KR20040033929A - 스캐너 및 이를 이용한 구멍 측정 방법 - Google Patents

스캐너 및 이를 이용한 구멍 측정 방법 Download PDF

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KR20040033929A
KR20040033929A KR1020020063221A KR20020063221A KR20040033929A KR 20040033929 A KR20040033929 A KR 20040033929A KR 1020020063221 A KR1020020063221 A KR 1020020063221A KR 20020063221 A KR20020063221 A KR 20020063221A KR 20040033929 A KR20040033929 A KR 20040033929A
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백승호
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Abstract

스캐너 및 이를 이용한 구멍 측정 방법을 개시한다. 개시된 스캐너는 대상물체로 제 1 슬릿광을 조사하는 제 1 광조사장치를 포함한다. 제 1 슬릿광의 평면과 직교하는 평면으로 제 2 슬릿광을 조사하는 제 2 광조사장치가 제 1 조사수단과 직교하는 방향으로 배치된다. 서로 직교하는 제 1 및 제 2 슬릿광이 조사된 대상물체를 촬영장치가 촬영하여, 대상물체의 이미지를 획득한다. 이러한 구조의 스캐너를 이용해서, 구멍을 갖는 대상물체로 서로 직교하는 평면을 갖는 제 1 및 제 2 슬릿광을 조사한다. 그런 다음, 제 1 및 제 2 슬릿광이 조사된 대상물체를 촬영하여 이미지를 획득한다. 이어서, 획득한 제 1 및 제 2 슬릿광의 이미지로부터 구멍이 포함된 평면에 대한 정보와 영상처리를 통해 구한 구멍의 중심좌표로부터 구멍 중심의 3차원 절대 좌표를 측정한다.

Description

스캐너 및 이를 이용한 구멍 측정 방법{SCANNER AND METHOD FOR MEASURING A HOLE USING THE SAME}
본 발명은 스캐너 및 이를 이용한 구멍 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대상물체를 광학적으로 스캐닝하는 스캐너와, 이 스캐너를 이용해서 대상물체에 형성된 구멍의 위치 및 크기를 측정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 판재로부터 스탬핑이나 캐스팅과 같은 공정을 통해 구멍들을 갖는 소정의 부품을 성형할 때, 제조시의 비용 절감과 양질의 제품 생산을 위해 부품을 3차원적으로 정확하게 측정하는 것이 요구된다. 이러한 측정 작업은 부품 자체와 접촉하지 않는 방식으로 여러 위치에서 빠른 속도로 행해질 것이 요구된다. 특히, 부품이 많은 구멍을 갖는 경우, 구멍들의 위치, 방향, 크기 및 형상을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다.
현재 사용되고 있는 광측정 시스템은 여러 단점, 특히 구멍에 관련된 단점들을 갖고 있다. 광측정 시스템의 주요한 문제점은 구멍의 예상 크기와 관련된 사전 정보 없이는 구멍의 주변을 정확하게 결정할 수 없다는 것이다. 이러한 문제점은, 종래의 광스캐닝 장치가 설정된 조명 패턴을 부품으로 조사한 후, 부품으로부터 반사된 패턴이 변경되는 것을 분석하는 것에 기인한다. 이러한 종래 시스템에서, 구멍의 위치는 사전 설정된 패턴에서 누락된 것으로 나타나고, 반사광 패턴 내에서의 누락된 부분의 경계선에 대한 데이터로부터 구멍의 위치가 결정된다.
그러나, 조사광 패턴이 정지하는 위치와 누락부가 시작하는 위치를 정확하게 결정하는 것은 용이하지 않다. 따라서, 종래의 광스캐닝 시스템으로는 구멍의 위치를 정확하게 측정할 수가 없었다.
이러한 문제를 해소하기 위한 종래의 구멍 측정 방법이 미국특허 제4,647,208호에 개시되어 있다.
상기 미국특허에 개시된 방법에 따르면, 먼저 구멍을 갖는 대상물체로 균일한 빛을 조사한다. 그런 다음, 대상물체로부터 반사된 빛을 광학적으로 스캐닝하여, 구멍의 중심을 나타내는 어두운 영역과 상대적으로 밝은 영역을 포함하는 이미지를 얻는다. 이어서, 십자형의 빛을 대상물체로 조사한다. 그런 다음, 대상물체를 광학적으로 스캐닝하여, 구멍이 위치한 평면을 한정하는 반사 패턴을 갖는 이미지를 얻는다. 마지막으로, 평면의 교차점과 중심을 결정하여 공간상에서의 구멍의 실제 위치를 확정한다.
그런데, 상기된 종래 방법은 기준이 된 이미지 데이터와 측정된 이미지 데이터간의 차이를 미리 측정한 상태에서, 이러한 기준점에서 대상물체의 구멍 위치가 얼마나 벗어낫는가를 상대적으로 측정하는 방식이다.
이로 인하여, 대상물체가 많은 구멍을 갖고 있거나, 또는 대상물체을 지지하는 지그와 같은 수단의 정렬 오차가 있는 경우, 상대적 측정 방식인 상기 종래 방법으로는 구멍 측정이 정확하지 못하다는 치명적인 문제점이 유발되었다.
본 발명의 제 1 목적은 상기된 종래 측정 방법이 안고 있는 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 구멍의 절대 좌표를 측정하여, 구멍이 많거나 정렬 오차가 발생된 대상물체에 대해서도 적용이 가능한 스캐너를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2 목적은 본 발명의 스캐너를 이용해서 대상물체의 구멍을 측정하는 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스캐너의 외관을 나타낸 사시도.
도 2는 도 1에서 외장을 제거하여 스캐너의 내부 구조를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 스캐너의 광경로를 나타낸 설명도.
도 4는 본 발명에 따른 구멍 측정 방법을 설명하기 위한 예시도.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100 : 케이스 101 : 제 1 슬릿
102 : 제 2 슬릿 103 : 투과창
200 : 프레임 210 : 제 1 베이스
211 : 제 1 받침대 220 : 제 2 베이스
221 : 제 2 받침대 300 : 제 1 광조사장치
310 : 제 1 광조사기 311 : 수평 슬릿
330 : 제 1 반사경 400 : 제 2 광조사장치
410 : 제 2 광조사기 411 : 수직 슬릿
430 : 제 2 반사경 500 : 조명장치
600 : 촬영장치 610 : 카메라
630 : 제 3 반사경
전술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스캐너는 대상물체로 제 1 슬릿광을 조사하는 제 1 광조사장치를 포함한다. 제 1 슬릿광의 평면과 직교하는 평면으로 제 2 슬릿광을 조사하는 제 2 광조사장치가 제 1 조사수단과 직교하는 방향으로 배치된다. 서로 직교하는 제 1 및 제 2 슬릿광이 조사된 대상물체를 촬영장치가 촬영하여, 대상물체의 이미지를 획득한다.
본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위한 구멍 측정 방법은 다음과 같은 단계들로 이루어진다. 구멍을 갖는 대상물체로 서로 직교하는 평면을 갖는 제 1 및 제 2 슬릿광을 조사한다. 그런 다음, 제 1 및 제 2 슬릿광이 조사된 대상물체를 촬영하여 이미지를 획득한다. 이어서, 획득한 이미지로부터 제 1 및 제 2 슬릿광의 교차점에 관한 3차원 좌표값을 얻어서, 이 3차원 좌표값으로부터 구멍 중심의 3차원 절대 좌표를 측정한다.
상기된 본 발명의 구성에 따르면, 서로 직교하는 평면을 갖는 제 1 및 제 2 슬릿광을 대상물체로 조사하고, 얻어진 대상물체의 이미지로부터 제 1 및 제 2 슬릿광의 이미지로부터 구멍이 포함된 평면에 대한 정보와 영상처리에 의해 구한 구멍의 중심좌표로부터 대상물체의 구멍 위치 및 크기를 절대적으로 정확하게 측정할수가 있게 된다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스캐너 및 이를 이용한 구멍 측정 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 스캐너의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에서 외장을 제거하여 스캐너의 내부 구조를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 스캐너의 광경로를 나타낸 설명도이고, 도 4는 본 발명에 따른 구멍 측정 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
먼저, 도 1을 참조로, 본 발명에 따른 스캐닝 장치는 90°각도로 구부러진 형상으로 이루어져 대상물체의 하부에 배치되는 케이스(100)를 갖는다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 케이스(100)로 덮혀진 프레임(200)도 90°각도로 구부러진 형상을 갖는다. 케이스(100)는 좌측 상부면에 형성된 제 1 슬릿(101)과, 우측 상부면에 형성된 제 2 슬릿(102)을 갖는다. 또한, 케이스(100)의 구부러진 부분 상부면에 투과창(103)이 형성된다. 제 1 및 제 2 슬릿(101,102)과 투과창(103)의 기능에 대해서는 후술한다.
도 2에 본 발명에 따른 스캐닝 장치의 내부 구조가 도시되어 있다. 도 2를 참조로, 프레임(200)은 좌측의 제 1 베이스(210)와, 제 1 베이스(210)에 90°각도로 연결된 우측의 제 2 베이스(220)로 이루어진다. 제 1 및 제 2 베이스(210,310) 각각에 제 1 및 제 2 받침대(211,311)가 설치된다.
제 1 광조사장치(300)가 제 1 받침대(211)에 설치된다. 제 1 광조사장치(300)는 제 1 받침대(211)상에 수평하게 배치된 제 1 광조사기(310)를포함한다. 특히, 제 1 광조사기(310)는 제 1 및 제 2 베이스(210,220)가 연결되는 방향과 반대 방향으로 광을 조사하는 방향을 향해 배치된다. 또한, 제 1 광조사기(310)는 수평 슬릿(311)을 가져서, 제 1 광조사기(310)로부터 발한 제 1 광은 수평 슬릿(311)에 의해 수평 슬릿광이 된다.
이러한 수평 슬릿광의 경로를 전환시켜 도 1에 도시된 제 1 슬릿(101)으로 통과시키는 제 1 반사경(330)이 제 1 광조사기(310)의 전면인 제 1 받침대(211)상에 설치된 제 1 브래킷(320)에 장착된다. 특히, 제 1 반사경(330)은 제 1 광조사기(310)로부터의 수평 슬릿광 평면과 소정의 둔각을 이룸으로써, 제 1 반사경(330)에 의한 수평 슬릿광의 반사각은 소정의 예각이 된다. 제 1 반사경(330)에 의한 수평 슬릿광의 반사각도는 45°인 것이 바람직하다.
이러한 각도로 배치된 제 1 반사경(330)에 의해 반사된 수평 슬릿광은 제 1 슬릿(101)을 통과하여 대상물체로 수평하게 입사된다.
한편, 제 2 광조사장치(400)가 제 2 받침대(221)에 설치된다. 제 2 광조사장치(400)는 제 2 받침대(221)상에 수평하게 배치된 제 2 광조사기(410)를 포함한다. 특히, 제 2 광조사기(410)는 제 1 및 제 2 베이스(210,220)가 연결되는 방향과 반대 방향으로 광을 조사하는 방향을 향해 배치된다. 또한, 제 2 광조사기(410)는 수직 슬릿(411)을 가져서, 제 2 광조사기(410)로부터 발한 제 2 광은 수직 슬릿(411)에 의해 수직 슬릿광이 된다.
이러한 수직 슬릿광의 경로를 전환시켜 도 1에 도시된 제 2 슬릿(102)으로 통과시키는 제 2 반사경(430)이 제 2 광조사기(410)의 전면인 제 2 받침대(221)상에 설치된 제 2 브래킷(420)에 장착된다. 한편, 제 2 반사경(430)은 제 1 반사경(330)이 배치된 경사각과 동일한 각도로 경사지게 배치된다. 따라서, 제 2 반사경(430)에 의한 수직 슬릿광의 반사각도도 45°가 된다.
이러한 각도로 배치된 제 2 반사경(430)에 의해 반사된 수직 슬릿광은 수평 슬릿광과 함께 제 2 슬릿(102)을 통과하여 대상물체로 수평하게 입사된다. 수평 및 수직 슬릿광이 입사된 대상물체가 투과창(103)을 통해서 다시 스캐너 내부로 투사된다.
이와 같이 투사된 대상물체를 촬영하는 장치(600)가 제 1 및 제 2 베이스(210,220)가 연결되는 부분에 배치된다. 촬영장치(600)는 제 2 베이스(220)상에 장착된 카메라(610)를 포함한다. 카메라(610)는 제 1 및 제 2 베이스(210,220)가 연결되는 부분을 향해 배치된다. 카메라(610)가 향하는 방향의 프레임(200)상에 제 3 브래킷(620)이 설치되고, 제 3 반사경(630)이 제 3 브래킷(620)에 설치된다. 제 3 반사경(630)은 대상물체를 카메라(610) 방향으로 반사시켜야 하므로, 제 1 및 제 2 반사경(330,430)과 마찬가지로 반사각도가 45°가 되도록 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 다시 도 1에서와 같이, 투과창(103) 주위에는 대상물체를 조명하는 LED 램프와 같은 조명장치(500)가 배치되는 것이 바람직하다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예에 따른 스캐너를 이용해서 대상물체의 구멍을 측정하는 방법을 도 3 및 도 4를 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 3에서, 제 1 광조사기(310)로부터의 수평 슬릿광이 조사되는 방향이 X축방향이고, 제 2 광조사기(410)로부터의 수직 슬릿광이 조사되는 방향이 Y축 방향이며, 대상물체가 배치된 방향이 Z축 방향이다.
도 3을 참조로, 제 1 및 제 2 광조사기(310,410)로부터 수평 및 수직 슬릿광(S1,S2)이 대상물체의 평면(P)으로 입사된다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 제 1 광조사기(310)로부터의 광은 수평 슬릿(311)을 통과하면서 수평 슬릿광(S1)이 된다. 수평 슬릿광(S1)은 제 1 반사경(330)에 의해 45°각도로 상부를 향해 반사된 후, 제 1 슬릿(101)을 통과해서 대상물체의 평면(P)으로 입사된다. 한편, 제 2 광조사기(410)로부터의 광은 수직 슬릿(411)을 통과하면서 수직 슬릿광(S2)이 된다. 수직 슬릿광(S2)은 제 2 반사경(430)에 의해 45°각도로 상부를 향해 반사된 후, 제 2 슬릿(102)을 통과해서 대상물체의 평면(P)으로 입사된다. 한편, 수평 슬릿광(S1)과 X축이 이루는 각도가 θ1이고, 수직 슬릿광(S2)과 Y축이 이루는 각도는 θ2이다.
따라서, 도 3에서와 같이, 구멍(H)을 갖는 대상물체의 평면(P)에는 수평 및 수직 슬릿광(S1,S2)이 교차하는 교차점(I)이 형성된다. 이러한 수평 및 수직 슬릿광(S1,S2)이 조사된 대상물체의 평면(P)이 투과창(103)을 통해서 제 3 반사경(630)으로 투사됨으로써, 카메라(610)가 제 3 반사경(630)에 투사된 대상물체의 평면(P)을 촬영하게 된다. 이러한 동작 중에, 조명장치(500)에 의해 대상물체의 평면(P)이 조명되므로, 카메라(610)에 의해 촬영된 대상물체의 평면(P) 이미지가 매우 뚜렷하게 된다.
한편, 획득한 이미지를 이용해서 대상물체의 평면(P)에 형성된 구멍(H)을 측정하는 방법을 도 4를 참고로 하여 설명한다. 먼저, 이미지가 맺히는 카메라(600)의 이미지 셀의 중앙에 카메라 좌표계(xyz)가 설정되고, 카메라(600)의 렌즈 중앙에는 센서 좌표계(XYZ)가 설정된다. 카메라 좌표계(xyz)와 센서 좌표계(XYZ)간의 Z축 방향을 따른 중심 거리는 d이다. 센서 좌표계(XYZ)의 원점으로부터 X축 방향을 따라 제 1 광조사기(310)로부터의 수평 슬릿광(S1)이 입사되는 위치까지의 거리는 ℓ1이고, 센서 좌표계(XYZ)의 원점으로부터 Y축 방향을 따라 제 2 광조사기(410)로부터의 수직 슬릿광(S2)이 입사되는 위치까지의 거리는 ℓ2이다.
상기 변수들을 이용해서 대상물체의 평면(P)상의 슬릿광에 의해 나타나는 소정 위치의 점(Xi,Yi,Zi)을 센서 좌표계(XYZ)상에 다음과 같은 식 3개로 나타낼 수 있다.
식 1) X1i= (ℓ1tanθ1)/(d + x1itanθ1) X2i= (ℓ2tanθ2)/(d + x2itanθ2)
식 2) Y1i= (ℓ1tanθ1)/(d + x1itanθ1) Y2i= (ℓ2tanθ2)/(d + x2itanθ2)
식 3) Z1i= (dℓ1tanθ1)/(d + x1itanθ1) Y2i= (dℓ2tanθ2)/(d + x2itanθ2)
상기 식 3개로부터 구멍(H)을 포함하는 평면 방정식을 구하면 다음 식 4)와 같이 된다.
식 4) AX + BY + CZ + D = 0
상기 식 4)를 이용해서 대상물체의 구멍(H) 중심은 다음의 식 3개로 나타낼 수 있다.
식 5) Xc= -Dxc/(Axc+Byc+Cd)
식 6) Yc= -Dyc/(Axc+Byc+Cd)
식 7) Zc= -Dd/(Axc+Byc+Cd)
상기 식 5) 내지 식 7)에서 xc와 yc는 카메라 좌표계에서의 구멍(H) 중심좌표이고, Xc와 Yc및 Zc는 센서 좌표계에서의 구멍(H) 중심좌표이다.
상기와 같은 식 5) 내지 식 7)로 대상물체의 구멍(H) 중심 위치를 상대적인 아닌 절대좌표값으로 구할 수가 있게 되므로, 구멍이 많거나 또는 오정렬시에도 구멍의 위치를 정확하게 측정할 수가 있게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 상대 위치가 아닌 구멍의 절대 좌표를 측정할 수가 있게 되므로, 구멍이 많거나 정렬 오차가 있는 대상 물체의 각 구멍의 위치 및 크기를 정확하게 측정할 수가 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 대상물체로 제 1 슬릿광을 조사하는 제 1 광조사장치;
    상기 제 1 슬릿광의 평면과 직교하는 평면으로 제 2 슬릿광을 조사하는 제 2 광조사장치; 및
    상기 서로 직교하는 제 1 및 제 2 슬릿광이 조사된 대상물체를 촬영하는 촬영장치를 포함하는 스캐너.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광조사장치가 배치되는 제 1 베이스와, 상기 제 1 베이스에 90°각도로 연결되어 상기 제 2 광조사장치가 배치되는 제 2 베이스로 이루어진 프레임을 더 포함하고,
    상기 프레임의 제 1 및 제 2 베이스가 연결되는 부분에 상기 촬영장치가 배치된 것을 특징으로 하는 스캐너.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 프레임을 덮는 케이스를 더 포함하고,
    상기 케이스는 상기 제 1 광조사장치로부터의 제 1 슬릿광이 통과하는 제 1 슬릿; 상기 제 2 광조사장치로부터의 제 2 슬릿광이 통과하는 제 2 슬릿; 및 상기 제 1 및 제 2 슬릿광이 조사된 대상물체가 투과하는 투과창을 갖는 것을 특징으로 하는 스캐너.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 광조사장치는
    상기 제 1 베이스상에 설치된 제 1 받침대;
    상기 제 1 받침대상에 수평하게 배치되고, 수평 슬릿을 갖는 제 1 광조사기; 및
    상기 제 1 광조사기의 수평 슬릿을 통해 발한 상기 제 1 슬릿광을 상기 케이스의 제 1 슬릿을 통해 대상물체로 조사되도록 반사시키는 제 1 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 반사경에 의한 제 1 슬릿광의 반사각은 45°인 것을 특징으로 하는 스캐너.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 광조사장치는
    상기 제 2 베이스상에 설치된 제 2 받침대;
    상기 제 2 받침대상에 상기 제 1 광조사장치로부터의 제 1 슬릿광 조사방향과 직교하는 방향으로 제 2 슬릿광을 조사하는 방향으로 수평하게 배치되고, 수직 슬릿을 갖는 제 2 광조사기; 및
    상기 제 2 광조사기의 수직 슬릿을 통해 발한 제 2 슬릿광을 상기 케이스의 제 2 슬릿을 통해 대상물체로 조사되도록 반사시키는 제 2 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 반사경에 의한 제 2 슬릿광의 반사각은 45°인 것을 특징으로 하는 스캐너.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 촬영장치는
    상기 제 1 및 제 2 베이스가 연결되는 부분에 수평하게 배치된 카메라; 및
    상기 투과창을 통해 투영된 대상물체를 상기 카메라로 반사하는 제 3 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 대상물체를 조명하는 조명장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너.
  10. 구멍을 갖는 대상물체로 서로 직교하는 평면을 갖는 제 1 및 제 2 슬릿광을 조사하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 슬릿광이 조사된 대상물체를 촬영하여 대상물체의 이미지를 획득하는 단계;
    상기 획득한 이미지로부터 제 1 및 제 2 슬릿광의 교차점에 관한 3차원 좌표값을 측정하는 단계; 및
    상기 각 슬릿광 교차점의 3차원 좌표값으로부터 상기 구멍 중심의 3차원 절대 좌표를 측정하는 단계를 포함하는 구멍 측정 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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