KR101890314B1 - 레이저 트래커 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 볼 수용부를 구비하는 지지체와, 상기 수용부에 볼 조인트 형태로 수용되는 에어 베어링 볼과, 상기 에어 베어링 볼에 연결되며 상기 에어 베어링 볼을 회전 구동시키는 구동 유닛과, 상기 에어 베어링 볼에 설치되며 레이저 광원과 연결되어 타겟에 레이저를 조사하는 레이저 간섭계와, 상기 레이저 간섭계에 설치되며 상기 타겟의 이동에 따라 상기 타겟에서 반사된 레이저 빔의 변위를 감지하는 위치감지 디텍터와, 상기 위치감지 디텍터의 감지 결과를 근거로 상기 레이저 간섭계가 상기 타겟을 트래킹하도록 상기 구동 유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 레이저 트래커를 개시한다.

Description

레이저 트래커 {LASER TRACKER}
본 발명은 레이저 간섭계를 이용하여 이동하는 타겟을 자동으로 추적하는 레이저 트래커에 관한 것이다.
레이저 트래커(Laser tracker)란 타겟(반사경)까지의 거리(변위)를 측정하는 레이저 간섭 측정기에 대해 타겟을 자동 추적하도록 레이저 빛의 방향을 변화시킬 수 있는 기구를 추가한 측정기를 말한다.
도 1은 일반적인 형태의 레이저 트래커의 구성 및 레이저 트래킹의 원리를 나타내고 있다.
이에 따르면, 레이저 발진기의 레이저는 레이저 간섭계(10)를 통과하여 미러(20)에서 반사되어 타겟(T)까지 도달하며, 타겟(T)에서 반사된 레이저는 미러(20)에서 다시 반사되어 레이저 간섭계(10)에서 광 검출기(30)에 도달한다. 광 검출기(30)에서 도달한 레이저 광의 변위로부터 미러(20)의 자세를 각종 구동 방법으로 제어하여 타겟을 추적한다.
이와 같은 구성의 레이저 트래커의 경우 미러(20)의 회전 중심과 미러(20) 및 레이저 간섭계(10)의 광축을 일치시키기가 매우 어려우며, 이와 같은 광축 정렬의 문제로 인하여 거리 측정 오차가 발생하는 문제가 있다.
공개특허공보 제10-2008-0065498호 (2008.07.14)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존 대비 구동 오차를 줄여 거리 측정의 정확성을 향상시키는 것이 가능한 레이저 트래커를 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 볼 수용부를 구비하는 지지체와, 상기 수용부에 볼 조인트 형태로 수용되는 에어 베어링 볼과, 상기 에어 베어링 볼에 연결되며 상기 에어 베어링 볼을 회전 구동시키는 구동 유닛과, 상기 에어 베어링 볼에 설치되며 레이저 광원과 연결되어 타겟에 레이저를 조사하는 레이저 간섭계와, 상기 레이저 간섭계에 설치되며 상기 타겟의 이동에 따라 상기 타겟에서 반사된 레이저 빔의 변위를 감지하는 위치감지 디텍터와, 상기 위치감지 디텍터의 감지 결과를 근거로 상기 레이저 간섭계가 상기 타겟을 트래킹하도록 상기 구동 유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 레이저 트래커를 개시한다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 구동 유닛은, 상기 에어 베어링 볼의 후단에 연결되는 연결 로드와, 상기 연결 로드와 볼 조인트 방식으로 연결되는 브라켓과, 상기 브라겟에 연결되며 상기 브라켓을 적어도 2축 방향으로 이송시키는 이송 스테이지를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 연결 로드는 상기 에어 베어링 볼의 회전에 따라 길이 조절 가능하게 구성될 수 있다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 레이저 간섭계는 상기 에어 베어링 볼의 표면에 설치되고, 상기 구동 유닛은 상기 레이저 간섭계의 반대편에서 상기 에어 베어링 볼을 지지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 레이저 간섭계는 빔 출력부가 상기 에어 베어링 볼로부터 일측 방향을 향하도록 상기 에어 베어링 볼의 내부에 설치되고, 상기 구동 유닛은 상기 에어 베어링 볼의 타측 방향에서 상기 에어 베어링 볼을 지지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 레이저 간섭계는, 상기 타겟으로부터 반사되어 돌아온 레이저를 분광시켜 일부를 상기 위치감지 디텍터로 보내는 제1분광기를 포함할 수 있다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 레이저 간섭계는, 거리측정용 광 검출기와, 상기 거리측정용 광 검출기의 일측에 배치되는 레퍼런스용 광 검출기와, 상기 레이저 광원으로부터 입력받은 레이저 광을 분광시켜 상기 레퍼런스용 광 검출기와 타겟으로 보내고 상기 타겟으로부터 돌아와 상기 제1분광기에서 분광된 레이저의 일부를 상기 거리 측정용 검출기로 보내는 제2분광기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 제1 및 제2분광기는 빔 출력 방향을 따라 일렬로 배열되고, 상기 거리 측정용 광 검출기와 레퍼런스용 광 검출기는 상기 제2분광기를 기준으로 마주보는 위치에 설치될 수 있다.
본 발명의 레이저 트래커에 따르면, 상기 제어부는 상기 거리 측정용 광 검출기와 레퍼런스용 광 검출기에서 검출된 광신호를 근거로 상기 타겟까지의 거리를 연산하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 레이저 간섭계를 에어 베어링 볼에 설치하고 에어 베어링 볼을 회전 구동시키는 메커니즘을 제공하며, 이에 따르면 거리 측정의 기준이 되는 에어 베어링 볼의 회전 중심을 트래킹시 동일한 지점으로 유지시킬 수 있는바, 거리 측정 오차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 형태의 레이저 트래커의 구성 및 트래킹 원리를 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 트래커의 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 레이저 트래커의 측면도.
도 4는 도 2에 도시된 연결 로드의 측단면도.
도 5는 도 2에 도시된 레이저 간섭계의 내부 구조를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 트래커의 평면도.
도 7은 도 6에 도시된 레이저 트래커의 측면도.
도 8은 도 6에 도시된 레이저 간섭계의 내부 구조를 나타낸 단면도.
이하, 본 발명과 관련된 레이저 트래커에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 트래커의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 레이저 트래커의 측면도이다. 그리고 도 4는 도 2에 도시된 연결 로드의 측단면도이다.
본 실시예에 따른 레이저 트래커는 지지체(110), 에어 베어링 볼(120), 구동 유닛(130), 레이저 간섭계(140), 위치감지 디텍터(150), 제어부(160)를 포함한다.
지지체(110)는 구면에 대응되는 곡면 형태를 갖는 볼 수용부(118)를 구비한다. 본 실시예에 따르면, 지지체(110)는 상부 지지체(111)와 하부 지지체(112)를 포함하는 구성을 가지며, 상부 및 하부 지지체(111,112)는 측면 지지체(113)에 의해 연결되어 있다. 상부 및 하부 지지체(111,112)와 측면 지지체(113)의 내측면에는 곡면이 형성되어 볼 수용부(118)를 형성한다.
에어 베어링 볼(120)는 볼 수용부(118)에 볼 조인트 형태로 회전 가능하게 수용된다. 에어 베어링 볼(120)은 볼 수용부(118)의 면과 비접촉 상태로 수용되며, 이를 위해 지지체(110)는 공압 공급 장치와 연결되어 볼 수용부(118)에 공압이 공급되도록 한다. 예를 들어 상부 및 하부 지지체(111,112)에 에어 노즐이 연결되어 에어 베어링 볼(120)의 표면에 공기를 분사하도록 구성 가능하다. 나아가 측면 지지체(113) 또한 에어 베어링 볼(120)의 표면에 공기를 분사시키도록 구성하는 것도 가능하다.
구동 유닛(130)은 에어 베어링 볼(120)에 연결되며, 에어 베어링 볼(120)을 회전 구동시키는 기능을 한다. 예를 들면, 구동 유닛(130)은 에어 베어링 볼(120)의 후단에 연결되는 연결 로드(131)와, 연결 로드(131)와 볼 조인트 방식으로 연결되는 브라켓(132)과, 브라겟(132)에 연결되는 이송 스테이지(133)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
브라켓(132)에는 연결 로드(131)가 회전 가능하게 연결되며, 브라켓(132)의 전면에는 연결 로드(131)를 고정시키기 위한 고정 플레이트(137)가 설치될 수 있다(도 4 참조).
그리고 연결 로드(131)는 에어 베어링 볼(120)의 회전에 따라 길이 조절 가능하게 구성될 수 있다. 이는 에어 베어링 볼(120)의 회전시 브라켓(132)의 연결 지점과 에어 베어링 볼(120)의 연결 지점 사이의 거리 변화에 유연하게 대처하기 위함이며, 연결 로드(131)를 두 개의 부재의 슬라이드 결합 구조로 구현하거나 연결 로드(131)의 일단을 에어 베어링 볼(120)에 슬라이드 가능하게 결합시키는 방식 등으로 구현 가능하다.
이송 스테이지(133)는 브라켓(132)을 적어도 2축 방향으로 이송시키도록 구성되며, 본 실시예의 경우 브라켓(132)을 수평 방향(X축 방향)으로 이송시키기 위한 수평 이송부(134)와, 수평 이송부(134)를 수직 방향(Y축 방향)으로 이송시키기 위한 수직 이송부(135)를 포함하는 구조를 예시하고 있다.
본 실시예의 경우 수직 이송부(135)의 후면이 지지 프레임(175)에 의해 지지되어 있으며, 이들 구성과 지지체(110)가 베이스(170)에 함께 지지되어 있다. 다만 이러한 구성뿐 아니라 지지체(110)와 구동 유닛(130)을 별도의 지지 구조로 지지하는 구성도 가능하다.
레이저 간섭계(140)는 에어 베어링 볼(120)에 설치되며, 레이저 광원(100)과 연결되어 타겟(T)에 레이저를 조사하도록 구성된다. 레이저 간섭계(140)는 레이저 광원(100)과 광 케이블 등의 연결 수단을 통해 연결될 수 있다.
레이저 간섭계(140)는 본 실시예의 예시와 같이 에어 베어링 볼(120)의 표면에 설치되고, 구동 유닛(130)은 상기 레이저 간섭계(140)의 반대편에서 에어 베어링 볼(120)을 지지하도록 구성될 수 있다. 즉, 레이저 간섭계(140) 전방의 타겟을 지향하도록 설치되고, 구동 유닛(130)은 에어 베어링 볼(120)의 후방에 설치된다.
위치감지 디텍터(PSD: Position Sensitive Detector, 150)는 레이저 간섭계(140)에 설치되며, 타겟(T)의 이동에 따라 타겟(T, 또는 타겟의 반사경)에서 반사된 레이저 빔의 변위를 감지한다.
제어부(160)는 위치감지 디텍터(150)와 구동 유닛(130)에 연결되며, 위치감지 디텍터(150)의 감지 결과를 근거로 레이저 간섭계(140)가 타겟(T)을 트래킹하도록 구동 유닛(130)의 동작을 제어한다.
상기와 같은 구성에 따르면, 에어 베어링 볼(120)의 회전 중심이 거리 측정의 기준이 되며, 비접촉 회전을 통해 에어 베어링 볼(120)의 회전 중심을 동일 지점으로 유지시킬 수 있으므로, 거리 측정 오차를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
도 5는 도 2에 도시된 레이저 간섭계의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 레이저 간섭계(420)는 서로 수직한 광 도파로(W1,W2)가 형성된 하우징(148, 케이싱) 내에 위치감지 디텍터(150) 등의 광학 요소들이 설치된 구성을 가질 수 있다. 하우징(148)의 빔 입력부에는 광 케이블과의 연결을 위한 광 커플러(147)가 연결될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 하우징(148)은 레이저 빔의 입력 방향과 에어 베어링 볼(120)과의 연결 방향이 서로 수직한 방향을 갖도록 형성된다. 그리고 커플러(147)의 내측에는 입사 빔을 90도만큼 전환시키기 위한 분광기(145) 또는 반사판이 설치될 수 있다.
레이저 간섭계(140)는 타겟(T)으로부터 반사되어 돌아온 레이저를 분광시켜 그 일부를 위치감지 디텍터(150)로 보내는 제1분광기(141)를 포함할 수 있다. 그리고 제1분광기(141)에서 다른 방향으로 분광된 레이저를 이용하여 타겟(T)과의 거리를 측정하는 구성들이 구비될 수 있으며, 이들은 거리측정용 광 검출기(143), 레퍼런스용 광 검출기(144), 제2분광기(142) 등을 포함할 수 있다.
레퍼런스 광 검출기(144)는 거리측정용 광 검출기(143)의 일측에 배치되며, 제2분광기(142)는 레이저 광원(10)으로부터 입력받은 레이저 광을 분광시켜 레퍼런스용 광 검출기(144)와 타겟(T), 즉, 빔 출력단으로 보내고, 타겟(T)으로부터 돌아와 제1분광기(121)에서 분광된 레이저의 일부를 거리 측정용 검출기(143)로 보낸다.
제1 및 제2분광기(141,142)는 빔 출력 방향을 따라 일렬로 배열되고, 거리 측정용 광 검출기(143)와 레퍼런스용 광 검출기(144)는 제2분광기(142)를 기준으로 서로 마주보는 위치에 설치될 수 있다.
제어부(160)는 거리 측정용 광 검출기(143)와 레퍼런스용 광 검출기(144)에 각각 연결되며, 이들에서 검출된 광신호(예를 들어, 위상 신호, 간섭 신호, 타이밍 신호 등)을 근거로 타겟(T)까지의 거리를 연산하도록 구성될 수 있다.
레이저 간섭계(140)의 작동 과정을 살펴보면, 레이저 광원(100)에서 입력된 레이저 광은 제2분광기(142)에서 분광되어 일부는 레퍼런스 광 검출기(144)로 유도되고 일부는 타겟(T) 쪽으로 조사된다. 타겟(T)으로 조사된 레이저는 다시 이로부터 반사되어 레이저 간섭계(140)의 제1분광기(141)로 입사되며, 여기서 일부가 분광되어 위치감지 디텍터(150)로 유도되고, 다른 일부는 제2분광기(142)로 유도된다. 제2분광기(142)로 유도된 레이저는 거리 측정용 광 검출기(143)로 유도된다.
제어부(160)는 위치감지 디텍터(150)의 감지 결과를 근거로 레이저 간섭계(140)가 타겟(T)을 트래킹하도록 구동 유닛(130)의 동작을 제어하며, 거리 측정용 광 검출기(143)와 레퍼런스용 광 검출기(144)의 광신호를 근거로 타겟(T)까지의 거리를 산출한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 트래커의 평면도이다. 도 7은 도 6에 도시된 레이저 트래커의 측면도이다. 도 8은 도 6에 도시된 레이저 간섭계의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
참고로 도 6 내지 8에서는 구동 유닛(130) 및 제어부(160)의 구성에 대한 도시를 생략하였으며, 생략된 구성은 앞선 실시예에 대한 설명에 갈음하기로 한다.
앞선 실시예의 경우 레이저 간섭계(140)가 에어 베어링 볼(120)의 외면에 설치된 구조를 예시하였으나, 본 실시예의 경우 레이저 간섭계(140)가 에어 베어링 볼(120)의 내부에 설치된 구조를 예시하고 있다.
이에 따르면, 레이저 간섭계(140)는 빔 출력부가 에어 베어링 볼(120)로부터 일측 방향을 향하도록 에어 베어링 볼(120)의 내부에 설치되고, 구동 유닛(130)은 에어 베어링 볼(120)의 타측 방향에서 에어 베어링 볼(120)을 지지하도록 구성된다.
한편 지지체(110)의 경우 상부 지지체(111)와 하부 지지체(112)가 지지 기둥(114)에 의해 지지되는 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 볼 수용부(118)는 상부 및 하부 지지체(111,112)의 곡면에 의해서만 형성된다. 이러한 구조는 레어저 간섭계의 광 검출기(144,143)와 외부 기기 사이의 연결 공간을 확보하기 위한 구조이다.
본 실시예의 경우 하우징(148)은 제1광도파로(W1)만을 구비하며, 제2광도파로(W2)는 에어 베어링 볼(120) 내부를 관통하도록 형성된다. 위치감지 디텍터(150)와 제1 및 제2분광기(141,142)는 하우징(148) 내에 설치되며, 광 커플러(147)는 하우징(148)의 후방에 설치되어 있다. 본 실시예의 경우 앞선 실시예의 분광기(145)가 설치되어 있지 않다.
거리 측정용 광 검출기(143)와 레퍼런스용 광 검출기(144)는 제2분광기(142)에 대한 상호 배치 구조에 있어서는 앞선 실시예와 동일하나, 이들은 앞선 실시예와 달리 에어 베어링 볼(120) 내의 제2광도파로(W2) 상에 각각 설치된다.
이상에서 설명한 레이저 트래커는 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: 지지체 120: 에어 베어링 볼
130: 구동 유닛 140: 레이저 간섭계
150: 위치감지 디텍터 160: 제어부
170: 베이스

Claims (9)

  1. 볼 수용부를 구비하는 지지체;
    상기 수용부에 볼 조인트 형태로 수용되는 에어 베어링 볼;
    상기 에어 베어링 볼에 연결되며, 상기 에어 베어링 볼을 회전 구동시키는 구동 유닛;
    상기 에어 베어링 볼에 설치되며, 레이저 광원과 연결되어 타겟에 레이저를 조사하는 레이저 간섭계;
    상기 레이저 간섭계에 설치되며, 상기 타겟의 이동에 따라 상기 타겟에서 반사된 레이저 빔의 변위를 감지하는 위치감지 디텍터; 및
    상기 위치감지 디텍터의 감지 결과를 근거로 상기 레이저 간섭계가 상기 타겟을 트래킹하도록 상기 구동 유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 레이저 트래커.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 유닛은,
    상기 에어 베어링 볼의 후단에 연결되는 연결 로드;
    상기 연결 로드와 볼 조인트 방식으로 연결되는 브라켓; 및
    상기 브라켓에 연결되며, 상기 브라켓을 적어도 2축 방향으로 이송시키는 이송 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결 로드는 상기 에어 베어링 볼의 회전에 따라 길이 조절 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계는 상기 에어 베어링 볼의 표면에 설치되고,
    상기 구동 유닛은 상기 레이저 간섭계의 반대편에서 상기 에어 베어링 볼을 지지하는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계는 빔 출력부가 상기 에어 베어링 볼로부터 일측 방향을 향하도록 상기 에어 베어링 볼의 내부에 설치되고,
    상기 구동 유닛은 상기 에어 베어링 볼의 타측 방향에서 상기 에어 베어링 볼을 지지하는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저 간섭계는,
    상기 타겟으로부터 반사되어 돌아온 레이저를 분광시켜 일부를 상기 위치감지 디텍터로 보내는 제1분광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
  7. 제6항에 있어서, 상기 레이저 간섭계는,
    거리측정용 광 검출기;
    상기 거리측정용 광 검출기의 일측에 배치되는 레퍼런스용 광 검출기; 및
    상기 레이저 광원으로부터 입력받은 레이저 광을 분광시켜 상기 레퍼런스용 광 검출기와 타겟으로 보내고, 상기 타겟으로부터 돌아와 상기 제1분광기에서 분광된 레이저의 일부를 상기 거리측정용 광 검출기로 보내는 제2분광기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2분광기는 빔 출력 방향을 따라 일렬로 배열되고,
    상기 거리 측정용 광 검출기와 레퍼런스용 광 검출기는 상기 제2분광기를 기준으로 마주보는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 거리 측정용 광 검출기와 레퍼런스용 광 검출기에서 검출된 광신호를 근거로 상기 타겟까지의 거리를 연산하는 것을 특징으로 하는 레이저 트래커.
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