KR20010038688A - Optical 3-D shape-measuring-apparatus using polarization - Google Patents
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Abstract
Description
일반적으로, 자동화 시스템 등에 사용되는 광학식 형상측정 기술은 원격, 비접촉식 측정으로 대상체에 영향을 미치지 않으며, 병렬/고정밀 측정이 가능하고 큰 대상체에도 활용할 수 있는 등 실용성이 높기 때문에 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 레이저 삼각측정 방식을 이용한 형상측정 장치는 주변환경에 의한 오차가 적고 측정속도가 빨라 산업 현장에서 많이 사용되고 있다.In general, the optical shape measurement technology used in the automation system and the like has not been influenced by remote, non-contact measurement, and many studies have been conducted because it is highly practical such that parallel / high precision measurement is possible and can be used for large objects. In particular, the shape measurement device using the laser triangulation method is used in a lot of industrial sites because the error due to the surrounding environment is small and the measurement speed is fast.
본 발명은 생산현장에서의 온-라인 제품검사나 형상측정에 많이 사용되는 광학식 형상측정장치에 관한 것으로, 특히 선형 레이저빔을 사용하는 형상측정장치에 편광판을 도입하여 측정대상체의 국부적인 반사 및 산란 특성에 따른 상의 밝기 차이를 조절하여 향상된 선형 레이저빔 영상을 획득할 수 있는 장치에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical shape measuring device that is widely used for on-line product inspection or shape measurement at a production site. Particularly, a polarizing plate is introduced into a shape measuring device using a linear laser beam to locally reflect and scatter a measurement object. The present invention relates to an apparatus capable of acquiring an improved linear laser beam image by controlling a difference in brightness depending on characteristics.
종래의 선형 레이저빔과 삼각측정법을 이용한 광학식 측정장치는 첨부한 도 1 과 같이 구성되는데, 선형 레이저빔을 만들어 측정대상체(10)에 조사시키는 레이저빔 조사장치(1)와, 측정대상체(10) 표면에서 반사 또는 산란되는 선형 레이저빔만을 투과시키고 무관한 빛을 차단하기 위한 색필터(4)와, 물체에서 반사된 레이저빔의 영상을 획득하는 카메라(5)와, 상기 카메라에서 획득한 영상을 메모리에 저장하고 획득된 선형 영상에서 중심픽셀들을 찾아서 3차원 형상정보를 추출하는 영상신호처리보드(6) 및 영상신호처리 프로그램을 운영하는 컴퓨터(7)로 구성된다.Conventional optical measuring apparatus using a linear laser beam and triangulation method is configured as shown in Figure 1, the laser beam irradiation apparatus 1 for producing a linear laser beam and to irradiate the measuring object 10, and the measuring object 10 A color filter 4 for transmitting only the linear laser beam reflected or scattered from the surface and blocking irrelevant light, a camera 5 for acquiring an image of the laser beam reflected from an object, and an image obtained from the camera. It consists of an image signal processing board 6 which stores in the memory and finds the center pixels in the obtained linear image and extracts three-dimensional shape information, and a computer 7 which operates the image signal processing program.
상기와 같이 구성된 광학식 형상측정장치에서 카메라로 획득되는 레이저빔의 영상은 물체표면이 평면이 아닌 경우, 도 2 에서 보이는 것처럼 기준선에 수직방향으로 변형되고, 이 변형량은 그 점에서의 높이 정보를 가지게 된다. 표면 형상에 따라 변형된 선형 레이저빔 영상을 카메라(5)로 획득하여 영상신호처리보드(6)와 컴퓨터(7)에서 3차원 형상정보를 추출하게 된다.In the optical shape measuring apparatus configured as described above, the image of the laser beam acquired by the camera is deformed in the direction perpendicular to the reference line as shown in FIG. 2 when the object surface is not a plane, and this deformation amount has the height information at that point. do. The linear laser beam image modified according to the surface shape is acquired by the camera 5 to extract 3D shape information from the image signal processing board 6 and the computer 7.
상술한 바와 같이 동작하는 선형 레이저빔을 이용한 형상측정장치는 기존 특허로 제안된 선행기술이 많은데, 대한민국특허 공개번호 제97-28614, 제92-10548호 등과, 미국특허 5,264,678과 5,129,010 등이 있다.Shape measuring apparatus using a linear laser beam that operates as described above, there are many prior arts proposed as existing patents, Korean Patent Publication No. 97-28614, 92-10548 and the like, US Patent 5,264,678 and 5,129,010.
그러나, 이러한 기존 장치는 측정대상체 표면에서의 레이저빔 산란 및 반사 상태가 균일하지 않은 경우 - 예를 들어 납이 도포되어 있는 PCB 기판의 경우 기판 부분에서는 직접적인 반사가 심하고 납 부분에서는 난반사(산란)가 심함 - 에는 카메라(5)에 획득된 레이저빔의 영상은 국부적으로 밝기 차이가 심하게 나타난다. 이러한 경우 어두운 부분의 영상을 획득하기 위하여 카메라의 감도를 높이면 밝은 부분의 영상은 포화상태(saturated)가 되고, 또한 반사가 심한 부분의 레이저빔이 다른 영역에서 2차 반사를 일으켜 오차를 유발하게 된다.However, such a conventional device has a nonuniform laser beam scattering and reflection state on the surface of the object to be measured. For example, in the case of a leaded PCB substrate, direct reflection is severe in the substrate portion and diffuse reflection (scattering) in the lead portion is observed. Severe-In the image of the laser beam acquired by the camera 5, the brightness difference is shown locally. In this case, if the sensitivity of the camera is increased to acquire the dark part of the image, the bright part of the image becomes saturated, and the laser beam of the highly reflective part causes secondary reflection in other areas, causing errors. .
"점 광원을 사용하는 레이저 삼각측정장치"에서는 이러한 현상을 적응형 레이저 세기 조절 등으로 해결할 수 있으나, "선형 빔을 사용하는 레이저 삼각측정장치"에서는 해결하기 힘든 문제이다.In the "laser triangulation device using a point light source", this phenomenon can be solved by adaptive laser intensity control, etc., but in the "laser triangulation device using a linear beam" is a problem that is difficult to solve.
레이저를 이용한 광학식 형상측정장치에 편광 개념을 사용한 기존기술로는, 정규분포를 이루는 레이저빔의 단면에 레이저빔이 물체에서 산란되면서 생기는 노이즈를 편광을 이용하여 제거하는 방법이 기존에 고안되었다.(Japanese patent 7-218231 A, Three-dimensional shape measuring apparatus). 이 고안은 레이저빔이 물체에서 산란되면서 불규칙한 산란으로 인해 2차 산란이 생겨 선형 레이저빔의 영상에서 중심선을 추출하는데 오차를 유발하는 것을 카메라 렌즈 앞에 편광판을 설치하여 해결하는데 주안점이 있다.As a conventional technique using the concept of polarization in an optical shape measuring apparatus using a laser, a method of removing the noise generated by scattering of a laser beam from an object on a cross section of a laser beam having a normal distribution has been conventionally devised. Japanese patent 7-218231 A, Three-dimensional shape measuring apparatus). This design focuses on solving a polarizer in front of the camera lens that causes the second scattering caused by irregular scattering as the laser beam is scattered on the object, causing errors in extracting the centerline from the image of the linear laser beam.
본 발명의 목적은 선형 레이저빔을 사용하는 형상측정장치에서 측정대상체의 국부적인 산란 정도가 심하게 다른 경우(예를 들어 납이 도포되어 있는 PCB 기판이나, BGA 등)에 획득된 선형 레이저빔의 영상의 밝기차이가 심해 측정이 어려운 경우가 발생하는 것을,An object of the present invention is to obtain an image of a linear laser beam obtained when the local scattering degree of the measurement object in the shape measuring apparatus using the linear laser beam is severely different (for example, a PCB substrate coated with lead, BGA, etc.). That the difference in brightness is so severe that measurement is difficult,
레이저 조사부와 레이저빔 수광부에 각각 편광자를 설치하여, 물체에 조사되는 레이저빔을 특정 편광상태로 만들고 레이저빔의 영상을 획득하는 카메라 렌즈 앞의 편광자의 각도를 조절하여, 물체의 상태에 따라 반사되는 레이저빔(레이저빔의 편광상태가 대부분 유지됨)과 산란되는 빔(레이저빔의 편광상태가 많이 깨어짐)의 수광량을 조절하도록 함으로써, 레이저측정 대상체의 위치에 따른 밝기의 차이를 줄여 향상된 영상을 획득할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.A polarizer is installed in the laser irradiation unit and the laser beam receiving unit, respectively, to make the laser beam irradiated to the object into a specific polarization state, and to adjust the angle of the polarizer in front of the camera lens that acquires the image of the laser beam. By adjusting the amount of light received by the laser beam (most of the polarization state of the laser beam is maintained) and the scattering beam (the polarization state of the laser beam is broken a lot), it is possible to obtain an improved image by reducing the difference in brightness depending on the position of the laser measurement object. It is to provide a device that can.
본 발명은 선형 레이저빔을 이용한 광학식 형상측정장치에서 레이저 빔 조사부와 레이저빔 수광부에 각각 편광자를 설치하고 그 각도를 조절하여 밝기차이가 적은 향상된 레이저빔의 영상을 획득하는 장치에 관한 것이다. 레이저 조사장치 앞에 위치한 편광자를 조절하면 물체에 입사되는 레이저빔의 편광 방향을 조절할 수 있다(레이저빔 자체가 편광이 되어 있을 경우에는 편광자를 생략하고 레이저의 편광 각도를 조절하여도 된다). 측정대상체가 국부적으로 반사 및 산란 정도가 다른 경우에 수광부(카메라) 앞에 위치한 편광자의 각도를 조절하면 국부적으로 강한 레이저빔의 세기를 선별적으로 감쇄시켜 전체 영상을 보다 균일하게 할 수 있다. 이것의 원리는 레이저빔 영상의 국부적인 밝기는 물체 면의 반사/산란정도에 의해 결정되는데, 이때 반사/산란 특성이 다를 경우 편광 특성도 다르다는 점에 착안하여 국부적으로 강한 부위의 빔을 편광 성분으로 선별적으로 감쇄시켜 전체적으로 균일한 레이저빔의 영상을 얻는 것이다.The present invention relates to an apparatus for acquiring an image of an improved laser beam having a small brightness difference by installing a polarizer and adjusting an angle thereof in an optical shape measuring apparatus using a linear laser beam. By adjusting the polarizer located in front of the laser irradiation device it is possible to adjust the polarization direction of the laser beam incident on the object (when the laser beam itself is polarized, the polarizer may be omitted and the polarization angle of the laser may be adjusted). If the object to be measured is locally different in reflection and scattering, adjusting the angle of the polarizer located in front of the light receiver (camera) can selectively reduce the intensity of the locally strong laser beam to make the entire image more uniform. The principle of this is that the local brightness of the laser beam image is determined by the degree of reflection / scattering of the object plane.In this case, if the reflection / scattering characteristics are different, the polarization characteristics are different. By selectively attenuating, the overall uniform laser beam image is obtained.
도 1 은 종래의 광학식 형상측정장치의 전체 구성도1 is an overall configuration diagram of a conventional optical shape measuring device
도 2 는 일반적인 측정대상체에 선형으로 조사된 레이저빔의 형상변형 예시도2 is a diagram illustrating a shape deformation of a laser beam linearly irradiated to a general measurement object.
도 3 은 일반적인 삼각측정법의 원리도3 is a principle diagram of a general triangulation method
도 4 는 본 발명에 따른 편광을 이용한 광학식 형상측정장치의 전체구성도4 is an overall configuration diagram of an optical shape measuring apparatus using polarization according to the present invention
도 5 는 본 발명에 따른 형상측정장치에서 편광판의 각도 설치 예시도5 is an exemplary view illustrating the angle installation of the polarizing plate in the shape measuring apparatus according to the present invention.
도 6a 는 종래의 편광판을 도입하지 않은 장치의 영상획득 결과6A is a result of image acquisition of a device without a conventional polarizing plate
도 6b 는 본 발명에 따른 편광판을 도입한 장치의 영상획득 결과Figure 6b is a result of image acquisition of the device incorporating a polarizing plate according to the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
(1) : 레이저빔 조사 장치 (2) : 제 1 편광판(1): laser beam irradiation device (2): first polarizing plate
(3) : 제 2 편광판 (4) : 색필터(3): second polarizing plate (4): color filter
(5) : CCD 카메라 (6) : 영상신호처리보드(5): CCD camera (6): Video signal processing board
(7) : 컴퓨터 (8) : 영상 렌즈(7): Computer 8: Image Lens
(9) : CCD 센서 (10) : 측정대상체(9): CCD sensor (10): measuring object
() : 입사빔의 입사각 () : 센서의 관측각도( ): Incident angle of the incident beam ( ): Observation angle of the sensor
(q) : 센서면에서의 광점 영상의 변위(q): displacement of light spot image on sensor surface
(p) : 물체의 높이(p): height of object
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 도 4 와 같이 선형 레이저빔을 사용하는 형상측정장치에서 레이저빔 조사장치(1) 렌즈 앞에 제 1 편광판(2)을 설치하고 레이저빔 영상을 획득하는 수광부의 카메라(5) 렌즈 앞에는 제 2 편광판(3)을 설치하여 측정대상체(10) 표면의 국부적인 반사율이 크게 달라 획득된 영상의 밝기가 불균일 할 경우 두 개의 편광판(2,3)의 각도를 적절히 조절함으로 물체에서 반사되는 빔과 산란되는 빔의 세기를 조절하여 향상된 레이저빔 영상을 얻을 수 있는 것이다.Features of the present invention for achieving the above object is a light receiving unit for installing a first polarizing plate (2) in front of the laser beam irradiation device (1) lens in the shape measuring apparatus using a linear laser beam as shown in Figure 4 to obtain a laser beam image The second polarizing plate 3 is installed in front of the lens of the camera 5 so that the local reflectance of the surface of the measuring object 10 is large and the brightness of the obtained image is uneven. Therefore, the angles of the two polarizing plates 2 and 3 are properly adjusted. By adjusting the intensity of the reflected beam and the scattered beam from the object can be obtained an improved laser beam image.
특히 이 방법은 땜납이 입혀져 있는 PCB 기판의 검사 등과 같이 측정대상체의 반사율이 국부적으로 크게 다를 경우, 반사 또는 산란되는 빔의 편광 성분을 선별적으로 받아 들여 밝기가 균일한 영상을 얻는데 큰 효과가 있으며, 반사 또는 산란된 빔이 다른 부위에 부딪혀 노이즈 성분의 상을 만드는 것을 차단하는 부가적인 효과도 가진다.In particular, this method has a great effect in selectively obtaining polarized components of reflected or scattered beams and obtaining a uniform brightness when the reflectance of the measuring object is significantly different, such as inspection of a soldered PCB substrate. It also has the additional effect of blocking reflected or scattered beams from hitting other sites to create an image of the noise component.
우선 통상적인 삼각측정방식의 기본 원리를 첨부한 도 3 을 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 도 3 에서 입사빔의 입사각 α와 센서의 관측각도(수광각) β, 그리고 영상 렌즈의 초점거리(f) 및 배율 m(=s*/s)은 알고 있는 변수이다. 물체 면에 조사되는 광점의 영상이 항상 센서면에 정확히 맺히기 위해서는 Scheimpflug 조건을 만족해야 하는데 이 경우, 물체의 높이(p)에 따른 센서면에서의 광점 영상의 변위(q)는 다음 (1) 식과 같이 계산된다.First, referring to Figure 3 attached to the basic principle of a conventional triangulation method is as follows. In Fig. 3, the incident angle α of the incident beam, the observation angle (reception angle) β of the sensor, and the focal length f and magnification m (= s * / s) of the image lens are known parameters. In order to ensure that the image of the light spot irradiated on the object plane always fits on the sensor plane, the Scheimpflug condition must be satisfied. In this case, the displacement (q) of the light spot image on the sensor plane according to the height (p) of the object is Calculated as
〔관계식1〕[Relationship Formula 1]
----------- (1) ----------- (One)
이러한 광학식 형상측정장치는 통상 도 1 과 같은 구성을 가진다. 그러나 본 발명의 광학계는 도 4 와 같이 레이저빔 조사장치(1) 렌즈 앞에 제 1 편광판(2)을 설치하고 레이저빔 영상을 획득하는 수광 카메라(5) 렌즈 앞에는 제 2 편광판(3)을 설치하여 측정대상체(10) 표면의 국부적인 반사율이 달라 획득된 영상의 밝기가 불균일할 경우 두 개의 편광판(2,3)의 각도를 적절히 조절하여 물체에서 반사되는 빔과 산란되는 빔의 세기를 조절할 수 있도록 구성된다.Such an optical shape measuring device usually has a configuration as shown in FIG. 1. However, in the optical system of the present invention, as shown in FIG. 4, the first polarizing plate 2 is installed in front of the lens of the laser beam irradiation apparatus 1, and the second polarizing plate 3 is provided in front of the light receiving camera 5 lens which acquires the laser beam image. If the brightness of the obtained image is not uniform because the local reflectance of the surface of the measurement object 10 is different, the angles of the two polarizing plates 2 and 3 are properly adjusted so that the intensity of the beam reflected from the object and the scattered beam can be adjusted. It is composed.
[실시예]EXAMPLE
도 5 는 본 발명에 따른 실시예를 살펴보기 위한 레이저 입사각과 수광각이 거의 비슷하게(α≒β) 구성된 삼각측정장치의 구성도이다. 문제는 측정대상체의 표면 상태가 균일하지 않은 경우에, 즉 거친 면과 고운 면이 동시에 분포하는 경우에 발생한다. 이러한 경우의 예로는, 국부적으로 납이 도포되어 있는 PCB 기판 검사 등을 들 수 있는데, PCB 기판은 고운 면을 가지고 있으나 납 부분은 거친 면을 가지고 있어 일반적인 구성으로는 기판 부위와 납 부위의 영상의 밝기가 달라 측정이 어렵게 된다. 원안의 점과 화살표는 편광 방향을 나타낸다.5 is a block diagram of a triangulation apparatus configured to have a laser incident angle and a light receiving angle almost similar to each other according to an embodiment of the present invention (α ≒ β). The problem arises when the surface state of the measurement object is not uniform, that is, when the rough and fine surfaces are distributed at the same time. An example of such a case is the inspection of a PCB substrate that is locally coated with lead. The PCB substrate has a fine surface, but the lead portion has a rough surface. Different brightness makes measurement difficult. Points and arrows in the circle indicate the polarization direction.
도 6 은 도 5 와 같은 장치구성에서 얻은 실험결과이다. 도 6a 는 종래의 편광판을 도입하지 않은 측정장치에서 얻은 영상으로, 측정대상체는 납이 도포되어 있는 PCB 기판이고 입사각 α와 수광각 β는 40도 이다. 레이저 선의 낮은 부분(PCB 기판 부분)의 세기가 선의 윗부분(납 부분)에 비해 아주 세어 포화(saturation) 된 것을 알 수 있으며, 난반사로 인한 노이즈 성분이 많은 것을 볼 수 있다. 이에 비해 도 6b 는 도 5 와 같이 본 발명에 따른 두 개의 편광판의 편광각을 서로 수직으로 설치한 장치로 측정한 결과이다. 레이저 선의 낮은 부분(PCB 기판 부분)의 세기가 도 6a 에 비해 많이 감쇄되었으며, 노이즈도 많이 줄어든 것을 볼 수 있다.6 is an experimental result obtained in the device configuration as shown in FIG. FIG. 6A is an image obtained by a measuring apparatus without a conventional polarizing plate, in which a measuring object is a PCB substrate coated with lead, and an incident angle α and a light receiving angle β are 40 degrees. It can be seen that the intensity of the lower portion of the laser line (PCB substrate portion) is very strong compared to the upper portion (lead portion) of the line and is saturated, and there are many noise components due to diffuse reflection. On the contrary, FIG. 6B is a result of measuring the polarization angles of the two polarizing plates according to the present invention as shown in FIG. It can be seen that the intensity of the lower portion of the laser line (PCB substrate portion) is attenuated much compared to FIG. 6A and the noise is also much reduced.
(발명의 변형예, 응용예)(Variation of invention, application example)
본 발명은 선형 레이저빔을 이용한 광학식 형상측정장치로서, 레이저 조사부와 레이저빔 수광부에 각각 편광판을 설치하고 그 각도를 조절하여 보다 좋은 영상을 획득하는 광학식 형상측정장치에 대한 것이다. 앞의 실시예에서는 한 쌍의 선형 편광판을 사용한 경우를 언급하였었는데, 선형 편광 뿐 아니라 원형 편광판, 또는 일반적인 타원 편광판을 사용하여서도 비슷한 효과를 거두도록 구성할 수 있다.The present invention relates to an optical shape measuring apparatus using a linear laser beam, and to an optical shape measuring apparatus that obtains a better image by installing a polarizing plate and adjusting the angle of each of the laser irradiation unit and the laser beam receiving unit. In the above embodiment, a case of using a pair of linear polarizers was mentioned, but similar effects may be obtained by using a circular polarizer or a general elliptical polarizer as well as linear polarized light.
상기와 같이 동작하는 편광을 사용하는 선형 광학식 형상측정장치에서는 납이 도포되어 있는 PCB 기판 등과 같이 측정대상체의 광 산란정도가 불균일 할 경우, 편광판을 도입하여 반사 및 산란 빔의 편광유지 정도의 차이를 이용하여 카메라에 입사되는 국부적인 광량을 조절함으로써 밝기의 대비(contrast)가 적절한 영상으로 얻을 수 있으며, 레이저빔이 측정대상체에서 심하게 반사할 때 생기는 노이즈 상을 제거할 수 있다.In the linear optical shape measuring device using the polarized light operated as described above, when the light scattering degree of the measuring object is uneven, such as a PCB substrate coated with lead, a polarizing plate is introduced to determine the difference between the polarization maintaining degree of the reflection and the scattering beam. By adjusting the amount of local light incident on the camera, a contrast of brightness can be obtained as an appropriate image, and a noise image generated when the laser beam is severely reflected from the measurement object can be removed.
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KR100406169B1 (en) | 2003-11-17 |
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