KR100319800B1 - 모아레 무늬 획득장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모아레 무늬 획득장치 및 방법에 관한 것으로서, 기준면(S)에 수직방향으로 광원(1)과 투영격자(3)가 정렬하여 이루는 영사광학계의 광축(A1)과, 상기 기준면(S)에 수직방향으로 결상렌즈(9)와 수광부(11)가 정렬하여 이루는 결상광학계의 광축(A2)을 평행하게 하고, 상기 기준면(S)에서 광원(1)까지의 간격과 상기 기준면(S)에서 결상렌즈(9) 까지의 간격을 동일하게 하며, 상기 기준면(S)에 측정물(7)을 설치하여, 상기 광원에서 나온 광이 상기 투영격자를 통과하여 상기 측정물에서 반사된 다음, 상기 결상렌즈를 통하여 상기 수광부에 도달하게 하여 기준면 위상과 측정물 위상의 차이로부터 모아레 무늬를 획득하는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 구성에 의하면, 기준격자를 사용하지 않고도 간단히 모아레 무늬를 획득 할 수 있어, 모아레 무늬 측정장치의 구조가 간단해 지고 측정장치가 저렴하게 제작될 수 있다.

Description

모아레 무늬 획득장치 및 방법{moire image capturing apparatus and method}

본 발명은 모아레 무늬 획득장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자유곡면형태의 삼차원 형상을 측정하는 기술은 크게 두 가지가 있다. 삼차원 측정기를 사용하여 접촉식으로 곡면상의 한 점씩 측정하여 전체 곡면형상을 측정하는 방식이 오래 전부터 널리 사용되어왔다. 그러나 이러한 방식은 측정시간이 과다하게 소요되는 단점이 있어서 근래에 와서는 모아레법이라는 비접촉식으로 측정하는 광학식이 많이 사용되고 있는데, 이는 삼차원측정기를 사용하는 접촉식에 비해 측정시간이 월등히 단축되는 큰 장점을 가지고 있다.

모아레법은, 측정 대상물의 3차원 형상정보를 가지는 모아레 무늬를 얻기 위하여 측정대상물에 일정한 간격의 직선줄무늬를 형성시켜야 하고, 이를 정밀하게 이송시켜야 한다. 이를 위한 종래의 방법에서는, 유리의 한쪽 표면에 크롬으로 일정한 간격의 직선줄무늬를 새겨넣은 직선유리격자를 영사광학계를 이용하여 측정 대상물에 투영하게된다. 또한, 측정 대상물에 형성된 직선줄무늬를 일정한 간격으로 이송시키기 위해 직선유리격자 이송장장치를 사용하고 있다.

도1a에 도시한 바와 같은 직선유리격자를 측정대상물에 투영하면 도1b에 도시한 바와 같이 측정대상물에 줄무늬가 형성되는데, 이 줄무늬는 측정대상물의 높이에 따라 휘어지게 된다. 도1b에 표시된 줄무늬가 형성되어 있는 측정대상물을 원래의 도1a에 표시되어 있는 직선유리격자와 겹치면 도1c에 도시한 바와 같은 영상을 얻을 수 있다. 도1c에서 물결무늬의 형상을 볼 수 있는데, 이 무늬를 '모아레무늬'라 한다. 이 모아레무늬는 측정대상물의 높이에 따라 형성되는 등고선이기 때문에 이 모아레무늬를 해석하여 측정대상물의 형상을 측정하게 된다.

이러한 모아레법을 실제로 구현하기 위한 장치로서, 현재 많이 사용되고있는 위상천이 모아레법 측정기가 도2에 도시되어 있다. 도2에서 백색광원(white light source), 집광렌즈(condenser), 투영격자(projection grating) 및 투영렌즈(projection lens)는 측정물(object)에 격자를 투영하여 변형된 줄무늬를 형성시켜서 도1b와 같은 결과를 얻기 위한 부분이다. 투영격자이송장치(grating actuator)는 투영격자를 3내지 5 스텝(step)정도 등간격으로 이송시키기 위한 장치이다. 투영격자와 동일한 기준격자(reference grating), 릴레이 렌즈(relay lens)와 결상렌즈(imaging lens)는 CCD 카메라(CCD array)에 도1c과 같은 영상을 맺히게 하기 위한 부분이다.

그런데, 이와 같이 구성된 종래의 모아레 법 측정기에서 얻어진 영상(도1c)에는 측정대상물의 높이정보를 나타내는 모아레무늬와 CCD 카메라앞에 놓여 있는 기준격자(reference grating)의 무늬가 동시에 나타나게 된다.

따라서, 기준격자의 영상을 제거하기 위한 별도의 수단이 필요하게 되어 구조가 복잡해지게 된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 기준격자를 사용하지 않고도 간단히 모아레 무늬를 획득 할 수 있는 모아레 무늬 획득장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도1a 내지 도1c는 종래 모아레 무늬를 얻는 과정을 나타내는 도면,

도2은 종래 모아레 법 측정기의 구조를 나타내는 개략도,

도3은 본 발명에 의한 모아레 무늬 획득장치를 나타내는 개략구성도,

도4는 본 발명에 의한 모아레 무늬 획득방법을 설명하기 위한 설명도,

도5는 본 발명에 의한 모아레 무늬 획득장치의 실험에 사용된 장치의 실제 사진,

도6a는 도5의 실험장치로 기준면에 투영된 격자무늬 영상이 CCD 카메라에 포착진 사진,

도6b는 도5의 실험장치로 입술모양 석고상인 측정물에 투영격자가 투영된 영상을 나타내는 사진,

도7a는 기준평면의 각점의 위상를 나타낸 그림,

도7b는 측정물의 각점의 위상을 나타낸 그림,

도7c는 모아레 위상을 나타낸 그림이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 ; 광원 3 : 투영격자

5 : 투영격자 이송수단 7 : 측정물

9 : 결상렌즈 11 : 수광부

A1, A2 : 광축

본 발명에 의한 모아레 무늬 획득장치는 측정물이 놓이는 기준면에서 제1간격만큼 이격된 위치에 설치된 광원과, 상기 기준면과 상기 광원사이에는 배설된 투영격자와, 상기 기준면에 놓이는 측정물에서 반사된 광이 통과하도록 상기 광원과 상기 투영격자가 이루는 영사광학계의 광축에서 소정거리 이격된 위치에 설치된 결상렌즈와, 상기 결상렌즈를 통과한 광을 수광되도록 상기 결상렌즈의 일측에 배설된 수광부로 이루어 지고, 상기 광원과 투영격자가 이루는 영사광학계의 광축과, 결상렌즈와 수광부가 이루는 결상광학계의 광축은 평행하게 되어 있음과 동시에 상기 기준면에 수직으로 되어 있고, 상기 기준면에서 상기 광원까지의 거리와 상기 기준면에서 상기 결상렌즈까지의 거리는 동일하게 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 모아레 무늬 획득방법은 기준면에 수직방향으로 광원과 투영격자가 정렬하여 이루는 영사광학계의 광축과, 상기 기준면에 수직방향으로 결상렌즈와 수광부가 정렬하여 이루는 결상광학계의 광축을 평행하게 하고, 상기 기준면에서 광원까지의 간격과 상기 기준면에서 결상렌즈 까지의 간격을 동일하게 하며, 상기 기준면에 측정물을 설치하여, 상기 광원에서 나온 광이 상기 투영격자를 통과하여 상기 측정물에서 반사된 다음, 상기 결상렌즈를 통하여 상기 수광부에 도달하게 하여 기준면 위상과 측정물 위상의 차이로부터 모아레 무늬를 획득하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 첨부 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도3에 도시한 바와 같이, 측정물(7)이 놓이는 기준면(S)에서 제1간격(L_L)만큼 이격된 위치에는 광을 발생하는 광원(1)이 설치되어 있고, 상기 기준면(S)과 상기 광원(1)사이에는 격자무늬가 새겨진 투영격자(3)가 배설되어 있으며, 상기 기준면(S)에 놓이는 측정물(7)에서 반사된 광이 통과하도록 상기 광원(1)과 상기 투영격자(7)가 이루는 영사광학계의 광축(A1)에서 소정거리 이격된 위치에는 결상렌즈(9)가 설치되어 있고, 상기 결상렌즈(9)를 통과한 광이 수광되도록 상기 결상렌즈의 일측에는 수광부(11)가 설치되어 있다.

상기 투영격자(3)에는 투영격자 이송수단(5)이 결합되어, 투영격자(3)를 이송하게 되어 있다.

상기 광원(1)과 투영격자(3)가 이루는 영사광학계의 광축(A1)과, 결상렌즈(9)와 수광부(11)가 이루는 결상광학계의 광축(A2)은 평행하게 되어 있고, 상기 기준면(S)에서 상기 광원(1)까지의 거리와 상기 기준면(S)에서 상기 결상렌즈(9)까지의 거리는 동일하게 되어 있으며, 영사광학계의 광축(A1)과 결상광학계의 광축(A2)은 기준면에 수직을 이루고 있다.

상기 광원(1)은 소형이고 경량이며 가격이 저렴한 반도체 레이저라고 불리는 레이저 다이오드나 혹은 할로겐광원으로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 수광부(11)는 2차원 이미지 센서로서, CCD(charge coupled device) 카메라인 것이 바람직하다.

상기 투영렌즈(3)와 결상렌즈(9)는 공지의 렌즈로 되어 있다.

이와 같이 구성된 구조에서, 상기 광원(1)에서 나온 광이 상기 투영격자(3)를 통과하여 상기 측정물(7)에서 반사된 다음, 상기 결상렌즈(9)를 통하여 상기 수광부(11)에 도달하여 상이 맺히고, 결국 모아레 무늬를 획득하게 된다. 이때, 3, 4, 5버킷 혹은 n버킷등의 알고리즘을 구현하기 위해서 상기 투영격자 이송수단(5)을 이용하여 투영격자를 등간격으로 이송하게 된다.

이하에서는 본 발명에 의한 모아레 무늬 형성방법에 대해 도4의 기호에 따라 구체적으로 더욱 상세히 설명한다.

우선, 변형된 격자무늬를 획득하는 과정에 대해 설명한다.

CCD 카메라의 광축은 기준면에 수직하고 투영격자에 수직한 광원의 광축 역시 기준면에 수직하다. 카메라의 광축을 따라 CCD 카메라의 이미지 평면과 결상렌즈 사이의 거리를 f_C라 하고, 상기 결상렌즈로 부터 기준 면까지의 거리를 L_C라 하며, 광원의 광축을 따라 점 광원과 투영격자 사이의 거리를 f_L이라 하고, 점광원으로부터 기준면까지의 거리를 L_L이라 하고, CCD 카메라의 이미지 평면상의 임의의 점과 투영격자상의 임의의 점은 각각의 광축과 수직한 거리 x_i와 x_g로 나타낸다.

점 광원으로부터 투영격자상의 한 점 x_g에 입사한 광은 투영격자를 통과한후 물체상의 한 점 (x_o,h(x_o))에 입사된다. 반사광은 결상렌즈의 중심을 지나 CCD 카메라의 이미지 평면상의 위치 x_i에 도달하게 된다.

이때, 투영격자의 빛의 투과도 T(x_g)는 격자의 피치가 g일 때 다음과 같이 표현된다.

여기서 Δ는 투영격자의 초기위치이다.

투영격자의 한 점 x_g에 입사하는 광의 밝기를 I_L(x_g)라 할 때 투영 격자를 통과하여 측정대상물의 한 점(x_o,h(x_o))에 입사되는 광의 밝기 I_p(x_o,h(x_o))는 다음과 같이 나타난다.

다음과 같은 기하학적 관계를 이용하면,

x_g는 다음과 같이 표시되므로

I_p(x_o,h(x_o))는 다음과 같이 나타난다.

측정대상물의 한 점(x_o,h(x_o))의 반사도를 R(x_o,h(x_o))라 할 때 CCD 카메라의 이미지 평면상의 한 점 x_i에 입사하는 빛의 밝기 I(x_i)는 다음과 같이 나타난다.

다음과 같은 기하학적 관계를 이용하면,

I(x_i)는 다음과 같이 나타난다.

L_L= L_C= L, f_L= f_c= f 일 경우는 식(8)은 다음과 같다.

이므로,라 하면,

상기 식(10)에 의해 변형된 격자무늬를 나타낼 수 있다.

식(10)을 보면, 변형된 격자무늬에는 물체의 높이정보(hi)가 포함되어 있음을 알 수 있다.

기존 모아레법에서는 기준 격자를 수광부 전면에 설치하여 다음과 같이 물체의 높이 정보에만 관계된 모아레 위상을 구하고 있다.

다음에는, 기준 격자를 사용하지 않고 상기 변형된 격자무늬만으로 모아레 무늬를 획득하는 과정을 설명한다.

점광원 이외의 외부 조명이 있는 일반적인 경우, Δ= Δ_j에 대한 변형 격자 무늬의 밝기 I_ij는 다음과 같다.

여기에서, M_i는 배경의 밝기이며, N_i는 변형 격자 무늬의 대비(Contrast)에 해당한다.

형상정보를 가지고 있는는 측정 가능한 위상과 정수 n 의해 다음과 같이 표현된다.

h_i가 0일 때, 즉 기준면에 대한 영상을 이용하여 얻은 기준위상

를 얻을 수 있고, 측정물을 기준면에 설치한 상태에서 측정물 높이 h_i의 위상, 즉 측정물위상을을 얻을 수 있다. 여기서 식(16)과 같이 두 위상의 차이로 정의되는는 식(11)의 모아레위상에 해당한다.

상기한 방법에 의해 기준격자를 사용하지 않고 모아레무늬(위상)를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도5는 본 발명의 실험에 사용된 실험 장치를 나타낸다. 여기서는 사람의 입술모양 석고상을 측정대상물로 사용하였다.

카메라는 SONY사의 XC-75 흑백 CCD카메라를 사용하였고 렌즈는 SPACECOM사의 TV 줌렌즈 S6X11을 사용하였다. 투영격자는 피치g가 0.92mm인 이진 격자를 사용하였다. 프레임 그래버는 DATA TRANSLATION사의 해상도 640x480의 흑백 프레임 그래버 DT3155를 사용하였다.

도6a는 기준면에 투영된 격자무늬 영상을 CCD 카메라로 포착한 것이고, 도6b는 측정 대상물인 입술모양 석고상에 투영격자가 투영된 영상이다.

다음과 같은 4 버킷 알고리즘을 사용하여 각각의 위상을 계산하였다.

도7a는 기준면의 위상를 나타내고, 도8b는 측정물 위상를 나타낸다. 도7c는 기준면위상과 측정물위상의 차이값으로 산출된모아레무늬(위상)을 나타낸다. 도7c의 결과에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의해서 얻어진 모아레무늬에는 측정물의 높이(기준면으로부터의 높이)에 따른 등고선형태의 무늬만 나타나고, 종래의 방법에서 얻어진 도1c에서와 같은 기준격자의 영상은 나타나지 않음을 알 수 있다.

본 발명에 의한 모아레 무늬 획득장치 및 방법에 의하면, 기준격자가 없어지므로 해서 구조가 간단해지고, 형상정보를 가지고 있는 모아레무늬외의 영상, 즉 기준격자의 영상을 제거해야할 필요가 없어진다. 따라서 가격이 저렴해지고 구조가 간단하게 된다.

Claims (2)

1. 측정물이 놓이는 기준면에서 제1간격만큼 이격된 위치에 설치된 광원과, 상기 기준면과 상기 광원사이에 배설된 투영격자와, 상기 기준면에 놓이는 측정물에서 반사된 광이 통과하도록 상기 광원과 상기 투영격자가 이루는 영사광학계의 광축에서 소정거리 이격된 위치에 설치된 결상렌즈와, 상기 결상렌즈를 통과한 광을 수광하도록 상기 결상렌즈의 일측에 배설된 수광부로 이루어지되;

   상기 광원과 투영격자가 이루는 영사광학계의 광축과, 상기 결상렌즈와 수광부가 이루는 결상광학계의 광축은 평행하게 되어 있음과 동시에 상기 기준면에 수직으로 되어 있고,

   상기 기준면에서 상기 광원까지의 거리와 상기 기준면에서 상기 결상렌즈까지의 거리는 동일하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 모아레 무늬 획득장치.
2. 기준면에 수직방향으로 광원과 투영격자가 정렬하여 이루는 영사광학계의 광축과, 상기 기준면에 수직방향으로 결상렌즈와 수광부가 정렬하여 이루는 결상광학계의 광축을 평행하게 하고,

   상기 기준면에서 광원까지의 간격과 상기 기준면에서 결상렌즈 까지의 간격을 동일하게 하며,

   상기 기준면에 측정물을 설치하여,

   상기 광원에서 나온 광이 상기 투영격자를 통과하여 상기 측정물에서 반사된 다음, 상기 결상렌즈를 통하여 상기 수광부에 도달하게 하여 기준면 위상과 측정물 위상의 차이로부터 모아레 무늬를 획득하는 것을 특징으로 하는 모아레 무늬 획득방법.