KR20230149932A - 초점 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초점 거리 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치는, 피대상물에 대한 작업을 수행하는 작업 장치에 구비되며, 작업 장치에 구비된 렌즈가 피대상물로부터 이격된 초점 거리를 측정하는 초점 거리 측정 장치에 있어서, 피대상물로부터 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 배치되며, 피대상물로부터 이미지를 획득하는 이미지 획득부; 이미지 획득부에 의해 획득된 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출한 후, 복수의 제1 분할 이미지 중 선명도가 미리 설정된 기준 이상인 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 이미지 추출부; 및 이미지 추출부에 의해 선정된 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 피대상물의 초점 거리를 산출하는 초점 거리 산출부를 포함하며, 이미지 획득부는, 피대상물로부터 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

초점 거리 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring a focal length}
본 발명은 초점 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 간단한 구조 및 제어 방법으로 피대상물에 대한 작업 장치의 초점 거리를 용이하게 정확하게 측정할 수 있는 초점 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 마킹 장치, 레이저 용접 장치 등과 같은 레이저 가공 장치는 물론, 다양한 종류의 작업을 수행하는 장치(이하, 작업 장치라고 한다.)는 피대상물에 레이저 빔 등을 조사하기 위한 광학계가 구비되어 있다.
이러한 작업 장치가 피대상물에 수행하는 작업을 보다 안정적이고 효율적으로 수행하기 위해서는, 피대상물에 대해 작업 장치에 구비된 광학계의 포커싱 상태(Focusing state)를 정확하게 측정하고 이를 조절하는 것이 매우 중요하다. 특히, 작업이 수행되는 피대상물의 작업 품질을 높이기 위해서는, 작업 장치에 구비된 렌즈부터 피대상물까지의 거리인 초점 거리가 매우 중요한 측정 요소이다.
예를 들어, 레이저 가공 장치 중 하나인 레이저 마킹 장치는 외부로부터 문자, 도형 등을 입력 받은 후, 레이저 발진기 및 레이저 스캐너의 동작을 제어하여 레이저 빔에 의해 피대상물에 문자, 도형 등을 마킹하는 장치인데, 레이저 스캐너에 의해 조사되는 레이저 빔의 크기(스팟 사이즈, Spot size)는 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도이므로, 초점 거리를 정확하고 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다.
이와 같이, 피대상물에 대한 작업 장치의 초점 거리를 측정하고 판단하기 위한 방법은 다양하게 존재하나, 대부분의 초점 거리 측정 장치는 초점 거리를 측정하기 위해 다양한 종류의 센서를 사용하거나, CCD 카메라 등을 이용하여 피대상물에 형성된 패턴 등을 촬영한 후, 이에 대한 영상 처리(Image processing)을 통해 포커싱 상태를 판단하고 있다.
예를 들어, 국내 등록특허공보 제10-0790706호(렌즈 초점 거리 측정 장치)(2008년 1월 2일 공고)에는 초점 거리의 측정 대상인 피검사 렌즈의 위치를 조정하여 피검사렌즈와 대물렌즈와의 거리를 조정하여 스크린에 맺히는 상의 크기가 최소가 되는 지점을 찾고, 그 지점에 대한 정보를 바탕으로 피검사 렌즈의 초점 거리를 계산하는 기술이 개시되어 있다.
또 다른 예로, 국내 등록특허공보 제10-0090801호(광학계의 초점거리 측정 장치 및 방법)(1995년 6월 26일 공고)에는 광축에 대해 평행한 광선을 방사하는 콜리메이터부와, 콜리메이터부로부터의 평행광선의 량을 조절 가능한 조리개부와, 조리개부를 통과한 평행광선이 굴절되는 광학계와, 광학계에서 조절되는 빛을 검출하는 CCD와, CCD에 연결되어 검출되는 빛을 전기 신호로 변환하는 변환 수단과, 굴절되는 빛이 결상되는 스크린을 포함하는 초점 거리 측정 장치의 구조가 개시되어 있다.
그러나, 종래의 초점 거리 측정 장치는 CCD 카메라 등의 촬영 장치나 다양한 종류의 센서, 피검사 렌즈를 이동시키기 위한 구동 수단이 필요하여 장치의 구조가 복잡해지고 비용이 증대된다는 문제점이 있을 뿐 아니라, 반드시 구동 수단을 이용하여 피검사 렌즈를 이동하면서 스크린에 맺히는 상의 크기를 비교하여야 하므로 측정 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었다.
따라서, 보다 간단한 구조 및 제어 방법으로 피대상물에 대한 작업 장치의 초점 거리를 용이하게 정확하게 측정할 수 있는 초점 거리 측정 장치 및 방법이 요구된다.
국내 등록특허공보 제10-0790706호(렌즈 초점 거리 측정 장치)(2008년 1월 2일 공고) 국내 등록특허공보 제10-0090801호(광학계의 초점거리 측정 장치 및 방법)(1995년 6월 26일 공고)
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 피대상물로부터 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 경사지게 배치된 이미지 획득부에 의해 획득된 피대상물의 이미지를 복수의 제1 분할 이미지로 분할한 후, 복수의 제1 분할 이미지 각각의 선명도를 이용하여 피대상물의 초점 거리를 산출함으로써, 보다 간단한 구조 및 제어 방법으로 피대상물에 대한 작업 장치의 초점 거리를 용이하게 정확하게 측정할 수 있는 초점 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치는, 피대상물에 대한 작업을 수행하는 작업 장치에 구비되며, 상기 작업 장치에 구비된 렌즈가 상기 피대상물로부터 이격된 초점 거리를 측정하는 초점 거리 측정 장치에 있어서, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 배치되며, 상기 피대상물로부터 이미지를 획득하는 이미지 획득부; 상기 이미지 획득부에 의해 획득된 상기 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출한 후, 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 선명도가 미리 설정된 기준 이상인 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 이미지 추출부; 및 상기 이미지 추출부에 의해 선정된 상기 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 상기 피대상물의 초점 거리를 산출하는 초점 거리 산출부를 포함하며, 상기 이미지 획득부는, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 이미지 획득부는, 전하 결합 소자(charge coupled device, CCD) 방식의 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지 추출부는, 상기 이미지의 전체 영역을 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직인 제1 방향과, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 분할하여 상기 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지 추출부는, 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 상기 복수의 제1 분할 이미지 각각에 대한 복수의 주파수를 추출한 후, 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초점 거리 측정 장치는, 상기 초점 거리 산출부의 산출 결과에 따라, 상기 이미지 획득부의 각도, 상기 이미지 획득부의 위치 및 상기 피대상물의 위치 중 적어도 하나를 조절하는 위치 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 방법은, 피대상물에 대한 작업을 수행하는 작업 장치에 구비된 렌즈가 상기 피대상물로부터 이격된 초점 거리를 측정하는 초점 거리 측정 방법에 있어서, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 배치된 이미지 획득부가 상기 피대상물로부터 이미지를 획득하는 단계; 이미지 추출부가 상기 이미지 획득부에 의해 획득된 상기 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 단계; 상기 이미지 추출부가 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 선명도가 미리 설정된 기준 이상인 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 단계; 및 초점 거리 산출부가 상기 이미지 추출부에 의해 선정된 상기 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 상기 피대상물의 초점 거리를 산출하는 단계를 포함하며; 상기 이미지 획득부는, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 이미지 추출부가 상기 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 단계는, 상기 이미지 추출부가 상기 이미지의 전체 영역을 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직인 제1 방향과, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 분할하여 상기 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지 추출부가 상기 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 단계는, 상기 이미지 추출부가 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 상기 복수의 제1 분할 이미지 각각에 대한 복수의 주파수를 추출하는 단계; 및 상기 이미지 추출부가 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초점 거리 측정 방법은, 상기 초점 거리 산출부가 상기 피대상물의 초점 거리를 산출하는 단계 이후에, 상기 이미지 획득부 및 상기 피대상물에 연결된 위치 조절부가 상기 초점 거리 산출부의 산출 결과에 따라, 상기 이미지 획득부의 각도, 상기 이미지 획득부의 위치 및 상기 피대상물의 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치에 따르면, 피대상물로부터 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 경사지게 배치된 이미지 획득부에 의해 획득된 피대상물의 이미지를 복수의 제1 분할 이미지로 분할한 후, 복수의 제1 분할 이미지 각각의 선명도를 이용하여 피대상물의 초점 거리를 산출함으로써, 보다 간단한 구조 및 제어 방법으로 피대상물에 대한 작업 장치의 초점 거리를 용이하게 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치가 적용되는 레이저 가공 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 이용한 초점 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 이미지 획득부가 피대상물로부터 이미지를 획득하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 이미지 추출부가 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 이미지 추출부가 복수의 제1 분할 이미지로부터 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 초점 거리 산출부가 적어도 하나의 제2 분할 이미지로부터 피대상물의 초점 거리를 산출하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치의 변형 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치의 변형 예를 이용한 초점 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
또한, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의하여 초점 거리 측정 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치가 적용되는 레이저 가공 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)는 피대상물(10)에 대한 작업을 수행하는 작업 장치(20)에 구비되며, 이미지 획득부(110), 이미지 추출부(120) 및 초점 거리 산출부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 초점 거리 측정 장치(100)는 작업 장치(20)의 내부에 구비되며, 특정 작업을 수행하기 위해 작업 장치(20)에 구비된 렌즈(21)가 피대상물(10)로부터 이격된 초점 거리를 측정할 수 있다.
본 발명에서는 작업 장치(20)의 일 예로, 레이저 마킹 장치, 레이저 용접 장치 등과 같은 레이저 가공 장치를 예로 들고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)는 피대상물(10)에 대한 작업을 수행하기 위해 렌즈(21) 등 광학계를 포함하는 다양한 종류의 작업 장치에 적용 가능하다.
이미지 획득부(110)는 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 배치되며, 초점 거리를 측정하고자 하는 피대상물(10)로부터 이미지를 획득할 수 있다. 설명의 편의상, 도 2에서는 피대상물(10)이 얇은 판상 형태를 가지고 피대상물(10)의 작업면(10a)이 평평한 평면인 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 피대상물(10)의 작업면(10a)은 곡면으로 이루어질 수도 있다.
바람직하게는, 이미지 획득부(110)는 빛을 전기적 신호로 변환시켜 화상을 얻어내는 센서로서, 전하 결합 소자(charge coupled device, CCD) 방식의 이미지 센서를 포함할 수 있다.
한편, 비록 자세히 도시되지는 않았으나, 도 2에 도시된 바와 같이, 피대상물(10)은 피대상물 지지부(11)에 안착된 상태에서 지지되며, 필요에 따라, 피대상물 지지부(11)에 의해 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동되거나 X축, Y축 및 Z축을 중심으로 회전될 수 있다. 또한, 이미지 획득부(110)는 필요에 따라 별도의 구동 장치에 의해 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동되거나 X축, Y축 및 Z축을 중심으로 회전될 수 있다.
이미지 추출부(120)는 이미지 획득부(110)에 의해 획득된 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지(도 5의 (a)의 예에서, A(1, 1) 내지 A(5, 5))를 추출한 후, 복수의 제1 분할 이미지 중 선명도가 미리 설정된 기준 이상인 적어도 하나의 제2 분할 이미지(도 6의 (b)의 예에서, C(3, 1) 내지 C(3, 5))를 선정할 수 있다.
바람직하게는, 이미지 추출부(120)는 이미지의 전체 영역을 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직인 제1 방향(도 1의 예에서, X 방향)과, 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로 및 제1 방향에 수직인 제2 방향(도 1의 예에서, Y 방향)으로 분할하여 복수의 제1 분할 이미지를 추출할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 이미지 추출부(120)는 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 연산을 수행하여 복수의 제1 분할 이미지 각각에 대한 복수의 주파수를 추출한 후, 복수의 제1 분할 이미지 중 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정할 수 있다.
이미지 추출부(120)가 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 방법과, 복수의 제1 분할 이미지로부터 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 방법에 대해서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 자세히 후술하기로 한다.
초점 거리 산출부(130)는 이미지 추출부(120)에 의해 선정된 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 피대상물(10)의 초점 거리(도 7의 예에서, F)를 산출할 수 있다. 이러한 초점 거리 산출부(130)가 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 피대상물(10)의 초점 거리를 산출하는 방법에 대해서는 도 3 및 도 7을 참조하여 자세히 후술하기로 한다.
바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)를 구성하는 이미지 획득부(110)는 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도(θ)를 가지도록 배치될 수 있다.
즉, 이미지 획득부(110)는 렌즈(21)를 투과하는 빛의 이동 경로와 수직하게 배치되어 피대상물(10)의 작업면(10a)으로부터 반사되는 빛을 전체적으로 동일하게 받아들이는 것이 아니라, 렌즈(21)를 투과하는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도를 가지도록 경사지게 배치되므로 표면 위치에 따라 빛의 흡수량에 차이를 가질 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)는 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 경사지게 배치된 이미지 획득부(110)로 인해 피대상물(10)의 이동 없이 또는 이동을 최소화한 상태에서 피대상물(10)에 대한 작업 장치(20)의 초점 거리 및 피대상물(10)의 작업면(10a)에서의 높이 편차를 정확하게 측정할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)를 이용하여 작업 장치(20)에 구비된 렌즈(21)의 초점 거리를 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 이용한 초점 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 이미지 획득부(110)는 초점 거리를 측정하고자 하는 피대상물(10)로부터 이미지를 획득할 수 있다(S110). 상술한 바와 같이, 이미지 획득부(110)는 전하 결합 소자(charge coupled device, CCD) 방식의 이미지 센서를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 이미지 획득부가 피대상물로부터 이미지를 획득하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이미지 획득부(110)는 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도(θ)를 가지도록 경사지게 배치될 수 있다. 따라서, 이미지 획득부(110)는 표면 위치에 따라 빛의 흡수량이 다르므로, 피대상물(10)로부터 획득된 이미지(111)는 대응하는 이미지 획득부(110)의 위치에 따라 선명도의 차이가 존재할 수 밖에 없다.
다시 도 3을 참조하면, 이미지 획득부(110)가 피대상물(10)로부터 이미지(111)를 획득한 후(S110), 이미지 추출부(120)는 이미지 획득부(110)에 의해 획득된 이미지(111)로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출할 수 있다(S120).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 이미지 추출부가 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이미지 추출부(120)는 이미지(111)의 전체 영역을 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직인 제1 방향(도 1의 예에서, X 방향)과, 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로 및 제1 방향에 수직인 제2 방향(도 1의 예에서, Y 방향)으로 분할하여 복수의 제1 분할 이미지를 추출할 수 있다.
즉, 이미지 추출부(120)는 이미지 획득부(110)에 의해 획득된 이미지(111)의 전체 영역을 이미지 획득부(110)의 종횡 방향을 따라 미리 정해진 크기에 대응하는 복수의 분할 영역(M×N)으로 나누어 복수의 제1 분할 이미지를 추출할 수 있다.
일 예로, 도 5의 (a)에서는 이미지 추출부(120)가 이미지(111)의 전체 영역을 제1 방향(X 방향)으로 5 개 및 제2 방향(Y 방향)으로 5 개로 분할하여 전체 25 개의 제1 분할 이미지 A(1, 1) 내지 A(5, 5)를 추출한 예를 도시하고 있다. 바람직하게는, 이미지 추출부(120)가 복수의 제1 분할 이미지 각각에 대한 선명도(후술할 예에서, 주파수)를 추출할 때에 정확도를 높이기 위해, 복수의 제1 분할 이미지 중, 서로 인접하는 한 쌍의 제1 분할 이미지(예를 들어, A(2, 2)와 A(3, 2))는 경계 부분이 서로 일정 영역 겹치도록 추출될 수 있다.
도 5의 (a)에서는 이미지(111)의 전체 영역이 제1 방향 및 제2 방향으로 동일한 간격 및 동일한 개수로 분할된 예를 도시하고 있으며, 이에 한정되지 않으며, 제1 방향 및 제2 방향으로의 간격 및 개수는 조건에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
다른 예로, 도 5의 (b)에서는 이미지 추출부(120)가 이미지(111)의 전체 영역을 이미지 획득부(110)가 경사지게 배치된 제1 방향(X 방향)으로만 5 개로 분할하여 전체 5 개의 제1 분할 이미지 B(1) 내지 B(5)를 추출한 예를 도시하고 있다.
즉, 피대상물(10)의 작업면(10a)이 평평한 평면인 경우, 이미지 획득부(110)는 경사지게 배치된 제1 방향과 수직인 제2 방향(Y 방향)의 위치가 상관 없이 피대상물(10)로부터 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되어 있으므로, 제2 방향(Y 방향)으로의 분할은 고려하지 않아도 된다. 따라서, 도 5의 (b)의 예에서, 이미지 획득부(110)는 이미지(111)의 전체 영역을 제1 방향(X 방향)으로만 분할함으로써, 추후 제2 분할 이미지의 선정 과정을 보다 단순화할 수 있다.
마찬가지로, 복수의 제1 분할 이미지 중, 서로 인접하는 한 쌍의 제1 분할 이미지(예를 들어, B(2)와 B(3))는 경계 부분이 서로 일정 영역 겹치도록 추출될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 이미지 추출부(120)가 이미지(111)로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출한 후(S120), 이미지 추출부(120)는 복수의 제1 분할 이미지 중 선명도가 미리 설정된 기준 이상인 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정할 수 있다(S130).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 이미지 추출부가 복수의 제1 분할 이미지로부터 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 모습을 나타내는 도면이다.
바람직하게는, 도 6에 도시된 바와 같이, 이미지 추출부(120)는 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 연산을 수행하여 복수의 제1 분할 이미지 각각에 대한 복수의 주파수를 추출한 후, 복수의 제1 분할 이미지 중 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정할 수 있다.
즉, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 이미지 추출부(120)는 도 5의 (a)에 도시된 25 개의 제1 분할 이미지 A(1, 1) 내지 A(5, 5)에 대해 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 연산을 수행하여 제1 분할 이미지 A(1, 1) 내지 A(5, 5) 각각에 대한 복수의 주파수 f(1, 1) 내지 f(5, 5)를 추출할 수 있다.
그리고, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 이미지 추출부(120)는 25 개의 제1 분할 이미지 A(1, 1) 내지 A(5, 5) 중, 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지, 예를 들어, 5 개의 제2 분할 이미지 C(3, 1) 내지 C(3, 5)를 선정할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 이미지 추출부(120)가 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 연산을 수행하여 복수의 제1 분할 이미지 중 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 예로, 이미지 추출부(120)는 이미지(111)로부터 추출된 복수의 제1 분할 이미지 각각의 픽셀 값(Pixel value)을 산출한 후, 복수의 제1 분할 이미지 중 인접하는 제1 분할 이미지에 비해 픽셀 값의 편차가 큰 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정할 수도 있다.
다시 도 3을 참조하면, 이미지 추출부(120)가 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정한 후(S130), 초점 거리 산출부(130)는 이미지 추출부(120)에 의해 선정된 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 피대상물(10)의 초점 거리를 산출할 수 있다(S140).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치를 구성하는 초점 거리 산출부가 적어도 하나의 제2 분할 이미지로부터 피대상물의 초점 거리를 산출하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 초점 거리 산출부(130)는 이미지 획득부(110) 중 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치(C)에 해당하는 부분(110a)과 피대상물(10)의 작업면(10a) 사이의 거리(D)로부터 피대상물(10)의 초점 거리(F)로 산출할 수 있다.
예를 들어, 도 7의 예에서는, 피대상물(10)의 초점 거리(F)는 이미지 획득부(110) 중 5 개의 제2 분할 이미지 C(3, 1) 내지 C(3, 5)의 위치(C)에 해당하는 부분(110a)과 피대상물(10)의 작업면(10a) 사이의 거리(D)의 1/2에 해당한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)는 이미지 획득부(110) 및 피대상물(10)의 위치를 조절하기 위한 위치 조절부(140)를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치의 변형 예를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치의 변형 예를 이용한 초점 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 위치 조절부(140)는 초점 거리 산출부(130)의 산출 결과에 따라, 이미지 획득부(110)의 각도, 이미지 획득부(110)의 위치 및 피대상물(10)의 위치 중 적어도 하나를 조절할 수 있다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)의 변형 예를 이용한 초점 거리 측정 방법은 도 3의 초점 거리 산출부(130)가 피대상물(10)의 초점 거리를 산출하는 단계(S140) 이후에, 이미지 획득부(110) 및 피대상물(10)에 연결된 위치 조절부(140)가 초점 거리 산출부(130)의 산출 결과에 따라, 이미지 획득부(110)의 각도, 이미지 획득부(110)의 위치 및 피대상물(10)의 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 초점 거리 산출부(130)에서 피대상물(10)의 초점 거리를 산출한 결과 피대상물(10)의 초점 거리가 산출되지 않는 경우, 작업 장치(20)가 피대상물(10)에 대한 작업을 수행할 수 없는 상태이므로 피대상물(10)의 위치 또는 작업 장치(20)의 위치를 다시 조정할 필요가 있다.
따라서, 위치 조절부(140)는 초점 거리 산출부(130)에서 피대상물(10)의 초점 거리를 산출한 결과 피대상물(10)의 초점 거리가 산출되지 않는 경우, 이미지 획득부(110)의 각도 및 Z축 방향으로의 위치를 조절하거나, 피대상물(10)의 Z축 방향으로의 위치를 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초점 거리 측정 장치(100)는, 피대상물(10)로부터 렌즈(21)를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 경사지게 배치된 이미지 획득부(110)에 의해 획득된 피대상물(10)의 이미지를 복수의 제1 분할 이미지로 분할한 후, 복수의 제1 분할 이미지 각각의 선명도를 이용하여 피대상물(10)의 초점 거리를 산출함으로써, 보다 간단한 구조 및 제어 방법으로 피대상물(10)에 대한 작업 장치(20)의 초점 거리를 용이하게 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 작업 장치(20)의 일 예로, 레이저 가공 장치를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 레이저 마킹 장치, 레이저 용접 장치 등과 같은 레이저 가공 장치는 물론, 로봇(Robot)을 이용한 가공 장치 등 다양한 종류의 시스템에도 적용될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 피대상물 20: 레이저 가공 장치
21: 렌즈
100: 초점 거리 측정 장치
110: 이미지 획득부 120: 이미지 추출부
130: 초점 거리 산출부 140: 위치 조절부

Claims (9)

  1. 피대상물에 대한 작업을 수행하는 작업 장치에 구비되며, 상기 작업 장치에 구비된 렌즈가 상기 피대상물로부터 이격된 초점 거리를 측정하는 초점 거리 측정 장치에 있어서,
    상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 배치되며, 상기 피대상물로부터 이미지를 획득하는 이미지 획득부;
    상기 이미지 획득부에 의해 획득된 상기 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출한 후, 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 선명도가 미리 설정된 기준 이상인 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 이미지 추출부; 및
    상기 이미지 추출부에 의해 선정된 상기 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 상기 피대상물의 초점 거리를 산출하는 초점 거리 산출부를 포함하며,
    상기 이미지 획득부는,
    상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 획득부는,
    전하 결합 소자(charge coupled device, CCD) 방식의 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 추출부는,
    상기 이미지의 전체 영역을 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직인 제1 방향과, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 분할하여 상기 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 추출부는,
    고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 상기 복수의 제1 분할 이미지 각각에 대한 복수의 주파수를 추출한 후, 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초점 거리 측정 장치는,
    상기 초점 거리 산출부의 산출 결과에 따라, 상기 이미지 획득부의 각도, 상기 이미지 획득부의 위치 및 상기 피대상물의 위치 중 적어도 하나를 조절하는 위치 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 장치.
  6. 피대상물에 대한 작업을 수행하는 작업 장치에 구비된 렌즈가 상기 피대상물로부터 이격된 초점 거리를 측정하는 초점 거리 측정 방법에 있어서,
    상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로에 배치된 이미지 획득부가 상기 피대상물로부터 이미지를 획득하는 단계;
    이미지 추출부가 상기 이미지 획득부에 의해 획득된 상기 이미지로부터 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 단계;
    상기 이미지 추출부가 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 선명도가 미리 설정된 기준 이상인 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 단계; 및
    초점 거리 산출부가 상기 이미지 추출부에 의해 선정된 상기 적어도 하나의 제2 분할 이미지 각각의 위치로부터 상기 피대상물의 초점 거리를 산출하는 단계를 포함하며;
    상기 이미지 획득부는,
    상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직한 방향과 미리 설정된 각도를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이미지 추출부가 상기 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 단계는,
    상기 이미지 추출부가 상기 이미지의 전체 영역을 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로와 수직인 제1 방향과, 상기 피대상물로부터 상기 렌즈를 통해 입사되는 빛의 이동 경로 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 분할하여 상기 복수의 제1 분할 이미지를 추출하는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 이미지 추출부가 상기 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 단계는,
    상기 이미지 추출부가 고속 퓨리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 상기 복수의 제1 분할 이미지 각각에 대한 복수의 주파수를 추출하는 단계; 및
    상기 이미지 추출부가 상기 복수의 제1 분할 이미지 중 주파수가 가장 높은 적어도 하나의 제2 분할 이미지를 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 초점 거리 측정 방법은,
    상기 초점 거리 산출부가 상기 피대상물의 초점 거리를 산출하는 단계 이후에,
    상기 이미지 획득부 및 상기 피대상물에 연결된 위치 조절부가 상기 초점 거리 산출부의 산출 결과에 따라, 상기 이미지 획득부의 각도, 상기 이미지 획득부의 위치 및 상기 피대상물의 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점 거리 측정 방법.
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