KR101139178B1 - Device for measuring the 3d cubic matter using a digital holography - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 디지털 홀로그래피를 이용하여 측정대상물을 입체적으로 측정할 수 있는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 디지털 홀로그래피를 구현하는데 있어 하드웨어적으로 구조가 간단하면서도 정렬이 용이하며, 백색광원을 사용하여 스팩클 노이즈를 감소키거나 완벽히 제거할 수 있으며, 2개의 CCD을 이용하여 ONE SHOT으로 디지털 홀로그래피 영상을 획득하여 소프트웨어적으로 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform)의 적용이 가능한 구조를 제안하여 계산 속도가 향상된 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus capable of three-dimensionally measuring an object by using digital holography, and more particularly, in order to implement digital holography, the structure is simple and easy to align, and the speckle is made using a white light source. It is possible to reduce or eliminate noise completely, and to acquire digital holography images using ONE SHOT using two CCDs, we propose a structure that can be applied to Single Fourier Transform by software. It relates to a three-dimensional measuring device using holography.
일반적으로 광학 기반의 3차원 입체(3D) 측정 기술 중 디지털 홀로그래피를 이용한 방법이 고속 측정의 용이성으로 인해 그 중요성이 부각되고 있다. In general, the method using digital holography among the optical-based three-dimensional stereoscopic (3D) measurement technology is important because of the ease of high-speed measurement.
도 1은 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 기술의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining the concept of 3D measurement technology using digital holography.
도 1에 도시한 바와 같이, 3차원 물체인 측정 대상물에서 반사되어 나오는 측정광이 CCD 카메라에 촬상되는 상태를 도식화한 것으로, CCD 카메라 앞에 이미징 렌즈(Imaging lens)를 사용하지 않고 측정 대상물을 촬상하기 때문에 기존의 3D 측정 방식과 큰 차이를 갖는다.As shown in FIG. 1, the state in which the measurement light reflected from the measurement object, which is a three-dimensional object, is captured by the CCD camera is illustrated, and the imaging object is photographed without using an imaging lens in front of the CCD camera. Because of this, there is a big difference from the conventional 3D measurement method.
즉, CCD 카메라에 의해 촬상되는 이미지는 디지털 홀로그램으로 표현된 암호화된 신호이며, 이러한 디지털 홀로그램에 포함된 정보를 프레넬 변환(Fresnel transform)을 통하여 측정 대상물에 대한 이미지 정보를 수치적으로 계산하여 이미지를 얻게 된다. That is, the image captured by the CCD camera is an encrypted signal represented by a digital hologram, and the information included in the digital hologram is numerically calculated by calculating the image information on the measurement object through Fresnel transform. You get
이와 같이 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정방식은 이미징 렌즈를 사용하지 않기 때문에, 렌즈리스 이미징(Lensless imaging)이라고도 불리우며, 디지털 홀로그램에 측정 대상물의 3차원 정보가 전부 저장되어 있기 때문에 기존의 비전(Vision) 광학계가 갖는 2차원적인 정보뿐만 아니라, 다양한 3차원 정보를 추출할 수 있어서 근래에 입체 측정 기술로 각광을 받고 있다. Since the 3D measurement method using digital holography does not use an imaging lens, it is also called lensless imaging. Since the 3D information of the measurement object is stored in the digital hologram, the conventional vision optical system is used. In addition to the two-dimensional information has a variety of three-dimensional information can be extracted in recent years has been in the spotlight as a three-dimensional measurement technology.
이러한 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정 기술로는 On-axis 방식과 Off-axis 방식이 제안되어 있는데, Off-axis 방식은 한 장의 홀로그램으로부터 입체 정보를 취득할 수 있어 측정 속도가 Onaxis 방식보다 빨라 근래에는 Off-axis 방식이 널리 사용되고 있는 추세이다. On-axis method and off-axis method are proposed as three-dimensional measurement technology using digital holography. In the off-axis method, the stereoscopic information can be acquired from a single hologram. The -axis method is widely used.
도 2는 종래의 Off-axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치의 구성을 도시한 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a stereoscopic measuring apparatus using conventional off-axis digital holography.
종래 Off-axis방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 방식에서는 CCD 카메라에서 얻어진 한 장의 홀로그램을 이용해서 프레넬 변환(Fresnel transform)을 통해 측정 대상물에 대한 이미지를 재생하게 된다. In the conventional method using off-axis digital holography, a single hologram obtained from a CCD camera is used to reproduce an image of a measurement object through a Fresnel transform.
일반적으로 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치는 레이저 빔의 파장(Wavelength)에 따라 측정 범위가 제한된다. In general, a stereoscopic measuring apparatus using digital holography has a limited measurement range according to the wavelength of a laser beam.
예를 들어 레이저 빔의 파장이 633nm인 경우, 측정 대상물의 표면에 633nm의 반파장인 312nm 이상의 급격한 높이 변화가 발생하게 되면 위상 모호성으로 측정 오류가 발생하게 된다. For example, when the wavelength of the laser beam is 633 nm, when a sudden height change of 312 nm or more, which is a half wavelength of 633 nm, occurs on the surface of the measurement object, measurement error occurs due to phase ambiguity.
이와 같은 레이저 빔의 파장에 따른 측정 범위의 제한을 극복하기 위해 제안된 것이 이중 파장(Dual wavelength) 디지털 홀로그래피 기술이다. In order to overcome the limitation of the measurement range according to the wavelength of the laser beam, a dual wavelength digital holography technique has been proposed.
도 3은 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치의 구성을 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a configuration of a 3D measuring apparatus using a conventional off-axis dual wavelength digital holography.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치는 상호 상이한 파장의 레이저 빔을 조사하는 광원을 사용하고, 두 파장의 레이저 빔을 상호 독립적으로 운용, 즉 기준빔의 빔 경로를 상이하게 하여 CCD 카메라로 촬상하는 방식이 적용되어 있다. 이는 주파수의 비팅 효과 (Beating effect)를 이용한 것으로, 하기 수학식 1과 같이 상호 상이한 파장의 레이저 빔을 사용하여 등가파장을 기존의 파장보다 훨씬 크게 할 수 있게 된다.As shown in FIG. 3, the 3D measurement apparatus using conventional off-axis dual-wavelength digital holography uses a light source for irradiating laser beams having different wavelengths, and operates two laser beams independently of each other. That is, a method of imaging with a CCD camera with different beam paths of the reference beam is applied. This is a beating effect of the frequency (Beating effect), and the equivalent wavelength can be made much larger than the existing wavelength by using a laser beam of mutually different wavelengths as shown in
여기서, Λ는 등가파장이고, λ1 및 λ2는 각각 기존의 두 파장이다. Here, Λ is the equivalent wavelength, and λ1 and λ2 are the two existing wavelengths, respectively.
예를 들어, λ1이 675nm이고, λ2가 635nm인 경우, 등가파장 Λ는 산술적으로 대략 10㎛가 되어 측정 범위를 크게 높일 수 있게 된다.For example, when
그런데, 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치는 기준빔을 두 파장에 대해 독립적으로 운용하고 있기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이 하드웨어적으로 그 구조가 매우 복잡한 단점이 있다. 이는 미러 등과 같은 구성요소의 설치 개수가 많아 전체적인 제조 단가를 높고 정렬의 단위도 또한 높은 단점으로 작용하게 된다. However, since the conventional 3D measurement apparatus using off-axis dual-wavelength digital holography operates the reference beam independently for two wavelengths, the structure is very complicated in hardware as shown in FIG. 3. have. This causes a large number of components such as a mirror, so that the overall manufacturing cost is high, and the unit of alignment is also a disadvantage.
또한, 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치는 두 파장에 대한 홀로그램이 하나의 CCD 카메라에 의해 촬상되어 홀로그램화되기 때문에, 최소 3번의 2차원 FFT(Fast Fourier Transformation)를 수행하는 컨볼루션 포물레이션(Convolution formulation) 밖에 사용하지 못하여, 소프트웨어적으로 계산 속도가 많이 소요되는 단점이 있다. In addition, the 3D measuring apparatus using the conventional off-axis dual-wavelength digital holography has at least three two-dimensional fast fourier transformations (FFTs) because the holograms for the two wavelengths are picked up and hologramized by one CCD camera. Since only a convolution formulation is performed, the computational speed is high in software.
이는 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 방식은 파장이 달라짐에 따라 동일 거리에서 재생되는 배율이 달라져, 한 장의 홀로그램에 공통으로 적용하지 못하기 때문이다. This is because the Single Fourier Transform method does not apply to a single hologram in common because the magnification reproduced at the same distance varies as the wavelength is changed.
또한, 종래의 이중 파장 off-axis 홀로그래피를 이용한 장치는 구조의 복잡도로 인하여 장치가 커지고, 정렬이 어렵고, 다수의 편광 장치 등이 광축 상에 존재하므로 신뢰성 있는 데이터 획득을 위해서는 강한 광원이 요구되는 한계를 가지게 된다. In addition, the device using the conventional dual wavelength off-axis holography has a limitation in that a strong light source is required for reliable data acquisition because the device is large, difficult to align, and a large number of polarizers exist on the optical axis due to the complexity of the structure. Will have
이로 인하여 레이저와 같은 광원을 사용해야만 하는데 레이저는 매우 높은 가 간섭성(high coherence) 때문에 측정 대상물의 미세한 표면 거칠기에 의해서도 소위 스펙클(speckle) 현상을 유발하며 이는 3차원 형상 측정에 방해 요소인 노이즈로 작용하게 되어 측정 데이터의 정밀도를 저하시킨다.
This requires the use of a light source, such as a laser, which causes so-called speckle phenomena due to the very high coherence of the measured object, which causes noise to interfere with three-dimensional shape measurements. This reduces the accuracy of the measurement data.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 디지털 홀로그래피를 구현하는데 있어 하드웨어적으로 구조가 간단하면서도 정렬이 용이하며, 백색광원을 사용하여 스팩클 노이즈를 감소키거나 완벽히 제거할 수 있으며, 2개의 CCD을 이용하여 ONE SHOT으로 디지털 홀로그래피 영상을 획득하여 소프트웨어적으로 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform)의 적용이 가능한 구조를 제안하여 계산 속도가 향상된 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 제공하고자 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to implement a digital holography with a simple structure and easy alignment in hardware, and to reduce or completely eliminate speckle noise using a white light source. It is possible to acquire a digital holography image by ONE SHOT using two CCDs and propose a structure that can be applied to Single Fourier Transform by software to provide a 3D measuring device using digital holography with improved calculation speed. I would like to.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, ONE SHOT 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부; 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ; 상기 광원부로부터 방출되어 반사미러에서 반사된 광원의 참조광과 측정광을 포함하는 합성광을 측정대상물측으로 반사시키는 제1빔스플리터 ; 상기 측정대상물로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되는 상기 합성광을 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ; 상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터; 상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 : 상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치를 제공한다. As a specific means for achieving the above object, the present invention, the first imaging unit and the second imaging unit for obtaining the ONE SHOT digital hologram; A light source unit for emitting white light including wavelength components of the ultraviolet-visible light region; A first beam splitter for reflecting the composite light including the reference light and the measurement light of the light source emitted from the light source unit and reflected by the reflection mirror toward the measurement object; A second beam splitter configured to pass the synthesized light reflected from the measurement object and passed through a first beam splitter to the first image pickup side, and to be reflected to the second image pickup side; The
또한, 본 발명은 원샷(ONE SHOT) 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부; 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ; 상기 광원부로부터 방출되는 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하여 반사미러와 측정대상물측으로 조사하도록 분할하는 제1빔스플리터 ; 상기 측정대상물과 반사미러로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되어 간섭되는 합성광 중 일부를 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 합성광의 나머지를 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ; 상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터; 상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 : 상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치를 제공한다. The present invention may also include a first image pickup unit and a second image pickup unit for obtaining a one shot digital hologram; A light source unit for emitting white light including wavelength components of the ultraviolet-visible light region; A first beam splitter for dividing the white light emitted from the light source into a reference light and a measurement light to irradiate the reflection mirror and the measurement object side; A second beam that reflects a part of the composite light that is reflected from the measurement object and the reflecting mirror, passes through the first beam splitter, and interferes with the first imager, and reflects the remainder of the synthesized light to the second imager; Splitter; A first wavelength λ1 of a specific wavelength band monochromatic light, which is disposed on an optical path between the first image pickup unit and the second beam splitter, and is set in advance among the synthetic light including the measurement light and the reference light; A first band pass filter configured to pass toward the first image pickup unit; A second band pass filter disposed on an optical path between the second image pickup unit and a second beam splitter to pass a second wavelength? And a control unit for measuring a surface shape of the measurement object by using two holograms captured by the first imaging unit and the second imaging unit.
바람직하게, 상기 제1밴드패스필터와 제2밴드패스필터는 상기 제1 파장(λ1c)의 FWHM1이 Δλ1이고 제2 파장(λ2c)의 FWHM2가 Δλ2일 때 λ1c-λ2c ≥ (Δλ1+ Δλ2)/2 의 조건을 만족한다. Preferably, the first bandpass filter and the second bandpass filter have a lambda 1c-λ2c ≥ (Δλ1 + Δλ2) / 2 when the FWHM1 of the first wavelength λ1c is Δλ1 and the FWHM2 of the second wavelength λ2c is Δλ2. Satisfies the conditions.
상기 제1 파장(λ1c)은 상기 제1밴드패스필터의 파장 선택 효율 분포 함수를 f1(λ)라 하고 시작 파장이 λ1s이고, 끝나는 파장이 λ1e라 할 때, 수학식 2에 의해서 계산 되고 상기 제2 파장(λ2c)은 상기 제2밴드패스필터의 파장 선택 효율 분포 함수를 f2(λ)라 하고, 시작 파장이 λ2s이고, 끝나는 파장이 λ2e라 할 때 수학식 3에 의해서 계산된다. The first wavelength λ1c is calculated by
바람직하게, 상기 제2 촬상부를 기준으로 상기 제1 촬상부를 정렬할 수 있도록 정렬부를 추가 포함하며, 상기 정렬부는 x, y, z축 이동이 가능한 병진 운동 메커니즘과 각각의 축을 α, β, γ 방향으로 회전 시킬 수 있는 회전 운동 메커니즘을 갖는다. Preferably, the alignment unit further includes an alignment unit to align the first imaging unit with respect to the second imaging unit, wherein the alignment unit includes a translational motion mechanism capable of moving x, y, and z axes and each axis in the α, β, and γ directions. It has a rotary motion mechanism that can rotate it.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다. The present invention as described above has the following effects.
(1) 종래의 입체측정장치에 비하여 구조를 단순화하여 제조원가를 절감할 수 있고,광학적 노이즈의 발생을 최소화하여 제품의 정밀도를 높일 수 있다. (1) Compared to the conventional stereoscopic measuring apparatus, the structure can be simplified to reduce manufacturing cost, and the occurrence of optical noise can be minimized to increase the precision of the product.
(2) 광원으로 백색광을 사용하여 스팩클 노이즈를 완벅하게 제거할 수 있다. (2) Speckle noise can be completely removed using white light as a light source.
(3) 하드웨어적인 구조의 변경을 통해, 각 파장에 대한 홀로그램을 ONE SHOT으로 두 대의 촬상부, 즉 CCD 카메라에서 각각 획득하고, 각 홀로그램에 대해 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 방식을 적용함으로써, 소프트웨어적으로 계산 속도를 향상시킬 수 있다.
(3) By changing the hardware structure, the holograms for each wavelength are acquired by two imaging units, that is, CCD cameras, respectively by ONE SHOT, and by applying the Single Fourier Transform method to each hologram, Software can speed up computation.
도 1은 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 기술의 개념을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 종래의 Off-axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 전체 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 개략도이다. 1 is a schematic diagram illustrating the concept of 3D measurement technology using digital holography.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a stereoscopic measuring apparatus using conventional off-axis digital holography.
3 is a diagram illustrating a configuration of a 3D measuring apparatus using a conventional off-axis dual wavelength digital holography.
4 is an overall configuration diagram showing a stereoscopic measuring apparatus using digital holography according to the first embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram showing a stereoscopic measuring apparatus using digital holography according to the first embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram showing a stereoscopic measuring apparatus using digital holography according to a second embodiment of the present invention.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. The objects, features and advantages of the present invention described above will become more apparent from the following detailed description. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 제1실시 예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치(100)는 도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 제1,2촬상부(110,120), 광원부(101), 제1,2빔스플리터(Beam spliter)(121,122), 제1,2 밴드패스필터(Band pass filter)(131,132) 및 제어부를 포함한다. As shown in FIGS. 4 and 5, the
상기 광원부(101)는 광경로상에 일정각도로 경사지게 배치된 반사미러(102)를 향하여 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 것이다. The
이러한 광원부에서 방출하는 백색광은 가시광선의 각 파장을 동일한 강도로 가지고 있는 빛으로서 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색 등 모든 색깔의 빛이 다 포함되어 있으며, 백색광의 파장은 정해져 있는 것이 아니라 다양한 파장을 갖는 광이 모여있는 것이다. The white light emitted from the light source unit is light having the same intensity of visible light, and includes all colors of red, orange, yellow, green, blue, indigo, and purple, and the wavelength of the white light is determined. Rather, light with various wavelengths is collected.
상기 광원부(101)로부터 방출된 광은 렌즈계(104)를 통과하면서 근사적인 평행광으로 변환되어 상기 반사미러(102)측으로 입사된다. The light emitted from the
상기 제1빔스플리터(121)는 상기 반사미러(102)에 의해서 반사되는 광에 포함된 특정파장대역의 참조광과 측정광을 포함하는 합성광을 측정대상물(140)측으로 반사시키는 수단이다. The
상기 제1빔스플리터(121)에 반사된 합성광은 대물렌즈(105)를 투과하여 측정대상물(140)에 조사된 후 상기 제1빔스플리터(121)측으로 되돌아오게 된다. The composite light reflected by the
상기 제2빔스플리터(122)는 상기 측정대상물(140)로부터 반사되어 제1빔스플리터(121)를 통과하여 출광되는 측정광과 참조광을 포함하는 합성광으로 부터 ONE SHOT 디지털 홀로그램 영상 획득 위하여 제1촬상부(110)와 제2촬상부(120)로 각각 분할 반사시키는 분광수단이다. The
상기 제1밴드패스필터(Band pass filter)(131)는 상기 제1촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 특정 대역필터(Band pass filter)를 거친 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부(110)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다. The first
상기 제2밴드패스필터(Band pass Filter)(132)는 상기 제2촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 제1밴드패스필터(131)와 다른 대역의 필터를 거친 단색광의 제2파장(λ2)을 상기 제2촬상부(120)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다. The second
즉, 상기 제1빔스플리터(121)를 통과하여 상기 제2 빔스플리터(122)로 입사되는 합성광은 상기 제2빔스플리터(122)로부터 출력되면서 두갈래로 분할되는데, 투과된 합성광은 제1밴드패스필터(131)측으로 향하고, 반사된 합성광은 제2밴드패스필터(132)측으로 향하게 되는 것이다. That is, the synthesized light passing through the
상기 제1 밴드패스필터(131)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ1c 와 반치 폭, FWHM1의 특성을 갖는 제1밴드패스필터(131)에 의해 주어진 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킬 수 있으며, 상기 제2 밴드패스필터(132)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ2c 와 반치 폭, FWHM2의 특성을 갖는 제2밴드패스필터(132)에 의해 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킴으로써 공간적으로 각각 제1파장(λ1c)과 제2파장(λ2c)으로 합성광을 분리하여 제1촬상부와 제2촬상부로 향하게 할 수 있는 것이다. The synthetic light directed to the first
연속하여, 상기 제1밴드패스필터(131)에 의해 분리된 제1파장(λ1c)의 광은 제1촬상부(110)와 제1밴드패스필터(131)와의 사이에 배치된 제1접안렌즈부(133)에 의해 제1촬상부(110)로 입력되어 제1파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램 영상을 획득하게 되고, 상기 제2 밴드패스필터(132)에 의해 분리된 제2파장(λ2c)의 광은 제2촬상부(120)와 제2밴드패스필터(132)와의 사이에 배치된 제2접안렌즈부(134)에 의해 제2촬상부(120)으로 입력되어 제2파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램영상을 획득하게 되는 것이다. Subsequently, the light of the first wavelength λ1c separated by the first
한편, 상기 측정대상물(140)과 제1빔스플리터(121)사이에는 간섭렌즈계(125)를 착탈가능하게 구비함으로써 상기 제1빔스플리터(121)를 통해 출광하는 참조광과 측정광을 간섭렌즈에 의해 합성할 수 있다. Meanwhile, the
본 발명의 제2실시 예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치(100a)는 도 6에 도시한 바와 같이, 제1,2촬상부(110,120), 광원부(101), 제1,2빔스플리터(Beam spliter)(121,122), 제1,2 밴드패스필터(Band pass filter)(131,132) 및 제어부를 포함한다. As shown in FIG. 6, the
상기 광원부(101)는 광경로상에 일정각도로 경사지게 배치된 반사미러(102)를 향하여 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 것이다. The
상기 제1빔스플리터(121)는 상기 광원부(101)와 반사미러(102)사이에 배치되어 렌즈계(104)를 통과하면서 근사적인 평행한 광으로 변환된 백색광을 두갈래의 특정파장대역의 참조광과 측정광으로 분할하는 것이다. The
상기 제1빔스플리터(121)를 투과하여 반사미러(102)측으로 진행하는 광은 참조광이 되고, 상기 제1빔스플리터(121)에서 반사되어 측정대상물(140)측으로 진행하는 광은 측정광이 되는바, 이러한 측정광은 측정대상물(130)에 조사된 후 상기 제1빔스플리터(121)측으로 되돌아 온다. Light passing through the
그리고, 상기 제1빔스플리터(121)측으로 되돌아온 측정광의 일부는 투과되어 제2빔스플리터(122)측으로 조사되고, 상기 반사미러(102)에 반사된 참조광의 일부는 상기 제1빔스플리터(121)에 반사되어 제2빔스플리터(122)측으로 조사된다. A portion of the measurement light returned to the
이때, 상기 참조광과 측정광은 서로 간섭을 하여 하나의 합섭광으로 형성하게 된다. In this case, the reference light and the measurement light interfere with each other to form one summed light.
상기 제2빔스플리터(122)는 상기 제1빔스플리터(121)를 투과하는 측정광과 상기 제1빔스플리터(121)에 반사된 참조광을 포함하는 합성광으로 부터 ONE SHOT 디지털 홀로그램 영상을 획득하기 위하여 제1촬상부(110)와 제2촬상부(120)로 각각 분할 반사시키는 분광수단이다. The
상기 제1밴드패스필터(Band pass filter)(131)는 상기 제1촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 특정 대역필터(Band pass filter)를 거친 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부(110)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다. The first
상기 제2밴드패스필터(Band pass Filter)(132)는 상기 제2촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 제1밴드패스필터(131)와 다른 대역의 필터를 거친 단색광의 제2파장(λ2)을 상기 제2촬상부(120)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다. The second
즉, 상기 제1빔스플리터(121)를 통과하여 상기 제2 빔스플리터(122)로 입사되는 합성광은 상기 제2빔스플리터(122)로부터 출력되면서 두갈래로 분할되는데, 투과된 합성광은 제2밴드패스필터(132)측으로 향하고, 반사된 합성광은 제1밴드패스필터(131)측으로 향하게 되는 것이다. That is, the synthesized light passing through the
상기 제1 밴드패스필터(131)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ1c 와 반치 폭, FWHM1의 특성을 갖는 제1밴드패스필터(131)에 의해 주어진 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킬 수 있으며, 상기 제2 밴드패스필터(132)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ2c 와 반치 폭, FWHM2의 특성을 갖는 제2밴드패스필터(132)에 의해 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킴으로써 공간적으로 각각 제1파장(λ1c)과 제2파장(λ2c)으로 합성광을 분리하여 제1촬상부와 제2촬상부로 향하게 할 수 있는 것이다. The synthetic light directed to the first
연속하여, 상기 제1밴드패스필터(131)에 의해 분리된 제1파장(λ1c)의 광은 제1촬상부(110)와 제1밴드패스필터(131)와의 사이에 배치된 제1접안렌즈부(133)에 의해 제1촬상부(110)로 입력되어 제1파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램 영상을 획득하게 되고, 상기 제2 밴드패스필터(132)에 의해 분리된 제2파장(λ2c)의 광은 제2촬상부(120)와 제2밴드패스필터(132)와의 사이에 배치된 제2접안렌즈부(134)에 의해 제2촬상부(120)으로 입력되어 제2파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램영상을 획득하게 되는 것이다. Subsequently, the light of the first wavelength λ1c separated by the first
상기와 같은 구성에 따라, 제1촬상부(110)에는 제1파장(λ1c)에 대한 디지털 홀로그램 영상 촬상되어 한 장의 홀로그램이 얻어지고, 상기 제2촬상부(120)에는 제2파장(λ2c)에 대한 디지털 홀로그램 영상이 촬상되어 다른 한 장의 홀로그램이 얻어지므로, 서로 다른 파장의 홀로그램이 각각 따로 얻어지게 된다. According to the above configuration, the first
여기서, 상기 제1 촬상부(110)와 제2 촬상부(120)는 영상의 촬상이 가능한 다양한 형태로 마련될 수 있으며, 본 발명에서는 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라 형태로 마련되는 것이 바람직하다. The
한편, 상기 제어부는 두 장의 서로 다른 파장대의 홀로그램을 이용하여 측정 대상물의 표면 형상을 입체적으로 측정하게 된다. The control unit three-dimensionally measures the surface shape of the measurement target by using two holograms having different wavelength bands.
여기서, 제어부는 두 장의 홀로그램이 동일한 빔 경로, 즉 참조광과 측정광이 각각 동일한 빔 경로를 따라 진행하게 되므로, 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 또는 싱글 고속 푸리에 변환(Single Fast Fourier Transform)을 적용하여 측정 대상물의 표면 형상을 측정하게 된다. In this case, since the two holograms have the same beam path, that is, the reference light and the measured light travel along the same beam path, the control unit applies a single Fourier transform or a single fast Fourier transform. The surface shape of the measurement object is measured.
이 경우, 제1촬상부(110) 및 제2촬상부(120)는 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 또는 싱글 고속 푸리에 변환(Single Fast Fourier Transform)의 적용이 가능하도록 초기 설정시 동일 배율로 정렬된다. In this case, the
즉, 동시에 얻어지는 2장의 홀로그램은 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 실 이미지(real image)항 만을 추출하고 프레넬 변환(Fresnel Transform)이나 ASM(Angular Spectrum Method)를 이용해 실 이미지의 세기(intensity) 와 위상(Phase)을 얻게 된다. That is, the two holograms obtained at the same time extract the real image terms only through the Fast Fourier Transform (FFT) and the intensity and intensity of the real images using the Fresnel Transform or Angular Spectrum Method (ASM). Phase is obtained.
삼차원의 입체적인 측정대상물의 형상 정보는 각각의 홀로그램을 복원하는 과정에서 획득된 위상을 이용하여 연산되는데, 이중 파장에 의해 결과적으로 형성된 유효 파장, λ = λ1cλ2c / |λ1c λ2c| 이지만 모호성(ambiguity) 없이 측정 할 수 있는 삼차원 입체형상의 범위는 λ/4로 제한된다. The shape information of the three-dimensional three-dimensional measurement object is calculated by using the phase obtained in the process of restoring each hologram, and the effective wavelength formed by the dual wavelength, λ = λ1cλ2c / | λ1c λ2c | However, the range of three-dimensional solids that can be measured without ambiguity is limited to λ / 4.
본 발명에서 두 장의 홀로그램을 동시에 얻을 수 있어 실시간 측정이 가능하며 광원을 백색 광원을 사용하는 경우 스패클(speckle) 현상을 제거할 수 있어 삼차원 형상 측정의 정밀도를 크게 개선 할 수 있는 것이다. In the present invention, two holograms can be obtained at the same time, thereby real-time measurement, and when the light source uses a white light source, the speckle can be eliminated, thereby greatly improving the accuracy of three-dimensional shape measurement.
또한, 높은 정밀도와 실시간 측정이 요구되지 않는 분야에는 튜너블(Tunable) 레이저나 각기 다른 파장을 갖는 레이저 다이오드와 같은 광원을 사용 할 수 있다. In addition, a light source such as a tunable laser or a laser diode having different wavelengths may be used in fields where high precision and real time measurement are not required.
한편, 제1파장(λ1c)과 제2파장(λ2c)간의 차이는 전술된 바와 같이 λ1c-λ2c >= (Δλ1+ Δλ2)/2 이 되어야 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있다. Meanwhile, as described above, the difference between the first wavelength λ1c and the second wavelength λ2c may be λ1c−λ2c> = (Δλ1 + Δλ2) / 2 to obtain reliable data.
이에 따라, 상기 제1밴드패스팰터(131)와 제2밴드패스필터(132)는 상기 제1 파장(λ1c)의 FWHM1이 Δλ1이고 제2 파장(λ2c)의 FWHM2가 Δλ2일 때 λ1c-λ2c ≥ (Δλ1+ Δλ2)/2 의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. Accordingly, the
여기서, 상기 제1,2밴드패스필터는 어느 정도의 파장 분포를 가지고 있으므로 밴드패스필터에 의한 중심 파장은 파장 분포 함수를 측정하거나 이론적인 계산을 통해 얻은 후 수치적 적분을 이용하여 정한다. Here, since the first and second band pass filters have a certain wavelength distribution, the center wavelength of the band pass filter is determined by numerical integration after measuring the wavelength distribution function or obtaining the result by theoretical calculation.
그리고, 상기 제1 파장(λ1c)은 상기 제1밴드패스필터(131)의 파장 선택 효율 분포 함수를 f1(λ)라 하고 시작 파장이 λ1s이고, 끝나는 파장이 λ1e라 할 때, 하기 수학식 2에 의해서 계산되고 상기 제2 파장(λ2c)은 상기 제2밴드패스필터(132)의 파장 선택 효율 분포 함수를 f2(λ)라 하고, 시작 파장이 λ2s이고, 끝나는 파장이 λ2e라 할 때 하기 수학식 3에 의해서 계산된다. In addition, when the first wavelength λ1c is a wavelength selection efficiency distribution function of the first
또한, 본 발명은 매크로(Macro) 사이즈의 측정 대상물에 대한 적용 예에 대해서 설명하고 있지만, 마이크로 (Micro) 사이즈의 측정 대상물에 대해서도 적용 가능함은 물론이다. 이 경우 측정 대상물의 전방에 마이크로스코프 오브젝트 렌즈(Microscope object lens)를 배치함으로써 마이크로 사이즈의 측정 대상물에도 본 발명이 적용 가능하게 된다.Moreover, although this invention demonstrated the application example to the measurement object of macro size, it is a matter of course that it is applicable also to the measurement object of micro size. In this case, the present invention can be applied to a micro-sized measurement object by disposing a microscope object lens in front of the measurement object.
그리고, 상기 제1촬상부(110)를 기준으로 상기 제2 촬상부(120)를 정렬할 수 있도록 정렬부(124)를 추가 구비할 수 있으며, 이러한 정렬부(124)는 x, y, z축 이동이 가능한 병진 운동 메커니즘과 각각의 축을 α, β, γ 방향으로 회전 시킬 수 있는 회전 운동 메커니즘을 갖는 것이 바람직하다. The
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.
101 : 광원부
102 : 반사미러
110 : 제1촬상부
120 : 제2촬상부
121 : 제1빔스플리터
122 : 제2빔스플리터
131 : 제1밴드패스필터
132 : 제2밴드패스필터101: light source
102: reflection mirror
110: first imaging unit
120: second imaging unit
121: first beam splitter
122: second beam splitter
131: first band pass filter
132: second band pass filter
Claims (5)
자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ;
상기 광원부로부터 방출되어 반사미러에서 반사된 광원의 참조광과 측정광을 포함하는 합성광을 측정대상물측으로 반사시키는 제1빔스플리터 ;
상기 측정대상물로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되는 상기 합성광을 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ;
상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터;
상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 :
상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치. A first imaging unit and a second imaging unit for acquiring a one-shot digital hologram;
A light source unit for emitting white light including wavelength components of the ultraviolet-visible light region;
A first beam splitter for reflecting the composite light including the reference light and the measurement light of the light source emitted from the light source unit and reflected by the reflection mirror toward the measurement object;
A second beam splitter configured to pass the synthesized light reflected from the measurement object and passed through a first beam splitter to the first image pickup side, and to be reflected to the second image pickup side;
The first wavelength lambda 1 of the specific wavelength band monochromatic light, which is disposed on the optical path between the first image pickup unit and the second beam splitter, is preset in the synthetic light including the measurement light and the reference light. A first band pass filter configured to pass toward the first image pickup unit;
A second band pass filter disposed on an optical path between the second image pickup unit and a second beam splitter, and configured to pass a second wavelength? And:
And a control unit for measuring the surface shape of the measurement object by using two holograms captured by the first and second imaging units.
자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ;
상기 광원부로부터 방출되는 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하여 반사미러와 측정대상물측으로 조사하도록 분할하는 제1빔스플리터 ;
상기 측정대상물과 반사미러로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되어 간섭되는 합성광 중 일부를 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 합성광의 나머지를 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ;
상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터;
상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 :
상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치.A first imaging unit and a second imaging unit for acquiring a one-shot digital hologram;
A light source unit for emitting white light including wavelength components of the ultraviolet-visible light region;
A first beam splitter for dividing the white light emitted from the light source into a reference light and a measurement light to irradiate the reflection mirror and the measurement object side;
A second beam that reflects a part of the composite light that is reflected from the measurement object and the reflecting mirror, passes through the first beam splitter, and interferes with the first imager, and reflects the remainder of the synthesized light to the second imager; Splitter;
A first wavelength λ1 of a specific wavelength band monochromatic light, which is disposed on an optical path between the first image pickup unit and the second beam splitter, and is set in advance among the synthetic light including the measurement light and the reference light; A first band pass filter configured to pass toward the first image pickup unit;
A second band pass filter disposed on an optical path between the second image pickup unit and a second beam splitter to pass a second wavelength? 2 of a predetermined wavelength band monochromatic light of the synthesized light to the second image pickup unit; And:
And a control unit for measuring the surface shape of the measurement object by using two holograms captured by the first and second imaging units.
상기 제1밴드패스필터와 제2밴드패스필터는 상기 제1 파장(λ1c)의 FWHM1이 Δλ1이고 제2 파장(λ2c)의 FWHM2가 Δλ2일 때 λ1c-λ2c ≥ (Δλ1+ Δλ2)/2 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치. The method according to claim 1 or 2,
The first band pass filter and the second band pass filter have a condition of λ 1c -λ 2c ≥ (Δλ 1 + Δλ 2) / 2 when the FWHM 1 of the first wavelength λ 1c is Δλ 1 and the FWHM 2 of the second wavelength λ 2c is Δλ 2. Three-dimensional measuring apparatus using digital holography, characterized in that to satisfy.
상기 제1 파장(λ1c)은 상기 제1밴드패스필터의 파장 선택 효율 분포 함수를 f1(λ)라 하고 시작 파장이 λ1s이고, 끝나는 파장이 λ1e라 할 때, 수학식 2
에 의해서 계산 되고
상기 제2 파장(λ2c)은 상기 제2밴드패스필터(132)의 파장 선택 효율 분포 함수를 f2(λ)라 하고, 시작 파장이 λ2s이고, 끝나는 파장이 λ2e라 할 때 수학식 3
에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치.
The method according to claim 1 or 2,
The first wavelength λ1c is a wavelength selection efficiency distribution function of the first band pass filter, f1 (λ), a starting wavelength is λ1s, and an ending wavelength is λ1e.
Calculated by
The second wavelength [lambda] 2c is a wavelength selection efficiency distribution function of the second band pass filter 132 is f2 ([lambda]), a starting wavelength is [lambda] 2s, and an ending wavelength is [lambda] 2e.
3D measurement apparatus using digital holography, characterized in that calculated by.
상기 제1촬상부를 기준으로 상기 제2촬상부를 정렬할 수 있도록 정렬부를 추가 포함하며,
상기 정렬부는 x, y, z축 이동이 가능한 병진 운동 메커니즘과 각각의 축을 α, β, γ 방향으로 회전 시킬 수 있는 회전 운동 메커니즘을 갖는 것임을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치. The method according to claim 1 or 2,
An alignment unit is further included to align the second imaging unit based on the first imaging unit.
And the alignment unit has a translational motion mechanism capable of moving x, y, and z axes and a rotational motion mechanism capable of rotating each axis in the α, β, and γ directions.
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