일반적으로 NA(Numerical aperture)가 큰 렌즈를 사용하면 획득된 영상의 품질이 좋아진다. 오목거울은 NA가 크면서 직경이 크게 제작하는 비용이 저렴하다. 본 논문에서는3차원 형상 측정용 모아레 영상의 품질향상을 위해 NA가 큰 대구경 오목거울을 이용한 방법을 제안하고 구현하였다.오목거울은 빛을 반사하는 면이 오목한 거울로써, 가까운 거리에 있는 물체를 볼 때, 물체와 모양은 같고 크게 보이는 것이 특징이다. 보통의 경우, 작은 것을 크게 보거나 빛을 모으는데 이용한다. 오목거울의 집광 특징은 볼록거울과 방향만 다를 뿐 동일한 역할을 하고, 수 미터 직경의 대구경으로 제작하기 용이하며, 대구경이면서 $0.8{\sim}2$의 높은 NA를 갖는 오목거울을 구현하기 용이하다. 오목거울의 볼록 렌즈와 동일한 집광 특징을 이용하여 망원경 등의 반사경으로 많이 이용하고 있다. 3차원 영상획득 방법을 위해 필요한 장치는 광을 출사하는 광원,광원으로부터 출사된 광을 집광하기 위한 집광렌즈,집광렌즈를 통해 집광되어 입사되는 광을 투과시키는 격자,격자로부터의 출사 광을 평행광으로 출사하는 영사렌즈,영사렌즈의 평행광을 반사시켜 전량의 광을 측정대상물 쪽으로 출사하는 오목거울 그리고 측정 제품으로부터 반사된 반사광을 획득하는 CCD 카메라를 포함한다. 대구경 오목거울로 NA값을 변화시켜서 표면의 굴곡이 심한 납볼의 영상을 획득하여 품질향상 정도를 평가하였다. NA가 $0.15{\sim}0.8$까지 변화했을 때 영상 내 밝은 부분과 어두운 부분의 차이가 $46{\sim}1.33$배로 변화하여 NA를 높이면 영상의 품질이 향상됨을 알 수 있었다.
일반적으로 NA(Numerical aperture)가 큰 렌즈를 사용하면 획득된 영상의 품질이 좋아진다. 오목거울은 NA가 크면서 직경이 크게 제작하는 비용이 저렴하다. 본 논문에서는3차원 형상 측정용 모아레 영상의 품질향상을 위해 NA가 큰 대구경 오목거울을 이용한 방법을 제안하고 구현하였다.오목거울은 빛을 반사하는 면이 오목한 거울로써, 가까운 거리에 있는 물체를 볼 때, 물체와 모양은 같고 크게 보이는 것이 특징이다. 보통의 경우, 작은 것을 크게 보거나 빛을 모으는데 이용한다. 오목거울의 집광 특징은 볼록거울과 방향만 다를 뿐 동일한 역할을 하고, 수 미터 직경의 대구경으로 제작하기 용이하며, 대구경이면서 $0.8{\sim}2$의 높은 NA를 갖는 오목거울을 구현하기 용이하다. 오목거울의 볼록 렌즈와 동일한 집광 특징을 이용하여 망원경 등의 반사경으로 많이 이용하고 있다. 3차원 영상획득 방법을 위해 필요한 장치는 광을 출사하는 광원,광원으로부터 출사된 광을 집광하기 위한 집광렌즈,집광렌즈를 통해 집광되어 입사되는 광을 투과시키는 격자,격자로부터의 출사 광을 평행광으로 출사하는 영사렌즈,영사렌즈의 평행광을 반사시켜 전량의 광을 측정대상물 쪽으로 출사하는 오목거울 그리고 측정 제품으로부터 반사된 반사광을 획득하는 CCD 카메라를 포함한다. 대구경 오목거울로 NA값을 변화시켜서 표면의 굴곡이 심한 납볼의 영상을 획득하여 품질향상 정도를 평가하였다. NA가 $0.15{\sim}0.8$까지 변화했을 때 영상 내 밝은 부분과 어두운 부분의 차이가 $46{\sim}1.33$배로 변화하여 NA를 높이면 영상의 품질이 향상됨을 알 수 있었다.
In general, a lens with large NA makes image quality better. There are many kinds of cheap concave mirrors with large aperture and NA. This paper presents a method that uses a large aperture projection imaging system to enhance the image used for 3D shape measurement. This method makes it possible t...
In general, a lens with large NA makes image quality better. There are many kinds of cheap concave mirrors with large aperture and NA. This paper presents a method that uses a large aperture projection imaging system to enhance the image used for 3D shape measurement. This method makes it possible to enhance reflection uniformity on the object surface and increases SNR (Signal to Noise Ratio). Using a large aperture lens, it is possible to obtain a brighter image, reducing the shading nature in the image boundary, and enhancing the reflection uniformity even on woven surfaces. Because of the exorbitant cost of a large aperture projection lens larger than 150 mm in diameter, a refractive lens was exchanged with a concave mirror resulting in the same optical effect. In experiment, changing NA $0.15{\sim}0.8$, image contrast was enhanced from 46 to 1.33. Incidentally, the effect of the concave mirror was tested successfully through the experiment.
In general, a lens with large NA makes image quality better. There are many kinds of cheap concave mirrors with large aperture and NA. This paper presents a method that uses a large aperture projection imaging system to enhance the image used for 3D shape measurement. This method makes it possible to enhance reflection uniformity on the object surface and increases SNR (Signal to Noise Ratio). Using a large aperture lens, it is possible to obtain a brighter image, reducing the shading nature in the image boundary, and enhancing the reflection uniformity even on woven surfaces. Because of the exorbitant cost of a large aperture projection lens larger than 150 mm in diameter, a refractive lens was exchanged with a concave mirror resulting in the same optical effect. In experiment, changing NA $0.15{\sim}0.8$, image contrast was enhanced from 46 to 1.33. Incidentally, the effect of the concave mirror was tested successfully through the experiment.
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문제 정의
본 논문에서는 기존의 영상 획득 장치의 문제점을 해결할 수 있도록 소구경 렌즈와 대구경 오목거울을 사용하여 대구경 렌즈를 사용한 것과 같은 효과를 내는 오목거울을 이용한 3차원 형상측정을 위한 영상 획득 방법을 제안한다. 대구경 렌즈를 사용하면 획득된 영상의 화면이 전체적으로 밝아 지고 외곽의 어두운 부분을 없앨 수 있는 장점이 있기에 소구경 렌즈의 구면에 오목거울을 사용하여 광량을 최대한 입사시켜 동일한 성능을 낼 수 있다.
본 논문에서는 소구경 렌즈와 대구경 오목거울을 이용한 영상획득 장치를 구현하여, 3차원 형상 정보에서 보다 나은 품질의 raw영상/phase영상을 획득하는 방법으로 영사계에 NA값이 높은 오목거울을 배치하는 것을 제안하였다. 성능은 뛰어나지만, 비싼 가격 때문에 실질적으로 사용하기 어려운 대구경 렌즈를 대신하여 대구경 오목거울을 사용하여 결과를 비교하였다.
본 논문에서는 3차원 오목거울을 이용한 영상 획득 방법을 설계하고 구현하였다.
본 연구에서는 기존의 영상 획득 장치에 소구경 렌즈와 대구경 오목거울을 이용함으로써, 대구경 렌즈의 성능과 동일한 효과를 얻을 수 있는 방법을 제안한다. 일반적인 오목거울은 실제 물체를 더 크게 보이게 하고 빛을 한 점으로 모으는 역할을 하며, 작은 것을 크게 보려고 할 때 많이 사용된다.
본 연구에서는 소구경 렌즈와 오목거울을 사용함으로써, 영상획득을 위한 광량을 최대한 확보하고 제품 표면의 윤곽에 따른 음영을 제거함을 확인하였다. 또한 소구경 렌즈와 대구경 오목거울을 동시에 사용하여 저렴하게 대구경 볼록렌즈를 대체할 수 있는 장점이 있다.
가설 설정
2. 오목거울은 입사 광이 측정대상물 쪽으로 반사되지 않아 측정대상물로부터 CCD 카메라에 입사되는 광량이 감소되지 않도록 할 것
제안 방법
비싼 가격으로 인해 사용이 쉽지 않지만 성능이 좋은 대구경 렌즈와 같은 성능을 얻기 위해서 제안하였으며, 성능 평가를 위해 첫 번째 실험은 NA를 변경했을 때의 영상의 차이를 비교하였다.
두 번째 실험으로는 소구경 렌즈를 사용한 경우와 소구경 렌즈/대구경 오목거울을 동시에 사용했을 때의 결과를 비교하였다. 그 결과, 오목거울을 배치하였을 때의 영상이 많이 밝게 나타나는 것과 영상 내 밝기분포가 작아지면서 대상물체 표면 굴곡으로 인한 음영지역이 사라지는 것을 확인할 수 있었다.
성능은 뛰어나지만, 비싼 가격 때문에 실질적으로 사용하기 어려운 대구경 렌즈를 대신하여 대구경 오목거울을 사용하여 결과를 비교하였다. 또한, 오목거울을 사용하여 NA값을 변화시켜가며 영상의 결과를 측정하였다. 대구경 렌즈를 대신하여 대구경 오목거울을 사용함으로써 3차원 측정용 영상의 품질을 높일 수 있었고, 영상의 밝기를 향상시킬 수 있었다.
본 장에서는 오목거울을 이용해 3차원 영상 획득 방법의 성능을 평가하기 위해 몇 가지의 실험을 하였다. 먼저 대구경 렌즈와 소구경 렌즈를 사용했을 때의 영상 측정의 결과를 비교하였다. 실험을 통해, 동일한 영상에 대해 대구경 렌즈를 사용했을 때와 소구경 렌즈를 사용했을 때의 결과 영상을 확인하였다.
본 장에서는 오목거울을 이용해 3차원 영상 획득 방법의 성능을 평가하기 위해 몇 가지의 실험을 하였다. 먼저 대구경 렌즈와 소구경 렌즈를 사용했을 때의 영상 측정의 결과를 비교하였다.
본 논문에서는 소구경 렌즈와 대구경 오목거울을 이용한 영상획득 장치를 구현하여, 3차원 형상 정보에서 보다 나은 품질의 raw영상/phase영상을 획득하는 방법으로 영사계에 NA값이 높은 오목거울을 배치하는 것을 제안하였다. 성능은 뛰어나지만, 비싼 가격 때문에 실질적으로 사용하기 어려운 대구경 렌즈를 대신하여 대구경 오목거울을 사용하여 결과를 비교하였다. 또한, 오목거울을 사용하여 NA값을 변화시켜가며 영상의 결과를 측정하였다.
실험을 통해, 동일한 영상에 대해 대구경 렌즈를 사용했을 때와 소구경 렌즈를 사용했을 때의 결과 영상을 확인하였다. 이를 통해 영상의 노이즈 변화를 비교하였다.
그림 6. 제안한 방법에 적용된 오목거울과 광 경로.
그림 7. 제안한 방법에 적용된 평면거울과 광 경로.
대상 데이터
대상물의 크기가 작기 때문에 현미경으로 영상획득을 대신할 수가 있었다. 사용된 현미경은 Olympus사의 BX51이며 사용된 배율은 각각 10X, 20X, 30X, 50X이다. 영상 내의 밝은 부분과 어두움 부분의 밝기 비를 다음과 같이 각각 C1 = (SR 표면 밝기) / (경사부 밝기), C2 = (볼 정상 밝기) / (경사부 밝기)로 정의되고, 영상 내에서의 영역별 밝기편차를 나타낸다.
성능/효과
대상물에 격자를 영상을 입사하여 입사되는 광 밀도를 나타낸 그림이다. 격자가 영사된 이미지를 보면 대구경 렌즈를 사용했을 경우, 소구경 렌즈를 사용한 경우에 비해 전체적인 이미지의 밝기가 밝아 졌으며, 영상의 외각까지 전체적으로 균일한 밝기를 나타냄을 확인할 수 있었다. 대구경의 렌즈를 사용했을 때의 성능과 소구경 렌즈의 성능이 확연히 차이가 나는 것을 알 수 있다.
또한 소구경 렌즈와 대구경 오목거울을 동시에 사용하여 저렴하게 대구경 볼록렌즈를 대체할 수 있는 장점이 있다. 결과적으로 대구경 오목거울을 사용하면 3차원 영상획득을 위한 영상의 품질이 전체적으로 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
두 번째 실험으로는 소구경 렌즈를 사용한 경우와 소구경 렌즈/대구경 오목거울을 동시에 사용했을 때의 결과를 비교하였다. 그 결과, 오목거울을 배치하였을 때의 영상이 많이 밝게 나타나는 것과 영상 내 밝기분포가 작아지면서 대상물체 표면 굴곡으로 인한 음영지역이 사라지는 것을 확인할 수 있었다.
대구경 렌즈를 대신하여 대구경 오목거울을 사용함으로써 3차원 측정용 영상의 품질을 높일 수 있었고, 영상의 밝기를 향상시킬 수 있었다.
먼저 대구경 렌즈와 소구경 렌즈를 사용했을 때의 영상 측정의 결과를 비교하였다. 실험을 통해, 동일한 영상에 대해 대구경 렌즈를 사용했을 때와 소구경 렌즈를 사용했을 때의 결과 영상을 확인하였다. 이를 통해 영상의 노이즈 변화를 비교하였다.
C1, C2가 커지면 영역별로 밝기의 차이가 커지므로 밝은 부분이 측정될 수 있도록 빛의 양을 설정하면 어두운 부분의 측정이 측정 불가능해 지고, 또한 반대의 경우도 발생하게 되므로 C1, C2값은 작아질수록 대상물체를 측정하기 용이하다. 조사광학계의 NA값이 클수록 C1, C2가 작아지므로 대상물체의 표면에 격면반사와 굴곡이 있는 경우에도 측정능력이 대폭 향상됨을 의미한다. NA가 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적인 영상 획득 장치란 무엇을 말하는가?
일반적으로 모아레 측정 방법은 자유곡면형태의 3차원 형상을 측정하는 기술로써, 3차원 측정기를 사용하여 비접촉식으로 곡면상의 각 점의 밝기변화를 측정하여 전체 곡면형상을 한번에 측정하는 방식이다.[1-3] 일반적인 영상 획득 장치는 고체 촬상소자를 이용하여 대상물체의 영상을 획득하는 장치를 일컫는다. 고체 촬상소자는 반도체화하고 집적화한 촬상소자로서 고체 촬상디바이스 또는 촬상관에 대응하여 촬상판이라고도 한다.
오목거울을 사용한 차원 영상 획득 방법의 특징은?
1. 광을 출사하는 광원 출사된 광을 집광하기 위한 집광렌즈, 입사되는 광을 투과시키는 격자, 출사광을 평행광으로 출사하는 영사렌즈, 전량의 광을 측정대상물 쪽으로 출사하는 오목거울 그리고 반사광을 획득하는 CCD 카메라 포함
2. 오목거울은 입사 광이 측정대상물 쪽으로 반사되지 않아 측정대상물로부터 CCD 카메라에 입사되는 광량이 감소되지 않도록 할 것
3. 오목거울과 측정대상물 사이에 광 경로 변경수단을 더 포함
4. 광 경로 변경수단은 빔 스플리터
5. 광 경로 변경수단은 빔 스플리터와 반사거울
모아레 측정 방법이란?
일반적으로 모아레 측정 방법은 자유곡면형태의 3차원 형상을 측정하는 기술로써, 3차원 측정기를 사용하여 비접촉식으로 곡면상의 각 점의 밝기변화를 측정하여 전체 곡면형상을 한번에 측정하는 방식이다.[1-3] 일반적인 영상 획득 장치는 고체 촬상소자를 이용하여 대상물체의 영상을 획득하는 장치를 일컫는다.
참고문헌 (7)
Colin A. Walker, “A Historical Review of Moire Interferometry,” Experimental Mechanics, Oct 1993
Daniel Meadows, W. O. Johnson, and J. B. Allen, “Generation of Surface Contours by Moire Patters,” Applied Optics, Vol. 9, No. 4, pp. 942-947, April 1970
P. HARIHARAN, “Optical Interferometry: second edition,” ELSEVIER Academic press, 2003
Yinyan Wang and Patrick Hassel, “Measurement of thermally induced warpage of BGA packages/Substrates using phase stepping shadow Moire,” 1997 IEEE/CPMT Electronic packaging technology conference
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