KR100946378B1 - 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치에 관한 것으로, 격자광을 측정대상물에 조사한 후 반사되는 격자무늬를 획득하고 소정의 알고리즘을 통해 상기 격자무늬를 해석하여 측정대상물의 형상을 측정하는 3차원 형상측정장치에 있어서, 측정대상물에 광을 조사하기 위해 필요한 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광을 라인 조명으로 변환하여 조사하기 위한 조명부, 상기 조명부를 통해 조사된 광을 투과시키며 구동수단에 의해 n버킷되는 투영격자, 상기 투영격자에 의해 생성된 격자광을 입사받아 집광시킨 후 상기 측정대상물에 라인 조명으로 조사하는 실린더 렌즈 및 상기 실린더 렌즈를 통해 측정대상물에 조사된 후 반사되는 광을 획득하는 카메라;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

실린더 렌즈, 모아레, 측정, 광원, 라인스캔 카메라

Description

실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치{Moire measurement apparatus using cylinder lens}

본 발명은 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 측정대상물에 보다 효과적으로 조사광을 조사하여 대상물의 형상을 정확하게 측정할 수 있는 모아레 측정장치에 관한 것이다.

모아레 무늬를 이용한 3차원 형상 측정 방법에는 그림자식 모아레(shadow moire)와 영사식 모아레(projection moire) 두 가지 방식으로 구분된다. 그림자식 모아레(shadow moire)는 렌즈를 사용하지 않고 피사체의 표면에 나타나는 격자 무늬의 그림자로부터 생생된 모아레 무늬를 이용하여 피사체의 형상을 측정하는 방식이고, 영사식 모아레(projection moire)는 피사체에 백색광 내지는 단색광 프로젝터를 이용해서 격자패턴을 주사하고 물체의 형상에 따라서 변형되어진 격자 이미지를 주사를 한 격자와 동일한 피치를 가지는 기준격자에 겹침으로써 모아레 무늬를 얻는 방법이다.

그림자식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 설비가 간단한 장점이 있지만 격자의 그림자를 이용해야 하기 때문에 격자와 피사체를 충분히 근접시킬 수 있는 경우에만 적용할 수 있는 단점이 있고, 영사식 모아레는 격자의 크기에 의해서 대상 물체의 크기가 제한 받지 않고, 작은 높이 차를 갖는 미세한 물체의 측정 시 물체 가까이 위치시켜야 하는 제한이 없기 때문에 선호되고 있다.

영사식 모아레(projection moire) 측정 방법에 이용되는 3차원 형상 측정 장치의 구성도로, 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법을 설명하면, 광원으로부터 조사된 광이 격자(103)를 통과하면서 형상된 이미지를 제 1결상 렌즈에 의해 피사체에 결상시키고, 상기 격자가 투영된 피사체의 영상을 얻는다. 여기서 3차원 형상 추출을 위해 격자 패턴을 수평으로 이동시킴으로써 변위된 투영 격자를 얻는다.

이와 같은 측정 장치에서는 격자에 빛을 조사하여 피사체에 격자 무늬를 투영시킨 후 피사체로부터 변형되어 반사되는 빛을 결상 렌즈를 통해 카메라에 결상시켜 피사체의 형상에 따라 변형된 격자 무늬를 획득한다. 이후에 기준 격자와 변형된 격자를 논리 연산을 이용하는 방식(논리 모아레 방식) 또는 기준 격자와 변형된 격자를 중첩시킨 뒤 저주파 통과 필터(Low pass filter)를 이용하여 모아레 무늬만을 분리해내는 방식(저주파 통과 방법)을 통해 3차원 형상을 측정한다.

이러한 고체촬상소자를 이용한 영상획득장치의 일예로 도 1에 도시된 모아레 측정법을 이용한 예로 3차원 표면형상을 측정하기 위해 널리 사용되어 왔다.

도 1은 영사식 모아레 측정장치를 개략적으로 나타낸 것으로, 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 투영격자무늬가 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 격자 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 n버킷 등의 알고리즘을 구현하기 위해서 상기 투영격자 이송수단(5)을 이용하여 투영격자를 등간격으로 이송하게 된다.

하지만 이러한 종래의 CCD카메라를 이용하여 촬상된 영상을 획득하면, 측정물체에 조사되는 광량에 따라 화면의 외각이 어둡게 표현되는 경우가 있었다. 즉, 측정물체에 빛이 조사되지 않는 구간이 발생하게 되어 그림자 영역이 발생한다. 그래서 대구경의 렌즈를 사용하여 측정물체 전체에 광을 조사할 수 있으면 되지만 가격이 비싸기 때문에 쉽게 적용하기가 어려웠다.

또한, 광량에 따라 화면의 외각이 어둡게 표현될 경우 그림자 영역으로 인하여 측정대상물에 대한 모아레 무늬가 선명하지 못한 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 화면의 전체적 영상의 밝기가 밝아지고 외곽의 어두움을 줄여 측정대상물에 대한 모아레 무늬를 선명하게 획득하고 카메라에 적합하도록 실린더 렌즈를 이용하여 라인광을 제공하고 광량을 최대한 입사시킬 수 있도록 보다 정확한 측정장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 격자광을 측정대상물에 조사한 후 반사되는 격자무늬를 획득하고 소정의 알고리즘을 통해 상기 격자무늬를 해석하여 측정대상물의 형상을 측정하는 3차원 형상측정장치에 있어서, 측정대상물에 광을 조사하기 위해 필요한 광을 출사하는 광원, 상기 광원에서 출사되는 광을 라인 조명으로 변환하여 조사하기 위한 조명부, 상기 조명부를 통해 조사된 광을 투과시키며 구동수단에 의해 n버킷되는 투영격자, 상기 투영격자에 의해 생성된 격자광을 입사받아 집광시킨 후 상기 측정대상물에 라인 조명으로 조사하는 실린더 렌즈 및 상기 실린더 렌즈를 통해 측정대상물에 조사된 후 반사되는 광을 획득하는 카메라;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 투영격자는,광축에 수평하지 않은 방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 조명부는, 상기 광원으로부터 출사광을 입사받아 라인광으로 바꿔주는 가이드부와, 상기 가이드부와 대응하게 구비되어 출사된 광을 집광시키는 집광부 및 상기 각각의 집광부에서 집광된 광을 확산시키는 확산부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실린더 렌즈는, 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 카메라는, 상기 실린더 렌즈가 조사하는 라인 조사광에 따라 상기 측정대상물에 반사되는 라인 반사광을 획득하기 위한 라인스캔 카메라인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 투영격자는, 상기 측정대상물에 대하여 첫 번째 버킷에서 전영역에 대한 격자무늬를 획득한 후 구동수단에 의해 두 번째 버킷된 후 다시 전영역에 대한 격자무늬를 획득하는 과정을 통해 측정대상물의 격자무늬를 획득하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 영상획득을 위한 광량을 최대한 확보함으로써 영사계의 NA값을 높게 만들어서 최종적으로 획득하는 모아레 무늬를 선명하게 획득할 수 있으며, 제품 표면의 윤곽에 따른 음영을 제거하는 효과가 있다. 이러한 특징은 표면 반사도나 투명도가 높은 스틸, 유리, wafer, LCD 등 제품의 측정이 유리하고, 라운드 범프의 측정에도 매우 효과적으로 측정할 수 있는 이점이 있다.

또한, 카메라에서 획득되는 이미지 특성에 따라 라인(선형) 조명광을 조사하기 매우 용이하며, 기존에 광학계로 사용되는 빔스플리터 또는 하프미러 등의 복잡한 구성없이 간소화시킬 수 있고, 저렴하게 구성할 수 있다.

또한, 라인빔을 형사하는데 있어서 광원에서 출사되는 광을 원통형의 실린더 렌즈에 용이하게 입사시키기 위해 라인/돔 형태를 구현하는 조명부를 구비하여 광원을 용이하게 제공할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상측정장치의 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 형상측정장치의 실린더 렌즈에 대해 투영격자의 구동방향을 나타낸 사시도, 도 4a와 도 4b는 본 발명에 적용된 실린더 렌즈의 광경로를 나타낸 상태도, 도 5는 본 발명에 따른 형상측정장치의 조명부를 나타낸 구성도이다.

본 발명에 따른 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치는, 투영격자(300)를 통해 형성된 격자광을 측정대상물(600)에 조사하고 반사된 격자무늬를 모아레 알고리즘을 통해 분석하여 측정대상물의 형상정보를 획득하는 측정장치에 있어서, 측정대상물에 광을 조사하기 위해 필요한 광을 출사하는 광원(100)과, 상기 광원에서 출사되는 광을 라인(선형) 조명으로 변환하여 조사하기 위한 조명부(200)와, 상기 조명부를 통해 조사된 광을 투과시키며 구동수단에 의해 n 버킷되는 투영격자(300) 와, 상기 투영격자에 의해 생성된 격자광을 입사받아 집광시킨 후 상기 측정대상물에 라인 조명으로 조사하는 실린더 렌즈(400)와, 상기 실린더 렌즈를 통해 조사된 광이 측정대상물에서 반사되며 이를 획득하는 카메라(500)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

광원(100)은 3차원 이미지를 획득하기 위해 측정대상물에 광을 조사하기 위해 필요한 광을 출사한다. 본 발명에 따른 광원으로는 할로겐 조명을 이용한 광 또는 할로겐 외에 LED나 일반적인 광원을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 카메라를 이용한 라인 이미지를 획득하여 측정대상물의 형상 정보를 얻기 위하여 상기 광원(100)에서 출사되는 광을 라인 광으로 조사하기 위한 조명부(200)를 구비한다.

상기 조명부(200)는 광원으로는 입사받은 광을 라인광으로 만들어주는 가이드부(210)와 여기서 출력되는 광을 손실없이 집광시키는 집광부(220)와 집광된 광을 적절히 확산시키는 확산부(230)로 구성된다.

여기서 상기 조명부(200)는 돔 형태의 조명광을 조사하기 위하여 가이드부와 집광부(220)가 다수개 구비되어 돔 형상을 이룬다.

도 5에 도시된 바와 같이 상기 광원(100)에 출력되는 광을 일측 방향으로 조사하기 위해 다수의 가이드부(210)가 각각 소정각도를 가지고 배치되고, 가이드부(210) 선단으로는 각각 집광부(220)가 구비되어 광을 집광시킨 후 아크릴 블록으로 이루어진 길이형상의 확산부(230)에 의해 각각의 집광부에서 집광된 광을 하나의 확산부(230)에서 최종적으로 광을 확산시켜준다.

이때, 소정각도로 중앙에 위치한 가이드부는 수직하게 내려보도록 배치되고, 양단에 설치된 가이드부는 중앙에 위치한 가이드부가 조사하는 조사각을 향하도록 각각 각도를 가지게 된다.

상기 가이드부를 통해 한쪽 방향으로 광을 조사시킨 후 상기 확산부(230)에서 확산시킴으로써 돔 형태의 조명을 구현하게 된다. 또한, 다수의 가이드부를 통해 광원에서 출사되는 광을 라인 형태의 조명으로 조사함으로써 최종적으로 출력되는 광은 라인빔을 갖게 되는 것이다.

투영격자(300)는 측정대상물에 대한 격자무늬 즉, 모아레 무늬를 획득하여 대상물의 이미지 정보를 얻기 위해 격자광(격자무늬)을 조사시켜주는 것으로, 상기 조명부를 통해 조사된 광은 투영격자를 통과하면서 격자광을 생성한다.

상기 투영격자는 모아레 측정법에 따라 PZT(압전소자) 등의 구동수단(미도시)에 의해 2 버킷 내지 4버킷 또는 n버킷 알고리즘 구현을 위해 등간격으로 이동하면서 대상물에 대한 격자무늬를 획득한다.

이때, 상기 투영격자의 구동, 즉 스캐닝 방법은 측정대상물의 한 영역에 대하여 n버킷을 수행하고, 다음 영역에 대한 버킷을 수행하지 않고, 1버킷(첫번째 버킷)에 대하여 모든 영역에 대한 격자무늬를 획득한 후 다시 2 버킷(두번째 버킷)에 대한 격자무늬를 획득하는 방법으로 구동시킨다. 이것은 상기 투영격자(300)의 구동시간을 단축하여 결과적으로 측정속도를 향상시키기 위한 것이다.

즉, 4버킷 구동을 실시한다면, 1버킷에서 측정대상물의 전영역을 스캐닝 한 후 제 2버킷으로 투영격자를 구동한 후 다시 전영역에 대하여 스캐닝을 하는 과정 으로 대상물의 격자무늬를 획득한다.

실린더 렌즈(400)는 상기 투영격자(300)로부터 생성된 격자광을 입사받아 측정대상물에 조사하기 위한 것으로, 본 발명에서는 원통형상의 실린더 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 실린더 렌즈(400)는 격자광을 집광시킨 후 출사면을 통해 집광된 광을 출력한다.

이때, 상기 조명부를 통하여 실린더 렌즈의 NA(numerical aperture ; 개구수)값 외에 실린더 렌즈의 길이방향에 대한 개구수 값을 향상시킬 수 있게 된다.

도 4a를 참고하면, 실린더 렌즈와 측정대상물이 평면상에 배치되어 있는 예로 광경로를 실선으로 표시하였다. 실린더 렌즈의 입사면을 통해 집광된 광은 출사면을 통해 측정대상물의 전면에 광을 입사시킴으로 후술할 카메라(500)의 CCD에는 빛이 들어오지 않는 영역이 없음을 알 수 있다.

반면에, 점선으로 표시된 평면렌즈(종래 예)일 경우는 점선으로 표시된 광경로를 따라 측정대상물로 진행하는데, 이때, A영역이 생기는 것을 알 수 있다. 즉 A영역은 카메라의 CCD에 빛이 들어오지 않는 영역을 나타낸다. 따라서, 평면렌즈를 사용하는 경우 측정대상물로부터 반사되는 반사광 중 카메라로 입사되지 않는 광이 있으므로 획득된 영상의 외곽에 어두움이 발생하게 된다.

도 4b는 측정대상물이 구면인 경우 실린더 렌즈의 광경로를 보여주는 도면이다.

실린더 렌즈(400)와 측정대상물이 평면상에 배치된 상태에서 광경로를 실선으로 나타내었다. 실린더 렌즈의 출사면을 통해 출사된 반사광은 구면의 측정대상 물의 전면에 광을 입사시킴으로 카메라에는 빛이 들어오지 않는 영역이 없음을 알 수 있다. 반면에 점선으로 표시된 평면렌즈일 경우는 점선으로 표시된 광경로를 따라 측정대상물로 진행하는데, 이때 B영역이 생기는 것을 알 수 있다. 따라서 B영역은 카메라로 빛이 들어오지 않는 영역을 나타내며, 실린더 렌즈와 평면렌즈 동일한 광을 조사하는 경우 평면렌즈의 경우 B영역이 발생하므로 평면렌즈에서 반사된 전량의 광이 입사되지 못하나, 상기 실린더 렌즈(400)의 경우 입사면을 통해 집광된 광을 강하게 측정대상물에 조사한다.

따라서, 평면렌즈를 사용하는 경우에는 측정대상물로부터 반사되는 반사광의 전량이 CCD로 입사되지 못하므로 획득된 영상의 전체적인 이미지가 어두워진다. 또한, 측정대상물로부터 반사되어 카메라에 입사되는 반사광의 광량의 차이가 있음을 알 수 있다.

한편, 원통형의 상기 실린더 렌즈를 이용하여 측정대상물에 광을 조사함에 따라 라인빔을 용이하게 조사할 수 있어, 한번에 넓은 영역의 이미지를 획득할 수 있게 된다.

또한, 상기 투영격자(300)는 실린더 렌즈와 평행하게 배치되며, 이에 수직하게 구동하여 버킷에 따른 격자무늬를 획득하게 된다.

카메라(500)는 측정대상물에서 반사된 격자무늬를 획득하는 것으로, 본 발명에 따른 카메라는 라인스캔 카메라를 이용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정하지 않고 일반 카메라(면적 카메라)를 사용할 수 있다.

라인스캔 카메라는 대상물의 이미지를 라인 형태로 획득하는 장치로써 원통 형상의 상기 실린더 렌즈가 조사하는 라인빔을 획득한다. 여기서 획득되는 이미지는 공지의 모아레 알고리즘을 통해 측정대상물(600)의 이미지를 3차원으로 획득할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 실린더 렌즈의 이용하여 스케닝 모아레 방식에 적합된 라인 조명광을 용이하게 조사할 수 있음으로 결과적으로 측정대상물을 보다 정확하게 측정할 수 있는 이점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.

오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 3차원 형상측정장치의 일예를 보여주는 구성도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상측정장치의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 형상측정장치의 실린더 렌즈에 대해 투영격자의 구동방향을 나타낸 사시도,

도 4a와 도 4b는 본 발명에 적용된 실린더 렌즈의 광경로를 나타낸 상태도,

도 5는 본 발명에 따른 형상측정장치의 조명부를 나타낸 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 광원 200 : 조명부

210 : 입사부 220 : 집광부

230 : 확산부 300 : 투영격자

400 : 실린더 렌즈 500 : 카메라

600 : 측정대상물

Claims (6)

1. 격자광을 측정대상물에 조사한 후 반사되는 격자무늬를 획득하고 소정의 알고리즘을 통해 상기 격자무늬를 해석하여 측정대상물의 형상을 측정하는 3차원 형상측정장치에 있어서,

   측정대상물에 광을 조사하기 위해 필요한 광을 출사하는 광원;

   상기 광원에서 출사되는 광을 라인 조명으로 변환하여 조사하기 위한 조명부;

   상기 조명부를 통해 조사된 광을 투과시키며 구동수단에 의해 n버킷되는 투영격자;

   상기 투영격자에 의해 생성된 격자광을 입사받아 집광시킨 후 상기 측정대상물에 라인 조명으로 조사하는 실린더 렌즈; 및

   상기 실린더 렌즈를 통해 측정대상물에 조사된 후 반사되는 광을 획득하는 카메라;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 투영격자는,

   광축에 수평하지 않는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 조명부는,

   상기 광원으로부터 출사광을 입사받아 라인광으로 바꿔주는 다수의 가이드부;

   상기 가이드부와 대응하게 구비되어 출사된 광을 집광시키는 집광부; 및

   상기 각각의 집광부에서 집광된 광을 확산시키는 확산부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 실린더 렌즈는,

   원통 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치.
5. 제 1항 내지 4항 중 한 항에 있어서, 상기 카메라는,

   상기 실린더 렌즈가 조사하는 라인 조사광에 따라 상기 측정대상물에 반사되는 라인 반사광을 획득하기 위한 라인스캔 카메라인 것을 특징으로 하는 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 투영격자는,

   상기 측정대상물에 대하여 첫 번째 버킷에서 전영역에 대한 격자무늬를 획득한 후 구동수단에 의해 두 번째 버킷된 후 다시 전영역에 대한 격자무늬를 획득하는 과정을 통해 측정대상물의 격자무늬를 획득하는 것을 특징으로 하는 실린더 렌즈를 이용한 모아레 측정장치.

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