KR100208068B1 - 레이저거리측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저거리측정시스템에 관한 것으로, 정해진 일정각도 내에서 안정되게 왕복이동되는 레이저발신장치(A)로부터 방사되는 레이저빛을 임의거리(r)에 떨어져 설치한 레이저수신장치(B) 내의 수신센서(32a,32b) 또는 레벨센서(36)가 감지하여, 상기 수신센서(32a,32b)에 수광되는 레이저빛의 전달시간을 계산하거나 또는 상기 레벨센서(36)에서 명암되는 레이저포커스의 각도를 원칩마이컴(30)에 프로그램된 거리계산식에 의해 자동계산하여 방사되는 레이저빛의 발신점과 수신점 사이의 거리를 정확히 측정할 수 있다.

Description

레이저거리측정시스템

본 발명은 레이저빛을 이용하여 거리를 측정할 수 있는 레이저거리측정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저발신장치에서 방사되는 레이저빛을 임의거리에 떨어진 레이저수신장치의 수신센서 또는 레벨센서가 감지하여 프로그램된 거리데이타에 의해 계산하여 발신점과 수신점 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 레이저거리측정시스템에 관한 것이다.

현재, 사회가 복잡해지고 과학기술이 급속히 발달됨에 따라 전자통신장치 및 해당 구성부품들이 다양하게 개발되어 생활에 편리하게 이용되고 있는 실정이다.

이러한 전자장치 또는 전자기기 중에서 원자나 분자와 전자파와의 상호작용을 이용하여 동작시키는 양자장치는, 마이크로파의 발진이나 증폭을 행하는 메이저(MASER)나 레이저(LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)등과 같은 장치의 공통으로 레이저 및 그들 응용기기와 동일하게 사용된다.

그리고, 레이저로부터 방사되는 레이저빛은 파장의 단색성 및 지향성이 대단히 좋고 위상이 정해져 있어, 거울이나 렌즈에 의해 커다란 파워밀도의 점으로 집광할 수 있으며, 이에 따라 넓은 파장범위에 거쳐 많은 종류의 발진이 확인되고 또 상품화되고 있다.

한편, 레이저를 이용해서 거리를 측정하기 위해서는 보통 해당거리에 있는 물체에 레이저빛을 방사하여 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하여 계산하는 방법을 주로 채택하였으나, 이를 이용하여 만들어진 거리측정장치는 고가이고 제작 및 구성 또한 복잡하여 해당 분야의 운용설치 및 이용에 있어 다소 어려운 점이 있었다.

따라서, 레이저의 응용분야에서 이러한 거리측정시스템 외에 레이저의 발신점과 수신점간의 거리를 정확히 측정할 수 있는 방법 및 이를 이용한 거리측정장치 등을 모색하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 상황을 감안하여 발명한 것으로, 정해진 일정각도 내에서 안정되게 왕복이동되는 레이저발신장치로부터 방사되는 레이저빛을 임의 거리에 떨어져 설치한 레이저수신장치 내의 수신센서 또는 레벨센서가 감지하여, 수신센서에 수광되는 레이저빛의 전달시간을 계산하거나 또는 레벨센서에서 명암되는 레어저포커스의 각도를 자동계산하여 방사되는 레이저빛의 발신점과 수신점사이의 거리를 정확히 측정할 수 있는 레이저거리측정시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 레이저거리측정시스템의 작동개요도.

제2도는 본 발명에 의한 레이저거리측정시스템의 레이저발신장치를 이루는 선형각도모터장치의 작동상태도.

제3도는 본 발명의 레이저발신장치 작동계통도.

제4도는 본 발명의 레이저수신장치 작동계통도.

제5도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저거리측정시스템의 작동개요도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A : 레이저발신장치 B : 레이저수신장치

1,2 : 고정자 3a,3b : NS자석

4 : 연결구멍 5 : 연결부

6,7 : 이동코일 8 : 회전자

9 : 각도센서 10 : 콘트롤러

11 : 렌즈 12 : 레이저발신기

13 : 레이저드라이버 14 : 클럭발생분주기

15a,15b : 톱니파발생기 16a,16b : 이동코일콘트롤러

17 : 각도콘트롤러 22a,22b : 미분기

23a,23b : 증폭기 24a,24b : 자동이득제어기(AGC)

25a,25b : 피크검출기 26a,26b : 센서펄스생성기

27 : 기준클럭발생기 28 : 센서시간클럭합성기

29 : 간격클럭카운터 30 : 원칩마이컴

31 : 표시기 32a,32b : 수신센서

33a,33b : 렌즈 34a,34b : 광학필터

36 : 레벨센서

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저거리측정시스템은, NS자석(3a,3b : 3b, 3a)의 극성을 달리하여 서로 대칭되는 고정자(1,2)가 양쪽에 각각 설치고정되고, 연결부(5) 중앙에 관통된 연결구멍(4)으로 레이저발신기(12)가 축결합되면서 양쪽에는 나비형으로 이동코일(6,7)이 감겨진 회전자(8)가 양쪽의 고정자(1,2) 사이에 회전 가능하게 설치되는 한편, 콘트롤러(10)의 이동코일콘트롤러(16a,16b)와 각도콘트롤러(17)에 각각 상기 고정자 양쪽의 이동코일(6,7)과 상기 고정자 외부의 각도센서(9)가 연결되어, 서로 극성을 달리하면서 마주보는 양쪽의 NS자석(3a,3b : 3b,3a) 위치구간인 선형각도를 중앙의 회전자(8)가 이동반복되면서 상기 레이저발신기의 레이저빛 방사각도인 설정각도(θ)가 자동조절될 수 있도록 레이저발신장치(A)가 구성된다.

그리고, 상기 레이저발신장치(A)부터 방사되는 레이저빛이 수광감지되는 양쪽의 수신센서(32a,32b)가 임의 거리에 떨어져 상하로 설치고정되고, 상기 수신센서(32a,32b)에 의해 수광된 감지신호가 해당 미분기(22a,22b)를 통해 증폭기(23a,23b)에서 필요한 신호만큼 증폭되며, 증폭된 출력신호는 자동이득제어기(AGC)(24a,24b)에 의해 피드백되면서 해당 피크검출기(25a,25b)로 각각 공급되고, 상기 피크검출기(25a,25b)를 통한 검출신호인 감지시간이 센서펄스생성기(26a,26b)에서 해당 펄스로 생성되는 센서시간클럭합성기(28)에 의해 합성되며, 상기 센서시간클럭합성기(28)로부터의 출력신호는 간격클럭카운터(29)에서 카운팅되어 입출력신호로 원칩마이컴(30)에 인가되어 프로그램된 거리계산식에 의해 발신점과 수신점 사이의 측정거리(r)가 자동계산되어 거리측정될 수 있도록 레이저수신장치(B)가 구성된다.

이하, 본 발명의 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 레이저거리측정시스템의 작동개요를 도시한 것으로, 레이저발신장치(A)로부터의 레이저빛이 양쪽에 서로 극성을 달리하는 고정자(1,2) 사이에 설치된 회전자(8)의 일정각도 내에서의 반복이동을 통해 방사각도(θ)가 자동조절되면서 방사될 수 있도록 하여, 임의의 거리에서 상하로 떨어져 고정되는 레이저수신장치(B)의 수신센서(32a,32b)가 이를 정확히 감지하여 원칩마이컴(30)의 프로그램된 거리계산식에 의해 발신점과 수신점 사이의 거리를 정확하게 측정하고 이를 표시기(31)를 통해 표시될 수 있도록 구성된다.

상기 레이저발신장치(A)는 제2도에서 보는 바와 같이, 양쪽의 고정자(1,2) 사이를 상하이동하는 회전자(8)로 이루어진 선형각도모터장치에 레이저발신기(12)가 연결되어 작동제어되면서 일정각도 내에서 레이저빛을 방사하게 되는데, 양쪽의 상기 고정자(1,2) 사이에서 양쪽에 나비형으로 대칭되게 이동코일(6,7)이 감긴 상기 회전자(8)가 상하로 이동반복되며, 상기 레이저발신기(12)의 렌즈(11)를 통해 방사된 레이저빛이 설정각도(θ)내에서 0.25초 또는 0.5초 동안 1회전으로 이동반복되면서 한점으로 설정된 상하각도 사이로 방사되어 레이저수신장치(B)의 수신점으로 직진된다.

여기서, 상기 레이저발신장치(A)의 1회전 방사각도는 회전체인 중앙의 회전자(8)가 대칭구조인 양쪽의 고정자(1,2)의 NS자석(3a,3b) 사이를 상하이동하는 각도범위를 나타내며, 이때의 방사각도(θ)를 이동하는 회전자(8)의 1회전 이동시간은 0.25초 또는 0.5초로 세팅됨이 바람직하다.

그리고, 좌우대칭구조인 양쪽의 고장지(1,2)가 콘트롤러(10)와 연결되어 레이저발신기(12)의 방사각도(θ)를 조절하는 회전체인 중앙의 회전자(8)를 매개로 좌우대칭으로 놓여지고, 각각의 고정자(1,2)에는 서로 극성을 달리하여 NS자석(3a,3b : 3b,3a)이 서로 마주보며 배치되며, 아울러 좌우대칭구조인 양쪽의 NS자석(3a,3b : 3b,3a)의 각도구간 사이를 상하이동하게 되는 회전체인 회전자(8)는 양쪽에 이동코일(6,7)이 감겨져서 연결부(5) 중앙에 관통된 연결구멍(4)을 통해 서로 연결되고, 상기 중앙구멍(4)으로 레이저발신기(12)로부터의 회전축(도면부호 생략)이 결합되어 양쪽의 고정자(1,2)에 형성된 좌우대칭의 NS자석(3a,3b : 3b,3a)에 의해 설정각도(θ) 구간을 상기 회전자(8)와 함께 상기 레이저발신기(12)가 방사각도(θ)의 흔들림없이 이동반복될 수 있다.

또한, 상기 회전자(8)의 연결부(5) 외부에는 홀효과를 이용한 각도센서(9)가 설치되어 양쪽의 고정자(1,2)에 설정된 NS자석(3a,3b : 3b,3a) 위치 밖으로 상기 회전자(8)의 회전각도가 벗어나지 않도록 감지하게 되며, 상기 각도센서(9)는 상기 회전자(8) 양쪽에 감겨진 이동코일(6,7)과 함께 제3도에서 보는 바와 같이 콘트롤러(10)의 각도콘트롤러(17)와 이동코일콘트롤러(16a,16b)에 각각 연결된다.

한편, 레이저발신장치(A)의 레이저발신기(12)를 통해 방사되는 레이저빛은 임의의 거리에서 상하로 떨어진 레이저수신장치(B) 내의 고정된 수신센서(32a,32b)에 정확히 수광되고, 상기 수신센서(32a,32b)는 정해진 상하간격에 설치되는 상자나 케이스(미도시 함)에 고정되어 레이저빛을 정확히 수광하도록 구성된다.

그리고, 레이저발신장치(A)와 레이저수신장치(B) 사이의 측정거리(r)가 짧으면 감지시간이 빠른 반면 반대로 길게되면 그만큼 감지시간이 달라진다는 것을 착안하여 측정거리(r)를 제한하지 않는다.

따라서, 상기 레이저발신장치(A)의 발신점으로부터 임의 거리만큼 떨어져 있는 수신점인 레이저수신장치(B)가 고정되고, 제4도에서 보는 바와같이 상기 레이저수신장치(B)내에 원칩마이컴(30)이 설치되어 양쪽의 수신센서(32a,32b)에 각각 수광되는 레이저빛의 전달시간이 계산되며, 이때 상기 원칩마이컴(30)에 프로그램화된 r = d/4(t2-t1) 또는 r = d/8(t2-t1)의 거리계산식에 의해 발신점과 수신점 사이의 거리가 자동계산되어 정확히 측정되고, 아울러 표시기(31)로 표시되거나 또는 RS-232C의 통신포트로 전송하여 해당 정보를 필요한 장소까지 전송할 수 있다.

즉, 상기 레이저발신장치(A)는 방사되는 레이저빛의 발신점인 레이저발신기(12)가 장착되고, 상기 레이저발신기(12)로부터 방사되는 레이저빛이 양쪽에 서로 극성을 달리하는 고정자(1,2) 사이에 설치된 회전자(8)의 선형각도 내에서의 왕복이동을 통해 정해진 방사각도 설정각도()로 자동조절되면서 방사되어 직진되며, 임의의 거리에서 상하로 떨어진 레이저수신장치(B)의 각 수신센서(32a,32b)가 이를 정확히 감지하여 내부의 원칩마이컴(30)을 통해 발신점과 수신점 사이의 거리를 정확히 측정할 수 있다.

한편, 제3도에 도시한 본 발명의 레이저발신장치 작동계통도에서 보는 바와같이, 콘트롤러(10)의 각 이동코일콘트롤러(16a,16b)와 연결되어 일정파형의 톱니파를 발생시키는 톱니파발생기(15a,15b)가 클럭발생분주기(14)에 연결되고, 상기 클럭발생분주기(14)는 레이저발신기(12)의 레이저드라이버(13)와 연결되어 해당 클럭을 발생시키게 된다.

그리고, 상기 레이저드라이버(13)는 상기 회전자(8)의 중앙에 형성된 연결구멍(4)에 회전축을 매개로 결합된 레이저발신기(12)가 장착되어, 렌즈(11)를 통해 방사되는 레이저빛이 선형각도모터장치에 의해 형성되는 1회전의 선형각도만큼 방사각도인 설정각도() 내에서 안정되게 상하이동 반복동작되면서 한점으로 설정된 상하각도 사이로 방사되어 직진될 수 있다.

즉, 렌즈(11)를 통해 방사되는 레이저빛이 설정각도() 내에서 안정되게 방사되어 직진될 수 있도록, 레이저발신기(12)가 회전가능하게 연결된 중앙의 회전자(8)가 양쪽 고정자(1,2) 사이의 1회전 각도구간을 0.25초 또는 0.5초의 조정된 이동시간동안 이동반복된다.

이때, 상기 회전자의 이동코일(6,7)가 각도센서(9)가 연결된 콘트롤러(10)는 톱니파발생기(15a,15b)에 의해 해당 이동코일콘트롤러(16a,16b)가 각각 작동되면서 고정자(1,2)의 NS자석(3a,3b : 3b,3a) 사이에서 양쪽에 이동코일(6,7)이 감겨진 회전자(8)가 정해진 선형각도 내에서 이동반복되며, 아울러 상기 콘트롤러의 각도콘트롤러(17)도 작동되면서 연결된 각도센서(9)에 회전자(8)의 이동각도가 설정된 고정자의 NS자석(3a,3b : 3b,3a) 위치 밖으로 벗어나지 않도록 감지함으로써 레이저발신기(12)를 통해 레이저빛이 방사각도() 내에서 방사작동될 수 있도록 유도하게 된다.

그리고, 상기 레이저발신장치(A)의 레이저발신기(12)는 서로 극성을 달리하여 일정구간의 NS자석이 형성된 양쪽의 고정자(1,2) 사이를 이동왕복되는 회전자(8)의 각도구간에 따라 설정각도()로 각도조절되면서 레이저빛을 방사시키게 되는데, 이때 레이저빛의 방사각도인 설정각도() 사이를 정해진 이동시간동안 1회전 왕복이동하는 속도 V = l / t = 2r / 0.5 (또는 0.25)이며, l이 길이를 t가 이동시간을 r이 측정거리를 나타낸다.

또한, 레이저수신장치(B)의 수신센서(32a,32b)는 상하로 고정설치되고, 양쪽의 수신센서(32a,32b) 사이의 거리를 d로 하고, 레이저발신기(12)에서 발신되는 설정각도()의 레이저빛이 양쪽의 수신센서(32a,32b)에 수광되는 도달시간을 t1, t2로써 t가 초단위 또는 펄스수량을 나타내며, 이때 양쪽의 수신센서(32a,32b) 사이의 거리 d = Vt = 2r / 0.5 (또는 0.25) × (t2-t1) = 4r(t2-t1)로, 구하고자 하는 측정거리 r = d / 4(t2-t1) 또는 r = d / 4(t2-t1)가 얻어지게 된다.

여기서 수신센서(32a,32b)간의 거리 d를 알고 양쪽 수신센서(32a,32b)에서 각각 수광되는 시간 t1, t2도 알 수 있어, 원칩마이컴(30)에서 이를 근거로 발신점과 수신점 사이의 거리 r를 계산하여 정확히 측정한 측정거리데이터를 표시기(31)에 표시하거나 또는 RS-232C로 외부 전송할 수 있다.

제4도는 본 발명에 따른 레이저수신장치(B)의 작동회로를 도시한 것으로, 레이저발신장치(A)로부터 정해진 각도구간 사이로 방사되는 레이저빛은 임의의 거리에 떨어져 설치되는 레이저수신장치(B) 내의 상하고정된 양쪽의 수신센서(32a,32b)에 수광되고, 상기 수신센서(32a,32b)에는 레이저빛을 집광하는 렌즈(33a)와 광학필터(33b)가 각각 설치되어 레이저빛을 정확히 수광감지하게 된다.

상기 수신센서(32a,32b)에 의해 수광된 감지신호의 시간 t1,t2는 해당 미분기(22a,22b)를 통해 증폭기(23a,23b)에서 필요한 신호만큼 증폭되고, 상기 증폭기(23a,23b)를 통해 증폭된 출력신호는 자동이득제어기(AGC)(24a,24b)에 의해 피드백되었다가 피크검출기(25a,25b)로 각각 공급된다.

상기 피크검출기(25a,25b)를 통한 감지시간 t1,t2의 검출신호는 센서펄스생성기(26a,26b)에서 해당 펄스로 생성되어 센서시간클럭합성기(28)에 각기 인가되는데, 이때 기준클럭발생기(27)에서 상기 센서시간클럭합성기(28)로 기준클럭이 인가됨에 따라 상기 센서시간클럭합성기(28)에서는 해당 펄스 내에 기준클럭이 실려져 합성된다.

따라서, 센서시간클럭합성기(28)의 출력신호는 간격클럭카운터(29)에서 카운팅하여 입출력신호로 원칩마이컴(30)에 인가되고, 상기 원칩마이컴(3)에 프로그램된 거리계산식에 의해 계산된 발신점과 수신점 사이의 측정거리(r)를 환산하여 표시기(31)에 표시하거나 RS-232C로 외부 전송할 수 있어 레이저의 계측기기로써 산업계 전반에 걸친 다양한 응용을 도모할 수 있다.

제5도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저거리측정시스템의 작동개요를 도시한 것으로, 레이저수신장치(B)의 감지수단으로 전술한 수신센서(32a,32b) 대신에 레벨센서(36)가 설치되어 레이저발신장치(A)로부터 방사되는 레이저빛의 명암인 레이저포커스의 각도계산을 감지하게 할 수도 있다.

한편, 본 발명은 레이저수신장치(B)의 레이저빛 감지수단으로서 수신센서(32a,32b) 또는 레벨센서(36)를 일례로 설명하였으나, 경우에 따라서는 해당 레이저빛 감지수단의 위치에 반사경을 설치하고 레이저발신장치(A) 내에 상기 레이저수신장치(B)를 일체화시켜 사용할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 레이저거리측정시스템에 의하면, 정해진 일정각도 내에서 안정되게 왕복이동되는 레이저발신장치로부터 방사되는 레이저빛을 임의거리에 떨어져 설치한 레이저수신장치 내의 수신센서 또는 레벨센서가 감지하여, 수신센서에 수광되는 레이저빛의 전달시간을 계산하거나 또는 레벨센서에서 명암되는 레이저포커스의 각도를 원칩마이컴에 프로그램된 거리계산식에 의해 자동계산하여 방사되는 레이저빛의 발신점과 수신점 사이의 거리를 정확히 측정할 수 있어, 레이저의 계측기기로써 산업계 전반에 걸친 다양한 응용을 도모할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. NS자석(3a,3b : 3b, 3a)의 극성을 달리하여 서로 대칭되는 고정자(1,2)가 양쪽에 각각 설치고정되고, 연결부(5) 중앙에 관통된 연결구멍(4)으로 레이저발신기(12)가 축결합되면서 양쪽에는 나비형으로 이동코일(6,7)이 감겨진 회전자(8)가 양쪽의 고정자(1,2) 사이에 회전가능하게 설치되는 한편, 콘트롤러(10)의 이동코일콘트롤러(16a,16b)와 각도콘트롤러(17)에 각각 상기 고정자 양쪽의 이동코일(6,7)과 상기 고정자 외부의 각도센서(9)가 연결되어, 서로 극성을 달리하면서 마주보는 양쪽의 NS자석(3a,3b : 3b,3a) 위치구간인 선형각도를 중앙의 회전자(8)가 이동반복되면서 상기 레이저발신기의 레이저빛 방사각도인 설정각도()가 자동조절될 수 있도록 구성된 레이저발신장치(A)와; 상기 레이저발신장치(A)부터 방사되는 레이저빛이 수광감지되는 양쪽의 수신센서(32a,32b)가 임의 거리에 떨어져 상하로 설치고정되고, 상기 수신센서(32a,32b)에 의해 수광된 감지신호가 해당 미분기(22a,22b)를 통해 증폭기(23a,23b)에서 필요한 신호만큼 증폭되며, 증폭된 출력신호는 자동이득제어기(AGC)(24a,24b)에 의해 피드백되면서 해당 피크검출기(25a,25b)로 각각 공급되고, 상기 피크검출기(25a,25b)를 통한 검출신호인 감지시간이 센서펄스생성기(26a,26b)에서 해당 펄스로 생성되는 센서시간클럭합성기(28)에 의해 합성되며, 상기 센서시간클럭합성기(28)로부터의 출력신호는 간격클럭카운터(29)에서 카운팅되어 입출력신호로 원칩마이컴(30)에 인가되어 프로그램된 거리계산식에 의해 발신점과 수신점 사이의 측정거리(r)가 자동계산되어 거리측정될 수 있도록 구성된 레이저수신장치(B)를 포함하여 이루어진 레이저거리측정시스템.