KR0155388B1 - 3차원 형상 스캔을 위한 고해상도 컴팩트 광학센서 - Google Patents

Abstract

물체의 표면을 조사하는 라멜라 평면빔을 생성하는데 적합하며 픽셀좌표를 나타내는 디지털 데이타로 변환된 정보를 생성하는 최고한개이상의 비디오 카메라에 의해 주사되는 곡선의 발광자취를 그물체표면위에 생성하는 레이저 소스를 구비한 3차원 형상인식 광학적센서에 관한 것으로, 광학적 센서는 공통의 케이스속에 주사되는 물체의 바로 위에서 단거리 배치되도록 설치되어 시준된 직선빔을 생성하는데 적합한 상기 레이저 소스를 포함하는 광상자와, 적선빔을 라멜라 평면빔으로 변환하는 광학장치와, 서로 대향 설치되어 빔의 입구점과 출구점사이에서 복수회의 반사가 일어나도록 두 개의 고정평면 반사경을 구성하여 상기 빔의 광학적 경로를 연장시키는 장치를 구비한다. 케이싱과 물체간의 작은 물리적 백오프는 가상적인 광학적 백오프에 의해 보상되며, 그에따라 케이싱의 출구에서 발사되는 라멜라평면의 이용가능한 구역전반에 걸쳐 필드심도가 상관적으로 증가한다.

Description

3차원 형상 스캔을 위한 고해상도 컴팩트 광학센서

제1도는 본 발명에 의한 광상자와 이에 부착된 두 개의 검출기를 가지며 그 조립체가 이동가능 작동손잡이의 일단에 장착한 센서의 정면도.

제2도는 제1도에 도시된 II-II선을 따라 나타낸 동일한 조립체의 측면도.

제3도는 본 발명에 의한 센서의 광상자의 개략적인 단면도.

제4도는 본 발명에 따른 여러 가지 광학적 요소를 보여주는 사시도.

제5도는 센서내 한 검출기에 관한 개략적인 단면도.

제6도는 제5도로부터의 검출기의 대물렌즈/주사장치를 보여주는 개략적인 단면도.

제7도는 검출기의 광전장치(photo-electric devicd)를 경사시킴에 의해 선명도와 필드심도의 결함이 어떻게 보상되는가를 보여주는 도면.

제8도는 광전장치의 출력부에서 얻어진 주사선의 비디오 신호의 일반적인 형태를 보여주는 도면.

제9도는 비디오 신호를 분석하여 레이저 광선의 자취위치를 나타내주는 데이타를 추출하기 위한 회로의 블록도.

제10도는 제9도에 도시된 회로에서 얻어진 여러 가지 신호들을 도시한 타이밍도.

제11도 및 제12도는 아날로그상태를 도시하는 제9도의 신호분석시스템의 디지탈화된 실시예를 보이는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 물체 3 : 작동손잡이

5 : 발광자취 7 : 필드

100 : 광상자 110 : 레이저 소스

120 : 원통형렌즈

130, 142, 143, 144, 221, 222 : 반사경

150 : 창문 200 : 검출기

230 : 분석기 231 : 대물렌즈 장치

232 : 광전화상장치 240 : 처리회로

241 : 누산기 241 : 적분기

242 : 제산기 243,248 : 시프트레지스터

243 : 시간 지연기 244 : 감산기

244 : 비교기 245 : A/D 변환기

246 : 시퀀서 247 : 메모리

250 : 연결부

본 발명은 레이저 방사소스를 포함한 광학센서와 인식하고자 하는 물체에 비친 레이저 빔의 자취를 주사하는 한 개 이상의 카메라를 구비한 시스템에 의하여, 어떤 물체의 형상을 3차원적으로 인식하고 그 데이타를 디지털화하는 것에 관한 것이다.

이런 종류의 기법은 프랑스 공화국 특허공개자료들 FR-A-2-627047, FR-A-2-642 833 그리고 FR-A-2-629 198에 상세히 기술되어 있다.

정확하게 말한다면, 이 기법은 레이저 평면, 즉 그 두께는 얇지만 주사되는 물체의 모든 부분을 커버할 정도로 넓은 너비를 가진 부채꼴의 라멜라 평면 빔을 발생시킨다. 그리고 하나 또는 두 개의 카메라가 이평면을 서로 다른 두 개의 입사각을 통해 비추게 된다. 본 시스템은 이동가능한 작동손잡이의 일단에 장착되며, 수치적으로 제어되는 기계기구의 손잡이는 물체의 3차원적 형상을 계속적으로 인식하기 위하여 그 물체의 형상중 인식하고자 하는 부분에 레이저 평면광을 주사한다. 본 주사작용은 물체에 대해 상대적으로 센서를 평행이동 또는 피봇 이동시키거나 센서를 그 자리에 고정시키고 물체를 센서에 대해 상대적으로 이동시켜 이루어지는데, 후자의 경우에 물체는 원격조정되는 다축 테이블 상에 위치된다.

종래의 방법들에서 사용된 센서들은 상대적으로 부피가 크고 견고하지 못해 잘 파손되며 또한 구조가 복잡한 것이었다.

본 발명의 목적은 센서의 정확도와 해상도를 그대로 유지또는 가일층 향상시키면서 센서의 크기를 획기적으로 소형화시킬 수 있는 센서구조를 제공하는 것이다. 여기서 해상도(RESOLUTION)란 본 센서시스템의 픽셀 크기를 의미하며, 정확도(ACCURACY)는 수치화단계 및 화상의 복원단계에 관한 것이다. 그리고 센서시스템의 포지셔닝(positioning)의 정확도가 레이저 자취 분석단계에서 수행되는 각종 처리과정을 거쳐 얻어진 하나의 픽셀보다 좋을 수 있음을 이하의 상세한 설명을 통해 알게 될 것이다.

센서가 소형화되면, 그에 따른 일반적인 편리함을 차치하고서라도, 극히 제한된 작은 부분, 접근하기 어려운 표면등에 대해서도 효과적으로 접근할 수 있다는 장점을 갖게 되는데, 이는 즉 협소한 면적에서 높은 정확도가 요구되는 어떠한 경우에도 사용이 가능하다는 것이다.

그러나, 센서가 주사되는 대상물과 너무 가까우면, 많은 새로운 문제점을 야기시키는데, 특히 센서가 물체에 접근함에 따라 필드의 심도가 감소하는 물제가 발생한다.

종래의 He-Ne 레이저 센서는 소스로부터 약 1m의촛점거리를 갖도록 조정되어 상당한 백오프를 가지게 된다. 백오프는 비교적 큰규모의 He-Ne레이저와 그에 관계된 장치들에 있어서는 불가결한 것이다.

초점거리가 길게 되면, 이때의 큰 백오프는 큰 필드심도와 극히 정교한 자취를 발생시키는데, 보통 필드 심소 100mm에 대해 0.2mm 보다 작은 두께의 라멜라 빔을 형성한다.

더욱이 라멜라 빔은 일반적으로 원통형 렌즈로 구성된 정적장치에 의해 발생되기 때문에 큰 백오프와 결합한 빔의 확산은 상대적으로 낮은 국부 에너지 밀도를 발생한다. 이는 에너지 밀도가 대략 1μW/㎟ 정도로서 레이저 빔이 조작자(operator)에게 전혀 해롭지 않음을 의미한다.

한편, He-Ne 레이저 대신 레이저 다이오드를 채용하여 센서를 소형화하는 것이 가능하더라도, 센서를 물체로부터 후퇴시키는 것이 불가능하거나 바람직스럽지 않은 경우에는 굉장히 가까운 거리(보통 10cm)에서 초점이 형성되기 때문에 필드심도의 문제가 발생하게 된다. 이는 레이저 자취의 두께에 영향을 미치고 따라서 해상도와 정확도에도 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

에너지 밀도는 거리에 반비례하여 변화하기 때문에 물체부근에 있는 조작자의 눈에 레이저 빔이 닿는다면 헤로울 정도까지 에너지 밀도가 커질 수도 있다.

본 발명의목적은 센서의 소형화와 더불어 물체에 대한 물리적 백오프가 휠씬 적음에도 불구하고 종래의 센서의 장점을 그대로 유지하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 채용하고 있는 기본원리는 센서안에 소스의 가상적 백오프를 형성하여 실제적으로 초점거리가 긴 빔의 경우와 같은 상태를 이룩함으로써 센서와 물체간의 거리가 가까웁기 때문에 물리적 백오프가 작게 되는 것을 보상하는 것이다.

본 발명은 대상물의 표면을 비추는 라멜라 평면빔을 발생하여 물체의 표면위에 곡선형의 발광 자취(luminous trace)를 형성하는데 적합하며 픽셀좌표를 나타내는 디지털 데이타로 전환된 정보를 생성하는 적어도 하나의 비디오 카메라에 의해 스캐닝되는 레이저소스를 구비하는 3차원적 형상을 인식하기 위한 광학센서에 있어서, 광상자를 구비한 상기 센서는 스캔되는 물체의 바로 상방에서 단거리 배치되는데 적합하도록 만들어진 공통의 하우징속에 시준(視準)된 직선빔을 발생하는데 적합한 상기 레이저 소스와; 상기 직선빔을 라멜라 평면빔으로 변환하기 위한 광학수단과; 레이저빔의 입구점과 출구점사이에서 복수의 반사가 일어나게끔 두 개의 평면 반사경을 서로 대향하도록 고정 설치함으로써 상기 레이저 빔의 광학적 경로를 연장하는 수단을 포함함으로써, 케이스와 물체사이에서 발생하는 미소한 물리적 백오프는 가상적 백오프에 의해 보상되어 케이싱의 출구로부터 방출되는 라멜라 평면빔의 이용가능한 모든구역에 걸쳐 필드심도가 상관적으로 증가하게 됨을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의한 센서는 레이저광선이 출입하는 입구점과 출구점에서 빔의 입사각을 조정하고, 서로 대향설치된 두 개의 반사경간의 반사수를 조정하기 위한 광학수단을 구비하는데, 직선빔을 라멜라 평면빔으로 전환하는 상기 광학수단은 정적장치이다.

센서는 광상자(light box)에 인접하게 설치되고 광전상분석기(photo-electric image analyzer)와 상기 광전상분석기의 전면에 대물렌즈 수단을 가진 한 개이상의 검출장치(detector unit)를 구비한다.

이때, 본 발명의 한 장점에 따르면 대물렌즈에 대해서 광전상분석기를 경사시키기 위한 수단이 제공된다.

또한 본 발명의 또다른 장점에 의하면 센서는 상분석기에 의해 발생된 각각의 화상 라인위의 레이저빔의 자취 위치를 나타내는 데이타를 추출하기 위한 전자회로를 구비하는데, 이 전자회로는 수신된 발광강도를 나타내는 전기신호를 입력으로 받아 주사된 라인의 위치에 따라 변화하고 수신된 발광에너지를 누산하여 증가하는 신호로 출력시키는 적분단계(intergrator stage)외; 상기 적분단계에서 공급된 에너지 신호를 입력으로 수신받는 제산단계(divider stage)와; 상기 적분단계에서 공급된 에너지 신호를 입력으로 수신하는 시간지연단계(time-delay stage)와; 상기 제산단계와 상기 시간지연단계로부터의 출력신호들을 각각의 입력으로 취하는 비교단계(Comparator stage)를 구비하는데, 상기 비교 단계에서의 상태 변화는 화상 주사라인 상의 레이저빔의 중점(mid-point)의 자취 위치를 한정하고 있다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 의한 센서(1)를 도시한 것이다. 센서는 그 표면형상이 인식되고 디지털화되도록 주사되는 물체(2)의 부근으로 이동된다. 센서(1)는 가령 수치적으로 제어되는 기계기구의 아암부인 작동손잡이(manipulator arm)(3)의 일단에 장착되며, 라멜라 평면 레이저 빔(4)을 발사하는 광상자를 구비한 중심부재(100)로 이루어져 있는데, 이때 라멜라 평면 레이저 빔은 제1도에 보여지듯이 비교적 그 두께가 얇으며, 또한 제2도에 보여진바와 같이 비교적 큰 폭을 지닌다. 레이저빔이 대상물의 표면에 도달하면, 하나의 카메라와 이 카메라로부터 얻은 화상을 수치화하여 분석하는 전자회로로 구성된 하나 또는 바람직하게는 두 개의 검출기(200)에 의해, 주사된 곡선형상의 발광 자취(Iuminous trace)(5)가 나타난다. 두 개의 검출기(200)는 유리하게는 광상자(100)에 인접되도록 제작된 장치의 형태로 생성되며 상기 검출기(200)는 작동손잡이(3)에 의해 이동되는 하나의 조립체, 즉 센서(1)를 형성하기 위해 광상자(100)의 한쪽면상에 배치된다. 본 발명의 본질적인 목적은 아니지만 두 개의 카메라를 사용하므로써 3차원적 형상을 인식하는데 필요한 시간을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한 센서는 하나의 카메라만을 가지고 기능을 수행할 수도 있다.

센서는 대상물체의 모든 형상을 인식하기 위해 스캐닝 동작을 수행한다. 도시된 실시예에서, 상기 스캐닝은 작동손잡이(3)를 화살표(6)방향으로 표시한 바와 같이 라멜라빔의 평면에 수직한 방향으로 수평이동시키는데, 이때의 병진운동은 초당 2-3회의 속도를 가지며 각 단계는 요구되는 정확도에 따라 0.1-0.5mm정도의 거리를 이동한다. 픽셀의 크기는 보통 50X50㎛이며,전자적 평탄화 (electronic smoothing)에 의해 20X20㎛의 크기로 축소가능하다.

3차원 형상을 인식하는 또 다른 방안으로서 센서를 고정시키고, 대신 물체를 운동시킴으로써 센서와 물체의 상대적 운동을 유도하거나 병진운동과 회전운동을 결합하여 주사작용을 수행할 수 있다.

본 발명은 광학적인 문제를 해결하기 위하여 특히 센서가 물체에 가까이 접근한 경우에 발생되는 필드 심도 문제를 해결하기 위한 것으로, 즉 이용가능 필드(7)의 심도를 d라 하고, 센서와 물체간의 최소거리를 x라 할 때 d/x의 비가 높을 때 발생되는 필트 심도 문제를 해결하기 위한 것이다. d/x비는 현재까지의 선행기술에는 고작 0.1-0.2 정도 였는데, 본 발명에서는 이 d/x비를 1보다 훨씬 크게 할 수 있다.

제3도 및 제4도는 광상자(100)의 구조를 도시한 것으로, 특히 제4도는 빔의 형성에 기여하는 광학적 요소만을 도시하고 있다.

광상자에는 본질적으로 가늘게 시준(視準)된 원통형 가시빔을 발산하는 레이저 다이오드 등의 레이저 소스(110)가 내장되어 있다. 레이저 빔의 출력은 약 3mW정도이다. 레이저빔이 원통형 렌즈(12)에 도달하면 상기 원통형 렌즈는 가늘게 발사된 원통형 빔을 제4도에 도시된 것과 같은 평면빔으로 변환시킨다. 수단(111)은 광점이 원통형 렌즈(120)의 정중앙에 정확히 위치되도록 레이저 소스(110)의 정확한 위치를 서로 수직인 두 개의축상에서 조정하기 위한 것이다. 원통형 렌즈(120)는 레이저 소스(110)를 광학적 축에 대해 회전시키면서 미세한 조정을 할 수 있는 수단도 제공되어 있는데, 이때 조정의 크기는 대략 ±5°-±10°이며 폭이 넓어진 빔, 즉 라멜라 빔의 축에 대한 경사를 조정한다.

빔은 반사경(130)으로부터 반사되어 빔의 광학경로를 연장시키기 위한 광학시스템(140)안으로 진입한다.

광학 시스템(140)은 두 개의 평행하게 대향 설치된 반사경(142,143) 세트중의 첫 번째 반사경(142)를 향하여 앞에서 기술한 구성요소들에 의해 생성된 라멜라 빔을 직사하는 조정가능하게 설치된 반사경(141)을 포함한다. 공지된 평행 거울의 현상에 의해 빔은 경로길이를 연장시키고 제4도에 도시된 바와 같이 점진적으로 그 너비도 확장하면서 여러차례 반사된다. 제4도에서 점선으로 표시된 것은 라멜라 빔의 중앙을 지시하며, 여기서는 도면을 간결히 하기 위해 이 연속적 반사작용중 처음과 끝의 반사에 대해서만 점선으로 표시하였다.

최종 반사가 있는 후에 레이저 빔은 반사경(144)에 의해 창문(window)(150)쪽으로 편향되어 주사될 물체에 도달한다.

조정가능한 반사경(141)은 빔이 첫 번째 반사경(142)에 도달하는 입사각을 변화시킴으로써 연속적으로 일어나는 반사의 회수를 변경시킬 수 있다. 반사가 일어나는 횟수는 결코 본 발명에서 특별히 한정된 것은 아니지만, 본 시스템에서는 통상적으로 최소 네 번의 연속적인 반사가 이루어지도록 하였다.

반사경(144)은 빔이 광상자를 벗어날 때 빔의 직각도를 조정한다. 라멜라 빔은 어떠한 이동 반사경이나 그와 비슷한 요소에 의존하지 않고 전체적으로 정적으로 발생되는 것을 주목할 필요가 있는데, 이에 의해 다음과 같은 잇점을 얻을 수 있다.

1) 조작자에게 끼칠 위험을 제거한다. 광에너지는 집중적인 이동점에 집중되지 않고, 그 대신 빔의 폭전반에 걸쳐 퍼짐으로써 조작자에게 미칠 위험을 제거하는 것이다.

2) 기계적으로 약한 부분이 제거되고, 동기의 필요성도 없으며, 높은 정확도를 얻을 수있다.

3) 진동으로부터 보호되고, 모든 부분에 대해 조절이 가능하다는 등의 잇점이 있다.

광상자에 사용된 모든 반사경들은 광학적으로 조정된 것으로 광상자는 먼지, 연기등으로부터 빔의 경로를 보호하기 위해 철저히 밀봉되어 있다.

실제적인 실시에를 살펴보면, 제2도의 부호를 사용한다면 광상자는 70 x 85 x 140mm로 구성되며, 물체로부터의 거리 x=100m, d=150mm의 레이저 필드 심도를 발생한다. 제2도의 사다리꼴 필드(7)은 짧은쪽이 65mm이며, 긴쪽이 95mm이다. 광학 경로를 연장하면 1m 정도의 가상적인 백오프를 발생하며 그 거리에서 레이저빔의 초점이 조정된다. 정확한 초점은 사다리꼴 필드의 아래쪽 1/3지점에서 형성되며, 빔의 두께는 필드의 처음과 끝에서 대략 같은 정도가 된다. 필드의 처음이나 끝에서 레이저 빔의 두께는 0.3mm정도로, 초점에서는 0.2mm로 줄어든다. 센서가 매우 짧은 물리적 백오프를 갖고 레이저빔이 매우 넓은 쪽을 가짐에도 불구하고 필드 심도는 매우 우수하다.

이하, 센서의 검출기 부분에 관해 설명하기로 한다.

제5도는 두 개의 검출기(200)중 한쪽의 검출기의 내부구조를 개략적으로 도시한 것으로, 본 검출기는 레이저 빔이 물체에 도달해서 생기는 자취를 직접 볼 수 있도록 입구의 창문(210)을 구비하고 있다. 본 자취의 화상은 한 세트의 반사경(221,222)을 경유한 후, 화상을 디지털화된 전자신호로 변환하는 분석장치(230)로 유입된다. 디지털 화된 전자신호는 접속부(250)를 거쳐서 화상의 처리, 복원을 하기 위한 전자 데이타 처리 시스템으로 공급되기 전에 회로(240)에 의해 처리된다. 여기서, 각 검출기의 규격은 100x100x70mm로 하였다.

장치(230)은 제6도에 상세히 도시되어 있으며, 본질적으로 렌즈를 구비하는 대물렌즈 시스템(231), CCD(Charge coupled divice)등의 광전화상 장치(232)의 전면에 설치된 조리개와 필터를 구비한다. 초점은 대물렌즈 시스템(231)을 화살표(234) 방향대로 대물렌즈 튜브(233)안에서 평행운동시켜 맞추게 된다.

CCD나 다른 화상 장치는 광학축 Δ에 대해 수직한 방향으로 축(235)을 중심으로 경사시킬 수 있게 되어 있고, 이 경사운동은 화살표(236)에 의해 표시된다.

제7도에 보인대로, 이 경사장치는 센서와 물체가 근접함에 의해 생기는 초점 불량을 보상 할수 있다. 동일한 수평면상에 속해있는 물체의 두점 A와 B는 각각 이에 대응하는 상A'와 B'를 발생시키며, 두점 중에서 멀리 있는 점 A는 센서와 수직한 초점 평면 P(즉, 광축 Δ에 수직한 초점평면)의 앞쪽에 상을 형성하고, 이에 반하여 가까운 점 B는 상기한 초점 평면의 뒤쪽에 상 B'를 형성한다.

이 경사장치는 CCD를 두점 A'와 B'를 포함하는 평면 P'로 이동시켜서 이상치(Anomaly)를 보상하기 위한 것이다. 이 보상의 효과는 대응하는 초점 불량을 보상하여 광학 시스템 전체의 필드 심도를 증가 할 수 있도록 한다.

제1도 및 제7도에 표시된 광학적 축의 경사각 a가 수직축에 대해 45°경사져 있을 때 최적의 경사각 β는 7°정도이며, 이수치는 렌즈, CCD의 크기, 필드의 크기와 기타 다른 변수에 따라 달리 결정된다.

제8도 내지 제10도는 CCD(232)에 의해 제공된 신호분석에 관하여 본 발명의 다른 일면을 보여준다.

제8도는 CCD의 매 주사선(Scanning line)에 대해 생성된 아날로그 비디오 신호 V(t)를 도시한 것으로 이신호는 두 개의 동기펄스사이에서 수신된 발광 에너지에 따라 진폭이 변화한다.

신호 V(t)는 레이저빔의 자취(trace)를 나타낸다.

본 전자회로의 목적은 주사선의 출발점에 대해서 레이저 자취위치를 결정하기 위한 것으로, 에너지 피크점의 위치는 자취를 나타낸다. 그리고, 값α는 비디오 신호의 라인 동기 펄스로부터 경과된 시간을 의미한다. 실제적으로 문제가 되는 것은 이 자취신호가 급격한 피크의 형태로 나타나는 것이 아니라 물체에 대해 빔이 입사하는 입사각의 기울어짐, 빛의 편향현상, 각종 간섭현상 및 기타의 원인등에 기인하여 넓게 퍼지는 현상을 보여주고 있다는 것이다.

자취의 위치를 정확하게 결정하기 위하여 여러 가지 기법이 도입되었다.

그중 한가지 방법은 임계값 T를 설정하고 이 임계값을 각각의 방향에서 교차하는 두 개의 시간사이의 중간치를 자취의 위치로 정의하는 것이다. 그러나, 이 기법은 신호의 퍼짐이 다소간 대칭적임을 가정한 것이라서 요구되는 임계값의 특성이 매우 일정치 않아 실효성이 적다.

또 다른 방법은 비디오 신호를 미분하여 그 신호의 미분치의 부호가 바뀌는 점을 자취의 위치로 정의하는 것인데, 이 방법 역시 앞의 방법과 마찬가지로 기본적으로 신호퍼짐이 대칭적임을 가정하고 이루어진 것이라, 미분하는 것과 관련된 신호처리에 고유한 결정으로서, 잡음 또는 다른 여러 형태의 간섭의 영향을 증폭시키는 결정을 안고 있다.

본 발명에서는 상술한 방법들과는 다른 방법을 채용하고 있는데, 이는 비디오신호를 적분하고 비디오 신호 에너지의 중점을 자취의 위치로 정의하는 것이다. 즉 다시 말하면, 제10a도 S₁과 S₂의 면적이 같아지는 점을 자취의 위치로 정하는 것이다.

이 기법을 채용함으로써, 적분을 사용함에 기인한 높은 잡음 면역성(noise lmmunity)을 얻을 수 있고, 또한 제9도에 도시한 바와 같이 극히 간단한 아날로그 전자회로에 의해 실행가능하다는 장점을 얻을 수 있다.

이 회로는 비디오 신호 V(t)(제10도 타이밍도의 라인(a))를 입력으로 받아 적분된 신호 S(t)=∫v(t)를 출력으로 제공하는 적분단계(241)을 구비한다. 여기서, 적분기는 비디오 신호의 라인 동기펄스에 의해 리세트 된다.

신호 S(t)는 두 개의 별개 지로(242,243)로 출력된다. 지로(242)는 신호 S(t)의 반의 진폭을 갖는 S(t)/2를 출력으로 내보내는 단순한 전압 제산기(votage divider)를 갖는다. 지로(243)은 지연라인, 바람직하게는 프로그래밍이 가능한 지연라인을 가지고 신호 S(t)를 시간 τ만큼 지연기켜 출력신호가 S(t-τ)의 신호가 되도록 한다. 이러한 방법으로 얻어진 두 개의 신호가 제10도의 타이밍도 (b)와 (c)에 각각 실선으로 도시되어 있다. 이신호들은 비교기(244)에 각각 별개의 입력으로 유입되어 시간간격τ근처의 시간에서 S(t)/2=S(t-τ)의 상태를 변화시킨다. 다시말해, S₁과 S₂의 면적이 같아지는 점을 찾는다. 제10도의 타이밍도(d)에 도시된 선은 비교기(244)의 출력의 신호Σ(t)를 의미한다.

지연 라인(243)의 지연시간 τ은 최소한 흔히 부닥치는 레이저 자취를 대표하는 가장 넓은 비디오 신호와 같게끔 설정하여야 한다. 즉, 지연시간 τ는 예측가능한 자취의 최대 퍼짐에 따라 결정되어야 한다는 것으로, 보통 50-100ns의 값으로 결정된다.

또한 이 적분방법은 제11도 및 제12도에 보인대로 디지털화 하는 것이 가능하다.

이 경우에 제11a도에 보인대로 아날로그 비디오 신호 V(t)는 잡음 면역성을 개선한 센서내 또는 디지털 신호출력을 직접 얻기 위해 카메라 자체에 내장된 A/D 변환기(245)에 의해 먼저 디지털화된다.

제11b도에 의하면 얻어진 디지털 신호 Bi(t)는 Bi의 값들이 연속적인 샘플로 이루어진 비디오 신호이며, 이 값은 통상 각각 8비트에 의해 디지털 화된다. 최초의 0(null)이 아닌 샘플이 P번째 샘플이며, 마지막 샘플은 Q번째 샘플이다. 실행되는 처리과정은 비디오 신호를 디지털 시킨후에 S₁과 S₂의 면적이 같아지는 점을 찾아 비디오 신호 에너지의 중간점에 대응하는 M번째 샘플을 결정하고, 다시 M번째 샘플안에서의 에너지 중간점의 위치를 찾아내는 것인데, 이는 즉, 제11b도에 나타난대로 0-100%내의 m값을 찾아내는 것이다.

이 m값은 다음과 같이 결정된다.

제11b도에서 빗금친 부분 I부터 IV까지의 총면적, 즉 총에너지 Σ는

이다.

만약 에너지 중간점이 M번째 샘플에 있다면 (PMQ), 아래의 식은 I+II부분의 면적과 III+IV 부분의 면적이 같아짐을 의미한다.

이것은 다음과 같이 다시 쓸수 있다.

A/D 변환기(245)에서 출력되는 디지털 신호 Bi는 제10b도의 아날로그 실시예중의 241로 표시된 적분단계와 같은 기능을 수행하는 누산 레지스터(241)에 제공되며, 이 누산기는 시간에 따라 증가하는 에너지Σ의 신호를 출력으로 내보내는 실시간 가산기를 구성한다.

0(null)이 아닌 샘플이 입력되는 경우에만 연산이 시작되어, P번째 샘플이 A/D 변환기(245)의 출력단에 나타나면 시퀀스회로(246)를 초기화하고 트리거시킨다. 시퀀스 회로(245)는 회로의 각종 디지털 단계들의 타이밍을 제어한다.

누산기(241)의 출력단의 에너지 신호Σ는 신호Σ/2를 제공하는 1/2제산기(242)로 출력된다. 본 디지털 실시예에서 에너지신호를 2로 나눔은 간단히 한 비트를 오른쪽으로 쉬프트시킴으로써 이루어지기 때문에, 내부의 배선이 간단하게 이루어질 수 있다. 또한, 신호 Σ는 시간지연 단계를 제공하는 시프트 레지스터(243)로 입력된다. 시간지연 레지스터의 크기는 최소한 실제로 부닥치게되는 비디오 신호 자취의 가장 큰 픽셀수와 같게 놓는데, 이는 신호가 포화되는 것을 막기위한 것이다.

제산기(242)의 출력과 시프트 레지스터(243)의 출력은 감산기(244)의 두 개의 입력단자를 통해 유입되며, 여기서 감산기는 일종의 비교기로서 사용된다. 감산의 결과

는 즉시 음의 값으로 되며, 즉 에너지의 중간점을 지난 것이다. 다시말해, 레지스터(243)에 의해 도입된 지연시간과 가장 가까운 시간에서 현재의 샘플이 M번째 샘플에 해당하는 것이다.

이 변화상태는 상태 비트 S에 의해 감지되며, 감산기(244)의 출력단에서

의 값을 변화시킨다. 이 값이 식(1)에서의 m·B_M과 같은 값이 된다.

B_M은 시프트 레지스터(243)과 같은 크기의 시프트 레지스터(248)의 출력단에서 알수 있고, 상기 시프트 레지스터(248)의 입력단에서는 연속적인 샘플값 Bi를 수신받는다.

요구되는 값 m을 m B_M의 곱으로부터 얻기 위해 디지털 나누기를 하는 것은 시퀀서(246)의 계수논리에 의해 직접 계산되는 에너지 중간점에 해당하는 샘플이 몇번째의 샘플인가, 즉 M을 알아야 하기 때문에 실시간적으로 적용하기 힘들고 비용도 많이 든다. 대신 한편 m·B_M의 함수로 다른 한편 B_M의 함수로 하나의 바이트에 각각 부호화되는 216개의 가능한 m값들을 포함하는 64k바이트용량의 메모리(247)을 사용하는 것이 바람직하며, 한 바이트마다 기록된 자료는 메모리(247)의 어드레스 입력들(A₁, A₂)로서 제공된다.

회로(244)에서 상태가 바뀌면 회로의 출력단에서 얻어지는 mB_M은 입력 A₁에 제공되며, B_M값은 입력 A₂에 제공된다. 그러므로 요구되는 값 m은 데이타 출력 D로부터 즉시 구할 수가 있다.

본발명에 의한 실시예에 따르면 비디오 신호의 에너지 중간점의 위치를 픽셀 해상도의 1/10 정도이상으로 실시간적으로 아주 정확하게 계산할 수 있다.

Claims (6)

1. 물체의 표면을 비추는 라멜라 평면빔을 발생하여, 그물체의 표면위에 곡선의 발광 자취를 형성하는데 적합하며 픽셀 좌표를 나타내는 디지털 데이타로 변환된 정보를 생성하는 적어도 한 개 이상의 비디오 카메라에 의해 스캐닝되는 레이저 소스를 구비하여 3차원 형상을 인식하기 위한 광학적 센서에 있어서, 공통의 하우징속에 스캐닝되는 물체의 바로 위에서 단거리 배치되는데 적합한 광상자를 포함하며, 상기 광상자는 시준된 직선빔을 발생하는데 적합한 상기 레이저소스와; 상기 직선빔을 라멜라 평면빔으로 변환하기 위한 광학적 수단과; 레이저 빔의 입구점과 출구점사이에서 복수의 반사를 일으키도록 서로 대향설치한 두 개의 평면 반사경을 구비하여 레이저빔의 광학적 경로를 연장시키는 수단을 구비하여, 케이싱과 물체간의 작은 물리적 백오프를 가상의 광학적 백오프로 보상하고, 케이싱의 출구에서 방출되는 라멜라 평면광의 이용가능한 모든 구역에 걸쳐 필드심도를 상관적으로 증가시킴을 특징으로 하는 광학적 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 광학적 센서는 서로 대향 설치된 두 개의 반사경간의 반사의 횟수를 변화시키기 위하여 입구점과 출구점에 빔의 입사각을 조정하는 광학수단을 포함함을 특징으로 하는 광학적 센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 직선빔을 라멜라 평면빔으로 변환하는 광학수단은 정적 수단인 것을 특징으로 하는 광학적 센서.
4. 제1항에 있어서, 광상자에 인접 설치하고 광전상 분석기를 구비한 최소한 1개의 검출기를 포함하며 상기 광전상 분석기의 전면에 대물렌즈를 구비함을 특징으로 하는 광학적 센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 광학적 센서는 대물렌즈수단에 상대적으로 상분석 장치를 경사시키는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광학적 센서.
6. 제4항에 있어서, 상기 광학적 센서는 상분석 장치에 의해 발생되는 각 화상라인위의 레이저 빔의 자취의 위치를 나타내는 데이타를 추출하기 위해 전자회로를 구비하고, 상기 전자회로는 수신된 발광강도를 나타내는 전기신호를 입력으로 받아 주사된 라인의 위치에 따라 그 크기가 변하며, 수신된 누적발광 에너지를 표시하는 증가하는 신호를 출력으로 내보내는 적분 단계와; 적분단계에서 제공된 에너지 신호를 입력으로 받는 제산단계와; 적분단계에서 공급된 에너지 신호를 입력으로 받는 시간지연단계와; 각각의 입력으로 제산단계와 시간지연단계의 출력신호를 받고, 비교기출력의 상태의 변화가 상 스캐닝 라인의 레이저 빔의 자취의 중간점의 위치를 한정하는 비교기 단계를 구비함을 특징으로 하는 광학적 센서.