KR20090106096A - 3차원 형상의 고속 형상측정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 형상의 고속 형상측정장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은광을 출사하는 광원부; 상기 광원부의 광을 분광하는 분광기; 상기 분광기에서 분광된 광을 기준광으로 반사하는 기준미러; 상기 기준미러를 구동하는 구동기; 상기 분광기에서 분광된 광 중 상기 물체를 통해서 반사된 반사광과 상기 기준광을 간섭시켜 복수개의 간섭무늬를 획득하는 촬상소자; 및 상기 획득된 복수개의 간섭무늬로부터 상기 물체의 형상을 측정하고 상기 구동기에 기준미러구동신호를 출력하고 세틀링타임보다 상대적으로 짧은 영상캡처타임(도 4의 t1)에 영상캡처명령을 출력하도록 하는 제어부를 포함한다. 따라서, 본 발명은 복수개의 간섭무늬를 얻기 위한 소요시간을 최소화하여 고속의 형상측정이 가능한 효과를 제공한다.
형상측정, 고속

Description

3차원 형상의 고속 형상측정장치 및 방법{Method and apparatus for fast measurement of 3-dimensional object}
본 발명은 간섭계에서 간섭무늬를 획득하여 3차원 측정물체의 형상을 측정하기 위한 3차원 형상측정방법에 관한 것으로, 특히, 복수개의 간섭무늬를 빠른 시간 내에 획득하여 고속의 형상측정이 가능하도록 하는 3차원 형상의 고속형상측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 간섭계는 사용광원(Light source)을 분광기(Beam splitter)로 측정광(measurement beam)과 기준광(Reference beam)으로 나누고, 이들 광을 각각 측정물(Test surface)과 기준거울(Reference mirror)에 입사시켜 반사되는 빛을 다시 분광기로 합성하면, 측정물체의 높이정보 및 형상정보를 포함하는 간섭무늬(Interference pattern)가 생성된다. 이 간섭무늬는 면적배열(Area array)형태의 카메라(CCD camera) 각 화소(Pixel)를 통해 데이터 처리부(Data processing)인 컴퓨터에 간섭무늬의 광강도에 대응하는 디지털 값(Digital value)형태로 입력된다. 입력된 디지털 값을 이용하여 측정물의 높이정보 및 형상정보를 추출하는 방법은 1963년 불란서 사람 카레(carre')가 제시한 카레방법을 시작으로, 최근인 1993년에 제시된 R+1 버킷(Bucket)등에 이르기까지 여러 방법이 제시되었다. 이 방법들은 몇 개의 간섭무늬로부터 측정알고리즘을 통해 측정물체의 높이정보 및 형상정보를 획득하는 것으로 기본원리는 기준거울(Reference mirror)을 사용광원의 한파장(One wavelength = λ, 0∼π)내에서 등간격으로 특정위상(π/2, 2π/3등) 만큼씩 이동시켜 광경로(Optical path)를 변화시켜 얻어진 몇 개의 간섭무늬에 대응되는 디지털 값들을 처리하여 측정물의 높이정보 및 형상정보를 얻는다. 이때, 기준거울의 위치를 이동시키기 위해서는 압전구동기(PZT)를 사용하는데, 압전구동기는 기준거울을 이동시키기 위해서 구동하는 세틀링타임(settling time)을 필요로 하며 일정 세틀링타임이 경과한 후에야 정상적으로 복수개의 간섭무늬를 얻을 수 있다. 여기서 세틀링타임이란 압전구동기가 기준거울을 이동시키기 위해 구동될 때 세팅이 완료되기까지의 원하는 위치에 안정적으로 도달된 시간을 말하며, 압전구동기가 구동하는 시작시간부터 구동완료되는 종료시간까지 기준거울의 이동에 따른 세팅에 필요한 시간을 말한다.
이러한, 관계를 도 1을 참고하여 좀 더 명확히 설명한다.
도 1은 압전구동기가 구동될 때 이동거리와 시간간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 1을 참고하면, 전압이 인가되어 압전구동기가 구동될 때의 이동거리와 시간간의 관계로 가로축은 시간(t)이며, 세로축은 압전구동기가 구동될 때의 이동거 리(d)를 나타낸다.
전압이 인가되어 압전구동기가 구동되어 압전구동기가 이동하기 시작하여 맥시멈오버슈트구간(tmax에서 발생)에 이동거리가 최대가 되며 점차 이동폭이 줄어들어 안정상태(ds)의 구간에 들어온다. 세틀링타임(ts)은 압전구동기가 안정상태에 진입하기 시작한 시점이고 그 이후에 영상캡쳐가 시작된다. 일정 거리에 이동이 완료된 시점에서의 세틀링타임은 그래프에서 ts로 표시하고 있다. 즉 압전구동기가 구동되기 시작하여 구동이 완료되기까지의 세틀링타임(ts)이 소요됨을 알 수 있다.
도 1의 그래프는 압전구동기가 구동될 때 일반적인 압전구동기의 제어특성을 보여주며, 맥시멈오버슈트가간과 세틀링타임 및 안정상태는 일반적인 제어분야에서 널리사용되는 용어이다.
즉, 압전구동기는 구동전압이 인가되고 구동된 후 세틀링타임(ts)을 갖으며 세틀링타임(ts)이후에 안정상태(ds) 구간에 도달했을 때 압전구동기의 구동이 완료되었다고 판단하여 영상을 획득하기 위한 영상캡쳐신호를 전달하게 된다.
따라서, 복수개의 간섭무늬를 얻기 위해 기준거울을 이동시키기 위해 압전구동기가 구동되는 세틀링타임이 소요되므로 복수개의 간섭무늬를 얻을 때마다 각각의 세틀링타임이 요구되어 고속의 형상측정이 불가능하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 복수개의 간섭 무늬를 얻기 위해 기준거울을 이동시킬때 구동되는 압전구동기의 세팅시간을 최소화하여 복수개의 간섭무늬를 얻기 위한 시간을 최소화하여 고속의 3차원 형상측정이 가능하도록 하는 3차원 형상의 고속형상측정장치 및 방법을 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명은 맥시멈오버슈트가 발생하기 이전에 최초의 안정상태구간내에 있을 때 영상을 캡쳐하기 위한 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고속형상측정장치는 간섭계를 이용한 3차원 물체의 형상측정장치에 있어서, 광을 출사하는 광원부와, 광원부의 광을 분광하는 분광기와, 분광기에서 분광된 광을 기준광으로 반사하는 기준미러와, 기준미러를 구동하는 구동기와, 분광기에서 분광된 광 중 상기 물체를 통해서 반사된 반사광과 상기 기준광을 간섭시켜 복수개의 간섭무늬를 획득하는 촬상소자, 및 획득된 복수개의 간섭무늬로부터 상기 물체의 형상을 측정하고 상기 구동기에 기준미러구동신호를 출력하고 세틀링타임보다 상대적으로 짧은 영상캡처타임(도 4의 t1)에 영상캡처명령을 출력하도록 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 구동기는 압전구동기인 것을 특징으로 한다.
또한, 촬상소자는 CCD카메라인 것을 특징으로 한다.
또한, 영상캡처타임은 압전구동기가 구동된후 맥시멈오버슈트가 발생하기 이전에 최초로 안정상태(ds)구간에 도달한 시점인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고속형상측정방법은 압전구동기로 기준미러를 구동시 켜 기준광을 획득하는 간섭계를 이용한 3차원 물체의 형상측정방법에 있어서, 광원으로부터 광을 출사하는 단계와, 출사된 광을 분광하여 기준광과 상기 물체로부터 반사된 반사광으로 분리하는 단계와, 기준광과 반사광을 간섭시켜 복수개의 간섭무늬를 획득하는 단계를 포함하며, 간섭무늬 획득단계는 기준미러를 구동시키는 구동시간을 세틀링타임보다 상대적으로 짧게 영상획득명령을 출력하는 단계를 반복수행하여 복수개의 간섭무늬를 획득하는 것을 특징으로 한다.
또한, 영상캡처명령은 상기 압전구동기가 구동된 후 맥시멈오버슈트가 발생하기 이전에 최초로 안정상태(ds)구간에 도달한 시점에서 출력하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 3차원 형상을 측정하기 위한 복수개의 간섭무늬를 얻기 위한 소요시간을 최소화하여 고속의 형상측정이 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 압전구동기가 구동되는 중간에 원하는 위치에서 영상을 획득하여 간섭무늬를 얻도록 하므로 시간조절이 가능하고 시간에 따른 오차를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
이하, 첨부한 도 2 및 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 형상측정장치의 구성블록도이다.
도 2를 참고하면, 광을 출사하는 광원부(100)와 간섭무늬를 측정하기 위한 측정부(200), 얻어진 간섭무늬로 3차원의 형상을 측정하기 위한 데이터 처리부(300)로 크게 세부분으로 나눈다.
먼저, 광원부(100)는 할로겐 램프(1), 초점렌즈(3), 핀홀(4), 평행광렌즈(5), 색소필터(6)를 포함한다. 측정부(200)는 분광기(7), 기준거울(8), 압전구동기(10), 대물렌즈(11), 영상렌즈(12), CCD 카메라(13)로 구성된다. 또한, 데이터처리부(300)는 제어부(15), 영상보드(14), 흑백모니터(16), 컬러모니터(17)를 포함한다. 그리고, 압전구동기(10)를 구동하기 위해 별도의 드라이버(18)를 포함하며, 드라이버(18)는 제어부(15)의 제어하에 압전구동기(10)를 제어하도록 연결된다.
도 2에서, 광원부(100)의 할로겐램프(1)에서 출사된 백색광은 초점렌즈(3) 핀홀(4), 평행광렌즈(5)를 거친 광경로로 안정되고 평행한 광원으로 변형된다. 그리고 광원부(100)의 색소필터(6)를 지나면서 일정영역의 주파수 성분만을 분리하여 측정에 적합한 광원(6-1)으로 만들어져 출사한다. 이 광원(6-1)은 분광기(7)를 통해 기준광(8-1)과 측정광(9-1)으로 분리되어 기준거울(8)과 측정표면(9)로 입사된다. 입사된 광은 기준거울(8)과 측정표면(9)으로부터 반사되어 다시 분광기(7)에서 합쳐진다. 이 합쳐진 광은 대물렌즈(11)와 영상렌즈(12)를 통해 CCD 카메라(14)에 간섭무늬를 형성한다. CCD카메라 각 화소는 측정물의 각 위치에 1:1로 대응되며, 각 화소에서 얻어지는 간섭무늬를 이용하여 3차원 물체의 형상정보를 얻을 수 있다. 데이터처리부(300)에 있는 영상보드(14)에는 CCD 카메라(13)에서 받은 간섭무늬 에 대응하는 디지털값(Digital value)이 수록된다. 형상정보를 계산하기 위해서는 복수개의 간섭무늬가 필요하다.
따라서 압전구동 드라이브(18)를 통해 압전구동기(10)를 구동시켜 기준거울(8)을 이동시킨 후 앞서 기술한 바와 같이 CCD 카메라(13)를 통해 복수개의 간섭무늬를 획득한다. 이 획득한 간섭무늬에 대응하는 디지털 값(Digital value)은 영상보드(14)에 입력되고 이 값을 이용해서 3차원의 형상정보를 얻을 수 있다. 이때, 제어부(15)는 압전구동기(10)를 구동시키기 위해 드라이브(18)에 구동신호를 인가한다. 압전구동기(10)가 구동되면 기준거울(8)은 이동하게 된다, 그리고 기준거울(8)이 이동 완료된 후 제어부(15)는 간섭무늬를 얻을 수 있도록 영상캡처명령을 출력한다. 이렇게 하여 CCD카메라(13)에 간섭무늬가 획득되며, 압전구동기(10)가 구동될 때마다 기준거울(8)이 이동하고 그때마다 제어부(15)의 영상캡처명령에 따라 간섭무늬를 얻을 수 있다. 이러한 결과를 컬러 모니터(16)와 흑백모니터(17)에 그래픽 형태로 나타낼 수 있으며 3차원 물체의 형상을 알 수 있다.
여기서, 압전구동기(10)가 구동되는 상태를 이하 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 도 2장치의 압전구동기의 구동상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참고하면, 압전구동기와 기준거울이 일체로 형성된 예로 설명한다. 즉, 압전구동기는 드라이버에 의해 구동신호가 전달되면 기준거울을 이동시킨다. 이때의 기준거울의 거리는 도시된 바와 같이 d1, d2, ...dn 이 될 수 있으며, 기준 거울의 이동이 완료되면 그때의 CCD카메라에서 획득된 영상으로 얻는 간섭무늬도 측정점(i)에 따라 다르다.
도 3에서, 기준거울이 d1의 위치로 이동되면 측정점이 1이라 가정하면 그때의 영상은 I1d1라 할 수 있고, 기준거울 dn 위치에서의 측정점이 n이 되므로 그때의 영상은 Indn 이므로 복수개의 간섭무늬를 CCD카메라에서 얻을 수 있다. 이때, 제어부(15)는 압전구동기가 d1의 위치까지 기준거울을 이동하기 위한 영상캡쳐타임을 기설정하고 영상캡쳐타임을 충분히 짧게 주어 짧은 시간에 복수개의 간섭무늬를 얻도록 영상캡처명령을 출력한다.
도 4를 참고하면, 압전구동기의 구동그래프를 도시하는데, 가로축은 시간(t)이며 세로축은 이동거리(d)이다. 기존의 세틀링타임(settling time)은 도 1에서 설명한 바와 같이 ts로 도시되어 있다. 즉, 소정 거리가 이동되면 세틀링타임이 ts가 될 때까지 시간을 지연하지 않고 t1의 영상캡처타임이 되면 영상을 획득하도록 영상캡처명령을 인가한다. 즉, 제어부(15)는 드라이브(18)를 통해 압전구동기(10)에 기준거울(8)을 이동하기 위한 구동신호를 출력하고, 압전구동기(10)의 영상캡처타임을 체크하여 t2의 기설정된 영상캡처타임에서 영상보드(14)로 영상캡처명령을 출력한다. 그러면 영상보드(14)는 CCD카메라(13)로부터 그때의 간섭무늬로부터 입력되는 영상을 획득할을 수 있다. 이러한 과정을 반복하여 복수개의 간섭무늬로부터 영상신호를 획득할 수 있으며, 제어부(15)는 압전구동기(10)의 구동명령으로부터 정확히 영상캡처타임 t1에 해당하는 시간에 영상캡처명령을 인가하도록 제어한다. 여기서, 영상캡처타임은 압전구동기의 구동 특성으로부터 실험을 통해 당업자가 충분히 구해낼 수 있는 시간이며, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 영상캡처타임은 압전구동기(10)의 특성에 기인하여 공지된 것으로 실험에 의해 얻어지는 시간으로 맥시멈오버슈트(maximum overshoot)가 발생하기 이전에 최초의 안정상태(steady-state : ds)구간을 말하며 그 시점을 영상캡처타임으로 설정하고 제어부(15)는 이 시점에 영상캡처명령을 인가한다.
도 4를 보면, 영상캡쳐타임은 본 발명에 영상캡처를 위한 소요시간이 되며, 세틀링타임은 기존의 영상캡처를 위한 소요시간이 된다. 즉, 기존의 영상캡처를 위한 소요시간보다 본 발명의 영상캡처를 위한 소요시간이 상대적으로 짧음을 알 수 있다.
따라서, 매 간섭무늬획득시마다 보다 짧아진 영상획득시간으로 인해 고속의 3차원 형상정보를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 압전구동기의 구동그래프,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 형상측정장치의 구성블록도,
도 3은 도 2장치의 압전구동기의 구동상태를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 압전구동기의 구동그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 광원부 200 : 측정부
300 : 데이터처리부

Claims (6)

  1. 간섭계를 이용한 3차원 물체의 형상측정장치에 있어서,
    광을 출사하는 광원부;
    상기 광원부의 광을 분광하는 분광기;
    상기 분광기에서 분광된 광을 기준광으로 반사하는 기준미러;
    상기 기준미러를 이동하도록 구동하는 구동기;
    상기 분광기에서 분광된 광 중 상기 물체를 통해서 반사된 반사광과 상기 기준광을 간섭시켜 복수개의 간섭무늬를 획득하는 촬상소자; 및
    상기 획득된 복수개의 간섭무늬로부터 상기 물체의 형상을 측정하고 상기 구동기에 기준미러구동신호를 출력하고 세틀링타임보다 상대적으로 짧은 영상캡처타임(도 4의 t2)에 영상캡처명령을 출력하도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 형상측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동기는
    압전구동기인 것을 특징으로 하는 고속 형상측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 촬상소자는
    CCD카메라인 것을 특징으로 하는 고속 형상측정장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 영상캡처타임은
    상기 압전구동기가 구동된 후 맥시멈오버슈트가 발생하기 이전에 안정상태(ds)구간에 도달한 시점인 것을 특징으로 하는 고속 형상측정장치.
  5. 압전구동기로 기준미러를 구동시켜 기준광을 획득하는 간섭계를 이용한 3차원 물체의 형상측정방법에 있어서,
    광원으로부터 광을 출사하는 단계;
    상기 출사된 광을 분광하여 기준광과 상기 물체로부터 반사된 반사광으로 분리하는 단계; 및
    상기 기준광과 반사광을 간섭시켜 복수개의 간섭무늬를 획득하는 단계를 포함하며,
    상기 간섭무늬 획득단계는
    상기 기준미러를 이동시키는 상기 압전구동기의 구동시간을 세틀링타임보다 상대적으로 짧게 하여 영상캡처명령을 출력하는 단계를 반복수행하여 복수개의 간섭무늬 를 획득하는 것을 특징으로 하는 고속 형상측정방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 영상캡처명령은
    상기 압전구동기가 구동된 후 맥시멈오버슈트가 발생하기 이전에 최초로 안정상태(ds)구간에 도달한 시점에서 출력하는 것을 특징으로 하는 고속 형상측정방법.
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