화 디바이스(16)의 개략도를 도시한다. 도 9에서의 광 구조화 디바이스(16)는 도 8에서의 광 구조화 디바이스(16)와 유사하다. 도 8에서의 광 구조화 디바이스(16)에 비해, 도 9에서의 광 구조화 디바이스(16)는 광 통과 블록(60) 내부에 형성된 중간 미러(18)를 더 포함한다. 중간 미러(18)는 시준된 광 빔(25)의 부분을 반사하기 위해 후면 미러(19)보다 작고, 시준된 광 빔(25)의 부분이 후면 미러(19)로 지나가게 하도록 한다. 중간 미러(18) 및 후면 미러(19)는 도 5 및 도 7에서의 미러와 유사한 배치를 갖는다. 다른 실시예에서, 2개 이상의 중간 미러(18)는 광 통과 블록(60) 내부에 형성될 수 있다.

도 10은 일실시예에 따라 물체의 기하학적 특징을 측정하기 위한 방법(600)의 흐름도를 도시한다. 시준된 광 빔은 광 방출 유닛과 같이 방출(601)된다. 시준된 광 빔의 일부분 또는 부분은 광의 전면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광의 전면 집속된 링을 생성하고 이를 물체로 투사하기 위해 반사하도록 전면 미러(603)에 의해 반사되고, 시준된 광 빔의 부분은 전면 미러에 의해 지나가게 된다. 시준된 광 빔은 전면 집속된 링에 반사된다. 물체의 표면은 전면 집속된 링을 광의 전면 반사된 링으로 반사한다.

제 1 미러에 의해 지나가게 되는 시준된 광 빔의 적어도 부분은 광의 후면 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광의 후면 집속된 링을 물체로 반사하고 생성하고 투사하기 위해 후면 미러에 의해 반사되고, 후면 집속된 링(605)으로 반사된다. 물체의 표면은 후면 집속된 링을 광의 후면 반사된 링으로 반사한다. 일례에서, 구조화된 광의 전면 집속된 링의 전면 평면은 구조화된 광의 후면 집속된 링의 후면 평면에 평행하다.

광의 전면 반사된 링과 광의 후면 반사된 링의 통합된 이미지는 기록된다(607). 통합된 이미지는 물체의 표면의 섹션의 전면 단면 및 후면 단면의 프로파일을 보여준다. 물체의 적어도 하나의 기하학적 특징은 통합된 이미지에 따라 얻어진다(609). 전면 반사된 링 및 후면 반사된 링 상의 대응하는 지점은 물체의 기하학적 특징을 얻기 위해 연결되고 처리된다.

일실시예에서, 전면 반사된 링의 개별 이미지는 기록되고, 통합된 이미지에서의 전면 반사된 링으로부터의 후면 반사된 링은 개별 이미지를 이용하여 분리된다(608). 일례에서, 전면 반사된 링만이 전면 반사된 링 상의 지점을 얻기 위해 물체의 동일한 섹션에 대해 이미징된다. 따라서, 통합된 이미지에서의 전면 반사된 링 및 후면 반사된 링 상의 지점은 구별될 수 있다. 일례에서, 후면 반사된 링만이 후면 반사된 링 상의 지점을 얻기 위해 물체의 동일한 섹션에 대해 이미징된다. 따라서, 통합된 이미지에서의 전면 반사된 링 및 후면 반사된 링 상의 지점은 구별될 수 있다.

일례에서, 측정 디바이스 또는 물체는, 물체의 추가 섹션이 이미징되도록 이동된다. 예로서, 측정 디바이스는 물체의 기하학적 특징을 얻기 위해 파이프 또는 공동에 삽입되는 보어 스코프(borescope)에 수용될 수 있다. 이밈징은 균열, 뒤틀림(warping), 표면 돌출 등을 검색하는데 사용될 수 있다.

도 11은 다른 실시예에 따라 물체의 기하학적 특징을 측정하기 위한 방법(700)의 흐름도를 도시한다. 도 11에서의 방법(700)은 도 10에서의 방법(600)과 유사하다. 도 10에서의 방법(600)에 비해, 도 11에서의 방법(700)은 블록(604)을 더 포함한다. 블록(640)에서, 시준된 광 빔은 광의 적어도 하나의 중간 반사된 링을 얻기 위해 구조화된 광의 적어도 하나의 중간 집속된 링을 생성하고 전면 집속된 링과 후면 집속된 링 사이로 투사하도록 추가로 반사된다. 광의 중간 반사된 링이 또한 이미징된다. 물체의 기하학적 특징은 측정의 정밀도를 개선하도록 전면 반사된 링, 중간 반사된 링 및 후면 반사된 링의 이미지에 따라 얻어진다.

일례에 따라 광의 전면 반사된 링, 광의 후면 반사된 링, 및 하나 이상의 중간 반사된 링을 구별하기 위해, 광의 후면 및 중간 반사된 링은 개별적으로 기록되고, 밴드들을 분리하기 위해 통합된 이미지와 비교된다. 일례에서, 전면 반사된 링 및 중간 반사된 링(들)은 각각 전면 반사된 링 및 중간 반사된 링(들) 상의 지점을 얻도록 물체의 동일한 섹션에 대해 개별적으로 이미징된다. 따라서, 통합된 이미지에서 전면 반사된 링, 중간 반사된 링(들), 및 후면 반사된 링 상의 지점은 구별될 수 있다. 일례에서, 후면 반사된 링 및 중간 반사된 링(들)은 각각 후면 반사된 링 및 중간 반사된 링(들) 상의 지점을 얻도록 물체의 동일한 섹션에 대해 개별적으로 이미징된다. 따라서, 통합된 이미지에서 전면 반사된 링, 중간 반사된 링(들) 및 후면 반사된 링 상의 지점은 구별될 수 있다.

도 12는 실시예에 따라 측정 시스템(100, 300 또는 400)에 의해 측정된 원뿔형-형태의 공동 물체(800)의 사시도를 도시한다. 측정 시스템(100, 300 또는 400)은 원뿔형-형태의 공동의 내부 면으로부터 반사되는 광(37)의 전면 반사된 링 및 광(43)의 후면 반사된 링을 얻는다. 원뿔형-형태의 공동의 3D 프로파일은, 물체(800)의 기하학적 특징이 얻어지도록 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43) 상의 대응하는 지점을 연결하는 것을 통해 얻어진다. 이 실시예에서, 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43)은 원뿔형-형태의 공도의 중심축(801)에 수직이 아니다.

도 13은 다른 실시예에 따라 측정 시스템(100, 300 또는 400)에 의해 측정된 개방 굴곡진 표면 물체(900)의 사시도를 도시한다. 측정 시스템(100, 300 또는 400)은 개방 굴곡진 표면의 표면으로부터 반사되는 링(37)의 전면 반사된 링 및 광(43)의 후면 반사된 링을 얻는다. 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43) 각각은 개방 굴곡진 표면 상의 곡선을 도시하고, 개방 굴곡진 표면의 3D 프로파일은 전면 반사된 링(37) 및 후면 반사된 링(43) 상의 대응하는 지점을 연결하는 것을 통해 얻어진다.

도 12 및 도 13은 측정 시스템(100, 300 또는 400)에 의해 측정된 물체의 2가지 실시예를 도시하지만, 이들에 한정되지 않는다. 일례에서 전면 반사된 링(37)과 후면 반사된 링(43) 사이의 물체의 형태는 연속적인 선형 변화를 갖는다.

본 발명의 유일한 특정한 특징이 본 명세서에 예시되고 설명되지만, 많은 변형 및 변화가 당업자에게 발생할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구항이 본 발명의 진정한 사상 내에 있는 것으로 모든 그러한 변형 및 변화를 커버하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다.

Claims

시스템에 있어서,
시준된 광 빔을 방출하도록 구성된 광 방출 유닛과;
물체로부터 전면(front) 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해, 전면 집속된 링 형상의 구조화된(structured) 광을 물체에 투사하도록 상기 시준된 광 빔의 부분을 반사하도록 구성된 전면 미러(front mirror)로서, 상기 시준된 광 빔의 부분은 상기 전면 미러에 의해 반사되지 않고 상기 전면 미러를 지나가는 것인, 상기 전면 미러와;
상기 전면 미러의 광 투과 경로의 하류에 위치된 후면 미러(rear mirror)로서, 물체로부터 후면 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해, 후면 집속된 링 형상의 구조화된 광을 물체에 투사하도록 상기 전면 미러를 지나가며 상기 전면 미러에 의해 반사되지 않은 상기 시준된 광 빔의 적어도 부분을 반사하도록 구성되는 것인, 상기 후면 미러와;
상기 전면 반사된 링 형상의 광과 상기 후면 반사된 링 형상의 광을 조정하도록 구성된 렌즈, 및 상기 전면 반사된 링 형상의 광과 상기 후면 반사된 링 형상의 광의 통합된 이미지를 함께 기록하도록 구성된 영역 어레이 검출기를 포함하는 이미징 유닛과;
상기 이미징 유닛에 결합되고, 상기 이미징 유닛으로부터의 상기 통합된 이미지에 따라 물체의 적어도 하나의 기하학적 특징(geometric characteristic)을 얻도록 구성된 프로세서
를 포함하고,
상기 전면 미러는, 상기 시준된 광 빔의 부분이 지나가도록, 상기 시준된 광 빔의 직경보다 작은 직경을 갖는 광 통과 채널을 포함하는 것인, 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 전면 미러의 제 1 하부 표면의 직경은 상기 시준된 광 빔의 직경보다 작고, 상기 후면 미러의 제 2 하부 표면의 직경은 상기 전면 미러의 제 1 하부 표면의 직경보다 더 큰 것인 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 전면 미러는 전면 원뿔형(conical) 반사 표면을 포함하고, 상기 후면 미러는 후면 원뿔형 반사 표면을 포함하고, 상기 전면 원뿔형 반사 표면와 상기 후면 원뿔형 반사 표면은 그 사이에 공간을 갖도록 배열되는 것인 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 후면 미러는 상기 전면 미러와 동축인(coaxial) 것인 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 전면 미러와 상기 후면 미러 사이의 광 투과 경로에 위치된 적어도 하나의 중간 미러를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 중간 미러는, 중간 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해, 중간 집속된 링 형상의 구조화된 광을 물체에 투사하도록 상기 시준된 광 빔의 부분을 반사하도록 구성되고, 상기 후면 미러로 상기 시준된 광 빔의 부분을 지나가게 하도록 구성되는 것인 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 후면 반사된 링 형상의 광을 생성하기를 중지하도록 동작가능한 셔터를 더 포함하고, 상기 이미징 유닛은 상기 전면 반사된 링 형상의 광의 개별 이미지를 기록하도록 구성되고, 상기 프로세서는 상기 개별 이미지를 이용하여 상기 통합된 이미지에서 상기 전면 반사된 링 형상의 광으로부터 상기 후면 반사된 링 형상의 광을 분리하도록 구성되는 것인 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 프로세서는 3차원 프로파일을 얻기 위해 상기 전면 반사된 링 및 상기 후면 반사된 링 상의 대응하는 지점들을 연결하도록 구성되는 것인 시스템.
시스템에 있어서,
시준된 광 빔을 방출하도록 구성된 광 방출 유닛과;
구조화된 광을 생성하도록 구성된 광 구조화 디바이스로서,
전면 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해, 시준된 광 빔의 부분을 전면 집속된 링 형상의 구조화된 광으로 반사하도록 구성된 전면 원뿔형 반사 표면으로서, 상기 시준된 광 빔의 부분은 상기 전면 원뿔형 반사 표면에 의해 반사되지 않고 상기 전면 원뿔형 반사 표면을 지나가는 것인, 상기 전면 원뿔형 반사 표면과;
후면 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해, 상기 전면 원뿔형 반사 표면을 지나가며 상기 전면 원뿔형 반사 표면에 의해 반사되지 않은 상기 시준된 광 빔의 적어도 부분을 후면 집속된 링 형상의 구조화된 광으로 반사하도록 구성된 후면 원뿔형 반사 표면
을 포함하는, 상기 광 구조화 디바이스와;
상기 전면 반사된 링 형상의 광과 상기 후면 반사된 링 형상의 광을 조정하도록 구성된 렌즈, 및 상기 전면 반사된 링 형상의 광과 상기 후면 반사된 링 형상의 광의 통합된 이미지를 함께 기록하도록 구성된 영역 어레이 검출기를 포함하는 이미징 유닛과;
상기 이미징 유닛에 결합되고, 상기 이미징 유닛으로부터의 이미지에 따라 물체의 적어도 하나의 기하학적 특징을 얻도록 구성된 프로세서
를 포함하고,
상기 광 구조화 디바이스는, 상기 시준된 광 빔의 부분이 지나가도록, 상기 시준된 광 빔의 직경보다 작은 직경을 갖는 광 통과 채널을 포함하는 것인, 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 전면 원뿔형 반사 표면에 의해 경계짓는 제 1 하부 표면의 직경은 상기 시준된 광 빔의 직경보다 작고, 상기 후면 원뿔형 반사 표면에 의해 경계짓는 제 2 하부 표면의 직경은 상기 제 1 하부 표면의 직경보다 더 큰 것인 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 전면 원뿔형 반사 표면과 상기 후면 원뿔형 반사 표면은 그 사이에 스텝(step)을 갖도록 배열되는 것인 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 후면 원뿔형 반사 표면은 상기 전면 원뿔형 반사 표면과 동축인 것인 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 광 구조화 디바이스는, 상기 전면 원뿔형 반사 표면과 상기 후면 원뿔형 반사 표면 사이의 광 투과 경로에 위치된 적어도 하나의 중간 원뿔형 반사 표면을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 중간 원뿔형 반사 표면은, 중간 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해 상기 시준된 광 빔의 부분을 중간 집속된 링 형상의 구조화된 광으로 반사하도록 구성되고, 상기 후면 원뿔형 반사 표면으로 상기 시준된 광 빔의 부분을 지나가게 하도록 구성되는 것인 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 후면 반사된 링 형상의 광을 생성하기를 중지하도록 동작가능한 셔터를 더 포함하고, 상기 이미징 유닛은 상기 전면 반사된 링 형상의 광의 개별 이미지를 기록하도록 구성되고, 상기 프로세서는 상기 개별 이미지의 도움으로 상기 통합된 이미지에서 상기 전면 반사된 링 형상의 광으로부터 상기 후면 반사된 링 형상의 광을 분리하도록 구성되는 것인 시스템.
제 8항에 있어서, 상기 프로세서는 3차원 프로파일을 얻기 위해 전면 반사된 링 및 후면 반사된 링 상의 대응하는 지점을 연결하도록 구성되는 것인 시스템.
방법에 있어서,
시준된 광 빔을 방출하는 단계와;
전면 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해 전면 집속된 링 형상의 구조화된 광을 생성하여 물체에 투사하도록, 전면 미러에 의해 상기 시준된 광 빔의 부분을 반사하는 단계와;
상기 전면 미러에 제공된 광 통과 채널을 통해 상기 시준된 광 빔의 부분을 지나가게 하는 단계로서, 상기 광 통과 채널은 상기 시준된 광 빔의 직경보다 작은 직경을 갖는 것인, 단계와;
후면 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해 후면 집속된 링 형상의 구조화된 광을 생성하여 물체에 투사하도록, 상기 전면 미러의 광 투과 경로의 하류에 위치된 후면 미러에 의해 상기 지나간 시준된 광 빔의 적어도 부분을 반사하는 단계와;
상기 전면 반사된 링 형상의 광과 상기 후면 반사된 링 형상의 광을 조정하는 단계와;
영역 어레이 검출기에 의해 상기 전면 반사된 링 형상의 광과 상기 후면 반사된 링 형상의 광의 통합된 이미지를 함께 기록하는 단계와;
상기 통합된 이미지에 따라 물체의 적어도 하나의 기하학적 특징을 얻는 단계
를 포함하는 방법.
제 15항에 있어서, 상기 전면 집속된 링 형상의 구조화된 광의 전면 평면은 상기 후면 집속된 링 형상의 구조화된 광의 후면 평면에 평행한 것인 방법.
제 15항에 있어서, 중간 반사된 링 형상의 광을 얻기 위해 상기 전면 집속된 링 형상의 광과 상기 후면 집속된 링 형상의 광 사이에서 중간 집속된 링 형상의 구조화된 광을 생성하여 물체에 투사하도록 상기 시준된 광 빔을 반사하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 15항에 있어서, 전면 반사된 링 형상의 광의 개별 이미지를 기록하는 단계, 및 상기 개별 이미지의 도움으로 상기 통합된 이미지에서 전면 반사된 링 형상의 광으로부터 후면 반사된 링 형상의 광을 분리하는 단계를 더 포함하는 방법.
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