KR20000069937A - 공간색 삼각측량법을 이용한 광전자 시스템 - Google Patents

공간색 삼각측량법을 이용한 광전자 시스템 Download PDF

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꼬항-사방조젭
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꼬망-사방 조젭
스띨 에스.아.
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Abstract

본 발명에 따르면 공간색 삼각측량법을 사용하여 물체의 표면 수치화를 이룰 수 있는 광전자 시스템(10)이 제공된다. 이 광전자 시스템(10)은 측정할 물체(16)를 포함하는 측정공간을 조명하기 위한 조명 부시스템(12)과, 상기 물체(16)에 의해 반사되는 광을 집광하고, 물체의 깊이적인 색 코드화된 데이터를 이용하여 물체의 3차원 토포그라피(topography)를 발생시키는 뷰잉 부시스템(14)을 포함한다. 특히, 소스 슬릿(24)상에 다색광원(20)을 이미징시키기 위한 릴레이 광학소자(22)가 사용되고, 상기 소스 슬릿(24)은 슬릿 영상을 분산소자(26)상으로 전달한다. 측정할 물체는 측정공간(30)내에서 절단면(x,z)를 따라 연속되는 단색 영상들로 조명된다. 측정된 물체(16)의 표면과 절단면(32)의 교차에 의해 발생되는 색 코드화된 (x,λ)표시가 이미징 분광기의 뷰잉 슬릿상에 이미징된다. 상기 뷰잉 슬릿상에 상기 영상을 투영시키기 위해 릴레이 렌즈(50)가 사용된다. 분광기(40)의 영상면에 위치하는 흑백 이미징 어레이(46)에 의해 상기 색 코드화된 표시가 레지스터되고, 영상 처리기(40)에 의해 상기 표시가 스펙트럼측광분석에 따라 측정된 물체(16)의 3차원 토포그라피의 평면부분으로 변환된다.

Description

공간색 삼각측량법을 이용한 광전자 시스템{OPTOELECTRONIC SYSTEM USING SPATIOCHROMATIC TRIANGULATION}
CAD 시스템상에서의 후속 처리를 위한 실물 모형 및 모델의 수치화에 대한 계속된 발전결과 광전자 시스템에서의 보다 효과적인 표면감지능력에 대한 필요성이 대두되었다. 스캐닝 기계부품들과 같은 다른 측정 및 게이징 용도에서도 개선된 표면 수치화가 요구되고 있다. 단색 삼각측량기술을 이용하는 광전자 장치는 일반적으로 잘 알려져 있는 비접촉 표면 수치화 수단이다. 이러한 기술에서는 종종 대부분 형태의 물질들에 대해 104필드 깊이의 1 부(part)까지의 해상도를 얻을 수 있는 코히어런트(coherent) 광원을 사용하고 있다. 그러나, 코히어런트 광원을 사용하는 시스템의 경우에는 수치화공정에서 광 노이즈를 발생시킬 수도 있는 간섭에 영향을 받기 쉽다. 또한, 단색 삼각측량기술은 간섭효과와 표면조건으로 인한 광세기의 변화에 민감하다.
따라서, 종래의 광원을 사용하면서도 해상도가 높고 비용이 저렴한 광전자 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 공간색 삼각측량법을 이용하는 광전자 시스템의 경우는 물체의 비접촉, 실시간 표면 수치화를 제공한다. 또한, 주로 광세기에 무관한 측정기술을 제공할 수 있는 논코히어런트(non-coherent) 광원을 사용하는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 상기한 광전자 시스템의 기본 삼각측량 구성으로는 두가지가 있을 수 있는데, 하나는 "평면(in plane)" 구성이고, 다른 하나는 "v형" 구성으로, 후자의 구성의 경우에는 광원과 분광기의 뷰잉면(viewing plane)간의 삼각측량각도가 감소되어 종래의 삼각측량기술에서 발생하는 폐색(occlusion)문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 광전자 시스템에 표면 미세구조 보상기술을 도입하면 표면결합으로 인한 측정 에러를 정정할 수 있다.
본 발명은 광전자 시스템에 관한 것으로, 특히 공간색 삼각측량법 (spatiochromatic triangulation)을 이용하여 물체의 비접촉 실시간 표면 수치화를 제공하는 광전자 장치에 관한 것이다.
본 발명의 기타 목적 및 이점은 당업자라면 다음의 도면을 참조하여 이루어진 하기의 상세한 설명을 참조하면 명확히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 "평면" 구성을 이용하는 광전자 시스템의 제 1 실시예를 도시하는 블럭도;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에서 측정공간을 가로질러 투영된 연속된 단색 영상들을 예시하는 도면;
도 3은 y축을 가로질러 형성되는 연속된 평행 절단면들을 갖게 이루어진 측정 물체의 표면에 대한 3차원 재현을 예시하는 도면;
도 4는 본 발명의 "v형" 구상을 이용하는 광전자 시스템의 제 2 실시예를 도시하는 도면;
도 5는 이미징 분광기 구비된, 균질하게 조명되는 뷰잉 슬릿으로부터의 스펙트럼측광 프로파일과 가우스 프로파일을 예시하는 도면;
도 6은 스펙트럼측광프로파일상에서의 미세 굴절율 불규칙성(뷰잉 슬릿상에서 이미징된)의 효과 및 분광기에서의 이미징 어레이에 의해 레지스터된 대응 측정에러를 예시하는 도면;
도 7은 측정된 물체의 표면 불규칙성에 의해 야기되는 가우스 프로파일 (광세기 프로파일)의 임의 시프트(random shift)를 예시하는 도면;
도 8은 본 발명의 광전자 장치의 뷰잉 부시스템에 도입된 표면 미세구조 보상기술을 도시하는 도면;
도 9는 분광기의 뷰잉 슬릿상에서의 광세기들로부터 직접적으로 획득한 슬릿영상으로부터의 실제 스펙트럼구성의 재현을 도시하는 도면.
본 발명에 따르면 공간색 삼각측량법을 사용하여 물체의 표면 수치화를 이룰 수 있는 광전자 시스템이 제공된다. 이 광전자 시스템은 측정할 물체를 포함하는 측정공간을 조명하기 위한 조명 부시스템과, 상기 물체에 의해 반사되는 광을 집광하고, 물체의 깊이적인 색 코드화된 데이터를 이용하여 물체의 3차원 토포그라피(topography)를 발생시키는 뷰잉 부시스템을 포함한다. 특히, 소스 슬릿상에 다색광원을 이미징시키기 위한 릴레이 광학소자가 사용되고, 상기 소스 슬릿은 슬릿 영상을 분산소자상으로 전달한다. 측정할 물체는 측정공간내에서 절단면(x,z)를 따라 연속되는 단색 영상들로 조명된다. 측정된 물체의 표면과 절단면의 교차에 의해 발생되는 색 코드화된 (x,λ)표시가 이미징 분광기의 뷰잉 슬릿상에 이미징된다. 상기 뷰잉 슬릿상에 상기 영상을 투영시키기 위해 릴레이 렌즈가 사용된다. 분광기의 영상면에 위치하는 흑백 이미징 어레이에 의해 상기 색 코드화된 표시가 레지스터되고, 영상 처리기에 의해 상기 표시가 스펙트럼측광분석에 따라 3차원 토포그라피의 평면부분으로 변환된다.
본 발명에 관련된 하기의 설명은 단순히 예시를 위한 것으로 본 발명을 제한하거나 본 발명의 사용을 제한하려는 목적으로 의도된 것은 아니다. 또한, 하기의 설명은 물체의 3차원 토포그라피를 결정하기 위해 공간색 삼각측량법을 이용하는 광전자 시스템을 설명하고 있으나 당업자가 물체표면의 깊이적인 색 코드화 데이터를 사용하는 다양한 측정 용도를 위해 광전자 시스템을 개발하고 사용할 수 있게 적절히 교시할 목적으로 의도된 것이다.
도 1에는 광전자 시스템(10)이 예시되어 있는데, 이 광전자 시스템(10)은 물체(16)를 절단면(32)을 가로질러 조명하기 위한 조명 부시스템(12)과, 물체(16)에 의해 반사되는 광을 집광하여 물체(16)의 3차원 토폴로지를 발생시키기 위한 뷰잉 부시스템(14)을 포함하고 있다. 본 발명의 제 1 실시예의 경우, 광전자 시스템(10)의 소자들은 "평면" 구성을 갖는 것으로 도시되어 있다.
조명 부시스템(12)은 다색 광원(20)을 포함하는데, 이 다색 광원(20)은 y축을 따라 배향되어 있는 제 1 슬릿(24)상에 상기 광원의 촛점을 맞추는 연속 스펙트럼 투과 릴레이 광학소자(22)를 조명한다. 상기 다색 광원(20)으로는 백열광원, 연속스펙트럼을 가지고 있고 연속모드나 점멸(flash)모드에서 동작하는 아아크 램프(즉, 크세논 아아크), 또는 큰 스펙트럼 대역폭을 제공할 수 있게 광학적으로 결합되어 있는 기타의 광원(즉, 초방사 다이오드 또는 발광다이오드(LED))을 들 수 있다. 광원(20)은 또한 조명 부시스템(12)으로부터 원격된 위치에 위치할 수 있는데, 이 경우에는 조명 부시스템(12)에 섬유광매체 또는 기타 매체가 접속되어 광을 전달할 수 있게 된다.
슬릿(24)으로부터의 영상은 측정 공간(30)을 조명하기에 앞서 분산소자(26)를 통과하게 된다. 상기 분산소자(26)는 프리즘, 오목형 회절 격자, 회절렌즈, 또는 3차원 측정공간(30)을 y축 방향으로 배향된 연속된 단색 영상들로 조명하도록 작용하는 기타의 분산광학소자를 포함할 수 있을 것이다. 절단면(32)은 측정공간(30)내에 위치하는 좌표계의 x축 및 y축에 의해 한정되는 측정면이다. 분산소자(26)는 또한 측정공간(30)내의 공칭 촛점들에 상기 영상들의 촛점을 맞추게 될 것이다.
도 2에는 "λ1" 내지 "λ2"의 일반 파장이 절단면(32)을 가로질러 연장되어 측정된 물체의 표면의 깊이적인 색 코드화된 데이터를 제공하는 것으로 도시되어 있다. 광 비임의 파장범위는 광원(20)에 의해 전달되는 충돌 다색 광 비임들의 범위에 대응한다.
도 1에 도시된 "평면" 구성의 경우 슬릿(24) 대신 핀홀을 사용할 수도 있는데, 이 경우에는 측정공간(30)내의 평면을 함께 형성하는 연속된 단색 점 영상들이 형성된다. 이 방식에 의하면 뷰잉 부시스템(14)에 보일 수 있는 물체(16)의 부분만이 조명되어, 조명 부시스템(12)과 뷰잉 부시스템(16)의 상호 정렬에 대한 공차를 크게하면서도 광원(20)의 요구되는 광 출력을 감소시킬 수 있음과 동시에 "16"에 의해 직접적으로 뷰잉되지 않는 광에 의한 가능한 간섭효과를 감소시킬 수 있다.
측정할 물체(16)는 측정공간(30)의 내부에 부분적으로 또는 전체적으로 위치될 수 있을 것이다. 물체(16)의 표면을 따라 절단면(32)을 이동시킬 수 있도록 상기의 양호한 실시예의 경우 물체는 모터에 의해 구동되는 기계적인 수단(34)에 견고하게 고정된다. 이러한 상태에서 상기 기계적인 수단(34)은 물체(16)의 표면에 대한 시험/리프레젼테이션(representation)을 완성하는데 필요한 물체(16)의 표면에 대한 모든 뷰(view)를 연속적으로 획득할 수 있도록 y축을 따라 물체(16)를 이동시키도록 그리고/또는 주어진 모든 축에 대해 물체(16)를 회전시키도록 동작하게 된다. 당업자라면 인지할 수 있는 바와 같이 상기 기계적인 수단으로는 다양한 구동 조립체 및 모터들, 일례로 펜실베이니아주, 피츠버그의 Aerotech. Inc.가 제조한 ATS100 시리이즈를 들 수 있다. 기계적 수단(34)에는 또한 그 기계적 수단(34)를 전자적으로 구동 및 동기화시키기 위한 엔코더/제어모듈(36)이 결합된다.
뷰잉 부시스템(14)은 측정공간(30)의 x축과 평행하게 정렬되어 있는 뷰잉 슬릿(42)을 갖는 이미징(imaging) 분광기(40)를 포함한다. 상기 분광기(40)의 영상면은 절단면(32)과 물체(16)의 측정면의 교차에 의해 형성되는 영상과 일렬로 정렬된다. 상기 영상은 큰 필드깊이를 갖는 릴레이 렌즈(50)에 의해 분광기(40)의 뷰잉 슬릿(42)상에 축소된 상태로 투영된다. 분광기(40)의 내부에서는 분산소자(44)가 상기 영상을 분광기(40)의 영상면에 위치한 흑백이미징어레이(46)상에 투영시킨다. 해상도의 개선을 위해 이미징어레이(46)는 본 시스템에 사용된 전 파장 스펙트럼에 대해 어레이 높이를 매핑(mapping)시켜야만 한다. 이러한 이미징어레이(46)로는 당해기술분야에서 공지된 전하결합소자(CCD) 또는 다른 유사한 소자가 사용될 수 있을 것이다. 이미징어레이(46)에 의해 레지스터된 물체(16)의 측정값들을 기록, 처리 및 가시화시킬 수 있도록 분광기(40)에는 디지털 신호처리기 또는 일반적인 목적의 컴퓨터와 같은 영상데이터 처리기(48)가 결합된다.
분광기(40)의 내부 및/또는 외부에는 이미징 광학소자(50)가 위치될 수 있다. 큰 측정공간을 이미징하는데는 텔레센트릭(telecentric) 광학소자가 실용적이지 않기 때문에, (일례로, 1인치미만의 양질의 렌즈는 제조에 비용이 많이 듬) 뷰잉 부시스템(14)은 텔레센트릭 광학소자들을 사용함이 없이 구성할 수도 있다. 본 발명의 경우에는 뷰잉 슬릿(42)의 전단측에 상보 동공 이동체가 설치된다는 전제하에서는 텔레센트릭 광학소자를 기존의 릴레이 렌즈 또는 다른 논텔레센트릭(nontelecentric)광학소자들로 대치시킬 수도 있을 것이다. 텔레센트릭 광학소자는 전 필드깊이에 걸쳐 일정한 배율을 보장하기 위해 사용하기 때문에, 논텔레센트릭 광학소자와 관련하여서는 소프트웨어적으로 실시되는 보정을 사용하는 것이 바람직하다.
동작시, 측정된 물체(16)는 분산소자(26)를 통과한 광원(20)으로부터의 연속된 단색 영상들로 조명되는 측정공간(30)내에 위치된다. 그 결과, 측정 물체(16)의 표면에 대한 깊이적인 색 코드화가 이루어지며, 측정된 물체(16)로부터 반사되는 광의 파장은 z축 측정값으로 변환되게 될 것이다. 다시 말하자면, 절단면(x,z)의 색 코드화된 (x,λ)표시가 분광기(40)의 슬릿(42)상에 이미징된 후, 흑백 이미징 어레이(46)에 의해 레지스터된다. 영상은 사시적이고 광학적인 왜곡때문에 단지 측정된 물체(16)의 표면만을 나타내게 된다. 그러나, 광전자 시스템(10)의 교정공정중에 발생되는 수학적인 매핑의 이용을 통해 영상 처리기(48)는 절단면(32)를 따라 물체(16)의 표면에 대등한 디지털화된 윤곽선을 재현시킬 수 있다. 주어진 윤곽선에 대해 이미징 어레이(46)상의 신호는 이미징 어레이(46)에서의 위치가 물체(46)의 표면상에서의 대응 지점의 스팩트럼량에 의존하게 되어 있는 횡 가우스 프로파일을 갖는 곡선으로서 나타난다. 이미징 처리기(48)는 상기 가우스 프로파일의 질량중심을 결정하여 대응 z 측정값을 결정하기 위해 다양한 신호처리 기술을 이용할 수 있을 것이다.
비록 광전자 시스템(10)에 대한 소정의 적용의 경우에는 물체의 표면의 단일의 윤곽선을 이용하나, 다른 용도의 경우에는 전 표면지역에 대한 수치화된 재현이 필요할 수도 있을 것이다. 도 3에 명확히 도시되어 있는 바와 같이, 단지 하나의 절단면(70)만이 분광기(도시 안됨)의 영상면(72)과 일렬로 정렬되기 때문에, 물체(16)의 표면을 재현시키기 위해서는 연속된 평형 절단면들을 따라 추가의 측정이 필요하게 될 것이다. 따라서, 전 표면지역을 측정할 수 있도록 기계적인 수단(34)은 고정된 분광기의 영상면에 대해 물체(16)를 (y축을 따라) 이동시켜야만 한다. 이 표면지역의 측정에 관련한 대체 방식의 경우에는, 측정된 물체(16)는 이동 불가능한 고정부재에 고정되고, 이 경우 뷰잉 부시스템(14)은 고정된 물체(16)에 대해 (y축을 따라) 이동한다. 어느 경우에나, 연속 절단면 영상의 각각에 대한 스펙트럼 측광분석에 의해 물체(16)에 대한 3차원 토포그라피가 얻어지게 된다.
본 발명의 제 1 실시예의 경우, 광전자 시스템(10)은 "평면" 구성을 갖는 것으로 되어 있다. 이러한 "평면" 구성의 경우에는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 측정공간(30)의 좌측에서의 해상도가 λ1내지 λi의 파장으로 제한되고, 이와 유사하게 측정공간(30)의 우측에서의 해상도도 λj내지 λn의 파장으로 제한된다. 본 발명에서는 해상도의 개선을 위해 넓은 범위의 파장들이 x축을 따른 z 측정값들에 상관되어야만 한다. 비록 삼각측량각도를 증가시키면 z축 측정값에 대한 해상도가 증가하게 될 것이지만, 이 경우에는 조명 영상을 방해하는 물체 릴리프(relief)로 인한 폐색 문제가 야기된다.
도 4에 도시된 제 2 실시예의 경우에는 본 발명의 광전자 시스템(100)의 삼각측량각도를 감소시키기 위해 "v형" 구성을 이용하고 있다. 본 실시예의 경우에는 소스 슬릿(101)과 뷰잉 슬릿(103) 모두가 측정공간(30)의 y축과 일렬로 평행하게 정렬된다. 뷰잉 부시스템(103),(104)들을 z축을 중심으로 90° 만큼 회전시키면, 본 시스템의 전 파장 스팩트럼의 이점이 z 측정값의 해상도에 부가되게 된다. 또한, 삼각측량각도(110)가 λ1내지 λn의 전 파장 스펙트럼의 전체적인 이점을 손실 시킴이 없이 상당히 감소될 수 있다. 상기와는 다르게 광전자 시스템(100)은 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이 기본적인 시스템 소자들 (또는 그들의 변형 구성들) 모두를 포함할 수 있다.
"v형" 구성의 경우, 사시적인 왜곡에 대한 보정은 흑백 이미징 어레이(46)을 열들을 따라 배향되는 파장과 행들을 따라 배향되는 x축을 갖게끔 배향시킴으로써 이룰 수 있을 것이다. 만일 텔레센트릭 광학소자들을 사용하였다면, 측정된 z 위치는 행수 R와 함수관계를 갖게 되며, x축을 따라 측정된 값들은 열수 C에 대해 대체로 선형 함수관계를 갖게 된다. 즉,
Z = fz(R) = a0+ a2R
X = fλ(R) = b0+ b1R
여기서, x와 z는 시야내의 측정점
R과 C는 이미징 어레이내의 일 지점의 행 및 열
상기 식들은 단지 텔레센트릭 광학소자들에 대해서만 틀림없이 부합한다. 논텔레센트릭 이미징 광학소자를 이용하는 본 발명의 실시예의 경우, 사시적인 왜곡은 소정의 x-의존성을 fz의 계산에 추가시킴과 동시에 소정의 z-의존성을 fx의 계산에 추가시켜 보상시켜야만 한다. 따라서, 이러한 문제의 일반적은 모델링은 다음과 같이 표현된다.
Z = fz(R,C) = a0+ a1C + a2R + a3RC
X = fx(R,C) = b0+ b1C + b2R + b3RC
상기 형태의 다항식들에 의해 논텔레센트릭 시스템에서의 사시 문제점을 해결할 수 있다. 센서의 전단측에서 n개의 위치들에 교정 타겟을 위치시키면 샘플(Z1,,,Zn),(Y1,,,Yn),(R1,,,Rn),(C1,,,Cn)들이 제공되고, 그 결과 ai 및 bi 계수들을 확인시킬 수 있는 최소자승 해를 충분히 제공할 수 있는 정보가 제공될 것이다. 다른 광학적/기하학적 왜곡을 보상하기 위해 상기 식에 a1RJCk및/또는 b1RJCk와 같은 추가의 비선형 성분들을 가산시킬 수도 있을 것이다. 따라서, 당업자라면 쉽게 인지할 수 있는 바와 같이, 상기 식들로부터 모델링된 소프트웨어적인 보정을 본 발명에서 텔레스코픽(telescopic) 광학소자의 결여시의 사시 문제를 해결하는데 사용할 수 있다. 유사한 방법을 "평면" 구성에서의 왜곡을 보정하는데 사용할 수 있을 것이다.
상기한 양호한 실시예의 광전자 시스템(100)을 3kg의 중량을 가진 267mm x 172 mm x 68mm 센서에 적용하였다. 상기 센서는 그의 광원으로서 50W의 텅스텐 할로겐 램프를 사용하고, 또한 646 (스펙트럼방향) * 484 화소 해상도를 갖는 Sony의 1/2" 하이퍼 HAD형 CCD를 사용하는 것이다. 뷰잉 슬릿은 20㎛의 폭과 5mm의 높이를 가지고 있고, 크롬이 도금된 유리박판으로 제조된다. 상기 슬릿은 두개의 색지움 이중렌즈(촛점길이가 73mm이고 직경이 17mm)의 텔레센트릭 조합 구성에 의해 상기 CCD상에 분광기를 통해 이미징된다. 평균분산도는 상기 CCD상의 화소당 0.62 나노미터이고, 따라서 400 나노미터 스펙트럼범위(500 내지 900 나노미터로 구성되는)가 CCD상에 이미징될 수 있게 된다. "v형" 구성을 사용하는 경우, 광전자 시스템(100)은 x,y 측정값들에 대해 100 * 130㎛의 스펙트럼 해상도 그리고 z측정값들에 대해 10㎛의 스펙트럼 해상도를 달성하게 된다.
이미징 분광기에서, 슬릿이 그의 입사폭에 걸쳐 균질하게 조명되는 것으로 가정되고, 작은 스펙트럼폭(Δλ)을 갖는 광원에 의해 조명되는 경우, 단색 이미징 어레이상에서의 그의 영상은 도 5에 도시된 바와 같은 가우스 프로파일을 갖게 될 것이다. 단색 삼각측량법과는 다르게 공간색 삼각측량법에 기초한 광전자 시스템의 성능은 분광기 슬릿의 폭과 측정된 면상의 표면 결함에 의해 영향을 받는다. 만일 슬릿이 너무 좁으면 그를 통과한 신호가 너무 적게 되고, 반면에 슬릿이 너무 넓으면 많은 광이 슬릿을 통과하게 되나 영상의 소위 "럼피(lumpy)"현상이 증가하게 된다. 타겟 표면으로부터 반사되는 광은 측정된 물체의 표면 결함에 의해 야기되는 "럼피"왜곡을 포함한다. 이러한 문제점을 예시하기 위해 분광기에 의해 보여질 수 있는 도 6에 도시된 바와 같은 격자 패턴을 갖는 평판 타겟을 고찰해 보자. 슬릿내에서의 광분포의 평균(즉, 질량중심)의 위치가 슬릿을 따라 변화하고, 그 결과 분광기를 통해 이미징될 시 신호에 대한 해석오류가 발생된다. 도 6의 최상측 프로파일은 광이 슬릿상에 균일하게 분포되기 때문에 센터링되며, 반면에 하측의 세 프로파일들은 각각 슬릿에 이미징된 광의 세기 변화로 인해 대칭적인 오프셋을 나타내게 된다. 분광기상에서의 광의 정확한 매핑을 위해서는 슬릿내에서 광의 위치가 센터링되어야만 하며, 그렇지 않으면 상기한 바와 같은 오프셋 변화가 측정에러로 나타나게 될 것이다. 유사하게, 미세한 반사율의 불규칙성을 갖는 표면을 측정하는 경우에는 물체의 토포그라피를 수치화시킬 시 측정에러가 발생하게 될 것이다. 일례로, 본 발명의 "v평면"의 경우, 평평한 타겟면은 동일파장(즉, 동일 색)을 갖는 영상을 발생시켜야만 한다. 그러나, 표면결함이 존재하면 평평한 타겟면에서의 깊이변화로서 잘못 해석되는, 이미지 신호에서의 명백한 적색 시프트 또는 청색 시프트가 야기되게 된다.
본 발명에 따른 광전자 시스템은 바람직하게 상기의 문제점을 해결할 수 있는 표면 미세구조 보상기술을 이용한다. 특히, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 광전자 시스템은 또한 분광기(122)의 영상면에 삽입되는 일련의 비임 스플리터들을 포함한다. 제 1 스플리터(126)는 분광기(122)의 뷰잉 슬릿(124)와 분산소자(130)사이에 위치되고, 반면에 제 2 스플리터(128)는 분산소자(130)와 단색 이미징 어레이(132)사이에 위치된다. 상기 제 1 스플리터(126)와 제 2 스플리터(128)들은 뷰잉 슬릿(124)상에서의 광세기로부터 직접적으로 슬릿영상(140)을 발생시키는데 사용된다. 슬릿영상(140)에 이미징 어레이(132)의 부분을 할당하면 하나의 단일 이미징 어레이를 사용하여 슬릿영상(140)과 분광기(122)를 통과한 영상(142)를 프로파일시킬 수 있다. 뷰잉 부시스템(120)에 또한 릴레이 렌즈(134)를 도입시킬 수도 있다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 측정면으로부터의 임의의 스펙트럼측광 미세구조는 분광기의 이미징 어레이에 의해 레지스터된 가우스 프로파일의 임의 시프트를 야기시킨다. 그러면 도 9에서와 같이 슬릿 영상(140)에 포획된 뷰잉 슬릿(124)으로부터의 광세기의 측정값들은 뷰잉 슬릿(124)를 따른 각 점의 실제 스펙트럼 구성을 재현시키는데 사용된다. 당업자라면 인지할 수 있는 바와 같이, 영상 처리기(150)을 사용하여 슬릿 영상(140)으로부터의 광세기의 중심을 판독하고, 그 정보를 이용하여 분광기 영상(142)에서 발생하는 명백한 적색 및 청색 시프트를 제거할 수 있다. 이러한 표면 미세구조보상기술에 따라 영상 처리기(150)는 정정된 영상(144)을 형성시킬 수 있다. 대체 방안으로서, 분할 영상(140)을 레지스터 시키도록 제 2 스플리터(128)의 전단측에 제 2 이미징 어레이(도시 안됨)를 설치할 수도 있을 것이다.
이하, 공간색 삼각측량법을 이용하는 물체 표면 수치화방법에 관해 설명하겠다. 먼저, 릴레이 렌즈를 통과할 수 있는 다색 광원을 소스 슬릿상에 이미징시킨다. 다음에, 슬릿영상을 분산소자를 통과하게 하여, 연속된 단색 영상들로 측정공간(물체를 포함하는)을 조명함으로써 물체의 깊이적인 색 코드화 데이터를 제공한다. 물체의 표면에 이미징 분광기의 영상면을 일렬로 정렬시키고, 영상면에 위치한 이미징 어레이를 물체의 영상과 레지스터시킨다. 최종적으로, 영상처리기에 의해 물체의 수치화된 윤곽선을 발생시킨다.
지금까지 단지 예시적인 목적의 본 발명 실시예들에 관해 설명하였다. 당업자라면 상기의 설명 및 첨부도면과 청구의 범위를 참조하여 본발명의 정신 및 범위를 일탈함이 없이 다양한 변경, 수정, 그리고 변형이 이루어질 수 있다는 점을 쉽게 인지할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 공간색 삼각측량법을 이용한 물체의 표면 수치화를 위한 광전자 시스템에 있어서,
    측정공간을 가로질러 측정할 상기 물체를 조명하기 위한 조명 부시스템과,
    상기 측정공간내에서 상기 물체에 의해 반사되는 광을 집광하여 상기 물체의 깊이적인 색 코드화 데이터를 이용하여 상기 물체의 3차원 토포그라피를 발생시키는 뷰잉 부시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간색 삼각측량법을 이용한 물체의 표면 수치화를 위한 광전자 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 조명 부시스템은
    다색광원과,
    상기 광원에 의해 조명되는 소스 슬릿과,
    상기 소스 슬릿상에 상기 광원을 조명하기 위한 광학소자와,
    상기 물체가 위치되고 연속된 단색 이미지들을 갖는 상기 측정공간내로 상기 슬릿 영상을 통과시키기 위한 분산소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 뷰잉 부시스템은 영상면을 형성하는 뷰잉슬릿을 가지고 있어 상기 물체의 표면에 대한 영상이 상기 영상면과 일렬로 정렬되게 하는 이미징 분광기와, 상기 영상을 레지스터스키기 위해 상기 영상면에 위치하는 이미징 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 뷰잉 슬릿상에 상기 이미지를 투영시키기 위해 상기 영상면에 위치하는 릴레이 광학소자를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 레지스터된 영상을 수치화된 윤곽선으로 처리하기 위해 상기 이미징 어레이에 결합된 영상 처리기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 물체를 상기 측정공간내로 이동시키고 상기 물체를 고정시키는 기계적인 수단과, 상기 기계적인 수단을 구동 및 동기화시키는 잔자 제어기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 측정공간내에서 상기 물체의 깊이방향을 따라 z축이 정해지며, 상기 소스 슬릿과 상기 뷰잉 슬릿들은 상기 뷰잉 부시스템을 상기 z축을 중심으로 회전시킴으로써 평행하게 정렬되는 것에 의해 상기 물체의 깊이 측정값을 결정하는데 상기 광원으로부터의 전체 파장 스펙트럼을 이용할 수 있게 구성되는 것을 특징으로 하는 광전자 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 뷰잉 부시스템은
    상기 영상면에서 상기 뷰잉 슬릿과 상기 분산소자사이에 위치되어 직접적인 슬릿 영상을 발생시키는 제 1 비임 스플리터와,
    상기 분산소자를 통과한 분산 영상과 상기 직접적인 슬릿 영상들을 모두 뷰잉시키는 하나 이상의 이미징 어레이를 포함하여, 상기 직접적인 슬릿 영상을 상기 분산 영상에서의 명백한 파장 시프트를 보상하는데 사용할 수 있게 구성되는 것을 특징으로 하는 광전자 시스템.
  9. 공간색 삼각측량법을 이용한 물체의 표면 수차화를 위한 광전자 장치에 있어서,
    다색광원과,
    상기 광원의 조명면에 위치하여 소스 슬릿상에 상기 광원을 이미징시키는 릴레이 광학소자와,
    상기 물체가 위치되고 연속된 단색 이미지들을 갖는 상기 측정공간을 측정 절단면을 따라 조명하여 상기 물체의 깊이적인 단색 코드화 데이터를 제공하는 오목한 회절 격자와,
    영상면이 상기 절단면과 상기 물체의 표면간의 교차에 의해 발생되는 영상과 일렬로 정렬되는 뷰잉 슬릿을 갖는 이미징 분광기와,
    상기 분광기의 상기 영상면에 위치하여 상기 영상을 레지스터시키는 흑백 이미징 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 소스 슬릿은 점 영상들을 형성하기 위한 핀홀로서 더욱 한정되는 것을 특징으로 하는 광전자 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 영상을 상기 뷰잉 슬릿상에 투영시키기 위한 텔레센트릭 릴레이 렌즈를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 영상을 상기 뷰잉 슬릿상에 투영시키는 릴레이렌즈와, 사시 왜곡을 보정하기 위한 영상처리기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 장치.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 이미징 어레이에 결합되어 스펙트럼측광 분석의 이용에 따라 상기 레지스터된 영상을 처리하고 상기 물체의 수치화된 윤곽선을 발생시키는 영상 처리기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 장치.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 물체를 상기 측정공간내로 이동시키는 기계적인 수단과, 상기 기계적인 수단을 구동 및 동기화 시키는 전자 제어기를 더욱 포함하고, 상기 물체는 상기 기계적인 수단에 고정되고, 상기 물체의 이동에 의해 다수의 영상이 상기 물체의 토포그라피를 재현하도록 연속된 평행한 절단면들을 따라 레지스터되게 구성되는 것을 특징으로 하는 광전자 장치.
  15. 공간색 삼각측량법을 이용한 물체의 표면 수치화 방법에 있어서,
    광원을 소스 슬릿상에 이미징시키는 단계와,
    상기 슬릿 영상을 분산 소자를 통과하게 하여 연속된 단색 영상들을 갖는 측정공간을 조명하는 단계와,
    상기 측정공간내에 위치하는 상기 물체의 깊이적인 색 코드화 데이터를 제공하는 단계와,
    영상 분광기의 영상면과 일렬로 정렬되는 상기 물체의 표면의 영상을 레지스터시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간색 삼각측량법을 이용한 물체의 표면 수치화 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 이미징 분광기는 상기 영상면에 위치하여 상기 영상을 레지스터시키는 이미징 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 스펙트럼측광 분석을 이용하여 상기 물체의 수치화된 윤곽선을 발생시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 영상을 수치화된 윤곽선으로 처리하기 위해 상기 이미징 어레이에 영상 처리기가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 기계적인 수단을 이용하여 상기 물체를 상기 측정공간내로 이동시켜, 상기 물체의 이동에 의해 다수의 영상이 상기 물체의 토포그라피를 재현하도록 연속된 평행한 절단면들을 따라 레지스터되게 하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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