KR100474165B1

KR100474165B1 - 3차원형상계측장치

Info

Publication number: KR100474165B1
Application number: KR1019970045889A
Authority: KR
Inventors: 치요하루 호리구치; 데쓰오 아마노; 히로유키 마쓰우라; 시게오 다카하시; 고지 와타세; 히데오 히루마
Original assignee: 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2005-07-01
Also published as: EP0829231A3; TW349168B; KR19980019222A; CN1089891C; EP0829231A2; JPH10122850A; DE69727632D1; CN1176378A; EP0829231B1; JP3940826B2; US5850290A; DE69727632T2

Abstract

3차원 형상 계측장치는 계측공간을 에워싸도록 배열되고 수직방향으로 이동할 수 있도록 배열된 이동 프레임과, 상기 이동 프레임의 2개의 대향쪽에 상호 대향하여 배치되고 계측할 대상물(object)인 인체와의 거리를 계측하기 위해 광의 수평 스캐닝을 실행하도록 배열된 복수의 센서와, 상기 이동 프레임을 이동하기 위한 구동기구와, 인체의 표면 위치, 즉 그 3차원 형상의 표면 위치의 데이터를 분석하기 위해 각 센서로부터 출력 신호에 근거하여, 인체에 대한 거리를 계산하기 위한 분석기(analyzer)와, 인체가 놓이는 배치 스테이지로 이루어진다. 상기 센서들이 인체의 앞과 뒤를 향하도록 배치되기 때문에, 상기 장치는 또한 겨드랑이 아래와 가랑이 아래 부분을 계측할 수 있다.

Description

3차원 형상 계측장치{Three-dimensional shape measuring apparatus}

본 발명은 인체와 같은, 계측할 몸체 표면의 3차원 형상을 계측하기 위한 3차원 형상 계측장치에 관한 것이다.

종래의 공지된 3차원 형상 계측장치중 하나는 일본특허공보 제 93-71882 호에 개시되어 있다. 이 3차원 형상 계측장치는 도 13A 및 도 13B에 도시된 바와 같이, 계측 대상(2)의 표면에 대한 거리를 검출하기 위한 복수의 검출 헤드(121)가 원주상으로 배열되고 그 전체가 수직으로 이동할 수 있도록 배열되는 계측링(120)과, 상기 계측 링(120)의 수직 이동을 안내하기 위한 가이드부재(102)와, 이 계측링(120)을 이동하기 위한 구동기구(103)를 갖도록 구성된다. 이 3차원 형상 계측장치로서, 인체와 같은 상기 계측대상(2)은 계측 링(120)내에 배치되고, 계측 링(120)은 검출 헤드(121)의 작동으로 상하 이동하며, 각 검출 헤드(121)의 거리 데이터는 계측 링(120)의 각 수직위치에 수집되어, 상기 데이터가 연산되고, 그래서 계측대상(2)의 표면의 3차원 형상을 계측한다. 상기 계측 링(120)의 무게가 너무 크기 때문에, 자체 관성으로 인해 이 3차원 형상 계측장치는 이동 속도가 균일하기 전에 약간의 시간을 필요로 한다. 또한, 그 기간 동안에, 정확한 형상 계측을 수행하기 위해, 계측 링(120)의 위치들이 검출되고 계측 링(120)의 작동시간은 검출 헤드(121)의 작동시간과 일치함으로써, 계측대상(2)의 형상은 보다 정확하게 계측 된다.

그러나, 상기 종래의 3차원 형상 계측장치는 다음과 같은 여러 가지 문제점을 갖는다.

첫째, 계측대상의 표면 형상을 정확하게 계측하기 위해 많은 검출헤드(121)

가 필요한데, 이것은 비용을 증가시킨다. 또한, 소정의 포인트를 향해(중심을 향해) 정확하게 배치되어야만 하는데, 이것은 조정을 어렵게 한다. 설치된 후에 엔지니어에 의해 장시간이 소요되는 이러한 조정은 도입 비용을 증가시킨다.

둘째, 상기 계측 링(120)에 설치된 각 검출헤드(121)(거리 센서)는 계측 링(120)의 중심을 향하기 때문에, 계측대상(2)의 표면이 예를 들어 계측대상이 인체일 때, 겨드랑이 아래부분과 다리 사이에 가랑이 아래부분과 같은 돌출부와 함몰부를 가질 때에, 계측몸체 자체의 다른 부분, 예를 들어 팔 또는 넓적다리 등에 의해 방해를 받게 되고, 이것은 돌출부 또는 함몰부의 형상의 정확한 계측을 허용하지 않는다.

셋째, 상기 계측대상이 인체와 같은 무거운 무게를 갖는 것이고, 계측대상이 계측을 위해 장치내에 배치될 때에, 계측대상의 무게에 의해 장치가 미세하게 비틀리는 경우가 발생할 수 있다. 그러한 경우에, 계측 링과 계측대상의 상대 위치 사이에 편차가 발생하고, 이것은 정확한 계측을 허용하지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 장치의 프레임을 강화함으로써 강화된 견고성을 갖는 구조체로 상기 장치를 조립하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 구조체는 전체 장치의 무게를 크게 증가시키고, 이것은 장치의 조립 및 설치작업을 어렵게 만들어 취급의 용이성을 감소시킨다. 더욱이, 상기 장치는 무게에 대해 플로어 저항성(floorresistant)을 갖는 곳 외에 장소에는 설치할 수 없고, 따라서 설치장소가 제한된다. 또한, 이것은 장치의 부품 비용을 증가시키는 원인이 된다.

넷째, 상기 계측은 계측 링의 이동가능 범위 보다 작은 대상만으로 제한된다. 특히, 상기 계측대상이 계측 링의 이동가능범위보다 높은 큰 대상일 때에, 계측대상의 형상은 계측 링의 이동가능범위에서만 자연스럽게 계측될 수 있다. 즉, 형상이 계측대상의 상부 및 하부는 계측될 수 없는 경우가 있다.

다섯째, 만약 장치내에 설치된 계측대상이 계측동안에 계측을 위해 이동한다면, 상기 계측을 무효로 될 것이고, 계측대상이 계측 링에 접촉하여 계측 링을 파괴하거나 또는 손상을 줄 수 있다.

여섯째, 계측 링이 무겁기 때문에, 계측 링을 구동하기 위해 큰 스케일의 모터가 구동수단으로서 부착될 필요가 있고, 이것은 전체 장치의 무게를 증가시키고 또한 모터를 작동하기 위해 필요한 전력을 증가시킨다.

본 발명은 이러한 문제들을 해결하기 위해 완성되었다. 본 발명의 제 1 목적은 소량의 센서로 3차원 형상을 확실히 계측할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 제 2 목적은 계측대상이 인체일 때에 겨드랑이 아래 부분 및 두 다리 사이의 가랑이 아래 부분의 형상을 명확하게 계측할 수 있는 3차원 형상 계측 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 제 3 목적은 무거운 대상을 계측할 수 있는 경량 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 제 4 목적은, 큰 스케일의 계측대상 전체를 명확하게 계측할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 제 5 목적은 센서의 보호 및 계측대상의 안전을 보장하는 장치를 제공하기 위한 것이다. 마지막으로, 본 발명의 제 6 목적은 장치의 작동전력을 감소시키기 위한 것이다.

본 발명에 따른 3차원 형상 계측장치는 (1) 계측공간의 중심을 통과하는 소정의 축을 에워싸도록 상기 계측공간둘레에 배치되고 축의 방향으로 이동할 수 있도록 배열된 이동 프레임과; (2) 복수의 센서들이 이동 프레임의 2개의 대향쪽의 각 소정 영역에 주로 배치되도록 이동 프레임 상에 원주 방향을 따라 배치되고, 계측대상의 다른 부분의 표면에 대한 거리를 계측하기 위한 4개 이상의 센서와; (3) 상기 축의 방향으로 이동 프레임을 이동시키기 위한 구동기구와; (4) 축의 방향으로 이동 프레임의 위치를 검출하여 출력하기 위한 위치검출수단과; (5) 각 센서로부터의 출력 및 위치 검출수단에 근거하여, 이동 프레임의 각 이동 위치에서 각 센서로부터 계측대상의 표면까지 거리의 데이터를 계산하고, 거리 데이터에 근거하여 계측대상의 표면의 3차원 형상을 분석하기 위한 분석수단을 포함하는, 비접촉 방식으로 계측공간내에 놓인 계측대상의 3차원 형상을 검출하기 위한 3차원 형상 계측장치이다.

본 장치에서, 상기 계측대상은 계측공간내에 놓이고, 계측대상의 표면과 센서 사이의 거리는 소정 축의 방향으로 이동 프레임을 이동시키면서 이동 프레임에 배치된 복수의 센서에 의해 계측된다. 이들 센서들은 계측공간에 대하여 대향측에 소정 영역에 집중되게 배치된다. 따라서, 한 쪽에 배치된 센서들은 다른 쪽에 배치된 센서들에 대향하여 배열된다. 계측대상의 표면이 돌출부와 함몰부를 갖는 경우에, 어느 한 센서에 대향하여 배치된 돌출 또는 함몰면에 대하여 계측이 실행되며, 이것으로 돌출 또는 함몰면에 대한 명확한 계측거리를 얻을 수 있다. 상기 센서에 의해 거리를 계측하는 동안 또한 거리계측시 이동 프레임의 위치는 위치검출수단에 의해 계측된다. 거리 계측시 각 센서의 위치의 3차원 좌표를 나타내는 위치 데이터는 이동 프레임의 위치로부터 얻어진다. 그 후에, 이동 프레임의 이동에의해 검출된 계측 대상의 표면과 센서 사이의 거리 데이터와 상기 위치 데이터로부터 계측공간내에 계측대상 표면의 3차원 좌표를 나타내는 위치 데이터가 얻어진다. 이 위치 데이터의 설정은 계측대상 표면의 형상을 나타내는 3차원 데이터이다. 돌출부 및 함몰부를 갖는 대상 표면의 3차원 형상은 이러한 방법으로 정밀하게 계측될 수 있다.

다른 배열에서, 본 발명에 따른 3차원 형상 계측장치는 전술한 (2) 대신에, (2a) 계측대상의 다른 부분의 표면에 대한 거리를 계측하기 위해 이동 프레임 상에 원주 방향을 따라 배치된 복수의 센서로 이루어지고, 각 센서의 광축들은 축의 방향으로 돌출 표면 상에 한 점에서 교차하지 않는 것을 특징으로 한다.

이 장치는 센서들의 배향이 모든 센서들이 계측공간내에 특정한 지점(point)(또는 센서들이 축방향으로 다른 위치에 배치되는 곳의 축의 상기 방향에대해 평행한 특정 직선)을 향하는 것을 방지하기 위해 다르게 되도록 배열되기 때문에, 심지어 계측대상의 표면이 돌출부 및 함몰부를 가질 때 조차도, 전술한 장치내에서 돌출 또는 함몰면에 대한 거리는 어느 한 센서를 향하도록 계측대상을 배치하는 것에 의해 명확하게 수행될 수 있다. 또한, 대상 표면의 3차원 형상은 이러한 경우에 명확하게 계측될 수 있다.

또한, 계측대상을 향해 광을 투사하기 위한 투광부(light projection portion)와, 계측대상으로부터 산란 또는 반사광을 수용하기 위해 투광부로부터 떨어져서 소정 거리에 배치되는 수광부(light receiving portion)를 갖는 각 센서를 갖는 센서들은 3각 측량에 의해 계측대상에 대한 거리를 검출하도록 배열될 수 있으며, 여기에서 상기 투광부는 축 방향에 수직한 방향으로 소정 각도범위에서 광의스캐닝을 실행한다.

이 배열은 투광부로부터 투사된 광이 계측대상의 표면에 불규칙적으로 반사(산란)되도록 하며, 상기 반사광의 일부는 투광부로부터 떨어진 소정 거리의 위치에 배치된 수광부로 입사한다. 계측대상의 표면을 통해 투광부로부터 수광부로 운행하는 광의 경로에 의해 삼각형이 형성되고 그 삼각형은 계측대상의 위치에 따라 달라진다. 그 결과, 수광부로 들어가는 반사광의 입사각 또는 위치는 계측대상의 표면에 대한 거리가 3각 측량에 의해 얻어질 수 있는 것에 근거하여 다르다. 또한, 축 방향에 수직한 광의 스캐닝은 1개의 센서가 계측대상의 복수의 다른 표면위치에 해당하는 거리 데이터를 계측할 수 있도록 해준다. 즉, 소량의 센서에 의한 정확한 계측을 허용하고, 이것은 조정을 단순화하고 또한 설치시에 제조비용 또는 조정 비용등을 감소시킨다.

본 장치는, 또한 이동 프레임의 같은 측에 상호 인접하여 배치된 센서들내에 각각의 투광부의 스캐닝 중심이 계측공간의 중심보다 센서들로부터 보다 먼 거리로 상호 교차되도록 배열될 수도 있다.

이러한 배열은, 각 센서가 대향된 센서에 보다 반대쪽에 위치하기 때문에, 계측대상의 표면에 돌출부 및 함몰부가 있는 경우에, 계측은 센서들 중의 어느 하나를 향하는 돌출 또는 함몰표면에서 수행되며, 이것은 또한 투광부로부터 함몰부표면으로 광의 입사를 증대시키고 이것은 수광부가 산란광을 보다 용이하게 수용하게 해준다. 그러므로, 예를 들어, 인체의 겨드랑이 아래 및 가랑이 아래부분의 형상과 같은 곳에서 계측이 신뢰성있게 수행될 수 있다.

본 장치는 각 센서의 수광부가 그것에 대향하여 배치되는 다른 센서의 투광부로부터 축의 방향으로 소정 거리 떨어진 곳에 배치되도록 배열된다. 이러한 배열은, 계측대상이 각 센서의 수광부와 그것에 대향하여 배치된 센서의 투광부사이에 공간을 가로막지 않는 경우에서 조차도, 투광부로부터 조사된 광이 각 센서의 수광부로 직접 들어가는 것을 방지한다. 즉, 적은 노이즈로 고정밀 계측이 성취될 수 있다.

상기 이동 프레임은 U자형 또는 말편자형(horseshoe shape)이 될 수 있다. 이러한 경우에, 이동 프레임의 일측은 개방되고 그 개구부는 계측대상 등의 도입을 위해 사용할 수 있다.

본 장치는 또한 계측공간내에 계측대상이 배치되는 배치 스테이지(placement stage)를 포함할 수 있다. 이러한 배열은 계측대상의 최하부까지 계측을 할 수 있다. 이 배치 스테이지의 탈착가능한 배열은 높이가 큰 계측대상일 때 조차도 전체 3차원 형상의 명확한 계측을 허용한다.

본 장치는 이동 프레임의 이동 공간으로부터 계측공간을 분리하기 위한 내벽커버를 또한 포함한다. 이러한 배열은 이동 프레임의 이동 공간으로부터 계측공간을 명확하게 분리하고, 따라서 안전한 계측을 보장한다.

본 장치는, 또한 이동 프레임의 이동 공간으로부터 계측공간을 분리하기 위한 내벽 커버를 포함하고, 이 내벽 커버는 센서들과 계측대상 사이에 부분에서 광을 전달하기 위한 창(window)을 갖는다. 이러한 배열은 이동 프레임의 이동공간으로부터 계측공간을 명확하게 분리하고, 센서의 입력/출력광이 방해 받는 것을 방지한다. 따라서, 이 배열은 안전하고 확실한 계측을 보장한다.

본 장치는 축의 방향이 거의 중력방향이 되도록 배열될 수 있으며, 상기 3차원 계측장치는 계측공간위에 배치되는 회전부재와, 그 일단이 이동 프레임에 연결되고 그리고 타단이 이동 프레임 무게와 거의 동일한 무게를 갖는 평형기(balancer)에 연결되며, 그 회전부재 둘레에서 후크 결합된(hooked) 가요성의 기다란 부재를 또한 포함하고, 상기 구동 기구는 상기 가요성의 기다란 부재를 통하여 이동 프레임을 이동시키기 위하여 회전부재를 회전시킨다.

이러한 배열은 가요성의 기다란 부재에 연결된 평형기에 의해 이동 프레임과 거의 평형을 이루고, 이것은 이동 프레임을 이동하기 위해 회전부재를 회전하는 데 필요한 힘을 감소시킨다. 이러한 점은 이동 프레임의 이동효율을 향상시키고 장치의 전력 소비를 감소시킨다.

본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면은 본 발명을 보다 완전하게 이해할 수 있도록 할 것이고, 본 발명이 그 설명 및 도면에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 적용범위는 아래 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 될 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정한 실시예는 각 발명의 바람직한 실시예를 통해 이해될 것이고, 당업자에 의해 이 상세한 설명으로부터 본 발명의 범위 및 기초개념내에서 다양한 변화 및 변형이 이루어질 것이다.

본 발명에 따른 3차원 형상 계측장치의 실시예는 첨부도면에 근거하여 기술될 것이다. 도면들에서, 동일한 부재는 동일한 도면부호로 표시될 것이고 상세한 설명은 생략될 것이다. 또한, 도면의 크기와 비는 상세한 설명의 것과 항상 일치하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상 계측장치(1)의 전체개략도이고, 도 2는 3차원 형상 계측장치(1)의 수평단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이,본 실시예에 따른 3차원 형상 계측장치(1)는 인체(2)가 계측대상일 때 인체의 형상(인체의 윤곽, 인체의 부분 형상등)을 계측하기 위한 장치이다. 장치 내부에 계측공간(11)이 형성되고, 이동 프레임(3)이 계측공간(11)을 따라 수직으로 이동할 수 있도록 배열된다. 상기 이동 프레임(3)은 수직방향을 따라 인체(2)의 형상을 연속적으로 계측하기 위한 것이고 복수의 센서(4)들은 이동 프레임(3)의 원주 방향을 따라 그 위에 설치된다. 이동 프레임(3)의 형상은 계측공간(11)을 둘러쌀 수 있는것으로 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같은 말편자 형상이 될 수 있다. 즉, 이동프레임(3)이 이동 프레임(3)의 일부에 절단부(31)를 제공하기 위해 말편자 형상으로 형성될 때에, 사람은 계측공간(11)을 둘러싸는 형상에도 불구하고 이동 프레임(3)이 배치되는 곳은 어디든지 항상 계측공간(11)으로부터 나오거나 또는 계측공간내로 들어갈 수 있다.

상기 센서(4)들은 계측공간(11)내에 놓인 인체(2)에 대한 거리를 계측하기 위한 것이고, 인체(2)에 대하여 다른 방향을 따라 그 표면상의 다른 위치에서 거리를 계측할 수 있도록 배치된다. 도 2에서, 이동 프레임(3)은 6개 센서(4₁ 내지 4₆)를 구비하나, 그 센서(4)의 세트 수는 만약 형상이 인체(2)의 전체 둘레에 걸쳐 계측될 수 있다면 7개 이상 또는 5개 미만이 될 수도 있다. 그러나, 인체(2)의 전체둘레의 형상을 정밀하게 계측하기 위해 최소한 3개가 필요하고, 바람직하게는 전체둘레의 형상을 명확하게 계측하기 위해 4개 이상의 센서(4)가 설치되어야 하는 것은 확실하다.

상기 센서(4)들은 말편자형 이동 프레임(3)의 대향측면상에 각 3개를 포함하는 2개의 세트(4₁ 내지 4₃ 및 4₄ 내지 4₆)로 나누어 배열된다. 센서(4)들의 상세한 위치는 아래에 기술될 것이고, 각 센서의 구조가 먼저 기술된다. 예를 들어, 이들 센서(4)는 광학적 3각 측량에 의해 거리를 계측하기 위한 반사형 광전자 센서가 될 수 있다.

예를 들어, 센서(4)는 도 3에 도시한 바와 같이 투광부(45) 및, 상기 투광부(45)의 어느 한쪽에 대칭적으로 상하로 배치된 2개의 수광부(46)를 갖는다. 투광부(45)에서, 조사광을 평행광으로 변환하기 위한 광 투사 렌즈(43)는 발광부(light emitting portion;41)의 앞에 배치되고, 이 발광부(41)는 수평방향으로 선으로 배열된 LED 칩으로 구성된 복수의 발광부재(41b)를 갖는다. 이들 발광부재(41b)는 광을 차수대로 발광하기 위해 제어되고, 여기서 빔(41a)은 광 투사 렌즈(43)로부터 팬형상 스캐닝을 받는 인체(2)로부터 그리고 인체를 향해 방출된다. 빔(41a)의 수평 스캐닝은 1개 센서(4)에서 빔(41a)의 조사영역, 즉 센서(4)에 의해 거리-계측가능한 영역을 확장하고, 이것은 센서(4)의 세트 수의 감소를 허용한다.

한편, 각 수광부(46)는 반사광을 수용하고, 수광부재(42)의 표면상에 광을 집광하기 위해 그 앞에 배치되는 수광부재(42) 및 수광렌즈(44)를 갖는다. 이 수광부재(42)는 예를 들어, PSD(위치 감응 장치, position sensitive device)이다. 특히, 수광부재(42)는 레지스터층으로 구성되는 수광면(42a)을 갖고 그 다른 측상에 수광면(42a)의 상부 및 하부 엣지에 배치된 전극(42b, 42c)을 갖도록 조립된다. 수광부재(42)는 광이 수광면(42a)에 입사될 때, 광전류가 수광위치에 발생하고 이광전류는 두 전류로 나뉘어서 각 전극(42b, 42c)을 흐르도록 배열된다. 때때로, 상기 광전류는 수광위치와 각 전극(42b, 42c)사이에 저항에 따라 각 전극(42b, 42c)을 향해 흐르는 2 전류로 나뉜다. 따라서, 각 전극(42b, 42c)을 흐르는 전류의 비율은 수광부재에 입사광의 수광 위치에 따라 변하고, 이는 수광 위치의 검출을 허용한다.

투광부(45) 및 수광부(46)는 그들 광축의 중심이 서로 일치되도록 배치된다. 즉, 발광부(41) 및 수광부재(42), 광 투사렌즈(43) 및 수광렌즈(44) 는 각각 평행하게 배열된다.

이제, 이 센서(4)의 계측 원리는 간단하게 기술될 것이다. 도 4는 센서의 계측 원리를 나타내기 위한 도면이다. LED 칩으로부터 발사된 광은 광 투사 렌즈(43)를 통해 운행하여 계측대상인 인체(2) 표면에 의해 불규칙하게 반사되고, 그 일부는 수광렌즈(44)에 의해 수집되어, 수광부재(42)의 수광면(42a)상에 수광위치(SP)로 입사된다. 이 때, 광 투사렌즈(42)로부터 인체(2)까지의 거리를 L, 광 투사렌즈(43)와 수광렌즈(44)의 광축의 중심들간의 거리인 베이스 길이를 B, 수광렌즈(44)의 초점길이 즉, 수광렌즈(44)와 수광부재(42) 사이의 거리를 f, 전극(42b, 42c)들 사이의 거리를 C, 수광렌즈(44)의 광측의 중심으로부터 수광위치(SP)의 거리를 x₁으로 놓는다면, 다음 수학식이 얻어진다.

[수학식 1]

x₁ = Bf/L (1)

또한, 수광부재(42)의 각 전극(42b, 42c)으로부터 출력 전류(I_A,I_B)의 합을 I_O으로 놓는다. 출력 전류(I_A,I_B)는 수광위치(SP)와 각 전극 사이에 거리에 반비례하기 때문에, 출력 전류(I_A,I_B)는 다음 방정식으로 나타낼 수 있다. 여기서, X는 수광위치(SP)와 전극(42c) 사이의 거리이다

[수학식 2]

I_A = I₀ X/C

I_B = I₀ (C-X)/C (2)

및

[수학식 3]

X = x_O+ x₁ (3)

여기서, x₀ 는 전극(42c)과 수광렌즈(44)의 광축의 중심 사이에 거리이다. 수학식(1) 내지 (3)으로부터 X 및 x₁을 제거하면, 아래 수학식과 같다.

[수학식 3a]

(3a)

그러므로, 계측대상인 인체(2)에 대한 거리 L은 전류 I_A 및 I_B로부터 얻어질 수 있다.

또 다른 배열에서, 수광부재(42)는 도 5에 도시한 바와 같이 2-구분형 위치감응장치( two-segment-type position sensitive device)가 될 수 있다. 이 2-구분형 위치 감응장치에서, 소정의 커브형의 분리층(42d)은 수광면(42a)을 2개 수광면(42e, 42f)으로 나누고, 그리하여 분리된 각 수광면은 전극(42b, 42c)을 구비한다. 이 경우에, 전극(42b, 42c)에 평행한 슬릿광이 수광면(42a)에 입사될 때, 전류는 수광면의 각 측의 영역에 따라 각 전극으로부터 취한다. 따라서, 앞에서 설명한 거리 L에 대한 선형 계산으로 얻어지는 수광부재(42)는 이 곡선의 형상을 조정하는 것에 의해 제조될 수 있다.

전술한 바와 같이, 거리 L에 대한 선형 계산을 얻을 수 있는 수광부재(42)의 분리부(42d)의 형상에 의해 만족하게 되는 조건은 다음과 같다:

[수학식 4]

H(x) + W(x) + I = W

W(x) = ax/(x + b) (4)

여기서, H(x)는 광원으로부터 위치 x에서 광원측 수광면의 폭이고, W(X)는 대향측수광면의 폭이며, I는 분리층의 폭, W는 전체 수광면의 폭; 그리고 상수 a, b는 다음 조건을 만족시킨다.

[수학식 5]

a = L_f(W - 1) / (L_f- L_n)

b = fB / L_f (5)

여기서, L_f 및 L_n은 각각 가장 먼 거리와 가장 가까운 거리 측의 계측 제한을 나타낸다.

전술한 바와 같이, 상기 발광부(41)는 수평선으로 배열된 발광부재(41b)를 포함하고, 이들 발광부재의 연속적인 발광은 광 투사렌즈(43)로부터 인체(2)에 조사하는 빔(4la)의 수평 스캐닝을 실현한다. 수광부재(42)에 의해 각 빔의 산란광을 검출함으로써, 계측대상인 인체(2)에 대한 거리는 전술한 원리에 근거하여 계측 될 수 있다. 상기 수광부재(42)의 수광면(42a)에 대한 스캔 광의 반사광의 수평입사 위치는 방출된 스캔 광을 갖는 발광부재(41b)의 수평 위치와 같다. 그러므로, 수광부재(42)의 수평 폭은 발광부재(41b)의 수평 배열 길이 보다 커야 할 필요가 있다.

센서(4)는 도 3에 도시한 바와 같이, 수광부재(42)가 발광부(41)의 어느 한쪽에서 대칭적으로 상하 배치되기 때문에, 인체(2)의 표면이 수직적으로 변하면서 돌출부 및 함몰부를 가질 때 조차도, 상부 및 하부 수광부재(42)중 어느 하나는 인체(2)의 표면을 조사하는 빔(41a)의 산란광을 수용할 수 있으며, 이러한 돌출부 및 함몰부의 어떠한 표면 위치에서도 확실한 계측을 할 수 있다.

다음에, 센서(4) 그룹의 배열이 기술될 것이다. 센서(4)의 상세한 배열은 도 6에 도시되었다. 본 실시예의 경우에, 상기 센서(4)들은 계측공간의 중심에 대하여 인체(2)의 앞과 뒤에 대칭적으로 배열되고, 어느 한 쪽에서 3개 센서들은 계측공간의 중심 주위에 약 70。의 각도 범위내에서 동일하게 배열된다. 센서들(4₁내지 4₃)(또는 4₄ 내지 4₆)의 광축(수평 스캔의 중심축)들은 계측공간의 중심으로부터 200mm 떨어져서 교차한다. 즉, 센서들은 각 센서가 인체(2)의 앞 또는 등에 대향하여 집중적으로 배치된다. 이들 각 센서(4)는 약 30。의 수평 스캔 각도를 갖는다. 그러므로, 각 센서들(4)의 스캔 범위는 상호 중첩하고, 그리하여 계측시 계측대상 자체에 의해 시야가 가려 방해받기 쉬운 겨드랑이 아래부분과 가랑이 아래부분을 어느 한 센서(4)중의 시야내에 있기 때문에 정밀하게 계측할 수 있다.

또한, 이동 프레임(3)의 일측에 부착된 센서 그룹(4₁ 내지 4₃)내에 각 수광부(46)는 바람직하게는 다른 쪽에 부착된 센서 그룹(4₄내지 4₆)의 투광부(45)와는 다른 높이로 설치되고, 보다 바람직하게는 광 투사렌즈(43)(또는 수광렌즈, 44)의 직경만큼 떨어진 또는 그 이상되는 높이로 설치된다. 이것은 광이 일측의 각 센서(4)의 투광부(45)로부터 방출되고 그 산란광이 반대 측에 부착된 센서(4)의 수광부(46)로 들어가는 것을 방지하여, 원하지 않는 광의 입사로 인한 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.

도 1로 되돌아가, 본 실시예의 전체 설명이 계속될 것이다. 이동 프레임(3)은 구동기구(5)를 이용하여 수직 방향으로 움직일 수 있도록 배열된다. 이 구동기구(5)는 가요성의 기다란 몸체인 와이어(52)가 회전할 수 있도록 배열된 회전부재인 롤러(51) 주변에 걸리도록 배열되고, 이 와이어(52)는 일단부에서 이동 프레임(3)과 결합되고 타단부에서 금속체 또는 이동 프레임(3)의 무게와 거의 같은 무게를 갖는 이와 유사한 것의 평형기(53)와 결합되도록 배열된다. 상기 롤러(51)는 베이스 플레이트(13) 위에 세워 있는 칼럼(14)의 상부에 수평으로 저널된다. 이 롤러(51)는 모터(55)의 회전력이 모터(55)의 구동에 따라 회전하기 위해 그곳에서 부터 벨트(54)를 통해 전송되도록 하는 구조로 배열된다. 평형기(14) 및 이동 프레임(3)은 와이어(52)에 의해 매달리고 거의 무게가 평형을 이루기 때문에, 이동 프레임(3)을 이동하기 위한 힘은 작고 이동 프레임(3)의 이동은 완만하다. 이 때문에, 이동 프레임(3)을 구동하기 위해 사용되는 모터(55)로서 토크가 작은 모터(small- torque motor)가 적용될 수 있고, 그리하여 장치(1)의 동작에 필요한 전력이 감소될 수 있다.

통상, 베이스 플레이트(13)는 U자형 판부재이고, 장치(1)의 외벽부(12)내에베이스면에 놓인다. 베이스 플레이트(13)는 전술한 이동 프레임(3)의 절단부(31)와 유사하게 그 개구부(13a)가 인체(2)에 대한 계측공간(11)의 출구/입구를 향하도록 배열된다. 칼럼(14)은 베이스 플레이트(13)의 중심부에 세워지고 계측공간(11)에 접한 면내에 수직방향을 따라 즉, 이동 프레임(3)의 이동 방향을 따라 슬릿(15)이 형성되는 구조를 갖는다. 슬릿(15)은 이동 프레임(3)을 안내하기 위한 안내 구멍이고 이동 프레임(3)의 결합부재(32)는 이 슬릿(15)에 결합되고, 그리하여 이동프레임(3)은 이 슬릿(15)의 개구방향으로만(수직 방향을 따라) 미끄러질 수 있다. 비록 도 1에서는 베이스 플레이트(13)로부터 세워 있는 칼럼(14)만 도시하였지만, 그 칼럼(14)외에 보조 칼럼이 베이스 플레이트(13) 위에 수직으로 세워지고, 장치(1)의 견고성을 향상시키기 위해 수평부재가 칼럼(14) 및 보조 컬럼의 상부에 연결되도록 구비되는 것이 원하는 배열이다. 이동 프레임(3)은 안내 레일 및 슬릿(15)이 없는 슬라이더로 이루어진 슬라이더 부분에 결합되기도 한다.

제어 패널(16)은 외벽부(2)에 부착되고, 장치(1)에 전력공급/중지의 조작을 위한 메인 전원 스위치(16a), 계측을 개시 또는 중단하기 위한 개시/중단 스위치,비정상 작동을 나타내기 위한 에러 디스플레이 LED, 계측상태에서 장치(1)를 세팅하기 위한 세트 스위치(16d)를 구비한다. 구동기구(5)는 이동 프레임(3)의 이동량에 따른 펄스 신호를 출력하기 위한 회전식 엔코더(rotary encoder, 17)를 구비한다. 예를 들어, 회전식 엔코더(17)는 롤러(51)의 회전측과 동기하여 회전하도록 배열된 회전부재를 갖는다. 이 회전식 엔코더(17)는 이동 프레임(3)의 이동량과 동기하는 펄스 신호를 출력하기 위해 롤러(51)의 회전 상태를 검출할 수 있다.

또한, 3개의 리미트 스위치(61 내지 63)들은 도 7에 도시한 바와 같이, 칼럼(column)(14)에 부착된다. 예를 들어, 광전기 스위치 같은 이들 리미트 스위치(61내지 63)는 이동 프레임(3)의 이동 위치를 검출하기 위한 것이다. 각 리미트 스위치(61 내지 63)는 컬럼(14)을 따라 움직이는 이동 프레임(3)이 한 스위치(61 내지63) 앞을 지날 때 전기 신호를 출력하도록 구성된다. 상기 리미트 스위치(61)는 이동 프레임(3)이 일정한 속도로 움직이기 시작하는 최상부로부터 아래로 이동하는 칼럼(14)의 상부 위치에 부착된다. 리미트 스위치(62)는 칼럼(14)의 하부에서, 계측의 최하위 위치보다 낮은 위치에 부착된다. 리미트 스위치(63)는 칼럼(14)의 최하위 부분에 부착된다.

다시 도 1을 참조하면, 제어 보드(7)는 베이스 플레이트(13)에 설치된다. 상기 제어 보드(7)는 장치(1)의 구동을 제어하고 계측대상(2)의 3차원 형상을 분석하기 위한 것이고, 도 8에 도시한 바와 같이 신호 연산회로(signal processing circuit)(71)를 갖고 계측수단으로서 제어회로(72)를 구동하도록 구성된다. 상기 신호연산회로(71)는 각 센서(4)로부터의 출력 신호에 근거하여 인체(2)의 표면에 대한 거리를 계산하기 위해 각 센서(4)와 관련된 회로이고, 그리하여 인체(2)의 3차원 형상을 계측한다. 회전식 엔코터(17)는 신호 연산회로(71)와 결합되고, 그리하여 신호연산회로(71)는 이동 프레임(3)의 이동에 따라 펄스 신호를 받는다. 이 신호연산회로(71)는 회전식 엔코더(17)로부터 출력된 펄스에 따른 각 센서(4)의 공간 위치를 얻을 수 있기 때문에, 인체(2)의 각 표면 위치는 각 센서(4)의 거리 데이터에 근거하여 얻을 수 있고, 이것에 근거하여 인체(2)의 3차원 형상이 계산된다. 한편, 구동 제어회로(72)는 각 스위치의 출력 신호 또는 지령 신호에 따른 모터의 구동을 제어하기 위해 메인 전원 스위치(16a), 개시 스위치(16b), 에러 디스플레이 LED(16c), 세트 스위치(16d) 및 리미트 스위치(61 내지 63)와 결합된 회로이다. 메인 전원 스위치(16a), 개시 스위치(16b), 에러 디스플레이 LED(16c), 세트 스위치(16d)는 도 1에 도시한 바와 같이 외벽(12)의 외면에 부착된 제어 패널(16)에 배치된다. 도 1은 제어 보드(7)와 각 부분간에 와이어 케이블 등의 도시를 생략하였다.

또한, 배치 스테이지(8)는 계측공간(11) 아래에 위치한다. 배치 스테이지(8)는 계측대상인 인체(2)의 계측 위치를 을리기 위한 스테이지이며, 베이스면(81)은 계단형태로 올라간 상부 중심면에 형성된다. 이 베이스면(81)은 이동 프레임(3)이 최하부 위치에 위치할 때 적어도 각 센서(4)의 검출위치보다 높은 위치에 형성된다. 인체(2)가 베이스면(81) 위에 설 때, 인체(2)는 이동 프레임(3)의 이동범위내에 위치할 수 있고, 계측은 예를 들어, 발목 부분과 같은 인체(2)의 하부까지 수행될 수 있다. 베이스면(81)이 양 측 부분보다 높은 계단형태로 올라가 있는 배열에 의해, 위치설정은 인체(2)의 앞- 뒤 방향에서 확실하게 이루어질 수 있다. 그립(18)은 천정면으로부터 매달리게 구비된다. 인체(2)가 그립을 쥠으로써, 위치설정은 인체(2)의 좌에서 우방향으로 확실하게 이루어질 수 있다. 또한, 스툴부(stool portion,82)는 배치 스테이지(8)의 앞면에 베이스보다 낮은 위치에 구비되고, 그리하여 인체(2)가 이 스툴부(82)의 사용에 의해 용이하게 계측 스테이지(11)로 갈 수 있다.

또한, 이 배치 스테이지(8)는 도 2에 도시한 바와 같이 베이스 플레이트(13)와의 분리부재이고, 베이스 플레이트(13) 위를 제외하고 베이스 플레이트(13)의 사이드 부재(13b, 13b)사이에 배치된다. 그러므로, 무거운 인체(2)가 배치 스테이지(8)위에 올라갈 때, 인체(2)의 무게로 인해 배치 스테이지(8)가 비틀려서 구동기구(5) 및 이동 프레임(3)으로 이동하는 것을 방지할 것이다. 따라서, 계측시 이러한 비틀림의 영향없이 정확한 계측이 수행될 수 있다.

또한, 배치 스테이지(8)는 계측공간(11)으로부터 탈착가능하다. 배치 스테이지(8)의 부착/탈착에 의해, 또한 계측은 이동 프레임(3)의 이동 범위를 넘는 큰인체(2)에도 가능해진다. 특히, 배치 스테이지(8)가 계측공간내에 세트되어 있을 때(도 1), 인체(2)의 하부 1/2은 베이스면(81) 위에 서 있는 인체(2)를 계측하고; 그 후 배치 스테이지(8)는 계측공간(11)에서 제거되고 인체(2)의 상부 1/2은 배치스테이지(8)없이 계측공간(11)내에 서 있는 인체(2)를 계측한다. 그리고 나서, 두 데이터(상부 1/2의 데이터와 하부 1/2의 데이터)를 결합하여, 인체(2)의 전체 형상을 계측한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 내벽 커버(9)는 이동 프레임(3)의 내부[계측공간(11) 사이드]에 세트되어 있다. 내벽 커버(9)는 계측공간(11)으로부터 이동 프레임(3)의 이동 공간을 분리하기 위한 판부재이고, 이는 이동 프레임(3)의 내면을 따라 배치된다. 그러나, 내벽 커버(9)는 이동 프레임(3)의 절단부(31)에 해당하는 부분에는 형성되지 않고, 그리하여 인체(2)는 그 부분을 통해 계측공간(11)으로 갈 수가 있다. 이 내벽 커버(9)의 설치는 만약 인체가 계측하는 동안 계측공간(11)내로 이동한다면 이동시 인체가 이동 프레임(3)를 접촉하는 것을 막아준다.

상기 내벽 커버(9)는 도 2에 도시한 바와 같이, 투명창(91)을 구비한다. 투명창(91)은 센서(4)의 발광부(41)에 의해 방출된 광을 투과하기 위해 흐린 아크릴판과 같은 투명한 부재로 제조되어야 하고, 해당 센서(4)의 앞에 이동 프레임(3)의이동 방향, 즉 수직 방향을 따라 구비된다. 그러므로, 내벽 커버(9)는 인체(2)가 이동 프레임(3)의 이동공간으로 들어가는 것을 방지하고 또한 센서(4)로부터 인체(2)로의 광 투사 및 센서(4)에 의한 인체(2)로부터의 반사광의 수용을 허용한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 내벽 커버(9)의 내면의 각도 형성은 임의 센서(4)로부터 방출된 광이 대향 내면에 의해 반사될 때, 그 반사광이 대응 센서(4)에 직접 입사하지 않게 되는 각도가 되도록 결정한다. 이러한 각도의 배열은 대향면까지의 거리가 실수로 검출되는 것을 막아준다.

다음에, 본 3차원 형상 계측장치(1)의 사용 및 작동방법을 설명할 것이다. 도 1에 도시한 장치에서, 메인 전원 스위치(16a)는 3차원 형상 계측장치(1)의 각 부분에 전원을 인가하기 위해 켜진다. 메인 전원 스위치(16a)를 켠 직후에, 다른 스위치 등의 어떠한 작동도 허용하지 않도록, 장치(1)의 워밍업 시간이 세트된다. 워밍업 시간 동안에 세트 스위치(16d)가 번쩍이고(스위치(16d)내 발광장치가 번쩍임), 워밍업이 끝난 후에 세트 스위치(16d)는 번쩍이는 상태에서 등화상태로 바뀌어, 장치(1)의 워밍업의 종료를 확인해준다.

워밍업이 종료된 후 세트 스위치(16d)가 켜질 때에, 모터(55)가 구동되고 이동 프레임(3)이 이동한다. 보다 상세하게는, 세트 스위치(16d)가 켜질 때, 도 8에 도시한 바와 같이 구동신호가 구동 제어회로(72)로부터 모터(55)로 출력되고 그리하여 모터(55)를 구동한다. 이러한 모터(55)의 구동력은 롤러(51)를 회전하기 위해 벨트(54)를 통해 롤러(51)로 전송되고, 그리하여 와이어(52)를 통해 이동 프레임(3)을 들어올린다. 때때로, 와이어(52)의 타단부에 매달려 있는 거의 동일한 무게를 갖는 평형기(53) 때문에, 이동 프레임(3)을 들어올리기 위해 큰 전력이 필요하지 않다. 이 때문에, 모터(55)에 의해 소모되는 전력은 작다. 이동 프레임(3)은 응력없이 자연스럽게 들어올려지기 때문에, 이동 프레임(3)의 이동은 완만하다. 워밍업이 종료된 후에 이미 이동 프레임(3)이 들어 올려졌을 때, 이동 프레임(3)은 세트 스위치(16d)가 작동될 때 조차 이동으로부터 방지된다.

도 1에서, 이동 프레임(3)이 이동 한 후에 계측대상(2)인 인체는 계측공간(11)으로 갈 수 있다. 계측공간(11)에서 인체(2)는 배치 스테이지(8)의 베이스면(81)위에 서 있고, 그리하여 인체(2)는 계측을 위해 적당한 상태로 유지된다. 또한, 전술한 이동 프레임(3)의 상향 세팅전 또는 세팅동안에 인체(2)를 놓도록 허용한다.

다음에, 개시 스위치(16b)가 켜진다. 그 후, 구동 제어회로(72)로부터 지령신호를 받아서 모터(55)가 구동되고, 모터(55)의 구동력은 벨트(54), 롤러(51) 및 와이어(52)를 통해 이동 프레임(3)으로 전달되고, 그리하여 이동 프레임(3)은 도 7에 도시한 바와 같이 장치의 상부로부터 하향 이동한다. 이동 프레임(3)이 리미트스위치(61) 앞을 지날 때, 계측 개시 신호는 도 8에 리미트 스위치(61)로부터 구동 제어회로(72)까지 출력되고 계측 개시 신호는 구동 제어회로(72)를 통해 신호연산회로(71)로 공급된다. 계측개시신호가 신호 연산회로(71)로 입력됨과 동시에, 신호연산회로(71)는 회전식 엔코더(17)로부터 출력된 펄스를 카운팅하기 시작하고, 신호연산회로(71)는 이동 프레임(3)의 하향 이동과 함께 간헐성 펄스를 카운트한다.

예를 들어, 회전식 엔코더(17)는 이동 프레임(3)의 매 5mm 이동에 한 펄스를 출력하도록 배열되고, 그리하여 이동 프레임(3)의 수직 위치(위치 정보)는 펄스를 세는 것에 의해 결정될 수 있다. 각 센서(4)는 펄스 신호와 동기되어 작동된다. 특히, 신호연산회로(71)는 회전식 엔코더(17)로부터 각 센서(4)로 펄스가 입력될 때 마다 작동 지령 신호를 출력한다. 그 결과, 도 2에 도시한 바와 같이 각 센서(4)의 발광부(41)의 발광부재(41b)는 계측대상인 인체(2)를 향해 광(빔, 41a)을 투사하기 위해 광을 연속적으로 방출한다. 즉, 광의 수평 스캔은 센서(4)에 의해 발효된다. 그 후, 각 센서(4)의 수광부재(42)는 인체(2)에 조사시 인체(2)의 표면에 의한 산란광(반사광)을 수용하고, 그리하여 신호 연산회로(71)에 공급할 센서(4)로부터 인체(2)의 표면까지의 거리에 해당하는 전기 신호(거리 검출신호)는 전술한수학식 3에 의해 산출된다. 이 센서(4)의 작동은 회전식 엔코더(17)로부터 펄스가 입력될 때 마다 반복된다.

예를 들어, 수직 방향으로 계측범위가 l70cm 라고 가정하면, 회전식 엔코더(17)는 1회 계측시 341 펄스를 간헐적으로 출력하여, 모든 각 발광부(41b)에 대해 5mm의 수직 간격의 위치에서 인체(2)의 표면에 대한 총 341 거리 데이터가 얻어진다.

센서(4)의 발광부(41)에 의한 빔(4la)의 주사는 복수의 발광부재(41b)에 의한 것으로 제한되지 않고, 예를 들어, 단일 발광장치로부터 방출된 빔(4la)을 편향하기 위해 광축 상에 배치된 회전식 프리즘 또는 회전식 미러을 사용한 스캐닝방법 다른 기술이 적용될 수 있다. 또한, 센서(4)는 인체(2)에 대한 거리를 계측할 수 있는 한 전술한 반사형 광전기 센서외에 다른 어떤 검출수단이 될 수도 있다.

센서(4)는 도 6에 도시된 대로 배치되기 때문에, 어느 한 센서(4)로부터 조사광이 겨드랑이 아래 및 가랑이 아래 부분과 같은 인체(2) 자체에 의해 방해받는 부분에 도달하고, 그리하여 이와 같은 부분에 대한 정확한 계측이 이루어질 수 있다. 따라서, 인체(2)의 3차원 형상의 정확한 계측이 수행될 수 있다.

도 9 내지 도 11은 센서(4)의 수가 4, 5 또는 8일 때의 바람직한 실시예를 나타낸 것이다. 도 9에 도시된 4개 센서(4)의 배열의 경우에, 2개 센서(4₁, 4₂)(4₃, 4₄)는 인체(2)의 앞뒤쪽의 어느 한 쪽에 2개가 양 극단에 약 32。의 좁은 각도 범위로 배치되고 각 센서(4₁, 4₂)(4₃, 4₄)의 광축들은 계측공간의 중심으로부터 약 467mm떨어져서 교차된다. 도 10에 도시된 5개의 센서(4)의 배열의 경우에, 앞쪽에 3개의 센서(4₁ 내지 4₃)의 위치는 도 6에 도시된 센서(4₁ 내지 4₃)의 경우와 같고 뒤쪽에 2개의 센서(4₄, 4₅)의 위치는 도 9에 도시된 센서(4₃, 4₄)의 위치와 같다. 도 11에 도시된 8개의 센서의 배열의 경우에는, 4개의 센서들은 앞뒤쪽의 어느 한 쪽에 약 70。의 각도 범위내에서 거의 동일하게 배치된다. 양 극단에 센서(4₁, 4₄)(4₅,4₈)의 광측은 계측공간의 중심으로부터 약 710mm 떨어져 교차하고 내부 센서들(4₂, 4₃)(4₆, 4₇)은 계측공간의 중심으로부터 약 900mm 떨어져 교차한다. 어느 경우나,센서(4)들은 인체의 앞뒤를 향하도록 배치되기 때문에, 도 6에 도시된 6개 센서들의 배열예와 마찬가지로 겨드랑이 아래 부분 및 가랑이 아래 부분에 대해 정확한계측이 이루어질 수 있다.

비교를 위해, 4개의 센서(4)가 도 12에 도시된 바와 같이, 인체(2)의 중심으로부터 동일한 간격 및 동일한 거리에 배치되었다. 이러한 경우에, 센서(4)로부터 조사광은 팔, 다리, 몸통 등에 의해 방해를 받고, 그리하여 겨드랑이 아래 부분 및 가랑이 아래 부분의 대향하는 부분의 표면에 도달하는 데 실패한다. 따라서, 이러한 부분의 표면 위치는 계측될 수 없고 표면 형상의 정확한 계측은 불가능하다. 이것을 극복하기 위해, 가능한 방법은 증가된 수의 센서(4)로 스캐닝 범위를 확대하는 것이다. 그러나, 과량의 계측 위치 때문에 비용의 증가 및 센서 수의 증가로 인한 산란광의 증가 및 조정의 복잡성의 증가의 문제를 갖는다. 반대로, 또한 도 9에 도시된 센서(4)의 배열은 (4개) 보다 작은 수량의 센서(4)에 의해 겨드랑이 아래 부분 및 가랑이 아래 부분에 대한 정확한 계측을 허용한다.

전술한 바와 같이 인체(2)의 겨드랑이 아래 부분 및 가랑이 아래 부분을 정확하게 계측하기 위해 인체(2)를 향하는 센서(4)들의 위치에 대해, 바람직한 배열은 센서(4)가 소정 영역내에 모이도록 배치하는 것이다. 물론, 측면의 계측을 보장하기 위하여 부가 센서가 이 영역의 밖에 구비될 수 있다.

도 2를 참조하여 본 실시예의 장치의 작동을 계속 설명하겠다. 이 계측 동안에 이동 프레임(3)은 계측공간(11)을 따라 아래로 연속적으로 이동한다. 내벽커버(9)가 이동 프레임(3)의 이동 공간으로부터 계측공간(11)을 분리하기 때문에, 만약 인체(2)가 어떤 이유로 이동할 때 조차, 이동 프레임(3)과 인체(2)가 접촉할 가능성이 없다. 따라서, 인체(2)가 이동 프레임(3)을 접촉하여 상처를 입는 것을 방지하고, 이동 프레임(3), 구동기구(5)등이 손상되는 것을 방지하여 매우 안전한 작동을 보장한다.

그리고 나서, 이동 프레임(3)의 하향 이동으로 얻어진 센서(4)로부터 인체(2)까지의 거리의 검출 신호는 이동 프레임(3)의 전술한 위치 정보에 근거하여 센서(4)의 공간 위치와 함께 연산될 신호연산회로(71)로 보내지고, 그리하여 인체(2)의 표면의 공간 위치 정보로 전환된다. 이러한 공간 위치 정보에 의해, 마침내 인체(2)의 입체적인 3차원 형상은 얻어질 수 있다.

이동 프레임(3)이 도 7에 도시된 바와 같이 리미트 스위치(62)를 지날 때, 구동 제어회로(72)는 이동 프레임(3)의 하강 속도를 감소시키고, 그리하여 이동 프레임(3)은 이동 프레임(3)이 리미트 스위치(63)를 지나는 직후에 정지한다. 이때, 배치 스테이지(8)는 상승된 인체(2)의 배치 위치를 유지하기 때문에, 이동 프레임(3)의 정지 위치는 인체(2)의 배치 위치 [베이스면(81)]보다 낮다. 그러므로, 계측은 이동 프레임(3)의 이동과 함께 인체(2)의 발 부분까지 완전히 아래로 수행될 수 있다. 이동 프레임(3)이 어떤 이유로 중간에서 멈추거나 또는 장치가 원하는 영역내에 형상 데이터를 얻는 데 실패할 때, 인체(2)의 에러 디스플레이LED(16c)가 켜지고, 그래서 장치(1)의 잘못이 쉽게 인식될 수 있다. 그러한 경우에, 세트 스위치(16d)는 계측을 재개시하기 위해 켜진다.

모니터(19)가 도 8에 도시된 바와 같이, 신호 연산회로(71)에 연결될 때, 인체(2)의 3차원 형상은 형상의 포착을 향상시키기 위해 컴퓨터 그래픽 등에 의해 입체 화상으로서 디스플레이 될 것이다. 동시에, 또한 크기는 표면 형상으로부터 숫자 연산에 근거한 숫자 값으로 나타낼 수 있다.

다음에, 3차원 형상장치(1)의 사용방법 및 계측할 인체(2)가 클 때의 작동방법을 기술하겠다.

먼저, 도 1에서, 메인 전원 스위치(16a)는 전술한 것과 동일한 방법으로 3차원 형상 계측장치의 각 부분에 전력을 공급하기 위해 켜진다. 그 후, 세트 스위치(16d)가 워밍업이 종료된 후 켜져서, 이동 프레임(3)을 윗쪽으로 이동한다. 이동 프레임(3)이 올라간 후, 계측대상인 인체(2)는 계측공간(11)으로 갈 수 있다. 계측공간(11)내에 인체(2)는 배치 스테이지(8)의 베이스면(81) 위에 서서 그립(18)을 잡고, 그리하여 인체(2)는 계측을 위한 적당한 상태를 유지한다. 인체(2)의 배치는 이동 프레임(3)이 전술한 세팅전 또는 세팅동안에 수행될 수 있다.

그리고 나서, 개시 스위치(16d)는 전술한 것과 동일한 방법으로 인체(2)의 3차원 형상의 계측을 수행하기 위해 켜진다. 때때로, 인체(2)가 크기 때문에 인체(2)의 상부의 3차원 형상, 즉 머리와 인체의 상부 1/2의 3차원 형상에 대한 데이터는 얻어지지 않는다.

다음에, 초기 계측이 수행되고 그 후 세트 스위치(16d)는 장치(1)를 계측을 위한 준비상태로 가져오기 위해 다시 켜진다. 그 전 또는 후에, 계측공간(11)내에 세트된 배치 스테이지(8)가 제거된다, 그리고 나서, 인체(2)는 계측공간(11)내로 들어간다. 이 때, 인체(2) 초기 계측시보다 배치 스테이지(8)의 높이 만큼 낮은 위치에 배치될 것이다. 이 상태에서, 개시 스위치(16b)는 머리와 인체(2)의 상부 1/2의 3차원 형상의 계측을 수행하기 위해 켜진다.

두 계측작업(하부 1/2의 계측 및 상부 1/2의 계측)의 종료 후에, 신호연산회로(71)는 각 계측 데이터내에 과잉 데이터를 탐색하고 과잉 데이터의 중복으로 계측 데이터를 결합한다.

이러한 방법으로, 두 계측 작업 및 각 데이터의 결합은 만약 인체(2)가 장치(1)의 계측범위(이동 프레임의 이동범위)를 넘는 높이를 가질 때 조차 전체 3차원형상의 확실한 계측을 보장한다.

상기한 바와 같이, 본 실시예의 3차원 형상 계측장치(1)는 수평 스캐닝을 위한 센서(4)들이 상호 대향하는 2개 그룹으로 배열되도록 되기 때문에, 또한 겨드랑이 아래 부분 및 가랑이 아래 부분과 같은 인체의 표면에 함몰부에도 정확한 계측이 가능하다. 특히, 각 센서가 대향 센서의 높이와는 다른 높이로 설치될 때, 대향 센서로부터 출력된 광은 관련 센서에 직접 들어가는 것을 방지한다. 또한, 이동 프레임의 U자형 또는 말편자 형상은 인체(2)의 배치공간으로의 도입을 향상시킨다. 배치 스테이지(8)의 구비는 계측대상인 인체(2)의 하부의 3차원 형상의 확실한 계측을 허용한다. 또한, 이동 프레임(3), 구동기구(5) 등으로부터 배치 스테이지(8)의 분리 배열은 정확한 계측을 가능하게 한다. 배치 스테이지(8)의 탈착가능한 배열은 큰 인체(2)의 경우에 조차 큰 3차원 형상의 명확한 계측을 허용한다. 더욱이, 내벽 커버(9)의 구비는 안정한 계측을 보장한다. 또한, 구동기구(5)내 평형기(53)의 구비는 이동 프레임(3)의 이동 효율을 향상시키고, 그리하여 장치(1)의 전력 소비를 감소시킨다.

본 발명의 실시예의 3차원 형상 계측장치(1)는 인체(2)의 3차원 형상을 계측하기 위한 장치로 기술되었으나, 계측대상이 인체(2)로 한정되는 것은 아니다. 또한, 다른 계측대상에도 가능하다.

본 발명 실시예의 3차원 형상 계측장치는 높이 방향으로 이동하며 3차원 형상의 계측을 수행하도록 배열되었으나, 계측방향이 이것에 제한되는 것은 아니다. 센서들이 수평 방향과 같은 임의의 축 방향으로 이동하는 이동 프레임상에 배치되어 계측하는 것도 가능하다.

비록 앞에서의 설명이 센서들이 이동 프레임의 두 대향 측에 모이도록 배치된 실시예가 언급되었지만, 센서들의 배열이 이것에 제한되는 것은 아니다. 그러나, 대상 표면의 돌출부 또는 함몰부 형상의 명확한 계측을 위해, 각 센서의 광축(스캐닝 각도를 갖는 배열의 경우에, 그 중심선)은 한 점에서 교차하지 않을 필요가 있다(각 센서의 축 위치가 다르다면, 돌출표면상에 축방향 선은 한 점에서 교차하지 않는다). 센서들이 전술한 바와 같이 배치된 후, 계측대상은 표면에 각 돌출부 및 함몰부가 어느 한 센서를 향하도록 배치되어 계측이 수행되고 그리하여 표면에 돌출부 및 함몰부의 형상이 정확하게 계측될 수 있다. 따라서, 전술한 본 발명으로부터, 본 발명이 여러 방법으로 변형될 수 있음이 명백하다. 이러한 변형은 본 발명의 기본 개념 및 범위를 벗어나지 않으며, 이러한 모든 변형은 다음 청구범위내에 포함되는 것임은 당업자들에게 명백하다.

1996년 8월 29일자로 출원된 일본특허출원 제 8-228632 호(228632/1996) 및 1997년 7월 9일자로 출원된 제 9-184043호(184043/1997)이 참고로 통합되었다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 형상 계측장치의 전체개략도.

도 2는 도 1의 II-II 선을 따른 단면도.

도 3은 도 1의 장치내에 센서의 배열을 나타내기 위한 개략사시도.

도 4는 도 3의 센서의 계측 원리를 나타내기 위한 설명도.

도 5는 도 2와 관련된 센서의 수광부의 다른 실시예를 나타내는 도면.

도 6은 도 1의 3차원 형상 계측장치의 개략적인 측면사시도.

도 7은 도 1의 3차원 형상 계측장치의 연산 시스템(processing system)의 설명도.

도 8은 도 1의 장치내에 제어보드(control board) 및 그 주변장치의 블럭도.

도 9 내지 도 11은 각 도면이 센서의 수가 6,4,5또는 8개 일 때의 실시예를 나타내는 도 1의 3차원 형상장치 내에 센서들의 바람직한 위치의 몇 개의 예를 나타내는 도면.

도 12는 도 9 내지 도 11의 실시예와 비교하기 위하여, 4개의 센서가 도 1의3차원 장치내에 배열되는 바람직하지 않은 위치의 예를 나타내는 도면.

도 13A 및 도 13B 는 종래 3차원 형상 계측장치의 구조도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 3차원 형상 계측장치 2 : 인체

3 : 이동 프레임 4 : 센서

11 : 계측공간 17 : 회전식 엔코더

41 : 발광부 45 : 투광부

46 : 수광부 51 : 롤러

Claims

비접촉 방식으로 계측공간내에 배치된 대상물의 3차원 형상을 검출하기 위한 3차원 스캐닝 장치에 있어서,

상기 계측공간의 중심을 통과하는 소정의 축을 에워싸도록 상기 계측공간 둘레에 배치되며, 상기 소정의 축의 방향으로 이동할 수 있도록 배열된 이동 프레임과;

상기 대상물의 서로 다른 부분의 표면까지의 거리를 계측하기 위한 4개 이상의 센서로서, 상기 4개 이상의 센서중 다수가 상기 이동 프레임의 2개의 대향쪽위에서 각각의 소정 영역내로 주로 배치되도록 상기 이동 프레임상에 원주방향을 따라서 배치되며, 각각 상기 대상물로부터 반사 또는 산란된 광을 검출함으로써 상기 대상물까지의 거리를 계측하는 4개이상의 센서와;

상기 소정 축의 방향으로 상기 이동 프레임을 이동시키기 위한 구동 기구와;

상기 축의 방향으로 상기 이동 프레임의 위치를 검출 및 출력하기 위한 위치 검출기; 및

상기 4개 이상의 센서 및 위치 검출기 각각으로 부터의 출력에 기초하여서, 상기 이동 프레임의 각 이동위치에서 상기 4개 이상의 센서 각각으로부터 상기 대상물의 표면까지의 거리의 데이터를 계산하고, 상기 거리의 데이터에 기초하여 상기 대상물의 표면의 3차원 형상을 분석하기 위한 분석기를 포함하고,

상기 4개 이상의 센서 각각의 광 축은 투영면상의 서로 다른 지점에서 교차하는 3차원 스캐닝 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 4개 이상의 센서는 삼각법에 의해 상기 대상물까지의 거리를 검출하고,

상기 4개 이상의 센서 각각은 상기 대상물을 향해 광을 투사하기 위한 투광부 및, 상기 대상물로부터의 상기 산란 또는 반사광을 수신하기 위하여 상기 투광부로부터 소정의 거리로 이격 배치된 수광부를 구비하며,

상기 투광부는 상기 축의 방향에 수직인 방향으로 소정의 각도 이내의 광의스캐닝을 실행하는 3차원 스캐닝 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 이동 프레임의 동일한 쪽에 서로 인접 배치된 4개 이상의 센서중의 것들에서 상기 각 투광부의 스캐닝 중심은 상기 계측공간의 중심보다 상기 4개 이상의 센서중 상기 각각의 것들로부터 보다 많이 떨어진 지점(point)에서 상기 4개 이상의 센서중 상기 것들중 다른 것과 교차하는 3차원 스캐닝 장치 .
제 2 항에 있어서, 상기 4개 이상의 센서 각각의 상기 수광부는 그에 대향 배치된 4개 이상의 센서중 다른 것의 상기 투광부로부터 상기 축의 방향으로 소정의 거리로 이격 배치되는 3차원 스캐닝 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 이동 프레임의 이동 공간으로부터 상기 계측공간을 분리시키는 내벽 덮개를 추가로 포함하고, 상기 내벽 덮개는 상기 4개 이상의 센서와 상기 대상물사이의 부분에서 광을 전송하기 위한 복수의 창(window)을 가지는 3차원 스캐닝 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 계측 공간에서, 상기 대상물이 배치되는 배치 스테이지를 추가로 포함하는 3차원 스캐닝 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 이동 프레임의 이동공간으로부터 상기 계측공간을 분리시키는 내벽 덮개를 추가로 포함하는 3차원 스캐닝 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 이동 프레임은 U자 형상을 갖는 3차원 형상 스캐닝 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 축의 방향은 실질적으로 중력 방향이고,

상기 3차원 스캐닝 장치는 상기 계측 공간위에 배치된 회전부재와, 상기 이동 프레임에 그 일단부가 연결되고 다른 단부가 상기 이동 프레임과 실질적으로 동일한 중량을 갖는 균형기에 연결되는 가요성의 기다란 부재를 추가로 포함하며, 상기 가요성의 기다란 부재는 상기 회전 부재 둘레에 후크결합되고,

상기 구동 기구는 상기 가요성의 기다란 부재를 이동시켜서 상기 이동 프레임을 이동시키도록 상기 회전 부재를 회전시키는 3차원 스캐닝 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 이동 프레임은 말편자 형상(horseshoe shape)을 갖는 3차원 스캐닝 장치.
비접촉 방식으로 계측 공간내에 배치된 대상물의 3차원 형상을 검출하기 위한 3차원 스캐닝 장치에 있어서,

상기 계측 공간의 중심을 통과하는 소정의 축을 에워싸도록 상기 계측 공간둘레에 배치되며, 상기 소정의 축의 방향으로 이동할 수 있도록 배열된 이동 프레임과;

상기 대상물의 서로 다른 부분의 표면까지의 거리를 계측하기 위해 상기 이동 프레임상에 원주방향을 따라서 배치된 4개 이상의 센서로서, 각각 상기 대상물로부터 산란 또는 반사된 광을 검출함으로써 상기 대상물의 상기 서로 다른 부분의 상기 표면까지의 상기 거리를 측정하는 4개 이상의 센서와:

상기 소정의 축의 방향으로 상기 이동 프레임을 이동시키기 위한 구동 기구와;

상기 축의 방향으로 상기 이동 프레임의 위치를 검출 및 출력하기 위한 위치 검출기; 및

상기 4개 이상의 센서 및 상기 위치 검출기 각각으로 부터의 출력에 기초하여서, 상기 이동 프레임의 각 이동 위치에서 상기 4개 이상의 센서 각각으로부터 상기 대상물의 표면까지의 거리의 데이터를 계산하고, 상기 거리의 데이터에 기초하여 상기 대상물의 표면의 3차원 형상을 분석하기 위한 분석기를 포함하고,

상기 4개 이상의 센서 각각의 광 축은 상기 투영면상의 서로 다른 지점에서 교차하는 3차원 스캐닝 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 4개 이상의 센서는 삼각법에 의해 상기대상물까지의 거리를 검출하고,

상기 4개 이상의 센서 각각은 상기 대상물을 향해 광을 투사하기 위한 투광부 및, 상기 대상물로부터의 산란 또는 반사광을 수신하기 위하여 상기 투광부로부터 소정의 거리로 이격 배치된 수광부를 구비하며,

상기 투광부는 상기 축의 방향에 수직인 방향으로 소정의 각도 이내의 광의스캐닝을 실행하는 3차원 스캐닝 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 이동 프레임의 동일한 쪽에 서로 인접배치된 상기 4개 이상의 센서중의 것들에서 상기 각 투광부의 스캐닝 중심은 상기계측공간의 중심보다 상기 4개 이상의 센서중 상기 각각의 것들로부터 보다 많이떨어진 지점에서 상기 4개 이상의 센서들중의 상기 것들중 다른 것과 교차하는 3차원 스캐닝 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 4개 이상의 센서 각각의 상기 수광부는 그에 대향 배치된 상기 4개 이상의 센서중 다른 것의 상기 투광부로부터 상기 축의 방향으로 소정의 거리로 이격 배치되는 3차원 스캐닝 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 이동 프레임의 이동 공간으로부터 상기계측공간을 분리시키는 내벽 덮개를 추가로 포함하고, 상기 내벽 덮개는 상기 4개 이상의 센서와 상기 대상물사이의 부분에서 광을 전송하기 위한 복수의 창을 가지는 3차원 스캐닝 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 이동 프레임은 U자 형상을 갖는 3차원스캐닝 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 계측공간에서, 상기 대상물이 그 위에 배치되는 배치 스테이지를 추가로 포함하는 3차원 스캐닝 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 이동 프레임의 이동 공간으로부터 상기 계측 공간을 분리시키는 내벽 덮개를 추가로 포함하는 3차원 스캐닝 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 축의 방향은 실질적으로 중력방향이고,

상기 3차원 스캐닝 장치는 상기 계측 공간위에 배치된 회전 부재와, 상기 이동 프레임에 그 일단부가 연결되고 다른 단부가 상기 이동 프레임과 실질적으로 동일한 중량을 갖는 균형기에 연결되는 가요성의 기다란 부재를 추가로 포함하며,

상기 가요성의 기다란 부재는 상기 회전 부재둘레에 후크결합되고,

상기 구동 기구는 상기 가요성의 기다란 부재를 이동시켜서 상기 이동 프레임을 이동시키도록 상기 회전 부재를 회전시키는 3차원 스캐닝 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 이동 프레임은 말편자 형상을 갖는 3차원스캐닝 장치.