KR102386195B1

KR102386195B1 - 능동초점 고출력 레이저 포

Info

Publication number: KR102386195B1
Application number: KR1020220008569A
Authority: KR
Inventors: 김도준; 유승하
Original assignee: 커넥서스원(주)
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2022-04-14
Also published as: WO2023140522A1

Abstract

본 발명의 능동초점 고출력 레이저 포는 편심캠(12e)의 회전각을 조절하여 다수개의 파이버레이저유닛(10)의 조사각을 제어함으로써, 고출력의 레이져 빔을 조사할 수 있을 뿐 아니라, 상기 파이버레이저유닛(10)을 분할하여 조사하여 다중 목표물도 쉽게 파괴할 수 있게 된다.

Description

능동초점 고출력 레이저 포{Active Focusing High Power Laser Gun}

본 발명은 능동초점 고출력 레이저 포에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수개의 파이버레이저유닛을 판상의 중심과 둘레에 배열하고, 상기 파이버레이저유닛에서 생성된 빔의 초점거리가 조정되도록 편심캠을 NC서보모터로 구동하여 상기 파이버레이저유닛의 방사각을 조절함으로써 열에 의해 왜곡되는 광학계를 거치지 않고, 빔을 증폭하여 방사할 수 있는 능동초점 고출력 레이저 포에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 빔은 렌즈나 프리즘을 통해 합성되고, 상기 렌즈나 프리즘에 열이 축적되어 렌즈와 프리즘의 투과율이 변형됨으로써, 본래의 기능을 정확하게 수행지 못하는 경우가 발생되곤 한다.

그리고, 고출력레이저는 전방의 움직이는 물체에 조사하기 위하여서는 추적용 레이저 빔을 쏘아 전방 영역에 대한 관측 및 추적조준하고 전방 표적에 고출력레이저를 조사하게 된다.

그러나, 이러한 광학계는 망원경을 통하여 레이저를 전방으로 조사하면서 전방영역의 영상(레이저 지시점 포함)을 획득하는 방식이므로, 사용되는 망원경은 레이저 파장과 가시광 영역에 대하여 수차가 보정되고 투과도가 높아야 하는 제한이 있어 수차를 보정하기 위하여 굴절률과 분산계수가 다른 광학유리의 조합으로 구성된 반사형 망원경이 주로 사용된다.

이와 관련된 종래기술로 한국공개특허공보 제10-2015-0071420호(2015.06.26.)에는 복수 망원경을 갖춘 레이저 추적조준 광학계가 개시되었다.

상기 종래기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 망원경(70)의 조사용 레이저 광경로와 영상 망원경(90)의 영상 광신호의 광경로에 구비된 제1이색성 광속분리기(20)와 제1반사경(30) 및 제2이색성 광속분리기(50)가 2개의 광경로를 동일 경로로 만들어 서로 분리된 구조이면서도 광경로 일부를 일치시키고, 제1반사경(30)에 2개의 광축을 제어하는 고속주사반사경타입 구동장치(40)가 구비됨으로써 1개의 망원경을 사용하는 경우와 같은 광축제어 효과를 얻을 수 있고, 특히 레이저 망원경(70)과 영상 망원경(90)을 분리함으로써 사용 레이저 파장 및 영상획득 파장에 따라 또 사용되는 레이저 출력에 따른 별도의 망원경 구조 및 코팅을 적용하여 사용자의 요구에 맞게 광학시스템 설계가 가능한 특징을 갖는다.

다만, 상기한 종래기술은 레이저 망원경(70)과 영상 망원경(90)을 사용하는 경우 한개의 망원경을 사용하는 것과 같은 광축제어 효과를 얻을 수 있더라도, 고출력레이저 빔은 프리즘이나 렌즈를 통하여 합성하여 사용함에 따라 상기 빔이 지나는 렌즈나 프리즘의 투과율로 인해 렌즈나 프리즘 내부에 열이 축적되어 렌즈와 프리즘을 변형시켜 본래의 기능을 상실하기 쉬운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명의 목적은 다수개의 파이버레이져유닛을 판상의 중심과 둘레에 배열하고, 상기 파이버레이져유닛의 초점거리를 조절하는 편심캠이 구비됨으로써, 초점거리를 능동적으로 제어하여 고출력의 레이저 빔을 조사할 수 있는 능동초점 고출력 레이저 포를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 능동초점 고출력 레이저 포는 다수개의 파이버레이저유닛이 실장된 주패널과,

상기 주패널이 좌우 회동 및 상하 틸팅되도록 상기 주패널의 하부에 결합된 팬틸트로테이터가 구비되고,

상기 파이버레이저유닛은 상기 주패널의 중앙에 결합된 중앙유닛과, 상기 중앙유닛을 중심으로 정해진 거리만큼 이격된 원주상에 등간격으로 결합된 다수개의 외곽유닛으로 구분되며,

상기 외곽유닛은 상기 주패널에 결합된 고정브라켓과, 상기 고정브라켓에 결합된 자동조심볼베어링에 결합되어 회전되는 회전축과, 상기 회전축의 중앙 상면에 저면이 결합된 레이저회전브라켓과, 상기 레이저회전브라켓의 일측부에 결합된 파이버레이져와, 상기 레이저회전브라켓이 정해진 각도로 틸팅되도록 상기 레이저회전브라켓의 일측부에 접촉되어 회동되는 편심캠과, 상기 편심캠을 구동하는 NC서버모터감속기와, 상기 편심캠과 대향되게 상기 레이저회전브라켓의 타측부를 지지하는 스프링지지구로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 중앙유닛은 상기 주패널에 결합되어 고정된 중앙브라켓과, 상기 중앙브라켓의 중앙부에 결합되어 고정된 중앙파이버레이져이 구비되며, 상기 중앙브라켓에는 야간 작전수행을 위한 적외선레이저조명장치와, 사물 인식, 추적 및 기록을 위한 정밀카메라와, 레이저를 이용한 거리측정장치가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 팬틸트로테이터는 상기 주패널의 양측부에 연장된 패널축과 결합되는 패널틸팅축이 양측부에 구비된 상하틸팅구와, 상기 상하틸팅구가 좌우로 회동가능토록 상기 상하틸팅구의 중앙 저면부와 결합된 로테이터지지구로 이루어지며, 상기 상하틸팅구와 로테이터지지구의 중앙에는 외부로 연장되는 광선로와 제어배선이 배선되도록 상하로 관통된 배선연장공이 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 스프링지지구는 상기 레이저회전브라켓과 접촉되는 스프링플런저와, 상기 스프링플런저에 탄성력을 전달하는 스프링이 요입된 지지구본체 및 상기 지지구본체의 후면에 결합되어 상기 스프링의 탄성력을 조절토록 회전되는 압력조절볼트로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 고정브라켓에는 회전시 상기 주패널과 이격거리를 조절하는 높이조정볼트와, 상기 주패널에 결합되는 결합위치를 고정하는 고정볼트가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 외곽유닛은 상기 중앙유닛을 중심으로 반지름이 서로 다른 다수개의 원주상에 등간격으로 적층되어 결합된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에 의한 능동초점 고출력 레이저 포는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 주패널에 다수개의 파이버레이저유닛이 구비되어 하나의 목표물을 조준할 수 있도록 구성됨으로써, 광학계를 이용한 레이저포보다 고출력의 레이져빔을 용이하게 생성시켜 파괴력이 증대되며,

둘째, 파이버레이저유닛에 구비된 외곽유닛의 조사각을 조절하는 편심캠의 회전각을 NC서버모터감속기를 이용하여 제어함으로써, 초점거리를 보다 정밀하게 맞출 수 있고,

셋째, 고정브라켓을 주패널에 고정시 상기 주패널과 이격거리를 조절하여 기울기를 가변시킬 수 있는 높이조정볼트와 주패널상의 위치를 고정하는 고정볼트가 구비됨으로써, 생산과정에서 캘리브레이션을 보다 정밀하게 수행할 수 있고,

넷째, 외곽유닛과 중앙유닛에서 조사되는 빔의 조사각을 상기 편심캠의 회전각도에 따라 제어함으로써, 보다 용이하게 목표물의 거리를 산출하여 타격할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 복수 망원경을 갖춘 레이저 추적조준 광학계를 설명하는 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 능동초점 고출력 레이저 포의 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 파이버레이져유닛 중 외곽유닛을 설명하는 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 중앙유닛을 설명하는 도면이며,
도 5는 본 발명에 따른 캘리브레이션을 설명하는 도면이고,
도 6은 본 발명의 능동초점 고출력 레이저 포의 초점거리 산출을 설명하는 도면이며,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 외곽유닛의 결합상태를 설명하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 능동초점 고출력 레이저 포는, 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 다수개의 파이버레이저유닛(10)이 실장된 주패널(20)과, 상기 주패널(20)이 좌우 회동 및 상하 틸팅되도록 상기 주패널(20)의 하부에 결합된 팬틸트로테이터(30)가 구비되며, 차량이나 시저리프트등에 탑재되어 운용될 수 있다.

즉, 상기 팬틸트로테이터(30)는 차량이나 시저리프트에 고정된 상태에서 상기 주패널(20)를 상하 좌우 회동 시켜 대상 목표를 조준하게 된다.

그리고, 상기 파이버레이저유닛(10)은 상기 주패널(20)의 중앙에 결합된 중앙유닛(11)과, 상기 중앙유닛(11)을 중심으로 정해진 거리만큼 이격된 원주상에 등간격으로 결합된 다수개의 외곽유닛(12)으로 구분되며, 상기 주패널(20)은 원판형 또는 장방형 등 다양한 형상으로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 외곽유닛(12)은 상기 주패널(20)에 결합된 고정브라켓(12a)과, 상기 고정브라켓(12a)에 결합된 자동조심볼베어링(121)에 결합되어 회전되는 회전축(12b)과, 상기 회전축(12b)의 중앙 상면에 저면이 결합된 레이저회전브라켓(12c)과, 상기 레이저회전브라켓(12c)의 일측부에 결합된 파이버레이져(12d)와, 상기 레이저회전브라켓(12c)이 정해진 각도로 틸팅되도록 상기 레이저회전브라켓(12c)의 일측부에 접촉되어 회동되는 편심캠(12e)과, 상기 편심캠(12e)을 구동하는 NC서버모터감속기(12f)와, 상기 편심캠(12e)과 대향되게 상기 레이저회전브라켓(12c)의 타측부를 지지하는 스프링지지구(12g)로 이루어진다. 상기 스프링지지구(12g)는 편심캠(12e)과 대향된 위치에서 상기 레이저회전브라켓(12c)의 일측부에 편심캠(12e)이 밀착되도록 탄성력을 전달하게 된다. 여기서, 상기 NC서버모터감속기(12f)는 백-래쉬가 거의 없는 유성기어 감속기 일종인 하모닉-드라이브 감속기를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 레이저포는 상기 NC서버모터감속기(12f)를 각각 제어함으로써, 상기 편심캠(12e)의 조사각을 각각 조정하여 외곽유닛(12)을 2분할 또는 3분할하여 다중초점으로 운용되는 것이 가능하며, 이러한 정밀한 운용을 위해 상기 외곽유닛(12)을 구성하는 레이저회전브라켓(12c)과 편심캠(12e) 및 파이버레이져(12d)의 정렬은 매우 중요하게 된다.

이를 위해 생산시 캘리브레이션 타겟(C)을 사용하여 파이버레이져(12d)의 정렬상태를 보정하게 된다.

한편, 상기 중앙유닛(11)은 상기 주패널(20)에 결합되어 고정된 중앙브라켓(11a)과, 상기 중앙브라켓(11a)의 중앙부에 결합되어 고정된 중앙파이버레이져(11b)이 구비되며, 상기 중앙브라켓(11a)에는 야간 작전수행을 위한 적외선레이저조명장치(11c)와, 사물인식, 추적 및 기록용 정밀카메라(11d)와, 레이저를 이용한 거리측정장치(11e)가 더 구비된다. 즉, 추적 목표는 상기 중앙유닛(11)의 중앙파이버레이져(11b)를 기준으로 추적하여 대상과의 거리를 상기 거리측정장치(11e)로 부터 산출하여 외곽유닛(12)의 조사각을 조절하여 레이저빔을 조사하게 된다.

그리고, 상기 팬틸트로테이터(30)는 상기 주패널(20)의 양측부에 연장된 패널축(21)과 결합되는 패널틸팅축(31a)이 양측부에 구비된 상하틸팅구(31)와, 상기 상하틸팅구(31)가 좌우로 회동가능토록 상기 상하틸팅구(31)의 중앙 저면부와 결합된 로테이터지지구(32)로 이루어지며,

상기 상하틸팅구(31)와 로테이터지지구(32)의 중앙에는 외부로 연장되는 광선로와 제어배선이 배선되도록 상하로 관통된 배선연장공(33)이 구비됨으로써, 외부 자동차와 시저리프트에 탑재되는 레이져 발생장치와 연결되어 제어될 수 있게 된다.

한편, 상기 스프링지지구(12g)는 상기 레이저회전브라켓(12c)과 접촉되는 스프링플런저(123)와, 상기 스프링플런저(123)에 탄성력을 전달하는 스프링이 요입된 지지구본체(124) 및 상기 지지구본체(124)의 후면에 결합되어 상기 스프링의 탄성력을 조절토록 회전되는 압력조절볼트(125)로 이루어짐으로써, 상기 레이저회전브라켓(12c)에 일정한 탄성력을 전달할 수 있게 된다.

또한, 상기 고정브라켓(12a)은 회전시 상기 주패널(20)과 이격거리를 조절하는 높이조정볼트(126)와, 상기 주패널(20)에 결합되는 결합위치를 고정하는 고정볼트(127)가 구비됨으로써, 상기 편심캠(12e)으로 조정할 수 없는 영역을 상기 높이조정볼트(126)와 고정볼트(127)를 통해 조정할 수 있게 된다.

앞서 설명한, 캘리브레이션 타겟을 레이저 포와 약 20~50m 거리를 이격시켜 파이버레이져(12d)의 선단에 결합된 콜리메이터(미도시)를 분리하여 저출력 가시광선 레이저발생장치로 교체 한 후 가시광선의 기울기를 조정하여 상기 파이버레이져(12d)의 정렬상태를 상기 캘리브레이션 타겟의 목표점에 도달 여부를 기준으로 보정하게 된다.

한편, 상기 외곽유닛(12)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중앙유닛(11)을 중심으로 반지름이 서로 다른 다수개의 원주상에 등간격으로 적층되어 결합된다. 상기 외곽유닛(12)은 상기 중앙유닛(11)을 기점으로 동일한 반지름을 가진 다수개의 군집이 적층으로 구성될 수 있으며, 상기 외곽유닛(12) 간의 거리도 정해진 각도로 회전되어 동일 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 능동초점 고출력 레이저 포의 작용을 살펴보면 아래와 같다.

본 발명에 따른 능동초점 고출력 레이저 포는, 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 외곽유닛(12)의 파이버레이져(12d)의 조사각을 조절하여 렌즈나 프리즘을 이용한 고출력레이저 빔의 합성의 한계를 극복할 수 있게 된다. 즉, 중앙유닛(11)과 외곽유닛(12)을 하나의 지점(초점)에서 만나 출력을 수십 kW ~ 수백 kW 의 고출력을 생성할 수 있는 레이저 빔을 생성할 수 있게 된다.

여기서, 상기 파이버레이져(12d)에서 조사되는 레이저 빔의 구배(Gradient, 기울기)는 상기 편심캠(12e)의 회전각도를 제어함으로써, 조절하게 되는데, 이는 아래와 같은 식을 통해 산출할 수 있으며, 이를 통해 상기 편심캠(12e)의 회전각도를 제어하게 된다.

상기 편심캠(12e)의 변위량(δ)은 편심량(E_c)를 통해 산출하면,

변위량은 δ= E_c(1-cos A) 이고,

여기서, A는 편심캠(12e)의 회전각도이다. 따라서, 상기 변위량(δ)은 최대 편심량(E_c) 2배까지 변화될 수 있게 된다.

그리고, 상기 파이버레이져(12d)의 기울기는 T = d/δ 의 비례식을 통해 구할 수 있다.

여기서, d 는 상기 파이버레이져(12d)가 정열된 상태에서 레이저회전브라켓(12c)의 회전축(12b) 중심에서 상기 파이버레이져(12d)의 중심까지 직교거리이다.

따라서, 비례식을 산출하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 초점거리 Fc = D * T = D (d/δ) 이다. 여기서, D 는 주패널(20)의 중심과 외곽유닛(12)과의 거리이다.

즉, 중앙유닛(11)의 거리측정장치(11e)에서 목표대상물과의 검출한 거리는 초점거리로 대체할 수 있다. 즉, 검출거리를 기초로 편심캠(12e)의 회전각도 A를 제어하여 목표대상물에 레이저 빔이 조사되도록 제어할 수 있게 된다.

상기 편심캠(12e)의 변위량(δ)을 통해 조사각을 조절하는 기능은 다수개의 외곽유닛(12)을 군집별로 구분하여 조사각을 제어함으로써, 하나의 목표물 뿐 아니라 다수개의 목표를 조준하여 레이저 빔을 조사할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 능동초점 고출력 레이저 포는 편심캠(12e)의 회전각도 A를 제어하여 다중목표를 타격할 수 있을 뿐 아니라, 고출력의 레이저 빔을 하나의 목표에 집중하여 중요 목표물을 보다 용이하게 파괴할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 파이버레이저유닛 11 : 중앙유닛
11a : 중앙브라켓 11b : 중앙파이버레이져
11c : 적외선레이저조명장치 11d : 정밀카메라
11e : 거리측정장치 12 : 외곽유닛
12a : 고정브라켓 12b : 회전축
12c : 레이저회전브라켓 12d : 파이버레이져
12e : 편심캠 12f : NC서버모터감속기
12g : 스프링지지구 20 : 주패널
21 : 패널축 30 : 팬틸트로테이터
31 : 상하틸팅구 31a : 패널틸팅축
32 : 로테이터지지구 33 : 배선연장공
121 : 자동조심볼베어링 122 : 직립벽
123 : 스프링플런저 124 : 지지구본체
125 : 압력조절볼트 126 : 높이조정볼트
127 : 고정볼트
C : 캘리브레이션 타겟

Claims

다수개의 파이버레이저유닛(10)이 실장된 주패널(20)과,
상기 주패널(20)이 좌우 회동 및 상하 틸팅되도록 상기 주패널(20)의 하부에 결합된 팬틸트로테이터(30)가 구비되고,
상기 파이버레이저유닛(10)은 상기 주패널(20)의 중앙에 결합된 중앙유닛(11)과, 상기 중앙유닛(11)을 중심으로 정해진 거리만큼 이격된 원주상에 등간격으로 결합된 다수개의 외곽유닛(12)으로 구분되며,
상기 외곽유닛(12)은 상기 주패널(20)에 결합된 고정브라켓(12a)과, 상기 고정브라켓(12a)에 결합된 자동조심볼베어링(121)에 결합되어 회전되는 회전축(12b)과, 상기 회전축(12b)의 중앙 상면에 저면이 결합된 레이저회전브라켓(12c)과, 상기 레이저회전브라켓(12c)의 일측부에 결합된 파이버레이져(12d)와, 상기 레이저회전브라켓(12c)이 정해진 각도로 틸팅되도록 상기 레이저회전브라켓(12c)의 일측부에 접촉되어 회동되는 편심캠(12e)과, 상기 편심캠(12e)을 구동하는 NC서버모터감속기(12f)와, 상기 편심캠(12e)과 대향되게 상기 레이저회전브라켓(12c)의 타측부를 지지하는 스프링지지구(12g)로 이루어진 것을 특징으로 하는 능동초점 고출력 레이저 포.
제1항에 있어서,
상기 중앙유닛(11)은
상기 주패널(20)에 결합되어 고정된 중앙브라켓(11a)과, 상기 중앙브라켓(11a)의 중앙부에 결합되어 고정된 중앙파이버레이져(11b)이 구비되며,
상기 중앙브라켓(11a)에는 야간 작전수행을 위한 적외선레이저조명장치(11c)와, 사물 인식, 추적 및 기록을 위한 정밀카메라(11d)와, 레이저를 이용한 거리측정장치(11e)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 능동초점 고출력 레이저 포.
제1항에 있어서,
상기 팬틸트로테이터(30)는
상기 주패널(20)의 양측부에 연장된 패널축(21)과 결합되는 패널틸팅축(31a)이 양측부에 구비된 상하틸팅구(31)와, 상기 상하틸팅구(31)가 좌우로 회동가능토록 상기 상하틸팅구(31)의 중앙 저면부와 결합된 로테이터지지구(32)로 이루어지며,
상기 상하틸팅구(31)와 로테이터지지구(32)의 중앙에는 외부로 연장되는 광선로와 제어배선이 배선되도록 상하로 관통된 배선연장공(33)이 구비된 것을 특징으로 하는 능동초점 고출력 레이저 포.
제1항에 있어서,
상기 스프링지지구(12g)는
상기 레이저회전브라켓(12c)과 접촉되는 스프링플런저(123)와, 상기 스프링플런저(123)에 탄성력을 전달하는 스프링이 요입된 지지구본체(124) 및 상기 지지구본체(124)의 후면에 결합되어 상기 스프링의 탄성력을 조절토록 회전되는 압력조절볼트(125)로 이루어진 것을 특징으로 하는 능동초점 고출력 레이저 포.
제1항에 있어서,
상기 고정브라켓(12a)은
회전시 상기 주패널(20)과 이격거리를 조절하는 높이조정볼트(126)와, 상기 주패널(20)에 결합되는 결합위치를 고정하는 고정볼트(127)가 구비된 것을 특징으로 하는 능동초점 고출력 레이저 포.
제1항에 있어서,
상기 외곽유닛(12)은
상기 중앙유닛(11)을 중심으로 반지름이 서로 다른 다수개의 원주상에 등간격으로 적층되어 결합된 것을 특징으로 하는 능동초점 고출력 레이저 포.