KR102139040B1 - 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템 - Google Patents

가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템 Download PDF

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서영현
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양성표
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Abstract

본 발명은 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템 및 방법에 관한 것으로, 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 생성하는 가변 구조조명 장치를 이용하여 피사체의 3차원 정보를 획득하는 3차원 이미징 시스템 및 방법에 관한 것이다. 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 생성하는 가변 구조조명 장치; 상기 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 카메라 모듈; 및 상기 카메라 모듈이 촬영한 영상을 처리하여 상기 피사체의 3차원 형상을 복원하는 영상 처리 모듈을 포함하고, 상기 가변 구조조명 장치는, 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 출력하는 광원; 및 상기 레이저 광을 반사하고, 서로 직교하는 양축의 구동 신호가 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하는 스캐너;를 포함한다.

Description

가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템{THREE-DIMENSIONAL IMAGING SYSTEM USING VARIABLE STRUCTURED ILLUMINATION APPARATUS}
본 발명은 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 생성하는 가변 구조조명 장치를 이용하여 피사체의 3차원 정보를 획득하는 3차원 이미징 시스템 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, 2개의 동일한 카메라를 사용하는 스트레오 방식이 많이 이용된다. 스트레오 방식의 경우에는, 두 카메라를 일정간격(baseline)으로 배치하여 좌우 영상을 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 측정 범위가 고정된 2개의 카메라간의 간격인 baseline에 의하여 결정되는 문제점이 있었다. 또한 3D 줌렌즈의 경우 초기에 2개의 카메라간의 얼라인(align)이 잘 되어 있어도 줌잉을 하면서 2개의 카메라 간의 오차가 발생하면서 영상이 저하되어 시청자 피로감을 유발시키는 문제점 있었다.
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 신호의 변조 주파수, 초기 위상 및 듀티사이클과 리사쥬 스캐닝하는 스캐너의 양축의 구동 신호의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭을 조절하여 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 변화되는 구조광을 생성하고, 상기 구조광이 조사된 피사체를 촬영한 영상을 처리하여 피사체의 3차원 정보를 얻는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템은, 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 생성하는 가변 구조조명 장치; 상기 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 카메라 모듈; 및 상기 카메라 모듈이 촬영한 영상을 처리하여 상기 피사체의 3차원 형상을 복원하는 영상 처리 모듈을 포함하고, 상기 가변 구조조명 장치는, 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 출력하는 광원; 및 상기 레이저 광을 반사하고, 서로 직교하는 양축의 구동 신호가 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하는 스캐너;를 포함하고, 상기 변조 신호의 주파수는 상기 구동 신호의 구동 주파수들의 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 구동 신호의 구동 주파수들의 최대공약수와 음의 상관관계를 가지고 상기 구동 주파수들에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 구동 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 듀티사이클(duty cycle)에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 모양은, 상기 구동 신호의 구동 주파수, 상기 구동 신호의 초기 위상, 상기 변조 신호의 파형, 상기 변조 신호의 듀티사이클 및 상기 변조 신호의 초기 위상 중에서 적어도 어느 하나에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 시야는, 상기 구동 신호의 진폭과 양의 상관관계를 가지고 상기 진폭에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원에서 출력된 레이저 광이 상기 스캐너로 향하는 경로 상에 배치되어 상기 레이저 광을 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 만드는 콜리메이터를 더 포함한다.
또한, 상기 광원에서 출력되는 레이저 광을 결합하는 광섬유; 및 상기 광섬유의 일단, 상기 콜리메이터 및 상기 스캐너를 수용하는 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징의 일단부에 상기 광섬유의 일단이 삽입 가능한 구멍이 형성되고, 상기 하우징의 타단부의 내부 하면에는 스캐너 마운트가 구비되고, 상기 하우징의 타단부의 상면에서는 개구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스캐너 마운트는 틸팅 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스캐너는 미러 및 상기 미러가 리사쥬 스캐닝하도록 구동시키는 구동부를 포함한다.
또한, 상기 미러는 멤스 미러인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법은, 가변 구조조명 장치에서 생성되는 구조광을 피사체에 조사하는 단계; 상기 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 단계; 및 촬영한 영상을 처리하여 상기 피사체의 3차원 형상을 복원하는 단계;를 포함하고, 상기 가변 구조조명 장치는, 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 생성하는 가변 구조조명 장치로서, 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 출력하는 광원; 및 상기 레이저 광을 반사하고, 서로 직교하는 양축의 구동 신호가 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하는 스캐너;를 포함하고, 상기 변조 신호의 주파수는 상기 구동 신호의 구동 주파수들의 최소공배수의 배수인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 구동 신호의 구동 주파수들의 최대공약수와 음의 상관관계를 가지고 상기 구동 주파수들에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 구동 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 듀티사이클(duty cycle)에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 패턴 모양은, 상기 구동 신호의 구동 주파수, 상기 구동 신호의 초기 위상, 상기 변조 신호의 파형, 상기 변조 신호의 듀티사이클 및 상기 변조 신호의 초기 위상 중에서 적어도 어느 하나에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조광의 시야는, 상기 구동 신호의 진폭과 양의 상관관계를 가지고 상기 진폭에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템 및 방법은 레이저 광의 변조 신호의 주파수 및 듀티사이클과 리사쥬 스캐닝하는 스캐너의 양축 구동 신호의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭을 조절하여 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야를 변화시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템 및 방법은 패턴 밀도가 조절된 구조광을 피사체에 조사하기 때문에 해상도가 높은 3차원 영상을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템에 사용되는 스캐너의 크기는 대략 1mm×1mm이므로 본 발명의 장치의 소형화가 가능하고 기존의 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)을 사용하는 구조조명 장치에 비하여 낮은 출력의 레이저로 넓은 시야를 갖는 구조광의 생성이 가능하다.
도 1은 본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용한 3차원 이미징 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 스캐너의 구동 신호의 구동 주파수에 따라 구조광의 패턴 개수가 변화되는 것을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 4는 스캐너의 구동 신호의 초기 위상에 따라 구조광의 패턴 개수가 변화되는 것을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 5는 레이저 광의 변조 신호의 듀티사이클에 따라 구조광의 패턴 개수가 변화되는 것을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치에 사용되는 멤스 미러의 사시도이다.
도 9는 도 8의 A 부분을 보여주는 확대도이다.
도 10은 본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용한 3차원 이미징 방법의 개략적인 순서도이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용한 3차원 이미징 시스템을 도시한 개략도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 3차원 이미징 시스템은 가변 구조조명 장치(100), 카메라 모듈(200) 및 영상 처리 모듈(300)을 포함한다. 상기 시스템에서, 가변 구조조명 장치(100)는 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변하는 구조광(124)을 생성하고 피사체(10)에 조사한다. 카메라 모듈(200)은 구조광(124)이 조사된 피사체의 영상을 촬영하고, 영상 처리 모듈(300)은 카메라 모듈(200)이 촬영한 영상을 처리하고 피사체(10)의 표면에 대한 깊이 영상을 생성하여 3차원 형상을 복원한다.
카메라 모듈(200)은 피사체에서 반사되는 광을 모으는 렌즈들과 광 신호를 전기 신호로 전환하는 이미지 센서를 포함하는 일반적인 카메라일 수 있고, 상기 피사체에 조사된 구조광의 패턴을 포함한 피사체의 영상을 캡쳐하여 영상 데이터를 영상 처리 모듈(300)로 전달한다.
영상 처리 모듈(300)은 상기 카메라 모듈(200)로부터 캡처된 영상을 수신하고, 상기 영상에 좌표를 생성하고, 각 좌표에서 기준 패턴에 대한 피사체(10)에 반사된 패턴의 시프트(shift)량을 계산함으로써 피사체의 표면에 대한 깊이 정보를 획득하고 피사체의 3차원 형상을 복원한다. 영상 처리 모듈(300)은 컴퓨터와 같은 장치 내에서 상술한 영상 처리 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
가변 구조조명 장치(100), 카메라 모듈(200) 및 영상 처리 모듈(300)는 별도의 PC 환경에서 개별적으로 구성될 수 있으며, 또는 임베디드 형태로 가변 구조조명 장치(100), 카메라 모듈(200) 및 영상 처리 모듈(300)이 하나의 보드로 구동되도록 구성될 수 있고, 또는 도 1과 같이 가변 구조조명 장치(100) 및 카메라 모듈만 임베디드 형태로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치를 도시한 개략도이며, 도 2를 참조하면, 가변 구조조명 장치(100)는 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광(111)을 출력하는 광원(110) 및 상기 레이저 광을 반사하고, 서로 직교하는 양축의 구동 신호(123)가 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하는 스캐너(120)를 포함하고, 임의의 패턴(125)을 갖는 구조광(124)을 생성하여 피사체에 조사한다.
스캐너(120)는 미러(121) 및 미러를 리사쥬 스캐닝하도록 구동시키는 구동부(122)를 포함한다. 상기 미러는 멤스(MEMS:micro-electro mechanical system) 미러일 수 있으며, 광을 반사시키는 미러를 포함하고 미러 평면상에서 서로 직교하는 양축에 정현파가 인가되어 리사쥬 스캐닝이 가능한 스캐너라면, 멤스 미러에 한정되지 않고 본 발명의 가변 구조조명 장치에 사용될 수 있다. 예를 들면, 스캐너는 갈바노 미러 스캐너 등일 수 있다. 구동부(122)는 미러에 구동 신호(123), 즉, Vx(t)=Axsin(2πfx·t+
Figure 112019008613518-pat00001
x) 및 Vy(t)=Aysin(2πfy·t+
Figure 112019008613518-pat00002
y)를 인가한다. 상기 구동 신호가 미러에 인가되면 미러 면에서 반사된 광은 리사쥬 스캐닝을 실행한다.
광원(110)은 스캐너(120)에서 반사되는 광이 임의의 패턴을 가지는 구조광이기 위해서 변조된 레이저 광(111)을 출력한다. 광원(110)은 레이저 다이오드를 포함하며, 레이저 다이오드에 인가된 변조 신호의 파형으로 변조된 레이저 광을 출력한다. 이때, 변조 신호는 도 2에 도시된 바와 같이 ON/OFF 방식의 구형파일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 정현파, 톱니파 등의 다양한 형태를 가질 수 있다. 다만, 변조 신호의 주파수는 스캐너의 양축 구동 주파수(fx, fy)의 최소공배수의 배수이다. 또한 레이저 광의 파장 대역은 가시광선 또는 적외선 계열의 대역에 해당하는 것이 바람직하며 레이저 광의 파장은 피사체의 종류에 의해 결정된다.
본 발명의 가변 구조조명 장치(100)은 광원(110)과 스캐너(120)를 포함하고, 광원에서 출력된 변조된 레이저 광이 서로 직교하는 양축(X축 및 Y축)에 Vx(t)=Axsin(2πfx·t+
Figure 112019008613518-pat00003
x) 및 Vy(t)=Aysin(2πfy·t+
Figure 112019008613518-pat00004
y)의 구동 신호가 인가되어 진동하는 스캐너의 미러에 입사하고, 스캐너는 레이저 광을 반사시켜 패턴을 가지는 구조광을 생성하게 된다. 생성된 구조광은 피사체의 3차원 깊이 정보를 얻기 위해 피사체에 조사된다.
피사체에 조사되는 구조광의 패턴 개수가 적으면 각각의 패턴이 용이하게 구분될 수 있으나, 피사체의 3차원 깊이 측정의 정밀도가 낮아질 수 있다. 반면, 구조광의 패턴 개수가 많아지면 각각의 패턴을 구분하기 위한 계산 시간과 오차가 증가할 수 있으나, 피사체의 3차원 깊이 측정의 정밀도가 향상될 수 있다. 또한, 패턴의 크기가 커질수록 패턴이 용이하게 구분될 수 있으나, 3차원 영상의 해상도가 낮아질 수 있다. 반면, 조사되는 패턴의 크기가 작아지면 패턴의 구분이 어려우나 3차원 영상의 해상도가 높아질 수 있다. 따라서 피사체에 조사되는 구조광의 패턴 개수 및 모양을 변화시킴으로써 3차원 영상의 정밀도와 해상도를 최적화시키는 조건을 찾는 것이 필요하다.
본 발명의 가변 구조조명 장치는 레이저 광의 변조 신호의 주파수 및 듀티사이클과 리사쥬 스캐닝하는 스캐너의 양축 구동 신호의 구동 주파수, 초기 위상 및 진폭을 조절하여 구조광의 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야의 변화가 가능하다.
도 3은 스캐너의 구동 신호의 구동 주파수에 따라 구조광의 패턴 개수가 변화되는 것을 나타내는 예시적인 도면이고, 도 4는 스캐너의 구동 신호의 초기 위상에 따라 구조광의 패턴 개수가 변화되는 것을 나타내는 예시적인 도면이고, 도 5는 레이저 광의 변조 신호의 듀티사이클에 따라 구조광의 패턴 개수가 변화되는 것을 나타내는 예시적인 도면이다. 또한, 아래 표 1은 스캐너의 구동 주파수에 따른 패턴의 개수를 나타낸다.
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
도 3 및 표 1을 참조하면, 도 3(a)는 스캐너의 양축의 구동 주파수의 최대공약수(GCD)가 1684 이고, 도 3(b)는 스캐너의 양축의 구동 주파수의 최대공약수가 449 이고, 도 3(c)는 스캐너의 양축의 구동 주파수의 최대공약수가 95 이다. 도 3은 스캐너의 양축의 구동 신호의 구동 주파수에 따라 패턴 개수가 변화되는 것을 도시한다. 또한, 패턴 개수는 스캐너의 양축의 구동 신호의 구동 주파수들의 최대공약수와 음의 상관관계를 가짐을 알 수 있다. 즉, 양축의 구동 주파수의 최대공약수가 클수록 구조광의 패턴의 개수가 작아짐을 알 수 있다. 따라서 구조광의 패턴 개수는 스캐너의 리사쥬 스캐닝 구동 신호의 구동주파수들에 따라 변화된다.
도 4를 참조하면, 스캐너의 구동 주파수가 각각 5269Hz, 6706Hz이고, 구동 주파수의 최대공약수가 479인 경우, 도 4는 스캐너의 구동 신호(Vx(t)=Axsin(2πfx·t+
Figure 112019008613518-pat00005
x) 및 Vy(t)=Aysin(2πfy·t+
Figure 112019008613518-pat00006
y)) 중 어느 하나의 초기 위상을 도 4(a)에서부터 도 4(e)로 갈수록 증가시켰을 때 구조광의 변화를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 구조광의 패턴 개수는 스캐너의 구동 신호의 초기 위상에 따라 변화된다. 또한, 구조광의 패턴 모양도 스캐너의 구동 신호의 초기 위상에 따라 변화된다.
도 5를 참조하면, 스캐너의 구동 주파수가 각각 5269Hz, 6706Hz이고, 구동 주파수의 최대공약수가 479인 경우, 도 5는 레이저 광의 변조 신호의 듀티사이클을 변화시켰을 때 구조광의 변화를 도시한다. 여기서 듀티사이클(duty cycle)은 ON/OFF 방식의 구형파 신호에서 한 주기(T)에 대한 ON인 시간의 비율을 의미한다. 5(a)는 듀티사이클이 10%이고, 5(b)는 듀티사이클이 30%이고, 5(c)는 듀티사이클이 50%이고, 5(d)는 듀티사이클이 70%이고, 5(e)는 듀티사이클이 90%이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 구조광의 패턴 개수는 레이저 광의 변조 신호의 듀티사이클에 따라 변화되고, 구조광의 패턴 모양도 레이저 광의 변조 신호의 듀티사이클에 따라 변화된다. 또한, 구조광의 패턴 개수는 변조 신호의 초기 위상에 따라 변화된다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 구조광의 패턴 모양은, 스캐너의 구동 신호의 구동 주파수(fx, fy), 구동 신호의 초기 위상(
Figure 112019008613518-pat00007
x,
Figure 112019008613518-pat00008
y), 레이저 광의 변조 신호의 파형, 변조 신호의 듀티사이클 및 변조 신호의 초기 위상 중에서 적어도 어느 하나에 따라 변화된다.
또한, 구조광의 시야(FOV:Field Of View)는 스캐너의 양축의 회전 각도가 커질수록 커지므로, 회전 각도는 스캐너의 구동 신호의 진폭(Ax, Ay)에 의해 결정되므로 구조광의 시야는 스캐너의 구동 신호의 진폭과 양의 상관관계를 가지고 스캐너의 구동 신호의 진폭(Ax, Ay)에 따라 변화된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치의 사시도를 나타내고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치의 단면도를 나타낸다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치(100)는 콜리메이터(126), 광섬유(127), 스캐너 마운트(128) 및 하우징(129)을 더 포함할 수 있다.
상기 콜리메이터(126)는 광원(110)에서 출력된 레이저 광(111)이 스캐너(120)의 미러(121)로 향하는 경로 상에 배치되어 레이저 광을 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 만든다. 콜리메이트 빔(collimated beam)은 레이저에서 사실상 분산이나 집중이 매우 적은 평행 광선을 의미한다. 콜리메이터는 렌즈의 집합일 수 있다. 광섬유(127)는 광원(110)과 콜리메이터(126) 사이에 위치하며, 광원에서 출력되는 레이저 광과 결합하여 레이저 광을 콜리메이터 또는 스캐너로 전달한다.
하우징(129)은 광섬유(127)의 일단, 콜리메이터(126) 및 스캐너(120)를 수용하며, 일단부에 광섬유의 일단이 삽입 가능한 구명이 형성되고, 타단부의 내부 하면에는 스캐너 마운트가 구비되고, 타단부의 상면에는 개구가 형성된다. 하우징(129)은 광섬유(127)의 일단, 콜리메이터(126) 및 스캐너(120)를 각각 고정된 위치에서 수용함으로써, 광원(110)에서 출력된 레이저 광(111)이 정확히 스캐너(120)에서 반사되어 피사체(10)에 구조광(124)으로 조사되는 것을 보장한다.
또한 하우징(129)은 스캐너의 구동부(122)를 더 포함할 수 있다. 스캐너의 구동부(122)는, 스캐너의 미러와 전기적으로 연결되고 스캐너의 미러에 구동 신호를 인가하여 스캐너가 리사쥬 스캐닝을 실행하고, 스캐너에서 반사된 광이 결과적으로 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 형성하기 위하여 스캐너의 미러 면내의 직교하는 양축에 주파수, 초기 위상 및 진폭이 다양한 정현파를 인가할 수 있도록 형성되며, 도 7에 도시된 바와 같이 플렉서블 인쇄 회로 기판(flexiable printed circuit board)으로 형성되어 하우징(129)에 수용될 수 있다. 또한, 스캐너의 구동부(122)는 광원(110)과 전기적으로 연결되어 상기 변조 신호의 주파수를 결정하는 정보를 제공할 수 있고, 카메라 모듈(200)과 전기적으로 연결되어 구조광의 조사와 영상 촬영의 동작을 동기화할 수 있으며, 영상 처리 모듈(300)과 전기적으로 연결되어 상기 기준 패턴을 영상 처리 모듈에 제공할 수 있고, 사용자 인터페이스와 전기적으로 연결되어 사용자가 원하는 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야를 갖는 구조광에 대한 정보를 수신할 수 있다.
또한 하우징(129)은 스캐너 마운트(128)를 틸팅 가능하게 하는 틸트 유닛(미도시)을 더 수용할 수 있다. 틸트 유닛은 스캐너 마운트에 장착되어 스캐너 마운트의 틸트(tilt)를 조절하며 스캐너 마운트의 틸트가 조절되면 피사체와 가변 구조조명 장치의 움직임이 없이 피사체에 구조광을 조사할 수 있다. 틸트 유닛은 엑츄에이터(actuator) 등으로 구성될 수 있다.
본 발명의 가변 구조조명 장치에 포함되는 스캐너의 크기는 대략 1mm×1mm이므로 상기 장치의 소형화가 가능하여 단말기에 내장될 수 있으며, 3차원 형상 정보를 필요로 하는 내시경 등의 의료용 장치 및 자동차에도 사용 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조조명 장치에 사용되는 멤스 미러의 사시도를 나타내고, 도 9는 도 8의 A 부분의 확대도를 나타낸다. 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시에에 따른 가변 구조조명 장치는 스캐너를 포함하며, 스캐너는 미러와 구동부를 포함하며, 미러는 멤스 미러일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 멤스 미러(400)는 미러 플레이트(410), 제1 고정단(421), 제2 고정단(422), 제1 토션바(431), 제2 토션바(432), 프레임(440)을 포함한다. 상기 미러 플레이트(410)는 광을 반사하며 회전 가능하고, 미러 플레이트의 중심에서 직교하는 양축의 구동 전압이 각각, Vx(t)=Axsin(2πfx·t+
Figure 112019008613518-pat00009
x) 및 Vy(t)=Aysin(2πfy·t+
Figure 112019008613518-pat00010
y)로 입력되어 미러 플레이트에서 반사된 광은 리사쥬 스캐닝한다. 제1 고정단(421)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(440)은 미러 플레이트 및 제1 고정단의 둘레를 에워싸는 구성이고, 제2 고정단(422)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(431)는 미러 플레이트(410)를 탄성 지지하는 것으로 상기 미러 플레이트와 상기 제1 고정단을 연결한다. 제2 토션바(432)는 프레임(440)을 탄성 지지하는 것으로 상기 프레임과 상기 제2 고정단을 연결한다. 상기 미러 플레이트의 회전 진동에 의해 반사되는 광이 리사쥬 스캐닝을 실행하기 위해 서로 수직하는 제1축 및 제2축으로 회전력을 제공한다. 회전력의 제공 방식은 정전기적(electrostatic), 전자기적(electromagnetic), 전열(electrothermal) 및 압전(piezo) 방식 중에서 취해질 수 있다. 도 7은 정전기적 구동 방식을 취하는 멤스 미러를 도시하였고, 상기 멤스 미러는 도 8의 확대도에 나타나 있는 빗살 모양의 콤(comb)을 가지고, 구동 신호를 인가함으로써 발생하는 인접한 콤의 전기전 척력 또는 인력이 미러 플레이트가 회전하도록 구동시킨다.
본 발명의 가변 구조조명 장치가 패턴 개수가 가변되는 구조광을 생성하기 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 가변 구조조명 장치가 패턴 개수가 가변되는 구조광을 생성하기 위해서는 멤스 미러(400)는 서로 직교하는 양축을 기준으로 회전하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질 인자 또는 제2축의 회전 진동에 대한 품질 인자 중에서 어느 하나 이상이 낮게 설계되거나 두 품질인자 중 하나가 더 낮게 설계되는 것이 바람직하며 더 낮은 품질 인자가 100 이하인 것이 더 바람직하다.
도 10은 본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용한 3차원 이미징 방법의 개략적인 순서도를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법은 가변 구조조명 장치에서 생성되는 구조광을 피사체에 조사하는 단계(S10), 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 단계(S20) 및 촬영한 영상을 처리하여 피사체의 3차원 형상을 복원하는 단계(S30)를 포함한다. 상기 3차원 이미징 방법의 각각의 단계에 대한 설명은 상기 3차원 이미징 장치에 대한 설명이 대신한다.
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.
100 : 가변 구조조명 장치
110 : 광원
120 : 스캐너
121 : 미러 122 : 구동부
123 : 구동 신호 124 : 구조광
126 : 콜리메이터 127 : 광섬유
128 : 스캐너 마운트 129 : 하우징
200 : 카메라 모듈
300 : 영상 처리 모듈
400 : 멤스 미러

Claims (19)

  1. 패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 생성하는 가변 구조조명 장치;
    상기 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 카메라 모듈; 및
    상기 카메라 모듈이 촬영한 영상을 처리하여 상기 피사체의 3차원 형상을 복원하는 영상 처리 모듈을 포함하고,
    상기 가변 구조조명 장치는, 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 출력하는 광원 및 상기 레이저 광을 반사하고, 서로 직교하는 양축의 구동 신호가 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하는 스캐너를 포함하고,
    상기 변조 신호의 주파수는 상기 구동 신호의 구동 주파수들의 최소공배수의 배수이며,
    상기 스캐너는, 미러 및 상기 미러가 리사쥬 스캐닝하도록 구동시키는 구동부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 패턴 개수와 음의 상관관계를 갖는 상기 스캐너의 양축의 구동 주파수들의 최대공약수를 기초로 상기 구동 신호의 구동 주파수를 결정하며, 상기 결정된 구동 신호의 구동 주파수를 상기 미러에 인가하는 것을 특징으로 하는, 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 구동 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 듀티사이클(duty cycle)에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 모양은, 상기 구동 신호의 구동 주파수, 상기 구동 신호의 초기 위상, 상기 변조 신호의 파형, 상기 변조 신호의 듀티사이클 및 상기 변조 신호의 초기 위상 중에서 적어도 어느 하나에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구조광의 시야는, 상기 구동 신호의 진폭과 양의 상관관계를 가지고 상기 진폭에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원에서 출력된 레이저 광이 상기 스캐너로 향하는 경로 상에 배치되어, 상기 레이저 광을 콜리메이트 빔(collimated beam)으로 만드는 콜리메이터를 더 포함하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광원에서 출력되는 레이저 광을 결합하는 광섬유; 및
    상기 광섬유의 일단, 상기 콜리메이터 및 상기 스캐너를 수용하는 하우징을 더 포함하고,
    상기 하우징의 일단부에 상기 광섬유의 일단이 삽입 가능한 구멍이 형성되고, 상기 하우징의 타단부의 내부 하면에는 스캐너 마운트가 구비되고, 상기 하우징의 타단부의 상면에서는 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스캐너 마운트는 틸팅 가능한 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 미러는 멤스 미러인 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 시스템.
  13. 가변 구조조명 장치에서 생성되는 구조광을 피사체에 조사하는 단계;
    상기 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 단계; 및
    촬영한 영상을 처리하여 상기 피사체의 3차원 형상을 복원하는 단계;를 포함하고,
    상기 가변 구조조명 장치는,
    패턴 개수, 패턴 모양 및 시야가 가변되는 구조광을 생성하는 가변 구조조명 장치로서,
    변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 출력하는 광원; 및
    상기 레이저 광을 반사하고, 서로 직교하는 양축의 구동 신호가 각각 정현파로 입력되어 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하는 스캐너;를 포함하고,
    상기 변조 신호의 주파수는 상기 구동 신호의 구동 주파수들의 최소공배수의 배수이며,
    상기 스캐너는, 미러 및 상기 미러가 리사쥬 스캐닝하도록 구동시키는 구동부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 패턴 개수와 음의 상관관계를 갖는 상기 구동 신호의 구동 주파수들의 최대공약수를 기초로 상기 구동 신호의 구동 주파수를 결정하며, 상기 결정된 구동 신호의 구동 주파수를 상기 미러에 인가하는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 구동 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 듀티사이클(duty cycle)에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 개수는, 상기 변조 신호의 초기 위상에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 구조광의 패턴 모양은, 상기 구동 신호의 구동 주파수, 상기 구동 신호의 초기 위상, 상기 변조 신호의 파형, 상기 변조 신호의 듀티사이클 및 상기 변조 신호의 초기 위상 중에서 적어도 어느 하나에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 구조광의 시야는, 상기 구동 신호의 진폭과 양의 상관관계를 가지고 상기 진폭에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 가변 구조조명 장치를 이용하는 3차원 이미징 방법.
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