KR102591863B1

KR102591863B1 - 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치

Info

Publication number: KR102591863B1
Application number: KR1020210168507A
Authority: KR
Inventors: 손현성
Original assignee: (주)미래컴퍼니
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-10-26
Also published as: KR20230080926A; WO2023101395A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 발광부 및 수광부를 포함하는 3차원 거리측정 카메라, 상기 3차원 거리측정 카메라로부터 서로 다른 거리에 이격되어 배치되는 둘 이상의 오브젝트를 포함하는 오브젝트 유닛, 상기 발광부에 의해 출력되는 출력광 펄스의 위상을 조절하는 위상조절유닛 및 상기 3차원 거리측정 카메라의 측정 가능 범위와, 상기 3차원 거리측정 카메라로부터 상기 오브젝트 유닛까지의 최대 거리를 이용하여 상기 출력광 펄스의 위상의 조절폭을 결정하고, 상기 조절폭에 따라 상기 출력광 펄스의 위상을 조절하도록 상기 위상조절유닛을 제어하고, 상기 출력광 펄스의 출력시점과 상기 오브젝트 유닛으로부터 반사되는 반사광 펄스의 수신시점의 시차를 이용하여 측정 거리를 계산하고, 상기 측정 거리와 상기 오브젝트의 실제 거리를 비교하여 상기 3차원 거리측정 카메라의 성능을 평가하는 제어부를 포함하는 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치를 제공한다.

Description

3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치{PERFORMANCE EVALUATION APPARATUS OF 3 DIMENSIONAL DISTANCE MEASURING CAMERA}

본 발명의 실시예는 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치에 관한 것이다.

3차원 거리측정 카메라는 물체에 광을 조사하고 반사된 광신호를 센싱하여 거리를 계산하는 카메라로서, 피사체에 광을 조사하고 반사되어 되돌아온 광을 정현파 위상을 이용한 수식을 통해 연산하여 거리정보로 환산한다.

이러한 3차원 거리측정 카메라는 변조 주파수(modulation frequency)에 따라 측정 거리가 결정되며, 측정 거리의 전(全) 영역에 대하여 거리정확도를 평가할 필요가 있다.

종래에는 이러한 3차원 거리측정 카메라의 성능을 평가하기 위하여, 전체 측정 거리만큼 이동이 가능한 스테이지를 설치하거나 특정 구간만 측정하는 방법을 사용하였다. 그러나, 이러한 방법은 3차원 거리측정 카메라의 측정거리가 늘어날수록 더 넓은 공간을 확보해야 하며, 공간에 설치되어야 하는 장비들의 증가로 비용이 증대되며 검사 시간이 늘어나는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 3차원 거리측정 카메라의 측정 범위 및 오브젝트까지의 실제 거리를 이용하여 펄스 위상 정도를 결정하고, 펄스 위상을 이동시킴으로써, 공간 제약을 최소화하면서도 정확한 성능을 평가할 수 있는 3차원 거리 측정 카메라의 성능 평가 장치를 제공하고자 한다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치는 일정 거리에 고정된 오브젝트 유닛을 이용하여 측정 가능 범위 전체에 대한 3차원 거리측정 카메라의 성능을 평가할 수 있게 된다.

이를 통해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치는 콤팩트한 평가 장치를 구현할 수 있고, 성능 평가 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치에서 위상을 지연하는 방법의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 출력광 펄스의 위상을 지연시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.

이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.

명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치(10)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치(10)는 3차원 거리측정 카메라(100), 오브젝트 유닛(200), 위상조절유닛(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.

3차원 거리측정 카메라(100)는 출력광을 조사하는 발광부(110)와, 피사체로부터 반사되는 반사광을 수광하는 수광부(120)를 포함할 수 있다. 3차원 거리측정 카메라(100)의 발광부(110)와 수광부(120)는 서로 동기화되어 있어, 발광부(110)의 출력광 발생 시 수광부(120) 또한, 노출(On) 모드로 동작할 수 있다.

3차원 거리측정 카메라(100)는 두 펄스 신호를 동기화함으로써, 발광부(110)에서 발생한 출력광이 피사체에 반사되어 수광부(120)로 입사되고, 이를 통해 피사체의 영상을 획득할 수 있다.

3차원 거리측정 카메라(100)의 최대측정거리, 즉 측정 범위는 광출력에 사용되는 변조주파수에 따라 결정되며, 그 변조 주파수의 한 주기의 시간을 실제거리와 정합시킬 수 있다. 3차원 거리측정 카메라(100)의 측정 범위는 하기의 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.

여기서, C는 광속(3*10¹¹ mm)이며, f는 3차원 거리측정 카메라(100)의 변조 주파수를 의미한다. 예를 들어, 성능을 평가하고자 하는 3차원 거리측정 카메라(100)의 변조 주파수(f)가 50 MHz인 경우, 측정범위는 3000 mm가 될 수 있다.

오브젝트 유닛(200)은 3차원 거리측정 카메라(100)로부터 서로 다른 거리에 이격되어 배치되는 둘 이상의 오브젝트(210, 220, 230, 240, 250)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 오브젝트 유닛(200)은 3차원 거리측정 카메라(100)로부터 제1 거리(d1)만큼 떨어진 제1 면(A1)을 구비하는 제1 오브젝트(210)와, 3차원 거리측정 카메라(100)로부터 제1 거리(d1)와 다른 제2 거리(d2)만큼 떨어진 제2 면(A2)을 구비하는 제2 오브젝트(220)를 포함할 수 있다.

이때, 제1 오브젝트(210)의 제1 거리(d1)는 3차원 거리측정 카메라(100)로부터 오브젝트 유닛(200)의 최대 거리일 수 있고, 제2 오브젝트(220)의 제2 거리(d2)는 제1 거리(d1)보다 짧을 수 있다. 만약, 오브젝트 유닛(200)이 더 많은 오브젝트(230, 240, 250)을 포함하는 경우, 각각의 오브젝트(210, 220, 230, 240, 250)들은 서로 다른 거리를 갖는 측정면을 구비할 수 있다.

일 실시예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 오브젝트 내지 제5 오브젝트(210, 220, 230, 240, 250)를 포함하는 경우, 오브젝트 각각은 등간격으로 이격된 측정면을 구비할 수 있다.

예를 들면, 3차원 거리측정 카메라 (100)로부터 제1 오브젝트(210)의 제1 면(A1)까지의 제1 거리(d1)가 1000 mm이고, 제2 오브젝트(220)의 제2 면(A2)까지의 제2 거리(d2)는 800mm 일 수 있다. 마찬가지로, 제3 오브젝트(230) 내지 제5 오브젝트(250)까지의 각각의 거리는 600mm, 400mm, 200mm로 200mm 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 성능 평가 장치(10)는 이러한 오브젝트 유닛(200)을 구비함으로써, 피사체를 이동함 없이 각 거리에 대한 측정정확도를 한번에 측정할 수 있다.

이러한 복수의 오브젝트(210, 220, 230, 240, 250)들은 3차원 거리측정 카메라(100)의 출력광 조사 방향에 대하여 수직한 방향으로 배열되어 하나의 오브젝트 유닛(200)을 구성할 수 있다. 다만, 이 경우, 복수의 오브젝트(210, 220, 230, 240, 250)들로 이루어진 오브젝트 유닛(200)의 너비는 3차원 거리측정 카메라(100)의 측정 각도(θ)에 의해 결정되는 측정 너비 범위 내에 배치될 수 있다.

위상조절유닛(300)은 발광부(110)에 의해 출력되는 출력광 펄스의 위상을 조절할 수 있다. 위상조절유닛(300)은 후술하는 제어부(400)에 의해 결정되는 조절폭에 따라 출력광 펄스의 위상을 순차적으로 지연시킬 수 있다. 위상조절유닛(300)에서의 위상조절방법에 대해서는 후술하기로 한다.

제어부(400)는 3차원 거리측정 카메라(100)의 측정 가능 범위와, 3차원 거리측정 카메라(100)로부터 오브젝트 유닛(200)까지의 최대 거리(d1)를 이용하여 출력광 펄스의 위상의 조절폭을 결정할 수 있다. 제어부(400)는 조절폭에 따라 출력광 펄스의 위상을 조절하도록 위상조절유닛(300)을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 출력광 펄스의 출력시점과 오브젝트 유닛(200)으로부터 반사되는 반사광 펄스의 수신시점의 시차를 이용하여 측정 거리를 계산하고, 측정 거리와 오브젝트의 비교하여 3차원 거리측정 카메라(100)의 성능을 평가할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 3차원 거리측정 카메라의 성능을 평가하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치에서 위상을 지연하는 방법의 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 출력광 펄스의 위상을 지연시키는 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 먼저, 제어부(400)에는 3차원 거리측정 카메라(100)의 변조 주파수 값과 3차원 거리측정 카메라(100)로부터 오브젝트 유닛(200)까지의 최대 거리(d1)가 저장될 수 있다.

3차원 거리측정 카메라(100)로부터 오브젝트 유닛(200)까지의 최대 거리(d1)는 3차원 거리측정 카메라(100)의 위치와 오브젝트 유닛(200)의 위치가 고정됨에 따라 사전에 설정된 값일 수 있다. 또한, 3차원 거리측정 카메라(100)의 변조 주파수는 측정하고자 하는 카메라에 따라 달라질 수 있다. 제어부(400)에는 이러한 값들이 사전에 저장될 수 있다.

이후, 제어부(400)는 3차원 거리측정 카메라(100)의 변조 주파수를 상기 수학식 1에 대입하여 측정 가능 범위를 결정하고, 결정된 측정 가능 범위와 상기 최대 거리(d1)를 이용하여 출력광 위상의 조절폭을 결정할 수 있다(S100).

여기서 T는 출력광 펄스의 주기로서 실제 오브젝트 유닛(200)까지의 최대 거리에 정합되며, N은 3차원 거리측정 카메라(100)의 측정 가능 범위를 3차원 거리측정 카메라(100)로부터 오브젝트 유닛(200)까지의 최대 거리(d1)으로 나눠 결정되는 정수일 수 있다.

예를 들면, 3차원 거리측정 카메라(100)의 변조주파수가 50MHz인 경우, 측정 가능 범위는 앞서 설명한 바와 같이, 3000mm일 수 있다. 만약, 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치(10) 내에서 오브젝트 유닛(200)의 최대 거리(d1)가 1000mm인 경우, N은 3000mm/1000mm=3일 수 있으며, 출력광 펄스의 위상의 조절폭은 T/3일 수 있다.

제어부(400)는 위상조절유닛(300)을 제어하여 출력광 펄스의 위상을 조절폭만큼 지연되도록 조절할 수 있다(S110). 보다 구체적으로, 제어부(400)는 출력광 펄스의 주기(T)를 등 간격(equidistant intervals)으로 분할하여 결정된 조절폭만큼 지연되도록 조절할 수 있다.

다만, 제어부(400)는 도 2의 (a)와 같이, 위상을 지연시키지 않은 상태에서 먼저 성능을 평가하게 된다. 이때, 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치(10)는 오브젝트 유닛(200)의 최대 거리(d1)까지 3차원 거리측정 카메라의 성능을 평가할 수 있다.

이후, 제어부(400)는 도 2의 (b)와 같이, 결정된 조절폭만큼 위상을 지연시켜 다시 3차원 거리측정 카메라(100)의 성능을 평가할 수 있다. 이 경우, 위상이 지연된 만큼 측정 거리가 이동하는 효과가 발생할 수 있다.

다시 말해, 제어부(400)가 T/3만큼 펄스 위상을 이동시키면, 3차원 거리측정 카메라(100)는 마치 측정 가능 범위의 1/3만큼 이동한 것으로 인식하게 되어, 실제 오브젝트 유닛(200)의 최대 거리(d1)부터 최대 거리의 2배(d1*2) 사이에서 성능을 평가할 수 있다. 제어부(400)가 출력광 펄스의 위상을 순차적으로 지연시키는 동안, 3차원 거리측정 카메라(100)와 오브젝트 유닛(200)의 위치는 고정된다.

이후, 제어부(400)는 N번째 위상지연인지를 판단하고(S140), N번째 위상지연을 초과하는 경우, 출력광 펄스의 출력을 중지하고, 3차원 거리측정 카메라(100)의 성능을 평가할 수 있다. 예를 들면, 도 2의 (c)와 같이, 제어부(400)는 2T/3만큼 펄스 위상을 이동시킴으로써, 실제 오브젝트 유닛(200)의 최대 거리의 2배(d1*2)부터 최대 거리의 3배(d1*3) 사이에서 성능을 평가할 수 있다.

성능 평가를 위해, 제어부(400)는 발광부(110)를 제어하여 출력광 펄스를 오브젝트 유닛(200)으로 출력하고(S120), 수광부(120)를 통해 반사광 펄스를 수신하고, 출력광 펄스의 출력시점과 반사광 펄스의 수신시점의 시차를 이용하여 측정 거리를 계산함으로써, 3차원 거리측정 카메라(100)의 성능을 평가할 수 있다.

상기한 방법을 통해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치는 일정 거리에 고정된 오브젝트 유닛(200)을 이용하여 측정 가능 범위 전체에 대한 3차원 거리측정 카메라(100)의 성능을 평가할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10 : 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치
100 : 3차원 거리측정 카메라
200 : 오브젝트 유닛
300 : 위상조절유닛
400 : 제어부

Claims

발광부 및 수광부를 포함하는 3차원 거리측정 카메라;
상기 3차원 거리측정 카메라로부터 서로 다른 거리에 이격되어 배치되는 둘 이상의 오브젝트를 포함하는 오브젝트 유닛;
상기 발광부에 의해 출력되는 출력광 펄스의 위상을 조절하는 위상조절유닛; 및
상기 3차원 거리측정 카메라의 측정 가능 범위와, 상기 3차원 거리측정 카메라로부터 상기 오브젝트 유닛까지의 최대 거리를 이용하여 상기 출력광 펄스의 위상의 조절폭을 결정하고, 상기 조절폭에 따라 상기 출력광 펄스의 위상을 조절하도록 상기 위상조절유닛을 제어하고, 상기 출력광 펄스의 출력시점과 상기 오브젝트 유닛으로부터 반사되는 반사광 펄스의 수신시점의 시차를 이용하여 측정 거리를 계산하고, 상기 측정 거리와 상기 오브젝트의 실제 거리를 비교하여 상기 3차원 거리측정 카메라의 성능을 평가하는 제어부;를 포함하고,
상기 오브젝트 유닛은 상기 3차원 거리측정 카메라로부터 제1 거리만큼 떨어진 제1 면을 구비하는 제1 오브젝트와 상기 3차원 거리측정 카메라로부터 상기 제1 거리와 다른 제2 거리만큼 떨어진 제2 면을 구비하는 제2 오브젝트를 포함하며,
상기 제1 거리는 상기 3차원 거리측정 카메라로부터 상기 오브젝트 유닛까지의 최대 거리이며, 상기 3차원 거리측정 카메라의 측정 가능 범위보다 짧고,
상기 제2 거리는 상기 제1 거리보다 짧고,
상기 제어부가 상기 출력광 펄스의 위상을 조절하는 동안, 상기 3차원 거리측정 카메라와 상기 오브젝트 유닛의 위치는 고정되는 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치.
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 출력광 펄스의 주기를 등 간격(equidistant interval)으로 분할하여 상기 조절폭을 결정하되, 상기 3차원 거리측정 카메라의 측정 가능 범위를 상기 3차원 거리측정 카메라로부터 상기 오브젝트 유닛까지의 최대 거리로 나눈 수만큼 상기 출력광 펄스의 주기를 분할하여 상기 조절폭을 결정하는, 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 조절폭에 따라 상기 출력광 펄스의 위상이 순차적으로 지연시켜 상기 3차원 거리측정 카메라의 성능을 평가하는, 3차원 거리측정 카메라의 성능 평가 장치.