KR101794779B1 - 펨토초 레이저를 이용한 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 공간 좌표 측정 방법 - Google Patents

펨토초 레이저를 이용한 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 공간 좌표 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펨토초 레이저를 발생시키는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에 연결되며 펨토초 레이저를 복수의 타겟으로 조사시키는 레이저 간섭계와, 상기 복수의 타겟에 각각 설치되며 상기 레이저 간섭계에서 나온 레이저를 역반사시키는 복수의 역반사체와, 상기 각 역반사체에 구비되며 상기 각 역반사체로 들어온 레이저를 각 역반사체마다 다른 주파수 대역의 광으로 필터링하여 상기 레이저 간섭계로 보내지도록 하는 복수의 광학필터를 포함하고, 상기 레이저 간섭계는, 상기 각 역반사체로부터 돌아온 레이저 광을 식별할 수 있도록 레이저 광을 각기 다른 파장대의 복수의 레이저 광으로 각각 분리시키는 광 분리유닛과, 상기 광 분리유닛으로부터 분리된 각 레이저 광을 각각 감지하는 복수의 광 검출기와, 상기 각 광 검출기에 연결되며 상기 각 광 검출기에서 획득한 신호를 근거로 상기 각 타겟까지의 거리를 각각 산출하는 거리 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 공간 좌표 측정 방법을 개시한다.

Description

펨토초 레이저를 이용한 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 공간 좌표 측정 방법 {SIMULTANEOUS DISTANCE MEASURING SYSTEM OF MULTIPLE TARGETS USING FEMTOSECOND LASER AND SPATIAL COORDINATE MEASURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 다수의 타겟까지의 거리를 동시에 측정하기 위한 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 공간 좌표 측정 방법에 관한 것이다.
오늘날의 반도체, 디스플레이, 초고속 정보 통신을 포함한 첨단산업을 주도하는 핵심 기술들은 하드웨어 면에서 높은 정밀도를 요구하고 있으며, 이에 요구되는 정밀도는 수백 밀리미터의 대영역에서 나노미터 단위의 기능을 구현하는 극초정밀의 수준에 이르고 있다.
이러한 대영역 극초정밀에 대한 기술적 수요는 수 내지 수십 나노미터수준의 빛의 파장 크기 이하의 영역에서 구현될 수 있는 측정기술을 요구하고 있다. 이러한 측정 기술 중 레이저를 이용한 광학 간섭계는 비접촉 방식으로 측정 대상에 손상을 주지 않고 수 나노미터 수준의 분해능으로 측정이 가능하기 때문에 이에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
기존의 레이저 거리측정기술은 측정변위를 누적하여 거리를 측정하는 상대거리 간섭계의 원리를 기본으로 하므로 대영역 변위측정시 발생하는 오차들이 누적되어 나타나는 문제가 있으며, 공간상의 장애물로 인해서 측정이 중단되면 그 동안의 거리변화 정보를 누적할 수 없으므로 거리측정정보를 잃어 버리게 된다는 문제가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 절대거리간섭계가 제안되었으며, 이는 기존의 상대거리 간섭계와는 달리 측정물체의 이동 및 측정변위의 누적 없이 한 번에 거리를 측정할 수 있는 장점이 있는바, 이러한 절대거리간섭계에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 절대거리간섭계는 측정정밀도의 한계를 가지고 있었으나 최근 펨토초 레이저를 적용하여 측정정밀도를 향상시켰으며, 다수의 펨토초 레이저 기반 절대거리 간섭계를 사용한 다변측량법(Multi-lateration) 방식을 통해 공간좌표를 측정하는 연구가 제시되고 있다. 하지만 아직까지 다수 대상의 거리 및 공간좌표를 분리하여 측정할 수 있는 기술이 미비한 수준이다.
공개특허공보 제10-2011-0137955호 (2011.12.26)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 펨토초 레이저의 광특성을 기반으로 절대거리 간섭계를 이용하여 다수 타겟까지의 거리를 동시에 측정할 수 있는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 펨토초 레이저를 발생시키는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에 연결되며 펨토초 레이저를 복수의 타겟으로 조사시키는 레이저 간섭계와, 상기 복수의 타겟에 각각 설치되며 상기 레이저 간섭계에서 나온 레이저를 역반사시키는 복수의 역반사체와, 상기 각 역반사체에 구비되며 상기 각 역반사체로 들어온 레이저를 각 역반사체마다 다른 주파수 대역의 광으로 필터링하여 상기 레이저 간섭계로 보내지도록 하는 복수의 광학필터를 포함하고, 상기 레이저 간섭계는, 상기 각 역반사체로부터 돌아온 레이저 광을 식별할 수 있도록 레이저 광을 각기 다른 파장대의 복수의 레이저 광으로 각각 분리시키는 광 분리유닛과, 상기 광 분리유닛으로부터 분리된 각 레이저 광을 각각 감지하는 복수의 광 검출기와, 상기 각 광 검출기에 연결되며 상기 각 광 검출기에서 획득한 신호를 근거로 상기 각 타겟까지의 거리를 각각 산출하는 거리 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템을 개시한다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템에 따르면, 상기 광 분리유닛은, 레이저 광을 상기 타겟의 개수에 대응되는 개수로 분광시키는 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터에서 분광된 레이저 광으로부터 특정 파장대로 필터링하여 상기 각 광 검출기로 보내는 복수의 필터를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템에 따르면, 상기 광 분리유닛은, 레이저 광을 상기 타겟의 개수에 대응되는 개수로 분광시키되, 분광된 레이저 광마다 서로 다른 파장대를 갖도록 하는 색선별 빔 스플리터로 구현 가능하다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템에 따르면, 상기 레이저 간섭계는 동시 다변 측량이 가능하도록 복수의 위치에 복수로 구비될 수 있다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템에 따르면, 상기 레이저 간섭계는, 레퍼런스 미러와, 상기 레이저 발진기에서 들어온 레이저를 분광시켜 상기 레퍼런스 미러와 타겟으로 보내는 레퍼런스용 빔 스플리터를 더 포함하고, 상기 거리 산출부는 상기 타겟으로부터 돌아온 레이저광의 펄스와 상기 레퍼런스 미러에서 반사된 기준 펄스 간의 간섭 신호를 근거로 거리 정보를 산출할 수 있다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템에 따르면, 상기 레이저 간섭계는, 레퍼런스 광 검출기와, 상기 레이저 발진기에서 들어온 레이저를 분광시켜 상기 레퍼런스 광 검출기와 타겟으로 보내는 레퍼런스용 빔 스플리터를 더 포함하고, 상기 거리 산출부는 상기 광 검출기에서 감지된 레이저 광과 상기 레퍼런스 광 검출기에서 감지된 레이저 광의 위상차를 근거로 거리 정보를 산출할 수 있다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템에 따르면, 상기 레이저 간섭계의 빔 출력부에는 상기 레이저 간섭계의 레이저 광을 공간으로 확산시키는 광 확산기가 설치될 수 있다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템에 따르면, 상기 레이저 간섭계의 빔 출력부에는 상기 레이저 간섭계의 레이저 광을 회전 스캔시키는 회전 스캐너가 설치될 수 있다.
본 발명의 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템은 상기 레이저 간섭계를 회전 운동시켜 상기 레이저 간섭계에서 출력된 레이저 광을 회전 스캔시키는 회전 구동 유닛을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 회전 구동 유닛은, 상기 레이저 간섭계를 지지하는 구형 지지체와, 상기 구형 지지체를 회전 가능하게 수용하는 수용 지지체와, 상기 구형 지지체를 회전 구동시키는 회전 구동기를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
한편 본 발명은 알려진 3개 이상의 좌표에 상기 레이저 간섭계를 각각 설치하는 단계와, 상기 각 타겟에 상기 복수의 레이저 간섭계를 통해 레이저를 조사하여 상기 각 타겟까지의 거리를 측정하는 단계와, 상기 측정 결과를 근거로 상기 각 타겟의 좌표를 산출하는 단계를 포함하는 공간 좌표 측정 방법을 개시한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 펨토초 레이저의 광특성을 이용하여 다수의 타겟까지의 거리를 동시에 측정할 수 있는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템을 제공할 수 있으며, 이를 다수의 레이저 간섭계를 다변 측정에 활용하는 경우 3차원 공간 좌표 측정, 방위 측정 등 다양한 분야에 활용 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명에 적용 가능한 펨토초 레이저의 광 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 간섭계의 개략도.
도 4는 도 3의 레이저 간섭계를 이용한 거리 산출 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계의 개략도.
도 6은 도 5의 레이저 간섭계를 이용한 거리 산출 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 간섭계의 광 확산 구조를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계의 광 확산 구조를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 광 확산 구조에 적용 가능한 레이저 광의 형태를 예시한 도면.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계의 광 확산 구조를 나타낸 도면.
이하, 본 발명과 관련된 펨토초 레이저를 이용한 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 공간 좌표 측정 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템을 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명에 적용 가능한 펨토초 레이저의 광 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 간섭계의 개략도이다.
본 실시예에 따른 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템은 복수의 타겟(T1,T2)까지의 거리를 동시에 측정하기 위한 것으로서, 레이저 발진기(110), 레이저 간섭계(120), 광 필터가 구비된 복수의 역반사체(131,132)를 포함한다.
레이저 발진기(110)는 펨토초 레이저를 발생시켜 레이저 간섭계(120)로 인가한다. 레이저 발진기(110)는 광 케이블 등의 연결 수단에 의해 레이저 간섭계(120)와 연결될 수 있다.
펨토초 레이저는 펨토초 혹은 피코초의 시간폭을 갖는 펄스를 발생시키는 레이저로서, 각 펄스는 레이저 생성을 위한 공진기의 길이에 해당하는 주기 간격으로 형성된다. 이 때의 펄스 간의 간격에 해당하는 주기에 대한 주파수를 반복률 주파수라 한다.
이러한 펨토초 펄스는 광 스펙트럼 영역에서 수십 나노미터의 밴드폭을 갖는 광빗(optical comb)을 형성한다. 도 2는 이러한 광 빗의 일 예를 나타내고 있으며, 이에 따르면 광 빗은 수십 내지 수백 만개의 연속파 레이저(CW 레이저)로 구성되며, 이를 광 모드(optical mode)라고 한다. 광 모드는 일정한 간격으로 구성되며, 광 모드간의 간격이 상기 반복률 주파수가 된다.
펨토초 레이저는 넓은 주파수 대역 중 일부 주파수 대역을 광학 필터 등으로 필터링하여 사용하여도 필터링된 주파수 대역에 해당하는 펨토초 또는 피코초 펄스를 유지하는 광특성을 갖는다.
펨토초 레이저는 비선형결정체를 통해 고차 조화파를 생성하여 새로운 주파수 대역으로 스팩트럼 확장이 가능하며, 또한 고비선형 광섬유 혹은 광결정광섬유를 통해 주파수대역을 마이크로미터 폭으로 확장시킬 수 있고, 이때 레이저의 펄스 및 스팩트럼 특성은 계속 유지되는 특성을 갖는다.
레이저 간섭계(120)는 절대거리 간섭계로서, 레이저 발진기(110)에 연결되어 펨토초 레이저를 복수의 타겟(T1,T2)으로 조사시킨다. 본 실시예에서는 타겟(T1,T2)의 개수를 2개로 예를 들어 설명하나, 그 이상의 개수의 타겟까지의 거리를 측정하는 것도 가능하다.
아울러 레이저 간섭계(120)는 하나의 개수로 구비되는 것도 가능하나, 복수의 위치에 다른 레이저 간섭계(220,320)를 추가하여 시스템을 구성하는 것도 가능하다. 본 실시예의 경우 3개의 레이저 간섭계(120,220,320)를 각기 다른 위치에 위치시킨 것을 예시하고 있다. 이러한 구성에 따르면 다수의 지점으로부터 다수의 타겟까지의 거리를 동시에 측정하는 동시 다변 측량이 가능하며, 이를 통해 3차원 공간 좌표 측정, 방위 측정 등을 수행할 수 있다.
예를 들어, 공간 좌표의 측정은 알려진 3개 이상의 좌표에 레이저 간섭계(120,220,320)를 각각 설치하고, 각 타겟(T1,T2)에 각 레이저 간섭계(120,220,320)를 통해 레이저를 조사하여 각 타겟(T1,T2)까지의 거리를 측정하여, 측정 결과를 근거로 각 타겟(T1,T2)의 좌표를 산출하는 방법을 통해 수행 가능하다.
각 레이저 간섭계(120,220,320)는 서로 동일한 구성을 가질 수 있으며, 추후의 설명에서는 이 중 하나의 레이저 간섭계(120)를 예로 들어 그 구성에 대하여 설명하기로 한다.
복수의 역반사체(Retro-Reflector: 131,132)는 각 타겟(T1,T2)에 각각 설치되며, 레이저 간섭계(120)에서 나온 레이저 광을 역반사시키는 기능을 한다. 본 실시예의 경우 타겟(T1,T2)의 개수가 2개인 바 역반사체(131,132) 또한 2개의 개수를 가지며, 이하에서는 제1역반사체(131)과 제2역반사체(132)으로 지칭하기로 한다. 역반사체(131,132)는 입사된 레이저 광이 입사 경로와 동일한 경로로 복귀하도록 레이저 광을 반사시키며, 이에 따라 레이저 간섭계(120)에서 나온 광이 다시 레이저 간섭계(120)로 돌아오게 된다.
각 역반사체(131,132)에는 특정 주파수 대역(스펙트럼)의 성분만을 진행시키도록 필터링하는 광학필터가 구비되며, 각 역반사체(131,132)에 구비된 광 필터는 각 역반사체(131,132)로 들어온 레이저 광을 서로 다른 주파수 대역(스펙트럼)의 광으로 필터링한다. 이러한 광 필터는 역반사체(131,132)의 표면에 유전체를 코팅함으로써 구현 가능하다. 본 실시예에 따르면 제1역반사체(131)에 제1광학필터가 구비되고 제2역반사체(132)에 제2광학필터가 구비되며, 제1광학필터와 제2광학필터는 레이저 간섭계(120)의 광을 서로 다른 주파수 대역의 광(예를 들어 도 2의 T1과 T2로 표시된 스펙트럼 부분)으로 분리하여 레이저 간섭계(120)로 돌려 보낸다.
펨토초 레이저는 각 광학필터를 통해 분리된 주파수 대역의 광이 각각의 다른 주파수 대역의 펄스를 생성하며, 이러한 분리된 펄스 또한 앞서 설명된 펨토초 레이저 특유의 광 특성을 계속 유지하는 특성을 갖는다.
도 3을 참조하면, 레이저 간섭계(120)는 광 분리유닛(140), 광 검출기(151,152), 거리 산출부(160)를 포함하는 구성을 갖는다.
광 분리유닛(140)은 각 역반사체(131,132)로부터 돌아온 레이저 광을 식별할 수 있도록 레이저 광을 각기 다른 파장대의 레이저 광으로 각각 분리시키는 기능을 한다. 여기서 광 분리유닛(140)에 의해 분리되는 각 파장대는 각 광학필터가 분리시킨 주파수 대역에 대응되는 파장대이다.
광 분리유닛(140)은 레이저 광을 타겟(T1,T2)의 개수에 대응되는 개수로 분광시키는 빔 스플리터(141)와, 빔 스플리터(141)에서 분광된 레이저 광으로부터 특정 파장대로 필터링하는 복수의 필터(142,143)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 타겟(T1,T2)의 개수가 2개인 바, 빔 스플리터(141)가 레이저 광을 2개의 레이저 광으로 분광시키며, 2개의 제1필터(142)와 제2필터(143)가 구비되어 있다.
한편 광 분리유닛(140)은 이와 같은 구성뿐 아니라 색선별 빔 스플리터(Dichroic Beam Splitter)를 사용한 구성도 가능하다. 색선별 빔 스플리터는 본 실시예의 빔 스플리터(141)를 대체하도록 배치되어 레이저 광을 타겟(T1,T2)의 개수에 대응되는 개수로 분광시키되, 분광된 레이저 광마다 서로 다른 파장대를 갖도록 한다. 이러한 경우 앞서 사용된 필터(142,143)는 사용할 필요가 없다.
광 검출기(Photo Diode: 151,152)는 광 분리유닛(140)으로부터 분리된 각 레이저 광을 각각 감지하며, 본 실시예에 따르면 제1필터(142)를 통과한 레이저 광을 감지하는 제1검출기(151)와 제2필터(143)를 통과한 레이저 광을 감지하는 제2검출기(152)가 구비된다.
거리 산출부(160)는 각 광 검출기(151,152)에 연결되며, 각 광 검출기(151,152)에서 획득한 신호를 근거로 각 타겟(T1,T2)까지의 거리를 각각 산출한다.
레이저 간섭계(120)는 레퍼런스 미러(122)와, 레이저 발진기(110)에서 들어온 레이저를 분광시켜 레퍼런스 미러(122)와 타겟(T1,T2)으로 보내는 레퍼런스용 빔 스플리터(121)가 구비되며, 거리 산출부(160)는 상기 구성들을 이용하여 거리 정보를 산출한다.
도 4는 도 3의 레이저 간섭계를 이용한 거리 산출 방법을 설명하기 위한 그래프이며, 이하 도 3 및 4를 참조하여 이를 이용한 다수 타겟 동시 거리 측정 방법에 대하여 설명한다.
레이저 발진기(120)에서 레이저 간섭계(120)로 들어온 레이저 광은 레퍼런스용 빔 스플리터(121)에 의해 분광되어 레퍼런스 미러(122)와 타겟(T1,T2)으로 각각 보내진다.
레퍼런스 미러(121)로 보내진 레이저 광은 다시 반사되어 빔 스플리터(141)로 보내져 분광되며, 분광된 레이저 광은 각 필터(142,143)에 의해 특정 스펙트럼으로 분리되어 각 광 검출기(151,152)로 보내어진다.
타겟(T1,T2)으로 보내진 광은 타겟(T1,T2)의 제1 및 제2역반사체(131,132)에서 반사되어 다시 레이저 간섭계(120)로 돌아오며, 이 때 제1 및 제2광학필터에 의해 제1 및 제2주파수 대역의 레이저 광이 레이저 간섭계(120)로 들어오게 된다.
레이저 간섭계(120)로 돌아온 광은 레퍼런스용 빔 스플리터(121)에 의해 반사된 후 빔 스플리터(141)에서 분광되어 제1필터(142)와 제2필터(143)를 통과한다. 이에 따라 각 파장대의 레이저 광이 제1검출기(151)와 제2검출기(152)로 보내지게 된다. 이와 같은 구성에 따라 제1검출기(151)는 제1타겟(T1)에서 보내진 레이저 광을 수광하며, 제2검출기(152)는 제2타겟(T2)에서 보내진 레이저 광을 수광할 수 있다.
레퍼런스 미러(122)는 각 타겟(T1,T2)으로부터 돌아온 레이저광의 측정 펄스와 레퍼런스 미러(122)에서 반사된 기준 펄스(Reference Pulse)가 간섭될 수 있도록 이동될 수 있게 구성되며, 별도의 컨트롤러에 의해 구동될 수 있다. 컨트롤러는 거리 산출부(160)와 연결되거나 그와 일체로 구성될 수 있다.
기준 펄스와 측정펄스간의 간섭을 발생시키기 위한 또 다른 방법으로 레이저 발진기(110)의 길이를 조절하여 펄스 반복률 주파수를 변조하는 방법을 사용할 수 있다.
거리 산출부(160)는 도 4의 예시와 같이 각 타겟(T1,T2)으로부터 돌아온 레이저광의 측정 펄스(Pulse 1,Pulse 2)와 레퍼런스 미러(122)에서 반사된 기준 펄스(Reference Puse) 간의 간섭 신호를 근거로 거리 정보를 산출한다. 도 4의 (a)는 제1검출기(151)에서 획득한 기준 펄스와 측정 펄스를 간섭시키는 것을 보이고 있으며, (b)는 제2검출기(152)에서 획득한 기준 펄스와 측정 펄스를 간섭시키는 것을 보이고 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계의 개략도이고, 도 6은 도 5의 레이저 간섭계를 이용한 거리 산출 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
본 실시예의 레이저 간섭계는 앞선 실시예의 레퍼런스 미러(121) 대신에 레러런스 광 검출기(123)이 구비된다. 레퍼런스용 빔 스플리터(121)는 레이저 발진기(110)에서 들어온 레이저를 분광시켜 레퍼런스 광 검출기(123)와 타겟(T1,T2)으로 보낸다. 거리 산출부(160)는 레퍼런스 광 검출기(123)에 연결되며, 그로부터 광 신호를 입력받아 레퍼런스 펄스의 위상(θref)을 획득한다.
앞선 실시예의 경우 레퍼런스용 빔 스플리터(121)에서 분광된 레이저가 레퍼런스 미러(122)에서 반사되어 측정용 레이저 광과 간섭되어 각 광 검출기(151,152)로 보내어지는 반면, 본 실시예의 경우 레퍼런스용 빔 스플리터(121)에서 분광된 레이저가 레퍼런스 광 검출기(123)로 보내어진 후 거리 산출부가 레퍼런스 광 검출기(123)의 신호를 입력받는 구성면에서 차이가 있으며, 다른 구성은 앞선 실시예와 동일하다.
본 실시예에 따르면, 거리 산출부(160)는 각 광 검출기(151,152)에서 감지된 광 신호로부터 측정 펄스의 위상(θ1,θ2)을 획득한다. 거리 산출부(160)는 각 광 검출기(151,152)에서 감지된 레이저 광과 레퍼런스 광 검출기(123)에서 감지된 레이저 광의 위상차(θ1-θref,θ2-θref)를 근거로 각 타겟(T1,T2)까지의 거리 정보를 산출하게 된다. 도 6의 (a)는 제1검출기(151)의 측정 펄스와 레퍼런스 광 검출기(123)의 기준 펄스 사이의 위상차(θ1-θref), (b)는 제2검출기의(152)의 측정 펄스와 레퍼런스 광 검출기(123)의 기준 펄스 사이의 위상차(θ2-θref)를 산출하는 것을 각각 예시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 간섭계의 광 확산 구조를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따르면, 레이저 간섭계(120)의 빔 출력부에는 레이저 간섭계(120)의 레이저 광을 넓은 공간으로 확산시키는 광 확산기(170)가 설치될 수 있다.
광 확산기(170)는 확산빔(diverging beam) 형태의 레이저 광이 나가도록 레이저 광의 형태를 변환시키는 기능을 하며, 광 확산기(170)는 그 출력 방향이 타겟(T1,T2)이 위치한 공간을 향하도록 배치될 수 있다. 이러한 구성을 통해 복수의 타겟(T1,T2)이 넓은 공간에 걸쳐 위치하는 경우에도 하나의 레이저 간섭계(120)로 넓은 공간을 커버할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계의 광 확산 구조를 나타낸 (a) 사시도 및 (b) 평면도이며, 도 9는 본 발명의 광 확산 구조에 적용 가능한 레이저 광의 형태를 예시한 도면이다.
본 실시예의 경우 도 7에서 예시된 실시예와 달리 회전 스캐너(180)를 사용하고 있다. 회전 스캐너(180)는 레이저 간섭계(120)의 빔 출력부에 설치될 수 있으며, 광학 요소(예를 들어 미러)의 회전 구동에 의해 스캔 동작을 구현하는 광학식 방식으로 구현될 수 있다. 이에 따르면 회전 스캐너(18)는 (b)와 같이 특정 회전 각도(θ) 내에서 레이저 광을 반복적으로 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 여기서 빔의 형태는 도 9의 (a)와 같이 라인형 빔으로 구현하거나 (b)와 같이 확산형 빔의 형태로 구현할 수 있다.
이에 따르면 앞선 실시예 대비 적은 레이저 광량으로도 넓은 범위의 영역을 커버할 수 있는 이점이 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계의 광 확산 구조를 나타낸 도면이다.
본 실시예는 앞선 실시예와 같이 레이저 간섭계(120)의 빔 출력부에 광 확산 구조를 설치하는 것과 달리 레이저 간섭계(120) 자체를 이동시키도록 구성된다. 본 실시예의 광 확산 구조는 레이저 간섭계(120)를 회전 운동시켜 레이저 간섭계(120)에서 출력된 레이저 광을 회전 스캔시키는 회전 구동 유닛(190)을 포함한다.
회전 구동 유닛(190)은 레이저 간섭계(120)를 지지하는 구형 지지체(191)와, 구형 지지체(191)를 회전 가능하게 수용하는 수용 지지체(192)와, 구형 지지체(191)를 회전 구동시키는 회전 구동기(193, 모터)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
이에 따르면 레이저 간섭계(120)는 빔 출력 방향이 구형 지지체(191)의 회전축으로부터 편심되도록 설치될 수 있다. 수용 지지체(192)에는 연결축(194)이 고정되며, 연결축(194)은 수용 지지체(192)에 회전 가능하게 설치되어 회전 구동기(193)의 구동축과 연결될 수 있다. 회전 구동기(193)의 회전 구동에 따라 구형 지지체(191)가 회전 운동하여 레이저 빔의 회전 스캔 동작을 구현할 수 있으며, 여기에도 도 9의 예시와 같이 라인형 빔 또는 확산형 빔을 사용하는 것이 가능하다 할 것이다.
이상에서 설명한 펨토초 레이저를 이용한 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 공간 좌표 측정 방법은 위에서 설명된 실시예의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있으며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
110: 레이저 발진기 120,220,320: 레이저 간섭계
121: 빔 스플리터 122: 레퍼런스 미러
131,132: 역반사체 140: 광 분리유닛
151,152: 광 검출기 160: 거리 산출부

Claims (11)

  1. 펨토초 레이저를 발생시키는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기에 연결되며, 펨토초 레이저를 복수의 타겟으로 조사시키는 레이저 간섭계;
    상기 복수의 타겟에 각각 설치되며, 상기 레이저 간섭계에서 나온 레이저를 역반사시키는 복수의 역반사체; 및
    상기 각 역반사체에 구비되며, 상기 각 역반사체로 들어온 레이저를 각 역반사체마다 다른 주파수 대역의 광으로 필터링하여 상기 레이저 간섭계로 보내지도록 하는 복수의 광학필터를 포함하고,
    상기 레이저 간섭계는,
    상기 각 역반사체로부터 돌아온 레이저 광을 식별할 수 있도록 레이저 광을 각기 다른 파장대의 복수의 레이저 광으로 각각 분리시키는 광 분리유닛;
    상기 광 분리유닛으로부터 분리된 각 레이저 광을 각각 감지하는 복수의 광 검출기; 및
    상기 각 광 검출기에 연결되며, 상기 각 광 검출기에서 획득한 신호를 근거로 상기 각 타겟까지의 거리를 각각 산출하는 거리 산출부;를 포함하며,
    상기 광 분리유닛은 레이저 광을 상기 타겟의 개수에 대응되는 개수로 분광시키는 빔 스플리터, 또는 레이저 광을 상기 타겟의 개수에 대응되는 개수로 분광시키되 분광된 레이저 광마다 서로 다른 파장대를 갖도록 하는 색션별 빔 스플리터를 포함하고,
    상기 빔 스플리터가 적용된 경우에는 분광된 레이저 광으로부터 특정 파장대로 필터링하여 상기 각 광 검출기로 보내는 복수의 필터를 더 포함하여,
    상기 복수의 타겟에 대한 측정 신호를 각각 분리하여 측정하는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계는 동시 다변 측량이 가능하도록 복수의 위치에 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계는, 레퍼런스 미러와, 상기 레이저 발진기에서 들어온 레이저를 분광시켜 상기 레퍼런스 미러와 타겟으로 보내는 레퍼런스용 빔 스플리터를 더 포함하고,
    상기 거리 산출부는 상기 타겟으로부터 돌아온 레이저광의 펄스와 상기 레퍼런스 미러에서 반사된 기준 펄스 간의 간섭 신호를 근거로 거리 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계는, 레퍼런스 광 검출기와, 상기 레이저 발진기에서 들어온 레이저를 분광시켜 상기 레퍼런스 광 검출기와 타겟으로 보내는 레퍼런스용 빔 스플리터를 더 포함하고,
    상기 거리 산출부는 상기 광 검출기에서 감지된 레이저 광과 상기 레퍼런스 광 검출기에서 감지된 레이저 광의 위상차를 근거로 거리 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계의 빔 출력부에는 상기 레이저 간섭계의 레이저 광을 공간으로 확산시키는 광 확산기가 설치되는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계의 빔 출력부에는 상기 레이저 간섭계의 레이저 광을 회전 스캔시키는 회전 스캐너가 설치되는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계를 회전 운동시켜 상기 레이저 간섭계에서 출력된 레이저 광을 회전 스캔시키는 회전 구동 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 회전 구동 유닛은,
    상기 레이저 간섭계를 지지하는 구형 지지체;
    상기 구형 지지체를 회전 가능하게 수용하는 수용 지지체; 및
    상기 구형 지지체를 회전 구동시키는 회전 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템.
  11. 제1항을 따르는 다수 타겟 동시 거리 측정 시스템을 이용한 공간 좌표 측정 방법에 있어서,
    알려진 3개 이상의 좌표에 상기 레이저 간섭계를 각각 설치하는 단계;
    상기 각 타겟에 상기 복수의 레이저 간섭계를 통해 레이저를 조사하여 상기 각 타겟까지의 거리를 측정하는 단계; 및
    상기 측정 결과를 근거로 상기 각 타겟의 좌표를 산출하는 단계를 포함하는 공간 좌표 측정 방법.
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