KR19990049938A

KR19990049938A - 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR19990049938A
Application number: KR1019970068950A
Authority: KR
Inventors: 김경구
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-07-05
Also published as: KR100281594B1

Abstract

본 발명은 조명각 조절, 전반사와 난반사의 비율 조정, 광원의 광량 조절 등의 최적화 작업을 초기에 행한 후에 시간이나 작업 스케줄링에 따라 되먹임 제어 방법으로 조명 장치 열화나 주변 환경 변화에도 강건성을 유지하도록 한 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

종래의 화상 검사 시스템은 많은 시행착오에 의해 산출된 조명부 위치와 센서각 위치에 따라 조명부와 센서부를 임의 위치에 고정시키고, 화상을 검사하기 때문에 환경 변화에 대응하지 못하는 문제점이 있었다.

이것을 해결하기 위해, 본 발명은 검사 대상물로부터 반사되는 광량을 검출하는 광량 검출부와, 광량 검출부에서 검출된 광량을 측정하고 컴퓨터에서 처리할 수 있는 데이터로 변환하여 출력해주는 광량 측정부와, 광량 측정부에서 얻어지는 광량에 따라 조명의 입사각과 광검출 센서의 센서각을 조절하기 위한 제어 신호를 발생하고, 전반사와 난반사 광량 조절 및 전반사와 난반사 비율 조정 제어신호를 발생하는 계산용 컴퓨터와, 계산용 컴퓨터에서 출력되는 조명의 입사각 및 센서각 조절 제어신호에 따라 조명의 입사각과 광 검출 센서의 센서각을 조절하는 위치제어용 기구 제어부와, 계산용 컴퓨터에서 출력되는 광량 조절 제어신호에 따라 조명부의 전반사와 난반사의 광량을 조절하고, 전반사와 난반사의 비율을 조정하는 조명부 광량 제어부를 구비한다.

Description

화상 검사 시스템의 조명 자동 조절 장치 및 그 방법

본 발명은 화상 검사 시스템에 관한 것으로, 특히 조명각 조절, 전반사와 난반사의 비율 조정, 광원의 광량 조절 등의 최적화 작업을 초기에 행한 후에 시간이나 작업 스케줄링에 따라 되먹임 제어 방법으로 조명 장치 열화나 주변 환경 변화에도 강건성을 유지하도록 한 화상 검사 시스템의 조명 조절 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

종래 화상 검사 시스템은 도1에 도시된 바와 같이, 검사 대상물(1)에 조명을 투사하는 조명부(2)와, 상기 검사 대상물(1)로부터 반사되는 광량을 센싱하는 센서부(3)로 구성되어져 있다.

이와 같이 구성된 종래 화상 검사 시스템의 동작을 첨부한 도면 도2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 종래의 화상 검사 시스템은 도면 도1에 도시된 바와 같이, 전반사가 일어나는 대상면에 대한 조명의 각도를 조절하고, 센서부(3)에서 받아들이는 광량의 합이 최대가 되는 위치를 설정하고, 이를 검사 장치 제작시 고정시키게 된다.

그리고, 대상물이 이종 재료들로 구성되어 있는 경우에는 재료간의 반사성질이 다름으로 인해 구별해야 하는 부분들간의 조도(Contrast)를 크게 하기 위해, 시행착오법에 의해 결정된 비율표에 따라 전반사와 난반사의 비율을 작업자가 조정하게 된다.

즉, 검사 시행전에 조명각, 전반사와 난반사의 비율등을 정하고 이를 고정시켜서 대상물을 검사한다. 그리고 새로운 모델이 들어오거나 작업장의 조명 환경, 분진의 발생 등으로 인해 검사 대상물의 환경이 변하면 검사를 중단하고 새롭게 조명의 파라메터등을 작업자가 수동으로 변경한 후 작업을 하게 된다.

그러나 이러한 종래의 화상 검사 시스템은 조명부와 센서부가 고정된 각도를 사용하고 전반사와 난반사의 비율을 고정시켜 사용함으로써 전체 시스템의 열화나 주변 환경의 변화에 의해 나타나는 시스템 성능 저하에 대해 신속히 대처하지 못하기 때문에 시스템의 안정적인 성능 보장에 한계가 있는 문제점이 있었다.

특히, 상기와 같은 근본적인 한계를 소프트웨어 부분에서 담당함으로써 센싱된 화상에 대한 처리를 하는 연산장치의 계산량을 늘리는 결과를 초래하여 시스템 수행 시간을 길게하는 단점을 유발시켰다.

그리고 일반적인 검사 대상물은 각기 상이한 이종 재료들이 조합된 것으로 화상을 형성하기 위한 조명의 종류, 조명각, 센싱각, 전반사와 난반사 복합 조명인 경우 그 비율등에 따라 상이한 화상을 형성하게 된다. 이러한 요소들은 독립적으로 적용될 경우 최적의 값을 찾을 수 있으나 실제 적용시에는 이러한 요소들이 함께 작용하게 되고 시스템 개발 단계의 수준에서는 예측할 수 없는 미지의 요소들도 포함하게 된다. 또한 이러한 요소들이 결합되어 나타나는 경우에 판단할 수 있는 방법으로서 CCD 소자에서의 최대값을 나타내는 조합을 화상부에서 판단하거나 오실로 스코프등의 전류, 전압 가시화 장비를 이용할 수 있다. 그러나 이것은 CCD 소자들을 거친 것으로 이미 한번의 변환을 거친 값들을 대상으로 함으로써 오차가 개입할 소지가 있으며, 그 판단 또한 주관적일 수 밖에 없다.

따라서 이러한 여러가지 요인으로, 종래의 화상 검사 시스템은, 다변수 조정에 대한 독립된 고정값을 사용함으로써 발생하는 최적값 선정의 어려움, 작업자의 즉각적인 대처가 곤란하고 작업자의 주관이 개입할 수 있는 개연성, 최적 조명 조건 판별시에 발생하는 신뢰성 저하, 장치 사용 환경에 대한 강건성(Robustness)의 부족, 최적 조명 조건에 대한 사용자를 위한 정보 제공의 부족이라는 다수의 문제점을 발생 하였다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 화상 검사 시스템에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명은 조명각 조절, 전반사와 난반사의 비율 조정, 광원의 광량 조절 등의 최적화 작업을 초기에 행한 후에 시간이나 작업 스케줄링에 따라 되먹임 제어방법으로 조명 장치 열화나 주변 화경 변화에도 강건성을 유지하도록 한 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은,

검사 대상물로부터 반사되는 광량을 검출하는 광량 검출수단과;

상기 광량 검출수단에서 검출된 광량을 측정하고 컴퓨터에서 처리할 수 있는 데이터로 변환하여 출력해주는 광량 측정수단과;

상기 광량 측정수단에서 얻어지는 광량에 따라 조명의 입사각과 광검출 센서의 센서각을 조절하기 위한 제어 신호를 발생하고, 전반사와 난반사 광량 조절 및 전반사와 난반사 비율 조정 제어신호를 발생하는 계산용 컴퓨터와;

상기 계산용 컴퓨터에서 출력되는 조명의 입사각 및 센서각 조절 제어신호에 따라 조명의 입사각과 광 검출 센서의 센서각을 조절하는 위치 제어용 기구 제어수단과;

상기 계산용 컴퓨터에서 출력되는 광량 조절 제어신호에 따라 조명부의 전반사와 난반사의 광량을 조절하고, 상기 전반사와 난반사의 비율을 조정하는 조명부 광량 제어수단으로 이루어짐을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 방법은,

초기 조명 및 센서의 위치를 세팅하고, 초기 조명값을 세팅한 상태에서 입사각을 일정하게 변화시키면서 고정된 반사각의 광량을 측정하는 단계와;

상기 반사각을 일정하개 변화시키면서 고정된 입사각의 광량을 측정하는 단게와;

상기 측정된 두가지 광량에 따라 최적 전반사 위치 후보점을 선정하는 단계와;

상기 최적 전반사 위치 후보점에서 전반사와 난반사의 비율을 조정하면서 광량을 측정하고, 최적 입사각, 센서각, 전반사와 난반사의 비율을 최적화하는 단계와;

상기 최적화된 조명 조건하에서 검사를 수행하고, 그 검사 수행중 광량을 측정하고 정해진 편차를 벗어나면 광량 조절, 전반사와 난반사의 비율 조정, 센서각의 변화 순으로 조정을 하여 조명 조건을 최적화시키면서 검사를 수행하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

제1도는 종래 화상 검사 시스템의 개략 구성도,

제2도는 종래 화상 검사 시스템의 화상 검사 과정을 보인 흐름도,

제3도는 본 발명에 의한 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절장치 블록 구성도,

제4도는 본 발명에 의한 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절방법을 보인 제어 흐름도,

제5도는 본 발명에서 입사각과 반사각 결정 및 전반사와 난반사 결정 과정을 보인 흐름도,

제6도는 본 발명에서 화상 검사 시스템의 기구부 개략 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 광량 검출부 20 : 광량 측정부

30 : 계산용 컴퓨터 30 : 계산용 컴퓨터

40 : 위치제어용 기구 제어부 50 : 조명부 광량 제어부

60 : 조명부

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명에 의한 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절장치 블록 구성도를 나타낸 것으로서, 검사 대상물로부터 반사되는 광량을 검출하는 광량 검출부(10)와, 상기 광량 검출부(10)에서 검출된 광량을 측정하고 계산용 컴퓨터(30)에서 처리할 수 있는 데이터로 변환하여 출력해주는 광량 측정부(20)와, 상기 광량 측정부(20)에서 얻어지는 광량에 따라 조명의 입사각과 광검출 센서의 센서각을 조절하기 위한 제어신호를 발생하고, 전반사와 난반사 광량 조절 및 전반사와 난반사 비율 조정 제어신호를 발생하는 계산용 컴퓨터(30)와, 상기 계산용 컴퓨터(30)에서 출력되는 조명의 입사각 및 센서각 조절 제어신호에 따라 조명의 입사각과 광 검출 센서의 센서각을 조절하는 위치제어용 기구 제어부(40)와, 상기 계산용 컴퓨터(30)에서 출력되는 광량 조절 제어신호에 따라 조명부(60)의 전반사와 난반사의 광량을 조절하고, 상기 전반사와 난반사의 비율을 조정하는 조명부 광량 제어부(50)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 첨부한 도면 도3 내지 도6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도4에 도시된 바와 같이, 초기 조명부 위치와 센서 위치를 세팅하고, 초기 조명값을 세팅한 상태에서, 위치제어용 기구 제어부(40)를 콘트롤하여 입사각을 일정하게 변화시키면서 광량 검출부(10) 및 광량 측정부(20)를 통해 고정된 반사각의 광량을 측정한다.

다음으로, 상기 위치제어용 기구 제어부(40)를 콘트롤하여 광량 검출 센서의 위치(반사각)를 일정하게 변화시키면서 상기 광량 검출부(10) 및 광량 측정부(20)를 통해 고정된 입사각의 광량을 측정하게 된다.

이와같이 광량 검출부 각 변화에 따른 밝기 데이터를 획득하면, 계산용 컴퓨터(30)는 반사모델에 따른 전반사와 난반사의 계수값을 결정하는 알고리즘을 수행하여 전반사 및 난반사의 계수값을 결정하고, 전반사와 난반사의 비율 조정 데이터를 획득한 후 전반사와 난반사의 비율 최적화 알고리즘을 수행하여 전반사와 난반사의 비율이 최적화되도록 한다.

여기서, 전반사 및 난반사의 비율을 결정하고, 입사각 및 반사각을 결정하는 알고리즘은 첨부한 도면 도5와 같다.

이에 도시된 바와 같이, 광량 센서를 이용하여 광량을 측정하고, 이를 광량 계산식에 대입한다. 여기서 표면 거칠기 상수도 대입시킨다.

이후 계수중 한쪽중 고정시키고, 다른 한쪽을 계산하여 이 중 오차가 최소가 되는 계수를 결정하여 입사각 및 반사각을 결정하게 된다.

다음으로, 전반사용 조명을 일정하게 변화시키고, 난반사용 조명을 일정하게 변화시켜 각각 얻어지는 광량을 대상물의 설계 기준치와 비교하여 오차가 최소가 되는 전반사 및 난반사 비율을 결정하게 된다.

이와 같은 과정으로 입사각 및 반사각, 난반사 및 전반사의 비율을 결정하게 되면, 각각의 고정된 최적 전반사 위치 후보점에서 전반사와 난반사의 비율을 조정하고, 최적 입사각 및 센서각을 조절하여 조명 조건을 최적화시킨다.

상기와 같이 조명 조건을 최적화시킨 상태에서 검사 대상물을 검사하며, 상기 검사 대상물의 검사 도중에도 지속적으로 광량을 측정하여 정해진 편차를 벗어나는지를 확인한다. 이 확인 결과 정해진 편차를 벗어나게 되면 광량 조절, 전반사와 난반사의 비율 조정, 센서각의 변화 등의 순으로 조명 조건을 제조정하여 항상 최적화된 조명 조건을 유지한다.

첨부한 도면 도6은 본 발명에서 화상 검사 시스템의 기구부를 도시한 것이다.

여기서, 참조부호 111과 112는 라인 조명의 수직 이동 및 수평 이동용 축으로서 가상의 반구(125)에 접근하도록 하는 역할을 하며, 113은 조명 수직 이동용축(111)의 끝단에 결합되고 회전이 가능토록 설계되어 라인 조명을 반구의 접선에 일치하도록 하는 조명 회전용 축이다.

그리고, 114는 전반사용 라인 조명이고, 115는 검사 대상물이며, 116은 광량 센서의 이동 반구면을 나타낸 것이고, 117은 광량 센서가 상기 이동 반구면을 따라라서 이동토록 하며 이동 반구면의 접선에 대해 수직을 유지하기 위한 광량센서 회전용 축이다.

아울러 118은 광량을 측정하기 위한 광량 센서이고, 119는 전반사 조명의 유효 경로이며, 120은 선형 카메라이다.

또한, 121은 난반사용 조명이고, 123, 124는 조명의 광로는 카메라의 광로와 일치하므로 이를 반투과, 반반사시키는 하프미러를 나타낸 것이다.

이러한 기구물을 이용하여 실제 조명을 제어하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 조명의 위치를 결정하는 축(조명 수직 이동용 축, 조명 수평 이동용 축, 조명 회전용 축)을 두고, 선형 카메라(120)의 직선형 조명의 위치를 제어한다.

이렇게 함으로써 라인 조명(114)의 중심에 위치하는 기준점은 대상물(115)에 조사되는 라인 조명(114)의 중심으로부터 일정한 반지름, R을 가지는 반구(125)의 접선에 위치하게 된다.

일정한 반지름 조건하에서 라인 조명(114)을 축 X와 평행하게 하고(라인 조명의 중심선 126과 X축은 평행), 일정한 반지름을 가지는 가상의 반구(125)상의 한점에서 접선과 일치하도록 조명의 기준점을 이동함으로써 라인 조명(114)의 입사각을 변화시키게 된다.

이와 마찬가리로 반사각, 즉 센서의 입력각을 변화킬 수 있다.

이렇게 해서 입사각을 일정하게 변화시키면서 고정된 반사각의 광량을 측정하고, 반사각을 일정하게 변화시키면서 고정된 입사각의 광량을 측정하며, 이렇게 각각 측정된 광량을 계산용 컴퓨터(30)에 입력시킨다.

이때 광량의 측정은 광량 센서를 사용하여 전류값으로 변환하고 이를 계산용 컴퓨터(30)에 전송한다.

상기 계산용 컴퓨터(30)는 전송된 광량을 정해진 위치에서 초기값들이 모두 전송될 때까지 저장한다. 여기서 저장되는 정보의 종류는 입사각, 반사각, 광량이다.

이들 정보들은 광량의 크기 L_r를 정하는 다음 식의 계수값을 조정하는 데 사용된다.

L_r= K_diffcos θ_i+ (K_spec/ cos θ_r)e^{-(α2/2σ2α)}

상기에서, θ_i는 입사각, θ_r은 반사각, α는 (θ_i+θ_r)/2이다.

이 식 중에서 측정값은 L_r, θ_i, θ_r이다.

이러한 측정값을 이용하여 난반사 계수 K_diff, 전반사 계수 K_spec, 표면 거칠기σ_α의 값을 정한다.

위 식은 비선형 방정식으로 일반해를 구하기 어렵다. 그러므로 σ_α의 의미가 표면 거칠기를 나타내므로 대상물에 따라 범위가 정해질 수 있는 값이다.

이렇게 σ_α를 상수로 가정하면 위 식은 선형방정식이 되어서 실험값들을 이용한 오차최소화법을 사용하면 계수, K_diff, K_spec의 값을 계산할 수 있다.

이때 계산의 순서는 광량센서의 측정값을 위 식에 대입하고 6a의 가능한 범위에서 대입하여 풀면 오차가 최소화되는 점에서 K_diff, K_spec의 값을 구할 수 있다.

위식은 선형방정식이므로 각 항에 대해 최대값을 보일 때 광량 L_r또한 최대값을 가지고 이 최대값을 가질 수 있는 입사각 θ_i, 반사각 θ_r을 구할 수 있으며, 이것은 수치해석 기법의 미분 이론을 가지고 구할 수 있다.

또한 이렇게 얻어진 두 계수 K_diff, K_spec의 비를 고려하면 전반사 조명과 난반사 조명의 초기비를 구할 수 있다.

이러한 계산값을 중심으로 일정 범위를 실험하면 신뢰성있는 조명비를 구할 수 있다.

이렇게 조명비가 구해지면 입사각과 반사각의 미세 조정을 수행하고, 전반사미 난반사 비율을 조절함으로써 항상 최적의 조명 조건을 유지할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 화상 검사 대상물에 대한 조명을 자동적으로 조절할 수 있으므로 질좋은 화상의 획득이 가능하여 전체 화상 검사 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 화상 검사를 위한 최적 조명 조건을 설정된 순서에 따라 자동적인 실험으로 찾아냄으로써 작업자의 개입을 없애고 성질이 알려져 있지 않은 재료에 대해서도 쉽게 최적 조명 조건을 찾아낼 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 화상 검사 시스템의 동작중에도 계속적인 감시와 조명 조건의 수정이 이루어지므로 환경변화에 대해 강건성을 유지할 수 있고, 유지보수도 용이한 이점이 있다.

Claims

검사 대상물로부터 반사되는 광량을 검출하는 광량 검출수단과;

상기 광량 검출수단에서 검출된 광량을 측정하고 컴퓨터에서 처리할 수 있는 데이터로 변환하여 출력해주는 광량 측정 수단과;

상기 광량 측정 수단에서 얻어지는 광량에 따라 조명의 입사각과 광검출 센서의 센서각을 조절하게 위한 제어 신호를 발생하고, 전반사와 난반사 광량 조절 및 전반사와 난반사 비율 조절 제어신호를 발생하는 계산용 컴퓨터와;

상기 계산용 컴퓨터에서 출력되는 조명의 입사각 및 센서각 조절 제어신호에 따라 조명의 입사각과 광 검출 센서의 센서각을 조절하는 위치제어용 기구 제어수단과;

상기 계산용 컴퓨터에서 출력되는 광량 조절 제어신호에 따라 조명부의 전반사와 난반사의 광량을 조절하고, 상기 전반사와 난반사의 비율을 조정하는 조명부 광량 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절장치.
초기 조명 및 센서의 위치를 세팅하고, 초기 조명값을 세팅한 상테에서 입사각을 일정하게 변화시키면서 고정된 반사각의 광량을 측정하는 단계와;

상기 반사각을 일정하게 변화시키면서 고정된 입사각의 광량을 측정하는 단계와;

상기 측정된 두가지 광량에 따라 최적 전반사 위치 후보점을 선정하는 단계와;

상기 최적 전반사 위치 후보점에서 전반사와 난반사의 비율을 저정하면서 광량을 측정하고, 최적 입사각, 센서각, 전반사와 난반사의 비율을 최적화하는 단계와;

상기 최적화된 조명 조건하에서 검사를 수행하고, 그 검사 수행중 광량을 측정하고 정해진 편차를 벗어나면 광량 조절, 전반사와 난반사의 비율 조정, 센서각의 변화 순으로 조정을 하여 조명 조건을 최적화시키면서 검사를 수행하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 화상 검사 시스템의 조명 자동 조절 방법.