KR101008328B1 - 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법 및격자이동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법 및 격자이동장치에 관한 것으로, 광을 조사하는 광원과, 격자무늬를 생성하기 위한 투영격자와, 상기 투영격자를 이송시키는 격자이동장치와, 기준격자 및 측정물로부터 획득되는 모아레무늬를 획득하는 카메라를 구비하고, 상기 카메라를 통해 획득된 모아레무늬를 해석하여 측정물의 형상을 측정하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법에 있어서, 상기 광원과 투영격자를 통해 최초 기준격자를 획득하는 단계, 최초 기준격자 획득 후 상기 투영격자를 이동시키는 단계, 상기 투영격자를 이동시키면서 기준격자의 이동값을 검출수단으로부터 검출하는 단계, 상기 이동값을 기준값과 비교하는 단계, 검출된 기준격자의 이동값이 기준값보다 높을 경우 상기 격자이동장치의 이동량을 적게하고, 기준값보다 적을 경우 이동값을 높여 보상하는 단계 및 보상된 이동값을 통해 상기 격자이동장치를 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

모아레, 투영격자, 구동, 측정, 간격

Description

모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법 및 격자이동장치{Grating moving apparatus and method for measuring three-dimensional using moire}

본 발명은 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법 및 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 모아레를 이용하여 대상물의 형상을 측정하고자 할 때 기준격자를 보다 정확하게 획득하기 위한 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법 및 장치에 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.

모아레현상은 1874년 Lord Rayleigh에 의해서 최초로 과학적인 도구로써의 사용이 제안되어진 이후로 여러 사람들에 의해서 다양한 연구가 진행되어져 왔다. 특히 물체의 평면변위(in-plane)를 측정하는데, 이용되어지면서부터 기계공학분야에서 물체의 스트레인해석에 유용한 도구로써 자리잡게 되었다.

1970년에 이르러 각각 Meadows와 Takasaki등에 의해서 모아레현상이 임의의 현상을 가지는 물체의 3차원(out-of-plane)형상을 측정하는데 응용되어질 수 있음이 제안되어지면서부터 모아레 현상을 이용한 3차원 형상측정법은 주목을 받게 되었다. 모아레법은 모아레무늬를 형성시키는 방법에 따라 크게 그림자식 모아레법(shadow moire)과, 영사식 모아레법(projection moire)으로 구분된다.

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 투영하게 된다.

또한, 측정대상물에 형성된 직선줄무늬를 일정한 간격으로 이송시키기 위해 직선유리격자 이송장치를 사용하고 있다. 직선유리격자를 측정대상물에 투영하면 측정대상물에 줄무늬가 형성되는데, 이 줄무늬는 측정대상물의 높이에 따라 휘어진다.

줄무늬가 형성되어 있는 측정대상물을 원래의 직선유리격자와 겹치면 모아레 무늬를 얻을 수 있다. 이 모아레무늬는 측정대상물의 높이에 따라 형성되는 등고선이기 때문에 이를 해석하여 측정대상물의 형상을 측정하게 된다.

이러한 모아레법을 실제로 구현하기 위한 장치로서, 현재 많이 사용되고 있는 위상천이 모아레법 측정기의 구성을 살펴보면, 백색광원(white light source), 집광렌즈(condenser), 투영격자(projection grating) 및 투영렌즈(projection lens)는 측정물(object)에 격자를 투영하여 변형된 줄무늬를 형성시킨다. 투영격자이동장치(grating actuator)는 투영격자를 3 내지 5 버킷(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 모아레 무늬가 획득되게 된다.

하지만, 이와 같이 구성된 종래의 모아레 법 측정기에서 얻어진 영상에는 측정대상물의 높이정보를 나타내는 모아레 무늬와 CCD 카메라앞에 놓여 있는 기준격자의 무늬가 동시에 나타나게 된다. 따라서 기준격자의 영상을 제거하기 위한 별도의 수단이 필요하게 되어 구조가 복잡해지게 된다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래의 기술로는 도 1에 도시된 바와 같이 기준격자를 사용하지 않고, 투영격자를 통해 우선적으로 측정물이 놓여지지 않는 평면상에 주사하여 CCD카메라를 통해 도 2에 나타낸 바와 같이 격자무늬(기준격자)를 획득한 후 측정물을 위치시켜 측정물의 모아레 무늬를 획득하여 형상을 측정한다.

도 3은 종래 기준격자 획득과정에서 격자이동장치에 의해 오차가 발생된 격자를 나타낸 확대도이다. 기준격자무늬와 측정물 모아레 무늬를 획득할 때 투영격자를 4 bucket point 이동시켜는 격자이동장치로 PZT(piezoelectric)가 사용되며, 제조내역에 의한 조건에 맞추어 제어하게 된다. 하지만, 이는 온도, 습도 등과 같은 주변 환경이나, 제조상의 오차 등으로 인하여 투영격자의 초정밀 이송이 불가능함에 따라 형상측정의 오차가 발생되게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 투영격자를 이송시키는 격자이동장치의 제어를 보다 정밀하게 달성하여 측정물의 형상 측정시 높은 정밀도를 획득하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광을 조사하는 광원과, 격자무늬를 생성하기 위한 투영격자와, 상기 투영격자를 이송시키는 격자이동장치와, 기준격자 및 측정물로부터 획득되는 모아레무늬를 획득하는 카메라를 구비하고, 상기 카메라를 통해 획득된 모아레무늬를 해석하여 측정물의 형상을 측정하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법에 있어서, 상기 광원과 투영격자를 통해 최초 기준격자를 획득하는 단계, 최초 기준격자 획득 후 상기 투영격자를 이동시키는 단계, 상기 투영격자를 이동시키면서 기준격자의 이동값을 검출수단으로부터 검출하는 단계, 상기 이동값을 기준값과 비교하는 단계, 검출된 기준격자의 이동값이 기준값보다 높을 경우 상기 격자이동장치의 이동량을 적게하고, 기준값보다 적을 경우 이동값을 높여 보상하는 단계 및 보상된 이동값을 통해 상기 격자이동장치를 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 최초 기준격자 획득단계는, 최초 획득한 기준격자를 이진화 처리하는 단계, 이진화 처리된 기준격자의 라인 중점을 찾고 상기 라인중점을 제외한 부분을 없애 라인 중점만이 남도록 세선화 하는 단계, 상기 라인중점들을 직선의 방정식을 대입하여 라인중점들을 가깝게 지나가는 최적의 직선을 구하는 단계, 상기 직선을 이용하여 기준격자의 기울기를 계산하여 기울기를 구하는 단계 및 격자의 중심선인 직선간 사이의 거리를 구하고 그 거리를 가지고 격자를 생성하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이동값 검출단계는, 상기 투영격자 이동에 따라 획득한 기준격자를 이진화 처리하는 단계, 이진화 처리된 기준격자의 라인 중점을 찾고 상기 라인중점을 제외한 부분을 없애 라인 중점만이 남도록 세선화 하는 단계, 상기 라인중점들을 직선의 방정식을 대입하여 라인중점들을 가깝게 지나가는 최적의 직선을 구하는 단계, 상기 직선을 이용하여 기준격자의 기울기를 계산하여 기울기를 구하는 단계 및 격자의 중심선인 직선간 사이의 거리를 구하고 이를 통해 상기 투영격자의 이동에 따른 기준값을 구한 후 상기 최적의 직선을 구하는 단계에서 획득한 직선을 통해 획득한 이동값으로 기준값과 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 격자이동장치 제어단계 후에는, 기준격자를 재 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 광을 조사하는 광원과, 격자무늬를 생성하기 위한 투영격자와, 상기 투영격자를 이송시키는 격자이동장치와, 기준격자 및 측정물로부터 획득되는 모아레무늬를 획득하는 카메라를 구비하고 상기 카메라를 통해 획득된 모아레무늬를 해석하여 측정물의 형상을 측정하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동장치 에 있어서, 상기 기준격자를 단계적으로 획득하기 위해 상기 격자이동장치에 의해 이동되는 기준격자의 간격을 획득하는 검출수단 및 상기 검출수단으로부터 획득된 기준격자 간격이 기준값보다 높을 경우 상기 격자이동장치의 이동량을 적게하고, 기준값보다 적을 경우 이동량을 높여 보상하여 상기 격자이동장치를 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검출수단은, 퍼스널컴퓨터(PC)인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은, 투영격자의 이동에 따라 획득한 격자무늬를 통해 격자의 이동간격을 검출하여 정확하게 격자이동장치를 제어함에 따라 보다 정확한 형상측정을 달성할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법 및 격자이동장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법의 순서도, 도 5는 본 발명에 따른 격자이동방법을 통해 획득한 격자를 나태난 확대도, 도 6은 본 발명에 따른 격자이동장치의 대략적인 구성도이다.

본 발명에 따른 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법은, 광원, 투영격자, 격자이동장치, 기준격자 및 측정물로부터 획득되는 모아레무늬를 획득하는 카메라를 구비하는 형상 측정장치에서, 상기 광원 및 투영격자를 통해 최초 기준격자를 획득하는 단계(S10)와, 투영격자를 이동시키는 단계(S20)와, 상기 투영격자를 이동시키면서 격자의 이동간격을 검출수단으로부터 검출하는 단계(S30)와, 이동량이 기준값보다 다른지 여부를 판단하고(S40), 검출된 이동간격이 기준값보다 높을 경우 상기 격자이동장치의 이동량을 적게하고, 기준값보다 적을 경우 이동량을 높여 보상하는 단계(S50) 및 상기 격자이동장치를 제어하는 단계(S60)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

대상물을 형상을 측정하기 위해 모아레 무늬 획득과정을 살펴보면, 광원(100)을 통해 조사되는 광은 투영격자(200)를 통과한다. 이때 상기 투영격자(200)를 통과한 광을 통해 기준격자를 획득하기 위해 대상물을 위치시키지 않고 먼저 기준격자를 획득한다. 조사면에서 반사되는 기준격자는 결상렌즈(400)를 통과되고 이를 CCD카메라(500)가 획득하게 된다(S10).

최초 기준격자를 획득한 후 모아레 측정방법에 따라 상기 투영격자(200)를 격자이동장치(300)를 통해서 정밀 이동시키고 이에 따른 기준격자를 재 획득한다(S20). 이때 획득한 기준격자는 최초 기준격자와의 간격(pitch)을 검출수단(600)에 의해 검출한다(S30).

상기 검출수단(600)은 상기 CCD카메라(500)로 획득한 영상(기준격자)을 알고리즘을 이용한 이미지 분석용 소프트웨어를 통해 검출하거나, 획득영상의 히스토그 램 분포를 통해 용이하게 검출할 수 있다. 따라서 상기 검출수단(600)은 이미지 해석 소프트웨어를 적용한 퍼스널컴퓨터(PC)에 해당된다. 이를 통해 최초 기준격자로부터 이동한 기준격자의 간격을 검출하게 된다.

여기서 기준격자간의 간격을 검출하기 위해서는 획득한 이미지(기준격자)를 Thresholding 과정으로 이진화 처리하여 좀 더 선명한 이미지를 획득한다. 기준값 이하는 "0"값으로 처리하고, 기준값 이상은 "1"값으로 처리함으로써, 기준격자의 대략적인 윤곽을 획득한다. 그 후 Thresholding 과정을 거친 기준격자의 중심선을 구하기 위해 세선화 작업하는 것으로, 각 격자 라인의 두께를 넘버링하여 라인의 중심을 체크중심으로 하고 이외의 라인은 Thresholding 처리한다.

세선화된 라인중점들은 직선의 방정식을 대입하여 라인 중점들을 가깝게 지나가는 최적의 직선을 구한 후 이 직선을 통해 기준격자의 기울기를 계산하는데, 이때는 중심선에 포함된 N개의 이산되어 있는 점들의 최적의 직선을 구하는 것으로, N개의 점을 지나는 최적의 직선은 각 점들의 편차의 제곱의 합이 최소가 되는 직선이 된다. 마지막으로 격자의 중심선인 직선간 사이의 거리를 구하고 그 거리를 가지고 격자를 생성한다.

따라서 직선간 사이의 거리를 구함으로써, 기준격자의 간격과 투영격자에 이동에 따른 기준값을 알 수 있으며, 상기 투영격자 이동 후 상기 과정을 거쳐 이동에 따른 기준격자를 획득하고 이 과정에서 획득한 직선을 통해 이동값을 구한 후 기준값과 비교하여 투영격자의 이동값을 비교함으로써 이동값을 검출할 수 있다.

상기 검출수단(600)을 통해 검출된 격자의 간격이 상기 격자이동장치(300)의 오차로 인해 기준값보다 높거나 적을 때는 이를 보상하여 기준격자를 재획득하게 된다. 여기서 말하는 상기 기준값이란 투영격자(200)의 격자와 격자간 간격에서 격자이동장치 버킷에 따른 분할된 하나의 간격값이 되는 것이다. 예를 들어 투영격자의 격자간 간격이 1㎛이고 기준격자를 획득하기 위해 총 4 bucket 탐색하면 4개의 간격으로 분할됨에 따라 기준값은 0.25㎜이다. 즉, 격자와 격자 사이의 거리를 계산, 이를 거리/4 위치가 4 bucket위치에 해당하게 되는 것이다. 이러한 기준값은 앞서 언급한 격자 간격 검출방법을 통해 구할 수 있거나, 사전에 확인된 기준값을 통해 이용될 수 있다.

최소 획득한 기준격자에서 투영격자 이동 후 이동량과 기준값을 비교하여(S40) 오차가 없을 경우 다시 투영격자를 이동시켜 기준격자를 계속 한다.

하지만, 기준값에서 벗어날 경우 상기 투영격자의 이동량을 보상한다(S50). 이때, 상기 격자이동장치(300)는 일반적으로 PZT를 사용하기 때문에 이동량 보상은 인가전압을 제어함으로써 보상하게 된다. 또한, 상기 격자이동장치(300)가 PZT 외 다른 장치를 사용할 경우 그에 대응하는 제어방법을 통해 제어될 것이다.

상기 검출수단(600)에 의해 격자간격을 검출한 후 이동량 보상이 필요할 경우 제어수단(700)을 통해 인가전압을 변경하여 상기 격자이동장치(300)를 제어한다(S60). 여기서 상기 제어수단(700)은 검출수단(600)과 적절한 인터페이스를 통해 연결되며, 상기 제어수단(700)은 격자이동장치를 제어하는 컨트롤보드에 해당하게 된다.

상기 투영격자(200)를 버킷별로 이동하면서 이동량과 기준값을 비교하게 되 고, 비교 후 이상이 없을 한 버킷 더 이동하여 기준격자를 계속적으로 획득하게 되고, 이동량과 기준값에 차이가 있을 경우 오차값 만큼 보상한 후 다시 기준격자를 획득한다.

앞서 설명한 과정을 거쳐 버킷별 기준격자를 정확하게 획득 한 후 대상물의 위치시켜 대상물에 대한 모아레무늬를 획득하고, 기 획득한 기준격자와 대상물에서 획득한 모아레를 이용하여 최종 모아레 무늬를 획득함으로써 대상물의 3차원 형상을 측정할 수 있다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 대상물의 형상을 측정할 때 투영격자의 이동간격을 정확히 검출하여 이동값에 오차가 발생할 경우 이를 보상하여 투영격자를 정확하게 이동시킴으로써 결과적으로 대상물을 정확하게 측정할 수 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 기존의 모아레법 측정기의 구조를 나타낸 개략적인 구성도,

도 2는 모아레법 측정기에서 투영격자를 통해 획득되는 기준격자를 나타낸 도면,

도 3은 종래 기준격자 획득과정에서 격자이동장치에 의해 오차가 발생된 격자를 나타낸 확대도,

도 4는 본 발명에 따른 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법의 순서도,

도 5는 본 발명에 따른 격자이동방법을 통해 획득한 격자를 나태난 확대도,

도 6은 본 발명에 따른 격자이동장치의 대략적인 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 광원 200 : 투영격자

300 : 격자이동장치 400 : 결상렌즈

500 : CCD 카메라 600 : 검출수단

700 : 제어수단

Claims (6)

1. 광을 조사하는 광원과, 격자무늬를 생성하기 위한 투영격자와, 상기 투영격자를 이송시키는 격자이동장치와, 기준격자 및 측정물로부터 획득되는 모아레무늬를 획득하는 카메라를 구비하고, 상기 카메라를 통해 획득된 모아레무늬를 해석하여 측정물의 형상을 측정하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법에 있어서,

   상기 광원과 투영격자를 통해 최초 기준격자를 획득하는 단계;

   최초 기준격자 획득 후 상기 투영격자를 이동시키는 단계;

   상기 투영격자를 이동시키면서 기준격자의 이동값을 검출수단으로부터 검출하는 단계;

   상기 이동값을 기준값과 비교하는 단계;

   검출된 기준격자의 이동값이 기준값보다 높을 경우 상기 격자이동장치의 이동량을 적게하고, 기준값보다 적을 경우 이동값을 높여 보상하는 단계; 및

   보상된 이동값을 통해 상기 격자이동장치를 제어하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 최초 기준격자 획득단계는,

   최초 획득한 기준격자를 이진화 처리하는 단계;

   이진화 처리된 기준격자의 라인 중점을 찾고 상기 라인중점을 제외한 부분을 없애 라인 중점만이 남도록 세선화 하는 단계;

   상기 라인중점들을 직선의 방정식을 대입하여 라인중점들을 가깝게 지나가는 최적의 직선을 구하는 단계;

   상기 직선을 이용하여 기준격자의 기울기를 계산하여 기울기를 구하는 단계; 및

   격자의 중심선인 직선간 사이의 거리를 구하고 그 거리를 가지고 격자를 생성하는 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 이동값 검출단계는,

   상기 투영격자 이동에 따라 획득한 기준격자를 이진화 처리하는 단계;

   이진화 처리된 기준격자의 라인 중점을 찾고 상기 라인중점을 제외한 부분을 없애 라인 중점만이 남도록 세선화 하는 단계;

   상기 라인중점들을 직선의 방정식을 대입하여 라인중점들을 가깝게 지나가는 최적의 직선을 구하는 단계;

   상기 직선을 이용하여 기준격자의 기울기를 계산하여 기울기를 구하는 단계; 및

   격자의 중심선인 직선간 사이의 거리를 구하고 이를 통해 상기 투영격자의 이동에 따른 기준값을 구한 후 상기 최적의 직선을 구하는 단계에서 획득한 직선을 통해 획득한 이동값으로 기준값과 비교하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 격자이동장치 제어단계 후에는,

   기준격자를 재 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징을 하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동방법.
5. 광을 조사하는 광원과, 격자무늬를 생성하기 위한 투영격자와, 상기 투영격자를 이송시키는 격자이동장치와, 기준격자 및 측정물로부터 획득되는 모아레무늬를 획득하는 카메라를 구비하고 상기 카메라를 통해 획득된 모아레무늬를 해석하여 측정물의 형상을 측정하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동장치에 있어서,

   상기 기준격자를 단계적으로 획득하기 위해 상기 격자이동장치에 의해 이동되는 기준격자의 간격을 획득하는 검출수단; 및

   상기 검출수단으로부터 획득된 기준격자 간격이 기준값보다 높을 경우 상기 격자이동장치의 이동량을 적게하고, 기준값보다 적을 경우 이동량을 높여 보상하여 상기 격자이동장치를 제어수단;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 검출수단은,

   퍼스널컴퓨터(PC)인 것을 특징으로 하는 모아레를 이용한 3차원 측정장치의 격자이동장치.

Images