KR101962427B1 - 3차원 형상 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로서, 서로 다른 높이를 갖는 적어도 하나 이상의 부품을 실장한 검사 대상물이 로딩되어 이송되는 이송 모듈; 상기 이송 모듈의 상부에 설치되고, 레이저를 이용하여 상기 검사 대상물의 높이를 측정하여 제1 측정 데이터를 출력하는 레이저 측정 모듈; 상기 이송 모듈의 상부에 설치되고, 적어도 하나 이상의 프로젝터를 이용해 상기 검사대상물에 모아레 패턴 조명을 조사한 후 반사되는 패턴 이미지를 이용하여 상기 검사대상물의 3차원 형상에 대한 제2 측정 데이터를 출력하는 모아레 측정 모듈; 및 상기 이송 모듈로 상기 검사 대상물의 인입 여부를 결정하는 인입 제어 신호를 발생하고, 상기 검사 대상물에 실장된 부품에 따라 상기 레이저 측정 모듈 또는 모아레 측정 모듈의 구동 여부를 지시하는 구동 제어 신호를 발생하며, 상기 검사대상물에 실장된 부품 정보에 따라 제1 측정 데이터와 제2 측정 데이터 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하여 상기 검사 대상물에 실장된 부품의 높이를 계산하여 3차원 검사를 수행하는 제어 모듈을 포함을 포함한다. 따라서, 본 발명은 3차원 모아레 측정 방식의 측정 최대 높이의 제약을 해소할 수 있어 높은 부품에 대한 3차원 측정이 가능할 뿐만 아니라 부품에 따라 고정밀 측정을 선택적으로 수행할 수 있다.

Description

3차원 형상 측정 시스템{ System for measuring three dimension shape}

본 발명은 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 모아레 측정 방식에서 높이 편차가 큰 부품에 대해서도 정확한 높이 측정이 가능한 3차원 형상 측정 시스템에 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 대해 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 있는지를 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.

이러한 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은, 서로 다른 종류의 부품들이 복수 개가 실장된 검사 보드가 인입되면, 적어도 하나 이상의 프로젝터가 FOV(Field of View) 영역에 대한 모아레 패턴을 조사하고, 적어도 하나 이상의 카메라가 검사 보드에 대한 이미지를 촬영한다.

이때, 모아레 패턴은 패턴 피치(Pitch)가 넓은 큰 주기의 패턴과 패턴 피치가 좁은 작은 주기의 패턴의 2가지 종류의 패턴을 사용하며, 비율 모드(Ratio mode) 방식을 사용하여 큰 주기 패턴의 패턴 피치는 작은 주기 패턴의 패턴 피치에 정수배이다.

이와 같이, 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 검사 대상물의 높이 측정시, 패턴 피치에 의한 측정 가능한 높이가 제한되어 있다. 즉, 작은 주기 패턴의 패턴 피치가 좁아 측정 범위가 매우 작으며, 큰 주기 패턴의 패턴 피치는 넓어 측정 범위를 크게 할 수 있다. 그러나, 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 큰 주기 패턴과 작은 주기 패턴의 패턴 피치가 정수배로 결정되어 있고, 결정된 정수배만큼 측정 최대 높이가 제한되기 때문에 측정 최대 높이는 대약 5~6㎜ 정도이다.

최근, SMT(Surface Mounted Technology) 공정에서는 소형 부품, 중형 부품, 대형 부품, 이형 부품 및 특수 부품 등의 다양한 부품을 자동으로 보드에 실장할 수 있고, 그로 인해 3차원 형상 측정 기술은 커넥터, 전해 콘덴서 등의 6㎜ 이상의 높이를 갖는 중대형 부품을 비롯한 모든 부품에 대한 3차원 측정이 요구되고 있다.

그러나, 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술을 이용할 경우에, 중대형 부품들의 높이가 측정 최대 높이 이상이어서 3차원 형상의 측정 및 검사가 불가능하다는 문제점이 있다.

예를 들어, 측정 최대 높이가 6㎜인 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 7㎜의 부품을 측정하면 해당 부품의 높이가 측정 최대 높이 이상이므로 해당 부품이 1㎜의 높이를 갖는 부품으로 계산되기 때문에 부품의 높이에 대한 정확한 측정 및 검사 결과가 산출될 수 없는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1245148호 " 영상 선명도가 개선된 비전 검사 장치 " 한국등록특허 제10-1081538호 " 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법 "

본 발명은 3차원 모아레 측정 방식에서의 측정 최대 높이를 초과하는 높은 부품에 대해 레이저를 이용한 3차원 레이저 측정 방식을 병합함으로써 높이가 높거나 낮은 부품들이 실장된 검사 대상물에 대한 3차원 검사를 수행할 수 있는 3차원 형상 측정 시스템을 제공한다.

실시예들 중에서, 3차원 형상 측정 시스템은, 서로 다른 높이를 갖는 적어도 하나 이상의 부품을 실장한 검사 대상물이 로딩되어 이송되는 이송 모듈; 상기 이송 모듈의 상부에 설치되고, 레이저를 이용하여 상기 검사 대상물의 높이를 측정하여 제1 측정 데이터를 출력하는 레이저 측정 모듈; 상기 이송 모듈의 상부에 설치되고, 적어도 하나 이상의 프로젝터를 이용해 상기 검사대상물에 모아레 패턴 조명을 조사한 후 반사되는 패턴 이미지를 이용하여 상기 검사대상물의 3차원 형상에 대한 제2 측정 데이터를 출력하는 모아레 측정 모듈; 및 상기 이송 모듈로 상기 검사 대상물의 인입 여부를 결정하는 인입 제어 신호를 발생하고, 상기 검사 대상물에 실장된 부품에 따라 상기 레이저 측정 모듈 또는 모아레 측정 모듈의 구동 여부를 지시하는 구동 제어 신호를 발생하며, 상기 검사대상물에 실장된 부품 정보에 따라 제1 측정 데이터와 제2 측정 데이터 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하여 상기 검사 대상물에 실장된 부품의 높이를 계산하여 3차원 검사를 수행하는 제어 모듈을 포함하되, 상기 제어모듈에서 수행되는 검사모드는, 검사대상물에 실장된 부품 정보에 따라 부품 높이가 임계값 미만인 경우 상기 모아레 측정모듈만을 구동하여 3차원 검사를 수행하는 일반 검사모드와, 상기 부품 높이가 임계값 이상인 경우의 검사방법인 정밀 검사모드를 포함하고, 상기 정밀 검사모드는 상기 임계값에 상기 제 2측정데이터를 이용하여 계산된 높이값을 합산하여 해당부품의 높이를 계측하는 고정밀 3차원 검사를 수행하는 병합검사모드와, 상기 제1측정 데이터를 이용하여 해당 부품의 높이를 계산하는 저정밀 3차원 검사를 수행하는 레이저 검사모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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상기 레이저 측정 모듈은, 상기 검사 대상물에 수직 방향으로 레이저를 조사하여 3차원 레이저 스캔을 수행하고, 상기 검사 대상물에 대해 라인별로 라인 측정 데이터를 생성하여 출력하는 3차원 레이저 스캐너; 및 상기 3차원 레이저 스캐너의 동작을 제어하고, 상기 라인 측정 데이터를 순차적으로 누적한 제1 측정 데이터를 제어 모듈로 전송하는 레이저 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 레이저 측정 모듈은, 기설정된 두께를 갖는 라인 형태의 레이저를 상기 검사 대상물에 기설정된 기준 각도로 조사하는 레이저 라인 프로젝터; 상기 검사 대상물의 표면에 형성된 레이저 라인 이미지를 촬영하는 카메라; 및 상기 레이저 라인 프로젝터와 카메라의 동작을 제어하고, 상기 촬영된 레이저 라인 이미지를 순차적으로 누적한 제2 측정 데이터를 제어 모듈로 전송하는 레이저 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 3차원 형상 측정 시스템은 일반 부품들에 대해 모아레 측정 방식을 통해 3차원 검사를 수행하고, 3차원 모아레 측정 방식에서의 측정 최대 높이 이상인 부품들은 높은 정밀도가 요구되는 경우에 3차원 레이저 측정 방식을 이용한 측정 데이터와 3차원 모아레 측정 방식을 이용한 측정 데이터를 병합하여 해당 부품의 높이에 대한 보정을 통해 3차원 검사를 수행하며, 측정 최대 높이이상인 부품이지만 낮은 정밀도가 요구되는 경우에 3차원 레이저 측정 방식을 이용한 측정 데이터를 이용하여 3차원 검사를 수행할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 3차원 모아레 측정 방식의 측정 최대 높이의 제약을 해소할 수 있어 높은 부품에 대한 3차원 측정이 가능할 뿐만 아니라 부품에 따라 고정밀 측정을 선택적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 레이저 측정 모듈과 모아레 측정 모듈의 동작 과정을 설명하는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 도 3의 레이저 측정 모듈과 모아레 측정 모듈의 동작 과정을 설명하는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법을 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 레이저 스캐너를 이용한 3차원 형상 측정 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 라인 프로젝터와 카메라를 이용한 3차원 형상 측정 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 도 7에 의한 레이저 측정 모듈의 측정 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

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.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

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 제1 실시예에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 구성을 설명하는 블록도이고, 도 2는 도 1의 레이저 측정 모듈과 모아레 측정 모듈의 동작 과정을 설명하는 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 형상 측정 시스템은, 이송 모듈(110), 레이저 측정 모듈(120), 모아레 측정 모듈(130), 제어 모듈(140), 인입시작 검출센서(151) 및 인입완료 검출센서(152)를 포함한다.

이송 모듈(110)은 서로 다른 높이를 갖는 적어도 하나 이상의 부품을 실장한 검사 대상물(10)이 로딩되어 이송된다. 이송 모듈(110)은 검사 대상물(10)을 검사 위치로 안내하는 컨베이어 벨트(Conveyer belt), 복수 개의 검사 대상물(10)이 안착되어 검사 위치로 하나씩 공급하는 공급 수단이 구비되는 스테이지(Stage) 및 스테이지에 공급된 검사 대상물(10)을 정해진 측정 지점으로 이송시키는 이송 기구를 포함한다.

레이저 측정 모듈(120)은 이송 모듈(110)의 상부에 설치되고, 레이저를 이용하여 검사 대상물(10)에 실장된 부품들의 높이를 측정하여 제1 측정 데이터를 출력한다. 이러한 레이저 측정 모듈(120)은 3차원 레이저 스캐너(121)를 사용할 경우에, 3차원 레이저 스캐너(121) 및 레이저 제어기(122)를 포함한다.

3차원 레이저 스캐너(121)는 레이저 발생장치와 수광 센서가 일체형인 구조로서, 라인 형태의 레이저를 검사 대상물(10)의 상부에서 수직 방향으로 조사한 후 반사되어 되돌아오는 빛을 수광 센서에서 검출하여 삼각 측량 방식으로 검사 대상물(10)에 실장된 부품들의 높이를 측정하도록 한다.

레이저 제어기(122)는 3차원 레이저 스캐너(121)의 동작을 제어하고, 3차원 레이저 스캐너(121)에서 출력되는 제1 측정 데이터를 증폭하여 제어 모듈(140)로 전송한다.

모아레 측정 모듈(130)은 신호 인터페이스 수단(131), 프로젝션 제어수단(132), LED 드라이버(133), 프로젝터(134), 복수의 LED로 이루어진 조명 수단(135) 및 카메라 수단(136)을 포함한다.

신호 인터페이스 수단(131)은 제어 모듈(140), 프로젝션 제어 수단(131), LED 드라이버(133), 레이저 제어기(122)에서 발생된 각종 제어 신호와 상태 신호를 상호 연결해주는 역할을 수행한다.

프로젝션 제어수단(132)은 제어 모듈(140)에서 발생된 트리거 신호에 동기되어 프로젝터(134)에 패턴을 디스플레이하고, 조명 수단(135)의 각 LED를 동작시키는 LED ON 신호와 카메라 수단(136)의 촬영을 지시하기 위한 Grab ON 신호를 발생한다.

LED 드라이버(133)는 LED ON 신호를 전송받아 프로젝터(134)의 LED를 점등하여 패턴이 조사되도록 하며, 제어 모듈(140)에서 LED의 밝기를 조절하기 위한 밝기 설정값을 직렬 통신 카드(142)를 통해 수신하여 조명 수단(135)의 LED 점등 밝기를 조절한다.

프로젝터(134)는 디지털 방식으로 사용자 목적에 맞는 패턴에 대한 패턴 이미지를 프로젝션 제어수단(132)을 통해 로딩하며, LED의 빛이 입사-반사되어 렌즈를 통해 검사 대상물(10)의 상면에 패턴이 형성되도록 한다.

카메라 수단(136)은 3차원 모아레 패턴이 조사된 검사 대상물(10)의 표면에 대한 패턴 이미지를 촬영하여, 촬영된 패턴 이미지를 제어 모듈(140)로 전송한다.

이와 같이 구성되는 모아레 측정 모듈(130)은 이송 모듈(110)의 상부에 설치되고, 프로젝터(134)와 카메라 수단(136)을 통해 획득한 패턴 이미지를 이용하여 검사 대상물(10)에 대한 3차원 형상을 측정하여 제2 측정 데이터를 출력한다.

한편, 제어 모듈(140)은 검사 대상물(10)에 대한 이미지를 촬영하기 위한 영상 획득 카드(141), 각 제어수단을 제어하기 위한 제어신호를 데이터 형태로 송수신하거나 측정 데이터를 수신하는 직렬 통신 카드(142), 핀-투-핀(pin-to-pin) 방식으로 제어 신호를 전달하기 위한 신호 인터페이스 카드(143)를 포함한다. 이러한 제어 모듈(140)은 이송 모듈(110)로 검사 대상물(10)의 인입 여부를 결정하는 인입 제어 신호를 발생하고, 검사 대상물(10)에 실장된 부품에 따라 레이저 측정 모듈(120) 또는 모아레 측정 모듈(130)을 선택적으로 구동하기 위한 구동 제어 신호를 발생하며, 제1 측정 데이터와 제2 측정 데이터 중 적어도 하나 이상을 사용하여 검사 대상물(10)에 대한 3차원 검사를 수행하여 각 부품의 높이를 산출한다.

인입시작 검출센서(151)는 인입 대기 상태인 검사 대상물(10)이 제어 모듈(140)의 인입 제어 신호에 따라 인입하기 시작하여 레이저 측정 모듈(120)의 측정 지점에 검사 대상물(10)이 위치하는지를 검출하여 인입시작 감지 신호를 출력한다.

인입완료 검출센서(152)는 검사 대상물(10)이 레이저 측정 모듈(120)의 측정 지점을 통과하여 모아레 측정 모듈(130)의 측정 지점에 위치하는지를 검출하여 인입완료 감지신호를 출력한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 형상 측정 시스템의 구성을 설명하는 블록도이고, 도 4는 도 3의 레이저 측정 모듈과 모아레 측정 모듈의 동작 과정을 설명하는 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 형상 측정 시스템은, 상기한 제1 실시예와 유사하게 이송 모듈(110), 레이저 측정 모듈(120), 모아레 측정 모듈(130), 제어 모듈(140), 인입시작 검출센서(151) 및 인입완료 검출센서(152)로 구성되지만, 레이저 측정 모듈(220)과 제어 모듈(140)의 구성이 상기한 제1 실시예의 구성과 달라진다.

즉, 상기한 제1 실시예에서 레이저 측정 모듈(120)은 3차원 레이저 스캐너(121)를 사용하고 있지만, 제2 실시예에서 레이저 측정 모듈(220)은 레이저 라인 프로젝터(221), 카메라(222) 및 레이저 제어기(223)를 포함하고, 제어 모듈(140)은 모아레 측정 모듈(130)의 카메라 수단(136)에서 촬영된 패턴 이미지를 획득하는 영상획득카드1(141)과 레이저 측정 모듈(220)의 카메라(222)에서 촬영된 레이저 라인 이미지를 획득하는 영상획득카드(2)를 포함한다.

레이저 라인 프로젝터(221)는 기설정된 두께를 갖는 라인 형태의 레이저를 검사 대상물(10)에 일정 각도로 조사한다. 카메라(222)는 검사 대상물의 검사 위치에 대해 수직 방향으로 설치되고, 검사 대상물(10)에 조사된 레이저 라인 이미지를 촬영한다. 이때, 카메라(222)와 레이저 라인 프로젝터(221)의 위치는 서로 변경될 수 있다.

레이저 제어기(223)는 라인 프로젝터(221)와 카메라(222)의 동작을 제어하고, 카메라(222)를 통해 촬영된 레이저 라인 이미지를 제어 모듈(140)의 영상획득카드2(144)로 전송한다. 제어 모듈(140)은 영상획득카드2(144)에 전송된 레이저 라인 이미지에서 레이저 라인간의 간격을 측정하여 높이로 환산함으로써 검사 대상물(10)의 각 부품의 높이를 측정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법을 설명하는 순서도이다.

도 5를 참고하여 3차원 형상 측정 방법을 설명하면 다음과 같다. 우선, 높은 부품과 낮은 부품 등의 서로 다른 높이를 갖는 적어도 하나 이상의 부품을 실장한 검사 대상물(10)이 이송 모듈(110)을 통해 로딩되면, 제어 모듈(140)은 레이저 측정 모듈(120, 220)과 모아레 측정 모듈(130)의 사용 여부를 결정하는 검사 모드를 선택한다.(S10, S20) 제어 모듈(140)은 검사 대상물(10)에 실장된 부품들에 대한 정보를 이용하여 높은 부품과 낮은 부품을 구분할 수 있기 때문에 검사 대상물(10)에 실장된 부품에 따라 검사 모드를 선택할 수 있다.

이때, 검사 모드는 일반 검사 모드와 정밀 검사 모드로 구분할 수 있는데, 일반 검사 모드는 검사 대상물(10)에 실장된 부품들의 높이가 모아레 측정 모듈(130)의 측정 최대 높이인 임계값 미만인 낮은 부품들로 이루어진 경우에 모아레 측정 모듈(130)에 의해 3차원 검사를 수행하는 것이다. 한편, 정밀 검사 모드는 검사 대상물(10)에 실장된 부품들 중에서 임계값 이상의 높이를 갖는 부품들이 있는 경우에 레이저 측정 모듈(120, 220) 또는 모아레 측정 모듈(130) 중 어느 하나 이상을 사용하여 3차원 검사를 수행하는 것이다.

제어 모듈(140)은 검사 모드가 선택되면 검사 모드에 따라 레이저 측정 모듈(120, 220) 및 모아레 측정 모듈(130) 중 어느 하나 이상을 구동시키기 위한 구동 제어 신호를 발생하고, 구동 제어 신호에 의해 레이저 측정 모듈(120, 220) 또는 모아레 측정 모듈(130)이 구동되어 제1 측정 데이터 또는 제2 측정 데이터를 출력한다.

일반 검사 모드인 경우에, 검사 대상물(10)에 실장된 부품들이 높은 부품이 아니기 때문에 모아레 측정 모듈(130)을 이용하여 3차원 형상을 측정한 제2 측정 데이터만을 이용하여 부품들의 높이 값을 산출한다.(S300, S400, S700)

그러나, 정밀 검사 모드인 경우에, 검사 대상물(10)에 실장된 부품들 중 높은 부품이 있기 때문에 레이저 측정 모듈(120, 220)을 이용한 제1 측정 데이터와 모아레 측정 모듈(130)을 이용한 제2 측정 데이터 중 어느 하나 이상을 이용하여 부품들의 높이 값을 산출한다.(S500~S700)

이때, 정밀 검사 모드는 레이저 검사 모드와 병합 검사 모드로 구분되는데, 레이저 검사 모드는 고정밀 측정이 아닐 경우에 레이저 측정 모듈(120, 220)을 통해 생성되는 제1 측정 데이터만을 이용하여 검사 대상물(10)에 실장된 부품들의 높이 값을 산출하는 것이다.

병합 검사 모드는 고정밀 측정인 경우에 모아레 측정 모듈(130)을 통해 생성되는 제2 측정 데이터와 레이저 측정 모듈(120, 220)을 통해 생성되는 제1 측정 데이터를 병합하여 검사 대상물(10)에 실장된 부품들의 정확한 높이 값을 산출한다.

정밀 측정이 아닌 경우에는 3차원 레이저를 이용한 레이저 측정 모듈(120, 220)로 측정된 제1 측정 데이터만을 이용하지만, 고정밀 측정을 요청한 경우에는 제1 측정 데이터가 모아레 측정 모듈(130)로 측정된 제2 측정 데이터에 비해 정확도가 낮다. 즉, 레이저 측정 모듈(120, 220)로 측정된 높이가 값이 7㎜인 경우에, 모아레 측정 방식으로 측정할 수 있는 정밀도의 관점에서는 7㎜ㅁα로 정확하지 않을 수 있다. 따라서, 레이저 측정 모듈(120, 220)을 이용한 3차원 레이저 측정 방식은 부품의 높이가 모아레 측정 모듈(130)을 이용한 3차원 모아레 측정 방식에서 측정할 수 있는 측정 최대 높이를 초과하는지 여부만을 알아내는데 사용하고, 측정 최대 높이에 3차원 모아레 측정 방식으로 측정된 높이를 더하면 보다 정확한 부품의 실제 높이값을 산출할 수 있다. 이때, 3차원 모아레 측정 방식의 측정 최대 높이는 2π 모호성을 고려해 볼 때 사인파의 한 주기의 크기를 높이값으로 변환한 값이고, 측정 최대 높이가 6㎜인 것은 사인파의 한 주기에 대응되는 높이값이 6㎜라는 것이다.

즉, 모아레 측정 모듈(130)에서 측정된 제2 측정 데이터는 모아레 파장의 한 주기 내에서의 위상을 높이값으로 변환한 것이므로, 제2 측정 데이터는 사인파가 한 주기를 넘어선 후 해당 위상값(φ=2π+φ)이라고 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 레이저 스캐너를 이용한 3차원 형상 측정 방법을 설명하는 순서도이다.

도 6을 참고하면, 3차원 레이저 스캐너를 이용한 3차원 형상 측정 방법은, 제어 모듈(140)이 인입 대기 상태에 있는 검사 대상물(10)이 검사 위치로 이송되도록 인입 제어 신호를 발생하여 3차원 형상 측정을 시작한다.(S601) 이때, 제어 모듈(140)은 검사 대상물(10)에 실장된 부품들의 정보를 이용하여 레이저 측정 모듈(120)의 사용 여부를 결정한다.(S602)

제어 모듈(140)은 검사 대상물(10)이 인입 대기 상태에서 인입 제어 신호를 발생하여 검사 대상물(10)이 검사 위치로 이동되도록 하고, 인입시작 검출센서(151)에서 검사 대상물(10)을 감지하여 인입시작 감지신호가 전송되면 레이저 측정 모듈(120)의 구동을 지시하는 구동 제어 신호를 발생하여 3차원 레이저 스캐너(121)가 동작되어 3차원 레이저 스캔을 수행한다.(S603, S604)

3차원 레이저 스캐너(121)는 하나의 라인에 대한 라인 측정 데이터를 생성하여 출력하고, 레이저 제어기(122)는 라인 측정 데이터를 수신하여 이미지 영역에 라인별로 순차적으로 누적하여 제1 측정 데이터를 저장한다.(S605)

제어 모듈(140)은 인입완료 검출센서(152)에서 검사 대상물(10)을 감지하여 인입완료 감지신호를 출력하면 모아레 측정 모듈(130)의 구동을 지시하는 구동 제어 신호를 발생한다.(S606) 모아레 측정 모듈(130)은 검사 대상물(10)에 대한 3차원 측정을 수행한다.(S607)

제어 모듈(140)은 직렬통신카드(142)를 통해 LED의 밝기 설정값을 LED 드라이버(133)에 전송하고, LED 드라이버(133)는 밝기 설정값에 따라 LED의 밝기를 조절한다. 또한, 제어 모듈(140)은 프로젝터(134)와 카메라 수단(136)의 촬영을 위한 트리거 신호를 발생하고, 이 트리거 신호를 신호 인터페이스 카드(143)를 통해 신호 인터페이스 수단(131)으로 출력한다.

신호 인터페이스 수단(131)은 트리거 신호를 수신받고, 이 트리거 신호에 따라 프로젝션 제어 수단(132)에 트리거 신호를 전달하며, 프로젝션 제어 수단(132)은 트리거 신호에 따라 촬영을 위한 Grab ON 신호와 프로젝터(134)의 LED를 점등하기 위한 LED ON 신호를 동기화하여 발생한다.

프로젝터(134)에 장착된 조명 수단(135)은 LED ON 신호에 따라 일정 시간 동안 점등되며, 이 점등 시간 동안 카메라 수단(136)은 모아레 패턴이 조사된 검사 대상물(10)의 표면을 촬영한다. 이때, 프로젝터(134)는 큰 주기(Low frequency) 4번, 작은 주기(High frequency) 4번, 총 8번의 모아레 패턴을 조사하고, 4회의 모아레 패턴은 패턴0, 패턴1, 패턴2, 패턴3으로 변경됨에 따라 90도의 위상차를 갖는다.

제어 모듈(140)은 카메라 수단(136)에 의해 촬영된 각 패턴 이미지에 대한 위상 연산을 수행하고, 높이값으로 환산한다. 즉, 제어 모듈(140)은 시스템 셋업시 기준 높이에서 촬영된 패턴 이미지를 촬영하여 기준 위상값을 산출하여 저장하고, 3차원 검사시 검사 대상물의 표면에 대한 패턴 이미지를 촬영한 후 이에 대한 대상 위상값을 산출한다. 기준 위상값과 대상 위상값의 위상차를 계산하고, 위상-높이 연산식에 의해 높이를 계산한다. 4개의 패턴 이미지로부터 계산된 높이값을 통합 규칙에 따라 통합하여 해당 픽셀의 높이값으로 산출하여 검사 대상물에 대한 최종 높이값들을 구성한다.

이와 같이, 제어 모듈(140)은 모아레 측정 모듈(130)을 이용하여 일정한 속도로 인입되는 검사 대상물(10) 전체에 대한 3차원 검사를 수행하여 제2 측정 데이터를 획득한다.(S608)

제어 모듈(140)은 검사 대상물에 실장된 부품이 높은 부품이고, 고정밀 측정이 요청된 경우에 제1 측정 데이터와 제2 측정 데이터를 융합하여 부품의 높이를 계산한다.(S609~S612)

그러나, 제어 모듈(140)은 검사 대상물(10)에 실장된 부품이 높은 부품이 아닌 경우에 제2 측정 데이터를 이용하여 부품의 높이를 계산하며, 검사 대상물(10)에 실장된 부품이 높은 부품이지만 고정밀 측정이 요청되지 않은 경우에 제1 측정 데이터만을 이용하여 부품의 높이를 계산한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 라인 프로젝터와 카메라를 이용한 3차원 형상 측정 방법을 설명하는 순서도이고, 도 8은 도 7에 의한 레이저 측정 모듈의 측정 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 7 및 도 8을 참고하면, 레이저 라인 프로젝터와 카메라를 이용한 3차원 형상 측정 방법은 오프라인 캘리브레이션 과정(S710)과 실제로 검사 대상물(10)을 측정하는 3차원 측정 과정(S720)으로 구성된다.

먼저, 오프라인 캘리브레이션 과정(S710)은 이미 높이를 알고 있는 블록을 캘리브레이션 시편으로 이용하여 바닥면에 생성된 레이저 라인의 기준 위치값(기준선 위치)과 레이저 라인 프로젝터(221)의 기준 각도(θ)를 산출한다.

제어 모듈(140)은 3차원 레이저 캘리브레이션이 시작되면, 캘리브레이션 시편이 인입되고, 레이저 라인 프로젝터(221)는 캘리브레이션 시편이 있는 영역에 레이저 라인을 프로젝션한 후 카메라(222)에서 이미지를 촬영한다.(S711~S714)

제어 모듈(140)은 영상획득카드2(144)를 통해 촬영한 이미지를 입력받고, 이 이미지에서 레이저 라인이 있는 라인 영역을 분리하여 추출한 후 추출된 라인 영역에서 영상 처리를 통해 레이저 라인의 정확한 위치를 추출한다.(S715, S716)

제어 모듈(140)은 영역별 레이저 라인을 분리하는데, 바닥면에 생성된 레이저 라인과 캘리브레이션 시편 상면의 블록면에 생성된 레이저 라인을 분리한 후에 바닥면의 레이저 라인과 블록면의 레이저 라인 사이의 간격을 픽셀 단위로 계산한다.(S716, S717) 또한, 제어 모듈(140)은 캘리브레이션 시편 및 바닥면의 레이저 라인과 블록면의 레이저 라인 사이의 간격 정보를 이용하여 레이저 라인 프로젝터(221)의 기준 각도(θ)를 계산한 후 기준 위치값, 레이저 라인 프로젝터(221)의 기준 각도를 저장하여 3차원 측정 과정(S720)에서 사용한다.

3차원 측정 과정(S720)은 오프라인 캘리브레이션 과정에서 추출한 기준 위치값과 기준 각도를 이용하여 실제 검사 대상물(10)의 높이를 계산한다.

3차원 측정 과정(S720)은 3차원 레이저 스캔이 시작되고, 인입시작 검출센서(151)가 검사대상물(10)을 감지하여 인입시작 감지신호가 전송되면, 검사대상물(10)의 표면에 라인 형태의 레이저를 조사한 후 검사 대상물(10)의 표면에 생성된 레이저 라인 이미지를 획득한다.(S721, S722, S723)

제어 모듈(140)은 레이저 라인 이미지에서 레이저 라인 영역 분리 및 레이저 라인 세션화를 수행한다.(S724, S725) 도 8에 도시된 바와 같이, 제어 모듈(140)은 기준 레이저 라인(pattern1)과 추출한 대상 레이저 라인(pattern2)과의 간격을 계산하고, 계산된 간격에 대해 수학식 1을 이용한 높이 계산식을 적용하여 각각의 위치에 대한 높이값(Height)을 계산한다.(S726, S727)

제어 모듈(140)은 계산된 높이값을 이미지 평면에 누적하여 제1 측정 데이터를 생성한 후 3차원 레이저 스캔을 종료한다.(S728, S729)

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 : 이송 모듈 120, 220 : 레이저 측정 모듈
121 : 3차원 레이저 스캐너 221 : 라인 프로젝터
222 : 카메라 122, 223 : 레이저 제어기
130 : 모아레 측정 모듈 140 : 제어 모듈
151 : 인입시작 검출센서 152 : 인입완료 검출센서

Claims (11)

1. 서로 다른 높이를 갖는 적어도 하나 이상의 부품을 실장한 검사 대상물이 로딩되어 이송되는 이송 모듈;
   상기 이송 모듈의 상부에 설치되고, 레이저를 이용하여 상기 검사 대상물의 높이를 측정하여 제1 측정 데이터를 출력하는 레이저 측정 모듈;
   상기 이송 모듈의 상부에 설치되고, 적어도 하나 이상의 프로젝터를 이용해 상기 검사대상물에 모아레 패턴 조명을 조사한 후 반사되는 패턴 이미지를 이용하여 상기 검사대상물의 3차원 형상에 대한 제2 측정 데이터를 출력하는 모아레 측정 모듈; 및
   상기 이송 모듈로 상기 검사 대상물의 인입 여부를 결정하는 인입 제어 신호를 발생하고, 상기 검사 대상물에 실장된 부품에 따라 상기 레이저 측정 모듈 또는 모아레 측정 모듈의 구동 여부를 지시하는 구동 제어 신호를 발생하며, 상기 검사대상물에 실장된 부품 정보에 따라 제1 측정 데이터와 제2 측정 데이터 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하여 상기 검사 대상물에 실장된 부품의 높이를 계산하여 3차원 검사를 수행하는 제어 모듈을 포함하되,
   상기 제어모듈에서 수행되는 검사모드는,
   검사대상물에 실장된 부품 정보에 따라 부품 높이가 임계값 미만인 경우 상기 모아레 측정모듈만을 구동하여 3차원 검사를 수행하는 일반 검사모드와, 상기 부품 높이가 임계값 이상인 경우의 검사방법인 정밀 검사모드를 포함하고,
   상기 정밀 검사모드는 상기 임계값에 상기 제 2측정데이터를 이용하여 계산된 높이값을 합산하여 해당부품의 높이를 계측하는 고정밀 3차원 검사를 수행하는 병합검사모드와, 상기 제1측정 데이터를 이용하여 해당 부품의 높이를 계산하는 저정밀 3차원 검사를 수행하는 레이저 검사모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 측정 모듈은,
   상기 검사 대상물에 수직 방향으로 레이저를 조사하여 3차원 레이저 스캔을 수행하고, 상기 검사 대상물에 대해 라인별로 라인 측정 데이터를 생성하여 출력하는 3차원 레이저 스캐너; 및
   상기 3차원 레이저 스캐너의 동작을 제어하고, 상기 라인 측정 데이터를 순차적으로 누적한 제1 측정 데이터를 제어 모듈로 전송하는 레이저 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 측정 모듈은,
   기설정된 두께를 갖는 라인 형태의 레이저를 상기 검사 대상물에 기설정된 기준 각도로 조사하는 레이저 라인 프로젝터;
   상기 검사 대상물의 표면에 형성된 레이저 라인 이미지를 촬영하는 카메라; 및
   상기 레이저 라인 프로젝터와 카메라의 동작을 제어하고, 상기 촬영된 레이저 라인 이미지를 순차적으로 누적한 제2 측정 데이터를 제어 모듈로 전송하는 레이저 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 시스템.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
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11. 삭제

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