KR102435984B1 - 작동 시야 분할 렌즈 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피사체의 영상 정보를 전기적인 영상신호로 변환시키는 이미지 센서 모듈(110,210)과, 텔레센트릭 렌즈가 구비되어 피사체의 영상 정보를 집중시키고 교정시켜 상기 이미지 센서로 보내는 텔레센트릭 렌즈 모듈(130,230) 및, 이미지 센서가 변환시킨 전기적인 영상신호를 시각적으로 표시하는 화상 표시 모듈(140,240)을 포함하되, 상기 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 피사체의 영상을 분할시킴으로써, 피사체의 영상의 초점거리 또는 피사체의 영상 획득 면적을 확장시키는 영상 분할 모듈이 텔레센트릭 렌즈의 정면 또는 배면 측에 설치되는 것을 특징으로 함으로써, 피측정물의 심도가 고르지 않음으로 인해 렌즈로부터 피측정물의 표면 간의 거리가 고르지 못하더라도 균일한 고해상도의 영상을 얻을 수 있고, 또한 피측정물의 면적이 커지더라도 그에 대응되게 시야각이 확장될 수 있는 작동 시야 분할 텔레센트릭 렌즈 시스템을 제공하고자 한다.

Description

작동 시야 분할 렌즈 시스템{Macro half view working optic lens system}
본 발명은 렌즈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작동 시야 분할 렌즈 시스템에 관한 것이다.
현미경과 같은 광학 기구로 관측할 경우, 관측 대상인 시료의 표면은 항상 그 높이가 일정한 것은 아니어서, 동등한 기준으로 관측되어야 할 대상이 서로 다른 높이에 위치하여 관측 깊이가 달라짐으로 인해 그 크기의 차이 때문에 관측의 정확도에 영향을 미칠 수 있다.
다른 깊이를 가진 대상물의 경우는 그 거리의 차이로 인해 크기가 다르고, 원통과 같은 대상의 경우는 화각으로 인해 불필요한 상이 CCD에 맺히게 된다. 이런 현상을 최소화할 목적으로 개발된 것이 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)이다.
텔레센트릭 렌즈의 원리는 렌즈의 초점에 아이리스(iris)를 설치하여 광축과 평행인 빛만 통과시켜 z축에 의한 영향을 최소화시키는 것이다. 그러나 대상 물체가 렌즈 직경의 절반보다 작아야 그 효과가 있다.
그런데 텔레센트릭 렌즈가 사용되는 광학 시스템에서도 피사체와 렌즈와의 거리에 따라 초점거리가 달라지면서 해상도에 차이가 발생되는 문제를 피할 수 없다.
또한 텔레센트릭 렌즈가 사용되는 광학 시스템에서도 광로의 시야각의 한계가 있고, 이러한 시야각의 한계를 보정해 줄 수 있는 수단이 없으므로 피측정물의 측정 면적이 증가할 경우 더 큰 면적을 측정할 수 있는 다른 규격의 시스템을 별도로 구비해야 하는 문제가 발생한다.
공개특허공보 제10-2005-0091064호(공개일자: 2005. 9. 14.)
이에 본 발명은 텔레센트릭 렌즈 시스템에서 피측정물의 심도가 고르지 않음으로 인해 렌즈로부터 피측정물의 표면 간의 거리가 고르지 못하더라도 균일한 고해상도의 영상을 얻을 수 있고, 또한 피측정물의 면적이 커지더라도 그에 대응되게 시야각이 확장될 수 있는 작동 시야 분할 텔레센트릭 렌즈 시스템을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템은 피사체의 영상 정보를 전기적인 영상신호로 변환시키는 이미지 센서 모듈(110,210)과, 텔레센트릭 렌즈가 구비되어 피사체의 영상 정보를 집중시키고 교정시켜 상기 이미지 센서로 보내는 텔레센트릭 렌즈 모듈(130,230) 및, 상기 이미지 센서가 변환시킨 전기적인 영상신호를 시각적으로 표시하는 화상 표시 모듈(140,240)을 포함하되, 상기 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 피사체의 영상을 분할시킴으로써, 피사체의 영상의 초점거리 또는 피사체의 영상 획득 면적을 확장시키는 영상 분할 모듈이 텔레센트릭 렌즈의 정면 또는 배면 측에 설치된다.
여기서 상기 영상 분할 모듈은 바람직하게는 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 광로 중 일부의 굴절각도를 교정시킴으로써 초점거리를 확장시켜, 피사체 표면의 심도에 차이가 있더라도 서로 다른 심도에서 동일한 해상도의 영상이 획득되도록, 텔레센트릭 렌즈의 하부 절반의 면적에 걸쳐지게 설치되는 로드 렌즈(121)이다.
이 경우 상기 로드 렌즈(121)는 복수개로 마련되고, 복수개의 로드 렌즈(121)는 서로 다른 두께를 가지며, 복수개의 로드 렌즈(121)는 바람직하게는 회전가능한 수직 샤프트(123)로부터 수평방향의 방사상으로 뻗어나가는 형태로 형성되는 복수개의 수평 암(122)의 말단 마다 하나씩 설치되고, 수직 샤프트(123)의 상단에는 수직 샤프트(123)를 회전시킬 수 있는 셀렉터 휠(124)이 설치됨으로써, 셀렉터 휠(124)의 회전 조작으로 상기 복수개의 로드 렌즈(121) 중 어느 하나를 선택적으로 텔레센트릭 렌즈 하부에 위치시킬 수 있게 구성된다.
한편 상기 이미지 센서 모듈(110,210)은 바람직하게는 이미지 센서 모듈(110,210)에 집광되는 빛과 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 빛의 광로가 서로 교차하도록, 수직선으로부터 일정한 경사가 형성되게 설치되고, 상기 영상 분할 모듈은 텔레센트릭 렌즈를 통과한 빛이 이미지 센서 표면에 수직으로 입사되도록, 텔레센트릭 렌즈를 통과한 빛을 반사시키는 미러로 구성되는 분할 미러 모듈(220)이며, 상기 미러는 두 개의 인접하는 제1미러(221)와 제2미러(222)로 이루어지며, 제1미러(221)의 중심 보다 제2미러(222)의 중심이 텔레센트릭 렌즈로부터 더 멀리 배치된다.
이때 상기 분할 미러 모듈(220)에는 바람직하게는 제1미러(221)와 제2미러(222)를 독립적으로 가변시켜 제1미러(221) 또는 제2미러(222)와 텔레센트릭 렌즈 사이의 거리를 조절시키는 가변 기구가 설치된다.
특히 바람직하게는 상기 가변 기구는 제1미러(221)와 제2미러(222)에 각각 설치되는 수직축 방향의 제1랙기어(223) 및 제2랙기어(224)와, 제1미러(221)와 제2미러(222)의 사이에 설치되는 피니언 기어(225)와, 상기 피니언 기어(225)를 회전 가능하게 지지하는 가변 축(2251)과, 상기 가변 축(2251)을 수평 방향으로 이동시킴으로써 피니언 기어(225)를 제1미러(221) 또는 제2미러(222) 중 어느 하나와 치합시키는 미러 선택 스위치로 구성되고, 상기 가변 기구의 외부에는 가변 기구를 보호시키는 분할 미러 모듈 박스(2201)가 설치되며, 상기 분할 미러 모듈 박스(2201)에는 피니언 기어(225)의 중심에 연결되며 피니언 기어(225)의 외부로 돌출되게 형성되는 회전 축이 제1미러(221) 및 제2미러(222) 사이에서 수평으로 이동되게 안내하는 피니언 수평 가이드 홈이 형성된다.
본 발명에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템은 피측정물의 심도가 고르지 않음으로 인해 렌즈로부터 피측정물의 표면 간의 거리가 고르지 못하더라도 균일한 고해상도의 영상을 얻을 수 있고, 또한 피측정물의 면적이 커지더라도 그에 대응되게 시야각이 확장될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 텔레센트릭 렌즈 시스템과 본 발명의 제1실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템의 개념도,
도 2는 도 1의 시스템으로 얻어진 영상 사진,
도 3은 제1실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템의 추가 실시예의 개념도,
도 4는 종래의 텔레센트릭 렌즈 시스템과 본 발명의 제2실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템의 개념도,
도 5는 도 4의 시스템으로 얻어진 영상 사진,
도 6은 제2실시예에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템의 추가 실시예의 개념도,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 또한 이하에서는 텔레센트릭 렌즈 시스템에 대하여 실시예가 기술되지만, 본 발명은 일반 렌즈 시스템에도 적용될 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템은 이미지 센서 모듈(110,210)과, 텔레센트릭 렌즈 모듈(130,230) 및, 화상 표시 모듈(140,240)을 포함하되, 텔레센트릭 렌즈의 정면 또는 배면 측에는 영상 분할 모듈이 설치된다.
여기서 이미지 센서 모듈(110,210)은 피사체의 영상 정보를 전기적인 영상신호로 변환시키는 소자로서, 통상적으로 CCD센서가 사용되지만 용도에 따라서는 CMOS 센서가 채용될 수도 있다.
텔레센트릭 렌즈 모듈(130,230)은 통상의 텔레센트릭 렌즈를 의미한다. 텔레센트릭 렌즈는 다른 깊이를 가지는 대상물이 렌즈와 대상물 간의 거리의 차이로 인해 크기가 다르게 관측되거나 원통과 같이 화각으로 인해 불필요한 상이 맺히는 것을 최소화할 목적으로 개발된 렌즈이다.
영상 분할 모듈은 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 피사체의 영상을 분할시킴으로써, 피사체의 영상의 초점거리 또는 피사체의 영상 획득 면적을 확장시키도록 텔레센트릭 렌즈의 정면 또는 배면 측에 설치되는 모듈이다.
영상 분할 모듈에 대해서는 두 가지 실시예가 가능하며, 이하에서 차례로 설명하기로 한다.
영상 분할 모듈에 대한 제1실시예
영상 분할 모듈에 대한 제1실시예(이하 '제1실시예'라 칭하기로 한다.)는 도 1의 오른쪽에 도시된 바와 같이 상기 영상 분할 모듈이 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 광로 중 일부의 굴절각도를 교정시킴으로써 초점거리를 확장시켜, 피사체 표면의 심도에 차이가 있더라도 서로 다른 심도에서 동일한 해상도의 영상이 획득되도록, 텔레센트릭 렌즈의 하부 절반의 면적에 걸쳐지게 설치되는 로드 렌즈(121)인 실시예이다.
도 1의 왼쪽에 도시된 시스템은 종래의 텔레센트릭 렌즈 시스템이다. 종래의 텔레센트릭 렌즈 시스템에서는 도 1의 왼쪽에 도시된 바와 같이 피사체의 표면에 깊이가 각 부위마다 다를 경우에, 텔레센트릭 렌즈인 점에서 크기는 같도록 보정이 되지만, 초점거리는 어느 하나로만 설정되어 있으므로 초점거리에서 멀수록 해상도가 낮아지게 된다. 도 2의 왼쪽 사진을 보면 양 측의 해상도가 서로 다른 것을 볼 수 있다.
그런데, 피측정물의 표면은 항상 일정할 수는 없으며, 예를 들어 텔레센트릭 렌즈가 마이크로 소자와 같은 미세한 제품의 검사에 이용될 경우, 소자의 형상에 굴곡이 있을 경우에 전 면적에 걸쳐 고른 해상도를 얻기 힘든 문제가 발생된다.
본 발명에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템에서는 이러한 문제를 해결하고자, 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 광로 중 일부의 굴절각도를 교정시킴으로써 초점거리를 확장시켜, 피사체 표면의 심도에 차이가 있더라도 서로 다른 심도에서 동일한 해상도의 영상이 획득되도록, 텔레센트릭 렌즈의 하부 절반의 면적에 걸쳐지게 설치되는 로드 렌즈(121)가 설치된다.
특히 피측정물의 심도는 다양할 수 있으므로 로드 렌즈(121)는 보정시키는 초점 거리에 따라 여러개로 구비되는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 따라서 도 1의 오른쪽 도면에서 추가되는 구성의 실시예가 도 3에 도시된다.
도 3에 도시된 바와 같이 로드 렌즈(121)는 복수개로 마련되고, 복수개의 로드 렌즈(121)는 서로 다른 두께를 가지며, 복수개의 로드 렌즈(121)는 회전가능한 수직 샤프트(123)로부터 수평방향의 방사상으로 뻗어나가는 형태로 형성되는 복수개의 수평 암(122)의 말단 마다 하나씩 설치되고, 수직 샤프트(123)의 상단에는 수직 샤프트(123)를 회전시킬 수 있는 셀렉터 휠(124)이 설치됨으로써, 셀렉터 휠(124)의 회전 조작으로 복수개의 로드 렌즈(121) 중 어느 하나를 선택적으로 텔레센트릭 렌즈 하부에 위치시킬 수 있다.
즉 피측정물의 관측 도중에 피측정물의 표면 깊이 변화에 따라 그에 맞는 로드 렌즈(121)를 선택할 수 있도록 구성된다. 이로써, 제1실시예에서는 피측정물의 표면에 다양한 깊이를 갖는 굴곡이 형성되어도 전 면적에 걸쳐 고른 해상도의 영상을 얻을 수 있다.
영상 분할 모듈에 대한 제2실시예
영상 분할 모듈에 대한 제2실시예(이하 '제2실시예'라 칭하기로 한다.)는 도 4의 오른쪽에 도시된 바와 같이 이미지 센서 모듈(210)은 이미지 센서 모듈(210)에 집광되는 빛과 텔레센트릭 렌즈를 통과하는 빛의 광로가 서로 교차하도록, 수직선으로부터 일정한 경사가 형성되게 설치되고, 상기 영상 분할 모듈은 텔레센트릭 렌즈를 통과한 빛이 이미지 센서 표면에 수직으로 입사되도록, 텔레센트릭 렌즈를 통과한 빛을 반사시키는 미러로 구성되는 분할 미러 모듈(220)이다.
이때 상기 미러는 두 개의 인접하는 제1미러(221)와 제2미러(222)로 이루어지며, 제1미러(221)의 중심 보다 제2미러(222)의 중심이 텔레센트릭 렌즈로부터 더 멀리 배치됨으로써 도 4의 오른쪽과 같은 형태로 영상 분할 모듈이 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이 이때 시료 1의 영상(Va)과 시료 2의 영상은 반사되는 높이가 서로 다르게 됨으로써 이미지 센서 모듈(210)에 맺히는 영상의 면적이 달라질 수 있다.
왜냐하면 측정되는 피측정물의 면적은 항상 일정하지 않을 수 있는데 반해 종래의 텔레센트릭 렌즈 시스템의 관찰 가능 면적은 고정되므로 피측정물의 면적 변화에 대응되지 못하기 때문이다.
이때 시료 1의 광로(La)와 시료 2의 광로(Lb)는 광로길이가 제1미러(221) 및 제2미러(222)의 높이 차로 인해 차이가 발생되어, 더 큰 면적의 영상을 얻어야 되는 부분이 도 4의 오른쪽에서 제2미러(222)를 통해 반사되게 배치된다면 필요한 관측 면적 전체에 걸친 영상을 얻을 수 있게 된다.
그런데, 피측정물의 면적은 텔레센트릭 렌즈 시스템이 사용되는 용도에 따라 다양할 수 있으나, 그 경우마다 다른 규격의 텔레센트릭 렌즈 시스템이 동원되어야 한다면 막대한 비용이 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템의 제2실시예에서는 이러한 문제의 해결을 위해 도 6에 도시된 바와 같은 구성의 추가 실시예가 제기된다.
도 6에 따른 텔레센트릭 렌즈 시스템의 제2실시예에서는 상기 분할 미러 모듈(220)에는 제1미러(221)와 제2미러(222)를 독립적으로 가변시켜 제1미러(221) 또는 제2미러(222)와 텔레센트릭 렌즈 사이의 거리를 조절시키는 가변 기구가 설치된다.
보다 구체적으로 상기 가변 기구는 제1미러(221)와 제2미러(222)에 각각 설치되는 수직축 방향의 제1랙기어(223) 및 제2랙기어(224)와, 제1미러(221)와 제2미러(222)의 사이에 설치되는 피니언 기어(225)와, 피니언 기어(225)를 회전 가능하게 지지하는 가변 축(2251)과, 가변 축(2251)을 수평 방향으로 이동시킴으로써 피니언 기어(225)를 제1미러(221) 또는 제2미러(222) 중 어느 하나와 치합시키는 미러 선택 스위치(227)와, 제1미러(221)를 수평 방향으로 이동시킴으로써 제1미러(221)와 제1랙기어(223)의 수평 결합 위치를 가변시키는 제1 수평 이동 게이지(2211) 및, 제2미러(222)를 수평 방향으로 이동시킴으로써 제2미러(222)와 제2랙기어(224)의 수평 결합 위치를 가변시키는 제2 수평 이동 게이지(2221)로 구성된다.
따라서 제1미러(221)와 제2미러(222)는 도 6을 기준으로 볼 때 서로 독립적으로 상하 방향과 수평 방향으로 가변됨으로써 최종적으로 얻어지는 시료의 영상의 해상도와 시야각이 시료의 수평 크기와 심도에 따라 수정될 수 있다.
또한 상기 가변 기구의 외부에는 가변 기구를 보호시키는 분할 미러 모듈 박스(2201)가 설치되며, 분할 미러 모듈 박스(2201)에는 도 6에 도시된 바와 같이 피니언 기어(225)의 중심에 연결되며 피니언 기어(225)의 외부로 돌출되게 형성되는 회전 축이 제1미러(221) 및 제2미러(222) 사이에서 수평으로 이동되게 안내하는 피니언 수평 가이드 홈이 형성될 수 있다.
즉 미러 선택 스위치를 도 6을 기준으로 볼 때 수평 방향의 양 방향 중 어느 한 방향으로 이동시킴으로써, 높이를 조절시키고자 하는 측의 미러를 수직이동시킬 수 있게 구성된다.
이처럼 미러의 높이가 달라질 경우, 도 5의 사진에 나타난 것처럼 영상에서 포괄되는 면적이 더 확대될 수 있고, 확대된 면적 전체에 걸쳐 고른 해상도의 영상을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
Da : 시료 1의 작동거리(WD) Db : 시료 2의 작동거리(WD)
La : 시료 1의 광로 Lb : 시료 2의 광로
Sa : 시료 1 Sb : 시료 2
Va : 시료 1의 영상 Vb : 시료 2의 영상
110,210 : 이미지 센서 모듈 120 : 로드 렌즈 모듈
121 : 로드 렌즈 122 : 수평 암
123 : 샤프트 124 : 셀렉터 휠
130,230 : 텔레센트릭 렌즈 모듈 131,231 : 제1렌즈
132,232 : 제2렌즈 140,240 : 화상 표시 모듈
220 : 분할 미러 모듈 221 : 제1미러
222 : 제2미러 223 : 제1랙기어
224 : 제2랙기어 225 : 피니언 기어
226 : 게이지 휠 227 : 미러 선택 스위치
228 : 피니언 수평 가이드 홈 229 : 연동 축
2201 : 분할 미러 모듈 박스 2211 : 제1 수평 이동 게이지
2221 : 제2 수평 이동 게이지 2251 : 가변 축

Claims (6)

  1. 피사체의 영상 정보를 전기적인 영상신호로 변환시키는 이미지 센서 모듈(110,210);
    렌즈가 구비되어 피사체의 영상 정보를 집중시키고 교정시켜 상기 이미지 센서로 보내는 렌즈 모듈(130,230);
    상기 이미지 센서 모듈이 변환시킨 전기적인 영상신호를 시각적으로 표시하는 화상 표시 모듈(140,240); 및
    상기 렌즈를 통과하는 광로 중 일부의 굴절각도를 교정시켜 초점거리를 다르게 함으로써, 피사체 표면의 심도에 차이가 있더라도 서로 다른 심도에서 동일한 해상도의 영상이 획득되도록 상기 렌즈의 하부 절반의 면적에 걸쳐지게 설치되는 로드 렌즈(121)를 포함하되,
    상기 이미지 센서 모듈(110,210)은 이미지 센서 모듈(210)에 집광되는 빛과 렌즈를 통과하는 빛의 광로가 서로 교차하도록, 수직선으로부터 일정한 경사가 형성되게 설치되고,
    영상 분할 모듈은 렌즈를 통과한 빛이 이미지 센서 모듈 표면에 수직으로 입사되도록, 렌즈를 통과한 빛을 반사시키는 미러로 구성되는 분할 미러 모듈(220)이고,
    상기 미러는 두 개의 인접하는 제1미러(221)와 제2미러(222)로 이루어지고,
    제1미러(221)의 중심보다 제2미러(222)의 중심이 렌즈로부터 더 멀리 배치되며,
    상기 분할 미러 모듈(220)에는 제1미러(221)와 제2미러(222)를 독립적으로 상하 방향 및 수평 방향으로 가변시켜 제1미러(221) 또는 제2미러(222)와 렌즈 사이의 거리를 조절시키는 가변 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 작동 시야 분할 렌즈 시스템.
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  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변 기구는
    제1미러(221)와 제2미러(222)에 각각 설치되는 수직축 방향의 제1랙기어(223) 및 제2랙기어(224)와,
    제1미러(221)와 제2미러(222)의 사이에 설치되는 피니언 기어(225)와,
    상기 피니언 기어(225)를 회전 가능하게 지지하는 가변 축(2251)과,
    상기 가변 축(2251)을 수평 방향으로 이동시킴으로써 피니언 기어(225)를 제1미러(221) 또는 제2미러(222) 중 어느 하나와 치합시키는 미러 선택 스위치(227) 와,
    상기 제1미러(221)를 수평 방향으로 이동시킴으로써 제1미러(221)와 제1랙기어(223)의 수평 결합 위치를 가변시키는 제1 수평 이동 게이지(2211) 및,
    상기 제2미러(222)를 수평 방향으로 이동시킴으로써 제2미러(222)와 제2랙기어(224)의 수평 결합 위치를 가변시키는 제2 수평 이동 게이지(2221)로 구성되고,
    상기 가변 기구의 외부에는 가변 기구를 보호시키는 분할 미러 모듈 박스(2201)가 설치되며,
    상기 분할 미러 모듈 박스(2201)에는 피니언 기어(225)의 중심에 연결되며 피니언 기어(225)의 외부로 돌출되게 형성되는 회전 축이 제1미러(221) 및 제2미러(222) 사이에서 수평으로 이동되게 안내하는 피니언 수평 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 작동 시야 분할 렌즈 시스템.
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