KR20120094126A

KR20120094126A - 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법 및 대응하는 거리 측정기

Info

Publication number: KR20120094126A
Application number: KR1020127018187A
Authority: KR
Inventors: 마르셀 로너; 이브스 살바데
Original assignee: 라이카 게오시스템스 아게
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-08-23
Also published as: AU2010333031B2; CA2783337C; KR101418832B1; US8896843B2; AU2010333031A1; CA2783337A1; EP2513595B1; US20120242998A1; EP2513595A1; CN102713503B; WO2011073126A1; CN102713503A

Abstract

간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법은, 적어도 하나의 파장 λ을 갖는 광학적 복사(optical radiation; 12)를 관측 타겟(11)에 전송하는 단계; 광축(OA)에서 타겟(11)에 의해 후방 산란된 상기 광학적 복사(12)의 일부를 수신하는 단계로서, 상기 광학적 복사(12)은 스페클 필드(speckle field)를 형성하는, 광학적 복사(12)의 일부를 수신하는 단계; 상기 수신된 광학적 복사(12)를 적어도 하나의 수신된 신호로 변환하는 단계; 및 절대 또는 측정 간섭측정 거리 측정들에 의해 상기 수신된 신호로부터 상기 타겟(11)까지의 실제 거리(true distance)를 결정하는 단계;를 포함한다. 상기 방법에 있어서, 광축(OA)에 대한 상기 실제 포인팅 방향이 결정되고, 여기서 스페클 효과들로 인한 거리 에러가 보정된다.

Description

간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법 및 대응하는 거리 측정기{Method for speckle mitigation in an interferometric distance meter and corresponding distance meter}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 간섭 거리 측정기(interferometeric distance meter)에서의 스페클 경감(speckle mitigation) 방법 및 청구항 제12항의 전제부에 따른 간섭 거리 측정기에 관한 것이다.

전자 거리 측정(electronic distance mesurement) 분야에는, 다양한 원리들 및 방법들이 알려져 있다. 하나의 접근 방법은 주파수-변조 전자기 복사(frequency-modulated electromagnetic radiation)(예로써, 빛)를 측량 목표물에 방사하고 이어서 후방 산란 물체들로부터 하나 이상의 에코들을 수신(이상적으로는 측량 목표물은 제외함)하는 것으로 구성되며, 측량될 타겟은 반사성의(specular) - 예를 들어 역반사체들(retroreflectors) - 그리고 확산성의(diffuse ) 후방-산란 특성들(back-scattering characteristics)을 갖는 것이 가능하다. 간섭계 장치(interferometer arrangement)에 있어서, 레이저 광원이 거리 측정을 위해 사용된다. 수신된 신호는 방출된 광 신호로부터 얻어지는 제 2 신호와 중첩된다. 혼합 산출물(mixed product)의 결과적인 비트 주파수, 인터페로그램(interferogram)은 목표물에 대한 거리의 척도(measure)이다.

이러한 유형의 간섭측정(interferometry)은 매우 높은 측정 정밀도 및 산탄-잡음 제한 감도(shot-noise limited sensitivity)가 뛰어난 전기-광학 거리 측정들(electro-optic distance mesurements)에 대해 잘 알려진 기술이다. 고정된 파장에서 동작하는 측정 간섭계들(incremental interferometers)로부터, 다수의 이산 파장들(다중-파장 간섭측정), 주파수 변조 연속파 간섭측정(FMCW) 또는 백색광 간섭측정을 이용할 수 있는 절대 거리 측정기들에 이르기까지 다양한 추가 실시예들이 존재한다.

절대 거리 측정기들은 파장 λ에 대한 간섭 위상 φ의 감도를 사용한다. 원리적으로 가장 간단한 실시예에 있어서, 레이저 소스의 광 주파수는 선형으로 조정된다. 이하에 나타낸 것과 같이, 거리 d - 작은 파장 변화들 대한 -는 다음 식으로부터 얻어진다:

다음의 논의는 또한 다중-파장 간섭측정에 적용되며, 여기서 다수의 파장들에서 위상차들이 동시에 측정된다. 2개의 이산 파장들 λ₁, λ₂의 경우에 대해, 식 (1)에서, 그것은 다음의

으로 대체될 수 있다.

이러한 기술은 비협력 타겟들에 적용될 경우, 측정 정밀도의 열화를 일으키는 잘 알려진 효과들, 소위 스페클들(speckles)이 생긴다. 그것들은 예를 들어 타겟 거칠기(target roughness) 및 측정 비임(mesurement beam)에 대한 타겟 틸트(target tilt)로 인해, 측정 영역 내에서의 깊이 변동들에 의해 주어지는 확률적 측정 변동들(stochastic measurement fluctuations)로서 나타난다. 이들 효과들은, 식 (1)에 따라, 측정 에러를 야기하는 레이저 광의 일관성(coherency)에 기인하는 스페클들에 의해 야기되는 간섭 위상 φ의 랜덤화(randomization)로 인한 것이다. 상기 효과는 비간섭성 광(incoherent light) - 예컨대 클래식 위상(classical phase) - 측정기 또는 TOF 기술들을 사용하는 전기-광학 거리 측정 기술들로 더 적은 범위까지 일어나고 - 여기서 스페클 평균화는 관측된 거리 변동들을 감소시키기 위해 작용한다. 불행하게도, 이들 비간섭성 기술들은 간섭측정 기술들의 대용을 방지하는 다른 이점들 - 예컨대 제한된 측정 정밀도 또는 제한된 측정 감도 - 을 가진다.

종래 기술에서, 많은 연구가 진폭의 랜덤화의 문제를 해결하기 위해 힘써 왔는데, 그 이유는 그것이 상쇄 간섭(destructive interference)으로 인한 검출 상황들을 놓칠 수 있기 때문이다. 실제로, 그것은 굿맨의 "Some fundamental properties of speckle" (J. Opt. Soc. Am, Vol. 66, No. 11, 1976, p. 1145ff)에 서 보여졌고, 이것은 각각의 검출기 위치에서의 강도 I 는 밀도 함수

를 가지고 지수 분포를 따르며, 그러므로, 간섭측정 진폭

의 확률 밀도는 레일리-타입 분포(Rayleigh-type distribution)

를 따른다.

그 결과, 측정을 수행하기 위해 불충분한 광을 검출할 확률이 높을 수 있다. 이들 진폭 변동들의 효과를 경감시키기 위해 사용되는 방법들은 무연관성화 스페클 패턴들(decorrelated speckle patterns)의 측정 - 종종 스페클 다이버서티(speckle diversity)로 불리는 방법에 기초한다.

하지만, 위상 랜덤화의 문제는 진폭 변동들의 문제만큼 많은 작업(work)을 끌어들이지 않는다. 유. 브라이(U. Vry) 및 에이. 에프. 퍼처(A. F. Fercher)의 "Higher-order statistical properties of speckle fields and their application to rough-surface interferometry"(J. Opt. Soc. Am. A 3 (1986), p. 988ff)의 다중-파장 간섭측정의 상황에서, - 위상이 거리와 관련되므로 - 거리 변동들로 이어지는, 파장의 변화에 의한 광 위상(optical phase)의 디코릴레이션(decorrelation)이 드러난다.

와이. 살바데(Y. Salvade)의 "다중 파장 간섭측정에 의한 거리 측정)"(Thesis, University of Neuchatel, 1999)에 따르면, 도 1에 도시된 이미징 구성에 대한 합성 파장

에 대응하는 2개의 파장들

에서의 스페클 필드의 정규 상관 계수(normalized correlation coefficient) 는

에 의해 주어지고, 여기서 σ_k는 타겟 거칠기이고, α는 광축에 대한 타겟 경사각이고, C_p는 동공 함수(pupil function)의 정규 자동상관(nomalized autocorrelation)이고, d_I는 렌즈로부터 상 평면(image plane)까지의 거리이고, M은 이미징 옵틱스의 배율이고, d(x)는 타겟의 시스템적(systematic) 거리/높이 프로파일을 포함한다:

이때, 2개의 파장들에서의 측정치들 간의 간섭 위상차의 변화는 다음 식에 의해 주어진다:

(1)에 따르면, 이것은 거칠기, 경사 타겟들을 측정할 때 확률 범위 변동들(stochastic range fluctuations)을 일으킨다. 게다가, 측정된 거리의 표준 불확실성은 대략 다음 식에 의해 산출될 수 있다:

여기서 σx 및 α는 각각 이미징 시스템의 해상도 및 경사각이다.

US 5,811,826에 있어서, 표면에서 반사된 간섭광 비임의 스페클 패턴을 측정하는 것으로부터 평면의 배향(orientation)을 원격으로 감지하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 상기 표면은 2개의 상이한 주파수들의 복사로 조사되고 대응하는 스페클 패턴들이 비교되어 제 1 스페클 패턴으로부터 제 2 스페클 패턴으로의 이동(shift)의 크기 및 방향을 결정한다. 스페클 패턴 이동의 크기 및 방향은 물체의 배향을 표시하고, 즉 상기 방법은 입사각 및 표면의 방위각을 계산하기 위해 제 1 주파수 f₁으로부터 제 2 주파수 f₂로 변할 때의 스페클 패턴의 횡방향 이동을 측정한다.

비록 이러한 접근방법이 그것의 배향과 같은 표면 특성들의 결정을 허용하지만, 상기 방법은 스펙트럼 특성들이 패턴의 충분한 횡방향 시프트를 가져와야 하는 상이한 시간들에서의 2개의 상이한 파장들의 사용에 기초한다.

본 발명의 목적은, 특히 경사진 타겟들에 사용하기 위한 개선된 간섭측정 거리 측정 방법, 및 그에 대응하여 설계된 간섭 거리 측정기를 제공하는 것이다.

다른 목적은 동시에 또는 파장들의 변경 없이 단지 하나의 단일 파장으로 또는 하나 이상의 파장으로 스페클 필드의 특성들을 결정할 수 있는 방법 및 거리 측정기를 제공하는 것이다.

이들 목적들은 본 발명에 따라 청구항 제1항 및 청구항 제12항의 특징들에 의해 그리고 종속 청구항들의 특징들에 의해 달성되고 또는 상기 해결방법들은 더 개발된다.

본 발명은 스페클 필드가 각각의 거리 측정의 포인팅 방향을 결정하기 위해 채용되는 간섭 거리 측정기에서 스페클을 경감시키는 방법에 관한 것이다.

종래 기술과는 대조적으로 본 발명에 따르면, 스페클 패턴은 표면의 배향을 결정하지 않고 스페클 유도 측정 에러들에 대해 보정하기 위해 단일 파장에서 측정된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 하나의 단일 주파수의 사용에 제한되지 않고 복수의 주파수들의 사용이 또한 청구된다.

따라서, 본 발명은 US 5,811,826의 접근방법에 어떤 유사성을 갖는 스페클 필드의 통계적 특성들을 채용한다. 그러나, 이러한 방법과는 대조적으로, 표면 특성들의 측정들은 취해지지만 않고, 오히려 포인팅 방향은 2개의 주파수들보다는 오히려, 단일 주파수에서의 측정으로부터 계산된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 하나의 단일 주파수의 사용으로 제한되지 않고, 또한 복수의 주파수들을 사용하는 것이 가능하다.

본 발명은 간섭측정 절대 거리 센서들을 이용하여 광축에 대해 경사진 타겟들까지의 거리를 측정할 때 범위 변동들을 감소시키는 것을 다룬다. 본 발명은 측정 스폿 내의 전체 깊이 분포보다는 오히려, 타겟 거칠기에 의해 우선 제한되는 측정 정밀도를 달성한다. 이 기술은 지금까지 피할 수 없는 것으로 인식되어 온 식 (6)에서와 같은 위상 상관성 제거 효과들에 의해 생기는 거리 에러들을 회피한다.

본질적으로, 위상 상관성 제거 에러들은 스페클 필드의 측정치들에 기초한 포인팅 각도 보정들(pointing angle compensations)에 의해 보상된다. 스페클들로 인해, 측정치의 "도심(centroid)"은 광축 상에 있지 않고, 오히려 광축으로부터 약간 어긋나 있다. 스페클 필드에 대해 적어도 하나의 검출기를 이동시키는 복수의 검출기들 또는 스캐닝 수단에 의해 스페클 패턴을 분해함으로써, 도심 - 또는 포인팅 방향 - 은 다음에 기술되는 방법에 따라 계산된다. 각각의 간섭측정 거리 측정은 포인팅 방향의 대응하는 보정으로 태그되고(tagged), 그것에 의해 위상 상관성 제거 에러들을 보정하고, 즉 스페클 필드를 적어도 부분적으로 분해하는 복수의 포인트들에 대해 포인팅 방향들을 결정한다. 원칙적으로, 포인팅 방향들의 측정 또는 추정은 병행하여 또는 순차적으로, 예컨대 주사(scanning)로 수행될 수 있다. 그렇게 함으로써 스페클 필드는 포인트들의 분포의 입도(granularity) 또는 해상도로 분해된다. 포인팅 방향들의 통계 또는 분포는 위상 상관성 제거 에러들의 보상 또는 보정을 허용한다.

요약하면, 본 발명에 따른 방법은 광축에 대해 스페클 필드의 적어도 하나의 포인트에 대해 포인팅 방향을 결정하는 것을 포함하고, 스페클 필드는 특히 복수의 K 검출기들을 이용하여 또는 스페클 필드에 대해 적어도 하나의 검출기를 이동시켜 적어도 부분적으로 분해된다.

거리 및 포인팅 방향의 병렬 측정을 위해 그리고 도 3에 정의된 사항들에서, 이것은 센서가 광축에서 타겟 R₀까지의 거리를 제공하지 않고, 오히려 포인트 ξ까지의 오프셋 방향에서의 거리 d 및 또한 광축의 대응하는 각도 오프셋 p을 제공하는 것을 의미한다. 방향 보상은 표준 포인트-클라우드 처리 소프트웨어(standard point-cloud processing software)에서, 예컨대 스캐너 기구에 의해 제공되는 구면 좌표들의 각도 보정으로서 용이하게 이해될 수 있다.

간섭측정 시스템들은 배트-윙 효과(bat-wing effect)로 고통받고 있다: 스텝형 특징을 가로질러 주사할 때 측정된 거리는 도 8에 도시된 것과 같이 오버(over-) 및 오버슛(overshoot)할 수 있어, 큰 측정 에러들을 낳는다. 본 발명의 상황에서, 이러한 효과는 포인팅 방향이 레이저 파장의 함수로 된다는 사실과 관련이 있다. 스텝-특징의 존재로, 이것은 간섭 위상 대 파장

의 큰 변경을 일으킬 수 있고, 그 결과 - 식 (1)에 따르면 - 큰 측정 에러를 생기게 할 수 있다.

이러한 유형의 측정 에러는 레이저 파장을 조정하면서 포인팅 방향을 관측하여 검출될 수 있다. 레이저 파장에 대한 포인팅 방향의 큰 감소를 나타내는 이들 측정치들은 잠재적으로 배트-윙 효과로 고통받는 것으로 식별된다. 도 9는 2개의 도면들 간의 강한 상관을 입증하는, 특정 에러 대 포인팅 방향의 감도 대 파장의 예시적 데이터를 나타낸다.

최신식의 센서들은 광축 상의 거리 R₀보다는 거리 d를 측정하여 거리 에러 R₀-d를 생기게 한다. 이러한 에러는 만약 타겟이 광축에 대해 경사지면 무시할 수 없다. 그러므로, 본 발명 개념은 이들 상황들에서 측정 정밀도의 중요한 향상을 제공한다.

이하에 스페클 위상의 파장 종속성이 특정 파장에서 정적 광 분포에 종속하는 것을 나타낸다. 더욱이, 확률적 위상-변화(stochastic phase-change)에 의해 야기되는 특정 에러가 포인팅 방향의 적절한 선택에 의해 보상될 수 있는 것을 나타낸다.

다음과 같은 약속들이 사용된다:

위치 종속 필드 (

: 검출기 위치)

는 검출기 k의 검출 신호,

전체 인터페로그램

검출기 k의 활성 영역

D 전체 검출기 영역,

검출기 k의 활동 영역의 중심 좌표

단순성을 위해 도 3에 도시된 것과 같은 경사 타겟의 경우가 상정된다.

이 때, 포인팅 방향 p에서의 포인트

까지의 거리

는 식들

,

로부터

로서 얻어진다.

경사각 α는 법선 벡터

의 성분들과 관련이 있다.

z-축에 가까운 포인팅 벡터들에 대해, 다음과 같은 산출이 이용될 수 있다:

각각의 포인팅 방향은 검출기 평면

에서의 위치와 관련이 있다.

여기서, d_I는 상평면까지의 주평면의 거리이고, 스캐닝 시스템에 있어 이것은 주사 경로에서의 포인트들의 위치들까지의 광경로들로 적응되어야 한다. 따라서, 거리 d는 광축에서 거리 R_o로부터 벗어난다:

배율 M = d_I/R₀, 및 물체 좌표들 x₀=x/M을 도입하면:

정규화되지 않은 간섭 위상 변화

로부터 얻어진 거리는 식 (1)에 의해 주어진다:

이러한 근사는 작은 파장 변화들

을 갖는다. 검출된 인터페로그램의 복합 진폭은 다음 식에 의해 주어진다:

여기서 D는 전체 검출기 영역이고 검출기에 영향을 주는 복합 진폭은 다음 식에 의해 주어진다:

여기서 *는 (2-차원 기하학) 콘볼루션(convolution)을 나타내고 다음과 같은 정의들이 사용된다:

(15)에서 조명파(illumination wave) V는 절대 시간 및 거리 정보를 인코드하고; 일 평면에 대해 다음 식을 따른다:

보통의 광학에서와 같이, 하모닉 시간 종속성은 폐기되고, 그 결과 다음과 같이 된다:

함수

는 여기서 고려되는 작은 파장 변화들 내에서 무시할 수 있는 파장 종속성을 가진, 물체의 미시적 구조(microscopic structure)를 기재한다. 이미징 시스템의 임펄스 응답 h(x)은 또한 관련 방식에 파장에 종속하지 않는 것으로 상정된다. 물체 함수

는 물체(경사면)의 높이 프로파일의 비통계 부분을 기재하고, 그것은 식 (13)으로부터 유도하고 파장 종속성에 관한 관련 항이다.

다음의 관계가 나중에 필요하다:

다음에, 개개의 검출기 영역들 D_k에 걸친 진폭 A(x) - 식 (15)에 정의된 - 의 적분들이 측정될 수 있는 것으로 상정된다. 식 (19)을 이용하면, 파장에 대한 A(x)의 도함수는 다음과 같다:

특별한 경우로서, 식들(15) 및 (20)을 다음과 같이 간단히 하기 위해

우리는 고해상력,

을 갖는 수신기 광학을 고려한다.

인터페로그램의 위상은 식 (14)에 주어진 것과 같은 진폭의 위상이다:

광파장

이 변경되면 위상은 다음 식과 같이 변한다:

위상 상관성 제거 및 포인팅 방향의 형식적 등가물(formal equivalence)이 식 (20)을 식 (23)에 대입하고 다음 식을 낳는 (14)를 이용하여 나타내어 질 수 있다:

식 (15)에 의해,

는

:

에 대한 A(-x)의 디콘볼루션(deconvolution)임을 주목해야 한다.

만약 근사 (21)가 오히려 (20)보다 사용되면, 더 간단한 관계가 유도된다:

식들(24) 및 (25)는 다음과 같은 마일드 대칭 조건(mild symmetry condition) 하에서 등가이고,

이 식은 만약 h(x) = h(-x)이면 확실히 만족된다. 이것을 보이기 위해, 그것은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:

그러므로, 간단한 관계 (25)는 모든 경우들에 적용하고, 여기서 임펄스 응답은 간단한 대칭 조건 (26)을 따른다. 이것은 실용상 관심이 있는 거의 모든 광학 시스템들에서 진실이고 특히 디포커스(defocus)의 경우까지 확대된다.

간섭 위상 그라디언트

에 기초하여 계산되는 거리는 (1)에 (25)를 삽입하여 얻어지고, 다음과 같은 식을 낳는다:

(28)은 A(x)의 상수 위상-오프셋(constant phase-offset)에 종속하지 않는다는 것을 주목해야 한다. 이러한 관찰은 실시예들의 설명에 사용될 것이다.

식 (13)과의 비교는 (28)이 다음의 팩터로 검출된 필드 A(x)를 가중하여 얻어지는 검출기 위치에 대응하는 포인팅 보정에 등가라는 것을 드러낸다:

파장 종속 간섭 위상과 파장 λ에서의 상관 패턴의 정적 구조 간의 이러한 상관은 상당히 주목할 만하고 그것은 발명의 스페클 경감 기술의 기초가 된다.

포인팅 방향은 이하에 기재된 것과 같은 검출기 어레이를 이용하여 산출될 수 있다. 실제로, 검출기 어레이는 k로 표시되고, 다음과 같은 신호들을 낳는 영역들 D_k(

이도록)을 커버하는, 검출기들의 수 K를 갖는다.

.

이후 상기 문제는 다음 식으로부터 (29)에 정의된 것과 같이 x_p를 산출하는 것이다:

및

.

편의를 위해, 벡터들

및

이 도입될 수 있다. 측정된 값이

로 표시되면, 그럴듯한 추측(plausible conjecture)은 최적조건 x_p가 관찰들 A_k에 대해 조절된 그것의 예측에 의해 주어진다는 것이고:

여기서

는 모든 것들의 벡터이다. 스페클 이론의 통상의 가정들에 의해, 확률 벡터

는 제로 평균 연대 적절 가우시안(zero mean jointly proper Gaussian)이다. A₀의 조건부 기대치를 계산하기 위해, 다음과 같은 공분산 매트릭스들(covariance matrices)이 요구된다:

이들 매트릭스들은 측정 조건들의 함수들이지만, 이들은 - 측정 타겟의 특성들에 독립적인 단순화된 스페클 모델들을 따르므로, 이들은 미리 계산될 수 있다. 이들은 다음 식에 의해 정의된다:

여기서, 괄호는 기대치를 나타내고, 별표 *는 복소 켤레(complex conjugate)를 나타내고,

는 매트릭스 B의 k번째 열이다.

만약 물체의 랜덤 구조의 상관 길이가 무시할 수 있을 만큼 작으면, 그것은 일부 중요하지 않는 상수

에 대해

이 상정될 수 있고, 여기서

는 디랙(Dirac) 분포이다. 이것은 피측정 물체의 표면 구조에 독립적인 상관 매트릭스들을 제공하기 위한 기본 요건이다. 일부 표준 계산 후, 상평면에서의 필드가 다음 식에 의해 유도되고,

여기서,

는 검출기 좌표들이고,

는 다른 중요하지 않은 상수이고

는 함수

의 푸리에 변환이고, P는 동공 함수이다(통상 동공의 특징 함수, 그 결과 I_p = P).

(33) 및 (35)로부터, 우리는 다음 식을 얻는다:

D_i가 무게중심들

을 갖는 인접 직사각형들인 경우에,

그것은 다음과 같이 기재될 수 있다:

그러므로

확률 벡터

가 제로 평균 연대 적절 가우시안(jointly proper Gaussian)이므로,

의 조건부 기대치는 다음 식에 의해 주어진다:

(41)

(31)에 의해 결과는 마침내 다음 식과 같이 된다:

(42)

(34)가 적용된다면, 매트릭스들

은 미리 계산되어야 하는데 그 이유는 이들이 피측정 타겟의 특성들과 무관하기 때문임을 주목해야 된다.

이때, 포인팅 방향은 (11)을 이용하여, 다음과 같이 된다:

(43)

2개의 특별한 경우들이 다음 절들에서 논의된다.

단순화된 포인팅 보정이 균일한 스페클 필드가 상정되면 가능하다.

만약 스페클 필드가 고해상도(K→∞)로 분해되면, 각각의 검출기에서의 이와 같은 균일 스페클 필드는 식 (31)에 의해 다음과 같이 되도록 상정될 수 있다:

이것은 식 (42)의 특별한 경우

이다. 이러한 제한하는 경우에, 매트릭스들

및

은 요구되지 않고, 상기 방법은 포커싱 조건들에 민감하지 않게 된다.

다른 경우는 쿼드런트 검출(quadrant detection)을 갖는 단일 스페클 시스템을 가리킨다.

식들(42) 및 (44)는

의 이상적인 근사가 몇몇 경험적 스칼라 파라미터 r_o에 대해 다음과 같이 될 수 있는 것을 제안한다:

요약하면, 종래 기술은 간섭측정 거리 측정 기구에 의해 측정된 거리가 방출 비임의 광축과 관련되어 있다고 상정된다. 그러나, 상기 유도는 종래의 수단에 의해 거리를 결정하는 임의의 간섭측정 거리 측정 기구에 의해 결정된 거리가 실제로 광축으로부터 어긋난 포인팅 방향과 관련되어 있다는 것을 드러내 보인다. 본 발명에 따라 결정될 수 있는 포인팅 방향에 따른 측정 방향을 보정함으로써, 예컨대, 타겟 배향의 효과는 피측정 타겟의 배향을 실제로 결정하지 않고 보상될 수 있다. 본 발명의 주된 범위는 본 발명에 따라 타겟 배향의 명확한 결정을 포함하는 것을 반드시 필요로 하지 않는 포인팅 방향의 결정이다.

다시 말해서, 본 발명은,

- 적어도 하나의 파장 λ을 갖는 광학적 복사(optical radiation)을 관측될 타겟에 전송하는 단계,

- 광축에서 상기 타겟에 의해 후방 산란된 상기 광학적 복사의 일부를 수신하는 단계로서, 상기 광학적 복사은 스페클 필드(speckle field)를 형성하는, 상기 광학적 복사의 일부를 수신하는 단계,

- 수신된 상기 광학적 복사을 적어도 하나의 수신된 신호로 변환하는 단계,

- 위상 상관성 제거 에러들의 보상으로 절대 또는 측정 간섭측정 거리 측정들에 의해 상기 수신된 신호로부터 상기 타겟까지의 실제 거리(true distance)를 결정하는 단계

를 포함하는 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법에 관한 것이다.

본 발명은 상기 광축에 대해, 상기 스페클 필드의 적어도 하나의 포인트에 대해 상기 간섭측정 측정의 포인팅 방향을 결정하는 단계를 포함하고, 포인트는 간섭측정 거리 측정과 관련되고, 특히 포인트는 스페클 필드의 중심(centroid)이고, 상기 스페클 필드는 특히 복수의 K 검출기들을 이용하여 또는 상기 스페클 필드에 대해 적어도 하나의 검출기를 이동시킴으로써 적어도 부분적으로 분해된다.

본 발명은 스페클 필드의 적어도 하나의 포인트에 대해 간섭측정 측정의 포인팅 방향을 결정하는 단계를 포함하고, 포인트는 간섭측정 거리 측정과 관련이 있고 특히 포인트는 광축에 대한 스페클 필드의 도심이고, 스페클 필드는 적어도 부분적으로 특히 복수의 K 검출기들을 이용하여 분해되고 또는 스페클 필드에 대해 적어도 하나의 검출기를 이동시켜 분해된다.

또한, 본 발명에 따른 포인팅 방향을 결정함으로써, 거리가 결정된 타겟까지의 정밀한 방향을 결정하는 단계가 달성될 수 있다. 방출된 비임의 광축으로부터 벗어날 수 있는 이러한 정밀한 방향은 거리 결정에서 고려될 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 거리 측정기는 도면들에 의해 이하에 개략적으로 도시되고 단지 예로서 더 상세히 기술된다.

도 1은 경사진 거친 표면들에 대해 측정하는 간섭 거리 측정기들의 기본 원리를 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 다중-스페클 시스템에 대한 검출기 평면에서 관측되는 스페클 패턴들에 대한 예들을 나타낸 도면.
도 3은 포인팅 방향의 보상이 기초하는 기하학 관계들을 나타낸 도면.
도 4는 간섭 거리 측정기용의 추출 시스템의 개요를 나타낸 도면.
도 5는 포인팅 방향 산출의 2단계 과정을 나타낸 도면.
도 6은 위상 오프셋을 제거하기 위한 아날로그 디모듈레이터들에 의한 셋업을 나타낸 도면.
도 7은 포인팅 보정의 개략도.
도 8은 스텝형 특징을 가로질러 주사하기 위한 측정 거리의 예시적인 에러들을 나타낸 도면.
도 9는 예시적인 특정 에러의 데이터 대 포인팅 방향의 감도 대 파장을 나타낸 도면.

도 1은 경사진 거친 표면들에 대해 측정하는 간섭 거리 측정기들의 기본 원리를 나타낸다. 적어도 하나의 파장

을 갖는 측정 비임(12)은 복사 소스(16)로부터 관측되어야 하는 비협력적 타겟(11)으로 보내지고 여기서 광 복사는 스페클 필드를 형성한다. 타겟(11)은 현미경적으로 거칠고 반사광의 광 위상이 랜덤화되도록 광축에 대해 각도적으로 정렬되지 않는다. 타겟(11)에 의해 후방 산란된 광 복사의 부분이 수신되고 이미징 렌즈(13)에 의해 광축 OA에서 부분적으로 수집되고, LO 콤바이너 옵틱스(combiner optics; 14)를 통해 이동하고, 결국 상평면에서 수신기(15)에 상이 맺히고, 여기서 그것은 절대 또는 측정 간섭측정 거리 측정들을 위한 복사 소스(16)로부터의 기준 비임과 간섭한다. 그렇게 수신된 광 방사는 수신기(15)에 의해 타겟(11)까지의 실제 거리를 결정하는 것을 허용하는 적어도 하나의 수신 신호로 변환된다. 본 발명에 따르면, 위상 상관성 제거 에러들은 복수의 포인트들에 대해 그리고 광축 0A에 대해 포인팅 방향들을 결정하여 보상되고 여기서 포인트들은 타겟(11) 상의 스페클 필드를 적어도 부분적으로 분해한다.

이러한 구성은 예시이고 다음의 주장들은 다른 이미징 구성들에도 적용한다. 다음의 도면들에 도시된 것과 같이, 그것은 검출기 신호들 A_k을 개별적으로 획득하고 모든 동작들을 디지털로 수행하기 위한 수신기(15)로서 다중 채널 데이터 획득 시스템(multi-channel data-acquisition system) 또는 또한 단일-스페클 이미지를 분해하기 위한 2x2 쿼드런트 검출기 또는 순차적으로 포인팅 방향들을 측정하는 스페클 필드에 걸쳐 이동되는 단일 채널 검출기를 사용하는 것이 가능하다.

타겟 위에 형성된 스페클 필드들의 외관은 다중-스페클 시스템을 위한 검출기 평면에서 관측된 예들로서 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다.

이미지 옵틱스 및 측정 비임의 방출의 형태에 종속하여, 스페클 패턴은 다수의 명암 스폿들을 갖는 입자상 외관을 가진 검출기에서 관측될 것이다. 만약 - 평균하여(on average) - 단일의 우세한 밝은 스폿이 있으면, 이러한 패턴은 단일 스페클 시스템으로 불릴 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 경우에 있어서, 다수의 스페클들이 관측된다 - 이것은 다중-스페클 시스템으로서 명명된다. 여기서, 도 2a에는 강도 분포가 도 2b에는 광 위상의 공간 분포가 도시된다.

여기에 예를 든 것과 같이, 스페클들은 상평면에서 수신된 필드의 강도 및 위상 모두의 랜덤화를 일으킨다. 특정 외관은 측정 비임 위치에서의 타겟의 현미경 특징들에 종속하고, 그 결과 그것은 대부분의 경우들 및 표면들에 대한 랜덤(random)으로서 간주될 수 있다.

도 3은 포인팅 방향의 보상이 기초하는 기하학적 관계들을 나타낸다. 좌표계의 축들은 x, y, z로 나타내고 여기서 z-축은 타겟(11)을 가리킨다.

는 실제 타겟 거리를 나타내고, n은 타겟 평면에 수직인 벡터를 나타내고 p는 현 측정의 포인팅 방향을 나타낸다. 이것은 수신기 또는 센서가 광축에서 타겟

까지의 실제 거리를 제공하지 않고 오히려 지점

까지의 오프셋 방향에서의 거리 d 및 - 그 위에 - 광축에 대한 대응하는 각도 오프셋 p을 의미한다. 방향 보상은 표준 포인트-클라우드 처리 소프트웨어로, 예컨대 스캐너 기구에 의해 제공되는 구면 좌표들의 각도 보정으로서 용이하게 수행될 수 있다. 최신형을 제공하는 센서들은 거리 에러

를 생기게 하는 광축 상의 거리

보다는 오히려 거리 d를 측정한다. 이러한 에러는 만약 타겟이 광축에 대해 경사지면 무시할 수 없게 된다. 그러므로, 본 발명은 이들 상황들에서 측정 정밀도의 상당한 향상을 제공한다.

도 4는 구성요소들이 다음과 같이 명명되는 간섭 거리 측정기에 대한 추출 시스템의 개관을 나타낸다:

21 조명 광학(Illumination optics)

22 이미징 옵틱스

23 K 검출기들의 세트

24 신호 획득

25 신호 처리

바람직한 제 1의 실시예에 있어서, 다수 K의 검출기들을 갖는 이미징 광학 시스템이 스페클 패턴을 분해하기 위해 사용된다. 본 발명적 개념을 실현하는데 또한 적합한 주사 시스템들과는 대조적으로, 이러한 셋업은 불안정(non-stable) 및 동적 조건들 하에서 유리한 신호들의 병렬 획득를 허용한다. 센서 신호들 A_k은 식 (42)에 따른 포인팅 방향 p을 평가하기 위해 직접 사용될 수 있다. 만약 스페클 패턴이 미세하게 예컨대 많은 수의 소형 검출기들에 의해 분해되면, 균일한 필드 분포가 각각의 검출기 영역 내에서 취해질 수 있어, 많은 수의 검출기들을 희생시킬지라도, 수신된 스페클 패턴의 상관 구조에 둔감하게 되는 신호 처리를 낳는다. 단일-스페클 시스템을 위해, 종래의 쿼드런트 검출기가 사용될 수 있다.

포인팅 방향 산정은 구성요소들이 다음과 같이 명명되는 도 5에 도시된 2단계 과정으로 수행될 수 있다.

24 신호 획득

25 부구성요소들(subcomponents)을 갖는 신호 처리

251 거리 산정

252 디모듈레이션 신호(demodulatioin signal)의 합성

253 디모듈레이션

254 필터

255 포인팅 방향 산출

제 1 단계에서, 거리 d는 센서 데이터

로부터 측정된다. 거리의 결정을 위한 알려진 방법들의 상세들은 본 발명의 초점이 아니다: 본 발명에 따르면 현재의 최신식의 임의의 적합한 방법이 d를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 알려진 거리에 기초하여, (24)의 위상-오프셋

이 저대역 인터페로그램들

을 발생하기 위해 제 2 단계에서 제거된다:

식 (28)에 기재된 것과 같이, 위상-오프셋은 이들 저대역 신호들이 포인팅 산출을 위해 A_k로 대체할 수 있도록 포인팅 방향의 평가에 영향을 주지 않는다. 이러한 절차의 주된 이점은 협대역 필터가 잡음을 제거하여 이러한 특정 실시예의 감도를 개선시키기 위해 검출기 신호들에 적용될 수 있다는 것이다. 더욱이, 검출기 신호들

의 획득은 낮은 속도로 수행될 수 있다. 따라서, 필터링된 검출기 신호들

이, 예를 들어 식 (43)과 결합된 식들 (42), (44) 또는 (45) 중 어느 하나에 따라 포인팅 방향 p을 평가하기 위해 사용된다.

일 실시예에 있어서, 모든 동작들을 디지털적으로 수행하는 다중 채널 데이터 획득 시스템을 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 도 6은 다른 실시예에 대한 대안으로서 위상 오프셋을 제거하기 위한 아날로그 디모듈레이터들(demodulators)을 갖는 셋업을 나타낸다. 그것의 구성요소들은 다음과 같이 표시된다:

31 이미징 옵틱스

32 부구성요소들을 갖는 검출기

321 디모듈레이터

322 로 패스 필터

323 샘플 및 홀드

MUX 멀티플렉서

33 부구성요소들을 갖는 데이터 획득 인터페이스

ADC 아날로그-디지털 변환기

DAC 디지털-아날로그 변환기

34 부구성요소들을 갖는 처리 알고리즘

341 거리 검출

342 d 발생

343 포인팅 검출

여기서, 아날로그 디모듈레이터들은 아날로그 수단에 의해 필터링된 검출기 신호들

을 발생하기 위해 사용된다. 저대역 신호들

은 정보의 손실 없이 낮은 속도로 샘플링될 수 있다. 이것은 검출기 어레이에 대한 인터페이싱을 단순화하는데 그 이유는 복조된 검출기 신호들이 적은 개수의/단일의 출력 라인으로 다중화될 수 있기 때문이다.

도 8은 스텝형 특징을 가로질러 주사(스캐닝)하기 위한 측정 거리의 예시적인 에러들을 나타낸다. 가로 좌표는 125 ㎛에 위치된 5 ㎛ 높이의 스텝형의 확산하여 반사하는 특징을 가로질러 주사할 때의 측정 위치를 나타낸다. 세로 좌표는 다양한 미세 표면 특징들에 대한 측정 거리를 나타낸다. 미세 특징들에 종속하여, 측정은 비물리적 오버- 및 언더슛 효과들(undershoot effects)을 나타낼 수 있다. 이들 측정 인공물들(artefacts)은 레이저 파장을 조정하면서 포인팅 방향을 관측하여 검출될 수 있다. 레이저 파장에 대한 포인팅 방향의 큰 감도를 나타내는 이들 측정들은 잠재적으로 배트-윙 효과로 고통받는 것으로 식별된다. 그러므로, 포인팅 방향은 레이저 파장에 대한 포인팅 방향의 감도가 미리 규정된 임계치를 초과하면 잠재적으로 배트-윙 효과로부터 고통 받는 것으로서 태깅되는(tagged) 기록 데이터에 의해 레이저의 주파수 변조 중 트래킹된다(tracked). 임계치는 파라미터로서 설정될 수 있고 또는 또한 현재 또는 이력 데이터(historic data)에 기초하여 자동으로 계산될 수 있다.

도 9는 확산하여 반사하는 스텝형 특징에 대한 몬테-카를로 분석(Monte-Carlo analysis)의 결과를 나타내고, 여기서 각각의 점은 특정 에러 대 포인팅 방향의 감도 대 파장(무게 중심의 변동)을 나타낸다. 만약 20 nm 이상의 무게 중심 변동을 갖는 측정들이 탈락된다면 최대 특정 에러는 그래프에 도시된 2개의 한계들로 제한될 수 있다. 이것은 레이저 파장에 대한 포인팅 방향의 감도와 측정 정밀도 간의 강한 상관을 입증한다.

Claims

적어도 하나의 파장 λ를 갖는 광학적 복사(optical radiation; 12)를 관측 타겟(11)에 전송하는 단계;
광축(OA)에서 상기 타겟(11)에 의해 후방 산란된 상기 광학적 복사(12)의 일부를 수신하는 단계로서, 상기 광학적 복사(12)는 스페클 필드(speckle field)를 형성하는, 광학적 복사(12)의 일부를 수신하는 단계;
수신된 상기 광학적 복사(12)를 적어도 하나의 수신된 신호로 변환하는 단계;
위상 상관성 제거 에러들의 보상으로 절대 또는 측정 간섭측정 거리 측정들에 의해 상기 수신된 신호로부터 상기 타겟(11)까지의 실제 거리(true distance)를 결정하는 단계;를 포함하는 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법에 있어서,
상기 광축(OA)에 대해, 상기 스페클 필드의 적어도 하나의 포인트에 대해 상기 간섭측정 측정의 포인팅 방향을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 스페클 필드는 특히 복수의 K 검출기들(23,45)을 이용하여 또는 상기 스페클 필드에 대해 적어도 하나의 검출기를 이동시킴으로써 적어도 부분적으로 분해되는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 1 항에 있어서,
포인팅 방향을 결정하는 단계는 대응하는 포인트까지의 포인팅 거리 d를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광학적 복사(12)는 복수의 파장들을,
복수의 이산 파장들(plurality of discrete wavelengths), 주파수 변조 연속파, 또는 백색광으로서 포함하는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 포인팅 방향들은 거리 산찰과 연관된 특정 시간 순간에 산출되고, 또는
상기 포인팅 방향들은 연속해서 추적되고 가중 평균(weighted average)이 결정되는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 포인팅 방향들은 특히 레이저 파장에 대한 포인팅 방향의 감도가 미리 규정된 임계치를 초과하고 있으면 특히 잠재적으로 배트-윙 효과(bat-wing effect)로부터 고통받는 태깅된(tagged) 기록 데이터로 상기 레이저의 주파수 변조 중 추적되는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수신된 광학적 복사(12)는 복수의 수신된 신호들 A_k로 병렬로 변환되고, 각각은
를 갖는 영역 D_k을 커버하고, 상기 검출기들(23, 45)은 상기 수신된 신호들
을 발생하고, 여기서 x는 영역 D_k의 공간 확장을 나타내는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 포인팅 방향은 수신된 신호들 A_k로부터 산출되는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 포인팅 거리들 d는 상기 복수의 수신된 신호들 A_k의 합
에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
처음에 상기 포인팅 거리들 d은 복수의 수신된 신호들의 상기 합
에 기초하여 산출되고,
이어서 위상-오프셋
이 저대역 인터페로그램 신호들
을 발생하기 위해 제거되고,
상기 포인팅 방향은 개별적으로 신호들
로부터 산출되는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
스페클 상관관계 구조(speckle correlation structure)가 추정(assumed)되거나 결정되는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 스페클 상관관계 구조는 재료 종속성들을 보상하기 위해 상기 타겟 재료들에 따라 변경되는(adapted) 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기에서의 스페클 경감 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 청구된 방법을 행하기 위한 간섭 거리 측정기로서,
적어도 하나의 파장 λ을 갖는 광학적 복사(12)를 관측 타겟(11)에 전송하기 위한 복사 소스(16);
광축(OA)에서 상기 타겟(11)에 의해 후방 산란된 상기 광학적 복사(12)의 일부를 수신하고 수신된 상기 광학적 복사(12)를 적어도 하나의 수신된 신호로 변환하기 위한 수신기(15)로서, 상기 수신기(15)는 상기 스페클 필드에 대해 적어도 하나의 검출기를 이동시키기 위한 특히 스캐닝 장치(scanning device) 또는 다수의 K 검출기들(23, 45)로 스페클 필드를 적어도 부분적으로 분해하도록 되어 있는, 수신기(15);
간섭계 셋업(interferometer setup); 및
위상 상관성 제거 에러들의 보상으로 상기 수신된 신호로부터 상기 타겟까지의 실제 거리를 결정하기 위한 거리 산출기(251, 471)를 갖는 신호 처리 유닛(25, 47)을 포함하며,
상기 광축(OA)에 대해 포인팅 방향들을 결정하고 적어도 부분적으로 상기 스페클 필드를 분해하기 위한 포인팅 방향 산출기(255)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기.
제 12 항에 있어서,
상기 수신기(15)는 상기 검출기 신호들
을 개별적으로, 특히 디지털적으로 획득하기 위해 K 채널들을 가진 다중-채널 데이터-획득 시스템(multi-channel data-acquisition system)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기.
제 12 항에 있어서,
인터페로그램 신호들
을 발생하기 위한 아날로그 디모듈레이터들(321)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기.
제 12 항에 있어서,
상기 수신기(15)는 단일-스페클 이미지를 분해하기 위한 쿼드런트 검출기(quadrant detector)를 형성하는 4개의 검출기들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 간섭 거리 측정기.