KR101139178B1 - 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치 - Google Patents
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Abstract
디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치를 제공한다.
본 발명은 원 쇼트(ONE SHOT) 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부; 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ; 상기 광원부로부터 방출되어 반사미러에서 반사된 광원의 참조파와 측정파를 포함하는 합성광을 측정대상물측으로 반사시키는 제1빔스플리터 ; 상기 측정대상물로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되는 상기 합성광을 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ; 상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터; 상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 : 상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함한다.
본 발명은 원 쇼트(ONE SHOT) 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부; 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ; 상기 광원부로부터 방출되어 반사미러에서 반사된 광원의 참조파와 측정파를 포함하는 합성광을 측정대상물측으로 반사시키는 제1빔스플리터 ; 상기 측정대상물로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되는 상기 합성광을 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ; 상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터; 상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 : 상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 디지털 홀로그래피를 이용하여 측정대상물을 입체적으로 측정할 수 있는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 디지털 홀로그래피를 구현하는데 있어 하드웨어적으로 구조가 간단하면서도 정렬이 용이하며, 백색광원을 사용하여 스팩클 노이즈를 감소키거나 완벽히 제거할 수 있으며, 2개의 CCD을 이용하여 ONE SHOT으로 디지털 홀로그래피 영상을 획득하여 소프트웨어적으로 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform)의 적용이 가능한 구조를 제안하여 계산 속도가 향상된 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 광학 기반의 3차원 입체(3D) 측정 기술 중 디지털 홀로그래피를 이용한 방법이 고속 측정의 용이성으로 인해 그 중요성이 부각되고 있다.
도 1은 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 기술의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 3차원 물체인 측정 대상물에서 반사되어 나오는 측정광이 CCD 카메라에 촬상되는 상태를 도식화한 것으로, CCD 카메라 앞에 이미징 렌즈(Imaging lens)를 사용하지 않고 측정 대상물을 촬상하기 때문에 기존의 3D 측정 방식과 큰 차이를 갖는다.
즉, CCD 카메라에 의해 촬상되는 이미지는 디지털 홀로그램으로 표현된 암호화된 신호이며, 이러한 디지털 홀로그램에 포함된 정보를 프레넬 변환(Fresnel transform)을 통하여 측정 대상물에 대한 이미지 정보를 수치적으로 계산하여 이미지를 얻게 된다.
이와 같이 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정방식은 이미징 렌즈를 사용하지 않기 때문에, 렌즈리스 이미징(Lensless imaging)이라고도 불리우며, 디지털 홀로그램에 측정 대상물의 3차원 정보가 전부 저장되어 있기 때문에 기존의 비전(Vision) 광학계가 갖는 2차원적인 정보뿐만 아니라, 다양한 3차원 정보를 추출할 수 있어서 근래에 입체 측정 기술로 각광을 받고 있다.
이러한 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정 기술로는 On-axis 방식과 Off-axis 방식이 제안되어 있는데, Off-axis 방식은 한 장의 홀로그램으로부터 입체 정보를 취득할 수 있어 측정 속도가 Onaxis 방식보다 빨라 근래에는 Off-axis 방식이 널리 사용되고 있는 추세이다.
도 2는 종래의 Off-axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
종래 Off-axis방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 방식에서는 CCD 카메라에서 얻어진 한 장의 홀로그램을 이용해서 프레넬 변환(Fresnel transform)을 통해 측정 대상물에 대한 이미지를 재생하게 된다.
일반적으로 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치는 레이저 빔의 파장(Wavelength)에 따라 측정 범위가 제한된다.
예를 들어 레이저 빔의 파장이 633nm인 경우, 측정 대상물의 표면에 633nm의 반파장인 312nm 이상의 급격한 높이 변화가 발생하게 되면 위상 모호성으로 측정 오류가 발생하게 된다.
이와 같은 레이저 빔의 파장에 따른 측정 범위의 제한을 극복하기 위해 제안된 것이 이중 파장(Dual wavelength) 디지털 홀로그래피 기술이다.
도 3은 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치는 상호 상이한 파장의 레이저 빔을 조사하는 광원을 사용하고, 두 파장의 레이저 빔을 상호 독립적으로 운용, 즉 기준빔의 빔 경로를 상이하게 하여 CCD 카메라로 촬상하는 방식이 적용되어 있다. 이는 주파수의 비팅 효과 (Beating effect)를 이용한 것으로, 하기 수학식 1과 같이 상호 상이한 파장의 레이저 빔을 사용하여 등가파장을 기존의 파장보다 훨씬 크게 할 수 있게 된다.
여기서, Λ는 등가파장이고, λ1 및 λ2는 각각 기존의 두 파장이다.
예를 들어, λ1이 675nm이고, λ2가 635nm인 경우, 등가파장 Λ는 산술적으로 대략 10㎛가 되어 측정 범위를 크게 높일 수 있게 된다.
그런데, 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치는 기준빔을 두 파장에 대해 독립적으로 운용하고 있기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이 하드웨어적으로 그 구조가 매우 복잡한 단점이 있다. 이는 미러 등과 같은 구성요소의 설치 개수가 많아 전체적인 제조 단가를 높고 정렬의 단위도 또한 높은 단점으로 작용하게 된다.
또한, 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치는 두 파장에 대한 홀로그램이 하나의 CCD 카메라에 의해 촬상되어 홀로그램화되기 때문에, 최소 3번의 2차원 FFT(Fast Fourier Transformation)를 수행하는 컨볼루션 포물레이션(Convolution formulation) 밖에 사용하지 못하여, 소프트웨어적으로 계산 속도가 많이 소요되는 단점이 있다.
이는 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 방식은 파장이 달라짐에 따라 동일 거리에서 재생되는 배율이 달라져, 한 장의 홀로그램에 공통으로 적용하지 못하기 때문이다.
또한, 종래의 이중 파장 off-axis 홀로그래피를 이용한 장치는 구조의 복잡도로 인하여 장치가 커지고, 정렬이 어렵고, 다수의 편광 장치 등이 광축 상에 존재하므로 신뢰성 있는 데이터 획득을 위해서는 강한 광원이 요구되는 한계를 가지게 된다.
이로 인하여 레이저와 같은 광원을 사용해야만 하는데 레이저는 매우 높은 가 간섭성(high coherence) 때문에 측정 대상물의 미세한 표면 거칠기에 의해서도 소위 스펙클(speckle) 현상을 유발하며 이는 3차원 형상 측정에 방해 요소인 노이즈로 작용하게 되어 측정 데이터의 정밀도를 저하시킨다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 디지털 홀로그래피를 구현하는데 있어 하드웨어적으로 구조가 간단하면서도 정렬이 용이하며, 백색광원을 사용하여 스팩클 노이즈를 감소키거나 완벽히 제거할 수 있으며, 2개의 CCD을 이용하여 ONE SHOT으로 디지털 홀로그래피 영상을 획득하여 소프트웨어적으로 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform)의 적용이 가능한 구조를 제안하여 계산 속도가 향상된 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, ONE SHOT 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부; 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ; 상기 광원부로부터 방출되어 반사미러에서 반사된 광원의 참조광과 측정광을 포함하는 합성광을 측정대상물측으로 반사시키는 제1빔스플리터 ; 상기 측정대상물로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되는 상기 합성광을 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ; 상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터; 상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 : 상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 원샷(ONE SHOT) 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부; 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ; 상기 광원부로부터 방출되는 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하여 반사미러와 측정대상물측으로 조사하도록 분할하는 제1빔스플리터 ; 상기 측정대상물과 반사미러로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되어 간섭되는 합성광 중 일부를 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 합성광의 나머지를 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ; 상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터; 상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 : 상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 제1밴드패스필터와 제2밴드패스필터는 상기 제1 파장(λ1c)의 FWHM1이 Δλ1이고 제2 파장(λ2c)의 FWHM2가 Δλ2일 때 λ1c-λ2c ≥ (Δλ1+ Δλ2)/2 의 조건을 만족한다.
상기 제1 파장(λ1c)은 상기 제1밴드패스필터의 파장 선택 효율 분포 함수를 f1(λ)라 하고 시작 파장이 λ1s이고, 끝나는 파장이 λ1e라 할 때, 수학식 2에 의해서 계산 되고 상기 제2 파장(λ2c)은 상기 제2밴드패스필터의 파장 선택 효율 분포 함수를 f2(λ)라 하고, 시작 파장이 λ2s이고, 끝나는 파장이 λ2e라 할 때 수학식 3에 의해서 계산된다.
바람직하게, 상기 제2 촬상부를 기준으로 상기 제1 촬상부를 정렬할 수 있도록 정렬부를 추가 포함하며, 상기 정렬부는 x, y, z축 이동이 가능한 병진 운동 메커니즘과 각각의 축을 α, β, γ 방향으로 회전 시킬 수 있는 회전 운동 메커니즘을 갖는다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 종래의 입체측정장치에 비하여 구조를 단순화하여 제조원가를 절감할 수 있고,광학적 노이즈의 발생을 최소화하여 제품의 정밀도를 높일 수 있다.
(2) 광원으로 백색광을 사용하여 스팩클 노이즈를 완벅하게 제거할 수 있다.
(3) 하드웨어적인 구조의 변경을 통해, 각 파장에 대한 홀로그램을 ONE SHOT으로 두 대의 촬상부, 즉 CCD 카메라에서 각각 획득하고, 각 홀로그램에 대해 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 방식을 적용함으로써, 소프트웨어적으로 계산 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정 기술의 개념을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 종래의 Off-axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 전체 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 종래의 Off-axis 방식의 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 Off-axis 방식의 이중 파장 디지털 홀로그래피를 이용한 3D 측정장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 전체 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체 측정장치를 도시한 개략도이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치(100)는 도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 제1,2촬상부(110,120), 광원부(101), 제1,2빔스플리터(Beam spliter)(121,122), 제1,2 밴드패스필터(Band pass filter)(131,132) 및 제어부를 포함한다.
상기 광원부(101)는 광경로상에 일정각도로 경사지게 배치된 반사미러(102)를 향하여 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 것이다.
이러한 광원부에서 방출하는 백색광은 가시광선의 각 파장을 동일한 강도로 가지고 있는 빛으로서 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색 등 모든 색깔의 빛이 다 포함되어 있으며, 백색광의 파장은 정해져 있는 것이 아니라 다양한 파장을 갖는 광이 모여있는 것이다.
상기 광원부(101)로부터 방출된 광은 렌즈계(104)를 통과하면서 근사적인 평행광으로 변환되어 상기 반사미러(102)측으로 입사된다.
상기 제1빔스플리터(121)는 상기 반사미러(102)에 의해서 반사되는 광에 포함된 특정파장대역의 참조광과 측정광을 포함하는 합성광을 측정대상물(140)측으로 반사시키는 수단이다.
상기 제1빔스플리터(121)에 반사된 합성광은 대물렌즈(105)를 투과하여 측정대상물(140)에 조사된 후 상기 제1빔스플리터(121)측으로 되돌아오게 된다.
상기 제2빔스플리터(122)는 상기 측정대상물(140)로부터 반사되어 제1빔스플리터(121)를 통과하여 출광되는 측정광과 참조광을 포함하는 합성광으로 부터 ONE SHOT 디지털 홀로그램 영상 획득 위하여 제1촬상부(110)와 제2촬상부(120)로 각각 분할 반사시키는 분광수단이다.
상기 제1밴드패스필터(Band pass filter)(131)는 상기 제1촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 특정 대역필터(Band pass filter)를 거친 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부(110)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다.
상기 제2밴드패스필터(Band pass Filter)(132)는 상기 제2촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 제1밴드패스필터(131)와 다른 대역의 필터를 거친 단색광의 제2파장(λ2)을 상기 제2촬상부(120)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다.
즉, 상기 제1빔스플리터(121)를 통과하여 상기 제2 빔스플리터(122)로 입사되는 합성광은 상기 제2빔스플리터(122)로부터 출력되면서 두갈래로 분할되는데, 투과된 합성광은 제1밴드패스필터(131)측으로 향하고, 반사된 합성광은 제2밴드패스필터(132)측으로 향하게 되는 것이다.
상기 제1 밴드패스필터(131)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ1c 와 반치 폭, FWHM1의 특성을 갖는 제1밴드패스필터(131)에 의해 주어진 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킬 수 있으며, 상기 제2 밴드패스필터(132)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ2c 와 반치 폭, FWHM2의 특성을 갖는 제2밴드패스필터(132)에 의해 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킴으로써 공간적으로 각각 제1파장(λ1c)과 제2파장(λ2c)으로 합성광을 분리하여 제1촬상부와 제2촬상부로 향하게 할 수 있는 것이다.
연속하여, 상기 제1밴드패스필터(131)에 의해 분리된 제1파장(λ1c)의 광은 제1촬상부(110)와 제1밴드패스필터(131)와의 사이에 배치된 제1접안렌즈부(133)에 의해 제1촬상부(110)로 입력되어 제1파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램 영상을 획득하게 되고, 상기 제2 밴드패스필터(132)에 의해 분리된 제2파장(λ2c)의 광은 제2촬상부(120)와 제2밴드패스필터(132)와의 사이에 배치된 제2접안렌즈부(134)에 의해 제2촬상부(120)으로 입력되어 제2파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램영상을 획득하게 되는 것이다.
한편, 상기 측정대상물(140)과 제1빔스플리터(121)사이에는 간섭렌즈계(125)를 착탈가능하게 구비함으로써 상기 제1빔스플리터(121)를 통해 출광하는 참조광과 측정광을 간섭렌즈에 의해 합성할 수 있다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치(100a)는 도 6에 도시한 바와 같이, 제1,2촬상부(110,120), 광원부(101), 제1,2빔스플리터(Beam spliter)(121,122), 제1,2 밴드패스필터(Band pass filter)(131,132) 및 제어부를 포함한다.
상기 광원부(101)는 광경로상에 일정각도로 경사지게 배치된 반사미러(102)를 향하여 자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 것이다.
상기 제1빔스플리터(121)는 상기 광원부(101)와 반사미러(102)사이에 배치되어 렌즈계(104)를 통과하면서 근사적인 평행한 광으로 변환된 백색광을 두갈래의 특정파장대역의 참조광과 측정광으로 분할하는 것이다.
상기 제1빔스플리터(121)를 투과하여 반사미러(102)측으로 진행하는 광은 참조광이 되고, 상기 제1빔스플리터(121)에서 반사되어 측정대상물(140)측으로 진행하는 광은 측정광이 되는바, 이러한 측정광은 측정대상물(130)에 조사된 후 상기 제1빔스플리터(121)측으로 되돌아 온다.
그리고, 상기 제1빔스플리터(121)측으로 되돌아온 측정광의 일부는 투과되어 제2빔스플리터(122)측으로 조사되고, 상기 반사미러(102)에 반사된 참조광의 일부는 상기 제1빔스플리터(121)에 반사되어 제2빔스플리터(122)측으로 조사된다.
이때, 상기 참조광과 측정광은 서로 간섭을 하여 하나의 합섭광으로 형성하게 된다.
상기 제2빔스플리터(122)는 상기 제1빔스플리터(121)를 투과하는 측정광과 상기 제1빔스플리터(121)에 반사된 참조광을 포함하는 합성광으로 부터 ONE SHOT 디지털 홀로그램 영상을 획득하기 위하여 제1촬상부(110)와 제2촬상부(120)로 각각 분할 반사시키는 분광수단이다.
상기 제1밴드패스필터(Band pass filter)(131)는 상기 제1촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 특정 대역필터(Band pass filter)를 거친 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부(110)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다.
상기 제2밴드패스필터(Band pass Filter)(132)는 상기 제2촬상부(110)와 제2빔스플리터(131)사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 제1밴드패스필터(131)와 다른 대역의 필터를 거친 단색광의 제2파장(λ2)을 상기 제2촬상부(120)로 향하도록 통과시키는 대역필터부재이다.
즉, 상기 제1빔스플리터(121)를 통과하여 상기 제2 빔스플리터(122)로 입사되는 합성광은 상기 제2빔스플리터(122)로부터 출력되면서 두갈래로 분할되는데, 투과된 합성광은 제2밴드패스필터(132)측으로 향하고, 반사된 합성광은 제1밴드패스필터(131)측으로 향하게 되는 것이다.
상기 제1 밴드패스필터(131)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ1c 와 반치 폭, FWHM1의 특성을 갖는 제1밴드패스필터(131)에 의해 주어진 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킬 수 있으며, 상기 제2 밴드패스필터(132)로 향하는 합성광은 중심 파장, λ2c 와 반치 폭, FWHM2의 특성을 갖는 제2밴드패스필터(132)에 의해 조건을 만족하는 파장의 광만을 투과시킴으로써 공간적으로 각각 제1파장(λ1c)과 제2파장(λ2c)으로 합성광을 분리하여 제1촬상부와 제2촬상부로 향하게 할 수 있는 것이다.
연속하여, 상기 제1밴드패스필터(131)에 의해 분리된 제1파장(λ1c)의 광은 제1촬상부(110)와 제1밴드패스필터(131)와의 사이에 배치된 제1접안렌즈부(133)에 의해 제1촬상부(110)로 입력되어 제1파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램 영상을 획득하게 되고, 상기 제2 밴드패스필터(132)에 의해 분리된 제2파장(λ2c)의 광은 제2촬상부(120)와 제2밴드패스필터(132)와의 사이에 배치된 제2접안렌즈부(134)에 의해 제2촬상부(120)으로 입력되어 제2파장의 광을 근거로 하는 디지털 홀로그램영상을 획득하게 되는 것이다.
상기와 같은 구성에 따라, 제1촬상부(110)에는 제1파장(λ1c)에 대한 디지털 홀로그램 영상 촬상되어 한 장의 홀로그램이 얻어지고, 상기 제2촬상부(120)에는 제2파장(λ2c)에 대한 디지털 홀로그램 영상이 촬상되어 다른 한 장의 홀로그램이 얻어지므로, 서로 다른 파장의 홀로그램이 각각 따로 얻어지게 된다.
여기서, 상기 제1 촬상부(110)와 제2 촬상부(120)는 영상의 촬상이 가능한 다양한 형태로 마련될 수 있으며, 본 발명에서는 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라 형태로 마련되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제어부는 두 장의 서로 다른 파장대의 홀로그램을 이용하여 측정 대상물의 표면 형상을 입체적으로 측정하게 된다.
여기서, 제어부는 두 장의 홀로그램이 동일한 빔 경로, 즉 참조광과 측정광이 각각 동일한 빔 경로를 따라 진행하게 되므로, 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 또는 싱글 고속 푸리에 변환(Single Fast Fourier Transform)을 적용하여 측정 대상물의 표면 형상을 측정하게 된다.
이 경우, 제1촬상부(110) 및 제2촬상부(120)는 싱글 푸리에 변환(Single Fourier Transform) 또는 싱글 고속 푸리에 변환(Single Fast Fourier Transform)의 적용이 가능하도록 초기 설정시 동일 배율로 정렬된다.
즉, 동시에 얻어지는 2장의 홀로그램은 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 실 이미지(real image)항 만을 추출하고 프레넬 변환(Fresnel Transform)이나 ASM(Angular Spectrum Method)를 이용해 실 이미지의 세기(intensity) 와 위상(Phase)을 얻게 된다.
삼차원의 입체적인 측정대상물의 형상 정보는 각각의 홀로그램을 복원하는 과정에서 획득된 위상을 이용하여 연산되는데, 이중 파장에 의해 결과적으로 형성된 유효 파장, λ = λ1cλ2c / |λ1c λ2c| 이지만 모호성(ambiguity) 없이 측정 할 수 있는 삼차원 입체형상의 범위는 λ/4로 제한된다.
본 발명에서 두 장의 홀로그램을 동시에 얻을 수 있어 실시간 측정이 가능하며 광원을 백색 광원을 사용하는 경우 스패클(speckle) 현상을 제거할 수 있어 삼차원 형상 측정의 정밀도를 크게 개선 할 수 있는 것이다.
또한, 높은 정밀도와 실시간 측정이 요구되지 않는 분야에는 튜너블(Tunable) 레이저나 각기 다른 파장을 갖는 레이저 다이오드와 같은 광원을 사용 할 수 있다.
한편, 제1파장(λ1c)과 제2파장(λ2c)간의 차이는 전술된 바와 같이 λ1c-λ2c >= (Δλ1+ Δλ2)/2 이 되어야 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있다.
이에 따라, 상기 제1밴드패스팰터(131)와 제2밴드패스필터(132)는 상기 제1 파장(λ1c)의 FWHM1이 Δλ1이고 제2 파장(λ2c)의 FWHM2가 Δλ2일 때 λ1c-λ2c ≥ (Δλ1+ Δλ2)/2 의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1,2밴드패스필터는 어느 정도의 파장 분포를 가지고 있으므로 밴드패스필터에 의한 중심 파장은 파장 분포 함수를 측정하거나 이론적인 계산을 통해 얻은 후 수치적 적분을 이용하여 정한다.
그리고, 상기 제1 파장(λ1c)은 상기 제1밴드패스필터(131)의 파장 선택 효율 분포 함수를 f1(λ)라 하고 시작 파장이 λ1s이고, 끝나는 파장이 λ1e라 할 때, 하기 수학식 2에 의해서 계산되고 상기 제2 파장(λ2c)은 상기 제2밴드패스필터(132)의 파장 선택 효율 분포 함수를 f2(λ)라 하고, 시작 파장이 λ2s이고, 끝나는 파장이 λ2e라 할 때 하기 수학식 3에 의해서 계산된다.
또한, 본 발명은 매크로(Macro) 사이즈의 측정 대상물에 대한 적용 예에 대해서 설명하고 있지만, 마이크로 (Micro) 사이즈의 측정 대상물에 대해서도 적용 가능함은 물론이다. 이 경우 측정 대상물의 전방에 마이크로스코프 오브젝트 렌즈(Microscope object lens)를 배치함으로써 마이크로 사이즈의 측정 대상물에도 본 발명이 적용 가능하게 된다.
그리고, 상기 제1촬상부(110)를 기준으로 상기 제2 촬상부(120)를 정렬할 수 있도록 정렬부(124)를 추가 구비할 수 있으며, 이러한 정렬부(124)는 x, y, z축 이동이 가능한 병진 운동 메커니즘과 각각의 축을 α, β, γ 방향으로 회전 시킬 수 있는 회전 운동 메커니즘을 갖는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
101 : 광원부
102 : 반사미러
110 : 제1촬상부
120 : 제2촬상부
121 : 제1빔스플리터
122 : 제2빔스플리터
131 : 제1밴드패스필터
132 : 제2밴드패스필터
102 : 반사미러
110 : 제1촬상부
120 : 제2촬상부
121 : 제1빔스플리터
122 : 제2빔스플리터
131 : 제1밴드패스필터
132 : 제2밴드패스필터
Claims (5)
- 원 쇼트(ONE SHOT) 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부;
자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ;
상기 광원부로부터 방출되어 반사미러에서 반사된 광원의 참조광과 측정광을 포함하는 합성광을 측정대상물측으로 반사시키는 제1빔스플리터 ;
상기 측정대상물로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되는 상기 합성광을 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ;
상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터;
상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광에서 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 :
상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치. - 원 쇼트(ONE SHOT) 디지털 홀로그램을 획득하기 위한 제1촬상부와 제2촬상부;
자외-가시광 영역대의 파장 성분을 포함하는 백색광을 방출하는 광원부 ;
상기 광원부로부터 방출되는 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하여 반사미러와 측정대상물측으로 조사하도록 분할하는 제1빔스플리터 ;
상기 측정대상물과 반사미러로부터 반사되어 제1빔스플리터를 통과하여 출광되어 간섭되는 합성광 중 일부를 상기 제1촬상부측으로 통과시키고, 상기 합성광의 나머지를 상기 제2촬상부측으로 반사시키는 제2빔스플리터 ;
상기 제1촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 측정광과 참조광을 포함하는 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제1파장(λ1)을 상기 제1촬상부로 향하도록 통과시키는 제1 밴드패스필터;
상기 제2촬상부와 제2빔스플리터사이의 광경로상에 배치되어 상기 합성광 중 사전에 설정된 특정파장대역 단색광의 제2파장(λ2)을 제2촬상부로 향하도록 통과시키는 제2밴드패스필터 및 :
상기 제1 촬상부 및 상기 제2 촬상부를 통해 촬상된 두 개의 홀로그램을 이용하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1밴드패스필터와 제2밴드패스필터는 상기 제1 파장(λ1c)의 FWHM1이 Δλ1이고 제2 파장(λ2c)의 FWHM2가 Δλ2일 때 λ1c-λ2c ≥ (Δλ1+ Δλ2)/2 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 파장(λ1c)은 상기 제1밴드패스필터의 파장 선택 효율 분포 함수를 f1(λ)라 하고 시작 파장이 λ1s이고, 끝나는 파장이 λ1e라 할 때, 수학식 2
에 의해서 계산 되고
상기 제2 파장(λ2c)은 상기 제2밴드패스필터(132)의 파장 선택 효율 분포 함수를 f2(λ)라 하고, 시작 파장이 λ2s이고, 끝나는 파장이 λ2e라 할 때 수학식 3
에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1촬상부를 기준으로 상기 제2촬상부를 정렬할 수 있도록 정렬부를 추가 포함하며,
상기 정렬부는 x, y, z축 이동이 가능한 병진 운동 메커니즘과 각각의 축을 α, β, γ 방향으로 회전 시킬 수 있는 회전 운동 메커니즘을 갖는 것임을 특징으로 하는 디지털 홀로그래피를 이용한 입체측정장치.
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