19. 광학계 - 3D 스캐너 광학계 구성
머신 비전에서 3D 스캔을 위한 방법으로는 레이저 삼각측정법(Laser), 모아레(Moire), 공초점(Confocal), 백색광 간섭계(White Light interferometry) 등이 있습니다.
이번 포스팅에서는 3D 스캔 방법 중 가장 단순한 구조를 가지고 대중적으로 사용되는 광학계인 Laser 3D Scanner에 대해 알아보려고 합니다!
광삼각법에 기초한 레이저스캐너는 레이저광을 물체에 조사하고 그 반사광을 렌즈로 집광해 화상센서에 결상시키는 방식인 삼각측량원리를 이용합니다.
레이저광의 투광 각도와 센서에 결상된 반사광의 위치를 통해 물체상의 레이저 조사 위치를 얻을 수 있는 것입니다.
이러한 방식의 3D 스캐너는 크게 레이저 광원부, 카메라 센서부, 영상처리부로 구성되어있습니다.
3가지 구성에 대해 차례대로 알아봅시다!
1. 카메라 센서부
측정 대상체의 높이 변화에 따라 그로부터 반사된 레이저광을 수광렌즈로 디텍터의 촬상면에 하나의 광점으로 결상하여 Z축 변위 정보를 얻습니다.
이때, 화상 센서상에서의 레이저광의 수광 위치 검출 정밀도는 3D Scanner의 검출 정밀도를 결정합니다.
삼각 측량원리에 이용되는 화상센서는 PSD 와 CCD를 사용하는데 PSD는 배경광의 영향으로 인해, CCD는 dark current에 의한 노이즈에 따른 분해능 제약으로 수광위치 검출에 오차를 일으킵니다.
좀 더 자세히 설명해보면 PSD 센서는 광량분포(The peak distribution of light quantity)를 이용하여 중심이 결정되고 이를 위치로 결정하게 됩니다. 이때, 광량 분포는 주변 광에 영향을 받아 측정치에 변화가 발생하여 오차가 발생하게 됩니다. PSD는 센서의 구조적 특성상 출력이 평균값이 나오므로 외부 광량에 의한 오차를 보정하기 어렵습니다.
반면, CCD센서는 광량 분포의 피크 값이 위치로 인식하는 화소를 발생시키게 되며 픽셀단위의 데이터를 받기 때문에 CCD는 주변광에 상관없이 안정되고 정확한 측정값을 얻어낼 수 있습니다.
PSD 구조도
CCD 구조도
2. 레이저 광원부
광삼각법의 레이저 광은 스폿광이 이용되는 경우도 있지만 측정 시간 단축을 위해 슬릿 광 타입이 이용되는 경우가 많습니다. 레이저 다이오드에서 집광렌즈로 레이저빔(선형광원)을 형성하고 이를 로드렌즈 또는 실린더리컬 렌즈로 조사시켜 슬릿광을 형성합니다.
이러한 슬릿광을 이용한 3차원 형상 측정법은 슬릿광을 측정 대상체서 입사시켜 측정 대상체의 형상에 따라 변형된 슬릿광을 얻고, CCD 카메라로 변형된 슬릿광을 획득하여 기하학적 관계로부터 측정 대상체의 형상의 삼차원 좌표를 산출하는 방법을 사용합니다.
슬릿광이 대상물체의 측정면을 스캔하도록 하기 위해 고정도의 이동이 가능한 기구부에 카메라와 슬릿광을 일체화하여 이동시킵니다. 레이저를 이용한 광학식 센서는 광원의 난반사에 영향을 크게 받기 떄문에 레이저가 스캔하는 광학 경로에 장애물을 제거하고 측정 물체 표면에 이물질을 제게해야합니다.
3. 외부 변수
1) 진 동
생산라인에 머신비전 시스템이 설치될 경우 진동은 카메라와 측정대상체, 광원 모두에 영향을 미쳐 이미지를 흐리게 한다. 이러한 진동의 영향을 방지하기 위해서는 카메라의 노출시간을 작게 하는 방법이 있습니다.
2)P/H
P/H 값이 커지면 판의 높이 변화에 따른 민감도가 증가하는 장점이 있는 반면, 슬릿광의 두께가 두꺼워지거나 측정위치에서 광량이 작아지는 등의 단점이 있습니다.
카메라와 레이저 배치
3) 표면 특성
측정 물체의 표면 특성에 따라 입사각도에 따른 산란강도가 변화한다. 표면이 매끈하다면 반사현상을 일으켜 입사각에 대한 반사각에서 강한 광량이 검출될 것이다. 표면이 거친 경우에는 산란현상만 일어나는데 이때에도 입사각에 대한 반사각에서 상대적으로 강한 광량이 검출됩니다.
이어서 광삼각법의 사용 예시가 궁금하실텐데요~
정리가 잘 된 내용이 있어서 첨부합니다!