KR20150018977A - 3차원 표면 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 방법은, 둘 이상의 색상으로 구성된 반복 조명 패턴을 일정 각도로 측정 대상 물체에 조사하는 단계, 1차원 구조의 수광부를 가지는 카메라를 이용하여 상기 측정 대상 물체에 조사된 반복 조명 패턴을 촬영하는 단계 및 상기 촬영된 반복 조명 패턴으로부터 획득된, 상기 둘 이상의 색상 각각에 대한 측정 값에 기반하여, 상기 측정 대상 물체의 형상에 대한 정보를 계산하는 단계를 포함하고, 카메라 및 상기 측정 대상 물체는 상기 카메라가 상기 측정 대상 물체를 촬영하는 동안 상대 이동한다.

Description

3차원 표면 측정 장치 및 방법{THREE-DIMENSIONAL SURFACE MEASURING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 측정 대상 물체의 3차원 형상을 측정하기 위한 것으로서, 더욱 구체적으로 측정 대상 물체의 표면에 형성되는 컬러 모아레(moire) 패턴을 이용하여 측정 대상 물체의 3차원 형상을 측정하기 위한 것이다.
3차원의 형상을 측정하기 위한 기술로서, 다양한 기술들이 제시되어 왔다. 3차원 형상을 측정하기 위한 기술로는 접촉식 3차원 좌표 측정 방법 및 비접촉식 3차원 좌표 측정 방법이 존재한다. 광학기술이 발전함에 따라, 비접촉식 3차원 좌표 측정 방법으로서, 광삼각법(optical triangulation), 광촉침식(optical profilometry), 동촛점 현미경(confocal microscopy), 모아레 토포그래피(moire topography) 계측법 등 다양한 방법이 제시되고 있다.
모아레 토포그래피 계측법은 공간적인 간섭무늬를 이용한 표면 측정 방법의 일 예이다. 모아레 토포그래피 계측법은 측정 대상 물체에 일정한 형태의 패턴을 가지는 빛을 조사하여, 공간적인 간섭패턴을 형성한다. 측정 대상 물체의 3차원 형상은, 형성된 공간적인 간섭패턴을 해석함으로써 수행된다. 모아레 간섭 패턴은 이러한 간섭패턴의 일 예로서, 주기성을 가지는 패턴들이 중첩되는 경우 나타나는 패턴을 의미한다.
그림자식 모아레 토포그래피 계측법에서는, 광원으로부터 생성된 조명이 측정 대상 물체 바로 앞에 위치한 격자(grating)를 통과하여 측정 대상 물체에 조사된다. 측정 대상 물체의 표면에는 격자 형태의 그림자 혹은 탈봇(talbot) 효과에 따른 격자 패턴이 생성된다. 측정 대상 물체의 표면에 생성된 그림자와 격자의 이미지가 합쳐져서 발생하는 모아레 패턴은 그림자 모아레(shadow moire) 패턴으로 불리운다. 그림자식 모아레 토포그래피 계측법에서는 그림자 모아레 패턴을 해석하여 측정 대상 물체의 3차원 형상을 측정한다.
영사식(투영식) 모아레 토포그래피 계측법에서는, 영사기를 이용하여 기준 격자를 측정 대상 물체에 투영시킨다. 광원으로부터 조사된 조명은 제 1 격자(기준격자)를 통과하고, 제 1 결상렌즈를 통과하여 측정 대상 물체에 투영된다. 측정 대상 물체에 투영된 기준 격자의 패턴은 제 2 결상렌즈를 통과하여 제 2 격자에 투영된다. 영사식 모아레 토포그래피 계측법에서는 제 1 격자 및 제 2 격자의 이미지에 의해 생성되는 모아레 패턴을 해석하여 측정 대상 물체의 3차원 형상을 측정한다.
모아레 토포그래피 계측법의 정밀도 향상을 위해 다양한 방법이 시도된다. 위상천이법은 모아레 패턴을 주기의 1/3 이나 1/4 정도 이동 시켜서 3장 이상의 위상 천이된 모아레 패턴 영상을 촬영하여, 이를 이용하여 측정 대상 물체의 3차원 형상을 측정한다. 위상 천이된 모아레 패턴 영상을 촬영하기 위하여, 기준 격자를 기계적으로 이동시켜서 위상 천이된 모아레 패턴 영상을 촬영한다. 위상천이된 모아레 패턴을 촬영하기 위해서는, 측정 대상 물체가 고정되어야 한다. 또한, 격자를 기계적으로 이동시켜 정지시킨 후 모아레 패턴 영상을 촬영하기 때문에, 측정 대상 물체의 촬영을 위한 시간이 증가하게 된다.
상술한 바와 같이, 본원 발명의 목적을 달성하고, 후술되는 본원 발명의 특유의 효과를 달성하기 위한, 본 발명의 기술적 특징들은 다음과 같다:
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 방법은, 둘 이상의 색상으로 구성된 반복 조명 패턴을 일정 각도로 측정 대상 물체에 조사하는 단계, 1차원 구조의 수광부를 가지는 카메라를 이용하여 상기 측정 대상 물체에 조사된 반복 조명 패턴을 촬영하는 단계 및 상기 촬영된 반복 조명 패턴으로부터 획득된, 상기 둘 이상의 색상 각각에 대한 측정 값에 기반하여, 상기 측정 대상 물체의 형상에 대한 정보를 계산하는 단계를 포함하고, 카메라 및 상기 측정 대상 물체는 상기 카메라가 상기 측정 대상 물체를 촬영하는 동안 상대 이동한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 방법에서, 상기 카메라는 상기 측정 대상 물체에 대하여 기울어져 촬영한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 방법에서, 반복 조명 패턴은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 세가지 색으로 이루어진 반복 조명 패턴을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 방법에서, 카메라는 1차원 구조의 CCD를 가지는 카메라이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 방법에서, 계산하는 단계는, 측정 대상 물체의 반사도 및 색상 정보를 이용하여 색보정을 수행하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 장치는, 둘 이상의 색상으로 구성된 반복 조명 패턴을, 일정 각도로 상기 측정 대상 물체에 조사하는 투영부, 1 차원 구조의 수광부를 가지고, 상기 측정 대상 물체에 조사된 반복 조명 패턴을 촬영하는 카메라 및 상기 촬영된 반복 조명 패턴으로부터 획득된, 상기 둘 이상의 색상 각각에 대한 측정 값에 기반하여, 상기 측정 대상 물체의 형상에 대한 정보를 계산하는 제어부를 포함하고, 상기 카메라 및 상기 측정 대상 물체는 상기 카메라가 상기 측정 대상 물체를 촬영하는 동안 상대 이동 가능하도록 구성된다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 장치에서, 상기 카메라는 상기 측정 대상 물체에 대하여 기울어져 촬영하도록 설치된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 장치에서, 상기 카메라는 1차원 구조의 CCD를 가지는 카메라이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 장치에서, 반복 조명 패턴은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 세 가지 색으로 이루어진 반복 조명 패턴을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3차원 표면 측정 장치에서, 제어부는, 측정 대상 물체의 반소디 및 색상 정보를 이용하여 색보정을 수행하도록 구성된다.
도 1은 종래 기술에 따른 그림자식 모아레 측정 방식에 따른 3차원 형상 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 투영부의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 색상 차단 필터들을 통과한, 반복적인 컬러패턴의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 카메라의 배치를 도시한 도면이다.
도 7a는 카메라 및 렌즈에 따른 초점 거리 및 심도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7b는 2차원 CCD를 갖는 카메라가 기울어져 촬영되는 경우 초점 거리 및 심도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라의 가시광선에서의 파장대별 반응도의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정 장치에서, 카메라가 선반의 연직 상방이 아닌, 기울어져 측정 대상 물체를 촬영하는 모습을 나타낸 도면이다.
다양한 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점이 인식될 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
다양한 양상들 및 특징들이 다수의 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등을 포함할 수 있는 시스템에 의하여 제시될 것이다. 다양한 시스템들이 추가적인 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등을 포함할 수 있고 그리고/또는 도면들과 관련하여 논의된 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등 모두를 포함할 수 없다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술된 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않아야 한다. 아래에서 사용되는 용어들 '컴포넌트', '모듈', '시스템', '인터페이스' 등은 일반적으로 컴퓨터 관련 엔티티(computer-related entity)를 의미하며, 예를 들어, 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어를 의미할 수 있다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징, 단계, 동작, 모듈, 구성요소 및/또는 컴포넌트가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 동작, 모듈, 구성요소, 컴포넌트 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 더불어, 본 명세서에서 제 1 및 제 2 등의 용어가 다양한 구성요소를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 구성요소는 이러한 용어에 의해 한정되지 아니한다. 즉, 이러한 용어는 둘 이상의 구성요소 간의 구별을 위해서 사용될 뿐이고, 순서 또는 우선순위를 의미하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 그림자식 모아레 측정 방식에 따른 3차원 형상 측정 장치를 도시한 도면이다. 도 1의 3차원 형상 측정 장치(P100)는 투영부(P110), 카메라부(P120), 선반(P130), 격자(P141) 및 격자 구동부(P121)를 포함할 수 있다.
카메라부(P120)는 이미징 렌즈(P122) 및 2차원 CCD 카메라(P141)를 포함할 수 있다.
3차원 형상 측정 장치(P100)는 투영부(P110)를 통해 조명을 측정 대상 물체(M)에 조사할 수 있다. 투영부(P110)를 통해 조사된 빛은 격자(P141)를 통과하여 측정 대상 물체(M) 상에 그림자 무늬가 형성될 수 있다. 측정 대상 물체(M)는 선반(P130)위에 올려져 있을 수 있다.
상기 카메라(142)는 상기 측정 대상 물체(M)에 조명에 의해 형성된 그림자 무늬를 촬영할 수 있다. 상기 측정 대상 물체(M) 상에 형성된 그림자 무늬와 격자(P141)의 무늬가 합성되어 형성된 모아레 패턴이, 카메라부(120)에 의해 촬영될 수 있다. 형성된 모아레 패턴은 이미징 렌즈(P122)를 통해 2차원 카메라(P121)에 결상될 수 있다. 2차원 카메라(P121)는 일반적으로, 2차원 영상감지소자 배열(예를 들어, CCD)를 가지는 카메라일 수 있다.
2차원 카메라(P121)에 의해 촬영된 모아레 패턴은 제어부(미도시)에 전달되며, 제어부(미도시)는 이에 기반하여 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상을 계산할 수 있다. 제어부(미도시)가 3차원 형상을 계산하기 위해서는 2차원 카메라(P121)가 촬영한 모아레 무늬의 위상을 계산하여야 한다. 이를 위하여, 둘 이상의 위상 천이된 모아레 패턴을 촬영하여 이를 해석하여야 한다. 일반적으로 동일한 측정 대상 물체(M)에 대하여 3~4개의 위상 천이된 모아레 패턴을 촬영하여, 물체의 3차원 형상을 측정한다. 물체의 3차원 형상을 측정한다는 의미는, 측정 대상 물체(M)의 선반(P130)으로부터의 표면 높이를 측정한다는 것을 의미할 수 있다. 측정 대상 물체(M)의 2차원 형상은 2차원 카메라(P121)에 의해 촬영될 수 있으며, 2차원 카메라(P121)에 의해 촬영된 측정 대상 물체(M)의 2차원 형상에, 선반(P130)으로부터 연직 상방의 높이 데이터를 계산하면, 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상이 측정되는 것이기 때문이다.
3장 또는 4장의 위상 천이된 모아레 패턴을 촬영하기 위해서 격자 구동부(P142)는 선반(P130)의 연직 상방 또는 하방으로 미리결정된 크기 만큼 이동하여, 위상 천이된 모아레 패턴이 2차원 카메라(P121)에 의해 촬영되도록 할 수 있다. 격자 구동부(P142)는 예를 들어, 모아레 패턴이 원래 주기의 1/3 혹은 1/4 만큼 위상 천이되어 2차원 카메라(P121)에 촬영되도록 미리 설정된 변위만큼 이동할 수 있다.
도 1에 도시된, 종래 기술에 따른 그림자식 모아레 측정 방식에 따른 3차원 형상 측정 장치(P100)에서, 격자 구동부(P142)가 격자(P141)를 이동시켜 위상 천이된 모아레 패턴을 형성하는 동안, 측정 대상 물체(M)는 선반(P130) 위에 고정되어 있어야 한다.
도 1의 3차원 형상 측정 장치(P100)의 제어부(미도시)는 측정 대상 물체(M)에 대하여 위상 천이된 3개 또는 4개 이상의 모아레 패턴에 기초하여, 위상천이법을 이용해 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상 측정을 실시한다. 위상 천이법의 예로는 측정 대상 물체(M)에 대한 영상의 개수에 따라 3-Bucket, 4-Bucket 알고리즘 또는 n-Bucket 알고리즘을 이용하여, 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상을 계산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3차원 형상 측정 장치(100)는 투영부(110), 카메라(120), 선반(130), 측정체 이송부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 구성요소가, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)를 구성하기 위한 필수적인 구성요소는 아니며, 필요에 따라 도 2에 도시된 일부 구성요소가 생략되거나, 도시되지 않은 일부 구성요소가 부가되어 3차원 형상 측정 장치(100)를 구성할 수 있다.
투영부(110)는 측정 대상 물체(M)에 둘 이상의 색상으로 구성된 반복 조명 패턴을 측정 대상 물체(M)에 조사할 수 있다. 카메라(120)는 측정 대상 물체에 조사된 반복 조명 패턴을 촬영할 수 있다. 선반(130)은 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상이 측정되는 동안 측정 대상 물체(M)를 지지할 수 있다. 측정체 이송부(140)는 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상을 측정 하는 동안, 측정 대상 물체(M)를 일 방향으로 이동시킬 수 있다. 일 예에서, 측정체 이송부(140)는 선반(130)과 통합되어 선반(130)에 의해 지지된 측정 대상 물체(M)가 카메라(120)에 대해 상대이동하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)를 도시한 도면이다. 3차원 형상 측정 장치(100)는 투영부(110), 카메라(120), 선반(130) 및 카메라(120)를 통해 촬영된 영상에 기초하여 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상을 계산하는 제어부(150)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시되지 않았으나, 3차원 형상 측정 장치(100)는 측정체 이송부(140)를 더 포함할 수 있다.
투영부(110)는 둘 이상의 색상으로 구성된 반복 조명 패턴을, 측정 대상 물체(M)의 연직 상방과 일정한 각도를 이루에 측정 대상 물체(M)에 조사할 수 있다. 일 예에서, 반복 조명 패턴은 3가지 이상의 색상으로 구성될 수 있다. 일 예에서, 반복 조명 패턴은 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Green) 세 가지 색으로 이루어진 반복 조명 패턴을 포함할 수 있다. 예시된 반복 조명 패턴은 설명을 위해 개시된 것이며, 설계상의 필요에 따라 반복 조명 패턴을 구성하는 색상의 개수 및 색상의 종류는 다양하게 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)의 투영부(110)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 투영부(110)는, 광원(111), 제 1 렌즈(112), 제 2 렌즈(114), 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)로 구성될 수 있다. 도 4에 도시된 구성요소들은 설명을 위해 그 비례가 변형되어 도시된 것일 수 있다. 도 4에 도시된 구성요소들은 투영부(110)의 동작을 위해 필수 불가결한 구성요소임을 의미하는 것이 아니며, 투영부(110)의 기능을 달성하기 위해 필수적인 구성요소를 제외한 부가적인 구성요소는 선택적으로 생략될 수 있으며, 도 4에 도시되지 않은 구성요소가 부가되어 투영부(110)를 구성할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광원(111)으로부터 조사된 빛은 제 1 렌즈를 통과하여 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)을 통과할 수 있다. 광원(111)은 백색광을 출력하는 광원일 수 있다.
색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)은 예를 들어, 적색 차단 필터(113R), 녹색 차단 필터(113G) 및 청색 차단 필터(11B)들로 구성될 수 있다. 적색 차단 필터(113R), 녹색 차단 필터(113G) 및 청색 차단 필터(11B)는 각각 가시광선 중 적색광, 녹색광, 청색광에 해당하는 파장의 빛을 차단하는 대역차단 필터 특성을 가지는 필터일 수 있다. 다른 예에서, 적색 차단 필터(113R), 녹색 차단 필터(113G) 및 청색 차단 필터(11B)는 각각 가시광선 중 적색광, 녹색광, 청색광에 해당하는 파장의 빛을 통과시키고 나머지 파장의 빛을 차단하는 대역통과 필터 특성을 가지는 필터일 수 있다.
색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)은 접착가능한 박막으로 형성되어, 제 1 렌즈(112) 또는 제 2 렌즈(114)에 부착되거나, 별도에 평판(미도시)에 부착되어 제 1 렌즈(112) 또는 제 2 렌즈(114)사이에 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)은 상호 중첩되도록 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 적색 차단 필터(113R)의 일부 영역에 녹색 차단 필터(113G) 및 청색 차단 필터(113B)의 일부가 중첩되어 배치될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)을 통과한 빛은 서로 상이한 종류의 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)의 조합을 통과할 수 있다. 서로 상이한 종류의 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)을 통과한 빛은 서로 상이한 파장을 가지는 빛일 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 렌즈(112)를 통과한 백색 광이 통과한 필터의 조합은 (B), (G,B), (G), (R,G), (R,B)(B: 청색 차단 필터, G: 녹색 차단 필터, R: 적색 차단 필터)과 같을 수 있다.
도 4에 도시된 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)의 조합은 전체 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)의 일부일 수 있다. 투영부(110)를 구성하는 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)은 도 4에 도시된 필터들의 조합이 반복되어 구성될 수 있다. 다시 말해서, 도 4에 도시된 필터들의 조합이 반복되어 제 1 렌즈(112)를 통과한 백색광이 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)을 통과한 이후에 동일한 색상을 가지는 빛들의 반복적인 패턴을 구성할 수 있다.
전술한 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)의 종류 및 개수는 예시적인 것으며, 설계에 따라 색상 차단 필터들(113)의 개수 및 종류는 가변적일 수 있다.
도 5는 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)을 통과한, 반복적인 컬러패턴의 일 예를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)은 통합되어 색상 차단 필터(113)를 구성할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 투영부(110)에 포함된 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)은 투영부(110)가 적색, 녹색, 청색 라인이 주기적으로 반복되는 패턴을 포함하는 조명을 출력하도록 배치될 수 있다. 다시 말해서, 색상 차단 필터들(113R, 113G, 113B)는 투영부(110)에 의해 출력되는 조명이, 위상 차이를 갖는 둘 이상의 색상의 반폭 패턴을 포함하는 패턴으로 출력되도록 배치될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 투영부(110)에 의해 출력된 반복적인 컬러패턴은 고유한 주기를 가지고 반복되는 둘 이상의 색상 패턴을 포함할 수 있으며, 이는 그리드(grid) 패턴으로 지칭될 수 있다. 다시 말해서, 둘 이상의 색상을 가지는 색상 반복 조명 패턴의 일 예로서, 색상 그리드 패턴이 구현될 수 있다.
도 5는 투영부(110)에 의해 출력된 반복적인 컬러패턴은 동일한 주기를 가지고, 120도의 위상차를 갖는 세 개의 색상 그리드 패턴을 도시하였으나, 투영부(110)에 의해 출력되는 반복적인 컬러패턴은 이에 제한되는 것이 아니다. 예를 들어, 투영부(110)는 서로 상이한 주기를 가지는 둘 이상의 색상 그리드 패턴을 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 투영부(110)는 LCD(liquid crtstal display) 방식의 프로젝터 또는 DLP(digital light processing)방식의 프로젝터를 이용하여 구성될 수 있다. LCD 또는 DLP 방식의 프로젝터를 이용하여 구성된 투영부(110)의 경우, 제어부(150)는 투영부(110)가 위상 차이를 갖는 둘 이상의 컬러 반복 조명 패턴을 포함하는 컬러 패턴을 출력하도록 투영부(110)의 출력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 투영부(110)가 120도 위상차를 가지는 세 개의 색상 그리드 패턴을 출력하도록 제어할 수 있다.
투영부(110)가 둘 이상의 (바람직하게는 셋 이상의) 색상 그리드 패턴을 한번에 측정 대상 물체(M)에 조사함으로써, 카메라(120)는 한 번의 촬영 만으로, 위상 천이법에 의해 측정 대상 물체(M)의 형상을 계산하는데 필요한 영상 데이터를 획득할 수 있다.
카메라(120)는 투영부(110)에 의해 측정 대상 물체(M)에 조사된 둘 이상의 색상 반복 조명 패턴을 촬영할 수 있다. 예를 들어, 카메라(120)는 투영부(110)에 의해 측정 대상 물체(M)에 조사된 120도 위상차를 가지는 세 가지 색상 반복 조명 패턴을 촬영할 수 있다.
카메라(120)는 1차원 구조의 수광부를 가지는 카메라일 수 있다. 예를 들어, 카메라(120)는 1차원 CCD를 가지는 라인 스캔 카메라일 수 있다. 카메라(120)는 1차원 CCD를 가지는 라인 스캔 카메라로서, 촬영 기간 동안 측정 대상 물체(M)와 일 방향으로 상대 이동하여, 측정 대상 물체(M) 전체에 대한 이미지를 스캔할 수 있다. 측정 대상 물체(M)와 카메라(120)를 상대 이동 시키기 위해, 카메라(120)에 카메라 구동부(미도시)가 장착되어, 카메라(120)를 일 방향으로 이동 시키면서 고정된 측정 대상 물체(M)를 촬영할 수 있다. 또는, 선반(130)에 측정체 이송부(140)가 장착되어, 선반(130)을 일 방향으로 이동 시킴으로써, 선반(130)위에 고정된 측정 대상 물체(M)가 카메라(120)에 대해 상대 이동하도록 할 수 있다. 또는, 카메라(120) 및 선반(130) 둘 다에 구동부가 장착되고, 각각의 구동부가 카메라(120) 및 선반(130)을 반대 방향으로 상대 이동시켜, 카메라(120) 및 측정 대상 물체(M)가 상대이동되도록 구성될 수 있다.
선반(130)에 측정체 이송부(140)가 장착되는 경우, 선반(130) 및 측정체 이송부(140)는 통합되어 컨베이어 벨트 형태로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 선반(130)은 벨트 형태로 구성되고, 측정체 이송부(140)는 벨트를 일 방향으로 회전시키는 벨트 구동축으로서 구성될 수 있다. 선반(130)이 컨베이어 벨트 형태로 구성되는 경우, 선반(130)은 다수의 측정 대상 물체(M)들을 일 방향으로 이동시킬 수 있다. 선반(130)이 다수의 측정 대상 물체(M)들을 일 방향으로 이동시키는 경우, 카메라(120)는 다수의 측정 대상 물체(M)들을 촬영할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)의 카메라(120)의 배치를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 투영부(110)는 측정 대상 물체(M)에 대해 기울어진 방향(T1)에서 조명 패턴을 조사하고, 카메라(120)는 측정 대상 물체(M)에 대하여 기울어져 측정 대상 물체(M)를 촬영할 수 있다. 다시 말해서, 카메라(120)는 측정 대상 물체(M)가 놓여진 선반(130)에 연직 상방(U)에 배치되어 측정 대상 물체(M)를 촬영하지 않고, 선반(130)에 대하여 기울어지게 배치된 방향(T2)에서 측정 대상 물체(M)를 촬영할 수 있다.
종래 기술에 따른 3차원 형상 측정 장치(P100)에서, 2차원 CCD를 갖는 카메라(P120)는 측정 대상 물체(M)의 연직 상방(U)에 배치되어 촬영하는 것이 일반적이다. 일반적으로 카메라에는 렌즈의 크기, 배율 및 조리개 값 등에 따라, 초점이 맞는 거리를 의미하는 고유의 심도를 가지고 있다.
도 7a는 카메라 및 렌즈에 따른 초점 거리 및 심도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, CCD를 갖는 카메라(700)는 렌즈(710), 결상부(720)를 포함하며, 렌즈의 두께 등의 값에 따라, 초점 거리를 중심으로, 일정한 심도 내에 위치하는 측정 대상 물체만을 또렷하게 촬영할 수 있다.
도 7b는 2차원 CCD를 갖는 카메라가 기울어져 촬영되는 경우 초점 거리 및 심도의 관계를 나타내는 도면이다.
2차원 CCD로 구성된 결상부(720)를 포함하는 카메라(700)가 기울어져 측정 대상 물체(M)를 촬영하는 경우, 측정 대상 물체(M)로부터 결상부(720)를 구성하는 각각의 CCD까지 빛이 도달하는 경로의 길이가 상이하게 된다. 예를 들어, 도 7b 에 도시된 바와 같이, 결상부의 중앙에 배치된 CCD 기준으로 초점이 맞도록 측정 대상 물체(M)와 결상부(720) 사이의 거리를 설정하는 경우, 2차원 구조의 CCD를 갖는 결상부(720)의 (중심에 위치하지 않은) 다른 CCD와 측정 대상 물체(M)와의 거리는 카메라(700)의 심도에서 벗어나게 된다. 따라서, 2차원 CCD를 가지는 카메라(700)의 경우, 선반(130)의 연직 상방이 아닌 기울어진 방향에서 측정 대상 물체(M)를 촬영하는 경우, 측정 대상 물체(M)의 일부에만 심도가 맞게 된다.
다시 도 6으로 돌아가서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)의 카메라(120)는 1차원 구조의 수광부를 가질 수 있다. 카메라(120)가 1차원 구조의 수광부를 가지기 때문에, 카메라(120)를 기울여서 측정 대상 물체(M)를 촬영하는 경우에도, 수광부에 1차원 적으로 배치된 모든 CCD들과 측정 대상 물체(M) 사이의 거리가 동일하도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 투영부(110)가 선반(130)에 대하여 조명 패턴을 투영하는 각도(θ1)와 카메라(120)가 선반(130)에 대하여 측정 대상 물체(M)를 촬영하는 각도(θ2)는 동일하거나, 유사한 각도를 갖도록 설정될 수 있다. 투영부(110)가 선반(130)에 대하여 조명 패턴을 투영하는 각도(θ1)와 카메라(120)가 선반(130)에 대하여 측정 대상 물체(M)를 촬영하는 각도(θ2)를 유사하거나 동일하게 유지함으로써, 카메라(120)에 촬영되는 영상의 광량 손실을 감소시킬 수 있다.
일반적으로 물체에 대한 빛의 입사각과 반사각은 동일한 각도를 이루므로, 투영부(110)에 의해 기울어져 측정 대상 물체(M)에 투영된 조명은, 대부분 투영부(110)와 선반(130)이 이루는 각도와 유사한 각도를 이루며 반사된다. 그러나, 종래 기술에 따른 3차원 형상 측정 장치(P100)는 2차원 CCD를 가지는 카메라(P120)를 사용하므로, 카메라(P120)가 선반(P130)의 연직 상방으로 배치되며, 따라서 투영부(P110)에서 투영한 광량의 대부분이 손실된 상태에서 영상을 촬영하게 된다.
이에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라(120)는, 측정 대상 물체(M)에서 조명이 반사되는 경로에 카메라(120)를 배치시킬 수 있으므로, 광량 손실을 감소시키면서 영상을 촬영할 수 있다. 따라서, 투영부(110)가 측정 대상 물체(M)에 상대적으로 낮은 강도의 빛을 조사하고도 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상을 측정할 수 있다.
측정 대상 물체(M)에 둘 이상의 색상으로 조합된 반복 조명 패턴을 조사하는 경우, 측정 대상 물체(M)의 표면이 가지는 색상 및 반사도에 따라, 카메라(120)에 의해 촬영되는 이미지 패턴에 왜곡을 가져올 수 있다. 또한, 카메라(120)가 가지는 고유한 파장대별 반응도에 따라, 둘 이상의 색상으로 조합된 반복 조명 패턴의 촬영된 이미지가 왜곡될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라의 가시광선에서의 파장대별 반응도의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라(120)는 파장대별로 상이한 반응성을 지닐 수 있다. 따라서, 둘 이상의 색상으로 조합된 반복 조명 패턴을 촬영하는 경우, 색상별 차이로 인해 카메라(120)에 촬영된 이미지에 왜곡이 발생할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같은 카메라(120)의 가시광선에서의 파장대별 반응도에 따른 이미지 왜곡의 경우, 이는 카메라(120)의 고유특성이므로, 제어부(150)에 의해 이미지 왜곡이 보정될 수 있다. 즉, 제어부(150)는 카메라(120)의 파장대별 반응도 테이블을 저장하고, 카메라(120)에 의해 촬영된 영상을 저장된 테이블에 기반하여 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)는 카메라(120) 고유 특성에 따른 이미지 왜곡 이외에도, 측정 대상 물체(M)의 고유 (색상) 특성에 따른 이미지 왜곡 또한 보정하여야 한다.
예를 들어, 카메라(120)를 이용하여 측정 대상 물체(M)를 촬영하는 경우, 카메라(120)에 촬영된 일 지점(또는 일 픽셀)에서의 밝기 값(Intensity)은 수학식 1과 같다
Figure pat00001
여기서, I(x,y)는 촬영된 이미지의 픽셀(x,y)에서의 픽셀 밝기값을 의미하며, L(x,y)는 촬영된 이미지의 픽셀(x,y)에 조사된 광량(Amount of Light), R(x,y)는 촬영된 이미지의 픽셀(x,y)에서의 측정 대상 물체(M)의 반사도(Reflectance)를 의미한다.
여기서, 측정 대상 물체(M)의 반사도 R(x,y)는 측정 대상 물체(M)의 표면 특성에 따라 변화하는 고유값이다. 컬러 이미지의 경우, 측정 대상 물체(M)의 표면에서의 반사도(R)는 측정 대상 물체(M)의 표면의 색상에 따른 반사도(C) 및 측정 대상 물체(M)의 표면 텍스쳐에 의한 반사도(S)로 구분될 수 있다. 이는 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 1 및 수학식 2를 이용하여, 촬영된 이미지의 일 픽셀(x,y)에서의 색상에 따른 빛의 밝기 값을 구할 수 있다. 일 예로서, 적색, 녹색, 청색의 3가지 색상의 조명에 따른 픽셀(x,y)에서의 밝기 값은 다음 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
및
Figure pat00008
는 각각 픽셀(x,y)에서 측정 대상 물체(M)에 반사된 적색, 녹색 및 청색광의 밝기 값을 의미하고,
Figure pat00009
는 각각 픽셀 (x,y)에서 측정 대상 물체(M)의 표면 색상에 따른 적색, 녹색, 청색광에 대한 반사도를 의미하고,
Figure pat00010
는 픽셀 (x,y)에서 측정 대상 물체(M)의 표면의 텍스쳐에 따른 반사도를 의미하고,
Figure pat00011
는 각각 픽셀(x,y)에 조사된 적색, 녹색 및 청색광의 세기를 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 조명(111)과 격자(112)로 구성된 투영부(110)가 주기적인 반복 조명 패턴을 조사하는 경우, 측정된 빛의 세기는 다음 수학식 4 같다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 픽셀(x,y)에서 조사된 빛의 세기,
Figure pat00014
는 픽셀 (x,y)에서 주기적인 반복 조명 패턴의 위상을 의미한다. 측정 대상 물체(M)가 카메라(120)의 심도에 위치하도록, 카메라(120)와 측정 대상 물체(M) 사이의 거리가 설정된 경우, 수학식 4와 같은 빛의 세기가 카메라에 촬영될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에서, 측정 대상 물체(M)가 카메라(120)의 심도에서 벗어나서, 디포커싱(de-focusing)되도록, 카메라(120)와 측정 대상 물체(M) 사이의 거리가 설정될 수 있다. 측정 대상 물체(M)가 카메라(120)에 의해 디포커싱 되어 촬영되는 경우, 빛의 회절 현상에 의하여 카메라(120)에 촬영된 빛의 세기는 다음 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00015
본 발명의 일 실시예에서, 투영부(110)로부터 3 가지 색상(적색, 녹색, 청색)을 포함하는 반복 조명 패턴이 2π/3 씩 위상 차이를 가지고 생성되어, 측정 대상 물체(M)에 조사될 수 있다.
카메라(120)가 측정 대상 물체(M)를 디 포커싱하여 촬영한 경우, 촬영된 임의의 픽셀(x,y)에서 조사된 적색, 녹색 및 청색의 빛의 세기는 다음 수학식 6과 같다.
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
투영부(110)에서 조사된 적색, 녹색 및 청색광이 측정 대상 물체(M)에 반사되어 카메라(120)에 촬여되는 빛의 세기는, 수학식 3 및 수학식 6을 참조하면 다음 수학식 7과 같다.
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
여기서, 아래 수학식 8과 같이 정의하고,
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
수학식 7을
Figure pat00025
에 대하여 정리하면 아래 수학식 9과 같이 정리 될 수 있다.
Figure pat00026
여기서,
Figure pat00027
는 모두 S(x,y)를 포함하고 있어 서로 소거되므로,
Figure pat00028
값을 알 수 있다면 위상 값
Figure pat00029
을 계산할 수 있다.
측정 대상 물체
Figure pat00030
을 파악하기 위해, 측정 대상 물체(M)를 동일한 조명 조건에서 미리 촬영하여,
Figure pat00031
값을 미리 파악할 수 있다.
동일한 종류의 다수의 측정 대상 물체(M)의 3차원 형상을 파악하는 경우, 먼저 샘플로 주어진 측정 대상 물체(M)에 대한 색상에 따른 반사도를 파악한 후, 3차원 형상 측정에 활용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)가, 동일한 형상을 가질 것으로 기대되는 동일한 물품을 반복하여 측정하는 경우(예를 들어, 제조 공장에서 불량 제품을 파악하기 위해 동일한 제품의 형상을 반복하여 측정하는 경우), 반복하여 측정할 물품의 샘플 데이터를 먼저 획득하고, 이를 기초로 하여 다수의 물품의 3차원 형상을 측정하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)의 제어부(150)는 수학식 9에 따라, 일 지점(x,y)에서의 측정 대상 물체(M)의 연직 상방 높이 h(x,y)를 계산할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 측정 장치(100)에서, 카메라(120)가 선반(130)의 연직 상방이 아닌, 기울어져 측정 대상 물체(M)를 촬영하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 9의 Phase Difference는 일 지점(
Figure pat00032
)에서, 측정 대상 물체(M)의 높이(
Figure pat00033
)에 따라 발생하는 위상 차이를 나타내며,
Figure pat00034
로 나타낼 수 있다. 즉 Phase Difference는 측정 대상 물체(M)가 존재하지 않는 경우 카메라(120)에 촬영되었을 일 지점(
Figure pat00035
)에서의 반복 조명 패턴의 위상(
Figure pat00036
)와 측정 대상 물체(M)가 존재함으로써 카메라(120)에 촬영되는 일 지점(
Figure pat00037
)에서의 반복 조명 패턴의 위상(
Figure pat00038
)의 차이 값을 나타낸다.
Figure pat00039
는 일 지점(
Figure pat00040
)에서의 측정 대상 물체(M)의 높이이며, 아래 수학식 10과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00041
여기서,
Figure pat00042
는 도 9에 도시된 바와 같이, 카메라(120)의 촬영 각과 선반(130)이 이루는 각도를 나타낸다.
한편, 여기서 제시된 다양한 실시예들은 방법, 장치, 또는 표준 프로그래밍 및/또는 엔지니어링 기술을 사용한 제조 물품(article)으로 구현될 수 있다. 용어 "제조 물품"은 임의의 컴퓨터 판독가능한 장치로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램, 캐리어, 또는 매체(media)를 포함한다. 예를 들어, 컴퓨터 판독가능한 매체는 자기 저장 장치(예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 스트립, 등), 광학 디스크(예를 들면, CD, DVD, 등), 스마트 카드, 및 플래쉬 메모리 장치(예를 들면, EEPROM, 카드, 스틱, 키 드라이브, 등)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기서 제시되는 다양한 저장 매체는 정보를 저장하기 위한 하나 이상의 장치 및/또는 다른 기계-판독가능한 매체를 포함한다. 용어 "기계-판독가능한 매체"는 명령(들) 및/또는 데이터를 저장, 보유, 및/또는 전달할 수 있는 무선 채널 및 다양한 다른 매체를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 둘 이상의 색상으로 구성된 반복 조명 패턴을 일정 각도로 측정 대상 물체에 조사하는 단계;
    1차원 구조의 수광부를 가지는 카메라를 이용하여 상기 측정 대상 물체에 조사된 반복 조명 패턴을 촬영하는 단계 ― 상기 카메라 및 상기 측정 대상 물체는 상기 카메라가 상기 측정 대상 물체를 촬영하는 동안 상대 이동함 ―;
    상기 촬영된 반복 조명 패턴으로부터 획득된, 상기 둘 이상의 색상 각각에 대한 측정 값에 기반하여, 상기 측정 대상 물체의 형상에 대한 정보를 계산하는 단계를 포함하는,
    3차원 표면 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카메라는 상기 측정 대상 물체에 대하여 기울어져 촬영하는,
    3차원 표면 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 반복 조명 패턴은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 세가지 색으로 이루어진 반복 조명 패턴을 포함하는,
    3차원 표면 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 카메라는 1차원 구조의 CCD를 가지는 카메라인,
    3차원 표면 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 계산하는 단계는,
    측정 대상 물체의 반사도 및 색상 정보를 이용하여 색보정을 수행하는 단계를 더 포함하는,
    3차원 표면 측정 방법.
  6. 둘 이상의 색상으로 구성된 반복 조명 패턴을, 일정 각도로 상기 측정 대상 물체에 조사하는 투영부;
    1 차원 구조의 수광부를 가지고, 상기 측정 대상 물체에 조사된 반복 조명 패턴을 촬영하는 카메라; 및
    상기 촬영된 반복 조명 패턴으로부터 획득된, 상기 둘 이상의 색상 각각에 대한 측정 값에 기반하여, 상기 측정 대상 물체의 형상에 대한 정보를 계산하는 제어부를 포함하고,
    여기서, 상기 카메라 및 상기 측정 대상 물체는 상기 카메라가 상기 측정 대상 물체를 촬영하는 동안 상대 이동 가능하도록 구성되는,
    3차원 표면 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 카메라는 상기 측정 대상 물체에 대하여 기울어져 촬영하도록 설치되는,
    3차원 표면 측정 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 카메라는 1차원 구조의 CCD를 가지는 카메라인,
    3차원 표면 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    반복 조명 패턴은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 세 가지 색으로 이루어진 반복 조명 패턴을 포함하는,
    3차원 표면 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    측정 대상 물체의 반사도 및 색상 정보를 이용하여 색보정을 수행하도록 구성되는,
    3차원 표면 측정 장치.
KR1020130095233A 2013-08-12 2013-08-12 3차원 표면 측정 장치 및 방법 Active KR101606720B1 (ko)

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