WO2011145799A1 - 3차원 스캐너용 측정 장치 - Google Patents

3차원 스캐너용 측정 장치 Download PDF

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WO2011145799A1
WO2011145799A1 PCT/KR2011/000325 KR2011000325W WO2011145799A1 WO 2011145799 A1 WO2011145799 A1 WO 2011145799A1 KR 2011000325 W KR2011000325 W KR 2011000325W WO 2011145799 A1 WO2011145799 A1 WO 2011145799A1
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WO
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dimensional
axis
laser
mirror
driving
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PCT/KR2011/000325
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English (en)
French (fr)
Inventor
임용근
Original Assignee
Lim Yong Geun
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Application filed by Lim Yong Geun filed Critical Lim Yong Geun
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C9/00—Impression cups, i.e. impression trays; Impression methods
    • A61C9/004—Means or methods for taking digitized impressions
    • A61C9/0046—Data acquisition means or methods
    • A61C9/0053—Optical means or methods, e.g. scanning the teeth by a laser or light beam
    • A61C9/006—Optical means or methods, e.g. scanning the teeth by a laser or light beam projecting one or more stripes or patterns on the teeth

Definitions

  • a low-cost, small micro-precision driving mirror instead of a mechanical device for changing a light path by moving a laser light source with a conventional servo motor or the like, a low-cost, small micro-precision driving mirror not only changes the light path of the laser but also a TV signal, so that a point light source or a By using three laser lines or forming a plurality of lines or grid lines, triangulation of the position information on the laser formed in the image sensor of one or more cameras can be obtained quickly and precisely.
  • the resonance frequency is large and the driving frequency is large, so the driving speed is high, and the biaxial driving mirror forms a multi-line on the surface of the object, so that (x, y)
  • the surface can be scanned at high speed, and the two-dimensional position measurement data is received after being received by the two-dimensional optical sensor array.
  • the stage is mechanically driven in 3 axes, it is possible to measure 3D shape precisely and less blind spots, as well as to obtain 3D information of teeth and prostheses It can be applied to customized clothes and shoes, 3D scanner for shopping mall operation, and process monitoring, and it is possible to develop into a compact, low-power, low-power, compact system than existing mechanical products.
  • This technology relates to a measuring device for a three-dimensional scanner that can affect the software sufficiently and has a great effect on peripheral technology.
  • a mechanical three-dimensional triangulation apparatus includes a semiconductor laser light projecting portion projected onto a target object and a detection element light receiving portion to which laser light reflected from the surface of the target object is incident into a single body. This method scans the position of the object surface.
  • the scanners of Renishaw in the UK and Nobel Biocare in Sweden are three-dimensional information acquisition devices for dental use using probes and can be measured very precisely with sub-micrometer accuracy, but there are problems in measuring canyons.
  • SIRONA Germany
  • the German SIRONA company is already used in more than 25,000 dental offices in the United States, Japan and other countries, by applying 3D CAD / CAM technology to shape tens of thousands of tooth patterns with a computer designed for the patient, then controlled up to 0.3mm with a milling machine Teeth can be made within 10 minutes, and unlike the conventional pore method of making a tooth from a bone, it is possible to design and pore a tooth with a computer immediately after the tooth is photographed with a three-dimensional camera.
  • the low cost and compact micro precision driving mirror not only changes the optical path of the laser, but also enables the TV signal, so that it is possible to use a point light source or one laser line, or to form a plurality of lines or grid lines to form one or more.
  • a point light source or one laser line or to form a plurality of lines or grid lines to form one or more.
  • triangulation of the position information on the laser beam formed on the image sensors of two cameras it is possible to obtain information on the three-dimensional shape quickly and precisely, and to obtain the three-dimensional information of the teeth and prostheses, as well as customized clothes, shoes and shopping malls. It can be applied to operation 3D scanner and process monitoring, and it is cheaper than existing mechanical products, and there is possibility of developing into compact power system. Therefore, it affects the circuit, instrument, optics and software according to the applied system. Three-dimensional that can be enough and has a big ripple effect on surrounding technology The development of a scanner device for measuring a situation that is urgently required.
  • the present invention has been conceived to solve the above problems, and instead of a mechanical device for changing the optical path by moving the laser light source with an existing servo motor or the like, the cost is low and the optical path of the laser is changed by a small micro precision driving mirror.
  • a TV signal is possible, by using a point light source or a laser line or by forming a plurality of lines or grid lines, the triangulation method of the position information on the laser formed on the image sensor of one or a plurality of cameras is realized. It is an object of the present invention to provide a measuring device for a three-dimensional scanner that can obtain information about the three-dimensional shape quickly and precisely.
  • Another object of the present invention is that because the mirror is small and light in size, the resonance frequency is large and the driving frequency is large, so that the driving speed is high, and the biaxial driving mirror forms a multi-line on the surface of the object, thereby (x and y) to provide a measuring device for a three-dimensional scanner capable of scanning the surface at high speed.
  • Still another object of the present invention is to provide a measuring device for a three-dimensional scanner, which can be applied to not only the acquisition of three-dimensional information of teeth and prostheses, but also customized clothes and shoes, a three-dimensional scanner for shopping mall operation, and process monitoring.
  • Another object of the present invention is that the price is cheaper than the conventional mechanical products, there is a possibility of developing into a compact power system, it can affect the circuit, mechanism, optics, software according to the application system to the peripheral technology To provide a measuring device for a three-dimensional scanner with a large ripple effect.
  • Measurement apparatus for a three-dimensional scanner of the present invention for achieving the above object is a laser diode for emitting a point light source of monochromatic light; A collimator for converting the point light source laser emitted from the laser diode into a parallel light laser; An ultra-small two-axis precision drive mirror scanned at high speed by projecting the linear laser beam onto a measurement object; A two-dimensional sensor array reflecting and receiving light from the measurement object; An objective lens for forming an image of a laser shape scanned on an object surface in the two-dimensional sensor array such that two-dimensional position measurement data is converted into a three-dimensional shape by a software algorithm by triangulation; A stage for mechanically driving in the three axis direction to place the object to be measured in order to measure the three-dimensional shape more precisely; Characterized by including.
  • the ultra-small two-axis precision driving mirror is a two-axis MEMS driving mirror of the constant power or electromagnetic force
  • the size of the reflecting surface is 0.5 ⁇ 7mm
  • the resonant frequency of the y-axis Is characterized by a maximum of 1 kHz.
  • the ultra-small two-axis precision drive mirror is characterized in that the rotational drive is driven around the torsion bar of the two axes with the drive angle measuring sensor to change the path of the laser light.
  • the two-dimensional sensor array is characterized in that selected from the CCD sensor, CMOS sensor, PSD sensor.
  • the present invention characterized in that it further comprises a projection lens for adjusting the focus between the ultra-small two-axis precision drive mirror and the measurement object to minimize the line width of the laser on the surface of the measurement object.
  • the stage is one axis (rotation about the z-axis) or two axes (rotation about the z-axis, rotation around the x or y axis) or three axes (rotation about the z-axis, x or y axis Rotational center, linear movement of the stage).
  • the measuring device for a three-dimensional scanner according to the present invention has the following effects.
  • the point light source is not only low-cost, but also the optical signal of the laser can be changed by a small micro precision driving mirror, and a TV signal is possible.
  • the optical signal of the laser can be changed by a small micro precision driving mirror, and a TV signal is possible.
  • triangulation of the position information on the laser formed on the image sensor of one or more cameras can be performed quickly and precisely. Can be obtained.
  • the present invention is because the laser beam incident to the high-speed two-axis precision drive mirror is a surface light source is formed at a speed of several Hz to several tens of kHz on the surface of the target object, the measurement speed is improved, and manufactured with a dimensional error within 1 micrometer
  • the drive angle measuring sensor is built into the torsion bar, and the driving mirror made by Micro-Electro Mechanical Systems (MEMS) is more accurate than the general mechanical drive.
  • MEMS Micro-Electro Mechanical Systems
  • the resonance frequency is large and the driving frequency is large, so that the driving speed is high and the biaxial driving mirror forms a multi-line on the surface of the target object. y) The surface can be scanned at high speed.
  • the two-dimensional position measurement data is converted into a three-dimensional shape by software algorithm processing by triangulation.
  • the stage is mechanically driven in three axes, the three-dimensional shape can be precisely measured and the blind spots can be measured.
  • the present invention can be applied not only to the acquisition of three-dimensional information of teeth and prostheses, but also to customized clothes and shoes, a three-dimensional scanner for shopping mall operation, and process monitoring.
  • the present invention is cheaper than the existing mechanical products, and there is a possibility of developing into a small power, compact system, so that the impact on circuits, instruments, optics, and software according to the applied system can be sufficiently affected. The effect is great.
  • 1 is a conventional mechanical three-dimensional triangulation apparatus.
  • FIG. 2 is a view showing the configuration of a measuring device for a three-dimensional scanner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a laser scanning process on a surface of a target object to be measured using a measuring device for a three-dimensional scanner according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a photographic view showing the change in line width according to the wavelength obtained by measuring the drive characteristics of the ultra-fine precision drive mirror according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5a is a view showing a shape obtained by creating a tooth in the form of a triangle mesh by applying a wire frame modeling technique to the three-dimensional information measured by the measuring device for a three-dimensional scanner according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5b is a view showing a shape modeling the teeth by giving a color and light to the surface by applying a solid frame modeling technique to the three-dimensional information measured by the measuring device for a three-dimensional scanner according to an embodiment of the present invention.
  • stage 100 measuring device for three-dimensional scanner
  • FIG. 2 is a view showing the configuration of a measuring device for a three-dimensional scanner according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a target object surface to be measured by using a measuring device for a three-dimensional scanner according to an embodiment of the present invention
  • the measuring device 100 for a three-dimensional scanner is a laser diode 10, collimator 20, ultra-small two-axis precision drive mirror 30, The two-dimensional sensor array 40, the objective lens 50, the measuring object 60, the stage 70 and the like.
  • the measuring device for a three-dimensional scanner includes a laser diode 10 for emitting a point light source of monochromatic light; A collimator 20 for converting the point light source laser emitted from the laser diode 10 into a parallel light laser; An ultra-small two-axis precision drive mirror 30 which projects the parallel light laser onto the measurement object 60 and scans at high speed; A two-dimensional sensor array 40 reflecting light from the measurement target object 60; An objective lens (50) for forming an image of a laser shape scanned on an object surface in the two-dimensional sensor array such that two-dimensional position measurement data is converted into a three-dimensional shape by software by triangulation; It is composed of a stage 70 that is mechanically driven in the three-axis direction to put the measurement target object 60 in order to measure the three-dimensional shape more accurately. Between the ultra-small biaxial precision drive mirror 30 and the measurement object 60 is further configured a projection lens for adjusting the focus to minimize the line width of the laser on the surface of the measurement object.
  • the laser diode 10 emits a point light source of monochromatic light.
  • the collimator 20 converts the point light source laser emitted from the laser diode 10 into a parallel light laser.
  • the micro biaxial precision drive mirror 30 scans the linear laser beam at high speed by projecting the linear laser beam onto the measurement target object 60.
  • the ultra-compact two-axis precision drive mirror 30 for a laser scanner is rotated in two axes to change the path of the laser light.
  • an alternating current is applied at a frequency of several Hz to several tens of kHz, the drive alternates with a large angle. do.
  • the laser light is scanned on the screen by scanning one driving mirror for driving the vertical axis and the horizontal axis.
  • the two-dimensional sensor array 40 reflects the light from the measurement target object 60 and receives the light.
  • the two-dimensional sensor array 40 is singular or plural.
  • the objective lens 50 forms an image of a laser shape scanned on an object surface in the two-dimensional sensor array so that the two-dimensional position measurement data is converted into a three-dimensional shape by software by triangulation.
  • the objective lens 50 is singular or plural.
  • the stage 70 is mechanically driven in the three-axis direction to place the measurement target object 60 in order to more accurately measure the three-dimensional shape.
  • the stage 70 may be moved in one axis (rotated about the z axis) or two axes (rotated about the z axis, rotated about the x or y axis) or three axes (rotated about the z axis, the x or y axis). Rotation around the center, linear movement of the stage).
  • the focus can be adjusted to minimize the line width of the laser on the surface of the measurement target object.
  • the point light source laser emitted from the laser diode 10 is converted into a parallel light laser after passing through the collimator 20, and thus, a micro precision electro-mechanical technology (Micro-Electro).
  • Micro-Electro micro precision electro-mechanical technology
  • two torsion bars made by Mechanical Systems as the axis one axis enters into a high-speed precision drive mirror driven by resonant frequency driving and the other by electromagnetic force or electrostatic force at resonant or non-resonant frequency.
  • the two-dimensional position measurement data is a software algorithm by triangulation. Is converted into a three-dimensional shape.
  • the driving frequency of the high-speed precision driving mirror is up to 20KHz when driving on the horizontal axis and up to 1kHz when driving on the vertical axis, and is made by the micro precision electromechanical technology manufactured with the dimensional error within 1 micrometer, and the driving angle sensor is built into the torsion bar.
  • the drive mirror is more accurate than the ordinary mechanical drive body.
  • the stage can be mechanically driven in three axes (two axes of rotation, one axis of linear movement) to more accurately measure the three-dimensional shape.
  • FIG. 4 is a photographic diagram illustrating a change in line width according to a wavelength obtained by measuring driving characteristics of a micro precision driving mirror according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating a shape obtained by creating a tooth in a triangular mesh form by applying wireframe modeling techniques to 3D information measured by a 3D scanner measuring device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a diagram illustrating a shape of a tooth model by applying color and light to a surface by applying solid frame modeling to 3D information measured by a 3D scanner measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • modeling refers to two-dimensional being represented on a plane, and expressing a three-dimensional object in space using a third axis.
  • Two-dimensional graphics represent only a cross section on a plane, but three-dimensional graphics must represent objects in three dimensions and realistically in three-dimensional space like objects in the real world.
  • the complexity of representation is increased and the data to be processed is much more than two-dimensional graphics.
  • Three-dimensional graphics form modeling data with three-dimensional coordinate values in a computer, assign materials to the data, set up light, set camera positions, etc., and then specify the viewpoints to create scenes through rendering. Its excellent shadows, shadows, and textures make it possible to produce images that closely resemble real life.
  • Three-dimensional modeling is divided into wire frame modeling, surface modeling and solid modeling according to the characteristics of the basic elements.
  • wire frame modeling method a 2D figure is constructed using simple points, lines, and curves, and then modeled by applying a 3D coordinate system.
  • the surface modeling method is a method of creating an object's surface from an object generated by wireframe modeling.
  • the surface modeling method gives a realistic feeling to the object compared to the wireframe, and is often used for surface treatment. However, because it does not have information inside the modeled object, it cannot be used in the analysis part of the object. In this method, since the information of the three-dimensional object is held as surface information, there is surface information but no space information.
  • the solid modeling method is the most commonly used modeling method in three-dimensional modeling. There are two methods of converting a two-dimensional object into a three-dimensional solid and using the basic elements of the solid itself. Model objects created by solid modeling can be merged with each other, removed, or left only in common to form a shape almost similar to a real object, and the volume or area can be calculated. Therefore, it is the best 3D modeling method. In addition, this method holds the information of the three-dimensional object in space, and can calculate the volume, area, volume, mass, moment of inertia, etc., but also has a disadvantage of slowing down the speed due to a large amount of information.
  • the present invention can be applied to obtain three-dimensional information about the dental prosthesis that provides the three-dimensional data required for cutting the zirconium material by precisely scanning instead of creating a tooth shape when processing the prosthesis at the dentist.
  • other application products are applicable to the field of process monitoring, acquisition of 3D information for shopping malls, acquisition of 3D information for customized clothes and customized shoes, and acquisition of mechanical 3D information for industrial applications. This is an invention.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

본 발명은 3차원 스캐너용 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 원가가 저렴하고 소형의 마이크로 정밀 구동 거울에 의하여 레이저의 광로를 변경할 뿐만 아니라, TV 신호가 가능하므로 점광원 또는 한 개의 laser line 을 사용하거나 복수개의 라인 또는 Grid 형 라인을 형성하여 한 개 또는 복수개의 카메라의 이미지 센서에 맺힌 레이저상의 위치 정보를 삼각측정법으로 구현함으로써, 빠르고 정밀하게 3차원 형상에 대한 정보를 획득할 수 있고, 거울의 크기가 작고 가벼우므로 공진 주파수가 크고 구동 주파수가 크므로 구동 속도가 빠름은 물론 2축 구동 거울이 대상 물체 표면에서 다중선(multi-line)을 형성함으로써, (x,y) 면을 고속으로 스캐닝할 수 있으며, 2차원 광센서 어레이에서 수광된 후 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의한 소프트웨어 알고리즘 처리로 3차원 형상으로 변환되어지고, 스테이지가 3축으로 기계식 구동됨으로써, 3차원 형상을 정밀하고 사각 지대가 적게 측정할 수 있으며, 치아 및 보철의 3차원 정보의 획득뿐만 아니라 맞춤형 의복 및 신발, 쇼핑몰 운영용 3차원 스캐너, 공정 모니터링에 응용이 가능하고, 기존의 기계식 제품보다는 가격이 저렴하고 적은 전력, Compact한 시스템으로의 발전 가능성이 있으므로 적용 시스템에 따른 회로, 기구, 광학, 소프트웨어에 대하여 영향을 충분히 미칠 수가 있어 주변 기술로의 파급 효과가 크다.

Description

3차원 스캐너용 측정 장치
본 발명은 기존의 서보 모터 등으로 레이저 광원을 움직여 광로를 변경하는 기계식 장치 대신에 원가가 저렴하고 소형의 마이크로 정밀 구동 거울에 의하여 레이저의 광로를 변경할 뿐만 아니라, TV 신호가 가능하므로 점광원 또는 한 개의 laser line 을 사용하거나 복수개의 라인 또는 Grid 형 라인을 형성하여 한 개 또는 복수개의 카메라의 이미지 센서에 맺힌 레이저상의 위치 정보를 삼각측정법으로 구현함으로써, 빠르고 정밀하게 3차원 형상에 대한 정보를 획득할 수 있고, 거울의 크기가 작고 가벼우므로 공진 주파수가 크고 구동 주파수가 크므로 구동 속도가 빠름은 물론 2축 구동 거울이 대상 물체 표면에서 다중선(multi-line)을 형성함으로써, (x,y) 면을 고속으로 스캐닝할 수 있으며, 2차원 광센서 어레이에서 수광된 후 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의한 소프트웨어 알고리즘 처리로 3차원 형상으로 변환되어지고, 스테이지가 3축으로 기계식 구동됨으로써, 3차원 형상을 정밀하고 사각 지대가 적게 측정할 수 있으며, 치아 및 보철의 3차원 정보의 획득뿐만 아니라 맞춤형 의복 및 신발, 쇼핑몰 운영용 3차원 스캐너, 공정 모니터링에 응용이 가능하고, 기존의 기계식 제품보다는 가격이 저렴하고 적은 전력, Compact한 시스템으로의 발전 가능성이 있으므로 적용 시스템에 따른 회로, 기구, 광학, 소프트웨어에 대하여 영향을 충분히 미칠 수가 있어 주변 기술로의 파급 효과가 큰 3차원 스캐너용 측정 장치에 관한 기술이다.
현재 국내외적으로 3차원 정보가 필요한 분야가 많이 대두되고 있어 3차원 정보를 획득하는 장치를 연구 개발하고자 하는 기업들이 많이 늘고 있다.
도 1에 도시한 바와 같은, 기계식 3차원 삼각 측정 장치는 대상 물체에 대하여 투사되는 반도체 레이저 투광부와 대상 물체 표면에서 반사되는 레이저 빛이 입사되는 검출 소자 수광부가 하나의 몸체 안에 내장되어 기계식으로 대상 물체 표면의 위치를 스캐닝하는 방식이다.
그러나 움직이는 큰 기계 장치의 관성으로 인하여 측정 속도가 느리고 시스템이 크며 가격이 매우 고가라는 단점이 있다.
또한 영국의 Renishaw 사, 스웨덴의 Nobel Biocare 사의 스캐너의 경우는 탐침을 사용한 치과 의료용 3차원 정보 획득 장치이고 sub-micrometer 의 정밀도로 매우 정밀하게 측정가능하나, 협곡에 대한 측정이 어렵다는 문제점이 있다.
또한 독일 SIRONA 사의 경우는 비접촉식 포인트 레이저를 활용한 레이저 스캐너를 시판해 왔지만, 최근 세렉(CEREC) 시스템을 출시하였는데, 3차원 카메라로 치아를 촬영하고, 컴퓨터로 치아에 최적화된 보철물을 디자인한 후에 밀링머신으로 간편하게 보철물을 만드는 시스템이다.
상기 독일 SIRONA 사는 미국 일본을 비롯한 세계 각국에서 이미 25,000여 치과에서 사용 중이고, 3D CAD/CAM기술을 적용하여 컴퓨터로 수만개 치아 패턴을 정형화하여 환자에 맞게 디자인 한 후, 밀링머신으로 0.3mm까지 제어하여 10분 이내에 치아를 만들 수 있으며, 본을 떠서 치아를 제작하는 기존의 기공 방식과 달리 3차원 카메라로 치아를 촬영한 즉시 컴퓨터로 치아 디자인과 기공을 할 수 있지만, 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.
그러므로 원가가 저렴하고 소형의 마이크로 정밀 구동 거울에 의하여 레이저의 광로를 변경할 뿐만 아니라, TV 신호가 가능하므로 점광원 또는 한 개의 laser line 을 사용하거나 복수개의 라인 또는 Grid 형 라인을 형성하여 한 개 또는 복수개의 카메라의 이미지 센서에 맺힌 레이저상의 위치 정보를 삼각측정법으로 구현함으로써, 빠르고 정밀하게 3차원 형상에 대한 정보를 획득할 수 있고, 치아 및 보철의 3차원 정보의 획득뿐만 아니라 맞춤형 의복 및 신발, 쇼핑몰 운영용 3차원 스캐너, 공정 모니터링에 응용이 가능하고, 기존의 기계식 제품보다는 가격이 저렴하고 적은 전력, Compact한 시스템으로의 발전 가능성이 있으므로 적용 시스템에 따른 회로, 기구, 광학, 소프트웨어에 대하여 영향을 충분히 미칠 수가 있어 주변 기술로의 파급 효과가 큰 3차원 스캐너용 측정 장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 기존의 서보 모터 등으로 레이저 광원을 움직여 광로를 변경하는 기계식 장치 대신에 원가가 저렴하고 소형의 마이크로 정밀 구동 거울에 의하여 레이저의 광로를 변경할 뿐만 아니라, TV 신호가 가능하므로 점광원 또는 한 개의 laser line 을 사용하거나 복수개의 라인 또는 Grid 형 라인을 형성하여 한 개 또는 복수개의 카메라의 이미지 센서에 맺힌 레이저상의 위치 정보를 삼각측정법으로 구현함으로써, 빠르고 정밀하게 3차원 형상에 대한 정보를 획득할 수 있는 3차원 스캐너용 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 거울의 크기가 작고 가벼우므로 공진 주파수가 크고 구동 주파수가 크므로 구동 속도가 빠름은 물론 2축 구동 거울이 대상 물체 표면에서 다중선(multi-line)을 형성함으로써, (x,y)면을 고속으로 스캐닝할 수 있는 3차원 스캐너용 측정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 2차원 광센서 어레이에서 수광된 후 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의한 소프트웨어 알고리즘 처리로 3차원 형상으로 변환되어지는 3차원 스캐너용 측정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스테이지가 3축으로 기계식 구동됨으로써, 3차원 형상을 정밀하고 사각 지대가 적게 측정할 수 있는 3차원 스캐너용 측정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 치아 및 보철의 3차원 정보의 획득뿐만 아니라 맞춤형 의복 및 신발, 쇼핑몰 운영용 3차원 스캐너, 공정 모니터링에 응용이 가능한 3차원 스캐너용 측정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 기계식 제품보다는 가격이 저렴하고 적은 전력, Compact한 시스템으로의 발전 가능성이 있으므로 적용 시스템에 따른 회로, 기구, 광학, 소프트웨어에 대하여 영향을 충분히 미칠 수가 있어 주변 기술로의 파급 효과가 큰 3차원 스캐너용 측정 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 스캐너용 측정 장치는 단색광의 점광원을 방출하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드에서 방출된 점광원 레이저를 평행광 레이저로 변환하는 콜리메이터와; 상기 선형 레이저를 측정용 대상물체에 투사하여 고속으로 스캐닝되는 초소형 2축 정밀 구동 거울과; 상기 측정용 대상물체에서 반사하여 수광하는 2차원 센서 어레이와; 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의하여 소프트웨어 알고리즘에 의하여 3차원 형상으로 변환되도록 상기 2차원 센서 어레이에 물체 표면에 스캐닝되는 레이저 형상에 대한 상을 맺히게 하는 대물렌즈와; 3축 방향으로 기계식으로 구동되어 3차원의 형상을 보다 정밀하게 측정하기 위해 측정용 대상물체를 올려놓는 스테이지; 를 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 초소형 2축 정밀 구동 거울은 정전력 또는 전자력 구동의 2축 MEMS 구동 거울이며, 반사면의 크기가 0.5~7mm 이고, x 축의 공진 주파수가 최대 20 kHz, y축의 공진 주파수는 최대 1 kHz인 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 초소형 2축 정밀 구동 거울은 구동각 측정 센서가 있는 2축의 토션 바를 축으로 하여 회전 구동이 되어 레이저 빛의 경로를 바꾸어 주는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 2차원 센서 어레이는 CCD 센서, CMOS 센서, PSD 센서 중에서 선택되어지는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 초소형 2축 정밀 구동 거울과 측정용 대상물체 사이에 측정 대상 물체 표면에서의 레이저의 선폭을 최소화하기 위해 촛점을 조절하는 투사 렌즈를 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 스테이지는 1축(z축을 중심으로 회전) 또는 2축(z축을 중심으로 회전, x 또는 y 축을 중심으로 회전) 또는 3축(z축을 중심으로 회전, x 또는 y 축을 중심으로 회전, 스테이지의 선형 이동)으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 기존의 서보 모터 등으로 레이저 광원을 움직여 광로를 변경하는 기계식 장치 대신에 원가가 저렴하고 소형의 마이크로 정밀 구동 거울에 의하여 레이저의 광로를 변경할 뿐만 아니라, TV 신호가 가능하므로 점광원 또는 한 개의 laser line 을 사용하거나 복수개의 라인 또는 Grid 형 라인을 형성하여 한 개 또는 복수개의 카메라의 이미지 센서에 맺힌 레이저상의 위치 정보를 삼각측정법으로 구현함으로써, 빠르고 정밀하게 3차원 형상에 대한 정보를 획득할 수 있다.
둘째, 본 발명은 고속의 2축 정밀 구동 거울로 입사된 레이저 빔은 대상 물체 표면에서 수Hz 내지 수십 kHz의 속도로 면광원이 형성되므로 측정 속도가 향상되고, 1 마이크로미터 이내의 치수 오차로 제작, 토션바에 구동각 측정 센서가 내장되며, 초소형 정밀 전기 기계 기술(MEMS: Micro-Electro Mechanical Systems)로 제작된 구동 거울은 일반 기계 구동체 보다 정밀도가 향상된다.
셋째, 본 발명은 거울의 크기가 작고 가벼우므로 공진 주파수가 크고 구동 주파수가 크므로 구동 속도가 빠름은 물론 2축 구동 거울이 대상 물체 표면에서 다중선(multi-line)을 형성함으로써, (x,y)면을 고속으로 스캐닝할 수 있다.
넷째, 본 발명은 2차원 광센서 어레이에서 수광된 후 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의한 소프트웨어 알고리즘 처리로 3차원 형상으로 변환되어진다.
다섯째, 본 발명은 스테이지가 3축으로 기계식 구동됨으로써, 3차원 형상을 정밀하고 사각 지대가 적게 측정할 수 있다.
여섯째, 본 발명은 치아 및 보철의 3차원 정보의 획득뿐만 아니라 맞춤형 의복 및 신발, 쇼핑몰 운영용 3차원 스캐너, 공정 모니터링에 응용이 가능하다.
일곱째, 본 발명은 기존의 기계식 제품보다는 가격이 저렴하고 적은 전력, Compact한 시스템으로의 발전 가능성이 있으므로 적용 시스템에 따른 회로, 기구, 광학, 소프트웨어에 대하여 영향을 충분히 미칠 수가 있어 주변 기술로의 파급 효과가 크다.
도 1은 종래의 기계식 3차원 삼각 측정 장치.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치를 이용하여 측정하고자 하는 대상 물체 표면에서의 레이저 스캐닝 과정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 정밀 구동 거울의 구동 특성을 측정하여 얻은 파장에 따른 선폭의 변화를 알 수 있는 사진 도면.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치를 통해 측정한 3차원 정보를 와이어 프레임 모델링 기법을 적용하여 치아를 삼각형의 메쉬 형태로 작성하여 얻은 형상을 나타낸 도면.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치를 통해 측정한 3차원 정보를 솔리드 프레임 모델링 기법을 적용하여 면에 색상과 빛을 주어서 치아를 모델링한 형상을 나타낸 도면.
<부호의 설명>
10 : 레이저 다이오드 20 : 콜리메이터
30 : 초소형 2축 정밀 구동 거울 40 : 2차원 센서 어레이
50 : 대물렌즈 60 : 측정용 대상 물체
70 : 스테이지 100 : 3차원 스캐너용 측정 장치
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 일실시예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 3차원 스캐너용 측정 장치를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치를 이용하여 측정하고자 하는 대상 물체 표면에서의 레이저 스캐닝 과정을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치(100)는 레이저 다이오드(10), 콜리메이터(20), 초소형 2축 정밀 구동 거울(30), 2차원 센서 어레이(40), 대물렌즈(50), 측정용 대상 물체(60), 스테이지(70) 등으로 구성된다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 3차원 스캐너용 측정 장치는 단색광의 점광원을 방출하는 레이저 다이오드(10)와; 상기 레이저 다이오드(10)에서 방출된 점광원 레이저를 평행광 레이저로 변환하는 콜리메이터(20)와; 상기 평행광 레이저를 측정용 대상물체(60)에 투사하여 고속으로 스캐닝되는 초소형 2축 정밀 구동 거울(30)과; 상기 측정용 대상물체(60)에서 반사하여 수광하는 2차원 센서 어레이(40)와; 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의하여 소프트웨어에 의하여 3차원 형상으로 변환되도록 상기 2차원 센서 어레이에 물체 표면에 스캐닝되는 레이저 형상에 대한 상을 맺히게 하는 대물렌즈(50)와; 3축 방향으로 기계식으로 구동되어 3차원의 형상을 보다 정밀하게 측정하기 위해 측정용 대상물체(60)를 올려놓는 스테이지(70)로 구성된다. 상기 초소형 2축 정밀 구동 거울(30)과 측정용 대상물체(60) 사이에 측정 대상 물체 표면에서의 레이저의 선폭을 최소화하기 위해 촛점을 조절하는 투사렌즈가 더 구성된다.
상기 3차원 스캐너용 측정 장치를 구성하는 각 기술적 수단들의 기능을 설명하면 다음과 같다.
상기 레이저 다이오드(10)는 단색광의 점광원을 방출하는 것이다.
상기 콜리메이터(20)는 상기 레이저 다이오드(10)에서 방출된 점광원 레이저를 평행광 레이저로 변환하는 것이다.
상기 초소형 2축 정밀 구동 거울(30)은 상기 선형 레이저를 측정용 대상물체(60)에 투사하여 고속으로 스캐닝되는 것이다.
여기서, 레이저 스캐너용 초소형 2축 정밀 구동 거울(30)은 2축으로 회전 구동이 되어 레이저 빛의 경로를 바꾸어 주는데, 수 Hz ~ 수십 kHz의 주파수로 교류 전류를 인가하면 큰 각도로 번갈아가면서 구동이 된다. 수직축과 수평축 구동용 한 개의 구동 거울을 스캐닝하여 화면상에 레이저 빛이 주사가 되는 것이다.
상기 2차원 센서 어레이(40)는 상기 측정용 대상물체(60)에서 반사하여 수광하는 것이다. 상기 2차원 센서 어레이(40)는 단수 또는 복수개인 것이다.
상기 대물렌즈(50)는 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의하여 소프트웨어에 의하여 3차원 형상으로 변환되도록 상기 2차원 센서 어레이에 물체 표면에 스캐닝되는 레이저 형상에 대한 상을 맺히게 한다. 상기 대물렌즈(50)는 단수 또는 복수개인 것이다.
상기 스테이지(70)는 3축 방향으로 기계식으로 구동되어 3차원의 형상을 보다 정밀하게 측정하기 위해 측정용 대상물체(60)를 올려놓는 것이다. 상기 스테이지(70)의 이동 방식은 1축(z축을 중심으로 회전) 또는 2축(z축을 중심으로 회전, x 또는 y 축을 중심으로 회전) 또는 3축(z축을 중심으로 회전, x 또는 y 축을 중심으로 회전, 스테이지의 선형 이동)으로 할 수 있는 것이다.
상기 초소형 2축 정밀 구동 거울(30)과 측정용 대상물체(60) 사이에 투사렌즈를 두어 측정 대상 물체 표면에서의 레이저의 선폭을 최소화하기 위해 촛점을 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 3차원 스캐너용 측정 장치의 구동을 살펴보면, 레이저 다이오드(10) 에서 방출된 점광원 레이저는 콜리메이터(20)를 통과 후 평행광 레이저로 변환되어 초소형 정밀 전기 기계 기술(Micro-Electro Mechanical Systems) 로 제작된 두 개의 토션 바를 축으로 하여, 한 개의 축으로는 공진 주파수 구동, 다른 한 개는 공진 또는 비공진 주파수에서 전자력 또는 정전력으로 구동되는 고속의 정밀 구동 거울로 입사된 후, 도 3과 같이 측정하고자 하는 대상 물체 표면에서 면 광원을 형성하여 (x,y) 면을 스캔하여 2차원 광센서 어레이(40)에서 수광된 후, 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의한 소프트웨어 알고리즘에 의하여 3차원 형상으로 변환되어진다. 고속의 정밀 구동 거울의 구동 주파수는 수평축 구동 시 최대 20KHz, 수직축 구동시 최대 1kHz 의 속도이고, 1 마이크로미터 이내의 치수 오차로 제작된 초소형 정밀 전기 기계 기술로 제작되고 토션바에 구동각 센서가 내장된 구동 거울은 일반 기계 구동체 보다 정밀도가 향상된다. 또한 3차원 형상을 보다 정밀하게 측정하기 위하여 스테이지를 3축(회전 2축, 선형 이동 1축)으로 기계식 구동할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 정밀 구동 거울의 구동 특성을 측정하여 얻은 파장에 따른 선폭의 변화를 알 수 있는 사진 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 레이저 구동 모듈을 이용하여 측정한 초소형 정밀 구동 거울의 구동 특성에서 파장에 따른 선폭의 위치가 변화되는 것을 알 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치를 통해 측정한 3차원 정보를 와이어 프레임 모델링 기법을 적용하여 치아를 삼각형의 메쉬 형태로 작성하여 얻은 형상을 나타낸 도면이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 스캐너용 측정 장치를 통해 측정한 3차원 정보를 솔리드 프레임 모델링 기법을 적용하여 면에 색상과 빛을 주어서 치아를 모델링한 형상을 나타낸 도면이다.
도 5a와 도 5b에 도시한 바와 같이, 모델링은 평면상에 표현되는 것을 2차원이라 하고, 여기에 제3의 축을 이용하여 공간상에 입체적인 물체를 표현하는 것을 말한다. 2차원 그래픽은 평면상에서 단면만 표현하지만, 3차원 그래픽은 실세계에서의 물체와 같이 3차원 공간에서 입체적, 사실적으로 물체를 표현해야 한다. 따라서 2차원 그래픽보다는 표현의 복잡도가 증가하고 처리되어야할 데이터도 매우 많아지게 된다. 3차원 그래픽은 컴퓨터 내에서 3차원 좌표 값을 가진 모델링 데이터를 형성한 후 이 데이터에 재질부여, 빛의 설치, 카메라 위치 등을 설정하여 관측시점을 지정한 후 랜더링이라는 과정을 거쳐 장면을 만들어내는 것으로 그림자 및 음영, 질감의 표현이 뛰어나기 때문에 실사와 거의 흡사한 이미지를 제작해 낼 수 있다.
3차원 모델링은 기본요소의 특성에 따라서 와이어프레임모델링(wire frame modeling), 서페이스모델링(surface modeling) 그리고 솔리드모델링(solid modeling)으로 구분된다.
① 와이어프레임 모델링(wire frame modeling) 방법은 물체를 단순한 점, 선 및 곡선 등을 이용하여 2차원 도형을 작도한 한 후 3차원 좌표계를 적용하여 모델링 한다. 와이어프레임 모델링에 의해 생성된 모델의 물체의 외곽을 마치 철사를 이어 놓은 것 같은 형상을 가지며 물체의 실질적인 모양을 정확히 파악하기란 곤란한 경우가 있다. 따라서 전적으로 와이어프레임 모델이 활용되지는 않는다. 그러나 서페이스 모델링이나 솔리드모델링을 하기에 앞서서 가장 기초가 되는 부분이므로 매우 중요하다. 이 방법은 3차원 물체의 골격 묘사와, 점, 직선, 곡선으로 표현는 것에 적합하지만, 표면이나 공간의 정보는 없는 것이다.
② 서페이스 모델링(surface modeling) 방법은 와이어 프레이 모델링에 의해 생성된 물체를 물체의 면을 만들어 내는 방식으로서, 와이어프레임에 비해 물체에 현실감을 줄 수 있고, 고면처리에 자주 사용된다. 그러나 모델링된 물체의 내부의 정보는 가지고 있지 않기 때문에 물체의 해석 부분에는 사용될 수 없다. 이 방법은 3차원 물체의 정보를 표면 정보로 보유하므로 표면 정보는 있으나, 공간의 정보는 없는 것이다.
③ 솔리드 모델링(solid modeling) 방법은 현재 3차원 모델링에서 가장 많이 이용되는 모델링 방법으로서, 이 방법은 2차원 물체를 3차원 솔리드로 변환하는 방법과 솔리드 자체의 기본요소를 사용하는 방법이 있다. 솔리드 모델링에 의해 생성된 모델 객체들을 서로 합치거나, 제거하거나, 또한 공통부분만 남겨두거나 하여 실제 물체와 거의 유사한 형태가 되고, 부피나 면적 등의 계산이 가능하다. 따라서 가장 뛰어난 3차원 모델링 방법이다. 또한 이 방법은 3차원 물체의 정보를 공간으로 보유하고, 부피, 면적, 체적, 질량, 관성 모멘트 등의 계산이 가능하지만, 정보량이 많으므로 연산양이 많아져 속도가 느려지는 단점도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 치과에서 보철물을 가공할 때 치아형상의 본을 뜨는 대신 정밀하게 스캔해서 지르코늄 소재를 깍는데 필요한 3차원 데이터를 제공하는 치과용 보철물에 대한 3차원 정보를 획득하는데 응용이 가능하다. 또한 기타 응용 제품으로는 공정 모니터링과, 쇼핑몰용 3차원 정보의 획득과, 맞춤형 의복 및 맞춤형 신발용 3차원 정보의 획득과, 기계공작용 3차원 정보의 획득하는 분야에 응용이 가능한 것이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (7)

  1. 3차원 스캐너용 측정 장치에 있어서,
    단색광의 점광원을 방출하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드에서 방출된 점광원 레이저를 평행광 레이저로 변환하는 콜리메이터와; 상기 선형 레이저를 측정용 대상물체에 투사하여 고속으로 스캐닝되는 초소형 2축 정밀 구동 거울과; 상기 측정용 대상물체에서 반사하여 수광하는 2차원 센서 어레이와; 2차원 위치 측정 데이터가 삼각 측정법에 의하여 소프트웨어에 의하여 3차원 형상으로 변환되도록 상기 2차원 센서 어레이에 물체 표면에 스캐닝되는 레이저 형상에 대한 상을 맺히게 하는 대물렌즈와; 3축 방향으로 기계식으로 구동되어 3차원의 형상을 보다 정밀하게 측정하기 위해 측정용 대상물체를 올려놓는 스테이지; 를 포함함을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 2축 정밀 구동 거울은 정전력 또는 전자력 구동의 2축 MEMS 구동 거울을 포함함을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 2축 정밀 구동 거울은 구동각 측정 센서가 있는 2축의 토션 바를 축으로 하여 회전 구동이 되어 레이저 빛의 경로를 바꾸어 주는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 2차원 센서 어레이는 CCD 센서, CMOS 센서, PSD 센서 중에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 정밀 구동 거울의 구동 주파수는 수평축으로는 최대 1kHz, 수직축으로는 최대 20kHz의 속도인 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 측정 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 2축 정밀 구동 거울과 측정용 대상물체 사이에 측정 대상 물체 표면에서의 레이저의 선폭을 최소화하기 위해 촛점을 조절하는 투사 렌즈를 더 포함함을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 측정 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 스테이지는 1축(z축을 중심으로 회전) 또는 2축(z축을 중심으로 회전, x 또는 y 축을 중심으로 회전) 또는 3축(z축을 중심으로 회전, x 또는 y 축을 중심으로 회전, 스테이지의 선형 이동)으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 측정 장치.
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