KR20170109004A - 광학 3차원 스캐너 및 이의 사용 방법 - Google Patents

광학 3차원 스캐너 및 이의 사용 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170109004A
KR20170109004A KR1020177023898A KR20177023898A KR20170109004A KR 20170109004 A KR20170109004 A KR 20170109004A KR 1020177023898 A KR1020177023898 A KR 1020177023898A KR 20177023898 A KR20177023898 A KR 20177023898A KR 20170109004 A KR20170109004 A KR 20170109004A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
housing
light beam
optical
optical scanner
scan
Prior art date
Application number
KR1020177023898A
Other languages
English (en)
Inventor
제임스 에프 먼로
마이클 에프 폴리
존 브룩스 주니어 리스
체이스 올레
Original Assignee
애드콜 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 애드콜 코포레이션 filed Critical 애드콜 코포레이션
Publication of KR20170109004A publication Critical patent/KR20170109004A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4813—Housing arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4911—Transmitters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Abstract

광학 스캐너는 하우징 내에 위치한 광원을 포함한다. 애퍼처를 갖는 레티클은 광원으로부터 방출된 제1 광빔을 수신하기 위해 하우징 내에 위치된다. 레티클은 애퍼처를 통해 제2 광빔을 투과하도록 구성된다. 미러는 레티클로부터 투과된 제2 광빔을 수신하고 하우징의 제1 윈도우를 통해 제2 광빔을 물체의 관심 표면 상으로 반사시키도록 하기 위해 하우징 내에 위치된다. 광 수신기는 하우징 내의 제2 윈도우를 통해 물체의 관심 표면으로부터 제3 광빔을 수신하도록 구성되며, 광 수신기는 물체의 관심 표면의 파라미터를 결정하기 위해 하나 이상의 광 위치 값을 얻도록 구성된다. 광학 스캐너를 이용하여 물체의 3차원 이미지를 생성하는 방법이 또한 개시된다.

Description

광학 3차원 스캐너 및 이의 사용 방법
본 출원은 2015년 1월 30일에 출원된 U.S. 가 특허 출원번호 62/110,155 및 2015년 4월 21일에 출원된 U.S. 가 특허 출원번호 62/150,705에 대한 우선권을 주장하며, 이들 모두는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
본 기술은 전반적으로 광학 스캐닝 디바이스 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고속, 고정밀 3차원 광학 스캐너 및 이의 사용 방법에 관한 것이다.
거의 모든 제조된 물체는 이들이 제작된 후에 검사될 필요가 있다. 검사를 위해 요구되는 측정을 하기 위해 종종 촉각 감지 디바이스가 이용된다. 그러나, 촉각 감지 디바이스는 복잡한 디바이스, 특히 다수의 정밀 표면, 또는 촉각 프로브로 쉽게 도달할 수 없는 표면을 가진 디바이스를 정확하게 측정할 수 있는 능력에 한계가 있을 수 있다. 다양한 광학 디바이스가 제작중에 및 제작후에 검사를 위해 개발되어졌다. 이들 광학 디바이스의 대다수는 부품 표면을 스캔하고 부품의 제한된 거리 또는 부품의 표면 영역에 대해 부품의 표면 프로파일을 결정할 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 종래 기술의 광학 스캐너(1)를 고찰한다. 스캐너(1)는, 리드 스크류(lead screw)(11)에 결합된 제1 모터(10)와, 제2 모터(7) 및 다각형 미러(6)에 결합되는 나사 커플러(threaded coupler)(12)로 구성된다. 스캐너(1)는 또한 레이저(21), 포커싱 렌즈(19), 및 이미지 센서(3)를 포함한다. 이들 모든 구성요소는 하우징(2) 내에 패키지된다. 동작에서, 제1 모터(10)는 나사 커플러(12), 제2 모터(7), 및 다각형 미러(6)가 축(axis)(22)을 따라 좌우로 병진되도록 한다. 또한, 제2 모터(7)는 다각형 미러(6)가 축(22)에 관하여 회전하도록 하고, 축(22)에 관한 다각형 미러(6)의 각도 방위는 각도 엔코더(8)에 의해 측정된다. 레이저(21)는, 작동되었을 때, 회전하는 다각형 미러(6)에 입사하는 레이저 빔(20)을 방출하고, 이의 반사된 빔(23)은 윈도우(13)을 통해 하우징(2)에서 빠져 나간다. 이어, 반사된 빔(23)은 표면 토포그래피가 측정되어질 테스트 물체(15)에 입사한다.
제1 모터(10) 및 제2 모터(7) 둘 모두가 작동될 때, 반사된 빔(23)은 테스트 물체(15) 상의 관심 영역에 래스터 패턴(도시되지 않음)을 표시해 낼 것이다. 이어, 테스트 물체(15) 상의 래스터 패턴으로부터 반사된 반사광(18)은 반사광(18)을 이미지 센서(3) 상의 위치(4)에 포커스를 맞추게 하는 포커싱 렌즈(19)를 통과한다. 제2 엔코더(8)에 의해 제2 모터(7)의 회전 위치 및 제1 엔코더(16)에 의해 제1 모터(10)의 회전 위치 뿐만 아니라, 포커스 위치(4)를 앎으로써, 당업계에 널리 공지된 삼각측량 알고리즘의 적용에 의해 래스터 상의 각 위치에 대한 테스트 표면(15)의 높이 "HPO"를 계산할 수 있다.
종래 기술에는 몇 가지 한계가 있다. 첫째, 광원으로서 레이저가 채용되는데, 이는 레이저 광에 존재하는 높은 레벨의 코히런스로 인해 스페클 노이즈를 야기한다. 이 스페클 노이즈는 궁극적으로 이미지 센서(3)에 의해 생성된 신호의 신호 대 노이즈 비를 감소시켜, 위치(4)의 불확실성 레벨 및 궁극적으로 높이(HPO)의 불확실성 레벨을 증가시킨다. 두 번째로, 테스트 물체(15)에 걸쳐 스캐닝된 광의 스폿은 테스트 물체(15) 상의 스폿의 실제 위치에 관한 최소한의 정보를 제공하는 비-편심 타원형 또는 심지어 원형의 단면을 가지며, 이의 작은 둘레 -및 위치 센서(3) 상의 겉보기 위치- 는 테스트 물체(15)의 표면 내 또는 표면 상에 존재하는, 결함, 오물, 툴링 마크, 등에 의해 변질될 수 있다. 세 번째로, 삼각측량 알고리즘의 정밀도는, 전부 정밀하게 캘리브레이트하기가 어렵거나 불가능한 것들인 제1 엔코더(8), 제2 엔코더(16) 및 다각형 미러(6)의 표면 정밀도의 전기-광학-기계적 공차에 좌우된다. 네 번째로, 2개의 전기 모터(7, 10)가 채용되기 때문에, 스캐너(1)는 스캐너의 내부가 가열되게 하여 이에 따라 스캐너의 내부 구성요소가 하우징(2)의 비-제로 열팽창 계수(CTE) 때문에 이동되게 하는, 상당 량의 전력을 소비할 것이다. 특히, 이미지 센서(3) 및 포커싱 렌즈(19)의 움직임은 포컬 위치(4)가 부정확한 위치에 놓이게 하고, 따라서 HPO의 잘못된 계산에 이르게 할 것이다. 마지막으로, 모터(7, 10)가 채용되기 때문에, 스캐너(1)는 콤팩트하지 않을 것이며, 모터의 제한된 수명 때문에 신뢰성이 떨어질 것이다.
광학 스캐너는 하우징 내에 위치된 광원을 포함한다. 애퍼처를 갖는 레티클은 광원으로부터 방출된 제1 광빔을 수신하기 위해 하우징 내에 위치된다. 레티클(reticle)은 애퍼처(aperture)를 통해 제2 광빔을 투과하도록 구성된다. 미러는 레티클로부터 투과된 제2 광빔을 수신하고 하우징의 제1 윈도우를 통해 제2 광빔을 물체의 관심 표면 상으로 반사시키도록 하우징 내에 위치된다. 광 수신기는 하우징 내의 제2 윈도우를 통해 물체의 관심 표면으로부터 제3 광빔을 수신하도록 구성되며, 광 수신기는 물체의 관심 표면의 파라미터를 결정하기 위해 하나 이상의 광 위치 값을 얻도록 구성된다.
물체의 3차원 이미지를 생성하는 방법은 광학 스캐너를 제공하는 단계를 포함한다. 광학 스캐너는 하우징 내에 위치된 광원을 포함한다. 애퍼처를 갖는 레티클은 광원으로부터 방출된 제1 광빔을 수신하도록 하우징 내에 위치된다. 레티클은 애퍼처를 통해 제2 광빔을 투과하도록 구성된다. 미러는 레티클로부터 투과된 제2 광빔을 수신하고 하우징 내의 제1 윈도우를 통해 제2 광빔을 물체의 관심 표면 상에 반사시키도록 하기 위해 하우징 내에 위치된다. 광 수신기는 하우징 내의 제2 윈도우를 통해 물체의 관심 표면으로부터 제3 광빔을 수신하도록 구성된다. 광 수신기는 물체의 관심 표면의 파라미터를 결정하기 위해 하나 이상의 광 위치 값들을 획득하도록 구성된다. 광학 스캐너는 물체에 관련하여 위치된다. 제3 광빔이 광 수신기에 의해, 관심 표면으로부터 수신된다. 물체의 관심 표면의 파라미터는 물체의 관심 표면으로부터 수신된 제3 광빔에 기초하여 결정된다.
본 기술은 유리하게는 협소한 공간에 위치된 표면을 측정하도록 된 콤팩트한 광학 스캐너를 제공한다. 스캐너는 크로스-헤어 이미지를 표면에 걸쳐 스캔하게 하는 MEMS(마이크로-전기기계식 시스템) 미러를 통해 관심 표면에 이미지화될 크로스-헤어 레티클을 조명하는 광원으로 구성된다. 표면에 걸친 크로스-헤어 스캐닝에 의해 반사되거나 산란된 광은 텔레센트릭 렌즈에 의해 수집되어 이미지 센서 상에 이미지화된다. 이어, 이미지 센서의 크로스-헤어 이미지가 판독되고 디지털 처리되어 크로스-헤어의 중심의 위치(즉, 두 암이 교차하는 위치)를 찾는다. MEMS 미러의 각도 방위 및 해당 위치를 안다는 것은 삼각측량 알고리즘을 통해 테스트 물체의 높이가 계산되는 것을 허용한다. 표면에 걸쳐 크로스-헤어를 스캔하고 3D 공간에서 그 위치를 계산함으로써 표면의 맵이 신속하게 구성될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 3차원 스캐너의 측면도이다;
도 2는 3차원 광학 스캐너의 일 예의 측면도이다;
도 3은 3차원 광학 스캐너의 예의 평면도이다;
도 4는 3차원 광학 스캐너의 예의 블록도이다;
도 5a 내지 도 5m은 3D 스캐닝되는 물체에 투사된 기하학적 패턴으로서 사용될 수 있는 여러 개의 레티클 패턴을 도시한다;
도 6은 크랭크 샤프트의 측면도이다;
도 7은 크랭크 샤프트의 언더컷 부분을 강조표시한, 도 6의 크랭크 샤프트의 확대된 부분이다;
도 8은 측정 위치에서 측정되는 언더컷에 대한 3차원 광학 스캐너의 위치를 도시한 도면이다;
도 9는 스캐너의 소스 암에서 광선의 전파를 도시하는 3차원 광학 스캐너의 예의 광선 도면이다;
도 10은 스캐너의 이미징 암에서 광선의 전파를 도시하는 3차원 광학 스캐너의 예의 광선 도면이다;
도 11은 스캐너의 소스 암 내의 스캔 미러로부터 반사될 때의 광의 기하학적 형상을 도시하는 도면이다;
도 12는 스캐너의 이미지 암의 렌즈를 통과할 때의 광의 기하학적 형상을 도시하는 도면이다;
도 13은 3D 스캐너가 마운트에 어떻게 부착될 수 있는지를 도시하는 도면이다;
도 14는 3D 스캐너의 텔레센트릭 렌즈가 어떻게 캘리브레이트될 수 있는지를 도시하는 도면이다;
도 15a, 도 15b 및 도 15c는 도 14에 도시된 구성으로 캡쳐된 캘리브레이트 도트의 이미지이다;
도 16은 크랭크 샤프트와 같은 테스트 물체가 어떻게 병진 및 회전 위치설정을 위해 장착될 수 있는지를 도시하는 도면이다;
도 17a, 도 17b 및 도 17c는 미러 각도 θ의 3개의 상이한 스캔 위치를 갖는 오목한 테스트 표면 상의 투사된 크로스-헤어의 3개의 도면이다;
도 18은 3D 광학 스캐너의 일 실시예에 따른 크랭크 샤프트 오일-홀 챔퍼 측정을 도시하는 도면이다;
도 19는 3D 광학 스캐너의 대안적 실시예에 따른 크랭크 샤프트 오일-홀 챔퍼 측정을 도시하는 도면이다;
도 20은 3D 광학 스캐너의 실시예에 따른 크랭크 샤프트 언더컷 측정을 도시하는 도면이다; 및
도 21은 3D 광학 스캐너의 대안적 실시예에 따른 크랭크 샤프트 언더컷 측정을 도시하는 도면이다.
본 기술의 예시적 광학 스캐닝 시스템(30)이 도 2-도 4에 도시되었다. 광 스캐닝 시스템(30)은, 스캔-헤드(31)가 다른 구성에서 다른 수 및 유형의 구성요소들을 포함할 수 있을지라도, 광원(32), 기판(34)을 갖는 레티클(36), 미광 배플(38), 투사 렌즈(40), TIR(내부 전반사) 직각 프리즘(42), MEMS 미러(46)를 가진 MEMS 디바이스(44), 제1 윈도우(48), 제2 윈도우(54), 텔레센트릭 이미징 렌즈의 제1 렌즈 요소(56), 폴딩 미러(58), 텔레센트릭 렌즈와 연관된 애퍼처 조리개(60), 텔레센트릭 이미징 렌즈의 제2 렌즈 요소(62), 광학 필터(64), 이미지 센서(66), 및 엔클로저(70)를 포함하는, 스캔-헤드(31)를 포함한다.
도 4의 전기 블록도에 도시된 바와 같이, 광학 스캐닝 시스템(30)은, 광학 스캐닝 시스템(30)이 다른 구성에서 다른 수 및 유형의 구성요소를 포함할 수 있을지라도, 병진 스테이지(76), 회전 스테이지(78), 수직 MEMS 드라이버(80V), 수평 MEMS 드라이버(80H), 이미지 디지타이저(82), 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84), 및 캘리브레이트 마이크로디스플레이(130)를 더 포함한다. 광학 스캐닝 시스템(30)은 단지 예시로서 테스트 물체(51)의 테스트 표면(52)의 표면 프로파일 또는 토포그래피를 측정하기 위해 테스트 물체(51)를 스캔하기 위해 이용될 수 있다.
본 기술은 협소한 공간 환경에서 표면을 측정할 수 있고 콤팩트한 고속, 고정밀, 고-해상도 표면 프로파일링 방법 및 시스템을 제공하는 것을 포함한 다수의 이점을 제공한다. 이 예시적 기술은 장거리 또는 프로파일이 수 마이크론 정확도 이내로 측정되어야 하는, 크랭크 샤프트 또는 캠샤프트와 같은 복잡한 물체의 3D 맵을 생성하기 위해 이용될 수 있는 3D 광학 스캐너를 제공하는 것을 포함한 다수의 이점을 제공한다. 또한, 3D 광학 스캐너의 이 예의 소형 폼-팩터 설계 구성은 이러한 복잡한 물체의 리세스를 측정할 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 스캔-헤드(31)는, (1) 소스 암이 다른 조합으로 추가의 광학 기구(optics)와 같은 다른 요소를 포함할 수 있을지라도, 광원(32), 기판(34)을 갖는 레티클(36), 미광 배플(38), 투사 렌즈(40), TIR 직각 프리즘(42), MEMS 미러(46)를 갖는 MEMS 디바이스(44), 및 제1 윈도우(48)를 포함하는, 소스 암; 및 (2) 이미징 암이 다른 조합으로 추가의 광학 기구와 같은 다른 요소를 포함할 수 있을지라도, 제2 윈도우(54), 텔레센트릭 이미징 렌즈의 제1 렌즈 요소(56), 폴딩 미러(58), 텔레센트릭 렌즈와 관련된 애퍼처 조리개(60), 텔레센트릭 이미징 렌즈의 제2 렌즈 요소(62), 광학 필터(64), 및 이미지 센서(66)를 포함하는, 이미징 암인, 2개의 개별적인 광학 서브-시스템을 포함한다. 소스 암은 광학 신호를 생성하여 테스트 표면(52)을 갖는 테스트 물체(51) 상에 투사하고, 이미징 암은 광학 신호의 반사를 수집하여 이를 이미지 센서(66) 상에 이미징한다. 또한 도 2을 참조하면, 좌표 시스템은 X축이 스캔-헤드(31)의 축을 따르고, Y축이 스캔-헤드(31)의 변쪽으로 있고, Z축이 스캔-헤드(31)를 관통하여 위-아래로 이어지는 것으로 정의된다.
다시 도 2를 참조하면, 광원(32)은, 단지 예로서 반도체 레이저와 같은 다른 광원이 이용될 수 있을지라도, 엔클로저(70) 내에 위치된 발광 다이오드(LED)를 포함한다. LED 광원(32)은 유리하게 20nm 정도의 광학 대역폭을 제공하며, 따라서 최종 이미지에서 보이는 스페클을 본질적으로 제거하는 낮은 코히런스를 갖는 광빔을 제공한다.
광원(32)의 방출 파장은, 500nm 미만과 같은 작은 보다 짧은 파장 범위에서 방출하는 LED가 광원(32) 용으로 이용될 수 있을지라도, 실리콘 이미지 센서(66)에 대해 350nm 내지 1100nm 사이와 같이 이미지 센서(66)가 감응하는 임의의 파장일 수 있다. 짧은 파장은 이들이 좁은 크로스-헤어 레티클을 통과할 때, 특히 크로스-헤어 슬릿의 폭이 10 ㎛ 미만이라면, 회절을 덜 야기하는 잇점이 있다. 또한, 광원(32)의 LED 방출 파장은 캘리브레이트 마이크로디스플레이(130)의 방출 파장을 또한 통과해야 하는 광학 필터(64)의 광학 통과대역과 일치하게 해야 한다. 즉, 광원(32)의 방출 파장은 캘리브레이트 마이크로디스플레이(130)의 방출 파장과 실질적으로 일치해야 한다. 본 기술에서 채용된 비-단색 캘리브레이트 마이크로디스플레이(130)의 청색 방출은 450nm 내지 455nm 영역에 방출을 가졌음이 실험적으로 결정되었다. 광원(32)은, 광원(32)이 다른 파라미터를 가질 수 있을지라도, 광학 스캐너(30)의 소형 폼 팩터에 기여하도록 물리적으로 작고, 20°미만의 좁은 각 방출 엔벨로프를 가지며, 따라서 레티클(36)은 과도하게 오버필되지 않아, 낮은 투과율 및 광학적 비효율을 초래할 것이다. 광원(32)을 위한 적합한 LED 광원의 한 예는, 다른 공급처의 다른 광원이 또한 이용될 수 있을지라도, 453nm의 주요 방출 파장을 갖는 오스람 옵토 세미컨덕터(독일 뮌헨)의 LD CN5M LED이다.
광원(32)은 광원(32)이 하우징(70) 내에 공간적으로 그리고 각을 갖고 정지한 채로 있게 하우징(70) 내에 확고하게 위치된다. 광원(32)에 의해 생성된 광은, 다른 유형 및/또는 수의 광빔이 사용될 수 있을지라도, 연속파 빔일 수 있다. 예를 들어, 광원(32)에 의해 방출된 광은 펄스일 수 있고, 펄스 광은 측정될 광을 배경 광과 구별하기 위해 포토센서 또는 이미지 센서(66)에 의해 이용될 수 있다. 광원(32)으로부터 방출된 광의 진폭은 또한, 광원(32)의 다른 특징이 매핑되는, 테스트 표면(52)에 관계된 다른 인자에 기초하여 조정될 수도 있을지라도, 테스트 표면(52)의 반사성 및 표면 텍스처에 기초하여 조정될 수 있다.
또 다른 예에서, 광원(32)으로서 반도체 레이저가 이용될 수 있다. 예로서, 레이저 광원은 스캔-헤드(31)의 소형 폼 팩터에 기여하게 직경이 대략 5.6mm인 하우징 내에 패키징될 수 있다. 레이저 어셈블리는, 광원(32)이 하류측에 레티클(36)을 임계적으로 필(fill)하거나 오버필하는 발산 빔과 같은 추가의 특징을 가진 광빔을 제공하기 위한 추가의 광학 기구를 포함할 수 있을지라도, 레이저로부터의 출력 광이 시준되고 직경이 100 ㎛ 미만이 되게 포커싱 렌즈 및 애퍼처를 더 포함할 수 있다. 레이저 광원은, 광원이, 단지 예로서, 적외선 광 또는 1310-1550nm 범위에서 눈에 본질적으로 안전한 광을 방출할 수 있을지라도, 이미지 센서(66)가 이를테면 350nm 내지 1100nm의 범위 내 광, 또는 600nm 내지 670nm의 범위 내 적색광, 또는 420nm 내지 500nm의 범위 내의 청색광과 같은 가시광에 반응하는 광을 방출할 수 있다. 예로서, 3D 광학 스캐너(30)가 CDRH 클래스 II 디바이스이거나 더 안전하도록 레이저 광원이 이용될 수 있다.
일단 도 4를 참조하면, LED와 같은 광원(32)은 D/A 컨버터(27)에 결합되는 드라이버(29)에 전기적으로 결합된다. 드라이버(29)는 본질적으로, D/A 컨버터(27)에 의해 출력된 전압에 응답하여 광원(32)에 전력을 공급하거나 구동시키는 특정 전류를 출력하는 상호컨덕턴스 증폭기이다. D/A 컨버터(27)의 출력 전압은 전형적으로 0.0(완전 오프) 내지 5.0V(최대 광원(32) 전력)의 범위에 있고, LD CN5M LED 광원의 최대 전력 전류가, 예로서, 250mA이기 때문에, 드라이버(29)의 상호컨덕턴스 이득은 20 amps/볼트이다. 드라이버(29)의 대역폭은, 드라이버(29)에 의해 생성된 출력 전류가 시간과 온도 변화에 대해 안정적이도록 드라이버가 양호한 열적 및 시간적 안정성을 가져야할지라도, 몇 백 헤르츠 미만으로, 비교적 좁을 수 있다.
일 예에서, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 광원(32)을 구동하는 전류(및 결과적으로 광원(32)에 의해 출력된 광의 양)를 제어한다. 이것은 테스트 표면(52)의 텍스처에 따라 다를 수 있는, 이미지 센서(66) 상의 이미지의 밝기를 제어할 수 있게 한다. 예를 들어, 테스트 표면(52)이 폴리싱된다면(즉, 매우 온화한 텍스처를 갖는다), 테스트 표면(52)으로부터 확산 반사되어 스캔-헤드(31)의 이미징 암에 들어가는 광의 양은 매우 작을 것이며, 이 경우, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 광 출력을 증가시켜 이미지 센서(66) 상의 이미지의 밝기를 증가시키기 위해 광원(32)에 대해 하나 이상의 명령을 제공할 것이다(D/A 컨버터(27) 및 드라이버(29)를 통해). 한편, 테스트 표면(52)이 그라운드된다면(즉, 보다 공세적 텍스처), 테스트 표면(52)으로부터 확산 반사되어 스캔-헤드(31)의 이미징 암에 들어가는 광의 양은 더 커질 것이며, 이 경우, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 이미지 센서(66)가 이미지의 크로스-헤어 섹션에서 포화되지 않도록 이미지 센서(66) 상에 이미지의 밝기를 감소시키기 위해서 광 출력을 감소시키기 위해 광원(32)에 하나 이상의 명령을 제공할 것이다(D/A 컨버터(27) 및 드라이버(29)를 통해).
D/A 컨버터(27)는, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)로부터 하나 이상의 디지털 명령을 수신하고 디지털 명령에 응답하여 아날로그 전기 신호를 출력하도록 구성된다. 일반적으로 아날로그 출력 신호는 전압이며, 양호한 시간적 및 안정성 특성을 갖는다. 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)로부터의 디지털 명령은, 다른 통신 방법이 이용될 수 있을지라도, USB 버스와 같은 직렬 버스 또는 병렬 데이터 버스를 통해 D/A 컨버터에 전송될 수 있다. D/A 컨버터(27)의 비트단위 해상도는 예로서 8, 10, 12, 14, 16, 20 또는 심지어 24 비트일 수 있다. 일 예에서, 비트단위 해상도는 코스트와 해상도 간에 양호한 트레이드-오프를 제공하는 12비트이다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 광원(32)은 LED 광원(32)에 의해 방출된 광이 기판(34) 상에 제작된 레티클(36) 상에 지향되도록 위치된다. 기판(34)은 LED 광원(32)에 의해 방출된 광에 대해 실질적으로 투명하다. 기판(34)은 또한 고형이고, 실질적으로 광학적으로 매끄러운 입력 및 출력 표면을 가지며, 기판(34)이 다른 특징을 가질 수 있을지라도, 넓은 온도 범위 및 스캔-헤드(31)의 수명에 걸쳐 치수적으로 안정하다. 기판(34)은 이 위에 설치된 레티클(36)의 재료와 양립가능한 재료로 구성된다. 일 예에서, 기판(34)은 광 투과율을 향상시키고 후방-반사된 미광의 양을 감소시키기 위해 입력 표면 상에 설치된 반사방지 코팅을 갖는다. 반사방지 코팅은 레티클(36)이 구성되는 재료와 양립가능하다면, 동일한 이유로 출력 표면 상에 설치될 수 있다. 예로서, 기판(34)은 폴리머 재료로 구성될 수 있는데, 이를테면 용융 실리카 유리 또한 이용될 수 있다.
기판(34) 상에 설치되는 레티클(36)은 도 5c에 도시된 바와 같이, 크로스-헤어 패턴(35)(1)과 같이 테스트 표면(52) 상에 후속하여 투사되는 투과 패턴을 제외하고 LED 광원(32)에 의해 방출된 광에 대해 불투명한데, 그렇지만, 도 5a에 도시된 바와 같은 원형 또는 타원형 도트(35(2)), 도 5b에 도시된 바와 같은 원형 또는 타원형 불-아이(35(3)), 도 5d에 도시된 바와 같은 중앙 도트(35(4))를 가진 크로스-헤어, 도 5e에 도시된 바와 같은 체커보드 패턴(35(5)), 도 5f에 도시된 바와 같은 크로스 패턴(35(6)), 도 5g에 도시된 바와 같은 박스 크로스-헤어(35(7)), 도 5h에 도시된 바와 같은 중앙이 빈 크로스-헤어(35(8)), 도 5g에 도시된 바와 같은 원형 또는 타원형 도트(35(9))의 어레이, 도 5h에 도시된 바와 같은 중앙에 정사각형 또는 직사각형(35(10)), 도 5i에 도시된 바와 같은 정사각형 또는 직사각형의 어레이(35(11)), 도 5j에 도시된 바와 같은 해시-태그 패턴(35(12)), 도 5k에 도시된 바와 같은 삼각형 크로스-헤어(35(13)), 도 5l에 도시된 바와 같은 중앙 정사각형(35(14))을 갖는 직사각형 크로스-헤어, 또는 도 5m에 도시된 바와 같은 타원형 크로스-헤어(35(15))와 같이, 다양한 종류의 레티클 패턴이 채용될 수 있는데, 그렇지만 위에 패턴들의 조합 또는 순열로 구성된 다른 패턴 또한 이용될 수 있다.
크로스-헤어(35(1))와 같은 이용된 투과 패턴은, 테스트 표면(52) 상에 투사되고 이어 이미지 센서(66) 상에 이미지화될 때 패턴의 중심의 양호한 위치를 제공하는 이미지 처리 알고리즘과 쌍이 될 수 있다. 레티클(36)의 불투명 부분은 상대적으로 얇아서 레티클(36)은, 광을 반사하여 테스트 표면(52) 상에 레티클(36)의 투사된 이미지를 흐리게 할 수 있는 측벽을 가지지 않는다. 또한, 불투명한 부분은, 원하는 패턴의 일부인 것처럼 보여 하류에 이미지 처리 및 위치파악 알고리즘을 혼란시킬 수 있는 핀-홀 및 이외 다른 투과성 결함이 없어야 할 것이다.
레티클(36)은 다른 프로세스가 또한 이용될 수 있을지라도, 일반적으로 피착 프로세스로 기판(34) 상에 설치된다. 레티클(36)의 불투명 재료는 LED 광원(32)에 의해 방출된 광에 대해 흡수성일 수 있고, 혹은 반사성일 수 있다. 흡수성 재료는 이미지의 글린트 또는 감소된 콘트라스트를 유발하는 미광의 가능성을 감소시킨다.
예로서, 레티클(36)이 제작되는 재료는, 다른 재료 또한 이용될 수 있을지라도, 크롬 또는 블랙 크롬일 수 있다. 일 예에서, 레티클(36)이 기판(34)의 출력 표면 상에 설치되는 대신에, 기판(34)의 입력 표면 상에 설치될 수 있다. 대안적으로, 레티클(36)은 기판(34)이 제거될 수 있도록 보다 두껍고 자체-지지되게 할 수 있다.
미광 배플(38)은, MEMS 디바이스(44)에 도달하고 MEMS 미러(46)에 입사하지 않는 어떠한 광이든 글린트를 야기하거나 테스트 표면(52) 상의 크로스-헤어 이미지의 콘트라스트를 감소시킬 수 있는 미광을 발생할 것이기 때문에, 투사된 광(도 9의 108)이 MEMS 미러(46)를 오버필하지 않음을 보장하기 위해 레티클(36)과 MEMS 미러(46) 사이의 광학 경로에 설치된다. 이와 같이, 예로서, 미광 배플(38)이 투사 렌즈(40) 바로 다음에, 혹은 직각 프리즘(42)의 바로 다음에 설치될 수도 있을지라도, 미광 배플(38)은 투사 렌즈(40) 바로 앞에 배치될 수 있고, 이의 애퍼처는 중심을 실질적으로 광원(32)의 축(72)에 둔다.
애퍼처가 다각형과 같은 다른 구성을 가질 수 있더라도, 미광 배플(38)은, 이를 통과하는 광(도 9의 106)이 MEMS 미러(46)에서 원형 단면 형상을 갖게 하여 광이 MEMS 미러(46)를 약간 언더-필하게, 형상이 타원형이고 Z 방향으로보다 Y 방향으로 더 넓은 애퍼처를 갖는다. 이 예에서, 다른 축 길이가 이용될 수 있을지라도, Y 방향으로 타원의 장축은 4.2mm이고, Z 방향으로 단축의 길이는 3.4mm이다. 미광 배플(38)은, 미광 배플(38)의 광학적-기계적 공차가 레티클(36)보다 덜 임계적이기 때문에, 미광 배플(38)이 폴리머와 같은 임의의 자체-지지 불투명 재료로 만들어질 수 있고 또는 애퍼처가 제공된 시트 금속이 양호한 충실도로 재료에 절단 또는 스탬핑될 수 있을지라도, 기판(34) 및 레티클(36)처럼 청정 기판 및 불투명 코팅으로부터 만들어질 수 있다.
직각 프리즘(42)은 투사된 광빔(도 9의 106)의 광학 경로에 배치되고, 투사된 광빔을 반사시키는 미러로서 동작한다. 즉, 직각 프리즘(42)의 단변에 입사하고, 이어 직각 프리즘(42)의 사변에 입사하며, 이어 광은 TIR되어 직각 프리즘(42)의 제2 단변으로 반사되고, 이어 직각 프리즘(42)에서 빠져 나간다. 직각 프리즘(42)은, 폴리머와 같은 다른 재료가 이용될 수 있을지라도, 요망되는 기하형상으로 가공되고 폴리싱된, BK7 유리 또는 용융 실리카 유리와 같은, 유리와 같은, LED 광원(32)에 의해 방출된 광에 대해 투과성인 임의의 재료로부터 만들어질 수 있다.
직각 프리즘(42)의 입력면 및 출력면의 크기는 미광 배플(38)의 애퍼처 크기에 의해 제한되는, 투사된 광빔의 전체 단면적을 수용하기에 충분히 커야 하는데, 상기 타원 애퍼처는 위에서 논의한 바와 같이 장축 및 단축이 4.2mm 및 3.4mm이다. 이들 치수가 주어지면, 일 예에서, 직각 프리즘(42)은 5mm x 5mm의 단변 크기를 갖는다. 예를 들어, 직각 프리즘(42)은, 다른 직각 프리즘이 이용될 수 있을지라도, OptoSigma(Santa Ana, California, USA)의 RPB1-05-550 직각 프리즘일 수 있다.
직각 프리즘(42)은 45°-90°-45°의 명목상 프리즘 각도를 가지지만, TIR이 사변에서 유지되는 한, 프리즘은 직각 프리즘일 필요는 없으며, 40°-100°-40°와 같은 대안적 각도를 가질 수 있다. 테스트 표면(52) 상에 크로스-헤어(35(1))의 바람직하지 않은 고스트 이미지를 초래할 수 있는 투사된 광빔의 원하지 않는 광 반사를 방지하기 위해 직각 프리즘(42)의 입력면 및 출력면 모두에 반사방지(A/R) 코팅이 설치된다. 다른 예에서, 직각 프리즘(42)은 제1 표면 미러 또는 제1 표면 상에 양호한 A/R 코팅을 갖는 제2 표면 미러로 대체될 수 있다.
MEMS 디바이스(44)는 정전기 액추에이터(미도시) 및 정전기 액추에이터에 의해 생성된 정전기 필드에 응답하여 피벗 포인트를 중심으로 회전하는 MEMS 미러(46)를 포함한다. 즉, 한쌍의 인가된 전압에 응답하여, MEMS 미러(46)는 MEMS 디바이스(44)의 2개의 개별 축에 관하여 회전하도록 만들어 질 수 있다. MEMS 미러(46)의 각도 방위를 제어하고 MEMS 미러(46)의 각도 방위를 신속하게 변화시키는 능력은 MEMS 미러(46)로부터 반사될 때 투사된 LED 광(도 9의 108)이 스캔되게 하는 능력을 제공한다. 이어, 이 반사된 스캐닝 투사광(도 9의 110)은 MEMS 미러(46)의 변화하는 각도 방위에 따라 관심 표면(52)에 걸쳐 스캐닝된다.
MEMS 디바이스(44)는 다양한 회전 가능한 미러 크기, 스캔 속도, 스캔 공진 주파수, 및 스캔 파워로 사용이 가능하다. 또한, MEMS 디바이스(44)는 스캔 미러(44)가 -하나 또는 두 개의 축에서- 바람직한 주파수로 진동 또는 공진하는 공진 모드에서 동작할 수 있고, 또는 MEMS 미러의 각도 방위(46)가 수직 MEMS 드라이버(80V) 또는 수평 MEMS 드라이버(80H) 및 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 의해 스텝-리피트 모드에서 특정 위치에 코맨드되는 점 대 점 모드에서 동작할 수 있다. MEMS 미러(46)의 정확한 각도 방위를 확인하기 위해 피드백 메카니즘(미도시)이 제공될 수 있거나, 또는 피드백 메커니즘의 이점없이, 대신 위치설정을 위한 기정의된 캘리브레이트 파라미터에 의존하여, 동작할 수 있다.
MEMS 미러(46)는 일반적으로 둥근 둘레를 가지며, 다른 공급처로부터 다른 미러 크기가 이용될 수 있을지라도, Mirrorcle Technologies(Richmond, California, USA)로부터 0.8mm 내지 5.0mm의 직경으로 이용가능하다. 일 예에서, MEMS 디바이스(44)의 위치에서 투사된 광빔의 폭보다 약간 큰, 직경 4.2mm를 갖는 MEMS 미러(46)가 이용될 수 있다. 4.2mm 직경의 MEMS 미러(46)는 양호한 시간 특성 및 선형성을 제공하기에 충분히 낮은 질량을 제공한다.
MEMS 디바이스(44)는 하우징(70) 내부에 들어맞도록 충분히 작고 콤팩트한, LCC20을 포함하여, 몇 개의 LCC(Leadless Chip Carrier) 패키지로 이용가능하다. MEMS 디바이스(44)에 손상을 초래할 수 있는 먼지 및 물체와의 우발적 접촉으로부터 약한 MEMS 미러(46) 및 정전기 액추에이터를 보호하기 위해 MEMS 미러(46) 바로 앞에 MEMS 디바이스(44) 상에 일반적으로 투명한 유리 윈도우(도시되지 않음)가 설치된다. 그러나, 유리 윈도우는 스캐너의 성능을 손상시킬 수 있는 미광 및 고스트 반사를 야기할 수 있는데, 이 경우 유리 윈도우를 MEMS 디바이스로부터 제거하거나(특히 하우징(70)이 MEMS 디바이스(44)를 먼지 및 우발적 접촉으로부터 보호할 수 있다면), 또는, 최소한, 윈도우의 한쪽 또는 양쪽에 A/R 코팅을 설치하는 것이 최상이다.
전술한 바와 같이, MEMS 디바이스(44) 내의 MEMS 미러(46)는 2개의 축으로 회전될 수 있다. 도 4를 참조하면, 수평 드라이버(80H)는 MEMS 디바이스(44)의 좌우 액추에이터에 전기적으로 결합되어 MEMS 미러(46)를 좌우 방향(즉, 도 11의 θ 방향)으로 회전되게 한다. 마찬가지로, 수직 드라이버(80V)는 MEMS 디바이스(44)의 상하 액추에이터에 전기적으로 결합되어 MEMS 미러(46)를 상하 방향(즉, 도 11의 φ 방향)으로 회전되게 한다.
특히, Mirrorcle A7B2.1 액추에이터에 있어서, 70V의 바이어스 전압을 인가하는 것은 MEMS 미러(46)를 주어진 축에 대해 자신의 각도 범위의 중심까지 회전하게 하며; 0V의 전압을 인가하는 것은 MEMS 디바이스(44)의 정전기 액추에이터가 MEMS 미러(46)를 -4.86°까지 회전하게 하며; 140V의 전압을 인가하는 것은 MEMS 디바이스(44)의 정전기 액추에이터가 MEMS 미러(46)를 +4.86°까지 회전하게 할 것이다. 수직 드라이버(80V) 및 수평 드라이버(80H)는, 이들 전압, 즉 A7B2.1 액추에이터에 있어서는 0 내지 140V의 전압을, 수직 D/A 컨버터(79V) 및 수평 D/A 컨버터(79H)로부터 입력되는 전압에 따라 선형으로, 생성한다. 즉, 수직 드라이버(80V) 및 수평 드라이버(80H)는, 예를 들어, 이들의 각각의 D/A 컨버터(79V, 79H)로부터 0.0 내지 5.0V 사이의 신호를 입력으로서 받아들이고, 0.0 내지 140V 사이의 신호를 출력하는 선형 증폭기이다. 이와 같이, 이 예에서 수직 드라이버(80V) 및 수평 드라이버(80H)의 전압 이득은 140.0/5.0 = 28이다.
수직 드라이버(80V) 및 수평 드라이버(80H)의 증폭기는 0.0Hz를 포함하는(즉, DC 입력 전압을 수용할 수 있는) 대역폭을 가지며 내장된 저역 통과 필터에 의해 제한된 대역폭을 갖는다. 이 저역 통과 필터는 수직 드라이버(80V) 및 수평 드라이버(80H)의 출력 노이즈를 감소시키도록 작용할 수 있지만, 보다 중요한 것으로, 필터링은 MEMS 미러(46)가 순간적으로 자신의 각도 위치를 변경하도록 지시되었을 때 겪을 링잉을 제한할 수 있다. 수직 드라이버(80V) 및 수평 드라이버(80H)와 통합된 6차 베셀 저역 통과 필터는, 다른 저역 통과 필터 유형 및 차수 또한 작동할지라도, MEMS 미러(46)의 움직임을 실질적으로 임계적으로 감쇠시키는 것으로 발견되어졌기 때문에 링링을 제한할 것이다. 수직 드라이버(80V) 및 수평 드라이버(80H) 드라이버 내의 증폭기의 응답은 예외적으로 선형이므로, MEMS 미러(46)는 수직 A/D 컨버터(79V) 및 수평 A/D 컨버터(79H)에 의해 출력된 전압에 정확히 각도적으로 비례하여 이동하며 따라서 MEMS 미러(46)의 정확한 각도 위치가 알려진다. 대안적으로, MEMS 미러(46)의 각도 이동은 수직 A/D 컨버터(79V) 및 수평 A/D 컨버터(79H)에 의해 출력된 전압의 함수로서 측정되고 정확한 스캔이 이루어지기 전에 캘리브레이트된다.
MEMS 미러(46)로부터 반사된 투사 광(110)은 하우징(70)의 개구(opening)에 설치된 제1 윈도우(48)를 통과한다. 제1 윈도우(48) 및 제2 윈도우(54)와 함께 하우징(70)은 스캔-헤드(31)를 포함하는 모든 전기적, 광학적 및 기계적 구성요소를 명목상 수용하여 둘러싸며, 또한 이들 구성요소들을, 공기 중의 먼지, 오일, 증기, 연기, 등이 스캔-헤드(31)에 들어갈 수 없도록 그리고 스캔-헤드(31) 내의 표면 상에 정착하거나 아니면 오염시킬 수 없도록, 바깥 환경으로부터 시일링한다. 제1 윈도우(48)는 투사된 광(110)이 상대적으로 약해지지 않고 그리고 광학적으로 왜곡되거나 수차 없이 통과할 수 있게 하면서도 환경적 시일링 기능에 기여한다.
제1 윈도우(48)는 이의 입력 및 출력 표면 모두가 평면이며(즉, 두 표면은 광학적 파워를 갖지 않아야 한다), 따라서 출사 광선의 방향은 윈도우에 들어가는 광선과 동일하다. 제1 윈도우(48)는 투사된 광(110)이 테스트 물체(51)의 표면(52)에 걸쳐 스캔할 수 있도록 MEMS 미러(46)의 전체 범위에 대해 실질적으로 모든 투사된 광(110)이 명목상으로 하우징(70)에서 나갈 수 있게 하기에 충분한 폭을 갖는다. 제1 윈도우(48)는 유리로 구성되지만, 일부 예에서는 폴리머가 이용될 수도 있다. 일 예에서, 제1 윈도우(48)는 하우징(70)의 낮은 CTE와 일치하는 낮은 열 팽창 계수(CTE)를 제공하는 용융 실리카로 만들어진다. 또한, 제1 윈도우(48)의 외부 표면은 주기적으로 세정될 필요가 있을 것이기 때문에, 유리 또는 용융 실리카는 우발적 긁힘 및 손상을 저지할 것이다.
일 예에서, 제1 윈도우(48)의 적어도 내부 표면은 프레넬 반사를 최소화하고 윈도우를 통과하는 투사된 광(110)의 양을 최대화하기 위해 A/R 코팅된다. 또 다른 예에서, 제1 윈도우(48)의 외부 표면은 주기적인 세정을 견딜정도로 충분히 기계적으로 탄탄하다면, 이 또한 A/R 코팅된다. 제1 윈도우(48)에 대한 A/R 코팅은 광원(32)에 의해 방출된 파장에 대해서 그리고 제1 윈도우(48)의 입구 및 출구 표면에 투사광(110)의 입사각에 대해 최적화된다.
스캔-헤드(31)의 설계는 측정될 테스트 표면(52)을 갖는 특정 테스트 물체(51)에 맞추어 질 수 있다. 예로서, 테스트 물체(51)는 토포그래피가 정확하게 측정되어야 하는 표면(52)을 갖는 임의의 고형 물체일 수 있다. 테스트 표면(52)의 텍스처는 폴리싱되거나, 브러시되거나, 픽셀화되거나(즉, 첨가제 또는 3D 프린팅 프로세스로 만들어진다), 그라운드되거나, 소잉되거나, 웨이비이거나, 혼(hone)되거나, 캐스트되거나, 버니시되거나, 에칭될 수 있고, 또는 테스트 표면(52)에 입사하는 광의 0.001%와 같이 적어도 매우 작은 퍼센티지를 확산적으로 산란하는 그외 임의의 다른 텍스처일 수 있다.
테스트 물체(51) 재료는 유리, 폴리머, 금속 및 목재를 포함할 수 있는데, 그렇지만 다른 재료 또한 적합하다. 다른 특징을 가진 테스트 물체(51)가 본 기술을 사용하여 측정될 수 있을지라도, 전형적인 테스트 물체(51)는, 프로펠러, 터빈 블레이드, 캠 샤프트, 및 크랭크 샤프트와 같이, 측정될 표면의 토포그래피가 복잡하고, 테스트 물체(51)의 다른 부분에 의해 가려지기 때문에 토포그래피가 측정될 수 없는 오목 또는 리세스를 가질 수 있고, 또는 크랭크 샤프트에서와 같이 도달하기 어려운 테스트 표면(52)을 가질 수 있는, 물체가다.
도 6은 본 기술을 사용하여 측정될 수 있는 전형적인 내연기관 크랭크 샤프트(90)를 도시한다. 크랭크 샤프트(90)는 주 베어링 저널(98), 핀 저널 표면(95)을 갖는 핀 저널(94), 균형추(96), 및 연결 웹(92)을 포함한다. 도 7은 균형추(96), 저널 표면(95)을 갖는 핀 저널(94), 및 언더컷(97)을 도시하는 크랭크 샤프트(90)의 보다 상세한 도면이다. 언더컷(97)은 핀 저널(94)과 연결 웹(92) 사이의 교차점에서 크랭크 샤프트가 접하는 스트레스를 분산하기 때문에 크랭크 샤프트(90)의 신뢰성에 결정적으로 중요하다. 이와 같이, 언더컷(97)의 위치, 깊이 및 반경은 엄격한 공차로, 그리고 언더컷의 위치, 깊이, 반경을 측정할 수 있게 제작되어야 하고, 언더컷(97)의 다른 파라미터는 크랭크 샤프트(90)가 올바르게 제작되었고 엔진에 설치될 때 신뢰성있게 수행할 것임을 보증하는데 필수적이다. 불행히도, 언더컷(97)은 적어도 두 가지 이유로 측정하기 어렵다: 먼저, 언더컷은 종래의 촉각 및 광학적(새도우그래픽) 방법으로 검사될 수 없는 오목한 리세스인 연결 웹(92) 내로 확장할 수 있고, 두 번째로, 두 개의 연결 웹(92) 사이의 작은 공간 안으로 큰 측정 프로브를 삽입하기가 어렵다.
도 8은 광학 스캐닝 시스템(30)이 언더컷(97)의 위치, 방위, 반경, 및 이외 다른 토포그래피적 특징을 측정할 수 있게 하는 방위에서 크랭크 샤프트(90)의 균형추(96)와 연결 웹(92) 사이의 공간에 본 기술의 스캔-헤드(31)가 어떻게 삽입될 수 있는지를 도시한다. 스캔-헤드(31)의, 도시되지는 않았지만 도면 용지의 면 안밖의 방위의 장축이 연결 웹(92)의 평면에 평행하고, 스캔-헤드(31)의 직경은 스캔-헤드(31)가 연결 웹들 사이에 편리하게 끼워지도록 연결 웹(92) 사이의 공간의 폭 미만임에 유의한다. 스캔-헤드(31)는, 투사된 광(110)이 연결 웹(92)의 코너 또는 핀 저널(94)의 코너에 의해 클리핑되지 않고 조명 위치(112)에 언더컷(97)을 조명할 수 있도록, 측방으로(즉, Y 및 Z 축으로), 세로방향으로(즉, X 방향으로), 및 회전가능하게(즉, X 축에 관하여) 위치된다. 조명 위치(112)는 레티클(36)의 크로스-헤어(35(1))의 이미지인 것에 유의한다.
조명 위치(112)에 투사 광으로부터 확산 반사된 광의 일부는 하우징(70)의 제2 개구에 설치된 제2 윈도우(54)를 통해 스캔-헤드(31)로 다시 들어간다. 제1 윈도우(48) 및 제2 윈도우(54)와 함께 하우징(70)은 스캔-헤드(31)를 포함하는 모든 전기적, 광학적 및 기계적 구성요소를 명목상 수용하여 둘러싸며, 또한 이들 구성요소들을, 공기 중의 먼지, 오일, 증기, 연기, 등이 스캔-헤드(31)에 들어갈 수 없도록 그리고 스캔-헤드(31) 내의 표면 상에 정착하거나 아니면 오염시킬 수 없도록, 바깥 환경으로부터 시일링한다. 제2 윈도우(54)는 확산 반사된 광(114)이 상대적으로 약해지지 않고 그리고 광학적으로 왜곡되거나 수차됨이 없이 통과할 수 있게 하면서도 환경적 시일링 기능에 기여한다.
제2 윈도우(54)는 이의 입력 및 출력 표면 모두가 평면이며(즉, 두 표면은 광학적 파워를 갖지 않아야 한다), 따라서 출사 광선의 방향은 윈도우에 들어가는 광선과 동일하다. 제2 윈도우(54)는, 폴리머와 같은 다른 재료가 이용될 수 있지만, 용융 실리카와 같은 유리로 만들어진다. 특히, 용융 실리카로 만들어진 제2 윈도우(54)는 하우징(70)의 낮은 CTE와 일치하는 낮은 열팽창 계수(CTE)를 제공한다. 또한, 제2 윈도우(54)의 외부 표면은 주기적으로 세정될 필요가 있기 때문에, 유리 또는 용융 실리카와 같은 더 단단한 재료는 우발적 긁힘 및 손상을 저지할 수 있다.
일 예에서, 제2 윈도우(54)의 적어도 내부 표면은 프레넬 반사를 최소화하고 윈도우를 통과하는 확산 반사된 광(114)의 양을 최대화하기 위해 A/R 코팅된다. 또 다른 예에서, 제2 윈도우(54)의 외부 표면은 주기적인 세정을 견딜정도로 충분히 기계적으로 탄탄하다면, 이 또한 A/R 코팅된다. A/R 코팅은 광원(32)에 의해 방출된 파장에 대해서 그리고 제2 윈도우(54)의 입구 및 출구 표면에 확산 반사된 광(114)의 입사각에 대해 최적화된다.
제1 윈도우(48) 내에 미세한 흠이 제1 윈도우(48)의 입사면과 출구면 사이에서 TIR이 되도록 투사 광(110)의 일부를 재지향하게 되는, 소량의 파-안내가 제1 윈도우(48)에서 일어날 것이기 때문에, 제1 윈도우(48) 및 제2 윈도우(54)는 광 흡수 재료에 의해 분리된 개별적인 광학 요소들이어야 한다. 그렇지 않으면, 윈도우 내에 TIR하여 파-안내된 광은, 이미징 경로의 영역에서 윈도우 내의 미세한 흠으로 인해 스캔-헤드(31)의 이미징 경로에서 윈도우로부터 재지향될 수 있다(두 번째로). 미광인, 이 재지향된 광은, 이어, 텔레센트릭 제1 렌즈 요소(56)를 통해 이미징 경로에 진입하고, 이미지 센서(66) 상의 크로스-헤어의 이미지의 콘트라스트 또는 SNR(신호 대 노이즈 비)을 감소시킬 수 있다.
제2 윈도우(54)를 통과하는 반사광(114)은 제1 렌즈 요소(56), 애퍼처 조리개(60), 및 제2 렌즈 요소(62)를 포함하는, 텔레센트릭 이미징 렌즈에 들어간다. 텔레센트릭 렌즈는 이미지 센서(66) 상에 테스트 표면(52)에 투사된 크로스-헤어의 이미지(35(1))를 생성한다. 이미지 센서(66) 상의 크로스-헤어 이미지는 양호한 충실도를 갖는데: 즉, 흐릿하거나 수차가 없고, 배럴 및 핀쿠션 왜곡이 실질적으로 없으며, 이미지의 크기는 테스트 표면(52)과 스캔-헤드(31) 사이의 거리 "H"가 변함에 따라 변하지 않을 것이다. 사실, 텔레센트릭 렌즈는 이미지의 크기가 물체 거리의 함수로서 변하지 않는 렌즈이다. 백 포컬 거리(back focal distance)(이 경우, 제2 렌즈 요소(62)와 이미지 센서(66) 사이의 거리)가 변할 때 이미지의 크기가 변하지 않는다면, 렌즈는 이중으로 텔레센트릭하다고 한다.
특히 언더컷(97)을 측정할 때, 거리(HOH)가 수 밀리미터만큼 변할 수 있는, 테스트 표면(52) 상에 크로스-헤어가 상당한 폭을 점유하기 때문에, 이미지 크기가 물체 거리(HOH)에 따라 변하지 않는 것이 중요하다. 렌즈가 물체 공간에서 텔레센트릭하지 않는다면, 언더컷(97) 테스트 표면(52) 상의 크로스-헤어의 이미지는 이미지 센서(66) 상에서 왜곡되어, 이미지 처리 작업을 훨씬 더 어렵게 만들 것이다.
스캔-헤드(31)가 웜업되어 팽창함에 따라 백 포커스 거리가 변할 수 있기 때문에 이미지 센서(66) 상의 이미지 크기가 백 포커스 거리에 따라 변하지 않는 것이 또한 중요하다. 이것은 동작 중에 최대 2 와트의 전력을 소비하여 프로세스에서 상당량의 열을 발생할 수 있기 때문에 이미지 센서(66) 부근의 영역에서 특히 문제가 될 수 있다. 텔레센트릭 렌즈의 배율은, -1.0에 근접한 배율을 갖는 렌즈가 설계, 제작, 및 조립하기가 더 쉬울지라도, 테스트 표면(52) 상의 크로스-헤어(35(1))의 크기 및 이미지 센서(66)의 크기에 따라, -0.2 내지 -2.0일 수 있다. 대다수의 광학 왜곡 및 비-텔레센트리시티는 양호한 설계 관례에 의해 렌즈로부터 제거될 수 있지만, 얼마간의 잔류 왜곡 및 비-텔레센트리시티는 남아 있을 것인데, 이는 도 14에 관련하여 이하 논의되는 바와 같이 렌즈 캘리브레이트 프로세스로 제거되어야 한다.
이 예에서, 제1 렌즈 요소(56) 및 제2 렌즈 요소(62)는 둘 다 제작을 용이하게 하기 위한 포지티브 렌즈인데, 이는 사출 성형 프로세스(폴리머 재료용), 다이아몬드 턴(turned) 가공, 정밀 성형(유리 재료용), MRF(magneto-rheological finishing) 프로세스, 또는 이외 다른 렌즈 제작 프로세스일 수 있다. 제1 렌즈 요소(56) 및 제2 렌즈 요소(62) 각각의 2개의 광학 표면 중, 하나, 또는 둘 다는, 비구면일 수 있고, 대신 구면일 수 있고, 또는 표면의 어느 것도 그렇지 않을 수 있다.
제1 렌즈 요소(56) 및 제2 렌즈 요소(62)의 중심 두께는, 예로서, 1.0mm 내지 10mm 사이일 수 있다. 예로서, 제1 렌즈 요소(56) 및 제2 렌즈 요소(62)의 직경은 5mm 내지 20mm일 수 있다. 일 예에서, 제1 렌즈 요소(56) 및 제2 렌즈 요소의 2개의 광학 표면 각각은 이들을 통과하는 이미지 광(116, 118, 120, 122)의 양을 최대화하고 고스트 이미지를 유발하거나 그렇지 않으면 이미지 센서(66) 상의 크로스-헤어 이미지의 충실도(콘트라스트 포함)를 감소시킬 수 있는 미광을 최소화하도록 A/R 코팅된다. 제1 렌즈 요소(56) 및 제2 렌즈 요소(62)는 BK7 유리 또는 용융 실리카와 같은 유리로 형성될 수 있지만, 아크릴, 폴리카보네이트 또는 폴리스티렌과 같은 폴리머와 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다. 이 예에서, 제1 렌즈 요소(56) 및 제2 렌즈 요소(62)는 이의 낮은 CTE 및 우수한 광학적 특성 때문에 용융 실리카로부터 제작된다.
텔레센트릭 렌즈의 애퍼처 조리개(60)는 매우 수차된 광선이 이미지 센서(66)에 이미지 평면에 도달하는 것을 차단하고 텔레센트릭 렌즈의 텔레센트리시티 특성을 생성한다. 일반적으로, 더 적은 광이 작은 애퍼처를 통해 투과하고 이미지가 이미지 센서(66) 상의 이미지 평면에서 더 희미하게 보일지라도, 애퍼처 조리개(60)에 애퍼처가 작을수록, 렌즈는 더 잘 수행한다. 0.3mm 내지 5.0mm 사이의 애퍼처 직경도 잘 작동할 수 있을지라도, 예로서, 2.0mm의 애퍼처 직경이 적합하다.
애퍼처 조리개(60)은 금속 또는 폴리머와 같은 불투명 재료로 구성되며, 이상적으로는 흑화되거나, 그렇지 않으면 미광을 생성할 수 있는 반사를 감소시키기 위해 광 흡수하게 만들어진다. 일 예에서, 애퍼처 조리개(60)는 광 흡수성이 되도록 흑색 양극산화되어질 알루미늄과 같은 얇은 금속 시트로부터 만들어진다. 애퍼처 조리개(60)는 텔레센트릭 렌즈의 전체 폭에 걸쳐 실질적으로 확장하여, 바람직하지 않은 광선은 애퍼처 조리개(60) 주위를 돌아다니거나 이미지 센서(66)에 도달하기 위한 대안적 경로를 가질 기회를 갖지 않는다.
텔레센트릭 렌즈를 통과하는 광(122)은 이미지 센서(66)에 도달하기 전에 광학 필터(64)를 통과해야 한다. 광학 필터(64)는 광원(32)에 의해 방출되는 광의 파장을 제외하고 이미지 센서(66)가 감응하는 광의 모든 파장을 실질적으로 차단하는 밴드패스 필터이다. 이러한 방식으로, 광원(32)에 의해 방출된 광으로 구성된 크로스-헤어 이미지(35(1))는 이미지 센서(66)에 도달할 수 있지만, 엔클로저(70)의 밖에서 발원하여 제2 윈도우(54)을 통해 스캔-헤드(31)에 들어가서 이어 애퍼처 조리개(60)를 통과하는 불필요 주변 광은, 이 불필요 주변 광이 광원(32)에 의해 방출된 파장 이외의 파장으로 이루어진다면, 이미지 센서(66)에 도달하는 것이 방지된다. 이들 불필요 주변 광 신호를 차단함으로써, 이미지 센서(66) 상의 크로스-헤어 이미지(35(1))의 콘트라스트 및 SNR이 개선되고, 의사 글린트 및 미광이 차단되어 이미지를 변질시키는 것이 방지된다.
광학 필터(64)는, 광학 필터(64)가 적어도 70% 또는 적어도 90%1의 통과대역 투과율을 가질 수 있을지라도, 적어도 50%의 통과대역 투과율을 갖는다. 광원(32)의 방출 파장을 중심으로 하여, 10nm 및 20nm의 범위가 이용될 수 있을지라도, 통과대역의 반치전폭(FWHM) 폭은 2nm 내지 50nm일 수 있다. 광학 필터(64)는 예를 들어 이미지 센서(66)가 실리콘으로 만들어지기 때문에 대략 350nm인 이미지 센서(66)의 파장 하한까지 밑으로 광의 적어도 99.99%를 차단해야 한다. 광학 필터(64)는 또한 예를 들어 이미지 센서(66)가 실리콘으로 만들어지기 때문에 대략 1100nm인 이미지 센서(66)의 파장 상한까지 위로 광의 적어도 99.99%를 차단해야 한다.
광학 필터(64)는 광이 실질적으로 텔레센트릭하게 되는 이미징 암의 부분에 배치될 것이므로, 광의 입사각이 가능한 한 0도에 가깝게 된다. 한 위치는 제1 렌즈 요소(56)의 전방, 제2 윈도우(54)에 또는 근방인데, 사실, 광학 필터(66)는 제2 윈도우(54) 내에 통합될 수도 있다. 광학 필터(66)의 제2 위치는 도 10에 도시된 곳으로, 이미지 센서(66) 바로 앞이다. 일 예에서, 광학 필터(64)는 이미지 센서(66)의 입력면에 직접 접합될 수 있는데, 이는 1) 광학 필터(64)의 출력 표면 및 이미지 센서(66)의 입력 표면으로부터의 프레넬 반사를 실질적으로 제거하며, 2) 광학 필터(64)의 기계적 장착을 단순화시키며, 3) 이미지 센서(66)에 도달하기 전에 광학 필터(64) 주위로 미광이 통과할 가능성을 방지하는 잇점을 갖는다. 일 예에서, 광학 필터(64)는 다른 광학 필터가 이용될 수도 있을지라도, Newton, NY, USA의 Thorlabs, Inc로부터의 MF445-45-9MM-SP이다.
광학 필터(64)를 통과한 광은 이미지 센서(66)에 도달하고, 이는 이에 입사된 이미지를 전자 신호로 변환하고 이어 이미지 디지타이저(82)에 의해 디지털 포맷으로 변환된다. 일 예에서, 이미지 센서(66)는 각각이 변환된 이미지의 하나의 픽셀을 구성하는 포토다이오드 어레이를 포함한다. VGA 해상도(640x480 또는 307,200 픽셀) 또는 SVGA 해상도(800x600 또는 480,000 픽셀)를 갖는 이미지 센서(66)가 해상도와 이미지 처리 복잡성 및 시간 간에 우수한 트레이드-오프를 제공할지라도, 이미지 센서(66)는 250,000 내지 25,000,000 픽셀 사이의 해상도를 가질 수 있다.
이 예에서 컬러 이미지 센서가 사용될 수 있을지라도, 이 예에서 이미지 센서(66)는 이에 입사하는 이미지 광이 실질적으로 단색이기 때문에 컬러 이미지 센서 대신 단색 이미지 센서이다. 이미지 센서(66)의 프레임 레이트는 초당 10 프레임 내지 100 프레임인데, 느린 프레임 레이트는 광학 스캐닝 시스템(30)의 측정 레이트에 병목을 나타낼 수 있지만, 높은 프레임 레이트는 MEMS 디바이스(44)과 같은 광학 스캐닝 시스템(30) 내에서 다른 속도 병목 또는 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84) 내에서 실행되는 이미지 처리 알고리즘의 처리 속도 때문에 시스템 수행 향상 없이 이미지 센서(66)의 비용을 불필요하게 증가시킬 것이다.
테스트 표면(52) 상의 크로스-헤어 스캔 영역의 엔벨로프와 대략 동일한 크기가 이전에 언급된 바와 같이 렌즈를 설계, 제작 및 조립하기가 더 용이한 배율인 대략 -1.0이 되게 텔레센트릭 렌즈의 배율을 몰고갈지라도, 이미지 센서(66)의 활성 영역의 크기는 1mm x 1.5mm 내지 최대 10mm x 15mm 사이일 수 있다. 일 예에서, 이미지 센서(66)는, 다른 이미지 센서가 이용될 수 있을지라도, 4.795 x 3.611mm인 활성 영역에 걸쳐 488 x 648(316,224) 픽셀을 갖는 CMOSIS(Antwerp, Belgium)의 CMV300이다. CMV300은 또한 700mW의 전력만을 소비하므로, 스캔-헤드(31)의 내부 가열이 최소화될 수 있고, 60dB의 동적 범위를 가지며, 이에 이미지 디지타이저(82)가 통합된다.
다른 예에서, 레티클(36)이 크로스-헤어(35(1))와 같이 암을 가지지 않고(도 5c) 원형 또는 타원형 도트(35(2))와 같은 중앙 투과성 개구를 갖는(도 5a) 애퍼처를 갖는다면, 이미지 센서 대신에 사분 검출기 또는 위치 검출 디바이스("PSD")와 같은 광 검출기가 사용될 수 있다. 단지 예로서, 포토센서는 이의 4개의 측 각각에 전극을 갖는 실리콘 칩으로 구성된 포토다이오드를 포함하는 PSD일 수 있다. 이 예에서, 전극에 의한 광전류 출력의 양은 전극에 PSD 상의 이미지 스폿의 근접성에 비례한다. PSD는 4mm x 4mm 활성 영역을 가질 수 있다. 단지 예로서, PSD는, 다른 유형의 포토센서가 이용될 수도 있을지라도, On-Trak Photonics에 의해 생산된 모델 번호 2L4SP일 수 있다.
사분 센서(quadrant sensor) 또는 PSD는 트랜스임피던스 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터에 의해 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 결합될 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기는 사분 센서 또는 PSD로부터 수신된 신호를 아날로그-디지털 컨버터와 호환되는 전압으로 증폭한다. 일 예에서, 트랜스임피던스 증폭기는 PSD 상의 4개의 전극 각각에 대응하는 4개의 입력 채널 및 각 축에 대응하는 2개의 출력 채널을 포함한다. 아날로그-디지털 컨버터는, 아날로그-디지털 변환이 로컬 프로세서에 의해 직접 수행될 수 있을지라도, 트랜스임피던스 증폭기의 출력 채널에 의해 생성된 아날로그 전압을 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 의해 판독될 수 있는 디지털 신호로 변환한다.
하우징(70)은 스캔-헤드(31)를 포함하는 구성요소를 둘러싸기 위해 사용된다. 이들 내부 스캔-헤드(31) 구성요소는 하우징(70) 상에 직접 장착될 수 있거나 또는 내부 구성요소의 일부 또는 전부는 하우징(70)에 부착되어질 프레임 또는 다른 서브-어셈블리 상에 장착될 수 있다. 하우징(70)은 도 8에 도시된 바와 같이 크랭크샤프트(90)의 웹(92) 사이의 공간과 같은 좁은 채널에 들어맞을 수 있도록 25mm 미만, 바람직하게는 18mm 미만의 단면 직경을 갖는, 실질적으로 원통 형상일 수 있다. 하우징(70)의 길이는 크랭크 샤프트(90)를 측정할 때 비교적 제약되지 않지만, 다른 테스트 물체(51)는 길이(X-축) 치수에 제약을 줄 수 있으므로 하우징 길이 또한 최소로 유지되어야 한다. 단지 예로서, 하우징(70)은 250mm 미만 또는 200mm 미만의 길이를 가질 수 있다. 하우징(70)의 단면은, 측정 표면(52)의 제약된 위치에의 스캔-헤드(31)의 접근가능성을 용이하게 하기 위해 타원형, 직사각형 또는 심지어 사다리형일 수 있을지라도, 실질적으로 원형인 것으로서 설명되었다.
하우징(70)은, 폴리머 또는 세라믹 재료가 이용될 수 있을지라도, 알루미늄 또는 다른 금속과 같은 단단한 재료로 만들어진다. 특히, 어떤 이색 세라믹 또는 탄소 섬유와 같은 CTE가 낮은 재료는 내부 스캔 헤드 구성요소의 유익한 광학-기계적 안정성을 제공한다. 하우징(70)을 위한 한 예시적 재료는 Elbridge, NY, USA의 Allred & Associates, Inc.의 부서인 DragonPlate로부터 탄소 섬유 튜브이다. DragonPlate 탄소 섬유 재료는 실질적으로 모든 자동차 크랭크 샤프트(90)의 웹 내에 스캔-헤드(31)의 내부 부품이 끼워맞추어지기에 충분히 큰 내경 15.975mm와, 웹(92) 사이에 끼워맞추어지기에 충분히 작은 18.415mm의 외경을 갖는 튜브에 사용할 수 있다. 또한, 탄소 섬유 재료는 전형적으로 흑색이며, 이는 하우징(70) 내에 존재할 수 있는 임의의 의사 미광을 유리하게 흡수 및 감소시킬 것이다.
하우징(70)은 하나는 제1 윈도우(48) 용이고 다른 하나는 제2 윈도우(54) 용인 2개의 윈도우 포트를 갖는다. 하우징(70)의 2개의 단부는 단부-캡(도시되지 않음)으로 덮여 있고, 단부-캡은 전기 와이어가 통과할 수 있는 추가의 포트를 가질 수 있다. 단부-캡은 스캔-헤드(31)를 이의 스테이징에 장착을 용이하게할 수 있다. 어째든, 하우징(70)과 관련된, 모든 포트, 윈도우, 단부-캡, 등은, 예로서, 밀폐하여 시일링되어서, 기밀 하우징(70)이 오물, 먼지, 오일, 용매 및 이외 다른 공기 오염물질이 하우징(70)에 들어가 스캔-헤드(31)의 광학 구성요소를 오염시키는 것을 방지할 것이기 때문에 하우징은 기밀(air-tight)된다.
이제 도 4를 참조하면, 스캔-헤드(31)의 하우징(70) 외부에 위치될 수 있는 광학 스캐닝 시스템(30)의 몇몇 전자 서브-시스템이 있다. 예를 들어, LED 광원(29)에 명목상 및 일정한 량의 전류를 제공하기 위해 사용되는 LED 드라이버(29)는 하우징(70)의 외부에 위치되므로 이것이 발생하는 열은 스캔-헤드(31)를 웜업하지 않는다. LED 드라이버(29)는, LED 드라이버(29)가 직접 디지털 신호를 받아들일 수도 있을지라도, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)로부터 디지털 명령을 받아들이는 D/A 컨버터(27)로부터 아날로그 전압 코맨드 신호를 받아들인다.
LED 드라이버(29)의 출력은 전류이고 이의 입력은 전압이기 때문에, LED 드라이버(29)는 본질적으로 상호컨덕턴스 증폭기이다. LED 드라이버(29)는 LED 광원(32)에 전혀 전류가 없는 것에서부터 -이 경우 LED 광원(32)은 오프이다- 전형적으로 수백 밀리-암페어인 LED 광원의 손상 임계 바로 미만의 량까지 전류를 LED 광원(32)에 공급한다. 이 특정 예에서, LED 드라이버(29)는, 다른 유형 및/또는 수의 다른 드라이버가 이용될 수 있을지라도, 독일 Bodenheim의 iC-Haus에 의해 제조된 LED/레이저 다이오드 드라이버 IC-WKN과 같은 단일 칩 솔루션이다.
스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 아날로그-디지털 컨버터, 직렬 버스, 범용 I/O 핀, RAM, 및 ROM과 같은 다양한 온-보드 하드웨어 기능을 갖는 고도로 집적된 마이크로컨트롤러 디바이스인데, 그렇지만 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 개인용 컴퓨터, 디지털 신호 프로세서(DSP), 또는 심지어 FPGA(필드 프로그램가능 게이트 어레이)일 수도 있다. 또한, D/A 컨버터(27, 79V, 79H)의 일부 또는 전부는 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)의 하드웨어에 통합될 수 있다.
광학 스캐닝 시스템(30)의 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는, 다른 유형 및/또는 수의 처리 디바이스 및 로직이 사용될 수 있고 다른 수 및 유형의 프로그램된 명령을 실행할 수도 있을지라도, 본원에 예로서 기술되고 도시된 바와 같이 본 기술의 하나 이상의 측면들을 위한 저장된 명령들의 프로그램을 실행한다. 또 다른 실시 예에서, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 광학 스캐닝 시스템(30)과 별도로 위치될 수 있다. 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)가 다른 유형 및 수의 통신 네트워크를 통해 통신할 수 있을지라도, 이를테면 직렬 데이터 버스를 통해 다른 컴퓨팅 디바이스와 더욱 통신할 수 있다.
광학 스캐너(30)의 스캔-헤드(31)는 크랭크 샤프트(90)의 핀들 사이에 끼워맞추어지도록 되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 크랭크 샤프트(90)는 저널 표면(94)을 갖는 핀 저널(95), 메인 저널(98), 메인 저널(98) 및 핀 저널(95)를 연결하는 웹(92), 및 균형추(96)를 갖는다. 크랭크 샤프트(90)의 설계는 일반적으로 많은 임계적 치수(선형, 각도, 표면, 및 공간) 및 공차를 가지며, 이들 각각의 치수는 정확하게 측정될 필요가 있다.
도 7을 참조하면, 크랭크 샤프트(90)의 핀 저널(95)은 핀 저널(95)이 웹(92)과 인터페이스하는 스트레스 완화 언더컷(97)을 가질 수 있음이 도시되었다. 스트레스 완화 언더컷(97)의 반경은 크랭크 샤프트(90)의 기능하기에 임계적인 치수이고, 어떻게 스캔-헤드(31)가 웹(92) 사이에 위치되고 스트레스 완화 언더컷(97)의 반경이 측정될 수 있도록 하는 각도 방위로 놓여질 수 있는가가 도 8에 도시되었다.
이제 도 13을 참조하면, 스캔-헤드(31)의 장착 및 스테이징 방법이 도시되었다. 도 13에서, 스캔-헤드(31)는 좌측 회전 스테이지(140) 및 우측 회전 스테이지(142) 상에 장착되는데, 이들은 함께 X 축에 관한 각도 방위를 제어한다. 좌측 회전 스테이지(140)는 좌측 스테이지 마운트(144)에 부착되고, 우측 회전 스테이지(142)는 우측 스테이지 마운트(146)에 부착된다. 후방 리드 스크류(148)와 전방 리드 스크류(150)가 좌측 스테이지 마운트(144)와 우측 스테이지 마운트(146)를 관통하여 결합되므로, 후방 리드 스크류(148)와 전방 리드 스크류(150)가 동기하여 회전됨에 따라, 좌측 스테이지 마운트(144), 우측 스테이지 마운트(146), 및 스캔-헤드(31)는 X 축을 따라 병진된다. 후방 리드 스크류(148) 및 전방 리드 스크류(150)는 리드 스크류 모터(도시되지 않음)에 결합되고, 이들은 장착 표면(158)을 갖는 스테이지 플랫폼(154) 상에 장착되며, 이들은, 다른 장착 구성이 이용될 수 있을지라도, 테스트 물체(51)에 관한 스캔-헤드(31)의 추가의 회전 또는 병진 이동 정도를 위한 또 다른 스테이지에 장착될 수 있다.
텔레센트릭 렌즈는 매우 엄격한 공차로 제조 및 조립될 수 있지만, 실제로는 렌즈의 배율, 왜곡 및 잔류 비-텔레센트리시티 특성은 이들 영향이 이미지로부터 제거될 수 있도록 측정되고 캘리브레이트되어야 한다. 이들 3가지 렌즈 특성 모두는 캘리브레이트 패턴이 보여질 수 있는 픽셀화된 디스플레이(132)를 갖는 마이크로디스플레이(130)를 사용하여 특징지워질 수 있다.
예시적 캘리브레이트 방법에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 마이크로디스플레이(130)는 중심을 실질적으로 캘리브레이트 프로세스 동안 텔레센트릭 렌즈의 광학 축(68)에 두고 스캔-헤드(31) 아래에 배치된다. 텔레센트릭 렌즈를 캘리브레이트하기 위해, 정사각형 패턴과 같은 도트 패턴이 픽셀화된 디스플레이(132) 상에 나타나고, 이어 이미지가 이미지 센서(66) 상에 제공되고, 이어 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 의해 판독되어 처리된다. 픽셀화된 디스플레이(132) 상의 박스의 크기를 앎으로써 그리고 이미지 센서(66) 상의 박스 이미지의 크기를 계산함으로써, 텔아레센트릭 렌즈의 배율이 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 의해 계산될 수 있다.
픽셀화된 디스플레이(132) 상에 보여진 박스 패턴의 크기를 변경하고 이미지 센서 상의 박스 패턴의 크기에 변화를 계산함으로써, 텔레센트릭 렌즈의 광학 왜곡은 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 의해 계산될 수 있다. 마지막으로, 픽셀화된 디스플레이(132)와 스캔-헤드(31) 사이의 거리를(Z 방향으로) 변화시키고 이미지 센서(66) 상의 박스 패턴의 크기에 변화를 계산함으로써(픽셀화된 디스플레이 상에 박스 이미지를 일정하게 유지하여), 텔레센트릭 렌즈의 비-텔레센트리시티는 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 의해 계산될 수 있다.
캘리브레이트 동안, 픽셀화된 디스플레이(132) 상에 디스플레이된 패턴은 도트, 타원, 라인의 어레이, 또는 도 5a 내지 도 5m에 도시된 거의 임의의 패턴의 배열을 포함할 수 있다. 도 15a는 정사각형으로 배열된 스폿들의 어레이(도 5a의 도트와 유사한)의 이미지 센서(66) 상의 이미지를 도시하고, 도 15b 및 도 15c는 정사각형의 크기가 기지의 량만큼 증가된 유사한 이미지를 도시한다. 이러한 방식으로 텔레센트릭 렌즈의 배율과 왜곡이 측정될 수 있다. 픽셀화된 디스플레이(132)의 변화하는(그리고 알려진) 높이에서 프로세스를 반복함으로써, 텔레센트릭 렌즈의 비-텔레센트리시티 특성이 결정될 수 있다. 캘리브레이트를 위해 사용될 수 있는 일 예시적 마이크로디스플레이(130)는, 다른 마이크로디스플레이가 이용될 수 있을지라도, 미국 메사추세츠 웨스트보로의 Kopin, Corp.의 Ruby SVGA 컬러 마이크로디스플레이이다.
일 예에서, 테스트 물체(51)는 견고하게 장착될 수 있고, 스캔-헤드(31)는 표면(51)이 스캐닝되고 측정될 수 있는 위치에 스캔-헤드(31)의 위치설정을 용이하게 하기 위해 도 13와 관련하여 기술된 바와 같이 스테이징 디바이스에 장착될 수 있다. 대안적으로, 테스트 물체(51)는 도 16과 관련하여 후술되는 바와 같이 회전 스테이지 및/또는 병진 스테이지에 장착될 수 있고, 스캔-헤드(31)는 견고하게 제위치에 고정될 수 있거나, 테스트 물체(51) 및 스캔-헤드(31)는 둘 다는 요구되는 테스트 기하형상을 수용하기 위해 다양한 병진 및 회전 스테이지 상에 장착될 수 있다. 스캔-헤드(31)가 고품질 스테이징 상에 장착된다면, MEMS 디바이스(44) 및 이의 MEMS 미러(46)를 단단한 미러로 대체하는 것이 가능하고, 스캔-헤드(31)를 이의 스테이징과 함께 전체적으로 이동시킴으로써 MEMS 스캐닝 동작을 에뮬레이트할 수 있다. 대안적으로, 테스트 물체(51)가 간섭측정 계측 및 피드백으로 얻어진 것과 같은, 고품질 스테이징 상에 장착된다면, MEMS 디바이스(44) 및 이의 MEMS 미러(46)를 단단한 미러로 대체하는 것이 가능하고, 테스트 물체(51)를 이의 스테이징과 함께 이동시킴으로써 MEMS 스캐닝 동작을 에뮬레이트할 수 있다.
테스트 물체가 크랭크 샤프트(90)인 테스트 물체(51)를 위한 하나의 가능한 스테이징이 도 16에 도시되었다. 도 16에 도시된 바와 같이, 스캔-헤드(31)는 이의 X 축에 관한 스캔-헤드(31)의 각도 방위를 제공하는 좌측 회전 스테이지(140) 및 우측 회전 스테이지(142) 상에 장착된다. 투사 광(110)을 조명 위치(112)에 방출하는 스캔-헤드(31)가 도시되고, 스캔 헤드에 재진입하는 반사된 광(114)이 도시되었다. 핀 저널(94) 및 메인 저널(98)을 갖는 크랭크 샤프트(90)는 이의 축에 관하여, 크랭크 샤프트를 Y 축에 관하여 회전시키는 회전 스테이지(180) 상에 장착된다. 또한, 회전 스테이지(180)는 크랭크 샤프트(90)를 X, Y 및 방향의 어느 방향 또는 모든 방향으로 병진시킬 수 있는 병진 스테이지(182) 상에 장착된 것으로 도시되었다. 간섭측정 계측 및 피드백으로 얻어지는 것과 같이, 병진 스테이지(182)가 양호한 정확도 및 반복성을 갖는다면, 병진 스테이지(182)는 크랭크 샤프트(90)를 스캔-헤드(31)의 시야에 걸쳐 스캔하도록 할 수 있고, 스캐닝 MEMS 미러(46)는 스캔-헤드(31)의 하우징(70) 내에 견고하게 장착된 미러로 대체될 수 있다.
대부분의 크랭크 샤프트(90), 특히 자동차 크랭크 샤프트에 공통적인 특징 중 하나는 메인 저널(98)과 핀 저널(94) 사이에, 이들의 표면 사이에 오일을 바르는 흐름을 용이하게 하기 위해 크랭크 샤프트에 천공된 홀인 오일 홀(93)이다. 도 18에 도시된 바와 같이, 크랭크 샤프트(90)의 저널을 관통하여 천공된 오일 홀(93)은 오일 홀(93)이 저널 표면과 교차하는 원뿔형 챔퍼(91)를 갖는다. 챔퍼(91)는 또한 오일의 흐름을 용이하게 하지만, 오일 홀 천공 작업으로 인해 기인하는 버르를 제거해야 한다. 크랭크 샤프트(90) 상의 대부분의 특징과 마찬가지로, 챔퍼(91)의 깊이, 폭 및 배치는 측정되어야 한다.
그러나, 도 18에 더 도시된 바와 같이, 투사 광(110)은 챔퍼(91)의 에지 근처(107)에 실질적으로 평행하며, 이는 스캔-헤드(31)로 에지 근처(107) 표면을 측정할 가능성을 배제한다. 한가지 해결방안은 가능한 한 챔퍼(91)의 토포그래피의 대부분을 측정하고 이어 스캔-헤드(31)를 Z-축에 관하여 180도로 뒤집은 다음 가능한 한 챔퍼(91) 대부분을 재측정하고, 이어 챔퍼(91)의 완전한 토포그래피 프로파일을 얻기 위해 2개의 불완전한 토포그래피 뷰를 함께 스티칭하는 것이다. 그러나, 스캔-헤드(31)를 뒤집는 동작은 고가일 수 있는 부가적인 광각 스테이징을 필요로 하며, 토포그래피 스티칭 알고리즘은 문제가 될 수 있고 부정확할 수 있다.
오일-홀 챔퍼(91)의 전체 표면 프로파일을 측정하는 대안적인 방법이 도 19에 도시되었다. 도 19에 도시된 스캔 헤드(231)의 실시예에서, 2개의 소스 암 -우측 소스 암 및 좌측 소스 암-, 및 폴딩 미러(58)가 제거되었기 때문에 단일 광학 축(60)을 따라 놓이는 단일 이미징 암이 있다. 스캔 헤드(231)의 좌측 소스 암은 전술한 바와 같이 스캔-헤드(31)의 소스 암과 실질적으로 동일하고, 반면 스캔 헤드(231)의 우측 소스 암은 이의 좌측 소스 암의 미러 이미지이다. 이 구성은 또한 추가의 MEMS 드라이버 세트(도 4에서 80V 및 80H) 및 동반한 D/A 컨버터를 가진 추가의 LED 광원 드라이버(도 4에서 29)를 요구할 것임에 유의한다. 이러한 구성으로, 오일-홀 챔퍼(91)는 챔퍼(91)의 어떤 부분도 투사 광의 두 빔과 평행하지 않을 것이므로 투사 광(110L) 및 투사 광(110R)으로 전체가 조명될 수 있다.
많은 크랭크 샤프트(90), 특히 자동차 크랭크 샤프트의 공통된 또 다른 특징은 언더컷(97)이다. 도 20에 도시된 바와 같이, 스캔-헤드(31)에 의해 방출된 투사 광(110)은 조명 위치(112)에서 언더컷(97)에 입사한다. 그러나, 투사 광(110)은 언더컷(97)의 보드 내 표면(113)에 실질적으로 평행할 수 있거나, 언더컷(97)의 보드 내 표면(113)은 표면(94)의 새도우 내에 있을 수 있다. 또한, 기판 내 표면(113)이 조명되고, 스캐닝되고 측정될 수 있게 하는 위치에 스캔-헤드(31)를 재위치시키는 것은 가능하지 않다.
언더컷(97)의 보드 내 표면(113)을 측정하는 대안적 방법이 도 21에 도시되었다. 도 21에 도시된 예에서, 직각 프리즘(111)은 프리즘(111)의 사변으로부터 투사 광(110)이 TIR되도록 제1 윈도우(48) 및 제2 윈도우(54)에 본딩된다. 이어, 반사된 투사 광(110A)은 언더컷(97)으로 지향되고, 보드 내 표면은 더 이상 표면(94)의 새도우 내에 있지 않으며, 보드 내 표면(113)은 반사된 투사 광(110A)에 평행하게 근접하지도 않는다. 이 예에 대한 하나의 변형예는 제1 윈도우(48) 및 제2 윈도우(54) 상에 직각 프리즘(111)을 본딩하지 않고, 대신 윈도우를 제거하고 이들의 위치에 직각 프리즘(115)을 설치하는 것이다. 소스 암으로부터 이미징 암으로 직각 프리즘(115)을 통해 결합하는 광을 제거하기 위해, 직각 프리즘(115)은 제1 윈도우(48)의 위치에 배치되는 제1 프리즘과 제2 윈도우(54)의 위치에 배치되는 제2 프리즘인 2개의 프리즘으로 분리될 수 있다.
광학 스캐닝 시스템(30)의 예시적 동작이 이제 도 4, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명될 것이다. 3D 표면 프로파일 측정을 시작하기 위해, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 측정될 테스트 표면(52)에 인접한 측정 위치에 스캔-헤드(31)를 위치시키기 위해 병진 스테이지(76) 및 회전 스테이지(78)에 하나 이상의 명령을 제공한다. 테스트 물체(51)는 또한 이의 스테이징에 설치되고 테스트 표면(52)의 최적의 측정을 위해 스캔-헤드(31)의 배치를 용이하게 하게 하는 방위로 놓여진다.
1) MEMS 미러(46)가 투사 광(110)이 테스트 표면(52)에 걸쳐 스캔하게 하고; 2) 투사 광(110)이 실질적으로 정지하여 있고, 테스트 표면(52)이 정지한 투사된 광 하에서 등가적으로 스캐닝되도록 테스트 물체(51)가 이의 스테이지(도 16의 180 및 182)에 의해 이동되고; 또는 3) 테스트 물체(51)와 투사 광(110) 둘 다 정지하여 있고, 테스트 표면(52)의 프로파일의 측정은 테스트 표면(52) 상에 투사된 투사 광(110)에 레티클 패턴의 이미지를 처리함으로써 달성되는, 3가지 측정 동작 모드가 있다. 일반적으로, 두 스캐닝 측정 모드는 더 높은 정밀도의 더 높은 해상도의 표면 측정을 제공할 것이지만, 반면 비-스캐닝 모드는 구현하는데 훨씬 덜 비용이 든다.
MEMS 미러(46) 스캐닝 모드에서, 테스트 물체(51)가 적절하게 위치되고 스캔-헤드(31)가 이의 측정 위치에 있는 후에, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 하나 이상의 명령을 D/A 컨버터(27)에 발행하며, 이어 전력을 LED와 같은 광원(32)에 제공하여 이 시점에서 광원(32)이 광(102)을 방출하기 시작하도록 아날로그 전자 신호를 LED 드라이버(29)에 발행한다.
이어, 방출된 광(102)은 입사하여 레티클(36)의 투과 패턴을 임계적으로 필(fill)하거나 오버필한다. 투과된 광(104)은 레티클(36)을 통과하는 광이며, 패턴이 테스트 표면(52) 상의 다운스트림 이미지에서 식별될 수 있도록 엔코딩된, 예로서 도 5a 내지 도 5m의 것들과 같은, 패턴을 갖는다. 투과된 광(104)은 렌즈 애퍼처(38)를 임계적으로 필(fill)하거나 오버필하며; 타원형 애퍼처(38)를 통과한 투과된 광(104)은 이어 투사 렌즈(40)에 입사한다. 투사 렌즈(40)는 테스트 표면(52) 상의 레티클(36) 내 패턴의 투사된 이미지를 생성한다.
투사 렌즈(40)를 통해 출사하는 광(106)의 실절적으로 전부는 직각 프리즘(42)의 단변에 입사한다. 이어, 광(106)은 직각 프리즘(42)의 제1 단변을 통해 굴절하여 프리즘에 들어가고, 이어 직각 프리즘(42)의 사변에 입사하게 된다. 직각 프리즘(42)의 사변에 입사한 광은 TIR 프로세스에서 반사되어, 직각 프리즘(42)의 제2 단변으로 반사되고, 이어 프리즘 광(108)으로서 제2 단변을 통해 굴절한다.
프리즘 광(108)은 이 예에서 투사 광(110)을 스캔하기 위해 MEMS 미러(46)에 입사되는데, 그렇지만 투사 광(110)이 정지된 다른 예에서는 정지 미러가 이용될 수도 있다. 프리즘 광(108)은, MEMS 미러(46)를 벗어난 어떠한 광이든 MEMS 디바이스(44)에 입사할 것이며 미광으로서 반사되어 테스트 표면(52) 상에 투사된 레티클 이미지의 품질을 저하시킬 것이기 때문에 MEMS 미러(46)를 언더필한다. 애퍼처(38)는 프리즘 광(108)이 MEMS 미러(46)를 언더필함을 보장하기 위한 크기이고 위치된다.
투사 광(110)이 테스트 표면(52)에 걸쳐 스캔하는 이 예에서, 스캐닝은 MEMS 미러(46)의 회전에 의해 달성된다. 투사 광(110)의 스캐닝을 위해, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 D/A 컨버터(79V 및 79H) 중 하나 또는 둘 모두에 하나 이상의 디지털 명령을 발행한 다음 수직 MEMS 미러 드라이버(80V)의 입력 및 수평 MEMS 미러 드라이버(80H)의 입력에 각각 라우팅되는 아날로그 전자 신호를 출력한다. 이들 아날로그 전자 신호에 변화는 이에 따라 수직 MEMS 미러 드라이버(80V) 및 수평 MEMS 미러 드라이버(80H)의 출력 전압을 변화시키며, 이들 출력 전압은 MEMS 디바이스(44)의 정전기 액추에이터에 결합되기 때문에, MEMS 미러(46)는 전압에 대응하여 수직 및 수평 축에 관하여 회전할 것이다. 이러한 방식으로, MEMS 미러(46)의 각도 방위는 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)의 제어 하에서 변화된다.
MEMS 미러(46)는 정지 프리즘의 광(108)이 스캐닝 투사 광(110)으로 반사되게 한다. 투사 광(110)은 이어 제1 윈도우(48)을 통과하여 테스트 표면(52) 상의 조명 위치(112)에서 실질적으로 포커스된다. 즉, MEMS 미러(46)는 레티클(36)의 투사된 패턴이 표면 측정 프로세스 동안 테스트 표면(52)에 걸쳐 스캔되도록 한다. 투사된 광(110)이 비-스캐닝 및 정지한 또 다른 예에서, 레티클(36)의 투사된 패턴은 공간에서도 정지하여 있다(스캔-헤드(31)가 또한 공간에 정지하여 있다고 가정하고).
직각 프리즘(42)이 스캔-헤드(31)의 소스 암으로부터 제외될 수도 있을 것이고 MEMS 디바이스(44)의 각 위치는 광(106)의 상이한 입사각을 수용하도록 변경될 수도 있을 것임이 가능하다. 그러나, 도 11과 관련하여 후술되는 바와 같이, MEMS 미러(46)에 입사되는 입력 광은 가능한 한 수직인 것이 매우 바람직한데 이것은 테스트 표면(52)에서 명목상 스캔 패턴 폭이 나타나게 하기 위해 MEMS 미러(46)가 겪을 필요가 있을 θ 각도로 회전 스윙을 감소시킬 것이기 때문이다. 직각 프리즘(42)의 포함은 MEMS 미러(46)에 입사할 때 법선으로부터 단지 몇 십도인 방향으로 상향으로 광(106)이 지향되게 하는데; 직각 프리즘(42)이 없으면, MEMS 미러(46)에 입사되는 광은 법선으로부터 70° 내지 80°가 될 것이고, MEMS 미러(46)는 테스트 표면(52) 상에서 동일한 스캔 엔벨로프를 달성하기 위해 훨씬 더 큰 각도로 회전해야 할 것이다.
이 예에서, 레티클(36)의 패턴은, 비록 도시된 다른 패턴들 중 임의의 패턴이 이용될 수 있을지라도, 도 5c에 도시된 크로스-헤어 패턴이다. 테스트 표면(52)이 평면이라면, 크로스-헤어 패턴의 이미지는 크로스-헤어 암이 직선이고 왜곡되지 않은 크로스-헤어일 것이다. 실제로, 이 상황에서, 크로스-헤어의 이미지는 본질적으로 레티클(36)의 크로스-헤어 애퍼처과 동일하고, 단지 예로서 -0.4 내지 -4.0일 수 있는, 투사 렌즈(40)에 의해 정의된 광학 시스템의 배율만큼만 변한다. 그러나, 예를 들어, 테스트 표면(52)이 언더컷(97)이라면, 투사된 크로스-헤어 이미지는 언더컷(97)의 곡률에 따라 왜곡될 것이다. 또한, 도 17a, 도 17b 및 도 17c는 MEMS 미러(46)가 이의 θ 방향으로 -1.0°, 0.0° 및 1.0°회전되어진, 언더컷(97)에 투사된 크로스-헤어의 이미지이다. 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시된 바와 같이, 크로스-헤어의 수평 아크는 테스트 표면(52)의 곡률에 따라 만곡되고; 테스트 표면(52)의 곡률이 클수록, 수평 크로스-헤어에 있는 곡률은 더 커진다. 실제로, 크로스-헤어의 곡률 정도를 계산하는 것은 스캐닝의 필요없이 테스트 표면(52)의 곡률을 계산할 수 있게 한다.
이어, 테스트 표면(52) 상의 조명 위치(112)에 광은 테스트 표면으로부터 반사 광(114)으로서 반사된다. 반사된 광(114)의 일부는 제2 윈도우에 입사되어 제2 윈도우(54)을 통과하고 이어 제1 렌즈 요소(56)에 입사하게 된다. 이어, 제1 렌즈 요소(56)는 반사된 광을 굴절하고 미러(58)에 입사될 광(116)으로 투과한다. 이어, 미러(58)는 광(116)을 광학 축(68)을 따라 실질적으로 세로 방향으로 반사시키고, 이어 이것은 애퍼처 조리개(60)에 접한다.
이 예에서, 미러(58)는 45도 각도로 설치 및 배치되어 텔레센트릭 렌즈의 이미지 광은 90도로, 그리고 스캔-헤드(31)의 축에 실질적으로 평행한 방향으로 반사된다. 이렇게 하여, 스캔-헤드(31)는 Z-축으로 과도하게 멀리 확장하지 않으며, 스캔-헤드(31)는 테스트 물체(51)의 엄격한 리세스 내에 끼울맞추어질 수 있도록 작고 콤팩트하게 만들어질 수 있다. 반사된 광(118)은 매우 수차된 것들 및 비-텔레센트릭한 것들을 포함하는 매우 다양한 광선을 포함한다. 애퍼처 조리개(60)은 이들 불필요한 광빔의 대부분을 차단하며 따라서 이들은 이미지 센서(66)의 하류의 이미지 평면에 도달하지 않으며, 그러므로 이들 바람직하지 않은 광선은 이미지 센서(66) 상에 형성된 크로스-헤어의 이미지의 품질을 저하시키지 않을 것이다.
애퍼처 조리개(60)의 애퍼처를 통과한 광빔(120)은 제2 렌즈 요소(62)에 입사하여 다시 광을 굴절 및 투과하고 광 번들(122)을 출력한다. 광 번들(122)은 이제 또한 텔레센트릭될 수 있으며, 광원(32)에 의해 방출된 파장 이외의 파장을 갖는 광 번들(122) 내의 광빔을 차단하는 광학 필터(64)에 입사한다. 이러한 방식으로, 제2 윈도우(54)를 통해 스캔-헤드(31)에 들어가는, 예를 들어, 오버헤드 룸 조명으로부터의 임의의 미광은 광학 필터(64)에 의해 실질적으로 차단되어 이미지 센서(66)의 하류의 이미지 평면에 도달되는 것이 방지될 것이며, 따라서, 이들 바람직하지 않은 광선은 이미지 센서(66) 상에 형성된 크로스-헤어 이미지의 품질을 저하시키지 않을 것이다.
광학 필터(64)를 통과한 광 번들(122)의 광선은 이미지 센서(66)에 입사되고, 이어 테스트 표면(52) 상에 형성된 크로스-헤어 이미지의 고품질 이미지가 이미지 센서(66) 상에 형성된다. 이어서, 이미지 센서(66)는 이의 입력면 상에 형성된 광학 이미지를 이미지의 전자 표현으로 변환하고 이를 이미지 디지타이저(82)에 출력한 다음 디지털 포맷으로 변환한 후 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)의 입력에 라우팅된다. 이어, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 측정 방법을 스캔하기 위해 크로스-헤어의 암이 교차하는 위치를 계산하거나, 측정의 비-스캐닝 방법을 위해 테스트 표면(52)의 곡률을 결정하기 위해서 크로스-헤어의 암의 곡률을 분석한다.
스캐닝 예에서, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)는 다음에 MEMS 미러(46)가 이의 다음 스캔 위치까지 회전하기 위한 명령을 제공하거나(D/A 컨버터(79V, 79H)를 통해 그리고 수직 및 수평 MEMS 드라이버(80V, 80H)를 통해), 또는 병진 스테이지(76) 및/또는 회전 스테이지(78)를 통해 다음 측정 위치로 테스트 물체가 이동되기 위한 하나 이상의 명령을 제공한다. 이 스텝-리피트 프로세스는 테스트 물체(51)의 전체 테스트 표면(52)이 스캐닝될 때까지 반복된다.
본 기술의 핵심 구성요소는 이미지 센서(66) 상의 크로스-헤어 교차점의 위치에 대한 지식과, 스캐닝 MEMS 미러(46)의 각도 방위의 지식으로부터 테스트 표면(52) 상의 3D 테스트 포인트의 위치의 계산이다. 이것은 이제 도 11 및 도 12를 참조하여 설명될 것이다.
도 11은 MEMS 미러(46)로부터 반사될 때 광선의 기하학적 구조를 도시한다. 직각 프리즘(42)에서 나가고 MEMS 미러(46)에 입사하는 광(108)을 나타내는 벡터 I, MEMS 미러(46)의 표면에 수직인 벡터 N, 및 MEMS 미러(46)로부터 반사된 투사 광(110)을 나타내는 벡터 R이 특히 중요하다. 또한 도 11에는 X-축을 따른 벡터 N의 방향 코사인 AN, Y-축을 따른 벡터 N의 방향 코사인 BN, Z-축을 따른 벡터 N의 방향 코사인 CN이 정의되어 있다. 또한, 도 11에는 벡터 I와 벡터 N 사이의 각도인 각도 α, Z-축으로부터 Y-축에 관하여 회전되어질, MEMS 디바이스(44)의 수직 축에 관한 MEMS 미러(46)의 회전 각도인 각도 θ, Y-축에 관한 MEMS 미러(46)의 회전인 φ가 정의되었다.
MEMS 미러(46)의 각도 θ 및 φ는 MEMS 디바이스(44)의 캘리브레이트 지식과 수평 드라이버(80H) 및 수직 드라이버(80V)에 의해 MEMS 디바이스(44)에 인가된 작동 전압의 지식에 의해 광학 스캐너(30)에 의해 사전에 알려진다. 이 지식으로부터, MEMS 미러(46)의 법선 벡터(AN, BN, CN) 방향 코사인이 계산될 수 있고, 테스트 표면(52) 상에 크로스-헤어의 위치(즉, 크로스-헤어 이미지의 헤어가 교차하는 곳)는 이미지 센서(66) 상의 크로스-헤어의 측정된 위치(즉, 크로스-헤어 이미지 헤어가 교차하는 곳)로부터의 입력으로 계산될 수 있다.
벡터 I는 방향 코사인(AI, BI, CI)를 가지며, 벡터 R은 방향 코사인(AR, BR, CR)을 갖는다. MEMS 미러(46)에 입사하는 광선을 나타내는 벡터 I는 실질적으로 X-Z 평면에 놓이며, 따라서 BI는 0이고 다음의 분석에서 고찰에서 제외될 것이다. φI가 벡터 I가 Z-축(일반적으로 10°)과 만드는 각도를 나타낸다면, AI=sin(φI) 및 CI=cos(φI)이 된다. 좌표 시스템의 원점은 벡터 I, N 및 R이 MEMS 미러(46)의 중심에서 교차하는 곳이다. 또한, 벡터 I의 크기는 1.0이고 벡터 N과 R의 크기 또한 1.0이다. 검사에 의해, 벡터 N의 방향 코사인은 AN=cos(θ)sin(φ), BN=sin(θ), 및 CN=-cos(θ)sin(φ)이다.
분석에서 이 시점에서, 벡터 I 및 벡터 N의 성분은 알고 있고 벡터 R의 성분이 결정되어야 한다. 이의 계산을 제공하는 벡터 R에 2가지 제약이 있는데, 1) 벡터 I과 벡터 N 사이의 각도 α는 벡터 N과 벡터 R 사이의 각도와 같아야 한다. 즉, 이들의 내적은 같아야 한다: I·N = N·R. 두 번째로, 세 벡터 I, N 및 R은 모두 동일한 기하학적 평면 내에 있어야 하는데, 이 기하학적 평면은 이의 법선 벡터 P로 정의되는 것으로, 임의의 두 벡터의 외적에 의해 발견될 수 있다. 즉, 벡터 P = I x N 및 P = N x R이며, 따라서 I x N = N x R이다. 내적 등식(IㆍN = NㆍR)을 벡터의 요소로 다시 말하면, AIAN + CICN = ARAN + BRBN + CRCN이 제공된다. CR에 대해서 풀면, CR = (AIAN + CICN - ARAN - BRBN)/CN이 된다. P = N x R로부터의 벡터 P의 성분은 AP = BNCR - BRCN, BP = ARCN - ANCR 및 CP = ANBR - ARBN이다. 마찬가지로, P = I x N로부터 벡터 P의 성분은 AP = -BNCI, BP = ANCI - AICN 및 CP = AIBN이다. 2개의 다른 외적으로부터 발견된 P의 3개의 성분은 동일해야 함에 유의한다. 2개의 CP 등식을 동일하게 설정하면 AR = (ANBR - AIBN)/BN으로부터 ANBR - ARBN = AIBN이 제공된다. 마찬가지로, 2개의 AP 등식을 동일하게 설정하면 AP = BNCR - BRCN = -BNCI가 되며, 이로부터 BR = (BNCI + BNCR)/CN이 된다.
AR 및 BR에 대한 등식을 CR에 대입하고 단순화하면, CR = AIANCN + CICN 2-AN 2CI + ANAICN - BN 2CI가 제공된다. 이 결과는 BR에 대한 등식에 대입될 수 있으며, 이의 결과는 벡터 R의 이들 마지막 두 성분을 찾기 위해 AR의 등식에 대입될 수 있다.
스캔-헤드(31)에 이미징 암의 단면을 나타내지만, 폴딩 미러(58)의 제거에 의해 단순화되고, 이미지 센서(266), 테스트 표면(252), 및 테스트 표면(252) 상에 물체 위치(270)에서 발원하는 물체 공간 광선(272), 애퍼처 조리개(259)의 애퍼처(260)를 통과하는 내부 광선(274), 및 이미지 위치(278)에서 이미지 센서(266)에 입사하는 이미지 광선(276)으로 구성된 대표적인 광선을 도시한, 도 12를 참조한다. 렌즈는 물체 공간에서 텔레센트릭하기 때문에, 물체 광선(272)은 렌즈 축(268)에 실질적으로 평행한 것에 유의한다. 또한, 렌즈가 이미지 공간에서 텔레센트릭하기 때문에, 이미지 광선(276)은 렌즈 축(268)에 실질적으로 평행하다.
동작 동안, 이미지 센서(266)가 판독되고 이미지는 이미지 위치(278)의 좌표(XI, YI)를 찾기 위해 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에 의해 처리된다. 이어, 이미징 암 렌즈의 알려진 배율 M으로부터 물체 위치(270)의 좌표(XO, YO)를 찾는 것은 간단한 문제이다: XO = XI/M 및 YO = YO/M. 위치(XO, YO)는 1) 투사된 크로스-헤어의 2개의 헤어가 교차하는 곳이며, 2) 도 11의 벡터 R이 테스트 표면(252 또는 52)과 교차하는 곳이다. 잘 캘리브레이트된 시스템에서, 좌표 XI와 XO는 둘 다 좌표 시스템의 원점을 기준으로 정확하게 알려져 있다. XO를 아는 것은 벡터 R의 실제 길이가 위치(270)에서 끝나기 때문에 계산될 수 있게 하며; 이 길이는 LR = (XO - 0.0)/AR이다. 이로부터, ZO = CRLR이기 때문에, 물체 위치(270)의 3D 위치의 최종의 미지의 좌표(ZO)를 찾는 것은 간단한 문제이다.
MEMS 미러(46)가 인가된 작동 전압에 응답하여 회전하는 테스트 표면(52 또는 252)의 3D 스캔 동안, 위에 수학은 스캔의 각각의 위치에 대해 물체 위치(270)를 계산하기 위해 적용되어야 한다. 즉, MEMS 미러(46)의 각 스캐닝 위치에 대해, MEMS 미러(46) 법선 벡터 N의 성분(AN, BN, CN)이 계산되어야 하고, 반사 및 투사된 광(110)의 성분(AR, BR, CR)이 계산되어야 하고, 이미지 센서(66 또는 266) 상의 크로스-헤어의 위치(XI, YI)가 계산되어야 하고, 이어서 테스트 표면(52) 상의 3D 위치의 (XO, YO) 좌표가 계산되어야 하고, 반사된 투사된 광빔(110)의 길이가 계산되어야 하고, 이로부터 테스트 표면(52) 상의 3D 위치의 ZO 좌표가 계산된다.
대안적으로, MEMS 미러(46)가 고정된 정지 미러로 대체되고 스캔이 이 예에서 정지하여 있는 스캔-헤드(31)에 대해 테스트 표면(252 또는 52)을 이동시킴으로써 달성된다면, 위에 수학적 프로세스는 벡터 N의 방향 코사인이 스캐닝 프로세스 동안 변하지 않기 때문에 단순화된다. 이 경우에, 테스트 표면(252 또는 52)의 각각의 위치에 대해, 이미지 센서(66 또는 266) 상의 크로스-헤어의 위치(XI, YI)가 계산되어야 하고, 이어 테스트 표면(252 또는 52) 상의 3D 위치의 (XO, YO) 좌표가 계산되어야 하고, 반사된 투사된 광빔(110)의 길이가 계산되어야 하고, 이로부터 테스트 표면(252 또는 52) 상의 3D 위치의 ZO 좌표가 계산된다.
그러나, 스캔-헤드(31)가 3D 스캔의 일부로서 이동되는 경우, 테스트 표면(52)이 이동되는지의 여부에 관계없이, 광학-헤드에서 나가는 투사 광빔(110)의 방향 수(AE, BE, CE)가 계산되어야 한다. 즉, 광학-헤드(31)의 각 스캔 위치에 대해, 투사 광빔(110)의 성분(AE, BE, CE)이 계산되어야 하고, 이미지 센서(66 또는 266) 상의 크로스-헤어의 위치(XI, YI)가 계산되어야 하고, 이어 테스트 표면(52) 상에 3D 위치의 (XO, YO) 좌표가 계산되어야 하고, 출사하는 투사 광빔(110)의 길이가 계산되어야 하며, 이로부터 테스트 표면(52) 상에 3D 위치의 ZO 좌표가 계산된다.
최종적으로, 테스트 표면(52)의 3D 토포그래피 측정 중에 일어나는 스캐닝이 없다면, 이미지 센서(66) 상에 이미지의 일탈이(레티클(36)의 패턴과 비교하여) 본질적으로 테스트 표면(52)의 표면 토포그래피를 내포하기 때문에 위에 벡터 수학에 대한 필요성은 없다.
전술한 바와 같이, 텔레센트릭 렌즈가 잘 캘리브레이트된다면 수학은 물체 위치(XO, YO, ZO)의 정확한 추정치만을 제공한다. 특히, 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에서 실행되는 이미지 처리 소프트웨어에서 이미지 위치(XI, YI)가 정확하게 계산될 수 있지만, XO = XI/M 및 YO = YI/M의 정확한 값을 찾는 것은 M, 즉 배율이 정확하게 알려져 있고 텔레센트릭 렌즈의 시야에 걸쳐 변하지 않으며 텔레센트릭 렌즈와 테스트 표면(52) 사이의 거리에 따라 변하지 않는 것으로 가정한다.
그러나, 일반적으로, 배율은 텔레센트릭 렌즈의 "설계 배율"과 약간 상이 할 것이며, 배율은 광학 왜곡(예를 들어, 잔류 배럴 또는 핀쿠션, 왜곡, 또는 이들의 조합)으로 인해 텔레센트릭 렌즈의 시야에 걸쳐 다를 것이며, 배율은 테스트 표면(52)과 텔레센트릭 렌즈 사이의 거리에 따라 소량 변화할 것이다(즉, 텔레센트릭 렌즈는 이의 동작 범위 또는 필드 깊이에 걸쳐, 물체 공간에서 잔류 비-텔레센트릭 행동을 나타낼 것이다). 다행히도 배율에 이들 모든 변화는 아래에 설명 된대로 마이크로디스플레이-기반 캘리브레이트 디바이스를 사용하여 양자화할 수 있으며, 이들의 효과는 (XO, YO)가 (XI, YI)으로부터 계산될 때 상쇄된다.
텔레센트릭 렌즈의 배율을 이의 시야 및 필드 깊이에 걸쳐 캘리브레이트하기 위해, 스캔-헤드(31)는, 픽셀화된 디스플레이(132)의 이미지가 중심을 실질적으로 이미지 센서(66)에 두고 스캔-헤드(31)와 픽셀화된 디스플레이(132) 사이의 거리가 이의 동작 필드 깊이의 가장 바깥 쪽 범위에 있도록, 마이크로디스플레이(130) 위에 위치된다. 캘리브레이트 프로세스의 개시시에, 픽셀화된 디스플레이(132)의 픽셀 피치는 이의 제조 방법에 의해서 혹은, 예를 들어, CMM(좌표 측정 기계)로 직접 측정에 의해 잘 알려진다.
다음으로, 이미지 센서(66) 상의 이미지가 도 15a에 도시된 작은 정사각형의 4개의 코너에 픽셀의 동일한 그룹과 같이, 기지의 패턴의 픽셀이 픽셀화된 디스플레이(132) 상에 활성화되고, 4개의 액티브 그룹의 각각의 배율이 스캔 관리 컴퓨팅 디바이스(84)에서 실행되는 소프트웨어에 의해 계산되고, 배율 값은 추후 처리를 위해 저장된다.
다음으로, 이미지 센서(66) 상의 이미지가 도 15b에 도시된 중간 크기의 정사각형의 4개의 코너에 픽셀의 동일한 그룹과 같은, 또 다른 기지의 패턴의 픽셀이 픽셀화된 디스플레이(132) 상에서 활성화되고, 4개의 액티브 그룹의 각각에 배율이 계산되어 나중에 처리하기 위해 저장된다.
마지막으로, 이미지 센서(66) 상의 이미지가 도 15c에 도시된 큰 정사각형의 4개의 코너에 픽셀들의 동일한 그룹과 같이 기지의 패턴의 픽셀이 픽셀화된 디스플레이(132) 상에 활성화되고, 4개의 액티브 그룹의 각각에 배율이 계산되어 나중에 처리를 위해 저장된다. 캘리브레이트되는 렌즈의 왜곡 및 비-텔레센트리시티 특성이 일반적으로 렌즈의 축에 관해 대칭이기 때문에, 렌즈의 왜곡 및 비-텔레센트리시티 특성은 이제 보간의 사용에 의해 전체 물체 평면 -이 물체 거리에- 에 대해 결정될 수 있다.
다음으로, 스캔-헤드(31)는 200㎛와 같이 소량으로 낮추어져서, 스캔-헤드(31)와 마이크로디스플레이(130) 간 거리가 감소된다. 픽셀화된 디스플레이(132) 상에 3개의 상이한 크기의 도트 패턴을 디스플레이하는 프로세스가 반복되고, 이 물체 평면 위치에서의 렌즈 배율 변화가 다시 결정되어 나중에 사용을 위해 저장된다. 배율이, 텔레센트릭 렌즈의 동작하는 필드 깊이의 맨 안쪽의 범위에 대응하는 스캐-헤드(31)와 픽셀화된 디스플레이(132) 사이의 거리까지 특징지워질 때까지, 렌즈와 마이크로디스플레이(130) 간 거리(및 도트 디스플레이 및 배율 결정)를 감소시키는 프로세스는 반복된다. 이 캘리브레이트 프로세스가 완료될 때, 렌즈의 정확한 배율은 이의 전체 시야 전체에 걸쳐 그리고 및 이의 전체 필드 깊이 전체에 걸쳐 알 수 있다(이산 샘플 점들 사이에 보간의 사용을 통해). 그러다음, 이 캘리브레이트된 배율 데이터는, 다른 캘리브레이트 방법이 이용될 수 있을지라도, 위에 기술된 바와 같이 (XI, YI)로부터 (XO, YO, ZO)의 결정에 적용된다.
따라서, 이 기술로, 크랭크 샤프트 또는 캠샤프트와 같은 복잡한 물체의 매우 정확한 3D 맵이 형성될 수 있다. 스캐너의 정확도는 5㎛ 또는 더 나을 수 수 있다. 테스트 물체의 표면은 초당 1cm2의 레이트로 측정할 수 있다. 샘플 포인트 밀도는 10,000 포인트/cm2일 수 있는데, 이는 측정되는 물체 상에 스캔 거리의 매 100㎛ 마다 샘플에 해당한다.
이와 같이 발명의 기본적인 개념이 설명되었는데, 전술한 상세한 설명은 단지 예로서 제시되고 제한하려는 것이 아님이 당업자에게 명백할 것이다. 다양한 변경, 개선 및 수정이 일어날이며 본원에 명시적으로 기술되지는 않았지만 당업자에게 의도된다. 이들 변경, 개선 및 수정은 본원에 제안되는 것으로 의도되며 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다. 따라서, 발명은 이하의 특허 청구 범위 및 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (65)

  1. 광학 스캐너에 있어서,
    하우징 내에 위치된 광원;
    애퍼처(aperture)를 가진 레티클(reticle)로서, 상기 레티클은 상기 광원으로부터 방출된 제1 광빔(light beam)을 수신하기 위해 상기 하우징 내에 위치되고, 상기 애퍼처를 통해 제2 광빔을 투과하도록 구성된, 상기 레티클;
    상기 레티클로부터 투과된 상기 제2 광빔을 수신하고 하우징 내의 제1 윈도우를 통해 상기 제2 광빔을 물체(object)의 관심 표면 상에 반사시키도록 하기 위해 상기 하우징 내에 위치된 미러; 및
    상기 하우징 내의 제2 윈도우를 통해 상기 물체의 상기 관심 표면으로부터 제3 광빔을 수신하도록 구성된 광 수신기로서, 상기 광 수신기는 상기 물체의 상기 관심 표면의 파라미터를 결정하기 위해 하나 이상의 광 위치 값들을 획득하도록 구성된, 상기 광 수신기를 포함하는, 광학 스캐너.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드인, 광학 스캐너.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 광원은 반도체 레이저인, 광학 스캐너.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 광원은 펄스 광원인, 광학 스캐너.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 광원은 500 nm 미만의 파장을 갖는, 광학 스캐너.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 광 수신기는 이미징 렌즈를 더 포함하는, 광학 스캐너.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 이미징 렌즈는 물체 공간(object space)에서 텔레센트릭(telecentric)한, 광학 스캐너.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 광원에 의해 방출된 파장의 광만을 실질적으로 투과시키도록 구성된 광학 필터를 더 포함하는, 광학 스캐너.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 이미징 렌즈는 상기 하우징 내에 위치되되 이미징 렌즈의 축(axis)이 상기 물체의 상기 관심 표면 상의 적어도 하나의 위치에 실질적으로 수직인, 광학 스캐너.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 투과 애퍼처 패턴을 가져서 상기 제2 광빔을 상기 미러에 투사하도록 위치된 투사 렌즈를 더 포함하는, 광학 스캐너.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징은 25mm보다 작은 폭을 갖는, 광학 스캐너.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 애퍼처는 상기 제2 광 빔에 대한 투과 패턴을 형성하는, 광학 스캐너.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 투과 패턴은 타원, 라인, 또는 크로스-헤어(cross-hair) 패턴인, 광학 스캐너.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징은 시일링(seal)된, 광학 스캐너.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 광 수신기는 적어도 렌즈와 포토센서를 포함하는, 광학 스캐너.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 포토센서는 사분 센서(quadrant sensor), 이미지 센서, 또는 위치 감지 디바이스 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 스캐너.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 미러는 상기 하우징 내에 고정되어 위치되는, 광학 스캐너.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 하우징을 지지하고 상기 물체에 관하여 이동가능하도록 구성된 회전가능 스테이지를 더 포함하는, 광학 스캐너.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 회전가능 스테이지는 축을 따라 병진되도록 더 구성된, 광학 스캐너.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 회전가능 스테이지는 3차원 이미지를 생성하기 위해 상기 물체의 전체 표면적에 걸쳐 상기 제2 광빔을 스캔하기 위해 하나 이상의 회전 순환(rotation)들 또는 병진 이동(translation)들을 수행하도록 구성된, 광학 스캐너.
  21. 청구항 1에 있어서, 상기 미러는 상기 물체의 적어도 하나의 축을 따라 상기 제2 광 빔을 스캔하기 위해 회전하도록 구성된 스캐닝 미러인, 광학 스캐너.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 스캐닝 미러는 마이크로-전자기계식 스캐닝 미러인, 광학 스캐너.
  23. 청구항 21에 있어서, 상기 스캐닝 미러는 상기 하우징 내에 정전기적으로 위치되거나 또는 전자기적으로 위치되는 것 중 적어도 하나인, 광학 스캐너.
  24. 청구항 21에 있어서, 상기 스캔 미러는 약 1000 스캔/초의 레이트(rate)로 상기 물체의 적어도 하나의 축을 따라 상기 제2 광빔을 스캔하기 위해 회전하도록 구성된, 광학 스캐너.
  25. 청구항 19에 있어서, 상기 스캔 미러는 약 50 스캔/초의 레이트로 상기 물체의 적어도 하나의 축을 따라 상기 제2 광빔을 스캔하기 위해 회전하도록 구성된, 광학 스캐너.
  26. 청구항 21에 있어서, 상기 스캔 미러는 래스터 패턴(raster pattern)인 스캔 패턴을 갖도록 더 구성된, 광학 스캐너.
  27. 청구항 21에 있어서, 상기 하우징을 지지하고 상기 물체에 관하여 이동가능하도록 구성된 회전가능 스테이지를 더 포함하는, 광학 스캐너.
  28. 청구항 21에 있어서, 상기 회전가능 스테이지는 축을 따라 병진이동되도록 더 구성된, 광학 스캐너.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 회전가능 스테이지는 3차원 이미지를 생성하기 위해 상기 물체의 전체 표면적에 걸쳐 상기 제2 광빔을 스캔하도록 하나 이상의 회전 순환들 또는 병진 이동들을 수행하도록 구성된, 광학 스캐너.
  30. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징에 인접하여 위치된 스테이징(staging)으로서, 상기 스테이징은 상기 제2 빔이 상기 물체의 상기 관심 표면 상에 반사되도록 하기 위해 상기 물체를 수용하도록 구성되며, 상기 스테이징은 3차원 이미지를 생성하기 위해 상기 물체의 전체 표면적에 대해 상기 제2 광빔을 스캔하도록 하는 하나 이상의 병진 이동들을 수행하도록 구성된, 상기 스테이징을 더 포함하는, 광학 스캐너.
  31. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광원에 대향하여 상기 하우징 내에 위치된 제2 광원;
    제2 애퍼처를 가진 제2 레티클로서, 상기 제2 레티클은 상기 제2 광원으로부터 방출된 제4 광빔을 수신하도록 상기 하우징 내에 위치되고 상기 제2 애퍼처를 통해 제5 광빔을 투과하도록 구성된 제2 애퍼처를 갖는, 상기 제2 레티클; 및
    상기 제2 레티클로부터 투과된 상기 제5 광빔을 수신하고 상기 하우징 내의 제3 윈도우를 통해 상기 물체의 상기 관심 표면 상으로 상기 제5 광빔을 반사시키도록 상기 하우징 내에 위치된 제2 미러를 더 포함하며, 상기 광 수신기는 상기 하우징 내의 상기 제2 윈도우를 통해 상기 물체의 상기 관심 표면으로부터 제6 광빔을 수신하고 상기 제3 광빔 및 상기 제 6 광빔 둘 모두에 기초하여 상기 물체의 상기 관심 표면의 상기 파라미터를 결정하도록 하나 이상의 광 위치 값들을 획득하도록 구성된, 광학 스캐너.
  32. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징의 상기 제1 윈도우 또는 상기 제2 윈도우 중 하나에 본딩된 직각 프리즘을 더 포함하며, 상기 직각 프리즘은 상기 직각 프리즘을 통과하는 광의 내부 전반사를 제공하도록 구성된, 광학 스캐너.
  33. 물체의 3차원 이미지를 생성하는 방법에 있어서,
    광학 스캐너를 제공하는 단계로서, 상기 광학 스캐너는
    하우징 내에 위치된 광원;
    애퍼처를 가진 레티클로서, 상기 레티클은 상기 광원으로부터 방출된 제1 광빔을 수신하기 위해 상기 하우징 내에 위치되고, 상기 애퍼처를 통해 제2 광빔을 투과하도록 구성된, 상기 레티클;
    상기 레티클로부터 투과된 상기 제2 광빔을 수신하고 상기 하우징 내의 제1 윈도우를 통해 상기 제2 광빔을 물체의 관심 표면 상에 반사시키도록 하기 위해 상기 하우징 내에 위치된 미러; 및
    상기 하우징 내의 제2 윈도우를 통해 상기 물체의 상기 관심 표면으로부터 제3 광빔을 수신하도록 구성된 광 수신기로서, 상기 광 수신기는 상기 물체의 상기 관심 표면의 파라미터를 결정하기 위해 하나 이상의 광 위치 값들을 획득하도록 구성된, 상기 광 수신기를 포함하는, 광학 스캐너를 제공하는 단계;
    상기 물체에 관련하여 상기 광학 스캐너를 위치시키는 단계;
    상기 광 수신기에 의해, 상기 관심 표면으로부터 상기 제3 광빔을 수신하는 단계; 및
    상기 물체의 상기 관심 표면으로부터 상기 수신된 제3 광빔에 기초하여, 상기 물체의 상기 관심 표면의 상기 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  34. 청구항 33에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드인, 방법.
  35. 청구항 33에 있어서, 상기 광원은 반도체 레이저인, 방법.
  36. 청구항 33에 있어서, 상기 광원은 펄스 광원인, 방법.
  37. 청구항 33에 있어서, 상기 광원은 500 ㎚ 미만의 파장을 갖는, 방법.
  38. 청구항 33에 있어서, 상기 광 수신기는 이미징 렌즈를 더 포함하는, 방법.
  39. 청구항 38에 있어서, 상기 이미징 렌즈는 물체 공간에서 텔레센트릭(telecentric)한, 방법.
  40. 청구항 38에 있어서, 상기 광학 스캐너는 상기 광원에 의해 방출된 파장의 광만을 실질적으로 투과시키도록 구성된 광학 필터를 더 포함하는, 방법.
  41. 청구항 38에 있어서, 상기 이미징 렌즈는 하우징 내에 위치되되 이미징 렌즈의 축(axis)이 상기 물체의 상기 관심 표면 상의 적어도 하나의 위치에 실질적으로 수직인, 방법.
  42. 청구항 33에 있어서, 상기 광학 스캐너는 상기 투과 애퍼처 패턴을 가져서 상기 제2 광빔을 상기 미러에 투사하도록 위치된 투사 렌즈를 더 포함하는, 방법.
  43. 청구항 33에 있어서, 상기 하우징은 25mm 미만의 폭을 갖는, 방법.
  44. 청구항 33에 있어서, 상기 애퍼처는 제2 광빔에 대한 투과 패턴을 형성하는, 방법.
  45. 청구항 33에 있어서, 상기 투과 패턴은 타원형, 라인, 또는 크로스-헤어(cross-hair) 패턴인, 방법.
  46. 청구항 33에 있어서, 상기 하우징은 시일링(seal)된, 방법.
  47. 청구항 33에 있어서, 상기 광 수신기는 적어도 하나의 렌즈와 포토센서를 포함하는, 방법.
  48. 청구항 47에 있어서, 상기 포토센서는 사분 센서(quadrant sensor), 이미지 센서, 또는 위치 감지 디바이스 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  49. 청구항 33에 있어서, 상기 미러는 하우징 내에 고정되어 위치되는, 방법.
  50. 청구항 49에 있어서, 상기 하우징을 지지하고 상기 물체에 관하여 이동가능하도록 구성된 회전가능 스테이지를 더 포함하는, 방법.
  51. 청구항 49에 있어서, 상기 회전가능 스테이지는 축을 따라 병진되도록 더 구성된, 방법.
  52. 청구항 51에 있어서, 3차원 이미지를 생성하기 위해 상기 물체의 전체 표면적에 걸쳐 상기 제2 광빔을 스캔하기 위해 상기 회전 가능 스테이지의 하나 이상의 회전 순환(rotation)들 또는 병진 이동(translation)들을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  53. 청구항 33에 있어서, 상기 미러는 상기 물체의 적어도 하나의 축을 따라 상기 제2 광빔을 스캔하기 위해 회전하도록 구성된 스캐닝 미러인, 방법.
  54. 청구항 53에 있어서, 상기 물체의 상기 적어도 한 축을 따라 상기 스캐닝 미러를 회전시킴으로써 상기 물체의 상기 관심 표면적에 대해 상기 광원에 의해 방출된 상기 제2 광빔을 스캔하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  55. 청구항 53에 있어서, 상기 스캐닝 미러는 마이크로-전자기계식 스캐닝 미러(micro-elecricalmechanical scanning mirror)인, 방법.
  56. 청구항 53에 있어서, 상기 스캐닝 미러는 상기 하우징 내에 정전기적으로 위치되거나 또는 전자기적으로 위치되는 것 중 적어도 하나인, 방법.
  57. 청구항 53에 있어서, 상기 스캔 미러는 약 1000 스캔/초의 레이트(rate)로 상기 물체의 적어도 하나의 축을 따라 상기 제2 광빔을 스캔하기 위해 회전하도록 구성된, 방법.
  58. 청구항 53에 있어서, 상기 스캔 미러는 약 50 스캔/초의 레이트로 상기 물체의 적어도 하나의 축을 따라 상기 제2 광빔을 스캔하기 위해 회전하도록 구성된, 방법.
  59. 청구항 53에 있어서, 상기 스캔 미러는 래스터 패턴(raster pattern)인 스캔 패턴을 갖도록 더 구성된, 방법.
  60. 청구항 53에 있어서, 상기 광학 스캐너는 상기 하우징을 지지하고 상기 물체에 관하여 이동가능하도록 구성된 회전가능 스테이지를 더 포함하는, 방법.
  61. 청구항 60에 있어서, 상기 회전가능 스테이지는 축을 따라 병진이동되도록 더 구성된, 방법.
  62. 청구항 61에 있어서, 3차원 이미지를 생성하기 위해 상기 물체의 전체 표면적에 걸쳐 상기 제2 광빔을 스캔하도록 상기 회전가능 스테이지의 하나 이상의 회전 순환들 또는 병진 이동들을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  63. 청구항 33에 있어서, 상기 광학 스캐너는 상기 하우징에 인접하여 위치된 스테이징(staging)을 더 포함하며, 상기 스테이징은 상기 제2 빔이 상기 물체의 상기 관심 표면 상에 반사되도록 하기 위해 상기 물체를 수용하도록 구성되며, 상기 방법은 :
    3차원 이미지를 생성하기 위해 상기 물체의 전체 표면적에 대해 상기 제2 광빔을 스캔하도록 하는 하나 이상의 병진 이동들을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  64. 청구항 33에 있어서, 상기 광학 스캐너는,
    상기 제1 광원에 대향하여 상기 하우징 내에 위치된 제2 광원;
    제2 애퍼처를 가진 제2 레티클로서, 상기 제2 레티클은 상기 제2 광원으로부터 방출된 제4 광빔을 수신하도록 상기 하우징 내에 위치되고 상기 제2 애퍼처를 통해 제5 광빔을 투과하도록 구성된 제2 애퍼처를 갖는, 상기 제2 레티클;
    상기 제2 레티클로부터 투과된 상기 제5 광빔을 수신하고 상기 하우징 내의 제3 윈도우를 통해 상기 물체의 상기 관심 표면 상으로 상기 제5 광빔을 반사시키도록 상기 하우징 내에 위치된 제2 미러를 더 포함하며, 상기 방법은 :
    상기 하우징 내의 상기 제2 윈도우를 통해 상기 물체의 상기 관심 표면으로부터 제6 광빔을 상기 광 수신기에 의해 수신하는 단계;
    상기 관심 표면으로부터 상기 수신된 제3 광빔 및 상기 수신된 제6 광빔에 기초하여, 3차원 이미지를 생성하기 위해 상기 물체의 상기 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  65. 청구항 33에 있어서, 상기 광학 스캐너는 :
    상기 하우징의 상기 제1 윈도우 또는 상기 제2 윈도우 중 하나에 본딩된 직각 프리즘을 더 포함하며, 상기 직각 프리즘은 상기 직각 프리즘을 통과하는 광의 내부 전반사를 제공하도록 구성된, 방법.
KR1020177023898A 2015-01-30 2016-02-01 광학 3차원 스캐너 및 이의 사용 방법 KR20170109004A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562110155P 2015-01-30 2015-01-30
US62/110,155 2015-01-30
US201562150705P 2015-04-21 2015-04-21
US62/150,705 2015-04-21
PCT/US2016/015969 WO2016123618A1 (en) 2015-01-30 2016-02-01 Optical three dimensional scanners and methods of use thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170109004A true KR20170109004A (ko) 2017-09-27

Family

ID=56544470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177023898A KR20170109004A (ko) 2015-01-30 2016-02-01 광학 3차원 스캐너 및 이의 사용 방법

Country Status (7)

Country Link
US (2) US10048064B2 (ko)
EP (1) EP3250946A4 (ko)
JP (1) JP2018506725A (ko)
KR (1) KR20170109004A (ko)
CN (1) CN107430194A (ko)
CA (1) CA3005319A1 (ko)
WO (1) WO2016123618A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200142072A1 (en) * 2018-11-07 2020-05-07 Sharp Kabushiki Kaisha Optical radar device
KR20200113071A (ko) * 2019-03-21 2020-10-06 한국전자기술연구원 송광 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112017021420A2 (pt) * 2015-06-01 2018-07-03 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation método e dispositivo para inspeção de virabrequim
US20180099761A1 (en) * 2016-10-10 2018-04-12 The Boeing Company Real Time Aircraft Stress Monitoring System
DE102016219955B4 (de) * 2016-10-13 2024-04-25 Robert Bosch Gmbh Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung, System und Verfahren zum Erfassen einer Umgebung mittels eines scanbaren Ausleuchtungsmusters
US10799998B2 (en) * 2016-10-17 2020-10-13 Virtek Vision International Ulc Laser projector with flash alignment
US20190005663A1 (en) * 2017-06-30 2019-01-03 Adcole Corporation Method for reducing impact of surface texture in an optical scan and devices thereof
US10701259B2 (en) * 2017-09-15 2020-06-30 Quality Vision International Inc. Video measuring system with dual-acting reticle projector for focusing and alignment
JP2019100954A (ja) * 2017-12-06 2019-06-24 株式会社トプコン レーザスキャナ
DE102018105132B4 (de) * 2018-03-06 2023-07-13 Haag-Streit Gmbh Triangulationsvorrichtung
KR102581631B1 (ko) 2018-06-26 2023-09-22 미쓰미덴기가부시기가이샤 회전 왕복 구동 액추에이터
US20210293931A1 (en) * 2018-07-26 2021-09-23 Innoviz Technologies Ltd. Lidar system having a mirror with a window
CN109584352B (zh) * 2018-08-21 2021-01-12 先临三维科技股份有限公司 三维扫描的图像获取、处理方法、装置以及三维扫描设备
WO2020076336A1 (en) * 2018-10-12 2020-04-16 Electric Power Research Institute, Inc. Method for measuring surface characteristics in optically distorting media
US11024669B2 (en) * 2018-10-24 2021-06-01 Aeva, Inc. LIDAR system with fiber tip reimaging
CN113557715B (zh) * 2019-03-13 2022-12-06 华为技术有限公司 多功能三维扫描器
CN109917544A (zh) * 2019-03-19 2019-06-21 北京遥感设备研究所 一种透射式扫描稳像光学系统
IT201900004197A1 (it) * 2019-03-22 2020-09-22 St Microelectronics Srl Modulo elettronico integrato per il rilevamento 3d, e dispositivo di scansione 3d che include il modulo elettronico
JP7332417B2 (ja) * 2019-10-03 2023-08-23 株式会社ミツトヨ 測定装置、及び測定方法
JP7140980B2 (ja) * 2019-12-13 2022-09-22 ミツミ電機株式会社 回転往復駆動アクチュエーター
US20210228147A1 (en) * 2020-01-21 2021-07-29 Washington University Systems and methods for electromyometrial imaging
JP7484181B2 (ja) * 2020-01-24 2024-05-16 セイコーエプソン株式会社 プロジェクターの制御方法、プロジェクター、及び表示システム
CN113687367A (zh) * 2020-05-16 2021-11-23 北醒（北京）光子科技有限公司 一种双发射激光雷达
US20220122241A1 (en) * 2020-10-15 2022-04-21 Applied Materials, Inc. In-line metrology systems, apparatus, and methods for optical devices
US20220136817A1 (en) * 2020-11-02 2022-05-05 Artilux, Inc. Reconfigurable Optical Sensing Apparatus and Method Thereof

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997041460A2 (en) * 1996-04-01 1997-11-06 Lockheed Martin Corporation Combined laser/flir optics system
CN1114090C (zh) * 2000-05-12 2003-07-09 清华大学 测量物体表面形貌的纹影仪
JP2002040136A (ja) * 2000-07-19 2002-02-06 Denso Corp 反射測定装置
US6798527B2 (en) * 2001-04-27 2004-09-28 Minolta Co., Ltd. Three-dimensional shape-measuring system
US7268345B2 (en) 2002-04-16 2007-09-11 Schultz Howard J Optical scanner and method for 3-dimensional scanning
DE102005002190B4 (de) 2005-01-17 2007-04-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Scanner und Verfahren zum Betreiben eines Scanners
WO2006109308A1 (en) * 2005-04-12 2006-10-19 Sharon Ehrlich Real-time imaging method and system using structured light
DE202006005643U1 (de) * 2006-03-31 2006-07-06 Faro Technologies Inc., Lake Mary Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen eines Raumbereichs
US8103374B2 (en) 2007-08-01 2012-01-24 Komatsu Ntc Ltd. Processing apparatus, center-hole working system, center-hole position deciding program, and center-hole position deciding method
DE102007060263A1 (de) 2007-08-16 2009-02-26 Steinbichler Optotechnik Gmbh Vorrichtung zur Ermittlung der 3D-Koordinaten eines Objekts, insbesondere eines Zahns
CA2743664C (en) * 2007-11-23 2015-06-23 Numeq Inc. Three-dimensional surface measuring scanner
US8064068B2 (en) * 2008-01-25 2011-11-22 Cyberoptics Corporation Multi-source sensor for three-dimensional imaging using phased structured light
EP2192463B1 (de) 2008-11-28 2014-03-05 Klingelnberg AG Vorrichtung und Verfahren zum Positionieren eines rotationssymmetrischen Präzisionsteiles
US9113023B2 (en) 2009-11-20 2015-08-18 Faro Technologies, Inc. Three-dimensional scanner with spectroscopic energy detector
US9769455B2 (en) 2010-12-21 2017-09-19 3Shape A/S 3D focus scanner with two cameras
CN104024918A (zh) * 2011-11-30 2014-09-03 三洋电机株式会社 反射镜致动器、光束照射装置及激光雷达
US8520219B2 (en) * 2011-12-19 2013-08-27 Perceptron, Inc. Non-contact sensor having improved laser spot
KR20130103060A (ko) * 2012-03-09 2013-09-23 삼성전기주식회사 3차원 측정 장치 및 방법
JP5642114B2 (ja) * 2012-06-11 2014-12-17 株式会社モリタ製作所 歯科用光計測装置及び歯科用光計測診断器具
WO2014141115A2 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Primesense Ltd. Depth scanning with multiple emitters

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200142072A1 (en) * 2018-11-07 2020-05-07 Sharp Kabushiki Kaisha Optical radar device
US11762151B2 (en) * 2018-11-07 2023-09-19 Sharp Kabushiki Kaisha Optical radar device
KR20200113071A (ko) * 2019-03-21 2020-10-06 한국전자기술연구원 송광 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다

Also Published As

Publication number Publication date
US20180283854A1 (en) 2018-10-04
CN107430194A (zh) 2017-12-01
EP3250946A1 (en) 2017-12-06
CA3005319A1 (en) 2016-08-04
US20160223319A1 (en) 2016-08-04
JP2018506725A (ja) 2018-03-08
EP3250946A4 (en) 2018-07-11
WO2016123618A1 (en) 2016-08-04
US10048064B2 (en) 2018-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20170109004A (ko) 광학 3차원 스캐너 및 이의 사용 방법
US7616328B2 (en) Method and system for providing a high definition triangulation system
US9019576B2 (en) Scanning apparatus with patterned probe light
US20150226543A1 (en) Optical probe, attachable cover, and shape measuring apparatus
CN110836642A (zh) 一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器及其测量方法
US11047674B2 (en) Method and apparatus for measuring the height of a surface
JP2002296018A (ja) ３次元形状計測装置
JP4696249B2 (ja) 形状測定方法及び装置
JP4148592B2 (ja) 複屈折測定方法及び複屈折測定装置
JP2005292103A (ja) ポリゴンミラーの角度測定装置
TWI575218B (zh) 用於量測移動之裝置及方法以及麥克風
US5706081A (en) Apparatus for inspecting surface defects with regularly reflected light and peripherally scattered light
JP2016114602A (ja) 表面形状測定装置、および欠陥判定装置
JP2008139190A (ja) コイルばねの寸法測定装置
WO2022190522A1 (ja) 三角測距式変位センサ
JP2002062220A (ja) 走査光学系の検査方法及び検査装置
JP3619851B2 (ja) レーザビームを利用した直線計の精度向上方法。
CN113124778B (zh) 轮廓测量系统和轮廓测量方法
WO2024004166A1 (ja) 距離測定装置
JP2002221409A (ja) 光学面の形状測定方法および装置および記録媒体
JP2009271351A (ja) 結像光学ユニット及びその検査方法
CN116299898A (zh) 光电子器件的对准方法及耦合方法
JP2005127852A (ja) 走査光学素子検査装置
JP2020159909A (ja) ガス濃度検出器およびガス濃度計測装置
JPH0436629A (ja) 走査光学系におけるビーム形状測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
WITB Written withdrawal of application