KR101078877B1 - Apparatus for measuring three-dimensional shape - Google Patents
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Abstract
3차원 형상 측정 장치가 개시되어 있다.
개시된 측정 장치는, 제1파장광, 제2파장광, 제3파장광, 및 제4파장광을 각각 제1격자, 제2격자, 제3격자, 및 제4격자를 통해 투과시켜 피검체에 격자 무늬가 생성되도록 하고, 격자 무늬 영상을 영상 감지부에서 촬영하여 위상 천이된 간섭 무늬를 얻고, 이 간섭 무늬로부터 3차원 형상을 측정한다.
A three-dimensional shape measuring apparatus is disclosed.
The disclosed measuring device transmits a first wavelength light, a second wavelength light, a third wavelength light, and a fourth wavelength light through a first grid, a second grid, a third grid, and a fourth grid, respectively, to the subject. The grid pattern is generated, the grid pattern image is photographed by the image sensing unit to obtain a phase shifted interference pattern, and a three-dimensional shape is measured from the interference pattern.
Description
본 발명은 피검체의 3차원 형상을 간단하고 신속하게 측정하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for simply and quickly measuring a three-dimensional shape of a subject.
모아레 간섭무늬를 이용한 3차원 형상측정 장치란 측정하고자 하는 물체(이하 피검체라고 함)의 표면에 일정한 형태를 가지는 빛을 조사하여 나타나는 격자무늬와 기준이 되는 격자무늬를 중첩시켜서 모아레 간섭무늬를 형성하고, 이 간섭무늬를 측정 및 해석하여 물체표면의 높이에 대한 정보를 얻는 장치를 말한다. 이와 같은 측정 방법은 피검체의 3차원 형상을 간단하고 빠르게 얻을 수 있으므로 의학, 산업 분야에서 널리 이용되고 있다. 여기서는 특히, 공간적 간섭무늬인 모아레 간섭무늬를 이용하는데, 모아레 무늬는 주기성을 가지는 공간적인 무늬들이 겹쳐졌을 때 나타나는 무늬로서 도 1은 모아레 간섭무늬의 발생 예를 보여준다. A three-dimensional shape measurement device using moire interference fringes forms a moire interference fringe by overlapping a lattice pattern that appears by irradiating light with a certain shape on the surface of an object to be measured (hereinafter referred to as an object) with a lattice pattern as a reference. And a device that obtains information about the height of the object surface by measuring and analyzing the interference fringes. Such a measuring method is widely used in the medical and industrial fields because it is possible to easily and quickly obtain a three-dimensional shape of a subject. Here, in particular, a moiré interference pattern, which is a spatial interference pattern, is used. The moiré pattern is a pattern that appears when overlapping spatial patterns having periodicity are illustrated in FIG. 1.
이러한 모아레 간섭무늬를 이용하여 피검체의 3차원 형상을 측정하는 방식에는 크게 투영식과 그림자식이 있다. 그림자식은 렌즈를 사용하지 않고 피검체의 표면에 나타나는 격자무늬의 그림자로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피검체의 표면형상을 측정하는 방식이고, 투영식은 렌즈를 이용하여 피검체에 투영한 격자의 이미지로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피검체의 표면형상을 측정하는 방식이다. There are two methods of measuring the three-dimensional shape of the subject by using the moiré interference fringe. The shadow method is a method of measuring the surface shape of a subject by using a moire fringe generated from the shadow of the lattice pattern appearing on the surface of the subject without using a lens, and the projection method is a projection of the grid projected onto the subject using a lens. It is a method of measuring the surface shape of a subject by using a moire fringe generated from an image.
도 2는 종래의 격자를 이용한 그림자식 위상천이 모아레 3차원 형상측정 장치를 나타낸 것이다. 이 측정 장치에서는, 광원(1)에서 나온 광이 격자(3)를 통과하여 피검체(p) 표면에 격자형태의 그림자가 생기거나 탈보(talbot)효과에 의해 격자형태의 이미지가 생기게 된다. 여기서 사용되는 격자(3)는 투과하는 빛의 세기를 변화시키는 기능을 한다. 상기 격자(3)의 그림자 이미지와 격자 자체의 무늬가 합성되어 모아레 무늬가 생기며, 이렇게 생성된 모아레 무늬를 그림자식 모아레라고 한다.(Vol.32, No. 7 Optical Engineering, 1668-1674, 1993) 이 모아레 무늬를 2차원 영상감지소자 배열을 이용하여 측정하는데, 이때 모아레 무늬의 위상을 계산하기 위해서는 위상 천이된 다수 개의 모아레 무늬가 필요하다.("Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacare, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York, 1992)Figure 2 shows a shadow phase transition moiré three-dimensional shape measurement apparatus using a conventional grid. In this measuring device, the light emitted from the
위상 천이된 모아레 무늬를 얻기 위해 상기 격자(103)를 구동수단(D)에 의해 피검체(p)쪽을 향해 또는 피검체(p)로부터 멀어지는 방향으로 이동시킨다. 그러면, 상기 격자(3)의 이동에 따라 간섭무늬의 위상이 변하므로 3개 이상의 위상 천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있다. 이와 같이 상기 격자(3)를 이동시켜 생긴 위상 천이된 모아레 무늬는 결상 렌즈(5)에 의해 영상감지소자(10)에 맺힌다. 상기 영상감지소자(10)에 의해, 위상 천이된 모아레 무늬의 이미지 측정과 상기 격자(3)의 이동을 순차적으로 반복한다. 여기서 얻은 다수개의 위상 천이된 모아레 무늬를 이용하 여 이미 공지된 해석방법을 통해 물체의 3차원 형상정보를 얻을 수 있다.In order to obtain a phase shifted moire fringe, the
그런데, 상기와 같은 3차원 형상 측정 장치는 모아레 무늬의 위상천이를 위해 격자를 기계적으로 이동시킬 수밖에 없다. 이러한 기계적 구동으로 인해 위상 천이 속도가 느리고, 속도 제어가 어려울 뿐만 아니라 격자 제작이 어렵고 제작비용이 많이 드는 단점이 있다. By the way, the three-dimensional shape measurement apparatus as described above has no choice but to mechanically move the grating for the phase shift of the moire pattern. Due to such mechanical driving, the phase shifting speed is slow, the speed control is difficult, and the lattice fabrication is difficult and the manufacturing cost is high.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 격자를 기계적으로 이동시킬 필요 없이 위상 천이가 가능한 3차원 형상 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of phase shifting without the need to mechanically move the grating.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 광원; 상기 광원으로부터 조사된 백색광을 제1경로로 진행하는 제1파장광, 제2경로로 진행하는 제2파장광, 및 제3경로로 진행하는 제3파장광, 및 제4경로로 진행하는 제4파장광으로 분리시키는 광 분리 유닛; 상기 제1경로 상에 배치된 제1격자; 상기 제2경로 상에 배치된 제2격자; 상기 제3경로 상에 배치된 제3격자; 상기 제4경로 상에 배치된 제4격자; 상기 제1파장광, 제2파장광, 제3파장광, 제4파장광을 동일한 경로로 진행하도록 하는 광 합성 유닛; 상기 광 합성 유닛을 통과한 광에 의해 피검체에 형성된 격자 무늬 영상을 촬영하는 영상 감지부를 포함하고, 상기 제1격자, 제2격자, 제3격자 및 제4격자가 격자 주기가 같고, 각 격자 배열이 1/4 주기만큼씩 쉬프트된 3차원 형상 측정 장치를 제공한다In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention, a light source; A first wavelength light that travels the white light irradiated from the light source along a first path, a second wavelength light that travels on a second path, a third wavelength light that travels on a third path, and a fourth path that travels on a fourth path An optical separation unit for separating into wavelength light; A first grid disposed on the first path; A second grid disposed on the second path; A third grid disposed on the third path; A fourth grid disposed on the fourth path; A light synthesizing unit configured to advance the first wavelength light, the second wavelength light, the third wavelength light, and the fourth wavelength light in the same path; An image sensing unit configured to photograph a plaid image formed on the subject by light passing through the light combining unit, wherein the first grid, the second grid, the third grid, and the fourth grid have the same lattice period, and each grid Provided is a three-dimensional shape measurement apparatus in which the array is shifted by one quarter of a cycle.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광 분리 유닛은,According to another embodiment of the present invention, the optical separation unit,
상기 광원으로부터의 광 중 제1파장광과 제2파장광을 투과시키고, 제3파장광과 제4파장광을 반사시키는 제1다이크로익 필터; 상기 제1파장광을 투과시키고, 제2파장광을 반사시키는 제2다이크로익 필터; 및 상기 제3파장광을 반사시키고, 제4 파장광을 투과시키는 제3다이크로익 필터;를 포함할 수 있다.A first dichroic filter for transmitting a first wavelength light and a second wavelength light of the light from the light source and reflecting the third wavelength light and the fourth wavelength light; A second dichroic filter transmitting the first wavelength light and reflecting the second wavelength light; And a third dichroic filter reflecting the third wavelength light and transmitting the fourth wavelength light.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광 합성 유닛은,According to another embodiment of the present invention, the light combining unit,
상기 제1파장광을 반사시키는 제1반사미러; 상기 제1파장광을 투과시키고, 상기 제2파장광을 반사시키는 제4다이크로익 필터; 상기 제3파장광을 반사시키는 제2반사미러; 상기 제3파장광을 반사시키고, 상기 제4파장광을 투과시키는 제5다이크로익 필터; 및 상기 제1파장광과 제2파장광을 반사시키고, 상기 제3파장광과 제4파장광을 투과시키는 제6다이크로익 필터;를 포함할 수 있다.A first reflecting mirror reflecting the first wavelength light; A fourth dichroic filter transmitting the first wavelength light and reflecting the second wavelength light; A second reflecting mirror reflecting the third wavelength light; A fifth dichroic filter reflecting the third wavelength light and transmitting the fourth wavelength light; And a sixth dichroic filter reflecting the first wavelength light and the second wavelength light and transmitting the third wavelength light and the fourth wavelength light.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광 합성 유닛은,According to another embodiment of the present invention, the light combining unit,
상기 제1파장광을 반사하고, 나머지 파장광을 투과시키는 제1다이크로익 필터; 상기 제2파장광을 반사하고, 나머지 파장광을 투과시키는 제2다이크로익 필터; 상기 제3파장광을 반사하고, 나머지 파장광을 투과시키는 제3다이크로익 필터; 상기 제4파장광을 반사하고, 나머지 파장광을 투과시키는 제4다이크로익 필터;를 포함할 수 있다. A first dichroic filter reflecting the first wavelength light and transmitting the remaining wavelength light; A second dichroic filter reflecting the second wavelength light and transmitting the remaining wavelength light; A third dichroic filter reflecting the third wavelength light and transmitting the remaining wavelength light; And a fourth dichroic filter reflecting the fourth wavelength light and transmitting the remaining wavelength light.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 영상 감지부는, 상기 제1파장광에 의한 영상을 촬영하는 제1 영상 감지 소자; 상기 제2파장광에 의한 영상을 촬영하는 제2 영상 감지 소자; 상기 제3파장광에 의한 영상을 촬영하는 제3 영상 감지 소자; 및 상기 제4파장광에 의한 영상을 촬영하는 제4 영상 감지 소자;를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the image sensing unit comprises: a first image sensing element for capturing an image by the first wavelength light; A second image sensing element for capturing an image by the second wavelength light; A third image sensing element for capturing an image by the third wavelength light; And a fourth image sensing device for capturing an image by the fourth wavelength light.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1파장광을 조사하는 제1광원; 제2파장광을 조사하는 제2광원; 제3파장광을 조사하는 제3광원; 제4파장광을 조사하는 제4광 원; 상기 제1파장광과, 제2파장광과, 제3파장광과 제4파장광을 동일한 광경로로 진행하도록 합성하는 광 합성 유닛; 상기 제1광원과 상기 광 합성 유닛 사이의 광 경로 상에 배치된 제1격자; 상기 제2광원과 상기 광 합성 유닛 사이의 광 경로 상에 배치된 제2격자; 상기 제3광원과 상기 광 합성 유닛 사이의 광 경로 상에 배치된 제3격자; 상기 제4광원과 상기 광 합성 유닛 사이의 광 경로 상에 배치된 제4격자; 및 상기 광 합성 유닛을 통과한 광에 의해 피검체에 형성된 격자 무늬 영상을 촬영하는 영상 감지부;를 포함하고, 상기 제1격자, 제2격자, 제3격자 및 제4격자가 격자 주기가 같고, 각 격자 배열이 1/4 주기만큼씩 쉬프트된 3차원 형상 측정 장치를 제공한다.According to another embodiment of the invention, the first light source for irradiating the first wavelength light; A second light source for irradiating a second wavelength light; A third light source for irradiating third wavelength light; A fourth light source for irradiating the fourth wavelength light; A light synthesizing unit for synthesizing the first wavelength light, the second wavelength light, the third wavelength light, and the fourth wavelength light to travel in the same optical path; A first grid disposed on an optical path between the first light source and the light combining unit; A second grid disposed on an optical path between the second light source and the light combining unit; A third grid disposed on an optical path between the third light source and the light combining unit; A fourth grid disposed on an optical path between the fourth light source and the light combining unit; And an image sensing unit configured to photograph a plaid image formed on the subject by light passing through the light synthesizing unit, wherein the first lattice, the second lattice, the third lattice, and the fourth lattice have the same lattice period. In addition, the present invention provides a three-dimensional shape measuring apparatus in which each lattice array is shifted by a quarter period.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1격자, 제2격자, 제3격자 및 제4격자를 통과한 제1, 제2, 제3, 제4 파장광이 상기 피검체에 동시에 격자 무늬를 생성한다. According to another embodiment of the present invention, the first, second, third, and fourth wavelength light passing through the first grid, the second grid, the third grid, and the fourth grid simultaneously forms a lattice pattern on the subject. Create
본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 모아레 간섭 무늬를 위상 천이 시키기 위해 격자를 기계적으로 이동시킬 필요가 없어 간편하고, 신속하게 3차원 형상을 측정할 수 있고, 기계적 조작이 없으므로 정밀하게 3차원 형상을 측정할 수 있다. 또한, 복수의 위상 천이가 동시에 진행되기 때문에 신속하게 위상 천이 과정을 구현할 수 있어 촬영 속도가 현저히 빠를 뿐 아니라 제어가 용이한 이점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 움직이는 피사체를 촬영하는 경우 유리하게 이용할 수 있다. 그리고, 예를 들어, 사람 얼굴을 간단하게 3차원적으로 촬영하는 것이 가능하고, 이 촬영된 영상을 이용하여 컴퓨터 게임이나 교육 프로그램 등에 접목시켜 그 응용 분야를 넓힐 수 있다.The three-dimensional shape measuring device according to the present invention can easily measure the three-dimensional shape quickly and easily because there is no need to move the grating mechanically to phase shift the moire interference fringe, and precisely three-dimensional shape because there is no mechanical operation. Can be measured. In addition, since a plurality of phase shifts are performed at the same time, the phase shift process can be quickly implemented, so that the photographing speed is significantly faster and the control is easier. Therefore, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention can be advantageously used when photographing a moving subject. For example, it is possible to simply photograph a human face in three dimensions, and expand the application field by incorporating the captured image into a computer game or an educational program.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a three-dimensional shape measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 격자 배열이 쉬프트된 복수 개의 격자를 이용하여 격자를 이동시킬 필요 없이 모아레 무늬의 위상천이를 구현한다. 격자를 통해 피검체(P)에 형성된 격자 무늬와 컴퓨터에 의해 생성된 가상 격자 무늬의 간섭에 의해 모아레 모늬가 생성된다. The three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention implements a phase shift of a moire fringe without having to move the grating by using a plurality of gratings in which the grating arrangement is shifted. The moire monet is generated by the interference between the lattice pattern formed on the subject P through the lattice and the virtual lattice pattern generated by the computer.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 도 3을 참조하면 광원(50)과, 상기 광원(50)으로부터 조사된 광을 복수 개의 파장 광으로 분리하는 광 분리 유닛(57), 상기 복수 개의 파장 광이 동일한 광 경로로 진행하도록 합성해주는 광 합성 유닛(65)을 포함한다. 그리고, 상기 광 분리 유닛(57)과 광 합성 유닛(65) 사이의 광 경로에 복수 개의 격자가 구비된다. 3, the apparatus for measuring a three dimensional shape according to an exemplary embodiment of the present invention may include a
상기 광원(50)은 백색 광을 조사하는 광원으로, 상기 광 분리 유닛(57)에 의해 상기 백색 광이 복수 개의 파장광으로 분리된다. 예를 들어, 상기 광 분리 유닛(51)은 상기 백색 광 중 제1 파장광(L1)과 제2 파장광(L2)을 투과시키고, 제3 파장광(L3)과 제4 파장광(L4)을 반사시키는 제1 다이크로익 필터(58), 상기 제1 파장광(L1)을 투과시키고, 상기 제2 파장광(L2)을 반사시키는 제2 다이크로익 필터(60), 상기 제1 다이크로익 필터(58)에서 반사된 제3 파장광(L3)을 반사시키고 제4 파장광(L4)을 투과시키는 제3 다이크로익 필터(78)를 포함한다. 그럼으로써, 상기 광 분리 유닛(57)은 상기 백색 광을 제1경로로 진행하는 제1 파장광(L1), 제2경로로 진행하는 제2 파장광(L2), 제3경로로 진행하는 제3 파장광(L3) 및 제4경로로 진행하는 제4 파장광(L4)으로 분리할 수 있다. The
상기 광 분리 유닛(57)은 상기 제2 다이크로익 필터(60)에서 반사된 제2 파장광(L2)의 광경로를 변환시키기 위한 제1 반사미러(68)와 상기 제3 다이크로익 필터(78)를 통과한 제4 파장광(L4)의 광경로를 변환시키기 위한 제2 반사미러(80)를 더 포함할 수 있다. 상기 광 분리 유닛(57)은 백색 광원으로부터 조사된 광을 4개의 파장 대역으로 분리하기 위한 것으로 위에서 설명한 구성에 한정되는 것은 아니며 다양하게 변경 가능하다. 예를 들어, 상기 제1 파장광은 적색광이고, 제2 파장광은 황색광이고, 제3 파장광은 녹색광이고, 제4 파장광은 청색광일 수 있다. The
상기 광원(50)과 광 분리 유닛(57) 사이의 광 경로 상에는 적어도 하나의 렌즈가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 렌즈는 제1렌즈(52), 제2렌즈(54) 및 제3렌즈(56)를 포함할 수 있다. At least one lens may be provided on the optical path between the
상기 광 분리 유닛(57)과 광 합성 유닛(65) 사이의 광 경로 상에는 복수 개의 격자가 구비된다. 예를 들어, 상기 제1 파장광이 진행하는 제1경로에 제1격자(64), 제2 파장광이 진행하는 제2경로에 제2격자(72), 제3 파장광이 진행하는 제3경로에 제3격자(84) 및 제4 파장광이 진행하는 제4경로에 제4격자(90)가 구비된다. 상기 제1격자(64)를 통과한 제1 파장광과, 상기 제2격자(72)를 통과한 제2 파장광과, 상기 제3격자(84)를 통과한 제3 파장광과 제4격자(90)를 통과한 제4 파장 광은 각각 피검체(P)에 격자 무늬를 생성한다. A plurality of gratings are provided on the optical path between the
도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1격자(64), 제2격자(72), 제3격자(84), 제4격자(90)는 동일한 격자 주기(T)를 가진다. 그리고, 각각 그 격자 배열이 T/4만큼씩 쉬프트되어 있다. 다시 말하면, 상기 제2격자(72)는 그 격자 배열이 제1격자(64)에 대해 T/4만큼 쉬프트되어 있으며, 제3격자(84)는 그 격자 배열이 제2격자(72)에 대해 T/4만큼 쉬프트되어 있으며, 제4격자(90)는 그 격자 배열이 제3격자(84)에 대해 T/4만큼 쉬프트되어 있다. 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 상기 제1격자, 제2격자, 제3격자 및 제4격자의 격자 배열의 쉬프트를 통해 위상 천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있다. 여기서는, 4개의 위상 천이된 모아레 무늬를 얻는다. As shown in FIG. 4, the
상기 제1격자(64)를 통과한 제1 파장광(L1)과, 제2격자(72)를 통과한 제2 파장광(L2)과, 제3격자(84)를 통과한 제3 파장광(L3)과, 제4격자(90)를 통과한 제4 파장광(L4)은 광 합성 유닛(65)을 통해 합성되어 동일한 경로로 진행되며, 상기 피검체(P)에 동시에 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬를 생성한다. The first wavelength light L1 passing through the
상기 광 합성 유닛(65)은 도 3을 참조하면, 상기 제1격자(64)를 통과한 제1 파장광(L1)을 반사시키는 제3반사미러(66), 상기 제2격자(72)를 통과한 제2파장광(L2)을 반사시키고, 상기 제3반사미러(66)에서 반사된 제1 파장광(L1)을 투과시키는 제4다이크로익 필터(74), 상기 제3격자(84)를 통과한 제3파장광(L3)을 반사시키고, 상기 제4격자(90)를 통과한 제4파장광(L4)을 투과시키는 제5다이크로익 필터(92), 및 상기 제1파장광과 제2파장광을 반사시키고, 제3파장광과 제4파장광을 투과시키는 제6다이크로익 필터(76)를 포함할 수 있다. 상기 광 합성 유닛(65)은 상기 제3격자(84)를 통과한 제3파장광(L3)의 광 경로를 변환시키기 위한 제4반사미러(86)를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, the
한편, 상기 광 합성 유닛(57)과 제1격자(64) 사이의 광 경로 상에 제1 밴드패스필터(62), 상기 광 합성 유닛(57)과 제2격자(72) 사이의 광 경로 상에 제2 밴드패스필터(70), 상기 광 합성 유닛(57)과 제3격자(84) 사이의 광 경로 상에 제3 밴드패스필터(82), 및 상기 광 합성 유닛(57)과 제4격자(90) 사이의 광 경로 상에 제4 밴드패스필터(90)가 더 구비될 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 밴드패스필터(62)(70)(82)(88)를 통해 원하지 않는 노이즈를 제거할 수 있다. On the other hand, on the optical path between the light combining
상기 광 합성 유닛(65)과 피검체(P) 사이에 상기 광 합성 유닛(64)을 통과한 광을 피검체(P)에 집속시키기 위한 적어도 하나의 렌즈가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 합성 유닛(65)과 피검체(P) 사이에 제4렌즈(94)와 제5렌즈(95)가 더 구비될 수 있다. At least one lens may be further provided between the light combining
상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬는 영상 감지부(98)에 의해 촬영된다. 상기 피검체(P)와 영상 감지부(98) 사이에는 적어도 하나의 렌즈가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 피검체(P)와 영상 감지부(98) 사이에 제6렌즈(96) 및 제7 렌즈(97)가 더 구비될 수 있다. The first, second, third and fourth plaids are photographed by the
상기 제1격자(64), 제2격자(72), 제3격자(84) 및 제4격자(90)에 의해 피검체(P)에 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬는 서로 다른 파장, 예를 들어 제1파장, 제2파장, 제3파장 및 제4파장에 의해 구분될 수 있다. 상기 영상 감지부(98) 에 의해 촬영된 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬가 컴퓨터(99)에 입력되고, 상기 컴퓨터(99)에서 생성된 가상 격자 무늬와 간섭을 일으킴으로써, 위상 천이된 제1, 제2, 제3 및 제4 모아레 간섭 무늬를 얻을 수 있다. First, second, third and fourth plaid patterns formed on the subject P by the
상기 제1격자(64), 제2격자(72), 제3격자(84) 및 제4격자(90)에 의해 위상 천이된 모아레 무늬를 위상천이 알고리즘을 이용하여 처리함으로써 3차원 형상을 생성한다. 본 발명에서는 네 개의 위상 천이된 모아레 모늬에 4단계 위상천이 알고리즘(4-step phase shifting algorithm)을 적용하여 모아레 무늬에 해당하는 위상 맵을 구한다. 일반적으로 위상천이 알고리즘은 각 영상의 세기 분포로 표현되는 함수에 arc tangent를 취하여 위상을 구한다. arc tangent 함수의 특성상 생성되는 위상은 -π/2 ~ π/2의 영역이나 -π ~ π의 영역으로 한정되어 나타난다. 그러므로 위상천이 알고리즘으로 구한 위상 맵은 불연속적인 부분을 가질 수밖에 없다. 이 단계에서 구한 위상 맵을 래핑된(wrapping) 위상 맵이라고 부르고, 이런 불연속적인 부분을 이어주는 과정을 언래핑(unwrapping) 과정이라고 한다.A three-dimensional shape is generated by processing a moire pattern phase shifted by the
그리고, 언래핑(unwrapping) 프로세스를 통하여 위상 맵에 모아레 무늬의 파장을 곱하면, 위상은 피검체(P)의 높이로 복원된다. 그럼으로써, 피검체의 3차원 형상이 측정된다. 이러한 3차원 형상 측정 방법은 "Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacara, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York 1992"에 개시되어 있다. When the phase map is multiplied by the wavelength of the moire fringe through an unwrapping process, the phase is restored to the height of the subject P. FIG. As a result, the three-dimensional shape of the subject is measured. Such a three-dimensional shape measurement method is disclosed in "Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacara, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York 1992".
다음, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 광 합성 유닛(65')의 변형 예를 도시한 것이다. 도 3과 비교할 때 광 합성 유닛(65')을 제 외한 나머지 구성 요소들은 동일하다. 상기 광 합성 유닛(65')은 상기 제1격자(64)를 통과한 제1 파장광(L1)을 반사시키고 나머지 파장광을 투과시키는 제4다이크로익 필터(161), 상기 제2격자(72)를 통과한 제2 파장광(L2)을 반사시키고, 상기 제1다이크포익 필터(161)에서 반사된 제1파장광(L1)을 투과시키는 제2 다이크로익 필터(162), 상기 제3격자(84)를 통과한 제3파장광(L3)을 반사시키고, 상기 제1 및 제2 파장광(L2)(L3)을 투과시키는 제3 다이크로익 필터(163) 및 상기 제4격자(90)를 통과한 제4파장광(L4)을 반사시키고, 제1, 제2 및 제3 파장광(L1)(L2)(L3)을 투과시키는 제4 다이크로익 필터(164)를 포함할 수 있다. 상기 제1 다이크로익 필터(161)는 반사미러로 대체될 수 있다. 상기 광 합성 유닛(65')에 의해 합성된 제1 내지 제4 파장광의 경로를 변환하기 위해 반사미러(165)가 더 구비될 수 있다. 상기 반사미러(165)는 광학적 요소의 공간 배치를 효율적으로 변환하기 위해 사용된다. 상기 광 합성 유닛(65')은 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자(64)(72)(84)(90)를 통과하여 서로 다른 광 경로로 진행하는 제1, 제2, 제3 및 제4 파장광(L1)(L2)(L3)(L4)을 동일한 하나의 경로로 진행하도록 해 준다. 하지만, 상기 광 합성 유닛(65')은 여기에 한정되는 것은 아니며 당업자가 다양하게 변형 가능함은 물론이다. Next, FIG. 5 shows a modification of the light combining unit 65 'of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. Compared with FIG. 3, the remaining components except for the light combining unit 65 'are the same. The
상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자(64)(72)(84)(90)를 통과한 제1, 제2, 제3, 및 제4 파장광(L1)(L2)(L3)(L4)은 피검체(P)에 각각 다른 제1, 제2, 제3, 및 제4 격자 무늬를 동시에 생성하고, 이들 격자 무늬는 서로 다른 위상으로 쉬프트되어 있으며, 서로 다른 파장에 의해 구별될 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 격자 무늬는 영상 감지부(98)에 의해 촬영된다. 상기 영상 감지부(98)는 예를 들어 CCD로 구성될 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬를 하나의 CCD로 촬영하는 것도 가능하다. First, second, third, and fourth wavelength light beams L1, L2, and L3 passing through the first, second, third, and
또는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 영상 감지부(98)가 복수 개의 영상 감지 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 영상 감지부(98)는 상기 제1파장광(L1)에 의한 영상을 촬영하는 제1 영상 감지 소자(116), 상기 제2파장광(L2)에 의한 영상을 촬영하는 제2 영상 감지 소자(118), 상기 제3파장광(L3)에 의한 영상을 촬영하는 제3 영상 감지 소자(120) 및 상기 제4파장광에 의한 영상을 촬영하는 제4 영상 감지 소자(122)를 포함할 수 있다. Alternatively, as illustrated in FIG. 6, the
상기 영상 감지부(98)는 상기 피검체(P)에서 반사된 제1, 제2, 제3, 제4 파장광 중 제1파장광과 제2파장광을 투과시키고, 제3파장광과 제4파장광을 반사시키는 제1다이크로익 필터(101), 상기 제1다이크로익 필터(101)를 통과한 제1파장광과 제2파장광 중 제1파장광을 투과시키고, 제2파장광을 반사시키는 제2다이크로익 필터(103), 상기 제1다이크로익 필터(101)를 통과한 제3파장광과 제4파장광 중 제3 파장광을 반사시키고, 제4파장광을 투과시키는 제3다이크로익 필터(105)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2다이크로익 필터(103)에서 반사된 제2파장광을 반사시켜 광 경로를 변환시키기 위한 제1반사미러(104)와, 상기 제3다이크로익 필터(105)를 통과한 제4파장광을 반사시켜 광 경로를 변환시키기 위한 제2반사미러(106)가 더 구비될 수 있다. 상기 제2다이크로익 필터(103)를 통과한 제1파장광은 제1 영상 감지 소자(116)에 입사되고, 상기 제2다이크로익 필터(103)에서 반사된 제2파장광은 제2 영상 감지 소자(118)에 입사되고, 상기 제3다이크로익 필터(105)에서 반사된 제3파장광은 제3 영상 감지 소자(120)에 입사되고, 상기 제3다이크로익 필터(105)를 통과한 제4파장광은 제4 영상 감지 소자(122)에 입사된다. The
한편, 상기 제2다이크로익 필터(103)와 제1 영상 감지 소자(116) 사이의 광 경로 상에 제1 밴드패스필터(107)가, 상기 제2다이크로익 필터(103)와 제2 영상 감지 소자(118) 사이의 광 경로 상에 제2 밴드패스필터(110)가, 제3다이크로익 필터(105)와 제3 영상 감지 소자(120) 사이의 광 경로 상에 제3 밴드패스필터(112)가, 상기 제3다이크로익 필터(105)와 제4 영상 감지 소자(122) 사이의 광 경로 상에 제4 밴드패스필터(114)가 더 구비될 수 있다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 밴드패스필터(107)(110)(112)(114)는 원하지 않는 노이즈를 제거하여 보다 선명한 영상을 얻을 수 있도록 한다. On the other hand, the first band pass filter 107 on the optical path between the second
다음, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 대해 도 7을 참조하여 설명한다.Next, a three-dimensional shape measuring apparatus according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치는 서로 다른 파장 광을 조사하는 복수 개의 광원을 구비한다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 파장광(L1)을 조사하는 제1광원(251), 제2 파장광(L2)을 조사하는 제2광원(252), 제3 파장광(L3)을 조사하는 제3광원(253), 제4파장광(L4)을 조사하는 제4광원(254)이 구비될 수 있다. 도 8은 제1광원, 제2광원, 제3광원, 제4광원으로부터 조사된 광의 파장에 따른 스팩트럼 파워 분포를 나타낸 것으로, 예를 들어 제1파장광은 적색광(약 625nm의 피크 파장), 제2파장광은 황색광(약 590nm의 피크 파장), 제3파장광은 녹색광(약 525nm의 피크 파장), 제4파장광은 청색광(약 465nm의 피크 파장)일 수 있다. 상기 제1 파장광(L1), 제2 파장광(L2), 제3 파장광(L3), 및 제4 파장광(L4)은 서로 다른 광 경로로 진행하다가 광 합성 유닛(260)에 의해 동일한 광 경로로 합성된다. 상기 광 합성 유닛(260)은 예를 들어, 상기 제1 파장광(L1)을 반사시키고, 다른 파장 광을 투과시키는 제1 다이크로익 필터(265), 상기 제2 파장 광(L2)을 반사시키고, 다른 파장 광을 투과시키는 제2 다이크로익 필터(266), 상기 제3 파장광(L3)을 반사시키고, 다른 파장 광을 투과시키는 제3 다이크로익 필터(267), 및 상기 제4 파장광(L4)을 반사시키고, 다른 파장 광을 투과시키는 제4 다이크로익 필터(268)를 포함할 수 있다. 상기 제4 다이크로익 필터(268)는 반사 미러로 대체될 수 있다. 상기 제1 광원(254)과 제1 다이크로익 필터(265) 사이의 광 경로 상에는 제1 격자(261)가, 상기 제2 광원(252)과 제2 다이크로익 필터(266) 사이의 광 경로 상에는 제2 격자(262)가, 상기 제3 광원(253)과 제3 다이크로익 필터(267) 사이의 광 경로 상에는 제3 격자(263)가, 상기 제4 광원(254)과 상기 제4 다이크로익 필터(268) 사이의 광 경로 상에는 제4 격자(268)가 구비된다. 3D shape measurement apparatus according to another embodiment of the present invention includes a plurality of light sources for irradiating different wavelength light. For example, as illustrated in FIG. 7, the first light source 251 for irradiating the first wavelength light L1, the second
상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자(261)(262)(263)(264)는 동일한 격자 주기를 가지며, 각 격자의 격자 배열이 (주기/4) 만큼 씩 쉬프트되어 있다. 이에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 같다. 상기 제1광원(251)과 제1격자(261) 사이의 광 경로 상에 제1밴드패스필터(255)가, 상기 제2광원(252)과 제2격자(262) 사이의 광 경로 상에 제2밴드패스필터(256)가, 상기 제3광원(253)과 제3격자(263) 사이의 광 경로 상에 제3밴드패스필터(263)가, 상기 제4광원(254)과 제4격자(264) 사이의 광 경로 상에 제4밴드패스필터(258)가 더 구비될 수 있다. The first, second, third, and
상기 광 합성 유닛(260)에 의해 합성된 제1, 제2, 제3 및 제4 파장광(L1)(L2)(L3)(L4)은 피검체(P)에 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬를 생성한다. 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬는 영상 감지부(277)에 의해 촬영된다. 상기 영상 감지부(277)에서 촬영된 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬가 컴퓨터(279)에 입력되고, 제1, 제2, 제3 및 제4 격자 무늬는 상기 컴퓨터(279)에서 생성된 가상의 격자 무늬와 간섭을 일으켜 제1, 제2, 제3 및 제4 모아레 간섭 무늬가 생성된다. 제1, 제2, 제3 및 제4 모아레 간섭 무늬는 간섭 무늬의 파장(λ)에 대해 1/4 파장씩 위상 천이되어 있다. The first, second, third and fourth wavelength light beams L1, L2, L3, and L4 synthesized by the
한편, 상기 제1 다이크로익 필터(265)를 경유한 제1, 제2, 제3, 및 제4 파장광의 경로를 변경하기 위해 반사미러(270)가 더 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1다이크로익 필터(265)와 피검체(P) 사이의 광 경로 상에는 적어도 하나의 렌즈가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 다이크로익 필터(265)와 피검체(P) 사이의 광 경로 상에 제1렌즈(271)와 제2렌즈(272)가 더 구비될 수 있다. 또한, 상기 피검체(P)와 영상 감지부(277) 사이에 적어도 하나의 렌즈가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 피검체(P)와 영상 감지부(277) 사이에 제3렌즈(274)와 제4렌즈(275)가 구비될 수 있다. On the other hand, the
상기 영상 감지부(277)는 하나의 영상 감지 소자로 구성되거나 복수 개의 영상 감지 소자로 구성될 수 있다. 복수 개의 영상 감지 소자로 구성되는 경우는 도 6을 참조하여 설명한 예에 따라 구성될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아 니며 다양하게 변경이 가능함은 물론이다. The
상기 영상 감지부(277)에서 촬영된 제1격자 무늬, 제2격자 무늬, 제3격자 무늬, 및 제4격자 무늬가 컴퓨터(279)에 입력되고, 상기 제1 내지 제4 격자 무늬와 상기 컴퓨터(279)에 의한 가상의 격자 무늬가 간섭을 일으켜 4 개의 위상 천이된 모아레 무늬를 얻는다. 위상 천이된 모아레 무늬를 이용하여 언래핑 프로세스를 통해 피검체(P)의 3차원 형상을 얻는다. The first grid pattern, the second grid pattern, the third grid pattern, and the fourth grid pattern photographed by the
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 모아레 무늬 발생 알고리즘과 위상천이 알고리즘을 적용하여 피검체의 3차원 형상을 정밀하고 선명하게 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 네 개의 파장 대역의 광에 대해 격자 배열이 쉬프트된 네 개의 격자를 이용하여 격자를 이동시킬 필요 없이 위상 천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있다. 또한, 네 개의 격자를 이용하여 위상 천이된 모아레 무늬를 동시에 얻을 수 있어 간단하고 신속하게 3차원 형상을 측정할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 위상 천이를 위해 격자를 이동시키지 않고 네 개의 격자 무늬를 동시에 얻을 수 있으므로 움직이는 피사체의 3차원 형상을 측정하는데 유리하게 적용할 수 있다. As described above, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention can accurately and clearly measure the three-dimensional shape of the subject by applying a moire fringe generation algorithm and a phase shift algorithm. In addition, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention can obtain a phase shifted moire fringe without having to move the grating using four gratings whose grating arrangement is shifted with respect to the light of four wavelength bands. In addition, by using four gratings can simultaneously obtain a phase shifted moire fringe, it is possible to measure a three-dimensional shape simply and quickly. Thus, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention can be advantageously applied to measure the three-dimensional shape of a moving subject because four grid patterns can be obtained simultaneously without moving the grid for phase shift.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다. The above embodiments are merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible to those skilled in the art. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined by the technical idea of the invention described in the following claims.
도 1은 모아레 간섭 무늬를 나타낸 것이다. 1 shows a moiré interference fringe.
도 2는 종래의 3차원 형상 측정 장치를 개략적으로 도시한 것이다. Figure 2 schematically shows a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치를 도시한 것이다. Figure 3 shows a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 구비된 격자들의 격자 배열 관계를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the lattice arrangement relationship of the gratings provided in the three-dimensional shape measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 변형예를 도시한 것이다. Figure 5 shows a modification of the three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 구비된 영상 감지부의 일 예를 도시한 것이다. 6 illustrates an example of an image sensing unit provided in a 3D shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치를 도시한 것이다. 7 illustrates a three-dimensional shape measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치에 구비된 제1, 제2, 제3, 제4 광원의 파장에 따른 스펙트럼 파워 분포를 나타낸 것이다. FIG. 8 illustrates spectral power distribution according to wavelengths of first, second, third and fourth light sources included in a three-dimensional shape measuring apparatus according to another exemplary embodiment of the present invention.
<도면 중 주요 부분에 대한 설명> <Description of main part of drawing>
50,251,252,253,254...광원, 57...광 분리 유닛50,251,252,253,254 ... light source, 57 ... light separation unit
58,60,78,74,76,92...다이크로익 필터58,60,78,74,76,92 ... Dichroic Filter
62,70,82,88...밴드패스필터, 62,70,82,88 ... band pass filter,
64,72,84,90,261,262,263,264...격자64,72,84,90,261,262,263,264 ... lattice
65,65'...광 합성 유닛65,65 '... optical synthesis unit
P...피검체, 98,277...영상 감지부P ... subject, 98,277 ...
99,279...컴퓨터99,279 ... Computer
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