KR20170065061A - 3차원 스캐닝 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 곡면 또는 평면형태의 미러가 일정한 속도로 빠르게 일방향으로 회전하는 방식의 스캐닝 메커니즘를 사용하여 광송신모듈에서 방출되는 출력광의 광축과 광수신모듈로 수신되는 반사광의 광축이 서로 일치되도록 송수신 광학계를 구성하고 송수신 펄스 레이저 광을 소정의 각도로 빠르게 스캐닝하도록 광송신모듈과 광수신모듈을 배치 구성함에 따라 장치 구성을 컴팩트하게 구현할 수 있는 장점이 있으며, 이를 통해 장치 전체의 무게를 획기적으로 줄이고, 빠른 3차원 영상 획득 속도를 구현할 수 있는 3차원 스캐닝 시스템에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템은, 단점 입사광을 다점 출력광으로 분할하는 광분할부와, 상기 광분할부에 의해 분할된 다점 출력광을 소정의 시야각 범위를 커버하도록 회전시켜 주사하는 광주사부를 포함하는 광송신모듈; 상기 광송신모듈에서 방출된 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하기 위한 광수신모듈; 및 상기 광수신모듈로 수신된 반사광에 근거하여 목표물의 화상을 생성하는 제어기;를 포함하여 구성된다.

Description

3차원 스캐닝 시스템{THREE DIMENSIONAL SCANNING SYSTEM}

본 발명은 3차원 스캐닝 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 곡면 또는 평면형태의 미러가 일정한 속도로 빠르게 일방향으로 회전하는 방식의 스캐닝 메커니즘을 사용하여 광송신모듈에서 방출되는 출력광의 광축과 광수신모듈로 수신되는 반사광의 광축이 서로 일치되도록 송수신 광학계를 구성하고 송수신 펄스 레이저 광을 소정의 각도로 빠르게 스캐닝 하도록 광송신모듈과 광수신모듈을 배치 구성함에 따라 장치 구성을 콤팩트하게 구현할 수 있는 장점이 있으며, 이를 통해 장치 전체의 무게를 획기적으로 줄이고, 빠른 3차원 영상 획득 속도를 구현할 수 있는 3차원 스캐닝 시스템에 관한 것이다.

라이다(LIDAR - Light Detection And Ranging) 또는 레이다(LADAR - Laser Detection And Ranging)로 불리는 3차원 영상센서는 목표물을 향해 펄스 레이저광을 방출한 후 목표물에 반사되어 돌아오는 빛 에너지를 광 수신소자(Photo Detector)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.

상술한 바와 같은 라이다 시스템의 일예로서, 본 출원인이 출원하여 등록받은 등록특허 제10-1357051호에 '3차원 스캐닝 시스템 및 이를 이용한 3차원 영상획득방법'이 개시된 바 있다.

상기 3차원 스캐닝 시스템은, 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 광송수신수단을 회전 구동시키는 회전구동장치와, 상기 광원장치, 광송수신수단 및 회전구동장치를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 광송수신수단은 2 이상의 광송수신모듈로 이루어지고, 상기 2 이상의 광송수신모듈 중 적어도 하나 이상의 광 방출각도가 다른 광송수신모듈과 상이하도록 구성된다.

그런데, 상술한 바와 같은 상기 3차원 스캐닝 시스템은, 회전구동장치 상부에 펄스레이저 소스모듈과 광송수신수단을 모두 장착하여 회전시키는 구조로 되어 있어 다채널 구성으로 360°의 넓은 화각의 3차원 영상을 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 3차원 스캐닝시스템의 회전부에 위치한 광수신 모듈, 광학계 부품, 신호처리 모듈, 펄스레이저 소스모듈과 전원공급 및 신호전송모듈 등 모든 구성부품들을 회전시켜야 하기 때문에 용량이 큰 회전모터가 필요하게 되고, 이는 결과적으로 스캐닝 시스템의 무게와 부피를 증가시키는 문제점이 있었다.

또한, 실선의 라인 레이저를 사용하여 조사거리가 수십 m 또는 수백 m 거리에서 높은 수준의 스캐닝 정보를 얻기 위해서는 사용하는 레이저 펄스광의 소스를 수백 와트에서 수천 와트 이상인 것을 사용하여야 하며, 이와 같이 높은 출력의 레이저 광을 생성하기 위해서는 레이저 소스인 광원장치의 크기와 무게가 커지고 소모되는 전원의 양의 많은 단점이 있으며, 이로 인한 발열량도 많아 스캐닝 센서를 설계하는데 있어서 많은 제약이 따르는 단점이 있었다.

또한, 광송신모듈에서 방출되는 출력광의 광축과 광수신모듈로 수신되는 반사광의 광축이 서로 일치되지 않아 장치 구성이 증가되는 문제점이 있으며, 이와 같이, 출력광과 반사광의 광축이 서로 일치되지 않음에 따른 근거리 검출능력이 다소 떨어지는 단점이 있었다.

한편, 독일에서 출원되어 공개된 공개특허 제10244641호(2004-04-08)에는 'Optoelectronic position monitoring system for road vehicle has two pulsed lasers, sensor and mechanical scanner with mirror at 45 degrees on shaft with calibration disk driven by electric motor'에 대해 개시되어 있다.

상기 공개특허에는 회전형의 평면 미러를 사용하고 중심에 하나 이상의 광수신수단을 위치시키고 양 끝단에 다수의 광송신수단을 위치시키는 형태의 동일한 광편향수단을 사용하는 전자광학 센서에 대해 개시되어 있다.

하지만, 상기 공개특허에 개시된 상기 전자광학센서는 하나의 평면 미러를 사용하여 다채널의 거리영상신호를 얻을 수 있도록 구성되어 있으나, 발광축과 수광축이 분리되어 있어 근접거리의 물체를 검지하지 못하고 공간적으로 분리된 다수개의 광송신수단을 사용하기 때문에 채널수를 확장하는데 한계를 가지고 있다.

독일공개특허 제10244641호(공개일자:2004년 4월 8일)

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 곡면 또는 평면형태의 미러가 일정한 속도로 빠르게 일방향으로 회전하는 방식의 스캐닝 메커니즘을 사용하여 광송신모듈에서 방출되는 출력광의 광축과 광수신모듈로 수신되는 반사광의 광축이 서로 일치되도록 송수신 광학계를 구성하고 송수신 펄스 레이저 광을 소정의 각도로 빠르게 스캐닝 하도록 광송신모듈과 광수신모듈을 배치 구성함에 따라 장치 구성을 콤팩트하게 구현할 수 있는 장점이 있으며, 이를 통해 장치 전체의 무게를 획기적으로 줄이고, 빠른 3차원 영상 획득 속도를 구현할 수 있는 3차원 스캐닝 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은, 실선(Solid Line)이 아닌 도트 라인(Dot Line) 형태의 다점 출력광을 방출한 후 목표물로부터 반사되어 돌아오는 반사광을 라인 배열형태의 광학 검출기인 광수신모듈로 검출하여 3차원 포인트 클라우드 데이터 영상을 형성함에 따라 광송신모듈의 출력광량을 줄여 저출력 광원을 이용하면서도 단위 스캐닝 픽셀 당 수신되는 광의 밀도를 높여 높은 수준의 거리영상신호를 얻을 수 있는 3차원 스캐닝 시스템을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3차원 스캐닝 시스템은, 단점 입사광을 다점 출력광으로 분할하는 광분할부와, 상기 광분할부에 의해 분할된 다점 출력광을 소정의 시야각 범위를 커버하도록 회전시켜 주사하는 광주사부를 포함하는 광송신모듈; 상기 광송신모듈에서 방출된 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하기 위한 광수신모듈; 및 상기 광수신모듈로 수신된 반사광에 근거하여 목표물의 화상을 생성하는 제어기;를 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 광분할부는, 상기 단점 입사광을 소정 각도로 펼쳐진 도트 라인 형태의 다점 출력광으로 분할하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 광주사부는, 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광에 대해 수직인 방향으로 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광을 소정의 시야각 범위를 커버하도록 회전하면서 반사시키도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 광주사부는, 회전형 미러로 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 회전형 미러는, 양측 표면에 평면 미러가 구비되거나, 양측 표면에 회전 방향으로 굴곡진 곡면 미러가 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 광분할부는, 회절용 패턴이 형성된 회절광학소자를 통해 상기 단점 입사광을 다점 출력광으로 분할하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 광분할부는, 광원으로부터 제공된 단점 입사광의 광축을 정렬시키는 콜리메이터; 상기 콜리메이터에 의해 광축이 정렬된 단점 입사광의 경로를 전환시키는 입사광 반사부재; 및 상기 입사광 반사부재에 의해 반사된 단점 입사광의 경로 상에 배치되어 상기 단점 입사광을 통과시킴에 따라 상기 단점 입사광을 도트 라인 형태의 다점 출력광으로 분할시키는 회절광학소자;를 포함하여 구성되고, 상기 광주사부는, 상기 회절광학소자에 의해 분할된 도트 라인 형태의 다점 출력광의 경로 상에 배치되어 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광에 대해 수직인 방향으로 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광을 회전하면서 반사시켜 소정의 시야각 범위를 커버하도록 하는 회전형 미러;를 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 광송신모듈에서 방출된 후 목표물로부터 반사되어 상기 광수신모듈로 수신되는 반사광은, 상기 회전형 미러에 의해 반사되어 1차적으로 경로가 전환되고, 상기 회전형 미러에 의해 반사된 반사광의 경로 상에 배치된 반사광 반사부재에 의해 2차적으로 경로가 전환되어 상기 광수신모듈로 수신될 수 있다.

바람직하게, 상기 반사광 반사부재의 중앙측에는, 상기 회절광학소자에 의해 분할된 도트 라인 형태의 다점 출력광을 통과시키기 위한 통과홀이 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 광분할부는, ㄱ자형으로 형성되어 내부에 ㄱ자형 통과홀이 형성된 광전환하우징; 일단이 상기 광전환하우징의 일측단에 구비되고, 타단에 경사부가 형성된 미러홀더;를 더 포함하여 구성되며, 상기 콜리메이터는 상기 광전환하우징의 타측단에 구비되고, 상기 입사광 반사부재는 상기 광전환하우징의 내부에 형성된 ㄱ자형 통과홀의 코너부에 구비되며, 상기 반사광 반사부재는 상기 미러홀더의 경사부 상에 구비될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 광송신모듈에서 방출되는 출력광의 광축과 광수신모듈로 수신되는 반사광의 광축이 서로 동일한 방향이 되도록 광송신모듈과 광수신모듈을 배치 구성함에 따라 장치 구성을 간소화하여 콤팩트하게 구현할 수 있다는 이점이 있으며, 고속으로 회전하는 평면 또는 곡면형태의 반사미러로 구성되는 스캐너를 사용하여 수십 Hz이상으로 빠른 3차원 영상을 획득할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 장치 전체의 무게를 획기적으로 줄이고, 사이즈를 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 실선(Solid Line)이 아닌 도트 라인(Dot Line) 형태의 다점 출력광을 방출한 후 목표물로부터 반사되어 돌아오는 반사광을 라인 배열형태의 광학검출기인 광수신모듈로 검출하여 3차원 포인트 클라우드 데이터 영상을 형성함에 따라 광원의 출력을 줄여 저출력 광파워를 이용하면서도 다채널로 단위 스캐닝 픽셀 당 수신되는 광의 밀도가 높은 거리영상신호를 얻을 수 있는 이점이 있다.

또한, 곡면 미러를 적용함에 따라 평면 미러를 사용하는 것보다 광 주사각도를 높이고 수신광량을 높일 수 있는 이점이 있다.

또한, 회절광학소자의 회절용 패턴을 변경하는 간단한 방식으로, 8 도트 라인, 16 도트 라인, 32 도트 라인 등 다양한 수의 도트 라인을 선택함은 물론 단점 입사광에서 도트 라인으로 분할되는 퍼짐 각도를 수십 도까지 설정할 수 있어 3차원 스캐닝 센서의 수직 정밀도 요구에 맞게 제작하여 쉽게 변경할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 광주사부를 도시한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템을 도시한 일부 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템을 통해 광이 방출되는 경로를 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템을 통해 광이 수신되는 경로를 표시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 DOE mask pattern(15mm X 15mm 사이즈) 구조를 예시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 회절광학소자에 의해 단점 입사광이 다점 입사광으로 분할되는 것을 예시한 도면이다.
도 11은 다점 도트 라인 광의 분포를 예시한 도면이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐닝 시스템은, 펄스 레이저 광을 소정의 시야각 범위를 커버하도록 회전시켜 주사하여 방출한 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하여 목표물의 거리를 산출하여 3차원 영상을 획득하는 시스템으로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광송신모듈(100), 광수신모듈(200) 및 제어기(300)를 포함하여 구성된다.

본 실시예의 3차원 스캐닝 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 운전장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

먼저, 상기 광송신모듈(100)에 대하여 설명하도록 한다.

상기 광송신모듈(100)은 3차원 스캐닝을 위한 펄스 레이저 광을 방출하는 부분으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 광분할부(110)와 광주사부(120)를 포함하여 구성된다.

상기 광분할부(110)는 광원(미도시)으로부터 제공되는 단점 입사광(L1, 펄스 레이저 광)을 분할하는 부분으로서, 예를 들어, 레이저 다이오드 등과 같은 광원으로부터 제공되는 단점 입사광(L1)의 광축을 정렬한 후 다점 출력광(L2)으로 분할하도록 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 광분할부(110)는, 광원으로부터 제공되는 단점 입사광(L1)의 광축을 정렬시키는 콜리메이터(111), 상기 콜리메이터(111)에 의해 광축이 정렬된 단점 입사광(L1)의 경로를 전환시키는 입사광 반사부재(112), 상기 입사광 반사부재(112)에 의해 반사된 단점 입사광(L1)의 경로 상에 배치되어 상기 단점 입사광(L1)을 통과시킴에 따라 상기 단점 입사광(L1)을 다점 출력광(L2)으로 분할시키는 회절광학소자(113)를 포함하여 구성된다.

한편, 상기 콜리메이터(111), 입사광 반사부재(112), 회절광학소자(113)가 상기에서 설명한 바와 같은 관계로 배열될 수 있도록, 상기 광분할부(110)는 ㄱ자형으로 형성되어 내부에 ㄱ자형 통과홀(115h)이 형성된 광전환하우징(115), 일단이 상기 광전환하우징(115)의 일측단에 구비되고 타단에 경사부가 형성된 미러홀더(116)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 회절광학소자(113)를 장착하기 위한 홀더하우징(m1, m2)와 반사광 반사부재(210)를 상기 미러홀더(116)의 경사부에 장착하기 위한 고정프레임(m3) 등이 더욱 구비될 수 있다.

즉, 상기 광전환하우징(115)의 타측단에 구비된 콜리메이터(111)가 광원으로부터 제공되는 단점 입사광(L1)을 제공받아 광축을 정렬시킨 후 상기 입사광 반사부재(112)로 송신하고, 상기 광전환하우징(115)의 내부에 형성된 ㄱ자형 통과홀(115h)의 코너부에 구비된 상기 입사광 반사부재(112)가 단점 입사광(L1)을 대략 90°정도로 반사시켜 회절광학소자(113)를 향하여 송신하며, 상기 회절광학소자(113)는 상기 단점 입사광(L1)을 다점 출력광(L2)으로 분할하여 상기 미러홀더(116)에 형성된 슬릿형 홀(116h)을 통하여 광주사부(120)를 향하도록 송신하게 된다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 회절광학소자(113)는 회절용 패턴이 형성되어 광의 회절이 이뤄지도록 하는 필터로서, 상기 콜리메이터(111)로부터 송신되는 단점 입사광(L1)을 소정 각도로 펼쳐진 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)으로 분할하게 된다.

예를 들어, 상기 회절광학소자(113)는, Quartz 또는 Fused Silica Wafer 소재에 포토 리소그라피 제공정을 통해 회절광학소자(DOE, Diffractive Optical Element) 마스크 패턴을 식각함으로써 단점 입사광(L1)을 다점 출력광(L2)으로 분할하도록 구성될 수 있으며, 회절용 패턴을 다양하게 적용함에 따라, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 회절광학소자(113)로 입사된 단점 입사광(L1)이 8 도트 라인, 16 도트 라인, 32 도트 라인 등 다양한 수의 도트 라인의 다점 출력광(L2)이 되도록 함은 물론 단점 입사광(L1)에서 도트 라인으로 분할되는 퍼짐 각도를 수십 도까지 쉽게 조절할 수 있다.

상기 광주사부(120)는 상기 광분할부(110)에 의해 수직으로 분할된 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)을 소정의 시야각 범위를 커버하도록 회전시켜 주사하는 부분으로서, 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)에 대해 수직인 방향으로 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)을 소정의 시야각 범위(도 5의 α° 범위, 대략 60° 내지 90°)를 커버할 수 있도록 회전하면서 반사시키도록 구성되어, 적어도 상기 시야각(FOV, Field Of View)의 범위 구간에 대한 스캐닝이 이뤄질 수 있도록 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 광주사부(120)는 상기 회절광학소자(113)를 통과하여 도트 라인 형태로 분할된 다점 출력광(L2)의 진행 경로 상에 위치하도록 배치될 수 있으며, 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)을 회전하면서 반사시킬 수 있도록 평면구조의 회전형 미러(114)를 포함하여 구성되며, 상기 회전형 미러(114)를 장착하기 위한 하우징(121a, 121b)과, 상기 하우징(121a, 121b)을 회전시킴에 따라 상기 회전형 미러(114)를 일방향으로 회전시키기 위한 구동모터(122)가 구비된다.

한편, 광 주사각도를 높이고, 리시버(230)의 수신광량을 높이며, 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)을 보다 넓은 범위 각도로 반사시켜 주사할 수 있도록, 상기 평면구조의 회전형 미러(114)를 대체하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 곡면구조의 회전형 미러(114)로 구성할 수도 있음은 물론이다.

또한, 상기 회전형 미러(114)는 구동모터(122)의 회전축에 대해 양측면이 대칭으로 반사면을 형성하여 한 번의 회전으로 두 번 동일한 방향으로 광을 송수신할 수 있도록 구성함으로써 2배 빠른 속도로 3차원 영상을 획득할 수 있도록 제작할 수 있다.

상술한 바와 같이, 광분할부(110)와 광주사부(120)로 구성된 광송신모듈(100)의 구성에 따르면, 광원으로부터 제공되는 단점 입사광(L1)의 광축을 정렬한 후 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)으로 수직 분할하여 회전하면서 반사시킴에 따라 일정한 각도로 스캐닝을 하는 목표물을 향한 방향에 대한 소정의 수평의 시야각 범위를 커버할 수 있는 형태로 주사할 수 있게 된다.

특히, 실선(Solid Line)이 아닌 도트 라인(Dot Line) 형태의 다점 출력광(L2)을 3차원 스캔을 위해 사용함으로써 저출력 광원을 이용하면서도 단위 스캐닝 픽셀 당 수신되는 광의 밀도를 높여 높은 수준의 반사광 신호를 얻을 수 있고, 이를 통해 광송신모듈(100)의 무게를 획기적으로 줄일 수 있음은 물론 구조를 간소화할 수 있게 된다.

다음으로, 상기 광수신모듈(200) 및 제어기(300)에 대하여 설명하도록 한다.

상기 광수신모듈(200)은 상기 광송신모듈(100)에서 방출된 후 목표물로부터 반사된 반사광(L3)을 수신하기 위한 부분으로서, 반사광(L3)을 수신하여 상기 제어기(300) 측으로 송신되도록 하며, 반사광(L3)을 수신하기 위한 렌즈(220) 및 광검출소자(230, Photo Detector)등을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 광송신모듈(100)에서 방출된 후 목표물로부터 반사되어 상기 광수신모듈(200)로 수신되는 반사광(L3)은, 상기 회전형 미러(114)에 의해 반사되어 1차적으로 경로가 전환되고, 상기 회전형 미러(114)에 의해 반사된 반사광(L3)의 경로 상에 배치된 반사광 반사부재(210)에 의해 2차적으로 경로가 전환되어 상기 광수신모듈(200)의 렌즈(220) 및 실린더리컬렌즈(225)를 통과하여 광검출소자(230)로 수신될 수 있으며, 상기 반사광 반사부재(210)는 상기 미러홀더(116)의 경사부 상에 구비되어 반사광(L3)이 광수신모듈(200)로 수신될 수 있도록 반사하게 된다.

상기 렌즈(220)는 비구면렌즈(Aspheric Lens)이고, 상기 실린더리컬렌즈(225)는 렌즈 표면이 원주의 측면 형태로 형성된 렌즈로서, 예를 들어, 상기 회전형 미러(114)에 의해 상기 광검출소자(230)로 수신되는 반사광(L3)을 직선라인 형태로 집광하여 상기 광검출소자(230)의 광검출 영역으로 반사광(L3)이 모일 수 있도록 한다.

한편, 상기 반사광 반사부재(210)의 중앙측에는, 상기 회절광학소자(113)에 의해 분할된 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)을 통과시키기 위한 슬릿 형태의 통과홀(210h)이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 반사광 반사부재(210)의 표면은 상기 슬릿형태의 통과홀(210h)과 같은 방향으로 곡률을 가지는 곡면의 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 형상을 통해 작은 크기의 통과홀(210h)을 형성하면서도 광검출소자(230)로 수신되는 광량을 극대화할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 광수신모듈(200)의 구성에 따르면, 회전형 미러(114)와 반사광 반사부재(210)에 의해 경로가 전환된 반사광(L3)을 수신하게 되며, 수신된 반사광(L3)에 대한 정보를 제어기(300)로 전송하게 되고, 상기 제어기(300)는 상기 광수신모듈(200)로 수신된 반사광(L3)에 근거하여 목표물의 화상을 생성하게 된다.

한편, 상기 회절광학소자(113)에 의해 분할된 도트 라인 형태의 다점 출력광(L2)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 양 단부 측을 향할수록 광량이 적을 수 있는데, 이를 보완하기 위한 수광렌즈(220)나 광검출소자(230)의 출력신호를 차등 증폭회로를 적용하여 보완할 수 있다. 도 11의 세로축은 광량, 가로축은 수직 도트 라인의 상태위치를 의미한다.

상술한 바와 같이, 광송신모듈(100), 광수신모듈(200) 및 제어기(300)를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템의 구성에 따르면, 회절광학소자(113)를 이용하여 단점 입사광(L1)을 실선(Solid Line)이 아닌 도트 라인(Dot Line) 형태의 다점 출력광(L2)을 분할하여 방출하는 방식으로 3차원 스캔이 이뤄지도록 구성됨에 따라 저출력의 레이저 광파워를 이용하면서도 단위 스캐닝 픽셀 당 수신되는 광의 밀도를 높여 높은 수준의 거리영상신호를 얻을 수 있으며, 또한, 회절광학소자(113)의 회절용 패턴을 변경하는 방식으로 다점 출력광(L2)의 갯수와 퍼짐 각도를 간단하게 조절할 수 있어 정밀도 요구에 맞도록 쉽게 변경할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

100:광송신모듈 110:광분할부
111:콜리메이터 112:입사광 반사부재
113:회절광학소자 114:회전형미러
115:광전환하우징 115h:ㄱ자형 통과홀
116:미러홀더 120:광주사부
121a, 121b:하우징 122:구동모터
200:광수신모듈 210:반사광 반사부재
210h:통과홀 300:제어기
L1:단점 입사광 L2:다점 출력광
L3:반사광

Claims (10)

1. 단점 입사광을 다점 출력광으로 분할하는 광분할부와, 상기 광분할부에 의해 분할된 다점 출력광을 소정의 시야각 범위를 커버하도록 회전시켜 주사하는 광주사부를 포함하는 광송신모듈;
   상기 광송신모듈에서 방출된 후 목표물로부터 반사된 반사광을 수신하기 위한 광수신모듈; 및
   상기 광수신모듈로 수신된 반사광에 근거하여 목표물의 화상을 생성하는 제어기;를 포함하여 구성되는 3차원 스캐닝 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광분할부는,
   상기 단점 입사광을 소정 각도로 펼쳐진 도트 라인 형태의 다점 출력광으로 분할하도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광주사부는,
   상기 도트 라인 형태의 다점 출력광에 대해 수직인 방향으로 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광을 소정의 시야각 범위를 커버하도록 회전하면서 반사시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 광주사부는,
   회전형 미러로 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 회전형 미러는,
   양측 표면에 평면 미러가 구비되거나, 양측 표면에 회전 방향으로 굴곡진 곡면 미러가 구비된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 광분할부는,
   회절용 패턴이 형성된 회절광학소자를 통해 상기 단점 입사광을 다점 출력광으로 분할하도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 광분할부는,
   광원으로부터 제공된 단점 입사광의 광축을 정렬시키는 콜리메이터;
   상기 콜리메이터에 의해 광축이 정렬된 단점 입사광의 경로를 전환시키는 입사광 반사부재; 및
   상기 입사광 반사부재에 의해 반사된 단점 입사광의 경로 상에 배치되어 상기 단점 입사광을 통과시킴에 따라 상기 단점 입사광을 도트 라인 형태의 다점 출력광으로 분할시키는 회절광학소자;를 포함하여 구성되고,
   상기 광주사부는,
   상기 회절광학소자에 의해 분할된 도트 라인 형태의 다점 출력광의 경로 상에 배치되어 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광에 대해 수직인 방향으로 상기 도트 라인 형태의 다점 출력광을 회전하면서 반사시켜 소정의 시야각 범위를 커버하도록 하는 회전형 미러;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 광송신모듈에서 방출된 후 목표물로부터 반사되어 상기 광수신모듈로 수신되는 반사광은,
   상기 회전형 미러에 의해 반사되어 1차적으로 경로가 전환되고, 상기 회전형 미러에 의해 반사된 반사광의 경로 상에 배치된 반사광 반사부재에 의해 2차적으로 경로가 전환되어 상기 광수신모듈로 수신되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 반사광 반사부재의 중앙측에는,
   상기 회절광학소자에 의해 분할된 도트 라인 형태의 다점 출력광을 통과시키기 위한 통과홀이 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 광분할부는,
    ㄱ자형으로 형성되어 내부에 ㄱ자형 통과홀이 형성된 광전환하우징;
    일단이 상기 광전환하우징의 일측단에 구비되고, 타단에 경사부가 형성된 미러홀더;를 더 포함하여 구성되며,
    상기 콜리메이터는 상기 광전환하우징의 타측단에 구비되고, 상기 입사광 반사부재는 상기 광전환하우징의 내부에 형성된 ㄱ자형 통과홀의 코너부에 구비되며, 상기 반사광 반사부재는 상기 미러홀더의 경사부 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐닝 시스템.

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