KR20080090452A

KR20080090452A - 광학적 측정 장치

Info

Publication number: KR20080090452A
Application number: KR1020087018070A
Authority: KR
Inventors: 시프케 워드만
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-10-08
Also published as: US8422007B2; EP1966592A1; WO2007072403A1; US20090002718A1; CN101346620A; JP2009520980A

Abstract

본 발명은 샘플(18)의 표면(16), 특히 인간 피부의 표면(16)에 대한 광학적 외관을 측정하기 위한 광학적 측정 장치에 관한 것으로, 표면(16)과 접촉될 수 있는 측정 헤드(30)를 포함하고, 상기 측정 헤드(30)는 조명 빔(14)으로 표면(16)을 조명하는 조명 장치(12, 46); 응답 빔(20)을 검출하는 검출 장치(23)를 포함하고, 상기 응답 빔(20)은 조명 빔(14)에 대한 샘플(18)의 응답이다. 상기 검출 장치(23)는 응답 빔(20)을 차단하는 스크린(22, 52)을 포함하고, 상기 스크린(22, 52)은 표면과 작은 접촉 면적을 갖는 측정 헤드(30)를 실현하기 위하여 대략 4분의 1 반구로 연장한다.

광학적 측정, 광학적 외관, 측정 헤드, 조명 장치, 스크린, 피부, 반구

Description

광학적 측정 장치{OPTICAL MEASUREMENT DEVICE}

본 발명은 샘플의 표면, 특히 인간 피부의 표면의 광학적 외관(optical appearance)을 측정하기 위한 광학적 측정 장치에 관한 것으로, 샘플의 표면과 접촉될 수 있는 측정 헤드를 포함하고, 측정 헤드는 조명(illumination) 빔으로 표면을 조명하는 조명 장치, 응답 빔을 검출하는 검출 장치를 포함하고, 응답 빔은 조명 빔을 이용한 샘플의 조명의 응답이다.

대상물, 특히 이후에 "샘플"로 칭해지는, 대상물의 표면은 광학적 외관을 나타낸다. 샘플의 표면의 광학적 외관은 표면이 주위로부터의 광을 어떻게 처리하는지의 결과이며, 특히 표면에 입사되는, 이후에 조명 빔으로 칭해지는, 광에 대한 표면의 전체 응답의 합에 의해 결정되는 광학적 외관이다.

광학적 외관은, 바람직한 방향의 텍스쳐(texture)를 갖거나 또는 임의로 텍스쳐링되어, 광택이 있고 윤이 나거나 또는 윤이 나지 않는, 거칠거나 또는 매끄러운 것이 될 수 있다. 광학적 외관은 일관된 컬러로 이루어지거나 또는 컬러 플롭(flop)을 포함할 수 있다. 즉, 광학적 외관은 불투명하거나 반투명이 될 수 있고, 또는 거울과 같은 반사성을 나타낼 수 있다.

샘플의 표면에 입사되는 조명 빔은 거칠기와 텍스쳐 같은 육안으로 보이는 표면의 특성과, 재료 특성 - 반사되는, 스캐터링되는, 흡수되는, 또는 컬러가 변하 는-에 의존하고 있다. 예를 들면, 텍스쳐의 방향은 조명 빔의 스캐터링에 기인하여 가시화된다. 일례로서, 평면 형상을 가지는, 광택이 있는 표면은 윤이 나지 않는 샘플의 표면에서보다 더 높은 비율로 입사된 방사 빔을 반사시킨다.

샘플의 재료와 표면의 특성 뿐만 아니라 표면을 갖는 샘플의 크기와 성질에 의존하여 적용되는, 광학적 외관을 평가하기 위한 다른 방법이 공지되어 있다.

일반적으로, 시각적 측정은 숙련된 자가 샘플의 표면을 특정 표준 표면과 시각적으로 비교함으로써 이루어진다. 광택 또는 색차의 측정을 위한 광택계 또는 색차계와 같은 시각적 측정 장치, 뿐만 아니라 표면의 거칠기를 결정하기 위한 프로파일계(profilo-meter)와 같은 기계적 미소 기하학적 측정 장치가 공지되어 있다.

광택계는 표면 상에 조명 빔을 투사하여 반사되는 조명 빔과 정반사(specular reflection) 주위의 후광에서 확산되는 방사선의 강도비를 측정하는 간단한 장치이다. 이것은 고정된 입사각 조건 하에서 수행된다.

접촉식 프로브를 사용하는 기계적 미소 기하학적 측정 장치에서, 표면에 대한 1차원, 2차원 또는 3차원 맵이 생성되어, 측정량, 소위 거칠기가 얻어진다. 다음에 측정된 표면 거칠기와 표면 외관 사이의 상관(correlation)이 수행된다.

광학적 외관에 대한 평가를 얻기 위해 샘플의 표면을 조사하는 더욱 정교한 광학적 측정 장치가 포토고니오미터(photogoniometer)와 스캐터로미터(scatterometer)로서 공지되어 있다.

스캐터로미터에서, 시준된 방사빔이 공간 각도 분석 방식으로 조사되고 검출되는 표면상에 지향되어, 2차원 화상이 얻어진다.

포토고니오미터는 디지털 화상 촬영 및 확산 스크린에 대한 출사광의 투영을 사용한다. 측정량은 BTDF 또는 BRDF로 간략화되는, 양방향 전송 또는 반사 분포 함수로 칭해진다. 이런 함수는 표면에 입사되는 광량에 의한 주어진 방향의 표면 요소의 발광의 비율로서 정의되며, 따라서 소정의 입사 방향에 대한 출사광 분포를 나타낸다.

스캐터로미터류의 광학적 측정 장치, 소위 파로우지아미터(parousiameter)가 미국 등록특허 제6,577,397호에 공지되어 있다. 상기 광학적 측정 장치는 방사빔을 방출하는 방사원 및 시준된 방사빔이 검사될 샘플 표면에 입사되도록 방사빔을 시준하는 장치를 포함한다. 샘플 표면으로부터 스캐터링된 응답 빔은 반구 스크린에 의해 검출된다. 상기 스크린은 광각 광학을 사용하여 디지털 카메라에 결상된다. 촬영된 화상은 관련 데이터의 분석과 추출을 위해 컴퓨터로 전송된다. 검사될 샘플은 소위 스테이지 상에 장착되는데, 상기 스테이지는 샘플 방위의 변경을 허용하도록 조정가능하다.

돔(dome)으로 불리우는 반구 스크린은 제어 홀이 관통하는 베이스 판(base plate)을 가지며, 상기 제어 홀을 통하여 샘플로부터의 일부가 보여진다. 베이스 판의 연장과 그것의 외형 때문에, 단지 평면 샘플만 검사가능하다. 이런 샘플은 상기 제어 홀 아래에 위치된다. 이것은 전체 측정 동안 파로우지아미터의 베이스 판이 검사될 샘플에 대해 가역적이고 단단하게 접속되는 것을 보증한다. 이미 논의된 장치에서, 측정 완료 동안 표면상의 샘플 영역에 방사빔을 지향시키기 위하여 베이스 판 내의 제어 홀에 관하여 샘플의 위치를 변경하지 않는 것이 중요하다.

따라서, 이미 논의된 파로우지아미터는 큰 대상물의 작은 표면 영역의 조사 및 비평면 표면의 조사에 부적당하다.

비평면 표면의 조사를 위한 장치가 미국 등록특허 제6,870,620호에 공지되어 있다. 상기 장치는 프로브 헤드를 포함하는데, 상기 프로브 헤드는 불균일 및/또는 비평면 표면 영역에 따르도록 구성되고 상기 표면에 인접하여 위치되거나 상기 표면과 접촉하여 눌려지는 경향이 있는 인테로게이션(interrogation) 표면을 포함한다. 측정 프로세스 동안, 인테로게이션 표면은 개별 인테로게이션 장치가 움직이도록 불균일면과 접촉하여 눌려지며, 그결과 프로브 헤드가 불균일면에 따르게 된다.

이것은 평면과의 작은 변화량만을 가지는 비평면 표면의 측정을 허용한다. 만곡면, 특히 요면의 만곡면의 조사 및 큰 대상물의 표면 영역의 조사에 대한 필요성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 만곡된, 특히 요면의 만곡면의 조사를 허용하는 광학적 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 처음에 언급된 바와 같은 본 발명에 따른 광학적 측정 장치에 의해 달성되는데, 상기 검출 장치는 스크린을 포함하고, 상기 스크린은 표면과의 작은 접촉 면적을 갖는 측정 헤드를 구현하기 위하여 대략 4분의 1 반구로 연장한다.

대략 4분의 1 반구로 연장하는 스크린은 광학적 측정 장치의 측정 헤드 내에서 작은 공간만을 차지한다. 그러므로, 측정 헤드는 만곡면을 스캐닝하기에 알맞게 설계될 수 있다. 이런 공간은 바람직하게 조명 장치의 조명 컴포넌트를 상기 표면 에 근접한 범위로 위치시키는데 사용된다.

표준적으로 사용되는 최대 반구 스크린 보다 작은 영역을 커버하는, 상기 스크린의 위치는 고선택비를 가지고 고비율로 반사 및/또는 스캐터링되는 방사빔을 결상하도록 최적화된다.

상기 스크린은 바람직하게 공칭 반사각의 중심에 놓인다. 그리하여, 공간이 얻어지고, 조명 빔이 표면을 타격하는 위치에 가까운 조명 컴포넌트의 위치가 구현될 수 있다. 따라서, 상기 측정 헤드는 작은 크기를 가질 수 있다.

표면과 접촉하는 측정 헤드의 작은 크기는 만곡된, 특히 요면의 만곡면에서의 측정 헤드의 위치 결정을 허용한다.

상기 광학적 측정 장치는 특히 사람의 피부의 표면을 조사하여 피부의 광학적 외관을 평가하는데 사용된다. 요면의 만곡면을 갖는 특별한 영역은 손의 안쪽이 된다.

스크린의 작은 크기와 측정 헤드의 작은 크기 때문에, 측정 헤드는 휴대형 광학적 측정 장치에 사용될 수 있으며, 그것은 큰 대상물의 특정 표면 영역의 검사를 허용한다.

스크린에 형성된 2차원 화상은 샘플의 표면에서 반사 및/또는 스캐터링된 조명 빔의 각분포(angular distribution)를 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 스크린은 실질적으로 평면 스크린이다.

최적화된 스크린은 2차 강도를 회피하도록 평면으로 제조된다. 평면 스크린은 샘플의 표면에 대해 정의된 위치에서의 스크린의 위치를 허용한다.

샘플의 표면에 대한 스크린의 아이들(idle) 위치는 표면에 평행해지는 및/또는 표면에 수직이 되는 것과는 다르다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 검출 장치는 스크린을 결상하는 화상 검출 컴포넌트를 포함한다.

화상 검출 컴포넌트는 스크린의 2차원 화상을 촬영한다. 이것은 스크린 상에 시각화되는 분포 패턴이 순간적인 화상만 나타내기 때문에 필요로 된다. 분포 패턴의 추가 처리를 수행하고 서로 다른 분포 패턴을 비교하기 위하여, 화상은 장기 방식으로 결상되고 저장되어야 한다. 이것은 방사선 민감 컴포넌트를 포함하고 이것에 의해 분포 패턴을 결상시키는 화상 검출 컴포넌트에 의해 수행된다. 바람직하게, 화상은 디지털화되고 분포 패턴에 의해 주어진 정보가 컴퓨터에서 추가로 처리될 수 있다.

상기 화상은 샘플 표면의 물리적 특성에 대한 푸리에 유사 변환이고, 샘플 표면의 물리적 특성은 응답 빔의 각변동(angular variation)으로 변환된다. 화상 검출기 컴포넌트의 사용은 특히 화상의 고속 촬영을 허용한다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에서, 화상 검출 컴포넌트는 카메라, 특히 디지털 카메라이다.

카메라는 장기의 방식으로 스크린으로부터의 화상을 저장하기 위한 쉽고 저렴한 방식이다. 카메라는 바람직하게 급속한 시간 변화를 해결하기 위하여 고감도의 연속적인 화상을 획득할 수 있는 디지털 카메라이다. 상기 정보는 가시화되고, 전기 신호로 전송되며, CD 또는 DVD 등과 같은 전자 저장 매체에 저장될 수 있는 전자 데이터 파일로 전송된다.

또다른 바람직한 실시예에서, 조명 장치는 조명 빔이 형성되는 방사빔을 방출하는 방사원을 포함한다.

상기 방사원은 단색성의, 특히 반도체 레이저가 될 수 있다. 최대 색채원, 특히 백색 광원이 사용될 수 있다. 상기 방사원에 의해 방출된 방사빔은 파이버에 의해 샘플 표면의 위치로 손실없이 전송된다. 여기에서, 파이버의 길이는 선택적이고 측정 헤드의 요구에 따라 설계될 수 있다. 측정 헤드가 만곡된 형상의, 특히 요면의 만곡면을 조사할 수 있도록 가능한 작게 되어야 하기 때문에, 바람직하게 측정 헤드의 내부에 배치되는 파이버의 일부에서 조명 빔이 방출한다.

또다른 바람직한 실시예에서, 상기 방사빔은 플래쉬 램프이다.

이것은 플래쉬 램프가 일반적으로 스크린의 2차원 화상의 결상에 사용되는 카메라에 포함되기 때문에 유리하다. 다만 하나의 장치가 측정 헤드내에 장착되어야 한다. 이것은 공간을 절약하여 비용 효율이 높다. 바람직하게 상기 플래쉬는 크세논 플래쉬이다.

또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 조명 장치는 조명 빔이 샘플 표면에 지향되도록 측정 헤드의 내부에 배치되는 파이버를 포함한다.

파이버는 방사빔을 거의 손실없이 전송할 수 있는, 작고 길쭉한 광학 장치이다.

또다른 바람직한 실시예에 따르면, 파이버는 방사빔을 수신하고 조명 빔을 방출하기 위하여 방사원에 접속가능하다.

이것은 측정 헤드 외부에 방사원을 위치시켜서 조명 빔이 샘플 표면에 지향되도록 한다. 공간을 요구하고 고가인 추가 광학적 컴포넌트는 요구되지 않는다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 표면에서의 조명 빔의 입사각은 파이버의 광축에 의해 정의되며, 입사각은 90°보다 작고 0°보다 크다.

본 발명의 중요한 요점은 다만 조명 컴포넌트가 표면에 근접한 거리에 놓여질 수 있다는 것이다. 조명 장치의 방사원은 공간을 절약하기 위하여 측정 헤드의 외부에 배치될 수 있다.

샘플 표면은 반사율 또는 투과율로 조사될 수 있다. 후자의 경우에, 입사 방사빔 및 검출되는 반사 및/또는 스캐터링된 방사빔은 샘플의 반대쪽에 있고, 측정은 샘플 표면의 입구 및/또는 출구의 물리적 특성 뿐만 아니라 그것의 내부를 나타낸다. 바람직하게 샘플은 샘플의 방위를 변경시키도록 조정가능한 스테이지 상에 장착될 수 있다. 또한 샘플이 고정 위치에 있고, 측정 헤드가 이동하여, 서로 다른 위치에서 샘플을 검사하는 것도 가능하다.

파이버가 대략 μ미터 또는 밀리미터 범위의 작은 직경을 가지기 때문에, 파이버는 표면에 매우 근접한 방사빔의 지향을 허용한다. 또한, 방사빔이 특히 표면에 근접하는 위치에 가까운 거리로 전송되어야 한다면, 파이버는 매우 플렉시블하여 취급하기 용이하다.

0°와 90°사이의 각도 사용은 장치의 4분의 1에서의 파이버의 배치로, 샘플 표면의 최대 360°의 4분의 1만을 사용한 조명 컴포넌트의 공간 절약형 장착을 허용한다. 이것은 단지 4분의 1 반구의 크기를 가지는 스크린의 장착을 위한 공간을 남긴다. 부수적으로, 부가적인 광학 컴포넌트의 장착을 위한 공간이 남겨진다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 각도는 60°보다 작고 5°보다 크다.

이것은 방사빔이 60°와 5°사이의 각도로 샘플 표면에 입사되도록 하며, 상기 각도는 표면 법선과 방사빔 사이에서 측정된다. 조명 컴포넌트, 특히 파이버는 측정 포트에 더 근접하게 장착될 수 있으므로, 공간 절약형 장치를 가져온다. 조명 컴포넌트는 스크린으로부터 반사 및/또는 스캐터링된 방사빔을 차광하지 않는다. 이것은 스크린이 4분의 1 반구의 작은 표면을 가지기 때문에 반사 및/또는 스캐터링된 방사빔의 검출을 위해 스크린의 전체 영역을 사용하므로 유리하다.

또다른 바람직한 실시예에 따르면, 입사각은 45°보다 작고 15°보다 크다.

조명 컴포넌트, 특히 파이버의 이상적인 배치 각도는 약 30°이다.

또다른 바람직한 실시예에 따르면, 조명 컴포넌트는 시준된 방사빔이 샘플 표면에 지향되도록 하는 시준기 어셈블리를 포함한다.

그리하여, 샘플 표면의 작은 영역이 조명될 수 있다. 부수적으로, 매우 작은 측정 포트가 사용될 수 있다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 스크린은 스크린의 표면 법선과 파이버의 광축이 80°와 140°사이, 특히 대략 120°의 각도를 포함하도록 장착된다.

그리하여, 스크린의 표면 법선과 조명 빔은 실질적으로 서로에 대하여 수직으로 배치된다.

스캐터링된 방사빔의 분포가 실질적으로 코사인 분포를 따르기 때문에, 이것은 상당한 강도의 스캐터링 및/또는 반사된 응답 빔이 스크린에 의해 촬영되는 것을 보장한다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 스크린은 검출된 응답 빔에 대한 스크린의 민감도를 증가시키기 위하여 화이트 코팅을 포함한다.

표준 광학 장치의 스크린은 블랙 벨벳 코팅 또는 파로우지아미터 그레이 코팅을 포함한다. 파로우지아미터 그레이 코팅을 갖는 평면 스크린은 약 18%의 반사된 방사빔을 수집한다. 본 발명에 따른 화이트 코팅으로, 검출된 방사빔의 민감도는 5의 인자 만큼 증가된다. 이것은 스크린의 표면 영역이 전체 반구 스크린과 비교하여 작기 때문에 중요하고 유리하다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 측정 헤드는 스크린의 조명 빔을 차광하는 한 세트의 배플을 포함한다.

상기 한 세트의 배플은 스크린에 의해 차단되는 응답 빔을 포함하는 방사빔 경로의 다른 부분으로부터의 1차 또는 2차 방사를 금지하도록 빔 경로를 스크레이퍼 하기 위하여 측정 헤드 내에 배치된다. 그런 배플에 대한 보기는 조명 빔의 광경로에 배치되는 빔 스크레이퍼이다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 측정 헤드는 조명 빔이 화상 검출 컴포넌트로부터 차폐되도록 배치된, 한 세트의 배플을 포함한다.

배플에 대한 보기는 카메라의 개구에 수직하게 배치되어 있는 스크리닝 배플 및/또는 파이버의 광축에 수직하게 그리고 특정 각도로 파이버와 샘플 표면 사이에 배치되어 있는 빔 스크레이퍼이다. 상기 빔 스크레이퍼는 바람직하게 조명 컴포넌트의 개구부와 평행하게 배치된다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 측정 헤드는 화상 검출 컴포넌트 내로 스크린을 결상시키기 위하여 평면 거울을 포함한다.

상기 평면 거울은 바람직하게 카메라의 개구 전방에 배치되는 접힘(folding) 거울이며, 카메라의 개구의 법선과 거울 사이의 각도는 대략 45°이다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 측정 헤드는 표면과 접촉하게 될 수 있는 베이스 판을 가지는 케이스를 포함하며, 상기 베이스 판은 조명 빔과 응답 빔이 전파하는 측정 포트를 포함한다.

상기 측정 포트는 검사되고 조사될 표면의 영역에 배치된다. 상기 측정 포트는 전형적으로 조명 빔이 표면을 조명하기 위하여 전파될 뿐만 아니라 응답 빔이 스크린에 의해 차단되기 이전에 응답 빔이 측정 포트를 통해 전파하는 작은 개구부 또는 관찰 홀(view hole)이다.

상기 측정 포트의 크기는 만족스런 공간 분해능을 가지고 만곡된 형상의 표면을 검사하기 위하여 작아야 한다. 공간 분해능은 표면의 정의된 영역에서의 측정 지점의 수에 의해 결정된다. 상기 표면의 정의된 영역에 배치될 수 있는, 측정 지점의 수는 측정 포트가 표면에 입사되는 조명 빔의 크기가 되는 측정 스폿의 최대 크기를 결정하기 때문에 측정 포트의 크기에 의해 결정된다.

또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 측정 헤드는 상기 베이스 판과 접속가능한 상부 판을 포함하며, 상기 베이스 판은 상기 상부 판보다 더 작은 영역을 커버하여, 작은 측정 헤드를 구현한다.

상기 측정 헤드는 측정 동안 만곡된 형상의 표면에 따르도록 크기가 작아야 한다. 이것은 측정 헤드, 특히 측정 헤드의 판 또는 베이스 판이 조사될 표면과 가깝게 접촉되어야 하기 때문이다.

바람직하게, 상기 측정 헤드는 샘플 표면에 수직한 적어도 일부면에서 실질적으로 사다리꼴 및/또는 삼각형 형상을 가진다.

상기 표면에 수직한 단면에서 본, 측정 헤드의 형상은 베이스 판이 상부 판보다 더 작도록 하며, 상기 베이스 판과 상부 판은 측벽에 의해 접속되며, 사다리꼴 또는 삼각형 형상을 실현한다. 이것은 가장 단순하고 용이하게 구현할 수 있는 측정 헤드의 형상이다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 베이스 판과 상기 상부 판은 측정 헤드의 사다리꼴 형상이 실현되도록 다수의 측면 판에 의해 접속된다.

바람직하게, 측정 헤드의 각 측면은 2개의 측면 판을 포함한다. 상기 측정 헤드의 사다리꼴 형상은 측정 헤드의 내부 공간이 측정 헤드의 내부에 파이버, 스크린 및 카메라를 배치하도록 최대화된다는 장점을 가진다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 측정 헤드는 표면이 거울 특성을 갖는 경우에 작은 스폿을 얻기 위하여 샘플 표면으로부터 반사된 응답 빔을 스크린 상에 포커싱하는 시준 렌즈를 포함한다.

샘플 표면이 거울 특성을 갖는 경우에, 모든 광이 반사되어 스캐터링이 없거나 거의 약간의 스캐터링이 발생한다. 이것은 방사빔의 매우 밝은 반사를 초래하 며, 반사된 방사빔의 크기는 조명 컴포넌트, 특히 파이버의 스폿과 동일한 크기로 된다. 다음에, 스크린의 과노출을 방지하게 위하여, 방사빔의 전체 반사 강도가 파이버의 화상이 되는 작은 밝은 스폿으로 시준된다.

본 발명의 상술한 그리고 추가의 특정한 목적과 장점은 당업자에게 쉽게 드러날 것이며, 그것의 바람직한 실시예의 하기의 상세한 설명이 도면과 관련하여 취해진다.

도 1은 샘플 표면의 검사를 위한 광학적 측정 장치의 근원적인 측정 원리의 개략도를 나타내고,

도 2는 일부면에서의 광학적 측정 장치의 측정 헤드의 개략적 단면도를 나타내고,

도 3은 광학적 측정 장치의 도 2의 일부면에 수직한 일부면에서의 개략적 단면도를 나타낸다.

도 1에서, 광학적 측정 장치(10)(소위, 파로우지아미터)의 측정 원리의 개략도가 도시된다. 상기 광학적 측정 장치(10)는 샘플 표면을 검사하는데 적당하며, 그 측정 결과로서, 표면의 광학적 외관이 얻어진다.

상기 측정 원리를 이용하는 광학적 측정 장치는 파로우지아미터로서 공지되어 있다. 2차원 화상은 파로우지아그램으로서 공지되어 있다. 상기 용어 '파로우지 아미터'는 광학적 외관에 대한 그리스 용어 '파라오지아(parousia)'로부터 유래된다.

상기 광학적 측정 장치(10)의 측정 원리는 하기에서 설명된다.

상기 광학적 측정 장치(10)는 샘플(18)의 표면에 조명 빔(14)을 지향시키는 조명 장치(12)를 포함한다. 상기 조명 빔(14)은 샘플에서 스캐터링 및/또는 반사되어, 응답 빔(20)을 초래하며, 상기 스캐터링 및/또는 반사된 응답 빔(20)은 스크린(22)에 의해 차단된다.

상기 조명 장치는 광축(21)을 가지는데, 상기 광축(21)은 조명 빔(14)과 표면(16)의 입사각(25)을 정의한다.

이것은 조명 빔(114)이 뚜렷한 방향의 입사각(25)으로 샘플(18)의 표면(16) 상에 입사되도록 한다. 샘플(18)의 표면(16)에 의해 스캐터링 및/또는 반사되는 응답 빔(20)의 강도 분포는 실질적으로 코사인 분포를 따른다. 그러므로, 검출 컴포넌트(22)는 대부분의 실시예에서 샘플(18) 상의 360°의 전체 반구를 커버하고 있다. 상기 스크린(22)은 내면(24)과 외면(24')을 가지는데, 응답 빔(20)의 강도 분포를 차단하기 위하여 확산 코팅이 내면(24)에 부가된다.

상기 스크린(22)의 내면(24)에 응답 빔(20)에 의해 형성되는 2차원 화상은 샘플(18)의 표면(16)의 광학적 외관의 푸리에 유사 변환이다. 상기 화상은 화상 검출 컴포넌트(26)라고 칭해지는, 특히 카메라(26a)가 되는, 방사선 민감 검출기에 의해 촬영된다. 도 1에 도시된 카메라(26a)의 위치는 광학적 측정 장치(10)를 대표하지 않으며, 단지 카메라(26a)가 스크린(22)으로부터의 제2 방사빔의 강도 분포를 결상하는데 사용된다는 것을 나타내는 도 1에서의 임의의 위치에 포함된다.

광학적 측정 장치(10)의 일부 실시예에서, 광각 광학 시스템(여기에서 도시하지 않음)이 상기 카메라(26a)의 전방에 장착된다. 상기 카메라(26a)는 촬영된 화상을 나타내는, 참조번호 28에 의해 표시된 전기 신호를 제공한다. 계산 컴포넌트(28)는 하나 이상의 성능 지수(figure of merit)를 도출하도록 전기 신호를 처리하며, 샘플(18)의 표면(16)의 광학적 외관의 특징을 기술한다. 여기에서, 성능 지수로 칭해지는, 또한 성능 함수로 공지되어 있는 보정 인자는 파라미터의 특별한 선택을 위하여 데이터와 피팅 모델 사이의 일치를 측정하는 함수이다. 관례에 의해, 일치가 양호할 때 성능 지수는 작아진다.

도 2는 광학적 측정 장치(10)의 측정 헤드(30)의 단면도를 나타내는데, 상기 측정 헤드(30)는 부의 곡율(nagative curvature), 특히 요면의 곡율을 가지는 표면(16)을 검사하기에 적당하다.

동일한 부품은 도 1에서와 같은 동일한 도면 부호로 참조된다.

상기 측정 헤드(30)는 케이스(32)를 포함하며, 상기 케이스(32)는 베이스 판(34)과 상부 판(36), 제1 측면 판(38) 뿐만 아니라 측면 판(40과 42)을 포함한다. 여기에서, 상기 단면도에 도시된 실시예에서, 상기 측면 판(38)은 측면 판(40과 42)에 마주보게 배치된다. 상기 측면 판(38)은 상기 베이스 판(34)과 상부 판(36)을 접속시키며, 반대쪽에서 2개의 측면 판(40과 42)이 상부 판(36)과 베이스 판(34) 사이의 접속을 수행하는데 사용된다. 이것은 최소화된 크기의 측정 헤드(30)의 케이스(32)를 가져온다.

도 2에 도시된 것에 수직한 방향의 케이스(32)의 단면도가 도 3에서 제공된다.

상기 베이스 판(34)의 치수는 도 2에 도시된 바와 같은 표면(16)에 평행한 단면에서 대략 200㎜이다.

상기 베이스 판(34)은 측정 포트(44)로 불리우는 관통 홀을 포함한다. 상기 측정 헤드(300)는 검사할 샘플(18)의 표면(16) 상에 측정 포트(44)를 통해 조명 빔(14)을 지향시키기 위하여 방사원(48)과 파이버(46)를 구비하는 조명 장치(46)를 더 포함한다. 상기 측정 헤드(30)는 도 2에서 3개의 화살표로 표시된 응답 빔(20)을 차단하는 실질상 평면 스크린(52)을 더 포함한다. 상기 스크린(52)은 소정의 표면을 가지는데, 표면 법선(51)은 상기 스크린(52)의 표면에 수직인 방향을 나타낸다.

상기 스크린(52)은 바람직하게 상기 표면 법선(51)이 상기 파이버(50)의 광축(21)과 관련하여 80과 140° 사이의 각도를 포함하도록 측정 헤드 내에 배치된다. 상기 스크린(52)은 공칭 반사각의 중심에 놓인다.

상기 측정 헤드(30)는 상기 상부 판(36) 내에 배치되는 화상 검출 컴포넌트(54)라고 불리우는 방사선 민감 화상 검출기를 포함하며, 상기 화상 검출 컴포넌트(54)는 특히 카메라(26a), 바람직하게 디지털 카메라(55), CCD 카메라 등이다.

또한, 상기 방사원(48)은 적당한 방사원, 특히 백색광을 방출하는 반도체 레이저 또는 램프 또는 카메라(26a) 또는 디지털 카메라(55)의 크세논 플래쉬가 될 수 있다. 상기 방사원(48)은 카메라(26a) 또는 디지털 카메라(55)의 크세논 플래쉬 가 될 수 있고, 포함된다면, 상기 방사원(48)은 파이버(50)에 의해 부착된다.

대략 4분의 1 반구로 연장하는 평면 스크린(52)을 사용함으로써 얻어지는 공간은 상기 파이버(50)를 상기 표면(16)에 근접시키는데 사용된다.

상기 측정 헤드(30)는 빔 스크레이핑(scraping) 엘리먼트의 형태로 배플을 포함하며, 제1 배플(56)은 조명 컴포넌트(46)와 측정 포트(44) 사이에 배치되고 제2 배플(58)은 스크린(52)과 개구와 디지털 카메라(55) 사이에 배치된다. 카메라(26a) 또는 디지털 카메라(55)의 전방에, 카메라(26a 또는 55)에 입사되는 방사선을 제한하기 위하여 개구(60)가 배치된다.

본 발명에 따르면, 상기 평면 스크린(52)은 응답 빔의 공칭 반사각에 중심이 놓이는, 대략 4분의 1 반구로 연장한다. 이것은 공간을 절약하여 상기 측정 헤드(30)의 측정 포트(44)에 근접한 조명 장치(46)의 배치를 허용한다. 상기 조명 장치(46)는 시준된 조명 빔(14)을 형성하기 위하여 광학적 컴파운드, 바람직하게 렌즈를 포함한다. 상기 스크린(52)은 바람직하게 5의 인자만큼 민감도를 증가시키는 화이트 코팅으로 코팅된다.

상기 스크린(52)은 바람직하게 평면이지만, 또한 약간 만곡될 수 있다.

바람직하게, 상기 측정 헤드(30)의 형상은 요면의 만곡된 표면을 포함하는, 샘플의 중공부(hollow part)에 따를 수 있도록 삼각형 또는 사다리꼴 형상이 된다. 약간 큰 상부 판(36)과 비교하여 작은 베이스 판(34)을 접속시키는 가장 간단한 방법은 삼각형 형상이 될 수 있다. 이것은 측정 헤드 내부의 공간이 제한된다는 단점을 가진다. 측정 헤드 내부의 공간을 최적화하기 위하여, 상기 표면에 수직한 적어 도 하나의 단면에서의 사다리꼴 형상이 바람직하다.

4분의 1 반구만 커버하는 평면 스크린(52)을 사용함으로써 가능해지는, 작게 연장하는 측정 헤드(30)로, 특히 사람 피부의 일부분이 검사될 수 있고 피부의 표면의 광학적 외관이 얻어질 수 있다.

상기 카메라(55)는 카메라(55)에서 스크린(52)을 관찰하는 평면 거울(58)을 포함한다. 상기 스크린(52)이 대략 4분의 1 반구로 연장하기 때문에, 접힘 거울이 되는, 평면 거울의 위치는 작은 측정 헤드(30) 내부에 결정될 수 있다. 상기 카메라(55)의 전방에서, 바람직하게 렌즈(62)는 카메라(26a 또는 55)가 무한대로 조정될 수 있게 되는, 상기 스크린(52)의 거리와 동일한 초점 거리로 장착된다. 이것은 급속한 시간 변화를 해결하기 위하여 고감도의 연속적인 화상을 획득할 수 있는, 상업적으로 입수가능한 디지털 카메라(55) 또는 CCD 카메라 또는 비디오 카메라의 사용을 허용한다.

빔 경로를 스크레이핑하는 한 세트의 배플의 구성은 응답 빔 또는 조명 빔의 경로의 다른 부분으로부터 1차 또는 2차 방사에 의한 측정의 오염을 방지하기 위하여 조명 빔(14)과 화상 검출 컴포넌트(54) 뿐만 아니라 조명 빔(14)과 스크린(52)을 분리시킨다.

다만, 상기 측정 포트(44)는 조명 빔(14)이 통과하도록 충분히 넓어야 한다. 상기 측정 헤드(30)는 상기 샘플(18)의 표면 상에 압력없이 부가되어야 한다. 특히, 상기 측정 헤드(30)는 내부로 부피가 커져서 혈액 관류를 잃지 않도록 피부의 표면(16) 상에 압력없이 부가되어야 한다. 바람직하게, , 복부, 팔다리, 이마, 또 는 빰 부분과 같은, 피부의 상대적으로 평탄한 면이 반사의 측정을 위해 선택되어야 한다. 주요하지 않은 피부 주름, 잔주름 또는 구김살은 이들이 신체의 많은 지점에 존재하기 때문에 측정 스폿 내에 존재하여야 한다. 한편, 상기 측정 헤드(30)는 피부가 상기 측정 포트(44)에 대하여 편평하게 놓이도록 충분히 견고하게 부가되어야 한다.

여기에 도시되지 않았지만, 카메라(55)에 의해 촬영된 화상이 관련 데이터, 특히 성능 지수의 추출을 위해 보다 명확히 말하면 현상된 화상을 처리할 수 있는 지능 소프트웨어에 의해 처리되는 것이 본 발명에 포함된다.

도 3은 도 2에 도시된 것에 수직한 단면에서의 측정 헤드(30)의 단면도를 나타낸다. 상기 측정 헤드(30)는 도 3에 분명히 나타낸 바와 같이 사다리꼴 형상을 가진다. 케이스(32)가 상부 판(36), 측정 포트(44)가 되는 관찰 홀을 갖는 베이스 판(34), 말단 측면 판(64와 66 뿐만 아니라 68과 70)을 포함하는 것을 알 수 있다.

동일한 부품은 도 1 및 도 2에서와 동일한 참조부호로 나타낸다.

여기에서, 측면 판(64와 66 뿐만 아니라 68과 70)은 상부 판(36)과 베이스판(34)의 접속을 수행하고 있다. 측면 판(66)은 베이스 판(34)에 관하여 그리고 측면 판(64)에 대하여 90°이상의 각도로 배치된다. 동일한 방식으로, 측면 판(70)은 베이스 판(34)에 관하여 그리고 측면 판(38)에 대하여 90°이상의 각도로 배치된다. 이것은 측정 헤드의 형상을 최소화하고 측정 헤드 내부의 공간을 최대화하기 위하여 작은 치수의 사다리꼴 형상의 케이스(32)를 가져온다. 이것은 측정 헤드(30)가 요면의 만곡을 가지는 샘플(18)의 표면(16) 상에 위치되도록 한다.

또한, 작은 형상을 갖는 측정 헤드(30)의 실현은 베이스 판(34)과 상부 판(36)을 접속시키기 위하여 다른 수의 측면 판을 사용함으로써 달성될 수 있다. 또한, 측면 판 사이에 라운드 에지를 갖는 에지없는 형상이 본 발명의 아웃라인에 포함된다.

본 발명은 근본적으로 베이스 판(34)이 상부 판(36) 보다 표면과 접촉하는 작은 면적을 가진다는 것이다.

카메라(26a 또는 55)의 전방에 장착되는 거울(58), 특히 접힘 거울은 화살표(72)를 사용하여 표시된다.

바람직한 실시예에서, 측정 헤드(30)의 베이스 판(34)의 연장은 대략 60㎜에 달한다. 베이스 판(34)의 작은 연장과 측정 헤드(30)의 사다리꼴 형상은 측정 헤드(30)가 요면의 만곡면을 갖는 표면에 부착될 수 있는 것을 보장한다. 특히, 사람 피부의 중공부가 측정 헤드(30)를 가지는 광학적 측정 장치(10)에 의해 피부의 광학적 외관에 따라 검사될 수 있다.

기술된 파로우지아미터의 측정 헤드(30)의 실시예는 일방향의 부의 곡율을 갖는 표면의 광학적 외관의 측정을 허용한다. 그리하여, 대부분의 사람 신체가 도 2 및 도 3에서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 파로우지아미터에 의해 접근될 수 있다.

그리하여, 피부의 광학적 외관이 피부의 표면에서 반사 및/또는 스캐터링된 방사 분포를 측정함으로써 검사될 수 있으며, 광학적 외관은 병리(pathology)와 미화(beautification)를 포함하는 여러 인자에 의해 영향을 받는다. 일반적으로, 사 람 피부는 깊은 층의 정보를 지니는 매우 특정한 이방성을 갖는 윤이 나고 거의 윤이 나는 반사를 가진다.

따라서, 작은 베이스 판(34)과 바람직하게 사다리꼴 형상을 가지는 측정 헤드(30)를 사용하여, 사람 피부의 검사 및 피부에 영향을 미치는 병리를 평가하기 위하여 측정된 광학적 외관으로부터 추론을 허용한다.

Claims

샘플(18)의 표면(16), 특히 인간 피부의 표면(16)에 대한 광학적 외관을 측정하기 위한 광학적 측정 장치로서, 상기 표면(16)과 접촉될 수 있는 측정 헤드(30)를 포함하고, 상기 측정 헤드(30)는,

조명 빔(14)으로 상기 표면(16)을 조명하는 조명 장치(12, 46); 및

응답 빔(20)을 검출하는 검출 장치(23)를 포함하고, 상기 응답 빔(20)은 상기 조명 빔(14)으로 상기 샘플(18)의 조명에 대한 응답이 되는 광학적 측정 장치에 있어서,

상기 검출 장치(23)는 상기 응답 빔(20)을 차단하는 스크린(22, 52)을 포함하고, 상기 스크린(22, 52)은 상기 샘플(18)의 상기 표면(16)과 작은 접촉 면적을 가지는 상기 측정 헤드(30)를 구현하기 위하여 대략 4분의 1 반구로 연장하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 스크린(22)은 실질적으로 평면 스크린(52)인 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 검출 장치(23)는 상기 스크린(22, 52)을 결상시키는 화상 검출 컴포넌트(26, 26a, 54, 55)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제3항에 있어서,

상기 화상 검출 컴포넌트(26, 26a, 54, 55)는 카메라(26a, 55), 특히 디지털 카메라인 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조명 장치(12)는 상기 조명 빔(14)이 형성되는 방사빔을 방출하는 방사원(48)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제5항에 있어서,

상기 방사원(48)은 플래쉬 램프인 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조명 장치(12, 46)는 상기 샘플(18)의 표면(16) 상에 상기 조명 빔(14)을 지향시키기 위하여 상기 측정 헤드(30) 내부에 배치된 파이버(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제7항에 있어서,

상기 파이버(50)는 상기 방사빔을 수신하고 상기 조명 빔(14)을 방출하기 위하여 상기 방사원(38)과 접속가능한 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 표면(16)에서의 상기 조명 빔(14)의 입사각(25)은 상기 파이버(50)의 광축에 의해 정의되고, 상기 입사각(25)은 90°보다 작고 0°보다 큰 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제9항에 있어서,

상기 입사각(25)은 60°보다 작고 5°보다 큰 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 입사각(25)은 45°보다 작고 15°보다 큰 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조명 장치(12, 46, 48)는 상기 표면(16)에 대한 시준된 조명 빔(14)의 지향을 허용하는 시준기 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스크린(52)은 상기 스크린(52)의 표면 법선(53)과 파이버(50)의 광축(21)이 80°와 140°사이, 특히 대략 120°의 각도를 포함하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스크린(52)은 상기 응답 빔(20)의 검출을 위한 민감도를 증가시키기 위 하여 화이트 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 측정 헤드(30)는 상기 스크린(22, 52)으로부터 상기 조명 빔(14)을 차폐하기 위하여 한 세트의 배플(56, 58)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제14항 또는 제15항에 있어서,

상기 측정 헤드(30)는 상기 조명 빔(14)이 상기 화상 검출 컴포넌트(54, 55)로부터 차폐되도록 배치된 한 세트의 배플(56, 58)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제3항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 측정 헤드(30)는 상기 화상 검출 컴포넌트(26, 26a, 54, 55) 내로 상기 스크린(52)을 결상시키기 위하여 평면 거울(58)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 측정 헤드(30)는 상기 표면(16)과 접촉될 수 있는 베이스 판(34)을 포함하고, 상기 베이스 판(34)은 상기 조명 빔(14)과 상기 응답 빔(20)이 전파되는 측정 포트(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제18항에 있어서,

상기 측정 헤드(30)는 상기 베이스 판(34)과 접속가능한 상부 판(32)을 포함하고, 상기 베이스 판(34)은 상기 상부 판(32) 보다 작은 면적을 커버하여, 상기 측정 헤드(30)가 작은 형상으로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 베이스 판(34)과 상기 상부 판(32)은 상기 측정 헤드(30)가 사다리꼴 형상으로 이루어지도록 상기 다수의 측면 판(38, 40, 42, 64, 66, 68, 70)에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 측정 헤드(30)는 상기 스크린(22, 52)이 거울 특성을 가질 경우에 상기 스크린(22, 52) 상에서 작은 스폿을 획득하기 위하여 상기 샘플(18)의 상기 표면(16)으로부터 반사된 상기 응답 빔(20)을 상기 스크린(52) 상에 포커싱하는 시준 렌즈(61)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.