KR102233295B1

KR102233295B1 - 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102233295B1
Application number: KR1020190108590A
Authority: KR
Inventors: 정기훈; 김현우; 서영현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-03-29
Also published as: KR20210027763A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치는 변조된 레이저 광을 출력하는 광원부; 상기 레이저 광을 반사하고 서로 직교하는 양 축을 가지는 미러; 및 상기 미러의 구동 신호 및 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하여 상기 광원부 및 상기 미러에 송신하는 제어부;를 포함하며, 상기 변조 신호의 주파수를 제어하여 스트라이프 패턴 구조광을 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치 및 방법{Apparatus for generating stripe pattern structured-light and method for the same}

본 발명은 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 변조된 레이저 광을 반사하는 미러의 양 축 중 한 축을 선택하고 상기 레이저 광의 변조 신호 주파수는, 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 생성되어 스트라이프 패턴의 구조광을 생성할 수 있고 또한, 사용자가 원하는 구조광의 패턴 방향, 패턴 밀도 및 관측 시야를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성할 수 있는 가변 구조광 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 3차원 입체 영상 서비스에 대한 관심이 점점 증대되면서 입체 영상을 제공하는 장치들이 계속 개발되고 있다. 이러한 입체영상을 구현하는 방식 중에 스테레오 스코픽(stereoscopic) 방식, 시간 측정(TOF: time of flight) 방식, 구조광(structured-light) 방식 등이 있다.

스테레오 스코픽 방식의 기본 원리는, 사람의 좌안과 우안에 서로 직교하도록 배열된 영상을 분리하여 입력하고, 사람의 두뇌에서 좌안과 우안에 각각 입력된 영상이 결합되어 입체 영상이 생성되는 방식이다. 이때, 서로 직교하도록 배열된 영상이 각각 좌안 영상(reft view image) 및 우안 영상(right view image)이 된다. 최근의 3D 카메라는 하나의 장치에서 좌안 영상과 우안 영상을 함께 촬영하도록 구성되고 있다. 예를 들어, 2개의 동일한 카메라를 사용하는 스트레오 방식이 많이 이용된다. 스트레오 방식의 경우에는, 두 카메라를 일정간격(baseline)으로 배치하여 좌우영상을 별도의 2개의 완전히 독립된 카메라(2개의 렌즈, 2개의 센서, 2개의 ISP)를 사용하여 획득한다.

그러나, 스트레오 방식의 3D 카메라에는 2개의 카메라간의 조립오차에 따른 품질문제가 3D 품질을 저하시켜 고정밀 조립 공정 및 수율저하라는 문제점이 있었다. 또한, 3D depth 측정범위가 고정된 2개의 카메라간의 간격인baseline에 의하여 결정되는 문제점이 있었다. 또한 3D 줌렌즈의 경우 초기에 2개의 카메라간의 얼라인(align)이 잘 되어 있어도 줌잉을 하면서 2개의 카메라간의 오차가 발생하면서 영상이 저하되어 시청자 피로감을 유발시키는 문제점이 있다.

또한, 시간측정(TOF: time of flight) 방식은 물체에 직접적으로 빛을 조사하고, 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간을 계산함으로써 물체의 깊이 정보를 획득한다. 이 방식은 TOF 전용 센서의 크기와 높은 파워 소비로 제한적으로 사용되는 문제가 있다.

또한, 구조광(structured-light) 방식은 특정 패턴이 코딩된 레이저광을 물체에 조사하고, 반사광의 패턴 shift량을 계산함으로써 물체의 깊이 정보를 획득한다. 이 방식은 일반적으로 고정초점 렌즈와 passive 코딩 소자를 사용한다.

따라서 기존의 구조광 방식의 3차원 입체 영상 제공 시스템에서 사용되는 구조광은 넓은 면적에 나누어 주어야하기 때문에 광의 세기가 커야하며 다양한 환경에 따라 패턴을 변화시켜가며 이미지를 획득할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 고대비 패턴을 가지는 스트라이프 형상의 구조광을 구현할 수 있는 가변 구조광 생성 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 패턴 방향, 패턴 밀도 및 관측 시야(FOV:field of view)가 가변되는 스트라이프 패턴 구조광을 생성할 수 있는 가변 구조광 생성 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 소형화가 가능하고 낮은 출력의 레이저로 넓은 시야를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성할 수 있는 가변 구조광 생성 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치는, 변조된 레이저 광을 출력하는 광원부; 상기 레이저 광을 반사하고 서로 직교하는 양 축을 가지는 미러; 및 상기 미러의 구동 신호 및 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하여 상기 광원부 및 상기 미러에 송신하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부가 상기 변조 신호의 주파수를 제어하여, 스트라이프 패턴 구조광이 생성될 수 있다.

여기서 상기 미러는 멤스(MEMS:micro-electro mechanical system) 미러가 사용될 수 있다.

상기 제어부는 상기 멤스 미러가 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하도록, 상기 멤스 미러의 양 축의 구동 신호를 각각 정현파로 생성하여 상기 멤스 미러에 송신할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 멤스 미러의 양 축 중 한 축을 선택하고, 상기 변조 신호의 주파수는, 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 N배가 되도록 생성하며, 상기 N은 자연수인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 멤스 미러의 양 축의 공명 피크로부터 3dB만큼의 대역폭 안에서 상기 구동 신호의 주파수를 선택하여 상기 구동 신호를 생성하고 상기 멤스 미러에 송신할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 사용자가 원하는 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 방향에 대응되도록 상기 멤스 미러의 양 축 중 한 축을 선택할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 N을 조절하여 상기 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 밀도를 가변시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 멤스 미러의 양 축 중 선택되지 않은 축의 구동 신호 위상을 고정하고, 상기 선택된 한 축의 구동 신호 위상만을 조절하여 상기 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 간격을 가변시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 멤스 미러 양 축의 상기 구동 신호의 진폭을 조절하여 상기 스트라이프 패턴 구조광의 관측 시야를 가변시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 광원부에 ON/OFF 방식의 구형파 변조 신호를 송신하여 상기 레이저 광을 변조시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치에 있어서, 상기 광원부는 상기 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 광변조 소자에 상기 변조 신호를 송신할 수 있다.

또한, 상기 멤스 미러는 서로 직교하는 양 축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자(Q-factor)가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치를 이용하여 사용자가 원하는 패턴 방향, 패턴 밀도 및 관측 시야를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성하는 가변 구조광 생성 방법은, 제어부가 멤스 미러 양 축의 공명 피크로부터 3dB 만큼의 대역폭 안에서 상기 멤스 미러 양 축의 구동 신호를 생성하는 단계; 상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 중 한 축을 선택하고, 레이저 광을 변조시키는 변조 신호 주파수가 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 N배가 되도록 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하는 단계; 상기 제어부가 상기 구동 신호 및 상기 변조 신호를 각각 상기 멤스 미러 및 광원부에 송신하는 단계; 및 상기 구동 신호에 따라 리사쥬 스캐닝을 실행하는 상기 멤스 미러가 상기 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 반사하여 상기 스트라이프 패턴 구조광을 생성하는 단계;를 포함할 수 있고, 이 때, 상기 N은 자연수인 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 멤스 미러 양 축의 구동 신호를 생성하는 단계에 있어서, 상기 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 간격을 가변시키기 위해, 상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 중 선택되지 않은 축의 구동 신호 위상을 고정하고, 상기 선택된 축의 구동 신호 위상만을 조절할 수 있다.

또한, 상기 멤스 미러 양 축의 구동 신호를 생성하는 단계에 있어서, 상기 사용자가 원하는 관측 시야를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성시키기 위해, 상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 구동 신호의 진폭을 조절할 수 있다.

또한, 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하는 단계에 있어서, 상기 사용자가 원하는 패턴 방향에 대응되도록 상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 중 한 축을 선택할 수 있다.

또한, 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하는 단계에 있어서, 상기 사용자가 원하는 패턴 밀도를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성시키기 위해, 상기 제어부가 상기 N을 조절하여 상기 변조 신호를 생성시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 방법에 있어서, 상기 변조 신호는, 상기 광원부에 송신되는 ON/OFF 방식의 구형파 변조 신호일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 방법에 있어서, 상기 광원부는 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고, 상기 광변조 소자에 상기 변조 신호가 송신될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 구조광 생성 방법에 있어서, 상기 멤스 미러는, 서로 직교하는 양 축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자(Q-factor)가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계될 수 있다.

본 발명에 따르면, 레이저 광의 변조 신호 주파수를, 미러 구동 축 중 한 축을 선택하고, 상기 변조 신호 주파수가 상기 선택한 축에 대한 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 조절하여 고대비 패턴을 가지는 스트라이프 형상의 패턴 구조광을 구현하는 가변 구조광 생성 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 선택되는 미러 구동 축을 변경하여 스트라이프 패턴의 방향을 바꿀 수 있고, 변조 신호의 주파수를 조절하여 패턴 밀도를 가변할 수 있으며 구동 신호의 진폭을 조절하여 관측 시야(FOV:field of view)가 가변될 수 있는 가변 구조광 생성 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 선택되는 미러 구동 축의 구동 신호 위상만을 조절하고 다른 축의 구동 신호 위상은 고정하여 패턴 간격을 가변할 수 있는 가변 구조광 생성 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 대략 1mmХ1mm의 크기를 갖는 멤스(MEMS:micro-electro mechanical system) 미러가 사용될 수 있으므로 가변 구조광 생성 장치의 소형화가 가능하고, 기존의 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)을 사용하는 구조광 생성 장치에 비하여 낮은 출력의 레이저로 넓은 시야를 갖는 구조광의 생성이 가능한 가변 구조광 생성 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치의 미러로 멤스 미러를 사용하는 경우의, 멤스 미러의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 보여주는 확대도이다.
도 4는 변조 신호의 주파수를 멤스 미러 양 축의 구동 신호 주파수에 따라 결정할 때 생성되는 구조광의 패턴과, 멤스 미러 한 축의 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 결정할 때 생성되는 구조광의 패턴을 비교한 도면이다.
도 5는 선택되는 멤스 미러의 구동 축에 따른 패턴 방향 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 변조 신호 주파수가 증가함에 따른 패턴 밀도 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법의 순서도를 나타낸 도면이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)를 도시한 개략도를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)는 광원부(100), 미러(200) 및 제어부(300)를 포함한다. 본 발명의 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)는 일반적으로 대상 물체에 구조광을 조사하고 대상 물체에서 반사되는 반사광을 카메라 등과 같은 영상 촬영 수단으로 영상을 촬영하고 이를 통해 획득한 영상을 분석하여 대상 물체의 3차원 입체 정보를 얻는 시스템에서 사용된다.

구조광 생성 장치에 의해 조사되는 패턴은 그 개수가 적으면 각각의 패턴이 용이하게 구분될 수 있으나, 대상 물체의 거리 측정의 정밀도가 낮아질 수 있다. 반면, 조사되는 패턴의 개수가 많아지면 각각의 패턴을 구분하기 위한 계산 시간과 오차가 증가할 수 있으나, 대상 물체와의 거리 측정의 정밀도가 향상될 수 있다. 또한, 패턴의 크기가 커질수록 패턴이 용이하게 구분될 수 있으나, 입체 영상의 해상도가 낮아질 수 있다. 반면, 조사되는 패턴의 크기가 작아지면 패턴의 구분이 어려우나 입체 영상의 해상도가 높아질 수 있다.

따라서 원하는 조건의 패턴을 가지는 조사광의 패턴의 개수 및 모양을 결정하여 적용할 필요가 있는데, 본 발명에 따르면 고대비, 고출력의 스트라이프 패턴을 가지는 구조광이 생성되므로 패턴의 구분이 용이할 뿐만 아니라 스트라이프 패턴의 간격 조절을 통해 고해상도 3차원 이미징도 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)의 미러(200)는 레이저 광을 반사하고 서로 직교하는 양 축을 가진다.

여기서 미러(200)는 멤스(MEMS:micro-electro mechanical system) 미러(200')가 사용될 수 있으며, 광을 반사시키고 미러 평면상에서 서로 직교하는 양 축에 정현파가 인가되어 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)이 가능한 미러라면, 멤스 미러(200')에 한정되지 않고 본 발명의 가변 구조광 생성 장치에 사용될 수 있다. 리사쥬 스캐닝이란 레이저 광으로 리사쥬 패턴을 구현하기 위한 스캐닝으로서, 리사쥬 패턴은 x축 방향, y축 방향으로 각각 다른 펄스 신호를 쏘아 보낼 때 두 축의 파장이 섞여서 형성되는 임의의 패턴을 말한다.

본 발명의 일 실시예에서는 미러(200)로 멤스 미러(200')가 사용되었으며 이하에서는 멤스 미러(200')를 중심으로 설명한다.

광원부(100)는 레이저(110)를 포함하며, 레이저 광은 ON/OFF 방식의 구형파에 의해 변조(modulation)되고 멤스 미러(200')의 표면에 조사된다. 이 때, 변조 신호 주파수는 멤스 미러(200')의 양 축 중 한 축의 구동 주파수만의 배수가 되도록 생성되어 송신된다. 레이저 광의 파장 대역은 가시광선 또는 적외선 계열의 대역도 무방하다.

또한, 광원부(100)는 레이저(110) 광을 변조시키기 위해 멤스 미러(200')로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자(120)를 더 포함할 수 있다. 광변조 소자(120)는 광을 변조하거나 고속 카메라의 셔터 등에 이용되는 전기 광학적 커 효과(Kerr effect)를 이용해 만들어진 커 셀(Kerr cell)로 이루어질 수 있다. 또한, 광변조 소자(120)에 ON/OFF 방식의 구형파인 구동 신호가 가해질 수 있다.

도 2는 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)의 미러로 멤스 미러(200')를 사용하는 경우 멤스 미러(200')의 사시도이고, 도 3은 도 2의 A 부분을 보여주는 확대도를 나타낸다.

도 2 및 도 3를 참조하면, 멤스 미러(200')는 미러 플레이트(210), 제1 고정단(221), 제2 고정단(222), 제1 토션바(231), 제2 토션바(232), 프레임(240) 및 구동부(미도시)를 포함한다. 상기 미러 플레이트(210)는 광을 반사하며, 회전 가능하고, 양 축의 구동 신호가 각각, V_x(t)=A_xsin(2πf_x·t+φ_x) 및 V_y(t)=A_ysin(2πf_y·t+φ_y)로 입력되어 미러 플레이트(210)에서 반사된 광에 의해 리사쥬 스캔이 행해진다. 제1 고정단(221)은 미러 플레이트(210)의 양측에 각각 이격되어 형성되고 미러 플레이트(210)가 제1 고정단(221)을 잇는 직선을 축(여기서, X축)으로 하여 회전 진동하는 동안 미러 플레이트(210)의 중심의 변위가 없도록 고정시키는 역할을 한다. 프레임(240)은 미러 플레이트(210) 및 제1 고정단(221)의 둘레를 에워싸는 구성이고, 제2 고정단(222)은 프레임(240)의 양측에 각각 이격되어 형성되고 상기 제1 고정단(221)을 잇는 직선과 수직하는 선상에 위치하여 프레임(240)과 미러 플레이트(210)가 제2 고정단(222)을 잇는 직선을 축(여기서, Y축)으로 하여 회전 진동하는 동안 미러 플레이트(210)의 중심의 변위가 없도록 고정시키는 역할을 한다. 토션바는 미러 플레이트(210)의 중심을 기준으로 직교하는 두 직선상에 4개가 배치된다. 제1 토션바(231)는 미러 플레이트(210)를 탄성 지지하는 것으로 상기 미러 플레이트(210)와 상기 제1 고정단(221)을 연결한다. 제2 토션바(232)는 프레임(240)을 탄성 지지하는 것으로 상기 프레임(240)과 상기 제2 고정단(222)을 연결한다.

상기 구동부(미도시)는 상기 미러 플레이트(210)의 회전 진동에 의해 반사되는 광이 리사쥬 패턴을 형성하도록 리사쥬 스캔을 위한 서로 수직하는 제1축 및 제2축으로 회전력을 제공한다. 구동부는 정전기적(electrostatic), 전자기적(electromagnetic), 전열(electrothermal) 및 압전(piezo) 방식 중에서 선택되어지는 구동 방식을 취할 수 있다. 도 2는 정전기적 구동 방식을 취하는 멤스 미러(200')를 도시하였고 도 3의 확대도에 나타나 있는 빗살 모양의 콤(comb)을 형성하여 인접한 콤의 전기전 척력 또는 인력에 의하여 미러 플레이트(210)에 회전력을 전달한다.

본 발명의 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)가 패턴 밀도를 다양하게 가변하기 위해서는 레이저 광의 변조 신호 주파수를 결정하는 멤스 미러(200')의 구동 주파수를 다양하게 선택할 수 있어야 하고 그 선택의 폭이 되는 공명 대역폭이 넓어야 한다. 즉, 공명 대역폭이 넓다는 것은 진동 모드의 품질 인자(Q-factor)가 낮다는 것을 의미한다. 품질 인자란 중심주파수를 3dB 대역폭으로 나눈 값이며, 멤스 미러(200')의 품질 인자는 미러 플레이트(210) 및 프레임의 회전 관성모멘트와 토션바의 탄성 복원력과의 관계에서 결정된다. 따라서 멤스 미러(200')의 진동에 대한 품질 인자를 조절하기 위해 제1 또는 제2 토션바의 두께를 변경하는 설계를 통하여 멤스 미러(200')를 제작한다. 즉, 멤스 미러(200')를 제작하는 반도체 공정 전의 설계도에 해당하는 마스크를 그리는 과정에서 토션바의 두께를 조절하여 멤스 미러(200')의 양 축의 진동에 대한 품질인자를 결정하게 된다.

본 발명의 장치가 멤스 미러(200')의 구동 주파수를 다양하게 선택할 수 있도록 멤스 미러(200')는 서로 직교하는 양 축을 기준으로 회전하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질 인자 또는 제2축의 회전 진동에 대한 품질 인자 중에서 어느 하나 이상을 낮게 설계하거나 두 품질인자 중 하나를 더 낮게 설계되는 것이 바람직하며 더 낮은 품질 인자가 100 이하인 것이 더 바람직하다.

제어부(300)는 미러(200)의 구동 신호 및 레이저 광의 변조 신호를 생성하여 광원부(100) 및 미러(200)에 송신할 수 있다.

더욱 구체적으로 본 발명의 일 실시예에서와 같이 멤스 미러(200')를 사용하는 경우, 제어부(300)는 멤스 미러(200')를 제어하는 양 축 구동 신호의 구동 주파수(f_x, f_y)를 결정하여 구동 신호를 생성하고 광원부(100)에서 출력되는 레이저 광을 변조하는 변조 주파수를 결정하여 상기 변조 주파수로 형성되는 변조 신호를 생성할 수 있다.

또한 제어부(300)는 구동 신호 및 변조 신호를 생성하는 신호 생성부 및 생성된 신호를 송신하는 신호 송신부를 더 포함할 수 있다.

상기 구동 신호는 멤스 미러(200')의 양 축의 공명 피크로부터 3dB만큼의 대역폭 안에서 주파수를 선택하여 생성될 수 있다. 이는 공명 피크로부터 멀어지는 주파수를 선택하면 멤스 미러(200')의 구동 각도(미러 평면이 기울어지는 정도)가 작아지고 그만큼 스캐닝되는 2차원 평면도 좁아지게 되기 때문이다.

또한, 제어부(300)는 사용자가 원하는 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 방향, 밀도 또는 관측 시야를 입력받는 정보 입력부 및 상기 패턴 방향, 밀도 또는 관측 시야의 정보가 기 저장되어 있는 메모리부를 더 포함할 수 있다. 따라서, 사용자는 실험에 의해 확인된 패턴 방향, 밀도 또는 관측 시야에 대한 수치화된 정보와 이에 대응하는 멤스 미러(200')의 구동 신호 및 레이저 광의 변조 신호 정보를 상기 메모리부에 저장할 수 있다. 또한, 상기 정보 입력부를 통해 사용자가 원하는 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 방향, 밀도 또는 관측 시야에 대한 정보가 입력되면, 이에 대응하는 구동 신호 및 변조 신호를 생성하여 각각 멤스 미러(200') 및 광원부(100)에 송신할 수 있다.

제어부(300)는 사용자가 원하는 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 방향에 대응되도록 멤스 미러(200')의 양 축 중 한 축을 선택할 수 있고 이 때, 변조 신호의 주파수를 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 생성한다.

보다 구체적으로, 변조 신호 주파수는 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 N배가 되도록 생성되고 여기서, N은 자연수이며 선택되지 않은 다른 한 축의 구동 신호 주파수에 대해서는 이러한 배수관계를 가지지 않도록 생성된다. 상기 변조 신호 주파수가 멤스 미러(200') 구동 축 중 한 축의 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 제어하는 것에 의해 물체에 조사되는 패턴은 스트라이프 형상을 가지게 된다.

도 4는 변조 신호의 주파수를 멤스 미러(200') 양 축의 구동 신호 주파수에 따라 결정할 때 생성되는 구조광의 패턴과, 멤스 미러(200') 한 축의 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 결정할 때 생성되는 구조광의 패턴을 비교한 도면이다.

멤스 미러(200') 양 축의 구동 신호 주파수에 따라 변조 신호 주파수를 결정할 때에는, 구조광 패턴이 도 4의 왼쪽 패턴과 같이 임의의 형상을 가지고 일정하게 형성되고, 멤스 미러(200') 한 축의 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 변조 신호 주파수를 결정할 때에는, 도 4의 오른쪽 패턴과 같이 스트라이프 패턴을 가지는 구조광이 생성된다.

사용자는 변조 신호의 주파수를, 멤스 미러(200') 양 축의 구동 신호 주파수의 최소 공배수의 배수가 되도록 제어하면서 도 4의 왼쪽 패턴과 같은 임의의 형상을 가지는 패턴을 생성할 수 있고, 이러한 임의의 형상을 가지는 패턴의 개수를 가변시키는 것에 의해 물체의 깊이 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또는 본 발명의 일 실시예에서와 같이, 사용자는 변조 신호의 주파수를, 멤스 미러(200') 한 축의 구동 신호 주파수만의 배수가 되도록 제어하여 도 4의 오른쪽 패턴과 같은 스트라이프 패턴을 형성한 후, 상기 한 축이 아닌 다른 축의 구동 신호 위상은 고정시키고 상기 한 축의 구동 신호 위상만을 조절하면서 상기 스트라이프 패턴 간격을 가변시키는 것에 의해 물체의 깊이 측정의 정밀도를 향상시킬 수도 있다.

본 발명의 일 실시에에 따르면, 선택된 한 축만을 기준으로 변조 신호의 주파수를 제어하고, 패턴 간격의 가변을 위해 상기 선택된 축의 구동 신호 위상만을 제어하게 된다. 따라서, 멤스 미러(200') 양 축의 구동 신호 주파수에 따라 변조 신호 주파수를 결정할 때보다 제어 오차가 줄어들게 되고, 패턴 간격을 가변시키는 속도를 증가시킬 수 있으며 더욱 단순하고 빠른 제어가 가능해지므로 본 발명의 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)를 이용한 연구의 효율성도 높일 수 있다.

도 5는 선택되는 멤스 미러(200') 구동 축에 따른 패턴 방향 변화를 나타낸 도면이다.

제어부(300)가 멤스 미러(200') 양 축 중 한 축을 선택하여 변조 신호를 생성할 때 어느 축을 선택하느냐에 따라 스트라이프 패턴의 방향이 달라지게 되는데 구체적으로, 축 방향을 x,y로 설정했을 때 x축 방향에 해당하는 축을 선택하면 y축 방향의 스트라이프 패턴이, y축 방향에 해당하는 축을 선택하면 x축 방향의 스트라이프 패턴이 생성되게 된다. 3차원 이미지 스캔 시에는 다른 방향에서 감지되지 않은 부분을 캡쳐하기 위해 패턴 방향이 변경될 필요가 있고 본 발명의 구조광 생성 장치를 사용하여 3차원 이미지 스캔을 할 때, 한 대상물체에 대해 멤스 미러(200') 구동 축을 번갈아 선택하면서 3차원 이미지 스캔을 하게 되면 보다 높은 해상도를 가지는 3차원 이미징을 할 수 있게 된다.

도 6은 변조 신호 주파수가 증가함에 따른 패턴 밀도 변화를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면 레이저 광의 변조 신호 주파수가 증가함에 따라 스트라이프 패턴의 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 제어부(300)는 멤스 미러(200') 양 축 중 한 축의 구동 주파수의 N배로 레이저 광의 변조 신호 주파수를 생성하고 상기 N을 증감 조절하여 상기 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 밀도를 가변시킬 수 있다. N이 증가하여 상기 변조 신호 주파수가 증가하면 스트라이프 패턴의 밀도가 증가하게 된다.

또한, 앞서 언급한 바 있듯이 제어부(300)는 멤스 미러(200') 양 축 중 선택되지 않은 축의 구동 신호 위상을 고정하고, 선택된 한 축의 구동 신호 위상만을 조절하여 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 간격을 가변시킬 수도 있다.

패턴 구조광의 시야(FOV:Field Of View)는 멤스 미러(200')는 양 축의 회전 각도가 커질수록 커지게 된다. 이 때, 회전 각도는 멤스 미러(200')의 양 축의 구동 신호의 진폭(A_x, A_y)에 의해 결정되므로 결국 패턴 구조광의 시야는 멤스 미러(200')의 구동 신호의 진폭과 양의 상관관계를 가지고 멤스 미러(200') 양 축의 구동 신호의 진폭(A_x, A_y)에 따라 변화될 수 있다. 상기 진폭은 제어부(300)에 의해 조절될 수 있다.

요약하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)는 멤스 미러(200') 양 축 중 한 축을 선택하고, 레이저 광의 변조 신호 주파수가 상기 선택된 축의 구동 신호 주파수만의 N배가 되도록 변조 신호를 생성하여 광원부(100)에 송신함으로써 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광을 생성할 수 있다. 이러한 스트라이프 패턴 구조광은 상기 N을 가변시켜 패턴 밀도를 가변시킬 수 있고, 선택되지 않은 축의 구동 신호 위상은 고정하고 선택된 축의 구동 신호 위상만을 조절하여 스트라이프 패턴 간격을 가변할 수 있으며, 상기 선택하는 축을 달리 함으로써 스트라이프 패턴 방향을 변경할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)에 사용되는 멤스 미러(200')의 크기는 대략 1mmХ1mm이므로 본 발명의 장치의 소형화가 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)는, 레이저 광을 반사시키는 멤스 미러(200')를 이용하므로 기존의 passive 소자를 사용하는 구조광 생성 장치에 비하여 에너지 손실이 적어 더 낮은 출력의 레이저로 더 넓은 시야를 갖는 구조광의 생성이 가능하다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법을 보여주는 순서도를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법은, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)를 이용하여 사용자가 원하는 패턴 방향, 패턴 밀도 및 관측 시야를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성하는 가변 구조광 생성 방법으로서, 제어부(300)가 멤스 미러(200') 양 축의 공명 피크로부터 3dB 만큼의 대역폭 안에서 멤스 미러(200') 양 축의 구동 신호를 생성하는 단계(S100); 제어부(300)가 멤스 미러(200')의 양 축 중 한 축을 선택하고, 레이저 광을 변조시키는 변조 신호 주파수가 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 N배가 되도록 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하는 단계(S200); 제어부(300)가 상기 구동 신호 및 상기 변조 신호를 각각 멤스 미러(200') 및 광원부(100)에 송신하는 단계(S300); 및 상기 구동 신호에 따라 리사쥬 스캐닝을 실행하는 멤스 미러(200')가 상기 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 반사하여 스트라이프 패턴 구조광을 생성하는 단계(S400);를 포함한다. 이 때, 상기 N은 자연수이다.

여기서, 각 단계에 대한 상세한 설명은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치(1000)에 대한 설명으로서 갈음할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구 범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1000 : 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치
100 : 광원부
200 : 미러
200': 멤스 미러
210: 미러 플레이트
221: 제1 고정단
222: 제2 고정단
231: 제1 토션바
232: 제2 토션바
240: 프레임
300 : 제어부

Claims

스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치로서,
변조된 레이저 광을 출력하는 광원부;
상기 레이저 광을 반사하고 서로 직교하는 양 축을 가지는 미러; 및
상기 미러의 구동 신호 및 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하여 상기 광원부 및 상기 미러에 송신하는 제어부;를 포함하되,
상기 제어부는, 상기 미러의 양 축의 공명 피크로부터 3dB만큼의 대역폭 안에서 상기 구동 신호의 주파수를 선택하여 상기 구동 신호를 생성하고,
상기 제어부는, 상기 미러의 양 축 중 한 축을 선택하고, 상기 변조 신호의 주파수가 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 N배가 되도록 상기 변조 신호를 생성하여, 스트라이프 패턴 구조광이 생성되고,
상기 N은 자연수인 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 미러는 멤스(MEMS:micro-electro mechanical system) 미러인 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 멤스 미러가 리사쥬 스캐닝(Lissajous scanning)을 실행하도록, 상기 멤스 미러의 양 축의 구동 신호를 각각 정현파로 생성하여 상기 멤스 미러에 송신하는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
사용자가 원하는 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 방향에 대응되도록 상기 미러의 양 축 중 한 축을 선택하는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 N을 조절하여 상기 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 밀도를 가변시키는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 미러의 양 축 중 선택되지 않은 축의 구동 신호 위상을 고정하고, 상기 선택된 한 축의 구동 신호 위상만을 조절하여 상기 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 간격을 가변시키는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 미러 양 축의 상기 구동 신호의 진폭을 조절하여 상기 스트라이프 패턴 구조광의 관측 시야를 가변시키는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 광원부에 ON/OFF 방식의 구형파 변조 신호를 송신하여 상기 레이저 광을 변조시키는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제10항에 있어서,
상기 광원부는 상기 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 광변조 소자에 상기 변조 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
제2항에 있어서,
상기 멤스 미러는,
서로 직교하는 양 축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자(Q-factor)가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계되는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치.
가변 구조광 생성 장치를 이용하여 사용자가 원하는 패턴 방향, 패턴 밀도 및 관측 시야를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성하는 가변 구조광 생성 방법으로서,
제어부가 멤스 미러 양 축의 공명 피크로부터 3dB 만큼의 대역폭 안에서 상기 멤스 미러 양 축의 구동 신호를 생성하는 단계;
상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 중 한 축을 선택하고, 레이저 광을 변조시키는 변조 신호 주파수가 상기 선택된 한 축의 구동 신호 주파수만의 N배가 되도록 상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하는 단계;
상기 제어부가 상기 구동 신호 및 상기 변조 신호를 각각 상기 멤스 미러 및 광원부에 송신하는 단계; 및
상기 구동 신호에 따라 리사쥬 스캐닝을 실행하는 상기 멤스 미러가 상기 변조 신호에 의해 변조된 레이저 광을 반사하여 상기 스트라이프 패턴 구조광을 생성하는 단계;를 포함하되,
상기 N은 자연수인 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.
제13항에 있어서,
상기 멤스 미러 양 축의 구동 신호를 생성하는 단계는,
상기 스트라이프 패턴 구조광의 패턴 간격을 가변시키기 위해, 상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 중 선택되지 않은 축의 구동 신호 위상을 고정하고, 상기 선택된 축의 구동 신호 위상만을 조절하는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.
제13항에 있어서,
상기 멤스 미러 양 축의 구동 신호를 생성하는 단계는,
상기 사용자가 원하는 관측 시야를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성시키기 위해, 상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 구동 신호의 진폭을 조절하는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.
제13항에 있어서,
상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하는 단계는,
상기 사용자가 원하는 패턴 방향에 대응되도록 상기 제어부가 상기 멤스 미러의 양 축 중 한 축을 선택하는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.
제13항에 있어서,
상기 레이저 광의 변조 신호를 생성하는 단계는,
상기 사용자가 원하는 패턴 밀도를 가지는 스트라이프 패턴 구조광을 생성시키기 위해, 상기 제어부가 상기 N을 조절하여 상기 변조 신호를 생성시키는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.
제13항에 있어서,
상기 변조 신호는, 상기 광원부에 송신되는 ON/OFF 방식의 구형파 변조 신호인 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.
제13항에 있어서,
상기 광원부는 레이저 광을 변조시키기 위해 상기 멤스 미러로 향하는 레이저의 일측에 광변조 소자를 더 포함하고,
상기 광변조 소자에 상기 변조 신호가 송신되는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.
제13항에 있어서,
상기 멤스 미러는,
서로 직교하는 양 축을 기준으로 회전 진동하고 제1축의 회전 진동에 대한 품질인자(Q-factor)가 제2축의 회전 진동에 대한 품질인자보다 더 낮게 설계되는 것을 특징으로 하는, 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 방법.