KR102049285B1 - 광학 계측 장치 및 광학 계측 방법 - Google Patents

광학 계측 장치 및 광학 계측 방법 Download PDF

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Abstract

대상물의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 용이하게 제거한다.
광학 계측 장치(100)는, 광을 발하는 광원(10)과, 대상물(TA)에 반사된 반사광의 수광량을 검출하는 수광부(40)와, 반사광의 수광량에 기초하여 광학 계측 장치(100)로부터 대상물(TA)까지의 거리를 계측하는 계측부(51)와, 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물(TA)의 일부를 검출하는 검출부(52)를 구비한다.

Description

광학 계측 장치 및 광학 계측 방법{OPTICAL MEASUREMENT APPARATUS AND OPTICAL MEASUREMENT METHOD}
본 발명은, 광학 계측 장치 및 광학 계측 방법에 관한 것이다.
이러한 광학 측정 장치로서, 투광부로부터 투사된 광을 수광하여 수광량에 대응하는 신호를 출력하는 수광부와, 측정 대상물의 엣지 위치의 검출을 위한 문턱값을 설정하는 설정 수단과, 수광부의 출력 신호에 기초하여 얻어지는 수광량 분포와 설정 수단에 의해 설정된 문턱값의 교점 위치를 개략 엣지 위치로서 구하는 엣지 추출 수단을 구비한 것이 알려져 있다(특허문헌 1 참조). 이 광학 측정 장치에서는, 사용자가 모니터 장치의 표시부를 보면서 수광량 분포의 최대 레벨과 최소 레벨의 사이에 문턱값을 설정함으로써, 수광량 분포와 문턱값의 교점 위치가 개략 엣지 위치로서 구해진다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2002-277207호 공보
여기서, 장치로부터 대상물까지의 거리를 계측할 때에, 예를 들어 대상물의 단부에서의 거리가 실제 거리보다 현저하게 높은 값(비약적으로 돌출된 값)이 되는 경우가 있었다. 이 경우, 장치의 이용자는, 계측한 거리에 발생한 현저하게 높은 값, 즉 노이즈를 실제 거리와는 다른 값인 것을 알아차리지 못하고 사용할 우려가 있었다.
계측한 거리에 발생하는 노이즈를 제거하기 위해, 종래는, 수광량에 대한 문턱값을 미리 설정해 두고, 거리를 계측하였을 때에 대상물로부터의 반사광의 수광량이 이 문턱값보다 낮은 경우 계측한 거리를 제거하였다.
그러나, 반사광의 수광량은, 대상물의 종류에 더하여 거리의 계측 주기, 장치 또는 대상물이 이동하는 경우의 이동 속도 등의 계측 조건에 따라 크게 변화한다. 그 때문에, 종래의 방법에서는, 수광량에 영향을 미치는 계측 조건마다 문턱값을 설정할 필요가 있고, 대상물의 단부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 제거하기는 어려웠다.
그래서, 본 발명은, 대상물의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 용이하게 제거할 수 있는 광학 계측 장치 및 광학 계측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 관한 광학 계측 장치는, 광학 계측 장치로서, 광을 발하는 광원과, 대상물에 반사된 반사광의 수광량을 검출하는 수광부와, 반사광의 수광량에 기초하여, 광학 계측 장치로부터 대상물까지의 거리를 계측하는 계측부와, 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물의 일부를 검출하는 검출부를 구비한다.
이 태양에 의하면, 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물의 일부가 검출된다. 여기서, 단위시간당 수광량은, 단순한 수광량에 비해 계측 조건에 따른 변화가 적고 대상물마다 거의 일정한 값인 것을 본 발명의 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초함으로써, 계측 조건마다 문턱값을 설정하지 않고 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물의 일부를 검출할 수 있고, 이 대상물의 일부를 검출하였을 때에, 계측한 거리를 제거하는 것이 가능해진다. 따라서, 이 대상물의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 계측부는, 검출부가 대상물의 일부를 검출하였을 때에 거리를 계측하지 않아도 된다.
이 태양에 의하면, 검출부가 대상물의 일부를 검출하였을 때에 거리가 계측되지 않는다. 이에 의해, 대상물의 일부에서의 거리에 발생할 수 있는 노이즈의 값을 이용자가 사용할 위험을 저감할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 광은 복수의 파장 성분을 포함하고, 광에 대해 광축 방향을 따르는 색수차를 발생시키고, 색수차를 발생시킨 광을 대상물에 조사하며, 반사광을 집광하는 광학계를 더 구비하고, 수광부는 파장 성분마다 수광량을 검출 가능해도 된다.
이 태양에 의하면, 복수의 파장 성분을 포함한 광에 대해 광축 방향을 따르는 색수차를 발생시키고, 색수차를 발생시킨 광이 대상물에 조사되며, 대상물에 반사된 반사광이 집광되어 파장 성분마다 수광량이 검출 가능해진다. 이에 의해, 대상물의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 제거하는 백색 공초점 방식의 광학 계측 장치를 용이하게 실현할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 계측부는, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 수광량에 기초하여 거리를 계측해도 된다.
이 태양에 의하면, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 수광량에 기초하여 거리가 계측된다. 이에 의해, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에 있어서 피크 이외의 파장 성분이 거리에 미치는 영향을 억제하고, 대상물에 초점이 맞는 피크의 수광량에 기초하여 거리를 계측할 수 있다. 따라서, 광학 계측 장치로부터 대상물까지의 거리를 안정적으로 고정밀도로 계측할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 검출부가 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값을 설정하는 설정부를 더 구비해도 된다.
이 태양에 의하면, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값이 설정된다. 여기서, 대상물의 일부에서의 반사광의 단위시간당 수광량은 대상물의 재료마다 거의 일정하고, 대상물의 일부 이외에서의 반사광의 단위시간당 수광량보다 충분히 작은 값인 것을 본 발명의 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때, 즉 대상물의 일부 이외일 때의 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값을 설정함으로써, 이 문턱값과 반사광의 단위시간당 수광량을 비교함으로써 대상물의 일부를 용이하게 검출할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 설정부는, 검출부가 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 문턱값으로 설정하고, 검출부는, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작을 때에 대상물의 일부를 검출해도 된다.
이 태양에 의하면, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10이 문턱값으로 설정된다. 또한, 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작을 때에 대상물의 일부가 검출된다. 여기서, 대상물의 일부의 반사광의 수광량 분포에 있어서, 대상물의 일부에 초점이 맞는 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량은 대상물의 재료마다 거의 일정하고, 대상물의 일부 이외의 반사광의 수광량 분포에 있어서, 이러한 일부 이외에 초점이 맞는 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10보다 작은 값인 것을 본 발명의 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때, 즉 대상물의 일부 이외일 때의 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 문턱값으로 설정하고, 이 문턱값과, 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량을 비교함으로써 대상물의 일부를 더욱 용이하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 태양에 관한 광학 계측 방법은, 광학 계측 장치가 사용하는 광학 계측 방법으로서, 광을 광원이 발하는 단계와, 대상물에 반사된 반사광의 수광량을 수광부가 검출하는 단계와, 반사광의 수광량에 기초하여, 광학 계측 장치로부터 대상물까지의 거리를 계측부가 계측하는 단계와, 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물의 일부를 검출부가 검출하는 단계를 포함한다.
이 태양에 의하면, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 대상물의 일부가 검출된다. 여기서, 단위시간당 수광량은, 단순한 수광량에 비해 계측 조건에 따른 변화가 적고 대상물마다 거의 일정한 값인 것을 본 발명의 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초함으로써, 계측 조건마다 문턱값을 설정하지 않고 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물의 일부를 검출할 수 있고, 이 대상물의 일부를 검출하였을 때에, 계측한 거리를 제거하는 것이 가능해진다. 따라서, 이 대상물의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 계측하는 단계는, 대상물의 일부를 검출하는 단계에서 대상물의 일부를 검출부가 검출하였을 때에, 거리를 계측부가 계측하지 않는 것을 포함해도 된다.
이 태양에 의하면, 검출부가 대상물의 일부를 검출하였을 때에 거리가 계측되지 않는다. 이에 의해, 대상물의 일부에서의 거리에 발생할 수 있는 노이즈의 값을 이용자가 사용할 위험을 저감할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 광은 복수의 파장 성분을 포함하고, 광에 대해 광축 방향을 따르는 색수차를 발생시키고, 색수차를 발생시킨 광을 대상물에 광학계가 조사하며, 반사광을 광학계가 집광하는 단계를 더 구비하고, 수광부는 파장 성분마다 수광량을 검출 가능해도 된다.
이 태양에 의하면, 복수의 파장 성분을 포함한 광에 대해 광축 방향을 따르는 색수차를 발생시키고, 색수차를 발생시킨 광이 대상물에 조사되며, 대상물에 반사된 반사광이 집광되어 파장 성분마다 수광량이 검출 가능해진다. 이에 의해, 대상물의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 제거하는 백색 공초점 방식의 광학 계측 방법을 용이하게 실현할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 계측하는 단계는, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 수광량에 기초하여, 계측부가 거리를 계측하는 것을 포함해도 된다.
이 태양에 의하면, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 수광량에 기초하여 거리가 계측된다. 이에 의해, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에 있어서, 피크 이외의 파장 성분이 거리에 미치는 영향을 억제하고, 대상물에 초점이 맞는 피크의 수광량에 기초하여 거리를 계측할 수 있다. 따라서, 광학 계측 장치로부터 대상물까지의 거리를 안정적으로 고정밀도로 계측할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 대상물의 일부를 검출하는 단계에서 대상물의 일부를 검출부가 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값을 설정부가 설정하는 단계를 더 포함해도 된다.
이 태양에 의하면, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값이 설정된다. 여기서, 대상물의 일부에서의 반사광의 단위시간당 수광량은 대상물의 재료마다 거의 일정하고, 대상물의 일부 이외에서의 반사광의 단위시간당 수광량보다 충분히 작은 값인 것을 본 발명의 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때, 즉 대상물의 일부 이외일 때의 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값을 설정함으로써, 이 문턱값과 반사광의 단위시간당 수광량을 비교함으로써 대상물의 일부를 용이하게 검출할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 설정하는 단계는, 대상물의 일부를 검출하는 단계에서 대상물의 일부를 검출부가 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 설정부가 문턱값으로 설정하는 것을 포함하고, 대상물의 일부를 검출하는 단계는, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작을 때에, 대상물의 일부를 검출부가 검출하는 것을 포함해도 된다.
이 태양에 의하면, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10이 문턱값으로 설정된다. 또한, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작을 때에, 대상물의 일부가 검출된다. 여기서, 대상물의 일부의 반사광의 수광량 분포에 있어서, 대상물의 일부에 초점이 맞는 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량은 대상물의 재료마다 거의 일정하고, 대상물의 일부 이외의 반사광의 수광량 분포에 있어서, 이러한 일부 이외에 초점이 맞는 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10보다 작은 값인 것을 본 발명의 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때, 즉 대상물의 일부 이외일 때의 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 문턱값으로 설정하고, 이 문턱값과, 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량을 비교함으로써 대상물의 일부를 더욱 용이하게 검출할 수 있다.
본 발명에 의하면, 대상물의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 용이하게 제거할 수 있는 광학 계측 장치 및 광학 계측 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 실시형태에 관한 광학 계측 장치의 개략 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는, 계측한 거리와 단위시간당 수광량의 관계를 예시하는 도면이다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 광학 계측 장치가 계측하는 거리와, 종래예에 관한 광학 계측 장치가 계측하는 거리의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 4는, 센서 헤드의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 5[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다.
도 5는, 센서 헤드의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 1[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다.
도 6은, 센서 헤드의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 500[μs]으로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다.
도 7은, 센서 헤드의 이동 속도가 1[mm/s], 계측 주기가 5[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다.
도 8은, 센서 헤드의 이동 속도가 1[mm/s], 계측 주기가 1[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다.
도 9는, 센서 헤드의 이동 속도가 1[mm/s], 계측 주기가 500[μs]으로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다.
도 10은, 센서 헤드의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 5[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명한다. 또, 각 도면에서 동일한 부호를 부여한 것은 동일 또는 마찬가지의 구성을 가진다.
우선, 도 1을 참조하면서 본 실시형태에 관한 광학 계측 장치의 구성에 대해 설명한다. 도 1은, 본 실시형태에 관한 광학 계측 장치(100)의 개략 구성을 예시하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광학 계측 장치(100)는 광원(10), 도광부(20), 센서 헤드(30), 수광부(40), 제어부(50), 표시부(60)를 구비한다. 광학 계측 장치(100)는, 이 장치로부터, 구체적으로 센서 헤드(30)로부터 대상물(TA)까지의 거리를 소정의 계측 주기로 계측한다. 광학 계측 장치(100)는, 어떤 위치를 기준으로 한 거리의 변화, 즉 변위를 계측해도 된다.
광원(10)은, 복수의 파장 성분을 포함한 광을 발하도록 구성되어 있다. 광원(10)은, 제어부(50)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여 동작하고, 예를 들어 제어 신호에 기초하여 광의 광량을 변경한다. 광원(10)은, 예를 들어 백색 LED(Light Emitting Diode)를 포함하여 구성되고, 백색광을 발생시킨다. 단, 광원(10)이 발하는 광은, 광학 계측 장치(100)에 요구되는 거리 범위를 커버하는 파장 범위를 포함한 광이면 되고, 백색광으로 한정되는 것은 아니다.
도광부(20)는, 광을 전반(傳搬)하기 위한 것이다. 도광부(20)는, 예를 들어 제1 케이블(21)과 제2 케이블(22)과 제3 케이블(23)과 광 커플러(24)를 구비한다.
제1 케이블(21)은, 그 일단(도 1에서 좌단)이 광원(10)과 광학적으로 접속되어 있다. 제2 케이블(22)은, 그 일단(도 1에서 우단)이 센서 헤드(30)와 광학적으로 접속되어 있다. 제3 케이블(23)은, 그 일단(도 1에서 좌단)이 수광부(40)와 광학적으로 접속되어 있다. 제1 케이블(21)의 타단(도 1에서 우단) 및 제3 케이블(23)의 타단(도 1에서 우단)과, 제2 케이블(22)의 타단(도 1에서 좌단)은, 광 커플러(24)를 통해 광학적으로 결합되어 있다.
광 커플러(24)는, 제1 케이블(21)로부터 입사된 광을 제2 케이블(22)에 전송함과 아울러, 제2 케이블(22)로부터 입사된 광을 분할하여 제1 케이블(21) 및 제3 케이블(23)에 각각 전송한다. 또, 광 커플러(24)에 의해 제2 케이블(22)로부터 제1 케이블(21)에 전송된 광은 광원(10)에서 종단된다.
광 커플러(24)는, 예를 들어 융착 연신형(용융 연신형)의 광 커플러를 포함하여 구성된다. 한편, 제1 케이블(21), 제2 케이블(22) 및 제3 케이블(23)은 각각 예를 들어 광파이버로 구성된다. 각 광파이버는, 단일 코어를 갖는 싱글 코어이어도 되고, 복수의 코어를 갖는 멀티 코어이어도 된다.
센서 헤드(30)는, 대상물(TA)에 광을 조사하기 위한 것이다. 또한, 센서 헤드(30)는, 대상물(TA)로부터의 반사광을 집광하기 위한 것이기도 하다. 센서 헤드(30)는, 예를 들어 콜리메이터 렌즈(31)와 회절 렌즈(32)와 대물 렌즈(33)를 구비한다.
콜리메이터 렌즈(31)는, 제2 케이블로부터 입사된 광을 평행광으로 변환하도록 구성되어 있다. 회절 렌즈(32)는, 평행광에 광축 방향을 따르는 색수차를 발생시키도록 구성되어 있다. 대물 렌즈(33)는, 색수차를 발생시킨 광을 대상물(TA)에 모아 조사하도록 구성되어 있다. 회절 렌즈(32)에 의해 축상 색수차를 발생시키므로, 대물 렌즈(33)로부터 조사되는 광은 파장마다 다른 거리(위치)에 초점을 가진다.
도 1에 도시된 예에서는, 초점 거리가 상대적으로 긴 제1 파장의 광(L1)과, 초점 거리가 상대적으로 짧은 제2 파장의 광(L2)을 나타내고 있다. 제1 파장의 광(L1)은 대상물(TA)의 표면에서 초점이 맞는(초점을 맺는) 반면, 제2 파장의 광(L2)은 대상물(TA)의 앞쪽에서 초점이 맞는다(초점을 맺는다).
대상물(TA)의 표면에서 반사된 광은, 대물 렌즈(33) 및 회절 렌즈(32)를 통과하여 콜리메이터 렌즈(31)에서 집광되어 제2 케이블(22)에 입사한다. 반사광 중 제1 파장의 광(L1)은, 공초점이 되는 제2 케이블(22)의 단면에서 초점이 맞고, 그 대부분이 제2 케이블(22)에 입사한다. 한편, 그 밖의 파장의 광은, 제2 케이블(22)의 단면에서 초점이 맞지 않고 제2 케이블(22)에 입사하지 않는다. 제2 케이블(22)에 입사한 반사광은, 광 커플러(24)에 의해 그 일부가 제3 케이블(23)에 전송되어 수광부(40)에 출사된다.
제2 케이블(22)이 광파이버인 경우, 그 코어는 핀홀에 상당한다. 이에 따라, 광파이버의 코어 지름을 작게 함으로써 반사광을 집광하는 핀홀이 작아지고, 대상물(TA)의 표면에 초점이 맞는 파장의 광을 안정적으로 검출할 수 있다.
또, 본 실시형태에 관한 센서 헤드(30)는 본 발명의 「광학계」의 일례에 상당한다.
수광부(40)는, 대상물(TA)의 표면에서 반사되어 센서 헤드(30)에서 집광된 반사광의 수광량을 검출하기 위한 것이다. 수광부(40)는, 예를 들어 콜리메이터 렌즈(41)와 회절 격자(42)와 조정 렌즈(43)와 수광 센서(44)와 처리 회로(45)를 구비한다.
콜리메이터 렌즈(41)는, 제3 케이블로부터 입사된 광을 평행광으로 변환하도록 구성되어 있다. 회절 격자(42)는, 이 평행광을 파장 성분마다 분광(분리)하도록 구성되어 있다. 조정 렌즈(43)는, 분광된 파장별 광의 스폿 지름을 조정하도록 구성되어 있다.
수광 센서(44)는, 분광된 광에 대해 파장 성분마다 수광량을 검출 가능하게 구성되어 있다. 수광 센서(44)는, 복수의 수광 소자를 포함하여 구성된다. 각 수광 소자는, 회절 격자(42)의 분광 방향에 대응시켜 1차원으로 배열되어 있다. 이에 의해, 각 수광 소자는 분광된 각 파장 성분의 광에 대응하여 배치된다. 또, 각 수광 소자는, 회절 격자(42)의 분광 방향을 포함한 검출면 상에 2차원으로 배열되어 있어도 된다.
각 수광 소자는, 처리 회로(45)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여, 소정의 노광 시간 동안에 수광한 광의 수광량에 따라 전하를 축적한다. 그리고, 각 수광 소자는, 처리 회로(45)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여 노광 시간 이외, 즉 비노광 시간 동안에 축적한 전하에 따른 전기 신호를 출력한다. 이에 의해, 노광 시간에 수광한 수광량이 전기 신호로 변환된다.
처리 회로(45)는, 수광 센서(44)에 의한 수광을 제어하도록 구성되어 있다. 또한, 처리 회로(45)에는, 수광 센서(44)의 각 수광 소자로부터 입력되는 전기 신호에 대해 제어부(50)에 출력하기 위한 신호 처리를 행하도록 구성되어 있다. 처리 회로(45)는, 예를 들어 증폭 회로와 A/D(Analog-to-Digital) 변환 회로를 포함하여 구성된다. 증폭 회로는, 각 수광 소자로부터 입력된 전기 신호를 소정의 게인으로 각각 증폭한다. 그리고, A/D 변환 회로는, 증폭된 각 수광 소자의 전기 신호에 대해 표본화, 양자화 및 부호화를 행하여 디지털 신호로 변환한다. 이에 의해, 각 수광 소자가 검출한 수광량이 디지털 값으로 변환된다.
제어부(50)는, 광학 계측 장치(100)의 각 부의 동작을 제어하도록 구성되어 있다. 제어부(50)는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit) 등의 마이크로프로세서와, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 버퍼 메모리 등의 메모리를 포함하여 구성된다. 제어부(50)는, 그 기능 구성으로서, 예를 들어 계측부(51)와 검출부(52)와 설정부(53)를 구비한다.
계측부(51)는, 반사광의 수광량에 기초하여 광학 계측 장치(100)로부터 대상물(TA)까지의 거리, 상세하게는 센서 헤드(30)로부터 대상물(TA)까지의 거리를 계측하도록 구성되어 있다. 도 1에 도시된 예에서는, 이러한 거리는 Z축 방향의 거리이다. 구체적으로, 계측부(51)는, 수광 센서(44)의 각 수광 소자에 의해 출력된 전기 신호로부터 대상물(TA)의 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포를 얻는다. 그리고, 계측부(51)는, 이 수광량 분포에서의 피크의 파장에 기초하여 거리를 계측한다.
전술한 바와 같이, 센서 헤드(30)로부터 초점이 맞는 점까지의 거리는 파장에 따라 다르므로, 수광 센서(44)로부터 얻은 수광량 분포에서의 피크의 파장은, 센서 헤드(30)로부터 조사되어 대상물(TA)에서 초점이 맞는 광의 파장이다. 그리고, 이러한 파장은 센서 헤드(30)로부터 대상물(TA)까지의 거리에 대응한다. 도 1에 도시된 예에서는, 대상물(TA)의 표면에서 초점이 맞는 제1 파장의 광(L1)이 수광량 분포의 피크의 파장으로서 나타난다.
파장과 거리의 관계(대응)는, 제어부(50)의 메모리 등에 미리 기억된다. 계측부(51)가 이 관계를 참조함으로써, 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분에 기초하여 거리가 계측된다. 이에 의해, 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에 있어서, 피크 이외의 파장 성분이 거리에 미치는 영향을 억제하고, 대상물(TA)에 초점이 맞는 피크의 파장 성분에 기초하여 거리를 계측할 수 있다. 따라서, 광학 계측 장치(100)로부터 대상물(TA)까지의 거리를 안정적으로 고정밀도로 계측할 수 있다.
검출부(52)는, 반사광의 단위시간당 수광량이 후술하는 문턱값보다 작은 대상물(TA)의 단부를 검출하도록 구성되어 있다. 단위시간당 수광량은, 수광량을 노광 시간으로 나누어 구해진다.
여기서, 도 2 및 도 3을 참조하면서 대상물(TA)의 단부 검출에 대해 설명한다. 도 2는, 계측한 거리와 단위시간당 수광량의 관계를 예시하는 도면이다. 도 2의 그래프에서, 가로축은 도 1에 도시된 X축 방향의 위치이고, 한쪽의 세로축(도 2에서 좌측의 세로축)은 광학 계측 장치(100)에서 계측한 거리이며, 다른 쪽의 세로축(도 2에서 우측의 세로축)은 수광량/노광 시간이다. 도 3은, 본 실시형태에 관한 광학 계측 장치(100)가 계측하는 거리와, 종래예에 관한 광학 계측 장치가 계측하는 거리의 관계를 예시하는 그래프이다. 도 3에서, 가로축은 도 1에 도시된 X축 방향의 위치이고, 세로축은 광학 계측 장치(100) 또는 종래예에 관한 광학 계측 장치에서 계측한 거리이다. 또한, 도 2 및 도 3에서의 거리는, 대상물(TA)에 대해 센서 헤드(30) 또는 종래예에 관한 센서 헤드를 도 1에 도시된 X축 방향으로 이동시켜 계측된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 대상물(TA)의 한쪽 단부(도 2에서 좌단부)에서 점선으로 나타내는 계측부(51)가 계측한 거리에는 노이즈(비약적으로 돌출된 값)가 발생하고 있다. 한편, 실선으로 나타내는 수광량/노광 시간, 즉 단위시간당 수광량은, 이 한쪽 단부에서 거의 일정한 값이다. 여기서, 단위시간당 수광량은, 단순한 수광량에 비해 계측 조건에 따른 변화가 적고 대상물마다 거의 일정한 값인 것을 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초함으로써, 계측 조건마다 문턱값을 설정하지 않고 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물(TA)의 단부를 검출할 수 있고, 대상물(TA)의 단부를 검출하였을 때에, 계측한 거리를 제거하는 것이 가능해진다. 따라서, 대상물(TA)의 단부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
검출부(52)가 대상물(TA)의 단부를 검출하였을 때에, 계측부(51)는, 센서 헤드(30)로부터 대상물(TA)까지의 거리를 계측하지 않도록 구성되어 있다. 이는, 예를 들어 검출부(52)가 대상물(TA)의 단부를 검출하였을 때에, 계측부(51)가 거리를 계측하지 않고 기준값, 일례로는 「제로」를 출력함으로써 실현된다. 혹은, 검출부(52)가 대상물(TA)의 단부를 검출하였을 때에, 계측부(51)가 계측한 거리를 메모리 등에 기억시켜 기록을 남기는 한편, 표시부(60)에 출력하지 않음으로써 실현해도 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 점선으로 나타내는 종래예에 관한 광학 계측 장치가 계측하는 거리는, 일부의 범위에서 노이즈(비약적으로 돌출된 값)가 발생하고 있다. 한편, 실선으로 나타내는 광학 계측 장치(100)가 계측하는 거리는, 이러한 범위에서 계측부(51)가 계측한 거리를 표시하지 않는다. 이와 같이, 검출부(52)가 대상물(TA)의 단부를 검출하였을 때에, 계측부(51)가 거리를 계측하지 않음으로써, 대상물(TA)의 단부에서의 거리에 발생할 수 있는 노이즈의 값을 이용자가 사용할 위험을 저감할 수 있다.
도 1의 설명으로 되돌아가면, 설정부(53)는, 검출부(52)가 대상물(TA)의 단부를 검출하지 못하였을 때에, 대상물(TA)의 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값을 설정하도록 구성되어 있다. 설정부(53)에 설정된 문턱값은, 예를 들어 검출부(52)가 단부를 검출하지 못한 대상물(이하, 「제1 대상물」이라고 함) 후에 거리가 계측되는 대상물로서, 제1 대상물과 동일 재료의 대상물(이하, 「제2 대상물」이라고 함)에 적용된다. 단, 설정부(53)에 설정된 문턱값은, 검출부(52)가 단부를 검출하지 못한 대상물과 동일한 대상물에 적용해도 된다.
설정부(53)에 의해 문턱값이 설정되는 경우, 검출부(52)는, 제1 대상물과 동일 재료인 제2 대상물의 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작을 때에 제2 대상물의 단부를 검출해도 된다. 여기서, 대상물의 단부에서의 반사광의 단위시간당 수광량은 대상물의 재료마다 거의 일정하고, 대상물의 단부 이외에서의 반사광의 단위시간당 수광량보다 충분히 작은 값인 것을 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 제1 대상물의 단부를 검출하지 못하였을 때, 즉 제1 대상물의 단부 이외일 때의 반사광의 단위시간당 수광량에 기초한 문턱값을 설정함으로써, 이 문턱값과, 동일 재료인 제2 대상물의 반사광의 단위시간당 수광량을 비교함으로써 제2 대상물의 단부를 용이하게 검출할 수 있다.
또한, 설정부(53)는, 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량에 기초하여 문턱값을 설정해도 된다.
예를 들어, 설정부(53)는, 검출부(52)가 제1 대상물의 단부를 검출하지 못하였을 때에, 제1 대상물의 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 문턱값으로 설정해도 된다. 이 경우, 검출부(52)는, 제2 대상물의 반사광의 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작을 때에 제2 대상물의 단부를 검출해도 된다. 여기서, 대상물의 단부의 반사광의 수광량 분포에 있어서, 대상물의 단부에 초점이 맞는 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량은 대상물의 재료마다 거의 일정하고, 대상물의 단부 이외의 반사광의 수광량 분포에 있어서, 이러한 단부 이외에 초점이 맞는 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10보다 작은 값인 것을 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 제1 대상물의 단부를 검출하지 못하였을 때, 즉 제1 대상물의 단부 이외일 때의 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 문턱값으로 설정하고, 이 문턱값과, 동일 재료인 제2 대상물의 반사광의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량을 비교함으로써 제2 대상물의 단부를 더욱 용이하게 검출할 수 있다.
표시부(60)는, 계측된 거리를 표시하도록 구성되어 있다. 표시부(60)는, 설정 내용, 동작 상태, 통신 상태 등을 더 표시하도록 구성되어 있어도 된다. 표시부(60)는, 예를 들어 복수 자릿수의 7 또는 11 세그먼트 디스플레이와, 복수 색으로 발광하는 표시등을 포함하여 구성된다.
다음에, 도 4부터 도 9를 참조하면서 복수의 다른 계측 조건 하에서의 광학 계측 장치(100)의 계측 결과를 설명한다. 도 4는, 센서 헤드(30)의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 5[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다. 도 5는, 센서 헤드(30)의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 1[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다. 도 6은, 센서 헤드(30)의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 500[μs]으로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다. 도 7은, 센서 헤드(30)의 이동 속도가 1[mm/s], 계측 주기가 5[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다. 도 8은, 센서 헤드(30)의 이동 속도가 1[mm/s], 계측 주기가 1[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다. 도 9는, 센서 헤드(30)의 이동 속도가 1[mm/s], 계측 주기가 500[μs]으로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다. 각 도면에서, 가로축은 도 1에 도시된 X축 방향의 위치이며, 세로축은 광학 계측 장치(100)에서 계측한 거리이다. 또한, 센서 헤드(30)의 이동 방향은 도 1에 도시된 X축 방향이며, 대상물(TA)은 그 재료로서 스텐레스(SUS)로 구성되어 있다. 또한, 비교를 위해 종래예에 관한 광학 계측 장치에서 계측한 거리를 점선으로 나타낸다.
도 4부터 도 9에 도시된 바와 같이, 점선으로 나타내는 종래예에 관한 광학 계측 장치가 계측하는 거리는, 각각의 계측 조건에서 대상물의 단부라고 생각되는 일부 범위에서 노이즈(비약적으로 돌출된 값)가 발생하고 있다. 이에 반해, 실선으로 나타내는 광학 계측 장치(100)가 계측하는 거리는, 이러한 범위에서 거리가 계측되지 않는다. 도 4부터 도 9에서는, 모두 동일 재료의 대상물(TA)의 거리를 계측하고 있으므로, 검출부(52)는, 설정부(53)가 설정하는 문턱값에 관해 다른 계측 조건이어도 동일한 것을 이용하여 대상물(TA)의 단부를 검출하고 있다.
다음에, 도 10을 참조하면서 다른 재료의 대상물(TA)에 대한 광학 계측 장치(100)의 계측 결과를 설명한다. 도 10은, 센서 헤드(30)의 이동 속도가 5[mm/s], 계측 주기가 5[ms]로 계측한 거리를 예시하는 그래프이다. 즉, 도 10은, 전술한 도 4와 동일한 계측 조건으로 계측한 그래프이다. 도 10에서, 가로축은 도 1에 도시된 X축 방향의 위치이며, 세로축은 광학 계측 장치(100)에서 계측한 거리이다. 또한, 센서 헤드(30)의 이동 방향은 도 1에 도시된 X축 방향이며, 대상물(TA)은 그 재료로서 유리로 구성되어 있다. 또한, 비교를 위해 종래예에 관한 광학 계측 장치에서 계측한 거리를 점선으로 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, 실선으로 나타내는 광학 계측 장치(100)가 계측하는 거리는, 도 4부터 도 9와 마찬가지로 대상물의 단부라고 생각되는 범위에서 거리가 계측되지 않는다. 도 10에서는, 도 4부터 도 9의 예와는 다른 재료의 대상물(TA)의 거리를 계측하고 있으므로, 설정부(53)는 도 4부터 도 9의 예와는 다른 문턱값을 설정한다. 검출부(52)는, 이 도 4부터 도 9의 예와는 다른 문턱값을 이용하여 대상물(TA)의 단부를 검출하고 있다.
본 실시형태에서는, 검출부(52)가 대상물(TA)의 단부를 검출하는 예를 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 검출부(52)는, 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물(TA)의 일부이면, 예를 들어 대상물(TA)의 요철이나 흠집 등을 검출해도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 광학 계측 장치(100)가 백색 공초점 방식인 예를 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 광학 계측 장치는, 예를 들어 삼각 측거 방식이어도 된다. 이 경우, 광학 계측 장치는, 광을 발하는 광원과, 대상물(TA)에 반사된 반사광의 수광량을 검출하는 수광부와, 반사광의 수광량에 기초하여, 광학 계측 장치로부터 대상물(TA)까지의 거리를 계측하는 계측부와, 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물의 단부를 검출하는 검출부를 구비하고 있으면 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물의 단부가 검출된다. 여기서, 단위시간당 수광량은, 단순한 수광량에 비해 계측 조건에 따른 변화가 적고 대상물마다 거의 일정한 값인 것을 본 발명의 발명자는 알아내었다. 이에 따라, 반사광의 단위시간당 수광량에 기초함으로써, 계측 조건마다 문턱값을 설정하지 않고 반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물(TA)의 일부를 검출할 수 있고, 대상물(TA)의 단부를 검출하였을 때에, 계측한 거리를 제거하는 것이 가능해진다. 따라서, 대상물(TA)의 일부에서 계측한 거리에 발생할 수 있는 노이즈를 용이하게 제거할 수 있다.
이상 설명한 실시형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하여 해석하기 위한 것이 아니다. 실시형태가 구비하는 각 요소와 그 배치, 재료, 조건, 형상 및 크기 등은, 예시한 것에 한정되는 것은 아니고 적절히 변경할 수 있다. 또한, 다른 실시형태에서 나타낸 구성끼리를 부분적으로 치환하거나 조합하는 것이 가능하다.
(부기)
1. 광학 계측 장치(100)로서,
광을 발하는 광원(10)과,
대상물(TA)에 반사된 반사광의 수광량을 검출하는 수광부(40)와,
반사광의 수광량에 기초하여, 광학 계측 장치(100)로부터 대상물(TA)까지의 거리를 계측하는 계측부(51)와,
반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물(TA)의 일부를 검출하는 검출부(52)를 구비하는 광학 계측 장치(100).
7. 광학 계측 장치(100)가 사용하는 광학 계측 방법으로서,
광을 광원(10)이 발하는 단계와,
대상물(TA)에 반사된 반사광의 수광량을 수광부(40)가 검출하는 단계와,
반사광의 수광량에 기초하여, 광학 계측 장치(100)로부터 대상물(TA)까지의 거리를 계측부(51)가 계측하는 단계와,
반사광의 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 대상물(TA)의 일부를 검출부(52)가 검출하는 단계를 포함하는 광학 계측 방법.
10…광원, 20…도광부, 21…제1 케이블, 22…제2 케이블, 23…제3 케이블, 24…광 커플러, 30…센서 헤드, 31…콜리메이터 렌즈, 32…회절 렌즈, 33…대물 렌즈, 40…수광부, 41…콜리메이터 렌즈, 42…회절 격자, 43…조정 렌즈, 44…수광 센서, 45…처리 회로, 50…제어부, 51…계측부, 52…검출부, 53…설정부, 60…표시부, 100…광학 계측 장치, L1, L2…광, TA…대상물

Claims (12)

  1. 광학 계측 장치로서,
    광을 발하는 광원과,
    대상물에 반사된 반사광의 수광량을 검출하는 수광부와,
    상기 반사광의 수광량에 기초하여, 상기 광학 계측 장치로부터 상기 대상물까지의 거리를 계측하는 계측부와,
    상기 반사광의, 상기 수광부가 검출한 수광량을 그 수광부의 노광 시간으로 나눈 값인 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 상기 대상물의 일부를 검출하는 검출부를 구비하는 광학 계측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 계측부는, 상기 검출부가 상기 대상물의 일부를 검출하였을 때에 상기 거리를 계측하지 않는 광학 계측 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광은 복수의 파장 성분을 포함하고,
    상기 광에 대해 광축 방향을 따르는 색수차를 발생시키고, 색수차를 발생시킨 광을 상기 대상물에 조사하며, 상기 반사광을 집광하는 광학계를 더 구비하고,
    상기 수광부는, 상기 파장 성분마다 수광량을 검출 가능한 광학 계측 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 계측부는, 상기 반사광의 상기 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 수광량에 기초하여 상기 거리를 계측하는 광학 계측 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 검출부가 상기 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 상기 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 상기 문턱값을 설정하는 설정부를 더 구비하는 광학 계측 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 설정부는, 상기 검출부가 상기 대상물의 일부를 검출하지 못하였을 때에, 상기 반사광의 상기 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 상기 문턱값으로 설정하고,
    상기 검출부는, 상기 반사광의 상기 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량이 상기 문턱값보다 작을 때에 상기 대상물의 일부를 검출하는 광학 계측 장치.
  7. 광학 계측 장치가 사용하는 광학 계측 방법으로서,
    광을 광원이 발하는 단계와,
    대상물에 반사된 반사광의 수광량을 수광부가 검출하는 단계와,
    상기 반사광의 수광량에 기초하여, 상기 광학 계측 장치로부터 상기 대상물까지의 거리를 계측부가 계측하는 단계와,
    상기 반사광의, 상기 수광부가 검출한 수광량을 그 수광부의 노광 시간으로 나눈 값인 단위시간당 수광량이 문턱값보다 작은 상기 대상물의 일부를 검출부가 검출하는 단계를 포함하는 광학 계측 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 계측하는 단계는, 상기 대상물의 일부를 검출하는 단계에서 상기 대상물의 일부를 상기 검출부가 검출하였을 때에, 상기 거리를 상기 계측부가 계측하지 않는 것을 포함하는 광학 계측 방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 광은 복수의 파장 성분을 포함하고,
    상기 반사광의 수광량을 수광부가 검출하는 단계 이전에, 상기 광에 대해 광축 방향을 따르는 색수차를 발생시키고, 색수차를 발생시킨 광을 대상물에 광학계가 조사하며, 상기 반사광을 상기 광학계가 집광하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수광부는, 상기 파장 성분마다 수광량을 검출 가능한 광학 계측 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 계측하는 단계는, 상기 반사광의 상기 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 수광량에 기초하여, 상기 계측부가 상기 거리를 계측하는 것을 포함하는 광학 계측 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 대상물의 일부를 검출하는 단계에서 상기 대상물의 일부를 상기 검출부가 검출하지 못하였을 때에, 상기 반사광의 단위시간당 수광량에 기초하여 상기 문턱값을 설정부가 설정하는 단계를 더 포함하는 광학 계측 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 설정하는 단계는, 상기 대상물의 일부를 검출하는 단계에서 상기 대상물의 일부를 상기 검출부가 검출하지 못하였을 때에, 상기 반사광의 상기 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량의 1/10을 상기 설정부가 상기 문턱값으로 설정하는 것을 포함하고,
    상기 대상물의 일부를 검출하는 단계는, 상기 반사광의 상기 파장 성분마다의 수광량 분포에서의 피크의 파장 성분의 단위시간당 수광량이 상기 문턱값보다 작을 때에, 상기 대상물의 일부를 상기 검출부가 검출하는 것을 포함하는 광학 계측 방법.
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