KR102248248B1 - 물체 표면의 3d 데이터를 획득하는 구조광 투영 광학 시스템 - Google Patents

물체 표면의 3d 데이터를 획득하는 구조광 투영 광학 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체 표면의 3D 데이터를 획득하는 구조광 투영 광학 시스템에 관한 것으로, 물체 또는 스크린에 복수의 패턴을 투영하는 구조광 투영 광학부; 상기 구조광 투영 광학부로부터 투영되는 패턴을 촬영하여 3차원 데이터를 획득하는 이미징 광학부를 포함하고, 상기 구조광 투영 광학부는, 복수의 광원이 온, 오프됨에 따라, 패턴 마스크가 빛을 조명하는 어느 하나의 광원에 매치되어 상기 패턴 마스크에 의해 복수의 패턴이 상기 물체 또는 상기 스크린에 투영되어, 다양한 패턴을 효과적으로 투영할 수 있고, 빠른 패턴 변경을 통해 실시간 측정이 용이하며, 정확한 3차원 데이터를 획득할 수 있다.

Description

물체 표면의 3D 데이터를 획득하는 구조광 투영 광학 시스템{Projection Optical System for Obtaining 3 Dimensional data using Structured Light Pattern}
본 발명은 물체 표면의 3D 데이터를 획득하는 구조광 투영 광학 시스템에 관한 것으로, 물체에 패턴을 투영하여 획득된 반사광을 통해 3차원 데이터를 획득하는 구조광 투영 광학 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 2D 이미지를 기반으로 3D 데이터를 획득하기 위해서는 다양한 방식이 존재한다. 예를 들어 1대의 카메라를 기반으로 다양한 각도에서 대상의 이미지를 획득하고 이를 통해 3D 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 관계가 고정되어 있는 2대 이상의 다수 카메라를 기반으로 3D 데이터를 획득할 수도 있다.
이러한 방식에서, 공통적으로 사용되는 부분은 획득된 각 2D 이미지에서 물체의 같은 부분을 특정하기 위한 특징점(Feature point)을 찾고 이를 매칭하는 것이다. 이러한 특징점을 얼마나 정확하고 많이 획득하는가에 따라 3D 데이터의 정확도 및 품질이 결정된다.
이와 같이 구조광을 이용한 3차원 측정방식에서, 정밀한 3D 데이터를 획득하기 위해서는 물체 표면 정보를 정확하면서 많이 획득하는 것이 중요하다. 물체에 투영하는 구조광을 세분화할수록 보다 정확하고 많은 양의 3D 정보를 획득할 수 있다. 구조광을 세분화하기 위해서는 복잡하고 미세한 패턴을 투영하거나 단순한 패턴을 여러 번 투영하게 된다. 구조광을 세분화하기 위하여, 용도에 따라 1장 패턴을 사용하는 방식과 다수의 패턴을 사용하는 방식이 사용될 수 있다. 일반적으로 고정밀 3D 데이터를 획득하는 스캔 장비에서는 다수의 패턴을 사용하여 3D를 획득하고 있다.
다수의 패턴을 사용하는 방식은 일반적으로 패턴 전체가 코드화 되어 있어 각 패턴들이 모두 서로 연관된 의미를 가지고 있으며 3D 공간상에서 정확히 투영되어야 한다. 이러한 예로는 대표적으로 'Gray Code'와 'Phase Shift' 패턴을 사용하는 방식이 있다. 이러한 방식은 각 패턴에서 라인의 경계가 정확하게 투영되어야 하고, 영역에서 정확히 쉬프트가 이루어져야 한다. 또한, 이러한 구조광을 이용하기 위해서는 물리적으로 측정하고자 하는 3D 공간상에서 각 패턴들이 정확히 정렬되어야 한다.
그러나 복잡하고 미세한 구조광을 사용하는 경우, 연산에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 물체 표면에 구조광을 장시간 조사해야 하므로, 실시간 측정이 제한되는 문제점이 있다.
이러한 시간들을 줄일 수 있는 효율적인 구조광 투영 시스템에 대한 연구가 진행중이다.
구조광 투영 시스템은, 공간 광변조기를 사용하여 하나의 광학계에서 패턴의 형상을 변화시켜주는 공간광변조기를 사용할 수 있고, 또한, 레이저 광원을 이용한 회전소자를 사용하거나, 패턴 마스크와 다양한 구동부를 적용하는 방식이 사용될 수 있다.
공간광변조기는, 패턴을 픽셀 단위로 생성하여 다양하고 복잡한 패턴을 비교적 빠른 시간 내에 생성하는 장점이 있지만 별도의 제어 회로를 구성해야 하고 제한적 광학 구조로 인해 공간 활용도 저하를 초래할 수 있다.
레이저(LASER) 광원과 회절소자를 활용하는 방식은 빛의 회절 특성에 의해 회절무늬를 생성하게 된다. 회절소자 구조에 따라 줄무늬 또는 동심원 형태의 패턴을 생성하게 된다. 복합적인 형태의 패턴을 생성하기 위해서는 특수 구조의 회절소자를 제작해야 한다. 또한, 회절무늬를 생성하기 위해서는 LASER와 같은 간섭성(Coherence)이 좋은 광원을 사용해야 하므로, 비용이 크게 상승하는 문제점이 있다. 회절무늬는 정해진 패턴 형태이므로 변형할 수 없으므로 한계가 있다.
구동부를 활용하는 방식은 별도의 제어회로와, 장치마다 별도의 구동부가 필요하며, 그로 인하여 외부 충격에 민감하고 별도의 제어회로 또는 복수의 구동부로 인하여 의 부피에 의해 공간 활용에 대한 어려움이 있다.
또한, 이러한 구동부를 활용하는 방식의 문제점을 해소하기 위하여 단일 LED 및 패턴 마스크를 이용하여, 단일의 패턴을 이용한 3차원 데이터를 획득하는 경우가 있다. 그러나 단일 LED와 단일 패턴마스크의 경우 복수의 패턴을 이용하는 방법보다 3차원 데이터를 획득하는데 더 오랜 시간이 걸리는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 10-1479734호 (2015.01.06. 공고)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, LED 배열 광원과 패턴 마스크를 활용하여 공간상 정렬된 복수의 패턴을 생성할 수 있도록 구성하여 패턴을 투영할 수 있는 광학 구조의 구조광 투영 광학 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템은 별도의 구동부 없이, 복수의 광원과 패턴 마스크를 활용하여 공간상 정렬된 복수의 패턴을 생성하여 투영하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배열된 LED 광원의 순차적 온/오프(on/off) 동작만으로 물체에 다양한 정렬된 패턴을 투영하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구조광 투영 광학 시스템은 물체 또는 스크린에 복수의 패턴을 투영하는 구조광 투영 광학부; 상기 구조광 투영 광학부로부터 투영되는 패턴을 촬영하여 3차원 데이터를 획득하는 이미징 광학부를 포함하고, 상기 구조광 투영 광학부는, 복수의 광원; 및 복수의 패턴 마스크를 포함하여, 상기 복수의 광원이 온, 오프됨에 따라, 상기 패턴 마스크가 빛을 조명하는 어느 하나의 광원에 매치되어 상기 패턴 마스크에 의해 복수의 패턴이 상기 물체 또는 상기 스크린에 투영되는 것을 특징으로 하는 특징으로 한다.
본 발명의 구조광 투영 광학 시스템은 별도의 구동부 없이, LED 배열 광원과 패턴 마스크를 활용하여 복수의 공간상 정렬된 패턴을 생성할 수 있도록 구성하여 패턴을 투영할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 LED 배열 광원과 패턴 마스크를 활용하므로, 광원 이외의 별도의 구동부 또는 제어회로 없이 물체에 다양한 패턴을 투영할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 픽셀구조와 동작 메커니즘에 의한 광학구조를 쉽게 변경할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 제안된 광학 구조로 다수의 LED 광원을 제어하여 공간상 정렬된 패턴을 투영할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명은 간단한 광원제어로 빠르게 패턴을 변경하여 투영할 수 있으므로 실시간으로 구현할 수 있고, 실시간 측정이 용이하고, 복수의 LED를 온오프하여 신속하고 정밀한 데이터를 확보할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 구동부 또는 제어회로로 인한 공간상의 제약을 해소하여 부피를 최소화할 수 있으므로 소형화가 용이하고, 광학 구조가 단순하여 광학 부품 구성을 간소화할 수 있는 이점이 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 3차원 측정에 따른 광학구조가 도시된 도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 구성이 도시된 도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 패턴 투영의 일 예가 도시된 도이다.
도 4 는 도 3의 패턴 투영 이미지가 도시된 도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 패턴 투영을 설명하는데 사용되는 물체가 도시된 도이다.
도 6 은 도 5의 물체에, 배열되지 않은 광원에 의해 패턴이 투영되는 예가 도시된 도이다.
도 7 은 도 5의 물체에, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 개별 광원에 의해 패턴이 투영된 예가 도시된 도이다.
도 8 는 도 5의 물체에, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 패턴이 투영된 예가 도시된 도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 발명의 제어구성은 적어도 하나의 프로세서로 구성될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 3차원 측정에 따른 광학구조가 도시된 도이다.
3차원 데이터를 획득하기 위한 구조광 투영 광학 시스템은, 구조광 투영 광학부와 이미징 광학부를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템은 물체 표면의 3차원 데이터를 획득할 수 있는 광학구조로 구성된다.
구조광 투영 광학부는 패턴을 갖는 구조광을 조사하고, 그에 따라 구조광이 스크린에 투영된다. 구조광 투영 광학부는 구조광을 측정하고자 하는 물체의 표면에 투영되도록 한다.
구조광 투영 광학 시스템 중 구조광 투영 광학부는 복수의 광원(1, 1'), 복수의 패턴 마스크(4), 복수의 렌즈(5, 5', 6, 6')를 포함한다.
여기서, 광원(1, 1')은 레이저 다이오드(Laser Diode, LD), 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 등 일 수 있다. 광원은 LED 광원이 사용될 수 있다. 또한 광원은 복수의 LED가 배열되어 형성될 수 있다.
또한, 레이저 광은 단색성, 직진성 및 접속 특성에 있어 다른 광원에 비해 월등해, 정밀한 거리 측정이 가능하다.
복수의 광원(1, 1')은 상호, 소정의 배열을 이루며 배치될 수 있다.
복수의 광원(1, 1')은 패턴의 결방향에 따라 배치될 수 있다. 패턴의 결방향이 세로방향으로 형성된 경우 복수의 광원(1, 1')은 세로로 배치되고, 패턴의 결방향이 가로방향으로 형성된 경우, 복수의 광원은 가로로 배치된다.
복수의 광원(1, 1')은 자오면(Tangential plane)위에 일렬로 배열된다.
또한, 구조광 투영 광학부는 광원이 온오프되도록 제어하는 광원제어부를 더 포함할 수 있다. 광원제어부는 복수의 광원이 소정의 순서에 따라 순차적으로 온 또는 오프되도록 한다. 광원제어부는 광원으로 공급되는 전원을 제어하여 점멸을 제어한다.
한편, 패턴 마스크(4)는 광원으로부터 조사된 광이 투과됨으로써 소정의 패턴을 생성한다.
패턴 마스크(4)는 하나로 구비되어, 제 1 광원(1)과 제 2 광원(1')으로 부터 조사된 광을 투과하여 패턴을 생성할 수 있다. 하나의 패턴 마스크(4)에는 복수의 패턴이 형성될 수 있다. 패턴 마스크(4)는 제 1 패턴과, 제 1 패턴과 상이한 형태의 제 2 패턴이 포함될 수 있다.
또한, 패턴 마스크는 복수로 구비되어, 각각 제 1 광원(1)과 제 2 광원(1')의 빛을 투과할 수 있다. 복수의 패턴 마스크는 각각 상이한 형태의 패턴을 투영할 수 있다. 예를 들어 제 1 패턴마스크는 제 3 패턴이 형성되고, 제 2 패턴마스크는 제 4 패턴이 형성될 수 있다.
복수의 패턴 마스크는 공간상 배열된 패턴을 투영할 수 있다.
렌즈는, 집광렌즈(5)와 투사렌즈(6)를 포함한다. 집광렌즈와 투사렌즈는 복수로 구비된다.
제 1 집광렌즈(5)와 제 1 투사렌즈(6)는 제 1 광원(1)의 빛을 집광 및 투사한다. 제 2 집광렌즈(5')와 제 2 투사렌즈(6')는 제 2 광원(1')의 빛을 집광 및 투사한다.
집광렌즈(5, 5')는 방사된 빛을 모으기 위해 사용하는, 볼록 렌즈와 같은 작용을 하는 전자 렌즈이다. 투사렌즈(6, 6')는 다른 렌즈에 의해 맺어진 상(像)을 다시 확대하는 데 사용된다.
집광렌즈와 투사렌즈는 단일 렌즈가 사용될 수 있고, 또한 각각 복수의 렌즈가 조합된 군(집합) 형태로 구성될 수 있다.
또한, 제2 투사렌즈(6, 6')는 패턴의 축 배열이 정확하게 구현될 수 있도록 일부분을 제거하거나 또는 형상의 변화 등에 의해 구현될 수 있다.
그에 따라, 광원이 수평 배열 LED인 경우, 집광렌즈와 투사렌즈는 그 렌즈의 구성에 따라 패턴의 축 배열이 정확하게 이루어질 수 있다.
제 1 광원(1)으로부터 발산된 빛은 제 1 집광렌즈(5)를 투과해서 패턴 마스크(4) 위에 조사된다. 패턴 마스크(4)의 이미지는 제 1 투사렌즈(6)에 의해 투사 화각(7)만큼 스크린(9) 위에 상으로 맺힌다. 패턴 유효 영역(8)은 물체 위에 투영되는 투사 화각의 일부이다.
또한, 제 2 광원(1')으로부터 발산된 빛은 제 2 집속 렌즈(5')를 투과해서 패턴 마스크(4) 위에 조명된다. 제 2 투사 렌즈(6')는 패턴 마스크(4)의 이미지를 투사 화각만큼 스크린(9) 위에 맺히게 한다.
패턴 유효 영역(8)은 각 패턴이 겹치는 영역으로 측정 대상이 위치하는 투사 영역이다. 패턴 유효 영역(8)은 제 1 광원(1)과 제 2 광원(1')에 의해 형성되는 각각의 패턴이 겹치는 영역이다.
또한, 구조광 투영 광학부는 투사렌즈와 패턴 마스크 사이에 오프셋(offset)을 설정할 수 있다.
구조광 투영 광학부는 패턴이 투사되는 스크린(9)의 크기와 패턴 유효 영역(8)의 크기 차이를 최소화하고, 이를 통해 투사 광효율을 향상시킬 수 있다.
구조광 투영 광학부는 오프셋을 설정함으로써, 투사렌즈에서 스크린 또는 물체로 투영되는 패턴의 범위를 조절할 수 있다.
구조광 투영 광학 시스템은, 구조광 투영 광학부에 의해 스크린에 소정 패턴의 구조광이 투영되면, 이미징 광학부가 이를 촬영하여 3차원 데이터를 획득한다.
특히, 구조광 투영 광학 시스템은, 구조광 투영 광학부에 의해 측정대상이 되는 물체의 표면에 구조광을 투영하여 이미징 광학부를 통해 촬영하여 구조광의 형태를 분석함으로써 물체에 대한 3차원 데이터를 획득할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 구성이 도시된 도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 구조광 투영 광학 시스템은, 앞서 설명한 구조광 투영 광학부에, 이미징 광학부를 포함한다.
이미징 광학부는 스크린 또는 물체에 투영된 구조광을 촬영하여 3차원 데이터를 획득한다.
상기 이미징 광학부는 이미징 렌즈(12), 이미지센서(10)를 포함한다.
이미징 렌즈에 의해 이미징 화각(13)이 형성되고, 이미징 렌즈 광축(11)은 광학 시스템 중심축(2)에 사선으로 놓이도록 구성된다.
이미징 광학부는 표면에 조사되는 구조광 패턴에 대한 영상을 획득할 수 있다. 이미징 광학부는 실질적으로 실제 공간상에 입사된 패턴 광이 이미지 센서에 맺힌 상을 획득한다.
이미지센서는 광학 영상(image)을 전기적 신호로 변환하는 장치로, 다수개의 광 다이오드(photo diode)가 집적된 칩으로 구성되며, 예를 들어 하나의 광 다이오드로는 하나의 픽셀(pixel)을 형성할 수 있다.
렌즈를 통과한 광에 의해 칩에 맺힌 영상에 의해 각각의 픽셀에 전하가 축적되며, 축적된 전하들은 전기적 신호(예를 들어, 전압)로 변환된다.
이미지센서로는 CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등이 사용될 수 있다.
이미징 광학부는 획득된 3차원 데이터를 구비되는 메모리(미도시)에 저장할 수 있다.
또한, 이미징 광학부는 광다이오드들로부터 출력된 신호를 바탕으로 영상을 구성하는 디지털 신호 처리기(DSP: Digital Signal Processor)를 포함할 수 있다. 디지털 신호 처리기는 정지영상은 물론이고, 정지영상으로 구성된 프레임들로 이루어진 동영상을 생성하는 것도 가능하다.
구조광 투영 광학 시스템은 삼각 측량법을 이용하여 물체 표면에 대한 3차원 데이터를 획득할 수 있다.
삼각 측량법은 물체와 2개의 이미지 센서 또는 1개의 이미지 센서와 1개의 프로젝터의 관계에서 물체 표면의 3차원 데이터를 획득하는 3차원 측정 원리 중 하나이다.
구조광 투영 광학 시스템은, 두개의 이미지센서를 사용할 수 있고, 또는 적어도 하나 이상의 이미지센서와 프로젝터로 구성될 수 있다. 프로젝터는 구조광 투영 광학부이며, 이미지센서는 이미징 광학부에 구비되는 이미지센서이다.
패턴은 대응점 생성에 있어서 정확도를 향상시킬 수 있다.
구조광 투영 광학 시스템은, 복수의 광원이 사용되는 경우, 패턴 마스크의 형태에 따라 광원이 배열될 수 있다.
패턴 마스크가 세로로 긴 형태라면, 복수의 광원은 세로로 배열되고, 패턴 마스크가 가로로 긴 형태라면, 광원은 가로로 배열된다. 그에 따라 각각의 광원이 패턴 마스크와 정렬되어 패턴을 투영할 수 있다. 또한, 구조광 투영 광학부는 제 1 및 제 2 투사렌즈(6, 6')를 각각 패턴 마스크로부터 상하로 오프셋(Offset)하여 패턴이 투사되는 스크린(9)의 크기와 패턴 유효 영역(8)의 크기 차이를 최소화한다. 그에 따라 구조광 투영 광학부는 투사 광효율을 향상시킬 수 있다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 패턴 투영의 일 예가 도시된 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 구조광 투영 광학부는, 복수의 패턴이미지를 복수의 광원을 이용하여 물체 위에 투영해서 정확한 대응점을 생성한다. 복수의 패턴 이미지는 하나의 패턴 이미지를 사용하는 것이 비하여, 대응점을 보다 정확하게 생성할 수 있다. 구조광 투영 광학부는 상이한 패턴을 형성하는 복수의 패턴 마스크를 이용하여 복수의 패턴이미지를 물체에 투영한다.
구조광 투영 광학부가 둘 이상의 패턴 이미지를 투영하는 경우, 이미징 광학부는 물체 표면에 맺힌 패턴 이미지로부터 대응점을 용이하게 찾을 수 있고, 그에 따라 3차원 데이터를 획득할 수 있다.
둘 이상의 패턴 이미지를 투영하면 이미징 광확부는 보다 정확하고 많은 대응점을 생성할 수 있고, 그에 따라 많은 대응점을 이용하여 높은 해상력의 3차원 데이터를 획득할 수 있다.
구조광 투영 광학 시스템은, 실시간으로 3차원 데이터를 측정하는 경우, 고정된 물체 외에도 움직이는 물체를 측정할 수 있다. 특히, 실시간으로 3차원 데이터를 측정하는 경우, 장비를 움직이면서 3차원 데이터를 획득하므로 빠른 시간 또는 제한된 시간 내에 필요할 이미지를 획득할 필요가 있다.
따라서 단시간에 정확도 높은 많은 수의 대응점을 설정할 수 있도록 구조광 투영 광학 시스템은, 복수의 패턴 이미지를 투영하도록 구성된다. 이미징 광학부는 구조광 투영 광학부에서 투영된 복수의 패턴이미지를 포함한 물체의 표면을 촬영하여 3차원 데이터를 획득한다.
구조광 투영 광학부는 복수의 광원(1, 1')에 대하여, 각각 제 1 광원과 제 2 광원을 순차적으로 On/off 동작시키면 제 1 광원과 제 1 패턴 마스크, 제 2 광원과 제 2 패턴 마스크가 짝을 이루어 패턴을 물체 위에 투영시킨다. 이처럼 구조광 투영 광학부는 LED의 광원을 온오프 시킴으로써 구동부 또는 공간광변조기 역할을 대신할 수 있다.
그에 따라 구조광 투영 광학부는 별도의 복잡한 구동부 또는 공간광변조기 없이, 광원을 온/오프 제어하여, 물체위에 2개 이상의 패턴을 투영할 수 있다.
또한, 구조광 투영 광학부는 광원이, LED 배열 광원인 경우 복수의 LED로 구성됨에 따라, 개별 LED 또는 LED 군을 순차적으로 온/오프(On/Off) 동작시키면, 제 1 광원과, 제 1 패턴 마스크가 매칭되어 제 1 패턴을 물체에 투영한다. 또한, 제2 광원과 제 2 패턴 마스크가 매칭되어 제 2 패턴을 물체에 투영할 수 있다.
그에 따라 복수의 광원을 온오프 제어함으로써 복수의 패턴을 물체에 투영할 수 있다.
패턴 마스크(4)는 줄무늬 또는 정현파 패턴으로 형성될 수 있고, 이러한 패턴은 결 방향을 갖는다.
그에 따라 구조광 투영 광학부는 결 방향이 있는 패턴에 대하여, 광원의 배열방향이 일치하도록 배치한다. 또한, 구조광 투영 광학부는 광원의 배열과 패턴 결 방향이 이미징 센서와 물체, 시스템 중심축이 포함된 면과 수직 관계를 이루도록 배치한다.
도 4 는 도 3의 패턴 투영 이미지가 도시된 도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 물체에 패턴이미지가 투영된다.
도 3에서와 같이 물체에 투영되는 패턴이미지는 각각 a, b, c 지점에서 일정 패턴 이미지를 갖는다.
패턴이미지는 각각 제 1 광원과 제 2 광원의 빛으로부터 투영되어, 정확한 대응점을 형성할 수 있다.
구조광 투영 광학부는 구동부 또는 공간광변조기 없이 복수의 광원을 배열하고, 패턴 마스크를 사용한다. 또한, 구조광 투영 광학부는 광원의 on/off 동작을 통해 물체 위에 다수의 패턴을 투영할 수 있다.
패턴 마스크는 복수의 패턴이 포함된 하나의 패턴 마스크 또는 각각 상이한 형태의 패턴으로 구성된 복수의 패턴 마스크(4, 4')가 사용될 수 있다.
광원(1, 1')에서 발산된 빛은 집광 렌즈(5, 5')를 지나 패턴 마스크(4, 4') 위에 균일한 조도 분포로 조명된다. 패턴 마스크(4, 4')를 투과한 빛들은 투사 렌즈(6, 6')에 의해 스크린(9) 또는 물체(3) 위에 줄무늬(Stripe) 또는 정현파(Sinusoidal) 패턴을 투영한다.
제 1 광원(1)과 제 2 광원(1')이 상호 일정하게 배열되어, 각각 패턴 마스크에 대응하도록 정렬됨에 따라, 각각의 광원에 의해 투영되는 패턴이 겹치는 영역에서 정확히 정렬이 될 수 있다.
도 5 은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 패턴 투영을 설명하는데 사용되는 물체가 도시된 도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 구조광 투영 광학 시스템은, 물체에 패턴을 투영하여, 물체에 대한 3차원 이미지를 획득할 수 있다.
예를 들어 치아모델의 경우, 환자가 이물감이나 불편함 없이 사용하도록 정확도가 우선되는 만큼, 보다 정확한 3차원의 이미지를 획득할 필요가 있다.
본 발명의 구조광 투영 광학 시스템은, 도시된 치아모델 외에도 다양한 물체에 대한 3차원의 이미지를 획득할 수 있다.
이하, 치아모델을 예로 하여 패턴이 투영되는 형태를 설명하고자 한다.
도 6 은 도 5의 물체에, 배열되지 않은 광원에 의해 패턴이 투영되는 예가 도시된 도이다.
도 6의 (a)는 물체없이 패턴이 스크린에 투영된 예이고, 도 6의 (b)는 도 6의 치아모델에 패턴이 투영된 예이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 축이 정렬되지 않고 각각 다른 축을 가진 광원에서 패턴이 투영되는 경우, 광원이 순차적으로 동작하더라도 도 6의 (a)와 같이, 패턴의 경계선이 정렬되지 않게 된다.
그에 따라 패턴이미지로부터 물체에 대한 정확한 형상을 획득하는데 어려움이 발생할 수 있다.
특히, 도 6의 (b)와 같이, 물체에 배열되지 않은 광원을 이용하여 패턴을 투영하는 경우, 패턴에 의해 물체의 형상을 판단하려는 원래의 목적과는 달리 패턴의 간섭이 발생하여 패턴에 대응점을 찾기 어려워진다.
도시된 바와 같이, 패턴의 결 방향과 광원의 배열이 일치하지 않는 경우, 투사렌즈의 화각에 의해 패턴 간의 겹침 또는 간섭 현상이 일어날 수 있다. 패턴 겹침 현상은 일치점을 찾는 데에 어려움이 있으므로 정확도가 감소하게 된다.
도 7 은 도 5의 물체에, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 개별 광원에 의해 패턴이 투영된 예가 도시된 도이고, 도 8 은 도 5의 물체에, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템의 패턴이 투영된 예가 도시된 도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 광원을 각각 동작시켜 물체에 투영하는 경우, 도 7의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 각각의 광원에 의해 패턴이 물체에 투사된다.
도 7의 (a)는 제 1 광원에 의해 투영되는 패턴이고, 도 7의 (b)는 제 2 광원에 의해 투영되는 패턴이다.
도 7의 (a) 및 (b)와 같이, 제 1 광원과 제 2 광원이 공간상 정렬됨에 따라 하나의 광축에서 패턴을 변경하여 투사한 것과 같은 효과가 발생한다.
제 1 및 제 2 광원을 일정시간 간격으로 순차적으로 교차 동작시키는 경우, 광원이 온오프(on/off) 함에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 광원에 의한 패턴과 제 2 광원에 의한 패턴이 물체에 투영된다.
이때, 제 1 광원과 제 2 광원이 공간상에서 축이 배열되고, 패턴 마스크에 광원이 대응하도록 정렬됨에 따라, 제 1 광원에 의해 투영되는 패턴과 제 2 광원에 의해 투영되는 패턴이 겹치는 영역에서 정확하게 정렬될 수 있다.
그에 따라 구조광 투영 광학부는 상이한 패턴 마스크를 이용하여 제 1 복수의 광원을 조사하더라도, 물체에 투영되는 패턴이 도시된 바와 같이, 정렬되어 나타난다.
구조광 투영 광학부는 투영된 패턴이 공간상에서 정확히 일치되어, 패턴의 경계가 정확히 일치될 수 있다.
그에 따라 이미징 광학부는 물체 표면에 맺힌 패턴 이미지로부터 대응점을 용이하게 찾을 수 있고, 3차원 데이터를 획득할 수 있다.
상기에서와 같이 동작하는 본 실시예에 따른 구조광 투영 광학 시스템은 독립적인 하드웨어 장치 형태로 구현될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 프로세서(processor)로서 마이크로 프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1, 1': 광원 2:광학 시스템 중심축
3: 물체 4:패턴 마스크
5, 5':집광렌즈 6, 6': 투사렌즈
8: 패턴 유효영역 9: 스크린
11: 이미징 렌즈 광축 12: 이미징 렌즈
13: 이미지 화각

Claims (19)

  1. 투사 공간에 복수의 패턴을 투영하는 구조광 투영 광학부;
    상기 구조광 투영 광학부로부터 투영되는 패턴을 촬영하여 3차원 데이터를 획득하는 이미징 광학부를 포함하고,
    상기 구조광 투영 광학부는,
    복수의 광원; 및
    상기 복수의 광원의 배열방향에 각각 대응되는 패턴이 형성된 적어도 하나의 패턴 마스크를 포함하여,
    상기 복수의 광원이 온, 오프됨에 따라, 상기 패턴 마스크가 빛을 조명하는 어느 하나의 광원과 짝을 이루도록 매치되어 상기 패턴 마스크에 의해 복수의 패턴이 상기 투사 공간의 상기 패턴이 겹쳐지는 영역에 정렬되어 투영되고,
    상기 복수의 광원은 상기 패턴의 결방향이 세로로 형성된 경우 세로방향으로 배치되고, 상기 패턴의 결방향이 가로로 형성된 경우 가로방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 패턴 마스크는 제 1 패턴과, 상기 제 1 패턴과 상이한 형태의 제 2 패턴으로 형성된 일체형 패턴 마스크인 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구조광 투영 광학부는,
    상기 복수의 광원 중, 제 1 광원이 빛을 조명하면, 상기 패턴 마스크의 상기 제 1 패턴과 매치되어 상기 제 1 패턴이 상기 투사 공간에 투영되고,
    제 2 광원이 빛을 조명하면, 상기 패턴 마스크의 상기 제 2 패턴과 매치되어 상기 제 2 패턴이 상기 투사 공간에 투영되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 상기 제 1 광원과 상기 제 2 광원의 온, 오프에 따라 상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 제 3 패턴이 형성된 제 1 패턴 마스크와 제 3 패턴과 상이한 형태의 제 4 패턴이 형성된 제 2 패턴 마스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구조광 투영 광학부는,
    상기 복수의 광원 중, 제 1 광원이 빛을 조명하면, 상기 제 1 패턴 마스크와 매치되어 상기 제 3 패턴이 상기 투사 공간에 투영되고,
    제 2 광원이 빛을 조명하면, 매치되는 상기 제 2 패턴 마스크에 의해 제 4 패턴이 상기 투사 공간에 투영되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 패턴 마스크와 상기 제 2 패턴 마스크는 공간상에 배열되어 상기 투사 공간에 투영되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 상기 복수의 광원의 개수에 대응하는 복수의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 광원은 자오면(Tangential plane)위에 일렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 광원은 LED 배열 광원인 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 광원은 순차적으로 온오프되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조광 투영 광학부는,
    상기 광원과 상기 패턴 마스크 사이에 배치되며 상기 패턴 마스크로부터 제1 방향으로 오프셋되어 형성되는 집광렌즈; 및
    상기 패턴 마스크를 투과한 빛을 상기 투사 공간에 투영하며 상기 패턴 마스크로부터 상기 제1 방향과 대향되는 제2 방향으로 오프셋되어 형성되는 투사렌즈를 더 포함하여 상기 패턴이 투사되는 스크린과 패턴 유효 영역의 크기 차이 또는 상기 패턴이 투영되는 방향을 조절하는 구조광 투영 광학 시스템.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 줄무늬 또는 정현파의 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조광 투영 광학부는 상기 복수의 광원의 배열과 상기 패턴 마스크에 형성된 패턴의 결 방향이, 상기 이미징 광학부와 상기 투사 공간에 배치된 물체의 중심축을 포함하는 면과 수직관계를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미징 광학부는,
    이미징 렌즈; 및
    상기 투사 공간에 투영되는 상기 패턴을 촬영하여 3차원 데이터를 획득하는 이미지센서;를 포함하는 구조광 투영 광학 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 이미징 광학부는, 상기 이미징 렌즈의 광축이 상기 구조광 투영 광학부의 중심축과 사선을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 구조광 투영 광학 시스템.
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