KR20130106408A

KR20130106408A - 장치, 광학 어셈블리, 물체의 검사 또는 측정 방법, 및 구조체를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20130106408A
Application number: KR1020137013385A
Authority: KR
Inventors: 에릭 피터 굿윈; 데이비드 마이클 윌리암슨; 다니엘 진 스미스; 미첼 파란드; 알렉산더 쿠퍼; 알렉 로버트슨; 브라이언 엘 스탬퍼
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-09-27
Also published as: EP2633364B1; CA2815094A1; EP2633364A4; JP2013545976A; CN103261962B; WO2012061163A2; US9625368B2; CN103261962A; WO2012061163A3; CA2815094C; EP2633364A2; US20120188557A1

Abstract

물체를 검사 또는 측정하는 시스템용의 광학 어셈블리는, 시스템이 타겟으로 포인팅되도록, 시스템과 일체로서 이동하도록 구성되어, 시스템의 다른 부분에 대해 이동 가능한 큰 스캐닝(포인팅) 미러의 필요성을 제거한다. 광학 어셈블리는, 시스템의 출구로 향하게 되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 광로를 폴딩하도록 구성되는 반사 굴절 광학계를 구비하여, 광학 어셈블리의 크기를 억제한다.

Description

장치, 광학 어셈블리, 물체의 검사 또는 측정 방법, 및 구조체를 제조하는 방법{APPARATUS, OPTICAL ASSEMBLY, METHOD FOR INSPECTION OR MEASUREMENT OF AN OBJECT AND METHOD FOR MANUFACTURING A STRUCTURE}

관련 출원/우선권 주장

본원은, 그 가출원의 내용을 참조로서 여기에 포함시키는, 2010년 10월 25일에 가출원된 미국 가특허 출원 제61/455,768호에 관련되고 이를 우선권 주장한다.

레이저 레이더는 비접촉이고 진정하게 물체(종종 타겟이라고 불림)의 단독 조작자 검사를 제공하는 다용도의 계측 시스템이다. 레이저 레이더 계측은 특히, 항공 우주 산업, 대체 에너지, 안테나, 위성, 특대의 주조 및 다른 대형의 응용 분야와 같은 많은 산업에서 고품질의 물체 검사 데이터를 얻는데 유용한 물체 검사를 제공한다.

레이저 레이더 시스템에 대한 공지된 개념은 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 개시되어 있고, 이들은 여기에 참조로서 포함시킨다. 레이저 레이더 시스템으로부터의 레이저 빔(여기서는 "측정 빔"으로 지칭함)은 레이저 레이더 시스템의 광학계에 의해 제어되며, 레이저 레이더 시스템으로부터 타겟으로 향하게 된다. 레이저 레이더 시스템으로부터의 레이저 빔은 스플리터를 통과할 수도 있으며, 이 스플리터는 레이저 빔을 측정 경로를 따라 타겟으로 향하게 하며, 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 개시되어 있는 처리 시스템으로 레이저 빔의 일부를 분할하며, 이들 특허들은 본 발명의 어떤 부분도 형성하지 않는다. 측정 경로에 따른 레이저 빔은 타겟으로부터 반사되거나 타겟에 의해 산란되고, 그 반사 또는 산란된 레이저 빔의 일부는 레이저 레이더 시스템으로 되돌아가 수광되어, 타겟에 대한 정보를 제공하기 위해 검출되거나 처리된다. 반사 또는 산란된 광의 검출 및 처리는 여기서 참조로서 포함시켜 두지만 본 발명의 어떤 부분도 형성하지 않는 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 따라 제공된다. 본 발명은 레이저 레이더 시스템으로부터 포인팅 빔 및 측정 레이저 빔을 전달하는 광학 어셈블리에 관한 것이다.

기존의 레이저 레이더 빔은 레이저 레이더 시스템의 다른 부분에 대해 회전하고, 빔 포인팅을 달성하는데 이용되는 비교적 큰 회전 스캐닝(포인팅) 미러를 가진다. 이 미러는 시스템의 불안정성 및 편광 문제를 초래한다. 또한 기존의 시스템은 색수차가 있어, 2개의 파장(예컨대, 포인팅 빔 파장 및 측정 빔 파장)을 동시에 공간의 한 부분에 집광시킬 수 없다. 또한, 기존의 시스템은 레이저 레이더와 동일한 방향으로 포인팅되는 카메라의 시야를 제한한다.

본 발명은, 전술한 바와 같은 환경을 고려하여, 장치의 일부로서, 일체적으로 이동 가능한 광학 어셈블리를 포함하고, 광학 어셈블리의 출구를 통해 측정 빔이 지향하도록 구성된 장치를 제공하는 것을 목적으로 하며, 광학 어셈블리는 광학 어셈블리의 출구를 통해 지향되는 측정 빔의 광로를 폴딩하도록 구성되어 있다.

본 발명의 다른 목적은 조준선(line of sight)에 따라 빔을 집광하는 광학 어셈블리를 제공하는 것이며, 광학 어셈블리는, 렌즈와, 렌즈를 통해 연장되는 조준선을 따라 광원으로부터의 빔을 집광하기 위해 합동하는 스캐닝 반사기 및 고정 반사기를 구비하며, 렌즈, 스캐닝 반사기 및 고정 반사기는 광원으로부터의 빔이 스캐닝 반사기에 의해 고정 반사기로 반사되고, 고정 반사기로부터의 반사광은 스캐닝 반사기에 의해 재차 반사되고, 렌즈를 통해 조준선을 따라 지향하도록 서로에 대해 배향되며, 스캐닝 반사기는, 조준선을 따라 빔의 초점을 조정하기 위해, 광원, 렌즈 및 고정 반사기에 대해 이동 가능하다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측정 빔을 광학 어셈블리의 출구를 통해 지향되도록 구성되는 광학 어셈블리를 이용하는 것에 의해 측정 빔을 물체에 포인팅하는, 물체를 검사 또는 측정하는 방법을 제공하는 것이며, 광학 어셈블리는 광학 어셈블리의 출구를 통해 지향되는 측정 빔의 광로를 폴딩하도록 구성된다.

본 발명이 또 다른 목적은, 설계 정보에 근거하여 구조체를 생산하는 단계와, 장치를 사용하여 구조체의 형상 정보를 취득하는 단계와, 생산된 구조체를 배열하는 것에 의해 구조체의 형상 정보를 취득하는 단계와, 취득된 형상 정보와 설계 정보를 비교하는 단계를 구비하는 구조체 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 특징은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명확해진다.

도 1은 실시예에 따른 광학 어셈블리를 이용할 수 있는 타입의 레이저 레이더 시스템의 개략적 도면,
도 2는 실시예에 따른 광학 어셈블리를 이용할 수 있는 바람직한 타입의 레이저 레이더 시스템의 정면도,
도 3a, 도 3b, 도 3c는 실시예 1에 따른 광학 어셈블리의 다른 버전의 예,
도 4는 실시예 1에 따른 광학 어셈블리의 다른 예의 반사 굴절부(catadioptric part)를 나타내는 도면,
도 5는 실시예 1에 따른 광학 어셈블리의 특정 성능을 나타내는 도면,
도 6은 실시예 1에 따른 광학 어셈블리의 추가 성능을 나타내는 도면,
도 7a는 실시예 2에 따른 광학 어셈블리의 일 버전의 개략적 도면,
도 7b는 도 7a의 광학 어셈블리의 부분적인 개략적 도면으로서, 코너 큐브 및 평면 미러에 의해 제공되는 반사 도식을 나타내는 도면,
도 8a 및 도 8b는 실시예 2에 따른 광학 어셈블리의 제 2 버전의 개략적 측면 및 상면도,
도 8c는 도 8a 및 도 8b의 광학 어셈블리의 부분적인 개략적 도면으로서, 이들 구성요소의 반사 루프(reflective roofs)에 의해 제공되는 반사 도식을 나타내는 도면,
도 9 내지 도 13은 실시예 2에 따른 광학 어셈블리의 추가 개념의 개략적 도면,
도 14는 구조체 제조 시스템(700)의 블록도,
도 15는 구조체 제조 시스템(700)의 처리 흐름을 나타내는 흐름도이다.

이하 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템(100)의 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예는 레이저 레이더 시스템에서 유용하고, 또한 다양한 다른 광학 시스템에서도 유용한 소형의(compact) 광학 어셈블리(간혹 집적 광학 어셈블리(Integrated Optical Assembly) 또는 IOA라고도 불림)를 제공한다.

레이저 레이더 시스템에서, 광학 어셈블리는, 레이저 레이더 시스템이 타겟으로 포인팅할 때에 레이저 레이더 시스템과 일체로서 이동 가능하도록 구성되고, 레이저 레이더 시스템의 다른 부분에 대해 이동 가능한 큰 스캐닝(포인팅) 미러의 필요성을 제거한다.

광학 어셈블리는 소형으로, 또한 포인팅 빔 및 측정 빔을 광학 레이더 시스템의 출구로 향하게 하고 집광시키기 위한 소자의 비교적 간단한 어셈블리를 이용하도록 설계된다.

실시예 1에 따른 광학 시스템은, 레이저 레이더와 일체로서 이동 가능하고, 레이저 레이더 시스템이 포인팅되는 타겟으로 포인팅 빔 및 측정 빔의 양쪽을 지향시키면서, 포인팅 빔을 지향하도록 레이저 레이더의 다른 구성에 대해 이동 가능한 스캐닝(포인팅) 미러의 필요성을 제거하는 반사 굴절 광학계(catadioptric optical optics)를 구비한다. 포인팅 빔은 가시(예컨대 610㎚~750㎚ 부근의 적색) 파장 범위 내에서 생성되고, 측정 빔은 이와 다른 사전 결정된 파장 범위(예컨대, 0.7㎛~10㎛ 부근의 적외선 또는 IR) 내에서 생성된다. 포인팅 빔 및 측정 빔은, 포인팅 빔 및 측정 빔을 레이저 레이더 시스템으로부터(및 타겟으로) 지향시키기 위해, 레이저 레이더 시스템과 일체로서 이동하고, 본 실시예의 소형의 광학 어셈플리에 의해서, 레이저 레이더의 다른 구성요소에 대해 이동 가능한 스캐닝(포인팅) 미러의 이용을 회피하는 방식으로 조절된다.

광학 어셈블리는, 광파워(optical power)의 대부분을 제공하는 오목 미러를 포함하는 반사 굴절 광학계를 포함하며, 2개의 필요 파장간의 더 용이한 색지움(achromatization)을 가능하게 한다. 오목 미러는 광로를 그 자신으로 폴딩하고, 광학 어셈블리의 전체 크기를 실질적으로 줄인다. 광학 어셈블리의 크기는 카메라가 레이저 레이더 시스템의 이동 부분 상에 위치하도록 충분히 작게 설계되고, 카메라의 광축이 측정 빔의 축과 동일선 상으로 되도록 하는 반사 윈도우 또는 콜드 미러(cold mirror)를 사용함으로써 시차 효과(parallax effects)를 없앤다. 오목 미러는, 시스템의 색지움을 도우면서, 또한 광로를 폴딩하여, 스캐닝을 위해 광학 어셈블리 전체가 레이저 레이더 시스템과 일체로서 회전하도록 하는 소형의 광학 시스템을 창조하여, 기존의 시스템의 고비용이고 문제거리인 회전(포인팅) 미러를 제거한다.

기본적으로는, 실시예 1은, 레이저 레이더 시스템의 일부로서 일체적으로 이동 가능하고, 포인팅 빔 및 측정 빔을 레이저 레이더 시스템의 출구를 통해 지향하도록 구성되는 광학 어셈블리를 구비한다. 광학 어셈블리는, 레이저 레이더 시스템의 출구를 통해 지향되어 있는 포인팅 빔 및 측정 빔의 광로를 폴딩하도록 구성되는 반사 굴절 광학계를 포함하여, 광학 어셈블리의 크기를 억제한다.

실시예 1은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예컨대, 광학 어셈블리는 포인팅 빔 및 측정 빔을 레이저 레이더 시스템의 출구로 향하게 하는 투과부를 갖는 윈도우를 포함한다. 릴레이 시스템은 포인팅 빔 및 측정 빔을 광 파이버로부터 윈도우의 반사 영역으로 향하게 하고, 반사 굴절 광학계가, 윈도우의 반사 영역으로부터 포인팅 빔 및 측정 빔을 수광하고 윈도우의 투과부로 되돌려 반사하여, 레이저 레이더 시스템의 출구를 통하도록 지향하게 되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 광로를 폴딩해서, 광학 어셈블리의 크기를 억제한다. 오목 미러는 광로를 그 자신으로 폴딩한다. 즉, 광로의 일부를 오버랩한다. 측정 빔의 광로에 대해서는, 오목 미러와 윈도우의 반사 영역 간의 광로가 오버랩된다. 즉, 광학 어셈블리는 광원으로부터의 광의 2개 이상의 방향을 가진다.

이러한 구현의 일 특정 버전에서, 광학 어셈블리는 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 윈도우의 투과부를 통하도록 되돌아온 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 변화시키기 위해 적어도 하나의 이동 가능한 광학계를 포함한다. 다른 특정 버전에서는, 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 윈도우의 투과부를 통하도록 되돌아온 포인팅 빔 및 측정 빔은 적은 광파워이지만 구면 수차가 큰 특징을 갖는 복수의 광학계를 이동시킴으로서 변화된다.

실시예 1의 다른 구현법에서는, 윈도우는 포인팅 빔 및 측정 빔 각각의 파장 범위를 포함하는 사전 결정된 파장 범위 내의 광을 전달하는 콜드 미러를 포함하고, 포인팅 빔 및 측정 빔을 전달하는 광 파이버가 콜드 미러의 중심 위치에 위치한다. 반사 굴절 광학계는 광 파이버로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔을 수광하고, 포인팅 빔 및 측정 빔을 반사하여, 레이저 레이더 시스템의 출구로 향하게 하는 콜드 미러로 되돌린다. 카메라(140)는 콜드 미러(122)의 코팅에 의해 반사된 광을 카메라가 수광하도록 배치되어, 카메라의 조준선이 측정 빔 및 포인팅 빔의 축과 동일선 상으로 된다. 콜드 미러(122)는 카메라 광축을 측정 빔의 축과 동일선 상으로 한다.

본 구현법의 일 특정 버전에서는, 광학 어셈블리는 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 콜드 미러를 통하도록 되돌아온 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 가변하기 위해 적어도 하나의 이동 가능한 광학계를 포함한다. 다른 특정 버전에서는, 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 콜드 미러를 통하도록 되돌아온 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점은 적은 광파워이지만 구면 수차가 큰 것을 특징으로 하는 복수의 광학계를 이동시킴으로써 변화된다.

본 발명의 실시예 2의 기본 관점에 따르면, 광학 어셈블리는 포인팅 빔 및 측정 빔을 조준선에 따라, 그리고 레이저 레이더 시스템의 출구로 향하도록 구성된다. 광학 어셈블리는 광원과, 렌즈와, 렌즈를 통해 연장되는 조준선을 따라 광원으로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔을 집광하기 위해 협동하는, 스캐닝 반사기와 고정 반사기를 포함한다. 광원, 렌즈, 스캐닝 반사기 및 고정 반사기는, 광원으로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔이 스캐닝 반사기에 의해 고정 반사기로 반사되고, 고정 반사기로부터의 반사된 포인팅 빔 및 측정 빔이 재차 스캐닝 반사기에 의해 반사되어, 렌즈를 통해 조준선을 따라 향하도록 서로에 대해 배향되고, 스캐닝 반사기는 조준선을 따라 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 조절하기 위해서, 광원, 렌즈, 고정 반사기에 대해 이동 가능하다.

실시예 2의 바람직한 버전에 따르면, 스캐닝 반사기는 역반사기(retroreflector)를 구비하고, 고정 반사기는 평면 미러를 구비한다. 광원, 렌즈 및 평면 미러는 모두 광학 어셈블리의 지지 구조체에 대해 고정된 위치에 있고, 역반사기는 조준선을 따라 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 변화시키기 위해 이들의 고정 위치에 대해 이동 가능하다.

이하의 상세한 설명은 실시예 2의 광학 어셈블리의 몇몇의 버전을 또한 제공한다. 일 버전에 있어서, 역반사기는, (ⅰ) 광원으로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔이 코너 큐브를 통해 평면 미러로 반사되고, (ⅱ) 평면 미러로부터 반사된 포인팅 빔 및 측정 빔이 재차 코너 큐브를 통해 반사되고, (ⅲ) 적어도 하나의 사전 결정된 방향에서의 코너 큐브의 이동이, 사전 결정된 방향을 횡단하는 방향에서의 코너 큐브의 이동 및 사전 결정된 방향에 대한 코너 큐브의 회전에 의해 실질적으로 영향이 없는 방식으로, 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 조준선을 따라 조절하도록, 배향되는 적어도 3개의 반사면을 갖는 코너 큐브를 포함한다.

실시예 2에 따른 광학 어셈블리의 다른 버전에서는, 스캐닝 반사기는 포인팅 빔 및 측정 빔의 2회의 반사를 제공하는 반사 루프를 구비하고, 고정 반사기는 포인팅 빔 및 측정 빔의 2회의 반사를 역시 제공하는 반사 루프를 구비하며, 이들 반사 루프의 절선(nodal line)은 서로에 대해 사전 결정된 방향성을 가진다.

또한 이하의 상세한 설명은 광학 어셈블리의 컴포넌트를 구성하고 배향하는 개념도 제공한다. 이들 개념은 예컨대 가능한 한 광학 어셈블리를 소형으로 유지한 채, 광학 어셈블리의 무게를 줄이고, 광학 어셈블리의 성능을 향상시키도록 설계된다.

일 개념에 있어서, 스캐닝 반사기로부터 반사되고 렌즈를 통해 조준선을 따라 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔은 렌즈를 통하도록 지향되는 측정 빔 및 포인팅 빔의 조준선을 폴딩하는 폴딩 미러에 의해 반사된다. 광원은 폴딩 미러에 의해 지지되는 광 파이버를 구비한다.

다른 개념에서는, 렌즈, 빔 소스 및 평면 미러는 역반사기에 대해 일체로 이동 가능한 방식으로 지지되고, 조준선은 그 일체와 함께 이동한다.

또 다른 개념에서는, 스캐닝 반사기에 의해 반사되고 렌즈를 통해 조준선을 따라 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔은 렌즈를 통해 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 조준선을 폴딩하는 편광 빔 스플리터에 의해 반사되고, 광원은 렌즈를 통해 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 조준선을 폴딩하는 편광 빔 스플리터에 대한 사전 결정된 위치에서 광 파이버를 구비한다.

또 다른 개념에서는, 광원은 평면 미러로서 기능하는 부분, 및 스캐닝 반사기에 의해 반사되고 렌즈를 통해 조준선을 따라 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 조준선을 폴딩하는 다른 부분을 갖는 모놀리식 부재(monolithic member)에 의해 지지되는 광 파이버를 구비한다.

또 다른 개념에서는, 광원은 평면 미러도 지지하는 투과 부재에 의해 지지되는 광 파이버를 구비한다.

(실시예 1)

전술한 바와 같이, 본 발명은 레이저 레이더 시스템과 일체로 이동 가능하고 레이저 레이더 시스템으로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔을 전달하도록 구성되는 광학 어셈블리를 제공하며, 이들 포인팅 빔 및 측정 빔은 레이저 레이더 시스템이 포인팅되는 타겟으로 향할 수 있다. 본 발명은, 여기에 참조로서 포함하는 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 기재된 타입의 레이러 레이더 시스템과 관련지어 기재되며, 이 기재로부터, 본 발명을 다양한 타입의 레이저 레이더 시스템으로 구현될 수 있는 방식이 통상의 기술자에게 자명하게 될 것이다.

도 1 및 도 2는 본원에 기재된 실시예 모두를 포함하는 레이저 레이더 시스템을 나타낸다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 레이저 레이더 시스템(100)은 가시(예컨대 적색) 파장 범위 내의 포인팅 빔과, 다른(예컨대 적외, IR) 파장 범위 내의 측정 빔을 생성하고, 포인팅 빔 및 측정 빔을 레이저 레이더 시스템의 출구(120)로 향하게 한다(전달한다). 포인팅 빔은 측정 빔이 향하는 타겟(106) 상의 포인트를 식별하는데 이용된다. 포인팅 빔 및 측정 빔의 레이저광원은 상이하다. 제어 유닛은 레이저 레이더 시스템(100)을 제어할 수 있다. 본 실시예에서는, 레이저 레이더 시스템(100)은 제어 유닛을 구비한다. 그러나, 레이저 레이더 시스템(100)과 결합되는 별도의 시스템이 제어 유닛을 구비할 수도 있다.

측정 빔은, 측정 빔(및 포인팅 빔)을 측정 경로(104)를 따라 타겟(106)으로 향하게 하고, 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 개시된 방식으로 레이저 빔의 부분을 처리하는 회로(108)로 측정 빔의 일부를 보내는 스플리터(102)를 통과할 수도 있다. 도 1에서, 그 스플리터는 참조부호 102라고 기재된 하부의 스플리터이다. 측정 경로(104)를 따라 지향된 측정 빔은 타겟(106)으로부터 반사되고, 반사 또는 산란된 측정 빔의 일부가 레이저 레이더 시스템(100)으로 되돌아가 수광되며, 이 측정 빔은 도 1에서 나타낸 상부 스플리터에 의해 검출기로 향하고, 타겟(106)에 대한 정보를 제공하도록 검출되어 처리된다. 반사 또는 산란된 측정 빔으로부터의 방사(radiation)의 검출 및 처리는 레이저 레이더 시스템(100)의 베이스(110)에서 이루어지고, 본 명세서에서 참조로서 포함되나 본 실시예의 어떤 부분도 이루지 않는 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 따라 반사된 방사를 검출 및 처리하도록 구성된다. 간단히, 광 헤테로다인식 검출(optical heterodyne detection)은 타겟(106)으로 향하고 이로부터 반사되는 광원 빔을 제공한다. 그리고 되돌아온 광 빔은 광 검출기에서 국부 발진기 광빔과 혼합되어, 타겟(106)에 대한 상세한 정보를 제공하도록 처리될 수 있는 광학 간섭 패턴을 제공한다. 광 헤테레다인식 기술은 광원과 반사된 광빔의 상호간의 장점을 취한다. 예컨대, 이들 광빔은 실질적으로 동일한 파장이고, 동일한 광축 상으로 향한다. 측정 경로(104)와 타겟 경로(104)는 동일한 것이다. 이에 의해 향상된 SNR(signal-to-noise ratio) 및 강화된 감도를 제공한다. SNR은 공지된 직접 검출 시스템과 대비하여, 작은 수광 개구(a small receiving aperture)를 이용할 수도 있도록 충분히 크다. 작은 수광 개구는 제한된 액세스 영역으로 삽입 가능한 매우 작은 렌즈로서 가정할 수도 있다. 또한 작은 수광 개구가 타겟에 대한 상세한 정보를 제공할 수 있으므로, 코히어런트 시스템(coherent system)의 광 컴포넌트는 매우 작게 만들어 관련되는 스캐닝 속도 및 정확도의 향상을 제공할 수 있다. 예컨대, 1/2인치의 개구를 이용하는 코히어런트 광학 시스템은 직접 광학 검출 시스템에서 이용되는 4인치의 개구보다, 타겟에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있다. 본 발명은 포인팅 빔 및 측정 빔을 레이저 레이더 시스템의 출구(120)로 전달하는 광학 어셈블리에 관한 것이다.

공지된 레이저 레이더 시스템에 있어서, 포인팅 빔을 타겟으로 향하게 하도록 이동 가능한 미러가 마련된다. 이동 가능한 미러는 측정 빔을 전달하는 광학계로부터 분리되어 있고, 이동 가능한 미러 및 레이저 레이더 광학계의 양쪽을 수용하기 위해 비교적 큰 레이저 레이더 하우징을 필요로 한다. 본 발명은, 측정 빔 및 포인팅 빔 양쪽이 레이저 레이더 시스템(100)과 일체로서 이동할 수 있는 비교적 소형의 광학 어셈블리에 의해 생성되기 때문에 비교적 소형이다. 또한, 본 발명의 광학 어셈블리는 그 빔의 전달/수광 동작을 실행함에 있어 비교적 안정되도록 설계된다. 광학 어셈블리를 이동시키기 위해 전자식 모터(electronic motor)가 마련된다. 본 실시예에서는, 광학 어셈블리는 상이한 방향에 대한 2개의 축에 대해 이동 가능하다. 2개의 축은 도 2에 도시한 바와 같이 YX 평면 및 XY 평면에 위치된다. 2개의 축은 Z축과 X축이다. 광학 어셈블리의 위치를 모니터링하기 위해 인코더가 마련된다. 제어 유닛은 광학 어셈블리의 위치에 의해 전자식 모터의 파워를 제어할 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 레이저 레이더 시스템(100)은, 광학 어셈블리가 레이저 레이더 시스템의 베이스(110)에 대해 실린더(112)와 일체로서 이동하도록, 광학 어셈블리가 배치되고 보호되는 하우징(예컨대, 회전 가능한 실린더(112))을 포함한다. 레이저 레이더 시스템은 하우징(112)에 출구(120)를 포함하고, 이를 통해 방사(radiation)(예컨대 포인팅 빔 및 측정 빔의 2개의 파장)가 레이저 레이더 시스템으로부터 지향된다. 베이스(110)는 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 기재되어 있는 레이더 레이더 시스템의 처리 특징을 포함한다.

본 실시예의 실시예 1의 광학 어셈블리(114)의 기본 특징은 도 3a 내지 도 3c로부터 이해될 수 있다. 도 3a에서, 광학 어셈블리(114)는, 포인팅 빔 및 측정 빔을 전달하는 광 파이버(파이버 팁(116)으로 나타냄)와, 포인팅 빔 및 측정 빔을 광 파이버(116)로부터 윈도우(122)의 작은 반사 영역(126)(도 3a 내지 도 3c의 실시예에서 폴딩 미러라고도 칭함)으로 향하게 하는 릴레이 시스템(124)과, 윈도우(122)의 반사 영역(126)으로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔을 수광하고 윈도우(122)로 되돌려 반사하는 반사 굴절 광학계(128)를 포함하며, 이들 빔은 하우징(112)의 출구(120)로 향한다. 윈도우(122)는 한면에 반사 영역(26)을 형성하는 은 작은 은 영역(silvered area)을 가지고, 다른 면에는 적색 및 적외 범위 내의 방사가 윈도우를 투과하여 출구 개구(120)로 전달하는 코팅을 갖는다. 카메라(140)는, 윈도우(122)의 코팅에 의해 반사된 광을 수광하도록 배치되고, 카메라의 조준선이 측정 빔 및 포인팅 빔의 축과 동일선 상으로 되도록 한다. 카메라(140)의 위치 및 방향을 도 3a에 나타내었지만, 카메라(140)는 도 3b, 도 3c, 및 도 4에 나타낸 실시예 1의 버전에서 윈도우(122)에 대해 동일하게 위치하고 향할 수 있음을 유의해야 한다.

또한, 광학 어셈블리(114)는 타겟(106)으로부터 반사 또는 산란된 적어도 몇몇의 방사를 수광하고, 파이버(116)로 되돌아오도록 그 방사를 지향시킨다. 파이버(116)는, 가시(예컨대 적색) 파장 범위 내의 포인팅 빔과 이와 다른 예컨대 적외(IR) 파장 범위 내의 측정 빔을 조합하는 파이버 빔 결합기(a fiber beam combiner)를 가질 수 있다. 포인팅 빔 및 측정 빔은 별개의 광원으로부터 생성되고, 당업자에게 공지된 방식으로 베이스(110) 내에 위치되는 파이버 빔 결합기에 의해 결합된다.

본 실시예의 레이저 레이더 시스템(100)은 포인팅 빔 및 측정 빔을 가진다. 그러나, 레이저 레이더 시스템(100)은 포인팅 빔없이 측정 빔만 가질 수도 있다. 예컨대, 측정 빔은 가시 영역에 있다. 따라서, 이 경우에는, 측정 빔이 또한 포인팅 빔일 수도 있다. 본 실시예의 레이저 레이더 시스템(100)은, 포인팅 빔과 측정 빔 사이에서 다른 파장 영역을 가진다. 그러나, 레이저 레이더 시스템(100)은 가시 영역과 같은 동일한 파장 영역을 가질 수도 있다.

도 3a에서, 광학 어셈블리(114)는, 광 파이버(116)로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔을 윈도우(122)의 작은 반사 영역(126)으로 향하게 하는 릴레이 시스템(124)과, 윈도우(122)의 반사 영역(126)으로부터 포인팅 빔 및 측정 빔을 수광하고 윈도우(122)의 투과부로 되돌려 반사하는 반사 굴절 광학계(128)를 포함하며, 이들 빔은 하우징의 출구(120)를 통하도록 지향된다. 반사 굴절 광학계(128)는 (예컨대 포인팅 빔 및 측정 빔으로부터의) 방사가 반사되는 구면 미러(130)와, 방사가 지향되는 1개 이상의 광학계를 포함한다. 도 3a의 실시예에서, 광학 어셈블리는 구면 미러(130)으로부터 반사되고 윈도우(122)를 통하도록 되돌려지는 방사의 초점을 변화시키기 위한 적어도 하나의 이동 가능한 광학계(132)를 포함한다. 광학계(132)는 양오목(bi concave) 또는 평오목(plano concave)일 수도 있으며, 적어도 하나의 오목부(134)가 폴딩 미러(122)와 대면한다. 이동 가능한 광학계(132)는, 구면 미러(130)로부터 반사된 방사가 타겟으로 집광되도록 구성되고, 또한 투과 렌즈면에 의해 반사된 스트레이 방사(고스트 이미지(ghost image))가 되돌아서 파이버(116)를 통과하도록 지향되는 것을 줄이도록 구성된다. 특히, 광학계(132)의 오목부(134)는, 렌즈면에 의해 반사된 스트레이 방사가 되돌아가 파이버를 통과할 가능성을 줄이기 위해, 파이버 복합체(fiber conjugate)와 전혀 다른 곡률의 중심을 가진다. 또한, 광학 어셈블리에 대해 고정되는 렌즈(135)는, 회절 제한 집광 스팟(diffraction limited focused spot)을 타겟으로 하여 구면 수차를 보정한다. 구면 미러는 광로를 그 자신 상으로 폴딩한다. 즉, 광로의 일부가 오버랩된다. 측정 빔의 광로에 대해서는, 오목 미러와 반사 영역(126)의 광로가 오버랩된다. 즉, 광원으로부터 광의 진행 방향이 광학 어셈블리 내에서 변한다. 반사 영역(126)으로부터 오목 미러로의 방향은 오목 미러로부터 반사 영역(126)으로의 방향과 다르다. 실시예 1의 다른 특정 버전에서, 도 3b 및 도 3c에 나타낸 바와 같이, 광학 어셈블리는 구면 미러(130) 및 윈도우(122)에 대해 그룹으로서 이동할 수 있는 광학계의 세트(136)를 포함한다. 도 3b 및 도 3c의 실시예에서, 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 윈도우(122)를 통과하여 되돌아오는 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점은 작은 광파워이지만 구면 수차가 큰 것을 특징으로 하는 광학계의 세트(136)의 이동에 의해 변화된다. 따라서, 도 3b의 예에서는, 광학계(136)의 세트는 짧은 거리(예컨대 약 1미터)의 초점을 제공하기 위해 윈도우(122)에 비교적 근접하고, 도 3c에서는, 광학계(136)의 세트는 비교적 긴 거리(예컨대 약 60미터)의 초점을 제공하기 위해 구면 미러(130)에 비교적 근접하고 있다. 이동하는 그룹(136)의 위치는 이들 2개의 극단적 상황 사이에서 연속적으로 가변적이고, 레이저 레이더 광학 어셈블리로부터 예컨대 1미터와 60미터 사이의 임의의 거리에 측점 빔 및 포인팅 빔이 집광된다.

실시예 1의 또 다른 특정 버전에서, 반사 굴절 광학계가 도 4에 도시되며, 윈도우(122)는, "콜드 미러"라는 공지된 것을 구비하며, 이 콜드 미러는 포인팅 빔 및 측정 빔의 가시 적색 파장 범위 및 IR 파장 범위의 방사를 투과하고, 보다 짧은 파장의 방사를 방사하기 위한 것이다. 광 파이버(116)는 콜드 미러(122)의 중심 위치에 구멍(hole)(137)에 위치하고, 반사 굴절 광학계는, 도 3a, 도 3b, 도 3c와 관련되어 기재된 방식으로, 광 파이버(116)로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔의 방사를 수광하고, 콜드 미러(122)를 통해 레이저 레이더 하우징(112)의 출구(120)로 그 방사를 반사하여 되돌린다. 실시예 1의 이 버전은, 콜드 미러(렌즈면으로부터 반사된 스트레이 방사(고스트 이미지)가 파이버를 통과하도록 되돌려 향하게 하는 것을 줄이기 위해서, 파이버 복합체와 전혀 다른 곡률 중심을 갖는 오목면(134)을 가짐)를 통과하도록 되돌아오는 방사의 초점을 변화시키기 위해, (도 3a에 참조부호 132로 나타낸) 하나의 양오목 또는 평오목 광학계도 포함할 수 있다. 이와 달리, 실시예 1의 이 버전은, 낮은 광파워이지만 구면 수차가 큰 것을 특징으로 하는 광학계의 세트(136)를 이동하는 것에 의해, 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 되돌아서 콜드 미러(122)를 통과하는 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점이 변하도록 구성되는 (예컨대 도 3b 및 도 3c에 나타낸 바와 같은) 복수의 이동 광학계를 포함할 수 있다.

도 5는 본 실시예의 실시예 1에 따른 광학 어셈블리의 성능의 예를 나타낸다. 도 5의 예에서, (적외광에 대해) 1, 2, 5, 24, 60미터에서의 성능이 도시되어 있으며, 적색광은 모든 위치에 대해 양호하게 집광된다. 도 5(및 별지 A)는 당업계에서 알려져 있는 광학 시스템의 성능 레벨을 나타내는 스폿 다이어그램이다. 도 5(별지 A)에서의 실선 원은 파장 및 레이저 레이더 광학 시스템의 개구에 의해 규정되는 회절 한계를 나타낸다. 회절 한계는 당업자가 잘 알고 있는 바와 같이, 이러한 광학 시스템의 가능한 최적의 성능을 나타낸다. 1, 2, 5, 24 및 60미터의 각 타겟 거리에 대한 3개의 플롯(plot)은 반사 굴절 광학 시스템(128) 및/또는 릴레이 시스템(124)에 대해 파이버가 축 외로 이동할 때의 성능을 나타낸다. 각 타겟 거리에 대한 3개의 플롯은 상부 좌측은 0㎜에 대해, 상부 우측은 0.3㎜에 대해, 하부 중간은 0.5㎜에 대한 것이다. '+' 기호는 다른 광선의 집광 위치를 나타내며, 이들 기호가 회절 한계를 규정하는 원 내 또는 근접하여 있는 경우에, 당업자라면 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 렌즈의 성능이 회절 한계이다.

타겟의 위치를 3차원적으로 측정하는 레이저 레이더의 능력의 중요한 관점은 레이저 레이더의 포인팅 축(광축)에 수직인 면에서의 스폿 위치의 분해능이다. 이것은 광학 어셈블리 전체를 포인팅하는 스티어링 어셈블리(steering assembly)의 2개의 포인팅 각을 정확히 측정하는 것에 의해 이루어진다. 그러나, 임의의 상황에서, 포인팅 축에 수직인 면에서의 타겟 위치의 공간 분해능은 광학 어셈블리에 의해 타겟에 결정되는 스폿의 크기에 의해 제한될 수 있다. 즉, 타겟에서의 광의 결상 스폿이 작을수록, 타겟의 위치가 보다 양호하게 결정될 수 있다. 도 5에서의 성능은, 당업자에게 명확해지도록, 본 명세서에 기재된 시스템의 타입을 이용하여 달성되는 전형적인 성능이 회절 한계일 수 있는 것을 나타낸다.

또한, 결상된 스폿의 크기는 광학 어셈블리에 의해 얼마나 많은 광이 수집될 수 있는지를 결정한다. 타겟 상에 많은 광이 집광되는 경우, 많은 광은 타겟에 의해 반사 또는 산란되고, 반사 또는 산란된 광의 적절한 일부가 광학 어셈블리에 의해 수집되어 파이버(116)로 되돌아가서 집광되며, 이에 의해 레이저 레이더와 타겟간의 거리의 정확한 측정이 가능하게 된다. 즉, 여기에 참조로서 포함시켜 둔 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 개시된 기술을 이용하여, 스폿이 작을수록 많은 측정광이 광학 어셈블리로 리턴되고, 보다 정확한 거리 측정이 이루어진다.

도 6은 본 실시예에 따른 광학 어셈블리로, 이동 그룹(136)의 축 위치의 함수로서의 측정 빔 및 포인팅 빔의 초점 위치의 예를 나타낸다. 도 6에 나타낸 플롯은 특히 도 3b 및 도 3c에 나타낸 구성에 대해 이동하는 그룹 위치를 나타내며, 1미터로부터 60미터의 거리까지(레이저 레이더 하우징(112)으로부터 타겟까지) 진행하기 위해서는 광학계(136)의 이동 가능한 그룹이 약 47㎜ 이동하는 것이 필요함을 입증한다.

당업자에게 이해되는 바와 같이, 실시예 1의 광학 어셈블리(114)는 소형이고 엄격하며, 광파워의 대부분을 위해 오목 미러(130)를 이용한다. 또한, 오목 미러(130)는 색 수차를 생성하지 않는다. 도 3a 내지 도 3c의 예에서, 윈도우(122)는 윈도우의 한 면에 부가된 (작은 암흑화(small obscuration)를 생성하는) 은 영역(126)을 가진다. 윈도우(122)의 다른 면은 사전 결정된 파장 범위(예컨대 가시 적색, IR) 내의 광을 투과하고, 가시 포인팅 빔에 이용되는 파장 이외의 스펙트럼의 가시 부분 내의 광을 반사하는 파장 선택 코팅을 가진다. 이것은, 카메라(140)가, 레이저 레이더 시스템에 의해 측정되는 장면을 보기 위해 남아있는 가시광을 이용할 수 있다.

또한, 주 미러(primary mirror)(130)는 오목형이고, 바람직한 실시예에서는 구형(spherical)인 것을 유의해야 한다. 주 미러(130)는 광학 어셈블리의 색지움을 도울 수 있다. 도 3a의 예에서의 양오목 또는 평오목 이동 렌즈(132)에 의해 집광이 달성될 수 있다. 또한 집광은 주 미러(130)와 콜드 미러(122) 사이에서 렌즈 그룹(136)(도 3b 도 3c)을 이동시키는 것에 의해 달성될 수도 있다.

따라서, 실시예 1의 반사 굴절 광학 어셈블리는, (ⅰ) 이동 미러의 필요성 제거(문제가 있는 도플러 효과를 제거)하고, (ⅱ) 2개의 파장(적색 및 IR)을 동시에 집광시키도록 설계되는 소형의 광학 어셈블리를 제공한다. 오목 미러(130)와 윈도우(또는 콜드 미러)(122) 사이에 위치하는 이동 가능한 렌즈(132) 또는 렌즈 그룹(136)은 여기에 기재되고 나타낸 구성으로 집광을 달성한다.

또한, 광학 어셈블리는 윈도우(또는 콜드 미러)(122)로부터 1미터 내지 60미터의 연속적인 집광 범위를 제공하도록 설계된다. 윈도우(또는 콜드 미러)의 배면에서의 암흑화는 매우 작고, 릴레이(124)에 의해 유도되는 색 수차는 반사 굴절 광학계에 의해 보정된다.

따라서, 실시예 1은 레이저 레이더 시스템의 다른 부분에 대해 이동 가능한 큰 스캐닝(포인팅) 미러의 필요성을 제거하기 때문에, 레이저 레이더 시스템에 유용한 소형의 광학 어셈블리를 제공한다. 또한, 실시예 1의 소형의 광학 어셈블리는 광파워의 대부분을 제공하는 오목 미러를 갖는 반사 굴절 구성을 가지며, 이에 의해 포인팅 빔 및 측정 빔의 2개의 요구된 파장 사이에서 색지움이 더 용이해진다. 오목 미러는 광로를 그 자신 상으로 폴딩하고, 실질적으로 전체적인 크기를 줄인다. 당해 시스템의 크기는 카메라(도 2, 도 3a)가, 레이저 레이더 시스템의 이동 부분에 배치되게 하도록 충분히 작아야 하며, 카메라의 광축이, 측정 빔의 축과 동일선 상으로 되도록 하는 반사 윈도우 또는 콜드 미러를 이용하는 것에 의해 시차 효과를 제거한다. 윈도우(또는 콜드 미러)는 타겟으로 광이 투영되기 전의 마지막 광학 요소이기 때문에, 이러한 새로운 광학 어셈블리는, 카메라의 시야가 윈도우(또는 콜드 미러)(122)로부터 반사되도록 구성하는 것에 의해 레이저 레이더와 동일 방향으로 및 동일 축을 따라 포인팅할 수 있는 광각 카메라(wide field-of-view camera)(140)를 이용할 수 있도록 한다. 암흑화는 작고, 레이저 레이더 동작 중에 타겟에 형성된 스폿의 크기를 대폭 증가시키는 것을 초래하지 않는다.

따라서, 전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예는, 레이저 레이더 시스템과 일체로 이동하고 포인팅 빔 및 측정 빔을 레이저 레이더 시스템의 출구로 전달하면서, 레이저 레이더 시스템의 다른 구성에 대해 이동 가능한 스캐닝(포인팅) 미러의 필요성을 제거하는 레이저 레이더 시스템용 소형의 광학 어셈블리를 제공한다. 전술한 설명을 고려하면, 본 실시예의 광학 어셈블리가 다양한 타입의 레이저 레이더 시스템에 구현되는 방법이 당업자에게 명백할 것이다.

(실시예 2)

본 발명의 실시예 2는 도 1 및 도 2에 관련하여 전술한 기본 원칙에 따라 구성되고 동작하는 레이저 레이더 시스템(100)을 가진다. 본 실시예의 실시예 2에 따른 광학 어셈블리(114)의 기본적인 특정의 특징은 도 7a 및 도 7b로부터 이해될 것이다. 도 7a의 광학 어셈블리는 포인팅 빔 및 측정 빔이 향해지는 파이버(130)에 의해 나타내어지는 광원과, 렌즈(132)와, 스캐닝 반사기(134)와, 도 7a에서 평면 미러(136)를 구비하는 고정 반사기를 구비한다. 이들 구성요소는 파이버(130)로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔을, 광학 어셈블리의 광축과 일치하고 렌즈(132)를 통해 연장되는 것이 바람직한 조준선(138)을 따르도록 하고 집광하기 위해 협력된다. 파이버(130), 렌즈(132), 스캐닝 반사기(134) 및 평면 미러는 파이버(130)로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔이 스캐닝 반사기(134)에 의해 평면 미러(136)로 반사되고, 평면 미러(136)로부터 반사된 포인팅 빔 및 측정 빔이 스캐닝 반사기(134)에 의해 재차 반사되고 렌즈(132)를 통해 조준선(138)을 따르도록, 서로에 대해 배항되어 있다. 다음에, 포인팅 빔 및 측정 빔은 레이저 레이더 시스템으로부터 타겟(106)으로 향하게 된다.

도 7a의 실시예에서, 스캐닝 반사기(134)는 광학 어셈블리의 지지 구조체에 모두 고정되는 파이버(130), 렌즈(132), 평면 미러(136)에 대해 (예컨대 z방향으로) 이동하는, 코너 큐브인 것이 바람직한, 역반사기를 구비한다. 코너 큐브(134)의 이동(또는 이송)은 파이버와 렌즈 사이에서 측정 빔이 진행하는 거리를 변화시키는 것에 의해 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 조준선(138)을 따라 조절한다. 코너 큐브(134)는, (ⅰ) 광원으로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔이 코너 큐브(134)를 통해 평면 미러(136)로 반사되고, (ⅱ) 평면 미러(136)로부터 반사된 포인팅 빔 및 측정 빔이 코너 큐브(134)에 의해 재차 반사되고, (ⅲ) 적어도 하나의 사전 결정된 방향(예컨대 도 7a에서 z방향)에서의 코너 큐브의 이동이, 코너 큐브의 사전 결정된 방향에서의 코너 큐브의 이동, 또는 사전 결정된 방향에 대한 코너 큐브의 회전에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는 방식으로, 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 조준선(138)을 따라 조절하도록, 배향되는 적어도 3개의 반사 미러를 갖는다. 도 7b는 도 7a의 광학 어셈블리의 단편적인 개략도로서, 코너 큐브(134) 및 평면 미러(136)에 의해 제공되는, 포인팅 빔 및 측정 빔의 반사가, z방향으로 횡단하도록 향하는 코너 큐브(134)의 이동 또는, z방향에 대한 코너 큐브의 회전에 의해 영향을 받지 않는 반사 도식을 나타낸다.

파이버(132)는 가시(예컨대) 파장 범위 내의 포인팅 빔과 다른 예컨대 적외(IR) 파장 범위 내의 측정 빔을 결합시키는 파이버 빔 결합기와 관련된다. 포인팅 빔 및 측정 빔은 별개의 광원으로부터 생성되고, 당업자에게 잘 알려진 방식으로 (베이스(110) 내에 위치하는) 파이버 빔 결합기에 의해 결합된다. 결합된 포인팅 빔 및 측정 빔은 전술한 방식으로 파이버(130)로부터 지향되고, 조준선(138)을 따라 집광된다.

따라서, 도 7a 및 도 7b에 나타낸 실시예 2의 버전에 있어서, 포인팅 빔 및 측정 빔은 조준선(138)을 따르고, 조준선을 따른 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점은 단일 소자(즉, 코너 큐브(134))의 이동에 의해, z방향을 횡단하는 방향에서의 코너 큐브의 이동 또는 z방향에 대한 코너 큐브의 회전에 의해 반응하지 않는(즉, 영향이 없는) 방식으로 조정된다. 또한, 도 7a 및 도 7b의 광학 어셈블리는 매우 소형이고, 비교적 적은 구성으로 이루어진다. 어떤 구성에서, 코너 큐브(134)는 고정된 구성(파이버, 평면 미러 및 렌즈)에 대해 약 22㎜ 이하의 거리에 걸쳐 이동하는 것에 의해 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 조절할 수 있어, 광학 어셈블리의 소형화에 기여한다.

도 7a 및 도 7b의 실시예 2의 버전에서, 포인팅 빔 및 측정 빔은 조준선을 따라 레이저 레이더 시스템의 출구(120)로 향한다. 포인팅 빔 및 측정 빔은 레이저 레이더 시스템으로부터 타겟(106)의 스폿으로 향하고, 방사가 타겟에 의해 반사 및/또는 산란된다. 레이저 레이더 시스템의 원리에 따르면, 광학 어셈블리(114)는 타겟(106)으로부터 반사 또는 산란되는 적어도 약간의 방사를 수광하고, 그 방사는 당업자에게 명백한 방식으로 파이버(130)를 통해 되돌아온다.

타겟(106) 상의 측정 빔의 결상 스폿의 크기는 광학 어셈블리에 의해 얼마나 많은 광이 수집될 수 있는지를 결정한다. 타겟 상에 많은 광이 집광되는 경우, 많은 광이 타겟에 의해 반사 또는 산란되고, 그 반사 또는 산란된 광의 적절한 일부는 광학 어셈블리에 의해 수집되고, 파이버(130)로 되돌아 집광되어, 레이저 레이더와 타겟간의 거리의 정확한 측정이 가능해진다. 즉, 여기에 참조로서 포함시켜 둔 미국 특허 제4,733,609호, 제4,824,251호, 제4,830,486호, 제4,969,736호, 제5,114,226호, 제7,139,446호, 제7,925,134호 및 일본 특허 제2,664,399호에 기재된 기술을 이용하여, 스폿이 작을수록 보다 많은 측정광이 광학 어셈블리로 되돌아와, 보다 정확한 거리 측정이 이루어진다.

도 7a 및 도 7b에 나타낸 실시예 2의 버전의 광학 어셈블리에서, 코너 큐브(134)에 대해 고정된 평면 미러(136)를 마련하는 것은 코너 큐브를 나온 제 1 경로 빔을 보내고 되돌아와서 코너 큐브를 통과하지만, 당해 시스템은 z방향에 대해 이동하는 코너 큐브의 팁(tip)/경사(tilt)에 둔감하다. z방향에서의 코너 큐브(134)의 수평 이동은 제 1 경로에 시프트를 초래하지만, 평면 미러(136)는 빔을 코너 큐브를 통해 반전시키며, 등가이고 반대의 시프트를 선택하여 상쇄한다. 코너 큐브를 통과하는 각 통로에 대해, 코너 큐브의 역반사 특성은 코너 큐브의 배향, 즉 팁, 경사 또는 롤(roll)에 관계없이, 출력 빔이 입력 빔에 평행한 것을 보장한다. 따라서, 도 7a의 시스템은 명목상 코너 큐브의 팁/경사에 및 x/y 모션에 둔감하다. 도 7b는 고정된 평면 미러(136)가 시스템을 어떻게 코너 큐브의 x/y 모션에 둔감하게 하는지를 나타낸다.

또한, 레이저 레이더 시스템은 2개의 파장을 이용하고, 당해 시스템이 배면 반사(backreflection)에 민감하기 때문에, 코너 큐브(134)는 고체 유리의 종래의 코너 큐브보다는, 3개의 미러의 세트(에어-코너 큐브(air-corner cube))일 수도 있다. 그리고, 각 빔은 제 1 면미러(surface mirror)에 입사된다. 따라서, 레이저 레이더의 거리 측정 구성에 대해 노이즈 플로어(noise floor)의 원인으로 될 수 있는 고스트 이미지를 생성 가능한 표면은, 광파워를 제공하는 2인치 렌즈 이외에는 없다.

빔이 코너 큐브(134)를 2회 횡단하고 반사되기 때문에, 파이버(130)와 렌즈(132) 사이의 광로는 코너 큐브의 모션의 4배이며, 코너 큐브의 1㎜ 모션은 파이버와 렌즈 사이의 거리를 4㎜만큼 변화시킨다. 파이버의 공지된 NA 약 0.1에 근거하면, 고정 렌즈(132)의 이상적인 초점 거리는 50㎜의 출력 개구를 기초로, 약 250㎜이다. 물체/이미지 관계에 대한 뉴톤 방정식(Newtonian equations)에 근거하면, 요구되는 전체 초점 범위는 가까운 초점 위치(1미터)와 먼 초점 위치(60미터) 사이에서 약 88㎜이다. 이것은 88/4=~22㎜의 코너 큐브 이동으로 환산된다. 따라서, 오직 필요한 렌즈는 2인치 직경의 대물 렌즈(132)이다.

이러한 광학 어셈블리의 다른 큰 장점은, 광로(138)를 코너 큐브(134)를 통해 2회 폴딩하기 때문에, 250㎜ 내지 (88+250)=338㎜가 매우 소형의 용량으로 맞춰진다. 또한 긴 초점 거리는, 비교적 짧은 폴딩되지 않는 시스템에 비해, 렌즈(132)의 수차 요구가 완화되는 것도 의미한다.

이 시스템과 투과 광학계가 이동하는 시스템간의 주요한 차이점은, 파이버가 z 위치의 기준이기 때문에, 집광 소자(코너 큐브(134))의 모션이 파이버(130)와 마지막 렌즈 사이에서 z위치를 변화시키는 것이다. 따라서, 당해 시스템은 이러한 모션을 간단히 보정하는데 충분하도록 정확히 코너 큐브의 위치를 알아야 한다. 현재의 시스템 파라미터는 5㎛+1.25ppm/미터 또는 최소라도 1미터 초점당 6.25㎛의 축 방향 위치 측정 정확도를 가진다. 이것은 스테이지 위치가 최악의 경우라도 6.25/4=1.56㎛로 측정되어야 하는 것을 의미한다. 원초점(far focus)(60미터)에서, 스테이지는 단지 80/4=20㎛로 알려져야 한다. 이 시스템의 모든 장점을 고려하면, 이것은 작은 트레이드오프(tradeoff)인 것 같다.

도 7a의 시스템에서, 입력 파이버(130)는 분기되는 출력빔의 중앙에 있다. 시스템이 도 7a와 같이 구축되는 경우, 파이버(130)를 유지하는 구조체는 광을 차단하고, 일부의 광이 되돌아가 직접 파이버에 입사하여, 노이즈 플로어를 야기할 가능성이 있다. 도 8a, 도 8b, 도 8c에 나타낸 다른 시스템은 이 문제에 대처하는방법을 제공한다.

도 8a, 도 8b, 도 8c에 나타낸 광학 어셈블리(114a)는 실시예 2의 제 2 버전을 제공하며, 포인팅 빔 및 측정 빔의 광원을 제공하는 파이버(130a)와, 렌즈(132a)와, 스캐닝 반사기(134a)와, 고정 반사기(136a)를 포함한다. 스캐닝 반사기(134a)는 포인팅 빔 및 측정 빔의 2회 반사를 제공하는 반사 루프를 구비하고, 고정 반사기(136a)도 또한 포인팅 빔 및 측정 빔의 2회 반사를 제공하는 반사 루프를 구비한다. 또한, 반사 루프(134a, 136a)의 절선(140, 142)은 각각, 서로에 대해 사전 결정된 방향으로 되어 있다.

도 8a, 도 8b, 도 8c에 나타낸 본 발명의 버전은 도 7a, 도 7b의 버전과 전반적으로 유사한 방식으로 작동한다. 반사 루프(134a)는, (ⅰ) 광원으로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔이 반사 루프(134a)를 통해 고정 반사 루프(136a)로 반사되고, 고정 반사 루프(136a)로부터 반사된 포인팅 빔 및 측정 빔이 반사 루프(134a)를 통해 재차 반사되고, (ⅱ)적어도 하나의 사전 결정된 방향(예컨대 도 8a에서 z방향)에서의 반사 루프(134a)의 이동이 조준선(138a)을 따라 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 조정하도록 배향되는 1쌍의 반사면을 갖는다. 도 8c는 도 8a 및 도 8b의 광학 어셈블리의 단편적인 개략 도면으로서, 반사 루프(134a) 및 고정 반사 루프(136a)에 의해 제공되는 반사 도식을 나타낸다. 따라서, 포인팅 빔 및 측정 빔은 조준선(138a)을 따르도록 되고, 조준선을 따른 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점은 단일 소자(반사 루프(134a))를 고정 반사 루프(136a), 렌즈(132a), 파이버(130a)에 대해 z방향으로 이동하는 것에 의해 조정된다. 도 8a, 도 8b, 도 8c의 광학 어셈블리는 매우 소형이고, 비교적 적은 구성으로 이루어진다. 전술한 버전과 같이, 반사 루프(134a)는 고정된 컴포넌트(파이버(130a), 고정 반사 루프(136a), 렌즈(132a))에 대해 22㎜ 이하의 거리에 걸쳐 이동하는 것에 의해 포인팅 빔 및 측정 빔의 초점을 조정할 수 있어, 광학 어셈블리(114a)의 소형화에 기여한다.

도 8a, 도 8b, 도 8c의 광학 어셈블리는 분기되는 출력 빔의 중앙에 파이버가 있어, 파이버를 유지하는 구초체가 광을 차단하여, 약간의 광이 되돌아가 파이버에 직접 입사되어, 큰 노이즈 플로어를 야기하는 문제에 대처한다. 구체적으로, 코너 큐브를 이동하고 고정 미러를 이용하는 대신에, 광학 어셈블리는 2개의 반사 루프(134a, 136a)로 나뉘어진다. 반사 루프(134a)는 코너 큐브 대신에 이동하고, 반사 루프(136a)는 고정되고 이동하는 반사 루프(134a)에 대해 광축을 중심으로 약 90° 회전된다. 이 광학 어셈블리는 하나의 주요한 추가 장점 및 하나의 단점과 함께, 도 7a의 시스템과 동일한 약간의 장점을 달성한다. 입력 파이버(130)로부터의 포인팅 빔 및 측정 빔은 이동하는 반사 루프(134a)로 향하고, 반사 루프(134a)에 의해 아래로 이동한다. 다음으로, 포인팅 빔 및 측정 빔은 고정 반사 루프(136a)로 향하고, 이들 빔을 페이지 내로 시프트시킨다. 그리고, 빔은 반사 루프(134a)를 통해 되돌아가고, 확대되지만 입력 파이버(130a)와 평행하게 돌출된다. 그러나, 고정 루프(136a)로 인해, 빔은 파이버(130)에 대해 도 8a 및 도 8b의 y방향으로 이동된다. 따라서, 암흑화 또는 배면 반사의 문제가 없다. 그러나, 이동하는 루프가 z축에 대해 회전하는 경우, 이 이상적인 특성이 더이상 정확히 진실이 아니라는 단점이 있다.

반사 루프(134a)는 이동하면서 y축에 대해 회전하는 경우, 루프같이 동작하여 각을 변화시키지 않는다. x축에 대해 회전하는 경우에는, 반사 루프(134a)는 평면 미러같이 동작하지만 고정 반사 루프(136a)가 z축에 대해 90°만큼 회전하기 때문에 고정 반사 루프(136a)는 이러한 각도 변화를 제거한다. 반사 루프(134a)가 x축으로 시프트되는 경우, 빔을 시프트시키지만, 고정 반사 루프(136a)는 (도 7a의 시스템에서와 같이) 미러와 같이 동작하고, 반사 루프(134a)를 통한 제 2 경로가 시프트를 보정한다. 마지막으로, 반사 루프(134a)가 y축으로 시프트되는 경우, 평면 미러와 동일하여, 빔에 대한 변화가 없다.

파이버(130a)와 고정 렌즈(132a)간의 축 방향 거리를 변화시키기 위해서 (반사 루프(134a, 136a)를 형성하는 2개의 루프 프리즘 형태의) 일련의 제 1 면미러가 이용된다. 이 시스템은 명목상, 이동 소자(반사 루프(134a))의 팁/경사 및 x/y 시프트에 대해 둔감하다. 2개의 루프 시스템으로부터의 출력 빔은 입력 파이(130a)에 대해 시프트되어, 암흑화 및 배면 반사의 문제가 없다. 또한, 모든 표면이 제 1 면미러이기 때문에, 고스트 반사를 생성할 수 있는 인터페이스가 없다. 빔 경로의 폴딩된 특성은 매우 소형이고, 안정한 메카니즘을 가능하게 한다. 시스템의 긴 초점 길이는 고정 반사 루프(136a)가 규격적인 색 보정 더블릿(off-the-shelf color corrected doublet)과 같을 수 있다는 것을 의미한다.

도 9 내지 도 13은 실시예 2의 광학 어셈블리의 소자를 구성하고 배향하는 다양한 개념을 개략적으로 나타낸다.

예컨대, 도 9에 나타낸 바와 같이, 스캐닝 반사기(134)에 의해 반사되고 렌즈를 통해 조준선(138)에 따르도록 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔은 렌즈(132)를 통해 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 조준선(138)을 폴딩하는 폴딩 미러(144)에 의해 반사된다. 또 도 9에 도시된 바와 같이, 파이버(130)는 폴딩 미러(144) 내에 설치될 수 있다.

본 발명의 광학 어셈블리는 렌즈(132)로부터 1미터에서 60미터의 범위에서 집광되도록 설계된다. 도 9에 도시한 시스템은 렌즈로부터 1미터에서 집광되는 경우, 적은 광이 타겟으로 향하지만, 광 손실은 단지 몇 퍼센트이다. 코너 큐브(134)가 약 22㎜ 이동하는 것에 의해, 광학 어셈블리가 60미터에서 집광되면, 빔은 렌즈(132)의 개구를 거의 대부분 채워서, 실질적으로 모든 광이 타겟에 영향을 주는 스폿을 생성하는데 이용된다.

또한, 도 10에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 렌즈(132), 빔 소스(즉, 파이버(130)) 및 평면 미러(136)는 역반사기(134)에 대해 일체로서 이동할 수 있는 방식으로 지지되고, 조준선은 일체와 함께 이동한다. 따라서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 평면 미러와 파이버(130)는, 이들 컴포넌트 모두가 역반사기(134)에 대해 일체적으로 이동할 수 있도록, 박스(146)에 의해 지지된다. 따라서, 역반사기 및 다른 컴포넌트(파이버, 렌즈, 고정 반사기)가 서로 "관련"하여 이동 가능한 것에 대해서는 다른 컴포넌트가 지지 구조체에 의해 지지되거나, 역반사기가 지지 구조체에 대해 이동 가능하거나, 다른 컴포넌트의 지지 구조체(예컨대 도 6에서의 박스(146))가 역반사기(134)에 대해 다른 컴포넌트가 일체적으로 이동 가능한 것을 의미할 수 있다.

또한, 도 10에도 나타낸 바와 같이, 스캐닝 반사기(134)에 의해 반사되고 렌즈(132)를 통해 조준선을 따르도록 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔은, 렌즈를 통하도록 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 조준선(138)을 폴딩하는 편광 빔 스플리터 플레이트(150)에 의해 (도 9에 나타낸 방식과 동일한 방식으로) 반사된다. 도 10에서, 편광 빔 스플리터 플레이트(150)는, 편광 빔 스플리터 플레이트(150)가 편광 빔 스플리터로서 기능 가능하도록 하는 편광 빔 스플리팅 코팅을 가지며, 평면 미러(136)에 마련되어, 평면 미러(136)로부터 반사된 빔의 편광을 조정하는 1/4 파장판(148)이 제공된다. 도 6에서, 빔 소스인 광 파이버(130)는 편광 빔 스플리터 플레이트(150)에 대해 사전 결정된 위치에서 도트(dot)로 나타낸다.

따라서, 도 10에 나타낸 개요에서, 편광 빔 스플리터 플레이트(PBS)(150)는 조준선에 따르는 광이 결합하여 파이버(130)로 되돌아가는 것을 방지하는데 이용된다. 측정 빔은 직선 편광이기 때문에, 그 편광 상태는 45°로 배향된 1/4 파장판(QWP)(148)을 통과하여 2회 진행하는 것에 의해 90도 회전할 수 있다. 이 경우, 또한 QWP(148)는 도 7a에 관련지어 나타내고 설명한 방식으로 시스템의 미러(136)로서 동작하는 제 2 면미러(136)도 가진다. 파이버(130)는 PBS 플레이트(150)의 배면 근처에 배치된다. PBS 플레이트이고 입력면이 파이버에 대해 45° 경사져 있기 때문에, 배면 역반사는 파이버로 되돌아가지 않는다. 코너 큐브(134)는, 규격 부분(off-the-shelf part)이고 이것이 파이버와 렌즈간의 축 방향 거리를 증가시키기 때문에, 고체 유리이다. 이러한 광학 어셈블리에서 암흑화는 없다.

또한, 도 10에 나타낸 개념에서, 코너 큐브(134)는 고정 유지될 수 있고, (모두 박스(146)로 지지되는) 평면 미러, 폴딩 미러, 렌즈 및 파이버 모두가 코너 큐브의 중심선에 대해 회전한다. 이 회전은 코너 큐브의 중심선에 대해서 이루어져야 하고, 그렇지 않으면 빔은 회전시에 코너 큐브의 에지 외부로 이동로 이동한다. 실시예 2의 이 개념은 앙각축(elevation axis)에 대해 이동할 필요성 있는 회전 질량을 줄일 수 있고, 이에 의해 보다 소형이고 가벼운 앙각축 모터가 이용되어, 결과적으로 발열도 적어지게 된다(열원은 구성을 이동시키는데 이용되는 액추에이터임). 또한, 이것은 보다 더 소형화된 어셈블리로 귀결된다. 또한, 이것은 집광 스테이지의 복잡성도 줄일 수 있게 되어, 회전 조인트를 통과할 필요가 있는 케이블이 적어져, 케이블 루팅(cable routing)이 간단하고, 케이블을 이동시키는 것에 의해 야기되는 케이블의 방해를 줄일 수 있어, 모션 정확도가 향상되고, 이에 따라 성능이 향상된다. 따라서, 이러한 도 10의 개념의 관점에서는 다 작고, 더 간단하고 비용이 보다 효율적인 광학 어셈블리를 제공할 수 있고, 케이블의 방해도 줄여 정확도도 향상시킬 수 있다.

또, 도 11에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 광원은, 평면 미러로서 기능하는 부분(136b), 및 스캐닝 반사기(134)에 의해 반사되고 렌즈(132)를 통해 조준선을 따르도록 지향되는 포인팅 빔 및 측정 빔의 조준선을 폴딩하는 다른 부분(154)을 가지는 모놀리식 부재(152)에 의해 지지되는 광 파이버(130)를 구비한다.

또한, 도 12에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 광원은, 그 위에 평면 미러가 형성되는 반사부(136c)를 갖는 투과 부재(예컨대 유리 윈도우(160))에 의해 지지되는 광 파이버(130)를 구비할 수 있다. 또한, 광 파이버는 출원인이 도 13에서 "스파이더(spider)"라고 지칭하고, 광 파이버를 지지하기 위해 형성하는 중앙 개구(166)를 갖는 일련의 지주(struts)(164)를 포함하는 기계 구조체(162)에 의해 지지될 수 있다. 스파이더(162)는 알루미늄과 같은 경량의 금속으로 구성될 수 있다. 따라서, 광학 어셈블리는, (도 12에 나타내는 바와 같이) 파이버용 구멍 및 미러(136c)로서의 은 영역을 갖는 유리 플레이트(160), 또는 파이버를 유지하고 광을 통과시키기 위한 스파이더(도 13)를 갖는 금속 플레이트, 및 스파이더에 부착되어 반사부(136c)를 형성하는 기계 가공 및 연마된 별개의 미러면을 구비할 수 있다. 그 결과, 도 12 및 도 13은, 도 12에서 파이버를 지지하는 투과 부재(160)가 하나의 유리이고, 도 13에서 스파이더(162)의 기계적 구성간의 공간이 투과 부재인 점을 제외하면, 동일하다.

도 11, 도 12, 도 13에 나타낸 개념은 본 발명의 실시예 2에 따른 광학 어셈블에 부가적 유리한 특징을 제공한다. 예컨대, 도 11의 개념은 양쪽의 미러로서 또한 파이버를 유지하기 위한 단일 기판을 이용한다. 이것은 단순한 구조물을 제공하고, 단일 기판이 비교적 경량의 알루미늄으로 형성될 수도 있다. 도 12 및 도 13의 개념에 대해서는, 폴딩 미러를 윈도우 또는 윈도우/스파이더 구성으로 대체하여, 폴딩 미러의 무게를 제거하기 때문에, 광학 어셈블리의 전체 무게를 줄일 수 있다. 또한, 도 12 및 도 13의 개념은 표면 형상(surface figure) 및 미러 각도 위치에 대한 추가적 허용 범위의 필요 조건을 줄일 수 있다. 그 결과, 코너 큐브는 렌즈의 광축에 대해 수직이 아닌 평행하게 이동한다. 따라서, 미러가 하나 적기 때문에 광학 어셈블리가 단순화되어, 미러들간의 각도를 맞추어야 할 사양이 하나 적다. 또한, 파이버 구멍과 미러면간의 각도는, 표면에 수직으로 절단되는 경우(도 11의 모놀리식 금속 미러 개념을 이용하는 경우에는 실제로 문제가 없음), 보다 직접적으로 제어 가능하다. 또한, 렌즈에 대한 파이버 축의 위치는 제조 중에 더 용이하게 유지 보관될 수 있어(예컨대 튜브 내의 양쪽의 소자를 유지하여), 이에 의해 빔이 개구의 중앙에 위치하지 않음으로써 발생하는(반복 가능한) 아웃 포커스 조준 오차를 감소할 수 있다. 또한, 파이버 구멍이 렌즈의 광축에 평행하기 때문에, 2개를 정렬하고, 열적 조준 오차를 매우 줄일 수 있다. 또한, 코너 큐브는 파이버에 더 근접하고, 더 작게 될 수 있다.

따라서, 전술한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 실시예 2는 레이저 레이더 시스템용 소형의 광학 어셈블리를 제공하고, 광학 어셈블리는 광원, 렌즈, 스캐닝 반사기 및, 광원으로부터의 빔을 렌즈를 통해 연장되는 조준선을 따라 집광하기 위해 합동하며, 광원, 렌즈, 스캐닝 반사기 및 고정 반사기는, 빔의 초점을 기준을 따라 조절하기 위해, (ⅰ) 광원으로부터의 빔을 스캐닝 반사기에 의해서 고정 반사기로 반사하고, (ⅱ) 고정 반사기로부터 반사된 광이 스캐닝 반사기에 의해 재차 반사되어 렌즈를 통해 조준선을 따르도록 하고, (ⅲ) 스캐닝 반사기가, 조전선을 따라 빔의 초점을 조절하기 위해, 광원, 렌즈 및 고정 반사기에 대해 이동 가능하도록 서로에 대해 배향되어 있다.

본 실시예에서는, 레이저 레이더 시스템(100)은 포인팅 빔 및 측정 빔을 가진다. 그러나, 레이저 레이더 시스템(100)은 포인팅 빔없이 측정 빔만 가질 수도 있다. 예컨대, 측정 빔은 가시적이다. 따라서, 이 경우, 측정 빔은 포인팅 빔의 역할도 할 수 있다. 본 실시예의 레이저 레이더 시스템(100)은 포인팅 빔과 측정 빔 사이에 상이한 파장 영역을 가진다. 그러나, 레이저 레이더 시스템(100)은 가지 영역과 동일한 파장 영역을 가질 수도 있다.

선택적 실시예에 있어서, 광학 어셈블리는 렌즈(132), 스캐닝 반사기(134) 및 고정 반사기를 갖는다. 그러나, 광학 어셈블리는 고정 반사기를 제외한 렌즈(132), 스캐닝 반사기(134)를 가질 수도 있다. 예컨대, 측정 빔은 반사기(134)로부터 렌즈(132)로 직접 향하게 할 수 있다.

레이저 레이더 시스템(100)에 대해서, 실시예 2는, 또한 반사기 또는 반사기가 배치되는 물체의 6자유도(six degrees of freedom)(α, β, d, φ, χ, ψ)를 결정하고, 예컨대 미국 공개 특허 공보 제2006-022314호(여기서 참조로서 포함됨)에 기재된 레이저 추적기(laser tracker)와 같은 각도 및 거리 측정 장치를 구비하는 거리 계측 시스템에도 적용할 수 있다. 레이저 레이더 시스템(100)에 대해서, 본 발명은 또한, 방사 및 반사된 레이저광의 비교에 의해 측정 시스템과 타겟 포인트간의 거리 및/또는 이 거리의 변화를 규정하고, 미국 공개 특허 공보 제2011-0181872호(여기에 참조로서 포함됨)에 개시된 레이저 트래커와 같은 거리 측정 시스템에도 적용 가능하다.

다음으로, 전술한 측정 장치(레이저 레이더 시스템(100))가 마련되는 구조체 제조 시스템에 대해 설명한다.

도 14는 구조체 제조 시스템(700)의 블록도이다. 구조체 제조 시스템은, 적어도 하나의 재료로부터 예컨대 배, 비행기 등과 같은 적어도 구조체를 제조하고, 프로파일 측정 장치(100)에 의해 구조체를 검사하기 위한 것이다. 본 실시예의 구조체 제조 시스템(700)은 본 실시예에서 전술한 바와 같은 프로파일 측정 장치(100)와, 설계 장치(610), 성형 장치(620), 제어기(630)(검사 장치), 및 수리 장치(repairing apparatus)(640)를 포함한다. 제어기(630)는 좌표 저장부(631)와 검사부(632)를 포함한다.

설계 장치(610)는 구조체의 형상에 대한 설계 정보를 작성하고, 작성한 설계 정보를 성형 장치(620)에 보낸다. 또한, 설계 장치(610)는 작성한 설계 정보를 제어기(630)의 좌표 저장부(631)에 저장시킨다. 설계 정보는 구조체의 각 위치의 좌표를 나타내는 정보를 포함하고 있다.

성형 장치(620)는 설계 장치(610)로부터 입력되는 설계 정보에 근거하여 구조체를 생산한다. 성형 장치(620)에 의한 성형 처리는 예컨대 주조(casting), 단조(forging), 절삭 등을 포함한다. 프로파일 측정 장치(100)는 생산된 구조체의 좌표를 측정하고(물체의 측정), 측정된 좌표를 나타내는 정보(형상 정보)를 제어기(630)에 보낸다.

제어기(630)의 좌표 저장부(631)는 설계 정보를 저장한다. 제어기(630)의 검사부(632)는 좌표 저장부(631)로부터 설계 정보를 판독한다. 검사부(632)는 프로파일 측정 장치(100)로부터 수신한 좌표(형상 정보)를 나타내는 정보와 좌표 저장부(631)로부터 판독한 설계 정보를 비교한다. 검사부(632)는, 비교 결과에 근거하여, 구조체가 설계 정보에 따라 성형되었는지 여부를 판정한다. 즉, 검사부(632)는 생산된 구조체가 결함이 없는 것인지 여부를 판정한다. 구조체가 설계 정보에 따라 성형되지 않은 경우, 검사부(632)는 구조체가 수리 가능한지 여부를 판정한다. 수리 가능하면, 검사부(632)는 비교 결과에 근거하여 결함 부분 및 수리량을 산출하고, 결함 부분을 나타내는 정보 및 수리량을 나타내는 정보를 수리 장치(640)에 보낸다.

수리 장치(640)는 제어기(630)로부터 수신한 결함 부분을 나타내는 정보 및 수량을 나타내는 정보에 근거하여 구조체의 결합 부분의 처리를 실행한다.

도 15는 구조체 제조 시스템(700)의 처리 흐름을 나타내는 흐름도이다. 구조체 제조 시스템(700)에 대해, 먼저, 설계 장치(610)는 구조체의 형상에 대한 설계 정보를 작성한다(단계 S101). 다음으로, 성형 장치(620)는 설계 정보에 근거하여 구조체를 생산한다(단계 S102). 그리고, 프로파일 측정 장치(100)는 생산된 구조체를 측정하여, 그 형상 정보를 취득한다(단계 S103). 다음에, 제어기(630)의 검사부(632)는 프로파일 측정 장치(100)로부터 취득한 형상 정보와 설계 정보를 비교하는 것에 의해, 구조체가 설계 정보에 따라 정확히 생산되었는지 여부를 검사한다(단계 S104).

다음으로, 제어기(630)의 검사부(632)는 생산된 구조체에 결함이 없는지 여부를 판정한다(단계 S105). 검사부(632)가 생산된 구조체에 결함이 없다고 판정하는 경우(단계 S105에서 "예"), 구조체 제조 시스템(700)은 처리를 종료한다. 한편, 검사부(632)가 생산된 구조체에 결함이 있다고 판정하면(단계 S105에서 "아니오"), 생산된 구조체가 수리 가능한지 여부를 판정한다(단계 S106).

검사부(632)가 생산된 구조체가 수리 가능하다고 판정하는 경우(단계 S106에서 "예"), 수리 장치(640)는 구조체의 수리 처리를 실시하고(단계 S107), 구조체 제조 시스템(700)은 단계 S103으로 되돌아간다. 검사부(632)가 생산된 구조체가 수리 불가능하다고 판정하면(단계 S106에서 "아니오"), 구조체 제조 시스템(700)은 처리를 종료한다. 이렇게 해서, 구조체 제조 시스템(700)은 도 15의 흐름도에 의해 나타낸 전체 처리를 종료한다.

본 실시예의 구조체 제조 시스템(700)에 대해, 본 실시예의 프로파일 측정 장치(100)가 구조체의 좌표를 정확히 측정할 수 있기 때문에, 생산된 구조체에 결함이 없는지 여부를 판정하는 것이 가능하다. 또한, 구조체에 결함이 있으면, 구조체 제조 시스템(700)은 구조체에 대해 재처리 프로세스를 실행하여 동일하게 수리할 수 있다.

또한, 본 실시예에서 수리 장치(640)에 의해 실행되는 수리 처리는 예컨대 성형 장치(620)가 성형 처리를 다시 실행하는 것과 치환될 수도 있다. 이 경우, 제어기(630)의 검사부(632)가 구조체는 수리 가능하다고 판정하는 경우, 성형 장치(620)는 성형 처리(단조, 절삭 등)를 처음부터 다시 실행한다. 구체적으로, 예컨대, 성형 장치(620)는 절삭이 행해졌어야 하나 행해지지 않은 구조체의 부분에 대해 절삭 처리를 실행한다. 이에 의해서, 구조체 제조 시스템(700)이 정확히 구조체를 제조하는 것이 가능하게 된다.

상기 실시예에서는, 구조체 제조 시스템(700)은 프로파일 측정 장치(100), 설계 장치(610), 성형 장치(620), 제어기(630)(검사 장치), 및 수리 장치(640)를 포함하고 있다. 그러나, 본 교시는 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예컨대, 본 교시에 따른 구조체 제조 시스템은 적어도 성형 장치 및 프로파일 측정 장치를 포함할 수도 있다.

따라서, 본 발명은, 장치, 광학 어셈블리, 물체의 검사 또는 측정 방법, 및 구조체 제조 방법에 대해 새로고 유용한 개념을 제공한다. 전술한 설명을 고려하면, 이들 개념(예컨대 본 실시예의 광학 어셈블리)은 다양한 타입의 레이저 레이더 시스템뿐만 아니라 다른 타입의 광학 시스템 및 방법으로 구현될 수 있으며, 이것은 당업자에게 자명하다.

Claims

물체를 검사 또는 측정하기 위한 장치에 있어서,
장치의 일부로서 일체적으로 이동 가능하고, 측정 빔이 그의 출구를 통해 지향하도록 구성되는 광학 어셈블리
를 구비하며,
상기 광학 어셈블리는 상기 광학 어셈블리의 출구를 통해 지향하게 되는 상기 측정 빔의 광로를 폴딩(fold)하도록 구성되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는 반사 굴절 광학계(catadioptric optics)를 포함하는
장치.
제 2 항에 있어서,
광 광학계의 진행 방향이 상기 광학 어셈블리 내에서 변화하는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 측정 빔과 참조 빔(reference beam)을 분리하도록 구성되는 제 1 스플리터를 더 구비하는
장치.
제 4 항에 있어서,
상기 물체로부터 반사된 측정 빔과 상기 참조 빔을 혼합하여, 상기 물체의 거리를 측정하도록 구성되는 제 2 스플리터를 더 구비하는
장치
제 1 항에 있어서,
상이한 방향을 갖는 2개의 축을 따라 상기 광학 어셈블리가 이동하도록 구성되는 이동 가능한 부분을 더 구비하는
장치.
제 2 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는 상기 측정 빔이 상기 광학 어셈블리의 출구로 향하도록 하는 투과부(transmissive portion)를 갖는 윈도우(window)를 포함하는
장치.
제 7 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는,
상기 측정 빔을 광 파이버로부터 상기 윈도우의 반사 영역으로 향하게 하는 릴레이 시스템을 포함하고,
상기 반사 굴절 광학계는 상기 윈도우의 상기 반사 영역으로부터의 상기 측정 빔을 수광하고 상기 윈도우의 투과부를 통해 되돌려 반사하여, 상기 광학 어셈블리의 상기 출구를 통하는 상기 포인팅 빔 및 상기 측정 빔의 광로를 폴딩하는
장치.
제 8 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는 상기 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 상기 윈도우의 상기 투과부를 통하도록 되돌려 지향되는 상기 측정 빔의 초점을 변화시키는 적어도 하나의 이동 가능한 광학계를 포함하는
장치.
제 9 항에 있어서,
상기 반사 굴절 광학계에 의해 반사되고 상기 윈도우의 상기 투과부를 통하도록 되돌려 지향되는 상기 측정 빔의 초점은 복수의 광학계를 이동시키는 것에 의해 변경되고,
상기 복수의 광학계는 낮은 광파워(optical power)이지만 구면 수차가 큰 것을 특징으로 하는
장치.
제 2 항에 있어서,
상기 윈도우는 상기 포인팅 빔 및 상기 측정 빔의 파장 범위를 포함하는 사전 결정된 파장 범위 내의 광을 전달하는 콜드 미러(cold mirror)를 포함하고,
상기 포인팅 빔 및 상기 측정 빔을 전달하는 광 파이버는 상기 콜드 미러의 중심 위치에 배치되고,
상기 반사 굴절 광학계는 상기 광 파이버로부터 상기 측정 빔을 수신하고 상기 콜드 미러를 통하여 되돌려 반사하여, 상기 광학 어셈블리의 상기 출구로 지향하도록 하는
장치.
제 11 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는 상기 반사 굴절 광학계에 의해 반사되어 상기 콜드 미러를 통하도록 되돌려 지향되는 상기 측정 빔의 초점을 변화시키는 적어도 하나의 이동 가능한 광학계를 포함하는
장치.
제 12 항에 있어서,
상기 반사 굴절 광학계에 의해 반사되어, 상기 윈도우의 상기 투과부를 통하도록 되돌려 지향되는 상기 측정 빔의 초점은 복수의 광학계를 이동시키는 것에 의해 변경되고,
상기 복수의 광학계는 낮은 광파워이지만 구면 수차가 큰 것을 특징으로 하는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 측정 빔은 포인팅 빔과 결합되는
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는, 상기 측정 빔을 조준선(line of sight)을 따라서 그리고 상기 광학 어셈블리의 출구를 통하도록 지향하도록 구성되고,
상기 광학 어셈블리는 스캐닝 반사기(scanning reflector)를 포함하고,
상기 스캐닝 반사기는 상기 조준선을 따라 상기 측정 빔의 초점을 조절하기 위해 이동 가능한
장치.
제 15 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는 고정 반사기(fixed reflector)를 포함하며,
상기 고정 반사기 및 상기 스캐닝 반사기는, 광원으로부터의 상기 측정 빔이 상기 스캐닝 반사기에 의해 상기 고정 반사기로 반사되고 상기 고정 반사기로부터 반사된 측정 빔이 상기 스캐닝 반사기에 의해 재차 반사되도록, 서로에 대해 배향되며,
상기 스캐닝 반사기는, 상기 조준선을 따라 상기 측정 빔의 초점을 조정하기 위해, 상기 고정 반사기에 대해 이동 가능한
장치.
제 16 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기는 역반사기(retroreflector)를 구비하고,
상기 고정 반사기는 평면 미러(plane mirror)를 구비하는
장치
제 17 항에 있어서,
상기 광원, 상기 평면 미러는 모두 상기 광학 어셈블리의 지지 구조체에 대해 고정된 위치에 있고,
상기 역반사기는 상기 조준선을 따라 상기 측정 빔의 초점을 변화시키기 위해, 이들 고정 위치에 대해 이동 가능한
장치.
제 18 항에 있어서,
상기 역반사기는 코너 큐브를 구비하며,
상기 코너 큐브는,
(ⅰ) 상기 광원으로부터의 상기 측정 빔이 상기 코너 큐브를 통해 상기 평면 미러로 반사되고, 상기 평면 미러로부터 반사된 상기 측정 빔이 상기 코너 큐브를 통해 재차 반사되고, (ⅱ) 적어도 하나의 사전 결정된 방향에서의 상기 코너 큐브의 이동에 의해서, 상기 사전 결정된 방향을 횡단하는 방향에서의 상기 코너 큐브의 이동 또는 상기 사전 결정된 방향에 대한 상기 코너 큐브의 회전에 의해서 실질적으로 영향을 받지 않는 방식으로, 상기 조준선을 따라 상기 측정 빔의 초점을 조정하도록,
배향된 적어도 3개의 반사면을 갖는
장치.
제 15 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기는 상기 측정 빔의 2회의 반사를 제공하는 반사 루프(a reflective roof)를 구비하고,
상기 고정 반사기는 또한 상기 측정 빔의 2회의 반사를 제공하는 반사 루프를 구비하며,
양쪽의 상기 반사 루프의 절선(nodal line)은 서로에 대해 사전 결정된 방향에 있는
장치.
제 20 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기에 의해 반사되어 상기 조준선을 따르도록 향하는 상기 측정 빔은 상기 측정 빔의 조준선을 폴딩하는 폴딩 미러에 의해 반사되는
장치.
제 21 항에 있어서,
상기 빔원(beam source) 및 상기 평면 미러는 역반사기에 대해 일체로서 이동할 수 있는 방식으로 지지되고,
상기 조준선도 상기 일체와 함께 이동되는
장치.
제 22 항에 있어서,
상기 빔원은 상기 폴딩 미러에 의해 지지되는 광 파이버를 구비하는
장치.
제 17 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기에 의해 반사되어 상기 조준선을 따르도록 지향되는 상기 측정 빔은 상기 측정 빔의 상기 조준선을 폴딩하는 편광 빔 스플리터에 의해 반사되고,
상기 광원은 상기 측정 빔의 상기 조준선을 폴딩하는 상기 편광 빔 스플리터에 대해 사전 결정된 위치에서 광 파이버를 구비하는
장치.
제 17 항에 있어서,
상기 광원은 상기 평면 미러로서 기능하는 부분과, 상기 스캐닝 반사기에 의해 반사된 상기 측정 빔의 상기 조준선을 폴딩하는 다른 부분을 갖는 모놀리식 부재(monolithic member)에 의해 지지되는 광 파이버를 구비하는
장치.
제 17 항에 있어서,
상기 광원은 상기 평면 미러도 지지하는 투과 부재에 의해 지지되는 광 파이버를 구비하는
장치.
빔을 조준선을 따라 집광하기 위한 광학 어셈블리에 있어서,
렌즈와,
상기 렌즈를 통해 연장되는 조준선을 따라 광원으로부터의 빔을 집광하기 위해 합동하는 스캐닝 반사기와 고정 반사기
를 구비하되,
상기 렌즈, 상기 스캐닝 반사기 및 상기 고정 반사기는, 상기 광원으로부터의 빔이 상기 스캐닝 반사기에 의해 상기 고정 반사기로 반사되고, 상기 고정 반사기로부터 반사된 광이 상기 스캐닝 반사기에 의해 재차 반사되어 상기 렌즈를 통해 상기 조준선을 따르게 되도록, 서로에 대해 배향되며,
상기 스캐닝 반사기는 상기 조준선을 따라 상기 빔의 초점을 조정하기 위해, 상기 광원, 상기 렌즈 및 상기 고정 반사기에 대해 이동 가능한
광학 어셈블리.
제 27 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기는 역반사기를 구비하고,
상기 고정 반사기는 평면 미러를 구비하는
광학 어셈블리.
제 28 항에 있어서,
상기 광원, 상기 렌즈 및 상기 평면 미러는 모두, 상기 광학 어셈블리의 지지 구조체에 대해 고정된 위치에 있고,
상기 역반사기는 상기 조준선을 따라 상기 빔의 초점을 변화시키기 위해서, 상기 고정 위치에 대해 이동 가능한
광학 어셈블리.
제 29 항에 있어서,
상기 역반사기는 코너 큐브를 구비하고,
상기 코너 큐브는,
(ⅰ) 상기 광원으로부터의 광이 상기 코너 큐브를 통해 상기 평면 미러로 반사되고, 상기 평면 미러로부터 반사된 광이 상기 코너 큐브를 통해 재차 반사되고, (ⅱ) 적어도 하나의 사전 결정된 방향에서의 상기 코너 큐브의 이동에 의해서, 상기 사전 결정된 방향을 횡단하는 방향에서의 상기 코너 큐브의 이동 또는 상기 사전 결정된 방향에 대한 상기 코너 큐브의 회전에 실질적으로 영향을 받지 않는 방식으로, 상기 조준선을 따라 상기 빔의 초점을 조정하도록,
배향된 적어도 3개의 반사면을 갖는
광학 어셈블리.
제 27 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기는 상기 빔의 2회의 반사를 제공하는 반사 루프를 구비하고,
상기 고정 반사기는 또한 상기 빔의 2회의 반사를 제공하는 반사 루프를 구비하며,
양쪽의 반사 루프의 절선은 서로에 대해 사전 결정된 방향에 있는
광학 어셈블리.
제 31 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기에 의해 반사되어 상기 렌즈를 통해 상기 조준선을 따라 지향되는 상기 빔은, 상기 렌즈를 통해 지향되는 상기 빔의 상기 조준선을 폴딩하는 폴딩 미러에 의해 반사되는
광학 어셈블리.
제 32 항에 있어서,
상기 렌즈, 상기 빔원 및 상기 평면 미러는 상기 역반사기에 대해 일체로서 이동할 수 있는 방식으로 지지되고,
상기 조준선은 상기 일체와 함께 이동하는
광학 어셈블리.
제 32 항에 있어서,
상기 광원은 상기 폴딩 미러에 의해 지지되는 광 파이버를 구비하는
광학 어셈블리.
제 28 항에 있어서,
상기 스캐닝 반사기에 의해 반사되고 상기 렌즈를 통해 상기 조준선을 따라 지향되는 상기 빔은 상기 렌즈를 통해 지향되는 상기 빔의 상기 조준선을 폴딩하는 편광 빔 스플리터에 의해 반사되고,
상기 광원은 상기 렌즈를 통해 지향되는 상기 빔의 상기 조준선을 폴딩하는 상기 편광 빔 스플리터에 대해 사전 결정된 위치에 있는 광 파이버를 구비하는
광학 어셈블리.
제 28 항에 있어서,
상기 광원은, 상기 평면 미러로서 기능하는 부분과 상기 스캐닝 반사기에 의해 반사되어 상기 조준선을 따라 상기 렌즈를 통해 지향되는 상기 빔의 상기 조준선을 폴딩하는 다른 부분을 갖는 모놀리식 부재에 의해 지지되는 광 파이버를 구비하는
광학 어셈블리.
제 28 항에 있어서,
상기 광원은 상기 평면 미러를 또한 지지하는 투과 부재에 의해서 지지되는 광 파이버를 구비하는
광학 어셈블리.
물체를 검사 또는 측정하는 방법에 있어서,
그의 출구를 통해 측정 빔이 지향되도록 구성된 광학 어셈블리를 이용하여, 물체에 측정 빔을 조사하는 단계
를 구비하되,
상기 광학 어셈블리는 상기 광학 어셈블리의 출구를 통해 지향되는 상기 측정 빔의 광로를 폴딩하도록 구성되는
물체 검사 또는 측정 방법.
제 38 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는 반사 굴절 광학계를 구비하는
물체 검사 또는 측정 방법.
제 39 항에 있어서,
상기 광학 어셈블리는 측정 빔이 조준선을 따르고, 또한 상기 광학 어셈블리의 출구를 통해 지향되도록 구성되고,
상기 광학 어셈블리는 스캐닝 반사기를 구비하고,
상기 스캐닝 반사기는 상기 측정 빔의 초점을 상기 조준선을 따라 조정하도록 이동 가능한
물체 검사 또는 측정 방법.
구조체를 제조하는 방법에 있어서,
설계 정보에 근거하여 상기 구조체를 생산하는 단계와,
청구항 38의 방법을 이용하는 것에 의해, 구조체의 형상 정보를 취득하는 단계와,
상기 취득한 형상 정보와 상기 설계 정보를 비교하는 단계
를 포함하는 구조체 제조 방법.
제 41 항에 있어서,
상기 비교 결과에 근거하여, 상기 구조체를 재처리하는 단계를 더 구비하는
구조체 제조 방법.
제 41 항에 있어서,
상기 구조체를 재처리하는 단계는 상기 구조체를 다시 생산하는 단계를 포함하는
구조체 제조 방법.