KR100967046B1 - 거리 측정 장치 - Google Patents

Abstract

광원에 의해 발광된 광을 물체에 조사하고 이에 의해 반사되는 빛을 수신하는 시간 간격을 이용하여 물체에 대한 거리를 측정하는 거리 측정 장치가 개시된다. 상기 거리 측정 장치는, 거리 측정을 위한 기준광을 생성하는 광원; 상기 광원로부터 방출되는 기준광을 평행광으로 변환하는 콜리메이션 렌즈; 상기 광원에 인접 배치되며, 상기 기준광이 방출되는 방향의 반대 방향으로 입사되는 광을 검출하는 광센서; 상기 콜리메이션 렌즈를 통과한 기준광을 거리 측정 대상으로 향하도록 경로를 변경하고, 상기 기준광이 상기 거리 측정 대상에 의해 반사된 반사광을 상기 광센서로 향하도록 경로를 변경하는 미러; 및 상기 광원 및 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 미러로부터 반사된 반사광을 상기 광센서로 집속하며, 상기 평행광으로 변환된 기준광이 경로 변화 없이 통과할 수 있는 광통과 영역이 형성된 수광 렌즈를 포함할 수 있다.

거리 측정, 레이저, 수광렌즈, 미러, 광원, 홀, 광센서

Description

거리 측정 장치{DISTANCE MEASURING APPARATUS}

본 발명은 거리 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광원에 의해 발광된 광을 물체에 조사하고 이에 의해 반사되는 빛을 수신하는 시간 간격을 이용하여 물체에 대한 거리를 측정하는 거리 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 광과 같은 빛을 이용한 거리 측정 장치는, 광원에서 거리측정을 위한 기준광을 조사한 시점과 이 기준광이 거리 측정 대상에 반사된 반사광을 광센서에서 검출한 시점 간의 차이를 이용하여 거리 측정 대상에 대한 거리를연산하는 방식을 이용한다. 상기 시점의 판단을 위해 펄스 레이저를 사용할 수도 있고, 별도의 카운터를 이용할 수 도 있다.

종래의 빛을 이용한 거리 측정 장치는, 광원에서 방출되는 기준광의 방향과 거리 측정 대상 물체에서 반사된 반사광을 검출하기 위한 광센서로 입사되는 반사광의 방향이 서로 약 90°의 차이를 갖도록 설치된다. 예를 들어, 종래의 거리 측정 장치는, 광원과,광원으로부터 방출된 광을 90°경로변환 하는 제1 미러와, 상기 제1 미러에서 경로변환된 기준광을 거리 측정 대상으로 다시 경로변환하고 상기 거 리 측정 대상에서 상기 기준광을 반사한 반사광을 상기 기준광이 입사된 방향으로 경로변환하는 제2 미러와, 상기 제2 미러에 의해 경로변환된 반사광을 수광하는 광센서를 포함하여 구성될 수 있다. 이 때 상기 제1 미러는 광센서와 제2 미러 사이에 설치될 수 있다.

이러한 종래의 거리 측정 장치의 구조는, 광원에서 방출되는 기준광과 광센서에서 검출하는 반사광의 진행방향이 서로 다른 방향이 되므로, 상하좌우 모두 일정 이상의 광경로를 필요로 하게 되기 때문에 거러 측정 장치의 사이즈가 증가하게 되는 문제점이 있다.

또한, 반사광의 진행 경로인 제2 미러-광센서 사이에 기준광을 반사하기 위한 제1 미러가 설치되어야 하므로 제1 미러에 의해 반사광이 차단되어 광센서에서 검출할 수 있는 반사광의 양이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 반사광 양이 감소하는 문제는 거리 검출의 정확도를 저하 시키는 문제점을 유발시킬 수 있다.

본 발명은, 사이즈의 감소가 가능하며, 반사광의 진행 경로 상에 이를 방해하고 차단하는 요소를 제거함으로써 검출되는 반사광의 양을 적절히 확보하여 거리 검출의 정확도를 향상시킬 수 있는 거리 측정 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

거리 측정을 위한 기준광을 생성하는 광원;

상기 광원로부터 방출되는 기준광을 평행광으로 변환하는 콜리메이션 렌즈;

상기 광원에 인접 배치되며, 상기 기준광이 방출되는 방향의 반대 방향으로 입사되는 광을 검출하는 광센서;

상기 콜리메이션 렌즈를 통과한 기준광을 거리 측정 대상으로 향하도록 경로를 변경하고, 상기 기준광이 상기 거리 측정 대상에 의해 반사된 반사광을 상기 광센서로 향하도록 경로를 변경하는 미러; 및

상기 광원 및 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 미러로부터 반사된 반사광을 상기 광센서로 집속하며, 상기 평행광으로 변환된 기준광이 경로 변화 없이 통과할 수 있는 광통과 영역이 형성된 수광 렌즈를 포함하는 거리 측정 장치를 제공한다.

본 발명의 일실시형태에서 상기 광통과 영역은 상기 수광 렌즈의 양면을 관통하는 홀일 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시형태에서 상기 광통과 영역은, 상기 수광 렌즈의 굴절면에서 상기 기준광이 입사 및 출사되는 부분을 상기 기준광의 진행방향에 수직이 되도록 가공하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시형태에서, 상기 수광렌즈는, 그 광학적 중심축이 상기 광센서의 중심에 일치하도록 배치되는 것이 바람직하다.

이 실시형태에서, 상기 광원은 상기 기준광의 중심축이 상기 미러의 중심을 향하도록 정렬될 수 있으며, 상기 수광렌즈는 상기 미러의 유효경과 실질적으로 동일한 지름을 갖도록 가공될 수 있다.

본 발명의 일실시형태는, 상기 반사광에서 특정 대역의 파장을 선택 통과시키는 광학 필터를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 거리 측정 장치의 광원과 광센서를 동일한 방향에 인접하여 설치할 수 있으므로 거리 측정 장치의 사이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 광원과 광센서를 다른 방향으로 배치한 종래의 거리 측정 장치에서 광원의 기준광의 경로 변경을 위해 필요하였던 추가적인 미러를 사용하지 않으므로 거리 측정 장치를 제작하기 위한 부품 수를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 추가적인 미러에 의해 광센서로 입력되는 반사광을 차단하는 단점을 해소함으로써 더욱 많은 양의 반사광을 광센서로 제공하여 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 거리 측정 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시형태에 따른 거리 측정 장치는, 광원(11), 콜리메이션 렌즈(12), 광센서(17), 미러(14), 수광 렌즈(14)를 포함할 수 있다. 이에 더하여 광학 필터(16)를 더 포함할 수 잇다.

상기 광원(11)은 거리 측정을 위한 기준광을 생성한다. 상기 기준광은 펄스 레이저 등이 사용될 수 있다.

상기 콜리메이션 렌즈(12)는 상기 광원(11)으로부터 방출되는 기준광을 서로 평행한 광으로 변환한다. 즉, 상기 콜리메이션 렌즈(12)를 통과한 기준광은 하나의 직선축을 따라 평행한 광이 된다.

상기 광센서(17)는 자신으로 입사되는 광을 검출하기 위한 것으로, 상기 광원(11)에 인접하게 배치된다. 특히 상기 광센서(17)는 상기 광원(11)으로부터 기준광이 방출되어 진행하는 방향의 반대방향으로 진행하는 광을 검출할 수 있도록 배치된다. 즉, 상기 기준광이 진행하는 방향의 축과 상기 광센서(17)과 검출하는 빛이 진행하는 축이 서로 나란하도록 상기 광센서(17)와 상기 광원(11)이 배치된다.

상기 미러(14)는 상기 콜리메이션 렌즈(12)를 통과한 기준광을 거리 측정 대상(21) 방향으로 향하도록 기준광의 경로를 변경한다. 또한, 상기 미러(14)는 거리 측정 대상(21)에 의해 상기 기준광이 반사된 반사광을 상기 광센서(17) 방향으로 향할 수 있도록 경로를 변경한다. 즉, 상기 미러(14)는 광원(11)으로부터 방출된 기준광을 거리 측정 대상(21)으로 향하도록 경로를 변경하고, 거리 측정 대상(21)으로부터 반사된 반사광을 광센서(17)로 향하도록 경로를 변경한다.

한편, 상기 미러(15)는 회전 가능한 미러 지지부(15)에 의해 지지될 수 있다. 상기 미러 지지부(15)는 미러(14)의 수직방향 중심축을 회전축으로 하여 수평 방향으로 상기 미러(14)를 회전 가능하게 한다. 이를 통해, 거리 측정 장치는 자신을 중심으로 하여 수평 방향에 위치한 주변의 모든 물체들에 대한 거리 측정이 가능하게 된다.

상기 수광 렌즈(13)는 상기 광원(12) 및 상기 미러(14) 사이 및 상기 광센서(17) 및 상기 미러(14) 사이에 배치되어, 상기 미러(14)로부터 반사된 반사광을 상기 광센서(17)로 집속하여, 광센서(17)가 반사광을 검출할 수 있게 한다.

전술한 바와 같이, 상기 수광 렌즈(13)는 상기 광원(12) 및 상기 미러(14) 사이에 배치됨과 동시에 광센서(17)와 미러(14) 사이에 배치된다. 따라서, 광원(11)에서 조사되는 기준광이 미러(14)까지 도달하기 위해서는 반드시 수광 렌즈(13)를 통과하여야 한다. 이러한 기준광의 통과시 기준광의 경로가 변경되지 않도록 상기 수광 렌즈(13)의 일영역에는 상기 평행광으로 변환된 기준광이 경로 변화 없이 통과할 수 있는 광통과 영역(131)이 형성될 수 있다. 이러한 광통과 영역(131)의 예들이 도 2에 도시된다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 광통과영역의 예들을 도시한 도면이다.

먼저 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 광통과영역의 일례는, 수광 렌즈(13)의 양면을 관통하는 홀(131-1)의 형태로 구현될 수 있다. 즉, 수광 렌즈(13) 굴절면 상에, 상기 콜리메이션 렌즈(12)를 통과한 기준광의 폭 만큼의 지름을 갖는 관통홀(131-1)을 형성하고, 기준광이 이 관통홀(131-1)을 통해 경로 변화 없이 미 러(14)로 진행할 수 있게 한다.

다음으로 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 광통과영역의 다른 예(131-2)는, 상기 수광 렌즈의 굴절면에서 상기 기준광이 입사 및 출사되는 부분을 상기 기준광의 진행방향에 수직이 되도록 가공함으로써 형성될 수 있다. 이 경우 기준광이 광통과영역(131-2)의 일단면으로 수직 입사되고, 다시 타단면으로 수직 출사되기 때문에 기준광의 경로가 변경되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 수광렌즈의 형상을 도시한 도면이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 수광 렌즈(13)는 거리 측정 대상(21)으로부터 반사되는 반사광을 광센서(17)로 집속시켜야 하므로, 수광 렌즈(13)의 광학적 중심축(OA)(예를 들어, 양방향 볼록 렌즈인 경우 렌즈의 가장 두께가 두꺼운 축)은 광센서(17)의 중심에 일치하도록 정렬되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 수광 렌즈(13)의 광학적 중심축(OA)는 하부의 미러(14)의 중심과 일치하도록 배치될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

도 1은 상기 수광 렌즈(13)의 광학적 중심축(OA)이 하부의 미러(14)의 중심과 일치하지 않는 예를 도시한 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 미러(14)는 그 중심을 축으로 수평방향으로 360° 회전 함으로써 둘러싸고 있는 주변 물체들과의 거리를 모두 검출할 수 있게 된다. 따라서, 주변 물체들을 일정한 조건으로 검출하기 위해서는, 미러(14)가 회전하는 경우에도 광원(11)으로부터 방출되는 기준광이, 미러(14) 상의 항상 일정한 지점으로 입사되어야 한다. 이를 위해 상기 수광 렌즈(13)에 형성된 광통과영역(131)은 상기 기준광의 중심축(HA)이 상기 미러(14)의 중심을 향하도록 정렬되는 것이 바람직하다. 또한, 미러(14)에 의해 수광 렌즈(13) 방향으로 반사되는 빛은 실질적으로 평행광이 된다는 점을 감안하여, 상기 수광렌즈(13)의 불필요한 부피 증가를 방지하기 위해 상기 수광렌즈(13)는 상기 미러(14)의 유효경과 실질적으로 동일한 지름을 갖도록 가공되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 가공 전 수광 렌즈(13')는 통상적인 렌즈와 같이 그 광학적 중심(C2)을 중심으로 하는 원형으로 제작될 수 있다. 이러한 가공 전 수광 렌즈(13')에 광통과영역(13)을 형성하고 광학적 중심(C2)을 광센서(17)의 중심에 일치시킨 후, 미러(14)에 의해 반사되는 반사광을 통과할 수 있는 부분을 제외한 부분을 제거하면 도 3에 도시된 것과 같이 측단면(L-L'선을 따라 절개한 단면)이 좌우 비대칭 형태가 되는 수광렌즈(13)로 가공될 수 있다. 특히, 광원(11)으로부터의 기준광의 중심축과 미러(14)의 중심이 일치하도록 배치되고, 가공후 수광렌즈(13)의 지름이 미러(14)의 유효경과 실질적으로 동일한 경우, 가공된 수광렌즈(13)의 중심(C1)과 광통과영역(131)의 중심은 서로 동일하게 될 것이다(즉, 가공 후의 수광렌즈(13)의 중심(C1)에 광통과영역(131)이 형성된다).

이와 같이, 본 발명은 거리 측정 장치의 광원(11)과 광센서(17)를 동일한 방향에 인접하여 설치할 수 있으므로 거리 측정 장치의 사이즈를 감소시킬 수 있다. 또한, 광원(11)과 광센서(17)를 다른 방향으로 배치한 종래의 거리 측정 장치에서 필요하였던 추가적인 미러를 사용하지 않으므로 거리 측정 장치를 제작하기 위한 부품 수를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 종래의 거리 측정 장치에서 필요한 추가적인 미러에 의해 광센서로 입력되는 반사광을 차단하는 단점을 해소하여 더욱 많은 양의 반사광을 광센서(17)로 제공하여 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수도 있다.

한편, 본 발명은 상기 수광렌즈(13)와 광센서(17) 사이에 특정 대역의 파장을 갖는 광을 통과시키는 광학 필터(16)를 더 포함할 수 있다. 상기 광학 필터(16)는 미러(14)에서 반사된 반사광이 수광렌즈(13)를 통과한 후 광센서로 집결되는 경로 상에 배치될 수 있으며, 상기 수광렌즈(13)를 통과하여 상기 광센서(17)로 진행되는 광 중에 거리 측정에 유효한 사전 설정된 특정 대역의 파장을 갖는 광만을 선별적으로 통과시키는데 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 광원(11)에서 광을 방출하는 시점과, 상기 광원(11)에서 방출된 광이 거리 측정 대상에서 반사된 반사광을 상기 광센서(17)에서 검출한 시점이 별도로 구비된 컴퓨터와 같은 연산장치(미도시)에 기록되고, 이 연산장치는 기록된 광 방출 시점 및 광 검출 시점에 대해 다양한 수학적 연산을 수행하여 거리검출 대상 물체까지의 거리를 연산하고, LCD 등과 같은 표시장치를 통해 사람이 인식할 수 있도록 표시하게 할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발 명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 거리 측정 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 광통과영역의 예들을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 수광렌즈의 형상을 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11: 광원 12: 콜리메이션 렌즈

13: 수광 렌즈 131: 광통과 영역

14: 미러 15: 미러 지지부

16: 광학 필터 17: 광센서

Claims (6)

1. 거리 측정을 위한 기준광을 생성하는 광원;

   상기 광원로부터 방출되는 기준광을 평행광으로 변환하는 콜리메이션 렌즈;

   상기 광원에 인접 배치되며, 상기 기준광이 방출되는 방향의 반대 방향으로 입사되는 광을 검출하는 광센서;

   상기 콜리메이션 렌즈를 통과한 기준광을 거리 측정 대상으로 향하도록 경로를 변경하고, 상기 기준광이 상기 거리 측정 대상에 의해 반사된 반사광을 상기 광센서로 향하도록 경로를 변경하는 미러; 및

   상기 광원 및 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 미러로부터 반사된 반사광을 상기 광센서로 집속하며, 상기 평행광으로 변환된 기준광이 경로 변화 없이 통과할 수 있는 광통과 영역이 형성된 수광 렌즈

   를 포함하는 거리 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광통과 영역은 상기 수광 렌즈의 양면을 관통하는 홀인 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 광통과 영역은, 상기 수광 렌즈의 굴절면에서 상기 기준광이 입사 및 출사되는 부분을 상기 기준광의 진행방향에 수직이 되도록 가공하여 형성된 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 수광렌즈는, 그 광학적 중심축이 상기 광센서의 중심에 일치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 광원은 상기 기준광의 중심축이 상기 미러의 중심을 향하도록 정렬되며, 상기 수광렌즈는 상기 미러의 유효경과 실질적으로 동일한 지름을 갖도록 가공된 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 반사광에서 사전 설정된 대역의 파장을 선택 통과시키는 광학 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.

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