KR100247145B1 - 공간 광 변조기 레이저 도트 스캐너 및 스캐닝 방법 - Google Patents

공간 광 변조기 레이저 도트 스캐너 및 스캐닝 방법 Download PDF

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Abstract

물체를 스캐닝하는 시스템이 개시된다. 시스템은 광원, 공간 광 변조기(22) 및 광원으로부터 공간 광 변조기와 스캐닝될 물체(25)에 광을 조사하기 위한 적절한 광학계(16, 20)으로 구성되어 있다. 변조기(22)상의 각각의 소자는 물체에 도달하는 광의 픽셀의 폭 만큼을 반사하도록 작동된다. 검출기(26)은 프로세스될 물체(25)로부터 반사를 수신하도록 장착된다. 시스템은 휴대용 이거나 카운터내에 장치될 수 있거나 또는 연부 검출기 스캐너와 같은 다른 응용에 사용될 수 있다.

Description

공간 광 변조기 레이저 도트 스캐너 및 스캐닝 방법
제1도는 쉴리에런 광학 시스템을위한 정지 상태에 있는 공간 광 변조기를 포함하는 스캐닝 시스템을 도시한 도면.
제2a도 내지 제2c도는 각각의 픽셀이 쉴리에런 광학 시스템용 장치의 시작, 중간 및 종료시에 활성화될 때의 광선을 도시한 도면.
제3a도는 공간 광 변조기와 암시야 광학계를 포함하는 스캐닝 시스템을 도시한 도면.
제3b도는 휴대용의 스캐닝 장치에 맞게 접힌 암시야 광학 스캐닝 시스템을 도시한 도면.
제4도는 데이타가 검출기에 의해 수신되고 처리된 결과를 나타낸 도면.
제5도는 공간 광 변조기 상의 픽셀의 엇갈린 배열을 도시한 도면.
제6a도는 쉬프트 레지스터의 어드레싱에 의한 가능한 데이타 흐름을 도시한 도면.
제6b도는 쉬프트 레지스터의 어드레싱에 의한 데이타 흐름의 타이밍을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
9 : 광원 22 : SLM
24 : 검출기 26 : 렌즈
25 : 물체 28A, 36A, 38A : 편향된 픽셀
48 : 암시야 광학시스템
본 발명은 영상을 스캐닝하는 시스템에 관한 것으로, 특히 공간 광 변조기를 사용하는 시스템에 관한 것이다.
여러 장소에서 영상을 스캐닝하는 시스템을 발견할 수 있다. 슈퍼마켓에서는 이들을 제품 라벨상의 바코드를 스캐닝하는데 이용한다. 이들은 보통 카운터 상부의 하단에 장착되어, 시스템은 아래에 있는 바코드를 스캐닝한다. 백화점에서는 보통 휴대용을 가지고서 점원이 구매되는 제품의 정가표를 스캐닝 하도록 한다. 재고 기록이 만기가 되었을 때, 점원은 매장으로 나와서 진열대에 있는 품목을 기록할 수 있다. 스캐닝은 또한 자동 물류 운반에 쓰이는 연부 스캐너와 같이 다양하게 응용될 수 있다.
종래의 스캐너는 보통 광원과 결합되어 사용되는 미러를 이용한다. 예를 들어 슈퍼마켓 스캐너에서 광원은 레이저의 한 형태이다. 미러는 회전하는 다각형의 고체로서 선형 축을 따라 광 도트를 스캐닝한다. 보통 스캐닝 광학 시스템의 가까이에는 검출기가 장착되어 장치로 되돌아오는 광을 기록한다. 바코드가 흰 영역을 가질 때, 흰 종이는 광을 산란시키기 때문에 약간의 회귀하는 광이 있다. 그러나, 광 도트가 검은색의 바와 충돌하면 광도는 떨어진다. 이러한 광도 저하는 장치로 하여금 약간의 단순한 처리를 하도록 신호한다. 장치는 회귀하는 광이 얼마동안 없는지의 시간의 증가를 계수한다. 두꺼운 검은 바는 6 또는 7 정도 증가하고, 얇은 것은, 1 또는 2만 증가할 것이다. 이와 같은 방식으로 바코드가 스캐닝 된 뒤에 금전 등록기는 읽혀진 바코드를 제품의 데이타 베이스와 비교하여 제품과 그것의 가격을 선택한다.
때때로, 이 시스템은 바코드를 읽는데 오랜 시간이 걸린다. 시스템은 동일한 속도로 스캐닝 하고 있으나, 미러의 이동 때문에 때로는 잘못 읽을 수 있다. 금전 등록기는 관련된 제품을 찾을 수 없으며 코드는 다시 읽혀져야 한다. 더욱 중요한 것은 미러를 회전시키는 것과 같은 기계적 드라이버는 값이 비싸고 비교적 많은 전력을 소비한다. 그 밖에, 장치는 미러가 회전할 수 있는 충분한 공간과 미러가 이동하도록 추진력을 주는 코일 또는 모터를 포함할 수 있는 정도의 다소 큰 부피를 가져야 한다. 결론적으로, 이들 기계적 부품들은 마모되어, 미러가 올바르게 회전하지 않음에 따라 상당히 불량한 판독을 제공하거나 완전히 기능을 정지하거나 할 것이다.
각 장치의 수명을 증가시키기 위해서는 이동하는 기계적 부품을 제거하는 것이 바람직할 것이다.
이는 또한 장치를 경량, 정밀하게 하며 재 스캐닝할 필요성을 없애준다.
발명의 목적과 장점은 분명해질 것이며, 아래에서 부분적으로 나타날 것이고, 광원, 선형 공간 광 변조기(SLM) 및 적절한 광학계를 사용하는 영상 스캐너를 제공하는 본 발명에 의해 달성될 것이다. 영상은 SLM의 라인을 따라 한번에 1픽셀을 활성화시켜 스캐닝되어 종래의 스캐너에서 이동하는 미러의 기능을 대신하게 된다.
본 발명의 목적은 다른 이동하는 기계적 부품을 필요로 하지 않고서 경량이고, 신뢰성이 높은 스캐너를 제공하는 것이다.
첨부한 도면과 관련한 다음의 설명을 참조하면 본 발명과 그 장점을 완전히 이해할 수 있다.
제1도는 이동하는 미러를 사용하지 않는 정지 스캐닝 시스템의 평면도이다. 광선(10, 12 및 14)는 변조기의 우측, 중앙 및 좌측을 조사할 것이다. 광원으로부터의 광은 3개의 광선을 고정 경사진, 스톱 미러(18)상에 집속하는 렌즈(16)을 통과한다. 스톱 미러(18)은 광선을 반사 및 분리하여 광선은 렌즈 소자(20)을 통과한다. 렌즈 소자(20)은 광선을 조준하여 이것들을 공간 광 변조기 어레이(22)에 통과시키므로 소자(16)의 반대 효과를 달성하게 된다. 이 경우에, 어레이의 어떠한 픽셀도 활성화되지 않는다. 정지 상태에 있는 공간 광 변조기의 유일한 요구 조건은 이것이, 광선이 통과하여 도착한 동일한 경로를 따라 그들을 반사하는 것이다. 이 상태에서, 스톱 미러는 그 위에 검출기(26)이 장착된 소자(24)에 어떠한 투광도 도달하지 않도록 작용한다. 검출기는 반드시 그곳에 장착될 필요는 없다. 그러나, 유일한 요건은 스캐닝된 물체로 부터의 반사를 검출할 수 있어야 한다는 것이다.
이 점에 있어서 SLM을 따르는 모든 픽셀은 활성화 되어야 한다. 픽셀의 한 어레이는 1000 픽셀 길이로 될 수 있다. 예를 든 3개의 픽셀의 사용은 장치상의 관심있는 3개의 영역을 나타내기 위한 것이다. 이는 단지 세 개의 이러한 픽셀만이 사용됨을 의미하는 것은 아니다.
제2a도는 바 코드와 같은 물체들이 어떻게 스캐닝되는가를 도시하고 있다. 공간 광 변조기의 요건은 바뀌게 된다. 이러한 부품의 시스템에서 영상을 스캐닝하기 위해, 공간 광 변조기는 입사 경로와는 다른 경로로 나가는 비임을 반사시킬 수 있어야 한다. 또한, SLM은 한번에 한 픽셀씩 반사할 수 있어야 한다.
이것을 위한 이상적인 SLM은 변형 미러 장치(DMD)이다. DMD는 공극을 통해 힌지상에 매달린 미세 기계적 미러의 어레이로 구성되어 있다. 미러 밑에 있는, 공극의 바닥에는 미러를 어드레싱하기 위한 전극의 어레이가 있다. 전극이 전하를 띨 때 전극상의 미러는 다시 다른 경로를 따라 광을 향하게 할 수 있는 각도로 편향된다.
광선(10, 12 및 14)는 전술한 동일한 경로를 따라 진행한다. 그러나 광선이 렌즈를 지나 SLM까지 통과할 때, 광선(10)이 어레이에 충돌하는 픽셀(28A)가 일정각으로 편향한다. 광선(12 및 14)가 검출하는 픽셀 및 도시되지는 않는 모든 다른 픽셀은 편향되지 않는다. 편향된 비임(30)은 비임(10)에 이전에 있었던 광을 이송한다. 비임의 새로운 경로로 인하여, 비임(30)은 스톱 미러(18)을 빗나가서, 렌즈 소자(4)를 통과하여 진행한다. 슈퍼마켓 또는 백화점의 스캐너에 있어서 광은 바코드 또는 물체에 충돌하고 스포트(28B)가 흰색 바 상에 있으므로 검출기에 산란광을 반사하게 된다. 단지 픽셀(28A)에 대응하는 스포트(28B)에 의해 반사된 광만이 검출기에 보일 것이다. 흰색은 물체(25)상에 융기한 부분으로, 검은색은 융기된 부분 사이의 개구로 표시되었다.
제2b도에서 비임(12)내의 영상의 중앙에 대해 동일한 것이 반복된다. 이번에는 모든 다른 픽셀이 평면인 반면 픽셀(36A)가 편향되고, 편향된 비임(32)는 스톱 미러(18)로부터 떨어지게 향하게 된다. 광선(32)는 렌즈(24)를 지나며 포인트(36B)가 검은 스포트 상에 있으므로, 낮은 광도의 광을 검출기(26)에 반사시킨다. 제2c도는 비임(14)내의 영상의 좌측 연부를 위한 동일한 프로세스를 도시하고 있다. 비임(14)는 편향된 픽셀(38A)상에 충돌하고 비임(34) 내로 반사된다. 다음에 비임(34)는 렌즈(24)를 통과하여 포인트(38B)의 바코드 또는 물체에 충돌한다.
제3a도는 암시야 광학계를 사용하는 스캐닝 시스템의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 광원(9)는 광을 렌즈(11)에 통과시켜, 비임(10, 12, 및 14)를 경유하여 공간 광 변조기(22)로 향하게 된다. 픽셀(28A, 36A 및 38A)중 어느 픽셀이 편향되면, 각각의 광 경로(30, 32 및 34)를 따라 진행할 것이다. 편향되지 않은 픽셀의 광은 사용되지 않은 광으로서 경로 그룹(29)를 따라 진행할 것이다. 반사된 광은 암시야 광학 시스템(48)을 지나 물체(25) 상에 충돌한다. 검출기는 도시되지 않았으나 물체로부터 반사된 광레벨을 수신하기 위해 물체(25)에 근접하여 어느곳에나 위치할 수 있다.
쉴리에런(Schlieren) 광학계 또는 암시야 광학계의 사용은 다른 모든 형태의 광학계의 선택과 같이 설계자의 의도에 달려 있다. 쉴리에런 광학계는 신호 강도와 동적 범위 간의 고유한 절충을 요구하는 반면, 암시야 광학계는 적절하기만 하면 강한 신호와 큰 폭의 동적 범위를 둘다 제공할 수 있다. 그 밖에, 다른 광학계는 긴 광 축을 필요로 한다. 이 문제는 제3b도에서 도시하듯이 제거될 수 있다.
제3b도에서, 제3a도로 도시된 전술한 암시야 광학계의 광학 경로는 접혀 있다. 이것은 특히 크기가 디자인상 제약이 되는 휴대용 장치에 유용하다. 광원(9)는 렌즈(11)을 통하여 투광된다. 이러한 투광의 경로는 광을 SLM(22)로 통과시키는 포울드 미러(15)에 의해 접혀진다. 반사된 광은 다시 도시된 경로(30, 32 및 34)로 표시된 방향으로 통과한다. SLM에서 반사된 광은 광학계(48)을 통과하여 물체(25)상에 충돌한다. 휴대용 장치에서 포울드 미러는 트리거 가드 바로 뒤에 위치할 수 있으며, 광원은 손잡이의 바닥내에 있고, 바렐의 한 끝에는 SLM이 있고, 다른 한 끝에서는 광이 빠져나간다. 도시되지는 않았으나 스위치는 광원과 SLM을 작동시키고, 통상 휴대용 장치에서는 압력 스위치로 되어 있다. 상부에 장착된 카운터 장치에서 광원은 항상 켜저 있으나 시스템은 물체가 앞에 있을 때만 스캐닝을 기록한다.
제4도는 검출된 정보와 그 정보가 어떻게 바코드로 변환되는가를 도시하고 있다. 라인(40)은 검출기에 있는 정보를 포함하고 있다. 영상의 라인을 따라 편향된 광 비임은 바코드 상에 충돌한다. 바코드가 흰 스포트를 가질 때, 검출기는 세그먼트(42A)를 "본다". 세그먼트(44A)에서, 바코드는 낮은 광도의 광을 검출기에 반사하는 검은 색의 바를 갖는다. 유사하게, 세그먼트(46A) 중에는 흰색의 바가 있다. 프로세스된 후의 최종 정보가 라인(41)상에 보여진다. 스파이크(42B)는 흰색바의 시작을 나타낸다. 스파이크(44B)는 검은 색 바의 시작을 나타낸다. 다음에 프로세서는 스파이크(44B)의 하강 연부와 스파이크(46B)의 상승 연부 사이의 픽셀의 수를 계수하여 검은색 바의 폭을 기록한다. 이러한 프로세스는 바코드의 전체 길이가 스캐닝될 때까지 계속된다. 이 데이타는 다음에 어떤 제품번호로 변환되어 그 가격이 금전 등록기로 보내진다.
이것을 행하기 위해서는 스캐너가 극도로 빠르거나 영상이 느리게 나타나야 한다. 이것은 종종 슈퍼마켓에서 잘못 판독하는 원인이 된다. 점원은 제품을 스캐너위로 너무 빠르게 움직여 불완전한 스캐닝을 야기시킬 것이다.
DMD는 불완전한 스캐닝이 매우 적다는 장점이 있다. 제4도에 도시한 것과 같이 엇갈리게 배열된 미러의 행들은 속도를 증가시켜 빠른 검출기와 부합된다.
제5도에서 픽셀의 엇갈린 배열이 공간 광 변조기(22)상에 도시되어 있다. 픽셀(50A-50D)는 제6도에서 볼 때 더욱 흥미 있을 것이다. 제(6)도는 변형가능 미러 장치(DMD)용 어드레스 회로의 가능한 구현예를 도시한 것이다. 실제로, 제6a도에 도시한 어드레싱 회로는 제5도에 도시한 미러 아래에 있는 것이다.
픽셀(50A-50D)을 편향시키기 위해서, 모든 픽셀은 각각의 미러 밑에 위치되어야 한다. 그렇게 하는 한가지 방법은 모든 0과 하나의 1을 모든 쉬프트 레지스터 내로 쉬프트 하는 것이다. 인접한 쉬프트레지스터는 모든 0과 하나의 1을 가질 것이지만, 1은 앞에서부터 한 레지스터씩 오프셋 될 것이다. 이것은 픽셀(50A-50D) 바로 밑에 있는 레지스터들에서 보여질수 있다. 데이타는 클럭(52A-52D)에 의해 클럭된다. 새로운 데이타가 DMD 미러의 레지스터까지 도달하는데 걸리는 전형적인 스위칭 시간은 10μsec 이다. 이것은 빠른 스캐닝을 가능하게 하기에는 너무 느릴 것이다. 서로 다른 클럭 체계로 엇갈린 구조와 결합한 배열은 픽셀의 프로세스 시간을 2.5μsec 로 할 수 있다.
클럭(52A-52D)의 타이밍이 제6b도에 도시되어 있다. 제6a도 내의 라인(54A)는 제5도의 미러(50A)을 도시한 것이다. 데이타는 2.5μsec길이인 세그먼트(56) 동안 픽셀(50A)의 바로 밑에 위치하는 어드레스 레지스터의 셀내로 클럭된다. 미러가 10μsec의 스위칭 시간에 있는 동안 다음의 픽셀(50B) 라인(54B)상에 보이는 데이타인 펄스(58B)로 클럭된다. 이것은 모든 4개의 픽셀이 데이타로 클럭될때까지 계속된다. 픽셀(50D)가 라인(54D)에 보이는 펄스(58D)를 수신한 뒤에, 픽셀(50A)는 다시 데이타를 수신할 수 있다. 이것은 펄스(60A)로 클럭된다. 펄스(58A)의 선행 연부와 펄스(60A) 사이의 시간차는 세그먼트(62)로 도시된다. 요약하면, 제1픽셀을 스위칭 하는데 걸렸던 시간에서 4개의 픽셀의 광은 스캐닝될 물체로 보내진다. 이러한 체계는 얼마나 빨리 스캐너가 동작할 필요가 있는가에 따라 어떤수의 픽셀에도 사용될 수 있다.
이러한 스캐닝 방법은 종래의 것보다 더 빠르다. 어떤 타이밍 구조가 사용되든지 간에, 이 스캐너는 회전하는 미러와 이를 구동하는 모터 또는 코일의 제거로 경량이고 소형이며 적은 전력을 사용한다.
따라서, 지금까지 스캐닝 시스템에 관한 특정한 실시예가 설명되었으나, 이러한 특정한 실시예가 특허 청구 범위에 기술된 것 이외의 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.

Claims (5)

  1. 물체를 스캐닝하기 위한 영상 시스템에 있어서,
    a. 광원,
    b. 상기 광원으로부터 상기 물체에 광을 조사하기 위한 공간 광 변조기,
    c. 상기 물체로부터 반사된 상기 광을 검출하기 위한 검출기 및
    d. 상기 광원으로부터 상기 공간 광 변조기로, 그리고 상기 공간 광 변조기로부터 상기 물체로 광을 조사하는 광학부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스캐닝 시스템이 휴대용인 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스캐닝 시스템이 상기 영상 아래에서 부터 스캐닝 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기가 변형가능 미러 장치인 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 물체를 스캐닝하는 방법에 있어서,
    a. 광원으로부터 조사 투광을 제공하는 단계,
    b. 상기 투광을 공간 광 변조기에 통과시키는 단계,
    c. 상기 투광된 일 부분을 물체에 반사하기 위해 상기 공간 광 변조기상의 적어도 하나의 소자를 편향시키는 단계,
    d. 상기 투광을 상기 물체에 충돌시키는 단계 및
    e. 상기 물체로부터의 상기 투광 반사를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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