KR20000053900A - 반사거울과 슬릿빔을 이용한 임의 표면형상 계측장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬릿빔과 영상획득장치를 이용하여 피측정물의 3차원 형상을 추출하는 계측기기에 관한 것으로, 특히 하나의 슬릿빔과 한 대의 영상획득장치, 반사거울을 이용하여 피측정물의 전체 표면형상을 추출하는 계측기기에 관한 것이다.

본 계측기기는 피측정물의 앞면 방향에 설치된 슬릿빔 발생기에서 슬릿빔을 피측정물의 윗쪽면에 주사하면, 주사된 슬릿빔은 피측정물의 표면형상에 따라 변형을 일으키고, 이것을 피측정물의 일정각도 위쪽에 설치된 영상획득장치로 상기 슬릿빔의 변형형상을 영상으로 획득한 후, 슬릿빔 발생기와 영상획득장치의 각도, 슬릿빔의 변형정보등을 이용하여 피측정물의 표면형상을 추출한다. 본 계측기기의 특징은 하나의 슬릿빔 발생기와 한 대의 영상획득장치를 이용하여 피측정물의 형상을 추출하되, 피측정물의 앞면에 놓인 슬릿빔 발생기에서 슬릿빔을 주사할 때, 상기 슬릿빔이 주사될 수 없는 영역인 피측정물 옆면의 표면형상을 추출하기 위해 반사거울을 채용함으로써, 반사된 상을 형상추출에 이용한다. 상기 방식은 일직선의 슬릿빔이 반사거울에 입사된 후, 상기 입사된 슬릿빔이 반사되어 피측정물의 옆면에 주사되고, 피측정물의 옆면에 표면형상에 따라 변형된 슬릿빔은, 피측정물의 상과 함께 반사거울에 나타난다.

Description

반사거울과 슬릿빔을 이용한 임의 표면형상 계측장치{.}

본 발명은 슬릿빔과 영상획득장치를 이용하여 피측정물의 3차원 형상을 추출하는 계측기기에 관한 것으로, 특히 하나의 슬릿빔과 한 대의 영상획득장치, 반사거울을 이용하여 피측정물의 전체 표면형상을 추출하는 계측기기에 관한 것이다.

본 계측기기는 피측정물의 앞면 방향에 설치된 슬릿빔 발생기에서 슬릿빔을 피측정물의 윗쪽면에 주사하면, 주사된 슬릿빔은 피측정물의 표면형상에 따라 변형을 일으키고, 이것을 피측정물의 일정각도 위쪽에 설치된 영상획득장치로 상기 슬릿빔의 변형형상을 영상으로 획득한 후, 슬릿빔 발생기와 영상획득장치의 각도, 슬릿빔의 변형정보등을 이용하여 피측정물의 표면형상을 추출한다. 본 계측기기의 특징은 하나의 슬릿빔 발생기와 한 대의 영상획득장치를 이용하여 피측정물의 형상을 추출하되, 피측정물의 앞면에 놓인 슬릿빔 발생기에서 슬릿빔을 주사할 때, 상기 슬릿빔이 주사될 수 없는 영역인 피측정물 옆면의 표면형상을 추출하기 위해 반사거울을 채용함으로써, 반사된 상을 형상추출에 이용한다. 상기 방식은 일직선의 슬릿빔이 반사거울에 입사된 후, 상기 입사된 슬릿빔이 반사되어 피측정물의 옆면에 주사되고, 피측정물 옆면의 표면형상에 따라 변형된 슬릿빔은, 피측정물의 상과 함께 반사거울에 나타난다. 상기 반사거울에 생긴 피측정물과 변형된 슬릿빔의 상(象)은, 피측정물의 앞쪽에 설치되어 있는 영상획득장치에 의해 영상으로 획득된다. 따라서 하나의 슬릿빔 발생기와 반사거울을 이용하여 피측정물의 앞면과 옆면에 슬릿빔이 주사되도록 하고, 한 대의 영상획득장치와 상기 반사거울을 이용하여 피측정물의 앞면, 옆면에 변형된 슬릿빔의 영상을 획득하게 됨으로서, 피측정물의 표면형상을 추출하는 계측기기에 관한 것이다. 상기 계측기기는 임의 3차원 물체의 표면형상을 추출하는데 다수의 슬릿빔 발생장치와 다수의 영상획득장치가 필요한 측정물에 적용할 수 있으며, 이는 하나의 슬릿빔 발생기와 한 대의 영상획득장치를 피측정물을 향해 설치한 후, 상기 슬릿빔 발생기와 영상획득장치가 미치지 못하는 영역에 반사거울을 적당히 설치함으로써, 여러 형태의 피측정물에 적용할 수 있다. 또한 반사거울 설치위치를 피측정물의 형태와 계측목적에 따라 하나이상을 사용할 수 있으며, 반사거울의 형태도 평면, 곡면, 윗쪽면에 다양한 형태로 사용할 수 있다. 본 발명에서는 피측정물에 사람의 발을 적용하고 반사거울의 형태는 평면으로, 사용개수는 2개로 한정하여 상기 계측기기에 적용한다.

본 발명은 피측정물로서 사람의 발(이하 "고객의 발" 이라 칭함)을 대상으로 하고, 상기에서 언급한 계측기기를 적용하여 사람의 발 형상을 계측한다. 상기 계측결과는 발의 표면형상을 대표하는 수치를 추출하는데 사용될 수 있으며, 이는 발의 표면형상에 맞는 최적의 구두을 제작하는데 사용되는 구두견본(Shoelast)의 제작에 사용된다.

고객의 발의 표면형상을 측정하는 방법은 5개의 CCD 카메라를 이용하여 발길이, 폭, 높이등 구두견본을 제작하는 몇 개의 수치만을 획득하는 제품이 있으나, 상기 측정장치는 뒤꿈치 정보를 획득하지 못하고, 측정하는 데 약 십여초 정도가 소요되며, CCD 카메라가 고객의 발 부근의 사방에 설치되어야 하기 때문에, 장비의 부피가 크고 고가이며, 측정 반복오차가 크기 때문에 정확한 구두견본(Shoelast) 를 제작하는 데는 어려움이 있다. 또 다른 기기는 측정하고자 하는 발의 한쪽면에서 상하 일직선으로 적외선을 투사하는 발광부가 설치되고 반대편에는 상기 발광부에서 나오는 적외선을 검출하는 수광부가 위치한다. 발광부와 수광부 사이에 고객의 발이 위치하면 발광부에서 적외선이 투사되고, 적외선이 투과하지 못하는 발의 표면 형상에 따라 수광부에 적외선이 전달되어, 상기 정보로부터 발의 표면형상을 추출하게 된다. 상기 적외선을 사용하는 방법은 측정하고자 하는 발의 단면은 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있지만, 상기와 같이 발에 대한 2차원 형상의 단면에 대한 결과만을 얻을 수 있기 때문에 정확한 발의 표면 형상을 얻을 수 없다.

또 다른 기기는 슬릿빔 발생기와 CCD 카메라로 이루어지는 모듈이 3개로 구성되어 각각의 모듈은 발의 앞면과 좌우 옆면에 각각 슬릿빔을 주사하고 각각의 CCD 카메라로 슬릿빔의 변형형태를 영상으로 획득한 후, 슬릿빔 및 CCD 카메라의 설치위치와 고객의 발이 놓인 위치등을 고려한 기하학적인 구성으로 부터 발의 표면형상을 추출한다. 상기 계측기기와 같이 각 모듈로부터 추출한 결과를 하나로 합성시켜 발의 형상을 추출하기 위해서는, 각 모듈간의 설치 상관관계를 정확히 알아야 하고 각 모듈의 요소들은 정확히 위치되도록 관리되어야 하기 때문에 계측기의 구조가 매우 복잡하고, 슬릿빔 발생기, CCD 카메라가 각각 3개씩 소요되기 때문에 장비가 고가이다.

본 발명은 하나의 슬릿빔 발생기와 하나의 영상획득장치 및 반사거울을 이용하여 발의 표면형상을 계측할 수 있는 기기를 제안한다. 이를 위해 본 발명은 발의 앞면에서 슬릿빔이 주사될 때 슬릿빔이 미치지 않는 사각부위인 발의 옆면에 슬릿빔이 주사되도록 하기 위해, 반사거울을 채용하고, 일차적으로 반사거울에 입사된 슬릿빔이 반사되어 발의 옆면에 주사되면,상기 발의 옆면에 주사된 슬릿빔은 발의 옆면의 형상에 따라 슬릿빔은 변형되고, 이 변형된 슬릿빔은 상기 반사거울에 반사되어, 앞쪽에 있는 영상획득장치에 영상으로 획득됨으로써 표면형상 정보를 추출한다. 즉 하나의 슬릿빔 발생기와 반사거울을 이용하여 발의 앞면과 옆면에 슬릿빔이 주사되도록 하고, 한 대의 영상획득 장치와 상기 반사거울을 이용하여 발의 앞면, 옆면의 변형된 슬릿빔의 영상을 획득하게 됨으로서, 발의 형상을 추출하는 계측기기를 제안한다.

먼저 상기 계측기기를 고객의 발에 적용하기에 앞서, 본 발명에서 적용하는 슬릿빔 계측방법의 이해를 위해 도3의 슬릿빔을 이용한 슬릿빔 해석 내용을 소개한다.

* 슬릿빔의 측정 원리

1. 설명의 편의를 위해 카메라의 광축이 Z축과 일치하도록 설치되어 있고, 슬릿 빔이 X축과 평행하게 입사된다고 가정하자.

2. 영상획득장치를 사용하여 획득한 슬릿빔 영상 위의 한 점는 실제 측정물체(발) 표면상의 한 점와 1 대 1 대응관계를 갖는다. 따라서, 광삼각법을 이용하면 획득한 슬릿빔 영상의 좌표로부터 측정물체(발) 표면의 좌표을 구할 수 있는데, 그 구하는 방법은 다음과 같다.

3. 핀홀 카메라 모델을 적용할 경우 측정물체(발) 표면상의 점은 슬릿빔 영상 위의 점과 렌즈의 중심점 Pc를 연결하는 선 L과, 측정물체에 입사되는 슬릿빔이 형성하는 평면 A가 서로 만나는 점이된다.

4. 선 L은

(1)

의 식으로 나타내어지는데, 여기서는 좌표 원점에서 렌즈 중심점 까지의 광축상의 거리이고,는 선 L의 방향 벡터의 y, z 성분으로서,렌즈 중심점에서부터 영상획득장치의 촬상면 까지의 거리으로부터 다음과 같이 구해진다.

(2)

5. 평면 A는

(3)

의 식으로 나타내어 지는데, 여기서는 측정 물체(발)에 입사되는 슬릿빔이 z = 0 인 기준면을 만나 생성되는 교선의 y좌표 이고,는 평면 A의 법선벡터의 y,z 성분으로서, 슬릿빔의 입사 각로부터 다음과 같이 구해진다.

(4)

6. 식(1)과 식(2)를 연립하면 점의 y, z 좌표값이 다음과 같이 구해지며,

(5)

(6)

7. 마지막으로 점의 x 좌표값은 기하광학적인 관계로부터 다음과 같이 구해진다.

(7)

카메라의 광축이 Z에 대하여 일정각 기울어진 일반적인 경우 수식은 좀더 복잡해 지지만, 마찬가지로 슬릿빔 영상위의 한점에서 출발하여 렌즈의 중심을 지나는 선과, 측정물체에 입사되는 슬릿빔이 형성하는 평면의 교점을 구하면, 상기 슬릿빔 영상위의 한점에 대응하는 측정 물체상의 점의 좌표를 구할 수 있다.

도 1- 본 발명의 개략적인 구성도를 나타낸 도면

도 2 - 측정물과 반사거울, 슬릿빔의 상관관계를 나타낸 도면

도 3 - 슬릿빔을 이용한 슬릿빔 해석 내용을 소개한 도면

도 4 - 슬릿빔과 반사거울을 이용하여 임의 3차원 형상을 계측할 수 있는

계측장비를 나타낸 도면

본 발명의 구성은 하나의 슬릿빔 발생기와, 영상획득장치, 한쌍의 반사거울 및 상기 영상획득장치로부터 얻어진 변형된 슬릿빔으로 표면형상을 추출하는 제어부로 구성된다. 도1은 본 발명의 개략적인 구성도를 나타낸다. 도1에서 구성을 살펴보면 고객의 발 형상을 나타내는 측정물(1) 및 상기 측정물의 양측에 반사거울(4)(5)가 설치되고, 상기 측정물의 앞쪽 어느 일정위치에 슬릿빔을 발생시키는 슬릿빔 발생장치(3)와 영상획득장치(2)가 설치된다. 상기 측정물의 표면형상을 측정하는 방법은, 슬릿빔 발생장치에서 X축과 평형한 슬릿빔이 조사되면, 일직선으로 조사된 슬릿빔은 측정물의 표면형상에 따라 변형된 형태로 슬릿빔이 입사되고 상기 슬릿빔은 표면형상 정보를 포함한 변형된 슬릿빔이 나타난다. 상기 변형된 슬릿빔의 영상을 영상획득장치(2)로 획득하여, 상기에서 기술한 슬릿빔 해석방법을 통해 해석함으로써 표면형상 정보를 추출한다. 그러나 상기와 같이 슬릿빔을 측정물의 앞쪽에서 입사시키는 경우 슬릿빔이 도달하여 앞쪽은 표면형상 정보를 갖는 변형된 슬릿빔을 얻을 수 있어 표면형상 측정이 가능하나, 측정물의 측면과 뒷면은 슬릿빔이 측정물의 앞쪽에 막혀 도달하지 못하기 때문에, 표면형상 추출이 불가능하다. 이를 극복하기 위한 종래의 측정방법은 앞서 언급한 바와 같이 별도의 영상획득장치와 슬릿빔 발생장치를 양측면에 설치하여, 이들로부터 슬릿빔을 발생시켜 입사시키고 변형된 슬릿빔을 얻어 표면형상 정보를 추출한다. 본 발명의 주요 특징은 상기와 같이 여러개의 슬릿빔 발생장치와 영상획득장치를 사용하는 문제점을 극복하기 위해, 도1과 같이 슬릿빔이 도달할 수 없는 측정물의 양쪽에 반사거울(4)(5)를 설치하여, 반사거울에 맺힌 상을 영상획득장치로 얻은 영상을 표면형상 정보 추출에 사용함으로써, 하나의 영상획득장치와 하나의 슬릿빔 발생기로 측정물 전체를 측정할 수 있는 표면형상 계측장비에 관한 것이다. 도2는 측정물과 반사거울, 슬릿빔의 상관관계를 도시한 것이다. 이하 도시된 그림을 설명한다. 측정물(1)의 양쪽에 반사거울(4)(5)이 설치되어 있다. 상기 반사거울에는 측정물의 좌측면상(1')과 우측면상(1")이 나타난다. 슬릿빔 발생기에서 슬릿빔을 입사시키면 상기 슬릿빔중 일부는 거울에 입사되고(10a)(10f), 일부의 슬릿빔은 원래 모습인 일직선 형태(10b)(10d)로 나타내며, 일부의 슬릿빔은 측정물의 앞면에 입사되어 표면형상 정보를 갖는 변형된 형태(10c)로 나타난다. 도2의 (10a) 내지 (10f)는 실제로 하나의 직선형태의 슬릿빔이 각 표면형상의 상태에 따라 각기 다른 형태로 변화되어 나타난 것이다. 상기 슬릿빔 중 반사거울에 입사된 (10a)(10f)는 다시 반사되어 측정물(1)의 측면에 입사되고, 상기 입사된 슬릿빔은 표면형상에 따라, 상기 표면형상 정보를 포함하는 변형된 형태(11a)(11b)로 나타나며, 상기 변형된 형태의 슬릿빔은 반사거울에 상으로 맺히게 되며, 슬릿빔상(11a')(11b')은 반사거울에 맺힌 것이다. 상기과 같이 측정물의 앞쪽부분은 직접 비추어 변형된 슬릿빔 형상(10c)를 이용하고, 슬릿빔이 도달하기 어려운 부분은 반사거울에 나타난 변형된 슬릿빔상(11a')(11b')을 이용하여 표면형상 정보를 추출함으로써, 하나의 슬릿빔 발생기와 하나의 영상획득장치를 사용하여, 복잡한 표면형상을 계측할 수 있음을 알 수 있다. 변형된 슬릿빔 형태를 가지고 표면형상을 추출하는 방법에 대해서는, 직접 슬릿빔이 조사되어 변형된 슬릿빔(10c)을 해석하는 것은 상기에 언급한 일반적인 슬릿빔 해석 방법을 적용하면 되나, 반사거울에 비친 변형된 슬릿빔(11a')(11b')의 해석에는 약간의 고려해야 할 부분이 있다. 본 발명에서는 상세한 설명은 생략하고 간단히 결론만을 기술하면, 반사거울에 비친 측정물의 좌측면상(1')과 우측면상(1")을 실제로 그 위치에 측정물이 있는 것으로 간주하고, 변형된 슬릿빔(11a')(11b')을 실제 슬릿빔 발생기에서 발생한 슬릿빔이 상기 실제 있는 것으로 간주된 측정물에 직접 입사된 후표면형상에 따라 변형된 슬릿빔으로 간주하여 해석하면 된다. 따라서 상기 내용을 종합적으로 정리하면, 하나의 슬릿빔이 실제의 측정물(1)의 앞쪽 부분과 반사거울에 맺힌 측정물 상(1')(1")에 입사하고, 측정물 앞쪽 및 측면부분의 표면형상에 따라 각각 변형된 슬릿빔(10c)(11a')(11b')를 해석함으로서, 측정물의 앞쪽과 측면을 동시에 측정할 수 있다. 슬릿빔을 해석할 때는 실제 측정물(1)은 상기에서 언급한 일반적인 슬릿빔 해석을 적용하고, 측정물 상(1')(1")의 슬릿빔을 해석할 때는, 측정물의 상(1')(1")을 실제 측정물로 간주하여 상기의 일반적인 슬릿빔 해석방법을 적용하되, 이때 상(1')(1")의 위치는 거울의 반사법칙을 이용하여 구하면 된다. 상기의 내용은 하나의 슬릿빔을 조사하였을 때를 해석하는 것에 대해 기술하였으나, 3차원 표면형상을 갖는 측정물을 측정하기 위해서는 상기 슬릿빔을 도1의 y 축으로 일정간격씩 이동하면서 슬릿빔을 조사하여 해석함으로써 가능하다. 이때 슬릿빔을 y축으로 일정간격 이동 시키는 슬릿빔 스캐닝 장치는 거울을 이용하여 각도를 슬릿빔의 조사방향을 바꾸는 방식, 폴리건 미러를 이용하는 방식, 모터 및 직선이송기구를 이용하는 방식등 여러 가지가 있으나, 상기 기술은 당업자 간에 널리 공지되어 있는 기술로 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.

도4는 상기에서 설명한 슬릿빔과 반사거울을 이용하여 임의 3차원 형상을 계측할 수 있는 계측장비를 나타낸 것이다.

슬릿빔 발생기에 대해 좀더 설명하면, 레이저 다이오드에서 나온 레이저 빔이 원통형(cylindrical) 렌즈를 통과하면서 슬릿빔으로 변환되는데, 상기 슬릿빔은 모터에 의해 회전이 가능한 평면 거울에 반사되며 평면거울의 각도변환에 의해 일정간격 떨어진 위치에 슬릿빔이 일정간격에 걸쳐 슬릿빔이 조사되도록 하여 연속적으로 측정물의 전체 측정영역에 조사되도록 한다. 상기 슬릿빔은 측정물의 앞면에 직접 조사되고, 측정물의 측면은 반사거울을 통해 조사된다. 상기 조사된 슬릿빔들은 측정물의 표면형상에 따라 변형되는데, 상기 변형된 슬릿빔은 광학장치를 통해 영상획득 장치의 촬상면에 결상된다. 영상획득보드는 상기 결상된 슬릿빔 영상을 PC로 전달하고, PC에서는 상기 광삼각법을 통하여 측정물의 삼차원 형상을 추출하게 된다.

여러 가지 모양의 측정물의 표면형상을 슬릿빔으로 계측하는데 있어서, 종래에는 여러대의 슬릿빔 발생기와 영상획득장치가 필요하였으나, 본 발명에서는 반사거울을 도입함으로써, 하나의 슬릿빔 발생기, 한 대의 영상획득장치을 이용하여 여러 가지 모양의 측정물의 표면형상을 계측할 수 있는 계측장비를 구성할 수 있으며, 상기 장비를 사람의 발에 적용하여 발의 표면형상을 계측함으로써, 계측한 사람의 발에 맞는 최적의 구두를 제작할 수 있는 데이터를 추출할 수 있다.

Claims (4)

1. 임의의 3차원 측정물의 표면형상을 슬릿빔을 사용하여 측정하는 장비에 있어서, 장비의 구성은 하나의 슬릿빔 발생기와, 한 대의 영상획득 수단과, 반사거울로 구성되며, 슬릿빔을 측정물에 직접 조사하여 표면형상에 따라 변형된 슬릿빔을 영상획득 수단으로 획득하여 해석함으로써, 표면형상을 측정하되, 슬릿빔이 직접조사되지 않은 부분은 상기 반사거울을 이용하여 상기 슬릿빔의 일부를 반사시켜 측정물에 조사하고 표면형상에 따라 변형된 슬릿빔을 반사거울을 통해 영상획득수단으로 획득하도록 하여 해석함으로써, 임의 형상의 측정물 전체의 표면형상을 하나의 슬릿빔 발생기와, 한 대의 영상획득 수단 및 반사거울을 사용하여 슬릿빔이 직접 조사되는 부분과 반사거울을 통해 조사된 부분을 동시에 측정할 수 있는 구조로 이루어진 계측장비.
2. 제 1항에 있어서, 상기 슬릿빔 발생기에서 발생한 슬릿빔을 슬릿빔 스케닝 수단에 의해 일정간격으로 이동하면서 조사하여, 측정물의 모든부분에 슬릿빔이 조사될 수 있도록 함으로써 측정물 전체의 표면형상을 하나의 슬릿빔 발생기와, 한 대의 영상획득 수단 및 반사거울을 사용하여 슬릿빔이 직접 조사되는 부분과 반사거울을 통해 조사된 부분을 동시에 측정할 수 있는 구조로 이루어진 계측장비.
3. 사람의 발의 표면형상을 측정하는 장비에 있어서, 장비는 하나의 슬릿빔 발생기와, 슬릿빔 스케닝 수단과, 한 대의 영상획득 수단과, 한 쌍의 반사거울로 구성되며, 상기 슬릿빔 발생기와 영상획득 수단은 측정물의 앞쪽 일정위치에 설치되고, 반사거울은 발의 양측면에 위치하며, 상기 슬릿빔 발생기로부터 슬릿빔이 주사되면, 슬릿빔이 직접 조사되는 발등부분은 상기 슬릿빔의 변형형태로부터 표면 형상을 측정하고, 슬릿빔이 직접 조사되지 않는 발 측면부분은, 상기 반사거울에 맺힌 발 측면부분의 상에 조사된 슬릿빔의 변형형태로부터 표면형상을 측정하며, 슬릿빔 발생기에서 발생한 슬릿빔은 슬릿빔 스케닝 수단에 의해 일정간격으로 이동하면서 조사됨으로써, 하나의 슬릿빔 발생기와, 한 대의 영상획득 수단 및 반사거울을 사용하여 발의 발등부분, 발의 측면부분의 표면형상을 동시에 측정할 수 있는 구조로 이루어진 계측장비.
4. 3항에 있어서, 상기 슬릿빔 발생기에서 조사된 슬릿빔의 일부는 발등부분에 직접 조사되어 변형 슬릿빔을 형성함으로써, 발등의 표면형상을 측정하는데 사용하고, 나머지 일부의 슬릿빔은 반사거울에 입사된 후 다시 반사되어, 발의 측면부에 입사되며, 상기 발의 측면부에 입사된 슬릿빔은 발 측면부의 표면형상에 따라 변형 슬릿빔을 형성하며, 상기 변형된 슬릿빔은 상기 측면부와 함께 반사거울에 상으로 맺히게 함으로써, 하나의 슬릿빔 발생기와, 한 대의 영상획득 수단 및 반사거울을 사용하여 발의 발등부분, 발의 측면부분의 표면형상을 동시에 측정할 수 있는 구조로 이루어진 계측장비.