KR20050077577A - 3차원 스캐닝 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 스캐닝 장치에 관한 것으로서, 광을 물체에 주사하는 광원과, 적어도 하나이상 형성되어 상기 물체에 주사된 후 반사 산란된 상기 광을 인식하는 광검출용 센서를 포함하며 상기 물체의 2차원 데이터를 얻는 스캐닝 유닛; 및상기 스캐닝 유닛을 이동시키는 이동유닛;을 포함하며, 상기 광의 펄스파 또는 주파수 변화를 이용하여 상기 물체의 3차원 데이터를 얻는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 단일의 광원을 이용하여 3차원 스캐닝이 가능하며 간단한 구조에 작은 크기로 제작되어질 수 있으므로 저가생산이 가능하고 쉽게 소형화가 가능하고 또한, 스캐닝 유닛으로부터 광원까지의 거리가 짧으므로 원거리에서 스캐닝하는 것과 달리 물체에 대한 깊이 정보의 분해기능이 높아져서 매우 정확한 좌표측정이 가능한 효과가 있다.

Description

3차원 스캐닝 장치{Apparatus for three dimensional scanning}

본 발명은 3차원 스캐닝 장치로서, 상세하게는 레이저 프린터의 레이저 스캐닝 기술을 응용하여 정확하고 간단하게 3차원 좌표를 얻을 수 있는 3차원 스캐닝 장치에 관한 것이다.

종래까지 2차원의 스캐닝 장치가 주로 사용되었으나 컴퓨터의 성능향상, 장비의 성능향상에 의하여 이제는 일반 사용자를 위한 3차원 스캐닝 장치에 대한 관심이 많아졌다.

도 1은 종래의 3차원 측정장치의 구성도를 나타낸 것으로서, 고정된 채 레이저를 주사하는 레이저 스캐너(101)와, 상기 레이저 스캐너(101)에 의하여 주사되는 레이저를 여러 각도로 주사하여 매회 피측정 체(2)의 각기 다른 위치에 주사되게 하는 다각형 미러(102)와, 상기 다각형 미러(102 )의 회전 각도를 감지하여 반사각을 측정하는 인코더(103)와, 상기 피측정체(2)에서 반사된 수평 방향(X축 방향)의 레이저는 한 곳에 집광되게 하되 수직 방향(Z축 방향)의 레이저는 반사각을 유지한 체 그대로 통과되게 하는 원통렌즈(104)와, 상기 원통 렌즈(104)를 통해 상기 피측정체(2)에서 반사된 레이저를 투사받는 1차원의 선형 수광 센서(105)로 구성되어져 있다.

이와 같이 구성된 종래의 3차원 측정장치를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 고정된 레이저 스캐너(101)에 의하여 주사된 레이저는 다각형 미러(10 2)에 의하여 주사되면서 집광용 원통 렌즈(106)를 통하여 순차적으로 피측정체(2)에 주사된다.

이때, 다각형(6각형)의 측면을 가진 입체로서 측면이 미러의 역할을 하여 한 방향에서 입사된 빛을 여러 반사각으로 주사하는 다각형 미러(102)의 특성으로 인하여 상기 레이저 스캐너(101)에 의하여 주사된 레이저는 매회 피측정체(2)의 각기 다른 위치에 주사된다.

이후, 피측정체(2)에 의하여 레이저가 원통 렌즈(104)에 반사되면 원통 렌즈(104)의 특성상 수평 방향(X축 방향)의 레이저는 한 곳에 집광됨과 아울러 수직 방향(Z축 방향)의 레이저는 반사각을 유지한 체 그대로 통과되어 1차원의 선형 수광 센서(105)에 투사된다.

그러므로, 레이저 스캐너(101)는 매번 다른 위치를 주사하게 되므로 레이저 스캐너(101)를 X축 방향으로 이동시키지 않고 다각형 미러(102)를 회전시켜 매회 각기 다른 X축 포지션을 측정한다.

이때, X축의 위치와 다각형 미러(102)간의 관계 위치 추정은 공지 기술로 다각형 미러((102)의 회전 위치를 인코더(103)로 감지하여 반사각을 측정하여 다각형 미러(102)에서 반사되는 레이저의 X축 위치를 추정한다.

그런데 상기와 같은 종래의 3차원 측정장치는 3차원 거리측정시 원통렌즈 (104)의 굴절경로와 직선경로의 차이 만큼 경로계산을 더 해야 하므로 3차원 거리측정 방법이 불명확해 많은 오차가 발생하는 문제점이 있다. 또한 상기 기술외에 종래의 3차원 스캐닝 장치는 구성요소의 수가 많고 그로인해 장비의 대형화 및 고가로 인해 일반사용자가 사용하기에 많은 불편한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 스캔하고자 하는 물체로부터 정확한 정보를 얻고 또한, 간단한 구성의 스캐닝 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

광을 물체에 주사하는 광원과, 적어도 하나이상 형성되어 상기 물체에 주사된 후 반사 산란된 상기 광을 인식하는 광검출용 센서를 포함하며 상기 물체의 2차원 데이터를 얻는 스캐닝 유닛; 및 상기 스캐닝 유닛을 이동시키는 이동유닛;을 포함하며, 상기 광의 펄스파 또는 주파수 변화를 이용하여 상기 물체의 3차원 데이터를 얻는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스캐닝 유닛은 모터의 회전에 의해 상기 광원으로부터 입사된 광을 일정 방향으로 주사하는 폴리곤 미러와; 상기 폴리곤 미러의 회전속도를 감지하고 정속운동 여부를 판단하는 동기신호 검출센서와; 상기 폴리곤 미러로부터 나온 광을 여러 각도로 통과시키는 렌즈와; 상기 렌즈롤 통과한 상기 광의 주사 방향을 물체에 주사되도록 바꿔주는 반사미러; 및 상기 스캐닝 유닛 이동의 기준점을 제공하는 홈센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사미러는 광의 입사전후의 각이 수직에 가까운 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.

그리고, 상기 광의 펄스파 또는 주파수 변화를 연속적인 값 또는 주기적으로 반복되는 값의 집합을 이용하여 상기 물체의 3차원 데이터를 얻는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 스캐닝 유닛의 구성도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 스캐닝 유닛은 광원(11)과, 폴리곤 미러(13), 렌즈(14), 동기신호 검출센서(15), 반사미러(16) 및 광검출용 센서(17)를 포함한다.

상기 광원(11)는 광(5)을 발생시키며, 상기 광(5)은 실린더 렌즈(12)를 통해 폴리곤 미러(13)로 향한다. 그리고 상기 광원(11)은 도시되지 않은 제어부에 의해 후술할 폴리곤 미러의 특정 각도에 따라 각기 다른 펄스파 또는 주파수를 발생시킨다.

상기 광원(11)은 통상 레이저 다이오드(Laser Diode)를 쓰나 이에 국한되지 않는다.

상기 폴리곤 미러(13)는 다각형으로 구성되어 있으며, 내부에는 상기 미러를 일정방향으로 정속도 운동시키는 모터(도면부호 미도시)를 포함한다. 따라서 상기 폴리곤 미러는 모터에 의해 도시된 예와 같이 일정방향으로 정속도 운동하며, 시간의 변화에 따라 상기 광원(13)부터 나오는 각기 다른 펄스파 또는 주파수의 광(5)를 주주사 방향(7)으로 주사하는 역할을 한다.

상기 렌즈(14)는 상기 폴리곤 미러(13)로부터 나온 광(5)을 여러 각도로 통과시킨다.

상기 동기신호 검출센서(15)는 상기 폴리곤 미러(13)의 회전속도를 감지하고 정속운동 여부를 판단하는 역할을 한다.

상기 반사미러(16)는 상기 폴리곤 미러(13) 및 렌즈(14)를 통과한 상기 광(5)이 물체(20)를 주사할 수 있도록 주사 방향을 바꿔주는 역할을 한다. 상기 반사미러(16)은 상기 광(5)의 입사 전후의 각이 거의 수직이 되도록 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 광검출용 센서(17)는 상기 물체(20)에 주사된 후 반사 산란된 상기 광(5)을 포착한다. 상기 광센서는 점(spot)형 광센서를 사용하는 것이 바람직하다.

홈 센서(18)는 상기 스캐닝 유닛(10)의 선단 또는 말단에 형성하며, 부주사 방향(9)의 기준점 및 상기 스캐닝 유닛(10) 이동의 기준점을 제공하는 위치 센서이다.

도 3는 본 발명에 의한 3차원 스캐닝 장치(100)의 구성도이다. 도시된 바와 같이 본 발명은 스캐닝 유닛(10)과 상기 스캐닝 유닛(10)을 부주사 방향(9)으로 이동시키는 역할을 하는 이동 유닛(30)으로 구성되어 진다.

상기 이동 유닛(30)은 기존의 스캐닝 장치에 사용되는 공지의 구성요소를 사용하면 되는데 이를 간략하게 살펴보면, 후술할 이동용 벨트(34)를 구동하는 모터(32), 상기 스캐닝 유닛(10)에 상기 모터(32)의 운동력을 전달하는 이동용 벨트(34), 상기 스캐닝 유닛(10)의 이동 방향을 유도하는 가이드 레일(36), 상기 가이드 레일(36)과 상기 스캐닝 유닛(10)을 연결하는 가이드 레일 홀더(38), 벨트 회전축(37) 및 상기 가이드 레일(36)을 따라 이동하는 스캐닝 유닛 바퀴(39)를 포함한다.

따라서 상기 이동 유닛(30)에 의해 본 발명인 3차원 스캐닝 장치는 물체의 3차원 좌표를 얻을 수 있게 된다.

이하 본 발명에 의한 3차원 스캐닝 장치에 대한 동작 및 작용을 설명하기로 한다.

도 4 및 도 5는 광의 경로를 설명하는 도면이다. 우선 도시된 바와 같이 광(5)를 검출하기 위해 적당한 위치에 1개 또는 다수개의 광검출용 센서(17)를 위치시키고, 스캔하고자 하는 물체(20)를 스캐닝 영역에 위치시킨다.

본 발명은 광원(11)에서 나오는 광(5)의 펄스파 또는 주파수를 이용하여 물체로부터의 거리를 측정하게 된다.

본 발명에 의한 3차원 스캐닝 장치는 물체(20)를 주주사 방향(7)으로 스캐닝하기 위해 모터(도면 미도시)의 동작에 의해 폴리곤 미러(13)를 회전시키고, 상기 폴리곤 미러(13)의 한 면이 도 2에서 도시된 바와 같이 상기 폴리곤 미러(13) 내부의 모터방향에 의해 좌에서 우로 하나의 주주사 방향(7)을 형성한다. 그리고, 상기 하나의 주주사 방향(7)에서 스캐닝을 마치면 부주사 방향(9)으로 스캐닝하기 위해 이동 유닛(30)에 의해 상기 스캐닝 유닛(10)은 부주사 방향(9)으로 이동한다. 위와 같은 일련의 동작이 반복됨에 따라 물체(20)의 1면에 대한 스캐닝 동작을 완료하게 된다.

상세한 동작을 설명하면 다음과 같다.

펄스파를 이용한 경우, 폴리곤 미러(13)의 회전운동이 시작되면 이때 광원(11)를 ON상태로 유지한다. 그리고, 동기신호 검출센서(15)는 상기 폴리곤 미러(13)의 정속운동을 확인한다.

상기 폴리곤 미러(13)가 정속운동에 돌입하게 되면 주주사 방향(7)의 스캐닝을 시작하게 된다. 이때 주주사 방향(7) 주사시 광원(11)를 ON/OFF하며 주주사 방향(7)의 각 위치에 따라 각기 다른 광 심벌(SYMBOL)을 구성하도록 한다. 또는 여러 광 심벌을 주기적 반복에 의해 하나의 주주사 방향(7) 스캐닝을 구성할 수도 있다.

도 6은 광(5) 펄스 이용시 하나의 주주사 방향(7)에 대해 반사미러(16)의 각 위치에서 반사되는 광(5)심벌의 예를 도시한 것이다. ①은 광(5)심벌 펄스가 모두 다른경우인데 이 경우 한 주주사 방향(7)에 대하여 각 지점마다 다른 광 펄스(A~O)를 주사하여 광(5)를 검출한다. ②는 광(5)심벌 펄스가 주기적으로 반복되는 경우인데 이 경우는 한 주주사 라인에 대하여 몇 가지 광 펄스(A~C)를 주기적으로 주사하여 광을 검출한다.

상기 예는 일예를 도시한 것이지만, 실제는 상기예보다 더욱 많은 심벌로 분할하여야 더욱 정확한 좌표측정이 가능하다. 또한, 광 심벌을 주기적으로 사용함으로써 주주사 방향에 대한 분해능(Resolution)을 높일 수 있게 되어 정확한 좌표측정이 가능하게 된다.

그리고, 동기신호 검출센서(16)를 통해 들어오는 상기 광(5)을 통해 주주사 방향(7) 주사의 시작 또는 끝을 알 수 있게된다.

위와 같이 구성됨에 따라 폴리곤 미러(13)가 이루는 특정각도에서 주사되어 나가는 광(5), 즉 물체(20)를 주사하는 특정 주주사 방향(7)에서 주사되는 광(5)의 광심벌은 정해져 있게 되고, 또한 이 광(5)의 진행 경로 또한 정해져 있게 된다.

따라서 물체(20)에 반사되어진 상기 광(5)의 처음 출발시간과 최종적으로 광(5)를 포착하는 광검출용 센서(17)에 감지되어진 시간의 시간차(Δt)를 이용하여 물체(20)로부터 광검출용 센서(17)까지의 거리(c-S) 및 반사미러(16)로부터 물체(20)까지의 거리(L)를 도시되지 않은 제어부의 마이크로 프로세서의 계산에 의하여 알 수 있다. 이는 도 5에 도시되어져 있다.

즉, 반사미러(16)로부터 물체(20)까지의 거리(S)은 제2코사인법칙에 의하여,

이고, 좌표 Q(X0, YO, ZO)를 기준점이라고 하면 좌표 R은 피타고라스 정리에 의해 (X0 + Ssin(θ-90), Y0, ZO + Scos(θ-90))와 같이 구할 수 있다.

여기서 a는 반사미러(16)로부터 광검출용 센서(17)까지의 거리로서 정해진 값이므로 알 수 있다. 그리고 c는 반사미러(16)로부터 물체(20)를 지난 후 광검출용 센서(17)까지의 거리로서, 거리(c)=속력(광속)*시간(반사미러(16)로부터 물체 (20)를 지나 광검출용 센서(17)까지 걸리는 시간, Δt)을 이용하여 구할 수 있게된다.

위와 같은 과정을 통해 하나의 주주사 방향(7)의 각 부분에 대한 물체(20)의 3차원 좌표를 획득하게 되고, 하나의 주주사 스캐닝의 완료 후 스캐닝 유닛(10)의 이동을 통해 부주사 방향(9)의 스캐닝을 하여 모든 데이터를 취합하게 되면 3차원 이미지 데이터를 획득하게 된다.

이러한 원리는 주사하는 광(5)의 주파수 변화를 이용한 경우에도 마찬가지이다. 즉 주주사 방향(7)의 각 위치에 따라 각기 다른 주파수를 갖는 광(5)을 주사하거나, 또는 여러 주파수중 몇몇의 주파수를 주기적 반복에 의해 하나의 주주사 방향(7)으로 구성하며, 상기 동기신호 검출센서(15)를 통해 들어오는 상기 광(5)를 통해 주주사 방향(7) 스캐닝의 시작 또는 끝을 알 수 있게된다.

이를 설명하면 다음과 같다. 폴리곤 미러(13)의 회전운동이 시작되면, 광원(11)를 ON상태로 유지하여 상기 폴리곤 미러(13)의 정속운동을 확인한다. 정속운동에 돌입하게 되면 주주사 방향(7)의 스캐닝을 시작하게 된다. 이때 주주사 방향(7) 스캐닝시 원하는 주파수를 낼 수 있도록 상기 광원(11)를 ON하며 주주사 방향(7)의 각 위치에 따라 각기 다른 주파수를 갖는 광원을 스캐닝하도록 한다. 또는 여러 주파수중 몇몇의 주파수를 주기적 반복에 의해 하나의 주주사 스캐닝을 구성할 수도 있다.

상기 물체(20)로부터 반사되어진 광(5)는 퓨리에 변환을 통하여 해당 신호가 갖는 주파수 성분을 확인하고 특정 시간대에 주사되어 반사 되었으므로, 광 주파수가 이동한 거리 및 신호주사 후 감지되기까지의 시간을 마이크로 프로세서의 계산을 통하여 알 수 있게 된다.

위와같이 구성함에 따라 폴리곤 미러(13)가 이루는 특정각도에서 주사되어 나가는 광(5) 즉 물체를 스캐닝하는 특정 주주사 방향(7)에서는 광 주파수는 정해져 있게 되고 또한, 상기 광(5)의 진행 경로 또한 정해져 있다. 따라서 물체에 반사되어진 신호를 출발시간과 광검출용 센서(17)에 감지되어진 시간차(Δt)를 이용하여 물체(20)로부터 광검출용 센서(17)까지의 거리(c-S) 및 반사미러로부터 물체까지의 거리(S) 또한 알 수 있게 되므로 상술한 바와 같이 구할 수 있게된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 3차원 스캐닝 장치에 의하면, 다음과 같은 효과가 발생한다.

첫째, 단일의 광원을 이용하여 3차원 스캐닝이 가능하며 간단한 구조에 작은 크기로 제작되어질 수 있으므로 저가생산이 가능하고 쉽게 소형화가 가능하다.

둘째, 스캐닝 유닛으로부터 광원까지의 거리가 짧으므로 원거리에서 스캐닝하는 것과 달리 물체에 대한 깊이 정보의 분해기능이 높아져서 매우 정확한 좌표측정이 가능하게 된다.

셋째, 주사광이 물체에 대하여 항상 수직에 가깝게 입사한 광 반사신호를 검출하므로 스캐닝할 수 없는 사각지대부분이 발생되지 않는다.

넷째, 본 발명은 스캔한 이미지를 컴퓨터로 전송하여 획득한 데이터를 쉽게 가공, 저장 또는 처리가 가능하다.

다섯째, 광 심벌을 주기적으로 사용함으로써 주주사 방향에 대한 분해기능을 높일 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 종래 3차원 측정장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 3차원 스캐닝 장치의 스캐닝 유닛의 구성도.

도 3은 본 발명에 의한 3차원 스캐닝 장치의 구성도.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 광의 경로를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 광 펄스 이용시 반사미러의 각 위치에서 반사되는 광심벌의 예를 도시한 도면.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

10. 스캐닝 유닛 11. 광원

13. 폴리곤 미러 15. 동기신호 검출센서

16. 반사미러 17. 광검출용 센서

18. 홈 센서 20. 물체

30. 이동 유닛

Claims (4)

1. 광을 물체에 주사하는 광원과, 적어도 하나이상 형성되어 상기 물체에 주사된 후 반사 산란된 상기 광을 인식하는 광검출용 센서를 포함하며 상기 물체의 2차원 데이터를 얻는 스캐닝 유닛; 및

   상기 스캐닝 유닛을 이동시키는 이동유닛;을 포함하며,

   상기 광의 펄스파 또는 주파수 변화를 이용하여 상기 물체의 3차원 데이터를 얻는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐닝 유닛은,

   모터의 회전에 의해 상기 광원으로부터 입사된 광을 일정 방향으로 주사하는 폴리곤 미러와;

   상기 폴리곤 미러의 회전속도를 감지하고 정속운동 여부를 판단하는 동기신호 검출센서와;

   상기 폴리곤 미러로부터 나온 광을 여러 각도로 통과시키는 렌즈와;

   상기 렌즈롤 통과한 상기 광의 주사 방향을 물체에 주사되도록 바꿔주는 반사미러; 및

   상기 스캐닝 유닛 이동의 기준점을 제공하는 홈센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 반사미러는,

   광의 입사전후의 각이 수직에 가까운 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 광의 펄스파 또는 주파수 변화를 연속적인 값 또는 주기적으로 반복되는 값의 집합을 이용하여 상기 물체의 3차원 데이터를 얻는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 장치.