KR20100119526A

KR20100119526A - 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100119526A
Application number: KR1020100041091A
Authority: KR
Inventors: 세르게이 포타펜코
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2010-11-09
Also published as: US20100277748A1; JP5829381B2; CN101876534B; KR101751877B1; TWI472710B; JP2010261949A; CN101876534A; TW201107706A; CN201803699U

Abstract

측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 측정선 상의 공칭 위치에 하나 이상의 수렴하는 광 빔을 수렴시키고 상기 거울 반사 표면으로부터의 반사 빔을 형성하는 단계를 포함한다. 검출기 평면에 상기 반사 빔의 이미지가 기록된다. 상기 검출기 평면 내의 반사 빔 이미지의 위치가 결정되며 상기 반사 빔의 이미지 위치를 상기 측정선을 따른 공칭 위치로부터의 상기 거울 반사 표면의 변위로 변환된다. 이러한 방법을 실행하기 위한 장치도 제공된다.

Description

거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치 및 방법 {METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING RELATIVE POSITIONS OF A SPECULAR REFLECTION SURFACE}

본 발명은 발명의 명칭 "거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치 및 방법(METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING RELATIVE POSITIONS OF A SPECULAR REFLECTION SURFACE)"로 2009년 4월 30일에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/433,257호에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명은 표면까지의 거리 측정에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 삼각측량에 의하여 거울 반사 표면까지의 거리를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

삼각 측량계(triangulation meter)는, 특히 프로브(probe)와 같은 물리적인 장치가 대상 표면에 접촉하는 것이 바람직하지 않은 경우에 있어서, 물체의 표면까지의 거리를 측정하는데 사용된다. 예를 들어, 표면의 청결 특성(pristine quality)을 유지하는 것이 바람직한, 청결한 표면을 가지는 융합 형성된(fusion-formed) 유리 시트가 이러한 경우일 수 있다. 이러한 유리 표면은 가시 광선에 대하여 반사 표면으로서 작용한다. 유리 제조에 있어서는, 예를 들어 유리 표면상의 일 지점을 검사 또는 처리 장치의 초점으로 가져오기 위하여, 유리 표면 위치를 확인하는데 있어서 표면까지의 거리 측정이 사용될 수 있다.

본 명세서에서 용어 "측정선(measurement line)"은 변위 측정 장치와 관련한 직선을 나타내며, 이러한 선을 따른 측정 표면의 변위는 측정선이 측정 표면과 교차하는 지점의 상대적인 위치로서 정의된다. 용어 "측정 방향(measurement direction)"은 측정선의 방향을 나타낸다. 용어 "각 공차(angle tolerance)"는 공칭 배향(nominal orientation)으로부터의 측정 표면의 경사(일정한 범위의 각도)에 관계없이, 측정선을 따른 변위값을 산출할 수 있는 변위계(displacement meter)의 능력을 나타낸다. 즉, 일정한 각도 범위 내에서 표면 경사에 의해 야기되는 절대 측정 오차(absolute measurement error)는 주어진 기기에 대해 특정된 측정 오차를 초과하지 않는다. 용어 "공칭 위치(nominal position)" 및 "공칭 경사(nominal inclination)"는 각각 바람직한 측정 표면의 위치 및 경사를 나타낸다. 공칭 위치 및 공칭 경사의 구체적인 정의는 측정 방법에 달려 있으며 이하에서 주어질 것이다.

도 1은 산란 반사 표면의 경우에 광학 삼각측량계가 어떻게 작용하는가를 도시한다(예를 들어, 일본 특허 공개공보 JP2001050711A(Koji, 2001) 참조). 광원(12)(통상적으로 레이저 다이오드)으로부터의 입사 광선(10)이 투사 렌즈(projection lens)(14)를 통해 위치(13)에 있는 산란 반사 표면(16)으로 투사된다. 입사 광선(10)에 의해 제공된 광(light)은 표면(16)의 지점(11)에서 다양한 방향으로 산란되며, 반사 광선(18)으로서 표시된 산란된 광의 일부는 대물렌즈(20)를 통해 검출기(22)로 들어간다. 대물 렌즈(20)는 검출기(22) 상의 위치(17)에 광점(11)의 이미지를 형성할 수 있다. 16'이 위치(13')에 있는 표면(16)을 나타내는 것으로 한다. 그러면, 입사 광선(10)은 표면(16')에서 광점(11')을 제공한다. 지점(11')에 있는 광은 여러 방향으로 산란되며, 반사 광선(18')으로 표시된, 산란된 광의 일부는 대물렌즈(20)를 통해 검출기(22)로 들어간다. 대물렌즈(20)는 검출기(22) 상의 위치(17')에 광점(11')의 이미지를 형성할 수 있다. 일반적으로, 검출기(22) 상의 이미지 위치는 입사 광선(10)의 방향을 따른 표면(16)의 위치에 종속된다. 만약 표면(16)이 위치(13)로부터 위치(13')로 이동하면, 검출기(22) 상의 상응하는 광점의 이미지의 위치가 17로부터 17'로 이동할 것이다. 따라서, 입사 광선(10)의 방향이 측정 방향으로서 선택되면, 검출기(22) 상의 이미지의 위치와 입사 광선(10)의 방향을 따른 표면(16)의 위치 사이의 대응성(correspondence)이 충분히 정의된다. 도 1에 제시된 예에서는, 입사 광선(10)을 따르는 선이 측정선이다.

검출기(22) 상의 반사 광선(18) 이미지의 위치의 함수로서 측정선을 따른 표면(16)의 위치값을 얻기 위한 변환 함수(conversion function)를 형성하기 위하여 보정 절차(calibration procedure)가 사용될 수 있다. 산란 반사 표면(16)에 있어서, 대물렌즈(20)를 통과하여 검출기(22)에 의해 검출될 수 있기에 충분한 양의 반사광을 제공할 수 있도록 산란 각(diffusion angle)이 충분히 넓다면, 검출기(22) 상의 이미지의 위치는 입사 광선(10)에 대한 표면(16)의 경사에 영향을 받지 않는다. 이는 측정 방향과 표면 법선 사이의 비교적 넓은 범위의 각도 내에서 표면(16) 상에 입사 광선(10)이 투사될 수 있어서, 검출기(22) 상에 이미지를 형성하기에 충분한 양의 반사 광이 대물렌즈(20)에 수용되도록 제공할 수 있으며, 이로써 비교적 넓은 범위의 표면 경사에 대해서도 산란 반사 표면까지의 거리를 측정하는데 있어 신뢰성이 있는 장치를 제조할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 공칭 표면 위치는 가장 높은 변위 측정 정확도를 제공하는 작동 위치 범위 내의 측정 표면 위치로서 정의될 수 있다. 공칭 경사는 검출기가 수용하는 광량(amount of light)을 최대화시키는 변위계에 대한 측정 표면의 경사로서 정의될 수 있다.

상기한 내용 및 일본 특허 공개 공보 JP2001050711A (Koji, 2001)에 설명된 원리는 제한적으로 거울 반사 표면(specular reflection surface)에 적용될 수 있다. 도 2를 참조하여 위치(25)에 있는 거울 반사 표면(24)을 고려해보자. 24'는 위치(25')에 있는 거울 반사 표면(24)을 나타내는 것으로 한다. 또한, 24"는 위치(25")에 있는 거울 반사 표면(24)을 나타내는 것으로 한다. 원리에 의하여, 거울 반사 표면에 있어 표면의 법선에 대한 광의 반사 각도값은 투사광의 각도 값과 동일하다. 위치(25)에 있는 거울 반사 표면(24)을 예로 들면, 투사광(10)과 표면 법선(26) 사이의 각도(β₀)는 반사광(28)과 표면 법선(26) 사이의 각도(β₁)와 동일하다. 거울 반사 표면(24')에 대한 법선(26')은 거울 반사 표면(24)에 대한 법선(26)과 평행하다. 따라서, 입사광(10) 및 반사광선(28')의 방향도 역시 각각 거울 반사 표면(24)에 대한 법선(26')과 각도(β₀) 및 각도(β₁)를 형성할 것이다. 평행한 표면(24, 24')까지의 거리를 측정하기 위하여, 이러한 표면의 법선(예를 들어 법선(26) 또는 법선(26'))이 측정 방향으로서 선택될 수 있다. 이러한 경우에 표면(24)의 경사는 공칭 경사이다. 또한 반사 광선이 거울 표면의 어느 지점에서 반사가 이루어졌는가에 대한 정보를 가지고 있지는 않으므로 측정 표면은 본질적으로 평평한 것으로 가정된다. 이러한 경우에, 측정 방향을 따른 표면(24, 24')의 위치는 표면(24, 24')으로부터의 반사 광선(28, 28')이 각각 검출기(22) 상에서 수신되는 지점(29, 29')의 측정 위치에 의하여 결정될 수 있다. 측정 결과, 즉 측정 표면 변위를 얻기 위해서는, 검출기(22) 상의 위치를 측정 방향을 따른 측정 표면의 위치와 연관시키는 변환 함수가 제공되어야 한다.

위에서 언급한 변환 함수는 측정 방향(26)으로서의 측정 표면에 대한 법선 및 공칭 경사로서의 표면(24)의 배향의 선택에 기초한다. 이러한 변환 함수는, 위치(25")에 있는 경사 표면(24")과 같이, 공칭 경사에 평행하지 않은 거울 반사 표면에 대해서는 측정 방향(26)을 따른 정확한 거리 측정치를 제공하지 않을 것이다. 위치(25)에 대해 경사진 표면, 예를 들어 표면(24")에 있어서, 반사 광선, 예를 들어 광선(28")이 검출기(22)와 부딪히는 위치는 측정 방향에 대한 표면 법선의 경사뿐만 아니라 선택된 측정 방향을 따른 위치에도 종속된다. 따라서, 측정 방향을 따른 경사진 거울 표면의 위치를 명확하게 결정하기 위해서는 측정 방향에 대한 표면 법선의 경사 및 검출기 상의 반사 광선의 위치에 관한 정보가 필요하다. 거울 반사 표면의 삼각 측량을 어렵게 하는 기본적인 이유는 거울 반사 표면이 직접 관찰될 수 없다는 점 - 오직 주변 모습에 대한 반사 영상만이 광 수용 장치에 의해 검출될 수 있거나 보일 수 있다는 점이다. 일본 특허 공개 공보 JP2001050711A (Koji, 2001)에서 설명된 원리는, 공칭 경사로 위치하는 본질적으로 평행한 표면이나 측정 방향이 표면에 수직하고 어느 정도 좁은 범위의 표면 경사 내에서 공칭 경사에 대해 단지 약간만 경사진 표면에 대해서만 측정 방향을 따른 표면 변위 측정이 가능하게 할 것이다. 즉, 이러한 방법은 좁은 각도 공차를 가진다.

본 명세서에는 본 발명의 몇 가지 태양(aspect)이 개시된다. 이러한 태양은 서로 부분적으로 겹치거나 겹치지 않을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 한 가지 태양의 일부는 다른 태양의 범위 내에 속할 수 있으며, 그 반대도 마찬가지다.

각각의 태양은 다수의 실시예에 의해 설명되며, 계속해서 이들 실시예는 하나 또는 다수의 구체적 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는 서로 부분적으로 겹치거나 겹치지 않을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 한 가지 실시예의 일부 또는 그 구체적 실시예는 다른 실시예 또는 그 구체적 실시예의 영역 내에 속하거나 속하지 않을 수 있으며, 그 반대도 마찬가지다.

해결하고자 하는 과제는 비교적 넓은 범위의 표면 경사각 공차로 삼각 측량에 의하여 거울 표면까지의 거리를 측정할 수 있는 방안이다.

본 발명의 제1 태양에서는, 측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법이 (a) 상기 측정선 상의 공칭 위치에 하나 이상의 수렴하는 광 빔을 수렴시키고 상기 거울 반사 표면으로부터의 반사 빔을 형성하는 단계; (b) 검출기 평면에 상기 반사 빔의 이미지를 기록하는 단계; (c) 상기 검출기 평면 내의 반사 빔 이미지의 위치를 결정하는 단계; (d) 상기 반사 빔의 이미지 위치를 상기 측정선을 따른 공칭 위치로부터의 상기 거울 반사 표면의 변위로 변환시키는 단계;를 포함한다.

제2 태양에서는, 측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 상기 측정선 상의 공칭 위치에 수렴하는 하나 이상의 광 빔을 생성하고 상기 거울 반사 표면으로부터의 반사 빔을 형성하는 광원을 포함한다. 상기 장치는 검출기 평면에서 상기 반사 빔의 이미지를 기록하는 광 검출기를 포함한다. 상기 장치는 상기 광 검출기로부터 상기 기록을 수신하고, 상기 검출기 평면의 반사 빔 이미지의 위치를 결정하기 위하여 상기 기록을 처리하고 분석하며, 상기 위치를 상기 거울 반사 표면의 상기 측정선을 따른 공칭 위치로부터의 변위로 변환시키는 데이터 분석기를 포함한다.

주어진 측정 방향의 공칭 위치로부터의 거울 반사 표면의 변위를 측정하는 과제가 해결되었다. 일정한 정확성 내의 측정 결과는 일정한 작동 경사 범위 내의 경사각에 대한 측정 표면의 경사와 무관하다. 이러한 측정은, 예를 들어, 검사 또는 처리 장치의 광학 축에 대해 기울어질 수 있는 표면의 요구 영역 상에 검사 또는 측정 장치의 초점을 맞추는 것을 가능하게 한다. 거울 반사 표면의 변위 측정은, 예를 들어, 검사, 처리, 마무리(finishing) 또는 세정(washing) 프로세스와 같이 거울 반사 표면과 관련된 다양한 제조 프로세스의 최적화를 가능하게 하기 위하여, 표면의 위치를 정확하게 탐지하는데 유용하다.

측정 장치의 구성 부품이 측정선을 따른 공간을 차단하지 않도록 측정 표면과 투사 빔의 방향 사이의 각도가 작은, 예를 들어 10 내지 20도인 경우에도 이러한 방법의 정확성은 낮아지지 않는다. 따라서, 이러한 공간은 검사 장치 또는 거울 반사 표면을 가지는 물품의 취급이나 제조 프로세스를 위한 다른 장비를 위해 사용될 수 있다.

광학 변위계나 측정되는 물체가 이동가능한 플랫폼상에 장착된다면, 연속적인 측정 단계로서 경사각 공차가 향상될 수 있을 것이다. 측정 및 측정 표면을 공칭 위치에 더 가깝게 위치시키는 과정을 포함하는 측정 단계의 순서를 반복함으로써, 측정 표면 위치의 범위 내에서 최대 각 공차를 얻는 것이 가능하게 된다.

다수의 수렴 광 빔이 사용될 수 있다. 다수의 빔으로부터의 추가 정보는 제1 태양에서와 같이 처리되며 다음 중 하나 또는 다수를 위해 사용될 수 있다: 신뢰성 향상, 정확성 향상, 표면의 경사에 대한 정보 획득. 예를 들어, 2개의 빔인 경우에는 측정 표면의 평면에 놓인 축에 대한 측정 표면 경사(p) 및 변위(h)에 대해 2개의 방정식짜리 장치를 풀(solve) 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 알 수 있거나 상세한 설명 및 청구범위 및 첨부된 도면에 설명된 바와 같이 본 발명을 실시함으로써 인식할 수 있을 것이다.

전술한 전반적인 설명 및 이하의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예를 들기 위한 것이며 청구되는 본 발명의 본질 및 특징을 이해하는데 있어 개관이나 구조를 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.

첨부된 도면은 본 발명의 보다 나은 이해를 제공하기 위한 것이며, 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다.

도 1은 종래의 삼각 측량계를 이용하여 산란 반사 표면까지의 거리를 측정하는 것을 도시한다.
도 2는 종래의 삼각 측량계를 이용하여 거울 반사 표면까지의 거리를 측정하는 것을 도시한다.
도 3은 광학 변위계의 개략도이다.
도 4는 도 3의 변위계와 함께 사용하기 위한 수렴 빔 광원의 개략도이다.
도 5는 도 3의 광학 변위계를 이용한 표면 위치 측정의 예이다.
도 6은 도 3의 광학 변위 센서의 검출기 상에 형성된 이미지의 예를 도시한다.
도 7은 도 3의 광학 변위계를 이용한 표면 위치 측정의 예를 도시한다.
도 8A는 도 1에서 도시된 산란 삼각 측량계에 대한 통상적인 변환 함수를 도시한다.
도 8B는 도 3에 도시된 광학 변위계에 대한 통상적인 변환 함수를 도시한다.

달리 표현하지 않는 한, 발명의 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 물리적 특성에 대한 값, 치수, 및 성분의 중량 퍼센트 및 몰 퍼센트(mole percent)를 표현하는 것과 같은 모든 숫자는 모든 경우에 있어서 용어 "약(about)"에 의해 수식되는 것으로서 이해되어야 한다. 또한, 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 정확한 수치는 본 발명의 추가적인 실시예를 형성하는 것으로서 이해되어야 한다. 예(example)에서 개시된 수치에 대해서는 정확성을 보장하고자 노력을 기울였다. 그러나, 모든 측정 수치들은 그 각각의 측정 기술에서 나타나는 표준 편차에 의한 일정한 오차를 본질적으로 내재하고 있을 수 있다.

본 발명을 설명하고 그 권리범위를 청구하는데 있어, 본 명세서에서 단수로 표현된 용어는 "적어도 하나 이상"이 존재하는 것을 의미하는 것이며, 달리 명확하게 표현되어 있지 않은 한 "오직 하나" 만이 존재하는 것으로서 제한되어서는 안 된다. 따라서, 예를 들어 "렌즈"라고 기재한다면, 이는 문맥적으로 달리 표현되지 않는 한 이러한 렌즈를 2개 또는 그보다 많이 구비하는 실시예도 포함하는 것이다.

본 명세서에서 구성성분이나 재료의 "wt%" 또는 "중량 퍼센트(weight percent)" 또는 "중량당 퍼센트(percent by weight)", 그리고 "mol%" 또는 "몰 퍼센트" 또는 "몰당 퍼센트(percent by mole)"는, 구체적으로 달리 기재하지 않는 한, 상기 구성성분이 포함된 혼합물이나 부재(article)의 전체 중량이나 몰에 기초한 것이다.

도 3은 표면(32)과 교차하는 측정선(35)을 따라 물체(34)의 표면(32)까지의 거리를 측정하기 위한 광학 변위계(30)의 개략도이다. 도 3의 부재(36, 46, 42, 52, 54, 55, 및 53)는 변위계(30)에 속하는 것이다. 부재(31)는 측정 표면(32)의 변위가 제공되는 현미경 또는 기타 장비일 수 있다. 광학 변위계(30)는 측정선(35)을 따라 공칭 위치(40)와 표면(32) 사이의 거리를 측정한다. 광학 변위계(30)의 출력은 2가지 이상의 상이한 방식으로 사용될 수 있다.

제1 예에서는, 상기 출력이 측정 방향(35)을 따라 목표한 위치에 표면(32)을 배치하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 공칭 위치(40)가 표면(32)에 대한 목표 위치로서 선택되면, 광학 변위계(30)는 표면(32)이 목표 위치로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는가를 확인하는데 사용될 수 있으며, 광학 변위계(30)의 출력은 표면(32)을 목표 위치에 위치시키기 위하여 이동시켜야 하는 거리를 제어하는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 측정 방향을 따르는 어떠한 기지 위치(known location)도, 기지 위치와 공칭 위치(40) 사이의 거리가 알려진다면, 목표 위치로서 선택될 수 있다.

제2 예에서는, 광학 변위계(30)의 출력이 관측 지점, 예를 들어 관측 지점(31)으로부터 표면(32)까지의 거리를 측정하는데 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 광학 변위계(30)는 표면(2)과 공칭 위치(40) 사이의 거리를 측정한다. 따라서, 관측 지점(31)과 공칭 위치(40) 사이의 거리가 주어진다면, 표면(32)과 관측 지점(31) 사이의 거리는 관측 지점(31)과 공칭 위치(40) 사이의 기지(known) 거리 및 광학 변위계(30)의 출력을 사용하여 쉽게 계산될 수 있다.

제1 예의 변형예에서는, 광학 변위계(30)가 표면(32)의 운동을 추적하여 변위계(30) 및 기타 기계적으로 부착된 계기 부품을 표면(32)으로부터 특정된 거리로 유지하는데 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 변위계(30)로부터의 출력은, 아날로그나 디지털 방식으로, 위치결정장치(motion controller)(도시되지 않음)로의 피드백 신호로서 사용된다. 위치결정장치는 속도, 가속도 및 기타 운동 파라미터를 한정하며 필요에 따라 위치를 보정하기 위하여 운동 장치(motion apparatus)(도시되지 않음)로 명령을 전송한다.

이 경우에 빔(beam)(38)이 수렴하는 지점(40)은 공칭 위치이다. 공칭 위치는 광학 변위계(30)의 작동 범위 내에 있도록 바람직하게 선택된다. 용어 "작동 범위(working range)"는 표면(32)의 위치 측정이 가능한, 측정 표면의 위치 간격을 나타낸다. 일부 실시예에서, 공칭 위치(40)는 측정 방향(35) 상의 작동 범위의 중간에 위치한다. 측정선(35)은 빔(38) 및 빔(44)의 각각의 주 광선(chief ray)(38' 및 44')과 동일한 평면에 있는 선이며; 38' 와 35 사이의 각도 및 44' 와 35 사이의 각도는 동일하다. 공칭 경사는 측정선(35)에 수직한 측정 표면의 배향으로서 정의된다. 도 3은 공칭 위치(40)에서 공칭 배향에 있는 측정 표면(32)을 도시한다. 대물렌즈(46)의 광학 축 및 위치와 검출기 평면(50)의 위치는, 렌즈(46)가 측정선(35)을 검출기 평면(50) 상에 초점맞추도록 배치된다. 이러한 배치로 인해서, 도 5에 도시된 바와 같이, 광학 변위계(30)는 측정 방향(35)이 측정 표면(32)에 수직하지 않도록 측정 표면(32)이 공칭 배향에 대해 기울어진 경우에도 사용될 수 있다. 일반적으로, 측정에서의 오차는 공칭 배향에 대한 측정 표면(32)의 경사도와 관련될 것이다. 일반적으로, 측정 오차는 측정 표면이 공칭 위치에 가까워질 때 감소한다.

일부 실시예에서는, 표면(32)이 거울 반사 표면이다. 본 명세서에서 용어 "거울 반사 표면(specular reflection surface)"이란, 표면이 단일 투사 광선을 좁은 범위의 방출 방향으로 반사시키는 비교적 부드럽고 거울과 같은 표면이라는 것을 의미한다. 일부 실시예에서는, 목적 물체(34)가 시트 물질(sheet of material)일 수 있다. 일 예에서는, 목적 물체(34)가 예를 들어 유리계 물질(glass-based material)로 제조된 시트인 광 투과성 시트 물질일 수 있다. 유리 시트는 균일한 두께를 가지며, 예를 들어 미국 특허 US 3,682,609(Dockerty, 1972) 및 US 3,338,696(Dockerty, 1964)에서 개시된 것과 같은 융합 프로세스(fusion process)에 의하여 제조된 것일 수 있다. 표면(2)을 가지는 물체(34)의 가장자리는 홀더(holder)(27)에서 지지될 수 있으며, 이러한 홀더는 임의의 적절한 이동 메커니즘(들)(23)을 이용하여 공칭 위치(40)에 대해 이동될 수 있다.

광학 변위계(30)는 하나 또는 다수의 광 빔(38)을 제공하는 하나 이상의 광원(36)을 포함한다. 광 빔(들)(38)은 측정 방향(35) 상의 공칭 위치(들)(40)에서 수렴된다. 광원(36)은 집중식 광원(converging light source)일 수 있는데, 이러한 집광원의 예에 대해서는 이하에서 도 4를 참조하여 설명할 것이다. 빔은 간섭거리가 짧은 광원(low coherence source), 예를 들어 LED(발광 다이오드)에 의해 또는 백열 광원(incandescent lignt source)에 의해 방사될 수 있다. 대안적으로, 레이저가 광원으로 사용될 수도 있다.

광학 변위계(30)는 반사 광 빔(44)의 이미지를 수신하고 기록하기 위한 광 검출기(42)를 포함한다. 이미징 렌즈(imaging lens)(46), 예를 들어 대물렌즈나 시프트 및 경사 렌즈(shift and tilt lens)는 검출기(42) 상에 반사광(44)의 이미지를 형성한다. 검출기(42)는 위치 감지 검출기나 화소 배열 검출기(pixelated array detector), 예를 들어 CCD(전하 결합 소자) 또는 CMOS(상보형 금속산화반도체) 센서일 수 있다. 화소 배열 검출기의 경우에, 검출기(42)는 선형 배열 또는 2차원 배열의 화소를 포함할 수 있다. 검출기(42)는 설명의 목적으로 50에 표시되는, 검출기 평면에서 본질적으로 이미지를 수신하고 기록한다.

본 명세서에서 "바람직한 광학적 배치(preferable optical arrangement)"란, 렌즈(46)에 의하여 형성된 측정선(35)의 이미지가 검출기 평면(50) 내에 놓이도록 이루어진 검출기(42) 및 이미징 렌즈(46)의 배향 및 위치의 구성으로서 정의된다. 즉, 바람직한 광학적 배치를 제공하기 위하여, 이미징 렌즈(46)는 측정선(35)을 검출기 평면(50) 상에 초점맞추어야 한다.

위에서 정의된 바람직한 광학적 배치의 일부분적인 경우인 일 예에서는, 대물렌즈(46)의 광학 축이 측정선(35)에 실질적으로 수직하고 검출기 평면(50)이 측정선(35)에 실질적으로 평행하도록 검출기(42) 및 대물렌즈(46)의 위치 및 배향이 선택된다. 다른 예에서는, 검출기 평면(50)이 대물렌즈(46)의 광학 축에 대하여 경사지고 렌즈(46)에 의해 형성된 측정 방향(35)의 이미지가 검출기 평면(50) 내에 놓이도록 검출기(42) 및 대물렌즈(46)의 위치 및 배향이 선택된다. 도 3에 도시된 예에서는, 대물렌즈(46) 및 검출기 평면(50)이 측정 방향(35)에 대하여 기울어져 있다.

광원(36), 검출기(42), 및 이미징 렌즈(46)의 배치는 이러한 부품들이 단일체(unit)로서 함께 이동할 수 있도록 이루어질 수 있다. 예를 들어 이미징 렌즈(46)를 검출기(42)에 기계적으로 결합시키고 검출기(42) 및 광원(36)을 적절한 공통 스테이지(stage)나 고정물(fixture)(도시되지 않음) 상에 장착함으로써 이러한 배치가 이루어질 수 있다. 다른 배치도 가능하다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 광원(36)은 스테이지(41) 상에 장착되고 검출기(42) 및 이미징 렌즈(46)는 스테이지(43) 상에 장착될 수 있다. 스테이지(41 및 43)는 임의의 적절한 이동 메커니즘(들)(23)을 사용하여 표면(32)에 대해 이동될 수 있다.

광학 변위계(30)는 검출기(42)에 의해 수집된 데이터를 처리하기 위한 처리 전자장치(52)를 포함한다. 처리 전자장치(52)의 구성은 사용된 검출기(42) 유형에 적어도 부분적으로는 종속된다. 처리 전자장치(52)는 검출기(42)로부터 수신된 신호의 조절(conditioning), 증폭(amplifying), 및 디지털화(digitizing) 중 하나 또는 다수를 포함할 수 있다. 광학 변위계(30)는 처리 전자장치(52)로부터 데이터를 수신하는 데이터 분석기(data analyzer)(53)를 포함한다. 일부 실시예에서는, 데이터 분석기(53)가 공칭 위치(40)로부터 표면(32)의 변위를 결정하기 위한 기계-판독가능 명령(maching-readable instructions)을 포함한다. 데이터 분석기(53)의 명령은 적절한 하드웨어 기능(hardware functionality)을 가지는 CPU(55) 상에서 실행될 수 있다. 데이터 분석기(53)의 명령의 실행에 있어서는 CPU나 마이크로프로세서(55)에 의하여 판독가능한 하나 또는 다수의 프로그램 저장 장치를 이용할 수 있다. 프로그램 명령은 임의의 적절한 프로그램 저장 장치 상에 저장될 수 있으며, 이러한 저장 장치는, 예를 들어, 하나 또는 다수의 플로피 디스크, CD ROM 또는 기타 광학 디스크, 자기 테이프나 디스크, 읽기 전용 메모리 칩(ROM), 및 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려져 있거나 추후 개발될 기타의 형태를 취할 수 있다. 명령 프로그램은 예를 들어 CPU에 의해서 거의 직접적으로 실행될 수 있는 이진(binary) 형태의, 또는 실행에 앞서서 컴파일(compilation)이나 인터프리테이션(interpretation)을 필요로 하는 "소스 코드(source code)" 형태, 또는 부분적으로 컴파일된 코드와 같이 다수 중간적인 형태의 "목적 코드(object code)"일 수 있다. CPU(55)는 광학 변위계(30)의 출력, 예를 들어 데이터 분석기(53)의 결과를 적절한 저장 장치(57) 내에 저장할 수 있다. CPU(55)는 디스플레이 장치(54) 상에 데이터 분석기(53)의 결과 및 기기의 상태를 표시할 수 있다. 처리 전자장치(52)도 측정 결과를 아날로그 신호의 형태로 출력하기 위하여 디지털-아날로그 컨버터를 포함할 수 있다. 광학 변위계(30)는 저장 장치(57) 또는 CPU(55)와 통신하는 위치결정장치(59)를 포함할 수 있다. 위치결정장치(59)는 CPU(55) 또는 저장 장치(57)로부터 얻을 수 있는 광학 변위계(30)의 출력에 기초하여, 표면(32)에 대한 광학 변위계(30)의 측정용 부품(즉, 광원(36), 광 검출기(42), 및 이미징 센서(46))의 위치 또는 광학 변위계(30)의 측정용 부품에 대한 표면(32)의 위치를 조정하기 위하여, 예를 들어 하나 또는 다수의 이동 메커니즘(23)과 같은 운동 장치에 명령을 전송할 수 있다.

도 4는 도 3의 광원(36)으로서 사용될 수 있는 집중식(converging) 빔 광원의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 집중식 빔 광원(36)은 이 예에서는 LED 일 수 있는 광원(60)을 포함한다. LED(60)는 히트 싱크(62) 상에 배치될 수 있다. 집중식 빔 광원(36)은 LED(60)로부터의 광을 (이 특정 예에서의) 3개의 광 섬유(66)로 연결하는 커플링 렌즈(64)를 더 포함한다. 일반적으로, 광은 광원(60)으로부터 하나 또는 다수의 광 섬유(66)로 연결될 수 있다. 광 섬유(66)는 광 섬유(66)를 수용하기 위한 구멍을 가지는 고정물과 같은 적절한 광 섬유 홀더(68)에 의하여 지지된다. 광 섬유(66)의 출구 단부(69)에 대해서는 적절한 어떠한 배치도 사용될 수 있다. 예를 들어, 출구 단부(69)는 선(line)이나 삼각형을 형성할 수 있다. 광 섬유(66)의 출구 단부(69)는 작은 광 방사체(light emitter)로서 작용한다. 집광 렌즈(condenser lens) 또는 집광 렌즈들(70)이 사용되어, 집광 장치(condenser)(70)의 출구 단부(71)로부터 떨어진 거리에 광학 섬유(66)의 단부(69)의 실상(real image)을 형성한다. 각각의 광 섬유(66)로부터 집광 장치(70)에 의해 생성된 광점(light spot)의 지름은 광 섬유(66)의 코어(core)의 지름보다 더 작을 수 있다. 비-제한적인 예에서는, 집광 장치(70)가 발산 렌즈(diverging lens)(72) 및 수렴 렌즈(converging lens)(74, 76)를 포함할 수 있다.

도 5는 도 3의 광학 변위계(30)의 작동 원리를 도시한다. 계산의 편의를 위해서, 측정선(35)이 Z-축과 일치하고 공칭 측정 표면 배향이 X-축과 평행하도록 좌표가 선택되었다. 집광 장치(70)는 도 5에서 (0,0)의 (x,z)좌표를 가지는 위치(40)에 광원(60)의 실상을 형성한다. 위치(40)는 이 경우에 삼각 측량계의 공칭 위치이다. 광원(60)의 실상은 위치(40)에 있는 가상 광원(78)을 나타낸다. 측정될 표면(32)은 Z-축을 따라서 알려지지 않은 어딘가의 위치에 위치한다. 표면(32)은 측정 방향(35)(Z-축)을 따라 공칭 위치(40)로부터 변위될 수 있으며, 공칭 배향에 대해 각도 A 만큼 기울어질 수 있다. 표면(32)에 의해 생성된 가상 광원(78)의 반사 영상(80)이 80에 도시되어 있다. 반사 영상(80)은 {L,z_p}에 투영 지점을 가지는 대물렌즈(46)에 의하여 검출기 평면(50) 내의 또는 부근의 지점(C) 상에 이미지화된다. 각(α_t)은 측정 방향(35)에 대한 검출기 평면(50)의 경사각을 나타낸다. x = x_s 에 있는 검출기 평면(50')은 α_t= 0 일 경우의 검출기 평면(50)을 나타낸다. 검출기(42) 및 대물렌즈(46)의 위치는, 선(35)의 이미지가 검출기 평면(50) 상에 초점맞춰지도록, 즉 위에서 한정된 바람직한 광학적 배치에 따라 정해진다. 바람직한 광학적 배치 위치의 요건을 만족시키는데 있어서, 대물렌즈(46)의 광학 축은 관찰 방향(viewing direction)(47)과 일치하거나 일치하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서는, 검출기 평면(50)의 경사각(α_t)이 0이 아니며, 대물렌즈(46)의 광학 축의 경사각은 선(35)이 경사진 검출기 평면(50) 상에 초점맞춰지도록 선택된다. 역시 바람직한 광학적 배치의 조건을 만족시키는 다른 실시예에서는, 검출기 평면(50')의 경사각(α_t)이 50'에서 도시된 바와 같이 0이며, 대물렌즈(46)의 광학 축은 반사 영상(80)의 이미지가 검출기 평면(50') 상에 초점맞춰지도록 선택된다. 시프트 렌즈(shift lens)가 이미징 렌즈(46)로서 사용되면, 검출기 평면(50')이 측정 방향(35)에 평행할 수 있으면서 시프트 렌즈의 광학 축이 측정 방향(35)에 수직하도록 선택될 수 있다.

표면(32)이 공칭 위치(40)에 위치하면, 가상 광원(78)은 표면(32) 상에 놓인다. 표면(32)으로부터의 가상 광원(78)의 반사 영상(80)은 표면(32)의 경사와 관계없이 가상 광원(78)과 일치할 것이다. 이러한 경우에, 가상 지점 광원(78)의 이미지는, 표면(32)의 모든 경사각(A)에 대해서, (대물렌즈(46)의 광학축(47)이 검출기 평면(50)과 교차하는) 지점(79)에서 초점이 맞춰질 것이다. 따라서, 측정 표면이 공칭 위치에 있으면, 검출기 평면(50)에서 수신되고 기록되는 이미지의 위치(79)는 표면(32)의 경사각에 종속되지 않을 것이다. 가능한 정도의 경사 범위는 도 5에 도시된 수렴 빔(converging beam)의 개구각(angular aperture)(θ)에 의하여 결정된다. 수용가능한 경사각의 값에 대한 요건은 대물렌즈(46)에 의해 수집되고 검출기(42)에 의해 수신되는 반사광의 양이 신뢰성있는 이미지 분석을 위해 이미지를 형성하기에 적절해야 한다는 점이다. 이미징 대물 렌즈(46)와 집광 장치(70)의 구경(aperture)을 동일하게 유지하면서 광원(60)의 작동 거리를 증가시키면 경사 공차 범위가 줄어든다. 경사 공차 범위를 일정하게 유지하기 위하여, 대물렌즈(46) 및 광원(60)의 구경은 작동 거리에 상응하게 동일한 개구각을 유지하도록 증가되어야 한다.

표면(32)이 공칭 배향에, 즉 X-축에 평행하게 위치하면서 공치 위치(40)로부터 변위되면, 가상 광원(78)의 반사 영상(80)은 모든 표면 위치에 대해 측정 방향(35) 상에 위치하게 될 것이다. (이는 개략적인 도 7에서 위치(37, 37')에 있는 표면(32, 32')로부터의 반사 영상(80, 80')으로 도시되어 있다.) 따라서, 검출기 평면(50) 및 대물렌즈(46)가 위에서 정의된 바람직한 광학적 배치에 따라 배치된다면, (측정 방향(35) 상에 위치하는) 반사 영상(80)은 검출기 평면(50) 상에 이미지화될 것이다. 측정 표면이 공칭 배향인 이러한 경우에, 검출기 평면(50)에서 검출기(46)에 의해 기록된 반사 영상(80)의 이미지 위치는 공칭 위치(40)로부터의 표면(32) 변위의 함수가 될 것이다. 공칭 위치에서 최소가 되는, 공칭 배향에 대한 표면 경사에 의해 야기되는 오차도 역시 공칭 위치 근방의 위치 범위에서 작게 된다는 것이 이하에서 설명될 것이다.

검출기에 의해 얻어진 이미지의 분석으로서 검출기 평면 내에서의 반사 영상(80)의 이미지 위치(또는 다중 빔이나 다중 반사 표면의 경우에는 위치들)가 얻어진다. 측정 결과를 얻기 위하여 이러한 위치는 공칭 위치에 대한 측정 표면의 변위와 서로 상관될 필요가 있다. 본 명세서에서 용어 "변환 함수(conversion function)"는 공칭 위치로부터 측정선(35)을 따른 측정 표면의 실제 표면 변위와 검출기 평면(50) 내의 위치 사이의 관계로서 정의된다. 일반적으로, 측정 표면(52)과 대물렌즈(46)의 광학 축 사이의 각도(α_t)로 인해서 그리고 이미징 장치 내의 광학적 일그러짐(optical distortion) 가능성으로 인해 검출기 평면(50) 내의 배율(magnification)이 변화하므로, 변환 함수는 선형적이지 않다.

측정 방향을 따른 다수의 알려진 표면 위치를 검출기(42)에 의해 감지된 이미지 내의 상응하는 다수의 위치와 서로 상관시킴으로써 변환 함수를 얻기 위하여 보정 절차(calibration procedure)가 사용될 수 있다. 공칭 배향에서 보정 함수(calibration function)는 공칭 배향에서 표면을 설정함으로써 얻어질 수 있다. 이후 표면은 측정 방향을 따른 표면 위치에 상응하는 검출기 상의 이미지 위치 세트를 얻기 위하여 표면을 공칭 배향으로 유지하면서, 표면에 수직인 측정 방향을 따라 이동한다. 변환 함수를 표현하기 위하여 적절한 보간 함수(interpolating function), 예를 들어 다항식 보간법(polynomial interpolation)이 사용될 수 있다.

대안적으로, 검출기 평면(S)의 반사 영상(80)의 이미지 위치의 함수로서 표면(32)의 변위 h(S,p) 및 표면(32)의 기울기 p = Tan (A)에 대한 아래의 이론적 표현이 변환 함수로서 사용될 수 있다:

, (1)

여기서 L은 대물 렌즈(46)의 x-위치이며, α는 대물렌즈(46)의 광학 축과 표면(32) 사이의 각도이며, α_t 는 측정 방향(35)과 검출기 평면(50) 사이의 각도α이다. 여기서 {x_s,LTanα}는 X-Z 좌표 시스템 내의 축(S)의 원점의 위치이다. p ≪ 1인 작은 기울기 값에 대해, 표면(32)이 공칭 위치(40)에 가깝다고 가정하면, 공칭 배향으로부터 표면(32)의 경사에 의해 야기되는 공칭 위치(40)와 표면(32) 사이의 거리를 결정하는데 있어서의 오차는 다음과 같이 추정될 수 있다.

. (2)

식(2)로부터 대물렌즈(46)의 광학 축과 표면(32) 사이의 각도(α)가 감소할 때 오차가 감소한다는 것을 알 수 있다. 또한, 식(2)로부터 오차는 공칭 위치로부터 표면의 변위(h)에 비례한다는 것을 알 수 있다.

데이터 분석기(도 3의 53)는 영역 검출기(area detector)의 경우에는 이미지의 형태로, 또는 선형 어레이(linear array)의 경우에는 파형의 형태로 검출기(42)로부터 데이터를 수신한다. 데이터는 데이터 분석기에 수신되기에 앞서 처리 전자장치(도 3의 52)에 의해 처리되었을 수 있다. 실례를 들기 위하여, 데이터 분석기에 수신될 수 있는 이미지의 그림이 도 6에 도시되어 있다. 측정 물체는 0.7 mm 두께의 유리 플레이트(plate)였다. 이미지에는 2개 세트의 작은 점(blob)이 나타나 있다. 목적 물체가 투명하다면, 작은 점 세트(90)는 목적 물체의 전방 거울 표면(도 5의 32)으로부터의 반사에 해당하며, 작은 점 세트(92)는 목적 물체의 후방 거울 표면(도 5의 33)으로부터의 반사에 해당한다. 각각의 작은 점 세트(90, 92)는 3개의 광 섬유(도 4의 66)에 의해 형성된 3개의 빔에 상응하여, 3개의 작은 점을 가진다. (도 5는 전방 표면(32)으로부터 반사된 광선만을 도시하고 있다는 점을 주목해야 한다. 후방 표면(33)으로부터의 반사는 도 5에 도시되어 있지 않다.) 전방 표면에 상응하는 작은 점 세트(90)는 측정 거리를 계산하기 위해 선택된다. 측정 거리를 계산하기 위하여, 영상 내의 화소 좌표로부터 거리값으로의 변환 함수의 다항식 보간법이 사용된다. 위에서 설명한 바와 같이, 기지(known) 위치로 측정 방향을 따른 지점에서 얻어진 일련의 이미지인 보정 데이터를 사용하여 보간이 형성된다. 목적 물체의 경사 각이 알려진 경우에는 목적 물체의 두께를 결정하기 위하여, 또는 목적 물체의 두께가 알려진 경우에는 경사 각을 결정하기 위하여 작은 점 세트(92)가 사용된다. 이 예에서는, 변위계의 정확성과 신뢰성을 높이기 위해 다수의 빔이 사용된다.

도 8A는 거울 반사 표면의 변위를 측정하기 위하여 사용될 경우의 산란 삼각 측량계를 위한 통상적인 변환 함수의 그래프이다. 도 8B는 본 발명에서 설명되는 광학 변위계를 위한 통상적인 변환 함수의 그래프이다. 도 8A 및 8B에서, 선(P₀)은 측정 표면이 공칭 기울기(예를 들어, 식 (1)에서 p = 0)인 경우의 변환 함수이다. 곡선(P₁) 및 곡선(P₂)은 각각 기울기 p = p1 및 p = p2 로 경사진 표면에 대한 h(측정 표면과 공칭 위치 사이의 거리) 대 s(검출기 평면상의 이미지 위치)의 통상적인 종속성(dependence)을 보여준다. 설명을 위하여 곡선(P₁) 및 곡선(P₂) 간의 차이를 과장시켰다. 위에서 설명한 광학 변위계에 있어서, 곡선(P₁) 및 곡선(P₂)는 도 8B에 도시된 바와 같이 공칭 위치 S = S₀, h = 0 에서 수렴된다. 도 8A에 도시된 바와 같이, 산란 삼각 측량 센서에 대한 통상적인 변환 함수에서는 이와 같은 수렴이 일어나지 않는다는 점에 주목한다. 공칭 위치에서의 수렴으로 인해서, 측정 결과에 따라 표면과 공칭 위치 사이의 거리를 반복적으로 측정하고 감소시킴으로써 작동 범위 내의 어떠한 표면 경사에서도 측정 오차를 최소로 할 수 있는 기회가 주어진다. 표면 기울기가 p2와 동일하고 실제 표면 위치가 h₁과 동일하다고 가정하자. 검출기 평면상의 이미지 위치는 S₁* 이 될 것이다. S₁* 에 대해 변환 함수를 적용시킨 이후에 광학 변위계에 의해 보고되는 공칭 위치로부터 표면의 측정 거리는 h₁* 가 될 것이고, 따라서 측정 오차의 절대값은 ｜h₁ - h₁*｜이 된다. 광학 변위계 또는 표면이 공칭 h₁* 으로부터 측정 거리 만큼 공칭 위치로 다가가도록 이동되면, 공칭 위치에 관한 실제 표면 위치는 h₂ 가 될 것이고 변위계에 의해 보고되는 공칭 위치로부터 표면의 측정 거리는 h₂* 가 될 것이다. 두 번째 측정을 완료한 이후에 오차의 절대값은 첫 번째 측정의 오차 ｜h₁ - h₁*｜보다 적은 ｜h₂ - h₂*｜가 될 것이다. 측정 오차의 절대값은 다시 광학 변위계 또는 표면을 공칭 위치를 향해 거리 h₂* 만큼 이동시키고 이후 표면의 위치를 다시 측정함으로써 더 줄어들 수 있다. 수용가능한 측정 오차 절대값 내에 들어오는데 필요한 반복 회수는 구체적인 장치의 구성에 따르며, 예를 들어 측정 변위의 연속된 값들을 비교함으로써 결정될 수 있다.

위에서 살펴본 바와 같이, 광학 변위계(30)는 측정선을 따라 표면과 공칭 위치 사이의 거리를 측정한다. 거리의 측정은 단일 단계 프로세스이거나 다단계의 반복적인 프로세스일 수 있다. 단일 단계 프로세스에서는, 광학 변위계(30)가 위에서 설명한 바와 같이 표면과 공칭 위치 사이의 거리를 측정하여 결과를 출력한다. 이러한 결과는 광학 변위계(30)에 의하여 또는 다른 장치에 의하여 나중의 사용을 위해 저장될 수 있다. 상기 결과는, 앞서 설명한 바와 같이, 표면의 위치를 간단히 찾거나 표면을 원하는 위치로 이동시키는데 사용될 수 있다. 다단계 프로세스는 표면이나 공칭 위치의 이동이 개입된 일련의 단일 단계 프로세스를 수반한다. 운동 장치는 특정 거리만큼 이동시킬 수 있어야 한다. 공칭 위치에 대한 표면의 위치는 광학 변위계, 또는 광을 방출하고 광의 반사 영상을 이미지화하는 것을 담당하는 광학 변위계의 구성 부품을 이동시킴으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 2단계 프로세스에서는 광학 변위계가 표면과 공칭 위치 사이의 거리를 측정하는데 사용된다. 이후 표면이나 공칭 위치가 광학 변위계의 출력과 동일한 양만큼 이동된다. 이로써 표면이 공칭 위치에 위치하게 되거나 또는 초기 위치보다 공칭 위치에 더 가까운 곳으로 위치하게 될 것이다. 이후 광학 변위계가 이전 단계를 반복하는데 사용된다. 이와 같이 반복적인 측정 프로세스의 장점은 표면이 공칭 위치에 더 가깝게 이동함에 따라 측정 결과가 향상된다는 점이다. 반복적인 측정 프로세스가 표면의 위치를 정하는데 사용된다면, 공칭 위치가 표면을 향해 이동하면서 표면은 고정되게 유지될 수 있다. 표면을 원하는 위치에 위치시키기 위해 다단계 프로세스가 사용된다면, 변위계는 그 공칭 위치가 원하는 표면 위치 근방에 위치하도록 배치되어 고정되게 유지되어야 한다. 표면은 이전 단계에서 얻어진 측정 결과에 따라 공칭 위치로 이동하여야 한다. 어느 경우에건, 위치 인코더(position encoder), 스테퍼 모터(stepper motor) 또는 다른 적절한 장치가 공칭 위치의 이동을 추적하는데 사용될 수 있으며, 위치 인코더의 출력은 프로세스의 최종 결과를 조정하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 예정된 정확성 내에서, 시트 검사 또는 처리 장치가 유리 표면으로부터 최적의 작동 거리에 정확하게 위치될 수 있다 (또는 유리가 장치에 대해 배치될 수도 있다).

위에서 설명한 광학 변위계는 표면상의 지점의 위치를 정하기 위하여 현미경과 같은 다른 장치와 사용될 수 있도록 구성되어 있다. 실제 사용에서는, 현미경이 측정 방향을 따라 배치되어, 현미경을 통해 관찰되는 표면에 대해 광학 변위계가 측정 방향을 따라 거리 측정을 한다. 광학 변위계에 의해 측정되는 거리는, 예를 들어 검사의 목적으로 측정 표면상의 특정 위치에 초점을 맞추기 위하여, 또는 특정 위치에 표면을 배치하기 위하여, 또는 표면을 일정한 거리로 유지하기 위하여, 현미경이나 기타 유사한 장치에 의해 이용될 수 있다. 광학 변위계는 융합 프로세스에 의하여 형성된 유리 시트의 표면과 같은 거울 표면의 비접촉 검사에 유용하다.

도면의 참조 부호는 의미는 아래와 같다:

10: 입사 광선; 12: 광원; 13: 위치; 13' 위치; 14: 투사 렌즈; 16: 산란 반사 표면; 18: 반사 광선; 18': 반사 광선; 20: 대물렌즈; 23: 이동 메커니즘; 22: 검출기; 24: 거울 반사 표면; 25: 위치; 25': 위치; 25": 위치; 27: 홀더; 30: 광학 변위계; 31: 관측 지점; 32: 표면; 32': 표면; 33: 후방 표면; 34: 목적 물체; 35: 측정 방향; 36: 광원; 37: 위치; 37': 위치; 38: 광 빔; 40: 공칭 위치; 41: 스테이지; 42: 광 검출기; 43: 스테이지; 44: 반사광; 46: 이미징 렌즈; 50: 검출기 평면; 52: 처리 전자장치; 53: 데이터 분석기; 54: 디스플레이 장치; 55: CPU; 57: 저장 장치; 59: 위치결정장치; 60: 광원; 62: 히트 싱크; 64: 커플링 렌즈; 66: 광 섬유; 68: 섬유 홀더; 69: 섬유 단부; 70: 집광 장치; 72: 발산 렌즈; 74,76: 수렴 렌즈; 79: 초점 지점; 80: 반사 영상; 80': 반사 영상; 90,92: 작은 점 세트.

이와 같이, 본 발명의 명세서는 아래의 비 제한적 태양(aspect)/실시예 중 하나 또는 다수를 포함한다.

C1. 측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법으로서,

(a) 상기 측정선 상의 공칭 위치에 하나 이상의 수렴하는 광 빔을 수렴시키고 상기 거울 반사 표면으로부터의 반사 빔을 형성하는 단계;

(b) 검출기 평면에 상기 반사 빔의 이미지를 기록하는 단계;

(c) 상기 검출기 평면 내의 반사 빔 이미지의 위치를 결정하는 단계;

(d) 상기 반사 빔의 이미지 위치를 상기 측정선을 따른 공칭 위치로부터의 상기 거울 반사 표면의 변위로 변환시키는 단계;를 포함하는,

측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법.

C2. C1에 있어서,

상기 단계(a)에서 상기 공칭 위치에 다수의 수렴 광 빔이 수렴되는,

C3. C1 또는 C2에 있어서,

(e) 상기 단계(d)에서 얻어진 변위에 기초한 양만큼 상기 거울 반사 표면 또는 상기 공칭 위치를 이동시키는 단계;

(f) 상기 단계(a)-(d)를 반복하는 단계;를 더 포함하는,

C4. C1 또는 C2에 있어서,

(f) 상기 변위의 측정에서의 절대 오차를 결정하는 단계;

(g) 상기 절대 오차가 예정값 또는 예정값 아래로 될 때까지 상기 단계(a)-(f)를 반복하는 단계;를 더 포함하는,

C5. C1 또는 C2에 있어서,

(e) 상기 변위를 상기 방법의 결과로서 저장하거나 출력하는 단계를 더 포함하는,

C6. C1 내지 C3 중 어느 하나에 있어서,

상기 물체가 다수의 거울 반사 표면을 가지며, 상기 단계(a)에서 상기 다수의 거울 반사 표면 각각으로부터 반사 빔이 형성되며, 상기 단계(b)에서 상기 검출기 평면에 상기 반사 빔의 이미지가 기록되는,

C7. C1 내지 C6 중 어느 하나에 있어서,

상기 단계(b)와 동시에 또는 그 이전에 상기 검출기 평면상에 측정선을 초점맞추는 단계를 더 포함하는,

C8. C1 내지 C7 중 어느 하나에 있어서,

상기 단계(d)가 상기 측정선을 따른 상기 거울 반사 표면의 변위와 상기 검출기 평면 내의 반사 빔 이미지의 위치 사이의 변환 함수를 보정하기 위하여, 상기 측정선을 따른 다수의 기지 표면 위치 및 상기 검출기 평면상의 상응하는 다수의 이미지 위치를 이용하는 단계를 포함하는,

C9. 측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치로서,

상기 측정선 상의 공칭 위치에 수렴하는 하나 이상의 광 빔을 생성하고 상기 거울 반사 표면으로부터의 반사 빔을 형성하는 광원;

검출기 평면에서 상기 반사 빔의 이미지를 기록하는 광 검출기;

상기 광 검출기로부터 상기 기록을 수신하고, 상기 검출기 평면의 반사 빔 이미지의 위치를 결정하기 위하여 상기 기록을 처리하고 분석하며, 상기 위치를 상기 거울 반사 표면의 상기 측정선을 따른 공칭 위치로부터의 변위로 변환시키는 데이터 분석기를 포함하는,

측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치.

C10. C9에 있어서,

이미징 렌즈를 더 포함하고,

상기 이미징 렌즈가 상기 검출기 평면상에 상기 측정선을 초점맞추도록 상기 이미징 렌즈 및 상기 검출기 평면이 배치되고 배향되는,

C11. C10에 있어서,

상기 이미징 렌즈가 대물렌즈 또는 시프트 및 경사 렌즈인,

C12. C9 내지 C11 중 어느 하나에 있어서,

상기 데이터 분석기는, 상기 측정선을 따른 상기 거울 반사 표면의 변위와 상기 검출기 평면상의 반사 빔 이미지의 위치 사이의 변환 함수를 보정하기 위하여, 상기 측정선을 따른 다수의 기지 표면 위치 및 상기 검출기 평면상의 상응하는 다수의 이미지 위치를 이용하여 상기 위치를 상기 변위로 변환시키는,

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 본 발명의 범위 및 기술 사상 내에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 명확할 것이다. 따라서, 본 발명의 수정 및 변경이 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에 있다면 본 발명은 이들 수정 및 변경을 포함한다.

Claims

측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법으로서,
(a) 상기 측정선 상의 공칭 위치에 하나 이상의 수렴하는 광 빔을 수렴시키고 상기 거울 반사 표면으로부터의 반사 빔을 형성하는 단계;
(b) 검출기 평면에 상기 반사 빔의 이미지를 기록하는 단계;
(c) 상기 검출기 평면 내의 반사 빔 이미지의 위치를 결정하는 단계;
(d) 상기 반사 빔의 이미지 위치를 상기 측정선을 따른 공칭 위치로부터의 상기 거울 반사 표면의 변위로 변환시키는 단계;를 포함하는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계(a)에서 상기 공칭 위치에 다수의 수렴 광 빔이 수렴되는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
(e) 상기 단계(d)에서 얻어진 변위에 기초한 양만큼 상기 거울 반사 표면 또는 상기 공칭 위치를 이동시키는 단계;
(f) 상기 단계(a)-(d)를 반복하는 단계;를 더 포함하는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
(e) 상기 단계(d)에서 얻어진 변위에 기초한 양만큼 상기 거울 반사 표면 또는 상기 공칭 위치를 이동시키는 단계;
(f) 상기 변위의 측정에서의 절대 오차를 결정하는 단계;
(g) 상기 절대 오차가 예정값 또는 예정값 아래로 될 때까지 상기 단계(a)-(f)를 반복하는 단계;를 더 포함하는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물체가 다수의 거울 반사 표면을 가지며, 상기 단계(a)에서 상기 다수의 거울 반사 표면 각각으로부터 반사 빔이 형성되며, 상기 단계(b)에서 상기 검출기 평면에 상기 반사 빔의 이미지가 기록되는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계(d)가 상기 측정선을 따른 상기 거울 반사 표면의 변위와 상기 검출기 평면 내의 반사 빔 이미지의 위치 사이의 변환 함수를 보정하기 위하여, 상기 측정선을 따른 다수의 기지 표면 위치 및 상기 검출기 평면상의 상응하는 다수의 이미지 위치를 이용하는 단계를 포함하는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 방법.
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치로서,
상기 측정선 상의 공칭 위치에 수렴하는 하나 이상의 광 빔을 생성하고 상기 거울 반사 표면으로부터의 반사 빔을 형성하는 광원;
검출기 평면에서 상기 반사 빔의 이미지를 기록하는 광 검출기;
상기 광 검출기로부터 상기 기록을 수신하고, 상기 검출기 평면의 반사 빔 이미지의 위치를 결정하기 위하여 상기 기록을 처리하고 분석하며, 상기 위치를 상기 거울 반사 표면의 상기 측정선을 따른 공칭 위치로부터의 변위로 변환시키는 데이터 분석기를 포함하는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치.
제7항에 있어서,
이미징 렌즈를 더 포함하고,
상기 이미징 렌즈가 상기 검출기 평면상에 상기 측정선을 초점맞추도록 상기 이미징 렌즈 및 상기 검출기 평면이 배치되고 배향되는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치.
제8항에 있어서,
상기 이미징 렌즈가 대물렌즈 또는 시프트 및 경사 렌즈인,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 데이터 분석기는, 상기 측정선을 따른 상기 거울 반사 표면의 변위와 상기 검출기 평면상의 반사 빔 이미지의 위치 사이의 변환 함수를 보정하기 위하여, 상기 측정선을 따른 다수의 기지 표면 위치 및 상기 검출기 평면상의 상응하는 다수의 이미지 위치를 이용하여 상기 위치를 상기 변위로 변환시키는,
측정선을 따라 물체의 거울 반사 표면의 상대 위치를 측정하기 위한 장치.