KR20100011185A - Ｄｍｄ를 이용한 모아레 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모아레 현상에 기초한 영상 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 ＤＭＤ를 이용한 모아레 영상 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따라 모아레를 이용한 영상 측정 장치는, 광을 발산하는 광원; 상기 발산된 광을 제어하여 위상 천이된 격자 이미지를 생성하고, 상기 위상 천이된 격자 이미지를 발산하는 DMD(Digital Micromirror Device); 상기 발산된 격자 이미지를 제1 격자 이미지 및 제2 격자 이미지로 분리하는 광 분할기; 측정 대상물에 상기 제1 격자 이미지를 제1 방향으로 투영하되, 제1 셔터에 의해 격자 이미지의 투영을 차단할 수 있는 제1 광 투영부; 상기 측정 대상물에 상기 제2 격자 이미지를 제2 방향으로 투영하되, 제2 셔터에 의해 격자 이미지의 투영을 차단할 수 있는 제2 광 투영부; 상기 측정 대상물로부터 반사되는 격자 이미지를 수광하는 격자 이미지 수광부; 및 상기 수광된 격자 이미지에 대한 영상 처리를 수행하는 영상 처리부를 포함하되, 상기 제1 광 투영부가 격자 이미지를 투영하는 동안, 상기 제2 광 투영부는 격자 이미지의 투영을 차단하고, 반대로 상기 제2 광 투영부가 격자 이미지를 투영하는 동안, 상기 제1 광 투영부는 격자 이미지의 투영을 차단한다.
DMD, 모아레, 3차원, 영상, 높이

Description

ＤＭＤ를 이용한 모아레 측정 장치{moire measurement device using digital micromirror device}
본 발명은 모아레 현상에 기초한 영상 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 ＤＭＤ를 이용한 모아레 영상 측정 장치에 관한 것이다.
종래 관찰 대상물의 높이를 측정할 수 있는 3차원 형상 측정 방법이 다수 제안되었다. 제안된 종래 기술로는 광삼각법(optical triangulation), 광촉침식(optical profilometry), 공초점현미경(confocal microscopy), 모아레(moire) 무늬 등을 이용한 비접촉식 측정법 등이 있다. 상기 기술들은 대상물에 손상을 입히지 않는 장점으로 인하여 널리 이용되고 있었다.
상기 3차원 형상 측정 방법 중 모아레 무늬를 이용한 형상 측정 방식은 측정하고자 하는 물체의 표면에 일정 형태를 가지는 두 개 이상의 주기적인 패턴이 겹쳐지는 간섭 무늬를 측정 및 해석하여 물체 표면의 높이에 대한 정보를 획득하는 것이다.
일반적으로, 모아레 무늬를 이용한 3차원 형상 측정 방법에는 그림자식 모아레(shadow moire)와 투영식 모아레(projection moire) 방법으로 구분된다.
상기 그림자식 모아레(shadow moire)는 렌즈를 사용하지 않고 피사체의 표면에 나타나는 격자무늬의 그림자로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피사체의 형상을 측정하는 방식이고, 상기 투영식 모아레(shaw moire)는 피사체의 백색광 내지는 단색광 프로젝터를 이용해서 격자패턴을 주사하고 물체의 형상에 따라 변형되어진 격자 이미지를 주사하여 한 격자와 동일한 피치를 가지는 기준격자에 겹침으로써 모아레 무늬를 획득하는 기술이 있었다.
그러나 상술한 그림자식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 설비가 간단한 장점이 있지만 격자의 그림자를 이용해야 하기 때문에 격자와 피사체를 충분히 근접시킬 수 있는 경우에만 적용되는 문제점이 있었다.
아울러, 상술한 투영식 모아레는 격자의 크기에 의해서 대상 물체의 크기가 제한받지 않고, 작은 높이 차를 갖는 미세한 물체의 측정시 물체 가까이 위치시켜야 하는 제한이 없기 때문에 선호되고 있지만, 투영식 모아레 방식은 일정한 각도로 기울여서 피사체에 격자무늬를 투영하므로 상기 기울어진 각도에 의해서 피사체의 높이에 의해 투영되는 곳의 반대편은 그림자가 발생되며, 상기 발생된 그림자를 제거하기 위하여 한쪽 투영방식에서 투영체를 중심으로 양쪽으로 격자무늬를 투영하는 방식이 사용되었다.
종래에는 엑추에이터와 같은 기계적인 장치를 이용하여 위상 천이를 수행한 격자 이미지를 이용하여 3차원 형상을 측정하였다.
그러나 기계적인 방식으로 위상 천이를 수행하는 경우, 위치 에러값 때문에 정밀한 결과를 얻는데 한계가 있으며, 위상 천이 속도가 느리고, 격자 이미지의 간격을 조절하기도 복잡한 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 정밀한 방식으로 위상 천이를 수행하는 모아레 영상 측정 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 또 따른 목적은 조작이 간편하고 제어량이 적은 모아레 영상 측정 장치를 제안하는 것이다.
본 발명에 따라 모아레를 이용한 영상 측정 장치는, 광을 발산하는 광원; 상기 발산된 광을 제어하여 위상 천이된 격자 이미지를 생성하고, 상기 위상 천이된 격자 이미지를 발산하는 DMD(Digital Micromirror Device); 상기 발산된 격자 이미지를 제1 격자 이미지 및 제2 격자 이미지로 분리하는 광 분할기; 측정 대상물에 상기 제1 격자 이미지를 제1 방향으로 투영하되, 제1 셔터에 의해 격자 이미지의 투영을 차단할 수 있는 제1 광 투영부; 상기 측정 대상물에 상기 제2 격자 이미지를 제2 방향으로 투영하되, 제2 셔터에 의해 격자 이미지의 투영을 차단할 수 있는 제2 광 투영부; 상기 측정 대상물로부터 반사되는 격자 이미지를 수광하는 격자 이미지 수광부; 및 상기 수광된 격자 이미지에 대한 영상 처리를 수행하는 영상 처리부를 포함하되, 상기 제1 광 투영부가 격자 이미지를 투영하는 동안, 상기 제2 광 투영부는 격자 이미지의 투영을 차단하고, 반대로 상기 제2 광 투영부가 격자 이미지를 투영하는 동안, 상기 제1 광 투영부는 격자 이미지의 투영을 차단한다.
바람직하게, 상기 영상 처리부는 상기 제1 격자 이미지가 반사된 영상을 통해 산출한 제1 측정 이미지와, 상기 제2 격자 이미지가 반사된 영상을 통해 산출한 제2 측정 이미지를 중첩시킨다.
본 발명에 따른 장치는 격자 이미지의 위상 천이를 신속하게 수행할 수 있고, 격자 이미지의 간격 등을 용이하게 제어하여 측정물의 높이를 효과적으로 측정할 수 있으며, 기계적인 오차 없이 정확한 모아레 영상 측정이 가능하다.
본 발명의 구체적인 특징, 동작 및 효과는 이하에서 설명하는 본 발명의 일 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레 영상 측정 장치의 일례이다. 도시된 바와 같이 DMD(Digital Micromirror Device)가 구비되어 격자 이미지를 생성한다.
상기 DMD는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여, 수십 만개의 미세 거울을 반도체 칩으로 집적화시킨 장비로서, 광 변조 등의 다양한 동작을 수행한다. 광원을 통해 발산된 빛이 DMD에 입력되는 경우, 상기 DMD는 상기 광원에 의한 빛을 이용하여 격자 이미지를 발산할 수 있다. 도 2 내지 도 5는 DMD가 위상 천이(PSI) 방식에 따라 격자 이미지를 생성하는 일례를 나타낸다. 광원의 빛을 반사/무반사 시키도록, 도시된 바와 같이, 1024 *768 개의 픽셀 수를 가지는 DMD의 픽셀을 선택적으로 On/Off 시켜 격자 이미지를 생성하고, 이를 DMD의 내부 또는 외부에 구비되는 프로젝션 렌즈를 통해 측정 대상물 등에 투영할 수 있다. 도 2 내지 도 5에 도시된 각각의 격자 이미지는 서로 λ/4 만큼의 위상차가 발생하므로, 도 2 내지 도 5와 같은 4개의 격자 이미지를 순차적으로 투영한 이후, 순차적으로 투영된 격자 이미지가 반사된 결과를 종래의 위상 천이 기법(PSI)에 따라 처리하여 3차원 영상을 획득할 수 있다.
도 1의 장치는 DMD를 이용하여 격자 이미지를 생성하므로, 기계적인 방법으로 격자 이미지를 생성하던 종래 기법에 비해, 격자 이미지의 위상 천이를 신속하게 수행할 수 있고, 소프트웨어적인 간단한 제어를 통해 격자 이미지의 간격(Pitch)을 용이하게 제어할 수 있으며, 기계적인 오차 없이 정확한 격자 이미지의 생성이 가능하다.
특정한 시계(field of view) 상의 측정 대상물을 측정하는 경우, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 간격(Pitch)를 갖는 격자 이미지를 순차적으로 투영한다. 격자 이미지의 간격은 분해능과 관련되므로, 우선 정밀한 측정을 위해 상대적으로 작은 크기의 간격으로 격자 이미지를 생성하고, 만약 측정 대상물의 높이의 측정 범위가 기존 격자 이미지의 간격으로 측정 불가한 경우, 격자 이미지의 간격을 증가시키는 것이 바람직하다.
도 1의 일례에서, DMD(110)는 광원(미도시)으로부터 빛을 공급받아 격자 이미지를 생성하고, 생성된 격자 이미지를 프로젝션 렌즈(120)로 투영한다. 상기 프로젝션 렌즈(120)에 투영된 격자 이미지는 광 분할기(130)로 투영되어, 서로 동일한 제1 격자 이미지와 제2 격자 이미지로 분리된다. 광 분할기(130)를 이용하여 격자 이미지를 분리시키는 경우, 하나의 DMD(110)를 통해 서로 다른 방향에서 측정 대상물(160)을 측정하는 것이 가능하다.
분리된 각각의 격자 이미지는 제1 광 투영부(140)와 제2 광 투영부(150)로 전달된다. 각각의 광 투영부는 광학 수단을 이용하여 상기 제1 및 제2 격자 이미지를 측정 대상물(160)에 투영시킨다. 도 1의 일례에서는, 상기 제1 광 투영부(140)는 제1 거울(141)과 제1 셔터(145)를 포함하고. 상기 제2 광 투영부(150)는 제2 거울(151)과 제2 셔터(155)를 포함한다. 제1 셔터(145)는 제1 광 투영부(140)에 의해 제1 격자 이미지가 투영되는 것을 차단하고, 제2 셔터(155)는 제2 광 투영부(150)에 의해 제2 격자 이미지가 투영되는 것을 차단한다.
도 1의 일례는 복수의 광 투영부(140, 150)를 통해 측정 대상물(160)을 서로 다른 방향에서 관찰할 수 있다. 따라서 측정 대상물(160)을 어느 일 방향에서 관찰하는 경우에 발생하는 그림자 등의 문제를 해결할 수 있다. 한편, 셔터의 동작에 의해, 상기 제1 광 투영부(140)가 격자 이미지를 투영하는 동안(예를 들어, 4 개의 격자 이미지를 순차적으로 투영하는 경우에는, 4 개의 격자 이미지를 제1 광 투영부(140)를 통해 투영하는 동안)에는 상기 제2 광 투영부(150)는 격자 이미지의 투영을 차단하고, 상기 제2 광 투영부(150)가 격자 이미지를 투영하는 동안(예를 들어, 4 개의 격자 이미지를 순차적으로 투영하는 경우에는, 4 개의 격자 이미지를 제2 광 투영부(150)를 통해 투영하는 동안)에는 상기 제1 광 투영부(140)는 격자 이미지의 투영을 차단한다. 즉, 임의의 순간 동안 상기 측정 대상물(160)을 어느 하나의 방향에서만 관찰한다.
측정 대상물(160)로부터 반사되는 격자 이미지는 격자 이미지 수광부(170)에 의해 수광된다. 상술한 바와 같이, 상기 셔터(145, 155)에 의해 제1 광 투영부(140)에 의해 투영된 격자 이미지가 반사된 결과와 제2 광 투영부(150)에 의해 투영된 격자 이미지가 반사된 결과가 각각 별개로 수광된다. 별개로 수광된 각각의 결과는 영상 처리부(미도시)에 의해 영상 처리된다.
상기 영상 처리부는 제1 광 투영부(140)에 의해 투영된 격자 이미지가 반사된 결과를 이용하여 제1 광 투영부(140) 측에서 측정 대상물(160)을 관찰한 3차원 영상(제1 측정 이미지)을 얻고, 제2 광 투영부(150)에 의해 투영된 격자 이미지가 반사된 결과를 이용하여 제2 광 투영부(150) 측에서 측정 대상물(160)을 관찰한 3차원 영상(제2 측정 이미지)을 얻고, 양 결과를 중첩시켜 상기 측정 대상물(160)의 최종적인 3차원 영상을 얻을 수 있다.
반사된 격자 이미지를 이용하여 3차원 영상을 얻는 방법은 종래의 위상 천이 기법(PSI)에 따를 수 있다. 예를 들어, 도 2 내지 도 4와 같이, 1/4 주기로 4 개의 격자 이미지를 순차적으로 투영하는 경우, 4 개의 격자 이미지 각각에 상응하는 광 강도(I1, I2, I3, I4)를 얻을 수 있다. 이 경우, 특정한 위치(x,y)에서의 위상Φ는 다음과 같이 결정된다.
Figure 112008053348173-PAT00001
즉, 4 개의 광 강도는 해당 위치에서의 위상으로 변환되고, 해당 위치에서의 위상 값을 알게 되면, 기준 파장을 이용하여 해당 측정 위치의 높이를 산출할 수 있다.
한편, 상기 영상 처리부는 제1 광 투영부(140)에 의해 투영된 제1 격자 이미지가 반사된 결과상에서 오류가 발생한 부분에 상기 제2 광 투영부(150)에 의해 투영된 제2 격자 이미지가 반사된 결과를 중첩시켜 오류 발생 부분을 보정할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 영상 처리부에서 측정 오류가 발생한 지점을 측정하는 기법의 개념을 설명하는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개의 정현파를 이용하여 위상을 획득시에, '-PI/2' 초과 'PI/2' 미만의 위상들이 하나의 주기를 이루며, 그 주기는 측정 영역을 통해 반복적으로 나타난다.
도 6의 경우는 특정한 위상 값들이 '-PI/2' 초과 'PI/2' 미만의 영역에 고정 되므로 한 주기 내에서의 변화량 만을 판단할 수 있으므로, 각각의 주기들을 순차적으로 연결하는 위상 확장 기법이 적용된다.
도 7의 일례는 위상 확장 기법이 적용된 경우의 일례이다. 도시된 바와 같이, 주기가 N번째인 영역에 속하는 701 지점의 위상은 원래의 위상 A1에 (PI*N)이 더해진 값으로 결정된다. 또한, N번째인 영역에 속하는 702 지점의 위상은 원래의 위상 A2에 (PI*N)이 더해진 값으로 결정된다. 같은 방식으로 703 지점에서의 위상(원래 위상은 B1)은 B1+(PI*(N+1)), 704 지점에서의 위상(원래 위상은 B2)은 B2+(PI*(N+1))로 결정된다.
위와 같은 위상 확장 기법을 적용하면 수광된 격자 이미지의 위상은 어느 한 방향으로 계속 증가하는 방식으로 측정되어야 하지만, 도 8과 같이 측정 대상물(160)의 형상에 의해 그림자 영역이 발생하는 경우에는 위상이 계속 증가하지 않으므로 오류가 발생한 것을 알 수 있다.
위와 같이 오류가 발생한 지점은 다른 방향에서 투영하여 반사된 격자 이미지를 통해 획득한 결과로 중첩시켜 그림자 영역이 없는 측정 결과를 얻을 수 있다. 상기와 같은 위상 확장 기법 이외에도 종래에 제안된 격자 이미지 오버랩 매칭 기법 등이 추가적으로 적용되어 더 정확한 측정 결과를 얻는 것도 가능하다.
도 9는 도 1의 일례를 다른 각도에서 관찰한 도면이다. 도시된 바와 같이, DMD(110), 프로젝션 렌즈(120), 광 분할기(130), 제1 광 투영부(140), 측정 대상물(160), 격자 이미지 수광부(170)가 포함된다. 설명의 편의상 제2 광 투영부(150)는 도시하지 않았다.
상기 격자 이미지 수광부(170)는 거울(171)과 결상 렌즈(173) 및 카메라(175)로 구현될 수 있다. 측정 대상물(160)로부터 반사된 격자 이미지는 거울(171)을 통해 결상 렌즈(173)에 투영되고, 최종적으로 카메라(175)에 격자 이미지가 전달되어, 상술한 바와 같은 영상 처리가 수행될 수 있다.
본 실시예는 종래의 기계적인 기법에 의해 격자 이미지를 생성하는 모아레 영상 측정 장치와 달리 DMD를 사용하여 격자 이미지를 생성한다. 상기 DMD는 소프트웨어 등에 의해 제어되므로 기구적인 변화없이 격자간격 등을 자유롭게 변화시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 실시예는 본 발명의 설명의 편의를 위한 것으로, 상술한 실시예에서 사용된 구체적인 수치, 심볼의 구성 등에 본 발명이 제한되지 아니한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것이다.
본 발명은 미세 가공/측정 분야에서 주목받는 모아레 영상 측정 장치에 관한 것인바 그 산업상 이용가능성이 인정될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모아레 영상 측정 장치의 일례이다.
도 2 내지 도 5는 DMD가 위상 천이 방식에 따라 격자 이미지를 생성하는 일례를 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 영상 처리부에서 측정 오류가 발생한 지점을 측정하는 기법의 개념을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 1의 일례를 다른 각도에서 관찰한 도면이다.

Claims (5)

  1. 모아레를 이용한 영상 측정 장치에 있어서
    광을 발산하는 광원;
    상기 발산된 광을 제어하여 위상 천이된 격자 이미지를 생성하고, 상기 위상 천이된 격자 이미지를 발산하는 DMD(Digital Micromirror Device);
    상기 발산된 격자 이미지를 제1 격자 이미지 및 제2 격자 이미지로 분리하는 광 분할기;
    측정 대상물에 상기 제1 격자 이미지를 제1 방향으로 투영하되, 제1 셔터에 의해 격자 이미지의 투영을 차단할 수 있는 제1 광 투영부;
    상기 측정 대상물에 상기 제2 격자 이미지를 제2 방향으로 투영하되, 제2 셔터에 의해 격자 이미지의 투영을 차단할 수 있는 제2 광 투영부;
    상기 측정 대상물로부터 반사되는 격자 이미지를 수광하는 격자 이미지 수광부; 및
    상기 수광된 격자 이미지에 대한 영상 처리를 수행하는 영상 처리부를 포함하되,
    상기 제1 광 투영부가 격자 이미지를 투영하는 동안, 상기 제2 광 투영부는 격자 이미지의 투영을 차단하고, 반대로 상기 제2 광 투영부가 격자 이미지를 투영하는 동안, 상기 제1 광 투영부는 격자 이미지의 투영을 차단하는 것을 특징으로 하는 DMD를 이용한 모아레 영상 측정 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DMD는 다수 개의 미세 거울을 제어하여 위상 천이가 수행된 격자 이미지를 발산하는 것을 특징으로 하는 DMD를 이용한 모아레 영상 측정 장치
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영상 처리부는 상기 제1 격자 이미지가 반사된 영상을 통해 산출한 제1 측정 이미지와, 상기 제2 격자 이미지가 반사된 영상을 통해 산출한 제2 측정 이미지를 중첩시키는 것을 특징으로 하는 DMD를 이용한 모아레 영상 측정 장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영상 처리부는 상기 제1 격자 이미지가 반사된 영상의 위상을 이용하여 상기 제1 격자 이미지에서의 오류 발생 지점을 추정하는 것을 특징으로 하는 DMD를 이용한 모아레 영상 측정 장치
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 격자 이미지에서의 오류 발생 지점은 상기 제2 격자 이미지가 반사된 영상을 이용하여 보정되는 것을 특징으로 하는 DMD를 이용한 모아레 영상 측정 장치
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