KR101116593B1 - 광학식 영상 측정 시스템 및 그를 이용한 측정 방법 - Google Patents

광학식 영상 측정 시스템 및 그를 이용한 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카메라를 이용한 영상 획득시 촬영 모드에 따라 카메라의 노출 파형을 최적화시켜 효율적인 측정을 수행할 수 있도록 하는 광학식 영상 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다.
이를 위한, 본 발명의 광학식 영상 측정 시스템은 촬영 영역에 놓인 피사체를 촬영하여 출력하는 카메라와, 촬영 영역에 조명광을 조사하는 조명장치 및 조명컨트롤러와, 조명장치의 구동을 제어하는 동기신호발생부 및 카메라에서 출력되는 영상을 포획하여 출력하는 영상포획부와, 영상 포획부에서 포획된 영상을 신호처리하는 영상신호 처리부와, 동기신호발생부와 영상포획부로 촬영 모드별 설정값에 따라 측정 개시명령을 출력하는 제어부와, 제어부에 외부 장치로부터의 제어 신호를 출력하는 데이터 입력부를 포함하는 광학식 영상 측정 시스템에 있어서, 동기신호발생부는 제어부로부터 입력된 설정값에 따라 조명장치의 구동 제어 신호와 함께 카메라 노출 파형을 갖는 제어 신호를 생성하여 출력하고, 영상포획부는 동기신호발생부로부터 출력된 제어 신호를 카메라로 바이패스하여 동기신호발생부의 출력 신호에 의해 카메라가 직접 제어되도록 한다.
동기신호, 영상, 카메라 노출, 트리거

Description

광학식 영상 측정 시스템 및 그를 이용한 측정 방법{System for measurement optical shape of an object and method for measurement thereof}
본 발명은 광학식 영상 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카메라를 이용한 영상 획득시 촬영 모드에 따라 카메라의 노출 파형을 최적화시켜 효율적인 측정을 수행할 수 있도록 하는 광학식 영상 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 소형의 전자 또는 기계부품의 가공을 위해 그 치수, 형상, 표면조도 등에 대한 고정밀도의 측정이 이루어져야 한다.
예를 들어, 전자부품인 반도체 웨이퍼와 이 반도체 웨이퍼상에 가공된 집적회로의 미세패턴에 대한 치수, 형상, 레이저 마킹상태, 표면조도는 주지의 접촉식 측정장치를 이용하여 측정할 수 없으며, 촉침을 이용한 접촉식 표면조도 측정기를 이용하는 경우에도 촉침의 팁(tip)이 물체의 표면에 미세한 흠집을 발생시킬 뿐만 아니라 면적에 대한 정보를 얻기 힘들다는 문제점이 있다.
이에 소형의 전자 또는 기계부품의 치수와 형상 등을 측정하기 위한 시스템으로, 광원에서 조사되는 광을 CCD 카메라로 포획하여 측정물의 치수를 비접촉 방 식으로 얻는 광학식 2차원 측정 시스템과, 광원에서 조사되는 광을 기준 패턴화하여 측정물에 영사하고 그 측정물의 영상에 따라 변형된 광을 CCD 카메라로 포획하여 기준패턴과 비교함으로써 측정물에 대한 형상을 측정하는 광학식 3차원 측정 시스템이 제안되고 있다.
도 1은 종래의 광학식 영상 측정 시스템을 설명한 블록 구성도이고, 도 2는 광학식 영상 측정 방법의 신호 타이밍 예시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제어부(220)는 컴퓨터 시스템(200)에 실장되는 것으로서, 측정 모드별 설정값이 프로그래밍되어 있다. 또한, 제어부(220)는 데이터 입력부(210)를 통해 개시명령이 입력되면 개시 명령(ⓐ)을 영상포획부(230) 및 동기신호발생부(240)로 출력한다.
동기신호발생부(240)는 제어부(220)에서 출력되는 개시명령에 따라 조명장치(110)와 PZT(130) 및 카메라(100) 제어를 위한 신호를 발생한다. 즉, 동기신호 발생부(240)는 일정한 시간 주기(Tt)를 갖는 트리거 신호(trigger, ⓑ)를 생성하여 영상 포획부(230)와, 조명 컨트롤러(120) 및 PZT 컨트롤러(140)로 출력한다. 조명 컨트롤러(120)는 동기신호발생부(240)로부터 입력된 트리거 신호에 따라 조명장치(110)의 온(ON)/오프(OFF) 및 온(ON)/오프(OFF) 시간을 제어한다. PZT 컨트롤러(140) 동기신호발생부(240)에서 입력된 트리거 신호에 따라 PZT(130)의 구동을 제어하여, 촬영 영역과 카메라(100) 사이의 거리를 조절한다. 영상포획부(230)는 동기신호발생부(240)로부터 입력된 트리거 신호(a)로부터 카메라 제어 신호 즉, 일 정한 시간 주기를 갖는 카메라 노출 파형(ⓒ)을 생성하여 카메라(100)에 출력한다.
한편, 카메라(100)는 영상 포획부(230)로부터 입력되는 카메라 노출 파형(ⓒ)에 따라 촬영영역을 촬영하며, 프레임 인에이블 신호(FEN)를 주기적으로 출력한다. 영상포획부(230)는 카메라(100)에서 생성하는 프레임 인에이블(FEN)에 응답하여 카메라(100)에서 출력되는 영상을 포획한 후 영상신호 처리부(250)로 전송한다. 영상신호 처리부(250)는 포획된 영상을 전송받아 표시부(260) 상에 영상신호를 출력한다.
이러한 종래 기술에 따르면 동기신호발생부(240)가 생성한 트리거 신호에 따라 영상 포획부(230)가 카메라 노출 파형을 생성하므로, 측정 속도가 느려지는 문제가 있다. 즉, 제어부(220)로부터 입력되는 설정값이 변화할 때 마다 동기신호발생부(240)에서 트리거 신호를 재생성하고, 영상 포획부(230)는 동기신호발생부(240)에서 재생성한 트리거 신호로부터 카메라 노출 파형을 재생성해야 하므로, 영상 포획부(230)에 부하가 발생하게 된다.
또한, 2D 측정과 3D 측정을 함께 수행하는 경우 측정 효율성이 떨어지는 문제가 있다. 즉, 2D 측정에 필요한 카메라 노출 파형은 도 3의 (a)와 같고, 3D 측정에 필요한 카메라 노출 파형은 도 3의 (b)와 같다. 그런데, 2D와 3D 측정을 함께 수행 할 경우 조명과 PZT 및 카메라 제어를 위한 설정값은 2D 또는 3D 중 어느 한쪽의 측정 환경에 맞게 설정된다. 예를 들어, 3D 측정에 맞춰질 경우 2D 측정시에필요로 하는 노출 타이밍(T6)은 3D 측정에 필요한 노출 타이밍(T3) 보다 짧음에도 불구하고, 3D 측정 타이밍에 맞춰 제어된다. 이에 따라, 2D 측정시에는 불필요하게 긴 노출 시간이 소요되므로, 측정 효율성이 저하되는 단점이 있다.
배경 기술의 단점을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 측정 환경별 설정된 값에 따라 동기신호발생부에서 카메라 노출 파형을 직접 생성하고, 동시 신호발생부에서 생성된 카메라 노출 파형을 영상포획부가 카메라에 바이패스함으로써, 측정 환경별로 카메라 노출 제어를 자유롭게 할 수 있는 광학식 영상 측정 시스템 및 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 광학식 영상 측정 시스템은 촬영 영역에 놓인 피사체를 촬영하여 출력하는 카메라와, 촬영 영역에 조명광을 조사하는 조명장치 및 조명컨트롤러와, 조명장치의 구동을 제어하는 동기신호발생부 및 카메라에서 출력되는 영상을 포획하여 출력하는 영상포획부와, 영상 포획부에서 포획된 영상을 신호처리하는 영상신호 처리부와, 동기신호발생부와 영상포획부로 촬영 모드별 설정값에 따라 측정 개시명령을 출력하는 제어부와, 제어부에 외부 장치로부터의 제어 신호를 출력하는 데이터 입력부를 포함하는 광학식 영상 측정 시스템에 있어서, 동기신호발생부는 제어부로부터 입력된 설정값에 따라 조명장치의 구동 제어 신호와 함께 카메라 노출 파형을 갖는 제어 신호를 생성하여 출력하고, 영상포획부는 동기신호발생부로부터 출력된 제어 신호를 카메라로 바이패스하여 동기신호발생부의 출력 신호에 의해 카메라가 직접 제어되도록 한다.
본 발명의 광학식 영상 측정 방법은, 카메라와, 조명장치의 구동을 제어하는 동기신호 발생부와, 카메라로부터 출력되는 영상을 포획하는 영상 포획부와, 영상 포획부에서 포획된 영상을 신호처리하는 영상신호 처리부와, 영상포획부에서 동기신호발생부와 영상포획부로 측정 개시명령을 출력하는 제어부와, 제어부에 외부 장치로부터의 제어 신호를 출력하는 데이터 입력부를 포함하는 광학식 영상 측정 시스템을 이용한 측정 방법에 있어서, 제어부가 데이터 입력부로부터 입력된 제어 신호로부터 촬영 모드를 판독하는 단계와, 제어부가 판독된 촬영 모드별 설정값에 따라 동기 신호 발생부와 영상 포획부에 촬영 개시 명령을 출력하는 단계와, 동기신호발생부가 제어부로부터 입력된 설정값에 따라 카메라 노출 파형을 포함하는 제어 신호를 생성하는 단계와, 동기신호발생부가 생성된 제어 신호를 조명컨트롤러 및 영상 포획부로 출력하는 단계와, 영상 포획부가 동기신호발생부로부터 입력된 제어 신호를 카메라로 바이패스 하는 단계를 포함한다.
본 발명은 촬영 모드별 변경되는 설정값에 즉각 대응하여 카메라 노출 파형을 자유롭게 제어함으로써, 촬영 시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 2D 및 3D 혼합 검사 시에 불필요한 카메라 노출 시간을 소모하지 않으므로 효율성을 높일 수 있는 이점이 있다.
이하 첨부된 도면에 따라서 광학식 영상 측정 시스템의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광학식 영상 측정 시스템을 설명한 블록 구성도이고, 도 5 도 4의 광학식 영상 측정 시스템의 신호 발생 타이밍 예시도이다.
도 4를 참조하면, 광학식 영상 측정 시스템은 카메라(1), 조명장치(11), 조명 컨트롤러(12), PZT(13), PZT 컨트롤러(14), 영상포획부(24), 영상 신호 처리부(25), 표시부(26), 제어부(22), 데이터 입력부(21) 및 동기신호발생부(23)를 포함한다.
제어부(21)는 컴퓨터 시스템(20)에 실장되는 것으로서, 측정 모드별 설정값이 프로그래밍되어 있다. 제어부(21)는 데이터 입력부(210)를 통해 개시명령이 입력되면 설정 모드를 판독하고, 판독된 설정 모드별 설정값에 따라 영상포획부(24)에 영상 획득을 준비하라는 개시 명령(ⓐ)을 출력하며, 동기신호발생부(23)로 촬영 개시 명령을 출력한다.
동기신호발생부(240)는 제어부(220)에서 출력되는 개시명령(ⓐ)에 따라 조명장치(11)와 PZT(13) 및 카메라(1) 제어를 위한 신호를 발생한다. 즉, 동기신호발생부(24)는 제어부(21)로부터 입력된 설정값에 대응하여 카메라 노출 파형(ⓑ)을 생성하고, 이를 영상 포획부(23)와, 조명 컨트롤러(12) 및 PZT 컨트롤러(14)로 출력한다. 카메라 노출 파형은 예를 들어, 2D와 3D를 각각 2장씩 찍어야 할 경우 노출 파형을 도 5의 ⓑ와 같이 생성한다. 즉, 2D 촬영은 카메라 노출 파형을 제 1 주기(Tt1)로 생성하고, 3D 촬영은 카메라 노출 파형을 제 2 주기(Tt2)로 생성한다.
조명 컨트롤러(12)는 동기신호발생부(24)로부터 입력된 신호에 따라 조명장 치(11)의 온(ON)/오프(OFF) 및 온(ON)/오프(OFF) 시간을 제어한다. 조명장치(11)는 촬영 영역 주변의 여러 방향에서 촬영 영역에 조명광을 조사한다.
PZT 컨트롤러(14)는 동기신호발생부(24)에서 입력된 신호에 따라 PZT(13)의 구동을 제어하여, PZT(13)는 PZT 컨트롤러(14)의 제어 신호에 따라 촬영 영역에 대한 조명장치(11)와 CCD 카메라(1) 사이의 거리를 미세하게 조절한다.
카메라(1)는 영상 포획부(23)로부터 입력되는 카메라 노출 파형(ⓑ)에 따라 촬영영역을 촬영하며, 프레임 인에이블 신호(FEN)를 주기적으로 출력한다.
영상포획부(230)는 동기신호발생부(240)로부터 입력된 카메라 제어 신호 즉, 일정한 시간 주기를 갖는 카메라 노출 파형(ⓑ)을 카메라(1)로 바이패스한다. 영상 포획부(23)는 카메라(1)에서 생성하는 프레임 인에이블(FEN)에 응답하여 카메라(1)에서 출력되는 영상을 포획한 후 영상 신호처리부(25)로 전송한다. 영상신호 처리부(25)는 포획된 영상을 전송받아 표시부(26) 상에 영상신호를 출력한다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(21)로부터 촬영 모드별 변경되는 설정값에 대응하여 동기신호발생부(24)가 카메라 노출 파형을 생성하고, 생성된 카메라 노출 파형이 영상 포획부(23)를 통해 카메라(1)로 바이패스되도록 함으로써, 카메라(1)는 동기신호발생부(24)의 제어 신호에 의해 직접 제어된다. 결과적으로, 영상 포획부(23)에서의 설정값 변경에 따른 부가적인 파라미터 변경 없이 바로 카메라가 제어되므로, 촬영 시간을 단축시킬 수 있게 된다. 또한, 동기신호발생부(24)에서 설정값에 대응하여 직접 카메라 노출 파형을 자유롭게 생성함으로써, 2D 및 3D 혼합 검사시에 각 모드별로 적절한 카메라 노출 시간을 제공함으로서, 불 필요한 노출 시간을 소모하지 않으므로 효율성을 높일 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 광학식 영상 측정 시스템을 이용한 광학식 영상 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광학식 영상 측정 방법을 설명한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 광학식 영상 측정 방법은 제어부가 데이터 입력부로부터 입력된 제어 신호로부터 촬영 모드를 판독하는 단계(300)와, 제어부가 판독된 촬영 모드별 설정값에 따라 동기 신호 발생부와 영상 포획부에 촬영 개시 명령을 출력하는 단계(310)와, 동기신호발생부가 제어부로부터 입력된 설정값에 따라 카메라 노출 파형을 생성하는 단계(320)와, 동기신호발생부가 생성된 카메라 노출 파형을 영상 포획부로 출력하는 단계(330)와, 영상 포획부가 입력된 카메라 노출 파형을 상기 카메라로 바이패스 하는 단계(340)를 포함한다.
구체적으로 설명하면 우선, 카메라(1)는 비동기식 리셋 모드로 설정된 상태이며, 제어부(21)에는 촬영 모드 별로 설정값이 프로그래밍된 상태이다.
이러한 상태에서 반도체 패키지, 글라스 기판 등의 피사체를 촬영 영역에 이동수단을 이용하여 로딩시킨다. 측정자는 데이터 입력부(21)를 통해 측정 개시 명령을 입력한다. 제어부(21)는 측정자에 의해 입력된 측정 개시 명령에 따라 현재 촬영모드를 판독한다(300). 제어부(21)는 판독된 촬영 모드별 측정값에 따라 영상 포획부(23) 및 동기신호발생부(24)로 개시명령을 출력한다(310).
동기신호발생부(23)는 제어부(21)로부터 출력된 설정값에 대응하는 제어신호 를 생성한다(320). 여기서, 제어신호는 카메라 노출 파형에 해당한다. 동기신호발생부(24)는 생성된 설정값에 대응하는 제어신호를 조명 컨트롤러(12)와 PZT 컨트롤러(14) 및 영상 포획부(23)로 출력한다(330).
이에 따라, 조명 컨트롤러(12)가 조명장치(11)의 점등을 제어하여 촬영 영역에 조명광을 조사하고, PZT 컨트롤러(14)는 PZT(13)를 미소 구동시켜 포커싱을 수행한다.
영상 포획부(23)는 동기신호발생부(23)로부터 입력된 제어신호 즉, 카메라 노출 파형을 카메라(1)로 바이패스 시킨다(340).
카메라(1)는 영상 포획부(23)를 통해 바이패스 되어 입력된 카메라 노출 파형에 따라 촬영 영역의 영상을 촬영하여 출력하고, 영상포획부에 프레임 인에이블신호(FEN)를 주기적으로 출력한다(350).
영상포획부(24)는 카메라(1)를 통해 촬영된 영상을 포획하여 영상 처리부(25)로 출력한다(360).
영상 신호처리부(25)는 영상 포획부로부터 획득된 영상을 신호 처리하여 원하는 검사를 수행한다(370).
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 광학식 영상 측정 시스템을 설명한 블록 구성도.
도 2는 광학식 영상 측정 방법의 신호 타이밍 예시도.
도 3은 광학식 영상 측정 방법의 또 다른 신호 타이밍 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광학식 영상 측정 시스템을 설명한 블록 구성도.
도 5 도 4의 광학식 영상 측정 시스템의 신호 발생 타이밍 예시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광학식 영상 측정 방법을 설명한 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : CCD 카메라 11 : 조명장치
12 : 조명 컨트롤러 13 : 미소구동기(PZT)
14 : PZT 컨트롤러 21 : 데이터 입력부
22 : 제어부 23 : 동기신호발생부
24 : 영상포획부 25 : 영상신호 처리부
26 : 표시부

Claims (2)

  1. 촬영 영역에 놓인 피사체를 촬영하여 출력하는 카메라와, 상기 촬영 영역에 조명광을 조사하는 조명장치 및 조명컨트롤러와, 상기 조명장치의 구동을 제어하는 동기신호발생부 및 상기 카메라에서 출력되는 영상을 포획하여 출력하는 영상포획부와, 상기 영상 포획부에서 포획된 영상을 신호처리하는 영상신호 처리부와, 상기 동기신호발생부와 영상포획부로 측정 개시명령을 출력하는 제어부와, 상기 제어부에 외부 장치로부터의 제어 신호를 출력하는 데이터 입력부를 포함하는 광학식 영상 측정 시스템에 있어서,
    상기 동기신호발생부는 제어부로부터 입력된 설정값에 따라 상기 조명장치의 구동 제어 신호와 함께 카메라 노출 파형을 갖는 제어 신호를 생성하여 출력하고,
    상기 영상포획부는 상기 동기신호발생부로부터 출력된 제어 신호를 카메라로 바이패스하여 동기신호발생부의 출력 신호에 의해 카메라가 직접 제어되도록 함을 특징으로 하는 광학식 영상 측정 시스템.
  2. 카메라와, 조명장치의 구동을 제어하는 동기신호 발생부와, 상기 카메라로부터 출력되는 영상을 포획하는 영상 포획부와, 상기 영상 포획부에서 포획된 영상을 신호처리하는 영상신호 처리부와, 상기 영상포획부에서 상기 동기신호발생부와 영상포획부로 측정 개시명령을 출력하는 제어부와, 상기 제어부에 외부 장치로부터의 제어 신호를 출력하는 데이터 입력부를 포함하는 광학식 영상 측정 시스템을 이용한 측정 방법에 있어서,
    상기 제어부가 데이터 입력부로부터 입력된 제어 신호를 판독하는 단계와,
    상기 제어부에서 판독된 제어 신호에 따라 상기 동기 신호 발생부와 상기 영상 포획부에 촬영 개시 명령을 출력하는 단계와,
    상기 동기신호발생부가 상기 제어부로부터 입력된 설정값에 따라 카메라 노출 파형을 포함하는 제어 신호를 생성하는 단계와,
    상기 동기신호발생부가 생성된 제어 신호를 조명컨트롤러 및 영상 포획부로 출력하는 단계와,
    상기 영상 포획부가 동기신호발생부로부터 입력된 제어 신호를 상기 카메라로 바이패스 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광학식 영상 측정 방법.
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