KR20040071593A - 3차원형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원형상 측정장치에 관한 것으로, XYZ축이송수단에 의해 X축, Y축 및 Z축으로 이송되어 워크스테이지에 지지되어 고정된 측정대상물의 일측에 격자이미지를 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득하고 교대로 측정대상물의 타측에 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득하는 이미지획득수단과, 이미지획득수단의 일측에 설치되어 소정의 파장을 갖는 광을 발생하여 입사하는 발광수단과, 워크스테이지와 XYZ축이송수단을 제어하여 이미지획득수단의 일측에 설치된 발광수단에서 발생된 광이 워크스테이지의 일측에 설정된 기준면으로 입사시킨 후 반사되는 광이미지를 이미지획득수단을 통해 수신받아 수직거리를 측정하여 측정대상물과 이미지획득수단의 초점거리를 일정하게 유지시킴과 아울러 이미지획득수단에서 획득된 변형된 격자이미지를 각각 수신받아 측정대상물의 3차원형상을 산출하는 제어부로 구비하여, 보다 정밀한 3차원형상을 측정할 수 있도록 함에 있다.

Description

3차원형상 측정장치{Three-dimensional image measuring apparatus}
본 발명은 3차원형상 측정장치에 관한 것으로, 특히 측정대상물의 3차원형상 측정시 격자이미지를 분배한 후 분배된 격자이미지를 각각 측정대상물의 일측과 타측에 교대로 주사하여 3차원형상의 측정시 발생되는 그림자영역을 제거할 수 있는 3차원형상 측정장치에 관한 것이다.
3차원형상 측정장치에 관한 종래의 기술은 미국특허 US4,794,550호(출원일: 1986년 10월 15일, 출원인: Eastman Kodack Company)에 기재되어 있으며, 이를 첨부된 도면을 이용하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 3차원형상의 측정장치의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 광원(1)에서 발생된 광이 격자이송기구(4)에 의해 화살표 "a"방향으로 이송되는 격자(2)와 렌즈(lens)(3)를 통해 측정대상물의 표면(9)에 격자 이미지의 주기 "d"를 갖는 수평 광선(1a)이 조사키고, 조사된 빛은 각도(1b)로 산란되어 렌즈(5)를 통해 이미지센서(6)가 구비된 카메라(7)로 입사되어 샘플이미지를 취득하게 되고, 취득된 샘플이미지(sample image)는 컴퓨터(8)에서 처리하여 측정대상물의 표면(3)의 3차원형상을 산출하여 표시소자(8b)에 의해 표시되도록 구성된다. 여기서, 키보드(8a)는 모아레 무늬를 측정하기 위한 여러 정보를 입력하기 위해 사용된다.
이러한 종래의 모아레 무늬를 이용한 3차원형상의 측정시 측정대상물의 임의의 위치에 측정이 불가능한 그림자영역이 생겨 측정대상물의 3차원형상을 정밀하게측정할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 측정대상물의 3차원형상 측정시 격자이미지를 분배한 후 측정대상물의 일측과 타측에 각각 격자이미지를 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 취득하여 3차원형상을 측정함으로써 그림자 영역을 제거하여 보다 3차원형상의 측정 정밀도를 개선할 수 있는 3차원형상 측정장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 투영부와 3D 카메라를 일직선상에 배치하여 3차원형상 측정장치를 컴팩트(Compact)하게 구성할 수 있도록 함에 있다.
도 1은 종래의 3차원형상 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 3차원형상 측정장치의 전체 구성을 나타낸 사시도,
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 이미지획득장치의 구성도,
도 4는 도 3에 도시된 분배기의 확대 사시도,
도 5a 및 도 5b는 도 3에 도시된 분배기의 실시예를 나타낸 도,
도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 분배기의 다른 실시예를 나타낸 도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: XYZ축이송수단 20 : 워크스테이지
30: 베이스부재 40: 이미지획득장치
41: 투영부 42: 제1 및 제2미러
43: 미러이송장치 44: 분배기
45: 결상부 46a: 삼각거울
47a: 회전거울 48: 발광장치
50: 제어부 100: 측정대상물
본 발명에 따른 3차원형상 측정장치는 베이스(base)부재의 상측에 설치된 XYZ축이송수단과, 베이스부재에 설치되어 측정대상물을 측정위치로 이송시킨 후 지지함과 아울러 일측에 소정의 기준면이 설정된 워크스테이지(work stage)와, XYZ축이송수단에 의해 X축, Y축 및 Z축으로 이송되어 워크스테이지에 지지되어 고정된 측정대상물의 일측에 격자이미지를 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득하고 교대로 측정대상물의 타측에 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득하는 이미지획득수단과, 이미지획득수단의 일측에 설치되어 소정의 파장을 갖는 광을 발생하여 입사하는 발광수단과, 워크스테이지와 XYZ축이송수단을 제어하여 이미지획득수단의 일측에 설치된 발광수단에서 발생된 광이 워크스테이지의 일측에 설정된 기준면으로 입사시킨 후 반사되는 광이미지를 이미지획득수단을 통해 수신받아 수직거리를 측정하여 측정대상물과 이미지획득수단의 초점거리를 일정하게 유지시킴과 아울러 이미지획득수단에서 획득된 변형된 격자이미지를 각각 수신받아 측정대상물의 3차원형상을 산출하는 제어부로 구비됨을 특징으로 한다.
이미지획득수단은 광을 발산하는 광원과, 광원에서 발산하는 광을 입사받도록 광원의 하측에 설치되어 격자이송장치에 의해 이송되는 회절격자를 통해 격자이미지를 생성시켜 회절격자의 하측에 설치된 투영광학계를 통해 투과시키는 투영부와, 투영부의 하부에 설치되어 투영부의 투영광학계를 통해 입사되는 격자이미지를 미러(mirror)이송장치에 의해 이송되는 제1 및 제2미러(mirror)를 통해 분배하여 제1 및 제2미러의 좌/우측에 각각 수평이 되도록 설치된 제3미러 및 제4미러와 제1필터(filter) 및 제2필터를 통해 격자이미지를 분배하는 분배기와, 분배기의 하부에 설치되어 분배기의 제1필터와 제2필터를 통해 투과되어 측정대상물에 입사된 후 반사되는 변형된 격자이미지를 결상미러를 통해 수평방향으로 반사시켜 결상렌즈(lens)와 결상소자를 통해 변형된 격자이미지를 카메라로 획득하는 결상부로 구비됨을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 3차원형상 측정장치의 전체 구성을 나타낸 사시도이다. 도시된 바와 같이, 베이스부재(30)의 상측에 워크스테이지(20)가 설치되며, 워크스테이지(20)의 상측에 XYZ축이송장치(10)가 설치되고, X, Y 및 Z축방향으로 자유롭게 이송되어 측정대상물(100: 도 3a에 도시됨)의 3차원형상을 측정하기 위해 XYZ축이송장치(10)에 이미지획득장치(40)가 설치되며, 이미지획득장치(40),워크스테이지(20) 및 XYZ축이송장치(10)를 전반적으로 제어하기 위해 베이스부재 (30)의 일측에 제어부(50: 도 3a에 도시됨)가 설치된다.
XYZ축이송장치(10)는 이미지획득장치(40)를 X, Y 및 Z축으로 각각 이송시키기 위해 리니어 모터(linear motor)나 볼스크류(ball screw) 중 어느 하나가 적용되며, 측정대상물(100)을 측정위치로 이송시키는 워크스테이지(20)는 도 2 내지 도 3b에서와 같이, 제1가이드(guide)(21), 제2가이드(22) 및 가이드이송장치(23)로 구성된다.
제1가이드(21)는 베이스부재(30)에 고정되도록 설치됨과 아울러 일측에 소정의 기준면이 설정되고, 이러한 기준면은 이미지획득장치(40)가 광을 수신받을 수 있도록 제1가이드(21)의 상측에서 적절한 임의의 위치에 설정되거나 베이스부재(30)의 임의의 위치에 설정하며, 제2가이드(22)는 제1가이드(21)를 기준으로 측정대상물(100)의 크기에 따라 이송되도록 설치되고, 제2가이드(22)를 이송시키기 위해 제1가이드(21)와 제2가이드(22)와 각각 직교되도록 가이드이송장치(23)가 설치된다. 가이드이송장치(23)는 모터(23a)가 적용되는 볼스크류(23b)가 적용되며, 제1가이드(21)와 제2가이드(22)의 내측으로는 측정대상물(100)을 이송시키기 위해 모터(24a)와 벨트(belt)(24b)가 각각 설치된다.
제어부(50)는 측정대상물(100)을 측정하기 위해 먼저, 측정대상물(100)과 이미지획득장치(40) 사이의 초점이 정확한지를 점검하게 된다. 이를 위해 제어부(50)는 워크스테이지(20)의 일측에 설정된 소정의 기준면으로 이미지획득장치(40)의 일측에 즉, 이미지획득장치(40)를 Y축방향에서 볼 때 정면에서 보이도록 설치된 발광장치(48)를 제어하여 소정의 파장을 갖는 광을 발생한다.
발광장치(48)는 소정의 파장을 갖는 광을 발생하기 위해 레이저 포인터(laser pointer)가 사용되며, 측정대상물(100)을 측정하기 전에 제어부(50)는 발광장치(48)에서 발생된 광을 기준면으로 입사시킨 후 반사되는 광이미지를 이미지획득장치(40)를 통해 제어부(50)에서 수신받아 기준면과 이미지획득장치(40)의 수직거리를 산출한 후 그 결과에 따라 XYZ축이송장치(10)를 제어하여 이미지획득장치(40)의 Z축방향의 거리를 조정하여 측정대상물(100)과 이미지획득장치(40)의 초점거리를 일정하게 유지시킨다.
측정대상물(100)과 이미지획득장치(40) 사이의 초점거리가 일정하게 유지되면 제어부(50)는 이미지획득장치(40)를 제어하여 측정대상물(100)의 3차원형상을 측정하게 된다. 이를 위해 먼저, 제어부(50)는 XYZ축이송장치(10)를 제어하여 이미지획득장치(40)를 X축, Y축 및 Z축으로 이송시켜 워크스테이지(20)에 지지되어 고정된 측정대상물(100)로 이송시킨다. 이송이 완료되면, 이미지획득장치(40)는 측정대상물(100)의 일측에 격자이미지를 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득하고 교대로 측정대상물의 타측에 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득한다.
이미지획득장치(40)에서 측정대상물(100)의 일측과 타측에 교대로 N번 주사되어 획득된 변형된 격자이미지를 제어부(50)에 각각 수신받아 측정대상물(100)의 3차원형상을 산출하게 된다. 여기서, 제어부(50)는 이미지획득장치(40)를 제어하여측정대상물(100)의 일측과 타측에 각각 N번씩 교대로 격자이미지를 주사한 후 각각에 대한 변형된 격자이미지를 수신받아 측정대상물(100)의 3차원형상을 측정함으로써 그림자영역을 제거하여 보다 정밀한 3차원형상을 얻게 된다.
측정대상물(100)의 일측과 타측에 교대로 N번씩 격자이미지를 주사한 후 변형된 격자이미지를 획득하는 이미지획득장치(40)의 구성을 첨부된 도 3a 및 도 3b를 이용하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a에 도시된 이미지획득장치(40)를 Y축방향에서 정면으로 바라볼 때의 이미지획득장치의 구성도이고, 도 3b에 도시된 이미지획득장치(40)를 X축방향에서 정면으로 바라볼 때의 이미지획득장치의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 이미지획득장치(40)는 투영부(41), 투영부(41)의 수직방향 하측에 분배기(44)가 설치되고, 분배기(44)의 수직방향 하측에 결상부(45)가 각각 설치하여 일점쇄선으로 도시된 이미지획득장치의 외곽케이스(40a)와 같이 컴팩트하게 구성할 수 있다.
투영부(41)는 광을 발산하는 광원(41a)과, 광원에서 발산하는 광을 입사받도록 광원(41a)의 하측에 설치되어 격자이송장치(41c)에 의해 이송되는 회절격자(41b)를 통해 격자이미지를 생성시켜 회절격자(41b)의 하측에 설치된 투영광학계(41d)를 통해 투과시킨다. 투영부(41)의 투영광학계(41d)를 통해 투과되는 격자이미지는 분배기(44)로 전달된다. 여기서, 회절격자(41b)는 액정회절격자가 적용될 수 있으며, 격자이송장치(41d)는 PZT 엑추에이터(Piezoelectric Actuator)가 적용된다.
분배기(44)는 투영부(41)의 투영광학계(41d)의 하측에 설치되어투영광하계(41d)를 통해 입사되는 격자이미지를 미러이송장치에 의해 이송되는 격자이미지분배미러(42)를 구성하는 제1 및 제2미러(42a)(42b)를 통해 분배하여 제1 및 제2미러의 좌/우측에 각각 수평이 되도록 설치된 제3미러(44a) 및 제4미러(44c)로 각각 투과한 후 제3미러(44a)와 제4미러(44c)의 각각의 하측에 설치된 제1필터(44b)와 제2필터(44d)에 의해 격자이미지를 여과시켜 측정대상물(100)의 일측과 타측에 교대로 각각 N번씩 격자이미지를 주사한다.
측정대상물(100)로 주사된 격자이미지는 측정대상물(100)에 의해 변형된 격자이미지를 형성하며, 이 변형된 격장이미지를 결상부(45)에서 수신받는다. 결상부(45)는 분배기(44)의 하부에 설치되어 분배기(44)의 제1필터(44b)와 제2필터(44d)를 통해 투과되어 측정대상물(100)의 일측과 타측에 각각 N번 주사되어 형성되는 변형된 격자이미지를 각각 결상미러(45a)를 통해 수평방향으로 반사시켜 결상렌즈(45b)와 결상소자(45c)를 통해 카메라(45d)로 획득하게 된다. 여기서, 카메라(45d)는 궁극적으로 측정대상물(100)의 변형된 격자이미지를 각각 2×N개의 프레임(frame)으로 획득하여 제어부(50)로 전송하게 된다.
제어부(50)는 전송된 각각의 변형된 격자이이미지를 이용하여 측정대상물(100)의 일측과 타측에서 획득된 변형된 격자이미지를 이용하여 위상값을 취득함으로써 그림자영역과 포화영역을 취득된 위상값을 이용하여 제거하여 보다 정밀한 3차원형상을 측정할 수 있게 된다.
측정대상물(100)의 정밀한 3차원영상을 얻기 위해 격자이미지를 분배하는 격자이미지분배미러(42)는 도 4에서와 같이 제1미러(42a)와 제2미러(42b)의 각각 경사진 미러면의 중심선이 서로 교차되도록 접합시켜 형성하여 제1미러(42a)에 의해 측정대상물(100)의 일측에 N번 격자이미지를 주사한 후 미러이송장치(43)에 의해 Y축 방향으로 이송되어 제2미러(42b)에 의해 측정대상물(100)의 타측에 N번의 격자이미지를 분배하여 주사한다.
격자이미지분배미러(42)의 실시예가 도 5a 및 5b에서와 같이 각각의 경사면에 제1미러(46a)와 제2미러(46b)가 형성된 삼각거울(46)이 적용될 수 있으며, 제1미러(46a)에 의해 제3미러(44a) 및 제1필터(44b)를 통해 격자이미지를 측정대상물(100: 도 3a 도시됨)의 일측에 N번주사한 후 미러이송장치(43)에 의해 X축방향으로 이송되어 제2미러(46b)에 의해 격자이미지를 분배하고 분배된 격자이미지를 제4미러(44c)와 제2필터(44d)를 통해 측정대상물(100)의 타측에 N번 교대로 주사한다.
이러한 격자이미지분배미러(42)의 또 다른 실시예는 도 6a 및 도 6b에서와 같이 회전거울(47a)이 적용될 수 있으며, 회전거울(47a)에 의해 격자이미지를 제3미러(44a)와 제1필터(44b)를 통해 측정대상물(100)의 일측에 N번주사며, 이 후 도 6a에서와 같이 갈바로 미러 미터(Galvano mirror meter)(47b: 도 6b에 도시됨)와 같은 회전기구에 의해 소정의 각도로 회전되어 격자이미지를 제4미러(44c)와 제2필터(44d)로 분배하여 측정대상물(100)의 타측에 N번주사하게 된다. 여기서, 격자이미지분배미러(42)를 이송시키는 직선운동기구인 미러이송장치(42a)는 에어실린더, 리니어모터, 및 볼스크류 중 어느 하나가 적용되며, 회전거울(47a)을 회전시키기 위한 회전기구로 사용되는 회전장치(47b)는 갈바노 미러 미터(Galvano mirrormeter)가 사용된다.
이상과 같이 측정대상물의 3차원형상 측정시 측정대상물의 일측과 타측에 각각 격자이미지를 N번씩 주사한 후 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 취득함으로써 그림자영역과 포화영역을 일측과 타측에서 각각 취득된 위상값을 이용하여 제거함으로써 보다 정밀한 3차원형상을 측정할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 측정대상물의 일측과 타측에 각각 격자이미지를 N번씩 주사한 후 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 취득함으로써 그림자영역과 포화영역을 일측과 타측에서 각각 취득된 위상값을 이용하여 제거함으로써 보다 정밀한 3차원형상을 측정할 수 있으며, 투영부, 분배기 및 결상부를 수직방향으로 일직선상에 배치함으로써 이미지획득장치를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (14)

  1. 3차원형상을 측정하는 장치에 있어서,
    베이스부재의 상측에 설치된 XYZ축이송수단과;
    상기 베이스부재에 설치되어 측정대상물을 측정위치로 이송시킨 후 지지함과 아울러 일측에 소정의 기준면이 설정된 워크스테이지와;
    상기 XYZ축이송수단에 의해 X축, Y축 및 Z축으로 이송되어 상기 워크스테이지에 지지되어 고정된 측정대상물의 일측에 격자이미지를 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득하고 교대로 측정대상물의 타측에 N번 주사하여 측정대상물에 의해 변형된 격자이미지를 N번 획득하는 이미지획득수단과;
    상기 이미지획득수단의 일측에 설치되어 소정의 파장을 갖는 광을 발생하여 입사하는 발광수단과; 및
    상기 워크스테이지와 상기 XYZ축이송수단을 제어하여 상기 이미지획득수단의 일측에 설치된 상기 발광수단에서 발생된 광이 상기 워크스테이지의 일측에 설정된 기준면으로 입사시킨 후 반사되는 광이미지를 상기 이미지획득수단을 통해 수신받아 수직거리를 측정하여 측정대상물과 이미지획득수단의 초점거리를 일정하게 유지시킴과 아울러 상기 이미지획득수단에서 획득된 변형된 격자이미지를 각각 수신받아 측정대상물의 3차원형상을 산출하는 제어부로 구비됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 XYZ축이송수단은 상기 이미지획득수단을 X, Y 및 Z축으로 각각 이송시키기 위해 리니어 모터나 볼스크류 중 어느 하나가 적용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스부재에 고정되도록 설치됨과 아울러 일측에 소정의 기준면이 설정되는 제1가이드와;
    상기 제1가이드를 기준으로 측정대상물의 크기에 따라 이송되도록 설치되는 제2가이드와; 및
    상기 제1가이드와 상기 제2가이드와 각각 직교되도록 설치되어 제1가이드를 기준으로 제2가이드를 이송시키는 가이드이송장치로 구성됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드이송장치는 볼스크류가 적용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지획득수단은 광을 발산하는 광원과, 상기 광원에서 발산하는 광을 입사받도록 광원의 하측에 설치되어 격자이송장치에 의해 이송되는 회절격자를 통해 격자이미지를 생성시켜 회절격자의 하측에 설치된 투영광학계를 통해 투과시키는 투영부와;
    상기 투영부의 하부에 설치되어 투영부의 투영광학계를 통해 입사되는 격자이미지를 미러이송장치에 의해 이송되는 제1 및 제2미러를 통해 분배하여 제1 및 제2미러의 좌/우측에 각각 수평이 되도록 설치된 제3미러 및 제4미러와 제1필터 및 제2필터를 통해 격자이미지를 분배하는 분배기와; 및
    상기 분배기의 하부에 설치되어 상기 분배기의 제1필터와 제2필터를 통해 투과되어 측정대상물에 입사된 후 반사되는 변형된 격자이미지를 결상미러를 통해 수평방향으로 반사시켜 결상렌즈와 결상소자를 통해 변형된 격자이미지를 카메라로 획득하는 결상부로 구비됨을 특징으로 하는 3차원 형상측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 투영부의 회절격자는 액정회절격자가 적용될 수 있음을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 투영부의 격자이송장치는 PZT엑추에이터가 적용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 분배기의 제1 및 제2미러는 경사진 미러면의 중심선이 서로 교차되도록 접합시켜 형성됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 분배기의 제1 및 제2미러는 삼각거울이 적용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  10. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 미러이송장치는 에어실린더, 리니어모터, 및 볼스크류 중 어느 하나가 적용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 분배기의 제1 및 제2미러는 회전거울이 적용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전거울을 소정의 각도로 회전시키기 위해 회전장치가 구비됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전장치는 갈바노 미러 미터가 적용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광수단은 레이저 포인터가 사용됨을 특징으로 하는 3차원형상 측정장치.
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