KR19980081410A - 물체의 형태를 비접촉식으로 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

물체의 형태를 비접촉식으로 측정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

워크피스의 형태를 측정하는 개선된 방법 및 기타 관련 장치가 개시되었다. 본 발명은 3가지 태양을 갖는다. 본 발명의 제1 태양은 직경이 장치로부터 워크피스까지의 거리에 의한 선형함수인 환형 이미지를 생성하는 삼각측량 장치이다. 본 발명의 제 2 태양에 따라, 오목 또는 요각형 워크피스의 형태는 워크피스에 삽입된 반사경을 이용하여 입사광의 경로를 폴딩하므로써 측정되고, 따라서 이 광은 종래기술로는 워크피스의 접근불가능한 내벽으로부터 반사된다. 본 발명의 제 3 태양에 따라, 광의 입사 빔에는 스트럭춰된 단면이 제공된다.

Description

물체의 형태를 비접촉식으로 측정하는 방법 및 장치
본 발명은 물체의 형태를 비접촉식으로 측정하는 것에 관한 것으로 더욱 상세히는 삼각측량에 의해 물체의 형태를 광학식으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
삼각측량은 표면 프로파일을 측정하기 위해 오랜 동안 이용되어 왔다. 이 분야의 대표적인 특허는 Korth의 미국 특허 제 3,866,038호, Lowrey, Jr.의 미국 특허 제 3,986,774호, Pryor의 미국 특허 제 4,373,804호, Rioux의 미국 특허 제 4,627,734호, 제 4,654,347호 및 5,177,556호, Yoshimura의 미국 특허 제 5,111,056호 등을 포함한다. Lowrey의 장치와 같은 삼각측량을 이용한 장치는 제조되는 워크피스가 올바른 형태를 갖는 것을 확인하기 위해, 제조시 양호도 제어를 위해 흔히 이용된다.
도 1은 통상적인 삼각측량 장치를 개략적으로 도시한다. 광원(10)은 광원(10)으로부터 입사 광 빔(20)을 따라 거리가 측정되어야 할 워크피스상에 빔(20)을 조사한다. 도 1a는 광원(10)으로부터 상이한 거리에 있는 두 개의 워크피스(30 및 32)를 도시한다. 바람직하게, 빔(20)이 워크피스(30 또는 32)의 작은 부분만을 조사하는 것을 보장하기 위한 수단이 제공된다. 이것은 워크피스(30 또는 32)상에 빔(20)을 포커싱하거나, 빔(20)을 시준하기 위해 광학계(도시되지 않음)을 제공하므로써 행해진다. 입사광은 워크피스(30)상의 작은 스폿(22)으로부터, 또는 워크피스(32)상의 작은 스폿(24)으로부터 모든 방향으로 확산식으로 반사된다. 이 반사광의 일부는 두 개 렌즈(52 및 54)로서 도 1에 표현된 광학계(50)에 의해 인터셉트된다. 광학계(50)는 인터셉트된 광이 그 위에 포커싱된 위치에 반응하는 센서(60)상에 인터셉트된 광을 포커싱한다. 통상적으로, 센서(60)는 검출기에 연결된 1차원 전하 어레이이다. 광학계(50)는 이론적인 초점(56): 초점(56)을 통해 빔(20)을 따르는 지점으로부터 직선 광선을 추적하므로써 결정된 어레이(60)상의 일 지점을 충돌하는 빔(20)을 따르는 지점으로부터 광학계(50)에 입사되는 모든 광에 의해 특징지워진다. 도 1에서, 광선(42)은 지점(22)으로부터 초점(56)을 통해 어레이(60)상의 지점(62)으로 뻗으며, 광선(44)은 지점(24)으로부터 초점(56)을 통해 어레이(60)상의 지점(64)으로 뻗는다. 따라서, 광학계(50)에 의해 인터셉트된 지점(22)으로부터 확산식으로 반사된 모든 광은 지점(62) 또는 이 지점 근방에서 센서(60)에 충돌하고, 광학계(50)에 의해 인터셉트된 지점(24)으로부터 확산식으로 반사된 모든 광은 지점(64) 또는 이 지점 근방에서 센서(60)에 충돌한다. 이것은 광원(10)으로부터 워크피스의 거리가 워크피스로부터 확산식으로 반사된 광이 광학계(50)에 의해 포커싱된 센서(60)를 따라 위치의 선형함수가 된다.
스폿(22 및 24)은 점 광원이 아니다. 그러므로, 센서(60)상에서 이들의 포커싱된 이미지는 기하학적 점이 아니다. 통상적으로, 센서(60)상에 포커싱된 이미지는 센서(60)의 여러 픽셀에 걸쳐 확산되고, 워크피스에 대한 거리를 추정하기 위해 사용된 센서(60)상의 포인트는 측정강도의 무게중심이다.
이 방법에 의한 삼각측량은 여러 결점을 갖는다. 하나의 결점은 광학계(50)의 수치적 개구가 워크피스로부터 반사된 광량에 비해 비교적 작으므로, 대부분의 반사광이 낭비된다는 것이다. 다른 결점은 워크피스의 표면이 수직으로부터 입사빔(20)으로 벗어남에 따라 측정이가 점점 곤란하게 되고 부정확하게 된다는 것이다. 만일 표면이 입사빔(20)에 거의 평행이면, 광학계(50)을 향해 확산 반사된 광강도는 거울 방향으로 반사된 강도에 비해 매우 약하다. 더욱이, 센서(60)상에 포커싱된 이미지는 입사빔(20)과 표면 사이의 세컨트 각에 비례하는 양만큼, 더욱 확산된다. 이것은 측정치의 정확도를 열화시킨다. 만일 표면이, 도 2a의 워크피스(34)의 내벽(35 및 36)의 경우에서와 같이, 입사 빔(20)에 대해 정확히 병렬이면 또는 표면이 도 2b의 워크피스(38)의 경우에서와 같이 안으로 만곡되어 있으면, 표면까지의 거리는 전혀 측정될 수 없다.
제 3 결점은 워크피스의 표면 거칠기에 관한 것이다. 만일 입사 빔(20)에 대한 표면 기울기가 표면상에서 입사빔(20)에 의해 생성된 스폿에서 실질적으로 변화한다면, 광학계(50)를 향해 확산식으로 반사된 광 강도는 스폿에 걸쳐 균일하지 않으며, 따라서 측정강도의 무게 중심은 강도가 균일할 수 있었던 곳으로 부터 변위되며, 틀린 거리가 산출되어지게 한다. 마찬가지로, 표면 프로파일의 반사도가 램버티안이 아니면, 측정강도의 무게 중심은 거리 산출에 잇어서 체계적인 오류가 나타나는 방식으로 변위된다. 이것은 워크피스에 대해 도 3에 예시되어 있는 데, 램버티안 반사도 프로파일(26)은 센서(60)상에서 대칭적인 강도 프로파일(66)을 갖는 이미지를 산출하는 반면에, 비-램버티안 반사도 프로파일(28)은 비대칭적인 강도 프로파일(68)을 갖는 이미지를 산출한다. 도 3은 입사빔(20)에 수직인 워크피스(30)를 도시하며, 예시된 문제점은 입사빔(20)에 대해 경사진 표면에서 보다 더욱 심각하다.
따라서 상기 종래 기술의 방법에 나타난 결점을 극복하는 삼각측량 방법에 대한 요구가 광범위하게 인식되며, 이 방법을 갖는 것이 매우 유익할 것이다.
도 1은 대표적인 종래기술의 삼각측량 장치의 개략적인 동작을 나타낸 도.
도 2a는 입사광 빔에 평행한 내벽을 갖춘 오목 워크피스의 개략 단면도.
도 2b는 안쪽으로 굽은 내벽을 갖춘 오목 워크피스의 개략 단면도.
도 3은 도 1의 장치를 이용하여 행해진 거리 측정치에 비-램버티안 반사도 프로파일에 의해 유도된체계적 에러를 예시하는 도.
도 4는 본 발명의 제 1 태양에 따른 장치의 일 실시예에 의한 개략 단면도.
도 5는 본 발명의 제 1 태양에 따른 제 2 장치의 일 실시예에 의한 개략 단면도.
도 6은 도 2의 워크피스의 내부 크기를 측정하기 위해 본 발명의 제 1 태양에 따라 수정된 도 1의 장치의 부분 개략도.
도 7a는 입사 빔에 수직인 축에 대해 도 6의 미러를 회전시키므로써 도 6의 워크피스 내벽의 스캐닝을 예시하는 도.
도 7b는 입사 빔에 평행인 축에 대해 도 6의 미러를 회전시키므로써 도 6의 워크피스 내벽의 스캐닝을 예시하는 도.
도 8a는 하향으로 오목한 워크피스상의 스폿으로부터 확산하는 반사광을 예시하는 도.
도 8b는 도 8a의 입사빔의 원형 단면을 나타내는 도.
도 8c는 도 8a의 입사빔에 대한 구조화된 단면을 나타내는 도.
도 8d는 입사 빔이 도 8b의 원형 단면을 가질 때 도 8a의 조사된 스폿의 포커싱된 이미지의 형태를 나타내는 도.
도 8e는 입사 빔이 도 8c의 구조화된 단면을 가질 때 도 8a의 조사된 스폿의 포커싱된 이미지의 형태를 나타내는 도.
도 9는 구조화된 조사된 빔을 제공하기 위한 장치의 개략 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 광원 20 : 입사 빔
30,32,34, 232 : 워크피스 50 :광학계
52,54 : 렌즈 60 : 센서
70,114 : 미러 80 : 반사빔
142,152,154,156,158 : 렌즈 160 : 어레이
본 발명에 따라, (a) 확산식으로 반사된 광을 방사하는 조사된 스폿을 워크피스상에서 생성하는 매커니즘; (b) 2차원 검출기 어레이; 및 (c) 환형 이미지로서 2 차원 검출기상에 확산식으로 반사된 광의 일부를 포커싱하는 매커니즘을 포함하는 워크피스까지의 거리를 측정하는 장치가 제공된다.
본 발명에 따라, (a) (i) 확산식으로 반사된 광을 방사하는 조사된 스폿을 워크피스상에서 생성하는 매커니즘, (ii) 2차원 검출기 어레이; 및 (iii) 환형 이미지로서 2 차원 검출기상에 확산식으로 반사된 광의 일부를 포커싱하는 매커니즘을 포함하는 측정 장치를 제공하는 단계; 및 (b) 환형 이미지의 직경을 측정하는 단계를 포함하는 워크피스까지의 거리를 측정하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따라 적어도 하나의 벽에 의해 경계가 정해지는 캐비티의 크기를 측정하는 방법으로서, (a) 반사경을 캐비티에 삽입시키는 단계, (b) 반사경에 입사 광 빔을 지향시키므로써 벽에 지향된 반사 광 빔을 지향시키는 단계를 포함하는 데, 이 반사광은 벽상에서 위치를 갖는 스폿으로부터 되돌려 반사경으로 더 반사되고, 캐비티을 통해 반사경으로부터 반사되며, (c) 캐비티의 외측 위치를 갖는 인터셉션 포인트에서 반사된 광을 인터셉팅하는 단계 및 (d) 스폿의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라 삼각측량에 의해 워크피스 까지의 거리를 측정하는 개선된 방법이 제공되고, 여기서 워크피스상의 조사된 스폿으로부터 확산식으로 반사된 광은 검출기상에서 위치를 갖는 이미지로서 포커싱되고, 상기 개선된 방법은 (a) 구조를 갖춘 조사된 스폿을 제공하는 단계 및 이미지로부터 구조를 디컨벌빙시키는 단계를 포함하며, 이렇게하여 이미지의 위치에 대한 개선된 계산치를 제공한다.
본 발명은 3개 태양을 가지며, 각각의 태양은 상기한 하나이상의 제한사항에 대해 중점을 둔다.
본 발명의 제 1 태양은 광학계의 수치적 개구를 증가시키는 것에 중점을 둔다. 기본사상은 입사빔(20)에 의해 정의된 회전축에 대해 광학계(50) 및 센서(60)를 회전시키므로써 크기적으로 이들을 확장시키고 따라서, 회전 원뿔의 단지 일부만이 아니고, 이 뿔의 둘레에 대해 모든 방향으로 확산식으로 반사된 광을 인터셉트하는 광학계가 된다. 아래에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 검출기는 입사빔(20)에 대해 센서(60)의 나이브한 회전에 획득될 수 있는 바와 같은, 프러스트로코니컬일 필요가 없지만, 포토검출기의 평면형 어레이가 바람직하다.
본 발명의 제 2 태양의 본질은 워크피스의 내벽이 삼각측량 장치에 의해 액세스될 수 있도록 입사 및 반사광에 의해 횡단된 광 경로를 폴딩하기 위해 , 워크피스의 오목부 내측에 미러를 위치시키는 것이다. 대부분의 종래 삼각측량 장치, 예를들어 Rioux 및 Youshimura 등에 의한 삼각측량 장치는 광 경로를 폴딩하기 위해 워크피스의 외측에 미러를 사용하지만, 어느 것도 워크피스의 내측에 미러를 위치시키지 않는다. Heitanen은 미국 특허 제 3,749,496 호에서 브레이크 실린더의 표면 특성을 측정하는 장치를 개시하며, 여기서 미러는 실질적으로 브레이크 실린더의 대칭축을 따라 브레이크 실린더에 들어가는 검사 광 빔을 편향시키기 위해 브레이크 실린더내로 삽입되고, 따라서 검사 광 빔은 브레이크 실린더의 내벽으로부터 반사하여 유입경로를 따라 역방향으로 반사한다. 미러를 워크피스에 삽입하는 장치의 설계가 삼각측량을 위항 유용한 용도를 갖는 것은 용이하게 명백하지 않은 데, 이것은 특히 입사 및 반사경로가 바람직하게 일치하거나 적어도 나란하기 때문이고, 코인시던트 광선은 모든 곳에서 교차하고 평행한 선은 절대로 교차하지 않기 때문에 입사 및 반사 경로의 고유 교차점은 정의될 수 없으므로 기하학적으로 삼각측량은 불가능하기 때문이다.
본 발명의 제 3 태양은 구조화된 스폿을 조사하므로써 워크피스까지의 거리에 대한 정확한 측정치를 획득하는 것을 설명한다. 바람직하게, 조사광은 인코히어런트 및/또는 다색광(즉, 단색광이 아님)이다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 구조화된 스폿의 이미지는 구조화되지 않은 스폿의 이미지 보다 더 많은 정보를 포함한다. 워크피스의 표면의 넓은 부분을 샘플링하므로써, 구조화된 스폿은 또한 표면 거칠기와 같은 국부적인 불균일성을 보상하는 경향이 있다.
본 발명에 따른 삼각측량 장치 및 방법의 원리는 워크피스의 내부 크기 및, 거친 또는 비-램버트식 표면을 갖춘 워크피스까지의 거리를 정확히 측정하기 위해 사용될 수 있다.
도면을 참조하면, 도 4는 본 발명의 제 1 태양을 구현하는 장치의 제 1 바람직한 실시예의 개략적인 단면을 도시한다. 도 1의 렌즈(52 및 54)는 토로이달 렌즈(152 및 154)를 산출하기 위해 대칭 회전축(100) 둘레를 회전시키므로써 확대되어 왔다. 다른 말로하면, 렌즈(152 및 154)는 축(100)둘레로 렌즈(52 및 54)를 회전시키므로써 생성된 회전몸체이다. 프러스트로코니컬 어레이를 산출하기 위해 축(100)둘레로 회전시키므로써 편평센서(60)를 확대시키기 보단, 대칭축이 축(100)과 일치하는 원뿔의 원뿔대의 형태를 갖는 미러(114)가 워크피스(122)로부터 확산식으로 반사된 광선을 폴딩하기 위해 제공되므로써 이들 광선은 편평한 2차원 검출기 어레이(160)에 충돌한다. 따라서, 축(100)은 전체적으로 장치의 대칭축이고: 렌즈(152 및 154) 및 미러(114)는 축(100)에 대해 동심원적으로 배치된다. 광원(110) 및 편평 미러(112)는 광의 입사 빔(120)을 워크피스(130)로 향하도록 제공된다. 입사 빔(120)은 워크피스(130)의 표면상에서 조사 스폿(122)을 생성한다. 4개의 확산식으로 반사된 광선(142,144,146 및 148)은 스폿(122)으로부터 나오는 것으로 도시되어 있다. 광선(142,144,146 및 148)은 렌즈(152 및 154)에 의해 포커싱되고, 미러(114)에 의해 반사되고 두 개의 스폿(162)에서 어레이(160)에 충돌한다. 스폿(162)은 렌즈(142 및 154)에 의해 어레이(160)로 포커싱된 확산식으로 반사된 광의 환형 이미지를 통한 단면을 나타낸다. 환형 이미지의 직경은 워크피스(130)로부터 어레이(160)까지의 거리에 비례한다.
도 5는 본 발명의 제 1 태양을 구현하는 장치의 제 2 바람직한 실시예에 대한 개략단면도이다. 도 5의 장치는 트로이달 렌즈(152 및 154) 및 미러(114) 대신에, 도 5의 장치가 광선(141,143,145 및 147)에 의해 표현된 스폿(122)으로부터 확산식으로 반사된 광을 어레이(160)상의 스폿(161)으로 표현된 환형 이미지에 포커싱시키기 위해 두 개의 1/2 볼록 구면렌즈(156 및 158)를 갖추는 것을 제외하곤 도 4의 장치와 마찬가지 이다. 도 5의 장치에는, M. Born 및 E. Wolf의 Principles of Optics(Pergamon Press, 4th Edition, 1970)Section 8.5, pp. 392-400에 설명된 바와 같이, 워크피스(130)까지의 거리범위에 따라 스폿(122)으로부터 확산식으로 반사된 광을 선택하도록 크기를 이룬 환형 개구(164)를 가지며, 광원(110)으로부터 입사빔(120)을 수용하도록 중앙개구(172)를 갖는 디스크 형상 다이어프램(170)이 구비된다. 렌즈(156 및 158) 및 다이어프램(170)은 대칭축(100)에 대해 동심원적으로 배치된다.
종래 기술의 포커싱된 이미지는 기하학적 점이 아니므로, 본 발명의 환형 이미지는 기하학적 원이 아니지만, 환형 영역에서 발산한다. 환형 이미지의 유일한 평균 직경을 얻기위해, 종래 기술의 무게중심 연산의 아날로그는 축(100)상에서 자신의 원점을 갖는 어레이(160)상에서 극(r,θ)좌표 시스템의 반경(r)의 가중된 평균이고, 가중치는 이미지의 강도에 비례한다. 환형 이미지의 직경은 이러한 평균 r의 2배이다.
도 4 및 도 5의 장치는 도 1의 종래 기술의 장치보다 수치적으로 더욱 큰 개구를 가지므로, 도 1의 장치를 이용하여 측정될 수 있는 것 보다 더욱 낮은 반사도의 워크피스의 형태를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 어레이(160)상의 환형 이미지의 영역은 어레이(60)상의 대응 포커싱된 스폿 이미지의 영역 보다 더욱 크다. 따라서, 어레이(160)상의 환형 이미지의 직경에 대한 연산은 어레이(60)의 포커싱된 스폿 이미지의 무게중심에 대한 연산 보다 더욱 많은 데이터 포인트에 기초한다. 결과적으로, 형태는 도 1의 장치를 사용하는 것 보다 도 4 및 도 5의 장치를 사용하여 더욱 정확하게 측정된다.
도 6은 도 2a의 워크피스(34)의 내부 크기를 측정하기 위해 본 발명의 제 2 태양의 원리에 따라 수정된 도 1의 장치의 부분 개략도이다. 미러(70)에 의해 표현된 편평 반사경은 입사 빔이 내벽(36)을 향하는 반사된 빔(80)으로서 미러(70)에서 거울과 같이 반사되도록 워크피스(34)의 내부 캐비티(37)에 위치된다. 반사 빔(80)은 내벽(90)의 스폿(90)에 충돌한다. 광은 유한 개수의 광선을 따라 스폿(90)으로부터 확산식으로 반사되고, 이들 중 두 개의 광선(82 및 84)은 도 6에 부분적으로 예시되어 있다. 광선(82 및 84)은 광학계(50)을 향해 미러(70)에서 거울식으로 반사된다. 종래의 삼각측량은 스폿(90)을 미러(70) 후방의 광선(82 및 84)의 연속의 교차점에 위치시킨다. 이 교차점은 부재번호(90')로 도 6에 표기되어 있다. 미러(70)의 전방(반사)면의 위치가 주어지면, 단순한 기하학적 변환은 포인트(90')를 스폿(90)의 포인트로 변환시키며, 스폿(90)의 위치를 제공한다.
본 발명의 반사경이 도 6에 미러(70)로서 표현되었을 지라도, 그것은 프리즘과 같은 임의의 적절한 반사 광학 구성성분일 수 있다. 스폿(90)의 위치를 계산하기 위한 가장 간단한 방법은 어레이(60)상의 스폿(90)의 이미지의 무게중심으로부터 초점(56)을 통해 미러(70)로의 직사광선을 추적하는 것이다.
바람직하게, 미러(70)는 반사빔(80)이 워크피스(34)의 내벽의 다수 포인트로 지향되도록 이동되므로써, 워크피스(34)의 내벽을 스캐닝한다. 미러(70)를 도 6의 입사 빔(20)에 평행하게 이동시키는 것은 스폿(90)이 내벽을 상승 및 하강 이동하게 한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 도면의 평면으로부터 나오는 입사빔(20)에 수직인 축(72)에 대해 미러(70)를 회전시키는 것은 또한 스폿(90)이 내벽(36)을 상승 및 하강 이동하게 한다. 스폿(90)으로부터 확산식으로 반사된 하나의 광선은 도 7a에 부재번호(82')로 표기되어 있다. 도 6의 상황과 정반대로, 도 7a는 미러(70)가 축(72)에 대해 시계방향으로 회전되었기 때문에 확산식으로 반사된 광(82 및 84)은 반사된 빔(80)의 위에 있고, 스폿(90)은 입사 빔(20)이 미러(70)를 충돌하는 포인트 보다 아래에 있으므로, 확산식으로 반사된 광선(82')은 반사 빔(80) 아래에 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 입사 빔(20)에 실질적으로 평행인 축(74)에 대해 미러(70)를 회전시키는 것은 스폿(90)으로 하여금 워크피스(34)의 내벽 둘레를 측방향으로 이동하게 한다. 도 7b에서, 미러(70)는 축(74)에 대해 180°회전되었으므로, 스폿(90)은 이제 내벽(35)상에 있다. 또다시, 스폿(90)으로부터 확산식으로 반사된 하나의 광선은 도 7b에서 부재번호(82'')로 지정되어 있다. 명백히, 광학계(50) 및 검출기(60)는 반드시 미러(70)를 따라 이동되어야 하거나, 광선(82'')을 인터셉트 하기 위해 제 2 광학계 및 검출기는 반드시 제공되어야 한다.
대안으로, 워크피스(34)는 워크피스(34)의 내벽의 스캐닝을 유효화하기 위해 변환되어 회전될 수 있다. 워크피스(34)를 도 7a의 입사빔(20)에 평행하게 변환시키는 것은 스폿(90)으로 하여금 내벽(36)을 상승 및 하강 이동하게 한다. 도 7b의 축(74)에 대해 워크피스(34)를 회전시키는 것은 검출기(60) 및 광학계(50)을 이동시키거나 제 2 검출기 및 광학계을 제공할 필요없이, 스폿(90)으로 하여금 워크피스(34)의 내벽 둘레를 측면으로 이동하게 한다.
본 발명의 방법이 내벽이 입사빔(20)에 평행인 워크피스(34)에 응용되는 것으로서 예시되었을 지라도, 당업자에게는 오목부 워크피스(38) 또는 임의의 오목 워크피스의 내부 크기를 측정하기 위해 본 발명의 원리를 적용시키는 법을 본 실시예의 설명으로부터 명백할 것이다.
도 8a,8b,8c,8d 및 8e는 본 발명의 제 3 태양이 2차원 검출기상에 확산식으로 반사된 광의 포커싱된 이미지의 위치산출 정확도를 개선시키고, 이에따라 예를들어 도 1의 장치 또는 이와 마찬가지의 장치를 사용하여 삼각측량으로 측정된 거리의 정확도를 증가시키는 법을 예시한다. 도 8a에서, 광 빔(220)은 하향으로 오목한 워크피스(230)에 지향되고, 확산식으로 반사된 광(240)이 나오는 조사 스폿(222)을 생성한다. 빔(220)은 유한 폭을 가짐을 유의하라. 확산식으로 반사된 광은 어레이(60)와 같은 검출기 어레이상에서 광학계(50)와 같은 광학계에 의해 포커싱된다. 종래 기술에 따라, 빔(220)은 도 8b에 도시된 바와 같이, 실질적으로 원형 단부를 갖는다. 워크피스(230)는 하향으로 오목하므로, 도 8d에 도시된 바와 같이 대응 포커싱된 이미지는 손상되고, 이것의 무게 중심에 대한 계산치는 우측으로 편향되고, 도 1의 기하학적 배치에서 지나치게 작은 거리 계산치를 산출한다. 본 발명의 제 3 태양에 따라, 빔(220)은 도 8c의 십자형 단면과 같은 구조화된 단면이 구비된다. 대응하는 포커싱된 이미지는 도 8e에 도시되어 있다. 이것은 직관적으로 도 8e의 십자 형 아암의 교차점에 기초한 거리 계산치가 도 8d의 이미지에 기초한 거리 계산치 보다 정확함을 알 수 있다. 수학적으로, 이미징 광학계(도 1 과 관련하여 설명된 바와 같은)의 초점을 향하여 광선이 발사되는 위치인 이미지 위치는 포커싱된 이미지로부터 입사 빔(220)의 스트럭춰를 디컨벌빙시키므로써 결정된다.
도 9는 구조화된 조사 빔을 제공하는 장치의 개략 단면도를 도시한다. 이 장치는 광(221)의 소스(200), 두 포커싱 매커니즘(210 및 211), 및 개구(252)를 갖는 마스크(250)를 포함한다. 포커싱 매커니즘(210)은 개구(252)상에 광(221)을 포커싱한다. 포커싱 매커니즘(211)은 개구(252)로부터 나오는 광(221)을 워크피스(232)상에 포커싱하며, 구조화된 조사 스폿(234)을 형성한다. 개구(252)에는 예를들어 도 8e의 십자형 구조와 같은 적절한 구조가 구비된다. 두 렌즈(212 및 214)를 포함하는 포커싱 매커니즘(210 및 211)이 도시되어 있다. 바람직하게, 렌즈(212,213,214 및 215)는 모두 이러한 유형의 향상된 초점 깊이의 이점을 취하기 위해 모두 액시콘 렌즈이다.
바람직하게, 광원(200)은 커다란 스펙트럼 폭을 갖는(따라서 다색광으로 되는) 저 응집성 다이오드 레이저 또는 발광 다이오드와 같은 인코히어런트 광원이다. 스폿(234)의 이미지는 바람직하게 측방향으로 일정하다. 만일 단색광 코히어런트 소스가 사용된다면, 스폿(234)의 이미지는 워크피스(232)로부터 반사된 상이한 광선간의 간섭으로 인해 반점 패턴을 갖는 경향이 있다.
본 발명이 제한된 다수의 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명에 대한 다양한 변형 수정 및 기타 응용이 가능함이 인식될 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 구성에 의해 워크피스의 내부 크기 및, 거친 또는 비-램버트식 표면을 갖춘 워크피스까지의 거리를 비접촉식으로 정확히 측정할 수 있다.

Claims (41)

  1. 워크피스까지의 거리를 측정하는 장치에 있어서,
    (a) 확산식으로 반사된 광을 방사하는 조사된 스폿을 워크피스상에 생성하는 매커니즘;
    (b) 2차원 검출기 어레이; 및
    (c) 상기 확산식으로 반사된 광의 적어도 일부를 인터셉팅하여 환형 이미지로서 상기 2차원 검출기 어레이상에 상기 인터셉팅된 광의 거의 전부를 포커싱하는 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 2차원 검출기 어레이는 전하 결합 소자 어레이인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광학계는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는 토로이달인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 확산식으로 반사된 광은 워크피스로부터 상기 2차원 검출기 어레이까지의 광 경로를 횡단하고, 상기 광학계는 상기 광 경로를 폴딩하기 위한 매커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 광학계는 대칭 축을 가지며, 상기 적어도 하나의 렌즈와 상기 광 경로를 폴딩하기 위한 광학계는 상기 대칭축과 실질적으로 동심인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 광 경로를 폴딩하기 위한 광학계는 원뿔형 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는 구면렌즈인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 워크피스까지의 거리를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) (i) 확산식으로 반사된 광을 방사하는 조사된 스폿을 워크피스상 에 생성하는 매커니즘;
    (ii) 2차원 검출기 어레이; 및
    (iii) 상기 확산식으로 반사된 광의 적어도 일부를 인터셉팅하여 환형 이미지로서 상기 2차원 검출기 어레이상에 상기 인터셉팅된 광의 거 의 전부를 포커싱하는 광학계을 포함하는,
    측정장치를 제공하는 단계와,
    (b) 상기 환형 이미지의 직경을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 적어도 하나의 벽에 의해 경계가 정해지는 워크피스의 캐비티의 크기를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 단일 반사경을 캐비티에 삽입시키는 단계;
    (b) 입사 광 빔을 상기 단일 반사경에 지향시키므로써 벽에 지향된 반사 광 빔을 제공하는 단계를 포함하는 데, 상기 반사광은 상기 벽상에서 위치를 갖는 스폿으로부터 되돌려 상기 단일 반사경으로 반사되고, 상기 캐비티에서 상기 단일 반사경으로부터 반사되며;
    (c) 캐비티의 외부에 위치를 갖는 인터셉션 포인트에 상기 반사된 광을 인터셉팅하는 단계; 및
    (d) 상기 스폿의 상기 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 벽을 스캐닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 이동시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행하게 변환시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행한 축에 대해 회전시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행한 축에 대해 회전시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 스캐닝은 워크피스를 이동시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 스캐닝은 워크피스를 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행하게 변환시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 스캐닝은 워크피스를 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행한 축에 대해 회전시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 10항에 있어서, 상기 스폿의 상기 위치에 대한 상기 추정은 상기 인터셉션 포인트로부터 상기 반사 빔과 광선의 교차점까지 역으로 상기 광선을 추적하므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 워크피스상의 조사된 스폿으로부터 확산식으로 반사된 광이 검출기상에 위치를 갖는 이미지로서 포커싱되는, 삼각측량에 의해 워크피스까지의 거리를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 조사된 스폿에 소정 구조를 제공하는 단계; 및
    (b) 상기 이미지로부터 상기 구조를 디컨벌빙시키므로써 상기 이미지의 위치에 대한 개선된 계산치를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 구조를 상기 조사된 스폿에 상기 제공하는 단계는,
    (i)마스크의 개구 영역에 입사 광을 지향시키는 단계를 포함하는 데, 상기 개구 영역은 구조에 대응하는 트랜스페어런트 패턴을 가지므로써, 상기 입사광의 적어도 일부는 상기 개구 영역을 통과하며; 및
    (ii) 워크피스상에, 상기 개구영역을 통과하는 상기 입사광을 포커싱하는 단계에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 입사광은 인코히어런트인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 입사광은 다색광인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 포커싱은 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 매커니즘에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는 액시콘 렌즈인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 적어도 하나의 벽에 의해 경계가 정해지는 워크피스의 캐비티의 크기를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 단일 반사경을 캐비티에 삽입시키는 단계;
    (b) 입사 광 빔을 상기 단일 반사경에 지향시키므로써 벽에 지향된 반사 광 빔을 제공하는 단계를 포함하는 데, 상기 반사광은 상기 벽상에서 위치를 갖는 스폿으로부터 되돌려 상기 단일 반사경으로 반사되고, 상기 캐비티에서 상기 단일 반사경으로부터 반사되며;
    (c) 상기 입사 빔에 실질적으로 수직인 축에 대해 상기 반사경을 회전시키므로써 상기 벽을 스캐닝하는 단계;
    (d) 캐비티의 외부에 위치를 갖는 인터셉션 포인트에 상기 반사된 광을 인터셉팅하는 단계; 및
    (e) 상기 스폿의 상기 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 적어도 하나의 벽에 의해 경계가 정해지는 워크피스의 캐비티의 크기를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 단일 반사경을 캐비티에 삽입시키는 단계;
    (b) 입사 광 빔을 상기 단일 반사경에 지향시키므로써 벽에 지향된 반사 광 빔을 제공하는 단계를 포함하는 데, 상기 반사광은 상기 벽상에서 위치를 갖는 스폿으로부터 되돌려 상기 단일 반사경으로 반사되고, 상기 캐비티에서 상기 단일 반사경으로부터 반사되며;
    (c) 워크피스를 이동시키므로써 상기 벽을 스캐닝하는 단계;
    (d) 캐비티의 외부에 위치를 갖는 인터셉션 포인트에 상기 반사된 광을 인터셉팅하는 단계; 및
    (e) 상기 스폿의 상기 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 스캐닝은 워크피스를 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행한 축에 대해 회전시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 27항에 있어서, 상기 스캐닝은 워크피스를 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행한 축에 대해 회전시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 적어도 하나의 벽에 의해 경계가 정해지는 워크피스의 캐비티의 크기를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 반사경을 캐비티에 삽입시키는 단계;
    (b) 입사 광 빔을 상기 단일 반사경에 지향시키므로써 벽에 지향된 반사 광 빔을 제공하는 단계를 포함하는 데, 상기 반사광은 상기 벽상에서 위치를 갖는 스폿으로부터 상기 단일 반사경으로 확산식으로 반사되고, 상기 캐비티에서 상기 단일 반사경으로부터 반사되며;
    (c) 캐비티의 외부에 위치를 갖는 인터셉션 포인트에 상기 확산식으로 반사된 광을 인터셉팅하는 단계; 및
    (d) 상기 스폿의 상기 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 벽을 스캐닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 이동시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행하게 변환시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 32항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행한 축에 대해 회전시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 30항에 있어서, 상기 스폿의 상기 위치에 대한 상기 추정은 상기 인터셉션 포인트로부터 상기 반사 빔과 광선의 교차점까지 역으로 상기 광선을 추적하므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 적어도 하나의 벽에 의해 경계가 정해지는 워크피스의 캐비티의 크기를 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 반사경을 캐비티에 삽입시키는 단계;
    (b) 입사 광 빔을 상기 단일 반사경에 지향시키므로써 벽에 지향된 반사 광 빔을 제공하는 단계를 포함하는 데, 상기 반사광은 상기 벽상에서 위치를 갖는 스폿으로부터 상기 반사경으로 반사되고, 상기 캐비티에서 상기 반사경으로부터 반사되며;
    (c) 전체적으로 캐비티의 외부에 위치된 광학계을 포커싱하는 데 이용하는 상기 반사된 광을 인터셉팅하는 단계; 및
    (d) 상기 스폿의 상기 위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 벽을 스캐닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 이동시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 38항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행하게 변환시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 38항에 있어서, 상기 스캐닝은 상기 반사경을 상기 입사 빔에 대해 실질적으로 평행한 축에 대해 회전시키므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 36항에 있어서, 상기 스폿의 상기 위치에 대한 상기 추정은 상기 인터셉션 포인트로부터 상기 반사 빔과 광선의 교차점까지 역으로 상기 광선을 추적하므로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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