KR101611415B1

KR101611415B1 - 3차원 스캐너

Info

Publication number: KR101611415B1
Application number: KR1020140034602A
Authority: KR
Inventors: 이근우; 정상철
Original assignee: (주) 스틱옵틱스
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2016-04-12
Also published as: KR20150111122A

Abstract

패턴투영부와 촬영부 간의 간격을 실제보다 넓게 가상으로 벌려줄 수 있어서 제품의 크기를 줄일 수 있고, 영상데이터의 정밀도가 매우 높고, 패널과 이미지 소자의 크기가 비슷한 경우에는 하나의 동일한 광학계를 패턴투영부와 촬영부에서 공유할 수 있는 3차원 스캐너가 개시된다. 상기 3차원 스캐너는 물체에 패턴이 있는 패턴광을 투사하기 위한 패턴투영부, 상기 패턴투영부와 상, 하, 좌 또는 우로 이웃하여 배치되고 상기 패턴이 투영된 물체에서 반사되어 오는 반사광을 감광하여 상기 패턴이 투영된 상기 물체의 2차원 영상데이터를 얻어서 데이터 처리부로 인가하기 위한 촬영부, 상기 패턴투영부와 상기 촬영부 앞쪽에서 앞으로 연장되게 배치되어 상기 패턴투영부에서 출사되는 상기 패턴광 또는 상기 물체에서 반사되어 상기 촬영부로 입사되는 상기 반사광을 광통로 내에서 반사하여 상기 패턴광과 상기 반사광 사이의 각도를 증가시키는 연장부내부 반사수단 및 상기 패턴투영부, 상기 촬영부, 상기 연장부내부 반사수단을 수용하여 보호하는 하우징을 포함하는 구성을 한다.

Description

3차원 스캐너{3D scanner}

본 발명은 3차원 스캐너의 개선에 관한 것으로, 특히 구강과 같은 협소한 입구를 갖거나 내부 공간이 좁은 공간에서 입체 영상데이터를 취득하는 데 적합하게 사용될 수 있는 3차원 스캐너의 개선에 관한 것이다.

입체 영상을 취득하는 기술로는 여러 가지 상용화된 기술들이 나와 있는데 그 중에서 구조광을 이용한 입체영상 취득 방식이 많이 사용되고 있다.

참고그림 1(일반적 3차원 스캐너)

위 참고그림 1에서와 같이 패턴(pattern)을 대상물에 투영시키면 대상물의 높낮이에 따라 패턴의 굴곡이 발생한다. 이렇게 변형된 패턴과 대상물을 카메라로 촬영하고, 굴곡정도를 삼각측량법으로 계산하여 입체영상을 취득할 수 있다.

상기의 입체영상취득 장치는 개방된 공간에서 대상물의 입체를 인식할 수 있지만 구강 내부와 같은 좁은 공간에서는 대상물을 인식하기가 곤란하다. 그래서 도 1에 나타낸 바와 같이 하우징의 일부를 이루는 막대기 형상의 연장부 끝에 경사반사경을 설치하여 구강 내부와 같은 좁은 곳의 3차원 이미지 데이터를 얻을 수 있도록 한 3차원 스캐너가 개발되어 사용되고 있다.

도 1은 종래의 구강용 3차원 스캐너의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이 종래의 3차원 스캐너(10)는 3차원 영상데이터를 얻고자 하는 물체(OB)로 소정 패턴을 투영하기 위한 패턴투영부(11)와 물체(OB)에서 반사된 반사광(RL)으로부터 물체(OB)의 2차원 영상데이터를 얻기 위한 촬영부(16) 및 패턴투영부(11)로 패턴정보를 제공하고 촬영부(16)로부터 얻은 2차원 영상데이터를 이용하여 3차원 영상데이터를 산출하기 위한 데이터 처리부(12)를 갖춘다.

패턴투영부(11)는 데이터 처리부(12)로부터 인가되는 패턴정보에 따라 패턴광(PL)을 출사하기 위한 마이크로 디스플레이 패널(11a)과 이 디스플레이 패널(11a) 앞쪽에 설치된 광학계(11b)를 가진다. 광학계(11b)는 일렬로 배치된 복수의 렌즈들로 이루어지며 통과하는 패턴광(PL)의 이미지를 확대하고 왜곡을 보정하는 역할을 한다. 이러한 패턴투영부(11)로는 소형 프로젝터가 사용된다. 때에 따라 패턴투영부(11)로는 레이저 스캔 방식, 패턴필름을 투영하는 방식이 사용되기도 한다.

촬영부(16)는 물체(OB)에서 반사된 반사광(RL)을 촬영하여 패턴이 투영된 물체(OB)에 대한 2차원 영상데이터를 얻기 위한 것으로, CCD 또는 CMOS 센서 등의 촬상부(16a)와 통과하는 반사광(RL)의 영상을 확대하고 왜곡을 보정하기 위한 광학계(16b)를 갖추고 있다. 이러한 촬영부(16)로는 소형 카메라가 사용된다.

데이터 처리부(12)는 설치된 프로그램을 통해 패턴투영부(11)로 패턴 정보를 제공하고 촬영부(16)에서 얻은 2차원 영상데이터를 삼각법 등으로 연산 처리하여 물체(OB)에 대한 3차원 데이터를 산출한다. 이렇게 얻은 3차원 데이터는 컴퓨터로 보내지고, 컴퓨터에 의해 모니터 상에 3차원 영상으로 표시되게 된다. 이러한 데이터 처리부(16)는 때에 따라 하우징 외부에 설치될 수 있고, 컴퓨터에 프로그램을 설치하여 구성할 수 있다.

하우징(18)은 패턴투영부(11)와 촬영부(16) 및 데이터 처리부(12)를 내부에 수용하여 보호하는 본체부(18a)와 이 본체부(18a)에서 본체부(18a)보다 가늘고 길게 앞쪽으로 연장된 연장부(18b)를 가진다. 이 연장부(18b)는 내부에 좁고 긴 광통로를 제공하여 구강 등 입구가 좁은 곳의 영상데이터를 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.

연장부(18b) 끝에 패턴광(PL)을 옆으로 꺾어주고 물체(OB)에서 반사된 반사광(RL)을 촬영부(16) 쪽으로 꺾어주는 경사반사경(13)이 설치되어 있다.

도 1에 나타낸 바와 같은 종래의 3차원 스캐너(10)는 다음과 같은 문제점이 있다.

일반적으로, 데이터 처리부(12)에서 패턴이 투영된 물체의 2차원 영상데이터로부터 이용해 높낮이 정보를 가지는 3차원 영상데이터를 얻는 데에는 삼각측량법이 이용된다.

참고그림 2(프로젝터와 카메라 간 간격에 따른 분해능)

참고그림 2에서 다른 조건이 모두 동일한 경우, 케이스 1(Case 1)과 케이스 2(Case 2) 중에서, 프로젝터(projector)와 사진기(camera) 사이의 각도를 케이스 1과 같이 상대적으로 크게 한 것이 각도 분해능(Δθ)이 높아 정밀한 입체 영상데이터를 산출할 수 있다.

즉, 패턴투영부(11)를 구성하는 프로젝터(projector)와 촬영부(16)를 구성하는 사진기(camera) 사이의 각도를 크게 할수록 Δθ가 커지고 각도 분해능이 높아져 정밀한 입체 영상데이터를 얻을 수 있다. 하지만, 구강용 3차원 스캐너(10)의 경우 구강과 같은 좁은 공간에 삽입하기 위해 막대모양의 긴 연장부(18b)를 가지고 있어야 하고 또 긴 연장부(18b) 뒤에 배치되는 프로젝터 등의 패턴투영부(11)와 카메라 등의 촬영부(16)가 설치될 수 있는 설치 공간과 광통로의 한계 때문에 둘 사이의 간격을 좁게 배치할 수밖에 없다. 이에 따라 종래의 구강용 3차원 스캐너(10)는 정밀한 입체 영상데이터를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.

그리고 도 1에 나타낸 바와 같이 종래의 구강용 3차원 스캐너(10)는 프로젝터 등의 패턴투영부(11)와 카메라 등의 촬영부(16)는 광학계(11b)와 광학계(16b)를 각각 가지고 있어서, 부품 개수의 증가, 구강용 3차원 스캐너(10) 크기의 증가, 제작시간 및 단가의 증가 등과 같은 여러 가지 단점을 가지고 있을 수밖에 없다.

본 발명의 목적은 패턴투영부와 촬영부가 좁은 공간에 설치되는 구조에서도 종래의 것에 비해 정밀한 3차원 영상데이터를 얻을 수 있는 3차원 스캐너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 것에 비해 부품수를 줄임으로써 3차원 스캐너의 제조단가와 부피를 줄일 수 있고, 구강용 3차원 스캐너로 적합하게 활용할 수 있는 3차원 스캐너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 2이상의 촬영부가 좁은 공간에 설치되는 구조에서도 종래의 것에 비해 정밀한 3차원 영상데이터를 얻을 수 있는 3차원 스캐너를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 입구가 좁은 구강 내부에 있는 치열의 정밀한 3차원 영상데이터를 얻는 데 적합하게 사용될 수 있는 구강용 3차원 스캐너를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너는 입체 영상을 얻기 위한 물체에 연장부 내부의 광통로를 통해 패턴이 있는 패턴광을 투사하고 상기 패턴이 투영된 상기 물체에서 반사된 반사광으로부터 얻은 2차원 영상데이터를 데이터 처리부에서 처리하여 상기 물체의 입체영상 데이터를 얻기 위한 3차원 스캐너에 있어서, 상기 물체에 패턴이 있는 패턴광을 투사하기 위한 패턴투영부; 상기 패턴투영부와 상, 하, 좌 또는 우로 이웃하여 배치되고 상기 패턴이 투영된 상기 물체에서 반사되어 오는 반사광을 감광하여 상기 패턴이 투영된 상기 물체의 2차원 영상데이터를 얻어서 상기 데이터 처리부로 인가하기 위한 촬영부; 상기 패턴투영부와 상기 촬영부 앞쪽에서 앞으로 연장되게 배치되어 상기 패턴투영부에서 출사되는 상기 패턴광 또는 상기 물체에서 반사되어 상기 촬영부로 입사되는 상기 반사광을 상기 광통로 내에서 반사하여 상기 패턴광과 상기 반사광 사이의 각도를 증가시키는 연장부내부 반사수단; 및 상기 패턴투영부, 상기 촬영부, 상기 연장부내부 반사수단을 수용하여 보호하는 하우징을 포함하는 구성을 한다.

상기 패턴투영부와 상기 촬영부는 동일한 하나의 공유광학계를 공동으로 사용하고 있는 것이 바람직하다.

상기 연장부내부 반사수단은 간격을 두고 마주보고 배치된 한 쌍의 측면반사경과 상기 측면반사경 끝부분에 경사지게 설치되어 상기 패턴광을 옆으로 꺾어주고 상기 반사광을 받아들여 상기 측면반사경 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경을 구비하는 것이 좋다.

때에 따라, 상기 연장부내부 반사수단은 사각단면의 프리즘을 포함하고, 상기 프리즘의 끝부분에는 경사지게 설치되어 상기 패턴광을 옆으로 꺾어주고 상기 반사광을 받아들여 상기 촬영부 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경이 설치된 것일 수 있다.

상기 패턴투영부는 상기 패턴광을 출사하기 위한 마이크로 디스플레이 패널, 상기 마이크로 디스플레이 앞에 설치된 PBS 프리즘, PBS 플레이트(lcos type), TIR 프리즘(dlp type) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 마이크로 디스플레이 패널이 자발광형 디스플레이 패널이 아닌 경우 상기 디스플레이 패널로 광을 조사하기 위한 조명수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 촬영부는 ccd 또는 cmos 센서를 가지는 촬상부를 포함하고, 상기 패턴투영부가 PBS 플레이트(lcos type)가 아닌 경우 상기 촬상부 앞에 상기 마이크로 디스플레이 패널 앞에 설치된 상기 PBS 프리즘 또는 상기 TIR 프리즘(dlp type)과 동일한 광학경로를 갖도록 하기 위한 더미블록이 설치되어 있는 것이 좋다.

때에 따라, 상기 패턴투영부는 레이저 스캔방식 또는 고정패턴 투영방식의 것일 수 있다.

때에 따라, 상기 촬영부는 상기 패턴투영부를 중심에 두고 상기 패턴투영부 양쪽에 배치될 수 있다.

경우에 따라, 본 발명에 따른 3차원 스캐너는 입체 영상을 얻기 위한 물체에서 반사되어 연장부 내부의 광통로를 거쳐 촬영부로 입사되는 반사광으로부터 얻은 2차원 영상데이터를 데이터 처리부에서 처리하여 상기 물체의 3차원 영상데이터를 얻기 위한 3차원 스캐너에 있어서, 간격을 두고 배치되고 서로 다른 각도로 들어오는 상기 물체의 반사광으로부터 2이상의 2차원 영상데이터를 얻어 상기 데이터 처리부로 인가하기 위한 2이상의 촬영부; 상기 2이상의 촬영부 앞쪽에 배치되어 상기 물체에서 반사된 반사광을 상기 연장부의 광통로 내에서 반사하여 상기 2이상의 촬영부로 각각 들어가는 상기 반사광 간의 각도를 증가시키는 연장부내부 반사수단; 및 상기 촬영부, 상기 연장부내부 반사수단을 수용하여 보호하는 하우징을 포함하는 구성을 한다.

상기 2이상의 촬영부는 일렬로 배치된 복수의 렌즈들로 이루어진 동일한 하나의 공용광학계를 공동으로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 연장부내부 반사수단은 간격을 두고 마주보고 배치된 한 쌍의 측면반사경 또는 프리즘을 포함하고, 상기 측면반사경 또는 프리즘의 끝부분에 경사지게 설치되어 상기 반사광을 받아들여 상기 측면반사경 또는 프리즘 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경을 구비하는 것이 좋다.

본 발명에 따르면 프로젝터 등의 패턴투영부와 카메라 등의 촬영부 간의 간격 또는 패턴투영부를 구성하는 마이크로 디스플레이 패널과 촬영부를 구성하는 촬상부 간의 간격 또는 두 촬상부 간의 간격 등을 실제보다 넓게 가상으로 벌려줄 수 있어서 제품의 크기를 줄일 수 있고, 취득하는 3차원 영상데이터의 정밀도가 매우 높다는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 마이크로 디스플레이 패널과 ccd나 cmos 센서 등의 이미지 소자의 크기가 비슷한 경우에는 하나의 동일한 광학계를 패턴투영부와 촬영부에서 공유할 수 있기 때문에 광학부품의 부품수를 줄일 수 있고, 3차원 스캐너의 부피를 줄일 수 있고, 제조단가도 낮출 수 있다.

본 발명에 따르면 종래의 것에 비해 크기가 작고 정밀도가 뛰어난 구강용 3차원 스캐너를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 구강용 3차원 스캐너의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너를 나타낸 평면도,
도 3은 도 2에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 변형 예를 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너의 다른 예를 나타낸 평면도,
도 5는 도 4에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 변형 예를 나타낸 평면도,
도 6은 도 5에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 정면도,
도 7과 8은 도 5와 6에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 변형 예를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너의 또 다른 실시 예를 나타낸 평면도이고, 도 10은 도 9 스캐너의 정면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너를 나타낸 평면도이다.

본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너(100)는 구강 내의 치열 등 좁은 곳에 있는 물체(OB)의 3차원 영상데이터를 얻기 위한 것으로, 입체 영상을 얻기 위한 물체(OB)에 패턴광(PL)을 투사하고 물체(OB)에서 반사된 반사광(RL)으로부터 얻은 2차원 영상 데이터를 데이터 처리부(120)에서 처리하여 물체(OB)의 입체 영상데이터를 얻는다.

도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너(100)는 패턴투영부(110)를 가지고 있다. 이 패턴투영부(110)는 물체(OB)에 소정 패턴을 투영하기 위한 것으로, 패턴광(PL)을 출사하기 위한 마이크로 디스플레이 패널(111)을 갖추고 있다. 이 마이크로 디스플레이 패널(111)은 데이터 처리부(120)에서 패턴에 대한 정보를 입력 받아서 패턴광(PL)을 출사하기 위한 것으로, 반사형이나 자발광형 또는 투과형이 사용될 수 있다. 반사형 디스플레이 패널로는 LCoS 패널이나 DLP 패널이 사용될 수 있고, 자발광형 디스플레이 패널로는 OLED가 사용될 수 있다. 그리고 투과형 디스플레이 패널로서 LCD가 사용될 수 있다. 마이크로 디스플레이 패널(111)이 반사형의 것이거나 투과형의 것인 경우 LED 등의 조명수단(112)이 필요하고, 자발광형의 것인 경우 별도의 조명수단이 필요치 않다.

마이크로 디스플레이 패널(111)로 LCoS 패널 사용 시에는 그 앞에 편광 분리를 위한 PBS 프리즘이나 PBS 플레이트(LCcoS type)가 사용되고, DLP 패널 사용 시에는 전반사를 이용하여 입광과 출광을 처리하는 TIR 프리즘(DLP type)이 사용된다.

그리고 패턴투영부(110)는 마이크로 디스플레이 패널(111) 앞쪽에 배치된 광학계(115)를 갖추고 있다. 이 광학계(115)는 일렬로 배치된 복수의 렌즈들로 구성되며, 마이크로 디스플레이 패널(111)에서 출사되는 패턴광(PL)을 통과시키면서 패턴광(PL)의 이미지를 확대하고 왜곡을 보정하는 역할을 한다.

이 실시 예에서 패턴투영부(110)는 뒤에서 설명되는 프리즘(130a)의 내부반사 표면(131)과 평행한 패턴광(PL)을 출사하는 것을 예시하고 있다.

본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너(100)는 촬영부(140)를 갖추고 있다. 이 촬영부(140)는 물체(OB)에서 반사되어 오는 반사광(RL)을 감광하여 패턴이 투영된 물체(OB)의 2차원 영상데이터를 얻기 위한 것으로 ccd 또는 cmos 센서 등으로 된 촬상부(141)를 가진다. 이 촬영부(140)는 바람직하게 촬상부(141) 앞쪽에 설치된 더미블록(142)을 가진다. 이 더미블록(142)은 ccd 또는 cmos 센서 등으로 된 촬상부(141) 앞에 설치되어 마이크로 디스플레이 패널(111) 앞에 설치된 PBS 프리즘 또는 TIR 프리즘(dlp type)(113)과 동일한 광학경로를 갖도록 하기 위한 것이다. 패턴투영부(110)가 PBS 플레이트(lcos type)가 아닌 경우에는 촬상부(141) 앞에 더미블록(142)을 설치할 필요가 없다. 때에 따라 촬상부(141)는 패턴투영부(110)와 상 또는 하로 이웃하여 배치될 수 있다. 촬상부(141)에서 얻어진 2차원 영상데이터는 데이터 처리부(120)로 인가된다.

촬영부(140)는 촬상부(141) 앞쪽에 설치되고 물체(OB)에서 반사되어오는 반사광(RL)을 통과시키면서 반사광(RL)의 이미지를 확대하고 왜곡을 보정하기 위한 광학계(145)를 갖추고 있다. 이 실시 예에서의 촬영부(140)의 광학계(145)는 패턴투영부(110)의 광학계(115)와는 별개로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너(100)는 연장부내부 반사수단(130)을 갖추고 있다. 이 연장부내부 반사수단(130)은 본 발명의 큰 특징 중 하나이다. 이 연장부내부 반사수단(130)은 패턴투영부(110)와 촬영부(140) 앞쪽에서 앞으로 연장되게 배치되어 있다. 이 연장부내부 반사수단(130)은 광통로 내측 양 측면이 패턴투영부(110)에서 출사되는 패턴광(PL) 및/또는 물체(OB)에서 반사되어 촬영부(140)로 입사되는 반사광(RL)을 하우징(150)의 본체부(151)에서 앞으로 연장된 연장부(152)의 광통로 내에서 반사하여 패턴광(PL)과 반사광(RL) 사이의 각도를 증가시키는 역할을 한다. 이러한 연장부내부 반사수단(130)은 사각단면의 긴 막대모양의 프리즘(130a)과 프리즘(130a)의 끝부분에 경사지게 설치되어 패턴광(PL)을 옆으로 꺾어주고 반사광(RL)을 받아들여 촬영부(140) 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경(133)을 가진다. 도 2에서는 패턴광(PL)이 연장부 반수수단(130)의 내부반사표면(131)에 평행하게 출사되는 것을 보여주고 있다.

이에 따라 촬영부(140)는 도 2의 가상선으로 표시한 바와 같이 패턴투영부(110)에서 멀리 떨어진 가상의 위치에서 물체(OB)에 반사된 반사광(RL)을 감광하는 것과 같이 된다. 이에 따라 연장부(152)에 연장부내부 반사수단(130)을 설치하는 것으로 패턴광(PL)과 반사광(RL) 사이의 각도를 크게 증가시킬 수 있고, 결과적으로 정밀도가 높은 구강 내의 3차원 영상데이터를 얻을 수 있다.

상기와 같은 패턴투영부(110), 촬영부(140) 및 연장부내부 반사수단(130)은 하우징(150) 내에 수용되어 하우징(150)의 지지를 받고 있다.

도 2에서와 같이 프리즘을 사용하여 연장부내부 반사수단(130)을 구성하면 촬영부(140)의 위치가 패턴투영부(110)에서 마치 크게 벌어진 것처럼 동작하므로 기존의 방식보다 더 큰 각도로 대상물을 측정할 수 있다.

도 3은 도 2에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 변형 예를 나타낸 평면도이다.

때에 따라 연장부내부 반사수단(130)은 간격을 두고 마주보고 배치된 한 쌍의 측면반사경(131a)과 측면반사경(131a) 끝부분에 경사지게 설치되어 패턴광(PL)을 옆으로 꺾어주고 물체(OB)에서 반사되어 오는 반사광(RL)을 받아들여 측면반사경(131a) 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경(133)을 구비하는 형태로 구성할 수 있다.

이렇게 하는 경우 도 2에서와 같이 프리즘(130a)을 이용하는 경우에 비해 정밀한 3차원 영상데이터를 보다 넓은 면적에 걸쳐서 얻을 수 있다.

나머지는 도 2를 통해 설명한 것과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너의 다른 예를 나타낸 평면도이다.

패턴투영부(110)와 촬영부(140)가 일정 조건이 되면 위에서 보았을 때 상하로 겹쳐지게 배치된다. 여기서 일정 조건이라 함은 패턴투영부(110)가 가지는 마이크로 디스플레이 패널과 촬영부(140)가 가지는 촬상부의 크기가 비슷해지는 경우이다. 이 경우, 패턴투영부(110)와 촬영부(140)는 동일한 하나의 공용광학계(115a)를 공유할 수 있게 된다. 이 경우에 촬영부(140)와 패턴투영부(110)에서 사용하는 공용광학계(115a)를 공유함으로써 광학부품의 수를 줄일 수 있다. 공용광학계(115a) 공유를 위해서는 이미지를 만드는 마이크로 디스플레이 패널과 이미지를 촬상하는 ccd나 cmos 센서 등 촬상부의 크기가 비슷하여야 한다.

참고로, 촬영부(140)의 역할을 하는 카메라와 패턴투영부(110)의 역할을 하는 프로젝터는 광학적으로 반대의 기능을 한다. 카메라는 참고그림 3과 같이 물체에서 반사되는 빛을 촬상부를 구성하는 씨씨디(ccd)나 씨모스 센서(cmos sensor)에 모아주어 결상을 하고 프로젝터(projector)는 참고그림 4와 같이 패널(panel)에서 나오는 패턴이 있는 빛을 물체에 비추어준다. 두 광학기구에서 물체(Object)와 영상(Image)의 크기와 거리가 같다면 같은 광학계를 사용할 수 있고 적절히 반사를 시키면 참고그림 4의 투사광학계와 카메라 광학계를 도 5 내지 8에서와 같이 겹치게 할 수 있다.

참고그림 3

참고그림 4

도 4에 나타낸 실시 예에서는 패턴광(PL)도 연장부내부 반사수단(130)의 양 측면을 향해 경사지게 출사된다. 이에 따라 도 4에 나타낸 구강용 3차원 스캐너(100)는 패턴투영부(110)도 실제 촬영부(140)와의 거리보다 멀리 떨어진 가상의 위치에 배치된 것과 같이 되어 더욱 정밀한 3차원 영상데이터를 얻을 수 있다.

도 4의 실시 예에서와 같이 패턴투영부(110)와 촬영부(140)가 동일한 하나의 공용광학계(115a)를 공동으로 사용하게 되면 구강용 3차원 스캐너(100)를 제작하는 데 사용되는 광학부품의 개수를 줄일 수 있고, 구강용 3차원 스캐너(100) 제작 시 부품들을 조립하기가 쉽고 부피도 줄일 수 있고, 제품 단가도 낮출 수 있다.

나머지는 도 2와 3을 통해 설명한 것과 같다.

도 5는 도 4에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 변형 예를 나타낸 평면도이고, 도 6은 도 5에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 정면도이다.

때에 따라 촬상부(141)와 마이크로 디스플레이 패널(111)을 위에서 보았을 때에는 겹치게 하고 정면에서 보았을 때에는 상하로는 간격을 두고 배치되게 한 상태에서, 연장부(152)의 내부 상면과 하면을 따라 측면반사경(131a)을 평행하게 설치하고 패턴투영부(110)에서 출사되는 패턴광(PL)과 외부 물체에서 반사되어 들어오는 반사광(RL)이 측면반사경(131a)에 경사지게 반사되게 하여 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너(100)를 구성할 수 있다. 이 경우에도, 촬영부(140)와 패턴투영부(110)는 도 5와 6에 나타낸 바와 같이 하나의 동일한 공용광학계(115a)를 이용할 수 있다.

또한, 이 실시 예에서도, 마이크로 디스플레이 패널(111)로는 반사형 디스플레이 패널로서 LCoS 패널이나 DLP 패널이 사용될 수 있고, 자발광형 디스플레이 패널로는 OLED가 사용될 수 있다. 그리고 투과형 디스플레이 패널로서 LCD가 사용될 수 있다. 마이크로 디스플레이 패널(111)이 반사형의 것이거나 투과형의 것인 경우 LED 등의 조명수단(112)이 필요하고, 자발광형의 것인 경우 별도의 조명수단(112)이 필요치 않고, 마이크로 디스플레이 패널(111)로 LCoS 패널을 사용 시에는 그 앞에 편광 분리를 위한 PBS 프리즘이나 PBS 플레이트(LCcoS type)가 사용되고, DLP 패널 사용 시에는 전반사를 이용하여 입광과 출광을 처리하는 TIR 프리즘(DLP type)이 사용된다. 촬상부(141) 앞에 설치된 더미블록(142)은 마이크로 디스플레이 패널(111) 앞에 설치된 PBS 프리즘 또는 TIR 프리즘(dlp type)과 동일한 광학경로를 갖도록 하기 위한 것으로, 패턴투영부 (110) 에 PBS 플레이트(lcos type)와 같이 두꺼운 블록이 없는 경우에는 필요치 않다.

도 5와 6에 나타낸 바와 같이 패턴투영부(110)와 촬영부(140)가 공용광학계(115a)를 공유하기 위해서는 패턴이미지를 만드는 마이크로 디스플레이 패널(111)과 이미지를 촬영하는 ccd 또는 cmos 센서 등의 촬상부(141)의 크기가 비슷하여야 한다.

패턴투영부(110)와 촬영부(140)가 공용광학계(115a)를 공유하는 경우, 구강용 3차원 스캐너(100)의 제작에 사용되는 광학부품의 수를 줄일 수 있어 제품의 원가를 낮추는 데에 도움이 되고, 조립공정과 조립에 들어가는 시간을 줄일 수 있고, 제품의 부피도 줄일 수 있다.

나머지는 도 2 내지 4를 통해 설명한 것과 같다.

도 7과 8은 도 5와 6에 나타낸 구강용 3차원 스캐너의 변형 예를 나타낸 도면이다.

때에 따라 도 5와 6에서 설명한 측면반사경(131a) 대신에 긴 막대모양의 프리즘(130a)을 이용하여 연장부내부 반사수단(130)을 구성할 수 있다. 연장부내부 반사수단(130)을 프리즘(130a)을 이용하여 구성하는 경우, 도 5와 6의 실시 예에 비해 정밀한 영상데이터를 얻을 수 있는 영역이 다소 축소되거나, 반사경 사용의 경우보다 프리즘의 폭을 키워야 한다.

나머지는 도 5와 6을 통해 설명한 것과 같다.

때에 따라 패턴투영부(110)는 레이저 스캔방식 또는 패턴필름을 이용하는 고정패턴 투영방식으로 구성될 수도 있다.

도 9는 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너의 또 다른 실시 예를 나타낸 평면도이고, 도 10은 도 9 스캐너의 정면도이다.

때에 따라, 촬영부(140)는 패턴투영부(110)를 중심에 두고 패턴투영부(110)의 상, 하 양쪽에 배치하여 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너(100)를 구성할 수 있다. 이렇게 하는 경우, 패턴이 투영된 물체의 2차원 영상데이터를 많이 얻을 수 있고, 또, 서로 다른 각도에서 본 물체의 데이터를 얻을 수 있고, 이를 토대로 데이터 처리하여 1개의 촬영부(140)를 이용하는 경우에 비해 보다 정밀한 3차원 영상데이터를 얻을 수 있고, 3차원 영상의 인식의 안정성도 증가한다.

그리고 마이크로 디스플레이 패널(111)은 PBS의 반사를 S파로 하느냐 P파로 하느냐에 따라 도 10에 나타낸 바와 같이 공용광학계(115a)를 향하게 배치하거나 조명수단(112) 반대편에서 조명수단(112)을 향하도록 배치할 수 있다.

나머지는 도 5 내지 8을 통해 설명한 것과 같다.

또, 때에 따라 물체(OB)를 외부 조명수단으로 조명하는 경우, 도 9와 10의 실시 예에서 패턴투영부(110)를 없애고 2개의 촬영부(140)만으로 본 발명에 따른 3차원 스캐너를 구성할 수 있다. 하지만, 이 경우 3차원 영상데이터를 얻기 위한 데이터 처리량이 많아져 처리속도가 다소 증가해야 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 구강용 3차원 스캐너는 평행하게 마주보고 배치된 측면반사경의 내부반사 또는 프리즘의 내부 전반사를 이용하여 촬영부(140)와 패턴투영부(110) 또는 2 이상의 촬영부 간의 가상 간격을 키움으로써 정밀한 3차원 영상데이터를 얻을 수 있다.

그리고 일정 조건하에서는 촬영부와 패턴투영부 또는 두 촬영부가 공용광학계를 함께 사용할 수 있다.

본 발명은 구강 내부의 정밀한 3차원 영상데이터를 얻을 수 있게 하기 위한 구강용 3차원 스캐너를 만드는 데 적합하게 이용될 수 있다. 본 발명은 구강용 3차원 스캐너뿐만 아니라 입구가 좁거나 내부 공간이 좁은 여타의 내부공간에 있는 물체의 3차원 영상데이터를 얻는 여타의 3차원 스캐너를 만드는 데에 이용될 수 있다.

100: 3차원 스캐너 110: 패턴투영부
111: 마이크로 디스플레이 패널 112: 조명수단
113: PBS 프리즘 또는 TIR 프리즘(dlp type)
115, 145: 광학계 115a: 공용광학계
120: 데이터 처리부 130: 연장부내부 반사수단
130a: 프리즘 131: 내부반사표면
131a: 측면반사경 133: 경사반사경
140: 촬영부 141: 촬상부
142: 더미블록 150: 하우징
151: 본체부 152: 연장부
PL: 패턴광 RL:반사광

Claims

입체 영상을 얻기 위한 물체에 연장부 내부의 광통로를 통해 패턴이 있는 패턴광을 투사하고 상기 패턴이 투영된 상기 물체에서 반사된 반사광으로부터 얻은 2차원 영상데이터를 데이터 처리부에서 처리하여 상기 물체의 입체영상 데이터를 얻기 위한 3차원 스캐너에 있어서,
상기 물체에 패턴이 있는 패턴광을 투사하기 위한 패턴투영부;
상기 패턴투영부와 상, 하, 좌 또는 우로 이웃하여 배치되고 상기 패턴이 투영된 상기 물체에서 반사되어 오는 반사광을 감광하여 상기 패턴이 투영된 상기 물체의 2차원 영상데이터를 얻어서 상기 데이터 처리부로 인가하기 위한 촬영부;
상기 패턴투영부와 상기 촬영부 앞쪽에서 앞으로 연장되게 배치되어 상기 패턴투영부에서 출사되는 상기 패턴광 또는 상기 물체에서 반사되어 상기 촬영부로 입사되는 상기 반사광을 상기 광통로 내에서 반사하여 상기 패턴광과 상기 반사광 사이의 각도를 증가시키는 연장부내부 반사수단; 및
상기 패턴투영부, 상기 촬영부, 상기 연장부내부 반사수단을 수용하여 보호하는 하우징을 포함하고,
상기 패턴투영부와 상기 촬영부는 동일한 하나의 공유광학계를 공동으로 사용하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
삭제
제1항에서, 상기 연장부내부 반사수단은 간격을 두고 마주보고 배치된 한 쌍의 측면반사경과 상기 측면반사경 끝부분에 경사지게 설치되어 상기 패턴광을 옆으로 꺾어주고 상기 반사광을 받아들여 상기 측면반사경 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경을 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
제1항에서, 상기 연장부내부 반사수단은 사각단면의 프리즘을 포함하고, 상기 프리즘의 끝부분에는 경사지게 설치되어 상기 패턴광을 옆으로 꺾어주고 상기 반사광을 받아들여 상기 촬영부 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경이 설치된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에서, 상기 패턴투영부는 상기 패턴광을 출사하기 위한 마이크로 디스플레이 패널, 상기 마이크로 디스플레이 앞에 설치된 PBS 프리즘, PBS 플레이트(lcos type), TIR 프리즘(dlp type) 중 어느 하나를 포함하고,
상기 마이크로 디스플레이 패널이 자발광형 디스플레이 패널이 아닌 경우 상기 마이크로 디스플레이 패널로 광을 조사하기 위한 조명수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
제5항에서, 상기 촬영부는 ccd 또는 cmos 센서를 가지는 촬상부를 포함하고, 상기 패턴투영부가 PBS 플레이트(lcos type)가 아닌 경우 상기 촬상부 앞에 상기 마이크로 디스플레이 패널 앞에 설치된 상기 PBS 프리즘 또는 상기 TIR 프리즘(dlp type)과 동일한 광학경로를 갖도록 하기 위한 더미블록이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에서, 상기 패턴투영부는 레이저 스캔방식 또는 고정패턴 투영방식의 것임을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에서, 상기 촬영부는 상기 패턴투영부를 중심에 두고 상기 패턴투영부 양쪽에 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
입체 영상을 얻기 위한 물체에서 반사되어 연장부 내부의 광통로를 거쳐 촬영부로 입사되는 반사광으로부터 얻은 2차원 영상데이터를 데이터 처리부에서 처리하여 상기 물체의 3차원 영상데이터를 얻기 위한 3차원 스캐너에 있어서,
간격을 두고 배치되고 서로 다른 각도로 들어오는 상기 물체의 반사광으로부터 2이상의 2차원 영상데이터를 얻어 상기 데이터 처리부로 인가하기 위한 2이상의 촬영부;
상기 2이상의 촬영부 앞쪽에 배치되어 상기 물체에서 반사된 반사광을 상기 연장부의 광통로 내에서 반사하여 상기 2이상의 촬영부로 각각 들어가는 상기 반사광 간의 각도를 증가시키는 연장부내부 반사수단; 및
상기 촬영부, 상기 연장부내부 반사수단을 수용하여 보호하는 하우징을 포함하고,
상기 2이상의 촬영부는 일렬로 배치된 복수의 렌즈들로 이루어진 동일한 하나의 공용광학계를 공동으로 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.
삭제
제9항에서, 상기 연장부내부 반사수단은 간격을 두고 마주보고 배치된 한 쌍의 측면반사경 또는 프리즘을 포함하고, 상기 측면반사경 또는 프리즘의 끝부분에 경사지게 설치되어 상기 반사광을 받아들여 상기 측면반사경 또는 프리즘 쪽으로 꺾어주기 위한 경사반사경을 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너.