KR20140025292A - 공간 내의 광원 측정시스템 - Google Patents

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에도알도 프랑지
다비 하스레르
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체에스에엠 센트레 스위쎄 데 엘렉트로니크 에트 데 미크로 테크니크 에스 아
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Abstract

본 발명은 촬상기 및 상부에 패턴을 가지는 투명면을 이용하여 공간 내 광원의 위치를 측정하는 시스템을 개시한다. 패턴은 반복 패턴 및 특유요소로 이루어진다. 시스템은 서브-미크론 정밀도를 달성한다. 또한 시스템은 여러 광원들을 동시에 측정할 수 있고, 광원 대신 역반사체의 위치를 측정할 수 있다.

Description

공간 내의 광원 측정시스템{MEASUREMENT SYSTEM OF A LIGHT SOURCE IN SPACE}
본 발명은 절대위치 감지장치에 관한 것이고, 특히 3 이상의 자유도 측정시스템에 관한 것이다. 이러한 장치의 예시로는 컴퓨터의 위치결정장치 또는 가공용 측정장치가 있다. 특히, 본 발명은 측정 위치 범위가 수 나노미터에서 수 미터에 이르는 절대위치 감지기구에 관한 것이다. 본 발명은 공간 내의 광원 위치를 측정하는 위치감지장치에 관한 것이다.
위치감지장치는 본 분야에서 잘 알려져 있고, 여러 기술영역에서 사용된다. 계측 영역에서, 위치감지장치는 대부분, WO2006107363A1에서와 같이 로터리 인코더, 또는 US5,563,408에서와 같이 리니어 인코더로 적용된다. 이들 인코더는 위치에 대한 1-차원 정보를 출력하고, 1/10 마이크론 또는 1/10'000°의 우수한 분해능으로 작동된다. 여러 자유도를 가진 위치에 이르기 위하여는, 이들 인코더는 예를들면 로보트 팔에서, 일련의 일부일 수 있지만 더 많은 인코더들이 사용되면, 위치 분해능이 떨어진다. 로보트 팔 위치감지시스템 분야에서 현재 분해능은 최대 1 미크론이다. 이들 인코더의 공통점은 감지요소가 감지요소에 대한 격자 위치를 측정한다는 것이다. 이것은 감지요소 또는 격자가 피측정 대상체에 부착된다는 것을 의미한다.
EP2169357A1에 개시된 더욱 정교한 인코더는, 격자에 대한 2차원적 카메라 위치를 정밀하게 측정할 수 있다. 가공산업에서 이들 인코더는 대부분 X-Y 위치테이블로 지향되어 서브-미크론 (sub-micron) 분해능을 달성할 수 있다.
다른 기술분야에서, DE20121855U1은2D 감지영역에서 T-형상 장치 영상 (projection)을 측정함으로써 3 광원들을 가지는 대상체의 공간 내 위치를 측정하는 시스템을 개시한다. 본 방법은 크게는 2 단점들이 있다: 본 시스템은 기타 여러 광원들을 가지는 자연 환경에서 작동하는 방식을 설명하지 않고, 정밀도에 한계가 있다. 기계적 무한 정밀도를 가지는 완전 장치가 제조된다고 하여도, 감지표면에서 궁극적인 측정 정밀도는 최대한 파장 수준, 즉 1/2 미크론일 것이다.
본 발명의 목적은, 파장 수준을 최대 10배를 넘는 분해능으로 외부 조명원들에 강인한 공간 내 하나 이상의 광원들 위치를 측정하는 장치를 개시함으로서 선행기술의 한계를 완화하는 것이다. 또한, 본 발명은 대량생산에 적합하며 본 분야의 현재 기술과 대비하여 매우 경제적인 시스템을 제공한다.
본 발명은 최소한 하나의 차원 (dimension)에 배치되는 다수의 감지 픽셀들로 이루어지는 최소한 하나의 촬상장치; 및 최소한 하나의 점 (punctual) 광원; 및 촬상장치에 음영 (shadow)를 부여하도록 배열되고; 촬상장치에 대하여 위치가 고정되는 최소한 하나의 부품 (component) -격자 또는 마이크로렌즈 어레이-를 포함하는 측정시스템이다. 본 시스템은 또한 일부 계산수단을 가진다. 하나의 광원에 대한 측정 원리는 다음과 같다.
- 광원으로 인하여, 부품은 촬상장치에 음영을 부여한다.
- 촬상장치는 음영 영상 (image)을 기록한다.
- 음영 영상은 부품에 대한 음영 위치를 계산하기 위하여 사용된다.
- 음영 위치는 광원 고도 (elevation)를 계산하기 위하여 사용된다. 2-차원적 센서들의 경우, 음영 위치는 센서의 제1차원을 따라 및 제2차원을 따라 광원 고도를 계산하기 위하여 사용된다.
촬상장치의 여러 구분 지점들에서 이러한 측정을 반복하고, 얻어진 고도값들을 조합함으로써, 잘 알려진 삼각측정법을 적용하여 3차원적 광원 위치가 획득된다.
원하는 정밀도를 얻기 위하여, 음영을 부여하는 부품은 반복 패턴들로 구성될 필요가 있다. 이러한 반복 특성은 광 위치 정보를 센서상의 넓은 면적으로 확산시키고, 시스템은, 광 전파에 인한 단일 측정에 기반한 위치측정 장치에 연관된 기본적인 정밀도 한계를 넘을 수 있다. 또한, 본 부품은 바람직하게는 평면상의 격자로 구현되고 특유 요소를 포함하여야 한다. 본 격자는 광 투명부 및 광 불투명부를 가져야 한다. 또한 본 부품은 평면상의 마이크로렌즈 어레이로 구현될 수 있다. 평면 특성으로 인하여, 고도 계산이 단순하고 촬상장치 상부에 부착시키기에 간단한다. 본 격자는 표준 노광 공정으로 인쇄될 수 있고, 마이크로렌즈 어레이는 열-압인으로 제조될 수 있다.
촬상장치에 의해 기록되는 부품의 음영은, 반복 패턴들 및 특유 요소들을 보여야 한다. 음영 위치는 특유 요소 위치를 사용하여 계산되고, 반복 패턴 위치를 사용하여 개선된다. 이러한 위치 개선은 본 장치에 매우 중요하고 뛰어난 정밀도를 제공한다. 이러한 위치 개선에 의해 주어지는 정밀도가 없이는, 본 장치는 거의 쓸모없을 것이다.
본 발명은 첨부 도면들과 관련하여 하기 설명을 독해하면 더욱 이해될 것이다:
도 1은 고도 측정 원리를 보인다;
도 2는 광원에서 센서면까지의 거리 계산 예를 보인다;
도 3은 광원 위치 계산을 위하여 3개의 1차원적 센서들을 사용하는 것을 도시한 것이다;
도 4는 2차원에서의 음영 위치 계산을 보인다;
도 5는 삼각측정 구현을 위하여 센서를2 구역들로 분할한 것을 보인다;
도 6은 비월식 (interlaced) 절대코드를 가지고 센서 상면에 인쇄된2-차원적 격자의 예를 도시한다;
도 7은 특유 요소로서 하나가 빠진 패턴을 가지고 센서 상면에 구현된 2-차원적 부품의 예를 도시한다;
도 8은 특유 요소로서 십자가를 가지고 센서 상면에 인쇄된 2-차원적 부품의 예를 도시한다;
도 9는 2 광원들의 3차원적 위치를 동시에 측정하기 위하여 필터들을 사용하는 것을 보인다;
도 10은 광원 위치를 계산하기 위하여 2 센서들을 사용하는 예를 보인다;
도 11은 가상 광원 위치를 이용한 역반사체 (retroreflector) 위치 계산 원리를 보인다;
도 12는 2개의 주파수 선택 역반사체들 위치 계산을 보인다;
도 13은 다른 파장들을 가지는 2 광원들을 이용한 역반사체의 3차원적 위치 계산을 보인다;
도 14는 도 13의 역반사체의 위치를 계산하기 위하여 필터들을 이용하는 것을 보인다;
도 15는 역반사체 위치 추정 정밀도를 높이기 위하여 광원들 위치 적응 방법을 보인다.
다음 상세한 설명에는, 단일 점 광원, 1차원적 촬상기 및 촬상기에 음영을 부여하도록 배열되는 부품에 기반한 측정시스템이 먼저 제시된다. 제1 실시예에서, 본 부품은 1-차원 격자일 수 있다. 이후 2차원적 센서를 이용하고, 2 이상의 광원을 이용하여 본 시스템이 확장되는 것을 보이고 마지막으로 주변 조명으로부터의 광원들을 취급하는 방법을 제시한다.
광원 (101)은 광선 (102)을 발생시키고, 이것은 센서 가까이에서는 국부적으로 평행 광선 (103)으로 간주된다. 격자 (104)를 사용하여 일부의 광 만이 센서 (105)에 도달된다. 센서는 음영 패턴 (106)을 기록하고, 이것은 거의 격자 (104)와 유사하다. 격자는 반복 요소들 (108) 및 특유 요소 (107)를 가지며, 본 예에서 이것은 반복 요소들 중 하나가 빠진 것이다.
계산수단을 이용하여 격자에 대한 음영의 변위
Figure pct00001
를 계산한다. 측정시스템 치수들을 알고 있으므로, 고도가 쉽게 계산된다. 본 고도는 도 1에서 각도 (109)로 표시된다.
Figure pct00002
계산은 특유 요소로부터 계산된 근사 (approximate) 위치 및 반복 패턴들으로부터 계산된 위상 위치의 합으로 수행된다. 공지된 방법, 예를들면 상관 (correlation)을 이용하여, 위치
Figure pct00003
의 추정치
Figure pct00004
를 계산할 수 있다. 이후,
Figure pct00005
(음영 영상에서) 하나의 반복 패턴에서 다음 패턴까지의 거리 배수 및 위상 거리 dX의 합으로 표현된다:
Figure pct00006
n 은 차이
Figure pct00007
의 절대값이 최소가 되도록 선택된다. 위상 거리 dX 는, WO2010112082에서와 같이, 다음 식으로 계산된다
Figure pct00008
M 은 픽셀 피치이고, s(x) 는 카메라에 의해 기록된 음영 패턴 (106)이고, x 는 픽셀 좌표이고 arctan(A/B) 함수 atan2(A,B)는
Figure pct00009
에서 정의된다. 좌표계 선택에 따라,
Figure pct00010
가 촬상기에 대한 음영 위치를 나타내는지 또는 반대의 경우인지에 따라, dX 기호는 바뀐다. 또한, 음영 인코딩에 따라 - 음영은 촬상기에 따라 큰 값 또는 작은 값으로 인코딩될 수 있다 - dX 값은 △P/2 만큼 이동될 수 있다. 본 분야의 기술자는 시행착오를 거쳐 이러한 인자들을 설정하는데 어려움이 없을 것이다. 광원이 가까울수록, △P 값은 더욱 크다. 실제로는, 음영 영상을 그 자체와 상관시켜 △ P 를 측정하여, 제1 상관 피크와의 거리를 찾을 수 있다.
뛰어난 정밀도를 획득하기 위하여, 반드시 그럴 필요는 없지만 식 (2)의 합을 전체 사인 및 코사인 구간에서 구하는 것이 중요하다. 예를들면, x 범위는 0에서
Figure pct00011
배수 마이너스 1로 설정될 수 있다. 이것은 또한 촬상기 픽셀 피치가 하나의 반복 패턴에서 다음까지의 거리를 나누는 것이 바람직하다는 것을 의미하고, 즉
Figure pct00012
은 바람직하게는 정수일 수 있다.
센서 표면에서 수직으로 측정되는 센서로부터 광원까지의 수직 거리 Z를 구하기 위하여, 촬상기의 두 (또는 그 이상) 구분 지점들로부터 두 (또는 그 이상) 고도값들을 계산하고, 이들을 조합하여 거리 Z를 얻을 수 있다. 예를들면, 도 2에서, 거리
Figure pct00013
는is computed in 두 지점들에서 계산되고,
Figure pct00014
및
Figure pct00015
를 얻는다. 광원의 위치 P 는 다음과 같이 계산된다
Figure pct00016
또한 거리 Z 는 부품에 구현된 패턴에 대한 음영 패턴의 배율 (magnification)을 계산하면 계산될 수 있다; 격자의 경우 이것은 음영의 값 △P1 및 격자의 값 △P2을 계산하여 두 값들을 비교하는 것을 의미한다:
Figure pct00017
격자는 크롬-도금 유리로 제작될 수 있다. 빛은 크롬 적층 지점들에서 막히고, 그외 지점을 통과한다. 바람직한 실시예는 불투명 영역들 및 투명 영역들 구현을 위한 홀들을 이용하는 것이다. 예를들면 니켈 및 홀들로 제작된 격자가 이용될 수 있다. 오늘날 두께가 약 30 미크론이고, 수 센티미터에 걸쳐 1 미크론 홀들을 가지는 정확도로 니켈판들이 저가로 제조된다. 빛은 홀들을 통하여 직진하지만 스넬의 법칙에 따르면 유리층에 의해서는 약간 굴절되므로, 투명 영역들을 유리보다 홀들로 구현하는 것이 바람직하다.
1차원적 촬상장치를 이용하여 광원 (101)의 3차원적 위치를 계산하기 위하여, M 개의 촬상장치들, 및 M 개의 부품들이 필요하고, 여기에서 M은 2 이상이다. 각각의 부품은 광원 및 각자의 촬상장치 사이에 부착되고, 각각의 촬상-부품 쌍 (couple) 사이의 상대 위치는 고정적으로 규정된다. 촬상장치들은 비-동일면 (non-coplanar)이다.
M이 2일 때, 식 (3)은 모든 촬상장치에 적용되고, 공간 중에서 직선을 형성한다 (식 3에 의해 단지 2 차원 평면이 고정되므로). 두 촬상장치들에 대하여 계산된 두 직선들에 가장 가까운 점이 광원 (101)의 위치이다.
도 3은 3 개의 선형 장치들로부터 광원 (101)의 3차원적 위치를 계산하기 위한 예시적 설정을 보인다. 3개의 선형 센서들 (201)이 비-동일면 방식으로 배치되고, 바람직하게는 상호 수직하게 배치된다. 각각의 센서로부터 고도가 계산된다. 고도값은 모든 센서에 대하여 공간 내 평면을 형성하고, 이는 광선 (102) 및 상기 평면과 센서면 (202)의 교차점에 의해 표현된다. 광원 (101)의 위치는 이들 3 평면들의 교차점이다. 센서들이 동일면이 아니라면 이들 3 평면들은 단일 점에서 교차한다.
3을 초과하는 선형 장치들이 있는 경우, 광원 (101)의 위치는 모든 선형 장치에 대하여 계산된 고도로부터 유도되는 모든 평면에 가장 가까운 것이다. 가장 가깝다는 것은, 상기 모든 평면까지의 거리의 합이 최소라는 것을 의미한다.
본 발명은 바람직하게는 2-차원 촬상장치들을 이용하여 구현된다. 2-차원 촬상장치로, 행들 (lines) 및 열들 (column)을 따르는 음영 위치을 계산하여, 2-차원적 촬상장치에 의해 전달되는 영상에 존재하는 반복 패턴들 및 특유 요소로부터 시스템은 행들을 따르는 광원 고도를 계산하고 열들을 따르는 광원 고도를 계산할 수 있다. 가능한 최선의 정밀도를 획득하기 위하여, 고도 계산에 있어서 고도값들 추정에 사용된 영역에서 상기 음영 영상을 기록하는 대부분의 픽셀이 사용되어야 한다. 대부분이란, 최소한 80%, 바람직하게는 90% 및 가장 바람직하게는 100%의 픽셀들을 의미한다. 달리 표현하면, 100% 픽셀들을 이용하는 예들에서, 하나의 단일 픽셀 값이 변하면, 행들을 따르는 고도, 또는 열들을 따르는 고도 (또는 양자) 역시 변할 것이다. 식 (1) 및 식 (2)에 의한 구현은 다음과 같은 원리를 따른다: 위치 추정 개선에 모든 픽셀값을 사용한다. 주어진 물리적 설정에서, 정밀도 한계는 산탄잡음 (shot noise)에 따라 달라지고, 이것은 촬상장치에 의해 기록되는 양자 (photon) 개수에 따라 감소한다. 따라서 우수한 정밀도를 획득하기 위하여 계산에서 가능한 많은 픽셀값들을 이용하는 것이 중요하다. 행들을 따르는 고도 및 열들을 따르는 고도를 계산하는 구현예에서 100% 픽셀들을 이용한다는 것은 행들을 따르는 고도 계산에 50% 픽셀들을 이용하고 열들을 따르는 고도를 계산에 나머지 50% 픽셀들을 이용한다는 것을 의미한다. 이렇게 픽셀들을 분할하는 것은 계산 복잡성을 줄이고 모든 고려 대상 픽셀이 전체 계산에 사용되므로 최종 정밀도를 낮추지 않는다. 픽셀들 분할은 균형이 맞아야 하고, 달리 표현하면, 픽셀100% 분할 시, 50% (±5%)는 열들을 따라 이용되고 나머지 50% (±5%)는 행들을 따라 이용된다 (양쪽의 합은 100%). 픽셀 80% 분할인 경우, 40% (±5%) 열들을 따라 이용되고 나머지 40% (±5%)는 행들을 따라 이용된다 (양쪽의 합은 80%).
도 4는 2-차원 센서로 이루어진 격자 이미지를 보인다. 특유 요소는 대각선들 (401) 집합이고, 반복 패턴은 정사각형 (402)이다. 반복 패턴 그리드는 센서 픽셀들 그리드에 정렬된다. 센서 행들을 따르는 광원 고도는 1차원 경우와 같이 나오는 신호 (106)를 이용하여 영상의 행들을 따르는 픽셀값들의 합을 계산하여 얻어진다. 유사한 방식으로 센서의 열들을 따르는 광원 고도는 영상의 열들을 따르는 픽셀 값들을 합하여 얻어진다.
도 5는 광원의 3차원 위치 측정을 위하여 단일 센서를 이용하는 예를 도시한 것이다. 계산수단에 의해 영상은 두 구역들 (501, 502)로 나뉜다. 각각의 구역에서 격자에 대한 음영 위치를 계산하여, 양 차원들을 따르는 고도값들이 계산된다. 이들 고도값이 조합되어 광원의 3-차원 지점이 계산된다: 각각의 구역은 광원이 위치한 공간에서 라인을 형성한다. 본 라인은 각각의 구역 각각의 구역 (501 또는 502) 중심점을 교차한다. 이상적으로는, 광원 지점은 이들 두 라인들의 교차점이다. 실제로는, 측정 잡음으로 인하여, 이들 라인은 교차하지 않는다. 광원 위치는 두 라인들에 가장 가까운 공간 내 지점으로 추정된다. 달리 표현하면, 상기 지점으로부터 모든 라인까지의 거리 합이 최소화된 지점이다.
일부 실시예들에서, 특유 요소 위치는 예를들면 도 7 및 8의 패턴들을 가지는 영상의 행열을 따르는 합으로부터 나오는 신호에서 계산된다. 다른 실시예들에서, 위상 거리 dX 만이 상기 신호들로부터 계산되고; 절대 위치 추정치 (
Figure pct00018
) 는 도 4 및 6 예시에서와 같이 영상으로부터 직접 계산된다. 적합하게 작동되기 위하여 (function), 행열을 따르는 합은 반복 패턴을 보일 수 있다. 바람직하게는, 반복 패턴은 규칙적인 공간 간격에서 반복될 수 있고, 도 6 내지 8의 예시에서와 같이 언제나 동일 형상 및 크기를 가질 수 있다. 도 6은 EP2169357A1에 기술된 바와 같이 특유 요소로서 반복 패턴들로 비월되는 2-차원 코드를 사용하는 격자의 예를 보인다. 대각선들은 코드의 요소들을 나타낸다: 45도의 대각선은 1을 나타내고 -45도 대각선은 0을 나타낸다. 코드는, 최소한 3*3 코드 요소들을 가지는, 임의의 정사각형 코드 부분집합 (subset)이 유일하다는 것이 특징이다. 달리 표현하면, 최소한 (3x3) 코드 요소들을 가지는 임의의 서브-영상이 음영 위치 계산에 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 코드 사용의 이점은 격자 어느 부분이 사용된다고 하여도 특유 요소가 언제나 존재한다는 것이다. 도 7 또는 8의 격자 사용 해법보다 이러한 비월 코드가 위치 정밀도가 약간 낮아지더라도 이는 시스템에 융통성을 부여한다. 또한, 코드는 영상으로부터 직접 읽혀지고 행 또는 열에 따르는 합에서 읽어질 필요가 없다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 7의 요소는 마이크로렌즈 어레이를 이용하여 구현될 수 있다. 달리 표현하면, 부품 패턴은 마이크로렌즈이고 특유 요소는 빠진 마이크로렌즈 영역이다. 각각의 검은점은 마이크로렌즈 위치를 나타낸다. 마이크로렌즈는 종래 격자보다 생산비가 더 높지만, 더 많은 광을 가지는 따라서 더욱 신속한 측정시스템이 가능한 음영 패턴을 발생시킨다. 또한, 탈보트 효과로 알려진 회절 현상은 음영 패턴에 실질적으로 더 낮은 영향을 미친다. 이러한 마지막 이점으로 인하여 요소 및 촬상장치 사이 거리 선택에 더 많은 융통성을 제공한다. 일부 기술적인 이유로, 마이크로렌즈 어레이는 어레이 중앙에 마이크로렌즈가 빠질 수 없다면, 촬상장치를 완전히 덮지 않는 크기로; 따라서 특유 요소는 마이크로렌즈 어레이 경계에 구현되는 규칙적이고 완전한 사각형의 마이크로렌즈 어레이를 사용할 수 있고. 또한 위치 (1603)의 촬상장치 (1604)에 빛을 발생시키고, 위치 (1602)에서 음영을 발생시키는 마이크로렌즈 (1601)를 가지는 실시예는 도 16에 도시된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 시스템은 두 필터들을 이용하여 구별되는 파장들로 발광하는 두 개의 점 광원들의 3차원 위치를 측정한다. 상기 필터들 중 하나는 하나의 광원 파장에 불투명하고, 다른 광원 파장에 투명하고, 상기 필터들 중 다른 것에 대하여는 그 역이다. 바람직하게는, 광원들은 단색성이고 각각의 필터는 관련 광원 파장에서만 투명하다. 실제로는, 필터는 100% 불투명하거나 100% 투명하지 않다; 필터들은 하나의 광원에 대한 투명도가 최대가 되면서도 다른 광원에 대하여는 불투명도가 최대가 되도록 선택된다. 이렇게 절충된 필터들은 광원들의 파장들과 일치된다(matched)고 표현한다. 필터들은 부품의 구분 지점들을 커버하고, 부품의 단일 패턴 표면의 최소한 9배인 표면을 덮도록 각각의 필터가 배열된다. "필터"라고 함은, 광을 여과하도록 표면에 구현되는 광학 특성의 재료를 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 동일 필터는 센서의 구분 지점에 배치될 수 있다.
도 9는 두 필터들 (901, 904)을 가지는 시스템을 도시한 것이다. 필터 (901)는 센서 두 영역 (902, 903)을 덮고 있고, 필터 (904)는 다른 두 센서 영역 (905, 906)을 덮고 있다. 필터 아래 모든 영역은 계산수단에 의해 별개의 영상으로 처리된다. 제1 차원 및 제2 차원을 따르는 광원 고도 계산은 각각의 필터 영역 (902, 903, 905, 906)에 대하여 상응하는 영상을 취하고 상기 계산에 따라 개별적으로 수행된다. 영역 (902, 903)의 고도값들은 제1 광원 위치 계산에 사용되고, 영역 (905, 906)의 고도값들은 제2 광원 위치 계산에 사용된다.
세 번째 차원에서, 즉 측정장치에 수직한 차원에서 측정 정밀도를 높이기 위하여, 측정 구역들 (501, 502) 사이 거리는 늘어나야 한다. 이러한 작업은 단 하나 대신 두 개의 (또는 그 이상의) 구분되는 측정 장치들 (1001, 1002)을 이용하여 도 10에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서와 같은 방식으로 진행된다. 각각의 장치 (1001, 1002)는 촬상장치 및 부품으로 구성되고, 부품은 광원 및 촬상장치 사이에 부착된다. 전술된 바와 같이, 촬상장치 및 부품 간 상대 위치는 고정되고 정의된다. 장치들 (1001, 1002)은 광원의 3차원 위치를 계산하는 계산수단을 공유한다. 행들 및 열들을 따라 음영 위치를 계산함으로써, 계산수단은 각 장치 (1001, 1002)에 대한 2-차원 센서에 의해 전달되는 영상에 존재하는 반복 패턴들 및 특유 요소로부터 행들을 따르는 광원 고도 및 열들을 따르는 광원 고도를 계산한다. 이들 고도값은 공간에서 두 라인들을 형성한다. 이들 두 라인에 가장 가까운 점이 광원의 3차원 위치이다. 도 10의 측정시스템은 촬상기-부품 쌍의 임의 개수 (>1)를 사용하여 구현되고: 광원의 위치는 촬상기-부품 쌍으로 인한 각 라인까지의 거리 합이 최소인 공간 내 포인트로 추정된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 시스템은 시간적 변조 (temporal modulation)에 따라 둘 이상의 광원들 위치를 측정한다. 광원들은 예정된 시계열적 순차에 따라 온/오프가 반복된다. 예를들면, 2 광원들에 대하여는, 시간은 3 구간들 p1, p2 및 p3로 분할된다. 제1 광원은 구간 p1에서 온, 구간p2 및 p3에서 오프; 제2 광원은 구간 p2에서 온, 구간 p1 및 p3에서 오프된다. 센서 측에서는, 계산수단이 모든 광원이 오프될 때를 감지하고, 따라서 광원들과 동기화시킬 수 있다. 이후, 이들 계산수단은 구간 p1에서 위치 추정을 수행하고, 이것은 제1 광원 위치에 상응하고, 구간 p2에서 위치 추정을 수행하고, 이는 제2 광원 위치에 해당된다. 구간 p3에서 취해지는 영상은 위치가 측정되어야하는 광원들에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 구간 p3에서 기록되는 영상은 구간 p1 및 p2에서 얻은 영상으로부터 제거되어, 새로운 영상을 출력하며, 이것은 위치 계산을 위한 음영 영상의 대체물로 사용된다. 이러한 마지막 계산으로 관심있는 광원의 위치 추정에 대한 불요 광원들의 영향을 완화시킬 수 있다.
본 원리는 임의 개수의 광원들로 연장될 수 있고, 본 예시에 도시된 바와 같이 신호의 시간적 다중화 (temporal multiplexing)는 통신 분야에 잘 알려져 있다. 특히, 환경에서 불요 (spurious) 광원들의 영향을 완화시키기 위하여 온, 오프 되는 단일 광원으로 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광원은 변조회로를 이용하여 변조된다. 예를들면, 광원은 바람직하게는 다음 사인 법칙을 따라 휘도 L을 전송하도록 변조된다
Figure pct00019
여기에서 t는 시간, P 및 Q는 상수들, 및 f는 광원의 변조주파수이다. P는 Q보다 크거나 같고, 바람직하게는 Q보다 약간 크다. 수신 측에서는, 즉, 촬상장치 측에서는, 3 영상들이 시간 t 1 , t 2 및 t 3 에서 취해지고 영상들 I 1 , I 2 및 I 3 이 형성되며, 여기에서
Figure pct00020
이고 m 및n은 임의의 정수인 상수이지만, 바람직하게는 0이다. 영상들의 합
Figure pct00021
을 취하여 변조 평균 영상을 구할 수 있다. 본 새로운 영상 Is을 영상들 I 1 , I 2 및 I 3 로부터 제거한다. 광원의 3차원 위치 계산에 고려되는 새로운 영상은 다음과 같다
Figure pct00022
영상 In은 0이 아니라고 보증되고, t 1 선택에 독립적이다. 달리 표현하면, 측정장치는 진동주파수 f를 알기만 하면 되고, 광원 변조와 동기될 필요는 없다. 또한, 새로운 영상 In은 환경 중 임의의 비-진동 광원에 독립적이다. f 및 m, n을 근사적으로 선택함으로써, 새로운 영상 In은100Hz 또는 120Hz에서 진동하는 배경 광원에 독립적으로 제작될 수 있다. 예를들면, 배경 중 100Hz에서 진동하는 광원에 독립적이기 위하여는, (t2-t1) 는 1/100 초의 배수여야 하며, (t2-t1) 역시 1/100 초의 배수이어야 한다. 바람직하게는, 진동주파수 f는 배경 주파수의 3배로 설정된다. 배경 중 120Hz에서 진동하는 광원에 독립적이기 위하여는, (t2-t1) 는 1/120 초의 배수여야 하며, (t3-t1) 역시 1/120 초의 배수이어야 한다. 백열 광원들은 대부분의 국가에서 50Hz 또는 60Hz로 설정되는 전원선의 주파수 2배에서 진동되므로 100Hz 및 120Hz는 특히 중요한 주파수들이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 광원 (101)은 계산수단 및 촬상장치에 연결된다. 연결이란, 계산수단, 촬상장치 및 광원 간 최소한 하나의 전기접속이 있는 것을 의미한다. 예를들면, 광원은 동일 회로에서 촬상장치 옆에 놓일 수 있고, 또는 촬상장치 중앙에도 놓일 수 있다. 이러한 구성은 단 하나의 전원공급이 필요하며, 영상 획득 및 발광 간 매우 편리한 동기화가 가능하다. 예를들면, 광을 온시키고 영상을 얻고, 광을 오프하고 다른 영상을 얻고, 두 영상들을 조합하여 환경 중 불요 광원들의 영향을 완화시킬 수 있다. 본 실시예에서, 광을 광원으로 및 센서로 다시 반사시키는 역반사체 (1103)가 사용된다. 역반사체는 역반사체 배향과는 독립적으로 임의의 광선을 입사 방향과 평행한 방향으로 다시 반사시키는 광학 요소이다. 역반사체 요소는 서로 90°로 배치되는 3 개의 거울들로 이루어지거나, 특정 굴절률을 가지는 구일 수 있다. 빛이 공기 내에서 이동하면, 구의 굴절률은 2가 되어야 한다. 광원 (101)은 촬상장치 (1104)에 가까이 배치되어야 광이 촬상장치에서 역-반사될 수 있다. 전술된 바와 같은 계산 방법을 적용하여, 가상 광원 (1102) 위치를 얻을 수 있다. 계산된 가상 광원 (1102) 위치, 및 물리적 광원 (101) 위치 사이 중앙 지점이 역반사체 위치이고, 따라서 가상 광원 위치에서 역반사체 위치를 계산하는 것은 간단하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 시스템은 두 필터들을 이용하여 도 9에 도시된 바와 같이, 구별되는 파장들로 빛을 반사하는 두 개의 역반사체들 (1203, 1213)의 3차원 위치를 측정한다. 상기 필터들 중 하나는 하나의 역반사체 파장에 불투명하고, 다른 역반사체 파장에 투명하고, 상기 필터들 중 다른 것에 대하여는 그 역이다. 필터들은 역반사체 파장들과 일치되어야 한다. 즉, 제1 필터는 제1 역반사체 (1203)의 반사 파장에 투명하여야 하고 제1 역반사체 (1213)의 반사파장에 불투명하여야 한다. 필터들은 부품의 구분 지점들을 커버하고, 부품의 단일 패턴 표면의 최소한 9배인 표면을 덮도록 각각의 필터가 배열된다. "필터"라고 함은, 광을 여과하도록 표면에 구현되는 광학 특성의 재료를 의미한다. 이러한 정의에 따르면, 동일 필터는 센서의 구분 지점에 배치될 수 있다. 본 실시예는 여러 파장들을 내는 단일광원을 이용하거나, 파장이 역반사체들 및 필터들과 일치하는 두개의 광원들을 이용한다. 본 방법은 둘 이상의 역반사체들로 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 시스템은, 도 14에 도시된 바와 같이 두 개의 필터들, 및 도 13에 도시된 바와 같이 계산수단 및 촬상장치에 연결된 2개의 광원들 (1301, 1302)을 이용하여 역반사체 (1103)의 3차원 위치를 측정한다. 상기 필터들 중 하나는 하나의 광원 (1301)의 파장들에 불투명하고, 다른 광원 (1302)의 파장에 투명하며, 상기 필터의 다른 것에 대하여는 역이다. 필터들은 부품의 구분 지점들을 커버하고, 부품의 단일 패턴 표면의 최소한 9배인 표면을 덮도록 각각의 필터가 배열된다. "필터"라고 함은, 광을 여과하도록 표면에 구현되는 광학 특성의 재료를 의미한다. 가상 광원 (1312)의 고도값들은 필터 (901) 아래 영상을 이용하여 계산되고, 이는 상기 가상 광원이 위치한 공간 내 라인 (1322)을 형성한다. 역반사체는 광원 및 이의 가상 대응체 (counterpart) 사이 1/2 지점에 위치하므로, 역반사체는 라인 (1332)에 위치하고, 이는 라인 (1322)과 평행하고 고도 측정 지점 (1300), 및 광원 지점 (1302)의 중간이다. 비슷한 논리로, 역반사체는 라인 (1331)에 위치하고, 이것은 가상 광원 (1311) 위치를 규정하는 라인 (1321)에 평행하다. 따라서, 역반사체 3차원 위치는 라인들 (1331, 1332)을 교차시켜 획득된다. 교차되지 않는다면, 두 라인들에 가장 가까운 지점이 선택된다. 광원들 (1301, 1302) 사이 거리는 역반사체 측정 높이 정밀도에 영향을 준다. 한편, 이들 광원들은 촬상장치에 가까이 있어야 역반사체로부터 일부 광을 수용할 수 있고, 다른 한편으로는, 이들 광원들은 서로 떨어져 놓여야 최선의 측정 높이 정밀도를 획득할 수 있다. 최적의 정밀도를 얻기 위하여, 촬상장치에 가까운 광원들 (1301, 1302)을 이용하여 제1 측정이 이루어지고, 이어 더욱 멀어진 광원들로 측정된다. 역반사체가 가까이 있으면, 광원은 촬상장치에 가까이 있어야 하고, 그렇지 않다면 충분한 광이 촬상장치에서 반사되지 않을 것이다. 역반사체가 멀어지면, 광원은 촬상장치로부터 더욱 멀리 놓이고, 여전히 촬상장치에 일부 빛을 반사할 수 있다. 실제로는, 광원들을 변위시키는 대신, 광원들을 센서에서 복제하여 각각의 광원에 대한 여러 동일한 사본들이 촬상장치로부터 거리가 멀어지도록 위치한다. 도 15는 광원 (1301)가 복제된 광원 (1511, 1521), 및 광원 (1302)이 복제된 광원 (1512, 1522)을 도시한다. 광원들의 변위는 광원들 (1301, 1302) 소등, 및 광원들 (1511, 1512) 점등과 동일하다. 광원들은 개별적으로 계산수단에 의해 접근되어야 상기와 같은 방식으로 점등 및 소등할 수 있다.
공간 내의 여러 광원들, 또는 여러 역반사체들의 3차원 위치를 계산함으로써, 광원들 또는 역반사체들이 대상체의 일부라면 여러 자유도를 가진 대상체의 위치를 계산하는 것은 간단하다. 예를들면, 3 광원들이 단일 대상체에 배치되고, 대상체의 - 위치 및 방향 - 6개의 자유도는 쉽게 계산될 수 있다. 이러한 방식은 적절한 개수의 광원들에 의해 제공되는 임의 개수의 자유도까지 확장될 수 있다. 잘 알려진 예로는 대상체 평면에 놓이는 4 광원들을 이용한 대상체의 6 자유도를 계산하는 것이다:R. Hartley 및 A. Zissermann, "Multiple View Geometry in Computer Vision" 2 판, Cambridge 대학출판사, 2003, section 8.1.1.에 기술된 바와 같이 대상체의 6 자유도는 광원들의 고도값들 -또는 균등하게 이들 음영의 (x,y)지점들-로부터 계산될 수 있다.
결론적으로, 촬상기에 음영 (shadow)을 부여하는 부품이 공간 내 광원의 고도 추정을 위하여 사용된다. 다수의 음영들이 존재할 때, 광원의3차원적 위치가 계산된다. 부품이 반복 패턴들을 가지면, 빛의 파장 수준 이하의 정밀도로 음영 위치가 계산된다. 패턴이 촬상장치 행 및 열과 정렬된다면, 픽셀값의 행들 합 및 열들 합으로부터 계산이 수행되므로, 상당한 계산량 및 메모리 소모를 줄일 수 있다. 환경 중 기타 광들의 교란은 적절한 광 변조를 이용하거나, 색상 필터들을 이용하거나, 두 방법을 활용하여 감소시킬 수 있다. 여러 광들의 위치 추정은 시간적 다중화 코드를 이용하거나, 구별되는 파장들 및 촬상장치 상부에서의 일치된 필터들을 이용하여 계산된다. 세 번째 차원 (dimension) 즉 광원으로부터 센서까지의 거리를 추정함에 있어 정밀도 개선을 위하여, 2개의 요소들을 가지는2 개의 촬상장치들이 사용될 수 있고, 이들은 상당한 거리를 가지고 배치되어야 한다. 단 하나의 활성 부품을 가지는 시스템에 대하여, 광원은 역반사체로 대체되고 제2 광원을 촬상장치에 가까이 배치한다. 이러한 설정에서 역반사체는 광원과는 달리 전원공급이 필요하지 않다. 또한, 제2 광원 및 촬상장치와의 동기화는 두 요소들 간의 직접적인 연결로 매우 단순화된다. 역반사체를 가지는 설정은 2 광원들 및 2 일치 필터들을 이용하여 구현될 수 있다. 광원들 간 거리는 세번째 치수 추정 정밀도를 결정한다. 마지막으로, 상기 두 광원들 간 거리는 세번째 치수 정밀도를 높이기 위하여 증가될 수 있다.
본 상세한 설명은 비-제한적 예시 목적으로만 제공된다. 본 분야의 기술자는 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범위 내에서 본 발명을 적용시킬 수 있다.

Claims (23)

  1. 최소한 하나의 차원 (dimension)에 배치되는 다수의 감지 픽셀들로 이루어지는 최소한 하나의 촬상장치; - 최소한 하나의 점 광원; - 촬상장치 상에 음영을 부여하도록 배열되고, 촬상장치에 대하여 고정되는 최소한 하나의 부품; - 계산수단을 포함하여 구성되고, 상기 부품은 평탄면에 구현되는 반복 패턴들 및 특유 요소를 포함하여, 반복 패턴들 및 특유 요소로 이루어진 음영을 부여하도록 구성되고, 상기 촬상장치는 상기 음영의 영상을 기록하도록 구성되고, 상기 계산수단은 상기 영상에 존재하는 반복 패턴들 및 특유 요소로부터 광원의 고도 (elevation)를 계산하도록 구성되는, 측정시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부품의 패턴들은 마이크로렌즈들로 제작되고 특유 요소는 최소한 하나의 마이크로렌즈가 빠진 (missing) 영역의 집합인, 측정시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 부품은 평탄면에 구현되는 불투명 반복 패턴들 및 특유 요소를 포함하여 구성되는 격자인, 측정시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, M개의 촬상장치들 및 M개의 부품들을 가지고, 각각의 부품은 광원 및 각각의 상응 촬상장치 사이에 부착되고, 각각의 촬상장치-부품 쌍 (couple) 사이 상대 위치는 고정되어 정의되고 (defined), M은 2 이상이며, 상기 촬상장치들은 모두가 비-동일면이며, 계산수단은 광원의 3차원 위치를 계산하도록 구성되는, 측정시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 촬상장치는 2차원으로 배치되는 다수의 감지 픽셀들로 구성되고; 계산수단은 상기 영상에 존재하는 반복 패턴들 및 특유 요소로부터 광원의 제1 차원을 따라 고도를 계산하고 제2 차원을 따라 고도를 계산하도록 구성되고, 음영의 상기 영상을 기록하는 대부분의 상기 픽셀은 제1 차원을 따르는 고도값 또는 제2 차원을 따르는 고도값에 영향을 미치는, 측정시스템.
  6. 제5항에 있어서, 특유 요소는 반복 패턴들과 엇갈리는 (interlaced) 2차원적 코드이고, 최소한 3*3의 코드 요소들을 가지는 임의의 정사각형의 코드 부분집합 (subset)은 특유한, 측정시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 영상의 행들 (lines)에 걸친 (over) 합 (sum) 및 상기 영상의 열들 (columns)에 걸친 합은 부품에 대한 음영 위치를 정의하도록 부품이 픽셀 매트릭스와 정렬되는, 측정시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 구별되는 파장들에서 발광하는 최소한 두 점광원들 및 최소한 두 필터들을 포함하고, 필터들은 부품의 구분 지점들을 덮고, 각각의 필터는 부품의 단일 패턴 표면의 최소한 9배인 표면을 덮도록 배열되고, 필터들은 광원들의 파장들과 일치되고, 촬상장치는 필터들에 의해 덮힌 면적 당 하나의 영상을 전송하도록 구성되는, 측정시스템.
  9. 제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 역반사체를 포함하며, 광원은 계산수단 및 촬상장치에 연결되며, 계산수단은 역반사체의 고도를 계산하도록 구성되는, 측정시스템.
  10. 제9항에 있어서, 구별되는 파장들에서 발광하는 최소한 두 역반사체들 및 최소한 두 필터들을 포함하고, 필터들은 부품의 구분 지점들을 덮고, 각각의 필터는 부품의 단일 패턴 표면의 최소한 9배인 표면을 덮도록 배열되고, 필터들은 역반사체들의 반사 파장들과 일치되고, 촬상장치는 필터들에 의해 덮힌 면적 당 하나의 영상을 전송하도록 구성되는, 측정시스템.
  11. 제9항에 있어서, 구별되는 파장들에서 발광하는 최소한 두 점광원들 및 최소한 두 필터들을 포함하고, 필터들은 부품의 구분 지점들을 덮고, 각각의 필터는 부품의 단일 패턴 표면의 최소한 9배인 표면을 덮도록 배열되고, 필터들은 광원들의 파장들과 일치되고, 촬상장치는 필터들에 의해 덮힌 면적 당 하나의 영상을 전송하도록 구성되고, 모든 광원은 계산수단 및 촬상장치에 연결되는, 측정시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광원들의 여러 동일한 사본들 (copies)을 포함하고, 모든 광원은 개별적으로 접근될 수 있고 상기 광원들의 사본들은 촬상장치로부터 멀어지는 거리에 위치하는, 측정시스템.
  13. 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 두 차원들을 따르는 고도가 동일 촬상장치의 두 구분 지점들에서 정의되고, 모든 상기 고도들의 조합으로 점광원의 3차원 위치를 정의하도록 계산수단이 구성되는, 측정시스템.
  14. 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, N개의 촬상장치들 및 N개의 부품들을 가지고, 각각의 부품은 광원 및 각각의 상응 촬상장치 사이에 부착되고, 각각의 촬상장치-부품 쌍 (couple) 사이 상대 위치는 고정되어 정의되고 (defined), N은 2 이상이며, 계산수단은 광원의3차원 위치를 계산하도록 구성되는, 측정시스템.
  15. 제5항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 예정된 시간 순차에 따라 광원(들)의 온-및-오프를 전환하도록 구성되는 제어수단을 포함하는, 측정시스템.
  16. 제5항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서, 반복적인 방식으로 광의 파워를 변조하도록 구성되는 변조 회로를 포함하는, 측정시스템.
  17. 제5항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 의한 시스템을 이용하여 다음 단계들로 구성되는 광원 위치 측정 방법:
    - 촬상장치는 음영 영상을 기록하고,
    - 음영 영상은 부품에 대한 음영 위치를 계산하는데 이용되고, 음영에 존재하는 패턴들의 반복 특성은 상기 위치에 대한 정밀도를 개선하기 위하여 이용되고,
    - 음영 위치는 촬상장치의 제1 차원 및 제2 차원을 따르는 광원 또는 역반사체의 고도를 계산하는데 이용된다.
  18. 제17항에 있어서, 부품의 음영 위치는 특유 요소로부터 계산되는 근사위치 및 반복 패턴들로부터 계산되는 위상위치의 합으로 획득되는, 광원 위치 측정 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 부품의 음영 위치는 음영 영상의 행들 (lines)에 따른 합 및 열들 (columns)에 따른 합으로부터 계산되는, 광원 위치 측정 방법.
  20. 제17항, 제18항 또는 제19항에 있어서, 부품에 대한 음영 위치는 촬상장치의 최소한 두 구분 지점들에서 계산되고, 상기 위치들의 조합이 광원 또는 역반사체의3차원 위치를 계산하기 위하여 사용되는, 광원 위치 측정 방법.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서 제16항의 시스템을 이용하고,
    - 변조회로는 광원 강도를 변조하고,
    - 음영 영상은 최소한 2회 기록되고,
    - 상기 기록들은 조합되어 새로운 음영 영상이 전송되고,
    - 상기 기록들의 조합은 새로운 영상에 대한, 상기 변조회로에 의해 변조된 광원과는 다른 변조의 측정시스템 환경에 존재하는 임의의 다른 광원의 영향을 제거하고,
    - 부품에 대한 음영 위치는 상기 새로운 음영 영상으로부터 계산되는, 광원 위치 측정 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서 제11항의 시스템을 이용하고, 부품에 대한 음영 위치는 필터들에 의해 덮힌 면적 당 최소한 1회 계산되고, 상기 위치들의 조합이 역반사체의 3차원 위치 계산에 이용되는, 광원 위치 측정 방법.
  23. 제22항에 있어서 제12항의 시스템을 이용하고, 역반사체의 3차원 위치는 먼저 센서에 가까운 제1 광원 (1301) 및 제2 광원 (1302)을 이용하여 계산되고, 이후 센서에서 더 멀리 떨어진 제1 광원 (1301) 사본 및 제2 광원 (1302) 사본을 이용하여 계산되는, 광원 위치 측정 방법.
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