KR100752758B1 - 영상 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학계로부터 촬상된 영상을 고속으로 획득할 수 있는 영상 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 3차원 형상을 측정하는 장치에 있어서, 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 측정하는 장치에 있어서, 측정물(P)을 촬상하여 출력하는 CCD 카메라와; 상기 측정물의 촬상 영역을 조명하는 광을 발생시키는 조명부와; 상기 조명 부의 점등을 제어하는 조명 제어부와; 상기 측정물(P)에 투영되는 격자가 형성된 격자와; 상기 투영 격자와 측정물과의 거리를 조절하도록 하는 격자 구동부와; 상기 CCD 카메라를 통해 촬상된 영상을 획득하는 영상 포획부와; 상기 CCD 카메라에서 인에이블 신호가 발생하면 조명 제어부와 투영 격자 구동부 및 영상 획득 부에 구동 신호를 동시에 출력하는 구동 신호 발생부와; 상기 영상 포획부로부터 전송되는 데이터로부터 측정 대상의 3차원 형상을 계산하는 영상 신호 처리부를 포함한다.
영상, 고속, 구동 신호, 격자, 간섭 무늬

Description

영상 측정 장치 및 그 방법{Apparatus and method for measuring image}
도 1은 본 발명에 따른 영상 측정 장치의 광학계 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 영상 측정 장치의 블록 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 영상 측정 방법을 나타낸 순차적인 흐름도.
도 4는 종래의 광학식 형상 측정 장치에서의 영상 획득 과정을 설명하기 위한 블록 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 제 1 수광부
11 : CCD 카메라, 12 : 결상 렌즈
2 : 광투영부
21 : 조명부, 22 : 집광렌즈, 23 : 투영격자, 24 : 투영렌즈
25 : 반사 미러, 26 : 격자 구동 부
3 : 제 2 수광부
31 : 스테레오 비전용 카메라, 32 : 결상렌즈
4 : 조명 제어부
5 : 구동 신호 발생부
51 : 메모리, 52 : D/A 변환기, 53 : 저주파 통과 필터, 54 : 구동 신호 발생부
6 : 영상 포획부
7 : 컴퓨터
71 : 영상 신호 처리부, 72 : 표시부, 73 : 데이터 입력부, 74 : 제어부
본 발명은 광학식 영상 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학계로부터 촬상된 영상을 고속으로 획득할 수 있는 영상 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전자, 기계부품의 소형화와 정밀화가 가속되어 가고 있는데, 이러한 소형의 전자 및 기계부품의 가공과 제조 상태를 확인하기 위해서는 그 치수, 형상, 표면조도에 대한 고정도(高精度)의 측정이 이루어져야 한다.
예를 들면, 전자부품인 반도체 웨이퍼와 이 반도체 웨이퍼상에 가공된 집적회로의 미세패턴에 대한 치수, 형상, 레이저 마킹상태, 표면조도는 주지의 접촉식 측정장치를 이용하여 측정할 수 없으며, 촉침을 이용한 접촉식 표면조도 측정기를 이용하는 경우에도 촉침의 팁(tip)이 물체의 표면에 미세한 흠집을 발생시킬 뿐만 아니라 면적에 대한 정보를 얻기 힘들다는 문제점이 있었다.
이에 광원에서 방사되는 광을 기준 패턴화하여 측정물에 영사하고 그 측정물의 형상에 따라 변형된 광을 기준패턴과 비교하여 측정물에 대한 형상을 측정하는 광학 현미경을 이용한 2차원 및 3차원 측정 장치 및 방법이 개발되고 있다.,
상기 3차원 형상 측정 방법으로 최근에는 모아레 무늬를 이용한 방법이 널리 이용되는데, 모아레를 이용한 형상 측정 방식은 측정하고자 하는 물체(이하 피사체라 함)의 표면에 일정 형태를 가지는 두 개 이상의 주기적인 패턴이 겹쳐지는 간섭 무늬를 형성하고, 간섭 무늬를 측정 및 해석하여 물체 표면의 높이에 대한 정보를 얻는 것이다.
도 4는 종래의 광학식 형상 측정 장치에서의 영상 획득 과정을 설명하기 위한 블록 구성도를 도시한 것이다.
광학식 형상 측정 시스템은 우선 후술할 영상 포획부(205)로부터 트리거 신호 입력시 피사체의 영상을 촬상하여 출력하는 CCD 카메라(100)와, 테스트하고자 하는 피사체의 부위별 측정면 조도를 조절하기 위해 서로 다른 위치에 장착되어지는 다수의 조명등(400) 및 조명등(400)을 제어하는 조명 컨트롤러(300)를 포함하며, 상기 조명 컨트롤러(300)는 컴퓨터(200)에 실장되는 영상 포획부(205)로부터 발생되는 트리거 신호에 따라 조명등(400)을 제어한다.
한편 컴퓨터(200)에 실장되는 영상 포획부(205)는 CCD 카메라(100)에서 출력되는 영상을 포획(capture)하여 영상신호 처리부(207)로 전송하는 역할을 수행하는데, 이러한 영상 포획부(205)는 조명 컨트롤러(300)와 CCD 카메라(100)를 동기시키기 위한 트리거 신호를 발생하여 출력하고 CCD 카메라(100)로부터 출력되는 영상을 포획한다.
이러한 방법으로, 측정물(P)의 스캔 영역에 대한 복수개의 높이를 구함으로 써 측정물(P)의 요철 형상을 측정한다.
이와 같이 트리거신호에 의해 조명등의 점등이 이루어지고 그 때 영상의 촬상이 이루어져야 하는 이유는 검사 목적에 맞는 측정면 영상을 얻기 위한 조명등(400)을 점등시키면서 촬상 영상을 포획하여야 하기 때문이다.
참고적으로 영상신호 처리부(207)는 포획된 영상을 전송받아 표시부(209)상에 표시할 수 있는 형태의 영상신호로 처리하여 출력하여 주며, 제어부(203)는 데이터 입력부(201)를 통해 측정자로부터 영상 측정 개시명령이 입력되면 이를 영상 포획부(205)로 전달하여 주는 역할을 수행한다.
상술한 구성을 가지는 광학식 형상 측정 시스템에서는 CCD 카메라가 영상 포획부로부터 트리거 신호 발생시마다 영상을 촬상하여 출력하고, 후단의 영상 포획부는 CCD 카메라로부터 출력되는 영상을 포획하여 전송한 후 다시 트리거 신호를 발생하기 때문에 영상 프레임을 획득하는데 소요되는 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
예를 들어, 1 프레임을 촬상하는데 포획하는데 소요되는 시간이 0.03초, 포획된 영상을 전송하는데 소요되는 시간이 0.03초라하면 총 10 프레임을 촬상하고 전송하는데 소요되는 시간은 (N+2)×0.03 즉, 12ㅧ 0.06=0.72초가 된다.
이에 따라, 종래의 광학식 형상 측정 시스템에서는 촬상 영상의 포획을 고속화하는데 한계가 있기 때문에 결과적으로 측정하고자 하는 피사체의 테스트 시간을 단축시킬 수 없는 문제점이 있다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 3차원 형상을 측정하는 장치에 있어서, 측정물에 대한 촬상 및 촬상된 영상을 고속으로 획득할 수 있도록 하는 영상 측정 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
그리고, 본 발명은 측정시 발생하는 노이즈 및 에지(edge)부에서 발생하는 고주파 성분을 제거할 수 있도록 하는 영상 측정 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 3차원 형상을 측정하는 장치에 있어서, 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 측정하는 장치에 있어서, 측정물(P)을 촬상하여 출력하는 CCD 카메라와; 상기 측정물의 촬상 영역을 조명하는 광을 발생시키는 조명부와; 상기 조명부의 점등을 제어하는 조명 제어부와; 상기 측정물 상에 구비되는 투영 격자와, 상기 투영 격자와 측정물과의 거리를 조절하도록 하는 격자 구동부와; 상기 CCD 카메라를 통해 촬상된 영상을 획득하는 영상 포획부와; 상기 CCD 카메라에서 인에이블 신호가 발생하면 조명 제어 부와 투영 격자 구동부 및 영상 포획부에 구동 신호를 동시에 출력하는 구동 신호 발생부와; 상기 영상 포획부로부터 전송되는 데이터로부터 측정 대상의 3차원 형상을 계산하는 영상 신호 처리부를 포함하되, 상기 구동 신호 발생부는; 구동 신호 발생을 제어하는 기준 데이터가 저장되는 메모리와, 디지털 대 아날로그 변환기와, 상기 디지털 대 아날로그 변환기를 통해 출력되는 신호 또는 상기 영상 포획부에 의해 획득된 신호의 고주파 성분을 제거하기 위한 저주파 통과 필터와, 구동 신호를 발생하는 구동 신호 발생부를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명은 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 3차원 형상을 측정하는 방법에 있어서, CCD 카메라로부터 프레임 인에이블 신호를 검출하는 단계(S10)와; 상기 프레임 인에이블 신호 검출시 마다 측정물에 조사되는 광의 점등을 위한 조명 제어부와 측정물과 격자의 거리를 조절하는 격자 구동부와 영상 포획부에 구동 신호를 동시에 출력하여 CCD 카메라로부터 획득된 영상을 영상 신호 처리부로 전송하도록 하는(S20)와; 상기 S10~S20 단계를 반복하여 위상 천이된 간섭 무늬를 저장하는 단계(S30)와; 상기 측정물에 대한 촬상이 완료되었는지 판단하는 단계(S40)와; 상기 촬상이 완료되었는지 판단한 결과 촬상이 완료되면 저장된 다수개의 간섭 무늬 정보를 이용하여 3차원 형상 획득하는 단계(S50)를 포함한다.
삭제
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 영상 측정 장치의 광학계 구성도로, 조명부(21)로부터 발생한 광을 집광렌즈(22)로 집광하여 투영격자(23)와 투영렌즈(24)를 통해 반사 미러(25)를 거쳐 측정물(p)에 투영시키는 광투영부(2)와; 상기 측정물(p)로부터 결상렌즈(12) 및 CCD 카메라(11)를 통해 변형된 격자 줄무늬 형태의 영상을 획득하는 제1 수광부(1)를 포함하여 구성된다.
상기 투영 격자(23)의 일측에는 격자와 측정물(P) 사이의 거리를 조절하기 위한 격자 구동부(26)이 더 구비된다.
또한, 상기 광학계는 측정물(p)로부터 결상렌즈(32)를 통해 입사되는 측정물(P)의 스테레오 영상을 스테레오 비전용 카메라(31)를 통해 획득하는 제2 수광부(3)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 영상 측정 장치의 블록 구성도로, 본 발명의 고속 영상 측정 장치는 측정물(P)을 촬상하여 출력하는 CCD 카메라(11)와; 상기 측정물의 촬상 영역을 조명하는 광을 발생시키는 조명부(21)와; 상기 조명부(21)의 점등을 제어하는 조명 제어부(4)와; 상기 측정물(P) 상에 구비되는 투영 격자(23)와; 상기 투영 격자(23)와 측정물(P)과의 거리를 조절하도록 하는 격자 구동부(26)와; 상기 CCD 카메라를 통해 촬상된 영상을 획득하는 영상 포획부(6)와; 상기 CCD 카메라(1)에서 인에이블 신호에 따라 조명 제어부(4)와 투영 격자 구동부(26) 및 영상 포획부(6)에 구동 신호를 동시에 출력하는 구동 신호 발생부(5)와; 상기 영상 포획부(6)로부터 전송되는 데이터로부터 측정 대상의 3차원 형상을 계산하는 영상 신호 처리부(71)를 포함한다.
상기 격자 구동부(26)는 투영 격자(23)와 측정물(P) 사이의 거리 조절을 통하여 측정물에 투영되는 격자 무늬의 위상을 변화시키도록 구비되는 것이다.
상기 구동 신호 발생부(5)는 구동 신호 발생을 제어하는 기준 데이터가 저장되는 메모리(51)와, 디지털 대 아날로그(D/A) 변환기(52)와, 상기 디지털 대 아날로그 변환기(52)를 통해 출력되는 신호 또는 상기 영상 포획부(6)에 의해 획득된 신호의 고주파 성분을 제거하기 위한 저주파 통과 필터(53)와, 구동 신호를 발생하는 구동 신호 발생부(54)를 포함하여 구성된다.
상기 D/A 변환기(52)는 컴퓨터의 구동량을 줄이고, 상기 저주파 통과 필터(53)는 측정물의 높이 정보 측정시에 초래되는 노이즈나 에지(edge)부에서의 고주 파 성분을 제거하도록 구성된다.
상기 영상신호 처리부(71)는 포획된 영상을 전송받아 표시부(72) 상에 표시할 수 있는 형태의 영상신호로 처리하여 출력하여 주며, 제어부(74)는 데이터 입력부(73)를 통해 측정자로부터 영상 측정 개시명령이 입력되면 이를 카메라에 전달하여 주는 역할을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 영상 측정 방법을 나타낸 순차적인 흐름도로, 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 측정하는 방법에 있어서, CCD 카메라로부터 프레임 인에이블 신호가 검출되면(S10), 구동 신호 발생부(5)에서 해당 프레임 촬상에 필요한 조명 제어 및 격자의 위치를 조절하기 위한 구동 신호 및 촬상된 영상을 획득하여 영상 처리부로 전송하도록 영상 획득 구동 신호를 동시에 출력한다(S20).
이어서, 획득되어 영상 처리부로 전송된 간섭 무늬 정보를 저장하고 위상 천이된 간섭 무늬를 획득하기 위하여 CCD 카메라로부터 프레임 인에이블 신호가 검출되면 조명 제어 및 격자의 위치를 조절하기 위한 구동 신호 및 촬상된 영상을 획득하도록 하는 영상 획득 구동 신호를 동시에 출력하는 단계(S10~S20)를 반복한다(S30).
그후, 상기 측정물에 대한 촬상이 완료되면(S40) 저장된 다수개의 간섭 무늬 정보를 이용하여 3차원 형상 획득한다(S50).
이와 같이 본 발명에 따르면, CCD 카메라의 프레임 인에이블 신호 검출시마다 조명과 격자의 구동을 제어하고 동시에 영상을 획득 전송하도록 함으로써 영상 획득에 소요되는 시간을 단축하여 측정물의 3차원 형상을 고속으로 측정할 수 있다.
예를 들어, 1 프레임을 촬상하는데 포획하는데 소요되는 시간이 0.03초, 포획된 영상을 전송하는데 소요되는 시간이 0.03초라하면 총 10 프레임을 촬상하고 전송하는데 소요되는 시간은 (10+1.5)× 0.03=0.345 초가 된다.
즉, N개의 영상을 획득하는데 있어서는 (N+1.5)*(1프레임 촬상에 걸리는 시간) 시간이 소요되는바, N이 2보다 클수록 종래의 방법에 비해 고속의 검사가 가능하게 된다. 상세하게는 종래의 경우에 N이 1일 경우 (1×2×0.03)=0.06초의 시간이 소요되지만, 본 발명에 따르면 (1+1.5)×0.03=0.075의 시간이 소요되므로, 최소 N이 2보다 클 경우 고속 검사가 가능하게 된다.
뿐만 아니라, 본 발명은 마지막 영상이 카메라에 들어오는 순간 촬상된 영상을 영상 신호 처리부로 전송하기 전에 구동 신호 발생부를 통해 영상 획득이 완료되었다는 신호를 발생시킴에 따라, 마지막 영상 획득과 동시에 영상이 전송되도록 함으로써, 마지막 영상이 전송되는데 소요되는 1프레임 시간도 절약할 수 있으므로 검사 모듈의 응용에 따라 N개의 영상을 획득하는데 있어서 (N+0.5)×(1프레임 촬상에 걸리는 시간)의 시간만 소요되는 고속의 검사가 가능해진다.
상술한 바와 같이 본 발명은 CCD 카메라의 인에이블 신호 검출시마다 미세 구구동과 조명부 및 영상 포획부로 구동 신호를 동시에 출력하여 해당 프레임을 촬상하기 때문에 촬상 영상을 고속으로 획득할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 구동 신호 발생부에 D/A 변환기를 구비하여 컴퓨터의 구동량을 줄이고 저주파 통과 필터를 구비하여 측정시 발생하는 노이즈 및 에지(edge)부에서 발생하는 고주파 성분을 제거하여 획득되는 영상의 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (3)

  1. 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 3차원 형상을 측정하는 장치에 있어서,
    측정물(P)을 촬상하여 출력하는 CCD 카메라(1)와;
    상기 측정물의 촬상 영역을 조명하는 광을 발생시키는 조명부(2)와;
    상기 조명부(2)의 점등을 제어하는 조명 제어부(3)와;
    상기 측정물(P) 상에 구비되는 투영 격자(23)와;
    상기 투영 격자(23)와 측정물(P)과의 거리를 조절하도록 하는 격자 구동부(26)와;
    상기 CCD 카메라를 통해 촬상된 영상을 획득하는 영상 포획부(6)와;
    상기 CCD 카메라(1)에서 발생하는 인에이블 신호에 따라 조명 제어부(3)와 투영 격자 구동부(26) 및 영상 포획부(6)에 구동 신호를 동시에 출력하는 구동 신호 발생부(5)와;
    상기 영상 포획부(6)로부터 전송되는 데이터로부터 측정 대상의 3차원 형상을 계산하는 영상 신호 처리부(71)를 포함하여 구성되되,
    상기 구동 신호 발생부(5)는;
    구동 신호 발생을 제어하는 기준 데이터가 저장되는 메모리(51)와,
    디지털 대 아날로그 변환기(52)와,
    상기 디지털 대 아날로그 변환기(52)를 통해 출력되는 신호 또는 상기 영상 포획부(6)에 의해 획득된 신호의 고주파 성분을 제거하기 위한 저주파 통과 필터(53)와,
    구동 신호를 발생하는 구동 신호 발생부(54)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 영상 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 광학계를 통해 촬상된 영상을 이용하여 측정 대상의 3차원 형상을 측정하는 방법에 있어서,
    CCD 카메라로부터 프레임 인에이블 신호를 검출하는 단계(S10)와;
    상기 프레임 인에이블 신호 검출시 마다 측정물에 조사되는 광의 점등을 위한 조명 제어부와 측정물과 격자의 거리를 조절하는 격자 구동부와 영상 포획부에 구동 신호를 동시에 출력하여 CCD 카메라로부터 획득된 영상을 영상 신호 처리부로 전송하도록 하는 단계(S20)와;
    상기 S10~S20 단계를 반복하여 위상 천이된 간섭 무늬를 저장하는 단계(S30)와;
    상기 측정물에 대한 촬상이 완료되었는지 판단하는 단계(S40)와;
    상기 촬상이 완료되었는지 판단한 결과 촬상이 완료되면 저장된 다수개의 간섭 무늬 정보를 이용하여 3차원 형상 획득하는 단계(S50)를 포함함을 특징으로 하는 영상 측정 방법.
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