KR20140101223A - 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법이 개시된다.
3차원 형상 측정을 위해, 위상 천이된 프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하도록, 획득된 영상의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부의 매칭 픽셀을 산출하고, 매칭 픽셀로 산출된 프린지 패턴의 픽셀 위치에 광의 세기를 보정하여, 프린지 패턴을 보정하고, 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하도록 보정된 프린지 패턴을 측정 대상에 투영하고, 측정 대상으로부터 반사되는 왜곡된 프린지 패턴의 위상 정보를 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 계산한다.

Description

3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법{3D measurement apparatus and method}
3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로, 위상천이 프린지 패턴을 이용한 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
위상 천이 프린지 패턴(이하, 프린지 패턴)을 이용하는 3차원(3-D) 형상 측정 장치 및 방법은 투영된 프린지 패턴을 폭넓은 방향으로 균질하게 반사시킬 수 있는, 즉 난반사율이 높고 균질한 대상에 제한적으로 적용되어 왔다. 이러한 대상들은 반사되어 획득된 이미지에 노이즈를 적게 포함시켜 위상 정보 계산을 용이하게 만들므로 높은 정밀도로 측정이 가능하기 때문이다.
그러나, 서로 다른 반사 특성을 갖는 어려 부품들이 실장된 인쇄회로기판(PCB)이나 금속 계열의 부품과 같이, 표면 거칠기가 매우 낮아서 부분적 정반사가 이루어지는 측정 대상의 경우, 하나의 획득 이미지에서 반사 특징이 좋은 부품으로부터 반사된 프린지 패턴은 이미지의 깊이가 예컨대, '255'레벨에서 포화(saturation)되고, 반사 특징이 나쁜 부품으로부터 반사된 프린지 패턴은 깊이가 제로('0') 레벨에서 포화될 수 있다. 이 경우, 위상 정보를 계산하면 포화된 패턴 부위에서는 정확한 계산이 이루어지지 않게 된다.
프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하여, 정밀한 3차원 측정이 가능한 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 실시에에 따른 3차원 형상 측정 장치는, 위상 천이된 프린지 패턴을 생성하여 측정 대상에 투영하는 패턴 생성/투영부와; 측정 대상으로부터 반사되는 왜곡된 프린지 패턴을 획득하는 영상 획득부와; 왜곡된 프린지 패턴의 위상 정보를 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 계산하는 높이 산출부와, 상기 영상 획득부에서 획득된 영상의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부의 매칭 픽셀을 산출하는 매칭 픽셀 산출부를 포함하며, 매칭 픽셀로 산출된 프린지 패턴의 픽셀 위치에 광의 세기를 보정하여 보정된 프린지 패턴을 생성하도록 상기 패턴 생성/투영부를 제어하는 신호처리/제어부;를 포함한다.
상기 패턴 생성/투영부는, 패턴을 생성하는 공간광변조기를 포함할 수 있다.
상기 공간광변조기는 디지털 마이크로 미러 디바이스나 액정디스플레이를 포함할 수 있다.
매칭 픽셀 산출을 위해 그레이 코드 패턴을 이용할 수 있다.
상기 그레이 코드 패턴의 수는 프린지 패턴의 주기수 p에 대해, log2(p)와 같거나 많도록 설정될 수 있다.
상기 그레이 코드 패턴은 상기 패턴 생성/투영부에서 생성될 수 있다.
상기 신호처리/제어부는, 측정 대상에 투영되는 그레이 코드 패턴의 영상과, 상기 측정 대상에서 반사되고 상기 영상 획득부로 획득되며 상기 측정 대상의 존재에 의해 왜곡되는 그레이 코드 패턴 영상의 코드워드를 비교하여 매칭 픽셀을 산출할 수 있다.
상기 그레이 코드 패턴은, 복수개가 측정 대상에 순차로 투영될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법은, 위상 천이된 프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하도록, 획득된 영상의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부의 매칭 픽셀을 산출하는 단계와; 매칭 픽셀로 산출된 프린지 패턴의 픽셀 위치에 광의 세기를 보정하여, 프린지 패턴을 보정하는 단계와; 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하도록 보정된 프린지 패턴을 측정 대상에 투영하고, 측정 대상으로부터 반사되는 왜곡된 프린지 패턴의 위상 정보를 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 매칭 픽셀을 산출하는 단계는, 패턴 생성/투영부를 이용하여 생성된 그레이 코드 패턴을 측정 대상에 투영하는 단계와; 측정 대상으로부터 반사된 왜곡된 그레이 코드 패턴을 획득하여, 투영되는 그레이 코드 패턴 영상과 왜곡된 그레이 코드 패턴 영상의 코드워드를 비교하여 패턴 생성/투영부의 매칭 픽셀을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법에 따르면, 프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하므로, 정밀하고 정확하게 3차원 형상 측정이 가능하다.
도 1은 부분적 정반사가 이루어지는 측정 대상에서 반사된 프린지 패턴의 광강도의 포화를 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치를 개략적으로 보여준다.
도 3은 측정 대상에 순차적으로 투영되는 복수의 그레이 코드 패턴의 예시를 보여준다.
도 4는 측정 대상의 표면으로부터 반사되어 획득된 왜곡된 그레이 코드 패턴의 예를 보여준다.
도 5는 도 3의 그레이 코드 패턴에 의해 얻어질 수 있는 16개의 코드워드를 보여준다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이 프린지 패턴을 이용한 3차원 표면 형상 측정 과정을 개략적으로 보인 순서도이다.
도 7은 상단 부분에 θ만큼 위상 천이된 3개의 사인파(프린지)를 예시적으로 보여주며, 하단 부분에 θ만큼씩 위상이 시프트된 사인파(프린지) 패턴들이 오버랩된 이미지를 보여준다.
도 8a는 측정 대상이 없는 기준면(reference plane)에 프린지 패턴을 투영하여 위상지도(φ(x,y))를 얻는 과정을 보여준다.
도 8b는 측정 대상(object)이 기준면 상에 놓여 있을 때, 이 측정 대상에 프린지 패턴을 투영하여 위상지도(φ(x,y))를 얻는 과정을 보여준다.
도 9는 위상 펼침 방식의 일예를 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위해 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 부분적 정반사가 이루어지는 측정 대상에서 반사된 프린지 패턴의 광강도의 포화를 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 부분적 정반사가 이루어지는 측정 대상에 프린지 패턴을 형성할 때, 이로부터 반사된 프린지 패턴은 반사 특징이 좋은 부분에서는 이미지 세기 깊이(intensity depth)가 '255' 레벨에서 포화('255' Level Saturation)되고, 반사 특징이 나쁜 부분에서는 깊이가 '0'레벨에서 포화('0' Level Saturation)될 수 있다.
따라서, 프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하는 것이 필요하다. 즉, 반사 특성이 높은 부품(즉, 정반사율(specular reflection)이 높은 특성의 표면)에는 투영되는 빛의 세기(intensity)를 좀 더 낮추어주고, 반대로 반사특성이 낮은 부품(정반사율이 낮은 특성의 표면)에는 빛의 세기를 좀 더 높여 줌으로써, 하나의 획득된 이미지 내에서 보다 균질한 프린지 패턴이 형성될 수 있도록 하는 것이 필요하다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법에 따르면, 프린지 패턴 생성 단계에서, 이러한 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영한 프린지 패턴을 생성 및 투영함으로써, 정밀한 3차원 형상의 측정이 가능하며, 다양한 표면 반사 특성을 갖는 대상에 프린지 패턴을 이용한 3차원 형상 측정 기술을 적용할 수 있도록 마련된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(10)를 개략적으로 보여준다.
도 2를 참조하면, 측정 장치(10)는, 패턴 생성/투영부(30), 영상 획득부(50), 신호처리/제어부(70)를 포함한다.
상기 패턴 생성/투영부(30)는 위상 천이된 프린지 패턴을 생성하고 측정 대상(20)의 표면에 투영한다. 또한, 상기 패턴 생성/투영부(30)는 매칭 픽셀 산출을 위해, 그레이 코드 패턴(Gray-code pattern)을 생성하여 측정 대상(20)의 표면에 투영할 수 있다.
상기 패턴 생성/투영부(30)는 위상 천이된 프린지 패턴을 생성하거나 매칭 픽셀 산출을 그레이 코드 패턴을 생성하도록 공간광변조기(35: Spatial Light Modulator)를 포함할 수 있다. 공간광변조기(35)로는, 디지털 마이크로 미러 디바이스(Digital Micro-mirror Device:DMD)나 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display) 등이 적용될 수 있다.
상기 영상 획득부(50)는, 측정 대상(20)의 표면으로부터 반사되는 왜곡된 프린지 패턴이나 그레이 코드 패턴을 촬상소자 예컨대, 카메라(55)로 획득한다.
상기 신호처리/제어부(70)는 측정 대상(20)에 투영되고 반사되는 왜곡된 프린지 패턴의 위상 정보를 이용하여 측정 대상(20)의 높이 정보를 계산하도록 마련될 수 있다. 또한, 신호처리/제어부(70)는 프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상(20)의 다양한 표면 반사 특성을 반영하도록, 영상 획득부(50)에서 획득된 이미지의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부(30)의 매칭 픽셀을 산출하고, 매칭 픽셀로 산출된 프린지 패턴의 픽셀 위치에 광의 세기를 보정하여 보정된 프린지 패턴을 생성하도록, 전체 시스템을 제어함과 아울러 상기 패턴 생성/투영부(30)를 제어하도록 마련될 수 있다.
이를 위하여, 상기 신호처리/제어부(70)는, 높이 산출부(71) 및 매칭 픽셀 산출부(75)를 포함할 수 있다. 신호처리/제어부(70)는 높이 산출부(71)를 통하여 측정 대상(20)에 투영되고 반사되는 왜곡된 프린지 패턴의 위상정보를 이용해 측정 대상(20)의 높이 정보를 계산할 수 있다. 또한, 신호처리/제어부(70)는 매칭 픽셀 산출부(75)를 통하여, 영상 획득부(50)에서 획득된 이미지의 임의의 픽셀 지점에 노출되는 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부(30)의 매칭 픽셀을 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(10)는 매칭 픽셀 산출을 위해 그레이 코드 패턴(Gray-code pattern)을 이용할 수 있다. 또한, 복수의 그레이 코드 패턴을 순차로 측정 대상(20)에 투영할 수 있다. 상기 그레이 코드 패턴은 패턴 생성/투영부(30)에서 생성될 수 있다. 이때, 사용되는 그레이 코드 패턴의 수는 프린지 패턴의 주기수 p에 대해, log2(P)와 같거나 많도록 설정될 수 있다.
매칭 픽셀 산출을 위해, 패턴 생성/투영부(30)는 그레이 코드 패턴(Gray-code pattern)을 측정 대상(20)에 투영하고, 측정 대상(20)에서 반사된 그레이 코드 패턴은 영상 획득부(50)로 획득한다. 반사된 그레이 코드 패턴은 측정 대상(20)의 존재에 의해 왜곡될 수 있다. 신호처리/제어부(70)의 매칭 픽셀 산출부(75)는 투영된 그레이 코드 패턴 영상과 측정 대상(20)에 의해 왜곡된 그레이 코드 패턴 영상의 코드워드(code word)를 비교하여 매칭 픽셀을 산출할 수 있다.
매칭 픽셀 산출은 다음의 과정을 통해 이루어질 수 있다. 영상 획득부(50)에서 획득된 이미지의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부(30)의 매칭 픽셀을 구하기 위해, 먼저 패턴 생성/투영부(30)에서 그레이 코드 패턴(Gray-code pattern)을 생성한다. 그레이 코드 패턴을 패턴 생성/투영부(30)를 통해 측정 대상(20)의 표면에 투영하고, 반사되어 왜곡된 코드 패턴을 영상 획득부(50)를 통해 획득하고, 투영된 코드 패턴의 영상과 왜곡된 코드 패턴의 영상의 코드 워드를 비교하여, 영상 획득부(50)의 픽셀 위치에 영향을 미치는 영상 생성/투영부(30)의 매칭 픽셀 위치를 식별한다.
이와 같이 픽셀 위치를 식별하여 매칭 픽셀을 산출한 다음, 획득된 이미지의 지점에서의 광의 세기를 보정하기 위해, 매칭 픽셀 정보를 이용하여 프린지 패턴의 픽셀 위치에서 광의 세기를 보정하여 보정된 프린지 패턴을 생성한다. 이에 의해, 측정 대상(20)의 부위별 반사 특성을 반영한 보정된 프린지 패턴이 생성될 수 있으며, 이러한 보정된 프린지 패턴을 이용하면 다양한 표면 반사 특성을 갖는 측정 대상(20)의 3차원 형상을 정밀하고 정확하게 측정할 수 있게 된다.
도 3은 측정 대상(20)에 순차적으로 투영되는 복수의 그레이 코드 패턴의 예시를 보인 것으로, 4개의 순차적인 그레이 코드 패턴의 예를 보여준다. 도 4는 측정 대상(20)의 표면으로부터 반사되어 획득된 왜곡된 그레이 코드 패턴의 예를 보여준다. 도 3에서는 픽셀 위치 (i,j)에서의 코드 워드 값이 (0101)인 경우를 보여준다. 도 4에서는 (0101)의 코드 워드 값이 왜곡에 의해 픽셀 위치(i,j*)에서 발견되는 경우를 보여준다.
그레이 코드 패턴이 도 3에서와 같이, 이진 형태로 표현되는 패턴(검은 부분은 논리값 0에 해당되고, 흰색 부분은 논리값 1에 해당할 수 있음)이 순차적으로 4개의 구성을 가지는 경우를 고려해보자. 도 3에서와 같이 그레이 코드 패턴이 4개로 구성되는 경우, 도 5에서와 같은 16개의 코드 워드를 얻을 수 있다. 즉, N개의 코드 패턴은 2^N 개의 코드 워드(n)를 만들어낼 수 있다. 도 5에서 CP1, CP2, CP3, CP4는 도 3에서의 4가지의 그레이 코드 패턴을 각각 나타낸다. 이때, 코드 워드의 요구되는 수(n)는, 도 7에서 프린지 패턴의 사인파의 주기(period)의 수와 같다. 즉, 각 코드 워드는 사인파 주기의 1 주기와 일치한다. 따라서, 그레이 코드 패턴의 요구되는 수(N)는 log(n)이 된다.
도 3에서와 같이, 4개의 순차적 그레이 코드 패턴에 의해, 영상 투영부의 (i,j) 위치에서 코드 워드가 비트(Bit) 순서 (0101)로 정해지는 경우, 이 그레이 코드 패턴을 도 2에서 같은 측정 대상(20) 물체에 투영하면, 그레이 코드 패턴은 물체의 형상에 따라 왜곡된다. 이에 따라 영상 획득부(50)(예컨대, 카메라(55))에서는 도 4에서와 같은 이미지를 획득하게 된다. 이때, (0101)의 코드 워드는 영상 획득부(50)에서는 (i,j*) 위치에서 발견된다. 도 4의 왜곡된 그레이 코드 패턴은, 측정 대상(20)이 도 2에 예시한 직육면체인 경우에 해당한다.
여기서, 영상 획득부(50)의 픽셀(i,j*)과 그 위치에서의 코드워드(0101)로부터 동일한 코드 워드에 해당하는 패턴 생성/투영부(30)의 픽셀(i,j) 위치를 식별하는 과정을 매칭 픽셀 산출이라 부를 수 있다.
도 3 내지 도 5에서는 그레이 코드 패턴의 줄무늬가 세로로 되어 있어서, j에 대한 매칭 픽셀만이 산출되지만, 가로 방향의 줄무늬를 갖는 그레이 코드 패턴에 대해 추가/생성하여 매칭 픽셀을 산출하면 i와 j 방향 모두에 대해 매칭 픽셀을 구할 수 있다.
측정 대상(20)으로부터 반사되어 입력된 (i,j*) 위치에 해당하는 영상은, 패턴 생성/투영부(30)(공간 광변조기)의 (i,j)에서 출사된 빛에 의해 영향을 받은 것으로, 영상 획득부(50) (i,j*)의 위치에 광의 세기를 높이거나 줄이기 위해서는 패턴 생성/투영부(30)(i,j) 픽셀에서 광의 세기를 조절해야 한다는 것을 의미한다.
따라서, 영상 획득부(50)의 프린지 패턴의 이미지로부터, 사인파의 깊이(depth)가 '255' 레벨에서 포화되는 경우, 해당 픽셀(i,j) 위치에서 광의 세기를 약하게 하여 포화되지 않게 조정해주고, 사인파의 깊이가 '0' 레벨에서 포화되는 경우, 광의 세기를 강하게 조정할 수 있다. 또한, 두 가지가 모두 나타나는 경우, 즉, '255' 레벨과 '0' 레벨에서 모두 포화되는 경우, 평균적으로 광 강도를 높이면서 대비도(contrast)를 낮추는 것과 같은 방식으로 프린지 패턴의 보정이 이루어질 수 있다. 이러한 프린지 패턴의 보정은 영상 획득부(50)를 통해 획득된 프린지 패턴에 따라 다양한 방식으로 적절하게 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 위상 천이 프린지 패턴을 이용한 3차원 표면 형상 측정 과정을 개략적으로 보인 순서도이다.
먼저, 패턴 생성/투영부(30)에서 위상 천이된 프린지 패턴을 생성하여 측정 대상(20)에 투영하고(I1,I2,...)(S100), 측정 대상(20)으로부터 반사되어 왜곡된 프린지 패턴 이미지를 영상 획득부(50)에서 획득할 수 있다(S200). 여기서, 도 6에서는 위상 천이된 프린지 패턴 생성 및 투영하는 단계(S100), 투영된 프린지 패턴 이미지를 획득하는 단계(S200)를 매칭 픽셀 산출에 앞서 수행하는 것으로 나타내는데, 이는 예시적인 것으로, 이러한 단계(S100,S200)는 생략되거나, 후술하는 프린지 패턴 보정단계(S500) 및 프린지 패턴 이미지 획득 및 위상 정보 계산 단계(S600)에서 수행될 수도 있다.
다음으로, 위상 천이된 프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상(20)의 부위별 반사 특성을 반영하도록, 획득된 영상의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부(30)의 매칭 픽셀을 산출하고(S400), 매칭 픽셀로 산출된 프린지 패턴의 픽셀 위치에 광의 세기를 보정하여, 프린지 패턴을 보정한다(S500). 그리고, 측정 대상(20)의 부위별 반사 특성을 반영하도록 보정된 프린지 패턴을 측정 대상(20)에 투영하고, 측정 대상(20)으로부터 반사되는 왜곡된 프린지 패턴의 위상 정보를 이용하여 측정 대상(20)의 높이 정보를 계산한다(S600,S700).
패턴 생성/투영부(30)의 매칭 픽셀 산출은, 패턴 생성/투영부(30)를 이용하여 생성된 그레이 코드 패턴을 측정 대상(20)에 투영하고, 측정 대상(20)으로부터 반사된 왜곡된 그레이 코드 패턴을 획득하여, 투영되는 그레이 코드 패턴 영상과 왜곡된 그레이 코드 패턴 영상의 코드워드를 비교하여 산출할 수 있다.
이때, 전술한 바와 같이, 상기 그레이 코드 패턴의 수는 프린지 패턴의 주기수 p에 대해, log2(p)와 같거나 많도록 설정될 수 있으며, 상기 그레이 코드 패턴은, 복수개가 측정 대상(20)에 순차로 투영될 수 있다.
여기서, 위상 천이된 프린지 패턴을 생성하여 측정 대상(20)에 투영(I1,I2,...)(S100 또는 S500))할 때, θ만큼 위상 천이된 복수개의 사인파(프린지) 패턴들을 패턴 생성/투영부(30)를 통해 측정 대상(20)에 순서대로 투영할 수 있다. 프린지 패턴의 수는 4개 또는 5개가 가능하며, 이외에도 다양한 개수의 프린지 패턴이 적용될 수 있다.
도 7에서 상단은 θ만큼 위상 천이된 3개의 사인파(프린지)를 예시적으로 보여주며, 도 7에서 하단의 이미지는 θ만큼씩 위상이 시프트된 사인파(프린지) 패턴들이 오버랩된 상태를 보여준다.
단계 S200( 또는 S600)에서, 투영된 프린지 패턴은 측정 대상(20)의 표면으로부터 반사되어 영상 획득부(50)로 획득되며, 영상 획득부(50)는 왜곡된 프린지 패턴의 이미지를 획득할 수 있다(I'1,I'2,...).
획득된 이미지의 광강도 분포(Intensity distribution)는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 A는 배경에 대한 광강도, B는 프린지 변조(fringe of modulation), θ는 상수의 위상 시프트 각도(phase-shift angle)이다.
영상 획득부(50)에 획득된 이미지의 임의의 (x,y) 지점에서의 광강도 I'1(x,y), I'2(x,y), I'3(x,y)는 아래의 수학식 2에 의해 (x,y) 지점에 대한 위상값으로 변환될 수 있다. 하나의 화면(이미지)에 대한 위상 값의 분포는 위상 지도(phase map)이라 불리어지고, 수학식 2로 계산될 수 있다.
Figure pat00002
도 8a는 측정 대상(20)이 없는 기준면(reference plane: 25)에 프린지 패턴을 투영하여 위상지도(φ(x,y))를 얻는 과정을 보여준다. 도 8b는 측정 대상(object:20)이 기준면(25) 상에 놓여 있을 때, 이 측정 대상(20)에 프린지 패턴을 투영하여 위상지도(φ(x,y))를 얻는 과정을 보여준다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 측정 대상(20)이 없는 기준면에 대한 위상지도(φ(x,y))에서 위상의 주기는, 초기에 패턴 생성/투영부(30)를 통해 투영했던 사인파(I(x,y))의 광세기의 주기와 동일하다. 반면에, 측정 대상(20)에 투영되어 획득된 이미지에 대한 위상 지도(φ(x,y))에서는, 측정 대상(20)의 표면 높이에 따른 위상 값 시프트 현상이 일어난다. 이 시프트량이 측정 대상(20)의 표면의 높이 정보와 관련이 있다.
전술한 바와 같이, 측정 대상(20)은 부위별로 반사 특성이 다를 수 있으므로, 이러한 반사특성을 반영하여 보다 정확하게 위상 차이를 계산할 수 있도록, 프린지 패턴을 보정을 보정할 필요가 있으며, 이를 위해 획득된 이미지의 임의의 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부(30)의 픽셀 즉, 매칭 픽셀을 산출할 필요가 있다.
이러한 매칭 픽셀 산출을 위해, 먼저, 단계 S300에서, 패턴 생성/투영부(30)에서 그레이 코드 패턴(Gray-code pattern)을 생성한다(CP1, CP2, ...).
이 생성된 그레이 코드 패턴을 패턴 생성/투영부(30)를 통해 측정 대상(20)의 표면에 투영하고, 반사되는 왜곡된 코드 패턴 이미지를 영상 획득부(50)를 통해 획득한다.
그런 다음, 단계 S400에서, 투영된 그레이 코드 패턴의 영상과 왜곡된 그레이 코드 패턴의 영상의 코드 워드를 비교하여, 영상 획득부(50)의 픽셀 위치에 영향을 미치는 영상 투영부의 픽셀 위치를 식별하여 매칭 픽셀을 산출한다.
이와 같이 픽셀 위치를 식별하여 매칭 픽셀을 산출한 다음, 획득된 코드 패턴 이미지의 지점에서의 광의 세기를 보정하기 위해, 프린지 패턴의 픽셀에서 광의 세기를 보상하는 프린지 패턴 보정을 수행한다(S500).
이와 같이 매칭 위치에 광강도를 보정하여 새로운 보정된 프린지 패턴을 생성하고 이를 측정 대상(20)에 투영한다(I"1,I"2,...).
투영되는 보정된 프린지 패턴은 측정 대상(20)의 표면으로부터 반사되어 영상 획득부(50)로 획득되며, 이로부터 위상 정보가 계산된다(S600). 획득된 프린지 패턴 이미지의 광강도 분포(Intensity distribution)로부터, 수학식 1,2를 이용하여, 하나의 화면(이미지)에 대한 위상 값의 분포 즉, 위상 지도(Phase map)를 계산하여 얻을 수 있다.
산출된 위상지도 φ(x,y)는 arctan 계산의 결과이므로, -π에서 +π에 걸쳐 분포하게 되는데, 이를 절대값의 범위( -∞ ~ +∞)로 변환할 수 있다. 이 과정을 위상 펼침(phase unwrapping)이라 한다. 도 9는 위상 펼침(phase unwrapping) 방식의 일예를 보인 것으로, 1차원 단면에서의 위상 펼침의 예를 보여준다.
기준면과 측정 대상(20)에 대한 절대 위상값에 대한 차이를 계산하고, 이 위상 차이값으로부터 물체의 높이값을 산출하게 된다(S700).
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법에 따르면, 측정 대상(20)의 부위별로 적합한 광강도가 적용된 프린지 패턴을 투영 즉, 예를 들어, 반사율이 높은 부위는 광강도가 낮게, 반사율이 낮은 부위에는 광강도를 높게 설정한 프린지 패턴을 투영함으로써, 보다 정확하게 위상 정보를 계산할 수 있다.
10...측정 장치 20...측정 대상
30...패턴 생성/투영부 35...공간광변조기
50...영상 획득부 70...신호처리/제어부
71...높이 산출부 75...매칭 픽셀 산출부

Claims (13)

  1. 위상 천이된 프린지 패턴을 생성하여 측정 대상에 투영하는 패턴 생성/투영부와;
    측정 대상으로부터 반사되는 왜곡된 프린지 패턴을 획득하는 영상 획득부와;
    왜곡된 프린지 패턴의 위상 정보를 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 계산하는 높이 산출부와, 상기 영상 획득부에서 획득된 영상의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부의 매칭 픽셀을 산출하는 매칭 픽셀 산출부를 포함하며, 매칭 픽셀로 산출된 프린지 패턴의 픽셀 위치에 광의 세기를 보정하여 보정된 프린지 패턴을 생성하도록 상기 패턴 생성/투영부를 제어하는 신호처리/제어부;를 포함하는 3차원 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패턴 생성/투영부는, 패턴을 생성하는 공간광변조기를 포함하는 3차원 형상 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공간광변조기는 디지털 마이크로 미러 디바이스나 액정디스플레이를 포함하는 3차원 형상 측정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 매칭 픽셀 산출을 위해 그레이 코드 패턴을 이용하는 3차원 형상 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 그레이 코드 패턴의 수는 프린지 패턴의 주기수 p에 대해, log2(p)와 같거나 많도록 설정되는 3차원 형상 측정 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 그레이 코드 패턴은 상기 패턴 생성/투영부에서 생성되는 3차원 형상 측정 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 신호처리/제어부는, 측정 대상에 투영되는 그레이 코드 패턴의 영상과, 상기 측정 대상에서 반사되고 상기 영상 획득부로 획득되며 상기 측정 대상의 존재에 의해 왜곡되는 그레이 코드 패턴 영상의 코드워드를 비교하여 매칭 픽셀을 산출하는 3차원 형상 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 그레이 코드 패턴은, 복수개가 측정 대상에 순차로 투영되는 3차원 형상 측정 장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 그레이 코드 패턴은, 복수개가 측정 대상에 순차로 투영되는 3차원 형상 측정 장치.
  10. 위상 천이된 프린지 패턴 생성 단계에서 측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하도록, 획득된 영상의 임의의 픽셀 지점에 노출된 광에 영향을 미치는 패턴 생성/투영부의 매칭 픽셀을 산출하는 단계와;
    매칭 픽셀로 산출된 프린지 패턴의 픽셀 위치에 광의 세기를 보정하여, 프린지 패턴을 보정하는 단계와;
    측정 대상의 부위별 반사 특성을 반영하도록 보정된 프린지 패턴을 측정 대상에 투영하고, 측정 대상으로부터 반사되는 왜곡된 프린지 패턴의 위상 정보를 이용하여 측정 대상의 높이 정보를 계산하는 단계;를 포함하는 3차원 형상 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 매칭 픽셀을 산출하는 단계는,
    패턴 생성/투영부를 이용하여 생성된 그레이 코드 패턴을 측정 대상에 투영하는 단계와;
    측정 대상으로부터 반사된 왜곡된 그레이 코드 패턴을 획득하여, 투영되는 그레이 코드 패턴 영상과 왜곡된 그레이 코드 패턴 영상의 코드워드를 비교하여 패턴 생성/투영부의 매칭 픽셀을 산출하는 단계;를 포함하는 3차원 형상 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 그레이 코드 패턴의 수는 프린지 패턴의 주기수 p에 대해, log2(p)와 같거나 많도록 설정되는 3차원 형상 측정 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 그레이 코드 패턴은, 복수개가 측정 대상에 순차로 투영되는 3차원 형상 측정 방법.
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