KR20030089542A - 다차원 물체 측정 시스템 - Google Patents

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KR20030089542A
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Abstract

본 발명은 다차원 물체 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 검사장비 또는 표출장비에서 2차원 및 3차원 물체 특징정보를 측정할 수 있도록 하는 다차원 물체 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명을 이루기 위한 수단으로, 측정할 대상물의 상위에 위치하여 듀얼 광학 투영 처리에 의해 생기는 두 개의 라인 이미지 영역을 입력하는 단일 영상 입력부; 레이져와 반사계와 옵티컬 렌즈계를 조합하여 서로 상대방향에 위치되는 듀얼 광학계; 상기 단일 영상 입력부와 상기 듀얼 광학계로 구성되는 측정헤드부; 상기 측정헤드부에 의해 스캔된 이미지를 처리하고, 프로세싱 알고리즘과 보정(Calibration)데이타를 사용하여 상기 스캔된 이미지를 삼차원 정보로 변환하는 프로세서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

다차원 물체 측정 시스템{Multi-Dimensional Measurement System For Object Features}
본 발명은 다차원 물체 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 검사장비 또는 표출장비에서 2차원 및 3차원 물체 특징정보를 측정할 수 있도록 하는 다차원 물체 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 다차원 물체 측정장치는 카메라 등을 이용하여 물체의 특징정보를 측정하는 장치로서 반도체 검사장비, PCB 검사장비, 다차원 표출장비 등에 이용된다. 도 1.은 종래 기술의 물체 측정장치의 실시예를 도시한 것이다. 제 1실시예는 레이져가 중앙에서 측정물에 투영하고 측면에서 두 개의 카메라로 의해 반사된 레이져 빛을 입력한다. 제 2 실시예는 한 개의 카메라가 반사된 레이져 빛을 입력한다. 그런데 종래의 물체 측정장치는 가림(Occlusion)영향 때문에 측정물 전체의 30∼40%정도가 측정이 불가능하게 된다. 또한 측정 방향에 제약이 따를 뿐만 아니라 물체 접선 부분의 측정이 불안정하다는 문제점이 있다. 그리고 측정 속도가 느리다는 단점이 있고, 2차원 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명은 단일 영상입력장치와 소정의 간격으로 배열된 두 개의 레이져 광학계를 구성하여 2차원 및 3차원 공간의 물체의 특징 정보를 듀얼 라인 스캐닝(dual line-scanning)방식으로 측정함으로써 고속 및 고정밀 물체 측정 데이터를 추출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명을 이루기 위한 수단으로, 측정할 대상물의 상위에 위치하여 듀얼 광학 투영 처리에 의해 생기는 두 개의 라인 이미지 영역을 입력하는 단일 영상 입력부; 레이져와 반사계와 옵티컬 렌즈계를 조합하여 서로 상대방향에 위치되는 듀얼 광학계; 상기 단일 영상 입력부와 상기 듀얼 광학계로 구성되는 측정헤드부; 상기 측정헤드부에 의해 스캔된 이미지를 처리하고, 프로세싱 알고리즘과 보정(Calibration)데이타를 사용하여 상기 스캔된 이미지를 삼차원 정보로 변환하는 프로세서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래기술의 물체 측정장치의 실시예를 도시한 도면
도 2는 본 발명에 따른 다차원 물체 측정장치의 구성을 보인 블록도
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 다차원 측정방법을 도시한 도면
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 다차원 측정방법을 도시한 도면
도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d는 본 발명에 따른 실제 이미지 예
도 6은 본 발명에 따른 다차원 물체 측정방법 흐름도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
101 : 측정헤드부 102,103 : 레이져
104 : 영상 입력부 105 : 렌즈계
106,110,111 : 옵티컬 렌즈계 107 : 조명
109,119 : 반사계 113 : 프레임 그래버
114 : 레이저/조명 제어기 115 : 디스플레이 장치
116 : 프로세서 117 : 메모리
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 다차원 물체 측정장치의 구성을 보인 블럭도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 측정헤드부(101)는 영상 입력부(104)와 렌즈계(105)와 조명(107)과 두 개의 반사계(109,119)와 두 개의 레이져(102,103)와 옵티컬 렌즈계(106,110,111)로 구성한다.
영상 입력부(104)는 선명한 영상을 얻기 위하여 미리 포커싱 등을 조정한다. 영상 입력부(104)는 PSD(Photo-Sensitive Device) 또는 CCD카메라, CMOS카메라 중 하나가 될 수 있다. 두 개의 레이져(102,103)는 영상 입력부(104)의 뷰 영역(Field of View)안에 투영되도록 단일 광선(108,118)을 출력한다. 반사계(109,119)에 의해 반사된 광선(120,121)은 영상 입력부(104)에 입력된다. 측정물체(112)에서 Z축 방향으로 고도 특징요인 때문에, 반사된 광선(120,121)은 굴곡 라인(distorted line)으로 생성된다. 굴곡 라인이 물체 특징의 하나인 Z축 정보가 된다.레이져(102,103)의 위치나 투영각은 설계에 따라 변경될 수 있다. 즉, 영상 입력부(104)에 입력되는 두 개의 광선(120,121)이 겹치지 않도록 레이져 투영각(Projection Angle)이 조정된다. 조명(107)은 측정물체(112)의 모습을 밝히기 위한 것으로, 영상 입력부(104)에 부착된다. 그러나 측정이 시작될 때, 조명(107)은 꺼진다.
프레임 그래버(113)는 영상 입력부(104)로부터 출력되는 영상신호를 소정의 변환을 거쳐 프로세서(116)로 전송한다. 레이져/조명 제어기(114)는 레이져(102,103)와 조명(107)을 제어한다. 메모리(117)는 영상처리 알고리즘, 레이져/조명 제어기(114)의 프로그램을 저장한다. 영상 입력부(104)에 의해 획득된 영상을 처리한 결과 데이터는 디스플레이 장치(115)에 표시되고, 메모리(117)에 저장될 수 있다. 보정판(213)은 측정물체(112)의 고도 셋업 보정(Calibration)을 위한 것이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 다차원 측정방법을 도시한 도면이다. 도 3a는 도 3b의 영상 입력부(204)에서 획득된 이미지(201)를 도시한 것이다. 실제 이미지 영역(201)에서 좌측 절반 크기에 해당되는 이미지(203,211)를 측정한다. 획득된 이미지(201)는 레이져 반사 광선에 대한 복수의 선으로 구성되어 있으며, 중앙선(202)에 의해 분할된다. 도 3b에서 레이져(206)는 입사각(208)으로 측정물체(209)에 광선을 투영한다. 측정물체(209)에서 반사된 광선(210)은 표면 특징에 대한 이미지(203)로 생성된다.
물체 이미지에 대한 3차원 정보를 얻기 위해서는 표준 광학 삼각법을 이용한다. 도 3b에서 물체 높이 H1은 다음과 같은 식으로 계산된다.
H1= (B1- A1)tan()
여기서,(208)은 미리 정의된 값으로 레이져 투영 셋업시 정해진다. (B1- A1)를 계산하기 위해서는 영상 입력부(204)의 보정이 선행된다. 보정은 이미지 좌표계와 실세계 좌표계간의 관계 정의를 하게 된다. 실세계 좌표계 A1은 레이져 투영각(, 208)과 레이져 위치 셋업에 의해 미리 정의된다. 실세계 좌표계 A1과 B1은 보정 데이터를 이용함으로써 이미지(211,203) 좌표계에 의해 얻어진다.
레이져 위치와 투영각은 시야각(, 205)안에서 반사광선(210)이 영상 입력부(204)에 들어올 수 있도록 조정된다. 물체 고도 H1은 반사광선(203)이 실제 이미지 영역(201)안에 들어올 수 있도록 미리 설정된 범위안에 있어야 한다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 다차원 측정방법을 도시한 도면이다. 도 4a는 도 4b의 영상 입력부(204)에서 획득된 이미지(201)를 도시한 것이다. 실제 이미지 영역(201)에서 우측 절반 크기에 해당되는 이미지(303,311)를 측정한다. 획득된 이미지(201)는 레이져 반사 광선에 대한 복수의 선으로 구성되어 있으며, 중앙선(202)에 의해 분할된다. 도 4b에서 레이져(306)는 입사각(308)으로 측정물체(309)에 광선을 투영한다. 측정물체(309)에서 반사된 광선(310)은 표면 특징에 대한 이미지(303)로 생성된다.
물체 이미지에 대한 3차원 정보를 얻기 위해서는 표준 광학 삼각법을 이용한다. 도 4b에서 물체 높이 H2은 다음과 같은 식으로 계산된다.
H2= (B2- A2)tan()
여기서,(308)은 미리 정의된 값으로 레이져 투영 셋업시 정해진다. (B2- A2)를 계산하기 위해서는 영상 입력부(204)의 보정이 선행된다. 보정은 이미지 좌표계와 실세계 좌표계간의 관계 정의를 하게 된다. 실세계 좌표계 A2은 레이져 투영각(,308)과 레이져 위치 셋업에 의해 미리 정의된다. 실세계 좌표계 A2과 B2은 보정데이터를 이용함으로써 이미지(311,303) 좌표계에 의해 얻어진다.
레이져 위치와 투영각은 시야각(, 205)안에서 반사광선(310)이 영상 입력부(204)에 들어올 수 있도록 조정된다. 물체 고도 H2은 반사광선(303)이 실제 이미지 영역(201)안에 들어올 수 있도록 미리 설정된 범위안에 있어야 한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 도 5d는 본 발명에 따른 실제 이미지 예를 도시한 것이다. 도 5a에서 이미지(201)안에 있는 라인(402,403)은 도 5b에서 측정 물체(406)에 반사된 레이져 광선(404,405)에 의해 표출된 것이다. 도 5c에서 이미지(201)안에 있는 굴곡 라인(407,408)은 도 5d에서 측정 물체(412)에 반사된 레이져 광선(410,411)에 의해 표출된 것이다. 측정 물체(412)가 이동되면서 굴곡 라인(407,408)이미지가 측정 물체(412)의 고도 값에 따라 모양이 변한다.
도 6은 본 발명에 따른 다차원 물체 측정방법 흐름도를 도시한 것이다.
도 6에 대한 동작 흐름을 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 제 1단계(601)에서 영상 입력부(104)는 측정 대상물에서 반사되는 복수 개의 레이져 빛을 입력하여 전기적 신호로 출력한다. 프레임 그래버(113)는 측정 대상물의 윤곽선을 취득하여 프로세서(116)로 전송한다.
제 2단계(602)에서 프로세서(116)는 프레임 그래버(113)로부터 이미지 데이터를 입력하고, 프로세싱 알고리즘은 측정 대상물의 특징인 고도 정보를 추출할 수 있도록 이미지 데이터를 처리한다.
제 3단계(603)에서 측정 대상물 영역을 완전히 스캐닝할 때까지 영상 입력부(104)에 의해 영역 이미지를 취득한다.
제 4단계(604)에서 영상 입력부(104)의 보정 데이터와 투영각 등의 광학 셋업 정보를 사용하여 취득된 영상 이미지를 실세계 좌표계로 변환한다.
제 5단계(605)에서 측정 대상물의 전체 영역을 입력하기 위해 이동 메카니즘에 의해 스캐닝하기 때문에, 변환된 실세계 좌표계와 이동 메카니즘의 좌표계가 합해진다. 합해진 좌표계에 의해 최종적으로 원하는 물체의 3차원 좌표값이 표출된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 단일 영상입력장치와 소정의 간격으로 배열된 두 개의 레이져 광학계를 구성하여 2차원 및 3차원 공간의 물체의 특징정보를 듀얼 라인 스캐닝(dual line-scanning)방식으로 측정함으로써 종래의 3차원측정 센서 속도보다 두배 이상의 속도를 향상시킬 수 있다. 또한 고정밀의 측정이 가능함으로써 생산된 제품의 결함을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 그리고 넓은범위의 측정이 가능하기 때문에 인라인 검사 시스템(In-Line Inspection System)에 적용하는데 유리한 장점이 있다.

Claims (1)

  1. 측정할 대상물의 상위에 위치하여 듀얼 광학 투영 처리에 의해 생기는 두 개의 라인 이미지 영역을 입력하는 단일 영상 입력부(104);
    레이져(102,103)와 반사계(109,119)와 옵티컬 렌즈계(106,110,111)를 조합하여 서로 상대방향에 위치되는 듀얼 광학계;
    상기 단일 영상 입력부(104)와 상기 듀얼 광학계로 구성되는 측정헤드부(101);
    상기 측정헤드부(101)에 의해 스캔된 이미지를 처리하고, 프로세싱 알고리즘과 보정 데이타를 사용하여 상기 스캔된 이미지를 삼차원 정보로 변환하는 프로세서(116)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다차원 물체 측정장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8428334B2 (en) 2010-03-26 2013-04-23 Cooper S.K. Kuo Inspection System
WO2015115770A1 (ko) * 2014-01-28 2015-08-06 엘지이노텍 주식회사 캘리브레이션 장치 및 카메라 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8428334B2 (en) 2010-03-26 2013-04-23 Cooper S.K. Kuo Inspection System
WO2015115770A1 (ko) * 2014-01-28 2015-08-06 엘지이노텍 주식회사 캘리브레이션 장치 및 카메라 시스템

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