KR102059438B1 - 가변 구조광 생성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변 구조광 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 변조된 레이저 광을 반사하는 멤스 미러의 리사쥬 스캔 구동 전압의 양축 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭 값에 의해 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 것을 이용하여 사용자가 원하는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야를 갖는 구조광을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 가변 구조광 생성 장치는 광원부, 멤스 미러, 정보입력부, 메모리부 및 제어부를 포함한다. 본 발명의 가변 구조광 생성 장치는 일반적으로 대상 물체에 구조광을 조사하고 대상 물체에서 반사되는 반사광을 카메라 등과 같은 영상 촬영 수단으로 영상을 촬영하고 이를 통해 획득한 영상을 분석하여 대상 물체의 3차원 입체 정보를 얻는 시스템에서 사용된다.

Description

가변 구조광 생성 장치 및 방법{Apparatus for generating variable structured-light and method for the same}
본 발명은 가변 구조광 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 변조된 레이저 광을 반사하는 멤스 미러의 리사쥬 스캔 구동 전압의 양축 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭 값에 의해 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 것을 이용하여 사용자가 원하는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야를 갖는 구조광을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 3차원 입체 영상 서비스에 대한 관심이 점점 증대되면서 입체 영상을 제공하는 장치들이 계속 개발되고 있다. 이러한 입체영상을 구현하는 방식 중에 스테레오 스코픽(stereoscopic) 방식, 시간 측정(TOF: time of flight) 방식, 구조광(structured-light) 방식 등이 있다.
스테레오 스코픽 방식의 기본 원리는, 사람의 좌안과 우안에 서로 직교하도록 배열된 영상을 분리하여 입력하고, 사람의 두뇌에서 좌안과 우안에 각각 입력된 영상이 결합되어 입체 영상이 생성되는 방식이다. 이때, 서로 직교하도록 배열된 영상이 각각 좌안 영상(reft view image) 및 우안 영상(right view image)이 된다. 최근의 3D 카메라는 하나의 장치에서 좌안 영상과 우안 영상을 함께 촬영하도록 구성되고 있다. 예를 들어, 2개 의 동일한 카메라를 사용하는 스트레오 방식이 많이 이용된다. 스트레오 방식의 경우에는, 두 카메라를 일정간격(baseline)으로 배치하여 좌우영상을 별도의 2개의 완전히 독립된 카메라(2개의 렌즈, 2개의 센서, 2개의 ISP)를 사용하여 획득한다.
그러나, 스트레오 방식의 3D 카메라에는 2개의 카메라간의 조립오차에 따른 품질문제가 3D 품질을 저하시켜 고정밀 조립 공정 및 수율저하라는 문제점이 있었다. 또한, 3D depth 측정범위가 고정된 2개의 카메라간의 간격인baseline에 의하여 결정되는 문제점이 있었다. 또한 3D 줌렌즈의 경우 초기에 2개의 카메라간의 얼라인(align)이 잘 되어 있어도 줌잉을 하면서 2개의 카메라간의 오차가 발생하면서 영상이 저하되어 시청자 피로감을 유발시키는 문제점이 있다.
또한, 시간측정(TOF: time of flight) 방식은 물체에 직접적으로 빛을 조사하고, 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간을 계산함으로써 물체의 깊이 정보를 획득한다. 이 방식은 TOF 전용 센서의 크기와 높은 파워 소비로 제한적으로 사용되는 문제가 있다.
또한, 구조광(structured-light) 방식은 특정 패턴이 코딩된 레이저광을 물체에 조사하고, 반사광의 패턴 shift량을 계산함으로써 물체의 깊이 정보를 획득한다. 이 방식은 일반적으로 고정초점 렌즈와 passive 코딩 소자를 사용한다.
따라서 기존의 구조광 방식의 3차원 입체 영상 제공 시스템에서 사용되는 구조광은 넓은 면적에 나누어 주어야하기 때문에 광의 세기가 커야하며 다양한 환경에 따라 패턴 개수 및 시야를 변화시켜가며 이미지를 획득할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 레이저 광의 변조 주파수와 멤스 미러의 리사쥬 스캔의 구동 전압의 양축 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭을 제어하여 사용자가 원하는 다양한 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야를 갖는 가변 구조광을 생성하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치는, 변조된 레이저 광을 출력하는 광원부; 상기 레이저 광을 반사하고 서로 직교하는 양축의 구동 전압이 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝을 실행하는 멤스 미러; 사용자가 원하는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야의 정보를 입력할 수 있는 정보입력부; 상기 정보에 상응하는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값이 기저장되어 있는 메모리부; 및 상기 정보에 상응하는 구조광을 생성하기 위해 상기 정보를 수신하고 상기 메모리부와 통신하여 상기 멤스 미러의 제어 신호 및 상기 광원부의 변조 신호를 생성하여 송신하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 정보입력부를 통해 입력되는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야에 대한 정보를 수신하는 정보수신부; 상기 정보에 상응하는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값을 상기 메모리부와 통신하여 추출하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수를 상기 광원부의 레이저 변조 주파수로 계산하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값으로 형성되는 정현파의 제어 신호 및 상기 계산된 광원부의 레이저 변조 주파수로 형성되는 구형파의 변조 신호를 생성하는 신호생성부; 및 상기 제어 신호를 상기 멤스 미러에 송신하고 상기 변조 신호를 상기 광원부에 송신하는 신호송신부를 포함한다.
또한, 상기 멤스 미러는 서로 직교하는 양축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자(Q-factor)가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최대공약수와 음의 상관관계를 가지고 상기 최대공약수에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 모양은 일정하지 않는 임의의 모양을 갖고 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동주파수 및 초기 위상에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 시야는, 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 진폭과 양의 상관관계를 갖고 상기 진폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부에서 출력되는 레이저 광이 ON/OFF 방식의 구형파에 의해 변조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변조 신호의 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부는 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고, 상기 광변조 소자에 ON/OFF 방식의 구형파인 변조 신호가 가해지고, 상기 구형파의 변조 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수 또는 상기 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 방법은, 가변 구조광 생성 장치를 이용하여 가변 구조광을 생성하는 방법으로서, 사용자로부터 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야의 정보를 입력받는 단계; 상기 입력받은 정보에 상응하는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값을 메모리부와 통신하여 추출하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수를 광원부의 레이저 변조 주파수로 계산하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값으로 형성되는 정현파의 제어 신호 및 상기 계산된 광원부의 레이저 변조 주파수로 형성되는 구형파의 변조 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제어 신호를 상기 멤스 미러에 송신하고 상기 변조 신호를 상기 광원부에 송신하여 변조된 레이저 광이 리사쥬 스캐닝을 실행하는 멤스 미러에 의해 반사되어 구조광을 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 멤스 미러는 서로 직교하는 양축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최대공약수와 음의 상관관계를 가지고 상기 최대공약수에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 모양은 일정하지 않는 임의의 모양을 갖고 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동주파수 및 초기 위상에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 시야는, 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 진폭과 양의 상관관계를 갖고 상기 진폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부에서 출력되는 레이저 광이 ON/OFF 방식의 구형파에 의해 변조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변조 신호의 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부는 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고, 상기 광변조 소자에 ON/OFF 방식의 구형파인 변조 신호가 가해지고, 상기 구형파의 변조 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수 또는 상기 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가변 구조광 생성 장치 및 방법은 레이저 광의 변조 주파수와 멤스 미러의 리사쥬 스캔의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭을 제어하여 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야의 조절이 가능하다.
또한, 본 발명의 가변 구조광 생성 장치에 사용되는 멤스 미러의 크기는 대략 1mm×1mm이므로 본 발명의 장치의 소형화가 가능하고 기존의 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)을 사용하는 구조광 생성 장치에 비하여 낮은 출력의 레이저로 넓은 시야를 갖는 구조광의 생성이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 가변 구조광 생성 장치의 제어부를 보여주는 블록 구성도이다.
도 4는 가변 구조광 생성 장치의 멤스 미러를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A 부분을 보여주는 확대도이다.
도 6은 멤스 미러의 구동 주파수에 따라 구조광의 패턴 개수가 달라지는 것을 설명하는 예시적인 도면이다.
도 7은 멤스 미러의 구동 전압의 초기 위상에 따라 구조광의 패턴 모양이 달라지는 것을 설명하는 예시적인 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치를 도시한 개략도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치는 광원부(100), 멤스 미러(200), 정보입력부(300), 메모리부(400) 및 제어부(500)를 포함한다. 본 발명의 가변 구조광 생성 장치는 일반적으로 대상 물체에 구조광을 조사하고 대상 물체에서 반사되는 반사광을 카메라 등과 같은 영상 촬영 수단으로 영상을 촬영하고 이를 통해 획득한 영상을 분석하여 대상 물체의 3차원 입체 정보를 얻는 시스템에서 사용된다.
구조광 생성 장치에 의해 조사되는 패턴은 그 개수가 적으면 각각의 패턴이 용이하게 구분될 수 있으나, 대상 물체의 거리 측정의 정밀도가 낮아질 수 있다. 반면, 조사되는 패턴의 개수가 많아지면 각각의 패턴을 구분하기 위한 계산 시간과 오차가 증가할 수 있으나, 대상 물체와의 거리 측정의 정밀도가 향상될 수 있다. 또한, 패턴의 크기가 커질수록 패턴이 용이하게 구분될 수 있으나, 입체 영상의 해상도가 낮아질 수 있다. 반면, 조사되는 패턴의 크기가 작아지면 패턴의 구분이 어려우나 입체 영상의 해상도가 높아질 수 있다. 따라서 원하는 조건의 패턴을 가지는 조사광의 패턴의 개수 및 모양을 실시간으로 결정하여 적용할 필요가 있다.
상기 정보입력부(300)은 3차원 입체 영상을 얻고자하는 조건에 따라 사용자가 원하는 조사광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야(FOV:field of view)에 대한 정보를 입력할 수 있도록 구성된다. 정보입력부(300)에 입력된 정보는 제어부(500)가 수신하며, 제어부(500)는 입력된 정보에 상응하는 구조광을 생성하기 위해 입력된 정보에 상응하는 멤스 미러(200)의 양축의 구동 전압에 대한 정보를 메모리부(400)로부터 받고, 메모리부(400)로부터 받은 멤스 미러(200)의 구동 전압의 구동 주파수를 통해 광원부(100)의 변조 주파수를 계산하고, 멤스 미러(200)의 양축의 구동 전압의 제어 신호(Vx(t)=Axsin(2πfx·t+
Figure 112018073247994-pat00001
x) 및 Vy(t)=Aysin(2πfy·t+
Figure 112018073247994-pat00002
y))와 광원부(100)의 변조 신호를 각각 멤스 미러(200)와 광원부(100)에 송신한다. 송신된 신호에 따라 광원부(100)에서 변조된 레이저 광이 출력되고 멤스 미러(200)는 레이저 광을 반사하고 리사쥬 스캐닝을 실행하여, 대상 물체에 사용자가 원하는 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야를 갖는 구조광을 조사하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치의 광원부(200)는 레이저(110)를 포함하며, 레이저 광은 ON/OFF 방식의 구형파에 의해 변조(modulation)되고 멤스 미러의 표면에 조사된다. 이때, 변조 신호는 제어부에서 송신되며 멤스 미러의 양축 구동 주파수(fx, fy)의 최소공배수(LCM:Least Common Multiple) 또는 상기 최소공배수의 배수이다. 레이저 광의 파장 대역은 가시광선 또는 적외선 계열의 대역도 무방하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치를 도시한 개략도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 구조광 생성 장치의 광원부(100)는 레이저(110) 광을 변조시키기 위해 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자(120)를 더 포함할 수 있다. 광변조 소자(120)는 광을 변조하거나 고속 카메라의 셔터 등에 이용되는 전기 광학적 커 효과(Kerr effect)를 이용해 만들어진 커 셀(Kerr cell)로 이루어질 수 있다. 또한, 광변조 소자(120)에 ON/OFF 방식의 구형파인 구동 전압이 가해지고 구형파의 주파수는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수(fx, fy)의 최소공배수 또는 최소공배수의 배수이다.
도 3은 가변 구조광 생성 장치의 제어부를 보여주는 블록 구성도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 제어부(500)는 정보수신부(510), 신호생성부(520) 및 신호 송신부(530)를 포함한다. 제어부(500)는 정보입력부(300)에 입력된 정보에 상응하는 구조광을 생성하기 위해 상기 정보입력부(300)에 입력된 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야의 정보를 수신하고 상기 메모리부(400)와 통신하여 멤스 미러의 양축 구동 전압에 대한 값을 받고 광원부(100) 및 멤스 미러(200)를 제어하는 신호를 생성하여 송신한다.
정보수신부(510)는 정보입력부(300)를 통해 입력되는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야에 대한 정보를 수신한다. 신호생성부(520)는 정보수신부(510)가 받은 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야에 대한 정보에 상응하는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수(fx, fy), 초기 위상(
Figure 112018073247994-pat00003
x,
Figure 112018073247994-pat00004
y) 및 진폭(Ax, Ay)에 대한 값을 메모리부(400)에 문의하고 상응하는 값들이 있는 경우 메모리(400)로부터 상응하는 값들을 추출하여 멤스 미러(200)를 제어하는 신호를 생성한다. 또한 신호 생성부(520)는 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수(fx, fy)의 최소공배수 또는 상기 최소공배수의 배수를 광원부의 레이저 변조 주파수로 계산하고 계산된 변조 주파수로 형성되는 구형파의 변조 신호를 생성한다. 신호송신부(530)는 신호 생성부에서 생성한 제어 신호를 멤스 미러에 송신하고 신호 생성부에서 생성한 변조 신호를 광원부에 송신한다.
도 4는 가변 구조광 생성 장치의 멤스(MEMS:micro-electro mechanical system) 미러를 보여주는 사시도이고 도 5는 도 4의 A 부분을 보여주는 확대도를 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 멤스 미러(200)는 미러 플레이트(210), 제1 고정단(221), 제2 고정단(222), 제1 토션바(231), 제2 토션바(232), 프레임(240) 및 구동부(미도시)를 포함한다. 상기 미러 플레이트(210)는 광을 반사하며, 회전 가능하고, 양축의 구동 전압이 각각, Vx(t)=Axsin(2πfx·t+
Figure 112018073247994-pat00005
x) 및 Vy(t)=Aysin(2πfy·t+
Figure 112018073247994-pat00006
y)로 입력되어 미러 플레이트에서 반사된 광에 의해 리사쥬 스캔이 행해진다. 제1 고정단(221)은 미러 플레이트의 양측에 각각 이격되어 형성되고 미러 플레이트가 제1 고정단을 잇는 직선을 축(여기서, X축)으로 하여 회전 진동하는 동안 미러 플레이트의 중심의 변위가 없도록 고정시키는 역할을 한다. 프레임(240)은 미러 플레이트 및 제1 고정단의 둘레를 에워싸는 구성이고, 제2 고정단(222)은 프레임의 양측에 각각 이격되어 형성되고 상기 제1 고정단을 잇는 직선과 수직하는 선상에 위치하여 프레임과 미러 플레이트가 제2 고정단을 잇는 직선을 축(여기서, Y축)으로 하여 회전 진동하는 동안 미러 플레이트의 중심의 변위가 없도록 고정시키는 역할을 한다. 토션바는 미러 플레이트의 중심을 기준으로 직교하는 두 직선상에 4개가 배치된다. 제1 토션바(231)는 미러 플레이트(210)를 탄성 지지하는 것으로 상기 미러 플레이트와 상기 제1 고정단을 연결한다. 제2 토션바(232)는 프레임(240)을 탄성 지지하는 것으로 상기 프레임과 상기 제2 고정단을 연결한다.
상기 구동부(미도시)는 상기 미러 플레이트의 회전 진동에 의해 반사되는 광이 리사쥬 패턴을 형성하도록 리사쥬 스캔을 위한 서로 수직하는 제1축 및 제2축으로 회전력을 제공한다. 구동부는 정전기적(electrostatic), 전자기적(electromagnetic), 전열(electrothermal) 및 압전(piezo) 방식 중에서 선택되어지는 구동 방식을 취할 수 있다. 도 7은 정전기적 구동 방식을 취하는 멤스 미러를 도시하였고 도 8의 확대도에 나타나 있는 빗살 모양의 콤(comb)을 형성하여 인접한 콤의 전기전 척력 또는 인력에 의하여 미러 플레이트에 회전력을 전달한다.
본 발명의 가변 구조광 생성 장치가 다양한 패턴 개수로 가변 가능한 구조광을 구현하기 위해서는 패턴 개수를 결정하는 요인인 멤스 미러의 구동 주파수를 다양하게 선택할 수 있어야 하고 그 선택의 폭이 되는 공명 대역폭이 넓어야 한다. 즉, 공명 대역폭이 넓다는 것은 진동 모드의 품질 인자(Q-factor)가 낮다는 것을 의미한다. 멤스 미러의 품질 인자는 미러 플레이트 및 프레임의 회전 관성모멘트와 토션바의 탄성 복원력과의 관계에서 결정된다. 따라서 멤스 미러의 진동에 대한 품질 인자를 조절하기 위해 제1 또는 제2 토션바의 두께를 변경하는 설계를 통하여 멤스 미러를 제작한다. 즉, 멤스 미러를 제작하는 반도체 공정 전의 설계도에 해당하는 마스크를 그리는 과정에서 토션바의 두께를 조절하여 멤스 미러의 양축의 진동에 대한 품질인자를 결정하게 된다.
본 발명의 장치가 패턴 개수가 가변 가능한 구조광을 생성하기 위해서는 멤스 미러(200)는 서로 직교하는 양축을 기준으로 회전하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질 인자 또는 제2축의 회전 진동에 대한 품질 인자 중에서 어느 하나 이상을 낮게 설계하거나 두 품질인자 중 하나를 더 낮게 설계되는 것이 바람직하며 더 낮은 품질 인자가 100 이하인 것이 더 바람직하다.
아래 표 1은 멤스 미러의 구동 주파수에 따른 패턴의 개수를 나타낸다. 도 6은 멤스 미러의 구동 주파수에 따라 구조광의 패턴 개수가 달라지는 것을 설명하는 예를 보여주고 도 7은 멤스 미러의 구동 전압의 초기 위상에 따라 구조광의 패턴 모양이 달라지는 것을 설명하는 예를 보여준다.
X축 구동주파수 fx Y축 구동주파수 fy 최대공약수 X축 패턴 수 Y축 패턴 수 패턴 개수
5980 6800 20 340 299 101660
6000 6792 24 283 250 70750
6040 6800 40 170 151 25670
6006 6798 66 103 91 9373
5994 6804 162 42 37 1554
5984 6800 272 25 22 550
6000 6800 400 17 15 255
5957 6808 851 8 7 56
표 1 및 도 6을 참조하면, 멤스 미러의 양축의 구동 전압의 구동 주파수에 따라 패턴의 개수가 달라지고, 같은 시야를 가지는 구조광의 경우 멤스 미러의 양축의 구동 전압의 구동 주파수에 따라 패턴 개수가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 패턴의 개수는 멤스 미러의 양축의 구동 전압의 구동 주파수의 최대공약수(GCD:Greatest Common Divisor)와 음의 상관관계를 가짐을 알 수 있다. 즉, 양축의 구동 주파수의 최대 공약수가 클수록 구조광의 패턴의 개수가 낮아짐을 알 수 있다. 따라서 두 구동주파수의 최대 공약수의 값을 통하여 구조광의 패턴 개수의 예측이 가능하다.
도 7을 참조하면, 왼쪽의 도시는 변조되지 않은 레이저 광에 의한 멤스 미러의 리사쥬 스캔 광을 도시하였고 오른쪽의 도시는 변조된 레이저 광이 멤스 미러에 조사되고 왼쪽 도시의 주파수와 동일한 구동주파수로 구동되는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 초기 위상 값에 따라 패턴 모양이 변하는 구조광을 각각 나타낸다. 따라서, 구조광의 패턴 모양은 일정하지 않는 임의의 모양을 갖고 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동주파수 및 초기 위상에 의해 결정됨을 알 수 있다. 또한, 구조광의 시야는 멤스 미러의 양축의 회전 각도가 커질수록 넓어지며, 이는, 멤스 미러의 양축의 구동 전압의 진폭 값에 의해, 회전 각도가 결정되고 구조광의 시야가 결정됨을 알 수 있다.
요약하자면, 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야는 멤스 미러의 양축의 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 의해 달라질 수 있다. 상기에서 설명한 사실을 토대로, 메모리부(400)는 구조광의 특정 패턴 개수, 특정 패턴 모양, 특정 시야 및 이들의 조합에 대응하는 멤스 미러의 양축의 구동 전압의 구동 주파수 값, 초기 위상 값 및 진폭의 값이 구조화되어 기저장되고 제어부(500)와 통신하여 사용자가 입력한 정보에 상응하는 값들을 전달하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 방법을 보여주는 순서도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 가변 구조광 생성 장치를 이용하여 가변 구조광을 생성하는 방법으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 방법은 사용자로부터 원하는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야에 대한 정보를 입력받는 단계(S10), 입력받은 정보에 상응하는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수(fx, fy), 초기 위상(
Figure 112018073247994-pat00007
x,
Figure 112018073247994-pat00008
y) 및 진폭(Ax, Ay)에 대한 값을 메모리부와 통신하여 추출하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수(fx, fy)의 최소공배수 또는 상기 최소공배수의 배수를 광원부의 레이저 변조 주파수로 계산하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수(fx, fy), 초기 위상(
Figure 112018073247994-pat00009
x,
Figure 112018073247994-pat00010
y) 및 진폭(Ax, Ay)에 대한 값으로 형성되는 정현파의 제어 신호 및 상기 계산된 광원부의 레이저 변조 주파수로 형성되는 구형파의 변조 신호를 생성하는 단계(S20) 및 상기 제어 신호를 상기 멤스 미러에 송신하고 상기 변조 신호를 상기 광원부에 송신하여 변조된 레이저 광이 리사쥬 스캐닝을 실행하는 멤스 미러에 의해 반사되어 구조광을 생성하는 단계(S30)를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구 범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1000 : 가변 구조광 생성 장치
100 : 광원부 200 : 멤스 미러
300 : 정보입력부 400 : 메모리부
500 : 제어부
510 : 정보수신부 520 : 신호생성부
530 : 신호송신부

Claims (17)

  1. 변조된 레이저 광을 출력하는 광원부;
    상기 레이저 광을 반사하고 서로 직교하는 양축의 구동 전압이 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝을 실행하는 멤스 미러;
    사용자가 원하는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야의 정보를 입력할 수 있는 정보입력부;
    상기 정보에 기초하여 설정된, 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값이 기저장되어 있는 메모리부; 및
    상기 정보에 상응하는 구조광을 생성하기 위해 상기 정보를 수신하고 상기 메모리부와 통신하여 상기 멤스 미러의 제어 신호 및 상기 광원부의 변조 신호를 생성하여 송신하는 제어부를 포함하며,
    상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수는, 상기 패턴 개수와 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최대 공약수가 음의 상관관계를 갖도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 정보입력부를 통해 입력되는 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야에 대한 정보를 수신하는 정보수신부;
    상기 정보에 상응하는 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값을 상기 메모리부와 통신하여 추출하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수를 상기 광원부의 레이저 변조 주파수로 계산하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값으로 형성되는 정현파의 제어 신호 및 상기 계산된 광원부의 레이저 변조 주파수로 형성되는 구형파의 변조 신호를 생성하는 신호생성부; 및
    상기 제어 신호를 상기 멤스 미러에 송신하고 상기 변조 신호를 상기 광원부에 송신하는 신호송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멤스 미러는 서로 직교하는 양축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자(Q-factor)가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 모양은 일정하지 않는 임의의 모양을 갖고 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동주파수 및 초기 위상에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구조광의 시야는, 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 진폭과 양의 상관관계를 갖고 상기 진폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원부에서 출력되는 레이저 광이 ON/OFF 방식의 구형파에 의해 변조되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 변조 신호의 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고, 상기 광변조 소자에 ON/OFF 방식의 구형파인 변조 신호가 가해지고, 상기 구형파의 변조 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수 또는 상기 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 장치.
  10. 가변 구조광 생성 장치를 이용하여 가변 구조광을 생성하는 방법으로서,
    사용자로부터 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야의 정보를 입력받는 단계;
    상기 정보에 기초하여 설정된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값을 메모리부와 통신하여 추출하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수를 광원부의 레이저 변조 주파수로 계산하고, 상기 추출된 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭에 대한 값으로 형성되는 정현파의 제어 신호 및 상기 계산된 광원부의 레이저 변조 주파수로 형성되는 구형파의 변조 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제어 신호를 상기 멤스 미러에 송신하고 상기 변조 신호를 상기 광원부에 송신하여 변조된 레이저 광이 리사쥬 스캐닝을 실행하는 상기 멤스 미러에 의해 반사되어 구조광을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 메모리부에는, 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최대공약수가 상기 패턴 개수와 음의 상관관계를 갖도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 멤스 미러는 서로 직교하는 양축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 모양은 일정하지 않는 임의의 모양을 갖고 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동주파수 및 초기 위상에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 구조광의 시야는, 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 진폭과 양의 상관관계를 갖고 상기 진폭에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 광원부에서 출력되는 레이저 광이 ON/OFF 방식의 구형파에 의해 변조되는 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 변조 신호의 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 광원부는 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고, 상기 광변조 소자에 ON/OFF 방식의 구형파인 변조 신호가 가해지고, 상기 구형파의 변조 주파수는 상기 멤스 미러의 양축 구동 전압의 구동 주파수의 최소공배수 또는 상기 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 하는 가변 구조광 생성 방법.
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