KR20180046374A - 삼각 측량 측정을 위한 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

삼각 측량 측정을 위한 측정 장치로서, 조명광을 방출하는 광 송신기; 복수의 광 스트립의 조명광이 대상물을 향하게 하는 송신 광학 시스템; 조명된 대상물 영역에 의해 되돌아오는 광의 측정에 의해 대상물의 측정 이미지를 생성하는 광 수신기; 측정 이미지에 기반으로 대상물의 형태 또는 위치 정보를 결정하는 평가 유닛을 포함한다. 본 발명에 따르면, 송신 광학 시스템은 상이하게 형성된 광 스트립으로 조명광이 대상물을 향하게 하여 측정 이미지의 어느 영역이 어느 광 스트립에 속하는지를 할당하도록 설계된다. 또한, 이에 대응하는 삼각 측량 측정을 위한 방법이 개시된다.

Description

삼각 측량 측정을 위한 측정 장치 및 방법{Measuring device and method for triangulation measurement}
제 1 양태에서, 본 발명은 청구항 1항에 따른 삼각 측량 측정을 위한 측정 장치에 관한 것이다.
제 2 양태에서, 본 발명은 청구항 11항에 따른 삼각 측량 측정을 위한 방법에 관한 것이다.
삼각 측량 측정에서 광은 광 송신기로 검사될 대상물에 방출된다. 광은 조명된 대상물 영역에서 되돌아와서 광 수신기로 검출된다. 광 수신기는 공간 분해능을 가지며 측정 이미지를 기록할 수 있다. 삼각 측량 원리에 따라, 광 송신기와 광 수신기는 측정 방향을 가로지르는 방향으로 서로에 대해 오프셋되거나 서로에 대해 일정 각도로 배열되어, 측정 이미지에서, 조명된 대상물 영역의 위치는 측정 장치로부터 대상물의 거리에 따라 달라진다. 따라서, 대상물에 관련된 위치 또는 거리 정보가 얻어질 수 있다.
기존의 측정 방법은 선형 조명을 사용한다. 여기서, 조명광은 전형적으로 직선 형태인 선/광 스트립의 형태로 방출된다. 그러나 대상물의 모양이나 형태에 따라 측정 이미지에 직선이 기록되지 않고 왜곡된 선이나 단차형(stepped)으로 진행이 기록된다. 따라서 측정 이미지에 기록된 진행에서 대상물의 모양 또는 위치 정보를 얻을 수 있다. 그러나 단 하나의 광 스트립 만으로 대상물을 측정하는 것은 위험하며 쉽게 오류가 발생할 수 있다. 따라서, 일반적인 측정 장치에서, 복수의 선형 조명 또는 광 스트립이 사용된다.
삼각 측량의 일반적인 측정 장치는 조명광을 방출하는 광 송신기, 복수의 광 스트립의 조명광을 대상물로 유도하는 송신 광학 시스템, 조명된 대상물 영역으로부터 되돌아오는 광의 측정을 통해 대상물의 측정 이미지를 생성하는 광 수신기, 및 측정 이미지에 기반으로 대상물의 모양 또는 위치 정보를 결정하는 제어 및 평가 유닛을 포함한다.
따라서 삼각 측량 측정을 위한 일반적인 방법으로 다음이 제공된다.
- 광 송신기로, 조명광이 방출되고,
- 송신 광학 시스템으로, 복수의 광 스트립에서 조명광이 대상물로 향하고,
- 광 수신기로, 조명된 대상물 영역에서 되돌아오는 광을 측정하고 대상물의 측정 이미지를 기록하고,
- 평가 유닛으로, 대상물의 모양, 형태, 위치 정보가 측정 이미지를 기반으로 결정된다.
이러한 측정 장치 및 방법은 예를 들어 EP 2 287 560 B1에 기재되어 있으며 또한 US 6 542 249 B1 및 US 2004/0032974 A1에 공지되어있다.
이러한 다중 선을 사용하는 경우, 측정 정보(즉, 측정 이미지의 이미지 포인트)를 상이한 광 스트립에 정확하게 할당하는 것이 필요하다. 광 스트립에 대응하는 측정 이미지에 기록된 측정 선이 불연속적인 단차 및/또는 간격을 갖는 경우 특히 어렵다. 단차와 간격은 예를 들어 대상물의 가파른 측면을 통해 발생할 수 있다. 이러한 올바른 할당의 문제는 "대응 문제(correspondence problem)"라고도 한다.
올바른 할당을 보장하기 위해 광 스트립은 교대로 방출될 수 있다. 그러나 이것은 측정 지속 시간을 증가 시키며 본질적으로 움직이지 않는 대상물의 경우에만 사용될 수 있다. 그러나, 대안으로, 광 스트립은 또한 상이한 광학 파장으로 생성될 수 있다. 그러나 광 수신기로 상이한 광학 파장을 구별하기 위해서는 비용이 많이 드는 컬러 검출기가 필요하다. 또한, 단색 검출기와 동일한 크기에서 분해능이 떨어진다.
최종적으로, 대상물 컬러는 각각의 광 스트립의 파장에 따라 되돌아오는 광의 강도에도 영향을 미친다.
본 발명의 목적은 복수의 광 스트립에 의해 대상물이 특히 신뢰성 있고 정밀하게 측정될 수 있는 삼각 측량 측정을 위한 측정 장치 및 방법을 나타내는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 측정 장치 및 청구항 11의 특징을 갖는 방법을 통해 달성된다.
본 발명에 따른 측정 장치 및 본 발명에 따른 방법의 유리한 변형 예는 종속항에서 다뤄지며 이하의 설명에서 추가로 설명된다.
전술한 유형의 측정 장치에 있어서, 본 발명에 따르면, 송신 광학 시스템은 각각의 광 스트립에 대해 측정 이미지의 영역을 할당하기 위해 설계되어 상이하게 형성된 광 스트립으로 조명광을 대상물로 유도한다.
유사하게, 전술한 유형의 방법에서, 각각의 광 스트립에 대한 측정 이미지 내의 영역을 할당하기 위한 본 발명에 따르면, 조명광은 송신 광학 시스템으로 상이하게 형성된 광 스트립으로 대상물로 유도된다.
조명광의 광 스트립을 동일한 모양 또는 형태가 아니라 서로 다르게 형성되도록 설계하는 것이 본 발명의 핵심 아이디어로 간주될 수 있다. 이러한 방식으로, 측정 이미지에 기록된 스트립을 특정 광 스트립에 명백하게 할당할 수 있다. 구체적으로 이것은 서로 평행한 광 스트립에 대해서도 가능하다. 복수의 광 스트립은 유리하게 동시에 방출될 수 있고, 그에 따라 광 수신기에 더 높은 요구가 가해지지 않는다; 예를 들어 상이한 스트립을 구별하기 위해 색상 인식이 필요하지 않다.
광 스트립이 상이한 것을 보장하기 위해, 각 광 스트립은 인접한 광 스트립 또는 다른 모든 광 스트립의 구조와 다른 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 송신 광학 시스템은 각각의 광 스트립이 적어도 두 개의 인접한, 구체적으로, 평행 선을 포함하도록 설계될 수 있다. 선은 상이한 폭을 가질 수 있고, 또는 선 중 하나가 점선 또는 파선일 수 있다. 상이한 광 스트립은 동일한 광 스트립의 다른 선에 대해 전술한 폭 또는 점선 또는 파선의 유형 또는 점선 또는 파선의 배열이 다를 수 있다. 배열은 구체적으로 점선이 동일한 스트립의 다른 선 위 또는 아래인지 여부를 나타낼 수 있다. 각각의 광 스트립은 단 하나의 점선 또는 파선을 포함할 수 있으며, 광 스트립들은 점선 또는 파선의 유형이 상이하다.
평가 유닛은 측정 이미지를 평가하고 스트립의 불연속 부분을 동일한 스트립의 일부로 식별하도록 설계될 수 있다. 이를 위해 각 불연속 부분의 구조가 검출된다. 전술한 예에서 점선과 실선이 다른 선 옆에 놓이는 구조가 될 수 있다. 다른 구조에서는 예를 들어 파선과 실선이 다른 선 옆에 놓일 수 있다. 동일한 구조를 갖는 부분은 동일한 스트립에 할당된다. 또한 측정 이미지에서 검출된 이 스트립은 그 구조에 따라 특정 광 스트립에 할당될 수 있다.
샘플에 송신된 광 스트립에 대한 측정 이미지에 포함된 스트립의 부정확한 할당의 위험은 인접한(광) 스트립에 대해 특히 높다. 따라서 서로 인접한 광 스트립은 다르게 제공될 수 있다. 모든 광 스트립이 서로 다를 필요는 없다. 이러한 방식으로, 송신 광학 시스템의 더 간단한 설계가 가능하다. 그러나, 대안적으로, 모든 광 스트립은 서로 다를 수 있으며, 이를 통해 특히 높은 신뢰성이 달성된다.
각각의 광 스트립이 적어도 두 개의 선을 포함하는 경우, 측정 이미지에 기록된 인접한 선이 동일한 광 스트립 또는 두 개의 인접한 광 스트립에 속하는지를 신뢰성 있게 결정할 수 있어야 한다. 이 목적을 위해, 송신 광학 시스템은 인접한 광 스트립들 사이의 거리가 동일한 광 스트립에 속하는 선들 사이의 거리보다 크도록, 구체적으로 적어도 두 배가 되도록 설계될 수 있다.
송신 광학 시스템은 또한 각각의 광 스트립이 적어도 하나의 물결선을 포함하고 상이한 광 스트립이 각각의 물결선의 주파수, 진폭, 위상 및/또는 형태에서 서로 다르게 설계될 수 있다. 물결선은 예를 들어 사인파일 수 있다. 상이한 형태는 예를 들면 사인파, 사각파, 톱니파 또는 일련의 배열일 수 있다. 이러한 형태는 또한 직선 부분과 교대할 수 있으며, 예를 들면: 동일한 스트립의 두 개의 직사각형 형태는 직선 부분에 의해 이격될 수 있다. 서로 다른 광 스트립에 대해 이러한 거리를 다르게 선택하면 광 스트립이 서로 차별화될 수 있다.
송신 광학 시스템은, 특히 전술한 바와 같이, 입사하는 조명광에 공간 구조를 "임프린트(imprint)"하는 구조화 요소를 포함할 수 있다. 구조화 요소는 예를 들어 상이한 광 스트립을 생성하기 위한 구조를 갖는 회절 광학 요소 일 수 있다. 회절 광학 요소는 투명한 캐리어, 예를 들어 홈(groove) 또는 다른 함몰부와 같은 마이크로 구조가 적용된 유리 캐리어를 포함할 수 있다. 입사광은 마이크로 구조에서 회절되어 입사광의 부분 빔은 서로 간섭한다. 광 스트립은 이에 의해 형성된다. 마이크로 구조는 특정 파장 또는 특정 파장 범위의 광이 간섭하여 원하는 상이한 광 스트립을 형성하도록 형성된다. 반면에, 회절 광학 요소에서의 회절 시에 다른 파장의 광은 원하는 상이한 광 스트립을 생성하지 않는다.
따라서, 회절 광학 요소는 광학 파장 범위에 대해 설계될 수 있고, 이는 선 형태를 생성하고, 광 송신기는 이 광 파장 범위의 조명광만이 회절 광학 요소 상에 방사되도록 설계될 수 있다. 이를 위해, 광 송신기는 원하는 파장의 레이저를 포함할 수 있거나 대응하는 컬러 필터가 광 송신기를 따라갈 수 있다.
회절 광학 요소를 통해, 상이한 광 스트립은 측정 장치의 구성 요소의 움직임 없이 동시에 생성될 수 있다. 또한, 회절 광학 요소의 다른 영역을 교대로 조명하는 것이 불필요하다. 대신에, 전체 회절 광학 요소는 동시에 조명될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 송신 광학 시스템은 또한 입사하는 조명광이 상이한 광 스트립으로 거울이 배향되는 다중 거울 어레이를 가질 수 있다. 여기서, 거울을 조정함으로써, 광 스트립에서의 변화가 가능하다는 것은 유리하다. 또한, 보다 단순한 구조를 위해, 거울은 움직임 없게 장착될 수 있다.
다른 실시예에서, 송신 광학 시스템은 마이크로 렌즈 어레이를 가지며, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈는 입사하는 조명광이 상이한 광 스트립들에서 송신되도록 배열되고 형성된다. 이를 위해, 렌즈는 상이하게 형성될 수 있으며, 구체적으로, 상이한 투과율을 가지기 위해 부분적으로 어두울 수 있다.
또한, 방법 변형은 본 발명에 따른 측정 장치의 설명된 실시예의 적절한 사용에 따른다. 방법 변형은 또한 측정 장치의 변형과 상호 보완되어야 한다.
본 발명의 다른 이점들 및 특징들은 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 아래에서 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 측정 장치의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 측정 장치의 실시예의 예시적인 측정 이미지를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 측정 장치의 다른 실시예의 측정 이미지의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따르지 않은 종래의 측정 장치의 측정 이미지를 도시한다.
동일한 구성 요소 및 동일한 방식으로 작용하는 구성 요소는 일반적으로 도면에서 동일한 참조 부호로 식별된다.
도 1은 본 발명에 따른 측정 장치(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이는 광 송신기(10) 및 광 수신기(40)를 포함하며, 이들은 삼각 측량 측정을 위해 배열되고 설계된다. 광 송신기는 조명광(15)을 방출한다. 또한 송신 광학 시스템(20, 25)에서, 광 스트립(16)으로 기술되는 복수의 스트립 형태의 조명광(15)은 검사된 대상물(30)의 방향으로 배향된다. 이러한 방식으로, 조명광은 횡단면, 즉 전달 방향에 대해 횡단 또는 수직인 단면에서 서로 이격된 복수의 스트립을 갖는다. 스트립은 서로 평행할 수 있다.
광 스트립이 대상물(30)에 입사할 때, 광(17)은 조명된 대상물 영역으로부터 되돌아온다. 되돌아오는 광(17)은 광 수신기(40)에 의해 검출된다. 광 수신기(40)는 2 차원 측정 이미지를 기록하는 카메라일 수 있다. 되돌아오는 광(17)은 측정 이미지에서 광 스트립에 대응하는 스트립으로 이어진다.
본 발명에 따르지 않는 종래의 측정 장치에 의해 기록된 바와 같이, 측정 이미지(45)는 도 4에 예로서 도시되어있다. 이것은 각각 중단되고 두 개의 방출된 광 스트립에 대응하는 두 개의 기록된 스트립(51 및 52)을 도시한다. 중간 스트립 영역(53)에는 단차가 있고 스트립(51, 52) 중 하나만이 기록된다. 이 경우, 중간 스트립 영역(53)이 제 1 스트립(51) 또는 제 2 스트립(52)에 속하는 지 여부를 명확하게 확인할 수 없다.
이러한 대응 문제는 도 1에 도시된 송신 광학 시스템(20)의 설계에 의해 본 발명에 따라 해결된다.
이를 위해, 송신 광학 시스템(20)는 구조/패턴이 조명광(15) 상에 "임프린트(imprint)"되는 구조를 갖는다. 패턴은 상이한 광 스트립이 서로 상이하도록 이루어진다. 이를 위해, 송신 광학 시스템(20)은 예를 들어 회절 광학 요소이거나 이들 중 하나를 포함할 수 있다. 회절 광학 요소는 상이한 패턴을 갖는 복수의 광 스트립이 형성되는 방식으로 광이 회절되고 간섭하는 구조, 예를 들어 홈(groove) 또는 다른 함몰부를 갖는다.
도 2는 본 발명에 따른 대상물(30)이 상이한 패턴을 갖는 광 스트립으로 조사될 때, 광 수신기(40)에 의해 기록된 것과 같은 측정 이미지(45)의 예를 도시한다. 측정 이미지(45)에서, 선에서 서로 분리되어있는 두 개의 광 스트립 부분(54) 및 서로 이격되어 배치된 두 개의 광 스트립 부분(55)이 검출될 수 있다. 광 스트립 부분(54) 및 광 스트립 부분(55)의 중단은, 예를 들어 스테이징(staging) 또는 단차를 갖는 대상물(30)의 경우일 수 있다. 측정 이미지(45)에서, 하나의 광 스트립 부분(56)은 중간에 기록되어있다. 이러한 광 스트립 부분(56)은 그것이 광 스트립 부분(54)에 공간적으로 더 가까이 있음에도 불구하고, 광 스트립 부분(55)에 명확하게 할당될 수 있다. 이러한 할당을 위해, 광 스트립 부분(54, 55, 56)의 패턴이 평가된다. 광 스트립 부분(55 및 56)은 동일한 구조, 즉 도 2에서 실선 및 실선의 오른쪽에 놓인 점선을 갖는다. 보다 일반적으로, 점선은 실선의 제 1 면에 놓인다. 광 스트립 부분들(54)은 상이한 구조를 갖는다. 즉, 도 2 에서 실선 및 실선의 왼쪽에 놓인 점선을 갖는다. 보다 일반적으로, 점선은 제 1면의 반대편에 놓인 실선 측에 놓인다. 이러한 광 스트립 부분의 상이한 구조를 통해, 동일한 구조를 갖는 광 스트립 부분이 함께 속한다고 결론 내릴 수 있다. 또한, 측정 이미지의 광 스트립 부분이 광 송신기(10) 및 송신 광학 시스템(20)으로 방출된 광 스트립 중 어느 것에 속하는 구조인지를 결정할 수 있다.
광 스트립의 구조는 서로 구별될 수 있는 구조라면, 원칙적으로 원하는 대로 선택될 수 있다. 측정 이미지(45)의 또 다른 예가 도 3에 도시되어있다. 여기서, 다시 한번, 측정 이미지에서 복수의 광 스트립 부분들(54, 55, 56)로 이어지는 두 개의 광 스트립이 기록된다. 이 경우 각각의 광 스트립은, 예를 들어, 사인파형인 물결 구조를 포함한다. 이 파형의 주파수는 광 스트립마다 다르며, 차례로 회절 광학 요소로서의 송신 광학 시스템의 설계에 의해 달성된다. 광 스트립 부분(55 및 56)은 동일한 구조를 갖는다. 즉, 광 스트립 부분(54)의 파형의 주파수보다 높은 주파수를 갖는 파형을 갖는다. 따라서, 광 스트립 부분(55 및 56)는 함께 속하고 광 스트립 부분(54)에 속하지 않는다.
상이한 광 스트립 구조를 통해, 측정 이미지에서 어떤 광 스트립 부분이 동일한 광 스트립에 속하는지를 유리하게 확인할 수 있고, 또한 이들 광 스트립 부분이 속하는 특정 방출된 광 스트립이 식별될 수 있다. 구체적으로, 방출된 광 스트립이 서로 평행하게 연장될 때 이것은 중요한 이점이다.

Claims (12)

  1. 삼각 측량 측정을 위한 측정 장치로서,
    - 조명광(15)을 방출하는 광 송신기(10),
    - 복수의 광 스트립의 상기 조명광(15)이 대상물(30)을 향하게 하는 송신 광학 시스템(20, 25),
    - 조명된 대상물 영역에 의해 되돌아오는 광(17)의 측정에 의해 상기 대상물(30)의 측정 이미지를 생성하는 광 수신기,
    - 상기 측정 이미지에 기반으로 상기 대상물(30)의 형태 또는 위치 정보를 결정하는 평가 유닛을 포함하고,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)은 상이하게 형성된 광 스트립(16)의 상기 조명광(15)이 상기 대상물(30)을 향하게 하여 상기 측정 이미지의 어느 영역이 어느 광 스트립에 속하는지를 할당하도록 설계되는 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)은 각각의 광 스트립이 상이한 폭을 가지거나 하나의 선이 점선 또는 파선인 적어도 두 개의 인접한 선을 포함하도록 설계되고,
    상이한 광 스트립은 동일한 광 스트립의 다른 선에 대해 폭이 다르거나, 점선 또는 파선 유형이 다르거나, 점선 또는 파선 배열이 다른 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 인접한 광 스트립은 상이하고, 구체적으로, 모든 광 스트립은 서로 상이한 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)은 인접한 광 스트립 사이의 거리가 동일한 광 스트립에 속하는 선 사이의 거리보다 크도록 설계되는 측정 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)는 각각의 광 스트립이 적어도 하나의 물결선을 포함하고, 상이한 광 스트립이 각각의 상기 물결선의 주파수, 진폭, 위상 및/또는 형태가 다르도록 설계되는 측정 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)는 상기 광 스트립을 생성하기 위한 구조를 가지는 회절 광학 요소(20)를 포함하는 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소(20)는 상기 선의 형태를 생성하는 광 파장 범위에 대해 설계되고,
    상기 광 송신기(10)는 상기 파장 범위의 조명광(15)만이 상기 회절 광학 요소(20) 상에 방사되도록 설계되는 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)은 다중 거울 어레이를 가지며, 상기 다중 거울 어레이의 거울은 입사하는 조명광(15)이 상기 상이한 광 스트립에서 더 멀리 향하도록 배향되는 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)은 마이크로 렌즈 어레이를 가지며, 상기 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈는 입사하는 조명광(15)이 상기 상이한 광 스트립에서 송신되도록 배열되고 형성되는 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 유닛은 각각의 불연속적인 부분의 구조를 검출하고 동일한 구조를 가지는 스트립 부분을 동일한 스트립에 할당하여, 상기 측정 이미지에서 불연속적인 스트립 부분을 동일한 스트립의 일부분으로 식별하도록 설계되는 시스템.
  11. 삼각 측량 측정을 위한 방법으로서,
    - 광 송신기(10)로, 조명광(15)은 방출되고,
    - 송신 광학 시스템(20, 25)으로, 상기 조명광(15)은 복수의 광 스트립으로 대상물(30)의 방향을 향하게 되고,
    - 광 수신기로, 조명된 대상물 영역에서 되돌아오는 광(17)은 측정되어 상기 대상물(30)의 측정 이미지가 기록되고,
    - 평가 유닛으로 상기 측정 이미지에 기반으로 상기 대상물(30)의 형태 또는 위치 정보는 결정되고,
    상기 측정 이미지의 어느 영역이 어느 광 스트립에 속하는지를 할당하기 위해, 상기 송신 광학 시스템(20, 25)으로 상기 조명광(15)을 상이하게 형성된 광 스트립(16)으로 상기 대상물(30)을 향하게 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 송신 광학 시스템(20, 25)는 회절 광학 요소(20)를 가지고, 상기 상이한 광 스트립은 상기 측정 장치의 구성요소의 움직임 없이 동시에 생성되는 방법.
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