KR101711849B1 - 내면 영상 획득을 위한 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내면 영상 획득을 위한 광학장치에 관한 것으로서, 종래에는 검사 대상면과 카메라센서 및 렌즈로 이루어진 광학계가 평행하도록 설치해야만 촛점면을 맞출 수 있기 때문에 대상면에 대해 광학계를 평행하게 설치할 공간이 부족한 경우에는 내면 영상을 획득할 수 없었다. 본 발명은 카메라 센서부와, 렌즈, 센서의 각도 및 거리를 조정하는 가변경통, 대상면을 항상 촛점면이 되게 모션제어로 이동시키는 모션제어부 및 대상면으로 조명 입사각도를 조절하여 조명하는 조명장치를 포함시켜 구성하고, 광학계와 대상면의 설치 위치와 각도를 샤임 플러그 효과를 얻을 수 있는 조건으로 설정하여 설치함으로써 촛점면의 위아래 전체를 촛점영역으로 맞출 수 있고, 대상체의 모션이동으로 대상면이 항상 촛첨면이 되게 이동시키는 것에 의해 내면 전체 영상뿐만 아니라 곡면과 코너 또는 곡선형 영상도 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

내면 영상 획득을 위한 광학 장치{Method and apparatus for acquiring image of inner plane}

본 발명은 내면 영상 획득을 위한 광학장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촛점면과 렌즈 및 카메라 센서를 평행하게 설치하지 못하는 대상체의 내면 전체 이미지뿐만 아니라 코너 또는 곡선형 영역의 이미지 획득이 가능하도록 한 내면 영상 획득을 위한 광학 장치에 관한 것이다.

일반적으로 제품의 제조공정이나 완제품 상태에서 제품 검사를 위한 방법중 하나로서 광학장치를 이용한 검사장치들이 있다. 통상의 광학 검사장치는 대상체의 영상획득 대상면에 대해서 카메라 센서와 렌즈가 평행한 상태로 설치되어야만 대상면에 촛점을 맞출 수 있다.

도 1의 (가) 내지 (다)는 일반적인 광학 검사장치의 카메라 설치 개념도이다.

도 1의 (가)는 대상체의 대상면(1)이 수직면인 경우이고, 도 1의 (나) 및 (다)는 대상면(1)이 내각 또는 외각으로 경사진 경우의 예시도이다. 이에 도시된 바와 같이 종래의 기술은 모두 렌즈(2)와 카메라(3)가 대상면(1)에 대해서 평행한 상태로 설치되어 있다.

렌즈(2)와 카메라(3)의 평행한 지점에 대상면(1)이 위치되게 설치되어야만 선명한 영상 획득이 가능해진다. 대상체와 렌즈(2)와 카메라(3)가 평행선상에 위치하지 않으면 대상체의 일부분에만 촛점이 맞는다.

그러므로 렌즈와 카메라가 평행하게 놓일 수 없는 경우에는 대상체에서 영상을 획득하고자 하는 대상면 전체의 선명한 이미지를 얻을 수 없다.

대상체의 일부분에만 촛점이 맞는 경우에는 대상체 전체의 이미지를 얻기 위해서는 광학계의 위치를 이동하면서 스캔시켜야 하고, 대상체의 코너 또는 곡선형와 같은 부분의 이미지를 얻기 어려웠다.

그런데 프레임이나 링 구조의 내면과 같이 공간이 충분하지 못한 경우에는 종래의 방식으로는 대상면과 렌즈 및 카메라를 평행하게 위치시킬 수 없다. 이에 따라 대상체의 내면의 일부분에만 촛점을 맞출 수 있기 때문에 광학계를 위아래로 이동하면서 스캔시켜 대상면 이미지를 얻어야 하므로 시간이 많이 걸리고, 정밀한 고품질 영상을 얻기가 어려웠다.

선행기술문헌으로 한국공개특허 2015-0005405호(2015. 01. 14)에는 광학검사에 이용되는 조명시스템, 그것을 이용하는 검사 시스템 및 검사방법이 개시되어 있는데, 렌즈와 카메라는 검사대상면에 대해서 평행하게 배치되고, 조명을 좌우 측면에서 경사지게 조명하는 조명시스템으로서, 이 역시 검사대상면의 영상을 획득하기 위한 카메라 배치구조가 카메라와 렌즈 및 대상면이 평행하게 설치되어 있는 것이다. 이에 따라 선행기술문헌의 기술도 공간이 부족한 내면 영상을 획득하는 광학 검사장치로는 적합하지 않다.

한국공개특허 2015-0005405호(2015. 01. 14)

본 발명은 프레임이나 링 구조의 내면같이 공간이 충분하지 못한 경우에 대상체의 고품질 영상을 획득할 수 있도록 하는 내면 영상 획득을 위한 광학 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 내면 위아래 전체면에 대해 촛점을 맞출 수 있도록 함으로써 대상면의 1 회전만으로 내면 전체 이미지뿐만 아니라 코너 또는 곡선형 영역의 이미지 획득이 가능하도록 하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 내면 영상 획득을 위한 광학장치는,

대상체의 영상 획득을 위한 대상면을 촬상하기 위한 카메라 센서부와;

상기 카메라 센서부와 상기 대상면 사이에 배치되는 렌즈와;

상기 카메라 센서부와 상기 렌즈를 일체로 연결하되, 카메라 센서와 렌즈의 거리 및 센서 경사각도를 조절하기 위한 가변경통과;

상기 대상체를 촬영 위치에 로딩시켜두고 대상체의 대상면이 촛점면과 일치되게 모션 제어에 의해 대상체를 이동시키는 모션제어수단과;

상기 대상체의 대상면에 대해 평행 또는 경사 조명하는 조명장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다

상기 가변 경통은, 상기 렌즈와 상기 카메라 센서부와의 거리와, 렌즈와 카메라 센서부와의 각도를 조절하기 위한 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은,

렌즈 촛점거리(f)와, 렌즈와 센서의 각도(θ), 렌즈와 센서의 거리(V), 렌즈와 힌지거리(J), 센서의 연장선 면에서 렌즈의 거리(V') 및 센서와 대상면의 각도(φ)가 하기 식(1)을 만족하도록 설정함을 특징으로 한다.

...식(1)

본 발명에 의하면, 라인 센서를 사용하는 카메라 센서부와 렌즈 그리고 대상체의 내면을 연장하는 촛점면이 특정조건의 거리와 각도를 이루고 설치되므로, 대상체의 검사 대상면 위아래 전체 면적에 촛점이 맞는 샤임 플러그 효과를 얻을 수 있어서, 카메라와 렌즈 및 대상면이 평행한 상태가 아니어도 고품질 영상 획득이 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명은 대상체 자체를 대상면이 촛점면이 되게 모션제어에 의해 이동시켜 1회전 궤적 이동만으로 내면 전체의 이미지를 획득할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 광학계의 이동없이 대상체의 궤적 이동만으로 내면 전체 영상을 획득할 수 있어서 검사 속도를 극대화 할 수 있고, 라운드 또는 원형과 같은 굴곡진 면을 만나도 영상 획득이 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명은 조명을 검사 대상면에 평행 또는 경사방향에서 조명하도록 설치함으로써, 돌출부위의 빛 산란으로 깨끗한 내면과 돌출부위의 빛 반사량이 달라져 영상 분석이 단순화해지는 효과가 있다.

도 2은 본 발명에 의한 내면 영상 획득을 위한 광학장치 블록도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 내면 영상 획득을 위한 광학장치의 설치조건 설명도.
도 5은 발명에 의한 광학장치의 카메라 센서부와 렌즈와 대상면과의 설치 조건을 설정하는 설명도.
도 6의 (가) 및 (나)는 본 발명에 의한 광학계의 설치 설명도.
도 7는 본 발명의 조명방향을 설명하기 위한 설명도.
도 8은 본 발명에 의한 모션제어에 의한 대상체 이동과 검사 설명도.
도 9의 (가) 및 (나)는 본 발명의 적용 예시도.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2은 본 발명에 의한 내면 영상 획득을 위한 광학장치 블록도이고, 도 3은 본 발명에 의한 내면 영상 획득을 위한 광학장치의 설치조건 설명도이다.

이에 도시된 바와 같이,

대상체(1)의 영상 획득을 위한 대상면(1a)을 촬상하기 위한 카메라 센서부(10)와;

상기 카메라 센서부(10)와 상기 대상면 사이에 배치되는 렌즈(20)와;

상기 카메라 센서부(10)와 상기 렌즈(20)를 일체로 연결하되, 카메라 센서부(10)와 렌즈(20)의 거리 및 카메라 센서부(10)의 경사각도를 조절하기 위한 가변경통(30)과;

상기 대상체(1)를 촬영 위치에 로딩시켜두고 대상체(1)의 대상면(1a)이 촛점면과 일치되게 모션 제어에 의해 대상체를 이동시키는 모션제어수단(40)과;

상기 대상체(1)의 대상면(1a)에 대해 조명하는 조명장치(50)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 가변 경통(30)은, 상기 렌즈(20)와 상기 카메라 센서부(10)와의 거리와, 렌즈(20)와 카메라 센서부(10)와의 각도를 조절하기 위한 거리 및 각도 조절수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 각도 조절수단은, 상기 카메라센서부(10)를 틸팅시켜 렌즈와 카메라 센서부의 각도를 조절하도록 구성된다.

또한 본 발명은,

렌즈 촛점거리(f)와, 렌즈와 센서의 각도(θ), 렌즈와 센서의 거리(V), 렌즈와 힌지거리(J), 센서의 연장선 면에서 렌즈의 거리 (V') 및　 센서와 대상면의 각도 (φ)가 하기 식(1)을 만족하도록 설정함을 특징으로 한다.

...식(1)

도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 내면 영상 획득을 위한 광학장치의 설치조건 설명도이고, 도 5은 본 발명에 의한 광학장치의 카메라센서부와 렌즈와 대상면과의 관계를 샤임 플러그 효과를 얻을 수 있도록 설치 조건을 설정하는 설명도이다.

본 발명은 도 5의 (가)와 같이, 카메라 센서부(10)를 라인 센서를 사용하며, 렌즈(20)는 촛점 거리(f)인 렌즈를 선정한다. 카메라 센서부(10)의 연장선과 렌즈(20)의 연장선상을 잇는 각도 θ와 거리 v를 설정한다. 이때 두 연장선이 만나는 지점을 A라고 하고, 이 광학계에서 영상의 촛점이 맞는 부분은 반드시 이 지점 A를 지나는 평면상에 존재한다.

따라서 본 발명은, 가변경통(30)에 의해 카메라 센서부(10)의 중심을 기준으로 회전 가능하며, 렌즈(20)의 설치 각도 θ와, 렌즈(20)와 카메라 센서부(10) 간 거리 v를 조절할 수 있도록 구성하여 각도 θ와 거리 v를 설정조건에 맞게 조절하는 것이다.

도 5의 (나)와 같이 렌즈(20)의 촛점 거리 f지점에서 렌즈(20)의 연장선과 평행한 직선과, 렌즈(20)의 중심에서 카메라 센서부(10)의 연장선과 평행한 직선이 서로 만나는 지점 B를 구한다. 이때 렌즈(20)의 중심과 B점과의 거리는 J와 같다.

도 5의 (다)와 같이 A와 B지점을 통과하는 직선을 연결하면 이 지점이 촛점이 맞는 면(Plane of sharp focus)을 이룬다.

이와 같은 조건에 따라 도 5의 (가) 내지 (다)와 같이 가변 경통(30)의 렌즈각도 및 렌즈와 카메라 센서부 간의 거리를 조절한다.

도 6의 (가) 및 (나)는 본 발명에 의한 광학계의 설치 설명도이다.

그리고 도 6와 같이 A와 B점을 지나는 촛점면과 검사 대상체의 검사면(대상면)이 일치하도록 카메라 센서부(10) 및 렌즈(20) 일체형 구조인 광학계의 위치를 조정한다. 이러한 관계 조건은 식(1)과 같은 조건을 만족하도록 설치하는 것이며, 이는 샤임 플러그 원리를 이용한 것이다.

한편, 본 발명은 대상체의 대상면(1a) 대한 조명을 하는 조명장치(50)를 설치하는데, 조명장치는 평행 또는 경사 조명이 가능하도록 설치한다. 즉 조명장치(50)는 조명 방향이 평행 또는 경사를 갖도록 하기 위하여 틸팅 수단을 포함하여 구성되는 것이다.

도 7는 본 발명의 조명방향을 설명하기 위한 설명도이다.

도 7의 (가)와 같이 조명장치(50)는 대상체의 검사 대상면(a)의 상단에 위치하고, 대상면(1a)에 돌출된 돌기 또는 돌출된 이물이 있는 경우 빛이 산란되도록 조명의 입사각을 조정할 수 있는 틸팅수단(51)을 더포함하여 구성된다. 조명의 입사각은 도 7의 (나)와 같이 검사 대상면(1a)에 평행한 각에서 카메라 광학계의 광축을 이루는 각도 범위 내에서 수직 경사도를 조정하여 입사각을 조정하도록 한다.

또한 본 발명은 대상체를 모션제어를 통한 이동에 의해 검사 대상면이 촛점면에 일치하도록 대상체를 이동시키는 모션제어수단(40)을 포함하여 구성한다.

도 8은 본 발명에 의한 모션제어에 의한 대상체 이동과 검사 설명도이다.

카메라 센서부(10)와, 렌즈(20) 및 가변경통(30)으로 이루어진 광학계를 대상면(1a)에 대향하여 설치하고, 조명장치(50)를 대상면(1a)의 상부에 위치되게 설치하며, 대상면(1a)이 광학계의 촛점면과 일치되게 모션제어에 의해 이동시키는 모션제어수단(40)이 설치된다. 그리고, 광학계의 카메라 센서부(10)에서 획득한 영상은 검사영상 판독장치(100)에서 영상취득부에서 영상을 취득하여 영상처리부에서 영상처리를 하고, 처리된 영상에 의해 불량 판별부에서 불량여부를 판별하도록 한다.

모션 제어수단(40)은, x축, y축, 회전 축으로 구성하여 검사 대상면(1a)이 광학계의 촛점면에 항상 일치하도록 모션제어방식으로 이동시켜 내면 전체 영상을 획득할 수 있도록 한다. 따라서 직선을 이루는 면이나 곡선 면 모두 영상 취득이 가능해진다.

도 9의 (가) 및 (나)는 본 발명의 적용 예시도로서, 도 9의 (가)와 같이 사각 프레임의 내면 영상을 획득하는 경우, 프레임 내면의 촛점면은 위아래 전체 영역을 촛점면으로 맞출 수 있어서 광학계의 상하 이동이 필요하지 않고, 대상체를 모션이동시켜 내면 전체 영상을 획득할 수 있다. 마찬가지로 라운드진 내면 즉 도 9의 (나)와 같이 원형인 경우, 내면의 위아래 전체 영역이 촛점면이 되고, 모션 제어에 의해 대상체를 1 회전시키는 것에 의해 내면 전체 영상을 획득할 수 있다.

따라서 본 발명은 내면 영상 뿐만 아니라 공간 상 광학계가 대상면과 평행하게 놓이지 못하는 도 9의 (가) 및 (나)와 같은 경우에서도 내면영상을 획득하여 검사할 수 있고, 또한 광학계의 이동 없이 대상체를 모션제어에 의해 이동시키는 것만으로 전체 내면 영상을 획득할 수 있어서 전체 검사 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다.

1 : 대상체 1a : 대상면
10 : 카메라 센서부 20 : 렌즈
30 : 가변 경통 40 : 모션제어부
50 : 조명장치 51 : 틸팅수단
100 : 검사 영상 판독장치

Claims (5)

1. 검사 대상체의 영상을 획득하여 검사하는 광학장치로서,
   대상체(1)의 영상 획득을 위한 대상면(1a)을 촬상하기 위한 카메라 센서부(10)와;
   상기 카메라 센서부(10)와 상기 대상면 사이에 배치되는 렌즈(20)와;
   상기 카메라 센서부(10)와 상기 렌즈(20)를 일체로 연결하되, 카메라 센서부(10)와 렌즈(20)의 거리 및 카메라 센서부 경사각도를 조절하기 위한 가변경통(30)과;
   상기 대상체(1)를 촬영 위치에 로딩시켜두고 대상체(1)의 대상면(1a)이 촛점면과 일치되게 모션 제어에 의해 대상체를 이동시키는 모션제어수단(40)과;
   상기 대상체(1)의 대상면(1a)에 대해 조명하는 조명장치(50)을 포함하되,
   상기 카메라 센서부(10)는 라인 센서를 사용하고;
   상기 렌즈(20)와 상기 카메라 센서부(10)와의 거리를 조절하는 거리 조절수단과, 상기 카메라 센서부(10)를 틸팅시켜 렌즈와 카메라 센서부의 각도를 조절하는 각도 조절수단을 더 구비하며;
   상기 대상체의 대상면(1a)의 상단부에 설치되고, 대상면(1a)에 대한 조명 입사각을 조절하는 틸팅수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 내면 영상 획득을 위한 광학장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 내면 영상 획득을 위한 광학장치는,
   렌즈 촛점거리(f)와, 렌즈와 센서의 각도(θ), 렌즈와 대상면의 거리(V), 렌즈와 힌지거리(J), 센서의 연장선 면에서 렌즈의 거리(V') 및　 센서와 대상면의 각도(φ)가 하기 식(1)
   

   

   ...식(1)
   을 만족하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 내면 영상 획득을 위한 광학장치.
   
5. 삭제

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