KR101337888B1 - 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

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서장일
전문영
허정
윤상규
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Abstract

정확성이 높은 패턴 영상들을 획득할 수 있는 3차원 형상 측정장치가 개시된다. 상기 3차원 형상 측정장치는, 양날톱 형상의 복수개의 단위격자가 소정 간격으로 병렬로 배치된 격자유닛을 사용하여 양날톱 형상의 복수개의 단위격자가 형성된 격자유닛의 구조에 대응하여 측정 대상물에 조사되는 격자 패턴광을 사인파에 근접하게 생성시킴으로써, 영상 획득부에서 획득된 패턴영상들로부터 측정 대상물의 각 위치에 따른 높이를 계산할 때 정확성을 향상시킬 수 있다. 단위 셀의 제 2 꼭지점과 이웃한 단위 셀의 제 2 꼭지점과의 거리가 0보다는 크며 집광렌즈가 두 물체를 분간할 수 있는 최소의 거리인 분해능 보다는 작도록 형성되어 별도의 비점수차 렌즈를 구비하지 않아도 됨으로써 조립이 용이하고 제작단가를 절감할 수 있다.

Description

3차원 형상 측정장치{THREE DIMENSIONAL SHAPE MEASURING APPARATUS}
본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 격자 패턴광을 조사하여 측정 대상물의 3차원 형상을 측정하는 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 형상 측정장치는 격자 패턴광을 측정 대상물에 조사하여 상기 격자 패턴광의 반사 이미지를 촬영함으로써 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 측정하는 측정장치이다. 이러한 3차원 형상 측정장치는 스테이지, 카메라, 조명유닛 및 중앙 처리부를 포함한다.
상기 3차원 형상 측정장치를 이용한 상기 측정 대상물의 3차원 형상의 측정은 다음과 같이 수행된다.
우선, 상기 조명 유닛에서 출사되는 상기 격자 패턴광을 상기 스테이지 상에 배치된 상기 측정 대상물로 조사한다. 이때, 상기 격자 패턴광은 N번 이동하면서 상기 측정 대상물로 조사된다. 이후, 상기 카메라는 상기 측정 대상물로부터 반사되는 상기 격자 패턴광을 검출하여 상기 측정 대상물의 N개의 패턴 영상들을 획득한다. 이어서, 상기 중앙 처리부는 N-버켓 알고리즘(N-bucket algorithm)을 이용하여 상기 Nro의 패턴 영상들로부터 상기 측정 대상물의 각 위치에 따른 높이를 계산해낸다. 이렇게 계산된 상기 각 위치에 따른 높이를 종합할 경우, 상기 측정 대상물의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
종래의 3차원 형상 측정장치는 상기 격자 패턴광을 검출하여 획득된 상기 N개의 패턴 영상들을 사인(sine)파로 가정하고, 상기 N-버켓 알고리즘을 이용하여 상기 측정 대상물의 각 위치에 따른 높이를 계산하여 왔다. 그러나, 상기 N개의 패턴 영상들은 이상적인 사인파가 아니기 때문에 상기 측정 대상물의 각 위치에 따른 높이를 계산할 때 정확성이 떨어진다는 문제점이 발생되었다.
따라서 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명은 정확성이 높은 패턴 영상들을 획득할 수 있는 3차원 형상 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 3차원 형상 측정장치는, 측정대상물을 지지하는 스테이지부에 대하여 경사지게 배치되어, 격자 패턴광을 상기 측정대상물에 조사하는 적어도 하나의 격자 조명부; 상기 측정대상물의 2차원적 영상을 획득하기 위한 광을 상기 측정대상물에 조사하는 적어도 하나의 2차원 조명부; 및 상기 측정대상물로부터 반사되는 광을 인가받아 상기 측정대상물의 평면 영상을 촬영하는 영상 촬영부를 포함할 수 있다.
일예를 들면, 상기 적어도 하나의 격자 조명부는, 광을 발생시키는 광원유닛; 서로 연결된 복수개의 단위 셀이 양측 변에 형성된 양날 톱 형상의 복수개의 단위격자가 소정간격 이격되도록 배치되어, 상기 광원유닛으로부터 발생된 광을 격자무늬를 갖는 격자 패턴광으로 변경시키는 격자유닛; 및 상기 격자유닛으로부터 출사된 상기 격자 패턴광을 측정 대상물로 집광시키는 집광렌즈를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 단위 셀은, 삼각형 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 서로 이웃하는 단위 셀의 끝단부의 이격된 거리(H7)는, 0보다는 크며 상기 집광렌즈가 두 물체를 분간할 수 있는 최소의 거리인 분해능 보다는 작게 이격될 수 있다.
또한, 상기 단위격자는, 일측변에 형성된 단위 셀들의 산부위가 타측변에 형성된 단위 셀들의 골부위에 위치하도록 양측변에 단위 셀들이 형성될 수 있다.
한편, 상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 1 변과, 단위격자의 타측에 위치한 단위 셀의 제 1 변과의 이격된 거리(H2)와, 서로 이웃하는 단위격자의 이격된 거리(H3) 및, 상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과 이웃하는 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과의 이격된 거리(H6)는, 1:1:3의 비율로 형성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 1 변에서부터 제 2 꼭지점까지의 거리(H4)와, 상기 단위격자의 타측에 위치한 단위 셀의 제 1 변에서부터 제 2 꼭지점까지의 거리(H5) 및, 상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과 이웃하는 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과의 거리(H6)는, 1:1:6의 비율로 형성될 수 있다.
일예를 들면, 상기 단위격자는, 일측변에 형성된 단위 셀들의 산부위가 타측변에 형성된 단위 셀들의 골부위에 위치하도록 양측변에 단위 셀들이 형성될 수도 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치는 양날톱 형상의 복수개의 단위격자가 소정 간격으로 병렬로 배치된 격자유닛을 사용하여 양날톱 형상의 복수개의 단위격자가 형성된 격자유닛의 구조에 대응하여 측정 대상물에 조사되는 격자 패턴광을 사인파에 근접하게 생성시킴으로써, 영상 획득부에서 획득된 패턴영상들로부터 측정 대상물의 각 위치에 따른 높이를 계산할 때 정확성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치는 단위 셀의 제 2 꼭지점과 이웃한 단위 셀의 제 2 꼭지점과의 거리가 0보다는 크며 집광렌즈가 두 물체를 분간할 수 있는 최소의 거리인 분해능 보다는 작도록 형성되어 별도의 비점수차 렌즈를 구비하지 않아도 됨으로써 조립이 용이하고 제작단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 형상 측정장치를 도시한 개념도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 격자유닛을 평면적으로 관측할 때의 개념도
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자 패턴광을 시뮬레이션한 영상
도 4는 비교예에 의한 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자패턴광을 시뮬레이션한 영상
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 격자유닛을 이용하여 ??득되는 격자 패턴광을 시뮬레이션한 그래프
도 6은 비교예에 따른 3-Step 타입의 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자 패턴광을 시뮬레이션한 그래프
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 형상 측정장치를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 3차원 형상 측정장치는, 측정 스테이지부(100), 영상 촬영부(200), 제 1 격자 조명부(300), 제 2 격자 조명부(400), 2차원 조명부(450), 영상 획득부(500), 모듈 제어부(600), 중앙 제어부(700)를 포함할 수 있다.
상기 측정 스테이지부(100)는 측정 대상물(10)을 지지하는 스테이지(110)와, 상기 스테이지(110)를 이송시키는 스테이지 이송유닛(120)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 스테이지(110)에 의해 상기 측정 대상물(10)이 상기 영상 촬영부(200)와 상기 제 1, 2 격자 조명부들(300)(400)에 대하여 이동함에 따라, 상기 측정 대상물(10)에서의 측정위치가 변경될 수 있다.
상기 영상 촬영부(200)는 카메라(210), 결상렌즈(220), 필터(230), 원형램프(240)를 포함할 수 있다. 상기 카메라(210)는 상기 측정 대상물(10)로부터 반사되는 광을 인가받아 상기 측정 대상물(10)의 평면영상을 촬영한다. 일예를 들면, 상기 카메라(210)는 CCD 카메라나 CMOS 카메라 중 어느 하나일 수 있다. 상기 결상렌즈(220)는 상기 카메라(210)의 하부에 배치되어 상기 측정 대상물(10)에서 반사되는 광을 상기 카메라(210)에서 결상시킨다. 상기 필터(230)는 상기 결상렌즈(220)의 하부에 배치되어 상기 측정 대상물(10)에서 반사되는 광을 여과시켜 상기 결상렌즈(220)로 제공한다. 일예를 들면, 상기 필터(230)는 주파수 필터, 컬러필터, 광세기 조절필터 중 어느 하나일 수 있다. 상기 원형램프(240)는 상기 필터(230)의 하부에 배치되어 상기 측정 대상물(10)의 2차원 형상과 같은 특이영상을 촬영하기 위해 상기 측정 대상물(10)로 광을 제공할 수 있다.
상기 제 1 격자 조명부(300)는 상기 영상 촬영부(200)의 일측에 상기 측정 대상물(10)을 지지하는 상기 스테이지(110)에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 상기 제 1 격자 조명부(300)는 제 1 격자 패턴광을 상기 측정 대상물(10)에 조사할 수 있다.
상기와 같은 제 1 격자 조명부(300)는 제 1 광원유닛(310), 제 1 격자유닛(320), 제 1 격자 이송유닛(330), 제 1 집광렌즈(340)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 격자 조명부(300)의 제 1 광원유닛(310)은 조명원과 적어도 하나의 렌즈로 구성되어 광을 발생시키고, 상기 제 1 격자유닛(310)에서 발생된 광을 격자무늬 패턴을 갖는 상기 제 1 격자 패턴광으로 변경시킨다. 상기 제 1 격자 이송유닛(330)은 상기 제 1 격자유닛(320)과 연결되어 상기 제 1 격자유닛(320)을 이송시킨다. 일예를 들면, 상기 제 1 격자 이송유닛(330)은 PZT(Piezoelectirc) 이송유닛, 미세직선 이송유닛 중 어느 하나일 수 있다. 상기 제 1 집광렌즈(340)는 상기 제 1 격자유닛(320)의 하부에 배치되어 상기 제 1 격자유닛(320)으로부터 출사된 상기 제 1 격자 패턴광을 상기 측정 대상물(10)로 집광시킨다.
상기 제 2 격자 조명부(400)는 상기 영상 촬영부(200)의 타측에 상기 측정 대상물(10)을 지지하는 상기 스테이지(110)에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 상기 제 2 격자 조명부(400)는 제 2 격자 패턴광을 상기 측정 대상물(10)에 조사할 수 있다.
상기와 같은 제 2 격자 조명부(400)는 제 2 광원유닛(410), 제 2 격자유닛(420), 제 2 격자 이송유닛(430), 제 2 집광렌즈(440)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 격자 조명부(400)는 앞서 설명한 제 1 격자 조명부(300)와 실질적으로 동일하므로 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 제 1 격자 조명부(300)는 상기 제 1 격자 이송유닛(330)이 상기 제 1 격자유닛(320)을 N번 순차적으로 이동시키면서 상기 측정 대상물(10)로 N개의 제 1 격자 패턴광들을 조사할 때, 상기 영상 촬영부(200)는 상기 측정 대상물(10)에서 반사된 상기 N개의 제 1 격자 패턴광들을 순차적으로 인가받아 N개의 제 1 패턴영상들을 촬영할 수 있다. 또한, 상기 제 2 격자 조명부(400)는 상기 제 2 격자 이송유닛(430)이 상기 제 2 격자유닛(420)을 N번 순차적으로 이동하면서 상기 측정 대상물(10)로 N개의 제 2 격자 패턴광들을 조사할 때, 상기 영상 촬영부(200)는 상기 측정 대상물(10)에서 반사된 상기 N개의 제 2 격자 패턴광들을 순차적으로 인가받아 N개의 제 2 패턴영상들을 촬영할 수 있다. 여기서, 상기 N은 자연수이며, 일예로 4일 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 제 1, 2 격자 패턴광들을 발생시키는 조명장치로 상기 제 1, 2 격자 조명부들(300)(400)만을 설명하였으나, 이와 다르게 상기 조명부의 개수는 3개 이상일 수도 있다. 즉, 상기 측정 대상물(10)로 조사되는 격자 패턴광이 다양한 방향에서 조사되어 다양한 종류의 패턴영상들을 촬영할 수 있다.
예를 들어, 3개의 격자 조명부들이 상기 영상 촬영부(200)를 중심으로 정삼각형 형태로 배치될 경우 3개의 격자 패턴광들이 서로 다른 방향에서 상기 측정 대상물(10)로 인가될 수 있고, 4개의 격자 조명부들이 상기 영상 촬영부(200)를 중심으로 정사각형 형태로 배치될 경우 4개의 격자 패턴광들이 서로 다른 방향에서 상기 측정 대상물(10)로 인가될 수 있다. 또한, 8개의 격자 조명부들을 포함할 수 있으며, 이 경우 8개의 방향에서 격자 패턴광을 조사하여 영상을 촬영할 수 있다.
한편, 상기 3차원 형상 측정장치를 이용하여 3차원 형상을 측정할 때, 상기 제 1 격자유닛(320)과 상기 제 2 격자유닛(420)과 같은 격자유닛의 형상은 매우 중요하며, 이에 관해서는 후술한다.
상기 2차원 조명부(450)는 상기 측정 대상물(10)의 2차원적 영상을 획득하기 위한 광을 상기 측정 대상물(10)에 조사한다. 일실시예로, 상기 2차원 조명부(450)는 적색조명(452), 녹색조명(454), 청색조명(456)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 적색조명(452), 녹색조명(454), 청색조명(456)은 상기 측정 대상물(10)의 상부에서 원형으로 배치되어 상기 측정 대상물(10)에 각각 적색광, 녹색광, 청색광을 조사할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 각각 높이가 다르게 설치될 수 있다.
상기 영상 획득부(500)는 상기 영상 촬영부(220)의 카메라(210)와 전기적으로 연결되어 상기 카메라(210)로부터 상기 제 1, 2 격자 조명부(300)(400)에 의한 패턴영상들을 획득하여 저장한다. 또한, 상기 영상 획득부(500)는 상기 카메라(210)로부터 상기 2차원 조명부(450)에 의한 2차원적 영상들을 획득하여 저장한다. 예를 들어, 상기 영상 획득부(500)는 상기 카메라(210)에서 촬영된 상기 N개의 제 1 패턴영상들 및 상기 N개의 제 2 패턴영상들을 인가받아 저장하는 이미지 시스템을 포함한다.
상기 모듈 제어부(600)는 상기 측정 스테이지부(100), 영상 촬영부(200), 제 1 격자 조명부(300), 제 2 격자 조명부(400)와 전기적으로 연결되어 제어된다. 예를 들면, 상기 모듈 제어부(600)는 조명 컨트롤러, 격자 컨트롤러, 스테이지 컨트롤러를 포함할 수 있다. 상기 조명 컨트롤러는 상기 제 1, 2 광원유닛(310)(410)을 각각 제어하여 광을 발생시키고, 상기 격자 컨트롤러는 상기 제 1, 2 격자 이송유닛들(330)(430)을 각각 제어하여 상기 제 1, 2 격자유닛들(320)(420)을 이동시킨다. 상기 스테이지 컨트롤러는 상기 스테이지 이송유닛(120)을 제어하여 상기 스테이지(110)를 상하좌우로 이동시킬 수 있다.
상기 중앙 제어부(700)는 상기 영상 획득부(500) 및 상기 모듈 제어부(600)와 전기적으로 연결되어 각각을 제어한다. 구체적으로, 상기 중앙 제어부(700)는 상기 영상 획득부(500)의 이미지 시스템으로부터 상기 N개의 제 1 패턴영상들 및 상기 N개의 제 2 패턴영상들을 인가받아, 이를 처리하여 상기 측정 대상물(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다. 또한, 상기 중앙 제어부(700)는 상기 모듈 제어부(600)의 조명 컨트롤러, 격자 컨트롤러, 스테이지 컨트롤러를 각각 제어할 수 있다. 이와 같이, 상기 중앙 제어부(700)는 이미지처리 보드, 제어 보드, 인터페이스 보드를 포함할 수 있다.
이하, 상기와 같은 3차원 형상 측정장치를 이용하여 3차원 형상을 측정할 때, 상기 제 1, 2 격자 유닛들(320)(420)의 형상의 중요성을 설명한다.
상기 제 1, 2 격자 패턴광들 각각은 N번, 예를 들어 3번 또는 4번 옆으로 이동하면서 상기 측정 대상물(10)로 조사함으로써, 상기 각 방향마다 상기 측정 대상물에 대한 N개의 제 1, 2 패턴영상들을 획득한다. 예을 들어, 도 1에서와 같이 상기 제 1, 2 격자 조명부들(300)(400)에서 발생된 상기 제 1, 2 격자 패턴광들이 상기 측정 대상물(10)로 조사될 경우 N개의 제 1 패턴영상들과 N개의 제 2 패턴 영상들을 획득할 수 있다.
이어서, 상기 각 방향에서의 N개의 패턴영상들로부터 X-Y 좌표계의 각 위치{i(x,y)}에서의 N개의 밝기정도들{Ii 1, Ii 2, … , Ii N}과, 측정범위(λ)를 추출하고, 이들 중 상기 N개의 밝기정도들{Ii 1, Ii 2, … , Ii N}로부터 상기 각 방향에서의 위상{Pi(x,y)}, 밝기{Ai(x,y)}, 가시도{Vi(x,y)}를 계산해낸다. 이때, 상기 각 방향에서의 위상{Pi(x,y)}, 밝기{Ai(x,y)}, 가시도{Vi(x,y)}는 N-버켓 알고리즘(N-bucket algorism)을 이용하여 계산될 수 있다. 또한, 상기 밝기{Ai(x,y)}는 상기 검출된 격자 패턴광들을 평균하여 얻은 평균밝기인 것이 바람직하다. 따라서, 이하에서는 상기 밝기{Ai(x,y)}를 평균밝기{Ai(x,y)}로 명명한다.
예를 들어, 상기 N이 3일 경우, 상기 각 방향에서의 3개의 패턴영상들로부터 3개의 밝기정도들Ii 1, Ii 2,, Ii 3,}이 추출되고, 3-버켓 알고리즘을 통해 아래의 수식과 같은 위상{Pi(x,y)}, 평균밝기{Ai(x,y)}, 가시도{Vi(x,y)}를 계산해낼 수 있다.
아래 수식에서 Bi(x,y)는 상기 각 방향에서의 3개의 패턴영상들에서의 영상신호(밝기신호)의 진폭을 의미한다.
Figure 112012041058690-pat00001
Figure 112012041058690-pat00002
Figure 112012041058690-pat00003
상기 각 방향에서의 3개의 패턴영상들로부터 추출되는 3개의 밝기정도{Ii 1, Ii 2, Ii 3}들은 아래의 수식을 만족시킨다.
Ii N = ao + a1cosφ + a2cos2φ + a3cos3φ + …
그러나, 상기 3개의 밝기정도{Ii 1, Ii 2, Ii 3}들에 관하여 위와 같은 수식을 적용하면, 수학적으로 해를 구하는 것이 거의 불가능하다. 따라서, ao, a1cosφ의 값에 비해 a2cos2φ, a3cos3φ, …들의 값이 매우 작은 점을 이용하여, 고차항인 2차항 이하는 모두 제거하도록 근사할 수 있으며, 결국 Ii n = ao + a1cosφ의 수식으로 근사할 수 있다.
따라서, 상기 위상{Pi(x,y)}, 평균밝기{Ai(x,y)}, 가시도{Vi(x,y)}등에 관한 수식에 적용되는 Ii N은 Ii 1 = ao + a1cos(Φ)이고, Ii 2 = ao + a1cos(φ+2π/3)이며, Ii 3 = ao + a1cos(φ+4π/3)으로 계산한다.
그러나, 이와 같은 계산방법은 상기 제 1, 2 격자 유닛들(320)(420)로부터 생성된 상기 제 1, 2 격자 패턴광이 완전히 사인파와 일치할 때를 전제로 한 것이므로, 상기 제 1, 2 격자 유닛들(320)(420)로부터 생성된 상기 제 1, 2 격자 패턴광이 사인파 형상에 가깝게 될 수 있도록 상기 제 1, 2 격자 유닛들(320)(420)의 형상을 형성할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 격자유닛을 평면적으로 관측할 때의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제 1 격자유닛(320)은 제 1 방향(D1)을 따라 서로 연결된 복수의 단위 셀(322)이 양측 변에 형성된 양날톱 형태의 복수개의 단위격자(321)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 양날톱 형태의 복수개의 단위격자(321)는 상기 제 1 방향(D1)과 실질적으로 수직한 제 2 방향(D2)을 따라 소정간격 이격되어 병렬로 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 단위격자(321)의 양측변에 형성된 상기 단위 셀들(322)은 삼각형 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 단위 셀들(322)은 제 1 변(322a), 제 2 변(322b), 제 3 변(322c)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 변(322b)의 일측 끝단부는 제 1 변(322a)의 일측 끝단부에 연결되고, 상기 제 3 변(322c)의 일측 끝단부는 제 1 변(322a)의 타측 끝단부에 연결되며, 상기 제 2 변(322b)과 제 3 변(322c)의 타측 끝단부는 서로 연결되어 삼각형 형태의 단위 셀(322)을 형성할 수 있다.
상기 단위 셀들(322)은 제 1 방향(D1)을 따라 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 단위 셀(322)의 제 3 꼭지점(DT3)과 이웃한 단위 셀의 제 1 꼭지점(DT1)이 연결될 수 있다.
그리고, 상기 단위 셀(322)의 제 2 꼭지점(DT2)과 이웃한 단위 셀(322)의 제 2 꼭지점(DT2)과의 거리(H7)는 0보다는 크며 집광렌즈(340)(440)가 두 물체를 분간할 수 있는 최소의 거리인 분해능 보다는 작게 이격되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상 측정장치는 별도의 비점수차 렌즈를 구비하지 않아도 됨으로써 조립이 용이하고 제작단가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 단위격자(321)의 일측에 위치한 단위 셀(322)의 제 1 변(322a)과 단위격자의 타측에 위치한 단위 셀의 제 1 변과의 이격된 거리(H2)와, 서로 이웃하는 단위격자(321)의 이격된 거리(H3) 및, 단위격자(321)의 일측에 위치한 단위 셀(322)의 제 2 꼭지점(DT2)과 이웃하는 단위격자(321)의 일측에 위치한 단위 셀(322)의 제 2 꼭지점(DT2)과의 이격된 거리(H6)는 1:1:3의 비율로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단위격자(321)의 일측에 위치한 단위 셀(322)의 제 1 변(322a)에서부터 제 2 꼭지점(DT2)까지의 거리(H4)와, 단위격자(321)의 타측에 위치한 단위 셀(322)의 제 1 변(322a)에서부터 제 2 꼭지점(DT2)까지의 거리(H5) 및, 단위격자(321)의 일측에 위치한 단위 셀(322)의 제 2 꼭지점(DT2)과 이웃하는 단위격자(321)의 일측에 위치한 단위 셀(322)의 제 2 꼭지점(DT2)과의 거리(H6)는 1:1:6의 비율로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 단위격자(321)는 일측변에 형성된 단위 셀들(322)의 산부위인 제 2 꼭지점(DT2)이 타측변에 형성된 단위 셀들(322)의 제 1 꼭지점(DT1)과 제 3 꼭지점(DT3)이 연결되는 골부위에 위치하도록 양측변에 단위 셀들(322)이 형성될 수 있다. 그리하여 단위격자(321)의 일측변에 형성된 단위 셀들(322)의 제 2 변(322b) 또는 제 3 변(322c)의 임의의 지점에서부터 단위격자(321)의 타측변에 형성된 단위 셀들(322)의 제 2변(322b) 또는 제 3변(322c)의 임의의 지점까지의 수평거리가 단위격자(321) 전체에 걸쳐 모두 동일하게 형성될 수 있도록 한다.
한편, 상기 제 1 격자유닛(320)을 상부에서 평면적으로 관측하면, 상기 제 1 격자유닛(320)은 상기 제 1 격자이송유닛(330)에 의해 좌측에서 우측으로 이송되며, 상기 이송방향은 상기 제1 격자 패턴광을 상부에서 평면으로 관측할 때의 조사방향과 동일하거나 평행할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 격자유닛(320)은 상기 제 2 격자유닛(420)의 배치방향에 평행한 방향, 즉 상기 제 1 방향(D1)에 수직인 제 2 방향(D2)으로 N번 이송하여 상기 제 1 격자 패턴광에 따른 반사 이미지를 상기 측정 대상물(10)로 조사함으로써 상기 측정 대상물(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
또한, 상기 제 2 격자유닛(420)은 앞서 설명한 상기 제 1 격자유닛(320)과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자 패턴광을 시뮬레이션한 영상이며, 도 4는 비교예에 의한 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자패턴광을 시뮬레이션한 영상이다.
도 4에 도시된 바와 같이 종래의 일반적인 3-Step의 격자유닛, 즉 사각형 구조의 격자무늬가 교대로 배치되어 형성되며 상기 격자무늬 사이에 체커보드 구조의 또 다른 격자무늬가 삽입되어 형성된 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자패턴광을 시뮬레이션한 영상을 살펴보면 비교적 뚜렷한 녹색의 사선을 확인할 수 있다. 이는 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자패턴광에 의해 측정되는 측정대상물의 각 위치에 따른 높이가 불규칙하게 측정된다는 것을 의미하는 것으로서 획득된 패턴영상들로부터 측정 대상물의 각 위치에 따른 높이를 계산할 때 정확성이 떨어진다는 것을 의미한다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 격자유닛(320)을 이용하여 획득되는 격자패턴광을 시뮬레이션한 영상을 살펴보면 도 4에 도시된 바와 같은 녹색 사선을 전혀 찾아 볼 수 없으며, 이는 제 1 격자유닛(320)을 이용하여 획득되는 격자패턴광에 의해 측정되는 측정대상물(10)의 각 위치에 따른 높이가 규칙적으로 측정된다는 것을 의미하는 것으로서 획득된 패턴영상들로부터 측정대상물(10)의 각 위치에 따른 높이를 계산할 때 정확성을 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 제 1 격자유닛을 이용하여 ??득되는 격자 패턴광을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 양날톱 형상의 단위격자(321)를 이용한 제 1 격자유닛(320)을 통과하며 발생되는 제 1 격자 패턴광에 대한 파형을 획득하여 좌측에 나타내었고, 이에 대한 Ii N = ao + a1cosφ + a2cos2φ + a3cos3φ + … 에서의 각 항의 기여도를 우측에 나타내었다. 우측에 나타난 피크(peak)점의 위치에 따라서 상기 각 항의 기여도를 확인할 수 있다.
도 5에 나타난 바와 같이 피크점의 위치가 앞의 두 지점에서만 지배적으로 나타난 것을 확인할 수 있다. 따라서, 세 번째 항 이하, a2cos2φ + a3cos3φ + …는 무시해도 오차가 거의 없음을 알 수 있다.
도 6은 비교예에 따른 3-Step 타입의 격자유닛을 이용하여 획득되는 격자 패턴광을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 광원유닛(310)에서 발생된 광이 3-Step 타입의 격자유닛을 통과하며 발생되는 격자패턴광에 대한 파형을 획득하여 좌측에 나타내었고, 이에 대한 Ii N = ao + a1cosφ + a2cos2φ + a3cos3φ + … 에서의 각 항의 기여도를 우측에 나타내었다. 우측에 나타난 피크(peak)점의 위치에 따라서 상기 각 항의 기여도를 확인할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 3-Step 타입의 격자유닛은 피크점의 위치가 앞의 두 지점 이외의 지점에서도 무시할 수 없을 정도로 나타난 것을 확인할 수 있다. 따라서 세 번째 항 이하, 즉 a2cos2φ + a3cos3φ + …를 무시하는 경우 오차가 크게 나타남을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 형상 측정장치는 양날톱 형상의 복수개의 단위격자(321)가 소정 간격으로 병렬로 배치된 제 1, 2 격자유닛(320)(420)을 사용함으로써 양날톱 형상의 복수개의 단위격자(321)가 형성된 제 1, 2 격자유닛(320)(420)의 구조에 대응하여 측정대상물(10)에 조사되는 격자 패턴광을 사인파에 근접하게 생성시킴으로써, 영상 획득부500)에서 획득된 패턴영상들로부터 측정대상물(10)의 각 위치에 따른 높이를 계산할 때 정확성을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
(100) : 측정 스테이지부 (200) : 영상 촬영부
(300) : 제 1 격자 조명부 (400) : 제 2 격자 조명부
(500) : 영상 획득부 (600) : 모듈 제어부
(700) : 중앙 제어부

Claims (6)

  1. 측정대상물을 지지하는 스테이지부에 대하여 경사지게 배치되어, 격자 패턴광을 상기 측정대상물에 조사하는 적어도 하나의 격자 조명부;
    상기 측정대상물의 2차원적 영상을 획득하기 위한 광을 상기 측정대상물에 조사하는 적어도 하나의 2차원 조명부; 및
    상기 측정대상물로부터 반사되는 광을 인가받아 상기 측정대상물의 평면 영상을 촬영하는 영상 촬영부를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 격자 조명부는,
    광을 발생시키는 광원유닛;
    서로 연결된 복수개의 단위 셀이 양측 변에 형성된 양날 톱 형상의 복수개의 단위격자가 소정간격 이격되도록 배치되어, 상기 광원유닛으로부터 발생된 광을 격자무늬를 갖는 격자 패턴광으로 변경시키는 격자유닛; 및
    상기 격자유닛으로부터 출사된 상기 격자 패턴광을 측정 대상물로 집광시키는 집광렌즈를 포함하며,
    상기 단위격자는, 일측변에 형성된 단위 셀들의 산부위가 타측변에 형성된 단위 셀들의 골부위에 위치하도록 양측변에 단위 셀들이 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 셀은, 삼각형 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 서로 이웃하는 단위 셀의 끝단부의 이격된 거리(H7)는, 0보다는 크며 상기 집광렌즈가 두 물체를 분간할 수 있는 최소의 거리인 분해능 보다는 작게 이격되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 1 변과, 단위격자의 타측에 위치한 단위 셀의 제 1 변과의 이격된 거리(H2)와,
    서로 이웃하는 단위격자의 이격된 거리(H3) 및,
    상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과 이웃하는 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과의 이격된 거리(H6)는,
    1:1:3의 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 1 변에서부터 제 2 꼭지점까지의 거리(H4)와,
    상기 단위격자의 타측에 위치한 단위 셀의 제 1 변에서부터 제 2 꼭지점까지의 거리(H5) 및,
    상기 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과 이웃하는 단위격자의 일측에 위치한 단위 셀의 제 2 꼭지점과의 거리(H6)는,
    1:1:6의 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  6. 삭제
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