KR20160032986A - 프리즘을 이용한 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 프리즘을 이용하여 측정 대상물의 높이 정보를 획득하는 3차원 형상 측정장치에 대한 것으로, 상기 3차원 형상 측정장치는 상기 측정 대상물로 광을 조사하는 조명부, 상기 측정 대상물로부터 반사된 반사광을 수신하여 결상 렌즈로 상기 반사광을 진행시키는 프리즘부, 상기 프리즘부로부터 상기 반사광을 수신하여 촬상하는 촬상부 및 상기 촬상부에 촬상된 이미지를 기초로 상기 측정 대상물의 높이를 측정하는 높이 측정부를 포함할 수 있다.

Description

프리즘을 이용한 3차원 형상 측정장치{3-DIMENSION IMAGE MEASUREMENT APPARATUS USING PRISM}
본 발명의 측정 대상물의 3차원 형상을 측정하는 장치에 관련된 것으로, 더욱 구체적으로는 프리즘을 이용하여 측정 대상물의 높이 정보를 획득하는 3차원 형상 측정 장치에 관련된다.
일반적으로 전자장치 내에는 적어도 하나의 인쇄회로기판(PCB)이 구비되며, 이러한 인쇄회로기판 상에는 다양한 형상의 소자들이 실장되어 있다. 이러한 소자들의 불량 등을 검사하기 위하여 보통 3차원 형상 측정장치가 사용된다.
종래의 3차원 형상 측정장치는 인쇄회로기판과 같은 측정 대상물에 광을 조사하고 이에 대한 반사 이미지를 카메라를 이용하여 촬영한다. 이어서, 촬영된 상기 반사 이미지를 이용하여 측정 대상물의 높이에 기반한 3차원 형상을 측정한다.
상기 장치는 상기 측정 대상물로 광을 제공하는 조명부 및 상기 측정 대상물에서 반사된 반사광을 통해 상기 측정 대상물의 이미지를 촬상하는 카메라를 포함한다. 여기서, 상기 카메라는 상기 반사광이 통과되는 결상 렌즈 및 상기 결상 렌즈를 통과한 상기 반사광을 수신하여 상기 측정 대상물의 이미지를 촬영한다.
도 1은 종래의 3차원 형상 측정장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 조명부(1)는 빔 스플리터(2)를 통해 측정 대상물에 광을 조사한다. 측정 대상물로부터 반사된 광은 대물렌즈(Objective lens; 3), 조리개(4), 결상 렌즈(5) 및 핀홀(6)을 통해 촬상부(7)로 진행된다. 촬상부(7)에 촬상된 이미지의 초점이 맞도록 제어부(8)는 촬상부(7)를 z축(기판의 법선 방향)이동시킨다. 도 1의 (a)와 (b)에 나타난 바와 같이, 측정 대상물의 높이가 h1과 h2로 상이한 경우, 측정 대상물의 상이 맺히는 위치가 상이하기 때문에, 종래 방식에 따르면 제어부(8)에 의해 촬상부(7)의 위치가 변경되면서 측정 대상물의 높이를 측정하게 된다. 도 1에서는 높이차 (h1-h2)에 따라 촬상부(7)는 거리d 만큼 이동해야 한다.
이러한 종래 방식에 따른 3차원형상 측정장치는, 촬상부에 촬영된 이미지의 초점이 맞는 경우에 높이 측정부에 의한 높이 측정이 가능하며, 이를 위해 촬상부가 측정 대상물의 높이에 따라 z축으로 이동하여 스캔해야 하므로, 측정 대상물의 3차원 형상을 측정하는 경우, xyz축 스캔이 반드시 필요한 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2011-0086222호
상술한 문제점을 해결하기 위해서, 3차원 형상 측정에 있어서, 별도의 z축 스캔 없이 xy축 스캔만으로 측정 대상물의 높이를 포함한 3차원 형상 측정 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘을 이용하여 측정 대상물의 높이 정보를 획득하는 3차원 형상 측정장치에 있어서, 상기 3차원 형상 측정장치는, 상기 측정 대상물로 광을 조사하는 조명부, 상기 측정 대상물로부터 반사된 반사광을 수신하여 결상 렌즈로 상기 반사광을 진행시키는 프리즘부, 상기 프리즘부로부터 상기 반사광을 수신하여 촬상하는 촬상부 및 상기 촬상부에 촬상된 이미지를 기초로 상기 측정 대상물의 높이를 측정하는 높이 측정부를 포함한다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 프리즘부는, 상기 측정 대상물의 높이에 따라 상기 반사광의 위상을 변화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 프리즘부를 통과한 반사광은 변화된 위상에 따라 서로 다른 지름을 갖는 이미지로 상기 촬상부에 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 프리즘부는, 꼭짓점이 상기 측정 대상물을 향하는 원뿔형인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 프리즘부는, 상기 반사광을 수신하기 위한, 소정 각도를 갖는 제1평면부 및 제2평면부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 높이 측정부는, 상기 이미지의 지름을 이용하여 상기 측정 대상물의 높이를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 촬상부와 상기 프리즘부의 간격은 고정된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 프리즘부로부터 상기 반사광을 수신하여 상기 촬상부로 진행시키는 결상 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 결상 렌즈와 상기 프리즘부 사이의 상기 반사광의 광 경로상에 배치된 조리개를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 3차원 형상 측정 장치에서, 상기 프리즘부를 향하는 평면 및 상기 촬상부를 향하는 볼록면으로 구성된 제1렌즈부 및 상기 제1렌즈부를 향하는 볼록면 및 상기 촬상부를 향하는 평면으로 구성된 제2렌즈부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치를 이용하면, 촬상부를 3차원이 아닌 2차원 평면 상에서 이동시키면서 측정 대상물의 3차원 형상을 획득하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
이에 따라서 3차원 형상 획득에 대한 시간 및 기구적인 이동거리의 감소로 장치의 구동 효율이 증가할 수 있다.
도 1은 종래의 3차원 형상 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘을 이용하여 측정 대상물의 높이 정보를 획득하는 3차원 형상 측정장치의 개략적인 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘부가 원뿔형인 경우의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 촬상부에 의해 촬상된 서로 다른 측정 대상물의 이미지를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치의 개략적인 구성도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘을 이용하여 측정 대상물의 높이 정보를 획득하는 3차원 형상 측정장치의 개략적인 개념도이다. 도 2를 참조하면, 상기 형상 측정장치(100)는 기판(s)을 향하여 광을 조사하는 조명부(1), 기판으로부터 반사된 반사광을 수신하여 결상 렌즈(30)로 반사광을 진행시키는 프리즘부(10) 및 상기 프리즘부(10)로부터 상기 반사광을 수신하여 촬상하는 촬상부(50) 및 상기 촬상부(50)에서 촬영된 이미지를 기초로 측정 대상물의 높이를 측정하는 높이 측정부(60)를 포함한다. 또한 상기 프리즘부(10)와 상기 결상 렌즈(30) 사이에는 조리개(20)가 배치될 수 있으며, 상기 결상 렌즈(30)를 통과한 광은 핀홀(40)을 통과하여 촬상부(50)로 진행할 수 있다.
일 예에서 상기 기판(s)은 인쇄회로기판의 베이스 기판일 수 있으며, 측정 대상물은 상기 인쇄회로기판 상에 형성된 소자일 수 있다. 또한 상기 측정 대상물은 기판(10)의 일면 상에 형성된 패드와 전기적으로 연결되도록 상기 기판(s)의 일면상에 배치될 수 있다.
일 예에서, 조명부(1)는 빔스플리터(2)를 통해 광을 측정 대상물이 놓여진 기판(s)으로 조사할 수 있으며, 조명부(1)는 소정의 파장을 갖는 광을 조사할 수 있는 임의의 조명장치가 포함될 수 있다. 이에 조명부(1)는 소정의 파장을 갖는 광을 발생하기 위해 LED 또는 레이저가 사용될 수 있다.
프리즘부(10)는 반사된 반사광을 수신하여 결상 렌즈(30)로 진행시킬 수 있다. 상기 결상 렌즈(30)는 프리즘부(10)로부터 진행된 반사광을 투과시켜 촬상부(50)에 제공할 수 있다. 상기 결상 렌즈(30)의 기준면은 상기 기판(s)과 평행하게 배치될 수 있다. 또한 결상 렌즈(30)의 중심은 기판(s)의 중심과 실질적으로 일치할 수 있다.
프리즘부(10)는 조사된 광이 반사된 위치에 따라서 서로 다른 위상을 가지고 촬상부(50)를 향해 진행하게 한다. 이를 위해서 프리즘부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 측정 대상물을 향하는 단부에서 촬상부(50)를 향하는 방향으로 갈수록 점차 넓어지는 형태를 가질 수 있다. 일 예에서 프리즘부(10)는 삼각 기둥 또는 원뿔형일 수 있다.
프리즘부(10)가 삼각 기둥 또는 원뿔형인 경우, 프리즘을 투과한 광은 프리즘의 중심과의 거리가 동일한 광이 모이는 점들이 하나의 선을 만들게 된다. 즉, 도 2에서 광(a,b,c)는 기판(s)에서 서로 다른 거리만큼 떨어진 위치에서 대응하는 광이 만나게 되며, 상기 광이 만나는 위치는 도 2에 도시된 기판의 법선 방향선(l)에 위치한다. 또한 이러한 광(a,b,c)은 촬상부(50)에 제공되어 서로 다른 지름(Φ)을 갖게 된다.
따라서 기판상에 위치한 측정 대상물에 광을 조사하여 그 반사광을 프리즘에 통과시킨 경우, 측정 대상물에 반사된 반사광은 기판에 반사된 반사광과 서로 다른 위상차이를 가지게 된다. 이와 같은 점을 이용하여 본 발명의 프리즘부(10)는 측정 대상물의 높이에 따라 반사광이 위상차를 갖게 만들 수 있다.
촬상부(50)는 상기 반사광을 수신하여 촬상할 수 있다. 촬상된 이미지는 프리즘의 형태에 따라서 상이할 수 있으며, 프리즘부(10)가 도 3에 도시된 바와 같이 원뿔형인 경우 이미지는 원형을 나타낼 수 있다. 또한 측정 대상물의 높이에 따라서 상기 원형 이미지의 지름은 상이할 수 있으며, 촬상부와 프리즘부의 간격은 동작 동안 고정될 수 있다.
또한 일 예에서 상기 촬상부(50)는 CCD 또는 CMOS 소자일 수 있다.
높이 측정부(60)는 상기 촬상부(50)에 촬상된 이미지에 기반하여 측정 대상물의 높이를 측정할 수 있다. 즉 높이 측정부(60)는 촬영된 이미지의 둘레를 비교 분석하여 측정 대상물의 높이를 계산할 수 있다.
또한 제어부(미도시)가 본 발명의 3차원 형상 측정장치에 포함될 수 있다. 제어부는 조명부(1) 및 촬상부(50)와 전기적으로 연결되어 각 구성들의 동작을 제어할 수 있으며, 3차원 형상 측정장치의 위치를 이동시켜 측정 대상물을 전체적으로 스캔 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 도 4 (a)의 측정 대상물(X1)은 높이 h1를 가지고 있으며, 도 4 (b)에 도시된 측정 대상물(X2)은 측정 대상물(X1)의 높이 h1보다 큰 높이 h2을 가지고 있다.
이에 따라서 각각의 측정 대상물(X1, X2)에서 반사된 반사광이 고정된 위치의 높이 측정부(50)에 제공되어 나타나는 이미지의 크기는 서로 상이하다. 구체적으로는 높이가 더 큰 측정 대상물(X2)에 반사된 반사광이 촬상부(50)에 제공되어 촬영된 이미지의 둘레 Φ1는 높이가 더 작은 측정 대상물(X1)에 반사된 반사광이 촬상부(50)에 제공되어 나타난 이미지의 둘레 Φ2보다 작다.
높이 측정부(50)는 이와 같이 각 이미지의 둘레 차이(Φ1와 Φ2의 차이)를 근거로 측정 대상물의 높이를 측정할 수 있다. 이 경우 종래 기술과 같이 높이 측정부의 위치가 변화될 필요가 없는 이점이 있다.
도 5는 촬상부에 의해 촬상된 서로 다른 측정 대상물의 이미지를 나타낸다. 도 5를 참조하면 더 작은 둘레 Φ1를 갖는 원형이 나타난 경우의 측정 대상물이, 지름 Φ2를 갖는 원형이 촬영된 측정 대상물 보다 더 큰 높이를 가진 것으로 측정할 수 있다.
일 실시예에서 프리즘부(10)는 꼭짓점이 측정 대상물(X1, X2)을 향하는 원뿔형일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정장치의 개략적인 구성도이다. 일 실시예에서 프리즘부(11)는 도 6에 도시된 바와 같은 삼각 실린더 형태일 수 있다.
다른 일 실시예에서 프리즘부(11)는 소정 각도를 갖는 제1평면부(11a) 및 제2평면부(11b)를 포함할 수 있다. 각 제1평면부(11a) 및 제2평면부(11b)는 측정 대상물로부터 반사된, 측정 대상물의 중앙으로부터 거리가 동일한 광을 각각 수신할 수 있다.
이 경우, 3차원 형상 측정장치는 프리즘부(11)를 향하는 평면 및 상기 높이 측정부(50)를 향하는 볼록면으로 구성된 제1렌즈부(12)를 더 포함할 수 있다. 또한 다른 일 실시예에서는 제1렌즈부(12)를 향하는 볼록면과 높이 측정부(50)를 향하는 평면으로 구성된 제2렌즈부(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2렌즈부(30)는 결상 렌즈로 기능할 수 있다.
상기 제1렌즈부(12) 및 제2렌즈부(30)는 삼각 실린더형의 프리즘부(11)를 통과한 반사광이 높이 측정부(50)에 촬상될 수 있도록 한다.
또한 다른 일실시예에 따른 형상 측정장치는 삼각 실린더형 프리즘(11)의 길이방향에 수직한 슬릿형 조리개(21) 및 삼각 실린더형 프리즘(11)의 길이방향에 평행한 슬릿(41)을 더 포함할 수 있으며, 상기 슬릿형 조리개(21) 및 슬릿(41)은 도6에 도시된 바와 같이, 각각 제2렌즈부(또는 결상렌즈, 30)와 삼각 실린더 프리즘(11)의 사이 및 촬상부(50)와 제2 렌즈부(30)의 광 경로에 배치될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
10 : 프리즘부
30 : 결상 렌즈
50 : 촬상부
60 : 높이 측정부
100 : 형상 측정장치

Claims (10)

  1. 측정 대상물로 광을 조사하는 조명부;
    상기 측정 대상물로부터 반사된 반사광을 수신하여 결상 렌즈로 상기 반사광을 진행시키는 프리즘부;
    상기 프리즘부로부터 상기 반사광을 수신하여 촬상하는 촬상부; 및
    상기 촬상부에 촬상된 이미지를 기초로 상기 측정 대상물의 높이를 측정하는 높이 측정부를 포함하는 3차원 형상 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘부는,
    상기 측정 대상물의 높이에 따라 상기 반사광의 위상을 변화시키는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프리즘부를 통과한 반사광은 변화된 위상에 따라 서로 다른 지름을 갖는 이미지로 상기 촬상부에 제공되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘부는,
    꼭짓점이 상기 측정 대상물을 향하는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘부는,
    상기 반사광을 수신하기 위한, 소정 각도를 갖는 제1평면부 및 제2평면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 높이 측정부는,
    상기 이미지의 지름을 이용하여 상기 측정 대상물의 높이를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촬상부와 상기 프리즘부의 간격은 고정된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘부로부터 상기 반사광을 수신하여 상기 촬상부로 진행시키는 결상 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 결상 렌즈와 상기 프리즘부 사이의 상기 반사광의 광 경로상에 배치된 조리개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 프리즘부를 향하는 평면 및 상기 촬상부를 향하는 볼록면으로 구성된 제1렌즈부; 및
    상기 제1렌즈부를 향하는 볼록면 및 상기 촬상부를 향하는 평면으로 구성된 제2렌즈부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
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