KR100905881B1 - 레이저 측량장치 - Google Patents

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Abstract

구조가 간단하고 사용상의 제약이 적은 TOF방식의 레이저 측량장치에 비교적 간단한 구성을 추가하여 정확한 근거리 측량이 가능한 레이저 측량장치가 제안된다. 본 발명에 따른 레이저 측량장치는 발광부 및 수광부를 포함하는데, 발광된 광 또는 수광되는 광의 광경로는 광경로 연장부를 통하여 연장된다.
광섬유, 광학거울, 프리즘

Description

레이저 측량장치{Light detection and ranging apparatus}
본 발명은 레이저 측량장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구조가 간단하고 사용상의 제약이 적은 TOF방식의 레이저 측량장치에 비교적 간단한 구성을 추가하여 정확한 근거리 측량이 가능한 레이저 측량장치에 관한 것이다.
3차원적으로 공간 및 물체를 인식할 수 있는 공간/물체인식센서는 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다. 공장이나 빌딩, 생산현장과 같이 정형화된 환경에서 주로 사용되는 접촉식 센서에 비하여 비접촉식 공간인식센서는 측량범위와 대상이 다양하고 정형화되지 않은 환경에도 유연하게 적용할 수 있다.
비접촉식 3차원 공간인식센서는 음파(초음파) 또는 특정 주파수의 전자기파(레이저, 및 RF 등)를 발사하여 물체로부터 반사되는 파형으로부터 진폭, (왕복)시간 및 위상값 등을 추출함으로써 측량대상물체까지의 거리, 물체의 너비, 및 물체의 높이와 같은 정보를 취득하는 센서이다.
이 중, RF나 초음파를 이용한 공간인식센서는 파의 수렴성이 약하고 공간 분해능이 떨어져 주로 근거리(수m)의 공간인식용으로 제한적으로 사용된다. 주로, 자동차용 후방감지센서, 및 청소로봇과 같은 분야에 이용된다. 반면, 레이저 광원을 이용한 센서는 빔의 수렴성 조절이 용이하고 측량속도, 정밀도, 및 단위시간당 측량거리 등이 우수하여 고분해능, 원거리 측량이능성(수km), 및 고속측량이 요구되는 건축, 군사, 자율주행로봇, 지형측량, 우주, 및 항공분야 등 매우 다양한 분야에 다양한 방식으로 응용되고 있다.
레이저 광원을 이용하여 공간상의 물체까지의 거리를 측량하는 방식은 크게 삼각측량 방식, 비행시간(Time-Of-Flight, TOF)방식 및 간섭계(Interferometer)방식으로 나눌 수 있다.
삼각 측량법은 이미 위치 정보를 알고 있는 두 점과 측량하고자 하는 점이 이루는 삼각형을 분석하여 공간상의 소정위치를 판단하는 방법이다. 간섭계를 이용한 측량법에서는 레이저광을 일정 주파수의 사인파로 변조하여 물체에 조사하고, 원래의 레이저 광과 반사된 레이저 광이 각기 다른 광경로를 이동한 후 합쳐질 때 나타나는 두 광의 경로차(Optical Path Difference)를 이용하여 거리를 측량한다. TOF 방식은 펄스 레이저 광을 공간상으로 조사하고 물체로부터 되돌아오는 펄스를 광검출소자를 통해 검지하여 두 펄스간의 시간차를 계산하여 거리를 산출한다.
삼각 측량법은 가까운 거리에서는 정밀도가 뛰어나지만 측량 거리가 멀어질수록 오차가 커져 원거리 측량용에는 사용할 수 없으며, 간섭계 측량방식은 기준광과 측량광 간의 광 경로차를 이용하기 때문에 측량광을 반사시킬 수 있는 구조의 반사체를 측량 대상에 부착하여야 하는 단점이 있다. 즉, 간섭계 측량방식의 공간인식센서는 측량대상을 수mm정도의 매우 높은 정밀도로 측량할 수는 있으나, 전술한 사용상의 제약과 장치가 고가라는 단점이 있다.
이에 반해 TOF방식의 센서는 측량 대상에 특별한 장치를 부착하지 않더라도 물체로부터 산란되어온 펄스를 검출하여 비교적 간단하게 거리를 계산할 수 있어 공간상의 제약 없이 원거리 측량이 용이한 장점을 가지고 있다.
도1a 내지 도1c는 종래의 레이저 펄스를 이용한 레이저 측량장치에서 물체의 위치에 따른 발광펄스 및 수광펄스의 시간관계를 나타내는 도면이다. 도1a를 참조하면, 레이저 측량장치에서는 발광펄스(P1)가 t1의 시간에 발광된 후에, 수광펄스(P2)가 t2에 수광되면, t2 및 t1의 차에 해당되는 시간간격 Δta을 이용하여 물체까지의 거리를 산출한다. 도1b에서는 도1a에서보다 발광펄스(P3)가 수광펄스(P4)와 더 짧은 시간간격으로 위치하고 있으므로 Δtb는 Δta보다 더 작은 값이 된다.
도1c에서는 발광펄스(P5)와 수광펄스(P6)가 거의 겹쳐져 있는데, 이는 물체가 레이저 측량장치로부터 가까운 거리에 위치하고 있음을 나타낸다. 이러한 P5 및 P6를 분리하여 거리를 산출하는 것은 높은 분해능 등의 성능을 요구한다. 즉, 빛은 30cm를 약 1ns에 진행할 수 있으므로, 1m 이하의 거리를 측량하기 위하여는 수 ns를 감지할 수 있는 성능이 요구되는 것이다. 이 경우, 보다 정확한 측량을 위하여 고가의 대형 장치가 필요하다.
따라서, 구조가 간단하고 사용상의 제약이 적은 TOF방식의 센서를 근거리측량용으로 사용하는 방법의 개발이 요청되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 구조가 간단하고 사용상의 제약이 적은 TOF방식의 레이저 측량장치에 비교적 간단한 구성을 추가하여 정확한 근거리 측량이 가능한 레이저 측량장치를 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 측량장치는 광을 발광하는 발광부; 발광된 광과 동일한 파장의 광을 통과시키는 대역통과필터; 대역통과필터를 통과하여 입사된 광을 수광하는 수광부; 및 발광된 광 및 입사광 중 적어도 하나의 광경로상에 위치하여 광경로를 연장하는 광경로 연장부;를 포함한다.
레이저 측량장치는 인식하고자 하는 대상물체를 대상물체의 상하방향으로 스캔하는 수직스캔미러; 및 대상물체를 대상물체의 좌우방향으로 스캔하는 수평스캔미러;를 더 포함할 수 있다.
수광부는 광경로 연장부를 통과한 광을 수광할 수 있다.
광경로 연장부는 광섬유를 포함하여 광경로를 연장할 수 있다. 광경로 연장 부에 광섬유를 사용하는 경우, 광섬유의 특성상 입력단 즉, 발광부측에는 집광렌즈를 포함하고, 출력단에는 시준렌즈를 포함하는 것이 바람직하다.
광경로 연장부는 2 이상의 광학거울을 포함하여 광경로를 연장할 수 있고, 광학거울 대신 프리즘을 이용할 수 있다. 또한, 광경로 연장부에는 광학거울 및 프리즘을 모두 사용할 수 있다.
레이저 측량장치는 발광된 광 및 입사된 광의 시간데이터를 획득하여 거리를 산출하는 제어부;를 더 포함할 수 있다. 제어부는, 발광된 광 및 입사된 광의 시간데이터, 연장된 광경로에서의 빛의 진행시간에 대응하는 기준시간, 및 빛의 속도를 연산하여 거리를 산출한다.
본 발명에 따른 레이저 측량장치는 구조가 간단하고 사용상의 제약이 적은 TOF방식이면서, 광섬유, 광학거울 또는 프리즘 등을 이용하여 광의 광경로를 연장하여 보다 정확한 근거리 측량이 가능하여 제품신뢰성이 보장되는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이 하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치(100)는 광을 발광하는 발광부(120); 발광된 광과 동일한 파장의 광을 통과시키는 대역통과필터(150); 대역통과필터(150)를 통과하여 입사된 광을 수광하는 수광부(130); 및 발광된 광 및 입사된 광 중 적어도 하나의 광의 광경로를 연장하는 광경로 연장부(140);를 포함한다.
발광부(120)는 레이저 다이오드 또는 발광다이오드와 같이 펄스광을 발광할 수 있는 발광소자(미도시)를 포함한다. 발광부(120)는 레이저 측량장치의 몸체부(110) 중 어느 위치에든 위치할 수 있으나, 이어 설명할 수광부(130) 및 광경로 연장부(140)의 위치를 고려하여 광을 발광할 수 있도록 위치하여야 한다.
수광부(130)는 발광부(120)로부터 발광된 광(이하, 발광광이라 한다)이 레이저 측량장치(100)를 떠나 측량하고자 하는 대상물체에 반사되어 대역통과필터(150)를 통하여 귀환하는 광을 수광한다. 즉, 레이저 측량장치(100)로 입사된 광(이하, 입사광이라 한다)을 수광한다.
대역통과필터(150)는 발광광과 동일한 파장의 광만을 통과시켜 물체측량 데이터를 획득할 수 있게 한다.
광경로 연장부(140)는 발광광 및 입사광 적어도 하나의 광의 광경로를 연장한다. 도2를 참조하면, 광경로 연장부(140)는 발광광의 광경로 상에 위치하여 발광광의 광경로를 연장한다. 따라서, 광경로 연장부(140)에 따라 발광광이 레이저 측량장치(100)를 이탈하는 시간은 연장된 광경로만큼을 광이 진행하는 시간만큼 증가한다.
레이저 측량장치(100)를 이용하여 근거리를 측량하는 경우에 광의 속도를 고려하면 광이 근거리를 진행하는 시간은 대단히 단시간이므로, 연장된 광경로에 해당하는 광의 진행시간이 증가된다면 보다 정확한 시간측정이 가능하다. 거리산출에 관한 사항은 이하 도5 및 도6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
광경로 연장부(140)는 예를 들어, 광섬유, 광학거울, 또는 프리즘과 같이 광을 소정방향으로 반사시켜 원래의 광경로에서 벗어나게 하고, 다시 광경로로 복귀시키는 방법을 이용할 수 있다. 이러한 광경로 연장수단에 대하여는 이하, 도 7내지 11을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치는 측량하고자 하는 대상물체를 대상물체의 상하방향으로 스캔하는 수직스캔미러(160); 및 대상물체를 대상물체의 좌우방향으로 스캔하는 수평스캔미러(170);를 더 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 측량장치(100)는 측량하고자 하는 대상물체까지의 거리와 함께 수평위치 및 수직위치를 측량할 수 있다.
수직스캔미러(160)로는 왕복거울(galvano type mirror)을, 수평스캔미러(170)로는 회전거울(rotation mirror)을 사용할 수 있다. 회전거울은 회전모터에 거울을 구비하고 있어서, 회전모터가 거울을 360°회전시켜 수평방향으로 광을 보낼 수 있다. 왕복거울은 회전모터의 회전축을 중심으로 소정 각도로 왕복운동을 하여 광을 수직방향으로 보낸다. 수직스캔미러(160)로는 음향 광편향기(acoustooptical deflector) 또는 전기광학편향기(electrooptical deflector)를 사용하여 수직 방향의 스캔 범위를 확대할 수 있다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 광경로 연장부(240)가 입사광이 수광부(230)에 수광되는 경로에 위치하고 있다. 광경로 연장부(240)의 위치 이외에, 몸체(210), 발광부(220), 및 수광부(230), 대역통과필터(250), 수직스캔미러(260) 및 수평스캔미러(270)는 도2에관하여 설명한 것과 동일하므로 이하 생략하기로 한다.
본 실시예에서는 광경로 연장부(240)는 발광광이 레이저 측량장치(100)를 이 탈하여 물체를 만나 반사 또는 산란된 후, 다시 레이저 측량장치(200)로 귀환하면 몸체부(210)의 내부에서 수광부(230)로 진행하는 광경로를 연장한다.
도2 및 도3에서, 광경로 연장부(140, 240)는 발광광 또는 입사광(수광광)의 광경로 중 어느 하나의 광경로를 연장하고 있다. 광경로를 연장하는 경우, 근거리 측정성능은 높일 수 있으나, 광경로 연장부(140, 240)로 인하여 위치에 제한이 있을 수 있다. 발광부(120, 220) 또는 수광부(130, 230) 중 어느 하나는 광경로 연장부(140, 240)에 의하여 위치가 제한되지 않으면서 광경로는 연장되어 근거리 측정성능을 높이고 있다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 광경로 연장부(340)가 발광광 및 입사광의 광경로에 위치하고 있다. 광경로 연장부(340)의 위치 이외에, 몸체(310), 발광부(320), 및 수광부(330), 대역통과필터(350), 수직스캔미러(360) 및 수평스캔미러(370)는 도2에관하여 설명한 것과 동일하므로 이하 생략하기로 한다.
본 실시예에서 광경로 연장부(340)는 몸체부(310)에서 발광광 및 입사광(수광광)의 광경로를 연장하고 있다. 따라서, 발광부(320)로부터 발광된 광이 수광부(330)로 수광되기까지 몸체부(310)내에서의 광경로는 2회 연장되므로, 광경로 연장이 더욱 효과적일 수 있다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광된 빛이 경로에 따라 이동하는 것을 나타내는 개략도이고, 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광펄스 및 수광펄스의 시간관계를 나타내는 도면이다. 이하, 도2, 도5 및 도6을 참조하여 설명하기로 한다.
도2의 레이저 측량장치(100)는 수광부(130)로부터 시간데이터를 획득하여 거리를 산출하는 제어부(190)를 더 포함할 수 있다. 제어부(190)는 수광부(130)로부터 획득한 시간데이터로부터 연장된 광경로에서의 빛의 진행시간에 대응하는 기준시간을 감산하고, 감산된 결과값 및 빛의 속도를 연산하여 거리를 산출한다. 이하, 시간의 단위는 ns를 기준으로 설명한다.
도5에서, 발광부(120)에서 t10에 발광펄스 P10이 발광되면, 발광광은 광경로 연장부(140)를 통하여 광경로가 연장된다. 광경로 연장부(140)를 진행한 후, t20에서 발광광은 물체(180)로 진행하여 반사 또는 산란되고(t30), 반사 또는 산란된 광은 대역통과필터(미도시)를 통해 레이저 측량장치에 입사된다. 수광펄스는 P40이고, 수광펄스 P40이 수광된 시각은 t40이다.
P10 및 P40 사이의 시간간격은 ΔtA이다. ΔtA에는 t10에서 t20까지의 시간, t20 에서 t30까지의 시간 및 t30에서 t40까지의 시간이 모두 포함되어 있다. 이 때, 광경로 연장부(140)에 의하여 연장된 광경로에 기이한 시간은 (t20-t10)이다. 따라서, ΔtA에서 (t20-t10)를 감산하면, 레이저 측량장치에서 물체까지 광이 왕복하여 진행한 시간이 산출된다. 이 때, 레이저 측량장치 내부에서의 광의 진행시간은 산출시 고려하지 않았으나, 근거리에 위치한 물체의 경우, 이를 반영하여 거리를 산출할 수도 있다. 빛의 속도를 고려하면, 빛은 1ns당 30cm를 진행하므로 대상물체까지 거리는 {ΔtA - (t20-t10)}/2에 30 (cm)를 곱하여 산출한다.
도7 내지 도11은 본 발명의 여러 실시예에 따른 광경로 연장부가 구현된 레이저 측량장치를 나타낸 도면들이다. 도7 내지 도11에 도시된 레이저 측량장치는 발광광의 광경로만이 연장되는 것을 상정하여 도시하고, 몸체, 발광부, 광경로 연장부만을 도시하였으나, 전술한 바와 같이 입사광의 광경로가 연장되거나 발광광 및 수광광의 광경로 모두가 연장될 수 있음은 당업자에 자명할 것이다.
도7에서, 광경로 연장부(440)는 광섬유를 포함한다. 광경로 연장부(440)에 광섬유(441)를 사용하는 경우, 광섬유(441)의 특성상 그 형상에 제한이 없고, 길이는 광경로 연장부(140)의 체적이 허용되는 한계까지 연장될 수 있다. 또한, 광섬유(441)는 비교적 저가의 재료이므로 다량을 사용하여도 전체 레이저 측량장치의 부품비용에 영향이 많지 않다. 아울러, 만약 레이저 측량장치의 몸체부(410)에 다 른 구성요소가 존재하는 경우에도, 광섬유(441)의 특성상 자유로운 배치가 가능하여 보다 효과적으로 광경로를 연장할 수 있다.
도8에서, 광경로 연장부(540)는 2 이상의 광학거울(541)을 포함한다. 광학거울을 광경로 연장수단으로 사용하는 경우, 정렬(alignment)이 정확할 필요는 있다. 발광광이 광경로 연장부(540)내에서 특정 경로를 따라 진행하여야 하는 것이 아니라, 그 진행경로의 길이만이 요구되므로 광학거울(540) 또한 사용이 가능하다.
도9의 레이저 측량장치에서는 광학거울(641) 중 일부를 프리즘(642)으로 대체하였다. 프리즘을 이용하는 경우, 광학거울(641)보다 사용되는 수가 적어 정렬(alignment)이 보다 용이할 수 있다. 비록, 도9에서는 광경로 연장부(640)에 광학거울(641) 및 프리즘(642)이 함께 사용되었으나 프리즘(642)만으로 구성될 수 있음은 당업자에 자명할 것이다.
도10의 레이저 측량장치에서는 한쌍의 광학거울(741, 742)을 이용하여 광경로 연장부(740)를 구현하였다. 한쌍의 광학거울(741, 742)을 이용하기 때문에 보다 간단한 구성으로 광경로를 연장할 수 있으며 광학거울을 두개 사용하기 때문에 정렬이 용이한 장점이 있다. 또한, 한쌍의 광학거울(741, 742)의 경사를 조절하여 광경로 연장비율을 보다 간단하게 조절할 수 있다.
도11의 레이저 측량장치에서는 도7에서와 같이, 광경로 연장부(840)에 광섬유(841)를 이용하여 구현하였다. 광섬유(841)내에서의 광의 진행특성상, 입력단 즉, 발광부(820)에서 광경로 연장부(840)로 발광광이 입력되는 입력단 측에는 집광렌즈(842)를 포함하고, 출력단측에는 시준렌즈(collimation lens)(843)를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도1a 내지 도1c는 종래의 레이저 펄스를 이용한 레이저 측량장치에서 물체의 위치에 따른 발광펄스 및 수광펄스의 시간관계를 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광된 빛이 경로에 따라 이동하는 것을 나타내는 개략도이다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광펄스 및 수광펄스의 시간관계를 나타내는 도면이다.
도7 내지 도11은 본 발명의 여러 실시예에 따른 광경로 연장부가 구현된 레이저 측량장치를 나타낸 도면들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 레이저 측량장치 110 몸체부
120 발광부 130 수광부
140 광경로연장부 150 대역통과필터
160 수직스캔미러 170 수평스캔미러
180 물체

Claims (8)

  1. 광을 발광하는 발광부;
    상기 발광된 광의 파장과 동일한 파장의 광을 통과시키는 대역통과필터;
    인식하고자 하는 대상물체에 의하여 반사되고, 상기 대역통과필터를 통과하여 입사된 광을 수광하는 수광부; 및
    상기 발광된 광 및 상기 입사된 광 중 적어도 하나의 광의 광경로를 연장하는 광경로 연장부;를 포함하고,
    상기 광경로 연장부는 한 쌍의 광학거울이 이격되어 서로 마주보도록 배치된 레이저 측량장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상물체를 상기 대상물체의 상하방향으로 스캔하는 수직스캔미러; 및
    상기 대상물체를 상기 대상물체의 좌우방향으로 스캔하는 수평스캔미러;를 더 포함하는 레이저 측량장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광된 광 및 입사된 광의 시간데이터를 획득하여 거리를 산출하는 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 시간데이터, 상기 연장된 광경로에서의 빛의 진행시간에 대응하는 기준 시간, 및 빛의 속도를 연산하여 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이저 측량장치.
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