KR20140025041A - 3차원 레이저 스캐닝 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저비용으로 근거리에서 광각의 감지가 가능하고 원거리에서는 높은 분해 해상도를 얻을 수 있는 3차원 스캐닝 시스템과 이 시스템을 이용한 3차원 영상획득방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 3차원 스캐닝 시스템은, 라인 형태의 펄스레이저광을 회전 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물까지의 거리를 측정한 점군 데이터를 통해 3차원 영상을 획득하는 시스템으로, 상기 스캐닝 시스템은, 고정부와 이 고정부의 상부에 회전가능하게 결합되는 회전부로 구성되고, 상기 고정부에는, 상기 회전부를 구동시키기 위한 모터와 상기 펄스레이저광을 생성하는 레이저 소스가 구비되며, 상기 회전부에는, 상기 모터에 결합되는 회전전원장치와, 상기 펄스레이저광을 2 이상으로 분리하는 광분리모듈과, 분리된 펄스레이저광을 수직 라인 형태로 외부로 방출하는 광송신기와, 반사된 펄스레이저광을 수신하여 전기신호로 변환하는 광수신기를 포함하는 2 이상의 광송수신모듈이 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 레이저 스캐닝 시스템 {THREE DIMENSIONAL LASER SCANNING SYSTEM}
본 발명은 라인 형태의 펄스레이저광을 360°로 회전 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 일렬 배열형 광수신기(Linear Array Type Photo Detector)로 수신하여 목표물까지의 거리를 측정한 점군 데이터를 통해 3차원 영상을 획득하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 라인 형태의 펄스레이저광과 배열형태의 디텍터를 서로 다른 시야각(Field Of View)으로 대칭(Symmetric Alignment)으로 구성함으로써 근거리에서는 광각의 데이터를 얻을 수 있고 원거리에서는 광출력을 높이지 않고도 수직 분해능이 우수한 원거리 데이터를 얻을 수 있는 3차원 레이저 스캐닝 시스템으로, 펄스레이저광을 생성하는 레이저 소스와, 광을 방출하고 반사된 광을 수신하여 점군 데이터를 생성하는 광송수신 수단을 분리하여, 상기 광송수신 수단만을 회전 구동시키는 구조로 설계함으로써, 회전부의 무게를 감소시키고 소형화시킴으로써 회전용 모터의 용량을 줄이는 방법으로 소형의 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 구현할 수 있도록 한 것이다.
라이다(LIDAR - Light Detection And Ranging) 또는 레이다(LADAR - Laser Detection And Ranging)로 불리는 3차원 영상센서는 목표물을 향해 펄스레이저광를 방출한 후 목표물에 반사되어 돌아오는 빛 에너지를 광 수신소자(element)를 사용하여 포착하고 이를 전기적 신호로 변환함으로써, 목표물까지의 거리나 목표물의 이동속도 등을 산출할 수 있는 시스템이다.
이러한 라이다 시스템은 로봇 및 무인자동차의 전방 장애물 검출용 센서, 속도측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서 널리 적용되고 있다.
최근, 라이다 시스템은 전방 또는 측방의 장애물 등에 의한 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.
이와 같이 고속으로 무인 운행하는 자동차나 로봇의 전방환경인식을 위한 용도로 라이다 시스템을 적용하기 위해서는 3차원으로 넓은 시야각(field of view)을 갖는 밀집된 점군(point cloud) 정보를 얻을 수 있어야 한다.
넓은 시야각의 3차원 점군 데이터를 얻기 위한 기술로, 미국공개특허공보 제2010-20306호에는 다중 배열된 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.
상기 라이다 시스템에 배치되는 다중 배열된 레이저 다이오드는 전체 군이 서로 다른 각도가 다르게 배치되어, 전체적으로 방출되는 레이저 빔이 소정의 수직각도 예를 들면, 40°범위로 퍼져나가게 방출되도록 되어 있어, x, y 및 높이에 대한 점군 데이터, 즉 3차원 데이터를 얻을 수 있도록 되어 있다.
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 운행 중인 차량 주변부의 정보, 즉 단거리의 점군 데이터를 얻을 수 있도록 되어 있다.
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, 원거리 물체로부터 획득한 점군 데이터의 경우 수직 해상도가 떨어져 이를 가공한 데이터의 신뢰도도 저하되는 문제점도 있다. 무엇보다도 32개 또는 64개 레이저 다이오드가 각각 개별적으로 장착되므로 각각의 방출각도가 서로 상이하여 레이저 다이오드와 대응 광수신기를 개별적으로 정밀하게 보정하는 것이 매우 어려운 문제점이 있는 것이 현실이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 한국특허출원 제2012-0054110호를 통해, 펄스광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물의 거리를 산출하여 3차원 영상을 획득하는 스캐닝 시스템으로, 펄스레이저광을 생성하는 광원장치와, 상기 펄스레이저광을 방출하고 방출된 펄스레이저광의 반사광을 수신하는 광송수신모듈을 포함하는 광송수신수단와, 상기 광송수신수단를 회전구동시키는 회전구동장치와, 상기 광원장치, 광송수신수단 및 회전구동장치를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 광송수신수단는 2 이상의 광송수신모듈로 이루어지고, 상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다른 광송수신모듈과 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템을 제안하였다.
그런데, 본 발명자들이 제시한 상기 3차원 레이저 스캐닝 시스템의 경우, 회전구동장치에 레이저 소스와 광송수신수단을 모두 장착하여 회전시키는 구조로 되어 있어 레이저 소스와 이를 냉각하기 위한 냉각구조의 중량으로 인해, 용량이 큰 회전모터가 필요하게 되고, 이는 결과적으로 스캐닝 시스템의 제조비용을 높이고 부피를 크게 하는 문제점이 있다.
미국공개특허공보 제2010-20306호
본 발명은, 근거리에서는 광각의 데이터를 얻을 수 있고 동일한 레이저 출력으로도 원거리에서는 수직 분해능이 우수한 데이터를 얻을 수 있어 고속으로 운행하는 자동차 또는 농업용 기계의 보조운전장치 또는 지능형 로봇과 같은 무인운전장치에 적합하게 사용될 수 있는 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 저비용으로 소형화할 수 있도록 하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 라인 형태의 펄스레이저광을 회전 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물까지의 거리를 측정한 점군 데이터를 통해 3차원 영상을 획득하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템으로, 상기 스캐닝 시스템은, 고정부와 이 고정부의 상부에 회전가능하게 결합되는 회전부로 구성되고, 상기 고정부에는, 상기 회전부를 구동시키기 위한 모터와 상기 펄스레이저광을 생성하는 레이저 소스가 구비되며, 상기 회전부에는, 상기 모터에 결합되는 회전전원장치와, 상기 펄스레이저광을 2 이상으로 분리하는 광분리모듈과, 분리된 펄스레이저광을 수직 라인 형태로 외부로 방출하는 광송신기와, 반사된 펄스레이저광을 수신하여 전기신호로 변환하는 광수신기를 포함하는 2이상의 광송수신모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다른 광송수신모듈과 다르게 설정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 레이저 소스에서 생성된 펄스레이저광이 상기 회전부의 중앙에 형성된 중공부를 통해 상부로 방출되어 상기 광분리모듈에 도달하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 모터는 중공형 모터이고, 이 중공형 모터 상에는 중공형 다접점슬립링이 배치되어, 상기 회전부에 전원을 공급하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 회전부는, 상기 펄스레이저광을 방출할 수 있도록 2 이상의 창이 구비된 커버와, 상기 커버에 고정되며 상기 2 이상의 광송수신모듈를 배치하기 위한 분리거치대를 추가로 구비하고, 상기 분리거치대에는 상기 레이저 소스로부터 펄스레이저광을 수광하기 위한 수광홀이 형성되어 있고, 상기 수광홀 부근에 상기 광분리모듈이 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 광분리모듈은, 상기 분리거치대 상에 고정되며 상기 펄스레이저광을 받기 위한 관통홀이 형성되어 있는 지지대와, 상기 지지대의 관통홀 상에 배치되어 상기 펄스레이저광을 분리하는 빔 스플리터(Beam Splitter)와, 상기 지지대 상에 고정되어 상기 빔 스플리터로부터 분리된 펄스광을 소정 경로로 유도하기 위한 복수 개의 미러를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 광송수신모듈은 광송신모듈과 광수신모듈로 이루어지고, 상기 광송신모듈은 상기 광분리모듈로부터 제공된 펄스레이저광을 수직 라인 형태로 만드는 복수 개로 구성된 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 광송수신모듈은 광송신모듈과 광수신모듈로 이루어지고, 상기 광수신모듈은, 반사된 광을 수신하는 렌즈와, 상기 렌즈를 통과한 광을 필터링하는 필터와 필터링된 광으로부터 전기신호를 생성하는 일렬 배열형 포토 다이오드를 포함하는 광처리기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 2 이상의 광송수신모듈은, 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈로 이루어지고, 상기 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈은 상기 펄스레이저광의 방출과 수신이 서로 반대 방향을 향하도록 대칭적으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 2배 이상 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 크고, 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도는 상기 제 1 광송수신모듈의 반사광 검출한계 거리에서 상기 3차원 레이저 스캐닝 시스템에 설정된 소정 높이를 커버할 수 있는 광폭을 유지할 수 있도록 설정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 회전부에는 제어보드가 포함되고, 상기 제어보드는 시스템의 제어를 위한 제어기와, 3차원 영상 데이터를 생성하기 위한 데이터 프로세싱모듈을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템에 있어서, 상기 제어보드에는 추가로 생성된 3차원 영상데이터를 무선으로 사용자에 전달하기 위한 무선송신수단을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 레이저 스캐닝 시스템은, 원거리의 감지에는 좁은 각도의 라인 레이저를 사용하고, 근거리에는 넓은 각도의 라인 레이저를 사용하기 때문에, 근거리에서는 광각의 시야각을 확보할 수 있고 원거리에서는 밀집된 점군 데이터를 얻을 수 있기 때문에 수직 분해능이 우수한 데이터를 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 스캐닝 시스템은, 라인 레이저를 생성하는 레이저 소스 및 이의 냉각수단과, 광을 방출하고 반사된 광을 수신하여 점군 데이터를 생성하는 광송수신모듈을 분리하여, 상기 광송수신모듈만을 회전구동시키는 구조로 설계함으로써, 종래에 비해 가볍고 컴팩트한 크기의 시스템을 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 커버만 분리한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 커버를 제거한 3차원 스캐닝 시스템의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 커버를 제거한 3차원 스캐닝 시스템의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 광처리수단의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템에서 이종의 각도로 방출되는 광을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템에서 이종의 각도로 방출되는 광의 각 분해능과, 중첩되는 부분의 각 분해능을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 광 방출 각도를 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자들은 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 3차원 레이저 스캐닝 시스템은, 라인 형태의 펄스레이저광을 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 일렬배열형 포토 다이오드로 수신하여 목표물까지의 거리를 측정한 점군 데이터를 통해 3차원 영상을 획득하는 것으로, 상기 스캐닝 시스템은, 크게 고정부(100)와 이 고정부(100)에 회전 가능하게 결합되는 회전부(200)를 포함하여 이루어지는데, 상기 고정부(100)는 전원(110)과, 펄스광을 생성하는 레이저 소스(120)와, 상기 회전부(200)를 회전 구동시키는 중공형 모터(130)를 포함하여 이루어지고, 상기 회전부(200)는 커버(210)와, 상기 모터(130)에 결합된 중공형 다접점슬립링(220)과 상기 중공형 다접점슬립링(220) 상부에 배치되는 복수 개의 제어보드(230)와 상기 제어보드(230)를 보호 분리하는 거치분리대(240), 거치분리대(240) 위에 장착되는 광분리모듈(250)과 광송수신모듈(260)을 포함하여 이루어진다.
상기 전원(110)은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 링 형상의 제 1 케이스(111)에 설치되며, 외부의 전원(예를 들어, 24V 전원)을 인가받아, 전기로 작동하는 각종 장치에 전력을 공급하는 주제어전원과, 상기 레이저 소스(120)에 고전압 전력을 제공하기 위한 고전압 변환기를 포함하여 이루어진다.
상기 레이저 소스(120)는, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 중공부가 형성된 링 형상의 제 2 케이스(121)의 내부에 배치되며, 그 광방출부(122)는 상기 제 2 케이스(121)의 내부로 돌출되어 상부로 만곡되도록 형성되어, 생성된 펄스 레이저가 상기 케이스(121)의 중심부의 상방향을 향해 방출되도록 되어 있다. 또한 상기 광방출부(122)에는 광집속렌즈가 부착되어 있어 레이저 소스(120)에서 방출된 레이저가 분산되지 않고 집속되어 상방향으로 방출될 수 있게 되어 있다. 한편, 상기 제 2 케이스(121)에는 레이저 소스(120)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각장치(미도시)가 구비될 수 있으며, 예를 들면 상기 제 2 케이스의 외주면에 다수의 냉각핀을 형성하여 냉각시킬 수도 있다.
상기 모터(130)는 중공형태의 모터가 사용된다. 중공모터는, 링 형상의 고정자(131), 상기 고정자(131)의 내부에 설치되어 상기 고정자와 작용하여 회전하는 중공부가 형성된 중공형 다접점슬립링(220)로 이루어진다. 중공형 다접점슬립링(220)에 형성된 중공부를 통해 상기 레이저 소스(120)에서 방출된 광이 상기 모터(130)의 중심을 통과하여 상방향으로 방출되게 된다.
상기 커버(210)는, 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 합성수지나 금속으로 반구형의 형상으로 가공된 것으로, 양 측부에 상기 레이저 소스(120)에서 생성된 펄스레이저광을 라인 형태로 방출되도록 하는 제 1 발광구(121a)와 제 2 발광구(122a)가 각각 형성되어 있고, 상기 제 1 발광구(121a)의 근방에는 제 1 발광구(121a)를 통해 방출되어 목표물에서 반사되어 온 펄스레이저광을 수광하기 위한 제 1 수광구(121b)가 형성되어 있고, 상기 제 2 발광구(122a)의 근방에는 제 2 발광구(122a)를 통해 방출되어 목표물에서 반사되어 온 펄스레이저광을 수광하기 위한 제 2 수광구(122b)가 형성되어 있다. 한편, 상기 제 1 수광구(121b) 및 제 2 수광구(122b)는 제 1 발광구(121a) 및 제 2 발광구(121b)에 비해 면적이 넓게 형성된다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 발광구(121a,122a)와 제 1 및 제 2 수광구(121b,122b)는 내측으로 관 형상의 연장부(121c,122c)가 각각 형성되어 있어, 비와 같은 이물질이 내부에 쉽게 들어가지 못하도록 고안될 수 있다.
상기 중공형 다접점슬립링(220)은 상기 모터(130)의 내측에 구비된 운동부재(132)와 고정되게 결합되어 그 위에 시스템을 제어하기 위한 제어회로를 구비하는 제어보드(230)를 거치함과 동시에 전원을 필요로 하는 회전부(200)의 각 구성부품에 필요한 전원을 공급하고, 또한 제어보드(230)에서 생성한 3차원 영상데이터를 외부의 연산장치로 전송하기 위한 데이터 통신라인을 형성하기 위한 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 가운데 중공홀이 형성된, 다접점 슬립링으로 이루어진다. 중공형 다접점슬립링(220)은 상단부와 하단부로 구분되는데 하단부(221)는 슬립링의 고정부에 해당하는 부분으로 회전부(200)에 필요한 전원을 공급하기 위한 전원케이블 연결부와 레이저 소스(120)로부터 방출된 펄스레이저광을 회전부로 보낼 수 있도록 중공부가 형성되어 있다. 상기 중공부의 중심은 상기 모터(130)의 중심부와 맞추어져 있어, 레이저 소스(120)에서 방출된 펄스레이저광이 회전부의 광분리모듈(250)까지 그대로 통과할 수 있도록 형성된다. 상기 중공형 다접점슬립링(220)의 상단부(222)는 슬립링의 회전부에 해당되는 부분으로 모터(130)의 회전에 따라 회전하면서 슬립링 고정부에서 공급된 전원을 회전부(200)의 각 구성품에 공급하고 제어보드(230)에서 형성된 3차원 영상데이터를 고정부를 거쳐 사용자에게 전송하기 위한 데이터 통신라인으로 구성되어 있다. 중공형 다접점슬립링(220)는 수은타입의 슬립링 접촉물질을 사용할 경우 1,200RPM이상의 회전속도까지 전원을 공급할 수 있고 20Hz이상의 3차원 영상 데이터를 100MHz이상의 속도로 안정적으로 전송할 수 있다.
상기 제어보드(230)는 본 발명의 스캐닝 시스템의 각종 수단을 제어하기 위한 제어회로와 3차원 영상데이터 처리모듈를 구비하기 위한 것으로, 중심부에는 레이저를 통과시키기 위한 제 1 구멍(231)이 형성되어 있고, 내측에는 상기 레이저 소스(120), 광송수신모듈(260) 및 상기 모터(130)를 제어하기 제어신호를 발생할 수 있도록 고성능 컨트롤러와 엔코더 카운터와 같은 소자가 장착되어 전기적으로 회로를 구성할 수 있도록 배선이 형성되어 있다.
상기 거치분리대(240)는 상기 제어보드(230) 상부에 장착되어, 그 위에 광송수신모듈(260)를 배치하기 위한 것으로 가운데 레이저를 통과시키기 위한 제 2 구멍(241)이 형성되어 있고, 내측에도 광송수신모듈(260)를 구성하는 각종 부품을 장착하기 위한 다수의 체결구멍(242)이 형성된다. 또한, 상기 거치분리대(240)의 하면에는 상기 제어보드(230)와 소정 간격을 두고 이격되게 고정될 수 있도록 하방향으로 돌출 형성된 다수의 고정핀(243)이 형성된다.
상기 광분리모듈(250)은 레이저 소스(120)로부터 상기 모터(130) 및 중공형 다접점슬립링(220)의 중공부, 상기 제 1 구멍(231), 제 2 구멍(232)을 통과하여 상방으로 방출된 펄스레이저광을 2개로 분리하여 소정의 광 경로로 유도하기 위한 수단이다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 직육면체 형상으로 이루어지고 일 측에 상기 펄스레이저광을 통과시키기 위한 관통구(251a)가 형성되어 있는 지지대(251)와 상기 지지대(251) 상의 일 측에 고정되어 배치되어 상기 관통구(251a)를 통과한 펄스레이저광을 2개의 빔으로 분리하는 빔 스플리터(252)와 상기 빔 스플리터(252)로부터 분리된 2개의 펄스레이저광을 제 1 발광구(121a) 또는 제 2 발광구(122a)로 향하게 광 경로를 변경시키는 제 1 및 제 2 미러(253a,253b)를 포함하여 이루어진다.
상기 광송수신모듈(260)은 상기 광분리모듈(250)을 통해 분리된 레이저를 라인 형태의 레이저 광으로 변환시키는 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262a)와, 이 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262b)를 통해 방출된 펄스레이저광이 목표물에 반사되어 돌아오는 광을 수신하는 제 1 및 제 2 광수신렌즈(261b,262b)와, 이 제 1 및 제 2 광수신렌즈(261b,262b)를 통과한 광에서 전기신호를 생성하는 제 1 및 제 2 광처리기(261c,262c)를 포함하는 2개의 광송수신모듈(261,262)로 이루어진다. 한편 상기 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262b)에 안내되는 광이 퍼진 상태일 경우, 상기 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262b)와 상기 제 1 및 제 2 미러(253a.253b)의 사이에 광집속렌즈를 선택적으로 배치할 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 광처리기(261c,262C)는 도 7에 도시된 바와 같이, 태양광 등과 같은 외부신호의 영향을 최소화하기 위해 각각 특정 주파수 이하의 성분이나 특정 주파수 이상의 성분을 제거하고 입력하는 밴드패스필터와, 상기 밴드패스필터를 통과한 광을 전기적 신호로 변환하는 배열형 포토다이오드와 상기 포토다이오드의 전기적 신호를 증폭시키는 증폭기와, 상기 증폭기를 통과한 전기 신호로부터 수신 레이저광의 피크를 검출하는 피크 검출기와, 상기 피크 검출기의 검출신호로부터 반사광의 강도를 구하는 ADC와, 상기 증폭기를 통과하여 증폭된 신호로부터 반사광의 입력시간을 결정하기 위한 시간 판별기와 상기 시간 판별기의 정보로부터 펄스레이저광 출력시간과 반사레이저 입력시간의 차이를 측정하는 TDC를 포함한다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 광처리기(261c,262c)의 ADC, TDC의 데이터는 상기 제어보드(230)의 3차원 영상처리모듈에 전달되어 3차원 영상 데이터가 만들어지고 이러한 영상데이터는 구비된 RF 트랜시버와 같은 무선 송수신 수단 또는 중공형 다접점슬립링(220)의 데이터 통신라인과 같은 유선송수신 수단을 통하여 외부의 연산장치에 송신하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에서는 하나의 레이저 소스로부터 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262a)를 사용하여 한번에 수직 라인 형상의 펄스 레이저를 방출할 수 있어 스캐닝 속도를 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 광송수신모듈은 2개를 구비하였으나, 예를 들어, 상기 커버(210)에 원형을 이루며 배치되며, 3개인 경우 120°, 4개인 경우 90°와 같이 등 간격을 이루도록 배치할 수도 있다. 그러나, 장치의 무게, 부피 및 제조비용을 고려할 때, 광송수신모듈은 2개를 배치하는 것이 가장 바람직한데, 이 경우 서로 반대방향으로 대칭을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 2개의 광송수신모듈의 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262a)는 서로 다른 각도로 광이 방출될 수 있도록 형성된다. 예를 들어, 광송수신모듈 중 하나의 광 방출각도가 40°인 경우, 다른 광송수신모듈의 광 방출각도는 16°가 되도록 다르게 설정한다. 여기서 '광 방출각도'란 지면에 수직한 방향으로 광이 퍼지는 각도를 의미한다.
3차원 스캐닝 시스템과 목표물 간의 거리가 가까운 경우, 레이저 방출각도가 크더라도 점군 데이터의 수직 간격이 어느 정도 유지되기 때문에 데이터 분석을 통해 목표물을 분석하는데 영향이 적다. 그런데, 3차원 스캐닝 시스템과 목표물 간의 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.
그런데, 본 발명의 실시예와 같이, 2개의 광송수신모듈(261,262)의 펄스 레이저 방출각도를 다르게 설정할 경우, 도 8에 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.
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.
더욱이, 도 9에 도시된 바와 같이, 근거리의 경우에도, 넓은 각도로 펄스 광을 방출하는 광송수신모듈과 좁은 각도로 펄스 광을 방출하는 광송수신모듈의 광 방출각도가 상이하여, 2개의 광이 중첩되는 영역에서는 얻을 수 있는 점군 데이터의 밀도가 높아지는 효과가 있다. 이에 따라, 넓은 각도만으로 할 경우, 각분해능이 1.25°에 불과하고, 좁은 각도의 경우에도 각 분해능이 0.42°인데, 중첩되는 부분의 경우 각 분해능이 0.36°로 매우 우수하다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 3차원 영상 시스템의 근거리의 중앙 부분에 위치한 영상을 우수한 해상도로 획득할 수 있는 이점이 있다.
다음으로 이상과 같은 구성으로 이루어진 3차원 스캐닝 시스템의 동작에 대해 상세하게 설명한다.
상기 전원(110)을 통해 전력을 공급받아 상기 제어보드(230) 상에 구비된 제어회로에 의해 상기 레이저 소스(120), 모터(130) 및 광송수신수단(260)이 동작하게 된다.
먼저, 상기 모터(130)가 구동되면, 상기 모터(130)의 운동부재(132)에 고정된 회전부가 회전구동하게 되며, 이에 따라 중공형 다접점슬립링(220)와 상기 제어보드(230), 거치분리대(240), 광분리모듈(250), 광송수신모듈(260) 및 커버(210)를 포함하는 회전부(200)가 회전하게 된다.
이와 함께, 상기 레이저 소스(120)에서 펄스 레이저를 생성하면, 생성된 펄스 레이저는 상기 모터(130), 중공형 다접점슬립링(220), 제어보드(230) 및 거치분리대(240)의 중공부와, 상기 광분리모듈(250)을 구성하는 지지대(251)의 관통구(251a)를 통과하여 빔 스플리터(252)에 이르게 되고, 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터(252)에 의해 2개의 레이저로 분리되며, 분리된 각각의 펄스 레이저는 제 1 및 제 2 미러(253a,253b)를 통해 광 경로가 변경되고, 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262a)에 의해 각각 상이한 광 방출각도로 분산되어 제 1 및 제 2 발광구(121a,122a)를 통해 외부로 방출된다.
본 발명의 실시예에 상기 제 1 및 제 2 라인 제너레이터 렌즈(261a,262a)의 광 방출각도는 40°와 16°로 설정되었으나, 광 방출각도는 스캐닝 시스템에 요구되는 점군 데이터의 종류에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
이와 같이 방출된 펄스 레이저는 목표물에 도달하여 반사되며 반사된 펄스 레이저는 제 1 및 제 2 수광구(121b,122b)를 통해 스캐닝 시스템 내로 유입되며, 유입된 펄스 레이저는 제 1 및 제 2 광수신렌즈(261b,261b)를 통해 모여져 제 1 및 제 2 광처리기(261c,262c)로 보내진다.
상기 제 1 및 제 2 광처리기(261c,262c)에서는, 수신된 펄스 레이저를 밴드패스필터를 통해 각각 특정 주파수 이하의 성분이나 특정 주파수 이상의 성분을 제거하고, 상기 밴드패스필터를 통과한 광을 포토다이드를 통해 전기적 신호로 변환하며, 변환된 전기적 신호를 증폭기를 통해 증폭하고, 피크 검출기를 통해 증폭된 전기신호로부터 특정 피크를 검출한 후, ADC를 사용하여 검출신호로부터 반사된 펄스 레이저의 강도를 구하고, 동시에 시간 판별기 및 TDC를 통해 증폭된 신호로부터 반사광의 시간을 구하여, 점군 데이터를 생성한다. 이와 같이 생성된 점군 데이터는 3차원 영상을 형성하기 위한 연산장치에 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 스캐닝 시스템은 도 8에 도시된 바와 같이, 스캐닝 시스템으로부터 근거리에 위치한 목표물에 대한 넓은 각도의 점군 데이터를 얻을 수 있고, 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.
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. 그런데, 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.
도 10은 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈의 각도를 조절하는 과정을 설명하는 도면이다.
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.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스캐닝 시스템은, 광 방출각도를 서로 다르게 설정함으로써 저출력의 레이저 소스를 사용하여 신뢰성 높은 점군 데이터를 얻을 수 있다. 또한, 고정부(100)에 큰 부피와 중량을 차지하는 레이저 소스(120)를 배치하고, 회전부(200)를 구성하는 각 부품에 중공부를 형성하여, 레이저 소스(120)에서 생성된 레이저를 중공부를 통해 광송수신수단(260)에 보내는 구성을 채용함으로써, 회전부(200)를 구동하게 하는 모터(130)의 용량을 낮추어 모터(130)의 크기를 줄일 수 있다.
이러한 구성을 통해, 종래에 비해 가볍고 컴팩트한 크기의 3차원 스캐닝 시스템을 구현할 수 있게 된다.
100: 고정부
200: 회전부
110: 전원
120: 레이저 소스
130: 중공형 모터
210: 커버
220: 중공형 다접점 슬립링
230: 제어보드
240: 거치분리대
250: 광분리모듈
260: 광송수신모듈

Claims (13)

  1. 라인 형태의 펄스레이저광을 회전 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물까지의 거리를 측정한 점군 데이터를 통해 3차원 영상을 획득하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템으로,
    상기 스캐닝 시스템은, 고정부와 이 고정부의 상부에 회전가능하게 결합되는 회전부로 구성되고,
    상기 고정부에는, 상기 회전부를 구동시키기 위한 모터와 상기 펄스레이저광을 생성하는 레이저 소스가 구비되며,
    상기 회전부에는, 상기 모터에 결합되는 회전전원장치와, 상기 펄스레이저광을 2 이상으로 분리하는 광분리모듈과, 분리된 펄스레이저광을 수직 라인 형태로 외부로 방출하는 광송신기와, 반사된 펄스레이저광을 수신하여 전기신호로 변환하는 광수신기를 포함하는 2이상의 광송수신모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다른 광송수신모듈과 다르게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 소스에서 생성된 펄스레이저광이 상기 회전부의 중앙에 형성된 중공부를 통해 상부로 방출되어 상기 광분리모듈에 도달하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모터는 중공형 모터이고, 이 중공형 모터 상에는 중공형 다접점슬립링이 배치되어, 상기 회전부에 전원을 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전부는, 상기 펄스레이저광을 방출할 수 있도록 2 이상의 창이 구비된 커버와, 상기 커버에 고정되며 상기 2 이상의 광송수신모듈를 배치하기 위한 분리거치대를 추가로 구비하고, 상기 분리거치대에는 상기 펄스레이저광을 수광하기 위한 수광홀이 형성되어 있고, 상기 수광홀 부근에 상기 광분리모듈이 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광분리모듈은, 상기 분리거치대 상에 고정되며 상기 펄스레이저광을 받기 위한 관통홀이 형성되어 있는 지지대와, 상기 지지대의 관통홀 상에 배치되어 상기 펄스레이저광을 분리하는 빔 스플리터(Beam Splitter)와, 상기 지지대 상에 고정되어 상기 빔 스플리터로부터 분리된 펄스광을 소정 경로로 유도하기 위한 복수 개의 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광송수신모듈은, 광송신모듈과 광수신모듈로 이루어지고,
    상기 광송신모듈은, 상기 광분리모듈로부터 제공된 펄스레이저광을 수직 라인 형태로 만드는 복수 개로 구성된 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광송수신모듈은, 광송신모듈과 광수신모듈로 이루어지고,
    상기 광수신모듈은, 반사된 광을 수신하는 렌즈와, 상기 렌즈를 통과한 광을 필터링하는 필터와 필터링된 광으로부터 전기신호를 생성하는 일렬 배열형 포토 다이오드를 포함하는 광처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2 이상의 광송수신모듈은, 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈로 이루어지고,
    상기 제 1 광송수신모듈과 제 2 광송수신모듈은 상기 펄스레이저광의 방출과 수신이 서로 반대 방향을 향하도록 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 2배 이상 큰 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 광송수신모듈의 광 방출각도가 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도에 비해 크고, 상기 제 2 광송수신모듈의 광 방출각도는 상기 제 1 광송수신모듈의 반사광 검출한계 거리에서 상기 3차원 레이저 스캐닝 시스템에 설정된 소정 높이를 커버할 수 있는 광폭을 유지할 수 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전부에는 제어보드가 포함되고, 상기 제어보드는 시스템의 제어를 위한 제어기와, 3차원 영상 데이터를 생성하기 위한 데이터 프로세싱모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어보드에는 추가로 생성된 3차원 영상데이터를 무선으로 사용자에 전달하기 위한 무선송신수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
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