KR102016740B1 - 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템 및 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템은 무작위 위상 변조된 다중광을 발생시키는 광조사부; 다중광에 구조 패턴을 적용하고, 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 다중광을 시편에 조사하는 광변조부; 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득하는 이미지 센서부; 및 이미지 센서부로부터 획득한 영상을 통해 시편의 각 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 제어부;를 포함한다.
Description
본 발명은 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 시편의 변위를 측정하는 방법으로는 접촉식 방법과 비접촉식 방법으로 구분된다. 먼저, 접촉식 기반의 압축/인장 변형률(strain) 측정 방법은 검출 하고자 하는 시편에 변형률 게이지(strain gage) 또는 광섬유 센서를 부착하여, 시편에서 발생하는 시편 길이에 따른 전기적/광학적 신호 변화를 측정하여 압축/인장 변형률을 계산한다. 이와 같은 접촉식 기반의 측정 방법은 전기/광학적 신호를 측정 하여 압축/인장 변형률을 검출하는 방식이므로, 다중 위치 측정을 위해서는 센서를 여러 개 부착하여야 한다. 이로 인해, 다중 위치 측정의 경우, 센서 부착 위치와 배열에 따라 정확도와 민감도에 영향을 받는 문제가 있다. 또한 여러 개의 센서 탈부착 시 센서의 파손 위험을 수반하고, 변형률 게이지의 경우 전기적 외란에 영향을 받는 문제가 있다.
또한 비접촉식(광학식) 기반의 압축/인장 변형률(strain) 측정 방법은 멀티모드 광섬유 어레이를 광원으로 하여, CCD(Charge coupled device) 카메라로 스펙클(Speckle) 패턴을 취득하고, 취득된 스펙클 변화량을 감지하여, 환경 섭동(압축/인장 변형률 등)을 측정한다. 이와 같은 비접촉식 기반의 측정방법은 주변광에 노출된 환경에서는 낮은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)로 스펙클 영상이 관찰되며, 광섬유의 미세한 움직임에도 스펙클 변화가 매우 민감하다는 문제가 있다.
이와 관련하여, 선행기술 한국공개특허 제 10-2003-0093288 호(발명의 명칭: 스페클 이미지 처리를 사용하여 환경 섭동을 감지하고 위치를 파악하는 멀티 광섬유 광학 2차원-어레이 소자)는 멀티모드 광섬유에 의해 스펙클 이미지를 생성하고, 획득된 스펙클 이미지변화량으로부터 환경 섭동을 측정하는 시스템에 대하여 개시하고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 레이저 광원의 무작위적 산란/간섭에 의한 레이저 스펙클(Speckle) 영상 기술에 특정 패턴으로 빛을 조사하는 구조광 기술을 접목하여, 시편에 가해지는 여러 요인(변위, 압축/인장 변형률 등)을 높은 신호 대 잡음비(Signal-to-noise ratio, SNR)로 측정 하는데 그 목적이 있다.
더불어, 고감도로 스펙클 영상을 취득하고, 시편의 미세 변위 변화에 민감한 스펙클 영상을 신호 분석하여, 시편의 미세 변위와 압축 및 인장으로 인한 변형률을 다중 위치에서 비접촉 방법으로 측정하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 더 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템은 무작위 위상 변조된 다중광을 발생시키는 광조사부; 다중광에 구조 패턴을 적용하고, 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 다중광을 시편에 조사하는 광변조부; 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득하는 이미지 센서부; 및 이미지 센서부로부터 획득한 영상을 통해 시편의 각 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템은 무작위 위상 변조된 광을 발생시키는 광조사부; 광에 구조 패턴을 적용하고, 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 광을 시편에 조사하는 광변조부; 시편의 다중 위치에서, 조사된 광을 각각 획득하도록 어레이 형태로 배치된 이미지 센서부; 및 각 이미지 센서부로부터 획득한 영상을 통해 각각의 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법은 광조사부에 의해, 무작위 위상 변조된 다중광을 발생시키는 단계; 광변조부에 의해, 광에 구조 패턴을 적용하고, 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 다중광을 시편에 조사하는 단계; 이미지 센서부에 의해, 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득하는 단계; 및 제어부에 의해, 이미지 센서부로부터 획득한 영상을 통해 시편의 각 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 단계;를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 광학 기반 비접촉식 방식으로 시편에 센서 부착 없이, 시편의 다중 위치에서 발생하는 여러 요인(변위, 압축/인장 변형률 등)들을 독립적으로 한 번에 측정할 수 있다.
또한 주변광에 노출된 환경에서도 고대비 스펙클 영상을 취득하여, 높은 신호 대 잡음비로 측정이 가능하다. 더불어, 고대비 스펙클 영상의 상호 상관(Cross-Correlation) 관계 분석을 이용하여, 다중 요인의 변화량을 정량적으로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조부에 의해 구조광 패턴에 따른 알루미늄 시편의 스펙클 영상을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 구조광 패턴을 이용하여 알루미늄 시편의 스펙클 복원 영상을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 시편의 변위 변화에 따른 영상 신호 및 신호 대 잡음 비(SNR)를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 의해 시편의 변위 변화에 따른 스펙클 영상을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 변위 변화 전후의 스펙클 영상에 대하여 이차원 상호 상관 분석을 이용한 변위 측정 그래프이다.
도 10은 도 8의 시편에 실제 발생한 변위를 측정한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 상관 분석을 이용한 압축 및 인장의 변형률 측정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조부에 의해 구조광 패턴에 따른 알루미늄 시편의 스펙클 영상을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 구조광 패턴을 이용하여 알루미늄 시편의 스펙클 복원 영상을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 시편의 변위 변화에 따른 영상 신호 및 신호 대 잡음 비(SNR)를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 의해 시편의 변위 변화에 따른 스펙클 영상을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 변위 변화 전후의 스펙클 영상에 대하여 이차원 상호 상관 분석을 이용한 변위 측정 그래프이다.
도 10은 도 8의 시편에 실제 발생한 변위를 측정한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 상관 분석을 이용한 압축 및 인장의 변형률 측정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템은 무작위(random) 위상 변조된 다중광을 발생시키는 광조사부(10), 다중광에 구조광 패턴을 적용하고, 변조된 다중광을 시편에 조사하는 광변조부(20), 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득하는 이미지 센서부(30) 및 이미지 센서부(30)로부터 획득한 영상을 통해 시편의 각 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 제어부(40)를 포함한다. 이때 변화요인은 시편의 변위, 인장 및 압축 중 적어도 하나를 포함한다. 여기서 시편은 시험 분석에 쓰기 위하여 골라낸 광석이나 광물의 조각을 의미한다.
이로 인해 본 발명은 비접촉식 방식으로 시편에 센서 부착 없이, 시편의 다중 위치에서 발생하는 복수의 변화요인(변위, 압축/인장 변형률 등)들을 독립적으로 한 번에 측정할 수 있다. 더불어, 변화 요인 측정 시에 레이저 광원의 무작위적 산란/간섭에 의한 레이저 스펙클(Speckle)의 물리적 특성을 기반으로 한 레이저 스펙클 기술과 특정 패턴으로 빛을 조사하는 구조광 기술을 결합하여 외부 잡음(Noise)에 대한 영향을 받지 않는 스펙클 영상을 취득할 수 있다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 광조사부(10)는 스펙클 패턴을 갖는 다중광을 발생시키며, 간섭성 광원(110), 렌즈렛 어레이(115) 및 산란매체(120)로 구성된다.
일 예로, 광조사부(10)는 광을 조사하는 간섭성 광원(110), 광을 집속하여 다중광을 구현하는 렌즈렛 어레이(115) 및 다중광을 통과시켜 스펙클 패턴(S1)을 발생시키는 산란매체(120)로 구성될 수 있다. 다른 예로, 광조사부(10)는 다중광을 구현하는 복수의 간섭성 광원(110) 및 다중광을 통과시켜 스펙클 패턴(S1)을 발생시키는 산란매체(120)로 구성될 수 있다.
간섭성 광원(110)은 레이저 스펙클을 생성하기 위한 것으로, 예를 들면 레이저 포인터 또는 레이저 다이오드일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
즉, 다중광을 발생시키기 위해, 광조사부(10)는 렌즈렛 어레이(115)를 이용하여 간섭성 광원(110)에서 출력되는 광을 집속하여 다중광을 발생시킬 수 있다. 또한, 렌즈렛 어레이(115)를 이용하는 대신 간섭성 광원(110)을 여러 개 배치하여 다중광을 발생시킬 수 도 있다.
이와 같은 다중광은 시료에 조사되기 전 산란매체(120)를 통과하며 스펙클 패턴(S1)을 생성한다. 이때 산란매체(120)는 일정 수준 이상의 투과도를 보장하면서 무작위적 산란을 야기하는 어떤 물질도 가능하다. 예시적으로 산란매체(120)는 그라운드 글라스 디퓨저(ground glass diffuser), 홀로그래픽 디퓨저(holographic diffuser), 셀로판 테이프(cellophane tape), 반사형 디퓨저(Diffuser reflector) 및 샌드블라스트 디퓨저(Sandblasted diffuser) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
한편, 시료가 자체적으로 스펙클을 발생 시킬 경우에는 전술한 산란매체(120)를 생략할 수 있다.
광변조부(20)는 공간상의 광원 형상을 최소 2개 구조로 변조할 수 있는 장비로서, 투과방식과 반사방식 모두 사용될 수 있다. 예를 들면, 광변조부(20)는 공간 광변조기(Spatial light modulator), 디지털 미소 반사 표시기(Digital micromirror device)일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
또한 광변조부(20)는 스펙클 패턴(S1)을 구조광(Structured illumination) 패턴(S2)으로 변조하고, 변조된 다중광을 시편에 조사한다. 예시적으로 광변조부(20)는 입사된 스펙클 패턴(S1)을 일정한 위상각의 간격을 갖는 구조광 패턴(S2)으로 변조할 수 있다.
이때 구조광 패턴(S2)은 일정한 위상각의 간격을 갖도록 형상화될 수 있다. 예를 들어, 3개의 구조광 패턴으로 형상화될 경우 구조광 패턴(S2)는 위상각 120도의 간격으로 형상화된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 구조광 패턴으로 형상화될 경우, 구조광 패턴(S2)은 위상각 90도의 간격으로 형상화된다.
도 2를 참조하면 즉, 광변조부(20)는 구조광 패턴(S2)으로 변조된 다중광을 시편에 조사하고, 시편의 다중 위치(A)로부터 반사되는 각각의 광을 후술하는 이미지 센서부(30)를 통해 획득할 수 있다.
이미지 센서부(30)는 다중광이 조사된 시편의 다중 위치(A)로부터 반사되는 각각의 광을 집속하는 복수의 광학계(310) 및 각각의 광학계(310)로 집속된 광으로부터 영상(S3)을 획득하는 이미지 센서(320)를 포함한다. 이때 이미지 센서(320)는 CCD(Charge coupled device) 또는 CMOS(Complementary metaloxide semiconductor) 카메라 등의 2차원 이미지 센서로 구성될 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
제어부(40)는 이미지 센서부(30)로부터 획득한 영상(S3)을 통해 시편의 각 위치(A)에서 발생하는 변위의 변화량을 측정할 수 있다. 또한 구조광 패턴(S2)을 이용하여 주변광을 제거하여 스펙클 영상을 복원하고, 복원된 스펙클 영상에 기초하여 변화요인의 변화량을 측정할 수 있다. 즉, 제어부(40)는 구조광 패턴(S2)을 이용하여, 주변광이 제거된 스펙클 영상을 복원할 수 있다. 이로 인해 주변광에 노출된 환경에서도 고대비 스펙클 영상을 복원할 수 있으며, 높은 신호 대 잡음비(SNR)로 변화량의 측정이 가능하다. 스펙클 영상을 복원하는 구체적인 방법에 대한 구체적인 설명은 다른 도 5내지 도 7을 참고하여 후술하기로 한다.
구체적으로, 제어부(40)는 변위의 변화량을 측정하는 경우, 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 변화 후의 복원된 스펙클 영상의 이차원 상호 상관 분석을 수행하고, 분석 결과를 통해 변위의 변화량을 산출할 수 있다.
또한, 제어부(40)는 압축 및 인장의 변화량을 측정하는 경우, 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 변화 후의 복원된 스펙클 영상을 복수의 구간으로 분할하고, 각 구간별로 변화 전/후의 복원된 스펙클의 이차원 상호 상관 분석을 수행하고, X 및 Y 축 방향으로의 분석 결과의 차이를 연산하여 압축 및 인장의 변화량을 측정할 수 있다.
복원된 스펙클 영상에 기초하여 시편의 변화 전/후의 변화요인(변위, 인장 및 압축)의 변화량을 측정하는 구체적인 방법에 대한 구체적인 설명은 다른 도 8내지 도 10을 참고하여 후술하기로 한다.
상술한 도 1 및 도 2에 도시된 구성 중 동일한 기능을 수행하는 구성의 경우 설명을 생략하도록 한다. 다만, 이하에서 설명하고자 하는 다중 요인 측정 시스템은 본 발명의 하나의 다른 예에 불과하며, 구성 요소들을 기초로 하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템은 스펙클 패턴을 갖는 광을 발생시키는 광조사부(10a), 스펙클 패턴을 구조광 패턴으로 변조하고, 변조된 광을 시편에 조사하는 광변조부(20), 시편의 다중 위치(A)에서, 조사된 광을 각각 획득하도록 어레이 형태로 배치된 이미지 센서부(30a) 및 각 이미지 센서부(30a)로부터 획득한 영상을 통해 각각의 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 제어부(40)를 포함한다.
광조사부(10a)는 광을 조사하는 간섭성 광원(110), 광을 통과시켜 스펙클 패턴을 발생시키는 산란매체(120)로 구성될 수 있다.
이미지 센서부(30a)는 시편의 다중 위치(A)에서, 조사된 광을 각각의 영상으로 획득하기 위해 어레이 형태로 배치된 이미지 센서(320)와 각각의 위치(A)에서 광을 집속하는 광학계(310)를 포함한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법은 광조사부(10)에 의해, 무작위 위상 변조된 다중광을 발생시키는 단계(S110), 광변조부(20)에 의해, 광에 구조 패턴을 적용하고, 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 다중광을 시편에 조사하는 단계(S120), 이미지 센서부(30)에 의해, 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득하는 단계(S130) 및 제어부(40)에 의해, 이미지 센서부(30)로부터 획득한 영상을 통해 시편의 각 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 단계(S140)를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 대 잡음 비(SNR)가 개선된 스펙클 영상을 복원하는 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조부에 의해 구조광 패턴에 따른 알루미늄 시편의 스펙클 영상을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 구조광 패턴을 이용하여 알루미늄 시편의 스펙클 복원 영상을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 시편의 변위 변화에 따른 영상 신호 및 신호 대 잡음 비(SNR)를 측정한 그래프이다.
S140단계는 구조광 패턴을 이용하여 주변광을 제거하여 스펙클 영상을 복원하고, 복원된 스펙클 영상에 기초하여 변화요인의 변화량을 측정하는 단계를 포함한다.
도 5는 알루미늄 시편의 구조광 패턴으로 위상각 90도의 간격으로 형상화된 것을 나타내며, 도 6은 도 5에 나타낸 주변광 신호가 제거된 복원된 스펙클 영상을 나타낸다. 일 예로, 구조광 패턴의 수(예를 들어 위상각 90도 간격은 4개, 위상각 120도 간격은 3개)만큼 영상 신호를 취득하여 수식1에 의해 주변광 신호를 제외한 스펙클 영상 신호로 복원할 수 있다.
[수식1]
여기서, Is는 주변광 신호를 제외한 스펙클 영상 신호이며, I0, Iπ, I3π / 2, Iπ /2는 서로 위상이 90도씩 차이나는 구조광 신호를 의미한다.
도 7은 시편의 변위 변화에 따른 신호 대 잡음 비(SNR)를 측정한 결과이다. 도 7의 (b)에 도시된 주변광에 노출된 환경에서 측정된 기존 스펙클 영상 신호와 SNR에 비하여, 도 7의 (a)에 도시된 구조광 패턴을 이용하여 주변광을 제거한 스펙클 영상 신호와 SNR이 고감도로 복원된 것을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 복원한 스펙클 영상을 이용하여 시편의 변화요인을 측정하는 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 의해 시편의 변위 변화에 따른 스펙클 영상을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 변위 변화 전후의 스펙클 영상에 대하여 이차원 상호 상관 분석을 이용한 변위 측정 그래프이다.
도 10은 도 8의 시편에 실제 발생한 변위를 측정한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 상관 분석을 이용한 압축 및 인장의 변형률 측정 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
S140단계는 변위의 변화량을 측정하는 경우, 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 변화 후의 복원된 스펙클 영상의 이차원 상호 상관 분석을 수행하는 단계 및 분석 결과를 통해 변위의 변화량을 산출하는 단계를 포함한다.
도 8은 복원한 스펙클 영상 신호를 이용하여 변위를 측정하는 방식을 나타낸 것이다. 도 8의 (a)는 시료의 초기 위치에서 측정된 스펙클 영상 신호이고, 도 8의 (b)는 시료의 초기 위치로부터 변위가 발생했을 경우의 스펙클 영상 신호이다. 즉, 시료에서 변위가 발생하면 스펙클 변위가 발생한 방향으로 이동하며, 두 영상의 상호 상관(cross correlation) 또는 콘볼루션(convolution)과 같은 상관 관계 분석을 통해 상호 상관을 정략적으로 분석하여 변위를 정량적으로 산출한다.
도9는 도 8의 변위 변화 전/후의 복원된 스펙클 영상의 상호 상관 분석을 시행하여 측정한 시편의 이동한 변위를 나타낸 것이다. 도 10은 도 8의 시편에 실제 발생한 변위를 측정한 것과 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 상관 분석을 시행하여 측정한 변위를 그래프로 나타낸 것으로, 정확도(R-Square)가 99%인 것을 알 수 있다.
S140 단계는 압축 및 인장의 변화량을 측정하는 경우, 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 변화 후의 복원된 스펙클 영상을 복수의 구간으로 분할하는 단계, 각 구간별로 변화 전/후의 복원된 스펙클 영상의 이차원 상호 상관 분석을 수행하는 단계 및 X 및 Y 축 방향으로의 분석 결과의 차이를 연산하여 압축 및 인장의 변화량을 측정하는 단계를 포함한다.
예시적으로, 도 11을 참조하여 복원한 스펙클 영상을 이용하여, 시편의 압축 및 인장 변화량(변형율) 측정을 위한 신호처리 연산 과정을 설명하도록 한다. 먼저, 압축 및 인장 전/후의 복원된 고대조 스펙클 영상을 확보한다(S141). 이어서, 압축 및 인장 전/후의 고대조 스펙클 영상을 각각 4개 영역으로 구분한다(S142). 일 예로, 각 영역은 상(Top), 하(Bottom), 좌(Left), 우(Right)로 구분되며, 압축 전의 경우 
, 압축 후의 경우 
로 구분될 수 있다.
다음으로, 각 영역에 대하여 압축 및 인장 전/후 스펙클 영상 기반 이차원 상호 상관(Cross-Correlation)을 수행한다(S143). 예시적으로, 각 구간별 압축 전후 영상을 대상으로 
와 같이 이차원 상호 상관을 수행하고, 연산 결과를 Xx (x=Left, Right, Top, Bottom)와 같이 나타낼 수 있다. 마지막으로, x, y 축 방향으로의 상호 상관(Cross-Correlation) 분석 결과의 차이를 예를들어 
와 같이 계산(S144)한다. 즉, 각 방향으로의 시편의 변형율과 선형 비례관계를 가지는 수치를 산출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템은 주변광에 노출된 환경에서도 고대비 스펙클 영상을 취득하여, 높은 신호 대 잡음비로 측정이 가능하다. 또한 고대비 스펙클 영상의 상호 상관(Cross-Correlation) 관계 분석을 이용하여, 다중 요인을 정량적으로 측정할 수 있다.
더불어 저가의 레이저 다이오드와 웹캠 등으로도 구현 가능하기 때문에, 가격 경쟁력을 확보할 수 있으며, 특히, 접촉식 변형률 센서를 사용할 수 없는 환경(예: 고온 금속 가공 공정)에서 활용이 기대된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 10a: 광조사부
20: 광변조부
30, 30a: 이미지 센서부
40: 제어부
110: 간섭성 광원
115: 렌즈렛 어레이
310: 광학계
20: 광변조부
30, 30a: 이미지 센서부
40: 제어부
110: 간섭성 광원
115: 렌즈렛 어레이
310: 광학계
Claims (15)
- 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템에 있어서,
무작위(random) 위상 변조된 다중광을 발생시키는 광조사부
상기 다중광에 구조 패턴을 적용하고, 상기 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 다중광을 시편에 조사하는 광변조부;
상기 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득하는 이미지 센서부; 및
상기 이미지 센서부로부터 획득한 영상을 통해 상기 시편의 각 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 제어부;를 포함하되,
상기 광조사부는
상기 다중광을 통과시켜 스펙클 패턴을 발생시키는 산란매체를 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 변화요인은 상기 시편의 변위, 인장 및 압축 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 제어부는
상기 구조광 패턴을 이용하여 주변광을 제거하여 스펙클 영상을 복원하고, 상기 복원된 스펙클 영상에 기초하여 상기 변화요인의 변화량을 측정하되,
상기 구조광 패턴은 일정한 위상각의 간격을 갖도록 형상화된 것이고,
상기 복원된 스펙클 영상은 상기 광조사부에 의해 발생된 스펙클 패턴을 갖는 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득한 영상인 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 제어부는
상기 변위의 변화량을 측정하는 경우,
상기 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 상기 변화 후의 복원된 스펙클 영상의 이차원 상호 상관 분석을 수행하고, 상기 분석 결과를 통해 상기 변위의 변화량을 산출하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 제어부는
상기 압축 및 인장의 변화량을 측정하는 경우,
상기 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 상기 변화 후의 복원된 스펙클 영상을 복수의 구간으로 분할하고, 상기 각 구간별로 상기 변화 전/후의 복원된 스펙클의 이차원 상호 상관 분석을 수행하고, X 및 Y 축 방향으로의 상기 분석 결과의 차이를 연산하여 상기 압축 및 인장의 변화량을 측정하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 광조사부는
광을 조사하는 간섭성 광원; 및
상기 광을 집속하여 상기 다중광을 구현하는 렌즈렛 어레이를 더 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 광조사부는
상기 다중광을 구현하는 복수의 간섭성 광원을 더 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 6 항 또는 제 7항에 있어서,
상기 산란매체는 그라운드 글라스 디퓨저(ground glass diffuser), 홀로그래픽 디퓨저(holographic diffuser), 셀로판 테이프(cellophane tape), 반사형 디퓨저(Diffuser reflector) 및 샌드블라스트 디퓨저(Sandblasted diffuser) 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 이미지 센서부는
상기 각각의 광을 집속하는 복수의 광학계; 및
상기 각각의 광학계로 집속된 광으로부터 영상 정보를 획득하는 이미지 센서를 포함하는 것인 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 이미지 센서는
CCD(Charge coupled device) 또는 CMOS(Complementary metaloxide semiconductor)로 구성되는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템에 있어서,
무작위 위상 변조된 다중광을 발생시키는 광조사부;
상기 광에 구조 패턴을 적용하고, 상기 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 광을 시편에 조사하는 광변조부;
상기 시편의 다중 위치에서, 상기 조사된 광을 각각 획득하도록 어레이 형태로 배치된 이미지 센서부; 및
상기 각 이미지 센서부로부터 획득한 영상을 통해 상기 각각의 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 제어부;를 포함하되,
상기 광조사부는
상기 다중광을 통과시켜 스펙클 패턴을 발생시키는 산란매체를 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템. - 시편에 대한 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법에 있어서,
광조사부에 의해, 무작위 위상 변조된 다중광을 발생시키는 단계;
광변조부에 의해, 상기 다중광에 구조 패턴을 적용하고, 상기 변조된 구조광 패턴에 의해 도출된 다중광을 시편에 조사하는 단계;
이미지 센서부에 의해, 상기 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득하는 단계; 및
제어부에 의해, 상기 이미지 센서부로부터 획득한 영상을 통해 상기 시편의 각 위치에서 발생하는 하나 이상의 변화요인을 측정하는 단계;를 포함하되,
상기 광조사부는
상기 다중광을 통과시켜 스펙클 패턴을 발생시키는 산란매체를 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 변화요인은 시편의 변위, 인장 및 압축 중 적어도 하나를 포함하는 것이고,
상기 변화요인을 측정하는 단계는,
상기 구조광 패턴을 이용하여 주변광을 제거하여 스펙클 영상을 복원하고, 상기 복원된 스펙클 영상에 기초하여 상기 변화요인의 변화량을 측정하는 단계;를 포함하되,
상기 구조광 패턴은 일정한 위상각의 간격을 갖도록 형상화된 것이고,
상기 복원된 스펙클 영상은 상기 광조사부에 의해 발생된 스펙클 패턴을 갖는 다중광이 조사된 시편의 다중 위치로부터 반사되는 각각의 광을 획득한 영상인 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 변화량을 측정하는 단계는
상기 변위의 변화량을 측정하는 경우,
상기 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 상기 변화 후의 복원된 스펙클 영상의 이차원 상호 상관 분석을 수행하는 단계; 및
상기 분석 결과를 통해 상기 변위의 변화량을 산출하는 단계;를 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 변화량을 측정하는 단계는
상기 압축 및 인장의 변화량을 측정하는 경우,
상기 시편의 변화 전의 복원된 스펙클 영상 및 변화 후의 복원된 스펙클 영상을 복수의 구간으로 분할하는 단계;
상기 각 구간별로 상기 변화 전/후의 복원된 스펙클 영상의 이차원 상호 상관 분석을 수행하는 단계; 및
X 및 Y 축 방향으로의 상기 분석 결과의 차이를 연산하여 상기 압축 및 인장의 변화량을 측정하는 단계;를 포함하는 것인, 다중 위치에서의 다중 요인 측정 시스템의 동작 방법.
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