KR970003272B1 - 경면물체의 삼차원 형상에 대한 광학적 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

경면물체의 삼차원 형상에 대한 광학적 측정창치

본 발명은 물체 표면의 광학적 반사 특성이 거울면과 같이 정반사(regular reflection) 성분이 주요한 경면물체의 삼차원 형상을 광학적으로 측정하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 물체의 형상을 측정하기 위해서는 일정한 조명하에서 측정대상 경면물체의 반사광을 수검(sensing)함으로써 경면물체의 높이와 표면의 경사를 측정한다. 이때 높이와 경사를 나타내는 경보는 반사광의 밝기 또는 반사방향으로부터 얻어낸다.

제1도에 도시된 바와 같이 경면물체(1)는 동일한 방향의 입사광선(2)에 대하여도 물체의 표면경사에 따라서 반사광(3)의 방향이 매우 다르다. 제1도와 같은 경우, 물체의 표면에서 반사된 반사광(3)을 수검하기 위해서는 공간상의 모든 가능한 반사방향에 수검요소(sensing elements)를 설치하여야 한다. 그러나 이러한 설치방식은 비현실적인 것이며, 또한 수검이 가능하다 할지라도 대개의 경우 센서의 출력치가 포화되기 쉬우므로 반사광의 밝기로서 표면에 대한 정보를 얻기가 어렵다. 따라서 경계선 검출(Edge Detection), 영역분리(Region Segmentation), 스테레오 매칭(Stereo Matching)등과 같이 명압의 분포로써 정보를 얻어내는 기존의 컴퓨터 비젼 알고리즘(Computer Vision Algorithm)으로는 경면물체의 형상정보를 얻어내기가 어렵다.

경면물체를 카메라 영상에서 보면 광원과 카메라와의 기하학적 관계가 정반사 조건, 즉 입사광과 반사광이 같은 평면상에 존재하며 입사각과 반사각이 같은 조건을 만족하는 위치(이후로는 이를 "경면반사 특징치"라칭함)는 아주 밝고 그 외의 위치는 어둡게 나타난다. 이 경면반사 특징치는 전체 화상에 비하면 적은 부분에 불과하지만, 이 위치는 정반사 조건을 만족하는 점이기 때문에 매우 신뢰성 있는 형상정보를 보이는 것이라고 볼 수 있다.

이에 착안하여 대부분의 경면반사물체의 광학적 측정방법은 경면물체 전 표면에 걸쳐 경면반사 특징치를 얻어내는 방법으로써 구분된다고 볼 수 있다.

이러한 관점에서, 나야르(S. K. Nayar) 등은 경면물체의 형상을 측정하기 위해 제2도에 도시된 바와 같이 127개의 LED 광원(4)을 반구상에 분포시킨 장치를 고안하여 한 대의 카메라(5)로써 경면물체(1)의 전 영역에 걸쳐 경면반사 특징치를 얻어내었다. 〔IEEE Trans. on Robotics and Automation, 6(2), 1990에 "Specular surtace inspection using structured highlight and gaussian images"라는 제명으로 개재된 S. K. Nayar, A. C. Sanderson, L. E. Weiss, D. D. Simon의 논문 참조〕.

그러나, 이 장치는 127개나 되는 많은 LED 광원(4)을 차례로 점등하면서 카메라에 잡힌 각 영상에서 경면반사 특징치를 구하는 것으로써, 두 자유도의 각 정보에 대하여 127단계의 분해능을 가진 것에 불과하므로 장치의 복잡성에 비하여 분해능이 낮다고 볼수 있다. 나야르의 방법과 같이 낮은 분해능에 비하여 장치가 복잡해지는 문제점은 기존의 경면물체 측정방법들에서 거의 공통적으로 나타나는 문제이다.

이러한 기술적 문제를 해결하기 위한 시도로써 되반사(Retroreflective) 재질의 광학적 반사특성을 이용하는 방법이 연구되고 있다. 이 방법의 주요원리인 되반사 재질의 광학적 반사 특성을 설명하면 다음과 같다.

제3도(a)에 도시되는 바와 같이 일반적인 물체의 표면(9)은 물체표면에 입사하는 한 개의 입사광(2)의 대하여 물체표면에서 정반사로 반사해 나가는 정반사 성분(3, 6)과 난반사 성분(7)이 복합된 반사형태를 보이는 반면에, 되반사 재질(10)을 제3도(b)에 도시되는 바와 같이 일반적인 표면(9)의 반사형태에 또 다른 형태의 반사형태를 추가하는 광학적 반사 특성을 보인다. 이는 입사해온 방향으로 발산하는 강한 밝기의 반사광(8 ; 이후로는 이를 "회귀광"이라 칭함)이다. 이러한 성질을 이용하면 여러방향으로 반사되는 광을 수검하기 위하여 많은 수의 수검요소를 여러 위치에 놓을 필요없이, 광원 부근에 하나 또는 비교적 소수의 수검요소를 설치함으로써 되반사 재질에 의한 회귀광을 수검할 수 있다.

종래, 이러한 되반사 재질의 광학적 반사특성을 응용하여 회귀광으로써 경면물체의 형상을 측정하는 장치의 예로는 디프랙토산(Diffracto)의 미국 특허4629319호, 4863268호 및 4907888호가 있다. 이 장치들은 제4도에 도시되는 바와 같이 되반사재질의 스크린(10)을 이용하여 광각으로 퍼져 나가는 조명하에서 비교적 넓은 경면을 두 번씩 경유하는 광로를 구성함으로써 회귀광을 수검하도록 구성되어 있다. 이러한 구성의 장치에 의하면, 광원을 출발한 임의의 한 개 광선은 경면에서의 정반사를 거쳐 되반사 스크린(10)의 한점에 입사하고, 되반사 재질의 특성상 이 점에서는 입사해온 방향으로 가장 강한 밝기를 갖는 되반사 분포(8)가 형성된다. 이 분포내의 한 광선중, 광원에 근접해 있는 카메라(5)와 측정대상 표면상의 임의의 점 사이에 정반사 조건이 만족되는한 광선이 카메라(5)에 입사하게 된다. 이때 되반사 스크린(10)상의 점에서 입사광(3)과 회귀광(8) 사이의 각도가 카메라(5) 영상에서의 명암을 결정한다. 결국 제4도에 보이는 바와 같이 광선(2, 3, 8, 12)이 측정대상(1) 표면 위를 두 번 경유함으로써 카메라(5)에 수검되는 것이다. 이 장치로써 광원(11)과 근접한 카메라(5)에는표면의 굴곡을 명암으로 증폭한 영상이 얻어진다.

그러나, 이 장치는 광선(2, 3, 8, 12)이 왕복하면서 경유하게 되는 측정대상(1) 표면위의 점이 동일하지 않게 되므로, 대략의 위치에서의 표면굴곡도를 측정해 내기는 하나, 광각으로 펴지는 조명을 사용하기 때문에 경면물체 삼차원 형상을 세부적으로 측정해내는 것은 불가능하다.

또한, 종래의 실시예에 따라 일본 공개특허공보 평4-280,499호(1992. 10. 6)을 참조하여 설명하면, 레이져를 사용한 칩리드간격 측정자치에서 레이져광이 장치 밖으로 새어나와 발생하는 인신사고를 예방하기 위한 것으로서, 종래의 칩실장치는 칩공구부와, 기판 위치결정부, 칩공 그부의 칩을 픽업하여 이 기판에 이송, 탄재하는 이재해드, 이 이송로의 도중에 설치되어 상기한 이재해드의 노즐에 흡착된 칩의 리드를 향해 레이져광을 조사하여 그 반사광을 수광함으로서 리드를 계측하는 레이져장치와, 상기 노즐에 흡착된 칩의 상부를 덮는 커버수단으로 구성되어 있다.

이러한 종래의 칩 실장치는 서브 이재해드가 트레이 칩을 픽업하여 스테이지에 탑재한 후 레이져장치의 위쪽으로 이동시킨다.

이때 실린더의 로드는 칩 이동시 장애가 되지 않기 위해 되각시킨다. (커버는 열린상태에 있다.)

이어서, 실린더의 로드가 돌출함으로서 커버는 닫혀 노즐에 흡착된 칩의 윗쪽을 덮게 된다.

이어 레이져장치에서 리드를 향해 레이져광이 조사되고 그 방사광을 복수개의 수광부에서 수광하여 리드의 방향 위치 어긋남과 들뜸, 휘어짐이 계측하는 것이다.

그러나, 이러한 종래의 칩 실장치는 복수개의 수광부만을 사전용하여 사용하기가 불가능한 문제점을 가지게 되었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해소하기 위하여 되반사 재질의 반사광 회귀특성을 이용하여 경면물체의 삼차원 형상을 물체표면의 전 영역에 걸쳐 측정해 내는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명의 경면물체의 삼차원 형상측정장치는 천장부위가 천공된 반사형 되반사 재질의 반상체, 그 천공 상단에 위치한 레이져 스캐닝 미러(Laser Scanning Mirror), 빔스플리터, 레이져광원 및 수검요소로 구성되어, 반구형 되반사 재질의 반사체 내부에 배치되는 경면의 측정대상물체 표면을 레이져 스캐닝 미러를 이용하여 레이져광선으로 스캐닝(scanning)하여 반구형 되반사재질의 반사체와 경면의 측정대상물체로 인해 형성된 광로를 레이져스캐닝 미러를 통해 수검요소로써 수검한 후 그 광로를 해석하여 측정대상물체의 형상을 측정하도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치에서, 되반사 재질의 반사체는 경면의 측정대상 물체에서 정반사에 의한 반사광이 새어 나가는 것을 방지하며, 모든 방향의 반사광에 대해 유사한 강도의 회귀광을 수검하도록 반구형상(돔형상)으로 설계된다.

수검요소는 광센서로서, 그 바람직한 예로는 CCD 카메라 또는 PSD 카메라가 있으며, 카메라에는 해상도를 높이기 위해 반사광을 집광하는 줌렌즈를 부착하는 것이 효과적이다.

레이져 광원으로는 측정대상표면 위를 두 번 경유하는 더블 패스 되반사(Double Pass Retoreflection)에 의해 형성된 광로를 엄밀히 해석하기 위해 소구경의 레이져 광선(Colimated Laser Beam)을 사용하는 것이 적합하며, 그 예로는 다이오드 레이져, He-Ne 레이져 등이 있다.

또한, 본 발명의 장치로 큰 대상물체를 측정할 경우, 물체 전 영역을 스캐닝(scanning) 하기 위하여 측정대상물체를 X-Y 방향으로 이송할 수 있는 X-Y 테이블을 설치하는 것이 바람직하다.

제1도는 경면물체의 광학적 반사특성 설명도이다.

제2도는 127개 점광원을 사용한 경면물체의 형상 측정장치이다.

제3도는 일반적인 표면(a)과 되반사 재질(b)의 광학적 반사특성 설명도이다.

제4도는 되반사 재질을 이용한 표면검사장치 원리도이다.

제5도는 본 발명의 일시예에 의한 경면물체의 형상 측정장치의 개략 구성도이다.

제6도는 되반사 재질의 반사특성을 이용한 본 발명 장치의 측정 원리도이다.

제7도는 되반사 재질의 반사특성을 이용한 본 발명 장치에 의한 측정과정을 나타낸 흐름도이

다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 경면의 측정 대상물체 13 : 레이져 광원

14 : 빔 스플릿터(Beam Splitter)

15 : 레이져 스캐닝 미러(Laser Scanning Mirror)

16 : 되반사(Retroreflective) 재질의 반구형 반사체

17 : 줌 렌즈(Zoom Lens)

18 : 카메라 19 : X-Y 테이블

이하, 본 발명을 바람직한 실시예의 방법으로 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

제5도는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 제5도를 참조하면, 본 장치는 천장부위가 천공된 반구형상의 되반사 재질로 내부 표면을 입힌 반사체(16), 그 천공 상단에 위치한 갈바노미터(Galvanometer)인 레이져 스캐닝 미러(15), 빔스플레이터(14), 레이져광원(13) 및 수검요소로서 줌렌즈(17)가 부착된 카메라(18)에 의하여, X-Y 테이블(19)상에 배치되어 반사체(16) 내부에 위치하는 경면의 측정대상물체(1)를 되반사 재질의 반사광 회귀특성을 이용하여 경면물체의 삼차원 형상측정하도록 구성된다.

이와 같이 구성된 장치에 의하면, 반구형 되반사 반사체(16) 내부에 위치한 경면의 측정대상물체(1) 위를 레이져(13) 광선과 카메라(18)의 가시영역을 스캐닝하며 측정을 수행하게 된다. 이때 레이져 스캐닝 미러(15)의 두 거울은 그 기하학적 상태를 알고 있으므로 임의의 거울 상태에서의 광로는 제6도의 원리도를 참조하면 이해될 것이다.

즉, 제6도에 도시되는 바와 같이 경면의 측정대상물체(1) 표면의 한점(A)에 레이져(13) 광선을 입사시키면, 측정대상물체(1) 표면에서의 정반사를 경유하여 1차 반사광(3)을 반구형 되반사 반사체(16)상의 한점(B)으로 반사광이 입사된다. 이때 A점은 이미 위치와 경사가 알려진 점이므로 B점도 역시 계산을 통해 알 수 있다. 1차 반사광은 B점에 입사된 다음 되반사 재질의 광학적 반사특성(제3도 b참조)에 의하여 회귀광인 2차 반사광이 되어 입사된 방향으로 반사된다. 이 회귀광은 측정대상물체(1) 표면의 A점 근처인 C점으로 입사되며, 다시 C점에서 3차 정반사를 경유하여 일어나 수검요소(17, 18)로 입사된다. 이때 C점은 B점, C점, 카메라(18)의 핀홀(pinhole)이 정반사 조건을 만족하는 위치로 선택되어지는 것이다.

이와 같이 형성되는 경로를 경유하여 카메라에 수검되면, A점의 정보와 카메라(5)에 결상된 C점의 화상으로써 C점의 위치와 경사를 계산할 수 있다.

측정에 관한 구체적 과정을 기술하면 다음과 같다. 측정 초기시 알고 있는 곳(A점)에 레이져(13) 광선을 입사시켜 표면위의 모르는 점(C점)에 대한 정보를 측정해 내고, 알아낸 C점에 다시 레이져(13) 광선을 입사시켜 위의 과정을 반복적으로 되풀이하면 경면물체(1)의 전 표면에 걸쳐 삼차원 형상을 측정해 낼 수 있다. 이러한 반복적인 측정과정은 제7도에 흐름도로써 도시된다.

기존의 측정장치와 비교할 때 본 발명의 특징은 다음과 같다. 기존의 측정장치로는 경면물체의 형상을 측정하기 어려우나 본 발명은 경면물체의 형상을 측정할 수 있다.

기존의 측정장치는 경면물체 표면의 전 영역에 걸쳐 경면반사 특징치를 구하기 위하여 많은 수의 광원을 사용하거나, 많은 수의 수검요소를 사용하거나, 또는 많은 수의 광원이나 많은 수의 수검효소를 사용한 효과를 얻기 위하여 광원 또는 수검요소를 이동시키기도 하는데, 이와 같이 많은 수의 요소를 필요로 한다면 장치가 복잡해진다. 그러나 본 발명의장치는 반구형 되반사재질의 반사체와 레이져 스캐닝 미러를 사용함으로써 단일광원, 단일센서로 경면물체의 형상을 측정해낼 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 되반사 재질의 반사광 회귀특성을 이용한 경면물체의 삼차원 형상측정장치에 있어서, 상기 장치는 내부에 배치되는 경면의 측정대상 물체에서 정반사에 의한 반사광이 새어 나가는 것을 방지하고 모든 방향의 반사광에 대해 유사한 강도의 회귀광을 발산하며 빛이 입사한 방향의 역방향으로 반사광을 내보내어 그 천장부위가 천공된 반구형 되반사 재질의 반사체(16), 그 천공 상단에 위치하여 레이져광원(13) 이용으로 각분해도로 정밀하게 스캐닝한는 레이져 스캐닝 미러(15), 빔스플리터(14), 수검요소로 구성되어, 반구형 되반사 재질의 반사체 내부에 배치되는 경면의 측정대상물체표면의 한점(A)에 상기 레이져광원으로부터 빔스플리터, 레이져 스캐닝 미러 및 반사체의 천공부를 차례로 거쳐 레이져광선이 입사되고 이 점에서 정반사를 경유하여 1차 반사광이 반구형 되반사 반사체상의 한점(B)으로 입사된 다음 되반사 재질의 광학적 반사특성에 의하여 입사된 방향으로 반사되어 측정대상물체 표면의 A점 근처인 C점으로 입사되며, C점에 입사된 회귀광은 3차원 정반사를 경유하여 레이져 스캐닝 미러 및 빔스플리터를 통해 수검요소로 입사되어서 A점의 정보와 수검요소에 결상된 C점의 화상으로써 C점의 정보를 측정해 내고, 알아낸 C점에 다시 레이져 광선을 입사시켜 위의 과정을 반복적으로 되풀이함으로써 경면물체의 전 표면에 걸쳐 삼차원 형상을 측정하도록 된 것을 특징으로 하는 경면물체의 삼차원 형상에 대한 광학적 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 수검요소가 줌렌즈(17)를 부착한 CCD 카메라 또는 PSD 카메라(18)인 것을 특징으로 하는 경면물체의 삼차원 형상에 대한 광학적 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 레이져 광원(13)이 소구경의 레이져 광선(Colimated Laser Beam)을 방사하는 다이오드 레이져 또는 He-Ne 레이져인 것을 특징으로 하는 경면물체의 삼차원 형상에 대한 광학적 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 측정대상물체를 X-Y 방향으로 이송할 수 있는 X-Y 테이블(18)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 경면물체의 삼차원 형상에 대한 광학적 측정장치.