KR100930620B1 - 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치에 관한 것으로 특히 대구경 오목거울을 사용하여 물체에 입사되는 광량의 집중도를 높임으로써 정확한 영상을 획득하여 측정정밀도를 향상시키는 것이다.

본 발명의 장치는 라인광을 발생하는 임의의 조명; 상기 임의의 조명으로부터 발생된 라인광을 통과시키는 렌즈; 상기 렌즈로부터 통과된 광을 반사하기 위한 대구경 오목거울; 상기 렌즈로부터 통과된 광을 대구경 오목거울쪽으로 투과시키고 대구경 오목거울로부터 반사된 광을 상기 물체쪽으로 반사하기 위한 빔스프리터; 및 상기 물체로부터 반사된 광을 수신하기 위한 카메라를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 장치는 대구경 오목거울에 의해 수렴광을 형성하여 획득된 3차원 범프의 측정영역이 더 넓어지고, 형상오차가 감소되는 효과를 제공한다.

Description

대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치{Apparatus for obtaining image by triangulation}

본 발명은 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치에 관한 것으로 특히 대구경 오목거울을 사용하여 물체에 입사되는 광량의 집중도를 높임으로써 정확한 영상을 획득하여 정밀도를 향상시키는 것이다. 또한 본 발명은 측정하는 물체의 형상에 따라 라인광의 두께를 조절함으로써 물체의 형상에 따른 정밀도를 향상시키는 것이다.

최근, 실물모형 및 모델의 수치화에 대한 계속된 발전결과 효과적인 표면감지능력에 대한 필요성이 대두되었다. 스캐닝 기계부품들과 같은 다른 측정 및 게이징 용도에서도 개선된 표면 수치화가 요구되고 있다. 단색 삼각측량은 일반적으로 잘 알려진 비접촉 표면 수치화수단이며 대부분 형태의 물질들에 대해 간섭광원을 사용해 왔다. 그러나 간섭광원을 사용하는 시스템의 경우에는 수치화공정에서 광노이즈를 발생시킬 수도 있는 간섭에 영향을 받기 쉽다. 또한 단색 삼각측량은 간 섭효과와 표면조건으로 인한 광세기의 변화에 민감하다.

따라서, 광세기와 무관한 삼각측량을 위해서는 비간섭(non-coherent)광원을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 삼각측량의 구성은 두 가지가 있는데 하나는 평면(in plane)구성이고 다른 하나는 브이자형구성으로 브이자형구성은 광원과 뷰잉면(viewing plane)간의 삼각측량각도가 감소되어 종래의 삼각측량기술에서 발생하는 폐색문제를 방지할 수 있다.

일반적인 삼각측량장치는 측정할 물체를 포함하는 측정공간을 조명하기 위한 조명부시스템과, 상기 물체에 의해 반사되는 광을 집광하고, 물체의 깊이적인 색 코드화된 데이터를 이용하여 물체의 3차원 토포그라피(topography)를 발생시키는 뷰잉부시스템을 포함한다.

특히, 소스 슬릿상에 다색광원을 이미징시키기 위한 릴레이 광학소자가 사용되고, 상기 소스 슬릿은 슬릿 영상을 분산소자상으로 전달한다. 측정할 물체는 측정공간내에서 절단면(x,z)를 따라 연속되는 단색 영상들로 조명된다. 측정된 물체의 표면과 절단면의 교차에 의해 발생되는 색 코드화된 (x,λ)표시가 이미징 분광기의 뷰잉 슬릿상에 이미징된다. 상기 뷰잉 슬릿상에 상기 영상을 투영시키기 위해 릴레이 렌즈가 사용된다. 분광기의 영상면에 위치하는 흑백 이미징 어레이에 의해 상기 색 코드화된 표시가 레지스터되고, 영상 처리기에 의해 상기 표시가 스펙트럼측광분석에 따라 3차원 토포그라피의 평면부분으로 변환된다.

이러한 삼각측량장치에 대한 종래의 일실시예를 도 1을 참고하여 설명한다.

도 1은 종래의 브이자형 삼각측량장치를 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 볼모양의 범프(13)를 측정하기 위해서 광원(11)으로부터 광을 출사하여 이미징시스템(14)을 거쳐 구경조리개(19)에 의해 알파각(17)으로 범프에 입사하도록 한다. 또한, 범프(13)로부터 베타각(18)으로 반사된 광을 통과시키는 구경조리개(20)와 광이미징시스템(16)을 통과한 광이 카메라(15)에 이미지형태로 촬상되도록 구성된다.

도 1에서, 광원(11)은 백색광으로 공간적으로 간섭을 일으키지 않는 조명원이 바람직하다. 광원(11)은 구경조리개(19)에 의해 컨트롤되며, 구경조리개(19)는 광원을 따라 큰 개구수(19a)를 갖으며 수직방향으로는 작은 개구수를 갖는다. 이때, 광원(11)으로부터 출사한 백색광은 이미징시스템(14)을 통과해 구경조리개(19)에 의해 컨트롤되어 물체(12)에 입사된다. 이때, 물체(12)에 입사되는 광은 특정각도(17, 18)를 이루고 있으며 폭이 좁은 띠형태를 갖는다. 또한, 물체(12)로부터 특정각도(17, 18)로 반사되는 광은 구경조리개(20)를 통과하여 광이미징시스템(16)을 통과해 카메라(15)로 수신된다. 이렇게 수신된 광은 공간적인 간섭을 일으키지 않으며 물체의 광이미지를 획득한다. 이러한 삼각측량장치에서는 광원을 컨트롤하기 위해 구경조리개(19)를 사용한다.

이는 도 4a에 도시한다.

도 4a는 물체(12)에 범프(13)들의 영상을 획득한 카메라(15)에 맺힌 범프(13)의 영상을 보여준다.

하지만 이러한 종래의 삼각측량법은 조명에서 나오는 광원이 광경로가 복잡하고 광소자들(렌즈, 빔스프리터등)의 반사나, 흡수등으로 인해 광손실이 생김에 따라, 물체에 충분한 광량이 전달되지 못하는 단점이 있었다. 이로 인해 카메라로 획득한 영상이 정확하지 못해 정확한 범프형상을 얻을 수 없어 측정오차가 발생할 뿐 만 아니라, 조명원의 컨트롤은 구경조리개의 개구수로만 조절가능하여 포커싱이 잘 되지 않아 획득된 영상이 선명하지 못한 문제점을 지니고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 대구경 오목거울을 이용한 수렴광을 통하여 보다 넓은 범프영역의 측정이 가능하며 조명원의 컨트롤은 조명과 렌즈의 거리조정만으로 라인광의 두께를 용이하게 컨트롤 하는 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치를 제공함에 있다.

나아가 본 발명은 오목거울을 이용해 수렴광을 물체에 입사시킴으로써 충분한 광량이 물체에 도달하게 하여 카메라로 하여금 선명한 영상을 획득하도록 하고 상기 선명한 영상을 통해 정확한 형상을 측정하는 삼각 측량장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치는 물체의 표면수치화를 위한 삼각측량장치에 있어서, 라인광을 발생하는 임의의 조명부; 상기 임의의 조명부로부터 발생된 라인광을 통과시키는 렌즈; 상기 렌즈로부터 통과된 광을 반사하기 위한 대구경 오목거울; 상기 렌즈로부터 통과된 광을 대구경 오목거울쪽으로 투과시키고 대구경 오목거울로부터 반사된 광을 상기 물체쪽으로 반사하기 위한 빔스프리터; 및 상기 물체로부터 반사된 광을 수신하기 위한 카메라를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 도 2에서 물체와 빔스프리터는 상기 물체에 입사되는 라인광이 임의의 각도(b)를 이루도록 설치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 물체와 카메라는 물체로부터 반사된 광이 임의의 각도(a)를 이루어 카메라에 수신되도록 설치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 대구경 오목거울은 라인광을 상기 렌즈로부터 입사받은 다음 상기 입사광을 상기 빔스프리터쪽으로 수렴하는 수렴광의 형태로 반사시키는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 장치는 임의의 조명에서 발생된 라인광을 사용하여 대구경 오목거울에 의해 광스폿을 형성시킴으로써 획득된 영상이 고르고 선명하도록 하며, 대구경 오목거울을 통하여 집광된 수렴광을 이용하기 때문에 더 넓은 범프영역이 측정됨과 동시에 형상오차가 감소되는 효과를 제공한다. 또한, 임의의 조명과 렌즈의 거리조정만으로, 광원의 두께를 컨트롤하기가 용이한 효과를 제공한다.

이하, 첨부한 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각측량장치의 구성요소를 도시한 도면이다.

도 2를 참고하면, 라인광을 발생하는 임의의 조명(21)과 임의의 조명(21)으로부터 발생된 라인광을 통과시키는 렌즈(22)와 렌즈(22)로부터 통과된 광을 반사 하기 위한 대구경 오목거울(23)과, 렌즈(22)로부터 통과된 광을 대구경 오목거울(23)쪽으로 투과시키고 대구경 오목거울(23)로부터 반사된 광을 물체(25)쪽으로 반사하기 위한 빔스프리터(24)와 빔스프리터(24)로부터의 반사광을 입사시켜 임의의 각도를 이루도록 조절된 물체(25), 및 상기 물체(25)로부터 반사된 광을 수신하기 위한 카메라(26)를 포함한다. 물체(25)는 PCB나 웨이퍼이거나 표면에 범프가 형성된 것으로도 가능하다.

상기에서 라인광을 발생시키는 임의의 조명은 주로 광을 발산하는 발광부에 반구형 렌즈를 사용하여 만드는 것이 일반적이나 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.

상기에서 임의의 조명(21)으로부터 발생된 라인광을 통과시키는 렌즈(22)는 라인광의 퍼짐각도를 조정하기 위한 구성요소이므로, 필요에 따라 탈부착이 가능하다.

여기서 물체(25)와 빔스프리터(24)는 물체(25)에 입사되는 라인광이 임의의 각도(b)를 이루도록 설치되어 있다. 또한, 물체(25)와 카메라(26)도 물체(25)로부터 반사된 광이 임의의 각도(a)를 이루어 카메라(26)로 수신되도록 설치되어 있다. 이때, 물체(25)에 조명되는 라인광의 이미지를 카메라(26)를 통해 얻을 수 있다. 위에서 임의의 각도(a, b)는 반사의 법칙을 따르도록 형성되는 것은 당연하다.

여기서 각도a와 각도b는 임의의 각도이나, 만일 각도a와 각도b가 서로 같을 경우에는 정반사를 통해 이미지를 얻기 때문에 비교적 적은 광량으로도 측정 영상을 얻을 수 있고, 특정 조명원에 국한되지 않는다.

또한, 라인광은 특정 두께와 길이를 갖으며 두께를 조절할 수 있다. 즉, 대구경 오목거울을 이용한 조명장치는 조명과 렌즈의 위치를 조정하여 라인광의 두께를 용이하게 컨트롤할 수 있다.

여기서 라인광이란, 도 1의 지면과 수직방향으로 라인형태를 갖는 광을 말하며, 그 라인은 일정두께를 유지한다.

여기서 대구경 오목거울이란, 카메라의 이미지 획득영역(Field of View) 즉 이미지를 획득하는 영역에 대응되는 실제영역의 크기보다 큰 구경을 갖는 오목거울로 이를 본 발명에서 대구경 오목거울이라 칭한다.

또한 여기서 임의의 각도란 광의 손실을 최소화 하기 위해서는 45도가 바람직하나, 장치의 배치상 30~60도가 적당하며, 특정각도로 제한하지는 않는다

도 2에서, 임의의 조명(21)은 라인광을 출사한다. 라인광은 렌즈(22)를 통과하여 빔스프리터(24)에서 투과하여 대구경 오목거울(23)로 입사된다. 대구경 오목거울(23)의 오목면에 입사된 입사광은 오목면에서 반사되어 빔스프리터(24)로 입사한다. 빔스프리터(24)는 입사된 라인광을 반사하여 물체(25)쪽으로 임의의 각도(b)를 이루도록 하여 출사한다. 빔스프리터(24)에서 반사된 라인광은 물체(25)의 표면에 조명되어 임의의 각도(b)로 카메라(26)쪽으로 반사된다. 여기서 물체(25)에 조명되는 라인광은 특정 두께와 길이를 갖으며, 두께와 길이를 조절할 수 있다. 카메라(26)는 물체(25)로부터 반사된 광을 받아서 이미지를 획득하게 된다.

도 3은 도 2의 대구경 오목거울을 향한 라인광의 광경로를 도시한 도면이다.

도 3을 참고하면, 임의의 조명(21)으로부터 발생한 라인광은 발산하는 형태 로 렌즈(22)로 입사한다. 렌즈(22)를 통과한 라인광은 또 다시 발산하는 형태로 빔스프리터(24)를 투과하여 발산광으로 대구경 오목거울(23)에 입사된다. 대구경 오목거울(23)은 발산하는 형태의 발산광을 입사하여 빔스프리터(24)쪽으로 반사하는데 이때 대구경 오목거울(23)로부터 반사된 광은 수렴하는 형태로 빔스프리터(24)로 입사된다. 빔스프리터(24)는 입사되는 수렴광을 반사하여 물체(25)쪽으로 출사하는데 역시 물체(25)쪽으로 수렴하는 형태의 수렴광이 형성하게 된다.

여기서 조명(21)과 렌즈(22)의 거리 L 혹은 대구경 오목거울(23)과 렌즈(22)의 거리 M 를 조절하면, 라인광의 두께 N를 조절할 수 있는데 이는 측정을 하는데 있어 범프의 크기 혹은 표현형태에 따라 측정정밀도를 높이는데 결정적인 역할을 수행한다.

본 발명에서는 조명(21)과 렌즈(22)의 거리 L 혹은 대구경 오목거울(23)과 렌즈(22)의 거리 M 를 조절하기 위해 조명(21), 렌즈(22), 대구경 오목거울(23)에는 각각 또는 일부에 거리조정장치를 두어 거리 L, M 을 조절한다.

이때 물체(25)의 표면에 범프가 형성되어 있다고 가정하면, 범프의 측정 영역에 대구경 오목거울의 사용으로 수렴광이 물체에 입사되면서 충분한 광량이 도달하여 명확한 영상을 획득할 수 있으며, 상기 명확한 영상을 통해 형상을 결정하므로, 정확한 형상을 측정할 수 있게된다. 이러한 범프영상의 일예는 도 4b에 도시한 바와 같다.

도 4b는 획득된 범프영상의 일예를 도시한 화면상태도이다.

도 4b를 보면, 물체(25)의 상부표면에 범프가 형성된 상태라고 가정하면, 카 메라(26)로부터 획득된 범프영상을 도시한다.

도 4b에서는 도 4a에 비해 범프의 측정영역이 넓어지면서도 충분한 광량이 물체에 도달되어 명확한 영상을 얻을 수 있으며, 결과적으로 정확한 형상을 측정할 수 있음을 알 수 있다.

이해를 돕기위해 물체에 수렴광과 발산광이 도달할 때 범프에서 반사되는 광의 형태를 도 5a, 5b를 통해 설명한다.

도 5a는 범프가 존재하는 물체에 발산광 형태로 물체에 입사될 때 범프에서 반사되는 광의 형태를 도시한 것이다. 도면에서 보는 바와 같이 범프에서 반사되는 광이 발산되므로 범프의 테두리 부위가 정확한 영상획득이 어려움을 예측할 수 있으며, 이는 실제 시스템에서 획득한 영상인 도 4a를 통해 확인할 수 있다.

도 5b는 범프가 존재하는 물체에 수렴광 형태로 물체에 입사될 때 범프에서 반사되는 광의 형태를 도시한 것이다. 도면에서 보는 바와 같이 범프에서 반사되는 광이 수렴되므로 범프의 테두리 부위가 발산하는 형태(도5a 참조)에 비해 좀더 정확한 영상획득이 가능함을 예측할 수 있으며, 이는 실제 시스템에서 획득한 영상인 도 4b를 통해 확인할 수 있다.

도 1은 종래의 브이자형 삼각측량장치를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 삼각측량장치의 구성요소를 도시한 도면,

도 3은 도 2의 대구경 오목거울을 향한 라인광의 광경로를 도시한 도면,

도 4a 및 도 4b는 획득된 범프영상의 일예를 도시한 화면상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 임의의 조명 22 : 렌즈

23 : 대구경 오목거울 24 : 빔스프리터

25 : 물체26 : 카메라

Claims (8)

1. 물체의 표면수치화를 위한 삼각측량장치에 있어서,

   라인광을 발생시키는 임의의 조명;

   상기 임의의 조명으로부터 발생된 라인광을 상기 물체의 표면쪽으로 반사하기 위해 카메라로 볼 수 있는 실제영역의 면적보다 큰 면적를 갖는 대구경 오목거울;

   상기 물체로부터 반사된 광을 수신하기 위한 카메라; 및

   상기 임의의 조명으로부터 발생된 라인광을 상기 물체의 표면쪽으로 반사시키는 대구경 오목거울 사이에는 빔스프리터를 포함하고,

   상기 빔스프리터는 상기 물체로 출사되는 라인광이 물체의 표면과 임의의 각도(b)를 이루도록 설치하는 것을 특징으로 하는 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서

   상기 라인광을 발생시키는 임의의 조명과 ;

   상기 물체쪽으로 반사하기 위한 빔스프리터 사이에는 상기 라인광의 퍼짐각도를 조정하는 렌즈(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치.
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 3항 중 한 항에 있어서,

   상기 물체와 카메라는 물체로부터 반사된 광이 임의의 각도(a)를 이루어 카메라에 수신되도록 설치하는 것을 특징으로 하는 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 대구경 오목거울은

   상기 렌즈로부터 발산하는 형태의 발산광을 입사하여 상기 빔스프리터쪽으로 수렴하는 형태의 수렴광을 반사시키는 것을 특징으로 하는 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치.
7. 삭제
8. 제3항에 있어서

   상기 조명과 상기 렌즈사이의 거리를 변화시키거나, 상기 대구경 오목거울(23)과 상기 렌즈의 거리를 변화시켜 라인광의 두께를 조정하는 것을 특징으로 하는 대구경 오목거울을 이용한 삼각측량장치.

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