KR101583659B1 - 3차원 형상 측정 장치 - Google Patents

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박찬화
최경진
류주희
한영진
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주식회사 미르기술
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Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정 장치에 관한 것으로서, 검사 대상물을 지지하는 스테이지; 상기 검사 대상물에 조명을 조사하는 적어도 하나 이상의 조명기구; 상기 스테이지의 상부에 수직 방향으로 설치되어 상기 검사 대상물의 영상을 촬영하여 메인 영상 신호를 출력하는 메인 카메라; 상기 메인 카메라의 주위에 상호 대향되게 배치되어 복수의 서브 영상 신호를 출력하는 복수 개의 서브 카메라; 상기 복수 개의 서브 카메라의 사이에 사선 방향으로 배치되어 특정 패턴의 조명을 투사하는 프로젝터; 상기 프로젝터에서 투사되는 특정 패턴의 조명을 상기 검사 대상물에 조사되도록 하는 하프 미러; 상기 메인 카메라 또는 상기 복수 개의 서브 카메라에서 전송되는 상기 영상 신호 또는 복수의 서브 영상 신호를 디지털 신호로 변환한 이미지 데이터를 출력하는 그래버; 상기 프로젝터의 조명 또는 조명 기구의 조명을 점등하고, 상기 각 조명의 밝기값을 설정하는 조명 구동부; 및 상기 그래버로부터 패턴 이미지 데이터를 전송받아 영상 처리하여 상기 검사 대상물의 형상에 대한 검사 결과 데이터를 제공하는 영상 처리부를 포함한다. 따라서, 본 발명은 프로젝터를 복수 개의 서브 카메라 사이에 사선 방향으로 어디든지 배치할 수 있고, 하프 미러를 이용하여 검사 대상물에 사선 형태의 패턴 조명을 조사하여 복수 개의 서브 카메라가 동시에 8장의 패턴 이미지를 획득하여 3D 검사를 수행하기 때문에 기존에 비해 이미지 촬영의 소요 시간이 1/4 또는 1/2로 줄어들 수 있고, 그만큼 비전 검사의 효율을 높일 수 있으며, 수직 방향의 메인 카메라를 통해 패턴이 없는 평면 이미지를 획득하여 2D 검사를 수행할 수 있다.

Description

3차원 형상 측정 장치{ Apparatus for measuring three dimension shape }
본 발명은 3차원 형상 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로젝터를 복수 개의 서브 카메라 사이에 사선 방향으로 배치하고, 하프 미러를 이용하여 검사 대상물에 사선 형태의 패턴 조명을 조사하여 복수 개의 서브 카메라가 동시에 패턴 이미지를 획득할 수 있도록 하는 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다.
정보통신의 급속한 발전으로 휴대전화, 노트북, 스마트폰, 태블릿 PC와 같은 전자기기를 더욱 소형화, 경량화, 고기능화시키는 기술이 요구되고 있다. 이러한 기술의 요구를 실현하기 위해서는 전자기기에 탑재되는 전자부품의 소형화, 고집적화뿐만 아니라 이에 대한 대응 실장설비, 운용기술, 검사기술, 불량수리기술 등 양품을 생산할 수 있는 고집적화에 대한 전반적인 인프라의 구축과 실장 요소 기술이 필요하게 되었다.
그 중에서, 비전 검사는 고속으로 이동하는 칩의 외관을 카메라를 이용하여 촬영한 이미지를 분석하여 제품의 외관에 불량이 있는지 여부를 판단한다. 일반적으로 비전 검사는 10~20msec의 짧은 시간 내에 영상을 획득하고 분석하고 있다. 비전 검사 시간이 지연되는 경우, 전체 부품 생산 시간이 지연되므로 생산성이 저하된다. 따라서, 빠른 시간 내에 정확하게 제품의 외관 불량 여부를 판단하는 비전 검사 기술이 요구되고 있다.
이러한 비전 검사 장치는 통상 검사대상 쪽으로 광을 조명하기 위한 조명기구와, 조명을 받은 검사대상을 촬영하기 위한 카메라와, 카메라를 통해 촬영된 화면을 표준화면과 비교하여 검사대상의 제조 불량 내지 양호 상태를 판별하는 판별수단을 구비한다.
조명기구와 카메라의 경우 통상 검사대상물의 맞은편에 배치되어 검사대상물 쪽으로 광을 조사하고 조명된 검사대상물을 촬영하게 되며, 판별수단은 카메라에서 촬영된 화면을 출력하고 이를 정상 상태를 나타내고 있는 표준화면과 비교 연산하여 검사대상물이 바른 상태로 제조되었는가를 판별하게 된다.
검사대상물을 정확하게 검사하기 위해서는 검사대상물의 3차원 형상 특히 높이를 정확하게 측정하는 것이 중요하다.
검사대상물의 3차원 측정방법으로는 간섭계를 이용한 방식, 레이저 방식, 모아레 방식 등 다양한 방식이 있는데, 모아레 방식은 넓은 면적에서 물체의 높이를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있어 널리 사용되고 있다.
모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 그림자식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 방식과 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 방식을 사용하고 있다. 그 중 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 방식은 대상물의 표면 형상을 정밀하게 측정하기 위하여 위상 천이 방법으로 모아레 형상을 측정한다.
즉, 위상 천이 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 1/4 주기씩 격자를 위상 이동하면서 대상물의 형상을 측정하기 때문에 1주기동안 4회의 영상을 촬영한다. 이때, 서로 다른 주기의 격자를 이용할 경우에는 큰 주기의 격자에서 4회 영상 촬영을 수행하고, 작은 주기의 격자에서 4회 영상을 촬영해야 하므로 격자 무늬 조명을 조사하는 하나의 프로젝터당 총 8회의 영상을 촬영해야 한다.
위상 천이 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 그림자 영역을 해소하기 위해 여러 방향으로 다수의 프로젝터를 설치하는 경우에 프로젝터당 영상 촬영 횟수가 증가하고, 그만큼 촬영 소요 시간이 많이 소요되며, 이로 인해 비전 검사 속도가 늦어져 검사 시간이 지연되는 문제점이 있다.
1개의 카메라를 이용하는 일반적인 기술과 달리 선행기술자료로서, 한국등록특허 제10-1245148호의 영상 선명도가 개선된 비전 검사 장치와 한국등록특허 제10-1081538호의 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법에는 수직 방향이 카메라와 수직 방향의 카메라 주변에 4대의 카메라가 설치되고, 격자무늬 조명을 대상물에 조사하여 대상물의 3차원 형상을 산출하는 기술이 기재되어 있다.
상기 종래기술은 1개의 프로젝터를 사용하므로 종래에 비해 영상 촬영 회수가 감소될 수 있는 장점이 있다. 그러나, 종래의 3차원 형상 측정 기술은 패턴광을 만들기 위한 수단으로서 물리적 격자를 이용하므로 다른 패턴을 만들어내기 위해서는 서로 다른 패턴을 갖는 격자가 별도로 구비되어야 하므로 패턴의 변경 시간이 많이 소요되고 번거롭다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1245148호 " 영상 선명도가 개선된 비전 검사 장치 " 한국등록특허 제10-1081538호 " 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법 "
본 발명은 프로젝터를 복수 개의 서브 카메라 사이에 사선 방향으로 배치하고, 하프 미러를 이용하여 검사 대상물에 사선 형태의 패턴 조명을 조사하여 복수 개의 서브 카메라가 동시에 패턴 이미지를 획득하여 3차원 검사를 수행할 수 있고, 수직 방향의 메인 카메라를 통해 패턴이 없는 평면 이미지를 획득하여 2차원 검사를 수행할 수 있도록 하는 3차원 형상 측정 장치를 제공한다.
실시예들 중에서, 3차원 형상 측정 장치는, 검사 대상물을 지지하는 스테이지; 상기 검사 대상물에 조명을 조사하는 적어도 하나 이상의 조명기구; 상기 스테이지의 상부에 수직 방향으로 설치되어 상기 검사 대상물의 영상을 촬영하여 메인 영상 신호를 출력하는 메인 카메라; 상기 메인 카메라의 주위에 상호 대향되게 배치되어 복수의 서브 영상 신호를 출력하는 복수 개의 서브 카메라; 상기 복수 개의 서브 카메라의 사이에 사선 방향으로 배치되어 특정 패턴광을 투사하는 프로젝터; 상기 프로젝터에서 투사되는 특정 패턴광을 상기 검사 대상물에 조사되도록 하는 하프 미러; 상기 메인 카메라 또는 상기 복수 개의 서브 카메라에서 전송되는 상기 영상 신호 또는 복수의 서브 영상 신호를 디지털 신호로 변환한 이미지 데이터를 출력하는 그래버; 상기 프로젝터의 조명 또는 조명 기구의 조명을 점등하고, 상기 각 조명의 밝기값을 설정하는 조명 구동부; 및 상기 그래버로부터 패턴 이미지 데이터를 전송받아 영상 처리하여 상기 검사 대상물의 형상에 대한 검사 결과 데이터를 제공하는 영상 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 영상 처리부는, 상기 특정 패턴광 또는 조명, 이미지 촬영을 위한 트리거 신호를 발생시키는 제어단말; 상기 트리거 신호에 따라 상기 특정 패턴광 또는 조명을 투사하도록 하는 조명 제어 신호를 발생하고, 상기 조명 제어 신호와 동기화하여 상기 메인 영상 신호 또는 복수의 서브 영상 신호를 획득하도록 하는 이미지 획득 신호를 발생하는 서브 제어 모듈; 및 기 제어 단말의 트리거 신호를 상기 서브 제어 모듈에 전송하는 인터페이스 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다,
상기 그래버는 상기 이미지 획득 신호에 따라 상기 복수 개의 서브 카메라가 상기 검사 대상물의 표면을 동시에 촬영하도록 한 후에 상기 메인 카메라가 상기 검사 대상물의 표면을 촬영하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 영상 처리부는 상기 메인 카메라에서 촬영한 평면 이미지를 이용하여 2차원 검사 데이터 또는 3차원 텍스쳐링 데이터에 적용하는 것을 특징으로한다.
상기 제어 단말은 패턴이 없는 평면 영상을 획득하기 위한 트리거 신호를 발생하고, 상기 서브 제어 모듈은 상기 트리거 신호에 따라 상기 조명 기구의 조명을 점등시키는 조명 제어 신호를 발생하고, 상기 조명 제어 신호와 동기화하여 상기 메인 카메라의 영상 촬영을 지시하는 이미지 획득 신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 영상 처리부는, 비전 검사 이전에 상기 검사 대상물을 지지하는 기준면에서 촬영된 패턴 이미지를 이용하여 기준 위상값을 산출하여 저장하고, 비전 검사 수행시, 서로 다른 주기를 갖는 제1 주기 및 제2 주기에서 획득한 복수의 패턴 이미지를 이용하여 패턴 이미지별로 상기 검사 대상물의 표면에 대한 전체 위상 값을 산출하며, 상기 패턴 이미지별로 상기 기준 위상 값과 전체 위상 값의 차이를 구하여 위상 연산식에 의해 상기 검사 대상물의 높이 값을 각각 계산한 후에 상기 검사 대상물의 높이 값을 이용해 통합 규칙에 따른 해당 픽셀의 높이값을 산출하고, 상기 검사 대상물에 대한 최종 높이값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 3차원 형상 측정 장치는 프로젝터를 복수 개의 서브 카메라 사이에 사선 방향으로 어디든지 배치할 수 있고, 하프 미러를 이용하여 검사 대상물에 사선 형태의 패턴 조명을 조사하여 복수 개의 서브 카메라가 동시에 8장의 패턴 이미지를 획득하여 3차원 검사를 수행하기 때문에 기존에 비해 이미지 촬영의 소요 시간이 1/4 또는 1/2로 줄어들 수 있고, 그만큼 비전 검사의 효율을 높일 수 있으며, 수직 방향의 메인 카메라를 통해 패턴이 없는 평면 이미지를 획득하여 2차원 검사를 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 구성을 설명하는 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 구성을 설명하는 평면도이다.
도 3은 도 1의 프로젝터의 수평 패턴광이 서로 다른 주기로 투사되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 4는는 도 1의 프로젝터의 수직 패턴광이 서로 다른 주기로 투사되는 형태를 설명하는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 구성을 설명하는 정면도이고, 도 2는 도 1의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 3차원 형상 측정 장치는, 스테이지(110), 복수의 조명 기구(도시되지 않음), 메인 카메라(130), 복수의 서브 카메라(131, 132, 133, 134), 프로젝터(140), 하프 미러(145), 조명 구동부(160), 그래버(150), 영상 처리부(170)를 포함한다.
스테이지(110)는 검사 대상물(101)을 지지하고, 영상 처리부(170)의 제어에 따라 이동하면서 검사 대상물(101)을 검사 위치로 이송시킨다.
조명은 2차원 검사를 위한 것으로서, 검사 대상물(101)에 R,G,B의 컬러조명 또는 백색 조명을 위한 복수 개의 LED가 미리 설정된 방식으로 배치된다. 이러한 조명은 2개, 3개 또는 6개 등의 다양한 개수와 형태의 조명을 포함할 수 있다.
3차원 형상 측정 장치는 다양한 각도에서 검사 대상물의 이미지를 촬영하기 위하여 메인 카메라(130)와 2개의 서브 카메라를 사용할 수 있고, 메인 카메라(130)와 3개 또는 4개의 서브 카메라를 사용하도록 설정할 수도 있다. 각 카메라(130, 131, 132, 133, 134)의 촬영 범위 내에 사각지대를 형성하지 않고 검사 대상물(101)을 촬영하여 이미지를 출력하도록 한다.
메인 카메라(130)는 스테이지(110)의 상부에 설치되어 검사 대상물(101)의 이미지를 촬영하여 메인 영상 신호를 출력한다. 메인 카메라(130)는 스테이지(110)의 기준면에 대해 수직으로 배치된다.
복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)는 스테이지(110)의 상부에 설치되되, 스테이지(110)의 기준면에 대해 거의 수직에 가까운 각도로 영상을 촬영할 수 있도록 배치된다. 또한, 복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)는 메인 카메라(130)의 주위에 상호 대향되게 배치되어 복수의 서브 영상 신호를 출력한다.
예를 들어, 제1 서브 카메라(131) 및 제3 서브 카메라(133)는 메인 카메라(130)의 좌우측에 서로 대향되도록 설치되고, 제2 서브 카메라(132) 및 제4 서브 카메라(134)는 메인 카메라(130)의 상하측에 서로 대향되도록 설치된다. 제1 내지 제4 서브 카메라(131, 132, 133, 134)는 메인 카메라(130)를 중심으로 동일한 동심원 상에 배치될 수 있다.
프로젝터(140)는 디지털 방식으로 비전 검사의 목적에 맞는 조명 패턴에 대한 조명 패턴 데이터를 로딩하여 검사 대상물(101)에 특정한 조명 패턴을 투사할 수 있고, 영상 처리부(170)를 통해 소프트웨어적으로 패턴 주기 및 방향이 설정될 수 있다.
이러한 프로젝터(140)는 수직 패턴 또는 수평 패턴을 검사 대상물의 표면에 조사하는 3D 광학계로서 패턴의 주기는 영상 처리부(170)에서 제공받은 조명 패턴 데이터에 따라 결정될 수 있지만, 큰 주기의 제1 주기와 작은 주기의 제2 주기로 구분될 수 있다.
프로젝터(140)는 메인 카메라(130) 및 서브 카메라들(131, 132, 133, 134) 하부에 하프 미러(145)와 평행한 위치에 설치된다. 프로젝터(140)는 평면에서 바라보았을 때, 제1 서브 카메라(131)와 제2 서브 카메라(132), 제2 서브 카메라(132)와 제3 서브 카메라(133), 제3 서브 카메라(133)와 제4 서브 카메라(134), 제4 서브 카메라(134)와 제1 서브 카메라(131) 사이에 적어도 하나 이상이 사선 방향으로 배치될 수 있다.
하프 미러(145)는 메인 카메라(130)와 검사대상물 사이에 설치되고, 프로젝터(140)에서 투사되는 특정 패턴의 조명을 검사 대상물(101)의 표면에 조사되도록 광경로를 변경한다. 따라서, 프로젝터(140)에서 투사되는 특정 패턴이 수평 패턴일 경우에, 하프 미러(145)에 의해 검사 대상물(101)의 표면에 사선 패턴의 조명이 조사된다.
그래버(150)는 이미지 획득 신호에 따라 메인 카메라(130), 복수의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)의 촬영을 지시하고, 메인 카메라(130) 및 복수의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)의 연결 라인을 통해 전송되는 메인 영상 신호, 제1 내지 제4 서브 영상 신호를 디지털 신호로 변환한 이미지 데이터를 영상 처리부(170)로 전송한다.
조명 구동부(160)는 조명 제어 신호에 따라 조명 기구의 LED 또는 프로젝터(140)의 LED를 일정 시간 동안 점등시키거나, 트리거 신호에 의해 LED의 밝기 설정값에 따라 각 LED의 밝기를 조절한다.
영상 처리부(170)는 그래버(150)에서 전송되는 디지털 영상 신호를 영상 처리하여 출력한다. 또한, 영상 처리부(170)는 스테이지(110), 조명 기구, 프로젝터(140), 조명 구동부(160), 메인 카메라(130), 복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134), 하프 미러(145) 및 그래버(150)의 동작을 전체적으로 제어한다.
영상 처리부(170)는 메인 카메라(130) 및 제1 내지 제4 서브 카메라(131, 132, 133, 134)에서 촬영된 영상 신호들을 이용하여 검사 대상물(101)의 검사 이미지 또는 검사 결과 데이터를 디스플레이 수단(도시되지 않음)으로 출력할 수 있고, 디스플레이 수단에 출력된 검사 이미지 또는 검사 결과 데이터를 통해 검사 대상물의 형상을 확인하거나 불량 여부를 판단할 수 있다.
이러한 영상 처리부(170)는 제어단말(171), 서브 제어 모듈(173) 및 인터페이스 모듈(172)을 포함한다.
제어 단말(171)은 프로젝터(140), 메인 카메라(130) 또는 복수의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)의 구동을 지시하는 트리거 신호를 발생한다. 이때, 제어 단말(171)은 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 PC 등의 네트워크 접속이 가능한 통신 기기일 수 있으며, 비전 검사 관련한 알고리즘을 내장하여 영상 처리 및 비전 검사 등을 수행할 수 있는 단말로서, 그 종류에 제한이 없다.
서브 제어 모듈(173)은 트리거 신호에 따라 특정 패턴의 조명을 투사하도록 하는 조명 제어 신호를 발생하여 프로젝터(140)가 동작되도록 하고, 조명 제어 신호와 동기화하여 메인 영상 신호 또는 복수의 서브 영상 신호를 획득하도록 이미지 획득 신호를 발생하여 각 카메라가 구동되도록 한다.
인터페이스 모듈(172)은 제어 단말(171)의 트리거 신호를 입력받아 서브 제어 모듈(173)에 전송한다.
도 3은 도 1의 프로젝터의 수평 패턴광이 서로 다른 주기로 투사되는 형태를 설명하는 도면이고, 도 4는는 도 1의 프로젝터의 수직 패턴광이 서로 다른 주기로 투사되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참고하여 3차원 형상 측정 장치의 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
제어 단말(171)이 조명 패턴 투사와 이미지 촬영을 위한 트리거 신호를 발생시키고, 인터페이스 모듈(172)에서 트리거 신호를 입력하여 서브 제어 모듈(173)에 전달한다.
제어 단말(171)은 각 LED의 밝기 설정값을 트리거 신호로 전달하고, 트리거 신호는 바이패스되어 조명 구동부(160)에 LED의 밝기 설정값을 전달한다. 프로젝터(140)는 다수의 LED를 포함하므로 LED의 밝기 설정값에 따라 복수의 LED의 밝기를 조정하여 줄무늬 패턴이 되도록 할 수 있다.
제어 단말(171)은 프로젝터(140)의 패턴 형상에 대한 조명 패턴 데이터를 소프트웨어적으로 형성하여 프로젝터(140)에 제공할 수 있고, 프로젝터(140)는 조명 패턴 데이터에 따라 그에 상응하는 패턴광을 조사할 수 있기 때문에 실시간 조명 패턴 변경이 가능할 뿐만 아니라 기존의 단일 패턴의 격자 무늬로 인해 발생될 수 있는 문제점들이 해소될 수 있다.
이때, 조명 패턴 데이터는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 수평 패턴 또는 수직 패턴이 될 수 있고, 패턴광이 서로 다른 주기로 투사되도록 한다. 프로젝터(140)에서 특정 패턴이 수평 패턴 또는 수직 패턴일 경우에, 하프 미러(145)에 의해 검사 대상물(101)의 표면에 사선 패턴의 조명이 조사된다.
서브 제어 모듈(173)은 트리거 신호에 따라 복수의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)의 촬영을 위한 이미지 획득 신호와 프로젝터(140)의 LED를 점등하기 위한 조명 제어 신호를 동기화하여 발생시킨다.
따라서, 프로젝터(140)는 조명 제어 신호에 따라 일정 시간 동안 특정한 패턴광을 조사하고, 복수의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)는 패턴광이 투사된 검사 대상물을 촬영하여 복수 개의 서브 영상 신호를 출력한다.
이때, 복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)는 수평 패턴광이 조사되는 경우에, 이에 연동하여 동작한다. 즉, 서브 제어 모듈(173)이 조명 제어 신호를 조명 구동부(160)로 전송함과 동시에 복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)의 동작을 구동하기 위한 이미지 획득 신호를 그래버(150)로 전송하여, 수평 패턴광이 조사시에 복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)가 연동하여 동작할 수 있도록 한다.
영상 처리부(170)는 복수의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)를 통해 획득한 패턴 이미지를 그래버(150)를 통해 입력받아 영상 처리하고, 위상 연산을 통해 검사 대상물의 형상, 즉 높이를 산출하여 검사 결과 데이터를 출력한다.
이러한 영상 처리부(170)는 검사 대상물의 검사 결과 데이터를 산출하기 위해 위상 연산 알고리즘을 수행한다.
위상 연산 알고리즘은 비전 검사 이전에 스테이지(110), 즉 기준면에서 촬영된 패턴 이미지를 이용하여 기준 위상값을 산출하여 저장한다. 비전 검사 시, 제1 주기에서 획득한 패턴 이미지, 제2 주기에 획득한 패턴 이미지를 이용하여 각 이미지별로 검사 대상물이 있는 대상면에 대한 전체 위상 값을 산출한다.
위상 연산 알고리즘은 4개의 패턴 이미지에 대한 기준 위상 값과 전체 위상 값의 차이를 구하고, 위상 연산식에 의해 검사 대상물의 높이 값을 계산한 후 4개의 패턴 이미지로부터 계산한 검사 대상물의 높이 값을 통합 규칙에 따라 해당 픽셀의 높이값을 산출하며, 검사 대상물에 대한 최종 높이값을 산출한다.
이때, 영상 처리부(170)는 트리거 신호를 통해 패턴광을 서로 다른 주기로 투사되도록 한다. 서브 제어 모듈(173)는 일정 시간 동안 제1 주기로 패턴광이 투사되도록 하고, 일정 시간 동안 제2 주기로 패턴광이 투사되도록 한다. 이때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제1 주기는 제2 주기보다 낮은 주파수를 가지므로 제1 주기의 패턴광(a)은 패턴간 간격이 넓고, 제2 주기의 패턴광(b)은 제1 주기의 패턴에 비해 패턴간 간격이 좁은 것을 알 수 있다.
이때, 제1 주기와 제2 주기는 일정 비율을 가지고, 서브 제어 모듈(173)은 프로젝터(140)에서 투사되는 패턴의 밝기가 사인파 형태가 되도록 PWM 신호 방식으로 8회 분할하여 프로젝터(140)의 LED가 온 동작되도록 조명 제어 신호를 발생시킨다.
프로젝터(140)가 제1 주기로 패턴광을 4회 조사하면 복수 개의 서브 카메라들이 제1 주기의 패턴 이미지를 4장 획득하고, 프로젝터(140)가 제2 주기로 패턴광을 4회 조사하면 복수 개의 서브 메라들이 제2 주기의 패턴 이미지를 4장 획득한다. 따라서, 복수 개의 서브 카메라들은 패턴광에서 총 8장의 패턴 이미지를 동시에 획득할 수 있다.
영상 처리부(170)는 제1 주기에서 획득한 패턴 이미지와 제2 주기에서 획득한 패턴 이미지를 비교하여 검사 대상물의 높이를 계산할 수 있다.
즉, 제1 주기에서의 패턴간 간격이 제2 주기에서의 패턴간 간격보다 넓기 때문에 제1 주기에서 획득한 패턴 이미지만을 이용하여 검사 대상물의 형상을 검사할 경우에 형상 측정의 정밀도가 떨어질 수 있어, 제2 주기에서 획득한 패턴 이미지를 적용하여 측정의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 제2 주기에서 획득한 패턴 이미지만을 이용하여 검사 대상물의 형상을 검사할 경우에 검사 대상물의 사이즈가 패턴간 간격을 초과하면 검사 대상물의 형상 측정이 사실상 불가능하므로, 제1 주기에서 획득한 패턴 이미지를 적용하여 검사 대상물의 사이즈를 확인한 후에 검사 대상물의 형상을 측정하여 비전 검사의 오류를 최소화할 수 있다.
영상 처리부(170)는 2차원 검사를 위해 트리거 신호를 발생하고, 조명 구동부(160)는 트리거 신호에 따라 2차원 검사를 위한 컬러 조명이 검사 대상물에 조사되도록 2차원용 조명 제어 신호를 출력하고, 그래버(150)는 2차원용 조명 제어 신호에 동기화되어 2차원용 이미지 획득 신호를 출력한다.
2차원용 조명 제어 신호에 따라 R,G,B의 발광색 또는 흰색을 가지는 복수 개의 LED가 일정 시간 동안 점등되고, 메인 카메라(130)는 2차언용 이미지 획득 신호에 의해 검사 대상물의 평면 영상을 촬영하여 영상 처리부(170)에 전송한다.
이때, 메인 카메라(130)는 3D 패턴이 없는 평면 영상을 촬영하여 영상 처리부(170)에 제공하므로, 영상 처리부(170)는 평면 영상을 이용하여 FOV(Field Of View) 내에서 왜곡이 없는 검사 대상물의 이미지를 얻을 수 있으며, 2D 검사 및 3D 텍스쳐링 용도로 활용할 수 있다.
따라서, 프로젝터(140)에서 투사되는 특정 패턴광이 수평 패턴의 조명일 경우에, 복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)에서 촬영한 서브 영상 신호는 사선 방향의 패턴 이미지이며, 메인 카메라(130)에서 촬영한 메인 영상 신호는 특정 패턴이 없는 평면 이미지가 된다. 프로젝터(140)에서 수평 패턴의 조명을 조사하는 경우에도 복수 개의 서브 카메라(131, 132, 133, 134)에서 촬영한 서브 영상 신호는 사선 방향의 패턴 이미지이며, 메인 카메라(130)에서 촬영한 메인 영상 신호는 특정 패턴이 없는 평면 이미지가 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 스테이지
130 : 메인 카메라 131, 132, 133, 134 : 제1 내지 제4 서브 카메라
140 : 프로젝터 145 : 하프 미러
150 : 그래버 160 : 조명 구동부
170 : 영상 처리부 171 : 제어 단말
172 : 인터페이스 모듈 172 : 서브 제어 모듈

Claims (6)

  1. 검사 대상물을 지지하는 스테이지;
    상기 검사 대상물에 조명을 조사하는 적어도 하나 이상의 조명기구;
    상기 스테이지의 상부에 수직 방향으로 설치되어 상기 검사 대상물의 영상을 촬영하여 메인 영상 신호를 출력하는 메인 카메라;
    상기 메인 카메라의 주위에 상호 대향되게 배치되어 복수의 서브 영상 신호를 출력하는 복수 개의 서브 카메라;
    상기 복수 개의 서브 카메라의 사이에 사선 방향으로 배치되어 특정 패턴광을 투사하는 프로젝터;
    상기 프로젝터에서 투사되는 특정 패턴광을 상기 검사 대상물에 조사되도록 하는 하프 미러;
    상기 메인 카메라 또는 상기 복수 개의 서브 카메라에서 전송되는 상기 영상 신호 또는 복수의 서브 영상 신호를 디지털 신호로 변환한 이미지 데이터를 출력하는 그래버;
    상기 프로젝터의 조명 또는 조명 기구의 조명을 점등하고, 상기 각 조명의 밝기값을 설정하는 조명 구동부; 및
    상기 그래버로부터 패턴 이미지 데이터를 전송받아 영상 처리하여 상기 검사 대상물의 형상에 대한 검사 결과 데이터를 제공하는 영상 처리부를 포함하되,
    상기 영상 처리부는,
    상기 특정 패턴광 또는 조명, 이미지 촬영을 위한 트리거 신호를 발생시키는 제어단말;
    상기 트리거 신호에 따라 상기 특정 패턴광 또는 조명을 투사하도록 하는 조명 제어 신호를 발생하고, 상기 조명 제어 신호와 동기화하여 상기 메인 영상 신호 또는 복수의 서브 영상 신호를 획득하도록 하는 이미지 획득 신호를 발생하는 서브 제어 모듈; 및
    상기 제어 단말의 트리거 신호를 상기 서브 제어 모듈에 전송하는 인터페이스 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그래버는 상기 이미지 획득 신호에 따라 상기 복수 개의 서브 카메라가 상기 검사 대상물의 표면을 동시에 촬영하도록 한 후에 상기 메인 카메라가 상기 검사 대상물의 표면을 촬영하도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영상 처리부는 상기 메인 카메라에서 촬영한 평면 이미지를 이용하여 2차원 검사 데이터 또는 3차원 텍스쳐링 데이터에 적용하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 단말은 패턴이 없는 평면 영상을 획득하기 위한 트리거 신호를 발생하고,
    상기 서브 제어 모듈은 상기 트리거 신호에 따라 상기 조명 기구의 조명을 점등시키는 조명 제어 신호를 발생하고, 상기 조명 제어 신호와 동기화하여 상기 메인 카메라의 영상 촬영을 지시하는 이미지 획득 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    비전 검사 이전에 상기 검사 대상물을 지지하는 기준면에서 촬영된 패턴 이미지를 이용하여 기준 위상값을 산출하여 저장하고,
    비전 검사 수행시, 서로 다른 주기를 갖는 제1 주기 및 제2 주기에서 획득한 복수의 패턴 이미지를 이용하여 패턴 이미지별로 상기 검사 대상물의 표면에 대한 전체 위상 값을 산출하며,
    상기 패턴 이미지별로 상기 기준 위상 값과 전체 위상 값의 차이를 구하여 위상 연산식에 의해 상기 검사 대상물의 높이 값을 각각 계산한 후에 상기 검사 대상물의 높이 값을 이용해 통합 규칙에 따른 해당 픽셀의 높이값을 산출하고, 상기 검사 대상물에 대한 최종 높이값을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
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