KR101705762B1 - 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법 - Google Patents

3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법에 관한 것으로서, 복수의 프로젝터를 이용해 검사대상물에 패턴 조명을 조사한 후 반사되는 패턴 이미지를 이용하여 상기 검사대상물의 3차원 형상을 측정하는 3차원 형상 측정 장치에 의해 수행되는 틸트 교정 방법에 있어서, 제1 위상값을 갖는 적어도 하나 이상의 제1 패턴 이미지와 제2 위상값을 갖는 적어도 하나 이상의 제2 패턴 이미지를 획득하는 단계; 상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 영상 처리를 통해 라인을 검출하는 변환 알고리즘을 수행하여 패턴의 라인을 추출하는 단계; 및 상기 패턴의 라인을 이용하여 상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 각도를 추출하고, 상기 패턴 각도를 이용해 상기 프로젝터에 대한 틸트 조정값으로 산출하는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 패턴 이미지상에서의 패턴의 기울어진 각도 또는 패턴 이미지에 대한 강도 프로파일의 제로 크로싱 포인트를 이용하여 해당 부품의 틸트 조정값을 산출하여 부품의 틸트 각도가 교정되도록 함으로써 부품의 틸트된 각도 또는 장착 위치에 따라 발생할 수 있는 측정 오차를 정밀하게 교정할 수 있어 3차원 형상의 측정 정밀도를 높일 수 있고, 패턴 이미지상에서의 패턴의 공간주파수가 동일하거나 유사하도록 부품을 조립 또는 세팅할 수 있다.

Description

3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법{Method for Correcting tilt of 3D shape measuring device}
본 발명은 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 형상 측정 장치 내 부품의 틸트된 각도 또는 장착 위치에 따라 패턴 이미지상의 패턴이 기울어짐을 방지하기 위해 해당 부품의 틸트 조정값을 산출할 수 있는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법에 관한 것이다.
정보통신의 급속한 발전으로 휴대전화, 노트북, 스마트폰, 태블릿 PC와 같은 전자기기를 더욱 소형화, 경량화, 고기능화시키는 기술이 요구되고 있다. 이러한 기술의 요구를 실현하기 위해서는 전자기기에 탑재되는 전자부품의 소형화, 고집적화뿐만 아니라 이에 대해 대응 실장설비, 운용기술, 검사기술, 불량수리기술 등 양품을 생산할 수 있는 고집적화에 대한 전반적인 인프라의 구축과 실장 요소 기술이 필요하게 되었다.
그 중에서, 비전 검사는 고속으로 이동하는 칩의 외관을 카메라를 이용하여 촬영한 이미지를 분석하여 제품의 외관에 불량이 있는지를 판단한다. 일반적으로 비전 검사는 10~20msec의 짧은 시간 내에 영상을 획득하고 분석하고 있다. 비전 검사 시간이 지연되는 경우, 전체 부품 생산 시간이 지연되므로 생산성이 저하된다. 따라서, 빠른 시간 내에 정확하게 제품의 외관 불량 여부를 판단하는 비전 검사 기술이 요구되고 있다.
이러한 비전 검사 장치는 통상 검사대상 쪽으로 광을 조명하기 위한 조명기구와, 조명을 받은 검사대상을 촬영하기 위한 카메라와, 카메라를 통해 촬영된 화면을 표준화면과 비교하여 검사대상의 제조 불량 내지 양호 상태를 판별하는 판별수단을 구비한다.
조명기구와 카메라의 경우 통상 검사대상물의 맞은편에 배치되어 검사대상물 쪽으로 광을 조사하고 조명된 검사대상물을 촬영하게 되며, 판별수단은 카메라에서 촬영된 화면을 출력하고 이를 정상 상태를 나타내고 있는 표준화면과 비교 연산하여 검사대상물이 바른 상태로 제조되었는가를 판별하게 된다.
검사대상물을 정확하게 검사하기 위해서는 검사대상물의 3차원 형상 특히 높이를 정확하게 측정하는 것이 중요하다.
검사대상물의 3차원 측정방법으로는 간섭계를 이용한 방식, 레이저 방식, 모아레 방식 등 다양한 방식이 있는데, 모아레 방식은 넓은 면적에서 물체의 높이를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있어 널리 사용되고 있다.
모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 그림자식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 방식과 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 방식을 사용하고 있다. 그 중 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 방식은 대상물의 표면 형상을 정밀하게 측정하기 위하여 위상 천이 방법으로 모아레 형상을 측정한다.
즉, 위상 천이 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 1/4 주기씩 격자를 위상 이동하면서 대상물의 형상을 측정하기 때문에 1주기 동안 4회의 영상을 촬영한다. 이때, 서로 다른 주기의 격자를 이용할 경우에는 큰 주기의 격자에서 4회 영상 촬영을 수행하고, 작은 주기의 격자에서 4회 영상을 촬영해야 하므로 격자무늬 조명을 조사하는 하나의 프로젝터당 총 8회의 영상을 촬영해야 한다.
위상 천이 투영식 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 기술은 그림자 영역을 해소하기 위해 여러 방향으로 다수의 프로젝터를 설치할 수 있고, 프로젝터를 지지하는 브라켓을 기구적으로 설계하고 조립하기 때문에 기구 가공 오차 및 조립 공차로 인해 프로젝터마다 틸트된 각도와 장착 각도가 달라진다.
도 1은 종래 기술에 의한 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치에서 촬영된 틸트된 패턴 이미지를 설명하는 도면이고, 도 2는 도 1의 패턴 이미지에 대한 강도 프로파일을 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 프로젝터마다 틸트된 각도와 장착 각도에 따라 검사 대상물에 수평 패턴이 기울어진 상태에서 투영되므로, 카메라를 통해 획득한 패턴 이미지의 수평 패턴이 정확한 수평 라인을 이루지 못하고 일정 각도로 기울어진 수평 라인이 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일정 각도로 기울어진 패턴 이미지에서 모서리 부분에 있는 좌측 라인(Left Line, 파랑색 I〃)과 우측 라인(Right Line, 빨강색 I〃)의 강도 프로파일을 산출하면 사인 곡선 또는 코사인 곡선이 형성된다.
픽셀(pixel)은 정수로 양자화된 한 점의 영상의 강도(intensity)를 지칭하고, 각 화소의 영상 강도를 명암으로 표현한다. 따라서, 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 패턴 이미지로부터 픽셀 단위로 영상 강도를 측정하기 위해 강도 프로파일을 산출할 수 있다.
틸트된 패턴 이미지의 강도 프로파일을 살펴보면, 좌측 라인의 코사인 곡선과 우측 라인의 코사인 곡선에 차이가 발생함을 알 수 있다.
따라서, 종래의 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 기구 가공 오차 및 조립 공차로 인해 대상물에 조사된 수직 패턴 또는 수평 패턴이 정확한 수평 라인 또는 수직 라인을 형성하지 못하고 기울어진 상태가 되거나, 검사 대상물의 0도 90도 등의 위상값 또는 프로젝터 방향별로 수직 패턴 또는 수평 패턴에 대한 패턴 이미지의 측정 오차가 발생하여 정확한 3차원 형상 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.
한편, 다수의 주기를 이용한 한국등록특허 제1190122호의 다중 파장을 이용한 3차원 형상 측정장치 및 측정방법과 한국등록특허 제0901537호의 칼라격자를 적용한 3차원 측정방법은 검사 대상물의 π부터 +π까지의 위상값(2π)의 모호성을 해결하여 3차원 형상에 대한 측정의 정밀도를 높이는 기술이 개시되어 있다.
이러한 선행 기술들은 서로 다른 주기의 위상값이나 복수의 칼라 격자를 이용하여 대상물의 형상 측정 오차 발생율을 최소화할 뿐, 복수의 프로젝터별로 틸트된 각도와 장착 위치 등에 대한 기구적인 오차 및 조립 공차로 인해 발생되는 틸트된 패턴 이미지를 사전에 교정하여 측정의 정밀도를 높일 수 없다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제1190122호 " 다중 파장을 이용한 3차원형상 측정장치 및 측정방법 " 한국등록특허 제0901537호 " 칼라격자를 적용한 3차원 측정방법 "
본 발명은 3차원 형상 측정 장치 내 부품의 틸트된 각도 또는 장착 위치에 따라 패턴 이미지상의 패턴이 기울어짐을 방지하기 위해 패턴의 기울어진 각도 또는 패턴 이미지에 대한 강도 프로파일의 제로 크로싱 포인트를 이용하여 해당 부품의 틸트 조정값을 산출할 수 있는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법을 제공한다.
실시예들 중에서, 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법은, 복수의 프로젝터를 이용해 검사대상물에 패턴 조명을 조사한 후 반사되는 패턴 이미지를 이용하여 상기 검사대상물의 3차원 형상을 측정하는 3차원 형상 측정 장치에 의해 수행되는 틸트 교정 방법에 있어서, 제1 위상값을 갖는 적어도 하나 이상의 제1 패턴 이미지와 제2 위상값을 갖는 적어도 하나 이상의 제2 패턴 이미지를 획득하는 단계; 상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 영상 처리를 통해 라인을 검출하는 변환 알고리즘을 수행하여 패턴의 라인을 추출하는 단계; 및 상기 패턴의 라인을 이용하여 상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 각도를 추출하고, 상기 패턴 각도를 이용해 상기 프로젝터에 대한 틸트 조정값으로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법은, 상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 강도 프로파일(Intensity Profile)을 산출하여 픽셀 단위의 패턴 주기를 도출하는 단계; 상기 패턴 강도 프로파일에서 우측 모서리 부분에 제1 기준선을 설정하고, 좌측 모서리 부분에 제2 기준선을 설정한 후 상기 제1 기준선과 제2 기준선이 제로 크로싱(Zero Crossing)되는 제1 기준점과 제2 기준점을 추출하는 단계; 및 상기 제1 기준점과 제2 기준점의 차이가 최소값을 갖도록 상기 프로젝터에 대한 틸트 미세 조정값을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 패턴 이미지는 수평 패턴을 가지고, 상기 제2 패턴 이미지는 수직 패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 강도 프로파일(Intensity Profile)을 산출하여 픽셀 단위의 패턴 주기를 도출하는 단계는, 상기 제1 패턴 이미지를 기초로 하여 하기한 수학식 1을 적용하여 노이즈가 제거된 패턴 강도 프로파일(I')을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 강도 프로파일(Intensity Profile)을 산출하여 픽셀 단위의 패턴 주기를 도출하는 단계는, 상기 제1 패턴 이미지의 기설정된 영역에 대해 예상된 강도(Projected Intensity)를 이용하여 노이즈가 제거된 패턴 강도 프로파일을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 영상 처리를 통해 라인을 검출하는 변환 알고리즘을 수행하여 패턴의 라인을 추출하는 단계는, 상기 변환 알고리즘은 허프 변환(Hough Transform) 방식, 라플라스(Laplace) 변환 방식, 에지 정보를 이용한 라인 피팅(Line fitting) 방식을 포함한 특징 추출 방식들 중 어느 하나의 방식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법은, 패턴 이미지상에서의 패턴의 기울어진 각도 또는 패턴 이미지에 대한 강도 프로파일의 제로 크로싱 포인트를 이용하여 해당 부품의 틸트 조정값을 산출하여 부품의 틸트 각도가 교정되도록 함으로써 카메라를 통해 획득한 패턴 이미지의 수직 패턴 또는 수평 패턴이 기울어지지 않고 정확한 수직 또는 수직 라인이 될 수 있고, 패턴 이미지상에서의 패턴의 공간주파수가 동일하거나 유사하도록 부품을 조립 또는 세팅할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 3차원 형상 측정 장치 내 부품의 틸트된 각도 또는 장착 위치에 따라 발생할 수 있는 측정 오차를 정밀하게 교정할 수 있어 3차원 형상의 측정 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 모아레를 이용한 3차원 형상 측정 장치에서 촬영된 틸트된 패턴 이미지를 설명하는 도면
도 2는 도 1의 패턴 이미지에 대한 강도 프로파일을 설명하는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 구성을 설명하는 정면도
도 4는 도 1의 평면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법을 설명하는 순서도
도 6은 틸트된 패턴 이미지를 설명하는 도면
도 7은 5의 1차 교정 후의 패턴 이미지에 패턴 강도 프로파일을 도시한 도면
도 8은 도 5의 1차 교정 후의 패턴 이미지에 대한 패턴 오차를 설명하는 도면
도 9는 도 7의 노이즈가 제거된 패턴 강도 프로파일을 도시한 도면이다.
도 10은 5의 2차 교정 후의 패턴 이미지에 패턴 강도 프로파일을 도시한 도면
도 11은 도 5의 2차 교정 후의 패턴 이미지에 대한 패턴 오차를 설명하는 도면
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법에 의한 교정전 패턴 이미지, 1차 교정 후의 패턴 이미지 및 2차 교정 후의 패턴 이미지를 설명하는 도면
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 구성을 설명하는 정면도이고, 도 4는 도 3의 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 3차원 형상 측정 장치(100)는, 스테이지(110), 복수의 조명(도시되지 않음), LED 구동부(120), 수직 카메라(130), 복수의 프로젝터(140), 프로젝터 구동부(145), 그래버(150), 영상 처리부(160) 및 인터페이스부(170)를 포함한다.
스테이지(110)는 검사 대상물을 지지하고, 영상 처리부(160)의 제어에 따라 이동하면서 검사 대상물을 검사 위치로 이송시킨다.
조명은 검사 대상물에 R, G, B의 컬러조명 또는 백색 조명을 위한 복수 개의 LED가 미리 설정된 방식으로 배치된다. 이러한 조명은 2개, 3개 또는 6개 등의 다양한 개수와 형태의 조명을 포함할 수 있다.
LED 구동부(120)는 조명 제어 신호에 따라 조명 또는 복수의 프로젝터(140)의 LED를 일정 시간 점등시키거나, 인터페이스부(170)를 통해 영상 처리부(160)에서 제공되는 각 LED의 점등 밝기 값에 따라 각 LED의 점등 밝기를 조절한다.
수직 카메라(130)는 스테이지(110)의 상부에 설치되어 검사 대상물의 이미지를 촬영하여 영상 신호를 출력한다. 이러한 수직 카메라(130)는 컬러 조명을 점등한 상태에서의 2차원 이미지를 획득하기 위한 카메라이며, 촬영된 컬러 이미지를 이용하여 2차원 검사를 수행한다. 여기서, 컬러 이미지는 3차원 데이터에 대한 텍스쳐링을 통해 3차원 이미지를 형상화하는데 사용된다.
또한, 수직 카메라(130)는 프로젝터(140)에 의해 수직 패턴 또는 수평 패턴의 조명 패턴이 조사되는 상태에서 패턴 이미지를 획득하고, 획득한 패턴 이미지를 이용하여 검사대상물의 3차원 형상을 산출하는 3차원 검사를 수행한다.
프로젝터(140)는 디지털 방식으로 비전 검사의 목적에 맞는 조명 패턴에 대한 조명 패턴 데이터를 로딩하여 검사 대상물에 특정한 조명 패턴을 투사할 수 있고, 영상 처리부(160)를 통해 소프트웨어적으로 패턴 주기 및 방향을 설정할 수 있다. 프로젝터(140)는 수직 패턴 또는 수평 패턴을 검사 대상물의 표면에 조사하는 3D 광학계로서 패턴의 주기는 영상 처리부(160)에서 제공받은 패턴 데이터에 따라 결정될 수 있다.
이러한 프로젝터(140)는 수직 카메라(130)의 주위에 상호 대향되게 복수 개가 배치된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 프로젝터(141) 및 제3 프로젝터(133)는 수직카메라(130)의 좌우측에 서로 대향되도록 설치되고, 제2 프로젝터(142) 및 제4 프로젝터(144)는 수직 카메라(130)의 상하측에 서로 대향되도록 설치된다. 제1 내지 제4 프로젝터(141, 142, 143, 1144)는 수직 카메라(130)를 중심으로 동일한 동심원 상에 배치될 수 있다.
프로젝터 구동부(145)는 영상 처리부(160)의 트리거 신호가 전송되면 조명 제어 신호에 따라 프로젝터(140)를 동작시키고, 조명 제어 신호와 동기화하여 수직 카메라(130)가 이미지를 촬상하기 위한 이미지 획득 신호를 발생하여 그래버(150)에 전송한다. 또한, 프로젝터 구동부(145)는 디지털 방식으로 비전 검사의 목적에 맞는 패턴에 대한 패턴 데이터를 로딩하여 저장하고 있다.
그래버(150)는 이미지 획득 신호에 따라 수직 카메라(130)의 촬영을 지시하고, 수직 카메라(130)의 연결 라인을 통해 전송되는 패턴 이미지에 대한 영상 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 영상 신호를 영상 처리부(160)로 전송한다.
영상 처리부(160)는 그래버(150)에서 전송되는 디지털 영상 신호를 영상 처리하여 출력한다. 또한, 영상 처리부(160)는 스테이지(110), 조명, LED 구동부(120), 수직 카메라(130), 프로젝터(140) 및 그래버(150)의 동작을 전체적으로 제어한다.
그리고, 영상 처리부(160)는 수직 카메라(130)에서 촬영된 영상 신호들을 이용하여 검사 대상물의 검사 이미지 또는 검사 결과 데이터를 디스플레이 수단(도시되지 않음)으로 출력할 수 있고, 디스플레이 수단에 출력된 검사 이미지 또는 검사 결과 데이터를 통해 검사 대상물의 형상을 확인하거나 불량 여부를 판단할 수 있다.
여기서, 영상 처리부(160)는 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 PC 등의 네트워크 접속이 가능한 통신 기기일 수 있으며, 3차원 형상 측정 장치에 관련한 알고리즘을 내장하여 영상 처리 및 비전 검사 등을 수행할 수 있는 단말로서, 그 종류에 제한이 없다.
인터페이스부(170)는 영상 처리부(160)에서 발생되는 트리거 신호를 전송받아 프로젝터 구동부(145)에 전송한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법을 설명하는 순서도이고, 도 6은 틸트된 패턴 이미지를 설명하는 도면이며, 도 7은 5의 1차 교정 후의 패턴 이미지에 패턴 강도 프로파일을 도시한 도면이고, 도 8은 도 5의 1차 교정 후의 패턴 이미지에 대한 패턴 오차를 설명하는 도면이며, 도 9는 도 7의 노이즈가 제거된 패턴 강도 프로파일을 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법은 3차원 형상 측정 장치(100)에 의해 수행되는 것으로서, 영상 처리부(160)의 제어에 따라 틸트 교정 기능들이 실행되는 애플리케이션 형태로 제공되어 필요에 따라 틸트 교정 기능들이 업데이트될 수 있다.
3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법은 패턴 이미지의 기울어진 정도에 따라 프로젝터(140)를 지지하는 브라켓을 틸트 조정하기 위한 1차 교정 과정(S10)을 수행한 후에 브라켓을 미세 조정하기 위한 2차 교정 과정(S20)을 수행한다.
영상 처리부(160)는 프로젝터(140)의 틸트 교정을 시작하기 위해 인터페이스부(170) 및 그래버(150)를 통해 수직 카메라(130)로 이미지 획득 신호를 전송하고, 수직 카메라(130)는 제1 위상값(π)을 갖는 적어도 하나 이상의 제1 패턴 이미지와 제2 위상값(π/2)을 갖는 적어도 하나 이상의 제2 패턴 이미지를 획득하여 영상 처리부(160)로 전송한다.(S11) 이때, 제1 패턴 이미지는 수평 패턴을 갖는 2장의 이미지가 될 수 있고, 제2 패턴 이미지는 수직 패턴을 갖는 4장의 이미지가 될 수 있다.
영상 처리부(160)는 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 영상 처리를 통해 라인을 검출하는 변환 알고리즘을 수행하여 패턴의 라인을 추출하고, 패턴의 라인을 이용하여 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 각도(α)를 추출한다.(S12)
여기서, 변환 알고리즘은 허프 변환(Hough Transform) 방식을 이용한 우세 각(Dominant angle)을 추출할 수 있고, 라플라스(Laplace) 변환 방식 또는 에지 정보를 이용한 라인 피팅(Line fitting) 방식을 이용하여 패턴 라인을 추출한 후 패턴 라인과 기준선과의 기울기, 즉 패턴 각도를 추출할 수 있다. 이 외에도, 변환 알고리즘은 라인 성분에 대한 특징 추출이 가능한 모든 변환 방식을 사용할 수 있다.
영상 처리부(160)는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 패턴 이미지에 대한 패턴 각도를 추출할 경우에 패턴 라인은 수평 라인이고, 기준선은 기준 수평선이 되며, 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 각도를 추출할 경우에 패턴 라인 수직 라인이며 기준선은 기준 수직선이 된다.
영상 처리부(160)는 패턴 이미지로부터 추출한 패턴 각도를 이용해 프로젝터(140)를 지지하고 있는 브라켓의 틸트를 조정하기 위한 틸트 조정값으로 산출한다.(S13) 작업자는 영상처리부(160)에서 산출한 틸트 조정값을 이용해 브라켓을 수동으로 조정하여 프로젝터(140)의 틸트 각도를 대략적으로 1차 교정하는 작업을 수행할 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 1차 교정 과정을 수행한 제1 패턴 이미지에 대해 패턴 강도 프로파일의 'A' 부분을 비교해보면, Δd 만큼의 패턴 오차가 발생함을 알 수 있다. 따라서, 영상 처리부(160)는 브라켓을 미세 조정하기 위한 2차 교정 과정(S20)을 수행한다.
영상 처리부(160)는 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지를 이용하여 패턴의 주기를 명확히 계산할 수 있는 패턴 강도 프로파일(Intensity Profile)을 산출한다.(S21) 여기서, 패턴 강도 프로파일은 패턴의 주기를 피치(Pitch)로 하고, 픽셀 단위로 강도를 추출한다.
영상 처리부(160)는 수평 패턴을 갖는 2장의 제1 패턴 이미지를 이용하여 하기한 수학식 1을 적용하면 노이즈(E1, E3)가 제거된 패턴 강도 프로파일(I')을 산출하는데, I'은 In과 일치하는 특성을 가진다.
Figure 112015085153215-pat00001
수학식 1에서, n이 1이면 m은 3 또는 n이 2이면 m은 4이다.
한편, 영상 처리부(160)는 제1 패턴 이미지에 대한 원래의 이미지 특성을 유지하면서 노이즈가 제거된 패턴 강도 프로파일을 추출하기 위해 패턴 이미지의 기설정된 영역에 대한 예상된 강도(Projected Intensity)를 이용할 수 있다.
영상 처리부(160)는 패턴 강도 프로파일에서 수직 방향으로 우측 모서리 부분에 제1 기준선(Right Line)을 설정하고, 도 9에 도시된 바와 같이 좌측 모서리 부분에 제2 기준선(Left Line)을 설정한 후 제1 기준선과 제2 기준선이 제로 크로싱(Zero Crossing)되는 제1 기준점과 제2 기준점을 추출한다.(S22)
영상 처리부(160)는 추출한 제1 기준점과 제2 기준점이 동일하거나, 제1 기준점과 제2 기준점의 차이가 최소값(1 픽셀) 범위 이내에 위치하도록 브라켓을 미세 조정할 수 있는 틸트 미세 조정값을 산출한다.(S23) 작업자는 틸트 미세 조정값을 이용하여 프로젝터(140)의 브라켓을 미세 조정하여 프로젝터(140)의 틸트 각도를 정밀하게 2차 교정할 수 있다.
도 10은 5의 2차 교정 후의 패턴 이미지에 패턴 강도 프로파일을 도시한 도면이고, 도 11은 도 5의 2차 교정 후의 패턴 이미지에 대한 패턴 오차를 설명하는 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법에 의한 교정전 패턴 이미지, 1차 교정 후의 패턴 이미지 및 2차 교정 후의 패턴 이미지를 설명하는 도면이다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 영상 처리부(160)는 2차 교정 과정 후의 패턴 강도 프로파일의 'B'를 비교해보면 제1 기준점과 제2 기준점이 동일한 위치에 있어 프로젝터(140)의 미세한 틸트 각도가 교정되어 패턴 오차가 제거됨을 알 수 있다.
즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 프로젝터(140)의 틸트 각도로 인해 패턴 이미지가 기울어진 상태가 되고, 패턴 각도를 이용한 1차 교정 후에 프로젝터(140)는 미세한 틸트 각도가 남아 있어 패턴 이미지에 패턴 오차가 발생하며, 제로 크로싱 점을 이용한 2차 교정 후에 프로젝터(140)는 틸트 교정이 완료되어 패턴 이미지에 패턴 오차가 제거됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법은 수직 카메라(130)로 촬영된 패턴 이미지의 수직 패턴 또는 수평 패턴이 기울어지지 않고 정확한 수직 라인 또는 수평 라인을 가질 수 있고, 패턴 이미지상에서의 패턴 공간주파수가 동일하거나 유사하도록 프로젝터(140)의 조립 및 세팅이 가능해진다. 따라서, 본 발명은 부품의 각도 및 위치에 영향 없이 정확하고 정밀한 패턴 이미지를 획득할 수 있어 3차원 형상에 대한 측정의 정밀도를 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 스테이지 120 : LED 구동부
130 : 수직 카메라 140 : 복수의 프로젝터
145 : 프로젝터 구동부 150 : 그래버
160 : 영상 처리부 170 : 인터페이스부

Claims (6)

  1. 복수의 프로젝터를 이용해 검사대상물에 패턴 조명을 조사한 후 반사되는 패턴 이미지를 이용하여 상기 검사대상물의 3차원 형상을 측정하는 3차원 형상 측정 장치에 의해 수행되는 틸트 교정 방법에 있어서,
    제1 위상값을 갖는 적어도 하나 이상의 제1 패턴 이미지와 제2 위상값을 갖는 적어도 하나 이상의 제2 패턴 이미지를 획득하는 단계;
    상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 영상 처리를 통해 라인을 검출하는 변환 알고리즘을 수행하여 패턴의 라인을 추출하는 단계; 및
    상기 패턴의 라인을 이용하여 상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 각도를 추출하고, 상기 패턴 각도를 이용해 상기 프로젝터에 대한 틸트 조정값으로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 강도 프로파일(Intensity Profile)을 산출하여 픽셀 단위의 패턴 주기를 도출하는 단계;
    상기 패턴 강도 프로파일에서 우측 모서리 부분에 제1 기준선을 설정하고, 좌측 모서리 부분에 제2 기준선을 설정한 후 상기 제1 기준선과 제2 기준선이 제로 크로싱(Zero Crossing)되는 제1 기준점과 제2 기준점을 추출하는 단계; 및
    상기 제1 기준점과 제2 기준점의 차이가 최소값을 갖도록 상기 프로젝터에 대한 틸트 미세 조정값을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴 이미지는 수평 패턴을 가지고, 상기 제2 패턴 이미지는 수직 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 강도 프로파일(Intensity Profile)을 산출하여 픽셀 단위의 패턴 주기를 도출하는 단계는,
    상기 제1 패턴 이미지를 기초로 하여 하기한 수학식 1을 적용하여 노이즈가 제거된 패턴 강도 프로파일(I')을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법.
    수학식 1.
    Figure 112015085153215-pat00002

    여기서, n이 1이면 m은 3 또는 n이 2이면 m은 4임
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 패턴 강도 프로파일(Intensity Profile)을 산출하여 픽셀 단위의 패턴 주기를 도출하는 단계는,
    상기 제1 패턴 이미지의 기설정된 영역에 대해 예상된 강도(Projected Intensity)를 이용하여 노이즈가 제거된 패턴 강도 프로파일을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴 이미지 또는 제2 패턴 이미지에 대한 영상 처리를 통해 라인을 검출하는 변환 알고리즘을 수행하여 패턴의 라인을 추출하는 단계는,
    상기 변환 알고리즘은 허프 변환(Hough Transform) 방식, 라플라스(Laplace) 변환 방식, 에지 정보를 이용한 라인 피팅(Line fitting) 방식을 포함한 특징 추출 방식들 중 어느 하나의 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정 장치의 틸트 교정 방법.
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