KR101099138B1 - 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 특히 측정대상물의 3차원 형상 측정시 패턴광을 좌우 양측에서 주사하여 3차원 형상의 측정시 발생되는 그림자영역을 제거할 수 있는 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 광과 격자 이미지를 발생하여 입사하는 패턴광영사수단 및 이미지를 획득하기 위한 카메라를 포함하는 이미지획득수단과 획득된 이미지로부터 3차원 형상을 산출하는 이미지처리부로 이루어진 3차원 형상 측정장치에 있어서, 상기 패턴광영사수단은 상기 이미지 획득수단의 일측에 설치된 제1발광수단과 상기 제1발광수단과 소정의 각도를 가지고 설치된 제2발광수단과, 상기 제2발광수단으로 부터 입사된 광과 격자 이미지를 반사하기 위하여 상기 이미지 획득수단의 타측에 설치된 미러부로 이루어져 있다.

그리고, 상기 제1발광수단과 상기 제2발광수단은 하나의 하우징에 일체로 형성되며, 상기 제1발광수단의 광과 상기 제2발광수단의 광의 파장은 상이하다.

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Description

3차원 형상 측정장치{ A THREE-DIMENSIONAL IMAGE MEASURING APPARATUS }

본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 특히 측정대상물의 3차원 형상 측정시 패턴광을 좌우 양측에서 주사하여 3차원 형상의 측정시 발생되는 그림자영역을 제거할 수 있는 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 자유곡면형태의 삼차원 형상을 측정하는 기술은 삼차원 측정기를 사용하여 접촉식으로 곡면상의 한 점씩 측정하여 전체 곡면형상을 측정하는 방식인 접촉식과 광원을 이용한 비접촉식으로 나뉘어지고 있다.

비접촉 3차원 측정법은 측정원리에 따라 크게 광간섭법과 광삼각법으로 나뉘어진다.

광간섭법은 레이저와 같은 단색광을 이용하는 광위상 간섭법과 광을 이용하는 광 주사간섭법이 있으며, nm(nano meter)의 정밀한 측정이 가능하나 넓은 영역을 빠르게 측정하기는 어렵고 고가의 정밀한 스테이지가 필요하게 되는 문제점이 있다.

또한, 광삼각법은 정해진 일정 광을 측정 표면에 임의의 정해진 각도로 투영하고 다른 각도에서 표면의 형상에 따라 변형된 광의 밝기를 추출하여 표면의 형상 정보를 해석하는 방법으로 투영법에 따라 레이저 포인터 또는 레이저 슬릿빔을 이용하거나 모아레 무늬를 이용하는데 접촉식에 비해 측정시간이 월등히 단축된다.

이를 위한 종래의 방법에서는 유리의 한쪽 표면에 크롬으로 일정한 간격의 직선무늬를 새겨넣은 직선유리격자를 영사광학계를 이용하여 측정대상물에 투영하게 된다.

또한, 측정대상물에 형성된 직선줄무늬를 일정한 간격으로 이송시키기 위해 직선유리격자 이송장치를 사용하고 있다.

복수개의 직선줄무늬가 일정간격으로 구성되어 있는 직선유리격자를 측정대상물에 투영하면 측정대상물의 표면에 복수개의 줄무늬가 형성되는데, 이 줄무늬들은 측정대상물의 높이에 따라 휘어지게 된다.

줄무늬가 형성되어 있는 측정대상물을 직선유리격자와 겹치면 복수개의 곡선으로 이루어진 물결무늬의 형상을 볼 수 있는데, 이 무늬를 '모아레무늬'라 한다. 이 모아레무늬는 측정대상물의 높이에 따라 형성되는 등고선이기 때문에, 이 모아레무늬를 해석하여 측정대상물의 형상을 측정하게 된다.

도 1은 종래의 광삼각법에 의한 3차원형상의 측정장치의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 광원(1)에서 발생된 광이 격자이송기구에 의해 화살표 'a'방향으로 이송되는 격자(2)와 렌즈(3)를 통해 측정대상물(9)의 표면에 격자 이미지의 주기 'd'를 갖는 수평 광선(1a)이 조사시키고, 조사된 빛은 일정한 각도(1b)로 산란되어 렌즈(5)를 통해 이미지센서(6)가 구비된 카메라(7)로 입사되어 샘플이미지를 취득하게 되고, 취득된 샘플이미지는 컴퓨터(8)에서 처리하여 측정대 상물의 표면의 3차원형상을 산출하게 된다.

이러한 종래의 모아레 무늬를 이용한 3차원 형상의 측정시 측정대상물의 임의의 위치에 측정이 불가능한 그림자 영역(10)이 생겨 측정대상물의 3차원 형상을 정밀하게 측정할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 이러한 문제점을 해결하고자 대한민국 특허출원 2004-0002400에서는 격자이미지를 좌우로 분배하여 3차원 형상에 조사하고 이로부터 획득된 이미지를 분석하여 3차원 형상을 측정하는 장치 및 방법을 개시하였다.

그러나, 이러한 장치 및 방법은 격자 이미지 분배와 3차원 형상을 획득하기 위하여 여러 번의 격자이미지를 분배하여 주사하여야 할 뿐아니라 격자이미지의 분배와 좌우로 분배된 격자이미지 발생을 위해서 다수의 거울을 사용하고 있는 등 복잡한 구조의 장치가 필요하며, 여러개의 거울을 사용함에 따라 거울의 반사율에 따른 최종 광량이 줄어들고 거울 각도의 누적 오차로 인한 정확도 감소 및 누적 오차를 줄이기 위한 거울의 정확한 셋팅을 위한 소요 시간 과다의 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 좌우 양측의 투영부에 의해 측정대상물에 발생될 수 있는 그림자 영역을 제거함으로써, 보다 정밀한 3차원 형상을 측정할 수 있는 3차원 형상 측정장치를 제공하려는데 있다.

또한, 패턴광영사수단을 한쪽에 형성함으로써 장치의 크기를 줄일 수 있고, 장치 구조를 간단히 하여 단순하게 장치를 구성할 수 있도록 함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3차원 형상 측정장치는, 광과 격자 이미지를 발생하여 입사하는 패턴광영사수단 및 이미지를 획득하기 위한 카메라를 포함하는 이미지획득수단과 획득된 이미지로부터 3차원 형상을 산출하는 이미지처리부로 이루어진 3차원 형상 측정장치에 있어서, 상기 패턴광영사수단은 상기 이미지 획득수단의 일측에 설치된 제1발광수단과 상기 제1발광수단과 소정의 각도를 가지고 설치된 제2발광수단과, 상기 제2발광수단으로 부터 입사된 광과 격자 이미지를 반사하기 위하여 상기 이미지 획득수단의 타측에 설치된 미러부를 포함한다.

여기서, 상기 제1발광수단과 상기 제2발광수단은 하나의 하우징에 일체로 형성된다.

또한, 상기 제1발광수단의 광과 제2발광수단의 광은 서로 다른 파장의 광이 며, 상기 카메라는 칼라카메라이다.

본 발명은 좌우 양측의 투영부에 의해 측정대상물에 발생될 수 있는 그림자 영역을 제거함으로써, 보다 정밀한 3차원 형상을 측정할 수 있다.

또한, 제1, 2 발광수단을 하나의 하우징에 일체로 형성함으로써 장치의 크기를 줄이고 구조를 간단히 할 수 있다.

그리고, 제1,2 발광수단의 광의 파장(색깔)을 달리하여 동시에 한번의 광을 주사하여 3차원 형상을 얻을 수 있으므로 시간을 절약할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 3차원 형상 측정장치는, 광과 격자 이미지를 발생하여 입사하는 패턴광영사수단(100) 및 이미지를 획득하기 위한 카메라를 포함하는 이미지획득수단(200)과 획득된 이미지로부터 3차원형상을 산출하는 이미지처리부(300)로 이루어진 3차원형상 측정장치에 있어서, 상기 패턴광영사수단은 상기 이미지획득수단의 일측에 설치된 제1발광수단(110)과 상기 제1발광수단과 소정의 각도를 가지고 설치된 제2발광수단(120)과, 상기 제2발광수단으로 부터 입사된 광과 격자 이미지를 반사하기 위하여 상기 이미지획득수단의 타측에 설치된 미러부(130)로 이루어 진다.

한편, 측정대상물(410)은 워크스테이지(400) 상부에 설치되고, 상기 이미지 획득수단과 제1 및 제2 발광수단은 상기 측정대상물의 상부에 설치된다.

상기와 같이 설치된 제1 및 제2 발광수단에서 광과 격자 이미지가 발생되어 측정대상물에 주사되게 되면, 제1 발광수단에 의해서는 광과 격자이미지가 일측 방향에서 경사를 지우면서 측정대상물에 주사되고, 제2 발광수단에 의해서 주사된 광과 격자이미지는 상기 이미지획득수단의 타측에 설치된 미러부를 통해 주사방향이 바뀌어서 측정대상물에 주사되게 된다.

한편, 이러한 제2 발광수단에서 주사된 광과 격자이미지는 제 1발광수단에서 주사된 광과 격자이미지와 서로 대칭되어 주사되는 것이 이상적이다.

이러한 제1 및 제2 발광수단에 의한 광의 주사는 서로 교대로 주사하게 되고, 각각의 광이 주사된 방향에 따라서 획득된 이미지 중에서 그림자 영역을 제외한 획득된 각각의 이미지에 대하여 이미지처리부에서 서로 합쳐서 평균하게 되거나 선명한 부분을 채택하여 전체 측정대상물에 대한 3차원 형상을 얻게 되는데 이러한 이미지를 처리를 통한 3차원 형상 획득하는 방법은 이미 공지된 방법이므로 더 자세한 설명은 생략하도록 하겠다.

따라서, 상기와 같은 방법으로 제1 및 제2 발광수단에서 광을 주사하고 단지 1회의 반사만으로 측정대상물에 대해 양 측면에서 광이 주사되므로 전체적으로 그림자 영역이 발생되지 않게 되어 결과적으로 측정대상물에 대한 정밀한 3차원 형상을 측정할 수 있게 되는 것이다.

한편, 이러한 상기 제1 및 제 2 발광수단과 상기 워크스테이지는 필요에 의 해서 X,Y 및 Z방향으로 이동과 기울어짐 조절이 가능하며, 이러한 이동 및 기울어짐 조절을 위해서는 리니어모터, 볼스크류 등의 이미 널리 이용되고 있는 일반적인 이송 및 기울어짐 조절수단등을 필요에 의해서 선택적으로 사용하면 되는 것이다.

이러한 이미지획득부, 이미지처리부, 발광수단 및 이송수단 등이 가장 짧은 시간에 효과적으로 작동할 수 있도록 동기 제어하는 제어부(도시안됨)가 갖추어져 있다.

또 다른 실시예로서는, 상기 제1 및 제2 발광수단에 사용되는 광을 서로 다른 파장(색깔)을 가진 광, 예로서, 적색광과 청색광을 사용하고 이미지 획득을 위한 카메라를 칼라카메라를 사용하게 된다.

이렇게 서로 다른 파장을 가진 광을 사용하면, 즉, 제1 및 제2 발광수단에서 발생되는 서로 다른 파장의 광이 측정대상물에 조사된 후 이로부터 얻어지는 이미지 정보를 각각의 파장에 대해 분석하면 각각의 파장에 대응하는 이미지를 얻을 수 있게 되고 이를 이미지처리부에서 이미지처리를 통해 측정대상물의 3차원 형상을 얻게 된다.

이러한 제1 및 제2 발광수단에서 서로 다른 파장의 광을 측정대상물에 대해 조사하는 것은 조사되는 광에 대한 파장이 서로 상이하여 대응되는 파장에 따른 이미지를 획득할 수 있고, 이들 다른 파장에 대해 획득된 이미지 처리를 통해서 3차원 형상을 손쉽게 얻을 수 있으므로, 3차원 형상을 얻기 위해서 교대로 광을 조사할 필요가 없이 광을 동시 조사하면 되므로 3차원 형상 측정에 필요한 시간 절약이 가능하여 작업시간을 단축할 수 있게 된다.

한편, 이러한 서로 다른 파장에 따른 이미지의 처리를 통한 3차원 형상 측정 방법도 이미 공지된 기술이므로 앞의 이미지 처리를 통한 3차원 형상 측정 기술과 마찬가지로 구체적인 설명은 생략하도록 하겠다.

그리고, 또 다른 실시예로서, 도 3에 도시된 바와 같이 패턴광영사수단이 상기 제1 및 제2 발광수단으로 나누어지지 않고 하나의 패턴광영사수단을 가지며, 여기서 백색광 또는 다른 파장(색깔)을 가진 광, 예로서 적색광과 청색광을 합친 광을 조사하는 것이다.

조사된 광은 패턴광영사수단의 전면에 설치되어 일정 파장은 투과시키고 그 외의 파장은 반사시키는 필터를 통해 서로 다른 파장대의 광이 투과되거나 반사되게 된다.

투과되거나 반사된 서로 다른 파장을 가진 광은 측정대상물의 양측에 설치된 제1미러와 제2미러에 의게 다시 반사되어 측정대상물의 좌우로 조사되게 된다.

이렇게 측정대상물의 좌우로 조사된 서로 다른 파장으로 인해 획득된 이미지는 앞에서 설명한 바와 같이 각각의 파장에 대한 분석을 통해 측정대상물의 3차원 형상을 얻을 수 있는 것으로, 하나의 패턴광영사수단에 의한 광의 조사로부터 그림자 영역이 제거된 측정대상물의 3차원 형상을 얻는 것이므로 그림자 영역 제거가 가능하여 보다 정확한 3차원 형상을 얻을 수 있을 뿐아니라 광을 좌, 우측에서 교대로 조사하지 않고 한번에 조사하여 측정을 하면 되므로 측정에 필요한 시간 절약이 가능하여 작업시간을 단축할 수 있게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심 으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구법위에 의해서 해석되어야 한다.

도 1은 종래의 광삼각법에 의한 3차원 형상의 측정장치의 구성도

도 2는 본 발명의 3차원 형상 측정장치의 구성도

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치의 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광원 2 : 격자

3, 5 : 렌즈 6 : 이미지센서

7 : 카메라 8 : 컴퓨터

9 : 측정대상물 10 : 그림자영역

100 ; 패턴광영사수단

110 : 제1발광수단 120: 제2발광수단

111, 121 : 광원

112, 122 : 격자

113, 123 : 렌즈

130 : 미러부

200 : 이미지획득수단 300 : 이미지처리부

400 : 워크스테이션

410 : 측정대상물

610 : 패턴광영사수단

620 : 필터

630 : 제1미러 640 : 제2미러

Claims (4)

1. 광과 격자 이미지를 발생하여 입사하는 패턴광영사수단 및 이미지를 획득하기 위한 카메라를 포함하는 이미지획득수단과 획득된 이미지로부터 3차원형상을 산출하는 이미지처리부로 이루어진 3차원형상 측정장치에 있어서,

   상기 패턴광영사수단은;

   상기 이미지 획득수단의 일측에 설치된 제1발광수단과 상기 제1발광수단과 소정의 각도를 가지고 설치된 제2발광수단과;

   상기 제2발광수단으로부터 입사된 광과 격자 이미지를 반사하기 위하여 상기 이미지획득수단의 타측에 설치된 미러부와;

   상기 카메라는 칼라카메라이며, 상기 제1발광수단의 광과 상기 제2발광수단의 광은 서로 다른 파장의 광으로 동시에 조사됨을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1발광수단과 상기 제2발광수단은 하나의 하우징에 일체로 형성됨을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치
3. 삭제
4. 광과 격자 이미지를 발생하여 입사하는 패턴광영사수단 및 이미지를 획득하기 위한 카메라를 포함하는 이미지획득수단과 획득된 이미지로부터 3차원형상을 산출하는 이미지처리부로 이루어진 3차원형상 측정장치에 있어서,

   상기 카메라는 칼라카메라이며;

   상기 패턴광영사수단의 전면에는 서로 다른 파장대의 광을 투과시키거나 반사시키는 필터와;

   투과되거나 반사된 서로 다른 파장대의 광을 측정대상물에 조사시키기 위해 측정대상물의 상부 좌, 우에 설치된 제1미러와 제2미러로 구성됨을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치

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