KR100956852B1 - Ｌｃｄ패널을 이용한 모아레 형상측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LCD패널을 이용한 모아레 형상측정장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 격자무늬를 생성하기 위한 투영LCD패널, 및 상기 투영LCD패널의 방향성 및 피치를 조절하기 위한 구동장치를 포함한다. 따라서, 본 발명은 LCD의 특성을 이용하여 격자무늬를 생성하기 위해 방향성 및 피치의 조절을 간편히 수행할 수 있는 효과를 제공한다.

모아레, LCD

Description

ＬＣＤ패널을 이용한 모아레 형상측정장치{Apparatus for measuring shape of moire using LCD panel}

본 발명은 모아레무늬를 이용한 형상측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 모아레는 일정한 공간주파수를 갖는 격자무늬를 2개 이상 겹쳤을 때 생성되는 무늬로서 하나의 격자를 측정물체에 투영시키면 물체의 형상에 의한 변형이 생겨난다. 이렇게 변형된 격자를 비슷한 주파수의 다른 격자와 겹치면 물체의 높낮이에 해당하는 모아레 무늬가 생성된다.

이러한 모아레무늬는 두 개 이상의 주기적인 패턴이 겹쳐질 때 발생하며, 상대적으로 기준패턴에 비해서 저주파를 가지는 일종의 간섭무늬로써 정의된다. 맥놀이현상으로 설명되는 이 고유한 저주파의 모아레무늬는 공학전반에 걸쳐 2차원 변위뿐만 아니라 3차원 형상측정에 이르기까지 넒은 응용범위를 가진다.

모아레현상은 1874년 Lord Rayleigh[1]에 의해서 최초로 과학적인 도구로써의 사용이 제안되어진 이후로 여러사람들에 의해서 다양한 연구가 진행되어져 왔 다. 특히 물체의 평면변위(in-plane)를 측정하는데 이용되어 지면서부터 기계공학분야에서 물체의 스트레인해석에 유용한 도구로써 자리잡게 된다. 1970년에 이르러 각각 Meadows[2]와 Takasaki[3]등에 의해서 모아레현상이 임의의 형상을 가지는 물체의 3차원(out-of-plane)형상을 측정하는데 응용되어질 수 있음이 제안되어 지면서부터 모아레현상을 이용한 3차원 형상측정법은 주목을 받게 된다. 모아레법은 모아레무늬를 형성시키는 방법에 따라서 크게 그림자식 모아레법(shadow moire)과, 영사식 모아레법(projection moire)으로 구분된다. 그리고 대상물체가 경면의 성질을 많이 가지고 있을 경우 반사식 모아레(reflection moire)를 이용하여 3차원 형상측정이 가능하다.

영사식 모아레는 일반적으로 측정을 하고자 하는 대상에 백색광 내지는 단색광 프로젝터를 이용해서 격자패턴을 주사하고 물체의 형상에 따라서 변형되어진 격자의 이미지를 주사를 한 격자와 동일한 피치를 가지는 기준격자에 겹침으로써 모아레무늬를 얻는 방법이다.

도 1a는 종래의 두개의 격자를 사용하는 영사식 모아레 형상측정장치의 구성도이다.

도 1a를 참고하면, 모아레 형상측정장치는 크게 영사격자의 투영을 위한 영사시스템(projection system)(10)과 투영된 격자이미지의 결상을 위한 결상시스템(viewing system)(20)으로 나누어진다.

광원(11)으로는 일반적으로 백색광이 사용되어지고, 광원(11)과 투영격자(13)의 사이에는 광원의 빛을 격자면에 균일하게 집광하기 위한 집광렌 즈(condenserlens)(12)가 위치한다. 한쌍의 같은 피치를 가지는 동일한 직선격자가 각각 투영격자(projectiongrating)(13)와 기준격자(viewing grating)(17)로 사용되어진다. 이들 두 격자는 두 광축(21,22)에 대해서 수직인 한 평면(23)상에 서로 대칭적으로 위치하게 된다. 집광렌즈(12)를 통과한 균일한 빛에 의해서 조명되어진 투영격자(13)는 투영렌즈(projectionlens)(14)에 의해서 측정대상물체(15)에 투영되어진다. 이렇게 투영된 직선형태의 격자는 측정대상물체(15)의 높낮이에 따라서 변형되어지고, 이 변형된 격자는 다시 결상렌즈(viewing lens)(16)에 의해서 기준격자(17)상에 결상되게 된다. 이 때 모아레무늬는 기준격자(17)상에 형성되어지고 최종적으로 릴레이렌즈(relay lens)(18)에 의해서 수광소자(19)에 결상되게 된다. 이 광학계에서 모아레무늬의 등차수면(equi-order plane)이 평면으로 형성되기 위해서는 영사시스템의 광축(21)과 결상시스템의 광축(22)이 평행해야하고 두 렌즈는 두 광축에 수직인 한 평면(24)상에 위치해야만 한다. 즉, 영사시스템(10)과 결상시스템(20)에서 격자와 렌즈가 광축과 평행한 임의의 한 축에 대해서 대칭적으로 구성되어져야 한다. 전술한 예에서는 같은 피치를 가지는 동일한 직선격자를 사용한 예이며 가변 피치를 사용한 예는 도 1b에 설명한다.

도 1b는 종래의 두 개의 격자를 사용하는 모아레 형상측정장치의 구성도이다.

도 1b를 참고하면, 투영렌즈(51) 및 결상렌즈(52)로는 다른 렌즈의 수차와 왜곡으로 인한 오차를 최소화 할 수 있는 초점거리 60mm의 매크로렌즈를 사용한다. 또한 앞서 언급된 바와 같이 투영렌즈와 결상렌즈는 한 평면(61)위에 위치한다. n 쌍의 투영/기준격자로 이루어진 위상천이격자를 약간의 피치를 다르게 하여 중첩되게 설계된 다중위상천이격자(53)는 반도체리소그라피를 이용해서 크롬코팅이 된 수정유리에 제작되어 매크로렌즈의 영상면에 위치한다. 다중위상천이격자는 구동장치(58)에 의해서 등속으로 구동된다. 다중위상천이격자가 구동됨에 따라서 위상천이는 순차적으로 이루어지고 더불어 수광소자에 결상되어 오차요인으로 작용하는 기준격자가 평균화효과에 의해서 없어지게 된다. 광원(55)으로는 할로겐램프가 사용되어진다. 기준격자위에 형성된 모아레무늬는 릴레이렌즈(57)를 통해서 수광소자(56)에 결상된다. 이 영상은 컴퓨터(60)에 장착된 영상획득장치(59)에 보내져서 위상측정알고리즘을 이용해서 3차원형상을 측정하게 된다. 여기서 사용된 다중위상천이격자는 피치를 서로 다르게 설계하여 사용하였으나, 피치를 조절하기 위해서는 별도의 구동장치를 두어 격자를 이동시켜야하는 불편함이 있었다.

전술한 두가지 실시예에서는 두 개의 격자를 사용하는 예로 하였으나 종래에 하나의 격자를 사용하는 모아레 형상측정장치를 하기 도 2를 참고하여 설명한다.

도 2를 참고하면, 하나의 투영격자(300)를 이용하여 격자이동수단(500)에 의해 투영격자(300)를 이동하고 수광부(110)에서 수광된 이미지와 컴퓨터(미도시)상에 저장된 이미지를 이용해 모아레무늬를 획득한다. 여기서 수광부(110)는 CCD를 이용할 수 있다.

이처럼 하나의 투영격자를 사용하는 모아레 형상측정장치에서도 별도의 격자이동수단으로 구비하여야 하며 측정물체가 기울어진 방향과 격자의 방향에 따라 측정물체의 측정정밀도가 달라질 수 있음에도 격자의 방향성의 조절이 불가능한 문제 점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 모아레무늬를 형성하여 형상측정을 하기 위해 격자 대신에 방향성과 피치의 조절이 용이한 LCD패널을 사용하여 모아레무늬를 형성할 수 있는 모아레 형상측정장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LCD패널을 이용한 모아레 형상측정장치는 기준격자무늬를 기저장하여 모아레무늬를 생성하는 모아레간섭계를 포함하여 물체의 형상을 측정하기 위한 형상측정장치에 있어서, 광을 출사하는 광원과, 출사광을 투과하여 투영격자무늬를 생성하기 위한 투영LCD패널과, 투영격자무늬가 상기 물체로부터 반사하여 얻은 반사된 격자무늬를 결상하는 결상렌즈와, 결상렌즈를 통과한 반사된 격자무늬의 광을 수광하기 위한 수광부와, 기준 격자무늬를 기저장하고 상기 수광부로부터 수광된 격자무늬를 겹쳐 모아레무늬를 형성하고 물체의 형상을 연산하는 연산부, 및 투영LCD패널의 격자를 형성하기 위한 방향성 및 피치를 조절하기 위한 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 구동장치는 투영LCD패널을 구동하는 투영LCD패널구동부와, 투영LCD패널의 방향성을 제어하기 위한 방향성제어부와, 투영LCD패널의 피치를 조절하기 위 한 피치조절부; 및 각 구성을 제어하여 상기 투영LCD패널의 방향성 및 피치가 조절되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제어부는 전압제어값에 따른 액정의 방향성과 피치의 조절량을 룩업테이블로 저장하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 장치는 모아레무늬를 형성하기 위해 격자대신에 LCD패널을 사용하므로 LCD의 특성을 이용하여 방향성 및 피치의 조절이 간편한 효과를 제공한다.

또한, LCD패널을 이용해 모아레무늬를 형성하므로 LCD패널의 특성상 패널 자체의 위치를 움직이지 않아도 액정의 배열을 변화시켜 원하는 방향성 및 피치를 갖는 격자무늬를 형성할 수 있는 효과를 제공한다.

LCD(Liquid Crystal Display)는 액체이면서 광학적으로는 결정과 같은 성질을 나타내는 물질에 전계를 가하여 이를 변화시키면 빛의 투과도 등의 특성이 변화하는 성질을 이용한 디스플레이 장치이다. LCD 패널의 화소 단위인 픽셀이 컬러 디스플레이의 경우에는 델타(delta)의 배열을 갖는 세개의 액정 셀로 이루어져 각각 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)의 비디오 신호를 출력하며, 흑백 디스플레이의 경우에는 스트라입(stripe)의 배열을 갖도록 이루어진다. 이와 같은 픽셀이 컬럼 라인과 로우 라인을 갖는 매트릭스의 형태로 배열되어 디스플레이 패널이 구성되고, 구동 회로의 제어 신호에 따라 문자 또는 영상을 출력하게 된다. 본 발명은 이러한 LCD패널의 특성을 이용하여 격자를 생성하는데 사용한다. LCD패널의 구동회로를 이용해 LCD의 특성을 이용해 방향성과 피치의 조절이 가능하므로 기존의 피치가 정해진 격자를 교환할 필요도 없이 피치의 조절이 가능하다. 따라서 본 발명에서는 LCD패널이 투영격자의 역할을 수행하여 모아레무늬를 형성하는 것이 가능하다. 본 발명의 모아레 형상측정장치는 LCD의 특성에 기인하여 액정의 배열을 변화시켜 방향성을 제어하고 피치조절까지 가능함은 물론이다. 하기의 본 발명의 실시예에서처럼 LCD패널을 사용하는 경우 격자대신에 LCD의 액정 배열에 의해 측정하면 되기 때문에 격자를 교체 하지 않고도 LCD패널의 액정을 이용하여 다양한 격자의 생성이 가능하다. 형상측정에 있어 측정물의 기울어진 방향과 생성된 격자무늬의 방향이 측정정밀도를 좌우하는데 본 발명에서처럼 LCD패널로 격자를 형성하는 경우 방향성 및 피치의 조절이 자유로우므로 측정정밀도를 높일 수 있다.

이하, 첨부한 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모아레 형상측정장치의 구성도이다.

도 3의 장치는 기존의 모아레무늬를 형성하는 모아레간섭계를 이용하며, 격자대신에 LCD패널로 구성을 대체하고 그 LCD패널의 LCD를 구동시키기 위한 구동장치를 추가로 구성한다.

도 3을 참고하면, 광원(1)로부터 출사한 광을 통과하는 투영LCD패널(2)과 투영LCD패널(2)로부터 생성된 격자무늬를 투영하기 위한 측정물체(4)와 측정물체(4)로부터 반사된 격자무늬를 결상하는 결상렌즈(5, 6)와 결상렌즈(5,6)를 통과해 수광하기 위한 수광부(7) 및 기준 격자무늬를 기저장하고 수광부(7)로부터 수광된 격자무늬를 겹쳐 모아레무늬를 형성하도록 가공하는 PC(8), 및 투영LCD패널(2)을 구동하기 위한 구동장치(9)를 포함한다.

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

수광부(7)는 2차원 이미지 센서로서, CCD(charge coupled device) 카메라인 것이 바람직하다.

또한, 투영렌즈(3)와 결상렌즈(5, 6)는 공지의 렌즈로 되어 있다.

도 3에서, 광원(1)에서 나온 광이 투영LCD패널(2)을 통과하여 측정물체(4)에서 반사된 다음, 결상렌즈(5, 6)를 통하여 수광부(7)에 도달하여 격자무늬의 상이 맺히고, 이를 이용해 PC(8)에서 결국 모아레 무늬를 생성하게 된다. 이때, 투영LCD패널(2)의 액정의 배열을 변화시키기 위해 구동장치(9)가 투영LCD패널(2)과 연결되어 있으며, 구동장치(9)는 PC(8)와도 연결된다.

먼저, 구동장치(9)는 투영LCD패널(2)에 전압을 인가하여 액정의 배열을 변화시켜 격자를 생성한다. 그리고, 광원(1)으로부터 출사된 광을 투영LCD패널(2)에 비추면, 출사광은 액정의 배열에 따라 투영LCD패널(2)을 투과한 후 격자무늬가 생성된 광이 투과된다. 투영LCD패널(2)을 투과한 격자무늬의 광은 렌즈(3)를 통과해 물체(4)에 투영된다. 물체에 투영된 격자무늬의 광을 다시 결상렌즈(5,6)로 결상시켜 수광부(7)에서 수광한다. 수광부(7)에서 수광된 측정물체에서 반사된 격자무늬의 광은 촬상신호로 PC(8)에 입사되고 PC(8)는 입사된 측정물체에서 반사된 격자무늬를 갖는 촬상신호를 기저장된 기준 격자무늬의 영상신호와 겹치게 하여 모아레 무늬를 생성한다.

이러한 과정을 반복하면 측정오차를 가지는 모아레 무늬와 형상정보를 가지는 모아레 무늬를 각각 생성할 수 있으며 측정오차에 의해서 생성된 모아레 무늬로 형상정보를 가지는 모아레 무늬를 보정하면 정확한 형상측정이 가능하다. 이러한 모아레 무늬는 투영LCD패널(2)을 통해 얻는 경우에 구동장치(9)의 전압인가량에 따라 피치 조절 및 액정의 방향성을 결정할 수 있어 다양한 격자로부터 다양한 격자무늬를 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 투영LCD패널(2)을 구동장치(9)에 의해 구동하여 액정의 방향성과 피치를 조절하여 모아레 무늬를 얻을 수 있도록 한다.

도 4는 3장치의 구동장치의 상세블록도이다.

도 4를 참고하면, 구동장치(9)는 투영LCD패널(2)을 구동하는 투영LCD패널구동부(92)와 투영LCD패널(2)을 구동제어하기 위한 제어부(93)와 투영LCD패널(2)의 방향성을 제어하기 위한 방향성제어부(94)와 투영LCD패널(2)의 피치를 조절하기 위한 피치조절부(95), 및 투영LCD패널의 구동 명령을 입력하기 위한 키입력부(96)를 포함한다. 여기서 키입력부(96)는 구동장치(9)와 연결된 PC(8)의 키패드를 활용하는 것도 가능하다.

도 4에서, 키입력부(96)는 투영LCD패널(2)의 방향성 및 피치를 조절하기 위한 키입력을 수행한다. 제어부(93)는 키입력에 따라 방향성제어부(94)와 피치조절부(95)를 제어하여, 해당하는 투영LCD패널(2)을 구동시키기위해 투영LCD패널구동부(92)를 제어한다. 투영LCD패널구동부(92)는 입력된 키입력에 따른 방향성과 피치를 갖는 액정 배열을 만들기 위한 전압값을 투영LCD패널(2)에 인가하게 된다. 이때, 투영LC패널(2)에 원하는 격자를 생성하기 위해 방향성 또는 피치만을 조절하거나 또는 방향성과 피치를 동시에 조절하는 경우, 투영LCD패널구동부(92)는 제어부(93)의 제어를 받아 적당한 전압값을 인가하도록 전압값을 변경하여 투영LCD(2)패널의 액정의 배열을 변경하므로써 격자의 방향성과 피치의 조절이 가능하다. 제어부(93)는 전압제어값에 따른 액정의 방향성과 피치의 조절량을 룩업테이블로 저장하고 있으며 키입력부(96)의 키입력에 따라 룩업테이블에서 대응하는 전압제어값을 투영LCD패널구동부(92)로 출력하면 된다.

이러한 투영LCD패널구동부(92)를 구동제어하면, 투영LCD패널(2)의 방향성 및 피치가 조절되어 원하는 격자를 얻을 수 있으므로 모아레무늬를 형성할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 두 개의 격자를 사용하는 모아레 형상측정장치의 구성도,

도 2는 종래의 하나의 격자를 사용하는 모아레 형상측정장치의 구성도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모아레 형상측정장치의 구성도,

도 4는 3장치의 구동장치의 상세블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광원 2 : 투영LCD패널

3 : 투영렌즈 4 : 측정물체

5, 6 : 결상렌즈 7 : 수광부

8 : PC 9 : 구동장치

Claims (4)

1. 기준격자무늬를 기저장하여 모아레무늬를 생성하는 모아레간섭계를 포함하여 물체의 형상을 측정하기 위한 형상측정장치에 있어서,

   광을 출사하는 광원;

   상기 출사광을 투과하여 투영격자무늬를 생성하기 위한 가변격자;

   상기 투영격자무늬가 상기 물체로부터 반사하여 얻은 반사된 격자무늬를 결상하는 결상렌즈;

   상기 결상렌즈를 통과한 반사된 격자무늬의 광을 수광하기 위한 수광부;

   상기 기준 격자무늬를 기저장하고 상기 수광부로부터 수광된 격자무늬를 겹쳐 모아레무늬를 형성하고 물체의 형상을 연산하는 연산부; 및

   상기 가변격자의 격자를 형성하기 위한 방향성 및 피치를 조절하기 위한 구동장치를 포함하며,

   상기 가변격자는 투영LCD패널이고,

   상기 구동장치는, 상기 투영LCD패널을 구동하는 투영LCD패널구동부와, 상기 투영LCD패널의 방향성을 제어하기 위한 방향성제어부와, 상기 투영LCD패널의 피치를 조절하기 위한 피치조절부 및 상기 각 구성을 제어하여 상기 투영LCD패널의 방향성 및 피치가 조절되도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성되며,

   상기 제어부는, 전압제어값에 따른 액정의 방향성과 피치의 조절량을 룩업테이블로 저장하는 것을 특징으로 하는 LCD패널을 이용한 모아레 형상측정장치.
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