KR101538319B1 - 3차원 형상 측정 장치 및 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법 - Google Patents

3차원 형상 측정 장치 및 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법 Download PDF

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Abstract

3차원 형상 측정 장치는 광패턴 출력 모듈로부터 출력된 격자 무늬의 광신호를 결상시키는 제1결상 광학계, 상기 제1결상 광학계에 의해 결상된 상기 광신호를 굴절시켜 피검체로 출력하는 보조 광학계, 상기 피검체에 반사되어 상기 보조 광학계에 의해 굴절된 상기 광신호를 결상시키는 제2결상 광학계 및 상기 제2결상 광학계에 의해 결상된 상기 광신호에 기초하여 상기 피검체의 3차원 형상을 측정하는 형상 측정 모듈을 포함한다.

Description

3차원 형상 측정 장치 및 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법{THREE- DIMENSIONAL SHAPE MEASURING APPARATUS AND MEASURING METHOD USING THE SAME}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 3차원 형상 측정 장치에 관한 것으로, 특히 3차원 형상 측정을 위해 사용되는 광신호의 광 경로에 보조 광학계를 포함함으로써 효율적인 구조를 갖는 3차원 형상 측정 장치 및 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 관한 것이다.
3차원 형상 측정 기술들은 주로 산업현장에서 제품의 품질검사 내지는 조립라인에서의 불량품검출 등에 부분적으로 사용되어 왔다. 하지만, 최근 3차원 형상 측정 기술들의 적용 분야는 의학 산업, 영화 산업, 엔터테인먼트 (entertainment) 산업, 의복 산업 등의 다양한 분야로 그 응용범위가 확장되고 있다.
의학 산업에서는 인체의 3차원 형상측정을 통해서 인체의 이상 유무를 검사한다. 또한, 뼈의 손상이 큰 경우 뼈 모양의 완벽한 복원을 위해서 3차원 형상 측정 기술을 사용하기도 한다.
영화 산업에서도 3차원 형상 측정을 통해 배우의 동작을 측정하고 이를 CAD(Computer Aided Design) 처리함으로써, 사람이 직접 할 수 없거나 높은 위험이 따르는 연기를 대체하고 있다.
또한, 엔터테인먼트나 캐릭터 산업에서는 보다 인간의 모습에 가깝고 자연스러운 동작이나 모습을 위해서 3차원 형상 측정 기술을 유효하게 사용하고 있다.
3차원 형상 측정 기술은 의복 산업에까지 그 적용 범위가 확장되고 있으며, 소비자의 체형을 3차원 형상 측정하고 측정 결과에 따라 소비자에 가장 적합한 옷 내지는 신발이 추천되기도 한다.
특허 문헌 1 : 한국특허공개 제10-2000-0075148호 (2000.12.15 공개)
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 3차원 형상 측정을 위해 사용되는 광신호의 광 경로에 보조 광학계를 포함함으로써 효율적인 구조를 갖는 3차원 형상 측정 장치 및 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치는 광패턴 출력 모듈로부터 출력된 격자 무늬의 광신호를 결상시키는 제1결상 광학계, 상기 제1결상 광학계에 의해 결상된 상기 광신호를 굴절시켜 피검체로 출력하는 보조 광학계, 상기 피검체에 반사되어 상기 보조 광학계에 의해 굴절된 상기 광신호를 결상시키는 제2결상 광학계 및 상기 제2결상 광학계에 의해 결상된 상기 광신호에 기초하여 상기 피검체의 3차원 형상을 측정하는 형상 측정 모듈을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1결상 광학계의 광축, 상기 제2결상 광학계의 광축, 및 상기 보조 광학계의 광축은 수평을 이룰 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 보조 광학계는 복수의 보조 렌즈들을 포함하고 상기 복수의 보조렌즈들 각각의 광축은 서로 일치할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1결상 광학계에 의해 결상되어 상기 보조 광학계에 의해 굴절된 상기 광신호를 상기 피검체로 반사시키는 반사체를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 피검체는 상기 보조 광학계의 상기 광축과 수직 방향에 위치할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 보조 광학계는 제1보조 렌즈와 제2보조 렌즈를 포함하고, 상기 제1보조 렌즈는 상기 제1결상 광학계와 상기 반사체 사이에 위치하고, 상기 제2보조 렌즈는 상기 반사체와 상기 피검체 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 방법은 패턴 출력 모듈로부터 출력된 격자 무늬의 광신호를 결상시키는 단계, 결상된 광신호를 보조 광학계에 의해 굴절시켜 피검체로 출력하는 단계, 상기 피검체에 반사되어 상기 보조 광학계에 의해 굴절된 상기 광신호를 결상시키는 단계 및 결상된 광신호에 기초하여 상기 피검체의 3차원 형상을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 3차원 형상 측정을 위해 사용되는 광신호의 광 경로에 보조 광학계를 포함함으로써 효율적인 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 방법과 장치는 광신호를 수직방향으로 반사시킬 수 있는 반사체를 더 포함함으로써, 광신호의 진행 방향과 수직 방향에 피검체가 위치한 경우의 형상 측정에 용이한 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 일 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 또 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 또 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 방법의 플로우차트이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 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 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 "광학계"라 함은 빛의 반사나 굴절을 이용하여 광 경로를 변화시킬 수 있는 구성들의 조합을 폭넓게 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 3차원 형상 측정 시스템(100)은 피검체(10), 광 패턴 출력 모듈(110), 제1결상 광학계(120), 보조 광학계(130), 제2결상 광학계(140) 및 형상 측정 모듈(150)을 포함할 수 있다.
광 패턴 출력 모듈(110), 제1결상 광학계(120), 보조 광학계(130), 제2결상 광학계(140) 및 형상 측정 모듈(150)은 하나의 3차원 형상 측정 장치로 구현될 수도 있다.
피검체(subject; 10)는 3차원 형상 측정의 대상이 되는 물체로 다양한 형상을 가질 수 있다.
광 패턴 출력 모듈(110)은 특정한 패턴(예컨대, 격자 무늬 또는 줄무늬 등)을 가지는 광신호를 출력할 수 있다. 실시 예에 따라, 광 패턴 출력 모듈(110)은 광신호를 출력하는 광원와 상기 광신호의 패턴을 형성시키는 패턴 형성 소자의 결합으로 구성될 수 있다.
제1결상 광학계(120)는 광 패턴 출력 모듈(110)로부터 출력된 광신호를 결상시켜 결상된 광신호를 보조 광학계(130)로 전달할 수 있다.
보조 광학계(130)는 제1결상 광학계(120)를 통하여 전달된 광신호를 굴절시켜 피검체(10)에 조사할 수 있다. 보조 광학계(130)는 피검체(10)에 반사된 광신호를 굴절시켜 제2결상 광학계(140)로 전달할 수 있다.
제2결상 광학계(140)는 보조 광학계(130)를 통하여 전달된 광신호를 결상시켜 형상 측정 모듈(150)로 전달할 수 있다.
즉, 제1결상 광학계(120)와 제2결상 광학계(140)가 공유하는 보조 광학계(130)를 3차원 형상 측정 시스템(100)에 포함시켜 광신호의 경로를 조절할 수 있다. 이로써, 3차원 형상 측정 장치를 구현함에 있어서 제1결상 광학계(120)와 제2결상 광학계(140) 간의 공간(또는 거리)를 줄일 수 있다.
형상 측정 모듈(150)은 제2결상 광학계(140)를 통하여 전달된 광신호에 기초하여 피검체(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
실시 예에 따라, 형상 측정 모듈(150)은 광 패턴 출력 모듈(110)로부터 출력된 서로 다른 위상을 갖는 복수의 광 신호들이 피검체(10)에 반사되어 온 것을 조합하여 피검체(10)의 3차원 형상을 측정할 수도 있다. 예컨대, 형상 측정 모듈(150)은 위상 0도의 광신호, 위상 120도의 광신호, 및 위상 240도의 광신호 등과 형상 측정 모듈(150)에서 만들어진 기준 광신호의 조합으로 나타나는 모아레 패턴을 활용하여 피검체(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 측정 방법은 모아레 측정법이라고 일컬어질 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 일 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템(100)의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 시스템(100A)은 피검체(10), 광 패턴 출력 모듈(110), 제1결상 광학계(120), 보조 광학계(130), 제2결상 광학계(140) 및 형상 측정 모듈(150)을 포함할 수 있다.
제1결상 광학계(120)는 광 패턴 출력 모듈(110)로부터 출력된 광신호를 결상시키기 위해 복수의 렌즈들(122, 124 및 126)을 포함할 수 있다.
도 2에서는 설명의 편의를 위하여 제1결상 광학계(120)가 3개의 렌즈들(122, 124 및 126)을 포함하는 경우를 도시하였으나, 수차(aberration)와 분해능(resolution)을 고려하여 포함된 렌즈의 개수 및 구조가 다양하게 변형될 수 있다.
보조 광학계(130)는 제1보조 렌즈(132) 및 제2보조 렌즈(134)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제2보조 렌즈(134)의 굴절력은 양의 값을 가질 수 있다.
제2결상 광학계(140)는 피검체(10)에 반사되어 보조 광학계(130)를 통하여 전달된 광신호를 결상시키기 위해 복수의 렌즈들(142, 144 및 146)을 포함할 수 있다.
도 2에서는 설명의 편의를 위하여 제2결상 광학계(140)가 3개의 렌즈들(142, 144 및 146)을 포함하는 경우를 도시하였으나, 수차(aberration)와 분해능(resolution)을 고려하여 포함된 렌즈의 개수 및 구조가 다양하게 변형될 수 있다.
실시 예에 따라, 제1결상 광학계(120)의 광축, 보조 광학계(130)의 광축 및 제2결상 광학계(140)의 광축은 수평을 이룰 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템(100)의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 시스템(100B)은, 도 2의 3차원 형상 측정 시스템(100A)에 비하여 반사체(160)를 더 포함할 수 있다.
반사체(160)는 광신호를 수직방향으로 반사(또는 굴절)시키기 위한 구성을 광범위하게 의미할 수 있다. 실시 예에 따라, 반사체(160)는 그 용어에도 불구하고 반사경, 렌즈, 프리즘, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 예컨대, 반사체(160)는 내부 전반사 프리즘으로 구현될 수 있다.
반사체(160)는 보조 광학계(130)의 제2보조 렌즈(134)를 통하여 전달된 광신호를 수직방향으로 반사(또는 굴절)시켜 피검체(10)로 향하도록 할 수 있다.
피검체(10)에 의해 반사된 광신호는 다시 반사체(160)에 의해 수직방향으로 반사(또는 굴절)되어 보조 광학계(130)를 통하여 제2결상 광학계(140)로 전달될 수 있다.
즉, 도 3의 3차원 형상 측정 시스템(100B)의 경우, 피검체(10)는 제1결상 광학계(120)의 광축, 보조 광학계(130)의 광축 및 제2결상 광학계(140)의 광축과 수직 방향에 위치할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 또 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 1, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템(100)의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 시스템(100C)은, 도 3의 3차원 형상 측정 시스템(100B)에 비하여 하우징(housing; 170)를 더 포함할 수 있다.
하우징(170)은 광 패턴 출력 모듈(110), 제1결상 광학계(120), 보조 광학계(130), 제2결상 광학계(140), 형상 측정 모듈(150), 및 반사체(160)를 감쌀 수 있다.
즉, 하우징(170)에 포함된 광 패턴 출력 모듈(110), 제1결상 광학계(120), 보조 광학계(130), 제2결상 광학계(140), 형상 측정 모듈(150), 및 반사체(160)는 하나의 3차원 형상 측정 장치로 구현될 수 있다. 이 경우, 제1결상 광학계(120)와 제2결상 광학계(140) 간의 거리가 가깝기 때문에, 상기 3차원 형상 측정 장치는 기존 구조에 비하여 작은 크기로 제작될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템의 또 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 1, 도 4, 및 도 5를 참조하면, 도 1에 도시된 3차원 형상 측정 시스템(100)의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 시스템(100D)은, 도 4의 3차원 형상 측정 시스템(100C)와는 다른 구조를 갖는 보조 광학계(130')를 포함한다.
보조 광학계(130')에 포함된 제1보조 렌즈(132')는 제1결상 광학계(120)와 반사체(160) 사이에 위치한다. 보조 광학계(130')에 포함된 제2보조 렌즈(134')는 반사체(160)와 피검체(10) 사이에 위치한다.
이 경우, 도 5의 3차원 형상 측정 시스템(100)은 제2보조 렌즈(134')의 굴절률 또는 배치에 따라 도 4의 하우징(170)으로부터 피검체(10)까지의 거리보다 더 먼 거리에 있는 피검체(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 방법의 플로우차트이다.
도 1과 도 6을 참조하면, 광 패턴 출력 모듈(110)은 격자 무늬의 광신호를 출력할 수 있다.
제1결상 광학계(120)는 상기 격자 무늬의 광신호를 결상시켜 보조 광학계(130)로 전달시킬 수 있다(S10).
보조 광학계(130)는 결상된 광신호를 굴절시켜 피검체(10)로 조사할 수 있다(S12).
보조 광학계(130)는 피검체(10)에 반사된 광신호를 굴절시켜 제2결상 광학계(140)로 전달시키고, 제2결상 광학계(140)는 전달된 광신호를 결상시킬 수 있다(S14).
형상 측정 모듈(150)은 제2결상 광학계(140)에 의해 결상 된 광신호에 기초하여 피검체(10)의 3차원 형상을 측정할 수 있다(S16).
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 피검체
100 : 3차원 형상 측정 시스템
110 : 광 패턴 출력 모듈
120 ~ 140 : 광학계
150 : 형상 측정 모듈

Claims (7)

  1. 광패턴 출력 모듈로부터 출력된 격자 무늬의 광신호를 결상시키는 제1결상 광학계;
    상기 제1결상 광학계에 의해 결상된 상기 광신호를 굴절시켜 피검체로 조사하는 보조 광학계;
    상기 피검체에 반사되어 상기 보조 광학계에 의해 굴절된 상기 광신호를 결상시키는 제2결상 광학계; 및
    상기 제2결상 광학계에 의해 결상된 상기 광신호에 기초하여 상기 피검체의 3차원 형상을 측정하는 형상 측정 모듈을 포함하고,
    상기 보조 광학계는 복수의 보조 렌즈들을 포함하고, 상기 복수의 보조렌즈들 각각의 광축은 서로 일치하는 3차원 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1결상 광학계의 광축, 상기 제2결상 광학계의 광축, 및 상기 보조 광학계의 광축은 수평을 이루는 3차원 형상 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1결상 광학계에 의해 결상되어 상기 보조 광학계에 의해 굴절된 상기 광신호를 상기 피검체로 반사시키는 반사체를 더 포함하는 3차원 형상 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 피검체는,
    상기 보조 광학계의 광축과 수직 방향에 위치하는 3차원 형상 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 광학계는 제1보조 렌즈와 제2보조 렌즈를 포함하고,
    상기 제1보조 렌즈는 상기 제1결상 광학계와 상기 반사체 사이에 위치하고,
    상기 제2보조 렌즈는 상기 반사체와 상기 피검체 사이에 위치하는 3차원 형상 측정 장치.
  7. 삭제
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