KR100524089B1 - 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치 - Google Patents

팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치에 관한 것으로서, 물체의 진행 방향과 동일하지 않은 방향의 팬 빔 레이저 발생 장치를 포함하는 레이저 송신부, 상기 팬 빔 레이저를 감지하는 복수개의 레이저 감지 센서를 포함하여 구성된 레이저 수신부 및 상기 레이저 수신부에서 전달된 데이터를 이용 팬 빔을 뚫고 지나가는 물체의 좌표를 계산하는 데이터 처리 장치를 포함하여 구성된다. 상기 레이저 송신부에 의해 형성된 팬 빔을 뚫고 물체가 지나가는 순간, 상기 물체에 의해 팬 빔이 수신되지 못하는 레이저 감지 센서에 대한 데이터가 데이터 처리 장치에 전달되고, 볼의 좌표 계산에 이용되는 것이다. 이와 더불어 복수의 레이저 송신부 및 레이저 수신부 세트를 이용함으로써, 볼의 좌표 뿐만 아니라, 볼의 속도까지 측정하는 것이 가능하다.

Description

팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치 {POSITION DETECTING SYSTEM USING PAN BEAM LASER}
본 발명은 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치로서, 자세하게는 팸 빔을 지나치는 공과 같은 물체의 좌표를 복수의 레이저 감지 센서를 이용 정확하게 찾아내는 장치에 관한 것이다.
스포츠, 특히 야구와 같은 구기 종목에 있어서, 비행하는 공과 같은 물체의 정확한 위치를 측정하고 기록하는 장치는 선수들의 훈련과 기량 향상을 위해 요구되어 왔다. 이러한 요구에 부응하여, 볼의 위치 또는 속력을 찾아내는 스포츠 보조 기구들이 개발되어 왔는데, 특히 레이저를 이용한 장치들에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 장치들은 주로 레이저의 직진성과 반사특성을 이용한 것들로서, 레이저가 볼에 반사되는 특성을 이용하여 볼의 속도를 측정하는 형태의 것들이 주류를 이루고 있다.
볼의 좌표 측정을 위한 종래기술로 복수개의 레이저 발사 장치와 수신 장치를 이용하는 구성이 국내 공개특허공보 특2000-49982호를 들 수 있다. 도 9를 참조하여 특2000-49982호에 개시된 종래 기술에 따른 볼 좌표 측정 장치를 살펴보면, 프레임(6) 상의 한쪽 내부 측면과 이와 수직인 내부 측면에 복수개의 레이저 다이오드(5)가 배치되어 있고, 상기 복수개의 레이저 다이오드(5)와 대응되는 맞은 편 내부 측면에 레이저 디텍터가 부착되어 있다. 상기 레이저 다이오드와 레이저 디텍터는 매트릭스를 형성하게 되며, 상기 매트릭스를 지나는 볼은 상기 매트릭스를 건드리면서, 볼의 위치가 파악되게 된다. 상술한 것과 같은 종래의 볼 좌표 측정 장치가 제대로 동작하기 위해서는 볼이 프레임 사이로 지나야 하는데, 그 과정에서 볼이 프레임을 타격해 장치를 파손할 가능성이 많다. 또한 복수개의 발광 다이오드를 사용하게 되므로 제작 단가가 높아질 수밖에 없고, 전력 소모 또한 많아지게 된다.
상술한 것과 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명에서는 비행 물체에 의한 장치의 파손 가능성을 최소화 할 수 있고, 소수의 팬 빔 레이저 발생 장치를 이용함으로써, 제작 단가를 낮출 수 있는 물체 좌표 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 팬 빔 레이저를 이용한 물체 좌표 측정 장치는, 물체의 진행 방향과 평행하지 않은 팬 빔 레이저 발생 장치를 포함하는 레이저 송신부; 상기 팬 빔 레이저를 감지하는 복수개의 레이저 감지 센서를 포함하는 레이저 수신부; 및 상기 레이저 수신부에 연결된 데이터 처리 장치를 포함하여 구성된다.
본 발명의 상기 구성에 있어서, 상기 레이저 송신부에서 발생된 팬 빔을 뚫고 물체가 지나갈 때, 상기 볼에 의해 팬 빔이 수신되지 않는 부분의 레이저 검출 센서에 관한 데이터가 상기 데이터 처리 장치로 전달되고, 상기 데이터 처리 장치는 상기 데이터를 이용하여 상기 물체의 좌표를 계산한다.
본 발명에 따른 팬 빔 레이저를 이용한 물체 좌표 측정 장치에 있어서, 레이저 송신부는 합성 팬 빔을 형성하도록 서로 다른 높이로 배치된 적어도 두 개의 팬 빔 레이저 발생 장치에 의해 구성되고, 상기 레이저 수신부의 레이저 검출 센서는 합성 팬 빔만을 감지함으로써, 상기 물체에 의해 팬 빔이 수신되지 않는 상기 레이저 수신부 상의 영역이 적어도 두 곳 이상 발생하게 되며, 상기 레이저 감지 센서에 의해 파악되는 상기 팬 빔이 수신되지 않는 영역에 관한 데이터에 의해, 상기 데이터 처리장치가 상기 물체의 좌표를 계산하게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치는 물체의 진행 방향과 평행하지 않은 팬 빔 레이저 발생 장치를 포함한 제1 레이저 송신부; 복수개의 레이저 검출 센서를 포함하고, 이를 이용해 상기 제1 레이저 송신부의 팬 빔 레이저를 수신하는 제1 레이저 수신부; 상기 제1 레이저 송신부와 일정 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 물체의 진행 방향과 평행하지 않은 팬 빔 레이저를 발생시키는 적어도 하나의 팬 빔 레이저 발생 장치를 포함한 제2 레이저 송신부; 상기 제1 레이저 수신부와 일정 간격을 두고 떨어져 있으며, 복수개의 레이저 검출 센서를 포함하고, 이를 이용해 상기 제2 레이저 송신부의 팬 빔 레이저를 수신하는 제2 레이저 수신부; 및 상기 제1 레이저 수신부 및 상기 제2 레이저 수신부에 연결된 데이터 처리 장치를 포함하여 구성된다.
상기 제1 및 제2 레이저 송신부에서 발생된 팬 빔을 뚫고 물체가 지나갈 때, 상기 물체에 의해 팬 빔이 수신되지 않는 부분의 레이저 검출 센서에 관한 데이터가 상기 제1 및 상기 제2 레이저 수신부에서 각각 상기 데이터 처리 장치로 전달되고,
상기 데이터 처리 장치는 상기 데이터를 이용하여 상기 팬 빔을 뚫고 지나가는 물체의 좌표를 계산하게 된다.
그리고 상기 구성에 있어서, 바람직하게는 상기 제2 레이저 송신부에 장착된 팬 빔 레이저 발생 장치는 상기 제1 레이저 송신부에 장착된 상기 팬 빔 레이저 발생 장치와 높이가 다르다.
더 나아가, 상기 물체가 상기 제1 레이저 송신부의 팬 빔 레이저 발생 장치에서 발사된 팬 빔을 지나는 순간과 상기 물체가 상기 제2 레이저 송신부의 팬 빔 레이저 발생 장치에서 발사된 팬 빔을 지나는 순간의 시간차를 측정함으로써, 물체의 속력을 측정할 수 있다.
상기한 본원 발명의 구성에 있어서, 상기 팬 빔 레이저 발생 장치는 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 포함하여 구성되며, 특히 반원형 단면을 가지는 원통형 렌즈를 사용함으로써 측정 영역을 명확하게 할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하고자 한다.
도 1은 팬 빔 레이저 발생 원리를 간략하게 도시하고 있다. 단일빔의 입사광이 원통형 렌즈 (cylindrical lens)를 통과하게 되면, 도면의 a와 b로 표시된 선으로 이루어지는 면적에 걸쳐 팬 빔이 형성되게 된다. 이 때, 사용되는 원통형 렌즈의 구면 곡률에 따라 도 1(a) 또는 도 1(b)에 도시된 것과 같이 팬 빔의 폭이 결정되며, 거의 180 도의 폭을 가지는 팬 빔을 형성하는 것도 가능하다.
도 2는 반원 형태의 단면을 가지는 원통형 렌즈를 이용한 팬 빔 레이저를 도시하고 있다. 반원의 단면 쪽에 해당하는 방향으로는 팬 빔이 형성되지 아니하기 때문에, 도 3에 도시되는 것과 같이 두 개의 반원형 단면을 가지는 원통형 렌즈를 이용하게 되면, a 선 및 d 선으로 표시되는 영역에 해당하는 면적을 가지는 합성 팬 빔을 형성할 수 있다. 합성 팬 빔을 이용하여 합성 팬 빔 영역에서만 볼을 감지하도록 하기 위해서는, 레이저 감지 센서는 특정 강도 (합성 팬 빔 레이저의 강도)에서 반응하도록 조정되어야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 물체 좌표 측정 장치의 구성을 도시하고 있는 사시도이다. 레이저 송신부 (110)는 팬 빔 레이저 장치(101a, 101b)가 레이저 발생 장치용 스탠드(113)에 부착되어 구성되고, 레이저 수신부 (120)는 복수개의 레이저 감지 센서(D1 ∼ DN)가 일렬로 레이저 감지 장치용 스탠드(103)에 부착되어 구성된다. 팬 빔 레이저 장치(101a, 101b)에서 발생된 팬 빔 레이저는 레이저 수신부(120)의 레이저 감지 센서(D1∼DN)에 의하여 감지되고, 볼이 상기 팬 빔 레이저를 지나는 순간 팬 빔이 가려진 레이저 감지 센서(Dp, Dq)의 위치가 데이터로서, 레이저 수신부(120)와 연결된 데이터 처리 장치(130)로 전송된다. 데이터 처리 장치(130)에서는 레이저 수신부(120)에 설치된 복수개의 레이저 감지 센서에서 얻어지는 데이터를 받아들이고, 받은 데이터를 이용 물체의 위치를 계산하여 기록한다.
도 5는 상기 물체 좌표 측정 장치에 있어서, 레이저 수신부(120)에서 얻어진 데이터를 이용 물체의 좌표를 파악하는 원리에 대해서 도시하고 있다. 도 5에서는 도 3에서 설명된 두 개의 반원 단면을 가지는 실린더형 렌즈를 이용한 구성이 예시적으로 개시된다. 물체(P)가 팬 빔으로 구성된 영역을 통과하는 순간, 팬 빔 레이저 장치(101a)에서 발생된 빔은 순간적으로 레이저 감지 센서(Dq)에 의해 감지되지 못하고, 또한 팬 빔 레이저 장치(101b)에서 발생되는 빔은 레이저 감지 센서(Dp)에 의해 감지되지 못한다. 이는 레이저 감지 센서(D1∼Dn)들이 합성 팬 빔의 강도 이상을 감지하도록 하고, 단일한 팬 빔의 강도는 감지하지 못하도록 함으로써 가능하다. 물체(P)에 의해 순간적으로 레이저를 감지하지 못한 레이저 감지 센서(Dq) 및 레이저 감지 센서(Dp)의 위치는 데이터로서, 도 6에서 도시된 것과 같이 데이터 처리 장치(130)로 전송 된다. 데이터 처리 장치(130)에서는 상기 레이저 감지 센서(Dq, Dp)의 위치를 이용, 산술적인 계산을 통하여 물체(P)의 좌표를 계산해 낼 수 있게 된다.
이 때, 볼(P)의 좌표 계산을 위해서는 팬 빔 레이저 발생 장치(101a)와 팬 빔 레이저 발생 장치(101b)의 거리(H) 및 레이저 송신부(110)와 레이저 수신부(120)의 간격(W)이 데이터 처리 장치(130) 상에 입력되어야 한다.
데이터 처리 장치(130)는, 상기 레이저 수신부(120)로부터 수신한 데이터, 팬 빔 레이저 발생 장치(101a, 101b) 사이의 거리(H), 그리고 레이저 송수신 장치(110, 120) 사이의 거리(W) 관한 입력 데이터를 받아들인 다음, 계산 장치(150)에서 구체적인 물체(P)의 좌표(Xo, Yo)를 계산하고 기록 장치(160)에 저장한다.
도 7은 제2 실시예에 따른 본 발명의 구성을 도시하고 있다. 제2 실시예에 따르면, 물체(P)의 좌표 뿐만 아니라 속력까지 데이터로서 얻어낼 수 있다.
제1 레이저 송신부(210a)의 팬 빔 레이저 장치(201a)에서 발생한 팬 빔은 제1 레이저 수신부(220a)의 레이저 감지 센서(D1a∼Dna)에 의해 감지되고, 제2 레이저 송신부(210b)의 팬 빔 레이저 장치(201b)에서 발생한 팬 빔은 제2 레이저 수신부(220a)의 레이저 감지 센서(D1b∼Dnb)에 의해 감지된다. 제1 레이저 송신부(210a)와 제2 레이저 송신부(210b)는 일정 거리(M)를 두고 떨어져 있으며, 제1 레이저 수신부(220a) 및 제2 레이저 수신부(220b) 역시 동일한 거리(M)만큼 떨어져 있다. 그리고 제1 레이저 수신부(220a) 및 제2 레이저 수신부(220b)는 데이터 처리 장치(230)에 연결되어 있다.
도 8을 참조하여, 본원 발명의 제2 실시예에 따른 볼 좌표 측정 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 물체(P)가 제1 레이저 송신부(210a)와 제1 레이저 수신부(220a)를 지나는 순간, 물체(P)에 의해 팬 빔이 가려져 순간적으로 팬 빔이 감지되지 않는 제1 레이저 수신부(220a) 레이저 감지 센서의 위치 정보가 데이터 처리 장치(230)에 전송되고, 제2 레이저 송신부(210b)와 제2 레이저 수신부(220b)를 지나는 순간에도 역시 볼(P)에 의해 팬 빔이 감지되지 않는 레이저 감지 센서의 위치 정보가 데이터 처리 장치(230)로 전송된다.
이 때, 제1 수신부로부터 데이터가 발생하는 시점과 제2 수신부로부터 데이터가 발생하는 시점 사이의 시간 간격이 클록 장치에 의해 계산되고, 상기 클록 장치에 의해 계산된 시간과 제1 레이저 송신부 및 제2 레이저 송신부 사이의 간격(M)을 이용하여 볼(P)의 속력을 계산할 수 있게 된다. 이 때, 제1 실시예에서와 같이 합성 팬 빔을 이용할 수도 있으나, 본 실시예에서는 제1 레이저 송신부와 제2 레이저 수신부에 각각 높이를 달리하는 팬 빔 레이저 장치(201a, 201b) 하나씩만 이용하고 있다. 이와 같은 구성에 있어서, 레이저 감지 센서는 합성 팬 빔의 강도뿐만 아니라 단일 팬 빔의 강도까지 검출되는 민감도를 가지고 있어야 한다.
더 나아가, 상기 팬 빔 레이저를 특정 주파수로 변조하고, 레이저 검출 센서에서 검출된 빔 중에서 상기 특정 주파수에 해당하는 신호만을 볼의 좌표 계산에 사용함으로써, 외부 조명에 의한 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다
팬 빔 레이저를 이용한 볼 좌표 측정 장치는 종래 기술과 다르게 프레임을 이용하지 않기 때문에, 볼의 타격에 의한 측정 장치의 손상 가능성을 줄일 수 있다. 또한, 복수개의 레이저 다이오드 대신, 소수의 팬 빔 레이저를 이용하여 구성하는 것이 가능하기 때문에 비용 측면에서 현저한 효과가 있으며, 전력 소모 역시 크게 줄일 수 있다.
도 1(a) 및 도 1(b)는 서로 다른 구면 곡률을 가지는 원통형 렌즈에 의해 발생한 빔 레이저를 도시하고 있다.
도 2는 반원형 단면을 가지는 원통형 렌즈에 의해 발생한 팬 빔 레이저를 도시하고 있다.
도 3은 두 개의 반원형 단면을 가지는 원통형 렌즈에 의해 발생한 합성 팬 빔 레이저를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성을 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성에 있어서, 볼의 좌표를 측정하는 원리를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 구성을 도시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 프레임 및 복수개의 레이저 다이오드를 이용한 종래의 볼 좌표 검출 장치를 도시하고 있다.
< 참조 번호 >
110, 210a, 210b : 레이저 송신부 120, 220a, 220b: 레이저 수신부
101a, 101b, 201a, 201b: 팬 빔 레이저 장치
113, 213a, 213b, 103, 203a, 203b: 스텐드
130, 230: 데이터 처리 장치 D1 , D2, ....., DN: 레이저 감지 센서

Claims (9)

  1. 물체의 진행 방향과 평행하지 않은 방향으로 팬 빔 레이저를 발생시키는 적어도 2개 이상의 팬 빔 레이저 발생 장치를 포함하는 레이저 송신부;
    복수개의 레이저 검출 센서를 포함하고, 상기 복수개의 레이저 검출 센서를 이용해 상기 팬 빔 레이저를 수신하는 레이저 수신부; 및
    상기 레이저 수신부에 연결된 데이터 처리 장치를 포함하여 구성되는데,
    상기 발생된 팬 빔을 뚫고 물체가 지나갈 때, 상기 물체에 의해 팬 빔이 수신되지 않는 부분의 레이저 검출 센서에 관한 위치 데이터가 상기 데이터 처리 장치로 전달되고,
    상기 데이터 처리 장치는 상기 데이터를 이용하여 상기 물체의 좌표를 계산하는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체 좌표 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 송신부는 합성 팬 빔을 형성하도록 서로 다른 높이로 배치된 적어도 두 개의 팬 빔 레이저 발생 장치에 의해 구성되고,
    상기 레이저 수신부의 레이저 검출 센서는 합성 팬 빔만을 감지함으로써, 상기 볼에 의해 팬 빔이 수신되지 않는 상기 레이저 수신부 상의 영역이 적어도 두 곳 이상 발생하게 되고,
    상기 레이저 감지 센서에 의해 파악되는 상기 팬 빔이 수신되지 않는 영역에 관한 데이터에 의해 상기 물체의 좌표를 파악하는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체 좌표 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 감지 센서는 합성 팬 빔의 강도 이상만을 감지할 수 있는 민감도를 가지는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체 좌표 측정 장치.
  4. 물체의 진행 방향과 평행하지 않은 팬 빔을 레이저를 발생시키는 적어도 하나의 팬 빔 레이저 발생 장치를 포함한 제1 레이저 송신부;
    복수개의 레이저 검출 센서를 포함하고, 이를 이용해 상기 제1 레이저 송신부의 팬 빔 레이저를 수신하는 제1 레이저 수신부;
    상기 제1 레이저 송신부와 일정 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 물체의 진행 방향과 평행하지 않은 팬 빔을 발생 시키는 적어도 하나의 팬 빔 레이저 발생 장치를 포함하는 제2 레이저 송신부;
    상기 제1 레이저 수신부와 일정 간격을 두고 떨어져 있으며, 복수개의 레이저 검출 센서를 포함하고, 이를 이용해 상기 제2 레이저 송신부의 팬 빔 레이저를 수신하는 제2 레이저 수신부; 및
    상기 제1 레이저 수신부 및 상기 제2 레이저 수신부에 연결된 데이터 처리 장치를 포함하여 구성되는데,
    상기 제1 및 제2 레이저 송신부에서 발생된 팬 빔을 뚫고 상기 물체가 지나갈 때, 상기 물체에 의해 팬 빔이 수신되지 않는 부분의 레이저 검출 센서에 관한 데이터가 상기 제1 및 상기 제2 레이저 수신부에서 각각 상기 데이터 처리 장치로 전달되고,
    상기 데이터 처리 장치는 상기 데이터를 이용하여 상기 볼의 좌표를 계산하는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체 좌표 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 레이저 송신부에 장착된 팬 빔 레이저 발생 장치는 상기 제1 레이저 송신부에 장착된 상기 팬 빔 레이저 발생 장치와 높이가 다른 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체 좌표 측정 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 물체가 상기 제1 레이저 송신부의 팬 빔 레이저 발생 장치에서 발사된 팬 빔을 지나는 순간과 상기 물체가 상기 제2 레이저 송신부의 팬 빔 레이저 발생 장치에서 발사된 팬 빔을 지나는 순간의 시간차를 측정하여, 상기 물체의 속력을 측정하는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 청구항에 있어서, 상기 팬 빔 레이저 발생 장치는 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 원통형 렌즈(cylindrical lens)를 반원형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 팬 빔 레이저는 특정 주파수로 광변조되고, 상기 레이저 검출 센서에서 검출된 빔 중, 상기 특정 주파수로 광변조된 팬 빔 레이저만을 사용하여 레이저 검출 센서의 위치 데이터를 얻어내는 것을 특징으로 하는 팬 빔 레이저를 이용한 물체의 좌표 측정 장치.
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