고속 삼차원 형상측정에서는 충분한 위상이송 스텝 수를 적용할 시간을 확보할 수 없기 때문에, 스텝 수를 축소하게 되면서 위상측정에서의 잡음이 증가되게 된다. 본 논문에서는, 다파장 PMP법에 있어서 두 파장의 비례관계를 이용하여 측정된 위상에 포함되어 있는 위상오차를 예측하고, 이를 보정하는 방법을 제안하였으며, 제안된 보정방법의 효용성을 확인하기 위한 실험이 진행되었다. 위상천이법에서 통상적으로 사용되는 스텝 수에 비해 월등히 많은 스텝의 위상 이송으로 측정하였으며, 또한 동일한 대상물을 고속 삼차원측정에서 적용되는 3-3 step의 위상 이송으로 측정하여, 두 경우에서의 측정결과를 비교하여 고속측정에서의 측정잡음을 산출하였다. 그리고, 본 논문에서 제안하고 있는 보정 방법을 측정된 맥놀이 위상과 절대위상에 적용한 결과, 각각에 있어서 90%와 17.2%의 잡음감소가 이루어지는 것으로 확인되었다.
고속 삼차원 형상측정에서는 충분한 위상이송 스텝 수를 적용할 시간을 확보할 수 없기 때문에, 스텝 수를 축소하게 되면서 위상측정에서의 잡음이 증가되게 된다. 본 논문에서는, 다파장 PMP법에 있어서 두 파장의 비례관계를 이용하여 측정된 위상에 포함되어 있는 위상오차를 예측하고, 이를 보정하는 방법을 제안하였으며, 제안된 보정방법의 효용성을 확인하기 위한 실험이 진행되었다. 위상천이법에서 통상적으로 사용되는 스텝 수에 비해 월등히 많은 스텝의 위상 이송으로 측정하였으며, 또한 동일한 대상물을 고속 삼차원측정에서 적용되는 3-3 step의 위상 이송으로 측정하여, 두 경우에서의 측정결과를 비교하여 고속측정에서의 측정잡음을 산출하였다. 그리고, 본 논문에서 제안하고 있는 보정 방법을 측정된 맥놀이 위상과 절대위상에 적용한 결과, 각각에 있어서 90%와 17.2%의 잡음감소가 이루어지는 것으로 확인되었다.
In this paper, a prediction and compensation method for the error in the phase measured by using the proportionality between two wavelengths in the TW-PMP (Two-wavelength Phase Measuring Profilometry) is proposed and experimental results are shown to verify the usefulness of the proposed method. For...
In this paper, a prediction and compensation method for the error in the phase measured by using the proportionality between two wavelengths in the TW-PMP (Two-wavelength Phase Measuring Profilometry) is proposed and experimental results are shown to verify the usefulness of the proposed method. For sample object, firstly, a phase-shifting with a quite large number of steps is adopted in measurement, compared with the conventional phase-shifting method, secondly, a 3-3 step phase-shifting method is used to measure the same object which is applied to high-speed 3D shape measurement, and then, measured results from these two phase-shifting methods are compared to calculate measurement noises. From the experimental results applying the proposed compensation method to the measured beat phase and absolute phase, it has proven that noises are decreased by 90% and 17.2% for each case.
In this paper, a prediction and compensation method for the error in the phase measured by using the proportionality between two wavelengths in the TW-PMP (Two-wavelength Phase Measuring Profilometry) is proposed and experimental results are shown to verify the usefulness of the proposed method. For sample object, firstly, a phase-shifting with a quite large number of steps is adopted in measurement, compared with the conventional phase-shifting method, secondly, a 3-3 step phase-shifting method is used to measure the same object which is applied to high-speed 3D shape measurement, and then, measured results from these two phase-shifting methods are compared to calculate measurement noises. From the experimental results applying the proposed compensation method to the measured beat phase and absolute phase, it has proven that noises are decreased by 90% and 17.2% for each case.
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문제 정의
본 논문에서는 고속 혹은 실시간 삼차원 형상측정에서 위상이송 스텝 수의 감소로 인해서 증가되는 높은 공간주파수 형태의 측정잡음을 개선하는 데에 초점을 두고 있다.
본 논문에서는 두 개의 주기에서 측정되어지는 위상들의 상관관계로부터 측정된 위상에 포함된 위상오차를 예측하여, 이를 보정함으로써 측정잡음을 개선하고자 한다.
본 논문에서는, 다파장 PMP법에 있어서 두 파장의 비례관계를 이용하여 측정된 위상에 포함되어 있는 위상오차를 예측하고, 이를 보정하는 방법을 제안하였으며, 이러한 방법의 효용성을 확인하기 위한 실험이 진행되었다.
제안 방법
PMP법을 구현하는 광학계는 그림 1에서 보는 바와 같이, 영상을 획득하는 카메라와 패턴광을 영사하는 프로젝터로 구성되어 있으며, 프로젝터에서는 세밀한 주기의 직선줄무늬 형태의 패턴광을 영사하고, 이때 카메라에서 획득된 프린지 패턴(fringe pattern) 영상의 위상을 측정하여 삼차원 형상을 측정한다.
먼저 측정 대상물의 정확한 형상 데이터를 확보하기위하여, 통상적인 위상천이법에서 사용되는 스텝 수(4 혹은 5 스텝)에 비해서 월등히 많은 위상이송 스텝 수를 적용하여 측정대상물의 형상을 측정하였다.
세밀한 직선줄무늬 형태의 패턴광을 영사하고, 위상천이법을 사용하여 고분해능을 확보하고, 또한 2π 모호성을 해결하는 다파장 위상측정 형상측정법(Two-wavelength Phase Measuring Profilometry 이하 “다파장 PMP”로 표기)[9]에 있어서, 두 개의 파장에서 측정되어지는 위상들의 비례관계로부터 측정된 위상에 포함된 위상오차를 예측하고, 이를 보정하여 측정잡음을 개선하고자 하였다.
위상천이법에서 통상적으로 사용되는 스텝 수(4 혹은 5 step)에 비해 월등히 많은 20 - 18 스텝의 위상 이송으로 정밀측정하였으며, 또한 동일한 대상물을 고속 삼차원측정에서 적용되는 3-3 스텝의 위상 이송으로 측정하여, 두 경우에서의 측정결과를 비교하여 고속측정에서의 측정잡음을 산출하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 측정대상물은 입술모양의 석고상으로서 크기는 190 X 160 X 80(unit : mm)로서, 그림 5에 표시되어 있다.
이론/모형
본 논문에서 제안하고 있는 측정된 위상에서의 위상오차 보정을 통한 측정잡음 개선효과를 검증하기 위하여, 레이져 격자영사 방식[12]을 사용하고 있는 삼차원 형상측정기 exyma-E200(Z-Scan Co., LTD)이 사용되었다.
성능/효과
그리고, 본 논문에서 제안하고 있는 측정된 위상의 보정 방법을 적용하여 측정잡음의 개선 정도를 실험한 결과 맥놀이 위상에서는 약 90%의 잡음감소가 확인되었고, 모아레 차수를 이용하는 절대위상에서는 약 17.2%의 측정잡음 감소가 확인되었다.
동일한 방법으로, 모아레 차수를 이용하여 계산되는 절대위상(Φ’m1와 Φ’m2)에서의 측정 잡음 개선효과를 시험한 결과, 0.1784rad으로 측정된 고속측정에서의 측정잡음이 0.1477rad으로 감소하여 약 17.2%의 잡음 개선효과가 확인되었다.
이상의 실험에서, 측정된 두 개의 위상 차이값으로 계산되는 맥놀이 위상에서의 보정효과가 훨씬 크게 나타나는 이유는, 두 개의 위상에 포함되어 있는 위상오차 E1(x,y)와 E2(x,y)가 동시에 보정되기 때문인 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
삼차원 형상 측정법에 대해 어떤 연구가 진행되어 왔는가?
삼차원 형상 측정법에 있어서는 그림자식 모아레[3], 영사식 모아레[4], 위상측정형상측정법(Phase MeasuringProfilometry, 이하 “PMP”로 표기)[5] 및 공간부호화법[6] 등의 매우 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 이러한 연구들에 있어서 측정 속도와 정확도 측면에서 위상천이법(Phase-Shifting Method)이 가장 효과적인 방법으로 인식되고 있다[1-12].
고속 삼차원 형상측정에서 위상측정에서의 잡음이 증가되는 이유는 무엇인가?
고속 삼차원 형상측정에서는 충분한 위상이송 스텝 수를 적용할 시간을 확보할 수 없기 때문에, 스텝 수를 축소하게 되면서 위상측정에서의 잡음이 증가되게 된다. 본 논문에서는, 다파장 PMP법에 있어서 두 파장의 비례관계를 이용하여 측정된 위상에 포함되어 있는 위상오차를 예측하고, 이를 보정하는 방법을 제안하였으며, 제안된 보정방법의 효용성을 확인하기 위한 실험이 진행되었다.
위상천이법을 이용한 삼차원 형상 측정법에서 발생하는 측정오차는 어떻게 나뉘는가?
그 중 하나는 광학계의 설계 파라메터(Model Parameter)에서의 부정확과 패턴광(Structured Light) 영사 및 이미지(Image) 결상과정에 사용되고 있는 렌즈의 왜곡(Distortion)등에 기인한 것으로서, 전체적인 형상의 치수오차를 발생시키는 측정오차인데, 카메라 및 설계 변수보정 등의 다양한 방법들이 발표되고 있어서 대부분의 문제들이 해결되고 있다[7].
나머지 한 가지는, 격자의 위상이송 오차(Phase Shift Error), 패턴광의 비정현파적인 광강도분포, 카메라와 영사기에서의 잡음과 비선형성을 비롯한 양자화 오차 등에기인하는 측정오차로서, 앞의 측정오차와 비교해서 상대적으로 높은 공간주파수를 가지는 측정잡음 형태로 나타난다[8].
참고문헌 (12)
Chen F, Brown GM, Song M., "Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods", Opt Eng, Vol. 39, No. 1, pp. 10-22, 2000.
Song Zhang, "Recent progresses on real-time 3D shape measurement using digital fringe projection techniques", Opt Laser Eng(2009), doi:10.1016/j.optlaseng.2009.03.008
Raymond C. Daley, Laurence G. Hassebrook, "Channel capacity model of binary encoded structured light-stripe illumination", Appl. Opt. Vol. 37, No. 17, pp. 3689-3696, 1998.
Song Zhang, Peisen S. Huang, "Phase error compensation for a 3-D shape measurement system based on the phase-shifting method", Optical Engineering, Vol. 46, No. 6, pp. 063601-1-9, 2007.
Weon-Jae Ryu, Young-June Kang, Sung-Hoon Baik, Shin-Jae Kang, "A study on the 3-D measurement by using digital projection moire methode", Optik, Vol. 119, pp. 453-458, 2008.
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