KR100540192B1 - 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

Abstract

3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법이 개시되어 있다.

개시된 측정 장치는, 액정 표시 소자를 이용하여 생성한 격자무늬를 피검체에 투사한 후 영상감지소자를 통해 얻은 제1 격자무늬와 컴퓨터로 생성한 제2 격자무늬에 의한 모아레 무늬로부터 3차원 형상을 측정할 수 있고, 개시된 측정 방법은 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 동일한 주기로 이동시키고, 격자무늬를 이동시키기 전과 이동시킨 후의 모아레 무늬를 합하여 평균을 취함으로써 모아레 무늬로부터 고주파 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있도록 한다.

그럼으로써, 간단한 장비를 이용하여 용이하게 3차원 형상을 측정할 수 있으면서 고주파 노이즈를 효과적으로 제거하여 보다 선명한 3차원 형상을 얻을 수 있다.

Description

3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법{Apparatus and method for measuring three-dimensional shape}

본 발명은 액정 표시 소자와 컴퓨터에 의해 생성된 격자무늬를 이용한 간섭무늬에 의해 간단하고 신속하게 피검체의 형상을 3차원적으로 정밀하게 측정하는 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.

모아레 간섭무늬를 이용한 3차원 형상측정 장치란 검사하고자 하는 물체(이하 피검체라고 함)의 표면에 일정한 형태를 가지는 빛을 조사시켜 나타나는 격자무늬와 기준이 되는 격자무늬를 중첩시켜서 모아레 간섭무늬를 형성하고, 이 간섭무늬를 측정 및 해석하여 물체표면의 높이에 대한 정보를 얻는 장치를 말한다. 이와 같은 측정 방법은 피검체의 3차원 형상을 간단하고 빠르게 얻을 수 있으므로 의학, 산업 분야에서 널리 이용되고 있다. 여기서는 특히, 공간적 간섭무늬인 모아레 간섭무늬를 이용하는데, 모아레 무늬는 주기성을 가지는 공간적인 무늬들이 겹쳐졌을 때 나타나는 무늬로서 도 1은 모아레 간섭무늬의 발생 예를 보여준다.

이러한 모아레 간섭무늬를 이용하여 피검체의 3차원 형상을 측정하는 방식에는 크게 투영식과 그림자식이 있다. 그림자식은 렌즈를 사용하지 않고 피검체의 표면에 나타나는 격자무늬의 그림자로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피검체의 표면형상을 측정하는 방식이고, 투영식은 렌즈를 이용하여 피검체에 투영한 격자의 이미지로부터 생성된 모아레 무늬를 이용하여 피검체의 표면형상을 측정하는 방식이다.

도 2는 종래의 격자를 이용한 그림자식 위상천이 모아레 3차원 형상측정 장치를 나타낸 것이다. 이 측정 장치에서는, 광원(100)에서 나온 광이 격자(103)를 통과하여 피검체(p) 표면에 격자형태의 그림자가 생기거나 탈보(talbot)효과에 의해 격자형태의 이미지가 생기게 된다. 여기서 사용되는 격자(103)는 투과하는 빛의 세기를 변화시키는 기능을 한다. 상기 격자(103)의 그림자 이미지와 격자 자체의 무늬가 합성되어 모아레 무늬가 생기며, 이렇게 생성된 모아레 무늬를 그림자식 모아레라고 한다.(Vol.32, No. 7 Optical Engineering, 1668-1674, 1993) 이 모아레 무늬를 2차원 영상감지소자 배열을 이용하여 측정하는데, 이때 모아레 무늬의 위상을 계산하기 위해서는 위상 천이된 다수개의 모아레 무늬가 필요하다.("Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacare, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York, 1992)

위상 천이된 모아레 무늬를 얻기 위해 상기 격자(103)를 구동수단(D)에 의해 피검체(p)쪽을 향해 또는 피검체(p)로부터 멀어지는 방향으로 이동시킨다. 그러면, 상기 격자(103)의 이동에 따라 간섭무늬의 위상이 변하므로 3개 이상의 위상 천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있다. 이와 같이 상기 격자(103)를 이동시켜 생긴 위상 천이된 모아레 무늬는 결상렌즈(109)에 의해 영상감지소자(110)에 맺힌다. 상기 영상감지소자(110)에 의해, 위상 천이된 모아레 무늬의 이미지 측정과 상기 격자(103)의 이동을 순차적으로 반복한다. 여기서 얻은 다수개의 위상 천이된 모아레 무늬를 이용하여 이미 공지된 해석방법을 통해 물체의 3차원 형상정보를 얻을 수 있다.

또 다른 3차원 형상측정 장치로는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 격자(112)(115)를 이용한 투영식 모아레 측정 장치가 있다. 투영식 모아레 측정 장치는, 광원(111)에서 조사된 광이 제1격자(112)를 통과하면서 형성된 이미지를 제1 결상렌즈(113)에 의해 피검체(p)에 결상시키고 이 피검체(p)의 이미지를 제2 결상렌즈(114)에 의해 제2 격자(115)에 결상시킨다. 그리고, 상기 제2 격자(115)에 결상된 이미지와 제2 격자(115) 자체의 이미지를 제3 결상렌즈(116)에 의해 영상감지소자(117)에 결상시켜 모아레 무늬를 얻게 된다.(Vol.37, Optical Engineering, 1005-1010, 1998)

상술한 투영식 모아레 측정 장치에서는, 상기 제1 및 제2 격자(112)(115)의 상대적인 변위의 변화를 이용하여 모아레 무늬의 위상천이를 얻을 수 있다. 상기 그림자식 모아레 측정 장치에서는 격자를 피검체(p)에 대해 전후방향으로 이동시켜 위상천이를 하는데 반해, 투영식 모아레 측정 장치에서는 상기 제1 및 제2 격자(112)(115)를 구동수단(D)에 의해 상하 방향으로 이동시키면서 위상 천이된 모아레 무늬를 얻는다. 그리고, 여기서 얻은 위상 천이된 신호를 공지의 해석방법을 통해 해석함으로써 피검체의 3차원 형상정보를 얻을 수 있다.

그런데, 그림자식 측정 장치는 설비가 간단한 장점이 있지만 격자의 그림자를 이용해야 하기 때문에 격자와 피검체를 충분히 접근시킬 수 있는 경우에만 적용할 수 있는 단점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 투영식 측정 장치가 선호되고 있다.

투영식 측정 장치의 경우, 피검체에 결상된 격자무늬를 제2격자(115)에 결상시켜 모아레 무늬를 생성하고 이 무늬를 다시 영상감지소자(117)에 결상시키기 위해 고가의 정밀광학계가 필요하기 때문에 투영식에서 요구된 제2결상렌즈(114)와 제2격자(114)가 필요 없는 단순화된 시스템이 제안되었다.

또한, 그림자식이나 투영식 장치들은 사용되는 2차원 영상감지소자의 픽셀 개수에 따라 측정 가능한 물체의 크기와 측정 분해능이 제한된다. 이에, 측정 가능한 물체의 크기와 길이가 제한되고 이로 인해 측정 대상이 극히 제한적일 수밖에 없다. 또한, 측정 수행 중에는 피검체가 정지 상태에 있어야 되는 제약이 따른다. 따라서, 움직이는 물체의 3차원 형상을 측정하는 데는 부적합할 뿐만 아니라, 곡률이 있는 물체의 형상을 측정하는 것이 불가능한 구조이므로 그 적용 분야가 매우 한정적일 수밖에 없다.

또한, 모아레 무늬의 위상천이를 위해 격자를 기계적으로 이동시킬 수밖에 없는데, 이러한 기계적 구동으로 인해 위상 천이 속도가 느리고, 속도 제어가 어려울 뿐만 아니라 격자 제작이 어렵고 제작비용이 많이 드는 단점이 있다.

한편, 투영식 측정장치를 좀더 단순화시키기 위해 구조화된 형태의 패턴을 피검체에 투영시켜 형상을 측정하는 구조화된 패턴 투영방식의 장치가 제안되었다. 도 4를 참조하면, 광원(120)으로부터 조사된 광이 격자(121)를 통과하면서 형성된 이미지를 제1 결상렌즈(122)에 의해 피검체(p)에 결상시키고, 상기 격자(121)가 투영된 피검체(p)의 이미지를 다시 제2 결상렌즈(124)에 의해 영상감지소자(127)에 결상시킴으로써 격자가 투영된 피검체(p)의 영상을 얻는다. 여기서, 3차원 형상추출을 위해 격자패턴을 수평이동 시킴으로써 변위된 투영격자 영상을 얻는다. (Vol.32, Optical Engineering, 610-615, 1997)

이와 같은 측정 장치에서는 상기 결상 렌즈(122)로 격자(121)의 이미지를 피검체(p)에 결상시킨 뒤 피검체에 결상된 영상을 영상감지소자(127)로 측정한 뒤 이 영상과 컴퓨터에서 생성시킨 기준 격자로부터 모아레 무늬를 생성시켜서 3차원 형상을 측정한다.

여기서, 기준 격자와 결상된 격자와의 논리 연산을 이용하는 방법(논리 모아레 방식)과 컴퓨터에서 생성된 격자와 결상된 격자를 중첩시킨 뒤 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)를 이용하여 모아레 무늬만을 분리해내는 방식(저주파 통과 방법)이 있다.

논리 모아레 방식은 격자 간의 논리적인 연산으로 생성되는 모아레 무늬를 이용하기 때문에 격자에 해당하는 공간 주파수들이 고주파 잡음(High Frequency Noise)으로 작용하여 선명한 무늬를 얻을 수 없다.

저주파 통과 방법의 경우에는 고주파 잡음을 제거하기 위해서 저주파 통과 필터를 사용하지만 피검체의 형상이 복잡한 경우 잡음을 효과적으로 제거할 수 없다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 설비가 간단하고 제조비용이 저렴하며 측정 속도가 빠른 3차원 형상 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 고주파 노이즈를 간단하고 효과적으로 제거하여 선명한 3차원 형상을 측정할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 광원과, 제1 격자무늬를 생성하기 위해 상기 광원과 피검체 사이에 배치되고, 상기 제1 격자무늬를 전기적 제어에 의해 이동시킬 수 있도록 된 액정 표시 소자와, 그리고 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 액정 표시 소자를 통과하여 피검체에 형성된 제1 격자 무늬 영상을 촬영하는 영상감지소자를 가진 제1 격자무늬 생성 유닛; 제2 격자무늬를 생성하고, 상기 제2 격자무늬를 상기 제1 격자무늬와 같은 주기로 이동시키며, 상기 영상감지소자로부터 입력된 제1 격자무늬와 상기 제2 격자무늬에 의해 고주파 노이즈가 제거된 간섭무늬를 생성하는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 격자무늬 생성 유닛이 복수 개 구비되어 상기 피검체 둘레에 소정 간격으로 배치될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은 액정 표시 소자에 의해 제1 격자무늬를 생성하는 단계; 광원에서 출사된 광이 상기 액정 표시 소자를 통과하도록 하여 상기 제1 격자무늬를 피검체에 결상시키는 단계; 컴퓨터를 이용하여 제2 격자무늬를 생성하는 단계; 상기 제1 격자무늬를 촬영하여 상기 컴퓨터에 입력하고, 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 곱하여 간섭무늬를 형성하는 단계; 상기 액정 표시 소자의 화소별 전기적 제어에 의해 상기 제1 격자무늬를 이동시키고, 상기 제2 격자무늬를 상기 제1 격자무늬와 같은 주기로 이동시켜 격자 연산과정을 통해 노이즈가 제거된 모아레 무늬를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은, 광이 제1 격자 패턴을 통과하여 생성된 제1 격자 무늬를 피검체에 결상시키는 단계; 제2 격자무늬를 생성하는 단계; 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬에 의해 제1 간섭 무늬를 형성하는 단계; 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 같은 주기로 이동시키는 단계; 이동된 제1 격자무늬와 제2 격자무늬에 의해 제2 간섭 무늬를 형성하는 단계; 상기 제1 간섭 무늬와 제2 간섭 무늬의 평균을 취하여 노이즈를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치 및 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하여 격자 이미지를 생성하고, 격자 이미지를 같은 주기로 이동시켜 모아레 무늬의 위상천이를 구현한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 도 5a를 참조하면 광원(10)과 액정 표시 소자(15)를 가지는 제1 격자무늬 생성 유닛과, 제2 격자무늬를 생성하는 컴퓨터(25)를 포함한다.

상기 광원(10)에서 출사된 광이 상기 액정 표시 소자(15)를 통해 피검체(p)에 결상된 제1 격자무늬와 상기 컴퓨터(25)에 의해 생성된 제2 격자무늬의 간섭에 의해 모아레 무늬가 형성된다.

그리고, 상기 액정 표시 소자(15)를 통해 형성된 제1 격자무늬가 촬영되는 영상감지소자(20)가 구비된다. 상기 액정 표시 소자(15)와 피검체(p) 사이에 제1 결상 렌즈(17)와, 상기 피검체(p)와 영상감지소자(20) 사이에 제2 결상 렌즈(18)가 구비된다.

상기 광원(10)에서 출사된 광이 상기 액정 표시 소자(15)와 제1 결상렌즈(17)를 통과하여 피검체(p)에 제1 격자 무늬가 생성된다. 제1 격자 무늬가 피검체(p)에 결상되고, 상기 제1 격자 무늬가 상기 제2 결상렌즈(18)를 통해 상기 영상감지소자(20)에 의해 촬영된다.

상기 광원(10), 액정 표시 소자(15) 및 제1 결상 렌즈(17)가 한 세트로 구성되어 제1 유닛(30)으로 형성되고, 상기 제2 결상 렌즈(18)와 영상감지소자(20)가 한 세트로 구성되어 제2 유닛(30)으로 형성될 수 있다. 상기 제1 유닛(30)과 제2 유닛(35)에 의해 제1 격자 무늬가 생성된다.

상기 영상감지소자(20)로부터 제1 격자 무늬가 컴퓨터(25)에 입력되고, 이 제1 격자 무늬와 상기 컴퓨터(25)에 의해 형성된 가상의 제2 격자 무늬가 간섭을 일으켜 모아레 무늬가 형성된다.

도 5b는 액정 표시 소자(15)에 의해 제1 격자무늬가 생성되고, 제1 격자무늬가 위상천이되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

액정 표시 소자(15)는 복수 개의 화소(15a)가 (n×n)의 2차원적으로 배열되어 형성되며, 각 화소별로 구동 전압의 π세기를 변화시켜 투과하는 광의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, (n×n) 배열의 화소들 중 홀수 번째 열의 화소들을 off시키고, 짝수 번째 열의 화소들을 on 시키면 제1 격자무늬를 만들 수 있다. 이와 달리, (n×n) 배열의 화소들 중 짝수 번째 열의 화소들을 off로 만들고, 홀수 번째 열의 화소들을 on 상태로 만듦으로써 제1 격자무늬를 π만큼 위상천이시킬 수 있다. 이는 기존의 격자를 기계적으로 이동시켜 모아레 무늬를 위상천이시키는 것과 같은 효과를 내는 것이다. 따라서 본 발명에 따른 장치에서는 액정 표시 소자의 간단한 전기적 조작에 의해 on-off는 물론 밝기 조절을 통하여 정확하고 신속하게 위상천이효과를 얻을 수 있다.

상기 액정 표시 소자(15)의 각 화소별 on-off 제어 혹은 밝기 제어를 통해 제1 격자 무늬를 이동시킬 수 있다. 기존의 격자를 기계적으로 이동시켜 모아레 무늬의 위상천이를 일으키는 대신 상기 액정 표시 소자(15)에서는 화소별로 광이 통과되는 영역을 전기적으로 변화시킴으로써 위상천이를 일으킬 수 있다. 즉, 액정 표시 소자(15)에서는 위상천이가 화소별 전기적 작용에 의해 간단하면서 정밀하고 신속하게 구현될 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 액정 표시 소자(15)를 통해 제1 격자 무늬가 이동된 거리와 동일한 정도로 제2 격자 무늬를 이동시킨다. 제2 격자 무늬는 컴퓨터(25)를 통해 간단하게 이동시킬 수 있다.

이동된 제1 격자무늬는 상기 제1 결상렌즈(15)를 통과해 피검체(p)에 결상된 다음, 제2 결상렌즈(18)를 통과해 영상감지소자(20)에 결상된다. 영상감지소자(20)에서 촬영된 제1 격자무늬는 컴퓨터(25)로 입력되고, 상기 제1 격자무늬는 컴퓨터(25)에 의해 제1 격자 무늬와 동일한 거리로 이동된 제2 격자무늬와 간섭을 일으켜 위상 천이된 모아레 무늬가 형성된다.

도 6(a) 및 도 6(b)는 상기 액정 표시 소자(15)에 의해 형성된 제1 격자무늬를 전기적 작용에 의해 소정 거리만큼 이동시켜 측정한 결과를 각각 나타낸 것이고, 도 6(c) 및 도 6(d)는 상기 컴퓨터(25)에 의해 형성된 제2 격자무늬를 가상적으로 소정 거리만큼 이동시켜 얻은 영상을 각각 나타낸 것이다.

이렇게 격자 무늬를 이동시키면 모아레 무늬의 위상천이가 나타나게 된다. 이때, 제1 및 제2 격자 무늬를 같은 주기로 이동시키는 목적은 모아레 무늬의 위상을 천이시키기 위한 것뿐만 아니라 3차원 형상 측정을 방해하는 노이즈 패턴들을 제거하기 위한 것이다. 모아레 무늬의 위상을 천이시키기 위해서는 컴퓨터에서 만들어내는 제2 격자 무늬도 제1 격자 무늬에 대해 같은 주기만큼 이동시켜야 한다. 여기서, 제1 격자와 제2 격자 중 어느 한 격자만 이동시켜도 위상천이가 발생하지만, 제1 격자와 제2 격자를 동일한 주기로 이동시킴으로써 모아레 무늬에 섞여 있는 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.

그리고, 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬의 세기 함수를 서로 곱하면, 도 7(a) 내지 도 7(d)에 도시된 바와 같은 네 개의 영상이 만들어진다. 도 7(a)는 도 6(a) 및 도 6(c)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이고, 도 7(b)는 도 6(a) 및 도 6(d)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이다. 또한, 도 7(c)는 도 6(b) 및 도 6(c)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이고, 도 7(d)는 도 6(b) 및 도 6(d)의 격자무늬를 곱하여 얻은 영상이다.

도 7(a) 내지 도 7(d)를 보면, 모아레 무늬뿐만 아니라 모아레 무늬를 생성하기 위해 사용된 격자에 대응되는 무늬가 모두 존재한다. 여기서, 피검체(p)의 표면 형상을 알아내기 위해서는 이들 무늬들로부터 모아레 무늬만을 따로 추출해서 피검체의 표면 형상을 계산해야 한다.

본 발명에서는 모아레 무늬가 제1 격자무늬(측정격자 무늬)와 제2 격자무늬(가상격자 무늬)와의 상대적인 차이에 의해 발생된다는 점을 이용하여 모아레 무늬를 추출한다. 즉, 일정한 차이를 가지는 제1 격자와 제2 격자를 동일한 거리만큼 이동시키더라도 모아레 무늬는 변하지 않지만, 제1 격자와 제2 격자 각각에 해당하는 무늬들은 격자의 이동에 따라 변한다. 그리고, 동일한 모아레 무늬를 갖도록 만들어진 영상들을 서로 더하면 모아레 무늬는 더욱 선명해진다는 점을 이용하여 모아레 무늬를 추출한다.

모아레 무늬는 격자에 존재하는 각 라인의 오더(order), 즉 각각의 라인의 순서에 해당되는 번호의 차이에 의해서 발생된다. 따라서, 제1 격자와 제 2 격자의 각 라인 사이의 거리가 변하지 않도록 두 격자를 같이 이동하면 생성되는 모아레 무늬에는 아무런 변화가 없다. 하지만, 제1 격자와 제2 격자 각각에 해당하는 무늬와 같은 고주파 노이즈는 격자의 이동에 따라 함께 이동하게 된다. 그러므로, 제1 격자와 제2 격자를 같은 거리(또는 같은 주기)로 이동시키면서 얻은 무늬들의 평균을 취하면 사용된 격자에 해당하는 패턴과 같은 고주파 노이즈들은 상수 값이 되어 사라지게 된다. 예를 들어, cosin 함수를 한 주기 만큼 적분을 하면 0이 되듯이, 주기성을 가진 격자를 움직이면서 평균을 취하면 상수 값이 된다.

제1격자와 제2격자를 같이 이동시키면, 모아레 무늬는 같은 모양을 가지는 한편, 고주파 노이즈들은 상수 값이 되어 사라지기 때문에 모아레 무늬가 더욱 선명해진다.

그러므로, 제1 격자와 제2 격자간의 상대적인 순서(order)를 바꾸지 않으면서 격자를 이동시키고, 이동시킨 각 격자의 영상들의 세기의 평균을 취하면 모아레 무늬의 세기 분포는 변화가 없는 한편, 다른 고주파 패턴들은 서로 상쇄되어 제거되기 때문에 모아레 무늬가 더욱 선명해 진다.

도 7(a) 및 도 7(d)의 영상을 보면, 두 영상에 나타난 모아레 무늬는 동일한 한편, 격자에 해당하는 영상들은 격자 간격의 절반만큼 이동한 상태임을 알 수 있다. 이는 격자의 이동을 의미하고 이를 통해 결과적으로는 모아레 무늬의 위상을 천이 시키게 된다. 이런 격자의 이동은 모아레 무늬의 위상천이뿐만 아니라 모아레 무늬만을 추출하는 이미지 처리 작업에도 필요하다.

도 7(b) 및 도 7(c) 또한 모아레 모늬는 동일한 한편, 격자에 해당하는 영상들은 격자 간격의 절반만큼 이동되어 있다.

동일한 모아레 무늬를 갖는 영상끼리 더하면 모아레 무늬가 보다 선명해진다. 도 8(a)는 도 7(a) 및 도 7(d)의 영상을 더하여 얻은 영상이고, 도 8(b)는 도 7(b) 및 도 7(c)의 영상을 더하여 얻은 영상이다. 이와 같이 하여 고주파 노이즈를 제거하고 보다 선명한 위상 천이된 모아레 무늬를 얻을 수 있다.

다음, 도 9(a) 내지 도 9(c)는 3개의 위상천이를 통해 얻은 모아레 간섭무늬를 나타낸 것으로, 2π/3씩 위상 천이된 것이다. 예를 들어, 상기 액정 표시 소자(15)를 구성하는 하나의 화소마다 2π/3의 위 상차를 갖고 있다.

도 10(a) 내지 도 10(d)는 4개의 위상천이를 통해 얻은 모아레 간섭무늬를 나타낸 것으로, π/2씩 위상천이된 것이다. 상기 액정 표시 소자(15)를 이용하여 4개의 위상천이를 시키는 경우, 액정 표시 소자(15)를 구성하는 하나의 화소마다 π/2의 위상차를 갖고 있다. 이와 같이 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 동일 주기(또는 거리)로 이동시키면 고주파 노이즈를 제거할 수 있다.

다음, 본 발명에 따른 모아레 간섭무늬를 통해 3차원 형상을 측정하는 방법을 나타내는 플로우챠트가 도 11에 도시되어 있다.

먼저, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은 제1 격자 무늬를 생성하고(s10), 제2 격자 무늬를 생성한다(s12). 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬의 격자 연산을 통해 제1 모아레 간섭 무늬를 생성한다(s13).

그리고, 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬를 동일한 주기(격자 무늬의 주기) 또는 거리만큼 이동시키고(s14), 이동된 후의 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬의 격자 연산을 통해 제2 모아레 간섭 무늬를 생성한다(s16). 이어서, 고주파 노이즈 제거를 위해 제1 간섭 무늬와 제2 간섭 무늬의 평균을 취하여 모아레 무늬를 생성한다(s17).

다음, 위상 천이된 모아레 무늬를 위상천이 알고리즘을 이용하여 처리하여(s18) 3차원 형상을 생성한다.

여기서, 제1 격자 무늬와 제2 격자 무늬는 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 격자에 의해 형성될 수 있다. 다른 방법으로서, 액정 표시 소자(15)에 의해 제1 격자무늬를 생성하고, 컴퓨터(25)에 의해 제2 격자무늬를 생성한다. 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 연산하여 1차적 모아레 무늬를 형성한다. 그리고, 액정 표시 소자(15)와 컴퓨터(25)에 의해 같은 주기 또는 같은 거리로 격자 무늬를 이동시켜 2차적 모아레 무늬를 형성한다. 그리고, 1차적 모아레 무늬와 2차적 모아레 모늬의 평균을 취하여 고주파 노이즈를 제거함으로써 좀더 선명한 모아레 무늬를 발생시킬 수 있다.

상기와 같이 생성된 영상들에 3단계 위상천이 알고리즘(3-step phase shifting algorithm) 또는 4단계 위상천이 알고리즘(4-step phase shifting algorithm)을 적용하여 모아레 무늬에 해당하는 위상 맵을 구한다. 일반적으로 위상천이 알고리즘은 각 영상의 세기 분포로 표현되는 함수에 arc tangent를 취하여 위상을 구한다. arc tangent 함수의 특성상 생성되는 위상은 (-π/2) ~ (π/2)의 영역이나 (-π) ~ (π)의 영역으로 한정되어 나타난다. 그러므로 위상천이 알고리즘으로 구한 위상 맵은 불연속적인 부분을 가질 수밖에 없다. 이 단계에서 구한 위상 맵을 래핑된(wrapping) 위상 맵이라고 부르고, 이런 불연속적인 부분을 이어주는 과정을 언래핑(unwrapping) 과정이라고 한다.

그리고, 언래핑(unwrapping) 프로세스를 통하여 위상 맵에 모아레 무늬의 파장을 곱하면, 위상은 피검체(p)의 높이로 복원된다(s20). 그럼으로써, 피검체의 3차원 형상이 측정된다(s22). 이러한 3차원 형상 측정 방법은 "Phase Shifting Intererometery, in Optical Shop Testing, D. Malacara, 2nd Ed. John Wiley & Sons Inc, New York 1992"에 개시되어 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법에서는 액정 표시 소자와 컴퓨터에 의해 간단하고 신속하게 격자무늬를 생성 및 위상 천이시킬 수 있으며, 고주파 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 제시한다.

한편, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치를 이용하여 피검체의 형상을 3차원적으로 효과적으로 측정하기 위해 도 12에 도시된 바와 같이 피검체(p)를 회전시키면서 촬영할 수 있다. 여기서, 설비를 좀더 간단히 하기 위해, 광원(10)과 액정 표시 소자(15)와 제1 결상 렌즈(17)를 하나의 하우징에 설치하여 제1 유닛(30)으로 구성하고, 제2 결상 렌즈(18)와 영상감지소자(20)를 하나의 하우징에 설치하여 제2 유닛(35)으로 구성할 수 있다.

다음, 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치를 복수 개 구비하여 피검체(p) 둘레의 적당한 위치에 설치할 수 있다. 예를 들어, 두 세트의 3차원 형상 측정 장치를 구비하고, 피검체(p)를 중심으로 적당한 간격으로 배치함으로써 피검체(p)를 회전시킬 필요 없이 피검체를 3차원으로 촬영하는 것이 가능해진다.

도 13에서는 컴퓨터(25)를 두 개 구비한 예를 도시하였지만, 컴퓨터에 인터페이스를 이용하여 두 세트의 3차원 형상 측정 장치에 대해 공통으로 사용될 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법은, 모아레 무늬 발생 알고리즘과 위상천이 알고리즘을 적용하여 피검체의 3차원 형상을 정밀하고 선명하게 측정할 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 모아레 무늬 발생 알고리즘은 기존의 모아레 무늬 발생 방법들에 비해 측정 정보의 손상을 최소화하면서 불필요한 노이즈를 제거할 수 있는 새로운 방법으로서 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치는 액정 표시 소자를 이용하여 제1 격자무늬를 생성하고, 컴퓨터에 의해 제2 격자무늬를 생성하여 모아레 무늬를 형성하므로 간단하고 신속하게 3차원 형상을 측정할 수 있다. 다시 말하면, 모아레 무늬의 위상천이를 위해 격자를 기계적으로 이동시킬 필요 없이 전기적 작용만으로 가능하므로 매우 빠르게 3차원 형상 측정을 할 수 있다. 따라서, 사람이나 움직이는 피사체를 촬영하는 경우 유리하게 이용할 수 있다.

상기 구성에 의해, 단순화된 3차원 측정 장치로부터 매우 신속하고, 정밀한 3차원 형상의 측정이 가능하다.

기존의 격자는 제조가 용이하지 않고 위상천이를 시키기 위해 격자를 기계적으로 이동시켜야 하기 때문에 위상천이에 시간이 많이 들 뿐만 아니라, 기계적 조작에 의해 이루어지기 때문에 정밀 조작에 한계가 있다. 이에 반해, 본 발명에 따른 측정 장치에서는 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하기 때문에 촬영속도가 현저히 빠를 뿐 아니라 제어가 용이한 이점이 있다.

더욱이, 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하여 생성한 격자무늬를 같은 주기만큼 이동시켜 효과적으로 노이즈를 제거함으로써 선명한 3차원 형상을 얻을 수 있다.

또한, 액정 표시 소자와 컴퓨터를 이용하여 3차원 형상을 촬영하는 것이 가능하므로 설치비용이나, 설치 공간이 적게 들어 상용화가 가능하다. 더 나아가, 사람 얼굴을 간단하게 3차원적으로 촬영하는 것이 가능하고, 이 촬영된 영상을 이용하여 컴퓨터 게임이나 교육 프로그램 등에 접목시켜 그 응용 분야를 넓힐 수 있다.

도 1은 모아레 무늬가 형성되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 종래의 격자를 이용한 그림자식 위상천이 모아레 형상 측정 장치를 나타낸 것이다.

도 3은 종래의 투영식 위상천이 모아레 형상측정 장치를 나타낸 것이다.

도 4는 종래의 구조화된 패턴 투영식 형상측정 장치를 나타낸 것이다.

도 5a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 개략적인 구성도이다.

도 5b는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치에 채용되는 액정 표시 소자에 의해 격자무늬가 형성되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 6(a)는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치에 채용되는 액정 표시 소자에 의해 형성되는 제1 격자무늬를 나타낸 것이고, 도 6(b)는 도 6(a)의 격자무늬를 위상천이 시킨 후의 격자무늬를 나타낸 것이다.

도 6(c)는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치에 채용되는 컴퓨터에 의해 형성되는 제2 격자무늬를 나타낸 것이고, 도 6(d)는 도 6(c)의 격자무늬를 위상천이 시킨 후의 격자무늬를 나타낸 것이다.

도 7(a)는 도 6(a)의 격자무늬와 도 6(c)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.

도 7(b)는 도 6(a) 및 도 6(d)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.

도 7(c)는 도 6(b) 및 도 6(c)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.

도 7(d)는 도 6(b) 및 도 6(d)의 격자무늬를 간섭시켜 얻은 간섭무늬이다.

도 8(a)는 도 7(a) 및 도 7(d)를 합하여 얻은 무늬이고, 도 8(b)는 도 7(b) 및 도 7(c)를 합하여 얻은 무늬이다.

도 9(a) 내지 도 9(c)는 3장의 위상 천이된 모아레 간섭무늬를 나타낸 사진이다.

도 10(a) 내지 도 10(c)는 4장의 위상 천이된 모아레 간섭무늬를 나타낸 사진이다.

도 11은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도 12는 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치를 이용하여 피검체를 촬영하는 일 예를 나타낸 것이다.

도 13은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정 장치가 한 쌍 구비되어 피검체를 3차원적으로 촬영하는 예를 나타낸 것이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...광원, 15...액정 표시 소자

17,18...결상 렌즈, 20...영상감지소자

25...컴퓨터, p...피검체

Claims (7)

1. 광원과, 제1 격자무늬를 생성하기 위해 상기 광원과 피검체 사이에 배치되고, 상기 제1 격자무늬를 전기적 제어에 의해 이동시킬 수 있도록 된 액정 표시 소자와, 그리고 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 액정 표시 소자를 통과하여 피검체에 형성된 제1 격자 무늬 영상을 촬영하는 영상감지소자와, 상기 액정 표시 소자와 피검체 사이 및 상기 피검체와 영상감지소자 사이에 각각 배치된 결상 렌즈를 가진 제1 격자무늬 생성 유닛;

   제2 격자무늬를 생성하고, 상기 제2 격자무늬를 상기 제1 격자무늬와 같은 주기로 이동시키며, 상기 영상감지소자로부터 입력된 제1 격자무늬와 상기 제2 격자무늬에 의해 고주파 노이즈가 제거된 간섭무늬를 생성하는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 격자무늬 생성 유닛이 복수 개 구비되어 상기 피검체 둘레에 소정 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치.
3. 삭제
4. 액정 표시 소자에 의해 제1 격자무늬를 생성하는 단계;

   광원에서 출사된 광이 상기 액정 표시 소자를 통과하도록 하여 상기 제1 격자무늬를 피검체에 결상시키는 단계;

   컴퓨터를 이용하여 제2 격자무늬를 생성하는 단계;

   상기 제1 격자무늬를 촬영하여 상기 컴퓨터에 입력하고, 상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 곱하여 간섭무늬를 형성하는 단계;

   상기 액정 표시 소자의 화소별 전기적 제어에 의해 상기 제1 격자무늬를 이동시키고, 상기 제2 격자무늬를 상기 제1 격자무늬와 같은 주기로 이동시켜 격자 연산과정을 통해 노이즈가 제거된 모아레 무늬를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 방법.
5. 광이 제1 격자 패턴을 통과하여 생성된 제1 격자 무늬를 피검체에 결상시키는 단계;

   제2 격자무늬를 생성하는 단계;

   상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬에 의해 제1 간섭 무늬를 형성하는 단계;

   상기 제1 격자무늬와 제2 격자무늬를 같은 주기로 이동시키는 단계;

   이동된 제1 격자무늬와 제2 격자무늬에 의해 제2 간섭 무늬를 형성하는 단계;

   상기 제1 간섭 무늬와 제2 간섭 무늬의 평균을 취하여 노이즈를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제1 격자무늬는 액정 표시 소자에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 제2 격자무늬는 컴퓨터에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 방법.