KR20230099402A - 3d image acquisition device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 이미지 획득 장치에 관한 것으로, 일측면으로 펄스 레이저광을 외부로 방출하며 외부에서 들어오는 광의 투과를 위한 광투과성 윈도우가 배치되는 본체하우징; 상기 본체하우징의 내측 상단에 장착되어 광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판; 및 상기 제어부 기판에 결합되어 레이저의 발신과 입사되는 외부광의 수신을 위한 광 송수신 유닛;을 포함하고, 상기 광 송수신 유닛은, 레이저 광을 조사하는 레이저 조사 모듈에서 조사된 후 목표물에 반사되어 돌아오는 광을 투과 및 반사시키는 빔스플리터; 상기 빔스플리터로 투과되는 제1 파장의 광을 수광하여 제1 구조 영상을 생성하는 제1 TOF 수신센서; 및 상기 빔스플리터에 반사되는 제2 파장의 광을 수광하여 제2 구조 영상을 생성하는 제2 TOF 수신센서;를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a three-dimensional image acquisition device, comprising: a body housing on one side of which a light-transmitting window is disposed for emitting pulsed laser light to the outside and transmitting light entering from the outside; a control board mounted on an inner upper end of the main body housing to control timing of light transmission and reception, and to transmit detected signals to an external device; and a light transmitting/receiving unit coupled to the control board to transmit laser light and receive incident external light, wherein the light transmitting/receiving unit is irradiated from a laser irradiation module for irradiating laser light and then reflected back to a target. a beam splitter that transmits and reflects light; a first TOF receiving sensor generating a first structural image by receiving light of a first wavelength transmitted through the beam splitter; and a second TOF receiving sensor configured to generate a second structural image by receiving light of a second wavelength reflected by the beam splitter.
Description
본 발명은 3차원 이미지 획득 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 이미지를 획득하고 이에 의한 공간 구조를 측정할 수 있는 3차원 이미지 획득 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D image acquisition device, and more particularly, to a 3D image acquisition device capable of acquiring images of surrounding terrain and a target such as a subject and measuring a spatial structure thereby.
종래의 3차원 영상획득 장치로 두 개의 카메라를 사용하여 대상 물체의 대응하는 화소와의 거리 정보를 얻는 수동형 스테레오 비전과 이 스테레오 비전의 카메라 하나를 프로젝터로 대체한 능동형 스테레오 비전과 같은 방식을 적용하고 있다. 그러나 수동형 스테레오 비전은 고속의 장점을 가지고 있으나, 단조로운 환경이나 주위의 조명으로 인해 심각한 영향을 받기 때문에 정확한 3차원 영상을 얻는데 한계가 있으며, 또한, 가시광선 기반의 구조 광(structural)을 사용한 능동형 스테레오 비전은 어느 정도 향상된 3차원 영상을 제공하지만, 가시광선 패턴으로 인해 가정용 로봇 등에 사용할 경우, 사람의 눈에 거슬리게 될 수 있다.As a conventional 3D image acquisition device, the passive stereo vision using two cameras to obtain distance information with the corresponding pixel of the target object and the active stereo vision replacing one camera of the stereo vision with a projector are applied. there is. However, passive stereo vision has the advantage of high speed, but has limitations in obtaining accurate 3D images because it is severely affected by monotonous environments or ambient lighting. In addition, active stereo vision using visible light-based structural light Vision provides a somewhat improved 3D image, but due to the pattern of visible light, when used in a home robot or the like, it may be annoying to the human eye.
이에 최근에는 TOF(Time Of Flight) 방식으로서, 광을 인식 대상체에 조사하여 발광시간과 인식 대상체로부터 반사되는 광의 수광시간 사이의 시간적 차이를 이용함으로써, 카메라와 인식 대상체와의 거리 또는 깊이(depth)를 측정하고 이로부터 3차원 영상을 획득하는 방식이 제공되고 있다.In recent years, as a TOF (Time Of Flight) method, the distance or depth between the camera and the recognition object is determined by using the temporal difference between the light emission time by irradiating light to the recognition object and the light receiving time reflected from the recognition object. A method of measuring and obtaining a 3D image from this is provided.
또한, 3차원 영상획득의 종래의 기술로서 대한민국 공개특허 10-2005-0026949(2005.03.16.)에서는 적외선 플래시 방식의 능동형 3차원 거리 영상 측정 장치가 공지되어 있다. 이에 상기 기술은 플래시 방식의 적외선 광원을 사용하고, 다양한 광 조사 패턴을 이용하여 실시간 거리 측정을 수행하기 위해 DMD(Digital Micromirror Device) 소자를 사용하는 3차원 거리 영상 측정 장치에 관한 것으로서, 본 발명에서와 같이 레이저광을 조사하는 레이저 조사 모듈과 빔스플리터를 사용하여 수신되는 펄스 패턴의 레이저광을 수광하고 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하는 TOF 수신 방식과 컬러 이미지 영상을 결합하여 공간 구조를 측정할 수 있는 이미지 획득 장치와는 차이가 있다.In addition, as a conventional technique for 3D image acquisition, an infrared flash type active 3D distance image measuring device is known from Korean Patent Publication No. 10-2005-0026949 (Mar. 16, 2005). Accordingly, the above technology relates to a 3D distance image measurement device using a DMD (Digital Micromirror Device) element to perform real-time distance measurement using a flash-type infrared light source and various light irradiation patterns. It is possible to measure the spatial structure by combining the color image image with the TOF receiving method that receives the laser light of the received pulse pattern using the laser irradiation module and the beam splitter that irradiate the laser light and measures the phase difference according to the time timing. There is a difference with the image acquisition device that exists.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명에 따른 3차원 이미지 획득 장치는 복수개의 TOF 수신센서를 통해 목표물에 대하여 반사되는 서로 파장이 다른 광을 수광하여 제1, 2 구조 영상에 대한 깊이 정보를 획득하고, 두 영상을 융합하는 알고리즘 과정을 수행하여 해상도가 높은 입체 이미지를 생성하여, 상기 알고리즘을 통해 결합된 영상을 통해 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 정밀하게 측정하도록 하고자 한다.The present invention was derived to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the 3D image acquisition device according to the present invention receives light having different wavelengths reflected from a target through a plurality of TOF receiving sensors, 2 Acquire depth information on the structural image, perform an algorithm process to fuse the two images, generate a high-resolution stereoscopic image, and precisely measure the 3D spatial structure of the target through the combined image through the algorithm want to do it
또한, 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 TOF 방식으로 피사체에 대한 거리 및 깊이 정보를 측정하면서도, 컬러영상을 감지할 수 있는 이미지센서를 더 구비하여 정보의 해상도를 높이며, 간단한 동작만으로도 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정밀한 3차원 공간 구조를 측정하거나 2차원 이미지를 제공할 수 있도록 하고자 한다.In addition, the 3D image acquisition device of the present invention measures distance and depth information for a subject using a TOF method, and further includes an image sensor capable of detecting a color image to increase the resolution of information, and to detect surrounding terrain and data with a simple operation. It is intended to be able to measure a precise 3D spatial structure of a target such as a subject or provide a 2D image.
또한, 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 광 경로 상의 전단 렌즈를 구비하되, 하나의 단일 렌즈로서도 광 수신을 위한 광학 렌즈의 기능을 수행할 수 있도록 하고, 입사되는 광을 제어하기 위한 일정 형태의 렌즈 엘리먼트들을 복합적으로 결합한 렌즈 조립체(assembly)로서의 광학 렌즈계를 구비하여, 광 경로 상에서 광학 성능의 향상과 제품의 소형화 설계가 가능하도록 하고자 한다.In addition, the 3D image acquisition device of the present invention is provided with a front lens on the optical path, but even as one single lens, it can perform the function of an optical lens for receiving light, and has a certain form for controlling the incident light. It is intended to provide an optical lens system as a lens assembly in which lens elements are combined in a complex manner so as to enable improvement in optical performance and miniaturization of products on an optical path.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치는, 일측면으로 펄스 레이저광을 외부로 방출하며 외부에서 들어오는 광의 투과를 위한 광투과성 윈도우가 배치되는 본체하우징; 상기 본체하우징의 내측 상단에 장착되어 광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판; 및 상기 제어부 기판에 결합되어 레이저의 발신과 입사되는 외부광의 수신을 위한 광 송수신 유닛;을 포함하고, 상기 광 송수신 유닛은 레이저 광을 조사하는 레이저 조사 모듈에서 조사된 후 목표물에 반사되어 돌아오는 광을 투과 및 반사시키는 빔스플리터; 상기 빔스플리터로 투과되는 제1 파장의 광을 수광하여 제1 구조 영상을 생성하는 제1 TOF 수신센서; 및 상기 빔스플리터에 반사되는 제2 파장의 광을 수광하여 제2 구조 영상을 생성하는 제2 TOF 수신센서;를 포함하여 구성된다.A three-dimensional image acquisition device according to an embodiment of the present invention for solving the above technical problem is a main body housing on one side of which a light-transmitting window is disposed for emitting pulsed laser light to the outside and transmitting light entering from the outside; a control board mounted on an inner upper end of the main housing to control timing of light transmission and reception, and to transmit detected signals to an external device; and a light transmission/reception unit coupled to the control board to emit laser and receive incident external light, wherein the light transmission/reception unit is irradiated by a laser irradiation module that emits laser light and then reflected back to a target. a beam splitter that transmits and reflects; a first TOF receiving sensor generating a first structural image by receiving light of a first wavelength transmitted through the beam splitter; and a second TOF receiving sensor configured to generate a second structural image by receiving light of a second wavelength reflected by the beam splitter.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 레이저 조사 모듈은 복수개의 파장의 광을 조사하고, 상기 제1 TOF 수신센서 및 상기 제2 TOF 수신센서는 각각 복수개 파장의 광을 수신할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the laser irradiation module may irradiate light of a plurality of wavelengths, and the first TOF receiving sensor and the second TOF receiving sensor may each receive light of a plurality of wavelengths.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 TOF 수신센서는 제1 범위의 파장을 수신하고, 상기 제2 TOF 수신센서는 제2 범위의 파장을 수신할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first TOF receiving sensor may receive wavelengths in a first range, and the second TOF receiving sensor may receive wavelengths in a second range.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 TOF 수신센서 및 상기 제2 TOF 수신센서는, avalanche photodiode (APD), Single-Photon Avalanche Detector (SPAD) 또는 Silicon Photomultiplier (SiPM)로 구성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first TOF receiving sensor and the second TOF receiving sensor may be composed of an avalanche photodiode (APD), a single-photon avalanche detector (SPAD), or a silicon photomultiplier (SiPM). .
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제어부 기판은 상기 제1 TOF 수신센서에서 수광된 목표물의 제1 구조 영상과 상기 제2 TOF 수신센서에서 수광된 목표물의 제2 구조 영상을 결합하여 입체 이미지를 생성하는 3D 이미지처리 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the control board combines the first structure image of the target received from the first TOF receiving sensor and the second structural image of the target received from the second TOF receiving sensor to obtain a stereoscopic image. It may be configured to include a 3D image processing module that generates.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 레이저 조사 모듈은 다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화되어 목표물 측으로 펄스 패턴의 레이저를 면 발광으로 발신하는 빅셀모듈 또는, 목표물 측으로 레이저광을 조사하는 레이저 다이오드 모듈로 구성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the laser irradiation module is modularized in the form of a plurality of dot arrays and transmits a laser pulse pattern toward a target by plane emission, or a laser irradiating laser light toward a target. It can be configured as a diode module.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 광학 렌즈계는, 각각의 렌즈 엘리먼트마다 입사되는 광을 조정할 수 있도록 일정 형태의 렌즈 조립체로 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the optical lens system may be formed of a certain type of lens assembly to adjust incident light for each lens element.
본 발명에 따른 3차원 이미지 획득 장치는 복수개의 TOF 수신센서를 통해 목표물에 대하여 반사되는 서로 파장이 다른 광을 수광하여 제1, 2 구조 영상에 대한 깊이 정보를 획득하고, 두 영상을 융합하는 알고리즘 과정을 수행하여 해상도가 높은 입체 이미지를 생성할 수 있으며, 상기 알고리즘을 통해 결합된 영상을 통해 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 정밀하게 측정할 수 있다.A 3D image acquisition apparatus according to the present invention obtains depth information on first and second structural images by receiving light having different wavelengths reflected from a target through a plurality of TOF receiving sensors, and an algorithm for fusing the two images. A stereoscopic image with high resolution can be generated by performing the process, and a 3D spatial structure of the target can be precisely measured through the image combined through the algorithm.
또한, 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 TOF 방식으로 피사체에 대한 거리 및 깊이 정보를 측정하면서도, 컬러영상을 감지할 수 있는 이미지센서를 더 구비하여 정보의 해상도를 높이며, 간단한 동작만으로도 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정밀한 3차원 공간 구조를 측정하거나 2차원 이미지를 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, the 3D image acquisition device of the present invention measures distance and depth information for a subject using a TOF method, and further includes an image sensor capable of detecting a color image to increase the resolution of information, and to detect surrounding terrain and data with a simple operation. There is an effect of measuring a precise 3D spatial structure of a target such as a subject or providing a 2D image.
또한, 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 광 경로 상의 전단 렌즈를 구비하되, 하나의 단일 렌즈로서도 광 수신을 위한 광학 렌즈의 기능을 수행할 수 있으며, 입사되는 광을 제어하기 위한 일정 형태의 렌즈 엘리먼트들을 복합적으로 결합한 렌즈 조립체(assembly)로서의 광학 렌즈계를 구비하여, 광 경로 상에서 광학 성능의 향상과 제품의 소형화 설계가 가능하도록 하는 효과가 있다.In addition, the 3D image acquisition device of the present invention includes a front lens on the optical path, but even a single lens can perform the function of an optical lens for receiving light, and a certain type of lens for controlling incident light. By providing an optical lens system as a lens assembly in which elements are combined in a complex manner, there is an effect of enabling improvement in optical performance and miniaturization of a product on an optical path.
또한, 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 일반적으로 차량의 라이다 장치의 성능 향상을 위해 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 로봇, 선박, 헬기, 드론 등 이동이 가능한 이동 장치에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정 장치에도 제한 없이 적용될 수 있는 장점이 있다.In addition, the 3D image acquisition device of the present invention can be applied not only to improve the performance of LIDAR devices of vehicles in general, but also to mobile devices that can move such as robots, ships, helicopters, drones, and buildings. It has the advantage that it can be applied without limitation to fixed devices with limited movement such as columns, towers, etc.
또한, 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치에서 감지한 목표물의 공간 구조 및 주변 지형 등의 정보 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있어 네트워크상에서 데이터를 재가공할 수 있는 장점이 있다.In addition, information data such as the spatial structure of a target and surrounding topography detected by the 3D image acquisition device of the present invention can be transmitted to an external device, so that the data can be reprocessed over a network.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치의 본체 하우징을 보여주는 외부 사시도이다.
도 2는 도 1에 의한 3차원 이미지 획득 장치의 내부 구조를 보여주는 예시도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛의 구조를 보여주는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 광 송수신 유닛의 구조에서 판형 빔스플리터를 보여주는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛에서의 전체적인 광 송수신 유닛의 구조 및 경로의 설명을 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 사각 박스 형태의 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통 형태의 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치의 광 송수신 유닛을 설명하기 위한 도면이다.1 is an external perspective view showing a body housing of a 3D image acquisition device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exemplary diagram showing the internal structure of the 3D image acquisition device of FIG. 1 .
3 is an exemplary view showing the structure of an optical transmission/reception unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an exemplary view showing a plate-type beam splitter in the structure of the optical transmission/reception unit of FIG. 3 according to another embodiment of the present invention.
5 is an exemplary diagram for explaining the entire structure and path of an optical transmission/reception unit in an optical transmission/reception unit according to an embodiment of the present invention.
6 is a block diagram showing the configuration of a 3D image acquisition device according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating surface light emission of a 3D image acquisition device having a quadrangular box shape according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating surface light emission of a cylindrical 3D image acquisition device according to another embodiment of the present invention.
9 is a diagram for explaining an optical transmission/reception unit of a 3D image acquisition device according to another embodiment of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, since the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, various equivalents that can replace them at the time of the present application It should be understood that there may be waters and variations.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치의 본체 하우징을 보여주는 외부 사시도이다.1 is an external perspective view showing a body housing of a 3D image acquisition device according to an embodiment of the present invention.
도 1에서와 같이 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 밀폐된 내부 공간을 가지는 본체하우징(100)과, 본체하우징(100)의 일측면에서 펄스 레이저광을 외부로 방출하며 외부에서 들어오는 광의 투과를 용이하게 하는 윈도우(110)가 배치된다. 상기 윈도우(110)는 3차원 이미지 획득 장치의 내외부로 광 투과를 용이하게 하고 본체하우징(100)을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 1, the 3D image acquisition device of the present invention emits pulsed laser light to the outside from a
이에 본 발명의 본체하우징(100)은 도 1에서와 같이 일정 높이의 사각 박스 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하지는 않으며, 도 8에서와 같이 원통 형상으로 이루어진 하우징에서도 적용될 수 있다.Accordingly, the body housing 100 of the present invention may be formed in the form of a rectangular box of a certain height as shown in FIG. 1, but is not limited thereto, and may also be applied to a housing formed in a cylindrical shape as shown in FIG. 8.
또한, 도 2는 도 1에 의한 3차원 이미지 획득 장치의 내부 구조를 보여주는 예시도이고, 도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛의 구조를 보여주는 예시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 광 송수신 유닛의 구조에서 판형 빔스플리터를 보여주는 예시도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛에서의 전체적인 광 송수신 유닛의 구조 및 경로의 설명을 위한 예시도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.In addition, FIG. 2 is an exemplary view showing the internal structure of the 3D image acquisition device of FIG. 1, FIG. 3 is an exemplary view showing the structure of an optical transmission and reception unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exemplary view of the present invention. It is an exemplary view showing a plate-type beam splitter in the structure of the optical transmission and reception unit of FIG. 3 according to another embodiment, and FIG. 5 is a description of the overall structure and path of the optical transmission and reception unit in the optical transmission and reception unit according to an embodiment of the present invention. , and FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a 3D image acquisition device according to an embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 본체하우징(100)의 내부의 하단에서 결합되어 장착되는 제어부 기판(300), 상기 제어부 기판(300)의 상부에서 광의 송신과 수신을 위한 광 송수신 유닛(200)이 배치되어 이루어진다.Referring to FIGS. 2 to 6, the three-dimensional image acquisition device of the present invention includes a
이때, 상기 광 송수신 유닛(200)은 전면렌즈(210), 레이저 조사 모듈(220), 빔스플리터(240), 제1 TOF 수신센서(230), 제2 TOF 수신센서(250)를 포함하여 이루어진다.At this time, the light transmitting/
또한, 상기 광 송수신 유닛(200)은 유닛케이스(201)에 의하여 감싸지는 형태로 보호되도록 이루어지는데, 이에 유닛케이스(201)의 전단에는 본체하우징(100)의 윈도우(110)의 방향으로 위치되는 전면렌즈(210)이 위치되고, 상기 전면렌즈(210)의 뒷단에서는 외부로부터 입사되는 광을 파장대 별로 분리하여 반사시키는 빔스플리터(Beam splitter)(240)가 구비되며, 상기 빔스플리터(240)의 수평방향 뒷단과 하단에는 각각 파장대의 광을 감지하는 제1,2 TOF 수신센서(230, 250)가 구비된다.In addition, the optical transmission and
본 발명의 상기 빔스플리터(240)는, 도 3에서와 같이 삼각 프리즘 형태로 이루어져 입사면과 출사면을 형성하거나, 또는 도 4와 같이 판(plate)형 빔스플리터를 사용하여 일정 기울기의 비스듬한 입사면과 출사면을 구현되도록 할 수 있다.The
이때, 본 발명의 유닛케이스(201)는 광 송수신 유닛(200)의 일정 구성 부품들을 조립 장착하기 위한 공간을 형성하여, 내측으로 일정 구성 부품들이 조립 결합되는 보호 케이스로서, 내부에서 방출되는 광과 외부에서 입사되는 광이 밖으로 새어나가지 않도록 밀폐되는 구조를 갖는 것으로서, 전면렌즈(210), 레이저 조사 모듈(220), 빔스플리터(240), 제1 TOF 수신센서(230) 및 제2 TOF 수신센서(250)가 유닛케이스(201)에 의하여 감싸지는 형태로 보호되도록 이루어진다.At this time, the
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면 상기 레이저 조사 모듈(220)은 빅셀(VCSEL) 모듈 또는 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 모듈로 구성될 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the
상기 빅셀모듈(220)은 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser)가 다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화 되어 빠른 펄스 패턴의 레이저를 면 발광으로 발신하는 모듈이고, 상기 레이저 다이오드 모듈은 목표물 측으로 레이저광을 조사하는 모듈이다.The
이와 같이 구성되는 레이저 조사 모듈(220)은 전면렌즈(210)의 일정거리 뒷단에서 유닛케이스(201) 내부의 상단에 장착되어 위치하게 된다. 이때, 레이저 조사 모듈(220)에서는 905nm, 940nm, 1550nm 등의 내외의 근적외선 파장대를 방출하게 된다.The
또한, 도 2 내지 도 5에서와 같이 레이저 조사 모듈(220)은 펄스 패턴으로 면 발광되는 레이저 광을 앞단의 전면렌즈(210)의 일부분을 통해 외부로 방출하도록 이루어지는데, 이에 상기 레이저 조사 모듈(220)의 앞면에 위치하는 전면렌즈(210)의 일부분이 상기 레이저 조사 모듈(220)에서 방출되는 광을 외부로 발산시키기 위한 필터렌즈(211)로 구비될 수 있다. 이때, 상기 필터렌즈(211)는 레이저 조사 모듈(220)의 자체 레이저 광원에 사용된 파장만 통과시키기 위한 대역통과 필터의 기능을 하는 렌즈일 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 2 to 5, the
즉, 상기 유닛케이스(201)에 구비되는 전면렌즈(210)는 전체적으로 광 수신용을 위한 광학 렌즈의 기능을 수행하되, 상기 레이저 조사 모듈(220)의 앞단에 위치되는 일정 부분에서는 광 발신을 위한 필터렌즈(211)가 전면렌즈(210)의 일정 위치에서 삽입되는 구조이거나, 외측에 추가로 장착되어 이루어지는 구성을 갖도록 이루어진다.That is, the
이후, 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛에서의 전체적인 광 송수신 유닛의 구조 및 경로를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIG. 5 , the overall structure and path of the optical transmission/reception unit in the optical transmission/reception unit according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
레이저 조사 모듈(220)에서 방출된 광이 필터렌즈(211)를 통과하여 목표물에 조사됨에 따라, 목표물에서 반사되어 입사되는 광은 빔스플리터(240)에 의하여 파장별로 따로 분리된다.As the light emitted from the
따라서, 제1 TOF 수신센서(230)에서는 투사된 다량의 펄스형 레이저에 의하여 제1 파장의 광을 수광하여 깊이 정보를 포함하는 제1 구조 영상을 구성하고, 마찬가지로 제2 TOF 수신센서(250)에서는 투사된 다량의 펄스형 레이저에 의하여 제2 파장의 광을 수광하여 깊이 정보를 포함하는 제2 구조 영상을 구성한다.Therefore, in the first
즉, 상기 빔스플리터(240)가 목표물에 반사되어 입사되는 광을 2개의 파장으로 각각 구분하여 투과 및 반사하도록 구성됨으로써, 상기 제1 TOF 수신센서(230)는 상기 빔스플리터(240)로 투과되는 제1 파장의 광을 수광하여 제1 구조 영상을 생성하고, 상기 제2 TOF 수신센서(250)는 상기 빔스플리터(240)에서 반사되는 제2 파장의 광을 수광하여 제2 구조 영상을 생성할 수 있다. 이때, 상기 제1 파장이 940 nm이고, 상기 제2 파장은 905 nm일 수 있으며, 또는 상기 제1 파장과 상기 제2 파장 중에 어느 하나가 940 nm 또는 905 nm로 구성되고, 나머지 하나는 1550 nm로 구성될 수 있다.That is, since the
이를 통해, 본 발명에 따르면 제1,2 구조 영상을 결합하여 보다 해상도가 높은 입체 이미지를 구성하도록 할 수 있다.Through this, according to the present invention, it is possible to construct a three-dimensional image with higher resolution by combining the first and second structural images.
한편, 상기 제1 TOF 수신센서(230) 및 상기 제2 TOF 수신센서(250)는 각 파장의 광을 각각 복수개 수신하도록 구성되거나, 상기 제1 TOF 수신센서(230)는 제1 범위의 파장을 수신하고, 상기 제1 TOF 수신센서(250)는 제2 범위의 파장을 수신하도록 구성될 수 있다.Meanwhile, the first
또한, 이와 같이 구성되는 상기 제1 TOF 수신센서(230) 및 상기 제2 TOF 수신센서(250)는 avalanche photodiode (APD), Single-Photon Avalanche Detector (SPAD) 또는 Silicon Photomultiplier (SiPM)로 구성될 수 있다.In addition, the first
한편, 상기 레이저 조사 모듈(220)이 빅셀모듈로 구성되는 경우에는 광을 쏠 때 굉장히 빠른 간격으로 점멸을 시키기 위한 모듈레이션(modulation)(221)이 구비되고, 여기서 레이저 조사 모듈(220)의 레이저가 켜있는 동안을 in phase라 부르고 레이저가 꺼져있는 동안을 out phase라 하며, 각 TOF 수신센서(230, 250)는 각각의 셀이 2개씩의 감지 센서(receptor) 쌍으로 구성되어 반사되어 돌아오는 빛을 상기 모듈레이션(221)의 점멸 간격과 동기화되어 출사된 광 펄스와 정확히 동기화되도록 실행되어, 시간 타이밍에 따라 측정할 수 있도록 구성될수 있다.On the other hand, when the
즉, 일반적인 적외선(IR) 센서는 신호 강도만 측정하고 사물의 반사율에 영향을 받기 쉽지만, TOF 수신센서는 레이저 조사 모듈에서 발신되는 레이저를 수광하여 이에 따른 비행시간 방식 거리를 계산하기 때문에 더 정밀한 값을 얻을 수 있다.In other words, general infrared (IR) sensors measure only signal strength and are easily affected by the reflectance of objects, but TOF receivers receive lasers from the laser irradiation module and calculate the distance based on the time-of-flight method, resulting in a more precise value. can be obtained.
본 발명에서의 TOF 수신센서(230, 250)는 일정 픽셀 피치(예를 들어 15μm), 일정 프레임(예를 들어 초당 최대 150 프레임)의 속도에서 일정 해상도(예를 들어 VGA 640x480)의 분해능 데이터를 제공할 수 있다.The
또한, TOF 수신센서(230, 250)에서 나오는 신호가 아날로그 신호인 경우, A/D 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)(223)에 의해서 디지털 신호로 변환되어 3D 이미지처리 모듈(320)로 전달될 수 있다.In addition, if the signals from the
도 6에서와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제어부 기판(300)은 상기 제1 TOF 수신센서(230)에서 수광된 목표물의 제1 구조 영상과, 상기 제2 TOF 수신센서(250)에서 수광된 목표물의 제2 구조 영상을 결합하여 해상도가 높은 입체 이미지를 생성할 수 있다.As shown in FIG. 6, according to an embodiment of the present invention, the
보다 구체적으로, 상기 제어부 기판(300)은 제어모듈(310)과 3D 이미지처리 모듈(320)을 포함한다.More specifically, the
상기 제어모듈(310)은 상기 레이저 조사 모듈(220)의 펄스형 레이저의 빠른 점멸을 위한 구동신호를 인가하기 위한 광 발신 제어를 하고, 제1 TOF 수신센서(230) 및 제2 TOF 수신센서(250)를 제어할 수 있다.The
또한, 상기 3D 이미지처리 모듈(320)은 상기 제1 TOF 수신센서(230) 및 상기 제2 TOF 수신센서(250)를 연동하여 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 제1,2 구조 영상 데이터를 수신 받아, 이를 결합하여 목표물에 대한 3차원 공간의 입체 이미지를 구성할 수 있다.In addition, the 3D
즉, 상기 3D 이미지처리 모듈(320)은 목표물에 대한 영상 데이터를 수신 받아 노이즈를 제거하는 전처리 과정을 수행하며, 제1, 2 TOF 수신센서(230, 250)에서 수광된 제1, 2 구조 영상에 대한 깊이 정보를 계산하고, 두 영상을 융합하는 알고리즘 과정을 수행하여 해상도가 높은 입체 이미지를 생성할 수 있다. 이와 같이 상기 알고리즘을 통해 결합된 영상을 통해 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 정밀하게 측정할 수 있다.That is, the 3D
이때, 상기 3D 이미지처리 모듈(320)은 이와 같이 구성되는 3차원 이미지 또는 3차원 공간 구조를 측정한 결과를 이용하여 2차원 이미지 데이터를 생성할 수도 있으며, 이를 통해 보다 다양한 영상처리와 영상정보 제공이 가능하다.At this time, the 3D
이를 위해 제어부 기판(300)은 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있고, 이를 아우르는 FPGA(Field-Programmable Logic Array) 보드로 구현될 수 있다.To this end, the
또한, 제어부 기판(300)은 무선의 WiFi 또는 유선의 LAN(Local Area Network) 연결을 위한 통신 연결 수단을 위한 통신모듈(330)을 별도로 구비하거나 일체로 결합되어 구성될 수 있다. 상기 통신모듈(330)은 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등을 통해 외부의 사용자 PC 또는 스마트폰과 같은 사용자 모바일 장치와 통신하게 되며, 감지한 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정보 데이터를 이러한 사용자 장치에 전송할 수 있다. 이는 인터넷과 같은 외부 네트워크에서 연동되는 사용자 컴퓨팅 장치에서 디지털 영상으로 변환되어 데이터를 재가공할 수 있는 편의를 제공하기 위함이다.In addition, the
한편, 제어부 기판(300)은 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치의 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급수단을 구비할 수 있고, 상기 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치로 구비될 수 있다.On the other hand, the
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 사각 박스 형태의 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통 형태의 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면이다.7 is a view illustrating surface light emission of a rectangular box-shaped 3D image acquiring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a surface of a cylindrical 3D image acquiring device according to another embodiment of the present invention. It is a drawing illustrating light emission.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 본체하우징(100, 100a)의 내측의 레이저 조사 모듈(220)에서 방출되는 광이 전면렌즈(210)의 일단에 구지되는 필터렌즈(211)를 통과하여 본체 윈도우(110, 110b)의 특정부위에서 외부로 발산되어 면 발광으로 조사될 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIGS. 7 and 8, according to the present invention, the light emitted from the
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치의 광 송수신 유닛을 설명하기 위한 도면이다.9 is a diagram for explaining an optical transmission/reception unit of a 3D image acquisition device according to another embodiment of the present invention.
도 9의 실시예에 따른 3차원 이미지 획득 장치의 광 송수신 유닛은, 빔스플리터(240), TOF 수신센서(230) 및 이미지센서(253)를 포함하여 구성될 수 있다.The light transmission/reception unit of the 3D image acquisition device according to the embodiment of FIG. 9 may include a
상기 빔스플리터(240)는 레이저 광을 조사하는 레이저 조사 모듈에서 조사된 후 목표물에 반사되어 돌아오는 적외선은 수평으로 투과시키고, 입사되는 가시광은 수직으로 반사시킨다.The
상기 TOF 수신센서(230)는 상기 빔스플리터(240)에서 반사되는 상기 적외선 레이저를 수광하여 적외선 영역에서의 구조 영상을 생성한다.The
또한, 상기 이미지센서(253)는 상기 빔스플리터(240)를 투과하는 가시광의 수광을 위하여 다수의 렌즈 요소로 구성되는 카메라렌즈(251)와, 상기 카메라렌즈를 광축 방향으로 진퇴 운동시켜 초점조절을 가능하게 하는 렌즈구동부(252)의 구성에 의해 목표물의 컬러 영상을 생성할 수 있다.In addition, the
즉, 도 9의 실시예에서는 빔스플리터(240)가 수평의 측방으로 투과시키는 가시광 파장 대의 수광을 위하여, 상기 빔스플리터(240)의 측부에 다수의 렌즈 요소로 구성되는 카메라렌즈(251)와 상기 카메라렌즈(251)를 광축 방향으로 진퇴 운동하여 초점조절을 가능하게 하는 렌즈구동부(252) 및 상기 렌즈구동부(252)의 측부에서 카메라렌즈(251)로 입사되는 가시광 파장 대의 RGB 광 신호를 감지하기 위한 이미지센서(253)로 이루어진 카메라 모듈이 배치될 수 있다.That is, in the embodiment of FIG. 9, the
이때, 상기 이미지센서(253)는 일정 프레임(예를 들어 30fps)과 일정 해상도(예를 들어 1280 x 720)를 지원하는 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)형의 RGB Image 센서일 수 있다.At this time, the
이울러, 또 다른 실시예에서는, 카메라렌즈(251)와 렌즈구동부(252)의 구성이 없이, 이미지센서(253)만을 상기 빔스플리터(240)가 측부로 위치시켜 목표물의 컬러 영상을 획득하도록 구성할 수도 있다.In addition, in another embodiment, without the configuration of the
전술한 바와 같이 본 발명의 3차원 이미지 획득 장치는 다양한 실시예를 통한 구성을 하나로 조합하여 이루어거나, 바람직한 실시예에 따른 각각의 구성을 선택적으로 이용하여 이루어질 수 있다. 즉 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.As described above, the 3D image acquisition device of the present invention may be formed by combining components of various embodiments into one, or by selectively using each component according to preferred embodiments. That is, those skilled in the art will understand that the present invention can be variously modified and changed without departing from the spirit and scope described in the claims below.
Claims (7)
상기 본체하우징의 내측 상단에 장착되어 광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판; 및
상기 제어부 기판에 결합되어 레이저의 발신과 입사되는 외부광의 수신을 위한 광 송수신 유닛;을 포함하고,
상기 광 송수신 유닛은,
레이저 광을 조사하는 레이저 조사 모듈에서 조사된 후 목표물에 반사되어 돌아오는 광을 투과 및 반사시키는 빔스플리터;
상기 빔스플리터로 투과되는 제1 파장의 광을 수광하여 제1 구조 영상을 생성하는 제1 TOF 수신센서; 및
상기 빔스플리터에 반사되는 제2 파장의 광을 수광하여 제2 구조 영상을 생성하는 제2 TOF 수신센서;를 포함하는 3차원 이미지 획득 장치.a body housing on one side of which a light-transmitting window is disposed for emitting pulsed laser light to the outside and transmitting light coming from the outside;
a control board mounted on an inner upper end of the main body housing to control timing of light transmission and reception, and to transmit detected signals to an external device; and
A light transmission/reception unit coupled to the control board for emitting a laser and receiving incident external light;
The optical transmission and reception unit,
a beam splitter that transmits and reflects the light emitted from the laser irradiation module that irradiates the laser light and then reflected back to the target;
a first TOF receiving sensor generating a first structural image by receiving light of a first wavelength transmitted through the beam splitter; and
and a second TOF receiving sensor configured to generate a second structural image by receiving light of a second wavelength reflected by the beam splitter.
상기 레이저 조사 모듈은 복수개의 파장의 광을 조사하고,
상기 제1 TOF 수신센서 및 상기 제2 TOF 수신센서는 각각 복수개 파장의 광을 수신하는 3차원 이미지 획득 장치.The method of claim 1,
The laser irradiation module irradiates light of a plurality of wavelengths,
The first TOF receiving sensor and the second TOF receiving sensor each receive a plurality of wavelengths of light.
상기 제1 TOF 수신센서는,
제1 범위의 파장을 수신하고,
상기 제2 TOF 수신센서는,
제2 범위의 파장을 수신하는 3차원 이미지 획득 장치.The method of claim 1,
The first TOF receiving sensor,
Receiving wavelengths in a first range;
The second TOF receiving sensor,
A 3D image acquisition device receiving wavelengths in the second range.
상기 제1 TOF 수신센서 및 상기 제2 TOF 수신센서는,
avalanche photodiode (APD), Single-Photon Avalanche Detector (SPAD) 또는 Silicon Photomultiplier (SiPM)로 구성되는 3차원 이미지 획득 장치.The method of claim 1,
The first TOF receiving sensor and the second TOF receiving sensor,
A 3D image acquisition device consisting of an avalanche photodiode (APD), Single-Photon Avalanche Detector (SPAD) or Silicon Photomultiplier (SiPM).
상기 제어부 기판은,
상기 제1 TOF 수신센서에서 수광된 목표물의 제1 구조 영상과 상기 제2 TOF 수신센서에서 수광된 목표물의 제2 구조 영상을 결합하여 입체 이미지를 생성하는 3D 이미지처리 모듈을 포함하는 3차원 이미지 획득 장치.The method of claim 1,
The control board,
3D image acquisition including a 3D image processing module generating a stereoscopic image by combining the first structural image of the target received from the first TOF receiving sensor and the second structural image of the target received from the second TOF receiving sensor Device.
상기 레이저 조사 모듈은,
다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화되어 목표물 측으로 펄스 패턴의 레이저를 면 발광으로 발신하는 빅셀모듈 또는,
목표물 측으로 레이저광을 조사하는 레이저 다이오드 모듈로 구성되는 3차원 이미지 획득 장치.The method of claim 1,
The laser irradiation module,
A big cell module that is modularized in the form of a plurality of dot arrays and transmits a laser of a pulse pattern to the target side by surface emission;
A 3D image acquisition device composed of a laser diode module that irradiates laser light toward a target.
상기 광학 렌즈계는,
각각의 렌즈 엘리먼트마다 입사되는 광을 조정할 수 있도록 일정 형태의 렌즈 조립체로 이루어지는 3차원 이미지 획득 장치.
The method of claim 1,
The optical lens system,
A three-dimensional image acquisition device comprising a lens assembly of a certain shape so as to adjust incident light for each lens element.
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