KR101260280B1 - Device and method for optically scanning 3 dimensional object - Google Patents

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Abstract

3차원 광 스캔 장치는 광원, 광원에서 방출된 광의 발산각을 결정하는 광 송신 렌즈, 광 송신 렌즈를 경유한 광을 목표물에 전송되는 외부 광과 내부 참조 신호용 광으로 분리하는 제 1 빔 스플리터, 제 1 빔 스플리터에서 목표물로 전송되는 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경, 수직 또는 수평 방향으로 회전하며 목표물을 스캔할 수 있도록 광의 방출 방향을 결정하고 목표물에서 반사된 광을 수신하는 회전 반사경, 회전 반사경에서 굴절된 반사 광을 굴절시키는 수신부 반사경, 수신부 반사경에 의하여 굴절된 반사 광을 집속하는 광 수신 렌즈, 광 수신 렌즈에서 집속된 광을 수신하여 소정 시간 지연시킨 후 광을 방출하는 외부 경로용 광 파이버, 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 세기가 다른 다수의 광 신호를 생성하는 광 신호 생성부, 및 광 신호 생성부에서 발생된 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기를 포함한다.The three-dimensional optical scanning apparatus includes a light source, an optical transmission lens for determining a divergence angle of the light emitted from the light source, a first beam splitter for separating light passed through the optical transmission lens into light for external reference and internal reference signal, A reflector that changes the path of the light transmitted from the beam splitter to the target, a reflector that rotates in a vertical or horizontal direction, determines the direction of light emission to scan the target, receives a reflected light from the target, An optical fiber for external path for receiving light focused by the optical receiver lens and delaying the optical fiber for a predetermined period of time and emitting light, And a plurality of optical fibers for generating a plurality of optical signals having different optical intensities, And a photodetector for converting the signal generated by the optical signal generator into an electrical signal.

Description

3차원 광 스캔 장치 및 방법{Device and method for optically scanning 3 dimensional object}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a three-dimensional optical scanning device,

이 발명은 3차원 광 스캔 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 목표물의 측정 지점에 따른 광반사율 차이에 따른 시간측정오차를 보상하여 목표물의 프로파일을 정밀하게 측정할 수 있는 3차원 광 스캔 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional optical scanning apparatus and method, and more particularly, to a three-dimensional optical scanning apparatus and method capable of precisely measuring a profile of a target by compensating a time measurement error due to a difference in light reflectance according to a measurement point of a target .

일반적으로 3차원 물체의 프로파일을 측정하기 위하여 3차원 광 스캔에서 물체의 각 지점까지 거리를 정확하게 측정해야 한다.Generally, in order to measure the profile of a three-dimensional object, the distance from the three-dimensional optical scan to each point of the object must be accurately measured.

물체의 거리 측정 원리인 TOF(Time Of Flighting) 방법을 살펴보면 다음과 같다. 거리측정유닛에서 일정한 주기 신호를 발생하여 에미터에서 공기, 동선, 광섬유와 같은 매질을 통과하는 펄스 신호, 예를 들어 광신호, 전자기파신호, 음파신호등을 발생시키고, 발신부에서 신호 출발 시각(tE)를 측정하고, 송신된 신호가 매질을 통과하여 목표물에서 반사된 후, 다시 매질을 통과하여 펄스 신호가 되돌아 와서 수신부에서 신호 도착 시각(tR)이 측정된다. 다시 말하면, 측정 신호를 발생하기 위하여 일정한 주파수를 갖는 신호 클록을 발생시켜 일정시간 지연 후 시각(tE)에서 발신 신호가 송출되고 목표물에 반사되어 되돌아온 신호를 시각(tR)에서 수신한다. 이에 따라 거리측정신호가 매질을 통과하여 왕복하는 시간은 tR-tE이고, 여기에 매질의 신호 전달 속도(v)를 곱하면 목표물까지의 왕복 거리가 된다. 따라서, 거리 측정 장치와 목표물 사이의 거리는 다음과 같이 계산된다.The TOF (Time Of Flighting) method, which is the principle of distance measurement of an object, is as follows. The distance measurement unit generates a periodic signal to generate a pulse signal, such as an optical signal, an electromagnetic wave signal, or an acoustic signal, which passes through a medium such as air, a copper wire, and an optical fiber in the emitter. E ) is measured. After the transmitted signal passes through the medium and is reflected from the target, the pulse signal passes through the medium again, and the signal arrival time (t R ) is measured at the receiving part. In other words, a signal clock having a predetermined frequency is generated to generate a measurement signal, and a signal transmitted at a time t E after a predetermined time delay is received at a time t R , which is reflected back to the target. Thus, the time that the distance measurement signal travels through the medium is t R -t E , and multiplying this by the signal transmission rate (v) of the medium is a reciprocation distance to the target. Therefore, the distance between the distance measuring device and the target is calculated as follows.

Figure 112011040684200-pat00001
Figure 112011040684200-pat00001

D: 거리측정장치와 목표물 사이의 거리D: Distance between the distance measuring device and the target

v: 매질에서 펄스신호속도v: pulse signal speed in medium

tE: 신호출발시각t E : signal departure time

tR: 신호도착시각t R : Signal arrival time

거리 측정 장치가 목표물까지 거리를 정밀하게 측정하기 위해서는 식1에서 매질의 속도가 일정한 경우 신호 왕복 시간(tR-tE)를 측정해야 한다.In order for the distance measuring device to accurately measure the distance to the target, the signal round-trip time (t R -t E ) should be measured when the velocity of the medium is constant in Equation 1.

도1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 또 다른 방식의 거리 측정 장치는 거리 계산 유닛(4)에서 스타트 신호를 발생시키고 송신부(22)에서 전기 신호를 광 신호로 변환하고 광 분배기(22)에서 광 신호의 일부를 광 혼합기(25)에 보내어 수신부(26)에서 전기 신호로 변환한 다음 거리 계산 유닛(21)에서 시작 시간(tE)을 측정한다. 나머지 광신호는 목표물(24)에서 반사되어 광 지연 소자(27)와 광 혼합기(25)를 통과한 후 수신부(26)에 도달한다. 수신부(26)는 목표물에서 반사된 광 신호를 전기 신호로 변화하여 거리 계산 유닛(21)에 출력하고 거리 계산 유닛(21)는 수신부(26)에서 출력된 전기 신호를 입력받아 목표물 왕복 시간(tR)을 측정한다. 거리 계산 유닛(21)는 tR-tE로서 거리 측정 장치의 내부 광 경로에 의한 오차를 제거하여 거리를 측정한다. 여기서 광 지연 소자(27)은 최소거리 측정시 시간 tE과 겹치지 않도록 펄스 신호 폭이상으로 지연시키고 이에 따른 시간 지연은 거리 계산 유닛(21)에 의하여 보정된다.1, a distance measuring apparatus of another type according to the related art generates a start signal in the distance calculating unit 4, converts the electric signal into an optical signal in the transmitting unit 22, A part of the optical signal is sent to the light mixer 25 and converted into an electric signal by the receiving unit 26, and the distance calculation unit 21 measures the start time t E. The remaining optical signals are reflected by the target 24 and pass through the optical delay element 27 and the light mixer 25 before reaching the receiver 26. The receiving unit 26 converts the optical signal reflected from the target into an electric signal and outputs the electric signal to the distance calculating unit 21. The distance calculating unit 21 receives the electric signal outputted from the receiving unit 26 and calculates the target round trip time t R ) is measured. The distance calculation unit 21 measures the distance by removing the error due to the internal optical path of the distance measuring apparatus as t R -t E. Here, the optical delay element 27 is delayed beyond the pulse signal width so as not to overlap the time t E in the minimum distance measurement, and the time lag thus corrected is corrected by the distance calculation unit 21.

한편, 3차원 광 스캔에서 TOF(Time Of Flight)방식을 채용하는 경우, 수신된 광량을 항상 일정하게 조절하여야 측정 오차를 줄일 수 있으나, 3차원 광 스캔의 경우 일반 레이저 거리 측정기와는 달리 빠른 측정 시간을 요구하므로 광량을 조절할 수 있는 시간이 없다.On the other hand, when the time-of-flight (TOF) method is employed in the 3-dimensional optical scan, the measurement error can be reduced by always constantly adjusting the amount of received light. However, unlike a general laser distance measuring device, Since it requires time, there is no time to adjust the amount of light.

펄스 레이저를 사용하는 3차원 레이저 광 스캔에서 활용하고 있는 종래 기술은 빠른 레이저 거리 측정속도에 따라 수신되는 레이저 펄스의 세기를 조절할 수 없기 때문에 별도의 보상 테이블을 이용하여 거리와 반사율에 따라 변화하는 레이저 펄스의 세기에 따른 거리 오차를 보상해주는 방식을 사용했었다.Since the prior art utilized in the 3-dimensional laser light scanning using pulsed laser can not control the intensity of the received laser pulse according to the fast laser distance measurement speed, And a method of compensating the distance error according to the intensity of the pulse was used.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 반사광을 수신한 후 광량 조절부에 의하여 다양한 진폭을 갖는 다수의 동일 신호를 생성하여 목표물의 하나의 지점까지 거리를 정확히 측정할 수 있는 3차원 광 스캔 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art described above, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for generating a plurality of identical signals having various amplitudes by a light- And an object of the present invention is to provide a scanning apparatus and method.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치는 광원, 광원에서 방출된 광의 발산각 결정하는 광 송신 렌즈, 광 송신 렌즈를 경유한 광을 목표물에 전송되는 외부 광과 내부 참조 신호용 광으로 분리하는 제 1 빔 스플리터, 제 1 빔 스플리터에서 목표물로 전송되는 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경, 수직 또는 수평 방향으로 회전하며 목표물을 스캔할 수 있도록 광의 방출 방향을 결정하고 목표물에서 반사된 광을 수신하는 회전 반사경, 회전 반사경에서 굴절된 반사 광을 굴절시키는 수신부 반사경, 수신부 반사경에 의하여 굴절된 반사 광을 집속하는 광 수신 렌즈, 광 수신 렌즈에서 집속된 광을 수신하여 소정 시간 지연시킨 후 광을 방출하는 외부 경로용 광 파이버, 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 세기가 다른 다수의 광 신호를 생성하는 광 신호 생성부, 및 광 신호 생성부에서 발생된 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional optical scanning apparatus including a light source, an optical transmission lens for determining a divergence angle of light emitted from the light source, A first beam splitter for separating the light beam into an internal reference signal light and an internal reference signal light, a transmission part reflector for changing the path of light transmitted to the target from the first beam splitter, A receiving reflector for refracting the refracted light refracted by the rotating reflector, a light receiving lens for focusing the reflected light refracted by the receiving reflector, a light receiving lens for receiving the focused light from the light receiving lens, An optical fiber for an external path that emits light after delaying the laser beam emitted from the optical fiber for external path, An optical signal generator for receiving a plurality of optical signals having different optical intensities, and a photodetector for converting signals generated in the optical signal generator into electrical signals.

본 발명의 일실시예에 따른 광 신호 생성부는 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광을 분리하는 제 2 빔 스플리터, 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 일부를 수신하여 광 검출기에 방출하는 신호 검출용 광 파이버, 및 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 다른 일부를 수신받아 소정 시간 지연 후 제 2 빔 스플리터로 재방출하는 무한 피드백 광 파이버를 포함한다.The optical signal generator according to an embodiment of the present invention includes a second beam splitter for separating the light emitted from the optical fiber for external path, a second beam splitter for receiving a part of the light separated by the second beam splitter, And an infinite feedback optical fiber that receives another part of the light separated by the second beam splitter and re-emits it to the second beam splitter after a predetermined time delay.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광 스캔 방법은 광원에서 방출된 광을 제 1 빔 스플리터에 의하여 목표물에 방출되는 광과 내부 광 경로용 광 파이버로 방출되는 광으로 분리하는 단계, 목표물에서 반사된 광을 집속하여 외부 광 경로용 광 파이버로 입사하는 단계, 외부 광 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 신호 검출용 광 파이버에 입사되어 광 검출기로 방출되는 광과 무한 피드백 광 파이버로 입사되는 광으로 분리하는 단계, 무한 피드백 광 파이버에 입사된 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 신호 검출용 광 파이버에 재입사되어 광 검출기로 재방출되는 광과 무한 피드백 광 파이버에 재입사되는 광으로 분리하는 단계, 신호 검출용 광파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 검출기에 의하여 전기 신호로 변화하는 단계, 전기 신호 중에서 거리 측정 오차를 발생하지 않는 신호 세기 범위 내의 전기 신호를 선정하는 단계, 및 선정된 전기 신호를 기초로 왕복시간을 측정하여 거리를 계산하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical scanning method including separating light emitted from a light source into light emitted to a target by a first beam splitter and light emitted to an optical fiber for an internal optical path, A step of irradiating the laser light emitted from the optical fiber for external optical path to the optical fiber for signal detection by the second beam splitter, Separating the light incident on the infinite feedback optical fiber into the optical fiber for signal detection by the second beam splitter, re-entering the optical fiber and the light re-emitted to the optical detector, The laser light emitted from the optical fiber for signal detection is converted into an electrical signal by the optical detector Selecting an electric signal within a signal intensity range that does not cause a distance measurement error among electric signals, and calculating a distance by measuring a round trip time based on the electric signal.

본 발명의 일실시예에 따른 시간 지연 보상 장치는 제1 광 지연 소자와 제2 광 지연 소자를 감기 위한 광 섬유 권취부를 더 포함한다.The time delay compensation apparatus according to an embodiment of the present invention further includes an optical fiber winding unit for winding the first optical delay element and the second optical delay element.

본 발명의 일실시예에 따르면, 광량 조절부의 무한 피드백 광 파이버에 의하여 레이저 광이 광량 조절부의 무한 피드백 광 파이버를 반복해서 통과하여 소정 범위 내의 광 세기에 해당하는 신호를 선택할 수 있기 때문에 지연시간이 온도 변화와 무관하게 항상 일정하게 보상되고 목표물의 지점 별로 다른 반사율에 따라 반사 광 세기의 차이에 따른 시간 오차를 짧은 시간 내에 보상할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the infinite feedback optical fiber of the light amount control unit repeatedly passes the infinite feedback optical fiber of the light amount control unit to select a signal corresponding to the light intensity within a predetermined range, It is possible to compensate the time error according to the difference of reflected light intensity within a short time according to different reflectance for each point of the target regardless of the temperature change.

도 1은 종래 기술에 의한 거리 측정 장치를 개략적인 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치를 개략적인 구성을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 광량 조절부를 나타내는 부분 확대도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 방법을 나타내는 블록도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트,
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 수평 스캔과 수직 스캔을 나타내는 개념도를 각각 나타낸다.
1 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance measuring apparatus according to the prior art,
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a partially enlarged view showing a light amount adjusting unit of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention,
4 is a block diagram illustrating a three-dimensional optical scanning method according to an embodiment of the present invention.
5 is a timing chart of a start signal and a stop signal of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention,
6 is a conceptual diagram illustrating a horizontal scan and a vertical scan of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a three-dimensional optical scanning apparatus and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치를 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 광량 조절부를 나타내는 부분 확대도이다.3 is a partially enlarged view showing a light amount adjusting unit of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2과 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 광 스캔는 광 송신부, 광 수신부, 광량 조절부 및 광 신호 생성부를 포함한다.As shown in FIGS. 2 and 3, the three-dimensional optical scan includes an optical transmitter, a light receiver, a light amount controller, and an optical signal generator.

광 송신부는 레이저와 같은 광을 방출하는 광원(110), 레이저 광이 목표물까지 작은 빔 크기를 갖고 도달할 수 있도록 빔 발산각 결정하는 광 송신 렌즈(120), 광 송신 렌즈를 경유한 레이저 광을 목표물에 전송되는 외부 레이저 광과 레이저 스캔 장비 내부의 온도와 그에 따른 불안정한 전자적 신호 처리 시간 오차를 소거하기 위한 내부 참조 신호용 레이저 광을 분리하는 제 1 빔 스플리터(130), 평행 광으로 만들어진 레이저 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경(140), 및 방출된 레이저 광이 수직 또는 수평 방향으로 회전하며 목표물을 스캔할 수 있도록 레이저 광의 방출 방향을 결정하고 목표물에서 반사된 레이저 광을 수신하는 회전 반사경(150)을 포함한다.The optical transmission unit includes a light source 110 that emits light such as a laser beam, an optical transmission lens 120 that determines the beam divergence angle so that the laser beam can reach the target with a small beam size, A first beam splitter 130 for separating the external laser light transmitted to the target and the internal reference signal laser light for canceling the temperature inside the laser scanning equipment and accordingly the unstable electronic signal processing time error, And a rotating reflector 150 for determining the emitting direction of the laser beam so that the emitted laser beam rotates in the vertical or horizontal direction and can scan the target and receives the laser beam reflected from the target, .

광 수신부는 회전 반사경(150)에서 굴절된 반사 레이저 광을 굴절시키는 수신부 반사경(210), 수신부 반사경(210)에 의하여 굴절된 반사 레이저 광을 집속하는 광 수신 렌즈(220), 광 수신 렌즈(220)에서 집속된 광을 수신하여 근거리 스캔시 레이저 송신부에서 일부 사용한 내부 참조용 광 신호와 간섭이 일어나지 않도록 광파이버 길이만큼 시간 지연시킨 후 광을 방출하는 외부 경로용 광 파이버(230)를 포함한다.The light receiving unit includes a receiving unit reflector 210 refracting the reflected laser light refracted by the rotating reflector 150, a light receiving lens 220 focusing the reflected laser light refracted by the receiving unit reflector 210, a light receiving lens 220 And an optical fiber 230 for an external path for emitting light after delaying the optical fiber by a length corresponding to the length of the optical fiber so as not to interfere with the internal reference optical signal partially used in the laser transmitting unit.

광량 조절부는 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 세기가 다른 다수의 광 신호를 생성하는 광 신호 생성부(310), 광 신호 생성부(310)에서 발생된 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기(320)를 포함한다.The optical power controller includes an optical signal generator 310 for receiving the laser light emitted from the optical fiber for external path and generating a plurality of optical signals having different optical intensities, Gt; 320 < / RTI >

광 검출기(320)는 예를 들어 아발란치 포토 다이오드(APD: Avalanche Photo Diode)를 사용할 수 있다.The photodetector 320 may use, for example, an Avalanche Photo Diode (APD).

도 3에 도시된 바와 같이, 광 신호 생성부(310)는 외부 경로용 광 파이버(230)에서 방출된 레이저 광을 분리하는 제 2 빔 스플리터(311), 제 2 빔 스플리터(311)에 의하여 분리된 레이저 광의 일부를 수신하여 광 검출기(320)에 방출하는 신호 검출용 광 파이버(312), 제 2 빔 스플리터(311)에 의하여 분리된 레이저 광의 다른 일부를 수신받아 소정 시간 지연 후 제 2 빔 스플리터(311)로 재방출하는 무한 피드백 광 파이버(313)를 포함한다.3, the optical signal generating unit 310 includes a second beam splitter 311 for separating the laser light emitted from the optical fiber for external path 230, and a second beam splitter 311 for separating A signal detecting optical fiber 312 for receiving a part of the laser beam split by the second beam splitter 311 and emitting the part of the laser beam split by the second beam splitter 311 to the photodetector 320, And an infinite feedback optical fiber 313 which re-emits the laser beam 311.

본 발명의 일실시예 따른 광 스캔의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of optical scanning according to an embodiment of the present invention will be described as follows.

먼저, 목표물의 한 지점의 거리를 측정하기 위하여 광원(110)에서 방출된 레이저는 광 송신 렌즈(120)를 통과하여 평행하게 진행된다. 광 송신 렌즈(120)에 의하여 평행 광으로 진행되는 레이저 광은 제 1 빔 스플리터(130)에 의하여 분리되어 일부가 송신부 반사경(140)으로 진행된다. 이때 송신부 반사경(140)은 광 송신 렌즈(120)의 광축과 광 수신 렌즈(220)의 광축이 일치되어 있다. 송신부 반사경(140)에 의해 굴절된 평행 레이저 광은 회전 반사경(150)에 의해 외부로 송신된다.First, in order to measure the distance of a point of the target, the laser emitted from the light source 110 passes through the optical transmission lens 120 and proceeds in parallel. The laser beam proceeding to the parallel light by the optical transmission lens 120 is separated by the first beam splitter 130, and a part of the laser beam proceeds to the transmission mirror 140. In this case, the reflection mirror 140 of the transmitter reflects the optical axis of the optical transmission lens 120 and the optical axis of the optical reception lens 220. The parallel laser light refracted by the transmitting part reflector 140 is transmitted to the outside by the rotating reflector 150.

한편, 제 1 빔 스플리터(130)에 의하여 분리된 레이저 광 중 다른 일부는 내부 광 경로용 광 파이버(240)를 거쳐 광 검출기(320)에 입사된다. 내부 광 경로를 거친 레이저 광은 광 검출기(320)에 의하여 전기 신호로 변환되어 3차원 스캔 내부의 광 경로에 의하여 발생된 시간 오차를 소거하는 데 사용된다.Meanwhile, another part of the laser beam separated by the first beam splitter 130 is incident on the photodetector 320 via the optical fiber 240 for internal optical path. The laser light having passed through the internal light path is converted into an electric signal by the photodetector 320 and is used to cancel the time error caused by the optical path inside the three-dimensional scan.

목표물에서 반사된 레이저 광은 다시 회전 반사경(150)에 의해 3차원 광 스캔 내부로 입사되어 수신부 반사경(210)에 의해 광 경로가 굴절되어 광 수신 렌즈(220)로 입사된다. 수신부 반사경(210)에 의하여 굴절된 레이저 광은 광 수신 렌즈(220)에 의해 수렴되어 외부 광 경로용 광 파이버(230)에 입사된다. 외부 광 경로용 광 파이버(230)에 입사된 레이저 광은 광 경로 오차를 소거하기 위해 사용된 내부 광 경로용 광 파이버(240)에 입사된 레이저 광과 간섭을 피할 정도로 일정한 길이를 갖는다.The laser light reflected from the target is again incident on the inside of the three-dimensional optical scan by the rotating mirror 150, the optical path is refracted by the receiving part reflector 210, and is incident on the light receiving lens 220. The laser light refracted by the receiving part reflector 210 is converged by the light receiving lens 220 and is incident on the optical fiber 230 for external optical path. The laser light incident on the external optical path optical fiber 230 has a length which is constant enough to avoid interference with the laser light incident on the internal optical path optical fiber 240 used for canceling the optical path error.

목표물의 한 지점에 대한 반사광에 기초하여 다수의 광 신호가 광량 조절부에 의하여 생성되는 과정을 도 4와 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.A process in which a plurality of optical signals are generated by the light amount controller based on the reflected light at one point of the target will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 방법을 나타내는 블록도이고 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트이다.FIG. 4 is a block diagram illustrating a three-dimensional optical scanning method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a timing chart of a start signal and a stop signal of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention.

외부 광 경로용 광 파이버(230)에서 방출된 레이저 광은 제 2 빔 스플리터(311)에 의하여 분리된다. 분리비는 예를 들어 직진광:반사광 = 50%:50%일 수 있다.The laser beam emitted from the optical fiber for external optical path 230 is separated by the second beam splitter 311. The separation ratio may be, for example, linear light: reflected light = 50%: 50%.

분리된 레이저 광의 일부는 신호 검출용 광 파이버(312)에 입사되어 광 검출기(320)로 방출되고 분리된 레이저 광의 다른 일부는 무한 피드백 광 파이버(313)에 입사되어 소정의 시간 지연 후 방출된다.A part of the separated laser beam is incident on the signal detecting optical fiber 312 and is emitted to the photodetector 320. Another part of the separated laser beam is incident on the infinite feedback optical fiber 313 and is emitted after a predetermined time delay.

무한 피드백 광 파이버(313)에서 방출된 레이저 광은 제 2 빔 스플리터(311)에 의하여 재분리된다. 재분리된 레이저 광의 일부는 신호 검출용 광 파이버(312)에 입사되어 광 검출기(320)로 방출되고 재분리된 레이저 광의 다른 일부는 무한 피드백 광 파이버(313)에 재입사된 후 소정의 시간 지연 후 재방출된다.The laser beam emitted from the infinite feedback optical fiber 313 is separated again by the second beam splitter 311. A part of the re-separated laser beam is incident on the signal detecting optical fiber 312 and is emitted to the photodetector 320. The other part of the re-separated laser beam is re-incident on the infinite feedback optical fiber 313, And then released.

이러한 과정을 무수히 반복하여 목표물의 동일 지점에서 반사된 레이저 광이 광량 조절부(310)에 의하여 다수의 광 신호로 변환된다.This process is repeated a number of times, and the laser light reflected at the same point of the target is converted into a plurality of optical signals by the light amount adjusting unit 310.

신호 검출용 광파이버(312)에서 방출된 레이저 광을 수신받은 광 검출기(320)는 전기 신호로 변환한다.The photodetector 320 receiving the laser beam emitted from the signal detection optical fiber 312 converts the laser beam into an electrical signal.

광 검출기(320)는 목표물의 한 지점에 대한 다수의 광 신호를 다수의 전기 신호로 변환하면 다수의 전기 신호 중에서 거리 측정 오차를 발생하지 않는 신호 세기 범위 내의 전기 신호를 선정한 후, 선정된 전기 신호를 기초로 왕복시간을 측정하여 거리를 계산한다.The photodetector 320 selects an electric signal within a signal intensity range that does not generate a distance measurement error among a plurality of electric signals by converting a plurality of optical signals for one point of the target into a plurality of electric signals, And the distance is calculated by measuring the round trip time.

도 5에 도시된 바와 같이, 외부 경로용 광 파이버(230)에서 방출된 레이저 광의 세기를 100%라 하면 1차로 광 검출기에 입력된 레이저 광의 세기는 50%이다. 2차로 광 검출기에 입력된 레이저 광의 세기는 25%이고 3차 레이저 광의 세기는 12.5%, 4차 레이저 광의 세기는 6.25%이다.As shown in FIG. 5, if the intensity of the laser beam emitted from the optical fiber 230 for external path is 100%, the intensity of the laser beam input to the optical detector is 50%. The intensity of the laser light input to the second photodetector is 25%, the intensity of the third laser light is 12.5%, and the intensity of the fourth laser light is 6.25%.

이때, 측정 시간은 다음과 같이 보상될 수 있다.At this time, the measurement time can be compensated as follows.

Figure 112011040684200-pat00002
Figure 112011040684200-pat00002

Tm: 시작 신호와 스톱 신호간 측정 시간Tm: Measurement time between start signal and stop signal

Td: 레이저 광이 무한 피드 백 광 파이버를 통과한 시간 Td: Time when the laser beam passes through the infinite feedback optical fiber

n: n번째 발생 광 신호 n: the n-th generation optical signal

T: 목표물까지 왕복 시간T: Round trip time to target

도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 수평 스캔과 수직 스캔을 나타내는 개념도이다. 도 2와 도 5에 도시된 바와 같이, 목표물의 한 지점에 대한 거리를 측정한 다음 목표물의 다른 수직 지점에 대한 거리를 측정하는 수직 스캔을 진행하기 위하여, 수직 회전 기구(410)를 시키면 이에 연결된 회전 반사경(150)이 회전하여 목표물의 다른 수직 지점에 대한 거리를 상기와 같은 방식으로 측정한다.6 is a conceptual diagram illustrating a horizontal scan and a vertical scan of a three-dimensional optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2 and FIG. 5, when the vertical rotation mechanism 410 is operated to measure a distance to one point of the target and then proceed to a vertical scan measuring the distance to another vertical point of the target, The rotary reflector 150 rotates to measure the distance to another vertical point of the target in this manner.

다음으로, 목표물의 다른 수평 지점에 대한 거리를 측정하는 수평 스캔을 진행하기 위하여, 수평 회전 기구(420)를 시키면 3차원 스캔 장치 몸체가 수평 회전하고 회전 반사경(150)도 함께 수평 회전하여 목표물의 다른 수평 지점에 대한 거리를 상기와 같은 방식으로 측정한다. 수직 스캔과 수평 스캔이 완료되면 목표물에 대한 3차원 스캔이 완료된다.Next, in order to proceed with the horizontal scanning for measuring the distance to the other horizontal point of the target, the horizontal rotating mechanism 420 causes the three-dimensional scanning device body to rotate horizontally and the rotating mirror 150 to rotate horizontally together, The distance to the other horizontal point is measured in the same manner as described above. When the vertical scan and the horizontal scan are completed, a three-dimensional scan of the target is completed.

이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be understood from an illustrative point of view, not from a restrictive perspective. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

4: 거리 계산 유닛 27: 광 지연 소자
25: 광 혼합기 26: 수신부
110: 광원 120: 광 송신 렌지
130: 제 1 빔 스플리터 140: 송신부 반사경
150: 회전 반사경 210: 수신부 반사경
220: 광 수신 렌즈 230: 외부 경로용 광 파이버
240: 내부 경로용 광 파이버 310: 광 신호 생성부
311: 제 2 빔 스플리터 312: 신호 검출용 광파이버
313: 무한 피드백 광파이버 320: 광 검출기
410: 수직 회전 기구 420: 수평 회전 기구
4: distance calculation unit 27: optical delay element
25: light mixer 26:
110: light source 120: optical transmission range
130: First beam splitter 140: Transmitter reflector
150: rotating reflector 210: receiving part reflector
220: light receiving lens 230: optical fiber for external path
240: Optical fiber for internal path 310: Optical signal generator
311: second beam splitter 312: signal detecting optical fiber
313: Infinite feedback optical fiber 320: Photodetector
410: vertical rotating mechanism 420: horizontal rotating mechanism

Claims (7)

3차원 광 스캔 장치에 있어서,
광원;
상기 광원에서 방출된 광의 발산각 결정하는 광 송신 렌즈;
상기 광 송신 렌즈를 경유한 광을 목표물에 전송되는 외부 광과 내부 참조 신호용 광으로 분리하는 제 1 빔 스플리터;
상기 제 1 빔 스플리터에서 목표물로 전송되는 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경;
수직 또는 수평 방향으로 회전하며 목표물을 스캔할 수 있도록 광의 방출 방향을 결정하고 목표물에서 반사된 광을 수신하는 회전 반사경;
상기 회전 반사경에서 굴절된 반사 광을 굴절시키는 수신부 반사경;
상기 수신부 반사경에 의하여 굴절된 반사 광을 집속하는 광 수신 렌즈;
상기 광 수신 렌즈에서 집속된 광을 수신하여 소정 시간 지연시킨 후 광을 방출하는 외부 경로용 광 파이버;
상기 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 세기가 다른 다수의 광 신호를 생성하는 광 신호 생성부; 및
상기 광 신호 생성부에서 발생된 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.
In a three-dimensional optical scanning apparatus,
Light source;
An optical transmission lens for determining a divergence angle of the light emitted from the light source;
A first beam splitter for separating light passing through the optical transmission lens into external light and internal reference signal light transmitted to a target;
A transmitter mirror for changing a path of light transmitted from the first beam splitter to a target;
A rotating reflector that rotates in a vertical or horizontal direction and determines a direction of light emission so as to scan the target and receives light reflected from the target;
A receiving part reflector for refracting reflected light refracted by the rotating reflector;
A light receiving lens for focusing the reflected light refracted by the receiver mirror;
An optical fiber for external path for receiving light focused by the light receiving lens, delaying the light for a predetermined time and emitting light;
An optical signal generating unit receiving a laser beam emitted from the optical fiber for external path and generating a plurality of optical signals having different optical intensities; And
And a photodetector for converting the signal generated by the optical signal generator into an electrical signal.
제1항에 있어서, 상기 광 신호 생성부는
상기 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광을 분리하는 제 2 빔 스플리터;
상기 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 일부를 수신하여 광 검출기에 방출하는 신호 검출용 광 파이버; 및
상기 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 다른 일부를 수신받아 소정 시간 지연 후 상기 제 2 빔 스플리터로 재방출하는 무한 피드백 광 파이버를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.
2. The optical transmitter of claim 1, wherein the optical signal generator
A second beam splitter for separating light emitted from the optical fiber for external path;
An optical fiber for signal detection for receiving a part of the light separated by the second beam splitter and emitting it to the photodetector; And
And an infinite feedback optical fiber that receives another portion of the light separated by the second beam splitter and re-emits the light to the second beam splitter after a predetermined time delay.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 회전 반사경과 연결되어 목표물의 수직 지점들에 대한 거리를 측정하는 수직 스캔을 진행하도록 회전하는 수직 회전 기구; 및
상기 3차원 스캔 장치의 몸체를 수평회전하여 목표물의 수평 지점들에 대한 거리를 측정하는 수평 스캔을 진행하도록 회전하는 수평 회전 기구를 더 포함하는 3차원 광 스캔 장치.
3. The method according to claim 1 or 2,
A vertical rotation mechanism connected to the rotary reflector for rotating a vertical scan to measure a distance to vertical points of the target; And
Further comprising a horizontal rotation mechanism rotating the body of the 3D scanning apparatus in a horizontal direction to rotate horizontally to measure the distance to the horizontal points of the target.
제3항에 있어서,
상기 광원은 아발란치 포토 다이오드인 3차원 광 스캔 장치.
The method of claim 3,
Wherein the light source is an Avalanche photodiode.
광 스캔 방법에 있어서,
광원에서 방출된 광을 제 1 빔 스플리터에 의하여 목표물에 방출되는 광과 내부 광 경로용 광 파이버로 방출되는 광으로 분리하는 단계;
목표물에서 반사된 광을 집속하여 외부 광 경로용 광 파이버로 입사하는 단계;
상기 외부 광 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 신호 검출용 광 파이버에 입사되어 광 검출기로 방출되는 광과 무한 피드백 광 파이버로 입사되는 광으로 분리하는 단계;
상기 무한 피드백 광 파이버에 입사된 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 상기 신호 검출용 광 파이버에 재입사되어 광 검출기로 재방출되는 광과 상기 무한 피드백 광 파이버에 재입사되는 광으로 분리하는 단계;
상기 신호 검출용 광파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 검출기에 의하여 전기 신호로 변화하는 단계;
상기 전기 신호 중에서 거리 측정 오차를 발생하지 않는 신호 세기 범위 내의 전기 신호를 선정하는 단계; 및
상기 선정된 전기 신호를 기초로 왕복시간을 측정하여 거리를 계산하는 단계를 포함하는 광 스캔 방법.
In the optical scanning method,
Separating the light emitted from the light source into light emitted to the target by the first beam splitter and light emitted to the optical fiber for internal optical path;
Focusing the light reflected from the target and entering the optical fiber for external optical path;
Separating the laser light emitted from the optical fiber for external optical path into the light emitted into the optical detector and the light entering into the infinite feedback optical fiber by the second beam splitter;
Separating the light incident on the infinite feedback optical fiber into light that is re-incident on the signal detecting optical fiber by the second beam splitter and re-emitted to the optical detector and light that is re-incident on the infinite feedback optical fiber;
Receiving the laser light emitted from the signal detection optical fiber and converting the laser light into an electrical signal by a photodetector;
Selecting an electric signal within a signal intensity range that does not generate a distance measurement error among the electric signals; And
And calculating a distance by measuring a round trip time based on the selected electrical signal.
제5항에 있어서,
상기 거리를 계산하는 단계는 다음 식에 의하여 계산하는 광 스캔 방법.
Figure 112011040684200-pat00003

Tm: 시작 신호와 스톱 신호간 측정 시간
Td: 레이저 광이 무한 피드 백 광 파이버를 통과한 시간
n: n번째 발생 광 신호
T: 목표물까지 왕복 시간
6. The method of claim 5,
Wherein the step of calculating the distance is calculated by the following equation.
Figure 112011040684200-pat00003

Tm: Measurement time between start signal and stop signal
Td: Time when the laser beam passes through the infinite feedback optical fiber
n: the n-th generation optical signal
T: Round trip time to target
제6항에 있어서,
회전 반사경과 연결된 수직 회전 기구에 의하여 목표물의 수직 지점들에 대한 거리를 측정하는 수직 스캔을 하는 단계; 및
3차원 스캔 장치의 몸체와 연결된 수평 회전 기구에 의하여 목표물의 수평 지점들에 대한 거리를 측정하는 수평 스캔을 하는 단계를 더 포함하는 광 스캔 방법.
The method according to claim 6,
Performing a vertical scan to measure a distance to vertical points of the target by a vertical rotating mechanism connected to a rotating reflector; And
And performing a horizontal scan to measure a distance to horizontal points of the target by a horizontal rotation mechanism connected to the body of the 3D scanning apparatus.
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