KR102246353B1 - 저스페클 라인으로서 이미징될 수 있는 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

저스페클 라인으로서 이미징될 수 있는 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템이 개시된다. 시스템은 콜리메이트 레이저빔을 방출하도록 구성된 레이저; 그리고 하나 이상의 선형 확산기를 포함하는 조명팬 발생기를 포함한다. 조명팬 발생기는 (i) 콜리메이트 레이저빔을 수신하고, (ⅱ) 확산광의 평면팬을 출력하고― 평면팬은 상기 하나 이상의 선형 확산기 중 최외곽의 선형 확산기상에 형성되는 광 라인으로부터 유래됨―, 그리고 (ⅲ) 평면팬과 물체의 교차부에서 조명 라인이 형성되도록, 배열 및 구성된다.

Description

저스페클 라인으로서 이미징될 수 있는 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템{SYSTEM FOR FORMING A HOMOGENIZED ILLUMINATION LINE WHICH CAN BE IMAGED AS A LOW-SPECKLE LINE}
물체와 평면 시트의 교차부에서 형성되는 조명 라인이 균질화되고, 디스페클(de-speckled) 라인으로서 이미징될 수 있도록, 물체를 조명하기 위한 레이저광의 평면 시트를 생산하는 기술이 기재되어 있다.
레이저광은, 시트 또는 팬(fan)으로, 광원으로부터 물체로 투사되며, 레이저광과 물체의 교차부는 조명 라인을 형성한다. 이 조명 라인은, 카메라를 사용하는 많은 어플리케이션에서, 기준 표면에 대한 물체의 표면 레벨이나 물체의 프로파일을 판단하기 위하여 이미징된다.
조명 라인의 이미지의 충실도(fidelity)는 스파클(sparkle) 또는 스페클에 의해서 부정적인 영향을 받는다. 스파클은 물체의 각진 표면(facetted surface)에서 반사되는 레이저광의 스퓨리어스 반사에 의해 야기된다. 스페클은 물체의 광학적으로 거친 표면에서 반사된 코히런트광의 반사에 의해 야기된 서로 다른 위상을 갖는 코히런트 레이저광의 간섭에 의해 야기된다. 이러한 영향은 (ⅰ) 조명 라인의 이미지를 획득하는 카메라, 또는 (ⅱ) 조명 라인을 보는 뷰어(viewer)에서 조명 라인에서 고르지 못하고 국부적으로 왜곡된 이미지를 생성한다. 이와 같이, 이러한 영향들은 물체의 레이저광 기반 측정에 대한 정확도를 감소시킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 기술은, 광원과 물체의 사이에 배치된 팬모양(fan-shaped) 빔 발생기와 선형 확산기를 사용하며, 팬모양 빔 발생기와 선형 확산기의 각각은 자신을 통과한 광을 미리 정해진 방향을 따라서 퍼지게 한다. 팬모양 빔 발생기는 그 자체가 확산기일 수 있고, 또는 파웰 렌즈(powell lens) 또는 원통형 렌즈 중 하나일 수 있다. 추가적으로, 팬모양 빔 발생기 및 선형 확산기는 미리 정해진 방향을 따라 서로 상대적으로 이동될 수 있다. 어느 경우든지, 팬모양 빔 발생기 및 선형 확산기를 통과하여 전송된 레이저광은 시트 또는 팬으로 물체로 투사되고, 물체와 시트 또는 팬의 교차부는 (i) 미리 정해진 방향을 따라 균질화되고 (ⅱ) 조명 라인의 스팬(span)에 걸친 물체의 높이에 대한 변화에 상관없이, 미리 정해진 방향에 수직인 가우시안 프로파일(Gaussian profile)(또는 광원으로부터 방출(emit)되는 레이저광과 연관된 다른 프로파일)을 가지는 조명 라인을 형성한다. 팬모양 빔 발생기 및 선형 확산기가 서로 상대적으로 이동할 경우, 물체와 시트 또는 팬의 교차부에 형성된 균질화된 조명 라인이 디스페클 라인으로서 이미징(및/또는 관찰)될 수 있다.
개시된 기술의 양태에 따르면, 시스템은 콜리메이트 레이저빔을 방출하는 레이저; 및 하나 이상의 선형 확산기를 포함하는 조명팬(illumination-fan) 발생기를 포함한다. 조명팬 발생기는 (i) 콜리메이트 레이저빔을 수신하고, (ii) 확산광의 평면팬(planar fan)을 출력하고― 평면팬은 하나 이상의 선형 확산기 중 최외곽의 선형 확산기상에 형성되는 광 라인으로부터 유래됨―, 및 (iii) 평면팬 및 물체의 교차부에 조명 라인이 형성되도록, 배열 및 구성된다.
상술한 실시예 및 다른 실시예는 하나 이상의 후술하는 특징을, 단독으로 또는 조합하여 각각 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 선형 확산기는 의사랜덤 실린더 어레이 또는 홀로그래픽 광학 소자 중 하나를 포함한다.
일부 구현예에서, 조명팬 발생기는 팬모양 빔 발생기와 확산 방향을 갖는 선형 확산기를 포함할 수 있다. 여기서, 팬모양 빔 발생기는 콜레메이트 레이저빔을 수신하고, 확산 방향에 평행한 광 라인을 따라 선형 확산기와 교차하는 팬모양 빔을 형성하도록 배열 및 구성되어 있다. 부가적으로, 선형 확산기는 평면팬을 형성하도록 광라인에 상응하는 광을 전송한다. 일부 경우에는, 팬모양 빔 발생기는 선형 확산기를 포함할 수 있다. 이 경우에, 팬모양 빔 발생기는 원통형 렌즈 또는 파웰 렌즈 중 하나를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서는, 팬모양 빔 발생기에 의해 형성된 팬모양 빔의 발산각(divergence angle)은 목표 발산각보다 크다. 부가적으로, 팬모양 빔에 의해 선형 확산기상에 형성되는 광 라인의 길이 "LX" 가 목표 길이보다 큰 것을 보장하도록, 팬모양 빔 발생기와 선형 확산기의 간격(separation) "d"는 미리 정해진 간격보다 크다. 여기서, 미리 정해진 간격은 목표 발산각 및 목표 길이에 비례한다.
일부 구현예에서, 시스템은 팬모양 빔 발생기에 대한 선형 확산기의 주기 운동을 야기시키도록 구성된 드라이버를 포함할 수 있다. 여기서, 주기 운동은 선형 확산기의 확산 방향을 따른다. 이에 더하여, 시스템은 또한 그 광축이 확산광의 평면팬에 대해 예각을 이루도록 배치되고, 조명 라인의 이미지를 디스페클 이미지로서 형성하도록 구성된 이미지 획득 디바이스를 포함할 수 있다. 여기서, 디스페클 이미지는 노광 시간 간격동안 형성된 조명 라인의 인스턴스 이미지의 시퀀스의 평균을 포함한다. 이에 더하여, 드라이버는 주기 운동의 속도가 미리 정해진 속도 미만일 때, 레이저를 비활성화시키도록 구성되고, 미리 정해진 속도는 노광 간격에 반비례한다.
일부 구현예에서, 조명팬 발생기는 그 축이 콜리메이트 레이저빔의 전파 방향에 수직하게 배열된 원통형쉘 모양 선형 확산기를 포함할 수 있으며, 상기 원통형쉘 모양 선형 확산기는 (i) 원통형쉘 모양 선형 확산기의 입력부에서 콜리메이트 레이저빔을 수신하고, (ii) 확산 방향과 평행한 광 라인을 따라 원통형쉘 모양 선형 확산기의 출력부와 교차하는 팬모양 빔을 형성하고, 그리고 (iii) 평면팬을 형성하도록, 광 라인에 상응하는 광을 출력부를 통해 전송하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 원통형쉘 모양 선형 확산기의 입력부에 의해 형성된 팬모양 빔의 발산각은 목표 발산각보다 크다. 부가적으로, 원통형쉘 모양 선형 확산기의 출력부상의 팬모양 빔에 의해 형성된 확산광 윤곽(contour)의 길이 "LX"가 목표 길이보다 큰 것을 보장하도록, 원통형쉘 모양 선형 확산기의 직경은 미리 정해진 직경보다 크다. 여기서, 미리 정해진 직경은 목표 발산각 및 목표 길이에 비례한다.
일부 구현예에서, 시스템은 그 축을 중심으로 원통형쉘 모양 선형 확산기의 회전을 야기시키도록 구성되는 드라이버를 포함할 수 있으며, 상기 회전은 원통형쉘 모양 선형 확산기의 확산 방향을 따른 것이다. 이에 더하여, 시스템은 그 광축이 확산광의 평면팬에 대해 예각을 이루도록 배치되고, 조명 라인의 이미지를 디스페클 이미지로서 형성하도록 구성된 이미지 획득 디바이스를 포함할 수 있다. 여기서, 디스페클 이미지는 노광 시간 간격동안 형성된 조명 라인의 인스턴스 이미지의 시퀀스의 평균을 포함한다.
일부 구현예에서, 시스템은 그 광축이 확산광의 평면팬에 대해 예각을 이루도록 배치되고, 상기 조명 라인의 이미지를 균질화된 라인으로 형성하도록 구성된 이미지 획득 디바이스를 포함할 수 있다.
개시된 기술들의 특정 양태는 하나 이상의 후술하는 잠재적 장점을 실현하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 개시된 기술에 따르면, 라인을 따르는 그리고 그 라인에 수직인 조명 라인의 품질은, 상술되어진 것처럼, 파웰 렌즈에 의해 야기되는 원치않는 회절 및 굴절 영향이 조명 라인의 이미지에 전해질 수 있기 때문에, 상대(companion) 선형 확산기를 사용하지 않고 파웰 렌즈만을 사용하여 달성할 수 있는 쪽이 더 낫다. 다른 예시로서, 개시된 기술에 따라 생성된 광의 팬은 팬면에 수직인 방향에서 효과적으로 가우시안이 될 수 있지만, 팬면에서는, 조명 프로파일이 다양한 조명 프로파일을 만족하도록 설계될 수 있다. 또 다른 예시로서, 개시된 기술은 라인 방향에 수직인 방향에서 조명 라인의 품질에 영향을 미치지 않고 레이저광의 코히런스를 효과적으로 감소시킨다. 또 다른 예시로서, 팬모양 빔 발생기의 후에 선형 확산기를 사용함으로써, 광원에 포함된 레이저 파워는 눈이 이제 연장된 (잠재적으로 높은 강도의) 광원을 바라보기 때문에 레이저 안전성에 문제없이 증가될 수 있다.
개시된 기술들의 하나 이상의 구현예에 대한 세부 사항은 첨부 도면 및 이하의 설명에서 설명된다. 다른 특징들, 양태들, 설명들 및 잠재적인 장점들은 상세한 설명, 도면들 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1a 내지 도 1b는 균질화된 조명 라인을 형성하는 레이저기반 이미저(laser-based imager)의 예시의 양태를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2c는 저스페클(low-speckle) 라인으로서 이미징될 수 있는, 균질화된 조명 라인을 형성하는 레이저기반 이미저의 예시의 양태를 나타낸다.
도 3은 저스페클 라인으로서 이미징될 수 있는, 균질화된 조명 라인을 형성하는 레이저기반 이미저의 다른 예시를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1a, 도 2a 및 도 3의 레이저기반 이미저의 일부일 수 있는 선형 확산기의 양태를 나타낸다.
개시된 기술의 소정의 예시적인 양태들은 후술하는 설명 및 첨부 도면들과 관련하여 본 명세서에서 설명된다. 그러나 그러한 양태들은 개시된 기술의 원리가 이용될 수 다양한 방법 중 단지 일부를 나타내고, 개시된 기술은 모든 그러한 양태 및 그 등가물을 포함하도록 의도된다. 개시된 기술의 다른 장점 및 신규한 특징은 도면과 관련하여 고려될 때 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 수 있다.
도 1a는 균질화된 조명 라인(137)을 사용하는 레이저기반 이미저(100)의 예시를 나타낸다. 이미저(100)는 레이저기반 조명팬 소스(102)와 이미지 획득 디바이스(140)를 포함한다. 소스(102)는 여기서 (예를 들어) z축을 따라 배향되는 광축(101)을 가지고, 광축을 따르고 그리고 (x,z)면에 평행하게, 확산광의 평면팬(135)을 출력하도록 구성된다. 평면팬(135)은 물체(190)상에 투사되고 평면팬과 물체의 교차부에서 조명 라인(137)을 형성한다. 조명 라인(137)은 물체가 굽거나 평평한 표면을 가지는 것에 상관없이, 물체(190)의 윤곽을 따른다는 것에 주목한다.
소스(102)는 레이저(110) 및 조명팬 발생기(120)를 포함한다. 레이저(110)는 레이저광을 광축(101)을 따르는 콜리메이트 레이저빔(111)으로서 방출하도록 배열 및 구성된다. 레이저(110)에 의해 방출된 레이저광의 파장은 400-2000nm의 범위일 수 있다. 조명팬 발생기(120)는 콜리메이트 레이저빔(111)을 수신하고 확산광의 평면팬(135)을 생성하도록 배열 및 구성된다.
조명팬 발생기(120)는 광축(101)에 공통되는 광학축을 갖는 팬모양 빔 발생기(122)와, 여기서는 (예를 들어) x축을 따르는, 광축(101)에 수직인 확산 방향을 갖는 하나 이상의 선형 확산기를 포함한다. 팬모양 빔 발생기(122)와 하나 이상의 선형 확산기는 광축(101)을 따라 분산된다. 팬모양 빔 발생기(122)는 x축을 따라서 콜리메이트 레이저빔(111)을 팬모양 빔(123)으로서 퍼지게 하도록 배열 및 구성된다. 도 1a에 도시된 예시에서, 조명팬 발생기(120)는 여기서는 (예를 들어) x축을 따라서, 광축(101)에 수직인 확산 방향을 가지는 하나의 선형 확산기(132)를 포함한다. 팬모양 빔 발생기(122)는 그 자체가 x축을 따르는 확산 방향을 가지는 선형 확산기일 수 있고, 또는 파웰 렌즈 또는 원통형 렌즈 중 하나일 수 있다는 것에 주목한다. 후자의 경우, 파웰 렌즈 또는 원통형 렌즈 각각은 (y-z)면에서 광 출력이 있고, (x,z)면에서 광 출력이 없다. 팬모양 빔 발생기(122)가 레이저(110) 및 선형 확산기(132)의 사이에 배치되도록, 팬모양 빔 발생기(122)는 제1 마운트(124)에 의해 지지되고 선형 확산기(132)는 제1 마운트로부터 이격되어 있는 제2 마운트(134)에 의해 지지된다.
레이저(110)는 레이저빔(111)을 팬모양 빔 발생기(122)상에 빔 스팟(113)으로서 투사한다. 팬모양 빔 발생기(122)는 (x,z)면에 평행하게 팬 모양 빔(123)을 형성하도록, 빔 스팟(113)에 상응하는 광을 전송한다. 팬모양 빔 발생기(122)가 선형 확산기로 구현될 때, 팬모양 빔(123)이 x축을 따라 확산된 (및 y축을 따라 확산되지 않은) 전송된 광으로부터 형성된다는 것에 주목한다. 팬모양 빔 발생기(122)가 파웰 렌즈 또는 원통형 렌즈로 구현될 때, 팬모양 빔(123)은 x축을 따라 방향 전환된 (및 y축을 따라 방향 전환되지 않은) 전송된 광으로부터 형성된다. 이와 같이, 팬모양 빔 발생기(122)는 팬모양 빔(123)을 선형 확산기(132)상에 x축을 따른 광 라인(127)으로서 투사한다. 팬모양 빔 발생기(122)가 선형 확산기로서 구현될 때, 확산광의 팬모양 빔(123)이 선형 확산기(132)상에 확산광 라인(127)으로서 투사된다는 것에 주목한다. 선형 확산기(132)는 (x,z)면에 평행한 확산광의 평면팬(135)을 형성하도록, 광 라인(127)에 상응하는 광을 전송한다. 평면팬(135)은 ((x,z)면에 평행한) 팬모양 빔(133)의 중첩이고, 각 팬모양 빔은 선형 확산기(132)가 광 라인(127)의 상응하는 포인트로부터 방사된 광을 확산시킴으로써 형성된다는 것에 주목한다. 이와 같이, 선형 확산기(132)는 확산광의 평면팬(135)을 물체(190)상에 균질화된 조명 라인(137)으로서 투사한다.
일부 구현예에서, 선형 확산기(132)는 (예를 들어, 반지름, 개구수(NA), 및 깊이가 랜덤한) 선형 확산 랜덤 실린더 어레이, 의사랜덤 설계 실린더 어레이, 또는 홀로그래픽 광학 소자 중 하나일 수 있고, 이들 각각은 광 라인(127)의 포인트에 상응하는 광이 그곳을 통과하여 전송될 때, 확산광의 팬모양 빔(133)을 제공하도록 구성된다. 각 팬모양 빔(133)은 여기서는 (x,z)면에서, 예컨대 반경, NA, 깊이의 값과 같은 실린더 어레이의 특성에 의해 결정되는, 확산각을 갖는다. 팬모양 빔 발생기(122)는, 선형 확산기로서 구현될 때, 선형 확산기(132)와 동일하거나 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 선형 확산기로서 구현될 때, 선형 확산기(132) 및 팬모양 빔 발생기(122)의 미세 구조 및 의사랜덤 성질이 x축을 따라서 조명 라인(137)의 향상된 등질성(uniformity)을 제공한다는 것에 주목한다. 동시에, (확산광 라인(127) 뿐만아니라) 조명 라인(137)의 y축을 따르는 프로파일은 본질적으로 여전히 빔 스팟(113)의 y축을 따르는 프로파일과 같게 유지된다.
개시된 선형 확산기(132), 그리고 일부 구현예에서 팬모양 빔 발생기(122)로서 사용되는 선형 확산기는, 뉴욕의 Rochester의 RPC Photonics, Inc.에 의해 제조된 EDL (engineered diffuser line) 시리즈 중에 속하는, 적절한 파라미터를 갖는 설계된 확산기로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 EDL 시리즈에 속하는 선형 확산기(422)의 (x-z)면의 측면도이다. 여기서, 선형 확산기 표면은 (여기서는, 좌우 방향으로 배향되는) x축을 따라서 변하지만, (여기서는, 지면을 관통하는 방향으로 배향되는) y축을 따라서는 일정하다. 도 4b는 탑햇 앵귤러 프로파일(top-hat angular profile)을 갖는 EDL-40으로 형성된 팬모양 빔에 대해 측정된 광 강도(472)를 나타낸다. 여기서, 팬모양 빔의 광강도는 (y-z)면에 대해 각도 범위의 [-20°,+20 °] 에 걸쳐서 실질적으로 일정하고, 보다 큰 각에 대해서는 급격히 (실질적으로 제로로) 떨어진다. 보다 구체적으로, 직경 5mm를 갖는 입력 빔 스팟에 대해, 검출기 각도가 0.25 °인 경우에는, 90%(50%)의 전체폭은 39.9°(42.9°)이다. 또한, 도 4b는 선형 확산기 EDL-40에 의한 산란이 팬모양 빔 내에서 비교적 균일한 것을 나타낸다. 다른 모델은 팬모양 빔의 더 작은 발산(예들 들어, EDL-4의 경우 총 발산 4°인 경우 +/-2 °까지) 또는 팬모양 빔의 더 큰 발산(예를 들어, EDL-120의 경우 총 발산 120°인 경우 +/-60 °까지)을 허용한다. 도 4c 는 팬모양 빔 프로파일의 이미지(474)이며, 이는 EDL 시리즈에 속하는 선형 확산기의 경우, 확산이 한 방향(여기서는 x축)을 따라서 단독적으로 발생하고, (여기서는 y축을 따르는) 횡방향에서는 사실상 확산이 발생하지 않는 것을 나타낸다. 이것은 확산광의 평면팬(135)과 그로 인한 조명 라인(137)이 두꺼워지지(thickening) 않고/넓어지지(broadening) 않는 것을 보장한다.
다시 도 1a을 참조하면, 이미지 획득 디바이스(140)(예를 들어, 레이저기반 조명팬 소스(102)와 결합되거나, 또는 레이저기반 소스(102)와 함께 공통 디바이스 하우징 내에 집적된 카메라)는 균질화된 조명 라인(137)으로 조명되었을 때(190)를 이미징하도록 배열 및 구성된다. 여기서, 이미지 획득 디바이스(140)의 광축(142)은 (y, z)면에 배열되고, 레이저기반 조명팬 소스(102)의 광축(101)과 예각 SA(즉, 0보다 크고 90 °보다 작음)를 형성한다. 이미지 획득 디바이스(140)는 이미지 센서와 이미지 센서상에 조명 라인(137)의 이미지를 형성하는 광학 서브시스템을 포함한다. 일부 구현예에서, 확산광의 평면팬(135), 이미지 획득 디바이스(140)의 이미지 센서의 면, 및 예각 SA는 샤임플러그 조건(Scheimpflug condition)을 만족한다. 이미지 획득 디바이스(140)의 이미지 센서는 조명 라인(137)의 이미지를 라인-조명된 물체(190)의 디지털 이미지를 생성하기 위한 정보로 변환하도록 구성된다.
이제 도 1b를 참조하면, 조명팬 발생기(120)는 레이저기반 조명팬 소스가 동작하는 동안 확산광의 평면팬(135)을 출력한다. 관찰자가 발생기(120)를 똑바로 보고 있을 때, 예를 들어, 관찰자의 눈(142)이 광축(101)상에 있거나, 또는 광축(101) 부근에 있으면, 평면 팬(135)은 윤곽(139)을 따라 눈과 교차한다. 이러한 상황에서, 관찰자가 선형 확산기(132)상의 광 라인(127)을 보면, 관찰자의 눈(142)은 망막(144)상에 광 라인의 이미지(145)를 형성한다. 망막에 전달되는 광 강도(∝ 광 출력/길이)가 안전 임계치를 초과하지 않도록, 라인 이미지(145)가 충분하게 긴 길이 lX 이상 연장되면, 관찰자는 불편함을 경험하거나 손상을 입지 않을 것이다. 여기서, 안전 임계치는 높은 레벨의 레이저 안전성에 상응한다. 또한, 망막(145)상의 광 강도가 언급된 안전 임계치 미만인 것을 보장하기 위해서, 선형 확산기(132)상의 광 라인(127)의 길이 LX는 빔 스팟(113)에서 소정의 입력 광 강도를 위한 특정 목표를 초과해야 한다. 국제 전기 기술위원회(IEC)에 의해 규정된 레이저 안전 표준에 따른 C6 안전 보정 계수를 최대화하기 위해서, 길이 LX는 적어도 10mm이어야 하고, 확산각은 적어도 6°이어야 한다. 이와 같이, 길이 LX는 10, 30, 50 또는 100mm일 수 있다. 광 라인(127)의 길이 LX는 (ⅰ) 팬모양 빔 발생기(122)와 선형 확산기(132) 사이에서 z축을 따르는 간격 d, 그리고 (ii) 팬모양 빔(123)의 발산각에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 소정의 발산각에 대하여, 간격 d가 증가/감소할 때, 길이 LX가 증가/감소한다. 다른 예시로서, 소정의 간격 d에 대해서, 발산각이 증가/감소할 때, 길이 LX가 증가/감소한다. 도 1b에서, 관찰자의 눈(142)과 선형 확산기(132)의 거리 D와, 팬모양 빔 발생기(122)와 선형 확산기(132)의 간격 d는 축적에 맞춰 그려진 것이 아니며, 비율 D/d는 10배만큼 클 수 있다는 것에 주목한다.
팬모양 빔 발생기(예를 들어, 팬모양 빔 발생기(122))만을 가지는 조명팬 발생기의 경우, 관찰자가 조명팬 발생기를 똑바로 바라보고 있으면, 관찰자는 팬모양 빔 발생기(122)상의 빔 스팟(113)을 보게 될 것이라는 것에 주목한다. 이와 같이, 관찰자의 눈(142)은 망막(144)상에 빔 스팟(113)의 이미지를 형성할 것이다. 조명팬 발생기(120)와 관련하여 상술된 빔 스팟(113)에서의 동일한 소정의 입력 광 강도의 경우, 빔 스팟의 이미지에 의해 망막에 전달되는 광 강도는 언급된 안전 임계치를 초과할 가능성이 있다. 이와 같이, 조명팬 발생기(120)는 또한 종래 조명팬 발생기에 의해 만족된 높은 레벨의 레이저 안전성을 만족할 수 있지만, 개시된 조명팬 발생기는 종래 조명팬 발생기보다 높은 출력의 레이저를 사용한다. IEC 60825 레이저 안전 표준에 따라 레이저 클래스 3R로 제한되어 있는, 시판되는 일반적인 레이저 프로파일 디바이스 또는 다른 머신 비전 디바이스는, 눈 안전성을 보호하기 위하여, 겉보기 광원(apparent source)으로부터 100mm 떨어져 위치된 7mm 개구를 통해 5mW의 레이저 빔을 제공하도록 제한된다. 상술한 레이저 안전 표준에 따라서, 겉보기 광원이 눈의 한 포인트에서 이미징될 수 없으면, C6 보정 계수가 적용될 수 있다. 이 계수는 소스의 끼임각(included angle)과 어떻게 관찰자의 눈이 이미징할 수 있는지에 의해서 결정된다. 빔이 가우시안이고 팬을 가로지르는 축에서 무시해도 좋은 두께이고, 연장(extended) 소스(즉, 광 라인(127))가 10mm 길이라고 가정하면, C6은 레이저기반 조명팬 소스(102)에 대하여 AEL(acceptable exposure limit, 수용 가능한 노광 한도)에 대해 ~30의 보정 계수를 제공할 것이다. 이와 같이, 레이저기반 조명팬 소스(102)의 레이저(110)는 겉보기 광원으부터 100mm 떨어져 위치된 7mm 개구를 통해 150mW의 레이저빔(30x5)정도까지 제공하도록 구성될 수 있으며, 이는 여전히 눈 안전성을 보호할 수 있다.
균질하긴 하지만, 이미지 획득 디바이스(140)에 의해 이미징되거나 또는 예각(예를 들어, SA) 미만의 관찰자에 의해 관찰될 때, 레이저기반 조명팬 소스(102)에 의한 출력인 평면팬(135)과 물체(190)의 교차부에 형성되는 조명 윤곽(137)은 여전히 스페클이 존재할 수 있다는 것에 주목한다. 후술되는 개선 사항은 언급된 스페클을 감소시킬 수 있다.
도 2a는 저스페클라인으로서 이미징(및/또는 관찰)될 수 있는 균질화된 조명 라인(237)을 사용하는 레이저기반 이미저(200)의 예시를 나타낸다. 이미저(200)는 레이저기반 조명팬 소스(202) 및 이미지 획득 디바이스(240)를 포함한다. 일부 구현예에서, 이미지 획득 디바이스(240)는 도 1a와 관련하여 상술되어진 이미지 획득 디바이스(140)일 수 있다. 소스(202)는 여기서는 (예를 들어) z축을 따라 배향되는 광축(201)을 가지며, 광축을 따르고 그리고 (x,z)면에 평행하게, 확산광의 평면팬(235)을 출력하도록 구성된다. 평면팬(235)은 물체(290)상으로 투사되고 평면팬(235)과 물체(290)의 교차부에서 조명 라인(237)을 형성한다.
소스(202)는 레이저(210)와 조명팬 발생기(220)를 포함한다. 일부 구현예에서, 레이저(210)는 도 1a와 관련하여 상술된 레이저(110)일 수 있다. 레이저(210)는 광축(201)을 따라서 레이저광을 콜리메이트 레이저빔(211)으로서 방출하도록 배열된다. 조명팬 발생기(220)는 콜리메이트 레이저빔(211)을 수신하고 확산광의 평면팬(235)을 생성하도록 배열 및 구성된다.
조명팬 발생기(220)는 광축(201)에 공통되는 광축을 가지는 팬모양 빔 발생기(222), 및 여기서는 (예를 들어) x축을 따르는, 광축(201)에 대해 수직인 확산 방향을 가지는 하나 이상의 선형 확산기를 포함한다. 팬모양 빔 발생기(222) 및 하나 이상의 선형 확산기는 광축(201)을 따라서 분산된다. 팬모양 빔 발생기(222)는 x축을 따라서 콜리메이트 레이저빔(211)을 팬모양 빔(223)으로서 퍼지게 하도록 배열 및 구성된다. 도 2a에 도시된 예시에서, 조명팬 발생기(220)는 또한 x축을 따르는 확산 방향을 가지고, 팬모양 빔 발생기(222)가 레이저(210)와 선형 확산기(232) 사이에 배치되도록, 팬모양 빔 발생기(222)로부터 z축을 따라서 떨어져 있는 하나의 선형 확산기(232)를 포함한다. 일부 구현예에서, 팬모양 빔 발생기(222) 및 선형 확산기(232)는 각각 도 1a에 관련하여 상술된 팬모양 빔 발생기(122) 및 선형 확산기(132)일 수 있다.
도 2a에 도시된 예시에서, 소스(202)가 동작하는 동안에, 팬모양 빔 발생기(222) 및 선형 확산기(232) 중 적어도 하나는 여기서는 (예를 들어) x축을 따르는 확산 방향을 따라서 주기적으로 이동할 수 있다. 이와 같이, 팬모양 빔 발생기(222)는 제1 선형 스테이지(224)에 의해 지지되고, 선형 확산기(232)는 제2 선형 스테이지(234)에 의해 지지된다. 일부 구현예에서, 제1 및 제2 선형 스테이지(224, 234)는 가이드, 모터, 보이스 코일, 피에조 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 선형 스페이지(224)는 빔 확장(beam expansion) 방향을 따라 배열되고, 제1 선형 스테이지가 팬모양 빔 발생기(222)를 빔 확장 방향으로 주기적으로 이동시키도록 구성된 제1 선형 액추에이터(252)를 포함한다. 제2 선형 스페이지(234)는 확산 방향을 따라 배열되고, 제2 선형 스테이지가 선형 확산기(232)를 확산 방향으로 주기적으로 이동시키도록 구성된 제2 선형 액추에이터(254)를 포함한다.
도 2a에 도시된 예시에서, 소스(202)는 또한 레이저(210)와 연결되고, 제1 선형 액추에이터(252) 또는 제2 선형 액추에이터(254) 중 하나, 또는 제1 선형 액추에이터(252) 및 제2 선형 액추에이터(254) 모두에 연결된 드라이버(250)를 포함한다. 다른 구현예에서, 드라이버(250)는 소스(202)의 외부에 있으며, 레이저(210)와 제1 및 제2 선형 액추에이터(252, 254)에 연결된다. 이러한 방식으로, 드라이버(250)는 제어 신호를 레이저(210)와 제1 및 제2 선형 액추에이터(22, 254)로 보낼 수 있다.
이제, 소스(202)의 동작을 참조하면, 레이저(210)는 레이저빔(211)을 팬모양 빔 발생기(222)상에 빔 스팟(213)으로서 투사한다. 팬모양 빔 발생기(222)는 (x,z)면에 평행한 팬모양 빔(223)을 형성하도록 빔 스팟(213)에 상응하는 광을 전송한다. 이와 같이, 팬모양 빔 발생기(222)는 x축을 따라서 팬 모양 빔(223)을 광 라인(227)으로서 선형 확산기(232)상에 투사한다. 선형 확산기(232)는 (x,z)면에 평행한 확산광의 평면팬(235)을 형성하도록 광 라인(227)에 상응하는 광을 전송한다. 평면팬(235)은 ((x,z)면에 평행한) 팬모양 빔(233)의 중첩이며, 각 팬모양 빔(233)은 선형 확산기(232)가 광 라인(227)의 상응하는 포인트로부터 방사된 광을 확산시킴으로써 형성된다. 이와 같이, 선형 확산기(232)는 확산광의 평면팬(235)을 물체(290)상에 조명 라인(237)으로서 투사한다.
일부 구현예에서, 팬모양 빔 발생기(222)는 광축(201)에 대해 정적이고(stationary), 선형 확산기(232)는 광축(201)에 대해 x축을 따라 주기적으로 이동한다(예를 들어, 드라이버(250)는 제1 선형 액추에이터(252)를 비활성화시키고 제2 선형 액추에이터(254)를 활성화시킴). 이러한 경우에, 팬모양 빔 발생기(222)는 (ⅰ) 선형 확산기 또는 (ii) 파웰 렌즈 또는 원통형 렌즈 중 하나 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 여기서, 정적 광 라인(227)은 이동하는 선형 확산기(232)의 복수 위치에서 형성될 것이며, 각 위치는 그것의 국부 조도 프로파일(local roughness profile)을 갖는다. 도 2b는 선형 확산기(232)가 x축을 따라 이동될 때, 제1 스캔 경로의 한 "위치"에서의 국부 조도는 제1 스캔 경로의 다른 위치에서의 국부 조도와 랜덤하게 다르도록, 정적 광 라인(227)이 길이 PX의 제1 스캔 경로(231)를 거쳐 형성될 것을 나타내는데, 길이 PX는 정적 광 라인의 길이 LX보다 2,3,5, 또는 10배 클 수 있다. 여기서, 제1 스캔 경로(231)의 위치는 길이 LX의 광 라인(227)을 갖는다. 이러한 방식으로, 이동하는 선형 확산기(232)에 의해 형성되는 평면팬(235)의 복수의 인스턴스는 서로 랜덤하게 다를 것이므로, 정적 물체(290)상에 형성된 정적 조명 라인(237)의 복수의 인스턴스도 서로 랜덤하게 다를 것이다. 정적 조명 라인(237)의 복수의 인스턴스에 상응하는 랜덤하게 다른 스페클 패턴은 이미지 획득 디바이스(240)의 노광 시간에 걸쳐 평균화될 것이므로, 정적 조명 라인(237)은 이미지 획득 디바이스에 의해 저스페클 라인으로서 이미화될 것이다. 이 경우, 정적 조명 라인(237)의 복수의 인스턴스에 상응하는 스페클 패턴의 랜덤성(randomness)은 적어도 부분적으로, 제1 스캔 경로(231)의 상이한 위치에서의 선형 확산기(232)의 표면 조도의 랜덤 차이에 의해 야기된다는 것에 주목한다.
일부 구현예에서, 팬모양 빔 발생기(222)는 광축(201)에 대해 x축 방향을 따라서 주기적으로 이동하고, 선형 확산기(232)는 광축(201)에 대해 정적이다(예를 들어, 드라이버(250)는 제1 선형 액추에이터(252)를 활성화시키고 제2 선형 액추에이터(254)를 비활성화시킴.) 이러한 경우에, 팬모양 빔 발생기(222)는 선형 확산기로 구현되고, 이것은 제1 선형 확산기(222)로서 참조된다. 동일한 맥락에서, 선형 확산기(232)는 제2 선형 확산기(232)로서 참조된다. 여기서, 정적 빔 스팟(213)이 움직이는 제1 선형 확산기(232)의 복수 포인트에 형성될 것이며, 각 포인트는 그것의 국부 조도 프로파일을 갖는다. 도 2c는 제1 선형 확산기(222)가 x축을 따라 이동될 때, 정적 빔 스팟(213)은 제2 스캔 경로의 한 "포인트"에서의 국부 조도가 제2 스캔 경로의 다른 포인트에서의 국부 조도와 랜덤하게 다르도록, 길이 pX의 제2 스캔 경로(221)를 거쳐 형성될 것이며, 길이 pX는 빔 스팟의 직경보다 10,20,30,50, 또는 100배 클 수 있다. 여기서, 제2 스캔 경로(231)의 포인트는 빔 스팟(213)의 크기를 갖는다. 이러한 방식으로, 이동하는 팬모양 빔 발생기(222)에 의해 형성되는 확산광의 팬모양 빔(223)의 복수의 인스턴스는 서로 랜덤하게 다를 것이므로, 정적 제2 선형 확산기(232)상에 형성된 정적 확산광 라인(227)의 복수의 인스턴스도 서로 랜덤하게 다를 것이다. 이와 같이, 정적 제2 선형 확산기(232)에 의해 형성된 평면팬(235)의 복수의 인스턴스는 서로 랜덤하게 다를 것이므로, 물체(290)상에 형성된 정적 조명 라인(237)의 복수의 인스턴스도 서로 랜덤하게 다를 것이다. 정적 조명 라인(237)의 복수의 인스턴스에 상응하는 랜덤하게 다른 스페클 패턴은 이미지 획득 디바이스(240)의 노광 시간에 걸쳐 평균화될 것이므로, 정적 조명 라인(237)은 이미지 획득 디바이스에 의해 저스페클 라인으로서 이미징될 것이다. 이 경우, 정적 조명 라인(237)의 복수의 인스턴스에 상응하는 스페클 패턴의 랜덤성은 적어도 부분적으로, 제2 스캔 경로(221)의 상이한 포인트에서의 제1 선형 확산기(222)의 표면 조도의 랜덤 차이에 의해 야기된다는 것에 주목한다.
후자 구현예의 일부 경우에, 제1 선형 확산기(222)와 제2 선형 확산기(223)는 모두 광축(201)에 대해 x축 방향을 따라서 주기적으로 이동한다(예를 들어, 드라이버(250)는 제1 선형 액추에이터(252)와 제2 선형 액추에이터(254)를 모두 활성화시킴.) 여기서, 제1 및 제2 선형 확산기(222, 232) 사이의 상대 운동(relative motion)의 위상은, 2개의 선형 확산기가 서로에 대해 운동하도록, 드라이버(250)에 의해 0과 다르게 제어될 수 있다. 이 경우, 정적 조명 라인(237)의 복수의 인스턴스에 상응하는 스페클 패턴의 랜덤성은 적어도 부분적으로, (i) 제2 스캔 경로(221)의 상이한 포인트에서의 제1 선형 확산기(222)의 표면 조도의 랜덤 차이, 그리고 (ii) 제1 스캔 경로(231)의 상이한 위치에서의 제2 선형 확산기(232)의 표면 조도의 랜덤 차이의 조합에 의해 야기된다.
다시 도 2a를 참조하면, 조명 라인(237)이 저스페클 라인으로서 이미징될 수 있는 것을 보장하기 위하여, 드라이버(250)는 제1 선형 스테이지(224)가 광축(201)에 대해 정지된 팬모양 빔 발생기(224)를 유지하고, 제2 선형 스테이지(234)가 광축(201)에 대해 그리고 x축을 따라서, 미리 정해진 주파수로 선형 확산기(232)를 주기적으로 이동시키도록 한다. 팬모양 빔 발생기(222)가 제1 선형 확산기(222)로서 구현될 때, 조명 라인(237)이 저스페클 라인으로서 이미징될 수 있는 것을 보장하도록, 드라이버(250)는 제1 선형 스테이지(224) 또는 제2 선형 스테이지(234), 또는 제1 선형 스테이지(224) 및 제2 선형 스테이지(234) 모두가 서로에 대해 그리고 x축을 따라서, 미리 정해진 주파수로 제1 선형 확산기(222)와 제2 선형 확산기(232)를 주기적으로 이동시키도록 한다. 이러한 경우들에서, 상대 운동의 미리 정해진 주파수는 0.5-500Hz의 범위 내에 있을 수 있다. 상대 운동 주파수 f의 특정 값은 스페클 콘트라스 C를 감소시키도록 요구된 (예를 들어, 제1 스캔 경로(231)또는 제2 스캔 경로(221)를 따른) 이동 범위 ΔX와 결합된 필요 노광 시간 Δt에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 조명팬 발생기(220)에서 사용되는 구조화된 선형 확산기의 타입은 대략 10~50μm의 사이즈 특징을 갖는다. C=10% 스페클 콘트라스트로 Δt=5ms(200Hz) 노광을 달성하기 위하여, 이미지 획득 디바이스 (240)는 5ms
Figure 112019007211915-pat00001
의 독립적으로 랜덤한 스페클 패턴 또는 초당 20000개를 평균화 한다. 스페클 패턴이 변화하면서, 제1 스캔 경로(231) 및/또는 제2 스캔 경로(221)를 따라 대략 모든 미크론은 이동하며, 즉 δx는 1㎛이다. 상술한 파라미터들은 다음 등식을 만족한다는 것에 주목한다.
Figure 112019007211915-pat00002
(1)
등식 (1)에 따르면, 대략 1mm의 이동 ΔX는 예를 들어, 상대 운동 주파수 f=20Hz에서 충분할 수 있다. 등식 (1)을 사용하여 결정되는 이들 및 다른 예시는, 패턴당 이동 δx, 상대 운동 주파수, 및 이동 범위의 다양한 값에 대해서, 표 1에 요약되어 있다.
N Δt(㎳) δx(㎛) f(Hz) ΔX(㎜)
100 5 1 20 1
100 5 1 2 10
100 5 1 1 20
100 5 10 20 10
100 5 10 2 100
100 5 10 1 200
일부 구현예에서, 제1 선형 액추에이터(252) 또는 제2 선형 액추에이터 중 하나, 또는 제1 선형 액추에이터(252) 및 제2 선형 액추에이터(254) 모두를 활성화시키는 것 외에, 드라이버(250)는 후술하는 방식으로 레이저를 활성화/비활성화시킴으로써 레이저(210)를 스트로브(strobe)할 수 있다. 단순화를 위해, 스트로빙은 드라이버(250)가 제1 선형 액추에이터(252)를 비활성화시키고 제2 선형 액추에이터(254)를 활성화시킴에 따라, 팬모양 빔 발생기(22)는 정적이고, 선형 확산기(232)는 광축(201)에 대해 운동할 때의 상황에 대해 설명될 것이다. 여기서, 드라이버(250)는 선형 확산기(232)의 속도가 미리 정해진 속도를 초과할 때 레이저(210)를 활성화시키고, 선형 확산기가 미리 정해진 속도보다 작은 속도를 가질 때, 레이저를 비활성화시킬 수 있다. 이러한 둔화 상태(slowdown condition)는 선형 확산기(232)가 운동 주기의 일부로서 방향을 변화시킬 때, 발생한다. 이러한 방식으로 레이저(210)를 스트로빙하는 것은, 충분하게 큰 수의 랜덤 스페클 패턴이 매우 짧은 노광 시간에 대해서도 평균화되는 것을 보장한다.
상기에서는 조명 라인(237)의 디스페클링 품질을 최적화하기 위해 사용될 수 있는 파라미터는 팬모양 빔 발생기(222)에 대한 확산기(232)의 운동 주파수; 그리고 (i) 제1 스캔 경로(231)의 상이한 위치에서의 (제2) 선형 확산기(232)의 표면 조도, 및/또는 (ⅱ) 제2 스캔 경로(221)의 상이한 포인트에서의 제1 선형 확산기(222)의 표면 조도의 랜덤 차이의 측정값일 수 있다고 언급되어 있다. 조명 라인(237)의 디스페클링 품질을 최적화하기 위해서 사용되는 다른 파라미터는 팬모양 빔 발생기(222)에 상응하는 발산각(예를 들어, 제1 선형 확산기(222)에 상응하는 제1 확산각)과 (제2) 선형 확산기(232)에 상응하는 제2 확산각의 차이이다. 예를 들어, 발산(제1 확산)은 5 °이고 (제2) 확산각은 40 °이다. 일반적으로, 팬모양 빔 발생기(제1 선형 확산기)(222)의 발산(제1 확산)각과 (제2) 선형 확산기(232)의 (제2) 확산각의 차이는 1%, 5%, 10%, 50%, 100%, 500% 또는 1000%이다. 이것은 (제2) 선형 확산기(232)의 주요 기능이 팬모양 빔 발생기(제1 선형 확산기)(222)에 의해 (제2) 선형 확산기상에 투사되는 광 라인(127)의 균질성을 현저히 증가시키고, 그리고 상기 광 라인(127)으로부터 스페클을 현저히 감소시키기 때문이다. 이것은 등질성을 향상시키고, 스페클 콘트라스트를 더 낮게 하는 선형 확산기(222, 232)의 미세 구조 및 의사-랜덤 특성인 것에 주목한다. 조명 라인(237)의 디스페클링 품질을 최적화하기 위해 사용되는 또 다른 파라미터는 팬모양 빔 발생기(222)와 선형 확산기(232) 사이의 간격 d이다. 예를 들어, 팬모양 빔 발생기(222)와 선형 확산기(232) 사이의 간격 d는 1, 2, 3, 5, 20, 50 또는 100mm 일 수 있다. 팬모양 빔 발생기(222)와 제2 선형 확산기(232) 사이의 간격 d는 조명 라인(237)의 디스페클링 품질뿐만 아니라, 예를 들어, 발생기(220)를 감싸기 위한 패키지의 부피 및/또는 외관 크기도 최적화하도록 특정된다는 것에 주목한다.
이미지 획득 디바이스(240)의 배열 및 기능은 도 1a와 관련하여 상술되어진 이미지 획득 디바이스(140)의 배열 및 기능과 유사하다. 여기서, 이미지 획득 디바이스(240)는 조명 라인(237)으로 조명되었을 때 물체(290)를 이미징하도록 배열 및 구성된다. 이미지 획득 디바이스(240)의 광축(242)은 (y,z)면에 배열되고, 레이저기반 조명팬 소스(202)의 광축(201)과 예각 SA를 이룬다. 이미지 획득 디바이스(240)는 이미지 센서와 이미지 센서상에 조명 라인(237)의 이미지를 형성하는 광학 서브시스템을 포함한다. 조명 라인(237)이 소스(202)에 의해 생성되는 방법 때문에, 노광 시간에 걸쳐 형성된 조명 라인(237)의 이미지는 균질화되어 있고 스페클프리(speckle-free)인 것에 주목한다. 이미지 획득 디바이스(240)의 이미지 센서는 조명 라인(237)의 이미지를 라인-조명된 물체(290)의 디지털 이미지를 생성하기 위한 정보로 변환하도록 구성된다.
예를 들어, 조명팬 발생기(예를 들어, 120 또는 220) 및 드라이버(예를 들어, 250)와 같은 구성요소를 단순화하기 위하여, 레이저기반 조명팬 소스(예를 들어, 102 또는 202)의 복잡도를 최적화하기 위한 방법이, 다음에 설명된다.
도 3은 저스페클 라인으로서 이미징(및/또는 관찰)될 수 있는 균질화된 조명 라인(337)을 이용하는 레이저기반 이미저(300)의 다른 예시를 나타낸다. 이미저(300)는 레이저기반 조명팬 소스(302)와 이미지 획득 디바이스(340)를 포함한다. 일부 구현예에서, 이미지 획득 디바이스(340)는 도 1a 또는 도 2a에 관련하여 상술되어진 이미지 획득 디바이스(140 또는 240) 중 어느 하나일 수 있다. 소스(302)는 여기서는 (예를 들어) z축을 따라 배향되는 광축(301)을 가지며, 광축을 따르고 그리고 (x,z)면에 평행하게, 확산광의 평면팬(335)을 출력하도록 구성된다. 평면팬(335)은 물체(390)상으로 투사되어 평면팬과 물체의 교차부에서 조명 라인(337)을 형성한다.
소스(302)는 레이저(310)와 조명팬 발생기(320)를 포함한다. 일부 구현예에서, 레이저(310)는 도 1a 또는 도 2a와 관련하여 상술된 레이저(110 또는 210)일 수 있다. 레이저(310)는 광축(301)을 따라서 레이저광을 콜리메이트 레이저빔(311)으로서 방출하도록 배열된다. 발생기(320)는 콜리메이트 레이저빔(311)을 수신하고 확산광의 평면팬(335)을 생성하도록 배열 및 구성된다.
발생기(320)는 원통모양 회전 스테이지(324)에 의해 지지되는 선형 확산기(322)를 포함한다. 여기서, 원통모양 회전 스테이지(324)는 광축(301)과 수직인 회전축(351)과, 원같은 모양의 (x,z)면에 평행한 단면을 가진다. 도 3에 도시된 예시에서, 회전 스테이지(324)의 회전축(351)은 y축에 평행하다. 선형 확산기(322)는 회전 스테이지(324)의 측면의 전체 둘레에 걸쳐 부착되어 있고, 이런 이유로, 원통쉘에 탄젠셜한 확산 방향을 갖는 원통형쉘 모양 선형 확산기를 형성한다.
도 3에 도시된 예시에서, 소스(302)가 동작하는 동안에, 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)는 y축을 중심으로 회전될 것이고, 즉 원통형쉘 모양 선형 확산기는 확산 방향으로 회전될 것이다. 이와 같이, 회전 스테이지(324)는 회전 스테이지가 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)를 확산 방향으로 회전시키도록 구성된 회전 액추에이터(352)를 포함한다. 여기서, 소스(302)는 또한 회전 액추에이터(352)와 통신하도록 구성된 드라이버(350)를 포함한다. 다른 구현예에서, 드라이버(350)는 소스(302)의 외부에 있으며, 상응하는 통신 채널을 통해 회전 액추에이터(352)와 통신한다.
일부 구현예에서, 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 확산 속성은 (i) 도 1a에 관련하여 상술된 선형 확산기(122 및 132), 그리고 (ⅱ) 도 2a와 관련하여 상술된 선형 확산기(222 및 232) 중 하나의 확산 속성과 동일하거나 유사할 수 있다. 또한, 원통모양 회전 스테이지(324)는 레이저(310)에 의해 방출된 광을 전송하도록 구성된다. 예를 들어, 원통모양 회전 스테이지(324)는 레이저광에 대해 투명한 물질 예를 들어, 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 원통모양 회전 스테이지(324)는 (x-z)면에 평행한 슬롯을 가질 수 있고 회전 스테이지를 통과하여 레이저광을 전송할 수 있는 매체(예를 들어, 공기, 유리, 플라스틱 등)로 채워질 수 있다.
이제, 소스(302)의 동작을 참조하면, 레이저(310)는 레이저빔(311)을 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 입력부(322A)상에 빔 스팟(313)으로서 투사한다. 입력부(322A)에 대한 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 확산 방향은 x축을 따른다는 것에 주목한다. 이러한 이유로, 입력부(322A)는 (x,z)면에 평행한 팬모양 빔(323A)을 형성하도록 빔 스팟(313)에 상응하는 광을 전송한다. 이와 같이, 입력부(322A)는 팬 모양 빔(232A)을 x축을 따르는 확산광 윤곽(327)으로서 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 출력(정반대)부(322B)상에 투사한다. 출력부(322B)는 입력부(322A)와 정반대이기 때문에, 출력부(322B)에 대한 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 확산 방향도 x축을 따른다는 것에 주목한다. 이러한 이유로, 출력부(322B)는 (x,z)면에 평행한 확산광의 평면팬(335)을 형성하도록 확산광 윤곽(327)에 상응하는 광을 전송한다. 평면팬(335)은 ((x,z)면에 평행한) 팬모양 빔(323B)의 중첩이며, 각 팬모양 빔은 출력부(322B)가 확산광 윤곽(327)의 상응하는 포인트로부터 방사된 광을 확산시킴으로써 형성된다. 이와 같이, 출력부(322B)는 확산광의 평면팬(335)을 물체(390)상에 조명 라인(337)으로서 투사시킨다.
소스(302)가 동작하는 동안, 드라이버(350)는 회전 액추에이터(352)를 활성화시키며, 이는 이어서, 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 입력부(322A)와 출력부(322B)가 반대 방향으로 계속하여 이동하도록, 회전 스테이지(324)가 y축을 중심으로 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)를 회전시키도록 한다. 이러한 방식으로, (광축(301)에 대해) 정적 빔 스팟(313)이 (광축(301)에 대해) 이동하는 입력부(322A)의 복수의 포인트에서 형성될 것이며, 각 포인트는 그것의 국부 조도 프로파일을 갖는다. 이와 같이, 이동하는 입력부(322A)에 의해 형성된 통합(unitary)된 평면팬(323A)의 복수의 인스턴스는 서로 랜덤하게 다를 것이므로, (광축(301)에 대해) 이동하는 출력부(322B)상에 형성된 (광축(301)에 대해) 정적 확산광 윤곽(327)의 복수의 인스턴스도 서로 랜덤하게 다를 것이다. 또한, 정적 확산광 윤곽(327)의 복수의 인스턴스 각각은 이동하는 출력부(322B)의 상이한 위치에서 형성될 것이고, 각 위치는 그것의 국부 조도 프로파일을 갖는다. 이와 같이, 이동하는 출력부(322B)에 의해 형성된 평면팬(335)의 복수의 인스턴스는 서로 랜덤하게 다를 것이므로, 정적 물체(390)상에 형성된 정적 조명 라인(337)의 복수의 인스턴스도 서로 랜럼하게 다를 것이다. 정적 조명 라인(337)의 복수의 인스턴스에 상응하는 랜덤하게 다른 스페클 패턴은 이미지 획득 디바이스(340)의 노광 시간에 걸쳐 평균화될 것이므로, 정적 조명 라인(337)은 이미지 획득 디바이스에 의해 스페클프리 라인으로서 이미징될 것이다. 이 경우, 정적 조명 라인(337)의 복수의 인스턴스에 상응하는 스페클 패턴의 랜덤성은 적어도 부분적으로, (i) 입력부(322A)의 상이한 포인트에서의 표면 조도의 랜덤 차이, 그리고 (ii) 출력부(322B)의 상이한 위치에서의 표면 조도의 랜덤 차이의 조합에 의해 야기된다는 것에 주목한다.
조명 라인(337)이 저스페클 라인으로서 이미징될 수 있는 것을 보장하기 위하여, 드라이버(350)는 회전 스테이지(324)가 미리 정해진 회전 주파수로 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)를 회전시키도록 한다. 이러한 방식으로, 원통형쉘 모양 선형 확산기의 입력부(322A)와 출력부는 x축을 따라서, 미리 정해진 속도로 서로에 대해 상대적으로 계속해서 이동한다. 미리 정해진 회전 주파수는 미리 정해진 속도와 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 직경(즉, 입력부(322A)와 출력부(322B) 사이에서 z축을 따른 거리)의 비율에 비례한다. 5-25mm 범위 내의 직경인 경우, 미리 정해진 회전 주파수는 50-500Hz의 범위 내에 있을 수 있다. 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)의 직경 및 회전 주파수의 특정 값은 선택된 확산 물질, 요구되는 눈 안정성 레벨, 및 이 기술 분야에서 원하는 (확산광의 평면팬(235)의) 팬각(fan angle)의 밸런스에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 30°(+/-15°) 선형 확산 물질이 유리(예를 들어, N-SF8 물질)로 된 20mm 직경 로드(rod) 렌즈 주위에 둘러싸질 수 있다. 로드 렌즈기반 조명팬 발생기(320)로의 입력빔(313)은 로드의 출력면(322B)에 도달할 때까지 (10mm 확산광 윤곽(327)에 상응하는) 대략 +/-5mm 퍼질 수 있다. 로드의 출력면(322B)의 광 출력은 팬모양 빔(323A)을 "곧게 출력"하여, 콜리메이트 상태가 되게 한다. 이어, 통과되는 마지막 표면은 출력면(322B)상의 30°선형 확산 물질이며, 이 물질은 레이저 안전성을 목적으로, 출력면상에 확장된 소스 상태를 제공하고, 확산광의 평면팬(235)을 균질하게 한다. 원통형쉘 모양 선형 확산기(322)가 스페클 콘트라스트를 미리 정해진 레벨로 감소시키도록 회전하게 하는 회전 주파수는, 도 2a와 관련하여 상술된 것과 같이 결정될 수 있다.
이미지 획득 디바이스(340)의 배열 및 기능은 도 1a 또는 도 2a와 관련하여 상술된 이미지 획득 디바이스(140 또는 240)의 배열 및 기능과 유사하다. 여기서, 이미지 획득 디바이스(340)는 조명 라인(337)으로 조명되었을 때 물체(390)를 이미징하도록 배열 및 구성된다. 이미지 획득 디바이스(340)의 광축(342)은 (y,z)면에 배열되고, 레이저기반 조명팬 소스(302)의 광축(301)과 예각 SA를 이룬다. 이미지 획득 디바이스(340)는 이미지 센서와, 이미지 센서상에 조명 라인(337)의 이미지를 형성하는 광학 서브시스템을 포함한다. 조명 라인(337)이 소스(302)에 의해 생성되는 방법 때문에, 노광 시간에 걸쳐 형성된 조명 라인(337)의 이미지는 균질화되어 있고 스페클프리라는 것에 주목한다. 이미지 획득 디바이스(340)의 이미지 센서는 조명 라인(337)의 이미지를 라인-조명된 물체(390)의 디지털 이미지를 생성하기 위한 정보로 변환하도록 구성된다.
결론적으로, 개시된 기술은 레이저광의 라인으로 물제를 조명하기 위하여 이들 간의 상대 운동이 있거나 또는 없이, 레이저광을 방출하는 레이저, 팬모양 빔 발생기 및 하나 이상의 선형 확산기를 사용한다. 여기서, 팬모양 빔 발생기는 그 자신이 선형 확산기이거나, 또는 파웰 렌즈 또는 원통형 렌즈 중 하나일 수 있다. 개시된 기술에 따라서 생성된 조명 라인은 균질화되고, 후술하는 이유로 인하여 저스페클 라인으로서 이미징(및/또는 관찰)될 수 있다. 하나 이상의 선형 확산기에 의해 제공된 각도 다이버시티(angular diversity)는 회절 결함(diffractive defects)을 피하고, 균질화된 조명 라인으로 조명된 물체상의 스페클을 감소시키도록, 그것들의 공통 확산 방향에 따라 레이저광을 균질화시킨다. 선형 확산기의 상대 운동은 (확산 방향에 수직인) 횡 방향을 따른 조명 라인의 폭에 영향받지 않고 노광 시간 동안 조명 라인의 스페클 패턴이 변화하게 한다. 또한, 횡 방향을 따른 조명 라인의 공간 프로파일은 방출된 레이저광의 가우시안 프로파일을 여전히 유지한다. 이러한 방식으로, 확산 방향과 횡 방향에 수직인 전파 방향을 따라서 취해진 임의의 슬라이스에서의 조명 라인은, 횡 방향을 따르는 원래의 가우시안 프로파일을 가질 것이고, 그리고 확산 방향으로 균질화될 것이고, 그리고 둘 이상의 선형 확산기의 확산각에 의해 제어되는 예측가능한 라인을 가질 것이다.
일부 구현예는 위에서 자세하게 설명되어 있으며, 다양한 변형예가 가능하다. 본 명세서에서 설명된 기능적 동작을 포함하는 개시된 주제는, 본 명세서에서 개시된 구조적 수단 및 그것의 구조적 등가물과 같이, 전자 회로, 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 드라이버(예를 들어, 150, 250, 350)는 적어도 데이터 처리 장치 및 매체를 포함할 수 있다. 데이터 처리 장치는 각각이 멀티 프로세서 코어를 포함할 수 있는, 예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU) 또는 이들의 조합 중 하나 이상일 수 있다. 매체는 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 플래시 RAM과 같은, 휘발성 및 비휘발성 메모리를 모두 포함할 수 있는 컴퓨터 판독가능 매체이다. 매체는 데이터 처리 장치에 의해 실행되었을 때, 예를 들어 드라이버가 본 명세서에 개시된 처리들의 양태를 구현할 수 있게 하는 명령어들을 부호화한다. (도 1a, 도 2a 및 도 3에서 점선으로 도시된) 커넥터(들)은 USB 커넥터, 이더넷 커넥터, 또는 다른 네트워크 커넥터 중 하나 이상일 수 있다. 일반적으로, 커넥터(들)은 물리적 케이블 또는 무선으로 구현되는, 데이터 통신 링크(들) 및 전력 전송 링크(들), 또는 이들의 조합을 나타낼 수 있다.
본 명세서는 많은 세부 사항을 포함하고 있지만, 이것들은 청구될 수 있는 범위의 제한으로서 해석되어서는 안 되며, 오히려 특정 실시예에 특정될 수 있는 기능의 설명으로서 이해되어야 한다. 본 명세서에서 별개의 실시예의 문맥에서 설명된 특정 특징들은 또한 하나의 실시예에서 조합하여 구현될 수 있다. 반대로, 하나의 실시예의 문맥에서 설명된 다양한 특징들은 또한 분리되어 복수의 실시예에서 구현되거나, 또는 적절한 서브조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 특징들이 특정 조합에서 활성화되는 것으로 상술되고 심지어 처음에 그와 같이 주장되었지만, 주장된 조합으로부터 하나 이상의 특성은 일부 경우에서, 조합으로부터 삭제될 수 있고, 주장된 조합은 서브조합 또는 서브조합의 변형예로 지시될 수 있다.
마찬가지로, 동작들이 도면에서 특정 순서로 도시되어 있지만, 이는 이러한 동작이 원하는 결과를 달성하기 위하여, 도시된 특정 순서 또는 순차적으로 수행되거나, 또는 도시된 모든 동작들이 수행되는 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 상황에서, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시예에서 다양한 시스템 구성 요소의 분리는 모든 실시예에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안된다.
다른 실시예들은 후술하는 청구항들의 범위에 포함된다.

Claims (14)

  1. 콜리메이트 레이저빔을 방출하도록 구성된 레이저; 및
    하나 이상의 선형 확산기를 포함하는 조명팬(illumination-fan) 발생기를 포함하고,
    상기 조명팬 발생기는
    상기 콜리메이트 레이저빔을 수신하고,
    확산광의 평면팬(planar fan)을 출력하고― 상기 평면팬은 상기 하나 이상의 선형 확산기 중 최외곽의 선형 확산기상에 형성되는 광 라인으로부터 유래됨―, 그리고
    상기 평면팬과 물체의 교차부에서 조명 라인이 형성되도록,
    배열되고 구성되며,
    상기 조명팬 발생기는 확산 방향을 가지며 그 축이 상기 콜리메이트 레이저빔의 전파 방향과 수직하게 배열된 원통형쉘 모양 선형 확산기를 포함하고,
    상기 조명팬 발생기는
    상기 원통형쉘 모양 선형 확산기의 입력부에서 상기 콜리메이트 레이저빔을 수신하고,
    상기 확산 방향에 평행한 상기 광 라인을 따라서 상기 원통형쉘 모양 선형 확산기의 출력부와 교차하는 팬모양 빔을 형성하고,
    상기 평면팬을 형성하도록 상기 광 라인에 상응하는 광을 상기 출력부를 통해 전송하도록 구성된, 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선형 확산기는 의사랜덤 실린더 어레이 또는 홀로그래픽 광학 소자 중 하나를 포함하는, 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통형쉘 모양 선형 확산기의 입력부에 의해 형성된 팬모양 빔의 발산각이 목표 발산각보다 크고, 그리고
    상기 팬모양 빔에 의해 상기 원통형쉘 모양 선형 확산기의 상기 출력부에 의해 형성된 확산광 윤곽(contour)의 길이(LX)가 목표 길이보다 큰 것을 보장하도록, 상기 원통형쉘 모양 선형 확산기의 직경이 미리 정해진 직경보다 크고, 상기 미리 정해진 직경은 상기 목표 발산각과 상기 목표 길이에 비례하는, 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    그 축을 중심으로 상기 원통형쉘 모양 선형 확산기의 회전을 야기시키도록 구성된 드라이버를 포함하고, 상기 회전은 상기 원통형쉘 모양 선형 확산기의 확산 방향을 따르는, 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    그 광축이 확산광의 평면팬에 대해 예각을 이루도록 배치되고, 그리고 조명 라인의 이미지를 디스페클 이미지로서 형성하도록 구성되는 이미지 획득 디바이스를 포함하고,
    상기 디스페클 이미지는 노광 시간 간격동안 형성된 상기 조명 라인의 인스턴스 이미지의 시퀀스의 평균을 포함하는, 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    그 광축이 확산광의 평면팬에 대해 예각을 이루도록 배치되고, 상기 조명 라인의 이미지를 균질화된 라인으로서 형성하도록 구성되는 이미지 획득 디바이스를 포함하는, 균질화된 조명 라인을 형성하기 위한 시스템.
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