KR20050057223A - 무영 3ｄ/2ｄ 측정장치 및 방법 - Google Patents

무영 3ｄ/2ｄ 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

무영 3D/2D 측정장치는 모아레 3D광원을 갖는 하나의 FMI장치에 다른 동시외부조명(예를 들어, 동축조명 또는 다른 조명)이 결합된다. 재구성된 영상은 이들 다른 조명들의 이점을 아울러 갖는다. 3D측정이 계속되는 동안 최상의 2D감지를 확실하게 하기 위하여 상대광원세기가 선택된다.

Description

무영 3Ｄ/2Ｄ 측정장치 및 방법 {Shadow-free 3Ｄ and 2Ｄ measurement system and method}
본 발명은 비침투측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무영(無影) 3D/2D 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
대개의 자동화된 3D시각검사장치에 있어서, 3D측정은 많은 경우 두 개의 개별포착위치를 사용하는 2D분석을 겸한다. 따라서, 초기의 2D결과치를 이용하여 3D분석을 향상시키는 것이 어렵다.
공지의 고속모아레간섭법(Fast Moire Interferometry; 이하, FMI라 한다)은 하나의 영상(image) 내에 있는 각 지점의 3D정보를 추출하는 데 있어 구성된 광원투영 및 위상이동법의 조합을 기초로 한다. 도 1은 FMI장치의 일례를 나타낸다. FMI법은 격자투영이 다른 수개 영상을 포착하고 분석한다. 3D정보는 구성된 광변형을 가지고 각 지점의 세기의 변화를 산정한 것을 기초로 추출된다. 기본적으로, FMI법은 투영된 격자변형을 가지고 한 지점의 세기변화를 분석한다. FMI법은 다수의 영상을 포착하고 격자없이 광원의 형상과 일치하는 추가영상을 재구성할 수 있다. 이렇게 재구성된 영상은 일련의 2D분석에 유용하다. 그러나, 이러한 형상에서는, 영상의 다소의 요소들은 간신히 볼 수 있거나 심지어 못 볼 수 있어 포착이 정밀하지 못하고 느려지기 때문에, 재구성된 영상은 임의의 각도하에서 광원을 갖는 주어진 형상과 일치하지만 검사된 요소들의 다소의 특징을 확인할 수 없다.
미국특허 제5,646,733호는 위상이 다른 다수의 영상을 얻는 방법으로 검사중인 물체가 광학헤드에 비례하여 이동하는 그림자모아레형상(Shadow Moire configuration)에 바탕을 둔 비침투측정기법 및 측정장치를 개시한다.
다른 접근법을 통해 다수의 조명원 중 각기 하나를 연속적으로 회전시킴으로써 조명이 다른 일련의 영상을 얻을 수 있다. 그러나, 그러한 방법은 광원을 교체해야 하기 때문에, 영상을 추가적으로 포착하기 위해 검사시간이 증가되는 결과를 가져온다.
따라서, 종래기술에서 물체를 상세하고 면밀하며 빠르게 검사할 수 있는 3D/2D측정장치가 요구된다.
도 1은 종래기술에 사용된 FMI장치의 개략도;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 측정장치의 개략적인 측면도; 및
도 3은 본 발명의 제2양태의 실시예에 따른 측정방법의 순서도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 개량된 무영 3D/2D 측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.
보다 상세하게, 본 발명에 따르면, 영상포착장치, 제1광원을 갖는 FMI장치, 적어도 하나의 불변의 제2광원 및 투영축 내에 배치된 단일격자를 포함하는 물체의 무영 3D/2D 측정장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 모아레 3D광원에 의해 생성된 그림자영역 내에 위치한 특징을 포함하는 재구성된 영상을 얻도록 모아레 3D광원을 갖는 단일 FMI장치에 적어도 하나의 동시의 외부불변조명(illumination)을 결합한 물체의 무영 3D/2D 측정장치가 제공되며, 여기서 모아레 3D광원과 적어도 하나의 외부조명의 상대세기는 2D감지 및 3D측정을 할 수 있도록 각각 선택된다.
또한, 본 발명에 따르면, 투영축 내에 위치한 단일격자를 통해 임의의 각도에서 물체를 조명하는 제1광원을 제공하는 단계; 물체를 조명하는 적어도 하나의 제2외부불변광원을 제공하는 단계; 영상포착장치를 사용하여 위상이동된 적어도 3개의 영상을 포착하는 단계; 제1광원 및 적어도 하나의 제2외부불변광원을 고려하여 재구성된 영상을 얻는 단계; 및 재구성된 영상을 분석하는 단계를 포함하는 물체의 무영 3D/2D 측정방법이 제공된다.
본 발명의 다른 목적, 장점 및 특징은 첨부한 도면만을 참조로 실례로 주어진 발명의 실시예의 비제한적인 설명을 이해함으로써 보다 명백해질 것이다.
본 발명은 물체를 정밀검사할 수 있는 측정장치 및 측정방법을 제공한다.
보다 정확하게, 본 발명의 측정장치는 재구성된 영상이 다른 조명을 이용하는 방법으로, 모아레 3D광원을 갖는 단일 FMI장치에, 예를 들어 동축외부조명과 같은 다른 동시의 외부조명을 결합한다. 3D측정이 지속되는 동안 최상의 2D감지를 확실하게 하기 위하여 상대광원세기를 선택할 수 있다.
본 발명은 위상이동된 4개의 영상을 일례로 설명할 것이나, 위상이동된 다수영상의 측정장치범위에도 적용할 수 있다.
종래에 공지된 바와 같이, FMI방법에서, 3D분석은 검사된 물체에 투영된 격자의 변화에 기초를 둔다. 위상이동된 4개 영상의 특별한 경우, 다음의 방정식이 사용된다.
여기서, I(x,y)는 목표좌표{x,y}에서 산란된 광원의 세기이고, R{x,y}은 목표반사율과 입사광원세기에 비례하며, Ｍ{x,y}는 일명 패턴대비(pattern contrast)라 불리는 무늬패턴변조(fringe pattern modulation)이다.
수학식 1을 풀면, 위상 φ를 다음과 같이 구할 수 있다.
위상은 목표반사율에 독립적이며, 위상값은 물체의 높이정보와 연관된다.
동축 또는 다른 추가의 2D광원을 사용할 때, 수학식 1은:
이 되며, 여기서 Iexternal(x,y)은, 4개 영상의 전체포착시간동안 외부불변광원, 예를 들어 동축광원 또는 다른 광원의 세기에 비례한다.
수학식 3을 풀면, 위상은 수학식 2에 의해 주어지며, 수학식 2는 위상값이, 즉 검사 중인 물체의 측정된 높이가 목표반사율 R(x,y) 및 외부광원 Iexternal(x,y)에 독립적임을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 측정장치는, 도 2의 실시예에 도시한 바와 같이, 모아레 3D광원(12)과 격자투영(14)을 가진 FMI장치를 포함하며, 검사된 물체(20) 및 카메라(22)와 같은 영상포착장치 사이에 위치한 빔분할기(18)에 의해 생성된 동축불변광원(16)이 외부광원의 일례로 선택된다.
두 광원(격자투영 및 동축)은 전체포착시간동안 켜진 상태로 유지된다. 동축불변광원(16)은 위상을 산정하는 데 영향을 주지 않는다. 광원세기와 격자대비간의 비율을 적절하게 선택함으로써 용이하게 채도(彩度)를 예방할 수 있다.
외부불변광원(16)은 대기광원(ambient light), 환형광원(ring source) 및 이들의 조합, 또는 특정요구에 따라 선택된 다른 불변의 광원일 수 있다.
다음의 수학식 4를 이용하여 재구성된 영상을 얻는다:
재구성된 영상은 모아레경사광원(Moire slanted lighting; 12) 및 추가의 외부동축광원(16)을 동시에 고려하기 때문에, 측정장치(10)는 추가적인 영상을 포착할 필요없이 동일한 영상 내의 다른 조명을 이용할 수 있다.
흥미롭게도, 동축(또는 다른)광원(16)을 추가하여 모아레경사광원(임의의 각도하에서의 광원)에 의해 생성된 그림자구역(shadow zone)에 있는 영역(region)을 검사할 수 있다. 영상(4)을 분석하여 물체를 상세하게 무영 검사한다. 실제로, 검사 중인 물체의 많은 특징을 경사진 조명하에서 볼 수 있음에도 불구하고, 경사진 조명은 검사 중인 물체의 다른 특징을 가리는 그림자영역을 생성한다. 동축조명을 추가하여 이들 그림자영역 내의 정보를 포착할 수 있으며, 이로 인해 검사 중인 물체의 다른 특징이 나타난다.
따라서, 재구성된 영상으로 광원을 교체하거나 추가적인 영상을 포착하지 않고 동시에 다른 물체특징을 분석할 수 있다. 물체특징을 가장 잘 검사하기 위해 적절한 광원세기의 조합을 선택하는 것은 당업자에게 명백하다.
측정장치(10)는 영상포착장치(22)와 물체(20) 사이에 격자를 필요로 하지 않음에 주목한다. 실제로, 당업자가 판별하기에, 측정장치(10)는 일반적으로 격자가 물체에 매우 인접하게 배치될 필요가 없는 공지의 그림자모아레형상(Shadow Moire configuration)에 반하나, 측정장치(10)가 투영축 내에 위치한 단일격자(14)를 사용하는 종래의 측정장치에 반하는 공지의 투영모아레형태(Projected Moire type)를 갖는다. 따라서, 측정장치(10)가 공지의 측정장치 보다 용이하게 조립 및 조절됨이 증명된다.
또한, 영상포착장치와 물체 사이에 격자가 없기 때문에 다른 형태의 측정을 하기 위하여 교체 가능한 광원을 갖는 동일한 영상포착장치를 사용할 수 있다. 예를 들어, 단일 영상포착장치를 갖는 동일한 측정장치(10)는 3차원분석 및 투영격자를 갖는 3차원분석을 보완할 수 있는 2차원분석을 하기 위한 물체의 표면검사를 수행하는 데 사용할 수 있다.
도 3은 물체의 무영 3D/2D 측정하기 위한 본 발명의 제2양태의 실시예에 따른 측정방법의 순서도이다.
측정방법(100)은 일반적으로 투영축 내에 위치한 단일격자를 통해 임의의 각도에서 검사 중인 물체를 조명하는 제1광원을 제공하는 단계(110); 검사된 물체를 조명하는 제2외부불변광원을 제공하는 단계(120); 영상포착장치로 위상이동된 적어도 3개의 영상을 포착하는 단계(130); 제1광원과 제2외부불변광원을 고려하여 재구성된 영상을 얻는 단계(140); 및 재구성된 영상을 분석하는 단계(150)를 포함한다.
본 발명에 따른 측정장치와 관련하여 상술한 바와 같이, 물체를 2차원분석하기 위해서, 동축광원과 같은 2D광원을 가지고 연속적인 표면검사를 수행하는 데 단일 영상포착장치가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 측정장치와 관련하여 상술한 바와 같이, 물체를 3차원분석하기 위해서 모아레 3D광원 및 격자투영이 도입된다.
따라서, 본 발명의 측정장치와 측정방법은 검사된 물체에 투영된 격자의 변화를 기초로 3차원분석을 할 수 있으며, 여기서 2D광원을 갖는 추가영상은 다른 물체특성의 분석을 단순하게 한다.
이상, 본 발명의 실시예를 참조로 본 발명의 측정장치 및 측정방법을 설명하였지만, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 변형실시예가 가능함을 당업자에게 명백하다.

Claims (8)

  1. 영상포착장치;
    제1광원을 갖는 FMI장치;
    적어도 하나의 불변의 제2광원; 및
    투영축 내에 위치한 단일격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 무영 3D/2D 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 물체의 특징을 결합한 재구성된 영상 내에 있는 상기 제1광원 및 상기 적어도 하나의 제2광원을 이용할 수 있으며, 상기 물체는 상기 제1광원에 의해 생성된 그림자영역 내에 있는 동안 상기 불변의 제2광원하에서 가시적인 것을 특징으로 하는 측정장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 불변의 제2광원은 상기 물체와 상기 영상포착장치 사이에 생성된 2D광원이며 상기 제1광원은 모아레경사광원(Moire slanted lighting)인 것을 특징으로 하는 측정장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1광원 및 상기 불변의 제2광원은 상기 물체의 전체포착시간 동안 켜진 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 불변의 제2광원은 대기광원(ambient light), 환형광원(ring light), 불변의 동축광원(coaxial lighting) 및 이들의 조합을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1광원 및 상기 적어도 하나의 불변의 제2광원은 상기 물체의 연속적인 표면검사를 수행하는 데 연속적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  7. 모아레 3D광원에 의해 생성된 그림자구역(shadow zone) 내에 위치한 특징을 포함하는 재구성된 영상을 얻기 위하여 모아레 3D광원을 갖는 단일 FMI장치에 적어도 하나의 동시 외부불변광원을 결합하며, 2D감지 및 3D측정을 할 수 있도록 상기 모아레 3D광원 및 상기 적어도 하나의 외부광원의 상대세기가 각각 선택되는 것을 특징으로 하는 물체의 무영 3D/2D 측정장치.
  8. (a) 투영축 내에 위치한 단일격자를 통해 임의의 각도에서 물체를 조명하는제1광원을 제공하는 단계;
    (b) 상기 물체를 조명하는 적어도 하나의 제2외부불변광원을 제공하는 단계;
    (c) 영상포착장치로 위상이동된 적어도 3개의 영상을 포착하는 단계;
    (d) 상기 제1광원과 상기 적어도 하나의 제2외부불변광원을 고려하여 재구성된 영상을 얻는 단계; 및
    (e) 상기 재구성된 영상을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 무영 3D/2D 측정방법.
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