KR20130004633A - 3차원 광 스캔 장치 및 방법 - 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.

Description

3차원 광 스캔 장치 및 방법{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.
일반적으로 3차원 물체의 프로파일을 측정하기 위하여 3차원 광 스캔에서 물체의 각 지점까지 거리를 정확하게 측정해야 한다.
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.
Figure pat00001
D: 거리측정장치와 목표물 사이의 거리
v: 매질에서 펄스신호속도
tE: 신호출발시각
tR: 신호도착시각
거리 측정 장치가 목표물까지 거리를 정밀하게 측정하기 위해서는 식1에서 매질의 속도가 일정한 경우 신호 왕복 시간(tR-tE)를 측정해야 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
또한, 본 발명에 따르면, 3차원 스캔 장치의 수평 회전축을 중심으로 레이저 송수신 광학계를 적절히 균형있게 배치되어 3차원 스캔 장치의 소형화가 가능하다.
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.
또한, 광 송수신부에 반사경을 설치하여 광학 경로를 반복사용하여 초점거리를 확보하면서 광 송신부의 길이를 줄여 3차원 스캔 장치의 소형화할 수 있다.
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.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 광 스캔 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치를 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 3차원 광 스캔는 광 송신부, 광 송수신부, 광 수신부, 광 신호 처리부 및 광 스캔부를 포함한다.
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.
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.
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.
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.
광 수신 반사경(230)은 입사된 레이저 광을 평행광으로 만들기 위하여 볼록한 광 입사면과 평평한 광 반사면을 갖는 것이 바람직하다.
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.
광량 조절부(320)는 쵸퍼(chopper)등과 같은 광 감쇄 필터로서 집속된 레이저 광의 파워를 조절한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
한편, 제 2 하우징(500)은 일방 또는 타방에 제 1 하우징(200)에 연결된 수직 회전 기구(410)를 더 포함할 수 있다.
수직 회전 기구(410)와 수평 회전 기구(420)는 예를 들어 전기 모터, 스텝핑 모터 또는 기어 등이 될 수 있다.
내부 경로용 광 파이버(160)는 수평 회전부(500)의 일방과 타방에 걸쳐 배치될 수 있다.
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.
전반사 빔 스플리터(212)은 도 2에 도시된 직각 프리즘(211)을 대체하여 동일한 기능을 수행할 수 있다.
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.
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.
본 발명의 일실시예에 따른 광 스캔 동작을 도 5와 도 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
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.
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.
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.
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.
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.
이때, 측정 시간은 식(2)에 의하여 보상될 수 있다.
Figure pat00002
Δεe: 내부 광 경로를 거친 레이저 광 신호 (스타트 신호) 수신 시간
Td: 외부 광 경로를 거친 레이저 광 신호 (스톱 신호) 수신 시간
T: 목표물까지 왕복 시간
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.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광 스캔의 동작을 일 실시예와 중복되는 내용은 생략하고 도 5와 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 광 스캔 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트이다.
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.
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.
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.
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.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광량 조절부(370)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
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.
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.
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.
이러한 과정을 무수히 반복하여 목표물의 동일 지점에서 반사된 레이저 광이 광량 조절부(370)에 의하여 다수의 광 신호로 변환된다.
신호 검출용 광파이버(372)에서 방출된 레이저 광을 수신받은 광 검출기(360)는 전기 신호로 변환한다.
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.
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.
이때, 측정 시간은 다음 식과 같이 보상될 수 있다.
Figure pat00003
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 시간
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.
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.
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.
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 회전부

Claims (11)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광 송신부는,
    광을 방출하는 광원;
    광이 목표물까지 작은 빔 크기를 갖고 도달할 수 있도록 빔 발산각 결정하는 광 송신 렌즈;
    상기 광 송신 렌즈에서 나온 광의 경로를 변경하는 송신부 반사경; 및
    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 스플리터를 포함하는 3차원 광 스캔 장치.
  4. 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.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광량 조절부는 광 감쇄 필터인 3차원 광 스캔 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광 신호 처리부는 상기 외부 경로용 광 파이버에서 방출된 광을 통과시키고 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 거리를 계산하는 단계는 다음 식에 의하여 계산하는 광 스캔 방법.
    Figure 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 시간
  11. 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.
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