KR100433575B1 - 측정구-반사기 - Google Patents

Abstract

방향 및/또는 거리측정용 측정구-반사기는 측정구(10) 안으로 역반사되는 삼중프리즘(17)가 삽입되는데, 그 바닥면(18)은 측정구-표면(11)의 일부분을 절단하며 그 높이는 측정구(10)의 반경과 거의 같으며, 이 때 상기 측정구(10)의 중심(16)은 삼중프리즘(17)의 높이선(19) 위에 놓이도록 구성됨을 특징으로 한다.

Description

측정구-반사기 {MEASURING BALL REFLECTOR}

측지학 및 산업용 좌표측정을 위해 목표점을 실체로 구현하기 위하여 종종 측정구를 사용한다. 이 측정구들은 일반적으로 거울반사표면을 구비한 금속구인데, 이 측정구들은 핀으로 고정되어 있다. 상기 핀은 측정될 토지의 좌표점에 또는 측정대상에 고정된다.

상기 구는 예를 들어 경위의(經緯儀)의 조준망원경을 사용하여 조준되고, 초점을 맞춤으로써 상면(象面)에 선명하게 결상된다. 조준마크 또는 십자선을 측정구상으로 조정함으로써 경위의의 조준방향이 좌표적으로 결정된다. 표시정확성을 높이기 위하여 종종 특수 조명장치가 상기 경위의에 사용하는데, 이 때 측정구의 거울반사표면상에 반사되는 빛으로 조준점을 잡는다.

예를 들면 다른 경위의를 사용하여 동일한 측정구를 서로 다른 조준방향으로부터 조준함으로써, 경위의의 종래에 알려진 간격을 사용하여 측정구의 구중심점까지의 거리를 계산할 수 있다. 측정구중심점으로부터 고정핀의 바닥점까지의 거리가 알려져 있기 때문에 이러한 방식에 따라 측정지점의 좌표를 결정할 수 있다. 대상물 공간내의 교정거리(교정 바)를 동시에 측정하는 표준방법에서는 경위의 사이의 거리를 결정하는 것이 불필요하다. 사용되는 연산프로그램을 간략화하기 위하여 측정구-반사기의 크기 및 고정핀의 길이를 규격화한다. 측정구의 직경은 상기한 바에 따르면 12.7 ㎜이다.

두 개의 독립적인 방향측정 및 베이스거리(삼각측량)에 의한 좌표측정 이외에도 극 측정이 가능하다. 다시 말하면 방향측정과 거리측정을 조합할 수 있으며, 즉 경위의를 거리측정기에 연결시킬 수 있다. 광학 절대-거리측정기는 측정대상물에 반사되는 광펄스 또는 모듈화된 광선의 동작시간을 평가한다. 측정지점의 좌표를 정확히 결정할 수 있도록 목표점을 실체적으로 구현할 필요가 있다. 거리측정이 대부분 적어도 평행하게 정렬된 광선다발을 사용하여 이루어지기 때문에 삼중프리즘은 목표반사기로서 적합하다. 이러한 삼중프리즘은 바닥면에 입사되는 평행광선다발이 광선다발방향에 대하여 바닥면의 기울기와 관계없이 평행하게 반사된다는 특징이 있다.

유리몸체를 통하여 수직으로 입사하는 경우에 거리는 일정한 부가상수만큼 변한다. 거리측정에 필요한 목표점은 상기 삼중프리즘의 정점이다. 이 정점은 거리가 멀 때에는 광학적으로 조준이 불가능하기 때문에 측지학에서의 각도측정을 위해 경위의에 의해 조준되는 목표판과 삼중프리즘을 연결하여 사용한다. 삼중프리즘과 목표판사이의 기하학적인 관계 및 측정점에 대한 목표판의 유지상태에 근거하여 측정점의 좌표를 소정의 위치로부터 결정할 수 있다.

상술한 바와 같이 상기 삼중프리즘은 중요한 특징을 갖고 있다. 즉 광선반사가 삼중프리즘 바닥면의 경사도와는 무관하게 입사광선에 대하여 평행하도록 광선방향으로 이루어진다는 점이다. 그러나 광로 길이는 바닥면의 경사도에 의존한다. 프리즘의 정점 주위에서 기울었을 경우에 광로는 경사각에 비례하여 비선형으로 커진다. 상기 삼중프리즘의 높이선의 바닥주위에서 기울었을 경우에도 동일하게 의존하는 것이 발생된다. 그러나 이때는 정점의 위치를 바꿈으로써 전체 광로가 감소된다. 이러한 광로의 변경은 자연히 거리측정의 정확도에 영향을 미치기 마련이다. 경사가 삼중프리즘의 높이선 상에 놓인 지점주위에서 즉 정점 높이의 1/3만큼 떨어져 있는 지점에서 일어나는 경우, 일정한 각도대역에 걸쳐 경사도 의존성을 최소화하려는 방법이 공지된 바 있다.

시각에 의한 방향측정이 절대적인 거리측정방법과 조합되어 있다는 사실에 부가하여, 출발위치에서 출발하여 자동 목표추격 및 거리변화 자동측정을 하는 기기에 대해서도 공지되어 있다. 전면-목표점의 실시예는 정삼각으로 대향하는 평거울로 구성된 삼중거울로서 이 거울은 측정구의 내부에 장착되어 반사기의 정점이 측정구중심점에 놓이는 형태이다. 삼중프리즘과 비교하여 삼중거울에서는 광선방향에 의존하는 방향조정오차나 거리오차가 전혀 발생하지 않는다.

측정광선으로서는 평행 레이저광선다발을 이용하는데 이 다발은 세 개의 축으로 제어가능한 스캐닝거울에 의해 삼중거울로 조준된다. 거리 및 방향이 알려진 출발위치에서, 반사된 광선은 스캐닝거울에 의해 기기내로 다시 안내되고 거기서 위치 검출기에 의해 측정될 뿐 아니라 간섭계로 전달된다. 측정구를 출발위치로부터 분리시켜 놓았을 경우에는 측정광선이 삼중거울의 개구부내로 입사하도록 하는점만 유의하면 된다. 1/e²이상이 감소한 강도분포 한계에서는 측정광선직경이 약 4㎜에 달하며, 상기 삼중거울은 약 20㎜정도의 입사개구부를 가지게 되므로 이는 아무런 문제없이 가능한 일이다. 상기 위치검출기는 원하는 측정지점에서 측정대상물에 고정될 때까지 가동 삼중거울에 맞추어 상기 스캐닝거울을 제어한다. 간섭계를 사용함으로써 이동된 경로를 측정한다. 출발지점에 대하여 상대적으로 측정된 방향변화 및 거리변화로부터 측정지점의 좌표가 결정된다.

작업공간내에서 자유롭게 이동가능한 로봇에 의해 위치결정하여 작업공간내 정해진 지점에 역반사기를 참조점으로서 장착하는 방법이 공지되어 있다. 상기 로봇의 시각 영역은 출발점으로부터 출발하여 레이저광선을 사용하여 세 개의 축으로 제어가능한 스캐닝거울에 의해 스캐닝되며, 상기 레이저광선이 상기 역반사기중 어느 하나에 닿을때까지 스캐닝된다. 절대거리측정기를 사용하여 상기 역반사기로부터의 거리를 측정한다. 상기 로봇이 움직이고 있을 시에는 상기 스캐닝거울이 역반사기 방향으로 안내되어 로봇의 방향변화를 확인할 수 있게 구성되어 있다. 역반사기의 행방을 잃으면 새로운 목표방향포착이 시작되고 다른 역반사기로의 새로운 거리측정이 시작된다. 교

DE 44 10 267 A1에는 세 개의 좌표축으로 측정되는 측정기의 교정(效正)장치가 공지되어 있다. 측정테이블 위에는 참조면이 부분적으로 구형인 코너 큐브 반사기가 스탠드에 고정되어 있다. 상기 스탠드는 측정기계의 좌표축 중의 하나의 축을 따라 이동가능하다.

교정은 일측으로는 상기 코너 큐브 반사기의 참조면의 위치를 측정핀에 의해서 측정하고 타측으로는 상기 역반사기의 코너 큐브의 종방향 변위를 간섭계에 의해 측정하는 방식으로 이루어진다. 상기 역반사기는 절점을 구비하고 있다. 이 절점은 상기 간섭계의 측정축선상에 있고, 그 절정 주위에서 상기 역반사기가 거리측정에 특정한 영향을 주지 않고 기울어질 수 있다. 상기 참조면은 상기 절점에 대하여 정확히 위치결정된다. 구형 기준면의 경우 상기 참조면은 이 절점을 중심으로 놓인다.

상기 절점은 간섭계 측정을 위한 참조측정점 역할을 하며, 구형 참조면에 대하여 간섭계 측정축선의 관통하는 점은 상기 접촉핀용 참조측정점 역할을 한다. 양측 참조측정점은 측정방향으로 볼 때 서로 전후위치한다. 그밖에도 상기 스탠드용 안내레일은 상기 간섭계의 측정축선에 대하여 평행하게 오프셋되어 있다. 안내레일 상에서의 비정확성은 절점이 횡단 오프셋되고 상기 역반사기가 스탠드의 바닥점에서 기울어지는 현상을 초래하여 상기 절점이 변위되는 결과를 낳는다.

상기 절점이 간섭계 거리측정을 위한 참조측정점 역할을 하기 때문에 각 횡단 변위는 계측기계의 교정될 좌표방향에 대하여 측정방향이 변경되었음을 의미한다. 이에 따르는 측정오차를 줄이기 위해서는 안내레일이 가능한한 정밀하게 할 필요가 있다. 또한 상기 구형 참조면을 세가지 서로 다른 위치에서 접촉함으로써 횡단 오프셋을 측정하여, 보정연산에 이를 고려하게 된다.

삼중거울은 기계적인 이유에서 구조상 소정의 크기만큼도 작아서는 안된다. 왜냐면 상기 거울은 그 안정성을 위하여 특정한 두께를 유지해야만 하기 때문이다.다른 단점은 반사기의 개구의 정점에 예를 들어 가루먼지 등의 오염물이 달라붙을 수 있는데 이러한 먼지는 떼어내기도 어려우며, 또한 금속성 거울막이 손상당할 위험성이 있다. 그러나 거울정점에서의 광선반사는 측정의 정확성에 결정적인 역할을 한다. 그밖에도 상기 삼중거울의 내측 에지의 품질은 상기 세 개의 평거울요소의 접합제 때문에 문제가 생길 소지가 있다.

본 발명은 방향측정 및/또는 거리측정용 측정구(測定球)-반사기에 관한 것이다.

도 1은 측정구-반사기의 단면도이다,

도 2는 측정구-반사기의 평면도이다,

도 3은 완전한 삼중 프리즘의 평면도이다,

도 4는 덮개에지의 방향에 따른 삼중프리즘의 단면도이다.

따라서 본 발명은 시각에 의한 방향측정 뿐만 아니라 자동 방향측정에도 적합하고 아울러 절대적인 거리측정 및 상대적인 거리측정 모두에 사용가능한 측정구-반사기를 제공하려는 목적을 갖는다. 나아가 종래의 측정구-반사기의 규격크기에 상응하여 크기화가 가능한 측정구-반사기를 제공하려는 목적을 갖는다.

상기한 목적은 바닥면이 상기 측정구-표면의 일부분을 잘라내고 그 높이가 대략적으로 상기 측정구의 반경과 동일한 역반사 삼중프리즘을 측정구 내에 삽입시킨, 서두에 언급한 종류의 측정구-반사기를 통하여 성취된다. 여기서 상기 측정구의 중심은 삼중프리즘의 높이선 상에 놓여 있다.

본 발명의 유용한 구성들은 종속항의 특징부에 포함되어 있다.

거울들이 결합하여 구성된 삼중거울에 비하여 삼중프리즘은 다음과 같은 장점을 갖고 있다. 즉 원하는만큼 소형으로 크기화할 수 있다. 특히 측정구의 규정 직경인 12.7㎜에 최적으로 적합하도록 할 수 있는데, 이 때 바닥면의 크기는 간섭계, 각도측정 및 절대거리측정계용 레이저광선의 직경에 아주 잘 맞는다. 그리고 광선방향에 대한 충분한 경사각을 위하여 특수 사양이 준비되어 있다.

나아가 삼중프리즘에는 반사기 정점이 오염될 문제가 없다. 그밖에도 삼중프리즘 에지도 최상으로 정밀하게 제조되어 있다.

삼중프리즘의 높이를 본 발명에 따라 구성함으로써 측정구중심점에 마련된 회전점을 삼중프리즘 내로 변위시킬 수 있게 된다. 이로써 경사도에 의존하는 광로의 차를 상기 삼중프리즘에서 최소화할 수 있다.

자동 좌표측정시에는 상기 삼중프리즘의 정점이 거리측정용 목표점뿐만 아니라 목표방향도 결정하는 역할을 하기 때문에 삼중프리즘이 정점아래 놓인 점주위에서 기울었을 경우에 방향측정상에 어느정도까지 오차가 발생할 수 있는가를 조사할 수 있었다. 그런데 뜻밖에도 상기한 경우에서, 그러한 광로차가 경사영역에 걸쳐 균일하게 최소화되는 회전점인 경우 삼중프리즘 정점의 변위에 의한 각도편차 역시 최소화된다는 사실을 알게 되었다.

상기 삼중프리즘의 바닥면은 측정구 표면에 있어 단지 일부분을 차지할 따름이므로 나머지 부분은 거울의 역할을 할 수 있고, 그러므로 나아가 시각에 의한 조준이 가능하다. 상기 측정구를 자석물질로 제조할 경우에는 자력에 의해 통상의 샤프트에 고정하는 것도 가능하다. 이 때 상기한 장착은 3점지지인 것이 바람직한데, 이로써 측정구가 모든방향으로 회전할 수 있게 된다. 측정점에 단단히 고정된 샤프트일 경우에 측정광선을 간단하게 조정할 수 있을뿐더러, 두 개의 다른 측정기기의 조준 장치에 거울표면을 최적으로 조정할 수 있게 된다. 그밖에도 상대적인 거리측정을 구비한 목표추적시스템을 사용할 경우에 상기 측정구를 하나의 측정점에서 다른 측정점으로 변위시킬 수 있다.

상기 삼중프리즘 및 그에 인접한 프리즘영역의 삼각 바닥면을 높이선으로 회전대칭된 실린더 위로 감소시킴으로써 프리즘을 측정구내로 삽입하기 위한 아주 간단한 구조의 장치가 형성된다. 단지 그 보어 안에 상기 삼중프리즘을 삽입하기 위한 중심보어를 측정구내에 제공하기만 하면 된다. 이 때 원형 바닥면은 보어 에지로 마무리되거나 이 에지의 바로 아래에 놓인다. 이로써 측정구를 평평한 기판상에 놓았을 경우에 측정구가 손상되지 않도록 보호할 수 있다.

본 발명에 따르는 측정구-반사기는 아래에서 도면에 개략적으로 도시된 실시예와 관련하여 자세히 설명하기로 한다.

도 1에는 측정구(10)의 단면이 도시되어 있다. 상기 측정구는 자석 금속으로 이루어져 있다. 그 표면(11)은 거울과 같이 광택내어져 있다. 측정구몸체내에는 중짐에 보어(12)가 형성되어 있다. 상기 측정구몸체의 중심은 도면부호(16)으로 표시되어 있다. 상기 보어(12)에는 앞으로 설명될 삼중프리즘의 정점을 향하고 있는 나사보어(13)가 있다. 다른 하나의 나사보어(14)는 이에 수직을 이루고 있다. 그 맞은편에는 접합제용 충전관(15)이 있다. 다른 쌍(14/15)은 측정구몸체의 외주에 각각 60°오프셋되어 있다.

상기 보어(12)내로 삼중프리즘(17)을 삽입한다. 이 삼중프리즘(17)은 광학 유리로 이루어져 있다. 그 덮개면은 금속으로 덮여있고 보호라커칠처리가 되어 있다. 바닥면(18)은 원형이다. 바닥면은 측정구를 평면에 올려놓았을 경우에 손상받지 않도록 상기 보어(12)의 에지보다 약간 더 깊이 놓여있다. 삼중프리즘(17)의 높이선은 19로 표시되어 있다. 측정구몸체의 중심(16)은 정점 아래쪽으로 삼중프리즘의 높이의 약 1/3에 있다. 삼중프리즘(17) 바닥면(18)을 보어(12) 축(12')에 수직을 이루도록 조절하기 위하여 핀들은 나사보어(13/14) 안으로 회전유입된다. 이 때 서로 다른 광로를 프리즘내에서 유발시키는 삼중프리즘의 높이에서의 제조공차가 보상되며, 이는 회전점에 대한 정점의 위치를 유리경로의 균일한 부가상수로 조정함으로써 이루어진다. 상기 조정이 끝난 후에 상기 충전관(15)을 통하여 알맞은 접합제를 보어(12) 안으로 유입시킨다. 상기 접합제는 삼중프리즘(17)을 고정하고 열팽창 및 진동에 대하여 보호하는 역할을 한다. 이 때 실리콘접합제를 사용하면 매우 좋다.

도시된 측정구-반사기에 수용된 측정광선다발은 소정 직경(20)을 갖고 있다. 상기 삼중프리즘(17)의 바닥면(18)은 반사된 광선다발로부터 나온 측정신호의 질을 손상시키지 않고 또한 요구되는 공차대역밖으로 방향/거리 측정의 정확성을 감소시키지 않으면서 상기한 광선다발에 대하여 모든 방향으로 소정각도(21)만큼 경사져 있다.

실제적인 실시예에서는 상기 표준직경이 12.7㎜(0.5'')인 측정구 내부에 삼중프리즘을 삽입할 수도 있다. 이 때 삽입한 삼중프리즘은 직경이 약 4.5㎜인 측정광선다발을 경사범위 ±15°이내에서 확실하게 반사시킨다. 이때 거리오차는 약 1.5㎛ 이다. 방향각도오차는 약 ± 10㎛의 목표점의 변위에 상응한다.

도 2에는 그 원형 광선유입면을 나타내기 위하여 상기 측정구-반사기를 삼중프리즘(17)의 바닥면(18)의 평면도가 도시되어 있다. 상기 평면도에서는 정점쪽으로 수렴하는 덮개에지(22)와 그 반영(23)이 대향하는 덮개면상에 명확하게 나타나 있다.

도 3은 완전한 형태의 삼중프리즘(17)의 평면도이고, 높이선 바닥점을 중심으로하여 상기 프리즘 정점 아래에 놓인 내부원(24)이 도시되어 있는데, 상기 내부원은 삼중프리즘 바닥을 감소시키는 실린더 횡단면을 이루고 있다.

도 4는 도 3에 도시된 삼중프리즘을 절개선(25)를 따라 절개한 횡단면도이다. 바닥면이 실린더형태로 감소함에 따라 측면(26/27)의 높이가 도 1에 도시된 바와 같이 서로 달라진다. 조정핀은 본 발명에 따라 높이가 높은 측면(26)을 향하도록 구성되어 있다.

Claims (18)

1. 측정구가 스탠드 위에 자유롭게 회전가능하게 고정되어 있는 비접촉 방향측정 및/또는 거리측정용 측정구-반사기에 있어서,

   상기 측정구(10)내로 역반사 삼중프리즘(17)을 삽입하고, 그 바닥면(18)은 상기 삼중프리즘(17) 바닥면(18)의 외주선이 측정구(10)의 표면(11) 아래에 놓이도록 하는 방식으로 상기 측정구-표면(11)의 일부분을 잘라내며, 그 높이는 상기 측정구(10)의 반경과 거의 동일한데, 여기서 상기 측정구(10)의 중심(16)이 삼중프리즘(17)의 높이선(19)에 놓이도록 구성됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 삼중프리즘(17)의 정점으로부터 측정구(10) 중심(16)까지의 거리는 상기 삼중프리즘(17) 높이의 약 1/3에 해당하는 것을 특징으로 하는 측정구-반사기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 삼중프리즘(17)은 자신의 바닥면이 높이선(19)에 회전대칭되는 원통으로 감소되는 것을 특징으로 하는 측정구-반사기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 보어(12)를 구비하고 있는데 그 보어 안으로 상기 삼중프리즘(17)이 삽입됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 보어(12) 내부로는 외측에서부터 접근가능한 조정요소들이 내부로 돌출해 있고, 그 위에 상기 삼중프리즘(17)이 얹혀 있는 것을 특징으로 하는 측정구-반사기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 삼중프리즘(17)은 조정된 후에 영구탄성 접합제에 의해 보어(12)내에 고정되는 것을 특징으로 하는 측정구-반사기.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 측정구(10)의 표면(11)은 거울 반사됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 자석물질로 이루어져 있음을 특징으로 하는 측정구-반사기.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 보어(12)를 구비하고 있는데 그 보어 안으로 상기 삼중프리즘(17)이 삽입됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
10. 제 3 항에 있어서, 상기 측정구(10)의 표면(11)은 거울 반사됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
11. 제 4 항에 있어서, 상기 측정구(10)의 표면(11)은 거울 반사됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
12. 제 5 항에 있어서, 상기 측정구(10)의 표면(11)은 거울 반사됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
13. 제 6 항에 있어서, 상기 측정구(10)의 표면(11)은 거울 반사됨을 특징으로 하는 측정구-반사기.
14. 제 3 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 자석물질로 이루어져 있음을 특징으로 하는 측정구-반사기.
15. 제 4 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 자석물질로 이루어져 있음을 특징으로 하는 측정구-반사기.
16. 제 5 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 자석물질로 이루어져 있음을 특징으로 하는 측정구-반사기.
17. 제 6 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 자석물질로 이루어져 있음을 특징으로 하는 측정구-반사기.
18. 제 7 항에 있어서, 상기 측정구(10)는 자석물질로 이루어져 있음을 특징으로 하는 측정구-반사기.

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