KR20210088631A - 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기 및 방법 - Google Patents

적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기 및 방법 Download PDF

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세바스티안 발로우치
셀랄 모한 오에구엔
로베르트 센트
잉마르 브루더
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트리나미엑스 게엠베하
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Abstract

적어도 하나의 물체(112)의 포지션을 결정하기 위한 검출기(110)가 개시된다. 검출기(110)는, - 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치(114); - 적어도 하나의 개구 요소(118)― 개구 요소(118)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되며 전환 장치(114)를 통과한 광 빔(120)의 에지 성분을 차단하도록 구성되고, 개구 요소(118)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분(119)을 통과시키도록 구성됨 ―; - 상기 광 빔(120)의 전파 방향으로 개구 요소(118) 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서(126)― 제 1 광학 센서(126)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분(119)의 색상 정보를 결정하도록 구성되고, 제 1 광학 센서(126)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하도록 구성됨 ―; - 적어도 하나의 제 2 광학 센서(128)― 제 2 광학 센서(128)는 상기 광 빔(120)의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하도록 구성됨 ―을 포함한다.

Description

적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기 및 방법
본 발명은 적어도 하나의 물체의 포지션(position)을 결정하기 위한 검출기 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 검출기 및 방법은 예컨대 건축, 계측, 고고학, 예술, 의학, 엔지니어링 또는 제조 분야에서 공초점 크로매틱 센서(confocal chromatic sensor)를 사용하는 거리 측정을 위해 채용될 수도 있다. 그러나 다른 응용예도 가능하다.
ToF(Time-of-Flight) 검출기, 삼각 측량 시스템 및 DFD(depth-from-defocus) 기술을 사용하는 센서와 같은, 물체와 광학 센서 사이의 거리를 결정하기 위한 많은 광학 센서가 알려져 있다. 물체로부터의 거리를 결정하기 위한 또 다른 개념은 광자비에 의한 거리(Distance by Photon Ratio; DPR)라고 하며, 예컨대 전체 내용이 인용에 의해 포함되는 WO 2018/091640 A2에 제안되어 있다. WO 2018/091640 A2는 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기를 설명한다. 검출기는: 적어도 하나의 전환 장치(transfer device)― 전환 장치는 물체로부터 검출기로 전파되는 적어도 하나의 입사 광 빔(incident light beam)에 응답하여 적어도 하나의 초점 거리를 가짐 ―; 적어도 2개의 광학 센서― 각각의 광학 센서는 적어도 하나의 감광 영역(light sensitive area)을 가지며, 각각의 광학 센서는 광 빔에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ―; 센서 신호로부터 지수 신호(quotient signal) Q를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(longitudinal coordinate)(z)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다. 검출기는 물체 평면에서의 물체 크기와 독립적인 적어도 하나의 측정 범위에서 물체의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성된다. DPR 기술을 기반으로 하는 이러한 장치 및 방법에 의하면 안정적이고 정확한 거리 측정이 가능하다.
10㎚ 정도와 같이 매우 높은 정확도에 의한 거리 측정의 경우, 일반적으로 공초점 크로매틱 센서가 사용된다. 예컨대, 독일 94496 오르텐부르크 쾨니그바허슈트라쎄 15 소재의 Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG로부터 모델 번호 IFS2403-0,4 또는 IFS 2405-30의 공초점 크로매틱 센서가 입수 가능하며, 이들은 10㎚ 내지 수백 마이크로미터 정도의 정확도로 광섬유를 통해 거리를 측정할 수 있다. 이들 시스템의 측정 범위는 일반적으로 400㎛ 내지 30㎜ 정도이다. 그러나 공지의 공초점 크로매틱 센서의 최소 측정 거리(스탠드오프 거리(standoff distance)라고도 함)는 매우 클 수 있다. 예컨대 모델 번호가 IFS 2405-30인 센서의 경우, 제조업체 사양에 따르면, 측정 범위는 30㎜이고, 정확도는 180㎚이며, 스탠드오프 거리는 100㎜이다. 공초점 크로매틱 센서는 물체가 측정 범위를 벗어나면 측정값을 산출할 수 없다. 따라서, 공초점 크로매틱 센서를 사용한 측정은 측정 범위에 제한된다. 또한, 특히 완전 자동화된 프로세스에서는 센서의 측정 범위를 찾는 것이 어려울 수 있다.
EP 0 762 143 A1은 다수의 개별 파장 성분을 포함하는 광대역 고강도 광학 에너지를 생성하는 조명원(illumination source)을 포함하는 3차원 센서를 설명한다. 성분들은 목표물의 한 지점에 충돌한다. 목표물 충돌 전과 목표물 충돌 후 중 어느 하나 또는 둘 모두에 그 지점에서 반사된 광에 분산이 적용됨으로써, 서로 다른 파장의 광이 서로 다른 범위에 집속된다. 최대 반사의 파장을 검출하여 목표물 범위를 결정한다.
US 9 739 600 B1은 웨이퍼와 같은 물체의 표면을 검사하기 위한 공초점 크로매틱 장치를 설명하는데, 이 장치는 복수의 측정점에서 크로매틱 렌즈를 통해 물체에 의해 반사된 광을 수집하도록 배열된 수집 구경이 있는 복수의 광학 측정 채널을 포함하고, 복수의 광학 측정 채널은 수집된 광의 총 강도를 측정하기 위한 강도 검출기를 갖는 광학 측정 채널을 포함한다.
US 2008/030743은 큰 숫자의 구경을 갖는 비 접촉식 광학 프로브에 기초한 공작물의 형상, 윤곽 및/또는 거칠기를 측정하기 위한 측정 장치를 설명한다. 프로브는 적어도 2개의 광 수용기가 연관되는 적어도 2개의 상이한 초점을 가지고 있다. 광 수용기는 공작물 표면이 프로브의 측정 범위 내에 유지되는 방식으로 광학 프로브를 추적하기 위한 포지셔닝 장치를 제어하기 위한 차동 신호를 생성한다.
WO 2018/167215 A1은 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기를 설명한다. 검출기는: - 물체로부터 검출기 쪽으로 전파되고 각도 의존성 광학 요소를 조명하는 입사 광 빔의 입사각에 따라 적어도 하나의 빔 프로파일을 갖는 적어도 하나의 광 빔을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 각도 의존성 광학 요소― 각도 의존성 광학 요소는 적어도 하나의 광섬유, 특히 적어도 하나의 다중 갈래 광섬유; 적어도 하나의 회절 광학 요소; 적어도 하나의 각도 의존성 반사 요소; 적어도 하나의 회절 격자 요소, 특히 블레이즈 격자 요소(blaze grating element); 적어도 하나의 개구 조리개(aperture stop); 적어도 하나의 프리즘; 적어도 하나의 렌즈; 적어도 하나의 렌즈 어레이, 특히 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이; 적어도 하나의 광학 필터; 적어도 하나의 편광 필터; 적어도 하나의 대역 통과 필터; 적어도 하나의 액정 필터, 특히 액정 가변 필터; 적어도 하나의 쇼트-패스 필터; 적어도 하나의 롱-패스 필터; 적어도 하나의 노치 필터; 적어도 하나의 간섭 필터; 적어도 하나의 투과 회절 격자; 적어도 하나의 비선형 광학 요소로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 광학 요소를 포함함 ―; - 적어도 2개의 광학 센서― 각각의 광학 센서는 적어도 하나의 감광 영역을 가지며, 각각의 광학 센서는 각도 의존성 광학 요소에 의해 생성된 광 빔에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ―; - 센서 신호로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
따라서, 본 발명의 목적은 공지된 장치 및 방법의 전술한 기술적 과제에 직면한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 더 넓은 측정 범위에 걸쳐 높은 신뢰성과 정확도로, 바람직하게는 기술적인 노력이 적고 기술 자원 및 비용 측면에서 낮은 요구 사항으로 거리 측정을 가능하게 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 문제는 독립 청구항의 특징을 가진 발명에 의해 해결된다. 개별적으로 또는 조합하여 실현될 수 있는 본 발명의 유리한 개량은 종속 청구항 및/또는 하기의 명세서 및 상세한 실시예에 제시된다.
이하에서 사용되는 바와 같이, 용어 "갖다", "포함하다" 또는 "구비하다" 또는 이들의 임의의 문법적 어미변화는 비 배타적인 방식으로 사용된다. 따라서, 이들 용어는, 이들 용어에 의해 도입된 특징 이외에, 이러한 맥락에서 설명된 엔티티(entity)에 어떠한 다른 특징도 존재하지 않는 상황과, 하나 이상의 다른 특징이 존재하는 상황 둘 모두를 지칭할 수도 있다. 일 예로서, "A가 B를 갖는다", "A가 B를 포함한다" 및 "A가 B를 구비한다"란 표현은 B 이외에 다른 요소가 A에 존재하지 않는 상황(즉, A가 단독으로 및 배타적으로 B로만 구성되는 상황)과, B 이외에 하나 이상의 다른 요소, 예컨대 요소 C, 요소 C 및 D, 또는 또 다른 요소가 엔티티 A에 존재하는 상황을 모두 지칭할 수도 있다.
또한, 특징 또는 요소가 한 번 이상 존재할 수 있음을 나타내는 용어 "적어도 하나", "하나 이상" 또는 유사한 표현은 일반적으로 각각의 특징 또는 요소를 도입할 때 한 번만 사용될 것이라는 점에 유의해야 한다. 이하에서, 대부분의 경우, 각각의 특징 또는 요소를 언급할 때, 각각의 특징 또는 요소가 한 번 이상 존재할 수도 있다는 사실에도 불구하고, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 표현은 반복되지 않을 것이다.
또한, 이하에서 사용되는 바와 같이, 용어 "바람직하게", "보다 바람직하게", "특히", "보다 특별하게", "구체적으로", "보다 구체적으로" 또는 유사한 용어는, 대체 가능성을 제한하지 않으면서, 임의 선택적인(optional) 특징과 함께 사용된다. 따라서, 이들 용어에 의해 도입된 특징은 임의 선택적인 특징이며, 어떤 방식으로도 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 본 발명은 대안적인 특징을 사용하여 수행될 수도 있다. 마찬가지로, "본 발명의 실시예에서" 또는 유사한 표현에 의해 도입된 특징은, 본 발명의 대안적인 실시예에 관한 어떠한 제한도 없이, 본 발명의 범위에 관한 어떠한 제한도 없이, 그리고 그러한 방식으로 도입된 특징을 본 발명의 다른 임의 선택적 또는 비 임의 선택적인 특징과 결합할 가능성에 관한 어떠한 제한도 없이, 임의 선택적인 특징인 것으로 의도된다.
본 발명의 제 1 태양에서, 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기가 개시된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "물체(object)"란 용어는 적어도 하나의 임의의 측정 대상 및/또는 측정될 적어도 임의의 대상을 의미한다. 물체는 물체와 같은 지점(point like object)이거나 확장된 물체 또는 영역일 수도 있다. 물체는 직접적으로 또는 간접적으로 물체를 조명하는 조명원으로부터의 광 빔과 같은 적어도 하나의 광 빔을 방출할 수도 있으며, 광 빔은 물체에 의해 반사 또는 산란된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "포지션(position)"이란 용어는 공간에서의 물체 및/또는 물체의 적어도 하나의 부분의 위치 및/또는 배향(orientation)에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 지칭한다. 따라서, 적어도 하나의 정보 항목은 물체의 적어도 하나의 지점과 적어도 하나의 검출기 사이의 적어도 하나의 거리를 의미할 수도 있다. 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 거리는 종방향 좌표일 수 있으며, 또는 물체의 지점의 종방향 좌표를 결정하는 데 기여할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물체 및/또는 물체의 적어도 하나의 부분의 위치 및/또는 배향에 관한 하나 이상의 다른 정보 항목이 결정될 수도 있다. 예로서, 추가적으로, 물체 및/또는 물체의 적어도 하나의 부분의 적어도 하나의 횡방향 좌표(transversal coordinate)가 결정될 수도 있다. 따라서, 물체의 포지션은 물체 및/또는 물체의 적어도 하나의 부분의 적어도 하나의 종방향 좌표를 의미할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물체의 포지션은 물체 및/또는 물체의 적어도 하나의 부분의 적어도 하나의 횡방향 좌표를 의미할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물체의 포지션은 공간에서의 물체의 배향을 나타내는 물체의 적어도 하나의 배향 정보를 의미할 수도 있다.
검출기는:
- 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치;
- 적어도 하나의 개구 요소(aperture element)― 개구 요소는 물체로부터 검출기로 전파되며 전환 장치를 통과한 광 빔의 에지 성분을 차단하도록 구성되며, 개구 요소는 상기 광 빔의 중심 성분을 통과시키도록 구성됨 ―;
- 상기 광 빔의 전파 방향으로 개구 요소 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서― 제 1 광학 센서는 상기 광 빔의 중심 성분의 색상 정보를 결정하도록 구성되고, 제 1 광학 센서는 상기 광 빔의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하도록 구성됨 ―;
- 상기 광 빔의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 광학 센서;
를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전환 시스템"으로도 표기되는 "전환 장치"라는 용어는 개략적으로 예컨대 광 빔의 빔 파라미터, 광 빔의 폭 또는 광 빔의 방향 중 하나 이상을 수정하는 것에 의해 입사 광 빔을 수정하도록 구성된 적어도 하나의 광학 요소를 지칭할 수도 있다. 전환 장치는 광 빔을 광학 센서로 안내하도록 구성될 수도 있다. 전환 장치는 색수차를 갖는 적어도 하나의 렌즈 또는 렌즈 시스템을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "색수차(chromatic aberration)"는 전환 장치가 상이한 파장의 광에 대해 상이한 굴절률을 갖는 것을 지칭한다. 구체적으로, 전환 장치는 전환 장치에 충돌하는 광을 상이한 파장 의존성 초점들에 집속하도록 구성될 수도 있다. 전환 장치는 서로 다른 파장에 대해 서로 다른 초점 거리를 가질 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전환 장치의 "초점 거리(focal length)"라는 용어는 전환 장치에 충돌할 수 있는 입사 시준 광선(incident collimated ray)이 "초점(focus point)"으로도 표시될 수 있는 "포커스(focus)"로 이동하게 되는 거리를 의미한다. 따라서, 초점 거리는 충돌하는 광 빔을 수렴하는 전환 장치의 능력의 척도를 구성한다. 색수차를 갖는 전환 장치의 경우, 초점 거리는 파장 의존적인 굴절률에 따라 달라질 수 있으므로, 상이한 파장들을 가진 광은 상이한 파장 의존성 위치들에 집속될 것이다. 파장에 대한 초점 거리는 렌즈 또는 렌즈 시스템의 중심으로부터 이 파장에 대한 주 초점(principal focal point)까지의 거리로 정의될 수도 있다.
전환 장치는 광축을 가질 수도 있다. 특히, 검출기와 전환 장치는 공통 광축을 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전환 장치의 광축"이란 용어는 개략적으로 렌즈 또는 렌즈 시스템의 거울 대칭 또는 회전 대칭의 축을 지칭한다. 검출기의 광축은 검출기의 광학적 배치(optical setup)의 대칭선일 수도 있다. 예로서, 렌즈 시스템과 같은 전환 장치는 적어도 하나의 빔 경로를 포함할 수 있으며, 빔 경로에 있는 전환 장치의 요소들은 광축에 대해 회전 대칭 방식으로 배치된다. 여전히, 빔 경로 내에 배치된 하나 이상의 광학 요소가 또한 광축에 대해 중심을 벗어나거나 기울어질 수도 있다. 그러나 이 경우, 광축은 예컨대 렌즈들의 중심을 상호 연결함으로써 빔 경로에 있는 광학 요소들의 중심을 상호 연결하는 것에 의해 순차적으로 한정될 수 있으며, 이러한 맥락에서 광학 센서는 광학 요소로 계산되지 않는다. 광축은 개략적으로 빔 경로를 나타낼 수도 있다. 여기에서, 검출기는 광 빔이 그를 따라 물체로부터 광학 센서로 이동할 수 있는 단일 빔 경로를 가질 수 있거나, 또는 복수의 빔 경로를 가질 수도 있다. 예로서, 단일 빔 경로가 주어지거나, 빔 경로가 둘 이상의 부분 빔 경로로 분할될 수도 있다. 후자의 경우, 각각의 부분 빔 경로는 그 자체의 광축을 가질 수 있으며, 위에서 언급한 조건은 일반적으로 각 빔 경로를 독립적으로 참조할 수도 있다. 광학 센서들은 하나의 동일한 빔 경로 또는 부분 빔 경로에 배치될 수도 있다. 그러나 대안적으로, 광학 센서들은 서로 다른 부분 빔 경로에 배치될 수도 있다.
전환 장치는 좌표계를 구성할 수 있으며, 여기에서 종방향 좌표 I는 광축을 따른 좌표이고, d는 광축으로부터의 공간 오프셋이다. 좌표계는 전환 장치의 광축이 z축을 형성하고 z축으로부터의 거리 및 극각(polar angle)이 추가 좌표로 사용될 수 있는 극좌표계일 수도 있다. z축에 평행 또는 역평행한 방향이 종방향으로 간주될 수 있으며, z축을 따른 좌표가 종방향 좌표 I로 간주될 수도 있다. z축에 수직인 임의의 방향은 횡방향으로 간주될 수 있으며, 극좌표 및/또는 극각은 횡방향 좌표로 간주될 수 있다.
검출기는 적어도 하나의 렌즈, 예컨대 적어도 하나의 굴절 렌즈, 적어도 하나의 초점 조정 가능 렌즈, 적어도 하나의 비구면 렌즈, 적어도 하나의 구면 렌즈, 적어도 하나의 프레넬(Fresnel) 렌즈, 적어도 하나의 비구면 렌즈로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 렌즈; 적어도 하나의 회절 광학 요소; 적어도 하나의 오목 거울; 적어도 하나의 빔 편향 요소, 바람직하게는 적어도 하나의 거울; 적어도 하나의 반투과성 거울; 적어도 하나의 빔 분할 요소, 바람직하게는 빔 분할 큐브 또는 빔 분할 거울 중 적어도 하나; 적어도 하나의 다중 렌즈 시스템 중 하나 이상을 추가로 포함할 수도 있다. 또한, 검출기는 적어도 하나의 파장 선택 요소, 예컨대 적어도 하나의 광학 필터를 포함할 수도 있다. 추가로, 검출기는 예컨대 광학 센서의 센서 영역의 위치에서 전자기 복사에 사전 정의된 빔 프로파일을 인가하도록 설계된 적어도 하나의 요소를 포함할 수도 있다. 검출기의 이러한 임의 선택적 실시예는 원칙적으로 개별적으로 또는 임의의 희망 조합으로 실현될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "개구 요소(aperture element)"란 용어는 광선속(ray bundle)을 제한하도록 구성된 적어도 하나의 요소를 지칭한다. 개구 요소는 적어도 하나의 개구 조리개를 포함할 수도 있다. 개구 요소는 적어도 하나의 구멍과 같은 적어도 하나의 개구부(opening)를 가질 수도 있다. 개구 요소는 물체로부터 검출기로 전파되며 전환 장치를 통과한 광 빔의 에지 성분을 차단하고 상기 광 빔의 중심 성분을 통과시키도록 구성된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "차단하다"란 용어는 개구 요소에 충돌하는 광 빔의 적어도 일부 및/또는 적어도 일부의 강도를 적어도 부분적으로 정지, 제한, 감소 및 감쇠시키는 것 중 하나 이상을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "통과시키다"란 용어는 본질적으로 방해 받지 않고 개구 요소를 통과하는 것을 지칭하며, 여기에서 광 빔의 성분의 총 강도의 10% 이하, 바람직하게는 광 빔의 성분의 총 강도의 5% 이하, 보다 바람직하게는 광 빔의 성분의 총 강도의 2% 이하의 강도 손실이 가능하다. 백색 광 빔과 같은 다색성 조명 광 빔이 전환 장치에 의해 물체에 집속될 때, 상이한 파장들이 전환 장치로부터의 상이한 거리에 집속될 수도 있다. 물체는 물체 거리에 대응하는 파장의 집속 빔 성분(focused beam component)과 나머지 파장을 가진 비집속 빔 성분(unfocused beam component)을 반사시킬 수도 있다. 반사된 광은 전환 장치에 충돌할 수 있고 이어서 개구 요소에 충돌할 수도 있다. 개구 요소는 반사된 비집속 빔 성분이 개구 요소에 비집속 상태로 충돌할 수 있도록 배열될 수도 있다. 개구 요소는 반사된 비집속 빔 성분을 차단하도록 구성될 수도 있다. 개구 요소는 반사된 집속 빔 성분이 본질적으로 개구 요소에 집속된 상태로 충돌할 수 있도록 배열될 수도 있다. 개구 요소는 반사된 집속 빔 성분을 통과시키도록 구성될 수도 있다. 구체적으로, 개구 요소는 특정 시준 정도(degree of collimation)를 갖는 광을 통과시키고 상기 시준 정도 미만의 광을 차단하도록 구성될 수도 있다. 예컨대, 개구 요소는 본질적으로 집속된 광만 통과시키고 비집속 성분을 차단하도록 구성될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "집속된(focused)"이란 용어는 개략적으로 광 빔의 착란원(circle of confusion)의 최소 범위 중 하나 또는 둘 모두를 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "착란원"이란 용어는 전환 장치에 의해 집속되는 광 빔의 광선의 원추에 의해 발생하는 광점을 지칭한다. 위에서 설명된 바와 같이, 전환 장치는 파장 의존성 초점 거리를 가질 수도 있다. 착란원은 전환 장치의 초점 거리, 그리고 파장에 따라 달라질 수도 있다. 나아가, 착란원은 물체로부터 전환 장치까지의 종방향 거리, 전환 장치의 사출동(exit pupil)의 직경 및 전환 장치로부터의 종방향 거리에 따라 달라질 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "본질적으로 집속된(essentially focused)"이란 용어는 착란원의 최소 범위를 의미하며, 여기에서 착란원의 최소 범위로부터 10% 이하의 편차, 바람직하게는 착란원의 최소 범위로부터 5% 이하의 편차, 보다 구체적으로는 착란원의 최소 범위로부터 2% 이하의 편차가 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "중심 성분(central components)"이란 용어는 반사된 집속 빔 성분과 같이 개구 요소 상의 개구 요소의 개구부에 충돌하는, 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 성분을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "에지 성분(edge components)"이란 용어는 반사된 비집속 빔 성분과 같이 개구 요소 상의 개구 요소의 개구부 외측에 충돌하는, 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 성분을 지칭한다. 또한, "에지 성분" 및 "중심 성분"이란 용어는 제 1 영역 및 제 2 영역과 같이 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 빔 프로파일의 상이한 영역들을 지칭한다. 빔 프로파일의 제 1 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 에지 정보를 포함할 수 있고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 중심 정보를 포함할 수도 있다. 빔 프로파일은 빔 프로파일의 중심, 즉 최대값 및/또는 빔 프로파일의 플래토(plateau)의 중심점 및/또는 광점의 기하학적 중심, 및 중심으로부터 연장되는 하강 에지를 가질 수도 있다. 제 2 영역은 단면의 내부 영역을 포함할 수 있고, 제 1 영역은 단면의 외부 영역을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "본질적으로 중심 정보(essentially center information)"란 용어는 개략적으로 중심 정보의 비율, 즉 중심에 해당하는 강도 분포의 비율에 비해 에지 정보의 비율, 즉 에지에 해당하는 강도 분포의 비율이 낮은 것을 지칭한다. 바람직하게는 중심 정보는 10% 미만, 더욱 바람직하게는 5% 미만의 에지 정보의 비율을 가지며, 가장 바람직하게는 중심 정보는 에지 콘텐츠를 포함하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "본질적으로 에지 정보(essentially edge information)"란 용어는 개략적으로 에지 정보의 비율에 비해 중심 정보의 비율이 낮은 것을 의미한다. 에지 정보는 특히 중심 영역 및 에지 영역으로부터의 전체 빔 프로파일의 정보를 포함할 수도 있다. 에지 정보는 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만의 중심 정보의 비율을 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 에지 정보는 중심 콘텐츠를 포함하지 않는다.
검출기는 적어도 하나의 조명원을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "조명원"이란 용어는 적어도 하나의 광 빔을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 장치를 지칭한다. 조명원은 적어도 하나의 광원이거나 이를 포함할 수도 있다. 광원은 적어도 하나의 다중 빔 광원이거나 이를 포함할 수도 있다. 조명원은 적어도 하나의 조명 광 빔으로 물체를 조명하도록 구성될 수도 있다. 조명원은 다색성 광 빔으로 물체를 조명하도록 구성될 수도 있다. 조명원은 적어도 하나의 다색성 백색 광원(polychromatic white light source)을 포함할 수도 있다. 예컨대, 광원은 적어도 하나의 레이저 소스, 특히 적어도 하나의 광대역 레이저 소스를 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광선(ray)"이란 용어는 개략적으로 에너지 흐름의 방향을 가리키는 광의 파면에 수직인 선을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "빔(beam)"이란 용어는 개략적으로 광선의 집합을 지칭한다. 이하에서 "광선" 및 "빔"이란 용어는 동의어로 사용될 것이다. 본 명세서에서 추가로 사용되는 바와 같이, "광 빔"이란 용어는 개략적으로 광량, 구체적으로는 광 빔이 확산 각도 또는 확장 각도를 가질 가능성을 포함하여, 본질적으로 동일한 방향으로 이동하는 광량을 지칭한다. 광 빔은 공간적 확장을 가질 수도 있다. 구체적으로, 광 빔은 비-가우스 빔 프로파일(non-Gaussian beam profile)을 가질 수도 있다. 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일; 삼각형 빔 프로파일; 원추형 빔 프로파일로 이루어진 그룹에서 선택될 수도 있다. 사다리꼴 빔 프로파일은 플래토 영역 및 적어도 하나의 에지 영역을 가질 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "빔 프로파일"이란 용어는 개략적으로 광 빔의 횡방향 강도 프로파일을 지칭한다. 빔 프로파일은 광 빔의 강도의, 특히 광 빔의 전파에 수직인 적어도 하나의 평면에서의 공간 분포일 수도 있다. 광 빔은 구체적으로 가우스 광 빔 또는 가우스 광 빔들의 선형 조합(linear combination)일 수도 있으며, 이는 아래에서 더 자세히 설명될 것이다. 그러나 다른 실시예도 실현 가능하다. 전환 장치는 빔 프로파일, 특히 빔 프로파일의 형상을 조정, 한정 및 결정하는 것 중 하나 이상을 위해 구성된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광(light)"이란 용어는 개략적으로 가시 스펙트럼 범위, 자외선 스펙트럼 범위 및 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상의 전자기 복사를 지칭한다. 여기에서, 가시 스펙트럼 범위란 용어는 개략적으로 380㎚ 내지 780㎚의 스펙트럼 범위를 지칭한다. 적외선 스펙트럼 범위란 용어는 개략적으로 780㎚ 내지 1㎜의 범위, 바람직하게는 780㎚ 내지 3.0㎛의 범위의 전자기 복사를 지칭한다. 자외선 스펙트럼 범위란 용어는 개략적으로 1㎚ 내지 380㎚의 범위, 바람직하게는 100㎚ 내지 380㎚의 범위의 전자기 복사를 지칭한다. 바람직하게는, 본 발명 내에서 사용되는 광은 가시광, 즉 가시 스펙트럼 범위의 광, 또는 적외선이다. "광 빔"이란 용어는 개략적으로 특정 방향으로 방사 및/또는 반사되는 광량을 지칭할 수도 있다. 따라서, 광 빔은 광 빔의 전파 방향에 수직인 방향으로 사전 결정된 범위를 갖는 광선속일 수도 있다. 바람직하게는, 광 빔은 가우스 광 빔들의 선형 조합과 같은 하나 이상의 가우스 광 빔이거나 이를 포함할 수 있으며, 가우스 광 빔은 빔 웨이스트(beam waist), 레일리 길이(Rayleigh-length), 또는 공간에서의 빔 직경의 전개 및/또는 빔 전파를 특징짓는 데 적합한 임의의 다른 빔 파라미터 또는 빔 파라미터들의 조합 중 하나 이상과 같은 하나 이상의 가우스 빔 파라미터에 의해 특징지어질 수도 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 광 빔은 적어도 2개, 3개 또는 그 이상의 파장과 같은 복수의 파장을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광학 센서"란 용어는 개략적으로 적어도 하나의 광 빔에 의해 생성된 조명 및/또는 광점을 검출하기 위한 것과 같이 광 빔을 검출하기 위한 감광성 장치를 지칭한다. "제 1" 및 "제 2" 광학 센서란 용어는 명칭으로 사용되며, 순서, 또는 검출기가 추가 광학 센서를 포함하는지 여부를 표시하지는 않는다. 제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서 각각은 감광 영역을 가질 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "감광 영역(light-sensitive area)"은 개략적으로 적어도 하나의 센서 신호가 생성되는 조명에 응답하여 적어도 하나의 광 빔에 의해 외부에서 조명될 수 있는 각각의 광학 센서의 영역을 지칭한다. 감광 영역은 구체적으로 각각의 광학 센서의 표면에 배치될 수도 있다. 그러나 다른 실시예도 실현 가능하다.
제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 픽셀 행렬을 갖는 센서 요소를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "센서 요소"란 용어는 개략적으로 적어도 하나의 파라미터를 감지하도록 구성된 장치 또는 복수의 장치의 조합을 지칭한다. 본 경우에, 파라미터는 구체적으로 광학 파라미터일 수 있으며, 센서 요소는 구체적으로 광학 센서 요소일 수도 있다. 센서 요소는 하나의 단일 장치로서 형성되거나, 여러 장치의 조합으로 형성될 수도 있다. 본 명세서에서 더 사용되는 바와 같이, "행렬(matrix)"이란 용어는 개략적으로 사전 결정된 기하학적 순서로의 복수의 요소의 배열을 지칭한다. 구체적으로, 행렬은 하나 이상의 행 및 하나 이상의 열을 갖는 직사각형 행렬이거나 이를 포함할 수도 있다. 행과 열은 특히 직사각형 방식으로 배열될 수도 있다. 그러나 비 직사각형 배열과 같은 다른 배열도 실현 가능하다는 점을 설명해야 한다. 예로서, 원형 배열도 실현 가능하며, 여기에서 요소들은 중심점 주위에 동심원 또는 타원으로 배열된다. 예컨대, 행렬은 픽셀의 단일 행일 수도 있다. 다른 배열도 실현 가능하다. 행렬의 픽셀들의 감광 영역은 특히 크기, 감도, 및 기타 광학적, 전기적 및 기계적 특성 중 하나 이상이 동일할 수도 있다. 행렬의 모든 픽셀의 감광 영역은 특히 공통 평면 내에 배치될 수 있으며, 공통 평면은 바람직하게는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔이 공통 평면에 광점을 생성할 수 있도록 물체를 향해 있다.
제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서 각각은 그의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 출력 신호와 같은 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 구성될 수도 있다. 예컨대, 제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 적어도 하나의 바이-셀 다이오드(bi-cell diode), 적어도 하나의 사분면 다이오드(quadrant diode), 적어도 하나의 CCD 칩, 적어도 하나의 CMOS 칩 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "센서 신호"는 개략적으로 광 빔에 의한 조명에 응답하여 광학 센서에 의해 생성된 신호를 지칭한다. 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 아날로그 전기 신호 및/또는 적어도 하나의 디지털 전기 신호와 같은 적어도 하나의 전기 신호이거나 이를 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 전압 신호 및/또는 적어도 하나의 전류 신호이거나 이를 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 광전류를 포함할 수도 있다. 또한, 원시 센서 신호(raw sensor signal)가 사용되거나, 또는 검출기, 광학 센서 또는 기타 요소가 센서 신호를 처리 또는 전처리하여 2차 센서 신호를 생성하도록 구성될 수도 있으며, 2차 센서 신호는 또한 필터링 등에 의한 전처리와 같이 센서 신호로서 사용될 수도 있다.
제 1 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 전파 방향으로 개구 요소 뒤에 위치된다. 따라서, 예컨대, 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔, 특히 광 빔의 중심 성분은 먼저 전환 장치에, 이어서 개구 요소에, 이어서 제 1 광학 센서에 충돌할 수도 있다.
제 1 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 중심 성분의 색상 정보를 결정하도록 구성된다. 검출기는 적어도 하나의 공초점 크로매틱 센서를 포함할 수도 있다. 구체적으로, 검출기는 공초점 크로매틱 센서를 포함하는 적어도 하나의 제 1 측정 채널을 포함한다. 공초점 크로매틱 센서는 제 1 광학 센서를 포함할 수도 있다. 제 1 광학 센서는 적어도 하나의 분광계 장치 및/또는 적어도 하나의 색상 분석기(color analyzer)이거나 이를 포함할 수도 있다. 예컨대, 제 1 광학 센서는 적어도 하나의 파장 의존성 프리즘 및/또는 적어도 하나의 스펙트럼 필터를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "색상 정보"란 용어는 적어도 하나의 강도 분포 및/또는 최대 강도를 갖는 파장에 대한 정보 및/또는 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표와 같은 파장 의존성 정보를 지칭한다. "파장 의존성 정보(wavelength dependent information)"란 용어는 파장, 특히 스펙트럼에 대한 함수로서의 강도 분포를 지칭한다. 제 1 광학 센서는 중심 성분의 색상 정보를 결정하기 위한 적어도 하나의 센서 요소를 포함할 수도 있다. 검출기는 색상 정보를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함할 수도 있다. 물체 거리는 종방향 좌표(z)와 파장 사이의 대응 관계에 의해 주어질 수도 있다. 강도 분포의 각 파장은 물체의 하나의 종방향 좌표(z)에 대응할 수도 있다. 파장과 종방향 좌표(z) 사이의 관계는 예컨대 교정 프로세스 동안에 사전 결정될 수도 있다. 강도 분포는 개구 요소의 위치에서 초점을 갖는 파장에 대응하는, 특히 반사된 집속 빔 성분의 파장에 대응하는 최대값을 포함할 수도 있다. 다른 파장들은 제 1 광학 센서에 감쇠된 신호를 생성할 수도 있다. 평가 장치는 강도 분포의 최대값을 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치는 강도 분포의 최대값에서의 파장을 결정하고 그로부터 물체의 종방향 좌표를 결정하도록 구성될 수도 있다.
공초점 크로매틱 센서는 적어도 하나의 제 1 광섬유를 포함하는 광섬유 공초점 크로매틱 센서일 수도 있다. 제 1 광섬유는 흡수 및/또는 반사되지 않은 입사 광 빔의 적어도 일부를 제 1 광섬유의 두 단부 사이에서 투과하도록 구성될 수도 있다. 제 1 광섬유는 길이를 가질 수 있으며, 소정 거리에 걸친 투과를 허용하도록 구성될 수도 있다. 제 1 광섬유는 실리카, 알루미노 규산염(aluminosilicate) 유리, 게르만 규산염(germane silicate) 유리, 불소지르콘산염(fluorozirconate), 희토류 도핑 유리, 불화물 유리, 칼코겐화물(chalcogenide) 유리, 사파이어, 특히 실리카 유리에 대해 도핑된 변이체, 인산염 유리, PMMA, 폴리스티렌, 폴리(퍼플루오로-부테닐비닐 에테르)와 같은 플루오로폴리머 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수도 있다. 제 1 광섬유는 단일 또는 다중 모드 섬유일 수도 있다. 제 1 광섬유는 스텝 인덱스 광섬유(step index fiber), 편광 광섬유(polarizing fiber), 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber), 플라스틱 광섬유, 유리 광섬유 등일 수도 있다. 제 1 광섬유는 섬유 코어로서 더 낮은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 섬유 클래딩(fiber cladding)에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 섬유 코어를 포함할 수도 있다. 섬유 클래딩은 또한 이중 또는 다중 클래딩일 수도 있다. 섬유 클래딩은 소위 외부 재킷(outer jacket)을 포함할 수도 있다. 섬유 클래딩은 손상 및 습기로부터 광섬유를 보호하도록 구성된 소위 완충제(buffer)에 의해 코팅될 수도 있다. 완충제는 적어도 하나의 UV-경화 우레탄 아크릴레이트 복합재 및/또는 적어도 하나의 폴리이미드 재료를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 섬유 코어의 굴절률은 섬유 클래딩 재료의 굴절률보다 높을 수 있고, 광섬유는 수용 각도 미만의 내부 전반사에 의해 유입 광 빔을 안내하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 제 1 광섬유는 광 밴드갭 섬유(photonic bandgap fiber)라고도 하는 적어도 하나의 중공 코어 섬유를 포함할 수도 있다. 중공 코어 섬유는 본질적으로 소위 중공 영역 내에서 유입 광 빔을 안내하도록 구성될 수 있으며, 광 빔 중 소량은 섬유 클래딩 재료 내로의 전파로 인해 손실된다.
제 1 광섬유는 적어도 하나의 제 1 광섬유 단부를 포함할 수도 있다. 제 1 광섬유 단부는 물체를 조명하기 위한 적어도 하나의 광 빔을 방출하도록 및/또는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 중심 성분을 적어도 부분적으로 수용하도록 구성될 수도 있다. 조명원은 적어도 하나의 광 빔을 제 1 광섬유 내에 결합시키도록 구성될 수도 있다. 이 실시예에서, 광섬유의 개구는 에지 성분, 특히 비집속 광을 차단하고 중심 성분을 통과시키도록 구성된 개구 요소로서 설계될 수도 있다. 따라서, 조명 광 빔과 물체에 의해 반사된 광 빔은 동일한 광섬유를 통해 결합 및 투과될 수도 있다. 제 1 광섬유는 적어도 하나의 제 2 광섬유 단부를 가질 수도 있다. 제 2 광섬유 단부는 제 1 광섬유를 통과한 광을 제 1 광학 센서에 제공하도록 구성될 수도 있다.
제 1 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하도록 구성된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "중심 성분의 제 1 강도 정보"란 용어는 중심 성분의 빔 프로파일에 대한 정보, 강도 값, 및 중심 성분의 강도 분포 중 하나 이상을 지칭한다. 위에서 설명한 바와 같이, 제 1 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 전파 방향으로 개구 요소 뒤에 위치된다. 따라서, 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 에지 성분은 개구 요소에 의해 차단될 수 있으며, 중심 성분만 개구 요소를 통과하여 제 1 광학 센서로 나아간다. 예컨대, 제 1 광학 센서는 개구 조리개 뒤에 위치될 수도 있다. 예컨대, 광섬유 공초점 크로매틱 센서의 경우, 제 1 광학 센서는 전술한 바와 같이 또는 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 제 1 광섬유의 제 2 단부에 위치될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 광학 센서는 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 적어도 하나의 감광 영역을 포함할 수도 있다. 센서 신호는 감광 영역에 충돌하는 광 빔에 의해 생성된 광점의 강도에 따라 달라질 수도 있다. 감광 영역에서 생성된 광점은 원형 또는 비원형일 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광점(light spot)"은 개략적으로 광 빔에 의한 물품, 영역 또는 물체의 가시적인 또는 검출 가능한 원형 또는 비원형 조명을 의미한다.
제 2 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하도록 구성된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "에지 성분의 제 2 강도 정보"란 용어는 에지 성분의 빔 프로파일에 대한 정보, 강도 값, 및 에지 성분의 강도 분포 중 하나 이상을 지칭한다. 제 2 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 전파 방향으로 개구 요소 앞에 위치될 수도 있다. 따라서, 제 2 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 에지 성분이 적어도 부분적으로 제 2 광학 센서에 도달할 수 있도록 위치될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "적어도 부분적으로 도달하는"이란 용어는 제 2 광학 센서에서 측정 가능한 강도 신호를 생성하기에 충분한 양의 에지 성분을 지칭한다. 예컨대, 제 2 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 전파 방향으로 개구 요소 앞 및/또는 개구 요소 상에 및/또는 개구 요소와 단일체로 위치될 수도 있다. 예컨대, 검출기는 적어도 하나의 제 2 광섬유를 포함할 수도 있다. 제 2 광섬유는 에지 성분을 적어도 부분적으로 수용하도록 배열될 수도 있다. 예컨대, 제 2 광섬유는 수용 단부를 포함할 수도 있다. 수용 단부는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 전파 방향으로 개구 요소 앞에 위치될 수도 있다. 제 2 광섬유는 제 2 광섬유를 통과한 광을 제 2 광학 센서에 제공하도록 구성될 수도 있다. 제 2 광학 센서는 제 2 광섬유의 다른 단부에 위치될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 제 2 광학 센서는 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 적어도 하나의 감광 영역을 포함할 수도 있다. 센서 신호는 감광 영역에 충돌하는 광 빔에 의해 생성된 광점의 강도에 따라 달라질 수도 있다.
제 1 광학 센서와 제 2 광학 센서는 동일한 크기의 감광 영역을 가질 수도 있고, 또는 상이한 크기의 감광 영역을 가질 수도 있다.
제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 자외선, 가시광 또는 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상에서 민감할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 400㎚ 내지 780㎚, 가장 바람직하게는 650㎚ 내지 750㎚의 가시 스펙트럼 범위에서 민감할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 근적외선 영역에서 민감할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 실리콘 포토다이오드(silicon photodiode)가 적용될 수 있는 근적외선 영역의 일부에서, 특히 700㎚ 내지 1000㎚ 범위에서 민감할 수도 있다. 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 특히 적외선 스펙트럼 범위, 특히 780㎚ 내지 3.0㎛ 범위에서 민감할 수도 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 독립적으로 포토다이오드, 포토셀(photocell), 포토컨덕터(photoconductor), 포토트랜지스터(phototransistor) 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소이거나 이를 포함할 수도 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 CCD 센서 소자, CMOS 센서 소자, 포토다이오드, 포토셀, 포토컨덕터, 포토트랜지스터 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소이거나 이를 포함할 수도 있다. 임의의 다른 유형의 감광성 요소가 사용될 수도 있다. 감광성 요소는 일반적으로 전체 또는 부분적으로 무기 재료로 제조되거나, 및/또는 전체 또는 부분적으로 유기 재료로 제조될 수도 있다. 가장 일반적으로, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 상업적으로 이용 가능한 포토다이오드, 예컨대 무기 반도체 포토다이오드와 같은 하나 이상의 포토다이오드가 사용될 수도 있다. 본 명세서에서 추가로 사용되는 바와 같이, "감광성 요소(photosensitive element)"란 용어는 개략적으로 자외선, 가시광 또는 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상에서의 조명에 대해 민감한 요소를 지칭한다. 구체적으로, 감광성 요소는 포토다이오드, 포토셀, 포토컨덕터, 포토트랜지스터 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소이거나 이를 포함할 수도 있다. 임의의 다른 유형의 감광성 요소가 사용될 수도 있다.
제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 구체적으로 반도체 센서, 바람직하게는 무기 반도체 센서, 보다 바람직하게는 포토다이오드, 및 가장 바람직하게는 실리콘 포토다이오드일 수도 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 적외선 스펙트럼 범위, 바람직하게는 780㎚ 내지 3.0㎛의 범위에서 민감하거나 및/또는 가시 스펙트럼 범위, 바람직하게는 380㎚ 내지 780㎚의 범위에서 민감한 무기 포토다이오드거나 이를 포함할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 실리콘 포토다이오드가 적용될 수 있는 근적외선 영역의 일부에서, 특히 700㎚ 내지 1000㎚의 범위에서 민감할 수도 있다. 광학 센서에 사용될 수 있는 적외선 광학 센서는 독일 D-67056 루드비히샤펜 암 라인 소재의 트리나미엑스 게엠베하(trinamiX GmbH)에서 상표명 Hertzstueck™으로 상업적으로 이용 가능한 적외선 광학 센서와 같은 상업적으로 이용 가능한 적외선 광학 센서일 수도 있다. 따라서, 예로서, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 적어도 하나의 진성 광기전(intrinsic photovoltaic) 유형의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge 포토다이오드, InGaAs 포토다이오드, 확장 InGaAs 포토다이오드, InAs 포토다이오드, InSb 포토다이오드, HgCdTe 포토다이오드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 반도체 포토다이오드를 포함할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 적어도 하나의 외인성 광기전(extrinsic photovoltaic) 유형의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge:Au 포토다이오드, Ge:Hg 포토다이오드, Ge:Cu 포토다이오드, Ge:Zn 포토다이오드, Si:Ga 포토다이오드, Si:As 포토다이오드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 반도체 포토다이오드를 포함할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 PbS 또는 PbSe 센서, 볼로미터(bolometer), 바람직하게는 VO 볼로미터 및 비정질 Si 볼로미터로 이루어진 그룹에서 선택된 볼로미터와 같은 적어도 하나의 광전도성 센서를 포함할 수도 있다. 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 불투명, 투명 또는 반투명일 수도 있다. 그러나, 단순함을 위해, 광 빔에 대해 투명하지 않은 불투명 센서는 일반적으로 널리 상업적으로 이용 가능하기 때문에 이들 불투명 센서가 사용될 수도 있다.
검출기는 중심 성분의 제 1 강도 정보 및 에지 성분의 제 2 강도 정보로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "평가 장치(evaluation device)"란 용어는 개략적으로 바람직하게는 적어도 하나의 데이터 처리 장치를 사용함으로써, 보다 바람직하게는 적어도 하나의 프로세서 및/또는 적어도 하나의 주문형 집적회로를 사용함으로써, 지정된 작업을 수행하도록 구성된 임의의 장치를 지칭한다. 따라서, 예로서, 적어도 하나의 평가 장치는 다수의 컴퓨터 명령을 포함하는 소프트웨어 코드가 저장된 적어도 하나의 데이터 처리 장치를 포함할 수도 있다. 평가 장치는 지정된 작업 중 하나 이상을 수행하기 위한 하나 이상의 하드웨어 요소를 제공할 수 있거나, 및/또는 지정된 작업 중 하나 이상을 수행하기 위해 거기에서 실행되는 소프트웨어와 함께 하나 이상의 프로세서를 제공할 수도 있다.
평가 장치는 예컨대 WO 2018/091649 A1, WO 2018/091638 A1 및 WO 2018/091640에서 설명된 광자비에 의한 거리(DPR) 기술에 기초하여 출력을 생성하도록 구성될 수도 있으며, 이들 공보의 내용은 인용에 의해 포함된다. DPR 기술은 물체의 종방향 좌표를 결정하는 것과 같은 거리 측정을 허용한다. 또한, DPR 기술에 의하면, 광 빔의 부분적인 커버리지와 같은 탐지 영역을 가로지를 때의 광 빔의 기하학적 변화를 인식할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "결합 신호(Q)"란 용어는, 중심 성분의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 지수(quotient)를 형성하는 것; 중심 성분의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 배수들의 지수를 형성하는 것; 중심 성분의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합들의 지수를 형성하는 것; 중심 성분의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합의 지수를 형성하는 것 중 하나 이상에 의해 유도되는 신호를 지칭한다. 결합 신호(Q)는 다양한 수단을 사용하여 결정될 수도 있다. 예로서, 결합 신호를 유도하기 위한 소프트웨어 수단, 결합 신호를 유도하기 위한 하드웨어 수단, 또는 둘 모두가 사용될 수 있으며, 이들은 평가 장치에서 구현될 수도 있다. 따라서, 평가 장치는 예로서 적어도 하나의 분할기(divider)를 포함할 수 있으며, 분할기는 지수 신호를 유도하도록 구성된다. 분할기는 전체 또는 부분적으로 소프트웨어 분할기 또는 하드웨어 분할기 중 하나 또는 둘 모두로서 구현될 수도 있다.
예컨대, 평가 장치는 하기의 식에 의해 결합 신호(Q)를 도출하도록 구성될 수도 있다.
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여기에서, x와 y는 횡방향 좌표이고, A1과 A2는 각각 제 1 광학 센서와 제 2 광학 센서의 위치에서의 광 빔의 빔 프로파일의 영역이며, E(x, y, zO)는 물체의 거리(zO)에 대한 빔 프로파일을 지칭한다. 영역 A1과 영역 A2는 다를 수도 있다. 특히, A1과 A2는 합동이 아니다. 따라서, A1과 A2는 형상 또는 치수 중 하나 이상이 다를 수도 있다. 빔 프로파일은 광 빔의 단면일 수도 있다. 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일; 삼각형 빔 프로파일; 원추형 빔 프로파일; 및 가우스 빔 프로파일들의 선형 조합으로 이루어진 그룹에서 선택될 수도 있다. 일반적으로, 빔 프로파일은 휘도 L(zO) 및 빔 형상 S(x, y; zO)에 따라 달라진다: E(x, y; zO) = L·S. 따라서, 결합 신호를 유도함으로써 휘도와는 독립적인 종방향 좌표를 결정할 수도 있다.
제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서의 센서 신호는 각각 광 빔의 빔 프로파일의 적어도 하나의 영역의 정보를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "빔 프로파일의 영역"이란 용어는 개략적으로 결합 신호(Q)를 결정하는 데 사용되는 각 센서 위치에서의 빔 프로파일의 임의의 영역을 지칭한다. 빔 프로파일의 제 1 영역과 빔 프로파일의 제 2 영역은 인접한 영역들 또는 겹치는 영역들 중 하나 또는 둘 모두일 수도 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역과 빔 프로파일의 제 2 영역은 면적이 일치하지 않을 수도 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 에지 정보를 포함할 수 있고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 중심 정보를 포함할 수도 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역은 영역 A2이고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 영역 A1일 수도 있다. 에지 정보는 빔 프로파일의 제 1 영역 내의 광자의 수에 관한 정보를 포함할 수 있고, 중심 정보는 빔 프로파일의 제 2 영역 내의 광자의 수에 관한 정보를 포함할 수도 있다. 예컨대, 평가 장치는 제 1 영역의 빔 프로파일의 영역 적분을 결정함으로써 에지 정보를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치는 제 1 영역의 적분 및/또는 합산에 의해 에지 정보를 결정함으로써 에지 정보를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치는 제 2 영역의 적분 및/또는 합산에 의해 중심 정보를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치는 에지 정보와 중심 정보를 나누는 것, 에지 정보와 중심 정보의 배수를 나누는 것, 에지 정보와 중심 정보의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호(Q)를 도출하도록 구성될 수도 있다. 따라서 본질적으로 광자비가 본 방법의 물리적 기반으로 사용될 수도 있다.
예로서, Q는 간단히 Q = s1/s2 또는 Q = s2/s1로 결정될 수도 있으며, 이때, s1은 제 1 광학 센서의 센서 신호를 나타내고 s2는 제 2 광학 센서의 센서 신호를 나타낸다. 추가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = a·s1/b·s2 또는 Q = b·s2/a·s1로 결정될 수 있으며, 이때, a 및 b는 예로서 사전 결정되거나 결정 가능할 수 있는 실수이다. 추가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = (a·s1＋b·s2)/(c·s1＋d·s2)로 결정될 수 있으며, 이때, a, b, c 및 d는 예로서 사전 결정되거나 결정 가능할 수 있는 실수이다. 후자에 대한 간단한 예로서, Q는 Q = s1/(s1＋s2)로 결정될 수도 있다. 다른 결합 신호도 실현 가능하다.
평가 장치는 종방향 좌표(zDPR)를 결정하기 위해 결합 신호(Q)와 종방향 좌표(zDPR) 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 이용하도록 구성될 수도 있다. 사전 결정된 관계는 경험적 관계, 반-경험적 관계 및 분석적으로 유도된 관계 중 하나 이상일 수도 있다. 평가 장치는 검색 목록(lookup list) 또는 검색표(lookup table)와 같은 사전 결정된 관계를 저장하기 위한 적어도 하나의 데이터 저장 장치를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)의 결정은 적어도 하나의 평가 장치에 의해 수행될 수도 있다. 따라서, 예로서, 관계는 예컨대 하나 이상의 검색표를 구현하는 것에 의해 소프트웨어 및/또는 하드웨어에서 구현될 수도 있다. 따라서, 예로서, 평가 장치는 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하기 위해 위에 언급된 평가를 수행하도록 구성된, 하나 이상의 컴퓨터, 주문형 집적 회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)와 같은 하나 이상의 프로그램 가능 장치를 포함할 수도 있다. 그러나 추가적으로 또는 대안적으로, 평가 장치는 또한 전체적으로 또는 부분적으로 하드웨어에 의해 구현될 수도 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 평가 장치는 중심 성분의 색상 정보를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성될 수도 있다. 또한, 평가 장치는 종방향 좌표(zDPR)를 결정하도록 구성될 수도 있다. 검출기는 예컨대 2개의 측정 채널에서 종방향 좌표(zDPR) 및 종방향 좌표(z)를 동시에 결정하도록 구성될 수도 있다.
제 1 광학 센서는 측정 범위를 가질 수도 있다. 측정 범위는 최소 측정 거리로부터 최대 측정 거리까지의 범위로 정의될 수도 있다. 검출기는 물체를 조명하기 위한 적어도 하나의 광 빔을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 조명원을 포함할 수도 있다. 전환 장치는 물체를 조명하기 위한 광 빔을 파장 의존적인 연속 초점들에 집속하도록 구성될 수도 있다. 최소 측정 거리는 검출기의 발광 영역으로부터 발광 영역에 가장 가까운 파장(λmin)의 초점까지의 거리일 수도 있다. 최대 측정 거리는 발광 영역으로부터 발광 영역에서 가장 먼 거리를 갖는 파장(λmax)의 초점까지의 거리일 수도 있다. 일반적으로, 공초점 크로매틱 센서는 물체가 측정 범위를 벗어나면 측정값을 제공할 수 없다. 종래의 공초점 크로매틱 센서에서는 특히 완전 자동화된 프로세스에서 센서의 측정 범위를 찾는 것이 어려울 수 있다. 본 발명에 따른 검출기는 물체가 측정 범위 내에 있는지 여부를 결정할 수도 있다. 평가 장치는 결정된 종방향 좌표(zDPR)를 고려함으로써 물체가 측정 범위 내에 위치하는지 아니면 밖에 위치하는지를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치는 결정된 종방향 좌표(zDPR)가 측정 범위 내에 있는지 여부를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치가 물체가 측정 범위 밖에 있다고 결정한 경우, 평가 장치는 물체가 측정 범위 밖에 있다는 적어도 하나의 표시 및/또는 물체에 대한 거리를 조정하기 위한 적어도 하나의 표시 및/또는 종방향 좌표(zDPR)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치가 물체가 측정 범위 내에 있다고 결정한 경우, 평가 장치는 종방향 좌표(z)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 검출기는 DPR 기술을 이용한 거리 측정과 공초점 크로매틱 감지를 결합할 수도 있다. 공초점 크로매틱 감지는 중심 성분을 사용할 수 있으며, 일반적으로 비집속된 부분을 폐기한다. DPR 기술은 예컨대 중심 성분, 특히 빔 프로파일의 중앙 영역 및 에지 성분, 특히 빔 프로파일의 외부 영역의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하기 위해 빔 프로파일의 2개 이상의 적분을 사용할 수도 있다. DPR 측정은, 공초점 크로매틱 센서의 측정 범위를 결정하기 위해, 공초점 크로매틱 측정에 비해 정밀도가 낮은 측정과 같이, 물체에 대한 거리의 표시를 결정하는 데 사용될 수 있다. 나아가, DPR 기술은 공초점 크로매틱 센서의 측정 범위를 벗어난 거리 결정도 허용할 수 있기 때문에 공초점 크로매틱 센서의 측정 범위를 확장할 수도 있다.
검출기는 적어도 하나의 측정 헤드를 포함할 수도 있다. 측정 헤드는 제 1 광섬유의 적어도 하나의 제 1 광섬유 단부 및/또는 제 2 광섬유의 수용 단부를 포함할 수도 있다. 제 1 및 제 2 광섬유는 신호만을 위한 전송 매체로서 작용할 수도 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 광섬유는 진공 피드스루(vacuum feedthrough)에 연결될 수 있거나 및/또는 고온 및/또는 거친 화학적 환경을 위해 설계될 수도 있다.
또한, 물체의 종방향 좌표의 결정에 대해, 하나 이상의 횡방향 좌표 및/또는 회전 좌표를 포함하는 물체의 다른 좌표들이 평가 장치에 의해 결정될 수도 있다. 따라서, 예로서, 적어도 하나의 횡방향 좌표를 결정하기 위해 하나 이상의 추가 횡방향 센서가 사용될 수도 있다. WO 2014/097181 A1에 개시된 횡방향 센서 및/또는 다른 포지션 감지 장치(PSD)(예컨대, 사분면 다이오드, CCD 또는 CMOS 칩 등)와 같은 다양한 횡방향 센서가 일반적으로 당업계에 알려져 있다. 이들 장치는 일반적으로 검출기 내에 구현될 수도 있다. 예로서, 광 빔의 일부는 적어도 하나의 빔 분할 요소에 의해 수신기 유닛 내에서 분할될 수도 있다. 분할 부분은, 예로서, CCD 또는 CMOS 칩 또는 카메라 센서와 같은 횡방향 센서 쪽으로 안내될 수 있으며, 횡방향 센서에서 분할 부분에 의해 생성된 광점의 횡방향 위치가 결정되고 그에 따라 적어도 하나의 횡방향 좌표를 결정할 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하는 방법을 개시한다. 본 방법에서, 위에 개시된 바와 같은 또는 아래에 더 상세히 개시된 바와 같은 본 발명에 따른 검출기가 사용된다. 본 방법은 하기의 방법 단계들을 포함하는데, 방법 단계들은 주어진 순서로 수행될 수 있으며, 또는 다른 순서로 수행될 수도 있다. 또한, 나열되지 않은 하나 이상의 추가 방법 단계가 존재할 수도 있다. 나아가, 방법 단계들 중 하나, 하나 이상, 또는 심지어 전부가 반복적으로 수행될 수도 있다.
본 방법은:
- 물체로부터 검출기로 전파되며 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치를 통과한 광 빔의 전파 방향으로 적어도 하나의 개구 요소 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서를 조명하는 단계― 개구 요소는 물체로부터 검출기로 전파되며 전환 장치를 통과한 광 빔의 에지 성분 차단하도록 구성되고, 개구 요소는 상기 광 빔의 중심 성분을 통과시키도록 구성됨 ―;
- 제 1 광학 센서를 사용하여 상기 광 빔의 중심 성분의 색상 정보를 결정하고, 제 1 광학 센서를 사용하여 상기 광 빔의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하는 단계;
- 적어도 하나의 제 2 광학 센서를 사용하여 상기 광 빔의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하는 단계를 포함한다.
세부 사항, 옵션 및 정의에 대해서는 위에서 논의한 바와 같이 검출기를 참조할 수도 있다.
본 방법은 적어도 하나의 평가 장치를 사용하여 중심 성분의 제 1 강도 정보 및 에지 성분의 제 2 강도 정보로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 본 방법은 평가 장치를 사용하여 중심 성분의 색상 정보를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 종방향 좌표(zDPR)와 종방향 좌표(z)의 결정은 동시에 수행될 수도 있다. 제 1 광학 센서는 측정 범위를 가질 수 있으며, 평가 장치는 결정된 종방향 좌표(zDPR)를 고려하여 물체가 측정 범위 내에 위치하는지 아니면 밖에 위치하는지를 결정하도록 구성된다. 물체가 측정 범위 밖에 있는 것으로 결정되면, 본 방법은 물체와 검출기 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 태양에서, 예컨대 위에 주어진 또는 아래에 더 상세하게 주어진 실시예들 중 하나 이상에 따른, 본 발명에 따른 검출기의 용도는 계측, 공장 자동화, 품질 검사, 공정 자동화, 두께 측정, 공초점 크로매틱 현미경 기술로 이루어진 그룹에서 선택된 사용 목적을 위해 제안된다.
본 발명에 따른 장치의 다른 용도와 관련하여, WO 2018/091649 A1, WO 2018/091638 A1 및 WO 2018/091640이 참조되며, 이들의 내용은 인용에 의해 포함된다.
전반적으로, 본 발명의 맥락에서, 하기의 실시예들이 바람직한 것으로 간주된다:
실시예 1: 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기로서,
- 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치;
- 적어도 하나의 개구 요소― 상기 개구 요소는 물체로부터 검출기로 전파되며 전환 장치를 통과한 광 빔의 에지 성분을 차단하도록 구성되고, 상기 개구 요소는 상기 광 빔의 중심 성분을 통과시키도록 구성됨 ―;
- 상기 광 빔의 전파 방향으로 상기 개구 요소 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서― 상기 제 1 광학 센서는 상기 광 빔의 중심 성분의 색상 정보를 결정하도록 구성되고, 상기 제 1 광학 센서는 상기 광 빔의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하도록 구성됨 ―;
- 적어도 하나의 제 2 광학 센서― 상기 제 2 광학 센서는 상기 광 빔의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하도록 구성됨 ―를 포함하는, 검출기.
실시예 2: 선행 실시예에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 상기 중심 성분의 제 1 강도 정보 및 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함하는, 검출기.
실시예 3: 선행 실시예들에 따른 검출기에 있어서, 상기 평가 장치는 종방향 좌표(zDPR)를 결정하기 위해 물체의 종방향 좌표(zDPR)와 결합 신호(Q) 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 이용하도록 구성되는, 검출기.
실시예 4: 2개의 선행 실시예 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 결합 신호(Q)는 상기 중심 성분의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 지수를 형성하는 것; 상기 중심 성분의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 배수들의 지수를 형성하는 것; 상기 중심 성분의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합들의 지수를 형성하는 것; 상기 중심 성분의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합의 지수를 형성하는 것 중 하나 이상에 의해 유도되는, 검출기.
실시예 5: 3개의 선행 실시예 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 평가 장치는 상기 중심 성분의 색상 정보를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성되는, 검출기.
실시예 6: 선행 실시예에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 종방향 좌표(zDPR) 및 종방향 좌표(z)를 동시에 결정하도록 구성되는, 검출기.
실시예 7: 5개의 선행 실시예 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 제 1 광학 센서는 측정 범위를 가지며, 상기 평가 장치는 결정된 종방향 좌표(zDPR)를 고려함으로써 물체가 측정 범위 내에 위치하는지 아니면 밖에 위치하는지를 결정하도록 구성되는, 검출기.
실시예 8: 선행 실시예에 따른 검출기에 있어서, 상기 평가 장치가 물체가 측정 범위 밖에 있다고 결정한 경우, 상기 평가 장치는 물체가 측정 범위 밖에 있다는 적어도 하나의 표시 및/또는 물체에 대한 거리를 조정하기 위한 적어도 하나의 표시 및/또는 종방향 좌표(zDPR)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성되고, 및/또는 상기 평가 장치가 물체가 측정 범위 내에 있다고 결정한 경우, 상기 평가 장치는 종방향 좌표(z)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성되는, 검출기.
실시예 9: 2개의 선행 실시예 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 측정 범위는 최소 측정 거리로부터 최대 측정 거리까지의 범위로 정의되고, 상기 검출기는 물체를 조명하기 위한 적어도 하나의 광 빔을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 조명원을 포함하고, 상기 전환 장치는 물체를 조명하기 위한 광 빔을 파장 의존적인 연속 초점들에 집속하도록 구성되고, 상기 최소 측정 거리는 검출기의 발광 영역으로부터 상기 발광 영역에 가장 가까운 파장(λmin)의 초점까지의 거리이고, 상기 최대 측정 거리는 상기 발광 영역으로부터 상기 발광 영역에서 가장 먼 거리를 갖는 파장(λmax)의 초점까지의 거리인, 검출기.
실시예 10: 선행 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 적어도 하나의 조명원을 포함하고, 상기 조명원은 적어도 하나의 조명 광 빔으로 물체를 조명하도록 구성되고, 상기 조명원은 적어도 하나의 다색성 백색 광원을 포함하는, 검출기.
실시예 11: 선행 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에서, 상기 제 2 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 전파 방향으로 상기 개구 요소의 앞에 위치되는, 검출기.
실시예 12: 선행 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 적어도 하나의 공초점 크로매틱 센서를 포함하고, 상기 공초점 크로매틱 센서는 상기 제 1 광학 센서를 포함하고, 상기 제 1 광학 센서는 상기 중심 성분의 색상 정보를 결정하기 위한 적어도 하나의 센서 요소를 포함하는, 검출기.
실시예 13: 선행 실시예에 따른 검출기에 있어서, 상기 공초점 크로매틱 센서는 적어도 하나의 제 1 광섬유를 포함하는 광섬유 공초점 크로매틱 센서이고, 상기 제 1 광섬유는 적어도 하나의 제 1 광섬유 단부를 포함하고, 상기 제 1 광섬유 단부는 물체를 조명하기 위한 적어도 하나의 광 빔을 방출하도록, 및/또는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 중심 성분을 적어도 부분적으로 수용하도록 구성되는, 검출기.
실시예 14: 선행 실시예에 따른 검출기에 있어서, 상기 제 1 광섬유는 적어도 하나의 제 2 광섬유 단부를 갖고, 상기 제 2 광섬유 단부는 상기 제 1 광섬유를 통과한 광을 상기 제 1 광학 센서에 제공하도록 구성되는, 검출기.
실시예 15: 2개의 선행 실시예 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 상기 검출기는 적어도 하나의 제 2 광섬유를 포함하고, 상기 제 2 광섬유는 상기 에지 성분을 적어도 부분적으로 수용하도록 배열되고, 상기 제 2 광섬유는 상기 제 2 광섬유를 통과한 광을 상기 제 2 광학 센서에 제공하도록 구성되는, 검출기.
실시예 16: 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 방법으로서, 선행 실시예들 중 어느 하나에 따른 검출기가 사용되며, 상기 방법은:
- 물체로부터 검출기로 전파되며 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치를 통과한 광 빔의 전파 방향으로 적어도 하나의 개구 요소 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서를 조명하는 단계― 상기 개구 요소는 물체로부터 검출기로 전파되며 상기 전환 장치를 통과한 광 빔의 에지 성분 차단하도록 구성되고, 상기 개구 요소는 상기 광 빔의 중심 성분을 통과시키도록 구성됨 ―;
- 상기 제 1 광학 센서를 사용하여 상기 광 빔의 중심 성분의 색상 정보를 결정하고, 상기 제 1 광학 센서를 사용하여 상기 광 빔의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하는 단계;
- 적어도 하나의 제 2 광학 센서를 사용하여 상기 광 빔의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 17: 선행 실시예에 따른 방법에 있어서, 상기 방법은 적어도 하나의 평가 장치를 사용하여 상기 중심 성분의 제 1 강도 정보 및 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 18: 선행 실시예에 따른 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 평가 장치를 사용하여 상기 중심 성분의 색상 정보를 평가함으로써 물체의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 19: 선행 실시예에 따른 방법에 있어서, 상기 종방향 좌표(zDPR) 및 상기 종방향 좌표(z)의 결정이 동시에 수행되는, 방법.
실시예 20: 3개의 선행 실시예 중 어느 하나에 따른 방법에 있어서, 상기 제 1 광학 센서는 측정 범위를 가지며, 상기 평가 장치는 결정된 종방향 좌표(zDPR)를 고려함으로써 물체가 측정 범위 내에 위치하는지 아니면 밖에 위치하는지를 결정하도록 구성되는, 방법.
실시예 21: 선행 실시예에 따른 방법에서, 상기 물체가 측정 범위 밖에 있는 것으로 결정되는 경우, 본 방법은 물체와 검출기 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 22: 계측, 공장 자동화, 품질 검사, 공정 자동화, 안전 응용예, 제조 응용예, 두께 측정, 공초점 크로매틱 현미경 기술로 이루어진 그룹에서 선택된 사용 목적을 위해, 검출기를 언급하는 선행 실시예 중 어느 하나에 따른 검출기의 용도.
본 발명의 다른 임의 선택적인 세부 사항 및 특징은 종속항과 함께 뒤따르는 바람직한 예시적인 실시예의 설명으로부터 명백하다. 이러한 맥락에서, 구체적인 특징들은 격리된 방식으로 또는 다른 특징과 결합하여 구현될 수도 있다. 본 발명은 예시적인 실시예에 제한되지 않는다. 예시적인 실시예는 도면에 개략적으로 도시되어 있다. 개별 도면에서 동일한 도면부호는 동일한 요소들 또는 동일한 기능을 갖는 요소들 또는 그들의 기능과 관련하여 서로 대응하는 요소들을 지칭한다.
특히, 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 적어도 하나의 물체의 포지션을 결정하기 위한 검출기의 제 1 예시적인 실시예를 도시하고;
도 2는 검출기의 제 2 예시적인 실시예를 도시한다.
도 1에는, 적어도 하나의 물체(112)의 포지션을 결정하기 위한 검출기(110)의 제 1 실시예의 개략도가 도시된다. 물체(112)는 물체와 같은 지점, 또는 확장된 물체 또는 영역일 수도 있다. 검출기(110)는 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치(114)를 포함한다. 전환 장치(114)는 색수차를 갖는 적어도 하나의 렌즈 또는 렌즈 시스템을 포함할 수도 있다. 전환 장치(114)는 상이한 파장의 광에 대해 상이한 굴절률을 가질 수도 있다. 구체적으로, 전환 장치(114)는 전환 장치에 충돌하는 광을 상이한 파장 의존성 초점들에 집속하도록 구성될 수도 있다. 전환 장치(114)는 상이한 파장에 대해 상이한 초점 거리를 가질 수도 있다. 색수차를 갖는 전환 장치의 경우, 초점 거리는 파장 의존적인 굴절률에 따라 달라질 수 있으므로, 상이한 파장들을 가진 광은 상이한 파장 의존성 위치들에 집속될 것이다. 파장에 대한 초점 거리는 렌즈 또는 렌즈 시스템의 중심으로부터 이 파장에 대한 주 초점까지의 거리로 정의될 수도 있다.
전환 장치(114)는 광축(116)을 가질 수도 있다. 특히, 검출기(110)와 전환 장치(114)는 공통 광축을 가질 수도 있다.
검출기(110)의 광축(116)은 검출기의 광학적 배치의 대칭선일 수도 있다. 전환 장치(114)는 적어도 하나의 빔 경로를 포함할 수 있으며, 빔 경로에 있는 전환 장치(114)의 요소들은 광축(116)에 대해 회전 대칭 방식으로 배치된다. 여전히, 빔 경로 내에 배치된 하나 이상의 광학 요소가 또한 광축에 대해 중심을 벗어나거나 기울어질 수도 있다. 전환 장치(114)는 좌표계를 구성할 수 있으며, 여기에서 종방향 좌표 I는 광축(116)을 따른 좌표이고, d는 광축(116)으로부터의 공간 오프셋이다. 좌표계는 전환 장치의 광축이 z축을 형성하고 z축으로부터의 거리 및 극각이 추가 좌표로 사용될 수 있는 극좌표계일 수도 있다. z축에 평행 또는 역평행한 방향이 종방향으로 간주될 수 있으며, z축을 따른 좌표가 종방향 좌표 I로 간주될 수도 있다. z축에 수직인 임의의 방향은 횡방향으로 간주될 수 있으며, 극좌표 및/또는 극각은 횡방향 좌표로 간주될 수도 있다.
검출기(110)는 적어도 하나의 렌즈, 예컨대 적어도 하나의 굴절 렌즈, 적어도 하나의 초점 조정 가능 렌즈, 적어도 하나의 비구면 렌즈, 적어도 하나의 구면 렌즈, 적어도 하나의 프레넬 렌즈, 적어도 하나의 비구면 렌즈로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 렌즈; 적어도 하나의 회절 광학 요소; 적어도 하나의 오목 거울; 적어도 하나의 빔 편향 요소, 바람직하게는 적어도 하나의 거울; 적어도 하나의 반투과성 거울; 적어도 하나의 빔 분할 요소, 바람직하게는 빔 분할 큐브 또는 빔 분할 거울 중 적어도 하나; 적어도 하나의 다중 렌즈 시스템 중 하나 이상을 추가로 포함할 수도 있다. 또한, 검출기(110)는 적어도 하나의 파장 선택 요소, 예컨대 적어도 하나의 광학 필터를 포함할 수도 있다. 추가로, 검출기(110)는 예컨대 광학 센서의 센서 영역의 위치에서 전자기 복사에 사전 정의된 빔 프로파일을 인가하도록 설계된 적어도 하나의 요소를 포함할 수도 있다. 이러한 임의 선택적 실시예는 원칙적으로 개별적으로 또는 임의의 희망 조합으로 실현될 수 있다.
검출기(110)는 적어도 하나의 개구 요소(118)를 포함한다. 개구 요소(118)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되며 전환 장치(114)를 통과한 광 빔(120)의 에지 성분을 차단하도록 구성된다. 개구 요소(118)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분(119)를 통과시키도록 구성된다.
검출기(110)는 적어도 하나의 조명원(122)을 포함할 수도 있다. 조명원(122)은 적어도 하나의 광 빔(124)을 생성하도록 구성될 수도 있다. 조명원(122)은 적어도 하나의 광원이거나 이를 포함할 수도 있다. 광원은 적어도 하나의 다중 빔 광원이거나 이를 포함할 수도 있다. 조명원(122)은 적어도 하나의 조명 광 빔으로 물체(112)를 조명하도록 구성될 수도 있다. 조명원(122)은 다색성 광 빔으로 물체(112)를 조명하도록 구성될 수도 있다. 조명원(122)은 적어도 하나의 다색성 백색 광원을 포함할 수도 있다. 예컨대, 광원은 적어도 하나의 레이저 소스, 특히 적어도 하나의 광대역 레이저 소스를 포함할 수도 있다. 광 빔(124)은 적어도 2개, 3개 또는 그 이상의 파장과 같은 복수의 파장을 포함할 수도 있다.
백색 광 빔과 같은 다색성 조명 광 빔(124)이 전환 장치(114)에 의해 물체(112)에 집속될 때, 상이한 파장들이 전환 장치(114)로부터의 상이한 거리에 집속될 수도 있다. 물체(112)는 물체 거리에 대응하는 파장의 집속 빔 성분과 나머지 파장의 비집속 빔 성분을 반사시킬 수도 있다. 반사된 광은 전환 장치(114)에 충돌할 수 있고 이어서 개구 요소(118)에 충돌할 수도 있다. 개구 요소(118)는 반사된 비집속 빔 성분이 개구 요소(118)에 비집속된 상태로 충돌할 수 있도록 배열될 수도 있다. 개구 요소(118)는 반사된 비집속 빔 성분을 차단하도록 구성될 수도 있다. 개구 요소(118)는 반사된 집속 빔 성분이 본질적으로 개구 요소에 집속된 상태로 충돌할 수 있도록 배열될 수도 있다. 개구 요소(118)는 반사된 집속 빔 성분을 통과시키도록 구성될 수도 있다. 광 빔(120)의 중심 성분(119)은 반사된 집속 빔 성분과 같이 개구 요소(118)의 개구부에서 개구 요소(118)에 충돌할 수도 있다. 광 빔(120)의 에지 성분은 반사된 비집속 빔 성분과 같이 개구 요소(118)의 개구부 외측에서 개구 요소(118)에 충돌할 수도 있다. 구체적으로, 개구 요소(118)는 특정 시준 정도를 갖는 광을 통과시키고 상기 시준 정도 미만의 광을 차단하도록 구성될 수도 있다. 예컨대, 개구 요소(118)는 본질적으로 집속된 광만 통과시키고 비집속 성분을 차단하도록 구성될 수도 있다. 전환 장치(114)는 파장 의존성 초점 거리를 가질 수도 있다. 착란원은 전환 장치(114)의 초점 거리, 그리고 파장에 따라 달라질 수도 있다. 나아가, 착란원은 물체(112)로부터 전환 장치(114)까지의 종방향 거리, 전환 장치(114)의 사출동의 직경, 및 전환 장치(114)로부터의 종방향 거리에 따라 달라질 수도 있다.
검출기(110)는 광 빔(120)의 전파 방향으로 개구 요소(118) 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서(126)를 포함한다. 제 1 광학 센서(126)는 광 빔(120)의 중심 성분(119)의 색상 정보를 결정하도록 구성된다. 제 1 광학 센서(126)는 광 빔(120)의 중심 성분(119)의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하도록 구성된다. 검출기(110)는 적어도 하나의 제 2 광학 센서(128)를 포함한다. 제 2 광학 센서(128)는 광 빔(120)의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하도록 구성된다.
제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 각각은 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 구성된 감광 영역을 가질 수도 있다. 감광 영역은 구체적으로 각각의 광학 센서의 표면에 배치될 수도 있다. 그러나 다른 실시예도 실현 가능하다.
제 1 광학 센서는 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 전파 방향으로 개구 요소 뒤에 위치된다. 따라서, 예컨대, 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔, 특히 광 빔의 중심 성분(119)은 먼저 전환 장치(114)에, 이어서 개구 요소(118)에, 이어서 제 1 광학 센서(126)에 충돌할 수도 있다.
제 1 광학 센서(126)는 광 빔(120)의 중심 성분(119)의 색상 정보를 결정하도록 구성된다. 검출기(110)는 적어도 하나의 공초점 크로매틱 센서를 포함할 수도 있다. 구체적으로, 검출기(110)는 공초점 크로매틱 센서를 포함하는 적어도 하나의 제 1 측정 채널을 포함한다. 공초점 크로매틱 센서는 제 1 광학 센서(126)를 포함할 수도 있다. 제 1 광학 센서(126)는 적어도 하나의 분광계 장치 및/또는 적어도 하나의 색상 분석기이거나 이를 포함할 수도 있다. 예컨대, 제 1 광학 센서(126)는 적어도 하나의 파장 의존성 프리즘 및/또는 적어도 하나의 스펙트럼 필터를 포함할 수도 있다. 제 1 광학 센서(126)는 중심 성분의 색상 정보를 결정하기 위한 적어도 하나의 센서 요소를 포함할 수도 있다. 검출기(110)는 색상 정보를 평가함으로써 물체(112)의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(130)를 포함할 수도 있다. 물체 거리는 종방향 좌표(z)와 파장 사이의 대응 관계에 의해 주어질 수도 있다. 강도 분포의 각 파장은 물체(112)의 하나의 종방향 좌표(z)에 대응할 수도 있다. 파장과 종방향 좌표(z) 사이의 관계는 예컨대 교정 프로세스 동안에 사전 결정될 수도 있다. 강도 분포는 개구 요소의 위치에 초점을 갖는 파장에 대응하는, 특히 반사된 집속 빔 성분의 파장에 대응하는 최대값을 포함할 수도 있다. 다른 파장들은 제 1 광학 센서(126)에 감쇠된 신호를 생성할 수도 있다. 평가 장치(130)는 강도 분포의 최대값을 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치(130)는 강도 분포의 최대값에서의 파장을 결정하고 그로부터 물체(112)의 종방향 좌표를 결정하도록 구성될 수도 있다.
도 1의 실시예에서, 공초점 크로매틱 센서는 적어도 하나의 제 1 광섬유(132)를 포함하는 광섬유 공초점 크로매틱 센서일 수도 있다. 제 1 광섬유(132)는 흡수 및/또는 반사되지 않은 입사 광 빔의 적어도 일부를 제 1 광섬유(132)의 두 단부 사이에서 투과하도록 구성될 수도 있다. 제 1 광섬유(132)는 길이를 가질 수 있으며, 소정 거리에 걸친 투과를 허용하도록 구성될 수도 있다. 제 1 광섬유(132)는 실리카, 알루미노 규산염 유리, 게르만 규산염 유리, 불소지르콘산염, 희토류 도핑 유리, 불화물 유리, 칼코겐화물 유리, 사파이어, 특히 실리카 유리에 대해 도핑된 변이체, 인산염 유리, PMMA, 폴리스티렌, 폴리(퍼플루오로-부테닐비닐 에테르)와 같은 플루오로폴리머 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수도 있다. 제 1 광섬유(132)는 단일 또는 다중 모드 섬유일 수도 있다. 제 1 광섬유(132)는 스텝 인덱스 광섬유, 편광 광섬유, 편광 유지 광섬유, 플라스틱 광섬유, 유리 광섬유 등일 수도 있다. 제 1 광섬유(132)는 섬유 코어로서 더 낮은 굴절률을 갖는 적어도 하나의 섬유 클래딩에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 섬유 코어를 포함할 수도 있다. 섬유 클래딩은 또한 이중 또는 다중 클래딩일 수도 있다. 섬유 클래딩은 소위 외부 재킷을 포함할 수도 있다. 섬유 클래딩은 손상 및 습기로부터 광섬유를 보호하도록 구성된 소위 완충제에 의해 코팅될 수도 있다. 완충제는 적어도 하나의 UV-경화 우레탄 아크릴레이트 복합재 및/또는 적어도 하나의 폴리이미드 재료를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 섬유 코어의 굴절률은 섬유 클래딩 재료의 굴절률보다 높을 수 있고, 광섬유는 수용 각도 미만의 내부 전반사에 의해 유입 광 빔을 안내하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 제 1 광섬유(132)는 광 밴드갭 섬유라고도 하는 적어도 하나의 중공 코어 섬유를 포함할 수도 있다. 중공 코어 섬유는 본질적으로 소위 중공 영역 내에서 유입 광 빔을 안내하도록 구성될 수 있으며, 광 빔 중 소량은 섬유 클래딩 재료 내로의 전파로 인해 손실된다.
제 1 광섬유(132)는 적어도 하나의 제 1 광섬유 단부(134)를 포함할 수도 있다. 제 1 광섬유 단부(134)는 물체(112)를 조명하기 위한 적어도 하나의 광 빔(124)을 방출하도록, 및/또는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 중심 성분(119)을 적어도 부분적으로 수용하도록 구성될 수도 있다. 조명원(122)은 광 빔(124)을 제 1 광섬유(132) 내에 결합시키도록 구성될 수도 있다. 이 실시예에서, 제 1 광섬유(132)의 개구는 에지 성분, 특히 비집속 광을 차단하고 중심 성분(119)을 통과시키도록 구성된 개구 요소(118)로서 설계될 수도 있다. 따라서, 조명 광 빔(124)과 물체(120)에 의해 반사된 광 빔(120)은 동일한 광섬유를 통해 결합되어 투과될 수도 있다. 제 1 광섬유(132)는 적어도 하나의 제 2 광섬유 단부(136)를 가질 수도 있다. 제 2 광섬유 단부(136)는 제 1 광섬유(132)를 통과한 광을 제 1 광학 센서(126)에 제공하도록 구성될 수도 있다.
제 1 광학 센서(126)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하도록 구성된다. 제 1 광학 센서(126)는 물체(120)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 전파 방향으로 개구 요소(118) 뒤에 위치된다. 따라서, 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 에지 성분은 개구 요소(118)에 의해 차단될 수 있으며, 중심 성분(119)만 개구 요소(118)를 통과하여 제 1 광학 센서(126)로 나아간다. 예컨대, 도 1의 실시예에서, 제 1 광학 센서(126)는 제 1 광섬유(132)의 제 2 단부(136)에 위치될 수도 있다. 제 1 광학 센서(126)는 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 적어도 하나의 감광 영역을 포함할 수도 있다. 센서 신호는 감광 영역에 충돌하는 광 빔에 의해 생성된 광점의 강도에 따라 달라질 수도 있다. 감광 영역에서 생성된 광점은 원형 또는 비원형일 수도 있다.
제 2 광학 센서(128)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하도록 구성된다. 제 2 광학 센서(128)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 전파 방향으로 개구 요소(118) 앞에 위치될 수도 있다. 따라서, 제 2 광학 센서(128)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 에지 성분이 적어도 부분적으로 제 2 광학 센서(128)에 도달할 수 있도록 위치될 수도 있다. 예컨대, 도 1의 실시예에서, 검출기(110)는 적어도 하나의 제 2 광섬유(138)를 포함할 수도 있다. 제 2 광섬유(138)는 에지 성분을 적어도 부분적으로 수용하도록 배열될 수도 있다. 예컨대, 제 2 광섬유(138)는 수용 단부(140)를 포함할 수도 있다. 수용 단부(140)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 전파 방향으로 개구 요소(118) 앞에 위치될 수도 있다. 제 2 광섬유(138)는 제 2 광섬유(138)를 통과한 광을 제 2 광학 센서(128)에 제공하도록 구성될 수도 있다. 제 2 광학 센서(128)는 제 2 광섬유(138)의 다른 단부에 위치될 수도 있다. 제 2 광학 센서(128)는 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 적어도 하나의 감광 영역을 포함할 수도 있다. 센서 신호는 감광 영역에 충돌하는 광 빔에 의해 생성된 광점의 강도에 따라 달라질 수도 있다.
제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 픽셀 행렬을 갖는 센서 요소를 포함할 수도 있다. 센서 요소는 하나의 단일 장치로서 형성되거나, 여러 장치의 조합으로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 행렬은 하나 이상의 행 및 하나 이상의 열을 갖는 직사각형 행렬이거나 이를 포함할 수도 있다. 행과 열은 특히 직사각형 방식으로 배열될 수도 있다. 그러나 비 직사각형 배열과 같은 다른 배열도 실현 가능하다는 점을 설명해야 한다. 예로서, 원형 배열도 실현 가능하며, 여기에서 요소들은 중심점 주위에 동심원 또는 타원으로 배열된다. 예컨대, 행렬은 픽셀의 단일 행일 수도 있다. 다른 배열도 실현 가능하다. 행렬의 픽셀들의 감광 영역은 특히 크기, 감도, 및 기타 광학적, 전기적 및 기계적 특성 중 하나 이상이 동일할 수도 있다. 행렬의 모든 픽셀의 감광 영역은 특히 공통 평면 내에 배치될 수 있으며, 공통 평면은 바람직하게는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)이 공통 평면에 광점을 생성할 수 있도록 물체를 향해 있다. 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128)는 동일한 크기의 감광 영역을 가질 수 있고, 또는 상이한 크기를 갖는 감광 영역을 가질 수도 있다.
제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 각각은 그의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 출력 신호와 같은 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 구성될 수도 있다. 예컨대, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 적어도 하나의 바이-셀 다이오드, 적어도 하나의 사분면 다이오드, 적어도 하나의 CCD 칩, 적어도 하나의 CMOS 칩 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 아날로그 전기 신호 및/또는 적어도 하나의 디지털 전기 신호와 같은 적어도 하나의 전기 신호이거나 이를 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 전압 신호 및/또는 적어도 하나의 전류 신호이거나 이를 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 광전류를 포함할 수도 있다. 또한, 원시 센서 신호가 사용되거나, 또는 검출기, 광학 센서 또는 기타 요소가 센서 신호를 처리 또는 전처리하여 2차 센서 신호를 생성하도록 구성될 수도 있으며, 2차 센서 신호는 또한 필터링 등에 의한 전처리와 같이 센서 신호로서 사용될 수도 있다.
제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 자외선, 가시광 또는 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상에서 민감할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 400㎚ 내지 780㎚, 가장 바람직하게는 650㎚ 내지 750㎚의 가시 스펙트럼 범위에서 민감할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 근적외선 영역에서 민감할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 실리콘 포토다이오드가 적용될 수 있는 근적외선 영역의 일부에서, 특히 700㎚ 내지 1000㎚ 범위에서 민감할 수도 있다. 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 특히 적외선 스펙트럼 범위, 특히 780㎚ 내지 3.0㎛ 범위에서 민감할 수도 있다. 예컨대, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 독립적으로 포토다이오드, 포토셀, 포토컨덕터, 포토트랜지스터 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소이거나 이를 포함할 수도 있다. 예컨대, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 CCD 센서 소자, CMOS 센서 소자, 포토다이오드, 포토셀, 포토컨덕터, 포토트랜지스터 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소이거나 이를 포함할 수도 있다. 임의의 다른 유형의 감광성 요소가 사용될 수도 있다. 감광성 요소는 일반적으로 전체 또는 부분적으로 무기 재료로 제조되거나, 및/또는 전체 또는 부분적으로 유기 재료로 제조될 수도 있다. 가장 일반적으로, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 상업적으로 이용 가능한 포토다이오드, 예컨대 무기 반도체 포토다이오드와 같은 하나 이상의 포토다이오드가 사용될 수도 있다. 구체적으로, 감광성 요소는 포토다이오드, 포토셀, 포토컨덕터, 포토트랜지스터 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소이거나 이를 포함할 수도 있다. 임의의 다른 유형의 감광성 요소가 사용될 수도 있다.
제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 특히 반도체 센서, 바람직하게는 무기 반도체 센서, 보다 바람직하게는 포토다이오드, 및 가장 바람직하게는 실리콘 포토다이오드일 수도 있다. 구체적으로, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 적외선 스펙트럼 범위, 바람직하게는 780㎚ 내지 3.0㎛의 범위에서 민감하거나 및/또는 가시 스펙트럼 범위, 바람직하게는 380㎚ 내지 780㎚의 범위에서 민감한 무기 포토다이오드거나 이를 포함할 수도 있다. 구체적으로, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 실리콘 포토다이오드가 적용될 수 있는 근적외선 영역의 일부에서, 특히 700㎚ 내지 1000㎚의 범위에서 민감할 수도 있다. 광학 센서에 사용될 수 있는 적외선 광학 센서는 독일 D-67056 루드비히샤펜 암 라인 소재의 트리나미엑스 게엠베하(trinamiX GmbH)에서 상표명 Hertzstueck™으로 상업적으로 이용 가능한 적외선 광학 센서와 같은 상업적으로 이용 가능한 적외선 광학 센서일 수도 있다. 따라서, 예로서, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 적어도 하나의 진성 광기전 유형의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge 포토다이오드, InGaAs 포토다이오드, 확장 InGaAs 포토다이오드, InAs 포토다이오드, InSb 포토다이오드, HgCdTe 포토다이오드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 반도체 포토다이오드를 포함할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 적어도 하나의 외인성 광기전 유형의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge:Au 포토다이오드, Ge:Hg 포토다이오드, Ge:Cu 포토다이오드, Ge:Zn 포토다이오드, Si:Ga 포토다이오드, Si:As 포토다이오드로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 반도체 포토다이오드를 포함할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128) 중 하나 또는 둘 모두는 PbS 또는 PbSe 센서, 볼로미터, 바람직하게는 VO 볼로미터 및 비정질 Si 볼로미터로 이루어진 그룹에서 선택된 볼로미터와 같은 적어도 하나의 광전도성 센서를 포함할 수도 있다. 광학 센서 중 하나 또는 둘 모두는 불투명, 투명 또는 반투명일 수도 있다. 그러나, 단순함을 위해, 광 빔에 대해 투명하지 않은 불투명 센서는 일반적으로 널리 상업적으로 이용 가능하기 때문에 이들 불투명 센서가 사용될 수도 있다.
검출기(110)는 중심 성분의 제 1 강도 정보 및 에지 성분의 제 2 강도 정보로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체(112)의 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(130)를 포함할 수도 있다. 평가 장치(130)는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 적어도 하나의 프로세서 및 적어도 하나의 주문형 집적회로 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 따라서, 예로서, 적어도 하나의 평가 장치(130)는 다수의 컴퓨터 명령을 포함하는 소프트웨어 코드가 저장된 적어도 하나의 데이터 처리 장치를 포함할 수도 있다. 평가 장치(130)는 지정된 작업 중 하나 이상을 수행하기 위한 하나 이상의 하드웨어 요소를 제공할 수 있거나, 및/또는 지정된 작업 중 하나 이상을 수행하기 위해 거기에서 실행되는 소프트웨어와 함께 하나 이상의 프로세서를 제공할 수도 있다.
평가 장치(130)는 예컨대 WO 2018/091649 A1, WO 2018/091638 A1 및 WO 2018/091640에서 설명된 광자비에 의한 거리(DPR) 기술에 기초하여 출력을 생성하도록 구성될 수도 있으며, 이들 공보의 내용은 인용에 의해 포함된다. DPR 기술은 물체의 종방향 좌표를 결정하는 것과 같은 거리 측정을 허용한다. 또한, DPR 기술에 의하면, 광 빔의 부분적인 커버리지와 같은 탐지 영역을 가로지를 때의 광 빔의 기하학적 변화를 인식할 수 있다. 결합 신호(Q)는, 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 지수를 형성하는 것; 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 배수들의 지수를 형성하는 것; 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합들의 지수를 형성하는 것; 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합의 지수를 형성하는 것 중 하나 이상에 의해 유도될 수도 있다. 결합 신호(Q)는 다양한 수단을 사용하여 결정될 수도 있다. 예로서, 결합 신호를 유도하기 위한 소프트웨어 수단, 결합 신호를 유도하기 위한 하드웨어 수단, 또는 둘 모두가 사용될 수 있으며, 이들은 평가 장치에서 구현될 수도 있다. 따라서, 평가 장치(130)는 예로서 적어도 하나의 분할기(142)를 포함할 수 있으며, 분할기는 지수 신호를 유도하도록 구성된다. 분할기(142)는 전체 또는 부분적으로 소프트웨어 분할기 또는 하드웨어 분할기 중 하나 또는 둘 모두로서 구현될 수도 있다.
예컨대, 평가 장치(130)는 하기의 식에 의해 결합 신호(Q)를 도출하도록 구성될 수도 있다.
Figure pct00002
여기에서, x와 y는 횡방향 좌표이고, A1과 A2는 각각 제 1 광학 센서(126)와 제 2 광학 센서(128)의 위치에서의 광 빔의 빔 프로파일의 영역이며, E(x, y, zO)는 물체의 거리(zO)에 대한 빔 프로파일을 지칭한다. 영역 A1과 영역 A2는 다를 수도 있다. 특히, A1과 A2는 합동이 아니다. 따라서, A1과 A2는 형상 또는 치수 중 하나 이상이 다를 수도 있다. 빔 프로파일은 광 빔의 단면일 수도 있다. 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일; 삼각형 빔 프로파일; 원추형 빔 프로파일; 및 가우스 빔 프로파일들의 선형 조합으로 이루어진 그룹에서 선택될 수도 있다.
제 1 광학 센서(126) 및 제 2 광학 센서(128)의 센서 신호는 각각 광 빔의 빔 프로파일의 적어도 하나의 영역의 정보를 포함할 수도 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역과 빔 프로파일의 제 2 영역은 인접한 영역들 또는 겹치는 영역들 중 하나 또는 둘 모두일 수도 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역과 빔 프로파일의 제 2 영역은 면적이 일치하지 않을 수도 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 에지 정보를 포함할 수 있고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 중심 정보를 포함할 수도 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역은 영역 A2이고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 영역 A1일 수도 있다. 에지 정보는 빔 프로파일의 제 1 영역 내의 광자의 수에 관한 정보를 포함할 수 있고, 중심 정보는 빔 프로파일의 제 2 영역 내의 광자의 수에 관한 정보를 포함할 수도 있다. 예컨대, 평가 장치(130)는 제 1 영역의 빔 프로파일의 영역 적분을 결정함으로써 에지 정보를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치(130)는 제 1 영역의 적분 및/또는 합산에 의해 에지 정보를 결정함으로써 에지 정보를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치(130)는 제 2 영역의 적분 및/또는 합산에 의해 중심 정보를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치(130)는 에지 정보와 중심 정보를 나누는 것, 에지 정보와 중심 정보의 배수를 나누는 것, 에지 정보와 중심 정보의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호(Q)를 도출하도록 구성될 수도 있다. 따라서 본질적으로 광자비가 본 방법의 물리적 기반으로 사용될 수도 있다.
예로서, Q는 간단히 Q = s1/s2 또는 Q = s2/s1로 결정될 수도 있으며, 이때, s1은 제 1 광학 센서(126)의 센서 신호를 나타내고 s2는 제 2 광학 센서(128)의 센서 신호를 나타낸다. 추가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = a·s1/b·s2 또는 Q = b·s2/a·s1로 결정될 수 있으며, 이때, a 및 b는 예로서 사전 결정되거나 결정 가능할 수 있는 실수이다. 추가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = (a·s1＋b·s2)/(c·s1＋d·s2)로 결정될 수 있으며, 이때, a, b, c 및 d는 예로서 사전 결정되거나 결정 가능할 수 있는 실수이다. 후자에 대한 간단한 예로서, Q는 Q = s1/(s1＋s2)로 결정될 수도 있다. 다른 결합 신호도 실현 가능하다.
평가 장치(130)는 종방향 좌표(zDPR)를 결정하기 위해 결합 신호(Q)와 종방향 좌표(zDPR) 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 이용하도록 구성될 수도 있다. 사전 결정된 관계는 경험적 관계, 반-경험적 관계 및 분석적으로 유도된 관계 중 하나 이상일 수도 있다. 평가 장치(130)는 검색 목록 또는 검색표와 같은 사전 결정된 관계를 저장하기 위한 적어도 하나의 데이터 저장 장치를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)의 결정은 적어도 하나의 평가 장치(130)에 의해 수행될 수도 있다. 따라서, 예로서, 관계는 예컨대 하나 이상의 검색표를 구현하는 것에 의해 소프트웨어 및/또는 하드웨어에서 구현될 수도 있다. 따라서, 예로서, 평가 장치(130)는 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하기 위해 위에 언급된 평가를 수행하도록 구성된, 하나 이상의 컴퓨터, 주문형 집적 회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)와 같은 하나 이상의 프로그램 가능 장치를 포함할 수도 있다. 그러나 추가적으로 또는 대안적으로, 평가 장치(130)는 또한 전체적으로 또는 부분적으로 하드웨어에 의해 구현될 수도 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 평가 장치(130)는 중심 성분(119)의 색상 정보를 평가함으로써 물체(112)의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성될 수도 있다. 또한, 평가 장치(130)는 종방향 좌표(zDPR)를 결정하도록 구성될 수도 있다. 검출기(110)는 예컨대 2개의 측정 채널에서 종방향 좌표(zDPR) 및 종방향 좌표(z)를 동시에 결정하도록 구성될 수도 있다.
검출기(110)는 적어도 하나의 측정 헤드(144)를 포함할 수도 있다. 측정 헤드(144)는 제 1 광섬유(132)의 적어도 하나의 제 1 광섬유 단부(134) 및/또는 제 2 광섬유(138)의 수용 단부(140)를 포함할 수도 있다. 제 1 광섬유(132) 및 제 2 광섬유(138)는 신호만을 위한 전송 매체로서 작용할 수도 있다. 따라서, 제 1 광섬유(132) 및 제 2 광섬유(138)는 진공 피드스루에 연결될 수 있거나 및/또는 고온 및/또는 거친 화학적 환경을 위해 설계될 수도 있다.
도 2는 검출기(110)의 추가 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 개구 요소(118)는 적어도 하나의 개구 조리개(146)를 포함할 수도 있다. 개구 요소(118)는 적어도 하나의 구멍과 같은 적어도 하나의 개구부를 가질 수도 있다. 제 1 광학 센서(126)는 개구 조리개(146) 뒤에 위치될 수도 있다. 검출기(110)는 적어도 하나의 빔 스플리터(148)를 더 포함할 수 있으며, 빔 스플리터(148)는 조명원(122)에 의해 생성된 조명 빔(124)을 개구 조리개(146)로 안내하고, 반사된 광 빔(120)을 제 1 광학 센서(126)로 안내하도록 구성될 수도 있다. 제 2 광학 센서(128)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 전파 방향으로 개구 요소(118) 앞에 및/또는 개구 요소(118) 상에 및/또는 개구 요소(118)와 단일체로 위치될 수도 있다. 제 2 광학 센서(128)의 활성 영역이 개략적으로 도 2에 도시되어 있다. 검출기(110)의 추가 설명에 대해서는 도 1의 설명을 참조한다.
제 1 광학 센서(126)는 측정 범위(150)를 가질 수도 있다. 측정 범위(150)는 최소 측정 거리로부터 최대 측정 거리까지의 범위로 정의될 수도 있다. 검출기(110)는 물체(112)를 조명하기 위한 적어도 하나의 광 빔(124)을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 조명원(122)을 포함할 수도 있다. 전환 장치(114)는 물체(112)를 조명하기 위한 광 빔(124)을 파장 의존적인 연속 초점들에 집속하도록 구성될 수도 있다. 최소 측정 거리는 검출기(110)의 발광 영역으로부터 발광 영역에 가장 가까운 파장(λmin)의 초점까지의 거리일 수도 있다. 최대 측정 거리는 발광 영역으로부터 발광 영역에서 가장 먼 거리를 갖는 파장(λmax)의 초점까지의 거리일 수도 있다. 일반적으로, 공초점 크로매틱 센서는 물체가 측정 범위를 벗어나면 측정값을 제공할 수 없다. 종래의 공초점 크로매틱 센서에서는 특히 완전 자동화된 프로세스에서 센서의 측정 범위를 찾는 것이 어려울 수 있다. 본 발명에 따른 검출기(110)는 물체가 측정 범위(150) 내에 있는지 여부를 결정할 수도 있다. 평가 장치(130)는 결정된 종방향 좌표(zDPR)를 고려하여 물체(112)가 측정 범위(150) 내에 위치하는지 아니면 밖에 위치하는지를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치(130)는 결정된 종방향 좌표(zDPR)가 측정 범위(150) 내에 있는지 여부를 결정하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치(130)가 물체(112)가 측정 범위(150) 밖에 있다고 결정한 경우, 평가 장치(130)는 물체(112)가 측정 범위 밖에 있다는 적어도 하나의 표시 및/또는 물체(112)에 대한 거리를 조정하기 위한 적어도 하나의 표시 및/또는 종방향 좌표(zDPR)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성될 수도 있다. 평가 장치(130)가 물체(112)가 측정 범위(150) 내에 있다고 결정한 경우, 평가 장치(130)는 종방향 좌표(z)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 검출기(110)는 DPR 기술을 이용한 거리 측정과 공초점 크로매틱 감지를 결합할 수도 있다. DPR 측정은, 공초점 크로매틱 센서의 측정 범위(150)를 결정하기 위해, 공초점 크로매틱 측정에 비해 정밀도가 낮은 측정과 같이, 물체(112)에 대한 거리의 표시를 결정하는 데 사용될 수 있다. 나아가, DPR 기술은 공초점 크로매틱 센서의 측정 범위(150)를 벗어난 거리 결정도 허용할 수 있기 때문에 공초점 크로매틱 센서의 측정 범위(150)를 확장할 수도 있다.
110: 검출기
112: 물체
114: 전환 장치
116: 광축
118: 개구 요소
119: 중심 성분
120: 광 빔
122: 조명원
124: 광 빔
126: 제 1 광학 센서
128: 제 2 광학 센서
130: 평가 장치
132: 제 1 광섬유
134: 제 1 광섬유 단부
136: 제 2 광섬유 단부
138: 제 2 광섬유
140: 수용 단부
142: 분할기
144: 측정 헤드
146: 개구 조리개
148: 빔 스플리터
150: 측정 범위

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 물체(112)의 포지션(position)을 결정하기 위한 검출기(110)에 있어서,
    - 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치(transfer device)(114);
    - 적어도 하나의 개구 요소(118)― 상기 개구 요소(118)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되며 전환 장치(114)를 통과한 광 빔(120)의 에지 성분(edge component)을 차단하도록 구성되고, 상기 개구 요소(118)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분(central component)(119)을 통과시키도록 구성됨 ―;
    - 상기 광 빔(120)의 전파 방향으로 상기 개구 요소(118) 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서(126)― 상기 제 1 광학 센서(126)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분(119)의 색상 정보를 결정하도록 구성되고, 상기 제 1 광학 센서(126)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하도록 구성됨 ―;
    - 적어도 하나의 제 2 광학 센서(128)― 상기 제 2 광학 센서(128)는 상기 광 빔(120)의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하도록 구성됨 ―를 포함하고,
    상기 검출기(110)는 상기 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보 및 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체(112)의 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(130)를 포함하는
    검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가 장치(130)는 상기 종방향 좌표(zDPR)를 결정하기 위해 물체(112)의 종방향 좌표(zDPR)와 결합 신호(Q) 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 이용하도록 구성되는
    검출기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결합 신호(Q)는 상기 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 지수(quotient)를 형성하는 것; 상기 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 배수들의 지수를 형성하는 것; 상기 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합(linear combination)들의 지수를 형성하는 것; 상기 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보와 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보의 선형 조합의 지수를 형성하는 것 중 하나 이상에 의해 유도되는
    검출기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 장치(130)는 상기 중심 성분(119)의 색상 정보를 평가함으로써 물체(112)의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하도록 구성되는
    검출기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 센서(126)는 측정 범위(150)를 가지며, 상기 평가 장치(130)는 결정된 종방향 좌표(zDPR)를 고려함으로써 물체(112)가 측정 범위(150) 내에 위치하는지 아니면 밖에 위치하는지를 결정하도록 구성되는
    검출기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 평가 장치(130)가 물체(112)가 측정 범위(150) 밖에 있다고 결정한 경우, 상기 평가 장치(130)는 물체(112)가 측정 범위(150) 밖에 있다는 적어도 하나의 표시 및/또는 물체(112)에 대한 거리를 조정하기 위한 적어도 하나의 표시 및/또는 종방향 좌표(zDPR)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성되고, 및/또는
    상기 평가 장치(130)가 물체(112)가 측정 범위(150) 내에 있다고 결정한 경우, 상기 평가 장치(130)는 종방향 좌표(z)의 적어도 하나의 표시를 발행하도록 구성되는
    검출기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기(110)는 적어도 하나의 조명원(122)을 포함하고, 상기 조명원(122)은 적어도 하나의 조명 광 빔(124)으로 물체(112)를 조명하도록 구성되고, 상기 조명원(122)은 적어도 하나의 다색성 백색 광원(polychromatic white light source)을 포함하는
    검출기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 센서(128)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 전파 방향으로 상기 개구 요소(118) 앞에 위치되는
    검출기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기(110)는 적어도 하나의 공초점 크로매틱 센서(confocal chromatic sensor)를 포함하고, 상기 공초점 크로매틱 센서는 상기 제 1 광학 센서(126)를 포함하고, 상기 제 1 광학 센서(126)는 상기 중심 성분의 색상 정보를 결정하기 위한 적어도 하나의 센서 요소를 포함하는
    검출기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공초점 크로매틱 센서는 적어도 하나의 제 1 광섬유(132)를 포함하는 광섬유 공초점 크로매틱 센서이고, 상기 제 1 광섬유(132)는 적어도 하나의 제 1 광섬유 단부(134)를 포함하고, 상기 제 1 광섬유 단부(134)는 물체(112)를 조명하기 위한 적어도 하나의 광 빔(124)을 방출하도록, 및/또는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광 빔(120)의 중심 성분(119)을 적어도 부분적으로 수용하도록 구성되고, 상기 제 1 광섬유(132)는 적어도 하나의 제 2 광섬유 단부(138)를 포함하고, 상기 제 2 광섬유 단부(138)는 상기 제 1 광섬유(132)를 통과한 광을 상기 제 1 광학 센서(126)에 제공하도록 구성되는
    검출기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 검출기(110)는 적어도 하나의 제 2 광섬유(138)를 포함하고, 상기 제 2 광섬유(138)는 상기 에지 성분을 적어도 부분적으로 수용하도록 배열되고, 상기 제 2 광섬유(138)는 상기 제 2 광섬유(138)를 통과한 광을 상기 제 2 광학 센서(128)에 제공하도록 구성되는
    검출기.
  12. 적어도 하나의 물체(112)의 포지션을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 검출기(110)가 사용되며,
    상기 방법은:
    - 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되며 색수차를 갖는 적어도 하나의 전환 장치(114)를 통과한 광 빔(120)의 전파 방향으로 적어도 하나의 개구 요소(118) 뒤에 위치된 적어도 하나의 제 1 광학 센서(126)를 조명하는 단계― 상기 개구 요소(118)는 물체(112)로부터 검출기(110)로 전파되며 전환 장치(114)를 통과한 광 빔(120)의 에지 성분을 차단하도록 구성되고, 상기 개구 요소(118)는 상기 광 빔(120)의 중심 성분(119)을 통과시키도록 구성됨 ―;
    - 상기 제 1 광학 센서(126)를 사용하여 상기 광 빔(120)의 중심 성분(119)의 색상 정보를 결정하고, 상기 제 1 광학 센서(126)를 사용하여 상기 광 빔(120)의 중심 성분(119)의 적어도 하나의 제 1 강도 정보를 결정하는 단계;
    - 적어도 하나의 제 2 광학 센서(128)를 사용하여 상기 광 빔(120)의 에지 성분의 적어도 하나의 제 2 강도 정보를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 적어도 하나의 평가 장치(130)를 사용하여 상기 중심 성분(119)의 제 1 강도 정보 및 상기 에지 성분의 제 2 강도 정보로부터 결합 신호(Q)를 평가함으로써 물체(112)의 적어도 하나의 종방향 좌표(zDPR)를 결정하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 평가 장치(130)를 사용하여 상기 중심 성분의 색상 정보를 평가함으로써 물체(112)의 적어도 하나의 종방향 좌표(z)를 결정하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 센서(126)는 측정 범위(150)를 가지며, 상기 평가 장치(130)는 결정된 종방향 좌표(zDPR)를 고려하여 물체(112)가 측정 범위(150) 내에 위치하는지 아니면 밖에 위치하는지를 결정하도록 구성되고,
    상기 물체(112)가 측정 범위(150) 밖에 있는 것으로 결정되는 경우, 상기 방법은 물체(112)와 검출기(110) 사이의 거리를 조정하는 단계를 포함하는
    방법.
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