KR20220082695A

KR20220082695A - 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법

Info

Publication number: KR20220082695A
Application number: KR1020200185731A
Authority: KR
Inventors: 이호영
Original assignee: 기가비스주식회사
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-06-17
Also published as: KR102542367B1

Abstract

본 발명은 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법에 관한 것이다. 카메라의 초점을 광학 축 방향을 따라 초기입력 스캔 범위에서 변화시켜 측정대상물에 대한 영상을 스캔 구간별로 획득한다. 획득된 영상들을 순차적으로 입력받아 에지 값을 영상별로 계산한다. 계산된 에지 값 중 설정 임계 값 이상의 에지 값만 영상별로 추출한다. 추출된 에지 값들의 평균 에지 값을 영상별로 계산한다. 계산된 평균 에지 값을 영상별로 순차적으로 비교해서 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 업데이트한다. 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 기반으로 최적의 스캔 범위를 설정한다.

Description

초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법{Method for automatically setting the optimal scan range in a focus variation-based 3D measuring machine}

본 발명은 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 3차원 측정기는 각종 전자제품의 제조 공정에서 품질 검사를 위해 사용되고 있다. 예를 들어, 전자제품을 구성하는 인쇄회로기판의 표면에 패턴이 형성되며, 패턴에 부품이 실장될 수 있다. 이 과정에서, 불량 패턴에 부품이 실장되면, 2차 불량이 발생되므로, 패턴의 3차원 형상을 측정하여 불량 유무를 비전 검사할 수 있게 3차원 측정기가 사용될 수 있다.

한편, 일 예로, 3차원 측정기는 초점 변화(focus variation) 기반으로 3차원 형상을 측정할 수 있다. 초점 변화 기술은 카메라의 초점을 광학 축 방향(이하, Z축 방향)을 따라 임의의 Z축 스캔 범위에서 변화시켜 측정대상물에 대한 영상을 스캔 구간별로 획득하고, 획득된 영상들 중 최대 콘트라스트(maximum contrast)가 나타나는 영상의 Z축 위치를 3차원 데이터의 높이 값으로 계산해 내는 방식이다.

도 1은 초점 변화 기술을 기반으로 인쇄회로기판에 대한 3차원 데이터를 측정한 예를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, (a)에 도시된 인쇄회로기판의 패턴/스페이스(pattern/space) 영상을 초점 변화 기술로 획득하여 활용하면, (b)에 도시된 바와 같은 인쇄회로기판의 패턴/스페이스 3차원 데이터를 획득할 수 있다. 여기서, 패턴 폭(pattern width)은 4㎛이고, 스페이스 폭(space width)은 4㎛이다.

그런데, 초점 변화 기술에서 Z축 스캔 범위에 따라 측정 오류가 발생될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 Z축 스캔 범위가 설정되어, 스캔 끝 지점이 패턴 높이보다 조금 높으면서 근접한 위치에서 끝나는 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 측정된 3차원 데이터에 문제가 없다.

하지만, 도 2의 (b)에 도시된 경우와 같이 Z축 스캔 범위가 설정되어, 스캔 끝 지점이 패턴 높이보다 비교적 많이 벗어나 끝나는 경우 측정된 3차원 데이터에 문제가 발생한다.

이러한 문제 원인에 대해 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 패턴 높이보다 많이 벗어나서 위쪽에서 촬영된 영상은 (a)에 도시된 바와 같이 획득되며, (a)의 A 영역에 나타난 바와 같이, 기존에 스페이스 영역이었던 위치에 패턴 영역이 침범하면서 수직의 선이 발생하여 콘트라스트 값이 커진다.

최대 콘트라스트가 나타나는 Z축 위치가 3차원 데이터의 높이 값이기 때문에, (b)의 B 영역에 나타난 바와 같이, 스페이스 영역(B)의 높이가 패턴 영역의 높이보다 높게 잘못 측정되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 과제는 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 측정대상물의 3차원 데이터를 오류 없이 정확히 구할 수 있게 하는 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법은, 카메라의 초점을 광학 축 방향을 따라 초기입력 스캔 범위에서 변화시켜 측정대상물에 대한 영상을 스캔 구간별로 획득하는 단계; 획득된 영상들을 순차적으로 입력받아 에지 값을 영상별로 계산하는 단계; 계산된 에지 값 중 설정 임계 값 이상의 에지 값만 영상별로 추출하는 단계; 추출된 에지 값들의 평균 에지 값을 영상별로 계산하는 단계; 계산된 평균 에지 값을 영상별로 순차적으로 비교해서 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 업데이트하는 단계; 및 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 기반으로 최적의 스캔 범위를 설정하는 단계;를 포함한다.

여기서, 최적의 스캔 범위를 설정하는 단계는, 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치보다 1단계 높은 영상의 위치를 스캔 끝 지점으로 설정하는 과정을 포함할 수 있다.

영상을 스캔 구간별로 획득하는 단계는, 스캔 구간별로 측정대상물에 대한 조명 시간을 시분할적으로 제어하되 카메라의 노출 시간보다 긴 시간으로 제어하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위를 자동으로 설정하여, 측정대상물의 3차원 데이터를 오류 없이 정확히 구할 수 있게 한다.

도 1은 초점 변화 기술을 기반으로 인쇄회로기판에 대한 3차원 데이터를 측정한 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 Z축 스캔 범위를 설정하는 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 (b)에 도시된 Z축 스캔 범위에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법에 대한 순서도이다.
도 5는 인쇄회로기판의 패턴에 초점이 맞은 영상을 나타낸 도면이다.
도 6은 영상을 스캔 구간별로 획득하는 과정의 일 예를 나타낸 도면이다.

본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법에 대한 순서도이다.

먼저, 카메라의 초점을 광학 축 방향을 따라 초기입력 스캔 범위에서 변화시켜 측정대상물에 대한 영상을 스캔 구간별로 획득한다. 여기서, 측정대상물은 패턴을 갖는 인쇄회로기판 등에 해당할 수 있다. 초점 변화는 카메라에서 렌즈와 영상 디텍터 간 거리 변화를 통해 이루어질 수 있다.

초기입력 스캔 범위는 사용자에 의해 임의로 설정된다. 이때, 사용자는 측정대상물의 실제 3차원 데이터의 최대 높이 값을 감안하여 초기입력 스캔 범위를 여유 있게 설정해둘 수 있다. 스캔 구간은 초기입력 스캔 범위가 광학 축 방향을 따라 균일 간격으로 다수 개로 나뉘어져 설정될 수 있다.

그 다음, 획득된 영상들을 순차적으로 입력받아 에지 값을 영상별로 계산한다. 이때, 에지 검출 방법은 sobel, laplacian, LoG(Laplacian Of Gaussian) 등과 같은 공지의 다양한 방법이 이용될 수 있다. 에지 값은 절대값으로 최종 변환될 수 있다.

그 다음, 계산된 에지 값 중 설정 임계 값 이상의 에지 값만 영상별로 추출한다. 이때, 설정 임계 값은 0의 값이 제외되고, 0.01의 값으로 사용자에 의해 설정될 수 있다. 그 다음, 추출된 에지 값들의 평균 에지 값을 영상별로 계산한다.

그 다음, 계산된 평균 에지 값을 영상별로 순차적으로 비교해서 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 업데이트한다. 이때, 초기입력 스캔 범위의 스캔 시작 지점에서 획득된 영상의 위치를 초기값으로 설정하고, 현재 영상의 평균 에지 값과 이전 영상의 평균 에지 값을 비교해서 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 업데이트할 수 있다.

그 다음, 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 기반으로 최적의 스캔 범위를 설정한다. 이때, 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치보다 1단계 높은 영상의 위치를 스캔 끝 지점으로 설정함으로써, 최적의 스캔 범위를 설정할 수 있다. 물론, 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치보다 2~3단계 높은 영상의 위치를 스캔 끝 지점으로 설정할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법에 대해 상술하면 다음과 같다.

먼저, 스캔 시작에 따라 초기입력 스캔 범위의 스캔 시작 지점에서 측정대상물에 대한 첫 번째 영상을 획득한다. 그 다음, 첫 번째 영상을 입력받아 에지 값을 계산하고, 계산된 에지 값 중 설정 임계 값 이상의 에지 값만 추출하며, 추출된 에지 값들의 평균 에지 값을 계산한 후, 초기값으로 설정한다.

그 다음, 후속 스캔 지점에서 측정대상물에 대한 2번째 영상을 획득한다. 그 다음, 두 번째 영상을 입력받아 에지 값을 계산하고, 계산된 에지 값 중 설정 임계 값 이상의 에지 값만 추출하며, 추출된 에지 값들의 평균 에지 값을 계산한 후, 두 번째 영상의 평균 에지 값과 첫 번째 영상의 평균 에지 값을 비교해서 더 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 업데이트한다.

이러한 과정들을 초기입력 스캔 범위의 스캔 끝 지점까지 반복하여 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 업데이트한다. 그 다음, 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 기반으로 최적의 스캔 범위를 설정한다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 스캔 시작 지점부터 스캔 끝 지점까지 스캔한 영상들 중에서, 측정대상물, 예컨대 인쇄회로기판의 패턴에 초점이 맞은 영상을 찾는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 패턴에 초점이 맞은 영상의 경우 패턴 위의 표면이 거칠기 때문에 고주파 성분의 특징들이 많이 나타나게 된다. 고주파 성분, 즉 에지가 강한 성분이 가장 많이 나타나는 영상이 패턴에 초점이 맞은 영상이다.

에지 값이 설정 임계 값 이상인 강한 에지만 추출하고, 추출한 강한 에지들의 평균 에지 값을 계산하여 그 값이 가장 높은 영상을 패턴에 초점이 맞은 영상으로 판단한다. 그리고, 초점이 맞은 영상의 위치를 기반으로 최적의 스캔 범위를 설정하게 된다.

본 실시예에 따라 자동 설정된 최적의 스캔 범위는 동종의 측정 대상물에 대한 3차원 데이터 계산에 활용됨으로써 측정 오류 없이 정확한 3차원 데이터를 얻을 수 있게 한다. 예컨대, 인쇄회로기판의 패턴에 초점이 맞은 위치보다 조금 높은 위치까지 스캔한 영상들만 3차원 데이터 계산에 활용되므로, 패턴이 잘못 측정되는 문제를 방지할 수 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 영상을 스캔 구간별로 획득하는 단계는 스캔 구간별로 측정대상물에 대한 조명 시간을 시분할적으로 제어하되 카메라의 노출 시간보다 긴 시간으로 제어하는 과정을 포함할 수 있다. 조명은 스트로브 방식으로 제어될 수 있다.

이와 같이, 조명 시간은 스캔 구간별로 시분할적으로 제어되므로, 조명 시간이 스캔 시작 지점부터 스캔 끝 지점까지 연속적으로 제어되는 것보다, 스캔 구간별로 10배 이상의 밝기로 측정대상물을 조명할 수 있다. 그 결과, 측정대상물에 대한 고품질의 영상 획득이 이루어질 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

카메라의 초점을 광학 축 방향을 따라 초기입력 스캔 범위에서 변화시켜 측정대상물에 대한 영상을 스캔 구간별로 획득하는 단계;
획득된 영상들을 순차적으로 입력받아 에지 값을 영상별로 계산하는 단계;
계산된 에지 값 중 설정 임계 값 이상의 에지 값만 영상별로 추출하는 단계;
추출된 에지 값들의 평균 에지 값을 영상별로 계산하는 단계;
계산된 평균 에지 값을 영상별로 순차적으로 비교해서 가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 업데이트하는 단계; 및
가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치를 기반으로 최적의 스캔 범위를 설정하는 단계;
를 포함하는 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법.
제1항에 있어서,
상기 최적의 스캔 범위를 설정하는 단계는,
가장 큰 평균 에지 값을 갖는 영상의 위치보다 1단계 높은 영상의 위치를 스캔 끝 지점으로 설정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법.
제1항에 있어서,
상기 영상을 스캔 구간별로 획득하는 단계는,
스캔 구간별로 측정대상물에 대한 조명 시간을 시분할적으로 제어하되 카메라의 노출 시간보다 긴 시간으로 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 변화 기반 3차원 측정기에서 최적의 스캔 범위 자동 설정 방법.