KR20100063118A - 집속 레이저 빔 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 측정용 측정 장치는, 레이저 빔의 빔 경로에 직렬로 배열되고 초점이 설로 일치하는 총 2개의 렌즈(10, 12)와, 마지막 렌즈(12)의 초점 위치에서 상기 2개의 렌즈(10, 12) 뒤에 배치된 카메라(74)와, 확대된 레이저 빔의 전자 이미지를 생성하는 전자 이미지 센서(14)를 포함한다. 레이저 빔의 빔 허리부를 위치시키고 레이저 빔의 직경 프로파일을 결정하기 위한 목적으로, 렌즈(10, 12)는 카메라(74)와 함께 측정 장치의 기준점(46)에 대해 빔 경로를 따라서 조정 가능하다. 또한, 측정 장치는, 빔 경로를 둘러싸는 어댑터로서, 레이저 빔을 제공하는 레이저 시스템에 측정 장치를 결합시키는 어댑터(42)도 또한 포함한다. 상기 어댑터(42)는, 레이저 빔의 빔 축(16)에 대해서 축 방향으로 지향하는, 레이저 시스템용의 맞댐 표면을 형성하며, 측정 장치를 레이저 시스템의 장착 위치에 현장에서 결합시킬 수 있게 한다.

Description

집속 레이저 빔 측정 장치{MEASURING DEVICE FOR MEASURING A FOCUSED LASER BEAM}
본 발명은 집속된 레이저 빔을 측정하기 위한 측정 장치에 관한 것이다. 측정할 레이저 빔은 특히, 각막 또는 수정체의 광굴절식 치료와 같은 안과 레이저 치료에서 사용된다. 물론 이는 한 예로서, 본 발명은 기본적으로는 측정할 레이저 빔의 응용 목적과 관련된 것이면 어떠한 것에도 제한을 두지 않는다. 일반적으로, 수많은 레이저 응용에는 특정의 빔 파라미터에 대한 정확한 지식이 필요한데, 본 명세서에서는, 안과 레이저 수술 이외의 여러 예들 중에서 단지 두 가지 예, 즉 반도체 기술에서의 포토리소그라피와, 광 데이터 캐리어의 레이저 스캐닝 또는 레이저 기록에 대해서만 설명한다.
레이저 빔 중에서 관심을 갖는 빔 파라미터에는 보편적으로는 빔 직경, 특히 빔 허리 영역에서의 빔 직경과, 빔 발산량이 있는데, 이 이외의 다른 파라미터로는 회절 지수(일반적으로는 M2로 나타냄) 또는 빔 방향으로 가로지르는 강도 프로파일과 같은 파라미터도 있다.
블레이드 또는 충분히 좁은 슬릿이 빔을 가로질러 이동하고 전달된 출력은 그 블레이드 또는 슬릿의 위치 각각에 따라서 검출기에 의해 측정되는, 소위 칼날(knife edge) 또는 슬릿 방법이라고 하는 레이저 빔의 측정을 위한 방법이 알려져 있다. 이와 같은 방식으로 얻은 전달 곡선을 미분함으로써 후속해서 강도 프로파일이 결정되고, 이 결정에 의하면 결국은 빔 직경이 결정된다.
빔 스캐닝에 의거한 상기 전달 측정 방법의 대안으로서, 일례로 미국 특허 제4,917,489호에 공지된 바에 의하면, 하나의 확대 렌즈로 레이저 빔을 확대하여 그 확대된 레이저 빔을 적절한 강도 감쇠가 행해지면서 이미지 픽업 장치(이미지 센서)로 보내는 것이 공지되어 있다. 이어서 렌즈의 확대 계수를 고려해서 대물 렌즈에서의 빔의 직경을 레이저 빔의 생성 이미지로부터 산출한다.
이와 대조적으로, 집속 레이저 빔을 측정하기 위한 본 발명의 측정 장치는 레이저 빔의 빔 경로에 직렬로 배치된 적어도 2개의 렌즈를 구비하는 하나의 확대 렌즈 시스템과, 여기서 이 확대 렌즈 시스템의 연속하는 렌즈 쌍 각각은 일치된 초점을 가짐, 확대된 레이저 빔의 이미지를 캡쳐하기 위하여 상기 초점 위치에서 확대 렌즈 시스템 뒤에 배치된 전자 이미지 센서와, 레이저 빔을 제공하는 레이저 시스템에 상기 측정 장치를 결합시키기 위한, 빔 경로를 둘러싸는 어댑터로서, 레이저 빔의 빔 축에 대해 축방향으로 향하는, 레이저 시스템용 맞댐 표면을, 형성하는 어댑터와, 상기 어댑터에 마련된 측정 장치의 기준점에 대해서 빔 경로를 따라서 확대 렌즈 시스템의 렌즈들과 이미지 센서를 동시에 조정할 수 있게 구성한 종방향 조정 수단을 포함한다.
본 발명의 측정 장치의 바람직한 실시예들은 특허청구범위의 종속 청구항들에 나타내었다.
가우스 빔 광학에 대한 참조 논문(예, 제목: Optik, Grundlagen und Anwendunge, 저자: Kuehlke, Dietric, 출판: Harri Deutsch Verlag, 1st edition, 1998)을 보면, 측정할 레이저 빔의 빔 직경을 갖는 하나의 확대 렌즈의 확대 계수의 종속성에 대해 개시되어 있다. 확대된 빔의 허리부 직경과 확대되지 않은 빔의 허리부 직경의 몫을 확대 계수로 취했을 때, 특히, 둘 중에서 작은 허리부 직경에 대한 단일 확대 렌즈의 확대 계수는 큰 허리부 직경에 대한 확대 계수에 비해 상당히 크게 된다. 따라서, 공칭을 가정했을 때의 일정한 확대 배율은 각기 다른 허리부 직경을 가지는 단일 확대 렌즈를 여러 초점들 측정용으로 사용하는 경우에 상당한 측정 오차를 유발하게 된다.
본 발명의 발명자들은, 연속하는 렌즈 쌍 각각이 일치하는 초점들을 가지는 경우, 하나의 다중 렌즈 시스템은 확대 배율이 빔 직경에 의존하는 종속성을 제거할 수 있다는 점을 인지하였다. 이 경우, 측정할 빔의 허리부 직경이 얼마나 큰지 여부와는 무관하게, 가변적이지 않은 일정한 확대 배율을 취할 수 있다. 이에 의하면 측정할 레이저의 실제 허리부 직경을 더욱 더 정확하게 측정할 수 있게 된다.
본 발명의 측정 장치의 종방향 조정 수단에 의하면 측정 장치에 속하는 기준점에 대한 빔 경로를 따라서 렌즈와 이미지 센서 모두의 한정된 조정이 가능해진다. 여기서, 측정 장치에 속한다함은 기준점이 측정 장치에, 혹은 측정 장치 위에 위치하고 그에 따라 측정 장치 전체에 대해 고정이라는 것을 의미한다. 렌즈들과 이미지 센서로 이루어진 조립체를 빔 경로를 따라 조정할 수 있는 조정성은 측정할 레이저 빔의 빔 허리부를 정확하게 위치시킬 수 있게 하고, 결과적으로는 측정 장치의 정밀 조정을 가능하게 하고, 그에 따라 레이저 빔의 초점이 확대 렌즈 시스템의 첫 번째 렌즈의 초점과 일치하게 된다. 이러한 상황은 이미지 센서에 의해 캡쳐된 빔 단면이 최저치를 가질 때에 존재하게 된다. 렌즈들과 이미지 센서를 본 발명에 따라 상호적으로 배치하게 되면, 빔 허리부는 그것이 첫 번째 렌즈의 초점에 위치할 때에 이미지 센서의 센서 표면 상에 그의 상이 맺힌다. 이 위치는 렌즈들과 이미지 센서로 구성된 조립체를 빔 초점에 대해 종방향으로 조정함으로써 쉽게 찾아낼 수 있다.
렌즈들과 이미지 센서의 종방향 조정성은 레이저 빔을 따르는 여러 위치에서 빔 직경을 결정하는 데 있어서, 다시 말해, 레이저 빔의 직경 프로파일을 결정하는 데 있어서 선택적으로나 혹은 추가적으로 유용하다. 이와 같은 직경 프로파일은 일례로 빔 발산량과 굴절 지수와 관련한 정보를 얻을 수 있게 한다. 굳이 말할 필요는 없지만, 필요에 따라서는, 이러한 것들과 여타 빔 파라미터의 결정을 위한 것으로서, 적절히 프로그램되어 있으며, 이미지 센서에 의해 공급되고 스토리지에 버퍼링된 전자 이미지 신호들을 산출하고 해석하는, 전자 산출 유닛이 제공될 수 있다.
렌즈들과 이미지 센서로 구성된 조립체용의 종방향 조정 수단에 의해 제공되는 조정 가능 범위는 바람직하기로는 레이저 빔의 레일리(Rayleigh) 길이의 적어도 3배를 가로질러 연장된다.
상기 종방향 조정 수단은, 필요에 따라서는, 일례로 구성부품 및 조립체의 공차들을 조정(calibration) 또는 보상(compensation)할 목적으로, 렌즈들의 종방향 조정을 서로에 대해서, 그리고/또는 이미지 센서에 대해서 할 수 있도록 하기 위해 추가로 제공될 수 있다.
특히 짧게 설계된 측정 장치를 제공하는 본 발명의 일 실시예에 따르면, 확대 렌즈 시스템은 총 2개의 렌즈를 포함한다. 적절한 확대 배율을 위해서는, 첫 번째 렌즈의 비교적 작은 초점 거리가 필요하고, 이에 따르면 첫 번째 렌즈는 비교적 작게 만들어야 한다. 확대 렌즈 시스템이 총 4개의 렌즈로 구성되는 경우에는, 더 편리하게 취급하고 장착할 수 있는 큰 렌즈로 하는 것도 가능하다. 이어서 확대 배율은 각각이 한 쌍의 렌즈로 이루어진 2개의 단계로 나눌 수 있고, 이에 따르면 각 쌍의 렌즈의 확대는 총 2개의 렌즈를 구비하는 실시예에서의 하나의 렌즈 쌍의 확대에 비해 작지만 총 확대는 동일하게 된다.
확대 렌즈 시스템의 모든 렌즈들은 그 각각이 수렴 렌즈로서 디자인될 수 있다. 선택적으로, 확대 렌즈 시스템이 적어도 하나의 발산 렌즈를 구비하되 적어도 마지막 렌즈는 수렴 렌즈로 구성하는 것도 가능하다. 발산 렌즈를 사용하게 되면 그의 음(-)의 초점 길이로 인해 구조적 공간이 수렴 렌즈에 비해 짧아지게 된다. 이는 2개 이상의 렌즈를 포함하는 실시예에서 특히 유용한데, 이 경우 첫 번째 렌즈 초점 길이는 더 길게 선정할 수 있고, 이에 따르면 발산 렌즈의 사용으로 인한 구조적 공간의 이점은 총 2개의 렌즈를 구비하며 첫 번째 렌즈의 초점 거리가 비교적 짧은 실시예에 비해서 더 커진다. 그 각각의 경우에서, 마지막 렌즈는 수렴 렌즈로 구성하게 되는데, 그 이유는 이미지 센서가 레이저 빔의 실제 이미지를 필요로 하기 때문이다.
확대 렌즈에 의한 파면 변형을 작게 유지하기 위해서는, 확대 렌즈 시스템의 적어도 하나의 렌즈가 하나의 평면 렌즈 면을 구비하고 그의 곡면 렌즈 면이 작은 발산량을 갖는 빔 부분을 향해 지향되면 유리하다는 것을 알아내었다. 따라서, 확대 렌즈 시스템이, 물론 의무적인 것은 아니긴 하지만, 단순히 평면-볼록 렌즈나 혹은 평면-오목 렌즈를 포함지만 양 측이 곡형인 렌즈는 포함하지 않는 것이 바람직하다.
구성부품 및 조립체의 공차는, 측정 장치의 광학 구성부품들 중 적어도 일부가 빔 경로에 대해 가로지르는 방향에서 레이저 빔에 대해 정확하게 지향되지 않게 되는 상황을, 야기할 수 있다. 따라서 측정 장치는 바람직하기로는, 확대 렌즈 시스템의 적어도 첫 번째 렌즈를 앞에서 말한 측정 장치의 기준점에 대한 빔 경로에 대해서 횡방향으로, 특히 수직 방향으로 조정할 수 있는 횡방향 조정 수단을 포함하는 것이 좋다. 확대 렌즈 시스템의 첫 번째 렌즈가 빔 경로에 대해 오정렬되면, 이미지 센서 상에 이미지가 위치하는 위치에 특히 강한 충격이 가해지고, 파면이 변형되게 되며, 이미지가 왜곡되게 되지만, 그 어느 경우에서도 다른 렌즈들의 오정렬에 비하면 그 규모가 더 크다는 것을 알았다. 이러한 이유 때문에, 적어도 첫 번째 렌즈는 횡방향으로 조정 가능해야 한다. 변형 실시예에 따르면, 첫 번째 렌즈만을, 즉 첫 번째 렌즈를 다른 렌즈들 및 이미지 센서와 무관하게 횡방향으로 조정 가능하게 할 수 있다. 또 다른 변형 실시예에 따르면, 첫 번째 렌즈를 확대 렌즈 시스템의 적어도 또 다른 하나의 렌즈와 함께, 특별하게는 확대 렌즈 시스템의 모든 렌즈들과 함께, 바람직하기로는 이미지 센서와 함께 하나의 유닛으로서 횡방향으로 조정가능하게 구성할 수 있다.
상기 횡방향 조정 수단은 확대 렌즈 시스템의 적어도 첫 번째 렌즈를 상호 직교하는 2개 방향으로 독립적으로 조정할 수 있게 하기에 적합하다.
측정 장치의 양호한 구성은 빔 경로에 있는 확대 렌즈 시스템의 렌즈들 중 적어도 일부 렌즈, 특별하기로는 확대 렌즈 시스템의 모든 렌즈들이 렌즈 경통 안에 직렬로 장착될 수 있게 한 것인데, 상기 렌즈 경통은 종방향 조정 수단에 의해서 기준점에 대해서 경통 축의 방향으로 조정할 수 있는 것이다. 상기 렌즈 경통은, 바람직하기로는, 특히 관형으로 구성된 안내 몸체의 안내 수용 개구를 안에서 축방향으로 변위 가능하게 안내되면서 회전은 하지 않게 고정되는 것이 좋고, 이 때 종방향 조정 수단을 상기 렌즈 경통과 상기 안내 몸체 사이에서 작용하도록 구성한다.
렌즈의 일 단부는 상기 안내 몸체로부터 축방향으로 돌출하고, 이미지 센서를 수용하는 카메라에 기계적으로 결합시키기 위한 돌출 단부의 영역 안에 맞추어진다.
렌즈 경통과 안내 몸체 사이의 임의의 유격을 보상하기 위해서는, 렌즈 경통을 안내 몸체에 대해서 축방향으로 편의시키는 탄성 편의 수단을 렌즈 경통과 안내 몸체 사이에서 작용하도록 구성시키는 것을 제안한다.
측정 장치의 양호한 실시예에서, 안내 몸체는 어댑터를 유지한다. 어댑터는 바람직하기로는 안내 몸체로부터 분리될 수 있고 안내 몸체에 교체 가능하게 연결될 수 있는 구성부품으로 하는 것이 좋다. 이에 의하면, 측정 장치를 모듈형으로, 즉 다수의 선택적으로 사용 가능하며 각기 다른 레이저 시스템에 결합시킬 수 있는 각기 다른 어댑터들을 사용할 수 있게 모듈형으로, 구성할 수 있다.
상기 횡방향 조정 수단은 어댑터와 안내 몸체 사이에서 실행되게 구성될 수 있다.
어댑터는 레이저 빔의 빔 축에 대해 축방향으로 지향하는 레이저 시스템용 맞댐 표면을 형성한다. 상기 맞댐 표면은 측정 장치의 광학 구성부품들을 종방향으로, 필요에 따라서는 횡방향으로 조정하는 데 있어서의 기준점 역할을 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 레이저 빔의 확대 이미지를 캡쳐하기 위한 한 쌍의 렌즈와 이미지 센서의 상대적 배치를 예시하는 개략도이다.
도 2는 레이저 빔의 확대 이미지를 캡쳐하기 위한 2 쌍의 렌즈와 이미지 센서의 상대적 배치를 예시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 측정 장치의 일 실시예를 관통하는 종단면도이다.
도 4는 도 3의 측정 장치의 확대 단면도이다.
도 5는 도 3의 측정 장치의 또 다른 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 측정 장치에 사용되는 확대 렌즈 시스템의 2개의 다른 예시적 구성을 보이고 있다. 도 1의 실시예에서, 확대 렌즈 시스템은 총 2개의 광학적으로 얇은 렌즈(10, 12)를 포함하고, 상기 2개의 렌즈들은 평면-볼록 수렴 렌즈로 구성된다. 측정할 레이저 빔은, 그의 확대 이미지가 전자 이미지 센서(14)에 캡쳐되기 전에, 렌즈(10)에 최초로 입사하고 후속해서 렌즈(12)에 입사한다. 상기 이미지 센서는 예를 들면 CCD 또는 CMOS 이미지 센서일 수 있다. 확대 렌즈 시스템의 광학 축을 도면 부호 16으로 나타내었다. 광학적 결상 오차(imaging error)를 방지하기 위해서는, 레이저 빔의 빔 축이 광학 축(16)에 일치하는 것이 바람직하다. 레이저 빔의 빔 방향에 대한 측정 장치의 광학 구성부품들의 횡방향 오정렬은 구성부품또는 조립체의 공차에 의해 야기되고 이러한 오정렬은 일반적으로는 완전하게 피할 수는 없다고 하는 사실로 인해, 본 발명의 측정 장치의 양호한 실시예에는, 확대 렌즈 시스템의 렌즈들과 필요에 따라서는 이미지 센서도 빔 방향에 대해 횡방향으로 조정해서 광학 축(16)을 빔 축과 실질적으로 정확하게 일치시킬 수 있도록 하기에 적합한 횡방향 조정 수단이 마련된다.
도 1의 렌즈(10)는 하나의 초점 길이 f1을 가지고, 그의 2개의 초점(대물측 초점과 이미지측 초점)을 각각 도면 부호 18과 20으로 나타내었다.
렌즈(12)는 하나의 초점 길이 f2를 가진다. 이 렌즈는 대물측 초점이 첫 번째 렌즈(10)의 이미지측 초점(20)과 일치하도록 배치된다. 렌즈(12)는 이미지측 상의 초점(22)을 갖는다. 이미지 센서(14)의 센서 평면은 상기 초점(22)과 일치한다.
렌즈(10, 12)들과 이미지 센서(14)를 이와 같이 상호 배치한 상태에서 측정할 레이저 빔의 빔 허리부가 초점(18)에 놓이면, 이미지 센서(14) 상에는 허리부 직경과 무관한 확대 배율로 이미지가 결상된다. 이미지 센서(14)는 전자 산출 수단(상세하게 도시하지 않음)에, 즉 이미지 센서(14)의 이미지 신호를 받아서, 그 이미지 신호를 필요에 따라서는 디지털 형태로 변환하여, 그로부터 확대된 허리부 직경과 실제의(확대되지 않은) 허리부 직경을 결정하는 전자 산출 수단에 연결된다. 레이저 빔의 강도를 감쇠시키기 위해, 하나 또는 수개의 중성 밀도 필터(그레이 필터)를 빔 경로에 배치할 수 있다. 특히, 도 1의 예시적인 구성에 있어서는, 상기와 같은 그레이 필터는 렌즈(12)와 이미지 센서(14) 사이에 마련될 수 있다. 상기 그레이 필터의 광학 두께는 초점(22)의 작은 변위를 유발하는데, 그 변위는 이미지 센서(14)를 위치시킬 때에 고려되어야 한다.
렌즈(10, 12)의 곡면측들은 발산량이 타 부분에 비해 작은 빔 부분과 대면한다. 첫 번째 렌즈(10)에 의해 행해지는 허리부 직경의 확대는, 렌즈(10)의 이미지측에서의 발산량을 대물측에서의 발산량보다 작게 하는 빔의 평행화에 수반된다. 그러나 이를 렌즈(12)에 대해 적용하면 레이저 빔은 이미지측에서 더 큰 발산량을 갖게 된다. 이 결과, 도 1에 도시된 렌즈의 배치에 있어서는 렌즈들의 곡면측을 서로 대면시키게 된 것이다. 평면 렌즈측이 더 높은 발산량을 갖는 빔 부분들과 대면하게 하고 곡면 렌즈측이 더 작은 발산량을 갖는 빔 부분들과 대면하게 조치한 수단에 의하면, 렌즈(10, 12)에 의해 야기되는 파면 변형을 작게 할 수 있고, 이에 의해 이미지 왜곡을 최소로 할 수 있게 된다.
수치적인 예에서 확대 배율(magnification scale)을 대략 20[즉 이미지 센서(14)에서의 허리부 직경(waist diameter)이 확대되지 않은 허리부 직경보다 20배 큼]인 것으로 가정하면, 렌즈(10)에 대해서는 대략 3mm의 초점 거리가 선택되고 렌즈(12)에 대해서는 대략 60mm의 초점 거리가 선택된다. 이러한 초점 거리는 측정 장치의 전체적으로 비교적 짧은 치수를 달성할 수 있게 한다. 전술한 수치적 사양은 물론 예시적인 것일 뿐이며, 특히 확대 배율에 대한 다른 값들이 채용될 수 있으나, 이 경우에는 렌즈(10, 12)의 다른 초점 길이를 필요로 할 수도 있다.
도 2의 변형 실시예에서, 확대 렌즈 시스템은 도면 부호 24, 26, 28 및 30으로 도시된 총 4개의 렌즈(이들도 광학 박형 렌즈)를 포함한다. 이미지 센서는 도면 부호 14로 표시되고 광학 축은 도면 부호 16으로 표시된다. 빔 전파 방향에서 보았을 때의 제2 렌즈(26) 및 제4 렌즈(30) 각각은 평면-볼록 수렴 렌즈로 설계되고, 제1 렌즈(24)와 제3 렌즈(28) 각각은 평면-오목 발산 렌즈로 설계된다. 한 쌍의 렌즈(24, 26)는 확대 렌즈 시스템의 제1 확대 단계(magnification stage)를 형성하고, 제2 쌍의 렌즈(28, 30)는 제2 확대 단계를 형성한다. 2개의 확대 단계의 배율 계수(magnification factor)는 동일하거나 상이할 수 있으며, 2개의 배율 단계의 배율 계수의 곱에 의하여 전체 배율이 얻어진다.
도시된 예의 경우에, 2개의 수렴 렌즈(26, 30)는 동일한 초점 거리를 가지며, 수렴 렌즈(26)의 2개의 초점은 도면 부호 32와 34로 표시되고, 수렴 렌즈(30)의 초점들은 도면 부호 36과 38로 표시되어 있다. 발산 렌즈(24, 28)들 각각은 초점 거리가 음이므로 후속 수렴 렌즈의 초점 뒤에 배치되지만, 발산 렌즈의 초점(허초점)이 각각의 연속하는 수렴 렌즈의 초점과 일치하도록 배치된다. 이는, 초점(32)이 동시에 렌즈(24)의 허초점이고, 초점(34, 36)은 각 발산 렌즈(28)의 하나의 초점에 또한 대응한다.
수렴 렌즈 대신에 발산 렌즈의 사용은 측정 장치의 크기를 감소시킬 수 있게 하고, 이 효과는 도 1의 2개의 렌즈 구성에 비하여 도 2의 4개의 렌즈 구성의 경우에 더욱 현저하게 된다.
또 다른 수치적 실시예의 제시:
확대 렌즈 시스템의 확대 배율을 대략 20으로 가정하면, 각 수렴 렌즈(26, 30)는 예를 들면 대략 42mm의 초점 거리를 가질 수 있고, 발산 렌즈에 대해서는 각각 대략 -9mm의 초점 거리가 선택될 수 있다. 또한, 이는 물론 예시적인 사양일 뿐이며, 특히 확대 렌즈 시스템의 또 다른 확대 배율이 요망되는 경우에는 이 사양은 언제라도 변경될 수 있다.
구체적인 구성의 예를 설명하기 위하여, 이하에서 도 3 내지 도 5를 참조하기로 한다. 도시된 측정 장치는 전체가 도면 부호 40으로 표시되어 있다. 측정 장치는 기존의 레이저 시스템에 연결될 수 있는 휴대형 장치(hand-portable device)이며, 레이저 시스템을 별도의 측정 장소로 운반할 필요가 없게 된다. 따라서, 측정 장치(40)는 레이저 시스템의 설치 장소에서 즉시 현장 측정(in situ measurement)을 가능하게 한다.
측정 장치(40)에는, 광학 축(16)을 에워싸는 슬리브형 어댑터 본체 부분(adapter main portion)(44)을 구비하는 어댑터(42)가 제공된다. 도 3에서의 좌측 축선 단부의 영역에서 어댑터(42)는 레이저 빔을 제공하는 레이저 시스템에 연결되도록 형성된다. 이러한 목적으로 제공되는 연결 수단은 축방향으로 향한 환형 맞댐 표면(abutment surface)(46)을 포함하며, 이 맞댐 표면은 레이저 시스템에 대한 측정 장치(40)의 축방향 맞댐과 그에 따른 축방향 위치 설정을 위한 역할을 한다. 전술한 연결 수단은, 레이저 시스템의 목표 대상의 가장자리 또는 다른 부분의 반경 방향 클램핑을 위하여, 어댑터 본체 부분(44)에 일체형으로 형성되는 것이 바람직한 환형 클램핑 부분(48)을 또한 포함한다. 클램핑 부분(48)에는, 반경 방향으로의 클램핑 나사(도시 생략)의 삽입을 위하여 원주 방향으로 분배되어 있는 다수의 나사 구멍(50)이 제공된다.
다른 축방향 단부의 영역에서 어댑터 본체 부분(44)은 관형 안내 몸체(56)를 위한 수용 개구(54)를 형성하는 조정 블록(52)에 착탈식으로 연결된다. 조정 블록(52)에는, 상세히 도시되어 있지는 않은 체결 나사의 삽입을 위한 나사 구멍(58)이 제공되며, 이에 의하여 어댑터(42)는 조정 블록(52)에 고정될 수 있다. 안내 몸체(56)는 조정 블록(52)의 수용 개구(54) 내에 축방향으로 고정식으로 유지되지만, 조정 블록(52)의 조정 나사(상세한 도시 생략)에 의하여 반경 방향 평면 내에서 조정 블록에 대하여 조정될 수 있다. 이러한 목적으로, 조정 블록(52)은 안내 몸체(56)를 반경 반향으로 파지(그 방식에 대하여 상세한 도시는 생략)하는 내측 슬리브를 포함할 수 있고, 조정 블록(52)의 하우징 내에 횡방향으로 조정 가능한 방식으로 유지된다. 적절한 조정 블록은 상용화되어 있다. 예를 들면, 오베이에스 게엠베하(OWIS GmbH)로부터 입수 가능한 "XY-유스티에라우프나메플라테 오하40(XY-Justieraufnahmeplatte OH40"이라는 상표명의 장치를 참고할 수 있으며, 이 장치는 필요하다면 다소 수정되어 조정 블록(52)으로서 사용될 수 있다. 조정 블록(52)은 서로 수직인 2개의 반경 방향으로 안내 몸체(56)의 독립적인 횡방향 조정을 가능하게 한다. 따라서, 안내 몸체(56)는 축선에 수직인 평면 내에서 어떤 방향으로도 조정될 수 있다.
도시된 실시예에서 조정 블록(52)에 대한 안내 몸체(56)의 고정된 축방향 위치는, 안내 몸체(56)의 외주의 축방향 어깨부(60)뿐만 아니라 안내 몸체(56)에 나사 체결된 나사식 링(screw-on ring)(62)에 이하여 보장된다. 조정 블록(52)은 축방향 어깨부(60)와 나사식 링(62) 사이에 축방향으로 유지된다.
안내 몸체(56)는 렌즈 경통(lens barrel)(68)을 위한 축방향 안내 수용 개구(66)를 형성하며, 렌즈 경통은 확대 렌즈 시스템의 렌즈와 함께 조립 유닛으로서 미리 조립될 수 있고, 안내 몸체(56) 내에 삽입된 조립 유닛으로서 그와 같이 미리 조립될 수 있다. 본 실시예의 경우에, 확대 렌즈 시스템은 도 1의 변형 실시예에 해당하고, 따라서 도 3 내지 도 5에서의 측정 장치에 존재하는 2개 렌즈만이 도면 부호 10과 도면 부호 12로 도시되어 있다. 그러나, 도 2의 구성과 같은 또 다른 렌즈 구성이 렌즈 경통(68) 내에 마찬가지로 설치될 수도 있다는 점을 이해할 수 있다.
렌즈 경통(68)은 축방향으로 이동 가능하게 안내되지만, 안내 몸체(56)의 안내 수용 개구(66) 내에서의 회전이 방지되게 보장되어 있다. 2개의 몸체의 서로에 대한 회전 방지(anti-rotation)를 위하여, 렌즈 경통(68)은 외주 표면 내에 형성된 축방향의 세장형 오목부를 포함하며, 안내 몸체(56)의 나사 구멍(72) 내로 삽입될 수 있는 회전 방지 나사(상세한 도시 생략)가 상기 오목부 내에 맞물린다.
렌즈 경통(68)과 안내 몸체(56)는 함께 어댑터(42)의 슬리브형 본체 부분(44) 내로, 특히 동일한 깊이까지 연장되어 있고, 다른 축방향 단부의 영역에서 렌즈 경통(68)은 안내 몸체(56)로부터 돌출한다는 것을 알 수 있다. 돌출 단부의 영역에서, 렌즈 경통(68)은 도 1과 도 2의 이미지 센서와 같은 이미지 센서(도 3 내지 도 5에서는 상세한 도시 생략)가 설치되어 있는 디지털 카메라에 연결된다. 렌즈 경통(68)의 축방향 자유 단부에서의 축방향 맞댐 표면(76)은, 렌즈 경통(68)에 대하여 그리고 결과적으로 렌즈 경통 내에 설치된 렌즈(10, 12)에 대하여 규정된 축방향 위치 설정을 가능하게 한다. 카메라(74)와 렌즈 경통(68)의 연결은 예를 들면 나사 연결이거나 반경 방향 클램핑 연결일 수 있다. 렌즈 경통(68)에 착탈식으로 연결되는 카메라(74)를 구비하는 측정 장치(40)의 구성은 상용 카메라 모델을 다시 사용하는 것을 가능하게 한다.
이미 전술한 바와 같이, 렌즈 경통(68)은 그 안에 삽입된 구성요소들과 함께 조립 유닛으로서 미리 조립될 수 있다. 이러한 구성요소들은, 2개의 렌즈(10, 12) 이외에도, 사전 조립체 내의 제1 구성 요소로서 렌즈 경통(68) 내에 가압되고 렌즈(12)의 평면 쪽에 대한 평탄 접촉 표면을 제공하는 전방 링(78)을 포함한다. 전방 링(78)은 내측 몸체 개구의 큰 직경 부분과 작은 직경 부분 사이의 천이부에 형성된 축방향 어깨부(80)에 접촉한다. 렌즈(12) 다음으로 이격 튜브(spacer tube)가 렌즈 경통(68) 내로 가압된다. 이격 튜브(82) 다음으로는, 렌즈(10)를 포함하는 렌즈 조립체(84)가 후속하는데, 이 렌즈 조립체도 미리 조립된 조립 유닛이다. 렌즈 조립체(84)는 대략 컵 형태의 렌즈 장착부(86)를 포함하며, 렌즈 장착부는 그 저부에 레이저 빔을 위한 중앙 관통공을 포함한다. 렌즈(10)는 이 구멍 위에 배치되고 렌즈의 평면 쪽에서 렌즈 장착부(86)의 컵 저부에 접촉하여 지지된다. 렌즈 장착부(86) 내의 렌즈(10)의 반경 방향 중심 설정을 위하여 중심 설정 디스크(centering disk)(88)가 제공된다. 렌즈 장착부(86)는 컵 벽의 내측에 나사산을 구비하며, 컵 벽 내로 렌즈 클램핑 나사(90) 및 나사 디스크(92)가 삽입된다. 렌즈(10)가 손상되지 않도록, 렌즈 클램핑 나사(90)는 렌즈(10)에 대해 조여지지는 않으나, 나사 디스크(92)에 의하여 고정된다.
이와 같이 미리 조립된 렌즈 조립체(84)는, 렌즈 장착부(86)가 이격 튜브(82)에 인접할 때까지, 렌즈 경통(68) 내로 가압된다. 렌즈 경통(68)에는 어댑터 쪽의 단부의 영역에 암형 나사산이 제공되며, 그 내측으로 2개의 추가 나사 디스크(94, 96)가 맞물려 렌즈 경통(68) 내에 나머지 구성요소들을 고정시키는 역할을 한다. 렌즈 장착부(86)와 이격 튜브(82)를 통하여 렌즈(12)에 축방향 클램핑 힘이 전달되는 것을 방지하기 위하여, 2개의 나사 디스크(94, 96)는 서로에 대해서도 고정되는 것이 바람직하다.
이미 전술한 바와 같이, 렌즈 경통(68)은 안내 수용 개구(66) 내에서 안내 몸체(56)에 대하여 축방향으로 이동 가능하게 안내된다. 렌즈 경통(68)과 안내 몸체(56) 사이에서 안내 몸체(56)에 대한 렌즈 경통(68)의 설정된 종방향 조정을 가능하게 하는 종방향 조정 수단이 효과적이다. 이 종방향 조정 수단은 안내 몸체(56)와 나사 결합하고 동시에 렌즈 경통(68)과 축방향 지지 맞물림 상태에 있는 조정 부재(98)를 포함한다. 도시된 실시예의 경우에 조정 부재는, 안내 몸체(56)에 안착되고 렌즈 경통(68)의 카메라 근방 단부의 영역에 형성된 지지 칼라(supporting collar)(100)를 지나 축방향으로 연장된 나사 슬리브이다. 나사 슬리브(98)에는 암형 나사산이 제공되고, 이에 의하여 나사 슬리브는 안내 몸체(56)의 상보적 수형 나사산 상에 나사 결합된다. 나사 슬리브(98)와 렌즈 경통(68) 사이에는 환형 공간(102)이 형성되며, 나선형 압력 스프링으로 구성된 가압 스프링(104)이 환형 공간 내에 수용된다. 가압 스프링(104)은 일단에서 축방향으로 렌즈 경통(68)의 지지 칼라(100)에 대하여, 타단에서 축방향으로 안내 몸체(56)에 대하여 지지되고, 2개의 몸체를 분리시키는 가압력을 인가한다. 이 축방향 가압력은 렌즈 경통(68)으로부터 지지 칼라(100)를 통하여 환형 웹(106)으로 향하고, 이 환형 웹은 나사 슬리브(98)의 카메라 근방 단부에 형성되고 반경 방향 내측으로 돌출한다. 안내 몸체(68)와 나사 슬리브(98) 사이의 마찰을 감소시키기 위하여, 지지 칼라(100)와 환형 웹(106) 사이에 렌즈 경통(68) 상에는, 바람직한 미끄럼 특성을 가진 재료로 이루어진 미끄럼 링(sliding ring)(108)이 배치된다. 가압 스프링(104)은 측정 장치(40)의 통상의 취급 조건 하에서 렌즈 경통(68)과 안내 몸체(56) 사이에서 의도치 않은 유격(unintentional play)에 기인하는 동작을 방지하도록 충분히 강하다.
나사 슬리브(98)는, 안내 몸체(56)에 대하여 그리고 그에 따라 기준 점으로 작용하는 어댑터(42)의 맞댐 표면(46)에 대하여, 렌즈(10, 12)를 포함하는 시스템 및 카메라(74)의 설정된 종방향 조정을 가능하게 한다. 비교적 큰(예를 들어 마이크로미터 나사와 비교하였을 경우에 큰) 나사산 직경에 의하여, 매우 감도가 우수한 렌즈 경통(68)의 종방향 조정이 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 축방향으로 수 마이크로미터의 조정 정확도가 달성될 수 있다. 나사 슬리브(98)의 직경이 대략 34mm라는 가정 하에서(그리고, 인간의 손이 나사 슬리브(98)를 최소한으로 0.5mm 내지 1mm만큼 회전시킬 수 있다는 추가 가정 하에서), 대략 0.5mm의 나사산 피치로 우수하고 정밀한 조정 정확도가 달성될 수 있다. 축방향으로의 렌즈 경통(68)의 최대 조정 이동은 예를 들면 수 밀리미터의 범위일 수 있으며, 이는 레일리 길이(Rayleigh length)의 3배만큼 렌즈 경통(68)의 종방향 조정성을 필요로 하는 M2 측정을 일반적인 빔 직경으로 실시하는 데에 충분하다.
레이저 빔의 강도의 감쇠를 위하여, 그레이 필터(110)가 렌즈 경통(68) 내에 추가로 설치되며, 탄성중합체 링(114)이 개재된 상태에서 클램핑 슬리브(112)에 의하여 렌즈 경통(68)의 카메라 근방 단부로부터 가압되어 렌즈 경통(68) 내에 고정된다. 이와 같은 방식으로, 다른 빔 강도에 대하여 밀도가 다른 그레이 필터가 사용될 수 있도록, 그레이 필터(110)는 교환될 수 있다.

Claims (18)

  1. 집속 레이저 빔 측정 장치에 있어서,
    - 레이저 빔의 빔 경로를 따라서 차례로 배치된 적어도 2개의 렌즈(10, 12)를 구비하는 하나의 확대 렌즈 시스템으로서, 이 확대 렌즈 시스템의 연속하는 렌즈 쌍 각각은 일치된 초점을 가지도록 구성된, 확대 렌즈 시스템과,
    - 확대된 레이저 빔의 이미지를 캡쳐하기 위하여 상기 초점 위치에서 확대 렌즈 시스템 뒤에 배치된 전자 이미지 센서(14)와,
    - 레이저 빔을 제공하는 레이저 장치에 상기 측정 장치를 결합시키기 위한, 빔 경로를 둘러싸는 어댑터로서, 레이저 빔의 빔 축(16)에 대해 축방향으로 향하는, 레이저 시스템용 맞댐 표면(46)을, 형성하는 어댑터(42)와,
    - 상기 어댑터에 마련된 측정 장치의 기준점(46)에 대해서 빔 경로를 따라서 확대 렌즈 시스템의 렌즈(10, 12)들과 이미지 센서(14)를 동시에 조정할 수 있게 구성한 종방향 조정 수단(98)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확대 렌즈 시스템의 확대 렌즈들 중 적어도 일부 렌즈, 특별하게는 모든 렌즈(10, 22)들을 렌즈 경통(68) 안에 빔 경로의 방향으로 차례로 장착하고,
    상기 렌즈 경통(68)은 안내 몸체(56)의 안내 수용 개구(66) 안에서 그 경통의 축 방향으로 이동할 수 있도록 안내되고 바람직하기로는 그 안내 수용 개구 안에서 회전하지 않게 고정되며,
    상기 안내 몸체에는 어댑터(42)가 연결된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 어댑터(42)는 상기 안내 몸체(56)와는 별개의 부재이고, 바람직하기로는 상기 안내 몸체에 교환 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 렌즈 경통(68)과 상기 안내 몸체(56) 사이에서 종방향 조정 수단(98)이 작용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    어댑터(42)와 안내 몸체(56) 사이에서 작용하도록 구성된 횡방향 조정 수단(52)이 마련되고,
    상기 횡방향 조정 수단은, 확대 렌즈 시스템의 적어도 첫 번째 렌즈(10)를, 빔 경로에 대해서 횡방향으로, 특별하게는 빔 경로에 대해 수직한 방향으로, 조정할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어댑터(42)는 빔 경로를 둘러싸는 슬리브형 본체 부분(44)을 포함하고,
    상기 본체 부분의 축방향 단부들 중 한 단부에는 레이저 시스템에 결합시키기 위한 결합 수단이 마련된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결합 수단은 레이저 시스템의 형태를 반경 방향으로 결합시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 어댑터(42)의 본체 부분(44)의 축 방향 타 단부에는, 확대 렌즈 시스템의 적어도 첫 번째 렌즈(10)를 상기 어댑터(42)에 대해서 빔에 대해 횡방향으로 조정할 수 있게 하는 조정 블록(52)이 연결된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대 렌즈 시스템이 총 2개의 렌즈(10, 12) 또는 4개의 렌즈(24, 26, 28, 30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대 렌즈 시스템의 모든 렌즈(10, 12)들 각각이 수렴 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대 렌즈 시스템이 적어도 하나의 발산 렌즈(24, 28)를 포함하고, 렌즈들 중 마지막 렌즈(30)는 수렴 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대 렌즈 시스템의 적어도 하나의 렌즈(10, 12)는 하나의 평면 렌즈 면을 구비하고, 그 렌즈의 곡면 렌즈 면은 다른 부분에 비해 작은 발산량을 갖는 빔 부분을 향하여 지향된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종방향 조정 수단(98)은 상기 확대 렌즈 시스템과 상기 이미지 센서를 레이저 빔의 레일리(Rayreigh) 길이의 적어도 3배로 조정할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  14. 제2항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안내 몸체(56)가 관형인 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  15. 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈 경통(68)은 그의 축방향 단부들 중 한 단부가 상기 안내 몸체(56)로부터 돌출하고, 상기 돌출 단부의 영역은 상기 이미지 센서를 수용하는 카메라(74)에 기계적으로 결합될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  16. 제2항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌즈 경통을 상기 안내 몸체에 대해서 축방향으로 편의시키는 탄성 편의 수단(104)이, 상기 렌즈 경통(68)과 상기 안내 몸체(56) 사이에서 작용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  17. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 측정 장치에 교체 가능하게 결합되는 카메라인 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
  18. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    손에 들고다닐 수 있게 구성한 것을 특징으로 하는 집속 레이저 빔 측정 장치.
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