KR102069904B1 - 오브젝트의 3d 구조를 검출하는 장치 - Google Patents

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Abstract

오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치 (1) 가, 제 1 파장을 갖는 레이저 방사선을 생성하는 제 1 레이저 방사체 (2a), 제 1 파장과 상이한 제 2 파장을 갖는 레이저 방사선을 생성하는 제 2 레이저 방사체 (2b), 적어도 하나가 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 레이저 방사선을 각각의 경우에 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할하는 빔 스플리터 (4) 이며 조사 방사선 (6) 이 측정될 오브젝트 (15) 에 충돌하며 오브젝트 (15) 에 의해 오브젝트 방사선 (21) 으로서 반사되고 레퍼런스 방사선 (5) 과 간섭하는, 광학 디바이스들 (4, 9, 10, 13, 14), 및 이들로부터 형성된 간섭 패턴들을 수신하는 검출기 (12) 를 포함한다. 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 은 제 1 레이저 방사체 (2a) 의 조사 방사선 (6) 및 제 2 레이저 방사체 (2b) 의 조사 방사선 (6) 이 오브젝트 (15) 에 상이한 입사각들로 충돌하는 방식으로 위치된다. 장치 (1) 는, 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 레이저 방사선의 2 개의 파장들을 측정하고 간섭 패턴들의 기록에 영향을 미치는 측정 디바이스 (27) 를 더 포함한다.

Description

오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치{APPARATUS FOR DETECTING A 3D STRUCTURE OF AN OBJECT}
본 발명은, 제 1 파장을 갖는 레이저 방사선을 생성하는 제 1 레이저 방사체, 제 1 파장과는 상이한 제 2 파장을 갖는 레이저 방사선을 생성하는 제 2 레이저 방사체, 적어도 하나가 레이저 방사체들의 레이저 방사선을 각각의 경우에 레퍼런스 방사선 및 조사 (illuminating) 방사선으로 분할하는 빔 스플리터인 광학 디바이스들을 포함하는, 오브젝트의 3차원 구조를 검출하는 장치에 관한 것이다. 조사 방사선은 측정될 오브젝트에 충돌하며 (impinge), 그 오브젝트에 의해 오브젝트 방사선으로서 반사되고, 레퍼런스 방사선과 간섭한다. 그 장치의 검출기는 그 결과적인 간섭 패턴을 수신한다.
3D 구조들을 검출하는 장치들은, 예를 들어, 품질 보증을 위해 업계에서 사용된다. 즉, 가공된 표면들은 그것들의 품질에 대해, 예를 들어, 치수 정밀도에 대한 고수 (adherence) 및/또는 미리 정의된 거칠기에 대한 고수를 위해 검사될 수 있다. 더욱이, 이러한 장치들을 이용하여 전체 오브젝트들을 디지털적으로 검출하고 3차원적으로 매핑하는 것이 또한 가능하다.
이러한 장치 US 6,809,845 B1에서 알려져 있다. 이는 홀로그래피의 원리에 따라 동작한다. 상이한 파장들을 갖는 2 개의 레이저 빔들이 2 개의 레이저들에 의해 생성된다. 각각의 레이저 빔은 측정될 오브젝트에 충돌하는 오브젝트 빔과, 레퍼런스 빔으로 분할된다. 오브젝트로부터 반사된 오브젝트 빔과, 하나의 파장의 부속 레퍼런스 빔은 결합되고 서로 간섭하며, 2 개의 빔들 사이의 위상 관계들은 기록된다. 오브젝트의 반사 표면의 3차원 모델은 제 1 파장을 갖는 레이저 빔에 의해 생성된 위상 관계들 및 제 2 파장을 갖는 레이저 빔에 의해 생성된 위상 관계들 사이의 차이의 도움으로 만들어질 수 있다. 레이저들, Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet) 레이저 및 HeNe (helium neon) 레이저 외에도, 장치는 복수의 거울들, 빔 스플리터들, 필터들, 및 개구 (aperture) 들을 포함한다. 장치의 요구된 공간 요건은 크다.
US 8,068,235 B1은 또한 표면 구조들의 3차원 검출을 위한 장치를 개시한다. 2 개의 레이저 소스들이 레이저 빔을 생성한다. 이들 레이저 빔들의 부분들은 복합 빔으로 결합되며, 그 복합 빔이 측정될 오브젝트에 충돌한다. 그 다음에 그것은 오브젝트에 의해 반사되고 카메라에 의해 검출된다. 방출된 레이저 빔들의 나머지 부분들은 카메라에 상이한 입사각들을 갖는 레퍼런스 빔들로서 충돌한다. 레이저 빔들이 빔 스플리터들을 통해 부분적으로 결합되므로, 장치는 증가된 공간 요건을 가진다.
양쪽 특허 명세서들에서, 둘 이상의 파장들의 광이 동일한 각도들로 오브젝트에 충돌한다. 이는, 다소 거친 표면 오브젝트의 후방산란된 광에서의 광의 파 성질의 결과로서, 이른바 보강적 (밝은) 및 파괴적 (어두운) 간섭의 영역들이 발생하기 때문에, 이른바 스펙클 잡음 (speckle noise) 을 유발한다. 이에 의해 오브젝트는 관측자에게 "입상화 (granular)"를 나타내 보이며, 이는 스펙클 또는 스펙클 잡음으로 지정된다.
전술한 이유로, 달성하려는 목적은 오브젝트의 3D 구조를 검출할 뿐만 아니라 스펙클 잡음을 최소화하는 콤팩트 장치를 제공하는 것이다.
청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 장치는 그 목적을 해결하기 위한 출발점으로서 취해진다. 그 목적은 청구범위 제 1 항의 특징 부분에 주어진 구성적 특징들에 의해 해결된다.
그 장치는 레이저 방사체들의 레이저 방사선의 2 개의 파장들을 측정하는 측정 디바이스를 포함한다. 그 측정 디바이스는 검출기에 의한 간섭 패턴들의 기록들에 영향을 준다. 예를 들어, 온도 변화들과 같은 교란적 영향들은, 레이저 방사체들이 변동하는 파장들을 갖는 방사선을 생성하는 결과를 가질 수 있다. 측정 디바이스의 도움으로, 레이저 방사체들에 의해 생성된 레이저 방사선의 파장들 및 그 파장들의 시간 거동이 간섭 패턴들을 평가하는 경우에 정확히 알려지는 것이 보장된다.
선택사항으로, 측정 디바이스는 레이저 방사체들의 레이저 방사선의 파장들의 시간 거동을 측정하며, 여기서 제어 디바이스는 실질적으로 일정한 파장들의 경우에 검출기를 작동시키고 간섭 패턴들의 기록을 트리거한다.
그러므로 이는 장치가 선택사항으로 레이저 방사체들의 레이저 방사선의 파장들의 시간 거동이 측정되는 것을 허용하는 측정 디바이스를 포함한다는 것 및 측정 디바이스가 선택사항으로 실질적으로 일정한 파장들의 경우에 검출기를 작동시키기에 그리고 간섭 패턴들의 기록을 트리거하기에 적합한 제어 디바이스에 접속된다는 것을 의미한다.
검출기에 의한 간섭 패턴들의 기록 동안, 파장들의 시간 거동이 실질적으로 일정하면 이롭다. 본 발명의 맥락에서, 용어 실질적으로 일정한 파장들은 파장 변동들이 방출된 파장의 10-6 및 10-7 배의 범위에, 즉 약 0.1 - 1 pm의 범위에 있는 것으로 이해된다. 간섭 패턴들이 바람직하게는 10 - 100 ㎲의 노출 시간으로 기록된다. 짧은 노출 시간은 적당히 움직이는 오브젝트들로도 위상에 민감한 기록이 흐릿해지지 않는 것을 보장한다.
장치가, 측정 디바이스의 측정 결과들에 의존하여, 방출된 레이저 방사선의 파장들이 실질적으로 일정한 방식으로 레이저 방사체들을 조절하는 조절 디바이스를 가지는 것이 또한 실현가능하다.
레이저 방사체들은 제 1 레이저 방사체의 조사 방사선 및 제 2 레이저 방사체의 조사 방사선이 상이한 입사각들로 오브젝트에 충돌하는 방식으로 위치된다. 바람직하게는 개별 레이저 방사체의 조사 방사선은 비교적 작은 입사각으로 오브젝트에 충돌한다. 예를 들어, 2 개의 레이저 방사체들로, 전형적인 입사각은 약 0.11°이다. 본 발명의 맥락에서 이롭게는 2 개를 초과하는 - 즉, 예를 들어, 8 개의 - 레이저 방사체들을 사용하는 경우, 조사 방사선은 많아야 1°, 바람직하게는 약 0.8°의 입사각들로 오브젝트에 충돌하는 것으로 확인되었다. 조사 방사선의 큰 입사각들도 또한 실현가능하다.
바람직하게는 레이저 방사체들은 적어도 100 mW의 총 전력을 갖는 레이저 방사선을 방출하며, 여기서 총 전력은 노출 시간에 강하게 의존한다.
용어 조사 방사선은, 본 발명의 맥락에서, 측정될 오브젝트에 충돌하는 방출된 레이저 방사선의 부분으로서 이해된다. 용어 오브젝트 방사선은 오브젝트에서 반사된 조사 방사선을 나타낸다. 레퍼런스 방사선은, 레퍼런스로 변경되지 않은 오브젝트 방사선과 간섭하고 검출기에 충돌하는, 방출된 레이저 방사선의 부분이다.
본 발명의 맥락에서 본 발명에 따른 장치는 또한 인간의 입의 영역에서 사용될 수 있다는 것이 확인되었다. 특히, 내부 입 부위에서 표면들 및 오브젝트들을 검출하는 장치를, 예를 들어, 치과 스캐너로서 사용하는 것이 실현가능하다. 이들 요건들을 충족하기 위하여, 장치는 바람직하게는 해당하는 치수들을 가지며, 이는 내부 입 부위 안으로 장치의 적어도 부분적 삽입을 가능하게 한다.
측정 디바이스를 파브리 페로 간섭계 (Fabry Perot interferometer) 로서 구성하는 것이 편리하다. 파브리 페로 간섭계는 선행 기술로부터 일반적으로 알려져 있다. 본원의 경우, 파브리 페로 간섭계의 공진기는, 각각의 경우에 거울들이 진공 증착된, 2 개의 글래스 판들을 포함한다. 공진기의 공진 조건들에 의존하여, 특정 파장들을 갖는 레이저 방사선이 진공 증착된 거울들을 투과하고 본원의 경우 검출기 어레이에 의해 검출된다. 파브리 페로 간섭계의 도움으로, 개별 레이저 방사체들이 레이저 방사선을 방출하는 파장들을 특정 파장 범위에서 정확히 측정하는 것이 가능하다. 파브리 페로 간섭계는 레이저 방사체들에 의해 방출된 레이저 방사선의 파장들의 특정한 기본적 안정성을 요구한다. 그러나, 오늘날의 레이저 방사체들은 이러한 기본적 안정성을 제공할 수 있다.
바람직하게는 제 1 레이저 방사체 및 제 2 레이저 방사체는 공통 방사체 칩 상에 서로 이격되게 위치된다. 예를 들어, 레이저 방사체들은 멀티레이저 다이오드들로서 구성된다. 바람직하게는 개개의 레이저 방사체들은 서로로부터 많아야 0.5 mm의 거리에, 특히 바람직하게는 많아야 0.2 mm의 거리에, 특별히 바람직하게는 많아야 0.1 mm의 거리에 위치된다.
이러한 작은 거리들로 인해, 다수의 방사체들이 매우 좁은 설치 공간에서 가능하다. 복수의 방사체들이 파장 그룹을 형성하며, 그 파장 그룹에 의해 오브젝트의 3D 표면 정보 및 그 오브젝트 상의 개개의 물점 (object point) 들 (오브젝트 상의 표면 포인트들) 의 깊이에 관한 정보가 검출될 수 있다. 둘 이상의 파장 그룹들은 또한 스펙클의 감소를 구현하기 위하여 동일한 칩 상에 위치된다.
장치는 이롭게는 많아야 32 개의 레이저 방사체들을 포함하며, 바람직하게는 많아야 16 개의 레이저 방사체들이 각각의 경우에 하나의 방사체 칩 상에 위치된다. 예를 들어, 하나의 방사체 칩 상에 위치된 모든 16 개 레이저 방사체들은 각각 상이한 파장을 갖는 레이저 방사선을 방출한다. 모든 16개 레이저 방사체들은, 중심 파장이 할당할 수 있는 파장 그룹을 형성한다. 본 발명의 맥락에서, 중심 파장은 하나의 파장 그룹의 레이저 방사체들에 의해 방출된 모든 파장들의 평균으로서 이해된다.
그러나, 각각이 방사체 칩 상에서 서로 이웃하는 4 개의 레이저 방사체들의 4 개의 행들로 16 개 레이저 방사체들을 위치시키는 것이 또한 실현가능하다. 4 개의 레이저 방사체들을 각각 갖는 각각의 행은 중심 파장에 할당될 수 있는 파장 그룹을 형성한다. 하나의 파장 그룹의 레이저 방사체들의 각각은 상이한 파장을 갖는 레이저 방사선을 방출한다. 개개의 행들, 즉 상이한 파장 그룹들은, 바람직하게는 그들의 중심 파장들이 일치한다.
중심 파장은 바람직하게는 750 및 850 nm 사이, 특히 약 800 nm일 수 있다. 대략 950 nm 또는 심지어 1300 nm의 중심 파장들이 또한 가능하다. 가시 스펙트럼 범위에서의 중심 파장들이 또한 가능하지만, 이는 달성하기 위해 기술적으로 부담이 크다.
바람직하게는 1 개의, 2 개의, 또는 4 개의 파장 그룹들이 하나의 방사체 칩 상에 위치되는 추가의 구성들이 실현가능하다. 하나의 파장 그룹에서의 레이저 방사체들의 수는 가변할 수 있고 4 개의, 16 개의, 또는 32 개의 레이저 방사체들로 고정되지 않는다. 또한 개개의 파장들에 관련한 방사체들의 배열은 반드시 단조롭게 증가하거나 또는 감소할 필요는 없으며 또한 "랜덤"일 수도 있다. 마찬가지로, 방사체 칩 상의 그룹들의 수는 설명되는 수와는 상이할 수 있다.
스펙클의 감소가 달성될 수 있으므로 서로 이웃한 하나의 방사체 칩 상에 복수의 파장 그룹들을 위치시키는 것이 이롭다. 스펙클 패턴이 오브젝트의 불균일한 표면에서 레이저 방사선의 반사에 의해 형성되며, 그 구성은 오브젝트에 대한 조사 방사선의 입사각에 강하게 의존하고 오브젝트 식별을 어렵게 만든다. 복수의 파장 그룹들이 방사체 칩 상에 서로 이웃하게 위치되면, 조사 방사선의 입사각에 대한 큰 각도 스펙트럼이 생성된다. 그러면, 각각의 파장 그룹에 대해, 동일 조사된 물점들의 깊이 정보는 상이한 평균 입사각들에서 검출된다. 평균 입사각은, 하나의 파장 그룹의 입사각들에 대해 평균된 입사각으로서 이해된다. 파장 그룹들에 대한 깊이 정보의 평균화는 스펙클 패턴의 영향이 감소되게 한다.
스펙클의 감소가 달성될 것이면, 상이한 파장 그룹들이 그것들의 중심 파장들에 일치하는 것이 이롭다. 이에 의해 간섭 패턴들의 후속 평가에서의 지출은 낮게 유지된다. 그러나, 개개의 파장 그룹들이 상이한 중심 파장들을 갖는 레이저 방사선을 방출하면 스펙클의 감소를 달성하는 것이 또한 실현가능하다. 파장 그룹들의 중심 파장들이 서로 상이하면, 그것들은 서로 가까이 놓인다, 즉 중심 파장들이 약 50 - 100 nm만큼 상이하다.
중심 파장들이 일치하거나 또는 상이한, 하나 이상의 파장 그룹들을 개별적으로 갖는 2 개의 또는 방사체 칩들이 사용될 수 있다는 것이 이해된다.
본 발명은 32 개의 레이저 방사체들의 수로 제한되지 않는다는 것이 명시적으로 지적된다. 2 개의 방사체 칩들로 분할되는 총 32 개의 레이저 방사체들을 갖는 구성은 단지 바람직한 실시형태이다. 바람직하게는 복수의 방사체 칩들/ 파장 그룹들로 분할된 총 32 개를 훨씬 넘는 레이저 방사체들을 사용하는 것이 실현가능하다. 파장 그룹들의 수가 높을수록, 결과적인 신호 잡음이 간섭 패턴들의 평가 동안 더 많이 억제될 수 있다. 사용된 레이저 방사체들의 수와 파장 그룹들은 검출기의 사이즈/화소 밀도와 오브젝트에 대한 선택된 조사 필드와 간섭 패턴들의 평가를 위해 이용가능한 컴퓨팅 파워에 의해서만 제한된다.
광학 디바이스들 중 하나는, 개개의 레이저 방사체들의 레퍼런스 방사선이 상이한 입사각들로 검출기에 충돌하는 방식으로 레퍼런스 방사선을 반사하도록 구성된다. 바람직하게는 하나의 파장의 레퍼런스 방사선 및 오브젝트 방사선이 상이한 입사각들로 검출기에 충돌한다. 예를 들어, 조사될 오브젝트의 물점에서 반사되었던 오브젝트 방사선은 그것의 파장과 무관하게 동일한 입사각으로 검출기에 충돌한다. 이 상황에서는, 오브젝트의 표면 구조의 최소 거칠기가 가정된다. 이상적으로 매끄러운 오브젝트의 경우, 상이한 관계들이 오브젝트 방사선에 대해 획득된다.
레퍼런스 방사선 및 조사 방사선의 빔 경로들은 하나의 파장의, 즉 동일한 레이저 방사체로부터 나오는 레퍼런스 방사선 및 오브젝트 방사선이 서로 간섭하도록 부분적으로 중첩된다. 방출된 파장 당 간섭 패턴은, 모든 파장 의존적 간섭 패턴들로부터, 예를 들어, 프로세싱 디바이스에서, 오브젝트의 표면 상의 물점의 포지션 및 깊이에서의 물점의 포지션이 푸리에 (Fourier) 변환 또는 프레넬 (Fresnel) 변환에 의해 결정되도록 형성된다.
선택사항적 실시형태에서, 광학 디바이스들 중 적어도 하나는 홀로그램이다. 홀로그램은 조사 방사선이 조사 스트립으로서 오브젝트에 충돌하는 방식으로 조사 방사선을 편향시킨다. 예를 들어, 홀로그램은 마이크로 홀로그램으로서 실행된다. 오브젝트가 검출될 것이면, 이 오브젝트는 장치 및 오브젝트 사이의 상대 운동 동안 스캐닝 방향을 따라 스캔된다. 바람직하게는 조사 스트립은 사각형이 되도록 구성되며, 여기서 직사각형의 단변들은 스캐닝 방향에 평행하게 이어지고 그 장변들은 스캐닝 방향을 횡단하게 정렬된다. 마이크로 홀로그램은 사각형 조사 스트립의 장변들을 따르는 개구수가 사각형 조사 스트립의 단변들을 따르는 개구수보다 큰 방식으로 조사 방사선의 개구수를 변경시킨다.
예를 들어, 용접 솔기 (weld seam) 가 검출되면, 용접 솔기의 프로파일은 스캐닝 방향을 미리 정의한다. 사각형 조사 스트립의 장변들이 스캐닝 방향을 횡단하게 이어지므로, 용접 솔기의 전체 폭은 조사 스트립의 도움으로 검출될 수 있다.
짧은 노출 시간들이 간섭 패턴들의 기록을 위해 사용되므로, 검출기에 의해 기록된 용접 솔기의 지역들은 부분적으로 겹쳐진다. 이는, 예를 들어, 검출기에 대한 오브젝트의 운동으로 인한 또는 검출 동안의 장치의 기계적 에러들로 인한 높이 차이들이 보상되는 것을 가능하게 한다.
그러나, 홀로그램이 조사 방사선을 분할하고 2 개의 조사 스트립들이 오브젝트에 충돌하는 방식으로 조사 방사선을 편향시키는 것이 또한 실현가능하다. 이롭게는 양쪽 조사 스트립들이 스캐닝 방향 (단변측) 을 따라 위치된다. 이는 본 발명에 따른 장치의 핸드 스캐너로서의 동작을 가능하게 한다. 2 개의 조사 스트립들이 사용되므로, 가능한 상대 운동들, 특히 오브젝트에 대한 장치의 회전 상대 운동들이 검출되고 평가에서 고려될 수 있다. 홀로그램은 2 개를 초과하는 조사 스트립들이 오브젝트에 충돌하는 방식으로 조사 방사선을 분할하고 편향시킬 수 있다는 것이 이해된다.
이롭게는 광학 디바이스들 중 적어도 하나가 마이크로 옵틱 어레이 (micro-optic array) 이다. 마이크로 옵틱 어레이는, 예를 들어, 매우 콤팩트하게 위치되는 렌즈들, 빔 스플리터들, 서큘레이터들 및/또는 홀로그램들과 같은 상이한 광학 컴포넌트들의 조합이다. 마이크로 옵틱 어레이는 바람직하게는 레이저 방사체들 바로 뒤의 빔 경로에 위치된다.
마이크로 옵틱 어레이는 레이저 방사체의 레이저 방사선을 레퍼런스 방사선 및 조사 방사선으로 분할하는 빔 스플리터를 포함하는 것이 편리하다. 바람직하게는 레퍼런스 방사선 및 조사 방사선은 적어도 부분적으로 중첩하게 이어진다. 결과적으로 장치의 광학계의 특히 콤팩트 구조가 가능하다.
바람직하게는 마이크로 옵틱 어레이는 조사 방사선 및/또는 레퍼런스 방사선을 편광시키기 위하여 편광자 및/또는 서큘레이터를 포함한다. 바람직하게는 레퍼런스 방사선은 편광자 및/또는 서큘레이터의 도움으로 편광면이 90 도만큼 회전되도록 조사 방사선을 기준으로 편광된다. 한편 조사 방사선의 편광은 영향을 받지 않는다. 이는, 예를 들어, 제 1 편광의 레이저 방사선, 특히 레퍼런스 방사선을 투과하고 제 2 편광을 갖는 레이저 방사선, 특히 조사 방사선을 반사하는 편광 빔 스플리터가 마이크로 옵틱 어레이 뒤의 빔 경로에 위치되면 특히 이롭다. 편광자 및/또는 서큘레이터의 도움으로 조사 방사선을 90°만큼 회전시키는 것 및 레퍼런스 방사선을 영향을 받지 않게 그대로 두는 것이 또한 실현가능하다.
마이크로 옵틱 어레이는 또한 홀로그램을 포함한다. 빔 경로에 위치된 렌즈들의 정확도에 대한 요건들은 이에 의해 감소된다. 이는 장치의 제조 동안에 초래되는 비용을 감소시킨다.
마이크로 옵틱 어레이에서의 홀로그램은 바람직하게는 또한 레퍼런스 방사선 및 조사 방사선이 각각의 경우에 마이크로 옵틱 어레이를 상이한 개구수를 가지게 그대로 두는 효과를 가진다. 예를 들어, 레퍼런스 방사선은 높은 개구수를 가지는 반면 조사 방사선은 마이크로 옵틱 어레이를 적어도 사각형 조사 스트립의 단변들을 따라 훨씬 적은 개구수를 가지게 그대로 둔다. 더욱이, 홀로그램의 도움으로 복수의 조사 스트립들, 예를 들어, 2 개의 조사 스트립들을 생성하는 것이 쉽사리 가능하다.
선택사항으로 광학 디바이스들 중 하나는 색 분산형 렌즈 (chromatically dispersive lens) 로서 구성된다. 바람직하게는 색 분산형 렌즈는 오브젝트 방사선의 빔 경로에, 즉 오브젝트에서의 조사 방사선의 반사 후의 빔 방향으로 위치된다. 간섭 패턴들의 평가에 대한 푸리에 또는 프레넬 변환의 비용은 이에 의해 감소될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시형태는, 장치가 2 개의 방사체 칩들 및 2 개의 검출기들을 포함하며, 하나의 방사체 칩 상에 위치된 방출된 레이저의 제 1 중심 파장을 갖는 레이저 방사선이 하나의 검출기에 충돌하는 다른 방사체 칩 상에 위치된 레이저 방사체의 제 2 중심 파장의 레이저 방사선이 다른 검출기에 충돌하는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 상이한 중심 파장들을 갖는 2 개의 방사체 칩들이 사용되면, 개개의 레이저 방사선들은, 예를 들어, 제 1 중심 파장을 갖는 레이저 방사선이 제 1 검출기에 입사하고 제 2 중심 파장을 갖는 레이저 방사선이 제 2 검출기에 입사하도록 레이저 방사선을 그것의 중심 파장들에 의존하여 투과 또는 반사하는 빔 스플리터들에 의해 분할될 수 있다.
이롭게는 장치는 오브젝트 상에 위치된 층의 두께의 측정을 위한 측정 유닛을 포함한다. 결과적으로, 오브젝트의 표면 외에도, 아마도 오브젝트 상에 존재하는 층의 두께가 또한 검출될 수 있다. 장치가 치과 스캐너로서 사용되면, 치아 상의 잇몸의 두께가 측정된다. 예를 들어, 이러한 층 두께 측정은 부가적인 컴포넌트들 없이 본 발명에 따른 장치로 구현될 수 있다. 바람직하게는 측정 유닛은 프로세싱 디바이스의 부분으로서 구성된다. 하나뿐만 아니라 복수의 표면들, 예를 들어, 2 개의 또는 3 개의 표면들도, 복수의 파장들의 간섭 패턴들로부터 위상 정보의 도움으로 검출될 수 있다. 파장 그룹에서의 파장들이 더 많을수록, 하나 또는 복수의 부가적인 표면들이 더 신뢰성 있게 검출되는 것이 기본적인 경우이다. 바람직하게는 2 개의 표면들이 장치에 의해 검출되고 서로 관계가 설정된다. 오브젝트 상에 위치된 층의 외부 표면들은 제 1 표면으로서 검출되고 측정될 층이 위치된 오브젝트의 표면은 제 2 표면으로서 검출된다. 굴절 계수가 알려진 2 개의 표면들의 거리 차이는, 층 두께, 예를 들어, 잇몸의 두께가 된다.
마찬가지의 바람직한 실시형태는 측정 유닛이 주파수 스캐닝 간섭측정법 (frequency-scanning interferometry) 의 원리에 따라 동작하는 백색 광 포인트 센서를 포함한다. 주파수 스캐닝 간섭측정법의 원리는 선행 기술로부터 알려져 있다. 대안으로 이 측정 유닛을 위한 다른 방법들이 또한 실현가능하다. 바람직하게는 백색 광 포인트 센서는 넓은 스펙트럼, 바람직하게는 대략 1300 nm의 중심 파장 및 10 와 100 nm 사이의 스펙트럼의 폭을 갖는 광을 생성하는 광원을 포함한다. 특히 산란 층들, 예를 들어, 잇몸은, 1300 nm의 중심 파장을 갖는 백색 광 포인트 센서의 도움으로 직접 측정될 수 있다. 잇몸 두께를 측정한 후, 이는 측정 유닛 없이 본 발명에 따른 장치로만 검출되었던 잇몸의 표면에 관련된다. 이에 의해 잇몸 아래의 3D 치아 표면을 결정하는 것이 가능하다.
측정 유닛은 또한 편광해석법 (ellipsometry) 의 원리에 기초하여, 오브젝트 상에 위치된 층의 두께를 결정하도록 구성될 수 있다. 편광해석법의 원리는 또한 선행 기술로부터 알려져 있다. 매우 얇은, 즉 약 0.01 ㎛ 와 1 ㎛ 사이의 층들이 편광해석법적 접근법의 도움으로 측정될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따라 상이한 방사체들이 멀티-방사체 칩 상의 상이한 측방향 포지션들에 좌정하고 따라서 광을 상이한 각도들로 오브젝트에 방출할 수 있다는 사실이 사용된다. 조사 방사선에서의 개개의 방사체들에 있는 확고하게 조정된 편광자들 및/또는 오브젝트 방사선에서의 상이한 위치들에 있는 확고하게 조정된 검광기들 (편광자들) 과 함께, 모든 정보의 합으로부터 얇은 코팅 두께를 결정하는 것이 가능하다. 동시에, 오브젝트의 완전한 3D 표면 정보가 위에서 설명된 절차에 따라 이용가능하다.
본 발명에 따르면, 광이 매우 평평한 각도로 오브젝트 상에 입사하도록 부가적인 광학계가 구성될 수 있고, 이 부가적인 광학계는 편광해석법적 접근법에서 얇은 코팅들에 대해 민감도를 상당히 증가시킨다고 알려져 있다.
이후로 본 발명은 도면들에 도시된 바람직한 실시형태들을 참조하여 설명된다. 본원에서 보인 특정한 특징들은 본 발명의 바람직한 구성들을 만들어 내기 위해 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 설명된 실시형태들은 청구항들에서 정의된 요지의 보편성에 어떠한 제한도 구성하지 않는다. 도면들 중에서:
도 1a는 제 1 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 마하 젠더 (Mach Zehnder) 셋업으로 개략적으로 도시하며,
도 1b는 편광해석법의 원리에 따라 동작하는 측정 유닛을 갖는 제 2 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 개략적인 도면으로 도시하며,
도 2는 제 3 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 마이켈슨 (Michelson) 셋업으로 개략적으로 도시하며,
도 3은 빔 스플리터를 갖는 제 1 실시형태에 따른 마이크로 옵틱 어레이를 측면도로 도시하며,
도 4는 홀로그램을 갖는 제 2 실시형태에 따른 마이크로 옵틱 어레이를 측면도로 도시하며,
도 5는 복수의 조사 스트립들을 생성하는 홀로그램을 갖는 제 4 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 개략적 도면으로 도시하며,
도 6은 2 개의 검출기들을 갖는 제 5 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 개략적 도면으로 도시하며,
도 7은 내부 보어 (bore) 스캐너로서 구성된 제 6 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 개략적 도면으로 도시하며,
도 8은 마이크로 옵틱 어레이에 홀로그램을 갖는 제 7 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 개략적 도면으로 도시하고,
도 9는 백색 광 간섭측정법의 원리에 따라 동작하는 측정 유닛을 갖는 제 8 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치를 개략적 도면으로 도시한다.
도 1a는 복수의 레이저 방사체들 (2) 를 포함하는, 그 중에서도 제 1 레이저 방사체 (2a) 및 제 2 레이저 방사체 (2b) 를 포함하는 마하 젠더 셋업에 따른 장치 (1) 의 제 1 실시형태를 도시한다. 레이저 방사체들 (2) 은 방사체 칩 (3) 상에 위치된다. 그것들은 바람직하게는 서로에 대해 1 mm 이하 내지 0.1 mm 미만의 거리를 가진다. 그것들은 멀티레이저 다이오드들로서 구성된다.
도 1a에서는 방사체 칩 (3) 상에 위치되는 5 개의 레이저 방사체들 (2) 을 일 예로서 볼 수 있다. 그러나, 32 개 이상의 레이저 방사체들 (2) 을 방사체 칩 (3) 상에 위치시키는 것이 또한 실현가능하다.
각각의 레이저 방사체 (2) 는 단일 파장을 갖는 레이저 방사선을 방출한다. 개개의 레이저 방사체들 (2) 의 파장들은, 각각의 레이저 방사체 (2) 가 상이한 파장을 갖는 레이저 방사선을 방출하도록 상이하다. 바람직하게는 2 개의 이웃한 레이저 방사체들 (2) 의 레이저 방사선의 파장들은 약간만, 예를 들어, 1 nm만큼 상이하다. 방사체 칩 (3) 상의 8 또는 16 개 레이저 방사체들 (2) 의 배열에서, 이는 8 또는 16 nm의 스펙트럼 폭을 의미한다.
장치 (1) 는 제 1 빔 스플리터 (4) 로서 구성된 광학 디바이스를 포함하며, 그 제 1 빔 스플리터는 레이저 방사체들 (2) 의 레이저 방사선을 각각의 경우에 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할한다. 제 1 빔 스플리터 (4) 는 부분 투과형 거울일 수도 있으며, 그 부분 투과형 거울은 레퍼런스 방사선 (5) 을 반사하고 조사 방사선 (6) 을 투과한다.
도 1a에서 레퍼런스 방사선 (5) 은 일 예로서 방사체 칩 (3) 상에 위치된 제 1 레이저 방사체 (2a) 의 레퍼런스 빔 (7) 의 형태로 도시된다. 조사 방사선 (6) 은 또한 방사체 칩 (3) 의 제 1 레이저 방사체 (2a) 에 대해 조사 빔 (8a) 의 형태로 및 제 2 레이저 방사체 (2b) 에 대해 조사 빔 (8b) 의 형태로 도시된다.
레퍼런스 빔 (7) 이 제 1 빔 스플리터 (4) 에서 반사된 후, 그것의 추가의 경로 상에서 그 레퍼런스 빔은 거울 (9) 로서 구성된 광학 디바이스와 포물면 거울 (10) 로서 설계된 추가의 광학 디바이스에 충돌한다. 거울 (9) 과 포물면 거울 (10) 은, 한편으로는 레퍼런스 방사선이 거울 (10) 을 거의 평행하게 떠나고, 다른 한편으로는 평면파 (11) 로서 0과는 상이한 레퍼런스 입사각 (α) 으로 검출기 (12) 에 충돌하는 방식으로, 레퍼런스 방사선 (5) 을 반사한다. 검출기 (12) 는 바람직하게는 고 해상도 2D 표면 센서로서 구성된다.
거울 (9) 과 포물면 거울 (10) 은, 상이한 파장들을 갖는, 즉, 상이한 레이저 방사체들 (2) 로부터 나오는 레퍼런스 방사선 (5) 이 상이한 레퍼런스 입사각들 (α) 로 검출기 (12) 에 충돌하는 방식으로 개개의 레이저 방사체들 (2) 의 레퍼런스 방사선 (5) 을 반사하도록 구성된다. 도 1에서 포물면 거울 (10) 은 2 개의 상이한 포지션들에서, 한 번은 쇄선으로서 및 한 번은 연속선으로서 도시된다. 레퍼런스 방사선 (5) 의 레퍼런스 입사각 (α) 은 포물면 거울 (10) 의 포지셔닝에 의해 영향을 받을 수 있다.
제 2 빔 스플리터 (13) 로서 구성된 광학 디바이스는 포물면 거울 (10) 및 검출기 (12) 사이에 위치되며, 이는 레퍼런스 빔 (7) 이 어느 정도 감쇠되어 투과하는 것을 허용한다.
제 1 빔 스플리터 (4) 뒤에서, 조사 빔들 (8a, 8b) 은 제 2 메인 빔 스플리터 (13) 에 의해 약간 감쇠되어 투과되고 렌즈 (14) 로서 구성된 광학 디바이스에 충돌한다. 렌즈 (14) 는 일 예로서 도시된 조사 빔들 (8a, 8b) 을 물점 (16) 을 갖는 오브젝트 (15) 로 안내한다. 물점 (16) 은 이상적으로는 렌즈 (14) 의 초점 (f0) 에 또는 초점 (f0) 주위의 초점 영역에 놓인다. 오브젝트 (15) 는 또한 그 다음에 물점 (16) 이 초점 영역 외부에 위치되면 3 차원적으로 검출될 수 있다.
렌즈 (14) 의 초점 (도 1a에서 물점 (16)) 주위의 광축을 따르는 렌즈 (14) 의 초점 영역의 확장은 렌즈 (14) 에 의해 투과된 레이저 방사선의 파장에 및 렌즈 (14) 의 개구수에 의존한다. 본원의 경우 약 0.2의 렌즈 (14) 의 개구수를 가정하면, 렌즈 (14) 의 초점에서 시작하여 광축을 따라 오브젝트의 방향으로의 초점 영역의 확장은 약 +/- 15 ㎛이다.
레이저 방사체 (2) 에 의해 약간 구형으로서 방출된 조사 빔 (8a) 은 렌즈 (14) 의 도움으로 평면파로 변환된다. 도 1에서 이는 렌즈 (14) 뒤에서 서로 평행하게 이어지는 조사 빔 (8a) 의 빔 에지들 (17) 에서 확인된다. 조사 빔 (8a) 은 거의 평면파로서 및 대략 직각으로, 즉 약 0 도의 입사각으로 오브젝트 (15) 에 충돌한다.
렌즈 (14) 를 통한 조사 빔 (8b) 의 통과 시, 조사 빔 (8a) 과는 대조적으로, 평면파로의 변환만 일어나는 것은 아니다. 조사 빔 (8b) 은, 조사 빔 (8a) 의 입사각과는 상이한 입사각 (β) 으로 오브젝트 (15) 에 충돌하도록 렌즈 (14) 에 의해 부가적으로 편향된다. 렌즈 (14) 에 대한 레이저 방사체들 (2) 의 상이한 배열의 결과로서, 개개의 레이저 방사체들 (2) 의 조사 방사선 (5) 은 오브젝트 (15) 에 상이한 입사각들 (β) 로 입사한다. 바람직하게는 개개의 레이저 방사체들 (2) 의 모든 조사 빔들 (8a, 8b) 이 사각형 조사 스트립 (19) 으로 오브젝트 (15) 에 충돌한다.
오브젝트 (15) 는 모두가 레이저 방사선을 반사하는 유한한 수의 물점들 (16) 을 가진다고 이해된다. 이후로는 조사 빔 (8a, 8b) 의 반사는 일 예로서 선택된 물점들, 그 중에서도 물점 (16) 및 검출기 (12) 의 방향에서 추가의 빔 경로에 대해 설명될 것이다. 오브젝트 (15) 에서 반사된 조사 빔들 (8a, 8b) 또는 오브젝트 (15) 에서 반사된 조사 방사선 (6) 은 이후로는 오브젝트 빔 (20) 또는 오브젝트 방사선 (21) 으로서 나타낸다.
조사 빔 (8a, 8b) 의 입사각 (β) 에 상관없이, 이는 물점 (16) 으로부터 구면파의 형태의 에지 빔들 (22) 을 갖는 오브젝트 빔 (20) 으로서 반사된다. 오브젝트 빔 (20) 은 렌즈 (14) 에 충돌하고 이에 의해 거의 평면파 (23) 로 변환된다. 이는 물점 (16) 이 위에서 설명된 초점 영역 내에 또는, 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈 (14) 의 초점 (f0) 에 놓이는 경우에 적용된다. 물점 (24) 이 초점 영역 외부에 위치되면, 물점 (24) 으로부터 방출된 오브젝트 빔 (20) 은 렌즈 (14) 에 의해 약간 만곡된 파로 변환된다.
오브젝트 빔 (20) 은 제 2 빔 스플리터 (13) 에 입사하며, 그러면 제 2 빔 스플리터는, 오브젝트 빔이 약 0 도의 입사각 (γ) 으로, 즉 검출기 (12) 의 검출기 표면 (25) 에 대해 90°의 각도로 이 검출기 표면에 충돌하는 방식으로 오브젝트 빔 (20) 을 반사한다. 평면파 (23) 로서의 오브젝트 빔 (20) 은 도 1a에서 검출기 표면 (25) 에 평행하게 이어지는 수평선으로서 도시된다.
오브젝트 빔 (20) 의 입사각 (γ) 은 물점 (16, 24) 의 포지션에 의존한다. 이것이, 도 1에서의 물점 (16) 과 마찬가지로, 렌즈 (14) 의 광축에 놓이면, 오브젝트 빔 (20) 은, 이미 설명된 바와 같이, 0°의 입사각 (γ) 으로 검출기 표면 (25) 에 충돌한다. 다른 물점, 예를 들어, 물점 (26) 에서의 반사는, 검출기 표면 (25) 상의 입사에 대해 0과는 상이한 입사각 (γ) 이 되게 한다.
오브젝트 빔 (20) 이 입사각 (γ) 으로 검출기 표면 (25) 에 충돌하는 반면, 레퍼런스 빔 (7) 은 검출기 표면 (25) 에 레퍼런스 입사각 (α) 으로 입사한다. 레퍼런스 입사각 (α) 및 입사각 (γ) 은 0도는 아닌 차이각 (δ) 만큼 상이하다.
동일한 파장의 레퍼런스 빔 (7) 및 오브젝트 빔 (20) 이 제 2 빔 스플리터 (13) 뒤의 검출기 표면 (25) 의 방향으로의 그것들의 경로 상에서 서로 만나므로, 그 빔들은 서로 간섭한다. 이 간섭의 결과로서, 특정 공간 주파수의 간섭 패턴이 차이각 (δ) 의 함수로서 형성되며, 이는 검출기 (12) 의 도움으로 기록된다. 공간 주파수가 하나의 파장의 레퍼런스 방사선 (5) 및 오브젝트 방사선 (21) 의 보강적 (신호 강화) 및 파괴적 (신호 감쇠) 간섭에 의해 형성되는 신호 진폭들의 (준)정현파 진동을 통해 획득된다.
레퍼런스 입사각 (α) 이 레이저 방사체들 (2) 의 포지션들의 함수로서 가변하므로 각각의 물점 (16, 24, 26) 에 대해 상이한 차이각 (δ) 이 각각의 경우에서 상이한 파장들로 형성된다. 오브젝트 (15) 상의 조사 영역, 레이저 방사체들 (2) 의 수, 그것들의 간격들 (그리고 이에 따라 레퍼런스 입사각 (α)) 및 2D 표면 검출기 (12) 의 화소 조건은 따라서 공간 주파수들에서 모호함이 발생하지 않도록 서로 일치할 수 있다.
검출기 (12) 에 의한 간섭 패턴들의 기록에 대한 요건은 간섭 패턴이 기록될 레이저 방사선이 개별 레이저 방사체들 (2) 에 의해 실질적으로 일정한 파장으로 방출된다는 것이다. 이 목적을 위해, 장치 (1) 는 바람직하게는 파브리 페로 간섭계 (27) 로서 구성되는 측정 디바이스를 가진다. 파브리 페로 간섭계 (27) 는 선행 기술로부터 알려져 있고 레이저 방사체들 (2) 에 의해 방출된 레이저 방사선의 파장들이 지속적으로 측정되는 것을 가능하게 한다. 파브리 페로 간섭계 (27) 는 제어 디바이스 (28) 에 접속되며, 그 제어 디바이스는 실질적으로 일정한 파장들의 경우에 검출기 (12) 를 구동하고 검출기 (12) 에 의한 레이저 방사선의 기록을 트리거한다.
그러므로 이는 장치 (1) 가 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 레이저 방사선의 파장들의 시간 거동이 측정되는 것을 허용하는 측정 디바이스 (27) 를 포함한다는 것 및 실질적으로 일정한 파장들의 경우에 검출기 (12) 를 구동시키기에 그리고 간섭 패턴들의 기록을 트리거하기에 적합한 제어 디바이스에 측정 디바이스가 접속된다는 것을 의미한다.
선택사항으로 장치 (1) 는 조절 디바이스 (29) 를 가질 수 있으며, 그 조절 디바이스는 방출된 레이저 방사선의 파장들이 실질적으로 일정한 방식으로 레이저 방사체들 (2) 을 파브리 페로 간섭계 (27) 의 측정 결과들의 함수로서 조절한다.
간섭 패턴들은 각각의 레이저 방사체 (2) 에 대해 그리고 이에 따라 각각의 파장에 대해 검출기 (12) 에 의해 기록되고, 프로세싱 디바이스 (30) 에 의해 분석되고 평가된다. 프로세싱 디바이스 (30) 는 3D 이미지 정보를 포함하는 다양한 공간 주파수들로 이루어진 간섭 패턴을 주파수 도메인으로 변환한다.
이후로, 물점 (16, 24, 26) 에서의 레이저 방사체 (2) 의 조사 방사선 (6) 의 반사에 의해 및 부속 레퍼런스 방사선 (5) 과의 간섭에 의해 형성된 간섭 패턴의 평가가 상세히 설명될 것이다.
물점 (16, 26) 이 렌즈 (14) 의 초점 (f0) 에 또는 초점 지역 내에 위치되면, 즉 렌즈 (14) 를 통과한 후의 오브젝트 빔 (21) 이 준-평면파 (23) 로서 구성되면, 바람직하게는 푸리에 변환이 주파수 도메인 (주파수 범위) 으로의 변환을 위해 사용된다. 물점 (24) 이 초점 영역 외부에 위치되면, 즉 오브젝트 빔 (20) 이 렌즈 (14) 를 통과한 후 약간 만곡된 파로서 구성되면, 주파수 도메인으로의 변환은 바람직하게는 프레넬 변환의 도움으로 수행된다.
주파수 도메인에서, 간섭 패턴의 평가는 2 개의 양태들에 대해 이루어진다. 한편, 오브젝트 (15) 상의 물점 (16, 24, 26) 의 포지션은 레퍼런스 방사선 (5) 의 도움으로 그리고 이에 따라 레이저 방사선이 현재의 간섭 패턴이 되게 하는 레이저 방사체 (2) 의 포지션에 의존하여 결정된다. 다른 한편으로는, 깊이 정보는 각각의 물점 (16, 24, 26) 에 대해 결정된다. 용어 깊이 정보는 본 발명의 맥락에서는 깊이에서의, 즉 도 1a에서는 렌즈 (14) 의 광축을 따르는, 물점 (16, 24, 26) 의 포지션으로서 이해된다. 그것은 오브젝트 (15) 상의 융기부들 또는 함요부들을 식별하는데 사용된다.
물점 (16, 24, 26) 의 포지션 및 개별 레이저 방사체 (2) 의 포지션은 차이각 (δ) 의 도움으로 결정된다. 오브젝트 빔의 입사각 (γ) 및 또한 이에 따른 차이각 (δ) 도 물점 (16, 24, 26) 의 포지션에 의존하므로, 물점 (16, 24, 26) 의 포지션의 특정 공간 주파수 특성의 상이한 간섭 패턴들은 물점 (16, 24, 26) 의 포지션의 함수로서 획득된다. 동시에, 공간 주파수 변화가 물점 (16, 24, 26) 의 포지션의 함수로서 변하는 주파수 대역의 폭은 각각의 레이저 방사체 (2) 에 대해 좁게 제한된다.
차이각 (δ) 은 더욱이 방사체 칩 (3) 상의 개별 레이저 방사체 (2) 의 포지션에 의존한다. 이미 위에서 추가로 설명된 바와 같이, 개별 레이저 방사체 (2) 의 레퍼런스 방사선 (5) 은 개별 레이저 방사체 (2) 의 포지션에 의존하는 상이한 레퍼런스 입사각들 (α) 로 검출기 (12) 에 충돌한다. 결과적으로, 각각의 레이저 방사체 (2) 는, 예를 들어, 이웃한 레이저 방사체 (2) 와는 상당히 상이한 공간 주파수가 생기게 한다. 상이한 레이저 방사체들 (2) 의 포지션에 기초한 공간 주파수들의 이들 중요한 차이들의 결과로서, 그 차이들은 상이한 물점들 (16, 24, 26) 에 기초한 변동들과 혼동되지 않는다. 각각의 레이저 방사체 포지션은 구체적으로는 방사체 (2) 당 물점들의 수를 커버할 수 있는 공간 주파수들의 대역을 허용한다. 다음, 이웃한 방사체 (2) 에 대해서는, 공간 주파수들의 다른 대역 등이 있다. 그러므로 - 위상 변환 (예컨대 푸리에, 프레넬) 후 - 깊이 정보는 특정 측방향 물점 (16, 24, 26) 에 로컬 간섭 패턴의 위상 값들을 통해 할당될 수 있다.
물점 (16, 24, 26) 상의 포지션에 대한 정보가 이제 개별 레이저 방사체 (2) 에 대한 정보 및 개별 물점 (16, 24, 26) 의 깊이 정보와 조합하면, 오브젝트 (15) 의 3D 구조가 결정될 수 있다.
실제 측정에서, 모든 레이저 방사체들 (2) 은 레이저 방사선을 동시에 방출하며, 이로 인해 복수의 간섭 패턴들이 검출기 표면 (25) 상에 형성된다. 모든 간섭 패턴들은 검출기 (12) 에 의해 동시에 기록되고 프로세싱 디바이스 (30) 에 의해 평가된다. 오브젝트 (15) 의 3D 구조는 그 다음에 모든 간섭 패턴들의 이들 평가들에 기초하여 생성된다.
장치 (1) 는 바람직하게는 오브젝트 (15) 상에 위치되는 층들 (미도시) 의 층 두께들을 부가적으로 측정할 수 있다. 층이 오브젝트 (15) 상에 위치되면, 레이저 방사체들 (2) 에 의해 방출된 레이저 방사선의 상이한 파장들의 결과로서, 조사 빔들 (8a, 8b) 은 층의 표면에서 부분적으로 반사되는 반면, 조사 빔들 (8a, 8b) 의 다른 부분은 그 층을 통과하고 오브젝트 (15) 의 표면에서 반사된다. 각각의 물점 (16, 24, 26) 에 대한 깊이 정보의 2 개의 약간 상이한 세트들이 주파수 도메인에서의 간섭 패턴들의 평가에 이용가능하다. 층 두께는 상이한 깊이 정보에 의해 결정될 수 있다. 장치 (1) 는 그러므로 층 두께들을 결정하는 고유의 측정 유닛을 포함하며, 그 측정 유닛은 프로세싱 디바이스 (30) 의 부분으로서 구성될 수 있다. 장치 (1) 로 측정될 수 있는 최소 층 두께는 파장 그룹에서의 방출된 파장들의 스펙트럼 폭에 의해 주어진다.
도 1b는 장치 (1) 의 제 2 실시형태를 도시한다. 장치 (1) 는 측정될 층 (75) 에서 반사된 레이저 방사체들 (2) 의 오브젝트 방사선 (21) 이 측정될 수 있는 측정 유닛 (31) 을 포함한다. 도 1a의 장치 (1) 와는 대조적으로, 측정 유닛 (31) 은 편광해석법의 원리에 근거하여 동작하고 따라서 오브젝트 상에 위치된 층 (75) 의 두께를 결정할 수 있다. 층 두께들을 결정하는 편광해석법의 방법은 선행 기술로부터 알려져 있다.
측정 유닛 (31) 은 레이저 방사체들 (2) 을 포함한다. 도 1a와는 대조적으로, 도 1b에서의 레이저 방사체들은 상이하게 편광된다. 예를 들어, 방사체 칩 (3) 상의 도 1b에 도시된 3 개의 상부 레이저 방사체들 (2, 2a) 은 제 1 유형으로 편광된다, 예컨대 P-편광된다. 도 1b에서의 하부의 3 개의 레이저 방사체들 (2, 2b) 은 제 2 편광, 예컨대 S-편광을 나타내며, 이는 제 1 편광과는 상이하다.
예를 들어, 도 1b에서의 최상부 레이저 방사체 (2a) 의 제 1 조사 빔 (32) 및 도 1b에서의 최하부 레이저 방사체 (2b) 의 제 2 조사 빔 (33) 이 방사체 칩 (3) 상에 도시된다. 이후로, 2 개의 조사 빔들 (32, 33) 의 빔 경로들이 상세히 설명될 것이다.
조사 빔 (32) 은 렌즈 (14) 에 의해 평면파로 변환되고 오브젝트 (15) 의 층 (75) 의 표면 (76) 에 입사각 (φ) 으로 충돌한다. 조사 빔 (32) 의 부분들은 층 (75) 의 표면 (76) 에서 오브젝트 방사선 (21) 으로서 반사된다. 조사 빔 (33) 의 부분들은 층 (75) 을 통과하고 또한 오브젝트 방사선 (21) 과 마찬가지로, 층 (75) 이 위치된 오브젝트 (15) 의 표면 (34) 에 의해 반사된다. 오브젝트 방사선 (21) 으로서 반사된 조사 빔 (33) 은 도 1b에서 제 1 오브젝트 빔 (35) 으로서 도시되어 있다.
제 1 오브젝트 빔 (35) 은 표면 (34) 및 표면 (76) 에서 평면파로서 반사되고 반사 후 다시 렌즈 (14) 에 충돌한다. 이것은 제 1 오브젝트 빔 (35) 을 포커싱하며, 그 제 1 오브젝트 빔은 그것의 후속 경로 상에서 제 2 빔 스플리터 (13) 에서 반사되고 포인트 빔으로서 검출기 (12) 의 검출기 표면 (25) 에 충돌한다. 검출기 (12) 는, 포인트 빔으로서 검출기 (12) 에 충돌하는 오브젝트 빔 (35) 을 검출한다.
층 (75) 의 매우 매끄러운 표면 (76) 및 제 1 조사 빔 (32) 이 반사되는 오브젝트 (15) 의 매우 매끄러운 표면 (34) 이 설명된 빔 경로에 대해 가정된다. 약간 만곡된 표면 (76 또는 34) 으로, 검출기 (12) 상으로 향하는 포인트 빔은 그에 따라 확대될 것이다.
제 2 조사 빔 (33) 은 제 1 조사 빔 (32) 에 대한 거울 이미지로서 기능을 한다. 제 2 조사 빔 (33) 및 제 1 오브젝트 빔 (35) 은 이에 의해 적어도 부분적으로 중첩된다. 제 2 조사 빔 (33) 은 표면들 (76, 34) 에서 제 2 오브젝트 빔 (36) 으로서 반사되며, 렌즈 (14) 에 의해 포커싱되고, 포인트 빔으로서 검출기 (12) 의 검출기 표면 (25) 에 충돌하는 방식으로 제 2 빔 스플리터 (13) 에 의해 반사된다. 검출기 (12) 는, 포인트 빔으로서 검출기 (12) 에 충돌하는 오브젝트 빔 (36) 을 검출한다.
오브젝트 빔들 (35, 36) 에 기초하여, 오브젝트 (15) 상에 위치된 층 (75) 의 두께는 그러면 프로세싱 디바이스 (30) 의 도움으로 알려진 방식으로 결정될 수 있다.
층 (75) 및 오브젝트 (15) 가, 도 1a에 도시된 바와 같이 오브젝트 방사선 (21) 을 구면파로서 반사하는 거친 표면들 (76, 34) 을 가지는 것이 근본적으로 또한 실현가능하다. 이러한 방법은 또한 선행 기술로부터 알려져 있다. 이 경우, 층 (75) 의 표면 (76) 상의 각각의 표면 포인트 (미도시) 및 오브젝트 (15) 의 각각의 물점 (16) 은 산란 포인트 (도 1a 참조) 로서 해석된다. 이에 의해, 각각의 표면 포인트 및 물점 (16) 의 모든 정보는, 매끄러운 표면과는 대조적으로, 전체 검출기 표면 (25) 에 매핑된다.
선택사항으로 장치 (1) 는 제 2 빔 스플리터 (13) 및 검출기 표면 (25) 사이에 위치되는 하나 이상의 검광기 (analyzer) 들을 포함할 수 있다. 검광기들 (37) 은 편광자들로서 구성되며, 이것에 의해 레이저 방사선의 편광 상태가 결정될 수 있음을 의미한다. 검광기들 (37) 이 사용되면, 레이저 방사체들 (2) 은 조사 빔들 (32, 33) 이 층 (75) 또는 오브젝트 (15) 상에 선형 편광되게 방출되도록 바람직하게는 45 도의 편광 각도를 갖는 레이저 방사선을 방출한다. 층 (75) 또는 오브젝트 (15) 에서의 동일한 것의 반사 후, 오브젝트 빔들 (35, 36) 은 오브젝트 빔들 (35, 36) 의 편광을 결정하는 방사체들 (2a 및 2b) 의 포지션들에 콘쥬게이트된 방식으로 위치된 검광기들 (37) 에 충돌한다. 예를 들어, 레이저 방사체 (2a) 의 레이저 방사선 및 레이저 방사체 (2b) 의 레이저 방사선은 층 (75) 의 층 두께에 의해 상이하게 편광된다. 오브젝트 빔들 (35, 36) 은 그 다음에 검출기 (12) 에 입사하며, 그 검출기는 이 오브젝트 빔들을 검출한다. 이 상황에서, 방사체들 (2a 및 2b) 의 포지션들에 콘쥬게이트된 방식으로 위치된다는 것은, 검광기들 (37) 이 레이저 방사체들 (2a, 2b) 에 의해 방출된 레이저 방사선의 빔 경로에 따라 위치된다는 것을 의미한다.
렌즈 (14) 를 2 개의 부분 렌즈들로서 실행하고, 2 개의 조사 빔들 (32, 33) 의 각각이 2 개의 부분 렌즈들 중 개별 하나에 의해 투과되는 것이 추가로 실현가능하다. 부가적인 거울들 (미도시) 의 도움으로, 조사 빔들 (32, 33) 은 2 개의 부분 렌즈들 뒤에서 층 (75) 또는 오브젝트 (15) 로 지향된다. 따라서 30 도 이상, 바람직하게는 57 도에 가까운 입사각들 (φ) 을 달성하는 것이 실현가능하다. 100 nm 미만의 층 두께들이 또한 이에 의해 결정될 수 있다.
도 2는 제 3 실시형태에 따른 장치 (1) 를 마이켈슨 셋업으로 도시한다. 이 장치 (1) 는 마이크로 옵틱 어레이 (38) 로서 구성된 광학 디바이스에 의해 도 1a에 도시된 장치 (1) 와 상이하다. 마이크로 옵틱 어레이 (38) 는 도 1a에 도시된 제 1 빔 스플리터 (4) 의 기능을 포함한다. 더욱이, 마이크로 옵틱 어레이 (38) 의 도움으로, 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 을 상이하게 편광시키는 것이 가능하다. 마이크로 옵틱 어레이 (38) 는 레이저 방사체들 (2) 의 레이저 방사선을 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할하며, 레퍼런스 방사선 (5) 은 조사 방사선 (6) 에 비해 상당히 큰 개구수를 가진다.
더욱이 도 2에 따른 장치에서는, 도 1a로부터의 장치 (1) 와 비교하여, 거울 (9) 이 제공되지 않는다. 레이저 방사체 (2) 의 레퍼런스 빔 (7) 은 빔 스플리터 거울로서 구성되는 빔 스플리터 (13) 에서 반사되고, 포물면 거울 (10) 로 안내된다. 이는 레퍼런스 입사각 (α) 으로 검출기 (12) 의 검출기 표면 (25) 에 충돌하는 방식으로 레퍼런스 빔 (7) 을 반사한다.
레이저 방사선을 그것의 편광 상태들에 의존하여 반사 또는 투과하는 편광 빔 스플리터로서 빔 스플리터 거울 (13) 을 구성하는 것이 또한 실현가능하다. 예를 들어, 상이한 편광 상태의 결과로서 레퍼런스 빔 (5) 은 반사되고 조사 방사선 (6) 은 투과된다.
입사각 (α) 에 대한 포물면 거울 (10) 의 반사 속성은, 도 2에 도시된 바와 같이, 검출기 표면 (25) 을 기준으로 약간 경사져 있는 포물면 거울 (10) 에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 포물면 거울 (10) 을 검출기 표면 (25) 을 기준으로 경사지지 않게 하고 레이저 방사체들 (2) 을 갖는 방사체 칩 (3) 을 측방향으로 위치시켜 레퍼런스 방사선 (5) 이 0이 아닌 레퍼런스 입사각 (α) 으로 검출기 (12) 에 항상 충돌하도록 하는 것이 또한 실현가능하다. 레이저 방사체들 (2) 의 측방향 배열은 이 맥락에서 도 2에서 수직 방향으로의 동일한 것의 변위 및/또는 도 2에서 이미지 면을 횡단하는 변위를 의미한다.
포물면 거울 (10) 은 선택사항으로 원형 편광 층 (미도시) 을 가지며, 그 원형 편광 층은 2 번 통과한 후 빔 스플리터 (13) 의 방향으로 편광 상태를 다시 90° 회전시킨다. 이는 가능한 한 많은 광이 검출기 (12) 에 도달한다는 이점을 가진다.
설명된 차이들 외에, 레이저 방사체 (2) 의 레이저 방사선은 도 1a에서 장치 (1) 를 참조하여 이미 설명된 바와 같이 이어진다. 검출기 (2) 상의 간섭 패턴들의 평가는 또한 도 1에서의 장치 (1) 와 유사하게 일어난다.
빔 스플리터 (13) 는 도 2에서 4 개의 광학 아암들을 정의하며, 이는 이후로 마이켈슨 셋업의 양호한 이해를 위해 설명될 것이다. 제 1 광학 아암은, 레이저 방사체들 (2) 을 갖는 방사체 칩 (3) 및 마이크로 옵틱 어레이 (38) 가 위치되는 조사 아암 (39) 으로서 정의된다. 조사 아암 (39) 에서 조사 방사선 (6) 은 빔 스플리터 (13) 의 방향으로 이어진다.
제 2 광학 아암으로서, 빔 스플리터 (13) 는, 빔 스플리터 (13) 에 의해 반사된 레퍼런스 방사선 (5) 이 포물면 거울 (10) 의 방향으로 그리고 이로부터 다시 빔 스플리터 (13) 의 방향으로 편향되는 레퍼런스 아암 (40) 을 정의한다. 포물면 거울 (10) 은 바람직하게는 레퍼런스 아암 (40) 내에 위치된다.
제 3 광학 아암은 오브젝트 아암 (41) 이라 불린다. 렌즈 (14) 와 오브젝트 (15) 가 그 내부에 위치된다. 선택사항으로 추가의 렌즈들 또는 광학 엘리먼트들이 오브젝트 아암 (41) 내에 위치될 수 있다. 오브젝트 아암 (41) 에서 조사 방사선 (6) 이 오브젝트 (15) 상에서 편향되고 오브젝트 (15) 에 의해 반사된 오브젝트 방사선은 빔 스플리터 (13) 의 방향으로 안내된다.
제 4 광학 아암은 검출 아암 (42) 이다. 그것은 빔 스플리터 (13) 에서부터 검출기 (12) 까지의 섹션으로서 정의된다. 검출 아암 (42) 은 검출기 (12) 를 구비하고, 예컨대 복수의 검출기들 (12) 이 사용된다면, 선택사항으로 추가의 빔 스플리터들을 구비한다.
바람직하게는 광학 편광-회전 엘리먼트들이 오브젝트 아암 (41) 및 레퍼런스 아암 (40) 에서 사용될 수 있다. 각각의 경우에, 편광된 조사 및 레퍼런스 빔들로, 검출기 (12) 앞에서 검광기 (편광자, 미도시) 는 간섭 가능한 공통 면 상에 광 방사선을 다시 이르게 하는 것이 보장되어야 한다. 편광 엘리먼트들 (마이크로 옵틱 어레이 (38) 에 포함됨) 이 사용되지 않으면, 증가된 "크로스토크" (교란하는 영향들) 는 오브젝트 방사선 (21) 및 레퍼런스 방사선 (5) 사이에서 예상되어야 하며, 이는 얼마간의 비용으로 정정되어야만 한다.
도 3은 도 2로부터의 마이크로 옵틱 어레이 (38) 의 상세한 도면을 제 1 실시형태에서 측면으로부터 도시한다. 마이크로 옵틱 어레이 (38) 는 원칙적으로는 도 2에 따른 마이켈슨 셋업으로 뿐만 아니라 또한 선택사항으로는 장치 (1) (도 1a) 의 레이저 방사체들 (2) 및 추가의 광학 디바이스들 사이에서 도 1a에 따른 마하 젠더 셋업으로도 위치될 수 있다.
각 개개의 레이저 방사체 (2) 의 레이저 방사선은 마이크로 옵틱 어레이 (38) 를 통해 이어진다. 일 예로서, 마이크로 옵틱 어레이 (38) 의 구조는 이후로 레이저 방사체 (2) 에 대해 설명된다. 다른 레이저 방사체들 (2) 에 대한 마이크로 옵틱 어레이 (38) 의 구조는 동일하다.
마이크로 옵틱 어레이 (38) 는 입력부 (43), 제 1 출력부 (44), 및 제 2 출력부 (45) 를 가지며, 이를 통해 레이저 방사선이 마이크로 옵틱 어레이 (38) 를 다시 떠난다.
레이저 방사체들 (2) 로부터의 레이저 방사선이 입력부 (43) 를 통해 마이크로 옵틱 어레이 (38) 안으로 방출된 후, 그것은 막대 형상의 원통형 렌즈 (46) 로 이어지며, 그 원통형 렌즈는 바람직하게는 약 0.1의 개구수를 갖는 거의 원형 레이저 방사선이 형성되는 방식으로 레이저 방사선을 포커싱한다.
원통형 렌즈 (46) 뒤의 빔 방향에 위치된 것은 도 3에서의 레이저 방사선을 지면에 수직하게 편광시키는 편광자 (47) 이다. 빔 스플리터 (48) 는 그 다음에 레이저 방사선을 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할한다. 그렇게 형성된 레퍼런스 방사선 (5) 은 그 다음에 서큘레이터 (49) 를 통과하며, 서큘레이터는 편광면을 90°만큼 회전시킨다, 즉 레퍼런스 방사선 (5) 을 도 3에서의 지면에 평행하게 편광시킨다. 조사 방사선 (6) 은 한편 그것의 편광으로 영향을 받지 않는다. 결과적으로 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 은 상이한 방향들로 편광된다. 당연히, 편광 상태들은 또한 반전되며, 즉 도 3에서의 레이저 방사선은 편광자 (47) 에 의해 지면에 평행하게 편광되는 한편 레퍼런스 방사선 (5) 은 서큘레이터 (49) 에 의해 지면에 수직하게 편광된다.
레퍼런스 방사선 (5) 및 또한 조사 방사선 (6) 양쪽 모두는 그 다음에 각각 홀로그램 (50) 을 통과하며, 그 홀로그램은 레퍼런스 방사선 (5) 에 높은 개구수를 제공하고 조사 방사선 (6) 에는 그것에 비해 낮은 개구수를 제공한다. 조사 스트립 또는 스트립들의 형상은 이에 의해 미리 정의될 수 있다.
홀로그램들 (50) 을 통과한 후, 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 은 마이크로 옵틱 어레이 (38) 로부터 출력부들 (44 또는 45) 을 통해 나온다. 그러나, 원칙적으로 개개의 광학 엘리먼트들의 순서를 교환하는 것 또한 가능하다. 복수의 홀로그램 면들을 제공하는 것 또한 가능하다.
도 4는 제 2 실시형태에 따른 마이크로 옵틱 어레이 (38) 를 도시한다. 그 마이크로 옵틱 어레이 (38) 는 도 3으로부터의 마이크로 옵틱 어레이 (38) 에 비해 단순화된 것을 구성한다. 빔 스플리터 (48) (도 3) 가 홀로그램 (50) 으로서 형성되고 마이크로 옵틱 어레이 (38) 가 또한 서큘레이터 (49) 및 이중 편광자 (51) 만을 포함한다는 것이 상이하다.
레이저 방사체 (2) 의 레이저 방사선은 마이크로 옵틱 어레이 (38) 에 입력부 (43) 를 통해 들어간다. 홀로그램 (50) 에서 레이저 방사선은 초기에는 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할된다. 레퍼런스 방사선 (5) 에는 홀로그램 (50) 에서 높은 개구수가 제공되고 조사 방사선 (6) 에는 이에 비해 낮은 개구수가 제공된다. 유사하게 조사 스트립 또는 스트립들의 형상은 미리 정의될 수 있다.
다음의 서큘레이터 (49) 에서, 레퍼런스 방사선 (5) 의 편광이 일어나며, 그 레퍼런스 방사선은 그것의 편광이 90 도만큼 회전된다. 조사 방사선 (6) 은 한편 그것의 편광으로 영향을 받지 않는다. 당연히 이는 또한 역으로도 일어난다. 다음의 이중 편광자 (51) 에서 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 양쪽 모두가 편광된다. 조사 방사선 (6) 의 편광의 방향은 앞에서와 같이 레퍼런스 방사선 (5) 의 편광으로부터 90 도만큼 상이하다. 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 양쪽 모두에서 원하지 않게 회전된 편광 부분들은 이중 편광자 (51) 에서 공동으로 억제된다.
레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 은 그 다음에 마이크로 옵틱 어레이 (38) 로부터 개별 출력부 (44, 45) 에서 나온다. 여기서 또한 원칙적으로 광학 엘리먼트들의 순서는 교환될 수 있거나 또는 홀로그램 (50) 은 보다 적은 개개의 태스크들을 갖는 2 개의 단일 홀로그램들로 분할될 수 있다.
도 5는 제 4 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치 (1) 를 도시한다. 그것의 구조는 도 2로부터의 마이켈슨 셋업에 대응하며, 레이저 빔 스플리터 (13) 에 대한 방사체들 (2) 및 검출기 (12) 의 포지션들이 변경되어 있다. 더욱이, 빔 스플리터 (13) 는 편광 빔 스플리터로서 설계되며, 즉 그것은 편광에 의존하여 방사선을 투과 또는 반사한다.
이전에 설명된 장치들 (1) 외에도, 도 5에 따른 장치 (1) 는, 복수의 광학 디바이스들을 포함하는 광학계 (52) 를 가진다. 광학계 (52) 는 렌즈 (14) 로부터 장치 (1) 의 오브젝트 측 말단에까지 연장한다. 광학 디바이스들 중 하나는 후방 반사체 (54) 를 갖는 제 2 렌즈 (53) 로서 구성된다. 후방 반사체 (54) 에 충돌하는 레이저 방사선은 바람직하게는 90% 투과되고 10% 반사된다. 따라서 후방 반사체 (54) 는 렌즈 (53) 의 앞면 측 곡률과 함께 도 2로부터 포물면 거울 (10) 의 기능을 이어받는다.
제 2 렌즈 (53) 의 앞면 (55) 상에 위치된 것은 원형 편광자 (미도시) 이며, 그것의 도움으로 레퍼런스 방사선 (5) 은 렌즈 (53) 에 충돌하고 오브젝트 방사선 (21) 은 그것의 편광이 90°를 회전한다. 이에 의해, 렌즈 (14) 에 의한 투과 후, 완전 후방 방사된 레이저 방사선은 편광 빔 스플리터 (13) 로 투과되는 것이 달성된다.
광학계 (52) 의 다른 광학 디바이스가, 레이저 방사체들 (2) 의 조사 방사선 (6) 을 그것이 조사 스트립 (19) 으로서 오브젝트 (15) 에 충돌하는 방식으로 편향시키는 홀로그램 (50) 으로서 구성된다. 특히, 각각의 레이저 방사체 (2) 의 조사 방사선 (6) 의 개구수는, 한편으로는 2 개의 상호 오프셋 조사 스트립들 (19) 이 형성되고 다른 한편으로는 이들 조사 스트립들 (19) 의 각각이 대략 사각형 형상을 가지도록, 홀로그램 (50) 의 도움으로 변화된다. 광학계 (52) 의 광학 디바이스이기도 한 제 3 렌즈 (56) 에 의해, 홀로그램 (50) 에 의해 편향된 조사 방사선 (6) 은 거울 (57) 쪽으로 향하게 되며, 그 거울은 조사 방사선 (6) 을 오브젝트 (15) 쪽으로 편향시킨다.
도 2와 비교하여 레이저 방사체들 (2) 및 검출기 (12) 의 상이한 포지션의 결과로서, 조사 아암 (39) 및 검출 아암 (42) 의 포지션들도 도 2와 비교하여 바뀌었다. 도 2의 장치 (1) 와는 대조적으로, 도 5에 따른 장치에서 레퍼런스 아암 (40) 및 오브젝트 아암 (41) 은 적어도 부분적으로 중첩된다.
이후로, 조사 방사선 (6) (연속선으로 도시됨) 및 레퍼런스 방사선 (5) (쇄선으로 도시됨) 의 경로가 일 예로서 상세히 설명될 것이다.
레이저 방사체들 (2) 에 의해 방출된 레이저 방사선 (77) 은 마이크로 옵틱 어레이 (38) 를 통과하고 이로부터 다시 편광 상태로 나온다, 즉 편광된다. 레이저 방사선 (77) 의 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로의 분할이 마이크로 옵틱 어레이 (38) (도 3 참조) 에서 일어나지 않는다.
마이크로 옵틱 어레이 (38) 로부터 나오는 레이저 방사선 (77) 은, 편광 빔 스플리터 (13) 가 레이저 방사선 (77) 을 렌즈 (14) 를 통해 오브젝트 (15) 의 방향으로 반사시키는 방식으로 선형 편광된다. 렌즈 (14) 는 레이저 방사선 (77) 을 평면파로 변환시킨다. 레이저 방사선 (77) 은 그 다음에 제 2 렌즈 (53) 로 입사하고 그것의 편광면에서 렌즈 (53) 의 앞면 (55) 의 원형 편광자에 의해 선형 편광된다. 레이저 방사선 (77) 은 후방 반사체 (54) 에 추가로 입사되며, 그 후방 반사체는 작은 부분, 즉 예를 들어 그것의 10%를, 제 2 빔 스플리터 (13) 의 방향으로 뒤로 반사한다. 이 반사된 부분은 렌즈 (53) 의 앞면 (55) 상의 서큘레이터를 통한 재개된 통과의 결과로서 다시 원형 편광되어, 그것의 편광 상태가 효과적으로 90°만큼 회전된다. 이는 레이저 방사선 (77) 의 편광 상태가 원형 편광자를 2 번 통과하여 90°만큼 회전된다는 것을 의미한다.
후방 반사체 (53) 에서 반사된 부분은 레퍼런스 방사선 (5) 을 형성하고 다시 제 2 렌즈 (14) 에 충돌한다. 레퍼런스 방사선 (5) 은 그 다음에 제 2 빔 스플리터 (13) 에 의해 변경된 편광의 결과로서 투과된다. 제 2 빔 스플리터 (13) 뒤에서, 레퍼런스 방사선 (5) 은 검출기 (12) 에 충돌하고 이것에 의해 기록된다.
후방 반사체 (54) 에 의해 투과된 레이저 방사선 (77) 의 부분은 조사 방사선 (6) 을 형성한다. 투과된 부분은 레이저 방사선 (7) 의 약 90%이다. 후방 반사체 (54) 는 그러므로 레이저 방사선 (77) 을 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할하는 빔 스플리터로서 구성된다.
조사 방사선 (6) 은 제 2 렌즈 (53) 의 도움으로 홀로그램 (50) 상에 포커싱된다. 홀로그램 (50) 은 조사 방사선 (6) 을 2 개의 빔 번들 (bundle) 들 (64) 로 분할하며, 이 빔 번들들은 제 3 렌즈 (56) 및 거울 (57) 에 의해 2 개의 조사 스트립들 (19) 로서 오브젝트 (15) 쪽으로 편향된다.
이후로, 오브젝트 방사선 (21) 으로서 반사된 조사 방사선 (6) 의 경로가 물점 (24) 을 참조하여 설명될 것이다. 물점 (24) 으로부터 반사된 - 및 선행하는 서큘레이터를 통과하는 것에 의해 원형 편광된 - 오브젝트 방사선 (21) (점선으로 도시됨) 은 거울 (57) 에 충돌한다. 이는 오브젝트 방사선 (21) 을 제 3 렌즈 (56) 로 편향시키며, 제 3 렌즈는 오브젝트 방사선 (21) 을 평면파로 변환시킨다. 오브젝트 방사선 (21) 은 그 다음에 제 2 렌즈 (53) 에 충돌하고 이에 의해 앞면에 위치된 서큘레이터에 충돌하며, 그 서큘레이터는 이제 레퍼런스 방사선과 유사하게 편광 빔 스플리터 (13) 의 통과의 방향에 따라 오브젝트 방사선 (21) 을 편향시킨다. 제 2 렌즈 (53) 는 오브젝트 방사선 (21) 을 렌즈 (14) 상에 매핑하며, 그 렌즈는 이 오브젝트 방사선을 제 2 빔 스플리터 (13) 에 투영한다. 빔 스플리터 (13) 는 오브젝트 방사선 (21) 을 대응하는 편광의 결과로서 오브젝트 방사선 (21) 이 검출기 (12) 에 충돌하도록 투과시킨다. 검출기 (12) 는 오브젝트 방사선 (21) 을 기록한다.
검출기 (12) 에서, 레퍼런스 방사선 (5) 및 오브젝트 방사선 (21) 은 도 1a에 관해 설명된 바와 같이 간섭한다. 이로써 생성된 간섭 패턴의 평가는 도 1a의 장치 (1) 와 유사하게 수행된다. 오브젝트 (15) 에 의해 반사된 오브젝트 방사선 (6) 이 유래하는 조사 스트립 (19) 은, 검출기 (12) 의 검출기 표면 (25) 에 대한 오브젝트 방사선 (21) 의 평가에서 입사각 (γ) 및 차이각 (δ) (도 1a) 의 도움으로 결정될 수 있다.
도 6에 도시된 제 5 실시형태에 따른 장치 (1) 는, 도 5에 도시된 장치 (1) 와는, 제 2 검출기 (58) 및 레이저 방사선을 제 2 검출기 (58) 쪽으로 편향시키는 부가적인 빔 스플리터 (59) 가 상이하다. 도 6에 따른 장치 (1) 는 2 개의 방사체 칩들 (3) 을 가지며, 도 6에서의 전방 방사체 칩 (3) 은 후방 방사체 칩을 커버한다. 도 6에서 전방 방사체 칩 (3) 상에 위치된 방사체 칩들 (2) 의 레이저 방사선은 검출기 (12) 에 충돌한다. 도 6에서 후방 방사체 칩 상에 위치된 레이저 방사체들의 레이저 방사선은 제 2 검출기 (58) 에 충돌한다.
각각의 방사체 칩 (3) 의 레이저 방사체들 (2) 은 파장 그룹을 형성하며, 각각의 파장 그룹들에는 중심 파장이 할당될 수 있다. 중심 파장은 방사체 칩 (3) 의 레이저 방사체들 (2) 에 의해 방출된 레이저 방사선의 상이한 파장들에 대해 평균을 형성함으로써 결정된다.
부가적인 빔 스플리터 (59) 는 그것에 입사하는 레이저 방사체들 (2) 의 레이저 방사선을 중심 파장들에 의존하여 분할한다. 부가적인 빔 스플리터 (59) 의 이 파장 의존성은 그 부가적인 빔 스플리터가 도 6에서의 전방 방사체 칩 (3) 의 레이저 방사체들 (2) 에 의해 방출된 제 1 중심 파장을 갖는 레이저 방사선을 투과하는 방식으로 선택된다. 도시되지 않은 다른 편의 후방 방사체 칩의 레이저 방사체들의 레이저 방사선은 부가적인 빔 스플리터 (59) 에서 제 2 중심 파장으로 검출기 (58) 쪽으로 반사된다.
2 개의 방사체 칩들 (3) 을 사용하는 것에 의해, 레이저 방사선 (77) 은 빔 스플리터 (13) 와, 도 6의 지면에 대해 약간 경사진 장치 (1) 의 추가적인 광학 디바이스들에 충돌한다.
그러나 도 6의 지면 상에 투영되는 경우, 조사 아암 (39), 레퍼런스 아암 (40), 및 오브젝트 아암 (41) 의 지역에서의 레이저 방사선 (77) 의 경로는 도 5에 도시된 경로와 일치한다. 빔 경로에서의 차이들은 위에서 설명된 바와 같이 부가적인 빔 스플리터 (59) 로 인해 검출 아암 (42) 에서만 획득된다.
도 7은 내부 보어 스캐너로서 구성되는 제 6 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치 (1) 를 도시한다. 이는 내부, 특히 보어 (62) 의 내부 또는 보어 (62) 의 내부 벽 (61) 을 조사하는데 사용될 수 있다. 이를 위해 장치 (1) 는 2 개의 빔 스플리터들 (63) 을 가진다.
도 5의 장치 (1) 와 유사하게, 홀로그램 (50) 은 2 개의 빔 번들들 (64) 을 생성하며, 그 빔 번들들은 도 5의 장치 (1) 와는 달리, 빔 스플리터 (63) 의 도움으로 2 개의 대향 방향들로 보어 (62) 의 내벽 (61) 쪽으로 편향된다.
보어 (62) 를 그것의 전체 둘레에 걸쳐 조사하기 위하여, 장치 (1) 의 광학계 (52) 는 보어 (62) 안으로 적어도 부분적으로 도입된다. 광학계 (52) 는 보어 (62) 의 중심에 위치될 필요는 없다. 가능한 센터링 오차 (centering error) 들은 보어 (62) 의 내벽 (61) 의 상호 대향 지역들에 충돌하는 2 개의 조사 스트립들 (19) 에 의해 보상될 수 있다. 광학계 (52) 또는 장치 (1) 는 보어 (62) 가 그것의 전체 둘레에 걸쳐 조사될 수 있도록 보어 (62) 의 내부에서 회전된다.
도 7에 따르면, 장치 (1) 의 광학계 (52) 는, 도 5에 따른 컴포넌트들 외에도, 2 개의 빔 스플리터들 (63) 을 포함한다. 도 7에 따른 광학계 (52) 는, 예를 들어, 11 mm 내지 300 mm의 지름을 갖는 보어 (62) 안으로 삽입될 수 있는 방식으로 구성된다.
도 8은 마이켈슨 셋업의 원리 (도 2) 에 기초하는 제 7 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치 (1) 를 도시한다. 도 5에 따른 장치 (1) 와 비교하여, 홀로그램은, 오브젝트 상에 조사 스트립들 (19) 로서 입사하는 2 개의 빔 번들들 (64) 이 형성되는 마이크로 옵틱 어레이 (38) 에 통합된다. 빔 번들들 (64) 은 렌즈들 (14, 53, 56) 및 거울 (57) 을 통해 오브젝트 (15) 쪽으로 편향된다.
더욱이, 도 5에 도시된 장치와는 대조적으로, 장치 (1) 의 마이크로 옵틱 어레이 (38) 는 레이저 방사체들 (2) 의 레이저 방사선을 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할한다.
더욱이, 후방 반사체 (54) (도 5 참조) 는 렌즈 (53) 에 통합되지 않지만 포물면 거울 (10) 은 레이저 방사체 (2) 로부터의 레퍼런스 방사선 (5) 을 검출기 (12) 로 편향시키기 위하여 사용된다. 마이크로 옵틱 어레이 (38) 로부터 나오는 레퍼런스 방사선 (5) 은 그 레퍼런스 방사선이 검광기 (편광자) (65) 에 충돌한 다음 검출기 (12) 에 충돌하는 방식으로 포물면 거울 (10) 에서 반사된 다음 제 2 빔 스플리터 (13) 에서 반사된다. 포물면 거울 (10) 은, 방사체 칩 (3) 상의 레이저 방사체 (2) 의 포지션에 따른 레퍼런스 방사선 (5) 이 특정한 레퍼런스 입사각 (α) (도 1a 참조) 으로 검출기 (12) 에 충돌하는 방식으로 구성된다.
레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 은 상이한 편광 상태들을 가지고서 마이크로 옵틱 어레이 (38) 를 떠난다. 제 2 빔 스플리터 (13) 는 제 1 편광을 갖는 레퍼런스 방사선 (5) 을 투과하고 제 2 편광을 갖는 조사 방사선 (6) 을 반사하도록 편광 민감 빔 스플리터로서 구성된다. 이는 또한 당연히 역으로 실현가능하다.
제 2 렌즈 (53) 는 그것의 앞면 (55) 상에 서큘레이터 (미도시) 를 가지며, 그 서큘레이터는 조사 방사선 (6) 및 그 후의 오브젝트 (15) 에 의해 반사된 오브젝트 방사선 (21) (도 5 참조) 을 총 90°만큼 회전시켜서 그 오브젝트 방사선이 제 2 빔 스플리터 (13) 에 의해 검출기 (12) 의 방향으로 입사되고 검출기 (12) 에 입사되도록 한다.
검광기 (편광자) (65) 는 간섭 패턴이 오브젝트 빔 (21) 및 레퍼런스 빔 (5) 으로부터 동일한 편광면들에 의해 형성될 수 있는 것을 보장한다.
도 9는, 도 8에 따른 실시형태와는 오브젝트 (15) 상에 위치된 층 (75) 의 두께를 측정하는 측정 유닛 (31) 이 상이한, 제 8 실시형태에 따라서 본 발명에 따른 장치 (1) 를 도시한다. 측정 유닛 (31) 은 알려진 간섭측정법의 원리에 따라 동작하는 백색 광 포인트 센서 (66) 를 포함한다.
백색 광 포인트 센서 (66) 는, 바람직하게는 10 nm 내지 100 nm의 스펙트럼 폭을 갖는 광역 스펙트럼 점 광원을 광원 (67) 으로서 포함한다. 광원 (67) 은 바람직하게는 1300 nm의 중심 파장 주위로 방출하며, 그것은 산란 매체 (예컨대 조직) 를 매우 잘 관통한다. 광원 (67) 의 광 방사선은, 예를 들어, 광 빔 (68) 에 의해 도시된다.
백색 광 포인트 센서 (66) 의 부분은 추가로 제 2 검출기 (58) 이며, 그 제 2 검출기는 광원 (67) 의 광 방사선을 검출한다. 광 방사선을 이 제 2 검출기 (58) 로 편향시키기 위하여, 장치 (1) 는 파장에 의존하여 방사선을 반사 또는 투과하는 부가적인 빔 스플리터 (59) 를 가진다.
간섭측정법의 방법에 기초한 층 두께 측정을 위해, 장치 (1) 는 추가로 제 2 레퍼런스 아암 (69) 및 제 2 오브젝트 아암 (70) 을 가진다. 제 2 레퍼런스 아암 (69) 은 장치 (1) 의 광학계 (52) 에 위치된 레퍼런스 거울 (71) 및 제 3 렌즈 (56) 내의 반투과 거울 (72) 사이의 거리의 2 배로서 정의된다. 제 2 오브젝트 아암 (70) 이 반투과 거울 (72) 및 오브젝트 (15) 의 물점 (24) 사이의 거리로서 정의된다. 0.1 mm 내지 최대, 예를 들어, 3 mm의 경로 차이들 외에, 레퍼런스 아암 (69) 과 오브젝트 아암 (70) 은 장치 (1) 가 오브젝트 (15) 로부터 대응하는 거리에 위치된다면 확실히 완전히 동일하지 않다.
이후로, 백색 광 포인트 센서 (66) 의 광학 경로가 설명된다. 그것의 기능에 관해 선행 기술에 따르면, 튜닝가능 파장에 의해, 층 두께 정보는 주파수 측정에 의해 검출기 (58) 에서 획득될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이 목적을 위해 오브젝트 아암 (70) 및 레퍼런스 아암 (69) 사이의 경로 차이는 0과는 상이해야만 한다.
백색 광 포인트 센서 (66) 의 광원 (67) 은 광 빔 (68) 을 방출하며, 그 광 빔은 빔 스플리터 (13) 에 의해, 렌즈 (14) 및 제 2 렌즈 (53) 를 통해 레퍼런스 거울 (71) 을 지나 반투과 거울 (72) 쪽으로 편향된다. 반투과 거울 (72) 은 광 빔 (68) 을 반사되는 레퍼런스 빔 (73), 및 투과되는 조사 빔 (74) 으로 분할한다.
반투과 거울 (72) 에서 반사된 레퍼런스 빔 (73) 은 레퍼런스 거울 (71) 에 충돌하며, 그것으로부터 반투과 거울 (72) 쪽으로 반사되고, 다시 제 2 빔 스플리터 (13) 의 방향으로 반사된다. 레퍼런스 빔 (73) 을 백색 광 포인트 센서 (66) 의 파장에 민감한 반투과 거울 (72) 쪽으로 반사하는 홀로그램으로서 레퍼런스 거울 (71) 을 구성하는 것이 또한 실현가능하다.
반투과 거울 (72) 에 의해 투과된 조사 빔 (74) 은 거울 (57) 을 통해 오브젝트 (15) 쪽으로 편향된다. 조사 빔 (74) 은 오브젝트 (15) 상에 위치된 층 (75) 을 통과하고 그 중에서도 오브젝트 (15) 의 물점 (24) 에 충돌한다. 오브젝트 빔 (미도시) 으로서 물점 (24) 에서 반사된 조사 빔 (74) 의 경로는 도 8의 오브젝트 (15) 에서 반사된 오브젝트 방사선 (21) 과 유사하게 달성된다. 그러나, 장치 (1) 의 제 8 실시형태에 따른 오브젝트 빔은 그것의 파장의 결과로서 부가적인 빔 스플리터 (59) 에 의해 반사되고 검출기 (58) 쪽으로 편향된다.
레이저 방사체들 (2) (도 8 참조) 에 의해 방출된 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 의 도움으로, 장치 (1) 는, 도 8의 장치 (1) 와 유사하게, 층 (75) 의 표면 (76) 을 검출할 수 있다. 측정 유닛 (31) 은 부가적으로 층 (75) 아래의 오브젝트 (15) 가 스캔되는 것을 가능하게 한다. 표면 (76) 및 또한 층 (75) 아래의 오브젝트 (15) 양쪽 모두가 결정될 수 있으므로, 층 (75) 의 층 두께는 프로세싱 디바이스 (30) 의 도움으로 계산될 수 있다.
도 5 내지 도 9에 도시된 장치 (1) 의 실시형태들은 치과 스캐너들로서, 예를 들어, 치아 또는 전체 턱의 3차원 검출을 위해 사용될 수 있다. 이 목적을 위해 광학계 (52) 는 바람직하게는 많아야 20 mm의, 바람직하게는 많아야 10 mm의 지름을 가진다. 광학계 (52) 는 많아야 150 mm의, 바람직하게는 많아야 100 mm의 길이를 가진다. 광학계 (52) 의 길이는 렌즈 (14) 및 장치 (1) 의 오브젝트 측 말단 사이의 거리로서 정의된다.

Claims (17)

  1. 오브젝트 (15) 의 3D 구조를 검출하는 장치로서,
    - 제 1 파장을 갖는 레이저 방사선을 생성하는 제 1 레이저 방사체 (2a),
    - 상기 제 1 파장과는 상이한 제 2 파장을 갖는 레이저 방사선을 생성하는 제 2 레이저 방사체 (2b),
    - 광학 디바이스들 (4, 9, 10, 13, 14, 38, 50, 53, 56) 로서, 상기 광학 디바이스들 중 적어도 하나가 상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 상기 레이저 방사선을 각각의 경우에 레퍼런스 방사선 (5) 및 조사 방사선 (6) 으로 분할하는 빔 스플리터 (4, 48, 50, 54) 이고, 상기 조사 방사선 (6) 은 측정될 상기 오브젝트 (15) 에 충돌하며, 상기 오브젝트 (15) 에 의해 오브젝트 방사선 (21) 으로서 반사되고, 상기 레퍼런스 방사선 (5) 과 간섭하는, 상기 광학 디바이스들 (4, 9, 10, 13, 14, 38, 50, 53, 56), 및
    - 형성된 간섭 패턴들을 기록하는 검출기 (12) 를 포함하며,
    상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 은, 상기 제 1 레이저 방사체 (2a) 의 상기 조사 방사선 (6) 및 상기 제 2 레이저 방사체 (2b) 의 상기 조사 방사선 (6) 이 상이한 입사각들 (β) 로 상기 오브젝트 (15) 에 충돌하는 방식으로 위치되고, 그리고
    상기 장치 (1) 는, 상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 상기 레이저 방사선의 2 개의 상기 파장들을 측정하고 상기 간섭 패턴들의 기록에 영향을 미치는 측정 디바이스 (27) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스 (27) 는 상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 상기 레이저 방사선의 상기 파장들의 시간 거동을 측정하고, 제어 디바이스 (28) 는 실질적으로 일정한 파장들의 경우에 상기 검출기 (12) 를 작동시키고 상기 간섭 패턴들의 기록을 트리거하는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 장치 (1) 는, 상기 측정 디바이스 (27) 의 측정 결과들에 의존하여, 방출된 상기 레이저 방사선의 상기 파장들이 실질적으로 일정한 방식으로, 상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 을 조절하는 조절 디바이스 (29) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스는 파브리 페로 (Fabry Perot) 간섭계 (27) 로서 구성되는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 디바이스들 중 적어도 하나는, 상기 조사 방사선 (5) 이 하나 이상의 조사 스트립들 (19) 로서 상기 오브젝트 (15) 에 충돌하는 방식으로, 상기 조사 방사선 (5) 을 편향시키는 홀로그램 (50) 인 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    마이크로 옵틱 어레이 (38) 가, 상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 상기 레이저 방사선을 상기 레퍼런스 방사선 (5) 및 상기 조사 방사선 (6) 으로 분할하고 방사선 (5, 6) 의 양 세트들에 상이한 방사선 프로파일들을 제공하는, 상기 빔 스플리터 (48, 50) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치 (1) 는 2 개의 방사체 칩들 (3) 및 2 개의 검출기들 (12, 58) 을 포함하며, 하나의 방사체 칩 (3) 상에 위치된 상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 상기 레이저 방사선은 하나의 검출기 (12) 에 충돌하고 다른 하나의 방사체 칩 (3) 상에 위치된 상기 레이저 방사체들 (2, 2a, 2b) 의 상기 레이저 방사선은 다른 하나의 검출기 (58) 에 충돌하는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치 (1) 는 상기 오브젝트 (15) 상에 위치된 층 (75) 의 두께를 측정하는 측정 유닛 (31) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치 (1) 는 복수의 광학 디바이스들 (50, 53, 56, 57, 63) 을 갖는 광학계 (52) 를 포함하며, 상기 광학계 (52) 는 환자의 내부 입 (inner mouth) 부위 안으로 또는 보어 (62) 안으로 삽입될 수 있는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 오브젝트의 3D 구조를 검출하는 장치.
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