KR102317329B1 - 광 스캐닝 프로브 및 이를 이용한 3차원 데이터 생성 장치 - Google Patents

광 스캐닝 프로브 및 이를 이용한 3차원 데이터 생성 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 발명은 광 스캐닝 프로브 및 이를 이용한 3차원 데이터 생성 장치에 관한 것으로서, 광원으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 광 스캐닝 프로브; 측정 대상으로 주사된 광과 반사된 광을 기초로 측정 대상까지의 거리를 산출하는 거리 산출 프로세서; 및 광 스캐닝 프로브의 주사 방향과 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 데이터를 생성하기 위한 깊이 이미지 생성 프로세서;를 포함할 수 있다.

Description

광 스캐닝 프로브 및 이를 이용한 3차원 데이터 생성 장치{OPTICAL SCANNING PROBE AND THREE DIMENSIONAL DATA GENERATING APPARATUS USING THE SAME}
광 스캐닝 프로브 및 이를 이용한 3차원 데이터 생성 장치에 관한 것이다.
로봇 청소기는 사용자의 조작 없이도 청소 해야하는 영역을 스스로 주행하면서 바닥으로부터 먼지와 같은 이물질을 청소하는 장치로, 미리 설정된 주행 패턴에 따라 주행하면서 청소 작업을 수행한다.
이러한 로봇 청소기는 진행 경로인 전방에 위치하는 청소 대상 및 회피해야 하는 장애물을 비롯하여 주변 환경을 감지하기 위해 3차원 이미지 데이터가 요구된다.
상술한 로봇 청소기의 3차원 이미지 데이터 이외에도 텔레비전을 비롯한 다양한 분야에서 3차원 센서를 적용하여 깊이 영상을 생성해야 하는 경우가 존재한다.
3차원 이미지 데이터를 생성하는 방법 중 측정 대상으로 적외선 패턴을 주사하여 패턴의 변화로부터 전방의 3차원 깊이(Depth)를 측정하는 방식이 적용되는 데, 이는 전방으로 주사한 패턴이 보이기 위한 최소 거리가 존재하여야 하며, 비스듬한 면의 깊이 측정이 어렵다는 문제점이 존재한다.
또한, 3차원 이미지 데이터를 생성하는 방법 중 모든 영역에 적외선을 주사하여 한번에 깊이를 측정하는 방법이 적용되는 데, 이는 제한된 적외선(IR) 파워를 이용하여 모든 영역에 적외선을 발광해야 하므로 노이즈가 많다는 문제점이 존재한다.
개시된 발명은 광원은 고정시킨 상태로 광 경로만을 변경한 상태로 공간을 스캐닝 하여 3차원 데이터를 생성하기 위한 광 스캐닝 프로브 및 이를 이용한 3차원 데이터 생성 장치를 제공하기 위한 것이다.
일 측면에 의한 3차원 데이터 생성 장치는, 광원으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 광 스캐닝 프로브; 상기 측정 대상으로 주사된 광과 상기 측정 대상으로부터 반사된 광을 기초로 상기 측정 대상까지의 거리를 산출하는 거리 산출 프로세서; 및 상기 광 스캐닝 프로브의 주사 방향과 상기 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 데이터를 생성하기 위한 깊이 이미지 생성 프로세서;를 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 프로브는, 상기 광원으로부터 발생된 광을 상기 측정 대상으로 주사하기 위한 광 스캐너; 및 상기 광 스캐너의 광 경로를 변경하되, 상기 측정 대상의 형상에 따라 스캐닝 타입을 변경 제어하기 위한 스캐너 프로세서;를 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 타입은, 나선형(Spiral Type), 타원형(Ellipse Type), 수평형(Horizontal Type), 수직형(Vertical Type), 지그재그형(Zigzag Type) 및 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.
상기 광 스캐너는, 상기 광원으로부터 발생된 광이 경유하는 광 프로브; 및
상기 광 프로브를 경유한 상기 광을 굴절시키는 광학 렌즈;를 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 프로브는, 상기 광원과 상기 광 스캐너 사이에 위치하여 상기 광원으로부터 발생된 광을 기 설정된 각도로 굴절시켜 상기 광 스캐너로 입사시키는 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens);를 더 포함할 수 있다.
상기 광 스캐너는, 피에조 전기 소자를 구동하여 상기 광 프로브를 제어하는 피에조 튜브 액추에이터(Piezo Tube Actuator) 형태일 수 있다.
상기 광 스캐너는, 상기 광원으로부터 발생는는 광을 반사시키는 2차원 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 미러 스캐너일 수 있다.
상기 스캐너 프로세서는, 상기 2차원 MEMS 미러 스캐너의 반사 각도를 조정하여 상기 광원으로부터 발생되는 광의 경로를 변경할 수 있다.
상기 거리 산출 프로세서는, 상기 측정 대상으로 주사되는 광을 발생시켜 상기 광 스캐닝 프로브로 전달하기 위한 광원; 상기 광원에 인접하게 위치하여 상기 광원으로부터 발생한 상기 광을 수신하는 발신측 수광부; 상기 측정 대상으로부터 반사되는 광을 수신하는 반사측 수광부; 및 상기 발신측 수광부에 의해서 수신된 광과 상기 반사측 수광부에 의해서 수신된 광 간의 시차를 산출하여 상기 측정 대상까지의 거리를 산출하는 거리 산출 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 깊이 이미지 생성 프로세서는, 상기 광 스캐닝 프로브로부터 전달되는 상기 측정 대상으로의 광 주사 방향과 상기 거리 산출 프로세서로부터 전달되는 상기 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 좌표를 복원하여 3차원 데이터를 생성할 수 있다.
상기 깊이 이미지 생성 프로세서는, 복수의 픽셀 각각에 대해 상기 3차원 좌표 복원을 수행하여 상기 3차원 데이터를 생성할 수 있다.
상기 깊이 이미지 생성 프로세서는, 기 설정된 방법으로 상기 3차원 데이터의 노이즈를 제거할 수 있다.
상기 광원은 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 적외선 엘이디(IR LED)일 수 있다.
다른 측면의 광 스캐닝 프로브는, 광원으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 광 스캐너; 및 상기 광 스캐너의 광 경로를 변경하되, 상기 측정 대상의 형상에 따라 스캐닝 타입을 변경 제어하기 위한 스캐너 프로세서;를 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 타입은, 나선형(Spiral Type), 타원형(Ellipse Type), 수평형(Horizontal Type), 수직형(Vertical Type), 지그재그형(Zigzag Type) 및 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.
상기 광 스캐너는, 상기 광원으로부터 발생된 상기 광이 경유하는 광 프로브; 및 상기 광 프로브를 경유한 상기 광을 굴절시키는 광학 렌즈;를 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 프로브는 상기 광원과 상기 광 스캐너 사이에 위치하여 상기 광원으로부터 발생된 광을 기 설정된 각도로 굴절시켜 상기 광 스캐너로 입사시키는 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens);를 더 포함할 수 있다.
상기 광 스캐너는, 피에조 전기 소자를 구동하여 상기 광 프로브를 제어하는 피에조 튜브 액추에이터(Piezo Tube Actuator) 형태일 수 있다.
상기 광 스캐너는, 상기 광원으로부터 발생되는 광을 반사시키는 2차원 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 미러 스캐너일 수 있다.
상기 스캐너 프로세서는, 상기 2차원 MEMS 미러 스캐너의 반사 각도를 조정하여 상기 광원으로부터 발생되는 광의 경로를 변경할 수 있다.
개시된 발명은 광원은 고정시키되 광 경로만으로 다양한 스캐닝 타입으로 변경하여 측정 대상까지의 거리를 산출하고, 한 점에 빛이 주사되기 때문에 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)가 좋아 발광하는 빛의 밝기가 상대적으로 약해도 정밀한 3차원 데이터를 획득할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 3차원 데이터 생성 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 3차원 데이터 생성 장치의 구성을 상세하게 나타내는 제어 블럭도이다.
도 3은 광 스캐닝 프로브의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 광 스캐닝 프로브에서의 광 주사 및 수신방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 광 스캐닝 프로브에서 적용하는 스캐닝 타입을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 광 스캐닝 프로브의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 측정 대상까지의 거리를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 3차원 데이터를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 3차원 데이터의 노이즈를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 3차원 데이터의 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 3차원 데이터 생성 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 3차원 데이터 생성 장치는 광 스캐닝 프로브(100), 거리 산출 프로세서(200) 및 깊이 이미지 생성 프로세서(300)를 포함할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 광 스캐닝 프로브(100)는 광원으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 구성일 수 있다. 이때, 광은 정지하되 광을 전달하는 광 스캐닝 프로브(100)만을 제어하기 때문에 측정 대상에 광 주사 시 정밀한 위치 제어가 가능하며, 에너지 소비량을 줄일 수 있다. 광 스캐닝 프로브(100)는 측정하고자 하는 영역에 따라 다양한 형태의 스캐닝 타입을 적용할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 광원은 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 적외선 엘이디(IR LED)일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상술한 측정 대상은 3차원 이미지를 획득하기 위한 대상을 의미하는 것으로, 예를 들어, 3차원 데이터 생성 장치가 적용되는 대상이 로봇 청소기인 경우 전방의 장애물, 청소 대상 등일 수 있다.
거리 산출 프로세서(200)는 측정 대상으로 주사된 광과 상기 측정 대상으로부터 반사된 광을 기초로 상기 측정 대상까지의 거리를 산출하는 구성일 수 있다. 이때, 거리 산출 프로세서(200)는 TOF(Time Of Flight) 거리 계산 방식을 적용하여 발광된 빛과 반사되어 수신된 빛의 시간을 측정하여 측정 대상까지의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 계산된 측정 대상까지의 거리는 3차원 데이터인 깊이(Depth) 이미지 생성 시 이용될 수 있다.
깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 광 스캐닝 프로브(100)의 주사 방향과 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 데이터를 생성하기 위한 구성일 수 있다.
상술한 3차원 데이터 생성 장치는 3차원 이미지가 요구되는 대상이라면 모두 적용할 수 있는 구성으로, 예를 들어, 로봇 청소기, 3D 텔레비전, 노트북, 자동차 등에 적용되어 전방의 장애물을 인식하거나, 사용자의 동작 등을 인식하는데 이용될 수 있다.
또한, 3차원 데이터 생성 장치는 운용자의 필요에 따라 적용되는 대상에서의 설치 위치가 설정 가능하다 할 것이다.
도 2는 3차원 데이터 생성 장치의 구성을 상세하게 나타내는 제어 블럭도이다.
이하에서는, 광 스캐닝 프로브의 일 실시예를 나타내는 도 3, 광 스캐닝 프로브에서의 광 주사 및 수신방법을 설명하기 위한 도 4, 광 스캐닝 프로브에서 적용하는 스캐닝 타입을 설명하기 위한 도 5, 광 스캐닝 프로브의 다른 실시예를 나타내는 도 6, 측정 대상까지의 거리를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도 7, 3차원 데이터를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도 8, 3차원 데이터의 노이즈를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 3차원 데이터 생성 장치는 광 스캐닝 프로브(100), 거리 산출 프로세서(200), 깊이 이미지 생성 프로세서(300) 및 메인 프로세서(400)를 포함할 수 있다.
광 스캐닝 프로브(100)는 광원(Light Emitter)(210)으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 구성으로, 광 스캐너(110) 및 스캐너 프로세서(130)를 포함할 수 있다.
또한, 광 스캐닝 프로브(100)는 광원(210)으로부터 발생된 광을 굴절시켜 광 스캐너(110)로 전달하기 위한 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens)(150)를 더 포함할 수 있다.
광 스캐너(110)는 광원(210)로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 구성일 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 광 스캐너(110)는 광원(210)으로부터 발생된 광이 경유하는 광 프로브(111) 및 광 프로브(111)를 경유한 광을 굴절시키는 광학 렌즈(113)를 포함할 수 있다.
스캐너 프로세서(130)는 광 스캐너(110)의 광 경로를 변경하되, 측정 대상의 형상에 따라 스캐닝 타입을 변경 제어하기 위한 구성일 수 있다. 이때, 스캐너 프로세서(130)는 광을 주사하기 위한 측정 대상의 영역에 따라 스캐닝 타입이 변경될 수 있도록 광 스캐너(110)를 제어하기 때문에, 광 주사 시 정밀한 위치 제어를 수행할 수 있다.
도 5에서 도시하는 바와 같이, 스캐닝 타입은 나선형(Spiral Type), 타원형(Ellipse Type), 수평형(Horizontal Type), 수직형(Vertical Type), 지그재그형(Zigzag Type) 및 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 광 스캐너(110)는 스캐너 프로세서(130)의 제어에 따라, 가변적으로 원하는 영역만을 스캐닝하는 방법도 적용 가능하다 할 것이다.
예를 들어, 스캐닝 타입이 나선형인 경우와 타원형인 경우, 스캐닝 제어 신호의 X 좌표 기준과 Y 좌표 기준의 파형은 각각 도 5의 (a) 및 (b)와 같을 수 있다. 또한, 스캐닝 타입이 수평형인 경우와 수직형인 경우, 스캐닝 제어 신호의 X 좌표 기준과 Y 좌표 기준의 파형은 도 5의 (c)와 같을 수 있다.
스캐너 프로세서(130)는 광 주사 영역의 돌출, 함몰 등과 같은 다양한 조건에 따라 상술한 스캐닝 타입을 변경 적용하는 것이 가능하다 할 것이다.
콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens)(150)는 광원(210)과 광 스캐너(110) 사이에 위치하여 광원(210)으로부터 발생된 광을 기 설정된 각도로 굴절시켜 상기 광 스캐너(110)로 입사시키는 구성일 수 있다.
도 3에서 도시하는 바와 같이, 광 스캐너(110)는 피에조 전기 소자를 구동하여 상기 광 프로브(111)를 제어하는 피에조 튜브 액추에이터(Piezo Tube Actuator) 형태일 수 있다.
도 3을 참조하면, 피에조 튜브 액추에이터 형태의 광 스캐너(110)는 광의 경로 역할을 하는 광 프로브(111)를 감싸는 형태로 형성될 수 있다.
도시하지 않았지만, 피에조 튜브 액추에이터는 피에조 소자 및 피에조 소자를 구동시키기 위한 구동 신호를 발생하는 구동 신호 발생부를 포함할 수 있다.
한편, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 광 스캐닝 프로브(100)는 광 스캐너(110)로 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술이 적용된 2차원 MEMS 미러 스캐너(2D MEMS Mirror Scanner)를 적용하여 광원(210)으로부터 발생되는 광을 반사시키는 것도 가능하다 할 것이다.
이때, 스캐너 프로세서(130)는 2차원 MEMS 미러 스캐너의 반사 각도를 조정하여 광원(210)으로부터 발생되는 광의 경로를 변경하는 것이다. 즉, 스캐너 프로세서(130)는 광이 접촉되는 반사면(R)의 각도 조정을 통해 광의 경로를 변경하는 것이다.
2차원 MEMS 미러 스캐너가 적용된 광 스캐너(110)는 반사 각도 조정을 통해 직접 광의 경로를 변경하기 때문에 피에조 튜브 액추에이터(Piezo Tube Actuator) 타입의 광 스캐너(110)와 달리 광이 경유하는 통로인 광 프로브(111)의 생략이 가능하다.
거리 산출 프로세서(200)는 측정 대상으로 주사된 광과 반사된 광을 기초로 상기 측정 대상까지의 거리를 산출하는 구성일 수 있다.
도 2에서 도시하는 바와 같이, 거리 산출 프로세서(200)는 광원(210), 광 제어부(220), 발신측 수광부(230), 반사측 수광부(240) 및 거리 산출 제어부(250)를 포함할 수 있다.
광원(Light Emitter)(210)은 측정 대상으로 주사되는 광을 발생시켜 상기 광 스캐닝 프로브(200)로 전달하기 위한 구성일 수 있다.
상기 광원(210)은 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 적외선 엘이디(IR LED)일 수 있다.
광 제어부(Laser Controller)(220)는 광원(210)의 동작을 제어하기 위한 구성일 수 있다.
발신측 수광부(230)는 광원(210)에 인접하게 위치하여 상기 광원(210)으로부터 발생한 상기 광을 수신할 수 있다. 즉, 발신측 수광부(230)는 광원(210)으로부터 발생된 광을 감지하기 위한 역할을 수행하는 구성으로, 이후 측정 대상까지의 거리 산출 시 반사된 광과의 시차를 산출할 때 이용될 수 있다. 이때, 발신측 수광부(230)는 포토 다이오드(Photo diode)로 구현될 수 있다.
반사측 수광부(240)는 측정 대상으로부터 반사되는 광을 수신할 수 있다. 즉, 반사측 수광부(240)는 측정 대상으로 주사된 후 반사되는 광을 수신하는 것으로, 도 4와 같은 형태로 광을 수신할 수 있다. 이때, 반사측 수광부(240)는 포토 다이오드(Photo diode)로 구현될 수 있다.
거리 산출 제어부(250)는 발신측 수광부(230)에 의해서 수신된 광과 상기 반사측 수광부(240)에 의해서 수신된 광 간의 시차를 산출하여 측정 대상까지의 거리를 산출할 수 있다.
도 7을 참조하면, 거리 산출 제어부(250)는 발광된 빛(pulsed source)과 수신된 빛(reflection)(도 7의 (a) 참조)의 위상차이를 계산하는 수학식 1을 통해 측정 대상까지의 거리 d를 계산(도 7의 (b) 참조)할 수 있다.
Figure 112015000168689-pat00001
이때, d는 측정 대상까지의 거리를 의미하고, c는 광의 속도(speed of light)를 의미하는 것이다.
깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 광 스캐닝 프로브(100)의 주사 방향과 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 데이터를 생성하기 위한 구성일 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 광 스캐닝 프로브(100)로부터 전달되는 측정 대상으로의 광 주사 방향(광 주사 각도)과 거리 산출 프로세서(200)로부터 전달되는 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 좌표를 복원하여 3차원 데이터를 생성할 수 있다.
도 8에서 도시하는 바와 같이, 깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 3차원 데이터를 생성하기 위해 광 주사 방향과 측정 대상까지의 거리를 이용하는데, 수학식 2 내지 4를 기초하여 광 주사 방향을
Figure 112015000168689-pat00002
에 대한 X, Y, Z의 3차원 좌표로 복원할 수 있다.
Figure 112015000168689-pat00003
Figure 112015000168689-pat00004
Figure 112015000168689-pat00005
이때,
Figure 112015000168689-pat00006
,
Figure 112015000168689-pat00007
는 광 프로브의 광 주사 각도를 의미하고, d는 측정 대상까지의 거리를 의미하며, X, Y, Z는 각각 3차원 데이터 상의 X 좌표, Y 좌표, Z 좌표를 의미하는 것이다.
깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 상술한 과정을 통해 1개의 깊이(depth) 정보를 획득하고, 이를 반복 수행하여 각 픽셀별 깊이 정보를 파악하여 3차원 데이터를 완성할 수 있다.
즉, 깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 복수의 픽셀 각각에 대해 3차원 좌표 복원을 수행하여 3차원 데이터를 생성하는 것이다.
도 9에서 도시하는 바와 같이, 깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 기 설정된 방법으로 3차원 데이터의 노이즈를 제거(도 9의 (a) -> (b))할 수 있다.
예를 들어, 스캐닝된 데이터를 이용하여 생성한 3차원 데이터의 노이즈를 미디안 필터(Median Filter) 또는 가우시안 필터(Gaussian Filter) 등을 이용하여 제거할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 도 9에서 도시하는 미디언 필터는 비선형 디지털 필터 기술로 이미지나 기타 신호로부터 신호 잡음을 제거하는 기술로, 이미지 프로세싱에서 윤곽선 감지같은 높은 수준의 처리를 수행하기 전 단계인 이미지에 고성능 잡음 제거를 수행하는 데 요구된다. 또한, 미디언 필터는 스펙클 노이즈나 작은 반점들을 줄이는 데 유용하다.
도 10은 3차원 데이터의 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 3차원 데이터 생성 장치의 광 스캐닝 프로브(100)는 광원(210)으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사할 수 있다(S101). 이때, 광원(210)은 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 적외선 엘이디(IR LED)일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
보다 상세히 설명하면, 광 스캐닝 프로브(100)는 광 스캐너(110)와 스캐너 프로세서(130)를 포함하며, 상기 광 스캐너(110)는 스캐너 프로세서(130)의 제어에 따라 광원(210)으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사할 때, 측정 대상의 형상에 따라 스캐닝 타입을 조정하여 광 경로를 변경할 수 있다.
도 5에서 도시하는 바와 같이, 스캐닝 타입은 나선형(Spiral Type), 타원형(Ellipse Type), 수평형(Horizontal Type), 수직형(Vertical Type), 지그재그형(Zigzag Type) 및 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 광 스캐너(110)는 스캐너 프로세서(130)의 제어에 따라, 가변적으로 원하는 영역만을 스캐닝하는 방법도 적용 가능하다 할 것이다.
예를 들어, 스캐닝 타입이 나선형인 경우와 타원형인 경우, 스캐닝 제어 신호의 X 좌표 기준과 Y 좌표 기준의 파형은 각각 (a) 및 (b)와 같을 수 있다. 또한, 스캐닝 타입이 수평형인 경우와 수직형인 경우, 스캐닝 제어 신호의 X 좌표 기준과 Y 좌표 기준의 파형은 (c)와 같을 수 있다.
스캐너 프로세서(130)는 광 주사 영역의 돌출, 함몰 등과 같은 다양한 조건에 따라 상술한 스캐닝 타입을 변경 적용하는 것이 가능하다 할 것이다. 이로 인해, 측정 대상으로의 광 주사 위치를 정밀하게 제어할 수 있어, 양질의 3차원 데이터를 획득할 수 있다.
다음, 거리 산출 프로세서(200)는 측정 대상으로 주사된 광과 반사된 광을 기초로 측정 대상까지의 거리를 산출할 수 있다(S103).
이때, 거리 산출 프로세서(200)는 광원(210), 광 제어부(220), 발신측 수광부(230), 반사측 수광부(240) 및 거리 산출 제어부(250)를 포함하여, 발신측 수광부(230)에 의해서 수신된 광과 반사측 수광부(240)에 의해서 수신된 광 간의 시차(도 4의 time)를 산출하여 측정 대상까지의 거리를 산출할 수 있다.
발신측 수광부(230)는 광원(210)에 인접하게 위치하여 상기 광원(210)으로부터 발생한 상기 광을 수신할 수 있다. 즉, 발신측 수광부(230)는 광원(210)으로부터 발생된 광을 감지하기 위한 역할을 수행하는 구성으로, 이후 측정 대상까지의 거리 산출 시 반사된 광과의 시차를 산출할 때 이용될 수 있다. 이때, 발신측 수광부(230)는 포토 다이오드(Photo diode)로 구현될 수 있다.
반사측 수광부(240)는 측정 대상으로부터 반사되는 광을 수신할 수 있다. 즉, 반사측 수광부(240)는 측정 대상으로 주사된 후 반사되는 광을 수신하는 것으로, 도 4와 같은 형태로 광을 수신할 수 있다. 이때, 반사측 수광부(240)는 포토 다이오드(Photo diode)로 구현될 수 있다.
다음, 깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 광 스캐닝 프로브(100)의 주사 방향과 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 데이터를 생성할 수 있다(S105). 이를 위해, 광 스캐닝 프로브(100)와 거리 산출 프로세서(200)는 깊이 이미지 생성 프로세서(300)로 각각 광 스캐닝 프로브(100)의 주사 방향과 측정 대상까지의 거리를 제공할 수 있다.
깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 광 스캐닝 프로브(100)의 주사 방향과 측정 대상까지의 거리를 기초로 1개의 깊이(depth) 정보를 획득하고, 이를 반복 수행하여 각 픽셀별 깊이 정보를 파악하여 3차원 데이터를 완성할 수 있다.
또한, 깊이 이미지 생성 프로세서(300)는 3차원 데이터에 노이즈 필터링(도 9 참조)을 수행하여 보다 양질의 3차원 데이터를 획득할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 3차원 데이터 생성 장치 110 : 광 스캐닝 프로브
110 : 광 스캐너 130 : 스캐너 프로세서
200 : 거리 산출 프로세서 210 : 광원
220 : 광 제어부 230 : 발신측 수광부
240 : 반사측 수광부 250 : 거리 산출 제어부
300 : 깊이 이미지 생성 프로세서 400 : 메인 프로세서

Claims (20)

  1. 광원으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 광 스캐닝 프로브;
    상기 측정 대상으로 주사된 광과 상기 측정 대상으로부터 반사된 광을 기초로 상기 측정 대상까지의 거리를 산출하는 거리 산출 프로세서; 및
    상기 광 스캐닝 프로브의 주사 방향과 상기 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 데이터를 생성하기 위한 깊이 이미지 생성 프로세서;를 포함하고,
    상기 광 스캐닝 프로브는,
    상기 광원으로부터 발생된 광을 상기 측정 대상으로 주사하기 위한 광 스캐너; 및
    상기 광 스캐너에 의해 반사된 광의 반사 각도를 조절하는 것에 의해 상기 광 스캐너에서 스캔된 광의 광 경로가 변경되도록 상기 광 스캐너를 제어하고, 상기 스캔된 광의 위치를 제어하기 위해 상기 측정 대상의 영역에 대응하여 상기 스캔된 광의 스캐닝 타입을 변경 제어하기 위한 스캐너 프로세서;를 포함하는 3차원 데이터 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 타입은,
    나선형(Spiral Type), 타원형(Ellipse Type), 수평형(Horizontal Type), 수직형(Vertical Type), 지그재그형(Zigzag Type) 및 이들의 조합 중 어느 하나인 3차원 데이터 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 스캐너는,
    상기 광원으로부터 발생된 광이 경유하는 광 프로브; 및
    상기 광 프로브를 경유한 상기 광을 굴절시키는 광학 렌즈;
    를 포함하는 3차원 데이터 생성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 스캐너는,
    피에조 전기 소자를 구동하여 상기 광 프로브를 제어하는 피에조 튜브 액추에이터(Piezo Tube Actuator) 형태인 3차원 데이터 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 스캐너는,
    상기 광원으로부터 발생되는 광을 반사시키는 2차원 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 미러 스캐너인 3차원 데이터 생성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스캐너 프로세서는,
    상기 2차원 MEMS 미러 스캐너의 반사 각도를 조정하여 상기 광원으로부터 발생되는 광의 경로를 변경하는 3차원 데이터 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 스캐닝 프로브는,
    상기 광원과 상기 광 스캐너 사이에 위치하여 상기 광원으로부터 발생된 광을 기 설정된 각도로 굴절시켜 상기 광 스캐너로 입사시키는 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens);
    를 더 포함하는 3차원 데이터 생성 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 거리 산출 프로세서는,
    상기 측정 대상으로 주사되는 광을 발생시켜 상기 광 스캐닝 프로브로 전달하기 위한 광원;
    상기 광원에 인접하게 위치하여 상기 광원으로부터 발생한 상기 광을 수신하는 발신측 수광부;
    상기 측정 대상으로부터 반사되는 광을 수신하는 반사측 수광부; 및
    상기 발신측 수광부에 의해서 수신된 광과 상기 반사측 수광부에 의해서 수신된 광 간의 시차를 산출하여 상기 측정 대상까지의 거리를 산출하는 거리 산출 제어부;
    를 포함하는 3차원 데이터 생성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 이미지 생성 프로세서는,
    상기 광 스캐닝 프로브로부터 전달되는 상기 측정 대상으로의 광 주사 방향과 상기 거리 산출 프로세서로부터 전달되는 상기 측정 대상까지의 거리를 기초로 3차원 좌표를 복원하여 3차원 데이터를 생성하는 3차원 데이터 생성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 깊이 이미지 생성 프로세서는,
    복수의 픽셀 각각에 대해 상기 3차원 좌표 복원을 수행하여 상기 3차원 데이터를 생성하는 3차원 데이터 생성 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 이미지 생성 프로세서는,
    기 설정된 방법으로 상기 3차원 데이터의 노이즈를 제거하는 3차원 데이터 생성 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 적외선 엘이디(IR LED)인 3차원 데이터 생성 장치.
  14. 광원으로부터 발생된 광을 측정 대상으로 주사하기 위한 광 스캐너; 및
    상기 광 스캐너에 의해 반사된 광의 반사 각도를 조절하는 것에 의해 상기 광 스캐너에서 스캔된 광의 광 경로가 변경되도록 상기 광 스캐너를 제어하고, 상기 스캔된 광의 위치를 제어하기 위해 상기 측정 대상의 영역에 대응하여 상기 스캔된 광의 스캐닝 타입을 변경 제어하기 위한 스캐너 프로세서;를 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스캐닝 타입은,
    나선형(Spiral Type), 타원형(Ellipse Type), 수평형(Horizontal Type), 수직형(Vertical Type), 지그재그형(Zigzag Type) 및 이들의 조합 중 어느 하나인 광 스캐닝 프로브.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 광 스캐너는,
    상기 광원으로부터 발생된 상기 광이 경유하는 광 프로브; 및
    상기 광 프로브를 경유한 상기 광을 굴절시키는 광학 렌즈;
    를 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광 스캐너는,
    피에조 전기 소자를 구동하여 상기 광 프로브를 제어하는 피에조 튜브 액추에이터(Piezo Tube Actuator) 형태인 광 스캐닝 프로브.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 광 스캐너는,
    상기 광원으로부터 발생되는 광을 반사시키는 2차원 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 미러 스캐너인 광 스캐닝 프로브.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 스캐너 프로세서는,
    상기 2차원 MEMS 미러 스캐너의 반사 각도를 조정하여 상기 광원으로부터 발생되는 광의 경로를 변경하는 광 스캐닝 프로브.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 스캐너 사이에 위치하여 상기 광원으로부터 발생된 광을 기 설정된 각도로 굴절시켜 상기 광 스캐너로 입사시키는 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens);
    를 더 포함하는 광 스캐닝 프로브.
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