KR20110110159A - 강한 반사성 또는 투명 물체들의 3차원 광학측정을 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물체 상으로 변위가능한 제1패턴을 투사하기 위한 제1적외선광원을 갖는 제1투사기구 및 적외선 스펙트럼 범위 내에서 상기 물체의 상들을 포착하기 위한 적어도 하나의 상포착기구를 포함하여 이루어지는 물체의 3차원 측정을 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 제1적외선광원을 갖는 제1투사기구로 상기 물체 상으로 제1적외선패턴을 투사하는 투사단계; 및 적외선 방사에 대하여 민감한 적어도 하나의 상포착기구로 상기 물체의 상들을 포착하는 포착단계;를 포함하며, 여기에서 상기 패턴이 상기 상 캡쳐들 사이에서 전이되는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 토포메트리 측정법(topometric measurement method)으로 물체들의 3차원 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
토포메트리의 원리에 따른 광학적 3각측량 센서(optical triangulation sensors)들을 사용하는 물체 표면들의 3차원 등록은 공지되어 있다. 이와 관련하여, 예를 들면, 서로 다른 스트라이프 패턴(stripe patterns)들이 측정되어야 할 물체들 상으로 방출되고, 하나 또는 그 이상의 카메라들로 관측되고 그리고 계속해서 컴퓨터의 도움으로 분석된다. 분석법들로는, 예를 들면, 상전이법(phase-shift methods), 코드화광접근법(coded light approach) 또는 헤테로다인법(heterodyne method)들이 있다.
투사기(projector)는 동일하거나 또는 서로 다른 폭의 평행한 명암 스트라이프(light and dark stripes)들의 패턴들로 시간에 있어서 순차적으로 측정 물체를 조명한다. 상기 투사된 스트라이프 패턴은 물체의 형상 및 가시선(line of sight)에 따라 변형된다. 상기 카메라 또는 카메라들은 투사방향에 대한 공지의 투상각(angle of view)에서 투사된 스트라이프 패턴을 기록한다. 각 투사 패턴에 대하여 각 카메라에 하나의 상(image)이 포착(capture)된다. 상기 측정들을 분석하기 위하여 밝은 스트라이프와 어두운 스트라이프 사이의 경계선(가장자리)이 결정된다.
상기 전체 물체를 측정하기 위해서는 상기 패턴은 상기 물체를 가로질러 변위된다(주사된다). 이는 모든 카메라들의 각 상의 점에 대하여 서로 다른 밝기 수준들의 경시적인 순서(chronological sequence)의 결과를 가져온다. 카메라 상 내에서의 상좌표(image coordinates)들은 주어진 대상 점에 대하여 공지되어 있다. 스트라이프들의 갯수는 각 카메라 상의 점에 대한 상기 상의 순서로부터 측정되는 밝기 수준들의 순서로부터 계산될 수 있다. 가장 간단한 경우에 있어서, 이는 투사기(projector)에서의 이산좌표(discrete coordinate)로서 스트라이프의 갯수를 확인하는 이진코드(binary code)(예를 들면, 그레이 코드(Gray code))로 대체된다.
상전이법(phase-shift method)이 비이산좌표(non-discrete coordinate)를 결정하고 그에 의하여 조정된 신호의 상의 위치가 점대점 강도 측정(ponit-by-point intensity measurements)들에 의해 결정될 수 있기 때문에 소위 상전이법으로 보다 높은 정밀도가 달성될 수 있다. 그에 의하여 상기 신호의 상의 위치는 적어도 2배의 공지의 값으로 전이되는 한편으로 상기 강도는 하나의 지점에서 측정된다. 상기 상의 위치는 3개 또는 그 이상의 측정된 값들로부터 계산될 수 있다. 상기 상전이법은 그레이 코드에 부가하여 또는 절대적으로 헤테로다인법(heterodyne method)을 측정하는 것(복수의 파장들에 대하여)으로서 사용될 수 있다.
이러한 토포메트리 측정법들의 기초 및 실질적인 응용예들은, 예를 들면, 문헌 Bernd Breuckmann: "Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis", 1993, Franzis-Verlag GmbH, Munchen에 상세하게 기술되어 있다.
그러나, 만일, 예를 들어 자동차의 도색된 본체 등과 같이 매우 강하게 반사하거나 또는 예를 들어 심지어 가시광에 대하여 투명한 물체들을 측정하기를 원하는 경우, 스트라이프 투사에 기초하는 앞서의 측정시스템들은 이러한 물체들의 표면 상에 대하여 투사 패턴(projection pattern)이 보이지 않기 때문에 스트라이프 투사에 기초하는 앞서의 측정시스템들은 이러한 물체들을 토포메트리적으로 등록할 수 없다.
강하게 반사하는 표면들을 체크하기 위한 접근법은 독일 특허 제DE 202 16 852 U1호로부터 공지되어 있으며, 그에 의하여 이러한 접근법은 반사측정(reflectometry) 또는 편향측정(deflectometry) 수단들에 의한 범프(bumps)들 또는 덴트(dents)들을 검출할 수 있다. 그러나, 측정원리로 인하여, 수평해상도(lateral resolution)가 너무 낮기 때문에 이러한 장치는 물체를 충분한 정밀도로 또는 필요한 해상도로 등록하기에는 적절하지 않다.
스트라이프 투사를 사용하는 것에 의하여 물체들의 3차원 측정으로부터 야기되는 측정의 질은 투사와 주변광(ambient light) 사이의 콘트라스트(contrast)에 크게 의존적이다.
종래 기술의 불리한 점들의 관점에 있어서, 본 발명의 근본을 형성하는 과제는 물체들에 대한 투사 패턴에 있어서 양호한 콘트라스트 조건들을 공급하는 토포메트리 측정법으로의 가시광에 대하여 투명하거나 또는 광을 강하게 반사하는 물체들의 3차원 광학적 측정을 위한 장치를 제공하는 것이다.
앞서 언급된 과제는 본원의 특허청구범위 청구항 제 1 항에 따른 장치 및 청구항 제 10 항에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 물체의 3차원 측정을 위한 장치는 물체 상으로 변위가능한 제1패턴을 투사하기 위한 제1적외선광원을 갖는 제1투사기구 및 적외선 스펙트럼 범위 내에서 상기 물체의 상들을 포착하기 위한 적어도 하나의 상포착기구를 포함하여 이루어진다.
패턴을 투사하기 위한 적외선의 사용은 투사된 패턴이 측정되어야 할 물체 상에 열분포(heat distribution)으로서 그 자체의 각인(impression)을 남긴다는 잇점을 가지며, 즉, 투사장치(projection device)에 의해 적외선 방사(infrared radiation)로 조사된 상기 물체의 대응하는 표면들은 조사되지 않은 상기 물체의 표면들과는 다르게 되며, 이러한 방법으로 온도차가 존재한다. 이러한 온도차는, 차례로, 상기 적외선 파장 내에서 상기 방사 방출, 특히, 예를 들면, 적외선카메라로 포착될 수 있는 소위 열방사(heat radiation)의 서로 다른 강도로 나타난다.
그에 의하여 조사된 적외선 패턴의 파장 범위는 필수적으로 상기 물체에 의해 방출되는 파장 범위와 일치하지 않는다는 것이 관측되었다. 또한 상포착기구가 감지되는 파장 범위에 대하여도 동일하게 적용된다.
특히, 상기 투사된 패턴은 점-형(point-like), 선-형(line-like) 또는 면적-형의 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 장치의 다른 개량은 상기 장치가 상기 물체 상으로 변위가능한 제2패턴을 투사하기 위한 제2적외선광원을 갖는 제2투사기구를 포함할 수 있다는 사실에 기초하고 있다. 이러한 접근법은 2개의 패턴들의 조합이 달성되도록 하는 것을 허용하고, 그에 의하여, 특히, 상기 제2투사기구는 상기 제2패턴이 다른 방향으로부터 그리고 다른 각도로 투사될 수 있도록 배열될 수 있도록 한다.
또 다른 개량은 상기 제1투사기구의 상기 제1적외선광원이 제1방출표면을 갖거나 및/또는 그에 의하여 상기 제2투사기구의 상기 제2적외선광원이 제2방출표면을 갖는다는 사실에 기초하고 있다. 가열된 방출 표면의 높은 방출능(emission capability)과 결합하여, 발생된 열이 신속하게 그리고 효과적으로 적외선 방사로 발하게 된다.
또 다른 개량은 개개 방출표면이 개개 저항가열기(resistance heater)에 의해 가열될 수 있다는 사실에 기초하고 있다. 전기적 가열 동력(electric heating power)에 의해 상기 적외선 방사의 신속하고 직접적인 변조(modulation)가 가능하게 된다.
또 다른 개량은 상기 개개 방출표면 자체가 투사되어야 할 상기패턴을 한정할 수 있다는 점, 또는 상기 개개 패턴이 적외선에 대해 투명한 표면들 및 적외선에 대해 투명하지 않은 표면들로 개개 패턴 요소(pattern element)에 의해 한정될 수 있으며, 그에 의하여 상기 개개 패턴 요소가 상기 개개 방출표면 및 상기 물체 사이에 배열될 수 있다는 점에 기초하고 있다.
또 다른 개량은 상기 개개 패턴이 스트라이프 패턴이라는 점에 기초하고 있다. 이는 상기 스트라이프들 사이의 가장자리(edge)가 상기 물체에 대한 그의 변형이 상기 상포착기구로 포착되는 직선이라는 잇점을 갖는다.
또 다른 개량은 상기 장치가 상기 상포착기구에 의해 포착된 상기 상들을 분석하기 위한 분석기구(analysis device)를 더 포함할 수 있다는 점에 기초하고 있다. 이 분석기구는, 예를 들면, 그에 의하여 상기 포착된 상들의 토포메트리 분석을 위한 적절한 프로그램이 실행되는 컴퓨터 유닛의 수단에 의해 실행될 수 있다. 특히, 상기 물체의 대응하는 표면 형태가, 예를 들면, 선형의 가장자리의 변형으로부터 역산(back-calculated)될 수 있다.
또 다른 개량은 상기 개개 투사기구가 상기 방출표면이 제공되는 실린더(cylinder)를 가지며, 그에 의하여 상기 실린더가 그의 원통축 주위를 회전할 수 있다는 점에 기초하고 있다. 이는 변위가능한 패턴(예를 들면, 상기 방출표면의 스트라이프 패턴 또는 패턴 요소)이 동일한 방법으로 상기 물체 상으로 투사될 수 있다는 잇점을 갖는다.
또 다른 개량은 상기 상포착기구가 1㎛ 내지 1㎜, 바람직하게는 3 내지 50㎛, 보다 바람직하게는 3 내지 15㎛, 가장 바람직하게는 3 내지 5㎛ 또는 8 내지 14㎛의 범위 이내의 파장을 갖는 적외선 방사에 대하여 감지될 수 있는 것이라는 점에 기초하고 있다. 특히, 이는 온도기록계(thermography)로 사용되고 그리고 중대역 적외선 범위(3 내지 15㎛)에 대하여 민감한 적외선 카메라들의 사용을 허용한다. 8 내지 14㎛의 스펙트럼 범위에 대하여는, 예를 들면, 갈륨-비소 검출기(gallium-arsenide detectors)들 또는 카드뮴-수은-텔루르 검출기(cadmium-mercury-telluride detectors)들이 사용될 수 있다.
앞서 언급한 문제점은 본 발명에 따른 물체의 3차원 측정을 위한 방법에 의해 해결되며, 이는 제1적외선광원을 갖는 제1투사기구로 상기 물체 상으로 제1적외선패턴을 투사하는 투사단계; 및 적외선 방사에 대하여 민감한 적어도 하나의 상포착기구로 상기 물체의 상들을 포착하는 포착단계;를 포함하며, 그에 의하여 상기 패턴이 상기 상 캡쳐(image captures)들 사이에서 전이된다.
본 발명에 따른 상기 방법의 다른 개량은 이 방법이 제2적외선광원을 갖는 제2투사기구로 상기 물체 상으로 제2적외선패턴을 투사하는 투사단계;를 더 포함할 수 있다는 점에 기초하고 있다.
또 다른 개량은 상기 개개 패턴이 스트라이프 패턴이 될 수 있다는 점에 기초하고 있다.
또 다른 개량은 각 패턴이 개별적으로 조작된 속도에서 상기 개개 투사기구에 의해 상기 물체를 가로질러 변위될 수 있다는 점에 기초하고 있다. 이러한 방법으로, 상기 물체가 조사되고, 그에 의하여 시간에 있어서 변위된 상들이 상기 상포착기구(카메라)로 만들어진다.
또 다른 개량은 상기 개개 투사기구가 개개 방출표면이 제공되는 실린더를 가질 수 있으며, 그에 의하여 상기 실린더가 그의 원통축 주위를 회전할 수 있다는 점에 기초하고 있다. 이는 변위가능한 패턴(예를 들면, 상기 방출표면의 스트라이프 패턴 또는 패턴 요소)이 동일한 방법으로 상기 물체 상으로 투사될 수 있다는 잇점을 갖는다.
또 다른 개량은 적어도 하나의 상포착기구가 상기 투사기구를 촉발(triggering)시킬 수 있다는 점에 기초하고 있다. 이러한 방법으로, 상기 표면 상으로 사전설정된 투사된 패턴들의 시퀀스들의 조합들이 포착될 수 있다.
또 다른 개량은 상기 방법이 분석기구 내에서 토포메트리 분석방법으로 상기 상포착기구에 의해 포착된 상기 상들을 분석하는 분석단계를 더 포함할 수 있다는 점에 기초하고 있다. 이러한 방법으로, 상기 물체의 3차원 표면 구조가 분석될 수 있다.
여러 가지 다른 개량들이 서로 독립적으로 또는 다른 것과 결합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 보다 선호되는 구체예들이 이하에서 도면들을 참고로 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 구체예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제2 구체예를 나타내는 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 구체예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제2 구체예를 나타내는 도면이다.
도 1은 양호한 콘트라스트 상태들을 얻기 위한 높은 적외선 강도를 갖는 적어도 하나의 투사기(1)를 가지며 토포메트리 측정법으로 투명하거나 또는 강하게 반사하는 물체(5)의 3차원 광학적 측정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제1 구체예를 나타내고 있다.
상기 투사기(1)의 상기 적외선광원(1a)은 방출표면(1a)을 가열하는 저항가열에 기초하고 있다. 가열된 방출 표면의 높은 방출능과 결합하여, 발생된 열이 신속하게 그리고 효과적으로 적외선 방사로 발하게 된다. 전기적 가열 동력에 의해 상기 적외선 방사의 신속하고 직접적인 변조가 가능하게 된다. 그에 의하여 이 실시예에서의 상기 방출 표면 이 투사될 상기 스트라이프 패턴을 형성한다. 다른 가능성은 패턴을 갖는 마스크(mask)가 상기 방출 표면과 상기 물체 사이에 배치된다는 점에 기초하고 있다.
상기 스트라이프 패턴이 반드시 상기 물체(5)의 상기 표면을 가로질러 횡단해야 하기 때문에, 본 발명에 따른 상기 장치는, 예를 들면, 상기 방출 표면이 제공되는 실린더(1)의 형태로 회전할 수 있으며, 그에 의하여 상기 실린더(1)가 그의 원통축 주위를 회전할 수 있도록 하는 변위가능한 스트라이프 패턴을 제공한다.
상기 투사된 패턴을 갖는 상기 물체(5)는 적외선 카메라(3)에 의해 포착된다. 계속해서 상기 카메라로부터의 신호들 또는 데이터는 그 위에서 토포메트리 분석을 위한 프로그램이 실행되는 분석기구(4)에 공급된다.
상기 물체(5)의 재질과 그의 열전도도에 따라, 상기 투사기구(1)로부터의 적외선 방사의 강도는 한편으로는 온도차가 조사된 표면과 조사되지 않은 표면 사이의 가장자리(차이)를 상기 상포착기구(카메라)(3)로 등록하기에 충분하게 크나, 그러나 다른 한편으로는 열확산으로 인하여 포착하는 동안에 이러한 가장자리가 실질적으로 연화되지 않기에 충분하게 작도록 선택될 수 있다. 이는 열확산에 대한 시간의 길이가 근본적으로는 상기 온도차에 역으로 비례한다는 사실에 기초하고 있다. 상기 적외선 방서의 적절한 강도 및 바로 인접하는 포착들 사이에서의 적절한 시간의 길이의 선택으로, 상기 물체의 상기 조사된 표면들과 조사되지 않은 표면들 사이에서 양호한 콘트라스트 수준이 달성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제2 구체예를 나타내고 있다. 도 1 및 도 2들에서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
상기 제2 구체예는 도 1에 나타낸 바와 같은 상기 제1 구체예에서는 발견되지 않는 제2투사기(2)를 가지며, 그에 의하여 이 제2투사기(2)는 실린더의 형태와 유사하다. 한정된 각도에서 다른 하나에 대하여 회전하는 2개의 실린더형 방출 패턴들이 상기 물체 표면 상으로 투사된다. 그에 의하여 각 실린더는 각각이 한정된 속도로 그의 특정의 원통축 주위를 회전한다. 이러한 방식에서 야기되는 새로운 투사 패턴은 고해상도로 보다 빠른 분석을 가능하게 한다. 예를 들면, 상기 실린더(1, 2)들 사이의 회전속도 및 각도에 의존적이며, 또한 물체 표면들의 특이한 특징들의 보다 나은 분석을 위하여 한정된 방법으로 조정될 수 있는 특정의 패턴들이 표면 상에 발생한다.
또한 촉발의 변조(variation)가 분석되어야 할 표면 상에 별도의 특정의 패턴들을 허용하기에 충분하도록 하는 방법으로 상기 카메라(3)(포착기구)가 상기 투사기(1, 2)들로 촉발된다.
1 : 투사기구 1a : 적외선광원
2 : 투사기구 2a : 적외선광원
3 : 상포착기구(적외선 카메라) 4 : 분석유닛
5 : 물체
2 : 투사기구 2a : 적외선광원
3 : 상포착기구(적외선 카메라) 4 : 분석유닛
5 : 물체
Claims (16)
- 물체(5) 상으로 변위가능한 제1패턴을 투사하기 위한 제1적외선광원(1a)을 갖는 제1투사기구(1); 및
적외선 스펙트럼 범위 내에서 상기 물체의 상들을 포착하기 위한 적어도 하나의 상포착기구(3);
를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 물체 상으로 변위가능한 제2패턴을 투사하기 위한 제2적외선광원(2a)을 갖는 제2투사기구를 포함함을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제1투사기구의 상기 제1적외선광원이 제1방출표면을 갖거나 및/또는 상기 제2투사기구의 상기 제2적외선광원이 제2방출표면을 갖는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 제 3 항에 있어서,
개개 방출표면이 개개 저항가열기에 의해 가열될 수 있음을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 개개 방출표면 자체가 투사되어야 할 상기패턴을 한정할 수 있거나, 또는 상기 개개 패턴이 적외선에 대해 투명한 표면들 및 적외선에 대해 투명하지 않은 표면들로 개개 패턴 요소에 의해 한정될 수 있으며, 여기에서 상기 개개 패턴 요소가 상기 개개 방출표면 및 상기 물체 사이에 배열될 수 있는 것임을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 상기 전 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개개 패턴이 스트라이프 패턴임을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 상기 전 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상포착기구에 의해 포착된 상기 상들을 분석하기 위한 분석기구(4)를 더 포함함을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 제 3 항 내지 제 6 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 개개 투사기구가 상기 방출표면이 제공되는 실린더를 가지며, 여기에서 상기 실린더가 그의 원통축 주위를 회전할 수 있는 것임을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 상기 전 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 상포착기구가 1㎛ 내지 1㎜, 바람직하게는 3 내지 50㎛, 보다 바람직하게는 3 내지 15㎛, 가장 바람직하게는 3 내지 5㎛ 또는 8 내지 14㎛의 범위 이내의 파장을 갖는 적외선 방사에 대하여 감지될 수 있는 것임을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 장치. - 제1적외선광원(1a)을 갖는 제1투사기구(1)로 상기 물체 상으로 제1적외선패턴을 투사하는 투사단계;
적외선 방사에 대하여 민감한 적어도 하나의 상포착기구(3)로 상기 물체의 상들을 포착하는 포착단계;를 포함하며,
여기에서 상기 패턴이 상기 상 캡쳐(image captures)들 사이에서 전이되는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법. - 제 10 항에 있어서,
제2적외선광원(2a)을 갖는 제2투사기구(2)로 상기 물체 상으로 제2적외선패턴을 투사하는 투사단계;를 더 포함함을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 개개 패턴이 스트라이프 패턴임을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
각 패턴이 개별적으로 조작된 속도에서 상기 개개 투사기구에 의해 상기 물체를 가로질러 변위됨을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 개개 투사기구가 개개 방출표면이 제공되는 실린더를 가질 수 있으며, 여기에서 상기 실린더가 그의 원통축 주위를 회전할 수 있는 것임을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법. - 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
적어도 하나의 상포착기구가 상기 투사기구를 촉발시키는 것을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법. - 제 10 항 내지 제 15 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
분석기구(4) 내에서 토포메트리 분석방법으로 상기 상포착기구에 의해 포착된 상기 상들을 분석하는 분석단계;를 더 포함함을 특징으로 하는 물체의 3차원 측정을 위한 방법.
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