KR920010547B1 - 3차원 곡면 형상의 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

3차원 곡면 형상의 측정방법 및 장치

제1a,b도는 본 발명의 측정원리를 나타낸 설명도.

제2도는 종래의 빛 절단법의 개념도.

제3a,b도는 종래의 빛 절단법의 사면각도에 의한 측정 정밀도의 변화를 나타낸 설명도.

제4a,b,c도는 본 발명의 광학시스템의 구성을 나타낸 설명도로서, 동도(a)는 사시도, 동도(b)는 평면도, 동도(c)는 측면도.

제5도는 본 발명의 한 실시예에 관한 3차원 형상 계측장치의 구성도.

제6도는 사면(斜面)형상의 측정예를 나타낸 설명도.

제7도는 제5도의 화상합성회로의 상세한 블록도.

제8도는 형상연산회로의 다른 예를 나타낸 블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기준면 2 : 피측정대상

3 : 슬릿광원 4 : 리니어스테이지

5 : 동력제어기 6 : 모우처

7 : 위치센서 8 : 텔레비젼 카메라

9 : 형상계측장치 10 : 형상연산회로

11 : 순차제어기 12 : 화상합성 연산회로

13 : 물체면 합성화상 메모리 14 : 기준면 합성화상 메모리

15 : 차화상 연산회로 16 : 높이보정회로

17 : 3차원 형상 메모리 18 : 최대휘도 화상 연산부

19 : 합성화상 연산부 20 : 동기회로

21 : 메모리 애드레스 발생회로 22 : 출력제어회로

23 : 최대휘도화상 메모리 24 : A/D 변환회로

25 : 최대휘도화상 메모리 제어회로 26 : 비교회로

27 : 스위치회로 28 : 합성화상 메모리

본 발명은 3차원 곡면의 형상을 접촉함이 없이 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

3차원 곡면 형성이 계측은 3차원 CAD입력, 로봇비젼, 혹은 의료용 및 복장장식 디자인용 인체 형성 계측 등, 넓은 분야에서의 응용을 생각할 수 있기 때문에, 종래부터 여러 가지 기법이 제안되어 있다.

그중에서도 빛 절단법으로서 일반에 알려져 있는 방법은, 예컨대 화상처리 안내서(가부시기가이샤 쇼오고오도오)의 제398,399페이지에도 기재되어 있으나, 제2도에 나타낸 바와 같이, 피측정물(51)에 대하여 슬릿광원(52)으로 부터의 슬릿광(53)을 조사하였을때에 물체 표면에 형성되는 빛 비임 패텀(beam pattern)이, 이것을 조사 방향과 다른 방향으로부터 관찰하였을때 피측정물(51)의 슬릿광 조사 위치에서의 단면 형상에 대응한다고 하는 현상에 착안한 방식이며, 그 간편성, 비접촉성 및 정량성 등에 종래부터 널리 이용되고 있는 방법이다.

이 빛 절단법을 사용하여 3차원 곡면의 형상을 측정함에 있어서는, 제2도에서 슬릿광(53)을 화살표(54)의 방향으로 이동시키면서 빛 비임 패턴을 텔레비젼 카메라(55)로 관찰하여 수득한 비데오 신호를 처리함에 따라서 시시각각 화면내의 빛 절단선(빛 비임 패턴의 형상)을 추출(56)하여 이것을 재구성함에 따라 곡면형상을 구축(57)한다.

광학시스템의 구성으로서는, 광원으로서 슬릿광원(52) 대신에 빛 스폿 스캐너(spot scanner)를 사용하여 촬상계로서, 텔레비젼 카메라(55) 대신에 예컨대 PSD(Position Sensitive Detector) 센서로서 알려져 있는 바와 같은 고속의 빛 스폿 위치검출장치를 사용하는 방법도 있으나, 기본 원리로서는 제2도의 것과 동이랗다.

상기한 빛 절단법은 여러 가지 잇점을 지니고 있는 방법이지만, 피측정물 상의 각 점을 검출하여 특정하기 위하여는 각 화면마다에 화면내의 빛 절단선을 추출하는 프로세스가 불가결하며, 이것에 기인하여 다음에 나타낸 바와 같이 측정 정밀도라는 면에서, 혹은 신뢰성이라는 면에서의 문제점이 발생하고 있다.

(1) 피측정대상의 형상에 의한 측정 정밀도 및 공간 분해능의 열화 : 빛 절단법에 있어서는 제3도 (a)에 나타낸 바와 같이 슬릿광(53)의 광축에 대하여 피측정물(51)의 면이 직각에 가까운 각도의 사면에 있을 경우에는, 물체 표면에서의 빛 비임 패턴의 폭(w)이 좁기 때문에 높은 정밀도의 측정이 가능하다. 그러나, 제3도(b)에 나타낸 바와 같이 피측정물면이 슬릿광(53)의 광축에 대하여 평행에 가까운 각도의 사면이 되면, 물체 표면에서의 빛 비임 패턴의 폭(w)이 넓어져서 빛 절단선 추출시의 위치의 불확정성이 증대하여 정밀도가 열화함과 동시에, 슬릿광원(53)을 이동하였을때의 물체 표면상에서의 빛 비임 패턴의 이동량이 커져서, 이에 따라서 공간적인 측정의 분해능도 동시에 열화 한다.

(2) 피측정대상의 표면 반사율에 의한 측정 신뢰성의 저하 : 빛 절단법에 있어서는 화면내의 빛 절단선을 추출하는 프로세스에 있어서 빛 비임 패턴이 주위보다도 충분히 밝아야함이 전제로 되어 있기 때문에, 예컨대 물체 표면에 반사율의 큰 얼룩이 있다거나, 또 물체 표면의 사면 각도가 슬릿광의 광축에 가깝고 반사광 강도가 낮은 경우에는 빛 절단선 추출시에 왕왕 단점이 발생한다거나, 혹은 전혀 다른 점을 빛 절단선이라고 잘못 검출하는 경우가 일어난다. 이와 같은 현상은, 측정시에 슬릿광 이외의 배경의 빛이 존재하는 경우에도 생기도, 어느것도 측정의 신뢰성 저하나 적용대상 측정환경에 대한 제약으로 되어 있다.

이와 같이 빛 절단법에는 빛 절단선 추출 프로세스에 기인하여 발생하는 측정상의 몇가지 문제 때문에, 피측정 대상의 형상, 표면성 상태 혹은 측정환경 등 적용상의 제약이 많고, 그 간편성, 비접촉성, 정량성등의 비율에는 그 용도가 한정되어 있으며, 이제까지 널리 사용하는 3차원 곡면 형상 계측장치로서 조립되어 널리 실용화되기 까지에는 이르지 못하였다.

본 발명은 빛 절단법이 지닌 전술한 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것이며, 빛 절단법과 마찬가지의 광학시스템을 사용하면서도 슬릿광을 매체로 하여 피측정대상 표면에 슬릿광원 위치를 코우딩(coding)한다고 하는 새로운 방식을 도입함에 따라, 빛 절단선 추출 프로세스를 전혀 필요로 하지 ??는 새로운 측정원리에 따른 3차원 곡면 형상의 측정방법 및 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 3차원 곡면 형상의 측정방법은 피측정대상 표면에 기준면과 직교하지 않는 각도(θ)를 이루는 방향으로부터 투광한 선형의 슬릿광을 피측정대상 표면을 전체면에 걸쳐서 직선적으로 주사하는 공정과, 슬릿광의 위치를 측정하는 공정과, 피측정대상 표면을 촬상하여 얻을 수 있는 비데오 신호의 화면내의 각 화소에 대응하는 피측정대상 표면의 각 위치마다에, 그 점을 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광의 위치를 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성하는 공정등을 지니고, 나아가서 합성화상에 기초하여 피측정대상의 3차원 곡면 형상을 측정하는 공정등을 지니고 있다.

또, 본 발명에 관한 3차원 곡면 형상 측정장치는, 피측정대상 표면에 기준면과 직교하지 않는 각도(θ)를 이루는 방향으로부터 투광한 선상의 슬릿광을 투광하는 슬릿광 특광수단과, 피측정대상 표면의 전체면에 걸쳐서 슬릿광을 직선적으로 주사하는 슬릿광 주사수단과, 슬릿광의 시시각각의 위치를 측정하는 슬릿광 위치 측정수단과, 피측정대상 표면을 슬릿광 투광수단과는 다른 방향으로부터 촬상하는 텔레비젼 카메라와, 동 텔레비젼 카메라로 부터의 비데오 신호를 시시각각 처리하여 화면내의 각 화소에 대응하는 피측정대상 표면의 각 위치마다에, 그 점을 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광의 위치를 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성하는 화상합성수단을 지녔으며, 나아가서 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단에 따라서 얻을 수 있는 합성화상을 기초로 연산처리하여 피측정대상의 3차원 곡면 형상을 측정하는 황상 연산수단을 지니고 있다.

또, 상기한 텔레비젼 카메라는 기준면에 대하여 수직한 방향으로부터 피측정대상물을 촬상한다.

또, 본 발명에 관한 3차원 곡면 형상 측정장치는 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 u(x,y)과 기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 u(x,y)에 따라서 피측정대상 표면의 3차원 형상 f(x,y)을 측정기준 평면에 대한 슬릿광 투광각(θ)을 사용하여

로 되는 식에 따라서 구하는 화상연산수단을 구비하고 있다.

또, 본 발명에 관한 3차원 곡면 형상 측정장치는, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화성 u(x,y)과 기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 u(x,y)과, 나아가서 그 기준면과 평행이고, 또한 거리(d)(텔레비젼 카메라에 가까운 쪽을 +, 멀리 떨어진 쪽을 -라고한다)만큼 떨어진 제2기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 f(x,y)을 이용하여 피측정대상면의 3차원 형성 f(x,y)을

가 되는 식에 기초하여 구하는 화상연산수단을 구비하고 있다.

나아가서, 본 발명에 관한 3차원 곡면 형상 측정장치는, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을 때에 화상합성수단에 의하여 얻을 수 있는 합성화상 u(x,y)과 가상적인 기준면에 대하여 텔레비젼 카메라 화면의 횡축과 슬릿광의 주사방향으로 이루는 각(θ)을 이용하여 계산 처리함에 따라 구한 합성화상 u₀(x,y)등에 치고하여 피측정대상 표면의 3차원 곡면 형성 f(x,y)을 기준면에 대한 슬릿광 투광각도(θ)를 사용하여

가 되는 식에 치고하여 구하는 화상연산수단을 구비하고 있다.

본 발명에 있어서는, 슬릿광의 선형의 반사 패턴이 피측정대상물 표면상을 이동하여 가는 상태를 텔레비젼 카메라로 촬상하고, 화면내의 각 화소 마다에 후술하는 바와 같이 그 화소에 대응하는 피측정대상물 표면의 위치를 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광원의 위치를 그 화소의 값으로 하는 합성화상을 작성한다. 그리고, 예컨대 상기한 합성화상과 피측정대상물을 제거한 기준면에 대하여 마찬가지로 하여 작성된 합성화상에 대하여 대응하는 화소의 값의 차를 구함에 따라 피측정대상물의 3차원 곡면 형상을 측정한다.

본 발명의 실시예의 설명에 앞서서, 다음에 본 발명의 측정원리를 제1도(A), (B)에 따라서 우선 개념적으로 설명한다.

제1도(A)에 나타낸 바와 같이, 기준면(1)위에 놓여진 피측정대상물(2)의 표면에 비스듬히 상방으로 부터지면에 수직방향으로 넓힌 슬릿광(3a)을 투광하여, 이 슬릿광(3a)을 지면 가로방향으로 이동시키면서 예컨대, 피측정대상(2) 바로 위로부터 텔레비젼 카메라(8)로 촬상한다. 이때, 텔레비젼 카메라(8)에 접속된 모니터 텔레비젼(8a) 상에서는 물체 표면에서의 슬릿광의 선형의 반사 패턴이 화면 가로방향으로 이동하여 가는 모습을 관찰할 수 있다.

상기한 바와 같이, 상기 슬릿광(3a)의 반사 패턴의 선형상은 물체 표면의 요철정보를 반영하고 있으며, 종래의 빛 절단법에 있어서는 반사 패턴의 선형상을 시시각각 추출하여 이것을 재구성함에 따라 피측정대상의 3차원 형상을 측정하여 왔다.

본 발명에 있어서는 슬릿광(3a)의 선형의 반사 패턴이 물체 표면상을 이동하여 가는 모습을 찍은 텔레비젼 카메라(8)로부터 출력되는 비데오 신호와 시시각각의 슬릿광원의 위치신호를 기초로 하여, 화면내의 각화소마다에 후술하는 바와 같이 그 화소에 대응하는 물질 표면의 위치를 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광원의 위치를 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성한다.

이와 같이 하여 합성된 화상은 그 각 화소에 있어서의 갑싱 제1도(A)의 1점 쇄선으로 나타낸 면(A)(이하, 가기준면이라 칭한다)을 기준으로 한 물체 표면의 높이 프로우필을 나타내고 있다. 이와 같이 하여 물체 표면의 가기준면(A)을 기준으로 한 높이 프로우필을 측정할 수 있다.

그러나, 물체의 3차원 형상 계측은 일반으로 제1도(A)에 있어서의 가기준면(A)에 대한 프로우필은 아니며, 피측정대상물(1)이 놓여진 면위치(제1도(A)의 기준면, 이하 기준면이라 칭한다.)를 기준으로 한 프로우필을 측정하지 않으면 아니된다.

이와 같은 요청을 만족하기 위하여는, 먼저 물체 표면에 대해서 상기한 측정을 하여 가기준면(A)을 기준으로 한 높이 프로우필을 측정하고, 이어서 피측정대상을 치운 다음, 기준면(1)에 대하여 같은 측정을 하여 가기준면(A)을 기준으로 한 높이 프로우필을 측정하고 나서, 제1도(B)에 나타낸 바와 같이, 이것들 2개의 높이 프로우필 화상, 즉 물체면 합성화상과 기준면 합성화상의 댕응하는 화소의 값의 차를 연산한다. 이 연산에 따라 기준면(1)을 기준으로 한 높이 프로우필 화상을 얻을 수 있고, 이 높이 프로우칠 화상의 각 화소의 값은 그 화소에 대응하는 측정대상 표면위치의 기준면(1)을 기준으로 한 높이에 비례한 것이 된다.

제4a,b,c도는 본 발명의 광학시스템의 구성도로서, 제4a도는 사시도, 제4도 (b)는 평면도, 제4c도는 측면도이다.

제4a도에 있어서 x-y 평면을 기준면(1)으로 하고, 이것의 위치 물체면 z=f(x,y)을 지닌 피측정대상물(2)을 놓는다. 텔레비젼 카메라(8)는 z축을 광축으로 하여 물체면을 일정한 각도, 예컨대 바로 위에서 관찰한다. 슬릿광원93)은 y축 방향으로 넓혀지는 슬릿광(3a)을 x축에 대하여 각도(θ)에서 투광하고 있으며, x축 방향으로 주사하게 된다. 이때, 슬릿광원(3)의 위치를 슬릿광(3a)이 기준면(1)에 닿는 위치 x=x₀로 정의한다.(슬릿광원(3)의 위치는 x-y 평면에 평행한 면이면 어떤 면으로 정의하여도 다음의 논리는 마찬가지로 성립한다. 여기에서는 간단히 하기 위하여 x-y 평면상에서 슬릿광원의 위치를 정의하였다.).

따라서, 물체면과 슬릿광선면은 각각 다음의 식으로 정의할 수 있다.

광선이 물체면에 닿는 선상에서는 (1) 및 (2)식이 동시에 성립하므로 다음식의 관계가 성립한다.

(x,y)좌표에 대응하는 합성화성의 값 u(x,y)을 그때의 광선위치 x₀로 부여한다고 하면, u(x,y)=x₀하므로서 다음 식이 성립한다.

한편, 측정대상물(1)을 치워버린 기준면(x-y 평면)에 있어서의 합성화성을 u₀(x,y)라고 하면, (4)식에서 f(x,y)=0 하므로서 다음 식이 성립한다.

따라서, 물체 프로우필 f(x,y)은 (4)식 및 (5)식으로 부터 다음 식으로 구할 수 있다.

더욱이, 이 측정원리의 응용예로서 다음의 방식도 용이하게 생각할 수 있다. 먼저, 제1응용예는 기준면을 2개 설치하는 방식이다. 즉, 상기한 기준면의 이외에 이것과 평행하고, 또한 거리(d)(텔레비젼 케마라에 가까운 쪽을 +, 멀리 떨어진 쪽을 -로 한다)만큼 떨어진 제2기준면을 설치하고, 이 기준면에서 마찬가지로 합성화성을 연산한다. 제2기준면에 있어서의 합성화성을 u₁(x,y)라고 하면, (4)식에서 f(x,y)=d 라고 놓음에 따라

따라서, 물체면 f(x,y)는 (4)식, (5)식 및 (7)식으로부터 다음 식의 형식으로 구할 수 있다.

나아가서, 제2의 응용예로는 기준면을 물리적으로 설치할 수 없고, 가상적인 기준면에 합성화상 u₀(x,y)을 (5)식을 이용하여 계산 처리함에 따라 생성하고, 이것을 (6)식에 대입함에 따라 물체면 f(x,y)을 구하는 방식을 생각할 수 있다. 단, 이 경우에 텔레비젼 카메라 화면의 가로축(래스터방향)과 슬릿광원의 주사방향 각도(φ)를 이루는 경우에는 u₀(x,y)=x로 되는 화상을 각도(φ)만 회전한 화상

을 사용하지 않으면 아니된다.

다음에, 본 발명의 한 실시예를 제5도 ∼ 제7도에 따라서 설명한다.

제5도는 상기한 실시예에 관한 3차원 형상 계측정치의 구성도이다. 측정의 기준으로 되는 기준면(1)위에 피측정대상(2)을 놓는다. 슬릿광원(3)은 리니어스테이지(4)위에 탑재되어 있으며, 기준면(1) 및 피측정대상(2) 위에 각도(θ)인 투광각으로 슬릿광(3a)을 투광한다. 슬릿광원(3)을 탑재하고 있는 리니어스테이지(4)는 동력제어기(5)에 의하여 제어되는 모우터(6)에 의하여 구동되어, 슬릿광원(3)을 기준면(1)에 대하여 평행방향으로 이동한다.

이때, 슬릿광원(3)의 위치는 리니어스테이지(4)에 조립되어 있는 위치센서(7)에 의하여 측정되어 동력제어기(5)를 개재하여 형상계측장치(9)에 입력된다.

기준면(1) 및 피측정대상물(2)은 광축이 기준면(1)과 직교하도록 배치된 텔레비젼 카메라(8)로 촬상되어, 얻을 수 있는 비데오 신호는 형상계측장치(9)에 입력된다.

형상계측장치(9)는, 대별하여 화상연산수단으로서의 형상연산회로(10)와, 동력제어기(5)에 대한 지령이나 형상연산회로(10)에 대한 연산타이밍제어를 하는 순차제어기(11)등으로 되어 있다.

형상 측정에 있어서는, 형상계측장치(9)는 외부로부터 부여되는 스타아트 신호에 기초한 순차제어기(Sequence Control)(11)를 개재하여 리니어스테이지(4)를 구동하여 슬릿광원(3)을 초기위치에 설정한다.

그런 다음, 슬릿광원(3)의 주사를 개시한다.

형상연산회로(10)는 그 입력부에 나중에 설명하는 화상합성회로(12)를 지니고 있으며, 슬릿광원(3) 주사개시와 동시에 텔레비젼 카메라(8)에서 입력되는 비데오 신호를 시시각각 처리하여서 화면내의 각 화상마다에 그 화소를 슬릿광의 상이 통과한 순간이 스테이지 위치신호를 그 화소의 값으로 하는 화상합성연산을 하여, 슬릿광원(3)의 1주사의 완료와 동시에 그 결과 u(x,y)를 물체면 합성화상메모리(13)에 전송한다.

다음에, 기준면(1)로부터 피측정대상물(2)을 치워버린 다음, 순차제어기(11)는 슬릿광원(3)을 초기위치에 되돌아오게 한 후, 재차 슬릿광원(3)의 주사를 개시한다. 화상합성회로(12)에는 피측정대상물(2)에 대하여 실시한 것과 같은 화상합성연산을 기준면(1)에 대하여 행하고, 슬릿광원의 주사완료와 동시에 그 결과 u₀(x,y)를 기준면 합성화성메모리(14)에 전송한다.

이와 같은 화상합성연산을 완료한 다음, 형상연산회로(10)는 순차제어기(11)의 지시에 따라서 차화상 연산회로(15)를 사용하여 물체면 합성화상 메모리(13)의 화상과 기준변 합성화상 메모리(14)의 화상의 대응하는 화소값의 차이 화상 {u₀(x,y)-u₀(x,y)}을 연산한 다음, 높이 보조회로(16)을 사용하여 높이 프로우필을 교정하고, 그 결과 얻을 수 있는 높이 프로우필 데이터 {u₀(x,y)-u₀(x,y)}tanθ를 3차원 형상메모리(17)에 축정한다.

3차원 형상 메모리(17)에 축적된 높이 프로우필 데이터는 상위의 계산기 및 CAD시스템으로 부터의 지령에 따라서 적당히 계산기 및 CAD시스템에 전송된다.

이 실시예에 있어서는, 예컨대 제6도에 나타낸 바와 같이, 슬릿광의 투광각도에 가까운 사면을 지닌 피측정대상물(2)에 대하여 측정하면, 사면의 기울기가 슬릿광의 투광각도에 대단히 가까우므로 슬릿광을 도면중 “1”로 나타낸 위치에 왔을 때 사면 전체가 똑같이 밝아지게 되고, 물체면 합성화상 메모리(13)의 기억내용은 부호(13a)로 나타낸 봐와 같이 된다. 기준면 합성화상 메모리(14)의 기억내용은 부호(14a)로 나타낸 바와 같이 된다. 다라서, 이러한 화상 데이터를 차화상 연산회로(15) 및 높이 보정회로(16)에 따라 연산처리하여 3차원 형상 메모리(17)에 격납되는 데이터는 부호(17a)에 나타낸 바와 같이 된다. 이러한 사실로부터 슬릿광의 각도에 가까운 면을 지닌 형상에 대하여도 충분히 분해능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

종래에 이러한 화상으로부터 빛 절단선을 추출하는 것은 이미 설명한 바와 같이 곤란하며, 이와 같은 사면에 대하여 빛의 절단법을 적용하려할 때, 측정 정밀도, 공간 분해능을 다같이 기대할 수 없었으나, 본 실시예에서는 이와 같은 사면에 대하여도 슬릿광의 이임폭 및 샘프링 피치 정도의 측정 정밀도 및 공간 분해능에서의 측정이 가능하며, 슬릿광의 각도와 근사한 면을 가진 형상에 대하여도 충분히 높은 분해능이 얻어진다.

제7도는 형상 측정장치(9)의 하나의 구성요소인 화상합성회로(12)의 한 예를 나타낸 구성도이다.

화상합성회로(12)는 텔레비젼 카메라(8)로부터 입력되는 비데오 신호를 처리하여 각 화소마다에 가장 밝아진 순간의 휘도를 연산하는 최대휘도화상 연산부(18)와, 각 화소가 시간적으로 최대의 휘도를 잡는 순간의 스테이지 위치신호를 그 화소의 값으로 하는 화상합성연산을 하는 화상합성연산부(19)등으로 구성되어 있으며, 이것들의 제어용으로서 동기회로(20), 메모리 애드레스 발생회로(21) 및 출력제어회로(22)를 구비하고 있다.

최대휘도 연산부(18)는, 최대휘도 화상연산의 완충기억기(buffer memory)인 최대휘도화상 메모리(23)를 중심으로 하여 동기회로(20)에서 출력되는 타이밍 신호에 기초하여 비데오 신호를 A/D변환하여 디지틀화하는 A/D변환회로(24), 메모리 애드레스 발생회로(21)에서 지정하는 최대휘도화상 메모리의 애드레스의 데이터의 판독, 써넣기를 제어하는 최대휘도화상 메모리(25), 나아가서 텔레비젼 카메라로부터 입력되는 화상과 최대휘도 메모리의 화상의 대응하는 화소의 값을 비교하여 큰 쪽의 값을 선택 출력하는 비교회로(26) 및 스위치 회로(27)로 구성되어 있다.

한편, 합성화상 연산부(19)는 합성화상 연산결과를 격납하는 합성화상 메모리(28)를 중심으로 하여 구성되어 있으며, 최대휘도화상 연산부(18)중의 비교회로(26)의 출력신호에 따라서 텔레비젼 카메라로부터 입력되는 신호레벨이 그에 대응하는 최대휘도화상 메모리(23)의 애드레스의 화소 값보다도 컸을때에 스테이지 위치를 합성화상 메모리(28)에 써넣는 기능을 지닌 합성화상 메모리 제어회로(29)를 구비하고 있다.

이 회로는 연산개시의 타이밍에서 최대휘도화상 메모리(13) 및 합성화상 메모리(18)가 영으로 클리어된 상태에서 스타아트하여 텔레비젼 카메라에서 입력되는 비데오 신호를 A/D변환회로(24)를 사용하여 디지틀화 하면서 비데오 신호의 값 쪽이 클때에만 최대휘도화상 메모리(13)의 그 화소의 값을 비데오 신호의 값으로 갱신함과 동시에, 합성화상의 대응하는 화소에 스테이지 위치 신호를 써넣는 기능을 지니고 있다.

이와 같이 하여 외부로 부터의 연산제어신호에 따라서 지시되는 시간, 상기한 연산을 하게 되는 결과, 연산 종료시에, 합성화상 메모리(28)에, 먼저 설명한 일정한 화상이 생성되어 있다. 이와 같이 하여 연산된 합성화상은, 출력제어회로(22)를 개재하여 다음의 연산회로에 전송된다. 더욱이, 상기한 실시예에서는 측정시 기준면(1)의 합성화상을 작성하고 있으나, 기준면(1)의 합성화상은 한번 작성하면 좋기 때문에, 2번째 이후의 측정시에는 최초에 작성한 기준면(1)의 합성화상을 그대로 사용하여도 좋다. 또, 이 기준면(1)의 합성화상은 단순한 구성이기 때문에, 형상연산회로(10)에 연산기능을 부가하여 가상의 기준면을 (5)식에 의하여 계산하여 구하므로써 합성화상을 작성하고, 기준면 합성화상 메모리(14)에 격납하도록 하여도 좋다.

또, 상기한 실시예에서는 기준면을 1개 설치하는 예를 나타내었으나, 기준면(1) 외에 제2기준면을 설치하도록 하여도 좋다. 이 제2기준면은 기준면(1)과 슬릿광원(3) 사이에 기준면(1)에 대하여 거리(d)로서 설치되는 것이다. 이러한 경우의 형상연산회로(10a)는, 제8도에 나타낸 바와 같이 제2기준면에 의한 합성화상 u₁(x,y)을 상기한 바와 마찬가지로 화상합성회로(12)에 의하여 작성하고, 이것을 격납하는 합성화상 메모리(14a)를 물체합성화상 메모리(13) 및 기준면 합성화상 메모리(14)외에 설치하며, 나아가서 차화상 연산회로(15) 및 높이보정회로(16) 대신에 상기한 (8)식을 연산회로(30)에 설치한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 빛 절단법과 마찬가지의 광학시스템을 이용하면서도, 예컨대 피측정대상이 슬릿광의 투광각도에 가까운 각도의 사면이 형상을 지니고 있는 경우에 있어서도 피측정대상의 합성화상과 기준면의 합성화상의 대응하는 화소값의 차를 구하여 3차원 형상을 얻도록 하였으므로, 그와 같은 사면에 대하여도 슬릿광의 비임폭 및 샘프링 피치 정도의 측정 정밀도 및 공간 분해능에서의 측정이 가능하며, 슬릿광의 각도와 근사한 면을 가진 형상에 대하여도 충분히 높은 분해능이 얻어진다.

또, 본 발명에 의하면, 슬릿광의 선형의 반사 패턴이 피측정대상면 위를 이동하여 가는 모습을 텔레비젼 카메라로 촬상하고, 화면내의 각 화소마다에 그 화소에 대응하는 물체 표면의 위치를 슬릿광이 통과한 순간에 슬릿광원의 위치를 그 화소의 값으로 하는 화상합성연산을 하지만, 이 화상합성연산이 성립하여 형상 정보를 바르게 구하기 위한 필요조건은 각 화소에 대응하는 피측정대상면의 각 위치의 밝기가 슬릿광이 그 위치를 통과한 순간에 최대로 된다고 하는 조건뿐이다.

따라서, 피측정대상의 공간적인 표면반사율의 얼룩은 측정에 영향을 미치지 않을뿐 아니라, 비경의 빛이 있었다하여도 그 광량이 시간적으로 일정하고, 또한 텔레비젼 카메라의 신호가 포화하지 않을 정도의 밝기만이라도 한다면 물체 표면상의 각 점의 밝기는 역시 슬릿광이 통과한 순간에 최대로 되기 때문에 측정대상의 표면 반사율이나 배경 및 빛의 영향을 받지 않는 측정이 가능하다.

나아가서, 본 발명에 의하면, 기준면을 2개 설치하여 측정함에 따라 슬릿광의 투사각에 의존하지 않는 측정이 가능하게 되어 측정 절밀도를 높여주고 있다. 나아가서, 본 발명에 의하면 기준면의 합성화성을 얻음에 있어서 계산으로 구하도록 하였으며, 측정할 때의 작업을 간략화 하고 있다.

Claims (6)

1. 피측정대상 표면에 측정기준면과 직교하지 않는 각도(θ)를 이루는 방향으로부터 선형의 슬릿광을 피측정대상 표면의 전체면에 걸쳐서 직선으로 주사하는 공정과, 슬릿광의 위치를 측정하는 공정과, 피측정대상면을 촬상하여 얻을 수 있는 비데오 신호의 화면내의 각 화소에 대응하는 피측정대상 표면의 각 위치마다에 그 점을 슬릿광이 통과한 순간이 슬릿광의 위치를 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성하는 공정과, 상기한 합성화상에 따라서 피측정대상의 3차원 곡면 형상을 측정하는 공정을 지닌 것을 특징으로 하는 3차원 곡면 형상의 측정방법.
2. 피측정대상 표면에 기준면과 직교하지 않는 각도(θ)를 이루는 방향으로부터 선형의 슬릿광을 투광하는 슬릿광 투광수단과, 피측정대상 표면의 전체면에 걸쳐서 슬릿광을 직선적으로 주사하는 슬릿광 주사수단과, 슬릿광의 시시각각의 위치를 측정하는 슬릿광 위치 측정수단과, 피측정대상 표면을 상기 슬릿광 투광수단과는 다른 방향에서 촬상하는 텔레비변 카메라와, 이 텔레비젼 카메라로 부터의 비데오 신호를 시시각각 처리하여 화면애의 각 화상에 대응하는 피측정대상 표면의 각 위치마다에 그 점을 슬릿광이 통과한 순간의 슬릿광의 위치를 슬릿광 위치 측정수단으로부터 판독하여 그 화소의 값으로 하는 화상을 합성하는 화상합성수단과, 이 화상합성수단에 의하여 얻을 수 있는 합성화상을 기초로 연산처리하여 피측정대상의 3차원 곡면 형상을 측정하는 화상연산수단을 지닌 것을 특징으로 하는 3차원 곡면 형상의 측정장치
3. 제2항에 있어서, 텔레비젼 카메라는 기준면에 대하여 수직한 방향으로부터 피측정대상을 촬상하는 것을 특징으로 하는 3차원 곡면 형상의 측정장치.
4. 제2항에 있어서, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 u(x,y)과, 기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을 때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성 화상 u₀(x,y)에 따라서 피측정대상 표면의 3차원 형상 f(x,y)을 기준면에 대한 슬릿광 투광각도(θ)를 사용하여

   

   의 식에 따라서 구하는 화상연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 곡면 형상의 측정장치.
5. 제2항에 있어서, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 u(x,y)과, 기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성화상 u₀(x,y)과, 나아가서 기준면과 평행이고 또한 거리(d)(텔레비젼 카메라에 가까운 쪽을 +, 멀리 떨어진 쪽을 -로 한다)만큼 떨어진 제2기준면에 대하여 슬릿광을 주사하였을 때에 화상합성수단으로 얻을 수 있는 합성회상 u₁(x,y)을 이요하여 피측정대상면의 3차원 형상 f(x,y)을

   

   의 식에 따라서 구하는 화상 연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 곡면 형상의 측정장치.
6. 제2항에 있어서, 피측정대상 표면에 대하여 슬릿광을 주사하였을 대에 화상합성수단에 의하여 얻을 수 있는 합성화상 u(x,y)과, 가상적인 측정기준 평면에 대하여 텔레비젼 카메라 화면의 가로축과 슬릿광의 주사방향이 이루는 각(φ)을 이용하여 계산 처리함에 따라 구한 합성화상 u₀(x,y)에 기초하여, 피측정대상 표면의 3차원 형상 f(x,y)을 기준면에 대한 슬릿광 투광각도(θ)를 이용하여

   

   이 식에 따라서 구하는 화상연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 곡면 형상의 측정장치.

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