KR101255816B1 - Device and method for optically scanning three dimensional object - Google Patents

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Abstract

3차원 광 스캔 장치는 광을 방출하는 광 송신부, 광 송신부에서 광을 받아 목표물로 전송하고 목표물에서 반사된 광을 수신하는 광 송수신부, 광 송수신부에서 광을 수신하는 광 수신부, 광 수신부에서 수신한 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 신호 처리부, 수직 스캔하기 위하여 광 송수신부를 회동시키는 수직 회전 기구, 및 수평 스캔하기 위하여 광 송신부, 광 송수신부, 광 수신부 및 광 신호처리부를 회동시키는 수평 회전 기구를 포함하여 광 스캔 영역을 설정하는 광 스캔부, 광 송수신부를 수납하고 수직 회전 기구에 연결되어 수직 스캔시 수직 회동하는 제 1 하우징, 및 수평 회전축을 중심으로 일방에 광 송신부를 수납하고 타방에 광 수신부와 광 신호 처리부를 수납하며, 수평 회전 기구에 연결되어 수평 스캔시 수평 회전하는 제 2 하우징을 포함한다.The three-dimensional optical scanning device includes an optical transmitter for emitting light, an optical transceiver for receiving light from the optical transmitter, and receiving the light reflected from the target, an optical receiver for receiving light from the optical transceiver, and an optical receiver. An optical signal processor for converting an optical signal into an electrical signal, a vertical rotation mechanism for rotating the optical transceiver for vertical scanning, and a horizontal rotation mechanism for rotating the optical transmitter, optical transceiver, optical receiver and optical signal processor for horizontal scanning An optical scan unit for setting an optical scan area, a first housing accommodating the optical transceiver and connected to a vertical rotation mechanism and vertically rotated during a vertical scan, and one optical transmission unit around the horizontal rotation axis and the other optical A second housing which receives the receiving unit and the optical signal processing unit and is connected to a horizontal rotating mechanism and rotates horizontally during a horizontal scan; It should.

Description

3차원 광 스캔 장치 및 방법{Device and method for optically scanning three dimensional object}Device and method for optically scanning three dimensional object

이 발명은 3차원 광 스캔 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 수평 스캔과 수직 스캔시 목표물의 측정 지점의 설정 오차를 최소화하여 목표물의 프로파일을 정밀하게 측정하도록 광학 구조의 상하 좌우 무게 편차를 최소화한 3차원 광 스캔 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional optical scanning device and method, in particular, to minimize the set-up error of the measuring point of the target during horizontal scan and vertical scan to minimize the vertical deviation of the left and right weight of the optical structure to precisely measure the target profile Dimensional optical scanning apparatus and method.

일반적으로 3차원 물체의 프로파일을 측정하기 위하여 3차원 광 스캔에서 물체의 각 지점까지 거리를 정확하게 측정해야 한다.In general, in order to measure the profile of a three-dimensional object, it is necessary to accurately measure the distance to each point of the object in a three-dimensional light scan.

물체의 거리 측정 원리인 TOF(Time Of Flighting) 방법을 살펴보면 다음과 같다. 거리측정유닛에서 일정한 주기 신호를 발생하여 에미터에서 공기, 동선, 광섬유와 같은 매질을 통과하는 펄스 신호, 예를 들어 광신호, 전자기파신호, 음파신호등을 발생시키고, 발신부에서 신호 출발 시각(tE)를 측정하고, 송신된 신호가 매질을 통과하여 목표물에서 반사된 후, 다시 매질을 통과하여 펄스 신호가 되돌아 와서 수신부에서 신호 도착 시각(tR)이 측정된다. 다시 말하면, 측정 신호를 발생하기 위하여 일정한 주파수를 갖는 신호 클록을 발생시켜 일정시간 지연 후 시각(tE)에서 발신 신호가 송출되고 목표물에 반사되어 되돌아온 신호를 시각(tR)에서 수신한다. 이에 따라 거리측정신호가 매질을 통과하여 왕복하는 시간은 tR-tE이고, 여기에 매질의 신호 전달 속도(v)를 곱하면 목표물까지의 왕복 거리가 된다. 따라서, 거리 측정 장치와 목표물 사이의 거리는 다음과 같이 계산된다.The TOF (Time Of Flighting) method, which is a distance measuring principle of an object, is as follows. Generate a periodic signal from the distance measuring unit to generate a pulse signal passing through the medium such as air, copper, and optical fiber in the emitter, for example, optical signal, electromagnetic wave signal, sound wave signal, etc. E ) is measured, the transmitted signal is passed through the medium and reflected at the target, and then again through the medium, the pulse signal is returned and the signal arrival time t R is measured at the receiver. In other words, in order to generate a measurement signal, a signal clock having a constant frequency is generated to generate a signal clock at a time t E after a predetermined time delay, and receive a signal returned at the time t R reflected by the target. Accordingly, the time taken for the distance measurement signal to pass through the medium is t R −t E , which is multiplied by the signal transmission speed v of the medium to give a round trip distance to the target. Therefore, the distance between the distance measuring device and the target is calculated as follows.

Figure 112011050802584-pat00001
Figure 112011050802584-pat00001

D: 거리측정장치와 목표물 사이의 거리D: Distance between rangefinder and target

v: 매질에서 펄스신호속도v: pulse signal rate in the medium

tE: 신호출발시각t E : Signal start time

tR: 신호도착시각t R : Signal arrival time

거리 측정 장치가 목표물까지 거리를 정밀하게 측정하기 위해서는 식1에서 매질의 속도가 일정한 경우 신호 왕복 시간(tR-tE)를 측정해야 한다.In order for the distance measuring device to accurately measure the distance to the target, the signal round trip time (t R -t E ) must be measured when the speed of the medium is constant in Equation 1.

도1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 또 다른 방식의 거리 측정 장치는 거리 계산 유닛(4)에서 스타트 신호를 발생시키고 송신부(22)에서 전기 신호를 광 신호로 변환하고 광 분배기(22)에서 광 신호의 일부를 광 혼합기(25)에 보내어 수신부(26)에서 전기 신호로 변환한 다음 거리 계산 유닛(21)에서 시작 시간(tE)을 측정한다. 나머지 광신호는 목표물(24)에서 반사되어 광 지연 소자(27)와 광 혼합기(25)를 통과한 후 수신부(26)에 도달한다. 수신부(26)는 목표물에서 반사된 광 신호를 전기 신호로 변화하여 거리 계산 유닛(21)에 출력하고 거리 계산 유닛(21)는 수신부(26)에서 출력된 전기 신호를 입력받아 목표물 왕복 시간(tR)을 측정한다. 거리 계산 유닛(21)는 tR-tE로서 거리 측정 장치의 내부 광 경로에 의한 오차를 제거하여 거리를 측정한다. 여기서 광 지연 소자(27)은 최소거리 측정시 시간 tE과 겹치지 않도록 펄스 신호 폭이상으로 지연시키고 이에 따른 시간 지연은 거리 계산 유닛(21)에 의하여 보정된다.As shown in Fig. 1, another distance measuring apparatus according to the prior art generates a start signal in the distance calculation unit 4, converts an electrical signal into an optical signal in the transmitter 22, and distributes the light splitter 22. Sends a portion of the optical signal to the optical mixer 25 to convert it to an electrical signal at the receiver 26 and then measure the start time t E in the distance calculation unit 21. The remaining optical signal is reflected by the target 24 and passes through the optical retardation element 27 and the optical mixer 25 to reach the receiver 26. The receiving unit 26 converts the optical signal reflected from the target into an electrical signal and outputs it to the distance calculating unit 21, and the distance calculating unit 21 receives the electrical signal output from the receiving unit 26 and receives the target round trip time t R ) is measured. The distance calculation unit 21 measures the distance by removing the error due to the internal light path of the distance measuring device as t R -t E. Here, the optical delay element 27 is delayed by more than the pulse signal width so as not to overlap with the time t E when measuring the minimum distance, and the time delay accordingly is corrected by the distance calculation unit 21.

한편, 종래 3차원 광 스캔 장치는 레이저 송수신 광학계를 중심이 아닌 좌우로 편중되어 위치했기 때문에 광학 구조만큼 크기를 줄이기 어려워 장비가 대형화될 수 밖에 없었다. On the other hand, the conventional three-dimensional optical scanning device has been located in the center of the laser transmission and reception optically to the left and right, not centered, so it is difficult to reduce the size as the optical structure, the equipment was forced to enlarge the size.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 활용하여 레이저 송신부는 내부 전반사를 통해 외부로 반사시키고, 수신된 레이저는 일반 반사 코팅을 적용하여 레이저광이 수신될 수 있도록 활용하여 광학계 크기를 줄였다. The present invention utilizes to solve the above problems of the prior art, the laser transmitter is reflected to the outside through the total internal reflection, and the received laser is reduced to the size of the optical system by applying a general reflection coating so that the laser light can be received. .

레이저 수신부 렌즈의 초점거리를 충분히 확보할 경우 수직 회전부가 길어질 수 있는 문제점을 해결하기 위해 수신부 렌즈를 2번 사용함으로서 초점거리를 확보하였다. 천공모터 사용으로 레이저 송신부와 수신부를 양쪽으로 분리하여 한쪽으로 레이저 송수신부가 위치함으로써 생기는 공간적 문제를 해결하였다. 3차원 광 스캔 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.When the focal length of the laser receiver lens is sufficiently secured, the focal length is secured by using the receiver lens twice to solve the problem that the vertical rotating part may be lengthened. The use of a puncture motor separates the laser transmitter and receiver from both sides and solves the spatial problem caused by positioning the laser transmitter and receiver on one side. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional optical scanning device and method.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치는 3차원 광 스캔 장치는 광을 방출하는 광 송신부, 광 송신부에서 광을 받아 목표물로 전송하고 목표물에서 반사된 광을 수신하는 광 송수신부, 광 송수신부에서 광을 수신하는 광 수신부, 광 수신부에서 수신한 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 신호 처리부, 수직 스캔하기 위하여 광 송수신부를 회동시키는 수직 회전 기구, 및 수평 스캔하기 위하여 광 송신부, 광 송수신부, 광 수신부 및 광 신호처리부를 회동시키는 수평 회전 기구를 포함하여 광 스캔 영역을 설정하는 광 스캔부, 광 송수신부를 수납하고 수직 회전 기구에 연결되어 수직 스캔시 수직 회동하는 제 1 하우징, 및 수평 회전축을 중심으로 일방에 광 송신부를 수납하고 타방에 광 수신부와 광 신호 처리부를 수납하며, 수평 회전 기구에 연결되어 수평 스캔시 수평 회전하는 제 2 하우징을 포함한다.In the three-dimensional optical scanning device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the three-dimensional optical scanning device is a light transmitting unit for emitting light, receives the light from the light transmitting unit and transmits the light to the target and reflected light from the target An optical transceiver for receiving, an optical receiver for receiving light from the optical transceiver, an optical signal processor for converting the optical signal received from the optical receiver into an electrical signal, a vertical rotating mechanism for rotating the optical transceiver for vertical scanning, and a horizontal scan In order to rotate the optical scanning unit, the optical scanning unit for setting the optical scan area, including the optical rotating unit for rotating the optical transmitting unit, the optical transmitting and receiving unit, the optical receiving unit and the optical signal processing unit, and the optical transmitting and receiving unit and connected to the vertical rotating mechanism to rotate vertically during the vertical scan. The optical housing unit is accommodated in one of the first housings and the horizontal rotating shaft, and the optical receiver and the optical signal processor are in the other. Lead, and is connected to a horizontal rotating mechanism and a second housing to the horizontal rotation during the horizontal scan.

본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신부는 광을 받아 목표물로 송신하고 목표물에 반사된 레이저 광을 수신하는 광 송수신 윈도우, 광 송수신 윈도우에 평행하게 위치하여 목표물에서 반사된 레이저 광을 집속하는 제1 광 수신 렌즈, 및 제1 광 수신 렌즈와 평행하게 위치하여 집속된 레이저 광을 반사하여 평행 광을 형성하는 광 수신 반사경을 포함한다.Optical transmission and reception unit according to an embodiment of the present invention receives the light and transmits to the target and the optical transmission and reception window for receiving the laser light reflected on the target, the first position parallel to the optical transmission and reception window to focus the laser light reflected from the target And a light receiving lens and a light receiving reflector positioned in parallel with the first light receiving lens to reflect focused laser light to form parallel light.

본 발명의 일실시예에 따른 광 송신부는 광을 방출하는 광원, 광이 목표물까지 작은 빔 크기를 갖고 도달할 수 있도록 빔 발산각 결정하는 광 송신 렌즈, 광 송신 렌즈에서 나온 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경, 및 송신부 반사경에서 반사된 레이저 광을 목표물에 전송되는 광과 내부 온도와 신호 처리 시간 오차를 소거하기 위한 내부 참조 신호용 광을 분리하는 제 1 빔 스플리터를 포함한다.The light transmitting unit according to an embodiment of the present invention, a light source for emitting light, a light transmitting lens for determining the beam divergence angle so that the light can reach the target with a small beam size, a transmitter for changing the path of the light from the light transmitting lens A reflector, and a first beam splitter for separating the laser light reflected by the transmitter reflector to light transmitted to the target and the internal reference signal light for canceling the internal temperature and signal processing time error.

본 발명의 일실시예에 따른 광 수신부는 광 수신 반사경에서 방출된 평행 광을 수신하여 광을 집속하는 제2 광 수신 렌즈, 제2 광 수신 렌즈에서 방출된 광의 광량을 조절하는 광량 조절부, 및 광량 조절부를 통과한 광을 수신하는 외부 경로용 광 파이버를 포함한다.The light receiving unit according to the embodiment of the present invention receives a parallel light emitted from the light receiving reflector, the second light receiving lens to focus the light, the light amount adjusting unit for adjusting the amount of light emitted from the second light receiving lens, and It includes an optical fiber for the external path for receiving the light passing through the light amount control unit.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광 수신부는 평행 광을 수신하여 광을 집속하는 제2 광 수신 렌즈, 제2 광 수신 렌즈에서 방출된 광을 수신하는 외부 경로용 광 파이버, 및 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광의 광량을 조절하는 광량 조절부를 포함한다.According to another exemplary embodiment of the present invention, a light receiving unit includes a second light receiving lens that receives parallel light and focuses light, an optical fiber for an external path, and an optical fiber for an external path that receives light emitted from the second light receiving lens. Light amount control unit for adjusting the amount of light emitted from the.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광량 조절부는 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광을 분리하는 제 2 빔 스플리터, 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 일부를 수신하여 광 신호 처리부에 방출하는 신호 검출용 광 파이버, 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 다른 일부를 수신받아 소정 시간 지연 후 제 2 빔 스플리터로 재방출하는 무한 피드백 광 파이버를 포함한다.The light amount adjusting unit according to another embodiment of the present invention receives a second beam splitter for separating the light emitted from the optical fiber for the external path and a signal detection for receiving a portion of the light separated by the second beam splitter and emitting it to the optical signal processor. The optical fiber includes an infinite feedback optical fiber that receives another portion of the light separated by the second beam splitter and re-emits the second beam splitter after a predetermined time delay.

본 발명의 실시예에 따른 광 스캔 방법은 광송신부에서 방출된 광을 제 1 빔 스플리터에 의하여 목표물에 방출되는 광과 내부 광 경로용 광 파이버로 방출되는 광으로 분리하는 단계, 목표물에서 반사된 광을 집속하여 외부 광 경로용 광 파이버로 입사하는 단계, 외부 광 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 신호 검출용 광 파이버에 입사되어 광 검출기로 방출되는 광과 무한 피드백 광 파이버로 입사되는 광으로 분리하는 단계, 무한 피드백 광 파이버에 입사된 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 상기 신호 검출용 광 파이버에 재입사되어 광 검출기로 재방출되는 광과 무한 피드백 광 파이버에 재입사되는 광으로 분리하는 단계, 신호 검출용 광파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 검출기에 의하여 전기 신호로 변화하는 단계, 전기 신호 중에서 거리 측정 오차를 발생하지 않는 신호 세기 범위 내의 전기 신호를 선정하는 단계, 및 선정된 전기 신호를 기초로 왕복시간을 측정하여 거리를 계산하는 단계를 포함한다.The light scanning method according to the embodiment of the present invention comprises the steps of separating the light emitted from the optical transmitter to the light emitted to the target by the first beam splitter and the light emitted by the optical fiber for the internal light path, the light reflected from the target And incident light into the optical fiber for the external optical path, and the laser light emitted from the optical fiber for the external optical path is incident on the optical fiber for signal detection by the second beam splitter and is emitted to the optical detector and the infinite feedback light. Separating into incident light into the fiber, and the light incident to the infinite feedback optical fiber is re-entered by the second beam splitter into the optical fiber for signal detection and re-emitted to the optical detector and re-entered into the infinite feedback optical fiber Separating the light into light, and receiving the laser light emitted from the optical fiber for signal detection and converting the light into an electrical signal by the light detector. By measuring the round-trip time to the step screen, the method comprising: selecting the electric signal within the signal strength range that does not occur in the distance measurement error from an electric signal, and based on the selected electric signal and a step of calculating the distance.

본 발명에 따르면, 광량 조절부의 무한 피드백 광 파이버에 의하여 레이저 광이 광량 조절부의 무한 피드백 광 파이버를 반복해서 통과하여 소정 범위 내의 광 세기에 해당하는 신호를 선택할 수 있기 때문에 지연시간이 온도 변화와 무관하게 항상 일정하게 보상되고 목표물의 지점 별로 다른 반사율에 따라 반사 광 세기의 차이에 따른 시간 오차를 짧은 시간 내에 보상할 수 있다.According to the present invention, since the laser light is repeatedly passed through the infinite feedback optical fiber of the light quantity adjusting unit to select a signal corresponding to the light intensity within a predetermined range, the delay time is independent of temperature change. In this case, the time error due to the difference in the reflected light intensity can be compensated in a short time according to the different reflectance for each point of the target.

또한, 본 발명에 따르면, 3차원 스캔 장치의 수평 회전축을 중심으로 레이저 송수신 광학계를 적절히 균형있게 배치되어 3차원 스캔 장치의 소형화가 가능하다.In addition, according to the present invention, since the laser transmission and reception optical system is properly balanced around the horizontal rotation axis of the three-dimensional scanning device, it is possible to miniaturize the three-dimensional scanning device.

또한, 본 발명에 따르면, 레이저 송수신을 동시에 하는 광학 렌즈를 포함한 광 송수신부를 별도로 하우징에 수납하여 수평 회전축 상에 배치하여 광학계의 크기를 줄여 공간 활용성을 제고하여 3차원 스캔 장치의 소형화할 수 있다.In addition, according to the present invention, the optical transmission and reception unit including the optical lens for simultaneous laser transmission and reception is housed separately in the housing and disposed on the horizontal rotation axis to reduce the size of the optical system to improve space utilization, thereby miniaturizing the three-dimensional scanning apparatus. .

또한, 광 송수신부에 반사경을 설치하여 광학 경로를 반복사용하여 초점거리를 확보하면서 광 송신부의 길이를 줄여 3차원 스캔 장치의 소형화할 수 있다.In addition, it is possible to reduce the length of the optical transmission unit to reduce the size of the three-dimensional scanning device by providing a reflecting mirror to the optical transmission and reception by repeatedly using the optical path to secure the focal length.

도 1은 종래 기술에 의한 거리 측정 장치를 개략적인 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치를 개략적인 구성을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치를 개략적인 구성을 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 광량 조절부를 나타내는 부분 확대도,
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 광 스캔 방법을 나타내는 블록도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 수평 스캔과 수직 스캔을 나타내는 개념도를 각각 나타낸다.1 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance measuring device according to the prior art;
2 is a block diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional optical scanning device according to an embodiment of the present invention;
3 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional optical scanning device according to another embodiment of the present invention;
4 is a partially enlarged view illustrating a light amount adjusting unit of a 3D optical scanning device according to another embodiment of the present invention;
5 is a block diagram illustrating a 3D optical scanning method according to embodiments of the present invention;
6 is a timing chart of a start signal and a stop signal of a 3D optical scanning device according to an embodiment of the present invention;
7 is a timing chart of a start signal and a stop signal of a 3D optical scanning device according to another embodiment of the present invention;
8 is a conceptual diagram illustrating a horizontal scan and a vertical scan of the three-dimensional optical scanning device according to an embodiment of the present invention, respectively.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 광 스캔 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a 3D optical scanning apparatus and method according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치를 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional optical scanning device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔는 광 송신부, 광 송수신부, 광 수신부, 광 신호 처리부 및 광 스캔부를 포함한다.The 3D optical scan according to an embodiment of the present invention includes an optical transmitter, an optical transceiver, an optical receiver, an optical signal processor, and an optical scan unit.

광 송신부는 레이저와 같은 광을 방출하는 광원(110), 레이저 광이 목표물까지 작은 빔 크기를 갖고 도달할 수 있도록 빔 발산각 결정하는 광 송신 렌즈(120), 평행 광으로 만들어진 레이저 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경(130), 및 송신부 반사경(130)에서 반사된 레이저 광을 목표물에 전송되는 외부 레이저 광과 레이저 스캔 장비 내부의 온도와 그에 따른 불안정한 전자적 신호 처리 시간 오차를 소거하기 위한 내부 참조 신호용 레이저 광을 분리하는 제 1 빔 스플리터(140)를 포함한다.The light transmission unit changes the path of the light source 110 emitting light such as a laser 110, the light transmission lens 120 determining the beam divergence angle so that the laser light can reach the target with a small beam size, and the parallel light. An internal reference signal laser for canceling the external laser light transmitted from the transmitter reflector 130 and the laser light reflected by the transmitter reflector 130 to the target and the temperature inside the laser scanning equipment and the resulting unstable electronic signal processing time error. And a first beam splitter 140 for separating light.

광 송신부는 제 1 빔 스플리터(140)에서 분리된 내부 참조 신호용 레이저 광을 집속하여 내부 경로용 광 파이버(160)으로 입사하는 내부 경로용 광 수신 렌즈(150)을 더 포함할 수 있다.The optical transmitter may further include an internal path light receiving lens 150 that focuses the laser light for the internal reference signal separated from the first beam splitter 140 and enters the optical path 160 for the internal path.

광 송수신부는 제 1 빔 스플리터(140)에서 방출된 레이저 광을 받아 목표물로 송신하고 목표물에 반사된 레이저 광을 수신하는 광 송수신 윈도우(210), 광 송수신 윈도우(210)에 평행하게 위치하여 목표물에서 반사된 레이저 광을 집속하는 제1 광 수신 렌즈(220), 제1 광 수신 렌즈(220)과 평행하게 위치하여 집속된 레이저 광을 반사하여 평행 광을 형성하는 광 수신 반사경(230)을 포함한다.The optical transceiver is located in parallel with the optical transmission / reception window 210 and the optical transmission / reception window 210 that receive the laser light emitted from the first beam splitter 140 and transmit it to the target and receive the laser light reflected by the target. A first light receiving lens 220 for focusing the reflected laser light, and a light receiving reflector 230 positioned in parallel with the first light receiving lens 220 to reflect the focused laser light to form parallel light; .

광 송수신 윈도우(210)는 그 하부에 직각 프리즘(211)을 포함하여 제 1 빔 스플리터(140)에서 방출된 레이저 광을 반사하여 목표물로 송신하도록 광 경로를 변경한다. 또한, 광 송수신 윈도우(210)는 수직 또는 수평 방향으로 회전하여 목표물을 스캔할 수 있도록 레이저 광의 방출 방향을 결정한다. 직각 프리즘(211)을 경사면에 45°방향으로 입사한 광을 직각으로 전반사한다.The light transmission / reception window 210 includes a right angle prism 211 at the bottom thereof to change the light path to reflect the laser light emitted from the first beam splitter 140 and transmit it to the target. In addition, the light transmission and reception window 210 determines the emission direction of the laser light so that the target can be scanned by rotating in the vertical or horizontal direction. The right angle prism 211 is totally reflected at right angles to the light incident on the inclined surface in the 45 ° direction.

광 수신 반사경(230)은 입사된 레이저 광을 평행광으로 만들기 위하여 볼록한 광 입사면과 평평한 광 반사면을 갖는 것이 바람직하다.The light receiving reflector 230 preferably has a convex light incident surface and a flat light reflecting surface in order to make incident laser light into parallel light.

광 수신부는 직각 프리즘(211)에 의하여 전반사된 평행 레이저 광을 수신하여 광을 집속하는 제2 광 수신 렌즈(310), 제2 광 수신 렌즈(310)에서 집속되어 방출된 레이저 광의 광량을 조절하는 광량 조절부(320), 및 광량 조절부(320)를 통과한 집속된 레이저 광을 수신하는 외부 경로용 광 파이버(330)를 포함한다.The light receiver receives the parallel laser light totally reflected by the right-angle prism 211 to adjust the amount of laser light focused and emitted by the second light receiving lens 310 and the second light receiving lens 310 to focus the light. The light amount adjusting unit 320, and the optical fiber 330 for the external path for receiving the focused laser light passing through the light amount adjusting unit 320.

광량 조절부(320)는 쵸퍼(chopper)등과 같은 광 감쇄 필터로서 집속된 레이저 광의 파워를 조절한다.The light amount adjusting unit 320 adjusts the power of the focused laser light as a light attenuation filter such as a chopper.

광 신호 처리부는 외부 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광을 통과시키고 내부 경로용 광 파이버(160)에서 방출된 레이저 광을 반사시키는 제 2 빔 스플리터(350), 및 외부 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광과 내부 경로용 광 파이버(160)에서 방출된 레이저 광을 전기 신호로 변환하는 광 검출기(360)를 포함한다. 광 검출기(360)는 예를 들어 아발란치 포토 다이오드(APD: Avalanche Photo Diode)를 사용할 수 있다.The optical signal processor includes a second beam splitter 350 for passing the laser light emitted from the optical fiber 330 for the external path and reflecting the laser light emitted from the optical fiber 160 for the internal path, and an optical fiber for the external path. And a photo detector 360 for converting the laser light emitted from the 330 and the laser light emitted from the optical fiber 160 for the internal path into an electrical signal. The photo detector 360 may use, for example, an Avalanche Photo Diode (APD).

광 신호 처리부는 외부 경로용 광 파이버(330) 및 내부 경로용 광 파이버(160)에서 방출된 레이저 광을 집속하여 제 2 빔 스플리터(350)에 방출하는 광 검출 커플링 렌즈(340, 341)를 더 포함할 수 있다.The optical signal processor focuses the laser light emitted from the optical path 330 for the external path and the optical fiber 160 for the internal path, and supplies the optical detection coupling lenses 340 and 341 to the second beam splitter 350. It may further include.

광 스캔부는 광 스캔 영역을 설정하기 위하여 직각 프리즘(211)에서 전반사되고 제 1 빔 스플리터(140)에서 반사된 목표물 이미지 광을 확인할 수 있는 영상을 제공하는 CCD 카메라(170), 수직 스캔하기 위하여 광 송수신부를 수직 회전시키는 수직 회전 기구(410), 및 수평 스캔하기 위하여 광 송신부, 광 송수신부, 광 수신부 및 광 신호처리부를 수평 회전시키는 수평 회전 기구(420)를 포함한다.The optical scanning unit CCD camera 170 which provides an image capable of confirming the target image light totally reflected by the right-angle prism 211 and reflected by the first beam splitter 140 to set the optical scan area, and the light for vertical scanning A vertical rotating mechanism 410 for vertically rotating the transceiver, and a horizontal rotating mechanism 420 for horizontally rotating the optical transmitter, the optical transceiver, the optical receiver, and the optical signal processor for horizontal scanning.

본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치는 소형화와 정확한 3차원 스캔을 하기 위하여 제 1 하우징(200)와 제 2 하우징(500)으로 상기 구성 요소들을 배치시킬 필요가 있다.3D optical scanning apparatus according to an embodiment of the present invention need to arrange the components in the first housing 200 and the second housing 500 in order to reduce the size and accurate three-dimensional scan.

제 1 하우징(200)은 수직 스캔시 수직 회전 기구(410)에 연결되어 회동하고, 제 2 하우징(500)은 수평 스캔시 수평 회전 기구(420)에 연결되어 회동한다. 제 2 하우징(500)이 수평 회전 기구(420)에 의하여 수평 회전축을 중심으로 회동하면 제 1 하우징(200)도 함께 수평 회전축을 중심으로 회동한다.The first housing 200 is connected to the vertical rotation mechanism 410 and rotates during the vertical scan, and the second housing 500 is connected to the horizontal rotation mechanism 420 and rotates during the horizontal scan. When the second housing 500 rotates about the horizontal rotation axis by the horizontal rotation mechanism 420, the first housing 200 also rotates about the horizontal rotation axis.

제1 하우징(200)은 광 송수신부를 수납한다. 제 1 하우징(200)은 그 중심축이 수평 회전 기구(420)의 중심축과 실질적으로 일치되게 배치되는 것이 바람직하다.The first housing 200 accommodates an optical transceiver. The first housing 200 is preferably arranged such that its central axis is substantially coincident with the central axis of the horizontal rotating mechanism 420.

도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 하우징(500)은 광 송신부, 광 수신부 및 광 신호처리부를 수납한다. 광 송신부는 수평 회전축을 중심으로 제 2 하우징(500)의 일방에 배치되고 광 수신부 및 광 신호처리부는 제 2 하우징(500)의 타방에 배치된다. As shown in FIG. 2, the second housing 500 houses an optical transmitter, an optical receiver, and an optical signal processor. The light transmitting unit is disposed at one side of the second housing 500 about the horizontal rotation axis, and the light receiving unit and the optical signal processing unit are disposed at the other side of the second housing 500.

한편, 제 2 하우징(500)은 일방 또는 타방에 제 1 하우징(200)에 연결된 수직 회전 기구(410)를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the second housing 500 may further include a vertical rotation mechanism 410 connected to the first housing 200 in one or the other.

수직 회전 기구(410)와 수평 회전 기구(420)는 예를 들어 전기 모터, 스텝핑 모터 또는 기어 등이 될 수 있다.The vertical rotating mechanism 410 and the horizontal rotating mechanism 420 may be, for example, electric motors, stepping motors or gears.

내부 경로용 광 파이버(160)는 수평 회전부(500)의 일방과 타방에 걸쳐 배치될 수 있다.The optical fiber 160 for the internal path may be disposed over one side and the other side of the horizontal rotating unit 500.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광 스캔 장치를 도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광 스캔 장치와 중복되는 부분은 설명을 생략하고 구성이 다른 광 수신부와 광 신호 처리부를 중심으로 설명하면 다음과 같다.3 and 4, an overlapping part of the optical scanning device according to the exemplary embodiment of the present invention is omitted, and the optical receiver and the optical signal processing unit have different configurations. The explanation is as follows.

전반사 빔 스플리터(212)은 도 2에 도시된 직각 프리즘(211)을 대체하여 동일한 기능을 수행할 수 있다.The total reflection beam splitter 212 may perform the same function by replacing the rectangular prism 211 shown in FIG. 2.

광 수신부는 전반사 빔 스플리터(212)에 의하여 전반사된 평행 레이저 광을 수신하여 광을 집속하는 제2 광 수신 렌즈(310), 제2 광 수신 렌즈(310)에서 방출된 레이저 광을 수신하는 외부 경로용 광 파이버(330), 및 외부 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광량을 조절하는 광량 조절부(370)를 포함한다.The light receiver receives a parallel laser light totally reflected by the total reflection beam splitter 212 and an external path for receiving the laser light emitted from the second light receiving lens 310 and the second light receiving lens 310. The optical fiber 330, and a light amount adjusting unit 370 for adjusting the amount of laser light emitted from the optical fiber 330 for the external path.

광량 조절부(370)는 외부 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광을 분리하는 제 2 빔 스플리터(371), 제 2 빔 스플리터(371)에 의하여 분리된 레이저 광의 일부를 수신하여 광 검출기(360)에 방출하는 신호 검출용 광 파이버(372), 제 2 빔 스플리터(371)에 의하여 분리된 레이저 광의 다른 일부를 수신받아 소정 시간 지연 후 제 2 빔 스플리터(371)로 재방출하는 무한 피드백 광 파이버(373)를 포함한다.The light amount adjusting unit 370 receives a part of the laser beam separated by the second beam splitter 371 and the second beam splitter 371 to separate the laser light emitted from the optical fiber 330 for the external path. Infinite feedback that receives another portion of the laser light separated by the signal detecting optical fiber 372 and the second beam splitter 371 to be emitted to the 360 and then re-emits it to the second beam splitter 371 after a predetermined time delay. An optical fiber 373.

본 발명의 일실시예에 따른 광 스캔 동작을 도 5와 도 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The optical scan operation according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6 as follows.

도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 방법을 나타내는 블록도이고 도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트이다.FIG. 5 is a block diagram illustrating a 3D light scanning method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a timing chart of a start signal and a stop signal of the 3D light scanning device according to an embodiment of the present invention.

먼저, 목표물의 한 지점의 거리를 측정하기 위하여 광원(110)에서 방출된 레이저는 광 송신 렌즈(120)를 통과하여 평행하게 진행된다. 광 송신 렌즈(120)에서 방출된 레이저 광은 송신부 반사경(130)에 의하여 반사되고 제 1 빔 스플리터(140)에 의하여 분리되어 일부가 광 송수신 윈도우(210)를 진행하고 다른 일부는 내부 경로용 광 파이버(160)로 진행한다. 광 송수신 윈도우(210)으로 진행하는 레이저 광은 직각 프리즘(211)에 의하여 전반사되어 목표물에 전송된다. 이때, 송신부 반사경(130)은 광 송수신 윈도우(210)로 송신되는 광축과 제 1 광 수신 렌즈(220)의 광축과 일치되도록 조절될 수 있다.First, the laser emitted from the light source 110 travels in parallel through the light transmitting lens 120 to measure the distance of one point of the target. The laser light emitted from the light transmitting lens 120 is reflected by the transmitter reflector 130 and separated by the first beam splitter 140 to partially pass through the light transmission / reception window 210 and the other part of the light for the internal path. Proceed to fiber 160. The laser light traveling to the light transmission / reception window 210 is totally reflected by the rectangular prism 211 and transmitted to the target. In this case, the transmitter reflector 130 may be adjusted to coincide with the optical axis transmitted to the optical transmission / reception window 210 and the optical axis of the first light receiving lens 220.

목표물에서 반사된 레이저 광은 광 송수신 윈도우(210)를 다시 통과한 후 제1 광 수신 렌즈(220)에 의하여 집속되고 광 수신 반사경(230)에 의하여 반사되어 평행 광으로 변경된다. 평행 레이저 광은 직각 프리즘(211)에 의하여 전반사되어 제2 광 수신 렌즈(310)로 입사된다.The laser light reflected from the target passes through the light transmitting / receiving window 210 again, is focused by the first light receiving lens 220, and reflected by the light receiving reflector 230 to be converted into parallel light. The parallel laser light is totally reflected by the right angle prism 211 and is incident to the second light receiving lens 310.

제2 광 수신 렌즈(310)에서 집속되어 방출된 레이저 광은 광량 조절부(320)를 통과하면서 광량이 감쇄된 후 외부 경로용 광 파이버(330)의 일단에 입사되고 외부 경로용 광 파이버(330)에서 타단에서 방출된다. 외부 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광은 광 검출 커플링 렌즈(340) 및 제 2 빔 스플리터(350)를 통과하여 광 검출기(360)에 입사된다. 광 검출기(360)는 레이저 광을 전기 신호로 변환한다.The laser light focused and emitted from the second light receiving lens 310 is attenuated by the light amount while passing through the light amount adjusting unit 320, and then enters one end of the optical fiber 330 for the external path and the optical fiber 330 for the external path. From the other end. The laser light emitted from the optical path 330 for the external path passes through the light detecting coupling lens 340 and the second beam splitter 350 and is incident to the light detector 360. The photo detector 360 converts the laser light into an electrical signal.

한편, 제 1 빔 스플리터(140)에 의하여 분리된 레이저 광 중 다른 일부는 내부 광 경로용 광 파이버(160)를 거쳐 광 검출 커플링 렌즈(341)을 통과하여 광 검출기(360)에 입사된다. 내부 광 경로를 거친 레이저 광은 광 검출기(360)에 의하여 전기 신호로 변환되어 3차원 스캔 내부의 광 경로에 의하여 발생된 시간 오차를 소거하는 데 사용된다.Meanwhile, another part of the laser light separated by the first beam splitter 140 passes through the optical detection coupling lens 341 through the optical fiber 160 for the internal light path and enters the photo detector 360. The laser light that has passed through the internal light path is converted into an electrical signal by the photo detector 360 and used to cancel the time error generated by the light path inside the three-dimensional scan.

이때, 측정 시간은 식(2)에 의하여 보상될 수 있다.In this case, the measurement time may be compensated by Equation (2).

Figure 112011050802584-pat00002
Figure 112011050802584-pat00002

Δεe: 내부 광 경로를 거친 레이저 광 신호 (스타트 신호) 수신 시간Δε e : Receive time of laser light signal (start signal) through the internal optical path

Td: 외부 광 경로를 거친 레이저 광 신호 (스톱 신호) 수신 시간Td: Receive time of laser light signal (stop signal) via external light path

T: 목표물까지 왕복 시간T: Round trip time to target

도 6에서 Si는 내부 광 경로를 거친 레이저 광의 세기, So는 외부 광 경로를 거친 레이저 광의 세기 및 Io는 광량 조절부(320)에 의하여 감쇄된 광량을 각각 나타낸다.In FIG. 6, Si represents the intensity of the laser light passing through the inner light path, So represents the intensity of the laser light passing through the external light path, and Io represents the amount of light attenuated by the light amount controller 320.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광 스캔의 동작을 일 실시예와 중복되는 내용은 생략하고 도 5와 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Operations of the optical scan according to another exemplary embodiment of the present invention will be omitted with reference to FIGS. 5 and 7, and description thereof will be omitted as follows.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트이다.5 is a timing chart of a start signal and a stop signal of the 3D optical scan device according to another exemplary embodiment of the present invention.

먼저, 목표물의 한 지점의 거리를 측정하기 위하여 광원(110)에서 방출된 레이저는 광 송신 렌즈(120)를 통과하여 평행하게 진행된다. 광 송신 렌즈(120)에서 방출된 레이저 광은 송신부 반사경(130)에 의하여 반사되고 제 1 빔 스플리터(140)에 의하여 분리되어 일부가 광 송수신 윈도우(210)로 진행하고 다른 일부는 내부 경로용 광 파이버(160)로 진행한다. 광 송수신 윈도우(210)로 진행하는 레이저 광은 전반사 빔 스플리터(212)에 의하여 전반사되어 목표물에 전송된다. 이때, 송신부 반사경(130)은 광 송수신 윈도우(210)로 송신되는 광축과 제 1 광 수신 렌즈(220)의 광축과 일치되도록 조절될 수 있다.First, the laser emitted from the light source 110 travels in parallel through the light transmitting lens 120 to measure the distance of one point of the target. The laser light emitted from the light transmitting lens 120 is reflected by the transmitter reflector 130 and separated by the first beam splitter 140 so that a part of the laser beam travels to the light transmission / reception window 210 and a part of the light for the internal path. Proceed to fiber 160. The laser light traveling to the light transmission / reception window 210 is totally reflected by the total reflection beam splitter 212 and transmitted to the target. In this case, the transmitter reflector 130 may be adjusted to coincide with the optical axis transmitted to the optical transmission / reception window 210 and the optical axis of the first light receiving lens 220.

목표물에서 반사된 레이저 광은 광 송수신 윈도우(210)를 다시 통과한 후 제1 광 수신 렌즈(220)에 의하여 집속되고 광 수신 반사경(230)에 의하여 반사되어 평행 광으로 변경된다. 평행 레이저 광은 직각 프리즘(211)에 의하여 전반사되어 제2 광 수신 렌즈(310)로 입사된다.The laser light reflected from the target passes through the light transmitting / receiving window 210 again, is focused by the first light receiving lens 220, and reflected by the light receiving reflector 230 to be converted into parallel light. The parallel laser light is totally reflected by the right angle prism 211 and is incident to the second light receiving lens 310.

제2 광 수신 렌즈(310)에서 집속되어 방출된 레이저 광은 외부 경로용 광 파이버(330)의 일단에 입사되고 외부 경로용 광 파이버(330)에서 타단에서 방출된다. 외부 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광은 광량 조절부(320)를 통과하면서 광 검출기(360)에 입사된다. 광 검출기(360)는 레이저 광을 전기 신호로 변환한다.The laser light focused and emitted from the second light receiving lens 310 is incident on one end of the optical fiber 330 for the external path and is emitted at the other end of the optical fiber 330 for the external path. The laser light emitted from the external path optical fiber 330 is incident on the photo detector 360 while passing through the light amount adjusting unit 320. The photo detector 360 converts the laser light into an electrical signal.

한편, 제 1 빔 스플리터(140)에 의하여 분리된 레이저 광 중 다른 일부는 내부 광 경로용 광 파이버(160)를 거쳐 광 검출 커플링 렌즈(342)를 통과하여 광 검출기(360)에 입사된다. 내부 광 경로를 거친 레이저 광은 광 검출기(360)에 의하여 전기 신호로 변환되어 3차원 스캔 내부의 광 경로에 의하여 발생된 시간 오차를 소거하는 데 사용된다.Meanwhile, another part of the laser light separated by the first beam splitter 140 passes through the optical detection coupling lens 342 through the optical fiber 160 for the internal light path and enters the photo detector 360. The laser light that has passed through the internal light path is converted into an electrical signal by the photo detector 360 and used to cancel the time error generated by the light path inside the three-dimensional scan.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광량 조절부(370)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the light amount control unit 370 according to another embodiment of the present invention.

외부 광 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광은 제 2 빔 스플리터(371)에 의하여 분리된다. 분리비는 예를 들어 직진광:반사광 = 50%:50%일 수 있다.Laser light emitted from the optical fiber 330 for the external optical path is separated by the second beam splitter 371. The separation ratio can be, for example, straight light: reflected light = 50%: 50%.

분리된 레이저 광의 일부는 신호 검출용 광 파이버(372)에 입사되어 광 검출기(360)을 향하여 방출되고 분리된 레이저 광의 다른 일부는 무한 피드백 광 파이버(373)에 입사되어 소정의 시간 지연 후 방출된다.Some of the separated laser light is incident on the optical fiber 372 for signal detection and is emitted toward the photo detector 360, and another part of the separated laser light is incident on the infinite feedback optical fiber 373 and is emitted after a predetermined time delay. .

무한 피드백 광 파이버(373)에서 방출된 레이저 광은 제 2 빔 스플리터(371)에 의하여 재분리된다. 재분리된 레이저 광의 일부는 신호 검출용 광 파이버(372)에 입사되어 광 검출기(360)로 방출되고 재분리된 레이저 광의 다른 일부는 무한 피드백 광 파이버(373)에 재입사된 후 소정의 시간 지연 후 재방출된다.Laser light emitted from the infinite feedback optical fiber 373 is re-separated by the second beam splitter 371. Some of the re-isolated laser light is incident on the optical fiber 372 for signal detection and is emitted to the photo detector 360, and another part of the re-isolated laser light is re-entered to the infinite feedback optical fiber 373 and then a predetermined time delay Is then re-emitted.

이러한 과정을 무수히 반복하여 목표물의 동일 지점에서 반사된 레이저 광이 광량 조절부(370)에 의하여 다수의 광 신호로 변환된다.This process is repeated numerous times and the laser light reflected at the same point of the target is converted into a plurality of optical signals by the light amount adjusting unit 370.

신호 검출용 광파이버(372)에서 방출된 레이저 광을 수신받은 광 검출기(360)는 전기 신호로 변환한다.The photo detector 360 receiving the laser light emitted from the optical fiber 372 for signal detection converts the light into an electrical signal.

광 검출기(360)는 목표물의 한 지점에 대한 다수의 광 신호를 다수의 전기 신호로 변환하면 다수의 전기 신호 중에서 거리 측정 오차를 발생하지 않는 신호 세기 범위 내의 전기 신호를 선정한 후, 선정된 전기 신호를 기초로 왕복시간을 측정하여 거리를 계산한다.The photo detector 360 selects an electrical signal within a signal intensity range that does not generate a distance measurement error among a plurality of electrical signals when converting a plurality of optical signals for one point of the target into a plurality of electrical signals, and then selects a selected electrical signal. Calculate the distance by measuring the round trip time based on.

도 7에 도시된 바와 같이, 외부 경로용 광 파이버(330)에서 방출된 레이저 광의 세기를 100%라 하면 1차로 광 검출기에 입력된 레이저 광의 세기는 50%이다. 2차로 광 검출기에 입력된 레이저 광의 세기는 25%이고 3차 레이저 광의 세기는 12.5%, 4차 레이저 광의 세기는 6.25%이다.As shown in FIG. 7, when the intensity of the laser light emitted from the optical fiber 330 for the external path is 100%, the intensity of the laser light input to the light detector is 50%. The intensity of the laser light input to the photodetector secondly is 25%, the intensity of the third laser light is 12.5%, and the intensity of the fourth laser light is 6.25%.

이때, 측정 시간은 다음 식과 같이 보상될 수 있다.In this case, the measurement time may be compensated as follows.

Figure 112011050802584-pat00003
Figure 112011050802584-pat00003

Δεe: 내부 광 경로를 거친 레이저 광 신호 (스타트 신호) 수신 시간Δε e : Receive time of laser light signal (start signal) through the internal optical path

Tm: 시작 신호와 스톱 신호간 측정 시간Tm: measurement time between start signal and stop signal

Td: 레이저 광이 무한 피드 백 광 파이버를 통과한 시간 Td: The time the laser light passed through the infinite feedback optical fiber

n: n번째 발생 광 신호 n: nth generated optical signal

T: 목표물까지 왕복 시간T: Round trip time to target

도 8은 본 발명의 일실시예들에 따른 3차원 광 스캔 장치의 수평 스캔과 수직 스캔을 나타내는 개념도이다. 도 2, 도3 및 도 8에 도시된 바와 같이, 목표물의 한 지점에 대한 거리를 측정한 다음 목표물의 다른 수직 지점에 대한 거리를 측정하는 수직 스캔을 진행하기 위하여, 수직 회전 기구(410)를 회전시키면 이에 연결된 제 1 하우징(200)이 회전하여 목표물의 다른 수직 지점들에 대한 거리를 상기와 같은 방식으로 측정한다.8 is a conceptual diagram illustrating a horizontal scan and a vertical scan of a 3D optical scanning device according to one embodiment of the present invention. As shown in Figs. 2, 3 and 8, the vertical rotating mechanism 410 is moved to measure the distance to one point of the target and then to perform a vertical scan to measure the distance to the other vertical point of the target. When rotated, the first housing 200 connected thereto rotates to measure the distance to other vertical points of the target in the above manner.

다음으로, 목표물의 다른 수평 지점에 대한 거리를 측정하는 수평 스캔을 진행하기 위하여, 수평 회전 기구(420)를 회전시키면 3차원 스캔 장치의 제 2 하우징(500)이 수평 회전하고 제 1 하우징(200)도 함께 수평 회전하여 목표물의 다른 수평 지점에 대한 거리를 상기와 같은 방식으로 측정한다. 수직 스캔과 수평 스캔이 완료되면 목표물에 대한 3차원 스캔이 완료된다.Next, in order to proceed with the horizontal scan to measure the distance to another horizontal point of the target, when the horizontal rotating mechanism 420 is rotated, the second housing 500 of the 3D scanning apparatus is horizontally rotated and the first housing 200 is rotated. ) Is also rotated horizontally to measure the distance to the other horizontal point of the target in the same way. When the vertical scan and horizontal scan are completed, the three-dimensional scan of the target is completed.

이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiments of the present invention. Those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be understood from a descriptive point of view rather than a restrictive point of view. The scope of the present invention is shown not in the above description but in the claims, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.

4: 거리 계산 유닛 27: 광 지연 소자
25: 광 혼합기 26: 수신부
110: 광원 120: 광 송신 렌즈
130: 송신부 반사경 140: 제 1 빔 스플리터
150: 내부 경로용 광 수신 렌즈 160: 내부 경로용 광 파이버
200: 수직 회전부 210: 광 송수신 윈도우
211: 직각 프리즘 220: 제1 광 수신 렌즈
230: 광 수신 반사경 310: 제2 광 수신 렌즈
320: 광량 조절부 330: 외부 경로용 광 파이버
340, 341: 광 검출 커플링 렌즈 360: 광 검출기
410: 수직 회전 기구 420: 수평 회전 기구
500: 수평 회전부4: distance calculation unit 27: optical delay element
25: optical mixer 26: receiver
110: light source 120: light transmitting lens
130: transmitter reflecting mirror 140: first beam splitter
150: optical receiving lens for the inner path 160: optical fiber for the inner path
200: vertical rotating portion 210: optical transmission and reception window
211: right angle prism 220: first light receiving lens
230: light receiving reflector 310: second light receiving lens
320: light amount control unit 330: optical fiber for the external path
340, 341: optical detection coupling lens 360: optical detector
410: vertical rotating mechanism 420: horizontal rotating mechanism
500: horizontal rotating part

Claims (11)

3차원 광 스캔 장치에 있어서,
광을 방출하는 광 송신부;
상기 광 송신부에서 광을 받아 목표물로 전송하고 목표물에서 반사된 광을 수신하는 광 송수신부;
상기 광 송수신부에서 광을 수신하는 광 수신부;
상기 광 수신부에서 수신한 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 신호 처리부;
수직 스캔하기 위하여 광 송수신부를 회동시키는 수직 회전 기구, 및 수평 스캔하기 위하여 광 송신부, 광 송수신부, 광 수신부 및 광 신호처리부를 회동시키는 수평 회전 기구를 포함하여 광 스캔 영역을 설정하는 광 스캔부;
상기 광 송수신부를 수납하고 수직 회전 기구에 연결되어 수직 스캔시 수직 회동하는 제 1 하우징; 및
수평 회전축을 중심으로 일방에 상기 광 송신부를 수납하고 타방에 상기 광 수신부와 광 신호 처리부를 수납하며, 수평 회전 기구에 연결되어 수평 스캔시 수평 회전하는 제 2 하우징을 포함하는 3차원 광 스캔 장치.In the three-dimensional optical scanning device,
An optical transmitter for emitting light;
An optical transceiver configured to receive light from the optical transmitter and transmit the light to a target, and receive light reflected from the target;
An optical receiver for receiving light from the optical transceiver;
An optical signal processor converting the optical signal received by the optical receiver into an electrical signal;
An optical scanning unit for setting an optical scan area including a vertical rotating mechanism for rotating the optical transceiver for vertical scanning and a horizontal rotating mechanism for rotating the optical transmitter, the optical transceiver, the optical receiver and the optical signal processor for horizontal scanning;
A first housing accommodating the optical transceiver and connected to a vertical rotation mechanism to vertically rotate during vertical scanning; And
And a second housing accommodating the light transmitting unit on one side about a horizontal rotation axis, accommodating the light receiving unit and the optical signal processing unit on the other side, and connected to a horizontal rotating mechanism to rotate horizontally during horizontal scanning. 제1항에 있어서,
상기 광 송수신부는,
광을 받아 목표물로 송신하고 목표물에 반사된 레이저 광을 수신하는 광 송수신 윈도우;
상기 광 송수신 윈도우에 평행하게 위치하여 목표물에서 반사된 레이저 광을 집속하는 제1 광 수신 렌즈; 및
상기 제1 광 수신 렌즈와 평행하게 위치하여 집속된 레이저 광을 반사하여 평행 광을 형성하는 광 수신 반사경을 포함하는 3차원 광 스캔 장치.The method of claim 1,
The optical transceiver,
An optical transmission / reception window that receives light and transmits the light to a target and receives laser light reflected by the target;
A first light receiving lens positioned parallel to the light transmission / reception window to focus laser light reflected from a target; And
And a light receiving reflector disposed in parallel with the first light receiving lens to reflect focused laser light to form parallel light. 제2항에 있어서,
상기 광 송신부는,
광을 방출하는 광원;
광이 목표물까지 작은 빔 크기를 갖고 도달할 수 있도록 빔 발산각을 결정하는 광 송신 렌즈;
상기 광 송신 렌즈에서 나온 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경;
상기 송신부 반사경에서 반사된 레이저 광을 목표물에 전송되는 광과 내부 온도와 신호 처리 시간 오차를 소거하기 위한 내부 참조 신호용 광을 분리하는 제 1 빔 스플리터; 및
상기 제 1 빔 스플리터에서 분리된 내부 참조 신호용 레이저 광이 입사되는 내부 경로용 광 파이버를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.The method of claim 2,
The optical transmitter,
A light source for emitting light;
A light transmitting lens for determining the beam divergence angle so that light can reach the target with a small beam size;
A transmitter reflector for changing a path of light emitted from the light transmitting lens;
A first beam splitter for separating the laser light reflected by the transmitter reflector from the light transmitted to a target and the internal reference signal light for canceling an internal temperature and a signal processing time error; And
And an optical fiber for the internal path to which the laser light for the internal reference signal separated by the first beam splitter is incident. 제3항에 있어서,
광 수신부는,
상기 광 수신 반사경에서 방출된 평행 광을 수신하여 광을 집속하는 제2 광 수신 렌즈;
상기 제2 광 수신 렌즈에서 방출된 광의 광량을 조절하는 광량 조절부; 및
상기 광량 조절부를 통과한 광을 수신하는 외부 경로용 광 파이버를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.The method of claim 3,
The optical receiver,
A second light receiving lens for focusing light by receiving parallel light emitted from the light receiving reflector;
A light amount adjusting unit controlling an amount of light emitted from the second light receiving lens; And
And an optical fiber for an external path for receiving the light that has passed through the light amount adjusting unit. 제4항에 있어서,
상기 광량 조절부는 광 감쇄 필터인 3차원 광 스캔 장치.5. The method of claim 4,
The light amount adjusting unit is a three-dimensional optical scanning device is a light attenuation filter. 제4항에 있어서,
상기 광 신호 처리부는 상기 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광을 통과시키고 상기 내부 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 반사시키는 제 2 빔 스플리터; 및
상기 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광과 상기 내부 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 전기 신호로 변환하는 광 검출기를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.5. The method of claim 4,
The optical signal processor may include a second beam splitter configured to pass light emitted from the optical fiber for the external path and reflect laser light emitted from the optical fiber for the internal path; And
And a photo detector for converting the laser light emitted from the optical fiber for the external path and the laser light emitted from the optical fiber for the internal path into an electrical signal. 제3항에 있어서,
상기 광 수신부는 평행 광을 수신하여 광을 집속하는 제2 광 수신 렌즈;
상기 제2 광 수신 렌즈에서 방출된 광을 수신하는 외부 경로용 광 파이버; 및
상기 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광의 광량을 조절하는 광량 조절부를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.The method of claim 3,
The light receiving unit includes a second light receiving lens for receiving parallel light to focus light;
An optical fiber for an external path for receiving light emitted from the second light receiving lens; And
And a light amount adjusting unit configured to adjust the amount of light emitted from the optical fiber for the external path. 제7항에 있어서,
상기 광량 조절부는,
상기 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광을 분리하는 제 2 빔 스플리터;
상기 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 일부를 수신하여 상기 광 신호 처리부에 방출하는 신호 검출용 광 파이버;
상기 제 2 빔 스플리터에 의하여 분리된 광의 다른 일부를 수신받아 소정 시간 지연 후 상기 제 2 빔 스플리터로 재방출하는 무한 피드백 광 파이버를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.The method of claim 7, wherein
The light amount adjusting unit,
A second beam splitter for separating light emitted from the optical fiber for the external path;
A signal detecting optical fiber which receives a part of the light separated by the second beam splitter and emits the light to the optical signal processor;
And an infinite feedback optical fiber that receives another portion of the light separated by the second beam splitter and re-emits it to the second beam splitter after a predetermined time delay. 광을 방출하는 광 송신부, 상기 광 송신부에서 광을 받아 목표물로 전송하고 목표물에서 반사된 광을 수신하는 광 송수신부, 상기 광 송수신부에서 광을 수신하는 광 수신부, 상기 광 수신부에서 수신한 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 신호 처리부, 수직 스캔하기 위하여 광 송수신부를 회동시키는 수직 회전 기구, 및 수평 스캔하기 위하여 광 송신부, 광 송수신부, 광 수신부 및 광 신호처리부를 회동시키는 수평 회전 기구를 포함하여 광 스캔 영역을 설정하는 광 스캔부, 상기 광 송수신부를 수납하고 수직 회전 기구에 연결되어 수직 스캔시 수직 회동하는 제 1 하우징, 및 수평 회전축을 중심으로 일방에 상기 광 송신부를 수납하고 타방에 상기 광 수신부와 광 신호 처리부를 수납하며, 수평 회전 기구에 연결되어 수평 스캔시 수평 회전하는 제 2 하우징을 포함하는 3차원 광 스캔 장치의 광 스캔 방법에 있어서,
상기 광송신부에서 방출된 광을 제 1 빔 스플리터에 의하여 목표물에 방출되는 광과 내부 광 경로용 광 파이버로 방출되는 광으로 분리하는 단계;
목표물에서 반사된 광을 집속하여 외부 광 경로용 광 파이버로 입사하는 단계;
상기 외부 광 경로용 광 파이버에서 방출된 레이저 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 신호 검출용 광 파이버에 입사되어 광 검출기로 방출되는 광과 무한 피드백 광 파이버로 입사되는 광으로 분리하는 단계;
상기 무한 피드백 광 파이버에 입사된 광을 제 2 빔 스플리터에 의하여 상기 신호 검출용 광 파이버에 재입사되어 광 검출기로 재방출되는 광과 상기 무한 피드백 광 파이버에 재입사되는 광으로 분리하는 단계;
상기 신호 검출용 광파이버에서 방출된 레이저 광을 수신받아 광 검출기에 의하여 전기 신호로 변화하는 단계;
상기 전기 신호 중에서 거리 측정 오차를 발생하지 않는 신호 세기 범위 내의 전기 신호를 선정하는 단계; 및
상기 선정된 전기 신호를 기초로 왕복시간을 측정하여 거리를 계산하는 단계를 포함하는 광 스캔 방법.An optical transmitter for emitting light, an optical transceiver for receiving light from the optical transmitter and transmitting the light to a target, an optical receiver for receiving light from the optical transceiver, and an optical signal received from the optical receiver An optical signal processing unit for converting the optical signal into an electrical signal, a vertical rotation mechanism for rotating the optical transceiver for vertical scanning, and a horizontal rotation mechanism for rotating the optical transmitter, optical transceiver, optical receiver and optical signal processing for horizontal scanning; An optical scan unit for setting an optical scan area, a first housing accommodating the optical transceiver and connected to a vertical rotation mechanism to rotate vertically during a vertical scan, and receiving the optical transmitter in one direction about a horizontal rotation axis and the optical in the other A second receiving unit and an optical signal processing unit and connected to a horizontal rotating mechanism and horizontally rotating during a horizontal scan In the optical scanning methods of three-dimensional optical scanning apparatus including a housing,
Separating the light emitted from the optical transmitter into light emitted to a target by a first beam splitter and light emitted to an optical fiber for an internal optical path;
Focusing the light reflected from the target and entering the optical fiber for the external light path;
Separating the laser light emitted from the optical fiber for the external optical path into light incident on the optical fiber for signal detection by a second beam splitter and emitted to the photo detector and light incident on the infinite feedback optical fiber;
Separating the light incident on the infinite feedback optical fiber into light re-incident to the signal detecting optical fiber by a second beam splitter and re-emitted to an optical detector and light re-incident to the infinite feedback optical fiber;
Receiving laser light emitted from the optical fiber for signal detection and converting the laser light into an electrical signal by a photo detector;
Selecting an electrical signal within a signal strength range that does not generate a distance measurement error among the electrical signals; And
And calculating a distance by measuring a round trip time based on the selected electrical signal. 제9항에 있어서,
상기 거리를 계산하는 단계는 다음 식에 의하여 계산하는 광 스캔 방법.
Figure 112011050802584-pat00004

Δεe: 내부 광 경로를 거친 레이저 광 신호 (스타트 신호) 수신 시간
Tm: 시작 신호와 스톱 신호간 측정 시간
Td: 레이저 광이 무한 피드 백 광 파이버를 통과한 시간
n: n번째 발생 광 신호
T: 목표물까지 왕복 시간10. The method of claim 9,
Computing the distance is calculated by the following equation.
Figure 112011050802584-pat00004

Δε e : Receive time of laser light signal (start signal) through the internal optical path
Tm: measurement time between start signal and stop signal
Td: The time the laser light passed through the infinite feedback optical fiber
n: nth generated optical signal
T: Round trip time to target 제10항에 있어서,
수직 회전 기구에 의하여 상기 제 1 하우징을 수직 회동시켜 목표물의 수직 지점들에 대한 거리를 측정하는 수직 스캔을 하는 단계; 및
수평 회전 기구에 의하여 상기 제 1 하우징과 제 2 하우징을 수평 회동시켜 목표물의 수평 지점들에 대한 거리를 측정하는 수평 스캔을 하는 단계를 더 포함하는 광 스캔 방법.The method of claim 10,
Vertically rotating the first housing by a vertical rotating mechanism to perform a vertical scan for measuring a distance to vertical points of a target; And
And horizontally rotating the first housing and the second housing by a horizontal rotating mechanism to perform a horizontal scan to measure a distance to horizontal points of a target.
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