KR20130130358A - Three dimensional scanning system and three dimensional image acqusition method using the same - Google Patents

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KR20130130358A KR1020120054110A KR20120054110A KR20130130358A KR 20130130358 A KR20130130358 A KR 20130130358A KR 1020120054110 A KR1020120054110 A KR 1020120054110A KR 20120054110 A KR20120054110 A KR 20120054110A KR 20130130358 A KR20130130358 A KR 20130130358A
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Abstract

The present invention relates to a three-dimensional scanning system and a three-dimensional image acquisition method using the three-dimensional scanning system capable of obtaining high decomposition resolution at a long range and capable of sensing a wide angle at a short range with low costs. The three-dimensional scanning system according to the present invention is a sensor system for measuring the distance of an objective by receiving light reflected from the objective after radiating pulse light, wherein the sensor system comprises an optical source apparatus for generating the pulse light; an optical transceiver including an optical transceiving module for radiating the pulse light and receiving the reflected light of the pulse light; a rotation apparatus for rotating the optical transceiver; and a control apparatus for controlling the optical source apparatus, the optical transceiver, and the rotation apparatus. The optical transceiver includes two or more optical transceiving modules, at least one of which has a different radiation angle from the other optical transceiving modules. [Reference numerals] (AA) +10 degrees to -30 degrees;(BB) +8 degrees to -8 degrees

Description

3차원 스캐닝 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상획득방법 {THREE DIMENSIONAL SCANNING SYSTEM AND THREE DIMENSIONAL IMAGE ACQUSITION METHOD USING THE SAME}3D scanning system and 3D image acquisition method using same {THREE DIMENSIONAL SCANNING SYSTEM AND THREE DIMENSIONAL IMAGE ACQUSITION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 3차원 영상을 획득하기 위한 스캐닝 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상획득방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광각의 근거리 데이터와 종래에 비해 높은 수직 분해능의 원거리 데이터를 얻을 수 있는 3차원 스캐닝 시스템과 이를 이용한 3차원 영상획득방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a scanning system for acquiring a three-dimensional image and a three-dimensional image acquisition method using the same. More specifically, a three-dimensional scanning system capable of obtaining wide-area near-field data and far-field data having a higher vertical resolution than conventional methods. And a 3D image acquisition method using the same.

라이다(LIDAR - Light Detection And Ranging) 또는 레이다(LADAR - Laser Detection And Ranging)로 불리는 센서 시스템은 목표물을 향해 펄스 광을 방출한 후 목표물에 반사되어 돌아오는 빛 에너지를 광 수신소자(element)를 사용하여 포착하고 이를 전기적 신호로 변환함으로써, 목표물의 거리나 속도 등을 산출할 수 있는 시스템이다.The sensor system, called LIDAR (Light Detection And Ranging) or LADAR (Laser Detection And Ranging), emits pulsed light toward a target and then returns the energy of light that is reflected back to the target. It is a system that can calculate the distance, speed, etc. of a target by capturing it and converting it into an electrical signal.

이러한 라이다 시스템은 속도측정용 레이더건, 항공 지오-매핑장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서 널리 적용되고 있다.Such lidar systems are widely applied in various fields such as speed radar guns, aviation geo-mapping devices, three-dimensional ground surveys, and underwater scanning.

최근, 라이다 시스템을 위험 상황이 발생할 경우 운전자에게 경고하거나 자동차의 속도를 조절하는 조치를 자동적으로 수행할 수 있게 하는 운전 보조용 애플리케이션이나, 운전자 없이 운행하는 트랙터와 같은 자동 운전장치로 그 적용 분야가 확대되고 있다.Recently, the LiDAR system is a driving assistance application that enables the driver to automatically warn the driver in the event of a dangerous situation or to automatically adjust the speed of the vehicle, or an automatic driving device such as a tractor without a driver. Is expanding.

한편, 고속으로 운전하는 자동차에 라이다 시스템을 적용하기 위해서는 3차원으로 넓은 시야각(field of view)을 갖는 밀집된 점군(point cloud) 정보를 얻을 수 있어야 한다.On the other hand, in order to apply a lidar system to a car driving at high speed, it is necessary to obtain dense point cloud information having a wide field of view in three dimensions.

넓은 시야각의 3차원 점군 데이터를 얻기 위한 기술로, 미국공개특허공보 제2010-20306호에는 다중배열된 레이저 다이오드와 이 레이저 다이오드에서 방출된 빛이 반사되어 들어오는 것을 검출하는 다중검출기(또는 단일검출기)와 상기 레이저 다이오드 및 다중검출기를 수용하는 하우징과 상기 하우징을 360°로 고속 회전시키는 회전수단을 포함하는 고해상 라이다 시스템이 개시되어 있다.As a technique for obtaining three-dimensional point group data of a wide viewing angle, US Patent Publication No. 2010-20306 discloses a multi-array laser diode and a multidetector (or single detector) that detects reflection of light emitted from the laser diode. And a housing for accommodating the laser diode and the multiple detector and a rotating means for rotating the housing at a high speed of 360 [deg.].

상기 라이다 시스템에 배치되는 다중 배열된 레이저 다이오드는 전체 군이 각각 각도가 다르게 배치되어, 전체적으로 방출되는 레이저 빔이 소정각도 예를 들면, 40°범위로 퍼져나가게 방출되도록 되어 있어, x, y 및 높이에 대한 점군 데이터, 즉 3차원 데이터를 얻을 수 있도록 되어 있다.The multi-array laser diodes arranged in the lidar system are arranged such that the entire groups are arranged at different angles, so that the laser beams that are emitted as a whole are emitted at a predetermined angle, for example, in a range of 40 °. Point group data on height, that is, three-dimensional data can be obtained.

그리고 상기 시스템은 높이 방향의 적절한 데이터를 얻기 위하여 수평방향으로 설치된 제 1 라이다 시스템과 상기 제 1 라이다 시스템에 비해 아래쪽으로 다소 경사지게 배치된 제 2 라이다 시스템으로 구성되어 있는데, 이중 제 1 라이다 시스템은 제 2 라이다 시스템에 비해 원거리의 점군 데이터를 얻는 것이며, 제 2 라이다 시스템은 각도 배치 상 운행중인 차량 주변 부의 정보, 즉 단거리의 점군 데이터를 얻을 수 있도록 되어 있다.The system is composed of a first lidar system installed in a horizontal direction to obtain appropriate data in the height direction, and a second lidar system disposed slightly inclined downwardly compared to the first lidar system. Compared to the second LiDAR system, the IDA system obtains far point data from a remote location, and the second LiDAR system is able to obtain information about the surrounding area of the vehicle in operation, that is, the short-range point group data.

상기 시스템 중 제 1 라이다 시스템의 경우 원거리에 대한 점군 데이터를 얻기 위해서는 그에 맞추어 방출되는 레이저 출력을 높일 수밖에 없고, 이는 장치의 부피를 증가시키고 단위 장치의 비용을 높이는 문제로 연결되는 문제점이 있다. 또한, 거리가 멀어질수록 점군 데이터 간의 거리도 멀어지므로, 획득한 점군 데이터의 수직 해상도가 떨어져 이를 가공한 데이터의 신뢰도도 저하되는 문제점도 있다.
In the case of the first LiDAR system of the above system, in order to obtain the point cloud data for the long distance, it is necessary to increase the laser power emitted accordingly, which leads to a problem of increasing the volume of the device and increasing the cost of the unit device. In addition, as the distance increases, the distance between the point group data also increases, so that the vertical resolution of the acquired point group data is lowered, thereby lowering the reliability of the processed data.

미국공개특허공보 제2010-20306호U.S. Published Patent Application No. 2010-20306

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 과제는 근거리에서는 광각의 데이터를 얻을 수 있고 원거리에서는 광출력을 높이지 않고도 수직 분해능이 우수한 원거리 데이터를 얻을 수 있어, 고속으로 운행하는 자동차 또는 농업용 기계의 보조운전장치 또는 지능형 로봇과 같은 무인운전장치에 적합하게 사용될 수 있는 3차원 스캐닝 시스템을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the first object of the present invention is to obtain a wide-angle data at close range and to obtain far-field data with excellent vertical resolution without increasing the light output at a distance. Therefore, it is to provide a three-dimensional scanning system that can be suitably used for unmanned driving devices, such as an auxiliary driving device or an intelligent robot of a car or agricultural machine running at high speed.

또한, 본 발명의 제 2 과제는 종래에 비해 스캐닝 속도를 높일 수 있는 3차원 스캐닝 시스템을 제공하는 것이다.In addition, a second object of the present invention is to provide a three-dimensional scanning system that can increase the scanning speed compared to the prior art.

본 발명의 제 3 과제는 광 출력을 높이지 않고도 원거리와 근거리에 대한 신뢰성 있는 3차원 점군 데이터를 얻을 수 있는 3차원 영상획득방법을 제공하는 것이다.
A third object of the present invention is to provide a three-dimensional image acquisition method that can obtain reliable three-dimensional point group data for long distance and short distance without increasing the light output.

상기 제 1 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 펄스광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물의 거리를 산출하여 3차원 영상을 획득하는 스캐닝 시스템으로, 펄스광을 생성하는 광원장치와, 상기 펄스광을 방출하고 방출된 펄스광의 반사광을 수신하는 광송수신모듈을 포함하는 광송수신장치와, 상기 광송수신장치를 회전구동시키는 회전구동장치와, 상기 광원장치, 광송수신장치 및 회전구동장치를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 광송수신장치는 2 이상의 광송수신모듈로 이루어지고, 상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다른 광송수신모듈과 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템을 제공한다.As a means for solving the first problem, the present invention is a scanning system for obtaining a three-dimensional image by calculating the distance of the target by receiving the reflected light reflected from the target after emitting the pulsed light, the light source for generating a pulsed light An optical transmission and reception device comprising an apparatus, an optical transmission and reception module for emitting the pulsed light and receiving the reflected light of the emitted pulsed light, a rotation driving device for rotating and driving the optical transmission and reception device, the light source device, the optical transmission and reception device, and rotation And a control device for controlling a driving device, wherein the optical transmission and reception device comprises two or more optical transmission and reception modules, wherein at least one or more light emission angles of the two or more optical transmission and reception modules are different from other optical transmission and reception modules. Provide a dimensional scanning system.

또한, 상기 제 2 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 펄스광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물의 거리를 산출하여 3차원 영상을 획득하는 스캐닝 시스템으로, 펄스광을 생성하는 광원장치와, 상기 펄스광을 방출하고 방출된 펄스광의 반사광을 수신하는 광송수신모듈을 포함하는 광송수신장치와, 상기 광송수신장치를 회전구동시키는 회전구동장치와, 상기 광원장치, 광송수신장치 및 회전구동장치를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 광송수신모듈은, 상기 광원으로부터 제공된 펄스광의 광축을 정렬시키는 콜리메이터와 상기 콜리메이터를 통과한 광을 복수 개로 분해하는 렌즈를 포함하는 광송신수단과, 반사된 광을 수신하는 렌즈와, 상기 렌즈를 통과한 광을 필터링하는 필터와, 필터링된 광으로부터 전기신호를 생성하는 포토 다이오드를 포함하는 광수신수단을 포함하는 3차원 스캐닝 시스템을 제공한다.In addition, the present invention as a means for solving the second problem, the pulsed light is generated by the scanning system for receiving the reflected light reflected from the target to calculate the distance of the target to obtain a three-dimensional image, generating the pulsed light An optical transmitting and receiving device including a light source device for emitting the pulsed light and receiving reflected light of the emitted pulsed light, a rotation driving device for rotating and driving the optical transmitting and receiving device, the light source device and the optical transmitting and receiving device And a control device for controlling the rotation driving device, wherein the optical transmission module comprises: a collimator for aligning the optical axis of the pulsed light provided from the light source; and a lens for decomposing the light passing through the collimator into a plurality of lenses; A lens for receiving the reflected light, a filter for filtering the light passing through the lens, and an electric scene from the filtered light. The 3D scanning system including a light receiving means provided comprising a photodiode for generating.

또한, 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 광송수신장치는 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈로 이루어지고, 상기 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈은 광송수신이 서로 반대 방향을 향하도록 배치될 수 있다.In addition, in the three-dimensional scanning system of the present invention, the optical transmitting and receiving device is composed of a first optical transmitting and receiving module and a second optical transmitting and receiving module, the optical transmitting and receiving module and the first optical transmitting and receiving module are opposite to each other. It may be disposed facing the direction.

또한, 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 2배 이상 클 수 있다.In addition, in the three-dimensional scanning system of the present invention, the light emission angle of the first optical transmission module may be more than twice as large as the light emission angle of the second optical transmission module.

또한, 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 크고, 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도는 제 1 광송수신모듈의 반사광 검출한계 거리에서 상기 센스 시스템에 설정된 소정 높이를 커버할 수 있는 광폭을 유지할 수 있도록 설정될 수 있다.In addition, in the three-dimensional scanning system of the present invention, the light emission angle of the first optical transmission module is larger than the light emission angle of the second optical transmission module, the light emission angle of the second optical transmission module is the first optical It may be set to maintain a wide width that can cover a predetermined height set in the sense system at the reflected light detection limit distance of the transmission and reception module.

또한, 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 펄스광은 펄스 레이저일 수 있다.In the three-dimensional scanning system of the present invention, the pulsed light may be a pulse laser.

또한, 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 광원장치가 상기 광송수신모듈의 수에 대응되게 구비될 수 있다.In addition, in the three-dimensional scanning system of the present invention, the light source device may be provided corresponding to the number of the optical transmission and reception module.

또한, 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템에 있어서, 상기 광원장치의 각각은 복수의 레이저 다이오드가 배열된 구조로 이루어지고, 상기 복수의 레이저 다이오드는 동시에 방출되도록 할 수 있다.In addition, in the three-dimensional scanning system of the present invention, each of the light source device has a structure in which a plurality of laser diodes are arranged, the plurality of laser diodes can be emitted at the same time.

상기 제 3 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 펄스광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물의 거리를 측정하여 3차원 영상을 획득하는 방법으로, 펄스광을 생성하는 광원장치와, 상기 펄스광을 방출하고 방출된 펄스광의 반사광을 수신하는 2 이상의 광송수신모듈을 포함하는 광송수신장치와, 상기 광송수신장치를 회전구동시키는 회전구동장치와, 상기 광원장치, 광송수신장치 및 회전구동장치를 제어하는 제어장치를 포함하는 장치를 사용하여, 상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다르게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상획득방법을 제공한다.The present invention as a means for solving the third problem, the light source device for generating a pulsed light by a method of obtaining a three-dimensional image by measuring the distance of the target by receiving the reflected light reflected from the target after emitting the pulsed light And an optical transmitting and receiving device including two or more optical transmitting and receiving modules for emitting the pulsed light and receiving the reflected light of the emitted pulsed light, a rotation driving device for rotating and driving the optical transmitting and receiving device, the light source device, the optical transmitting and receiving device, and Using a device including a control device for controlling the rotation drive device, it provides a three-dimensional image acquisition method, characterized in that the light emission angle of at least one or more of the two or more optical transmission and reception modules.

또한, 본 발명의 3차원 영상획득방법에 있어서, 상기 광송수신모듈을 2개 설치하고 상기 광송수신모듈의 광송수신방향을 서로 반대방향이 되도록 할 수 있다.
In addition, in the three-dimensional image acquisition method of the present invention, two optical transmission and reception modules may be installed and the optical transmission and reception directions of the optical transmission and reception modules may be opposite to each other.

본 발명에 의하면, 원거리의 감지에는 좁은 각도의 광을 사용하고, 근거리에는 넓은 각도의 광을 사용하기 때문에, 근거리에서는 광각의 시야각을 확보할 수 있고 원거리에서는 밀집된 점군 데이터를 얻을 수 있기 때문에 수직 분해능이 우수한 데이터를 얻을 수 있게 된다.According to the present invention, since a narrow angle of light is used for long distance detection and a wide angle of light is used for near distance, the wide angle of view can be secured at a close distance and the density of point group data can be obtained at a long distance. This excellent data can be obtained.

또한, 본 발명에 의하면, 원거리에 좁은 각도의 광을 사용하기 넓은 각도의 광을 사용하는 경우에 비해 광 출력을 낮출 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to lower the light output compared to the case of using a light of a wide angle to use a light of a narrow angle at a long distance.

또한, 본 발명에 의하면, 원거리에 고출력의 레이저를 사용하지 않아도 되고, 원거리와 근거리를 동일한 출력을 레이저를 사용해도 되기 때문에, 단일 출력으로 구동할 수 있게 되어 3차원 스캐닝 시스템의 부피를 줄이는데 유리하다.In addition, according to the present invention, it is not necessary to use a laser of high power at a long distance, and a laser can be used at the same output at a long distance and a short distance, so that it can be driven with a single output, which is advantageous in reducing the volume of a three-dimensional scanning system. .

또한, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 라인(line) 상의 레이저 펄스광을 한번에 방출되도록 할 수 있어, 스캐닝 속도를 현저하게 높일 수 있다.
In addition, according to one embodiment of the present invention, the laser pulsed light on a line can be emitted at once, and the scanning speed can be significantly increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 각 구성별 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 레이저 방출 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템에서 이종의 각도로 방출되는 광을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템에서 이종의 각도로 방출되는 광의 각 분해능과, 중첩되는 부분의 각 분해능을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 광 방출 각도를 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a block diagram of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of each component of the 3D scanning system according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the laser emission form of the three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing light emitted at different angles in a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating each resolution of light emitted at different angles and each resolution of an overlapping portion in a three-dimensional scanning system according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a method of setting the light emission angle of the three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템을 이루는 각 구성의 블록도이다.1 is a block diagram of a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram of each configuration forming a three-dimensional scanning system according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 시스템은 레이저 출력을 제공하기 위한 파워 유닛(10), 광송수신을 담당하는 광송수신유닛(20), 상기 광송수신유닛(20)을 기계적으로 회전구동시키는 스캐닝유닛(30) 및 상기 광송수신유닛(20)과 스캐닝유닛(30)을 제어하기 위한 제어유닛(40)을 포함하여 이루어진다.As shown in Figures 1 and 2, the three-dimensional scanning system according to the present invention is a power unit 10 for providing a laser output, an optical transmission and reception unit 20 responsible for optical transmission and reception, the optical transmission and reception unit 20 And a control unit 40 for controlling the scanning unit 30 and the optical transmission / reception unit 20 and the scanning unit 30 to mechanically rotate the light source.

상기 파워유닛(10)은 외부의 전원(예를 들어, 24V 전원)을 인가받아, 상기 제어유닛(40)을 가동하기 위한 전원을 제공하는 주제어전원(11)과, 상기 광송수신유닛(20)을 구성하는 광원에 고전압 전력을 제공하기 위한 고전압 변화기(12)를 포함하여 이루어진다.The power unit 10 receives an external power source (for example, a 24V power source), and supplies a main control power source 11 to supply power for operating the control unit 40, and the optical transmission and reception unit 20. It comprises a high voltage transformer 12 for providing a high voltage power to the light source constituting the.

상기 광송수신유닛(20)은 광원인 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치(21)를 구비한다. 또한, 상기 레이저 발생장치(21)로부터 발생한 레이저의 광축을 정렬시키는 콜리메이터(222)와, 상기 콜리메이터(222)를 통과한 레이저를 복수 개의 광으로 분산시키는 라인 제너레이터 렌즈(223)을 포함하는 광송신수단(220)과, 상기 광송신수단(22)에 의해 방출된 광이 목표물에 반사되어 돌아오는 광을 수신하는 광수신렌즈(231)와, 상기 광수신렌즈(231)을 통과한 광에서 특정 주파수 이하의 성분이나 특정 주파수 이상의 성분을 제거하고 출력하는 밴드패스필터(232)와, 상기 밴드패스필터(232)를 통과한 광을 전기적 신호로 변환하는 포토다이오드(233)과 상기 포토다이오드(233)의 전기적 신호를 증폭시키는 증폭기(234)와, 상기 증폭기(234)를 통과한 전기 신호로부터 특정 피크를 검출하는 피크 검출기(235)와, 상기 피크 검출기(235)의 검출신호로부터 반사광의 강도를 구하는 ADC(236)과, 상기 증폭기(234)를 통과하여 증폭된 신호로부터 반사광의 시간을 구하기 위한 시간 판별기(237)과 상기 시간 판별기(237)의 정보로부터 부터 시간을 측정하는 TDC(238)을 포함하여 이루어지는 광수신수단(230)을 포함하는 광송수신모듈(22)를 포함하여 이루어질 수 있다.The light transmitting / receiving unit 20 includes a laser generator 21 for generating a laser which is a light source. In addition, optical transmission including a collimator 222 for aligning the optical axis of the laser generated from the laser generator 21, and a line generator lens 223 for dispersing the laser beam passing through the collimator 222 into a plurality of lights Means 220, a light receiving lens 231 for receiving the light emitted by the light transmitting means 22 is reflected back to the target, and a light from the light passing through the light receiving lens 231 A bandpass filter 232 for removing and outputting components below a frequency or above a specific frequency, a photodiode 233 for converting light passed through the bandpass filter 232 into an electrical signal, and the photodiode 233 An amplifier 234 for amplifying an electrical signal of the power amplifier; a peak detector 235 for detecting a specific peak from an electrical signal passing through the amplifier 234; and a strength of reflected light from a detection signal of the peak detector 235. The ADC 236 obtains a TDC, and the TDC measuring time from the information of the time discriminator 237 and the time discriminator 237 for obtaining the time of the reflected light from the signal amplified through the amplifier 234. It may include a light transmission module 22 including a light receiving means 230 including a 238.

본 발명의 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 레이저 광원으로부터 라인 제너레이터 렌즈(223)을 사용하여 한번에 수직 라인 형상(도면상 적색 라인)의 펄스 레이저를 방출할 수 있어 스캐닝 속도를 크게 높일 수 있다.In the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the pulse generator having a vertical line shape (red line on the drawing) can be emitted at a time by using the line generator lens 223 from one laser light source, thereby greatly increasing the scanning speed. It can increase.

상기 광송수신모듈(22)은 2개 이상 구비될 수 있는데, 하우징에 원형을 이루며 배치되며, 예를 들어 2개인 경우 180°, 3개인 경우 120°, 4개인 경우 90°와 같이 등 간격을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다.The optical transmitting and receiving module 22 may be provided with two or more, and are arranged in a housing in a circular shape, for example, two at 180 °, three at 120 °, four at 90 °, and so on. It is preferable to arrange.

장치의 무게, 부피 및 제조비용을 고려할 때, 광송수신모듈(22)은 2개를 배치하는 것이 가장 바람직한데, 예를 들어, 광송수신모듈(22)이 2개일 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 반대방향을 이루도록 배치한다. 그리고 각각의 라인 제너레이터 렌즈(223)는 서로 다른 각도로 광이 방출될 수 있도록 형성된다. 예를 들어, 광송수신모듈(22) 중 하나의 광 방출각도가 40°인 경우, 다른 광송수신모듈(22)의 광 방출각도는 16°가 되도록 다르게 설정한다.In consideration of the weight, volume and manufacturing cost of the device, it is most preferable to arrange two optical transmission / reception modules 22. For example, in the case of two optical transmission / reception modules 22, as shown in FIG. Likewise, arrange them in opposite directions. Each line generator lens 223 is formed to emit light at different angles. For example, when the light emission angle of one of the light transmission and reception module 22 is 40 °, the light emission angle of the other light transmission and reception module 22 is set differently to be 16 °.

여기서 '광 방출각도'란 수직방향으로 광이 퍼지는 각도를 의미한다.Herein, the light emission angle means an angle at which light spreads in the vertical direction.

3차원 스캐닝 시스템으로부터의 거리가 가까운 경우, 광 방출각도가 크더라도 점군 데이터의 수직 간격이 어느 정도 유지되기 때문에 데이터 분석을 통해 목표물을 분석하는데 영향이 적다. 그런데, 3차원 스캐닝 시스템으로부터의 거리가 먼 경우, 예를 들어 3차원 스캐닝 시스템으부터의 거리가 200m인 경우, 단위 스캐너가 방출할 수 있는 복수 개의 광이 조밀하다 하더라도 200m 지점에서는 각 광 간의 거리가 서로 매우 멀어져 있기 때문에, 이로부터 얻은 점군 데이터의 수직 해상도가 크게 저하되는 문제점이 있다.When the distance from the three-dimensional scanning system is close, even if the light emission angle is large, the vertical spacing of the point cloud data is maintained to some extent so that it is less influenced by analyzing the target through data analysis. However, when the distance from the 3D scanning system is far, for example, when the distance from the 3D scanning system is 200m, the distance between each light at the 200m point even if a plurality of lights that the unit scanner can emit is dense. Since are very far from each other, there is a problem that the vertical resolution of the point group data obtained therefrom is greatly reduced.

그런데, 본 발명의 실시예와 같이, 2개의 광송수신모듈(22)의 펄스광 방출각도를 다르게 설정할 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 40°와 같이 넓게 퍼지는 광으로부터는 3차원 스캐닝 시스템으로부터 근거리에 위치한 목표물을 광각으로 검출하여 확보할 수 있는 수직 데이터 범위를 최대한 확보할 수 있고, 16°와 같이 좁게 퍼지는 광의 경우 원거리에서도 점군 데이터의 간격을 줄일 수 있기 때문에 3차원 스캐닝 시스템으로부터 원거리에 위치한 목표물의 수직 해상도가 저하되는 것을 막을 수 있어, 원거리 목표물에 대한 신뢰성 있는 데이터를 구할 수 있게 한다.However, as in the embodiment of the present invention, when the pulsed light emitting angles of the two optical transmitting and receiving modules 22 are set differently, as shown in FIG. 4, from the light spreading wide such as 40 ° from the three-dimensional scanning system It is possible to secure the vertical data range that can be secured by detecting the target located at a wide angle to the widest angle, and the distance of the point cloud data can be shortened even at a long distance in the case of narrow spreading light such as 16 °. The degradation of the vertical resolution of the target can be prevented, thereby making it possible to obtain reliable data on the remote target.

또한, 광 방출각도를 줄일 경우 수신이 용이하게 저출력의 레이저를 사용할 수 있고, 나아가서는 원거리와 근거리를 동일한 출력을 갖는 레이저를 사용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 시스템은, 넓은 광 방출각도를 갖는 1종의 레이저광을 사용하는 종래의 3차원 스캐닝 시스템에 비해, 수직 해상도를 높이면서도 오히려 낮은 출력의 레이저를 사용할 수 있는 이점이 있다.Further, when the light emission angle is reduced, a laser with low output power can be easily used for reception, and further, a laser having the same output at a long distance and at a short distance can be used. Accordingly, the three-dimensional scanning system according to the present invention is capable of using a laser having a rather low output power while increasing the vertical resolution as compared with the conventional three-dimensional scanning system using one kind of laser light having a wide light emitting angle There is an advantage.

더욱이, 도 5에 도시된 바와 같이, 근거리의 경우에도, 넓은 각도로 펄스 광을 방출하는 광송수신모듈(22)과 좁은 각도로 펄스 광을 방출하는 광송수신모듈(22') 광 방출각도가 상이하여, 2개의 광이 중첩되는 영역에서는 얻을 수 있는 점군 데이터의 밀도가 높아지는 효과가 있다. 즉, 넓은 각도 만으로 할 경우, 각분해능이 1.25도에 불과하고, 좁은 각도의 경우에도 각 분해능이 0.42도인데, 중첩되는 부분의 경우 각 분해능이 0.36도로 매우 우수하다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 3차원 영상 시스템의 근거리의 중앙 부분에 위치한 영상을 우수한 해상도로 획득할 수 있는 이점이 있다.In addition, as shown in FIG. 5, even in a short distance, the light emission angles of the optical transmission module 22 that emits pulsed light at a wide angle and the optical transmission module 22 'that emits pulsed light at a narrow angle are different from each other. This has the effect of increasing the density of point group data obtained in the region where two lights overlap. That is, when only a wide angle is used, the angular resolution is only 1.25 degrees, and even in a narrow angle, the angular resolution is 0.42 degrees. In the case of overlapping portions, the angular resolution is very excellent at 0.36 degrees. Therefore, according to an exemplary embodiment of the present invention, there is an advantage in that an image located at a central portion of a short distance of a 3D imaging system can be obtained with excellent resolution.

한편, 광송수신모듈(22)을 여러 개 사용할 경우, 레이저 발생장치(21)는 하나의 레이저 발생장치(21)를 사용하여 스플리터와 같은 수단을 이용하여 광을 2개로 분리하여 사용하거나, 각각의 광송수신모듈(22)의 수에 맞추어 여러 개의 레이저 발생장치(21)를 사용할 수도 있다.On the other hand, in the case of using a plurality of optical transmission and reception module 22, the laser generator 21 is used to separate the light into two using a means such as a splitter using a single laser generator 21, or each Several laser generators 21 may be used in accordance with the number of optical transmission and reception modules 22.

또한, 라인 제너레이터 렌즈를 사용하지 않고 복수 개의 레이저 다이오드를 집적 배열하여 각각의 광원으로 사용할 수도 있다. 이때 생성된 각각의 레이저는 선단에 배치된 렌즈를 통해 광 방출각도가 조절될 수 있다.In addition, a plurality of laser diodes may be integrated and used as respective light sources without using a line generator lens. In this case, each of the generated lasers can be controlled to the light emission angle through the lens disposed at the tip.

상기 스캐닝 유닛(30)은 상기 광송수신유닛(20)을 회전구동시키기 위한 장치로서, 구동축이 상기 광송수신유닛(20)이 장착되는 하우징(31)과 이 하우징(31)의 회전구동력을 전달할 수 있도록 연결된 모터(32)와 상기 모터를 제어하기 위한 모터 제어기(33)를 구비한다.The scanning unit 30 is a device for rotationally driving the optical transmission / reception unit 20, and a driving shaft may transmit the housing 31 on which the optical transmission / reception unit 20 is mounted and the rotational driving force of the housing 31. And a motor controller 33 for controlling the motor.

상기 제어 유닛(40)은 상기 레이저 발생장치(21), 상기 광송수신모듈(22)과 상기 모터 제어기(32)를 제어하기 위한 제어신호를 발생할 수 있는 장치로, 고성능 컨트롤러(41)과 엔코더 카운터(42)와 같은 수단이 구비된다.The control unit 40 is a device capable of generating control signals for controlling the laser generator 21, the optical transmission / reception module 22, and the motor controller 32. The high performance controller 41 and the encoder counter Means such as 42 are provided.

이하에서는, 2개의 광송수신모듈을 구비한 3차원 스캐닝 시스템을 사용한 3차원 영상획득방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a three-dimensional image acquisition method using a three-dimensional scanning system having two optical transmission and reception modules will be described.

도 2에 도시된 제어 유닛(40)을 통해, 모터(32)를 구동하고, 동시에 레이저 발생장치(21)에 펄스 레이저를 발생할 수 있도록 제어신호를 보내며, 상기 광송수신모듈(22)를 통해 수신된 반사광으로부터 전술한 회로를 통해 각 펄스 레이저의 목표물로부터 거리를 측정한다.Through the control unit 40 shown in FIG. 2, the motor 32 is driven, and at the same time, a control signal is transmitted to the laser generator 21 so as to generate a pulse laser, and is received through the optical transmission / reception module 22. The distance from the target of each pulse laser is measured from the reflected light through the above-described circuit.

이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 광송수신모듈(22)에서 방출되는 광의 각도를 예를 들어 40°로 넓게 설정하고, 제 2 광송수신모듈(22')에서 방출되는 광의 각도는 예를 들어 16°로 좁게 설정하여 점군(point cloud) 데이터를 얻는다.At this time, as shown in Figure 4, the angle of the light emitted from the first optical transmission module 22 is set to 40 ° wide, for example, the angle of the light emitted from the second optical transmission module 22 'is For example, set it narrow to 16 ° to obtain point cloud data.

이를 통해, 도 4에 도시된 바와 같이, 3차원 스캐닝 시스템으로부터 근거리에 위치한 목표물에 대한 넓은 각도의 점군 데이터를 얻을 수 있고, 3차원 스캐닝 시스템으로부터 원거리에 위치한 목표물에 대해서는 수직 점군 데이터의 해상도를 높일 수 있다. 이를 통해 원거리나 근거리의 점군 데이터의 밀도를 유사하게 유지할 수 있어, 이를 가공한 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다.As a result, as shown in FIG. 4, a wide angle point group data can be obtained from a 3D scanning system for a target located at a short distance, and a resolution of the vertical point group data can be increased for a target located far from the 3D scanning system. Can be. This makes it possible to similarly maintain the density of the point cloud data at a long distance or at a short distance, thereby enhancing the reliability of the processed data.

한편, 광송수신모듈에서 방출된 광의 각도를 넓게 설정할 경우, 개개의 광도 넓은 면적으로 퍼지기 때문에, 같은 광원을 사용하여 검출할 수 있는 반사광의 검출거리도 짧아지게 되는 단점이 있고 광원의 중심부가 아닌 광원이 퍼지는 각도가 큰 상단부에서는 공간상으로 방출되기 때문에 원거리에서 검출되는 반사광이 없는 경우가 많고 하단부에서는 센서에 근접된 부분을 조사하기 때문에 너무 많은 불필요한 데이터가 얻어지게 된다. 또한 방출되는 광의 각도를 넓게 유지하면서 예를 들어 200m 이상의 원거리에 대한 데이터를 얻기 위해서는 레이저의 출력을 높일 수밖에 없고, 이는 3차원 스캐닝 시스템의 부피와 중량을 높일 뿐 아니라 제조비용을 상승시키는 원인이 된다.On the other hand, when the angle of the light emitted from the optical transmitter / receiver module is set wide, the individual light is spread over a large area, so that the detection distance of the reflected light which can be detected by using the same light source is also shortened. Is emitted to the space at the upper end where the angle of spread is large, there are many cases where there is no reflected light detected at a long distance, and too much unnecessary data is obtained because the portion near the sensor is irradiated at the lower end. Further, in order to obtain data for a long distance, for example, 200 m or more while maintaining a wide angle of emitted light, it is necessary to increase the output of the laser, which not only increases the volume and weight of the three-dimensional scanning system but also increases the manufacturing cost .

이에 비해, 본 발명의 실시예와 같이, 검출하고자 하는 관심영역의 중심부에 방출 각도가 좁은 광을 사용하게 되면, 동일한 레이저 출력으로도 반사광의 검출거리를 멀리할 수 있게 된다. 즉, 원거리의 점군 데이터를 얻는데 낮은 출력의 레이저를 사용할 수 있게 된다.On the contrary, as in the embodiment of the present invention, when light having a narrow emission angle is used at the center of the region of interest to be detected, the detection distance of the reflected light can be far from the same laser output. That is, it becomes possible to use a laser having a low output in order to obtain the long-distance point cloud data.

도 6은 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈의 각도를 조절하는 과정을 설명하는 도면이다.6 is a view for explaining a process of adjusting the angle between the first optical transmission module and the second optical transmission module.

도시된 바와 같이, 제 1 광송수신모듈이 넓은 각도로 퍼지면 광검출한계가 제 2 광송수신모듈에 비해 짧아지며, 이때 제 2 광송수신모듈은 제 1 광송수신모듈이 광검출한계 지점에서 3차원 스캐닝 시스템에 요구되는 최소 검출 높이를 커버할 수 있을 정도의 광 각도를 유지할 수 있도록 설정되는 것이 바람직하다.As shown in the figure, when the first optical T / R module spreads at a wide angle, the optical detection limit becomes shorter than that of the second optical T / R module. In this case, the second optical T / It is desirable to set such that the optical angle can be maintained to such an extent as to cover the minimum detection height required by the system.

10: 파워 유닛
20: 광송수신 유닛
30: 스캐닝 유닛
40: 제어 유닛
10: power unit
20: optical transmission unit
30: scanning unit
40: control unit

Claims (10)

펄스광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물의 거리를 측정하여 3차원 영상을 획득하는 스캐닝 시스템으로,
펄스광을 생성하는 광원장치와,
상기 펄스광을 방출하고 방출된 펄스광의 반사광을 수신하는 광송수신모듈을 포함하는 광송수신장치와,
상기 광송수신장치를 회전구동시키는 회전구동장치와,
상기 광원장치, 광송수신장치 및 회전구동장치를 제어하는 제어장치를 포함하고,
상기 광송수신장치는 2 이상의 광송수신모듈로 이루어지고, 상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다른 광송수신모듈과 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The scanning system that emits pulsed light and receives the reflected light reflected from the target to measure the distance of the target to obtain a three-dimensional image,
A light source device for generating pulsed light;
An optical transmission and reception device comprising an optical transmission and reception module for emitting the pulsed light and receiving the reflected light of the emitted pulsed light;
A rotary driving device for rotating the optical transmitting and receiving device;
A control device for controlling the light source device, the optical transmission and reception device, and the rotary drive device;
The optical transmitting and receiving device comprises two or more optical transmitting and receiving modules, wherein at least one of the two or more optical transmitting and receiving angles of the optical transmission module, characterized in that different from the other optical transmission and receiving module.
제 1 항에 있어서,
상기 광송수신모듈은,
상기 광원으로부터 제공된 펄스광의 광축을 정렬시키는 콜리메이터와 상기 콜리메이터를 통과한 광을 복수 개로 분해하는 렌즈를 포함하는 광송신수단과,
반사된 광을 수신하는 렌즈와, 상기 렌즈를 통과한 광을 필터링하는 필터와, 필터링된 광으로부터 전기신호를 생성하는 포토 다이오드를 포함하는 광수신수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The method of claim 1,
The optical transmission module,
Optical transmitting means including a collimator for aligning an optical axis of the pulsed light provided from the light source and a lens for decomposing a plurality of light passing through the collimator into a plurality;
And a light receiving means comprising a lens for receiving the reflected light, a filter for filtering the light passing through the lens, and a photodiode for generating an electrical signal from the filtered light.
제 1 항에 있어서,
상기 광송수신장치는 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈로 이루어지고, 상기 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈은 광송수신이 서로 반대 방향을 향하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The method of claim 1,
The optical transmitting and receiving device includes a first optical transmitting and receiving module and a second optical transmitting and receiving module, wherein the first optical transmitting and receiving module and the second optical transmitting and receiving module are arranged so that the optical transmitting and receiving faces in opposite directions to each other. 3D scanning system.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 2배 이상 큰 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The method of claim 3, wherein
3. The three-dimensional scanning system of claim 1, wherein the light emission angle of the first optical transmission module is greater than twice the light emission angle of the second optical transmission module.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 크고,
제 2 광송수신모듈의 광 방출각도는 제 1 광송수신모듈의 반사광 검출한계 거리에서 상기 센스 시스템에 설정된 소정 높이를 커버할 수 있는 광폭을 유지할 수 있도록 설정된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The method of claim 3, wherein
The light emission angle of the first optical transmission module is larger than the light emission angle of the second optical transmission module,
The light emission angle of the second optical transmission module is set so as to maintain a wide width that can cover a predetermined height set in the sense system at the reflected light detection limit distance of the first optical transmission module.
제 1 항에 있어서,
상기 펄스광은 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The method of claim 1,
And the pulsed light is a pulsed laser.
제 1 항에 있어서,
상기 광원장치가 상기 광송수신모듈의 수에 대응되게 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The method of claim 1,
And a light source device corresponding to the number of the optical transmission and reception modules.
제 7 항에 있어서,
상기 광원장치의 각각은 복수의 레이저 다이오드가 배열된 구조로 이루어지고, 상기 복수의 레이저 다이오드는 동시에 점멸되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
The method of claim 7, wherein
Each of the light source devices has a structure in which a plurality of laser diodes are arranged, and the plurality of laser diodes blink at the same time.
펄스광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물의 거리를 측정하는 방법으로,
펄스광을 생성하는 광원장치와, 상기 펄스광을 방출하고 방출된 펄스광의 반사광을 수신하는 2 이상의 광송수신모듈을 포함하는 광송수신장치와, 상기 광송수신장치를 회전구동시키는 회전구동장치와, 상기 광원장치, 광송수신장치 및 회전구동장치를 제어하는 제어장치를 포함하는 장치를 사용하여,
상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다르게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상획득방법.
After emitting the pulsed light and receiving the reflected light reflected from the target to measure the distance of the target,
An optical transmitting and receiving device comprising a light source device for generating pulsed light, an optical transmitting and receiving module for emitting the pulsed light and receiving the reflected light of the emitted pulsed light, a rotation driving device for rotating the optical transmitting and receiving device; Using a device including a light source device, a light transmitting and receiving device and a control device for controlling the rotary drive device,
And at least one or more light emission angles of the two or more optical transmission / reception modules.
제 9 항에 있어서,
상기 광송수신모듈을 2개 설치하고 상기 광송수신모듈의 광송수신방향을 서로 반대방향이 되도록 한 것을 특징으로 하는 3차원 영상획득방법.
The method of claim 9,
And installing the two optical transmitting and receiving modules and making the optical transmitting and receiving directions of the optical transmitting and receiving modules opposite to each other.
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