KR102189595B1 - Laser Scanner - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 스캐너 장치에 관한 것으로, 특히 레이저 펄스 빔을 대상물에 방사하여 반사되어 되돌아 오는 레이저 신호를 수신해 비행시간(time-of-flight)을 측정해 거리 정보를 획득함에 있어서, 수평 및 수직으로 2차원으로 주사(scanning)하여 거리 정보를 포함해 3차원의 이미지 정보를 얻을 수 있으며, 삼원색의 가시광(Visible Light) 및 근적외선(NIR: Near Infrared)을 동시에 방사해 컬러 3차원 이미지와 흑백 3차원 이미지를 동시에 획득할 수 있는 레이저 스캐너 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 신호 처리 및 제어부의 제어 신호에 따라 레이저 펄스 신호를 생성하여 대상 영역에 2차원 주사하는 송신부; 상기 대상 영역에서 반사된 레이저 펄스를 가시광과 근적외선으로 분리하여 가시광 신호와 근적외선 신호를 출력하고, 분리된 가시광을 이용하여 흑백 신호의 휘도 신호를 생성하여 출력하는 수신부; 및 상기 송신부에 제어 신호를 출력하고, 상기 수신부에서 분리된 가시광 신호, 휘도신호 및 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하여, 디지털 신호로 변환된 가시광 신호와 근적외선 신호의 디지털 데이터 스트림(stream)이 거리 정보와 함께 하나로 다중화(multiplexing)하는 신호 처리 및 제어부를 포함하는 레이저 스캐닝 장치가 제공된다.The present invention relates to a laser scanner device, in particular, in obtaining distance information by measuring a time-of-flight by radiating a laser pulse beam to an object and receiving a reflected laser signal to return, horizontal and vertical 3D image information including distance information can be obtained by scanning in 2D, and 3D color image and black and white 3D image by simultaneously emitting three primary colors of visible light and NIR (Near Infrared) It relates to a laser scanner device capable of simultaneously acquiring a dimensional image.
In addition, according to the present invention, the transmission unit for generating a laser pulse signal according to the signal processing and the control signal of the control unit for two-dimensional scanning in the target area; A receiving unit that separates the laser pulse reflected from the target area into visible light and near-infrared light, outputs a visible light signal and a near-infrared signal, and generates and outputs a luminance signal of a monochrome signal using the separated visible light; And a control signal is output to the transmitter, and the visible light signal, luminance signal, and near-infrared signal separated by the receiving unit are converted into digital signals, and the digital data stream of the visible light and near-infrared signals converted into digital signals is distance information. There is provided a laser scanning apparatus including a signal processing and a control unit for multiplexing with one.
Description
본 발명은 레이저 스캐너 장치에 관한 것으로, 특히 레이저 펄스 빔을 대상물에 방사하여 반사되어 되돌아 오는 레이저 신호를 수신해 비행시간(time-of-flight)을 측정해 거리 정보를 획득함에 있어서, 수평 및 수직으로 2차원으로 주사(scanning)하여 거리 정보를 포함해 3차원의 이미지 정보를 얻을 수 있으며, 삼원색의 가시광(Visible Light) 및 근적외선(NIR: Near Infrared)을 동시에 방사해 컬러 3차원 이미지와 흑백 3차원 이미지를 동시에 획득할 수 있는 레이저 스캐너 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser scanner device, in particular, in obtaining distance information by measuring a time-of-flight by radiating a laser pulse beam to an object and receiving a reflected laser signal to return, horizontal and vertical 3D image information including distance information can be obtained by scanning in 2D, and 3D color image and black and white 3D image by simultaneously emitting three primary colors of visible light and NIR (Near Infrared) It relates to a laser scanner device capable of simultaneously acquiring a dimensional image.
현재 상용으로 많이 사용되고 있는 3차원 레이저 스캐너는 주로 파장 900nm 이상의 비가시광선(invisible light)인 적외선(infrared) 레이저를 사용하여 3차원의 이미지를 획득하고, 이를 재현할 경우에는 적외선 포인트 크라우드(point cloud)의 궤적을 흑백(Black & White)의 점으로 형성한 영상 이미지를 디스플레이 화면에 3차원으로 구현한다. Currently, a 3D laser scanner that is widely used in general acquires a 3D image by using an infrared laser, which is an invisible light with a wavelength of 900nm or more, and when reproducing it, an infrared point cloud The image image formed by the trajectory of) as black & white dots is implemented in 3D on the display screen.
따라서 실제 이미지의 색상을 표현할 수 없다는 단점이 있다. 다만 이 경우 분석의 편의성을 위하여 보통 소프트웨어 알고리즘의 후처리(post-processing) 작업으로 거리 범위에 따라 각 포인트 크라우드의 색상을 다르게 표시하여 이미지 화소(pixel)들 사이의 거리 인식을 시각적으로 용이하게 하는데 사용하지만, 여기서 표현되는 색상은 실제 대상물이 가진 색상과는 전혀 무관한 것이다. Therefore, there is a disadvantage that it cannot express the color of the actual image. However, in this case, post-processing of normal software algorithms for convenience of analysis As a work, it is used to visually facilitate the recognition of the distance between image pixels by displaying the color of each point crowd differently according to the distance range, but the color expressed here is completely independent of the color of the actual object. .
따라서 레이저 스캐너에서 얻은 영상 이미지는 기본적으로 흑백(B&W)의 영상이므로 이런 재래식 레이저 스캐너로 획득한 이미지로는 스캐닝 된 배경, 대상물 또는 구조물의 실제 색상은 알 수 없어 정확한 이미지의 분석이 어려웠다.Therefore, since the image image obtained from the laser scanner is basically a black and white (B&W) image, it was difficult to accurately analyze the image as the actual color of the scanned background, object, or structure was not known with the image obtained with such a conventional laser scanner.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 레이저 펄스 빔을 대상물에 방사하여 반사되어 되돌아 오는 레이저 신호를 수신해 비행시간(time-of-flight)을 측정해 거리 정보를 획득함에 있어서, 수평 및 수직으로 2차원으로 주사(scanning)하여 거리 정보를 포함해 3차원의 이미지 정보를 얻을 수 있으며, 삼원색의 가시광(Visible Light) 및 근적외선(NIR: Near Infrared)을 동시에 방사해 컬러 3차원 이미지와 흑백 3차원 이미지를 동시에 획득할 수 있는 레이저 스캐너 장치를 제공하는 데 있다.The present invention was conceived to solve the above problems, in obtaining distance information by radiating a laser pulse beam to an object and receiving a reflected laser signal to measure a time-of-flight , By scanning horizontally and vertically in two dimensions, you can obtain three-dimensional image information including distance information, and simultaneously radiate three primary colors of visible light and NIR (Near Infrared). It is to provide a laser scanner device capable of simultaneously acquiring an image and a black and white three-dimensional image.
본 발명의 일 측면은 신호 처리 및 제어부의 제어 신호에 따라 레이저 펄스 신호를 생성하여 대상 영역에 2차원 주사하는 송신부; 상기 송신부에 제어 신호를 출력하고, 상기 대상 영역에서 반사된 레이저 펄스를 가시광과 근적외선으로 분리하여 가시광 신호와 근적외선 신호를 출력하고, 분리된 가시광을 이용하여 흑백 신호의 휘도 신호를 생성하여 출력하는 수신부; 및 상기 송신부에 제어 신호를 출력하고, 상기 수신부에서 분리된 가시광 신호, 휘도신호 및 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하여, 디지털 신호로 변환된 가시광 신호와 근적외선 신호의 디지털 데이터 스트림(stream)이 거리 정보와 함께 하나로 다중화(multiplexing)하는 신호 처리 및 제어부를 포함한다.An aspect of the present invention is a transmission unit for generating a laser pulse signal according to the signal processing and a control signal of a control unit for two-dimensional scanning in a target area; A receiver that outputs a control signal to the transmitter, separates the laser pulse reflected from the target area into visible light and near-infrared light, outputs a visible light signal and a near-infrared signal, and generates and outputs a luminance signal of a black-and-white signal using the separated visible light. ; And a control signal is output to the transmitter, and the visible light signal, luminance signal, and near-infrared signal separated by the receiving unit are converted into digital signals, and the digital data stream of the visible light and near-infrared signals converted into digital signals is distance information. It includes a signal processing and a control unit multiplexing together with one.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 송신부는 상기 신호 처리 및 제어부로부터 제어 신호(트리거 신호)를 생성된 짧은 폭의 펄스를 스위칭하는 펄스 변조 및 스위칭부; 상기 펄스 변조 및 스위칭부의 스위칭에 따라 실제 레이저 펄스를 발생시켜 출력하는 레이저 펄스 생성부; 및 상기 레이저 펄스 생성부에서 생성된 레이저 펄스 신호를 이미지를 만들고자 하는 대상 영역으로 송출해 X 및 Y축으로 2차원 주사(scanning)를 수행하는 레이저 2차원 스캐닝부를 포함한다.In addition, the transmitting unit according to an aspect of the present invention comprises: a pulse modulating and switching unit for switching short pulses that generate a control signal (trigger signal) from the signal processing and control unit; A laser pulse generator for generating and outputting an actual laser pulse according to the switching of the pulse modulation and switching unit; And a laser two-dimensional scanning unit that transmits the laser pulse signal generated by the laser pulse generation unit to a target region to be imaged and performs two-dimensional scanning in X and Y axes.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 펄스 변조 및 스위칭부는 상기 신호 처리 및 제어부로부터 제어 신호인 트리거 펄스를 받아서 구형파 펄스를 생성하는 펄스 변조기; 및 상기 펄스 변조기에 의해 생성된 구형파 펄스에 따라서 상기 레이저 펄스 생성부의 레이저 다이오드를 스위칭하는 레이저 스위칭 회로를 포함한다.In addition, the pulse modulating and switching unit according to an aspect of the present invention comprises: a pulse modulator configured to receive a trigger pulse, which is a control signal from the signal processing and control unit, to generate a square wave pulse; And a laser switching circuit for switching the laser diode of the laser pulse generator according to the square wave pulse generated by the pulse modulator.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 레이저 펄스 생성부는 한 쌍의 레이저 다이오드; 상기 한 쌍의 레이저 다이오드의 각각에 대응되어 레이저 빔(laser beam) 광선을 점으로 결집시키는 한 쌍의 집속기(collimator); 각각의 집속기에 대응되어 발생된 레이저 빔을 단일모드 광섬유케이블에 결합하여 접속시키는 한쌍의 어댑터; 상기 한쌍의 어댑터에서 출력되는 레이저 빔들을 합성하여 출력하는 광 방향성 결합기; 및 상기 광 방향성 결합기에서 나오는 레이저 빔을 상기 레이저 2차원 스캐닝부로 발사시키는 출력 어댑터를 포함한다.In addition, the laser pulse generator of one aspect of the present invention a pair of laser diodes; A pair of collimators corresponding to each of the pair of laser diodes and collecting laser beam rays into points; A pair of adapters for coupling and connecting the laser beam generated corresponding to each focusing device to a single mode optical fiber cable; An optical directional coupler for synthesizing and outputting laser beams output from the pair of adapters; And an output adapter for emitting a laser beam from the optical directional coupler to the laser two-dimensional scanning unit.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 한쌍의 레이저 다이오드에서 하나의 레이저 다이오드는 근적외선(NIR) 파장 905nm의 근적외선 레이저 다이오드와 파장 610nm의 빨강색 레이저 다이오드가 함께 내장된 것이고, 다른 하나의 레이저 다이오드는 파장 535nm의 초록색 레이저 다이오드와 파장 470nm의 파랑색 레이저 다이오드가 함께 내장된 것이다.In addition, in the pair of laser diodes of the present invention, one laser diode includes a near-infrared (NIR) wavelength of 905 nm and a red laser diode of 610 nm, and the other laser diode has a wavelength The 535nm green laser diode and the 470nm blue laser diode are built-in together.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 레이저 2차원 스캐닝부는 상기 레이저 펄스 생성부에서 투사된 레이저 펄스를 수직으로 반사시키는 수직 반사거울; 상기 수직 반사 거울에서 반사된 레이저 펄스를 수평으로 반사시키는 수평 반사거울; 상기 수직 반사거울을 수직방향으로 구동시키는 수직 모터; 상기 수평 반사거울을 수평방향으로 구동시키는 수평 모터; 상기 신호 처리 및 제어부의 제어에 따라 수직 모터와 수평 모터를 제어하는 모터 제어기; 수직축의 주소를 엔코딩하는 수직 엔코더; 수평축의 주소를 엔코딩하는 수평 엔코더; 및 상기 수직 엔코더를 통하여 출력되는 수직축의 주소와 상기 수평 엔코더를 통하여 출력되는 수평축의 주소를 다중화하여 출력하는 스캔 주소 다중화기를 포함한다.In addition, the laser two-dimensional scanning unit according to an aspect of the present invention includes a vertical reflection mirror for vertically reflecting the laser pulses projected from the laser pulse generator; A horizontal reflection mirror for horizontally reflecting the laser pulses reflected from the vertical reflection mirror; A vertical motor driving the vertical reflective mirror in a vertical direction; A horizontal motor driving the horizontal reflective mirror in a horizontal direction; A motor controller for controlling a vertical motor and a horizontal motor according to the signal processing and control of the controller; A vertical encoder for encoding an address of a vertical axis; A horizontal encoder for encoding an address on a horizontal axis; And a scan address multiplexer for multiplexing and outputting the address of the vertical axis output through the vertical encoder and the address of the horizontal axis output through the horizontal encoder.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 수신부는 대상 영역으로부터 반사된 레이저 펄스를 집속시키는 수신용 대물 렌즈; 상기 수신용 대물렌즈에서 집속된 레이저 펄스를 입력받아 가시광과 근적외선을 분리하여 출력하는 레이저 신호 분리부; 상기 가시광에서 원색을 분리하여 출력하는 가시광 원색 분리 광학부; 및 상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 원색을 합성하여 흑백 신호의 휘도 신호를 생성하여 출력하는 신호 합성 및 모드 선택부를 포함한다.In addition, the receiving unit according to an aspect of the present invention includes a receiving objective lens for focusing laser pulses reflected from a target area; A laser signal separating unit configured to separate and output visible light and near-infrared light by receiving the laser pulse focused from the receiving objective lens; A visible light primary color separation optical unit that separates and outputs a primary color from the visible light; And a signal synthesis and mode selection unit for synthesizing the primary colors separated by the primary color separation optical unit to generate and output a luminance signal of a monochrome signal.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 수신용 대물 렌즈는 가시광(visible light) 및 비가시광(invisible)인 근적외선(NIR: Near InfraRed)의 레이저 펄스를 받아들여 집속시킨다.In addition, the objective lens for reception according to an aspect of the present invention receives and focuses laser pulses of visible light and near infrared (NIR), which are invisible light.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 가시광 원색 분리 광학부는 610nm의 빨강색의 긴 파장의 빛은 반사하고 나머지 파장의 빛을 통과시키는 제1 색선별(wavelength-selective) 반투명거울; 및 상기 제1 색선별 반투명거울에서 통과된 빛에서 470nm의 파장의 파랑색의 짧은 파장의 빛은 반사하고, 500~600nm 파장을 가진 초록색과 부근의 중간 파장 대역의 빛은 투과시키는 제2 색선별 반투명거울을 포함한다.In addition, the visible light primary color separation optical unit according to an aspect of the present invention comprises: a first wavelength-selective translucent mirror that reflects light of a long wavelength of 610 nm and passes light of the remaining wavelengths; And a second color selection that reflects blue short wavelength light having a wavelength of 470 nm from the light passing through the first color-selecting semi-transparent mirror, and transmits green light having a wavelength of 500 to 600 nm and light in a nearby intermediate wavelength band. Includes a translucent mirror.
또한, 본 발명의 일 측면의 수신부는 동기 신호를 생성하는 동기 신호 생성부; 및 상기 레이저 신호 분리부에서 분리된 근적외선을 증폭하여 출력하는 근적외선 광학 및 증폭부를 더 포함하며, 상기 신호 합성 및 모드 선택부는 상기 동기 신호 생성부에서 생성된 동기 신호를 상기 휘도 신호에 합성하여 동기화 휘도 신호를 생성하여 출력하고, 상기 근적외선 광학 및 증폭부의 출력되는 근적외선 신호를 입력받아 출력한다.In addition, the receiving unit according to an aspect of the present invention comprises: a synchronization signal generator for generating a synchronization signal; And a near-infrared optics and amplification unit for amplifying and outputting the near-infrared rays separated by the laser signal separating unit, wherein the signal synthesis and mode selection unit synthesizes the synchronization signal generated by the synchronization signal generation unit with the luminance signal to synchronize luminance A signal is generated and output, and a near-infrared signal output from the near-infrared optical and amplifying unit is received and output.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 신호 처리 및 제어부는 상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 가시광의 원색을 증폭하고 아날로그 신호 형태를 디지털 신호로 변환하며, 상기 신호 합성 및 모드 선택부의 출력 신호인 휘도신호, 동기화된 휘도 신호, 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환 모듈; 및 상기 아날로그 디지털 변환 모듈에서 디지털 신호로 변환된 가시광 신호와 근적외선 신호의 디지털 데이터 스트림(stream)이 거리 정보와 함께 하나로 다중화(multiplexing)되는 디지털 데이터 포맷 처리부를 포함한다.In addition, the signal processing and control unit of one aspect of the present invention amplifies the primary color of the visible light separated by the primary color separation optical unit, converts the analog signal form into a digital signal, and is an output signal of the signal synthesis and mode selection unit. An analog-to-digital conversion module for converting a signal, a synchronized luminance signal, and a near-infrared signal into a digital signal; And a digital data format processor for multiplexing a digital data stream of a visible light signal and a near-infrared signal converted into a digital signal by the analog-to-digital conversion module together with distance information.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 아날로그 디지털 변환 모듈은 상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 가시광의 원색을 증폭하고 아날로그 신호 형태를 디지털 신호로 변환하는 제1 아날로그 디지털 변환부; 및 상기 신호 합성 및 모드 선택부의 출력 신호인 휘도신호, 동기화된 휘도 신호, 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 아날로그 디지털 변환부를 포함한다.In addition, the analog-to-digital conversion module according to an aspect of the present invention includes: a first analog-to-digital converter configured to amplify the primary color of visible light separated by the primary color separation optical unit and convert an analog signal form into a digital signal; And a second analog-to-digital converter converting a luminance signal, a synchronized luminance signal, and a near-infrared signal, which are output signals of the signal synthesis and mode selection unit, into a digital signal.
또한, 본 발명의 일 측면의 신호 처리 및 제어부는 상기 신호 합성 및 모드 선택부의 출력 신호로부터 펄스 검출 시각을 검출하는 타이밍 검출부; 및 상기 타이밍 검출부가 검출한 펄스 검출 시각과 상기 송신부에서 레이저 펄스를 송출한 시각과의 시간차이에 해당하는 시간 간격을 디지털 신호로 변환하여 거리정보로 출력하는 시간 디지털 변환부를 더 포함한다.In addition, the signal processing and control unit of an aspect of the present invention includes a timing detection unit for detecting a pulse detection time from an output signal of the signal synthesis and mode selection unit; And a time digital conversion unit converting a time interval corresponding to a time difference between a pulse detection time detected by the timing detection unit and a time when a laser pulse is transmitted by the transmission unit into a digital signal and outputting the distance information.
또한, 본 발명의 일 측면의 신호 처리 및 제어부는 각종 제어신호가 입출력되고, 모드 및 제어 인터페이스에서 설정된 모드(mode)에 필요한 디지털 데이터를 생성하며, 데이터를 메모리에 저장하거나 통신포트를 통해 외부로 송출하는 주 제어 장치를 더 포함한다.In addition, the signal processing and control unit of one aspect of the present invention inputs and outputs various control signals, generates digital data necessary for a mode set in the mode and control interface, and stores the data in a memory or externally through a communication port. It further includes a main control device for transmitting.
또한, 본 발명의 일 측면은 회로동작에 필요한 여러 가지 전압을 만들어 회로에 공급하는 배터리와 송신부와 수신부에 고압(High Voltage)을 만들어 공급하는 고압 회로가 포함된 전원부를 더 포함한다.In addition, an aspect of the present invention further includes a battery for generating and supplying various voltages required for circuit operation to the circuit, and a power supply unit including a high voltage circuit for generating and supplying a high voltage to a transmitter and a receiver.
한편, 본 발명의 다른 측면은 주 제어 장치로부터 제어 신호를 입력받아 레이저 펄스 생성부를 스위칭하는 펄스 변조 및 스위칭부; 상기 펄스 변조 및 스위칭부의 스위칭에 따라 레이저 펄스 신호를 생성하여 출력하는 레이저 펄스 생성부; 상기 레이저 펄스 생성부에서 생성된 레이저 펄스 신호를 이미지를 만들고자 하는 대상 영역으로 송출해 X 및 Y축으로 2차원 주사(scanning)를 수행하는 레이저 2차원 스캐닝부; 대상 영역으로부터 반사된 레이저 펄스를 집속시키는 수신용 대물 렌즈; 상기 수신용 대물렌즈에서 집속된 레이저 펄스를 입력받아 가시광을 분리하여 출력하는 레이저 신호 분리부; 상기 가시광에서 원색을 분리하여 출력하는 가시광 원색 분리 광학부; 동기 신호를 제공하는 동기 신호 생성부; 상기 레이저 신호 분리부에서 분리된 근적외선을 증폭하여 출력하는 근적외선 광학 및 증폭부; 상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 원색을 합성하여 흑백 신호의 휘도 신호를 생성하여 출력하고, 상기 동기 신호 생성부에서 생성된 동기 신호를 상기 휘도 신호에 합성하여 동기화 휘도 신호를 생성하여 출력하고, 상기 근적외선 광학 및 증폭부의 출력되는 근적외선 신호를 입력받아 출력하는 신호 합성 및 모드 선택부; 상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 가시광의 원색을 증폭하고 아날로그 신호 형태를 디지털 신호로 변환하며, 상기 신호 합성 및 모드 선택부의 출력 신호인 휘도신호, 동기화된 휘도 신호, 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환 모듈; 상기 아날로그 디지털 변환 모듈에서 디지털 신호로 변환된 가시광 신호와 근적외선 신호의 디지털 데이터 스트림(stream)이 거리 정보와 함께 하나로 다중화(multiplexing)되는 디지털 데이터 포맷 처리부; 및 각종 제어신호가 입출력되고, 모드 및 제어 인터페이스에서 설정된 모드(mode)에 필요한 디지털 데이터를 생성하며, 데이터를 메모리에 저장하거나 통신포트를 통해 외부로 송출하는 주 제어 장치를 포함한다.On the other hand, another aspect of the present invention is a pulse modulation and switching unit for switching the laser pulse generator by receiving a control signal from the main control device; A laser pulse generator for generating and outputting a laser pulse signal according to the pulse modulation and switching of the switching unit; A laser two-dimensional scanning unit that transmits the laser pulse signal generated by the laser pulse generation unit to a target area to be imaged and performs two-dimensional scanning in X and Y axes; A receiving objective lens for focusing the laser pulse reflected from the target area; A laser signal separation unit configured to separate and output visible light by receiving the laser pulse focused from the receiving objective lens; A visible light primary color separation optical unit that separates and outputs a primary color from the visible light; A synchronization signal generator providing a synchronization signal; A near-infrared optics and amplifying unit for amplifying and outputting the near-infrared rays separated by the laser signal separation unit; The primary colors separated by the primary color separation optical unit are synthesized to generate and output a luminance signal of a black and white signal, and a synchronization signal generated by the synchronization signal generation unit is synthesized with the luminance signal to generate and output a synchronization luminance signal, A signal synthesis and mode selection unit for receiving and outputting a near infrared signal output from the near infrared optical and amplifying unit; Amplifies the primary color of visible light separated by the primary visible light separation optical unit, converts an analog signal form into a digital signal, and converts a luminance signal, a synchronized luminance signal, and a near-infrared signal, which are output signals of the signal synthesis and mode selection unit, into a digital signal. An analog-to-digital conversion module; A digital data format processor for multiplexing a digital data stream of a visible light signal and a near-infrared signal converted into a digital signal by the analog-to-digital conversion module together with distance information; And a main control device that inputs and outputs various control signals, generates digital data necessary for a mode set in a mode and a control interface, and stores the data in a memory or transmits the data to the outside through a communication port.
본 발명에 의한 기술을 적용함으로서 거리 정보가 포함된 입체적인 3차원 영상 이미지를 획득함과 동시에 대상물의 실제 색상을 표현한 2차원의 컬러 영상 이미지를 얻을 수 있기 때문에 영상 이미지 정보의 분석 및 해석 시에 대상물의 완전한 정보를 획득하게 되어 이미지의 내용과 정보를 정확히 인식하는데 있어서 매우 유익하다는 장점이 생긴다. By applying the technology according to the present invention, it is possible to obtain a three-dimensional 3D image image including distance information and obtain a two-dimensional color image image expressing the actual color of the object. It has the advantage that it is very useful in accurately recognizing the content and information of the image by acquiring the complete information of the image.
이렇게 함으로서 레이저 스캐너가 다양한 산업 응용 분야나 군사적 응용 분야 등에서 아주 유용한 기능을 제공할 수 있게 된다.In this way, laser scanners can provide very useful functions in various industrial or military applications.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 스캐너의 구성도이다.
도 2는 본 발명 장치의 구현을 위한 상세한 블록구성도이다.
도 3은 가시광 및 근적외선 스펙트럼 상에서 R, G, B 및 NIR의 파장 관계 대역 특성을 보여주는 참고 도면이다.1 is a block diagram of a laser scanner according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed block diagram for implementing the apparatus of the present invention.
3 is a reference diagram showing wavelength-related band characteristics of R, G, B, and NIR on visible and near-infrared spectra.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.In order to describe the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the implementation of the present invention, the following will illustrate preferred embodiments of the present invention and will be described with reference to them.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention, and expressions in the singular may include a plurality of expressions unless clearly different meanings in context. In addition, in the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other It is to be understood that the presence or addition of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance the possibility of being excluded.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 스캐너의 구성도이다.1 is a block diagram of a laser scanner according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 스캐너는 송신부(100), 수신부(200), 신호처리 및 제어부(300), 전원부(400)을 포함하고 있다.Referring to FIG. 1, a laser scanner according to an embodiment of the present invention includes a
상기 송신부(100)는 펄스 변조 및 스위칭부(110), 레이저 펄스 생성부(120) 및 레이저 2차원 스캐닝부(130)를 포함한다.The
그리고, 상기 수신부(200)는 수신용 대물 렌즈(210), 레이저 신호 분리부(220), 가시광 원색 분리 광학부(230), 근적외선 광학 및 증폭부(240), 동기 신호 생성부(250) 및 신호 합성 및 모드 선택부(260)을 포함한다.In addition, the
다음으로, 신호 처리 및 제어부(300)는 주 제어 장치(310), 메모리(320), 모드 및 제어 인터페이스(330), 조작 패널(340), 디지털 데이터 포멧 처리부(350), 제1 아날로그 디지털 변환부(360), 제2 아날로그 디지털 변환부(370), 타이밍 검출부(380) 및 시간 디지털 변환부(390)를 포함하고 있다. 상기 제1 아날로그 디지털 변환부와 제2 아날로그 디지털 변환부는 아날로그 디지털 변환 모듈을 형성한다.Next, the signal processing and
그리고, 전원부(400)는 배터리 및 전원부(410) 및 고전압 회로(420)을 포함한다.In addition, the
이와 같은 구성에서 송신부(100)의 펄스 변조 및 스위칭부(110)는 주제어 장치(310)로부터 제어 신호인 트리거 펄스를 받아서 폭이 매우 좁은 구형파 펄스를 만들고, 생성된 구형파 펄스에 따라서 레이저 펄스 생성부(120)의 레이저 다이오드를 스위칭한다.In this configuration, the pulse modulation and
상기 레이저 펄스 생성부(120)는 펄스 변조 및 스위칭부(110)의 스위칭에 따라 레이저 다이오드가 레이저 펄스 신호를 생성하여 출력한다.The
그러면, 레이저 2차원 스캐닝부(130)는 상기 레이저 펄스 생성부(120)에서 생성된 레이저 펄스 신호를 이미지를 만들고자 하는 대상물 또는 영역(대상 영역)으로 송출해 X 및 Y축으로 2차원 주사(scanning)를 행한다.Then, the laser
한편, 송신부(200)의 수신용 대물 렌즈(210)는 대상 영역으로부터 반사되어 온 가시광(visible light) 및 비가시광(invisible)인 근적외선(NIR: Near InfraRed)의 레이저 펄스를 받아들여 좁은 영역으로 집속시킨다. On the other hand, the receiving
레이저 신호 분리부(220)는 레이저 펄스를 가시광과 비가시광인 근적외선 대역으로 분리한다.The laser
그리고, 레이저 신호 분리부(220)는 분리된 가시광은 가시광 원색 분리 광학부(230)으로 출력한다.In addition, the laser
상기 가시광 원색 분리 광학부(230)는 가시광을 삼원색인 빨강(R: Red), 초록(G: Green) 및 파랑(B: Blue)의 세 가지 광으로 분리한다. The visible light primary color separation
색채학의 원리에 의하면 흑백신호의 휘도(luminance)는 3원색인 빨강색(파장 610nm) 30%와 초록색(파장 535nm) 59%와 파랑색(파장 470nm) 11%로 구성되어 있다.According to the principle of chromaticity, the luminance of a black and white signal is composed of three primary colors: red (wavelength 610nm) 30%, green (wavelength 535nm) 59%, and blue (wavelength 470nm) 11%.
따라서 이 세 원색을 이 비율로 합성하면 흑백신호(Black & White)의 밝기인 휘도(luminance: 'Y신호' 라고 호칭함)가 된다. Therefore, when these three primary colors are synthesized at this ratio, they become luminance (called'Y signal'), which is the brightness of black and white signals.
그러므로 이들은 각각의 비율로 감쇄시켜서 신호합성 및 모드 선택부(260)으로 입력된다. Therefore, they are attenuated by respective ratios and input to the signal synthesis and
상기 신호합성 및 모드 선택부(260)는 가시광 원색 분리 광학부(230)에서 입력된 3원색을 합성하여 흑백신호의 밝기인 휘도 신호를 생성한다.The signal synthesis and
이처럼 신호합성 및 모드 선택부(260)는 출력으로 휘도(Y)신호가 나오는데 이는 아날로그 흑백의 밝기 정보이다. As such, the signal synthesis and
이를 디스플레이 하기 위해서는 동기(synchronization)신호가 필요하며, 동기 신호 생성부(250)가 이를 생성하여 출력한다.In order to display this, a synchronization signal is required, and the
이처럼 동기 신호 생성부(250)가 동기 신호를 생성하여 출력하면 신호 합성 및 모드 선택부(260)에서 이를 휘도(Y) 신호에 합성하여 동기(sync) 신호가 결합된 휘도신호인 동기화 휘도(Y') 신호가 된다. When the synchronization
이 동기화 휘도(Y') 신호는 이미지를 텔레비전이나 디스플레이 장치로 시청할 때에 필요하다. This synchronization luminance (Y') signal is required when viewing an image on a television or display device.
한편, 레이저 신호 분리부(220)는 분리된 근적외선 신호의 아날로그 신호는 근적외선 광학 및 증폭부(240)로 입력한다.Meanwhile, the laser
상기 광학 및 증폭부(240)는 레이저 신호 분리부(220)에서 입력된 근적외선 신호의 아날로그 신호를 증폭하여 신호 합성 및 모드 선택부(260)로 출력한다.The optical and amplifying
이에 따라 신호 합성 및 모드 선택부(260)는 증폭된 근적외선 신호의 아날로그 신호에 따라 신호를 합성하거나 모드 별로 신호를 선택한다.Accordingly, the signal synthesis and
다음으로, 신호처리 및 제어부(300)의 아날로그 디지털 변환 모듈은 가시광 원색 분리 광학부(230)에서 분리된 가시광의 원색을 증폭하고 아날로그 신호 형태를 디지털 신호로 변환하며, 신호 합성 및 모드 선택부(260)의 출력 신호인 휘도신호, 동기화된 휘도 신호, 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환한다.Next, the analog-to-digital conversion module of the signal processing and
이를 좀더 상세히 살펴보면, 제1 아날로그 디지털 변환부(360)는 가시광 원색 분리 광학부(230)에서 분리된 가시광의 원색을 증폭하고 아날로그 신호 형태를 디지털 신호로 변환한다. Looking at this in more detail, the first analog-to-
그리고, 제2 아날로그 디지털 변환부(370)는 휘도신호, 동기화된 휘도 신호, 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환한다.Further, the second analog-to-
이렇게 디지털 신호로 변환된 가시광 신호와 근적외선 신호의 디지털 신호인 디지털 데이터 스트림(stream)은 디지털 데이터 포맷 처리부(350)에서 거리정보와 함께 하나로 다중화(multiplexing) 된다.The digital data stream, which is a digital signal of a visible light signal and a near-infrared signal converted into a digital signal, is multiplexed into one together with distance information in the digital
각 포인트 크라우드(일반 영상에서 화소에 해당)의 신호전압을 검출하려면 문턱(threshold) 전압 레벨 이상일 때 반사파 신호가 수신된 것으로 판별하게 되는 데 이러한 반사파 신호가 수신된 것으로 판별하게 되는 시각을 펄스 검출 시각이라고 한다.In order to detect the signal voltage of each point crowd (corresponding to the pixel in the normal image), it is determined that the reflected wave signal has been received when it is above the threshold voltage level. The time when such a reflected wave signal is determined to be received is the pulse detection time. It is called.
상기 신호 처리 및 제어부(300)의 타이밍 검출부(380)는 신호 합성 및 모드 선택부(260)의 출력 신호로부터 펄스 검출 시각을 검출한다.The
여기에서 펄스 검출시각이 바로 펄스의 수신시각이다. Here, the pulse detection time is the pulse reception time.
시간 디지털 변환부(390)는 펄스의 수신 시각(펄스 검출 시각)과 송신부에서 레이저 펄스를 송출한 시각과의 미소한 시간차이에 해당하는 시간 간격을 디지털 신호로 변환하여 거리정보로 디지털 데이터 포맷 처리부(350)로 출력한다.The time
상기 레이저 스캐닝 장치의 전체적인 동작은 주제어 장치(MPU)(310)에서 주도하는데, 여기에는 각종 제어신호가 입출력되고, 모드 및 제어 인터페이스(330)에서 설정된 모드(mode)에 필요한 디지털 데이터를 만들게 하며, 데이터를 메모리(320)에 저장하거나 통신포트를 통해 외부로 송출하는 등 조작패널(340)을 사용해 전반적인 조작을 행한다.The overall operation of the laser scanning device is led by the main control unit (MPU) 310, in which various control signals are input and output, and digital data necessary for the mode set in the mode and
다음으로, 전원부(400)의 배터리(410)는 회로동작에 필요한 여러 가지 전압을 만들어 회로에 공급하며, 고압 회로(420)는 송신부(100)의 레이저 다이오드와 수신부(200)의 맨 앞에서 레이저 신호인 빛을 수신해서 전류로 바꾸는 역할을 하는 APD(Avalanche Photo Diode)에 필요한 고압(High Voltage)을 만들어 공급한다.Next, the
도 2는 본 발명 장치의 구현을 위한 상세한 블록구성도이다. 2 is a detailed block diagram for implementing the apparatus of the present invention.
도 2의 구성에 따라 본 발명 장치의 동작원리를 자세하게 설명하면 다음과 같다. The operation principle of the apparatus of the present invention will be described in detail according to the configuration of FIG. 2 as follows.
먼저 송신부의 동작을 검토하면, 주 제어 장치(MPU)(360)에서 들어온 트리거(trigger)신호에 의하여 펄스 변조기(110-1)는 짧은 구형파 펄스를 생성하여 레이저 스위칭 회로(110-2)에서 레이저 다이오드(120-1, 120-2)를 스위칭을 행하게 되어 레이저 펄스가 레이저 광학계를 통하여 송출된다. First, when examining the operation of the transmission unit, the pulse modulator 110-1 generates a short square wave pulse by the trigger signal received from the main control unit (MPU) 360, and the laser switching circuit 110-2 generates a laser. The diodes 120-1 and 120-2 are switched so that a laser pulse is transmitted through the laser optical system.
레이저 펄스 생성부(120)는 레이저 다이오드(120-1, 120-2)와 레이저 빔(laser beam) 광선을 작은 점으로 결집시키는 집속기(collimator)(120-3, 120-4)로 구성되는데, 집속기(120-3, 120-4) 안에는 집속렌즈와 초점거리 조절장치가 들어 있다. The laser
여기서 본 발명은 가시광 및 근적외선의 두 가지 레이저를 동시에 사용하므로 레이저 다이오드 및 집속기가 두 세트로 구성되어 있다. Here, since the present invention uses two lasers of visible light and near-infrared light at the same time, the laser diode and the concentrator are composed of two sets.
현재 산업계에서 제조, 판매되고 있는 레이저 다이오드의 경우에 두개의 다른 파장을 가진 레이저 다이오드가 한 개의 패키지 안에 들어 있는 dual Laser Diode가 있으므로 이를 사용한 예를 보여 준다. In the case of laser diodes currently manufactured and sold in the industry, there is a dual laser diode in which laser diodes with two different wavelengths are contained in one package, so an example of using this is shown.
즉, 레이저 다이오드(120-1)는 근적외선(NIR) 파장 905nm의 근적외선 레이저 다이오드와 파장 610nm의 빨강색 레이저 다이오드가 함께 내장된 것이고, 레이저 다이오드(120-2)는 파장 535nm의 초록색 레이저 다이오드와 파장 470nm의 파랑색 레이저 다이오드가 함께 내장된 것이다. 이 4개의 다이오드로 근적외선(905nm)과 가시광의 R, G, B 삼원색(610, 535, 470nm)을 함께 발생시킨다. That is, the laser diode 120-1 is a near-infrared laser diode with a near-infrared (NIR) wavelength of 905 nm and a red laser diode with a wavelength of 610 nm, and the laser diode 120-2 is a green laser diode with a wavelength of 535 nm and a wavelength. It has a 470nm blue laser diode built in. These four diodes generate near-infrared rays (905nm) and the three primary colors of visible light (610, 535, 470nm).
어댑터(adapter)(120-5, 120-6)는 모두 발생된 레이저 빔을 단일모드 광섬유케이블(optical biber cable)(120-7, 120-8)에 결합하여 접속 시킨다.Adapters (120-5, 120-6) connect the generated laser beam to single-mode fiber optic cables (120-7, 120-8).
이 두 가닥의 광섬유는 광 방향성결합기(optical directional coupler)(120-9)로 들어가 4개 파장의 레이저 빔들이 함께 합성되어 한 개의 광섬유로 출력방향으로만 진행된다. These two strands of optical fiber enter the optical directional coupler 120-9, and the laser beams of 4 wavelengths are combined together and proceed to the output direction only with one optical fiber.
출력 어댑터(120-10)는 광 방향성 결합기(120-7)에서 나오는 레이저 빔을 자유공간으로 발사시키며, 이 레이저 빔은 이제 레이저 2차원 스캐닝부를 형성하는 수직 반사거울(130-1)과 수평 반사거울(130-2)을 통해서 이미지를 획득하고자 하는 대상물 또는 대상영역으로 송출되는 것이다. The output adapter 120-10 emits a laser beam from the light directional coupler 120-7 into free space, and this laser beam now reflects the vertical reflection mirror 130-1 and the horizontal reflection forming the laser two-dimensional scanning unit. It is transmitted to an object or a target area for which an image is to be acquired through the mirror 130-2.
여기서 수직모터(130-2)와 수평모터(130-4)는 모두 정밀 스텝핑 모터(stepping motor)로써 주 제어 장치(360)부터 제어를 받으면 제어 인터페이스(330)를 통해 수평 및 수직 방향으로 일정한 간격씩 회전하게 되어 목적물을 스캔하여 영상 이미지를 얻게 된다. Here, the vertical motor (130-2) and the horizontal motor (130-4) are both precision stepping motors, and when controlled from the
이때 두 모터의 회전에 따라서 X축 및 Y축의 주소가 수평 및 수직 엔코더(130-6, 130-7)와 스캔 주소 다중화기(130-8)을 통해 필요한 디지털 주소가 데이터 다중화기(350)에 들어가 수신기의 측정 데이터와 함께 주소가 결합되어 MPU(310)을 거쳐 메모리(320)로 저장된다. At this time, according to the rotation of the two motors, the addresses of the X and Y axes are transferred to the data multiplexer 350 through the horizontal and vertical encoders 130-6 and 130-7 and the scan address multiplexer 130-8. The address is combined with the measured data of the receiver and stored in the
모터 제어기(130-5)는 두 모터에 적절한 전압을 공급한다.The motor controller 130-5 supplies appropriate voltages to the two motors.
다음으로 수신부의 동작을 설명하면, 수신용 대물 렌즈(210)는 이미지를 스캔 하고자 하는 대상물 또는 대상영역에서 들어오는 모든 광선들을 받아들이는 부분으로 보통 볼록렌즈와 오목렌즈 등의 조합으로 수신광량을 증가시켜 감도를 높이기 위해 넓은 구경(aperture)으로부터 들어오는 빛을 좁은 영역으로 모아 들이는 역할을 한다. Next, the operation of the receiving unit will be described, and the receiving
레이저 신호 분리부(220)는 가시광선과 비가시광의 근적외선 파장을 분리하기 위한 특수 프리즘을 사용한다.The laser
특수 프리즘(220)에서 분리된 근적외선은 내부에서 반사되어 근적외선 광학 및 증폭부(240)를 구성하는 근적외선 렌즈(240-1)로 나가고 모든 R, G, B의 가시광선은 곧바로 투과되어 가시광 원색 분리 광학부(230)를 구성하는 제1 색선별 반투명거울(wavelength-selective dichroic mirror)(230-1)로 직진한다.The near-infrared rays separated by the
상기 제1 색선별 반투명거울(dichroic mirror: 230-1)에서는 610nm 또는 그보다 긴 파장의 정도의 빛은 반사되어 제1 반사 거울(mirror)(230-3) 방향으로 진행되고, 그 외의 가시광 빛은 곧바로 투과하여 두번째 색선별 반투명거울(dichroic mirror)(230-2)로 들어간다. In the first dichroic mirror 230-1, light having a wavelength of 610 nm or longer is reflected and proceeds toward the first reflecting mirror 230-3, and other visible light is It passes right through and enters the second dichroic mirror 230-2.
이 제2 색선별 반투명거울(230-2)은 파장 470nm의 파랑색 또는 그보다 짧은 파장의 빛은 반사되어 보통의 제2 반사 거울(230-3)로 들어가고 나머지 500~600nm 파장을 가진 초록색 부근의 빛은 곧장 진행해 투과되어 제3 초점 조절 렌즈(230-12)로 들어간다. The second color-selective translucent mirror 230-2 reflects blue light with a wavelength of 470 nm or shorter wavelength, and enters the ordinary second reflecting mirror 230-3, and is in the vicinity of green with a wavelength of 500 to 600 nm. The light proceeds straight forward, is transmitted, and enters the third focusing lens 230-12.
이와 같이 색선별 반투명거울(230-1, 230-2)는 가시광에서 R(발강), G(초록), B(파랑)의 3원색을 따로따로 분리해 낸다. In this way, the color-selected translucent mirrors 230-1 and 230-2 separate the three primary colors R (emission), G (green), and B (blue) from visible light separately.
이와 같이 수신용 대물렌즈(210)에서 들어온 광선은 근적외선, 가시광 R, 가시광 G, 가시광 B의 4개의 광선경로로 별도로 분리되어 처리되는데, 이들은 각각1 내지 제4 초점조절 렌즈(240-1, 230-11, 230-12, 230-13)와, 각각 근적외선, 빨강색, 초록색 및 파랑색을 가진 빛만 통과시키는 제1 내지 제4 색상 대역통과 필터(band-pass interference filter)(240-2, 230-21, 230-22, 230-23)를 통과한 다음, 빛을 수신하여 전류로 변환시키는 반도체 소자인 애벌란치 포토 다이오드(APD:Avalanche Photo Diode, 240-3, 230-31, 230-32, 230-33)로 입사 된다. As described above, the light rays received from the receiving
이후에 전기신호가 된 이들의 미약한 아날로그 신호는 각각의 신호 증폭기들(240-4, 230-41, 230-42, 230-43)로 들어가 큰 신호로 증폭되어 각기 R신호, G신호, B신호 및 NIR신호 아날로그 출력이 된다. After that, their weak analog signals, which became electrical signals, enter each of the signal amplifiers 240-4, 230-41, 230-42, and 230-43, and are amplified into large signals, respectively. It becomes analog output of signal and NIR signal.
여기서, R신호, G신호, B신호는 색상이론의 원리에 따라 각기 30%, 59%, 11%의 비율로 합성되어 휘도(Luminance)인 Y신호가 만들어 지는데, 이것은 신호 합성 및 모드 선택부(260)인 저항들(260-1, 260-2, 260-3, 260-4)로 구성된 전압합성 회로에 의해서 이루어 진다. Here, the R signal, the G signal, and the B signal are synthesized at a ratio of 30%, 59%, and 11%, respectively, according to the principle of color theory to create a Y signal, which is a luminance, which is a signal synthesis and mode selection unit ( 260) is formed by a voltage synthesis circuit composed of resistors 260-1, 260-2, 260-3, and 260-4.
모드별 신호합성 회로(260-5)는 입력된 휘도신호(Y), 근적외선(NIR) 및 동기신호 생성부(250)에서 들어 온 동기펄스(sync pulse)를 사용하여 서로 합성하거나 주제어 장치(MPU)(310)의 지시에 따라 출력단자에 적합한 신호를 출력시킨다.The signal synthesizing circuit for each mode (260-5) uses the input luminance signal (Y), near-infrared (NIR), and a sync pulse received from the
즉, Y신호와 동기펄스를 합성하여 동기화 휘도신호인 Y' 신호를 만들어 외부 TV나 디스플레이로 이미지를 출력하는데 사용된다. In other words, it is used to output an image to an external TV or display by synthesizing the Y signal and the synchronization pulse to produce a Y'signal, which is a synchronization luminance signal.
또 필요에 따라 Y 신호 또는 NIR신호를 출력으로 내보낸다. 다시 말해서, 근적외선(NIR)만을 사용하는 레이저 스캔 모드에서는 물론 NIR신호를 출력하고 아날로그-디지털 변환기(370-1)에서 처리한 뒤에 신호처리에 들어가고, 가시광선(Visible Light)만을 사용하는 레이저 스캔 모드에서는 Y 신호를 출력으로 내보내서 R, G, B 및 Y신호를 각각 해당하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)(360-1, 360-2, 360-3, 370-1)에서 디지털 신호로 변환한 뒤에 신호처리에 들어간다.It also outputs a Y signal or an NIR signal as necessary. In other words, in the laser scan mode using only near-infrared (NIR), as well as outputting the NIR signal and processing it in the analog-to-digital converter (370-1), it enters the signal processing, and the laser scan mode uses only visible light. Outputs the Y signal as an output and converts the R, G, B, and Y signals into digital signals in the corresponding analog-to-digital converter (ADC) (360-1, 360-2, 360-3, 370-1). Afterwards, signal processing is started.
다음으로 신호처리 및 제어부에 해당하는 회로에 대하여 설명하면, 타이밍 검출부(380)은 Y신호 또는 NIR신호를 받아서 이 레벨을 중폭하고 적절히 설정된 문턱 레벨을 초과하는 신호가 입력되었을 때에 이를 반사파 수신으로 감지하여 시간-디지털 변환부(time-to-digital Converter)(390)으로 보내서 송신 레이저 펄스발사시각과 반사파 수신시각의 차이 즉 시간차를 디지털 물리양으로 변환하여 대상물의 거리로 환산하게 된다. 이는 모두 주 제어 장치(360)의 제어에 따라 이루어진다.Next, a circuit corresponding to the signal processing and control unit will be described, when the
디지털 신호처리 과정에서의 4개의 아날로그-디지털 변환기(ADC)(360-1, 360-2, 360-3, 370-1)에서 출력된 디지털 신호 값과 시간-디지털 변환부(390)에서의 출력 값(거리정보) 및 기타 위성위치정보(GPS) 등으로부터의 입력 값 등은 데이터 다중화기(350-1)에서 하나의 포맷으로 합성되어 주제어 장치(360)을 거쳐 메모리(320)에 저장되거나 직렬출력포트(360-1)을 통해서 외부로 전송된다. Digital signal values output from four analog-to-digital converters (ADCs) (360-1, 360-2, 360-3, 370-1) in the process of digital signal processing and output from the time-
수정발진기(360-2)는 주 제어 장치(360)가 동작하는 기본적인 클럭신호나 기타 주파수 신호를 제공한다. The crystal oscillator 360-2 provides a basic clock signal or other frequency signal for which the
모드 및 제어 인터페이스(330)는 전면 패널(340-1)의 설정에 따라 각 모드 별로 동작을 선택하도록 주 제어 장치(360)에 정보를 제공하고 필요한 제어를 하기 위한 인터페이스를 제공한다.The mode and
마지막으로 전원부는 내장된 배터리 또는 외부 상용전원으로부터 전압을 공급받아 본 장치에서 필요로 하는 여러 전압을 제공하는 회로이며 배터리(410)와 이곳으로부터 전압을 받아서 고압(HV, High Voltage)을 생성하는 고압회로(420)로 구성되는 데 고압은 송신부의 레이저 다이오드(120-1, 120-2)의 펄스발생용과 수신부의 애벌란치 포토 다이오드(230-31, 230-32, 230-33)에 사용된다.Lastly, the power supply is a circuit that provides various voltages required by this device by receiving voltage from the built-in battery or external commercial power, and the high voltage that generates high voltage (HV, High Voltage) by receiving voltage from the
도3은 가시광 및 근적외선 스펙트럼 상에서 R, G, B 및 NIR의 파장 관계 대역 특성을 보여주는 참고 도면이다.3 is a reference diagram showing wavelength-related band characteristics of R, G, B, and NIR on visible and near infrared spectra.
본 발명에 의한 기술을 적용함으로서 거리 정보가 포함된 입체적인 3차원 영상 이미지를 획득함과 동시에 대상물의 실제 색상을 표현한 2차원의 컬러 영상 이미지를 얻을 수 있기 때문에 영상 이미지 정보의 분석 및 해석 시에 대상물의 완전한 정보를 획득하게 되어 이미지의 내용과 정보를 정확히 인식하는데 있어서 매우 유익하다는 장점이 생긴다. By applying the technology according to the present invention, it is possible to obtain a three-dimensional 3D image image including distance information and obtain a two-dimensional color image image expressing the actual color of the object. It has the advantage that it is very useful in accurately recognizing the content and information of the image by acquiring complete information of the image.
이렇게 함으로서 레이저 스캐너가 다양한 산업 응용 분야나 군사적 응용 분야 등에서 아주 유용한 기능을 제공할 수 있게 된다.In this way, laser scanners can provide very useful functions in various industrial or military applications.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be implemented in various forms within the scope of the appended claims. Without departing from the gist of the present invention claimed in the claims, any person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains shall be deemed to fall within the scope of the description of the claims of the present invention to various ranges capable of modification.
100 : 송신부 200 : 수신부
300 : 신호 처리 및 제어부100: transmitter 200: receiver
300: signal processing and control unit
Claims (16)
상기 대상 영역에서 반사된 레이저 펄스를 가시광과 근적외선으로 분리하여 가시광 신호와 근적외선 신호를 출력하고, 분리된 가시광을 이용하여 흑백 신호의 휘도 신호를 생성하여 출력하는 수신부; 및
상기 송신부에 제어 신호를 출력하고, 상기 수신부에서 분리된 가시광 신호, 휘도신호 및 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하여, 디지털 신호로 변환된 가시광 신호와 근적외선 신호의 디지털 데이터 스트림(stream)이 거리 정보와 함께 하나로 다중화(multiplexing)하는 신호 처리 및 제어부를 포함하고,
상기 송신부는 상기 신호 처리 및 제어부로부터 제어 신호를 입력받아 짧은 폭의 펄스 신호를 만들어 이를 스위칭하는 펄스 변조 및 스위칭부와, 상기 펄스 변조 및 스위칭부의 스위칭에 따라 실제 레이저 펄스를 생성하여 출력하는 레이저 펄스 생성부와, 상기 레이저 펄스 생성부에서 생성된 레이저 펄스 신호를 이미지를 만들고자 하는 대상 영역으로 송출해 X 및 Y축으로 2차원 주사(scanning)를 수행하는 레이저 2차원 스캐닝부를 포함하고,
상기 수신부는 대상 영역으로부터 반사된 레이저 펄스를 집속시키는 수신용 대물 렌즈와, 상기 수신용 대물렌즈에서 집속된 레이저 펄스를 입력받아 가시광과 근적외선을 분리하여 출력하는 레이저 신호 분리부와, 상기 가시광에서 원색을 분리하여 출력하는 가시광 원색 분리 광학부와, 상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 원색을 합성하여 흑백 신호의 휘도 신호를 생성하여 출력하는 신호 합성 및 모드 선택부와, 동기 신호를 생성하는 동기 신호 생성부와, 상기 레이저 신호 분리부에서 분리된 근적외선을 증폭하여 출력하는 근적외선 광학 및 증폭부를 포함하고,
상기 레이저 펄스 생성부는 서로 다른 파장을 가지는 한 쌍의 레이저 다이오드와, 상기 한 쌍의 레이저 다이오드의 각각에 대응되어 레이저 빔(laser beam) 광선을 점으로 결집시키는 한쌍의 집속기(collimator)와, 각각의 집속기에 대응되어 발생된 레이저 빔을 단일모드 광섬유케이블에 결합하여 접속시키는 한쌍의 어댑터와, 상기 한쌍의 어댑터에서 출력되는 레이저 빔들을 합성하여 출력하는 광 방향성 결합기와, 상기 광 방향성 결합기에서 나오는 레이저 빔을 상기 레이저 2차원 스캐닝부로 발사시키는 출력 어댑터를 포함하고,
상기 신호 처리 및 제어부는 상기 신호 합성 및 모드 선택부의 출력 신호로부터 펄스 검출 시각을 검출하는 타이밍 검출부와, 상기 타이밍 검출부가 검출한 펄스 검출 시각과 상기 송신부에서 레이저 펄스를 송출한 시각과의 시간차이에 해당하는 시간 간격을 디지털 신호로 변환하여 거리정보로 출력하는 시간 디지털 변환부를 더 포함하는 레이저 스캐닝 장치.A transmitter for generating a laser pulse signal according to signal processing and a control signal from a control unit and performing two-dimensional scanning in the target area;
A receiving unit that separates the laser pulse reflected from the target area into visible light and near-infrared light, outputs a visible light signal and a near-infrared light, and generates and outputs a luminance signal of a black and white signal using the separated visible light; And
A control signal is output to the transmitting unit, and the visible light signal, luminance signal, and near-infrared signal separated by the receiving unit are converted into digital signals, and the digital data stream of the visible light signal and the near-infrared signal converted into digital signals is provided with distance information and Including a signal processing and a control unit multiplexing together into one (multiplexing),
The transmission unit receives a control signal from the signal processing and control unit, generates a short pulse signal and switches it, and a laser pulse that generates and outputs an actual laser pulse according to the switching of the pulse modulation and switching unit. A generation unit, and a laser two-dimensional scanning unit that transmits the laser pulse signal generated by the laser pulse generation unit to a target area to create an image to perform two-dimensional scanning (scanning) in X and Y axes,
The receiving unit includes a receiving objective lens for focusing laser pulses reflected from a target area, a laser signal separation unit receiving the laser pulses focused from the receiving objective lens and outputting the separated visible light and near-infrared rays, and a primary color from the visible light. A signal synthesizing and mode selection unit for synthesizing the primary colors separated by the visible light primary color separation optical unit to separate and outputting the visible light primary color separation optical unit to generate and output a luminance signal of a black and white signal, and a synchronization signal for generating a synchronization signal A generation unit, and a near-infrared optical and amplifying unit for amplifying and outputting the near-infrared rays separated by the laser signal separation unit,
The laser pulse generation unit includes a pair of laser diodes having different wavelengths, a pair of collimators corresponding to each of the pair of laser diodes and converging laser beam rays into points, respectively. A pair of adapters for coupling and connecting the laser beam generated in response to the concentrator of the single-mode fiber optic cable, an optical directional coupler for synthesizing and outputting the laser beams output from the pair of adapters, and the optical directional coupler. Including an output adapter for emitting a laser beam to the laser two-dimensional scanning unit,
The signal processing and control unit comprises a timing detection unit for detecting a pulse detection time from an output signal of the signal synthesis and mode selection unit, and a time difference between a pulse detection time detected by the timing detection unit and a time when a laser pulse is transmitted from the transmitter. Laser scanning device further comprising a time digital conversion unit for converting the corresponding time interval into a digital signal and outputting the distance information.
상기 펄스 변조 및 스위칭부는
상기 신호 처리 및 제어부로부터 제어 신호인 트리거 펄스를 받아서 구형파 펄스를 생성하는 펄스 변조기; 및
상기 펄스 변조기에 의해 생성된 구형파 펄스에 따라서 상기 레이저 펄스 생성부의 레이저 다이오드를 스위칭하는 레이저 스위칭 회로를 포함하는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 1,
The pulse modulation and switching unit
A pulse modulator for generating a square wave pulse by receiving a trigger pulse as a control signal from the signal processing and control unit; And
And a laser switching circuit for switching the laser diode of the laser pulse generator according to the square wave pulse generated by the pulse modulator.
상기 한쌍의 레이저 다이오드에서 하나의 레이저 다이오드는 근적외선(NIR) 파장 905nm의 근적외선 레이저 다이오드와 파장 610nm의 빨강색 레이저 다이오드가 함께 내장된 것이고,
다른 하나의 레이저 다이오드는 파장 535nm의 초록색 레이저 다이오드와 파장 470nm의 파랑색 레이저 다이오드가 함께 내장된 것인 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 1,
In the pair of laser diodes, one laser diode includes a near-infrared (NIR) wavelength of 905 nm and a red laser diode of 610 nm,
The other laser diode is a laser scanning device that incorporates a green laser diode with a wavelength of 535nm and a blue laser diode with a wavelength of 470nm.
상기 레이저 2차원 스캐닝부는
상기 레이저 펄스 생성부에서 출사된 레이저 펄스를 수직으로 반사시키는 수직 반사거울;
상기 수직 반사 거울에서 반사된 레이저 펄스를 수평으로 반사시키는 수평 반사거울;
상기 수직 반사거울을 수직방향으로 구동시키는 수직 모터;
상기 수평 반사거울을 수평방향으로 구동시키는 수평 모터;
상기 신호 처리 및 제어부의 제어에 따라 수직 모터와 수평 모터를 제어하는 모터 제어기;
수직축의 주소를 엔코딩하는 수직 엔코더;
수평축의 주소를 엔코딩하는 수평 엔코더; 및
상기 수직 엔코더를 통하여 출력되는 수직축의 주소와 상기 수평 엔코더를 통하여 출력되는 수평축의 주소를 다중화하여 출력하는 스캔 주소 다중화기를 포함하는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 1,
The laser two-dimensional scanning unit
A vertical reflection mirror for vertically reflecting the laser pulses emitted from the laser pulse generator;
A horizontal reflection mirror for horizontally reflecting the laser pulses reflected from the vertical reflection mirror;
A vertical motor driving the vertical reflective mirror in a vertical direction;
A horizontal motor driving the horizontal reflective mirror in a horizontal direction;
A motor controller for controlling a vertical motor and a horizontal motor according to the signal processing and control of the controller;
A vertical encoder for encoding an address of a vertical axis;
A horizontal encoder for encoding an address on a horizontal axis; And
A laser scanning apparatus comprising a scan address multiplexer for multiplexing and outputting the address of the vertical axis output through the vertical encoder and the address of the horizontal axis output through the horizontal encoder.
상기 수신용 대물 렌즈는 가시광(visible light) 및 비가시광(invisible)인 근적외선(NIR: Near InfraRed)의 레이저 펄스를 받아들여 집속시키는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 1,
The receiving objective lens receives and focuses laser pulses of visible and invisible near infrared rays (NIR).
상기 가시광 원색 분리 광학부는
610nm의 빨강색인 긴 파장의 빛은 반사하고 나머지 파장의 빛을 통과시키는 제1 색선별 반투명거울; 및
상기 제1 색선별 반투명거울에서 통과된 빛에서 470nm의 파랑색인 짧은 파장의 빛은 반사하고, 500~600nm 파장을 가진 초록색 부근의 중간 파장을 가진 빛은 투과시키는 제2 색선별 반투명거울을 포함하는 레이저 스캐닝 장치. The method of claim 1,
The visible light primary color separation optical unit
A first color sorting translucent mirror reflecting light of a long wavelength of 610 nm red and passing light of the remaining wavelength; And
Including a second color-sorting semi-transparent mirror that reflects light of a short wavelength of blue color of 470 nm from the light that has passed through the first color sorting translucent mirror, and transmits light having an intermediate wavelength around green with a wavelength of 500 to 600 nm. Laser scanning device.
상기 신호 합성 및 모드 선택부는 상기 동기 신호 생성부에서 생성된 동기 신호를 상기 휘도 신호에 합성하여 동기화 휘도 신호를 생성하여 출력하고, 상기 근적외선 광학 및 증폭부의 출력되는 근적외선 신호를 입력받아 출력하는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 1,
The signal synthesis and mode selection unit synthesizes the synchronization signal generated by the synchronization signal generation unit with the luminance signal to generate and output a synchronization luminance signal, and receives and outputs the near-infrared signal output from the near-infrared optics and amplification unit. Device.
상기 신호 처리 및 제어부는
상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 가시광의 원색을 증폭하고 아날로그 신호 형태를 디지털 신호로 변환하며, 상기 신호 합성 및 모드 선택부의 출력 신호인 휘도신호, 동기화된 휘도 신호, 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환 모듈; 및
상기 아날로그 디지털 변환 모듈에서 디지털 신호로 변환된 가시광 신호와 근적외선 신호의 디지털 데이터 스트림(stream)이 거리 정보와 함께 하나로 다중화(multiplexing)되는 디지털 데이터 포맷 처리부를 포함하는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 10,
The signal processing and control unit
Amplifies the primary color of visible light separated by the primary visible light separation optical unit, converts an analog signal form into a digital signal, and converts a luminance signal, a synchronized luminance signal, and a near-infrared signal, which are output signals of the signal synthesis and mode selection unit, into a digital signal. An analog-to-digital conversion module; And
A laser scanning device comprising a digital data format processor in which a digital data stream of a visible light signal and a near-infrared signal converted into a digital signal by the analog-to-digital conversion module are multiplexed together with distance information.
상기 아날로그 디지털 변환 모듈은
상기 가시광 원색 분리 광학부에서 분리된 가시광의 원색을 증폭하고 아날로그 신호 형태를 디지털 신호로 변환하는 제1 아날로그 디지털 변환부; 및
상기 신호 합성 및 모드 선택부의 출력 신호인 휘도신호, 동기화된 휘도 신호, 근적외선 신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 아날로그 디지털 변환부를 포함하는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 11,
The analog-to-digital conversion module
A first analog-to-digital converter for amplifying the primary color of the visible light separated by the primary color separation optical unit and converting an analog signal form into a digital signal; And
A laser scanning apparatus comprising a second analog-to-digital converter converting a luminance signal, a synchronized luminance signal, and a near-infrared signal, which are output signals of the signal synthesis and mode selection unit, into digital signals.
상기 신호 처리 및 제어부는
각종 제어신호가 입출력되고, 모드 및 제어 인터페이스에서 설정된 모드(mode)에 필요한 디지털 데이터를 생성하며, 데이터를 메모리에 저장하거나 통신포트를 통해 외부로 송출하는 주 제어 장치를 더 포함하는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 11,
The signal processing and control unit
A laser scanning device further comprising a main control device that inputs and outputs various control signals, generates digital data necessary for a mode set in a mode and a control interface, and stores the data in a memory or transmits the data to the outside through a communication port.
회로동작에 필요한 여러 가지 전압을 만들어 회로에 공급하는 배터리와 송신부와 수신부에 고압(High Voltage)을 만들어 공급하는 고압 회로가 포함된 전원부를 더 포함하는 레이저 스캐닝 장치.The method of claim 1,
A laser scanning device further comprising: a battery that generates and supplies various voltages required for circuit operation to the circuit, and a power supply unit including a high-voltage circuit that creates and supplies a high voltage to a transmitter and a receiver.
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