KR101760284B1 - 비평면 코엑시얼 패턴 마스크를 이용한 3차원 형상 측정 시스템 - Google Patents

비평면 코엑시얼 패턴 마스크를 이용한 3차원 형상 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 비평면 코엑시얼 패턴 마스크를 이용하여 구조광 패턴을 측정 대상에 조사하여 반사광 패턴의 위상 변화를 측정함으로써 측정 대상의 3차원 표면 형상을 측정하는 시스템에 관한 것으로, 광원(110)과; 비평면의 동축상에 2차원의 격자 패턴이 형성되어 상기 광원(110)으로부터 발산된 광을 일정 패턴의 구조광으로 변환시키게 되는 구조광생성부(120)와; 상기 구조광생성부(120)의 광축 방향으로 상기 구조광생성부(120)를 전후 직선 구동하기 위한 구동부(130)와; 상기 구조광생성부(120)에서 대상물로 조사되는 구조광의 초점 거리를 상기 구조광생성부(120)의 광축 상에서 가변하게 되는 가변 초점 렌즈 광학계(140)와; 대상물에 의해 반사된 구조광 영상을 획득하는 영상획득부(150);를 포함한다.

Description

비평면 코엑시얼 패턴 마스크를 이용한 3차원 형상 측정 시스템{3-dimensional shape measurement system using non-flat coaxial pattern mask}
본 발명은 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 비평면 코엑시얼 패턴 마스크를 이용하여 구조광 패턴을 측정 대상에 조사하여 반사광 패턴의 위상 변화를 측정함으로써 측정 대상의 3차원 표면 형상을 측정하는 시스템에 관한 것이다.
근래에 3차원 형상 측정을 위한 다양한 방법들이 개발되고 있다. 그 중 대표적인 3차원 형상 측정 방법으로는 스테레오 비전 기반의 방법, 구조광 기반의 방법, TOF(Time of Flight)와 같은 방법이 있다.
이중에서 구조광 기반의 방법은 다른 방법과 비교하여 더 정밀한 3차원 형상 측정을 가능하기 때문에 크기가 작은 3차원 구조물의 표면 형상의 측정에 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다. 그 중에서도 특히 밀리미터 단위 이하의 분해능이 필요한 3차원 표면 형상 측정에 구조광 방식은 매우 활발하게 이용되고 있다.
그러나 구조광 방식을 이용한 3차원 형상 획득방법은 패턴된 빛을 조사하기 위한 구조광 생성부를 구동하기 위한 구동부와, 이미징 렌즈의 초점 구동부가 서로 다른 축 방향으로 동작하여야 하므로 전체 구동부의 구조가 복잡하고 3차원 형상 측정에 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 종래기술의 3차원 형상 측정 시스템은, 광원(10)과, 광원(10)에서 발생된 광을 일정 패턴의 구조광으로 변환시키는 격자 마스크(20)와, 대상물(1)에 의해 반사된 구조광 영상을 획득하는 영상획득부(30)를 포함하며, 서로 수직하게 배치되는 광원(10)과 영상획득부(30)에는 빔 스플리터(40)가 배치되어 격자 마스크(20)에서 변환된 구조광은 대상물(1)에서 반사되어 빔 스플리터(40)에서 일부가 반사되어 영상획득부(30)에서 반사된 구조광 패턴은 광신호를 얻는다.
광원(10)과 격자 마스크(20) 사이에는 격자 마스크(20)로 조사되는 광을 스캔 영역에 맞게 평행광으로 만들기 위한 렌즈(21)가 마련될 수 있다. 또한, 구조광을 대상물(1)에 포커싱하여 조사하기 위한 대물렌즈(50)가 마련될 수 있다.
이와 같이 구성된 종래기술의 3차원 형상 측정 시스템은 광원(10)과 격자 마스크(20)를 통해 대상물(1)에 구조광의 조사가 이루어지는 제1광축(C1)과, 반사된 구조광 패턴을 영상획득부(30)에서 획득하게 되는 제2광축((C2)을 포함하게 되며, 제1광축(C1)과 제2광축(C2)은 빔 스플리터(40)에 의해 수직한 관계를 갖는다.
격자 마스크(20)는 가로 또는 세로 방향으로 일정 간격의 줄무늬 격자를 갖게 되며, 대상물(1)의 3차원 형상을 측정하기 위해서 격자 마스크(20)는 제1광축(C1)에 대해 수직한 방향(예를 들어, x축 방향)으로 이동(Δx)하면서 위상이 다른 3-4개의 영상 이미지를 필요로 하며, 또한 2차원 평면상(x-y평면)의 분해능을 높이기 위해서는 격자 마스크(20)를 일정 각(Δφ)만큼 회전시킨 영상 이미지를 필요로 한다.
또한 3차원상의 z축 정보를 얻기 위해서는 대상물(1)이 위치하는 스테이지(60)를 z축 상으로 이동(Δz)하면서 동일한 영상 이미지를 얻게 된다.
구체적으로 도 2를 함께 참고하면, 평면형의 격자 마스크(20)는 측정 대상물(1)에 대해 나란한 2차원의 초점면을 가지며, 따라서 측정 대상물(1)과 초점면의 차이가 크게 발생하게 되어 입체적인 형상을 갖는 측정 대상물(1)의 3차원상의 z축 정보를 얻기 위해서는 스테이지(60)를 z축 상으로 여러 스텝으로 나누어 이동하면서 영상을 스캔하여야 하므로 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.
또한 종래기술의 3차원 형상 측정 시스템은, 격자 마스크(20)는 적어도 x축 방향의 구동을 위한 제1구동부와, 스테이지(60)를 구동하기 위한 제2구동부를 필수구성으로 하며, 이때 제1구동부와 제2구동부는 서로 다른 축방향으로 격자 마스크(20)와 스테이지(60)를 구동하기 위한 메커니즘을 필요로 하여 구동부의 구조가 복잡하고 3차원 형상 측정에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2013-0019296호(공개일자: 2013.02.28)
공개특허공보 제10-2015-0066736호(공개일자: 2015.06.17)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 구동 메커니즘을 단순화하고 측정 소요 시간을 단축할 수 있는 3차원 형상 측정 시스템을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 시스템은, 광원과; 비평면의 동축상에 2차원의 격자 패턴이 형성되어 상기 광원으로부터 발산된 광을 일정 패턴의 구조광으로 변환시키게 되는 구조광생성부와; 상기 구조광생성부의 광축 방향으로 상기 구조광생성부를 전후 직선 구동하기 위한 구동부와; 상기 구조광생성부에서 대상물로 조사되는 구조광의 초점 거리를 상기 구조광생성부의 광축 상에서 가변하게 되는 가변 초점 렌즈 광학계와; 대상물에 의해 반사된 구조광 영상을 획득하는 영상획득부;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 구조광생성부는, 동심원 구조의 패턴이 형성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가변 초점 렌즈 광학계는, 고정된 초점거리를 갖는 광학렌즈와; 상기 광학렌즈를 전후 이동시키기 위한 액추에이터;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 가변 초점 렌즈 광학계는, 전해액의 액체로 이루어진 가변 초점 렌즈와; 상기 가변 초점 렌즈의 초점 거리를 가변하기 위해 인가되는 전원을 제어하는 초점제어부;를 포함한다.
본 발명에 따른 3차원 형상 측정 시스템은, 비평면의 격자 패턴을 갖고 구조광을 생성하는 구조광생성부를 포함하여 2차원 구조광의 서로 다른 위상 정보를 얻기 위한 구조광생성부의 구동방향이 광축 방향을 따라서 이루어지며, 또한 깊이 정보를 얻기 위하여 동일 광축 방향에서 초점 거리가 가변되는 가변 초점 렌즈를 포함하여 구동부 메커니즘을 단순화하면서도 측정 정확도를 높일 수 있으며, 또한 측정 시스템을 소형화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 구성도,
도 2는 종래기술에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 광학계를 보여주는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 구성도,
도 4의 (a)(b)는 각각 본 발명의 3차원 형상 측정 시스템에 있어서, 구조광생성부의 측면도 및 평면도,
도 5는 본 발명의 구조광 생성부와 대상물의 광학계통을 간략히 보여주는 도면,
도 6의 (a)(b)는 각각 본 발명의 구조광생성부의 다른 실시예를 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 3에 예시된 것과 같이, 본 발명의 3차원 형상 측정 시스템은, 광원(110)과; 비평면의 동축상에 2차원의 격자 패턴이 형성되어 광원(110)으로부터 발산된 광을 일정 패턴의 구조광으로 변환시키게 되는 구조광생성부(120)와; 구조광생성부(120)의 광축 방향으로 구조광생성부(120)를 전후 직선 구동하기 위한 구동부(130)와; 구조광생성부(120)에서 대상물로 조사되는 구조광의 초점 거리를 구조광생성부(120)의 광축 상에서 가변하게 되는 가변 초점 렌즈 광학계(140)와; 대상물에 의해 반사된 구조광 영상을 획득하는 영상획득부(150);를 포함한다.
광원(10)은 광을 발생시킬 수 있는 LED 등을 포함하는 다양한 종류의 광원이 사용될 수 있으며, 또한 이러한 광원은 단색광원일 수 있으며, 백색광, 또는 R/G/B LED가 사용될 수 있다.
구조광생성부(120)는 대상물에 조사되는 일정 패턴을 갖는 마스크에 의해 제공되며, 특히 비평면의 동축상에 2차원의 격자 패턴이 형성된 마스크에 의해 제공된다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 구조광생성부(120)는 구면(또는 비구면)의 투명한 렌즈 표면에 다수의 동심원 패턴(121)이 형성되어 제공될 수 있다.
도 5에 예시된 것과 같이, 본 발명의 구조광생성부(120)는 측정 대상물(1)에 대해 나란한 3차원의 초점면을 가지며, 따라서 입체적 형상을 갖는 측정 대상물(1)과 초점면의 차이가 크게 발생되지 않으므로 측정 대상물(1)의 3차원상의 z축 정보를 얻기 위한 구조광생성부(120)의 z축상의 적은 구동 조작 스텝 횟수만으로도 z축 정보를 얻을 수 있어서 영상 획득 시간을 현저히 줄일 수 있다.
다시 도 3을 참고하면, 가변 초점 렌즈 광학계(140)는 광축(z축) 상으로 초점 거리를 가변할 수 있는 광학기구로 구성된다.
구체적으로 가변 초점 렌즈 광학계(140)는 고정된 초점거리를 갖는 광학렌즈와; 이 광학렌즈를 전후 이동시키기 위한 액추에이터에 의해 제공될 수 있다.
이러한 가변 초점 렌즈 광학계(140)의 구동 방향은 구조광생성부(120)의 구동 방향과 같은 방향이므로 측정시스템의 구동부 메커니즘을 단순화하고 소형화할 수 있다.
다른 예로서 가변 초점 렌즈 광학계(140)는 전해액의 액체로 이루어진 가변 초점 렌즈와; 상기 가변 초점 렌즈의 초점 거리를 가변하기 위해 인가되는 전원을 제어하는 초점제어부에 의해 제공될 수 있다.
가변 초점 렌즈는 절연성의 액체와 전도성의 액체로 구성될 수 있으며, 인가되는 구동 전압의 세기에 따라서 절연성의 액체와 전도성의 액체의 분포가 달라져 전해액으로 이루어진 인터페이스 곡률을 변화시켜서 초점 거리의 조정이 이루어질 수 있다.
전해액의 액체로 구성된 가변 초점 렌즈는 별도의 기구적인 액추에이터를 요구하지 않으며, 따라서 가변 초점 렌즈의 기구적인 움직임이 필요가 없으므로 측정 시스템의 사이즈를 작게 할 수 있는 장점이 있다.
도 6의 (a)(b)는 각각 본 발명의 구조광생성부의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6의 (a)에 예시된 것과 같이, 구조광생성부(220)는 원추 형상의 투명한 렌즈 표면에 다수의 동심원 패턴을 갖고 구조광을 생성할 수 있다.
다른 실시예로서, 도 6의 (b)에 도시된 것과 같이, 구조광생성부(320)는 동심원의 단차를 갖는 원추 형상의 투명한 렌즈와, 각 단차부 표면에 불투명한 마스크 패턴이 형성될 수 있다.
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.
110 : 광원 120 : 구조광생성부
121 : 렌즈 130 : 구동부
140 : 가변 초점 렌즈 150 : 영상획득부
160 : 빔 스플리터 170 : 대물렌즈
180 : 이미지렌즈

Claims (4)

  1. 광원과;
    비평면의 동축상에 2차원의 격자 패턴이 형성되어 상기 광원으로부터 발산된 광을 일정 패턴의 구조광으로 변환시키게 되는 구조광생성부와;
    상기 구조광생성부의 광축 방향으로 상기 구조광생성부를 전후 직선 구동하기 위한 구동부와;
    상기 구조광생성부에서 대상물로 조사되는 구조광의 초점 거리를 상기 구조광생성부의 광축 상에서 가변하게 되는 가변 초점 렌즈 광학계와;
    대상물에 의해 반사된 구조광 영상을 획득하는 영상획득부;를 포함하는 3차원 형상 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구조광생성부는, 동심원 구조의 패턴이 형성됨을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가변 초점 렌즈 광학계는,
    고정된 초점거리를 갖는 광학렌즈와;
    상기 광학렌즈를 전후 이동시키기 위한 액추에이터;를 포함하는 3차원 형상 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가변 초점 렌즈 광학계는,
    전해액의 액체로 이루어진 가변 초점 렌즈와;
    상기 가변 초점 렌즈의 초점 거리를 가변하기 위해 인가되는 전원을 제어하는 초점제어부;를 포함하는 3차원 형상 측정 시스템.
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