KR20230011403A - 크로마틱 공초점 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결상 광학 유닛을 갖는 측정헤드 및 평가유닛을 포함하는 광학 측정장치에 관한 것이며, 측정헤드는 2개의 도광 섬유를 통해 평가유닛에 연결되고, 평가유닛은 그 빛이 제1 도광 섬유를 통해 측정헤드로 안내되는 광원을 포함하며, 측정대상에 의해 반사된 빛은 출사광 및 귀환광이 분리되는 방식으로 측정헤드를 통해 빔 스플리터에 의해 다시 제2 도광 섬유로 안내되며, 여기서 섬유 단부는 상호 컨쥬게이트 위치에 있고, 빔 스플리터와 섬유 단부는 측정헤드에 분리가능하게 결합된 플러그에 함께 배치된다.

Description

크로마틱 공초점 측정장치

본 발명은 측정대상의 거리 및/또는 두께를 측정하기 위한 광학 측정장치에 관한 것이다. 광학 측정장치는 결상 광학기를 구비하는 측정헤드 및 평가유닛을 포함하며, 측정헤드는 2개의 광전도 섬유에 의해 평가유닛에 연결된다. 평가유닛은 그 빛이 제1 광전도 섬유를 통해 측정헤드로 안내되는 광원을 포함한다. 측정대상에서 반사된 빛은 측정헤드를 통해 빔 스플리터에 의해 다시 제2 광전도 섬유로 유도되어 출사광과 귀환광이 분리되며, 섬유 단부들은 서로에 대하여 컨쥬게이트 위치에 위치된다. 크로마틱-공초점 또는 간섭계 측정 원리에 기반한 광학 측정장치가 알려져 있다.

FR2930334는 측정헤드에 통합된 빔 스플리터 장치가 구비된 크로마틱-공초점 측정헤드를 개시한다. 출사광 및 귀환광을 위한 빔 스플리터 장치와 섬유는 측정헤드에 단단히 결합되어 있다. 측정헤드의 빔 스플리터 장치는 미광(stray light)을 줄이고 측정 정확도를 향상시킨다. 이러한 구현에서는, 불리하게도, 예를 들어 섬유에 결함이 있거나 다른 특성(길이, 섬유 코어 직경 등)을 가진 섬유가 필요한 경우 섬유의 교환이 불가능하다. 이것은 측정헤드의 가능한 응용성을 제한한다.

본 발명의 목적은 미광 부분을 크게 증가시키지 않고 섬유의 교환을 허용하는 크로마틱-공초점 측정헤드를 제공하는 것이다.

그러한 해결책은 종래 기술에 아직 존재하지 않는다. 개별 섬유의 교환을 허용하는 알려진 섬유 커넥터는 상대적으로 높은 공간 요구가 있다. 빌트인 빔 스플리터를 갖는 측정헤드는 두 개의 섬유 커넥터(출사광 및 귀환광 용)를 포함해야 하므로 이러한 섬유 커넥터로는 콤팩트한 측정헤드를 실현할 수가 없다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 빔 스플리터와 섬유 단부가 측정헤드에 분리 가능하게 결합된 커넥터에 함께 배치된다는 점에서 해결된다.

유리한 실시예에서, 제1 및 제2 광전도 섬유의 섬유 단부는 각각 공초점 조리개(confocal apertures)를 형성한다. 제1 섬유 단부는 측정헤드에 의해 측정대상에 결상된다. 제1 섬유의 단면은 측정 지점의 직경, 즉 측정대상 위에 섬유 단부의 이미지를 형성한다.

제2 섬유 단부는 측정대상에서 반사되고 측정헤드에 의해 제2 섬유 단부로 안내되는 측정광에 대한 공간 필터 역할을 한다. 2개의 섬유 단부가 서로에 대해 컨쥬게이트 위치(conjugate positions)에 위치하기 때문에, 제1 및 제2 섬유 단부는 따라서 공초점 조리개 역할을 한다. 섬유 단부들을 공초점 조리개로 사용하는 것이 유리한데, 이렇게 하면 조리개를 형성하는 추가 부품이 필요하지 않기 때문이다. 또한 섬유에 별도의 조리개 구성 요소를 배치할 필요가 없다. 본 실시예에서, 섬유의 직경은 조리개의 직경이다.

고정 섬유 커넥터를 구비한 측정헤드와 비교하여 교체 가능한 섬유 커넥터를 구비한 측정헤드의 장점은 공초점 조리개의 크기-본 구현에서는 광전도 섬유의 단면으로 제공됨-를 섬유 커넥터를 교체하여 변경할 수 있다는 것이다.

크로마틱-공초점 측정에서 달성 가능한 분해능과 조리개 크기를 통한 측정광의 강도(및 이에 따른 신호 강도) 사이에는 상반되는 의존성이 있다. 가장 적합한 조리개 크기는 특정 측정 작업에 따라 달라진다.

이러한 의존성은 도 2에 도시된다. 도 2는 크로마틱-공초점 측정헤드로 투명 레이어를 측정할 때 측정 신호에 대한 조리개 크기의 영향을 예시적으로 보여준다. 제2 광전도 섬유에서 평가유닛으로 안내되는 측정광의 강도는 파장의 함수로 표시된다.

투명 레이어의 상측 및 하측 각각에서 측정광의 반사는 2개의 피크 파장(λ₁, λ₂)을 특징으로 하는 2개의 피크의 출현으로 이끈다. 피크 파장의 차이는 레이어의 두께에 대한 정보를 제공한다.

두 다이어그램은 섬유 직경이 다르며 왼쪽 다이어그램보다 오른쪽 다이어그램에서 4배 더 크다. 왼쪽 다이어그램에서는 피크가 명확하게 구분된다. 오른쪽 다이어그램에서는 섬유 직경이 클수록 광원에서 측정헤드로 그리고 측정대상에서 평가유닛으로 더 많은 빛을 안내할 수 있기 때문에 신호 강도가 훨씬 더 크다. 그러나 섬유 직경이 클수록 피크 폭도 커지므로 레이어 두께는 왼쪽 다이어그램에서처럼 잘 분해(resolved)될 수 없다.

섬유 직경이 작을수록 측정 지점이 작아져 - 이는 측정대상이 측면 방향(lateral direction)으로 더 잘 분해될 수 있게 한다 - 축 분해능도 좋아져 얇은 층이 더 잘 측정될 수 있다. 그 대가로 신호 강도는 감소하여 반사율이 낮은 측정대상에 대한 더 긴 노출 시간을 필요로 하므로 이는 측정률에 부정적인 영향을 미친다.

기존 측정장치의 구성, 특히 사용된 광전도 섬유와 크로마틱-공초점 측정헤드의 결상 비율은 분해능과 신호 강도 간에 고정된 절충안을 제공한다.

그러나 분해능과 신호 강도의 최적 조합은 측정대상의 속성 또는 측정 작업 각각에 따라 달라진다. 예를 들어, 특별한 측정 작업을 위해 더 나은 측면 분해능이 필요한 경우, - 고정된 통합 빔 스플리터 유닛을 가진- 종래 기술에서는 측정헤드를 교체해야 한다. 그러나 이것은 시간이 많이 걸리고 다른 측정 작업에 다른 측정헤드가 필요한 경우 비용이 증가한다.

본 발명은 교환 가능한 섬유 커넥터를 사용함으로써 이 문제를 해결한다. 이것은 각 측정 작업에 대한 분해능과 신호 강도의 최적 조합을 얻는 문제에 대한 간단하고 비용 효율적인 솔루션을 제공한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 섬유 커넥터는 제1 섬유 단부 뒤에 배치되고 제1 섬유 단부로부터 방출된 빛에 대한 공간 필터로서 작용하는 제1 조리개 장치(first aperture arrangement), 및 제2 섬유 앞에 배치되고 측정헤드에서 제2 섬유 단부로 안내되는 빛에 대한 공간 필터 역할을 하는 제2 조리개 장치(second aperture arrangement)를 포함한다. 제1 및 제2 조리개 장치는 서로에 대해 컨쥬게이트 위치에 위치하므로 공초점 조리개로서의 역할을 한다.

본 실시예는 공초점 조리개의 기하학적 구조가 넓은 범위에 걸쳐 자유롭게 구성될 수 있고 특정 측정 작업에 대해 최적화될 수 있다는 이점을 제공한다.

섬유 직경의 영향에 대한 위의 설명은 조리개의 단면에 상응하게 적용된다.

도 3b는 조리개 장치의 가능한 구성의 예를 도시한다. 투광 영역은 여기에서 어둡게 표시된다. 조리개 장치는 4개의 원형 하위 조리개(sub-apertures)로 구성된다. 동일한 크기의 단일 조리개에 비해 신호 강도가 4의 팩터로 증가한다. 하위 조리개 사이의 거리로 인해 누화(crosstalk), 즉 각 하위 조리개가 인접한 하위 조리개에 미치는 영향이 낮게 유지된다.

도 4b는 크로마틱 공초점 측정헤드로 층 두께를 측정할 때 대응하는 파장 분해(wavelength-resolved) 측정 신호를 도시한다. 피크의 폭은 여기서 개별 원형 하위 조리개의 직경에 의해 결정되는데, 즉, 유사하게 작은 층 두께는 단일 조리개로 분해(resolved)될 수 있다. 그러나 동시에 언급된 바와 같이 신호 강도가 4의 팩터로 증가하여 더 높은 측정률이 가능해진다.

넓은 배경 신호는 개별 원형 하위 조리개의 누화로 인해 발생한다. 조리개 장치의 기하학적 구조, 특히 원형 하위 조리개의 직경 및 간격은 넓은 한도 내에서 배경 신호의 피크 폭 및 크기와 같은 매개변수에 영향을 미치는 데 사용될 수 있다. 따라서 섬유 커넥터를 교체하여 각 측정 작업에 대한 분해능과 신호 강도의 최적 조합을 얻을 수 있다.

도 3에 도시된 조리개 장치의 기하학적 구조 외에도 특정 측정 작업에 최적화된 다양한 다른 조리개의 기하학적 구조가 실현될 수 있다.

예를 들어, 이것은 개별 원형 하위 조리개 라인과 같은 하위 조리개의 1차원 배열을 포함한다. 이러한 배열은 직교 방향으로 높은 공간 분해능을 유지하면서 라인 방향으로 측정 신호의 공간 평균화를 가져온다.

또 다른 유리한 구성은 하위 조리개의 2차원 배열이다. 도 4에 도시된 기하학적 구조에 더하여, 이것은 예를 들어 원형 하위 조리개의 육각형 패턴 또는 체커보드(checkerboard) 패턴을 포함한다.

조리개 장치는 광섬유 측면에 부분적으로 크롬층이 코팅된 유리판으로 구성될 수 있다. 크롬으로 코팅된 유리판 영역은 비투과 영역으로 작용하고 비코팅 영역은 투광 영역으로 작용한다.

유리한 실시예에서, 측정장치는 크로마틱-공초점 원리에 따라 측정한다. 이 경우, 측정헤드는 종방향 색수차(longitudinal chromatic aberration)를 생성하는 분산형(dispersive) 광학 요소를 포함하므로 측정헤드와 측정 지점 사이의 거리- 제1 공초점 조리개의 이미지- 가 파장 상에 명확한 의존성을 갖는다.

제2 공초점 조리개는 측정대상에서 반사되고 측정헤드에서 제2 공초점 조리개로 안내되는 빛을 수신한다. 제2 공초점 조리개에 의해 투과되어 평가유닛으로 안내되는 빛의 강도는 측정 지점이 측정대상에서 선명하게 결상되는 파장에서 최대이다.

또 다른 실시예에서, 측정장치는 스펙트럼 간섭 측정 원리에 따라 측정한다. 이 경우 측정헤드의 빛은 두 개의 인터페이스로 안내되고 인터페이스에서 반사된 빛은 측정헤드에 의해 포착되어(picked up) 평가유닛으로 안내된다.

평가유닛에서, 제1 인터페이스로부터 반사된 빛과 제2 인터페이스로부터 반사된 빛 사이의 위상차가 결정된다. 파장에 대한 위상차의 의존성은 경로 길이차(path length difference)와 이에 따른 두 인터페이스 사이의 거리에 대한 정보를 제공한다.

유리한 실시예에서, 커넥터는 섬유 단부가 정확하게 반복 가능한 방식으로, 특히 미리 결정된 공차 내에서 측정헤드에 대해 위치되도록 구성된다. 특히, 측정헤드와 커넥터는 커넥터가 교체될 때 결상 광학기에 대한 공초점 조리개의 상대적 위치가 주어진 공차 내에서 유지되도록 구성된다.

이렇게 하면 섬유 커넥터가 교체될 때 측정헤드의 속성이 크게 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있게 한다. 특히, 측정헤드에 대한 측정 지점의 위치가 변경되지 않도록 할 수 있다. 이는 섬유 커넥터가 교체될 때 측정장치를 재보정할 필요가 없어 측정장치의 작동을 단순화할 수 있는 이점을 제공한다.

일 실시예에서, 커넥터는 측정헤드의 원뿔 모양 리세스에 위치되는 원뿔모양(cone shape) 또는 절두형 원뿔 모양(truncated cone shape)을 갖는다. 커넥터의 원뿔 모양 또는 절두형 원뿔 모양은 커넥터가 측정헤드에 대해 항상 중앙에 위치하도록 한다. 특히, 커넥터가 교환될 때 공초점 조리개와 결상 광학기 사이에 측면 오프셋(결상 광학기의 광축에 대하여)이 없다.

커넥터의 원뿔 모양 또는 절두형 원뿔 모양으로 인해 커넥터의 외부 치수와 측정헤드 리세스의 내부 치수는 측정헤드로부터의 커넥터의 분리 가능성에 영향을 미치지 않으면서 매우 작은 끼워맞춤 공차로 제작될 수 있다. 이것은 또한 공초점 조리개와 결상 광학기 사이의 축 오프셋이 임의로 최소화되도록 한다.

대안적인 실시예에서, 커넥터는 또한 원뿔 이외의 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 절두 피라미드(truncated pyramid)로 구성될 수 있다.

다른 대안적인 실시예에서, 커넥터 및 측정헤드는 커넥터의 배향 및 위치가 측정헤드에 대한 연결 후에 항상 동일하게 유지되도록 하기 위한 홈 및 볼과 같은 수단을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 커넥터는 측정헤드를 향하는 측면에 장착된 보호 유리를 포함한다. 보호 유리는 커넥터가 측정헤드에 연결되어 있지 않을 때 커넥터가 오염으로부터 보호되는 이점을 제공한다.

특히, 보호 유리가 퍼짐광선(divergent beam) 경로에 있을 때 - 예를 들어 섬유 단부와 보호 유리 사이에 초점 광학 요소가 없을 때 - 보호 유리에 의해 반사된 미광의 무시할 만한 부분만 제2 섬유 단부로 안내되어, 측정 신호가 손상되지 않게 된다.

이에 따른 방식으로, 측정헤드에는 커넥터를 향하는 측면에 보호 유리가 구비될 수 있다.

빔 스플리터 및 보호 유리에는 미광의 작은 부분을 추가로 줄이기 위해 반사 방지 코팅이 제공될 수 있다. 이것은 특히 섬유 단부에 가깝게 요소들을 배치하는 것을 가능하게 하여 커넥터의 특별히 컴팩트한 구성을 허용한다.

가능한 실시예에서, 측정헤드는 적어도 4개의 광전도 섬유에 의해 평가유닛에 연결되고, 여기서 섬유는 각각 쌍으로, 특히 2개의 라인으로 컨쥬게이트되어(conjugated) 배치된다. 섬유 각 쌍에 대해 측정 신호는 평가유닛으로 안내되고 다른 측정 신호와 독립적으로 평가될 수 있다.

이것은 예를 들어, 측정대상에 여러 개의 측정 지점을 생성할 수 있게 하여 여러 측정 지점에서 측정대상으로부터 반사된 빛이 측정헤드에 의해 포착되어 개별적으로 평가된다.

간단한 섬유 홀더를 갖는 기존 측정헤드의 경우, 섬유 홀더는 큰 노력 없이 섬유 커넥터(빔 스플리터 장치를 가진)용 장착 장치에 의해 교체될 수 있다. 따라서 측정헤드를 계속 사용할 수 있고 빔 스플리터 커넥터의 이점을 누릴 수 있다.

도 1: 섬유 커넥터를 구비한 측정장치
도 2: 2개의 서로 다른 조리개 직경에 대한 측정 신호
도 3: 조리개 장치를 갖는 섬유 커넥터
도 4: 조리개 장치 및 관련 측정 신호
도 5: 분광계

도 1은 크로마틱-공초점(chromatic-confocal) 측정 원리에 따라 측정하는 본 발명에 따른 광학 측정장치(1)를 도시한다. 광학 측정장치는 두 개의 광전도 섬유(5, 6)에 의해 평가유닛(4)에 연결된 측정헤드(2)를 포함한다.

평가유닛은 다색광(polychromatic light)을 제1 광전도 섬유(5)로 공급하는 광원(7)을 포함하며, 제1 광전도 섬유는 빛을 측정헤드로 안내한다. 제1 광전도 섬유는 제1 섬유 단부(10)를 포함한다. 측정헤드는 제1 섬유로부터 방출된 빛의 적어도 일부를 측정대상(14)으로 안내하는 결상 광학기(imaging optics)(3)를 포함한다.

결상 광학기는 종방향 색수차(longitudinal chromatic aberration)가 뚜렷하여 제1 섬유 단부에서 방출되는 빛은 파장에 따라 측정헤드로부터 서로 다른 거리에 집속된다(focused).

측정대상에서 반사된 빛은 측정헤드에 의해 포착된다. 측정대상에 의해 반사된 빛의 적어도 일부는 빔 스플리터(12)에 의해 제2 섬유 단부(11)로 안내되고 제2 광전도 섬유(6)를 통해 평가유닛으로 추가로 안내된다. 평가유닛은 분광 분해 형태(spectrally resolved form)로 측정대상에 의해 반사된 빛의 강도를 평가하는 분광계(15)를 포함한다 .

제1 및 제2 섬유 단부(10, 11)는 공초점 조리개(confocal apertures)를 형성한다. 제1 광전도 섬유(5)에서 방출되고 측정대상(14)에서 반사된 빛은 제2 섬유(6)로 안내된다. 제2 섬유 단부(11)는 공간 필터 역할을 한다. 두 개의 섬유 단부(10, 11)는 서로에 대해 컨쥬게이트 위치(conjugated positions)에 위치하여, 제2 섬유(6)에 의해 수신되고 평가유닛으로 안내되는 빛의 강도는 제1 섬유(5)에 의해 방출된 빛이 측정헤드(2)에 의해 측정대상(14)에 선명하게 결상되는 그 파장에 대해 최대화된다.

분광계(15)에서의 파장 분해 강도(wavelength-resolved intensity)에 대한 평가는 측정헤드(2)에서 측정대상(14)까지의 거리에 관한 정보를 제공한다.

빔 스플리터(12)는 제1 섬유(5)에 의해 방출되어 측정대상(14)으로 나가는 빛(8)과 측정대상(14)에서 되돌아와 제2 섬유(6)로 안내되는 빛(9)을 공간적으로 분리한다. 이는 광원(7)에서 나오고 제1 섬유 단부(10)에 의해 후방 산란된 빛이 제2 섬유(6)에 도달하지 않아 측정 신호에 영향을 미치지 않는 이점을 제공한다.

빔 스플리터(12)와 두 개의 섬유 단부(10, 11)는 측정헤드(2)에 분리 가능하게 연결된 커넥터(13)에 함께 배치된다. 커넥터(13)는 절두형 원뿔 모양(truncated cone shape)을 가지고 있으며, 측정헤드(2)는 이에 대응하는 리세스(16)를 포함한다.

커넥터와 리세스의 이러한 기하학적 구조는 커넥터가 삽입 후 리세스에 대해 자동으로 중앙에 위치한다는 이점을 제공한다, 즉, 결상 광학기의 광축에 대해 정의된 측면 위치에 위치된다.

이것은 광 방출 표면의 위치-이 경우 제1 섬유 단부-가 커넥터가 교체될 때에도 결상 광학기와 관련하여 변경되지 않은 상태로 유지되어 예를 들어, 측정 표면 상의 측정 지점의 위치가 변하지 않는다는 커다란 이점을 갖는다.

도 2는 도 1에 따른 측정장치로 투명 레이어를 측정한 결과에 따른 측정 신호를 도시한다. 레이어의 두 인터페이스, 즉 측정헤드에 의해 방출된 빛의 레이어의 상측과 하측에서의 반사는 측정 신호에서 두 개의 최대 강도를 발생시킨다.

최대값은 빛이 측정할 레이어의 상측 또는 하측 각각에 집속되는 파장에서 발생한다. 두 파장은 분광계로 결정되며 레이어 두께에 대한 정보를 제공한다.

두 다이어그램은 광전도 섬유의 직경이 다르다; 측정장치의 다른 구성 요소, 특히 측정헤드는 두 다이어그램에서 동일하다. 도 2b의 섬유 직경은 도 2a의 4배이다; 예를 들어 섬유 직경이 도 2a의 경우 50μm이고 도 2b의 경우 200μm인 경우에 해당한다.

도 2a의 작은 섬유 직경은 더 나은 축 분해능(axial resolution)을 나타내며, 이는 여기에서 두 최대 강도 사이의 명확한 분리로 표현된다. 도 2b의 더 큰 섬유 직경은 두 개의 최대 강도의 덜 명확한 분리와 관련된 더 낮은 축 분해능을 나타내지만, 대신 측정 광의 더 높은 강도를 타나내며, 이는 측정 신호에서 더 높은 진폭으로 표현된다.

전반적으로, 도 2는 어떻게 섬유 커넥터의 교체가 측정장치의 변경되지 않은 구성 요소와 함께 측정장치의 속성에서 변화를 이끄는지를 보여준다. 이는 각 측정 작업에 대한 측정장치의 최적 특성을 제공하는 데 유리하게 사용될 수 있다.

도 3a는 도 1에 따른 측정장치용 커넥터의 대안적 실시예를 도시한다. 커넥터(13)는 제1 섬유 단부(10) 바로 뒤에 배치된 제1 조리개 장치(first aperture arrangement)(17)를 포함한다. 제1 조리개 장치는 제1 광전도 섬유(5)에서 측정헤드로 안내되고 제1 섬유 단부에서 방출되는 빛에 대한 공간 필터 역할을 한다.

이러한 예에서, 제1 조리개 장치는 제1 섬유 단부(10)를 향하는 측면에 크롬층이 부분적으로 제공되는 유리판(18)으로 구성된다. 크롬층이 제공된 영역은 빛의 투과를 방지하는 반면, 유리판의 코팅되지 않은 영역은 광 투과성을 가지며 공초점 조리개(confocal aperture)를 형성한다.

도 3b는 부분적으로 코팅된 유리판(18)의 예시적인 구성을 도시한다. 유리판의 투광 영역,- 즉 크롬으로 코팅되지 않은 영역-은 어둡게 표시된다. 전반적으로 여기에서 공초점 조리개는 4개의 원형 하위 조리개(circular sub-aperture)(27)의 배열로 구성된다.

여기서 섬유 단면은 파선으로 표시된다. 여기서, 섬유 직경은 하위 조리개(27)의 배열 범위보다 크므로 모든 투광 영역이 제1 섬유 단부로부터의 빛으로 조명된다.

도 3a의 커넥터는 제2 섬유 단부(11) 바로 앞에 배치된 제2 조리개 장치(19)를 더 포함한다. 여기서, 제2 조리개 장치(19)는 제1 조리개 장치(17)와 동일하게 구성되며 측정헤드를 통해 측정대상으로부터 제2 섬유 단부(11)로 안내된 후 이후 제2 광전도 섬유(6)를 통해 평가유닛으로 더 안내되는 빛의 공간 필터링을 제공한다.

제1 및 제2 섬유 단부(10, 11)가 서로에 대해 컨쥬게이트 위치(conjuagated positions)에 위치하기 때문에, 제1 및 제2 조리개 장치(17, 19)도 서로에 대해 컨쥬게이트 위치에 위치하여 공초점 조리개로 작용한다.

도시된 실시예에서, 커넥터는 보호 유리(20)를 포함한다. 보호 유리는 미광이 발생되어 신호 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 오염으로부터 커넥터 내부의 광학 부품이 보호될 수 있도록 한다.

제1 섬유 단부(10)에서 방출된 빛은 보호 유리(20)에 발산적으로 부딪힌다. 빛의 일부는 보호 유리의 양쪽 표면에서 다시 제1 섬유 단부(10)로 그리고- 빔 스플리터(12)를 통해 - 또한 제2 섬유 단부(11)로 안내된다.

그러나 발산하는 빔 경로로 인해 보호 유리(20)에서 반사된 빛은 제1 및 제2 섬유 단부(10, 11) 위치에서 매우 강력하게 분산되어 미광의 무시할 만한 부분만이 획득된다.

미광 부분을 더 줄이기 위해, 보호 유리(20) 및/또는 빔 스플리터(12)의 표면에 반사 방지 코팅이 제공될 수 있다. 이는 특히 커넥터의 광학 구성요소를 서로 가깝게 배열하는 것을 가능하게 하여 미광 부분을 크게 증가시키지 않고 커넥터에 대한 매우 컴팩트한 구성을 가능하게 한다.

도 4는 도 3에 따른 측정장치로 투명 레이어를 측정한 결과에 대한 측정 신호를 보여준다. 레이어의 두 인터페이스, 즉 레이어의 상측과 하측에서 측정헤드에 의해 방출된 빛의 반사는 측정 신호에서 두 개의 최대 강도를 발생시킨다.

최대값은 빛이 측정할 층의 상측 또는 하측 각각에 집속되는 파장에서 발생한다. 두 파장은 분광계로 결정되며 레이어 두께에 대한 정보를 제공한다.

두 다이어그램은 공초점 조리개의 구성이 다르다. 왼쪽 다이어그램에서는 직경이 섬유 직경에 대응하는 단일 원형 조리개가 사용된다. 오른쪽 다이어그램에서 공초점 조리개는 도 3b에 도시된 바와 같은 4개의 원형 하위 조리개 장치로 구성된다.

오른쪽 다이어그램에서는 최대 강도가 명확하게 구분된다; 이는 광전도 섬유의 직경보다 더 작은 하위 조리개의 직경에 의해 결정되는 측정장치의 향상된 축 분해능 때문이다. 동시에 각 하위 조리개가 측정 신호에 기여하기 때문에 단일 하위 조리개에 비해 신호 강도가 4의 팩터로 증가한다.

조리개 장치를 구성하면 각 측정 작업에 대해 축 분해능와 신호 강도의 최적 조합을 얻을 수 있다.

도 5는 도 1에 따른 측정장치용 분광계의 가능한 실시예를 도시한다. 분광계(21)는 평가유닛에 배치되고 제2 광전도 섬유(6)를 통해 측정헤드에 연결된다. 제2 섬유(6)는 측정헤드에서 분광계(21)로 측정대상에서 반사된 빛을 안내한다. 분광계는 분광적으로 분해된 형태로 이 빛의 강도를 평가하는 데 사용된다.

제2 섬유(6)에서 방출된 빛은 먼저 시준되어(collimated) 투과 격자(transmission grating)로 안내된다. 빛은 투과 격자(24)에 의해 회절되며, 회절 각도는 파장에 따라 달라진다. 이후 회절된 빛은 초점 광학장치에 의해 검출기 행(detector row)(26)에 결상되며, 여기서 빛이 검출기 행에 충돌하는 위치는 파장에 따라 다르다.

빛이 행에 충돌하는 위치를 평가할 수 있도록 하기 위해, 행은 분할 방향(이하 행 방향이라고 함)으로 복수의 감광 셀로 나눠진다. 공간 분해능 - 따라서 파장 분해능 - 을 향상시키기 위해 행 방향에서 감광 셀의 범위를 작게 유지하는 것이 유리하다.

동시에, 검출기 행에 있는 섬유의 이미지를 작게, 이상적으로는 감광 셀의 범위보다 더 작게 유지하는 것이 유리하다, 즉, 검출기 행에 있는 섬유의 축소 결상(reducing imaging)을 선택하는 것이다. 특히 섬유 직경이 큰 섬유를 사용하는 경우 결상(imaging)은 강하게 축소되도록 선택해야 한다.

그러나, 이러한 강한 축소 결상은 불리하게도 높은 조리개수, 즉 초점 광학기기로부터 검출기 행으로 안내되는 빛에 대한 빔 콘(beam cones)의 큰 조리개각을 초래한다. 우수한 결상 품질을 얻으려면 - 비용에 부정적인 영향을 미치는 - 복잡한 초점 광학기기를 제공하거나 빛이 비네팅되어(vignetted) 빛 손실을 초래해야 한다.

여기에 도시된 분광계의 실시예는 밝기를 너무 많이 제한하지 않고 파장 분해능을 최적화할 수 있다. 이를 위해 섬유 단부를 행 방향으로 강하게 축소하지만 행 방향에 직각으로는 약하게만 축소하는 아나모픽 이미징(anamorphic imaging)이 선택된다.

이를 위해 분광계는 제2 섬유(2)에서 방출된 빛을 행 방향과 직각으로 분광계로 집속시키는 제1 원통렌즈(22)와 제1 원통렌즈 뒤에 배치되고 행 방향으로 빛을 집속시키는 제2 원통렌즈(23)를 포함한다.

제2 원통렌즈는 제1 원통렌즈보다 더 큰 초점 거리를 갖는다. 섬유까지의 거리가 더 멀기 때문에 빛은 행 방향으로 비네팅된다, 즉, 섬유에 의해 방출된 빛의 일부가 검출기 행으로 더 이상 안내되지 않는다. 반면, 행 방향에 직교하면 비네팅이 거의 또는 전혀 없다.

제1 또는 제2 원통렌즈에 의해 각각 시준된 빛은 투과 격자(24)를 통과하고, 구면 렌즈(25)에 의해 스펙트럼 분할되어 검출기 행(26)으로 결상된다. 결상 스케일은 행 방향에 직교하는 것보다 행 방향에서 더 작아서 검출기 행의 둥근 섬유 단부의 이미지가 타원형(elliptical shape)을 가지며, 여기서 작은 반 축(semiaxis)은 행 방향에 평행하다.

분광계의 또 다른 실시예에서, 예를 들어 200㎛와 같은 큰 섬유 직경을 갖는 섬유로부터의 빛은 먼저 예를 들어 50㎛와 같은 더 작은 섬유 직경을 갖는 복수의 섬유로 결합된다. 더 작은 섬유 직경을 가진 각각의 섬유로부터의 빛은 이후 스펙트럼 분할되고 개별 검출기 행 또는 검출기 행의 개별 영역에 각각 결상될 수 있다.

Claims (13)

1. 결상 광학기를 가진 측정헤드 및 평가유닛을 포함하며,
   상기 측정헤드는 2개의 광전도 섬유에 의해 상기 평가유닛에 연결되고,
   상기 평가유닛은 그 빛이 제1 광전도 섬유를 통해 상기 측정헤드로 안내되는 광원을 포함하고,
   측정대상으로부터 반사된 빛은 상기 측정 헤드를 통해 제2 광전도 섬유로 빔 스플리터에 의해 다시 안내되어 출사광과 귀환광이 분리되고,
   여기서 상기 섬유 단부는 서로에 대해 컨쥬게이트 위치에 위치하는, 광학 측정장치로서,
   상기 빔 스플리터와 상기 섬유 단부는 상기 측정헤드에 분리 가능하게 결합된 커넥터에 함께 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 섬유 단부는 각각 공초점 조리개를 형성하는, 광학 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 커넥터는 공초점 조리개를 형성하는 적어도 하나의 조리개 장치를 포함하는, 광학 측정장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조리개 장치는 복수의 하위 조리개를 포함하는, 광학 측정장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 커넥터는 제1 및 제2 조리개 장치를 포함하고, 상기 제1 조리개 장치 및 제2 조리개 장치는 동일하게 구성되는. 광학 측정장치.
6. 제1항 내지 제5항에 있어서, 크로마틱-공초점 원리에 따라 측정하는, 광학 측정장치.
7. 제1항 내지 제5항에 있어서, 스펙트럼 간섭 원리에 따라 측정하는, 광학 측정장치.
8. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커넥터는 상기 섬유 단부가 상기 측정헤드에 대해 정확하게 반복 가능한 방식으로, 특히 사전 결정된 공차 내에서 위치되도록 구성되는, 광학 측정장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 커넥터는 상기 측정헤드의 원뿔 모양 리세스에 위치되는 원뿔 모양 또는 절두형 원뿔 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 측정장치.
10. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커넥터는 보호 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 측정장치.
11. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정헤드는 적어도 4개의 광전도 섬유에 의해 상기 평가유닛에 연결되고, 상기 섬유는 각각 쌍으로, 특히, 두 줄로 컨쥬게이트되어(conjugated) 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 측정장치.
12. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 스플리터 및/또는 상기 보호 유리에 반사 방지 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 측정장치.
13. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평가유닛은 상기 제2 광전도 섬유에 의해 방출된 측정광을 검출기 행 상에 스펙트럼적으로 분해하여 결상하는 분광계를 포함하고, 결상은 아나모픽이 되도록 구성되어, 상기 검출기 행 방향의 결상 스케일이 상기 검출기 행 방향에 직교하는 결상 스케일과 다른, 광학 측정장치.

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