KR20220105957A - 2d pattern laser based 3d scanner apparatus - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a three dimensional scanner device based on a two dimensional pattern laser that acquires 3D shape information of an object, comprising: a stage that can rotate 360 degrees at a constant rotation speed by placing a measurement object thereon; a scan module including a light emitting unit and a light receiving unit provided at a predetermined distance apart and installed in directions orthogonal to each other on the upper side and side of the measurement object; and a control unit for generating 3D shape information according to depth information obtained by using a triangulation method for an image acquired through an image sensor of the light receiving unit when the 2D pattern light emitted by the light emitting unit is reflected from the measurement object. An objective of the present invention is to provide an operation method of the 3D scanner that can effectively obtain information on an entire measurement object by rotating the stage 360 degrees while simultaneously reading 3D shape information through the sensor of the light receiving unit after a pattern beam emitted by the light emitting unit hits an object.

Description

2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치{2D PATTERN LASER BASED 3D SCANNER APPARATUS}Two-dimensional pattern laser-based three-dimensional scanner device {2D PATTERN LASER BASED 3D SCANNER APPARATUS}

본 발명은 3차원 스캐너 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 직교하는 방향에서 발광하는 2D 패턴 레이저의 조사에 따라 피사체의 3D 형상 정보를 획득하는 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치에 관한 것이다.The present invention relates to three-dimensional scanner technology, and more particularly, to a two-dimensional pattern laser-based three-dimensional scanner device that acquires 3D shape information of a subject according to irradiation of a 2D pattern laser emitting light in a direction orthogonal to each other.

일반적으로 스캐너는 측정 대상물을 스캐닝하여 측정 대상물의 정보를 획득하는 장치로서, 최근 들어 3차원 정보를 필요로 하는 분야가 많이 늘어나고 있다.In general, a scanner is a device for acquiring information about a measurement object by scanning a measurement object, and recently, fields requiring 3D information are increasing.

3D 스캔 기술로서, 일정한 패턴을 가지는 구조광(Structured light)을 대상 물체에 투사하고 피사체의 형상에 따라 해당 패턴의 일그러짐을 분석하여 입체 정보를 획득하여 3D 이미지를 생성하는 광학식 3D 스캔기술이 주로 사용된다.As a 3D scanning technology, an optical 3D scanning technology that generates 3D images by projecting structured light having a certain pattern onto a target object and analyzing the distortion of the pattern according to the shape of the object is mainly used do.

구조광을 이용하는 방식을 가진 3D 스캐너는 1개의 구조광 모듈과 1개의 카메라로 구성이 되어 피사체 일부분의 3D 이미지를 추출한 뒤 위치를 회전시켜 가면서 반복 작업을 하여 피사체 전체의 3D 이미지를 추출하게 된다.A 3D scanner that uses structured light consists of one structured light module and one camera, extracts a 3D image of a part of the subject, rotates the position, and repeats the process to extract the 3D image of the entire subject.

이때 측정 대상물의 표면정보를 획득하기 위해 다각도에서 측정 대상물을 촬상하는 것이 요구되고 이를 위해 측정 대상물의 위치 및 촬상부의 위치 중 적어도 하나 이상은 이동이 된다. 이러한 스캔 과정에서 측정 대상물의 수평면상 또는 수직선상의 위치이동은 촬상부의 촬상영역을 벗어나거나 촬상영역 내에서의 거리 변화가 발생함으로써 촬상결과로부터 획득한 스캐닝 정보에 신뢰도가 저하될 수 있다.At this time, it is required to image the measurement object from multiple angles in order to obtain surface information of the measurement object, and for this purpose, at least one of the position of the measurement object and the position of the imaging unit is moved. In such a scanning process, when the position of the measurement object on a horizontal plane or a vertical line moves out of the imaging area of the imaging unit or a distance change occurs within the imaging area, the reliability of the scanning information obtained from the imaging result may be lowered.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0125248호(2020.11.04.)에서 스캔 공간 상에서 제1회전축을 중심으로 스윙 회동 가능하게 구비되고, 스캔모듈이 구비된 제1프레임, 상기 제1프레임과 연동하여 스윙 회동되되, 상기 제1회전축과 동일 이격거리를 가지도록 상기 제1회전축에 대하여 평행되게 이격된 제2회전축이 형성하는 스윙 궤적을 이루면서 회동되고, 측정 대상물이 안착되는 제2프레임, 일단은 상기 제1프레임과 연동하도록 상기 제1회전축 측에 연결되고, 타단은 상기 제2프레임과 상대 회전 가능하도록 상기 제2회전축 측에 연결되는 연결 프레임 및 상기 연결 프레임을 매개로 상기 제1프레임과 상기 제2프레임을 연결하도록 구비되고, 상기 제1프레임의 스윙 회동에 대하여 연동되는 상기 제2프레임을 수평 유지시키는 연동부를 포함함으로써, 측정 대상물의 스캔 과정 동안 측정 대상물의 유격 및 낙하를 방지하는 3차원 스캐너 장치를 제공하고 있다.As a conventional technique for solving the above problems, in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2020-0125248 (2020.11.04.), it is provided to be swingably rotatable about the first rotational axis in the scan space, and the scan module is The provided first frame is swing-rotated in association with the first frame, and is rotated while forming a swing trajectory formed by a second rotational shaft spaced parallel to the first rotational shaft to have the same spacing as the first rotational shaft. , a second frame on which the measurement object is seated, one end connected to the first rotational shaft side to interlock with the first frame, and the other end connected to the second rotational shaft side so as to be rotatable relative to the second frame, and A scanning process of a measurement object by including an interlocking part that is provided to connect the first frame and the second frame via the connection frame and horizontally maintains the second frame that is interlocked with respect to the swing rotation of the first frame A three-dimensional scanner device is provided that prevents gaps and falls of a measurement object while it is being measured.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 스캔모듈이 측정 대상체에 대하여 서로 직교하는 방향으로 설치되고, 상기 스캔모듈에 의하여 조사되는 2D 패턴 레이저 광원의 반사되어 돌아온 이미지에 대하여 삼각측량 방식으로 측정 대상체의 3D 형상 정보 추출을 하는 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치를 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been derived to solve the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to install a scan module in a direction orthogonal to each other with respect to a measurement object, An object of the present invention is to provide a two-dimensional pattern laser-based three-dimensional scanner device that extracts 3D shape information of an object to be measured in a triangulation method with respect to a reflected and returned image.

또한, 본 발명의 다른 목적은 점광원으로 생성되는 레이저 빔을 라인 광으로 변화시켜 생성하는 라인제너레이터 및 격자(Grating) 구조를 기반으로 하는 격자 회절에 의해 2D 패턴 광을 형성하는 스캔모듈을 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a line generator that converts a laser beam generated as a point light source into line light and generates a scan module that forms 2D pattern light by grating diffraction based on a grating structure. will do

또한, 본 발명은 발광부에 의해 발광된 패턴 빔이 물체에 맞아 수광부의 센서를 통해 3D 형상 정보를 동시에 읽는 동안 스테이지가 360도 회전하도록 하여 측정 대상체 전체의 정보를 효과적으로 획득할 수 있도록 하는 3D scanner의 작동 방식을 제공하고자 하는 목적이 있다.In addition, the present invention is a 3D scanner that allows the stage to rotate 360 degrees while simultaneously reading 3D shape information through the sensor of the light receiving unit as the pattern beam emitted by the light emitting unit hits the object to effectively acquire the information of the entire measurement object The purpose is to provide a way to work.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 3D 스캐너 장치는 측정 대상체를 올려놓고 일정 회전 속도로 360도 회전 가능한 스테이지, 일정 거리 이격되어 구비되는 발광부와 수광부를 포함하고, 상기 측정 대상체의 상측과 옆측에서 서로 직교하는 방향으로 각각 설치되는 스캔모듈 및 상기 발광부에 의해 발광된 2D 패턴 광이 측정 대상체에서 반사되어 수광부의 이미지 센서를 통해 획득된 영상에 대하여 삼각 측정 방식(Triangulation)을 이용하여 획득되는 깊이 정보에 따라 3D 형상 정보를 생성하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.A 3D scanner device according to an aspect of the present invention for solving the above technical problem includes a stage rotatable 360 degrees at a constant rotation speed on placing an object to be measured, a light emitting unit and a light receiving unit spaced apart from each other by a predetermined distance, and the measurement object Triangulation is performed on the image acquired through the image sensor of the light receiving unit by reflecting the 2D pattern light emitted by the scan module and the light emitting unit respectively installed in the upper and side directions perpendicular to each other on the upper side and the side side of the It may be characterized in that it comprises a control unit for generating 3D shape information according to the depth information obtained by using the.

또한, 본 발명의 상기 스캔모듈은 점 광원으로 생성되는 레이저 빔을 조사하는 레이저 소스, 상기 레이저 소스의 일정 거리 선단에서 상기 점 광원을 투과시켜 라인 광으로 변화시키는 라인제너레이터 및 상기 라인제너레이터의 선단에 배치되어 상기 라인 광을 소정 각도로 회절 시키는 균일 격자체로 이루어져 2D 패턴 광으로 변환시켜 방사하는 발광부와 상기 발광부에 방사된 2D 패턴 광을 수신하기 위한 CCD 또는 CMOS 센서 중의 어느 하나를 사용하는 수신부로 구성되는 특징이 있다.In addition, the scan module of the present invention includes a laser source that irradiates a laser beam generated by a point light source, a line generator that transmits the point light source at a predetermined distance from the tip of the laser source to change it into line light, and a tip of the line generator. A light emitting unit that is arranged and made of a uniform grating that diffracts the line light at a predetermined angle and converts it into 2D pattern light and emits it, and a receiver using either a CCD or CMOS sensor for receiving the 2D pattern light emitted from the light emitting unit. It is characterized by the

또한, 본 발명의 상기 균일 격자체는 삼각라인 격자 패턴의 방향이 상호 직교하도록 서로 포개어진 이중 구조로 형성되어 수직 및 수평 방향으로 일정하게 방사되는 구조광(Structured light)을 형성할 수 있다.In addition, the uniform grid body of the present invention is formed in a double structure superimposed on each other so that the directions of the triangular line grid pattern are orthogonal to each other, it is possible to form structured light that is uniformly radiated in vertical and horizontal directions.

또한, 본 발명의 상기 구조광은 균일 격자체 기반 레이저 패턴광으로 발광되어 멀티 라인 및 격자(Grid) 라인의 2차원 패턴 형태로 형성되는 특징이 있다.In addition, the structured light of the present invention is characterized in that it is emitted as a uniform grid-based laser pattern light and is formed in the form of a two-dimensional pattern of multi-lines and grid lines.

또한, 본 발명의 상기 삼각 측정 방식(Triangulation)은 발광부에서 조사되는 2D 패턴광의 패턴 함수와 측정 대상체에서 형성되어 획득된 2D 패턴광의 패턴 함수의 위상차(Diphase)를 기반으로 3D 형상 정보를 분석하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the triangulation method of the present invention analyzes 3D shape information based on the phase difference (Diphase) of the pattern function of the 2D pattern light irradiated from the light emitting part and the pattern function of the 2D pattern light formed and obtained from the measurement object. can be characterized as

또한, 본 발명의 상기 발광부에 의해 발광된 2D 패턴 광을 상기 수광부의 센서를 통해 3D 형상 정보를 동시에 읽는 동안 상기 스테이지가 360도 회전하도록 하여 측정 대상체 전체의 정보를 획득할 수 있다.In addition, the stage rotates 360 degrees while simultaneously reading the 2D pattern light emitted by the light emitting unit through the sensor of the light receiving unit to obtain information on the entire measurement object.

전술한 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치에 의한 본 발명은 발광부에 의해 조사되는 2D 패턴 광을 수광부의 센서를 통해 3D 형상 정보를 동시에 읽는 동안 스테이지가 360도 회전하도록 하여 측정 대상체 전체의 정보를 효과적으로 획득할 수 있는 장점이 있다.The present invention by the above-described two-dimensional pattern laser-based three-dimensional scanner device allows the stage to rotate 360 degrees while simultaneously reading the 3D shape information through the sensor of the light receiving part for the 2D pattern light irradiated by the light emitting unit, so that the information of the entire measurement object has the advantage of being able to effectively obtain

또한, 본 발명은 균일 격자 회절 광학계를 이용함으로써 발광부의 구조가 간단하고 기존의 굴절 광학계에서 어려운 균일한 2D 구조광을 구현할 수 있어, 어떠한 평면에서도 편차가 적은 균일한 검사의 수행이 가능한 효과가 있다. In addition, the present invention has a simple structure of the light emitting part by using a uniform grating diffraction optical system and can implement uniform 2D structured light, which is difficult in conventional refractive optical systems, so that it is possible to perform uniform inspection with little deviation in any plane. .

또한, 본 발명은 프린지 패턴(Fringe Pattern) 기반의 삼각 측정 방식을 이용함으로서, 표면의 3D 형상에 대한 실시간 검사 측정이 가능하며, 이미지 처리 및 칼라코딩을 이용하여 정확한 물체의 형상을 쉽게 파악할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention uses a triangulation method based on a fringe pattern, so that real-time inspection and measurement of the 3D shape of the surface is possible, and the shape of an accurate object can be easily grasped using image processing and color coding. There are advantages.

도 1은 본 발명에 따른 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치의 대략적인 개요를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2D 패턴 광의 생성 경로를 표현하는 발광부의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 직교하는 스캔모듈의 패턴 레이저를 기반으로 하는 삼각측정 방식의 예시도이다.
도 4의 (a)는 프린지 방식 투영 방법의 예시도이고, (b)는 프린지 투영 기술의 물리적 원리를 보여주는 예시도이다.1 is an exemplary diagram for explaining a rough outline of a two-dimensional pattern laser-based three-dimensional scanner device according to the present invention.
2 is an exemplary view of a light emitting unit representing a generation path of 2D pattern light according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary diagram of a triangulation method based on a pattern laser of an orthogonal scan module according to the present invention.
4A is an exemplary diagram of a fringe projection method, and FIG. 4B is an exemplary diagram illustrating a physical principle of a fringe projection technique.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 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.The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that there is, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in the present specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can replace them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.

이에 도 1은 본 발명에 따른 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치의 대략적인 개요를 설명하기 위한 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 스캔모듈 발광부의 2D 패턴 광의 생성 경로를 표현하는 예시도이다.Accordingly, FIG. 1 is an exemplary view for explaining a rough outline of a two-dimensional pattern laser-based three-dimensional scanner device according to the present invention, and FIG. to be.

도시에서와 같이 본 발명의 3D 스캐너 장치는 측정 대상체(100)를 올려서 일정 시간 간격으로 360도 회전하게 하는 스테이지(130)와 발광부(L1, L2)와 수광부(S1, S2)를 구비하는 스캔모듈(110) 및 스테이지(130)와 스캔모듈(110)을 제어하고 측정 대상체(100)의 3D 정보를 형성하는 제어부(120)로 구성될 수 있다.As shown in the figure, the 3D scanner device of the present invention includes a stage 130 that raises the measurement object 100 and rotates it 360 degrees at regular time intervals, and light emitting units L1 and L2 and light receiving units S1 and S2. The module 110 , the stage 130 , and the control unit 120 for controlling the scan module 110 and forming 3D information of the measurement object 100 may be configured.

이때 상기 스캔모듈(110)은 상기 측정 대상체(100)에 대하여 서로 직교하는 방향으로 설치되며, 측정 대상체의 상측에서 광을 조사하고 이미지를 스캐하는 제1 스캔모듈(110a)과 측면에서 광을 조사하고 이미지를 스캔할 수 있는 제2 스캔모듈(110b)로 구분될 수 있다.At this time, the scan module 110 is installed in a direction orthogonal to each other with respect to the measurement object 100, and irradiates light from the upper side of the measurement object and the first scan module 110a for scanning an image and the side surface. and a second scan module 110b capable of scanning an image.

즉 본 발명의 3D 스캐너 장치는 서로 직교하는 방향으로 설치된 제1 및 제2 스캔모듈(110)의 발광부(L1, L2)로 부터 2D 패턴 광을 측정 대상체(100)에 프로젝트 식으로 조사하면서, 발광된 패턴 빔이 측정 대상체(100)에 맞고 반사할 때, 스캔모듈(110) 각각의 수광부(S1, S2)에서 획득되는 이미지의 각 패턴 형태를 삼각측량 방식(Triangulation)을 이용해서 깊이 정보에 따른 형상 정보를 생성하고, 상기 회전 스테이지(130)의 360도 회전에 따라 상측과 측면에 대한 형상 정보를 결합하여 측정 대상체(100)의 전체적인 3D 정보를 획득하는 방식이라 할 수 있다.That is, the 3D scanner device of the present invention irradiates 2D pattern light from the light emitting units L1 and L2 of the first and second scan modules 110 installed in a direction perpendicular to each other to the measurement object 100 in a project manner, When the emitted pattern beam hits and reflects the measurement object 100, each pattern shape of the image acquired by each light receiving unit S1, S2 of the scan module 110 is converted to depth information using a triangulation method. It can be said that it is a method of generating the shape information in accordance with the rotation stage 130 and combining the shape information on the upper side and the side according to the 360 degree rotation of the rotation stage 130 to obtain the overall 3D information of the measurement object 100 .

또한, 도 2에서와같이 본 발명의 발광부(L1, L2)는 레이저를 점광원으로 발생시키는 레이저 소스(111), 상기 레이저 소스(111)에서 조사된 점 광이 투과되어 일정 미세 선폭의 멀티 라인 광으로 변화시키는 라인제너레이터(112) 및 생성된 라인 광을 소정 각도로 회절시키기 위하여 균일 격자 구조로 형성되는 적어도 하나 이상, 바람직하게는 두 개의 균일 격자체(Uniform Grating)(113)의 조합으로 이루어져 2D 패턴 레이저빔을 생성하게 할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2 , the light emitting units L1 and L2 of the present invention include a laser source 111 that generates a laser as a point light source, and the point light irradiated from the laser source 111 is transmitted through a multi-layer having a predetermined fine line width. A combination of at least one, preferably two, uniform gratings 113 formed in a uniform grating structure in order to diffract the line generator 112 to change the line light and the generated line light at a predetermined angle. It can be made to generate a 2D patterned laser beam.

여기서 상기 레이저 소스(111)는 점광원이 되는 레이저 빔을 생성하는 것으로서, 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode, LD)중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 특히 하이파워 레이저 다이오드(LD)에 의한 집광 광원을 형성할 수 있는 광원이면 더욱 바람직하다.Here, the laser source 111 generates a laser beam serving as a point light source, and may be composed of any one of a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD), particularly a high-power laser diode. It is more preferable if it is a light source which can form the condensing light source by (LD).

이때 레이저 광의 집광을 위하여 레이저 소스(111) 전면에 초접점 집광렌즈(미도시)가 구비될 수 있고, 이를 통하여 집광된 점광원이 조사될 수 있도록 할 수 있다.In this case, a focal point condensing lens (not shown) may be provided on the front surface of the laser source 111 for condensing the laser light, and through this, the condensed point light source may be irradiated.

상기 라인제너레이터(112)는 집광된 점 광을 라인 광으로 변화 생성시키는 역할을 하는 것으로서, 레이저 소스(111)의 일정 거리 선단에서 출력되는 점 광을 투과시켜 라인 광으로 변화시킨다.The line generator 112 serves to change the focused point light into line light, and transmits the point light output from the tip of the laser source 111 at a predetermined distance to change it into line light.

상기 라인제너레이터(112)로는 실린더 렌즈(Cylinder lens, CL) 균일 격자체(Uniform Grating) 또는 광 필터등을 사용하여 이루어질 수 있다. The line generator 112 may be formed using a cylinder lens (CL), a uniform grating, or an optical filter.

이는 본 발명의 균일 격자체(Uniform Grating)(113)와 같은 구조를 이용하여 집광된 점 광을 복수개의 라인 형태로 투과시킬 수도 있다는 것이며, 점 광을 복수개의 라인 형태로 투과시킬 수 있는 광 필터를 사용할 수도 있다는 것이다. 이에 본 발명의 상기 라인제너레이터(112)는 집광된 점 광을 투과하여 복수개의 라인 광으로 변화시킬 수 있는 것이면 어느 것이든 변경 적용이 가능하다.This means that, using the same structure as the uniform grating 113 of the present invention, the focused point light may be transmitted in the form of a plurality of lines, and an optical filter capable of transmitting the point light in the form of a plurality of lines. that you can also use . Accordingly, the line generator 112 of the present invention can be changed and applied as long as it can transmit the focused point light and change it into a plurality of line lights.

또한, 실린더 렌즈(Cylinder lens, CL)란 일반적으로 입사광을 한 줄에 초점을 맞추거나 단일 축에서만 이미지 확대가 가능하여 이미지의 화면 비(aspect ratio)를 변경하는데 사용되는 렌즈이다. 즉 실린더 렌즈는 하나의 원통형의 형상으로 입사광을 한 줄로 초점을 맞추고 길게 늘이는 라인 생성(laser line generator)에 적합한 렌즈라 할 수 있다.In addition, a cylinder lens (CL) is a lens used to change an aspect ratio of an image by focusing incident light on one line or magnifying an image only on a single axis. That is, the cylinder lens has a cylindrical shape and is a lens suitable for a laser line generator that focuses and elongates incident light in one line.

이에 본 발명의 균일 격자체(113)는 라인제너레이터(112)의 일정 거리 선단에 배치되어 입사되는 레이저 광을 여러 다른 방향의 빛살로 회절 시킬 수 있는 회절격자(diffraction grating)로서, 일정 피치와 일정 경사각을 갖는 삼각라인 패턴 형태의 돌출부로 이루어진 격자 구조(grating)를 적용하여 이루어진 구조체를 적용한다.Accordingly, the uniform grating 113 of the present invention is a diffraction grating that is disposed at the front end of the line generator 112 at a predetermined distance and can diffract the incident laser light into beams of different directions, with a predetermined pitch and a constant pitch. A structure made by applying a grating structure consisting of protrusions in the form of a triangular line pattern having an inclination angle is applied.

또한, 구현에 따라서, 상기 균일 격자체(113)는 삼각 라인 형태의 인접한 돌출부 사이에 소정 간격만큼 주면과 대략 평행한 저면부를 구비할 수 있다.In addition, according to implementation, the uniform grid body 113 may include a bottom portion substantially parallel to the main surface by a predetermined interval between adjacent protrusions in the shape of a triangular line.

이때, 삼각라인 격자 구조의 피치 간격은 100um 내외이고, 접합(Brazing) 경사각도가 35도 내지 40도로 형성될 수 있다.In this case, the pitch interval of the triangular line grid structure is about 100 μm, and the brazing inclination angle may be formed at 35 degrees to 40 degrees.

이에 따라 균일 격자체(113)는 상기 라인제너레이터(112)의 선단에 배치되어 라인 광을 소정 각도로 회절시켜 1차 패턴 빔을 생성하는 투명한 제1 격자체와, 상기 제1 격자체의 선단에서 결합되어 상기 제1 격자체를 투과한 레이저 빔을 소정 각도로 재회절 시켜 투과시키는 투명한 제2 격자체로 두 개의 균일 격자체로 이루어질 수 있다. Accordingly, the uniform grating 113 is disposed at the tip of the line generator 112 and diffracts line light at a predetermined angle to generate a first pattern beam, and a transparent first grating is formed at the tip of the first grating. A transparent second grating that is combined and transmits the laser beam that has passed through the first grating by re-diffraction at a predetermined angle may be formed of two uniform gratings.

이에 상기 제1 격자체의 삼각라인 격자 패턴과 상기 제2 격자체의 삼각라인 격자 패턴의 라인 방향이 상호 직교되도록 형성되어, 레이저 빔의 선폭이 50 내지 100um의 미세 복수 라인을 갖는 일정한 2D 패턴 광을 형성하여 스캔에 활용할 수 있게 되는 것이다. Accordingly, the line directions of the triangular line grid pattern of the first grid body and the triangular line grid pattern of the second grid body are formed to be orthogonal to each other, and the laser beam has a constant 2D pattern having a plurality of fine lines with a line width of 50 to 100 μm. to be used for scanning.

즉 상기 라인제너레이터(112)에서 입사되는 라인 광을 삼각라인 격자 패턴의 방향이 상호 직교하도록 서로 포개어진 이중 구조로 형성된 두 개의 균일 격자체(113)에 의해 수직 및 수평 방향으로 균일한 2D 패턴 빔으로 형성되는 면광원으로 변환시킬 수 있다. 이렇듯 상기 2D 패턴 빔은 다채널로 구성된 시변화 패턴의 구조광(structure beam)으로 이루어질 수 있는 것이다.That is, the line light incident from the line generator 112 is uniformly 2D patterned beam in vertical and horizontal directions by the two uniform grids 113 formed in a double structure superimposed on each other so that the directions of the triangular line grid pattern are mutually orthogonal to each other. It can be converted into a surface light source formed by As such, the 2D pattern beam may be formed of a structured beam having a time-varying pattern composed of multiple channels.

이에 따라 발광부의 상기 구조광은 균일격자체 기반 레이저 패턴광으로 발광 되어 그 형태에 있어 멀티 라인, 크로스 라인 또는 격자(Grid) 라인과 같이 2차원 패턴 형태로 형성되는 것을 의미한다.Accordingly, the structured light of the light emitting part is emitted as a laser pattern light based on a uniform grid, and in its shape, it means that it is formed in the form of a two-dimensional pattern such as a multi line, a cross line, or a grid line.

또한, 본 발명의 스캔모듈(110)에 적용되는 수신부(S1, S2)는 상기 발광부(L1, L2)와 이격되는 일정 거리 위치에서 구비되며, 상기 발광부(L1, L2)에서 방사된 2D 패턴 광을 수신하기 위하여 일정 속도 이상의 프레임 속도(Frame rate)를 구비하며 일정 범위의 화각을 확보할 수 있으며 높은 분해능을 갖는 고성능 컬러 이미지 센서를 구비한 카메라 모듈이라 할 수 있다. In addition, the receiving units S1 and S2 applied to the scan module 110 of the present invention are provided at a predetermined distance spaced apart from the light emitting units L1 and L2, and 2D emitted from the light emitting units L1 and L2. In order to receive pattern light, it can be said that it is a camera module having a high-performance color image sensor having a frame rate higher than a certain speed, a certain range of angles of view, and high resolution.

이때의 상기 이미지 센서로는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 중의 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 상기 수신부(S1, S2)는 3D ToF(Time of Flight) 센서를 더 포함하여 이루어질 수 있다.In this case, as the image sensor, either a charge coupled device (CCD) or a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) may be used. Also, the receiving units S1 and S2 may further include a 3D Time of Flight (ToF) sensor.

또한, 본 발명의 수신부(S1, S2)는 외부광원이나 신호에 무관하게 작동되도록 동기화 과정을 거치도록 설계된다. 상기 동기화 과정이란 발광부(L1, L2)에 따른 신호만을 받아들이고, 그 외 외부환경에 의한 다른 신호들을 제거하는 자체회로를 구비하여 이루어질 수 있다.In addition, the receiver (S1, S2) of the present invention is designed to go through a synchronization process to operate regardless of an external light source or signal. The synchronization process may be accomplished by having its own circuit that receives only the signals according to the light emitting units L1 and L2 and removes other signals due to the external environment.

본 발명의 제어부(120)는 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있으며. 외부 장치와 연동하도록 통신모듈을 구비하거나, 통신모듈에 결합되어 적용될 수 있다. 또한, 디스플레이와 같은 화면 장치를 더 구비하여 3D 형상 정보를 모니터링 및 확인할 수 있다.The controller 120 of the present invention may be implemented as at least one device selected from a logic circuit, a programming logic controller, a microcomputer, a microprocessor, and the like. A communication module may be provided to interwork with an external device, or may be applied by being coupled to the communication module. In addition, a screen device such as a display may be further provided to monitor and confirm 3D shape information.

또한, 상기 제어부(120)는 수신부(S1, S2)에서 수신되는 2D 패턴 광 또는 TOF 영상 이미지를 동기화 매핑(Mapping)하고 깊이(depth) 데이터를 클러스터링(Clustering;군집화)하는 기능을 수행한다. 또한, 상기 제어부(120)는 스캔된 여러장의 이미지들을 하나의 좌표계로 변화하여 정렬하고, 이렇게 정렬된 여러 형상 정보를 하나의 데이터로 합치는 작업을 수행할 수 있다.In addition, the controller 120 performs a function of synchronously mapping the 2D pattern light or TOF image received by the receivers S1 and S2 and clustering the depth data. In addition, the controller 120 may perform an operation of aligning a plurality of scanned images by changing them into one coordinate system, and merging a plurality of pieces of shape information aligned in this way into one data.

이때, 도 3은 본 발명에 따른 직교하는 스캔모듈의 패턴 레이저를 기반으로 하는 삼각측정 방식의 예시도로서, 발광부(L1, L2)에서 피사체 까지의 거리 d, 발광부(L1, L2)와 수광부(S1, S2) 사이의 거리 h를 통하여 tanθ= h/d를 구할 수 있으며, 이때, 2D 패턴 구조광(Structured light)이 물체에 부딪혀 반사되어 돌아오는 반사 영상에서 깊이에 따라 중심지점에서 벗어나는 거리가 발생하게 되며, 이를 삼각 측정 방식(Triangulation)을 이용하여 깊이를 구할 수 있게 되는 것이다.3 is an exemplary view of a triangulation method based on a pattern laser of an orthogonal scan module according to the present invention, the distance d from the light emitting units L1 and L2 to the subject, the light emitting units L1 and L2 and tanθ = h/d can be obtained through the distance h between the light receivers (S1, S2) The distance is generated, and the depth can be calculated using the triangulation method.

즉 본 발명은 프린지 투영(Fringe projection) 방식을 이용하여 표면의 형상 변화를 검사하는 방식으로서, 다채널로 구성된 2D 패턴 광을 프로젝트로 물체에 투사하고 획득한 이미지로부터 구조광의 변화 정보를 이용하여 각 패턴의 형태를 삼각 측정 방식(Triangulation)으로 이용해 영상 및 깊이에 대한 3D 정보를 만들어내는 방식을 적용한다.That is, the present invention is a method of examining the shape change of a surface using a fringe projection method. Each of the multi-channel 2D pattern light is projected onto an object as a project and using information about the change in structure light from the acquired image. A method of generating 3D information about images and depth by using the shape of the pattern as a triangulation method is applied.

도 4의 (a)는 프린지 방식 투영 회로 설정 방법의 예시도이고, (b)는 프린지 투영 기술의 물리적 원리를 보여주는 예시도로서, 즉 본 발명의 삼각 측정 방식(Triangulation)은 발광부에서 조사되는 특정한 발광 패턴의 2D패턴과 측정 대상 물체에서 반사되어 획득된 2D패턴 광에 대한 위상차(Diphase)에 대한 정보를 기반으로 수학적 분석을 통해 3차원 정보를 만들어내는 방식이라 할 수 있다.4 (a) is an exemplary view of a fringe type projection circuit setting method, (b) is an exemplary view showing the physical principle of the fringe projection technology, that is, the triangulation method of the present invention is irradiated from the light emitting part It is a method of generating 3D information through mathematical analysis based on the 2D pattern of a specific light emitting pattern and the information on the phase difference (Diphase) of the 2D pattern light obtained by being reflected from the measurement target object.

전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.As described above, in the detailed description of the present invention, preferred embodiments have been described, but those of ordinary skill in the art will not depart from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It will be understood that various modifications and variations of the present invention may be made.

100: 측정 대상체 110, 110a, 110b: 스캔모듈
111: 레이저 소스 112: 라인제너레이터
113: 균일 격자체 120: 제어부
130: 스테이지 L1, L2: 발광부
S1, S2: 수광부100: measurement object 110, 110a, 110b: scan module
111: laser source 112: line generator
113: uniform grid 120: control unit
130: stage L1, L2: light emitting part
S1, S2: light receiving unit

Claims (6)

3D 스캐너 장치에 있어서,
측정 대상체를 올려놓고 일정 회전 속도로 360도 회전 가능한 스테이지,
일정 거리 이격되어 구비되는 발광부와 수광부를 포함하고, 상기 측정 대상체의 상측과 옆측에서 서로 직교하는 방향으로 각각 설치되는 스캔모듈 및
상기 발광부에 의해 발광된 2D 패턴 광이 측정 대상체에서 반사되어 수광부의 이미지 센서를 통해 획득된 영상에 대하여 삼각 측정 방식(Triangulation)을 이용하여 획득되는 깊이 정보에 따라 3D 형상 정보를 생성하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치.
A 3D scanner device comprising:
A stage that can be rotated 360 degrees at a constant rotation speed by placing an object to be measured;
A scan module comprising a light emitting unit and a light receiving unit spaced apart from each other by a predetermined distance, each installed in a direction orthogonal to each other on the upper side and the side side of the measurement object;
A control unit that generates 3D shape information according to depth information obtained by using a triangulation method with respect to an image in which the 2D pattern light emitted by the light emitting unit is reflected from the measurement object and acquired through the image sensor of the light receiving unit. A two-dimensional pattern laser-based three-dimensional scanner device, characterized in that it comprises.
 청구항 1에 있어서,
상기 스캔모듈은
점 광원으로 생성되는 레이저 빔을 조사하는 레이저 소스,
상기 레이저 소스의 일정 거리 선단에서 상기 점 광원을 투과시켜 라인 광으로 변화시키는 라인제너레이터 및
상기 라인제너레이터의 선단에 배치되어 상기 라인 광을 소정 각도로 회절 시키는 균일 격자체로 이루어져 2D 패턴 광으로 변환시켜 방사하는 발광부와
상기 발광부에 방사된 2D 패턴 광을 수신하기 위한 CCD 또는 CMOS 센서 중의 어느 하나를 사용하는 수신부로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치.
The method according to claim 1,
The scan module
A laser source that irradiates a laser beam generated by a point light source,
a line generator that transmits the point light source from the tip of the laser source at a predetermined distance and changes it into line light; and
a light emitting unit disposed at the front end of the line generator and made of a uniform grid that diffracts the line light at a predetermined angle to convert it into 2D pattern light and emit it;
2D pattern laser-based 3D scanner device, characterized in that it is composed of a receiving unit using either a CCD or CMOS sensor for receiving the 2D pattern light emitted from the light emitting unit.
 청구항 2에 있어서,
상기 균일 격자체는 삼각라인 격자 패턴의 방향이 상호 직교하도록 서로 포개어진 이중 구조로 형성되어 수직 및 수평 방향으로 일정하게 방사되는 구조광(Structured light)을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치.
3. The method according to claim 2,
The uniform lattice body is formed in a double structure superimposed on each other so that the directions of the triangular line lattice pattern are orthogonal to each other to form structured light uniformly radiated in vertical and horizontal directions. based 3D scanner device.
 청구항 3에 있어서,
상기 구조광은 이중 구조의 균일 격자체 기반 레이저 패턴광으로 발광되어 멀티 라인 및 격자(Grid) 라인의 2차원 패턴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치.
4. The method of claim 3,
The structured light is emitted as a double-structured uniform grid-based laser pattern light, and is formed in a two-dimensional pattern of multi-line and grid lines.
 청구항 1에 있어서,
상기 삼각 측정 방식(Triangulation)은 발광부에서 조사되는 2D 패턴광의 패턴 함수와 측정 대상체에서 형성되어 획득된 2D 패턴광의 패턴 함수의 위상차(Diphase)를 기반으로 3D 형상 정보를 분석하는 것을 특징으로 3차원 스캐너 장치.
The method according to claim 1,
The triangulation method analyzes 3D shape information based on the phase difference (Diphase) between the pattern function of the 2D pattern light irradiated from the light emitting part and the pattern function of the 2D pattern light formed and obtained from the measurement object 3D scanner device.
 청구항 1에 있어서,
상기 발광부에 의해 발광된 2D 패턴 광을 상기 수광부의 센서를 통해 3D 형상 정보를 동시에 읽는 동안 상기 스테이지가 360도 회전하도록 하여 측정 대상체 전체의 정보를 획득할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 2차원 패턴 레이저 기반 3차원 스캐너 장치.
The method according to claim 1,
A two-dimensional pattern, characterized in that the stage rotates 360 degrees while simultaneously reading 3D shape information through the sensor of the light receiving unit with the 2D pattern light emitted by the light emitting unit to obtain information on the entire measurement object Laser-based 3D scanner device.
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