KR101479404B1 - 고정밀/대면적 측정을 위한 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
고정밀/대면적 측정을 위한 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법 및 시스템이 개시된다. 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법은, 형상 측정 장치를 이용하여 측정되는 상기 3차원 측정데이터를 획득하는 단계, 상기 3차원 측정데이터의 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll) 및 Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정하는 1차 교정 단계, 상기 3차원 측정데이터의 Z축에 대한 회전오차(Yaw)를 교정하는 2차 교정 단계 및 상기 3차원 측정데이터의 선형위치결정(Linear Positioning) 및 수평진직도(Horizontal Straightness)를 교정하는 3차 교정 단계를 포함 할 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 고정밀, 대면적 측정을 위한 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법과 그 시스템에 관한 것이다.
오늘날 산업이 발전함에 따라 고정밀 부품에 대한 요구가 증대되고 있다. 고정밀 부품의 생산을 위해서는 가공표면의 미세형상을 정밀하게 측정/평가할 수 있어야 한다. 그 방법으로는 여전히 접촉식(촉침식) 방법이 산업 현장에서 널리 사용되고 있다. 하지만 접촉식 측정기의 촉침의 크기로 인한 측정 프로파일의 왜곡, 측정압으로 인한 소성변형, 측정속도의 한계 등의 문제점을 가지고 있다.
측정데이터를 정합하는 방법에는 크게 영상의 특징점을 추출하여 정합하는 영상처리기법과 인접한 측정영역 사이에 존재하는 공통영역의 높이의 차이가 최소가 되도록 하는 최소제곱접합(Least Squares Fitting) 방법이 있다.
특징점을 추출하여 정합하는 방법은 파노라마 영상을 만들거나, 패턴인식과 같은 영상처리에서 많이 사용되며, 특징점을 가지고 있는 영상만 강인하게 정합할 수 있는 한계가 있다. 그에 비해, 최소제곱접합 방법의 경우, 기계적 이송장치를 이용하여 순차적으로 측정한 여러 개의 측정영역들 사이에 존재하는 공통영역(Common Area; Overlap Area) 내의 높이 차이가 최소가 되도록 접합함으로써 특징점이 없는 기계가공면과 같은 미세형상의 정합에 적합하다.
그러나 최소제곱접합을 이용한 정합 방법은 기계적 이송 장치의 오차와 측정프로브와 이송 장치 사이의 자세오차에 의해 정합 정밀도가 제한된다는 단점을 가진다. 그래서 미세형상의 정합에 적합한 최소제곱접합을 이용한 정합 방법의 단점을 극복하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다.
순차적으로 측정된 측정데이터를 하나씩 차례로 붙여나가는 순차적 최소제곱접합(Sequential Least Squares Fitting)은 그 적용이 비교적 쉬워서 간섭현미경을 이용한 정합에 대한 연구에 많이 사용되고, 상용 간섭현미경에 적용되었다.
그러나 이 방법은 정합으로 인해 발생하는 오차가 누적되어 전체 영역에 그 누적오차가 영향을 끼치는 경우가 종종 발생한다. 그에 비해 측정된 측정데이터를 인접한 모든 공통영역에 대해 최적화된 값으로 정합시키는 전체적 최소제곱접합(Global least Squares Fitting)이 있다.
이 전체적 최소제곱접합 방법은 누적오차가 발생하지 않는 장점은 있지만, 모든 측정영역에 대해 인접한 공통영역의 좌표 및 관계를 명확히 해야 하는 어려움이 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 특징점이 없는 기계가공면과 같은 미세형상을 측정한 3차원 데이터의 정합은 최소제곱접합(sequential least squares fitting)이 적합하다. 그러나 현재 제안되고 사용되고 있는 최소제곱접합을 이용하고 있는 정합 방법은 모두 3자유도로 데이터를 교정한다.
위에서 언급한 바와 같이, 특징점이 없는 기계가공면과 같은 미세형상을 측정한 3차원 데이터의 정합은 최소제곱접합이 적합하다. 그러나 현재 제안되고 사용되고 있는 최소제곱접합을 이용하고 있는 정합 방법은 모두 3자유도로 데이터를 교정한다.
즉, 3자유도 정합 방법은 도 1과 같이, X축과 Y축 방향에 대한 회전오차(Roll, Pitch) 와 Z축에 대한 수직진직도(Vertical Straightness)에 대한 오차가 최소가 되도록 정합을 한다. 그로 인해서 스테이지의 이송오차가 횡방향 분해능에 비해 작은 경우만 사용이 정합의 신뢰성이 유효하였다.
그러나 고배율의 대물렌즈를 사용하여 측정하는 경우, 횡방향 분해능이 작아져서 측정데이터를 정합하려면 그에 상응하는 스테이지의 정확도와 정밀도를 가져야 한다. 따라서, 기존의 정합 방법에서는 스테이지의 진직도와 측정 프로브의 자세로 인한 오차만을 고려하였고, 스테이지의 구동 오차는 고려하지 못하였다.
기존 기술로서, 5-자유도 정합 방법은 스테이지의 진직도와 구동 오차를 고려한 정합 방법으로 제시되었다. 5-자유도 정합 방법은 3차원 현미경과 같은 일정 수준 이상의 측정 환경의 제어가 가능하고 스테이지의 성능도 측정기의 횡방향 분해능과 유사한 등급일 때, 효율적으로 정합이 가능하다.
그러나 상기와 같은 조건을 만족시키기 어려운 측정 환경에서는 계산량이 더 많더라도 조금 더 일반적인 정합 방법이 필요하다.
본 발명의 일실시예는 보다 일반적인 측정 환경에서 이용할 수 있는 정합 방법을 제공하기 위한 것이다.
자세하게는 기존의 최소제곱접합을 이용한 3자유도 정합 방법을 대체하고, 6자유도의 기하학적 오차 성분 모두를 최소화하여 측정데이터의 정합 오차를 교정하기 위한 것이다.
3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법에 있어서, 형상 측정 장치를 이용하여 측정되는 상기 3차원 측정데이터를 획득하는 단계; 상기 3차원 측정데이터의 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll) 및 Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정하는 1차 교정 단계; 상기 3차원 측정데이터의 Z축에 대한 회전오차(Yaw)를 교정하는 2차 교정 단계; 및 상기 3차원 측정데이터의 선형위치결정(Linear Positioning) 및 수평진직도(Horizontal Straightness)를 교정하는 3차 교정 단계를 포함하는 6자유도 정합 방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 1차 교정 단계는 상기 3차원 측정데이터의 인접한 측정영역 사이의 관계를 나타내는 평면 방정식의 계수들을 최소제곱법을 이용하여 산출하여 상기 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll), Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정하고, 상기 계수들은 각각 상기 X축에 대한 회전오차, 상기 Y축에 대한 회전오차 및 상기 수직진직도에 대응하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 2차 교정 단계는 서로 인접한 측정영역이 오버랩되는 영역인 공통영역 내에 포함되는 복수의 추출영역(extraction area) 각각에 대해, 데이터를 추출하고, 추출된 데이터 쌍간의 상호상관함수(cross-correlation)를 이용하여 상기 Z축에 대한 회전오차를 교정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 2차 교정 단계는 상기 상호상관함수의 계수가 최대가 되는 공간지연(spatial delay) 값을 산출하고, 상기 공간지연 값에 대한 벡터들의 각도 차를 이용하여 상기 Z축에 대한 회전오차를 추정함으로써, 상기 Z축에 대한 회전오차를 교정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 3차 교정 단계는 상기 3차 교정 단계는 서로 인접한 측정영역이 오버랩되는 영역인 공통영역 내에 포함되는 복수의 추출영역(extraction area) 각각에 대해, 데이터를 추출하고, 추출된 데이터 쌍간의 상호상관함수(cross-correlation)를 통해 나타나는 공간지연을 이용하여 상기 선형위치결정 및 상기 수평진직도를 추정함으로써, 상기 선형위치결정 및 상기 수평진직도를 교정하고, 상기 복수의 추출영역 중 하나의 추출영역은 상기 복수의 추출영역 중 다른 하나의 추출영역을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 3차원 측정데이터의 오차 범위를 기계적 이송장치(Stage)의 정밀도로 제한시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 3차원 측정데이터는 상기 형상 측정 장치에서 측정되는 측정영역 내의 높이 정보를 기계적 이송장치(stage)를 통해 순차적으로 측정한 복수의 측정데이터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 3차원 측정데이터의 측정영역의 형태는 사각형 또는 원형을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 1차 교정 단계, 상기 제2 교정 단계 및 상기 제3 교정 단계는 측정대상의 형상에 따라 실행 순서가 변경되는 것을 특징으로 할 수 있다.
3차원 측정데이터의 6자유도 정합 시스템에 있어서, 형상 측정 장치를 이용하여 측정되는 상기 3차원 측정데이터를 획득하는 획득부; 상기 3차원 측정데이터의 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll) 및 Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정하는 1차 교정부; 상기 3차원 측정데이터의 Z축에 대한 회전오차(Yaw)를 교정하는 2차 교정부; 및 상기 3차원 측정데이터의 선형위치결정(Linear Positioning) 및 수평진직도(Horizontal Straightness)를 교정하는 3차 교정부를 포함하는 6자유도 정합 시스템을 제공한다.
기존의 최소제곱접합을 이용한 3자유도 정합 방법을 대체할 수 있으며, 구동으로 인해 반드시 나타나는 6자유도의 기하학적 오차성분 모두를 최소화하여 측정데이터의 정합 오차를 교정할 수 있다.
또한, 이 6자유도 정합 방법을 이용하면, 측정데이터의 횡방향 분해능에 비해 구동정밀도가 낮은 스테이지를 사용하여도 신뢰성 높은 정합 데이터를 얻을 수 있어서 측정기 개발/제작 비용 절감 및 정합 오차를 낮출 수 있다.
따라서, 발명된 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법은 정밀도가 높은 대면적 측정데이터를 획득할 수 있는 기반이 될 수 있다.
또한, 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법은 서로 다른 분해능을 갖는 이종의 측정기를 이용하여 동일한 영역을 측정하는 경우에, 두 측정데이터간에 기하학적 관계를 일치시키기 위해 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 인접한 두 측정영역 사이에서 서로 가질 수 있는 6가지의 기하학적 오차(Geometric Error) 모두를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, Z축에 대한 회전오차에 의해 발생하는 측정영역들의 기하학적 관계를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 6자유도 정합 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 6자유도 정합 시스템의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 상호상관함수와 공간지연을 이용하여 위치결정오차와 수평진직도를 추정하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, Z축에 대한 회전오차를 교정하기 위한 데이터 추출영역을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 선형위치결정 및 수평진직도를 교정하기 위한 공통영역 내의 데이터 추출영역을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 상호상관함수와 공간지연을 이용하여 위치결정오차와 수평진직도를 추정하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 기계적 이송장치를 통해 순차적으로 데이터가 측정되는 측정대상의 측정영역들을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 임의의 측정대상과 임의의 측정대상을 두 번에 걸쳐 순차적으로 측정한 측정데이터들의 일례를 도시한 도면이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일실시예에 있어서, 측정데이터들에 순차적으로 교정을 수행한 결과의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, Z축에 대한 회전오차에 의해 발생하는 측정영역들의 기하학적 관계를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 6자유도 정합 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 6자유도 정합 시스템의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 상호상관함수와 공간지연을 이용하여 위치결정오차와 수평진직도를 추정하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, Z축에 대한 회전오차를 교정하기 위한 데이터 추출영역을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 선형위치결정 및 수평진직도를 교정하기 위한 공통영역 내의 데이터 추출영역을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 상호상관함수와 공간지연을 이용하여 위치결정오차와 수평진직도를 추정하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 기계적 이송장치를 통해 순차적으로 데이터가 측정되는 측정대상의 측정영역들을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 임의의 측정대상과 임의의 측정대상을 두 번에 걸쳐 순차적으로 측정한 측정데이터들의 일례를 도시한 도면이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일실시예에 있어서, 측정데이터들에 순차적으로 교정을 수행한 결과의 일례를 도시한 도면이다.
이하, 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법과 그 시스템에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 인접한 두 측정영역의 사이에서 서로 가질 수 있는 6가지의 기하학적 오차 모두를 도시하고 있다.
여기서, 오차는 각각 위치결정오차(Linear Positioning; 
), 수평진직도(Horizontal Straightness; 
), 수직진직도(Vertical Straightness; 
), X축에 대한 회전오차(Roll; 
), Y축에 대한 회전오차(Pitch; 
), Z축에 대한 회전오차(Yaw; 
)를 나타내며, 이러한 6가지의 오차를 모두 제거하거나 최소화하여 인접한 측정영역 사이의 관계를 명확히 해야 할 필요가 있다. 본 발명의 실시예들에서는 기존의 ‘5자유도 정합 방법’에서 제안하지 않았던 Z축에 대한 회전오차(Yaw; 
)를 포함하여 총 6가지의 오차성분을 모두 최소화 하는 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, Z축에 대한 회전오차에 의해 발생하는 측정영역들의 기하학적 관계를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2에서는 리니어 가이드(linear guide)의 정밀도가 주요 요인으로 Z축에 대한 회전오차가 발생하며, 측정프로브와 스테이지의 제작, 조립 공차 등으로 인해서도 회전오차는 발생 가능하다. 이러한 회전오차는 단일 측정영역의 크기가 커질수록 측정데이터에 더 많은 영향을 미친다. 예를 들어, 현미경과 같이 미소한 영역을 측정하는 경우에는 Z축에 대한 회전오차의 영향이 비교적 작지만, 일반적인 스케일의 측정이나 하나의 측정영역이 큰 경우(일례로, 대형 망원경(Giant Magellan Telescope)의 대형 광학계(반사경)의 가공을 위한 측정)에는 Z축에 대한 회전오차 성분도 반드시 고려해야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 6자유도 정합 방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 6자유도 정합 시스템의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 도 3의 실시예에 따른 6자유도 정합 방법은 도 4의 실시예에 따른 6자유도 정합 시스템(400)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 6자유도 정합 방법이 포함하는 각각의 단계들은 6자유도 정합 시스템(400) 또는 6자유도 정합 시스템(400)이 포함하는 구성요소에 의해 수행될 수 있다. 6자유도 정합 시스템(400)은 도 4에 도시된 바와 같이, 획득부(410), 1차 교정부(420), 2차 교정부(430) 및 3차 교정부(440)를 포함할 수 있다.
단계(310)에서 6자유도 정합 시스템(400) 또는 획득부(410)는 형상 측정 장치를 이용하여 측정되는 3차원 측정데이터를 획득할 수 있다. 여기서, 3차원 측정데이터는 형상 측정 장치에서 측정되는 측정영역(Field Of View, F.O.V.) 내의 높이 정보를 기계적 이송장치(stage)를 통해 순차적으로 측정한 복수의 측정데이터를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 측정데이터들 중 서로 인접한 측정데이터간에는 나타나는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw), 수직진직도(vertical straightness), 선형위치결정(linear positioning) 및 수평진직도(horizontal straightness) 각각에 대해, 상술한 6가지의 오차성분이 나타나게 된다. 본 실시예에 따른 6자유도 정합 방법은 이러한 오차성분을 최소화하여 순차적으로 측정된 측정데이터들을 정합(stitching)할 수 있다.
이를 위해, 6자유도 정합 방법은 단계(320) 내지 단계(340)를 더 포함할 수 있다. 이때, 단계(320) 내지 단계(340)는 측정대상의 형상에 따라 수행되는 순서가 변경될 수 있다.
형상 측정 장치는 6자유도 정합 시스템(400)에 포함되거나 또는 6자유도 정합 시스템(400)과 서로 연계되어 유무선 인터페이스를 통해 통신하도록 구성될 수 있다.
단계(320)에서 6자유도 정합 시스템(400) 또는 1차 교정부(420)는 3차원 측정데이터의 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll), Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정할 수 있다. 일례로, 서로 인접한 측정영역 사이의 관계는 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll) 및 Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 포함한 인접한 두 측정영역 사이의 관계의 일례를 나타낸 도면이다. 이때, 도 5에 나타난 평면 방정식의 계수 a, b 및 c는 X축에 대한 회전오차, Y축에 대한 회전오차 및 수직진직도에 각각 대응할 수 있다. 도 5에 도시된 평면 방정식은 아래 수학식 1과 같다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 6자유도 정합 시스템(400) 또는 1차 교정부(420)는 단계(320)에서 3차원 측정데이터의 인접한 측정영역 사이의 관계를 나타내는 평면 방정식의 계수들(상술한 a, b 및 c)을 최소제곱법을 이용하여 산출함으로써, X축에 대한 회전오차, Y축에 대한 회전오차 및 수직진직도를 교정할 수 있다.
단계(330)에서 6자유도 정합 시스템(400) 또는 2차 교정부(430)는 3차원 측정데이터의 z축에 대한 회전오차(Yaw)를 교정할 수 있다. 3차원 측정데이터는 공통영역(Common Area; Overlap Area) 내부에 서로 다른 위치의 복수의 추출영역을 가질 수 있다. 여기서, 공통영역은 이미 설명한 바와 같이, 서로 인접한 측정영역간에 오버랩되는 영역을 의미할 수 있고, 추출영역은 이러한 공통영역의 내부에 포함되는 서로 다른 위치의 영역일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, Z축에 대한 회전오차를 교정하기 위한 데이터 추출영역을 도시한 도면이다. 도 6에서는 Z축에 대한 회전오차 'θ aw '가 공통영역 내의 두 개의 추출영역(Extraction area)을 나타내고 있다. 도 6의 일례에서는 두 개의 추출영역간 거리가 측정영역의 수직 높이의 1/3이 되도록 추출영역을 결정한 예를 나타내고 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 6자유도 정합 시스템(400) 또는 2차 교정부(430)는 단계(330)에서 복수의 추출영역 각각에 대해 추출된 데이터 쌍간의 상호상관함수(cross-correlation)를 이용하여 상기 Z축에 대한 회전오차를 교정할 수 있다. 예를 들어, 6자유도 정합 시스템(400) 또는 2차 교정부(430)는 단계(330)에서 상호상관함수의 계수가 최대가 되는 공간지연(spatial delay) 값을 산출하고, 공간지연 값에 대한 벡터들의 각도 차를 이용하여 Z축에 대한 회전오차를 추정함으로써, Z축에 대한 회전오차를 교정할 수 있다.
단계(340)에서 6자유도 정합 시스템(400) 또는 3차 교정부(440)는 3차원 측정데이터의 선형위치결정(Linear Positioning) 및 수평진직도(Horizontal Straightness)를 교정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 선형위치결정 및 수평진직도를 교정하기 위한 공통영역 내의 데이터 추출영역을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 상호상관함수와 공간지연을 이용하여 위치결정오차와 수평진직도를 추정하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 7에 나타난 데이터 추출영역은 하나의 데이터 추출영역이 다른 하나의 데이터 추출영역을 포함하는 형태로 구성되어 있다. 이러한 데이터 추출영역간의 상호상관함수를 통해 도 8에서와 같이 공간지연을 측정할 수 있으며, 측정된 공간지연을 이용하여 선형위치결정 및 수평진직도가 추정될 수 있다.
도 7 및 도 8에서 설명하는 공통영역은 단계(330)과 단계(320)에 의해 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll), Y축에 대한 회전오차(Pitch) 및 z축에 대한 회전오차(Yaw)가 교정된 공통영역을 나타내고 있다. 그러나, 이미 설명한 바와 같이, 오차성분의 교정 순서(단계(320) 내지 단계(340)의 순서)는 측정대상의 형상에 따라 유연하게 변경될 수 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 6자유도 정합 시스템(400) 또는 3차 교정부(440)는 단계(340)에서 동일한 측정영역에 포함된 복수의 추출영역 각각에 대해 추출된 데이터 쌍간의 상호상관함수를 통해 나타나는 공간지연을 이용하여 선형위치결정 및 수평진직도를 추정함으로써, 선형위치결정 및 수평진직도를 교정할 수 있다. 이때, 복수의 추출영역 중 하나의 추출영역은 복수의 추출영역 중 다른 하나의 추출영역을 포함하도록 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 기계적 이송장치를 통해 순차적으로 데이터가 측정되는 측정대상의 측정영역들을 나타낸 도면이다. 도 9에서는 측정대상에 대해 측정된 복수의 측정영역들을 나타내고 있으며, 이러한 복수의 측정영역들 중 서로 인접함 측정영역들간에 공통영역(Common Area; Overlap Area)이 존재함을 나타내고 있다. 이때, 이미 설명한 바와 같이, 기계적 이송장치와 형상 측정 장치를 이용하여 각각의 측정영역들에 대한 측정데이터들이 생성될 수 있으며, 공통영역에 대한 높이 차이가 최소가 되도록 서로 인접한 측정영역의 측정데이터들에 대한 오차들이 교정될 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 임의의 측정대상과 임의의 측정대상을 두 번에 걸쳐 순차적으로 측정한 측정데이터들의 일례를 도시한 도면이다.
도 10은 임의의 측정대상과 측정대상에서 순차적으로 측정하기 위한 두 개의 측정영역(FOV1 및 FOV2)을 나타내고 있다. 이때, 도 11은 측정영역 FOV1에 대한 측정데이터를, 도 12는 측정영역 FOV2에 대한 측정데이터를 각각 나타내고 있다. FOV1은 FOV1과 FOV2의 정합을 위한 기준면으로 활용되었고, 기준면 FOV1에 대해 FOV2는 앞서 설명한 6가지의 모든 기하학적 오차성분이 유입된 일례를 나타내고 있다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일실시예에 있어서, 측정데이터들에 순차적으로 교정을 수행한 결과의 일례를 도시한 도면이다.
도 13은 기계적 이송장치(stage)의 이송량만을 이용하여 FOV1 및 FOV2를 정합한 결과의 일례를 나타내고 있다.
도 14는 도 13의 결과에서 최소제곱법을 이용하여 수직진직도, X축에 대한 회전오차 및 Y축에 대한 회전오차를 교정하여 각각의 오차를 최소화한 결과의 일례를 나타내고 있다. 수직진직도, X축에 대한 회전오차 및 Y축에 대한 회전오차를 교정하는 것은 도 3의 단계(320)를 통해 설명한 바 있다.
도 15는 도 14의 결과에서 상호상관함수를 이용하여 Z축에 대한 회전오차를 교정한 결과의 일례를 나타내고 있다. Z축에 대한 회전오차를 교정하는 것은 도 3의 단계(330)를 통해 설명한 바 있다.
도 16은 도 15의 결과에서 상호상관함수를 이용하여 위치결정오차 및 수평진직도를 교정한 결과의 일례를 나타내고 있다. 위치결정오차 및 수평진직도를 교정하는 것은 도 3의 단계(340)를 통해 설명한 바 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 기존의 최소제곱접합을 이용한 3자유도 정합 방법을 대체할 수 있으며, 구동으로 인해 반드시 나타나는 6자유도의 기하학적 오차성분 모두를 최소화하여 측정데이터의 정합 오차를 교정할 수 있다. 또한, 이 6자유도 정합 방법을 이용하면, 측정데이터의 횡방향 분해능에 비해 구동정밀도가 낮은 스테이지를 사용하여도 신뢰성 높은 정합 데이터를 얻을 수 있어서 측정기 개발/제작 비용 절감 및 정합 오차를 낮출 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법은 정밀도가 높은 대면적 측정데이터를 획득할 수 있는 기반이 될 수 있다. 또한, 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법은 서로 다른 분해능을 갖는 이종의 측정기를 이용하여 동일한 영역을 측정하는 경우에, 두 측정데이터간에 기하학적 관계를 일치시키기 위해 적용될 수도 있다.
이상에서 설명된 시스템은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 시스템 및 시스템의 구성요소들은, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
400: 6자유도 정합 시스템
410: 획득부
420: 1차 교정부
430: 2차 교정부
440: 3차 교정부
410: 획득부
420: 1차 교정부
430: 2차 교정부
440: 3차 교정부
Claims (13)
- 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법에 있어서,
형상 측정 장치를 이용하여 측정되는 상기 3차원 측정데이터를 획득하는 단계;
상기 3차원 측정데이터의 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll) 및 Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정하는 1차 교정 단계;
상기 3차원 측정데이터의 Z축에 대한 회전오차(Yaw)를 교정하는 2차 교정 단계; 및
상기 3차원 측정데이터의 선형위치결정(Linear Positioning) 및 수평진직도(Horizontal Straightness)를 교정하는 3차 교정 단계
를 포함하고,
상기 2차 교정 단계는,
서로 인접한 측정영역이 오버랩되는 영역인 공통영역 내에 포함되는 복수의 추출영역(extraction area) 각각에 대해, 데이터를 추출하고, 추출된 데이터 쌍간의 상호상관함수(cross-correlation)를 이용하여 상기 Z축에 대한 회전오차를 교정하고,
상기 복수의 추출영역은,
상기 공통영역의 내부에 포함된 서로 다른 위치의 영역으로서, 복수의 추출 영역 간의 거리와 측정영역의 수직 높이에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 제1항에 있어서,
상기 1차 교정 단계는,
상기 3차원 측정데이터의 인접한 측정영역 사이의 관계를 나타내는 평면 방정식의 계수들을 최소제곱법을 이용하여 산출하여 상기 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll), Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정하고,
상기 계수들은 각각 상기 X축에 대한 회전오차, 상기 Y축에 대한 회전오차 및 상기 수직진직도에 대응하는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 2차 교정 단계는,
상기 상호상관함수의 계수가 최대가 되는 공간지연(spatial delay) 값을 산출하고, 상기 공간지연 값에 대한 벡터들의 각도 차를 이용하여 상기 Z축에 대한 회전오차를 추정함으로써, 상기 Z축에 대한 회전오차를 교정하는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 제1항에 있어서,
상기 3차 교정 단계는,
서로 인접한 측정영역이 오버랩되는 영역인 공통영역 내에 포함되는 복수의 추출영역(extraction area) 각각에 대해 데이터를 추출하고, 상기 추출된 데이터 쌍간의 상호상관함수(cross-correlation)를 통해 나타나는 공간지연을 이용하여 상기 선형위치결정 및 상기 수평진직도를 추정함으로써, 상기 선형위치결정 및 상기 수평진직도를 교정하고,
상기 복수의 추출영역 중 하나의 추출영역은 상기 복수의 추출영역 중 다른 하나의 추출영역을 포함하는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 제1항에 있어서,
상기 3차원 측정데이터의 오차 범위를 기계적 이송장치(Stage)의 정밀도로 제한시키는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 제1항에 있어서,
상기 3차원 측정데이터는, 상기 형상 측정 장치에서 측정되는 측정영역 내의 높이 정보를 기계적 이송장치(stage)를 통해 순차적으로 측정한 복수의 측정데이터를 포함하는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 제1항에 있어서,
상기 3차원 측정데이터의 측정영역의 형태는 사각형 또는 원형을 포함하는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 제1항에 있어서,
상기 1차 교정 단계, 상기 제2 교정 단계 및 상기 제3 교정 단계는 측정대상의 형상에 따라 실행 순서가 변경되는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 방법. - 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 시스템에 있어서,
형상 측정 장치를 이용하여 측정되는 상기 3차원 측정데이터를 획득하는 획득부;
상기 3차원 측정데이터의 수직진직도(Vertical Straightness), X축에 대한 회전오차(Roll) 및 Y축에 대한 회전오차(Pitch)를 교정하는 1차 교정부;
상기 3차원 측정데이터의 Z축에 대한 회전오차(Yaw)를 교정하는 2차 교정부; 및
상기 3차원 측정데이터의 선형위치결정(Linear Positioning) 및 수평진직도(Horizontal Straightness)를 교정하는 3차 교정부
를 포함하고,
상기 2차 교정부는,
서로 인접한 측정영역이 오버랩되는 영역인 공통영역 내에 포함되는 복수의 추출영역(extraction area) 각각에 대해, 데이터를 추출하고, 추출된 데이터 쌍간의 상호상관함수(cross-correlation)를 이용하여 상기 Z축에 대한 회전오차를 교정하고,
상기 복수의 추출영역은,
상기 공통영역의 내부에 포함된 서로 다른 위치의 영역으로서, 복수의 추출 영역 간의 거리와 측정영역의 수직 높이에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 6자유도 정합 시스템. - 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 3차원 측정데이터는, 상기 형상 측정 장치에서 측정되는 측정영역 내의 높이 정보를 기계적 이송장치(stage)를 통해 순차적으로 측정한 복수의 측정데이터를 포함하는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 시스템. - 제10항에 있어서,
측정대상의 형상에 따라 상기 1차 교정부, 2차 교정부 및 3차 교정부의 동작 순서가 결정되는 것
을 특징으로 하는 6자유도 정합 시스템.
Priority Applications (1)
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| KR20130060619A KR101479404B1 (ko) | 2013-05-28 | 2013-05-28 | 고정밀/대면적 측정을 위한 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법 및 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20130060619A KR101479404B1 (ko) | 2013-05-28 | 2013-05-28 | 고정밀/대면적 측정을 위한 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법 및 시스템 |
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| KR20130060619A KR101479404B1 (ko) | 2013-05-28 | 2013-05-28 | 고정밀/대면적 측정을 위한 3차원 측정데이터의 6자유도 정합 방법 및 시스템 |
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| JP2001324311A (ja) * | 2000-05-12 | 2001-11-22 | Canon Inc | ３次元形状測定機及びその測定方法 |
| KR20140011569A (ko) * | 2012-07-17 | 2014-01-29 | 한양대학교 에리카산학협력단 | 삼차원 프로파일 데이터의 ５ 자유도 정합 방법 및 시스템 |
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2013
- 2013-05-28 KR KR20130060619A patent/KR101479404B1/ko active IP Right Grant
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
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| 논문(2012.05) * |
| 논문(2012.05)* |
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