KR20190122632A - 터치 프로브에 대하여 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 예를 들면, CMM 상에, 카메라에 대하여 터치 프로브의 보다 정확한 켈리브레이션을 가능하게 하는 켈리브레이션 고정구를 제공한다. 상기 카메라는 그의 광축이 상기 프로브의 z-축에 대하여 대략적으로 또는 실질적으로 평행하도록 장착된다. 상기 프로브 및 작업편은 직교의 x 및 y 축, 및 선택적으로 상기 z-축 및/또는 및 상기 z-축에 대한 회전(R)에 의하여 구획되는 일 평면을 따라서 상대적으로 움직인다. 상기 켈리브레이션 고정구는 상기 프로브의 접촉 표면의 아래로부터 이미지화하고, 그리고, 180-도 프리즘 구조를 통하여, 상기 프로브 접촉점으로부터 상기 광축을 따라 상기 카메라로 광을 전달하도록 배열된다. 양자택일적으로, 2개의 카메라는 상기 기점 상에 정렬될 때 각각 상기 CMM 아암 및 상기 프로브 위치에 대한 상기 기점 위치를 보게 된다. 상기 고정구는 광학블럭 및 카메라 어셈블리를 갖는 통합 어셈블리를 구획할 수 있다.

Description

터치 프로브에 대하여 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CALIBRATING A VISION SYSTEM WITH RESPECT TO A TOUCH PROBE}

본 출원은 터치 프로브에 대하여 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 시스템 및 방법이라는 제목으로 2015년 2월 3일자로 출원된 미국 임시출원 출원번호 제 62/111,644 호, 터치 프로브에 대하여 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 시스템 및 방법이라는 제목으로 2014년 12월 31일자로 출원된 미국 임시출원 출원번호 제 62/098,894 호, 및 터치 프로브에 대하여 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 시스템 및 방법이라는 제목으로 2014년 10월 23일자로 출원된 미국 임시출원 출원번호 제 62/067,957 호의 혜택을 청구하며, 그 각각의 출원은 이에 참증으로 포함된다.

본 발명은 머신 비전 시스템 및 더욱 상세하게는 검사 및 제조 프로세스에 사용되는 시각 시스템의 켈리브레이팅에 대한 것이다.

제작 및 조립 프로세스에서는 보통 대상 표면을 높은 정밀도로 측정하는 것이 바람직하다. 고정밀도(예를 들면, 대략 미크론으로) 및 저소음으로 이러한 측정을 실행하기 위한 기술 중 하나는 3차원 측정기(coordinate measuring machine, CMM)를 이용하는 것이다. 상기 CMM은 움직이는 이동 스테이지 상에 장착가능한 (또는, 양자택일적으로, 상기 터치 프로브가 이동가능함) 대상의 표면에 터치 프로브를 가한다. 움직임이 발생됨에 따라 (예를 들면, 일 평면을 따라 물리적 x- 및 물리적 y-좌표 방향으로), 상기 프로브는 상기 대상 표면을 따라 다수의 위치에 접촉되고, 이에 따라 상기 대상 표면 상의 다양한 위치에 대하여 전반적인 변위(예를 들면, 상기 물리적 z-좌표 방향으로) 지도를 발생하게 된다.

제조 환경에서 터치 프로브 사용에 있어서의 도전-예를 들면, 조립 및/또는 품질 제어-은 검사 중 상기 작업편 상의 적절한 위치에 상기 터치 프로브를 위치시키는 것이다. 예를 들면, 상기 작업편 내의 임의의 요소가 기능성 및 적절한 치수 결정을 위하여 상기 프로브에 의하여 터치된다. 보통, 상기 작업편은 이동 스테이지와 같은 이동 표면 상에 위치가능하거나, 또는 검사 영역에서 고정구 내에 장착될 수도 있다. 상기 터치 프로브는 상기 터치 프로브/CMM 내부 조정 시스템(x, y, z 및 회전(R))와 상기 작업편 조정 시스템 사이의 매핑에 의하여 상기 작업편에 대하여 움직인다. 그러므로, 상기 작업편 조정 시스템에 대하여 상기 프로브의 조정 시스템을 등록하는 것은 일반적으로 상기 작업편 상에 임의의 기준점을 명시 및 매핑할 것이 요구된다. 예를 들면, 상기 작업편은 기준점 또는 데이터로 사용되는 주지의 가장자리 및 코너를 포함할 수 있다. 상기 작업편은 또한 인쇄된 x표 등, 상기 터치 프로브의 움직임에 대한 초기 기준점을 설정하는 데에 사용가능한 소정의 기점(fiducial)을 포함할 수 있다. 또한, 이들 기점은 임의의 표면 부각(예를 들면, z-축 높이에 있어서의 변화)이 없고, 있다면 상기 터치 프로브에 의하여 검출가능게 되어 기준점을 찾기 위하여 시각적인 특징에만 의존하게 된다.

작업 공간 주위에서 로봇식 구성 요소-예를 들면, 엔드이펙터, 파트핸들러, 등-를 안내하는 데에(위치시키는 데에) 상기 머신 비전 시스템(여기에서는 또한 단순히 “시각 시스템”으로 칭함)을 사용하는 것은 당업계에 주지되어 있다. 대체로, 이러한 시각 시스템은 상기 로봇식 구성요소 및 상기 작업편을 포함하는 현장을 이미지화하기 위하여 장착되는 1 이상의 카메라고 이루어진다. 각각의 카메라는 CCD, CMOS 또는 그레이스케일 또는 색에 있어서 기타 적절한 이미지화 기술에 기초한 이미지 센서 또는 “영상기(imager)”를 포함한다. 상기 영상기는 카메라 본체에 통합가능하거나 및/또는, 적절한 유선 및/또는 무선 링크를 통하여 접속되는, 독립형 PC, 휴대용 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰, 등과 같은 원격 컴퓨팅 장치 내에 위치가능한 프로세서에 이미지 데이터를 제공한다. 상기 프로세서는, 이에 한정되는 것은 아니나, 테두리-검출 및 blob-분석 도구, 일반 패턴-인식 도구, 정렬 도구 및/또는 검사 도구와 같은 다양한 기능성을 갖는 시각 시스템 응용/프로세스를 포함한다. 이들 기능 및 도구는 상기 시각 시스템으로 하여금 상기 작업편 상의 특징을 인식가능하게 하고, 런타임 작동에 선행하는 훈련 단계 및 켈리브레이팅 단계 중에 설정되는 내부 조정 시스템에 대하여 이를 정렬할 수 있게 한다.

터치 프로브와 함께 시각 시스템을 사용하는 것은, 런타임 중에 상기 터치 프로브 상에 접촉점을 위치결정하는 것이 모호할 수 있고, 일반적으로, 카메라의 양호한 시야각을 얻기 곤란하다는 점에서 도전이 될 수도 있다. 더 일반적으로, 시각 시스템을 터치 프로브와 함께, 상기 시스템의 켈리브레이팅을 포함하여, 사용하는 것은 쉽지 않다. 이러한 어려움은 상기 CMM이 단일의 이동 아암 상에 여러 터치 프로브를 이용하는 경우 더욱 심해진다.

본 발명은, 예를 들면, CMM 상에서, 상기 카메라에 대하여 터치 프로브의 보다 정확한 켈리브레이팅을 가능하게 하여 상기 프로브에 의하여 터치되는 지점에 대하여 상기 카메라의 직접적인 관찰로 손-눈(eye-hand) 켈리브레이션 프로세스(아래에 더욱 설명됨)가 수행될 수 있도록 하는 켈리브레이션 고정을 제공함으로써 종래기술의 단점을 극복한다.

상기 카메라는 그의 광축이 상기 프로브의 z-축과 대략적으로 또는 실질적으로 평행하도록 장착된다. 상기 프로브 및 작업편은 직교의 x 및 y 축, 및 선택적으로 상기 z-축 및/또는 및 상기 z-축에 대한 회전(R)에 의하여 구획되는(적어도) 하나의 평면을 따라서 상대적으로 움직인다. 상기 켈리브레이션 고정구는 상기 프로브의 접촉 표면의 아래로부터 이미지화하고, 그리고, 180-도 프리즘 구조를 통하여, 상기 프로브 접촉점으로부터 뒤쪽으로 상기 광축을 따라 상기 카메라로 광을 전달하도록 배열된다. 콜리메이팅 릴레이 광학장치 어셈블리는 전반적으로 180-도 프리즘 어셈블리를 구성하는 한 쌍의 직각(90-도) 프리즘 사이에 위치될 수 있다. 상기 카메라 광축 및 프로브 접촉 표면은 서로에 대하여 주지의 방향으로 되어 있으므로, 상기 고정구를 이용한 손-눈 켈리브레이션 실행이 카메라의 내부 좌표로 하여금 상기 프로브/CMM 조정 시스템에 정확히 매핑될 수 있도록 한다. 가령, 런타임 도중에, 카메라가 그의 시야에서 작업편 특징을 식별할 때, 이러한 특징(상기 매핑에 기초한)으로부터 상기 프로브의 거리 및 방향을 정확히 알 수 있게 되고, 1 이상의 축을 따라 기지의 거리만큼 상기 CMM을 이동시킴으로써 상기 프로브를 상기 특징에로 이동시킬 수 있게 된다.

더욱 일반적으로, 본 발명은 카메라와 프로브 사이의 오프셋을 정확히 켈리브레이팅하기 위한 시스템 및 방법을 제공하며, 여기에서 공통의 일 평면을 상기 카메라는 "본다(view)" 그리고 상기 프로브 "터치한다(touch)". 상기 프로브는 전기적 유형 및 기계적 유형을 포함한 다양한 유형으로 될 수 있다. 상기 공통 평면은, 예를 들면, 회로기판, 반도체 다이, 또는 터치 디스플레이로 될 수 있다. 상기 카메라 및 프로브는 로봇 또는 스테이지(예를 들면, 상기 CMM 장치) 상에 함께 단단히 장착되어 상기 로봇 또는 스테이지가 이동할 때 고정된 오프셋을 유지한다. 상기 시스템 및 방법은 "터치-뷰 표면"(touch-view surface, TVS) 및 "뷰포트"(view port, VP)를 포함하는 켈리브레이션 고정구를 포함한다. 상기 켈리브레이션 고정구는 상기 TVS 및 VP 사이의 변위가 상기 카메라 및 상기 터치 프로브 사이의 고정된 변위와 대략적으로 일치되도록 조정된다. 상기 TVS는 기점 표적(예를 들면, 상기 표면 상에 금속성 십자형 도금됨)을 포함한다.

또 다른 구현에서, 상기 시스템 및 방법은 이동형 로봇 또는 스테이지에 대하여 고정적으로 장착된 제 1 (기점-위치결정) 카메라 및 각각 광학적으로 빔 스플리터에 연통되는 조명기 및 표적을 결합한 켈리브레이션 고정구에 대하여 장착된 제 2 (프로브-위치결정) 카메라를 이용한다. 상기 프로브-위치결정 카메라는 직각, 빔 스플리터 거울을 통하여 상기 거울 및 상기 표적을 통과하는 조명빔으로써 상기 표적을 보도록 정렬되는 제 1 광학/카메라 축을 구획하여 그의 제 2 광학/카메라 축을 따라 상기 표적의 이미지를 상기 기점-위치결정 카메라에로 투사하도록 한다. 작동에 있어서, 상기 프로브-위치결정 카메라는 상기 기점으로 1 이상의 프로브 팁의 정렬을 결정하는 데에 사용되고, 상기 기점-위치결정 카메라는 그의 픽셀에 대하여 상기 기점을 위치시키는 데에 사용된다. 이러한 방식으로, 상기 CMM 조정 시스템에서 각각의 프로브에 대하여 상기 기점-위치결정 카메라로부터의 오프셋이 결정되고, 이들 오프셋은 상기 카메라로 하여금 상기 CMM 아암(상기 프로브(들) 포함)을 검사 대상 위의 적절한 위치로 이동시킬 수 있도록 런타임 중에 사용가능하다.

예시적인 일 실시예에서는, 터치 프로브를 안내하기 위한 시각 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 종축을 갖는 이동형 터치 프로브 어셈블리에 대하여 장착되는 카메라축을 갖는 시각 시스템 카메라 어셈블리를 포함한다. 켈리브레이션 고정구는 제공되어, 오프셋 간격(S)으로 간격을 둔 평행축 사이에 180 도로 광학경로를 변경하는 프리즘 어셈블리를 구획한다. 예시적으로, 상기 오프셋 간격(S)은 상기 터치 프로브 종축 및 상기 카메라 축 사이의 간격과 대략적으로 동일하므로, 상기 TVS에 접촉하는 상기 터치 프로브는 상기 VP에서 상기 카메라 축을 따라 볼 수 있게 된다. 상기 시스템은 상기 고정구의 광학경로 내에 릴레이 렌즈 어셈블리를 포함할 수 있다. 예시적으로, 상기 켈리브레이션 고정구는 대물렌즈를 포함할 수 있으며, 이는 대체로 상기 VP 프리즘의 상부 표면 상에 위치되고, 이는 상기 접촉점의 획득된 이미지가 상기 접촉 표면과 동일한 초점 거리에 나타나게 하고, 더욱 일반적으로, 시차 오차를 감소시키며 상기 카메라 시야에 조명이 균일하게 되도록 한다.

예시적인 실시예에서, 대물렌즈 어셈블리는 상기 터치 프로브로부터 반사된 광에 의하여 발생되는 시차를 감소시키도록 그리고 상기 카메라 어셈블리의 시야에 전반적으로 조명을 균형맞추도록 상기 프리즘 어셈블리 상의 광학경로 내에 위치될 수 있다. 예시적으로, 상기 프리즘 어셈블리는 그 상부에 기점을 포함하는 터치-뷰 표면(TVS)을 갖는 제 1 직각 프리즘 및 상기 TVS의 이미지를 획득하기 위한 뷰포트(VP)를 갖는 제 2 직각 프리즘을 갖는다. 조명 어셈블리가 제공될 수 있는데, 이는 상기 TVS에 인접한 상기 제 1 직각 프리즘에 광을 전달하며, 상기 조명 어셈블리는, 이를 통하여 그리고 상기 릴레이 렌즈 어셈블리를 통하여 광을 상기 제 1 직각 프리즘에 전달하기 위하여, 제 2 직각 프리즘의 경사진 벽에 인접하게 위치되는 빔 스플리터를 가질 수 있다. 양자택일적으로, 상기 빔 스플리터는 이를 통하여 광을 상방으로 전달하도록 상기 제 1 직각 프리즘의 경사진 벽에 인접하게 위치될 수 있다. 또 다른 대안에 의하면, 상기 조명 어셈블리는 상기 제 1 직각 프리즘의 경사진 벽을 통하여 광을 전달하도록 배열되어 상기 제 1 직각 프리즘 내에 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 발생시킬 수 있다. 이러한 장치에서, 상기 조명광은 따라서 상기 터치 프로브에 의하여 터치된 상기 TVS 상의 위치에 대하여 일 위치에서 상기 VP 내에 글린트(glint)를 투사한다.

예시적인 또 다른 일 실시예에서는, 이동형 터치 프로브 어셈블리와 함께 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 방법이 제공된다. 카메라 축을 갖는 카메라는 상기 터치 프로브 어셈블리의 종축에 대하여 배향되고 장착된다. 프리즘 어셈블리는 오프셋 간격(S)으로 간격을 둔 평행축 사이에서 광학경로를 180 도(2개의 별개 90-도로 변경함) 변경한다. 상기 간격(S)은 상기 터치 프로브 종축 및 상기 카메라 축 사이의 간격과 대략적으로 동일하다. 상기 프리즘 어셈블리는 상부에 기점을 갖는 터치-뷰 표면(TVS) 및 상기 TVS의 이미지를 획득하기 위한 뷰포트(VP)를 구획한다. 상기 기점은 정렬기준점을 설정하기 위하여 상기 프로브에 의하여 터치되고, 상기 프로브의 위치는 터치 프로브 움직임 제어기에 의하여 프로브정렬위치로서 기록된다. 상기 터치 프로브 및 상기 고정되게 부착된 카메라는 상기 움직임 제어기에 의하여 이동되어 상기 카메라는 상기 TVS 위로 상기 기점을 보도록 정렬되고 상기 터치 프로브의 위치는 카메라정렬위치로서 기록된다. 그리하여 상기 오프셋 간격은 카메라정렬위치 및 프로브정렬위치 사이의 차이로서 계산된다. 예시적으로, 런타임에 계산된 상기 오프셋 간격은 상기 카메라에 의하여 작업편 상에 식별된 특징에 기초하여 상기 작업편의 위치로 상기 프로브를 이동시키는 데에 사용된다.

또 다른 예시적인 실시예에서는, 2개의 시각 시스템 카메라를 사용하는 터치 프로브 어셈블리를 안내하기 위한 예시적인 시각 시스템 및 방법이 제공된다. 켈리브레이션 고정구가 제공된다. 상기 고정구는 상기 기점을 포함하며, 이는 상기 터치 프로브 어셈블리 및 상기 고정구 사이의 움직임에 기초하여 상기 터치 프로브와 선택적으로 접촉할 수 있도록 배열된다. 상기 켈리브레이션 고정구는 빔 스플리터를 포함하며, 이는 모든 조명광이 광원으로부터 상기 기점 및 상기 기점을 통과하는 시야각을 통하여 그 위의 공간 내로 바뀌는 제 1 광학경로를 통과하도록 허용하며, 선택적으로 상기 터치 프로브 어셈블리를 포함한다. 제 1 시각 시스템 카메라 어셈블리는 상기 빔 스플리터에 대하여 위치되며, 상기 제 1 광학경로를 따라 위치되는 제 1 카메라 축을 구획한다. 제 2 카메라 축을 갖는 제 2 시각 시스템 카메라 어셈블리는 상기 터치 프로브 어셈블리에 대하여 고정적으로 장착되며, 선택적으로 상기 광원에 의하여 조명되는 기점을 바라본다. 상기 장치는 예시적으로 각각 상기 기점에 접촉되도록 상기 고정구에 대하여 각각 선택적으로 이동가능한 다수의 터치 프로브 어셈블리를 포함할 수 있다. 각각의 상기 터치 프로브 어셈블리는 상기 제 2 카메라 어셈블리에 대하여 고정적으로 부착된다. 예시적으로, 대물렌즈 어셈블리는 상기 터치 프로브로부터 반사된 광에 의하여 발생되는 시차를 감소시키도록 그리고 상기 카메라 어셈블리의 시야에 전반적으로 조명을 균형 맞추도록 상기 제 1 광학경로 내에 위치될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 터치 프로브 어셈블리는 3차원 측정기(CMM)의 이동형 아암 상에 위치되며, 상기 CMM은 상기 아암의 움직임을 추적하는 제어기를 포함한다. 각각의 상기 제 1 시각 시스템 카메라 및 상기 제 2 시각 시스템 카메라는, 각각, 상기 터치 프로브가 상기 기점을 접촉하고 상기 제 2 카메라 축이 상기 기점에 정렬될 때, 상기 제어기에 기초하여 상기 아암의 위치를 기록하도록 피드백을 제공한다. 이러한 방식으로, 각각의 터치 프로브 어셈블리 및 상기 제 2 시각 시스템 카메라 축 사이의 상대적인 오프셋을 런타임 작동에 사용하도록 계산할 수 있다.

또 다른 예시적인 일 실시예에서, 터치 프로브 어셈블리를 켈리브레이팅하기 위한 상기 시각 시스템은 설치대, 카메라, 및 레티클, 대물렌즈, 빔 스플리터, 비구면 렌즈 어셈블리와 조명원을 갖는 광학블럭을 포함하는 단일 유니트 내에 통합될 수 있다. 상기 카메라는 상기 TVS로부터 광을 수신하며, 이는 상기 레티클에 위치되고 상기 빔 스플리터의 반사성 표면에 직각으로 반사된다. 상기 조명원은 상기 반사성 표면 및 레티클을 통하여 상기 프로브 상에 축방향으로 투사된다. 상기 광학블럭은 하우징 커버에 의하여 커버되며, 이 하우징 커버는 또한 광의 누출을 방지하고 공해물질의 침투를 예방하기 위하여 상기 카메라 어셈블리의 렌즈-단부의 적어도 일부를 커버한다.

예시적으로, 상기 빔 스플리터 및 상기 조명광은 상기 제 2 시각 시스템 카메라를 지지하는 설치대에 대하여 상기 광학블럭 내에 장착되며; 그리고 상기 광학블럭은 상기 터치 프로브에 접촉하도록 채택된 레티클을 갖는다. 상기 레티클은 일반적으로 기점 패턴을 구획하며, 상기 조명광 및 상기 빔 스플리터 사이는 광-제어 렌즈가 위치된다. 상기 광-제어 렌즈는 한 쌍의 오목 렌즈 및 볼록 렌즈가 마련된 비구면 렌즈 어셈블리로 이루어질 수 있다. 대물렌즈는 예시적으로 상기 레티클 및 상기 빔 스플리터 사이에 위치된다. 하우징 커버는 예시적으로 상기 광학블럭 및 상기 제 2 시각 시스템 카메라의 적어도 일부분 위로 장착된다. 상기 광원은 상부에 LED 어셈블리가 장착되어 있는 회로기판을 포함할 수 있다. 상기 회로기판은 상기 레티클이 상부에 장착된 광학블럭의 일단과 대향되는 광학블럭의 일단에 장착될 수 있다.

또 다른 예시적인 일 실시예에서는, 제 1 시각 시스템 카메라를 켈리브레이팅하기 위한 통합 켈리브레이션 장치가 제공된다. 상기 장치는 작업편에 대하여 이동형 터치 프로브를 안내한다. 상기 장치는 제 2 시각 시스템 카메라를 설치하는 베이스 및 조명된 레티클 상에 기점 패턴을 갖는 광학블럭으로 이루어진다. 상기 레티클은 상기 터치 프로브에 선택적으로 접촉되도록 조정되며 또한 선택적으로 상기 제 1 시각 시스템 카메라에 의하여 보이도록 된다. 빔 스플리터는 상기 광학 블록 내에 위치되는데, 이는 상기 레티클을 조명하는 광원의 광학경로를 상기 제 2 시각 시스템 카메라의 광학경로와 합류시킨다. 이러한 방식으로, 상기 제 1 시각 시스템 카메라는 상기 터치 프로브 어셈블리의 좌표 공간 내에서 관찰된 레티클의 위치를 확인할 수 있고; 그리고 상기 제 2 시각 시스템 카메라는 상기 터치 프로브가 상기 레티클과 나란히 정렬되는지를 관찰할 수 있다. 이들 2가지 정렬은 상기 제 1 시각 시스템 카메라의 시야에 대하여 상기 터치 프로브를 켈리브레이팅하기 위하여 프로세서에 의하여 조정될 수 있다.

또 하나의 실시예에서는, 종축을 갖는 이동형 터치 프로브 어셈블리에 대하여 장착된 카메라축을 갖는 시각 시스템 카메라 어셈블리가 제공된다. 프리즘 어셈블리를 구획하는 켈리브레이션 고정구는 상기 종축 및 상기 카메라 축 사이의 간격과 대략적으로 동일한 간격(S)인 오프셋 간격(S)으로 간격을 둔 평행축 사이에서 광학경로를 180도 변경한다. 조명 어셈블리는 제 1 면을 통하여 상기 프리즘 어셈블리 내의 제 1 프리즘 내로 조명을 보낸다. 상기 제 1 프리즘은 상기 터치 프로브 어셈블리의 팁에 대면되는 상부면을 포함한다. 상기 조명은 내부 전반사에 의하여 2배로 반사되고, 상기 제 1 면을 통하여 상기 제 1 프리즘을 나간다. 상기 제 1 프리즘은, 상기 팁이 상기 상부면을 접촉할 때, 또는 상기 상부면 위로 광의 일부 파장 내에 존재할 때, 내부 전반사가 방해받게 되고 소산파가 상기 팁과 결합하게 되어, 상기 상부 표면을 통하여 광이 누출되도록 하는 구조로 되어 배열된다. 따라서, 상기 누출광은 상기 팁으로부터 산란되고, 보통 입사각(90-도)으로 상기 제 1 프리즘에 다시 도입되어 상기 팁의 접촉점으로부터 상기 시각 시스템 카메라 어셈블리를 거쳐 이동된다. 이는 상기 프로브를 실제로 접촉하지 않으면서(접촉없이) 상기 프리즘 표면에 대하여 상기 접촉점의 비교적 정확한 위치를 허용한다.

아래의 본 발명의 설명은 첨부된 도면을 참조하여 이루어지며, 도면 중:
도 1은, 예시적인 일 실시예에 의한, 3차원 측정기(CMM) 터치 프로브 어셈블리와 함께 배열되고 시각 시스템 카메라와 연합된 켈리브레이션 고정구의 도면이다;
도 2는 대물렌즈를 포함하는 다른 일 실시예에 의한 켈리브레이션 고정구로서, 도 1의 상기 CMM 터치 프로브 어셈블리와 함께 배열되고 시각 시스템 카메라와 연합된 켈리브레이션 고정구의 도면이다;
도 3은 고정구 기점 아래에 정렬된 조명 빔 스플리터를 포함하는 또 하나의 대안 실시예에 의한 켈리브레이션 고정구로서, 도 1의 상기 CMM 터치 프로브 어셈블리와 함께 배열되고 시각 시스템 카메라와 연합된 켈리브레이션 고정구의 도면이다;
도 4는 방해받는 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 제공하기 위하여 소실성 결합(evanescent coupling)을 포함하는 또 하나의 대안 실시예에 의한 켈리브레이션 고정구로서, 도 1의 상기 CMM 터치 프로브 어셈블리와 함께 배열되고 시각 시스템 카메라와 연합된 켈리브레이션 고정구의 도면이다;
도 5는 도 1-4의 켈리브레이션 고정구 실시예 중 하나의 고정구를 사용하는 예시적인 일 실시예에 의한 켈리브레이션 프로세스의 흐름도이다;
도 6은 상기 기점 및 CMM 터치 프로브에 고정적인 관계로 장착된 제 2 시각 시스템 카메라를 조명하도록 조명원이 투사되는 고정구 빔 스플리터 거울을 통하여 상기 기점 및 상기 터치 프로브를 보도록 배열된 제 1 시각 시스템 카메라를 포함하는 또 하나의 대안 실시예에 의한 켈리브레이션 고정구 장치의 도면으로서, 상기 고정구 기점을 보는 것으로 도시된, 켈리브레이션 고정구 장치의 도면이다;
도 7은 선택사항으로 여러 터치 프로브를 포함하는 CMM 터치 프로브 어셈블리에 대하여 배열된, 도 6의 켈리브레이션 고정구의 도면이다;
도 8은 상기 기점에 일직선인 터치 프로브 중 하나를 도시하는 도 7의 장치의 도면으로, 제 1 시각 시스템 카메라는 상기 기점에 일직선으로 된 상기 프로브의 정렬을 관찰한다;
도 9는 도 6-8의 켈리브레이션 고정구 실시예의 고정구를 사용하는 또 하나의 예시적인 실시예에 의한 켈리브레이션 프로세스의 흐름도이다;
도 10은 예시적인 실시예에 의한, 설치대, 카메라 어셈블리, 광학 어셈블리 및 하우징 커버를 갖는 통합 켈리브레이션 장치의 사시도이다;
도 11은 생략된 시각 시스템 카메라 어셈블리를 갖는, 도 10의 통합 켈리브레이션 장치의 전개도이다;
도 12는 제거된 하우징 커버를 갖는, 도 10의 통합 켈리브레이션 장치의 상부 사시단면도이다;
도 13은 제거된 하우징 커버를 갖는 도 10의 통합 켈리브레이션 장치를 광학블럭을 통하여 취한, 측부 사시단면도이다;
도 14는 제거된 하우징 커버를 갖는 도 10의 통합 켈리브레이션 장치의 상부 단면도이다; 그리고
도 15는 도 10의 통합 켈리브레이션 장치의 광학블럭과 함께 사용하기 위한 예시적인 레티클의 평면도이다.

도 1은 제작 또는 검사 장치(100)의 일반적인 개요를 세부적으로 나타낸다. 이러한 장치는 CMM 터치 프로브(110) 또는 유사한 장치를 사용하여 검사되는 작업편(여기에서 “대상”이라고도 칭함)과 관련된 여러 가지 제작 및/또는 품질 제어 목적을 위하여 사용될 수 있다. 도시된 장치(100)는 광축(OA)을 따라 배열된 렌즈(124)(투시되어 도시됨)를 갖는 카메라 어셈블리(122)(시각 시스템 카메라(122) 또는 카메라(122)라고도 불림)를 갖는 시각 시스템(120)을 포함한다. 조명 어셈블리는, 일반적으로 런타임 중에 작업편의 표면에 조명을 제공하도록, 상기 카메라 본체 상의 앞면(128)에 포함될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 상기 표적 아래에 추가의 조명 어셈블 리가 위치될 수 있어서, 상기 장치의 켈리브레이션 고정구(170, 후술됨) 부분인 빔 스플리터 프리즘을 통하여 광을 주사한다. 상기 카메라(122)는 이미지 데이터(126)를 발생시키는 영상기(도시않됨)를 포함한다. 상기 이미지 데이터(126)는, 상기 카메라 본체에 내부에 잔존할 수 있거나 또는 전체적으로(또는 부분적으로) 상기 카메라(122)로부터 동떨어진 연합된 시각 프로세서(132)를 갖는 프로세서 어셈블리(130)(프로세서(130)라고도 불림)에로 유선, 무선 및/또는 내부링크(133)를 통하여 전달된다. 원격 장치에서, 상기 프로세서 어셈블리(130)는 PC, 휴대용 컴퓨터, 태블릿 또는 스마트폰과 같은 범용 또는 전용 컴퓨팅 장치 내에 포함될 수 있다. 상기 카메라(122)가 온-보드 영상프로세스를 수행하는 경우, 그 프로세스 결과는, 아래에 더욱 설명되는 바와 같이, CMM 움직임 제어 프로세스(뿐만 아니라 정렬 및/또는 검사와 같은 기타 시각에 기초한 프로세스)에 사용되도록 데이터로서 또 다른 원격 프로세서 또는 장치에 전달될 수 있다. 상기 시각 프로세서(132)는 일반적으로, 메사츄세츠 나틱의 코그넥스 코포레이션(Cognex Corporation of Natick, MA)과 같은 여러 판매사로부터 얻을 수 있는, 패턴 인식과 같은 연합된 시각 프로세스 및/또는 검색 도구를 포함한다.

여기에서 사용된 용어 “프로세스” 및/또는 “프로세서”는 여러 가지 전자 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 기초한 기능 및 구성요소를 포함하는 것으로 광범위하게 사용됨을 주목해야 한다. 더욱이, 도시된 프로세스 또는 프로세서는 기타의 프로세스 및/또는 프로세서와 결합되거나 또는 다양한 서브-프로세스 또는 프로세서로 나뉠 수 있다. 이러한 서브-프로세스 및/또는 서브-프로세서는 여기에서 실시예에 의하여 다양하게 결합될 수 있다. 마찬가지로, 여기에서 임의의 기능, 프로세스 및/또는 프로세서는 전자 하드웨어, 프로그램 명령어의 비-일시적 컴퓨터-판독 가능한 매체로 이루어지는 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합을 사용하여 구형가능함을 표현하는 것으로 이해해야 한다.

상기 프로세서(130)는 또한 켈리브레이션 프로세스/프로세서(134) 및 연합된 도구/응용을 포함한다. 아래에 더욱 설명되는 바와 같이, 이들 도구는 상기 시각 시스템 내에서 다양한 켈리브레이션 기능을 수행하도록 이용된다. 일반적으로, 이들 기능은 상기 작업편 및/또는 아래에 더욱 설명되는 CMM의 그것에 대한 상기 시각 시스템 좌표계의 손-눈(eye-hand) 켈리브레이션을 포함한다. 추가의 배경으로서, 머신 비전 손-눈 켈리브레이션을 위하여, 켈리브레이션 고정구 및 연합된 켈리브레이션 기점은 일반적으로 카메라가 상기 기점의 각각의 이미지를 획득하는 다수의 소정 자세로 이동된다. 이러한 손-눈 켈리브레이션의 목적은 상기 "움직임 좌표계"(motion coordinate system) 내에서 상기 카메라(들) 및 켈리브레이션 고정구(적어도 하나의 켈리브레이션 기점을 포함함)의 고정적인 본체 자세를 결정하는 것이다. 상기 움직임 좌표계는 여러 가지 방식으로 구획가능하다. (공간 내에서 기점 및/또는 카메라가 존재하는 위치를 구체화하는) 자세에서의 숫자는 적절한 좌표계에서 해석되어야 한다. 단일의 통일된 좌표계가 일단 선택되면, 자세 및 움직임은 전체 좌표계에 기술/해석된다. 이렇게 선택된 좌표계는 보통 "움직임 좌표계"로도 칭한다. 일반적으로 “움직임”은 로봇 아암, 또는 갠트리와 같은 이동 스테이지와 같이 물리적 움직임을 만들 수 있는 물리적 장치(예를 들면, 후술되는 바와 같은 CMM)에 의하여 제공된다. 상기 켈리브레이션 고정구/기점이 1 이상의 정지된 카메라(들)에 대하여 이동가능하거나 또는 상기 카메라(들)이 켈리브레이션 고정구/기점에 대하여 이동가능하게 됨을 주목해야 한다. 이러한 움직임-발생 장치의 제어기는 상기 장치가 임의의 바람직한 움직임을 발생하도록 명령하기 위하여 수치값(즉, 자세)을 이용하고, 이들 값은 그 장치용 고유의 좌표계에서 해석된다.비록 임의의 움직임 좌표계가 상기 움직임-발생 장치 및 카메라(들)에 대하여 공통의, 전체 좌표계로 제공되도록 선택될 수도 있지만, 보통 상기 움직임-발생 장치의 고유의 좌표계(예를 들면, 그의 x 및 y 축)를 전반적인 움직임 좌표계로서 선택하는 것이 바람직함을 주목해야 한다. 그러므로, 손-눈 켈리브레이션은 움직임 발생에 의하여(이동형 상기 켈리브레이션 기점 또는 이동형 상기 카메라) 단일의 움직임 좌표계에 상기 시스템을 켈리브레이팅하고, 이동형 대상에 대한 이러한 움직임의 효과를 결정하기 위하여 그 움직임의 전후 이미지를 획득한다. 상기 시각 시스템 손-눈 켈리브레이션을 이용할 때, 그의 켈리브레이션 프로세스는 상기 이미지에서 관찰된 움직임 효과를 상기 명령된 움직임(그에 대하여 명령된 움직임 데이터는 알려져 있음)에 관련시킴으로써 자세를 해석한다. 상기 켈리브레이션의 또 다른 결과는 카메라의 이미지 내 각각의 픽셀 위치 및 상기 움직임 좌표계 내 물리적 위치 사이의 매핑이므로, 이미지화된 장면(상기 이미지 공간으로도 칭하며, 또는 여기에서 검사 볼륨 공간으로도 칭함) 내에서 위치를 찾은 후, 상기 움직임 좌표계 내 위치를 이동시킬 수 있고 상기 움직임-발생 장치(CMM)가 이에 따라 행동하도록 명령할 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 장치(100)는 CMM(140)을 포함하며, 이는 좌표계 화살표(150)로 도시된 바와 같이 x, y, z 및 적어도 하나의 회전축(R)(상기 z-축에 대한)을 따라 움직임을 제공한다. 상기 CMM의 구조는 매우 다양하다. 다양한 주지의 구현방법에서, 이는 검사 볼륨 공간(152) 내에서 검사 영역 위에 가로놓이는 아암 어셈블리(상세하지 않음)로 이루어진다. 상기 검사 영역은 일반적으로 고정구 내에서 작업편을 수용하는 견고한, 진동-없는 표면이다. 리니어 액츄에이터는 상술한 바의 x, y, z 및 R 방향으로 상기 아암을 움직인다. 각각의 리니어 액츄에이터의 움직임/위치는 엔코더 또는 기타 움직임-측정 장치에 의하여 추적된다. 이러한 움직임/위치 데이터(142)는 상기 프로세서(130)(또는 또 하나의 프로세서/컴퓨터)에 전달되고 CMM 제어 프로세스/프로세서(144)에 의하여 처리가능하며, 이 CMM 제어 프로세스/프로세서(144) 역시 상기 위치 데이터(142)으로부터의 피드백 및 제어 정보(146)를 이용하는 상기 시각 시스템의 입력에 기초하여 상기 CMM을 안내한다.

상기 CMM은 이동형 프로브 베이스(160)(CMM 프로브 홀더(160) 또는 프로브 홀더(160)라고도 불림)에 장착된 터치 프로브(110)를 안내한다. 상기 터치 프로브 및 베이스는 (적어도) 상기 z-축 방향을 따라 접촉되도록 고감도로 되며, 임의의 변위(Tz)는 상기 시각 시스템 및 상기 CMM 움직임 제어기(144)에 의하여 사용되도록 상기 프로세서(130)에 전달되는 터치 신호(162)가 발생되게 한다. 즉, 상기 터치 프로브가 작업편 주위로 이동됨에 따라, 이는, 일반적으로 상기 z-방향을 따라, 상기 작업편 표면에 접촉된다. 상기 접촉점(164)이 상기 표면에 접촉되는 곳의 좌표는 제어 및 기록된다. 이 예에서, 상기 접촉점은 정반사성 표면이 존재하는 연마된 금속 구체에 의하여 구획되며, 그의 사용에 대해서는 아래에 더욱 설명된다. 터치 프로브를 사용하는 런타임 작동의 일 예는 다양한 스크린 좌표의 터치가 이들 좌표에 대하여 예상되는 입력으로 옮겨지는지를 확인하기 위하여 터치 스크린을 테스트하는 것이다.

상기 시각 시스템 카메라(122)는 예시적으로 상기 CMM 프로브 홀더(160) 및 아암(161)에 대하여 고정되어 (바(166)로 나타냄), 상기 검사 영역(152)에 대하여 기지의 초점거리를 유지한다. 즉, 상기 카메라는 상기 아암(161)의 이동하에 그의 광축(OA)을 따라 상기 z-방향으로 상기 프로브 자체(그의 연합된 종축(파선(163)을 따라 상기 z-방향으로 이동)와 동일한 범위로 이동된다. 상기 CMM에 대하여 상기 카메라를 유지하는 구체적인 장착 시스템은 매우 다양하다. 일반적으로, 상기 카메라는 장착되어 상기 프로브 홀더(160) 및 아암(161)에 대하여 기지의 오프셋 간격을 유지하면서 이동되고 상기 z-방향에 대하여 실질적으로 평행한 광축(OA)에 대하여 이동된다. 그러므로, 상기 프로브가 상기 검사 영역에 대하여 이동됨에 따라, 상기 카메라는 정확하고 일정한 간격/오프셋(S)으로 그의 움직임을 추종한다. 일 실시예에서, 상기 프로브의 종축(163)으로부터 상기 카메라 축(OA)의 간격/오프셋(S)은 CMM 움직임의 x 및/또는 y 축을 따라 대략적으로 20-60 밀리미터이다. 그러나, 상기 프로브에 대한 상기 카메라 축의 간격 및 위치는 기타 실시예에서 매우 가변적이다.

예시적인 일 실시예에서, 상기 장치(100)는 상기 시각 시스템 카메라 시야를 상기 터치 프로브(110) 및 연합된 CMM 조정 시스템의 접촉점(164)에 매핑하기 위하여 켈리브레이션 고정구 어셈블리(170)를 이용한다. 그 목표는 상기 카메라가 작업편 상의 특징(예를 들면, 기점, 테두리, 코너, 등)에 위치될 때 상기 CMM 터치 프로브(110)가 이들 특징에 대하여 정확하게 안내될 수 있도록 보장하는 것이다. 그러므로, 상기 시각 시스템 프로세서는 상기 작업편의 자세를 결정하고, 상기 CMM 움직임 제어기 조정 시스템 내에서 작업편의 좌표를 설정한다. 상기 고정구 어셈블리(170)는 도시된 바와 같이 서로 대향되는 한 쌍의 직각 프리즘(172) 및(173)을 포함하여, 일반적으로 상기 프로브-대-카메라-축 간격/오프셋(S)보다 큰 전체폭(WP)으로 확장되는 상부 표면 평면(174)을 전체적으로 구획한다. 상기 프리즘(172) 및(173) 각각은 각각 반대로 경사진 벽(176) 및(178)을 포함하며, 그 각각은 45 도의 동일한 반대방향 각도(AP)로 내측으로 연장된다. 이들 벽(176), (178) 각각은 상기 프리즘을 통하여 대략적으로 90 도로 상기 광학경로(OP)를 변경하므로, 전반적으로, 상기 경로(OP)는 도시된 상기 프리즘 내에서 상기 간격/오프셋(S)을 종단한다. 이러한 방식으로, 상기 프로브(110)의 접촉점(164)은 상기 카메라(122)의 광축(OA)을 따라 나타나게 된다.

상기 프리즘(172), (173)에 의하여 구획된 상기 상부 표면 평면(174)은 예시적인 실시예에서 표적 또는 기점(180)을 포함한다. 상기 기점(180)은 상기 도시된 프리즘(172)의 상부(예를 들면, 좌측)에 위치되고, 여기에서 “터치-뷰 표면”(TVS)으로 구획될 수 있다. 상기 기점(180)으로부터의 광은 상기 광학경로(OP)를 따라 상기 전반적인 고정구(170)를 통하여 상기 도시된 프리즘(173)(예를 들면, 우측)에 도시된 바와 같이 전달되고, 이는 상부 표면을 통하여 “뷰포트”(VP)로서 구획될 수 있다. 상기 기점은 여러 가지 기술-예를 들면 금속 용착, 스크린-인쇄, 및/또는 에칭-을 이용하여 상기 프리즘(172)의 상부에 적용될 수 있다. 십자표를 갖는 도시된 바의 동심원들과 같은, 임의의 허용가능한 기점 패턴/디자인을 구현할 수 있다. 상기 기점(180)은 일반적으로 상기 프로브가 상기 기점 위에 놓일 때 상기 프리즘 어셈블리(172), (173)을 통하여 카메라에 보이게 되어 상기 장치의 배향을 돕게 된다. 특히, 상기 프리즘 어셈블리(172), (173)는 또한 한 쌍의 릴레이 렌즈(182)를 포함하며, 이는 이미지 광선(188)이 상기 2개의 프리즘 사이에서 평행하게(같은 방향으로) 되게 한다. 상기 릴레이 광학장치/렌즈 어셈블리(182)의 파워 및 형상은 매우 가변적이며, 그의 디자인은 광학에서 당업자에게 명백해야 한다. 일 실시예에서, 상기 릴레이 광학장치는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)로서 배열된다. 상기 이미지 광선(188)은 실선으로 도시되며, 조명 광선(189)(후술됨)은 도 1의 도시에서 파선으로 도시됨을 또한 주목해야 한다, 이하 참조.

상기 고정구 어셈블리(170)는 조명원(예를 들면, LED 유니트(192)) 및 집광 렌즈(194)로 이루어지는 통합 조명 어셈블리(190)를 포함한다. 상기 조명 어셈블리(190)는 상기 광학경로(OP)와 일직선으로, 일반적으로는 종래 디자인으로 된 빔 스플리터(196) 후방에 위치된다. 상기 빔 스플리터(196)는 상기 조명광으로 하여금 도시된 바와 같이 상기 프리즘(173)의 경사진 벽(178)을 직접적으로 통과하도록 한다(상기 이미지 광선이 상기 광축(OA)상에서 90 도로 변경되도록 하면서 상기 카메라 광축(OA)을 가로질러 이에 대하여 수직으로). 상기 조명광 광선(189)은 상기 빔 스플리터(196)로부터 상기 콜리메이팅 릴레이 광학장치(182)을 통과하고, 상기 프리즘(172)의 벽(176)에서 90-도로 변경된다. 그리하여 상기 광은 상기 기점(180)을 통하여 상기 프리즘 상부로 투사된다. 도 1의 도시된 장치(100)에서, 상기 카메라는, 상기 뷰포트를 통하여, 조명된 접촉점(164) 및 상기 조명된 기점 패턴(180)을 본다.

상기 고정구 어셈블리(170)는 명확성을 위하여 수반되는 프레임워크가 없이 도시됨을 주목해야 한다. 상기 프리즘(172), (173), 릴레이 광학장치(182), 조명 어셈블리(190), 및 기타 요소(예를 들면, 후술되는 대물렌즈)를 하나의 일체 유니트 내에 고정적으로 보유하기 위하여 임의의 허용가능한 프레임워크 또는 하우징을 이용할 수 있다. 상기 고정구, 및 그의 연합된 하우징 또는 프레임워크는, 일반적으로 켈리브레이션 과정 중에만 상기 검사 볼륨 공간 내에 존재하는 일시적으로 부착되는(제거가능한) 켈리브레이터로서, 상기 CMM의 검사 볼륨 공간(152) 내에 선택적으로 배치되도록 그리고 그로부터 제거되도록 이용가능하다. 양자택일적으로, 상기 고정구 프레임워크/하우징은 작업편이 제거가능하게 위치되는 상기 검사 영역의 하부(예를 들면) 위치에 영구적으로 장착될 수 있다. 영구적으로 장착된 것에 있어서, 이는 상기 작업편을 지지하는 스테이지 내에 빌트인되거나, 또는 상기 스테이지 하부에 존재하게 될 수 있다. 상기 프로브가 상기 상부 표면 평면(174)을 터치하기 위하여 적절한 z-축 거리를 이동할 때, 상기 고정적으로 부착된 카메라가 상기 상부 표면(174)으로부터 기지의 초점거리에 자동적으로 위치되기 때문에, 상기 공간(152) 내에서 상기 고정구(170)의 z-방향 상승은 광범위하게 변화될 수 있다. 즉, 상기 카메라는 상기 프로브에 동기되어 상승 및 하강 이동된다.

도 2는, 상술된 바와 같이(도 1 참조) 배열된, 직각 프리즘(272), (273), 릴레이 렌즈(282) 및 상기 TVS 프리즘(272) 상의 기점(280)을 갖는, 켈리브레이션 고정구(270)의 일 대안 실시예를 갖는 장치(200)를 도시한다. 상기 조명 어셈블리(290) 또한, 상술된 바와 같이(도 1 참조), 상기 VP 프리즘(272)과 일직선으로 되는 빔 스플리터(296)에 대하여 배열된다. 특히, 상기 VP 프리즘(273)의 상부 표면은 여러 가지 목적에 기여하는 대물렌즈(250)를 포함한다. 상기 대물렌즈(250)는 상기 전체 카메라 시야를 가로질러(프레넬 렌즈의 방식으로) 보다 밝고 개선된 조명 패턴을 발생하며, 더욱 일반적으로는 상기 카메라 렌즈(124)로 하여금 텔레센트릭 렌즈처럼 거동하도록 한다. 상기 대물렌즈는 또한, 광의 반사된 "글린트"가 상기 렌즈(250) 없이 상기 TVS 프리즘(272)의 상부 표면 위쪽에 실제로 나타나게 되는, 상기 프로브의 구면 기하학에 의하여 유발되는 시차 오차를 감소시킨다(보상한다). 반대로, 상기 대물렌즈(250)는 글린트를 상기 상부 표면의 평면(도 1에서 174)에로 이동시킨다. 일반적으로, 상기 대물렌즈(250)는 상기 카메라(122)의 입사동에 이미지의 초점을 위치시킨다.

상술한 바의 대물렌즈(250)는 이에 도시 및 설명된 상기 고정구 실시예 중 임의의 것에 맞게 될 수 있는 것으로 이해된다. 상기 대물렌즈는 전반적인 설명의 명확성을 강화하기 위하여 도시된 실시예에서 생략된다.

도 3을 참조하면, 상기 장치(300)는, 상술된 바와 같이 배열된(도 1 참조), 직각 프리즘(372), (373), 릴레이 렌즈(382) 및 상기 TVS 프리즘(327) 상의 기점(380)을 갖는 켈리브레이션 고정구(370)의 또 다른 대안 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 상기 조명 어셈블리(390)는 상기 TVS 프리즘(372)과 일직선으로 장착된 빔 스플리터(396)에 대하여 배열된다. 상기 조명 광선은 상기 프로브(110)의 종축을 따라 상기 경사진 벽(376)을 통과하여, 직접적으로 상방으로 투사된다. 이 실시예 및 기타 실시예에서, 상기 조명 어셈블리(390)의 집광 렌즈(394)는 텔레센트릭 렌즈의 방식으로 상기 기점(380)을 효과적으로 커버하기 위하여 빔을 확산시킨다. 그러므로, 본 실시예에서 상기 조명 광선은 상기 릴레이 광학장치를 따라 이동되지 않는다.

도 4는, 상술된 바와 같이 배열된(도 1 참조), 직각 프리즘(472), (473), 릴레이 렌즈(482) 및 상기 TVS 프리즘(472) 상의 기점(480)을 갖는 켈리브레이션 고정구(470)의 또 다른 대안 실시예를 갖는 장치(400)를 도시한다. 상기 조명 어셈블리(490)에는 상기 경사진 TVS 프리즘 벽(476)에 수직인 축(IA)을 갖는 집광 렌즈(494)가 제공된다. 상기 축(IA)은 상기 조명원(492)을 통하여 그리고 상기 프리즘(472)의 대향 직각 코너(498)를 통하여 연장되도록 구획된다. 그러므로, 상기 조명 광선은 빔 스플리터 없이 상기 프리즘(472) 내로 직접적으로 전달되며, 상기 프리즘 내에서 내부 전반사(TIR)를 경험하도록 도시된 바와 같이 배향된다. 특히, 이러한 조명 장치는, 상기 프로브 접촉점(164)의 팁이 상기 프리즘(472)의 상부 표면에 접촉될 때, 소실성-결합이 방해된 TIR로서 정의되는 효과를 초래한다. 이러한 접촉은 대향 프리즘(473) 내 뷰포트(VP)에 하이 콘트라스트의 글린트 또는 플래시를 초래한다. 획득된 이미지에서 이러한 하이 콘트라스트 지점은 상기 프로브 위치를 덜 정확하게 하는 잠재적 배경 잡음을 제거함으로써 상기 켈리브레이션 프로세스를 유리하게 도모한다.

도 5를 참조하여, 이에 설명된 실시예 중 임의의 것에 의한 켈리브레이션 고정구를 사용하는 일반적인 켈리브레이션 프로세스(500)를 설명한다. 스텝(510)에서, 상기 프로브는 상기 기점의 중심에서 상기 TVS 표면을 터치하도록 (x-y 평면으로) 이동되고 (상기 z 축을 따라) 연장된다. 상기 프로브-대-기점 정렬 프로세스의 일부로서, 상기 카메라는 상기 프로브의 정초점 저면도를 보기 위하여 상기 켈리브레이션 고정구에서 상기 VP를 살핀다. 그리하여, 스텝(520)에서, 상기 카메라는 상기 기점에 일직선으로 상기 프로브를 안내하기 위하여 상기 CMM 움직임 제어기에 피드백을 제공한다.

스텝(530)에서, 상기 기점이 상기 TVS 상에서 기점 십자형의 중심에 맞춰 정렬될 때, 상기 CMM 움직임 제어기는 현재의 스테이지/로봇 위치를 기록한다. 이는 상기 데이터 값 프로브정렬위치로 정의된다. 선택적으로, 상기 카메라/시각 시스템은 상기 정렬기준점에서 픽셀의 좌표를 기록할 수 있다.

그리하여, 스텝(540)에서, 상기 카메라는 상기 TVS 위로 상기 카메라를 가져오도록 상기 CMM 움직임 제어기에 의하여 이동된다. 상기 카메라는 이제 상기 기점 십자형을 정면을 보게 되고, (스텝 550에서) 이전의 스텝 530에서 기록된 상기 카메라 픽셀 좌표를 상기 기점에 일직선으로 안내하기 위하여 상기 움직임 제어기에 피드백을 제공한다. 그러면 상기 CMM 움직임 제어기는 현재의 스테이지/로봇 위치를 카메라정렬위치로 정의되는 데이터 값에 기록한다. 상기 이미지(예를 들면, 상기 이미지 중심)에서 임의의 바람직한 기준점은 상기 TVS 기점의 중심에 정렬될 수 있음을 주목해야 한다. 그리하여 상기 카메라 조정 시스템에서 이러한 기준점은 시발점이 되고, 이에 대하여 작업편 상에서 발견된 특징의 런타임 변위는 나중에 보고된다.

스텝(560)에서, 상기 프로세스(500)는 그리하여 상기 카메라 및 프로브 사이의 고정된 오프셋(간격)을 오프셋 = 카메라정렬위치 - 프로브정렬위치로서 계산한다. 이러한 계산은 상기 켈리브레이션 프로세스(500)를 완성한다. 켈리브레이션 중에 예측된 상기 고정된 오프셋은 상기 프로세서(130)에 저장되고, 나중에, 상기 카메라에 의하여 위치가 등록된 부분의 표면 상에서 구체적인 위치에 상기 프로브가 접촉되도록 상기 프로브를 안내하는 런타임 정렬 응용에 의하여 사용될 수 있다.

켈리브레이션 고정구(파선 박스 (610)) 및 연합된 CMM 터치 프로브 어셈블리(620)로 이루어지는 하나의 대안 실시예에 의한 장치(600)를 도시하는 도 6-9를 참조하여 설명한다. 이러한 장치(600)에서, 한 쌍의 시각 시스템 카메라(630) 및 (640)는 CMM 아암 어셈블리(후술됨) 상에 구획된 간격으로 고정적으로 부착되는 1 이상의 터치 프로브의 켈리브레이션을 위하여 이용된다. 이러한 고정구(610)는 상기 TVS에 대한 별도의 VP, 및 이러한 장치에 영향을 미치는 상기 연합된 광학 장치를 생략한다. 특히 도 6을 참조하면, 상기 장치(600)는 위에 설명된 것들(도 1-4 참조)과 구조 및 기능이 유사한 빔 스플리터(650)를 포함한다. 상기 빔 스플리터는 거울 표면(652)에 기초하여 도시된 바와 같이 직각으로 상기 광학/카메라 축(OA1)을 전환한다. 이는 상기 제 1 카메라(또한 프로브-위치결정 카메라로도 칭함)(630)가 상기 프로브/CMM의 z-축에 대하여 직각으로 도시된 바와 같이 상기 TVS 아래에 장착될 수 있도록 한다. 상기 빔 스플리터(650)는 조명 광원(예를 들면, 상술된 바와 같이 LED 어셈블리 또는 기타 광원)(660)이 상기 광축(OA2)(z-축에 일직선으로 정렬됨)을 따라 상기 기점(670)(상기 TVS 평면 상에 위치됨)을 통하여 상기 제 2 카메라(또한 상기 기점-위치결정 카메라로도 칭함)(640)에 전달될 수 있도록 한다. 종래 디자인 및 기능으로 된 집광 렌즈(662)는 텔레센트릭 렌즈 장치의 방식으로 보다 균일하게 상기 기점을 커버하도록 광을 확산 및 시준하기 위하여 상기 조명원(660)의 전방에 위치될 수 있다. 상기 제 2 카메라(640)는 위에 설명된 단일 카메라(도 1-4 참조)와 마찬가지로 장착된다. 그의 광축(OA2)은 도시된 바와 같이 수직으로/상기 z-축을 따라 정렬된다. 상기 고정구(610)는, 상기 광학경로(예를 들면, 상기 빔 스플리터(650) 및 기점(670) 사이)를 따라, 도 1-4를 참조하여 위에 설명된 것들과 유사하게 배열되고 기능하는, 대물렌즈(680)를 포함할 수 있다. 특히 이러한 렌즈(670)는 상기 TVS 평면에 대하여 상기 터치 프로브 어셈블리(620)의 볼(684)로부터 관찰되는 가시적인 "글린트"(갑작스러운 반사)에서 임의의 z-축 오프셋을 보상한다.

도 7을 참조하면, 터치 프로브 어셈블리(720)를 갖는 CMM(710) 및 2개의-카메라 상기 켈리브레이션 고정구 장치(610)로 이루어지는 전체 장치(700)가 도시된다. 상기 CMM(710)의 상대적인 움직임 좌표계(150)(x, y, z 및 R)가 도시되며 위에 설명된 것과 유사하다. 상기(광학적) 여러 프로브 장치는 이 예에서 3개의 개별적인 터치 프로브 어셈블리로 이루어지며, 그 각각에는 공통의 일 평면(파선 724)에 존재하는 터치 프로브 볼(또는 기타 팁)(722)이 마련된다. x 및 y에 대하여 프로브의 특정 배향은 프로브의 전체 수(1 내지 N)에 따라 매우 가변적이다. 상기 프로브는 도시된 바와 같이 상기 이동형 CMM 아암(730) 상에서 서로에 대하여 모두 고정적으로 부착된다(x, y 및 R 방향으로). 마찬가지로, 상기 제 2, 기점-위치결정 카메라(640)는 상기 아암(730) 상에 고정적으로 부착된다. 그러므로, 상기 프로브 및 카메라는 서로에 대하여 고정된 방향으로 되며, 켈리브레이션의 목적은 상기 CMM 움직임 좌표계에 대하여 각각의 프로브 및 상기 카메라 축(OA2)을 참조하는 것이다. 이는 상기 CMM(710) 내에 영구적으로 또는 일시적으로 장착될 수 있는 고정구(610)를 사용하여 달성된다. 각각의 카메라(630), (640)는 이미지 데이터(740)를 상기 프로세서(750)에 전달한다. 이러한 프로세서는, 위의 프로세서(130)와 마찬가지로, 전체적으로 또는 부분적으로 독립형 컴퓨팅 장치(예를 들면, PC, 휴대용 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰 서버 또는, 특정 목적을 위하여 만들어진 처리회로)로서 구현될 수 있다. 양자택일적으로, 상기 처리의 일부 또는 전부(예를 들면, 영상처리)는 하나 또는 모든 카메라(들)의 하우징 내에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 코그넥스 코포레이션의 상기 인-사이트 시리즈(In-Sight® series from Cognex Corporation)와 같은, 소위 “스마트” 카메라는 상기 카메라 어셈블리의 하우징 내에서 영상처리 및 시각 시스템 작업을 수행할 수 있고, 처리된 이미지 데이터를 원격 장치에 전달한다. 상술된 바와 같이, 상기 프로세서 어셈블리(750)는 1 이상의 시각 프로세서(들)(752) 및 연합된 켈리브레이션 프로세서(들)(754)을 포함한다. 상기 프로세서 어셈블리(750)는 상술된 바와 같이 CMM 제어 프로세서/프로세스(756)와 통합되거나 또는 이와 통신된다. CMM 아암 위치 데이터(760) 및 아암 제어 데이터(762)는 상기 CMM 제어(756)를 통하여 상기 CMM 아암(730)의 조종기(들) 및 상기 프로세서(750) 사이에 전달된다. 각 프로브 어셈블리(720)로부터의 터치 데이터(764)는 또한 상기 프로브가 (z-축 움직임을 통하여) 상기 TVS(또는 런타임 대상) 표면에 접촉될 때를 표시하기 위하여 상기 프로세서 어셈블리(750)에 전달된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 추가의 렌즈(780)는 상기 프로브-위치결정 카메라(630) 및 상기 빔 스플리터(650) 사이에 제공된다. 이러한 렌즈는 초점 거리를 수정하여 상기 카메라(630)가 상기 고정구(610)에 대하여 적절한 장치 내에 위치될 수 있도록 한다.

상기 CMM 조정 시스템에 대한 프로브의 켈리브레이션은 각각의 카메라(630), (640)의 데이터가 상기 프로세스의 각각의 스테이지-즉, 프로브 위치 및 기점 위치를 위하여 적절하게 사용된다는 점을 제외하고는 도 1-4에 이용된 것과 유사하다. 그러므로, 도 8을 참조하면, 상기 프로브 어셈블리 중 하나(이 예에서는 4개-프로브 장치 중 일부)(820)는 그의 터치 볼/팁(822)이 상기 기점에 일직선으로 정렬되도록 위치된다. 상기 기점-위치결정 카메라(640)의 광학/카메라 축(OA2)은 상기 기점으로부터 이동되고, 상기 프로브-위치결정 카메라(630)는 상기 프로브 볼/팁(822) 및 상기 기점(670) 사이의 정렬을, 반사된 글린트 또는 기타 지표에 기초하여 관찰한다. 상술한 바의 물리적 효과(예를 들면, 방해받은 TIR 등) 또는 조명기 및 빔 스플리터의 장치 중 임의의 것이 대안 실시예에서 가능한 2개의-카메라 켈리브레이션 장치에 대하여 이용될 수 있음을 주목해야 한다. 각각의 프로브 어셈블리(820)의 팁(822)이 상기 기점(670)에 일직선으로 이동됨에 따라, 상기 CMM 아암의 상대적인 위치가 상기 프로세서 어셈블리(850)에 기록되고, 상기 움직임 좌표계(예를 들면, x, y, R) 내의 그리고 상기 기점-위치결정 카메라 축(OA2)에 대한 프로브의 전반적인 관계가 결정된다.

위의 도 6-8의 2개의-카메라 장치는 특히 여러 프로브의 상대적인 위치를 켈리브레이팅하기 위한 사용에 유리하다. 이는, 상기 프로브-위치결정 카메라(630)를 이용하여 상기 기점(670)에 일직선으로 정렬될 때, 작업자(또는 자동화된 프로세스)에 의하여, 각각의 프로브(여러 장치내의)를 시각적으로, 차례로, 위치시키기가 용이하기 때문이다.

도 9를 참조하면, 상기 기점-위치결정 카메라 축 및 CMM 조정 시스템에 대하여 1 이상의 프로브를 켈리브레이팅하기 위한 과정(900)이 도시 및 설명된다. 스텝(910)에서, 상기 프로브는 상기 연합된 x-y 평면을 따라 상기 x-축 및 y-축(그리고 선택적으로 R-회전) 방향으로 이동되고, 상기 기점 구역 내에서 상기 TVS를 터치하기 위하여 적절한 때에 상기 z-축 방향으로 연장된다. 상기 터치는 z-축 움직임이 상기 프로브 어셈블리 내에서 적절한 스위치를 촉발함에 따라 (상술된 바와 같이) 상기 프로세서에 의하여 감지된다. 상기 프로브-위치결정 카메라에 의하여 제공되는 시각적 피드백은 스텝(920)에서 상기 프로브 어셈블리의 볼/팁을 (상기 TVS를 터치하거나 이에 가깝게 됨에 따라) 상기 기점 중심(예를 들면, 십자형 또는 기타 표시)에 일직선으로 안내하기 위하여 사용된다. 스텝(930)에서, 상기 CMM 움직임 제어기는 상기 기준점에서 상기 아암(또는 스테이지/로봇) 위치를 가변적인 프로브정렬위치(P)로서 기록하며, 여기에서 (P)는 프로브(1-N) 어셈블리에 정렬된 특정 프로브의 수이다. 스텝(940)에서는, 상술한 바의 프로브-정렬 스텝(910), (920) 및 (930)이 각각의 프로브(1-N)에 대하여 반복된다. 프로브정렬위치(N) 내지 프로브정렬위치(1)에 대한 적절한 값이 결정 및 기록된다.

상기 과정의 스텝(950)에서, 상기 아암(스테이지/로봇)은 그리하여 상기 기점을 관찰하기 위하여 상기 기점-위치결정 카메라 및 연합된 축을 상기 TVS 위로 이동시키기 위하여 이전된다. 상기 기점-위치결정 카메라로부터의 피드백은 스텝(960)에서 상기 CMM 아암(스테이지/로봇)를 안내하여 상기 카메라의 픽셀이 상기 기점에 적절하게 정렬되도록 하는 데에 사용된다. 상기 아암(스테이지/로봇)의 현재 위치는 그리하여 상기 프로세서 어셈블리 및 움직임 제어기에 의하여 가변적인 카메라정렬위치로서 기록된다. 그러면, 스텝(970)에서, 상기 과정(900)은 상기 기점-위치결정(아암 장착된/이동형) 카메라 및 각각의 프로브(1-N) 사이의 상대 오프셋을 값(x 및 y에서) 오프셋P = 카메라정렬위치 - 프로브정렬위치P로서 계산한다. 이들 계산된 오프셋 값은 후속의 런타임 작동에서 (상술된 바와 같이) 대상 표면에 대한 각각의 프로브 움직임을 제어하기 위하여 사용된다.

온-보드 시각 시스템 카메라를 포함하는 통합(구성요소로부터 단일의 유니트로 일체로 구성됨) 켈리브레이션 장치(1000)를 도시하는 도 10을 참조한다. 이러한 장치(1000)는 본 실시예에서는 플레이트로 구획되는 베이스(설치대)(1010)에 장착되나, CMM(또는 유사한 장치)의 작업 영역에 일시적으로 또는 영구적으로 장착되기에 적절한 임의의 형태를 가질 수 있다. 상기 설치대(1010)는 여기에서 실시예 중 임의의 것에 의한 시각 시스템 카메라 어셈블리(1020)를 지지한다. 도 1 및 7을 참조하여 위에 일반적으로 설명된 바와 같이 상기 카메라 어셈블리(1020)는 따라서 온-보드 프로세서를 포함하거나 또는 이미지 데이터를 원격 처리 장치에로 전달할 수 있다. 상기 카메라 어셈블리(1020)의 렌즈는 제거가능한 하우징 커버(1030)에 의하여 커버되며, 상기 하우징 커버(1030) 역시 상기 장치(1000)의 광학블럭(1040)을 폐쇄 및 밀봉한다.

상기 설치대(1010) 및 하우징 커버(1030)는 여러 가지 건설 기술을 이용하여 여러 가지 재료로 구성가능하다. 예를 들면, 이들 구성요소는 알루미늄 합금(또는 기타 금속), 중합체(예를 들면, 폴리카보네이트, 아크릴, ABS, PET, 등), 합성물(예를 들면, 탄소-섬유, 유리-충전 나일론, 등)으로 구성가능하다. 상기 구성요소는 상기 카메라 어셈블리(1020) 및 광학블럭(1030) 사이의 고정적인 정렬을 유지하기 위하여 채택되어 켈리브레이션이 신뢰성있고 반복가능하게 된다. 상기 광학블럭은 또한 알루미늄 합금 또는 내구성있는 중합체와 같이 단단하고 견고한 재료로 구성될 수 있다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 베이스(1010)는 상기 광학블럭(1040), 커버(1030) 및 카메라 어셈블리(1020)를 예를 들면 조임나사(도시않됨)를 사용하여 상기 베이스에 장착하기 위하여 일련의 관통공(1110)을 포함한다. 대한적인 장치에서, 상기 구성요소의 일부 또는 전부는 상기 베이스(예를 들면, 상기 광학블럭)과 통합되어 형성가능하며 및/또는 접착제, 클립, 클램프, 스냅핏, 등과 같은-기타 결속 메카니즘을 이용하여 장착될 수도 있다. 비-제한적 예로서, 그리고 대략적인 크기/축적을 위한 참조로서, 상기 베이스(1010)의 전체 폭(WB)은 대략적으로 45 및 65 밀리미터 사이(그리고, 예시적으로 55.9 밀리미터)로 된다. 상기 베이스(1010)의 전체 길이(LB)는 대략적으로(110) 및(150) 밀리미터 사이(그리고, 예시적으로, 120.0 밀리미터)이다. (예를 들면, 6061-T6 알루미늄 합금 또는 이와 유사한 것에서) 상기 베이스(1010)의 두께(TB)(도 13)는 대략적으로 0.3 및 10.0 밀리미터 사이(그리고, 예시적으로 5.0 밀리미터)이다. 이들 치수는 대안적 실시예들에서 및/또는 대안적 재료 또는 건설 기술(예를 들면, 통합 대 단일 구성요소)을 이용할 때 매우 가변적이다.

상기 베이스(1010)는 또한 상기 베이스(1010)가 적절한 베이스, 브라켓 및/또는 기타 장착 메카니즘을 이용하여 CMM(또는 유사한 계측장치)의 작업 영역에 장착될 수 있도록 하는 장착홀 및/또는 기타 구조를 포함한다. 구성요소는 성형, 주조, 기계가공, 3D-인쇄 및/또는 상기 장치(1000)에 소망하는 정밀도 및 구조적 건전성을 제공하는 기타 임의의 허용가능한 기술에 의하여 구성가능하다.

상기 장치(1000)의 광학, 기능 및 용도는 도 6-9의 실시예를 참조하여 위에 설명된 바와 유사하다. 간단히 말하자면, 조명원(1210)으로부터의 광은 비구면 렌즈 어셈블리(1220)를 통과하고 조명축(OAI)을 따라 빔 스플리터 어셈블리(1230)로 도입된다. 상기 광은 상기 빔 스플리터로부터 축방향으로-45-도-경사진 반사성 표면(파선(1232)을 통하여-합류된 광축(OAM)을 통과한다. 대상(즉, 터치 프로브의 팁)로부터의 광은 상기 광축(OAM)을 따라 다시 상기 장치(1000)로 향하여 상기 반사성 표면(1232)로 간다. 상기 광은 상기 카메라 광축(OAC)에로 90 도로 재방향되어 상기 카메라 어셈블리(1020)의 렌즈 어셈블리(1250) 내로 간다. 상기 렌즈 어셈블리는 임의의 적절한 렌즈 파워 및 초점 거리 설정을 정의할 수 있다. 이 예에서, 상기 렌즈 어셈블리(1250)는 종래 장치에 의한 M12 설치대를 포함한다. 본 실시예에서 상기 카메라 어셈블리(1020)는 센서(1252) 및 프로세서 회로기판(1254)이 마련된 시각 시스템 카메라이다. 그러나, 대안적 실시예에서는 임의의 허용가능한 카메라 장치(온-보드 영상처리 및 시각 시스템 처리 능력 을 갖거나 갖지 않은(없는))를 이용할 수도 있다. 상기 합류된 광축(OAM)은 위에 설명된 기능을 갖는 대물렌즈(1260) 및 사용자지정 기점 패턴 또는 (설명된 바와 같이) 상용화된 기점 패턴을 포함할 수 있는 투명한 레티클판(1270)을 통과한다.

상기 광학블럭(1040) 내에서 상기 광학 구성요소(1210), (1220), (1230), (1260) 및(1270)의 간격뿐만 아니라 상기 빔 스플리터로부터 상기 센서(1252)로부터의 거리는 상기 레티클의 크기 및 기타 시스템 파라미터에 기초하여 변경가능하다. 본 실시예에서, 상기 레티클(1270)은 도 15에 더욱 상세히 도시된다. 이는 대략적으로 21 밀리미터의 외경(RD) 및 대략적으로 2.2-2.5 밀리미터의 두께로 구획된다. 일 실시예에서, 그리고 비-제한적 예로서, 상기 레티클(1270)은 뉴저지 바링톤의 에드몬드 옵틱 아이엔씨.(Edmond Optics Inc. of Barrington, NJ)로부터 부품번호 39454로 상용화되어 있다. 상기 레티클 기점 패턴은 직각의 십자형(1510) 및 교차점(1530)으로부터 방사상으로 1-밀리미터로 증가되는 간격으로 된 일련의 동심원(1520)으로 구획된다. 각각의 원은 연합된 표시 번호(1540)로 표시된다. 상기 시각 시스템은 상기 원, 십자선 및/또는 상기 터치 프로브 정렬을 보조하기에 적절한 표시를 인식하기 위하여 채택가능하다. 이들 특징은 또한 상기 장치 내에 (그리고 상기 터치 프로브 아암 상에 장착된) 카메라 어셈블리(들)과 상호연결된 디스플레이(위에 설명됨)를 통하여 인간 사용자에가 명확하게 보일 수 있다. 상기 레티클 기점 패턴은 상기 유리기판(예를 들면, 저-반사 코팅된 소다-유리)에 에칭되고, 쉽게 보일 수 있도록 페인트되거나 또는 그렇지 않으면 강조된다. 이는 다양한 실시예에 의한 레티클의 광범위한 여러 형상, 크기 및 패턴에 대한 예이다.

상기 레티클(1270)은 주위 표면과 같은 높이로 또는 다소 낮게 상기 광학블럭(1040)의 상단부에 장착된다. 리세스(1120)(도 11)는 상기 레티클(1270)을 수용하기 위하여 제공된다. 상기 레티클은 기타 광학 구성요소와 마찬가지로, 적절한 상용화된 접착제 (예를 들면, 시아노아크릴레이트, 에폭시, 등)에 의하여, 또는 나사고리(threaded rings), 클램프, 스페이서, 등과 같이, 당업자에게 명백한 기타의 메카니즘에 의하여, 상기 광학블럭(1040) 내 제자리에 장착가능하다. 상기 레티클은 상기 장치를 위하여 TVS 및 VP(위에 설명됨)로서 쓰인다. 즉, 상기 아암-장착된 카메라(예를 들면, 카메라(640), 위에 설명됨)는 상기 조명된 레티클(1270)을 보면서 이에 맞추어 정렬되고, 상기 터치 프로브 팁(예를 들면, 프로브 팁(722), 위에 설명됨)은 상기 장치의 카메라(1020)에 의하여 관찰되며 이에 의하여 정렬된다. 특히, 상기 장치(1000)의 카메라(1020) 및 기타 요소는 상기 CMM 내에 장착된 상기 터치 프로브 또는 작업편과의 간섭관계를 벗어나 유지되도록 상기 레티클(1270)의 평면 아래에 위치된다. 상기 레티클(1270)의 평면은 또한 일반적으로 상기 작업편의 주표면과 유사한 높이로 위치된다.

상기 광학블럭(1040)은 또한 상기 대물렌즈(1260)의 내부 리세스(1130)를 포함한다. 본 실시예에서, 상기 대물렌즈는 대략적으로 12 밀리미터의 직경 및 대략적으로 51-52 밀리미터인 볼록 면 직경을 갖는 평면-볼록 렌즈이다. 유효초점거리는 대략적으로(100) 밀리미터이다. 비-제한적 예로서, 상기 렌즈는 에드몬드 옵틱으로부터 부품번호 47-341로서 상용화되어 있다. 광범위한 대안적인 대물렌즈를 사용할 수 있고 및/또는 이러한 렌즈는 대안적인 실시예에서 생략될 수도 있다. 마찬가지로, 다양한 실시예에서, 상기 대물렌즈 광학은 상기 레티클과 통합될 수 있다.

상기 광학블럭(1040)은 본 실시예에서 개방 통로(open well)(1280)를 포함하며, 그 내부에는 상기 빔 스플리터(1230)가 존재한다. 일 실시예에서, 상기 빔 스플리터(1230)는 적절한 정렬을 유지하기 위하여 그리고 보다 안전하도록 정사각형 장착벽(1140) 내에 장착된다. 본 실시예에서 상기 빔 스플리터(1230)는 10-밀리미터의 정육면체이다. 상기 빔 스플리터(1230)의 형태는, 비-제한적 예로서, 에드몬트 옵틱으로부터 부품번호 47-121로서 상용화되어 있다. 그러나, 여러 가지 형태, 크기, 및 작동원리 이용에 있어서 광범위한 빔-스플리팅 구조가 대안적 실시예에서 사용될 수 있음이 명백히 이해된다. 상기 개방 통로(1280)는 상기 카메라 축(OAC) 및 합류된 축(OAM)을 따라 각각 반원형 통로(1282) 및 (1284)를 포함한다는 것을 주목해야 한다. 이들 통로는 상기 시스템을 통하여 소망하는 시야를 전체적으로 전달할 수 있게 하는 데에 충분하다. 상기 통로(1282), (1284)는 대안적 실시예에서 반-원통형으로 구획되지만, 대안적 실시예들에서는 절단된 반-원뿔형으로 될 수도 있다.

상기 광학블럭(1040) 내 상기 개방 통로(1280)의 대향측은 상기 비구면 렌즈 어셈블리를 에워싸는데, 상기 비구면 렌즈 어셈블리는 조명원(1210)으로부터의 조명 빔이 소망하는 대로 확산될 수 있게 한다. 비-제한적 예로서, 본 실시예에서 상기 비구면 렌즈 어셈블리는 리세스(1290) 내에 존재하며 상술한 바와 같이 임의의 허용가능한 방식으로 장착된다. 본 실시예에서 상기 렌즈 어셈블리는 볼록요소(1292) 및 오목요소(1294)로 이루어지며, 상기 볼록요소(1292)는 상기 오목요소(1294)보다 상기 조명원(1210)으로부터 더욱 멀리에 위치된다. 본 실시예에서 상기 예시적인 렌즈쌍은 대략적으로 12.5 밀리미터의 직경으로 된다. 상기 볼록요소(1292)는 대략적으로 8.15 밀리미터의 전방 반경 및 대략적으로 12.80 밀리미터의 후방 반경으로 구획된다. 상기 볼록요소(1294) 대략적으로 -24.90 밀리미터의 후방 반경을 갖는다. 상기 렌즈 어셈블리는 이 예에서 무색으로 되고, 대략적으로 0.425-0.675 마이크로미터 사이의 작동 파장 범위를 갖는다. 유효초점거리는 14 밀리미터이다. 비-제한적 예로서, 이러한 렌즈 어셈블리는 에드몬드 옵틱으로부터 부품 번호 49-658로 사용화되어 있다. 그러나, 당업자에게 명백한 바와 같이, 대안적 실시예에서, 상기 조명원(1210)의 광에 소망하는 조정을 제공하기 위하여 가능한 렌즈, 프리즘 및 기타 광학 구조를 광범위하게 사용할 수 있다.

상기 조명원(1210)은 상기 광학블럭(1040)의 바닥에 장착되고, 상기 보드에 장착되고 상기 블록(1040)에 대향되는 고출력 LED(또는 유사한 광원)(1152)를 갖는 회로기판(1150)을 구획한다. 본 실시예에서 상기 광원(1152)은 백색광을 전달하지만, but 대안적 실시예에서는 적색과 같은-임의의 파장/색을 이용할 수도 있다. 상기 회로기판(1150)은 파스너(예를 들면, 기계나사), 클립, 클램프, 스냅, 접착제, 또는 메카니즘의 조합에 의하여 상기 블록(1040)에 장착될 수 있다. 상기 조명원(1210)은 선택적으로 별도의 전원(예를 들면, 변압기 및 벽 전류)에 의하여 또는 상기 카메라 어셈블리(1020)로부터의 전원 연결에 의하여, 또는 기타의 전원에 의하여 작동가능하다. 일 실시예에서, 상기 조명원(1210)은, 상기 켈리브레이션 장치가 기능할 때, 상기 시각 시스템 프로세서/프로세스로부터의 신호에 기초하여 선택적으로 조명될 수 있다. 예를 들면, 상기 카메라의 온-보드 조명기는 우회될 수 있고, 그 대신에 전력은 적절한 상호접속 케이블 또는 기타 전력-인입 장치를 이용하여 상기 회로기판(1150)을 통해 상기 조명원(1210)에 제공될 수 있다.

상기 광학블럭(1040)은 상기 베이스(1010) 상에서 예시적인 리세스(1170) 내에 제거가능하게 장착가능하다. 예시적으로, 상기 리세스 또는 기타 장착 장치는 구체적인 CMM 파라미터에 조정되는 여러 가지 광학 어셈블리를 수용하도록 (또는 기타 시각 시스템 응용과 함께 사용하기 위하여) 조정가능하다.

시각 시스템을 이용하여 터치 프로브를 켈리브레이팅하기 위한 상술한 바의 시스템 및 방법이 비교적 간단한 켈리브레이션 기술 및 정확한 켈리브레이션 결과를 제공한다는 것은 명백하다. 유리하게도, 이러한 기술은 켈리브레이션 고정구의 공통되는 일 표면 평면 상에서 표적/기점에 대하여 프로브 접촉점을 직접 관찰함에 의존하여, 상기 터치 프로브의 접촉점 및 상기 카메라 시야 사이의 좌표 매핑이 가능한 한 정화하게 됨을 보장한다. 상기 켈리브레이션 고정구 내의 여러 가지 통합 조명 어셈블리/장치는 획득된 이미지 내 기점에 대하여 상기 터치 프로브 접촉점을 식별 및 위치확인하기 위하여 보강된 코트라스트를 제공한다. 더욱이, 상술한 바의 시스템 및 방법은 이동형 아암, 스테이지 또는 로봇 어셈블리 상에 여러 터치 프로브를 효과적으로 켈리브레이팅한다. 상기 시스템은 오염물의 침투에 대하여 독립되고 밀폐된 통합, 모듈형 패키지로 구현될 수 있다. 상기 패키지는 변경된 과제 및 상황을 감안하여 상기 카메라 또는 광학 장치와 같은 핵심 구성 요소를 변경하도록 조정가능하다.

이상은 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 상세한 설명이다. 본 발명의 요지 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 다양한 수정 및 부가가 이루어질 수 있다. 위에 설명된 각각의 다양한 실시예의 특징은 연합된 새로운 실시예에 여러 특징 조합을 제공하기 위하여 기타 설명된 실시예의 특징과 적절하게 결합될 수 있다. 더욱이, 앞에서는 본 발명의 장치 및 방법의 여러 개별적인 실시예들을 설명하였으나, 여기에 설명된 바는 본 발명 원리의 예시적인 응용에 불과하다. 예를 들면, "수직", "수평", "위", "아래", "바닥", "상부", "측부", "전방", "후방", "좌측", "우측" 등과 같이 여기에 사용된 다양한 방향 및 배향 용어는 상대적인 관계일 뿐이며, 중력과 같이 고정된 좌표 시스템에 대한 절대적인 방향이 아니다. 더욱이, 상기 용어 “프리즘”은 상기 작업 영역의 기저가 되도록 위치될 수 있는 기타의 구조를 포함하여 광범위하게 사용된다. 예를 들면, 일반적으로 상기 도시된 광학경로(OP)를 구획하는 거울 장치를 사용할 수 있다. 프리즘적 및 반사성(정반사성) 구조의 조합 또한 다양한 실시예에서 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 설명은 예로서만 취할 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

Claims (23)

1. 터치 프로브를 안내하기 위한 시각 시스템으로서,
   종축으로 이동하는 터치 프로브 어셈블리에 대하여 장착된 카메라 축을 갖는 시각 시스템 카메라 어셈블리;
   상기 종축과 상기 카메라 축 사이의 간격과 동일한 간격(S)인 오프셋 간격(S)으로 간격을 둔 평행축 사이에 광학경로를 180도로 변경하는 프리즘 어셈블리를 구획하는 켈리브레이션 고정구; 및
   상기 광학경로 내의 릴레이 렌즈 어셈블리를 포함하는,
   시각 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 터치 프로브로부터 반사된 광에 의하여 발생되는 시차를 감소시키기 위하여 그리고 상기 카메라 어셈블리의 시야에 걸쳐 조명을 균형있게 하기 위하여 상기 프리즘 어셈블리 상에 광학경로 내에 위치되는 대물렌즈 어셈블리를 더 포함하는,
   시각 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프리즘 어셈블리는 그 상부에 기점을 포함하는 터치-뷰 표면(touch view surface, TVS)을 갖는 제 1 직각 프리즘 및 상기 TVS의 이미지를 획득하기 위한 뷰포트(view port, VP)를 갖는 제 2 직각 프리즘을 갖는,
   시각 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 TVS에 인접하는 상기 제 1 직각 프리즘 내로 광을 전달하는 조명 어셈블리를 더 포함하는,
   시각 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 조명 어셈블리는, 상기 제 2 직각 프리즘의 경사진 벽에 인접하게 위치되어 상기 제 2 직각 프리즘의 경사진 벽 및 상기 릴레이 렌즈 어셈블리를 통하여 상기 제 1 직각 프리즘에 광을 전달하기 위한 빔 스플리터를 갖는,
   시각 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 조명 어셈블리는 상기 제 1 직각 프리즘의 경사진 벽에 인접하게 위치되어 이를 통하여 광을 상방으로 전달하기 위한 빔 스플리터를 갖는,
   시각 시스템.
7. 제4항에 있어서,
   상기 조명 어셈블리는 상기 제 1 직각 프리즘 내에 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 발생시키기 위하여 상기 제 1 직각 프리즘의 경사진 벽을 통하여 광을 전달하도록 배열되고, 조명광은 따라서 상기 터치 프로브에 의하여 터치된 상기 TVS 상의 위치에 대하여 하나의 위치에서 상기 VP 내에 글린트(glint)를 투사하는,
   시각 시스템.
8. 이동형 터치 프로브 어셈블리와 함께 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 방법으로서:
   상기 터치 프로브 어셈블리에 고정적으로 부착되는 카메라를 제공하는 단계로서, 여기에서 상기 카메라는 카메라 축을 구획하며 상기 터치 프로브 어셈블리는 종축을 구획하는, 카메라를 제공하는 단계;
   오프셋 간격(S)으로 간격을 둔 평행축 사이에 광학경로를 180 도로 변경하는 프리즘 어셈블리를 제공하는 단계로서, 여기에서 상기 간격(S)은 상기 종축 및 상기 카메라 축 사이의 간격과 동일하고, 상기 프리즘 어셈블리는 상부에 기점을 갖는 터치-뷰 표면(TVS) 및 상기 TVS의 이미지를 획득하기 위한 뷰포트(VP)를 포함하는, 프리즘 어셈블리를 제공하는 단계;
   기준점을 설정하기 위하여 상기 기점을 상기 프로브로 터치하고, 터치 프로브 움직임 제어기에 의하여 상기 프로브의 위치를 프로브정렬위치로서 기록하는 단계;
   상기 카메라가 상기 TVS 위로 상기 기점을 보기 위하여 정렬되도록 상기 터치 프로브 및 카메라를 이전시키고, 상기 터치 프로브의 위치를 카메라정렬위치로서 기록하는 단계; 그리고
   카메라정렬위치 및 프로브정렬위치 사이의 차이로서 오프셋 간격을 계산하는 단계를 포함하는,
   이동형 터치 프로브 어셈블리와 함께 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 카메라에 의하여 작업편 상에서 식별된 특징에 기초하여 상기 작업편의 위치로 상기 프로브를 이동시키기 위하여 런타임에 상기 오프셋 간격을 이용하는 단계를 더 포함하는,
   이동형 터치 프로브 어셈블리와 함께 시각 시스템을 켈리브레이팅하기 위한 방법.
10. 터치 프로브를 안내하기 위한 시각 시스템으로서,
    터치 프로브 어셈블리 및 고정구 사이에서의 움직임에 기초하여 터치 프로브에 선택적으로 접촉되도록 배열되는 기점을 갖는 켈리브레이션 고정구로서, 상기 켈리브레이션 고정구는 빔 스플리터를 포함하며, 이는 모든 조명광이 광원으로부터 제 1 광학경로를 통과하도록 허용하며, 상기 제 1 광학경로는 상기 기점 및 상기 기점을 통과하는 시야각을 통하여 선택적으로 상기 터치 프로브 어셈블리를 포함하는 그 위의 공간으로 바뀌는, 켈리브레이션 고정구;
    상기 제 1 광학경로를 따라 위치되는 제 1 카메라 축을 갖는 상기 빔 스플리터에 대하여 위치되는 제 1 시각 시스템 카메라 어셈블리; 및
    상기 터치 프로브 어셈블리에 대하여 고정적으로 장착되고, 상기 광원에 의하여 조명된 상기 기점을 선택적으로 보는 제 2 카메라 축을 갖는 제 2 시각 시스템 카메라 어셈블리;를 포함하는,
    시각 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 기점을 각각 선택적으로 접촉하기 위하여 상기 고정구에 대하여 각각 선택적으로 이동가능하며, 상기 제 2 시각 시스템 카메라 어셈블리에 대하여 각각 고정적으로 부착되는 다수의 터치 프로브 어셈블리를 더 포함하는,
    시각 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 터치 프로브로부터 반사된 광에 의하여 발생되는 시차를 감소시키기 위하여 그리고 상기 카메라 어셈블리의 시야에 걸쳐 조명을 균형있게 하기 위하여 상기 제 1 광학경로 내에 위치되는 대물렌즈 어셈블리를 더 포함하는,
    시각 시스템.
13. 제10항에 있어서,
    상기 터치 프로브 어셈블리는 3차원 측정기(coordinate measuring machine, CMM)의 이동형 아암 상에 위치되는,
    시각 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 CMM은 상기 아암의 움직임을 추적하는 제어기를 포함하며, 각각의 상기 제 1 시각 시스템 카메라 어셈블리 및 상기 제 2 시각 시스템 카메라 어셈블리는, 각각, 상기 터치 프로브가 상기 기점을 접촉하고 상기 제 2 카메라 축이 상기 기점에 정렬될 때, 상기 제어기에 기초하여 상기 아암의 위치를 기록하도록 피드백을 제공하는,
    시각 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 위치는 상기 제 2 카메라 축 및 상기 터치 프로브 사이의 오프셋을 계산하는 데에 이용되며, 런타임 대상에 대하여 상기 아암을 안내하는 것을 보조하도록 런타임에 사용되기 위하여 저장되는,
    시각 시스템.
16. 제10항에 있어서,
    상기 빔 스플리터 및 상기 조명광은 상기 제 2 시각 시스템 카메라 어셈블리를 지지하는 설치대에 대하여 광학블럭 내에 장착되는,
    시각 시스템.
17. 제16항에 있어서,
    상기 광학블럭은 상기 터치 프로브에 접촉되도록 구성되며 기점 패턴을 갖는 레티클, 및 상기 조명광 및 상기 빔 스플리터 사이의 광 제어렌즈를 갖는,
    시각 시스템.
18. 제17항에 있어서,
    상기 광제어 렌즈는 오목 렌즈 및 볼록 렌즈 쌍을 갖는 비구면 렌즈 어셈블리를 포함하는,
    시각 시스템.
19. 제17항에 있어서,
    상기 레티클 및 상기 빔 스플리터 사이에 위치되는 대물렌즈를 더 포함하는,
    시각 시스템.
20. 제17항에 있어서,
    상기 광학블럭 및 상기 제 2 시각 시스템 카메라 어셈블리의 적어도 일부분 위로 장착되는 하우징 커버를 더 포함하는,
    시각 시스템.
21. 제17항에 있어서,
    상기 광원은 상부에 장착되는 LED 어셈블리를 갖는 회로기판이며, 상기 회로기판은 상기 레티클이 장착된 광학블럭의 일단에 대향되는 광학블럭의 일단에 장착되는,
    시각 시스템.
22. 작업편에 대하여 이동형 터치 프로브를 안내하는 제 1 시각 시스템 카메라를 켈리브레이팅하기 위한 통합 켈리브레이션 장치로서:
    제 2 시각 시스템 카메라, 및 상기 터치 프로브에 선택적으로 접촉되도록 구성되며 상기 제 1 시각 시스템 카메라에 의하여 선택적으로 관찰되는 조명된 레티클 상에 기점 패턴을 갖는 광학블럭을 장착하는 베이스; 및
    상기 레티클을 조명하는 광원의 광학경로를 상기 제 2 시각 시스템 카메라의 광학경로와 합류시키는 상기 광학블럭 내의 빔 스플리터를 포함하는,
    통합 켈리브레이션 장치.
23. 터치 프로브를 안내하기 위한 시각 시스템으로서,
    종축을 갖는 이동형 터치 프로브 어셈블리에 대하여 장착된 카메라 축을 갖는 시각 시스템 카메라 어셈블리;
    상기 종축과 상기 카메라 축 사이의 간격과 동일한 간격(S)인 오프셋 간격(S)으로 간격을 둔 평행축 사이에 광학경로를 180 도로 변경하는 프리즘 어셈블리를 구획하는 켈리브레이션 고정구; 및
    제 1 면을 통하여 상기 프리즘 어셈블리 내 제 1 프리즘으로 조명을 보내는 조명 어셈블리로서, 상기 제 1 프리즘은 상기 터치 프로브 어셈블리의 팁에 대면하는 상부면을 가지며, 상기 조명은 내부 전반사에 의하여 2배로 반사되고 상기 제 1 면을 통하여 상기 제 1 프리즘을 나가며, 상기 제 1 프리즘은, 상기 팁이 상기 상부면을 접촉할 때, 또는 상기 상부면 위로 광의 일부 파장 내에 존재할 때, 내부 전반사가 방해받게 되고 소산파가 상기 팁과 결합하게 되어, 상기 상부면을 통하여 광이 누출되도록 하는 구조로 되어 배열되고, 따라서 상기 누출광은 상기 팁으로부터 산란되고, 보통 입사각으로 상기 제 1 프리즘에 다시 도입되어 상기 팁의 접촉점으로부터 상기 시각 시스템 카메라 어셈블리를 거쳐 이동하는, 조명 어셈블리를 포함하는,
    시각 시스템.

Images