KR0120019B1 - 두 빔의 중첩을 이용하는 거리 측정기 - Google Patents

Abstract

본 발명에는 거리 측정기, 특히 두 레이저 빔의 중첩을 이용하여 수 cm에서 수십 m 사이의 거리를 정밀 측정하는데 이용되는 거리 측정기가 기재되어 있다.

본 발명의 거리 측정기를 이용하면, 먼저 기준빔으로 피측정 거리에 있는 물체를 조사하고, 이어서 주사빔을 물체 상의 기준빔에다 중첩시켜 중첩부를 형성하여 기준빔과 주사빔 및 중첩부가 서로 직각삼각형을 이루도록 하여 삼각법을 이용하여 거리가 정밀하게 측정된다.

Description

두빔의 중첩을 이용한 거리 측정기

제1도는 본 발명에 따른 한 실시예인 단일 레이저 빔에서 분할된 두 빔의 중첩을 이용하는 거리 측정기의 개략적인 구성도를 도시한 도면.

제2도는 본 발명에 따른 다른 실시예인 파장이 상이한 2개의 레이저 빔을 이용하는 거리 측정기의 개략적인 구성도를 도시한 도면.

제3도는 본 발명에 사용되는 송수신 렌즈의 단면도.

제4도는 본 발명에 따른 거리 측정원리를 설명하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 시준된 빔 2 : 기준빔

3 : 주사빔 11,21,22 : 레이저

13,23 : 빔 분할기 15,25 : 주사경

16,26 : 송수신렌즈 18,28 : 중첩 판단 수단

19,29 : 구동부 40 : 피측정 거리에 있는 물체

본 발명은 거리 측정기에 관한 것으로, 특히 두 레이저 빔의 중첩을 이용하여 수 cm에서 수 십 m 사이의 거리를 정밀 측정하는 거리 측정기에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 거리 측정기는 대략 3종류로 분류할 수 있다. 먼저, 고출력 펄스 레이저 빔을 이용하여 레이저 빔이 피측정 거리까지 갔다가 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정하여 거리를 측정하는 펄스법을 이용하는 거리 측정기와, 연속 레이저 빔 또는 램프 등의 빛을 특정 주파수로 변조하여 피측정 거리까지 갔다가 되돌아오는 변조파의 위상 변화를 측정하여 거리를 측정하는 변조법을 이용하는 거리측정기와, 그리고 LED와 같은 광원을 피측정 위치에 부착시켜서 거리를 측정하거나, 레이저를 조사하여 물체에서 산란된 광을 렌즈를 통해 PSD(Position Sensitive Detector)의 상(像)에 집속시켜 피측정 거리에 따라 달라지는 상대적인 위치를 파악하여 거리를 측정하는 삼각 측량법을 이용하는 거리 측정기가 있다.

펄스법의 경우는 수십 ns(10^-9초)범위의 폭을 가진 펄스를 사용하여 대략 수 m에서 수십 km까지의 거리 측정이 가능하고, 변조법의 경우는 피측정 물체에 코너 큐브(corner cube)를 부착하여 빔이 이것에 반사되어 측정기로 되돌아오도록 해야 하며, 측정거리는 대략 수 m에서 수 km까지이다. 이들 펄스법과 변조법의 경우는 빛의 속도가 너무 빠르므로, 위상의 변화나 되돌아 오는 시간을 측정하는 것이 짧은 거리에서는 거의 나타나지 않기 때문에, 단거리 측정에 응용하는 것은 부적합하다. 삼각 측량법의 경우는 십 여cm 정도까지만 정밀하게 측정하는 것이 가능하고 먼 거리를 측정하려면 상대적으로 정밀하고 큰 PSD가 필요한데, 현대의 기술로 는 2∼3m에서도 수십 cm의 정확도로 측정할 수 있는 정도이다. 따라서, 미터범위에서는 측정정밀도가 좋지 않아 거리 측정기로서 보다는 변위를 측정하는 데 더 적합하다. 상기 3종류의 거리 측정기들은 측정 거리가 수 십 m 이상이거나 수 km 이하의 경우에만 사용될 수 있는 것으로 현재까지는 수 cm에서 수 십 m 사이에서 사용할 수 있는 단일 방식의 거리 측정기가 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은 수 cm에서 수 십 m 사이의 거리를 정밀 측정할 수 있는 거리 측정기를 제공하려는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 두 레이저 빔의 중첩 원리를 이용하여 단거리를 정밀 측정할 수 있는 거리 측정방법을 제공하려는 데 있다.

본 발명에서 사용되는 측정 방식은 기존의 방식과는 근본 원리부터 다르다. 전술한 바와 같이, 1개의 레이저 빔이나 램프 빔을 발사하여 단일 레이저 빔의 성질을 이용하는 데 비해, 본 발명에서는 파장이 같거나 상이한 2개의 레이저 빔이 중첩될 때 에너지가 증가하는 현상을 이용하여, 먼저 기준빔으로 피측정 거리에 있는 물체를 조사하고, 이어서 주사빔을 물체상의 기준빔에다 중첩시켜 에너지 증가 현상에 의해 정확한 중첩부를 형성하여 기준빔과 주사빔 및 중첩부 사이의 기하학적인 관계를 이용하여 거리를 측정하는 것이다.

본 발명이 제1의 특징에 의하면, 본 발명의 상기 목적들은 기준빔과 주사빔을 제공하는 레이저와, 이 레이저에서 나온 빔을 기준빔과 주사빔으로 서로 수직이 되게 분할하는 빔 분할기와, 이 빔 분할기에서 나온 주사빔을 피측정 거리에 있는 물체상에 조사하기 위하여 상기 빔 분할기로부터 수직 거리 D에 배치된 주사경과, 상기 빔 분할기로부터 나온 기준빔을 피측정 거리에 있는 물체로 송신하고 상기 물체상에서 기준빔과 주사빔의 충첩광을 수신하는 송수신 렌즈와, 수신한 광을 원하는 방향에 놓인 중첩 판단 수단에 전달하는 반사경과, 상기 송수신 렌즈에 의해 수신된, 물체로부터 산란된 빔을 통해 중첩 여부를 판단하는 영상 평면상에 배치된 중첩 판단 수단과, 그리고 물체 상에서 주사빔이 기준빔에 중첩되도록 중첩 판단 수단의 측정치에 따라 주사경이 회전각을 조절하는 구동부로 이루어지는 것이 특징인 단일 레이저를 이용하는 거리측정기에 의하여 달성된다.

본 발명에 있어서, 송수신 렌즈는 중앙부가 굴절성이 없는 유리창으로 된 특수렌즈로, 기준빔을 렌즈의 유리창을 통해 그대로 직진 통과하고, 물체에서 산란되는 빔을 중앙부의 유리창을 제외한 렌즈의 나머지 부분을 통하여 수신된다.

중첩 판단 수단으로는 CCD 카메라 또는 광검지기(photodetector)가 포함된다.

본 발명의 제2의 특징에 의하면, 전술한 본 발명의 목적들은 기준빔을 제공하는 제1레이저와, 상기 기준빔과 파장이 상이한 주사빔을 제공하는 제2레이저와, 상기 기준빔을 직진 통과시키고 물체로부터 산란된 빔을 제2반사경으로 반사시키는 빔 분할기와, 상기 제2레이저로부터 나온 주사빔을 주사경으로 반사시키는 제1반사경과, 주사빔을 대상 물체에 조사하는 주사경과, 빔 분할기로부터 나온 기준빔을 피측정 거리에 있는 물체로 송신하고 상기 물체상에서 주사빔과 중첩된 광을 수신하는 송수신 렌즈와, 중첩여부를 판단하는 판단수단과, 송수신 렌즈로부터 나온 빔을 상기 판단 수단으로 반사시키는 제2반사경과, 그리고 상기 중첩 판단 수단의 측정치에 따라 주사경의 회전각을 조절하는 구동부로 구성되는 것이 특징인 파장이 상이한 레이저 빔을 이용하는 거리 측정기에 의하여 달성될 수 있다.

상기 제2의 특징에 있어서는, 주사경을 사용하지 않고 제2레이저를 직접 회전시킬 수도 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 피측정 물체에 코너 큐브와 같은 부속품을 부착할 필요가 없고 간단히 설치하여 기존의 측정기로서 측정하기 어려운 수 cm에서 수 십 m까지의 거리를 측정할 수 있다.

이하, 첨부 도면에 따라 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠다.

제1도와 제2도는 본 발명에 따른 실시예를 도시하고 있는데, 제1도에는 빔 분할기에 의해 단일 레이저 빔에서 분할된 두 빔의 중첩을 이용하는 거리 측정기(10)의 전체 구성이 개략적으로 나타나 있다. 이 거리측정기(10)는 시준(視準)된 빔을 방출하는 레이저(11), 빔 분할기(13), 주사경(15), 송수신 렌즈(16), 반사경(17), 중첩 판단 수단으로서 광검지기 또는 CCD 카메라(18) 및 구동부(19)가 포함되며, 레이저(11), 빔 분할기(13) 및 송수신 렌즈(16)은 일직선 상에 배치되고 주사경(15) 및 반사경(17)은 빔 분할기(13)을 사이에 두고 빔 분할기에 대해 수직으로 대치된다. 특히, 주사경(15)는 빔 분할기(13)으로부터 선정된 수직 거리 D에 배치되며, 이 D 값은 측정 거리에 따라 조정이 가능하다. D의 범위는 클수록 정밀도를 증가시키지만 반면에 측정기의 크기를 증가시키므로, 양호하게 10cm에서 20cm 이내로 하는 것이 좋다. 중첩 판단 수단(18)은 물체에서 산란된 빔을 인식하기 위해서 렌즈의 영상 평면상에 위치한다. 구동부는 주사경을 조정할 수 있도록 연결되어 있다.

거리를 측정하기 위하여 제1실시예의 레이저(11)에서 피측정 거리에 있는 물체(40)을 향해 빔(1)을 발사하면, 레이저(11)에서 방출된 시준된 레이저 빔(1)은 빔 분할기(13)을 통해 서로 수직인 2개의 빔, 즉 기준빔(2)와 주사빔(3)으로 분할된다. 제1도에 도시된 바와 같이, 기준빔(2)는 송수신 렌즈(16)을 향해 직진하고, 주사빔(3)은 기준빔(2)에 수직으로 거리 D만큼의 간격으로 배치된 주사경(15)로 향한다. 빔 분할기(13)을 직진하여 통과한 기준빔(2)는 송수신 렌즈(16)를 통과하여 피측정 거리에 있는 물체(40)으로 직진한다. 송수신 렌즈(16)은 제3도에 도시된 바와 같이, 렌즈의 중앙부(16a)가 굴절성이 전혀 없는 유리창으로 이루어진 특수렌즈로 되어 있어, 레이저(11)에서 방출된 빔(1)을 그대로 통과시킨다. 주사경(15)에 도달한 주사빔(3)은 빔 분할기(13)과 주사경(15)를 잇는 선분, 즉 주사경에서 기준빔에 내린 수직 성분에 대해 각 θ로 반사되어 주사빔(3)이 피측정 위치의 물체(40)상에서 기준빔(2)과 중첩된다.이렇게 하여, 단일 레이저 빔에서 분할된 두 빔에 의해 물체(40) 상에 중첩부가 형성된다. 이때 주사경(15)를 거쳐 물체(40)에 도달한 주사빔(3)과 빔 분할기(13)으로부터 직접 도달한 기준빔(2)가 동일 평면에 있도록 하면, 제4도는 도시된 바와 같이 기준빔(2), 주사빔(3) 및 중첩부(42)가 삼각 관계를 이루므로 삼각법을 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 즉 측정거리를 R, 기준빔(2)와 주사빔(3) 사이의 거리를 D, 주사경(15)의 주사각을 θ라 하면, 다음식

R=Dtan θ …………………………………………………………………… (1)

이 성립된다. 그런데, 전술한 바와 같이 측정거리 R은 D와 θ에 의해 정해지므로, 거리 측정의 정확성은 피측정 거리에서 중첩부를 형성하였는지에 대한 정확한 판단 여부와 주사각 θ의 정확한 측정에 좌우된다. 중첩부 형성의 정확성 여부는 두 레이저 빔의 중첩시 에너지가 증가하는 현상 또는 중첩 형태의 관찰을 통해 판단이 가능하고, θ를 정확하게 측정하기 위해서는 주사경의 회전량을 정확하게 결정할 수 있는 구동 메카니즘을 이용해야 한다.

본 발명에 따른, 정확한 θ값을 결정하는 메카니즘은 다음과 같다.

피측정 거리에 있는 물체상에서 산란되는 빔은 송수신 렌즈(16)의 중앙부(16a)를 제외한 렌즈부(16b)를 통해 수신되어 빔 분할기(13) 및 반사경(17)을 거쳐 중첩 판단수단(18)에 도달한다. 중첩 판단수단(18)은 예를 들면, CCD 카메라이거나 광검지기일 수 있다. 중첩 판단수단(18)이 CCD 카메라일 경우에는, 외부 모니터 등을 통해 두 빔의 중첩여부를 직접 관찰할 수 있으므로, 모니터를 통해 주사빔이 기준빔에 대해 일정 영역 안으로 들어올 경우에 중첩된 것으로 판단하여 이러한 형태가 잡힐 때까지 구동부(19)를 조작하여 주사경을 회전시켜 준다. 중첩 판단수단(18)이 광검지기일 경우에는, 다음과 같이 중첩여부를 판단한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 처음에 기준빔만이 물체에 도달할 때에는 일정출력이 얻어지지만, 주사경을 회전시켜 주사빔이 기준빔에 가까워질수록 출력이 증가되어 두 빔이 완전히 대칭적으로 중복하게 되면, 광검지에서 검지된 산란광의 세기가 주사경의 각도에 따라 출력에서 첨두치가 얻어진다.

그러므로, 구동부(19)를 조직하면서 광검지기(18)의 측정값을 관찰하여 상기 첨두치가 검지되는 지점까지 주사경을 회전시킨다. 여기서, 주사경을 회전시켜 주고 회전된 각도의 정확한 판독을 가능하게 해주는 구동부로서 스테핑 모터(stepping moter)를 사용할 수 있다. 따라서, 펄스당 구동 각을 정해주면, 정확히 중첩된 것으로 판단되는 지점까지 회전할 때 모터에 주어진 펄스 수를 계수하여 회전량을 정확하게 계산할 수 있다. 이때 회전각의 정밀도를 높이기 위해서 모터에 기어 박스를 설치하여 펄스당 회전각을 0.001˚이상으로 할 수도 있다. 상술한 바와 같이, 중첩 판단수단으로서의 광검지기 또는 CCD 카메라와 구동부로서의 스테핑 모터를 사용하여 두 빔을 정확히 중첩시킬 수 있고, 또한 이때의 회전량을 정확히 판독할 수 있으므로 정확한 θ값을 얻을 수 있다.

본 발명의 제2실시예는 제2도에 도시되어 있다. 이에 의하면, 기준빔과 파장이 상이한 레이저 빔을 주사빔으로 사용하는 거리 측정기(30)가 도시되어 있다. 제1도와 동일한 소자에는 끝자리가 동일한 참조번호를 부여하였다.

제2실시예는 제1실시예와 구성이 거의 동일하나, 제2실시예에서는 제1레이저(21)의 빔과는 파장이 상이한 제2레이저(22)에서 방출된 빔을 반사경(24)를 사용하여 주사경으로 반사시킨다는 것만이 제1실시예와 다르다. 그러므로, 제1실시예에서는 단일 레이저(11)에서 나온 빔(1)을 빔 분할기(13)으로 분할하여 사용하였으므로 주사경(15)가 반드시 필요하였으나, 제2실시예에서는 각각 다른 레이저를 사용하여 기준빔(2)와 주사빔(3)을 방출하므로 주사경(25) 없이 바로 제2레이저(22)를 회전시켜 두 빔을 중첩시킬 수 있다. 단, 주사경을 사용하지 않고 제2레이저를 집적 회전시킬 때는 레이저 다이오드 등을 사용하면 그 크기가 1cm³정도 밖에 안되므로 구동부(29)로서 스테핑 모터를 제2레이저에 연결시켜 회전각을 측정하며, 이 경우의 D값은 제1레이저와 제2레이저 사이의 거리가 된다.

이러한 파장이 상이한 2개의 레이저를 사용하는 경우에는, 가시적으로 기준빔과 주사빔의 구별이 가능하므로 더 쉽게 중첩 여부를 판단할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 설명한 제1 및 제2 실시예에서는 시준된 빔을 사용하였는데, 가까운 거리를 측정하는 경우에는 시준시키지 않고 사용할 수도 있다. 그러나 수 m 정도의 원거리를 측정하는 경우에는 시준시키는 것이 필요하다.

그러므로, 본 발명에 다른 측정기를 사용하면, 자와 같은 기구를 사용하지 않고 또한, 피측정 물체에 접근하지 않고 단거리를 측정하는 경우에는, 종래의 단거리 측정기가 아주 가까운 거리에서는 높은 정확도를 갖지만 주의 환경의 잡음으로 인하여 1m 정도 되는 거리에서도 높은 오차를 나타냈던 문제점을 해결하여 수 cm에서 수십 m에 이르는 거리를 LED를 부착하지 않고도 간단한 방식으로 정밀 측정할 수 있으며, 이때의 정밀도는 D 값이 적을수록 구동부에 의한 펄스당 회전각이 작을수록 정밀해진다. 예컨대 D가 10cm이고, 조사경이 0.001˚단위로 조절가능하며 1m 지점에서 0.2cm까지 측정가능하다.

이제까지 본 발명은 전술한 제1 및 제2실시예에 대하여만 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 원리와 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서의 수정 및 변경이 가능하다는 점을 유의하여야 한다.

Claims (15)

1. 빔을 제공하는 레이저와, 이 레이저에서 나온 빔을 기준빔과 주사빔으로 서로 수직이 되게 분할하는 빔 분할기와, 이 빔 분할기에서 나온 주사빔을 피측정 거리에 있는 물체상에 조사하기 위해 빔 분할기로부터 거리 D만큼 수직으로 떨어져 배치된 주사경과, 상기 레이저 및 상기 빔 분할기에 대해 일직선상에 배치된 빔 분할기로부터 나온 기준빔을 피측정 거리에 있는 물체로 송신하고 상기 물체상에서 상기 주사빔과 중첩된 광을 수신하는 송수신 렌즈와, 이 송수신 렌즈를 통하여 상기 빔 분할기로부터 수신된 광을 중첩 판단수단으로 반사시키는 반사경과, 이 반사경으로부터 수신된 빔을 통해 중첩 여부를 판단하는 중첩 판단수단, 그리고 이 중첩 판단수단의 측정치에 따라 주사경의 회전각을 조절하는 구동부로 이루어진 것을 특징으로 하는 단일 레이저를 이용하는 거리 측정기.
2. 제1항에 있어서, 상기 송수신 렌즈가 중앙 부분은 굴절성이 없는 유리창으로 되어 있고, 주변부는 볼록 렌즈로 되어 있는 것인 단일 레이저를 이용하는 거리 측정기.
3. 제1항에 있어서, 상기 중첩 판단수단이 CCD 카메라인 것인 단일 레이저를 이용하는 거리 측정기.
4. 제1항에 있어서, 상기 중첩 판단수단이 광검지기인 것인 단일 레이저를 이용하는 거리 측정기.
5. 제3항에 있어서, 상기 중첩 판단수단에 수신된 광 세기의 첨두치가 상기 기준빔과 상기 주사빔이 정확히 중첩되었음을 나타내는 것인 단일 레이저를 이용하는 거리 측정기.
6. 제1항에 있어서, 상기 주사경 구동부가 스테핑 모터인 것인 단일 레이저를 이용하는 거리 측정기.
7. 제1항에 있어서, 빔 분할기와 주사경 사이의 거리 D를 측정거리에 따라 조정할 수 있는 것인 단일 레이저를 이용한 거리 측정기.
8. 기준빔을 피측정 물체에 제공하는 제1레이저와, 상기 기준빔과 파장이 상이한 주사빔을 피측정 물체에 제공하는 제2레이저와, 상기 기준빔을 송수신 렌즈를 통해 직진 통과시키고 물체로부터 산란된 빔을 중첩 판단수단으로 보내는 빔 분할기와, 이 빔 분할기로부터 나온 기준빔을 피측정 거리에 있는 물체로 송신하고 상기 물체상에서 주사빔과 중첩된 광을 수신하는 송수신 렌즈와, 상기 빔 분할기로부터 제1반사경을 통해 수신된 빔으로부터 기준빔과 주사빔의 중첩여부를 판단하는 중첩 판단수단과, 그리고 이 중첩 판단수단의 측정치에 따라 주사각을 조절하는 구동부로 이루어진 것을 특징으로 하는 파장이 상이한 레이저 빔을 이용하는 거리 측정기.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2레이저로부터 나온 주사빔을 피측정 물체에 주사하기 위하여 상기 빔 분할기로부터 수직으로 배치시킨 제2반사경 및 주사경을 더 포함하는 것인 파장이 상이한 레이저 빔을 이용하는 거리 측정기.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 중첩 판단수단이 CCD 카메라인 것인 파장이 상이한 레이저 빔을 이용하는 거리 측정기.
11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 중첩 판단수단이 광검지기인 것인 파장이 상이한 레이저 빔을 이용하는 거리 측정기.
12. 제11항에 있어서, 상기 광검지기에 수신된 광 세기의 첨두치가 상기 기준빔과 상기 주사빔이 정확히 중첩되었음을 나타내는 것인 파장이 상이한 레이저를 이용하는 거리 측정기.
13. 제8항 또는 9항에 있어서, 상기 구동부가 스테핑 모터인 것인 파장 상이한 레이저 빔을 이용하는 거리 측정기.
14. 제1항, 제8항 또는 제9항의 거리 측정기를 이용하여 기준빔을 피측정 거리에 있는 물체에 주사하고 주사빔을 피측정 거리에 있는 물체에 주사하는 단계와, 물체로부터 반사되어 중첩 판단수단에 수신된 기준빔과 주사빔의 중첩여부를 판단하는 단계와, 상기 기준빔과 주사빔이 중첩되었을 때 주사각 및 기준빔과 주사빔 사이의 거리(D)에 삼각법을 적용하여 원하는 피측정 거리를 계산하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 주사빔을 물체에 주사하는 단계가 회전 각도의 측정이 가능한 주사경을 이용하여 피측정 거리에 있는 기준빔에 중첩시키는 단계를 더 포함하는 것인 거리 측정 방법.