KR100462071B1 - 멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 대영역형상 측정법 및 시스템 - Google Patents

멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 대영역형상 측정법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 큰 영역의 임의 형상을 측정하는 방법과 그를 구현하는 측정시스템에 관한 것으로, 상세하게는 하나의 광프로브 내부에 두 개의 점광원을 가설하고 상기 점광원을 측정대상 물체에 조사한 후 상기 물체에 생성되는 간섭무늬를 획득하여 해석함으로써 임의 형상을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
상기 측정장치는 광프로브 내부에 가설된 두개의 점광원중 한 개의 점광원 광경로를 제어하기 위한 광경로 변경수단이 구비되며, 상기 광프로브는 적용되는 측정알고리즘에 따라 다수개가 배치되어 측정대상 물체의 임의형상을 측정한다.

Description

멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 대영역 형상 측정법 및 시스템{The method and system to measure the large scale using point diffraction based on the multilateration}
본 발명은 큰 영역의 임의 형상 물체의 표면형상을 측정하는 방법과 그를 구현하는 측정시스템에 관한 것으로, 상세하게는 하나의 광프로브 내부에 두 개의 점광원을 가설하고 상기 점광원을 측정대상 물체에 조사한 후 상기 물체에 생성되는 간섭무늬를 획득하여 해석함으로써 표면의 형상을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
상기 측정장치는 광프로브 내부에 가설된 두개의 점광원중 한개의 점광원 광경로를 제어하기 위한 광경로 변경수단이 구비되며, 상기 광프로브는 적용되는 측정알고리즘에 따라 다수개가 배치되어 측정대상 물체의 임의형상을 측정한다.
본 발명과 유사한 측정방법은 멀티레터레이션(Multilateration) 방법이 있는데, 이는 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이 항공기의 위치 결정이나, 삼차원 측정기의 프로브 끝단의 공간 좌표값을 결정하는 방법으로 사용되어왔다. 도 1은 항공기의 위치를 결정하는 방법으로 임의의 지점에 위치하는 3개 이상의 수신기에서 비행중인 항공기와의 거리를 측정함으로써 항공기의 좌표를 인식한다(미국 특허 제6,094,169호). 도 2는 삼차원 측정기에 측정프로브의 좌표를 결정하기 위해 적용된 것으로 추적장치의 역할을 하는 4개의 헤테로다인 간섭계가 움직이는 프로브의 끝단부에 고정된 코너미러를 추적하면서 상기 코너미러를 통해 반사되는 빛을 수광하여 각 헤테로다인 간섭계와 코너미러까지의 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리를 연산함으로써 코너미러가 위치한 측정프로브의 공간상 좌표를 결정한다. 상기와 같은 방법들은 공간상 한 점의 좌표값만을 결정할 때에는 적합하지만, 임의의 형상을 갖는 측정대상물체의 표면형상을 측정하기에는 부적합한데, 그 이유는 측정대상 물체가 모든 위치에서 코너미러와 같이 추적장치에 빛을 반사시킬 수 있어야 하며, 각 추적장치에서 발사하는 빛이 측정대상물체의 한점에 동시에 비추어지도록 하고, 수광되는 빛을 통해 추적장치와의 거리를 측정한 후 그 결과를 연산하여 상기 한점의 공간상의 좌표를 결정한 다음, 상기와 같은 작업들을 물체의 모든 좌표 에 대해 수행하여 공간좌표를 얻게되기 때문이다.
또한 상기와 같은 방법은 임의 형상의 물체가 모든 좌표에서 코너미러의 역할을 수행할 수 있어야 할 뿐 아니라, 비록 상기의 조건을 만족시키더라도 추적장치가 물체의 모든 좌표에 대해 일일이 각 추적장치와의 거리를 측정하고 연산에 의해 공간상의 좌표를 결정해야 하기 때문에 추적장치의 제어가 어려울 뿐 아니라 그에 따라 장비가 복잡하게 되고, 계산에 필요한 연산량이 매우 많아서 공간상의 좌표를 결정하는데 많은 시간이 소요된다.
본 발명은 상기에서 제시한 문제점을 극복하기 위해 2개의 점광원을 갖는 다수의 광프로브를 이용하여 임의 형상을 갖는 측정 대상물체의 모든 공간좌표를 동시에 결정할 수 있는 측정알고리즘을 제안한다.
또한 본 발명은 상기 측정알고리즘을 실현할 수 있는 측정장치를 제시하고 실제 측정결과를 통해 상기 측정알고리즘의 타당성을 입증한다.
또한 본 발명은 광프로브에 설치되는 점광원의 초기위상 차이로 인한 오차요인을 극복하기 위해 다수의 광프로브를 적용할 수 있는 측정알고리즘을 제안하고, 그에 적합한 측정시스템을 제안한다.
도 1은 항공기의 위치를 결정하는 방법을 도시한 도면
도 2는 종래의 발명에 따른 삼차원 측정기의 측정프로브의 좌표를 결정하기 위해 적용된 도면
도 3은 본 발명에 따른 측정 물체 상의 임의 한점(x, y, z)과 각 점광원의 공간 거리차를 도시한 도면
도 4는 본 발명에 따른 광프로브 6 개를 이용하여 측정물체 위의 임의의 측정점 좌표를 결정하기 위한 방법을 도시한 도면
도 5는 본 발명에서 발명된 측정시스템의 개략도
도 6은 본 발명에서 발명된 측정시스템의 개략적인 구성도
도 7은 본 발명에 따른 두 점광원으르 구성하는 광프로브의 단면도
도 8은 광프로브를 고정시키는 프레임 도면
도 8a는 광프레임을 중심으로 검출수단과 측정물체의 위치를 나타낸 도면
** 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
611...광원 621...렌즈 613,631,632,633,671,672...광섬유 614...광스위치 651,652,653...커플러 681...광프로브 600...제어기 661,662,663...압전소자 695...측정물체
이하 발명의 구성을 설명하기에 앞서 본 발명에서 제안된 측정알고리즘에 대해 설명한다.
이하는 세 개의 각 광프로브로부터 발생한 각각의 간섭무늬 해석을 통해 측정대상물체의 형상좌표를 결정하는 알고리즘에 대해 설명한다(도3참조).
이하 전개하는 수학식의 변수에 대한 정의는 아래와 같다.
k : 파수 ()
I : 간섭무늬의 광강도
A : 광의 세기(amplitude)
r1: 점광원1(111)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
r2: 점광원2(112)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
r3: 점광원3(121)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
r4: 점광원4(122)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
r5: 점광원5(131)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
r6: 점광원6(132)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
: 광프로브1(110)의 조명에 의한 측정점(x, y, z)(101)에서의 측정 위상값
: 광프로브2(120)의 조명에 의한 측정점(x, y, z)(101)에서의 측정 위상값
: 광프로브3(130)의 조명에 의한 측정점(x, y, z)(101)에서의 측정 위상값
: 광프로브1(110)을 구성하는 두 광섬유(111, 112) 끝단에서의 초기 위상차
: 광프로브2(120)를 구성하는 두 광섬유(121, 122) 끝단에서의 초기 위상차
: 광프로브3(130)을 구성하는 두 광섬유(131, 132) 끝단에서의 초기 위상차
(x1,y1,z1) : 점광원1(111)의 공간좌표
(x2,y2,z2) : 점광원2(112)의 공간좌표
(x3,y3,z3) : 점광원3(121)의 공간좌표
(x4,y4,z4) : 점광원4(122)의 공간좌표
(x5,y5,z5) : 점광원5(131)의 공간좌표
(x6,y6,z6) : 점광원6(132)의 공간좌표
(x, y, z) : 측정대상물체(100)에 있어서 임의 한점(101)의 공간좌표
: 점광원1, 점광원2, 점광원3, 점광원4, 점광원5, 점광원6 의
초기위상값
본 발명의 측정알고리즘은 상기의 파라미터를 이용하여 측정대상물체(100)의 임의의 한점(101)의 공간상의 좌표(x, y, z)를 구하는 것이다.
세 쌍의 광프로브를 구성하는 6개의 점광원의 공간 좌표값은 위에서 언급한 바와 같이 x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3, x4, y4, z4, x5, y5, z5, x6, y6, z6이다. 이하에서는 상기 18개의 변수를 시스템 파라미터라고 칭한다. 상기 시스템 파라미터는 일련의 보정(calibration)법을 통하여 결정하게 되는데 본 발명에서는 상기 일련의 보정과정은 당업자가 필요에 따라 용이하게 시행할 수 있는 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 측정 물체 상의 임의 한점(x, y, z)과 각 점광원의 공간 거리차를 도시한 것으로 이는 하기의 수학식1, 수학식2, 수학식3으로 표현된다.
(수학식 1)
(수학식 2)
(수학식 3)
위의 수학식1, 수학식2, 수학식3에서 측정점(x, y, z)을 결정하기 위해서는 각 식의 공간거리차에 해당하는 광경로 위상차를 알아야 한다.
광경로 위상차를 구하기 위해 먼저 광프로브1에 대한 수식을 나타내는 수학식1을 해석하는 과정을 설명한다.
광프로브1의 두 점광원을 하기의 수학식4, 수학식5와 같이 두개의 구면파로 가정하고, 두 점광원으로부터 물체를 향해 진행하는 구면파가 측정점에 입사되었을 때 생성되는 간섭무늬를 획득하여 해석함으로써 측정점과 두 점광원간의 광경로 위상차를 측정할 수 있다. 하기의 수학식6은 측정점에서 획득된 간섭무늬를 수학식으로 표현한 것이다.
(수학식 4)
(수학식 5)
(수학식 6)
위의 수학식6에서 위상값를 결정하는 방법은 공지된 위상천이 알고리즘(phase-shifting algorithm)을 통해 측정되어진다. 상기 알고리즘을 통해 측정되는 위상값은 공간거리차에 해당하는와 두 광섬유 끝단에서 발생하는 초기위상차의 합으로 구성된다. 수학식6을 정리하여 공간상의 직각좌표계로 정리하면 수학식7을 얻을 수 있고, 마찬가지로 광프로브2, 광프로브3에 대해 정리하면 수학식8과 수학식9을 얻을 수 있다.
(수학식 7)
(수학식 8)
(수학식 9)
상기 수학식인 수학식7, 수학식8, 수학식9는 비선형으로 구성된 연립방정식으로서 상기 수학식의 수치 해석적 방법을 통해 측정점(x, y, z)을 결정할 수 있다.
이하 측정점(x, y, z)의 공간좌표를 구하는 과정을 설명한다.
1) 측정기에 광프로브를 설치한 점광원의 좌표값과 초기위상차를 결정한다.
상기 점광원의 좌표값과 초기위상차는 여러 가지 방법으로 결정될 수 있으므로 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.
2) 첫 번째 광프로브에서 임의 형상을 갖는 측정대상물체에 빛을 조사하여 간섭무늬를 생성한다.
3) 공지의 위상천이알고리즘을 사용하여 첫 번째 광프로브를 구성하는 두점광원과 측정점의 광경로차를 산출한다.
4) 두번째 광프로브에서 임의 형상을 갖는 물체에 빛을 조사하여 간섭무늬를 생성한다.
5) 공지의 위상천이알고리즘을 사용하여 둘째 광프로브를 구성하는 두점광원과 측정점의 광경로차를 산출한다.
6) 세번째 광프로브에서 임의 형상을 갖는 물체에 빛을 조사하여 간섭무늬를 생성한다.
7) 공지의 위상천이알고리즘을 사용하여 세번째 광프로브를 구성하는 두점광원과 측정점의 광경로차를 산출한다.
8) 상기에서 얻은 결과를 이용하여 상기 수학식7, 수학식8, 수학식9를 구성한다.
9) 공지의 수치해석 알고리즘을 적용하여 상기 수학식들을 풀어냄으로써 측정점(x, y, z)의 공간좌표를 결정한다.
10) 임의형상의 물체에 대해 측정하고자 하는 영역의 모든 점에 대해 상기의 과정을 통해 공간좌표를 결정한다.
11) 상기 결정된 좌표들을 공지의 3차원 복원 그래픽 알고리즘을 적용하여 형상을 복원한다.
상기과정을 통해 복원된 결과는 사용자의 사용목적에 따라 다양한 형태로 디스플레이됨은 당연하다.
이하는 각 광프로브를 구성하는 두 점광원간의 초기위상차에 의해 영향을 받지않는 6개의 광프로브를 사용하는 측정알고리즘에 대해 설명한다.
전개하는 식의 변수에 대한 정의는 아래와 같다.
r1: 점광원1(211)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r2: 점광원2(212)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r3: 점광원3(221)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r4: 점광원4(222)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r5: 점광원5(231)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r6: 점광원6(232)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r7: 점광원7(241)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r8: 점광원8(242)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r9: 점광원9(251)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r10: 점광원10(252)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r11: 점광원11(261)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r12: 점광원12(262)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
r01: 점광원1(211)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r02: 점광원2(212)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r03: 점광원3(221)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r04: 점광원4(222)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r05: 점광원5(231)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r06: 점광원6(232)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r07: 점광원7(241)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r08: 점광원8(242)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r09: 점광원9(251)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r010: 점광원10(252)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r011: 점광원11(261)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
r012: 점광원12(262)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
: 광프로브1(210), 광프로브2(220), ... 광프로브6(260)의 조명
에 의한 측정 물체점(x, y, z)(210)에서의 측정위상값
: 점광원1(211), 점광원2(212), 점광원3(221), 점광원4(222), 점광원5(231), 점광원6(232), 점광원7(241), 점광원8(242), 점광원9(251), 점광원10(252), 점광원11(261), 점광원12(262)의 조명에 의한 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)에서의 측정위상값
수학식7, 수학식8, 수학식9의 3식으로부터 측정점(x, y, z)을 결정하기 위해서는 각 광프로브에서 발생하는 두 점광원 사이의 초기 위상차값()이 결정되어야 한다. 상기 초기 위상차 값은 임의의 물체점에서의 측정 위상값을 모든 측정점의 측정 위상값에서 빼줌으로써 제거가 가능하다, 상기 과정에서 임의 물체점의 좌표값은 3개이므로 광프로브 3개를 추가하여 연립방정식을 확장함으로써 구할 수 있다.
이하 도 4를 통해 광프로브 6개를 이용해서 측정물체(200) 위의 임의의 측정점 (201) 좌표(x, y, z)를 결정하기 위한 방법을 설명한다. 12개의 점광원(211, 212, 221, 222, 231, 232, 241, 242, 251, 252, 261, 262)이 2개씩 1개의 광프로브를 구성하여 총 6개의 광프로브를 구성한다. 광프로브1에서 조사된 측정점(x, y, z)(201)에서의 간섭무늬를 해석하면 수학식7 과 같이 구성된다.
임의의 물체점(202; x0, y0, z0)에서도 같은 방식으로 간섭무늬를 수식으로 표현할 수 있는데, 광프로브1의 점광원1(211)과 점광원2(212)으로부터 물체를 향해 진행하는 두개의 구면파가 생성되는 간섭무늬를 나타내면
(수학식 10)
과 같이 표현되고, 상기 수학식10은 수학식7과 같은 형태로 정리할 수 있다.
초기위상차를 제거하기 위해 수학식7과 수학식 10 및 상기의 정의된 변수들을 정리하면 수학식7, 수학식8. 수학식9의 초기위상값을 제거할 수 있는데, 이는 물리적으로 임의의 물체점(x0, y0, z0)(202)에서의 측정 위상값을 모든 측정점에서 빼줌으로써 가능하다. 수학식11은 광프로브1(210)에 있어서, 상기 과정들을 통해 초기위상을 제거한 결과이며, 광프로브2(220), 광프로브3(230), 광프로브4(240), 광프로브5(250), 광프로브6(260)에 대해서도 상기와 동일과정을 통해 수학식12, 수학식13, 수학식14, 수학식15, 수학식16을 얻을 수 있다.
(수학식 11)
(수학식 12)
(수학식 13)
(수학식 14)
(수학식 15)
(수학식 16)
상기의 수식은 각 점광원의 초기위상값이 제거된 결과를 보여주고 있다.
상기의 6개 이상의 광프로브로부터 획득되는 비선형 연립 방정식을 해석함으로써, 각 측정점의 공간좌표를 구할 수 있는데, 이는 공지의 수치해석법을 통해 구현되는 것이기에 상세한 설명은 생략한다.
이하에서 상기에서 설명한 측정알고리즘을 적용할 수 있는 바람직한 측정시스템의 실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명에서 제안된 측정시스템의 개략도를 도시한 것이다.
측정시스템은 크게 중앙처리부(560)와 광원부(500), 검출부(530)로 구성된다.
중앙처리부는 시스템 전체를 관장하는 중앙제어부(563)와 측정결과를 연산하는 연산부(564), 측정결과를 디스플레이 하는 영상처리부(565), 광스위치(502)를 제어하는 광스위치 제어부 (562), 위상변환수단(506,507,508)을 제어하는 위상변환제어부(561)로 구성되며, 광원부는 광원(501), 광스위치 (502), 광분배기(503, 504, 505), 위상변환기(506, 507, 508), 광프로브(509,510,511), 광섬유로 구성된다. 검출부는 검출수단과 검출수단 제어부로 구성된다.
도6을 통해 광원부에 대해 상세히 설명한다.
광원(light source)(611)으로부터 발생한 광은 렌즈(612)를 통하여 단일모드 광섬유(single mode fiber)(613)로 입사된다. 입사된 광은 광스위치(optical switching)(614)를 거치며 각각의 광섬유(631,632,633)에 선택되어 전달되고, 전달될 광섬유의 결정은 제어기(600)에 의해 조절된다. 한 개의 광섬유(631)에 전달된 광은 광섬유 커플러(optical fiber coupler)(651)를 통하여 두 개의 광으로 분리가 되고 각각의 다른 광섬유(671,672)를 통하여 광프로브(681)에서 조립(도 6참조)된다. 두 개의 광섬유 중 하나는 광경로를 바꿀 수 있도록 압전소자(661, PZT)에 수십 회 감아서 구성한다. 압전소자는 연산/제어기(600)로부터 신호를 받아 전압이 인가되면 반지름 방향으로 팽창하게 되기 때문에 상기 압전소자에 감겨진 광섬유의 길이가 늘어나게 되므로 광경로의 길이가 바뀌게 된다. 상기의 광경로 변형 압전소자는 공지의 위상천이 알고리즘을 적용하기 위해 사용된다.
도 7은 두 점광원을 구성하는 광프로브의 단면도이다.
상기 광프로브는 광섬유 2개를 조립하여 구성하는데 제조하는 방법은 광섬유(720, 721) 끝단 일부분(710, 711)의 피복을 벗겨내고 광섬유의 클래딩(cladding)이 드러나도록 한 후 두 광섬유를 밀착시킨 다음 광섬유 고정부(optical fiber chuck)(700)에 삽입한다. 두 가닥 광섬유의 끝단(740, 741)이 일치하도록 절단하고 두 광섬유의 위치를 고정하기 위해 고정부 입구에 실링(sealing)(730)처리함으로써 구성된다.
이하는 광프로브를 고정시키는 프레임에 대해 설명한다.
도 8은 광프로브를 고정하는 프레임을 도시한 그림이다. 3개 이상의 광프로브를 고정할 수 있도록 6개의 광프로브 고정부(811, 812, 813, 814, 815, 816)로 구성된다. 각 광프로브는 고정부에 삽입되며, 각 고정부는 광프로브의 광축이 일정 각도로 변화될 수 있도록 일련의 메커니즘으로 구현된다. 도 8a는 프레임(860)을 중심으로 검출수단(850)과 측정 물체(870)의 위치를 나타낸다. 프레임(860)을 기준으로 측정물체의 반대 면에 검출수단을 고정시키고 물체를 관찰하기 위해서 프레임 중심에 홀(863)을 둔다. 프레임과 진동 방진테이블과 같은 베이스부분과 조립하기 위해 연결부(862)를 둔다.
이하는 상기에서 제시한 바람직한 측정시스템의 실시예를 통해 광프로브의 두 점광원으로부터 간섭무늬를 생성시키고 물체 위에 투영된 간섭무늬를 해석함으로써 두 점광원과 측정점의 광경로차를 구하는 과정에 대해 설명한다.(도 6 참조)
먼저 광원(611)에서 발생된 광은 단일모드 광섬유(613)에 입사되고 상기 입사된 광은 광스위치(614)를 거쳐 광섬유(631,632,633)중 하나로 선택 입사된다. 상기 광섬유(631)에 선택 입사된 광은 광섬유 커플러(651)에서 분리된 후 각각의 광섬유(671,672)를 통해 광프로브(681)에 심어진 광섬유 끝단까지 전송된 후 공기중으로 구면파를 발하게 된다. 상기 광섬유 중 압전소자(661)에 감겨진 광섬유는 압전소자의 반지름 방향의 팽창에 따라 전체길이가 늘어나게 되고 따라서 두 광섬유(671,672)의 끝단에서 생성되는 점광원은 서로 위상이 다른 구면파를 생성한다. 상기 압전소자(661,662,663)는 연산/제어부의 신호에 따라 압전소자신호분배기 (620)에 의해 순서적으로 작동된다. 상기 생성된 구면파는 측정하고자 하는 물체에서 상호 간섭하여 간섭무늬를 형성하고 형성된 간섭무늬는 영상획득 수단(670)을통해 획득된다. 상기 사용한 영상획득 수단으로는 가령 CCD카메라를 사용하는 것이 바람직하며 2차원 선(line)카메라나 3차원 면적(area)카메라 등 영상획득 후 상기 영상의 광강도를 각 화소단위로 디지털 값으로 변환 가능한 장치를 사용한다. 상기 영상획득 수단은 세 개의 광프로브(681,682,683)로부터 발생되는 간섭무늬를 시간 순서로 각각 획득하는데, 이는 연산/제어부(600)에서 광스위치(614)와 압전소자 신호분배기(620)를 차례로 제어하여 구현한다. 세 광프로브에서 발생한 간섭무늬를 각각 해석함으로써 한 물체점과 각 광프로브를 구성하는 두 점광원간의 광경로차를 각각 계산하고 종합하여 측정점의 좌표값을 결정하는데 이는 상기에서 제시한 측정 알고리즘을 사용한다. 상기 간섭무늬를 해석하는 방법은 공지된 위상천이 알고리즘을 이용한다. 세 개의 광프로브(681)(682)(683)는 광프로브간의 거리를 일정하게 유지시키는 기계적 프레임(690)에 의해 각각 고정된다. 상기의 광프로브가 프레임에 고정되는 각도와 광프로브간의 거리에 따라 측정 가능한 물체의 크기가 결정되므로 각도를 조정할 수 있는 장치를 부착시켜서 다양한 크기의 물체 측정이 가능하도록 한다.
상기에서 공지의 위상천이 알고리즘을 적용하기 위해서는 초기위상이 차이 나는 몇 개의 간섭무늬가 필요한데, 이는 압전소자(661)(662)(663)에 입력되는 전압을 연산/제어기(600)로 제어하여 하나의 광섬유의 광경로를 변경시킴으로써 구현한다. 일반적으로 연산/제어기로는 일반 컴퓨터로부터 산업용 컴퓨터, 중앙제어 유니트 등 여러 가지가 적용될 수 있다. 상기 압전소자를 이용하여 광경로를 변경시키고 그로부터 간섭무늬를 획득하여 두 점광원과 물체점 사이의 광경로차를 구하는 과정은 공지의 기술이므로 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서 제안한 것과 같이 하나의 광프로브 내부에 두 개의 점광원을 가설하고 상기 점광원을 측정대상 물체에 조사한 후 상기 물체에 생성되는 간섭무늬를 획득하여 해석함으로써 표면의 모든 영역의 공간 좌표를 빠르고 손쉽게 측정할 수 있다.

Claims (6)

  1. 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는 측정시스템에 있어서
    상기 측정시스템은 광원부(500), 검출부(530), 중앙처리부(560)로 구성되고, 상기 광원부(500)는 두 개의 점광원이 가설된 다수개의 광프로브와, 상기 점광원에 빛을 공급하는 광원(501)과, 상기 광원으로부터 광분배기로 입력되는 광을 조절하는 광스위치(502)와, 상기 광스위치(502)로부터 입력된 광을 광프로브에 분배하는 광분배기와, 상기 광분배기로부터 분배된 두개의 광원중에 하나의 위상을 변화시키는 위상변환수단(506,507,508)으로 구성되며,
    상기 검출부(530)는 상기 점광원을 측정대상 물체에 조사하여 상기 물체에 생성되는 간섭무늬를 획득하는 검출수단과, 상기 검출수단을 제어하는 검출수단제어부로 구성되고,
    중앙처리부(560)는 측정결과를 연산하는 연산부(564), 측정결과를 디스플레이 하는 영상처리부(565), 상기 광스위치(502)를 제어하는 광스위치 제어부(562), 상기 위상변환수단(506,507,508)을 제어하는 위상변환제어부(561) 및 시스템을 관장하는 중앙제어부(563)와로 구성되어 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는 것을 특징으로 하는 멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 측정시스템
  2. 광원부(500), 검출부(530), 중앙처리부(560)로 구성되는 측정시스템에서 두 개의점광원이 가설된 광프로브 3개를 사용하여 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는데 있어서, 상기 중앙처리부의 연산부(564)에서 처리하는 과정은
    (a)
    (b)
    (c)
    여기서
    r1: 점광원1(111)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
    r2: 점광원2(112)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
    r3: 점광원3(121)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
    r4: 점광원4(122)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
    r5: 점광원5(131)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
    r6: 점광원6(132)에서 측정 물체점(x, y, z)(101)까지의 공간거리
    : 광프로브1(110)의 조명에 의한 측정점(x, y, z)(101)에서의 측정 위상값
    : 광프로브2(120)의 조명에 의한 측정점(x, y, z)(101)에서의 측정 위상값
    : 광프로브3(130)의 조명에 의한 측정점(x, y, z)(101)에서의 측정 위상값
    : 광프로브1(110)을 구성하는 두 광섬유(111, 112) 끝단에서의 초기 위상차
    : 광프로브2(120)를 구성하는 두 광섬유(121, 122) 끝단에서의 초기 위상차
    : 광프로브3(130)을 구성하는 두 광섬유(131, 132) 끝단에서의 초기 위상차
    (x1,y1,z1) : 점광원1(111)의 공간좌표
    (x2,y2,z2) : 점광원2(112)의 공간좌표
    (x3,y3,z3) : 점광원3(121)의 공간좌표
    (x4,y4,z4) : 점광원4(122)의 공간좌표
    (x5,y5,z5) : 점광원5(131)의 공간좌표
    (x6,y6,z6) : 점광원6(132)의 공간좌표
    (x, y, z) : 측정대상물체(100)에 있어서 임의 한점(101)의 공간좌표
    : 점광원1, 점광원2, 점광원3, 점광원4, 점광원5, 점광원6 의
    초기위상값
    이며, 상기 수식인 (a), (b), (c)로 구성된 연립방정식을 공지의 수치 해석적 방법을 통해 풀어냄으로써 하나의 측정점(x, y, z)의 공간좌표를 결정하고, 같은 방법으로 임의 형상물체의 모든 표면에 대한 공간좌표를 결정하여 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는 것을 특징으로 하는 멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 형상 측정방법
  3. 중앙처리부(560), 광원부(500) 검출부(530)로 구성되는 측정시스템에서 두 개의 점광원이 가설된 광프로브 6개를 사용하여 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는데 있어서, 상기 중앙처리부의 연산부(564)에서 처리하는 과정은
    (d)
    (e)
    (f)
    (g)
    (h)
    (i)
    여기서
    r1: 점광원1(211)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r2: 점광원2(212)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r3: 점광원3(221)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r4: 점광원4(222)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r5: 점광원5(231)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r6: 점광원6(232)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r7: 점광원7(241)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r8: 점광원8(242)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r9: 점광원9(251)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r10: 점광원10(252)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r11: 점광원11(261)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r12: 점광원12(262)에서 측정 물체점(x, y, z)(201)까지의 공간거리
    r01: 점광원1(211)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r02: 점광원2(212)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r03: 점광원3(221)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r04: 점광원4(222)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r05: 점광원5(231)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r06: 점광원6(232)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r07: 점광원7(241)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r08: 점광원8(242)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r09: 점광원9(251)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r010: 점광원10(252)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r011: 점광원11(261)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    r012: 점광원12(262)에서 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)까지의 공간거리
    : 광프로브1(210), 광프로브2(220), ... 광프로브6(260)의 조명
    에 의한 측정 물체점(x, y, z)(210)에서의 측정위상값
    : 점광원1(211), 점광원2(212), 점광원3(221), 점광원4(222), 점광원5(231), 점광원6(232), 점광원7(241), 점광원8(242), 점광원9(251), 점광원10(252), 점광원11(261), 점광원12(262),의 조명에 의한 임의 물체점(x0, y0, z0)(202)에서의 측정위상값
    이며, 상기 수식인 (d), (e), (f), (g), (h), (i) 6개로 구성된 연립방정식을 공지의 수치 해석적 방법을 통해 하나의 측정점(x, y, z)의 공간좌표를 결정하고, 같은 방법으로 임의 형상물체의 모든 표면에 대한 공간좌표를 결정하여 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는 것을 특징으로 하는 멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 형상 측정방법
  4. 중앙처리부(560), 광원부(500) 검출부(530)로 구성되는 측정시스템에서 두 개의 점광원이 가설된 다수의 광프로브를 사용하여 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는데 있어서,
    측정기에 광프로브를 설치한 점광원의 좌표값과 초기위상차를 결정하는 1단계;
    첫 번째 광프로브에서 임의 형상을 갖는 측정대상물체에 빛을 조사하여 간섭무늬를 생성하는 제2단계;
    공지의 위상천이알고리즘을 사용하여 첫 번째 광프로브를 구성하는 두 점광원과 측정점의 광경로차를 산출하는 제3단계;
    상기 제2단계와 제3단계를 모든 광프로브에 대해 수행하는 제4단계;
    상기 산출된 거리를 연산하여 측정점(x, y, z)의 공간좌표를 결정하는 제5단계;
    모든 측정점에 대해 상기 제2단계 내지 제5단계의 과정을 수행하여 모든 측정점의 공간좌표를 결정하는 제6단계;
    로 구성되어 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는 것을 특징으로 하는 멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 형상 측정방법
  5. 청구항 제 1항에 있어서
    상기 중앙처리부(560)는
    광프로브에 설치한 점광원의 좌표값과 초기위상차를 결정하고, 첫 번째 광프로브에서 임의 형상을 갖는 측정대상물체에 빛을 조사하여 간섭무늬를 생성하며, 공지의 위상천이알고리즘을 사용하여 첫 번째 광프로브를 구성하는 두 점광원과 측정점의 광경로차를 산출하도록 상기 각 구성을 제어하고, 모든 광프로브에서 순차적으로 측정대상물체에 빛을 조사하여 간섭무늬를 생성하여, 공지의 위상천이알고리즘을 사용하여 각각의 광프로브를 구성하는 두 점광원과 측정점의 광경로차를 산출하도록 상기 각 구성을 제어한 후, 중앙처리부(560)의 연산부(564)에서 상기 산출된 거리를 연산하여 모든 측정점의 공간좌표를 결정함으로써 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는 것을 특징으로 하는 멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 형상 측정시스템
  6. 청구항1 또는 청구항5에 있어서
    중앙처리부(560)의 연산부(564)에서 연산하는 과정은 청구항2 또는 청구항3에서 제시한 과정중의 하나를 적용함으로써 임의 형상물체의 표면형상을 계측하는 것을 특징으로 하는 멀티레터레이션에 근거한 점회절 광원을 이용한 형상 측정시스템
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